(57)【要約】フリースペース光学データ伝送システムは、相互に離隔されていて、互いに照準合わせされた望遠鏡(14,14')を有する第1および第2のトランシーバ(10,10')を具備する。各前記トランシーバ(10,10')は、データコード化された光をその望遠鏡(14)から他方の望遠鏡(14')に送るトランスミッタ(T,T')と、前記他方の望遠鏡から光を受け取るレシーバ(R,R')とを有する。各前記トランシーバ(10,10')は、前記望遠鏡の間で送られる、大気収差で歪んでいる可能性のある光の波面の曲率を検出する波面センサ(WFS,WFS')と、前記波面センサ(WFS,WFS')に連結されていて、前記データコード化された光の進路に配置されており、前記波面センサ(WFS,WFS')に応じて前記光の波面を補正する変形可能なミラー(DM,DM')とを有する。好ましくは、双方向送信のために、各前記トランシーバ(10,10')は、送信される光波と受信される光波とを分離するための構成を有する。
2004535120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に離隔され、照準合わせされた第1および第2の望遠鏡と、
前記第1の望遠鏡に作用的に連結されていて、データコード化された光を前記第2の望遠鏡に送る前記第1の望遠鏡に、データコード化された光を供給する光トランスミッタと、
前記第2の望遠鏡に作用的に連結されていて、前記第1の望遠鏡からの前記データコード化された光を受け取る光レシーバと、
前記望遠鏡の一方に設けられていて、前記第1および第2の望遠鏡の間で送られる光の波面の特性を検出して修正する適応光学システムと、
を具備したフリースペース光学データ伝送システム。
【請求項２】
両前記望遠鏡が、該望遠鏡に作用的に連結された前記光トランスミッタと前記光レシーバとの両方を有する請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記適応光学システムが、各前記望遠鏡に設けられている請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
各前記望遠鏡には、該望遠鏡から送られる前記データコード化された光と該望遠鏡によって受け取られる前記データコード化された光とを識別し/分離するための手段が作用的に連結されている請求項２または３に記載のシステム。
【請求項５】
前記適応光学システムが前記第2の望遠鏡に設けられている請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
個別の基準光が、前記望遠鏡間で送られ、前記波面の特性を検出するために前記適応光学システムによって受け取られる請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記適応光学システムが前記第１の望遠鏡のみに設けられており、プローブ光ビームトランスミッタが、前記第２の望遠鏡に設けられていて、前記波面の特性を検出するために前記送られる光を前記第１の望遠鏡に供給する請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記プローブ光ビームは、前記データコード化された光とは異なる波長である請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記適応光学システムが各前記望遠鏡に設けられていて、前記データコード化された光のビームが、各前記適応光学システムの効果を他の適応光学システムから隔離するようなサイズに設定されている請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
一方の前記望遠鏡から送られる前記データコード化された光の位相効果が、他方の前記望遠鏡における強度効果に変換される請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
相互に離隔され、照準合わせされた第1および第2の望遠鏡と、
前記第1の望遠鏡に作用的に連結されていて、データコード化された光を前記第2の望遠鏡に送る前記第1の望遠鏡に、データコード化された光を供給する光トランスミッタと、
前記第2の望遠鏡に作用的に連結されていて、前記第1の望遠鏡からの前記データコード化された光を受け取る光レシーバと、
前記望遠鏡のうちの少なくとも一方に設けられていて、前記第１の望遠鏡から前記第2の望遠鏡に送られる光の波面の特性を検出する波面センサと、
各前記波面センサに作用的に連結されていて、前記データコード化された光の進路に配置されており、前記波面センサによって検出された波面の特性に応じて前記データコード化された光の波面を補正する変形可能なミラーと、
を具備したフリースペース光学データ伝送システム。
【請求項１２】
両前記望遠鏡が、該望遠鏡に作用的に連結された前記光トランスミッタおよび光レシーバの両方を有する請求項11に記載のシステム。
【請求項１３】
前記波面センサおよび前記変形可能なミラーが、各前記望遠鏡に設けられている請求項12に記載のシステム。
【請求項１４】
各前記望遠鏡には、該望遠鏡から送られる前記データコード化された光と該望遠鏡によって受け取られる前記データコード化された光とを識別し/分離するための手段が作用的に連結されている請求項１２または１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記波面センサおよび変形可能なミラーが、前記第2の望遠鏡に設けられている請求項11に記載のシステム。
【請求項１６】
各前記トランスミッタによって送られるデータコード化された光のビームが、各波面センサおよび変形可能なミラーの効果を他の波面センサおよび変形可能なミラーから隔離するようなサイズを有する請求項15に記載のシステム。
【請求項１７】
一方の前記望遠鏡から送られる前記データコード化された光の位相効果が、他方の前記望遠鏡における強度効果に変換される請求項１１に記載のシステム。
【請求項１８】
別個の基準光が前記望遠鏡の間で送られ、前記波面特性を検出する前記波面センサによって受け取られ、前記別個の基準光が前記データコード化された光とは異なる波長を有する請求項11に記載のシステム。
【請求項１９】
前記波面センサが、前記送られる光の波面の曲率を検出する請求項11に記載のシステム。
【請求項２０】
前記変形可能なミラーが変形可能な曲率ミラーである請求項11または19に記載のシステム。
【請求項２１】
実質的な距離相互に離隔した1対のトランシーバを具備し、
各前記トランシーバが他方の前記トランシーバの望遠鏡に向けられた望遠鏡を有し、
各前記トランシーバが、該トランシーバの前記望遠鏡に作用的に連結されていて、それぞれ、前記他方の望遠鏡に対してデータコード化された光を送受する光トランスミッタおよび光レシーバを有し、
各前記トランシーバが、該トランシーバから送られる前記データコード化された光と前記他方のトランシーバから受け取られる前記データコード化された光とを識別し/分離するための手段を有する
ことを特徴とするフリースペース光学データ伝送システム。
【請求項２２】
各前記トランシーバにおける前記トランシーバから送られるデータコード化された光と受け取られるデータコード化された光とを識別し/分離するための手段が、各前記トランシーバの前記光トランスミッタから複数の異なる波長の光を送る手段を備えている請求項21に記載のシステム。
【請求項２３】
前記識別し/分離するための手段が、各前記トランシーバに設けられていて、受け取られる光をその波長によって分離する手段を備えている請求項22に記載のシステム。
【請求項２４】
前記識別し/分離するための手段が、ファイバ波長分割多重器を備えている請求項22に記載のシステム。
【請求項２５】
各前記トランシーバにおける前記送られる光と受け取られる光とを識別し/分離するための手段が、各前記トランシーバの光トランスミッタによって送られる光に対して、前記トランシーバで受け取られる光の偏光とは異なる偏光を行う手段を備えている請求項21に記載のシステム。
【請求項２６】
前記識別し/分離するための手段が、各前記トランシーバに設けられた四分の一波長板からなる請求項25に記載のシステム。
【請求項２７】
前記識別し/分離するための手段が、各前記トランシーバに設けられた二分の一波長板からなる請求項25に記載のシステム。
【請求項２８】
前記識別し/分離するための手段が、各前記トランシーバに設けられた偏光用ビームスプリッタからなる請求項25、26または27に記載のシステム。
【請求項２９】
各前記トランシーバにおける前記送られる光と受け取られると光を識別し/分離するための手段が、各前記光トランスミッタによって送られる光に対して時分割多重化を行う手段からなる請求項21に記載のシステム。
【請求項３０】
各前記トランシーバにおける前記送られる光と受け取られる光とを識別し/分離するための手段が、前記トランシーバに入る方向および前記トランシーバから出る方向の両方向に進行する光ビームを分離する手段からなる請求項21に記載のシステム。
【請求項３１】
前記光ビームを分離する手段が、光サーキュレータをさらに備えている請求項30に記載のシステム。
【請求項３２】
各前記トランシーバにおける前記送られる光と受け取られる光とを識別し/分離するための手段が、各前記トランシーバに設けられていて前記光トランスミッタおよび光レシーバの位置を空間的に分離する手段からなる請求項21に記載のシステム。
【請求項３３】
各前記トランシーバにおいて、前記光トランスミッタが第1の光ファイバを備えており、前記光レシーバが、前記第1の光ファイバから横方向に離隔した第2の光ファイバを備えている請求項32に記載のシステム。
【請求項３４】
各前記トランシーバが、第1の所定位置に設けられた複数の光トランスミッタと、前記第1の所定位置から離れた第2の所定位置に設けられた複数の光レシーバとを備えている請求項32に記載のシステム。
【請求項３５】
各前記望遠鏡が、受け取った光を該望遠鏡に作用的に連結された前記光レシーバに光学的に導く請求項34に記載のシステム。
【請求項３６】
前記複数の光レシーバが、光ファイバのアレイからなる請求項34または35に記載のシステム。
【請求項３７】
前記複数の光トランスミッタが、光ファイバのアレイからなる請求項36に記載のシステム。
【請求項３８】
前記複数の光トランスミッタが、光ファイバのアレイからなる請求項34に記載のシステム。
【請求項３９】
複数の前記光トランスミッタが前記トランシーバのうちの少なくとも1つに設けられており、送られる光の複数のビームのコヒーレンスを管理するための手段が設けられている請求項21に記載のシステム。
【請求項４０】
複数の前記光レシーバが前記トランシーバのうちの少なくとも1つに設けられており、受け取られる光の複数のビームのコヒーレンスを管理するための手段が設けられている請求項21に記載のシステム。
【請求項４１】
前記コヒーレンスを管理するための手段が、光路遅延を発生させる手段、インコヒーレントな光増幅器、および、OEもしくはOEO変換器のうちの少なくとも1つからなる請求項39または40に記載のシステム。
【請求項４２】
実質的な距離相互に離隔した1対のトランシーバを具備し、
各前記トランシーバが他方の前記トランシーバの望遠鏡に向けられた望遠鏡を有し、
各前記トランシーバが、該トランシーバの前記望遠鏡に作用的に連結されていて、それぞれ、前記他方の望遠鏡に対してデータコード化された光を送受する光トランスミッタおよび光レシーバを有し、
各前記トランシーバが、該トランシーバから送られる前記データコード化された光と前記他方のトランシーバによって受け取られる前記データコード化された光とを識別し/分離するための手段を有し、
さらに、
各前記トランシーバに設けられた波面センサであって、一方の前記トランシーバから該波面センサを有する他方の前記トランシーバに送られる光の波面の特性を検出するものと、
各前記トランシーバに設けられており、該トランシーバに設けられた前記波面センサに作用的に連結された変形可能なミラーであって、前記トランシーバによって受け取られるデータコード化された光の通路に配置されており、少なくとも部分的に、該変形可能なミラーが作用的に連結された前記波面センサによって検出された波面の特性に応じて前記データコード化された光の波面を補正するものと、
を具備したフリースペース光学データ伝送システム。
【請求項４３】
各前記トランシーバが、変形可能ミラー共役のための手段をさらに備えている請求項42に記載のシステム。
【請求項４４】
各前記トランシーバが、複数の前記波面センサと複数の前記変形可能なミラーとを備えた請求項42に記載のシステム。
【請求項４５】
各前記トランシーバが、各前記変形可能なミラーの変形可能ミラー共役のための手段をさらに備えている請求項44に記載のシステム。
【請求項４６】
別個の基準光が前記望遠鏡の間で送られ、前記波面特性を検出する前記波面センサによって受け取られる請求項42に記載のシステム。
【請求項４７】
前記波面センサが、前記送られる光の波面の曲率を検出する請求項42に記載のシステム。
【請求項４８】
前記変形可能なミラーが変形可能な曲率ミラーである請求項42または47に記載のシステム。
【請求項４９】
各前記トランシーバにおける前記トランシーバから送られるデータコード化された光と受け取られるデータコード化された光とを識別し/分離するための手段が、各前記トランシーバの前記光トランスミッタから複数の異なる波長の光を送る手段を備えている請求項42に記載のシステム。
【請求項５０】
各前記トランシーバにおける前記送られる光と受け取られる光とを識別し/分離するための手段が、各前記トランシーバの光トランスミッタによって送られる光に対して、前記トランシーバで受け取られる光の偏光とは異なる偏光を行う手段を備えている請求項42に記載のシステム。
【請求項５１】
各前記トランシーバにおける前記送られる光と受け取られる光とを識別し/分離するための手段が、各前記光トランスミッタによって送られる光に対して時分割多重化を行う手段からなる請求項42に記載のシステム。
【請求項５２】
各前記トランシーバにおける前記送られる光と受け取られる光とを識別し/分離するための手段が、前記トランシーバに入る方向および前記トランシーバから出る方向の両方向に進行する光ビームを分離する手段からなる請求項42に記載のシステム。
【請求項５３】
各前記トランシーバにおける前記送られる光と受け取られる光を識別し/分離するための手段が、各前記トランシーバに設けられていて前記光トランスミッタおよび光レシーバの位置を空間的に分離する手段からなる請求項42に記載のシステム。
【請求項５４】
複数の前記光トランスミッタが前記トランシーバのうちの少なくとも1つに設けられており、送られる光の複数のビームのコヒーレンスを管理するための手段が設けられている請求項42に記載のシステム。
【請求項５５】
複数の前記光レシーバが前記トランシーバのうちの少なくとも1つに設けられており、受け取られる光の複数のビームのコヒーレンスを管理するための手段が設けられている請求項42に記載のシステム。
【請求項５６】
前記コヒーレンスを管理するための手段が、光路遅延を発生させる手段、インコヒーレントな光増幅器、および、OEもしくはOEO変換器のうちの少なくとも1つからなる請求項54または55に記載のシステム。
【請求項５７】
一方の前記望遠鏡から送られる前記データコード化された光の位相効果が、他方の前記望遠鏡における強度効果に変換されるよう、前記ビームのサイズが調節される請求項４２に記載のシステム。
【請求項５８】
各前記トランスミッタによって送られるデータコード化された光のビームが、各波面センサおよび変形可能なミラーの効果を他の波面センサおよび変形可能なミラーから隔離するようなサイズを有する請求項42に記載のシステム。
【請求項５９】
実質的な距離相互に離隔され、相互に照準合わせされた第1および第2の望遠鏡を有する第1のレシーバおよび第2のレシーバを具備し、
各前記望遠鏡が他方の前記望遠鏡に対する照準合わせのために制御された移動が可能なよう取り付けられており、各前記トランシーバが前記トランシーバの望遠鏡に光を送る光トランスミッタを有し、該望遠鏡が他方の前記望遠鏡に前記光を送り、
各前記トランシーバが、他方の前記望遠鏡から受け取られた光を該トランシーバの望遠鏡から受け取る光レシーバを有し、
さらに、
少なくとも前記第1の望遠鏡およびその光トランスミッタに設けられていて、拡散する光ビームが前記第2の望遠鏡に向けて導かれて該第2の望遠鏡に当たるようにする手段と、
前記第2の望遠鏡の前記光レシーバに作用的に連結されていて、前記第1の望遠鏡からの前記拡散する光ビームを検知し、前記拡散する光ビームの光源としての前記第1の望遠鏡に対して直接的に照準合わせするために、前記第2の望遠鏡に制御された移動を行わせる手段と、
前記第1の望遠鏡の前記光レシーバに作用的に連結されていて、前記第2の望遠鏡からの焦点合わせされた光ビームを検知し、前記焦点合わせされた光ビームの光源としての前記第2の望遠鏡に対して直接的に照準合わせするために、前記第1の望遠鏡に制御された移動を行わせ、前記拡散する光ビームを前記第2の望遠鏡に焦点合わせする手段と、
を具備したフリースペース光学データ伝送システム。
【請求項６０】
各前記光トランスミッタが、データコード化光送信機能をさらに備えた請求項59に記載のシステム。
【請求項６１】
各前記光レシーバが、データコード化光受信機能をさらに備えた請求項59に記載のシステム。
【請求項６２】
各前記光レシーバが、データコード化光受信機能をさらに備えた請求項60に記載のシステム。
【請求項６３】
各前記トランシーバが、該トランシーバから送られる前記データコード化された光と前記他方のトランシーバから受け取られる前記データコード化された光とを識別し/分離するための手段を有する請求項60、61または62に記載のシステム。
【請求項６４】
各前記トランシーバに設けられていて、前記第1および第2の望遠鏡の間で送られるデータコード化された光の波面の曲率を検出する波面センサと、
各前記波面センサに作用的に連結されていて、前記データコード化された光の進路に配置された変形可能なミラーであって、該変形可能なミラーに作用的に連結された前記波面センサによって検出された波面の曲率に応じて前記データコード化された光の波面を補正するものと、
をさらに具備した請求項59、60、61または62に記載のシステム。
【請求項６５】
各トランシーバに波面センサが設けられており、各前記波面センサが、他方の前記トランシーバから送られた焦点ぼけした光を受け取るようなサイズの取得視野を有する請求項59に記載のシステム。
【請求項６６】
前記取得視野が約2アーク分である請求項65に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気中で光波によってデータを伝送するための光学データ伝送システムに関し、特に、変化する大気状態がデータ伝送損失無しに補償される光学データ伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
データ伝送およびデータ伝送を実現するための構造基盤に対する必要性は急速に拡大している。ファイバオプティクスの使用はデータ伝送の可能性および効率を高めたが、拡大しているデータ伝送の必要性はファイバオプティクス構造基盤に対する絶え間ない追加を必要とするので、膨大な費用がかかり大変面倒である。大気中のフリースペースで光波を使用することによって光学データ伝送システムを補強するための実験および試みがなされてきたが、大気状態における不可避的な変化が、上記のような大気光学データ伝送についての実験および試みの精度および信頼性を低下させていた。例えば、ほこり、煙、霧および雨は、光ビームの散乱および全体的な減衰を起こすことによって、１つの箇所から他の箇所への光波の伝播を妨害または阻止するおそれがある。また、風、熱、波等の他の大気状態は常時変化する収差を生じ、このため、受け取られる光波面が悪影響を受けることによってデータ伝送の質を損なうことになる。
【発明の開示】
【０００３】
本発明の主要な目的は、上述の問題点を解決するために、データコード化された光波を送受信するための望遠鏡と適応型（補償型）の光学システムとを使用する新規のフリースペース光学データ伝送システムを提供することである。本発明の他の目的は、データコード化光波送受信システムにおいて遭遇する大気収差を克服するために、波面曲率センサおよび変形可能曲率ミラータイプの適応光学システムを備えた光学データ伝送システムを提供することである。本発明のさらに他の目的は、各々がデータコード化光を送信し受信する１対の望遠鏡と、各前記望遠鏡から送信されるデータコード化光と該望遠鏡によって受信されるデータコード化光を識別する手段とを使用するフリースペース光学データ伝送システムを提供することである。本発明のさらに他の目的は、実質的な距離だけ相互離隔された１対の望遠鏡と、各前記望遠鏡によって他方の望遠鏡から受信した光の強度を検知することに応じて各前記望遠鏡の他の望遠鏡に対する照準を制御する手段とを使用するフリースペース光学データ伝送システムを提供することである。
【０００４】
本発明の他の主要な目的は、実質的な距離だけ相互離隔されていて、大気収差を補償するための適応光学システムをそれぞれ有する各トランシーバによってデータコード化光を送受信する１対のトランシーバを使用する双方向フリースペース光学データ伝送システムを提供することである。本発明のより具体的な目的は、各トランシーバに、送信されるデータコード化光および受信されるデータコード化光の両方における収差を補償する適応光学システムを設けることである。本発明のさらに他の重要な目的は、本発明のフリースペース光学データ伝送システムにおいて、光回折を使用して１対のトランシーバの作用を隔離することである。本発明のさらに他の目的は、適応光学システムの変形可能なミラーの共役を使用して光学データ伝送システムの性能を向上させることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図１において、都会環境で使用されている本発明のフリースペース光学データ伝送システムＳを示し、ここでは、該システムの１対のトランシーバ１０、１０’が、２つのビルの屋上に実質的に離隔して設けられていて、永久的な構造物によって妨害されない照準線１２を有する。窓表面をクリーニングし乾燥させることによって、前記照準線１２に沿って前記トランシーバ１０、１０’間で妨害のない光伝送を可能にするための手段が設けられている限り、前記トランシーバ１０、１０’のうちの一方または両方は、天候状態からの保護のために、ビル内の窓に取り付けられてよい。例えば、前記窓表面上に薄いワイパーブレードを渡しても、データ送受信を邪魔しない。図１は、天候状態に加えて、様々異なる大気状態を作り出す様々異なる高さのビル、自動車、鉄道、木および１つのビルの煙突を示す。雨、霧、煙等は伝送される光の強度を低下させるが、太陽によって誘発され、構造物によって作り出される熱波、エアコンの排出物、熱交換器の排出物、自動車の排気等は、天候状態によって発生される通常の大気収差に加えて、前記照準線１２における収差を作り出す。もちろん、本発明のフリースペース光学データ伝送システムを都会に使用する場合であっても、前記トランシーバ１０、１０’の間の照準線１２における大気状態は、変化する地形、植物の生育、植物の生育不足および天候状態によって影響されることになり、これにより、前記照準線１２に沿って変化する収差を発生させる。本発明のフリースペース光学データ伝送システムは、データコード化された光波の送受信に悪影響を与えることになるこれらの大気状態を緩和する。本発明のトランシーバに適応光学機器を使用することによって、受信側のトランシーバに対して、より有効なデータコード化光が優れた画質で提供される。さらに、双方向の光送信を使用することによって、入射ビーム波面情報は、前記トランシーバの適応光学機器によって送信される光ビームを予備補正するために使用されることができる。というのは、双方向の光ビームは同一の経路上にあるためである。
前記トランシーバ１０、１０’は、後述するような様々な理由により、同一または異なる構成であってよい。なお、この明細書および図面全体にわたり、同一または実質的に同様な構成要素を示すために同じ数字および文字を使用し、一方のトランシーバ（１０’）の構成要素は、他のトランシーバ（１０）の構成要素と区別するためにプライム（’）記号で示される。
【０００６】
本発明の実施の形態を詳細に説明するのに先立って。本発明の原理および変形について簡単に説明する。図１はトランシーバ１０および１０’の間における単一のフリースペース光学データリンクを示し、経済的および物理的な理由により、前記リンクはトランスミッタおよびレシーバ望遠鏡の両方として機能する各トランシーバに単一の対物レンズを設けた双方向であるのが好ましい。しかしながら、各望遠鏡が文字通りにトランシーバではない、すなわち、双方向ではない単一方向システムにおいては、必要に応じて、連続的にまたは定期的に、１つの望遠鏡がトランスミッタのみとして使用され、もう一方の望遠鏡がレシーバのみとして使用されてよい。しかし、便宜上、ここでは、トランシーバという用語を、光学データ伝送システムの双方向性および単一方向性の望遠鏡装置を示すために使用する。後で詳述するように、このような単一方向性のシステムの場合であっても、波面センサの動作のために、逆方向プローブビームが使用されることになり、これにより、光は両方向に送られ、好ましくは、該プローブビームは、データによってコード化された光ビームとは異なる波長を有する。本発明のシステムの各実施の形態において、両方向に送られる光ビームは、同じ大気状態に露出されて該同じ大気状態をサンプルし、これにより、各トランシーバで検出される波面データはデータ送信に関連するものとなる。さらに、このフリースペース光学データリンクの各前記トランシーバ１０、１０’によって受光される前記データコード化光ビームは、例えばファイバ光学機器またはこの種類もしくはその他の種類のフリースペースデータリンクを介した任意の便利且つ通常の方法で処理または再送されてよい。
【０００７】
本発明の双方向フリースペース光学データ伝送システムにおいては、現在のところ、上述のごとく、データ送信と波面検出との両方に１．５５μｍ（ミクロン）の波長の光を使用するのが好ましいが、データ送信と波面検出とに異なる波長をしてよく、また、特定の大気状態の下では、上記以外の波長を使用してよいし、好ましくもある。例えば、１．３１μｍの波長は、（単一波長またはＷＤＭ（波長分割多重化）モードで当該システムにおいて好適に動作するが、大気（ＯＨ）吸収特性の数によりＷＤＭモードでは問題を起こすおそれがある。さらに、適切なコストでの１．３１μｍ波長用アンプの商業的入手不能性は、前記波長を魅力のないものにしている。
【０００８】
１対のトランシーバ１０、１０’は適当な距離、すなわち１〜２ｋｍおよびそれ以上の距離について本発明のフリースペースデータリンクに使用されるが、信頼度を高めるために並行して動作する２つ以上のフリースペース光学データ伝送システムからなる構成をより長い距離用に使用することも可能であり本発明の範囲内である。このような構成では、前記トランシーバの出力開口が互いに近接して配置され、送信されるデータ信号の位相が維持されることが好ましい。１つまたは複数の隣接した開口を使用する場合、各望遠鏡からの有効エネルギが１つのファイバに接続され得るように、レシーバ望遠鏡における画像が十分に重畳する程度に近接させる必要がある。代案として、前記リンクは、完全に独立して操作され得るよう、例えば、その間に相互作用が生じないように十分離隔（好ましくは、数アーク分またはそれ以上）して配置されるべきである。前記トランスミッタ望遠鏡が互いに近接して配置される場合、空間的または時間的な干渉による問題が生じないよう、前記トランスミッタ望遠鏡の光学的なコヒーレンスには十分な注意が払わなければならない。各前記トランスミッタ望遠鏡からのデータ変調信号は、同位相でなければならない。しかしながら、各望遠鏡からの光学的位相は、レシーバにおける干渉効果を阻止するために、波長より良好となるよう制御され、または、ランダム化されるべきである、ということが重要である。路程は、積極的に制御され得るが、異なる開口間における相対的な路程遅延またはピストンエラーを判定するための第２の波面センサを必要とする。干渉分光ピストンは、当該技術分野で周知であり、縞トラッキングまたは単純な２アーム干渉計に基づくものとすることができる。光学的コヒーレンス長より大きな互いに異なる経路遅延が各望遠鏡に導入され、且つ、このような遅延が十分に一貫したデータ信号位相関係を維持することと整合するという条件で、光学的な光学的位相のランダム化は、各望遠鏡に入力されるよう分けられた（多分、コヒーレンス的に増幅された）同一のレーザ光を使用して実現されることができる。前記光学的位相のランダム化は、各望遠鏡毎に個別のトランスミッタダイオードまたはレーザダイオードを使用することによっても実現されることができ、このことは、信号を伝送する光−電気−光（ＯＥＯ）変換または非コヒーレントな光学アンプ（光学トランジスタ）を使用することを暗示する。同様に、数個の独立したレシーバ望遠鏡からの光学的な信号が光学的に組み合わされるべき場合、コヒーレンス問題に慎重な注意が払われるべきである。ピストンエラーを制御し、または、信号が非コヒーレント的に組み合わされることを保証するという上記と同じ解決法が、レシーバについても適用可能である。複数の異なる光源からの光ビームが組み合わされる毎に、好ましくない時間的な干渉が前記組み合わされた信号に過剰なノイズを付加するのを阻止するために、トランスミッタ光源の光学帯域幅は、データ信号の帯域幅よりはるかに大きなものでなければならない。
【０００９】
現在のところ、データによってコード化された光を本発明のシステムによって伝送するために最も望ましい光源としては光ファイバから直接送ることが考えられている。これは、十分に明るくファイバ伝送速度で変調され得る任意タイプのレーザダイオードであってよい。前記データ信号が電気的な信号である場合、電気−光（ＥＯ）変換が行われる。また、前記データ信号が光学的な信号であり本発明のシステムと互換性が無い波長の信号である場合、例えば本発明のフリースペース伝送システムについては１．３１μｍ〜１．５５μｍの波長での光−電気−光（ＯＥＯ）変換が行われる。
２つのシステムの間で伝搬される光ビームの最小サイズは、回折によって設定される。照射されるビームが標準的な偏差σ（シグマ）のガウス（Ｇａｕｓｓｉａｎ）特性を有し、距離Ｄだけ照射されると仮定すると、回折による前記照射されたビームの標準的な偏差はＤλ／πσであり、ここで、λは伝搬波長である。前記σ照射されたビームの幅（対物レンズの直径の約１／３〜１／４）によって決まる特徴的な伝搬距離は、定義されることができる。前記特徴的な伝搬距離以上において、照射／送信側の望遠鏡からの位相情報は、受信側の望遠鏡において純粋な振幅変化に変換される。前記特徴的な伝搬距離はＤλ／πσ  ＝  σである距離として定義可能であり、これはビーム直径が２の平方根だけ拡張した距離であり、従って、Ｄ  ＝πσ2／λである。故に、例えば、４ｃｍの照射偏差σ（シグマ）を有する１２．５ｃｍの直径の望遠鏡である場合、前記特徴的な伝搬距離は約３Ｋｍである。前記特徴的な伝搬距離を超えると、データ信号の強度は前記距離の二乗として低下する。前記特徴的な伝搬距離未満の距離において、前記２つのシステムの間における波面位相情報の伝搬が増大する。ある特定の地点において、この位相情報の伝搬は、前記２つの対向する適応光学システムに不安定を起こすおそれがある。しかし、１＞＞σである限り、前記不安定は重大な問題とはならい、ということが幾何学的意見によって示されている。前記特徴的な伝搬距離より相当短い距離について、受信側望遠鏡の開口が十分に充満状態未満であることを保証するためには送信用のファイバと受信用のファイバとの間の差動的な焦点が必要となる場合がある。さらに、これらの短い距離では、フレスネル回折によって、瞳照明が不均等になるおそれがあり、この場合、送信ビームの焦点を調節することによって瞳孔照明を改善できる。
【００１０】
図２〜図５において、前記トランシーバ１０、１０’の典型的な基本構成およびその構成要素についての４つの実施の形態が示されている。しかし、これらの代表的なシステムの様々な変更例および組合わせを特定の用途または他の理由で使用してよい、ことが理解されるべきであり、また、当業者にとって自明であろう。これらの図において、各前記トランシーバ１０、１０’は反射型望遠鏡１４、１４’を備えたものとして示されているが、例えば図６、図７および図８に示すような他の種類の望遠鏡が使用されてもよい。本発明の各フリースペース光学データ伝送システムＳは、前記トランシーバ１０および／または１０’の一部として少なくとも１つの適応光学システムを含んでいる。大気によって生じる光波の収差を補償するために、瞳全体にわたる光度変化に反応しない波面センサを有する任意の種類の適応光学システムが前記光学データ伝送システムＳに使用されてよいが、差動式で自己較正式の湾曲波面センサ、および、検出された波面を修正するための変形可能な湾曲ミラーを有するシステムを使用するのが好ましい。好ましい波面センサの一例およびその作用例は、２０００年５月２６日に出願され、本願と同じ発明者によるＭｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ｆｏｒ  Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  Ｓｅｎｓｉｎｇと題する米国特許出願Ｎｏ．０９／５７９，７８６に記載されており、その開示内容はここにおいてその全体が記載されているごとく参考のために組み込まれている。また、好ましい変形可能な湾曲ミラーの一例は、２００１年１月２５日に出願され、本願と同じ発明者によるＤｅｆｏｒｍａｂｌｅ  Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ  Ｍｉｒｒｏｒと題する米国特許出願Ｎｏ．０９／７６９，９８８に記載されており、その開示内容はここにおいてその全体が記載されているごとく参考のために組み込まれている。
【００１１】
図２についてより詳しく言及すると、本発明のフリースペース光学データ伝送システムＳの好ましい実施の形態において、適応光学システムは各トランシーバ１０、１０’に設けられている。各前記適応光学システムは、対応する望遠鏡１４’、１４によってそれぞれ送られる光波Ｌ’、Ｌにおける収差を検出して補償するための１つの波面センサＷＦＳ、ＷＦＳ’を備えている。それぞれの前記波面センサによって検出された光波Ｌ’、Ｌは、以下により詳しく説明されるように、送信されるデータによってコード化されたものと同一の光波または異なる光波であってよいが、ここでは説明上の便宜のために、前記それぞれの波面センサによって受光されて検出される光波が前記データによってコード化された光波と同じものであると、仮定する。双方向送信構成において、各トランシーバ１０、１０’は、データコード化された光を対応する望遠鏡１４、１４’中に送るためのファイバ光学光波源等の任意タイプの光波トランスミッタＴ、Ｔ’と、前記対応する望遠鏡１４、１４’からデータコード化された光を受光するためのレシーバＲ、Ｒ’とを備えている。説明を明確且つ簡潔にするために、先ず、一方向のみのデータ送信、すなわち、トランシーバ１０’からトランシーバ１０（図２における右から左）へのデータ送信について説明するが、データコード化された光は反対方向、すなわち、左から右にも同時に送信される。この実施の形態において、光Ｌ’は、先ず、後述する理由で、ビームスプリッタＢ−２’およびＢ−１’を介してリレーミラーＲＭ’に送られて、そこで変形可能なミラーＤＭ’に結合され、リレーミラーＲＭ’に送り返され、しかる後、該光Ｌ’を望遠鏡１４’に送るミラーＭに送られ、そして、前記望遠鏡１４’は該光を望遠鏡１４に送る。トランシーバ１０の望遠鏡１４によって受光された光波Ｌ’は、ミラーＭに送られ、そこから放物面ミラーであってよいリレーミラーＲＭに送られる。前記ミラーＭ、Ｍ’、変形可能なミラーＤＭ、ＤＭ’およびリレーミラーＲＭ、ＲＭ’の具体的な光学的機能および関連性について、以下に説明する。前記入射光波は、前記変形可能なミラーＤＭに送られて、該ミラーＤＭからリレーミラーＲＭに反射される。該リレーミラーＲＭから、前記光波は、直列に配置された２つのビームスプリッタＢ−１およびＢ−２に送られ、該ビームスプリッタＢ−１、Ｂ−２は、通常通り、前記光の一部を反射するとともにこれに到達するする前記光の残部を通す。図２に示すように、第１のビームスプリッタＢ−１によって反射された前記光波は、直接的にまたは他のミラーＭ−１から間接的に、前記波面センサＷＦＳに送られる。上記米国特許出願Ｎｏ．０９／５７９，７８６により詳しく開示されているように、前記波面センサＷＦＳに到達する前記トランシーバ１０’からの光波Ｌ’の初期的な伝送は、前記波面センサＷＦＳによって検出されて特定されるトランシーバ１０、１０’間の大気状態による収差を有することになる。そして、前記波面センサＷＦＳは、前記光波Ｌ’の波面における収差を補償するために前記変形可能なミラーＤＭの形状を制御し、しかる後、前記変形可能なミラーＤＭによって収差が除去または実質的に除去された状態に補正された補償済みの波面を検出することになる。このようにして、前記ビームスプリッタＢ−１を通過した光波Ｌ’の一部も補正され、その一部は、前記トランシーバ１０’のトランスミッタＴ’によって送信されるものと実質的に同じ形態のデータコード化光として、前記ビームスプリッタＢ−２によって反射されて前記トランシーバ１０の光波レシーバＲに達する。上述のごとく、照準線１２（図１参照）に沿った大気状態が変化するのに伴い、該大気状態は光波Ｌ’に新たなまたは異なる収差を起こし、この大気状態の変化は前記波面センサＷＦＳによって検出され、そして、該波面センサＷＦＳは、変化した収差を補償するために前記変形可能なミラーＤＭの変形を修正する。このようにして、前記波面センサＷＦＳと変形可能なミラーＤＭとを備えた適応光学システムの動作の結果、前記光波レシーバＲは連続的に補正された光波を受けることになる。
【００１２】
冒頭およびこれまで述べてきたように、図２の本発明のフリースペース光学データ伝送システムＳは、１つの方向（図２における右から左）にのみデータを送信し、前記トランシーバ１０は、トランシーバ１０’によって送信される光波Ｌ’を受信して補正する。このシステムＳは、双方向のデータ伝送システムを実現するために、上記と同一または同様な構成要素を使用することによって、反対方向（左から右）にデータコード化光Ｌを送受信する機能をも行う。しかしながら、前記波面センサＷＦＳは、前記トランシーバ１０によって受信される光Ｌ’の波面を連続的に検知し、変形可能なミラーＤＭを制御することによって前記波面を補正しているので、前記トランシーバ１０、１０’の間の大気状態によって発生させられる波面の収差を補正するために、前記変形可能なミラーＤＭで反射され、前記トランスミッタＴによって送信される光波Ｌが予め修正される。こうして、前記波面は、結合された望遠鏡１４、１４’によって送信される前に、各変形可能なミラーＤＭ、ＤＭ’ごとに部分的に補正され、受信側トランシーバ１０’、１０の他方の変形可能なミラーＤＭ’、ＤＭによってそれぞれ付加的に補正される。双方向の光送信は前記照準線１２における同じ大気を通過し、故に、前記波面センサＷＦＳ、ＷＦＳ’は、連続的に同じ大気状態および収差をサンプリングしていることになる。さらに、前記波面センサＷＦＳ、ＷＦＳ’は、他方のデータコード化光によってデータを送信することによって、波面補償用のデータを共用することができる。一般的に、光波を受ける受信側の望遠鏡により近い大気の状態は、光波源により近い大気の状態よりも、入射波面の位相に対して大きな影響を及ぼす。他方、送信側の望遠鏡により近い大気の状態は、主に受信側の望遠鏡における振幅および送光ビームの方向に影響することになる。前記送信側の望遠鏡の近くの収差による光ビームの全体的な操作または指示まちがいによって、前記ビームが受信側の望遠鏡を外すことがある。より高次の収差は、ビームプロフィール（特性）に対してより複雑な影響をあたえることになるが、同様にその強度を変調する。
【００１３】
前記大気状態および収差をより効果的に補償するために、本発明にあっては、適当な変形可能なミラー共役が使用されている。利用可能な共役調節量は、回折作用によって制限される。共役はビーム経路における特定の位置を変形可能なミラーＤＭ、ＤＭ’上に再結像させることによって実現されるので、結像システム（すなわち、望遠鏡１４、１４’）の解像度は、像が幾分ぼやけたものになろうけれども、共役距離にある変形可能なミラーの  （図１０および図１１に関して後述する）個々のアクチュエータを解像するのに十分であるにちがいない。前記受信側望遠鏡が送信側望遠鏡の包絡面領域になるようビームサイズが選択され、これにより、最大共役範囲を１９個のアクチュエータからなるシステム（図１２参照）についてのリンク距離の約１／３に置く。前記共役範囲は前記望遠鏡のサイズを大きくすることによって拡大可能であり、このことは、コストの上昇も招くが、トランスミッタ／レシーバのアレイを焦点面内で使用する場合に特に魅力的なものとなる選択肢である。多数のトランスミッタ／レシーバ源を使用する場合、マルチ共役型の適応光学は、補正視野を改善することもでき、より高い全体的な処理能力を実現できる。前記光学システムは、前記波面センサに対する前記変形可能なミラーの正確な共役を維持し、且つ、（波面基準位置と共に後述する）膜ミラーの中心と入力／出力光ファイバとの位置合わせ精度を正確に維持しなければならない。
【００１４】
図２の実施の形態に対する適切な共役の適用についてさらに説明すると、名目上、前記変形可能なミラーＤＭの共役点Ｃは、収差補正のための平均的な位置を提供するよう、前記トランシーバ１０からトランシーバ１０’までの距離の約１／３の位置にあり、同様に、共役点Ｃ’は、前記トランシーバ１０’からトランシーバ１０までの距離の約１／３の位置にある。しかしながら、最大収差が、一貫して、例えば工場や大きなアスファルトの駐車場の上などの、前記照準線１２に沿った異なる位置で生じると判定される場合、一方の前記変形可能ミラーの共役点ＣまたはＣ’を適当な光学手段による最大収差の位置に移動し、波面補正の効果を最大化するようにしてもよい。このような光学手段の１例は、図１２および図１３について説明するただ１つの電極セグメントアクチュエータを有するタイプの変形可能なミラーなどの、ミラーＭの位置に設けられる回転可能で変形可能なミラーである。具体的には、前記ミラーＭを適当に調整することによって、前記トランシーバ１０の変形可能ミラーの共役点Ｃの位置が選択されてよく、また、前記ミラーＭ’を適当に調整することによって、前記トランシーバ１０’の変形可能ミラーの共役点Ｃ’の位置が選択されてよく、通常、これらの位置は、それぞれの顕微鏡１４、１４’および／または最大収差により近い。
【００１５】
本発明の光学データ伝送システムＳが適応光学および適切なビームサイズ設定を利用することによって、前記変形可能なミラーＤＭ、ＤＭ’の各セグメントから反射した光は、それぞれの受光側望遠鏡１４’、１４を満たす。
【００１６】
図３について説明すると、このフリースペース光学データ伝送システムＳの実施の形態も、図２について上述したように望遠鏡１４、１４’を有する１対のトランシーバ１０、１０’を備えている。しかし、基本的な処理および機能は同じであるものの、各前記トランシーバごとの光波送受および適応光学システムの構成は、図２の実施の形態のものとは幾分異なっている。ここでも、前記トランシーバ１０、１０’は同一であり、各トランシーバ１０、１０’は、トランスミッタＴ、Ｔ’と、レシーバＲ、Ｒ’と、波面センサＷＦＳ、ＷＦＳ’および変形可能なミラーＤＭ、ＤＭ’を有する適応光学システムとを備えている。データコード化された光波は、各トランスミッタＴ、Ｔ’によって送信され、第１のビームスプリッタＢ−１、Ｂ−１’から直接的に望遠鏡１４、１４’に反射され、該望遠鏡１４、１４’は、光波Ｌ、Ｌ’を、図２のように先ず変形可能なミラーで反射されることなく、他方の望遠鏡に送る。各前記望遠鏡１４、１４’で受け取られた光波は、第１のビームスプリッタＢ−１、Ｂ−１’を介してミラーＭ、Ｍ’に至り、該ミラーＭ、Ｍ’において、前記光線はリレーミラーＲＭ、ＲＭ’に反射され、そして、変形可能なミラーＤＭ、ＤＭ’に反射され、前記リレーミラーＲＭ、ＲＭ’に戻り、そして、第２のビームスプリッタＢ−２、Ｂ−２’に反射される。該第２のビームスプリッタＢ−２、Ｂ−２’において、前記光の一部分が該ビームスプリッタを介してレシーバＲ、Ｒ’に送られ、前記光の残りの部分がミラーＭ−１、Ｍ−１’から直接的または間接的に前記波面センサＷＦＳ、ＷＦＳ’に反射される。この実施の形態においては、各前記トランスミッタＴ、Ｔ’から送られた光波が、図２の実施の形態のトランシーバ１０、１０’における各トランスミッタＴ、Ｔ’からの光波のように予め補正される代わりに、前記第１のビームスプリッタＢ−１、Ｂ−１’によって対応する望遠鏡１４、１４’中に直接的に反射されるので、入射する光波のみが該当するトランシーバ１０、１０’の前記適応光学システムによって補正される。図３の実施の形態は、各前記トランシーバの適応光学システムが入射する光波の波面を独立的に且つ別々に補正する利点を有し、これにより、前記システムを簡略化できる。しかし、該実施の形態は、出射する光波を補正することを支援することはできない。所望の場合、各トランシーバにおける前記トランスミッタＴ、Ｔ’およびレシーバＲ、Ｒ’の位置を反対にし、これにより、対応する前記波面センサＷＦＳ、ＷＦＳ’によって受け取られる光Ｌ’、Ｌに基づいて、送られる光が、送られる前に、前記変形可能なミラーＤＭ、ＤＭ’によって補正されるようにしてよい。
【００１７】
図４において、フリースペース光学データ伝送システムＳは、左側のトランシーバ１０のみに唯一の適応光学システム（波面センサＷＦＳおよび変形可能なミラーＤＭ）を有し、該適応光学システムは、図２のトランシーバ１０を備えた適応光学システムと同じか実質的に類似している。図４の実施の形態は双方向のデータ送信に使用されてもよいが、図２および図３の実施の形態ほど双方向のデータ送信には適しておらず、むしろ、例えば地上のトランシーバ１０から人工衛星内のトランシーバ１０’への一方向のデータ送信により適している。前記トランシーバ１０’は、好ましくは容易に識別可能なようにデータコード化光Ｌとは異なる波長を有するプローブ光ビームＬ’を送るためのトランスミッタＴ’を有する。前記波面センサＷＦＳは、トランスミッタＴによって望遠鏡１４から、レシーバＲ’で受光する望遠鏡１４’に送られているデータコード化光Ｌを予め補正するよう前記変形可能なミラーＤＭを制御することによって収差を補償するために光Ｌ’に応答する。この構成によって、前記レシーバＲ’は、光強度を検出するための１つの光ファイバであってよい。ここでも、前記トランシーバ１０のミラーＭは、変形可能ミラー共役点Ｃの最も望ましい位置を設定するためにその共役点を設定可能なものが好ましい。図４のフリースペース光学データ伝送システムＳが地面とトランシーバ１０’を搭載した人工衛星との間で使用される場合、すべての収差は地面側のトランシーバ１０近くの大気中で発生することになり、故に、前記共役点Ｃは前記トランシーバ１０により近接して位置することになる。
図５では、本発明のフリースペース光学データ伝送システムＳの他の実施の形態が示されており、前記システムに組み込まれてよい複雑性および改良点を示している。この図５の実施の形態は、各トランシーバ１０、１０’が、送られる光波および受け取られる光波の両方を補正するための適応光学システムの位置に、トランスミッタＴ、Ｔ’およびレシーバＲ、Ｒ’の両方を有する、という意味において図２の実施の形態に類似している。ここで、各トランシーバ１０、１０’における適応光学システムは、前記光学データ伝送システムＳの特定の使用法に適した任意の数であってよい複数の波面センサ（例えば、ＷＳ−１  −  ＷＳ−６、ＷＳ−１’  −  ＷＳ−６’の６個）と、複数の変形可能なミラー（例えば、ＤＭ−１  −  ＤＭ−５、ＤＭ−１’  −  ＤＭ５’の５個）とを備えている。各前記トランシーバにおける波面センサの個数は、実施上の問題のため、通常、前記変形可能なミラーを制御するために該変形可能なミラーの数未満であってはならないが、図示例にように、付加的な波面検出およびデータの共用を可能にするために、変形可能なミラーより多い波面センサが設けられていてよい。変形可能なミラーＤＭ−１が波面センサＷＳ−１に対応付けられる、というように、各前記変形可能なミラーは当該トランシーバにおける波面センサに対応付けられている。そして、連続的に、複数の前記変形可能なミラーＤＭは、それらが光波を受け取る順序と同じ順序で複数の前記波面センサＷＦＳに対応付けられている。すなわち、図５のトランシーバ１０の右から左に配置された変形可能なミラーＤＭ−１  −  ＤＭ−５は、該トランシーバ１０の上から底に向けて配置された波面センサＷＳ−１  −  ＷＳ−５に対応付けられている。６番目の波面センサＷＳ−６は、他の前記波面センサのうちの１つまたは複数とデータを共用する。調整可能な共役ミラーＭは、それぞれの前記変形可能なミラーＤＭ−１  −  ＤＭ−５の変形可能ミラー共役点Ｃ−１  ＿  Ｃ−５を設定し、また、調整可能な共役ミラーＭ’は、それぞれの前記変形可能なミラーＤＭ−１’  −  ＤＭ−５’のための共役関係を設定する。各前記トランシーバにおける前記複数の変形可能なミラーＤＭは互いに異なる距離に配置されてよく、従って、これらは共役ミラーＭ、Ｍ’から互いに異なる距離に置かれることになり、これにより、前記共役点間の間隔が異なることになる。例えば、１番目の２つの変形可能なミラーＤＭ−１  −  ＤＭ−２の間の間隔が残りの変形可能なミラーＤＭ−２  −  ＤＭ−５のうちの各２つの変形可能なミラー間の間隔の２倍の大きさである場合、１番目の２つの共役点Ｃ−１  −  Ｃ−２の間隔は、その後に連続する共役点Ｃ−２  ＿  Ｃ−５間の間隔の２倍の大きさとなる。さらに、図５において、簡略化のために、前記トランシーバ１０の共役点Ｃ−１  ＿  Ｃ−５はすべてトランシーバ１０’の共役点Ｃ−１’  ＿  Ｃ−５’の左側に示されているが、各前記トランシーバの共役点は他方のトランシーバの共役点と重なってもよい。さらに、各前記変形可能なミラーは名目上特定の波面センサに対応付けられるが、波面補正を最適化するために、各波面センサからの波面データは、同一または他のトランシーバにおける他の波面センサからの波面データと共用されてよい、ことが当業者に理解されよう。全体的な波面補正の一部のみが、各変形可能なミラーによって実現される。前記複数の変形可能なミラーは、収差補正を改善するために、異なる数および異なるパターンの電極アクチュエータ（図１２および図１３ならびに以下の説明）を備えてよく、一般的に、それらが取り付けられたトランシーバにより近い距離に共役させられる前記変形可能なミラーには、より精密な制御が可能なようより多数の電極アクチュエータが設けられることになる。また、図５のリレーミラーＲＭ、ＲＭ’は、各々、２つの個別の要素からなり、前記変形可能なミラーの異なる配置が所望の場合、付加的な要素を含んでいてもよい。
【００１８】
図６は、図２〜図５に例示した望遠鏡の照準設定および適応光学システムＯＡに関する詳細と共に、典型的なトランシーバ１０ａを示す図である。望遠鏡１４ａは、本発明のフリースペース光学データ伝送システムの照準線１２に沿ってトランスミッタＴａからの光を受け取る先端上向きのミラー１６（上述のミラーＭ、Ｍ’と同じ物またはこれらに追加されるものであってよい）からの光波を受け取るレンズとして示されている。この実施の形態において、前記望遠鏡は図１〜図５とは異なり（図示上の便宜のために示された図６における方向はどうであれ）縦方向に配置されるものであり、前記先端上向きのミラー１６は、前記照準線１２に沿って前記ミラーを概ね照準合わせするためのｔｉｐ箔ｔｉｌｔ（チップ−チルト）補正を行わせるために、タレットのように前記望遠鏡の縦軸上にある軸と前記ミラーの面内にある横軸とである２つの直交軸を中心として回動可能である。代案として、前記望遠鏡１４ａは、前記ミラー１６を概ね照準合わせするために、単独にまたはトランシーバ１０ａ全体と共に、縦軸と一致する自己の軸上で回転してよく、これにより、ミラー１６の縦回動軸を除去できる。他のｔｉｐ−ｔｉｌｔミラーまたは変形可能なミラーを使用したり、対物レンズを少量だけ平行移動させたりする等の、さらに他の構成例を前記望遠鏡の進路位置決めまたは照準合わせのために使用してよい。このｔｉｐ−ｔｉｌｔミラー１６の構成および／または前記望遠鏡の自己の軸を中心とした回転および／またはその他の手段により、前記トランシーバ１０ａは、３つの直交軸のすべてにおける該トランシーバ１０ａ全体の調節可能な動きを必要とすることなく、このデータ伝送システムの他方のトランシーバに向けて前記照準線１２に沿って正確に照準合わせされることができる。前記望遠鏡１４ａからの光波は、図２〜図５に関して説明した変形可能ミラーＭ、Ｍ’で構成されてよい単一の変形可能ミラー共役調整要素１８上に焦点合わせされる。その後、前記光線は図２〜図５に示した変形可能ミラーＭ、Ｍ’に対応するものでよいＡＯリレー２０を介して、ここでは上記米国特許出願Ｎｏ．０９／７６９，９８８に開示されたタイプの変形可能な湾曲ミラーとして示されている変形可能なミラーＤＭａに進む。前記光は、前記変形可能なミラーＤＭａからレンズ２２に反射し、該レンズ２２は、上述したレシーバＲ、Ｒ’に対応するものでよい像検出器Ｄの面上に前記像を再焦点合わせする。前記像検出器Ｄは、本発明のフリースペース光学データ伝送システムの特定の用途に適した従来のタイプのもの、例えば、データコード化された光を更に送信するための光ファイバ、または、ビデオカメラ、ＣＣＤのカスタムフォーマット、ＰＩＮダイオード、ＰＩＮダイオードアレイ、光子計数検出器等の光の所望の用途に適したその他の検出器であってよい。前記光またはデータは、その後、さらなる使用のために適当な装置２４に送られてよい。以下のように、前記変形可能なミラーＤＭａが動作中でなく、前記波面センサとクーズドループで動作していないとき、前記像検出器Ｄによって受け取られた像または光の波面は、前記望遠鏡１４ａからによって受け取られた未補正の像である。前記変形可能なミラーＤＭａが収差を補正するために適当に変形さらせれている場合、前記像検出器Ｄで受け取られる光波は、回折が制限されたもの、すなわち、前記トランシーバ１０ａに送られる光波における収差が補正された波面となる。逆に、前記トランシーバ１０ａがデータコード化された光線を送るために使用される場合、前記像検出器Ｄの位置に配置された光ファイバなどの送光手段は、前記変形可能なミラーＤＭａに光を送り、そして該光を図２〜図５に関して説明したように望遠鏡１４ａを介して他のトランシーバに送る。前記トランシーバ１０ａにおいて、波面センサＷＦＳは、ビームスプリッタＢによって前記像検出器Ｄに向けて送られる光の一部分を受光し、該光は、前記変形可能なミラーが作動中であるか否かに応じて、補正または補正されない。そして、前記データは、中央処理ユニットＣＰＵに送られ、好ましい実施の形態においては波面の曲率を得るために、且つ、前記変形可能なミラーＤＭａの動作に適したデータを提供するためのデータ整理ソフトウエアによって処理される。詳しくは、当該分野で周知のように、前記波面は、上述の米国特許出願Ｎｏ．０９／５７９，７８６およびＮｏ．０９／７６９，９８８に説明されているように、前記好ましい実施の形態における波面センサＷＦＳによって検出された焦点外像の形状に対するディリクレ（Ｄｉｒｉｃｈｌｅｔ）の境界条件の強度に関するポアゾン（Ｐｏｉｓｓｏｎ）方程式を解くことによって得られる。そして、前記ＣＰＵは、複数のワイヤＷ−１、Ｗ−２、Ｗ−３、Ｗ−Ｎを介して、前記変形可能なミラーＤＭａの裏面の同じ複数の伝導性電極セグメント（図１２および図１３に関して後述する）に、複数の制御された高電圧電位を提供する。前記変形可能なミラーＤＭａはマウント２５に固定的に取り付けられており、前記ミラーの全体的な傾斜、すなわち、光軸Ｏの角度は、選択された電極セグメントに高電圧を加えることによって修正可能であり、前記変形可能なミラーＤＭａの表面の曲率は、他のワイヤを介して他の電極セグメントに制御された電極セグメントを加えることによって収差補正のための修正がなされ得る。これにより、前記波面の曲率が補正され、その補正が前記波面センサＷＦＳによって検出され得る。
【００１９】
図７は、上記とは幾分異なる光学的構成を使用するトランシーバ１０ｂの他の実施の形態を示す図である。該トランシーバ１０ｂもまた、上記と同じ機能を実行するｔｉｐ−ｔｉｌｔミラー１６と望遠鏡１４ｂとを備えているが、前記望遠鏡１４ｂは、変形可能なミラーＤＭｂに直接的に光波Ｌを送り、該変形可能なミラーＤＭｂから、前記光線は、検出器Ｄ（またはレシーバＲ）と前記波面センサＷＦＳとに光線を分割するビームスプリッタＢに反射される。
【００２０】
図８は、上記と異なる望遠鏡と適応光学的構成とを有するトランシーバ１０ｃを有するトランシーバ１０ｃの他の実施の形態を示す図である。該適応光学的構成も、光線を主要ミラー２８に送るｔｉｐ−ｔｉｌｔミラー１６を使用するものであり、前記主要ミラー２８は前記光線をレンズ３０に反射し、該レンズ３０は、前記光線を変形可能なミラーＤＭｃに送る。その後、前記光線は、検出器Ｄと前記波面センサＷＦＳとに光線を分割するビームスプリッタＢに送られる。この望遠鏡の実施の形態は、第２の望遠鏡が１つの単純な凸面ミラーの代わりに２つの光学要素で構成されるという点を除いて、Ｃａｓｓ．タイプに似ている。変形可能なミラーＤＭｃの直ぐ前方の複光路に屈折要素を使用することによって、前記変形可能なミラーを、湾曲形状ではなく、より簡単な平坦形状のものとすることができる。
【００２１】
図９は、さらに異なる望遠鏡と適応光学的構成とを有するトランシーバ１０ｄのさらに他の実施の形態を示す図である。ｔｉｐ−ｔｉｌｔミラー１６は光線を放物面ミラー２９に送り、該放物面ミラー２９は前記光線を変形可能なミラーＤＭｂに送り、該変形可能なミラーＤＭｂは、前記光線を、検出器Ｄと波面センサＷＦＳとに光線を分割するビームスプリッタに反射する。この軸外反射タイプの望遠鏡は、ある一定の用途に関して利点がある。
【００２２】
上述のごとく、図６、図７、図８および図９の４つの望遠鏡／ＡＯシステムの各々において、検出器Ｄの位置には、図２〜図５に示したシステムＳのレシーバＲまたはトランスミッタＴが設けられてよく、または、これらの図に示すように、付加的なレシーバおよび／またはトランスミッタを収容するために１つまたは複数の付加的なビームスプリッタが設けれられてもよい。さらに、前記波面センサＷＦＳにおける必要な検出器（図示せず）の位置は、前記検出器Ｄ、レシーバＲおよび／またはトランスミッタＴと同じ位置としてもよい。
【００２３】
制限のない一例として、上述の本発明の実施の形態に使用可能な典型的な波面センサＷＦＳが図１０に示されている。前記ビームスプリッタＢからの光線は、調整されたキャビティ装置３６に連結されたマウント３４に取り付けられた膜ミラー３２上に焦点合わせされる。前記キャビティ装置３６は、それに限定されるものではないが例えば４．０ｋＨｚの高い振動速度で膜を音響的に駆動するための音響ドライバ３８に連結されている。２５ｋＨｚ以上の高い速度で膜ミラー３２を駆動することが有利であると考えられている。前記膜ミラー３２から反射された光線は、コリメータレンズ４０を介して波面センサ検出器４２に至る。前記膜ミラー３２が振動状態に駆動されていないとき、すなわち、前記膜ミラー３２が平坦であるとき、前記変形可能なミラーの像は、前記検出器４２上で光学的に焦点合わせされている。しかし、前記膜が振動させられると、該膜は凸面状態と凹面状態との間で撓み、これにより、前記像は前記検出器４２上で正方向および負方向に交互に焦点がぼけ、そのデータが前記ＣＰＵ（図６参照）に送られ、該ＣＰＵが上述の方法で光波面の曲率を判定する。
【００２４】
前記振動膜ミラー３２の他の構成が１１図に示されており、ここでは、該振動膜ミラー３２は静電気力を使用する。詳しくは、振動膜ミラー４４は、導電性の反射コーティングを有し、正および負の電圧を出力可能な駆動アンプ４５に電気的に接続されている。前記膜ミラー４４の近くに取り付けられた静止電極４７には、他のアンプ４６によって固定電圧が加えられる。前記ミラー４４および電極が同じ電荷を有するとき、前記膜は破線４４ａに示すように前記電極４７から遠ざかる方向に撓む。しかし、前記ミラー４４および電極が反対の電荷を有するとき、前記膜は破線４４ｂに示すように前記電極４７に近づく方向に撓む。前記アンプ４５を調節することによって、振動の振幅および速度が、前記ＡＯシステムの視察状態に一致するよう調節され得る。前記振動ミラー３２、４４の両方は、前記Ａ／Ｏシステムを作動させるための１対の焦点ぼけした像を提供する。前記１対の焦点ぼけした像は例えば４．０ｋＨｚの高速度で提供されるので、前記波面センサによる前記変形可能なミラーの制御は、（乱流進展時間に比べて）ほぼ瞬時で、連続的であり、本発明のトランシーバによって受信または送信されるデータエンコード化光をリアルタイムで補正する。付加的な形態の波面曲率センサは、上述した米国特許出願Ｎｏ．０９／５７９，７８６に開示されているが、その他の波面センサが使用されてもよい。
【００２５】
図１２および図１３は、本発明のフリースペース光学データ伝送システムに使用されるのが好ましい変形可能な曲率ミラーＤＭ、ＤＭ’の裏に使用されてよい典型的な電極セグメントパターンを例示するものである。上述の米国特許出願Ｎｏ．０９／７６９，９８８により詳しく記載されているように、前記変形可能な曲率ミラーＤＭは、ＰＺＴまたはＰＭＮなどの任意の電磁制限材料製の２つのディスクまたはプレート（図示せず）で構成されており、前記２つのディスクまたはプレートは、一方側にミラーが形成され、他方側に電極セグメントのパターンが形成された状態に積層される。図１２および図１３には、前記電極セグメントパターンの２つの典型的な例が示されている。図１２に示すように、１９個の個別の電極セグメントを設けるために１２個の電極セグメント５０の外リング、６つの電極セグメント５２の内リング、および、１つの中央電極セグメント５４が設けられてよく、前記１９個の個別の電極セグメントには高電圧電位が個別に加えられ制御されることによって、前記曲率ミラーＤＭの変形が制御される。前記電極セグメント５０の外リングは、前記１２の電極セグメント５０の各々に選択に電圧を印加することによって前記ミラーの変形を制御するために使用される。前記電極セグメント５２の内リングおよび中央電極セグメント５４は、データコード化された光が送られる領域における前記ミラーの変形を制御し、前記光の波面曲率を補正するめに使用される。図６に関して上述されたワイヤＷ−１、Ｗ−２、Ｗ−３、Ｗ−Ｎは、前記電極セグメント５０、５２、５４に個別に接続され、これら電極セグメントの各々に制御された電圧を印加する。前記電極セグメント５０、５２の外リングと内リングとの間には６つの導電性セグメント５６からなる中間リングが形成されており、これらの中間の導電性セグメント５６は、ＰＺＴまたはＰＭＮの望ましくない膨張／収縮を起こし、その結果前記変形可能なミラーＤＭの移動／変形を起こすおそれのある前記変形可能なミラーの一部分における電荷の蓄積を防止するために電気的に接地されている。
【００２６】
同様に、図１３に示す変形可能な曲率ミラーＤＭ’の電極パターンは、３５個の電極セグメントを設けるために１６個の電極セグメント５０’の外リング、１２個の電極セグメント５１および１６個の電極セグメント５２’の１対の同心の内リング、および、１つの中央電極セグメント５４’を含み、前記３５個の個別の電極セグメントには高電圧電位が個別に加えられ制御されることによって、前記曲率ミラーＤＭの変形が制御される。また、外方セグメント５２’のリングは前記ミラーの傾斜を制御するとともに、前記内リングおよび中央リング５１，５２’および５４’は、波面曲率を制御するために前記ミラーを変形させるよう作用する。図１２のパターンと同様に、導電性セグメント５６’の中間リングは接地される。なお、当業者に理解されるように、図１２および図１３に示されてる個数より多いまたは少ない電極セグメントおよび接地セグメントが設けられていてよく、また、前記セグメントの形状および方向が変更されてもよい。
【００２７】
図１４Ａ  −  １４Ｅにおいて、本発明のフリースペース光学データ伝送システムの２つのトランシーバ１０および１０’の間の通信リンクを確立するための処理が示されている。この種の光学通信リンクが最初にスタートされるき、または、深い霧、地震、ハリケーン、強風の中で揺れているトランシーバを有する高層ビル等の一時的な閉塞または大気状態の結果、前記通信リンクが遮断されたとき、前記通信リンクは、前記２つのトランシーバ１０、１０’を正確に互いに照準合わせすることによって確立されなければならず、好ましくは、その照準合わせは、両前記トランシーバ１０、１０’が動作中であるが他方から光波を受信していないときにはいつでも自動的に実行されなければならない。本発明により、必要とされる帯域幅が小さいものであるかぎり、この自動的な照準合わせおよび位置合わせは、相当弱い照明条件下にあっても、光信号を検出できる各トランシーバの波面センサＷＦＳの能力に照らして実行されてよい。図１４Ａは、両前記トランシーバ１０、１０’が位置ずれしている状態、すなわち、各々の光ビームＬおよびＬ’が前記２つのトランシーバ間の照準線１２（図１）から外れている状態を示している。例えば、両前記トランシーバが光を送っている間各トランシーバのレシーバが光をまったく受光しないことによって、このような状態が検出されたとき、一方のトランシーバ１０’は、例えば、前記変形可能なミラーの制御に適当なオフセットを適用することによって出力光ビームの焦点をぼかし、これにより、図１４Ｂに示すように、前記送られる光Ｌ’の一部が他方のトランシーバ１０に当たるようにさせる。代案として、両前記トランシーバ１０、１０’が出力光ビームの焦点をぼかすよう動作させてもよいが、この方法については、説明を簡単にするために、一方の光ビームのみの焦点をぼかす例について以下に説明する。さらに、トランシーバにおける各波面センサは、焦点がぼけた光ビームを実際に受光するための適切な取得視野ＦＮ（図１４Ｂでは、トランシーバ１０について破線で示す）を有している。前記取得視野ＦＮは前記波面センサの構造の関数であり、例えば、図１０に示した波面センサに関しては、前記取得視野ＦＮは前記膜ミラー３２のサイズ（直径）によって決定される。現在のところ、１〜２ｋｍのデータ伝送システムに関して、約２アーク分の取得視野が適切であると見込まれている。好ましくは、各トランスミッタは、前記トランシーバが例えば図６について説明されたｔｉｐ−ｔｉｌｔミラー１６等によって照準合わせされる方向を適当に変更するための動力駆動機構を備えており、または、前記望遠鏡は、ジンバルに取り付けられ、図１４Ａ〜図１４Ｅに示したように照準合わせされてよい。図１４Ｂに示した焦点ぼけした光ビームＬ’によってトランシーバ１０に発生した弱い波面センサ信号に応じて、前記トランシーバ１０は、図１４Ｃに示すように、その照準をトランシーバ１０’に向くようゆっくりと調節する。前記トランシーバ１０の望遠鏡の開口における低い照明レベルのために、この調節の帯域幅は低い。この低い帯域幅は、シンチレーションによって生じる開口照明の変化を平均化することによって、前記システムがリロックするのに��立つ。図１４Ｃに示すように前記トランシーバ１０が正確に前記トランシーバ１０’に向いている状態で、前記トランシーバ１０’は、照度の上昇を検出し、この検出に応じて、図１４Ｄに示すように低帯域の適応光学をオンし前記光ビームＬ’からピンぼけを除去し始め、前記トランシーバ１０に照準を定め始める。両前記トランシーバシステムは、図１４Ｅに示すように、前記トランシーバ１０、１０’が正確に相互に照準合わせされるまで、照準設定処理の間前記波面センサの照度レベルが上昇するのに伴い、適応光学の帯域を広げる。前記データ伝送システムが調整されると、霧もしくはヘリコプターなどの物理的な物体による光ビーム遮断、風、ハリケーン、地震等の極端な乱流による光ビームの崩壊、または、部分的な構成部品の故障等の破壊的な状況の発生時を除き、作動中での再設定が必要となるおそれはない。いずれにせよ、その後において、本発明のデータ伝送システムは、図１４Ａ  ＿  １４Ｅに例示された上述の方法で自動的に再調整される。
【００２８】
本発明のシステムのようなフリースペース伝送システムのほとんどの用途においては、反対方向にデータコード化された光を送信するために異なるシステムを有することももちろん可能であるが、経済的な理由により、データ送信が図2〜図5について上述したような双方向であるのが望ましい。双方向のデータ伝送システムの場合、各トランシーバにおける送信信号および受信信号は、深い霧の結果としての後方散乱によって発生しがちな、送信されるデータコード化された光を受信されるデータコード化された光とを混同する可能性を回避するために識別されなければならない。本発明は、通信リンクの各トランシーバにおいて入射光ビームと出射光ビームとを識別するために、以下のように広く分類される少なくとも５つの異なる物理的な方法を使用することを意図している。
(1)  波長分離の使用;
(2)  直交直線偏光または右、左円偏光の使用;
(3)  時分割多重化の使用;
(4)  光伝播方向の使用;および
(5)  空間ダイバーシティの使用。
これらの５つの方法のうちのいくつかについて図15〜図18に示す具体的な実施の形態を参照して以下に詳述するが、ここでこれらの方法の各々について簡単に要約することが適切であると思える。前記波長分離を使用する第1の方法は、送信信号および受信信号の波長を識別するための適当な構成要素が各前記トランシーバのレシーバに対応づけられた状態で、前記2つのトランシーバによって送信される光の２つの異なる波長を使用することを含む。前記直線偏光または円偏光を使用する第2の方法は、各前記トランシーバによってそれぞれ送られる光を偏光するための偏光器を前記トランシーバと共に使用し、受け取られる偏光が前記トランシーバによって送られている光と識別可能にすることを含む。前記時分割多重化を使用する第3の方法は、光波を断続的に送受するための構成要素を各トランシーバと共に使用すること、すなわち、短い時間について言えば、一方のトランシーバが送信しているときに、他方のトランシーバが受信のみを行う、およびその逆の動作を行うことを含む。前記光伝播方向を使用する第4の方法は、内部偏光によって反対方向に進行している光ビームを分離するための通常の光ファイバサーキュレータと、逆伝播光ビームを分離するためのファラデー旋光器とを使用することを意図するものである。しかし、この第4の方法は、後方散乱トランスミッタ光を他方のトランシーバから受け取った光から分離することができないという潜在的な問題を有する。前記空間ダイバーシティを使用する第5の方法は、例えば、レシーバが光軸からずれた方向および/または距離とは異なる方向および/または距離だけトランスミッタが光軸からずれるよう、各トランシーバの望遠鏡内における送信光ビームと受信光ビームとの物理的な分離を意図しており、この分離によって、送信光の増加した後方散乱が同一のトランシーバのレシーバを物理的に外すことになる。これらの方法のうちのいくつかの具体例について、図15〜図18を参照して説明する。
【００２９】
図15は、偏光および四分の一波長板を使用して出射光ビームと入射光ビームとを識別/分離するための方法を図示するものである。各トランシーバ10、10'には、トランスミッタT、T'、レシーバR、R'、波面センサWFS、WFS'およびビームスプリッタB、B'とが、すべて上述のトランシーバと同様または同一の態様で設けられている。さらに、前記トランシーバ10、10'は、データコード化光の送信光軸に沿って、偏光用ビームスプリッタPB、PB'と四分の一波長板QP、QP'とを備えている。第1のトランシーバ10のトランスミッタTによって送信される光L(破線で示す)は前記偏光用ビームスプリッタPBを通過し、これにより、当該光学システムの１つの状態を送信し他の状態を反射することによって、反対方向の偏光状態の分離が可能になる。その後、前記光Lは、他方のトランシーバ10'の望遠鏡に該光Lを伝播するために直線偏光を円偏光に変える四分の一波長板QPを通過し、前記他方のトランシーバ10'では、該光Lを偏光用ビームスプリッタPBによるオリジナルの偏光に対して90°の直線偏光に変える他方の四分の一波長板QP'を通過する。その後、前記光Lは、第2の偏光用ビームスプリッタPB'で反射してビームスプリッタB'に至り、ここでは、偏光させられた光の一部分が前記ビームスプリッタB'から波面センサWFS'に反射し、残りの部分が前記ビームスプリッタB'を介してレシーバR'に至る。同様に、第2のトランシーバ10のトランスミッタT'は、光ビームL'(破線で示す)を偏光用ビームスプリッタPB'、四分の一波長板QP'および四分の一波長板QPに通過させ、これにより、該光L'は前記偏光用ビームスプリッタPB'によるオリジナルの偏光に対して90°の直線偏光に変えられ、故に、該光L'は、偏光用ビームスプリッタPBで反射してビームスプリッタBに至り、ここでは、前記光の一部分が前記ビームスプリッタBから波面センサWFSに反射し、残りの部分が前記ビームスプリッタBを介してトランシーバ10のレシーバRに至る。従って、各トランシーバ10、10'における偏光用ビームスプリッタPB、PB'と四分の一波長板QP、QP'との間で、前記光が直交方向に偏光させられ、すなわち、受信される偏光および送信される偏光の方向が90°だけずれることによって、データコード化された光の完全な識別/分離が実現される、ということが分かる。
【００３０】
図16は、図15に示したものに似た光ビーム識別/分離のための構成を示すものであり、故に、同じ構成要素には同じ符号が付されており、両システム間の相違点のみを以下に説明する。この実施の形態において、各トランシーバ10、10'には(図15の四分の一波長板QP、QP'の代わりに)二分の一波長板HP、HP'が設けられており、各前記二分の一波長板HP、HP'は、出射光ビームと入射光ビームとを識別/分離するために偏光させられた光L、L'を所望量だけ回転させ、必要な場合には後方散乱の増加を禁止する。第１のトランシーバ10は図15と同じ位置に構成要素を有するが、第2のトランシーバ10'は、前記二分の一波長板HP、HP'による異なる偏光のために図15とは異なる位置に構成要素を有する。具体的には、第2のトランシーバ10'のトランスミッタT'は前記偏光用ビームスプリッタPB'の正面に向けられており、該ビームスプリッタPB'において、偏光Lは前記正面から反射して二分の一波長板HP'および二分の一波長板HPを介して偏光用ビームスプリッタPBに送られ、該ビームスプリッタPBは、前記偏光L'をトランシーバ10の偏光用ビームスプリッタPBおよびレシーバRに反射する。逆に、トランシーバ10のトランスミッタTからのLは、ビームスプリッタPB、二分の一波長板HP、他方の二分の一波長板HP'および偏光用ビームスプリッタPB'を通過して、ビームスプリッタBに送られ、ここで、前記光Lの一部分は波面センサWFS'に反射させられ、残りの部分はビームスプリッタB'を介してレシーバR'に至る。各光通過ごとに偏光を22.5°だけ回転させるよう前記二分の一波長板HP、HP'を調節することによって、両トランシーバにおける左右対称が実現される。この場合も、トランシーバによって送信される光が該トランシーバのレシーバに反射されることのない光ビームの完全な識別/分離が実現される。
【００３１】
図17は、2つの異なるトランシーバ10、10'からの２つの異なる波長の送信光ビームを使用することによって、それぞれのトランシーバ10、10'における出射光ビームと入射光ビームを識別/分離のための他の実施の形態を示すものである。ここでは、各前記トランシーバ10、10'は、送信光および受信光が通過するファイバ波長分割多重器(WDM)または光ファイバサーキュレータ60、60'を備えている。第1のトランシーバ10のトランスミッタTからの光Lは、前記ファイバ波長分割多重器または光ファイバサーキュレータ60を通過し、その後ビームスプリッタBを介して第2のトランシーバ10'のビームスプリッタB'に至り、該ビームスプリッタB'において、前記光Lの一部は波面センサWFS'に反射され、残りの部分はビームスプリッタB'を介してファイバ波長分割多重器または光ファイバサーキュレータ60に至り、該ファイバ波長分割多重器または光ファイバサーキュレータ60は、ある特定の波長の光Lを他の光から分離し、該光Lを第2のトランシーバ10'のレシーバR'に送る。同様に、前記光Lとは異なる波長の光L'が、第2のトランシーバ10'のトランスミッタT'から送られ、前記WDMまたは光ファイバサーキュレータ60'およびビームスプリッタB'を介して、他方のトランシーバ10のビームスプリッタBに至り、該ビームスプリッタBにおいて、前記光L'の一部は波面センサWFSに反射され、残りの部分はビームスプリッタBを介してWDMまたはサーキュレータ60に至り、該WDMまたはサーキュレータ60は、前記波長の光L'のみをレシーバRに送る。この実施の形態によって前記識別/分離機能を実現するために任意の数の異なる波長が使用されてよく、1,310nmおよび1,550nmの光が使用されてよいが、1,550nm"C"-バンドの2つの波長を使用するのが好ましい。
【００３２】
図18は、トランシーバ10によって送受信されるデータコード化された光を識別/分離するための他の実施の形態を示すものであり、該実施の形態は、先に簡単に述べた空間分離の方法を使用する。ここでも、各トランシーバ10、10'は、望遠鏡14、14'および波面センサWFS、WFS'を備えている。該実施の形態における波面センサWFS、WFS'およびこれに対応する変形可能なミラー(図示せず)を作動させるために、上記実施の形態と同様にデータコード化された光が使用されてよいが、後述の如く、別個の基準光源LS、LS'が使用されてよい。光源LSからの基準光(実線で示す)は、偏光用ビームスプリッタPBから二色ビームスプリッタDBに反射され、望遠鏡14を介して第2のトランシーバ10'の望遠鏡14'に至り、該望遠鏡14'において、前記基準光が第2の二色ビームスプリッタDB' から第2の偏光用ビームスプリッタPB'に反射され、該第2の偏光用ビームスプリッタPB'において、偏光された基準光が波面センサWFS'に反射されトランシーバ10'の適応光学システムを作動させる。同様に、第2のトランシーバ10'の基準光源(実線で示す)は、基準光を偏光用ビームスプリッタPB'に透過させ、該基準光は二色ビームスプリッタDB'から反射され、望遠鏡14、14'を介して二色ビームスプリッタDBに至り、該二色ビームスプリッタDBから偏光用ビームスプリッタPBを介して波面センサWFSに反射されてトランシーバ10の適応光学システムを作動させる。前記基準光源LS、LS'によって提供された基準光ビームにおける偏光の使用により、後方散乱光が前記波面センサWFS、WFS'に進入するのが阻止され、前記基準光LS、LS'について前記データコード化された光とは異なる波長を使用することによって、前記基準光LS、LS'間における識別/分離機能が実現される。各トランシーバ10、10'は、データコード化された光を送受信するための対応ファイバレイFA、FA'を備えている。例えば、本発明の範囲を制限することなく、図18は各ファイバレイFA、FA'における16個の光ファイバを示しており、各前記ファイバレイFA、FA'の下半分(各列が４つのファイバからなる2列)はデータコード化された光を送信するためのファイバからなり、上半分(各列が４つのファイバからなる2列)は他方のトランシーバからの光線を受信するためのファイバからなる。具体的には、第1のトランシーバ10のファイバFTは、前記二色ビームスプリッタDB、２つの望遠鏡14、14'および他方の二色ビームスプリッタDB'を介して、第2のトランシーバ10'の対応ファイバFT'に送る。同様に、第2のトランシーバ10'のファイバトランスミッタFT'は、両前記二色ビームスプリッタDB、DBおよび望遠鏡を介して、他方のトランシーバ10の対応する位置にあるファイバレシーバFRに送る。前記ファイバレイFA、FA'における残りのファイバも、前記光学システムが１つのファイバトランスミッタFT、FT'からただ１つの対応するファイバレシーバFRに光を送るよう、対応づけられている。こうして、送信される光ビームおよび受信される光ビームは、各トランシーバにおける異なる位置に位置決めされることによって物理的に分離され、これにより、双方向データ送信が可能になる。
【００３３】
図１９は、本発明のフリースペース光学データ伝送システムにおいて、光ビームを分離するビームスプリッタを使用する代わりに、データコード化された光をレシーバと波面センサとの間で共用するために使用可能な光ファイバの実施の形態を示す拡大図である。前記光ファイバの端部は、軸に対する小さな角度で研磨されビームスプリッタとしてコーティングされており、これにより、前記ファイバのすべての部分に当たる光は、波面センサに向けて反射さ、当該機能のための光を提供する。前記ファイバの端部のコーティングは、波長分離できるよう中間色または二色であってよい。光が前記光ファイバの芯に集中させられている場合、該光は、双方向データ伝送構成例において出射光ビームと入射光ビームを識別/分離する機能を実現するために、二色ビームスプリッタによってスペクトル的にまたは中間色コーティングによって分けられる。
【００３４】
図２０は、双方向データ伝送システムにおいて送信される光ビームと受信される光ビームとを物理的に分離するための他の実施の形態を示す図である。一体化された光学ウエーブガイド７０は、基板上に誘電物質のパターンを施して所望の光学ウエーブガイドパターンを形成することによって作られ、また、代案として、小さな空気で満たされた溝７２、７４が、光学ウエーブガイド７０に形成され、適当な金属もしくは誘電反射層でコーティングされてよい。物理的バリヤ７６は、好ましくは、前記光学ウエーブガイド７０における前記エア通路７２、７４の間に設けられる。光は通路７２を介して光ファイバＦＴから送信されてよく、受信光は前記通路７４から光ファイバＦＲによって受信されてよい。
【００３５】
図２１において、複数の光ビームの拡散作用が図示されている。本発明のフリースペース光学データ伝送システムが図１８に示した構成と同様な４つの光ファイバトランスミッタＦＴ（図示せず）を有するトランシーバ（図示せず）を有すると仮定すると、各ファイバトランスミッタからのデータコード化された光は、図２１の左から右に圧縮して示された送信距離にわたって拡散する。１つの中間距離において、４つの実線リング８０によって示された４つの光ビームは、一定量拡散しているが依然として重なっている。しかし、それ以上の距離において、前記４つの光ビームは、図２１の右端の実線リング８０’によって示すように重ならなくなる地点まで拡散する。受信側の望遠鏡１４’の入射開口８２’は、許容可能な中間距離において重なっているリング８０’の光ビームの大部分を受け取るが、より大きな距離では、各ビーム（リング８０’）の光のほんのわずかな部分が前記望遠鏡１４’によって受け取られ、ある地点において、光損失が許容できないものとなる。なお、前記望遠鏡１４、１４’間の送信距離は各リング８０によって示される光ビームの少なくとも１／２が前記望遠鏡１４’によって受け取られる地点を越えてはならない、ということが理解されなくてはならない。
【００３６】
上述の説明および添付図面によって、適応光学の使用によって大気収差を補正することによって大気中でのデータコード化されたデータの効率的で正確な送信が可能なフリースペース光学データ伝送システムを開示したが、前記データ伝送は、送信される光ビームと受信される光ビームとを識別／分離するための手段を使用することによって双方向としてよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係るフリースペース光学データ伝送システムの典型的な設置例を示す図であって、周囲の建造物および活動のために様々な大気状態が１対のトランシーバ間で生じる可能性のある例を示す図。
【図２】本発明に係るフリースペース光学データ伝送システムの好ましい実施の形態における１対の顕微鏡トランシーバと、送光波および受光波の両方における光収差を補償するための各トランシーバに設けられた適応光学システムとを示す図。
【図３】図２に似た図であって、１対の望遠鏡トランシーバと、各前記トランシーバに設けた変更例による適応光学システムを示す図。
【図４】図２および図３に似た図であって、トランシーバのうちの一方のみに適応光学システムを有する１対の顕微鏡トランシーバを示す図。
【図５】図２、図３および図４に似た図であって、各トランシーバにおいて複数の収差補償を実現するために複数の波面センサおよび変形可能なミラーを有する各トランシーバの適応光学システムを示す図。
【図６】本発明のフリースペース光学データ伝送システムにおけるトランシーバの光学システムの略図。
【図７】本発明のフリースペース光学データ伝送システムにおけるトランシーバの光学システムの他の実施の形態の光学図。
【図８】本発明のフリースペース光学データ伝送システムにおけるトランシーバの光学システムのさらに他の実施の形態を示す図。
【図９】本発明のフリースペース光学データ伝送システムにおけるトランシーバの光学システムのさらに他の実施の形態を示す図。
【図１０】本発明のフリースペース光学データ伝送システムにおけるトランシーバに使用される典型的な波面センサの光学システムの略図。
【図１１】図９に示す波面センサの膜ミラーおよびドライバの他の実施の形態を示す図。
【図１２】本発明のフリースペース光学データ伝送システムにおける適応光学システム用の典型的な変形可能なミラーの裏側のアクチュエータパターンを示す正面略図。
【図１３】図１２に似た図であって、前記変形可能なミラーの他のアクチュエータパターンを示す正面略図。
【図１４Ａ】本発明のフリースペース光学データ伝送システムにおける前記１対のトランシーバ同士間における制御された照準合わせのための動作シーケンスの１ステップを示す略図。
【図１４Ｂ】上記動作シーケンスの別の１ステップを示す略図。
【図１４Ｃ】上記動作シーケンスの更に別の１ステップを示す略図。
【図１４Ｄ】上記動作シーケンスの更に別の１ステップを示す略図。
【図１４Ｅ】上記動作シーケンスの更に別の１ステップを示す略図。
【図１５】本発明のフリースペース光学データ伝送システムにおける各前記トランシーバによって送受信されるデータコード化光を分離して識別するための構成についての実施の形態を示す略図。
【図１６】本発明のフリースペース光学データ伝送システムにおける各前記トランシーバによって送受信されるデータコード化光を分離して識別するための構成についての別の実施の形態を示す略図。
【図１７】本発明のフリースペース光学データ伝送システムにおける各前記トランシーバによって送受信されるデータコード化光を分離して識別するための構成についての更に別の実施の形態を示す略図。
【図１８】本発明のフリースペース光学データ伝送システムにおける各前記トランシーバによって送受信されるデータコード化光を分離して識別するための構成についての更に別の実施の形態を示す略図。
【図１９】本発明のフリースペース光学データ伝送システムにおける前記トランシーバにおける波面センサおよびデータレシーバ用の、データコード化光を送信、受信し該光を分光するファイバ光学素子の簡略化された実施の形態の拡大略図。
【図２０】一体化された光学ウエーブガイドの使用によって、送信、受信されるデータコード化光ビームを物理的に分離する一実施の形態の拡大略図。
【図２１】本発明のフリースペース光学データ伝送システムにおける１つの望遠鏡からの光ビームアレイに関するデータ送信距離の実用上の限界を示す、データコード化光ビームの拡散アレイの特性を示す略図。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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