JPH06252858A

JPH06252858A - 赤外光空間通信装置

Info

Publication number: JPH06252858A
Application number: JP5341259A
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】大気による吸収スペクトルの影響を受けず、
眼に安全な出力レベルの光信号を使用した光空間通信装
置を提供する。【構成】送信機１１に設けられた半導体レーザー１５
から出射された光信号を、受信機１２内の受光素子２４
で検出することにより、光空間通信を行うように構成さ
れている。送信機１１から出射される光信号の出力は眼
に安全なレベルに抑えられ、またその波長には、大気に
よる吸収スペクトルの影響を受けないものを選択する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大気中に変調を施され
た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自由空間中を伝搬
させ、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】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
ーザーが好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。

【０００４】地上の大気圏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。大気による散乱には、大気分子によるレ
ーレ散乱、光の波長とほぼ同じ大きさのちり等の微粒子
（エアロゾル）、霧、もや等によるミー散乱、及び雨滴
や雪などの大きな粒子による幾何光学的な散乱等に分類
される。

【０００５】このうち幾何光学的な散乱は波長に対する
依存性を持たないので、使用波長を決める際には考慮し
なくてよい。レーレ散乱の大きさは波長の４乗に反比例
して変化し、可視光域では比較的大きいが、波長１μｍ
近辺以上の赤外域では殆ど問題にならない。

【０００６】ミー散乱の大きさはエアロゾル等の粒子径
の分布により決まり、理論的な解析は複雑であるが、図
５に示すように波長が長くなるほど小さくなる。図５は
ミー散乱の散乱特性を示すグラフ図である。図５の各曲
線はそれぞれの粒子径を持つ粒子だけが存在すると仮定
して計算したものであり、実際には様々の径の粒子が分
布しているが、波長が長くなるほど散乱が小さくなると
いう傾向は同様である。

【０００７】このようなことから散乱による減衰を考え
た場合は、波長が長くなるほど減衰は小さくなり、可視
光に近い近赤外域よりも波長１．０μｍ近辺以上の赤外
域を使用する方が、光空間通信装置には有利であると云
える。

【０００８】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。ここで、図６は大気中の分子によ
る吸収スペクトルのグラフ図であり、図７は炭酸ガスに
よる吸収スペクトルのグラフ図である。図８は水蒸気に
よる吸収スペクトルのグラフ図であり、図９は大気の透
過率を示すグラフ図である。波長が１．０μｍ以下の近
赤外域では、図１０、図１１、図１２の太陽放射光のス
ペクトル分布のグラフ図に示すように、吸収スペクトル
が存在することが知られている。

【０００９】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とは大気の構成要素も異なる
ために、図１０、図１１、図１２とは必ずしも同じスペ
クトル分布になるとは限らない。更に、１００ｋｍもの
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。

【００１０】更に、図１０、図１１、図１２では或る幅
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１１、図１２では少しずつ
波長の値が異なるため、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。

【００１１】このような理由から、大気の吸収の影響を
考慮して光空間通信装置の設計を行うためには、正確な
吸収波長の把握と、太陽スペクトルだけでなく実際に地
上で光を伝搬させて測定した吸収のデータとが必要であ
る。ここで、太陽スペクトルの測定は大気中の伝搬距離
が長いために、吸収による変化が大きく現れるという利
点があり、それに対して地上での測定は伝搬距離が長く
取れないため吸収による変化量が小さく、吸収の小さな
スペクトルが出難くなるが、実際の伝送時の減衰量が分
かるという利点がある。

【００１２】図１３は先に述べたように、発明者らが太
陽光の大気透過後の分光分布を詳細に測定したものであ
り、図１４は地上で白色光を約５０ｍ伝搬させた場合の
分光分布を示すグラフ図である。また、図１５はこれら
の分光分布を測定した際の測定系の構成図である。ま
た、別に半導体レーザー光を大気中を伝搬させて、吸収
による減衰量を光パワーメータを使用して測定した結果
との比較から、図１４における１目盛が５０ｍに対して
約１５ｄＢの減衰であることが分かった。

【００１３】以上は吸収、散乱といった信号に減衰を与
える要素について説明したが、その外に光空間通信に影
響を及ぼす要素として背景光雑音がある。これは本来の
信号光つまり半導体レーザー発振光以外の周辺からの外
来光が受光素子に入射し、光起電流の直流成分によるシ
ョット雑音が増加することにより、信号のＳ／Ｎ比を低
下させるものである。光空間通信装置は殆どが屋外設置
であるために、外来光はその殆どが太陽によるものであ
る。太陽放射光のスペクトル成分は図１０、図１１、図
１２からも分かるように波長が長くなるに従って小さく
なるので、長波長側では短波長側に比べて背景光雑音が
小さくできる。この意味からも、波長１μｍ近辺以上の
赤外域が有利ということができる。

【００１４】以上の検討により、半導体レーザーを発光
素子として用いた光空間通信装置では、使用波長つまり
半導体レーザーの発振波長は１μｍ近辺以上の赤外域
で、かつ吸収による影響の少ない波長帯で選択すること
がよいということになる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
発振波長が８１０ｎｍ〜８４０ｎｍの間にある半導体レ
ーザーを用いた光空間通信装置では、図１３の太陽光の
大気透過後の分光分布のグラフ図に示すように、この付
近に大気の吸収帯が存在するため、吸収による光の減衰
を受けて、受信信号レベルが低下する場合がある。

【００１６】大気の吸収帯は、発明者らの測定によると
吸収スペクトル幅が通常０．１ｎｍ以下の狭いスペクト
ルが集合したものである。また、発振波長が８１０ｎｍ
〜８４０ｎｍの間の高出力の半導体レーザーは一般に単
一縦モード発振しており、発振波長が０．０１ｎｍ以下
と非常に狭い。ここで、半導体レーザーの発振波長は動
作温度により図１６の半導体レーザーの発振波長の温度
特性を示すグラフ図に示すように階段状に変化し、通常
の使用状態では半導体レーザーの発振波長が大気の吸収
スペクトルと重なることは少ない。しかし、半導体レー
ザーの動作温度が変化して、図１６の拡大図である図１
７中のＡで示すように半導体レーザーの発振波長と大気
の吸収スペクトルとが重なる位置に来た場合に、大気の
吸収スペクトル幅に比べて半導体レーザーの発振波長の
方が狭いため、一時的に吸収による減衰が発生すること
が起こり得る。

【００１７】従って、従来の光空間通信装置は、大気に
よる吸収を十分考慮して設計されたものではなく、特に
大気中の伝搬距離の長いものについては信頼性に問題の
あるものであったと云える。

【００１８】もう１つの従来の光空間通信装置の問題点
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、
コヒーレンス性が高い。これ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、網膜上に極めて小
さなスポットとなって結像するため危険性が高い。

【００１９】上記の大気の吸収による信号光の減衰の問
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と大出力の半導体レーザー
を使用することはできない。人間の眼に対する影響に対
しては、半導体レーザー出射光の全放射パワーではな
く、単位断面積当たりのパワー（以下放射照度と云う）
で考える必要がある。全放射パワーが同じであれば出射
ビーム径を大きくする、つまりコリメートレンズ径を大
きくすると放射照度が小さくなるが、コストや容積、重
量等の面で実用上大きくするにも限界がある。

【００２０】従来の光空間通信装置には出射ビーム径が
小さいため、放射照度が眼に危険なレベルとなり、取り
扱いに当たっては保護眼鏡を必要と場合もある。このよ
うな光空間通信装置は、試験的に特定の場所で特定の人
間が使用する限りは余り問題にならいが、実用的な装置
として広く一般的に普及するためには、常に安全に使用
できるものでなくてはならない。そのためには、光信号
の出力を眼に安全なレベルに抑え、大気による吸収等に
よる光の減衰の影響を受けず、長距離通信を可能にす
る、という３つの課題を同時に解決する必要がある。

【００２１】本発明の目的は、光信号の出力を眼に安全
なレベルに抑え、大気による吸収スペクトルの影響を受
けずに、長距離通信を可能とする赤外光空間通信装置を
提供することにある。

【００２２】

【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発明に係る赤外光空間通信装置は、発光素子に
半導体レーザーを用い、波長９５０ｎｍ〜１４００ｎｍ
の赤外波長域の光信号を大気中を伝搬させて通信を行う
赤外光空間通信装置であって、前記赤外光空間通信装置
の全使用温度環境下で、前記赤外光空間通信装置の伝送
距離が１００ｍ以上２００ｍ未満の場合は９６７ｎｍ以
上１１００ｎｍ未満の波長範囲内又は１１６５ｎｍ以上
１３１５ｎｍ未満の波長範囲内の何れかの発振波長Ｌ
（ｎｍ）を持つ前記半導体レーザーを使用し、前記伝送
距離が２００ｍ以上の場合は９８６ｎｍ以上１０９０ｎ
ｍ未満の波長範囲内又は１２２５ｎｍ以上１２９５ｎｍ
未満の波長範囲内の何れかの発振波長Ｌ（ｎｍ）を持つ
前記半導体レーザーを使用し、更に送信部出射口から受
信部入射口に至る伝送路内の如何なる場所においても、
前記半導体レーザーの発振波長Ｌ（ｎｍ）が９５０ｎｍ
〜１０５０ｎｍの波長範囲内である場合は、放射照度が
６．４７・１０^(L-700)/500 （Ｗ／ｍ² ）以下とし、１
０５０ｎｍ〜１４００ｎｍの波長範囲内である場合は３
２．３（Ｗ／ｍ² ）以下とするように前記半導体レーザ
ーの出力を制御することを特徴とする。

【００２３】また第２発明に係る赤外光空間通信装置
は、発光素子に半導体レーザーを用い、波長９５０ｎｍ
〜１４００ｎｍの赤外波長域の光信号を大気中を伝搬さ
せて通信を行う赤外光空間通信装置であって、前記赤外
光空間通信装置の全使用温度環境下で、前記赤外光空間
通信装置の伝送距離が１００ｍ以上２００ｍ未満の場合
は９６７ｎｍ以上１１００ｎｍ未満の波長範囲内又は１
１６５ｎｍ以上１３１５ｎｍ未満の波長範囲内の何れか
の発振波長Ｌ（ｎｍ）を持つ前記半導体レーザーを使用
し、前記伝送距離が２００ｍ以上の場合は９８６ｎｍ以
上１０９０ｎｍ未満の波長範囲内又は１２２５ｎｍ以上
１２９５ｎｍ未満の波長範囲内の何れかの発振波長Ｌ
（ｎｍ）を持つ前記半導体レーザーを使用し、更に送信
部出射口から受信部入射口に至る伝送路内の如何なる場
所においても、前記半導体レーザーの発振波長Ｌ（ｎ
ｍ）が９５０ｎｍ〜１０５０ｎｍの波長範囲内である場
合は、放射照度が１１．５・１０^(L-700)/500 （Ｗ／ｍ
² ）以下とし、１０５０ｎｍ〜１４００ｎｍの波長範囲
内である場合は５７．５（Ｗ／ｍ² ）以下とするように
前記半導体レーザーの出力を制御することを特徴とす
る。

【００２４】

【作用】上述の構成を有する第１発明に係る赤外光空間
通信装置は、伝送距離が１００ｍ以上２００ｍ未満の場
合は９６７ｎｍ以上１１１０ｎｍ未満の波長範囲内又は
１１６５ｎｍ以上１３１５ｎｍ未満の波長範囲内の発振
波長Ｌ（ｎｍ）を持つ半導体レーザーを使用し、伝送距
離が２００ｍ以上の場合は９８６ｎｍ以上１０９０ｎｍ
未満の波長範囲内又は１２２５ｎｍ以上１２９５ｎｍ未
満の波長範囲内の発振波長Ｌ（ｎｍ）を持つ半導体レー
ザーを使用し、更に、送信部出射口から受信部入射口に
至る伝送路内の如何なる場所においても放射照度は半導
体レーザーの発振波長Ｌ（ｎｍ）が９５０ｎｍ〜１０５
０ｎｍの波長範囲内である場合は６．４７・１０
^(L-700)/500 （Ｗ／ｍ² ）以下に抑え、１０５０ｎｍ〜
１４００ｎｍの波長範囲である場合は３２．３（Ｗ／ｍ
² ）以下に抑えるように半導体レーザーの出力を制御す
る。

【００２５】また第２発明に係る赤外光空間通信装置
は、伝送距離が１００ｍ以上２００ｍ未満の場合は９６
７ｎｍ以上１１１０ｎｍ未満の波長範囲内又は１１６５
ｎｍ以上１３１５ｎｍ未満の波長範囲内の発振波長Ｌ
（ｎｍ）を持つ半導体レーザーを使用し、伝送距離が２
００ｍ以上の場合は９８６ｎｍ以上１０９０ｎｍ未満の
波長範囲内又は１２２５ｎｍ以上１２９５ｎｍ未満の波
長範囲内の発振波長Ｌ（ｎｍ）を持つ半導体レーザーを
使用し、更に、送信部出射口から受信部入射口に至る伝
送路内の如何なる場所においても放射照度は半導体レー
ザーの発振波長Ｌ（ｎｍ）が９５０ｎｍ〜１０５０ｎｍ
の波長範囲内である場合は１１．５・１０^(L-700)/500
（Ｗ／ｍ² ）以下に抑え、１０５０ｎｍ〜１４００ｎｍ
の波長範囲である場合は５７．５（Ｗ／ｍ² ）以下に抑
えるように半導体レーザーの出力を制御する。

【００２６】

【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。人力信号は増幅器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を制御する温度制御回路２０に接続されている。
そして、半導体レーザー１５による光ビームはコリメー
トレンズ２１を介して受信機１２への送信を行うように
なっている。

【００２７】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。

【００２８】送信に際しては、入力信号は増幅器１３に
より増幅された後にパッケージ１４に入力され、半導体
レーザー１５はこの入力信号を光信号に変換する。半導
体レーザー１５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１７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の出力を一定に保つように、半導体レーザー１５
の順方向直流電流を制御する所謂ＡＰＣ(AutoPower Con
trol)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。

【００２９】また、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、通信上の要求からは高出力
なほど良好であるが、従来例の問題で述べたように、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の安全基準に関して
は、安全性の指標としてＪＩＳ−Ｃ６８０２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のように定められている。

【００３０】

【表１】

【００３１】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。

【００３２】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拡げた場合に、
「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
分に安全性を確保できると考えられる。

【００３３】波長Ｌ（ｎｍ）が１０００ｎｍ〜１４００
ｎｍ付近の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、波長Ｌ（ｎｍ）が９５０ｎｍ〜１０
５０ｎｍの場合は式(1) 、波長Ｌ（ｎｍ）が１０５０ｎ
ｍ〜１４００ｎｍの場合は式(2) のようになる。なお、
表１では放射エネルギで表現しているが、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。Ｈ＝６．４７・Ｃ₄ ［ただし、Ｃ₄ ＝１０
^(L-700/500) ］（Ｗ／ｍ² ）…(1) Ｈ＝３２．３（Ｗ／ｍ² ）…(2)

【００３４】例えば、波長Ｌ（ｎｍ）が１０００ｎｍ近
辺の半導体レーザー１５を使用することを考えると、Ｍ
ＰＥは式(1) から２５．７（Ｗ／ｍ² ）が得られる。半
導体レーザー１５からのビームは中心部が強度の強いガ
ウス型強度分布をしており、コリメートレンズ２１の径
が仮に１００ｍｍで、レンズのＦ値が１．８程度とする
と、平行ビームL2の中心部の最大照度を２５．７（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３７（ｍＷ）以下にする必要がある。当然、
コリメートレンズ２１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。

【００３５】ところで、上述した式(1) 、(2) 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
と云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接地は
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
ワーを多くしたほうが通信の信頼性を高くする点で有利
である。

【００３６】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(3) 、式(4) のようになる。Ｈ＝１１．５・Ｃ₄ ［ただし、Ｃ₄ ＝１０
^(L-700/500) ］（Ｗ／ｍ² ）…(3) Ｈ＝５７．５（Ｗ／ｍ² ）…(4)

【００３７】例えば、波長Ｌ（ｎｍ）が１０００ｎｍ近
辺の半導体レーザー１５を使用することを考えると、Ｍ
ＰＥは式(1) から４５．７（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
が１．８程度とすると、平行ビームL2の中心部の最大照
度を４５．７（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６５．８（ｍＷ）以下に
する必要がある。

【００３８】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
１５の出力を必要な時だけ小さくする機能を付する等の
手段を設けてもよい。

【００３９】図１において、冷却素子１８は半導体レー
ザー１５の発振波長の変動を或る程度抑えることと、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
くする目的のものであり、厳密に半導体レーザー１５の
温度管理はしていない。使用環境温度が−１０〜＋６０
℃程度であれば、１０ｎｍ程度の発振波長の変化は起こ
り得るので、半導体レーザー１５は通常室温での値で規
定される標準的な発振波長だけでなく、使用環境温度内
で所要の波長条件を満たすようなものを使用しなければ
ならない。

【００４０】半導体レーザー１５の出力が安全性のため
に制限されるという条件下で長距離の伝送を行うために
は、吸収スペクトルの場所と大きさ、或いは散乱等の大
気中の光の伝搬特性を正確に把握して、長距離伝送に必
要な伝送特性が得られるような波長条件を求める必要が
ある。

【００４１】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余り大き
な余裕を持ったシステム設計は行えないので、３ｄＢか
ら６ｄＢ（強度１／２〜１／４）程度を減衰の許容値と
することが妥当である。

【００４２】実際に、一般の光受信機は最小受信レベル
が−３０ｄＢｍ〜−４０ｄＢｍ程度で設計されており、
それに対して先の式(1) 、(2) より安全性を考慮して出
力パワーを３７ｍＷ（約１６ｄＢｍ）程度に抑えた場合
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。これから、
受信点での光パワーを計算すると２３ｄＢｍ〜２９ｄＢ
ｍ程度となり、それ以外の吸収による減衰を含めた損失
の許容量は、７ｄＢ〜１０ｄＢ程度というのが妥当であ
るということが分かる。ここでは、吸収による損失のみ
の許容量として、大きめに取って減衰を６ｄＢを目安と
して考えることにする。

【００４３】先の式(3) 、(4) より安全性を考慮して出
力パワーを６５ｍＷ（約１８ｄＢｍ）程度に押さえた場
合に、途中の損失を考えると最大１６ｄＢ程度、レベル
低下が３ｄＢ〜６ｄＢとなる。これから、受信点での光
パワーを計算すると−２１ｄＢｍ〜−２７ｄＢｍ程度と
なり、損失の許容量は９ｄＢ〜１３ｄＢ程度というのが
妥当である。

【００４４】先に述べたように、吸収による減衰の大き
さは図１４のスペクトルの大きさで推定することがで
き、１目盛が約１５ｄＢ／５０ｍに相当する。許容でき
る減衰量を６ｄＢとして、光が伝搬して減衰が６ｄＢ程
度に達する距離は、図１４の１目盛に対して２０ｍ、図
１４の０．５目盛に対して４０ｍ、図１４の０．２目盛
に対して１００ｍ、図１４の０．１目盛に対して２００
ｍとなる。ここで、０．１目盛程度の大きさの吸収スペ
クトルとなると、図１４上では単なるギザギザ状とな
り、ノイズと区別し難くなるが、図１３を合わせて見比
べると図１３上では０．５目盛以上の明確なスペクトル
となっているので識別できる。因みに、図１４上の０．
２目盛に相当するスペクトルは図１３上では１〜１．５
目盛に、図１４上の０．５目盛は図１３上で３目盛前
後、図１４上の１目盛は図１３上の４〜５目盛に相当し
ている。ここで、吸収スペクトルの大きさといっている
のは、吸収のない位置のレベルを基準として、そのレベ
ルからの落ち込みの大きさである。

【００４５】このようにして図１３も参考にして、図１
４から伝送距離に応じた使用可能な波長範囲を求める
と、伝送距離が１００ｍ以上では９６７ｎｍ以上１１１
０ｎｍ未満、１１６５ｎｍ以上１３１５ｎｍ未満、２０
０ｍ以上では９８６ｎｍ以上１０９０ｎｍ未満、１２２
５ｎｍ以上１２９５ｎｍ未満となる。

【００４６】本発明に係る赤外光空間通信装置は長距離
通信をターゲットしているので、伝送距離１００ｍ以上
についてのみ求めたが、１００ｍ未満では全波長が使え
るというわけではない。ここまで、「波長１μｍ近辺以
上の赤外域」という表現をしてきたが、赤外域と近赤外
域の間に明確な境界があるわけではなく、それよりも吸
収帯で区切って、それに狭まれた吸収のない波長域をひ
とまとめに取り扱うほうが妥当と考えられるので、ここ
では９５０ｎｍを中心とした吸収帯より上の波長を対象
としている。また、波長１４００ｎｍ以上では、光が角
膜等で吸収されて網膜に達しないため眼に安全な波長域
となるので、本発明の対象外となる。なお、本明細書で
云う伝送距離は、使用者が実際にどの距離で使うかは装
置製作時点では予測できないので、仕様や規格等で示さ
れる光空間通信装置自体の設計上の伝送距離とする。

【００４７】大気の吸収スペクトルのうち多くのものは
水蒸気によるものであり、図１４に示す吸収スペクトル
の大きさは気温や湿度により異なる。図１４の測定は気
温２４℃、湿度４２％で比較的大気の水蒸気量の少ない
条件下である。従って、先の伝送距離別の波長帯はその
分を考慮して１ｄＢ〜２ｄＢの余裕を設けてある。

【００４８】このようにして伝送距離に応じて使用波長
範囲を選択することにより、途中の伝送路での大気の吸
収による影響を少なくすることができ、またこれらの波
長域は散乱による減衰や、背景光による雑音も小さいた
め、伝送路の減衰が少なく外乱雑音も少ないため、安全
性の要求により半導体レーザーの出力が制限されても、
信頼性の高い長距離での光空間通信が可能となる。

【００４９】受光素子２４には高速応答ができ、かつ増
倍作用のあるＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオー
ド（以下ＡＰＤと云う）が使用している。光空間通信装
置の用途により受光素子にはＩｎＧａＡｓのＰＩＮフォ
トダイオードを使用することも可能である。ＡＰＤ、Ｐ
ＩＮフォトダイオード何れの場合でも９５０ｎｍ〜１４
００ｎｍの波長域では十分な感度（量子効率）を有して
いる。ＩｎＧａＡｓの代りにＧｅのＡＰＤ又はＰＩＮフ
ォトダイオードを使用することも可能である。

【００５０】バンドパスフィルタ２３は信号光の波長以
外の、背景光等の波長成分を除去するためのものであ
る。前述のように光空間通信装置は殆どが屋外に設置し
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２４に入射する。これを一般に背景光と呼んで
いるが、この背景光が受光素子２４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。そのために信号光の波長成分だけを通
過させ、不要な背景光の波長成分を除去する目的で、バ
ントパスフィルタ２３を受光素子２４の前面に設けてい
る。このバンドパスフィルタ２３の透過域の波長は、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
要があるから、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。送信機１１及び受信機１２に用い
ているコリメートレンズ２１及び集光光学系２２に関し
ては、当然のことながら前述の波長帯において、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
が成されたものでなくてはならない。

【００５１】図２は第２の実施例の構成図であり、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、ＡＰＤ３４が設けられ、それ
ぞれ偏光ビームスプリッタ３５を介して送受信するよう
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、ＡＰＤ３７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。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ＡＰＤ３７に入射し、半
導体レーザー３６からの光束がＡＰＤ３４に入射するよ
うに構成され、双方向通信が可能となっている。これら
の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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る赤外光
空間通信装置は、半導体レーザーの出力を眼に危険のな
いレベルに制御し、かつ発振波長を大気による吸収スペ
クトルを避けた波長に設定して減衰の影響から逃れるこ
とにより、長距離空間通信時の信頼性の向上と、人体に
対する安全性の確保を同時に実現することができる。

【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】従来例の構成図である。

【図５】ミー散乱の散乱特性のグラフ図である。

【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】大気の透過率のグラフ図である。

【図１０】太陽放射光のスペクトル分布のグラフ図であ
る。

【図１１】太陽放射光のスペクトル分布のグラフ図であ
る。

【図１２】太陽放射光のスペクトル分布のグラフ図であ
る。

【図１３】太陽放射光の吸収スペクトルのグラフ図であ
る。

【図１４】地上で白色光を５０ｍ伝搬させた場合の吸収
スペクトルのグラフ図である。

【図１５】吸収スペクトルを測定した際の測定系の構成
図である。

【図１６】半導体レーザーの発振波長の温度特性図であ
る。

【図１７】半導体レーザーの発振波長の温度特性図であ
る。

【符号の説明】

１１送信機１２受信機１３、２６増幅器１４パッケージ１５半導体レーザー１６出力モニタ用フォトダイオード１７出力制御回路１８冷却素子１９温度センサ２０温度制御回路２１コリメートレンズ２２集光光学系２３バンドパスフィルタ２４受光素子２５電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光素子に半導体レーザーを用い、波長
９５０ｎｍ〜１４００ｎｍの赤外波長域の光信号を大気
中を伝搬させて通信を行う赤外光空間通信装置であっ
て、前記赤外光空間通信装置の全使用温度環境下で、前
記赤外光空間通信装置の伝送距離が１００ｍ以上２００
ｍ未満の場合は９６７ｎｍ以上１１００ｎｍ未満の波長
範囲内又は１１６５ｎｍ以上１３１５ｎｍ未満の波長範
囲内の何れかの発振波長Ｌ（ｎｍ）を持つ前記半導体レ
ーザーを使用し、前記伝送距離が２００ｍ以上の場合は
９８６ｎｍ以上１０９０ｎｍ未満の波長範囲内又は１２
２５ｎｍ以上１２９５ｎｍ未満の波長範囲内の何れかの
発振波長Ｌ（ｎｍ）を持つ前記半導体レーザーを使用
し、更に送信部出射口から受信部入射口に至る伝送路内
の如何なる場所においても、前記半導体レーザーの発振
波長Ｌ（ｎｍ）が９５０ｎｍ〜１０５０ｎｍの波長範囲
内である場合は、放射照度が６．４７・１０
^(L-700)/500 （Ｗ／ｍ² ）以下とし、１０５０ｎｍ〜１
４００ｎｍの波長範囲内である場合は３２．３（Ｗ／ｍ
² ）以下とするように前記半導体レーザーの出力を制御
することを特徴とする赤外光空間通信装置。
【請求項２】前記受信部において受光素子前面に、波
長の透過域が、前記伝送距離が１００ｍ以上２００ｍ未
満の場合は９６７ｎｍ以上１１１０ｎｍ未満の波長範囲
内又は１１６５ｎｍ以上１３１５ｎｍ未満の波長範囲内
の光学的バンドパスフィルタを設け、前記伝送距離が２
００ｍ以上の場合は９８６ｎｍ以上１０９０ｎｍ未満の
波長範囲内又は１２２５ｎｍ以上１２９５ｎｍ未満の波
長範囲内の光学的バンドパスフィルタを設けた請求項１
に記載の赤外光空間通信装置。
【請求項３】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
行う赤外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
リッタを備え、該偏光ビームスプリッタは効率良く分離
できる波長が前記伝送距離が１００ｍ以上２００ｍ未満
の場合は９６７ｎｍ以上１１１０ｎｍ未満の波長範囲内
又は１１６５ｎｍ以上１３１５ｎｍ未満の波長範囲内に
あるものを使用し、前記伝送距離が２００ｍ以上の場合
は９８６ｎｍ以上１０９０ｎｍ未満の波長範囲内又は１
２２５ｎｍ以上１２９５ｎｍ未満の波長範囲内にあるも
のを使用した請求項１に記載の赤外光空間通信装置。
【請求項４】発光素子に半導体レーザーを用い、波長
９５０ｎｍ〜１４００ｎｍの赤外波長域の光信号を大気
中を伝搬させて通信を行う赤外光空間通信装置であっ
て、前記赤外光空間通信装置の全使用温度環境下で、前
記赤外光空間通信装置の伝送距離が１００ｍ以上２００
ｍ未満の場合は９６７ｎｍ以上１１００ｎｍ未満の波長
範囲内又は１１６５ｎｍ以上１３１５ｎｍ未満の波長範
囲内の何れかの発振波長Ｌ（ｎｍ）を持つ前記半導体レ
ーザーを使用し、前記伝送距離が２００ｍ以上の場合は
９８６ｎｍ以上１０９０ｎｍ未満の波長範囲内又は１２
２５ｎｍ以上１２９５ｎｍ未満の波長範囲内の何れかの
発振波長Ｌ（ｎｍ）を持つ前記半導体レーザーを使用
し、更に送信部出射口から受信部入射口に至る伝送路内
の如何なる場所においても、前記半導体レーザーの発振
波長Ｌ（ｎｍ）が９５０ｎｍ〜１０５０ｎｍの波長範囲
内である場合は、放射照度が１１．５・１０
^(L-700)/500 （Ｗ／ｍ² ）以下とし、１０５０ｎｍ〜１
４００ｎｍの波長範囲内である場合は５７．５（Ｗ／ｍ
² ）以下とするように前記半導体レーザーの出力を制御
することを特徴とする赤外光空間通信装置。
【請求項５】前記受信部において受光素子前面に、波
長の透過域が、前記伝送距離が１００ｍ以上２００ｍ未
満の場合は９６７ｎｍ以上１１１０ｎｍ未満の波長範囲
内又は１１６５ｎｍ以上１３１５ｎｍ未満の波長範囲内
の光学的バンドパスフィルタを設け、前記伝送距離が２
００ｍ以上の場合は９８６ｎｍ以上１０９０ｎｍ未満の
波長範囲内又は１２２５ｎｍ以上１２９５ｎｍ未満の波
長範囲内の光学的バンドパスフィルタを設けた請求項４
に記載の赤外光空間通信装置。
【請求項６】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
行う赤外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
リッタを備え、該偏光ビームスプリッタは効率良く分離
できる波長が前記伝送距離が１００ｍ以上２００ｍ未満
の場合は９６７ｎｍ以上１１１０ｎｍ未満の波長範囲内
又は１１６５ｎｍ以上１３１５ｎｍ未満の波長範囲内に
あるものを使用し、前記伝送距離が２００ｍ以上の場合
は９８６ｎｍ以上１０９０ｎｍ未満の波長範囲内又は１
２２５ｎｍ以上１２９５ｎｍ未満の波長範囲内にあるも
のを使用した請求項４に記載の赤外光空間通信装置。