アクティブ光空間通信システムの通信特性の検討
Evaluation of Active Free Space Optics Transmission System

特長を持ち、光ファイバ通信／電波無線通信のオールタナティブとして研究が行われている[4]-[14]。安定な光空間通信のためには、送信側／受信側の光軸を常に一致させ、通信レーザ光が高効率で受信される状態を維持する必要がある。
著者らは送受信装置内にレンズやミラーなどの光学系を配し、能動的にレーザ光を制御するアクティブ光辻村 健 (Takeshi TSUJIMURA, Ph. D.)

空間通信システムを提案して、上記の課題解決を試み

佐賀大学 理工学部 機械システム工学科 教授ている[15]-[30]。本稿では、当該通信装置の光学系・(Professor, Faculty of Science and Engineering, Saga University)

制御系設計、光軸制御実験、通信実験に関する検討結日本機械学会 計測自動制御学会 日本ロボット学会 精密工学会など
受賞：日本機械学会賞奨励賞 (1990 年) 計測自動制御学会学術奨励賞 (2005 年) Best Paper Award, SICE-ICCAS 2006 (2006 年)
Best Paper Award, OPTICS2014 (2014 年)
著 書 ： Advances in Robotic Systems, Academic Press (1991)
Mobile Robots: New Research, Nova Science Publishers (2005)
Computational Intelligence in Electromyography Analysis, InTech(2012) E-Business and Telecommunications , Springer-Verlag (2015)
研究専門分野：情報通信 ロボット工学

果を報告する。
２．アクティブ光空間通信装置
本システムでは、送信器(光源)－送信側コリメータレンズ間および受信器(受光素子)－受光側コリメータレンズ間を光ファイバで結び、有線伝送光をコリメータレンズにより平行空間光に変換する。したがって、簡易なブロードバンド通信や災害時のアド

当該装置の目的は、送信側・受信側コリメータレンズホックネットワーク技術の一つとして、レーザ光通信の光軸を一致させることである。一旦合わせた光軸も、方式とロボット制御技術を組み合わせたアクティブ光

大気の状態変化や通信装置設置点の振動・変形によっ空間通信の実現を目的に、レーザビーム光軸追従制御てサブ秒から年単位まで様々なタイムスパンで誤差がシステムを設計して双方向通信系を構築し、通信シス生じ、結合損失の増大を招く。

あらまし

テムとしての有効性を検証した。プロトタイプは 2 台

これを補償する目的で、図 1 に示すような光軸調整のガルバミラーと圧電駆動式 2 次元ミラーを内蔵し、を行うための光学系を設計した。双方向通信用の送受PSD によりレーザ位置誤差を検出しフィードバック一体型光学系であり、異なる波長波長が同じ光軸上を制御を実行する。ターゲットとする受信器が揺動する逆方向に伝搬する。2 波長の分離融合は、本図の記載場合を想定し、これに追従して通信を維持する制御プ範囲外に設けた光カプラで行う。アクティブ光空間通ログラムを MATLAB/simulink を利用して作成した。

信システムの本質は、図中破線で囲んだ光軸調整メカ実験の結果、ターゲットが 5 mm 変位した場合 0.2 秒ニズムにある。光軸の振動を補正するためには、レー以内で追従を完了することを確認した。また、空間伝ザ光のピッチ角・ヨー角、上下・左右の並進位置の 4

送距離 35 m で通信実験を行った結果、ビットエラー自由度を調整する機構が必要であり、本設計では、こレートが 10-11 以下と良好な通信品質を維持して 1550

れをコリメータレンズ近傍に設けた。2 自由度制御可nm 赤外線レーザ光による 1 Gbps アクティブ光空間

能な反射鏡 2 枚を光路上に配置し、それぞれの動きを通信を提供できることを確認した。

2 次元 PSD（Position Sensitive Detector）を用いて検出する仕組みとした。
この設計方針に沿って、図 2 に示すようなアクティブ

１．はじめに光空間通信（Free Space Optics：FSO）とは、対向光空間通信装置を試作した。この装置では、並進位置する端末間でレーザ通信光を空中に発射し光信号を交補正のためサーボモータで駆動するガルバノミラー2換する通信方式である[1]-[3]。高速広帯域である、秘台と、レーザ角度を補正するための圧電駆動式 2 次元

匿性が高い、設置が比較的容易で低コストである等のミラーを採用した。
1

TELECOM FRONTIER No.103 2019 SPRING

アクティブ光空間通信システムの通信特性の検討
Evaluation of Active Free Space Optics Transmission System

図２
図１

アクティブ光空間通信システム光学系

アクティブ光空間通信装置
プロトタイプコリメータレンズによって空間平行ビームに変換さ３．特性評価実験

れた通信光は、2 台のガルバノミラーによって照射位３.１ 光軸制御実験

置を調整したのち、圧電駆動式ミラーの中心へと導かアクティブ光空間通信装置は、分光したレーザ光をれる。次に、圧電駆動式ミラーにより、レーザの入射PSD 原点に位置決めするリアルタイムフィードバッ

方向を制御し対向するコリメータレンズに通信光が到ク制御を実行することにより、対向するコリメータレ達する。光路の途中にビームスプリッタを配置し、通ンズに通信レーザ光を高効率で結合させるシステムで信光を取り出し、各ミラーの位置決めの指標とする。

ある。制御システムとしての観点から、この装置のフビームスプリッタにより分光したレーザ光がアフォーカィードバック特性を検証した。意図的にレーザ照射位ル光学系レンズを通過し到達した点を 2 次元 PSD で計置の偏差を外乱として与えた場合に、どのようにレー測することによって、反射レーザ光の位置誤差のみを検ザ光位置・角度の補正を行うかを定量的に評価した。

出することが可能になる。同様に、無限共役比レンズを一例として、レーザ光がターゲット上に到達するよ

用いた光路では、反射レーザ光の角度誤差のみを評価す

う制御された状態からターゲットの位置を 5 mm 移動ることができる。2 つの PSD の情報を用いてフィードバして偏差を与えた場合の制御系の応答を図 3 に示す。

ック制御系を構成することにより、レーザ通信光を目標

図 3(a)は、2 台のガルバノミラーの動作を表し、縦位置・角度に収束させることが可能となる。

軸は反射鏡の角度、横軸は時間を表す。外乱を与えた

次に、アクティブ光空間通信装置の実験のため、下時 刻 を 0.0 s と し 、 ガ ル バ ノ ミ ラ ー SCANNER1,記の構成で制御系を構築した。2 台のパソコンを用意

SCANNER2 への角度指令値をそれぞれ実線、破線でし 、 1 台を Host PC、 他 方を Target PC と し、示している。外乱発生後 0.1 秒程度でミラー角度が安MATLAB/Simulink（Math Works 社製）を活用して定し、レーザ照射方向の補正を完了している。

Simulink Real-Time を用いたリアルタイムフィード

レーザ照射位置は、Position Sensitive Detector,バック制御を行った。PSD は、レーザ光の 2 次元受光

PSD2 で検出し、その誤差を電圧値として出力する。

平面内の照射位置情報と受光パワーを電圧出力し、

図 3(b)は、この時の 2 次元 PSD の出力電圧の変化をA/D ボードを介して Target PC へ取り込む。パソコン

表し、縦軸は PSD2 の出力電圧、横軸は時間である。

内で制御指令値を計算した後、D/A ボードを介してガ実線、破線は、それぞれ x 方向、y 方向のレーザ到達点

ルバノミラー、圧電駆動式ミラーに制御入力を与える。の偏差を示す。外乱発生後 0.1 秒程度で目標値である
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図３(a) ガルバノミラーの応答(b) PSD2 の出力(c) 圧電駆動式ミラーの応答(d) PSD1 の出力レーザ光がターゲット上に到達するよう制御された状態からターゲットの位置を5 mm 移動して偏差を与えた場合の制御系の応答例

PSD2 の原点にレーザ到達点が維持され、光軸補正が３.２ 通信実験
双方向アクティブ光空間通信システムプロトタイプ

正しく行われたことが確認できる。
図 3(c)は、圧電駆動式ミラーの動作を表し、縦軸はを用いて通信実験を行い、伝送信号の品質評価を行っ反射鏡の角度、横軸は時間を表す。外乱を与えた時刻た。設備上の制限から、大学建屋内に往復 150 m の通を 0.0 s とし、圧電駆動式ミラーPZTx, PZTy への角度信ルートを設け、片道は光空間通信、もう片道は光フ指令値をそれぞれ実線、破線で示している。外乱発生

ァイバを用いるハイブリッド型の伝送路とした。ただ

後 0.2 秒程度でミラー角度が安定し、レーザ照射位置し、実質的な空間通信光路長は 35 m である。
ビット誤り率測定器 MP2101A（ANRITSU）を用の補正を完了している。
レーザ照射角度は、Position Sensitive Detector,

いて 1 Gbps 疑似ランダムパターン光信号を伝送した

PSD1 で検出し、その誤差を電圧値として出力する。

ときのビットエラーレートを測定したところ、10-11

図 3(d)は、この時の 2 次元 PSD の出力電圧の変化を以下と極めて高品質の伝送特性が得られた。このとき表し、縦軸は PSD1 の出力電圧、横軸は時間である。

空間通信区間での光信号の受信強度は-6.85 dBm で実線、破線は、それぞれ x 方向、y 方向のレーザ到達あった。

点の偏差を示す。外乱発生後 0.2 秒程度で目標値であ

また、アイパターンダイアグラムを計測したところ、る PSD1 の原点にレーザ到達点が維持され、フィード

図 4 のようにジッタが少なくクリアなパルス信号が観バック制御が正しく行われたことが確認できる。

測できた。これからも、高品質のディジタル信号が伝以上の実験結果より、5 mm 程度の偏差であれば、送されていることが明らかとなった。

0.2 秒以内に照射レーザ光の位置と角度の双方を補正して光軸調整を完了できることが確認できた。

3

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アクティブ光空間通信システムの通信特性の検討
Evaluation of Active Free Space Optics Transmission System[4] Nykolak, G., et al.: Update on 4x2.5 Gb/s, 4.4km free-space
optical communications link: availability and scintillation
performance, Optical Wireless Communications II,
Proc.SPIE, Vol.3850, 1999, pp. 11-19 (1999)[5] Dodley, J.P., et al.: Free space optical technology anddistribution architecture for broadband metro andlocal services, Optical Wireless Communications III,
Proc.SPIE, Vol.4214, 2000, pp. 72-85 (2000)[6] Wang, J., Kahn, J. M.: Acquisition in short-range
free-space optical communication, Optical WirelessCommunications V, Proc. SPIE, Vol.4873, 2002, pp.
121-132 (2002)図４[7] O'Brien, D.C., et al.: Integrated transceivers for opticalwireless communications, IEEE Journal of Selected
Topics in Quantum Electronics, vol.11, no.1, 2005,pp.173-183 (2005)

1Gbps 伝送時のアイダイアグラム[8] Minch, J.R., et al.: Adaptive
Transceivers for Mobile
Free-Space Optical Communications, IEEE MilitaryCommunications Conference, 2006, pp.1-5 (2006)

４．まとめ[9] Ghimire, R., Mohan, S.: Auto tracking system for free space
optical communications, 13th International Conference
on Transparent Optical Networks, pp.1-3 (2011)

アクティブ光空間通信システムを提案し、設計試作した。通信レーザ光の到達位置・角度の偏差を 2 次元
PSD で検出し、ガルバノミラーと圧電駆動式ミラーを[10] Yamashita, T., et al.: The new tracking control system
forFree-Space
OpticalCommunications,International Conf. on Space Optical Systems andApplications, pp.122-131 (2011)

コントロールするフィードバック制御系を設計した。
制御特性を評価するために、揺動する受信端末を追従する実験を行い、制御系の応答を測定した。その結果、[11] Vitasek, J., et al.: Misalignment loss of Free Space
Optic link, 16th International Conf. on Transparent
Optical Networks, pp. 1-5 (2014)

5 mm の偏差に対し 0.2 秒以内で送信系の光軸を調整できることが分かった。また、光ファイバ／光空間通[12] Dubey, S., Kumar, S., and Mishra, R.: Simulation andperformance evaluation of free space optic transmission
system, International Conf. on Computing for
Sustainable Global Development, pp. 850-855 (2014)

信ハイブリッド伝送路を構築し、通信特性を評価した。
1 Gbps 光信号を伝送してビットエラーレートを測定した結果、10-11 以下と極めて高品質の通信が可能であ[13] Wang, Q., Nguyen, T., and Wang, A. X.: Channel
capacity optimization for an integrated wi-fi andfree-space optic communication system, 17th ACM
international conference on Modeling, analysis andsimulation of wireless and mobile systems, pp. 327-330(2014)ることを確認した。また、アイパターンの観測結果もこれを裏付けた。
今後は、実用的な空間通信距離である 1 km を目指して、システムのブラッシュアップを図る予定である。

[14] Kaur, P., Jain, V.K., and Kar, S.: Capacity of free space
optical links with spatial diversity and aperture
averaging,
27th
Biennial
Symposium
onCommunications, pp. 14-18 (2014)

参考文献[1] Pratt, W.K.: Laser communication systems, John
Wiley & Sons, 1969, pp.196 (1969)[2] Ueno, Y., and Nagata, R.: An optical communication
system using envelope modulation, IEEE Trans. COM-20,
4, pp.813 (1972)[15] Tsujimura, T., Yoshida, K.: Active free space optics
systems for ubiquitous user networks, 2004 Conf. on
Optoelectronic and Microelectronic Materials andDevices (2004)[3] Willebrand, H., Ghuman, B. S.: Free-Space Optics:
Enabling Optical Connectivity in To-day’s Networks,Sams Publishing (1999)

4TELECOM FRONTIER No.103 2019 SPRING

アクティブ光空間通信システムの通信特性の検討
Evaluation of Active Free Space Optics Transmission System[16] K. Tanaka, T. Tsujimura, K. Yoshida, K. Katayama,
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Interferometry Line Length Measurement, OpticalFiber Communication Conference/postdeadline paper
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[28] Y. Tashiro, Y. Shimada, K. Izumi, T. Tsujimura, K.
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[18] T. Tsujimura, K. Yoshida, and K. Tanaka: Length
measurement for optical transmission line using
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978-953-308-459-6, InTech (2012).

[29] T. Tsujimura, Y. Suito, K. Yamamoto, K. Izumi:
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[19] T. Tsujimura, S. Muta, and K. Izumi : Transmission
line switching technique based on active free-space
optics system, 39th Annual Conf.of the IEEE
Industrial Electronics Society, pp. 4492-4497 (2013)[30] T. Tsujimura, K. Izumi, K. Yoshida ： Collaborative
All-Optical Alignment System for Free Space Optics
Communication, 10-th Int.Conf. on Intelligent
Networking and Collaborative Systems, 146-157 (2018).

[20] K. Yoshida, K. Tanaka, T. Tsujimura, and Y. Azuma,
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[21] T. Tsujimura, S. Muta, Y. Masaki, K. Izumi: Initial
Alignment Scheme and Tracking Control Technique ofFree Space Optics Laser Beam, Int.Conf. on OpticalCommunication Systems, pp. 83-88 (2014)[22] T. Tsujimura, K. Izumi and K. Yoshida, “Optical Axis
Adjustment of Laser Beam Transmission System”,
Fifth International Conference on Digital Information
ProcessingandCommunications,pp.
13-18,
ISBN:978-1-4673-6831-5 (2015).
[23] Y. Shimada, Y. Tashiro, K. Izumi, K. Yoshida, and T.
Tsujimura : Primary Alignment Technique for Free
Space Optics Laser Beam, 20th Microoptics Conference(2015).
[24] T. Tsujimura, K. Izumi, and K. Yoshida,“Transmission Laser
Beam Control Techniques for Active Free Space Optics
Systems”, "Lecture Notes" (CCIS) , Springer-Verlag(2015).
[25] Y. Shimada, Y. Tashiro, K. Izumi, K. Yoshida, and T.
Tsujimura: Initial Alignment Method for Free SpaceOptics Laser Beam, Japanese Journal of Applied
Physics Volume 55, Number 8S3 (2016).

この研究は、平成２６年度ＳＣＡＴ研究助成の対象と[26] T. Tsujimura, and K. Izumi : Active Spatial Interface
Projecting Luminescent Augmented Reality Marker,
2016 IEEE Int.Conf. on Multisensor Fusion andIntegration for Intelligent Systems, 499-504 (2016).

して採用され、平成２７～２９年度に実施されたものです。

5TELECOM FRONTIER No.103 2019 SPRING