(57)【要約】［課題］移動体から送出される光ビームを捕捉追尾しながら入射する場合にも、光学系を大型化することなく、入射する光ビームの角度ずれによる通信エラーの発生を抑制する受光装置、光空間通信装置及び光空間通信方法を提供する。［解決手段］受光装置１では、受光した略平面波の光ビームを集光する集光手段１１と、集光手段１１で集光された光ビームを入射する光ファイバ１２と、を有し、集光手段１１の光軸方向に関して、集光手段１１の焦点深度の範囲外であって、光ビームの入射角度の取り得る範囲で光ファイバ１２のコア１２ａに入射する光ビームの光結合効率が所定レベル以上を保つ位置に、光ファイバ１２の入射端１２ｃを配置する。
2014122909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略平面波の光ビームを受光する受光装置であって、
受光した光ビームを集光する集光手段と、
前記集光手段で集光された光ビームを入射する光ファイバと、を有し、
前記集光手段の光軸方向に関して、前記集光手段の焦点深度の範囲外であって、前記光ビームの入射角度の取り得る範囲で前記光ファイバのコアに入射する前記光ビームの光結合効率が所定レベル以上を保つ位置に、前記光ファイバの入射端が配置されている受光装置。
【請求項２】
前記集光手段の光軸方向に関して、前記光ファイバのコアに入射する前記光ビームの入射角度が０のときの光結合効率が最大となる位置よりも、前記光ビームの入射角度の取り得る範囲の少なくとも一部で、前記光結合効率が高くなる位置に、前記光ファイバの入射端が配置されている請求項１に記載の受光装置。
【請求項３】
前記集光手段の光軸方向に関して、前記光ファイバのコアに入射する前記光ビームの入射角度が０のときの光結合効率が最大となる位置よりも、前記光ビームの入射角度の取り得る範囲で、前記光結合効率の変動量が小さくなる位置に、前記光ファイバの入射端が配置されている請求項１に記載の受光装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の受光装置と、
前記受光装置に入射される光ビームの入射角度を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段により制御された前記集光手段の光軸に対する光ビームの入射角度の取り得る範囲に基づいて、前記光ファイバの入射端の位置が規定されている光空間通信装置。
【請求項５】
前記光ビームを送受信する通信システムが許容する前記光結合効率又は前記光結合効率の変動量に基づいて、前記光ファイバの入射端の位置が規定されている請求項４に記載の光空間通信装置。
【請求項６】
略平面波の光ビームを集光する集光手段と、前記集光手段で集光された光ビームを入射する光ファイバとを有し、前記光ビームを受光する受光装置を備えた光空間通信装置を用いた光空間通信方法において、
前記集光手段の光軸方向に関して、前記集光手段の焦点深度の範囲外であって、前記光ビームの入射角度の取り得る範囲で前記光ファイバのコアに入射する前記光ビームの光結合効率が所定レベル以上を保つ位置に、前記光ファイバの入射端を配置する光空間通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光装置、光空間通信装置及び光空間通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
衛星や航空機等の移動体に搭載される観測機器で取得された情報は、何らかの情報伝達手段を用いて、例えば地上等に伝達される。近年、観測機器は、高性能化しており、取得される情報量が多くなっている。このため、上述の情報伝達手段についても、電波通信に代えて、より高速な通信が可能な光空間通信を用いることが提唱されている。２００６年には、光衛星通信実験衛星「きらり」が衛星間の光空間通信に世界で初めて成功している。光空間通信には、高速性に加えて高いビーム指向性がもたらす高秘匿性、回線間の低干渉性などの長所がある。そのため、光空間通信は、衛星から地上への情報伝達、航空機から地上への情報伝達、及び衛星から航空機・船舶・車両などへの情報伝達等の大容量の情報伝達手段として大きな役割を担うことが期待されている。【０００３】
ところが、光空間通信には幾つかの課題も残されている。移動体から送出される光ビームを受信する場合には、受信した略平面波の光ビームを光ファイバに確実に集光するために、光ビームを受光する光アンテナを駆動して光ビームを捕捉追尾した状態を高精度に維持する必要がある。この場合、例えば、移動体の移動、航空機等の飛行中の姿勢変動、近傍の乱流、及び大気ゆらぎ等が捕捉追尾を妨げる要因となる。他にも、アンテナの指向誤差、光ビームを光ファイバに入射させる精捕捉追尾機構（ＦＰＭ：Fine Pointing Mechanism）の制御誤差等が捕捉追尾を妨げる要因となる。これらの要因により、入射した光ビームのビーム径中心と、光ファイバのコアの中心との間にずれが発生し、光結合効率が変動（低下）する。光結合効率とは、光ビームのうち光ファイバに入射される光ビームの割合である。光結合効率が低下すると、通信エラーが発生する頻度が高くなる。【０００４】
光結合効率の変動を抑える技術には、機構的な制御によるものと光学的な構成によるものがある。例えば、下記特許文献１には、光結合効率の変動を機構的な制御により抑制する光学システムが記載されている。この特許文献１に記載の光学システムは、入射光の入射条件により、光軸に直交する方向の位置ずれと光軸方向のピント位置ずれを起こす可能性がある場合にも、それぞれのずれを迅速に解消して安定した光結合状態を維持している。【０００５】
また、特許文献２には、光学的な構成により光結合効率の変動を抑える空間光受信装置が記載されている。この特許文献２に記載の空間光受信装置は、光空間伝搬信号を受光装置に入射する際に、ある範囲の入射方向の変動があった場合でも入射光を一定の方向に導く偏向装置を備えている。該偏向装置から出射した光は、集光装置で集光され、光ファイバに入射し、光信号として光信号装置に導かれる。【０００６】
また、特許文献３には、光伝送モジュールにおいて、熱膨張による光パワーの変動を抑え、光パワーの変動を防止する光伝送モジュールが記載されている。この特許文献３に記載の光伝送モジュールは、レーザ光を放射するレーザダイオードと、レーザ光を集光するためのレンズと、レンズから出射されたレーザ光を入射するファイバコアを有するファイバフェルールを備える。さらに、この特許文献３に記載の光伝送モジュールは、レンズ自身、レンズの前、又はレンズの後に設けられた絞りとを備える。【０００７】
また、特許文献４には、半導体レーザと集光レンズと光ファイバとが一体化されてなる光結合モジュールが記載されている。この光結合モジュールでは、半導体レーザから出射され集光レンズで集光されたレーザビームのビームウエスト位置に対して、光ファイバの入射端面を、レーザビームの進行方向の前方側面又は後方側にずらしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−０７９３８７号公報
【特許文献２】特開２００８−２３３１７９号公報
【特許文献３】特許第３９５０７７９号公報
【特許文献４】特開平０９−３１８８５１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】河野健治著、「光デバイスのための光結合系の基礎と応用」、初版、現代工学社、１９９１年１月２５日、ｐｐ２９−４９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載の光学システムでは、例えばガルバノミラーを用いて光軸に直交する方向のビーム径中心とファイバコア径中心との位置ずれを解消するトラッキングフィードバック制御が行われる。さらに、特許文献１に記載の光学システムでは、光軸方向のピント位置ずれを解消するフォーカスフィードバック制御が行われる。光軸に直交する方向のビーム径中心とファイバコア径中心との位置ずれはトラッキングエラーと呼ばれ、光軸方向のピント位置ずれはフォーカスエラーと呼ばれる。このとき、フォーカスフィードバック制御では、トラッキングエラーがあってもピント位置検出手段によって検出精度に影響をあたえることなくフォーカスエラーを検出する。そしてピント位置検出手段によって、フォーカスエラーが焦点深度の範囲に収め、最適なフォーカス状態を維持することができる。しかし、移動体を捕捉追尾しながら大気中を通過する入射光を入射する場合には、入射光の角度変動が激しいため、ガルバノミラーを用いてトラッキングフィードバック制御を行っても、トラッキングエラーを抑制するのが困難になる。光モジュールの加工組立精度を高めても受光パワー変動として問題にならないレベルまでトラッキングエラーを解消することは困難であり、フォーカスエラーが解消した状態でも受光パワーの変動は残存する。【００１１】
また、例えば、特許文献２に記載の空間光受光装置では、偏向装置を通して光ファイバに光を入射することにより入射方向の異なる入射光を予め決められた方向の光に変換することができる。このため、入射光の入射方向が変化しても受光した光の利用効率を高めることができる。しかし、光空間通信装置に偏向装置を適用すると、光学系が大型化、複雑化してしまう。【００１２】
また、通常の光モジュールの加工組立精度であれば、固定されたレーザダイオードからの出射光が通過する絞りの中心とレンズの中心とのずれを、問題となる許容値より小さい値に十分収めることができる。このため、例えば、特許文献３に記載の光伝送モジュールでは、光結合効率の変動を抑えることができる。一方、光源が固定されていない場合、例えば、移動体から送出され大気中に光を伝搬する光を受信する場合を考える。この場合には、捕捉追尾しながら入射する光ビームの中心とファイバに集光するレンズの中心とのずれは、光伝送モジュールで達成できる絞りの中心とレンズの中心とのずれよりもはるかに大きくなる。このため、移動体から送出された光を受信する場合には、この光伝送モジュールのように絞りを用いても、受光パワーは大きく変動する。【００１３】
また、特許文献４記載の光結合モジュールでは、半導体レーザの動作電流を変動させることなく光ファイバ出力を例えば１ｍＷ〜６ｍＷ程度に制御することができる。この光結合モジュールは、レーザビームを適正なパワーで受光するために、光ファイバの入射端面を、レーザビームウエスト位置に対してビームの進行方向の前方側又は後方側にシフトさせる。他にも、この光結合モジュールはレーザビームを適正なパワーで受光するために、光ファイバのコアの中心軸をレーザビームの伝播方向に対して傾斜させる。これに関連して、特許文献４には、適正なパワーで受光するために、すなわち、受光パワーを抑制するために、半導体レーザから出射されたレーザビームに対する光ファイバの位置ずれ、角度ずれの影響を計算したデータが開示されている。しかしながら、これらのデータから、移動体から入射する光の入射角度の変動による影響及び対応策を勘案することはできない。例えば、移動体から出射された光ビームであること、大気ゆらぎが存在することに伴うチルト角の変動範囲、光ファイバの配置位置、及び光結合効率の変動のいずれかの相関関係に関するデータについては特許文献４には、一切開示されていない。発光素子が構成要素に含まれていない光空間通信装置では、角度ずれの範囲と光結合効率の変動量とを勘案しなければ、光ファイバの位置を決めるのは困難である。【００１４】
本発明では、上記事情に鑑みてなされたものであり、移動体から送信される光ビームを捕捉追尾しながら入射する場合にも、光学系を大型化することなく、通信エラーの発生を抑制することができる受光装置、光空間通信装置及び光空間通信方法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】
【００１５】
本発明の第１の観点に係る受光装置は、
略平面波の光ビームを受光する受光装置であって、
受光した光ビームを集光する集光手段と、
前記集光手段で集光された光ビームを入射する光ファイバと、を有し、
前記集光手段の光軸方向に関して、前記集光手段の焦点深度の範囲外であって、前記光ビームの入射角度の取り得る範囲で前記光ファイバのコアに入射する前記光ビームの光結合効率が所定レベル以上を保つ位置に、前記光ファイバの入射端が配置されている。【００１６】
本発明の第２の観点に係る光空間通信装置は、
上記本発明の第１の観点に係る受光装置と、
前記受光装置に入射される光ビームの入射角度を制御する制御手段と、備え、
前記制御手段により制御された前記集光手段の光軸に対する光ビームの入射角度の取り得る範囲に基づいて、前記光ファイバの入射端の位置が規定されている。【００１７】
本発明の第３の観点に係る光空間通信方法は、
略平面波の光ビームを集光する集光手段と、前記集光手段で集光された光ビームを入射する光ファイバとを有し、前記光ビームを受光する受光装置を備えた光空間通信装置を用いた光空間通信方法において、
前記集光手段の光軸方向に関して、前記集光手段の焦点深度の範囲外であって、前記光ビームの入射角度の取り得る範囲で前記光ファイバのコアに入射する前記光ビームの光結合効率が所定レベル以上を保つ位置に、前記光ファイバの入射端を配置している。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、集光手段の焦点深度の範囲外に光ファイバの入射端が配置されることにより、光ビームの角度ずれに起因する受光パワーの変動量を小さくすることが可能になる。このため、移動体から送信される光ビームを捕捉追尾しながら入射する場合にも、光学系を大型化することなく、入射する光ビームの角度ずれによる通信エラーの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る受光装置の基本構成を示す図である。
【図２】角度ずれ量θとオフセット量ｘを示す説明図である。
【図３】角度ずれ量θと光結合効率との関係を示す特性グラフである。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る受光装置における角度ずれ量θと光結合効率との関係を示す特性グラフである。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る受光装置における角度ずれ量θと、角度ずれ量θに対する光結合効率の変動量を示す特性グラフである。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係る光空間通信装置の基本構成を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る受光装置の基本構成を示す図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係る受光装置における角度ずれ量θと光結合効率との関係を示す特性グラフである。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係る受光装置における角度ずれ量θと光結合効率との関係を示す特性グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して本発明の第１の実施の形態に係る受光装置について説明する。図１は、本実施の形態に係る受光装置の基本構成を示す図である。本実施の形態に係る受光装置は、通信相手が出射した光ビームを受光する受光装置である。この受光装置１は、図１に示すように、集光手段１１と光ファイバ１２とを備える。これら集光手段１１及び光ファイバ１２は、平行光束の光ビーム（略平面波の光ビーム）が光軸に平行に入射するように位置決めされている。
【００２１】
集光手段１１は、受光した光ビームを集光する。図１では、左側から集光手段１１の光軸に沿って入射した光ビームが、集光手段１１内で屈折し、集光手段１１の右側で集光する様子が点線で示されている。光ファイバ１２には、集光手段１１により集光された光ビームが入射され導光される。集光手段１１には、例えば、凸レンズや凹面ミラーが用いられる。なお、本実施の形態では、集光手段１１として凸レンズを用いた場合について説明する。
【００２２】
平行光束の光ビームが、集光手段１１で屈折して、その光軸上で集光する点が焦点となる。ある物点から出た光が集光手段１１を経て焦点に結像する場合、集光手段１１の光軸方向には、焦点の前後に鮮明な像を結び得る状態、すなわちピントが合った状態となる範囲がある。この範囲の両限界間の距離は焦点深度と呼ばれる。
【００２３】
光ファイバ１２は、集光手段１１から入射した光ビームを入射して伝搬させる。この光ファイバ１２は、コア（core）１２ａと、コア１２ａを囲むクラッド（clad）１２ｂとを備える。光ファイバ１２では、コア１２ａを光ビームが伝搬する。なお、本実施の形態では、コア１２ａの入射端が、すなわち光ファイバ１２の入射端１２ｃである。
【００２４】
上記の構成を有する受光装置１では、図１に示されるように、集光手段１１に入射した略平面波の光ビームは、集光され、光ファイバ１２の入射端１２ｃからコア１２ａに入射する。光ファイバ１２が集光手段１１により集光された光ビームを導光する。集光手段１１を通過した光ビームのうち、光ファイバ１２に入射する光ビームの割合は光結合効率と呼ばれる。最大光結合効率となるときの光結合効率は０［ｄＢ］と定義される。
【００２５】
一般的に、光結合効率は、以下の条件下において最大となる。例えば、光ビームが集光手段１１に対して光軸に平行な角度で入射する場合を考える。この場合には、光ファイバ１２の中心軸（コア１２ａの中心軸）を集光手段１１の光軸と一致させるとともに、光ファイバ１２の入射端１２ｃを集光手段１１の焦点と一致させることで、光結合効率が最大となる。そのため、一般的な受光装置では、光ファイバの入射端を焦点の位置に配置している。
【００２６】
また、焦点深度の範囲内は、焦点とほぼ同等にピントが合った状態となるので、焦点深度の範囲内においても、光結合効率がほぼ最大となる。なお、本実施の形態においては、光結合効率が最大となる点を焦点として以下の説明を行うが、これには限定されない。
【００２７】
ところが、集光手段１１に入射する光ビームは、集光手段１１の光軸に平行に入射するように集光手段１１を位置決めした場合であっても、光ビームの入射方向が変動することがある。この光軸に対する斜め方向からの光ビームの入射は角度ずれと呼ばれる。図２に示すように、集光手段１１の光軸に対する光ビームの入射角は角度ずれ量θとここで定義される。集光手段１１の光軸と光ビームの入射角が一致し、角度ずれがない状態には、角度ずれ量θ＝０［ｄｅｇ］となる。
【００２８】
角度ずれによる光結合効率の変化について、図２を参照して説明する。図示されるように、集光手段１１に斜め方向から光ビームが入射すると（図中、破線）、光ビームは、光ファイバ１２の中心軸から外れた位置に集束する。その結果、トラッキングエラーが発生し、光結合効率の低下を引き起こし受光パワーが低下する。
【００２９】
受光装置１では、光ファイバ１２の入射端１２ｃが、焦点から光軸方向（集光手段１１から離れる方向）にシフトされている。より具体的には、光ファイバ１２の入射端１２ｃを、集光手段１１の光軸方向に関して、集光手段１１の焦点深度の範囲外であって、光ビームの入射角度の取り得る範囲で光ファイバ１２のコア１２ａに入射する光ビームの光結合効率が所定レベル以上を保つ位置に配置されている。
【００３０】
本実施の形態に係る受光装置１、すなわち、光ファイバ１２の入射端１２ｃが焦点からオフセットされた受光装置１における、角度ずれ量θと光結合効率との関係について、図３を参照して説明する。図３には、受光装置の角度ずれと光結合効率との関係を示す特性グラフの一例が示されている。
【００３１】
図３では、光ファイバの入射端を焦点からオフセットさせていない受光装置の場合（以下、オフセットなし）の角度ずれと光結合効率との関係が実線で示されている。一方、本実施の形態に係る受光装置１に相当する、光ファイバ１２の入射端１２ｃをオフセットさせた場合（以下、オフセットあり）の角度ずれと光結合効率との関係が破線で示されている。図示するように、角度ずれがない状態（角度ずれ量θ＝０［ｄｅｇ］）では、オフセットなしのときの光結合効率が高く、オフセットあり（本実施の形態の受光装置１）のときの光結合効率が低くなっている。
【００３２】
角度ずれ量θの値を変化（大きく）させると、オフセットなし、オフセットありのいずれにおいても、光結合効率が低下する。このときの光結合効率の変動量（低下量）は、オフセットなし、オフセットありのそれぞれで異なる。光結合効率の変動量は、オフセットなしのときが大きく、オフセットありのときが小さい。
【００３３】
換言すると、オフセットなしの場合、角度ずれがない状態（角度ずれ量θ＝０［ｄｅｇ］）では最大光結合効率となるが、角度ずれが生じることによって光結合効率が大幅に低下する。一方、オフセットありの場合、角度ずれがない状態では、光結合効率が最大光結合効率に達しないものの、角度ずれにより生じる光結合効率の低下は、ピントがあった状態（オフセットなしの場合）で角度ずれが生じた場合に比べて緩やかである。
【００３４】
図３では、信号の正確な受信に必要な光結合効率の最低レベルＬが１点鎖線で示されており、光ビームの入射角度の取り得る範囲の限界値θMAXが２点鎖線で示されている。図３に示すように、光ビームの入射角度の取り得る範囲内において、オフセットありの光結合効率が、オフセットなしの光結合効率よりも高くなる領域ができる。光ビームの入射角度の取り得る範囲内において、オフセットなしの光結合効率は、最低レベルＬ以下となる領域があるが、オフセットありの光結合効率は、最低レベルＬ以上を保っている。
【００３５】
このように、受光装置１によれば、光ファイバ１２の入射端１２ｃが、集光手段１１の光軸方向に関して、集光手段１１の焦点深度の範囲外であって、光ビームの入射角度の取り得る範囲で光ファイバ１２のコア１２ａに入射する光ビームの光結合効率が所定レベル（例えば、上記最低レベルＬ）以上を保つ位置に配置されている。このため、光ビームの角度ずれが生じた場合であっても、高い光結合効率を得るとともに、角度ずれが生じた場合における光結合効率の変化量を低減させることができる。すなわち、角度ずれに関わらず、高い光結合効率を維持することができる。
［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態に係る受光装置について説明する。本実施の形態に係る受光装置は、光ファイバの入射端を、集光手段の光軸方向に関して、光ファイバのコアに入射する光ビームの入射角度が０のときの光結合効率が最大となる位置よりも、光ビームの入射角度の取り得る範囲の少なくとも一部で、光結合効率が高くなる位置に配置している。
【００３６】
本実施の形態に係る受光装置は、上述した第１の実施の形態に係る受光装置１（図１参照）と同様の構成を有するため、同一符号を付して説明を省略する。本実施の形態では、光ファイバ１２の入射端１２ｃの位置、すなわち、図２に示されるオフセット量ｘの値が、角度ずれ量θと光結合効率との関係に基づいて算定される。
【００３７】
オフセット量ｘとは、図２に示されるように、焦点を基準に光ファイバ１２を光軸方向にシフトしたときの移動量である。光ファイバ１２が集光手段１１から離れるように移動したときのオフセット量ｘを正の値とする。一方、光ファイバ１２が集光手段１１に近づくように移動したときのオフセット量ｘを負の値とする。なお、オフセット量ｘの符号は任意に設定してもよい。
【００３８】
図４には、角度ずれ量θと光結合効率との関係を示す特性グラフが示されている。図４では、オフセット量ｘ＝０ｍｍ（オフセットなし）の結果が実線で示され、オフセット量ｘ＝１ｍｍの結果が破線で示され、オフセット量ｘ＝２ｍｍの結果が点線で示される。
【００３９】
図４に示すように、角度ずれがない状態（角度ずれ量θ＝０［ｄｅｇ］）では、オフセット量ｘ＝０のときの光結合効率が最も高く、オフセット量ｘ＝１ｍｍのときの光結合効率が次に高く、オフセット量ｘ＝２ｍｍのときの光結合効率が最も低い。すなわち、光結合効率とオフセット量ｘは反比例し、オフセット量ｘが大きくなるにつれて光結合効率が小さくなる。
【００４０】
角度ずれ量θの値が変化（大きく）すると、オフセット量ｘ＝０ｍｍ，１ｍｍ，２ｍｍのいずれにおいても、光結合効率が低下する。このときの光結合効率の変動量（低下量）は、オフセット量ｘ＝０ｍｍ，１ｍｍ，２ｍｍのそれぞれで異なる。光結合効率の変動量は、オフセット量ｘ＝０ｍｍのときが最も大きく、オフセット量ｘ＝１ｍｍのときが次に大きく、オフセット量ｘ＝２ｍｍのときが最も低い。
【００４１】
換言すると、オフセットなしの場合（オフセット量ｘ＝０ｍｍの場合）、角度ずれがない状態（角度ずれ量θ＝０［ｄｅｇ］）では最大光結合効率となるが、角度ずれが生じることによって光結合効率が大幅に低下する。一方、オフセットありの場合（オフセット量ｘ＝１ｍｍ，２ｍｍの場合）、角度ずれがない状態（角度ずれ量θ＝０［ｄｅｇ］）では、光結合効率が最大光結合効率に達しない。しかし、角度ずれにより生じる光結合効率の低下は、ピントがあった状態（オフセット量ｘ＝０ｍｍの場合）で角度ずれが生じた場合に比べて緩やかである。これにより、上述したとおり、角度ずれが生じた場合（角度ずれ量θの値が大きくなった場合）には、光軸方向に関して、光ファイバ１２の入射端１２ｃの位置にオフセットを持たせたときの光結合効率が、オフセットを持たせなかったときの光結合効率よりも高くなる領域ができる。
【００４２】
図４では、信号の正確な受信に必要な光結合効率の最低レベルが１点鎖線で示されており、受信装置１がそれぞれ異なる通信システムに属する場合に定められるレベルＬ１、Ｌ２が示されている。また、図４では、光ビームの入射角度の取り得る範囲の限界値θmaxが２点鎖線で示されている。
【００４３】
図４に示す例では、光結合効率の最低レベルがＬ１である場合には、オフセット量ｘは２．０ｍｍが望ましく、光結合効率の最低レベルがＬ２である場合には、オフセット量ｘは１．０ｍｍが望ましい。
【００４４】
このように、オフセット量ｘを角度ずれ量θと光結合効率に基づいて算定することで、角度ずれが生じた場合にも、受光パワーの変動を小さくすることができるオフセット量ｘを算定することができる。
［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態に係る受光装置について説明する。本実施の形態に係る受光装置は、集光手段の光軸方向に関して、光ファイバのコアに入射する光ビームの入射角度が０のときの光結合効率が最大となる位置よりも、光ビームの入射角度の取り得る範囲で、光結合効率の変動量が小さくなる位置に、光ファイバの入射端が配置されたものである。
【００４５】
本実施の形態に係る受光装置は、上述した第１，第２の実施の形態に係る受光装置１（図１参照）と同様の構成を有するため、同一符号を付して説明を省略する。本実施の形態では、光ファイバ１２の入射端１２ｃの位置、すなわち、図２に示すオフセット量ｘの値が、角度ずれ量θと光結合効率の変動量との関係に基づいて算定される。
【００４６】
角度ずれ量θと、この角度ずれ量θに対する光結合効率の変化量との関係について、図５を参照して説明する。図５には、角度ずれに起因する光結合効率の変動量を示す特性グラフの一例が示されている。この図には、オフセット量ｘ＝０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍそれぞれの場合において、角度ずれがない状態を基準として、角度ずれ量θを推移させたときの（角度ずれが生じたことによる）光結合効率の変動量をプロットした結果が示されている。図５に示すように、オフセット量ｘを与えれば、角度ずれが生じた場合にも、受光パワーの変動を小さくすることができる。
【００４７】
そこで、受光装置１では、集光手段１１の光軸方向に関して、光ファイバ１２のコア１２ａに入射する光ビームの光結合効率が最大となる位置を基準とする集光手段１１の焦点深度の範囲外の位置に光ファイバ１２の入射端１２ｃが配置される。具体的には、集光手段１１の光軸方向に関して、光ファイバ１２のコア１２ａに入射する光ビームの入射角度が０のときの光結合効率が最大となる位置（焦点）よりも、光ビームの入射角度の取り得る範囲で、光結合効率の変動量が小さくなる位置に、光ファイバ１２の入射端１２ｃが配置される。例えば、角度ずれ（角度ずれ量θ＝０．０３［ｄｅｇ］）の範囲で光結合効率の変動量を６［ｄＢ］以内とするためにオフセット量xは１ｍｍと算定される。
【００４８】
このように、オフセット量ｘの値を、角度ずれ量θと、この角度ずれ量θに対する光結合効率の変化量に基づいて決定することで、角度ずれが生じた場合にも、受光パワーの変動を小さくすることができる。
［第４の実施の形態］
次に、第４の実施の形態に係る光空間通信装置について説明する。本実施の形態に係る光空間通信装置は、通信相手となる移動通信装置と相互に略平面波の光ビームを送受信して光空間通信を行う通信装置である。光空間通信装置１００は、図６に示されるように、粗捕捉追尾機構（ＣＰＭ：Coarse Pointing Mechanism）２、光アンテナ（Optical Antenna）３、精捕捉追尾機構（ＦＰＭ：Fine Pointing Mechanism）４、ビームスプリッタ（Beam Splitter）５、粗捕捉追尾センサ（ＣＡＳ：Coarse Acquisition sensor）６、精捕捉追尾センサ（ＦＰＳ：Fine Pointing sensor）７、制御器８、及び受光装置１’を備える。
【００４９】
粗捕捉追尾機構２は、通信相手が送信した光ビーム（図中、点線）に基づいて通信相手を捕捉追尾する機構であり、粗捕捉追尾センサ６とともに用いられる。この粗捕捉追尾機構２は、いずれも図示しない、光ビームが入射する開口部と、開口部を所定の方向に駆動する二軸ジンバル（Gimbal）と、開口部から入射した光ビームを光アンテナ３に向かって反射させるミラーとを備える。
【００５０】
粗捕捉追尾機構２に入射した光ビームの一部は、光アンテナ３、精捕捉追尾機構４、ビームスプリッタ５（５１）を経て、粗捕捉追尾センサ６に導かれる。粗捕捉追尾センサ６は、通信相手の位置や、通信相手との距離を検出する。粗捕捉追尾機構２では、粗捕捉追尾センサ６の検出結果に基づいて制御部８において生成された制御信号（図中、破線）に基づいて、通信相手との位置、角度を調整する処理を行う。この処理により、光ビームの大まかな捕捉追尾が行われる。
【００５１】
なお、粗捕捉追尾機構２は、二軸ジンバルの姿勢を検出するレゾルバ（Resolver）などの回転角センサをさらに備え、それらのセンサ出力によって、二軸ジンバルの姿勢を制御するようにしてもよい。
【００５２】
光アンテナ３は、粗捕捉追尾機構２から照射された光ビームを所定の大きさに縮小する。光アンテナ３は、この縮小した光ビームを精捕捉追尾機構４に導光する光学系である。この光アンテナ３は、例えば、レンズやミラー等を組み合わせて構成される。
【００５３】
精捕捉追尾機構４は、通信相手が出射した光ビームを捕捉追尾する機構であり、精捕捉追尾センサ７とともに用いられる。この精捕捉追尾機構４は、いずれも図示しない、ミラーと、このミラーを保持する保持部と、ミラーを駆動する電磁駆動部とを備える。ミラーは、入射した光ビームを反射する。保持部は、例えば、バネなどの弾力部材等により構成される。また、電磁駆動部は、例えば、ＶＣＭ（Voice Coil Motor）、圧電素子、サーボモータ及びリニアモータ等の各種アクチュエータにより構成される。
【００５４】
精捕捉追尾機構４に入射した光ビームの一部は、ビームスプリッタ５（５１）、５（５２）を経て、精捕捉追尾センサ７に導かれる。精捕捉追尾センサ７は、受光装置１’に入射される光ビームの入射角度を検出する。
【００５５】
精捕捉追尾機構４は、精捕捉追尾センサ７の検出結果に基づいて制御部８において生成された制御信号に基づいて、通信相手が出射した光ビームを受光装置１’内に効率的に導入するような位置、角度を調整する処理を行う。例えば、精捕捉追尾機構４は、電磁駆動部によりミラーを駆動して、ミラーのチルトを変化させることで、受光装置１’に入射する光ビームの入射角度を調整する。
【００５６】
なお、精捕捉追尾機構４は、ミラーのチルトを測定する過電流センサ又は光学センサなどの角度センサをさらに備えるようにしてもよい。この場合には、角度センサの出力に基づいて、ミラーの角度が制御される。
【００５７】
ビームスプリッタ５は、直角プリズムを二つ貼り合わせ、接合面には誘電体多層膜や金属膜のコーティングを施した光学部品である。ビームスプリッタ５は、入射する光ビームの一部を反射させ一部は透過させる。なお、本実施の形態では、直角プリズムを二つ貼り合わせたビームスプリッタを採用したが、これには限定されず、例えば、プレート型のビームスプリッタを採用してもよい。
【００５８】
本実施の形態に係る光空間通信装置１００は、ビームスプリッタ５として、ビームスプリッタ５１と、ビームスプリッタ５２とを備える。ビームスプリッタ５１は、精捕捉追尾機構４を通過した光ビームを、粗捕捉追尾センサ６に向かう光ビームと受光装置１に向かう光ビームに分岐する。ビームスプリッタ５２は、精捕捉追尾機構４を通過した光ビームを、精捕捉追尾センサ７と受光装置１’に分岐する。
【００５９】
粗捕捉追尾センサ６は、受光した光ビームに基づいて通信相手の位置を検出する位置センサである。粗捕捉追尾センサ６は、受信面内に照射された平面内で光ビームの位置に基づいて通信相手の姿勢情報を検出する。粗捕捉追尾センサ６において検出された通信相手の姿勢情報は制御部８に送信される。この粗捕捉追尾センサ６として、例えば、４分割ＰＤ（Photodiode：フォトダイオード）センサ、ＰＤセンサアレイ等を採用することができる。他にも、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ等を採用することができる。
【００６０】
精捕捉追尾センサ７は、受光した光ビームに基づいて受光装置１’に入射した光ビームの入射角を検出する。精捕捉追尾センサ７において検出された光ビームの入射角に関する情報は制御部８に送信される。精捕捉追尾センサ７として、上記粗捕捉追尾センサ６と同様に、例えば、４分割ＰＤセンサ、ＰＤセンサアレイ、ＣＭＯＳイメージセンサ、ＣＣＤイメージセンサ等を採用することができる。
【００６１】
制御部８は、光空間通信装置１００に、光空間通信を行わせる制御信号、及び捕捉追尾処理を行わせる制御信号を生成する。制御部８は、例えば、粗捕捉追尾センサ６や粗捕捉追尾機構２のレゾルバにより検出された姿勢情報に基づいて粗捕捉追尾機構２の二軸ジンバルを駆動する制御信号を生成するとともに、精捕捉追尾センサ７のＶＣＭを駆動する制御信号を生成する。
【００６２】
受光装置１’は、上述した第１〜第３の実施の形態に係る受光装置１と同様に、通信相手が出射した光ビームを受光して光空間通信（伝達情報の受信）を行う。この受光装置１’は、図７に示すように、集光手段１１と、光ファイバ１２と、光電変換素子１３と、これらの構成要素を収容する筐体１４を備える。
【００６３】
光電変換素子１３は、光ビームを電気信号に変換する素子である。光電変換素子１３として、例えば、フォトダイオードを用いることができる。この光電変換素子１３は、光ファイバ１２により導光された光ビームの光量に応じた出力値を有する電気信号を出力する。
【００６４】
上述した構成を有する受光装置１’では、集光手段１１は、入射した略平面波の光ビームを集光する。光ファイバ１２は、集光手段１１により集光された光ビームを導光する。光電変換素子１３は、光ファイバ１２により導光された光ビームに含まれる伝達情報を電気信号に変換する。
【００６５】
また、受光装置１’では、上述した受光装置１と同様に、光ファイバ１２の入射端１２ｃがオフセットを持っている。具体的には、粗捕捉追尾機構２、精捕捉追尾機構４、粗捕捉追尾センサ６、精捕捉追尾センサ７、制御器８からなる制御手段により制御された集光手段１１の光軸に対する光ビームの入射角度の取り得る範囲に基づいて、光ファイバ１２の入射端１２ｃの位置が規定されている。そのため、受光装置１’では、制御手段の制御誤差により光ビームの角度ずれが生じた場合であっても、光結合効率の低下が抑制され、光結合効率が高く保持される。
【００６６】
本実施の形態に係る光空間通信装置１００では、光学系や制御手段を用いて、受光部１’に入射する光ビームを規制しているが、通信相手が移動体である場合や、制御手段の制御誤差が生じた場合には、受光装置１’に対して斜め方向に光ビームが入射することがある。そこで、受光装置１’では、光ファイバ１２の入射端１２ｃは、集光手段１１の焦点深度の範囲外に配置される。すなわち、光ファイバ１２の入射端１２ｃは、制御手段により制御された集光手段１１の光軸に対する光ビームの入射角度の取り得る範囲に基づいて算定された位置に配置される。これにより、光ビームの角度ずれが生じた場合であっても、光結合効率の変動を抑制することができる。
【００６７】
このように、オフセット量ｘを角度ずれ量θと光結合効率に基づいて算定することで、受光装置１’に入射される光ビームの入射角度を制御する制御手段により制御された集光手段１１の光軸に対する光ビームの入射角度の取り得る範囲に基づいて、光ファイバ１２の入射端１２ｃの位置が規定される。具体的には、集光手段１１の光軸方向に関して、光ファイバ１２のコア１２ａに入射する光ビームの入射角度が０のときの光結合効率が最大となる位置よりも、光ビームの入射角度の取り得る範囲の少なくとも一部で、光結合効率が高くなる位置に、光ファイバ１２の入射端１２ｃが配置されている。すなわち、光結合効率の変動量と、粗捕捉追尾系の制御精度、または、精捕捉追尾系の制御精度などに基づいて、オフセット量ｘを算出することができる。
【００６８】
例えば、図８に示すように、粗捕捉追尾系の制御精度、または、精捕捉追尾系の制御精度などに応じて求められる角度ずれ量θの最大値が、θ１MAXである場合には、オフセット量ｘは、２ｍｍであるのが望ましい。しかし、粗捕捉追尾系の制御精度、または、精捕捉追尾系の制御精度などに応じて求められる角度ずれ量θの最大値が、θ２MAXである場合には、オフセット量ｘは、１ｍｍであるのが望ましい。
［第５の実施の形態］
次に、第５の実施の形態に係る光空間通信装置について説明する。本実施の形態に係る光空間通信装置は、光ビームを送受信する通信システムが許容する光結合効率又は光結合効率の変動量に基づいて、光ファイバ１２の入射端１２ｃの位置を規定したものである。
【００６９】
本実施の形態に係る光空間通信装置は、上述した光空間通信装置１００（図６参照）と同様の構成を備えたものであり同一符号を付して説明を省略する。本実施の形態では、受光装置１’において、光ファイバ１２の入射端１２ｃを、焦点から光軸方向にオフセットを持たせた位置に配置している。これにより、通信相手との通信状態が悪化した場合、すなわち、通信相手が移動体である場合や、粗捕捉追尾機構２や精捕捉追尾機構４の制御誤差が生じた場合にも、所定レベル以上の光結合効率が維持される。
【００７０】
このように、受光パワー又は通信システムのエラーレートと角度ずれとの関係に基づいて、オフセット量ｘを算出することができる。例えば、図９に示すように、通信システムが許容する光結合効率が高く、その最低レベルが、Ｌ８１以上である場合には、オフセット量ｘは、２ｍｍであるのが望ましい。また、光結合効率に求められる最低レベルが、Ｌ８２以上である場合には、オフセット量ｘは、１ｍｍでもよいことになる。
【００７１】
なお、本実施形態の光空間通信装置１００は、粗捕捉追尾機構２で光ビームを受けて光アンテナ３に入射しているが、光空間通信装置１００は光アンテナ３を二軸ジンバルで駆動しながら移動体を捕捉追尾して精捕捉追尾機構４に光ビームを導くようにしてもよい。
【００７２】
また、粗捕捉追尾センサ６を、精捕捉追尾機構４の後ではなく、粗捕捉追尾機構２の直後の光ビームをビームスプリッタ５で分離した位置におくようにしてもよい。
【００７３】
また、上記実施の形態では、移動体と通信を行う場合について説明した。しかしながら、本発明はこれには、限られない。例えば、屋外のビルなど固定構造物に取り付けられているが風などにより振動する場合がある光空間通信装置１００同士の通信に本発明を適用するようにしてもよい。
【００７４】
なお、上記実施の形態で説明した特性グラフは、上記非特許文献１に記載の手法を用いた光学シミュレーションで求められたものである。本光学シミュレーションは、具体的には以下の条件を用いて行われた。
【００７５】
光ビームの波長：１．５５μｍ
光ファイバ１２のコア１２ａの直径：３０μｍ
焦点距離：５６ｍｍ
レイリー長：０．４６ｍｍ
なお、レイリー長とは、入射光をガウスビームとみなしたときの焦点深度である。
【００７６】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【００７７】
上述した本実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
略平面波の光ビームを受光する受光装置であって、
受光した光ビームを集光する集光手段と、
前記集光手段で集光された光ビームを入射する光ファイバと、を有し、
前記集光手段の光軸方向に関して、前記集光手段の焦点深度の範囲外であって、前記光ビームの入射角度の取り得る範囲で前記光ファイバのコアに入射する前記光ビームの光結合効率が所定レベル以上を保つ位置に、前記光ファイバの入射端が配置されている受光装置。
（付記２）
前記集光手段の光軸方向に関して、前記光ファイバのコアに入射する前記光ビームの入射角度が０のときの光結合効率が最大となる位置よりも、前記光ビームの入射角度の取り得る範囲の少なくとも一部で、前記光結合効率が高くなる位置に、前記光ファイバの入射端が配置されている付記１に記載の受光装置。
（付記３）
前記集光手段の光軸方向に関して、前記光ファイバのコアに入射する前記光ビームの入射角度が０のときの光結合効率が最大となる位置よりも、前記光ビームの入射角度の取り得る範囲で、前記光結合効率の変動量が小さくなる位置に、前記光ファイバの入射端が配置されている付記１に記載の受光装置。
（付記４）
付記１乃至３のいずれか一つに記載の受光装置と、
前記受光装置に入射される光ビームの入射角度を制御する制御手段と、備え、
前記制御手段により制御された前記集光手段の光軸に対する光ビームの入射角度の取り得る範囲に基づいて、前記光ファイバの入射端の位置が規定されている光空間通信装置。
（付記５）
前記光ビームを送受信する通信システムが許容する前記光結合効率又は前記光結合効率の変動量に基づいて、前記光ファイバの入射端の位置が規定されている付記４に記載の光空間通信装置。
（付記６）
略平面波の光ビームを集光する集光手段と、前記集光手段で集光された光ビームを入射する光ファイバとを有し、前記光ビームを受光する受光装置を備えた光空間通信装置を用いた光空間通信方法において、
前記集光手段の光軸方向に関して、前記集光手段の焦点深度の範囲外であって、前記光ビームの入射角度の取り得る範囲で前記光ファイバのコアに入射する前記光ビームの光結合効率が所定レベル以上を保つ位置に、前記光ファイバの入射端を配置する光空間通信方法。
【００７８】
この出願は、２０１３年２月６日に出願された日本出願特願２０１３−０２１７３９を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【００７９】
１，１’  受光装置
１１  集光手段
１２  光ファイバ
１２ａ  コア
１２ｂ  クラッド
１２ｃ  光ファイバの入射端
１３  光電変換素子
１４  筐体
２  粗捕捉追尾機構（ＣＰＭ）
３  光アンテナ
４  精捕捉追尾機構（ＦＰＭ）
５，５１，５２  ビームスプリッタ
６  粗捕捉追尾センサ（ＣＡＳ）
７  精捕捉追尾センサ（ＦＰＳ）
８  制御部
１００  光空間通信装置
ｘ  オフセット量
θ  角度ずれ量
【図１】
2014122909.tif 000003
【図２】
2014122909.tif 000004
【図３】
2014122909.tif 000005
【図４】
2014122909.tif 000006
【図５】
2014122909.tif 000007
【図６】
2014122909.tif 000008
【図７】
2014122909.tif 000009
【図８】
2014122909.tif 000010
【図９】
2014122909.tif 000011
【国際調査報告】
2014122909.tif 000012
2014122909.tif 000013
2014122909.tif 000014
2014122909.tif 000015