WO2023181278A1 - 光無線通信システム、光無線通信方法及び光送信装置 - Google Patents

光無線通信システム、光無線通信方法及び光送信装置 Download PDF

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WO2023181278A1
WO2023181278A1 PCT/JP2022/014054 JP2022014054W WO2023181278A1 WO 2023181278 A1 WO2023181278 A1 WO 2023181278A1 JP 2022014054 W JP2022014054 W JP 2022014054W WO 2023181278 A1 WO2023181278 A1 WO 2023181278A1
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communication
optical wireless
wireless communication
transmitter
detection
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PCT/JP2022/014054
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French (fr)
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穂乃花 伊藤
斗煥 李
宏礼 芝
健 平賀
淳 増野
裕文 笹木
康徳 八木
知哉 景山
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/07—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems
    • H04B10/075—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal
    • H04B10/077—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal using a supervisory or additional signal
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum

Definitions

  • the present invention relates to an optical wireless communication system, an optical wireless communication method, and an optical transmitter.
  • optical wireless communication systems that are susceptible to communication quality deterioration factors such as atmospheric turbulence and atmospheric particles.
  • One way to achieve longer distance and higher speed communication in such an optical wireless communication system is to increase the transmission power of the communication beam.
  • safety standards are set for the output of laser light.
  • an object detection device such as a camera, radar, or ultrasonic sensor is used to detect surrounding people or objects, and the detection results are communicated between the moving objects.
  • the position of the moving object is determined so that no person or object is located on the transmission path through which the laser beam for communication (hereinafter also referred to as "communication beam") passes.
  • An optical wireless communication system that controls the wireless communication system is being considered (for example, see Patent Document 1).
  • safe optical wireless communication without irradiating the human body with a communication beam can be realized by such a method of controlling the mobile bodies.
  • Patent No. 6656459 US Patent No. 5,229,593 US Patent Application Publication No. 2004/0227057 US Patent No. 6,633,026
  • the optical wireless communication system described in Patent Document 1 high-load calculation processing such as image processing and three-dimensional spatial data processing is required in order to detect an intruder into the communication beam transmission path. If a data processing device with high processing performance is not used, the time required for arithmetic processing may become long and the reaction speed may become slow. This may compromise safety. Furthermore, the optical wireless communication system described in Patent Document 1 requires a camera, but since the resolution of the camera is limited, a large number of cameras are required to simultaneously monitor the entire transmission path of the communication beam. becomes. As a result, it is assumed that the number of required parts of the device will increase, resulting in problems such as an increase in the amount of calculation in image processing, an increase in the size of the system, and an increase in power consumption.
  • an intruder can be detected by observing that the pilot beam surrounding a high-power communication beam is blocked and the reception level has decreased, so it is possible to detect an intruder by observing that the pilot beam surrounding a high-power communication beam is blocked and the reception level is reduced. It is possible to realize secure optical wireless communication.
  • the laser light used as the pilot beam propagates through space while spreading to some extent, if the spatial area where a person or object has entered the transmission path is relatively small compared to the wider diameter of the pilot beam, the reception level may decrease. The decline may be difficult to detect.
  • a method can be considered to improve the resolution by subdividing the pilot beam light-receiving section and using a large number of photodiodes, thereby increasing the sensitivity for detecting intruders.
  • a problem will arise in that the number of components such as photodiodes increases.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned technical background, and it is possible to suppress an increase in device cost, an increase in the amount of calculation, and an increase in power consumption, and to prevent a high-power communication beam from unintentionally hitting an object.
  • the objective is to provide technology that can realize optical wireless communication without being irradiated.
  • One aspect of the present invention is an optical wireless communication system including a transmitting device and a receiving device, wherein the transmitting device emits a communication beam used for transmitting desired information toward the receiving device.
  • a communication beam transmitting section a detection beam receiving section that receives a detection beam that is an object detection beam emitted from the receiving device so as to cover the transmission path of the communication beam; a control unit that measures a reception level and controls the communication beam transmission unit to lower the transmission output of the communication beam when attenuation of the reception level is detected, the reception device , an optical wireless communication system comprising: a communication beam receiver that receives the communication beam transmitted from the communication beam transmitter; and a detection beam transmitter that emits the detection beam to the transmitter.
  • One aspect of the present invention is a computer-based optical transmission method for an optical wireless communication system having a transmitting device and a receiving device, wherein the receiving device transmits a communication beam through a transmission path of a communication beam used for transmitting desired information.
  • a detection beam transmitting step of emitting a detection beam, which is a beam for detecting an object, to the transmitting device so as to cover the object detecting beam;
  • a beam receiving step a control step in which the transmitting device measures the reception level of the detection beam, and if attenuation of the reception level is detected, controls the transmission output of the communication beam to be lower;
  • a communication beam transmitting step in which the transmitting device emits a communication beam toward the receiving device;
  • a communication beam receiving step in which the receiving device receives the communication beam emitted from the transmitting device;
  • This is an optical wireless communication method having the following steps.
  • One aspect of the present invention includes a communication beam transmitter that emits a communication beam used for transmitting desired information toward a receiving device; a detection beam receiving unit that receives a detection beam that is a beam for detecting an object; and a detection beam receiving unit that measures the reception level of the detection beam, and when attenuation of the reception level is detected, transmits the transmission output of the communication beam. and a control section that controls the communication beam transmission section so as to lower the communication beam transmission section.
  • the present invention provides a technology that can realize optical wireless communication without unintentionally irradiating objects with high-power communication beams, while suppressing increases in device costs, increases in calculation amount, and increases in power consumption. It becomes possible to provide
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of an optical wireless communication system 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the functional configuration of an optical wireless communication system 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of an OAM mode separation circuit 12 and a transmission/reception control device 13 in the first embodiment of the present invention. It is a flowchart showing the operation of the transmitter 10 in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a cross section of a communication beam CB and a pilot beam PB.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a cross section of a pilot beam PB composed of a communication beam CB and a plurality of OAM mode beams. It is a figure showing the optical composition of optical wireless communication system 1a in the 2nd embodiment of the present invention.
  • the optical wireless communication system 1 in the first embodiment is a system that performs communication using laser light that can be harmful to the human body if irradiated with high power.
  • Optical wireless communication system 1 detects in advance a person or object attempting to intrude into the communication beam transmission path, and controls the transmission output of the communication beam according to the detection result to ensure safety (unintentionally high It is possible to realize optical wireless communication (without being irradiated with an output communication beam).
  • the optical wireless communication system 1 can detect an intruder through simple information processing based on observation results in the vicinity of a communication beam.
  • the optical wireless communication system 1 controls the transmission output of the communication beam while constantly monitoring the surroundings of the transmission path through which the laser light passes.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of an optical wireless communication system 1 according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the optical wireless communication system 1 includes a transmitter 10 and a receiver 20.
  • the optical wireless communication system performs communication using a communication beam CB and a pilot beam PB.
  • Communication beam CB is a beam for transmitting desired information from transmitter 10 to receiver 20.
  • the pilot beam PB is a beam for detecting an intruder that is transmitted from the receiver 20 to the transmitter 10.
  • the pilot beam PB is in a predetermined OAM (Orbital Angular Momentum) mode having orbital angular momentum, and is emitted coaxially with the communication beam CB from the receiver 20 that receives the communication beam CB.
  • the pilot beam PB is emitted so as to cover the transmission path of the communication beam CB, as shown in FIG.
  • OAM communication is a technology that enables large-capacity wireless transmission by multiplexing electromagnetic waves with different orbital angular momentums with different signals. Since electromagnetic waves with different orbital angular momentums have no correlation, even if a signal is superimposed on each electromagnetic wave and transmitted, the receiving side can distinguish and separate the superimposed signals. .
  • the state of electromagnetic waves that have orbital angular momentum is classified as OAM mode, and is expressed as "OAM mode + 1" by the rotation number (integer) of the phase distribution of electromagnetic waves in a plane perpendicular to the propagation direction. be done.
  • OAM mode + 1 the rotation number (integer) of the phase distribution of electromagnetic waves in a plane perpendicular to the propagation direction.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the functional configuration of the optical wireless communication system 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the transmitter 10 includes a communication laser diode (LD) 11, an OAM mode separation circuit 12, a transmission/reception control device 13, and a communication control device 14.
  • LD communication laser diode
  • OAM mode separation circuit 12 OAM mode separation circuit
  • transmission/reception control device 13 OAM mode separation circuit
  • communication control device 14 OAM mode separation circuit
  • the communication laser diode 11 emits a communication beam CB (laser light) toward the receiver 20.
  • the OAM mode separation circuit 12 includes a photodiode (not shown) and a spectrometer (not shown).
  • the photodiode receives the pilot beam PB emitted from the receiver 20.
  • the spectrometer separates the received pilot beams for each OAM mode. Note that the photodiode and spectroscope may be provided separately from the OAM mode separation circuit 12.
  • the transmission/reception control device 13 measures the reception level of the pilot beam PB for each OAM mode, and controls the transmission output of the communication beam CB based on the measured reception level.
  • the communication control device 14 controls information communication for transmitting information to the receiver 20 .
  • the receiver 20 includes a communication photodiode (PD) 21, an OAM mode generation circuit 22, and a communication control device 23.
  • PD communication photodiode
  • OAM OAM mode generation circuit
  • the communication photodiode 21 receives the communication beam CB emitted from the transmitter 10.
  • the OAM mode generation circuit 22 includes a laser diode (not shown). The laser diode emits a pilot beam PB toward the transmitter 10. Note that the laser diode may be provided separately from the OAM mode generation circuit 22.
  • the communication control device 23 controls the emission of the pilot beam PB by the OAM mode generation circuit 22 and controls information communication for receiving information transmitted from the transmitter 10.
  • SPP spiral phase plate
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the OAM mode separation circuit 12 and the transmission/reception control device 13 in the first embodiment of the present invention.
  • the OAM mode separation circuit 12 includes a spectroscope 121, four helical phase plates (SPP) 121-1 to 121-4, and five photodiodes (SPP). (PD) 123-0 to 123-4), an addition circuit ( ⁇ ) 124, a division circuit ( ⁇ ) 125, and an analog-digital converter 126. Further, the transmission/reception control device 13 is configured to include a threshold determination section 15 .
  • the OAM mode+1 pilot beam PB emitted from the laser diode of the OAM mode generation circuit 22 of the receiver 20 is received by the photodiode of the OAM mode separation circuit 12 of the transmitter 10.
  • the pilot beam PB is split by the spectrometer 121 into pilot beams PB as many as the number of OAM modes to be measured.
  • the pilot beam PB separated by the spectrometer 121 passes through spiral phase plates (SPP) 122-1 to 122-4 and is input to photodiodes (PD) 123-0 to 123-4, respectively, and is then input to the OAM
  • SPP spiral phase plates
  • PD photodiodes
  • the reception level is measured for each mode.
  • the reception level is measured by, for example, the transmission/reception control device 13.
  • Addition circuit ( ⁇ ) 124 adds outputs from photodiode 123-0, photodiode 123-2, photodiode 123-3, and photodiode 123-4.
  • a division circuit ( ⁇ ) 125 divides the output from the photodiode 123-1 by the output from the addition circuit 124. The output from the division circuit 125 is input to the transmission/reception control device 13.
  • the threshold determination unit 15 determines the reception level of each OAM mode (i.e., OAM mode 0, OAM mode -1, and OAM mode ⁇ 2) other than the transmission mode (i.e., OAM mode +1) based on the input from the division circuit 125. Calculate the ratio of the reception level in the transmission mode to the sum of Then, the threshold value determination unit 15 determines whether the calculated ratio value is equal to or greater than the threshold value, and determines the transmission output of the communication beam CB according to the determination result.
  • OAM mode i.e., OAM mode 0, OAM mode -1, and OAM mode ⁇ 2
  • the threshold value determination unit 15 determines whether the calculated ratio value is equal to or greater than the threshold value, and determines the transmission output of the communication beam CB according to the determination result.
  • the threshold value determination unit 15 determines that the transmission output of the communication beam CB is set to the normal output level, and the calculated ratio value is set to the threshold value. If the power is less than the normal power level, the transmission power of the communication beam CB is determined to be a safe power level that is lower than the normal power level. This is because crosstalk is thought to have occurred due to the helical wavefront of the OAM being disturbed by the intruder.
  • the calculation of the sum of the reception levels of each OAM mode other than the transmission mode and the calculation of the above ratio value may be performed by an analog calculation circuit using an operational amplifier or the like, or may be performed for each OAM mode.
  • the configuration may be such that the reception level is AD (analog-digital) converted and then performed by a digital circuit.
  • the communication laser diode 11 may be controlled based on arithmetic processing using all analog quantities without using the analog-digital converter (ADC) 126.
  • the transmission/reception control device 13 uses the calculated ratio value as it is as an analog quantity value, drives according to the analog quantity value, and controls the transmission output of the communication beam CB. It may be configured such that
  • the transmission/reception control device 13 is constituted by a mechanical switch (for example, an electromagnetic relay) or an electronic switch (for example, a transistor), and depending on the calculated ratio value, the A- Switching the communication laser diode 11 between on and off and controlling the intensity of the output without D conversion.
  • a mechanical switch for example, an electromagnetic relay
  • an electronic switch for example, a transistor
  • the communication beam CB is emitted into space from the communication laser diode 11 toward the receiver 20.
  • the emitted communication beam CB is then received by a photodiode of the receiver 20.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the transmitter 10 in the first embodiment of the present invention.
  • the operation of the transmitter 10 illustrated in the flowchart of FIG. 4 is started when the pilot beam PB is emitted from the receiver 20 toward the transmitter 10.
  • the pilot beam PB of OAM mode +1 emitted from the laser diode of the OAM mode generation circuit 22 of the receiver 20 is received by the photodiode of the OAM mode separation circuit 12 of the transmitter 10 (step S01).
  • the received pilot beam PB is separated by the spectrometer 121 into pilot beams PB of the number of OAM modes to be measured.
  • the pilot beam PB separated by the spectrometer 121 passes through spiral phase plates (SPP) 122-1 to 122-4 and is input to photodiodes (PD) 123-0 to 123-4, respectively, and is then input to the OAM The reception level is measured for each mode.
  • Addition circuit ( ⁇ ) 124 adds outputs from photodiode 123-0, photodiode 123-2, photodiode 123-3, and photodiode 123-4.
  • a division circuit ( ⁇ ) 125 divides the output from the photodiode 123-1 by the output from the addition circuit 124. The output from the division circuit 125 is input to the transmission/reception control device 13.
  • the threshold determination unit 15 of the transmission/reception control device 13 determines each OAM mode (i.e., OAM mode 0, OAM mode -1, and OAM mode ⁇ ) other than the transmission mode (i.e., OAM mode +1) based on the input from the division circuit 125. 2) Calculate the ratio of the reception level in the transmission mode to the sum of the reception levels. Then, the threshold determination unit 15 determines whether the calculated ratio value is equal to or greater than the threshold (step S02).
  • the threshold determination unit 15 determines that the transmission output of the communication beam CB is to be at the normal output level, and The communication beam CB is emitted into space from the communication laser diode 11 toward the receiver 20 (step S03).
  • the threshold determination unit 15 sets the transmission output of the communication beam CB to a safe output level lower than the normal output level.
  • the communication beam CB with a safe output level is emitted from the communication laser diode 11 into space toward the receiver 20 (step S04). With this, the operation of the transmitter 10 shown in the flowchart of FIG. 4 is completed.
  • the optical wireless communication system 1 in the first embodiment is a communication system that transmits information from the transmitter 10 to the receiver 20 using the communication beam CB.
  • the receiver 20 transmits a pilot beam PB in a predetermined OAM mode having orbital angular momentum toward the transmitter 10 so as to cover the transmission path of the communication beam CB.
  • transmitter 10 detects an OAM mode component (crosstalk) other than the predetermined OAM mode of pilot beam PB, it controls to reduce the transmission output of communication beam SB.
  • the optical wireless communication system 1 according to the first embodiment can achieve high performance without using a large number of receiver parts, laser parts, etc., and without data processing such as image processing. Intruders can be detected with precision.
  • the optical wireless communication system 1 in the first embodiment can prevent an intruder from entering the transmission path of the communication beam CB even at a location far from the transmitter 10 or the receiver 20. Even if there is a communication beam, it can be detected in advance by the pilot beam PB before it touches the communication beam CB, and it is possible to prevent the high-power communication beam from being irradiated on the intruder. Thereby, the optical wireless communication system 1 can safely operate the laser equipment without causing any harm to the human body.
  • the optical wireless communication system 1 in the first embodiment uses a beam with orbital angular momentum as the pilot beam PB, so compared to the conventional technology, the optical wireless communication system 1 in the first embodiment uses a beam with orbital angular momentum.
  • the accuracy of detecting intruders can be further improved without using a large number of light receiver parts and laser parts.
  • the area to be monitored can be limited to, for example, a cylindrical area with the transmission path of the communication beam CB as the central axis. Intruders can be detected without data processing.
  • the optical wireless communication system 1 in the first embodiment can reduce the power of the pilot beam PB near the central axis of the transmission path of the communication beam CB due to the property of the beam having orbital angular momentum. Therefore, the communication beam CB can be transmitted using the same wavelength band as the pilot beam PB.
  • the optical wireless communication system 1 in the first embodiment not only monitors the reception level of the pilot beam PB but also monitors the reception level for each OAM mode. It is possible to prevent simple attenuation caused by the atmosphere or the like that causes a uniform drop in the reception levels of all OAM modes from being mistaken as attenuation caused by the intrusion of an intruder. Thereby, the optical wireless communication system 1 can prevent an increase in the non-operation rate of the system due to the suppression of the transmission output of the communication beam CB which is originally unnecessary.
  • the optical wireless communication system 1 in the first embodiment in order to simplify the explanation, it is assumed that information is transmitted in one direction by the transmitter 10 and the receiver 20 facing each other, but the present invention is not limited to this. It's not a thing.
  • the optical wireless communication system may have a configuration in which two opposing radio devices each include a transmitter and a receiver, and bidirectional communication is possible.
  • One of the characteristics of electromagnetic waves with orbital angular momentum is that the beam diameter differs depending on the OAM mode.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the cross section of the communication beam CB and pilot beam PB.
  • the pilot beam PB3 in the higher-order OAM mode (mode +3 in FIG. 5) has a larger diameter than the pilot beam PB1 in the lower-order OAM mode (mode +1 in FIG. 5).
  • the diameter of the pilot beam PB can be changed simply by changing the OAM mode used, it is possible to set an appropriate monitoring range depending on the application.
  • the center of the spatial power distribution is a cavity, and the higher the dimension of the OAM mode, the wider the cavity becomes.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of a cross section of a pilot beam PB composed of a communication beam CB and a plurality of OAM mode beams. As shown in FIG. 6, when the pilot beam PB3 of OAM mode +3 and the pilot beam PB1 of OAM mode +1 overlap, the pilot beam PB3 of OAM mode +3 has a larger diameter.
  • the intruder When an intruder approaches the communication beam CB covered by the pilot beam PB with a cross-sectional shape like a multi-ring (case (1) in Fig. 6), the intruder first uses OAM mode +3. After being detected by pilot beam PB3, it will be detected by pilot beam PB1 in OAM mode +1. Conversely, when the intruder moves from the vicinity of the communication beam CB to outside the monitoring range (case (2) in Fig. 6), first, after the attenuation of the pilot beam PB1 in OAM mode +1 is no longer observed, Attenuation of pilot beam PB3 in OAM mode +3 is no longer observed.
  • the order in which changes in the attenuation of the pilot beam PB of a plurality of OAM modes with different dimensions are observed differs depending on the moving direction of the intruder. That is, if the moving direction of the intruder is from outside the observation range to the communication beam CB, attenuation is observed in order from the pilot beam PB of the higher-order OAM mode. On the other hand, if the moving direction of the intruder is from the vicinity of the communication beam CB to outside the observation range, attenuation is no longer observed starting from the pilot beam PB of the lower-order OAM mode.
  • the optical wireless communication system in the second embodiment can predict the moving direction of the intruder and the distance from the intruder to the communication beam CB.
  • the transmission output of the communication beam CB can be switched to lower earlier, or when the moving direction of the intruder is moving away from the communication beam CB.
  • the transmission power is on the rise, the transmission output of the communication beam CB can be returned to the original high output at an earlier stage, thereby increasing safety and reducing the unavailability rate.
  • the optical wireless communication system in the second embodiment can predict the moving speed of an intruder.
  • the transmission output of the communication beam CB may be switched to lower at an earlier stage, or an intruder approaching the communication beam CB may If the moving speed of the object is relatively slow, it is possible to reduce the transmission output of the communication beam CB to a slower rate, thereby increasing safety and reducing the downtime rate. .
  • FIG. 7 is a diagram showing the optical configuration of an optical wireless communication system 1a in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows an example of an optical system configuration of the transmitter 10 and the receiver 20 for aligning the central axes of pilot beams PB and communication beams CB in a plurality of OAM modes.
  • the transmitter 10 includes a communication laser diode (LD) 11, a transmission/reception control device 13, spiral phase plates (SPP) 122-1, 122-3, 122-5, and a photodiode. Consists of (PD) 123-1, 123-3, 123-5, beam splitters 127-1, 127-3, 127-5, and mirrors 128-1, 128-3, 128-5 . Further, as shown in FIG. 7, the receiver 20 includes a communication photodiode (PD) 21, laser diodes 221-1, 221-2, 221-3, a spiral phase plate (SPP) 222-1, 222-3, 222-5, mirrors 223-1, 223-3, 223-5, and beam splitters 224-1, 224-3, 224-5.
  • PD communication photodiode
  • SPP spiral phase plate
  • the receiver 20 has the same number of laser diodes (laser diodes 221-1, 221-2, 221-3), but the configuration is not limited to this.
  • the receiver 20 may include a single laser diode, and the output light from the single laser diode may be branched to each helical phase plate (e.g., helical phase plates 222-1, 222-3, 222). -5) may be configured such that the light is incident on the light source.
  • the laser light control method in the embodiment described above can be applied to wireless power transmission in which energy is wirelessly transmitted using powerful laser light.
  • the optical wireless communication system includes a transmitting device and a receiving device.
  • the optical wireless communication system is the optical wireless communication system 1 in the embodiment
  • the transmitting device is the transmitter 10 in the embodiment
  • the receiving device is the receiver 20 in the embodiment.
  • the above transmitting device includes a communication beam transmitting section, a detection beam receiving section, and a control section.
  • the communication beam transmitter is the communication laser diode 11 in the embodiment
  • the detection beam receiver is the photodiode included in the OAM mode separation circuit 12 in the embodiment
  • the controller is the transmitter/receiver in the embodiment. This is a control device 13.
  • the above-mentioned communication beam transmitter emits a communication beam used for transmitting desired information toward a receiving device.
  • the communication beam is the communication beam CB in the embodiment.
  • the detection beam receiving section described above receives a detection beam that is an object detection beam emitted from the receiving device so as to cover the transmission path of the communication beam.
  • the detection beam is the pilot beam PB in the embodiment.
  • the control section measures the reception level of the detection beam, and controls the communication beam transmission section to lower the transmission output of the communication beam when attenuation of the reception level is detected.
  • the above receiving device includes a communication beam receiving section and a detection beam transmitting section.
  • the communication beam receiver is the communication photodiode 21 in the embodiment
  • the detection beam transmitter is the laser diode included in the OAM mode generation circuit 22 in the embodiment.
  • the communication beam receiver described above receives the communication beam transmitted from the communication beam transmitter.
  • the detection beam transmitter described above emits a detection beam to the transmitter.
  • the detection beam may have orbital angular momentum in a predetermined Orbital Angular Momentum (OAM) mode.
  • OAM Orbital Angular Momentum
  • control unit may measure the reception level of each of the detection beams of a plurality of Orbital Angular Momentum modes having mutually different orbital angular momentums, including the detection beam of a predetermined Orbital Angular Momentum mode.
  • the plurality of Orbital Angular Momentum mode detection beams having different orbital angular momentums are the pilot beam PB1 and the pilot beam PB3 in the embodiment.
  • the above control unit controls the ratio of the reception level of the detection beam in the predetermined Orbital Angular Momentum mode to the sum of the reception level of the detection beam in Orbital Angular Momentum modes other than the predetermined Orbital Angular Momentum mode to a predetermined threshold.
  • the communication beam transmitting unit may be controlled to lower the transmission output of the communication beam when the communication beam is less than 100%.
  • the sum of reception levels of detection beams in Orbital Angular Momentum modes other than the predetermined Orbital Angular Momentum mode means each OAM mode (i.e., OAM mode 0,
  • the reception level of the detection beam in the predetermined Orbital Angular Momentum mode is the reception level of the transmission mode in the embodiment.
  • a part of the configuration of the transmitter 10 and receiver 20 in the embodiment described above may be realized by a computer.
  • a program for realizing this function may be recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium may be read into a computer system and executed.
  • the "computer system” herein includes hardware such as an OS and peripheral devices.
  • the term "computer-readable recording medium” refers to portable media such as flexible disks, magneto-optical disks, ROMs, and CD-ROMs, and storage devices such as hard disks built into computer systems.
  • a "computer-readable recording medium” refers to a storage medium that dynamically stores a program for a short period of time, such as a communication line when transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. It may also include a device that retains a program for a certain period of time, such as a volatile memory inside a computer system that is a server or client in that case. Further, the above-mentioned program may be one for realizing a part of the above-mentioned functions, or may be one that can realize the above-mentioned functions in combination with a program already recorded in the computer system. It may be realized using a programmable logic device such as an FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • FPGA Field Programmable Gate Array

Abstract

送信装置と、受信装置と、を有する光無線通信システムであって、前記送信装置は、所望の情報の伝送に用いられる通信用ビームを前記受信装置へ向けて射出する通信用ビーム送信部と、前記受信装置から前記通信用ビームの伝送経路を覆うように射出された物体検出用のビームである検出用ビームを受光する検出用ビーム受信部と、前記検出用ビームの受信レベルを計測し、前記受信レベルの減衰が検知された場合、前記通信用ビームの送信出力をより低くするように前記通信用ビーム送信部を制御する制御部と、を備え、前記受信装置は、前記通信用ビーム送信部から送信された前記通信用ビームを受光する通信用ビーム受信部と、前記検出用ビームを前記送信装置へ射出する検出用ビーム送信部と、を備える。

Description

光無線通信システム、光無線通信方法及び光送信装置
　本発明は、光無線通信システム、光無線通信方法及び光送信装置に関する。
　大気の擾乱や大気中の微粒子などの通信品質の劣化要因による影響を受けやすい光無線通信システムがある。このような光無線通信システムにおいて通信の長距離化及び高速化を実現する方法の一つとして、通信ビームの送信出力をより高くするという手段がある。しかしながら、高出力のレーザー光は人体に照射されると、人体にとって有害となる場合がある。そのため、レーザー光の出力には安全基準が設けられている。
　上記の安全基準を満たすために、例えば、レーザー光を使用する区域を立ち入り禁止区域とすることが考えられる。しかしながら、この場合、例えば生活エリアなどの、人の立ち入りを禁止することが難しいことがある区域においては、高出力のレーザー光を用いる光無線通信システムを展開させることは困難である。さらに、例えば高層ビル間又は地上と宇宙との間のような高所の区域などの、現時点では人が立ち入ることはないと想定可能な区域であったとしても、将来的には、例えば飛行可能な車の普及などによって、人が立ち入る可能性がある区域に変わることが考えられる。そのため、立ち入り禁止区域を設けることで上記の安全基準を満たす方法では、高出力のレーザー光を用いる光無線通信システムを広く普及させていくことは難しい。
　このような背景から、立ち入り禁止区域を設けることなく、レーザー光の人体への照射を未然に防ぐ方法が検討されている。例えば、レーザー光が通過する伝送経路に人や物体が侵入しそうな場合に、上記の安全基準に従って、レーザー光の送信出力を制限して安全なレベルにまで低くする方法、又はレーザー光を停波させる方法などが考えられる。
　従来、移動体と移動体との間の光無線通信において、例えばカメラ、レーダ、又は超音波センサ等の物体検知装置を用いて周囲の人や物体を検知し、検知結果を移動体と移動体との間で共有することによって、通信用のレーザー光（以下、「通信ビーム」ともいう。）が通過する伝送経路に人や物体が位置するような位置関係にはならないように移動体の位置を制御する光無線通信システムが検討されている（例えば、特許文献１を参照）。移動体と移動体との間の光無線通信においては、このような移動体の制御方法によって、通信ビームが人体に照射されることのない安全な光無線通信を実現することができる。
　一方、送信局と受信局とが共に移動体ではない場合には、上記のような制御方法を用いることができない。そのため、このような場合に対し、通信ビーム自体が遮断されたことを観測することで、通信ビームの伝送経路へ侵入した侵入物を検知する光無線通信システムが検討されている（例えば、特許文献２参照）。また、このような場合に対し、人体に対して安全な出力範囲で出力される侵入物検出用のレーザー光（以下、「パイロットビーム」という。）を通信ビームと平行する伝送経路で伝送し、パイロットビームが遮断されたことを観測することで通信ビームが遮断されたと判定する光無線通信システムが検討されている（例えば、特許文献３参照）。
　また、このような場合に対し、通信ビームを、人体に対して安全な出力範囲で出力されるパイロットビームで囲い、パイロットビームが遮蔽されたことを観測することで通信ビームに接近する人や物体を事前に検知し、検知結果に応じて通信ビームの送信出力を低減、又は通信ビームを停波させるように制御する光無線通信システムが検討されている（例えば、特許文献４参照）。このような構成により、通信ビームに接近する人や物体に有無を監視することで通信ビームが人体に照射されることを防ぎつつ、より大きな送信出力でレーザー光を出力可能な光無線通信システムを実現することができる。
特許第６６５６４５９号公報 米国特許第５２２９５９３号明細書 米国特許出願公開第２００４／０２２７０５７号明細書 米国特許第６６３３０２６号明細書
"液晶偏光スパイラルプレート"， [online], 株式会社東京インスツルメンツ， ［令和４年３月８日検索］， インターネット <URL: https://www.tokyoinst.co.jp/products/detail/polarization_elements/AR08/index.html>
　特許文献１に記載の光無線通信システムでは、通信ビームの伝送経路への侵入物を検知するために画像処理及び３次元空間データの処理などの高負荷な演算処理が必要とされることから、処理性能の高いデータ処理装置が用いられなければ、演算処理に要する時間が長くなったり、反応速度が遅くなったりする可能性がある。これによって、安全性が損なわれる可能性がある。さらに、特許文献１に記載の光無線通信システムではカメラなどが必要とされるが、カメラの解像度は有限であることから、通信ビームの伝送経路全体を同時に監視するためには多数のカメラが必要となる。これにより、必要とされる装置の部品点数が増大し、画像処理における演算量の増大、システムの大型化、及び消費電力の増大といった課題が生じることが想定される。
　また、特許文献２に記載の技術では、通信ビーム自体の遮蔽によって通信ビームの伝送経路への侵入物が検知されることから、侵入物が検知される前に人体に高出力の通信ビームが照射されてしまう。また、特許文献３に記載の技術でも、特許文献２に記載の技術と同様に、侵入物が検知される前に人体に高出力の通信ビームが照射されてしまう可能性がある。
　特許文献４に記載の技術では、高出力の通信ビームを取り囲むパイロットビームが遮蔽されて受信レベルが低下したことを観測することで侵入物を検知できることから、通信ビームが人体に照射されることのない安全な光無線通信を実現することができる。しかしながら、パイロットビームに用いられるレーザー光はある程度広がりながら空間を伝搬するため、より広がったパイロットビームの径に対して伝送経路に人や物体が侵入した空間領域が相対的に小さい場合、受信レベルの低下が検知されにくい可能性がある。これに対し、例えばパイロットビームの受光部を細分化し、多数のフォトダイオードを使用することで分解能を向上させ、侵入物を検知する感度を高める方法が考えられる。しかしながら、この場合、フォトダイオード等の部品の点数が増大するという課題が生じることが想定される。
　本発明は、上記のような技術的背景に鑑みてなされたものであり、装置コストの増大、演算量の増大、及び消費電力の増大を抑えつつ、意図せず物体に高出力の通信ビームが照射されることなく光無線通信を実現することができる技術を提供することを目的とする。
　本発明の一態様は、送信装置と、受信装置と、を有する光無線通信システムであって、前記送信装置は、所望の情報の伝送に用いられる通信用ビームを前記受信装置へ向けて射出する通信用ビーム送信部と、前記受信装置から前記通信用ビームの伝送経路を覆うように射出された物体検出用のビームである検出用ビームを受光する検出用ビーム受信部と、前記検出用ビームの受信レベルを計測し、前記受信レベルの減衰が検知された場合、前記通信用ビームの送信出力をより低くするように前記通信用ビーム送信部を制御する制御部と、を備え、前記受信装置は、前記通信用ビーム送信部から送信された前記通信用ビームを受光する通信用ビーム受信部と、前記検出用ビームを前記送信装置へ射出する検出用ビーム送信部と、を備える光無線通信システムである。
　本発明の一態様は、送信装置と、受信装置と、を有する光無線通信システムのコンピュータによる光送信方法であって、前記受信装置が、所望の情報の伝送に用いられる通信用ビームの伝送経路を覆うように、物体検出用のビームである検出用ビームを前記送信装置へ射出する検出用ビーム送信ステップと、前記送信装置が、前記受信装置から送信された前記検出用ビームを受光する検出用ビーム受信ステップと、前記送信装置が、前記検出用ビームの受信レベルを計測し、前記受信レベルの減衰が検知された場合、前記通信用ビームの送信出力をより低くするよう制御する制御ステップと、前記送信装置が、通信用ビームを前記受信装置へ向けて射出する通信用ビーム送信ステップと、前記受信装置が、前記送信装置から射出された前記通信用ビームを受光する通信用ビーム受信ステップと、を有する光無線通信方法である。
　本発明の一態様は、所望の情報の伝送に用いられる通信用ビームを受信装置へ向けて射出する通信用ビーム送信部と、前記受信装置から前記通信用ビームの伝送経路を覆うように射出された物体検出用のビームである検出用ビームを受光する検出用ビーム受信部と、前記検出用ビームの受信レベルを計測し、前記受信レベルの減衰が検知された場合、前記通信用ビームの送信出力をより低くするように前記通信用ビーム送信部を制御する制御部と、を備える光送信装置である。
　本発明により、装置コストの増大、演算量の増大、及び消費電力の増大を抑えつつ、意図せず物体に高出力の通信ビームが照射されることなく光無線通信を実現することができる技術を提供することが可能となる。
本発明の第１の実施形態における光無線通信システム１の全体構成図である。 本発明の第１の実施形態における光無線通信システム１の機能構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態におけるＯＡＭモード分離回路１２及び送受信制御装置１３の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態における送信機１０の動作を示すフローチャートである。 通信ビームＣＢ及びパイロットビームＰＢの断面の一例を示す図である。 通信ビームＣＢ及び複数のＯＡＭモードのビームで構成されるパイロットビームＰＢの断面の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態における光無線通信システム１ａの光学的な構成を示す図である。
　以下、実施形態の光無線通信システム、光無線通信方法及び光送信装置について、図面を参照しながら説明する。
＜第１の実施形態＞
　以下、第１の実施形態における光無線通信システム１について説明する。第１の実施形態における光無線通信システム１は、高出力で照射されると人体にとって有害となる可能性のあるレーザー光を用いて通信を行うシステムである。光無線通信システム１は、通信ビームの伝送経路に侵入しようとする人や物体を事前に検知し、検知結果に応じて通信ビームの送信出力を制御することで安全な（意図せず物体に高出力の通信ビームが照射されることのない）光無線通信を実現することができる。光無線通信システム１は、通信ビームの近傍の観測結果に基づく簡易な情報処理で侵入物を検知することができる。光無線通信システム１は、レーザー光が通過する伝送経路の周囲を常時監視しながら通信ビームの送信出力を制御する。
［光無線通信システムの全体構成］
　以下、光無線通信システム１の全体構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における光無線通信システム１の全体構成図である。図１に示されるように、光無線通信システム１は、送信機１０と、受信機２０と、を含んで構成される。
　本実施形態に係る光無線通信システムは、通信ビームＣＢとパイロットビームＰＢとを用いて通信を行う。通信ビームＣＢは、送信機１０から受信機２０へ所望の情報を伝送するためのビームである。パイロットビームＰＢは、受信機２０から送信機１０へ送信される、侵入物検出用のビームである。パイロットビームＰＢは、軌道角運動量を持つ所定のＯＡＭ（Orbital Angular Momentum）モードで、通信ビームＣＢを受信する受信機２０から通信ビームＣＢと同軸で射出される。パイロットビームＰＢは、図１に示されるように通信ビームＣＢの伝送経路を覆うように射出される。
　ＯＡＭ通信は、異なる軌道角運動量を持つ電磁波にそれぞれ異なる信号を乗せて多重化することで、大容量の無線伝送を可能にする技術である。互いに異なる軌道角運動量を持つ電磁波は相関がないことから、それぞれの電磁波に信号を乗せて重ね合わせて送信したとしても、受信側では、それらの重ね合わされた信号を区別し、分離することができる。
　また、軌道角運動量を持つ電磁波の状態を分類したものをＯＡＭモードといい、伝搬方向に対して垂直な平面における電磁波の位相分布の回転数（整数）によって、「ＯＡＭモード＋１」のように表される。単一のＯＡＭモードのＯＡＭ通信では、遮蔽や雑音がない理想空間においては、送信モード以外のＯＡＭモードで受信されることはない。しかしながら、伝送経路に部分的な遮蔽物がある場合には、軌道角運動量を持つ電磁波の波面が遮蔽物によって乱れ、送信モード以外のＯＡＭモードの電磁波が受信される（クロストークの発生）。本実施形態における光無線通信システムは、このような性質を利用するものである。
［光無線通信システムの機能構成］
　以下、光無線通信システム１の機能構成について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態における光無線通信システム１の機能構成を示すブロック図である。
　図２に示されるように、送信機１０は、通信用レーザーダイオード（ＬＤ）１１と、ＯＡＭモード分離回路１２と、送受信制御装置１３と、通信制御装置１４とを含んで構成される。
　通信用レーザーダイオード１１は、受信機２０へ向けて通信ビームＣＢ（レーザー光）を射出する。ＯＡＭモード分離回路１２は、不図示のフォトダイオードと、不図示の分光器とを含んで構成される。フォトダイオードは、受信機２０から射出されたパイロットビームＰＢを受光する。分光器は、ＯＡＭモードごとに受信したパイロットビームを分離する。なお、フォトダイオード及び分光器は、ＯＡＭモード分離回路１２とは別々に設けられていてもよい。
　送受信制御装置１３は、パイロットビームＰＢのＯＡＭモードごとの受信レベルを計測し、計測された受信レベルに基づいて、通信ビームＣＢの送信出力の制御を行う。通信制御装置１４は、受信機２０へ向けて情報を送信する情報通信の制御を行う。
　図２に示されるように、受信機２０は、通信用フォトダイオード（ＰＤ）２１と、ＯＡＭモード生成回路２２と、通信制御装置２３とを含んで構成される。
　通信用フォトダイオード２１は、送信機１０から射出された通信ビームＣＢを受光する。ＯＡＭモード生成回路２２は、不図示のレーザーダイオードを含んで構成される。レーザーダイオードは、送信機１０へ向けてパイロットビームＰＢを射出する。なお、レーザーダイオードは、ＯＡＭモード生成回路２２とは別々に設けられていてもよい。通信制御装置２３は、ＯＡＭモード生成回路２２によるパイロットビームＰＢの射出の制御、及び、送信機１０から送信された情報を受信する情報通信の制御を行う。
　通信ビームＣＢを覆うように射出されるパイロットビームＰＢを送受信するＯＡＭモード生成回路２２及びＯＡＭモード分離回路１２は、例えば非特許文献１に記載の螺旋位相プレート（ＳＰＰ；Spiral Phase Plate）を用いて実現可能である。
［閾値判定処理］
　以下、送信機１０の送受信制御装置１３による閾値判定処理を実現するためのＯＡＭモード分離回路１２の回路構成の一例について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態におけるＯＡＭモード分離回路１２及び送受信制御装置１３の構成を示すブロック図である。
　図３に示されるように、ＯＡＭモード分離回路１２は、分光器１２１と、４つの螺旋位相プレート（螺旋位相プレート（ＳＰＰ）１２１－１～１２１－４）と、５つのフォトダイオード（フォトダイオード（ＰＤ）１２３－０～１２３－４）と、加算回路（Σ）１２４と、除算回路（÷）１２５と、アナログ－ディジタル変換器１２６とを含んで構成される。また、送受信制御装置１３は、閾値判定部１５を含んで構成される。
　受信機２０のＯＡＭモード生成回路２２のレーザーダイオードから射出されたＯＡＭモード＋１のパイロットビームＰＢは、送信機１０のＯＡＭモード分離回路１２のフォトダイオードにて受光される。パイロットビームＰＢは、図３に示されるように、分光器１２１によって、測定されるＯＡＭモードの個数のパイロットビームＰＢに分光される。分光器１２１によって分光されたパイロットビームＰＢは、螺旋位相プレート（ＳＰＰ）１２２－１～１２２－４を経由するなどして、フォトダイオード（ＰＤ）１２３－０～１２３－４にそれぞれ入力され、ＯＡＭモードごとに受信レベルが計測される。受信レベルの計測は、例えば、送受信制御装置１３によって行われる。
　加算回路（Σ）１２４は、フォトダイオード１２３－０，フォトダイオード１２３－２，フォトダイオード１２３－３，及びフォトダイオード１２３－４からの出力を加算する。除算回路（÷）１２５は、フォトダイオード１２３－１から出力を、加算回路１２４からの出力によって除算する。除算回路１２５からの出力は、送受信制御装置１３へ入力される。
　閾値判定部１５は、除算回路１２５からの入力に基づき、送信モード（すなわち、ＯＡＭモード＋１）以外の各ＯＡＭモード（すなわち、ＯＡＭモード０，ＯＡＭモード－１，及びＯＡＭモード±２）の受信レベルの和に対する、送信モードの受信レベルの比を計算する。そして、閾値判定部１５は、算出された比の値が閾値以上であるか否かを判定し、判定結果に応じて通信ビームＣＢの送信出力を決定する。
　ここで、閾値判定部１５は、算出された比の値が閾値以上である場合には、通信ビームＣＢの送信出力を通常の出力レベルにするように決定し、算出された比の値が閾値未満である場合には、通信ビームＣＢの送信出力を、通常の出力レベルより低い、安全な出力レベルにするように決定する。なぜならば、侵入物によってＯＡＭの螺旋波面が乱されたことにより、クロストークが発生したと考えられるためである。
　なお、送信モード以外のＯＡＭモードのそれぞれの受信レベルの和の計算、及び上記の比の値の計算は、オペアンプ等を用いたアナログ演算回路によって行われる構成であってもよいし、ＯＡＭモード毎の受信レベルがＡ－Ｄ（アナログ－ディジタル）変換された後にディジタル回路によって行われる構成であってもよい。
　なお、アナログ－ディジタル変換器（ＡＤＣ）１２６を使用せずに、全てアナログ量での演算処理に基づいて通信用レーザーダイオード１１が制御されるような構成であってもよい。具体的には、送受信制御装置１３が、算出された上記の比の値をアナログ量での値のまま用いて、当該アナログ量での値に応じて駆動し、通信ビームＣＢの送信出力を制御するような構成であってもよい。
　この場合、例えば、送受信制御装置１３は、（例えば電磁リレー等の）機械式スイッチ、又は（例えばトランジスタ等による）電子式スイッチによって構成され、算出された上記の比の値に応じて、Ａ－Ｄ変換せずに、通信用レーザーダイオード１１のオンとオフとの切り替え、及び出力の強弱を制御する。このように、全てアナログ量の値に基づいて演算処理が行われることにより、処理遅延を非常に小さくしつつ、侵入物が接近した際には瞬時に通信用レーザーダイオード１１を制御（低減あるいは停波）することができるため、より安全な光無線通信の運用を実現することが可能になる。
　閾値判定部１５による送信出力の決定に従って、通信ビームＣＢは、通信用レーザーダイオード１１から受信機２０に向けて空間に射出される。そして、射出された通信ビームＣＢは、受信機２０のフォトダイオードによって受信される。
［送信機の動作］
　以下、送信機１０の動作の一例について説明する。図４は、本発明の第１の実施形態における送信機１０の動作を示すフローチャートである。図４のフローチャートが示す送信機１０の動作は、受信機２０から送信機１０へ向けてパイロットビームＰＢの射出が行われた際に開始される。
　受信機２０のＯＡＭモード生成回路２２のレーザーダイオードから射出されたＯＡＭモード＋１のパイロットビームＰＢは、送信機１０のＯＡＭモード分離回路１２のフォトダイオードにて受光される（ステップＳ０１）。受光されたパイロットビームＰＢは、分光器１２１によって、測定されるＯＡＭモードの個数のパイロットビームＰＢに分光される。分光器１２１によって分光されたパイロットビームＰＢは、螺旋位相プレート（ＳＰＰ）１２２－１～１２２－４を経由するなどして、フォトダイオード（ＰＤ）１２３－０～１２３－４にそれぞれ入力され、ＯＡＭモードごとに受信レベルが測定される。
　加算回路（Σ）１２４は、フォトダイオード１２３－０，フォトダイオード１２３－２，フォトダイオード１２３－３，及びフォトダイオード１２３－４からの出力を加算する。除算回路（÷）１２５は、フォトダイオード１２３－１から出力を、加算回路１２４からの出力によって除算する。除算回路１２５からの出力は、送受信制御装置１３へ入力される。
　送受信制御装置１３の閾値判定部１５は、除算回路１２５からの入力に基づき、送信モード（すなわち、ＯＡＭモード＋１）以外の各ＯＡＭモード（すなわち、ＯＡＭモード０，ＯＡＭモード－１，及びＯＡＭモード±２）の受信レベルの和に対する、送信モードの受信レベルの比を計算する。そして、閾値判定部１５は、算出された比の値が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ０２）。
　閾値判定部１５は、算出された比の値が閾値以上である場合には（ステップＳ０２・Ｙｅｓ）、通信ビームＣＢの送信出力を通常の出力レベルにするように決定し、通常の出力レベルの通信ビームＣＢが通信用レーザーダイオード１１から受信機２０に向けて空間に射出される（ステップＳ０３）。
　一方、閾値判定部１５は、算出された比の値が閾値未満である場合には（ステップＳ０２・Ｎｏ）、通信ビームＣＢの送信出力を通常の出力レベルより低い安全な出力レベルにするように決定し、安全な出力レベルの通信ビームＣＢが通信用レーザーダイオード１１から受信機２０に向けて空間に射出される（ステップＳ０４）。以上で、図４のフローチャートが示す送信機１０の動作が終了する。
　以上説明したように、第１の実施形態における光無線通信システム１は、通信ビームＣＢを用いて送信機１０から受信機２０へ情報の伝送を行う通信システムである。受信機２０は、軌道角運動量を持つ所定のＯＡＭモードのパイロットビームＰＢを、通信ビームＣＢの送信経路を覆うようにして送信機１０に向けて送信する。送信機１０は、パイロットビームＰＢの所定ＯＡＭモード以外のＯＡＭモード成分（クロストーク）を検出すると、通信ビームＳＢの送信出力を低下させるように制御する。
　このような構成を備えることで、第１の実施形態における光無線通信システム１は、多数の受光器部品やレーザー部品などを使用することなく、また画像処理などのデータ処理を伴うことなく、高精度に侵入物を検知することができる。
　また、このような構成を備えることで、第１の実施形態における光無線通信システム１は、たとえ送信機１０又は受信機２０から遠い位置において通信ビームＣＢの伝送経路に侵入しようとする侵入物であっても、通信ビームＣＢに触れる前にパイロットビームＰＢによって事前に検知することができ、高出力の通信ビームが侵入物に照射されることを未然に防止することができる。これにより、光無線通信システム１は、人体に危害を与えぬように安全にレーザー機器を運用することができる。
　また、このような構成を備えることで、第１の実施形態における光無線通信システム１は、パイロットビームＰＢに軌道角運動量を持つビームを用いるため、従来技術と比べて、分解能を上げるための膨大な数の受光器部品やレーザー部品を使用することなく、侵入物の検知精度をより向上させることができる。また、光無線通信システム１は、監視対象のエリアを例えば通信ビームＣＢの伝送経路を中心軸とした円柱上の領域のみとすることができるため、カメラによって撮像された画像の画像処理などの作業及びデータ処理を伴うことなく、侵入物を検知することができる。
　また、このような構成を備えることで、第１の実施形態における光無線通信システム１は、軌道角運動量を持つビームの性質によって、パイロットビームＰＢの電力は通信ビームＣＢの伝送経路の中心軸付近には存在しないため、パイロットビームＰＢと同一の波長帯を使用して通信ビームＣＢの伝送を行うことができる。
　また、このような構成を備えることで、第１の実施形態における光無線通信システム１は、パイロットビームＰＢの受信レベルの低下だけでなく、ＯＡＭモードごとの受信レベルを観測しているため、例えば大気等に起因する、全てのＯＡＭモードの受信レベルに一様な低下をもたらすような単純減衰が、侵入物の侵入に起因する減衰であると誤認されることを防ぐことができる。これにより、光無線通信システム１は、本来は不要な通信ビームＣＢの送信出力の抑制によるシステムの非稼働率の上昇を防止することができる。
　なお、第１の実施形態における光無線通信システム１では、説明を簡単にするため、対向する送信機１０と受信機２０によって片方向の情報の伝送が行われるものとしたが、これに限られるものではない。例えば、対向する２つの無線機の各々が送信機と受信機とを備え、双方向の通信が可能な構成を有する光無線通信システムであってもよい。
＜第２の実施形態＞
　以下、第２の実施形態における光無線通信システムについて説明する。
　軌道角運動量を持つ電磁波の特性の１つに、ＯＡＭモードごとにビームの径が異なるという特性がある。この特性を利用することで、予想される侵入物の大きさや移動速度に応じてパイロットビームＰＢのＯＡＭモードを変更させて、パイロットビームＰＢの径を適宜変更させることが可能である。このような構成にすることで、監視対象とする範囲を適応的に変更させることが可能になるため、想定される侵入物の大きさや移動速度に適した通信ビームＣＢの送信出力の制御を行うことができる。
　図５は、通信ビームＣＢ及びパイロットビームＰＢの断面の一例を示す図である。図５に示されるように、低次のＯＡＭモード（図５におけるモード＋１）のパイロットビームＰＢ１より、高次のＯＡＭモード（図５におけるモード＋３）のパイロットビームＰＢ３のほうが、径が大きくなる。このように、用いるＯＡＭモードを変更させるだけでパイロットビームＰＢの径の大きさを変えることができることから、用途に応じて適切な監視範囲を設定することが可能になる。
　また、ＯＡＭモード±１より高次のＯＡＭモードでは、空間の電力分布の中心が空洞であり、ＯＡＭモードの次元がより高くなるほどその空洞が広くなるという特性がある。この特性を利用することで、同時に複数のＯＡＭモードのビームを重ねて射出することにより、マルチリングのような断面形状のパイロットビームＰＢを形成させることができる（図６）。このような構成にすることで、侵入物の侵入方向（移動方向）を検知することが可能になる。
　図６は、通信ビームＣＢ及び複数のＯＡＭモードのビームで構成されるパイロットビームＰＢの断面の一例を示す図である。図６に示されるように、ＯＡＭモード＋３のパイロットビームＰＢ３とＯＡＭモード＋１のパイロットビームＰＢ１とが重なっている場合、ＯＡＭモード＋３のパイロットビームＰＢ３のほうが、より大きな径となる。
　このようなマルチリングのような断面形状のパイロットビームＰＢに覆われた通信ビームＣＢに向かって侵入物が接近する場合（図6における（１）の場合）、侵入物は、まずＯＡＭモード＋３のパイロットビームＰＢ３によって検知された後に、ＯＡＭモード＋１のパイロットビームＰＢ１によって検知されることになる。逆に、侵入物が通信ビームＣＢの近傍から監視範囲の外へ移動する場合（図6における（２）の場合）、まずＯＡＭモード＋１のパイロットビームＰＢ１の減衰が先に観測されなくなった後に、ＯＡＭモード＋３のパイロットビームＰＢ３の減衰が観測されなくなる。
　このように、侵入物の移動方向によって、次元の異なる複数のＯＡＭモードのパイロットビームＰＢの減衰の変化が観測される順番が異なる。すなわち、侵入物の移動方向が、観測範囲の外から通信ビームＣＢへの方向ならば、より高次のＯＡＭモードのパイロットビームＰＢから順に減衰が観測される。その逆に、侵入物の移動方向が、通信ビームＣＢ近傍から観測範囲の外への方向ならば、より低次のＯＡＭモードのパイロットビームＰＢから順に減衰が観測されなくなっていく。
　このような構成を備えることで、第２の実施形態における光無線通信システムは、侵入物の移動方向、及び侵入物から通信ビームＣＢまでの距離を予測することができる。これにより、例えば、侵入物の移動方向が通信ビームＣＢへ近づいていく方向であるときにはより早期に通信ビームＣＢの送信出力を低くするように切り替えたり、侵入物の移動方向が通信ビームＣＢから遠ざかっていく方向であるときにはより早期に通信ビームＣＢの送信出力を元の高い出力に戻したりして、安全性を高めつつ、不稼働率の低減を図ることが可能になる。
　また、このような構成を備えることで、第２の実施形態における光無線通信システムは、侵入物の移動速度を予測することができる。これにより、例えば、通信ビームＣＢへ近づいていく侵入物の移動速度が相対的に速い場合にはより早期に通信ビームＣＢの送信出力を低くするように切り替えたり、通信ビームＣＢへ近づいていく侵入物の移動速度が相対的に遅い場合にはより遅めに通信ビームＣＢの送信出力を低くするように切り替えたりして、安全性を高めつつ、不稼働率の低減を図ることが可能になる。
［光学的構成］
　図７は、本発明の第２の実施形態における光無線通信システム１ａの光学的な構成を示す図である。図７は、複数のＯＡＭモードのパイロットビームＰＢの中心軸と通信ビームＣＢの中心軸とを一致させるための送信機１０および受信機２０の光学系な構成の一例を示している。
　図７に示されるように、送信機１０は、通信用レーザーダイオード（LD）１１と、送受信制御装置１３と、螺旋位相プレート（ＳＰＰ）１２２－１，１２２－３，１２２－５と、フォトダイオード(ＰＤ）１２３－１，１２３－３，１２３－５と、ビームスプリッタ１２７－１，１２７－３，１２７－５と、ミラー１２８－１，１２８－３，１２８－５とを含んで構成される。また、図７に示されるように、受信機２０は、通信用フォトダイオード（ＰＤ）２１と、レーザーダイオード２２１－１，２２１－２，２２１－３と、螺旋位相プレート（ＳＰＰ）２２２－１，２２２－３，２２２－５と、ミラー２２３－１，２２３－３，２２３－５と、ビームスプリッタ２２４－１，２２４－３，２２４－５と、を含んで構成される。
　なお、図７に例示した光無線通信システム１ａの光学的な構成では、受信機２０が、螺旋位相プレート（螺旋位相プレート２２２－１，２２２－３，２２２－５）と同数のレーザーダイオード（レーザーダイオード２２１－１，２２１－２，２２１－３）を備えているが、この構成に限られるものではない。例えば、受信機２０が、単一のレーザーダイオードを備えており、当該単一のレーザーダイオードからの出力光を分岐させて各螺旋位相プレート（例えば、螺旋位相プレート２２２－１，２２２－３，２２２－５）に入射させるような構成であってもよい。
　なお、上述した実施形態では、一例として、レーザー光を通信に用いる場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、強力なレーザー光でエネルギーを無線で伝送する無線送電等においても、上述した実施形態におけるレーザー光の制御方法を適用することが可能である。
　上述した実施形態によれば、光無線通信システムは、送信装置と、受信装置とを有する。例えば、光無線通信システムは、実施形態における光無線通信システム１であり、送信装置は、実施形態における送信機１０であり、受信装置は、実施形態における受信機２０である。
　上記の送信装置は、通信用ビーム送信部と、検出用ビーム受信部と、制御部とを備える。例えば、通信用ビーム送信部は、実施形態における通信用レーザーダイオード１１であり、検出用ビーム受信部は、実施形態におけるＯＡＭモード分離回路１２が有するフォトダイオードであり、制御部は、実施形態における送受信制御装置１３である。
　上記の通信用ビーム送信部は、所望の情報の伝送に用いられる通信用ビームを受信装置へ向けて射出する。例えば、通信用ビームは、実施形態における通信ビームＣＢである。上記の検出用ビーム受信部は、受信装置から通信用ビームの伝送経路を覆うように射出された物体検出用のビームである検出用ビームを受光する。例えば、検出用ビームは、実施形態におけるパイロットビームＰＢである。上記の制御部は、検出用ビームの受信レベルを計測し、受信レベルの減衰が検知された場合、通信用ビームの送信出力をより低くするように通信用ビーム送信部を制御する。
　上記の受信装置は、通信用ビーム受信部と、検出用ビーム送信部とを備える。例えば、通信用ビーム受信部は、実施形態における通信用フォトダイオード２１であり、検出用ビーム送信部は、実施形態におけるＯＡＭモード生成回路２２が有するレーザーダイオードである。上記の通信用ビーム受信部は、通信用ビーム送信部から送信された通信用ビームを受光する。上記の検出用ビーム送信部は、検出用ビームを送信装置へ射出する。
　なお、検出用ビームは、所定のOrbital Angular Momentum（ＯＡＭ）モードの軌道角運動量を有していてもよい。
　なお、上記の制御部は、所定のOrbital Angular Momentumモードの検出用ビームを含む、互いに異なる軌道角運動量を有する複数のOrbital Angular Momentumモードの検出用ビームの受信レベルをそれぞれ計測するようにしてもよい。例えば、互いに異なる軌道角運動量を有する複数のOrbital Angular Momentumモードの検出用ビームとは、実施形態におけるパイロットビームＰＢ１及びパイロットビームＰＢ３である。
　なお、上記の制御部は、所定のOrbital Angular Momentumモード以外のOrbital Angular Momentumモードの検出用ビームの受信レベルの和に対する、所定のOrbital Angular Momentumモードの検出用ビームの受信レベルの比が所定の閾値未満である場合に、通信用ビームの送信出力を低くするように通信用ビーム送信部を制御するようにしてもよい。例えば、所定のOrbital Angular Momentumモード以外のOrbital Angular Momentumモードの検出用ビームの受信レベルの和とは、実施形態における送信モード（すなわち、ＯＡＭモード＋１）以外の各ＯＡＭモード（すなわち、ＯＡＭモード０，ＯＡＭモード－１，及びＯＡＭモード±２）の受信レベルの和であり、所定のOrbital Angular Momentumモードの検出用ビームの受信レベルは、実施形態における送信モードの受信レベルである。
　上述した実施形態における送信機１０及び受信機２０の構成の一部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。
　以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
１、１ａ…光無線通信システム、１０…送信機、１１…通信用レーザーダイオード（ＬＤ）、１２…ＯＡＭモード分離回路、１３…送受信制御装置、１４…通信制御装置、１５…閾値判定部、２０…受信機、２１…通信用フォトダイオード（ＰＤ）、２２…ＯＡＭモード生成回路、２３…通信制御装置、１２１…分光器、１２２－１～１２２－５…螺旋位相プレート（ＳＰＰ）、１２３－０～１２３－５…フォトダイオード（ＰＤ）、１２４…加算回路（Σ）、１２５…除算回路（÷）、１２６…アナログ－ディジタル変換器、１２７－１～１２７－５…ビームスプリッタ、１２８－１～１２８－５…ミラー、２２１－１～２２１－３…レーザーダイオード、２２２－１～２２２－５…螺旋位相プレート（ＳＰＰ）、２２３－１～２２３－５…ミラー、２２４－１～２２４－５…ビームスプリッタ

Claims (6)

  1. 　送信装置と、受信装置と、を有する光無線通信システムであって、
    　前記送信装置は、
    　所望の情報の伝送に用いられる通信用ビームを前記受信装置へ向けて射出する通信用ビーム送信部と、
    　前記受信装置から前記通信用ビームの伝送経路を覆うように射出された物体検出用のビームである検出用ビームを受光する検出用ビーム受信部と、
    　前記検出用ビームの受信レベルを計測し、前記受信レベルの減衰が検知された場合、前記通信用ビームの送信出力をより低くするように前記通信用ビーム送信部を制御する制御部と、
    　を備え、
    　前記受信装置は、
    　前記通信用ビーム送信部から送信された前記通信用ビームを受光する通信用ビーム受信部と、
    　前記検出用ビームを前記送信装置へ射出する検出用ビーム送信部と、
    　を備える光無線通信システム。
  2. 　前記検出用ビームは、所定のOrbital Angular Momentumモードの軌道角運動量を有する
    　請求項１に記載の光無線通信システム。
  3. 　前記制御部は、前記所定のOrbital Angular Momentumモードの前記検出用ビームを含む、互いに異なる前記軌道角運動量を有する複数のOrbital Angular Momentumモードの前記検出用ビームの前記受信レベルをそれぞれ計測する
    　請求項２に記載の光無線通信システム。
  4. 　前記制御部は、前記所定のOrbital Angular Momentumモード以外のOrbital Angular Momentumモードの前記検出用ビームの受信レベルの和に対する、前記所定のOrbital Angular Momentumモードの前記検出用ビームの受信レベルの比が所定の閾値未満である場合に、前記通信用ビームの送信出力を低くするように前記通信用ビーム送信部を制御する
    　請求項３に記載の光無線通信システム。
  5. 　送信装置と、受信装置と、を有する光無線通信システムのコンピュータによる光送信方法であって、
    　前記受信装置が、所望の情報の伝送に用いられる通信用ビームの伝送経路を覆うように、物体検出用のビームである検出用ビームを前記送信装置へ射出する検出用ビーム送信ステップと、
    　前記送信装置が、前記受信装置から送信された前記検出用ビームを受光する検出用ビーム受信ステップと、
    　前記送信装置が、前記検出用ビームの受信レベルを計測し、前記受信レベルの減衰が検知された場合、前記通信用ビームの送信出力をより低くするよう制御する制御ステップと、
    　前記送信装置が、通信用ビームを前記受信装置へ向けて射出する通信用ビーム送信ステップと、
    　前記受信装置が、前記送信装置から射出された前記通信用ビームを受光する通信用ビーム受信ステップと、
    　を有する光無線通信方法。
  6. 　所望の情報の伝送に用いられる通信用ビームを受信装置へ向けて射出する通信用ビーム送信部と、
    　前記受信装置から前記通信用ビームの伝送経路を覆うように射出された物体検出用のビームである検出用ビームを受光する検出用ビーム受信部と、
    　前記検出用ビームの受信レベルを計測し、前記受信レベルの減衰が検知された場合、前記通信用ビームの送信出力をより低くするように前記通信用ビーム送信部を制御する制御部と、
    　を備える光送信装置。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030075670A1 (en) * 2001-10-24 2003-04-24 Patria Ailon Oy Wireless power transmission
JP2009239982A (ja) * 2009-07-24 2009-10-15 Kddi Corp 光送受信装置
US20160043794A1 (en) * 2014-08-08 2016-02-11 Solyman Ashrafi Systems and methods for focusing beams with mode division multiplexing
US20210399800A1 (en) * 2019-03-08 2021-12-23 Guangdong Oppo Mobile Telecommunications Corp., Ltd. Free Space Optical Communications Method, and Transmitter and Receiver

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030075670A1 (en) * 2001-10-24 2003-04-24 Patria Ailon Oy Wireless power transmission
JP2009239982A (ja) * 2009-07-24 2009-10-15 Kddi Corp 光送受信装置
US20160043794A1 (en) * 2014-08-08 2016-02-11 Solyman Ashrafi Systems and methods for focusing beams with mode division multiplexing
US20210399800A1 (en) * 2019-03-08 2021-12-23 Guangdong Oppo Mobile Telecommunications Corp., Ltd. Free Space Optical Communications Method, and Transmitter and Receiver

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