(57)【要約】【課題】  ネットワークを介するデータ接続性を改善することである。【解決手段】  光通信端末装置が、全二重通信の２つの異なる相補モードで動作するように構成される。一方のモードでは、端末装置は、共通自由空間光経路に沿って、第１の波長を有する光を送出し、第２の波長を有する光を受光する。もう一方のモードでは、端末装置は、第２の波長を有する光を送出し、第１の波長を有する光を受光する。端末装置は、波長に応じて異なる光経路を作り出すダイクロイック要素との間で光を方向づけるステアリングミラーを含み、また２つの波長用の、空間的に分離された発光器および検出器を含む。第１の相補的発光器／検出器の対が一方のモードで使用され、第２の対がもう一方のモードで使用される。これらの光学構成要素は、ステアリングミラーの向きを調節することで端末装置を、第１または第２の相補対を使用して所与の自由空間光リンクを経由する通信路と位置合わせするように配置される。【選択図】  図５
2018078644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長の光を透過させるように、また第２の波長の光を反射するように構成されたビームスプリッタと、
第１の放出場所から前記第１の波長の光を放出するように、また第２の放出場所から前記第２の波長の光を放出するように構成された１つまたは複数の光源と、
第１の検出場所で前記第１の波長の光を検出するように、また第２の検出場所で前記第２の波長の光を検出するように構成された１つまたは複数の検出器と、
ステアリングミラーと
を備える光通信端末装置であって、
前記ステアリングミラーおよび前記ビームスプリッタが、前記ステアリングミラーが第１の向きを有する間、（i）前記第１の放出場所から放出される前記第１の波長の光が送
出のために遠隔の端末装置の方へ向けられるように、また（ii）前記遠隔の端末装置から受光される前記第２の波長の光が前記第２の検出場所の方へ向けられるように配置され、
前記ステアリングミラーおよび前記ビームスプリッタがさらに、前記ステアリングミラーが第２の向きを有する間、（i）前記第２の放出場所から放出される前記第２の波長の
光が送出のために前記遠隔の端末装置の方へ向けられるように、また（ii）前記遠隔の端末装置から受光される前記第１の波長の光が前記第１の検出場所の方へ向けられるように配置される、光通信端末装置。
【請求項２】
（i）全二重通信のモード間で切り換える決定をするように、また（ii）前記決定をす
ることに応じて前記ステアリングミラーの向きを前記第１の向きと前記第２の向きの間で変えるように構成されたコントローラをさらに備える、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項３】
前記コントローラがさらに、
前記ステアリングミラーが第１の向きを有する間、（i）１つまたは複数の光源が、前
記第１の放出場所から、出力データに基づいて変調された前記第１の波長の光を放出することによって、また（ii）前記第２の検出場所にある１つまたは複数の検出器によって検出された、前記第２の波長の光に基づいて入力データを抽出することによって、前記光通信端末装置を全二重通信の第１のモードで動作させるように、また
前記ステアリングミラーが第２のおおよそ向きを有する間、（i）１つまたは複数の光
源が、前記第２の放出場所から、出力データに基づいて変調された前記第２の波長の光を放出することによって、また（ii）前記第１の検出場所にある１つまたは複数の検出器で検出された前記第１の波長の光に基づいて入力データを抽出することによって、前記光通信端末装置を全二重通信の第２のモードで動作させるように
構成される、請求項２に記載の光通信端末装置。
【請求項４】
前記遠隔の端末装置が前記光通信端末装置の視野内の特定の方向に位置しており、また前記ステアリングミラーが、送出および受光するそれぞれの方向に光を前記視野にわたって向けるために、ある範囲の向きを有するように構成され、
前記それぞれの方向のうちの所与の一方に対し、前記ステアリングミラーが２つのおおよその向きのうちの一方を有するように構成され、そのうちの一方が、前記第１の放出場所から放出される前記第１の波長の光を送出のために前記それぞれの方向のうちの前記所与の方向に向け、また前記それぞれの方向のうちの所与の一方から受光される前記第２の波長の光を前記第２の検出場所の方へ向け、またそのうちのもう一方が、前記第２の放出場所から放出される前記第２の波長の光を送出のために前記それぞれの方向のうちの前記所与の方向に向け、また前記それぞれの方向のうちの所与の一方から受光される前記第１の波長の光を前記第１の検出場所の方へ向ける、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項５】
前記ステアリングミラーで反射された少なくとも一部の光によって照明されるように置かれた感光アレイを含む、方位フィードバックセンサと、
（i）前記感光アレイを照明する光の測定値を取得するように、また（ii）前記ステア
リングミラーの向きを前記取得測定値に基づいて変えるように構成されたコントローラとをさらに備える、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項６】
前記コントローラがさらに、（i）前記照明光の、前記感光アレイ上の重心位置を決定
するように、また（ii）前記重心位置を第１の目標位置または第２の目標位置の一方と位置合わせするために前記ステアリングミラーの向きを変えるように構成され、前記第１および第２の目標位置が、それぞれ前記ステアリングミラーの第１および第２の向きに対応する、請求項５に記載の光通信端末装置。
【請求項７】
前記遠隔の端末装置への送出のために前記ステアリングミラーの方に向けられる、第３の波長のレーザ光を放出するように構成された位置合わせレーザ光源と、
前記第３の波長の受光された光を前記第１および第２の波長の光と分離するように構成された、少なくとも１つの追加ビームスプリッタとをさらに含み、前記追加のビームスプリッタが、前記遠隔の端末装置から受光された前記第３の波長の前記光を前記方位フィードバックセンサの前記感光アレイの方へ向けるように配置される、請求項５に記載の光通信端末装置。
【請求項８】
前記第１の波長の光が交互に行き来する光経路の第１の対が、前記ステアリングミラーと前記第１の検出場所の間に画定された受光路と、前記ステアリングミラーと前記第１の放出場所の間に画定された送出路とを含み、
前記第２の波長を有する光が交互に行き来する光経路の第２の対が、前記ステアリングミラーと前記第２の検出場所の間に画定された受光路と、前記ステアリングミラーと前記第２の放出場所の間に画定された送出路とを含み、
前記第１の対の光経路間の分離角が、前記第２の対の光経路間の分離角とほぼ等しい、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項９】
前記ビームスプリッタ、前記ステアリングミラー、前記第１および第２の放出場所、ならびに前記第１および第２の検出場所が取り付けられるフレームをさらに備える、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項１０】
前記１つまたは複数の光源が、
前記第１の波長のデータ変調レーザ光を放出するように構成された第１のレーザ光源と、
前記第２の波長のデータ変調レーザ光を放出するように構成された第２のレーザ光源とを含む、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項１１】
前記１つまたは複数の検出器が、
前記第１の波長のデータ変調レーザ光を検出するように構成された第１のアバランシェフォトダイオードと、
前記第２の波長のデータ変調レーザ光を検出するように構成された第２のアバランシェフォトダイオードと
を含む、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項１２】
前記１つまたは複数の光源を前記第１および第２の放出場所のそれぞれに、また前記１つまたは複数の検出器を前記第１および第２の検出場所のそれぞれに、光学的に連結する複数の光ファイバをさらに備える、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項１３】
前記第１の波長を有する光を透過させるように、また前記第２の波長を有する光は透過させないように構成された第１の波長選択フィルタであって、前記ビームスプリッタと前記第１の放出場所および前記第１の検出場所の両方との間に置かれる、前記第１の波長選択フィルタと、
前記第２の波長を有する光を透過させるように、また前記第１の波長を有する光は透過させないように構成された第２の波長選択フィルタであって、前記ビームスプリッタと前記第２の放出場所および前記第２の検出場所の両方との間に置かれる、前記第２の波長選択フィルタと
をさらに備える、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項１４】
前記光通信端末装置が、高高度プラットフォームのペイロードに取り付けられるように構成される、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項１５】
エンベロープと、
前記エンベロープからつり下げられるように構成されたペイロードと、
前記ペイロードに取り付けられた光通信端末装置と
を備える高高度プラットフォームであって、前記光通信端末装置が、（i）第１の波長の
光を透過させるように、また第２の波長の光を反射するように構成されたビームスプリッタと、（ii）第１の放出場所から前記第１の波長の光を放出するように、また第２の放出場所から前記第２の波長の光を放出するように構成された１つまたは複数の光源と、（iii）第１の検出場所で前記第１の波長の光を検出するように、また第２の検出場所で前記
第２の波長の光を検出するように構成された１つまたは複数の検出器と、（iv）ステアリングミラーとを備え、
前記ステアリングミラーおよび前記ビームスプリッタが、前記ステアリングミラーが第１の向きを有する間、（i）前記第１の放出場所から放出される前記第１の波長の光が送
出のために遠隔の端末装置の方へ向けられるように、また（ii）前記遠隔の端末装置から受光される前記第２の波長の光が前記第２の検出場所の方へ向けられるように配置され、
前記ステアリングミラーおよび前記ビームスプリッタがさらに、前記ステアリングミラーが第２の向きを有する間、（i）前記第２の放出場所から放出される前記第２の波長の
光が送出のために前記遠隔の端末装置の方へ向けられるように、また（ii）前記遠隔の端末装置から受光される前記第１の波長の光が前記第１の検出場所の方へ向けられるように配置される、高高度プラットフォーム。
【請求項１６】
（i）全二重通信のモード間で切り換える決定をするように、また（ii）前記決定をす
ることに応じて前記ミラーの向きを前記第１の向きと前記第２の向きの間で変えるように、構成されたコントローラをさらに備える、請求項１５に記載の高高度プラットフォーム。
【請求項１７】
前記コントローラがさらに、
前記ステアリングミラーが前記第１の向きを有する間、（i）前記１つまたは複数の光
源が、出力データに基づいて変調された前記第１の波長の光を前記第１の放出場所から放出することによって、また（ii）前記第２の検出場所にある前記１つまたは複数の検出器によって検出された、前記第２の波長の光に基づいて入力データを抽出することによって、前記光通信端末装置を全二重通信の第１のモードで動作させるように、また
前記ステアリングミラーが前記第２のおおよそ向きを有する間、（i）前記１つまたは
複数の光源が、前記第２の放出場所から、出力データに基づいて変調された前記第２の波長の光を放出することによって、また（ii）前記第１の検出場所にある前記１つまたは複数の検出器によって検出された、前記第１の波長の光に基づいて入力データを抽出することによって、前記光通信端末装置を全二重通信の第２のモードで動作させるように
構成される、請求項１６に記載の高高度プラットフォーム。
【請求項１８】
（i）第１の放出場所から放出された第１の波長の光を送出のために遠隔の端末装置に
向けるために、また（ii）前記遠隔の端末装置から受光された第２の波長の入射光を第２の検出場所の方へ向けるために、ステアリングミラーを指向させるステップと、
（i）出力データに基づいて変調された前記第１の波長の光を前記第１の放出場所から
放出し、また（ii）前記第２の検出場所で検出された前記第２の波長の光に基づいて入力データを抽出することによって、第１のモードで全二重通信を行うステップと、
第２のモードで全二重通信を行うことに切り換える決定をするステップと、
前記決定をすることに応じて、（i）第２の放出場所から放出された前記第２の波長の
光を送出のために所与の方向に向けるために、また（ii）前記所与の方向から受光された前記第１の波長の入射光を第１の検出場所の方へ向けるために、前記ステアリングミラーを指向させるステップと、
（i）出力データに基づいて変調された前記第２の波長の光を前記第２の放出場所から
放出し、また（ii）前記第１の検出場所で検出された前記第１の波長の光に基づいて入力データを抽出することによって、前記第２のモードで全二重通信を行うステップと
を含む方法。
【請求項１９】
前記ステアリングミラーで反射された少なくとも一部の光を、感光アレイを照明するために測定するステップと
前記ステアリングミラーの向きを前記測定に基づいて変えるステップと
をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ステアリングミラーの向きを前記測定に基づいて変えるステップが、
前記照明光の、前記感光アレイ上の重心位置を決定するステップと、
前記重心位置を第１の目標位置または第２の目標位置の一方と位置合わせするために前記ステアリングミラーの向きを変えるステップとを含み、前記第１および第２の目標位置が、前記ステアリングミラーのそれぞれの向きに対応し、前記ステアリングミラーが、前記第１および第２のモードそれぞれで全二重通信を行うために位置合わせされる、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
[0001]  本明細書に特に示されていない限り、この項に記載されている材料は、本願の特許請求の範囲に関して従来技術ではなく、またこの項に含めることによって従来技術であるとは認められない。
【０００２】
[0002]  パーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、セルラー電話、および無数のタイプのインターネット対応デバイスなどの計算デバイスが、現代生活の多くの局面でますます普及している。そのため、インターネット、セルラーデータネットワーク、およびその他のこのようなネットワークを介するデータ接続性に対する要望が増大している。しかし、データ接続性がまだ得られない、または得られたとしても信頼性が低い、かつ／または費用がかかる地域が世界には多くある。
【０００３】
[0003]  自由空間光通信リンクは、変調レーザ光を送出および受光するそれぞれの通信端末装置間に形成することができる。たとえば、第１の端末装置が、出力データによって変調されたレーザ光を生成し、このレーザ光を第２の端末装置に向けて送出することができ、第２の端末装置では、そのレーザ光が検出され復調されてデータが復元される。同様に、第２の端末装置が、データによって変調されたレーザ光を生成し、レーザ光を第１の端末装置に向けて送出することができ、第１の端末装置では、そのレーザ光が検出され復調される。
【０００４】
[0004]  単一の端末装置を使用してデータを同時に送受信できる全二重通信をサポートするために、機器構成により、第１の波長を使用してデータを送出し、第２の波長を使用してデータを受信することができる。その場合、通信端末装置は、端末装置の主開口部からの光経路中にダイクロイックビームスプリッタを含むことができる。ダイクロイックビームスプリッタは、波長の一方が通過しもう一方が反射することを可能にし、それによって、単一の主開口部を共用しながら、２つの異なる波長で送出／受光された光を分離することができる。たとえば、第１の端末装置は、波長１で送出し、波長２で受光するように構成することができる。ダイクロイックビームスプリッタは波長１を通過させ、波長２を反射することができる。波長１で発光するように構成されたレーザ光源は、ダイクロイックビームスプリッタを通過する光を主開口部に向けて発光するように位置することができる。波長２で検出するように構成された光検出器は、主開口部を経由して受光された後にダイクロイックビームスプリッタによって反射される光を受光するように位置することができる。同様に、第２の通信端末装置は、波長２で送出し波長１で受光するように構成することができる。適切なレーザ光源および光検出器をダイクロイックビームスプリッタに対して、第２の端末装置の単一の主開口部との間で光を方向づけるように配置することができる。そのようにして、第１と第２の通信端末装置は、変調レーザビームを２つの異なる波長で送出および受光することによって、どちらの方向にも同時にデータを伝えることができる。
【０００５】
[0005]  空間的に分離された端末装置間の位置合わせを確実にするために、各端末装置は一般に、１つまたは複数の調節可能ビームステアリングミラーを組み込み、このビームステアリングミラーは、それぞれの送出開口部／受光開口部との間のレーザ光を各端末装置内の様々なレーザ光源および光検出器の方へ向ける。したがって、ビームステアリングミラーの向きを調節することにより、様々なレーザ光源および光検出器を主開口部と結合する光経路内の様々な焦点の位置を調節することができる。フィードバック系もまた、入って来る（たとえば別の端末装置からの）レーザ光の到着角を検出し、決定された角度をフィードバックとして使用して送出レーザ光を（たとえば別の端末装置に）向けるために、使用することができる。主開口部と、様々なレーザ光源および／または光検出器との間の光経路は、様々なフィルタ、ミラー、レンズ、開口部、およびその他の光伝送構成要素を必要に応じて付加的に含むことができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
[0006]  例示的な実施形態は、空中通信ネットワークとしての気球のネットワークに関する。気球は、気球ネットワークの他のメンバーおよび／または地上に設置された無線局に情報を無線で伝えるための電源、データ記憶装置、および１つまたは複数のトランシーバが一緒になったペイロードを支持するエンベロープで形成することができる。気球は、自由空間光リンクを介して互いに通信することができ、また、全二重通信の２つの異なる相補モードで動作するように構成できる、光通信端末装置を含むことができる。一方のモードでは、端末装置は、共通自由空間光経路に沿って、第１の波長を有する光を送出し、第２の波長を有する光を受光する。もう一方のモードでは、端末装置は、第２の波長を有する光を送出し、第１の波長を有する光を受光する。したがって、２つの異なる気球において相補モードで動作しているこのような２つの端末装置は、２つの気球が双方向で同時にデータを伝えることを可能にする。任意の気球間にこのような光リンクを形成して網目状ネットワークを作り出すために、端末装置は、自由空間光経路を端末装置内のモード別の発光器および検出器と位置合わせするようにステアリングミラーの向きを調節することによって、２つのモードを動的に切り換えるように構成することができる。
【０００７】
[0007]  たとえば、端末装置は、波長に応じて差別化された経路を作り出す、ダイクロイック要素との間で行き来する光を方向づけるステアリングミラーを含むことができ、また２つの波長用の、空間的に分離された発光器および検出器を含む。第１の相補的発光器／検出器の対が一方のモードで使用され、第２の対がもう一方のモードで使用される。これらの光学構成要素は、ステアリングミラーの向きを調節することで端末装置を、第１または第２の相補対を使用して所与の自由空間光リンクを経由する通信路と位置合わせするように配置される。
【０００８】
[0008]  本開示のいくつかの実施形態は、光通信端末装置を提供する。光通信は、ビームスプリッタ、１つまたは複数の光源、１つまたは複数の検出器、およびステアリングミラーを含むことができる。ビームスプリッタは、第１の波長の光を透過させるように、また第２の波長の光を反射するように構成することができる。１つまたは複数の光源は、第１の放出場所から第１の波長の光を放出するように、また第２の放出場所から第２の波長の光を放出するように構成することができる。１つまたは複数の検出器は、第１の検出場所で第１の波長の光を検出するように、また第２の検出場所で第２の波長の光を検出するように構成することができる。ステアリングミラーおよびビームスプリッタが、ステアリングミラーが第１の向きを有する間、（i）第１の放出場所から放出される第１の波長の光が送出のために遠隔の端末装置の方へ向けられるように、また（ii）遠隔の端末装置から受光される第２の波長の光が第２の検出場所の方へ向けられるように配置することができる。ステアリングミラーおよびダイクロイックビームスプリッタはさらに、ステアリングミラーが第２の向きを有する間、（i）第２の放出場所から放出される第２の波長の光が送出のために遠隔の端末装置の方へ向けられるように、また（ii）遠隔の端末装置から受光される第１の波長の光が第１の検出場所の方へ向けられるように配置することができる。
【０００９】
[0009]  本開示のいくつかの実施形態は、高高度プラットフォームを提供する。高高度プラットフォームは、エンベロープと、エンベロープからつり下げられるように構成されたペイロードと、ペイロードに取り付けられた光通信端末装置とを含むことができる。光通信端末装置は、（i）第１の波長の光を透過させるように、また第２の波長の光を反射するように構成されたビームスプリッタと、（ii）第１の放出場所から第１の波長の光を放出するように、また第２の放出場所から第２の波長の光を放出するように構成された１つまたは複数の光源と、（iii）第１の検出場所で第１の波長の光を検出するように、また第２の検出場所で第２の波長の光を検出するように構成された１つまたは複数の検出器と、（iv）ステアリングミラーとを含むことができる。ステアリングミラーおよびビームスプリッタは、ステアリングミラーが第１の向きを有する間、（i）第１の放出場所から放
出される第１の波長の光が送出のために遠隔の端末装置の方へ向けられるように、また（ii）遠隔の端末装置から受光される第２の波長の光が第２の検出場所の方へ向けられるように配置することができる。ステアリングミラーおよびビームスプリッタはさらに、ステアリングミラーが第２の向きを有する間、（i）第２の放出場所から放出される第２の波長の光が送出のために遠隔の端末装置の方へ向けられるように、また（ii）遠隔の端末装置から受光される第１の波長の光が第１の検出場所の方へ向けられるように配置することができる。
【００１０】
[0010]  本開示のいくつかの実施形態は、一方法を提供する。この方法は、（i）第１の放出場所から放出された第１の波長の光を送出のために遠隔の端末装置に向けるために、また（ii）遠隔の端末装置から受光された第２の波長の入射光を第２の検出場所の方へ向けるために、ステアリングミラーを指向させるステップを含むことができる。この方法は、（i）出力データに基づいて変調された第１の波長の光を第１の放出場所から放出し、また（ii）第２の検出場所で検出された第２の波長の光に基づいて入力データを抽出することによって、第１のモードで全二重通信を行うステップを含むことができる。この方法は、第２のモードで全二重通信を行うことに切り換える決定をするステップを含むことができる。この方法は、決定をすることに応じて、（i）第２の放出場所から放出された第２の波長の光を送出のために所与の方向に向けるために、また（ii）所与の方向から受光された第１の波長の入射光を第１の検出場所の方へ向けるために、ステアリングミラーを指向させるステップを含むことができる。この方法は、（i）出力データに基づいて変調された第２の波長の光を第２の放出場所から放出し、また（ii）第１の検出場所で検出された第１の波長の光に基づいて入力データを抽出することによって、第２のモードで全二重通信を行うステップを含むことができる。
【００１１】
[0011]  本開示のいくつかの実施形態は、（i）第１の放出場所から放出された第１の波長の光を送出のために遠隔の端末装置に向けるために、また（ii）遠隔の端末装置から受光された第２の波長の入射光を第２の検出場所の方へ向けるために、ステアリングミラーを指向させる手段を提供する。本開示のいくつかの実施形態は、（i）出力データに基づいて変調された第１の波長の光を第１の放出場所から放出し、また（ii）第２の検出場所で検出された第２の波長の光に基づいて入力データを抽出することによって、第１のモードで全二重通信を行う手段を提供する。本開示のいくつかの実施形態は、第２のモードで全二重通信を行うことに切り換える決定をする手段を提供する。本開示のいくつかの実施形態は、決定をすることに応じて、（i）第２の放出場所から放出された第２の波長の光を送出のために所与の方向に向けるために、また（ii）所与の方向から受光された第１の波長の入射光を第１の検出場所の方へ向けるために、ステアリングミラーを指向させる手段を提供する。本開示のいくつかの実施形態は、（i）出力データに基づいて変調された第２の波長の光を第２の放出場所から放出し、また（ii）第１の検出場所で検出された第１の波長の光に基づいて入力データを抽出することによって、第２のモードで全二重通信を行う手段を提供する。
【００１２】
[0012]  上記ならびに他の態様、利点、および代替形態は、添付の図面を適宜参照して以下の詳細な説明を読むことにより、当業者には明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】[0013]例示的な気球ネットワークを示す簡略化したブロック図である。
【図２】[0014]例示的な気球ネットワーク制御システムを示すブロック図である。
【図３】[0015]例示的な高高度気球を示す簡略化したブロック図である。
【図４Ａ】[0016]自由空間光リンクを介して互いに通信する気球のネットワークの図である。
【図４Ｂ】[0017]光通信端末装置の簡略化したブロック図である。
【図４Ｃ】[0018]全二重通信の第１のモードで動作するように位置合わせされた光通信端末装置の簡略化したブロック図である。
【図４Ｄ】[0019]全二重通信の第２のモードで動作するように位置合わせされた光通信端末装置の簡略化したブロック図である。
【図５】[0020]２つの異なるモードで交互に動作するように配置された例示的な光通信端末装置の図である。
【図６】[0021]別の例示的な光通信端末装置の図である。
【図７】[0022]別の例示的な光通信端末装置の図である。
【図８】[0023]光通信端末装置を動作させるための例示的な処理の流れ図である。
【図９】[0024]例示的な実施形態によるコンピュータ可読媒体を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
[0025]  例示的な方法およびシステムが本明細書で説明される。本明細書で説明されるいかなる例示的な実施形態または特徴も、他の実施形態または特徴と比べて好ましい、または有利であるとは必ずしも解釈されるものではない。明細書で説明される例示的な実施形態は、限定するものではない。開示されるシステムおよび方法のいくつかの態様は、本明細書でそのすべてが企図されている多種多様な異なる構成によって配置および結合できることが容易に理解されよう。
【００１５】
１．概要
[0026]  例示的な実施形態は、地上基地との無線通信、および気球の間での無線通信を容易にする通信機器を用いた気球の空中通信ネットワークに関する。気球は、気球ネットワークの他のメンバーおよび／または地上に設置された無線局に情報を無線で伝えるための電源、データ記憶装置、および１つまたは複数のトランシーバが一緒になったペイロードを支持するエンベロープで形成することができる。
【００１６】
[0027]  動力源付き気球のネットワークは、大気圏中に位置し、通信機器を装備することができ、また互いの間で、また地上の端末と、またおそらく衛星と通信するように構成することができる。気球はそれぞれ、互いの間の、地上ユーザ機器との、また地上のデータネットワーク（たとえば、インターネット）との通信ができる空中相互接続ネットワーク内の端末装置として働いて、空中ネットワークを介するこのようなデータネットワークにアクセスできるユーザ機器を実現することができる。
【００１７】
[0028]  気球は、自由空間光リンクを介して互いに通信することができる。各気球は、レーザ送信機および検出器と、１つの気球からもう１つのものの検出器へ放出されたレーザ光を向けることができる、ステアリング可能な開口部および光学縦列とを装備することができる。１つの気球からもう１つのものまでデータを送信するために、１つの気球からのレーザ光は、データを符号化するように変調することができ、この変調光は、大気を通して伝送し、ネットワーク内のもう１つの気球まで導くことができ、次にもう一方の気球はレーザ光を受光し、符号化データを回復することができる。
【００１８】
[0029]  ネットワーク内の気球の間で網目状ネットワークを形成するために、ネットワーク内の所与の気球それぞれは、他の複数の気球との間で信号を送受信することができる。加えて、各通信リンクは、双方向通信を可能にすることができる（たとえば、気球1は信号を気球2へ送信することができ、気球2もまた信号を気球1に送信することができる）。入手可能な資源を効率的に利用するために、各通信リンクは、第１の気球が光ビームを第２の気球へ送出し、同時に、区別可能な光ビームを第２の気球から受光することによって（たとえば、１つの波長を一方の方向に通信を伝達するのに使用し、もう１つの波長をもう一方の方向に通信を伝達するのに使用して）、全二重通信をサポートすることができる。このような全二重モードで効果的に通信するために、一方の気球は、データが波長１、λ１で送信され波長２、λ２で受信される「モードＡ」とし、もう一方の気球は、データが波長λ２で送信されλ１で受信される「モードＢ」とすることができる。しかし、様々な接続が時間の経過につれて別々の気球間で行われると、所与の気球は、別の気球との全二重通信を容易にするためにモードを切り換える必要があり得る。すなわち、最初モードＡにある２つの（またはモードBにある2つの）気球間の全二重通信リンクは、気球の一方がＡからＢ（またはBからA）に切り換えない限り不可能である。
【００１９】
[0030]  本開示は、モードＡとモードＢの切換えがステアリングミラーの位置合わせを変えることによって実現される光通信端末装置の配置を提供する。例示的な通信端末装置は、第１の波長を有するレーザ光を第１の放出場所から放出するように構成された第１のレーザ光源と、第２の波長を有するレーザ光を第２の放出場所から放出するように構成された第２のレーザ光源と、第１の波長を有し第１の検出場所に入射するレーザ光を検出するように構成された第１の検出器と、第２の波長を有し第２の検出場所に入射するレーザ光を検出するように構成された第２の検出器とを含む。
【００２０】
[0031]  ステアリングミラーは、主開口部およびダイクロイックビームスプリッタとの間でレーザ光を方向づける。ダイクロイックビームスプリッタは、第１の波長を有するレーザ光を実質的に透過させ、第２の波長を有するレーザ光を実質的に反射し、それによって、２つの異なる波長を有する光の光経路を分ける。ステアリングミラーは、光端末装置がモードＡで動作するように構成される第１のおおよその向きから、光端末装置がモードＢで動作するように構成される第２のおおよその向きへ調節することができる。具体的には、第１のおおよその向きでは、第１の波長を有し第１の放出場所から放出されたレーザ光は主開口部に向けられ、第２の波長を有し主開口部を経由して受光されたレーザ光は、第２の検出場所へ向けられる。また第２のおおよその向きでは、第２の波長を有し第２の放出場所から放出されたレーザ光は主開口部に向けられ、第１の波長を有し主開口部を経由して受光されたレーザ光は、第１の検出場所へ向けられる。
【００２１】
[0032]  方位フィードバックセンサを使用してステアリングミラーの向きを推定することができ、次に、この推定された向きに基づいて調節をすることができる。方位フィードバックセンサは、ステアリングミラーによって反射された一部の光を（主開口部から）感光要素のアレイに向けて逸らすビームスプリッタを含むことができ、この感光要素を使用して、アレイを照明する光の強度を測定することができる。コントローラを使用して、アレイを照明する光の重心位置を特定し、この重心位置が動作モードに応じて第１または第２の向きに対応する目標場所に向かって動くように、ステアリングミラーを調節することができる。第１および第２のおおよその向き、ならびに感光アレイ上の対応する目標場所は、たとえば、較正ルーチン中に一部を決定することができる。ステアリングミラーを使用して、主開口部から受光した光とレーザ光源から送出された光の両方を方向づけることができるので、端末装置から送出されるレーザ光は、受光した光の出所（たとえば、別の端末装置の主開口部）の方へ向かうように位置合わせすることができる。
【００２２】
[0033]  別の例では、位置合わせレーザ光は、通信を伝達するために使用される波長とは異なる、第３の波長を有するレーザ光とすることができる。その場合、位置合わせレーザ光は、データ伝達レーザ波長は透過させながら位置合わせレーザ光を反射するダイクロイックビームスプリッタを使用して、感光アレイの方へ向かわせることができる。さらに、このようなダイクロイックビームスプリッタは、２つのデータ伝達レーザ波長を反射し位置合わせレーザ波長を透過させることができる。
【００２３】
[0034]  モードＡ（送出λ１、受信λ２）で動作させるために、端末装置は、λ１の変調レーザ光を放出するレーザ光源と、λ２のレーザ光を検出する光検出器とを作動させ、ステアリングミラーを第１の向きにすることができる。モードＢ（送出λ２、受信λ１）で動作させるために、端末装置は、λ２の変調レーザ光を放出するレーザ光源と、λ１のレーザ光を検出する光検出器とを作動させ、ステアリングミラーを第２の向きにすることができる。モード間の切り替えは、ステアリングミラーの向きを調節し、適切なレーザおよび検出器を作動／作動停止させることによって行うことができる。
【００２４】
[0035]  これら特定の方法およびシステムのそれぞれが本明細書で企図されており、いくつかの例示的な実施形態が以下で説明される。
【００２５】
２．例示的なシステム
[0036]  図１は、例示的な実施形態による気球ネットワーク１００を示す簡略化したブロック図である。図示のように、気球ネットワーク１００は、自由空間光リンク１０４を介して（たとえば、データが符号化されている光放射を送出および受光することによって）互いに通信するように構成されている気球１０２Ａ〜１０２Ｆを含む。さらに、「光」と呼ばれているが、光リンク１０４による通信を、赤外線放射、紫外線放射などの可視スペクトル外の放射を含む波長範囲の放射を用いて、実行することができる。気球１０２Ａ〜１０２Ｆは、無線周波数（RF）リンク１１４を介して（たとえば、データが符号化された無線周波数放射を送受信することによって）互いに通信するように付加的または代替的に構成することができる。気球１０２Ａ〜１０２Ｆは共同で、パケットデータ通信の網目状ネットワークとして機能することができる。さらに、少なくともいくつかの気球は（たとえば、１０２Ａおよび１０２Ｂ）は、それぞれのＲＦリンク１０８を介する地上局１０６とのＲＦ通信用に構成することもできる。さらに、気球１０２Ｆなどのいくつかの気球は、光リンク１１０を介して、適切に装備された地上局１１２と通信するように構成することもできる。
【００２６】
[0037]  例示的な実施形態では、気球１０２Ａ〜１０２Ｆは成層圏内に配置されている高高度気球である。中程度の緯度では、成層圏は、地表の上方の約１０キロメートル（km）〜５０ｋｍの間の高度を含む。極では、成層圏は約８ｋｍの高度から始まる。例示的な実施形態では、高高度気球は一般に、成層圏内の風速が比較的低い（たとえば、毎時８〜３２キロメートル（kph）の間）高度範囲で動作するように構成することができる。
【００２７】
[0038]  より詳細には、高高度気球ネットワークにおいて、気球１０２Ａ〜１０２Ｆは一般に、１８ｋｍ〜２５ｋｍの間の高度で動作するように構成することができる（他の高度でも可能であるが）。この高度範囲は、いくつかの理由で有利であり得る。具体的には、成層圏のこの高度領域には一般に、風速が比較的低く（たとえば、毎時8〜32kphの間）、乱気流が比較的小さい比較的望ましい大気状態がある。さらに、１８ｋｍ〜２５ｋｍの高度の間の風は緯度および季節によって変わり得るが、その変化は妥当な精度でモデル化することができ、それによって、このような変化を予測および補償することが可能になる。加えて、１８ｋｍを超える高度は一般に、民間航空交通に指定されている最大高度を超える。
【００２８】
[0039]  データを別の気球まで伝送するために、所与の気球１０２Ａ〜１０２Ｆは、光リンク１０４を介して光信号を伝送するように構成することができる。例示的な実施形態では、所与の気球１０２Ａ〜１０２Ｆは、１つまたは複数の高出力発光ダイオード（LED）を使用して光信号を送出することができる。あるいは、気球１０２Ａ〜１０２Ｆの一部または全部は、光リンク１０４を介した自由空間光通信のためのレーザシステムを含むことができる。他のタイプの自由空間光通信も可能である。さらに、光リンク１０４を介して別の気球からの光信号を受信するために、所与の気球１０２Ａ〜１０２Ｆは、アバランシェフォトダイオードなどの１つまたは複数の光検出器を含むこともできる。
【００２９】
[0040]  別の態様では、気球１０２Ａ〜１０２Ｆは、それぞれのＲＦリンク１０８を介して地上局１０６および１１２と通信するための、様々な異なるＲＦエアインターフェースプロトコルの１つまたはそれ以上を利用することができる。たとえば、気球１０２Ａ〜１０２Ｆの一部または全部は、ＩＥＥＥ８０２．１１（ＩＥＥＥ８０２．１１改訂版のいずれも含む）に記載されたプロトコル、ＧＳＭ、ＣＤＭＡ、ＵＭＴＳ、ＥＶ−ＤＯ、ＷｉＭＡＸおよび／またはＬＴＥなどの様々なセルラープロトコル、および／または気球−地上ＲＦ通信用に開発された１つまたは複数の適正プロトコルを、他にもある可能なものの中で使用して、地上局１０６および１１２と通信するように構成することができる。
【００３０】
[0041]  別の態様では、ＲＦリンク１０８が気球−地上間通信用の所望のリンク容量を提供しないシナリオがあり得る。たとえば、容量の増大が、地上ゲートウェイからの迂回中継リンクを提供するのに望ましく、また他のシナリオでも望ましい場合がある。それに応じて、例示的な実施形態はまた、気球ネットワーク１００を地上ネットワーク要素と接続するための大容量空対地リンクを提供できる、１つまたは複数のダウンリンク気球を含むこともできる。
【００３１】
[0042]  たとえば、気球ネットワーク１００において、気球１０２Ｆがダウンリンク気球として構成される。例示的なネットワーク内の他の気球のように、ダウンリンク気球１０２Ｆは、光リンク１０４を介した他の気球との光通信用に動作可能とすることができる。しかし、ダウンリンク気球１０２Ｆはまた、光リンク１１０を介した地上局１１２との自由空間光通信用に構成することもできる。したがって、光リンク１１０は、気球ネットワーク１００と地上局１１２の間の大容量リンク（RFリンク１０８と比較して）として、働くことができる。
【００３２】
[0043]  いくつかの実施態様では、ダウンリンク気球１０２Ｆはさらに、地上局１０６とのＲＦ通信用に動作可能にできることに留意されたい。別の場合には、ダウンリンク気球１０２Ｆは、気球−地上間通信用の光リンクだけを使用することができる。さらに、図１に示された配置はただ１つのダウンリンク気球１０２Ｆを含むが、例示的な気球ネットワークはまた、複数のダウンリンク気球を含むこともできる。一方で、気球ネットワークはまた、ダウンリンク気球を全く用いずに実施することもできる。
【００３３】
[0044]  別の実施態様では、ダウンリンク気球は、気球−地上間通信用の特化高帯域幅ＲＦ通信システムを、自由空間光通信システムの代わりに、またはそれに加えて装備することができる。高帯域幅ＲＦ通信システムは、光リンク１０４のうちの１つと実質的に同じ容量を有するＲＦリンクを提供できる、超広帯域システムの形をとることができる。他の形もまた実現可能である。
【００３４】
[0045]  地上局１０６および／または１１２などの地上局は、様々な形をとることができる。一般に地上局は、トランシーバ、送信機、および／または受信機などの構成要素を、気球ネットワーク１００内の気球に位置する対応トランシーバとのＲＦリンクまたは光リンクを介した無線通信のために、含むことができる。さらに、地上局は、様々なエアインターフェースプロトコルを使用して、ＲＦリンク１０８経由で気球１０２Ａ〜１０２Ｆと通信することができる。そのため、地上局１０６および１１２は、様々なデバイスが気球ネットワーク１００と接続できるようにするためのアクセスポイントとして構成することができる。地上局１０６および１１２は、本開示から逸脱することなく、他の構成を有することができ、かつ／または別の目的に役立つことができる。
【００３５】
[0046]  別の態様では、気球１０２Ａ〜１０２Ｆの一部または全部を付加的または代替的に、宇宙衛星との通信リンクを確立するように構成することもできる。いくつかの実施形態では、気球は光リンクを介して衛星と通信することができる。しかし、他のタイプの衛星通信も実現可能である。
【００３６】
[0047]  さらに、地上局１０６および１１２などのいくつかの地上局は、気球ネットワーク１００と１つまたは複数の他のネットワークとの間のゲートウェイとして構成することもできる。すなわち、このような地上局１０６および１１２は、気球ネットワークと、インターネット、セルラーサービスプロバイダのネットワーク、および／または情報を伝えるための他のタイプのネットワークとの間のインターフェースとして働くことができる。この構成、ならびに地上局１０６および１１２の他の構成に対する変形形態もまた実現可能である。
【００３７】
２ａ）網目状ネットワーク機能[0048]  言及したように、気球１０２Ａ〜１０２Ｆは共同で網目状ネットワークとして機能することができる。より詳細には、気球１０２Ａ〜１０２Ｆが自由空間光リンクを使用して互いに通信できるので、気球は共同で自由空間光網目状ネットワークとして機能することができる。
【００３８】
[0049]  網目状ネットワーク構成では、各気球１０２Ａ〜１０２Ｆは、そこに向けられたデータを受信し、他の気球にデータを配信するように動作可能な、網目状ネットワークのノードとして機能することができる。そのためデータは、送信元気球と送付先気球の間の適切な一連の光リンクを決定することによって、送信元気球から送付先気球へ配信することができる。これらの光リンクは一括して、送信元気球と送付先気球の間を接続する「光路」と呼ぶことができる。さらに、光リンクのそれぞれは、光路上の「ホップ」と呼ばれることがある。特定の光路に沿った各中間気球（すなわち、ホップ）は中継局としての役割を果たして、受信光信号を介して入って来る通信情報をまず検出し、次にその通信情報を、特定の光路上の次の気球で受信されるべき対応する光信号を放出することによって、再送することができる。付加的または代替的に、特定の中間気球は、入射光信号を反射して次の気球の方へ伝搬することなどによって、入射信号を次の気球の方へ単に向けるだけのこともできる。
【００３９】
[0050]  網目状ネットワークとして動作するために、気球１０２Ａ〜１０２Ｆは、様々なルーティング技法および自己回復アルゴリズムを使用することができる。いくつかの実施形態では、気球ネットワーク１００は、適応ルーティングまたは動的ルーティングを使用することができ、この場合、送信元気球と送付先気球の間の光路が、接続が必要なときに決定され、セットアップされ、後に解放される。さらに、適応ルーティングが使用される場合には、光路は、気球ネットワーク１００の現在の状態、過去の状態、および／または予測状態に応じて動的に決定することができる。
【００４０】
[0051]  加えて、ネットワークトポロジは、気球１０２Ａ〜１０２Ｆが互いに、および／または地上に対して、動くにつれて変わり得る。したがって、例示的な気球ネットワーク１００は、ネットワークのトポロジが変わるにつれて、網目プロトコルを適用してネットワークの状態を更新することができる。たとえば、気球１０２Ａ〜１０２Ｆの移動性に対処するために、気球ネットワーク１００は、モバイルアドホックネットワーク（MANET）
に使用されている様々な技法を使用することができ、かつ／または適合させることができる。他の例もまた実現可能である。
【００４１】
[0052]  いくつかの実施形態では、気球ネットワーク１００は、透過的な網目状ネットワークとして構成することができる。より詳細には、透過的な網目状ネットワーク構成において、気球は、光信号のルーティングに要する電気構成要素を全く用いずに、完全に光学的な物理的切換え用の構成要素を含むことができる。すなわち、光学切換えを用いた透過的構成では、信号が、完全に光学的な多ホップ光路を通って進むことができる。
【００４２】
[0053]  別の実施態様では、気球ネットワーク１００は、不透明な自由空間光網目状ネットワークを実施することができる。不透明な構成では、一部または全部の気球１０２Ａ〜１０２Ｆは、光−電気−光（OEO）切換えを実施することができる。たとえば、一部または全部の気球が、光信号のＯＥＯ変換用の光クロスコネクト（OXC）を含むことができる。他の不透明構成もまた実現可能である。加えて、透明セクションも不透明セクションもあるルーティング経路を含むネットワーク構成が実現可能である。
【００４３】
[0054]  別の態様では、気球ネットワーク１００内の気球で波長分割多重（WDM）を実施することができ、これを使用してリンク容量を増大させることができる。ＷＤＭが透明な切換えを用いて実施される場合、所与の光路上のすべての光リンクに同じ波長を割り当てることが必要になり得る。したがって、特定の光路内の各ホップが同じ波長を使用することを要求され得るので、透明な気球ネットワーク内の光路は「波長連続性制約」を受けていると言われる。
【００４４】
[0055]  一方で、不透明な構成では、このような波長連続性制約を回避することができる。具体的には、不透明な気球ネットワーク内の気球は、波長変換に使用可能なＯＥＯ切換えシステムを所与の光路に沿って含むことができる。そのため、気球は、ある特定の光路に沿って、１つまたは複数のホップにおいて光信号の波長を変換することができる。
【００４５】
[0056]  さらに、いくつかの例示的な網目状ネットワークでは、光リンクもＲＦリンクも利用することができる。たとえば、網目状ネットワーク中の通信経路は、光リンク上の１つまたは複数のホップ、およびＲＦリンク上の１つまたは複数のホップを伴う。ＲＦリンクは、たとえば、ネットワーク内の相対的に近接している気球間で使用することができる。
【００４６】
２ｂ）気球ネットワーク内の気球の制御
[0057]  いくつかの実施形態では、網目状ネットワーキングおよび／または制御機能は集中化することができる。たとえば、図２は、例示的な実施形態による気球ネットワーク制御システムを示すブロック図である。具体的には、図２は、集中制御システム２００と、いくつかの地域制御システム２０２Ａ〜２０２Ｂとを含む分布制御システムを示す。このような制御システムは、気球ネットワーク２０４の特定の機能性を統合するように構成することができ、またそういうものとして、気球２０６Ａ〜２０６Ｉの特定の機能を制御および／または統合するように構成することができる。
【００４７】
[0058]  図示の実施形態では、集中制御システム２００は、いくつかの地域制御システム２０２Ａ〜２０２Ｃを介して気球２０６Ａ〜２０６Ｉと通信するように構成することができる。これらの地域制御システム２０２Ａ〜２０２Ｃは、これらがカバーするそれぞれの地理的領域内の気球から通信情報および／または集合データを受信するように、またその通信情報および／またはデータを集中制御システム２００に中継するように構成することができる。さらに、地域制御システム２０２Ａ〜２０２Ｃは、通信情報を集中制御システム２００から地域制御システムのそれぞれの地理的領域内の気球へ配信するように構成することもできる。たとえば、図２に示されるように、地域制御システム２０２Ａは、気球２０６Ａ〜２０６Ｃと集中制御システム２００の間で通信情報および／またはデータを中継することができ、地域制御システム２０２Ｂは、気球２０６Ｄ〜２０６Ｆと集中制御システム２００の間で通信情報および／またはデータを中継することができ、地域制御システム２０２Ｃは、気球２０６Ｇ〜２０６Ｉと集中制御システム２００の間で通信情報および／またはデータを中継することができる。
【００４８】
[0059]  集中制御システム２００と気球２０６Ａ〜２０６Ｉの間の通信を容易にするために、特定の気球は、地域制御システム２０２Ａ〜２０２Ｃと通信するように動作可能なダウンリンク気球として構成することができる。それに応じて、各地域制御システム２０２Ａ〜２０２Ｃは、それがカバーするそれぞれの地理的領域内のダウンリンク気球と通信するように構成することができる。たとえば、図示の実施形態では、気球２０６Ａ、２０６Ｆ、および２０６Ｉがダウンリンク気球として構成される。そのため、地域制御システム２０２Ａ〜２０２Ｃはそれぞれ、光リンク２０８、２１０、および２１２をそれぞれ介して気球２０６Ａ、２０６Ｆ、および２０６Ｉと通信することができる。
【００４９】
[0060]  図示の構成では、気球２０６Ａ〜２０６Ｉのうちの一部だけがダウンリンク気球として構成される。ダウンリンク気球として構成されている気球２０６Ａ、２０６Ｆ、および２０６Ｉは、通信情報を集中制御システム２００から気球ネットワーク内の、気球２０６Ｂ〜２０６Ｅ、２０６Ｇ、および２０６Ｈなどの他の気球に中継することができる。しかし、いくつかの実施態様では、すべての気球がダウンリンク気球として機能できる可能性があることを理解されたい。さらに、図２はダウンリンク気球として構成された複数の気球を示すが、気球ネットワークが１つのダウンリンク気球しか含まない可能性もまたある。さらに、気球ネットワークは付加的または代替的に、衛星ネットワークとの接続を介して集中制御システムおよび／またはデータ輸送ネットワークと通信する衛星リンク気球を含むこともでき、この衛星ネットワークは、たとえば、気球ネットワークの上を周回する通信ネットワークの衛星との、自由空間光リンク経由の通信を伴うことができる。
【００５０】
[0061]  地域制御システム２０２Ａ〜２０２Ｃは、ダウンリンク気球と通信するように構成されている特定のタイプの地上局（たとえば、図１の地上局１１２など）であり得る。すなわち、図２には示されていないが、制御システムを他のタイプの地上局（たとえば、アクセスポイント、ゲートウェイなど）と合同して実施することができる。
【００５１】
[0062]  図２に示されたような集中化制御配置では、集中制御システム２００は（ならびに場合によって地域制御システム２０２Ａ〜２０２Ｃもまた）、気球ネットワーク２０４の特定の網目状ネットワークキング機能を統合することができる。たとえば、気球２０６Ａ〜２０６Ｉは、気球ネットワーク２０４の状態を決定するために集中制御システム２００が利用できる、特定の状態情報を集中制御システム２００へ送信することができる。所与の気球からの状態情報には、位置データ、光リンク情報（たとえば、その気球が光リンクを一緒に確立した他の気球の識別情報、リンクの帯域幅、波長使用状況、および／またはリンクの可用性など）、気球によって集められた風データ、および／または他の種類の情報が含まれ得る。それに応じて、集中制御システム２００は、ネットワーク２０４の全体的状態を決定するために、気球２０６Ａ〜２０６Ｉの一部または全部からの状態情報をまとめることができる。
【００５２】
[0063]  ネットワーク２０４の全体的状態に一部は基づいて、制御システム２００は次に、たとえば接続のための光路を決定することなどの、特定の網目状ネットワーキング機能を統合および／または助長するために使用することができる。集中制御システム２００は、気球２０６Ａ〜２０６Ｉの一部または全部からの集合状態情報に基づいて、現在のトポロジ（または気球の空間分布）を決定することができる。このトポロジは、気球ネットワーク内で使用可能な現在の光リンク、および／または、このようなリンクにおける波長可用性を示すことができる。トポロジは次に、気球ネットワーク２０４による通信のための適切な光路（また場合によってはバックアップ光路）を必要に応じて選択するのに個々の気球が使用可能になるように、気球の一部または全部へ送信することができる。
【００５３】
[0064]  別の態様では、集中制御システム２００はまた（ならびに場合によっては地域制御システム２０２Ａ〜２０２Ｃもまた）、気球ネットワーク２０４の特定の測位機能を統合して気球の所望の空間分布を得ることができる。たとえば、集中制御システム２００は、気球２０６Ａ〜２０６Ｉから受信される状態情報をエネルギー関数に入力することができ、このエネルギー関数は、ネットワークの現在のトポロジを所望のトポロジと効果的に比較し、気球が所望のトポロジに向かって移動できるように、各気球の動き（もしあれば）の方向を示すベクトルを与える。さらに、集中制御システム２００は、高度風データを使用して、所望のトポロジに向かう動きを実現するように開始できるそれぞれの高度調節を決定することもできる。集中制御システム２００は、他の局保持機能も同様に、提供および／またはサポートすることができる。
【００５４】
[0065]  図２は、集中制御を実現する分布配置を示し、地域制御システム２０２Ａ〜２０２Ｃが集中制御システム２００と気球ネットワーク２０４の間の通信を統合している。このような配置は、広い地理的領域をカバーする気球ネットワークの集中制御を実現するのに有効であり得る。いくつかの実施態様では、分布配置は、地球上のどこもカバーする全地球気球ネットワークさえサポートすることができる。もちろん、分布制御配置は他のシナリオでも同様に有効であり得る。
【００５５】
[0066]  さらに、他の制御システム配置もまた可能であることを理解されたい。たとえば、いくつかの実施態様は、追加階層（たとえば、地域制御システムの中のサブ地域システムなど）がある集中制御システムを伴うことができる。あるいは、制御機能は、１つまたは複数のダウンリンク気球と直接通信する単一の集中制御システムによって実現することもできる。
【００５６】
[0067]  いくつかの実施態様では、気球ネットワークの制御および統合は、実施態様に応じて、地上制御システムと気球ネットワークが様々な程度で分担することができる。実際、いくつかの実施態様では、地上制御システムがなくてもよい。このような実施形態では、すべてのネットワーク制御機能および統合機能は、気球ネットワーク自体だけで実施することができる（たとえば、ネットワーク２０４内の１つまたは複数の気球のペイロードに位置する処理システムによって）。たとえば、特定の気球は、集中制御システム２００および／または地域制御システム２０２Ａ〜２０２Ｃと同じか、または類似の機能が得られるように構成することができる。他の例もまた実現可能である。
【００５７】
[0068]  さらに、気球ネットワークの制御および／または統合は分散化することもできる。たとえば、各気球は、状態情報を一部または全部の近傍の気球に中継し、またそこから状態情報を受信することができる。さらに、各気球は、それが近傍の気球から受信する状態情報を、一部または全部の近傍の気球に中継することもできる。すべての気球がそうすると、各気球は、ネットワークの状態を個別に決定することができる。あるいは、特定の気球が指定されて、ネットワークの所与の部分の状態情報を集めることができる。この場合、これらの気球は互いに連係して、ネットワークの全体的状態を決定することができる。
【００５８】
[0069]  さらに、いくつかの態様では、気球ネットワークの制御は、それがネットワークの全体的状態に依存しないように、部分的または全体的に局所化することができる。たとえば、個々の気球は、近傍の気球だけを考慮する気球測位機能を実施することができる。具体的には、各気球は、それ自体の状態および近傍の気球の状態に基づいて、動き方（および／または動くかどうか）を決定することができる。気球は、最適化ルーチン（たとえば、エネルギー関数）を使用して、それぞれの絶対的および／または相対的目標位置を決定することができる。この場合、それぞれの気球は、たとえば、近傍の気球に対して、ネットワークの所望のトポロジを必ずしも全体として考慮しなくても、それぞれの目標位置に向かって動くことができる。しかし、各気球がこのような位置決定ルーチンを実施すると、気球ネットワークは、全体としては所望の空間分布（トポロジ）を維持し、かつ／またはそれに近づくことができる。
【００５９】
２ｃ）例示的な気球構成
[0070]  様々なタイプの気球システムを例示的な気球ネットワークに組み込むことができる。上記のように、例示的な実施形態では、１８ｋｍ〜２５ｋｍの間の高度範囲で動作する高高度気球を利用することができる。図３は、例示的な実施形態による高高度気球３００を示す。図示のように、気球３００は、エンベロープ３０２、スカート３０４、およびブロック図として示されているペイロード３０６を含む。
【００６０】
[0071]  エンベロープ３０２およびスカート３０４は、現在よく知られているであろう、またはなお開発されるであろう様々な形をとることができる。たとえば、エンベロープ３０２および／またはスカート３０４は、金属化マイラまたはＢｏＰｅｔを含む金属材料および／またはポリマー材料で作ることができる。付加的または代替的に、エンベロープ３０２および／またはスカート３０４の一部または全部は、高柔軟性ラテックス材料、またはクロロプレンなどのゴム材料から構築することもできる。他の材料もまた可能である。エンベロープ３０２は、気球３００が地球の大気圏内の所望の高度に達することを可能にするのに適したガスで充填することができる。すなわち、エンベロープ３０２は、主に窒素分子および酸素分子からなる大気混合物と比較して相対的に低密度のガスで充填して、気球３００が地球の大気中で浮力を持ち、所望の高度に達することを可能にすることができる。適切な特性を持つ、ヘリウムおよび／または水素などの様々な異なるガス材料を使用することができる。ガス材料（混合物を含む）の他の例もまた実現可能である。
【００６１】
[0072]  気球３００のペイロード３０６は、プロセッサ３１３、およびメモリ３１４などのオンボードデータ記憶装置があるコンピュータシステム３１２を含むことができる。メモリ３１４は、非一時的コンピュータ可読媒体の形をとるか、またはこれを含むことができる。非一時的コンピュータ可読媒体には、本明細書に記載の気球の機能を果たすためにプロセッサ３１３によってアクセスおよび実行することができる、命令を格納することができる。すなわち、プロセッサ３１３は、目盛３１４に格納された命令、および／または他の構成要素と一緒に、気球３００のコントローラとして機能することができる。
【００６２】
[0073]  気球３００のペイロード３０６はまた、いくつかの他の機能を提供するために、様々な他のタイプの機器およびシステムを含むこともできる。たとえば、ペイロード３０６は光通信システム３１６を含むことができ、このシステムは、超高輝度ＬＥＤシステムおよび／またはレーザシステムによって光信号を送出し、光通信受信機（たとえば、フォトダイオード受信機システム）によって光信号を受信することができる。さらに、ペイロード３０６は、アンテナシステムを介してＲＦ通信情報を送出および／または受信できるＲＦ通信システム３１８を含むことができる。
【００６３】
[0074]  ペイロード３０６はまた、気球３００の様々な構成要素に電力を供給する電源３２６を含むこともできる。電源３２６は、充電可能電池または他のエネルギー保存デバイスを含むこともできる。気球３００は、太陽発電システム３２７を含むことができる。太陽発電システム３２７は、太陽電池パネルを含むことができ、電源３２６を充電する、かつ／または電源３２６から分配される電力を発生するために使用することができる。別の実施態様では、電源３２６は、電力を発生および／または供給する他の手段を付加的または代替的に表し得る。
【００６４】
[0075]  ペイロード３０６は、測位システム３２４を付加的に含むことができる。測位システム３２４は、たとえば、全地球測位システム（GPS）、慣性航法システム、および／または星追跡システムを含むことができる。測位システム３２４は付加的または代替的に、様々な動きセンサ（たとえば、加速度計、磁力計、ジャイロスコープ、および／またはコンパス）を含むことができる。測位システム３２４は付加的または代替的に、１つまたは複数のビデオカメラおよび／またはスチルカメラ、および／または気球３００の地理空間位置を表す環境データを取り込むための様々なセンサを含むことができ、この情報をコンピュータシステム３１２で使用して気球３００の位置を決定することができる。
【００６５】
[0076]  ペイロード３０６の中の構成要素およびシステムの一部または全部は、ラジオゾンデまたは他の探査機で実施することができ、これは、他にもある情報の中で、圧力、高度、地理的位置（緯度および経度）、温度、相対湿度、および／または風速および／または風向きなどの環境パラメータを測定するように動作可能であり得る。
【００６６】
[0077]  上記のように、気球３００は、他の気球との自由空間光通信用の超高輝度ＬＥＤシステムを含むことができる。そのため、光通信システム３１６は、出力データを表す光信号をＬＥＤおよび／またはレーザからの光を変調することによって生成するように構成することができる。この場合、光信号は、データを光信号から抽出できる（別の気球の）受容端末装置に向けて、高い指向性の平行ビームとして自由空間中で伝送することができる。同様に、光通信システム３１６はまた、入ってくるビームの光信号を別の端末装置から受信することができる。そうして光通信システム３１６は、受信光信号の変調を検出し、入力データを抽出することができる。光通信システム３１６は、機械システムと共に、かつ／またはハードウェア、ファームウェア、および／またはソフトウェアと共に実施することができる。一般に、光通信システムを実施する手法は、具体的な適用例に応じて変わり得る。光通信システム３１６、および他の関連構成要素については、以下でさらに詳細に説明される。
【００６７】
[0078]  さらに別の態様では、気球３００は、高度制御をするように構成することができる。たとえば、気球３００は、気球３００中のガスの体積および／または密度を調節することによって気球３００の高度を変えるように構成される、可変浮力システムを含むことができる。可変浮力システムは、様々な形をとることができ、また一般に、エンベロープ３０２中のガスの体積および／または密度を変えることができる任意のシステムとすることができる。
【００６８】
[0079]  例示的な実施形態では、可変浮力システムは、エンベロープ３０２の内部に設置されるブラダー３１０を含むことができる。ブラダー３１０は、液体および／または気体を保持するように構成された弾性チャンバとすることができる。あるいは、ブラダー３１０は、エンベロープ３０２の内部になくてもよい。たとえば、ブラダー３１０は、ブラダー３１０の外側の圧力を超えて加圧される液化材料および／またはガス状材料を保持する剛性の容器とすることができる。したがって、気球３００の浮力は、ブラダー３１０中のガスの密度および／または体積を変えることによって調節することができる。ブラダー３１０中の密度を変えるために、気球３００は、ブラダー３１０中のガスを加熱および／または冷却するシステムおよび／または機構を有して構成することができる。さらに、体積を変えるために、気球３００は、ガスをブラダー３１０に追加する、および／またはガスをブラダー３１０から抜くためのポンプまたは他の機能を含むことができる。ブラダー３１０の体積を変えるために、付加的または代替的に、気球３００は、ガスがブラダー３１０から逃げられるように制御可能な放出弁、または他の機能を含むことができる。複数のブラダー３１０を本開示の範囲内で実施することもできる。たとえば、複数のブラダーを使用して気球安定性を改善することができる。
【００６９】
[0080]  例示的な実施形態では、エンベロープ３０２は、密度が典型的な大気ガスより小さいヘリウム、水素、または他のガス状材料（すなわち、「空気よりも軽い」ガス）で充填することができる。すなわち、エンベロープ３０２は、その排気量に基づく付随する上向き浮力を有することができる。このような実施形態では、ブラダー３１０中の空気は、付随する下向きバラスト力を有し得るバラストタンクとみなすことができる。別の例示的な実施形態では、ブラダー３１０中の空気の量は、空気をブラダー３１０に出し入れすることによって（たとえば、空気圧縮機を用いて）変えることができる。ブラダー３１０中の空気の量を調節することによって、バラスト力を制御することができる。いくつかの実施形態では、バラスト力を一部使用して浮力に対抗すること、および／または高度安定性を得ることができる。
【００７０】
[0081]  別の実施態様では、エンベロープ３０２は、実質的に剛性とすることができ、ある密封容積を含むことができる。空気はエンベロープ３０２から排出することができるが、密封容積は実質的に維持される。言い換えると、少なくとも不完全な真空を密封容積の中に作り出し、維持することができる。すなわち、エンベロープ３０２および密封容積は、空気よりも軽くなり、浮力を得ることができる。さらに別の実施形態では、全浮力を調節し、かつ／または高度制御を行うために、空気または別の材料を密封容積の不完全な真空の中に制御可能に導入することができる。
【００７１】
[0082]  別の実施形態では、エンベロープ３０２の一部分を第１の色（たとえば、黒）とし、かつ／または、第２の色（たとえば、白）および／または第２の材料を有し得るエンベロープ３０２の残りの部分と異なる、第１の材料から形成することができ、たとえば、第１の色および／または第１の材料は、第２の色および／または第２の材料よりも相対的に多い量の太陽エネルギーを吸収するように構成することができる。すなわち、第１の材料が太陽に向いているように気球を回転させることが、エンベロープ３０２ならびにエンベロープ３０２の内部のガスを加熱するように作用し得る。このようにして、エンベロープ３０２の浮力が増大し得る。第２の材料が太陽に向いているように気球を回転させることによって、エンベロープ３０２の内部のガスの温度が低下し得る。したがって、浮力は減少し得る。このようにして、気球の浮力は、太陽エネルギーを使用してエンベロープ３０２の内部のガスの温度／体積を変えることによって調節することができる。このような実施形態では、ブラダー３１０が気球３００の必要な要素でなくなり得るという可能性がある。すなわち、企図される様々な実施形態において、気球３００の高度制御は、太陽に対して気球の回転を調節してエンベロープ３０２の中のガスを選択的に加熱／冷却し、それによってこのようなガスの密度を調節することによって、少なくとも部分的に実現することができる。
【００７２】
[0083]  さらに、気球３０６は、ナビゲーションシステム（図示せず）を含むことができる。ナビゲーションシステムは、測位機能を実施して、気球の所望の空間分布（気球ネットワークトポロジ）の中の位置を維持する、かつ／または所望の空間分布に応じた位置まで移動することができる。具体的には、ナビゲーションシステムは、高度に関する風データを使用して、気球を所望の方向および／または所望の場所へ運ぶ風が得られる高度調節を決定することができる。この場合、高度制御システムが気球エンベロープ３０２の密度の調節をして、決定された高度調節を行い、それによって気球３００を所望の方向に、かつ／または所望の場所まで横に移動させることができる。付加的または代替的に、所望の高度調節は、地上または衛星の制御システムで計算し、気球３００に伝えることもできる。別の実施形態では、気球ネットワーク内の特定の気球は、他の気球の高度調節を計算し、その調節コマンドをこれら他の気球へ送出するように構成することができる。
【００７３】
[0084]  いくつかの例示的な実施態様が本明細書で説明される。本明細書に記載のデバイス、システム、および方法を実施するには多くの手法があることを理解されたい。したがって、以下の例は本開示の範囲を限定するものではない。
【００７４】
３．全二重光通信
[0085]  図４Ａは、自由空間光リンクを介して互いに通信する気球のネットワーク４００の図である。ネットワーク４００は、複数の光通信端末装置４０３ａ、４０４ｂを有する第１の気球４０２と、複数の光通信端末装置４０７ｂ、４０８ｂを有する第２の気球４０６と、複数の光通信端末装置４１１ａ、４１２ａを有する第３の気球４１０とを含む。ネットワーク４００内の気球の間で網目状ネットワークを形成するために、ネットワーク内の所与の気球４０２、４０６、４１０は、互いの間で光信号を送受信することができる。すなわち、第１の気球４０２と第２の気球４０６は、光路４１４に沿ってそれぞれの端末装置４０３ａと４０６ｂの間でデータ変調光信号を交換することによって、通信することができる。光路４１４は自由空間光学経路であり、これに沿って光信号が２つの気球４０２、４０６の間で、具体的には端末装置４０３ａ、４０７ｂの間で、伝搬する。同様に、第１の気球４０２と第３の気球４１０は、光路４１６に沿ってそれぞれの端末装置４０４ｂと４１２ａの間でデータ変調光信号を交換することによって、通信することができる。また第２の気球４０６と第３の気球４１０は、光路４１８に沿ってそれぞれの端末装置４０８ｂと４１１ａの間でデータ変調光信号を交換することによって、通信することができる。
【００７５】
[0086]  ネットワーク４００内の光通信リンクのそれぞれは、送信信号と受信信号を区別するための波長分割を使用して、双方向通信を可能にする。たとえば、光路４１４を介して、気球４０２は、第１の波長λ１を有する光を使用してデータを気球４０６へ送信し、気球４０６もまた、第２の波長λ２を有する光を使用してデータを気球４０２へ送信することができる。そのため、データは、同じ光路４１４を介して両方向に同時に送出することができ、２つの端末装置４０３ａ、４０７ｂは、ダイクロイックビームスプリッタ、フィルタなどの波長選択性光学部品を使用してλ１とλ２の光を分離し、受信信号の変調を検出することができる。２つの端末装置４０３ａ、４０７ｂはまた、送出信号のλ１またはλ２でデータ変調光を放出するように構成される、レーザダイオードおよび／またはレーザなどの波長別光源を含むこともできる。すなわち、光通信端末装置４０３ａは、出力データを表す波長λ１の光を放出し、同時に、入力データを表す波長λ２の光を検出するように構成される。相補的に、光通信端末装置４０７ｂは、出力データを表すλ２の光を放出し、同時に、入力データを表すλ１の光を検出するように構成される。そうして組み合わされて、光通信端末装置４０３ａ、４０７ｂは、光路４１４を介して気球４０２、４０６の間で双方向（全二重）データ通信を可能にする相補対を形成する。
【００７６】
[0087]  したがって、任意の２つの気球間の全二重通信を容易にするには、一般に２つの気球が相補対の端末装置を有する必要がある（すなわち、λ１で送出しλ２で受信する１つと、λ２で送出しλ１で受信するもう１つ）。全二重通信を可能にするこのような光通信端末装置の２つの相補モードは、本明細書の説明では便宜上、「モードＡ」および「モードＢ」と呼ばれることがある。モードＡでは、所与の端末装置がλ１の光を送出し、λ２の光を受光する。モードＢでは、所与の端末装置がλ２の光を送出し、λ１の光を受光する。すなわち、端末装置４０３ａはモードＡ端末装置であり、端末装置４０７ｂはモードＢ端末装置である。
【００７７】
[0088]  同様に、光路４１６を介する気球４０２と４１０の間の通信リンクは、λ２の光を送出しλ１の光を受光する（したがってモードB端末装置である）端末装置４０４ｂと、λ１の光を送出しλ２の光を受光する（したがってモードA端末装置である）端末装置４１２ａとによって終端される。また、光路４１８を介する気球４０６と４１０の間の通信リンクは、λ２の光を送出しλ１の光を受光する（したがってモードＢ端末装置である）端末装置４０８ｂと、λ１の光を送出しλ２の光を受光する（したがってモードA端末装置である）端末装置４１１ａとによって終端される。したがって、光通信端末装置の相補対のそれぞれは、気球４０２、４０６、４１０のそれぞれが互いの間で全二重通信を行うことを可能にする。
【００７８】
[0089]  図４Ｂは、光通信端末装置４２０の簡略化したブロック図である。光通信端末装置４２０は、個々の端末装置４０３ａ、４０４ｂ、４０７ｂ、４０８ｂ、４１１ａ、４１２ａのいずれかとすることができる。光通信端末装置４２０は、固定光学構成要素４２２の間で行き来するデータ変調レーザ光４２８を、（たとえば、ネットワーク４００内の別の気球の）別の端末装置の方へ光路４３１に沿って向けるように配置されたステアリングミラー４３０を含む。固定光学構成要素４２２およびステアリングミラー４３０は、フレームまたは他の構造的機能に取り付けて、様々な光学構成要素４２２とステアリングミラーの相対位置を実質的に固定することができる。
【００７９】
[0090]  ステアリングミラー４３０は、端末装置４２０の視野（FOVと表示された領域）に広がる様々な方向から入ってくる（また様々な方向に出ていく）光を方向づけるように構成される、向きが調節可能な反射面とすることができる。ステアリングミラーは、回転可能に取り付けることができ、反射面を回転軸に対して旋回させる調節可能な機械構成要素（たとえば、ステッピングモータなど）を含むことができる。固定光学構成要素４２２は、データ変調光を放出するための１つまたは複数のレーザ光源４２４と、受光した光を検出するための１つまたは複数の光検出器４２６とを含む。そうして検出器４２６からの信号を使用して、受光した光の変調に従って、入ってくるデータを抽出することができる。モデムを使用して、出力データをデータ変調レーザ光にマッピングすることができ、また受光したデータ変調光を入力データにマッピングすることもできる。
【００８０】
[0091]  固定光学構成要素４２２は、レーザ光源４２４からの放出光をステアリングミラー４３０の方に、データ変調レーザ光を方向４３１（たとえば、別の端末装置に向かう光路）に沿って送出するように向ける。光学構成要素４２２はまた、同じ光学軸に沿って入ってくる光を受光し、この入ってくる光をレーザ光検出器４２６に向けるように構成される。固定光学構成要素４２２は、入ってくるのと出ていくのと両方のデータ変調光４２８の共用光学経路を提供するので、ステアリングミラー４３０は、放出光を方向４３１に送出されるように向けるために、また方向４３１からの入ってくる光を検出器４２６に向けるために使用することができる。ステアリングミラー４３０の向きを方向矢印４３２によって示されるように動かすと、反射光の方向が変化して、光通信端末装置４２０が、視野ＦＯＶ内の別の方向の端末装置と通信することが可能になる。実際には、ステアリングミラー４３０は、複数の軸のまわりを旋回／回転するように構成して、方位角と仰角の両方に沿って広がる視野を得ることができる。たとえば、光通信端末装置４２０は、固定光学構成要素４２２に出入りするデータ変調レーザ光４２８が垂直に向けられるように（たとえば、地球の表面に対してほぼ直角）、またステアリングミラー４３０が約４５°に向けられて光を同様の高度の気球間で反射するように、気球のペイロードに取り付けることができる。そうして、光端末装置４２０の視点から、ステアリングミラーの傾斜角を調節すると異なる仰角を得ることができ、またデータ変調レーザ光４２８の方向と平行な軸のまわりにステアリングミラー４３０を回転させると、異なる方位角を得ることができる。
【００８１】
[0092]  光源４２４および光検出器４２６に加えて、光通信端末装置４２０はまた、光径路を提供するように位置合わせされた様々な光学要素（たとえば、レンズ、フィルタ、反射器、ファイバ、開口部など）、および１つまたは複数のハードウェア、ソフトウェアおよび／またはファームウェア実装モジュールが実装されたコントローラを含むことができる。コントローラは、データを送出レーザ光に符号化するように、受光したレーザ光からデータを復号するように、送出／受光した光を特定の光路などと位置合わせするためにステアリングミラーの向きを調節するように、構成することができる。リニア符号器、および／または感光アレイの照明によって角度もしくは受光した光を検出する到着角センサなどの、ステアリングミラー４３０の向きを示すフィードバックセンサもまた含むことができる。
【００８２】
[0093]  時間が経つにつれて、ネットワーク４００の構成は様々な理由のために再配置され得る。気球の互いの位置が変化するので、新しい構成に対応するための新しい光通信リンクが形成され得る。さらに、気球がネットワークから取り除かれ、または見通し光接続するにはあまりに遠くに移動すると、かつ／または気球がネットワークに追加され、または見通し光接続が可能な領域に入ると、ネットワーク４００内の気球の個体数が時間の経過と共に変化し得る。上記のように、２つの任意の気球間に全二重通信リンクを形成するには、２つの端末装置に相補端末装置（たとえば、一方にモードA端末装置、もう一方にモードB端末装置）が装備される必要がある。このような光リンクを任意の対の気球間で形成しやすくするために、光通信端末装置は、全二重通信の２つの相補モード間で切り換わるように構成することができる（たとえば、モードAからモードBに、また逆も同様に）。
【００８３】
[0094]  図４Ｃおよび図４Ｄに示されるように、光端末装置４２０は、２つのモード間で切り換えてステアリングミラー４３０の向きを調節するように構成することができる。光端末装置４２０は、操作モードに応じて、ステアリングミラーによって所与の光路と選択的に位置合わせされるように配置された、空間的に分離された発光器および検出器を含むことができる。たとえば、光端末装置は、共通の方向に光を送出／受光する第１の発光器／検出器の対を含むことができ、ステアリングミラーは第１の向きを有する。光端末装置はまた、同じ方向に光を送出／受光する第２の発光器／検出器の対を含むこともでき、ステアリングミラーは第２の向きを有する。第１の発光器／検出器の対はλ１で送出し、λ２で受光し、したがって光端末装置４２０はモードＡで動作するように構成することができ、ステアリングミラー４３０は第１の向きを有し、また第２の発光器／検出器の対はλ２で送出し、λ１で受光し、したがって光端末装置４２０はモードＢで動作するように構成することができ、ステアリングミラー４３０は第２の向きを有する。すなわち、端末装置４２０は、モードＡで動作しているときに使用されるλ１レーザ光源４４２およびλ２検出器４４４を含み、モードＢで動作しているときに使用されるλ２レーザ光源４５０およびλ１検出器４５２もまた含むことができる。
【００８４】
[0095]  図４Ｃは、全二重通信の第１のモード（たとえば、モードA）で動作するように位置合わせされた光通信端末装置４２０の簡略化したブロック図である。モードＡでは、光通信端末装置４２０は、λ１で送出しλ２で受光し、ステアリングミラー４３０は、固定光学構成要素との間のデータ変調光４２８を方向４３１に（別の端末装置の方へ）向ける。光学構成要素は、λ１光を実質的に反射しλ２光を実質的に透過させるダイクロイックビームスプリッタ４４０を含む。それによって、ダイクロイックビームスプリッタ４４０は、光端末装置４２０を通過する波長依存性光径路を提供し、またそれによって送出λ１光４４６を、受光したλ２光４４８から分離する。それによって、ダイクロイックビームスプリッタ４４０は、λ１光４４６が、光端末装置内の、受光されるλ２光４４８が検出される場所とは空間的に異なる場所から放出されることを可能にし、さらに、λ１光およびλ２光（４２８）は、ダイクロイックビームスプリッタ４４０とステアリングミラー４３０の間の共通光経路をたどって（反対向きであるが）伝搬する。図４Ｃで、ステアリングミラー４３０は第１の向きを有し、λ１レーザ光源４４２からのデータ変調レーザ光４４６を方向４３１の方へ向ける。同時に、ステアリングミラー４３０は、方向４３１からの入ってくるλ２光４４８をλ２検出器４４４の方へ向ける。第１の向きにある間、光端末装置４２０はモードＡで動作し、方向４３１に位置する遠隔の端末装置と全二重通信を行うように構成される。
【００８５】
[0096]  図４Ｄは、全二重通信の第２のモード（たとえば、モードA）で動作するように位置合わせされた光通信端末装置４２０の簡略化したブロック図である。モードＢでは、光通信端末装置４２０は、λ２で送出しλ１で受光し、ステアリングミラー４３０は、固定光学構成要素との間のデータ変調光４２９を方向４３１に（別の端末装置の方へ）向ける。図４Ｄで、ステアリングミラー４３０は、λ２レーザ光源４５２からのデータ変調レーザ光４５６を方向４３１に向けて方向づける、第２の向きを有する。同時に、ステアリングミラー４３０は、方向４３１からの入ってくるλ１光４５４をλ１検出器４５０の方へ向ける。第２の向きにある間、光端末装置４２０はモードＢで動作し、方向４３１に位置する遠隔の端末装置と全二重通信を行うように構成される。
【００８６】
[0097]  ステアリングミラー４２０が、出ていく光および入ってくる光をモード別発光器／検出器の対と位置合わせし、次に、ステアリングミラー４３０の位置合わせを変更することによってモードを単独で変えることを可能にするために、光端末装置内の光径路は、共通の量だけ互いに角度オフセットされる。すなわち、端末装置４３０内で、出ていくλ１光が（モードAで）通る、λ１レーザ４４２とステアリングミラー４３０の間の光径路は、入ってくるλ１光が（モードBで）通る、λ１検出器４５０とステアリングミラー４３０の間の光学経路から角度分離されている。この角度分離は、出ていく／入ってくる光が、動作モードに応じて、ステアリングミラー４３０の操作によってλ１レーザ４４２またはλ１検出器４５０に交互に向けられることを可能にする。同様に、出ていくλ２光が（モードBで）通る、λ２レーザ４５２とステアリングミラー４３０の間の光径路は、入ってくるλ２光が（モードAで）通る、λ２検出器４４４とステアリングミラー４３０の間の光径路から角度分離されている。２つのλ１光学経路間の角度分離は、２つのλ２光学経路間の角度分離と同じにすることができる。
【００８７】
[0098]  レーザ光源４４２、４５２、検出器４４４、４５０、およびダイクロイックビームスプリッタ４４０を前述のように共同角度分離が実現するように配置することによって、端末装置４２０は、ステアリングミラー４３０を動かすことによって、また対応する光源と検出器を作動させることによって、単独に動作モード間で切り換わることができる。その結果、端末装置４２０は、ステアリングミラーを動かすことによって単独で全二重通信のモードを切り換えるように動的に再構成することができ、端末装置４２０内の残りの光学構成要素は固定のままとすることができ、位置合わせは維持することができる。それによって、この配置は、端末装置４２０が光端末装置内のステアリングミラー４２０以外の構成要素を何ら調整または調節せずに動作モードを切り換えることを可能にする。
【００８８】
[0099]  実際には、ステアリングミラー４３０の「第１の向き」および「第２の向き」は、所与の方向４３１に対して実質的に固定された角度の向きとすることができる。しかし、任意の方向の（端末装置４２０の視野内の）遠隔端末装置と通信するために、端末装置４２０は、ある範囲の角度にかけてミラーを向けて、出ていく光および入ってくる光をそれに応じて方向づけるように構成することができる。一般に、光自由空間伝搬の所与の方向（すなわち、所与の光路）に対して、ステアリングミラー４３０の実現可能な２つの異なる向きがある。すなわち、送出／受光される光を（モードA通信のために）λ１発光器およびλ２検出器と位置合わせするものと、送出／受光される光を（モードB通信のために）λ２発光器およびλ１検出器と位置合わせする別のものである。したがって光端末装置は、全二重通信のモード、および光路の方向に基づいてステアリングミラー４３０の向きを選択および維持できる制御システムを含むことができる。
【００８９】
[00100]  場合によっては、ネットワーク４００内の個々の光通信端末装置の動作モードは、集中制御システム（たとえば、図２に関連して説明された制御システム２００）によって割り当てることができる。別の場合では、動作モードは、ネットワーク４００内の個々の気球間の初期通信に基づくアドホックベースで確立して、網目状ネットワークを作り上げるリンクを形成することができる。
【００９０】
４．例示的な全二重光通信端末装置
[00101]  図５は、２つの異なるモードで交互に動作するように配置された例示的な光通信端末装置５００の図である。光通信端末装置５００は、いくつかの点で上述の光通信端末装置４２０と類似していることができ、上述のネットワーク内の気球などの高高度プラットフォームのペイロードに取り付けられるように構成することができる。端末装置５００は、ステアリングミラー５０２と、λ１を反射しλ２を透過し、それによって光を波長に基づいて分離するダイクロイックビームスプリッタ５１８とを含む。図５の図は、光端末装置５００を通る、モードＡとモードＢの交互の動作に対応する２つの別個の光経路を示す。破線は、モードＡでの動作中に通る、送出されるλ１光の光経路を示し、また受光されるλ２光の光経路も示す。点線は、モードＢでの動作中に通る、送出されるλ２光の光経路を示し、また受光されるλ１光の光経路も示す。別個の各光経路は、ビームステアリングミラー５０２の異なる向きに対応すると共に、集束／平行化光学部品、フィルタ、ビームスプリッタなどの光学構成要素を共用するのに十分なだけ小さく角度分離されている。しかし、別個の経路はまた、光端末装置５００内の空間的に分離された場所との間で光を方向づけ、それによって別個の動作モードを可能にするには十分なだけ大きく角度分離される。
【００９１】
４ａ）波長差別化光経路
[00102]  光端末装置５００の特徴は一般に、入ってくる光に関して説明されるが、光は反対の（出ていく）方向にも伝搬できることを理解されたい。別の遠隔端末装置からの光の平行ビームは、端末装置５００への自由空間光学経路に沿って伝搬してから、入ってくる光を中継光学部品５０６の方に向けるステアリングミラー５００で反射される。中継光学部品は、ステアリングミラー５０２と端末装置５００内の残りの光学構成要素との間の光の平行ビームを中継する１つまたは複数のレンズ、反射器、開口部などを含むことができる。中継光学部品５０６は、必要があればビームを別のサイズに縮小拡大し、ビームスプリッタ５０８に向けて平行ビームを出力することができる。ビームスプリッタ５０８は、入ってくる光の一部を、ステアリングミラー５０２の位置合わせを制御するために使用する方位フィードバックセンサ５１４に向けて逸らす。これについては以下でさらに説明される。ビームスプリッタ５０８は、たとえば、入って来る光の約２％〜５％を逸らすことができ、残りの光がダイクロイックビームスプリッタ５１８へ透過される。
【００９２】
[00103]  ダイクロイックビームスプリッタ５１８は、波長に依存する透過／反射プロファイルを有する光学要素とすることができる。場合によって、ダイクロイックビームスプリッタ５１８は、レンズなどの他の光学要素に施される波長依存型コーティングによって実施することができる。ダイクロイックビームスプリッタ５１８は、波長λ１を有する光を実質的に反射し、波長λ２を有する光を実質的に透過させることができる。したがって、ダイクロイックビームスプリッタ５１８により、入って来る光が波長に応じて別々の光経路を通ることになる。波長λ１を有する光は、中継光学部品５０６の光学軸を実質的に横切る枝路に入り、波長λ２を有する光は、中継光学部品の光学軸と平行な枝路へ進むことができる。
【００９３】
[00104]  λ１枝路をたどって光は、他の波長を有する光を阻止する助けになるフィルタ５２０を通過する。フィルタ５２０は、ある範囲のλ１を含む波長を透過させる。フィルタ５２０はまた、λ２光を実質的に阻止することもでき、これは、光端末装置５００の別の枝路の光からのクロストークを軽減する助けになる。次に、フィルタリングされたλ１光は集束光学部品５２２によって集束されて、検出場所５２４を照明する。集束光学部品５２２は、モードＢで端末装置が動作する間、点線で示されるように、λ１光の平行ビームを検出場所５２４の上に集束する適切な焦点距離を持つレンズを含むことができる。検出場所５２４は、たとえばファイバ接続を介して、λ１検出器５４２（たとえば、アバランシェフォトダイオードなど）に光学的に結合することができる。いくつかの例では、検出場所５２４は、λ１検出器５４２に接続される光ファイバケーブルを終端するフェルールの開口部によって実施することができる。
【００９４】
[00105]  光伝搬の逆方向では、λ１レーザ５４４からの光を放出場所５２６にファイバ結合することができる。破線で示されるように、モードＡで、放出場所５２６から放出されたλ１光は、放出光を平行化し光を逆に向けてフィルタ５２０からダイクロイックビームスプリッタ５１８まで通す、集束光学部品５２２の方へ伝搬し、ダイクロイックビームスプリッタでは、λ１光が、自由空間光経路を介して伝送するためのステアリングミラー５０２に向かって反射される（中継光学部品５０６を経由して）。放出場所５２６は、λ１レーザ５４４に接続される光ファイバケーブルを終端するフェルールの開口部によって実施することができる。場合によって、検出場所５２４および放出場所５２６は、デュアルコアファイバフェルールによって実施することができ、そうするとそれぞれの光信号は、ファイバ内のそれぞれのコアを介してλ１検出器５４２およびλ１レーザ５４４まで搬送することができる。
【００９５】
[00106]  入って来る光を再び参照すると、λ２枝路を（ダイクロイックビームスプリッタ５１８を透過したλ２光から）たどって、光は、他の波長を有する光を阻止する助けになるフィルタ５２８を通過する。フィルタ５２８は、ある範囲のλ２を含む波長を透過させる。フィルタ５２８はまた、λ１光を実質的に阻止することもでき、これは、光端末装置５００の別の枝路の光からのクロストークを軽減する助けになる。次に、フィルタリングされたλ２光は集束光学部品５３０によって集束されて、検出場所５３４を照明する。集束光学部品５３０は、モードＡで端末装置５００が動作する間、破線で示されるように、λ２光の平行ビームを検出場所５３０の上に集束する適切な焦点距離を持つレンズを含むことができる。検出場所５３０は、たとえばファイバ接続を介して、λ２検出器５４８（たとえば、アバランシェフォトダイオードなど）に光学的に結合することができる。いくつかの例では、検出場所５３４は、λ２検出器５４８に接続される光ファイバケーブルを終端する、フェルールの開口部によって実施することができる。
【００９６】
[00107]  光伝搬の逆方向では、λ２レーザ５４６からの光を放出場所５３２にファイバ結合することができる。点線で示されるように、モードＢで、放出場所５３２から放出されたλ２光は、放出光を平行化し光を逆に向けてフィルタ５２８からダイクロイックビームスプリッタ５１８まで通す、集束光学部品５３０の方へ伝搬し、ダイクロイックビームスプリッタでは、λ２光が、自由空間光経路を介して伝送するためのステアリングミラー５０２に向かって透過する（中継光学部品５０６を経由して）。放出場所５３２は、λ２レーザ５４６に接続される光ファイバケーブルを終端する、フェルールの開口部によって実施することができる。場合によって、検出場所５３４および放出場所５３２は、デュアルコアファイバフェルールによって実施することができ、そうするとそれぞれの光信号は、ファイバ内のそれぞれのコアを介してλ２検出器５４８およびλ２レーザ５４６まで搬送することができる。
【００９７】
４ｂ）向きフィードバック
[00108]  上記のように、光端末装置５００はまた、ステアリングミラー５０２で反射した後にビームスプリッタ５０８で逸れた、入ってくる光の一部分を検出する方位フィードバックセンサ５１４を含む。逸れた光（ビームスプリッタ５０８に入射する光の約２％〜５％であり得る）は、フィルタ５１０（λ１光とλ２光の両方を通し、他の波長の光を阻止することができる）を通過し、次に、集束光学部品５１２によって、方位フィードバックセンサ５１４上に集束する。方位フィードバックセンサ５１４は、アレイを照明する光のパターンに基づいて電気信号を生成するフォトダイオードのアレイなどの感光アレイ５１６を含むことができる。モードＡでは、遠隔端末装置から受光されたλ２光が、破線で示されるように感光アレイ５１６を照明する。モードＢでは、遠隔端末装置から受光されたλ１光が、点線で示されるように感光アレイ５１６を照明する。
【００９８】
[00109]  照明される感光アレイ５１６上の位置は、入射光の到着角に依存する。したがって、感光アレイ５１６を用いて検出される照明パターンを使用して、ステアリングミラー５０２の向きを決定することができる。たとえば、感光アレイ５１６上に集束した光の重心位置を決定することができ、ステアリングミラー５０２の向きは、この重心位置に基づいて決定することができる。このような決定は、たとえば、方位フィードバックセンサ５１４からの、測定された照明パターンを表す信号を受信するコントローラ５５０を使用して行うことができる。方位フィードバックセンサ５１４からの信号に基づいて、コントローラ５５０は、ミラー位置調整システム５０４に対するコマンドを生成し、それによってステアリングミラー５０２の向きを調節し、またそれによって入射光を所望の手法で位置合わせすることができる。さらに、端末装置５００内の光学構成要素が互いに固定されるので（たとえば、共通フレーム構造体に取り付けられることによって）、感光アレイ５１６の方へ逸れた光の異なる重心位置は、λ１またはλ２枝路へ進む光の異なる位置合わせに対応する。具体的には、端末装置５００がモードＡまたはモードＢで動作する位置合わせに入射光が対応する、感光アレイ５１６上の２つの特定の目標場所がある。
【００９９】
[00110]  たとえば、逸れたλ１光が、感光アレイ５１６上で点線が収束するＢの印が付いた場所に集束するとき、ビームスプリッタ５０８で逸れていないλ１光は、検出場所５２４を照明するように位置合わせされ、また放出場所５３２から放出されたλ２光は同時に、λ１光が受光されるのと同じ方向（たとえば、遠隔端末装置の方）に伝搬するように方向づけられる（ステアリングミラー５０２によって）。したがって、目標場所Ｂは、モードＢでの端末装置５００の動作と関連付けられた感光アレイ５１６上の場所とすることができる。同様に、逸れたλ２光が、感光アレイ５１６上で破線が収束するＡの印が付いた場所に集束するとき、ビームスプリッタ５０８で逸れていないλ２光は、検出場所５３４を照明するように位置合わせされ、また放出場所５２６から放出されたλ１光は同時に、λ２光が受光されるのと同じ方向（たとえば、遠隔端末装置の方）に伝搬するように方向づけられる（ステアリングミラー５０２によって）。したがって、目標場所Ａは、モードＡでの端末装置５００の動作と関連付けられた感光アレイ５１６上の場所とすることができる。目標場所ＡおよびＢは、感光アレイ５１６上の実質的に固定された場所とすることができ、較正ルーチンに基づいて決定することができる。いくつかの例では、２つの目標場所ＡおよびＢは、単一の感光アレイ（たとえば、感光アレイ５１６）上の位置とすることができる。とはいえ、いくつかの例では、方位フィードバックセンサ５１４は、目標場所ＡおよびＢのそれぞれに設置された２つの別個の感光アレイを含むこともできる。
【０１００】
４ｃ）コントローラ
[00111]  コントローラ５５０は、感光アレイ５１６を照明する光の測定値を使用してステアリングミラー５０２の向きを調節するように構成することができる。コントローラ５５０は、感光アレイを照明する光の重心位置が、動作モードに応じて、２つの目標場所のうちの１つに近づくようにステアリングミラー５０２を調節することができる。たとえば、コントローラ５５０は、感光アレイ５１６上の照明パターンの測定値を取得し、照明パターンを所望の目標場所により近く移動させるステアリングミラー５０２の向きの調節を決定し、次に、それに応じて位置調整システム５０４に指示することができる。さらに、コントローラ５５０は、継続的に動作してステアリングミラー５０２を調節することができ、それによって進路が、たとえば遠隔端末装置の相対的動きにより、入射光の方向に微妙な変化をする。
【０１０１】
[00112]  １つの例では、コントローラ５５０は、処理ユニット５５２、データ記憶装置５５６、および１つまたは複数の入出力ポート５５４を含むことができ、これらは、システムバス、または１つもしくは複数の他の接続機構５６２によって通信可能に一緒に連結することができる。データ記憶装置５５６は、非一時的コンピュータ可読媒体を含むことができ、また位置データ５５８および動作命令５６０を含む。命令５６０は、たとえば、処理ユニット５５２によって実行されたときに本明細書に記載の機能をコントローラ５５０が行うプログラム論理を含むことができる。すなわち、命令５６０により、コントローラ５５０は、方位フィードバックセンサ５１４からのデータに基づいてステアリングミラー５０２の向きに対する調節を決定し、ミラー位置調整システム５０４への対応する命令を生成することができる。位置データ５５８は、全二重通信の２つの異なるモードに対応する、感光アレイ上の特定の目標場所についての格納された表示を含むことができる。したがって、位置データ５５８は、たとえば較正ルーチン中に確立することができる。入出力ポート５５４は、向きフィードバックシステム５１４からデータを受信するように、またミラー位置調整システム５０４にコマンド命令を与えるように、機能する。
【０１０２】
[00113]  加えて、コントローラ５５０は、おそらく他のエンティティと連係して、集中コントローラ（または他のエンティティ）からモード選択コマンドを受信するように、またそれに応じて端末装置５００がそれ自体を構成するように（たとえば、対応する目標場所と位置合わせすることによって）、機能することができる。
【０１０３】
[00114]  さらに、コントローラ５５０は、おそらく他のエンティティと連係して、端末装置を動作させてデータを送受信するように機能することができる。コントローラ５５０および／またはモデム５４０は、モードＡの間、自由空間光リンクを介して伝送する出力データを受信し、またλ１レーザ５４４に、出力データに従って変調されている光を放出光させることができる。同時に、コントローラ５５０および／またはモデム５４０は、λ２検出器５４８によって検出された光の変調に基づいて入力データを抽出することができる。同様に、コントローラ５５０および／またはモデム５４０は、モードＢの間、自由空間光リンクを介して伝送する出力データを受信し、またλ２レーザ５４６に、出力データに従って変調されている光を放出させることができる。同時に、コントローラ５５０および／またはモデム５４０は、λ１検出器５４２によって検出された光の変調に基づいて入力データを抽出することができる。
【０１０４】
[00115]  端末装置５００は、波長λ１およびλ２の光信号に関して一般的に説明されているが、２つの波長は様々な値の範囲を有し得ることを理解されたい。場合によって、大気中で吸収されにくい波長を選択することができる。たとえば、λ１は約１５４０ナノメートル、またλ２は約１５６０ナノメートルとすることができる。もちろん、別の例では、２つの波長の大きい方が横に逸れ、端末装置５００のλ１枝路をたどるように、λ１を１５６０に、λ２を１５４０にすることができる。しかし、紫外、可視、および近赤外スペクトルの多くの他の波長もまた選択することができる。加えて、λ１およびλ２の所与の値に対して、様々なフィルタ、５１０、５２０、５２８、レーザ５４２、５４６、検出器５４４、５４８、およびダイクロイックビームスプリッタ５１８を選択して（レージング媒体、フォトダイオード、コーティングなどの選択を含めて）、本明細書に記載の波長固有の挙動を得ることができる。さらに、向きフィードバック５１４の感光アレイ５１６は、受信波長の検出に適している技術を用いて実施することができる。一例として、ヒ化インジウムガリウム（InGaAs）要素を含むフォトダイオードから形成されたセンサアレイは、エルビウムドープ固体レーザダイオードからの光（たとえば、１５５０ナノメートル近辺の帯域内）を検出するのに適している。他の多くの例が、様々な材料でドープしたイットリウムアルミニウムガーネット（YAG）を含むレージング媒体を有する、レーザダイ
オードによって実現された１０００ナノメートル近辺の帯域内の波長を含めて、可能である。
【０１０５】
４ｄ）代替方位フィードバックセンサ
[00116]  図６は、別の例示的な光通信端末装置６００の図である。端末装置６００は、図５に関連して上述した端末装置５００といくつかの点で類似しており、ネットワーク内の気球などの高高度プラットフォームのペイロードに取り付けて、別の気球との間に自由空間光通信リンクを提供することができる。しかし、端末装置６００は、上述の方位フィードバックセンサの代替配置を含む。端末装置６００は、粗位置センサ６２４および精密位置センサ６１４を含み、これらはそれぞれ、ビームスプリッタ５０８で逸らされフィルタ５１０を通過する光の一部分を受光する。図６に示された例示的な構成では、第２のビームスプリッタ６１０は、ビームスプリッタ５０８からの入ってくる光ビームを分割し、一部を精密位置センサ６１４の方へ反射し、一部を粗位置センサ６２４の方へ透過させる。ビームスプリッタ６１０は光を、およそ半分がそれぞれの方向に進むように分割することができるが、他の可能性を用いることもできる（たとえば、40/60、30/70など）。いくつかの例では、端末装置６００は、ステアリングミラー５０２で反射された少なくとも一部の光をそれぞれのセンサが受光するように端末装置６００の光学経路に沿って様々な異なる位置に置かれた、精密位置センサ６１４および粗位置センサ６２４を用いて実施することができる。そのため、精密位置センサ６１４および粗位置センサ６２４を使用して、ステアリングミラー５０２の向きの、したがってまた端末装置６００の動作モードの、フィードバックを得ることができる。
【０１０６】
[00117]  集束光学部品６２２は、粗位置センサ６２４の感光アレイ６２６上に光を集束し、集束光学部品６１２は、精密位置センサ６１４の感光アレイ６１６上に光を集束する。感光アレイ６１６、６２６のそれぞれには、モードＡまたはモードＢにおける動作の位置合わせと関連付けられた目標場所がある。粗位置センサ６２４は、ステアリングミラー５０２に粗い向きフィードバックを与えるのに使用され、精密位置センサ６１４は、向きの精密調整を行うのに使用される。したがって、粗位置センサ６２４によって検出できる入射光の角度は、精密位置センサ６１４によって検出できる入射光の角度よりも、細分性は粗いが大きい範囲に及ぶことができる。一般に、位置センサ６１４、６２４のいずれかを用いて検出できる角度スパン、および特定の角度を分解できる程度は、それぞれの集束光学部品６２２、６１２と、それぞれの感光アレイ６１６、６２６のサイズおよび分解能との両方に依存する。たとえば、両方の感光アレイ６１６、６２６は実質的に類似のものとすることができるが、集束光学部品６２２は相対的に短い焦点距離を有することができ、これにより、感光アレイ６１４が光学部品６２２に近接して位置付けられ、また感光アレイ６２６を照明する入射光の角度範囲をより大きくすることが可能になる。対照的に、集束光学部品６１２は、相対的に長い焦点距離を有することができ、これにより、感光アレイ６１６がより遠く離れて位置付けられ、また感光アレイ６１６を照明する入射光の角度範囲は小さくなるが、角度間の分解能をより大きくすることが可能になる。
【０１０７】
[00118]  いくつかの例では、粗位置センサ６２４は主に、入射光が精密位置センサ６１４の感光アレイ６１６を照明するように、ステアリングミラー５０２を十分な精度で位置合わせするために使用することができる。さらに、いくつかの例では、端末装置６００はまた、端末装置の光学経路内に、一次粗ステアリングミラー（たとえば、ステアリングミラー５０２）によって反射された光を受光する追加の精密ステアリングミラーを含むこともできる。このような配置では、粗ステアリングミラーは、粗位置センサからの向きフィードバックを受けることができる。この場合、粗位置センサを使用して、入射光が精密ステアリングミラーによって反射されるように粗ステアリングミラーを指向させることができる。そうして精密ステアリングミラーは、精密ステアリングミラーによって反射された光を受光するように位置している精密位置センサから、向きフィードバックを受けることができる。
【０１０８】
[00119]  別の例では、２つの感光アレイ６１６、６２６は、異なる構成を有することができる。たとえば、精密位置センサアレイ６１６は、４つの画素検出器または別の位置検知検出器の交点を基準として入射ビームの位置を検出する、４セル検出器とすることができる。粗位置センサアレイ６２６は、撮像用途に使用されているものと類似している画素検出器の二次元アレイなど、視野が大きい感光アレイとすることができる。さらに、精密位置センサアレイ６１６（たとえば、4セル検出器）は、粗位置センサアレイ６２６よりも相対的に高い読出し速度で動作させることができ、それによって、より頻繁なフィードバックがステアリングミラー５０２の向きを調節するのに可能になる。
【０１０９】
[00120]  両方の位置センサ６２４、６１４からのフィードバックは、コントローラ６５０に与えることができ、コントローラは、測定光の位置をモード別の目標場所（たとえば、図６でAおよびBの印が付けられた場所）と位置合わせするためにステアリングミラー５０２の向きの調節を決定し、それに応じてミラー位置調整システム５０４に命令する。いくつかの例では、初期リンクを形成するとき、コントローラ６００は最初に、入ってくる光の重心位置を精密なセンサ６１４で検出できるかどうかを調べることができる。最初の位置合わせがあまりにオフセットしていて精密位置センサ６１４に到達しない場合など、検出できない場合には、コントローラ６００は、粗位置センサ６２４からの情報に基づいてステアリングミラー５０２の向きの調節を開始し、次に、検出重心位置が粗位置目標場所に近くなると、精密位置センサ６１４を使用することに移行することができる。場合によって、粗位置センサ６２４および／または精密位置センサ６１４は、複数の別個の感光検出器を含むことができ、１つの検出器が、上述の方位フィードバックセンサ５１４と同様に、それぞれのモード別の目標場所に位置している。たとえば、精密位置センサアレイ６１６は、１つが目標場所Ａに、１つが目標場所Ｂにある２つの４セル検出器を含むことができる。さらになお、コントローラ６５０は、２つの位置センサ６１４、６２４からの測定値の組合せを同時に使用するように構成することもできる。
【０１１０】
４ｅ）位置合わせレーザ
[00121]  図７は、別の例示的な光通信端末装置７００の図である。端末装置７００は、図５に関連して上述した端末装置５００といくつかの点で類似しており、ネットワーク内の気球などの高高度プラットフォームのペイロードに取り付けて、別の気球との間に自由空間光通信リンクを提供することができる。しかし、端末装置７００は、λ１ともλ２とも異なる第３の波長λ３の光を放出する位置合わせレーザ光源７２８を含む。別のダイクロイック要素７１０は、λ１光およびλ２光を実質的に透過させ、λ３光を実質的に反射する。ダイクロイック要素７１０は、入ってくる光を中継光学部品５０６から受光するように位置付けられ、それによって、入ってくるλ３光をλ１枝路およびλ２枝路とは別個のλ３光経路に沿って逸らす。逸れたλ３光は、λ３光を選択的に透過させるフィルタ７１２を通過し、次にビームスプリッタ７２０が、入ってくるλ３光の一部を方位フィードバックセンサ７１６の方へ通過させる。ビームスプリッタ７２０は、λ３レーザ光源７２８からの光を、遠隔端末装置までダイクロイック要素７１０、中継光学部品５０６、およびステアリングミラー５０２を介して伝送するように方向づける。
【０１１１】
[00122]  位置合わせレーザ７２８は、ファイバを介して放出場所７２６に光学的に結合される。光学部品７２４は、放出場所７２６からのλ３光を平行化し、その光をビームスプリッタ７２０の方へ向ける。ビームスプリッタ７２０は、λ３の光を一部反射すると共にλ３の光を一部透過させる光学要素とすることができる。上記のように、ビームスプリッタ７２０は、端末装置７００から送出されるべきλ３光の少なくとも一部を逸らし、また一部の入ってくる（遠隔の端末装置からの）λ３光を方位フィードバックセンサ７１６へと通過させる。
【０１１２】
[00123]  λ３枝路に入った後、入ってくるλ３光はフィルタ７１２を通過し、集束光学部品７１４によって方位フィードバックセンサ７１６の感光アレイ７１８上に集束される。方位フィードバックセンサ７１６は、感光アレイ７１８がλ１およびλ２ではなくλ３の光を検出するように構成されていることを除いて、図５に関連して説明された方位フィードバックセンサ５１４と類似のものにすることができる。方位フィードバックセンサ７１６は、感光アレイ７１８を照明する測定λ３光を表す信号をコントローラ７５０に供給する。またコントローラ７５０は、ミラー位置決めシステム５０４を作動させてステアリングミラー５０２の向きを、照明光の重心位置がモード別の目標場所（たとえば、図７でAおよびBの印が付けられた場所）と位置合わせされるように調節することができる。
【０１１３】
[00124]  ダイクロイック要素７１０は、少なくとも一部の入ってくるλ３光を方位フィードバックセンサ７１６に向けて逸らし、しかもなおλ３レーザからの少なくとも一部の出ていくλ３光を透過させるようにも、またλ１およびλ２のすべての光を実質的に透過させるようにも、構成される。したがって、ダイクロイック要素７１０は、λ３を選択的に反射する層で部分的にコーティングされた、λ３光を反射部分と透過部分に分割する光学部品によって実施することができる。さらに、２つのダイクロイック要素７１０、７２０は、λ３を（少なくとも部分的に）反射しλ１およびλ２を透過させる品物として示されているが、いくつかの実施形態では、λ３を透過させλ１およびλ２を反射するダイクロイック要素を含むことができ、その場合には、λ１光経路およびλ２光経路は、中継光学部品５０６の光学軸に対し横に向けることができる。同様に、位置合わせレーザ放出場所７２６または方位フィードバックセンサ７１６は、中継光学部品の光学軸と平行に設置することができる。しかし、一般にはダイクロイック要素７１０、７２０は、λ３光が端末装置７００中の別の光経路を行き来するように、しかもなお、ステアリングミラー５０２で反射されたλ１およびλ２の透過／受光される光と一直線になるように、配置される。
【０１１４】
[00125]  通信波長（たとえば、λ１およびλ２）とは波長が異なる（たとえば、λ３）別個の位置合わせレーザを使用すると、いくつかの利点が得られる。方位フィードバックセンサ７１６を照明するλ３光の電力は、端末装置５００および６００のように、通信信号の電力を犠牲にしては来ない。非通信波長の位置合わせセンサを分離すると、方位フィードバックセンサ７１６に供給されるλ３光の信号対雑音が、通信信号の信号対雑音と実質的に無関係になることが可能になる。
【０１１５】
[00126]  加えて、感光アレイ７１８は、通信波長とは無関係のλ３の光に感応するフォトダイオードを設けるように実施することができる。たとえば、通信波長が１５５０ナノメートルに近い帯域内でも、位置合わせレーザは９０４ナノメートルとすることができ、また感光アレイ７１８は、ＩｎＧａＡｓではなく相補型金属酸化膜半導体（CMOS）アレイのフォトダイオードを使用して実施することができる。
【０１１６】
[00127]  一般に、本明細書に記載の光通信端末装置の様々な特徴は、様々な異なる様式で組み合わせることができる。たとえば、光通信端末装置は、図６に関連して説明された端末装置６００の代替方位フィードバックセンサ配置を、図７に関連して説明された別個の位置合わせレーザと組み合わせて両方を含むように実施することができる。
【０１１７】
[00128]  加えて、図５〜７の図に詳細には示されていないが、光端末装置５００、６００、７００のそれぞれはまた、様々な光学構成要素が取り付けられるフレーム、ハウジング、または他の構造的機能も含む。フレーム構造体は、モードＡおよびモードＢの波長別の経路が互いに位置合わせされて存続するように、各光学構成要素（たとえば、レンズ、ダイクロイック要素、反射器、放出場所、検出場所など）の相対的間隔、向き、および／または位置を保持することができる。
【０１１８】
５．例示的な動作
[00129]  図８は、例示的な実施形態による、光通信端末装置を動作させるための例示的な処理８００の流れ図である。図８に示された処理８００は、本明細書に記載の光通信端末装置のいずれかによって単独で、または気球に搭載してある、もしくは地上局にあるコントローラなどの、ハードウェアおよび／またはソフトウェアで実現された機能モジュールと組み合わせて実施することができる。ブロック８０２で、光通信端末装置は、放出λ１光を所与の方向に向けるために、同じ方向からの入射λ２光をλ２検出器に光が当たるように方向づけながら、そのステアリングミラーを指向させることによってモードＡで動作するように構成される。たとえば、光通信端末装置は、入射λ２光（または位置合わせに使用される別の波長の光）の一部分によって照明される方位フィードバックセンサを含むことができ、また、方位フィードバックセンサを照明する光を目標場所に位置合わせするために、位置調整システムにフィードバックを与えてミラーを指向させる。
【０１１９】
[00130]  ブロック８０４で、光通信端末装置は、λ１のデータ変調光を送出しλ２のデータ変調光を受光することによって、モードＡで全二重光通信を行うことができる。たとえば、モデムを使用して、λ１レーザに命令することによって出力データを送出λ１光に符号化することも、その出力データに対応する特定の変調パターンで光を放出することもできる。モデムはまた、受光したλ２光の変調パターンを検出し、この変調パターンに対応する入力データを特定することによって、受光したλ２光からデータを抽出（復号）することもできる。
【０１２０】
[00131]  ブロック８０６で、光通信端末装置は、モードＡからモードＢへ変更する決定を行うことができる。この決定は、光通信端末装置に他の気球との光リンクを開始するように命令する、集中コントローラまたは別の気球からの命令に基づいて行うことができる。このような命令は、他の気球のおおよその座標（たとえば、GPS座標）および各気球の動作モードを指定する気球ごとの情報を含むことができる。決定はまた、光通信端末装置によって単独で行われる決定を含めて、他の要因に基づいて行うこともできる。たとえば、光通信端末装置は、他の近傍の端末装置の相対的位置に関する同時通報情報を受信することができ（おそらく無線リンクを介して）、次に、位置合わせに使用するための光信号を探索することによって（また、位置合わせに使用するための光信号を送出することによっても）、端末装置のうちの特定の１つと光リンクを確立するよう試みることができる。次に端末装置は、それ自体を位置合わせして１つのモードで通信を行うことができ、ある期間を過ぎても成功しない場合には、モードを切り換えることができる。それによって光網目状ネットワークは、集中コントローラでは全く計画されていない有機的手法で全二重光通信を実現するための相補動作モードを確立するように、それ自体を構成することができる。
【０１２１】
[00132]  ブロック８０８で、光通信端末装置は、放出λ２光を所与の方向に向けるために、同じ方向からの入射λ１光をλ１検出器に光が当たるように方向づけながら、そのステアリングミラーを指向させることができる。すなわち、光通信端末装置は、ブロック８０６で行われた決定に応じてモードＢで動作するように、それ自体を構成することができる。たとえば、集中ネットワークコントローラからの命令に基づいて気球の制御システムは、その光通信端末装置の１つを、指定された場所の方に向くように指向させ、位置合わせを目的とする光信号の送出を始めることができる。光通信端末装置はまた、他の気球からの入ってくる光信号の探索を始めることもでき、その信号が検出されると、端末装置はフィードバックを使用して、端末装置が位置合わせされて指定動作モードで全二重通信を行うように、そのステアリングミラーを、モード別の目標場所と位置合わせするために指向させることができる。同様に、他の端末装置も、そこで受信した光信号を使用して特定の方向に向き、相補モードで動作するようにそれ自体を位置合わせする。
【０１２２】
[00133]  ブロック８１０で、光通信端末装置は、λ２のデータ変調光を送出し、λ１のデータ変調光を受光することによって、モードＢで全二重通信を行うことができる。たとえば、モデムを使用して、λ２レーザに命令することによって出力データを送出λ２光に符号化することも、その出力データに対応する特定の変調パターンで光を放出することもできる。モデムはまた、受光したλ１光の変調パターンを検出し、この変調パターンに対応する入力データを特定することによって、受光したλ１光からデータを抽出（復号）することもできる。
【０１２３】
[00134]  いくつかの実施形態では、開示された方法は、機械可読形式で非一時的コンピュータ可読記憶媒体上に、または他の非一時的媒体または製造物上に符号化されたコンピュータプログラム命令として実施することができる。図９は、本明細書に提示された少なくともいくつかの実施形態により配置された、計算デバイス上でコンピュータ処理を実行するためのコンピュータプログラムを含む、例示的なコンピュータプログラム製品の概念部分図を示す図である。
【０１２４】
[00135]  １つの実施形態では、例示的なプログラム製品９００は、信号保持媒体９０２を使用して提供される。信号保持媒体９０２は、１つまたは複数のプロセッサで実行されたときに図１〜８に関して上述した機能または機能の一部分を提供できる、１つまたは複数のプログラミング命令９０４を含むことができる。いくつかの例では、信号保持媒体９０２は、それだけには限らないが、ハードディスクドライブ、コンパクトディスク（CD）、デジタルビデオディスク（DVD）、デジタルテープ、メモリなどの非一時的コンピュータ可読媒体９０６を包含することができる。いくつかの実施態様では、信号保持媒体９０２は、それだけには限らないが、メモリ、リード／ライト（R/W）ＣＤ、Ｒ／Ｗ  ＤＶＤなどのコンピュータ記録可能媒体７０８を包含することができる。いくつかの実施態様では、信号保持媒体９０２は、それだけには限らないが、デジタルおよび／またはアナログ通信媒体（たとえば、光ファイバケーブル、導波管、有線通信リンク、無線通信リンクなど）などの通信媒体９１０を包含することができる。したがって、たとえば、信号保持媒体９０２は、通信媒体９１０の無線形式で搬送することができる。
【０１２５】
[00136]  １つまたは複数のプログラミング命令９０４は、たとえば、コンピュータ実行可能命令および／または論理回路実施命令とすることができる。いくつかの例では、図３のコンピュータシステム３１２などの計算デバイスは、コンピュータ可読媒体９０６、コンピュータ記録可能媒体９０８、および／または通信媒体９１０のうちの１つまたはそれ以上によって、様々な動作、機能、または作用をコンピュータシステム３１２に搬送されるプログラミング命令９０４に応じて行うように構成することができる。
【０１２６】
[00137]  非一時的コンピュータ可読媒体はまた、互いに遠隔に設置されることもある複数のデータ記憶要素の間で分散させることもできる。格納された命令の一部または全部を実行する計算デバイスは、図３を参照して示され説明された気球３００、または別の高高度プラットフォームなどのデバイスとすることができる。あるいは、格納された命令の一部または全部を実行する計算デバイスは、地上局に設置されたサーバなどの別の計算デバイスとすることもできる。
【０１２７】
[00138]  以上の詳細な記述では、開示されたシステム、デバイスおよび方法の様々な特徴および機能を添付の図を参照して説明している。様々な態様および実施形態が本明細書に開示されたが、他の態様および実施形態も当業者には明らかであろう。本明細書に開示された様々な態様および実施形態は、説明を目的としており、限定するものではなく、真の範囲は添付の特許請求の範囲によって示されている。
【図１】
2018078644.tif 000003
【図２】
2018078644.tif 000004
【図３】
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【図４Ａ】
2018078644.tif 000006
【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
2018078644.tif 000008
【図４Ｄ】
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【図５】
2018078644.tif 000010
【図６】
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【図７】
2018078644.tif 000012
【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年2月6日(2018.2.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由空間光通信用に構成された光通信端末装置であって、
対応する放出場所から第１の波長の光を放出するように構成された第１の光源、および、対応する放出場所から第２の波長の光を放出するように構成された第２の光源と、
対応する検出場所で前記第１の波長の光を検出するように構成された第１の検出器、および、対応する検出場所で前記第２の波長の光を検出するように構成された第２の検出器と、
ステアリングミラーと、
前記ステアリングミラーに動作可能に結合されて、前記ステアリングミラーの向きを調節し、１つまたは複数の遠隔の光通信端末装置との自由空間光通信を管理する、１つまたは複数のプロセッサと
を備え、
前記対応する放出場所および前記対応する検出場所が、デュアルコアファイバフェルールによって実施される、光通信端末装置。
【請求項２】
前記ステアリングミラーに結合され、前記１つまたは複数のプロセッサと動作可能に通信するミラー位置調整システムをさらに備え、前記ミラー位置調整システムが、前記１つまたは複数のプロセッサから受信した制御信号に応じて前記ステアリングミラーの前記向きを調節するように構成される、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項３】
中継光学部品をさらに備え、
前記中継光学部品が、前記ステアリングミラーと前記デュアルコアファイバフェルールの間に配置され、
前記ステアリングミラーが、前記第１の波長または前記第２の波長のいずれかの平行光を、前記１つまたは複数の遠隔の光通信端末装置のうちの所与の１つから受信し、前記受信した平行光を前記中継光学部品に送るように構成され、
前記中継光学部品が、前記受信した平行光を調節し、前記調節した光を前記デュアルコアファイバフェルールに提供するように構成される、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項４】
前記デュアルコアファイバフェルールが、第１のデュアルコアファイバフェルールおよび第２のデュアルコアファイバフェルールを備え、
前記第１の光源が、第１の対応する放出場所から前記第１の波長の光を放出するように構成され、前記第２の光源が、第２の対応する放出場所から前記第２の波長の光を放出するように構成され、
前記第１の検出器が、第１の対応する検出場所で前記第１の波長の光を検出するように構成され、前記第２の検出器が、第２の対応する検出場所で前記第２の波長の光を検出するように構成され、
前記第１の対応する放出場所および前記第１の対応する検出場所が、前記第１のデュアルコアファイバフェルールによって実施され、
前記第２の対応する放出場所および前記第２の対応する検出場所が、前記第２のデュアルコアファイバフェルールによって実施される、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項５】
前記第１の対応する放出場所が、第１のファイバ接続を介して前記第１の光源に結合され、
前記第１の対応する検出場所が、第２のファイバ接続を介して前記第１の検出器に結合され、
前記第２の対応する放出場所が、第３のファイバ接続を介して前記第２の光源に結合され、
前記第２の対応する検出場所が、第４のファイバ接続を介して前記第２の検出器に結合される、請求項４に記載の光通信端末装置。
【請求項６】
前記第１の検出器および前記第２の検出器が、アバランシェフォトダイオードを含む、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項７】
前記デュアルコアファイバフェルールと前記ステアリングミラーの間に配置された集束光学部品をさらに備える、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項８】
前記第１の光源および前記第２の光源が、発光ダイオードである、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項９】
前記第１の光源および前記第２の光源が、レーザである、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項１０】
前記第１の検出器が、前記第１の波長のデータ変調光を検出するように構成された第１のアバランシェフォトダイオードを含み、
前記第２の検出器が、前記第２の波長のデータ変調光を検出するように構成された第２のアバランシェフォトダイオードを含む、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項１１】
前記１つまたは複数のプロセッサが、前記１つまたは複数の遠隔の光通信端末装置との自由空間光通信用の一連の光リンクを決定するように構成される、請求項１に記載の光通信端末装置。
【請求項１２】
前記１つまたは複数のプロセッサが、複数の前記遠隔の光通信端末装置との網目状ネットワークとして機能するように、前記自由空間光通信用の前記一連の光リンクを決定する、請求項１１に記載の光通信端末装置。
【請求項１３】
前記１つまたは複数のプロセッサが、自由空間光通信ネットワークの現在の状態、過去の状態、または予測状態のうちの少なくとも１つにしたがって、前記１つまたは複数の遠隔の光通信端末装置との光路の動的ルーティングを行うように構成される、請求項１２に記載の光通信端末装置。
【請求項１４】
前記自由空間光通信ネットワークが、透過的な網目状ネットワークとして構成され、
前記光通信端末装置が、前記複数の前記遠隔の光通信端末装置から受信され、前記複数の前記遠隔の光通信端末装置に伝送される光信号の光学のみによる切換えを実施する、請求項１３に記載の光通信端末装置。
【請求項１５】
前記自由空間光通信ネットワークが、不透明な網目状ネットワークとして構成され、
前記光通信端末装置が、１つまたは複数の光クロスコネクションをさらに含み、前記複数の前記遠隔の光通信端末装置から受信され、前記複数の前記遠隔の光通信端末装置に伝送される光信号の光−電気−光切換えを実施する、請求項１３に記載の光通信端末装置。
【請求項１６】
前記１つまたは複数のプロセッサが、光の前記第１の波長および前記第２の波長の波長分割多重（ＷＤＭ）を実施するように構成される、請求項１３に記載の光通信端末装置。
【請求項１７】
前記自由空間光通信ネットワークが透過的な網目状ネットワークの場合、前記１つまたは複数のプロセッサが、所与の光路上のすべての光リンクに同じ波長を割り当てるように構成される、請求項１６に記載の光通信端末装置。
【請求項１８】
前記１つまたは複数のプロセッサが、前記複数の前記遠隔の光通信端末装置のうちの少なくとも１つに状態情報を伝送するように構成され、前記状態情報が、リンク帯域幅、リンク可用性、波長使用状況、または位置データのうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の光通信端末装置。
【請求項１９】
前記１つまたは複数のプロセッサが、前記複数の前記遠隔の光通信端末装置のうちの少なくとも１つにトポロジ情報を伝送するように構成される、請求項１２に記載の光通信端末装置。
【請求項２０】
前記１つまたは複数のプロセッサが、前記複数の前記遠隔の光通信端末装置との全二重通信を実現するための相補動作モードを確立するように構成される、請求項１２に記載の光通信端末装置。
【外国語明細書】
2018078644000001.pdf