JPH02101831A - 光送信機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、空間を媒体としレーザ光を送出する光送信機
に関するものである。

（従来技術とその問題点） 従来は、半導体レーザで電気→光変換する際の半導体レ
ーザの発射効率を向上させるための実用的なパルス駆動
回路がなく、かつパルス駆動回路によりコード化したデ
ィジタル情報を送信（発射）し、受信側でそれを受光す
る受光素子により光→電気変換してビット同期設定した
後、元のディジタル符号を再現するというようなディジ
クル信号処理技術がなかったために、本格的に光伝送に
よるディジタル通信ができなかった。

また、例え半導体レーザによる光通信が存在したとして
も、受光の有／無を判定するのみの単一情報による通信
で、本発明のように多くのディジタル情報を短時間に高
速で、かつ誤りなく伝送するという本格的な光伝送によ
るディジタルデータ伝送は不可能であった。

（発明の目的） 本発明の目的は、このような従来不可能とされた本格的
なディジタルデータの光送信機を提供することにあり、
Ｏ〜４ｋｍ位の短距離の見通し内にある移動局相互が小
型軽量の通信装置で、半導体レーザとフォトダイオード
（受光素子）とを用いてレーザ光線による高品質かつ高
速のディジタル通信を可能ならしめるものである。

（発明の構成及び作用） 本発明による光送信機は、見通し内にある複数の移動局
が互いに高速のディジタルデータ通信を行うためにパル
ス変調されたレーザ光を発射できる光発射器（プロジェ
クタ）を備えたことを最大の特徴とするものである。

本発明による光送信機は、従来のＩＩＩ’〜ＵＩＩＰ、
　ＳＨＦ帯の無線電波によるデータ通信と違って電波に
関する制約はないが、レーザ光を使用するために、人体
の目に対する安全性を考慮してその放射エネルギーは安
全許容値（９Ｘｌ０−’Ｊ／ｃ＋ａ）の約１７１０程度
で、伝送速度が１０００ｂｐｓ以上のディジタルデータ
伝送が行われる。その応用分野の一つとして、模擬訓練
用として火器の実弾の代りに本発明の光送信機によるレ
ーザ光線を使って弾道を近似させ、種々の火器の発射及
び火力による損害をシミュレート判定して損害状況を訓
練終了後に収集し、火器訓練の純度向上を達成すること
にも応用することができる。また、本発明による光送信
機は、今までの電波法等により制約があった無線のデー
タ伝送の新しい代替システムとして簡単に採用すること
ができる。

以下図面により本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の通信系統図で、複数の移動局Ａ、、Ａ
、Ａ３・・・Ａ、１及びＢ８．Ｂｚ、Ｂｚ・・・Ｂ７が
相互にデータ伝送を行うものである。１対１の場合でも
勿論採用できる。これら複数の移動局は互いに見通し内
の近距離にありレーザ光による光通信を行うものである
。このようなレーザ光線による空間伝送では、人体の目
に対する安全性を確保するため、レーザ光の放射エネル
ギーを安全許容値（９Ｘ１０−’Ｊ／ｃｄ）の約１０分
の１を目標とし、それを満足させるため高能率、高品質
で、かつ安全性をも考慮した伝送速度１２００ｂｐｓ程
度のパルス変調方式を採用するものである。

本発明の最大の特徴である光パルス変調方式による光発
射器（プロジェクタ）から発射されるレーザ光線を受光
した受信側は、移動体が比較的早い速度で互いに移動す
る場合、レーザ光の発射側と受光側のビームが長時間一
致しているのが困難である場合又は短時間しか発射でき
ないような場合に受信側で少ないビット数で高速にデー
タを処理することができる。

一般にレーザ光は、可視光、赤外線より波長が短く、そ
の波面及び発光時間の全範囲にわたってコヒーレント（
Ｃｏｈｅｒｅｎ　ｔ）な性質を持っている。つまりレー
ザ光は位相のそろった平行光線で、簡単に言えば、光波
の波面は伝搬の方向に垂直な平面であり、きわめてよい
単色光（時間的にコヒーレントである）といえる。これ
は電波のもつ性質に似ているが、光領域であるため波長
が短く前述のようにコヒーレントであるで広がりの少な
い平行光線であることを利用して光通信の分野に利用さ
れる。

レーザの種類としては、固体レーザ、気体レーザ、半導
体レーザ等があり、このうち高能率、小型、軽量でかつ
経済性に優れているものとして半導体レーザが光通信の
分野で使用されている。特に本発明ではＧａＡｓ半導体
レーザを用いて、そのＰ−Ｎ接合部の順方向に大きな電
流を流すとコヒーレントなレーザ光が発生し、その発振
波長は０．８〜０．９μ（１μ＝　Ｉ　ＸＩＯ−ｂｍ）
付近の周波数が得られる。

レーザ光の出力エネルギーの分布はＰ−Ｎ接合部に対し
第３図および第４図に示すような分布となる。逆にレー
ザ光線は光→電気変換する半導体の受光素子（フォトダ
イオード）を用いて、光エネルギーを電気エネルギーに
変換することができる。

第５図はその変換回路の簡単な説明図で、フォトダイオ
ード（Ｐ　Ｄ）にレーザ光線を照射させて抵抗Ｒ２に電
圧■。を得る。この実施例では、ローパスフィルタとバ
イパスフィルタとを組み合わせて構成されるバンドパス
フィルタを使った光学フィルタによりレーザ光のみ通過
させて電気エネルギーに変換する。

第２図は、本発明が適用される各移動局の通信装置のブ
ロック図である。

第２図において、２−１１．・・・２−１ｍは、各々受
光素子を内蔵した受光器（ＤＥＴＩ、・・・ＤＨＴｍ）
で、電気的には１つ１つの受光器はレーザ光線の受光部
と、レーザ光線を電気信号に変換する回路及び増幅回路
等により構成される。

具体的には、ＤＥＴＩ・・・ＤＥＴｍはすべて同じ回路
構成であり、そのブロック図を第６図に示す。図におい
て、シリコンフォトダイオードの受光素子（ＰＤ）にレ
ーザ光が照射されると、電流ｉが矢印のように流れ、抵
抗器Ｒ＋の両端に起電力■、が生じＡＭＰＩで増幅され
る。これが光→電気変換及び増幅の動作である。ＡＭＰ
２．　ＡＭＰ３は差動増幅器で、可変抵抗器ＶＲ，，ｖ
Ｒｔによって各々異なる入力電圧が設定され、受光入力
レベルの大きさにより、出力０ＵＴＩ、　０ＵＴ２のい
ずれか一方又は両方の端子とＯ■端子との間に（ずなわ
ち０１ｌＴ１−ＯＶ、又は０υＴ２−０■間に）直流電
圧を生ずるａ　Ｒ２ｒ　Ｒ３は各々フィードバック用の
抵抗で差動増幅特性を決定する。

すなわち、送信側より照射されたレーザ光線を、ＶＲ，
、ＶＲ，の設定により２種に設定された受光感度をもつ
受光器で、光−電気変換することができ、受光強度又は
回線のＳ／Ｎにより、いずれか一方の出力から選択して
ディジタル信号をとり出す。

なお、受光器の構造は、第７図、第８図に示すように、
電磁シールドケース７−１．７−４．８−１の受光面７
−２．７−５．Ｅｌ−２はその有効入射面積を大きくし
て受光検出感度を高めるため、エポキシ樹脂又はアクリ
ル樹脂などの透明な板８−６に銅箔などの導電物質を印
刷した印刷版から縦横の格子状シールド導体８−７をエ
ツチングによって形成させた構造である。なお、第７図
、第８図において、７−３．７−６．８−３は、内部回
路を構成する受光素子８−４からの微弱信号を増幅する
高感度増幅器８−５の出力引き出し線である。この受光
器の感度は、受光面積が一定であれば、入射する受信光
の受光量にほぼ比例する。

しかしレーザ光を直接受光素子８−４で受けると、外部
からの雑音や電波等の外乱によってＳ／Ｎ（信号対雑音
比）が低下するため電磁シールドケースを設けて感度を
上げ、外乱のなかで特に妨害となるマイクロ波レーダの
影響を防いでいる。

再び第２図に戻って、受光器ＤＥＴＩ〜ＤＥＴｍからの
電気信号（レーザのパルス信号）は、レーザ信号処理器
２−２３で処理されて、後述するフォーマットでこの中
の記憶ユニットにメモリされ、制御器２−２４にも表示
される。

本発明の主要部である光発射器（プロジェクタ）２−２
２は、レーザ信号処理器２−２３からのディジタル信号
（１２００ｂｐｓのパルス変調波形）を受けて前述のよ
うに半導体レーザを使って電気→光変換してレーザを送
出するもので、レーザ光の希望通達距離によって半導体
レーザのビークパワーを例えばｉｏｗ、５Ｗ、ｉｗとい
うように選択する。７〜８Ｗで第１１図に示すように送
信点から受信点までの距離すなわち通達距離り、　＝３
０００〜４０００　ｍで３ｍ　Ｘ　４　ｍの範囲を確保
できる。

第９図に本発明の主要部をなすプロジェクタ２−２２の
具体的な回路構成と入力波形（ａ）と出力波形（ｂ）と
を示す。第２図の制御器２−２４からレーザ信号処理器
２−２３ヘレーザ信号送出用の制御信号が入力されると
、自局のディジタル情報を繰り返し周波数１２００ｂｐ
ｓのディジタル信号に変換してライン■より出力され、
プロジェクタ２−２２に入力される。これが波形（ａ）
の２進ディジタル信号である。

この２進ディジタル符号により後述するサイリスタ（Ｓ
ＣＲ）のゲートＧｌを基準のレベルでかつパルスの立上
り、立下り時間を規定値以内にし、かつパルスのトラン
ジェントを少なくすることによってトリガーを確実にす
るように波形整形回路を通し、ＣＩ、Ｒ＋　、Ｑ＋　、
ＣＲｔ　、ＣＲｚ、パルストランスＴ、からなるパルス
印加回路にてＳＣＲのゲートＧ、に半導体レーザＣＲ，
の導通を制御するトリガーパルスを与える。ＳＣＲは、
カソードとゲートＧｌとの間に正のパルスが印加された
時のみ、アノードとカソード間が導通状態になる。

ＣＲ，、ＣＲｔはトランジェント波形を防止するための
ダイオードで、Ｃ，、Ｒ，はクロック立上りのスピード
アップ用の回路である。一方Ｃ２には常時Ｒｚ、　Ｒ３
＋　Ｑ　ｓを通して対アースに対し正の電圧が充電状態
になっており、前述の駆動パルスによりＳＣＲが導通状
態になると０２に充電した起電圧によりＣＲ４，ＳＣＲ
及び半導体レーザＣＲ。

を通して瞬時に大電流（４０Ａ程度）が流れ、この半導
体レーザＣＲ，よりレーザ光を発射（送出）する。半導
体レーザＣＲ，のピークパワーは印加電圧■２により決
定される。（ｂ）は半導体レーザＣＲ，によって電気→
光変換されたパルス変調波形で、伝送速度１２００ｂｐ
ｓのレーザ光線となる（ピークパワーは１〜１０Ｗ）。

半導体レーザＣＲ，の導通時の高周波等価回路は第１５
図のようにあられされる。第９図でＬｔ。

Ｌｔ・・・Ｌ、ｌはＰ　Ｆ　Ｎ　（Ｐｕ　１．　ｓｅ　
Ｆｏｒｍｉｎｇ　Ｎｅｔｗａｒｋ）とよばれるインダク
タンス用コイルで、これとＣｔｌＣ３，Ｃ４、Ｃｓ・・
・Ｃ７にて第９図℃）及び第１０図に示すパルスのパル
ス幅Ｔ　Ｗ　（＝　１２０ｎｓ）を決定する。

第１５図の等価回路を用いて解析すると、共振時のり、
Ｃの負荷インピーダンスＺは 但し、Ｃ＝Ｃｚ＋Ｃｉ＋Ｃ４＋・・・Ｃ９で表される。

通常ＰＦＮは６〜８段のコイルを採用しＣ＝１００００
ｐＦ　・・・■、Ｌ＝１０ｎＨ・−・■とすると０式一
方第１５図において、ＲＣｌＩ４はＣＲ，の順方向内部
抵抗、ＲＣＲ３はＣＲｓ　　（半導体レーザ）の順方向
内部抵抗であるから、 Ｒｉ、　＝　ＲｃＲｎ　＋　ＲＣＲ３＋　Ｒ４−０，２
５＋０．３８＋０．１ ＝０．７３Ω　　　−・−−−−−−−・−−−一−−
・−・−一−−−■となる。

この場合パルス幅Ｔｗは（第１０図に参考として拡大パ
ルス波形を示す。） Ｔｗ−２Ｎ面　−ｍ−−−−−−−−−−−−■で表さ
れる。ＮはＰＦＮの段数で前述のＮ＝６を採用すると、 Ｔｗ＝２Ｘ６σπ汀耐♂ ＝　１２０　（ｎｓｅｃ）　　　　　　　−、−、、−
、−、、−一■を得る。

レーザダイオードＣＲ，から発射されるパワーは、この
導通時のピーク電圧Ｖ　！ｌｌ１ｍｋとピーク電流■□
□の積により決定され、次式で示される。

例として印加電圧Ｖｚ””’９０Ｖを採用すると■、■
。

■、■の各式により、 ＝　１９．８　（Ｖ） ［相］ １９．８ ＝５２．１（＾） ■ を得る。

このようにして第９図のようなＰＦＮを使ったパルス変
調回路により、有効通達距離によりパルス幅及びピーク
パワーが設定され、ディジタル情報を入力して効率のよ
いパルス変調波のレーザ光を発射することができる。

なお、送信側のプロジェクタ２−２２から受信側の受光
器に対する照射の範囲（縦×横、例えば４ｍ　Ｘ　３　
ｍ　）は、特に前述のレーザ光のビークパワーと光を収
束するための凸レンズＸにより決定される。すなわちレ
ーザ光のコヒーレントな性質を利用して光源である半導
体レーザを凸レンズＸのほぼ焦点位置Ｆにおいて光を発
射する。

第２図において、レーザ信号処理器２−２３は、受光器
（ディテクタ）２−１１〜２−１　ｍ、プロジェクタ２
−２２．制御器２−２４を含めてシステム全体をコント
ロールするためのコンピュータを内蔵しており、レーザ
光の送／受の２進ディジタル信号処理及びビット同期、
フレーム同期処理等を行う。

次に、パルス変調されたレーザ光の２進ディジタル信号
（伝送速度１２００ｂｐｓ）の受信側の処理について説
明する。

第１２図は、１回の送信で送出されるレーザ光のディジ
タル信号の構成を示すタイムチャートで、ＳＴはスター
ト信号、ＣＩ、Ｃ２，Ｃ３は異種の情報、Ｅは終了信号
である。本システムの場合、移動局が比較的早い速度で
移動しかつ照射範囲が狭いので、通常のデータ伝送と異
なり短い時間にビット同期、フレーム同期を受信側で設
定し、誤りのないデータを確保する必要がある。このた
め、本発明のように、送信側では、瞬時に高能率で大き
いパワーを発射するパルス変調方式で、かつ情報はでき
るだけ圧縮し、受信側では、高速のビット同期補正を行
い誤りのないデータを確保できるようにする。すなわち
、ビット同期用のプリアンプル符号としてビット同期符
号（ＳＹＮＣ）につづいて同じ情報符号を続けて３回送
出し、受信側ではビット同期、フレーム同期（スタート
検出）判定後、３値多数決の判定を行う。送信側の情報
内容はできるだけ圧縮して少ないビット数で構成する。

第１３図はレーザ光線によるパルス変調波の送信及び受
信信号のタイムチャートで、第１４図は、第２図に示し
たレーザ信号処理器２−２３の主要回路のブロック図で
あり、ビット同期、フレーム同期（スタート検出）設定
とデータ検出を行う。第１３図において、送信側でトリ
ガーをＯＮにするとレーザ送信信号がプロジェクタから
パルス幅Δｂ＝１２０　ｎｓ、周期８３３μｓの１２０
０ｂｐｓの信号として出力される。情報符号に先立って
パルス幅１２０ｎｓのプリアンプル信号が８ビツト分送
信される。この８ビツト分の“１″の２進符号により高
速のビット同期が設定されるのであり、次に、その方法
を説明する。

第１４図において、１４−１はタイムベース用の原振ク
ロック発振器、１４−２．１４−３はこの原振クロック
を分周してタイミングクロックを作り出すための分周器
で、分周器１４−３の出力にデコーダ１４−４を接続し
デコーダ出力１〜８を得る。これが第１３図の受信側の
デコーダ出力１〜８のタイミングクロックで、１ビツト
分のパルス幅Ｔｄはとなる。

このデコーダ出力１〜８のタイミングクロックのどのス
ロットが受信到来信号と一致するかを判定するのがビッ
ト同期設定である。前述のディテクタ回路のデータ検出
部１４−５から得られる受信信号は光→電気変換した２
進のディジタル符号である。分周器１４−２．１４−３
及びデコーダ１４−４でつくられたシフトクロックと、
到来受信データとのＡＮＤを８個のＡＮＤ回路１４−６
〜１４−１３でそれぞれとり、８個のシフトレジスタ１
４−１４〜１４−２１のそれぞれへ、このＡＮＤデータ
をデータ到来速度の８倍のクロックスピード（又は到来
データ周期の１７８の周期）にて並列に同時に人力する
。

つづいてこの８個のシフトレジスタ１〜８段の各出力を
ＡＮＤ回路１４−２２〜１４−２９でＡＮＤをとり８ビ
ツトの全“１”°の信号が到来した時点（第１３図ビッ
ト同期スリット判定のＡ点）で、どのシフトレジスタ出
力に全て“１゛′が入力したかを判定する。第１３図の
例のようにＡ点でデコーダ出力３のスロットであると判
定した場合には第１４図のビット同期スリット判定／タ
イムベース発生回路１４−３０にてデコーダ出力３のタ
イムスロットを基準にして以後のデータについてデータ
サンプリングを行う。これがデータサンプリングクロッ
クである。

本発明では、受信データを誤りなく判定するためにスリ
ット判定に続いて必ず００”となるスタート信号（ＳＴ
）が到来したことをＳＴ検出回路１４−３１で確認し、
合致した時のみ３個の１６ビツトシフトレジスタ１４−
３２．１４−３３．１４−３４に前述のデータサンプリ
ングクロック（セットパルス１）にてスタート信号より
順次到来データを１ビツトずつシフトする。１６Ｘ　３
　＝４８ビット分のデータを前述の３個のシフトレジス
タ１４−３２〜３４へ入力すると第１３図のセットパル
ス１（３回目のＥ符号が到来してからΔｔ、ｓｅｃ後）
にて情報符号の１回目。

２回目、３回目の相対するＣ１．Ｃ２，Ｃ３のディジタ
ル符号をメモリ（ΣＣ１）　１４−３５．　　（ΣＣ２
）　１４−３６．　　（ΣＣ３”）　１４−３７に一時
入力し、ここで多数決判定を行う。第１３図のタイムチ
ャートＢの時点で１フレ一ム分のデータを前述のメモリ
１４〜３７に一時入力したことになる。前述のようにＣ
１，Ｃ２，Ｃ３は相異なる情報である。これらＣ１，Ｃ
２，Ｃ３の内容に示す移動局によって受信局が被弾した
ことになる。

メモリΣＣ１，ΣＣ２，ΣＣ３では第１２図［有］）に
示す多数決判定を行って次の１４ビットメモ１月４−３
８へ入力する。第１３図のタイミングではＢの時点より
Δｔ、たけ遅れてセットパルス２でメモリ１４〜３８へ
入力する。

以上のように、受信側の分周器による分周のタイミング
回路とデコーダ回路とから複数のタイミングスロットを
作り、到来受信信号がどのタイミングスロットと一致す
るかを判定する方法は、従来のようなビット同期設定の
方式のように到来信号を微分して０→１．１→０の変換
点を作り受信側のタイミングクロックの位相を到来ビッ
ト信号ごとに進ませたり遅らせたりして到来信号の位相
に一致させる方法に比べると、少ないビット数で瞬時に
ビット同期の判定ができ、かつ以後の受信データを多数
決判定によって受信データを決定するので、途中にデー
タ誤りがあっても正しいデータを出力することができる
。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明のパルス変調方式の
プロジェクタを備えた光送信機を採用すれば、受信側で
も軽量なハードウェアで１、常時安定して正しいデータ
を得ることができ、レーザ光線による光伝送データ通信
が可能となり実用上極めて大きい効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用する通信系統図、第２図は本発明
を適用する各移動局の通信装置のブロック図、第３図、
第４図はレーザ光の出力エネルギー分布図、第５図は光
→電気変換回路図、第６図は受光器電気回路図、第７図
は受光器の斜視図、第８図は受光器の正面と縦断面図、
第９図は本発明の主要部をなすプロジェクタの電気回路
ブロック図とタイムチャート、第１０図はレーザ光のパ
ルス波形拡大図、第１１図はプロジェクタの通達距離の
説明図、第１２図はレーザ光のディジタル信号のタイム
チャート、第１３図は送信および受信信号のタイムチャ
ート、第１４図はレーザ信号処理器のブロック図、第１
５図は高周波等価回路図である。 ２−１１〜２−１ｍ・・・受光器、　２−２２・・・プ
ロジェクタ、　２−２３・・・レーザ信号処理器、　２
−２４・・・制御器、　　７−１．７−４．８−１・・
・電磁シールドケース、　　７−２．７−５．８−２・
・・受光面、　７−３．７−６．８−３・・・引出線、
８−４・・・受光素子、　８−５・・・増幅器、８−６
・・・透明樹脂板部、　８−７・・・格子状シールド導
体、　１４−１・・・発振器、　１４−２．１４３・・
・分周器、　１４−４・・・デコーダ、　１４−５・・
・データ検出部、　１４−６〜１４−１３．１４−２２
〜１４−２９・・・ＡＮＤ回路、　１４−１４〜１４−
２１・・・シフトレジスタ、　１４−３０・・・ビット
同期スリット判定／タイムベース発生回路、　１４−３
１・・・ＳＴ検出回路、　　１４−３２〜１４−３４・
・・１６ビツトシフトレジスタ、　１４−３５〜１４−
３７・・・メモリ、　１４−３８・・・１４ビツトメモ
リ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体レーザにサイリスタを接続し、該サイリスタに２
   値のディジタルデータパルス電圧を印加して光によって
   ディジタルデータを送信することを特徴とする光送信機
   。