光無線伝送装置
【課題】簡単な構成にて光軸調整を容易とし、受信部の位置ずれの許容度を拡大することができる光無線伝送装置を提供する。
【解決手段】光無線伝送装置１は、送信部１０と受信部２０を備え、送信部１０は、第１の波長帯の光を出射するとともに、外部からの戻り光によりレーザ発振するＳＬＤ１１と、ＳＬＤ１１から出射された光を平行光にするコリメータレンズ１３と、光の波長に応じて回折角が異なり、コリメータレンズ１３からの平行光を、第１の平面内において第１の波長帯に相当する所定の角度の範囲内に分散させる回折格子１４と、を備え、受信部２０は、第１の平面内の所定の角度の範囲内に配置され、回折格子１４を介して到達した光の一部を元の方向に反射させ、ＳＬＤ１１に戻すＣＣＰ２１と、回折格子１４を介して到達した光の残部を電気信号に変換する受光素子２２と、を備える。
【解決手段】光無線伝送装置１は、送信部１０と受信部２０を備え、送信部１０は、第１の波長帯の光を出射するとともに、外部からの戻り光によりレーザ発振するＳＬＤ１１と、ＳＬＤ１１から出射された光を平行光にするコリメータレンズ１３と、光の波長に応じて回折角が異なり、コリメータレンズ１３からの平行光を、第１の平面内において第１の波長帯に相当する所定の角度の範囲内に分散させる回折格子１４と、を備え、受信部２０は、第１の平面内の所定の角度の範囲内に配置され、回折格子１４を介して到達した光の一部を元の方向に反射させ、ＳＬＤ１１に戻すＣＣＰ２１と、回折格子１４を介して到達した光の残部を電気信号に変換する受光素子２２と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を用いて情報の空間伝送を行う光無線伝送装置に関し、特に、レーザ電力伝送や光通信に好適に適用できる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、空間を伝送路して用いる光無線伝送装置には、以下の２つのタイプが存在する。一つは、広がり角のある光により通信を行う拡散光タイプの光無線伝送装置である。この拡散光タイプの光無線伝送装置は、精密な光軸合わせを必要としないという長所があるが、光が拡散減衰するため、長距離の通信には適用できないという問題がある。もう一つは、平行光線により通信を行う平行光タイプの光無線伝送装置である。この平行光タイプの光無線伝送装置は、精密な光軸合わせをすることにより長距離通信が可能であるが、精密な光軸合わせが容易でないという問題がある。
【０００３】
この点、特許文献１には、送信機側に２次元スキャナを設け、送信機と受信機の光軸ずれを、２次元スキャナを用いて修正する平行光タイプの通信装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−３４６４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の通信装置においては、機械的及び電気的な駆動機構である二次元スキャナを送信機側に組み込む必要があるため、通信装置のコストアップとなるとともに装置が大型化するという問題がある。そのため、機械的及び電気的な探索機構を必要としない構成、つまり、より簡単な構成で光軸合わせを容易とする光無線伝送装置が求められていた。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その課題の一例としては、簡単な構成にて光軸調整を容易とし、受信部の位置ずれの許容度を拡大することができる光無線伝送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を達成するため、本発明の一態様は、送信部と受信部を備えた光無線伝送装置であって、前記送信部は、第１の波長帯の光を出射するとともに、外部からの戻り光によりレーザ発振する光源と、前記光源から出射された光を平行光にするコリメート素子と、光の波長に応じて回折角が異なり、前記コリメート素子からの平行光を、第１の平面内において前記第１の波長帯に相当する所定の角度の範囲内に分散させる分散光学素子と、を備え、前記受信部は、前記第１の平面内の前記所定の角度の範囲内に配置され、前記分散光学素子を介して到達した光の一部を元の方向に反射させ、前記光源に戻す再帰性反射材と、前記分散光学素子を介して到達した光の残部を電気信号に変換する受光素子と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光無線伝送装置の概略構成図である。
【図２】回折格子に入射する光の回折方向を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る光無線伝送装置において、光源から出射された光の拡散方向を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る光無線伝送装置において、外部に光を取り出す割合と、受光素子の光出力の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る光無線伝送装置の再帰性反射材の外観を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る光無線伝送装置において、受信部が光分散しない方向に位置ずれした場合の光の進み方を、第１の実施の形態に係る光無線伝送装置と対比させて説明する図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る光無線伝送装置の概略構成図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係る光無線伝送装置の受信部の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１０】
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光無線伝送装置１の概略構成図である。図１に示す光無線伝送装置１は、送信部１０と受信部２０を備え、送信部１０が出射したレーザ光を受信部２０が受光することにより信号が伝達されるようになっている。なお、光無線伝送装置１は、例えば、光通信装置やレーザ電力伝送装置が想定される。
【００１１】
送信部１０の光源１１としては、例えば、通常の半導体レーザ（以下、ＬＤと表記する）よりスペクトル線幅が広いスーパールミネッセントダイオード（super-luminescent diode；以下、ＳＬＤと表記する）が好適である。ＳＬＤ１１は、光源駆動部１２の制御に基づいて、幅広いスペクトル（レーザ媒質により決定される。例えば、中心波長が９５０ｎｍで線幅が６０ｎｍなど）を有する光を発する。ＳＬＤ１１は、ＬＤのレーザ媒質の片側端面に、反射率を限りなくゼロに近づける反射防止コーティングを施すことによって作製される。つまり、ＳＬＤ１１のレーザ光の出射側の一方の端面には反射防止コーティングが施されており、他方の端面には反射防止コーティングが施されていない。そのため、ＳＬＤ１１は単独ではレーザ発振しない。本実施の形態では、後述するように、ＳＬＤ１１を外部共振器型レーザとして使用している。
【００１２】
ＳＬＤ１１から出射された光は、コリメート素子であるコリメータレンズ１３により平行光に変換され、平行光は、分散光学素子である回折格子１４により回折される。
【００１３】
ここで、図２を用いて、回折格子１４を通過する光の回折方向（強め合う方向）について説明する。図２は、格子ピッチがＮ（単位長さあたりの格子数。格子間隔は１／Ｎ）の回折格子１４に入射する光の回折方向を示す図である。入射光の波長をλ、入射角をα、回折角をβ、回折次数をｍとすると、
ｓｉｎα ＋ ｓｉｎβ ＝ Ｎｍλ （１）
の関係が成り立つので、回折角βは波長ごとに異なることになる。
【００１４】
つまり、幅広いスペクトルを有する光が回折格子１４に入射すると、回折光は、図３に示すように、拡散して伝搬する。なお、図３は、ＳＬＤ１１から出射された光の拡散方向を示す図である。より詳しくは、上記（１）式より、波長が長いほど回折角βは大きくなるので、入射光の波長λをλ１≦λ≦λ２とすると、波長λ１の光はＡ方向、波長λ２の光はＢ方向に進行し、Ａ方向とＢ方向に囲まれるＳ領域が回折光の進行方向となる。なお、本実施の形態では、図１及び図３に示すように、ＳＬＤ１１から出射された光は、ＸＹ平面と平行な方向（紙面方向）に分散するものとして説明する。
【００１５】
一般に、ＳＬＤ１１から出射された光を、ＳＬＤ１１の外部に配置された反射部材（リフレクタ）に反射させて、ＳＬＤ１１に戻すと、外部共振器型のＬＤ光源となり、ＳＬＤ１１がレーザ発振することが知られている。そして、この特性と回折格子を用いた応用例としては、波長可変の外部共振器型レーザがある。波長可変の外部共振器型レーザでは、波長を選択するために回折格子で光を分散させ、特定波長の光だけをＬＤ光源に戻すことにより、選択的に狭帯域なスペクトルのレーザ発振を実現している。この波長可変の外部共振器型レーザの原理に基づくと、回折格子１４で光分散された拡散光の進行領域（以下、拡散領域という。具体的には、図３のＳ領域）の中に、ミラーなどの反射部材２１を配置し、反射部材２１に反射された光をＳＬＤ１１に帰還させることにより、レーザ発振を起こさせることができる。すなわち、反射部材２１を備えた受信部２０を、拡散領域のいずれかに配置すれば、送信部１０と受信部２０とで自動的にレーザ共振器が構築され、送信部１０から受信部２０にレーザ光を送信することが可能となる。なお、レーザ発振が起こると、ＳＬＤ１１から出射される光のスペクトルは狭帯域になるため、回折格子１４で光分散した光の拡散角は狭くなる。
【００１６】
受信部２０の反射部材２１としては、再帰性反射材、例えば、コーナーキューブプリズム（以下、ＣＣＰと表記する）が好適である。ＣＣＰ２１は、入射した光を元の方向（入射した光と同一方向）に反射させる再帰性を有している。本実施の形態では、このＣＣＰ２１の特性を利用することにより、回折格子１４からＣＣＰ２１に入射した光の一部を同一方向に反射し、反射した光を、回折格子１４を介してＳＬＤ１１に戻すようになっている。
【００１７】
従来においては、送信部から受信部に対してレーザ光を送信するためには、送信部側に二次元スキャナなどの探索機構を組み込んで、精密な光軸合わせをする必要があった。しかしながら、本実施の形態においては、所定角度の広がりある拡散領域（図３のＳ領域）のどこかに受信部２０（ＣＣＰ２１）を配置すればよいので、精密な光軸合わせをする必要はない。すなわち、光無線伝送装置１は、送信部１０側に分散光学素子、受信部２０側に再帰性反射材を備えるという簡単な構成にて光軸調整を容易とすることができ、受信部２０の光分散方向（ＸＹ平面に平行な方向）に対する位置ずれの許容度を拡大することができる。
【００１８】
また、受信部２０のＣＣＰ２１の反射面には、受光素子２２が配置されている。受光素子２２は、光を電気信号に変換する光電変換素子であり、ＣＣＰ２１の反射面に入射した光の一部を取り出し、光電変換を行う。光電変換素子としては、例えば、フォトダイオードや太陽電池が想定され、フォトダイオードの場合には、光変調信号を電気変調信号に変換し、また、太陽電池の場合には、光エネルギーを電気エネルギーに変換する。なお、変換された電気変調信号または電気エネルギーは動作部２３に送られる。
【００１９】
ここで、受光素子２２が取り出す光出力の大きさは、送信部１０と受信部２０で構築されたレーザ共振器が出射する光の中から、レーザ共振器外に光を取り出す割合η（＝外部に取り出す光量／レーザ共振器内部の全光量。以下、光取り出し効率ともいう）により、異なってくる。図４は、実験により得られた、光取り出し効率ηと受光素子２２が取り出す光出力の関係を示すグラフである。なお、受光素子２２が取り出す光出力は規格化されており、光取り出し効率η＝０．８のときの光出力を１としている。
【００２０】
図４に示すように、光取り出し効率ηが小さすぎると、レーザ共振器外に取り出す光量自体が少ないので、受光素子２２の光出力の大きさも小さくなる。一方、光取り出し効率ηが大きすぎると、ＳＬＤ１１に戻る光量が減るので、レーザ発振が弱くなり、これによって受光素子２２の光出力の大きさも小さくなる。よって、適切な光取り出し効率ηを選択することにより、受光素子２２は最大の光出力を得ることができる（図４においてはη＝０．８）。本実施の形態の受信部２０においては、受光素子２２の光出力が最大となるように光取り出し効率ηが予め設定されている。具体的には、ＣＣＰ２１の裏面の反射率が適切な値となるように予め調整されているので、受光素子２２の光出力は最大となるようになっている。
【００２１】
以上から、本実施の形態の光無線伝送装置１によれば、送信部１０は、第１の波長帯の光を出射するとともに、外部からの戻り光によりレーザ発振するＳＬＤ１１と、ＳＬＤ１１から出射された光を平行光にするコリメータレンズ１３と、光の波長に応じて回折角が異なり、コリメータレンズ１３からの平行光を、第１の平面内において第１の波長帯に相当する所定の角度の範囲内に分散させる回折格子１４と、を備え、受信部２０は、第１の平面内の所定の角度の範囲内に配置され、回折格子１４を介して到達した光の一部を元の方向に反射させ、ＳＬＤ１１に戻すＣＣＰ２１と、回折格子１４を介して到達した光の残部を電気信号に変換する受光素子２２と、を備えているので、簡単な構成にて光軸調整を容易とし、受信部２０の光分散する方向に対する位置ずれの許容度を拡大することができる。
【００２２】
なお、拡散領域の大きさは、上記（１）式より、ＣＣＰ２１に入射する光の入射角α及び波長λ、並びに格子ピッチＮの値をパラメータとして決定されるが、本実施の形態においては、光無線伝送装置１の用途に応じてこのパラメータの値を決め、好適な拡散領域の大きさが設定されている。
【００２３】
また、本実施の形態の光伝送においては、レーザ発振を起こす特定の波長に意味はない。すなわち、本実施の形態では、所定の広がりある拡散領域上に受信部２０を配置することにより、送信部１０がレーザ発振を起こすことに意味があるのであって、結果として選択される特定の波長には特に意味はない。
【００２４】
なお、分散光学素子を回折格子１４ではなくレンズとし、レンズを用いて拡散光を生成することも可能であるが、レンズを用いた場合には、入射光の全波長分の光の一部がＳＬＤ１１に戻ることとなるので、エネルギー損失が大きくなってしまう。一方、本実施の形態のように、分散光学素子を回折格子１４とした場合には、入射光の特定の波長の光はすべてＳＬＤ１１に戻るようになっているので、エネルギー損失は少ないという効果がある。その結果、受信部２０を拡散領域内に配置するのであれば、送信部１０と受信部２０の間隔が長距離であっても、光伝送することが可能である。
【００２５】
さらには、本実施の形態の光無線伝送装置１によれば、受信部２０においてＣＣＰ２１の反射率制御が行われているので、受信部２０は好適な光出力を得ることができ、動作部２３において所望の処理を実行することができる。
【００２６】
＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態においては、受信部２０の光分散方向（ＸＹ平面に平行な方向）に対する位置ずれの許容度は大きかったが、光分散しない方向（ＸＹ平面に垂直な方向であるＺ方向）に対しては、受信部２０の位置ずれの許容度が小さかった。そのため、第２の実施の形態においては、再帰性反射材として、光分散しない方向（Ｚ方向）にアレイ化されたＣＣＰアレイ２１Ａを用いて、光分散しない方向（Ｚ方向）にも受信部２０の位置ずれの許容度を大きくしている。
【００２７】
図５（ａ）は、ＣＣＰアレイ２１Ａの外観図である。ＣＣＰアレイ２１Ａは、図５（ａ）に示すように、回折格子１４のＺ方向の大きさに対して十分に小さな複数のＣＣＰ２４を、Ｚ方向にアレイ化することにより構成されている。
【００２８】
図６（ａ）は、第１の実施の形態において、ＣＣＰ２１が光分散しない方向（Ｚ方向）に位置ずれを起こしている場合の光の進み方を示す図であり、図６（ｂ）は、第２の実施の形態において、ＣＣＰアレイ２１Ａが光分散しない方向（Ｚ方向）に位置ずれを起こしている場合の光の進み方を示す図である。図６（ａ）に示すように、再帰性反射材にＣＣＰ２１を用いた場合には、光分散しない方向（Ｚ方向）に光軸ずれを起こしているので、ＣＣＰ２１で反射された光は、復路において回折格子１４を通過することができない。これに対して、ＣＣＰアレイ２１Ａを用いた場合には、光分散しない方向（Ｚ方向）に光軸ずれを起こしていても、ＣＣＰ２４の大きさを小さくすることで復路の光軸ずれ量を小さくすることができるので、戻り光量の損失を減少させることができる。
【００２９】
したがって、第２の実施の光無線伝送装置２によれば、再帰性反射材は、第１の平面（光分散する方向）と垂直な方向（光分散しない方向）にアレイ化されて配置されたＣＣＰアレイ２１Ａであり、ＣＣＰアレイ２１Ａを構成するそれぞれのＣＣＰ２４の大きさは、回折格子１４の第１の平面に垂直な方向（光分散しない方向）の大きさに対して十分に小さいので、第１の実施の形態の効果に加えて、受信部２０の光分散しない方向（Ｚ方向）に対する位置ずれの許容度を拡大することができる。
【００３０】
なお、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態と同様に、ＣＣＰ２４の反射面に受光素子２２を配設したが、これとは異なる構成、例えば、図５（ｂ）に示すように、ＣＣＰ２４と受光素子（光電変換素子）２５をＺ方向に混在させてアレイ化させてもよい。この場合には、ＣＣＰ２４と受光素子２５の面積の割合により、光取り出し効率ηの値を制御することができる。なお、ＣＣＰ２４及び受光素子２５の大きさは、ＣＣＰアレイ２１Ｂに反射するレーザ光のビーム径に対して、十分に小さいものである。
【００３１】
＜第３の実施の形態＞
図７は、第３の実施の形態に係る光無線伝送装置３の概略構成図である。第３の実施の形態では、複数の光源（ＳＬＤ）１１を光分散しない方向（Ｚ方向）にアレイ化して配設している。また、第２の実施の形態と同様に、光分散しない方向（Ｚ方向）にアレイ化されたＣＣＰアレイ２１Ａを配設している。
【００３２】
したがって、第３の実施の光無線伝送装置３によれば、ＳＬＤ１１を第１の平面に垂直な方向（光分散しない方向）アレイ化されて配置しているので、第２の実施の形態の効果に加えて、高出力化を実現でき、伝送する情報量を大容量化することができる。
【００３３】
なお、第３実施の形態においては、複数の光源１１を光分散しない方向（Ｚ方向）にアレイ化したが、これとともに複数の光源１１を光分散する方向（ＸＹ平面に平行な方向）にアレイ化してもよい。この場合には、ＣＣＰアレイ２１Ａも光分散する方向（ＸＹ平面に平行な方向）にアレイ化する必要がある。
【００３４】
＜第４の実施の形態＞
図８は、第４の実施の形態に係る光無線伝送装置４の受信部３０及び４０の概略構成図である。第４の実施の形態においては、受信部に光取り出し効率ηの値を可変にする光学素子が追加されている。図８（ａ）は、反射部材２１からの反射光を受光素子２２に可変に取り込む受信部３０の構成図、図８（ｂ）は、ＳＬＤ１１からの入射光を受光素子２２に可変に取り込む受信部４０の構成図である。
【００３５】
受信部３０では、第１の実施の形態に係る受信部２０の構成に、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）２６と、１／４波長板２７が追加されている。そのため、受信部３０においては、１／４波長板２７を回転させることにより、ＰＢＳ２６及びＣＣＰ２１を介して受光素子２２に入射する光の光量を制御することができる。
【００３６】
一方、受信部４０では、第１の実施の形態に係る受信部２０の構成に、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）２６と、１／２波長板２８が追加されている。そのため、受信部４０においては、１／２波長板２８を回転させることにより、ＰＢＳ２６から受光素子２２に入射する光の光量を制御することができる。
【００３７】
したがって、第４の実施の光無線伝送装置４によれば、受信部は、受信部に到達した光を受光素子２２に可変に取り入れる光学素子をさらに備えているので、例えば、反射部材が位置ずれするなどして状況が変化したとしても、最適な光取り出し効率ηを設定することができ、最大の光出力を得ることができる。具体的には、受信部３０の場合には、ＰＢＳ２６と１／４波長板２７を備えているので、１／４波長板２７を回転させることにより、ＣＣＰ２１に反射した後の光が受光素子２２に入射する光量を調整することができる。また、受信部４０の場合には、ＰＢＳ２６と１／２波長板２８を備えているので、１／２波長板２８を回転させることにより、ＣＣＰ２１に反射する前の光が受光素子２２に入射する光量を調整することができる。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、本発明の実施の形態に対して種々の変形や変更を施すことができ、そのような変形や変更を伴うものもまた、本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３９】
１，２，３，４ 光無線伝送装置
１０ 送信部
１１ ＳＬＤ（光源）
１２ 光源駆動部
１３ コリメータレンズ（コリメート素子）
１４ 回折格子（分散光学素子）
２０，３０，４０ 受信部
２１，２４ ＣＣＰ（反射部材）
２１Ａ，２１Ｂ ＣＣＰアレイ（反射部材）
２２，２５ 光電変換素子（受光素子）
２３ 動作部
２６ ＰＢＳ
２７ １／４波長板
２８ １／２波長板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を用いて情報の空間伝送を行う光無線伝送装置に関し、特に、レーザ電力伝送や光通信に好適に適用できる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、空間を伝送路して用いる光無線伝送装置には、以下の２つのタイプが存在する。一つは、広がり角のある光により通信を行う拡散光タイプの光無線伝送装置である。この拡散光タイプの光無線伝送装置は、精密な光軸合わせを必要としないという長所があるが、光が拡散減衰するため、長距離の通信には適用できないという問題がある。もう一つは、平行光線により通信を行う平行光タイプの光無線伝送装置である。この平行光タイプの光無線伝送装置は、精密な光軸合わせをすることにより長距離通信が可能であるが、精密な光軸合わせが容易でないという問題がある。
【０００３】
この点、特許文献１には、送信機側に２次元スキャナを設け、送信機と受信機の光軸ずれを、２次元スキャナを用いて修正する平行光タイプの通信装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−３４６４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の通信装置においては、機械的及び電気的な駆動機構である二次元スキャナを送信機側に組み込む必要があるため、通信装置のコストアップとなるとともに装置が大型化するという問題がある。そのため、機械的及び電気的な探索機構を必要としない構成、つまり、より簡単な構成で光軸合わせを容易とする光無線伝送装置が求められていた。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その課題の一例としては、簡単な構成にて光軸調整を容易とし、受信部の位置ずれの許容度を拡大することができる光無線伝送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を達成するため、本発明の一態様は、送信部と受信部を備えた光無線伝送装置であって、前記送信部は、第１の波長帯の光を出射するとともに、外部からの戻り光によりレーザ発振する光源と、前記光源から出射された光を平行光にするコリメート素子と、光の波長に応じて回折角が異なり、前記コリメート素子からの平行光を、第１の平面内において前記第１の波長帯に相当する所定の角度の範囲内に分散させる分散光学素子と、を備え、前記受信部は、前記第１の平面内の前記所定の角度の範囲内に配置され、前記分散光学素子を介して到達した光の一部を元の方向に反射させ、前記光源に戻す再帰性反射材と、前記分散光学素子を介して到達した光の残部を電気信号に変換する受光素子と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光無線伝送装置の概略構成図である。
【図２】回折格子に入射する光の回折方向を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る光無線伝送装置において、光源から出射された光の拡散方向を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る光無線伝送装置において、外部に光を取り出す割合と、受光素子の光出力の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る光無線伝送装置の再帰性反射材の外観を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る光無線伝送装置において、受信部が光分散しない方向に位置ずれした場合の光の進み方を、第１の実施の形態に係る光無線伝送装置と対比させて説明する図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る光無線伝送装置の概略構成図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係る光無線伝送装置の受信部の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１０】
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光無線伝送装置１の概略構成図である。図１に示す光無線伝送装置１は、送信部１０と受信部２０を備え、送信部１０が出射したレーザ光を受信部２０が受光することにより信号が伝達されるようになっている。なお、光無線伝送装置１は、例えば、光通信装置やレーザ電力伝送装置が想定される。
【００１１】
送信部１０の光源１１としては、例えば、通常の半導体レーザ（以下、ＬＤと表記する）よりスペクトル線幅が広いスーパールミネッセントダイオード（super-luminescent diode；以下、ＳＬＤと表記する）が好適である。ＳＬＤ１１は、光源駆動部１２の制御に基づいて、幅広いスペクトル（レーザ媒質により決定される。例えば、中心波長が９５０ｎｍで線幅が６０ｎｍなど）を有する光を発する。ＳＬＤ１１は、ＬＤのレーザ媒質の片側端面に、反射率を限りなくゼロに近づける反射防止コーティングを施すことによって作製される。つまり、ＳＬＤ１１のレーザ光の出射側の一方の端面には反射防止コーティングが施されており、他方の端面には反射防止コーティングが施されていない。そのため、ＳＬＤ１１は単独ではレーザ発振しない。本実施の形態では、後述するように、ＳＬＤ１１を外部共振器型レーザとして使用している。
【００１２】
ＳＬＤ１１から出射された光は、コリメート素子であるコリメータレンズ１３により平行光に変換され、平行光は、分散光学素子である回折格子１４により回折される。
【００１３】
ここで、図２を用いて、回折格子１４を通過する光の回折方向（強め合う方向）について説明する。図２は、格子ピッチがＮ（単位長さあたりの格子数。格子間隔は１／Ｎ）の回折格子１４に入射する光の回折方向を示す図である。入射光の波長をλ、入射角をα、回折角をβ、回折次数をｍとすると、
ｓｉｎα ＋ ｓｉｎβ ＝ Ｎｍλ （１）
の関係が成り立つので、回折角βは波長ごとに異なることになる。
【００１４】
つまり、幅広いスペクトルを有する光が回折格子１４に入射すると、回折光は、図３に示すように、拡散して伝搬する。なお、図３は、ＳＬＤ１１から出射された光の拡散方向を示す図である。より詳しくは、上記（１）式より、波長が長いほど回折角βは大きくなるので、入射光の波長λをλ１≦λ≦λ２とすると、波長λ１の光はＡ方向、波長λ２の光はＢ方向に進行し、Ａ方向とＢ方向に囲まれるＳ領域が回折光の進行方向となる。なお、本実施の形態では、図１及び図３に示すように、ＳＬＤ１１から出射された光は、ＸＹ平面と平行な方向（紙面方向）に分散するものとして説明する。
【００１５】
一般に、ＳＬＤ１１から出射された光を、ＳＬＤ１１の外部に配置された反射部材（リフレクタ）に反射させて、ＳＬＤ１１に戻すと、外部共振器型のＬＤ光源となり、ＳＬＤ１１がレーザ発振することが知られている。そして、この特性と回折格子を用いた応用例としては、波長可変の外部共振器型レーザがある。波長可変の外部共振器型レーザでは、波長を選択するために回折格子で光を分散させ、特定波長の光だけをＬＤ光源に戻すことにより、選択的に狭帯域なスペクトルのレーザ発振を実現している。この波長可変の外部共振器型レーザの原理に基づくと、回折格子１４で光分散された拡散光の進行領域（以下、拡散領域という。具体的には、図３のＳ領域）の中に、ミラーなどの反射部材２１を配置し、反射部材２１に反射された光をＳＬＤ１１に帰還させることにより、レーザ発振を起こさせることができる。すなわち、反射部材２１を備えた受信部２０を、拡散領域のいずれかに配置すれば、送信部１０と受信部２０とで自動的にレーザ共振器が構築され、送信部１０から受信部２０にレーザ光を送信することが可能となる。なお、レーザ発振が起こると、ＳＬＤ１１から出射される光のスペクトルは狭帯域になるため、回折格子１４で光分散した光の拡散角は狭くなる。
【００１６】
受信部２０の反射部材２１としては、再帰性反射材、例えば、コーナーキューブプリズム（以下、ＣＣＰと表記する）が好適である。ＣＣＰ２１は、入射した光を元の方向（入射した光と同一方向）に反射させる再帰性を有している。本実施の形態では、このＣＣＰ２１の特性を利用することにより、回折格子１４からＣＣＰ２１に入射した光の一部を同一方向に反射し、反射した光を、回折格子１４を介してＳＬＤ１１に戻すようになっている。
【００１７】
従来においては、送信部から受信部に対してレーザ光を送信するためには、送信部側に二次元スキャナなどの探索機構を組み込んで、精密な光軸合わせをする必要があった。しかしながら、本実施の形態においては、所定角度の広がりある拡散領域（図３のＳ領域）のどこかに受信部２０（ＣＣＰ２１）を配置すればよいので、精密な光軸合わせをする必要はない。すなわち、光無線伝送装置１は、送信部１０側に分散光学素子、受信部２０側に再帰性反射材を備えるという簡単な構成にて光軸調整を容易とすることができ、受信部２０の光分散方向（ＸＹ平面に平行な方向）に対する位置ずれの許容度を拡大することができる。
【００１８】
また、受信部２０のＣＣＰ２１の反射面には、受光素子２２が配置されている。受光素子２２は、光を電気信号に変換する光電変換素子であり、ＣＣＰ２１の反射面に入射した光の一部を取り出し、光電変換を行う。光電変換素子としては、例えば、フォトダイオードや太陽電池が想定され、フォトダイオードの場合には、光変調信号を電気変調信号に変換し、また、太陽電池の場合には、光エネルギーを電気エネルギーに変換する。なお、変換された電気変調信号または電気エネルギーは動作部２３に送られる。
【００１９】
ここで、受光素子２２が取り出す光出力の大きさは、送信部１０と受信部２０で構築されたレーザ共振器が出射する光の中から、レーザ共振器外に光を取り出す割合η（＝外部に取り出す光量／レーザ共振器内部の全光量。以下、光取り出し効率ともいう）により、異なってくる。図４は、実験により得られた、光取り出し効率ηと受光素子２２が取り出す光出力の関係を示すグラフである。なお、受光素子２２が取り出す光出力は規格化されており、光取り出し効率η＝０．８のときの光出力を１としている。
【００２０】
図４に示すように、光取り出し効率ηが小さすぎると、レーザ共振器外に取り出す光量自体が少ないので、受光素子２２の光出力の大きさも小さくなる。一方、光取り出し効率ηが大きすぎると、ＳＬＤ１１に戻る光量が減るので、レーザ発振が弱くなり、これによって受光素子２２の光出力の大きさも小さくなる。よって、適切な光取り出し効率ηを選択することにより、受光素子２２は最大の光出力を得ることができる（図４においてはη＝０．８）。本実施の形態の受信部２０においては、受光素子２２の光出力が最大となるように光取り出し効率ηが予め設定されている。具体的には、ＣＣＰ２１の裏面の反射率が適切な値となるように予め調整されているので、受光素子２２の光出力は最大となるようになっている。
【００２１】
以上から、本実施の形態の光無線伝送装置１によれば、送信部１０は、第１の波長帯の光を出射するとともに、外部からの戻り光によりレーザ発振するＳＬＤ１１と、ＳＬＤ１１から出射された光を平行光にするコリメータレンズ１３と、光の波長に応じて回折角が異なり、コリメータレンズ１３からの平行光を、第１の平面内において第１の波長帯に相当する所定の角度の範囲内に分散させる回折格子１４と、を備え、受信部２０は、第１の平面内の所定の角度の範囲内に配置され、回折格子１４を介して到達した光の一部を元の方向に反射させ、ＳＬＤ１１に戻すＣＣＰ２１と、回折格子１４を介して到達した光の残部を電気信号に変換する受光素子２２と、を備えているので、簡単な構成にて光軸調整を容易とし、受信部２０の光分散する方向に対する位置ずれの許容度を拡大することができる。
【００２２】
なお、拡散領域の大きさは、上記（１）式より、ＣＣＰ２１に入射する光の入射角α及び波長λ、並びに格子ピッチＮの値をパラメータとして決定されるが、本実施の形態においては、光無線伝送装置１の用途に応じてこのパラメータの値を決め、好適な拡散領域の大きさが設定されている。
【００２３】
また、本実施の形態の光伝送においては、レーザ発振を起こす特定の波長に意味はない。すなわち、本実施の形態では、所定の広がりある拡散領域上に受信部２０を配置することにより、送信部１０がレーザ発振を起こすことに意味があるのであって、結果として選択される特定の波長には特に意味はない。
【００２４】
なお、分散光学素子を回折格子１４ではなくレンズとし、レンズを用いて拡散光を生成することも可能であるが、レンズを用いた場合には、入射光の全波長分の光の一部がＳＬＤ１１に戻ることとなるので、エネルギー損失が大きくなってしまう。一方、本実施の形態のように、分散光学素子を回折格子１４とした場合には、入射光の特定の波長の光はすべてＳＬＤ１１に戻るようになっているので、エネルギー損失は少ないという効果がある。その結果、受信部２０を拡散領域内に配置するのであれば、送信部１０と受信部２０の間隔が長距離であっても、光伝送することが可能である。
【００２５】
さらには、本実施の形態の光無線伝送装置１によれば、受信部２０においてＣＣＰ２１の反射率制御が行われているので、受信部２０は好適な光出力を得ることができ、動作部２３において所望の処理を実行することができる。
【００２６】
＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態においては、受信部２０の光分散方向（ＸＹ平面に平行な方向）に対する位置ずれの許容度は大きかったが、光分散しない方向（ＸＹ平面に垂直な方向であるＺ方向）に対しては、受信部２０の位置ずれの許容度が小さかった。そのため、第２の実施の形態においては、再帰性反射材として、光分散しない方向（Ｚ方向）にアレイ化されたＣＣＰアレイ２１Ａを用いて、光分散しない方向（Ｚ方向）にも受信部２０の位置ずれの許容度を大きくしている。
【００２７】
図５（ａ）は、ＣＣＰアレイ２１Ａの外観図である。ＣＣＰアレイ２１Ａは、図５（ａ）に示すように、回折格子１４のＺ方向の大きさに対して十分に小さな複数のＣＣＰ２４を、Ｚ方向にアレイ化することにより構成されている。
【００２８】
図６（ａ）は、第１の実施の形態において、ＣＣＰ２１が光分散しない方向（Ｚ方向）に位置ずれを起こしている場合の光の進み方を示す図であり、図６（ｂ）は、第２の実施の形態において、ＣＣＰアレイ２１Ａが光分散しない方向（Ｚ方向）に位置ずれを起こしている場合の光の進み方を示す図である。図６（ａ）に示すように、再帰性反射材にＣＣＰ２１を用いた場合には、光分散しない方向（Ｚ方向）に光軸ずれを起こしているので、ＣＣＰ２１で反射された光は、復路において回折格子１４を通過することができない。これに対して、ＣＣＰアレイ２１Ａを用いた場合には、光分散しない方向（Ｚ方向）に光軸ずれを起こしていても、ＣＣＰ２４の大きさを小さくすることで復路の光軸ずれ量を小さくすることができるので、戻り光量の損失を減少させることができる。
【００２９】
したがって、第２の実施の光無線伝送装置２によれば、再帰性反射材は、第１の平面（光分散する方向）と垂直な方向（光分散しない方向）にアレイ化されて配置されたＣＣＰアレイ２１Ａであり、ＣＣＰアレイ２１Ａを構成するそれぞれのＣＣＰ２４の大きさは、回折格子１４の第１の平面に垂直な方向（光分散しない方向）の大きさに対して十分に小さいので、第１の実施の形態の効果に加えて、受信部２０の光分散しない方向（Ｚ方向）に対する位置ずれの許容度を拡大することができる。
【００３０】
なお、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態と同様に、ＣＣＰ２４の反射面に受光素子２２を配設したが、これとは異なる構成、例えば、図５（ｂ）に示すように、ＣＣＰ２４と受光素子（光電変換素子）２５をＺ方向に混在させてアレイ化させてもよい。この場合には、ＣＣＰ２４と受光素子２５の面積の割合により、光取り出し効率ηの値を制御することができる。なお、ＣＣＰ２４及び受光素子２５の大きさは、ＣＣＰアレイ２１Ｂに反射するレーザ光のビーム径に対して、十分に小さいものである。
【００３１】
＜第３の実施の形態＞
図７は、第３の実施の形態に係る光無線伝送装置３の概略構成図である。第３の実施の形態では、複数の光源（ＳＬＤ）１１を光分散しない方向（Ｚ方向）にアレイ化して配設している。また、第２の実施の形態と同様に、光分散しない方向（Ｚ方向）にアレイ化されたＣＣＰアレイ２１Ａを配設している。
【００３２】
したがって、第３の実施の光無線伝送装置３によれば、ＳＬＤ１１を第１の平面に垂直な方向（光分散しない方向）アレイ化されて配置しているので、第２の実施の形態の効果に加えて、高出力化を実現でき、伝送する情報量を大容量化することができる。
【００３３】
なお、第３実施の形態においては、複数の光源１１を光分散しない方向（Ｚ方向）にアレイ化したが、これとともに複数の光源１１を光分散する方向（ＸＹ平面に平行な方向）にアレイ化してもよい。この場合には、ＣＣＰアレイ２１Ａも光分散する方向（ＸＹ平面に平行な方向）にアレイ化する必要がある。
【００３４】
＜第４の実施の形態＞
図８は、第４の実施の形態に係る光無線伝送装置４の受信部３０及び４０の概略構成図である。第４の実施の形態においては、受信部に光取り出し効率ηの値を可変にする光学素子が追加されている。図８（ａ）は、反射部材２１からの反射光を受光素子２２に可変に取り込む受信部３０の構成図、図８（ｂ）は、ＳＬＤ１１からの入射光を受光素子２２に可変に取り込む受信部４０の構成図である。
【００３５】
受信部３０では、第１の実施の形態に係る受信部２０の構成に、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）２６と、１／４波長板２７が追加されている。そのため、受信部３０においては、１／４波長板２７を回転させることにより、ＰＢＳ２６及びＣＣＰ２１を介して受光素子２２に入射する光の光量を制御することができる。
【００３６】
一方、受信部４０では、第１の実施の形態に係る受信部２０の構成に、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）２６と、１／２波長板２８が追加されている。そのため、受信部４０においては、１／２波長板２８を回転させることにより、ＰＢＳ２６から受光素子２２に入射する光の光量を制御することができる。
【００３７】
したがって、第４の実施の光無線伝送装置４によれば、受信部は、受信部に到達した光を受光素子２２に可変に取り入れる光学素子をさらに備えているので、例えば、反射部材が位置ずれするなどして状況が変化したとしても、最適な光取り出し効率ηを設定することができ、最大の光出力を得ることができる。具体的には、受信部３０の場合には、ＰＢＳ２６と１／４波長板２７を備えているので、１／４波長板２７を回転させることにより、ＣＣＰ２１に反射した後の光が受光素子２２に入射する光量を調整することができる。また、受信部４０の場合には、ＰＢＳ２６と１／２波長板２８を備えているので、１／２波長板２８を回転させることにより、ＣＣＰ２１に反射する前の光が受光素子２２に入射する光量を調整することができる。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、本発明の実施の形態に対して種々の変形や変更を施すことができ、そのような変形や変更を伴うものもまた、本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３９】
１，２，３，４ 光無線伝送装置
１０ 送信部
１１ ＳＬＤ（光源）
１２ 光源駆動部
１３ コリメータレンズ（コリメート素子）
１４ 回折格子（分散光学素子）
２０，３０，４０ 受信部
２１，２４ ＣＣＰ（反射部材）
２１Ａ，２１Ｂ ＣＣＰアレイ（反射部材）
２２，２５ 光電変換素子（受光素子）
２３ 動作部
２６ ＰＢＳ
２７ １／４波長板
２８ １／２波長板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信部と受信部を備えた光無線伝送装置であって、
前記送信部は、
第１の波長帯の光を出射するとともに、外部からの戻り光によりレーザ発振する光源と、
前記光源から出射された光を平行光にするコリメート素子と、
光の波長に応じて回折角が異なり、前記コリメート素子からの平行光を、第１の平面内において前記第１の波長帯に相当する所定の角度の範囲内に分散させる分散光学素子と、
を備え、
前記受信部は、
前記第１の平面内の前記所定の角度の範囲内に配置され、前記分散光学素子を介して到達した光の一部を元の方向に反射させ、前記光源に戻す再帰性反射材と、
前記分散光学素子を介して到達した光の残部を電気信号に変換する受光素子と、
を備えることを特徴とする光無線伝送装置。
【請求項２】
前記再帰性反射材は、前記第１の平面と垂直な方向にアレイ化されて配置されており、
アレイ化された前記再帰性反射材のそれぞれの大きさは、前記分散光学素子の前記第１の平面に垂直な方向の大きさに対して十分に小さいことを特徴とする請求項１記載の光無線伝送装置。
【請求項３】
前記光源は、前記第１の平面と垂直な方向にアレイ化されて配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光無線伝送装置。
【請求項４】
前記受信部は、
前記受信部に到達した光を前記受光素子に可変に取り入れる光学素子をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光無線伝送装置。
【請求項１】
送信部と受信部を備えた光無線伝送装置であって、
前記送信部は、
第１の波長帯の光を出射するとともに、外部からの戻り光によりレーザ発振する光源と、
前記光源から出射された光を平行光にするコリメート素子と、
光の波長に応じて回折角が異なり、前記コリメート素子からの平行光を、第１の平面内において前記第１の波長帯に相当する所定の角度の範囲内に分散させる分散光学素子と、
を備え、
前記受信部は、
前記第１の平面内の前記所定の角度の範囲内に配置され、前記分散光学素子を介して到達した光の一部を元の方向に反射させ、前記光源に戻す再帰性反射材と、
前記分散光学素子を介して到達した光の残部を電気信号に変換する受光素子と、
を備えることを特徴とする光無線伝送装置。
【請求項２】
前記再帰性反射材は、前記第１の平面と垂直な方向にアレイ化されて配置されており、
アレイ化された前記再帰性反射材のそれぞれの大きさは、前記分散光学素子の前記第１の平面に垂直な方向の大きさに対して十分に小さいことを特徴とする請求項１記載の光無線伝送装置。
【請求項３】
前記光源は、前記第１の平面と垂直な方向にアレイ化されて配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光無線伝送装置。
【請求項４】
前記受信部は、
前記受信部に到達した光を前記受光素子に可変に取り入れる光学素子をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光無線伝送装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２３４０７１（Ｐ２０１１−２３４０７１Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０１７５３（Ｐ２０１０−１０１７５３）
【出願日】平成２２年４月２７日（２０１０．４．２７）
【出願人】（０００００５０１６）パイオニア株式会社 (3,620)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２７日（２０１０．４．２７）
【出願人】（０００００５０１６）パイオニア株式会社 (3,620)
【Ｆターム（参考）】
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