JP6233189B2

JP6233189B2 - ビーム走査装置、光無線通信システムおよびビーム走査方法

Info

Publication number: JP6233189B2
Application number: JP2014110013A
Authority: JP
Inventors: 伸夫大畠; 敬太望月
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2034-05-28
Also published as: JP2015225222A

Description

この発明は、ビーム走査装置、光無線通信システムおよびビーム走査方法に関するものである。

ビームを走査する技術は様々な用途に用いることができる。例えば、光無線通信や、レーザプリンタ、バーコードリーダ等である。

従来、レーザビーム走査装置として、波長可変光源と、部分透過型エタロンを備え、該波長可変光源からのレーザビームを該部分透過型エタロンに入射させ、レーザビーム走査をするものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００９−１４５８３８号公報特開２００６−３２３１７５号公報

しかしながら、特許文献１、２に開示されている従来のレーザビーム走査装置においては、副次的な回折光が発生して多峰性となり、その副次的な回折光はノイズ光となる。従って、レーザの光波長を変化させて出射角度を走査する場合、常にノイズ成分となる副次的な回折光が付きまとうことになるという問題点があった。例えば短距離の光無線通信においては、この副次的な回折光はノイズとなるため、単峰性の光を走査することが望まれる。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、例えば光無線通信においてノイズとなるような副次的な回折光を抑制し、波長を変化させて単峰性の光を走査することができるビーム走査装置を実現することを目的としている。

この発明に係るビーム走査装置は、波長を変化させて光を出力する波長可変光源と、前記波長可変光源で出力された光を平面波に変換する平面波変換部と、前記平面波変換部で平面波に変換された光を多重反射させ、この多重反射光の隣接ビームがそれぞれ重なることにより波長に応じた単峰性の光強度分布に変換する光強度分布変換部と、前記光強度分布変換部で波長に応じた単峰性の光強度分布に変換された光の位相波面を球面波に変換することにより、この波長に応じた単峰性の光強度分布に応じて光の出射方向を変化させる位相波面変換部と、を備えたものである。

この発明によれば、ビーム走査装置において、波長を変化させて単峰性の光を走査することができる。

この発明の実施の形態１によるビーム走査装置を含む光無線通信システムを示す構成図この発明の実施の形態１によるビーム走査装置を示す構成図この発明の実施の形態１によるビーム走査装置を説明するための説明図この発明の実施の形態１によるビーム走査装置を示す構成図この発明の実施の形態２によるビーム走査装置を示す構成図

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるビーム走査装置を含む光無線通信システムを示す構成図であり、図２、４は、この発明の実施の形態１によるビーム走査装置を示す構成図であり、図３は、この発明の実施の形態１によるビーム走査装置を説明するための説明図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図１、２、４において、この発明の実施の形態１によるビーム走査装置は、波長可変光源としての波長可変レーザ１と、平面波変換部２と、光強度分布変換部３と、位相波面変換部４を備えている。そして、このビーム走査装置を含む光無線通信システムは、さらに、受信部５を備えている。

次に動作について説明する。図１において、波長可変レーザ１から出射した光は、平面波変換部２により平面波に変換され、光強度分布変換部３に入力される。光強度分布変換部３では後述するように波長可変レーザ１の波長、例えばλ_１、λ_２に応じた光強度分布変換が行われる。また、光強度分布変換部３では、単峰性の強度分布となり、その強度分布を波長に応じて空間的に変化させることができる。その後、位相波面変換部４において、平面波から位相波面を変換することで光の出射方向を変化させることが可能となる。従って、波長を変化させ光を走査することで、受信部５の位置に光を飛ばすことができる。

次に各部の具体的な構成および動作について説明する。図１において、波長可変レーザ１はＤＦＢ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄ−Ｂａｃｋ）レーザまたはＤＢＲ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザのような半導体レーザである。なお、ファイバレーザ等を用いるようにしても良い。

なお、波長可変レーザ１として半導体レーザを使用する場合、半導体レーザの温度を変化させることで容易に波長を変化させることができ、例えば、ペルチェ素子上に半導体レーザを配置して温度を変化させる方法や、半導体レーザ周辺に薄膜抵抗等といった抵抗体を配置して電流を流し、温度を変化させる方法がある。また、半導体レーザにキャリア注入を行い、キャリアプラズマ効果により波長シフトを行っても良い。

平面波変換部２はコリメートレンズ２ａにより構成され、波長可変レーザ１からのレーザビームのスポットサイズに合わせ、焦点距離を自由に調整し、光強度分布変換部３において望まれるビーム径まで拡大する。例えば、光強度分布変換部３へ入射するビーム径をコリメートレンズ２ａにより０．５ｍｍまで拡大する場合、波長を１５５０ｎｍとすると、ガウスビームの広がり角度は約０．０９４°程度となり、疑似的に平面波と見なすことができる。

図２において、光強度分布変換部３としてエタロン３ａを用いたファブリペロー干渉を利用する。エタロン３ａの入射面には光が無反射で入射するようにＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コートが一部分に施されるとともに内部で光が全反射するように金コートが他の部分に施されている。一方、エタロン３ａの出射面には光が部分反射するように部分反射コートが施されている。なお、図２で示すように、平面波変換部２からの平面波の進行方向をｚ方向、紙面に垂直な方向をｙ方向としている。

図２において、実線の矢印で模式的に示すように、エタロン３ａに入射された光はエタロン内部で多重反射され、複数のビームがエタロン３ａから出射することになる。この複数のビームにおいて、隣接する光がそれぞれ点光源とならないように重なるビーム径とする。例えば、エタロン３ａに入射する光を０．５ｍｍのスポットサイズを有するガウスビームと仮定し、エタロン３ａの厚みを２．０ｍｍとする。エタロン内部光線角度θを１．５°とすると、多重反射によりエタロン３ａから出射されるビームの間隔は０．１８６ｍｍとなる。従って、隣接するビームである隣接ビームが十分に重なる配置となる。

図３（ａ）、図３（ｂ）にエタロン３ａから出射されるビームのシミュレーション結果を示す。図３（ａ）、図３（ｂ）において、縦軸は光強度（図中、ａ．ｕ．で示す任意単位）であり、横軸は図２に示すｘ軸（ｍｍ単位）である。エタロン３ａの入射面の電場反射率を０％または１００％とし、エタロン３ａの出射面の電場反射率を６０％として光強度の計算を行った。図３（ａ）において、波長がλ_１＝１５５０．４ｎｍの場合、マイナスｘ方向０．１２ｍｍの位置に光強度ピークが発生し、図３（ｂ）において、波長がλ_２＝１５５０．８ｎｍの場合、プラスｘ方向０．１２ｍｍに光強度ピークが発生する。位相波面は平面波に近いため、ほぼ出射角度は変わらずに光強度分布を維持したまま位相波面変換部４に伝搬することになる。

図４に位相波面変換部４として球面波変換が可能な凸レンズ４ａを示す。図４において、光強度分布変換部３により光の強度分布を空間的に変化させることで、凸レンズ４ａに入射する強度分布が変化するため、実線、粗い波線および細かい波線の矢印で模式的に示すように、光強度分布に応じた出射角度に変換することが可能である。

なお、図１、４において、受信部５の位置までが非常に短距離の場合、凸レンズ４ａの焦点距離以下で使用することも可能であるが、焦点距離以降の結像後の光を使用しても良い。その場合、光は球面波となるため、減衰が大きくなる。また、凸レンズ４ａの中心位置からずれるため、レンズによる収差が発生し易くなるため、レンズ中心軸近傍を使用することが好ましい。

以上のように、この発明の実施の形態１によるビーム走査装置では、光強度分布変換部３により、エタロン内部で多重反射される平面波としての複数のビームの隣接ビームがそれぞれ重なるビーム径とすることで、副次的な回折光が抑制され、単峰性の光強度分布となり、その光強度分布を波長に応じて空間的に変化させ、位相波面変換部４により、その光強度分布に応じた出射角度に変換するようにしている。これにより、波長を変化させて光を走査するビーム走査装置において、単峰性の光を走査することができるという作用効果を奏する。

また、この発明の実施の形態１によるビーム走査装置を含む光無線通信システムにおいては、副次的な回折光が抑制されて走査された単峰性の光信号を受信部５で受信するようにしている。これにより、副次的な回折光としてのノイズが抑制され、信号対雑音比といった通信品質に優れた光空間通信を行うことができるという作用効果を奏する。

実施の形態２．
この発明の実施の形態１によるビーム走査装置においては、ファブリペローの干渉を利用するため、波長変化に対応するＦＳＲ（ＦｒｅｅＳｐｅｃｔｒａｌＲａｎｇｅ）に応じて光の出力パワーが変動する。これに対し、この発明の実施の形態２によるビーム走査装置は、光出力一定でのビーム走査を可能とするものである。

図５は、この発明の実施の形態２によるビーム走査装置を示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図５において、実施の形態２によるビーム走査装置は、実施の形態１によるビーム走査装置の構成に代え、エタロン３ｂを備え、実施の形態１によるビーム走査装置の構成に加え、光強度受光部６を備えている。なお、それ以外の構成は、図１、２、４に示した実施の形態１によるビーム走査装置と同様であるため、その動作も含めて説明を省略する。

図５において、エタロン３ｂの入射面には光が無反射で入射するようにＡＲコートが一部分に施されるとともに内部で光が部分反射するように部分反射コートが他の部分に施されている。一方、エタロン３ｂの出射面には光が部分反射するように部分反射コートが施されている。

次に動作について説明する。図５において、波長可変レーザ１が平面波変換部であるコリメートレンズ２ａの光軸に対してオフセットして配置され、平面波がエタロン３ｂに対して斜めに入射する。これにより、エタロン３ｂの通過後に出射面側でＦＳＲに応じて与えられる光強度の変動と同等の変動を入射面側で得ることができる。この光強度を、光強度受光部６を配置してモニタし、エタロン３ｂの通過後で発生する光強度の変動を補償するように波長可変レーザ１に電流を流すことで、光強度一定でのレーザビーム走査が可能となる。

なお、波長可変レーザ１として半導体レーザを使用し、半導体レーザの温度を変化させるなどで波長を変化させる場合、波長変化とともに半導体レーザの光出力パワーも変動するが、実施の形態２によるビーム走査装置においては、光強度受光部６により光強度をモニタすることができるため、光出力は一定に保たれる。

以上のように、この発明の実施の形態２によるビーム走査装置においては、部分反射コートが施されたエタロン３ｂの入射面側に光強度受光部６を配置して光強度をモニタし、光強度の変動を補償するようにしている。これにより、実施の形態１によるビーム走査装置の作用効果に加え、光出力一定でのビーム走査が可能となるという作用効果を奏する。

また、この発明の実施の形態２によるビーム走査装置を含む光無線通信システムにおいては、副次的な回折光が抑制され、光出力一定で走査された単峰性の光信号を受信部５で受信するようにしている。これにより、実施の形態１による光無線通信システムの作用効果に加え、光出力一定で安定性に優れた光空間通信を行うことができるという作用効果を奏する。

なお、この発明の実施の形態１、２によるビーム走査装置において、光の波長、エタロンの反射率や寸法、ビームの径や間隔などの数値は一例であって、これに限られる訳ではない。

また、この発明の実施の形態１、２によるビーム走査装置において、波長可変レーザ１としての半導体レーザ、平面波変換部２としてのコリメートレンズ２ａ、光強度分布変換部３としてのエタロン３ａ、３ｂ、位相波面変換部４としての凸レンズ４ａなどの構成は、これに限られる訳ではなく、同様の作用効果を奏する構成を適用可能である。

また、この発明の実施の形態１、２によるビーム走査装置は、上述のように、光無線通信システムへの適用に好適であるものの、これに限られる訳ではなく、例えばレーザプリンタ、バーコードリーダ等に適用しても良く、要するに、副次的な回折光が抑制され、さらに光出力一定で走査された単峰性の光を利用することが望まれるものであれば、どのようなシステムにおいても同様の作用効果を奏するのである。

１波長可変レーザ、２平面波変換部、２ａコリメートレンズ、３光強度分布変換部、３ａ、３ｂエタロン、４位相波面変換部、４ａ凸レンズ、５受信部、６光強度受光部。

Claims

波長を変化させて光を出力する波長可変光源と、
前記波長可変光源で出力された光を平面波に変換する平面波変換部と、
前記平面波変換部で平面波に変換された光を多重反射させ、この多重反射光の隣接ビームがそれぞれ重なることにより波長に応じた単峰性の光強度分布に変換する光強度分布変換部と、
前記光強度分布変換部で波長に応じた単峰性の光強度分布に変換された光の位相波面を球面波に変換することにより、この波長に応じた単峰性の光強度分布に応じて光の出射方向を変化させる位相波面変換部と、
を備えたことを特徴とするビーム走査装置。
前記光強度分布変換部は、前記平面波変換部で平面波に変換された光をエタロン内部で多重反射させ、この多重反射光の隣接ビームがそれぞれ重なることにより波長に応じた単峰性の光強度分布に変換することを特徴とする請求項１に記載のビーム走査装置。
前記光強度分布変換部からの光を受光して光強度の変動をモニタする光強度受光部と、を備え、
前記光強度受光部のモニタ結果に基づいて光出力一定でビームが走査されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のビーム走査装置。
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のビーム走査装置と、
このビーム走査装置で走査された光信号を受信する受信部と、
を備えたことを特徴とする光無線通信システム。
波長を変化させて光を出力する波長可変ステップと、
前記波長可変ステップで出力された光を平面波に変換する平面波変換ステップと、
前記平面波変換ステップで平面波に変換された光を多重反射させ、この多重反射光の隣接ビームがそれぞれ重なることにより波長に応じた単峰性の光強度分布に変換する光強度分布変換ステップと、
前記光強度分布変換ステップで波長に応じた単峰性の光強度分布に変換された光の位相波面を球面波に変換することにより、この波長に応じた単峰性の光強度分布に応じて光の出射方向を変化させる位相波面変換ステップと、
を備えたことを特徴とするビーム走査方法。