JP7124712B2 - 光通信装置 - Google Patents

Description

本技術は、地上及び衛星間、及び／又は衛星同士の通信に適用される光通信装置に関する。

地上の空間的に離れた地点間でレーザ光を使用して通信を行うことは既に実用化されている。今後は、地上と人工衛星間の通信、人工衛星同士で光通信を行うことが要請されている。この場合には、非常に通信距離が長いために、相手からのレーザ光を受信するための配慮が必要であった。例えば下記の特許文献１には、大気揺らぎの影響を受ける場合でも受光強度変動を安定化するようにしたレーザ通信装置が提案されている。

上述したように非常に通信距離が長い場合には、強度の安定化とともに、レーザ光の送信方向の精度を高くすることが重要となる。上述した特許文献１は、指向誤差に起因する強度変化について考慮しているが、指向精度をより高くする点についての記載又は示唆がないものであった。さらに、空間光通信において、光の送信方向を制御する方法として、特許文献２には、受光した光を受光器に導く際に、ミラーを使用する方法が提案されている。

特開２００５－３５４３３５号公報 特開２００２－１１１５９２号公報

しかし、受信光に対して受信光学系の角度補正を行う場合、送受信系が一体となっている場合は、角度補正誤差は、そのまま出射角度誤差となってしまい、効率よく通信ができない課題があった。さらに、ミラー制御による光軸制御では、光軸がミラーで反射されて屈曲するため、大きなスペースを必要とする。さらに、Ｘ、Ｙ軸各々にミラーを配置する必要があり、またその制御には高い精度が必要とされるため、光学系全体として、複雑かつ大型化する欠点があった。さらに、ミラーにて光軸制御を行う場合、Ｚ軸方向の制御はできないという欠点もあった。

本技術の目的は、従来よりも光学システムを小型・単純化するだけでなく、より高い安定性の実現も可能な光通信装置を提供することにある。

本技術は、空間的に離れた地点間を１以上のレーザ光を用いて通信を行う光通信装置であって、
受光光学装置と出射光学装置とが共通の角度補正装置に設置され、
前記出射光学装置は、レーザ発生器と、光軸をＺ軸とし、光軸に対して直交し、互いに直交する軸をＸ軸及びＹ軸とし、出射光のＸＹ軸変動を検出する出射光ＸＹ軸検出器と、前記出射光ＸＹ軸検出器で得られたＸＹ軸制御用信号によってＸＹ軸方向にレンズの位置を制御する出射光ＸＹ軸補正装置とを有し、
前記受光光学装置は、入射光が入射される信号検出器と、前記入射光のＸＹ軸変動を検出する入射光ＸＹ軸検出器とを有し、
前記入射光ＸＹ軸検出器で得られたＸＹ軸制御信号によって、前記角度補正装置を制御すると共に、前記入射光ＸＹ軸検出器で得られたＸＹ軸制御信号によって、前記出射光ＸＹ軸補正装置を制御するようにした光通信装置である。

また、本技術の一つの態様は、出射光ＸＹ軸補正装置を駆動する量は、入射光ＸＹ軸検出器で得られたＸＹ軸制御信号に対して係数を乗算して得るようにした光通信装置である。

少なくとも一つの実施形態によれば、光学システムを小型・単純化することができ、また、より高い安定性の実現も可能となる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本技術中に記載されたいずれかの効果又はそれらと異質な効果であっても良い。

図１は、本技術が適用できる光通信装置の一例の概要を説明するための略線図である。 図２は、本技術の一実施の形態の出射光学装置の光学系の構成を示す略線図である。 図３は、光検出器の説明に用いる略線図である。 図４は、光検出器の検出動作の説明に用いる略線図である。 図５は、ＸＹ軸制御アクチュエータの一例の構成を示す斜視図である。 図６は、ＸＹ軸制御アクチュエータの一例の構成を示す斜視図である。 図７は、Ｚ軸制御アクチュエータの一例の構成を示す斜視図である。 図８は、本技術の一実施の形態の受光光学装置の光学系の構成を示す略線図である。 図９は、出射光学系及び受光光学系の両方を示す略線図である。 図１０は、本技術の一実施の形態のブロック図である。 図１１は単一の出射光学系及び受光光学系を用いた例の構成を示す略線図である。

以下に説明する実施の形態は、本技術の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されている。しかしながら、本技術の範囲は、以下の説明において、特に本技術を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。
なお、本技術の説明は、下記の順序にしたがってなされる。
＜１．一実施の形態＞
＜２．変形例＞

＜１．一実施の形態＞
図１に本技術の空間光通信装置の一実施の形態の概要を示す。一実施の形態は、受光光学装置１と出射光学装置２とを別に設ける構成である。受光光学装置１の周囲に等しい角度間隔で複数例えば８個の出射光学装置２が設けられている。この送受信光学系が一体との構成全体が、通信相手の送受信光学系の方向を向くよう、ジンバル機構３により角度制御される。

出射光学装置２が通信相手に対して送信信号によって変調されているレーザビームを照射する。複数の出射光学装置２を同期して駆動することで出力が加算され、高出力を得ることができる。通信相手からのレーザビームを受光光学装置１によって受光し、受信信号が得られる。なお、図１においては、例として、８個の出射光学装置２による構成を示したが、出射光学装置２の数は、この限りではなく、任意に設定できる。

図２に空間光通信装置に用いられる出射側光学装置２の一例の構成を示す。レーザ発生器例えばレーザダイオード２１から出射された送信光（レーザビーム）がビームスプリッタ２２において一部が反射され、光検出器２３に入射する。

さらにビームスプリッタ２２を透過した光は、Ｚ軸制御用レンズ搭載アクチュエータ２４（Ｚ軸制御アクチュエータ２４という。）を透過し、その後ＸＹ軸制御用レンズ搭載アクチュエータ２５（ＸＹ軸制御アクチュエータ２５という。）を透過の後、ビームスプリッタ２６にて、光軸制御用の光と出射光に分けられる。ここで、Ｚ軸とは光軸を指し、ＸＹ軸とは、光軸に対して直交する、互いに直交する軸を指す。

ＸＹ軸制御アクチュエータ２５を透過した光は、一旦焦点を結んだ後、再び拡散して出射レンズ２９にて平行光に変換され、フィルタ３０を透過の後、出射光３１として出射する。出射レンズ２９は、Ｚ軸制御アクチュエータ２４、ＸＹ軸制御アクチュエータ２５に比べて大口径とすることで、出射光学系の小型化と、出射光の拡散を低減する効果を持つ。フィルタ３０は、外部から光学系に入射する、出射光とは異なる波長の電磁波を低減する役割を持つ。

ビームスプリッタ２６にて反射された、光軸制御の光は、シリンドリカルレンズ２７にて非点収差を付加された後、光検出器２８に入射する。光検出器２８は、図３に示すような田の字に４分割された領域を持ち、シリンドリカルレンズ２７にて非点収差を付加された光束を受光することで、非点収差法にて、光束のＺ軸変動及びＸＹ軸の変動を検出する。

光検出器２８に入射した光束から、非点収差法を用いて、以下のようにＸＹＺ軸変動の信号を得る。Ａ～Ｄは、各領域の受光量に応じたレベルを有する電気信号を表す。

Ｚ軸ズレ：Ａ＋Ｃ－（Ｂ＋Ｄ） （式１）
Ｘ軸ズレ：Ａ＋Ｄ－（Ｂ＋Ｃ） （式２）
Ｙ軸ズレ：Ａ＋Ｂ－（Ｃ＋Ｄ） （式３）

図４は、非点収差法によるＺ軸変動の信号（いわゆるＳ字状信号）を示している。

このようにして得られたＸＹＺ制御用信号を用いて、Ｚ軸制御アクチュエータ２４及び、ＸＹ軸制御アクチュエータ２５のフィードバック制御を行う。

なお、ＸＹ軸制御アクチュエータ２５は、図５に示すように、コイル３４を巻いた駆動部を略Ｚ軸方向に伸びた複数の脚状の支持機構３２にて支えられる構造とすることで、ＸＹ軸方向にレンズ３３の位置を制御することが可能となる。

ＸＹ軸制御アクチュエータ２５の具体例は、図６に示すように、コイル３４を巻いた駆動部を略Ｚ軸方向に延びる複数の支持機構３２で支え、駆動部の周囲を４つの磁石３５で囲った構造であり、電磁駆動によって、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ駆動される。

Ｚ軸制御アクチュエータ２４は、図７に示すように、コイル３６を巻いた駆動部を横方向に伸びた支持機構で支え、駆動部の周囲に２つの磁石３８を設けた構造であり、電磁駆動により、Ｚ軸方向にレンズ３９が駆動される。なお、Ｚ軸制御アクチュエータ２４は、図示するサスペンション方式の他に、ボイスコイル方式等、他の構造を取ることもできる。

図８に空間光通信装置に用いられる受光光学装置１の構成を示す。上述した出射光学装置２から出射された出射光３１が空間を伝搬した後、受光光学系に入射する。この受光光１１は、反射型レンズ主鏡１２及び反射型レンズ副鏡１３によって収束し、ビームスプリッタ１４によって2つの光路に分割される。

分割された光路のうち、ビームスプリッタ１４によって反射された光束は、入射光ＸＹ軸検出器（例えばフォトダイオード）１５に入射する。ビームスプリッタ１４を透過した光は、ＸＹ軸制御アクチュエータ１６に搭載されるＸＹ軸制御レンズ１７を透過した後、信号検出器（例えばフォトダイオード）１８に入射する。

ここで、入射光ＸＹ軸検出器１５及び信号検出器１８は、光検出器２８と同様に、図３に示すような４分割の領域を持つ。また、ＸＹ軸制御アクチュエータ１６は、ＸＹ軸制御アクチュエータ２５と同様に、図５又は図６に示す構造を持つ。

受光光１１の光軸に対して、受光系全体が傾いている場合、入射光ＸＹ軸検出器１５及び信号検出器１８上のスポット位置がずれる。このズレは、上述した式２、式３に示す演算によって検出され、入射光ＸＹ軸検出器１５のＸＹ軸誤差信号は受光系全体の傾きを制御するジンバル機構３（図１参照）の制御に使用される。

また、信号検出器１８によって検出されたＸＹ軸誤差信号を用いて、ＸＹ軸制御アクチュエータ１６を制御することで、ジンバル機構３の制御誤差があった場合でも、信号検出器１８の受光面から光スポットがはみ出さないようにできる。なお、信号検出器１８の４個の領域の受光量を加算することで、受信信号を得ることができる。

ここで、入射光ＸＹ軸検出器１５上のスポットサイズを、信号検出器１８上のスポットサイズよりも大きくすることで、入射光ＸＹ軸検出器１５の角度検出範囲を広くし、ジンバル機構３の角度制御精度を緩和するとともに、ＸＹ軸制御アクチュエータ１６を設けることで、信号検出器１８は面積を小さくすることが可能となり、信号検出帯域を上げることも可能である。また、出射光学装置は受光光学装置と一体となっているため、ジンバル機構３の角度制御誤差があった場合、出射光軸の誤差が発生する。

そこで、入射光ＸＹ軸検出器１５で検出されたジンバル制御誤差に応じて、適正量だけ出射光学装置の光軸を制御することで、出射光軸誤差を補正することが可能となる。さらに、送受信光学系内部にアクチュエータおよびアクチュエータ制御用光検出器を配置することで、光学系が温度等の影響で変形した場合でも、アクチュエータを用いて補正を行うことが可能となる。

図９は、上述した受光光学装置１及び出射光学装置２を同一の図面として表したものである。

図１０に、一実施の形態の制御ブロック図を示す。複数の出射光学装置２の一つのみが示されている。複数の出射光学装置のそれぞれは、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向のそれぞれに関してのフィードバック制御がなされる。なお、複数の出射光学装置を備える場合に、一つずつ出力を止め、相手衛星の受光光量変化を確認することで、出射系個々の状態を検出するようにしてもよい。また、複数の出射系の、一つずつ光軸をスキャンし、相手衛星の受光状態を確認することで、個々の出射光軸合せを行うようにしてもよい。

図１０において、コントローラ１４０が制御系全体の動作を制御する。出射光学系１０１と関連する光検出器２８に対してＸＹＺポジション検出器１２８が接続され、各方向の位置の信号が得られる。

ＸＹポジション信号が加算器１４１に供給される。加算器１４１の出力がＸＹ軸制御アクチュエータ２５を制御するＸＹアクチュエータ制御回路１２５に供給される。ＸＹＺポジション検出器１２８からのＺポジション信号がＺ軸制御アクチュエータ２４を制御するＺアクチュエータ制御回路１２４に供給される。

受光光学系１０２と関連して入射光ＸＹ軸検出器１５及び信号検出器１８が設けられている。入射光ＸＹ軸検出器１５に対してＸＹポジション検出器１１５が接続され、Ｘ方向及びＹ方向の位置の信号が得られる。ＸＹポジション検出器１１５によって検出されたＸＹポジション信号がジンバル制御回路１０３に供給され、ジンバル機構３の角度が制御される。

ＸＹポジション検出器１１５によって検出されたＸＹポジション信号が係数補正回路１４２を介して加算器１４１に供給される。係数補正回路１４２は、出射光学装置２のＸＹ軸制御アクチュエータ２５に対して与える制御量を適正とするためのものである。この経路によって、入射光ＸＹ軸検出器１５で検出されたジンバル制御誤差に応じて、適正量だけ出射光学装置の光軸を制御することで、出射光軸誤差を補正することが可能となる。なお、出射光軸補正機構を駆動する適正量は、受光角度検出機構にて検出された角度補正誤差に係数をかけて得る。

信号検出器１８に対してＸＹポジション検出器１１８が接続され、Ｘ方向及びＹ方向の位置の信号が得られる。ＸＹポジション検出器１１８によって検出されたＸＹポジション信号がＸＹアクチュエータ制御回路１１６に供給され、ＸＹ軸制御アクチュエータ１６が制御される。

上述した本技術によれば、以下のような効果を得ることができる。
１）受光系の向きを補正する角度補正機構にて補正しきれない角度誤差を、角度検出機構にて検出し、この誤差量に応じて、出射光軸補正機構を適正な量だけ駆動して、出射光軸を補正する。
２）（１）の光学装置において、出射光軸補正機構を駆動する適正量は、受光角度検出機構にて検出された角度補正誤差に係数をかけて得る。
かかる構成によって、ジンバルの制御精度が不足する場合でも、高精度で出射光軸を制御することが可能となる。

さらに、
３）（１）の光学装置において、レンズを駆動して光軸制御を行う。
４）（３）の光軸制御アクチュエータは、略Ｚ軸方向に延びる複数の支持機構を持つ。
かかる構成によって、従来のようにミラーにてＸＹ軸の角度制御を行っていた構成に比べ、光学システムを１次元上に配置することができるとともに、少ない部品構成にすることが可能となる。
この結果、光学システムを小型、単純化することが可能である。
加えて、従来は実現できなかったＺ軸方向の誤差の検出、補正も可能となる。

また、
５）（３）の駆動レンズ透過光が、光学系内に設けた光検出器に入射する位置情報を用いて、レンズ位置制御を行う。
かかる構成によって、アクチュエータのフィードバック制御を行うとともに、光学系の歪みによって発生した出射光軸誤差を検出し、これを補正することが可能となる。
かかる本技術は、従来よりも光学システムを小型・単純化するだけでなく、より高い安定性の実現も可能となる。

＜２．変形例＞
以上、本技術の一実施の形態について具体的に説明したが、本技術は、上述の一実施の形態に限定されるものではなく、本技術の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、出射光学装置と受光光学装置が一体であることは必ずしも必要でない。また、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料及び数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料及び数値などを用いてもよい。

なお、本技術は、以下のような構成も取ることができる。
図１１は、単一の送信系と受信系を用いた例である。本構成を取る事で、複数の送信光学系を並列装備する場合に比べて出射光出力は劣るものの、システム全体の小型化及び低消費電力化を実現可能である。また、送信光学系が単一のため、複数のレーザの同期駆動が不要な上、光軸調整が容易である点も利点である。

なお、本技術は、以下のような構成も取ることができる。
（１）
空間的に離れた地点間を１以上のレーザ光を用いて通信を行う光通信装置であって、
受光系の向きを補正する角度補正装置と、
出射光軸補正装置とを有し、
前記角度補正装置にて補正しきれない角度誤差を、受光角度検出装置にて検出し、
検出された誤差量に応じて、前記出射光軸補正装置を制御して、出射光軸を補正するようにした光通信装置。
（２）
前記出射光軸補正装置を駆動する量は、前記受光角度検出装置にて検出された角度補正誤差成分に対して係数を乗算して得るようにした（１）に記載の光通信装置。
（３）
前記出射光軸補正装置は、レンズ位置を制御することによって前記出射光軸を制御するようにした（１）又は（２）に記載の光通信装置。
（４）
前記出射光軸補正装置が略Ｚ軸方向に延びる複数の支持機構を有する（１）から（３）までのいずれかに記載の光通信装置。
（５）
前記レンズの透過光が、光学系内に設けた光検出器に入射する光スポット位置情報を用いて、レンズ位置制御を行う（３）に記載の光通信装置。
（６）
出射光学装置及び受光光学装置のそれぞれが光軸検出用の光検出器を有し、
前記受光光学装置において取得された受信光軸検出信号によってジンバル装置を駆動制御し、
前記受光光学装置において取得された受信信号検出部の信号によってＸＹ軸制御アクチュエータを駆動制御し、
前記出射光学装置において取得された出射光軸検出信号によってＸＹ軸制御アクチュエータ及びＺ軸制御アクチュエータを駆動制御するようにした光通信装置。
（７）
前記出射光学装置及び前記受光光学装置が一体構成とされた（６）に記載の光通信装置。
（８）
前記出射光学装置が複数設けられている（６）又は（７）に記載の光通信装置。

１・・・受光光学装置
２・・・出射光学装置
３・・・ジンバル機構
１１・・・受光光
１４・・・ビームスプリッタ
１５・・・入射光ＸＹ軸検出器
１６・・・ＸＹ軸制御アクチュエータ
１８・・・信号検出器
２１・・・レーザダイオード
２３・・・光検出器
２４・・・Ｚ軸制御アクチュエータ
２５・・・ＸＹ軸制御アクチュエータ
３１・・・出射光
２８・・・光検出器

Claims (6)

1. 空間的に離れた地点間を１以上のレーザ光を用いて通信を行う光通信装置であって、
   受光光学装置と出射光学装置とが共通の角度補正装置に設置され、
   前記出射光学装置は、レーザ発生器と、光軸をＺ軸とし、光軸に対して直交し、互いに直交する軸をＸ軸及びＹ軸とし、出射光のＸＹ軸変動を検出する出射光ＸＹ軸検出器と、前記出射光ＸＹ軸検出器で得られたＸＹ軸制御用信号によってＸＹ軸方向にレンズの位置を制御する出射光ＸＹ軸補正装置とを有し、
   前記受光光学装置は、入射光が入射される信号検出器と、前記入射光のＸＹ軸変動を検出する入射光ＸＹ軸検出器とを有し、
   前記入射光ＸＹ軸検出器で得られたＸＹ軸制御信号によって、前記角度補正装置を制御すると共に、前記入射光ＸＹ軸検出器で得られたＸＹ軸制御信号によって、前記出射光ＸＹ軸補正装置を制御するようにした光通信装置。
2. 前記出射光ＸＹ軸補正装置を駆動する量は、前記入射光ＸＹ軸検出器で得られたＸＹ軸制御信号に対して係数を乗算して得るようにした請求項１に記載の光通信装置。
3. 前記出射光ＸＹ軸補正装置が略Ｚ軸方向に延びる複数の支持機構を有する請求項１に記載の光通信装置。
4. 前記レンズの透過光が、光学系内に設けた光検出器に入射する光スポット位置情報を用いて、レンズ位置制御を行う請求項１に記載の光通信装置。
5. 前記出射光学装置が出射光のＺ軸変動を検出する出射光Ｚ軸検出器と、前記出射光Ｚ軸検出器で得られたＺ軸制御用信号によってＺ軸方向にレンズの位置を制御する出射光Ｚ軸補正装置を有する請求項１に記載の光通信装置。
6. 前記出射光学装置が複数設けられている請求項１に記載の光通信装置。

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