JPH11177500A

JPH11177500A - 双方向光空間伝送装置

Info

Publication number: JPH11177500A
Application number: JP9363414A
Authority: JP
Inventors: Seizaburou Idekura; 靖三郎出藏
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-12-16
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 1999-07-02

Abstract

(57)【要約】【課題】正常な通信を行いながら送信側への外的要因
による送信光ビーム角度誤差に対する許容量を最大にす
る。【解決手段】相手側装置での送信光ビーム角度誤差情
報を基に、相手側装置のパイロット信号光−電気変換部
３４での受信光スポットが常時中心にくるように、自装
置の送信部２０を介して、送信光ビーム角度可変部２９
を制御することにより、常に最適な送信光ビーム角度で
送光することができる。このようにして、送信側への外
的要因による送信光ビーム角度誤差を補正することによ
ってその影響を軽減し、装置内の送信部光軸と受信部光
軸のアライメント調整を必要としない、双方向光空間伝
送装置を実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ビームにより双
方向の情報伝送を行う双方向光空間伝送装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来から光空間伝送装置では、送信側で
ビーム拡がり角を調整し、受信側において或る程度のビ
ーム径となるように調整して、通信を行うのが一般的で
ある。具体的には、図４に示すように送信側の送信装置
Ａの光ビーム拡がり角をθ、対向する受信装置Ｂ間の伝
送距離をＬとし、図５に示すように受信側での受光径を
Ｒ、光ビーム径をｒとすると、Ｒ≦ｒという状態で通信
を行う。

【０００３】ここで、送信側の光ビーム拡がり角θを一
定とすると、受信側での光ビーム径ｒは伝送距離Ｌによ
りｒ＝Ｌ・tan θとなり、送信光パワーをPt、受信光パ
ワーをPrとすると、Pr＝（Ｒ／ｒ）² ・Ptであるので、
送信光パワーPt及び受信側での受光径Ｒが一定であれ
ば、伝送距離Ｌが大きくなる程、受信光パワーPrが減少
し、受信側において所要受信光パワーを確保するための
伝送空間での光減衰に対する許容量が減少してしまう。

【０００４】また、伝送距離Ｌに応じて送信側で光ビー
ム拡がり角θを調整して受信側の光ビーム径ｒを一定に
すると、伝送距離Ｌに関係なく伝送空間での光減衰に対
する許容量は一定となり、光空間伝送装置を用いた回線
設計が行い易くなる。しかしこのような光空間伝送方式
は、通常では送信側の光ビーム角度誤差に対する許容量
に比べて受信側の受光可能角度が小さいために、風や振
動等の外的要因が送信側に加わって送信光ビーム角度が
変化し、受信側での光ビームが受信装置Ｂから外れて通
信が断たれる場合がある。このために、一般的には受信
側での光ビーム径ｒを受光径Ｒに比べて比較的大きくし
ておく。また、受信側での光ビーム径ｒを一定とする
と、送信側への外的要因による送信光ビーム角度誤差に
対する許容量は伝送距離Ｌによって変化し、伝送距離Ｌ
が大きくなる程、その許容送信角度誤差量が減少する。

【０００５】このように、光空間伝送システムにおいて
は、伝送空間での光減衰に対する許容量を大きくするた
めには、伝送距離Ｌが大きくなるにつれて送信側での光
ビーム拡がり角θを小さくし、受信側での光ビーム径ｒ
を小さくすることが好適である。一方、送信側への外的
要因による送信光ビーム角度誤差に対する許容量を大き
くするためには、送信側での光ビーム拡がり角θを大き
くして受信側での光ビーム径ｒを大きくする必要があ
る。実際には、このような相反する要求事項が発生する
ために、これらの許容される中間的な条件で光空間伝送
システムが実現されている。

【０００６】近年、風や振動に対する影響を軽減するた
めに、送信側への外的要因による送信光ビーム角度誤差
を補正する機能を有する双方向光空間伝送装置が実用さ
れており、図６はこのシステムに使用する双方向光空間
伝送装置の構成図を示している。この伝送装置では、送
信本信号入力端子１からの本信号とパイロット信号発生
器２からのパイロット信号とが合波器３で合波され、電
気−光変換部４で光ビームに変換され、この光ビームは
レンズ５、偏光ビームスプリッタ６を通って、送信光ビ
ーム角度可変部７から相手側装置に送信される。

【０００７】相手側装置から伝送された受信光は送信光
ビーム角度可変部７に入射し、偏光ビームスプリッタ６
で反射され、偏光ビームスプリッタ８で２方向に分岐さ
れる。偏光ビームスプリッタ８を透過した受信光は、主
信号受光部９に受光されて受信信号として受信信号出力
端子１０から出力される。一方、偏光ビームスプリッタ
８を反射した受信光は、角度ずれ検出部１１に受光され
て電気信号に変換され、光軸角度調節駆動制御部１２を
介して送信光ビーム角度可変部７を制御する。

【０００８】このとき、予め自装置内において送信部と
受信部の光軸を一致させておき、自装置の受信部の光軸
と相手側装置から伝送される受信光の光軸との角度誤差
を検出し補正する。送信部と受信部の光軸は予め一致す
るように調節されているので、この操作を対向するの装
置それぞれにおいて行うことにより、相手側装置から伝
送される受信光と同一光軸で送信光を投光することがで
き、常に安定した双方向光空間伝送を行うことができ
る。

【０００９】また、こうような送信部の光ビーム角度を
補正する機能を備えた双方向光空間伝送装置では、対向
設置された相手側装置に伝送する主信号として送信光ビ
ーム角度誤差検出のための狭帯域の、例えば正弦波のパ
イロット信号を送信側で重畳して送信するのが一般的で
ある。これによって、受信側で主信号に比べて狭帯域で
高感度の受信ができ、光ビームが微弱になった場合や送
信側で主信号の入力がない場合でも制御機能が維持で
き、更に直流光ではなくパイロット信号により角度誤差
を検出するので、背景光による影響を低減することがで
きる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来例の双方向光空間伝送装置においては、伝送空間で
の光減衰に対する許容量と送信光ビーム角度誤差に対す
る許容量の関係で、設置時の伝送空間の光減衰量とほぼ
等価となる視程や双方向光空間伝送装置の設置状態、例
えば装置の固定方法や設置場所での風や信号の大きさ等
によって、送信光ビーム角度誤差量が影響を受ける。従
って、その状態を見極めた上で、光ビーム拡がり角θを
所定値に設定して運用した場合に、この状態が設置時で
は最適であっても、運用中の視程や設置状態の変化によ
り、運用開始時の光ビーム拡がり角が必ずしも最適とは
ならなくなり、光空間伝送システムとしての稼動率が低
下してしまう。このために、運用中の視程や設置状態の
変化に応じて、運用者は光ビーム拡がり角θを常時最適
値に変更しなければならず、これは運用者にとって大き
な負担となる。

【００１１】一方、送信側への外的要因に伴って送信光
ビーム角度誤差を補正することによって、その影響を軽
減する双方光空間伝送装置では、自装置内において送信
部と受信部の光軸が一致していることが必要であり、相
手側装置から伝送される受信光と同一光軸で送信光を投
光する操作を対向する装置それぞれにおいて行うことに
より実現している。このために、装置内の送信部の光軸
と受信部の光軸とのアライメント誤差が、送信光ビーム
角度誤差補正機能運用中のオフセットの送信光ビーム角
度誤差となるために、このアライメント調整には高い精
度が必要となり、機構や調整の上で非常な負担となる。

【００１２】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
正常な通信を行いながら送信側への外的要因による送信
光ビーム角度誤差に対する許容量を最大にする双方向光
空間伝送装置を提供することにある。

【００１３】本発明の他の目的は、送信部の光軸と受信
部の光軸のアライメント調整を不要とする双方向光空間
伝送装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る双方向光空間伝送装置は、送信光ビーム
角度を補正する機能を備え所定の距離を隔てて対向設置
して光ビームで双方向の情報伝送を行う双方向光空間伝
送装置において、送信光ビーム角度誤差検出のための例
えば正弦波である狭帯域信号を発生する狭帯域信号発生
手段、対向装置に伝送する主信号に前記狭帯域信号を合
波する合波手段、該合波手段により合成した電気信号を
光ビームに変換する電気−光変換手段、前記対向装置側
で光ビームのビーム径を可変する送信光ビーム拡がり角
可変手段、光ビームの送信方向を可変する送信光ビーム
角度可変手段を有する送光部と、前記対向装置からの受
信光を分割する分割手段、該分割手段により分割した受
信光をそれぞれ電気信号に変換する光−電気変換手段、
前記狭帯域信号を用いて受信光の光軸と自装置の受光部
の光軸との角度誤差を検出する角度誤差検出手段、前記
自装置での受信光レベルを検出する受信光レベル検出手
段を有する受光部とを有し、該受光部の運用中の状況を
前記対向装置に光ビームにより送信する伝送手段と、前
記対向装置の受光部の運用中の状況を認識する認識手段
と、状況に応じて前記送光部の状態を制御する制御手段
とを備えたことを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】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は双方向光空間伝送
装置の構成図を示し、双方向光空間伝送装置は送信部２
０、受信部２１、システム制御部２２から構成されてい
る。送信部２０においては、対向設置した同様の構成を
有する相手側装置に送信する主信号の入力部２３の出力
は合波部２４に接続され、また送信部の光ビーム角度誤
差を検出する主信号に比べて狭帯域なパイロット信号を
発するパイロット信号発生部２５の出力は、変調部２６
を介して合波部２４に接続され、合波部２４の出力は電
気信号を光ビームに変換する電気−光変換部２７に接続
されている。電気−光変換部２７の前方には、送信光ビ
ーム拡がり角可変部２８、送信光ビーム角度可変部２９
が順次に配置されており、送信光ビーム拡がり角可変部
２８には送信光ビーム拡がり角制御部３０の出力が接続
され、送信光ビーム角度可変部２９には送信光ビーム角
度制御部３１の出力が接続されている。

【００１６】受信部２１においては、対向設置された相
手側装置から送光された光ビームの受信光を分割するビ
ームスプリッタ３２の透過方向に、集光レンズ３３、光
ビームを電気信号に変換する光−電気変換部３４が配置
され、ビームスプリッタ３２の反射方向には、集光レン
ズ３５、光−電気変換部３６が配置されている。光−電
気変換部３６の出力は、光電変換された信号から主信号
を抽出する主信号再生部３７、受信主信号の出力部３８
に順次に接続され、光−電気変換部３４の出力は、相手
側装置からの受信光の光軸と自装置の光軸との角度誤差
を検出する送信ビーム角度誤差検出部３９、システム制
御部２２に順次に接続されている。システム制御部２２
の出力は、変調部２６、送信光ビーム拡がり角制御部２
９、送信光ビーム角度可変部３１にそれぞれ接続されて
いる。

【００１７】図２はパイロット信号の光−電気変換部３
４と送信ビーム角度誤差検出部３９の構成図を示し、光
−電気変換部３４には、４つの象限にそれぞれ同じ特性
の光検出器４０ａ〜４０ｄが配置されている。光検出器
４０ａ〜４０ｄの出力はそれぞれ負荷インピーダンス４
１ａ〜４１ｄに接続され、負荷インピーダンス４１ａ〜
４１ｄの出力は、相手側装置から送光された受信光中の
パイロット信号分のみを検出し受信したパイロット信号
レベルに応じた電圧値を出力するパイロット信号検出器
４２ａ〜４２ｄ、復調部４３にそれぞれ接続されてい
る。パイロット信号検出器４２ａ〜４２ｄの出力は、Ｘ
方向の送信光ビーム角度誤差電圧を計算する加減算器を
介してＸ方向ずれ量出力端子４４、Ｙ方向の送信光ビー
ム角度誤差電圧を計算する加減算器を介して、Ｙ方向ず
れ量出力端子４５、受信光レベル検出部４６にそれぞれ
接続されている。

【００１８】ここで、図１の主信号の光−電気変換部３
６とパイロット信号の光−電気変換部３４との光軸は予
め装置内で一致するように調節されているので、図２の
パイロット信号の光−電気変換部３４への受信光スポッ
トが中心にきていれば、主信号の光−電気変換部３６は
最適の状態で受信していることになる。光−電気変換部
３４上の受信光スポットの光強度分布が均一であれば、
光検出部４０ａ〜４０ｄそれぞれで受信レベルが同一の
ときに、光−電気変換部３４の中心で受信されているこ
とが分かる。従って、加減算器を介して受信光スポット
の光−電気変換部３４上でのＸ方向のずれ量及びＹ方向
のずれ量を算出し、集光レンズ３３の焦点距離及び光−
電気変換部３４上の受信光スポット径が既知であれば、
送信光ビーム角度誤差量に換算することができる。この
ように生成した情報を自装置内のシステム制御部２２に
出力している。

【００１９】また、復調部４３では、受信した信号の内
相手側装置の送信部２０においてシステム制御部２２か
らのデータで変調したパイロット信号によりそのデータ
を復調し、対向設置の運用状況の情報を自装置内のシス
テム制御部２２に出力している。更に、受信光レベル検
出部４６では、パイロット信号の光−電気変換部３４へ
の受信光レベルを、パイロット信号検出器４２ａ〜４２
ｄから出力される電圧値により換算し、自装置内のシス
テム制御部２２に出力している。

【００２０】なお、復調部４３と受信光レベル検出部４
６は、送信光ビーム角度誤差検出部３９内にある必要は
なく、例えば主信号再生部３７内でも支障はない。更
に、受信光レベルの検出について、パイロット信号から
受信光レベルを換算しているが、主信号が伝送されてい
れば主信号から受信光レベルを検出することもできる。
また、背景光等の影響がなければ、直流光の受信レベル
をそのまま受信光レベルとすることもできる。

【００２１】双方向光空間伝送装置は所定の距離を隔て
て対向設置して運用され、電源が投入されると、システ
ム制御部２２は送信光ビーム拡がり角制御部２２と送信
光ビーム角度制御部３１に制御信号を送り、システム制
御部２２に予め設定されている拡がり角と送信角で相手
側装置に向け送信する。一方、対向する相手側装置から
の光ビームを受信すると、自装置内のシステム制御部２
２に取り込まれた送信光ビーム角度誤差量及び受信光レ
ベルを所定のデータの形式に変換し、このデータでパイ
ロット信号として許容できる帯域内でパイロット信号を
変調し、主信号と分波して相手側装置に伝送する。な
お、変調方式としては位相変調（ＰＳＫ）や周波数変調
（ＦＳＫ）等がある。

【００２２】同様の手順で送られた相手側装置での送信
光ビーム角度誤差及び受信光レベルの情報により、自装
置内のシステム制御部２２は自装置の送信光ビーム拡が
り角と送信光ビーム角度をそれぞれ制御する。即ち、相
手側装置での送信光ビーム角度誤差情報を基に、相手側
装置のパイロット信号の光−電気変換部３４での受信光
スポットが常時中心にくるように、自装置の送信部２０
を介して、送信光ビーム角度可変部２９を制御すること
により、常に最適な送信光ビーム角度で送光することが
できる。このようにして、送信側への外的要因による送
信光ビーム角度誤差を補正することによりその影響を軽
減し、装置内の送信部光軸と受信部光軸のアライメント
調整を必要としない双方向光空間伝送装置を実現するこ
とができる。

【００２３】また、相手側装置での受信光レベル情報を
基に、自装置の送信光ビーム拡がり角制御部２２を介し
て、相手側装置の受信側で所要受信光パワーが確保でき
る範囲内で、送信側での光ビーム拡がり角が最大となる
ようにして正常な通信を行う。更に、送信側への外的要
因による送信光ビーム角度誤差に対する許容量が最大と
なるように、送信光ビーム拡がり角可変部２８を制御す
ることにより、常に最適な送信光ビーム拡がり角で送光
することができる。

【００２４】図３は第２の実施例の構成図を示し、主信
号の入力部２３とパイロット信号発生部２４の出力は直
接合波部５０に接続され、またシステム制御部２２の出
力は変調部５１を介して合波部５０に接続されている。

【００２５】第１の実施例では、狭帯域で高感度の受信
を可能にするために、パイロット信号を変調してその帯
域を広げて、自装置の送信光ビーム角度誤差及び受信光
レベルの情報を相手側装置へ送信している。本実施例で
は、パイロット信号を本来の目的で使用するために、変
調部５１をパイロット信号発生部２４と切り離し、自装
置の送信光ビーム角度誤差及び受信光レベルの情報を、
変調部５１で主信号及びパイロット信号とは別の帯域の
信号として、合波部５０において主信号及びパイロット
信号と合波して送信している。

【００２６】従って、自装置の送信光ビーム角度誤差及
び受信光レベル情報を伝送するための変調帯域について
は、本双方向光空間伝送装置の伝送帯域中、主信号及び
パイロット信号に割り当てられている帯域外であれば、
自由に確保することができるので、より確実な伝送が可
能となる。更に、パイロット信号としては望ましくない
振幅変調（ＡＳＫ）等の変調方式でもよいので、設計上
の自由度が高くなる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る双方向
光空間伝送装置は、相手側装置からの送信光ビーム角度
誤差及び受信光レベルの情報を基に、自装置の送信光ビ
ーム角度及び送信光ビーム拡がり角を制御する操作を相
互で行うことにより、運用者に負担を掛けることなく、
常に装置運用中の視程や設置状態の変化に応じて、最適
な状態となるように光軸調整することが可能となる。更
に、組立時において高い精度を必要とする送信部光軸と
受信部光軸のアライメント調整が不要となり、機構及び
調整上の負荷を大きく軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の双方向光空間伝送装置の構成図
である。

【図２】送信光ビーム角度誤差検出部の構成図である。

【図３】第２の実施例の双方向光空間伝送装置の構成図
である。

【図４】従来の光空間伝送の説明図である。

【図５】光ビーム径と受光径の説明図である。

【図６】従来例の双方向光空間伝送装置の構成図であ
る。

【符号の説明】

２０送信部２１受信部２２システム制御部２４、５０合波部２５パイロット信号発生部２６、５１変調部２７電気−光変換部２８送信光ビーム拡がり角可変部２９送信光ビーム角度可変部３０送信光ビーム拡がり角制御部３１送信光ビーム角度制御部３２ビームスプリッタ３４、３６光−電気変換部３７主信号再生部３９送信ビーム角度誤差検出部４０ａ〜４０ｄ光検出器４２ａ〜４２ｄパイロット信号検出器４３復調部４６受信光レベル検出部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】送信光ビーム角度を補正する機能を備え
所定の距離を隔てて対向設置して光ビームで双方向の情
報伝送を行う双方向光空間伝送装置において、送信光ビ
ーム角度誤差検出のための例えば正弦波である狭帯域信
号を発生する狭帯域信号発生手段、対向装置に伝送する
主信号に前記狭帯域信号を合波する合波手段、該合波手
段により合成した電気信号を光ビームに変換する電気−
光変換手段、前記対向装置側で光ビームのビーム径を可
変する送信光ビーム拡がり角可変手段、光ビームの送信
方向を可変する送信光ビーム角度可変手段を有する送光
部と、前記対向装置からの受信光を分割する分割手段、
該分割手段により分割した受信光をそれぞれ電気信号に
変換する光−電気変換手段、前記狭帯域信号を用いて受
信光の光軸と自装置の受光部の光軸との角度誤差を検出
する角度誤差検出手段、前記自装置での受信光レベルを
検出する受信光レベル検出手段を有する受光部とを有
し、該受光部の運用中の状況を前記対向装置に光ビーム
により送信する伝送手段と、前記対向装置の受光部の運
用中の状況を認識する認識手段と、状況に応じて前記送
光部の状態を制御する制御手段とを備えたことを特徴と
する双方向光空間伝送装置。
【請求項２】前記自装置の受光部の運用状況は、前記
自装置の狭帯域信号を変調して前記対向装置に伝送し、
前記対向装置の受光部の運用状況は、前記対向装置から
の狭帯域信号を復調して認識するようにした請求項１に
記載の双方向光空間伝送装置。
【請求項３】前記自装置の受光部の運用状況は、前記
対向装置に伝送する主信号及び前記狭帯域信号とは異な
る周波数帯域の信号として前記対向装置に伝送し、前記
対向装置の受光部の運用状況は、前記対向装置に伝送す
る主信号及び前記狭帯域信号とは異なる周波数帯域で、
前記対向装置から伝送された信号により認識するように
した請求項１に記載の双方向光空間伝送装置。
【請求項４】前記自装置の受光部の運用状況として前
記受信光の光軸と前記自装置の受光部の光軸との角度誤
差情報を前記対向装置に伝送し、前記対向装置からの角
度誤差情報により前記送信光ビーム角度を制御するよう
にした請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の双方
向光空間伝送装置。
【請求項５】前記自装置の受光部の運用状況として前
記自装置での前記受信光レベル情報を前記対向装置に伝
送し、前記対向装置からの前記受信光レベル情報により
前記送信光ビーム拡がり角を制御するようにした請求項
１〜３の何れか１つの請求項に記載の双方向光空間伝送
装置。