(57)【要約】【課題】面発光レーザ素子を光空間通信装置の送信モジュールとして低コストで使用可能とすること。【解決手段】複数の面発光レーザ素子を受光位置にて各レーザ光面が重なるように配置した収束発光部を有する送信モジュールであって、収束発光部は、それぞれの面発光レーザ素子が有する面内発光強度分布に基づいて、前記複数の面発光レーザ素子の前記受光位置での重ねあわせ面内光強度分布が各面発光レーザ素子がそれぞれ有する前記受光位置での単独面内光強度分布よりも平坦化されるように各面発光レーザ素子を配置した送信モジュール、及び当該送信モジュールを有する光空間通信装置を提供する。高価なデバイスを使用しないため、面発光レーザ素子を用いた光空間通信装置を安価なコストで提供できる。【選択図】図５
2008028614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の面発光レーザ素子を受光位置にて各レーザ光面が重なるように配置した収束発光部を有する送信モジュールであって、
収束発光部は、
それぞれの面発光レーザ素子が有する面内発光強度分布に基づいて、前記複数の面発光レーザ素子の前記受光位置での重ねあわせ面内光強度分布が各面発光レーザ素子がそれぞれ有する前記受光位置での単独面内光強度分布よりも平坦化されるように各面発光レーザ素子を配置した送信モジュール。
【請求項２】
収束発光部は、
各レーザ光線が受光位置にて交錯するように各面発光レーザ素子からのレーザ光線を所定角度に射出する射出ユニットを有する請求項１に記載の送信モジュール。
【請求項３】
射出ユニットは、前記平坦化がされるように各面発光レーザ素子の受光位置での単独面内光強度分布を各面発光レーザ素子ごとに最適化した請求項２に記載の送信モジュール。
【請求項４】
収束発光部は、各面発光レーザ素子から射出されるレーザ光線を重ね合わせるためのハーフミラー部を有する請求項１に記載の送信モジュール。
【請求項５】
ハーフミラー部は、前記平坦化がされるように各面発光レーザ素子とハーフミラーとの距離を最適化した請求項４に記載の送信モジュール。
【請求項６】
収束発光部は、
各面発光レーザ素子の発光出力を、各面発光レーザ素子の前記受光位置での単独面内光強度分布を各面発光レーザ素子ごとに最適化するための発光出力手段を有する請求項１から５のいずれか一に記載の送信モジュール。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一に記載の送信モジュールを有する光空間通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を利用した空間無線通信に用いる送信モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、可視光や赤外光を利用した空間無線通信（光空間通信）に関する技術が開発されている。従来の光空間通信は、例えば図７に示すように送信モジュールや受信モジュールを有する装置を用いて行われる。従来の光空間通信においては、レーザなどの発光素子から発光された光を、レンズを介して集光させて送信モジュールから出力する。また、他の光空間通信装置から出力されたレーザ光線を受光素子にて受信する。図７（ａ）は、送信モジュールと受信モジュールとが別個のユニットとして構成される例であり、図７（ｂ）は、送信モジュールと受信モジュールとが一体となった送受信モジュールとして構成される例を示している。
【０００３】
一方で、近年では、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の開発が進められている。面発光レーザは、光の共振する方向が基板面に対して垂直な半導体レーザのことであり、出射光も基板面に対して垂直に出射されるものである。面発光レーザは、従来のレーザと比較して大量生産が容易であるため低価格性を有しており、また、低消費電力性も有している。かかる低価格性・低消費電力性を有する面発光レーザを光空間通信の発光素子として利用することが提唱されている。
【０００４】
特許文献１には、面発光レーザを光空間通信の発光素子として利用することに関する技術が開示されている。そもそも面発光レーザは、図８や図９で示すように、その光強度分布（光プロファイル）は中央部分が落ち込むといった特徴を有している。かかる光強度分布性のために、面発光レーザ素子を光空間通信に利用する場合には、通信時の安定性に欠ける問題がある。特許文献１では、かかる問題を解消するために、面発光レーザ特有の光強度分布を均一化させるために、ホログラムなどの拡散板を利用することで、射出される光の強度分布を均一化させている。
【特許文献１】特開２００６−１０９２６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術においては、ホログラムパターンを施した拡散板を用いるなど、高価なデバイスを用いているため、コストがかさんでしまうという課題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、安価な製造コストで面発光レーザ特有の光強度分布を平坦化させた光空間通信用の送信モジュール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】
【０００７】
そこで、本発明においては、かかる課題を解決するために、複数の面発光レーザ素子を受光位置にて各レーザ光面が重なるように配置した収束発光部を有する送信モジュールであって、収束発光部は、それぞれの面発光レーザ素子が有する面内発光強度分布に基づいて、前記複数の面発光レーザ素子の前記受光位置での重ねあわせ面内光強度分布が各面発光レーザ素子がそれぞれ有する前記受光位置での単独面内光強度分布よりも平坦化されるように各面発光レーザ素子を配置した送信モジュール、及び当該送信モジュールを有する光空間通信装置を提供する。
【０００８】
また、収束発光部は、各レーザ光線が受光位置にて交錯するように各面発光レーザ素子からのレーザ光線を所定角度に射出する射出ユニットを有してもよい。また、射出ユニットは、前記平坦化がされるように各面発光レーザ素子の受光位置での単独面内光強度分布を各面発光レーザ素子ごとに最適化したものであってもよい。
【０００９】
また、収束発光部は、各面発光レーザ素子から射出されるレーザ光線を重ね合わせるためのハーフミラー部を有してもよい。また、ハーフミラー部は、前記平坦化がされるように各面発光レーザ素子とハーフミラーとの距離を最適化したものであってもよい。
【００１０】
また、収束発光部は、各面発光レーザ素子の発光出力を、各面発光レーザ素子の前記受光位置での単独面内光強度分布を各面発光レーザ素子ごとに最適化するための発光出力手段を有してもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、拡散板などの高価なデバイスを用いることなく、面発光レーザ素子から射出される光強度分布を平坦化するよう最適化することが可能となるため、光空間通信装置を安価なコストで提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、各発明の実施の形態を説明する。なお、本発明はこれら実施の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得る。なお、以下の実施形態と請求項の関係は次の通りである。実施形態１は、主に請求項１、７などについて説明する。実施形態２は、主に請求項２、３などについて説明する。実施形態３は、主に請求項４、５などについて説明する。実施形態４は、主に請求項６などについて説明する。
【００１３】
<<実施形態１>>
<実施形態１の概要>
本実施形態は、複数の面発光レーザ素子を発光素子として利用する光空間通信装置における送信モジュールに関するものである。実施形態１においては、主にその概念的な説明を行い、実施形態２以降において、構成例について説明を行う。
【００１４】
<実施形態１の構成>
本実施形態にかかる送信モジュールは、収束発光部を有するものである。
【００１５】
「収束発光部」は、複数の面発光レーザ素子を受光位置にて各レーザ光面が重なるように配置したものである。収束発光部は、一種の概念的な構成を示すものであり、具体的には、面発光レーザ素子を含む射出ユニットや、面発光レーザ素子と集光レンズとの間に設けたハーフミラー部などが一例として挙げられる。あるいは、各面発光レーザ素子の配置関係、面発光レーザ素子と集光レンズとの距離関係、あるいは、面発光レーザ素子とハーフミラーとの間の距離関係などを適切に調整した送信モジュール内の構成についても、ここでいう収束発光部に含まれるものである。
【００１６】
送信モジュールは、複数の面発光レーザ素子を有している。この理由としては、面発光レーザ素子が有する光強度分布（面内発光強度分布）が、既に説明したように、中央部分が落ち込む性質に起因するものである。つまり、単一の面発光レーザ素子を用いた場合には、面発光レーザ素子の特有の面内発光強度分布により、光空間通信装置の設置時の取り扱いや、通信距離、通信指向角に影響が生じてしまい、安定した通信を実現することが困難であった。そこで、本発明においては、複数の面発光レーザ素子を、受光位置にて各レーザ光面が重なるように配置したことを特徴とするものである。「受光位置」とは、他の光空間通信装置の受光素子の配置される位置のことである。受光位置にて各レーザ光面が重なるように複数の面発光レーザ素子を配置することにより、面発光レーザ特有の面内発光強度分布からガウス分布の光強度分布に近似させることができる。
【００１７】
つまり、収束発光部は、それぞれの面発光レーザ素子が有する面内発光強度分布に基づいて、前記複数の面発光レーザ素子の前記受光位置での重ねあわせ面内光強度分布が各面発光レーザ素子がそれぞれ有する前記受光位置での単独面内光強度分布よりも平坦化されるように各面発光レーザ素子を配置したものである。「面内発光強度分布」とは、各面発光レーザ素子が有する発光強度分布のことである。「重ね合わせ面内光強度分布」とは、受光位置で、各面発光レーザ素子の光が重ね合わさる面内における光強度分布のことである。この重ね合わせ面内光強度分布は、例えば各面発光レーザ素子が有する面内発光強度分布のほか、通信距離、通信指向角、通信環境などに応じた強度分布となり得る。「単独面内光強度分布」は、各面発光レーザ素子単体における受光位置での面内光強度分布のことである。よって、単独面内光強度分布も、各面発光レーザ素子が有する面内発光強度分布のほか、通信距離、通信指向角、通信環境などに応じた強度分布となり得るものである。
【００１８】
重ね合わせ面内光強度分布が単独面内光強度分布よりも平坦化されるとは、図１に示すように、面発光レーザ素子特有の光強度分布に比べて中央部分の落ち込みを低減させることを示すものである。図１においては、単独面内光強度分布の一例と、複数の面発光レーザ素子の重ね合わせ面内光強度分布の一例とを示してる。図１に示す単独面内光強度分布に、他の面発光レーザ素子の光強度分布（図示しない）を重畳させることで、図１に示す重ね合わせ面内光強度分布が発生する。図１に示すように、重ね合わせ面内光強度分布は面発光レーザ素子特有の光強度分布ではなく、ガウス分布に近い光強度分布となっている。図２は、図１に示す重ね合わせ面内光強度分布の三次元のイメージ図である。
【００１９】
図３は、かかる平坦化が実現される概念を説明するための図である。図３においては、一の面発光レーザ光Ａと、他の面発光レーザ光Ｂとの単独面内光強度分布を示している。図３においては、面発光レーザ光Ａの単独面内光強度分布は、面発光レーザ光Ｂの単独面内光強度分布に比べて中央部分に光強度が集中している。この二つの面発光レーザ素子のレーザ光面を合成して重ね合わせることによる重ね合わせ面内光強度分布は、図３の点線で示すように、各面発光レーザ素子単独の光強度分布と比較して平坦化されることがわかる。なお、図３で示す面発光レーザ光の強度分布には、面発光レーザ素子固有の発光強度分布や、レンズによって修正された射出光の強度分布のいずれもが含まれる。
【００２０】
このように、光強度分布の異なる複数のレーザ光線、すなわち、発光指向角の異なる複数のレーザ光線を重ね合わせることで、受光位置においてレーザ光面の中央部分がピークとなる光強度分布となる。このため、光空間通信装置をレベルメータなどを使用して設置する場合に、受光素子に受光させる光軸を容易に調整することができる。また、レーザ面の中央部分がピークとなる光強度分布となるため、降雨、霧、ガスなどの空間的な光の減衰が発生する場合であっても耐性に富んだ光空間通信を行うことができる。さらには、面発光レーザ素子は低コストで生産することが可能であるため、光空間通信装置を低価格で提供することができる。また、面発光レーザ素子を用いて指向角を適切に調整することで、例えばＬＥＤを発光素子とした場合と比べて、長距離（例えば５００ｍから２ｋｍ程度）の光空間通信を行うことが可能となる。
【００２１】
<実施形態１の効果>
実施形態１においては、複数の面発光レーザ素子を受光位置にて各レーザ光面が重なるように面発光レーザ素子を配置することで、受光位置での重ね合わせ面内光強度分布を単独面内光強度分布よりも平坦化することができる。重ね合わせ面内光強度分布を平坦化させることにより、光軸の調整時における不便性を解消することができるため、面発光レーザ素子を光空間通信における発光素子として活用することが可能となる。
【００２２】
<<実施形態２>>
<実施形態２の概要>
実施形態２は、実施形態１で説明した複数の面発光レーザ素子の収束発光部における配置例の一例を示すものである。実施形態２においては、面発光レーザ素子を有する射出ユニットを複数用意し、これによる受光位置での交錯状態を調整することで、前記の平坦化を実現させている。
【００２３】
<実施形態２の構成>
図４は、実施形態２における送信モジュール及びこれを利用した光空間通信装置の概要の一例を示す図である。図４において、光空間通信装置４００は、送信モジュール４０１と、受信モジュール４０２と、を有するものである。本実施形態は、送信モジュール４０１に関するものである。
【００２４】
図５は、図４における送信モジュール４０１の詳細な一例を示す図である。図５における送信モジュール５００は、収束発光部５０１を有する。収束発光部５０１は、射出ユニット５０２、５０３を有する。また、各射出ユニットには、それぞれ面発光レーザ素子５０４、５０５が含まれる。また、各射出ユニットには、面発光レーザのレーザ光をそれぞれ集光させて射出させるためのレンズ５０６、５０７が含まれる。
【００２５】
「射出ユニット」は、各レーザ光線が受光位置にて交錯するように各面発光レーザ素子からのレーザ光線を所定角度に射出する。実施形態１で説明したように、本発明の特徴としては、受光位置において各面発光レーザ素子のレーザ光面が重なることが挙げられる。このため、各レーザ光線が受光位置にて交錯するように、射出ユニットを設け、この射出ユニットから射出されるレーザ光線を所定角度に調整することで、複数の面発光レーザ素子からのレーザ光線が受光位置にて交錯するようになり、光強度分布の平坦化が実現される。なお、「所定角度」とは、送信モジュールと受光位置との相対的な関係により適宜決定されるものである。
【００２６】
また、射出ユニット５０２、５０３は、前記平坦化がされるように各面発光レーザ素子の受光位置での単独面内光強度分布を各面発光レーザ素子ごとに最適化したものであることが望ましい。具体的には、図５に示しているように、各射出ユニット内の面発光レーザ素子と、レンズとの距離を調整することにより、各面発光レーザ素子の受光位置での単独面内光強度分布、すなわち、各射出ユニットからの射出されるレーザ光線の発光指向角を最適化することが可能となる。射出ユニット５０２と射出ユニット５０３とを比較すると、射出ユニット５０３の方が面発光レーザ素子からレンズまでの距離が長くなっている。このため、射出ユニット５０２と射出ユニット５０３とから射出されるレーザ光線の受光位置での単独面強度分布は互いに異なるものとなり、結果的に図１で説明したような平坦化が実現されることになる。
【００２７】
このように、射出ユニットから射出されるレーザ光線の受光位置での単独面内光強度分布を最適化する際には、受光位置までの距離、角度などを勘案して、射出ユニット内における面発光レーザ素子と、レンズとの距離を調整することで最適化を実現できる。
【００２８】
<実施形態２の効果>
実施形態２における送信モジュールは、各面発光レーザ素子からのレーザ光線を所定角度に射出する。このため、各レーザ光線が受光位置にて交錯することになり、この結果、重ね合わせ面内光強度分布が平坦化されることが可能となる。また、平坦化を行うに際しては、射出ユニット内における面発光レーザ素子とレンズとの距離を調整することで各射出ユニットから射出される光強度分布の最適化を実現することができる。このため、ホログラムなどの高価なデバイスを用いずに、射出ユニットの角度調整や、射出ユニット内の面発光レーザ素子とレンズとの距離調整などを行うことのみにより、面発光レーザ素子特有の光強度分布を平坦化させることが可能となるため、低コストにて面発光レーザ素子を光空間通信の送信モジュールとして提供することが可能となる。
【００２９】
<<実施形態３>>
<実施形態３の概要>
実施形態３は、実施形態１で説明した複数の面発光レーザ素子の収束発光部における配置例の他の一例を示すものである。実施形態３においては、各面発光レーザ素子から射出されるレーザ光線を重ね合わせるためのハーフミラーを設けることで、平坦化を実現させている。
【００３０】
<実施形態３の構成>
図６は、実施形態３における送信モジュールの一例を示す図である。図６における送信モジュール６００は、収束発光部６０１を有する。収束発光部６０１は、例えば一の射出ユニット６０２から構成されている。そして、収束発光部には、２つの面発光レーザ素子６０３、６０４と、レンズ６０５と、が含まれる。また、収束発光部は、面発光レーザ素子６０３、６０４と、レンズ６０５との間にハーフミラー部６０６を有している。
【００３１】
「ハーフミラー部」６０６は、各面発光レーザ素子から射出されるレーザ光線を重ね合わせるためのものである。ハーフミラー部は、ハーフミラー及びこれに準ずる機能を有するものである。光空間通信装置においては、ハーフミラーは一般的に図７（ｂ）の従来例に示すように送信系と受信系との信号を振り分けるために用いられるものである。これを、本実施形態においては、送信系の面発光レーザ素子のレーザ光線を受光位置にて重ね合わせるために用いている。
【００３２】
ハーフミラー部６０６は、前記平坦化がされるように各面発光レーザ素子とハーフミラーとの距離を最適化したものであることが望ましい。例えば、収束発光部の射出ユニットの筐体を大きくしてその筐体内における面発光レーザ素子とハーフミラー部との距離を最適化してもよい。あるいは、ハーフミラー部とレンズとの間の距離を調整してもよい。なお、ここでいう最適化については、実施形態２で説明したものと同義であるため、ここでの説明は省略する。
【００３３】
<実施形態３の効果>
実施形態３における送信モジュールは、ハーフミラー部を設け、複数の面発光レーザ素子からのレーザ素子を重畳させて射出することにより、重ね合わせ面内光強度分布が平坦化される。また、平坦化に際しては、射出ユニット内における面発光レーザ素子、ハーフミラー部、レンズなどの各デバイスとの距離を調整することで、射出ユニットから射出される光強度分布の最適化を実現することができる。このため、ホログラムなどの高価なデバイスを用いることなく、面発光レーザ素子特有の光強度分布を平坦化させることが可能となるため、低コストにて面発光レーザ素子を光空間通信の送信モジュールとして提供することが可能となる。
【００３４】
<<実施形態４>>
<実施形態４の概要>
実施形態４は、面発光レーザ素子のレーザ光の出力パワーを制御・調整することを可能とした送信モジュールに関するものである。
【００３５】
<実施形態４の構成>
実施形態４における送信モジュールは、実施形態１から３と同様に収束発光部を有する。収束発光部は、発光出力手段を有する。発光出力手段を除く各構成については、実施形態１から３で説明したものと同様の構成を有することができる。
【００３６】
「発光出力手段」は、各面発光レーザ素子の発光出力を、各面発光レーザ素子の前記受光位置での単独面内光強度分布を各面発光レーザ素子ごとに最適化するためのものである。実施形態２又は３では、面発光レーザ素子と、レンズ及び／又はハーフミラーとの間の距離を調整することで、受光位置での単独面内光強度分布を最適化する例について説明を行ったが、本実施形態においては、面発光レーザ素子の発光出力手段によって、各面発光レーザ素子の発光出力を調整することで、受光位置での単独面内光強度分布を最適化することが可能となる。面発光レーザ素子の発光出力を変えることで光強度分布を調節できるからである。
【００３７】
発光出力手段は、例えば一般的に用いられている自動出力制御（ＡＰＣ：AutomaticPower Control）回路を用いて構成することができる。
【００３８】
<実施形態４の効果>
実施形態４においては、各面発光レーザ素子の発光出力を面発光レーザ素子ごとに最適化することにより、受光位置での各面発光レーザ素子の光強度分布を平坦化することができる。このため、面発光レーザ素子を光空間通信の送信モジュールとして低コストで利用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】単独面内光強度分布と、複数の面発光レーザによる重ね合わせ面内光強度分布を示す断面図
【図２】重ね合わせ面内光強度分布の三次元イメージを示す図
【図３】複数の面発光レーザ素子によるレーザ光線を重畳させることで、平坦化がされる概念を示す図
【図４】光空間通信装置の一例を示す図
【図５】実施形態２における送信モジュールの一例を示す図
【図６】実施形態３における送信モジュールの一例を示す図
【図７】従来の光空間通信装置における送受信モジュールの一例を示す図
【図８】面発光レーザ素子単独の光強度分布を示す断面図
【図９】面発光レーザ素子単独の光強度分布の三次元イメージを示す図
【符号の説明】
【００４０】
４００    光空間通信装置
４０１、５００    送信モジュール
４０２    受信モジュール
５０１    収束発光部
５０２、５０３    射出ユニット
５０４、５０５    面発光レーザ素子
５０６、５０７    レンズ
【図１】
2008028614.tif 000003
【図２】
2008028614.tif 000004
【図３】
2008028614.tif 000005
【図４】
2008028614.tif 000006
【図５】
2008028614.tif 000007
【図６】
2008028614.tif 000008
【図７】
2008028614.tif 000009
【図８】
2008028614.tif 000010
【図９】
2008028614.tif 000011