JPH07143064A - 光空間通信装置 - Google Patents

光空間通信装置

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JPH07143064A
JPH07143064A JP5309734A JP30973493A JPH07143064A JP H07143064 A JPH07143064 A JP H07143064A JP 5309734 A JP5309734 A JP 5309734A JP 30973493 A JP30973493 A JP 30973493A JP H07143064 A JPH07143064 A JP H07143064A
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    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/112—Line-of-sight transmission over an extended range
    • H04B10/1123—Bidirectional transmission
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光通信の際に、光ビームの方向調整を容易に
かつ正確に行う。 【構成】 送信に際して、情報が送信信号入力端３３か
ら入力され、発光素子３０に出力される。発光素子３０
からの発振光は可動ミラー２３で反射されて空間に出射
される。受信の際には、光信号がレンズ２１から入射
し、偏光ビームスプリッタ２７でそれぞれ反射されて光
束分割ミラー３５で２方向に分割される。光束分割ミラ
ー３５を透過した光束は、１個の小円から成るスポット
像ＳとしてＰＩＮフォトダイオード３７に受光される。
トラッキング制御回路２６はＰＩＮフォトダイオード３
７のスポット像Ｓの位置を計算し、光信号の受信方向を
監視し、アクチュエータ２４、２５を駆動して光信号の
方向を調整する。他方、光束分割ミラー３５で反射され
た光束は、受光素子３９で受信されて受信信号出力端４
１から出力される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、送信信号により変調さ
れた光信号をビーム状にして大気中を伝搬させることに
より、離れた地点間で通信を行う光空間通信装置に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に光信号を利用した通信では、高速
で大容量の情報の伝達が可能であり、特に伝送路を自由
空間とする光空間通信は、光ファイバ等の有線通信に比
べて可搬性に富み、簡便に通信路を開設することができ
るという利点がある。従来の通信装置では、光空間通信
の信頼性を向上するために、光信号が装置から外れない
ように光ビームの出射方向の角度の補正、即ち自動追尾
（オートトラッキング）を行っている。
【０００３】図３は従来例の構成図であり、トラッキン
グ機能を有する光通信装置である。送／受信用のレンズ
１の背後の光路上には、レンズ２、可動ミラー３が配置
され、可動ミラー３の角度を変更する２つのアクチュエ
ータ４、５が取り付けられている。これらのアクチュエ
ータ４、５はトラッキング制御回路６の出力により駆動
されるようになっている。可動ミラー３から下方に延び
る光路上には、紙面に平行な偏波面成分を透過し、紙面
に垂直な偏波面成分を貼り合わせ面７ａで反射する偏光
ビームスプリッタ７、レンズ８、半導体レーザー等から
成る発光素子９が配置され、発光素子９には増幅器１
０、送信信号入力端１１の出力が順次に接続されてい
る。
【０００４】一方、偏光ビームスプリッタ７の反射方向
の光路上には、光束分割ミラー１２、レンズ１３、図４
に示すように４つの受光要素１４ａ〜１４ｄを有する受
光素子１４が配置されている。そして、受光素子１４の
出力はトラッキング制御回路６に接続されている。光束
分割ミラー１２の反射方向の光路上には、レンズ１５、
アバランシェフォトダイオード又はＰＩＮフォトダイオ
ード等から成る受光素子１７が配置され、この受光素子
１７には増幅器１８、受信信号出力端１９の出力が順次
に接続されている。また、レンズ１の光軸とほぼ平行と
され、視覚により確認するための視準スコープ２０が設
けられている。
【０００５】送信時には、送信信号を送信信号入力端１
１から入力すると、増幅器１０により増幅された後に発
光素子９に出力される。発光素子９は発振光を入力信号
に従って強度変調し光信号に変換する。発光素子９から
の発振光はレンズ８を経て偏光ビームスプリッタ７に至
るが、この光は紙面と平行に偏波しているのでそのまま
透過し、可動ミラー３で左方に反射されてレンズ２、１
を経て、相手側装置の方向に出射される。
【０００６】受信時には、相手側装置からの光ビーム
は、左方からレンズ１に入射して可動ミラー３で下方に
反射されて偏光ビームスプリッタ７に至る。この光束は
紙面に垂直方向に偏光しているため、偏光ビームスプリ
ッタ７の貼り合わせ面７ａで右方に反射され、光束分割
ミラー１２において２方向に分割される。光束分割ミラ
ー１２で反射された光束は、受光素子１７で受信され電
気信号に変換された後に、増幅器１８で適当なレベルに
増幅されて受信信号出力端子１９から出力される。
【０００７】他方、光束分割ミラー１２を透過した光束
はレンズ１３により集光され、図４に示すように１つの
小円から成るスポット像Ｓとして受光素子１４で受光さ
れる。受光素子１４では、４つの受光要素１４ａ〜１４
ｄの出力を比較してスポット像Ｓの位置を求め、位置信
号としてトラッキング制御回路６に出力する。トラッキ
ング制御回路６はこの位置信号に基づいて、相手側装置
からの光ビームが自装置の光路と成す角度を算出し、ア
クチュエータ４、５の駆動信号を作成する。アクチュエ
ータ４、５は可動ミラー３の角度を調整し、スポット像
Ｓが受光素子１４の中心で受光されるようにする。これ
に伴い、発光素子９の位置も調節されることになり、出
射ビームと入射ビームの光路が一致、即ち光ビームが相
手側装置に向けて正確に出射されることになる。そし
て、通信時に装置が傾いたりして受信光の光路がずれ、
受光素子１４のスポット像Ｓの位置が中心からずれる
と、直ちに可動ミラー３が移動され、スポット像Ｓが受
光素子１４の中心で受光されるようにビームの入射の光
路が逐次に修正され、入射してくる光ビームが装置から
外れないようにしている。
【０００８】上述したトラッキングの機能は、相手側装
置からの光ビームが受信可能なレベルで到達し、かつ受
光素子１４の一部にでもスポット像Ｓが受光されていな
いと作動しない。従って、装置設置時における初期調節
では、操作者は可動ミラー１２を中点付近の初期位置で
固定し、視準スコープ２０により相手側装置を観察しな
がら、手動で装置の方向調節を行う。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来例では、光信号の出力パワーの減衰を抑えるために、
伝送距離が長距離になると光ビームの拡がり角を狭くせ
ざるを得ない。例えば、受信地点でのビーム径を２ｍ程
度に設定すると、伝送距離が５００ｍでは送信側の光ビ
ームの拡がり角度は０．２°程度で済むが、伝送距離が
２０００ｍではこの角度は０．０６°となる。このた
め、装置の方向調整のために高精度の微動台等により手
動調節機構が必要となるが、方向調節の操作が煩雑にな
りコスト高につながる。
【００１０】また、受光素子１４がスポット像Ｓを受光
しているか否かは、受光素子１４の受光信号を監視する
ことにより確認できるが、自装置からの光ビームが相手
側装置の受光素子に受光されているか否かは、自装置側
からは確認できない。この状態で視準スコープ２０によ
り観察しながら、光ビームを確実に相手側装置に受信さ
せるためには、光ビームの出射角度誤差と視準スコープ
２０の目視誤差を含めた値が、光ビームの拡がり角度以
下であるという条件を満たす要がある。このため、製造
時の送信光学系に対する視準スコープ２０の角度の精
度、及び可動ミラー３の中点位置の再現性に対する要求
が厳しくなるだけでなく、製造後でも振動、衝撃、経時
変化等による視準スコープ２０の視準角度のずれに対す
る許容量も厳しくなるので、製造が難しくなりコスト高
にもなる。
【００１１】本発明の目的は、機構を簡単化し、方向調
整を容易にかつ正確に行い得る光空間通信装置を提供す
ることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る光空間通信装置は、自由空間に光ビーム
を伝搬させて通信を行う光空間通信装置において、情報
を伝達する主信号を送信する手段と、前記光ビームの出
射方向を制御するための光信号を発生して送信する手段
と、前記光信号を受信して光ビームの入射方向を検出す
る手段と、前記光信号のレベルを変化させるレベル制御
手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
【作用】上述の構成を有する光空間通信装置は、情報を
伝達する主信号と共に、光ビームの出射方向を調節する
ための光信号を検出し、光ビームの出射方向を補正しな
がら通信を行う。
【００１４】
【実施例】本発明を図１、図２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、装置の入射口及び射出口となるレンズ２１の背後の
光路上には、レンズ２２、可動ミラー２３が配置され、
可動ミラー２３にはアクチュエータ２４、２５が取り付
けられ、トラッキング制御回路２６の出力が接続されて
いる。可動ミラー２３の反射方向の光路上には、紙面に
平行な偏波を透過し、紙面に直交する偏波を反射する偏
光ビームスプリッタ２７、駆動手段２８により光路に沿
って移動するコリメートレンズ２９、半導体レーザー等
から成る発光素子３０が順次に配列され、発光素子３０
には合波器３１、増幅器３２、送信信号入力端３３の出
力が順次に接続され、合波器３１にはパイロット信号発
振器３４の出力が接続されている。
【００１５】偏光ビームスプリッタ２７の反射方向の光
路上には、光束分割ミラー３５、レンズ３６、従来例の
受光素子１４と同様に４つの受光要素を有するＰＩＮフ
ォトダイオード３７が配置され、ＰＩＮフォトダイオー
ド３７の出力はトラッキング制御回路２６に接続されて
いる。また、光束分割ミラー３５の反射方向の光路上に
は、レンズ３８、受光素子３９が配置され、受光素子３
９の出力は増幅器４０、受信信号出力端４１に接続され
ている。
【００１６】更に、装置全体を制御するためにシステム
制御回路４２が設けられ、システム制御回路４２の出力
はトラッキング制御回路２６、駆動手段２８、増幅器３
２、パイロット信号発振器３４にそれぞれ接続され、更
にシステム制御回路４２にはトラッキング開始スイッチ
４３と、送信距離を設定するための距離設定器４４の出
力が接続されている。また、受／送信部の外部には視準
スコープ４５が設けられている。
【００１７】送信に際して、情報が主信号として送信信
号入力端３３から入力され、増幅器３２で増幅された後
に合波器３１に出力される。合波器３１は主信号とパイ
ロット信号発振器３４からのトラッキング用のパイロッ
ト信号とを重ね合わせた後に発光素子３０に出力する。
発光素子３０の内部の半導体レーザーは、入力信号に基
づいて発振光を変調し光信号に変換する。発光素子３０
からの発振光は紙面に平行に偏波し、コリメートレンズ
２９、偏光ビームスプリッタ２７を通り、可動ミラー２
３で反射されてレンズ２２、２１を経て空間に出射され
る。
【００１８】伝送される光信号は、情報を含む主信号と
トラッキング用のパイロット信号から成り、主信号は高
周波数成分をも含む高帯域信号であり、パイロット信号
は主信号の周波数帯域に重ならない低周波数成分から成
る狭帯域信号である。従って、パイロット信号は狭帯域
で受信できるために、低いレベルでも高いＳ／Ｎ比が得
られるので、通信時には主信号に与える影響を小さくす
るため、主信号よりもレベル配分比は低く設定されてい
る。
【００１９】受信に際しては、このような光信号がレン
ズ２１から入射して集光され、レンズ２２で平行光とさ
れ、可動ミラー２３で反射される。その後に、紙面を直
交する偏波であるため、偏光ビームスプリッタ２７で反
射されて光束分割ミラー３５で２方向に分割される。光
束分割ミラー３５を透過した光束はレンズ３６を通り、
１個の小円から成るスポット像ＳとしてＰＩＮフォトダ
イオード３７に受光される。他方、光束分割ミラー３５
で反射された光束は、レンズ３８を通り受光素子３９で
受信される。
【００２０】受光素子３９は応答速度が早いため、高周
波数域の主信号を受光して電気信号に変換する。この信
号は増幅器４０で増幅された後に、受信信号出力端４１
から出力される。他方、ＰＩＮフォトダイオード３７は
応答速度が遅いため、光信号のうち低周波数域のパイロ
ット信号を受光して電気信号に変換し、トラッキング制
御回路２６に出力する。この信号に基づいて、トラッキ
ング制御回路２６はＰＩＮフォトダイオード３７上のス
ポット像Ｓの位置を計算し、光信号の受信方向を監視し
ている。
【００２１】この通信装置では、使用者が方向調整を行
った後に常に最適方向で送／受信できるように、ＰＩＮ
フォトダイオード３７と可動ミラー２３によるトラッキ
ングを行っている。図２において、通信を行う２台の装
置を装置Ａ、装置Ｂとすると、先ず両装置Ａ及びＢの使
用者は装置を送信状態にし、視準スコープ４５を覗いて
装置に入射してくる光ビームを観察しながら、手動で装
置の方向調整を行う。このとき装置Ａ及びＢにおいて、
システム制御回路４２は指令信号FLを駆動手段２８に出
力する。駆動手段２８によりコリメートレンズ２９は光
路に沿って移動され、図２(a) に示すようにビーム拡が
り角を大きくしている。このため、簡単な操作で自装置
からの光ビームを他装置に入射させることができる。し
かし、ビームが拡がることにより信号が減衰してしまう
ので、システム制御回路４２は駆動手段２８に指令信号
FLを出力するのと同期して、パイロット信号発振器３４
へ指令信号PLを出力する。すると、パイロット信号発振
器３４は通信時よりも高いレベルのパイロット信号を合
波器３１に出力し、確実に相手側装置でパイロット信号
が受光されるようにする。
【００２２】パイロット信号のレベルを上げると、発光
素子３０では非直線性歪のため、パイロット信号高周波
が発生したり、或いはパイロット信号と主信号間で相互
変周波が発生することがあり、この影響により主信号の
Ｓ／Ｎ比が劣化する。しかしながら、この状態では通信
を目的としていないので、主信号の劣化は問題にはなら
ない。そこで、パイロット信号のレベルを上げるために
指令信号PLを出力するのと同期して、システム制御回路
４２は主信号のレベルを低下させるために指令信号SLを
増幅器３２に出力するようにしてもよい。この結果、増
幅器３２において主信号のレベルは殆ど零になる。この
場合には、主信号のレベルが減少した分だけ、パイロッ
ト信号のレベルを増加させてもよい。なお、パイロット
信号のレベルを上げるには、発光素子３０において信号
歪を無視して光信号の交流成分を増加するように、半導
体レーザーの発振光を変調し直流成分に相当する光信号
の出力パワーは変化させないようにするとよい。
【００２３】装置Ａ及びＢにおいて方向調整が終了後
に、装置Ａの使用者はパイロット信号の受光レベルが十
分であることを確認し、トラッキング開始スイッチ４３
を押してシステム制御回路４２にトラッキングの開始を
入力する。この入力に応じて、システム制御回路は指令
信号TRをトラッキング制御回路２６に出力する。トラッ
キング制御回路２６はＰＩＮフォトダイオード３７の４
つの受光要素からの受光信号を比較し、スポット像Ｓの
位置を求め、アクチュエータ２４、２５の駆動信号を作
成する。アクチュエータ２４、２５は可動ミラー２３の
角度を調整し、スポット像ＳがＰＩＮフォトダイオード
３７の中心で受光されるようにし、図２(b) に示すよう
に装置Ａからの光ビームの光路と装置Ｂの光路とを一致
させる。
【００２４】装置Ａにおいて、光ビームの出射方向が決
定されると、システム制御回路４２は駆動手段２８に指
令信号FLを出力し、またパイロット信号発振器３４にも
指令信号PLを出力する。駆動手段２８はコリメートレン
ズ２９を移動し、図２(c) に示すように光ビームの拡が
り角を小さくする。他方、パイロット信号発振器３４は
合波器３１への信号の出力レベルを下げ、パイロット信
号のレベルを通信時のレベルまで落とす。なお、主信号
のレベルを下げてある場合には、システム制御回路４２
は指令信号SLにより増幅器３２を制御し、送信信号入力
端３３からの入力信号のレベルを通信可能なレベルまで
増幅させる。
【００２５】装置Ｂにおいてもトラッキング開始スイッ
チ４３が入力されると、同様に光ビームの出射方向、拡
がり角及び出力レベルが調整され、装置Ａ及び装置Ｂが
送／受信可能な状態となる。そして、通信開始後にもト
ラッキング制御回路２６は、ＰＩＮフォトダイオード３
７のスポット像Ｓの位置を逐次に監視し、アクチュエー
タ２４、２５により可動ミラー２３を調整してトラッキ
ングを行っている。
【００２６】上述したトラッキングは、通信距離が長い
場合に特に有効である。通信距離が例えば数１００ｍ以
下程度の短い際には、方向調節の精度はそれ程要求され
ないため、ビームを拡げたりパイロット信号のレベルを
上げなくともよい場合もある。この通信装置では、距離
設定器４４において伝送距離を入力すると、システム制
御回路４２は伝送距離に応じてビーム拡がり角やパイロ
ット信号のレベルの増幅率等を設定する。例えば、伝送
距離が非常に長い場合には、ビームを拡げ過ぎるとパイ
ロット信号の出力レベルを限界まで上げても空間中で減
衰してしまい、相手側装置で受信できない場合があるの
で、方向調節の精度は多少落ちるが、ビームの出力パワ
ーの減衰を抑えるためにビーム拡がり角を小さめに設定
するとよい。なお、距離設定器４４は距離目盛の付いた
ポテンショメータ等で構成されているが、デジタルスイ
ッチで構成することもできる。
【００２７】この実施例では、ビームの入射方向を検出
するために、パイロット信号を主信号と重畳している
が、主信号をビームの入射方向の検出用の信号として用
いることも可能である。例えば、ＰＩＮフォトダイオー
ド３７は主信号の直流成分を受光するようにする。この
方法ではＰＩＮフォトダイオード３７の検出精度は低下
するが、機構を簡単にできるという利点がある。更に、
ＰＩＮフォトダイオード３７の代りに主信号の交流成分
も検出できるような高速応答の素子のみを用いてもよ
い。この場合には、光束分割ミラー３５と受光素子３９
を省略し、この素子で主信号を受信し、トラッキングと
通信を行うようにすることもできる。
【００２８】パイロット信号と主信号は周波数の違いで
重畳されているが、波長多重、時分割多重又は符号多重
等の方法を用いることもできる。例えば、主信号とは異
なる発光波長を発振する発光素子でパイロット信号を光
信号に変換した後に、主信号に由来する光信号と合波し
て送信する。受信の際には、光束分割ミラー３５におい
てパイロット信号と主信号を波長により分割する。この
結果、パイロット信号は光束分割ミラー３５を透過し、
ＰＩＮフォトダイオード３７で受光され、主信号は光束
分割ミラー３５で反射され、受光素子３９で受信する。
この場合には、２つの発光素子を用いるために構成が複
雑になるが、パイロット信号の出力レベルを大きくして
も主信号に影響を与えない。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る光空間
通信装置は、光ビームの出射方向を調節するための光信
号を検出して、光ビームの出射方向を補正をしながら通
信を行うようにしたため、長距離通信時でも装置の方向
調整を容易にかつ高精度に行い得る。また光学部材の製
造精度が緩和されるので、低価格化を図れる。
【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】トラッキングに伴う光ビームの変化の説明図で
ある。
【図３】従来例の構成図である。
【図４】フォトダイオードの正面図である。
【符号の説明】
２３ 可動ミラー ２６ トラッキング制御回路 ２７ 偏光ビームスプリッタ ３０ 発光素子 ３１ 合波器 ３４ パイロット信号発振器 ３５ 光束分割ミラー ３７ ＰＩＮフォトダイオード ３９ 受光素子 ４２ システム制御回路 ４３ トラッキング開始スイッチ ４４ 距離設定器 ４５ 視準スコープ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｂ 10/14 10/06 10/04

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 自由空間に光ビームを伝搬させて通信を
    行う光空間通信装置において、情報を伝達する主信号を
    送信する手段と、前記光ビームの出射方向を制御するた
    めの光信号を発生して送信する手段と、前記光信号を受
    信して光ビームの入射方向を検出する手段と、前記光信
    号のレベルを変化させるレベル制御手段とを有すること
    を特徴とする光空間通信装置。
  2. 【請求項２】 前記光ビームの拡がり角を変化する手段
    を有し、前記光ビームの拡がり角を大きくする場合には
    前記レベル制御手段は前記光信号のレベルを大きくし、
    前記光ビームの拡がり角を小さくする場合には前記レベ
    ル制御手段は前記光信号の出力レベルを小さくする請求
    項１に記載の光空間通信装置。
  3. 【請求項３】 前記光信号は前記主信号とは周波数帯又
    は波長が異なるパイロット信号であるようにした請求項
    １又は２に記載の光空間通信装置。
  4. 【請求項４】 通信用の主信号のレベルを変化する手段
    を有し、該手段は前記レベル制御手段により前記光信号
    のレベルを大きくする際には、前記主信号のレベルを小
    さくするか又は零にし、前記レベル制御手段により前記
    光信号のレベルを小さくする際には前記主信号のレベル
    を大きくする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載
    の光空間通信装置。
  5. 【請求項５】 前記主信号は前記光ビームの出射方向を
    制御するための前記光信号に兼用するようにした請求項
    １又は２に記載の光空間通信装置。
  6. 【請求項６】 伝送距離を設定する手段を有し、該手段
    において設定された伝送距離に応じて前記光信号のレベ
    ル、前記主信号のレベル及び前記光ビームの拡がり角を
    変化させる請求項１〜５の何れか１つの請求項に記載の
    光空間通信装置。
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