JPH06252856A

JPH06252856A - 近赤外光空間通信装置

Info

Publication number: JPH06252856A
Application number: JP5341257A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Sakanaka; 徹雄坂中; Tateki Orino; 干城折野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-12-30
Filing date: 1993-12-10
Publication date: 1994-09-09

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体レーザーの出力を人体に安全なレベル
に抑え、大気の吸収スペクトルによる減衰の影響を受け
ずに長距離通信を可能とする。【構成】送信機１１に設けられた半導体レーザー１５
から出射された光ビームを、受信機１２内の受光素子２
４で検出することにより、近赤外線による光空間通信を
行うように構成されている。このような近赤外光空間通
信装置において、半導体レーザー１５の出力を人間の眼
に影響がないように抑え、使用環境温度における発振波
長の全領域が７３５ｎｍ〜７５９ｎｍ又は７７０ｎｍ〜
８１１ｎｍ又は８３８ｎｍ〜８９１ｎｍに含まれる半導
体レーザー１５を使用することにより、人体に対する安
全性を確保しながら信頼性の高い長距離通信を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光信号を伝搬させるこ
とにより離れた地点間で通信を行う近赤外光空間通信装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光空間通信は光信号を光ビームで自由空
間中を伝搬させることにより、数１００ｍ〜数ｋｍの遠
隔地点間での通信を行うものであり、例えば図４に示す
ように構成されている。送信側の発光素子１から出射さ
れた光ビームはコリメート用光学系２により平行ビーム
L1となり、大気中を伝達して受信側の集光用光学系３で
集光された後に、受光素子４で受光される。受光素子４
で受光された光信号は電気信号に変換されて出力され
る。

【０００３】地上の大気圏内で使用する場合には、この
方式は大気による散乱や吸収の影響を受けるために、光
強度が減衰する。このうち散乱に関しては、レーレ散
乱、ミー散乱、粒子による幾何光学的散乱が主な減衰要
因となる。レーレ散乱は大気分子によるものであり、散
乱の大きさは光の波長の４乗に逆比例し、近赤外域では
問題となる量ではない。ミー散乱は光の波長とあまり大
きさが変わらない大気中の塵等の微粒子（エアロゾ
ル）、霜、もや等によって発生する。図５はミー散乱の
波長特性図であり、複数の曲線はそれぞれの粒子径に対
応している。また、この図は全ての粒子径が等しいと仮
定して計算したものであり、実際の大気中には様々の径
の粒子が分布しているが、波長が短くなるにつれて散乱
が大きくなるのは同様である。比較的大きな粒子径を持
つ雨滴や雪等による幾何光学的な散乱では、波長に対す
る依存性はない。

【０００４】大気を構成する分子による吸収に関して
は、図６〜図９に示すように従来から水蒸気や二酸化炭
素等による吸収帯が赤外域の広い範囲に渡って存在する
ことが知られている。波長が１．０μｍ以下の近赤外域
では、図１０〜図１２に示すように太陽放射光のスペク
トル分布が測定され公表されており、これにより吸収ス
ペクトルが存在することが知られている。ただし、この
近赤外域のデータは太陽の大気と地球の高層大気の影響
も含んでおり、実際に光空間通信を行う地表に近い場所
では大気の構成要素も異なるために、図１０〜図１２の
データとは必ずしも同じスペクトル分布になるとは限ら
ない。

【０００５】更に、１００ｋｍの大気圏を透過後の吸収
スペクトルであるために、地表近くにおける数１００ｍ
〜数ｋｍの伝搬時にどの程度の影響があるかということ
は、直接これらのデータからは判別できない。大気中に
おいて光空間通信を行う際には、これらの大気の伝搬特
性を把握し、それに基づいて使用する発光源とその波長
を決定しなければならない。

【０００６】発光源としては、高出力の点光源であっ
て、光ビームを容易に拡がりの小さい平行ビームとする
ことができ、電気信号で直接高速変調が行える半導体レ
ーザーが最適に使用されている。この場合に、発振波長
が８１０ｎｍ〜８４０ｎｍの範囲内にある半導体レーザ
ーでは、従来から高出力でかつ信頼性の高いものが開発
されている。また、この波長帯域では大気の散乱による
減衰も可視域に比べて小さく、高感度で低雑音の受光素
子が入手し易いという利点がある。

【０００７】ただし吸収に関しては、上述のように従来
のデータは太陽放射光のデータであるという問題点があ
り、更に図１０〜図１２のように或る幅を持った吸収帯
が示されているが、正確な波長が記述されていない上
に、図１０〜図１２では少しずつ波長が異なるため、使
用する半導体レーザーの波長がどの程度の吸収の影響を
受けるかということは、実験的に確認する必要がある。

【０００８】実際に、８１０ｎｍ〜８４０ｎｍの波長帯
において、波長の異なる何種類かの半導体レーザーを用
いて大気中を伝搬させた場合には、吸収による影響は殆
ど観測されないため、この波長帯域では吸収による伝送
特性への影響はなく、十分実用可能であると判断するこ
とができる。このような理由により、従来の半導体レー
ザーを用いた光空間通信装置では、８１０ｎｍ〜８４０
ｎｍの波長域の半導体レーザーが使用されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな通信装置の設置台数が増加し、稼動期間も長期間に
なると、一部の装置で屡々数秒間から数分間の一時的な
信号の減衰が観測されている。特に、通信距離の長い装
置において減衰が大きく、信号断に至る場合もある。こ
の現象の原因について調査を行った結果として、信号の
減衰は大気の吸収によるものであることが分った。

【００１０】半導体レーザー発振光の大気吸収の機構を
把握するためには、大気の吸収スペクトルを詳細に測定
する必要があり、従来のような太陽放射光ではなく、実
際に地上で光ビームを伝搬させ、分解能の高い測定系を
用いて大気の吸収を正確に測定する。図１３〜図１５は
発明者らが行った大気の吸収スペクトルの測定結果のグ
ラフ図であり、気温２２℃、湿度３８％の室内におい
て、図１６に示すように、白色光源５からの白色光を平
行光として１５０ｍ伝搬させ、伝搬後のスペクトル強度
を光ファイバ６、光スペクトルアナライザ７（アドバン
テストＴＱ８３４５）を用いて測定したものである。

【００１１】結果として、従来は或る幅を持った吸収帯
とされていたスペクトルは、実際は連続した吸収体では
なく非常に幅の狭い多数の線スペクトルの集合体である
ことが判明した。また、個々のスペクトルの正確な波長
を測定し、各スペクトルによる地表上での減衰率も推定
した。この減衰量の測定は、半導体レーザーの光ビーム
を同じ距離だけ伝搬させ、半導体レーザーの発振波長を
吸収スペクトルの波長と等しくなるように設定し、光パ
ワーメータで測定した減衰量とその時の吸収スペクトル
の大きさとを比較することにより行った。測定時の検出
パワーの変化から、図１３〜図１５での１目盛が約２ｄ
Ｂの減衰と推定される。

【００１２】なおこの測定の分解能は、測定器の規格で
は０．０５ｎｍ以下であるが実際には０．０３ｎｍ以下
であり、それぞれの吸収スペクトルの幅は０．０６ｎｍ
程度であり、吸収スペクトルの大部分はＯ₂ 又はＨ₂ Ｏ
の分子による吸収と考えられる。また、９３０ｎｍ以上
の領域は吸収スペクトルの減衰率が大きく、非常に密集
しているため、実用的に使える領域ではないと考えられ
るので、図１３〜図１５ではこの部分を省略している。

【００１３】従来、光空間通信に使用されている近赤外
域の高出力の半導体レーザーは、通常は単一縦モードで
発振しており、スペクトル幅は０．０１ｎｍ以下と非常
に狭い。また、素子の温度や順電流により半導体レーザ
ーの発振波長が変化する。図１７は半導体レーザーの発
振波長の温度特性の代表的な例を示し、半導体レーザー
の波長は０〜５０℃の温度変化に対して約１０ｎｍ程度
変化し、変化の様子が所謂モードホッピングにより階段
状となることを示している。

【００１４】図１８はこの温度特性図の拡大図であり、
或る吸収スペクトルの位置を同時に示している。半導体
レーザーの発振波長はステップ状に変化するために、こ
の波長が吸収スペクトルの何れかと一致する確率は比較
的低いが、半導体レーザーの波長特性ではステップ間の
平坦部でも僅かな傾斜を有するため、偶然に動作点がＡ
の波長と一致することがある。その状態では、半導体レ
ーザーの発振スペクトルと大気の吸収スペクトルの波長
が重なり、しかも半導体レーザーの発振スペクトルの方
が幅が狭いために、スペクトル全体が減衰する。即ち、
一部の装置において通常の動作状態では、半導体レーザ
ーの発振光が全く吸収の影響を受けていなくても、使用
環境の変化により半導体レーザーの動作温度等の変化に
伴って発振波長が変化し、図１８のＡで示すような点を
通過する際に、一時的に信号が減衰するという現象が起
こる。吸収による減衰は、単位をｄＢで表すと伝送距離
に比例して増大するため、伝送距離が大きくなるとこの
影響は特に強くなる。

【００１５】このように従来の光空間通信装置では、た
とえ光信号を長距離伝送を行って信号の減衰がないこと
を確認した装置でも、動作温度等の使用環境の変化によ
る発振波長の変動を考慮に入れると、確実には通信状態
を保障することができないという問題点がある。

【００１６】更に、他の問題点として、半導体レーザー
の出射光の人間の眼に対する安全性がある。半導体レー
ザーは高輝度の点光源であり、コヒーレンスが高い。こ
のような光ビームは通信の用途には好都合であるが、人
間の眼に入射した場合には、網膜上に極めて小さなスポ
ットとなって結像するために危険性が高い。大気の吸収
による光の減衰の問題を解決する手段として、大出力の
半導体レーザーを使用して減衰に対する許容量を増や
し、吸収の影響を小さくすることは技術的には可能であ
るが、人間の眼に対する危険性を考慮すると、むやみに
半導体レーザーの出力を大きくすることはできない。

【００１７】人間の眼に対する影響に対しては半導体レ
ーザー光の全放射パワーではなく、単位断面積当りのパ
ワーである放射照度で考える必要がある。全放射パワー
が等しければ出射ビーム径を大きくすると放射照度は小
さくなるが、このためにはコリメートレンズ径を大きく
する必要があり、コストや容積、重量等の面で実用上コ
リメートレンズを大きくすることは限界がある。従来の
光伝送装置には出射ビーム径が小さいため、放射照度が
危険レベルを越えており、取り扱いの際には保護眼鏡を
掛ける必要がある場合もある。これは、試験的に特定の
場所で特定の人間が使用する場合には余り問題にならな
いが、実用的に使用するためには人間の眼に対する安全
性を考慮する必要がある。

【００１８】本発明の目的は、半導体レーザーの出力を
人体に安全なレベルに抑え、大気による吸収スペクトル
の減衰の影響を受けずに長距離通信を可能とする近赤外
光空間通信装置を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの第１発明に係る近赤外光空間通信装置は、発光源に
半導体レーザーを使用し、近赤外域の光波を大気中に伝
搬させて通信を行う光空間通信装置において、伝送距離
が２００ｍ以上の場合に、Ｌ（ｎｍ）を波長とした場合
の伝送路内の任意の位置での放射照度を６．４７・１０
^(L-700)/500 （Ｗ／ｍ² ）以下とし、前記半導体レーザ
ーの使用環境温度における発振波長の全領域が７３５ｎ
ｍ以上７５９ｎｍ未満又は７７０ｎｍ以上８１１ｎｍ未
満又は８３８ｎｍ以上８９１ｎｍ未満の範囲に含まれる
ことを特徴とする。

【００２０】また第２発明に係る近赤外光空間通信装置
は、発光源に半導体レーザーを使用し、近赤外域の光波
を大気中に伝搬させて通信を行う光空間通信装置におい
て、伝送距離が２００ｍ以上の場合に、Ｌ（ｎｍ）を波
長とした場合の伝送路内の任意の位置での放射照度を１
１．５・１０^(L-700)/500 （Ｗ／ｍ² ）以下とし、前記
半導体レーザーの使用環境温度における発振波長の全領
域が７３５ｎｍ以上７５９ｎｍ未満又は７７０ｎｍ以上
８１１ｎｍ未満又は８３８ｎｍ以上８９１ｎｍ未満の範
囲に含まれることを特徴とする。

【００２１】

【作用】上述の構成を有する本発明に係る近赤外光空間
通信装置は、伝送距離が２００ｍ以上の場合に、半導体
レーザーの出力を人間の眼に影響がでないように抑え、
使用環境温度における発振波長の全領域が、７３５ｎｍ
以上７５９ｎｍ未満又は７７０ｎｍ以上８１１ｎｍ未満
又は８３８ｎｍ以上８９１ｎｍ未満に含まれる半導体レ
ーザーを使用することにより、人体に対する安全性を確
保し、信頼性の高い長距離通信を行う。

【００２２】

【実施例】本発明を図１〜図３に図示の実施例に基づい
て詳細に説明する。図１は第１の実施例の構成図であ
り、送信機１１及び受信機１２が対面した光通信装置で
ある。入力信号は増幅器１３を介して、パッケージ１４
内に設けられ単一縦モード又はそれに近似されるモード
で発振する半導体レーザー１５に接続されている。ま
た、パッケージ１４内には半導体レーザー１５の出力を
検出する出力モニタ用フォトダイオード１６が設けら
れ、出力モニタ用フォトダイオード１６の出力は半導体
レーザー１５の出力を制御する出力制御回路１７に接続
されている。更に、パッケージ１４には冷却素子１８及
び温度センサ１９が設けられ、温度センサ１９の出力は
冷却素子１８の制御を行う温度制御回路２０に接続され
ている。そして、半導体レーザー１５はコリメートレン
ズ２１を介して送信を行うようになっている。

【００２３】また、受信機１２内の送信機１１からの光
路上には、集光光学系２２、バンドパスフィルタ２３、
受光素子２４が順次に配列され、受光素子２４には高圧
のバイアス電圧を供給する電源２５が接続されている。
更に、受光素子２４からは増幅器２６を介して出力信号
が出力されるようになっている。

【００２４】送信に際しては、送信機１１内において入
力信号は増幅器１３により増幅された後にパッケージ１
４に入力され、半導体レーザー１５は発振光を入力信号
に従って変調し、光信号に変換する。半導体レーザー１
５の発振光はコリメートレンズ２１により平行ビームL2
となって空間に送出される。このとき、出力制御回路１
７は出力モニタ用フォトダイオード１６からの信号を予
め設定した基準値と比較し、半導体レーザー１５の出力
パワーを一定に保つように、半導体レーザー１５の順方
向直流を制御する所謂ＡＰＣ（Auto Power Control）動
作を行う。また、温度センサ１９はパッケージ１４の温
度を検出し、温度制御回路２０からの出力に従ってパッ
ケージ１４を冷却する。

【００２５】ＡＰＣで制御される半導体レーザー１５の
出力パワーの設定は、通信上の要求から高出力なほど良
好であるが、従来例の課題で述べたように、人間の眼に
対する安全性を考慮して決定しなければならない。半導
体レーザーを含むレーザーの安全基準に関しては、安全
性の指標としてＪＩＳＣ６８０２等により、人間の眼等
に対する露光と角膜における最大許容露光量（ＭＰＥ）
が表１に示すように定められている。

【００２６】

【表１】

【００２７】本実施例では、送信機１１の出射口、即ち
コリメートレンズ２１の出口において放射照度がＭＰＥ
を越えないように出力制御回路１７から半導体レーザー
１５の出力を設定し、送信機１１から受信機１２までの
間の光路中のどの場所においても、平行ビームL2を裸眼
で直視しても安全にしている。通常では、ビームは多少
の拡がり角を有するため、送信機１１の出射口が条件的
に最も放射照度が高くなる。

【００２８】なお、表１における露光時間ｔの決定方法
は「実際に起こり得る時間」とされているだけであり、
明確な規定はない。本発明の赤外光空間通信装置は意図
してコリメートレンズ２１から送信機１１内を覗き込む
ような作業を想定したものではないため、実際に起こり
得る時間は通常は数秒程度である。ただし、作業対象者
を特定の作業者から不特定の第三者まで広げた場合に、
「実際に起こり得る時間」を予想することが難しくなる
ので、時間を多めに考えておく必要がある。そこで、安
全係数を１０倍程度として露光時間を６０秒とすれば十
分に安全性は確保できると考えられる。

【００２９】波長Ｌ（ｎｍ）が７００ｎｍ〜１０００ｎ
ｍの近赤外域での露光時間６０秒に対するＭＰＥを表１
から求めると、放射照度は次に示す式(1) のようにな
る。なお、表１ではＭＰＥを放射エネルギ（Ｊ／ｍ² ）
で表現しているが、この場合は連続発振光なので放射照
度Ｈ（Ｗ／ｍ² ）で表現することができる。６．４７・Ｃ₄ ［ただし、Ｃ₄ ＝１０^(L-700)/500 ］
（Ｗ／ｍ² ）…(1)

【００３０】例えば、波長Ｌが８００ｎｍの周辺の半導
体レーザー１５を使用することを考えると、ＭＰＥは式
(1) から１０．３（Ｗ／ｍ² ）が得られる。半導体レー
ザー１５からの光ビームは中心部が強度の強いガウス型
分布をしており、コリメートレンズ２１の径が仮に１０
０ｍｍでレンズのＦ値が１．８程度とすると、平行ビー
ムL2の中心の最大照度を１０．３（Ｗ／ｍ² ）以下に抑
えるためには、半導体レーザー１５の出力パワーは１５
ｍＷ以下にする必要がある。当然、コリメートレンズ２
１の径がこれよりも小さい場合は更に出力を抑える必要
がある。

【００３１】ところで、上述した(1) 式においては、作
業者を不特定の第三者まで拡げた場合について考えた。
しかし、空間に光ビームを伝搬させて通信を行うという
装置の性格から考えて、不特定の第三者が光ビームを覗
いて通信を遮断する可能性のある場所での設置は実用性
から見て通常では考えられない。また、雨や霧等による
散乱や、ミー散乱による減衰を考えると、出力パワーを
大きくした方が通信の信頼性を高くする点で有利であ
る。

【００３２】このような理由から、「実際に起こり得る
時間」を数秒程度とすることにより、実用的な範囲内で
安全性を確保し、かつ出力を大きくして通信の信頼性を
高くすることができる。露光時間ｔとしては、前述した
数秒を多めに考えて６秒として、表１から放射照度Ｈを
計算すると、次の式(2) のようになる。１１．５・Ｃ₄ ［ただし、Ｃ₄ ＝１０^(L-700)/500 ］
（Ｗ／ｍ² ）…(2)

【００３３】例えば、波長Ｌが８００ｎｍの周辺の半導
体レーザー１５を使用することを考えると、ＭＰＥは式
(2) から１８．３（Ｗ／ｍ² ）が得られる。コリメート
レンズ２１の径が１００ｍｍでレンズのＦ値を１．８程
度とすると、平行ビームL2の中心の最大照度を１８．３
（Ｗ／ｍ² ）以下に抑えるためには、半導体レーザー１
５の出力パワーは２６．６ｍＷ以下にする必要がある。

【００３４】また、特に不特定の第三者に対する対策を
必要とするのであれば、例えば図１において半導体レー
ザー１５とコリメートレンズ２１の間に、必要な場合の
み光減衰フィルタを挿入できるような機構や、或いは出
力制御回路１７の設定を切り換えて、半導体レーザー１
５の出力を必要な時だけ小さくする機能を付す等の手段
を設けてもよい。

【００３５】なお、冷却素子１８は半導体レーザー１５
の動作温度の上昇を防止して寿命を長くする目的で設け
られ、厳密に半導体レーザー１５の温度を制御するため
ではない。従って、周囲温度が冷却素子１８の能力以上
に高くなれば、半導体レーザー１５の温度も上昇し、逆
に周囲温度が下がると冷却素子１８の動作が停止し、半
導体レーザー１５の発熱量に応じた温度に下降する。こ
のため、伝送装置の使用環境温度を−１０℃〜＋６０℃
とすると、通常の半導体レーザー１５の発振波長を規定
する温度である室温（２５℃）における発振波長に対し
て、±１０ｎｍ程度の波長変動が起こり得る。

【００３６】更に、大気の吸収による光の減衰量の許容
値は、通信のシステムや信号の形態等に依存し、一概に
決めることはできないが、通常はコスト等の制限から、
あまり大きな余裕を持った、即ち無駄の大きいシステム
設計は行えないので３ｄＢから６ｄＢ（強度１／２〜１
／４）程度を減衰量の許容値とするのが妥当である。。
実際に、一般の光受信機は最小受信レベルが−３０ｄＢ
ｍ〜−４０ｄＢｍ程度で設計されており、それに対して
出力パワーを前述のように式(1) より安全を考慮して、
１５ｍＷ（約１２ｄＢｍ）程度に抑える場合に、途中の
損失を考えるとビームの拡がり、偏心等による受信効率
が２０ｄＢ〜２３ｄＢ程度、雨、霧等散乱による損失が
視界ぎりぎりの場合の１３ｄＢに３ｄＢの余裕を持たせ
て最大１６ｄＢ程度、シンチレーション変動によるレベ
ル低下が３ｄＢ〜６ｄＢとなる。これらから受信点での
光パワーを計算すると２７〜３３ｄＢｍ程度となり、吸
収のみによる減衰の許容量は３〜６ｄＢ程度が妥当であ
る。ここでは、減衰の許容量を６ｄＢとして考えること
にする。

【００３７】更に、大気の吸収による光の減衰量の許容
値は、通信のシステムや信号の形態等に依存し、一概に
決めることはできないが、通常はコスト等の制限から、
あまり大きな余裕を持った、即ち無駄の大きいシステム
設計は行えないので３ｄＢから６ｄＢ（強度１／２〜１
／４）程度を減衰量の許容値とするのが妥当である。。
実際に、一般の光受信機は最小受信レベルが−３０ｄＢ
ｍ〜−４０ｄＢｍ程度で設計されており、それに対して
出力パワーを前述のように式(2) より安全を考慮して、
２６ｍＷ（約１４ｄＢｍ）程度に抑える場合に、途中の
損失を考えるとビームの拡がり、偏心等による受信効率
が２０ｄＢ〜２３ｄＢ程度、雨、霧等散乱による損失が
視界ぎりぎりの場合の１３ｄＢに３ｄＢの余裕を持たせ
て最大１６ｄＢ程度、シンチレーション変動によるレベ
ル低下が３ｄＢ〜６ｄＢとなる。これらから受信点での
光パワーを計算すると−２５〜−３１ｄＢｍ程度とな
り、吸収のみによる減衰の許容量は３〜６ｄＢ程度が妥
当である。ここでは、減衰の許容量を６ｄＢとして考え
ることにする。

【００３８】図１３〜図１５のスペクトル線の大多数は
減衰量が１５０ｍで約４ｄＢ以下であり、減衰が６ｄＢ
となる距離は２００ｍ未満となる。一部に減衰の大きな
スペクトルが存在するが、半導体レーザーの波長がその
スペクトルに含まれる確率は低い。従って、波長が７０
０ｎｍ〜９００ｎｍの半導体レーザーを使用する場合
に、半導体レーザー１５の出力パワーを安全基準以下に
抑えても、通信に使用する伝送距離が２００ｍ未満であ
れば、半導体レーザー１５の発振光が大気の吸収により
減衰しても、重大な影響を受けずに使用することができ
る。

【００３９】しかし、２００ｍ以上の伝送距離で光空間
通信を行う場合には、吸収による減衰量が大きくなるの
で、吸収スペクトルの存在しない波長帯域内で使用でき
る半導体レーザーを選択しなければならない。図１３〜
図１５によると、吸収スペクトルの存在しない波長帯は
７３５ｎｍ以上７５９ｎｍ未満、７７０ｎｍ以上８１１
ｎｍ未満及び８３８ｎｍ以上８９１ｎｍ未満の３領域で
あるため、半導体レーザー１５の発振波長はこの何れか
の範囲内とする。更に、使用環境温度内での波長変化を
考慮し、温度変化により発振波長がこれらの波長範囲か
ら外れることがないように、半導体レーザー１５の発振
波長を決定する必要がある。なお、７１５ｎｍ未満の波
長領域は可視域に準じて考えられるので、ここでは使用
波長帯から除外している。

【００４０】上述の使用発振波長内にも、測定では検出
されなかった減衰率の低い吸収スペクトルが存在すると
考えられるが、伝送に大きな影響を与えることはないと
考えられる。

【００４１】なお、この場合における伝送距離とは、使
用者が実際にどの距離で使用するかは装置製作時点では
予想できないため、仕様や規格等で規定された装置自体
の伝送距離を示している。更に、図１３〜図１５の吸収
スペクトルの多くは水蒸気によると考えられるが、この
測定は湿度が３８％という比較的大気中の水蒸気量の少
ない条件下で行われているため、より湿度の高い条件下
では、吸収による減衰量が更に大きくなると考えられ
る。しかし、図１３〜図１５以上に減衰量が大きくなっ
ても、伝送距離が２００ｍ以上の場合には前述の波長帯
で使用することにより、安定した長距離通信が行える。

【００４２】従って、近赤外域で使用する光空間伝送装
置では、半導体レーザー１５の出力パワーが大きい場合
や、伝送距離が２００ｍ未満のように短い場合には、大
気の吸収による減衰の影響を受けずに使用することがで
きるが、安全性を考慮して出力パワーを制限し、長距離
で使用する場合には、吸収による光の減衰を受けない波
長領域を選択して使用する必要がある。

【００４３】受信に際しては、平行ビームL2は集光光学
系２２により集光され、バンドパスフィルタ２３を透過
した後に、受光素子２４により検出される。受光素子２
４には、高速応答が可能で増倍作用のあるシリコンアバ
ランシェフォトダイオードを用いるのが好適であるが、
装置の用途によってはシリコンＰＩＮフォトダイオード
を使用することも可能である。シリコンアバランシェフ
ォトダイオード、シリコンＰＩＮフォトダイオードの何
れを使用する場合においても、７３５ｎｍ以上７５９ｎ
ｍ未満及び７７０ｎｍ以上８１１ｎｍ未満の波長域では
十分な感度（量子効率）を有している。また、８３８ｎ
ｍ以上８９１ｎｍ未満の波長域では、感度は他の２個の
波長域の７０％〜８０％程度であるが、十分に使用可能
である。

【００４４】光空間通信装置は殆どは屋外に設置して使
用されるため、昼間は信号光以外の周囲からの光が受光
素子に入射する。これは一般に背景光と呼ばれ、この背
景光が受光素子に入射すると、光起電流の直流成分によ
るショット雑音が増加し、信号のＳ／Ｎ比が低下する。
このため、バンドパスフィルタ２３は信号光の波長成分
だけを透過し、不要な背景光の波長成分を除去するため
に受光素子２４の前面に設けられている。このバンドパ
スフィルタ２３の透過域の波長も、発光源である半導体
レーザー１５の発振波長に合わせる必要がある。

【００４５】また、送信機１１及び受信機１２に用いら
れているコリメートレンズ２１及び集光光学系２２に関
しても、使用する半導体レーザー１５の使用環境温度に
おける発振波長域において必要な光学性能が得られるよ
うに、コーティング、収差等の設計を行う必要がある。

【００４６】図２は第２の実施例であり、２台の送受信
機３１、３２が対向している。送受信機３１内には半導
体レーザー３３、シリコンアバランシェフォトダイオー
ド３４が設けられ、それぞれ偏光ビームスプリッタ３５
を介して送受信を行うようになっている。また、送受信
機３２内にも同様に、半導体レーザー３６、シリコンア
バランシェフォトダイオード３７が設けられ、偏光ビー
ムスプリッタ３８を介して送受信を行うようになってい
る。このとき、半導体レーザー３３、３６の発振光の偏
光特性を利用して、半導体レーザー３３からの光束がシ
リコンアバランシェフォトダイオード３７に入射し、半
導体レーザー３６からの光束がシリコンアバランシェフ
ォトダイオード３４に入射するように構成されている。
このようにして、双方向の光空間通信が可能となる。

【００４７】なお、２台の送受信機３１、３２は互いに
偏波面が９０°ずつ異なる偏光により送信光と受信光を
分離して、大気中で双方向通信を行う光空間通信装置で
あって、９０°ずつ偏波面の異なる前記偏光を互いに分
離するための偏光ビームスプリッタ３５、３８を備えて
いる。

【００４８】この場合にも、半導体レーザー３３、３６
の発振波長を第１の実施例と同様の伝送距離に応じた波
長域とし、偏光ビームスプリッタ３５、３８もＰ偏光と
Ｓ偏光を最も効率良く分離できる波長域が半導体レーザ
ー３３、３６の発振波長と一致するように設計されたも
のを使用することにより、双方向通信での信号の伝送効
率を高くすることができる。なお、このような効率良く
分離できる波長域は、先に述べた伝送距離に応じた波長
範囲内になければならない。

【００４９】ここで、図３は偏光ビームスプリッタ３
５、３８の代表的な偏光特性のグラフ図であり、図３中
でＰ偏光とＳ偏光を最も効率良く分離できる波長域は、
相対波長ｇが１．００以上で１．０５以下の波長域であ
る。つまり、Ｐ偏光の透過率が９５％以上でＳ偏光の透
過率が５％以下の波長域である。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る近赤外
光空間通信装置は、半導体レーザーの出力を人間の眼に
危険のないように制御し、半導体レーザーの発振波長を
大気による吸収スペクトルがない波長領域内に設定する
ことにより、長距離空間通信時の信頼性を向上し、人体
に対する安全性を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の構成図である。

【図２】第２の実施例の構成図である。

【図３】偏光ビームスプリッタの偏光特性のグラフ図で
ある。

【図４】従来の近赤外光空間通信装置である。

【図５】ミー散乱の散乱特性図である。

【図６】大気中の分子による吸収スペクトルのグラフ図
である。

【図７】炭酸ガスによる吸収スペクトルのグラフ図であ
る。

【図８】水蒸気による吸収スペクトルのグラフ図であ
る。

【図９】大気中の透過率を示すグラフ図である。

【図１０】太陽放射光のスペクトル分布を示すグラフ図
である。

【図１１】太陽放射光のスペクトル分布を示すグラフ図
である。

【図１２】太陽放射光のスペクトル分布を示すグラフ図
である。

【図１３】大気の吸収スペクトルのグラフ図である。

【図１４】大気の吸収スペクトルのグラフ図である。

【図１５】大気の吸収スペクトルのグラフ図である。

【図１６】スペクトルアナライザによる測定方法の説明
図である。

【図１７】半導体レーザーの発振波長の温度特性図であ
る。

【図１８】半導体レーザーの発振波長の温度特性図であ
る。

【符号の説明】

１１送信機１２受信機１５、３３、３６半導体レーザー２３バンドパスフィルタ２４受光素子３１、３２送受信機３４、３７シリコンアバランシェフォトダイオード３５、３８偏光ビームスプリッタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光源に半導体レーザーを使用し、近赤
外域の光波を大気中に伝搬させて通信を行う光空間通信
装置において、伝送距離が２００ｍ以上の場合に、Ｌ
（ｎｍ）を波長とした場合の伝送路内の任意の位置での
放射照度を６．４７・１０^(L-700)/500 （Ｗ／ｍ² ）以
下とし、前記半導体レーザーの使用環境温度における発
振波長の全領域が７３５ｎｍ以上７５９ｎｍ未満又は７
７０ｎｍ以上８１１ｎｍ未満又は８３８ｎｍ以上８９１
ｎｍ未満の範囲に含まれることを特徴とする近赤外光空
間通信装置。
【請求項２】前記光空間通信装置の受信部において、
受光素子の前面に透過波長域が７３５ｎｍ以上７５９ｎ
ｍ未満又は７７０ｎｍ以上８１１ｎｍ未満又は８３８ｎ
ｍ以上８９１ｎｍ未満の範囲を含む光学的バンドパスフ
ィルタを設けた請求項１に記載の近赤外光空間通信装
置。
【請求項３】前記近赤外域の波長帯で偏波面が互いに
９０°異なる偏光光束により、送信光と受信光を分離し
て双方向通信を行うようにし、光路上に前記偏波面が互
いに９０°異なる偏光光束を分離する偏光ビームスプリ
ッタを設け、該偏光ビームスプリッタは効率良く分離で
きる波長が７３５ｎｍ以上７５９ｎｍ未満又は７７０ｎ
ｍ以上８１１ｎｍ未満又は８３８ｎｍ以上８９１ｎｍ未
満の範囲を含むものとした請求項１に記載の近赤外光空
間通信装置。
【請求項４】発光源に半導体レーザーを使用し、近赤
外域の光波を大気中に伝搬させて通信を行う光空間通信
装置において、伝送距離が２００ｍ以上の場合に、Ｌ
（ｎｍ）を波長とした場合の伝送路内の任意の位置での
放射照度を１１．５・１０^(L-700)/500 （Ｗ／ｍ² ）以
下とし、前記半導体レーザーの使用環境温度における発
振波長の全領域が７３５ｎｍ以上７５９ｎｍ未満又は７
７０ｎｍ以上８１１ｎｍ未満又は８３８ｎｍ以上８９１
ｎｍ未満の範囲に含まれることを特徴とする近赤外光空
間通信装置。
【請求項５】前記光空間通信装置の受信部において、
受光素子の前面に透過波長域が７３５ｎｍ以上７５９ｎ
ｍ未満又は７７０ｎｍ以上８１１ｎｍ未満又は８３８ｎ
ｍ以上８９１ｎｍ未満の範囲を含む光学的バンドパスフ
ィルタを設けた請求項４に記載の近赤外光空間通信装
置。
【請求項６】前記近赤外域の波長帯で偏波面が互いに
９０°異なる偏光光束により、送信光と受信光を分離し
て双方向通信を行うようにし、光路上に前記偏波面が互
いに９０°異なる偏光光束を分離する偏光ビームスプリ
ッタを設け、該偏光ビームスプリッタは効率良く分離で
きる波長が７３５ｎｍ以上７５９ｎｍ未満又は７７０ｎ
ｍ以上８１１ｎｍ未満又は８３８ｎｍ以上８９１ｎｍ未
満の範囲を含むものとした請求項４に記載の近赤外光空
間通信装置。