(57)【要約】      （修正有）【課題】  近距離の光無線通信において、簡易かつ効率的で安価に、空間光から直接シングルモードファイバーへ導光するための、光束平行度の変動分を補償する角度調節システムを提供する。【解決手段】  光受信用ファイバーコリメータの角度調節機構が、固定支持部と、ファイバーコリメータを支持するための被駆動支持部と、固定支持部と被駆動支持部のうち少なくとも１箇所の固定部位とに固定される固定支持軸と、固定支持部と被駆動支持部のうち移動部位との間の距離を縮める第１の弾性部材と、固定支持部と被駆動支持部の移動部位との間の距離を広げる第２の弾性部材と、外部駆動制御部により駆動される角度調節機構と、受信光からモニタ光を取り出す光カップラ４２と、モニタ光のパワー測定値が最大になるように、外部駆動制御部５４を通じて角度調節機構を制御する制御部とから構成される。【選択図】  図６
2005086569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光通信用光学装置の角度を通信光の伝搬方向に対して調節する角度調節機構であって：
固定支持部；
前記光学装置を支持するための被駆動支持部；
固定支持部と被駆動支持部のうち少なくとも１箇所の固定部位とに固定され、該固定部位を固定支持部から一定の距離に維持する固定支持軸；
固定支持部と被駆動支持部のうち移動部位との間の距離を縮める方向に作用する第１の弾性部材；
固定支持部と被駆動支持部の前記移動部位との間の距離を広げる方向に作用する第２の弾性部材；及び
外部駆動制御部により駆動され、固定支持部と被駆動支持部の前記移動部位との間の距離を変化させる、少なくとも１つの駆動軸；
から構成される角度調節機構。
【請求項２】
前記第１の弾性部材が板バネから構成されることを特徴とする請求項１記載の角度調節機構。
【請求項３】
前記第２の弾性部材がスプリングから構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の角度調節機構。
【請求項４】
前記駆動軸が、前記光学装置の角度を鉛直面内で調節するための第１の駆動軸、及び前記光学装置の角度を水平面内で調節するための第２の駆動軸から構成される、請求項１乃至３に記載の角度調節機構。
【請求項５】
前記光学装置が光受信用ファイバーコリメータである、請求項１乃至４に記載の角度調節機構。
【請求項６】
光受信用ファイバーコリメータの角度調節システムであって：
到来光の伝搬方向に対してファイバーコリメータの角度を調節する角度調節機構；
前記ファイバーコリメータで受光した光を分配してモニタ光を取り出す光カップラ；及び
該光カップラからのモニタ光を測定し、該測定値が最大になるように前記角度調節機構を制御する制御部；
から構成される角度調節システム。
【請求項７】
光受信用ファイバーコリメータの角度調節システムであって：
到来光の伝搬方向に対してファイバーコリメータの角度を調節する角度調節機構であり、
固定支持部と、
ファイバーコリメータを支持するための被駆動支持部と、
固定支持部と被駆動支持部のうち少なくとも１箇所の固定部位とに固定され、該固定部位を固定支持部から一定の距離に維持する固定支持軸と、
固定支持部と被駆動支持部のうち移動部位との間の距離を縮める方向に作用する第１の弾性部材と、
固定支持部と被駆動支持部の前記移動部位との間の距離を広げる方向に作用する第２の弾性部材と、
外部駆動制御部により駆動され、固定支持部と被駆動支持部の前記移動部位との間の距離を変化させる、少なくとも１つの駆動軸と、
から構成される角度調節機構；
前記ファイバーコリメータで受光した光を分配してモニタ光を取り出す光カップラ；及び
該光カップラからのモニタ光のパワーを測定し、該測定値が最大になるように、前記外部駆動制御部を通じて前記角度調節機構を制御する制御部；
から構成される角度調節システム。
【請求項８】
前記第１の弾性部材が板バネから構成されることを特徴とする請求項７記載の角度調節機構。
【請求項９】
前記第２の弾性部材がスプリングから構成されることを特徴とする請求項７又は８記載の角度調節機構。
【請求項１０】
前記駆動軸が、ファイバーコリメータの角度を鉛直面内で調節するための第１の駆動軸、及びファイバーコリメータの角度を水平面内で調節するための第２の駆動軸から構成される、請求項７乃至９に記載の角度調節機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信用光学装置の角度調節機構に関し、特に光受信用ファイバーコリメータで受信した光パワーが最大となるように、到来光の伝搬方向に対してファイバーコリメータの角度を調節する角度調節機構及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光は電磁波の一種であるが、その周波数は従来のマイクロ波等に比較して非常に高いため、光を使用する通信の伝送可能情報量は従来の方式に比較して飛躍的に多い。近年、レーザ光を利用した光通信が実用化され、人工衛星間や衛星・地上間或いは地上光通信が知られている。このうち、比較的短距離の光通信において、空間を伝搬してきた光を低損失で受信する簡便な装置が望まれている。
【０００３】
光無線通信における受信は、半導体受光素子等の面で受光するバルク受信が一般的である。しかし、受信した信号光を、光ファイバー、特にシングルモード光ファイバーへ直接導光することができれば、空間部分もトランスペアレントな単なる線路の一部とみなすことができ、ファイバーシステムの一部として扱え、都合が良い。シングルモード光ファイバーは、コア径（又は口径）を非常に小さくして単一モードの光のみを伝搬させるようしたものであり、モード分散が発生せず、パルス拡がりが極めて小さく広帯域通信に適している。
【０００４】
空間光を効率的にファイバー内へ集光するためには、レンズやファイバー等の光学定数を整合させる必要があり、実際には屋外で大気揺動を受けて伝搬方向が傾斜した光信号を確実に受信することは非常に困難であり、大きな受光損失を伴う。
【０００５】
従って、ファイバー受光を実現したシステムの多くは、受光損失を小さくするために、口径又はコア径の大きなマルチモード光ファイバーを用いている。しかし、マルチモード光ファイバー内では、モードにより光軸方向への伝搬速度が異なり、モード分散を生じるので、高密度の情報を伝送することができないという不利点がある。
【０００６】
一方、宇宙における衛星間通信用に開発された大きな光アンテナを用いることにより、シングルモードファイバーでの受光を実現するものもあるが、構成が非常に複雑でかつ高価なシステムとなってしまう。
【０００７】
また、受光レベルを維持するための追尾方式として、波長0.8μm帯には高感度な位置検出センサー（多チャンネルAPD, PSDさらにCCDなど）が知られているが、波長1.55μm帯においてはそのような位置検出センサーが得られず、参照光として0.8μm帯の光を同時に投光する方式（非特許文献１参照）や特殊な検出センサーを用意する必要があり、コストの高いものとなる。
【非特許文献１】ルーセントテクノロジー社  WaveSTAR OpticAIR OLS SPIE Conference on Optical Wireless Communications, Nov. 1998, SPIE Vol. 3532
【特許文献１】特開平８−１２２７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
通常、ファイバー内へ導光する場合、ファイバーのNA（Numerical Aperture 開口数）より大きな角度の光は入らない。ファイバーへの入射可能な臨界光線がファイバー光軸とのなす角をψとすると、開口数は、NA = sin ψ  で定義される。また、光無線装置は温度変化による設置点の歪みや大気の温度勾配による屈折率変化により光の入射角度は微妙に変動するため、シングルモードファイバーの１０μmの小さなコアへと直接導光することは難しい。そのために、図１に示すように、シングルモードファイバー６の端部にコリメータ部４を設けるのが一般的である。このコリメータ部４は、予想される角度変動よりも大きいものを選択する。主レンズ２に到来した光信号１が、主レンズ２により、コリメートレンズ３に集光される。コリメートレンズ３は、その光を平行光束に変換してコリメータ部４へと導光する。コリメータ部４が受光した光束が低損失でシングルモードファイバー６内へと導光される。通常、コリメータ部は、ファイバーから外へ出射される光を平行にするために用いられるが、ここでは逆に用いて平行光線を低損失でファイバー内へと簡易に導光するために用いている。
【０００９】
一般的に、受光装置に到達する光束１と受光装置の主レンズ２との間の平行関係は常に保たれるということはない。温度変化による受光装置の歪みや大気の温度勾配による屈折率変化により、平行度が変動する場合が多い。本装置の適用範囲（例えば、1km以下の近距離利用範囲）を考慮すると、空間を伝搬する光束の波面変動は小さく許容可能レベルであるが、受光装置の接地面などの機械的変動による平行度の変化や大気の温度勾配による光束の傾斜は比較的に大きく、整合されたコリメートレンズ間の結合に困難な状況が生じる（図２参照）。
【００１０】
そこで、本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、近距離の光無線通信において、簡易かつ効率的で安価に、空間光から直接シングルモードファイバーへ導光するための、光束平行度の変動分を補償する角度調節システム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】
【００１１】
上記の目的を達成するための本発明の一特徴に従った、光通信用光学装置の角度を通信光の伝搬方向に対して調節する角度調節機構は、固定支持部；光学装置を支持するための被駆動支持部；固定支持部と被駆動支持部のうち少なくとも１箇所の固定部位とに固定され、該固定部位を固定支持部から一定の距離に維持する固定支持軸；固定支持部と被駆動支持部のうち移動部位との間の距離を縮める方向に作用する第１の弾性部材；固定支持部と被駆動支持部の移動部位との間の距離を広げる方向に作用する第２の弾性部材；及び外部駆動制御部により駆動され、固定支持部と被駆動支持部の移動部位との間の距離を変化させる、少なくとも１つの駆動軸；から構成される。
【００１２】
第１の弾性部材は板バネから構成することができ、第２の弾性部材はスプリングから構成することができる。駆動軸は、光学装置の角度を鉛直面内で調節するための第１の駆動軸、及び光学装置の角度を水平面内で調節するための第２の駆動軸から構成することができる。
【００１３】
光通信用光学装置は、光受信用ファイバーコリメータでも良い。
【００１４】
本発明の他の特徴に従った、光受信用ファイバーコリメータの角度調節システムは、到来光の伝搬方向に対してファイバーコリメータの角度を調節する角度調節機構；ファイバーコリメータで受光した光を分配してモニタ光を取り出す光カップラ；及び該光カップラからのモニタ光を測定し、該測定値が最大になるように角度調節機構を制御する制御部；から構成される。
【００１５】
本発明の他の特徴に従った、光受信用ファイバーコリメータの角度調節システムは、到来光の伝搬方向に対してファイバーコリメータの角度を調節する角度調節機構であり、固定支持部と、ファイバーコリメータを支持するための被駆動支持部と、固定支持部と被駆動支持部のうち少なくとも１箇所の固定部位とに固定され、該固定部位を固定支持部から一定の距離に維持する固定支持軸と、固定支持部と被駆動支持部のうち移動部位との間の距離を縮める方向に作用する第１の弾性部材と、固定支持部と被駆動支持部の移動部位との間の距離を広げる方向に作用する第２の弾性部材と、外部駆動制御部により駆動され、固定支持部と被駆動支持部の移動部位との間の距離を変化させる、少なくとも１つの駆動軸と、から構成される角度調節機構；ファイバーコリメータで受光した光を分配してモニタ光を取り出す光カップラ；及び該光カップラからのモニタ光のパワーを測定し、該測定値が最大になるように、外部駆動制御部を通じて角度調節機構を制御する制御部；から構成される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の実施例によれば、近距離の光無線通信において、簡易かつ効率的で安価に、空間光から直接シングルモードファイバーへ導光するための、光束平行度の変動分を補償する角度調節システムが提供される。
【００１７】
また、被駆動支持台の揺動位置を引っ張る作用の弾性部材と押し出す作用の弾性部材を併用して力の均衡を図っているので、駆動軸によって被駆動支持台の位置をバックラッシュなく、細かに精度良く制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に従ったシステムは、近距離通信であることを考慮し、送信側は、ある程度傾いても、受信側の主レンズ２から外れない大きさの光束１を出力するものとする。受信側は、特別なセンサー系を持たず、受光系が常時自律的にコリメータを駆動して、現ポジションの周囲を走査し受光レベルの強い角度位置へと移動していく方式を採用している。その角度を制御する一方法として、コリメータファイバーを保持する支持台を二点で独立に押したり引いたりすることにより、コリメータの傾きを制御するものである。
【実施例】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明に従った光通信用ファイバーコリメータの角度を調節する角度調節機構の実施例について説明する。
【００２０】
図３は、光通信用ファイバーコリメータの角度を調節する角度調節機構１０の概略側面図である。固定指示部としての固定支持台１４が光受信装置のベース１２に固定されている。固定支持台１４に固着され、そこから伸びている１本の固定支持軸１６が、被駆動支持部としての被駆動支持台１８の１箇所（ここが支点となる）を固定している。被駆動支持台１８は、固定部位としての支点を中心として、図４に示すように、揺動（角度変動）することができる。図５に示す角度調節機構１０の正面図において、１本の固定支持軸１６が図示されている。被駆動支持台１８には、図３に示すようにファイバーコリメータ２０が取り付けられており、そこに入射した光がファイバー４０を通って伝搬される。
【００２１】
被駆動支持台１８の固定部位としての固定位置（支点）を固定したまま、被駆動支持台１８の移動部位としての揺動位置を到来光の伝搬方向に対して前後方向に移動させることにより、ファイバーコリメータの到来光に対する角度を調節することができる。支持台１４と被駆動支持台１８の揺動位置との間には、図３乃至図５に示すように、第１の弾性部材としての１枚の板バネ２２と、第２の弾性部材としての３本のスプリング２４が設けられている。本実施例では、揺動位置は、図５の３２，３４，３６（これらは駆動軸の符号であるが、ちょうど揺動位置を示すのにも有用である）で指示された３箇所がある。板バネ２２の形状は、図５に示すように、ねじれに対応可能なU字型である。板バネ２２は、被駆動支持台１８の揺動位置３２，３６に対して、固定支持台１４に近づく方向に引っ張り力を作用させる。一方、スプリング２４は、被駆動支持台１８の揺動位置３２，３４，３６に対して、固定支持台１４から離れる方向に押圧力を作用させる。これらの二つの逆方向の力が釣り合う位置で、被駆動支持台１８が停止することになる。
【００２２】
好適な例として、板バネとスプリングを示したが、弾性部材はこれらに限定されることなく、如何なる種類の弾性部材であって良い。例えば、他の形状のバネやスプリング、或いはゴムや樹脂などの弾性材料などを用いることができる。
【００２３】
また、被駆動支持台１８の１つの揺動位置には上下角度駆動軸３２が取り付けられており、上下角度駆動軸３２は外部駆動制御部としての直線駆動アクチュエータ（図示せず）により軸方向に駆動される。上下角度駆動軸３２が駆動されると、図４に示すように、被駆動支持台１８が揺動する。この揺動により、被駆動支持台１８に取り付けられているファイバーコリメータ２０の光軸が鉛直面内で上下方向に角度変動することになる。
【００２４】
被駆動支持台１８の他の揺動位置には左右角度駆動軸３４が取り付けられており、左右角度駆動軸３４は外部のアクチュエータ（図示せず）により軸方向に駆動される。左右角度駆動軸３４が駆動されると、被駆動支持台１８が揺動する。この揺動により、被駆動支持台１８に取り付けられているファイバーコリメータ２０の光軸が水平面内で左右方向に角度変動することになる。
【００２５】
被駆動支持台１８の第３の揺動位置には自由軸３６が取り付けられており、被駆動支持台１８が揺動する際にその自由軸に対し摺動可能である。
【００２６】
２つの駆動軸３２，３４を独立に駆動することで、被駆動支持台１８ひいてはファイバーコリメータ２０の光軸を上下左右に自由に変位させることができる。２つの駆動軸を制御するだけで良く、その結果、走査時間の短縮と制御アルゴリズムの簡易化及びコスト低減化を可能とした。
【００２７】
被駆動支持台１８の揺動位置を引っ張る作用の弾性部材と押し出す作用の弾性部材を併用して力の均衡を図っているので、駆動軸３２，３４によって被駆動支持台１８の位置をバックラッシュなく、細かに精度良く制御できる。
【００２８】
上記の実施例では、光を受信する場合の例を示したが、本発明の原理は光を送信する場合にも適用可能である。光を送信する側の光学装置の光軸を上下左右に細かく制御するために上述のような角度調節機構を用いることができる。
【００２９】
図６に本発明の実施例に従ったファイバーコリメータの角度調節システム６０の概略を示す。ファイバーコリメータ（図示せず）を介して到来光を受信する光受光部１１からシングルモードファイバー４０が伸び、その中を受光した光信号が伝搬される。光受光部のファイバーコリメータは、角度調節機構１０により角度調節される。シングルモードファイバー４０内を伝搬した光は、光パワーを分配する光カップラ４２において、光パワーの一部が分配されてモニタ回路４８へと導かれる。大部分の光パワーは本来の光通信用に主信号光４４として用いられる。光カップラ４２としては、エバネッセント光を利用した拡散型カップラ、光導波断面を分割する面積分割型方向性カップラ、部分反射を利用したビーム分割型カップラ等の種々のカップラを用いることができる。
【００３０】
モニタ回路４８は、受信した光のパワーを測定して、測定結果を制御演算装置部５０へと出力する。制御演算装置部５０は、モニタ回路４８からのアナログ信号をデジタル信号へと変換するA/D変換部、制御演算を実行するCPU、駆動アルゴリズムを記憶したメモリ部を備え、モニタ光量が最大になるように、駆動制御部５４を制御する。駆動制御部５４は、制御演算装置部５０からの指令に応じて、駆動軸３２，３４を駆動して、ファイバーコリメータの上下左右角度を調節する。駆動制御部５４としては、パルス入力により一定角ずつ回るステップモータなどのサーボモータを利用したアクチュエータや、プランジャー型のボイスコイル・アクチュエータ、圧電型のアクチュエータなどの種々のアクチュエータを用いることができる。このようにして、制御のための特別なモニタ系を用意することなく、自律的に到来光の傾斜に追従するシステムを構築することが可能となる。
【００３１】
モニタ回路４８及び制御演算装置部５０が制御部に相当し、駆動制御部５４が外部駆動制御部に相当する。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明に従った、角度調節機構は、比較的短距離の光通信用光学装置内で用いることができ、到来光の伝搬方向に対してファイバーコリメータ角度の調節を必要とする技術分野において利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の原理を説明するための光通信における光受光部の概略側面図である。
【図２】図１と同様な図であり、到来光が少し上向きに傾斜している様子を示す図である。
【図３】本発明の一実施例に従った、光通信用ファイバーコリメータの角度を調節する角度調節機構の概略側面図である。
【図４】図３と同様な図であり、被駆動支持台の揺動を示している。
【図５】図３の光通信用ファイバーコリメータの角度を調節する角度調節機構の概略正面図である。
【図６】本発明の一実施例に従った、光通信用ファイバーコリメータの角度を調節する角度調節システムの概略図である。
【符号の説明】
【００３４】
10          角度調節機構
14          固定指示台
18          被駆動支持台
16          固定支持軸
32, 34      駆動支持軸
22          板バネ
24          スプリング
60          角度調節システム
42          光カップラ
48          モニタ回路
50          制御演算装置部５０
54          駆動制御部
【図１】
2005086569.tif 000003
【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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