JPH05133716A - 双方向空間光通信装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】振動、電圧等の予期しない環境変化による光ビ
ームの角度ずれを補正する装置を提供する。 【構成】位置検出用受光素子（例えば４分割センサ）８
の受光面上での受光ビームスポットの位置ずれ情報は、
信号処理部１１を介して光軸ずれ補正信号としてミラー
駆動用制御部１２に送られ、ミラー角度可変機構部１０
の駆動部のモータを回転し、全反射ミラーをミラー面上
に直交する２軸の周りに回転させて、ビームスポットを
移動させる操作を繰り返し、位置検出用受光素子の受光
面中心近傍にビームスポットの中心が位置するようにす
る。さらに、ビームスプリッタ側の光軸１３と一致する
軸の周りの回転と組み合わせて、より効率良くビームス
ポットを移動させ、より応答性の良い制御を行うことが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は空間を伝送路として利用
し、光ビームを媒介として信号を送・受信する双方向空
間光通信装置に係わり、特に光軸ずれ補正機能を備えた
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、自由空間を介して光ビームを送受
信することによって情報伝達を行なう所謂空間光通信装
置が注目されている。

【０００３】双方向で光ビーム通信を行なう場合、図１
３のようにそれぞれの送受信機２０から相手側装置の方
向に光信号のビームを送ることになるが、相手側装置を
ビームの光束内に入れなければならない、相手側装置は
そのビームを受けて、光信号を受信することにより通信
を行なうことができる。

【０００４】光ビームは一旦角度調節を行なった後で
も、振動、風圧、日射によるゆがみ、大気の温度分布に
よる屈折等で角度が変化して相手側装置より外れる可能
性がある。したがって設置時の位置調節時および稼動中
にはビーム位置を検知して調節を行なう手段が必要とな
る。

【０００５】ビーム位置を検出する方法としては、図１
４に示すように送信用レンズ２２の周囲に複数の受信用
レンズ２１を配し、それぞれの受信レンズに入射する光
量の分布により受信ビームの中心からのずれを検出する
という方法が特開平１ー２２６２２８号公報で提案され
ている。また受信用のレンズと送信用のレンズを共用で
きるような方式では、ビーム位置検出専用のレンズを主
レンズの周囲に複数個配置する場合もある。この場合形
態は図１４と同じようなものになり、また伝送する主信
号の他に位置検出用の副信号（パイロット信号とも呼ば
れる）を重畳して伝送する方式も併用されることがあ
る。

【０００６】受信点でのビームのずれは相手側装置の送
信角のずれによるものであるから、ビームのずれを補正
するには、相手側にその情報を送り返す必要がある。そ
の手段としてはビーム位置を示す信号を本信号に多重し
て伝送する方式や電話、無線等の他の回線を利用する方
式を用いて装置全体を指向させることが一般的である。

【０００７】一方特開平２ー１８６３１１号公報では光
ビームの光路中に稼動ミラーを設けて光軸ずれを補正す
る装置が開示されている。この従来例を図１１に示す。
この装置によれば送信光路中に２枚のミラーを設けて１
軸ずつ独立に２軸方向の光軸補正する機構１０８と、送
・受共軸な光路中に更に２枚のミラーを設けて１軸ずつ
独立に２軸方向の光軸を補正機構１０７とを備えて角度
を補正するようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする問題点】前者の方式の場合に
は相手側装置に受信光ビームの位置情報を送り返す必要
があり、そのためには本信号に多重して伝送する方式の
場合、位置情報を送る側では位置信号を多重化できる形
に変換する（デジタル化し、それをシリアル信号に直
し、同期信号等を付加し、更に変調する等）ための回路
と多重化するための回路が必要となり、位置信号を受け
る側ではその逆の処理を行なう回路が必要となる。その
ために装置の構成が複雑になり、コストが高くなる。ま
た位置情報信号を多重化した分、本信号の送信電力が小
さくなるという問題もある。又、電話等の別回線を利用
して位置信号を伝送する場合も、信号変換、伝送手順の
制御等の回路が双方に必要で、コスト高になることは同
様であり、更に回線使用料等の余分なコストがかかって
来る。又、ビーム位置情報の伝送の問題以外にも、ビー
ム位置の検出手段自体が図７でもわかる通り多数の光学
系を必要とし、装置の大型化とコスト高を引き起こすこ
とになる。

【０００９】

【発明が解決しようとしている課題】一方後者のような
光軸ずれ補正手段を用いる場合にはミラーが少なくとも
合計４枚必要となり相当に長い光路の延長が必要となる
一方ミラーの角度変更による光束のずれの積み重なりが
大きく、装置の大型化又は補正角度範囲をあまり広くと
れない、という欠点がある。また、受信光の光軸補正を
する時に同時に送信光の光軸をも代えることになり、こ
の補正も必要となる。従って迅速な送受信光の光軸補正
を行なうために複雑な制御信号処理回路を必要としコス
トアップの要因となる。

【００１０】本発明は以上の問題を解決し、大地の振動
や風、あるいは設置場所の経時的熱歪み等による装置の
光軸ずれを補正する装置で、小型化を図りつつもより信
頼性の高い双方向通信を可能にする空間光通信装置を提
供することを目的としている。

【００１１】そして、本発明の特徴とするところは、情
報信号で変調された送信光を発生させる発光手段、変調
された受信光を受光する受光手段、前記送信光と受信光
のいずれか一方を反射させ他方を透過させる光学部材、
該光学部材から射出される送信光を送信側へ反射させる
とともに、受信光を前記光学部材へ反射させる反射部
材、前記光学部材を介して得られる受信光の一部を分岐
させる光分岐手段、前記光分岐手段によって得られる光
の位置状態を検出する検出手段、前記検出手段による光
の位置状態に従って前記反射部材を２つの軸を中心とし
て回転駆動させる駆動手段を具備することにある。

【００１２】

【実施例】図１は本発明に関する第１の実施例の概要図
である。発光素子としてレーザーダイオード１を用い、
レーザー光をほぼ平行光束にする正のパワーを持つレン
ズ群２と偏光ビームスプリッタ３と全反射ミラー４と受
信光分岐ミラー５（例えば１０％反射、９０％透過）と
光信号検出用受光素子６と、受信光の一部（９０％）を
光信号検出用受光素子６に集光させる正のパワーを持つ
レンズ群７と位置検出用受光素子８（例えば４分割セン
サ）と残り（１０％）の受信光を位置検出用受光素子８
に集光させる正のパワーを持つレンズ群９で構成されて
いる。全反射ミラー４には直交する２軸（例えば図２に
示すように光軸がミラーと交わる点において偏光ビーム
スプリッタ側光軸１３と直交しミラー反射面内にあるＣ
軸とそれに直交するＤ軸）の周りに回転させることので
きるミラー角度可変機構１０が備えられている。更に前
記位置検出用受光素子８からの光軸ずれ情報に基づきミ
ラー駆動用制御部へ光軸ずれ補正用信号を送る信号処理
部１１と、この補正用信号に基づき、ミラー角度可変機
構部１０の駆動部に対して駆動用信号を送るミラー駆動
用制御部とで構成されている双方向空間光通信装置であ
る。

【００１３】レーザーダイオード１から正のパワーを持
つレンズ群２に取り込まれるレーザ光は情報信号で変調
されており、又このレーザ光は偏光比でおよそ１００：
１から５００：１のほぼ直線偏光となっており特に図１
で紙面に垂直方向に偏光している。送信光の偏光方向が
偏光ビームスプリッタ３の貼合わせ面に対して平行にな
る位置関係、いわゆるＳ偏光となり、ほとんど（約９９
％）のレーザ光が貼り合わせ面で反射する。一方受信光
はこれに直交するＰ偏光となっておりほとんど（約９６
％）を透過するような多層薄膜が貼合わせ面に蒸着され
ている。同一構造の送・受装置を対向させて送・受信を
行なう時に偏光ビームスプリッタにおいてお互いの偏光
方向が直交するように、図１に示すビームスプリッタ側
光軸１３は鉛直方向に対して４５度の角度を成してい
る。

【００１４】広帯域化・高速応答の可能な大容量通信を
行なおうとすると光信号検出用受光素子６として例えば
アバランシェフォトダイオードのように有効受光域が直
径１ｍｍ程度の小さな素子が使われる。位置検出用受光
素子８の中心にレーザービームスポットの中心が位置し
た時に送信ビームが相手装置を受信可能な強度分布内で
照射できるようにし、かつ相手からの受信ビームが光信
号検出用受光素子６の有効受光域をはずれないようにす
る必要がある。そのために装置の組立段階において、光
信号検出用受光素子６と位置検出用受光素子８とは送信
光の光軸に対して、ミクロンオーダーで位置ずれを調整
されている。

【００１５】位置検出用受光素子８の受光面上での受光
ビームスポットの位置ずれ情報は信号処理部１１を介し
て光軸ずれ補正信号としてミラー駆動用制御部１２に送
られ、ここからミラー角度可変機構部１０の駆動部にミ
ラー駆動用信号が送られる。送られた信号に基づいて駆
動部のモーターが回転し、全反射ミラー４が図２に示す
ようにＣ軸とＤ軸の周りに回転する。この時の位置検出
用受光素子８の受光面上のビームスポットの動きを図
３、図４（図１における位置検出用受光素子８のＢ視
図）に示す。Ｃ軸の周りのミラー回転は図３の矢印に示
すように受光面の上下方向にビームスポット１４を移動
させる。Ｄ軸の周りのミラー回転は図５の矢印に示すよ
うに受光面の右上４５度方向か左上４５度方向にビーム
スポット１４を移動させる。このように異なる２方向
へ、ビームスポット１４を移動させるような操作を繰り
返して、位置検出用受光素子８の受光面の中心近傍にビ
ームスポット１４の中心が位置するように制御される。
また、図２に示すＤ軸周り回転の代りに図５に示すよう
なビームスプリッタ側の光軸１３と一致するＥ軸の周り
の回転と前記Ｃ軸周り回転とを組合わせると、Ｅ軸周り
回転による位置検出用受光素子８の受光面上でビームス
ポット１４の移動は図６の矢印に示すように、図３に示
すＣ軸によるビームスポット１４の移動と直交している
ため、より効率良くビームスポットを移動させることが
でき、より応答性の良い制御を行なうことができる。

【００１６】以上のような制御を通信時に継続的に行な
い相手側からの送信光を受光素子の中心で受ける自己姿
勢補正を、空間を隔てて向い合っている双方向光通信装
置のお互いが行なうことによって双方の送信ビームの強
度分布の中心近傍が相手側のビーム取込口に一致するよ
うにしたものである。

【００１７】なお、本実施例で用いる偏光ビームスプリ
ッタ３の分光透過率の一般的な光入射角度依存特性を表
わしたのが図９である。貼り合わせ面への入射角４０
度、４５度、５０度に対するＳ偏光成分の透過率をＳ４
０、Ｓ４５、Ｓ５０、Ｐ偏光成分の透過率をＰ４０、Ｐ
４５、Ｐ５０で示す曲線で示し、波長８３０ｎｍのレー
ザーダイオードの発振波長を２１に示している。図のよ
うな特性を持った偏光ビームスプリッタを本実施例の装
置に用いる場合基準入射角４５度からずれて入射すると
Ｐ偏光成分の透過率特性の変化が顕しく、送信効率又は
受信効率の損失となる。従って、偏光ビームスプリッタ
に入射する光束は基準入射角４５度に揃ったほぼ平行な
光束となっていることが望ましい。

【００１８】また、受光量を多くするために反射ミラー
４の前方にビームエキスパンダーを設けることが望まし
い。

【００１９】図７は本発明に関する第２の実施例を説明
する概要図である。第１の実施例と異なるのは発光素子
としてレーザーダイオード１の代りに発光ダイオード１
５、偏光ビームスプリッタ３の代りに波長選択フィルタ
１６を用いている。また光信号検出用受光素子６として
はアバランシェフォトダイオードの代りにピン・フォト
ダイオードを用いても良い。

【００２０】発光ダイオード１５の発光強度分と波長選
択フィルタ１６の分光透過率は図８に示すような関係で
ある。自己の発光ダイオードは１７に示すように波長７
６０ｎｍ付近に発光ピークがあり、分布の長波長側の裾
は８００ｎｍ付近である。一方、相手側の発光ダイオー
ドは１９に示すように発光ピークが波長８８０ｎｍ付近
にあり、分布の短波長側の裾は８５０ｎｍ付近である。
ここで自己の波長選択フィルタとして図８の１８に示す
ような分光特性のものを用いると自己の発光ビームはほ
とんど反射し、ミラー４を介して相手側へ送られ、ミラ
ー４を介して取込まれる相手側からの受信ビームはほと
んど透過し、受光素子６、８に到達する。相手側につい
ても図８の２０に示す分光特性の波長選択フィルタを用
いると同様の効果が得られる。その他は第１の実施例で
説明したと同様の機能を有している。

【００２１】本実施例では発光素子として発光ダイオー
ド、光信号検出用受光素子としてピン・フォトダイオー
ドを用いると、第１の実施例に比べて伝送容量が少なく
なるが電気回路を簡素化できるので、より安価な装置に
することができる。

【００２２】なお、本実施例で用いる波長選択フィルタ
１６の分光透過率の一般的な光入射角度依存性を表わし
たのが図１０である。入射角３０度、４５度、６０度に
対する自己の波長選択フィルタの分光透過率曲線Ｔ３
０、Ｔ４５、Ｔ６０を示したものである。角度依存性は
第１の実施例の場合ほど敏感ではないが、発光素子の発
光主波長の製品バラツキまで考慮すると、双方の発光強
度、分布曲線はかなり接近しているため、より効率の良
い送・受信を行なうには、波長選択フィルタに入射する
光束は基準入射角４５度に揃ったほぼ平行な光束となっ
ていることが望ましい。

【００２３】また、受光量を多くするために全反射ミラ
ー４の前方にビームエキスパンダーを用い、大口径なレ
ンズ部で送・受信することが望ましい。

【００２４】図１１にその実施例を示す。本実施例では
反射ミラー４の前方に正レンズ３０、負レンズ３１でな
るビームエクスパンダーを配置している。尚本実施例で
は、先の実施例の光信号検出用受光素子６と位置検出用
の受光素子８との位置を変えた例を示す。

【００２５】以上説明したように、本実施例によれば発
光素子と受光素子とビームスプリッタとを有する双方向
空間光通信装置においてビームスプリッタと受光素子と
の間で受信光分岐ミラーを光軸に対してほぼ４５度の位
置に設け、一方を光信号検出用受光素子へ、もう一方を
位置検出用受光素子へ分岐させ、それぞれ正のパワーを
持つレンズ群を介して集光させるようにする。更にビー
ムスプリッタの送信光出射側において、光軸に対しほぼ
４５度の角度を成して、２軸の周りに回転させることの
できるミラー角度可変機構を備えた全反射ミラーと、位
置検出用受光素子で検出される受光ビームスポットの位
置ずれ情報に基づき、ミラー駆動用制御部にミラー駆動
用信号を送る信号処理部とを設けることにより、装置が
揺れても常に受信ビーム強度分布の中心近傍で受信光を
取込むことができ、断線減少のより少ない信頼性の高い
双方向通信ができる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば光軸
ずれ補正のために駆動するミラーは１枚であるため、従
来例に比べて広いスペースを必要とせず装置のコンパク
ト化・軽量化が可能となる。更に光軸ずれ補正角度範囲
を従来の２枚１組による方式より広くとれるので、あら
かじめ伝送ビームの中心強度において余裕の或限りビー
ムを広げ、送信光の指向角を広げて使用することによ
り、光軸ずれ補正可能範囲をより広くすることができ
る。従って、より信頼性の高い双方向空間光通信装置を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関する光通信装置の第１の実施例の概
略図

【図２】本発明に関する光通信装置のミラー角度可変機
構を示す図

【図３】ミラーの角度を変化させた時の光ビームの動き
を示す図

【図４】ミラーの角度を変化させた時の光ビームの動き
を示す図

【図５】本発明に関し別のミラー角度可変機構を示す図

【図６】図５のＥ軸を中心としてミラーを回転させた時
の光ビームの移動を示す図

【図７】本発明に関する光通信装置の第２の実施例の概
略図

【図８】第２の実施例における発光ダイオードの発光強
度分布及び波長選択フィルターの分光透過率を示す図

【図９】第１の実施例における偏光ビームスプリッタの
分光透過率の光入射角依存特性を示す図

【図１０】本発明の第２の実施例に用いる波長選択フィ
ルタの分光透過率の光入射角度依存特性を示す図

【図１１】本発明に関する光通信装置の第３の実施例の
概略図

【図１２】従来の角度ずれ補正機構を備えた双方向空間
光通信装置の概要図の一例

【図１３】光通信装置の角度ずれの様子を示す図

【図１４】角度ずれを補正するための従来の装置の図

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｂ 10/22 10/24 // Ｇ０１Ｓ 7/48 Ａ 4240−5Ｊ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 情報信号で変調された送信光を発生させ
   る発光手段、変調された受信光を受光する受光手段、前
   記送信光と受信光のいずれか一方を反射させ他方を透過
   させる光学部材、該光学部材から射出される送信光を送
   信側へ反射させるとともに受信光を前記光学部材へ反射
   させる反射部材、前記光学部材を介して得られる受信光
   の一部を分岐させる光分岐手段、前記光分岐手段によっ
   て得られる光の位置状態を検出する検出手段、前記検出
   手段による光の位置状態に従って前記反射部材を２つの
   軸を中心として回転駆動させる駆動手段を具備すること
   を特徴とする双方向空間光通信装置。