JPH036937A - 大気光学通信リンク - 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、より一般的には、光フアイバー通信リンク、
より具体的には、光フアイバー通信システム内の中断を
迂回する伝送ブリフジを提供するために使用できる光学
大気通信リンクに関する。

及服皇豆塁 光ファイバーは、ローカル及び長距離網の両方内の通信
経路を提供するために広範囲に使用されている。通信に
対する光学ファイバーの使用が拡大するのに伴って、事
故的な切断が通信網に与える影響を最小限にくい止める
ために、破滅的なファイバーのｔ負傷を迅速に現場にて
回復するための必要性が増大している。破滅的なファイ
バー損傷は、災害の地域的あるいはタイプ的な特徴のた
めに、通常の回復方法が完全なサービスを提供するため
に１２時間以上を必要とし、故障発生６時間後のリスク
の総額が＄１ミリオンを越えるような状況であると定義
される。長距離ファイバーは、通常、鉄道に沿って引か
れ、通常、大地レベルの約３フイート下に埋設される。

脱線の際に、電車が完全に光ケーブルを損傷してしまう
ことは、良くあることである。故障したケーブルを修復
するために要求される時間は、事故現場へのアクセス状
況に大きく依存する。明らかに、脱線が有毒物質を運ぶ
貨物列車であるような場合は、光フアイバー修復要員が
事故現場に接近することが長間に渡り困難となる。原因
に係わらず、光ケーブルが切断されたとき、多くの場合
、ケーブルを修復し、サービスを完全にもとの状態に戻
すためには６時間以上が要求される。幾つかのケースに
おいては、故障が１５時間を越えるようなこともある。

個々のケースにおいて、サービスが故障発生から６時間
以内に回復された場合、数万ドルの直接コストが節約で
きる。

発明の要旨 本発明は、−時的に光フアイバー網の切断をブリ、ジす
るために使用することができる移動可能な短距離高デー
タ速度、高信頼性大気光学通信リンクに関する。簡単に
説明すると、本発明は、切断の両端に位置された、損傷
を受けた光ファイバーを約５マイル程度伸びることがで
きる大気光学伝送経路を介してブリッジするための二つ
のトランシーバを含む。個々のトランシーバは直線の伝
送経路を得るための一時的な構造を使用して位置決めさ
れる（つまり、必要に応じて持ち上げられる）。このト
ランシーバは光ファイバーからの低パワー　レーザー光
線を大気伝送のために膨張させ、受信された光線を信号
検出のために光ファイバーの終端上にフォーカスするた
めの光学デバイスである。これらオブティクスは、リア
ル　タイムにて受信される信号レベルが最適化されるよ
うに調節を行なうプラットホーム上に搭載される。

光学整合は、最初の展開の後に、コンピューターによっ
て制御される送信機ステアリング及び受信機追跡システ
ムによって自動的に保持される。

詳細な説明 ）」面には、トランシーバの送信オブティクス１０及び
受信オプティクス１２が示される。これらオブティクス
は、偏揺れ及び縦揺れに対して安定化されたコンピュー
ターである共通のブラットホームｌｌ上に搭載される。

送信オブティクスは、光ファイバー１６の終端から光学
エネルギーを直接に受信するように位置された収斂レン
ズＩ４を含む。送信オプティクスは屈折コリメーション
構成である。シングル　モード光ファイバーの開口数は
、４−インチの直径、５００１■の焦点距離のレンズに
おおむねマソヂングされる。光ファイバー１６の終端か
らの光は、４インチの直径を持つ光線にコーリミネート
される。光ファイバー１６に結合された機械的あるいは
電子−機械的に駆動される装置１８が、遠隔位置の受信
機の所の光線のサイズを光ファイバー１６の終端を５０
ＯＮの焦点距離のレンズ１４の終端に向かっであるいは
これから離れるように直接あるいは遠隔的に移動するこ
とによって変えるために使用される。こうして、送信さ
れる光線の直径が送信機と遠隔受信機の間の距離に無関
係に最適のサイズにセ・ノドできる。焦点平面内のファ
イバーの垂直及び／あるいは水平位置の追加の直接ある
いは遠隔コントロールによって出光線軸の経路を変える
ことができる。出力光線のこれら調節によって、全体と
してのシステムの整合が楽になる。送信機オブティクス
は１マイルの経路当り約１．３インチの低い幾何的固有
光線膨張率を持つ。

従って、光線が、送信機から受信機に伝播するとき、そ
の光線が被る事実上全ての膨張は、大気の影響に起因す
ることとなる。

受信オブティクス１２について、遠隔に位置された送信
機からの光１３　（つまり、送信オブティクス１０から
の光）は、シュミットーキャセグレイン（Ｓｃｈｍｉｄ
ｔ−Ｃａｓｓｅｇｒａｉｎ）テレスコープ２０内に集め
られる。テレスコープ２０からの光は、収斂レンズ２２
を使用してコリメートされる。この光のスペクトル成分
が、次に、狭帯域フィルター２４によってろ波される。

狭帯域フィルター２４からの光は、光線スプリッター２
６に向けられる。

この光線スプリッターは、集められた光の８０％を１５
ｏｎレンズ２８にパスする。レンズ２８は、受信される
光を入り光線再生器に送るために光ファイバー３０の終
端上にフォーカスする。レンズ２８からの光のファイバ
ー３０への結合ハ、Ｇ　Ｒａｄｅｄ　ＩＮ　ｄｅｘ　（
ＧＲＩＮ、）　　レンズ２９の使用によって助けられる
。　ＧＲＩＮレンズの整合は、受信された光をファイバ
ー内に結合するために重要である。

光の２０％は光線スプリッター２６によって反射され、
５００　ｍｓ収斂レンズ３２内を通過し、ミラー３４に
よって反射され、追跡光ダイオード３６上にフォーカス
される。追跡光ダイオードは、各々が円のＡπ形状のセ
クションを占拠するようにアレンジされた４つの別個の
ダイオ−ドラ持つ四分円デバイスである。これは、その
表面上のスポット　ライトの位置を検出するために使用
される。四分円ダイオードの焦点とファイバー結合の焦
点との間には１対１の関係があることに注意する。四分
円ダイオードの物理的位置決めがファイバーの焦点が空
間内のどこに位置するかを決定する。ダイオードの個々
の四円分は、導体を介して、増幅器３７に接続され、こ
の出力は制御コンピューターに結合される。制御コンピ
ューターは、増幅器からの出力信号を平均を得るために
時間の増分当り何回かサンプリングし、この情報を使用
して、その上に受信機及び送信機オプティクスが搭載さ
れるプラットホーム１１の位置を決定するために使用さ
れる信号を生成する。このプラットホームの位置決めは
、受信される信号を最適化することを助ける。

受信機のオブティタスは、各々が有効焦点距離を持つ二
つの別個のレンズ　システムであると見ることができる
０片方のレンズ　システムは四分円光ダイオード３６の
所に終端する光学経路に対応し、もう一方のレンズ　シ
ステムは光ファイバー３０の所に終端する光学経路に対
応する。光ファイバーの所に終端する第一のレンズ　シ
ステムに対する計算有効焦点距離は約２７．２　ｍであ
り；そして、四分円光ダイオードの所に終端する他のレ
ンズ　システムに対する計算有効焦点距離は約８．１ｍ
である。四分円ダイオードの直径は５鶴であり、またダ
イオードの直径の有効焦点距離に対する比はそのダイオ
ードの視野を定義する。四分円ダイオード　オプティク
スの視野は約１．１　Ｅ　−２度である。従って、受信
オプティクスは、１フイート／マイルの直径を持つ円を
“見る”ことができる。

個々のレンズ　システムに対するオプティクスの選択は
、光フアイバー結合要件に依存する。

ＧＲＩＮレンズ２９に入る光は１．０度の開口角度を持
つコーンから来る光に制限される。第一の収斂レンズ２
２をさる光線の与えられた直径に対して、入りロコーン
をマツチするために少なくとも１５０龍の焦点距離が要
求される。四分円ダイオードの所に終端するオブティク
スに対する要件は、追跡に起因するダイオードの表面上
の光線のモーションがＧＲＩＮレンズ結合オプティクス
のモーションよりも少なくとも二倍であるべきだと言う
経験から決定された要件である。これは、到達角度の変
化に対して、Ｇｌ？ＩＮレンズ上のビーム　スポットは
四分円ダイオードの所の光線スポットの１／３の偏位を
経験することを意味する。これは、追跡デイサ−に起因
するファイバー３０に入る光の強度変動を最小限にする
助けをする。

サービスの中断を持つ光学システムと通信網との間の接
続は、複数のエリアから成るものと見なすことができる
。一つのエリアは、ファイバー３０及び１６に結合され
た光学−電気（入り再生器）及び電気−光学（出再生器
）光学再生器から成る。光学再生器は、最大出力パワー
及び最小受信パワーの値を決定する。光学再生器の光学
特性は、任意のビット　エラー率におけるその最大平均
出力パワー及び最小平均入力パワーによって決定される
。最大レーザー出力は１ｄＢｍであり、本発明は、ｌ０
Ｅ−３ビツト　エラー率では信頼性がないと見なされる
ために、このビット　エラー率の最小検出器入力は、Ａ
Ｔ＆Ｔによって製造されるタイプＦＴシリーズＧ送信再
生器に対しては一３６ｄＢｍに対して測定される。これ
は、許容できる性能を保持したい場合、光学経路上の３
７ｄＢの最大総損失を許す。従って、このオプティクス
は、全体としてのシステムが失敗することなくできるだ
け大きな大気フェードを経験できるようにするために総
経路損失を３７ｄＢよりかなり小さくすべきである。Ａ
Ｔ＆Ｔによって製造されるＦＴシリーズＧ光学再生器は
、約２０ｄＢの受信機光学入力ダイナミック　レンジを
持つ。

従って、−１３ｄＢｍより大きな光学信号は、本発明の
受信機セクションをオーバーロードし、総ビット　エラ
ー率を増加する原因となる。

光学要素に起因する損失計算は、一般に、良く定義され
ている。通常、遭遇される三つの光学表面の個々につい
て１ｄＢの損失がある。バイコニック　ファイバー　コ
ネクターは、それぞれマルチモード及びシングル　モー
ド　ファイバーに対して、０．５　ｄ　Ｂ及び１ｄＢの
損失を加える。帯域フィルター及び光線スプリッターに
よる追加の損失は、それぞれ、３ｄＢ及び１ｄＢである
。考慮されなければならない二つの追加の損失は、集光
テレスコープ２０からのもの及び集められた光をファイ
バーに結合することによって起こされる損失である。Ｇ
ＲＩＮレンズは、集められた光をフィルター内に結合す
ることを助ける。ＧＲＩＮレンズ−光ファイバー　アセ
ンブリーがその位置が焦点平面内において調節可能なよ
うに搭載されると便利であることが発見された。光の軸
に対するＧＩＩＩＩＮの縦揺れ及び偏揺れも細かなスケ
ールにて調節可能であるべきである。これは、最良の光
の結合を達成するのに調節することが要求される全部で
四つの独立した位置調節機能を与える。理想状態下にお
いては、１．２１　＠ｉの光学構成は、結果として、５
０マイクロメートル　コア直径のファイバーに３ｄＢの
結合損失を加える。

テレスコープ結合に起因する受信パワーの損失は、主に
、受信機平面の所のビームのサイズが集光開口よりも大
きいことによる。前述の如く、受信機の所のビーム　サ
イズは、主に幾何的拡散及び大気的拡散によって決定さ
れる。光線の幾何的拡散は、ソースのサイズ及びコリメ
ーション　システムの焦点距離に関係し、本発明との関
連では、これはあまり大きくない。大気の光線拡散に与
える影響は、完全に解明されていない、但し、現場実験
によると、２マイルの光線経路に対して、１０−インチ
の光線拡散が存在することが想定される。本発明では、
■葡、に図解されているように、この損失は、約２マイ
ルの光線経路に対して、約１．３　ｄ　Ｂである。

田面・に示される本発明の実施態様に対しては、全シス
テムに対する総損失は、送信機が受信機から約２マイル
離れている場合約１３ｄＢである。

より詳細には、光学要素に起因する損失は約５ｄＢであ
り；帯域゛フィルターに起因する損失は約３ｄＢであり
；テレスコープ集光領域のそれは約２ｄＢであり、そし
て、ファイバー　オプティクス結合に起因する損失は約
３ｄＢである。従って、大気を通じて伝播する光線の光
学フェードが２４ｄＢ以上となったときにのみこのビッ
ト　エラー率が２４ｄＢ以上となり、信頼性が無くなる
。

１マイル以下の視界となった時に初めて２４ｄＢの総経
路減衰が起こると推定される。合衆国の大都市地域の空
港からの統計は、１マイル以下の視界は、稀な出来事で
あり、全体の２％以下の割合で発生することを示す、こ
れは、本発明が、全日数の９８％以上故障せずに機能す
ることを含蓄する。

光線は、その軌跡を、これが大気経路に沿って存在する
様々な屈折率を伝播するとき、変えることが良く知られ
ている。このために、高度にコリメートされた光線は、
集光開口上のその位置をシフトする。このタイプの光線
のモーションを補償するために、ステアリング追跡シス
テムが使用される。本発明の動作によると、反対方向に
ポイント間を伝わる光線には相反が存在することが想定
される。従って、互いに光線を送る二つの光学トランシ
ーバが存在する場合、片方のトランシーバの所の光線が
上方向に曲がれば、他方のトランシーバからの光線は、
同様に上方向に曲がりを受ける。ここで、個々のトラン
シーバが到着角度の変化を検出し、この変化を送信機及
び受信機オブティクス軸上で修正できる場合は、個々の
光線は再度集光開口の中心に集められる。この対称性の
主な長所は、二つのトランシーバが互いに独立して動作
できることである（つまり、これらは、入り光線以外の
通信リンクを必要としない）。より具体的には、遠隔測
定に対するデータ流内に追加のビットが要求されない。

この方法は、トランシーバの光学整合に対して要求され
るコントロールを簡素化し、双方向ファイバー　ベアが
自動的に回復されることを本質的に許す。このタイプの
ステアリング追跡のもう一つの長所は、個々のトランシ
ーバが入り光線をその基準として使用することができる
ことである。従って、トランシーバ　ブラントホームか
らの任意の局所モーションが存在する場合、追跡システ
ムは、このモーションを追跡速度がそのプラットホーム
が経験する振動に対して十分であることを条件に、その
出光線の軌跡を変化させることなく補償することができ
る。

本発明においては１．ｍｉ、に示されるように、四分円
ダイオード３６上にビーム　スポットの位置が耐えず監
視され、光学ブラットホーム１１が耐えずビーム　スポ
ットがダイオードの中心に保たれるように位置決めされ
る。光学プラットホームの位置決めは、四つの手順を含
むものと見なされる。第一に、ダイオードの個々の四分
円上に落ちる光の強度が電圧に変換され、そして、これ
ら電圧が制御コンピューター内において総和され、上、
下、左及び右四分円に対する合計電圧が与えられる。第
二に、これら総和が、例えば、１２ビツト　アナログ　
デジタル変換器によってサンプリングされる。ソフトウ
ェアの使用は、ダイオードを何回もサンプリングするこ
とを可能とし、こうして得られたサンプルの平均が調節
計算を追跡するために使用される。第三に、個々の軸を
要求される偏位だけ移動するために要求されるステップ
の数を決定するために幾つかの計算が遂行され、次に、
コマンドがプラットホーム　コントローラに送られる。

最後の手順は、要求されるモーションの実行である０本
発明の一つの実施態様においては、この追跡サイクルは
、最高１７サイクル／秒までの速度にて実行される。こ
の速度は、ソフトウェアと関連するパラメータの数に依
存する。

■サイクル内に許されるテーブル　ステップの最大数は
、一つのこのようなパラメータであり、実行速度に最も
大きな影響を与える１頃向を持つ。但し、実行時間はサ
イクル当り５回以上追跡光検出器をサンプリングするこ
とによって増加することもできる。追跡性能の劣化を回
避するために秒当りの追跡サイクルの数が最大化される
。

動作において、個々のトランシーバへの入り及び出光線
は、全体の経路長から見て、合物理的に短な実質的に平
行の経路を通らなければならない。

実際には、二つのペアの光学軸が一直線にくることが要
求される。これを達成するために、これら二つの軸を内
部的及び遠隔的に制御できれば大きな助けとなる。焦点
距離から送信ファイバーを１關外れるように移動させる
と、この光学経路が２マイルある場合、この光線は２１
フイート移動する。これは、個々の光線のグロス位置決
めは、僅かなファイバーの移動によって達成することが
できるが、一方、受信及び送信軸の小さな変動が２マイ
ルの経路を通じて大きな整合ミスを与えることを含蓄す
る。

初期整合のための一つの技術は、一つのトランシーμが
定位置に置かれた他方の送信トランシーバからの入り光
線を追跡することから開始される。

個々のサイトは、その条件に対して必要な座標を記録す
る。次に、役割が逆転され、新たな座標が記録される。

これら二つの座標に対する特定のトランシーバの座標の
差異（追跡のみの時及び送信のみの時の差異）は、ロー
カル受信及び送信光学軸の角度差と関係する。両方のト
ランシーバに対するこの差異がゼロのときシステムは整
合状態にある。座標の差異をゼロにするため、個々のト
ランシーバの送信軸のファイバーの位置を適当な方向に
移動することによる手操作調節が要求される。

四分円光ダイオード軸と受信オプティクス上のファイバ
ー結合軸との間の整合に関しての幾つかの追加のコメン
トをこの時点でしておくことが適当である。より具体的
には、いったん四分円光ダイオードが位置決めされると
、ＧＲＩＮレンズの焦点平面の他の光学要素が妨害され
ないと言う条件で決定される。これに加えて、トランシ
ーバとトランシーバの整合プロセスにおいて、受信オブ
ティクスがこの手ｊ順の際に調節されない場合、ＧＩ？
ＩＮレンズから四分円光ダイオードへの結合は影響を受
けない。

本発明においては、遠隔地にあるトランシーバに大気を
通じて約２マイル送信される光学エネルギーは、通常、
光ファイバーのみを通じて伝送される光を生成するため
に使用される光学再生器によって生成される。従って、
別の再生器によって受信されるために光ファイバーを通
じて伝送するための光を生成するための光学再生器は、
２マイルを越えることもある距離を大気を通じて伝送さ
れる光学エネルギーのみのソースである。本発明は、光
ファイバーの終端から出る光学再生器からの光学エネル
ギーを使用することによって、大気を通じての２マイル
を越える経路に沿って伝送するための専用の高パワー　
レーザーの必要性を回避する。

【図面の簡単な説明】

ｖ］面は、本発明の原理に従う安定化プラットホーム上
に搭載されたトランシーバ　オブティクスの略図を示す
。 く主要部の符号の説明〉 １０・・・・・・送信オプティクス １１・・・・・・プラットホーム １２・・・・・・受信オプティクス １４．２２・・・・・・収斂レンズ １６．３０・・・・・・光ファイバー ２０・・・・・・テレスコープ ２４・・・・・・狭帯域フィルター ２６・・・・・・光線スプリッター ２９・・・・・・ＧＲＩＮレンズ ３４・・・・・・ミラー ３６・・・・・・追跡光ダイオード （四分円光ダイオード）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光学再生器、該光学再生器からの光学エネルギーを
   受信するように結合された一端を持つ光ファイバー、及
   び該光ファイバーの他端から出て光学受信機に伝送され
   る該光学再生器からの光学エネルギーの膨張された光線
   を受信及びコリメートするために結合されたコリメーテ
   ィングレンズを含むことを特徴と する大気光学通信デバイス。 ２、請求項１に記載のデバイスにおいて、該光学ファイ
   バーの該他端を該コリメーティングレンズの焦点の内側
   あるいは外側に移動するために結合されるドライブ手段
   がさらに含まれることを特徴とする大気光学通信デバイ
   ス。 ３、請求項２に記載のデバイスにおいて、該コリメーテ
   ィングレンズが４インチ直径、 ５００ｍｍ焦点距離の収斂レンズであることを特徴とす
   る大気光学通信デバイス。 ４、請求項１に記載のデバイスにおいて、該光学受信機
   が該コリメーティングレンズからの光学エネルギーを受
   信し、該受信された光学エネルギーをその一端を通じて
   該光ファイバーに向けるための光ファイバー及び光学エ
   ネルギーコレクティング手段を含むことを 特徴とする大気光学通信デバイス。 ５、請求項４に記載のデバイスにおいて、さらに、該フ
   ァイバーに光を結合することを助けるため勾配屈折率レ
   ンズが該光学ファイバーの終端に結合されることを特徴
   とする大気光学通信デバイス。 ６、請求項５に記載のデバイスにおいて、該光学エネル
   ギーコレクティング手段がテレスコープであることを特
   徴とする大気光学通信デバイス。 ７、請求項６に記載のデバイスにおいて、該テレスコー
   プと該勾配屈折率レンズとの間に挿入され、該テレスコ
   ープからの光学エネルギーをコリメートするための第一
   の収斂レンズ、及び該第一の収斂レンズと該勾配屈折率
   レンズとの間に挿入され、該コリメートされた光学エネ
   ルギーを該勾配屈折率レンズにフォーカスするための第
   二の収斂レンズがさらに含まれることを特徴とする大気
   光学通信デバイス。 ８、請求項７に記載のデバイスにおいて、追跡四分円光
   ダイオード、該第一の収斂レンズ及び該第二の収斂レン
   ズとの間に挿入され該コリメートされた光の一部を該光
   ダイオードに向けるための光線スプリッター、及び該光
   線スプリッターと該光ダイオードとの間に位置され該光
   線スプリッターからの該コリメートされた光線を該光ダ
   イオード上に形成するための第三の収斂レンズがさらに
   含まれることを特徴とする大気光学通信デバイス。 ９、請求項１に記載のデバイスにおいて、該光ファイバ
   ー及び該コリメーティングレンズを支持するために結合
   された安定なプラットホーム、該安定なプラットホーム
   に結合された遠隔位置にある光学送信機からの光学エネ
   ルギーを受信するためのテレスコープ、該プラットホー
   ムに結合された一端を持つ光ファイバー、該光ファイバ
   ーの一端に結合された光学エネルギーの該ファイバーへ
   の結合を助けるための勾配屈折率レンズ、該テレスコー
   プと該勾配屈折率レンズとの間に挿入され、該プラット
   ホームによって支持される該テレスコープからの光学エ
   ネルギーをコリメートするための第一の収斂レンズ、該
   第一の収斂レンズと該勾配屈折率レンズとの間に挿入さ
   れ該プラットホームによって支持される該コリメートさ
   れた光学エネルギーを該勾配屈折率レンズの所にフォー
   カスするための第二の収斂レンズ、該プラットホームに
   よって支持された追跡四円分光ダイオード、該プラット
   ホームによって該第一の収斂レンズと該第二の収斂レン
   ズとの間に挿入され該プラットホームによって支持され
   た該コリメートされた光の一部を該光ダイオードに向け
   るための光線スプリッター、該光線スプリッターと該ダ
   イオードの間に位置され該光線スプリッターからの該コ
   リメートされた光線を該光ダイオードドライブ上にフォ
   ーカスするための第 三の収斂レンズ、該プラットホームに縦揺れ及び偏揺れ
   運動を提供するために結合された手段、及び該光ダイオ
   ード及び該ドライブ手段に結合された該プラットホーム
   の方位を該第二の収斂レンズからの光線を該光ダイオー
   ド上に保持するために決定するための制御手段がさらに
   含まれることを特徴とする大気光学通信システム。 １０、大気通信リンクを確立するための方法において、 該方法が： 光学信号を光ファイバーを通じて伝送するステップ； 該光ファイバーの一端から出る拡大された光学信号を受
   信及びコリメートするためにレンズを位置決めするステ
   ップ； 該膨張されコリメートされた光学信号を遠隔位置の所で
   受信するステップ、及び 該受信されたコリメートされた光学信号を 検出装置への伝送のために光ファイバーの終端上にフォ
   ーカスするステップを含むことを特徴とする方法。