(57)【要約】  変調光を局発光及び複数の信号光に分岐する光分配器（１０４）と、光分配器（１０４）により得られた各信号光を位相調整する位相調整部と、位相調整部による位相調整後の各信号光を増幅する光増幅部と、光増幅部による増幅後の各信号光を空間に出力する光フェーズドアレイアンテナ（１０７）と、位相調整部の制御により、光フェーズドアレイアンテナ（１０７）により出力されて光分配器（１０４）により得られた局発光が合波された各信号光を、基準信号に同期させる位相制御部と、光フェーズドアレイアンテナ（１０７）により出力された各信号光の出力角度を調整する捕捉追尾機構（１１３）と、外部から到来した受信光の到来角を検出する角度検出部と、位相制御部で用いられる基準信号を信号光毎に周波数が異なる複数の第１基準信号とし、角度検出部による検出結果に基づく捕捉追尾機構（１１３）の制御により受信光の補足を行い、捕捉の完了後、当該基準信号を各信号光に対して周波数が同一である第２基準信号とし、角度検出部による検出結果に基づく位相調整部の制御により受信光の追尾を行う制御部とを備えた。
2019207756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調光を局発光及び複数の信号光に分岐する光分配器と、
前記光分配器により得られた各信号光を位相調整する位相調整部と、
前記位相調整部による位相調整後の各信号光を増幅する光増幅部と、
前記光増幅部による増幅後の各信号光を空間に出力する光フェーズドアレイアンテナと、
前記位相調整部の制御により、前記光フェーズドアレイアンテナにより出力されて前記光分配器により得られた局発光が合波された各信号光を、基準信号に同期させる位相制御部と、
前記光フェーズドアレイアンテナにより出力された各信号光の出力角度を調整する捕捉追尾機構と、
外部から到来した受信光の到来角を検出する角度検出部と、
前記位相制御部で用いられる基準信号を信号光毎に周波数が異なる複数の第１基準信号とし、前記角度検出部による検出結果に基づく前記捕捉追尾機構の制御により受信光の補足を行い、捕捉の完了後、当該基準信号を各信号光に対して周波数が同一である第２基準信号とし、前記角度検出部による検出結果に基づく前記位相調整部の制御により受信光の追尾を行う制御部と
を備えた空間光通信装置。
【請求項２】
前記位相制御部で用いられる各第１基準信号は、隣り合う周波数の差がランダムである
ことを特徴とする請求項１記載の空間光通信装置。
【請求項３】
前記位相制御部で用いられる各第１基準信号は、隣り合う周波数の差が前記角度検出部における受信帯域以上である
ことを特徴とする請求項２記載の空間光通信装置。
【請求項４】
前記位相制御部で用いられる各第１基準信号は、互いに同期し、隣り合う周波数の差が一定である
ことを特徴とする請求項１記載の空間光通信装置。
【請求項５】
前記位相制御部で用いられる各第１基準信号は、隣り合う周波数差が前記角度検出部における受信帯域以下である
ことを特徴とする請求項４記載の空間光通信装置。
【請求項６】
前記光フェーズドアレイアンテナは、三角配列された複数の素子を有し、
前記位相制御部で用いられる各第１基準信号は、前記複数の素子に対してらせん状に周波数が大きくなる
ことを特徴とする請求項４記載の空間光通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、空間にレーザ光を出力して通信を行う空間光通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間光通信装置は、一般的なマイクロ波を用いて通信を行うマイクロ波通信装置に対し、小型且つ可搬性に優れ、ビームの広がりが小さく秘匿性を有し、電波法による制限を受けず、また、広い周波数帯域を利用可能であり高速な通信が可能といった利点がある。【０００３】
一方、空間光通信装置は、ビームの広がりが小さいことから、通信を確立及び維持するために、通信相手から到来する受信光を捕捉し、送信光の出力角度を制御する必要がある。【０００４】
これに対し、通信光とは別に高出力且つ広角であるビーコン光を出力して受信光の初期補足を行う空間光通信装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２２９２５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ビーコン光を用いる方式では、空間光通信装置が、送信光を出力する光源及び光アンテナとは別に、ビーコン光を出力する光源及び光アンテナを有する必要がある。よって、ビーコン光を用いる方式では、空間光通信装置が大型化し、また、空間光通信装置の消費電力が増大するといった課題がある。【０００７】
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、単一の光アンテナを用いて通信光及びビーコン光を出力可能な空間光通信装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る空間光通信装置は、変調光を局発光及び複数の信号光に分岐する光分配器と、光分配器により得られた各信号光を位相調整する位相調整部と、位相調整部による位相調整後の各信号光を増幅する光増幅部と、光増幅部による増幅後の各信号光を空間に出力する光フェーズドアレイアンテナと、位相調整部の制御により、光フェーズドアレイアンテナにより出力されて光分配器により得られた局発光が合波された各信号光を、基準信号に同期させる位相制御部と、光フェーズドアレイアンテナにより出力された各信号光の出力角度を調整する捕捉追尾機構と、外部から到来した受信光の到来角を検出する角度検出部と、位相制御部で用いられる基準信号を信号光毎に周波数が異なる複数の第１基準信号とし、角度検出部による検出結果に基づく捕捉追尾機構の制御により受信光の補足を行い、捕捉の完了後、当該基準信号を各信号光に対して周波数が同一である第２基準信号とし、角度検出部による検出結果に基づく位相調整部の制御により受信光の追尾を行う制御部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、上記のように構成したので、単一の光アンテナを用いて通信光及びビーコン光を出力可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係る空間光通信装置の構成例を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１における位相制御回路の構成例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１における信号処理部の構成例を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１における信号処理部の動作例を示すフローチャートである。
【図５】図５Ａ〜図５Ｃは、この発明の実施の形態１に係る空間光通信装置のＩＣＢＣモードでの動作例を示す図であり、図５Ａは光スペクトルの一例を示す図であり、図５Ｂは遠方パターンの一例を示す図であり、図５Ｃは角度センサと受信光との位置関係の一例を示す図である。
【図６】図６Ａ〜図６Ｃは、この発明の実施の形態１に係る空間光通信装置のＣＢＣモードでの動作例を示す図であり、図６Ａは光スペクトルの一例を示す図であり、図６Ｂは遠方パターンの一例を示す図であり、図６Ｃは角度センサと受信光との位置関係の一例を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係る空間光通信装置の構成例を示す図である。
【図８】図８Ａ、図８Ｂは、この発明の実施の形態２に係る空間光通信装置での出力光強度のシミュレーション結果例を示す図であり、図８Ａは信号光が２つである場合を示す図であり、図８Ｂは信号光が３つである場合を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係る空間光通信装置のＣＢＣモードでの動作例を示す図であり、遠方パターンの一例を示す図である。
【図１０】図１０Ａ〜図１０Ｄは、この発明の実施の形態２に係る空間光通信装置のＩＣＢＣモードでの動作例を示す図であり、図１０Ａは角度センサと受信光との位置関係の一例を示す図（制御前）であり、図１０Ｂは重心演算の出力例を示す図（制御前）であり、図１０Ｃは角度センサと受信光との位置関係の一例を示す図（制御後）であり、図１０Ｄは重心演算の出力例を示す図（制御後）である。
【図１１】図１１Ａは、この発明の実施の形態３における光フェーズドアレイアンテナが有する複数の素子の配置例を示す図であり、図１１Ｂは、遠方パターンのピーク位置の時間変化の一例を示すイメージ図である。
【図１２】図１２Ａ、図１２Ｂは、この発明の実施の形態１〜３における信号処理部のハードウェア構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る空間光通信装置の構成例を示す図である。
空間光通信装置は、空間にレーザ光を出力して通信を行うフェーズドアレイ型の空間光通信装置である。この空間光通信装置は、図１に示すように、光源１０１、信号生成部１０２、光変調器１０３、光分配器１０４、ｎ個の光周波数シフタ１０５、ｎ個の光増幅器１０６、光フェーズドアレイアンテナ１０７、ビームスプリッタ１０８、コリメータ１０９、ビームスプリッタ１１０、光フェーズドアレイアンテナ１１１、ｎ個の位相制御回路１１２、捕捉追尾機構１１３、波長分離スプリッタ１１４、角度センサ１１５、信号処理部１１６、信号切替回路１１７及び制御回路１１８を備えている。ｎは２以上の整数であり、光フェーズドアレイアンテナ１０７，１１１が有する素子の数と同数である。
【００１２】
光源１０１は、レーザ光を発光する。光源１０１により発光されたレーザ光は、光変調器１０３に出力される。
【００１３】
信号生成部１０２は、通信信号を生成する。信号生成部１０２により生成された通信信号は、光変調器１０３に出力される。
【００１４】
光変調器１０３は、光源１０１により発光されたレーザ光に信号生成部１０２により生成された通信信号を重畳して変調光を生成する。光変調器１０３としては、例えばマッハツェンダ型光変調器が用いられる。光変調器１０３により生成された変調光は、光分配器１０４に出力される。
【００１５】
光分配器１０４は、光変調器１０３により生成された変調光を１個の局発光とｎ個の信号光とに分岐する。光分配器１０４としては、例えば偏波保持光カプラが用いられる。光分配器１０４により得られた局発光はコリメータ１０９に出力され、光分配器１０４により得られたｎ個の信号光はｎ個の光周波数シフタ１０５に１つずつ分配される。
【００１６】
光周波数シフタ１０５は、位相制御回路１１２による制御に従い、光分配器１０４により分配された信号光を位相調整する。光周波数シフタ１０５による位相調整後の信号光は、自機（光周波数シフタ１０５）に接続された光増幅器１０６に出力される。
なお、ｎ個の光周波数シフタ１０５は、「光分配器１０４により得られた各信号光を位相調整する位相調整部」を構成する。
【００１７】
光増幅器１０６は、自機（光増幅器１０６）に接続された光周波数シフタ１０５により出力された信号光のパワーを増幅する。光増幅器１０６としては、例えば光ファイバ増幅器又は半導体光増幅器が用いられる。光増幅器１０６による増幅後の信号光は、光フェーズドアレイアンテナ１０７に出力される。
なお、ｎ個の光増幅器１０６は、「位相調整部による位相調整後の各信号光を増幅する光増幅部」を構成する。
【００１８】
光フェーズドアレイアンテナ１０７は、各光増幅器１０６により出力された信号光をコリメート光として空間に出力する。光フェーズドアレイアンテナ１０７は、光ファイバ１０７１及びコリメータレンズ１０７２から成るコリメータ（素子）をｎ個有し、このｎ個のコリメータがアレイ状に配置されることで構成される。なお、光ファイバ１０７１の一端は１つの光増幅器１０６の出力端に対向し、コリメータレンズ１０７２の入射面は光ファイバ１０７１の他端に対向している。
【００１９】
ビームスプリッタ１０８は、入射光の一部を透過させて残りを反射することで、光フェーズドアレイアンテナ１０７により出力されたｎ個の信号光をそれぞれ２分岐する。ビームスプリッタ１０８を透過したｎ個の信号光は、空間光通信装置において通信用として用いられる。また、ビームスプリッタ１０８により反射されたｎ個の信号光は、空間光通信装置において位相誤差検出用として用いられる。
【００２０】
コリメータ１０９は、光分配器１０４により出力された局発光をコリメート光として空間に出力する。コリメータ１０９は、一端が光分配器１０４が有する複数の出力端のうちの１つに対向した光ファイバ１０９１と、入射面が光ファイバ１０９１の他端に対向したコリメータレンズ１０９２とから構成される。
【００２１】
ビームスプリッタ１１０は、ビームスプリッタ１０８により反射されたｎ個の信号光を透過させ、コリメータ１０９により送信された局発光を反射することで、ｎ個の信号光に対して局発光をそれぞれ合波する。ビームスプリッタ１１０により局発光が合波されたｎ個の信号光は、光フェーズドアレイアンテナ１１１に出力される。
【００２２】
光フェーズドアレイアンテナ１１１は、ビームスプリッタ１１０により局発光が合波されたｎ個の信号光を受信する。光フェーズドアレイアンテナ１１１は、コリメータレンズ１１１１及びフォトダイオード１１１２から成るコリメータ（素子）をｎ個有し、このｎ個のコリメータがアレイ状に配置されることで構成される。なお、コリメータレンズ１１１１は、ビームスプリッタ１１０により局発光が合波された１つの信号光を集光する。また、フォトダイオード１１１２は、コリメータレンズ１１１１により集光された信号光を受信して電気信号に変換する光受信器である。光フェーズドアレイアンテナ１１１による受信結果である受信信号（電気信号）は、各位相制御回路１１２に出力される。
【００２３】
位相制御回路１１２は、信号処理部１１６及び信号切替回路１１７による制御に従い、光フェーズドアレイアンテナ１１１により出力された受信信号に基づいて、自機（位相制御回路１１２）に接続された光周波数シフタ１０５の位相シフト量を制御する。この際、位相制御回路１１２は、基準信号と光フェーズドアレイアンテナ１１１により出力された受信信号との位相誤差を検出し、この位相誤差を無くすように位相シフト量を制御する位相誤差補償信号を上記光周波数シフタ１０５に出力する。位相制御回路１１２の詳細については後述する。
【００２４】
なお、ビームスプリッタ１０８、コリメータ１０９、ビームスプリッタ１１０、光フェーズドアレイアンテナ１１１及びｎ個の位相制御回路１１２は、「位相調整部の制御により、光フェーズドアレイアンテナ１０７により出力されて光分配器１０４により得られた局発光が合波された各信号光を、基準信号に同期させる位相制御部」を構成する。
【００２５】
捕捉追尾機構１１３は、制御回路１１８による制御に従い、光フェーズドアレイアンテナ１０７により出力されて波長分離スプリッタ１１４を透過したｎ個の信号光の出力角度（伝搬角度）を調整する。捕捉追尾機構１１３としては、例えばアダプティブミラーが用いられる。
【００２６】
波長分離スプリッタ１１４は、ビームスプリッタ１０８を透過した信号光を透過させ、外部から到来した受信光を反射する光路分離スプリッタである。
【００２７】
角度センサ１１５は、波長分離スプリッタ１１４により反射された受信光の到来角を検出する。角度センサ１１５としては、例えば４象限角度センサが用いられる。角度センサ１１５による検出結果である受信角信号は、信号処理部１１６に出力される。
【００２８】
なお、波長分離スプリッタ１１４及び角度センサ１１５は、「外部から到来した受信光の到来角を検出する角度検出部」を構成する。
【００２９】
信号処理部１１６は、角度センサ１１５による検出結果に基づいて、位相制御回路１１２、信号切替回路１１７及び制御回路１１８を制御する。信号処理部１１６の詳細については後述する。
【００３０】
信号切替回路１１７は、信号処理部１１６による制御に従い、位相制御回路１１２で用いられる基準信号を第１基準信号又は第２基準信号に切替える。第１基準信号は、受信光の捕捉（初期捕捉）用の基準信号であり、信号光毎に周波数が異なる。実施の形態１では、各第１基準信号は、ランダムな周波数に設定されている。第２基準信号は、通信用の基準信号であり、各信号光に対して周波数が同一である。
【００３１】
制御回路１１８は、信号処理部１１６による制御に従い、捕捉追尾機構１１３を制御する。
【００３２】
なお、信号処理部１１６、信号切替回路１１７及び制御回路１１８は、「位相制御部で用いられる基準信号を信号光毎に周波数が異なる複数の第１基準信号とし、角度検出部による検出結果に基づく捕捉追尾機構１１３の制御により受信光の補足を行い、捕捉の完了後、当該基準信号を各信号光に対して周波数が同一である第２基準信号とし、角度検出部による検出結果に基づく位相調整部の制御により受信光の追尾を行う制御部」を構成する。
【００３３】
次に、位相制御回路１１２の構成例について、図２を参照しながら説明する。
位相制御回路１１２は、図２に示すように、信号源１１２１、信号源１１２２、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）スイッチ１１２３、ＲＦ移相器１１２４、位相比較器１１２５、ループフィルタ１１２６及びＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）１１２７を有している。
【００３４】
信号源１１２１は、第１基準信号を生成する。信号源１１２１により生成された第１基準信号は、ＲＦスイッチ１１２３に出力される。
【００３５】
信号源１１２２は、第２基準信号を生成する。信号源１１２２により生成された第２基準信号は、ＲＦスイッチ１１２３に出力される。
【００３６】
ＲＦスイッチ１１２３は、信号切替回路１１７による制御に従い、信号源１１２１により出力された第１基準信号又は信号源１１２２により出力された第２基準信号のうちの一方を基準信号としてＲＦ移相器１１２４に出力する。
【００３７】
ＲＦ移相器１１２４は、信号処理部１１６による制御に従い、ＲＦスイッチ１１２３により出力された基準信号を位相調整する。ＲＦ移相器１１２４による位相調整後の基準信号は、位相比較器１１２５に出力される。
【００３８】
位相比較器１１２５は、ＲＦ移相器１１２４により出力された基準信号と、光フェーズドアレイアンテナ１１１により出力された受信信号との位相誤差を検出する。位相比較器１１２５による比較結果である位相比較信号は、ループフィルタ１１２６に出力される。
【００３９】
ループフィルタ１１２６は、位相比較器１１２５により出力された位相比較信号を平滑する。ループフィルタ１１２６による平滑後の位相比較信号は、ＶＣＯ１１２７に出力される。
【００４０】
ＶＣＯ１１２７は、ループフィルタ１１２６により出力された位相比較信号に基づいて、光フェーズドアレイアンテナ１１１により出力された受信信号をＲＦ移相器１１２４により出力された基準信号の周波数と等しくするための高周波信号を生成する。このＶＣＯ１１２７により生成された高周波信号である位相誤差補償信号は、光周波数シフタ１０５に出力される。
【００４１】
次に、信号処理部１１６の構成例について、図３を参照しながら説明する。
信号処理部１１６は、図３に示すように、同期部１１６１、第１切替部１１６２、第１判定部１１６３、第１制御部１１６４、第２切替部１１６５、第２判定部１１６６及び第２制御部１１６７を有している。
【００４２】
同期部１１６１は、信号切替回路１１７を制御することで、各信号光を第２基準信号の周波数に同期させる。
【００４３】
第１切替部１１６２は、同期部１１６１による処理が完了した後、信号切替回路１１７を制御することで、各信号光を第１基準信号の周波数に同期させる。
【００４４】
第１判定部１１６３は、第１切替部１１６２による処理が完了した後、角度センサ１１５による検出結果（受信光の到来角）が第１閾値内であるかを判定する。第１閾値は、角度センサ１１５において受信光の到来角を検出可能な範囲内の値である。
【００４５】
第１制御部１１６４は、第１判定部１１６３により受信光の到来角が第１閾値内ではないと判定された場合に、制御回路１１８を制御することで、受信光の到来角を角度センサ１１５の中心に向けて移動させる。
【００４６】
第２切替部１１６５は、第１判定部１１６３により受信光の到来角が第１閾値内であると判定された場合に、信号切替回路１１７を制御することで、各信号光を第２基準信号の周波数に同期させる。
【００４７】
第２判定部１１６６は、第２切替部１１６５による処理が完了した後、角度センサ１１５による検出結果（受信光の到来角）が第２閾値内であるかを判定する。第２閾値は、第１閾値よりも狭い範囲内の値である。
【００４８】
第２制御部１１６７は、第２判定部１１６６により受信光の到来角が第２閾値内ではないと判定された場合に、位相制御回路１１２が有するＲＦ移相器１１２４を制御することで、受信光の到来角を角度センサ１１５の中心に向けて移動させる。
【００４９】
次に、実施の形態１に係る空間光通信装置の全体動作例について、図１を参照しながら説明する。
空間光通信装置の全体動作例では、まず、光源１０１はレーザ光を発光し、また、信号生成部１０２は通信信号を生成する。なお、光源１０１が発光するレーザ光の中心周波数をｆ０とする。
次いで、光変調器１０３は、光源１０１により発光されたレーザ光に信号生成部１０２により生成された通信信号を重畳して変調光を生成する。
【００５０】
次いで、光分配器１０４は、光変調器１０３により生成された変調光を１個の局発光及びｎ個の信号光に分岐する。
次いで、位相調整部（ｎ個の光周波数シフタ１０５）は、光分配器１０４により得られたｎ個の信号光を位相調整する。
次いで、光増幅部（ｎ個の光増幅器１０６）は、位相調整部による位相調整後のｎ個の信号光を増幅する。
【００５１】
次いで、光フェーズドアレイアンテナ１０７は、光増幅部による増幅後のｎ個の信号光を空間に出力する。
【００５２】
また、位相制御部（ビームスプリッタ１０８、コリメータ１０９、ビームスプリッタ１１０、光フェーズドアレイアンテナ１１１及びｎ個の位相制御回路１１２）は、光フェーズドアレイアンテナ１０７により出力されて光分配器１０４により得られた局発光が合波されたｎ個の信号光を、基準信号に同期させる。
【００５３】
また、捕捉追尾機構１１３は、光フェーズドアレイアンテナ１０７により出力されたｎ個の信号光の出力角度を調整する。
【００５４】
また、角度検出部（波長分離スプリッタ１１４及び角度センサ１１５）は、外部から到来した受信光の到来角を検出する。この角度検出部による検出結果は信号処理部１１６に通知され、信号処理部１１６は受信光の捕捉及び追尾を実施する。
【００５５】
次に、実施の形態１における信号処理部１１６の動作例について、図４を参照しながら説明する。
信号処理部１１６の動作例では、図４に示すように、まず、同期部１１６１は、信号切替回路１１７を制御することで、ｎ個の信号光を第２基準信号の周波数に同期させる（ステップＳＴ４０１）。すなわち、ｎ個の信号光は光路によって位相がランダムに変化するため、同期部１１６１はこの位相変動を補償する。この際、信号切替回路１１７は、同期部１１６１による制御に従い、各位相制御回路１１２で用いられる基準信号を第２基準信号とさせる。第２基準信号はｎ個の信号光に対して同一の周波数であり、その中心周波数をｆｍとする。その後、空間光通信装置は、上記に示した全体動作を行う。これにより、空間光通信装置は、信号光間の位相誤差を補償し、ｎ個の信号光の周波数及び位相を同一とする。
【００５６】
次いで、第１切替部１１６２は、信号切替回路１１７を制御することで、各信号光を第１基準信号の周波数に同期させる（ステップＳＴ４０２）。この第１切替部１１６２の動作により、空間光通信装置は、動作モードが初期捕捉モード（ＩＣＢＣモード）となる。この際、信号切替回路１１７は、第１切替部１１６２による制御に従い、各位相制御回路１１２で用いられる基準信号を第１基準信号とさせる。第１基準信号は信号光毎に異なる周波数であり、その中心周波数を（ｆｍ＋ｆｎ）とする。光フェーズドアレイアンテナ１０７による出力光の光スペクトルを図５Ａに示す。また、角度センサ１１５の受信帯域をｆｄとした場合、次式（１），（２）のように、各第１基準信号の隣り合う周波数の差は角度センサ１１５における受信帯域以上となっている。式（１），（２）において、Δｆｉは、ｉ＋１番目の第１基準信号の周波数であるｆｉ＋１とｉ番目の第１基準信号の周波数であるｆｉとの差である。
ｆｄ＜Δｆｉ        （１）
Δｆｉ＝ｆｉ＋１−ｆｉ    （２）
【００５７】
更に、実施の形態１の各位相制御回路１１２では、各第１基準信号の隣り合う周波数の差が一定とならないようにランダムに設定されている。これにより、通信相手である空間光通信装置の角度センサ１１５に入力される受信光は、ｎ個の信号光のインコヒーレント合成（ＩＣＢＣ）となり、図５Ｂに示す遠方パターンのようにビーム広がりを持った光となる。
【００５８】
その後、空間光通信装置は、上記に示した全体動作を行い、受信光の補足（初期捕捉）を開始する。
【００５９】
次いで、第１判定部１１６３は、角度センサ１１５による検出結果（受信光の到来角）が第１閾値内であるかを判定する（ステップＳＴ４０３）。この第１判定部１１６３により、信号光の送受信の安定性を粗く判定する。
このステップＳＴ４０３において、第１判定部１１６３が角度センサ１１５による検出結果が第１閾値内ではないと判定した場合には、第１制御部１１６４は、制御回路１１８を制御することで、受信光の到来角を角度センサ１１５の中心に向けて移動させる（ステップＳＴ４０４）。図５Ｃに角度センサ１１５と受信光との位置関係の一例を示す。その後、シーケンスはステップＳＴ４０３に戻る。
【００６０】
一方、ステップＳＴ４０３において、第１判定部１１６３が角度センサ１１５による検出結果が第１閾値内であると判定した場合には、第２切替部１１６５は、信号切替回路１１７を制御することで、各信号光を第２基準信号の周波数に同期させる（ステップＳＴ４０５）。この第２切替部１１６５の動作により、空間光通信装置は、動作モードが追尾モード（ＣＢＣモード）となる。この際、信号切替回路１１７は、第２切替部１１６５による制御に従い、各位相制御回路１１２で用いられる基準信号を第２基準信号とさせる。光フェーズドアレイアンテナ１０７による出力光の光スペクトルを図６Ａに示す。また、通信相手である空間光通信装置の角度センサ１１５に入力される受信光は、図６Ｂに示す遠方パターンのように、図５Ｂに示す遠方パターンに対してシャープなビームサイズの光となる。よって、角度センサ１１５は、受信光の捕捉の場合に対し、高精度な角度検出が可能となる。
【００６１】
次いで、第２判定部１１６６は、角度センサ１１５による検出結果（受信光の到来角）が第２閾値内であるかを判定する（ステップＳＴ４０６）。この第２判定部１１６６により、信号光の送受信の安定性を高精度に判定する。
このステップＳＴ４０６において、第２判定部１１６６が角度センサ１１５による検出結果が第２閾値内ではないと判定した場合には、第２制御部１１６７は、位相制御回路１１２を制御することで、受信光の到来角を角度センサ１１５の中心に向けて移動させる（ステップＳＴ４０７）。図６Ｃに角度センサ１１５と受信光との位置関係の一例を示す。その後、シーケンスはステップＳＴ４０６に戻る。
【００６２】
一方、ステップＳＴ４０６において、第２判定部１１６６が角度センサ１１５による検出結果が第２閾値内であると判定した場合には、信号処理部１１６は受信光の追尾が完了したとしてシーケンスを終了する。その後、空間光通信装置は、通信相手である空間光通信装置との間で光通信を開始する。
【００６３】
以上のように、この実施の形態１によれば、空間光通信装置は、変調光を局発光及び複数の信号光に分岐する光分配器１０４と、光分配器１０４により得られた各信号光を位相調整する位相調整部と、位相調整部による位相調整後の各信号光を増幅する光増幅部と、光増幅部による増幅後の各信号光を空間に出力する光フェーズドアレイアンテナ１０７と、位相調整部の制御により、光フェーズドアレイアンテナ１０７により出力されて光分配器１０４により得られた局発光が合波された各信号光を、基準信号に同期させる位相制御部と、光フェーズドアレイアンテナ１０７により出力された各信号光の出力角度を調整する捕捉追尾機構１１３と、外部から到来した受信光の到来角を検出する角度検出部と、位相制御部で用いられる基準信号を信号光毎に周波数が異なる複数の第１基準信号とし、角度検出部による検出結果に基づく捕捉追尾機構１１３の制御により受信光の補足を行い、捕捉の完了後、当該基準信号を各信号光に対して周波数が同一である第２基準信号とし、角度検出部による検出結果に基づく位相調整部の制御により受信光の追尾を行う制御部とを備えた。これにより、実施の形態１に係る空間光通信装置は、単一の光アンテナ（光フェーズドアレイアンテナ１０７）を用いて通信光及びビーコン光を時間的に切替えて出力可能となり、ビーコンレスで受信光の捕捉が実現可能となり、空間光通信の安定化が実現可能となる。
【００６４】
実施の形態２．
実施の形態１に係る空間光通信装置では、各信号光に対して周波数差がランダムな周波数シフトを付加することで、ビーム広がりを持ったインコヒーレント合成光をビーコン光として用いる場合を示した。これに対し、実施の形態２に係る空間光通信装置では、各信号光に周波数差が一定の周波数シフトを付加することで、コヒーレント合成されたシャープな光を高速にスキャンする場合を示す。
図７はこの発明の実施の形態２に係る空間光通信装置の構成例を示す図である。図７に示す実施の形態２に係る空間光通信装置は、図１に示す実施の形態１に係る空間光通信装置に対し、信号源１１９及び信号分配器１２０を追加している。なお図７では、実施の形態２に係る空間光通信装置のうち、信号源１１９及び信号分配器１２０と各位相制御回路１１２のみを図示している。実施の形態２に係る空間光通信装置のその他の構成は図１に示す実施の形態１に係る空間光通信装置と同様であり、異なる部分についてのみ説明を行う。
【００６５】
信号源１１９は、第３基準信号を生成する。第３基準信号は、各第１基準信号を同期させるための基準信号である。信号源１１９により生成された第３基準信号は、信号分配器１２０に出力される。
信号分配器１２０は、信号源１１９により生成された第３基準信号をｎ個に分岐する。信号分配器１２０により得られたｎ個の第３の基準信号はｎ個の位相制御回路１１２が有する信号源１１２１に１つずつ分配される。
【００６６】
なお、信号源１１２１は、信号分配器１２０により得られた第３基準信号に同期した第１基準信号を生成する。実施の形態２では、各第１基準信号は、隣り合う周波数の差が一定に設定されている。
また、第１判定部１１６３は、第１切替部１１６２による処理が完了した後、角度センサ１１５による検出結果（受信光の到来角）に対して重心演算を行い、当該重心演算の平均値が第１閾値内であるかを判定する。
また、第１制御部１１６４は、第１判定部１１６３により重心演算の平均値が第１閾値内ではないと判定された場合に、制御回路１１８を制御することで、当該重心演算の平均値を角度センサ１１５の中心に向けて移動させる。
【００６７】
次に、実施の形態２に係る空間光通信装置の動作例について説明する。以下では、簡単化のため、光フェーズドアレイアンテナ１０７が有する複数の素子が１次元配列された場合を示す。
実施の形態２に係る空間光通信装置の動作例では、各第１基準信号の隣り合う周波数の差を均一のΔｆとし、且つ、各第１基準信号を信号分配器１２０により分配された第３基準信号に同期させる。Δｆ＝１０ＭＨｚの場合、例えば、ｆ１＝１０ＭＨｚ，ｆ２＝２０ＭＨｚ，・・・，ｆｎ＝ｎ×１０ＭＨｚとなる。
【００６８】
このように、各第１基準信号の隣り合う周波数の差を同期した固定値とすることで、各信号光の位相差は上記周波数の差に応じて周期的に変化する。例えば図８Ａに示すように、空間光通信装置が２つの信号光を用い、且つ、その周波数の差が１０ＭＨｚである場合、各信号光の位相差は±πの範囲を１０ＭＨｚで振動する。これは、空間光通信装置が、位相０〜πの範囲を２０ＭＨｚ（＝２×１０ＭＨｚ）で掃引していることと同義である。なお図８Ｂは、空間光通信装置が３つの信号光を用い、且つ、その周波数の差が１０ＭＨｚである場合を示している。
【００６９】
一方、従来から、各信号光の位相を電子制御してビームスキャンを行うことで、ビーコンレスで受信光の捕捉を行うフェーズドアレイ型の空間光通信装置が存在する。しかしながら、この電子制御によるビームスキャン方式では、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）のループ帯域幅によって、スキャンレートが制限される。
これに対し、実施の形態２に係る空間光通信装置では、受信光の捕捉の際に、各信号光の周波数差を一定とすることで、各信号光の位相を電気的に制御することなく、掃引を行う。これにより、実施の形態２に係る空間光通信装置は、ＰＬＬのループ帯域幅に制限されず、ＭＨｚ帯以上の高速なビーム走査が可能となる。
【００７０】
また、次式（３）のように、各第１基準信号の隣り合う周波数の差は角度センサ１１５の受信帯域以下となっている。
２Δｆ＜ｆｄ        （３）
ｆｄは、角度センサ１１５が４象限フォトダイオードである場合には、数１０ＭＨｚ〜数ＧＨｚである。一方、電子制御によるビームスキャン方式では、スキャンレートが１００ｋＨｚ未満のＰＬＬのループ帯域幅に制限される。
【００７１】
そして、受信光の捕捉の際に、各第１基準信号の隣り合う周波数の差を一定とした場合、図９に示される遠方パターンのように、時間的にピーク値が掃引される。図９では、空間光通信装置が４つの信号光を用いた場合での遠方パターンの時間変化を示している。ここで、実施の形態２での受信光の補足では、実施の形態１での受信光の補足に対し、各信号光が瞬間的にはコヒーレント合成されているため、ピーク強度が信号光の数だけ増加する。この時間的にピーク位置が掃引された光を角度センサ１１５で受光すると、図１０Ｂに示すようなある幅を持った受信信号となる。そして、信号処理部１１６は、その受信信号の重心演算の平均値が角度センサ１１５の中央に近づくように捕捉追尾機構１１３を制御し、当該平均値が第１閾値内となるようにする（図１０Ａ〜図１０Ｄ参照）。その後の処理は、実施の形態１と同様である。
【００７２】
上記では、光フェーズドアレイアンテナ１０７が有する複数の素子が１次元配列された場合を示した。しかしながら、これに限らず、光フェーズドアレイアンテナ１０７が有する複数の素子は２次元配列されていてもよい。
【００７３】
以上のように、この実施の形態２に係る光通信装置は、位相制御部で用いられる各第１基準信号は、互いに同期し、隣り合う周波数の差が一定である。これにより、実施の形態２に係る空間光通信装置は、実施の形態１における効果に加え、各信号光の位相をアナログで電子制御する従来方式のビームスキャンレートに対し、１０倍以上の高速なビームスキャンが実現可能となる。
【００７４】
実施の形態３．
実施の形態２に係る空間光通信装置では、光フェーズドアレイアンテナ１０７が有する複数の素子が１次元配列又は２次元配列された場合を示した。それに対し、実施の形態３に係る空間光通信装置では、光フェーズドアレイアンテナ１０７が有する複数の素子を三角配置とし、更に、各第１基準信号は上記複数の素子に対してらせん状に周波数が大きくなる場合を示す。
実施の形態３に係る空間光通信装置の構成例は、図７に示す実施の形態２に係る空間光通信装置の構成例と同様である。
【００７５】
図１１Ａに光フェーズドアレイアンテナ１０７が有する複数の素子の配置例を示し、図１１Ｂに遠方パターンでのピーク位置の時間変化の一例を矢印で示す。図１１Ａにおける符号ｆ０〜ｆ１８は、各素子に対する信号光の周波数を示している。
実施の形態３に係る空間光通信装置では、光フェーズドアレイアンテナ１０７が有する複数の素子を図１１Ａのように三角配列とし、且つ、各素子に対応する各第１基準信号の周波数を次式（４）になるように設定する。式（４）において、ｆｉはｉ番目の第１基準信号の周波数であり、ｆｉ−１はｉ−１番目の第１基準信号の周波数である。
ｆｉ＝ｆｉ−１＋Δｆ    （４）
【００７６】
これにより、実施の形態３に係る空間光通信装置では、遠方パターンがらせん状（スパイラル状）に２Δｆのレートでスキャンされる。このように、実施の形態３に係る空間光通信装置は、スパイラルスキャンを実施することにより、スキャン漏れなく受信光の捕捉を行うことが可能となる。
【００７７】
最後に、図１２を参照して、実施の形態１〜３における信号処理部１１６のハードウェア構成例を説明する。以下では、実施の形態１における信号処理部１１６のハードウェア構成例について示すが、実施の形態２，３における信号処理部１１６のハードウェア構成例についても同様である。
信号処理部１１６における同期部１１６１、第１切替部１１６２、第１判定部１１６３、第１制御部１１６４、第２切替部１１６５、第２判定部１１６６及び第２制御部１１６７の各機能は、処理回路５１により実現される。処理回路５１は、図１２Ａに示すように、専用のハードウェアであってもよいし、図１２Ｂに示すように、メモリ５３に格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）ともいう）５２であってもよい。
【００７８】
処理回路５１が専用のハードウェアである場合、処理回路５１は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、又はこれらを組み合わせたものが該当する。同期部１１６１、第１切替部１１６２、第１判定部１１６３、第１制御部１１６４、第２切替部１１６５、第２判定部１１６６及び第２制御部１１６７の各部の機能それぞれを処理回路５１で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路５１で実現してもよい。
【００７９】
処理回路５１がＣＰＵ５２の場合、同期部１１６１、第１切替部１１６２、第１判定部１１６３、第１制御部１１６４、第２切替部１１６５、第２判定部１１６６及び第２制御部１１６７の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェア及びファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ５３に格納される。処理回路５１は、メモリ５３に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわち、信号処理部１１６は、処理回路５１により実行されるときに、例えば図４に示した各ステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ５３を備える。また、これらのプログラムは、同期部１１６１、第１切替部１１６２、第１判定部１１６３、第１制御部１１６４、第２切替部１１６５、第２判定部１１６６及び第２制御部１１６７の手順及び方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリ５３としては、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ＥＰＲＯＭ）等の不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、又はＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）等が該当する。
【００８０】
なお、同期部１１６１、第１切替部１１６２、第１判定部１１６３、第１制御部１１６４、第２切替部１１６５、第２判定部１１６６及び第２制御部１１６７の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェア又はファームウェアで実現するようにしてもよい。例えば、同期部１１６１については専用のハードウェアとしての処理回路５１でその機能を実現し、第１切替部１１６２、第１判定部１１６３、第１制御部１１６４、第２切替部１１６５、第２判定部１１６６及び第２制御部１１６７については処理回路５１がメモリ５３に格納されたプログラムを読み出して実行することによってその機能を実現することが可能である。
【００８１】
このように、処理回路５１は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。
【００８２】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
この発明に係る空間光通信装置は、単一の光アンテナを用いて通信光及びビーコン光を出力可能となり、空間にレーザ光を出力して通信を行う空間光通信装置等に用いるのに適している。
【符号の説明】
【００８４】
５１  処理回路、５２  ＣＰＵ、５３  メモリ、１０１  光源、１０２  信号生成部、１０３  光変調器、１０４  光分配器、１０５  光周波数シフタ、１０６  光増幅器、１０７  光フェーズドアレイアンテナ、１０８  ビームスプリッタ、１０９  コリメータ、１１０  ビームスプリッタ、１１１  光フェーズドアレイアンテナ、１１２  位相制御回路、１１３  捕捉追尾機構、１１４  波長分離スプリッタ、１１５  角度センサ、１１６  信号処理部、１１７  信号切替回路、１１８  制御回路、１１９  信号源、１２０  信号分配器、１１２１  信号源、１１２２  信号源、１１２３  ＲＦスイッチ、１１２４  ＲＦ移相器、１１２５  位相比較器、１１２６  ループフィルタ、１１２７  ＶＣＯ、１１６１  同期部、１１６２  第１切替部、１１６３  第１判定部、１１６４  第１制御部、１１６５  第２切替部、１１６６  第２判定部、１１６７  第２制御部。
【図１】
2019207756.tif 000003
【図２】
2019207756.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2019207756.tif 000011
【図１０】
2019207756.tif 000012
【図１１】
2019207756.tif 000013
【図１２】
2019207756.tif 000014
【国際調査報告】
2019207756.tif 000015
2019207756.tif 000016
2019207756.tif 000017
2019207756.tif 000018