光無線通信装置
【課題】 より簡易な構成で信号光を無線光通信により送受信する。
【解決手段】 光無線通信装置１０は、サーキュレータ１１と、光ファイバ１２１と、レンズ１２２とを備える。サーキュレータ１１は、第１の端子１１ａ、第２の端子１１ｂ及び第３の端子１１ｃを含み、第１の端子１１ａから入力された信号光を第２の端子１１ｂに出力し、第２の端子１１ｂから入力された信号光を第３の端子１１ｃに出力する。光ファイバ１２１は、第２の端子１１ｂに接続された第１の端面１２１ａと第２の端面１２１ｂとを有し、第１の端面１２１ａに入力される信号光を第２の端面１２１ｂから出射すると共に、第２の端面１２１ｂから入射される信号光を第１の端面１２１ａから出力する。レンズ１２２は、第２の端面１２１から出射される信号光を無線通信信号として投光すると共に、信号光を受光して第２の端面１２１ｂに入射する。
【解決手段】 光無線通信装置１０は、サーキュレータ１１と、光ファイバ１２１と、レンズ１２２とを備える。サーキュレータ１１は、第１の端子１１ａ、第２の端子１１ｂ及び第３の端子１１ｃを含み、第１の端子１１ａから入力された信号光を第２の端子１１ｂに出力し、第２の端子１１ｂから入力された信号光を第３の端子１１ｃに出力する。光ファイバ１２１は、第２の端子１１ｂに接続された第１の端面１２１ａと第２の端面１２１ｂとを有し、第１の端面１２１ａに入力される信号光を第２の端面１２１ｂから出射すると共に、第２の端面１２１ｂから入射される信号光を第１の端面１２１ａから出力する。レンズ１２２は、第２の端面１２１から出射される信号光を無線通信信号として投光すると共に、信号光を受光して第２の端面１２１ｂに入射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空間光通信を行う技術が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平３‐６９３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記の特許文献１では、光ファイバネットワークの信号光を電気信号に変換せず直接空間光通信により送受信する技術が提案されている。しかしながら、上記特許文献１に記載された装置では、送信用光ファイバに対する光学系と受信用光ファイバに対する光学系とが必要となっており、装置構成が複雑となり装置の大型化、重量化を招く。
【０００４】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、より簡易な構成で信号光を無線光通信により送受信することを可能とする光無線通信装置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】
【０００５】
このような目的を達成するために、本発明による光無線通信装置は、第１、第２及び第３の端子を含み、当該第１の端子から入力された信号光を当該第２の端子に出力し、当該第２の端子から入力された信号光を当該第３の端子に出力するサーキュレータと、サーキュレータの第２の端子に接続された第１の端面と第２の端面とを有し、当該第２の端子から出力され当該第１の端面に入力される信号光を当該第２の端面から出射すると共に、当該第２の端面から入射される信号光を当該第１の端面から出力する光ファイバと、光ファイバの第２の端面から出射される信号光を無線通信信号として投光すると共に、無線通信信号として到達した信号光を受光して光ファイバの第２の端面に入射するレンズと、を備えることを特徴とする。
【０００６】
上記した光無線通信装置では、投光する信号光はサーキュレータの第１の端子に入力されて第２の端子から出力される。サーキュレータの第２の端子から出力された信号光は、光ファイバを伝搬しレンズから投光される。一方、受光する信号光は、レンズにより受光され光ファイバを伝搬してサーキュレータの第２の端子に入力される。サーキュレータの第２の端子に入力された信号光は、第３の端子から出力される。このように、本光無線通信装置では、投光する信号光及び受光する信号光を共通の光ファイバにより伝送し、投光と受光とを共通の機構を用いて行うことができ、上記のような簡易な構成で信号光を無線光通信により送受信することを可能とする。
【０００７】
また、レンズは非球面レンズであることが好ましい。この構成によれば、信号光の投光及び受光を行うためのレンズを１枚にすることができ、より簡易な構成とすることができる。
【０００８】
また、光ファイバは、第１の端面から入力された信号光が第１の端面に戻ることを防止する戻り光防止処理がなされていることが好ましい。この構成によれば、第１の端面から光ファイバに入力され投光されるべき信号光が光ファイバ内で戻り、受光された信号光と混信することを防止することができる。また、戻り光防止処理は、光ファイバの第２の端面になされたＡＲ（Anti Reflection）コート処理であることが好ましい。
【０００９】
また、戻り光防止処理は、光ファイバの第２の端面が光軸方向に対して斜めになっていることであることが好ましい。特にこの場合、第２の端面を含む光ファイバの端部のレンズの光軸に対する角度は、当該光ファイバのコアの屈折率、及び当該光ファイバと当該レンズとの間の信号光の光路における屈折率に基づいて、当該第２の端面から出射される信号光の光路が当該レンズの光軸と一致するように定められることが好ましい。この構成によれば、光無線通信装置における光学系の光軸に対する信号光の光路のずれを発生させずに適切に信号光の送受信を行うことができる。
【００１０】
また、光無線通信装置は、レンズにより受光された信号光の方向を検出する方向検出手段と、方向検出手段により検出された信号光の方向に基づきレンズと光ファイバの第２の端面との間の信号光の光軸を調整する調整手段と、を更に備えることが好ましい。この構成によれば、信号光を確実に投受光することができる。また、光無線通信装置は、信号光の経路における光ファイバの第２の端面とレンズとの間に設けられ、レンズにより受光された信号光の一部を反射させるビームスプリッタを更に備え、方向検出手段は、ビームスプリッタにより反射された信号光を検出し、当該検出状態からレンズにより受光された信号光の方向を検出する、ことが好ましい。
【００１１】
また、光無線通信装置は、入力される信号光を光増幅して出力して光サーキュレータの第１の端子に入力する光増幅器を更に備えることが好ましい。この構成によれば、投光する信号光のパワーを増幅するので、投光した信号光が他の光無線通信装置によって受光される場合に、より充分なパワーで受光させることができる。
【００１２】
また、光無線通信装置は、サーキュレータの第３の端子から出力される信号光のパワーの値を検出する信号光パワー検出手段と、信号光パワー検出手段により検出される値を参照して、サーキュレータの第３の端子から出力される信号光のパワーを制御する信号光パワー制御手段と、を更に備えることが好ましい。この構成によれば、受光した信号光のパワーの値が小さい場合にも、信号光を安定的なパワーで出力することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、投光する信号光及び受光する信号光を共通の光ファイバにより伝送し、投光と受光とを共通の光学系を用いて行うことができ、上記のような簡易な構成で信号光を無線光通信により送受信することを可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面とともに本発明による光無線通信装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１５】
図１は、本発明による光無線通信装置１０の実施形態を概略的に示す構成図である。光無線通信装置１０は、光ファイバネットワーク２０から信号光を入力し、その信号光を通信相手の光無線通信装置（本発明による光無線通信装置１０と同様の構成であっても、同様の構成でなくてもよい）に対して無線通信信号として投光する。また、通信相手の光無線通信装置により無線通信信号として投光された信号光を受光し、光ファイバネットワーク２０に出力する。なお、通信相手の光無線通信装置及び光無線通信装置１０は、通信可能なように互いに投受光可能な位置に設置されている。光ファイバネットワーク２０は、光ファイバを含んで構成された通信網であり、信号が光によって伝達される。
【００１６】
光無線通信装置１０により投受光される光としては、１．５５μｍ帯の波長のレーザ光を用いることが好ましい。このレーザ光の波長は、これまで開発されている光無線通信装置で用いられる光の波長７５０ｎｍ〜８５０ｎｍとは異なるが、光ファイバネットワークで標準的に使用されているものである。従って、通常の光ファイバネットワークでの信号光をそのまま光無線に利用することができ、光ファイバネットワークとの親和性が高い。また、この１．５５μｍ帯の波長は目に安全な波長帯であるので、投受光する信号光の高出力化を可能とする。
【００１７】
以下、光無線通信装置１０の構成を説明する。図１に示すように、光無線通信装置１０は、サーキュレータ１１と、信号光投受光部１２と、光ファイバアンプ１３と、光カプラ１４と、信号光パワー検出部１５と、制御部１６と、光ファイバアンプ１７とを備える。
【００１８】
サーキュレータ１１は、第１の端子１１ａと、第２の端子１１ｂと、第３の端子１１ｃとを含んで構成されている。第１の端子１１ａは、光ファイバアンプ１３に接続されており、光ファイバアンプ１３から出力される信号光を入力する。第２の端子１１ｂは、信号光投受光部１２に接続されている。第３の端子１１ｃは、光カプラ１４に接続されており、出力する信号光を光カプラ１４に入力する。サーキュレータ１１は、第１の端子１１ａから入力された信号光を第２の端子１１ｂに出力する。また、サーキュレータ１１は、第２の端子１１ｂから入力された信号光を第３の端子１１ｃに出力する。
【００１９】
信号光投受光部１２は、光ファイバ１２１とレンズ１２２とを含んで構成される。信号光投受光部１２は、サーキュレータ１１の第２の端子１１ｂから出力された信号光を、光ファイバ１２１を伝搬させて、レンズ１２２により、通信相手の光無線通信装置に対して投光する。また、信号光投受光部１２は、通信相手の光無線通信装置により投光され到達した信号光を、レンズ１２２により受光し、光ファイバ１２１を伝搬させてサーキュレータ１１の第２の端子１１ｂに入力する。光ファイバ１２１は、第１の端面１２１ａと第２の端面１２１ｂとを含んでいる。第１の端面１２１ａはサーキュレータ１１の第２の端子１１ｂに接続されており、サーキュレータ１１の第２の端子１１ｂから出力された信号光を第１の端面１２１ａに入力し第２の端面１２１ｂから出射する。また、レンズ１２２により受光された信号光を第２の端面１２１ｂに入射し第１の端面１２１ａから出力する。信号光投受光部１２のより詳細な構成については後述する。
【００２０】
光ファイバアンプ１３は、光ファイバネットワーク２０に接続されており、通信相手の光無線通信装置に送信するために光ファイバネットワーク２０から入力される信号光を増幅して出力する。この増幅は信号光が大気中を伝搬する際の減衰を考慮して、信号光を無線光通信に耐えうるパワーにするためのものである。なお、光ファイバアンプ１３は、光ファイバを用いない光増幅器等により代替されてもよい。また、光ファイバネットワーク２０から入力される信号光のパワーの値が充分大きく、無線光通信に耐えうるものである場合、光ファイバアンプ１３は必ずしも光無線通信装置１０に備えられている必要はない。
【００２１】
光カプラ１４は、サーキュレータ１１の第３の端子１１ｃから出力された信号光を入力し、その信号光の一部を分岐して信号光パワー検出部１５に出力し、残部を光ファイバアンプ１７に出力する。
【００２２】
信号光パワー検出部１５は、サーキュレータ１１の第３の端子１１ｃから出力され光カプラ１４により分岐された信号光のパワーの値を検出する。光カプラ１４と信号光パワー検出部１５とは、サーキュレータ１１の第３の端子１１ｃから出力される信号光のパワーの値を検出する信号光パワー検出手段の役割を果たす。検出された信号光のパワーの情報は、制御部１６に送信される。
【００２３】
制御部１６は、信号光パワー検出部１５により検出される値を参照して、光ファイバアンプ１７から出力される信号光のパワーを制御する。この制御は、光ファイバネットワーク２０に入力される信号光の安定化を図るために行われ、例えば信号光のパワーの値を一定にする制御が相当する。
【００２４】
光ファイバアンプ１７は、制御部１６の制御を受けて、光カプラ１４から入力される信号光を増幅して、光ファイバネットワーク２０に出力する。なお、光ファイバアンプ１７は、光ファイバアンプ１３と同様、光ファイバを用いない光増幅器等により代替されてもよい。制御部１６と光ファイバアンプ１７とは、サーキュレータ１１の第３の端子１１ｃから出力され光ファイバアンプ１７から光ファイバネットワーク２０に出力される信号光のパワーを制御する信号光パワー制御手段の役割を果たす。
【００２５】
引き続いて信号光投受光部１２の構成を説明する。図２に信号光投受光部１２の側面からの断面を示す。また、図３に信号光投受光部１２の上面からの断面を示す。信号光投受光部１２は、信号光を投光及び受光する面が開けられた箱型の筐体１２３を有している。信号光投受光部１２は、筐体１２３内に、光ファイバ１２１と、レンズ１２２と、保持基体１２４と、保持基体支持部１２５と、ビームスプリッタ１２６と、信号光方向検出器１２７と、縦方向アクチュエータ１２８と、横方向アクチュエータ１２９とを備える。なお、サーキュレータ１１、光ファイバアンプ１３，１７、光カプラ１４、信号光パワー検出部１５及び制御部１６は、その何れか又は全てが筐体１２３に含まれていてもよい。
【００２６】
光ファイバ１２１は、第２の端面１２１ｂから出射される信号光がレンズ１２２により平行光にされ投光されると共に、レンズ１２２により受光される信号光が第２の端面１２１ｂに入射されるように、保持基体１２４に固定される。光信号の伝搬効率を考慮し、光ファイバ１２１として、シングルモード光ファイバが用いられることが好ましい。
【００２７】
光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂは、図４（ａ）に示すように、戻り光防止処理をされていることが好ましい。戻り光防止処理とは、第１の端面１２１ａから入力された信号光が、第２の端面１２１ｂから光無線通信装置１０内の大気中に出射されずに、図４（ｂ）に示すように第２の端面１２１ｂで反射し第１の端面１２１ａに戻ることを防止する端面処理のことである。
【００２８】
戻り光防止処理がなされていないと、図４（ｂ）に示すように、出力される信号光の一部が光ファイバ１２１のコアと大気との屈折率の差により第２の端面１２１ｂで反射してしまうことがある。この反射光はレンズ１２２により受光された信号光と同様の経路を伝ってサーキュレータ１１の第２の端子１１ｂに入力され、第３の端子１１ｃに出力される。反射光のパワーが受光された信号光よりも十分小さい場合は問題ないが、多くの場合、この反射光はエラー耐性に対しての影響を無視できないものとなる。戻り光防止処理は、この反射光をできるだけ少なくし、反射光と受光された信号光とが混信することを防止するためのものである。戻り光防止処理は、具体的には、図４（ａ）に示すように信号光の反射を防止する薄膜１２１ｃをコーティングするＡＲコート処理であることが好ましい。また、図４（ａ）に示すように、光軸方向に対して斜め研磨することであることが好ましい。反射光の発生を適切に防止するために、第２の端面１２１ｂの光ファイバ１２１の端部の光軸に対する角度は、例えば、８°程度とするのが好ましい。
【００２９】
上記のように、光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂを斜め研磨した場合、当該第２の端面１２１ｂを含む光ファイバ１２１の端部の光軸とレンズ１２２の光軸とが一致していると、上記光軸に対して、送受信される信号光の光路のずれが発生する。これは、図５に示すように、斜め研磨により第２の端面１２１ｂが光ファイバ１２１の端部１２１ｄの光軸に対して角度θ１をなしているとすると、光ファイバ１２１のコアの屈折率ｎ１と大気の屈折率（光ファイバ１２１とレンズ１２２との間の信号光の光路における屈折率）ｎ２との違いから、信号光の第２の端面１２１ｂへの入射角θ１と出射角θ２とが互いに異なった値となるためである。光路のずれが発生すると、信号光の送信においては、信号光が十分にレンズに入射せず送信効率が低下する。また、信号光の受信においても、適切に信号光が光ファイバ１２１に入射せず、また収差が発生する等して受信効率が低下する。
【００３０】
これに対処するため、図６に示すように、光ファイバ１２１の端部１２１ｄをレンズ１２２の光軸に対して所定の角度θ３で傾けて、保持基体１２４により位置決めされて固定されることにより光路のずれを防止することができる。この角度θ３及び位置は、第２の端面１２１ｂから出射される信号光の光路がレンズ１２２の光軸と一致するように定められる。上記のように角度θ３及び位置が定められると、レンズ１２２から出射され第２の端面１２１ｂに入射する信号光の光路が光ファイバ１２１の端部１２１ｄの光軸と一致する。
【００３１】
上記の所定の角度θ３は、第２の端面１２１ｂの角度θ１、光ファイバ１２１のコアの屈折率ｎ１及び大気の屈折率ｎ２に基づいて定めることができる。これらの値の間には、スネルの法則により、
ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２
の関係が成り立ち、θ１、θ２が十分に小さいとき、
ｎ１θ１＝ｎ２θ２
と近似できる。従って、信号光の第２の端面１２１ｂからの出射角θ２は、
θ２＝（ｎ１／ｎ２）θ１
となる。上記の式において、第２の端面１２１ｂが光ファイバ１２１の端部１２１ｄの光軸に対して角度θ１が上述のように８°であり、光ファイバ１２１のコアの屈折率ｎ１を１．５、大気の屈折率ｎ２を１．０とすると、信号光の第２の端面１２１ｂからの出射角θ２は１２°となる。従って、この条件の場合は、光ファイバ１２１の端部１２１ｄのレンズ１２２の光軸に対する角度θ３は、θ２−θ１＝１２−８＝４°とすればよい。また、このとき、光ファイバ１２１からの信号光の入出射が適切に行われるように、図６に示すようにレンズ１２２の光軸と光ファイバ１２１の光軸とが第２の端面１２１ｂで交差するように、レンズ１２２及び光ファイバ１２１が位置決めして固定される。
【００３２】
レンズ１２２は、光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂから出射される信号光を平行光にして投光すると共に、受光した信号光を集光して第２の端面１２１ｂに入射するように、保持基体１２４の筒状部材１２４ａの一方の先端部で固定される。レンズ１２２は、光ファイバ１２１のＮＡ（Numerical Aperture）を考慮して、受光される信号光を第２の端面１２１ｂに入射できるものを用いる。また従来、レンズ１２２は例えば三枚玉が用いられるが、受光される信号光が第２の端面１２１ｂに入射できるように投受光面を非球面とした１枚の非球面レンズを用いるのが好ましい。この投受光面を適切に設計すれば、光ファイバ１２１とレンズ１２２との間での光路を１枚のレンズでも好適に制御することができる。
【００３３】
また本実施形態においては、レンズ１２２の他方の面は、図２に示すように平面とされており、この面が筒状部材１２４ａに対する位置決めに用いられている。上記のように１枚の非球面レンズを用いることとすれば、信号光投受光部１２を簡易な構成とすることができまた軽量化を図ることができる。また、このとき、後述のアクチュエータ１２８，１２９による調整が容易になる。また、レンズ１２２の径は、投光する信号光のパワーが５００ｍＷ程度の高いパワーの信号光でも、クラス１Ｍのレーザ安全基準を確保できるようにするのが好ましい。クラス１Ｍのレーザ安全基準を達成させるようにすると、レンズ１２２の焦点距離が長くなるが、レンズ１２２と光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂとの間にビームスプリッタ１２６を配置することで余計なレンズ等を排除し、小型化を実現することができる。
【００３４】
筐体１２３の内面のうち、信号光が通過する開口が設けられた面に垂直な面の１つが、保持基体１２４を設置するための保持面１２３ａとなっている。この保持面１２３ａに対し保持基体支持部１２５及び縦方向アクチュエータ１２８が固定される。また、筐体１２３は内側に保持面１２３ａと垂直な側面１２３ｂを有し、当該側面１２３ｂに対し横方向アクチュエータ１２９が固定される。
【００３５】
保持基体１２４は、光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂを含む端部及びレンズ１２２を、信号光を投受光可能なように光軸が合った状態で位置決めして、一体に保持する保持手段である。保持基体１２４は、レンズ１２２を保持する筒状部材１２４ａと、光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂを含む端部の固定等を行う保持板１２４ｂとを含んで構成されている。保持基体１２４は、筒状部材１２４ａの所定箇所で保持基体支持部１２５により、信号光の光軸（光ファイバ１２１の第２の端面からレンズ１２２への方向）を調整できるように作動可能な状態で支持されている。
【００３６】
筒状部材１２４ａは、その中心軸が光軸と略一致するように設置されており、投光方向にある一方の端部が開口している。また、筒状部材１２４ａの当該端部内側に設けられたレンズ固定部１２４ｄが、筒状部材１２４ａ内でレンズ１２２を位置決めして固定する。筒状部材１２４ａは、当該レンズ１２２が固定される端部が筐体１２３の開口面と同一の方向になるよう設けられる。筒状部材１２４ａと保持板１２４ｂとは互いに位置決めされた状態で一体となっており、保持板１２４ｂは、筒状部材１２４ａと筐体１２３の保持面１２３ａとの間に位置している。
【００３７】
また、保持板１２４ｂは、受光方向の筒状部材１２４ａの端面より受光方向側にせり出した台状の後端部１２４ｅを有している。保持板１２４ｂは、当該後端部１２４ｅで光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂを含む端部を、筒状部材１２４ａの受光方向の端部の後方に、位置決めして第２の端面１２１ｂが筒状部材の方向を向くよう固定する。また、筒状部材１２４ａの受光方向の端部には、筒状部材１２４ａの外側に配置された光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂから出射された光をレンズ１２２で受けられるよう、開口部が設けられている。以上の保持基体１２４の構成により、レンズ１２２と光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂとが、光軸が合った状態で位置決めされている。
【００３８】
保持基体支持部１２５は、筐体１２３の保持面１２３ａに対して固定されており、保持基体１２４を作動可能な状態で保持する。具体的には、保持基体支持部１２５は、筐体１２３の保持面１２３ａと垂直な軸線の周方向（図２に示すＲ１方向、この方向を横方向と呼ぶ）に回転可能な部分１２５ａ（横方向追尾軸）を有しており、保持基体１２４を当該方向に作動可能とする。また、保持基体支持部１２５は、保持基体１２４の筒状部材１２４ａを、筐体１２３の保持面１２３ａと平行かつ光軸と垂直な軸線方向（縦方向追尾軸、図２及び図３に示す支持点１２５ｂ）の径の２点で、回転可能なように支えており、当該２つの支持点１２５ｂによる回転軸とした周方向（図２に示すＲ２方向、この方向を縦方向と呼ぶ）に作動可能とする。なお、上記の作動は、後述するアクチュエータ１２８，１２９を駆動させることにより行われる。
【００３９】
ビームスプリッタ１２６は、保持基体１２４の筒状部材１２４ａ内の、信号光の経路におけるレンズ１２２と光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂとの間に設けられる。レンズ１２２により受光された信号光の一部を反射させ、信号光方向検出器１２７に入射させる。なお、反射される光の光路と受光された信号光の光路とが垂直になるよう、ビームスプリッタ１２６は、反射面が信号光の光軸と４５°となるように設置するのがよい。
【００４０】
信号光方向検出器１２７は、ビームスプリッタ１２６により反射された信号光を受光し、受光した反射光から、光ファイバ１２１に入射する信号光の方向を検出する。信号光方向検出器１２７は、筒状部材１２４ａの外壁に固定され設けられる検出器格納部１２４ｃ内に位置決めして設置される。なお、筒状部材１２４ａには、信号光方向検出器１２７で反射光を受光できるように、反射光の経路上に、開口部が設けられる。筒状部材１２４ａと筐体１２３の保持面１２３ａとの間には保持板１２４ｂ等が設けられているので、信号光方向検出器１２７は、保持面１２３ａとは逆側に設けられることが好ましい。即ち、ビームスプリッタ１２６による反射光は、保持面１２３ａとは逆側に向かうものであることとするのがよい。検出された信号光の方向の情報は、アクチュエータ１２８，１２９に送信される。具体的には、信号光方向検出器１２７としては、四分割フォトダイオード等のセンサを用いることが好ましい。
【００４１】
縦方向アクチュエータ１２８は筐体１２３の保持面１２３ａに対して固定されており、その駆動部１２８ａが、保持基体１２４の保持板１２４ｂの後端部１２４ｅを挟み込んで保持基体１２４に固定されている。縦方向アクチュエータ１２８を図２に示すＲ３方向に駆動させることにより、保持基体を縦方向（Ｒ２方向）に作動させることができる。また、横方向アクチュエータ１２９は筐体１２３の側面１２３ｂに対して固定されており、駆動部１２９ａが、保持基体１２４の保持板１２４ｂの後端部１２４ｅを挟み込んで保持基体１２４に固定されている。横方向アクチュエータ１２９を図３に示すＲ４方向に駆動させることにより、保持基体を横方向（Ｒ１方向）に作動させることができる。
【００４２】
縦方向及び横方向アクチュエータ１２８，１２９は、信号光方向検出器１２７から受光した信号光の方向の情報を受信し、その情報に基づいて、適切な方向（レンズ１２２の受光面と信号光の方向がほぼ垂直となり、レンズ１２２により集光された信号光が光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂに入射する方向）で信号光を受光できるように、保持基体１２４の方向を調整し信号光の光軸を調整する。即ち、アクチュエータ１２８，１２９は、信号光の方向に基づきレンズ１２２と光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂとの間の信号光の光軸を調整する調整手段である。
【００４３】
光無線通信装置１０は、以下のように動作する。まず、光ファイバネットワーク２０に接続された端末等から、光無線通信先のネットワークの端末等に情報を送信するために光無線通信装置１０から信号光が投光される場合を説明する。
【００４４】
光無線通信装置１０では、光ファイバネットワーク２０から光無線通信装置１０に入力される信号光が、光ファイバアンプ１３に入力される。信号光は、空間光通信に耐えうるよう、光ファイバアンプ１３により増幅される。なお信号光は、具体的には最大５００ｍＷ程度まで増幅されることが好ましい。
【００４５】
光ファイバアンプ１３から出力された信号光は、サーキュレータ１１の第１の端子１１ａに入力され第２の端子１１ｂから出力される。第２の端子１１ｂから出力された信号光は、光ファイバ１２１の第１の端面１２１ａに入力され光ファイバ１２１内を伝搬し第２の端面１２１ｂから出射される。なお、第２の端面１２１ｂには、上述したように戻り光防止処理がなされているので、第２の端面１２１ｂで信号光が反射して、レンズ１２２により受光され第２の端面１２１ｂに集光され入射される信号光と混信することを防止する。第２の端面１２１ｂから出射された信号光はレンズ１２２により平行光にされ通信相手の光無線通信装置に投光される。
【００４６】
次に、通信相手の光無線通信装置により投光された信号光が光無線通信装置１０により受光される場合を説明する。光無線通信装置１０では、通信相手の光無線通信装置により投光された信号光がレンズ１２２により受光される。受光された信号光の一部は、ビームスプリッタ１２６により反射され信号光方向検出器１２７に入射される。信号光方向検出器１２７は反射光を受光して検出し、当該検出状態からレンズ１２２により受光された信号光の方向を検出する。検出された信号光の方向の情報は縦方向及び横方向アクチュエータ１２８，１２９に送信され、縦方向及び横方向アクチュエータ１２８，１２９により、保持基体１２４の方向を調整することにより、適切にレンズ１２２により信号光が受光されるようにする。即ち、レンズ１２２と第２の端面１２１ｂとの間の信号光の光軸が、受光された信号光が第２の端面１２１ｂに適切に集光され入射されるように調整される。
【００４７】
受光された信号光の残りは、光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂに集光され入射される。入射された光は、光ファイバ１２１内を伝搬し第１の端面１２１ａから出力される。第１の端面１２１ａから出力された信号光は、サーキュレータの第２の端面１１ｂに入力され、第３の端面１１ｃから出力される。
【００４８】
出力された信号光は、光カプラ１４に入力され、その一部が信号光パワー検出部１５に、残部が光ファイバアンプ１７に入力される。信号光パワー検出部１５では、信号光のパワーの値が検出され、検出された値の情報が制御部１６に送信される。制御部１６では、パワーの値が検出された信号光を一定のパワーの値で出力されるよう光増幅するように光ファイバアンプ１７に対する制御が行われる。光ファイバアンプ１７に入力された信号光は、上記のような制御を受けた光ファイバアンプ１７により、一定のパワーになるよう光増幅されて出力され、光ファイバネットワーク２０に入力される。
【００４９】
上述したように、本実施形態によれば、投光する信号光及び受光した信号光を共通の光ファイバにより伝送し投光と受光とを共通の機構を用いて行うことを可能とした簡易な構成の光無線通信装置１０を実現することができる。また、本実施形態によれば、光ファイバネットワーク２０内での信号光を直接投光することができ、空間を伝播した光信号を光ファイバネットワーク２０に直接入力することができる。即ち光ファイバネットワークとのシームレスな接続を可能とし世の中に普及している数々の光ファイバ通信技術を使用できる。例えば１０Ｇｂｐｓ以上の光通信が可能となる。
【００５０】
また、本実施形態のようにレンズ１２２を１枚の非球面レンズとすれば、軽量化を図ることができ、アクチュエータ１２８，１２９による調整を容易にすることができる。また、１枚の非球面レンズでなくても、アクチュエータにより光軸線の制御が可能であれば、従来の３枚の球面レンズを用いた構成等、様々な構成を用いてよい。また、１０μｍ程度のコア径のシングルモードファイバのコアに、１００ｍ以上の距離の光無線通信装置間の空間を伝搬した信号光を効率よく集光させるのは通常困難である。しかし、非球面レンズの設計パラメータを、上述したように光ファイバ１２１のＮＡやレーザ安全性を考慮して適切に決定すれば、効率のよい集光を可能とする。
【００５１】
また、本実施形態のように光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂに戻り光防止処理を施すこととすれば、第１の端面１２１ａから光ファイバ１２１に入力され投光されるべき信号光が第２の端面で反射し、受光された信号光と混信することを防止することができる。但し、戻り光が受光された信号光と比べて無視できるパワーである場合等は、必ずしも戻り光防止処理を施す必要はない。
【００５２】
また、本実施形態のように、第２の端面１２１ｂを含む光ファイバ１２１の端部１２１ｄのレンズ１２２の光軸に対する角度（図６におけるθ３）を、上述したように適切に設定すれば、光路のずれを発生させずに適切に信号光の送受信を行うことができる。光路のずれが発生しないことにより、信号光の送信においては信号光が十分にレンズに入射し高い送信効率を実現することができる。また、信号光の受信においては適切に信号光が光ファイバ１２１に入射し、また収差を抑えることができ高い受信効率を実現することができる。
【００５３】
また、本実施形態のように信号光の方向を検出し検出された方向に基づき光軸を調整することとすれば、信号光を確実に投受光することができる。また、信号光の方向の検出は、実施容易性、装置構成の簡素化等の観点から、本実施形態のようなビームスプリッタ１２６及び信号光方向検出器１２７を用いて行うことが好ましい。同様に光軸の調整は、本実施形態のようなアクチュエータ１２８，１２９を用いて光学系の位置及び方向を調整することにより行うことが好ましい。また、通信相手の光無線通信装置が固定となっている場合等、光軸の調整が不要な場合は上記の構成を設けなくてもよい。
【００５４】
また、本実施形態のように、光ファイバアンプ１３により投光する信号光を光増幅させることとすれば、投光した信号光が通信相手の光無線通信装置によって受光される場合に、より充分なパワーで受光させることができる。
【００５５】
また、本実施形態のように、光カプラ１４、信号光パワー検出部１５、制御部１６及び光ファイバアンプ１７等の構成を用いて、光ファイバネットワーク２０に出力される信号光のパワーを制御することとすれば、受光した信号光のパワーの値が小さい場合にも、信号光を安定的なパワーで出力することができる。なお、通信相手の光無線通信装置から送信される信号光のパワーの値が充分大きく、安定的なパワーで信号光を受光できる場合等は、上記の構成は必ずしも必要ない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施形態に係る光無線通信装置の構成を示す図である。
【図２】信号光投受光部の側面からの断面を示す図である。
【図３】信号光投受光部の上面からの断面を示す図である。
【図４】光ファイバの第２の端面を示す図であり、（ａ）は戻り光防止処理が施された端面を示し、（ｂ）は戻り光防止処理が施されていない端面を示す。
【図５】光ファイバの第２の端面に対し斜め研磨を行った場合の当該端面の近傍を示す図である。
【図６】光ファイバの第２の端面に対し斜め研磨を行った場合の光ファイバとレンズとの位置関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０…光無線通信装置、１１…サーキュレータ、１１ａ…第１の端子、１１ｂ…第２の端子、１１ｃ…第３の端子、１２…信号光投受光部、１２１…光ファイバ、１２１ａ…第１の端面、１２１ｂ…第２の端面、１２１ｃ…ＡＲコート膜、１２２…レンズ、１２３…筐体、１２３ａ…保持面、１２３ｂ…側面、１２４…保持基体、１２４ａ…筒状部材、１２４ｂ…保持板、１２４ｃ…検出器格納部、１２４ｄ…レンズ固定部、１２４ｅ…後端部、１２５…保持基体支持部、１２６…ビームスプリッタ、１２７…信号光方向検出器、１２８，１２９…アクチュエータ、１３，１７…光ファイバアンプ、１４…光カプラ、１５…信号光パワー検出部、１６…制御部、２０…光ファイバネットワーク。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空間光通信を行う技術が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平３‐６９３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記の特許文献１では、光ファイバネットワークの信号光を電気信号に変換せず直接空間光通信により送受信する技術が提案されている。しかしながら、上記特許文献１に記載された装置では、送信用光ファイバに対する光学系と受信用光ファイバに対する光学系とが必要となっており、装置構成が複雑となり装置の大型化、重量化を招く。
【０００４】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、より簡易な構成で信号光を無線光通信により送受信することを可能とする光無線通信装置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】
【０００５】
このような目的を達成するために、本発明による光無線通信装置は、第１、第２及び第３の端子を含み、当該第１の端子から入力された信号光を当該第２の端子に出力し、当該第２の端子から入力された信号光を当該第３の端子に出力するサーキュレータと、サーキュレータの第２の端子に接続された第１の端面と第２の端面とを有し、当該第２の端子から出力され当該第１の端面に入力される信号光を当該第２の端面から出射すると共に、当該第２の端面から入射される信号光を当該第１の端面から出力する光ファイバと、光ファイバの第２の端面から出射される信号光を無線通信信号として投光すると共に、無線通信信号として到達した信号光を受光して光ファイバの第２の端面に入射するレンズと、を備えることを特徴とする。
【０００６】
上記した光無線通信装置では、投光する信号光はサーキュレータの第１の端子に入力されて第２の端子から出力される。サーキュレータの第２の端子から出力された信号光は、光ファイバを伝搬しレンズから投光される。一方、受光する信号光は、レンズにより受光され光ファイバを伝搬してサーキュレータの第２の端子に入力される。サーキュレータの第２の端子に入力された信号光は、第３の端子から出力される。このように、本光無線通信装置では、投光する信号光及び受光する信号光を共通の光ファイバにより伝送し、投光と受光とを共通の機構を用いて行うことができ、上記のような簡易な構成で信号光を無線光通信により送受信することを可能とする。
【０００７】
また、レンズは非球面レンズであることが好ましい。この構成によれば、信号光の投光及び受光を行うためのレンズを１枚にすることができ、より簡易な構成とすることができる。
【０００８】
また、光ファイバは、第１の端面から入力された信号光が第１の端面に戻ることを防止する戻り光防止処理がなされていることが好ましい。この構成によれば、第１の端面から光ファイバに入力され投光されるべき信号光が光ファイバ内で戻り、受光された信号光と混信することを防止することができる。また、戻り光防止処理は、光ファイバの第２の端面になされたＡＲ（Anti Reflection）コート処理であることが好ましい。
【０００９】
また、戻り光防止処理は、光ファイバの第２の端面が光軸方向に対して斜めになっていることであることが好ましい。特にこの場合、第２の端面を含む光ファイバの端部のレンズの光軸に対する角度は、当該光ファイバのコアの屈折率、及び当該光ファイバと当該レンズとの間の信号光の光路における屈折率に基づいて、当該第２の端面から出射される信号光の光路が当該レンズの光軸と一致するように定められることが好ましい。この構成によれば、光無線通信装置における光学系の光軸に対する信号光の光路のずれを発生させずに適切に信号光の送受信を行うことができる。
【００１０】
また、光無線通信装置は、レンズにより受光された信号光の方向を検出する方向検出手段と、方向検出手段により検出された信号光の方向に基づきレンズと光ファイバの第２の端面との間の信号光の光軸を調整する調整手段と、を更に備えることが好ましい。この構成によれば、信号光を確実に投受光することができる。また、光無線通信装置は、信号光の経路における光ファイバの第２の端面とレンズとの間に設けられ、レンズにより受光された信号光の一部を反射させるビームスプリッタを更に備え、方向検出手段は、ビームスプリッタにより反射された信号光を検出し、当該検出状態からレンズにより受光された信号光の方向を検出する、ことが好ましい。
【００１１】
また、光無線通信装置は、入力される信号光を光増幅して出力して光サーキュレータの第１の端子に入力する光増幅器を更に備えることが好ましい。この構成によれば、投光する信号光のパワーを増幅するので、投光した信号光が他の光無線通信装置によって受光される場合に、より充分なパワーで受光させることができる。
【００１２】
また、光無線通信装置は、サーキュレータの第３の端子から出力される信号光のパワーの値を検出する信号光パワー検出手段と、信号光パワー検出手段により検出される値を参照して、サーキュレータの第３の端子から出力される信号光のパワーを制御する信号光パワー制御手段と、を更に備えることが好ましい。この構成によれば、受光した信号光のパワーの値が小さい場合にも、信号光を安定的なパワーで出力することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、投光する信号光及び受光する信号光を共通の光ファイバにより伝送し、投光と受光とを共通の光学系を用いて行うことができ、上記のような簡易な構成で信号光を無線光通信により送受信することを可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面とともに本発明による光無線通信装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１５】
図１は、本発明による光無線通信装置１０の実施形態を概略的に示す構成図である。光無線通信装置１０は、光ファイバネットワーク２０から信号光を入力し、その信号光を通信相手の光無線通信装置（本発明による光無線通信装置１０と同様の構成であっても、同様の構成でなくてもよい）に対して無線通信信号として投光する。また、通信相手の光無線通信装置により無線通信信号として投光された信号光を受光し、光ファイバネットワーク２０に出力する。なお、通信相手の光無線通信装置及び光無線通信装置１０は、通信可能なように互いに投受光可能な位置に設置されている。光ファイバネットワーク２０は、光ファイバを含んで構成された通信網であり、信号が光によって伝達される。
【００１６】
光無線通信装置１０により投受光される光としては、１．５５μｍ帯の波長のレーザ光を用いることが好ましい。このレーザ光の波長は、これまで開発されている光無線通信装置で用いられる光の波長７５０ｎｍ〜８５０ｎｍとは異なるが、光ファイバネットワークで標準的に使用されているものである。従って、通常の光ファイバネットワークでの信号光をそのまま光無線に利用することができ、光ファイバネットワークとの親和性が高い。また、この１．５５μｍ帯の波長は目に安全な波長帯であるので、投受光する信号光の高出力化を可能とする。
【００１７】
以下、光無線通信装置１０の構成を説明する。図１に示すように、光無線通信装置１０は、サーキュレータ１１と、信号光投受光部１２と、光ファイバアンプ１３と、光カプラ１４と、信号光パワー検出部１５と、制御部１６と、光ファイバアンプ１７とを備える。
【００１８】
サーキュレータ１１は、第１の端子１１ａと、第２の端子１１ｂと、第３の端子１１ｃとを含んで構成されている。第１の端子１１ａは、光ファイバアンプ１３に接続されており、光ファイバアンプ１３から出力される信号光を入力する。第２の端子１１ｂは、信号光投受光部１２に接続されている。第３の端子１１ｃは、光カプラ１４に接続されており、出力する信号光を光カプラ１４に入力する。サーキュレータ１１は、第１の端子１１ａから入力された信号光を第２の端子１１ｂに出力する。また、サーキュレータ１１は、第２の端子１１ｂから入力された信号光を第３の端子１１ｃに出力する。
【００１９】
信号光投受光部１２は、光ファイバ１２１とレンズ１２２とを含んで構成される。信号光投受光部１２は、サーキュレータ１１の第２の端子１１ｂから出力された信号光を、光ファイバ１２１を伝搬させて、レンズ１２２により、通信相手の光無線通信装置に対して投光する。また、信号光投受光部１２は、通信相手の光無線通信装置により投光され到達した信号光を、レンズ１２２により受光し、光ファイバ１２１を伝搬させてサーキュレータ１１の第２の端子１１ｂに入力する。光ファイバ１２１は、第１の端面１２１ａと第２の端面１２１ｂとを含んでいる。第１の端面１２１ａはサーキュレータ１１の第２の端子１１ｂに接続されており、サーキュレータ１１の第２の端子１１ｂから出力された信号光を第１の端面１２１ａに入力し第２の端面１２１ｂから出射する。また、レンズ１２２により受光された信号光を第２の端面１２１ｂに入射し第１の端面１２１ａから出力する。信号光投受光部１２のより詳細な構成については後述する。
【００２０】
光ファイバアンプ１３は、光ファイバネットワーク２０に接続されており、通信相手の光無線通信装置に送信するために光ファイバネットワーク２０から入力される信号光を増幅して出力する。この増幅は信号光が大気中を伝搬する際の減衰を考慮して、信号光を無線光通信に耐えうるパワーにするためのものである。なお、光ファイバアンプ１３は、光ファイバを用いない光増幅器等により代替されてもよい。また、光ファイバネットワーク２０から入力される信号光のパワーの値が充分大きく、無線光通信に耐えうるものである場合、光ファイバアンプ１３は必ずしも光無線通信装置１０に備えられている必要はない。
【００２１】
光カプラ１４は、サーキュレータ１１の第３の端子１１ｃから出力された信号光を入力し、その信号光の一部を分岐して信号光パワー検出部１５に出力し、残部を光ファイバアンプ１７に出力する。
【００２２】
信号光パワー検出部１５は、サーキュレータ１１の第３の端子１１ｃから出力され光カプラ１４により分岐された信号光のパワーの値を検出する。光カプラ１４と信号光パワー検出部１５とは、サーキュレータ１１の第３の端子１１ｃから出力される信号光のパワーの値を検出する信号光パワー検出手段の役割を果たす。検出された信号光のパワーの情報は、制御部１６に送信される。
【００２３】
制御部１６は、信号光パワー検出部１５により検出される値を参照して、光ファイバアンプ１７から出力される信号光のパワーを制御する。この制御は、光ファイバネットワーク２０に入力される信号光の安定化を図るために行われ、例えば信号光のパワーの値を一定にする制御が相当する。
【００２４】
光ファイバアンプ１７は、制御部１６の制御を受けて、光カプラ１４から入力される信号光を増幅して、光ファイバネットワーク２０に出力する。なお、光ファイバアンプ１７は、光ファイバアンプ１３と同様、光ファイバを用いない光増幅器等により代替されてもよい。制御部１６と光ファイバアンプ１７とは、サーキュレータ１１の第３の端子１１ｃから出力され光ファイバアンプ１７から光ファイバネットワーク２０に出力される信号光のパワーを制御する信号光パワー制御手段の役割を果たす。
【００２５】
引き続いて信号光投受光部１２の構成を説明する。図２に信号光投受光部１２の側面からの断面を示す。また、図３に信号光投受光部１２の上面からの断面を示す。信号光投受光部１２は、信号光を投光及び受光する面が開けられた箱型の筐体１２３を有している。信号光投受光部１２は、筐体１２３内に、光ファイバ１２１と、レンズ１２２と、保持基体１２４と、保持基体支持部１２５と、ビームスプリッタ１２６と、信号光方向検出器１２７と、縦方向アクチュエータ１２８と、横方向アクチュエータ１２９とを備える。なお、サーキュレータ１１、光ファイバアンプ１３，１７、光カプラ１４、信号光パワー検出部１５及び制御部１６は、その何れか又は全てが筐体１２３に含まれていてもよい。
【００２６】
光ファイバ１２１は、第２の端面１２１ｂから出射される信号光がレンズ１２２により平行光にされ投光されると共に、レンズ１２２により受光される信号光が第２の端面１２１ｂに入射されるように、保持基体１２４に固定される。光信号の伝搬効率を考慮し、光ファイバ１２１として、シングルモード光ファイバが用いられることが好ましい。
【００２７】
光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂは、図４（ａ）に示すように、戻り光防止処理をされていることが好ましい。戻り光防止処理とは、第１の端面１２１ａから入力された信号光が、第２の端面１２１ｂから光無線通信装置１０内の大気中に出射されずに、図４（ｂ）に示すように第２の端面１２１ｂで反射し第１の端面１２１ａに戻ることを防止する端面処理のことである。
【００２８】
戻り光防止処理がなされていないと、図４（ｂ）に示すように、出力される信号光の一部が光ファイバ１２１のコアと大気との屈折率の差により第２の端面１２１ｂで反射してしまうことがある。この反射光はレンズ１２２により受光された信号光と同様の経路を伝ってサーキュレータ１１の第２の端子１１ｂに入力され、第３の端子１１ｃに出力される。反射光のパワーが受光された信号光よりも十分小さい場合は問題ないが、多くの場合、この反射光はエラー耐性に対しての影響を無視できないものとなる。戻り光防止処理は、この反射光をできるだけ少なくし、反射光と受光された信号光とが混信することを防止するためのものである。戻り光防止処理は、具体的には、図４（ａ）に示すように信号光の反射を防止する薄膜１２１ｃをコーティングするＡＲコート処理であることが好ましい。また、図４（ａ）に示すように、光軸方向に対して斜め研磨することであることが好ましい。反射光の発生を適切に防止するために、第２の端面１２１ｂの光ファイバ１２１の端部の光軸に対する角度は、例えば、８°程度とするのが好ましい。
【００２９】
上記のように、光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂを斜め研磨した場合、当該第２の端面１２１ｂを含む光ファイバ１２１の端部の光軸とレンズ１２２の光軸とが一致していると、上記光軸に対して、送受信される信号光の光路のずれが発生する。これは、図５に示すように、斜め研磨により第２の端面１２１ｂが光ファイバ１２１の端部１２１ｄの光軸に対して角度θ１をなしているとすると、光ファイバ１２１のコアの屈折率ｎ１と大気の屈折率（光ファイバ１２１とレンズ１２２との間の信号光の光路における屈折率）ｎ２との違いから、信号光の第２の端面１２１ｂへの入射角θ１と出射角θ２とが互いに異なった値となるためである。光路のずれが発生すると、信号光の送信においては、信号光が十分にレンズに入射せず送信効率が低下する。また、信号光の受信においても、適切に信号光が光ファイバ１２１に入射せず、また収差が発生する等して受信効率が低下する。
【００３０】
これに対処するため、図６に示すように、光ファイバ１２１の端部１２１ｄをレンズ１２２の光軸に対して所定の角度θ３で傾けて、保持基体１２４により位置決めされて固定されることにより光路のずれを防止することができる。この角度θ３及び位置は、第２の端面１２１ｂから出射される信号光の光路がレンズ１２２の光軸と一致するように定められる。上記のように角度θ３及び位置が定められると、レンズ１２２から出射され第２の端面１２１ｂに入射する信号光の光路が光ファイバ１２１の端部１２１ｄの光軸と一致する。
【００３１】
上記の所定の角度θ３は、第２の端面１２１ｂの角度θ１、光ファイバ１２１のコアの屈折率ｎ１及び大気の屈折率ｎ２に基づいて定めることができる。これらの値の間には、スネルの法則により、
ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２
の関係が成り立ち、θ１、θ２が十分に小さいとき、
ｎ１θ１＝ｎ２θ２
と近似できる。従って、信号光の第２の端面１２１ｂからの出射角θ２は、
θ２＝（ｎ１／ｎ２）θ１
となる。上記の式において、第２の端面１２１ｂが光ファイバ１２１の端部１２１ｄの光軸に対して角度θ１が上述のように８°であり、光ファイバ１２１のコアの屈折率ｎ１を１．５、大気の屈折率ｎ２を１．０とすると、信号光の第２の端面１２１ｂからの出射角θ２は１２°となる。従って、この条件の場合は、光ファイバ１２１の端部１２１ｄのレンズ１２２の光軸に対する角度θ３は、θ２−θ１＝１２−８＝４°とすればよい。また、このとき、光ファイバ１２１からの信号光の入出射が適切に行われるように、図６に示すようにレンズ１２２の光軸と光ファイバ１２１の光軸とが第２の端面１２１ｂで交差するように、レンズ１２２及び光ファイバ１２１が位置決めして固定される。
【００３２】
レンズ１２２は、光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂから出射される信号光を平行光にして投光すると共に、受光した信号光を集光して第２の端面１２１ｂに入射するように、保持基体１２４の筒状部材１２４ａの一方の先端部で固定される。レンズ１２２は、光ファイバ１２１のＮＡ（Numerical Aperture）を考慮して、受光される信号光を第２の端面１２１ｂに入射できるものを用いる。また従来、レンズ１２２は例えば三枚玉が用いられるが、受光される信号光が第２の端面１２１ｂに入射できるように投受光面を非球面とした１枚の非球面レンズを用いるのが好ましい。この投受光面を適切に設計すれば、光ファイバ１２１とレンズ１２２との間での光路を１枚のレンズでも好適に制御することができる。
【００３３】
また本実施形態においては、レンズ１２２の他方の面は、図２に示すように平面とされており、この面が筒状部材１２４ａに対する位置決めに用いられている。上記のように１枚の非球面レンズを用いることとすれば、信号光投受光部１２を簡易な構成とすることができまた軽量化を図ることができる。また、このとき、後述のアクチュエータ１２８，１２９による調整が容易になる。また、レンズ１２２の径は、投光する信号光のパワーが５００ｍＷ程度の高いパワーの信号光でも、クラス１Ｍのレーザ安全基準を確保できるようにするのが好ましい。クラス１Ｍのレーザ安全基準を達成させるようにすると、レンズ１２２の焦点距離が長くなるが、レンズ１２２と光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂとの間にビームスプリッタ１２６を配置することで余計なレンズ等を排除し、小型化を実現することができる。
【００３４】
筐体１２３の内面のうち、信号光が通過する開口が設けられた面に垂直な面の１つが、保持基体１２４を設置するための保持面１２３ａとなっている。この保持面１２３ａに対し保持基体支持部１２５及び縦方向アクチュエータ１２８が固定される。また、筐体１２３は内側に保持面１２３ａと垂直な側面１２３ｂを有し、当該側面１２３ｂに対し横方向アクチュエータ１２９が固定される。
【００３５】
保持基体１２４は、光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂを含む端部及びレンズ１２２を、信号光を投受光可能なように光軸が合った状態で位置決めして、一体に保持する保持手段である。保持基体１２４は、レンズ１２２を保持する筒状部材１２４ａと、光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂを含む端部の固定等を行う保持板１２４ｂとを含んで構成されている。保持基体１２４は、筒状部材１２４ａの所定箇所で保持基体支持部１２５により、信号光の光軸（光ファイバ１２１の第２の端面からレンズ１２２への方向）を調整できるように作動可能な状態で支持されている。
【００３６】
筒状部材１２４ａは、その中心軸が光軸と略一致するように設置されており、投光方向にある一方の端部が開口している。また、筒状部材１２４ａの当該端部内側に設けられたレンズ固定部１２４ｄが、筒状部材１２４ａ内でレンズ１２２を位置決めして固定する。筒状部材１２４ａは、当該レンズ１２２が固定される端部が筐体１２３の開口面と同一の方向になるよう設けられる。筒状部材１２４ａと保持板１２４ｂとは互いに位置決めされた状態で一体となっており、保持板１２４ｂは、筒状部材１２４ａと筐体１２３の保持面１２３ａとの間に位置している。
【００３７】
また、保持板１２４ｂは、受光方向の筒状部材１２４ａの端面より受光方向側にせり出した台状の後端部１２４ｅを有している。保持板１２４ｂは、当該後端部１２４ｅで光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂを含む端部を、筒状部材１２４ａの受光方向の端部の後方に、位置決めして第２の端面１２１ｂが筒状部材の方向を向くよう固定する。また、筒状部材１２４ａの受光方向の端部には、筒状部材１２４ａの外側に配置された光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂから出射された光をレンズ１２２で受けられるよう、開口部が設けられている。以上の保持基体１２４の構成により、レンズ１２２と光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂとが、光軸が合った状態で位置決めされている。
【００３８】
保持基体支持部１２５は、筐体１２３の保持面１２３ａに対して固定されており、保持基体１２４を作動可能な状態で保持する。具体的には、保持基体支持部１２５は、筐体１２３の保持面１２３ａと垂直な軸線の周方向（図２に示すＲ１方向、この方向を横方向と呼ぶ）に回転可能な部分１２５ａ（横方向追尾軸）を有しており、保持基体１２４を当該方向に作動可能とする。また、保持基体支持部１２５は、保持基体１２４の筒状部材１２４ａを、筐体１２３の保持面１２３ａと平行かつ光軸と垂直な軸線方向（縦方向追尾軸、図２及び図３に示す支持点１２５ｂ）の径の２点で、回転可能なように支えており、当該２つの支持点１２５ｂによる回転軸とした周方向（図２に示すＲ２方向、この方向を縦方向と呼ぶ）に作動可能とする。なお、上記の作動は、後述するアクチュエータ１２８，１２９を駆動させることにより行われる。
【００３９】
ビームスプリッタ１２６は、保持基体１２４の筒状部材１２４ａ内の、信号光の経路におけるレンズ１２２と光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂとの間に設けられる。レンズ１２２により受光された信号光の一部を反射させ、信号光方向検出器１２７に入射させる。なお、反射される光の光路と受光された信号光の光路とが垂直になるよう、ビームスプリッタ１２６は、反射面が信号光の光軸と４５°となるように設置するのがよい。
【００４０】
信号光方向検出器１２７は、ビームスプリッタ１２６により反射された信号光を受光し、受光した反射光から、光ファイバ１２１に入射する信号光の方向を検出する。信号光方向検出器１２７は、筒状部材１２４ａの外壁に固定され設けられる検出器格納部１２４ｃ内に位置決めして設置される。なお、筒状部材１２４ａには、信号光方向検出器１２７で反射光を受光できるように、反射光の経路上に、開口部が設けられる。筒状部材１２４ａと筐体１２３の保持面１２３ａとの間には保持板１２４ｂ等が設けられているので、信号光方向検出器１２７は、保持面１２３ａとは逆側に設けられることが好ましい。即ち、ビームスプリッタ１２６による反射光は、保持面１２３ａとは逆側に向かうものであることとするのがよい。検出された信号光の方向の情報は、アクチュエータ１２８，１２９に送信される。具体的には、信号光方向検出器１２７としては、四分割フォトダイオード等のセンサを用いることが好ましい。
【００４１】
縦方向アクチュエータ１２８は筐体１２３の保持面１２３ａに対して固定されており、その駆動部１２８ａが、保持基体１２４の保持板１２４ｂの後端部１２４ｅを挟み込んで保持基体１２４に固定されている。縦方向アクチュエータ１２８を図２に示すＲ３方向に駆動させることにより、保持基体を縦方向（Ｒ２方向）に作動させることができる。また、横方向アクチュエータ１２９は筐体１２３の側面１２３ｂに対して固定されており、駆動部１２９ａが、保持基体１２４の保持板１２４ｂの後端部１２４ｅを挟み込んで保持基体１２４に固定されている。横方向アクチュエータ１２９を図３に示すＲ４方向に駆動させることにより、保持基体を横方向（Ｒ１方向）に作動させることができる。
【００４２】
縦方向及び横方向アクチュエータ１２８，１２９は、信号光方向検出器１２７から受光した信号光の方向の情報を受信し、その情報に基づいて、適切な方向（レンズ１２２の受光面と信号光の方向がほぼ垂直となり、レンズ１２２により集光された信号光が光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂに入射する方向）で信号光を受光できるように、保持基体１２４の方向を調整し信号光の光軸を調整する。即ち、アクチュエータ１２８，１２９は、信号光の方向に基づきレンズ１２２と光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂとの間の信号光の光軸を調整する調整手段である。
【００４３】
光無線通信装置１０は、以下のように動作する。まず、光ファイバネットワーク２０に接続された端末等から、光無線通信先のネットワークの端末等に情報を送信するために光無線通信装置１０から信号光が投光される場合を説明する。
【００４４】
光無線通信装置１０では、光ファイバネットワーク２０から光無線通信装置１０に入力される信号光が、光ファイバアンプ１３に入力される。信号光は、空間光通信に耐えうるよう、光ファイバアンプ１３により増幅される。なお信号光は、具体的には最大５００ｍＷ程度まで増幅されることが好ましい。
【００４５】
光ファイバアンプ１３から出力された信号光は、サーキュレータ１１の第１の端子１１ａに入力され第２の端子１１ｂから出力される。第２の端子１１ｂから出力された信号光は、光ファイバ１２１の第１の端面１２１ａに入力され光ファイバ１２１内を伝搬し第２の端面１２１ｂから出射される。なお、第２の端面１２１ｂには、上述したように戻り光防止処理がなされているので、第２の端面１２１ｂで信号光が反射して、レンズ１２２により受光され第２の端面１２１ｂに集光され入射される信号光と混信することを防止する。第２の端面１２１ｂから出射された信号光はレンズ１２２により平行光にされ通信相手の光無線通信装置に投光される。
【００４６】
次に、通信相手の光無線通信装置により投光された信号光が光無線通信装置１０により受光される場合を説明する。光無線通信装置１０では、通信相手の光無線通信装置により投光された信号光がレンズ１２２により受光される。受光された信号光の一部は、ビームスプリッタ１２６により反射され信号光方向検出器１２７に入射される。信号光方向検出器１２７は反射光を受光して検出し、当該検出状態からレンズ１２２により受光された信号光の方向を検出する。検出された信号光の方向の情報は縦方向及び横方向アクチュエータ１２８，１２９に送信され、縦方向及び横方向アクチュエータ１２８，１２９により、保持基体１２４の方向を調整することにより、適切にレンズ１２２により信号光が受光されるようにする。即ち、レンズ１２２と第２の端面１２１ｂとの間の信号光の光軸が、受光された信号光が第２の端面１２１ｂに適切に集光され入射されるように調整される。
【００４７】
受光された信号光の残りは、光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂに集光され入射される。入射された光は、光ファイバ１２１内を伝搬し第１の端面１２１ａから出力される。第１の端面１２１ａから出力された信号光は、サーキュレータの第２の端面１１ｂに入力され、第３の端面１１ｃから出力される。
【００４８】
出力された信号光は、光カプラ１４に入力され、その一部が信号光パワー検出部１５に、残部が光ファイバアンプ１７に入力される。信号光パワー検出部１５では、信号光のパワーの値が検出され、検出された値の情報が制御部１６に送信される。制御部１６では、パワーの値が検出された信号光を一定のパワーの値で出力されるよう光増幅するように光ファイバアンプ１７に対する制御が行われる。光ファイバアンプ１７に入力された信号光は、上記のような制御を受けた光ファイバアンプ１７により、一定のパワーになるよう光増幅されて出力され、光ファイバネットワーク２０に入力される。
【００４９】
上述したように、本実施形態によれば、投光する信号光及び受光した信号光を共通の光ファイバにより伝送し投光と受光とを共通の機構を用いて行うことを可能とした簡易な構成の光無線通信装置１０を実現することができる。また、本実施形態によれば、光ファイバネットワーク２０内での信号光を直接投光することができ、空間を伝播した光信号を光ファイバネットワーク２０に直接入力することができる。即ち光ファイバネットワークとのシームレスな接続を可能とし世の中に普及している数々の光ファイバ通信技術を使用できる。例えば１０Ｇｂｐｓ以上の光通信が可能となる。
【００５０】
また、本実施形態のようにレンズ１２２を１枚の非球面レンズとすれば、軽量化を図ることができ、アクチュエータ１２８，１２９による調整を容易にすることができる。また、１枚の非球面レンズでなくても、アクチュエータにより光軸線の制御が可能であれば、従来の３枚の球面レンズを用いた構成等、様々な構成を用いてよい。また、１０μｍ程度のコア径のシングルモードファイバのコアに、１００ｍ以上の距離の光無線通信装置間の空間を伝搬した信号光を効率よく集光させるのは通常困難である。しかし、非球面レンズの設計パラメータを、上述したように光ファイバ１２１のＮＡやレーザ安全性を考慮して適切に決定すれば、効率のよい集光を可能とする。
【００５１】
また、本実施形態のように光ファイバ１２１の第２の端面１２１ｂに戻り光防止処理を施すこととすれば、第１の端面１２１ａから光ファイバ１２１に入力され投光されるべき信号光が第２の端面で反射し、受光された信号光と混信することを防止することができる。但し、戻り光が受光された信号光と比べて無視できるパワーである場合等は、必ずしも戻り光防止処理を施す必要はない。
【００５２】
また、本実施形態のように、第２の端面１２１ｂを含む光ファイバ１２１の端部１２１ｄのレンズ１２２の光軸に対する角度（図６におけるθ３）を、上述したように適切に設定すれば、光路のずれを発生させずに適切に信号光の送受信を行うことができる。光路のずれが発生しないことにより、信号光の送信においては信号光が十分にレンズに入射し高い送信効率を実現することができる。また、信号光の受信においては適切に信号光が光ファイバ１２１に入射し、また収差を抑えることができ高い受信効率を実現することができる。
【００５３】
また、本実施形態のように信号光の方向を検出し検出された方向に基づき光軸を調整することとすれば、信号光を確実に投受光することができる。また、信号光の方向の検出は、実施容易性、装置構成の簡素化等の観点から、本実施形態のようなビームスプリッタ１２６及び信号光方向検出器１２７を用いて行うことが好ましい。同様に光軸の調整は、本実施形態のようなアクチュエータ１２８，１２９を用いて光学系の位置及び方向を調整することにより行うことが好ましい。また、通信相手の光無線通信装置が固定となっている場合等、光軸の調整が不要な場合は上記の構成を設けなくてもよい。
【００５４】
また、本実施形態のように、光ファイバアンプ１３により投光する信号光を光増幅させることとすれば、投光した信号光が通信相手の光無線通信装置によって受光される場合に、より充分なパワーで受光させることができる。
【００５５】
また、本実施形態のように、光カプラ１４、信号光パワー検出部１５、制御部１６及び光ファイバアンプ１７等の構成を用いて、光ファイバネットワーク２０に出力される信号光のパワーを制御することとすれば、受光した信号光のパワーの値が小さい場合にも、信号光を安定的なパワーで出力することができる。なお、通信相手の光無線通信装置から送信される信号光のパワーの値が充分大きく、安定的なパワーで信号光を受光できる場合等は、上記の構成は必ずしも必要ない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施形態に係る光無線通信装置の構成を示す図である。
【図２】信号光投受光部の側面からの断面を示す図である。
【図３】信号光投受光部の上面からの断面を示す図である。
【図４】光ファイバの第２の端面を示す図であり、（ａ）は戻り光防止処理が施された端面を示し、（ｂ）は戻り光防止処理が施されていない端面を示す。
【図５】光ファイバの第２の端面に対し斜め研磨を行った場合の当該端面の近傍を示す図である。
【図６】光ファイバの第２の端面に対し斜め研磨を行った場合の光ファイバとレンズとの位置関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０…光無線通信装置、１１…サーキュレータ、１１ａ…第１の端子、１１ｂ…第２の端子、１１ｃ…第３の端子、１２…信号光投受光部、１２１…光ファイバ、１２１ａ…第１の端面、１２１ｂ…第２の端面、１２１ｃ…ＡＲコート膜、１２２…レンズ、１２３…筐体、１２３ａ…保持面、１２３ｂ…側面、１２４…保持基体、１２４ａ…筒状部材、１２４ｂ…保持板、１２４ｃ…検出器格納部、１２４ｄ…レンズ固定部、１２４ｅ…後端部、１２５…保持基体支持部、１２６…ビームスプリッタ、１２７…信号光方向検出器、１２８，１２９…アクチュエータ、１３，１７…光ファイバアンプ、１４…光カプラ、１５…信号光パワー検出部、１６…制御部、２０…光ファイバネットワーク。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２及び第３の端子を含み、当該第１の端子から入力された信号光を当該第２の端子に出力し、当該第２の端子から入力された信号光を当該第３の端子に出力するサーキュレータと、
前記サーキュレータの第２の端子に接続された第１の端面と第２の端面とを有し、当該サーキュレータの第２の端子から出力され当該第１の端面に入力される信号光を当該第２の端面から出射すると共に、当該第２の端面から入射される信号光を当該第１の端面から出力する光ファイバと、
前記光ファイバの第２の端面から出射される信号光を無線通信信号として投光すると共に、無線通信信号として到達した信号光を受光して前記光ファイバの第２の端面に入射するレンズと、
を備える光無線通信装置。
【請求項２】
前記レンズは非球面レンズであることを特徴とする請求項１に記載の光無線通信装置。
【請求項３】
前記光ファイバは、前記第１の端面から入力された信号光が当該第１の端面に戻ることを防止する戻り光防止処理がなされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光無線通信装置。
【請求項４】
前記戻り光防止処理は、前記光ファイバの第２の端面になされたＡＲコート処理であることを特徴とする請求項３に記載の光無線通信装置。
【請求項５】
前記戻り光防止処理は、前記光ファイバの第２の端面が光軸方向に対して斜めになっていることであることを特徴とする請求項３又は４に記載の光無線通信装置。
【請求項６】
前記第２の端面を含む前記光ファイバの端部の前記レンズの光軸に対する角度は、当該光ファイバのコアの屈折率、及び当該光ファイバと当該レンズとの間の信号光の光路における屈折率に基づいて、当該第２の端面から出射される信号光の光路が当該レンズの光軸と一致するように定められることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光無線通信装置。
【請求項７】
前記レンズにより受光された信号光の方向を検出する方向検出手段と、
前記方向検出手段により検出された前記信号光の方向に基づき前記レンズと前記光ファイバの第２の端面との間の信号光の光軸を調整する調整手段と、
を更に備える請求項１〜６のいずれか一項に記載の光無線通信装置。
【請求項８】
信号光の経路における前記光ファイバの第２の端面と前記レンズとの間に設けられ、前記レンズにより受光された信号光の一部を反射させるビームスプリッタを更に備え、
前記方向検出手段は、前記ビームスプリッタにより反射された信号光を検出し、当該検出状態から前記レンズにより受光された信号光の方向を検出する、
ことを特徴とする請求項７に記載の光無線通信装置。
【請求項９】
入力される信号光を光増幅して出力して前記光サーキュレータの第１の端子に入力する光増幅器を更に備える請求項１〜８のいずれか一項に記載の光無線通信装置。
【請求項１０】
前記サーキュレータの第３の端子から出力される信号光のパワーの値を検出する信号光パワー検出手段と、
前記信号光パワー検出手段により検出される値を参照して、前記サーキュレータの第３の端子から出力される信号光のパワーを制御する信号光パワー制御手段と、
を更に備える請求項１〜９のいずれか一項に記載の光無線通信装置。
【請求項１】
第１、第２及び第３の端子を含み、当該第１の端子から入力された信号光を当該第２の端子に出力し、当該第２の端子から入力された信号光を当該第３の端子に出力するサーキュレータと、
前記サーキュレータの第２の端子に接続された第１の端面と第２の端面とを有し、当該サーキュレータの第２の端子から出力され当該第１の端面に入力される信号光を当該第２の端面から出射すると共に、当該第２の端面から入射される信号光を当該第１の端面から出力する光ファイバと、
前記光ファイバの第２の端面から出射される信号光を無線通信信号として投光すると共に、無線通信信号として到達した信号光を受光して前記光ファイバの第２の端面に入射するレンズと、
を備える光無線通信装置。
【請求項２】
前記レンズは非球面レンズであることを特徴とする請求項１に記載の光無線通信装置。
【請求項３】
前記光ファイバは、前記第１の端面から入力された信号光が当該第１の端面に戻ることを防止する戻り光防止処理がなされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光無線通信装置。
【請求項４】
前記戻り光防止処理は、前記光ファイバの第２の端面になされたＡＲコート処理であることを特徴とする請求項３に記載の光無線通信装置。
【請求項５】
前記戻り光防止処理は、前記光ファイバの第２の端面が光軸方向に対して斜めになっていることであることを特徴とする請求項３又は４に記載の光無線通信装置。
【請求項６】
前記第２の端面を含む前記光ファイバの端部の前記レンズの光軸に対する角度は、当該光ファイバのコアの屈折率、及び当該光ファイバと当該レンズとの間の信号光の光路における屈折率に基づいて、当該第２の端面から出射される信号光の光路が当該レンズの光軸と一致するように定められることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光無線通信装置。
【請求項７】
前記レンズにより受光された信号光の方向を検出する方向検出手段と、
前記方向検出手段により検出された前記信号光の方向に基づき前記レンズと前記光ファイバの第２の端面との間の信号光の光軸を調整する調整手段と、
を更に備える請求項１〜６のいずれか一項に記載の光無線通信装置。
【請求項８】
信号光の経路における前記光ファイバの第２の端面と前記レンズとの間に設けられ、前記レンズにより受光された信号光の一部を反射させるビームスプリッタを更に備え、
前記方向検出手段は、前記ビームスプリッタにより反射された信号光を検出し、当該検出状態から前記レンズにより受光された信号光の方向を検出する、
ことを特徴とする請求項７に記載の光無線通信装置。
【請求項９】
入力される信号光を光増幅して出力して前記光サーキュレータの第１の端子に入力する光増幅器を更に備える請求項１〜８のいずれか一項に記載の光無線通信装置。
【請求項１０】
前記サーキュレータの第３の端子から出力される信号光のパワーの値を検出する信号光パワー検出手段と、
前記信号光パワー検出手段により検出される値を参照して、前記サーキュレータの第３の端子から出力される信号光のパワーを制御する信号光パワー制御手段と、
を更に備える請求項１〜９のいずれか一項に記載の光無線通信装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−９４４６５（Ｐ２００６−９４４６５Ａ）
【公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１６０２１１（Ｐ２００５−１６０２１１）
【出願日】平成１７年５月３１日（２００５．５．３１）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月３１日（２００５．５．３１）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]