(57)【要約】位相インコヒーレントな光を使用して光信号を伝送および受信する、自由空間光通信リンクのための方法および装置が開示される。位相インコヒーレントな光の使用は、伝送された信号中のスペックルを大幅に削減することにより、信号シンチレーションを低下させる。結果として光リンクはスペックルを修正するための適応光学制御ループを必要とせず、自由空間光リンクシステムで通常使用される、従来型のレーザーベースの位相コヒーレントな自由空間光リンクをモジュール式に置換することができる。記載の装置および方法を使用することにより、結果として、システムサイズの縮小、システム重量の低減、システム複雑性の低減、消費電力の低減、初期システムコストの削減、故障率の低下、ビット誤り率の低下、寿命維持費用の低下、より大きな信頼性、より大きなリンクアベイラビリティ、リンクスループットの向上およびネットワーク性能の改善がもたらされる。
2007526717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由空間に伝送される光線中の大気シンチレーションを低下させるための方法であって、
（ａ）実質的に位相インコヒーレントな光線を生成するステップと、
（ｂ）前記位相インコヒーレントな光線を平行にするステップと、
（ｃ）前記位相インコヒーレントな平行光線を、前記自由空間に伝播するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
ステップ（ａ）は、発光ダイオードによって前記インコヒーレントな光線を生成するステップ（ａ．１）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップ（ａ）は、超光発光ダイオードによって前記インコヒーレントな光線を生成するステップ（ａ．１）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ステップ（ａ）は、光ファイバで連結された発光ダイオードによって、前記インコヒーレントな光線を生成するステップ（ａ．１）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
ステップ（ａ）は、光ファイバで連結された超光発光ダイオードによって前記インコヒーレントな光線を生成するステップ（ａ．１）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ステップ（ａ）は、光増幅器によって前記インコヒーレントな光線を増幅するステップ（ａ．１）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
ステップ（ａ）は、エルビウム添加ファイバ増幅器によって前記インコヒーレントな光線を増幅するステップ（ａ．１）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
ステップ（ａ）は、帯域幅制限発光ダイオードによって前記インコヒーレントな光線を生成するステップ（ａ．１）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ステップ（ａ）は、低下した波長スペクトルを含むインコヒーレントな光線を生成するために、前記インコヒーレントな光線をフィルタリングするステップ（ａ．１）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
ステップ（ａ）は、前記インコヒーレントなビームを、複数の帯域幅チャネルに帯域幅制限するステップ（ａ．１）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
ステップ（ｂ）は、屈折率分布型レンズによって前記光線を平行にするステップ（ｂ．１）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
ステップ（ｂ）は、従来型の光学レンズおよび光学ミラーのうちの１つによって前記光線を平行にするステップ（ｂ．１）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
ステップ（ｃ）は、前記光線の焦点を望遠鏡の一次焦点面に合わせるステップ（ｃ．１）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
ステップ（ｃ）は、アクティブポインティング技術を使用して、前記光ビームを受光器へ向けるステップ（ｃ．１）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
ステップ（ｃ）は、静的ポインティング技術を使用して、前記光ビームを受光器へ向けるステップ（ｃ．１）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記位相インコヒーレントな光線を変調するステップ（ｄ）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
ステップ（ｄ）は、前記光線上でデータを暗号化するために前記ビームを変調するステップ（ｄ．１）をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ステップ（ｄ）は、前記光線をオンおよびオフの少なくとも１つに切り替えるために、干渉計を使用して前記ビームを変調するステップ（ｄ．１）をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
ステップ（ｄ）は、前記光線内の波長分割多重チャネルを変調するステップ（ｄ．１）をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
自由空間から前記インコヒーレントなビームを受信するステップ（ｅ）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
ステップ（ｅ）は、動的ポインティングおよび追跡技術を使用して、前記受信した光線を追跡するステップ（ｅ．１）をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
ステップ（ｅ）は、前記受信した光線内で光および暗さのうちの少なくとも１つを検出し、それによって受信したデータストリームを発生させるステップ（ｅ．１）をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
ステップ（ｅ．１）は、前記受信したデータストリームを復調するステップ（ｅ．１．１）をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
実質的に位相インコヒーレントな光線を生成するための光源と、
前記光線を平行にするための平行光学系と、
前記位相インコヒーレントな平行光線を、前記自由空間に伝播するための伝播光学系と、
を備える、伝送された光線中の大気シンチレーションを低下させる方式で、自由空間に光線を伝送するための装置。
【請求項２５】
前記光源は超光発光ダイオードである、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記光源は光ファイバで連結された発光ダイオードである、請求項２４に記載の装置。
【請求項２７】
前記光源は光ファイバで連結された超光発光ダイオードである、請求項２４に記載の装置。
【請求項２８】
前記インコヒーレントな光線を増幅するための光増幅器をさらに備える、請求項２４に記載の装置。
【請求項２９】
前記光増幅器はエルビウム添加ファイバ増幅器である、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記光源は帯域幅制限発光ダイオードである、請求項２４に記載の装置。
【請求項３１】
前記光源は前記生成されたインコヒーレントなビームを帯域幅制限するためのフィルタをさらに含む、請求項２４に記載の装置。
【請求項３２】
前記平行光学系は屈折率分布型レンズである、請求項２４に記載の装置。
【請求項３３】
前記平行光学系は従来型の光学レンズおよび光学ミラーのうちの１つである、請求項２４に記載の装置。
【請求項３４】
前記伝播光学系は望遠鏡である、請求項２４に記載の装置。
【請求項３５】
前記伝播光学系は、前記インコヒーレントなビームが伝播される方向を制御するための動的ポインティングおよび追跡モジュールをさらに含む、請求項２４に記載の装置。
【請求項３６】
前記伝播光学系は、インコヒーレントなビームが伝播される方向を制御するための静的ポインティングモジュールをさらに含む、請求項２４に記載の装置。
【請求項３７】
前記位相インコヒーレントな光線を変調するための変調器をさらに備える、請求項２４に記載の装置。
【請求項３８】
前記変調器は、前記光線上でデータを暗号化するための暗号化モジュールをさらに含む、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記変調器は、前記光線をオンおよびオフの少なくとも１つに切り替えるための干渉計である、請求項３７に記載の装置。
【請求項４０】
前記変調器は、前記光線内の波長分割多重チャネルを変調するための波長分割多重モジュールをさらに含む、請求項３７に記載の装置。
【請求項４１】
自由空間から平行位相インコヒーレントな光線を受信するための装置であって、
自由空間から前記平行位相インコヒーレントなビームを受信するための受信レンズと、
前記受信した位相インコヒーレントな光線内で光および暗さのうちの少なくとも１つを検出し、それによって受信したデータストリームを発生させるための光検出器と、
を備える装置。
【請求項４２】
前記受信したデータストリームを復調するための復調モジュールをさらに備える、請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
動的ポインティングおよび追跡技術を使用して、前記受信した光線を追跡するための追跡モジュールをさらに備える、請求項４１に記載の装置。
【請求項４４】
実質的に位相インコヒーレントな光線を生成するための光源と、
前記位相コヒーレントな光線上でデータを暗号化するための変調器と、
前記インコヒーレントな光線を平行にするための平行光学系と、
を備え、前記光源は光ファイバで連結された超光発光ダイオードである、伝送された光線中の大気シンチレーションを低下させる方式で、自由空間に光線を伝送できる、光学的光線データリンクにおいて使用するための伝送器。
【請求項４５】
前記位相インコヒーレントな平行光線を、前記自由空間に伝播するための伝播光学系をさらに備える、請求項４４に記載の装置。
【請求項４６】
動的ポインティングおよび追跡技術を使用して、前記伝送された光線を所望の受光器の方向にポイントするためのポインティングモジュールをさらに備える、請求項４４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自由空間光通信に関する。特に、本発明は、自由空間光通信における大気シンチレーションを低下させるための位相インコヒーレントな光源の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来の無線周波数（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ＲＦ）通信の魅力的な代替として、一般にレーザーコムと称される自由空間光（Ｆｒｅｅ  Ｓｐａｃｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ；ＦＳＯ）通信（ＦＳＯＣ）が出現してきた。下層大気中を移動するリンクにおける自由空間光通信が直面するもっとも大きな課題の１つは、大気シンチレーションである。
【０００３】
シンチレーションは、信号強度レベルにおける急速な変動として定義することができる。自由空間光通信では、シンチレーションは信号喪失によるデータ喪失を引き起こす。光が大気中を移動する際、光がたどる経路に乱気流が影響を及ぼす場合がある。自由空間光通信リンクの場合、大気擾乱はビームワンダ、スペックル、またはビームワンダとスペックルの組み合わせとして現われる場合がある。ビームワンダは、光ビームを所望の受光器から無作為に屈曲させる大気擾乱によって引き起こされる。ビームワンダは、光ビームが所望の受信器を避けるように屈曲され、光ビームの一部、またはすべてが受信されないという事実によって、シンチレーションを引き起こす。光ビームがどの程度大幅に屈曲されるかによって、光ビームを追跡し、ビームワンダを補正する光伝送器および／または受光器をダイナミックに調整するために、動的ポインティングシステムを使用してビームワンダによるシンチレーションを低下させることができる。
【０００４】
スペックルは通常、コヒーレントなビームの一部を無作為に屈曲させる大気擾乱によって引き起こされ、以下でさらに詳しく説明するように、結果として伝播されたビーム内における干渉をもたらす。図１に示すように、スペックルは通常、伝送されたビーム内に非常に暗いスポットおよび明るいスポットを含む不均一な強度パターンを生じさせる。伝播されたビームが受信され、スペックルパターンが受信器上で変化すると、明るい、および暗い様々な領域が受信された信号内でシンチレーションを生じさせる。通常、スペックルパターンは確率的であり、大気の状態に応じて数ヘルツから１００Ｈｚ程度の高さまで周波数を変化させることができる。
【０００５】
従来、光ファイバベースの通信ネットワークにおけるレーザーデバイスの継承物により、レーザーは自由空間光通信において使用するのに好適な光源であった。その他の光源も光ファイバ通信に使用されてきたが、光ファイバが、レーザー光線が伝送される移送媒体としての役割を果たす、長距離、高データ速度のリンクにおいてうまく機能するという特性から、レーザーは好まれる光源であった。例えば、光ファイバベースの伝送において狭帯域幅レーザーにより生成された光は、ファイバ分散または群速度分散の影響を低下させ、狭いスペクトル領域内で多くの波長ベースのチャネルが伝送されることを可能にし、したがって、単一の物理的な光ファイバに沿って、より多数の波長ベースのチャネルが伝送されることを可能にする。
【０００６】
残念なことに、レーザーによって発生する光が持つ別の特性に、レーザー光が強い位相コヒーレンスを示すことがある。例えば、通常の電気通信レーザーにおいて、自然放出されるもの（位相インコヒーレントであるレーザー光の構成要素）に対する位相コヒーレンスを有する光の割合は、約７０ｄＢ以上である。そのような強い位相コヒーレンスにより、レーザー光は大気シンチレーションの影響を特に受けやすくなる。レーザービームが大気中を移動する際、ビームの一部が屈曲され、ビームのその他の部分は正常な軌道上に残る。ビームの屈曲された部分が次の大気屈曲によって残りのビームに誘導されると、破壊的な干渉が生じる。レーザー光における高い位相コヒーレンスにより、これらのビームの干渉は深刻となり、結果としてスペックルを引き起こす。したがって、レーザーは、均一な光ファイバ伝送媒体にわたる通信には実績のある、極めて効果的な光源であるが、伝送媒体がダイナミックおよび／または擾乱的である自由空間光通信での使用において、レーザー光は効果的でない。
【０００７】
従来、スペックルによるシンチレーションを制御するのは困難であった。スペックルから生じる強度のフェードは、受光器の制御システムのいくつかのリフレッシュ速度と同程度長く続くことができる。この情報の欠如は、受信したデータストリーム内のギャップのみならず、受信した動的ポインティング情報内にもギャップを残す。フェードが終わると、制御システムは、信号喪失がなかった場合に伝送が行われているべき場所に「追いつく」ために、より大きな修正を行わなくてはならない。結果として、シンチレーションの影響は、信号レベルにおいて、頻繁で短時間ではあるが有害なフェードを引き起こす場合がある。結果として生じるのは、データスループットの損失および光リンクアベイラビリティの低下である。
【０００８】
スペックルの影響を緩和するための従来の方法としては、適応光学の使用、より強力なレーザーの使用、および／または信号フェードに送るための試みにおいてデータを送信するために使用される交互方法が挙げられる。残念ながら、そのようなアプローチはシンチレーションを除去せず、シンチレーションによる自由空間光伝送への有害な影響の補正を試みるだけである。
【０００９】
したがって、自由空間光学伝送におけるシンチレーションを削減および／または除去できる装置および方法が依然として必要である。そのようなアプローチはシンチレーションを修正するための適応光学制御ループを必要としないことが好ましく、したがって、通常そのような適応光学制御ループに関連する波面センサを駆動するために受信した光信号の一部を必要としない。さらに、このアプローチは、サイズ、重量、複雑性、消費電力、または自由空間光リンクの構成要素を残すための費用を増大させないことが好ましい。また、自由空間光リンクへのシンチレーションの影響を除去することにより、そのようなアプローチは、レーザーを使用する同一レベルの増幅器で可能であるよりもさらに長距離における自由空間光通信を可能にすることが好ましい。シンチレーションの影響を緩和することにより、そのようなアプローチは、好ましくは、アベイラビリティを向上させ、ビット誤り率が低下した自由空間光リンクをもたらし、したがって、再伝送されるデータ、パケット再ルーティング、および脱落パケットの量を低減し、ネットワーク性能および信頼性の向上に貢献するであろう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
したがって、上記を踏まえて、および本発明が完全に説明された際に明らかになり得るその他の理由で、本発明の目的は、信号スペックルの結果である信号シンチレーションを低下させるおよび／または除去することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、受信した信号中のスペックルを訂正するために使用される適応光学制御ループの必要性を除去することである。
【００１２】
本発明のさらに別の目的は、ビームワンダによるシンチレーションを低下させるために使用される適応追跡および制御システムの有効性を高めることである。
【００１３】
本発明のまた別の目的は、任意の特定出力の光源または増幅を使用して、光リンクにより支持され得る距離を増大させることである。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、過酷な環境および極端な温度条件にもかかわらず、光リンクによって実現できるアベイラビリティ、信頼性、およびスループットを高めることである。
【００１５】
本発明のまたさらなる目的は、費用、サイズ、重量、出力要件、複雑性および光リンクに関連するサービス要件を減少させることである。
【００１６】
上記の目的は、個別に、および組み合わせて実現され、本明細書に添付の特許請求の範囲によって明確に要求されない限り、本発明が、組み合わせられる２つ以上の目的を必要とすると解釈されることを意図するものではない。
【００１７】
位相インコヒーレントな光を使用して光信号を伝送および受信する自由空間光通信リンクのための方法および装置を説明する。典型的な、限定的でない実施形態において、位相インコヒーレントな光は、超光発光ダイオード（ＳＬＥＤ）により放出され得る。位相インコヒーレントな光の使用は、伝送された信号中のスペックル発生を実質的に低減させることにより、信号シンチレーションを低下させる。結果として光リンクはスペックルを修正するための適応光学制御ループも、波面センサを駆動するために受信した光出力の一部を徐々に減らしてなくすことも必要としない。本発明の位相インコヒーレントな自由空間光リンクは、従来型の、自由空間光リンクシステムで通常使用されるレーザーベースの位相コヒーレントな自由空間光リンクをモジュール式に置換することができる。記載の装置および方法を使用することにより、結果として、システムサイズの縮小、システム重量の低減、システム複雑性の低減、消費電力の低減、初期システムコストの削減、故障率の低下、ビット誤り率の低下、寿命維持費用の低下、より大きな信頼性、より大きなリンクアベイラビリティ、リンクスループットの向上およびネットワーク性能の改善がもたらされる。
【００１８】
本発明の、上記のおよびまたさらなる目的、特徴および利点は、その特定の実施形態についての以下の詳細な説明の考察時、特に、様々な図中において同様の構成要素を示すために同様の参照番号が利用された、付随する図面と併せて考慮した際に明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１に関連して説明しているように、コヒーレントな、レーザーにより生成された光を伝送および受信する従来型の自由空間光通信リンクは、通常スペックルと称される歪みの問題を抱えている。スペックルは、レーザーにより生成された光の概してコヒーレントなビームの一部に、大気擾乱が位相シフトをもたらす結果生じる破壊的干渉であり、ビームの位相シフトされた、またシフトされていない部分を互いに無作為に屈折させ、伝送された信号内に破壊的な干渉をもたらす。
【００２０】
本明細書に記載されている、自由空間光通信のための方法および装置は、実質的に位相インコヒーレントな光の伝送に基づいている。伝送されたビームが位相インコヒーレントであれば、大気擾乱により導入された位相シフトは深刻なほどの破壊的干渉をもたらさず、したがって、伝送された信号内のスペックルは事実上除去される。例えば、図２は、図１に示されている、歪んだ光信号を生成したのと同一の大気擾乱を通過した当初インコヒーレントな光線の受信時に、自由空間受光器によって別々の時点に見られるような、光線の４つの代表例を示す。
【００２１】
本発明によると、光通信リンクによって広がる自由空間距離に対応する十分なビーム強度に達している限り、いかなる位相インコヒーレントな光源を使用してもよい。約１ｋｍの典型的な自由空間通信リンクは、約１ミリワットの伝送力を必要とする。従来型の単一モード光ファイバに連結された発光ダイオード（ＬＥＤ）は通常、ＬＥＤが連結されている光ファイバに１００マイクロワットの伝送力しか伝播することができない。しかしながら、単一モード光ファイバに連結された超光ＬＥＤ（ＳＬＥＤ）が近年開発され、それぞれＳＬＥＤが連結されている光ファイバに２０ミリワットもの力を伝播することができる。そのような光学的に連結されたＳＬＥＤにより発生したインコヒーレントな光は、増幅しなくても、十分な距離の自由空間光リンクを支持するのに十分である。
【００２２】
ＳＬＥＤは通常、自然放出として知られている過程に基づいて、位相インコヒーレントな光を生成する（すなわち、位相インコヒーレントな光子を生成する）。自然放出ベースの過程は通常、放射線（すなわち、レーザー）ベースの過程の誘導放出による光増幅を使用して発生する位相コヒーレントな光より広い波長スペクトルを含む光を生成する。
【００２３】
図３に示すように、溶融シリカ３００（すなわち、光ファイバを製造するために通常使用される材料）の屈折指数は、長波長用よりも短波長用の方が極めて高い。結果として、ＬＥＤにより生成された光のパルス内にある光の短波長は、光の同一のパルス内にある光の長波長と同一の速度では光ファイバを通過しない。分散または群分散として知られているこの効果は、物理的および一時的に光のパルスを伸張させる効果を有する。そのようなパルス伸張は、より広範なスペクトルのＬＥＤにより生成された光を使用して、達成できる最大伝送速度を、より狭いスペクトルのレーザーにより生成された光を使用して達成できるであろう最大伝送速度以下まで低下させる。このため、光ファイバベースの通信における動向は、分散の影響を低減することによって伝送速度を最大化するために狭帯域幅のレーザー光を使用することである。狭帯域幅の光を使用することで、所定のスペクトル領域内で同時に伝送され得る波長ベースのチャネルの数も最大化され、その結果、光ファイバデータスループットの総数がさらに増加する。
【００２４】
幸い、分散は自由空間を通る光の伝送においてあまり重要な役割を果たさない。図４に示されるように、図３に示す同じ波長スペクトルに対する湿り空気４００の屈折指数の変化は、光ファイバ溶融シリカの屈折指数の変化よりもかなり少ない。事実、屈折指数の変化（ｄｎ）対波長の変化（ｄλ）、または（ｄｎ／ｄλ）を表す勾配は、図４に示すように、湿り空気に関するもののほうが同一の波長領域の溶融シリカに比べて約４ｄｎ／ｄλ低い。
【００２５】
結果として、および本発明によると、より広範なスペクトルの位相インコヒーレントな光は、光ファイバベースのシステムにおいてより広範なスペクトル光が遭遇する分散による負の性能を経験することなく、大気スペックルを除去するための、自由空間光伝送システムにおいて使用され得る。
【００２６】
例えば、ＳＬＥＤ照射の自由空間光リンクのビットレート機能は、方程式１によって以下に説明される関係から測定される。
【００２７】
【数１】
2007526717.tif 000003
方程式２によって以下に説明されるように、分散パラメータとして定義されるＤをともなう。
【００２８】
【数２】
2007526717.tif 000004
ここで、Ｂはビットレート、Ｌはリンク距離、ｃは光速度、σλはＳＬＥＤの分光幅である。大気の分散パラメータが４０ｎｍ以下の典型的なＳＬＥＤ帯域幅に対してＤａｔｍｏｓ〜２．８ｆｓ／（ｋｍ×ｎｍ）であるとすると、ビットレート長８９３（Ｇｂ／ｓ）‐ｋｍとなる。方程式１および方程式２によって説明される関係に基づいて、３５０ｋｍを上回るリンク距離で２．５Ｇｂｐｓの自由空間光通信が実現できる。さらに、方程式１および方程式２によって説明される関係に基づいて、約９０ｋｍのリンク距離で１０Ｇｂｐｓの自由空間光通信が実現できる。これらの計算は、光線が移動する経路全体が湿度１００％の安定した大気であると想定したものであることに留意すべきである。さらに、方程式１は、１０％を超えてビットスロットを広げることができないと想定したものである。方程式１および方程式２は、ＳＬＥＤによって発生した位相インコヒーレントな光を、事実上、レーザーにより生成された光が従来使用されているいかなる自由空間通信システムにおいても使用できることを示す。
【００２９】
より広範なスペクトルおよびＳＬＥＤにより放出された位相インコヒーレントな光に関してよくある誤解は、そのような光のビームは、より狭いスペクトルおよびレーザーによって発生した位相コヒーレントな光を使用して実現できるのと同じくらい狭いビーム広がりを発生させることができないということである。実際には、ＳＬＥＤによって発生したビームは、レーザーによって発生した同程度のビームよりも大きな広がりを有しているわけではない。両者の広がりは同一である。レーザーと比較した際、ＳＬＥＤの使用を通して「パワーペナルティ」はない。
【００３０】
回折限界の光線の限定的な広がりを規定する物理的な方程式を、以下の方程式３によって示す。
【００３１】
【数３】
2007526717.tif 000005
ここで、θは全幅ビーム広がり、Ｄは望遠鏡口径の直径（または口径における平行ビームの直径）、λは波長である。方程式３は、レーザービームのガウス照射とは対照的に均一なビーム照射を想定したものであるが、ガウスアポディゼーションによる方程式３への修正は軽微であり、決定される広がり値においてわずかな上昇をもたらすのみである。方程式３中には位相コヒーレンスの項はなく、したがって、光線の位相特性はビームの広がりに影響を及ぼさないことに留意されたい。ＳＬＥＤのより広範な帯域幅は、ビームの広がりがより長い波長によって左右されることを意味するが、レーザーによって生成されたビームについてもこれが成り立つ。
【００３２】
図５は、本発明の典型的な実施形態による、自由空間光伝送器５０２および自由空間受光器５０４のブロック図を示す。図５に示すように、自由空間光伝送器５０２は、位相インコヒーレントな光源５０６、任意の光ファイバ５０８、任意の光変調器５１０、任意の光増幅器５１２、レンズまたはミラーを含み得る平行光学系５１４、および任意の伝播光学系／制御系５１６を含むことができる。自由空間受光器５０４は、任意の受信光学系／制御系５１８、受信レンズ５２０、任意の光ファイバ５２２、光検出器５２４、および任意の信号復調器５２６を含むことができる。
【００３３】
自由空間光伝送器５０２として分類されている任意の構成要素を除いた場合、位相インコヒーレントな光源５０６と、位相インコヒーレントな光源５０６から受信した光を平行にし、平行にした光を、自由空間を経て自由空間受光器５０４に伝播する平行光学系５１４とを含む非変調の位相インコヒーレントな自由空間ビーコン伝送器が実現される。そのような実施形態は、方程式１および方程式２に関連して上述したように、かなりの自由空間距離を越えて非変調のインコヒーレントな光線を受光器へ伝播するために使用される場合がある。
【００３４】
しかしながら、図５に示す任意の構成要素のうち１つ以上を追加して、上述のように大気スペックルの影響を大幅に低減しながら、かなりの距離で高速伝送速度を提供できる高速位相インコヒーレントな自由空間光伝送器が実現できる。そのような実施形態において、位相インコヒーレントな光源５０６は、３５ｎｍほどの小さなスペクトル領域において約２０ｍＷ出力の位相インコヒーレントな光を任意の光ファイバ５０８へ放出する、ファイバで連結された超光発光ダイオード（ＳＬＥＤ）であってよい。任意のファイバ５０８は、自由空間光伝送器５０２に含まれるその他のモジュール、すなわち、任意の光変調器５１０と任意の光増幅器５１２、平行光学系５１４と伝播光学系／制御系５１６の間に生成された位相インコヒーレントな光を送るために使用できる。
【００３５】
任意の光変調器５１０に関して、光学的光線上のデータを変調するために使用され得る多くの方法がある。よく使われるアプローチの１つは、ビットスロットを表すための光ビーム信号を「オフにする」または「オンにする」というものである。そのようなオンオフアプローチでは、ゼロ復帰（Ｒｅｔｕｒｎ  ｔｏ  Ｚｅｒｏ；ＲＺ）または非ゼロ復帰（Ｎｏｎ  Ｒｅｔｕｒｎ  ｔｏ  Ｚｅｒｏ；ＮＲＺ）方法を使用する場合がある。ＳＬＥＤは高データ速度における内部変調にはあまり適していないことに留意すべきである。ＳＬＥＤの光放出が上述のような自然放出の過程に基づくものであれば、半導体材料の上位エネルギー状態寿命は内部変調が高データ速度を可能にするには長すぎる場合がある。幸い、ＳＬＥＤによって生成された光は、以下で説明するように、レーザーによって生成された光で従来使用されていたのと同一の外部変調技術を使用して変調することができる。
【００３６】
典型的な、外部変調の一実施形態において、任意の光変調器５１０は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｉＯ３）マッハツェンダ干渉計を使用して実装されることができる。そのようなデバイスは、光線を２つのビームに分割し、「０」が必要であればいつでもビームの１つにπ位相後退を挿入し、「１」が必要な場合には位相後退を挿入しない。２つのビームを再結合することにより、結合されたビームをそれぞれオフまたはオンにさせる相互干渉が生じる。ＳＬＥＤによって生成された光線がレーザーによって生成された光よりも広範なスペクトルを有していても、ＳＬＥＤによって生成された光は依然としてＬｉＮｉＯ３変調器をうまく機能させるのに十分狭いものである。信頼性のある自由空間光通信には、少なくとも２０ｄＢの消光比を使用すべきである。４０ｎｍ幅程度のスペクトルを持つＳＬＥＤによって生成された光線は、ニオブ酸リチウムマッハツェンダ型のデータ変調器を使用して、４０ｄＢ近くの消光比を経験するであろう。以下で説明するような波分割多重送信などの目的のためにＳＬＥＤを帯域幅制限することにより、この消光比はさらに上昇する。
【００３７】
光自由空間リンクによって支持される距離が位相インコヒーレントな光源５０６によって生成できるよりも大きな力を必要とした場合、位相インコヒーレントな光源５０６から放出されたインコヒーレントな光を増幅（任意で変調される）するために、任意の光増幅器５１２を含むことができる。例えば、エルビウム添加ファイバ増幅器（Ｅｒｂｉｕｍ  Ｄｏｐｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ＥＤＦＡ）は、任意の光ファイバ５０８を介して任意の光変調器５１０から光を受信し、受信した光を増幅することができる。
【００３８】
ＥＤＦＡは光をコヒーレントに増幅する。次期のいかなる位相も、増幅された信号内で再生される。任意の光増幅器５１２によって受信された光がインコヒーレントであれば、任意のＥＤＦＡ光増幅器５１０によって生成される出力もインコヒーレントであるが、強度は増幅されている。この点を明確にするため、１ｍＷ出力のＳＬＥＤについて考察する。数千兆もの光子が生成され（一秒あたり約８千兆の光子）、各光子は独自の位相を有すると考えることができる。これらの光子は、ＥＤＦＡによって例えば出力２０Ｗまで増幅され得る。そのような増幅を実現するために、各光子は４３ｄＢ増幅される。そのため、ある位相を有する個別の一光子は、同一の位相を持つ２０，０００個の光子に変形されたものである。これらの２０，０００個の光子は上述のように自身に干渉するレーザーによって生成されたコヒーレントな光と同一の方式で互いに干渉し、これらの増幅されたコヒーレントな光子が干渉しないその他の光子も依然として数千兆存在する。したがって、ＳＬＥＤによって生成された位相インコヒーレントな光をＥＤＦＡなど任意のコヒーレント増幅器を用いて増幅することで、性能における深刻な劣化は発生しない。代替の一実施形態において、任意の光増幅器５１２の必要性は、同一の光ファイバにポンピングするために複数のＳＬＥＤを使用することによって回避できる。そのようなアプローチは、ＥＤＦＡの必要性を除去することにより、高出力ＳＬＥＤ通信の費用を実質的に削減する。
【００３９】
平行光学系５１４は、位相インコヒーレントな光（任意で、変調および／または増幅されたもの）を受信し、受信した光を平行にする。例えば、自由空間光伝送器５０２が平行光学系から直接的に光を伝播するように構成されている場合、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズを使用して、光学要素のレンズ材料内の屈折指数を徐々に変えることにより、任意の光ファイバ５０８を介して受信した光を平行にすることができる。光軸からレンズの端までの、レンズ材料の屈折指数の放射変動を厳密に制御することにより、ＧＲＩＮレンズは、表面曲率を厳重に制御する必要なく、円滑かつ継続的に光線を平行ビームへ向け直すことができる。無用の後方反射を回避するため、ＧＲＩＮレンズの端面に反射防止膜が塗布される場合がある。あるいは、平行光学系５１４は、任意の光ファイバ５０８を介して任意で変調され、かつ任意で増幅された位相インコヒーレントな光を受信し、受信した光を平行にする従来型のレンズまたはミラーであってよい。
【００４０】
自由空間光伝送器５０２によって支持されるリンクの距離および性質に応じて、実施形態は任意で光ビーム伝播光学系もしくは／または動的ポインティングおよび追跡制御系５１６を含んでよい。例えば、平行光学系５１４は、望遠鏡のレンズまたはミラー上に平行光を投影してよい。そのような伝播光学系は、上述のように、ビームワンダによるシンチレーションを低下させるように設計された動的ポインティングおよび追跡制御システムの一部であってよい。しかしながら、光リンクにより支持される距離によっては、そのような伝播光学系およびビーム制御系が必要とされない場合がある。
【００４１】
動的ポインティングおよび追跡技術は通常、望遠鏡の焦点に置かれたセンサを活用する。レーザーベースの光リンクにおいて、位相コヒーレントなレーザーにより生成された光は、図１に関連して説明したのと同様に、望遠鏡の焦点にスペックルパターンを発生させるが、若干少ない程度である。上述したように、スペックルから生じる強度のフェードは、動的ポインティングおよび追跡制御システムのいくつかのリフレッシュ速度と同程度長く続くことができる。この情報の欠如は、データストリーム内のギャップのみならず、ポインティング情報内にもギャップを残す。フェードが終わると、制御システムは、信号喪失がなかった場合伝送が行われているべき場所に「追いつく」ために、より大きな修正を行わなくてはならない。したがって、スペックルによる強度のフェードを低減および／または除去することにより、本発明はより正確なポインティングおよび追跡を容易にし、その結果、ビームワンダにより引き起こされるシンチレーションへの貢献をさらに低減する。
【００４２】
典型的な一実施形態において、本発明の自由空間光伝送器は、波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ；ＷＤＭ）を実行するように構成される。位相インコヒーレントな光源５０６が３５ｎｍのスペクトル領域において約２０ｍＷの出力を発生させるＳＬＥＤであると仮定すると、典型的なＷＤＭの実施形態は、３５ｎｍの帯域幅を８ｎｍ間隔で４つのチャネルに分割することができ、各チャネルは、光変調器によって各チャネルが波長チャネルあたり１０Ｇｂｐｓまで変調された６ｎｍの帯域幅を有する。
【００４３】
レーザーベースのシステムにおいて、波長分割多重は一般にチャネル間隔１００ＧＨｚ幅で使用される。各チャネルはわずか数ナノメータの線幅であるレーザーを使用する。そのようなシステム内で機能するＳＬＥＤに関して、その波長帯域は０．５ｎｍ未満に制限せざるを得ない。３５ｎｍ線幅を発生させる２０ｍＷのＳＬＥＤに関して、そのような帯域制限されたＳＬＥＤは２５０μワット未満の出力しか有さず、用途によっては十分な出力でない場合がある。しかしながら、必要に応じて、同一ファイバにポンピングするために複数のＳＬＥＤを使用することにより、または光増幅器を使用して光を増幅することにより、波長チャネルあたりのさらなる出力を生成することができる。
【００４４】
各波長チャネルがＳＬＥＤから放出された光を帯域フィルタリングすることによって確立される、そのようなＳＬＥＤベースのＷＤＭの実施形態における１つの利点は、通常ならば同様のレーザーベースのＷＤＭの実装の波長安定性に影響を及ぼすような極限環境条件下において、各波長チャネルが安定したままであるということである。したがって、そのようなＳＬＥＤベースのＷＤＭの実施形態は、内部レーザー処理時における極暑および／または極寒の影響により引き起こされた波長の不安定さによりレーザーベースのＷＤＭの実装を失敗させるような、極限環境条件下において操作することができるであろう。
【００４５】
再度図５を参照すると、自由空間受光器５０４は、任意の受信光学系／制御系５１８、受信レンズ５２０、任意の光ファイバ５２２、光検出器５２４および任意の信号復調器５２６を含むことができる。自由空間受光器５０４に含まれる構成要素は、上述のように、自由空間光伝送器５０２に含まれる構成要素および特徴を支持するように適合されたものであってよい。
【００４６】
自由空間光伝送器５０２が非変調の位相インコヒーレントな自由空間ビーコンとして構成されている場合、自由空間光伝送器５０２と分類されている任意の構成要素を除くことによって、自由空間受光器５０４を同様に構成することができる。そのような典型的な受光器の実施形態は、自由空間からインコヒーレントな光線を受信し、受信した光線の焦点を、光の存在または不在を検出できる光検出器５２４に合わせるための受信レンズ５２０を含むことができる。そのような実施形態は、方程式１および方程式２に関連して上述したように、かなりの自由空間距離を越えて非変調のインコヒーレントな光線を自由空間光伝送器５０２から受信するために使用することができ、光検出器５２４によって自由空間光伝送器５０２からの光信号の存在または不在を通知される、より大きなシステムに組み込まれ得る。
【００４７】
しかしながら、自由空間光伝送器５０２が、上述のように、大気スペックルの影響を大幅に低減しながら、かなりの距離で高速伝送速度を実現することができる高速位相インコヒーレントな自由空間光伝送器として構成されている場合、自由空間受光器５０４は、高速光伝送を受信し処理するように構成される場合がある。
【００４８】
そのような実施形態において、自由空間受光器５０４は、任意の受信光学系／制御系５１８、受信レンズ５２０、任意の光ファイバ５２２、光検出器５２４および任意の信号変調器５２６を含むことができる。自由空間光伝送器５０２に関連して上述したように、任意の光受信光学系／制御系５１８は、望遠鏡ならびに／または動的ポインティングおよび追跡制御系などの受信光学系を含むことができる。受信レンズ５２０は、自由空間から直接的に、または光受信光学系／制御系構成要素５１８から光を受信すること、および、受信した光の焦点を直接的に光検出器５２４に、または、光ファイバによって光検出器５２４へ伝送するための任意の光ファイバ５２２に合わせることができる、いかなる従来型、またはＧＲＩＮベースのレンズであってもよい。光検出器５２４は、受信した光の不在または存在に基づいて電子信号を生成することができ、その電子信号を、復調またはシステムによるさらなる処理のための信号復調器５２６、または、受光器５０４が統合されているネットワークへ伝達することができる。
【００４９】
図６は、図５に関連して上述したように、インコヒーレントな光線伝送器の典型的な実施形態を使用してインコヒーレントなビームの伝送を表すプロセスフロー図である。図６に示すように、本発明の典型的な一実施形態において、位相インコヒーレントな光線は、ステップ６０２で生成され、ステップ６０８で平行にされ、ステップ６１０で受光器またはその他の標的の方向に向けて自由空間内へ伝播され得る。そのような簡略化された過程が、スペックルの影響によって崩壊しないインコヒーレントな光線の伝播をもたらし、したがって、受光器または選択された標的に達する光の力および均一性を増大させる。
【００５０】
さらに図６に示すように、インコヒーレントなビームが高速データ伝送のために使用される本発明の実施形態において、プロセスフローにさらなるステップを含んでよい。例えば、ステップ６０２で位相インコヒーレントな光線を生成すると、生成されたビームはステップ６０４で変調され、ステップ６０６で必要な出力レベルまで増幅され、ステップ６１０の受光器または選択された標的の方向に向けて自由空間に伝播する前に、ステップ６０８で平行にされ得る。
【００５１】
図５のブロック５０６に関連して上述したように、ステップ６０２において、ＬＥＤ、ファイバで連結されたＬＥＤ、ＳＬＥＤ、ファイバで連結されたＳＬＥＤ、またはその他任意の位相コヒーレントな光源など、いかなる位相インコヒーレントな光源を使用してもよい。位相インコヒーレントな光線の強度は、ステップ６０２において、自由空間リンク距離、自由空間リンク距離で予期されるまたは経験される大気分散の程度、および受信デバイスにおいて望ましい出力レベルを含むがこれらに限定されない基準を使用して測定することができる。
【００５２】
図５のブロック５１０に関連して上述したように、伝送された光ビームに基づいてデータを変調するために、ステップ６０４においていかなる外部または内部変調をしてもよい。例えば、ステップ６０２で生成されたインコヒーレントなビームは、生成されたインコヒーレントなビームをオンおよびオフにし、その結果、光線上でデータを暗号化するために、ニオブ酸リチウムマッハツェンダ干渉計を使用して変調することができる。
【００５３】
図５のブロック５１２に関連して上述したように、任意で変調されたインコヒーレントなビームは、自由空間への伝播の前に、ステップ６０６において増幅され得る。そのような増幅は、ステップ６０２において生成されたインコヒーレントなビームの強度に応じた任意的なものである。任意の増幅の必要性は、自由空間距離、自由空間リンク距離で予期されるまたは経験される大気分散の程度、および受信デバイスにおいて望ましい出力レベルを含むがこれらに限定されない基準を使用して測定され得る。多くの光リンク距離に関して、ＳＬＥＤを使用すると仮定すると、方程式１、方程式２および方程式３に関連して上述したように、増幅は必要とされない場合がある。しかしながら、光線増幅が必要である場合、ビームの増幅は、好ましくは、上述のように、一般に従来型のデータ変調器およびＷＤＭマルチプレクサと関連する入力電力制限によってビームが変調された後に実行される。
【００５４】
図５のブロック５１４に関連して上述したように、任意で変調され、任意で増幅されたインコヒーレントなビームは、ステップ６０８において、平行光学レンズまたはミラーを使用して、自由空間に伝播する前に平行にされる場合がある。受信したビームを平行にする方式は、大部分が生成された光線がどのようにして平行光学レンズまたはミラーに転送されるかに基づく。例えば、生成されたインコヒーレントな光線が光ファイバに連結されていない場合、生成されたビームを平行にするために従来型のレンズまたはミラーを使用してもよい。しかしながら、生成されたインコヒーレントな光線が光ファイバに連結されていた場合（例えば、光ファイバに連結されたＳＬＥＤの使用によって）、光線を平行にするためにＧＲＩＮレンズもしくは従来型のレンズまたはミラーのいずれかを使用してもよい。
【００５５】
図５のブロック５１６に関連して上述したように、ステップ６１０において、インコヒーレントな光の平行ビームが直接的に自由空間に伝播することができ、またはインコヒーレントなビームの伝播を、望遠鏡などの伝播光学系の使用、ならびに／または動的ポインティングおよび追跡制御系の使用によって支援することができる。伝送されたビームにおけるシンチレーションの影響は位相インコヒーレントなビームの使用によって実質的に低減されるが、本発明によると、上述のようなビームワンダによるシンチレーションを回避するために、動的ポインティングおよび追跡制御系が依然として必要とされる場合がある。幸いにも、伝送されたビームにおけるスペックルの除去は、従来型の動的ポインティングおよび追跡制御系の有効性を高め、結果として、上述のようなビームワンダによるシンチレーションのさらなる低下をもたらす。
【００５６】
図７は、図５に関連して上述したように、インコヒーレントな光ビーム受信器の典型的な実施形態を使用して、インコヒーレントな光線の受信を表すプロセスフロー図である。図７に示すように、インコヒーレントなビームはステップ７０２で受信され、ステップ７０４で光の存在または不在を検出する光検出デバイスに焦点を当てられる。図５のブロック５１８〜５２２に関連して上述したように、インコヒーレントな光の平行ビームは、ステップ７０２において、受信レンズによって自由空間から直接的に、もしくは望遠鏡ならびに／または動的ポインティングおよび追跡制御システムなどの任意の受信光学系／制御系モジュールを介して、受信され得る。受信された光線は、焦点を直接的に光検出器に合わせる、または任意の光ファイバ経路を介して光検出器に伝送され得る。通常、光検出デバイスは、検出された光の存在または不在に基づいて電磁信号を発生させる。受信の性質によっては、さらなる処理は必要とされない。しかしながら、インコヒーレントなビームが変調された場合、光検出デバイスは通常、光の不在または存在に基づいて電子信号を発生させるトランスデューサとして作用する。そのような場合、電子信号は、受信した位相インコヒーレントな光線上で暗号化された情報を読み出すために、ステップ７０６において任意で変調することができる。
【００５７】
図８は、各ビームが同一の大気擾乱を通過した後の、それぞれ当初同一強度であるインコヒーレントな光線およびコヒーレントな光線のための自由空間受光器によって記録され得る、予期される出力測定の代表的な比較である。曲線８０２は、インコヒーレントな光線によって標的または受信器へ配信され得る、予期される出力の代表的なプロット図を提示している。上述したように、また曲線８０２で表されるように、そのようなインコヒーレントなビームはスペックルの影響を受けないが、大気擾乱によってもたらされたビームワンダの結果として、シンチレーションを依然として含む場合がある。曲線８０４は、コヒーレントな光ビームによって標的または受信器へ配信され得る、予期される出力の代表的なプロット図を提示している。上述のように、また曲線８０４で表されるように、そのような受信したコヒーレントなビームは、大気擾乱によってもたらされたビームワンダに加え、スペックルの結果として、シンチレーションを含む場合がある。図８に示すように、コヒーレントなビームの出力測定（すなわち、曲線８０４）は、ビームワンダによるシンチレーションによって定義される出力エンベロープ（すなわち、インコヒーレントなビーム８０２によって定義される出力エンベロープ）と一致すると予期することができ、その上、スペックルによるシンチレーションの結果として、さらなる出力喪失を含む。
【００５８】
上記で説明し図面に示した実施形態は、シンチレーションを低下させ自由空間光線伝送の信頼性を向上させるためにインコヒーレントな光を適用する多くの手法のうち、ごく一部のみを表したものであることが十分に理解できる。本発明は本明細書で開示されている特定の実施形態に限定されるものではなく、本明細書に記載した方法および装置の変形を使用して、シンチレーションを低下させ光線伝送を向上させることもできる。
【００５９】
本明細書に記載されている自由空間光ビーム伝送システムおよび構成要素は、いくつものハードウェアおよびソフトウェアユニット、またはモジュールにおいて実装されることができ、いかなる特定のハードウェアモジュールおよび／またはソフトウェアモジュールアーキテクチャにも限定されるものではない。各モジュールは、いくつもの手法で実装されることが可能であり、上述のプロセスフローを厳密に実行するための実装に限定されるものではない。上記の、ならびにフローチャートおよび図に示されている自由空間光ビーム伝送システムは、本明細書に記載されている機能を実現する任意の方式で修正され得る。自由空間光ビーム伝送システムの様々な機能は、任意の数量（例えば、１つ以上）のハードウェアおよび／またはソフトウェアモジュールもしくはユニット、コンピュータもしくは処理システムまたは回路において、任意の方式で分配され得ることを理解すべきである。
【００６０】
本発明の自由空間光ビーム伝送システムはいかなる特定の使用または目的にも限定されるものでなく、任意の目的のために光線が自由空間に伝達され得るいかなる光システム内においても使用され得る。用途は、例えば非変調の有向ビーコンから、自由空間リンク上において、従来型および未来型のレーザー／コヒーレントな光ベースのシステムと同程度またはより高い伝送速度でデータを伝送できる高変調マルチチャネル高速光データリンクまで、多岐にわたってよい。インコヒーレントなビームの自由空間光ビーム伝送システムの実施形態は、光照準器、光ターゲットシステム、弾丸を発射する代わりに光線を伝播する銃器および／または銃器アダプタ、車両速度追跡および監視システム（例えば、警察の自動車速度規制施行「レーダー」システム）、長距離電子セキュリティビーム、ならびに／もしくは、事実上コヒーレントなレーザービームが使用され得るその他いかなるシステムをも含むことができるが、これらに限定されない。ターゲットシステムおよび速度追跡システムなど、本発明の自由空間光ビーム伝送システムが使用される用途の性質によっては、受光器が必要とされない場合がある。
【００６１】
データ変調器のためのプロセッサベースの制御、ビーム追跡および制御システムならびに自由空間光ビーム伝送システム構成要素に含まれるその他のモジュールは、任意の望ましいコンピュータ言語および／またはコンピュータ言語の組み合わせで実装されることが可能であり、本明細書に含まれる機能記述および図面に示されたフローチャートに基づいて、コンピュータおよび／またはプログラミング分野の技術者によって開発される可能性があることを理解すべきである。さらに、自由空間光ビーム伝送システムは、本明細書に記載の自由空間光ビーム伝送システムによって実行される機能を実装するよう任意の方式で調整された市販の構成要素を含んでよい。自由空間光ビーム伝送システムコンポーネントソフトウェアは、任意の適合する媒体を介して（例えば、ＣＤ‐ＲＯＭおよびディスケットなどのデバイスに格納される、パケットおよび／または搬送信号を介してインターネットまたはその他のネットワークからダウンロードされる、搬送信号またはその他従来型の分配メカニズムを介して掲示板からダウンロードされる等）利用または分配され得る。
【００６２】
自由空間光ビーム伝送システムは、いかなる数量およびタイプのデータファイルおよび／またはデータベース、もしくは、光ビーム変調の任意の側面および／またはシステム構成要素制御のその他任意の側面を制御するために使用されるその他の構造（例えば、ＡＳＣＩＩ、バイナリ、プレーンテキスト、もしくはその他のファイル／ディレクトリサービスおよび／またはデータベース形式等）にも適応することができる。さらに、本明細書における様々な機能を実行するソフトウェア、または市販のアプリケーションへのいかなる言及も、概してそれらの機能をソフトウェア制御のもとで実行するプロセッサを指す。そのようなプロセッサは、代替としてハードウェアまたはその他の処理回路によって実装され得る。自由空間光ビーム伝送システムの様々な機能は、任意の数量（例えば、１つ以上）のハードウェアおよび／またはソフトウェアモジュールもしくはユニットにおいて、任意の方式で分配され得る。処理システムまたは回路は、互いにローカルまたはリモートに並べられ、任意の適合する通信媒体（例えば、有線、無線等）を介して通信を行うことができる。上述した、またフローチャートおよび図中に示したソフトウェアおよび／または過程は、本明細書に記載した機能を実現するいかなる方式で修正されてもよい。
【００６３】
以上の記述から、本発明は、伝播された光ビームにおける大気擾乱の影響が大幅に低減された光学的光線を伝播するための方法および装置を含むことが十分に理解できる。実質的に位相インコヒーレントである光ビームを伝送することにより、本発明は受信した光ビーム信号中の大気スペックルによるシンチレーションを大幅に低下させる。さらに、大気スペックルの影響を低減することにより従来型の動的ポインティングおよび追跡技術の有効性を高め、これにより、ビームワンダをさらに低減することで信号シンチレーションへの貢献を可能にし、光ビームシンチレーションのさらなる低下を可能にする。
【００６４】
インコヒーレントな光を使用した自由空間光通信のための方法および装置の好適な実施形態を説明したが、本明細書で説明した教示を考慮して、当業者に対しその他の修正、変形および変更を提案することができると考えられる。したがって、そのような変形、修正および変更はすべて、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の範囲内であると考えられることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】図１は、大気擾乱を通過した当初コヒーレントな光線の受信時に、自由空間受光器によって別々の時点に見られるような、光線内のスペックルの４つの代表例を示す。
【図２】図２は、図１に示されている、歪んだ光信号を生成したのと同一の大気擾乱を通過した当初インコヒーレントな光線の受信時に、自由空間受光器によって別々の時点に見られるような、光線の４つの代表例を示す。
【図３】図３は、光ファイバ溶融シリカを通過する光を表す波長に対する屈折指数を示すデータ図である。
【図４】図４は、空中を通過する光を表す波長に対する屈折指数を示すデータ図である。
【図５】図５は、本発明の典型的な実施形態による、自由空間光伝送器および自由空間受光器の代表的なブロック図である。
【図６】図６は、本発明の典型的な実施形態による、インコヒーレントな光線の伝送を表すプロセスフロー図である。
【図７】図７は、本発明の典型的な実施形態による、インコヒーレントな光線の受信を表すプロセスフロー図である。
【図８】図８は、各ビームが、ビームワンダを訂正するための動的ポインティングシステムを持たずに同一の大気擾乱を通過後の、それぞれ当初同一の強度である、インコヒーレントな光線およびコヒーレントな光線のための自由空間受光器によって記録され得る、予期される出力測定の代表的な比較である。
【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】
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【図８】
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【国際調査報告】
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