(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信信号に対応して変調し、かつ信号伝送速度に比べて低い周波数にて強度変調した信号光を発生して送信する光信号送信装置と、
該光信号送信手段からの信号光を検出器で受光し、受光された該信号光に基づいて前記検出器から出力される出力信号の強度変調成分が予め定める強度範囲内になるように、局部発振手段にて発振される局部発振光の方向を、該信号光の方向と予め定める関係を有するように調整し、この調整により、該信号光と前記局部発振光とを波面同調させて、該信号光の前記送信信号に対応して変調された信号成分から、該送信信号に対応する信号成分を抽出する光信号復調装置とを備えた空間光伝送装置。
【請求項２】
光信号送信装置と、該光信号送信装置からの光信号を受信する光信号復調装置とを備える空間光伝送装置であって、
該光信号送信装置は、
コヒーレントな光である信号光を発振する信号光発生手段と、
該信号光発生手段から出力される光を、送信信号である第１信号に対応して変調する光変調手段と、
前記信号光発生手段から出力される光を、信号強度が周期的に変化した第２信号に基づいて強度変調する光強度変調手段とを備え、
前記信号復調装置は、
前記光変調手段および前記光強度変調手段によって変調されて前記信号光発生手段から発振される信号光を受光して、該信号光の強度を検出する検出器と、
該検出器に受光されるコヒーレントな局部発振光を発振する局部発振手段と、
前記信号光と前記局部発振手段から発生される前記局部発振光とを合波する合波手段と、
前記検出器に受光される前記光信号を光電変換して出力する光電変換手段と、
該光電変換手段からの出力から高周波帯域成分を通過させて出力する高周波帯域通過手段と、
該高周波帯域通過手段からの出力から前記第１信号である送信信号を復調する送信信号復調手段と、
前記光電変換手段から低周波帯域成分を通過させる低周波帯域成分通過手段と、
該低周波帯域通過手段を通過した低周波帯域成分から前記第２信号を復調する処理を行なって、前記検出器の位置を示す位置検出信号を出力する処理手段と、
該処理手段で得られた前記位置検出信号に基づいて、前記検出器を空間的に走査する走査駆動手段と、
該走査駆動手段によって走査される前記検出器からの前記位置検出信号に基づいて前記局部発振手段を駆動する局部発振駆動手段とを備えることを特徴とする空間光伝送装置。
【請求項３】
前記信号光は、前記送信信号に対応して周波数変調または位相変調される請求項１または２記載の空間光伝送装置。
【請求項４】
光信号送信装置に於て、コヒーレントな光を、送信信号に対応して周波数変調または位相変調し、かつ、信号伝送速度に比べて低い周波数にて強度変調した信号光を発生して送信するステップと、
送信される該信号光を検出器によって受光し、受光された該信号光に基づいて該検出器から出力される出力信号の強度変調成分が予め定める強度範囲内になるように、局部発振手段にて発振される局部発振光の方向を、該信号光の方向と予め定める関係を有するように、該信号光と該局部発振光との波面同調を行うステップと、
該波面同調された信号光に基づいて、前記送信信号に対応して変調された信号成分から、該送信信号に対応する信号成分を抽出するステップと、
を含む空間光伝送方法。
【請求項５】
送信信号に対応して変調され、かつ信号伝送速度に比べて低い周波数にて強度変調された信号光を発生して送信する光信号送信装置と、該光信号送信手段から信号光を受信して復調する光信号復調装置とを有する空間光伝送装置であって、
前記光信号復調装置は、前記信号光を集光する光学系と、該光学系で集光された該信号光を受光する多分割光検出部と、該多分割光検出部の検出領域の中心部分に該信号光が照射されるように、少なくとも該光学系を移動制御する制御部とを備えた空間光伝送装置。
【請求項６】
コヒーレントな光を、送信信号に対応して変調し、かつ信号伝送速度に比べて低い周波数にて強度変調した信号光を発生して送信する光信号送信装置と、該光信号送信手段からの前記信号光を受信して復調する光信号復調装置とを有する空間光伝送装置であって、
前記光信号復調装置は、
前記信号光を集光して２つの信号光に分岐する光学系と、
局部発振光を発振する局部発振手段と、
該光学系で集光して分岐された一方の信号光を受光する多分割光検出部と、
該光学系で集光して分岐された他方の信号光を所定位置まで導く導波路部又は光ファイバ部と、
該導波路部又は光ファイバ部にて導かれる前記他方の信号光と前記局部発振手段にて発振された局部発振光を合波した光信号を受光する光信号検出部と、
前記多分割光検出部の検出領域の中心部分に該集光された前記信号光が照射されるように、また、前記光信号検出部で受光した光信号の前記強度変調に基づいて得られる位置検出信号成分を用いて、少なくとも該光学系を、前記信号光と前記局部発振光とが波面同調するように移動制御する制御部とを備えた空間光伝送装置。
【請求項７】
前記光信号送信手段は、送信される前記信号光の光偏光面を円偏光とする円偏光手段を有し、前記光信号復調手段は、該円偏光手段によって円偏光とされた前記信号光をコヒーレント光ヘテロダイン検波して受信するようになっている、請求項１、２、５、６のいずれかに記載の空間光伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、空間光伝送装置、特にレーザ光のコヒーレント性を利用した空間光伝送における空間光伝送装置及び空間光伝送方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ光のコヒーレント性を利用した空間光伝送の方式は、光強度変調−直接検波による空間光伝送方式に比較して、光ヘテロダイン検波を利用するため、Ｓ／Ｎ（信号対雑音比）を高くすることができる。該空間光伝送方式は、更に、自然界に存在するインコヒーレント光（背景光）の影響も受けない特徴があるため、例えば１０Ｍｂｐｓ（１０メガビット／秒）の伝送速度において、直接検波方式に比べて約１／８以下の最低受信光パワーでよい。このため従来、強度変調−直接検波では実現が困難であったデジタル動画伝送等で必要とされる１００Ｍｂｐｓ程度の高速伝送、及び長距離伝送が可能となる。
【０００３】
図２２において、ラインＰ0dは、直接検波方式において、ある受信光パワーの時に伝送可能な伝送速度および伝送距離の関係、ラインＰ0cはコヒーレント検波方式において、ある受信光パワー（直接検波方式の受信パワーと等しい）の時に伝送可能な伝送速度および伝送距離の関係である。図２２から解るように、１０ＭＢｐｓの伝送速度であれば、直接検波方式に比して直接検波方式の約１／８の受信パワーとなる距離まで伝送距離を延ばすことが可能となる。
【０００４】
以上のようにして、受信光パワーが一定の時、伝送距離と伝送速度との積の形式で伝送距離及び伝送速度が決定される。また、受信光パワーが大きくなると伝送距離及び伝送速度を大きくすることができる。
【０００５】
コヒーレント空間光伝送方式の構成として送信信号光源を送信信号（０，１）に合わせて２種類の周波数（ｆ1，ｆ2）で光周波数変調して信号光を発生し、空間に出射する。この信号光を信号復調装置にて局部発振光（周波数ｆ1）と合波し、検出器で検波する。この検出器出力はデータ０に対応するＤＣ成分及びデータ１に対応する周波数（ｆ2−ｆ1）のビート信号が得られる。このＤＣ成分及びビート信号からデータの復調が行える。
【０００６】
しかしながら従来のコヒーレント空間光伝送の問題点として、信号復調装置における検波器で信号を復調するためには空間的に任意の位置にある信号送信装置から出射された信号光と信号復調装置の局部発振光の波面の角度差を０．０１°以内に合わせる必要がある。
【０００７】
この様な空間光伝送装置として図２３に示すような構成が、特願平４−３４９４０３号として提案されている。この伝送装置は、任意の場所にある信号送信装置１と信号復調装置２とは十分な距離だけ離れており、かつ信号復調装置２には入射光に対して開口制限がなされている。従って、検波器７の受光面上で送信信号光は平面波である。信号復調装置２内に備えられた局部発振光源４からの局部発振光を、レンズ５で平行光とし、マイクロレンズアレイ６等の手段により球面波に拡散させて光合波器３で合波させると、該局部発振光は、信号光と同様に検波器７の受光面内での各領域で平面波成分を有し、任意の方向から入射する信号光に対して波面同調が実現可能となる。これにより、信号を検出できる。
【０００８】
また、別の波面同調方法として、宇宙の衛星間空間光通信が知られている。この方法に用いる装置は、図２４に示すように、信号送信側の衛星のビーコン用発光素子１１からビーコン光１２を背景光対策のため強度変調して送信する。また、通信用発光素子１５はレーザ電源１３により駆動され、変調装置１４にて送信信号に応じて変調することにより信号光を発生する。変調された信号に基づいて通信用発光素子１５で信号光を発生する。信号光は、レンズ１６によって平行光とされ、精密指向制御ミラー１７及び粗指向制御ミラー１８を介して空間に出射される。
【０００９】
信号受信側の衛星に於て、信号光補足のため備えられた２次元ＣＣＤ（電荷結合素子）１９の出力を捕捉・追随制御回路２０に入力し、この捕捉・追随制御回路２０によってミラー駆動装置２１を駆動させ、粗指向制御ミラー１８を制御し粗調整を、行うことにより入射光を４象限検出器に入力する。その後、４象限検出器の出力にて捕追・追尾制御回路２０により精密指向制御ミラー１７を制御し信号光線の追尾を行っていた。さらに、信号光は通信用受光素子２３で受光された後、アンプ２４を介して復調回路２５で信号が復調される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来、受信時には局部発振光を絞った方がＳ／Ｎ比が良くなるが波面同調はしにくくなるので、局部発振光の拡散による波面同調方式が用いられているが、この場合には局部発振光の強度が微弱になるという問題点がある。例えば、図２５ａおよび図２５ｂに示すように信号送信装置３１と信号復調装置３２とがそれぞれ置かれている各面間の垂直方向の距離Ｌ１（例として５ｍ）、信号光送信装置３１直下から半径Ｌ２（例として２０ｍ）の地点に信号復調装置３２があり、この信号復調装置３２の信号光受信用の開口部３３の面積０．５ｃｍ×０．５ｃｍ、局部発振光源３４からの局部発振光および信号光を合波する光合波器３５と検出器３６との距離Ｌ３（例として１０ｃｍ）であるとき、得られる信号強度は局部発振光を拡散する構成を用いない場合と比べて１／１００となる。このため、従来十分であるはずの局部発振光の強度が減少する。これにより、Ｓ／Ｎが低下し、コヒーレント空間光伝送の利点である高速伝送が実現できないという問題点があった。
【００１１】
また、衛星間空間光伝送方式に於て用いられているような、送信側にビーコン用光源１１と信号送信用光源１５との２つの光源を用いている方式では、２つの光源が必要となり、低価格化、小型化、省電力化が要求される民生用として用いることができないという問題点がある。
【００１２】
さらに、局部発振光を機械的手段によって空間を走査させることにより、信号光と局部発振光の波面を同調させる方法も知られているが、波面同調のためには約１５°四方の全空間に対して０．０１°ステップで走査させる必要があり、波面同調時間の応答時間が長くなり、又信号復調装置を動かす度に走査する必要があるため実用的でなかった。
【００１３】
本発明は、前記問題点を解決すべくなされたものであり、Ｓ／Ｎを向上し、高速伝送を実現することができ、構成の小型化、低消費電力化を図ることができる空間光伝送装置及び空間光伝送方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の空間光伝送装置は、送信信号に対応して変調し、かつ信号伝送速度に比べて低い周波数にて強度変調した信号光を発生して送信する光信号送信装置と、該光信号送信手段からの信号光を検出器で受光し、受光された該信号光に基づいて前記検出器から出力される出力信号の強度変調成分が予め定める強度範囲内になるように、局部発振手段にて発振される局部発振光の方向を、該信号光の方向と予め定める関係を有するように調整し、この調整により、該信号光と前記局部発振光とを波面同調させて、該信号光の前記送信信号に対応して変調された信号成分から、該送信信号に対応する信号成分を抽出する光信号復調装置とを備えており、そのことにより上記目的が達成される。
【００１５】
本発明の空間光伝送装置は、光信号送信装置と、該光信号送信装置からの光信号を受信する光信号復調装置とを備える空間光伝送装置であって、該光信号送信装置は、コヒーレントな光である信号光を発振する信号光発生手段と、該信号光発生手段から出力される光を、送信信号である第１信号に対応して変調する光変調手段と、前記信号光発生手段から出力される光を、信号強度が周期的に変化した第２信号に基づいて強度変調する光強度変調手段とを備え、前記信号復調装置は、前記光変調手段および前記光強度変調手段によって変調されて前記信号光発生手段から発振される信号光を受光して、該信号光の強度を検出する検出器と、該検出器に受光されるコヒーレントな局部発振光を発振する局部発振手段と、前記信号光と前記局部発振手段から発生される前記局部発振光とを合波する合波手段と、前記検出器に受光される前記光信号を光電変換して出力する光電変換手段と、該光電変換手段からの出力から高周波帯域成分を通過させて出力する高周波帯域通過手段と、該高周波帯域通過手段からの出力から前記第１信号である送信信号を復調する送信信号復調手段と、前記光電変換手段から低周波帯域成分を通過させる低周波帯域成分通過手段と、該低周波帯域通過手段を通過した低周波帯域成分から前記第２信号を復調する処理を行なって、前記検出器の位置を示す位置検出信号を出力する処理手段と、該処理手段で得られた前記位置検出信号に基づいて、前記検出器を空間的に走査する走査駆動手段と、該走査駆動手段によって走査される前記検出器からの前記位置検出信号に基づいて前記局部発振手段を駆動する局部発振駆動手段とを備えることを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【００１６】
好ましくは、前記信号光は、前記送信信号に対応して周波数変調または位相変調される。
【００１７】
さらに、本発明の空間光伝送方法は、光信号送信装置に於て、コヒーレントな光を、送信信号に対応して周波数変調または位相変調し、かつ、信号伝送速度に比べて低い周波数にて強度変調した信号光を発生して送信するステップと、送信される該信号光を検出器によって受光し、受光された該信号光に基づいて該検出器から出力される出力信号の強度変調成分が予め定める強度範囲内になるように、局部発振手段にて発振される局部発振光の方向を、該信号光の方向と予め定める関係を有するように、該信号光と該局部発振光との波面同調を行うステップと、該波面同調された信号光に基づいて、前記送信信号に対応して変調された信号成分から、該送信信号に対応する信号成分を抽出するステップとを含み、そのことにより上記目的が達成される。
【００１８】
さらに、本発明の空間光伝送装置は、送信信号に対応して変調され、かつ信号伝送速度に比べて低い周波数にて強度変調された信号光を発生して送信する光信号送信装置と、該光信号送信手段から信号光を受信して復調する光信号復調装置とを有する空間光伝送装置であって、前記光信号復調装置は、前記信号光を集光する光学系と、該光学系で集光された該信号光を受光する多分割光検出部と、該多分割光検出部の検出領域の中心部分に該信号光が照射されるように、少なくとも該光学系を移動制御する制御部とを備えたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００１９】
さらに、本発明の空間光伝送装置は、コヒーレントな光を、送信信号に対応して変調し、かつ信号伝送速度に比べて低い周波数にて強度変調した信号光を発生して送信する光信号送信装置と、該光信号送信手段からの前記信号光を受信して復調する光信号復調装置とを有する空間光伝送装置であって、前記光信号復調装置は、前記信号光を集光して２つの信号光に分岐する光学系と、局部発振光を発振する局部発振手段と、該光学系で集光して分岐された一方の信号光を受光する多分割光検出部と、該光学系で集光して分岐された他方の信号光を所定位置まで導く導波路部又は光ファイバ部と、該導波路部又は光ファイバ部にて導かれる前記他方の信号光と前記局部発振手段にて発振された局部発振光を合波した光信号を受光する光信号検出部と、前記多分割光検出部の検出領域の中心部分に該集光された前記信号光が照射されるように、また、前記光信号検出部で受光した光信号の前記強度変調に基づいて得られる位置検出信号成分を用いて、少なくとも該光学系を、前記信号光と前記局部発振光とが波面同調するように移動制御する制御部とを備えたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２０】
好ましくは、前記光信号送信手段は、送信される前記信号光の光偏光面を円偏光とする円偏光手段を有し、前記光信号復調手段は、該円偏光手段によって円偏光とされた前記信号光をコヒーレント光ヘテロダイン検波して受信するようになっている。
【００２５】
【作用】
上記構成により、送信する信号に対応して変調し、かつ信号伝送速度に比べて低い周波数にて強度変調したコヒーレントな送信光を送信する。即ち、信号送信装置に信号光発生手段を備え、送信信号に合わせて変調を行うと共に、同一光源を位置検出信号として送信信号に比して十分遅い伝送速度にて光強度変調し空間に出射する。この送信信号光を信号復調装置に備えられた受光器に入力し、この受光器出力から得られる位置検出信号の強度に応じて、受信した送信信号光と局部発振光との方向を所定の関係に調整するとともに、これにより得られたビート信号を検出し、送信信号光と局部発振光の波面同調を行う。このような空間光伝送装置及び空間光伝送方法を備えた空間伝送システムにより、従来の強度変調−直接検波方式や拡散局部発振光を用いた空間光伝送装置または空間光伝送装置に比較して、高いＳ／Ｎを得ることができ、更にコヒーレント性を利用した空間光伝送の特徴である高速伝送速度を実現することができる。また、信号光源を１つにできるので、構成の小型化、低消費電力化を図ることができる。
【００２６】
また、制御部は、多分割光検出部の各検出領域からの受光信号が均等になるように、即ち、多分割光検出部の検出領域の中心部分に信号光の集光点が照射されるように、少なくとも光学系を移動制御するので、より大きい立体角で入射する、空間を伝搬する信号光との波面同調を高速にかつ効率よく行うことができる。この状態で、空間から伝送されてきた光を光ファイバーなどの導波路に対してある程度は結合可能となっており、光信号検出部で受光した光信号から得る位置検出信号成分が最も大きくなるように、少なくとも光学系を移動制御すれば、多分割光検出部の出力のみで位置合わせをした以上に入力光と光ファイバーなどの導波路との微調な結合効率の向上が図られる。また、光ファイバーなどの導波路を用いることにより、自由空間に光学部品を用いて、例えばヘテロダイン光学系などを容易に構成することが可能となり、この光学部分をも可動する従来のものに比べて、可動しない安定な光学部分まで信号光を導くことができるので、波面同調などの精密な光学系を構成するのに適している。
【００２７】
さらに、制御部は、まず、照射スポット径の大きい第２多分割光検出部からの受光信号により、波面同調するように光学系を移動制御し、次に、照射スポット径の小さい第１多分割光検出部部からの受光信号により、波面同調するように光学系を移動制御するので、波面同調機能が働く角度の許容量を大きく、かつ波面同調の制御性も良好になる。また、第１多分割光検出部と光ファイバーを一体化すれば、信号復調手段の光学部分の小型化、安定化が容易に図られる。さらに、集光レンズ、光ファイバーおよび第１多分割光検出部を一体化すれば、位置合わせがより少なくなり、部品点数の低減、光学系の安定化が図られる。
【００２８】
さらに、ミラー部、複数の光検出器、導波路、信号光受光部、集光レンズ、光合波器および局部発振光源を該基板上に一体化して構成すれば、波面同調を行う場合、外乱の影響を受けることなく安定した光学系となる。また、選択成長法を用いて基板上に局部発振光源および光検出器を作り込めば、さらなる位置精度の向上が図られる。また、上記一体化構成に付け加えてグレーティング部を設けることにより、光導波路への集光用レンズおよびその位置合わせが不要となり、光学系の小型化、組立の簡略化が図られる。さらに、上記一体化構成の導波路に代えてＹ字状導波路構成とすれば、集光レンズや光合波器を作り込む必要がなくなり、製造工程の簡略化が図られる。
【００２９】
さらに、出射光が直線偏光にて出射され、コヒーレント光検波を行う場合には、発振波長を同調させるだけではなく偏波面も同調させる必要があったが、光信号送信手段の信号光光源の出力部分に１／４λ板を挿入し、円偏光に変換して空間に出射すれば、偏波面も同調させる必要はなくなる。このため、信号復調手段の構成が簡単になってより速い信号受信も可能になる。また、円偏光で送信された信号光のうちＴＥモードに対応する成分のみからしかビート信号は得られないため、全送信信号パワーに対してロスとなる。しかし、壁などで反射され光偏波面が変化してしまうような場合においても、常に安定した信号検出が行える。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００３１】
まず、図１及び図２を用いて本発明の第１の実施例について説明する。図１は、本実施例の空間光伝送装置の構成を示すブロック図であり、図２は、本実施例の動作を説明する波形図である。
【００３２】
図１に示すように、本実施例の空間光伝送装置は、送信装置１０６と、受信装置である信号復調装置１１７とを含んで構成される。信号送信装置１０６は、送信用光源１０１を備える。この光源として、例えば１．３μｍ帯ＩｎＧａＡｓＰ系のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザ発振器を用い、外部の信号源１０４からの図２（ｂ）に示される送信信号データＳｂに従って、信号送信用駆動回路１０２から出力された信号を、前記光源１０１であるレーザ発振器の信号変調領域（回折格子）上へ印加する。印加した信号のキャリアのプラズマ効果により、レーザ発振器に於て屈折率変化が生じる。これにより、周波数変調が行われる。
【００３３】
前記プラズマ効果とは、物質中の電子と電磁波（光）とが相互作用を生じて、該物質中の見かけの誘電率（屈折率）ｎが、下記式１で示されるように変化する効果のことである。
【００３４】
【数１】
0003672202.tif 000002
【００３５】
このＤＢＲレーザの変調方式の１例として、送信信号（０、１）に対応して、２種類の周波数ｆ１、ｆ２（ｆ２−ｆ１＝１ＧＨｚ）を用い、送信信号伝送速度１００Ｍｂｐｓの光周波数のＦＳＫ変調を行う。位置検出用信号として、同一ＤＢＲレーザの活性層に注入する電流を、位置検出用駆動回路１０３によって、図２（ａ）に示す既知のコード列Ｓａに対応して、また送信信号データＳｂの前記伝送速度に比して十分遅い速度、例えば１０Ｋｂｐｓで光強度変調を行って作成する。前記送信信号Ｓｂ及び位置検出用信号とが光変調されて得られた信号光Ｓｃを、例えば、光出力として約６０ｍＷで、空間に出射する。
【００３６】
この時のＤＢＲレーザの送信光周波数に対して、活性層に位置検出用信号として強度変調を行うために注入した電流変調による熱の効果のため周波数変調がなされ、その上にＦＳＫ変調あるいはＰＳＫ変調されて、図２（ｃ）に示す出力Ｓｃとなる。信号復調装置１１７には、入射光を制限する開口１１８が備えられたハウジング１１９が備えられ、該ハウジング１１９内に於て前記開口１１８と対向する位置には、信号検出器１１０が配置されている。従って、信号検出器１１０は、前記開口１１８が正対する方向を含む所定範囲内の信号光のみしか検出できない構成となっている。
【００３７】
この信号検出器１１０として、例えばＩｎＧａＡｓ系フォトダイオードを用いる。この信号検出器１１０の出力Ｓｄに於て、送信信号データＳｂの伝送速度に比して十分遅い速度、例えば１０Ｋｂｐｓの光強度変調成分が位置検出信号として含まれ、また送信信号データＳｂに相当するビート信号成分、例えば局部発振光周波数ｆ1に対してＤＣ成分及び周波数１ＧＨｚの信号成分が含まれている。
【００３８】
この信号検出器１１０の出力Ｓｄを、例えば遮断周波数１００ｋＨｚの低帯域通過回路１１５に入力すると、強度変調成分のみが得られ、この強度変調成分が前記位置検出信号である。
【００３９】
この低帯域通過回路１１５の出力を処理回路１１４に入力する。処理回路１１４は、低帯域通過回路１１５の前記出力の信号強度が予め定める強度となるように、制御回路１１３によって前記ハウジング１１９を例として相互に垂直な２つの軸の回りにそれぞれ回転駆動し、信号検出器１１０の正対する方向が空間を走査するようにする。これにより、信号検出器１１０の受光面に於て、信号光と局部発振光との波面同調を行う。この信号検出器１１０の空間走査のための駆動は、例えばアクチュエータ等を用いて行うことができる。
【００４０】
受信した信号光から、前記送信信号を検出する動作は、以下のように行われる。即ち、前記低帯域通過回路１１５から出力される位置検出信号に基づき、信号光と局部発振器１０７からの例えば光周波数ｆ１の局部発振光との波面同調を行い合波器１０９に於て合波する。合波器１０９からの出力は、信号検出器１１０に入力され、前記局部発振光によってコヒーレント光ヘテロダイン検波が行われる。このとき、局部発振光周波数ｆ１を有する局部発振光は、前記送信信号が光強度変調信号（位置検出信号）のために生じる光周波数のベースバンド変調を受けているので、図２（ｅ）に示すようにベースバンド変調を行う必要がある。このベースバンド変調は、強度変調信号から得られた信号に同期させた局部発振光駆動回路１１６で行うことが可能である。
【００４１】
この信号検出器１１０から得られた出力は、強度変調成分を位置検出信号として含むビート信号であり、例えば遮断周波数５００ＭＨｚの高帯域通過回路１１１に入力されビート信号のみが検出される。得られた周波数ｆのビート信号の信号強度が最大となるよう、この信号検出器１１０及び局部発振器１０７を収納しているハウジング１１９を機械的に駆動し、信号検出器１１０を空間的に微小範囲走査させ、波面同調を行い信号を検出する。この高帯域通過回路１１１の出力を信号復調回路１１２に入力することにより、図２（ｆ）に示す送信信号データＳｆを得ることができる。
【００４２】
この装置構成により、信号復調装置１１７を備えた受信装置、あるいは発信装置１０６の空間的位置が大きく変化しても、該信号復調装置１１７が発信装置を連続的に追尾できる。このため、信号復調装置１１７による連続した信号検出が可能となる。また、本実施例に於て、１つの送信光源１０１で送信信号及び位置検出信号を発生し、また１つの検出器１１０で信号検出、及び位置検出の双方を行うことができるので、空間光伝送装置の低価格化、小型化、低消費電力化が可能となる。
【００４３】
また、複数の信号送信装置１０６、及び複数の信号受信装置１１７で構成された空間光伝送装置の場合、図２（ａ）に示した位置検出用の強度変調データ列Ｓａを、各々の信号送信装置１０６で異なるものを使用する場合がある。この場合に於て、いずれか一つの信号復調装置１１７で受信したい信号送信装置１０６の位置検出用変調データの信号強度が最大となるように、当該信号復調装置１１７の信号検出器１１０の方向を定めるようにする。これにより、その方向の信号光と局部発振光との波面同調が可能となり、任意の信号を選択的に受信することが出来るという効果も得られる。
【００４４】
本実施例に於て、強度変調データを三角波で変調しているが、方形波、ｓｉｎ波等の様な波形の変調信号でよいことは言うまでもない。
【００４５】
図３は、本発明の第２の実施例の空間光伝送装置の構成を示すブロック図である。本実施例は、前記第１の実施例に類似しており、対応する部分の再度の説明を略す場合がある。
【００４６】
以下、図３を用いて本実施例の空間光伝送装置について説明する。本実施例の空間光伝送装置は、信号送信装置２０７と信号復調装置２１８とを含んで構成される。
【００４７】
信号送信装置２０７に設けられた発光源２０１として、例えば０．７８μｍ帯ＧａＡｓ系ＤＦＢレーザを用いる。外部の信号源２０５からの送信データに応じて信号駆動回路２０３で光周波数変調を行う。光源２０１から出射した光を、電界吸収型変調器２０２に入力する。この変調器２０２を既知のデータ列に従って、送信信号速度に比して十分遅い速度で駆動回路２０４を用いて駆動することにより強度変調を行う。この変調された光は、レンズ２０６を介して空間に拡散され出射される。
【００４８】
信号復調装置２１８では、前記第１実施例と同様に光が入射する範囲が制限される開口２１９を有する。従って、２次元アレイ検出器２１１は、前記開口２１９が正対する方向を含む所定範囲内の信号光のみしか検出できない構成となっている。本実施例の信号復調装置２１８は、信号検出器として例えばＳｉのフォトダイオードを２次元状にアレイ化した前記２次元アレイ検出器（以下、検出器）２１１を備えている。この検出器２１１の出力を低帯域通過回路２１６に入力することにより、前記第１実施例と同様に、位置検出信号を抽出することができる。この位置検出信号を処理回路２１５で処理し、位置検出信号の信号強度が最大となる方向に、制御回路２１４によって信号検出器２１１の正対する方向を、信号送信装置２０７に向かう方向に合わせる。この制御により、信号光と局部発振光との波面同調を図ることができる。
【００４９】
このように電界吸収型変調器２０２を用いることにより、送信装置２０７側の位置検出信号の強度に関して、信号オン時と信号オフ時との光強度の差である消光比が大きく取れる。また、２次元アレイ検出器２１１を使用することにより、前記第１実施例に於て信号検出器１１０が空間を機械的に走査した空間の範囲からの光を、２次元アレイ検出器２１１で同時に検出することができる。従って、本実施例の空間光伝送装置に於て、位置検出用信号を検出するために、信号検出器２１１によって空間を機械的に走査する必要がなく、波面同調動作の高速応答を図ることができる。
【００５０】
また、信号検出器２１１の出力を高帯域通過回路２１２に入力し、前記第１実施例の場合と同様にビート信号を抽出する。このビート信号の信号強度が最大になるように、前記信号検出器２１１を用いて、空間を微小範囲に亘って機械的に走査することにより波面同調を行い、復調回路２１３によって送信信号を復調する。
【００５１】
このような実施例に於ても、前記実施例に於ける効果と同様な効果を達成することができる。
【００５２】
本実施例に於て、電界吸収型の外部変調器２０２を使用しているが、どの様な構成の変調器でもよい。また、本実施例に於て、発光源２０１と外部変調器２０２とが相互に独立した別個の構成であるが、これらが一体化された構成を採用しても良いことは言うまでもない。
【００５３】
また、本発明の第２の実施例の変形例として、図４に示すように、位置検出用検出器として、３角錐状の取付部材２２２の３つの面２２３、２２４、２２５に検出器２１９をそれぞれ備えた構成を採用してもよい。前記各実施例の信号検出器１１０、２１１及び本実施例の信号検出器２１９に於て、信号検出器２１９の検波面に垂直に入射した光の強度成分のみ出力される。従って、この３つの検出器２１９からの各検出信号を、相互に３つの比較器２２０でそれぞれ比較して、各検出信号間の強度差を出力する。各比較器２２０からの出力に基づいて、計算機２２１によって、該位置検出用検出器が正対する信号送信装置（図示せず）の方向を演算することが可能である。この構成によって、前記実施例で述べた効果を達成できると共に、波面同調の高速応答を達成することができ、位置検出用の検出器数を減少することができる。
【００５４】
このような実施例に於ても、前記実施例に於ける効果と同様な効果を達成することができる。
【００５５】
図５は本発明の第３の実施例を示す空間光伝送装置のブロック図である。本実施例は、前記各実施例に類似する。前記各実施例と対応する部分の再度の説明を省略することがある。以下、図５を用いて本実施例について説明する。
【００５６】
本実施例の空間光伝送装置は、信号復調装置３１７を備える。信号復調装置３１７において、前記第１実施例と同様に開口３１１を有する。従って、検出器３０４は、前記開口３１１が正対する方向を含む所定範囲内の信号光のみしか検出できない構成となっている。本実施例の信号復調装置３１７に於て、検出器３０４の出力を低帯域通過回路３０９に入力し、位置検出信号を処理回路３０８で処理し、位置検出信号の信号強度が最大となる方向に、制御回路３０７によって信号検出器３０４の正対する方向を、信号送信装置に向かう方向に合わせる。この制御により、信号光と局部発振光との波面同調を図ることができる。
【００５７】
また、信号検出器３０４の出力を高帯域通過回路３０５に入力し、第１実施例の場合と同様にビート信号を抽出する。このビート信号の信号強度が最大になるように、前記信号検出器３０４を用いて、空間を微小範囲に渡って機械的に走査することにより波面同調を行い、復調回路３０６によって送信信号を復調する。ここで、１゜程度拡散させた局部発振光を使用しているため、正確に波面同調を行わなくても信号の検出ができる。
【００５８】
次に受信された送信信号光と、局部発振回路３０１から発振され、マイクロレンズアレイ３０２等で微小角度例えば１°程度拡散させた局部発振光との波面同調を前記各実施例と同様に行い、合波器３０３により合波する。前記信号検出器３０４の出力を高帯域通過回路３０５に入力することにより、前記送信信号を抽出し、復調回路３０６で復調する。
【００５９】
このような実施例に於ても、前記実施例に於ける効果と同様な効果を達成することができる。更に、前述したように、微小角度だけ拡散した局部発振光を使用することにより、空間を機械的に微小範囲走査することなく波面同調を行うことができ、また復調装置３１７が微小距離移動しても、移動毎に波面同調を行う必要がなくなる。また、本実施例に於て、局部発振光を微小角度だけ拡散させているため、従来技術に於て問題であった局部発振光の強度の減少も問題とならない。
【００６０】
図６は本発明の第４の実施例を示す空間光伝送装置の伝送方式の波形図である。以下、図６を用いて、本実施例の空間光伝送方法について説明する。本実施例の空間光伝送方法を実現する空間光伝送装置として、図１に示す空間光伝送装置を例として説明する。
【００６１】
信号送信装置１０６に備えられた送信用発光源１０１の送信時間を分割し、図６（ａ）に示す時間ｔ１の間、図６（ｂ）に示すように光強度変調することにより、位置検出用信号を時間ｔ２の間、図６（ａ）に示すように光周波数変調する。このように変調された信号に基づいて信号光を発生し、該信号光を空間に拡散して出射する。
【００６２】
信号復調装置１１７に於て、位置検出信号の受信時は図６（ｃ）に示すように局部発振光光源１０７を消灯し、信号光受信時は局部発振光光源１０７を点灯させ、局部発振光を信号検出器１１０に於て信号光と合波する。この局部発振光の発振または停止は、信号光から図６（ｆ）に示す位置検出用の強度変調信号を抽出し、これに同調させることにより容易に行うことができる。図６（ｄ）に示される検波器１１０の出力からの時間ｔ1の間に得られる位置検出信号の信号強度が最大になるように、信号光と局部発振光の波面同調を行い、検出器１１０の出力の時間ｔ２の間に得られるビート信号から、図６（ｅ）に示す送信信号の信号復調を行うことにより、空間光伝送を行う。
【００６３】
このような実施例に於ても、前記実施例に於ける効果と同様な効果を達成することができる。
【００６４】
図７は本発明の第５の実施例を示す空間光伝送装置における光検出部と送信信号装置の構成図であり、図８は図７の光検出部を組み込んだ信号復調装置の構成を示すブロック図である。図７および図８において、空間光伝送装置は、信号送信装置４０１と、受信装置である信号復調装置４０２とを含んで構成される。この信号送信装置４０１は、送信用光源を備える。この光源として、例えば１．３μｍ帯ＩｎＧａＡｓＰ系のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザ発振 器を用い、外部の信号源４０３からの送信信号データに従って、信号送信用駆動回路４０４から出力された信号を、光源４０５であるレーザ発振器の信号変調領域（回折格子）上へ印加する。印加した信号のキャリアのプラズマ効果により、レーザ発振器において屈折率変化が生じる。これにより、周波数変調が行われる。
位置検出用信号として、レーザ発振器の活性層に注入する電流を、位置検出用駆動回路４０６によって、既知のコード列に対応して、また送信信号データの伝送速度に比して十分遅い速度、例えば１００Ｋｂｐｓで光強度変調を行って作成する。これら送信信号と位置検出用信号とが光変調されて得られた信号光をレンズ４０７を介して空間に出射する。
【００６５】
このように、信号送信装置４０１から送信信号データとして１００Ｍｂｐｓ、信号復調装置４０２のＩＦ周波数（中間周波数）Ｓｆが１ＧＨｚとなるように光周波数変調された送信光、位置検出用信号光Ｓａとして１００Ｋｂｐｓの正弦波で強度変調された信号を１つの光源にて送信する構成としている。このとき、送信用光源として１電極のＤＦＢレーザを使用して強度変調信号及び送信データに応じた信号を印加した。このようにすることにより、ＤＢＲレーザを用いて活性層に強度変調信号、回折格子上に送信データに合わせて光周波数変調を行う方法と同様の変調効果（図２の変調）が得られる。また、位置検出信号光の周波数として１００Ｋｂｐｓを使用しているように、周波数帯域として低いものを使用した方が狭帯域のフィルタを使用することができ位置検出信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００６６】
この送信光を信号復調装置４０２に設けられた０．５×０．５ｃｍのマスクにて開口制限を行い光検出部４０２ａに入射させる。この光をレンズ４０８にて集光する。このとき用いるレンズには、レンズの開口数（Ｎ．Ａ）と光ファイバー４０９の開口数を合わせておくほうが光結合効率の損失を少なくできる。通常０．８μｍ帯のシングルモードファイバーを使用する場合Ｎ．Ａが０．１程度であることから、本実施例ではＮ．Ａが０．１、焦点距離が３０ｍｍのレンズを使用した。これによりレンズ４０８に入射された光と光ファイバー４０９の結合損失を０．５ｄＢ程度に押さえることができる。
【００６７】
このレンズ４０８からの入射光を光分波器４１０で任意の分割比に分波し、分波された一方の光を多分割光検出器４１１に入射するようにしておく。この多分割光検出器４１１の検出器出力は、ローパスフィルタ回路またはバンドパスフィルタ回路（ローパスフィルタ回路のみで所望の位置検出用信号は検出されるが雑音成分を除去するためにはバンドパスフィルタ回路にしておくほうが良い）４１２を通して雑音成分を除去し、図２ｄに示しているように位置検出用信号成分Ｓｄのみを検出する。
【００６８】
図９に図７の送信信号装置からの送信光の周波数スペクトル図を示す。図９に示すように、位置検出用信号に正弦波を用いた場合が最も狭帯域のものを使用することができる。つまり、図９の点線部分の周波数のみを透過させるフィルタで信号の抽出が行える。本実施例では、１００ｋＨｚに対して２００Ｈｚの透過帯域を持ったものを使用した。位置検出用信号として三角波を用いた場合、実線で示すように信号を検出するためのフィルタの帯域として１００ｋＨｚに対して約５〜７倍が必要となるため、雑音等のノイズ成分が多くなる。よって、正弦波信号を用いた場合が最もＳ／Ｎ比よく検出することができる。
【００６９】
この多分割光検出器４１１からのそれぞれの検出器出力信号を、バンドパスフィルタ回路４１２を介して波形整形回路４１３に入力して任意のレベルまで増幅し、この波形整形回路４１３からの信号出力に合わせて局部発振光駆動回路４１４により局部発振レーザ４１５を駆動する。この局部発振光駆動回路４１４の駆動方法の例として、例えば図２に示すような送信方式の場合、図２ｄの位置検出用信号の三角波変調成分に同期させて局部発振光を三角波変調するように駆動させる。また、例えば図６の送信方式の場合位置検出用信号が送信されている場合には、局部発振光をオフにして位置検出用信号光を検出、位置検出用信号が送信されていない時には、局部発振光をオンしヘテロダイン検波を行い送信信号を検出するように駆動する。
【００７０】
また、多分割位置検出用の検出器である多分割光検出器４１１に導いた光の波形整形回路４１３から得られた各検出器出力値の積分強度またはピーク値の検出を行い、この出力を比較器４１６にて比較し、比較器４１６からの出力信号を位置検出器制御回路４１７に入力して、光検出部分が構成されるハウジングの走査方向を算出し、駆動回路４１８にて走査させる。
【００７１】
この位置検出器制御回路４１７の走査方法で最も良い制御方法としては初期状態である信号復調装置４０２に備えられた光検出部分が構成されているハウジングと信号送信装置４０１の位置が全く合っていないとき、つまり、多分割光検出器４１１の１または２つの領域からしか検出器出力が出力されないような場合、光が入射している多分割光検出器４１１の領域と対角方向に光入射スポットが移動するようにハウジングを走査させる。つまり、図７に示される多分割光検出器４１１の検出領域ｉでのみしか位置検出信号が検出されないような場合、多分割光検出器４１１の検出領域ＩＩＩの方向に光入射スポットが動くような方向にハウジングを動かす。また、多分割光検出器４１１の検出領域ｉ，ｉｉで位置検出信号が検出されるような場合には、光入射スポットが検出領域ＩＩＩ，ＩＶの方向に動くようにハウジングを走査するように、位置検出器制御回路４１７にて制御する。このように、ハウジングを走査することにより多分割光検出器４１１の全ての検出領域から位置検出用信号が検出されるようになった後、各検出領域からのそれぞれ検出器出力信号が等しくなるように、多分割光検出器４１１の各検出領域からの出力信号によってハウジングを走査する。この制御ルーチンを用いることにより短時間で効率良く波面同調を行うことができる。ここで、位置検出信号を検出後安定した制御を行うためには、走査系の移動速度は位置検出信号検出系の制御ループの応答速度（１００ＫＨｚ）に比して遅くなければならず、１０ＫＨｚの制御ループの応答時間とした。また、多分割光検出器４１１に入射される光スポット面積としては多分割検出領域も１〜２つ分の面積が好ましい。ここで、多分割光検出器４１１の多分割検出領域の面積は、応答速度が検出器の面積により制限され位置検出用信号の帯域数１００ＫＨｚ程度が検出できるためには直径約２〜３ｍｍのものを使用する必要がある。この入射光の検出器面上でのスポット面積の最適値は、入射面積が小さいこと、つまり、検出器面で比較的焦点が合うようにレンズ４０８の位置を合わせている場合、入射光のレンズ４０８に対する入射角が大きくなり、すぐに多分割光検出器４１１の検出領域から入射光が外れてしまう。つまり、信号送信装置４０１と信号復調装置４０２との角度差が大きくなると、波面同調ループから外れてしまい波面同調が行われなくなる。また、この入射スポット面積が多分割光検出器４１１の面積より大きくなると、位置検出用信号光が大きくずれない限りは、多分割光検出器４１１から常に出力信号が出力されるが、角度ずれに対する出力信号の変化の割合が少なくなり角度に対する信号出力のＳ／Ｎ比が劣化し、精度よく波面同調を行うことができなくなるため、多分割光検出器４１１に対する入射面積が小さいことが好ましい。
【００７２】
多分割光検出器４１１として、本実施例では４分割光検出器を使用したが、送信信号装置４０１および信号復調装置４０２の空間配置によりそれに応じた多分割光検出器の配置を使用する方が良い。
【００７３】
さらに、光分波器４１０で分波されたもう１方の光は光ファイバー４０９の端面に光結合されるように構成されている。特に、この多分割光検出器４１１の各々の検出領域ｉ〜ｉｖからの検出出力が等しくなるとき、つまり、多分割光検出器４１１の中心に入射光が来るときに光分波器４１０で分けられた他方の光が光ファイバー４０９の光軸に最も結合されるようにμｍオーダで光学配置を行う。この光ファイバー４０９に導波後、光ファイバー４０９の出力端から空間に出射されてレンズ４１９で平行光にされた送信光と、位置検出信号に基づいた変調信号にて光周波数を変調する局部発振光駆動回路４１４にて駆動される局部発振光レーザ４１５から空間に出射されてレンズ４２０で平行光にされた局部発振光とが、光合波器４２１にて合波されて検出器４２２にて受光してコヒーレント検波する。この受光信号はハイパスフィルタ回路４２３を通り、雑音成分などの除去を行った後、信号復調回路４２４に入力して送信信号の復調を行う。この信号の復調方法については、本発明の趣旨とは異なるので詳細な説明は省略するが、例えば遅延検波にて信号復調を行うこともできる。
【００７４】
また、検出器４２２で受信された受信光には、位置検出用信号成分である強度変調成分が含まれており、多分割光検出器４１１による制御にてある程度入射光が光ファイバー４０９と結合された後、光ファイバー４０９の端面からの光出力における位置検出用信号を、バンドパスフィルタ回路４２５を介して得る。この位置検出用信号により信号位置検出器駆動回路４１７を駆動するため、多分割光検出器４１１の出力のみでの位置合わせをした以上に入力光と光ファイバー４０９との微調な結合効率の向上を図ることができる。
【００７５】
さらに、ハイパスフィルタ回路４２３の出力は信号復調回路４２４を介して波長同調制御回路４２６に入力される。この波長同調制御回路４２６は初期状態の２つの送信用光源、局部発振用光源は発振光周波数が全く異なるため、この２つのレーザの発振光周波数差から生じるビート周波数は非常に高周波であり、この光周波数を一致させる制御及び送信用光源、局部発振光用光源の環境温度などが変化すると発振光周波数が変化し検出されるビート信号周波数も変化する、これを安定化させる制御を行うための制御ループが必要である。この制御についてより詳細に説明すると、送信信号光と局部発振光の波面同調が行われたとき、波面同調信号が位置検出器制御回路４１７から出力され、この信号に基づき局部発振光の光発振周波数をスイープするように、波長同調制御回路４２６にて局部発振光駆動回路４１４を駆動する。ある程度、送信信号光周波数と局部発振光周波数とが近づくと、ビート信号周波数が検出器４２２から出力されるので、このビート信号周波数が所望の周波数となるように局部発振レーザ４１５を局部発振光駆動回路４１４にて駆動する制御ループを構成している。
【００７６】
安定した波長同調を行うためには波面同調ループが安定している間に波長同調ループが働く必要があるため、この制御ループは波面同調ループ（１０ＫＨｚ）に比して速い制御時間が必要であり、熱の効果による光周波数の揺らぎを防ぐために制御時間として５００ＫＨｚとした。
【００７７】
以上のように本実施例を採用することにより、立体角１１゜で入射する空間を伝搬する光との波面同調を行い１００Ｍｂｐｓの空間光伝送を信号誤り率１０-9以下で行うことができた。また、この方式のように空間から伝送された光を導波路構造に結合することにより自由空間に光学部品を用いてヘテロダイン光学系を構成することができ、この光学部分を可動するものに比べて、光ファイバー４０９で可動しないような安定な光学部まで導きヘテロダイン光学系を構築できるため、波面同調などの精密な光学系を構成するのに適している。さらに、送信側の光源を１つにし、この光周波数を変調し送信データを送ると共に、強度変調成分を位置検出用光源とすることにより、２つの光源、つまり、送信用光源および位置検出用光源を別々に用いた場合に比して、宇宙の空間通信で使用されている光学系のようにミラーを用いた大掛かりな系を構成する必要も、このミラーの制御の必要もなくなる。
【００７８】
また、ミラーを用いた合波の代わりに光合波器にて送信光と位置検出光用光源を合波する方法もあるが、ビームスプリッターなどの合波器を用いた場合、入射光が分割され、このうち透過光成分のロスが生じて実用的ではない。
【００７９】
さらに、２つの光源つまり送信用光源と位置検出用光源を非常に接近させて配置する方法もあるが、出射用のレンズ等の光学系の空間配置上の問題から５ｃｍ以上隣接させることが不可能である。このため送信用光源と位置検出用光源が検出器への入射角が０．０１以内にするためには、約２８７ｍ以上離れた距離差である必要がある。つまり、この位置検出用光源により波面同調を行った時、送信信号光と局部発信光の波面同調が行われるためには約２８７ｍ以上必要となって使用できない。以上の点から信号送信用光と位置検出用光を同一光源から出力することにより大きな効果が得られた。また、これにより光学系の小型化を図ることもできる。
【００８０】
図１０は本発明の第６の実施例を示す空間光伝送装置における光検出部の構成図であり、図１１は図１０の光検出部を組み込んだ信号復調装置の構成を示すブロック図である。図１０および図１１において、光学構成は、開口制限されて入射した信号光である入射光をレンズ４３１で集光し、さらに、光分波器４３２にて２方向に分波し、その一方を多分割光検出器４３３の光検出領域に照射し、他方を導波路としての光ファイバー４３４ａを備えた多分割光検出器４３４ｂの光検出領域に入射するように配置する。光ファイバーを備えていない多分割光検出器４３３に入射される信号光の光スポットの面積が、光ファイバー４３４ａを備えている多分割光検出器４３４ｂに入射される信号光の光スポット面積より大きくなるように、光分波器４３２に対して多分割光検出器４３３を多分割光検出器４３４ｂよりも近くに配置するなどして、レンズ４３１、光分波器４３２および多分割光検出器４３３，４３４ｂの光学系を配置する。また、この多分割光検出器４３３の各検出領域からの全検出器出力が等しくなるとき、つまり、多分割光検出器４３３の中心部分に入射光である信号光が集光して入射するとき、光ファイバー４３４ａの一方端面での結合効率が大きくなるようにレンズ４３１などの光学系を配置する。この光ファイバー４３４ａは、多分割光検出器４３４ｂにおける検出領域の中心部にその一方端面が結合するように設けられ、光ファイバー４３４ａの一方端面に入射した信号光が、光ファイバー４３４ａの他方端面のある所定の位置に出射される。この出射された信号光は、レンズ４３５にて平行光にされ、この平行光と、レンズ４３６を介して平行光にされた、局部発振レーザ４３７からの局部発振光とを光合波器４３８で合波され、この合波光を検出器４３９にて受光してコヒーレント検波する構成である。
【００８１】
このような光学配置を取ることにより、空間からの入射光の波面同調ができる立体角をより大きく取ることができる。つまり、信号送信装置（図示せず）からの送信光が信号復調装置４４０に入射するときの信号送信装置（図示せず）と信号復調装置４４０との空間の相対位置が大きくずれていると、図１２ａに示すように、多分割光検出器４３４ｂ上の位置検出用信号の集光スポット４４１ａが小さい場合、多分割光検出器４３４ｂの外側に集光スポット４４１ａが位置する。しかし、多分割光検出器４３３に照射されるような、位置検出用信号の集光スポット４４１ｂが大きい場合には、両装置間における空間の相対位置が多少大きくずれていても、多分割光検出器４３３の中に集光スポットが位置することになる。
【００８２】
図１３に位置検出用信号光の信号復調装置４４０に対する入射角θと、各多分割光検出器出力の合計との関係を示している。図１３に示すように、多分割光検出器４３３の方は検出器面上の光スポット面積が大きいため、入射角θの角度に対する出力値の変化の割合が小さくなる。このため、ずれ角θに対しての出力信号のＳ／Ｎ比が低下するために波面同調の制御性はなくなるが、波面同調機能が働く角度の許容量は大きくなる。他方の多分割光検出器４３４ｂは、光スポット面積が小さいため、入射光の角度に対する出力値の変化の割合が大きくなるが、このため、ずれ角θに対しての出力信号のＳ／Ｎ比が大きく取れて波面同調の制御性はよくなる。しかし、多分割光検出器４３３の場合とは反対に、波面同調機能が働く角度の許容量は小さくなる。これら多分割光検出器４３３，４３４ｂの２つを組み合わせることにより、波面同調機能が働く角度の許容量を大きく、かつ波面同調の制御性も良好にすることができる。つまり、位置検出光と信号復調装置４４０の角度が大きくずれているときには、図１２ａに示すように、多分割光検出器４３３の検出領域器Ａからの位置検出用信号と、検出領域器Ｂ，Ｃからの少しの位置検出用信号しか検出されず、多分割光検出器４３４ｂからの位置検出用信号は検出されない。このときには、この状態の信号を多分割光検出器４３４ｂからバンドパスフィルタ４４２を介して、波形整形回路４４３から位置検出装置駆動回路４４４に送り、また、多分割光検出器４３３の各検出領域からの検出信号を位置検出装置制御回路４４４に送り、多分割光検出器４３３の各検出領域からの検出信号により位置検出装置制御回路４４４にて位置検出装置駆動回路４４５を制御してハウジングとともに信号検出用光学系を駆動走査する。そして、この位置検出装置制御回路４４４は、多分割光検出器４３４ｂからの出力信号が光スポットの状態として、図１２ｂに示すように多分割光検出器４３４ｂの検出領域の中心部に位置するようになったのを検出後、この多分割光検出器４３４ｂの各検出領域部分からの出力信号が等しくなるような制御ループに切り替える。つまり、この多分割光検出器４３４ｂからの検出器出力をバンドパスフィルタ４４２を介して波形整形回路４４３にて任意の大きさに増幅し、この増幅信号を比較器４４６にて比較後、位置検出装置制御回路４４４にて多分割光検出器４３４ｂの全検出領域からの検出出力が等しくなるような方向を算出後、位置検出装置駆動装置４４５にてハウジングとともに信号検出用光学系を駆動する。
【００８３】
このように、多分割光検出器４３３，４３４ｂの複数の検出領域面における光スポットを面積を変えることにより、より広い立体角３０゜で入射される信号光との波面同調を行うことができ、１００Ｍｂｐｓの光空間伝送を信号誤り率１０-9 で行うことができた。
【００８４】
ここで、局部発振レーザ４３７からのレンズ４３６を介した局部発振光と、光ファイバー４３４ａの端面からレンズ４３５を介して出力される送信信号光とを光合波器４３８で合波して受光器４３９で受光し、その受光出力をバンドパスフィルタ４４７で位置検出用信号を抜取って位置検出装置制御回路４４４に入力する構成は実施例３で記述したものと同様の制御ループを用いている。また、受光器４３９からの受光出力をハイパスフィルタ４４８でビート信号を抜取って信号復調回路４４９で信号復調し、信号復調回路４４９からの出力信号を波長同調制御回路４５０に入力し、局部発振光駆動回路４５１を介して局部発振レーザ４３７を駆動する波長同調構成は実施例３で記述したものと同様の制御ループを用いている。
【００８５】
図１４ａ〜図１４ｈに図１０の多分割光検出器４３４ｂの製造方法を示す各工程における断面図である。図１４ａに示すようにｐ- −Ｓｉ基板４６１を用いて熱酸化によりＳｉＯ2 膜４６２を形成し、レジスト塗布後、フォトリソ工程により光検出器部分となる領域以外の部分のＳｉＯ2 膜をＢＨＦ（バックファードフッ酸）除去することにより、図１４ｂに示すようにマスクを形成し、このマスクを用いエッチングで図１４ｃに示すような断面形状を形成する。その後再び、熱酸化により表面にＳｉＯ2 膜４６３を形成する。さらに、図１４ｄに示すように、光検出器部分となる凸部分上のＳｉＯ2 膜を取り除き、この領域に拡散またはイオン注入により〜０．３μｍの深さのｎ+ 層４６４を形成する。この後、光検出器部分となる凸部分間の中央部に位置する凹部分にレジストを塗布後、フォトリソの工程によりテーパ状の光ファイバー装着用窓を形成し、この部分のＳｉＯ2膜をＢＨＦにて除去する。さらに、図１４ｅに示すように、ＥＰＷ（エチレンジアミンピロカテコール）水溶液を用いて選択エッチングすることによりテーパ状のガイド穴４６５を形成する。次に、図１４ｆに示すように、裏面に拡散またはイオン注入によりｐ+層４６６を形成後、図１４ｇに示すように、ｐ+層４６６およびｎ+層４６４の各表面に各電極４６７，４６８を付け、また、ｎ+層４６４上の光入射部に光反射防止膜４６９を形成することにより、光電子変換効率を向上させる。さらに、図１４ｈに示すように、このテーパ状のガイド穴４６５に光ファイバー４３４ａの一方端面部を基板裏面側から装着後、ＵＶ硬化樹脂４７０にて光ファイバー４３４ａと基板裏面とを固定することにより、光ファイバー４３４ａと多分割光検出器４３４ｂの一体化を行う。
【００８６】
このように、多分割光検出器４３４ｂと光ファイバー４３４ａを一体化することにより、信号復調装置４７０の光学部分の小型化、安定化を図ることができる。
【００８７】
図１５は図１１の信号復調装置における光ファイバー４３４ａと多分割光検出器４３４ｂの他の変形例を示す多分割光検出部の断面図である。図１５において、多分割光検出器の基板４８１に光学硝子の材料となるようなガラス基板（例えばＢＫ７等）を用い、基板表面部分にイオンビームエッチングまたはＲＩＥ（リアクティブ．イオン．エッチング）によるエッチングにてフレネルレンズ４８２を形成し、位置検出用検出器として送信信号光及び位置検出用光源として０．７８μｍ帯を用いているので、Ｓｉ検出器４８３を基板４８１上に接着剤などで所定位置に装着する。本実施例では、上下左右に４個のＳｉ検出器４８３を装着するようにしたが、それ以上の複数のＳｉ検出器４８３を装着するようにしてもよい。このフレネルレンズ４８２の開口数Ｎ．Ａは使用する光ファイバーとの開口数Ｎ．Ａが一致するように構成する。基板４８１の裏面には表面に形成されたフレネルレンズ４８２の焦点位置に光ファイバー４８４の入射端面が来るようにエッチングなどによりガイド用の溝を作っておき、この溝に光ファイバー４８４の入射端面を挿入して光ファイバー４８４と基板４８１の裏面とを固定する。
【００８８】
このように、フレネルレンズ４８２、光ファイバー４８４および光検出器４８３の全てを一体化することにより、位置合わせをより少なくすることができ、部品点数の低減、光学系の安定化を図ることができる。
【００８９】
図１６は図１１の信号復調装置の光検出部分における他の変形例を示し、ａはその平面図、ｂはＡＡ’断面図、ｃはＢＢ’断面図である。図１６において、信号送信光および位置検出用信号光の波長として１．３μｍを用いる。ＩｎＰ基板５０１上にＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）にて下クラッド層５０２にＩｎＰ層（層厚３μｍ）、コア層５０３としてＩｎＰ基板に格子整合する波長１．３μｍのＩｎXＧａ1-XＡｓYＰ1-Y層（層厚１μｍ）、上クラッド層５０４としてＩｎＰ層（層厚３μｍ）を成長させることにより光導波路構造を形成する。このときのコアー層５０３の層厚は、局部発振光用光源とのバットジョイントによる結合ロスが少なくなるような層厚およびシングルモード導波路として働く程度の層厚で、できるだけ空間との結合効率を大きく取ることができるように厚い層厚となるよう、コアー層５０３の層厚とコアー層５０３とクラッド層５０２，５０４の屈折率差を小さくなるように調節した。このとき、コアー層５０３の層厚、屈折率を光導波方向に変化させてレーザとの結合部分ではコアー層とレーザとのＮ．Ｆ．Ｐが合うように１μｍ程度のコアー径となるように、空間との結合部分では空間からの入射光との結合効率が大きく取れるようにコアー径を大きくするようにしても良い。
【００９０】
次に、この光検出部分の製造方法について簡単に説明すると、Ｐ−ＣＶＤなどでＳｉＮｘ層マスクを形成してレジストを塗布後、フォトリソの工程によりレンズ５０５、ビームスプリッター５０６のパターンを形成後、エッチングにて上クラッド層５０４のＩｎＰ層を除去する。この後、除去した層より屈折率の大きく基板のＩｎＰと格子整合したＩｎXＧａ1-XＡｓYＰ1-Y層をＭＯＣＶＤの選択成長にて埋め込むことにより実効的に等価屈折率が変化することを利用してレンズ形状を形成しレンズを形成する。同様に、除去した層より屈折率が小さく基板と格子整合したＩｎXＧａ1-XＡｓYＰ1-Y層で埋め込むことによりビームスプリッターを形成することができる。この後再び、ＳｉＮｘマスクを形成してフォトレジストを塗布し、４５゜ミラー５０７、局部発振光源としての局部発振レーザ５０８および光検出器５０９の形成用パターンを開け、ＲＩＥ（リアクティブ．イオン．エッチング）などのドライエッチングプロセス、またはウエットエッチングにより４５゜ミラー５０７および基板５０１までエッチングを行った後、局部発振光レーザ５０８および信号光検出器５１０、多分割検出器を構成する各光検出器５０９を所定箇所に張り付ける。本実施例では、局部発振光レーザ５０８および光検出器５０９を基板５０１に張り付けたが、その他に、選択成長法を用いて基板上に局部発振光レーザ５０８および光検出器５０９を作り込むことにより、位置精度の向上が図られる。また、導波路結合用レンズ５０５の固定位置は焦点位置が導波路端面に一致するように固定する。例えば、焦点距離２０ｍｍ、レンズ径１０ｍｍのレンズを用いた場合、開口数Ｎ．Ａが０．２５程度のものを用いた場合、通常のＦ．Ｆ．Ｐ（ファーフィルドパターン）３０゜程度を有する半導体レーザとの光結合効率を大きくできる。
【００９１】
このような光導波路構造を採用して波面同調を行うことにより、外乱の影響を受けることなく安定した光学系を構成することができる。
【００９２】
図１７は図１６の信号復調装置の光検出部分における変形例を示し、ａはその平面図、ｂはＣＣ’断面図、ｃはＤＤ’断面図である。図１７において、信号送信光、位置検出用信号の波長として０．７８μｍを用いる。光検出器としてＧａＡｓ基板５２１を用いて下クラッド層５２２としてＡ１YＧａ1-YＡｓ層（Ｙ＝０．３、層厚０．５μ）を形成後、この下クラッド層５２２上に光導波路５２３の光入射部分となる部分に２次のグレーティング５２４を形成する。このピッチは２２０ｎｍであり、電子ビーム描画とドライエッチングプロセスにより形成した。この２次グレーティング５２４により上部から入射される光と光導波路５２３の結合が図れる。その後、光導波路５２３上に上クラッド層５２５としてＡ１XＧａ1-XＡｓ層（Ｘ＝０．３、層厚３μｍ）を形成し、上クラッド層５２５をエッチング除去して２次グレーティング５２４上に入射窓を形成している。この入射窓近傍で上クラッド層５２５に上下左右対称に多分割位置検出用の光検出器５２６を装着し、図１６で述べたような工程によりレンズ５２７，５２８、ビームスプリッタである光分波器５２９、局部発振光源５３０および信号光検出器５３１を形成する。
【００９３】
このような構成を取ることにより、光導波路５２３への集光用のレンズ及びその位置合わせが不要となり、光学系の小型化、組み立ての簡略化が図られる。
【００９４】
図１８は図１６の信号復調装置の光検出部分における他の変形例を示し、ａはその平面図、ｂはＥＥ’断面図、ｃはＦＦ’断面図である。図１８において、光導波基板としてＬｉＮｂＯ3基板５４１を用いてＴｉの熱拡散にて３次元光導波路５４２を形成する。この３次元光導波路５４２の構造としてはＹ字型の光導波路５４２を採用し、Ｙ字の一方向から局部発振光が入射するように局部発振光源５４３を装着する。この３次元光導波路５４３の光スポットの大きさは、局部発振光源５４３である局部発振光レーザのＮ．Ｆ．Ｐ（ニアーフィールドパターン）に合わせておくと結合効率が大きく取れる。Ｙ字の他方方向からは空間から伝搬されてきた光をレンズ５４４にて集光し、その後、４５゜ミラー５４５にて３次元光導波路５４２に入射されるように構成しておく。これらの光をＹ字光導波路５４２にて合波して信号光検出器５４６にて検波する構成としておく。位置検出信号用の光検出器５４７は、４５゜ミラー５４５近傍の基板５４１上に４５゜ミラー５４５を挟んで左右に２個づつ接着することにより構成する。なお、信号復調装置の他の信号処理部分は図８の構成と同一のものを使用した。
【００９５】
したがって、このようなＹ字光導波路構成を取ることにより、半導体上にエッチングプロセス、ＭＯＣＶＤの再成長技術による工程を利用してレンズおよびビームスプリッターを作り込む必要がなくなり、製造工程の簡略化が図れる。なお、本実施例では、３次元光導波路構成としては、ＬｉＮｂＯ3基板５４１へのＴｉ拡散としたが、それ以外にプロトン交換などの他の作成方法でもよい。
【００９６】
図１９は本発明による信号復調装置の光検出部分の他の実施例を示す一部構成図であり、図２０は本発明による信号復調装置の光検出部分の他の実施例を示す構成図である。図１９および図２０において、光学構成は開口制限された入射光をビームスプリッタ５５１で分割し、その入射光の一方をレンズ５５２に入射して検出器５５３に導く。このとき、レンズ５５２と検出器５５３の距離ｄはレンズ５５２の焦点距離になるように配置する。このような光学配置を取ることにより、位置検出用信号光の入射方向が異なると検出器５５３の面上での光スポットの位置が異なることになる。例えば、レンズ５５２の有効面積３０ｍｍ2で焦点距離ｄ＝２０ｍｍのものを使用する。ここで、レンズ５５２の開口数Ｎ．Ａは０．１２に対応している。この場合、空間からの入射角度として１４゜のものまで波面同調機能が働く。検出器５５３の面積にもよるが、コヒーレント検波に必要な波面同調機能角度は０．０１゜以内が必要とされており、この角度の検出器５５３の面上での空間分解能は約２０μｍとなる。ゆえに半径２０μｍの位置検出分解能があれば、この光学配置にて波面同調が可能となる。
【００９７】
この検出器５５３の構成は検出器端部に電極を３カ所設けたものを使用する。このとき、光入射スポットで生じた光電流は各取り出し電極までの距離に逆比例して、分割された電流がそれぞれの電極から取り出される。よって、この出力電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）は次式のように表される。
【００９８】
【数２】
0003672202.tif 000003
【００９９】
上記（数２）におけるｌ1、ｌ2、ｌ3は光スポットから各電極までの距離、Ｉ0は入射により生じた光起電力である。これら３式から光入射スポットの位置（Ｘ、Ｙ）を算出することができる。
【０１００】
これら出力電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）をバンドパスフィルタ回路５５４を通過させて位置検出信号を取り出し、上記３式からコンピュータ５５５により光入射位置（Ｘ、Ｙ）を算出する。この信号から信号復調装置における光検出部分を送信信号光の入射方向になるように走査させて波面同調させる。
【０１０１】
また、図２０に示すように、ビームスプリッタ５５１を介した他方の入射光をレンズ５５６にて、多分割検出器５５７の中央部に設けられた光ファイバー５５８に集光させるようにしておき、この光ファイバー５５８の他端部からの出力光をレンズ５５９にて平行光にし、レンズ５６０を介した局部発信光レーザ５６１からの局部発信光と光合波器５６２で合波し、信号を受信器５６３で受信して復調する。このように、多分割検出器５５７を備えた光ファイバ５５８を使用することによりより、微徴な制御を行うことができる。
【０１０２】
したがって、このような光学系を取ることにより、入射光の大まかな入射方向を精度よく検出することが高速で行えるため波面同調の高速化が図られる。
【０１０３】
図２１は本発明の第７の実施例を示す空間伝送装置のブロック図である。図２１において、光信号送信側においては、信号源６０１は信号源駆動装置６０２に接続され、信号源駆動装置６０２に信号入力される。この信号源駆動装置６０２と位置検出用駆動装置６０３は送信光源としての半導体レーザ６０４に接続され、半導体レーザ６０４において、位置検出用駆動装置６０３からのコード列Ｓａに対応して、信号源駆動装置６０２からの送信信号Ｓｂをその伝送速度に比べて十分に遅い速度、例えば１０ｋｂｓで強度変調した信号光Ｓｃが得られる。この半導体レーザ６０４の前面には、λ／４板６０５さらにレンズ６０６が設けられており、半導体レーザ６０４からλ／４板６０５を介することにより、送信光成分の光偏波面を円偏光とする信号光Ｓｃ’が空間に出射される。以上の信号源駆動装置６０２、位置検出用駆動装置６０３、半導体レーザ６０４、λ／４板６０５およびレンズ６０６により光信号送信装置６０７が構成される。
【０１０４】
また、信号受信側においては、入射信号光を制限する開口制限部６０８からの入射信号光を光導波路装置６０９の入射部に導くレンズ６１０が配設され、これら光導波路装置６０９およびレンズ６１０は信号検出部のハウジング６１１内に収納されており、局部発振光駆動装置６１２からの局部発振光によって、光導波路装置６０９内でコヒーレント光ヘテロダイン検波が行われる。光導波路装置６０９は局部発振光駆動装置６１２に接続され、また、その光検出器の出力端はハイパスフィルタ６１３およびローパスフィルタ６１４に接続され、円偏光の信号光Ｓｃ’が光導波路装置６０９の信号検出器で検出されてハイパスフィルタ６１３およびローパスフィルタ６１４に入力される。局部発振光駆動装置６１２は処理回路６１５と復調回路６１６に接続されている。また、ハイパスフィルタ６１３は復調回路６１６と制御回路６１７に接続され、ハイパスフィルタ６１３を介して復調回路６１６で信号が復調され、また、ハイパスフィルタ６１３からの位置検出信号が制御回路６１７に入力されて、その信号強度成分が最大信号強度となるように、ハウジング６１１を制御回路６１７を介して駆動制御して、ハウジング６１１の開口制限部６０８が臨む空間位置が駆動制御される。さらに、ローパスフィルタ６１４は処理回路６１５に接続されているが、偏波面の同調が必要ないので処理回路６１５と制御回路６１７は接続されていない。以上により光信号復調装置６１８が構成される。
【０１０５】
上記構成による作用を以下に説明する。
【０１０６】
光信号送信装置の送信光源として半導体レーザを用いた場合、通常、直線偏光で送信される。これは半導体レーザの発振モードがＴＥ（Transverse Electric）モードが選択されるためである。この選択性はファブリペローレーザの場合、ＴＭ（Transverse Magnetic）モードに比べてＴＥモードの方が端面反射率が高くなり閾値ゲインが低くなるためである。ＤＦＢレーザの場合も同様の現象が生じ、結合定数κの大きさが各モードにより異なることで発振モードが選択される。このように、半導体レーザを使用することにより装置の小型化を図ることができるが、出射光が直線偏光にて出射されるために、コヒーレント光検波を行う場合、発振波長を同調させるだけではなく偏波面も同調させる必要があった。
【０１０７】
これを解決する方法として、光信号送信装置６０７の信号光光源である半導体レーザ６０４の出力部分に１／４λ板６０５を挿入し、円偏光に変換して空間に出射するようにする。これにより偏波面の同調は必要なくなる。この光信号復調装置６１８の構成は、例えば図１６で示される光導波路装置と同等の光導波路装置６０９の構造を採用する。
【０１０８】
このとき、光信号復調装置６１８は光信号送信装置６０７からの強度成分（位置検出信号）に基づき光導波路装置６０９に信号光が結合するように制御される。光導波路装置６０９の導波路に結合した光は導波内を伝搬し、例えばＴＥモードで発振する局部発振光レーザと合致されてビート信号が検出される。このとき、検出されるビート信号は互いのレーザの同一モードのみからしか得られない。つまり、円偏光で送信された信号光のうちＴＥモードに対応する成分のみからしかビート信号は得られないため、全送信信号パワーに対して３ｄｂのロスとなる。しかし、壁などで反射され光偏波面が変化してしまうような場合においても、常に安定した信号検出が行える。また、従来あるようなビート信号などをモニタしながら機械的に送信光と局部発振光の偏波面を合わせるような構成を取った場合や、また、送信信号光の偏波面を分け、それぞれに応じた偏波面を持つ局部発振光と合波した場合に比べて非常に安定した空間光伝送を行うことができ、また、装置の小型化を図ることができる。特に、本方式では送信光を円偏光としているため、入力成分の偏波面が大きく揺らぐこともなく（偏波面が変わる原因は壁などの反射によるものより光送信装置と光受信装置の空間的な関係の影響が大きい）安定した送信が行える。また、偏波面は送信光と局部発振光の合波時に選択されるため、偏波面に依存しない強度変調信号である位置検出信号はロスすることなく多分割検出器に入力されるので精度のよい位置合わせの制御が行える。
【０１０９】
なお、本実施例では、送信装置内にλ／４板を挿入しているが、受信装置の光導波路の信号光入射端面に挿入しても同様の効果が得られる。また、光信号復調手段への送信光成分の光偏波面を円偏光とする手段は、本実施例において適応させたが、これに限定されることなく上記各実施例においても適用可能である。
【０１１０】
なお、以上の各実施例において、以下に示すような構成を含むことができる。本発明の空間光伝送装置は、信号光を出力する光信号送信手段と、該光信号送信手段からの信号光を受信して復調する光信号復調手段とを有する空間光伝送装置であって、該光信号復調手段は、該信号光を集光して分光する光学系と、該光学系で集光して分光された一方の信号光を受光する多分割光検出部と、該光学系で集光して分光された他方の信号光を所定位置まで導く導波路部と、該導波路部からの他方の信号光と局部発振光を合波した光信号を受光する光信号検出部と、該多分割光検出部の検出領域の中心部分に該集光された信号光が照射されるように、また、該光信号検出部で受光した光信号から得た位置検出信号成分を用いて、少なくとも該光学系を波面同調するように移動制御する制御部とを備えたものである。これにより、請求項６と同様の効果を得ることができる。
【０１１１】
また、この空間光伝送装置における制御部は、多分割光検出部の各検出領域からの受光信号が均等になるように、少なくとも該光学系を移動制御するものである。これにより、多分割光検出部の各検出領域からの受光信号が均等になるように、少なくとも光学系を移動制御すると、波面同調制御が容易になる。
【０１１２】
さらに、空間光伝送装置は、信号光を出力する光信号送信手段と、該光信号送信手段からの信号光を受信する光信号復調手段とを有する空間光伝送装置であって、該光信号復調手段は、該信号光を集光して分光する光学系と、該光学系で集光して分光された信号光を受光する第１多分割光検出部と、該光学系で集光して分光された信号光のスポット径を、該第１多分割光検出部に照射される信号光のスポット径よりも大きくなるように受光する第２多分割光検出部と、該光学系で集光して分光された信号光を所定位置まで導く導波路部と、該導波路部からの他方の信号光と局部発振光を合波した光信号を受光する光信号検出部と、該第２多分割光検出部に照射される信号光のスポット径が該第２多分割光検出部の各光検出領域に対して均等に照射されるように、少なくとも該光学系を移動制御し、その後、該第１多分割光検出部の検出領域の中心部分に該信号光が照射されるように、また、該光信号検出部で受光した光信号から得た位置検出信号成分を用いて波面同調するように、少なくとも該光学系を移動制御する制御部とを備えたものである。これにより、照射スポット径の大きい第２多分割光検出部からの受光信号により、波面同調するように光学系を移動制御し、さらに照射スポット径の小さい第１多分割光検出部部からの受光信号により、さらに微調な波面同調するように光学系を移動制御するため、波面同調機能が働く角度の許容量を大きく、かつ波面同調の制御性を良好にすることができる。また、導波路を用いることにより、自由空間に光学部品を用いて、例えばヘテロダイン光学系などを容易に構成することができ、この光学部分をも可動する従来のものに比べて、可動しない安定な光学部分まで信号光を導くことができるため、波面同調などの精密な光学系を構成することができる。
【０１１３】
さらに、好ましくは、本発明の空間光伝送装置における導波路部は光ファイバーで構成される。このように、導波路を光ファイバーで構成すると、容易に経済的に所定の位置まで信号光を導くことができる。
【０１１４】
さらに、好ましくは、本発明の空間光伝送装置における光ファイバーの一方端面部を第１多分割光検出部の一部に配置させて光ファイバーおよび第１多分割光検出部とを一体に構成する。このように、第１多分割光検出部と光ファイバーを一体化すると、信号復調手段の光学部分の小型化、安定化を容易に図ることができる。
【０１１５】
さらに、好ましくは、本発明の空間光伝送装置におけるガラス基板の一方表面上に光学系の集光レンズを設け、該集光レンズの焦点位置に入射端面部が位置するように前記光ファイバーを該ガラス基板に設け、該ガラス基板の一方表面上の該集光レンズ近傍位置に光検出器を複数設けて、光ファイバーおよび第１多分割光検出部、該光学系の集光レンズを一体に構成する。このように、集光レンズ、光ファイバーおよび第１多分割光検出部を一体化すると、位置合わせがより少なくなり、部品点数の低減、光学系の安定化を図ることができる。
【０１１６】
さらに、本発明の空間光伝送装置の製造方法は、基板上に光導波路層を形成し、光信号送信手段からの送信信号光が入射され、該光導波路層の光導波路に反射光として反射させるミラー部を基板上に４５゜傾けて形成し、該導波路の途中に前記光学系の集光レンズさらに光合波器を形成し、該光合波器で該反射光と局部発振光が合波されるように該基板上に局部発振光源を形成し、該光導波路の出力端部に該出力端部からの合波された光を受光する信号光受光部を形成し、該基板面に入射される送信信号光を受信する複数の光検出器を該ミラー部近傍に形成して光学検出部を製造する工程を含む。このように、同一基板上にミラー部、導波路、集光レンズ、光合波器、信号光受光部、局部発振光源および複数の光検出器を形成するため、これらを容易に確実に一体化させることができ、波面同調を行う場合、外乱の影響を受けることなくより安定した光学系を構成することができる。
【０１１７】
さらに、本発明の空間光伝送装置の製造方法は、基板上に光導波路層さらにクラッド層を形成し、該光導波路層の表面の一部にグレーティング部を形成し、該グレーティング部上部のクラッド層に、光信号送信手段からの送信信号光が入射可能な入射窓を開口し、該入射窓近傍で該クラッド層上に該送信信号光を受信する複数の光検出器を形成し、該導波路の途中に集光レンズさらに光合波器を形成し、該グレーティング部を介して該光導波路層に入射した信号光と局部発振光が該光合波器で合波されるように該基板上に局部発振光源を形成し、該光導波路の出力端部に該出力端部からの合波された光を受光する信号光受光部を形成して光学検出部を製造する工程を含む。このように、基板上に光導波路層、クラッド層、グレーティング部さらに入射窓を形成するようにすると、光導波路への集光用レンズが不要な構成を容易に製造することができる。
【０１１８】
さらに、空間光伝送装置の製造方法は、基板上にＹ字状導波路部を形成し、光信号送信手段からの送信信号光が入射され、該Ｙ字状光導波路層の一方の入力部に反射光として反射させるミラー部を該基板上に４５゜傾けて形成し、局部発振光を該Ｙ字状光導波路層の他方の入力部に出力する局部発振光源を該基板上に形成し、該Ｙ字状光導波路の出力端部に該出力端部からの合波された光を受光する信号光受光部を該基板上に形成し、該基板面に垂直に入射される送信信号光を受信する複数の光検出器を該ミラー部近傍に形成して光学検出部を製造する工程を含む。このように、上記一体化構成の導波路に代えてＹ字状導波路とすると、集光レンズや光合波器を作り込む必要がなく、製造工程の簡略化を図ることができる。
【０１１９】
さらに、好ましくは、空間光伝送装置の製造方法における局部発振光源および光検出器は、基板上に張り付けるか、または、選択成長法を用いて該基板上に作る。このように、局部発振光源および光検出器を基板上に張り付けると、容易に一体化させることができ、また、選択成長法を用いて基板上に局部発振光源および光検出器を作り込むと、さらなる位置精度の向上を図ることができる。
【０１２０】
さらに、本発明の空間光伝送装置は、信号光を出力する光信号送信手段と、該光信号送信手段からの信号光を受信して復調する光信号復調手段とを有する空間光伝送装置であって、該光信号送信手段からの信号光が光スポットとして照射され、該光スポットで生じた光電流を各電極までの距離に反比例するように分割して取り出す検出器と、該検出部で分割して取り出された各光電流により該検出器に照射される光スポットの位置を演算する演算部と、該演算部での演算結果により該光信号送信手段からの信号光の光スポットが該検出器の中央位置でかつ該検出器に対して垂直方向となるように該検出器を移動させて波面同調制御する制御部とを備えている。このように、光スポットで生じた光電流を各電極までの距離に反比例するように分割して取り出して、検出器に照射される光スポットの位置を演算し、信号光の光スポットが検出器の中央位置でかつ検出器に対して垂直方向となるように検出器を移動させて波面同調制御するため、入射光の大まかな入射方向を精度よく高速に検出することができて波面同調の高速化を図ることができる。
【０１２１】
【発明の効果】
以上のように本発明の請求項１によれば、検出器からの出力信号の強度変調成分が所定範囲内になるように、局部発振光の方向を送信光の方向と予め定める関係を有するように調整して送信光と局部発振光の波面同調制御を行うため、従来のように局部発振光の拡散による波面同調方式を用いる必要はなく、局部発振光を絞って波面同調させることができ、局部発振光強度も微弱にならず、高いＳ／Ｎを得ることができ、さらに、コヒーレント性を利用した空間光伝送の特徴である高速伝送速度を実現することができる。また、光信号送信手段は信号光源を１つにできるため、構成の小型化、低消費電力化を図ることができる。
【０１２２】
また、本発明の請求項２によれば、空間光伝送装置に含まれる信号送信装置に備えられた信号光発生手段を、送信信号に応じて変調すると共に、同一光源にて位置検出用として光強度変調された信号を空間に出射し、さらに、信号復調装置に備えられた検出器から位置検出用信号を検出し、この位置検出信号が所望の値になるように信号検出器を移動させる手段により、信号光と局部発振光の波面同調を行うため、従来の拡散局部発振光を用いたコヒーレント空間光伝送装置に比べ、Ｓ／Ｎ比を格段に向上させることができ、高速なデジタル空間光伝送を行うことができる。また、信号送信装置、信号復調装置の低価格化、小型化、低消費電力化を実現することができる。
【０１２３】
さらに、本発明の請求項３によれば、変調手段は周波数変調または位相変調のいずれかを行うため、確実に容易に信号を変調させることができる。
【０１２４】
さらに、本発明の請求項４によれば、送信信号に対応して変調され、かつ信号伝送速度に比べて低い周波数にて強度変調されて送信されるため、信号光源を１つにでき、構成の小型化、低消費電力化を図ることができる。また、検出器からの出力信号の強度変調成分が所定範囲内になるように、局部発振光の方向を送信光の方向と予め定める関係を有するように調整して送信光と局部発振光の波面同調制御を行い、信号成分を抽出するため、正確に速く波面同調されて信号成分を抽出することができ、従来のように局部発振光の拡散による波面同調方式を用いる必要はなく、局部発振光を絞って波面同調させることができ、局部発振光強度も微弱にならず、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。さらに、送信信号に対応してする変調は周波数変調または位相変調のいずれかを行うため、確実に容易に信号を変調することができる。
【０１２５】
さらに、本発明の請求項５によれば、多分割光検出部の検出領域の中心部分に信号光の集光が照射されるように、少なくとも光学系を移動制御するので、より大きい立体角で入射する、空間を伝搬する信号光との波面同調を高速にかつ効率よく行うことができる。
【０１２６】
さらに、本発明の請求項６によれば、多分割光検出部の検出領域の中心部分に信号光の集光が照射されるように、少なくとも光学系を移動制御すると、より大きい立体角で入射する、空間を伝搬する信号光との波面同調を高速にかつ効率よく行うことができる。また、光信号検出部で受光した光信号から得る位置検出信号成分が最も大きくなるように、少なくとも光学系を移動制御すると、多分割光検出部の出力のみで位置合わせをした以上に入射光と導波路との微調な結合効率の向上を図ることができる。さらに、導波路を用いることにより、自由空間に光学部品を用いて、例えばヘテロダイン光学系などを容易に構成することができ、この光学部分をも可動する従来のものに比べて、可動しない安定な光学部分まで信号光を導くことができるため、波面同調などの精密な光学系を構成することができる。さらに、送信信号に対応して変調され、かつ信号伝送速度に比べて低い周波数にて強度変調されて送信されるため、信号光源を１つにできて、構成の小型化、低消費電力化を図ることができる。
【０１２７】
さらに、本発明の請求項７によれば、照射スポット径の大きい第２多分割光検出部からの受光信号により、波面同調するように光学系を移動制御し、さらに照射スポット径の小さい第１多分割光検出部部からの受光信号により、さらに微調な波面同調するように光学系を移動制御するため、波面同調機能が働く角度の許容量を大きく、かつ波面同調の制御性を良好にすることができる。また、本発明の請求項１１によれば、導波路を用いることにより、自由空間に光学部品を用いて、例えばヘテロダイン光学系などを容易に構成することができ、この光学部分をも可動する従来のものに比べて、可動しない安定な光学部分まで信号光を導くことができるため、波面同調などの精密な光学系を構成することができる。
【０１２８】
さらに、本発明の請求項８によれば、ミラー部、複数の光検出器、導波路、信号光受光部、集光レンズ、光合波器および局部発振光源を同一基板上に一体化して構成すると、波面同調を行う場合、外乱の影響を受けることなくより安定した光学系を構成することができる。
【０１２９】
さらに、本発明の請求項９によれば、上記一体化構成に付け加えてグレーティング部を設けることにより、光導波路への集光用レンズおよびその位置合わせを不要とすることができ、光学系の小型化、組立の簡略化を図ることができる。  さらに、本発明の請求項１０によれば、上記一体化構成の導波路に代えてＹ字状導波路構成とすると、請求項８、９における集光レンズや光合波器を省くことができて部品点数を少なくすることができ、製造工程も簡略化することができる。さらに、本発明の請求項１１によれば、光信号復調手段への送信光成分の光偏波面を円偏光とする手段を設けたことにより、出射光が直線偏光にて出射され、コヒーレント光検波を行う場合、発振波長を同調させるだけではなく偏波面も同調させる必要があったが、偏波面の同調の必要がなくなったため、光信号復調手段の構成を簡単な構成にすることができ、かつより高速な信号受信をすることができ、しかも、壁などで反射され光偏波面が変化してしまうような場合においても、常に安定した信号検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す空間光伝送装置のブロック図である。
【図２】図１の空間光伝送装置における各要部の波形図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示す空間光伝送装置のブロック図である。
【図４】本発明の第２実施例の変形例を示す空間光伝送装置の位置検出器のブロック図である。
【図５】本発明の第３の実施例を示す空間光伝送装置の信号復調装置のブロック図である。
【図６】本発明の第４の実施例を示す空間光伝送装置の伝送方式の波形図である。
【図７】本発明の第５の実施例を示す空間光伝送装置における光検出部と送信信号装置の構成図である。
【図８】図７の光検出部を組み込んだ信号復調装置の構成を示すブロック図である。
【図９】図７の送信信号装置からの送信光の周波数スペクトル図である。
【図１０】本発明の第６の実施例を示す空間光伝送装置における光検出部の構成図である。
【図１１】図１０の光検出部を組み込んだ信号復調装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】ａは光スポットが大きくずれた場合の多分割検出器４３３，４３４ｂと光スポットの位置関係図、ｂは光スポットがずれていない場合の多分割検出器４３３，４３４ｂと光スポットの位置関係図である。
【図１３】位置検出用信号光の信号復調装置４４０に対する入射角θと、各多分割光検出器出力の合計との関係図である。
【図１４】ａ〜ｈは図１０の多分割光検出器４３４ｂの製造方法を示す各工程における断面図である。
【図１５】図１１の信号復調装置における光ファイバー４３４ａと多分割光検出器４３４ｂの他の変形例を示す多分割光検出部の断面図である。
【図１６】図１１の信号復調装置の光検出部分における他の変形例を示し、ａはその平面図、ｂはＡＡ’断面図、ｃはＢＢ’断面図である。
【図１７】図１６の信号復調装置の光検出部分における変形例を示し、ａはその平面図、ｂはＣＣ’断面図、ｃはＤＤ’断面図である。
【図１８】図１６の信号復調装置の光検出部分における他の変形例を示し、ａはその平面図、ｂはＥＥ’断面図、ｃはＦＦ’断面図である。
【図１９】本発明による信号復調装置の光検出部分の他の実施例を示す一部構成図である。
【図２０】本発明による信号復調装置の光検出部分の他の実施例を示す構成図である。
【図２１】本発明の第７の実施例を示す空間伝送装置のブロック図である。
【図２２】空間光伝送方式の特徴を説明するグラフである。
【図２３】従来の拡散局部発振光を用いた空間光伝送装置のブロック図である。
【図２４】従来の宇宙空間光伝送装置のブロック図である。
【図２５】他の従来技術の信号送信装置及び信号復調装置の系統図である。
【符号の説明】
１０１、２０１、４０５    光源
１０２、２０３、４０４    信号光駆動回路
１０６、２０７、４０１    信号送信装置
１０７、２０８、３０１  局部発振回路
１０９、２１０、３０３、４２１、４３８、５６２    合波器
１１０、３０４、４２２、４３９、５１０、５４６    信号検出器
１１１、２１２、３０５    高帯域通過回路
１１２、２１３、３０６、４２４、４４９    復調回路
１１４、２１５、３０８    処理回路
１１５、２１６、３０９    低帯域通過回路
１１７、２１８、３１７、４０２、４４０    信号復調装置
２０２    外部変調器
２１１    ２次元信号検出器
２１９    位置検出用検出器
２２０、４１６、４４６    比較器
２２１、５５５    コンピュータ
４０２ａ    光検出部
４０９、４３４ａ、４８４、５５８    光ファイバー
４１０、４３２    光分波器
４１１、４３３、４３４ｂ、５５７    多分割光検出器
４１２、４２５、４４２、４４７、５５４    バンドパスフィルタ回路
４１３、４４３    波形整形回路
４１４、４５１    局部発振光駆動回路
４１５、４３７    局部発振レーザ
４１７、４４４    位置検出器制御回路
４１８、４４５    駆動回路
４２３、４４８    ハイパスフィルタ回路
４２６、４５０    波長同調回路
４４１ａ、４４１ｂ    光スポット
４８１    基板
４８２    フレネルレンズ
４８３    Ｓｉ検出器
５０１    ＩｎＰ基板
５０２、５２２    下クラッド層
５０３    コア層
５０４、５２５    上クラッド層
５０５、５２７、５２８    レンズ
５０６、５２９、５５１    ビームスプリッター
５０７、５４５    ４５゜ミラー
５０８、５３０、５４３、５６１    局部発振光源
５０９、５２６、５４７、５６３    光検出器
５２１    ＧａＡｓ基板
５２３    光導波路
５２４    ２次グレーティング
５４１    ＬｉＮｂＯ3基板
５４２    ３次元導波路
５５３    検出器
６０２    信号光駆動装置
６０３    位置検出用駆動装置
６０４    半導体レーザ
６０５    λ／４板
６０７    信号送信装置
６０９    光導波路装置
６１２    局部発振光駆動装置
６１３    ハイパスフィルタ（高域通過回路）
６１６    復調回路
６１７    制御回路
６１８    光信号復調装置
【図１】
0003672202.tif 000004
【図２】
0003672202.tif 000005
【図３】
0003672202.tif 000006
【図４】
0003672202.tif 000007
【図５】
0003672202.tif 000008
【図６】
0003672202.tif 000009
【図７】
0003672202.tif 000010
【図８】
0003672202.tif 000011
【図９】
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【図１０】
0003672202.tif 000013
【図１１】
0003672202.tif 000014
【図１２】
0003672202.tif 000015
【図１３】
0003672202.tif 000016
【図１４】
0003672202.tif 000017
【図１５】
0003672202.tif 000018
【図１６】
0003672202.tif 000019
【図１７】
0003672202.tif 000020
【図１８】
0003672202.tif 000021
【図１９】
0003672202.tif 000022
【図２０】
0003672202.tif 000023
【図２１】
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【図２２】
0003672202.tif 000025
【図２３】
0003672202.tif 000026
【図２４】
0003672202.tif 000027
【図２５】
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