(57)【要約】【課題】受光素子の応答速度の制限を緩和し、高速化を達成できる光空間信号伝送装置を提供すること。【解決手段】光送信器１０１と光受信器１０２の間の自由空間を介して光信号を伝送する光空間信号伝送装置であって、前記光送信器１０１は、光源１０３と、前記光源の光軸を偏向する光軸偏向部１０６を備え、前記光受信器１０２は、一定の配置に配列した複数の受光素子１０７ａ〜ｈを備え、複数の受光素子１０７ａ〜ｈの方向に順次光軸方向を偏向することにより、近接符号間の干渉を極めて小さくし、応答速度の遅い、受光面積の広い受光素子を用いても、高速な光空間信号伝送を実現することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光送信器と光受信器の間の自由空間を介して光信号を伝送する光空間信号伝送装置であって、
前記光送信器は、光源と、前記光源の光軸を偏向する光軸偏向部を備え、
前記光受信器は、一定の配置に配列した複数の受光素子を備え、
前記光軸偏向部により、前記光源の光軸を順次、前記複数の受光素子方向に偏向することを特徴とする光空間信号伝送装置。
【請求項２】
前記光軸偏向部を、伝送データの１ビットまたは複数ビット毎に、前記複数の受光素子の内の異なる受光素子に入射するよう偏向する、請求項１に記載の光空間信号伝送装置。
【請求項３】
前記光送信器は、光軸偏向部を、前記光源と一体に構成した、請求項１または請求項２に記載の光空間信号伝送装置。
【請求項４】
前記光送信器は、光軸偏向部を、電気的な制御により出射光の波面を変更する波面制御部で構成した、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光空間信号伝送装置。
【請求項５】
前記光受信器は、前記光送信器からの受信光のビーム径程度以上、前記複数の受光素子の受光部外周を離間した、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光空間信号伝送装置。
【請求項６】
前記光受信器は、前記複数の受光素子を略円形に沿って配置した、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光空間信号伝送装置。
【請求項７】
前記光受信器は、前記複数の受光素子に対応して、複数の復調器を設けた請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光空間信号伝送装置。
【請求項８】
前記光受信器は、前記複数の受光素子の出力信号の入力に基づいて制御信号を出力する制御信号生成部をさらに設け、前記制御信号を、前記光受信器から、前記光送信部に伝送し、偏向方向を制御する、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の光空間信号伝送装置。
【請求項９】
前記偏向方向の制御は、
偏向可能な最大外径で円形に偏向走査する第１の手段と、
前記複数の受光素子のいずれかが受光し、その受光レベルが最大になるまで偏向走査径を縮小する第２の手段と、
前記第２の手段で受光した受光素子の受光レベルを維持しつつ、他の受光素子のいずれかが受光し、その受光レベルが最大になるまで偏向走査径縮小と走査中心方向調整とを行う第３の手段と、
前記第３の手段と同様に、偏向走査径縮小と走査中心方向調整とを行って、最大の受光レベルに調整した受光素子以外の受光素子の受光レベルが順次最大になるように調整する第４の手段
から成る、請求項８に記載の光空間信号伝送装置。
【請求項１０】
前記複数の受光素子の少なくとも一つの受光素子は同期用受光素子であり、前記同期用受光素子に対応する光信号は常に点灯状態であると共に、その前後の特定時間の光信号は消灯状態である、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の光空間信号伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭内信号伝送用、移動体伝送用、衛星間通信用等の分野において、自由空間を介して光信号を伝送する光空間信号伝送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光送信器から自由空間を介して光受信器に光信号を伝送する光空間伝送装置は、配線の必要が無く、比較的高速な伝送が可能であることを特徴として、広く適用されつつある。しかし近年、高精細な動画データなど大容量のデータを伝送する必要性が増し、高速化への要求はさらに厳しくなってきている。
【０００３】
一方、自由空間を介した光空間伝送に於いては、伝送光が人の眼に入射する危険性もあり、その際の安全性を確保するために、光源を拡散板により面光源化するなど、伝送光のビーム径を広げて伝送する。このため、光受信器では、レンズなどを用いても、受光ビームを十分に絞ることが難しく、効率的な伝送を行うためには、ある程度大きな受光面積の受光素子を必要とする。
【０００４】
しかしながら、受光素子の受光面積を大きくすると、受光素子の応答速度が低下してしまう。図７は、受光素子の受光面積と応答速度との関係を例示している。１００ＭＨｚの応答速度であれば、３０ｍｍ２の受光面積とすることができるが、１ＧＨｚの応答速度を得るためには１ｍｍ２あるいは０．１ｍｍ２程度まで受光面積を小さくしなければならず、受光面積の必要な光空間伝送装置に於いては、受光素子の十分な応答速度を得ることが難しくなる。発光素子の応答速度は十分高にもかかわらず、この受光素子の応答速度の制限がボトルネックとなり、高速化を阻害してしまう大きな要因となるのである。
【０００５】
このため、従来の光空間信号伝送装置において、高速化を達成する方法としては、例えば、光偏波多重を応用しているものがあった（例えば、特許文献１参照）。図８は、前記特許文献１に記載された従来の光空間信号伝送装置を示すものである。
【０００６】
図８において、光送信器１の光源１５を変調して、自由空間を伝送し、光受信器４の受光素子１８で受光して、信号を再生する基本構成としている。そして、この従来例では、もう１系統の光送信器７と光受信器１０を設け、２系統の光伝送信号を直交する偏波面とすることにより、１系統で伝送する場合に比べて高速化を図っていた。
【０００７】
また、他の従来例としては、光偏波多重の代わりに光波長多重を応用し、高速化を図っているものもあった（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開昭６３−２４４９３９号公報（第２−３頁、図１）
【特許文献２】特開昭６４−８６７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、光源は比較的容易に高速な応答速度を得られるにもかかわらず、前記従来の構成では、大きなコストを占める光源を複数必要とするので、低コスト化が難しいという課題を有していた。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、複数の光源を必要とせず、受光素子の応答速度の制限というボトルネックを解消し、高速化を達成できる光空間信号伝送装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために、本発明の第１の発明の光空間信号伝送装置は、光送信器が、光源と、前記光源の光軸を偏向する光軸偏向部を備え、光受信器は、一定の配置に配列した複数の受光素子を備え、前記光軸偏向部により、前記光源の光軸を順次、前記複数の受光素子方向に偏向する。
【００１１】
前記第１の発明によれば、複数の受光素子で受信することにより全体として高速な伝送が可能となる。
【００１２】
また本発明の第２の発明の光空間信号伝送装置は、第１の発明に従属する発明であって、前記光軸偏向部または遮光部を、伝送データの１ビットまたは複数ビット毎に、前記複数の受光素子の内の異なる受光素子に入射するよう偏向する。
【００１３】
前記第２の発明によれば、１ビット毎に異なる複数の受光素子で受信することにより全体として高速な伝送が可能となる。
【００１４】
また本発明の第３の発明の光空間信号伝送装置は、第１または第２の発明に従属する発明であって、前記光送信器は、光軸偏向部を、前記光源と一体に構成する。
【００１５】
前記第３の発明によれば、簡単な構成で、１ビット毎に異なる複数の受光素子で受信する用に偏向することが可能となる。
【００１６】
また本発明の第４の発明の光空間信号伝送装置は、第１から第３のいずれかの発明に従属する発明であって、前記光送信器は、光軸偏向部を、電気的な制御により出射光の波面を変更する波面制御部で構成する。
【００１７】
前記第４の発明によれば、簡単な構成で高速な偏向が可能となる。
【００１８】
また本発明の第５の発明の光空間信号伝送装置は、第１から第４のいずれかの発明に従属する発明であって、前記光受信器は、前記光送信器からの受信光のビーム径程度以上、前記複数の受光素子の受光部外周を離間する。
【００１９】
前記第５の発明によれば、連続的なビーム移動で異なる受光素子に順次偏向することが可能となる。
【００２０】
また本発明の第６の発明の光空間信号伝送装置は、第１から第５のいずれかの発明に従属する発明であって、前記光受信器は、前記複数の受光素子を略円形に沿って配置する。
【００２１】
前記第６の発明によれば、単純な円形の偏向によって、異なる受光素子に順次偏向することが可能となる。
【００２２】
また本発明の第７の発明の光空間信号伝送装置は、第１から第６のいずれかの発明に従属する発明であって、前記光受信器は、前記複数の受光素子に対応して、複数の復調器を設ける。
【００２３】
前記第７の発明によれば、近接する符号間の干渉を軽減して符号の復調が可能となる。
【００２４】
また本発明の第８の発明の光空間信号伝送装置は、第１から第７のいずれかの発明に従属する発明であって、前記光受信器は、前記複数の受光素子の出力信号の入力に基づいて制御信号を出力する制御信号生成部をさらに設け、前記制御信号を、前記光受信器から、前記光送信部に伝送し、偏向方向を制御する。
【００２５】
前記第８の発明によれば、複数の受光素子の出力信号のレベルから、偏光方向を制御する制御信号を生成し、制御信号から、光送信器の偏光方向を精度良く制御することが可能となる。
【００２６】
また本発明の第９の発明の光空間信号伝送装置は、第８の発明に従属する発明であって、前記偏向方向の制御は、偏向可能な最大外径で円形に偏向走査する第１の手段と、前記複数の受光素子のいずれかが受光し、その受光レベルが最大になるまで偏向走査径を縮小する第２の手段と、前記第２の手段で受光した受光素子の受光レベルを維持しつつ、他の受光素子のいずれかが受光し、その受光レベルが最大になるまで偏向走査径縮小と走査中心方向調整とを行う第３の手段と、前記第３の手段と同様に、偏向走査径縮小と走査中心方向調整とを行って、最大の受光レベルに調整した受光素子以外の受光素子の受光レベルが順次最大になるように調整する第４の手段から成る。
【００２７】
前記第９の発明によれば、複数の受光素子を用いて初期偏光方向制御を容易に行うことが可能となる。
【００２８】
また本発明の第１０の発明の光空間信号伝送装置は、第１から第９のいずれかの発明に従属する発明であって、前記複数の受光素子の少なくとも一つの受光素子は同期用受光素子であり、前記同期用受光素子に対応する光信号は常に点灯状態であると共に、その前後の特定時間の光信号は消灯状態である。
【００２９】
前記第１０の発明によれば、偏向のタイミングを受光素子の位置に合わせて正確に同期することが可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の光空間信号伝送装置によれば、複数の光源を必要とせず、受光素子の応答速度の制限というボトルネックを解消し、高速化を達成できる光空間信号伝送装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における光空間信号伝送装置の構成図である。
【００３３】
図１において、光空間信号伝送装置１００は、光送信器１０１と光受信器１０２で構成され、自由空間を介して光送信器１０１から光受信器１０２にビーム化した光信号１２０を送信し、信号伝送を行う。
【００３４】
光送信器１０１は、入力信号に基づき変調器１０４、光源駆動部１０５により光源１０３を光変調する。光受信器１０２は、光信号１２０を受光素子１０７ａで受光し、復調器１０８ａで復調する。以上の構成は、図８に示した従来の光空間信号伝送装置と同様である。実施の形態１において特徴的なことは、光送信器１０１には、光源１０３の光出力部に光軸の向きを変える光軸偏向部１０６を備えており、一方光受信器１０２には、複数の受光素子１０７ａ〜１０７ｈを備える構成としていることである。
【００３５】
次に、上記特徴的な構成の動作について説明する。「背景技術」の項で説明したとおり、光空間信号伝送装置に用いる受光素子は、受光素子の面積をあまり小さくできず、応答速度が遅くなる傾向にある。応答速度の遅い素子を使用した場合、まず、従来の構成で、例えば１または０のデジタル信号の伝送した場合の、受光素子の出力波形は、模式的に図２（ａ）の様になる。これは、簡単化するために、受光素子の受光光電力に対する出力レベルに時間的な遅れのみが生じる場合を表している。符号間干渉が生じるため、受光素子の出力は様々な軌跡を通ることになり、破線で示したレベル判定タイミングにおける１か０かのレベル判定が困難となり、ビット誤りが大きくなってしまう。
【００３６】
一方、本発明の実施の形態１においては、光軸偏向部１０６により、光源１０３からの光信号１２０は、複数の受光素子１０７ａ〜１０７ｈの方向に順次向くように偏向する。例えば、１ビット毎に異なる受光素子１０７ａ〜１０７ｈで順次受光するように偏向する場合を考える。そうすると、一つの受光素子１０７ａを見た場合、受光するタイミングの前後は、必ず０となるため近接する符号間の干渉が極めて小さくなり、図２（ａ）に相当する波形は、図２（ｂ）となる。受光素子の応答速度は全く同じ場合であるが、出力波形は１または０の場合でそれぞれ、ほぼ同じ軌跡を通る事になる。従って、破線で示した判定タイミングにおいて、適切な閾値を一点鎖線で示したように選択することにより、性格に１または０のレベル判定を行うことができるのである。
【００３７】
なお、光軸偏向部１０６は、光源１０３と一体形成することにより、簡単な構成とすることができる。光源１０３と一体化する光軸偏向部１０６は、例えば半導体内の電界を制御する等による光波面制御部により実現することができる。
【００３８】
上記の他、音響光学素子、電気光学素子やミラー、プリズムの回転・角度変化等により、光源１０３と一体または別体にて光軸偏向部１０６を実現することもできる。
【００３９】
以上のように、かかる構成によれば、光送信器１０１には光源１０３の光出力部に光軸の向きを変える光軸偏向部１０６を備え、光受信器１０２には、複数の受光素子１０７ａ〜１０７ｈを備えることにより、近接符号間の干渉を極めて小さくし、応答速度の遅い、受光面積の広い受光素子を用いて、高速な光空間信号伝送を実現することができる。
【００４０】
また、図１の本発明の実施の形態１においては、複数の受光素子１０７ａ〜１０７ｈに対応して、その出力の複数の復調部１０８ａ〜１０８ｈと、複数の復調部１０８ａ〜１０８ｈの出力の合成部１０９を設けている。この構成により、複数の受光素子１０７ａ〜１０７ｈの出力レベルをそれぞれ判定した後に、その結果を合成して、伝送信号列を生成することができる。
【００４１】
なお、上記複数の受光素子１０７ａ〜１０７ｈの受光部間隔は、受信するビームの直径程度離間することにより、より確実に、符号間干渉を防ぐことが可能である。
【００４２】
また、上記説明においては、１ビット毎に異なる受光素子１０７ａ〜１０７ｈで順次受光するように偏向する事としたが、複数ビット毎に異なる受光素子１０７ａ〜１０７ｈで順次受光するように偏向する事としても、従来例に比較して符号間干渉を低減することが可能である。
【００４３】
なお、図１の本発明の実施の形態１においては、複数の受光素子１０７ａ〜１０７ｈからの出力から制御信号を出力する制御信号生成部１１０と、上記制御信号により光受信器側光源１１２を変調・駆動する、変調・駆動部１１１とを光受信部１０２に備え、光送信器１０１には、光受信器側光源１１２からの光信号を受光する光送信器側受光素子１１５と、光送信器側受光素子１１５の出力信号を復調する光送信器復調部１１４と、光送信器復調部１１４からの出力信号により光軸偏向部１０６を制御する偏向制御部１１３を設けている。
【００４４】
この構成とすることにより、複数の受光素子１０７ａ〜１０７ｈの受光レベル、タイミングに応じて、制御信号生成部１１０で制御信号を生成し、これにより、光軸偏向部１０６による光軸偏向方向および偏向タイミングを最適に制御することができる。
【００４５】
また、受光素子１０７ａ〜１０７ｈの配置は、図１に示したように円形とすれば、光軸方向制御が簡単となるが、配置は円形に限らず、直線状、方形状、マトリックス状等でもよい。
【００４６】
次に、上記本発明の実施の形態１における光軸の調整手順の例について説明する。図３は、初期調整時における光軸調整手順を示すフローチャートである。また、図４から図６は、光軸調整の段階における受光素子１０７ａ〜１０７ｈの位置（図中斜線部）と光軸偏向軌跡（図中１点鎖線）との位置関係を示している。
【００４７】
本発明の実施の形態１では、複数の光軸偏向部１０６を設けて複数の受光素子１０７ａ〜１０７ｈに向けて順次光軸を偏向する構成としており、以下の説明する手順により、上記光軸偏向部１０６を用いて、受光素子位置の不明な時点における初期光軸調整も実施することが可能である。またこの際、受光素子１０７ａ〜１０７ｈの受光量は、図１の制御信号生成部１１０で検出して制御信号を生成し、変調・駆動部１１１、光受信器側光源１１２、光送信器側受光素子１１５、光送信器復調部１１４、偏向制御部１１３を介して光軸偏向部１０６の光軸方向を制御する。
【００４８】
おおよその光軸方向は、設置状態や、黙視での概略調整により合わされており、光軸偏向部１０６による偏向可能な範囲に複数の受光素子１０７ａ〜１０７ｈが含まれているとする。このとき、光軸調整手順は、以下の通りである。
【００４９】
（１）光軸偏向部１０６で偏向可能な最大の直径で光軸方向を偏向する。このとき、図４の（１）で示す光軸の偏向軌跡内に受光素子１０７ａ〜１０７ｈが含まれる。
【００５０】
（２）光軸の偏向直径を段階的に小さくし、受光素子のいずれかが最大の受光量となるようにする。ただし、受光量は、平均受光量や、ピーク受光量を検出すればよい。このとき、図４の（２）で示した矢印のように、光軸偏向軌跡を変化させ、受光素子１０７ｂが最大の受光量となる偏向直径にてこの手順が終わる。
【００５１】
（３）さらに偏向直径を段階的に小さくするとともに、最大の受光量を得た受光素子１０７ｂの受光量を維持するように偏向中心を調整していく。これを、（２）で最大受光量を得た受光素子以外の受光素子が最大の受光量を得るまで偏向直径を小さくしていく。このとき、例えば図５の（３）で示した矢印のように、光軸偏向軌跡を変化させ、受光素子１０７ｃが最大の受光量となる。
【００５２】
（４）さらに、（３）と同様に、最大の受光量を得た受光素子以外の受光素子が、最大の受光量を得るように、偏向直径と、偏向中心の調整を行う。これにより、図６に示したように、複数の受光素子１０７ａ〜１０７ｈと、偏向軌跡を一致する。
【００５３】
以上のようにして、受光素子１０７ａ〜１０７ｈと、偏向軌跡を一致させ、光軸調整を完了することができる。
【００５４】
なお、光信号をデータ送出タイミングと光軸の偏向移動タイミングの同期は、複数の受光素子１０７ａ〜１０７ｈのいずれかを、同期用受光素子とし、同期用受光素子に対応する光信号を常に点灯状態としておき、同期用受光素子での受光量が最大になるよう、偏向移動タイミングを調整すれば可能となる。また、同期用受光素子に対応する光信号の前後の光信号を消灯状態とすることにより、この同期をより確実にする事も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明にかかる光空間信号伝送装置は、高速伝送が可能であるという特徴を有し、例えば家庭内の信号伝送装置や、移動体用の信号伝送装置として有用である。また、衛星間の通信用装置等の用途にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態１における光空間信号伝送装置の構成図
【図２】受光素子出力波形の模式図
【図３】本発明の実施の形態１における光空間信号伝送装置の光軸調整手順を示すフローチャート
【図４】本発明の実施の形態１の光空間信号伝送装置の光軸調整手順における第１および第２のステップでの受光素子と光軸偏向軌跡との位置関係図
【図５】本発明の実施の形態１の光空間信号伝送装置の光軸調整手順における第３のステップでの受光素子と光軸偏向軌跡との位置関係図
【図６】本発明の実施の形態１の光空間信号伝送装置の光軸調整手順における第４のステップでの受光素子と光軸偏向軌跡との位置関係図
【図７】受光素子の受光面積と応答速度との関係を表す特性図
【図８】従来の光空間信号伝送装置の構成図
【符号の説明】
【００５７】
１００    光空間信号伝送装置
１０１    光送信器
１０２    光受信器
１０３    光源
１０４    変調器
１０５    光源駆動部
１０６    光軸偏向部
１０７ａ〜１０７ｈ    受光素子
１０８ａ〜１０８ｈ    復調器
１０９    合成部
１１０    制御信号生成部
１１１    変調・駆動部
１１２    光受信器側光源
１１３    偏向制御部
１１４    光送信機復調部
１１５    光送信機側受光素子
１２０    光信号
【図１】
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【図２】
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【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】
2006135843.tif 000009
【図８】
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