特開 2024-6338 空間光通信装置、移動体、基地局及び通信システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024006338

(43)【公開日】2024-01-17

(54)【発明の名称】空間光通信装置、移動体、基地局及び通信システム

(51)【国際特許分類】

   H04B 10/112 20130101AFI20240110BHJP

【ＦＩ】

H04B10/112

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022107136

(22)【出願日】2022-07-01

(71)【出願人】

【識別番号】598121341

【氏名又は名称】慶應義塾

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】津田 裕之

(72)【発明者】

【氏名】古谷 達男

(72)【発明者】

【氏名】大北 百合絵

【テーマコード（参考）】

5K102

【Ｆターム（参考）】

5K102AA24

5K102AA25

5K102AL23

5K102AL28

5K102PD14

5K102PH38

(57)【要約】

【課題】多数の移動する装置間又は固定した装置から移動する装置との間で、ギガビット毎秒以上の伝送速度で、短時間に大容量の情報を、秘匿性を高くして送受信する空間光通信装置を提供する。
【解決手段】通信対象に送信光信号を送信し、前記通信対象から受信光信号を受信して、前記通信対象と通信する空間光通信装置であって、前記通信対象に向けて前記送信光信号の光線の方向を変更し、前記通信対象に前記送信光信号を送信する送信器と、前記通信対象から前記受信光信号を受信する受信器と、を備える空間光通信装置。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

通信対象に送信光信号を送信し、前記通信対象から受信光信号を受信して、前記通信対象と通信する空間光通信装置であって、
前記通信対象に向けて前記送信光信号の光線の方向を変更し、前記通信対象に前記送信光信号を送信する送信器と、
前記通信対象から前記受信光信号を受信する受信器と、
を備える、
空間光通信装置。

【請求項2】

前記送信器は、
前記送信光信号を生成する光生成部と、
前記光生成部から前記送信光信号が入力する入力光導波路と、複数の出力光導波路と、前記入力光導波路と前記複数の出力光導波路との間を切り替えて接続する光スイッチと、を有する光切替部と、
前記光切替部の外部に設けられ、前記複数の出力光導波路から出力される光が入射するレンズと、
を備え、
前記光スイッチにより、前記入力光導波路と接続される前記出力光導波路を切り替えることにより、前記送信光信号の光線の方向を切り替える、
請求項１に記載の空間光通信装置。

【請求項3】

前記送信器は、前記送信光信号のビーム径を変更する光ビーム径変更部を備える、
請求項１に記載の空間光通信装置。

【請求項4】

前記光ビーム径変更部は、
前記送信光信号を生成する光生成部と、
前記光生成部から前記送信光信号が入力する入力光導波路と、複数の出力光導波路と、前記入力光導波路と前記複数の出力光導波路との間を切り替えて接続する光スイッチと、を有する光切替部と、
前記出力光導波路の外部に設けられ、前記複数の出力光導波路のそれぞれが入力され、互いに焦点距離が異なる複数のレンズと、
を備え、
前記光スイッチにより、前記入力光導波路と接続される前記出力光導波路を切り替えることにより、前記送信光信号のビーム径を切り替える、
請求項３に記載の空間光通信装置。

【請求項5】

前記受信器は、複数の受光素子を備える、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の空間光通信装置。

【請求項6】

前記受信器は、受信方向を制御する方向制御部を備える、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の空間光通信装置。

【請求項7】

前記送信器は、複数の光ビーム生成部を備える、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の空間光通信装置。

【請求項8】

前記送信光信号は、持続時間が１０^－７秒から１０^－１秒のバースト信号である、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の空間光通信装置。

【請求項9】

請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の空間光通信装置と、
移動機構と、を備える、
移動体。

【請求項10】

光ビーコン部を更に備え、
前記光ビーコン部は、姿勢を示す複数の光源を備える、
請求項９に記載の移動体。

【請求項11】

請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の空間光通信装置を備える、
基地局。

【請求項12】

請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の空間光通信装置を備える移動体と、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の空間光通信装置を備える基地局と、
を備える、
通信システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、空間光通信装置、移動体、基地局及び通信システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１及び特許文献２のそれぞれには、地上局と人工衛星を結ぶ空間光通信装置が開示されている。特許文献１及び特許文献２のそれぞれに開示されている空間光通信装置における送受信器間の距離は、数十キロメートルから数万キロメートルである。特許文献１及び特許文献２のそれぞれに開示されている空間光通信装置は、大型の望遠鏡光学系により構成される。

【0003】

また、特許文献３及び特許文献４のそれぞれには、無線通信による多数のロボット制御方法が開示されている。

【0004】

さらに、特許文献５及び特許文献６のそれぞれには、広域に光を投射して位置確認する方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第６９２０７１０号公報

【特許文献2】特開２０２１－０２７４３７号公報

【特許文献3】特許第４５０５９９８号公報

【特許文献4】特開平０５－２３３０５９号公報

【特許文献5】国際公開第２０１７／１６９９１１号

【特許文献6】特開２００９－０５５４０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１及び特許文献２のそれぞれに開示されている空間光通信装置は、大型の望遠鏡光学系により構成されるため、地表又は水上を移動する装置、大気中を飛翔する装置、水中を移動する装置に搭載することが困難である。また、特許文献１及び特許文献２のそれぞれに開示されている空間光通信装置に用いられる人工衛星は軌道情報があるので、位置を推定することが可能である。しかしながら、一般の移動装置の位置は別の方法によって取得する必要がある。また、特許文献１及び特許文献２のそれぞれには、空間光通信を行うための軽量で高速に通信相手を追尾できる機構は開示されていない。

【0007】

また、特許文献３及び特許文献４のそれぞれに開示されている無線通信による多数のロボット制御方法において、無線通信は、搬送波の周波数が低いため、通信速度は高々数百メガビット毎秒にすぎない。また、無線通信は悪電磁環境下や水中では通信が困難であり、同時に多数の装置を動作させると混信して正常に通信できない場合や通信速度が低下する場合も生じる。さらに、無線通信は、通信を傍受されやすく秘匿性の高い通信は困難である。さらにまた、無線通信において、微弱電波以外は、法律の規制により利用可能な周波数帯が制限される。

【0008】

さらに、特許文献５及び特許文献６のそれぞれは、装置の姿勢を推定する方法は開示されていない。

【0009】

上述のような状況を鑑み、本開示は、多数の移動する装置間又は固定した装置から移動する装置との間で、ギガビット毎秒以上の伝送速度で、短時間に大容量の情報を、秘匿性を高くして送受信する空間光通信装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本開示の一態様では、通信対象に送信光信号を送信し、前記通信対象から受信光信号を受信して、前記通信対象と通信する空間光通信装置であって、前記通信対象に向けて前記送信光信号の光線の方向を変更し、前記通信対象に前記送信光信号を送信する送信器と、前記通信対象から前記受信光信号を受信する受信器と、を備える空間光通信装置が提供される。

【発明の効果】

【0011】

本開示の空間光通信装置によれば、複数の移動体間又は固定した基地局と移動体との間で、ギガビット毎秒以上の伝送速度で、短時間に大容量の情報を、秘匿性を高くして送受信できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、第１実施形態に係る空間光通信装置の使用状態を説明する図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る空間光通信装置における送信器の概略を説明する図である。

【図3】図３は、第１実施形態に係る空間光通信装置における送信器の構成を説明する図である。

【図4】図４は、第１実施形態に係る空間光通信装置における送信器の構成を説明する図である。

【図5】図５は、第１実施形態に係る空間光通信装置における受信器の概要を説明する図である。

【図6】図６は、第１実施形態に係る空間光通信装置における受信器の構成を説明する図である。

【図7】図７は、第１実施形態に係る空間光通信装置における受信器の構成を説明する図である。

【図8】図８は、第１実施形態に係る空間光通信装置における送信器及び受信器の光学系について説明する図である。

【図9】図９は、第２実施形態に係る空間光通信装置における送信器の概略を説明する図である。

【図10】図１０は、第２実施形態に係る空間光通信装置における送信器の概略を説明する図である。

【図11】図１１は、第２実施形態に係る空間光通信装置における送信器から送信される光ビームについて説明する図である。

【図12】図１２は、第３実施形態に係る空間光通信装置における送信器の概略を説明する図である。

【図13】図１３は、第３実施形態に係る空間光通信装置における送信器の概略を説明する図である。

【図14】図１４は、第３実施形態に係る空間光通信装置における送信器から送信される光ビームについて説明する図である。

【図15】図１５は、第４実施形態に係る空間光通信装置が使用される移動体について説明する図である。

【図16】図１６は、第４実施形態に係る空間光通信装置が使用される移動体について説明する図である。

【図17】図１７は、第４実施形態に係る空間光通信装置が使用される移動体における光ビーコン部について説明する図である。

【図18】図１８は、第５実施形態に係る空間光通信装置が使用される移動体及び基地局について説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【0014】

なお、各実施形態に係る明細書及び図面の記載に関して、実質的に同一の又は対応する機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省略する場合がある。また、理解を容易にするために、図面における各部の縮尺は、実際とは異なる場合がある。

【0015】

平行、直角、直交、水平、垂直、上下、左右及び前後等の方向には、実施形態の効果を損なわない程度のずれが許容される。角部の形状は、直角に限られず、弓状に丸みを帯びてもよい。平行、直角、直交、水平、垂直には、それぞれ略平行、略直角、略直交、略水平、略垂直が含まれてもよい。

【0016】

例えば、略平行は、２つの線あるいは２つの面が互いに完全に平行でなくても、製造上許容される範囲内で互いに平行として扱うことができることを意味する。他の略直角、略直交、略水平及び略垂直のそれぞれについても、略平行と同様に、２つの線又は２つの面の相互の位置関係が製造上許容される範囲内であればそれぞれに該当することが意図される。

【0017】

≪第１実施形態≫
＜構成＞
最初に、第１実施形態に係る空間光通信装置について説明する。図１は、第１実施形態に係る空間光通信装置１０が用いられる状態を説明する図である。なお、図１において、空間光通信装置１０が通信を行う通信対象の例として、空間光通信装置１０Ａを用いて説明する。空間光通信装置１０Ａは、空間光通信装置１０と同じ構成の空間光通信装置である。空間光通信装置１０は、空間光通信装置１０Ａと、光バースト信号により通信を行う。

【0018】

空間光通信装置１０は、送信器１１と、受信器１２と、制御部１３と、を備える。なお、空間光通信装置１０が通信を行う通信対象である空間光通信装置１０Ａは、空間光通信装置１０と同様に、送信器１１と、受信器１２と、制御部１３と、を備える。空間光通信装置１０は、送信器１１から光バースト信号を空間光通信装置１０Ａに送信する。また、空間光通信装置１０は、受信器１２により、空間光通信装置１０Ａから送信された光バースト信号を受信する。

【0019】

［送信器１１］
送信器１１は、通信対象である空間光通信装置１０Ａに、送信光信号Ｌｔを送信する。送信器１１は、通信対象である空間光通信装置１０Ａに向けて送信光信号Ｌｔの光線の方向を変更できる。

【0020】

図２は、第１実施形態に係る空間光通信装置１０における送信器１１の構成を示す概念図である。送信器１１は、光源部１１ａと、光ビーム制御部１１ｂと、を備える。

【0021】

光源部１１ａは、例えば、直接変調される半導体レーザである。なお、光源部１１ａは、直接変調される半導体レーザに限らず、例えば、半導体レーザと光変調器を備え、半導体レーザから出射した連続光を光変調器で変調してもよい。

【0022】

光ビーム制御部１１ｂは、送信器１１から送信される送信光信号Ｌｔの光ビームのビーム径（半径ω_０）及び出射方向を制御する。送信光信号Ｌｔの光ビームのビーム径は、例えば、レンズ又はミラーを用いて自由に変換できる。また、送信光信号Ｌｔの光ビームの出射方向は、図２に示す座標系におけるＸ軸回り及びＹ軸回りに回転する機構を設けることにより制御する。

【0023】

図３は、送信光信号Ｌｔの光ビームの出射方向をＸ軸回り及びＹ軸回りに回転する機構について説明する図である。例えば、２軸の回転機構として、眼球状の駆動機構である駆動機構１１ｃがロボット用に利用されている。光ビーム制御部１１ｂにおける送信光信号Ｌｔの光ビームの出射方向を回転する機構として、駆動機構１１ｃにおける眼球部分の回転中心に光ファイバ端面又はコリメータレンズ端面を配置する方法などが考えられる。

【0024】

図４は、送信光信号Ｌｔの光ビームの出射方向をＸ軸回り及びＹ軸回りに回転する機構について説明する図である。駆動機構１１ｃは、光ファイバ１１ｄと、ビーム径調整レンズ１１ｅと、を備える。

【0025】

光ファイバ１１ｄは、光源部１１ａから出力される送信光信号Ｌｔを駆動機構１１ｃに伝達する。光ファイバ１１ｄの駆動機構１１ｃにおける端部には、光ファイバ端のモードフィールド径を大きくするために、光ファイバにＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ－Ｅｘｐａｎｄｅｄ－Ｃｏｒｅ）構造を設けたり、光コリメートレンズを付加したりする。

【0026】

ビーム径調整レンズ１１ｅの端部、いいかえると、ビーム径調整レンズ１１ｅにおける光の出射点は、駆動機構１１ｃの回転中心１１ｃａに配置される。ビーム径調整レンズ１１ｅの端部が駆動機構１１ｃの回転中心１１ｃａに配置されて、駆動機構１１ｃの眼球部分が回ることにより、送信光信号Ｌｔの出射方向をＸ軸及びＹ軸回りに制御できる。

【0027】

駆動機構１１ｃは、例えば、制御部１３からの制御信号に基づいて、送信光信号Ｌｔの光ビームの出射方向をＸ軸回り及びＹ軸回りに回転する。制御部１３は、通信対象の位置及び姿勢等に基づいて、送信光信号Ｌｔの光ビームの出射方向を制御する。

【0028】

［受信器１２］
受信器１２は、通信対象である空間光通信装置１０Ａから、受信光信号Ｌｒを受信する。

【0029】

図５は、第１実施形態に係る空間光通信装置１０における受信器１２の構成を示す概念図である。受信器１２は、レンズ１２ａと、フォトダイオード１２ｂと、受信回路１２ｃと、を備える。

【0030】

レンズ１２ａは、受信光信号Ｌｒをフォトダイオード１２ｂに集光する。レンズ１２ａは、半径ｒ、焦点距離ｆのレンズである。

【0031】

フォトダイオード１２ｂは、受光した受信光信号Ｌｒを電気信号に変換する。フォトダイオード１２ｂは、受信回路１２ｃに接続される。フォトダイオード１２ｂは、レンズ１２ａから設置距離ｄ離れた場所に設けられる。

【0032】

受信回路１２ｃは、フォトダイオード１２ｂを駆動するとともに、フォトダイオード１２ｂで変換した電気信号を受信する。受信回路１２ｃで受信した電気信号は、例えば、制御部１３に送信される。

【0033】

空間光通信装置１０と、通信対象である空間光通信装置１０Ａとは、距離Ｌ離れているとする。距離Ｌは、半径ｒと比較して長い。距離Ｌが半径ｒと比較して長いため、受信器１２に入射する入射光を平面波と近似できる。レンズ１２ａに入射した受信光信号Ｌｒは、受信光信号Ｌｒが平面波とみなせることから、レンズ１２ａから焦点距離ｆ離れた場所に集光される。したがって、設置距離ｄは、レンズ１２ａの焦点距離ｆと等しくする。

【0034】

一方、受信光信号Ｌｒの入射ビームがＺ軸に対して角度θずれた方向から入射すると、集光位置は、距離ｆθだけＺ軸から離れる。集光位置のずれがフォトダイオード１２ｂの径よりも大きくなると、フォトダイオード１２ｂで受信光信号Ｌｒを受光できない。

【0035】

図６は、フォトダイオード１２ｂに換えて、フォトダイオードアレイ１２ｄを用いる例について説明する図である。フォトダイオードアレイ１２ｄは、複数の受光素子（フォトダイオード１２ｄａ）を備える。フォトダイオード１２ｂに換えて、フォトダイオードアレイ１２ｄを用いることにより、受信器１２のレンズ１２ａにおける光軸に対して受信光信号Ｌｒが斜めに入射した時にも、受信光信号Ｌｒを受光できる。フォトダイオードアレイ１２ｄは、例えば、一辺が長さsである正方形の受光面を有するフォトダイオード１２ｄａを備える。フォトダイオード１２ｄａは、間隔sで、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に並んでいる。

【0036】

なお、図７に示すように、受信器１２は、送信器１１と同様の光軸回転機構１２ｅを備えるようにしてもよい。すなわち、受信器１２は、受信方向を制御する方向制御部を備えてもよい。

【0037】

［制御部１３］
制御部１３は、送信器１１と受信器１２を制御する。制御部１３は、送信器１１から送信する送信光信号Ｌｔを送信データに基づいて強度制御（変調制御）及び方向制御する。また、制御部１３は、受信器１２で受信した受信光信号Ｌｒを変換した電気信号から受信データに変換する。

【0038】

＜光学系の設計＞
次に、光学系の設計について説明する。ここでは、図８を用いて光学系の設計を説明する。空間光通信装置１０を送信側、空間光通信装置１０Ａを受信側として説明する。

【0039】

空間光通信装置１０と空間光通信装置１０Ａとの間の距離をＬとする。また、空間光通信装置１０の送信器１１から送信した送信光信号Ｌｔの受信側の空間光通信装置１０Ａにおけるビーム径をω_１とする。さらに、送信光信号Ｌｔの光軸Ｌｔ１から空間光通信装置１０Ａの受信器１２までの距離をδＬ、送信光信号Ｌｔの受信器１２への入射角をθ_０とする。

【0040】

受信器１２のレンズ（受信器１２のレンズ１２ａに対応するレンズ）が、送信光信号Ｌｔの光ビーム内にある場合、光ビームのパワーをＰ_ｏｕｔとすると、受光パワーＰ_ｉｎは式１で近似される。

【0041】

【数1】

【0042】

例えば、当初は、δＬ＝０であり、送信光信号Ｌｔの光軸Ｌｔ１に垂直な方向における相対速度をｖ、送信光信号Ｌｔのバースト光の時間長をｔ_ｂとするならば、レンズ径を無視して、式２の不等式を満たす必要がある。

【0043】

【数2】

【0044】

また、受信器１２の最小受信感度をＰ_ｒとすれば、式３が成立することは明らかである。

【0045】

【数3】

【0046】

具体的な数値を用いて検討する。空間光通信装置１０及び空間光通信装置１０Ａのそれぞれの大きさにもよるが、大きな光学系を搭載することは避けたいことから、レンズ１２ａの半径ｒは、２センチメートル（ｃｍ）とする。送信光信号Ｌｔの波長は、１５００ナノメートル（ｎｍ）とする。また、送信器１１の送信光信号Ｌｔの送信パワー、すなわち、Ｐ_ｏｕｔは、典型的な値として１０^－２ワット（Ｗ）とする。光信号のビットレートを１０ギガビット毎秒（Ｇｂｐｓ）とすると、最小受信感度Ｐ_ｒは、典型的な値として、１０^－４ワット（Ｗ）である。式３から、ω_１は、２０センチメートル（ｃｍ）以下とする必要があることが分かる。

【0047】

また、例えば、空間光通信装置１０と空間光通信装置１０Ａとの間の相対速度を１００メートル毎秒（ｍ／ｓ）とすれば、式２からバースト光の時間長ｔ_ｂは２×１０^－３秒よりも十分短い必要がある。また、空間光通信装置１０と空間光通信装置１０Ａとの間の相対速度を０．１メートル毎秒（ｍ／ｓ）とすれば、式２からバースト光の時間長ｔ_ｂは２秒よりも十分短い必要がある。

【0048】

一方、バースト信号受信には同期するための時間が必要である。バースト信号受信において同期するための時間は高性能な受信器の場合１０^－８秒である。したがって、空間光通信装置１０及び空間光通信装置１０Ａとの間の通信において、バースト光の持続時間は、を相対速度が１００メートル毎秒（ｍ／ｓ）の場合、１０^－７秒から１０^－４秒程度とする。また、移動速度が０．１メートル毎秒（ｍ／ｓ）の場合、１０^－７秒から１０^－１秒程度とする。

【0049】

例えば、バースト信号の持続時間を１０^－５秒とすれば一つのバーストで、１０万ビットの情報を伝送することができる。１０ギガビット毎秒（Ｇｂｐｓ）信号を受信するためには、フォトダイオードが高速に動作する必要があり、小型であることが要求される。受信器１２において、図５に示したように、フォトダイオード１２ｂの一辺の長さｓは０．１ミリメートル（ｍｍ）となる。例えば、図６に示したように、フォトダイオードアレイを用いた場合、フォトダイオードアレイがＮ×Ｎの配列でフォトダイオードを備えていると、Ｎが８の場合受光径は０．８ミリメートル（ｍｍ）となる。入射光がフォトダイオード上に集光されるために式４を満たす必要がある。

【0050】

【数4】

【0051】

例えば、レンズ１２ａの焦点距離ｆが１０センチメートル（ｃｍ）の時に、θ_０は、８×１０^－３ラジアン（ｒａｄ）以下である必要がある。したがって、図７に示すように、送信器１１と同様の光軸回転機構１２ｅを備えてもよい。

【0052】

≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態に係る空間光通信装置について説明する。図９及び図１０は、第２実施形態に係る空間光通信装置の送信器１１１の概略を示す図である。なお、図９は、送信器１１１を＋Ｙ側からＹ軸方向に沿ってＹ軸と反対向きに見た図である。図１０は、送信器１１１を－Ｘ側からＸ軸方向に沿ってＸ軸向きに見た図である。第２実施形態に係る空間光通信装置は、第１実施形態に係る空間光通信装置１０の送信器１１に換えて、送信器１１１を備える。

【0053】

送信器１１１は、複数の送信部１１１ａと、レンズ１１１ｂと、を備える。送信部１１１ａは、光ビーム生成部となる。すなわち、送信器１１１は、複数の光ビーム生成部を備える。複数の送信部１１１ａのそれぞれは、半導体レーザ１１１ｃと、シリコン基板１１１ｄと、を備える。半導体レーザ１１１ｃは、送信光信号Ｌｔを生成する。シリコン基板１１１ｄは、シリコン光導波路である入力光導波路１１１ｅと、１対ｎの光スイッチ１１１ｆと、シリコン光導波路である複数の出力光導波路１１１ｇと、を有する。送信光信号Ｌｔは、入力光導波路１１１ｅに入力される。複数の出力光導波路１１１ｇのそれぞれの出力端１１１ｈは、レンズ１１１ｂの焦点面内に配置される。複数の出力光導波路１１１ｇのそれぞれの出力端１１１ｈがレンズ１１１ｂの焦点面内に配置されることにより、出射光はレンズ１１１ｂによって幾何光学的には平行光に変換される。

【0054】

また、複数の出力光導波路１１１ｇのそれぞれの出力端１１１ｈは、互いに位置が異なる。複数の出力光導波路１１１ｇのそれぞれの出力端１１１ｈが互いに位置が異なることによって、複数の出力光導波路１１１ｇのそれぞれの出力端１１１ｈから出射する光は、出力端１１１ｈに依存して異なる方向に出射される。光スイッチ１１１ｆによって、複数の出力光導波路１１１ｇの内の一つの出力光導波路１１１ｇを選択する。光スイッチ１１１ｆによって複数の出力光導波路１１１ｇの内の一つの出力光導波路１１１ｇを選択すると、光ビームの出射方向を制御できる。

【0055】

図１１を利用して具体的数値で構成を検討する。一般にスポットサイズを拡大した、シリコン光導波路からの出射光のビーム径（半径、ω_ｓ）は、２マイクロメートル（μｍ）である。また、導波路と光軸間の距離ｄ_ｓを０．５ミリメートル（ｍｍ）とする。レンズ１１１ｂの焦点距離ｆ_ｓを５センチメートル（ｃｍ）とする。ここで、導波路端から１２３までの距離ｌ１を５．２２センチメートル（ｃｍ）とする。光ビームをガウスビームで近似すると、レンズ１１１ｂによって、ビームウエスト径ω_ｏｕｔは、４５マイクロメートル（μｍ）となる。また、ビームの角度θ_ｓは、幾何光学近似で式５で表される。式５を用いれば、ビーム径ω_ｓは約０．０１ラジアン（ｒａｄ）となる。

【0056】

【数5】

【0057】

送信器１１１から２０メートル（ｍ）離れた地点では、ビーム径（半径）は約２０センチメートル（ｃｍ）となる。また、角度θ_ｓに対応して光軸から２０センチメートル（ｃｍ）ずれる。すなわち、導波路端間隔を０．５ミリメートル（ｍｍ）として、ビームを出射する導波路を切り替えれば、２０メートル（ｍ）離れた地点で、ビーム径２０センチメートル（ｃｍ）のビームを２０センチメートル（ｃｍ）ずつ移動、走査できる。

【0058】

図８及び図９に示すように、複数の送信部１１１ａを積層することで、Ｙ軸方向にもビームを走査できる。熱光学効果を利用するシリコン導波路光スイッチの動作速度は３０マイクロ秒（μｓ）程度と高速である。

【0059】

なお、半導体レーザ１１１ｃは光生成部の一例、シリコン基板１１１ｄが光切替部の一例、である。

【0060】

≪第３実施形態≫
次に、第３実施形態に係る空間光通信装置について説明する。図１２及び図１３は、第３実施形態に係る空間光通信装置の送信器２１１の概略を示す図である。なお、図１２は、送信器２１１を＋Ｙ側からＹ軸方向に沿ってＹ軸と反対向きに見た図である。図１３は、送信器２１１を－Ｘ側からＸ軸方向に沿ってＸ軸向きに見た図である。第３実施形態に係る空間光通信装置は、第１実施形態に係る空間光通信装置１０の送信器１１に換えて、送信器２１１を備える。送信器２１１は、光ビーム径変更部として作用する。

【0061】

送信器２１１は、送信部２１１ａと、複数のレンズ２１１ｂと、を備える。送信部２１１ａは、半導体レーザ２１１ｃと、シリコン基板２１１ｄと、を備える。半導体レーザ１１１ｃは、送信光信号Ｌｔを生成する。シリコン基板２１１ｄは、シリコン光導波路である入力光導波路２１１ｅと、１対ｎの光スイッチ２１１ｆと、シリコン光導波路である複数の出力光導波路２１１ｇと、を有する。送信光信号Ｌｔは、入力光導波路２１１ｅに入力される。複数の出力光導波路２１１ｇのそれぞれの出力端２１１ｈは、対応するレンズ２１１ｂに対向する位置に配置される。

【0062】

複数のレンズ２１１ｂのそれぞれは、互いに焦点距離が異なる。複数のレンズ２１１ｂのそれぞれの焦点距離、導波路端までの距離が互いに異なるので、複数のレンズ２１１ｂのそれぞれによって出力端に依存して異なるビーム径で出射される。光スイッチ２１１ｆによって複数の出力光導波路２１１ｇの内の一つの出力光導波路２１１ｇを選択すると、光ビームのビーム径を制御できる。

【0063】

図１４を利用して具体的数値で構成を検討する。一般に石英光導波路からの出射光のビーム径（半径、ω_ｓ）は、５マイクロメートル（μｍ）である。ここで、レンズ２１１ｂの焦点距離が１、２及び３センチメートル（ｃｍ）であるレンズ２１１ｂについて検討する。

【0064】

焦点距離が１センチメートル（ｃｍ）であるレンズ２１１ｂについて、例えば、導波路端までの距離を１．２５センチメートル（ｃｍ）とする。すなわち、レンズ２１１ｂの焦点距離を１センチメートル（ｃｍ）、導波路端までの距離を１．２５センチメートル（ｃｍ）とする。上記の場合、ビームウエスト径は２０マイクロメートル（μｍ）となり、２０メートル（ｍ）離れた位置でのビーム径は、５０センチメートル（ｃｍ）となる。

【0065】

焦点距離が２センチメートル（ｃｍ）であるレンズ２１１ｂについて、例えば、導波路端までの距離を２．２５センチメートル（ｃｍ）とする。すなわち、レンズ２１１ｂの焦点距離を２センチメートル（ｃｍ）、導波路端までの距離を２．２５センチメートル（ｃｍ）とする。上記の場合、ビームウエスト径は４０マイクロメートル（μｍ）となり、２０メートル（ｍ）離れた位置でのビーム径は、２５センチメートル（ｃｍ）となる。

【0066】

焦点距離が３センチメートル（ｃｍ）であるレンズ２１１ｂについて、例えば、導波路端までの距離を３．２５センチメートル（ｃｍ）とする。すなわち、レンズ２１１ｂの焦点距離を３センチメートル（ｃｍ）、導波路端までの距離を３．２５センチメートル（ｃｍ）とする。上記の場合、ビームウエスト径は６０マイクロメートル（μｍ）となり、２０メートル（ｍ）離れた位置でのビーム径は、１６センチメートル（ｃｍ）となる。

【0067】

上述のように、光スイッチ２１１ｆを切り替えることにより、送信光信号Ｌｔが照射する範囲を制御できる。例えば、レンズ直径を１．５センチメートル（ｃｍ）、導波路端の間隔を１．５センチメートル（ｃｍ）とすれば、隣接する導波路からの光ビームが隣接するレンズに入射したり、レンズが重なったりすることはない。すなわち、出射する導波路を選択することで光ビーム広がり角を変えることができる。Ｘ軸方向に光ビーム位置がシフトするが、２０メートル（ｍ）離れた受信側ではビーム径は１５センチメートル（ｃｍ）以上に広がるので影響は僅かである。熱光学効果を利用する石英導波路光スイッチの動作速度は２ミリ秒（ｍｓ）程度と比較的高速である。

【0068】

なお、半導体レーザ２１１ｃは光生成部の一例、シリコン基板２１１ｄが光切替部の一例、である。

【0069】

≪第４実施形態≫
次に、本実施形態に係る空間光通信装置が用いられる状況について説明する。図１５は、本実施形態に係る空間光通信装置を用いた移動体５００について説明する図である。

【0070】

＜構成＞
移動体５００は、移動機構を有する装置である。移動体５００は、移動可能な装置である。移動体５００は、例えば、二足歩行型のロボット、車輪やキャタピラーを有する車、飛翔装置を有するドローン又は航空機、スクリューや水流ジェットによる船舶又は潜水艦等である。

【0071】

移動体５００の間で、本実施形態に係る空間光通信装置を用いて光バースト信号を用いた通信を行う。

【0072】

図１６は、移動体５００の詳細について説明する図である。移動体５００は、空間光通信装置１０と、無線通信部５１０と、光ビーコン部５２０と、撮像部５３０と、距離測定部５４０と、移動機構部５５０と、中央制御部５６０と、を備える。

【0073】

無線通信部５１０は、電波により他の移動体５００と通信を行う。無線通信部５１０は、空中線５１１と、無線制御回路５１２と、を備える。

【0074】

光ビーコン部５２０は、いわゆる、光ビーコン送受信装置である。光ビーコン部５２０は、全方位に光信号を送信する。また、光ビーコン部５２０は、全方位から光信号を受信する。光ビーコン部５２０は、送受信部５２１と、光ビーコン制御回路５２２と、を備える。

【0075】

図１７は、光ビーコン部５２０の送受信部５２１の概要について説明する図である。送受信部５２１は、光受信部５２３と、光送信部５２４と、を備える。

【0076】

光受信部５２３は、全方位から受光できるように、複数のフォトダイオード５２５が異なる向きに取り付けられている。

【0077】

光送信部５２４は、複数の光源５２６から構成される。光送信部５２４における複数の光源５２６は、外部から視認することができる。光送信部５２４は、例として、四面体の頂点に光源５２６を配置している。例えば、他の移動体５００が備える撮像部５３０により、光源５２６を撮像して、撮像部５３０が撮像した画像の２次元配置から、移動体５００の姿勢を推定できる。

【0078】

また、光送信部５２４における複数の光源５２６は明るいので、撮像した画像から速度を容易に推定できる。また、光源５２６を数メガビット毎秒（Ｍｂｐｓ）程度で低速に変調して、他の移動体５００が備える光ビーコン部５２０で受信することにより、情報の伝送ができる。光ビーコン部５２０を利用することにより、電磁環境が悪いときにも低速の光通信ができる。

【0079】

撮像部５３０は、移動体５００の周りを撮像する。撮像部５３０は、光学系５３１と、画像処理回路５３２と、を備える。光学系５３１は、例えば、ズームレンズ等の光学レンズ、レンズを保持する鏡筒及びレンズの向きを変える駆動装置等を備える。画像処理回路５３２は、撮像素子を備え、撮像素子で撮像した結果を画像として保存する。

【0080】

距離測定部５４０は、移動体５００の周りにある対象物までの距離を測定する。距離測定部５４０は、例えば、ライダ（ＬｉＤＡＲ：Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）である。距離測定部５４０は、光学系５４１と、距離処理回路５４２と、を備える。

【0081】

移動機構部５５０は、移動体５００を移動させる駆動力を発生させる。移動体５００は、例えば、モータ等を備える。

【0082】

中央制御部５６０は、移動体５００全体を制御する。

【0083】

＜処理＞
複数の移動体５００同士における通信手順について説明する。ここでは、図１５における移動体５００ａと移動体５００ｂとが通信する場合について説明する。移動体５００ａが移動体５００ｂに通信する必要が生じたとする。

【0084】

（ステップＳ１０）
移動体５００ａが、無線通信部５１０を利用して、移動体５００ｂへの通信リクエストを送信する。通信リクエストには、移動体５００ａの位置情報、移動情報及び姿勢情報等も含まれる。移動体５００ｂがリクエストを直接受信してもよいし、移動体５００ａと移動体５００ｂが端末となるネットワークを経由してもよい。また、移動体５００ａは、無線通信部５１０を利用せず、移動体５００ａの光ビーコン部５２０から光信号を送信して移動体５００ｂの光ビーコン部５２０で受信するようにしてもよい。

【0085】

（ステップＳ２０）
移動体５００ｂが、リクエストを許可する場合、無線通信部５１０を利用して、許諾信号を移動体５００ａに送信する。同時に、移動体５００ｂの位置情報、移動情報及び姿勢情報等を送信する。また、光ビーコン部５２０から光ビーコンが発せられ、低速信号が重畳され、最新の位置情報、移動情報及び固体識別情報等が送信される。なお、光ビーコン部５２０を用いて許諾信号及び位置情報等を送受信してもよい。さらに、光ビーコン部５２０は、複数の光源５２６を備えることから、撮像部５３０で撮像したときの光源配置から、移動体５００ｂの姿勢や移動体５００ｂまでの距離を推定してもよい。

【0086】

（ステップＳ３０）
次に、移動体５００ｂは光信号受信準備処理を行う。移動体５００ｂは、無線通信部５１０で受信した電波信号、撮像部５３０から得られた画像信号及び光ビーコン部５２０で得られた光ビーコンに重畳された信号及び距離測定部５４０から得られた信号等から、移動体５００ａの位置情報と移動情報を得る。そして、移動体５００ｂは、送信器１１の光軸が移動体５００ａの方向になるように姿勢制御を行う。また、移動体５００ｂの光ビーコン部５２０からの送信信号に情報を載せて、移動体５００ａの光ビーコン部５２０で受信することも可能である。移動体５００ａに向けて光ビーコン部５２０から光ビーコンを発する。光ビーコンには低速信号が重畳され、最新の位置情報、移動情報及び固体識別情報等が送信される。

【0087】

（ステップＳ４０）
移動体５００ａも移動体５００ｂと同様に姿勢制御を行う。

【0088】

（ステップＳ５０）
姿勢制御が終了したら、送信器１１及び受信器１２を用いて互いに光バースト信号を送信、受信して情報を交換する。互いの位置情報、移動情報及び姿勢情報等は、常に更新して送信器１１及び受信器１２の光軸が一致するように制御する。

【0089】

上記の説明では、アイセイフティの制限が緩いことから、波長１５００ナノメートル（ｎｍ）の光を利用するとしたが、水中では透過率の高い波長４５０から６００ナノメートルの範囲の可視光を利用してもよい。また、複数の移動体５００のそれぞれが異なる波長の光ビームを利用してもよい。波長フィルタを受信器１２の前面に配置して、特定の波長のみ受光可能とすれば、送信側の移動体５００を選択できる。

【0090】

また、ステップＳ５０に換えて、以下のステップＳ５５を行ってもよい。

【0091】

（ステップＳ５５）
姿勢制御が終了したら、移動体５００ａの送信器１１は、移動体５００ｂの想定される位置の周囲を走査しながら同じ光バースト信号を送信する。移動体５００ｂの送信器１１は、移動体５００ａの想定される位置の周囲を走査しながら同じ光バースト信号を送信する。光バースト信号の持続時間における移動体５００ａ及び移動体５００ｂのそれぞれの移動距離が走査位置の変化に比較して小さいので、移動体５００ａ及び移動体５００ｂのそれぞれが走査範囲に入っていればいずれかの光バースト信号を受信できる。送信光信号Ｌｔを走査することにより、姿勢制御又は送信方向制御の精度を緩和できる。

【0092】

≪第５実施形態≫
次に、本実施形態に係る空間光通信装置が用いられる状況について説明する。図１８は、本実施形態に係る空間光通信装置を用いた移動体５００について説明する図である。ここでは、移動体５００と移動機構を有しない固定した基地局６００との間でも通信を行う。なお、移動体５００と基地局６００とをあわせて通信システム７００という。

【0093】

基地局６００は、移動機構を有しないため容易に大型化できる。基地局６００は、複数の空間光通信装置１０、複数の光ビーコン部５２０、複数の撮像部５３０及び複数の距離測定部５４０を搭載し、同時に複数の移動体５００と通信できる。

【0094】

なお、基地局６００と通信する場合、移動体５００は、送信器１１を省いたり、その他の装置を簡易なものとしたりすることで小型化した構成としてもよい。例えば、基地局６００と、複数の移動体５００とをマスタースレーブ動作させてもよい。

【0095】

複数の移動体５００の送信光信号Ｌｔは、異なる波長の光ビームを利用してもよい。基地局６００の複数の受信器１２がそれぞれ異なる波長の光ビームを利用してもよい。波長フィルタを受信器１２の前面に配置して、特定の波長のみ受光可能とすれば、送信側の移動体５００を選択できる。

【0096】

＜作用、効果＞
本開示の空間光通信装置によれば、多数の移動する装置間又は固定した装置から移動する装置との間で、ギガビット毎秒以上の伝送速度で、短時間に大容量の情報を、秘匿性を高くして送受信できる。本開示の空間光通信装置によれば、光送受信器を小型にできる。また、本開示の空間光通信装置によれば、通信対象を簡易にトラッキングできる。さらに、本開示の空間光通信装置によれば、悪電磁環境下や水中においても通信できる。

【0097】

本開示の空間光通信装置によれば、可視光又は近赤外光を利用する通信を移動体５００間又は移動体５００と固定した基地局６００との間に提供できる。光による通信を行うことにより、数メガヘルツから数ギガヘルツの範囲の電磁波による無線通信が困難な電磁環境においても通信できる。

【0098】

また、全方位に光信号を送受信のできる低速の光通信装置である光ビーコンと特定の方向に指向性を持たせた光ビームを利用する高速の光バースト通信装置を組み合わせて、姿勢制御を行いながら高速かつ大容量の光通信ができる。

【0099】

複数の光源５２６からなる光ビーコン部５２０を撮像することで、移動体５００の姿勢を推定できる。また、光ビーコン部５２０により、リンクを構成するための姿勢制御と光ビーム投射方向制御が容易となる。また、指向性のある光ビームを利用するので、秘匿性が非常に高い。４５０から６００ナノメートルの範囲の波長帯を利用すれば、水中での長距離通信もできる。また、混信しないように、装置毎に異なる波長の光ビームを利用することもできる。

【0100】

眼球状の二軸回転機構に光ファイバ端を配置して、小型にかつ高速に光通信をできる。また、光導波路と光スイッチを利用した光ビームの方向制御を行うことにより、３０マイクロ秒程度の時間で方向制御ができる。

【0101】

また、光導波路と光スイッチを利用した光ビーム径制御により、石英光導波路を利用して、２ミリ秒程度での方向制御ができる。これは、従来のメカニカルな光ビーム制御では困難である。

【0102】

さらに、光バースト信号を利用することによって、光バースト持続時間内では、追尾を行う必要が無く、高速に移動する装置間でも通信できる。また、光バースト信号を利用することによって、姿勢制御及び方向制御の精度を緩和できる。

【0103】

以上、空間光通信装置を実施形態により説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

【符号の説明】

【0104】

１０、１０Ａ 空間光通信装置
１１、１１１、２１１ 送信器
１２ 受信器
１３ 制御部
１１１ 送信器
１１１ａ 送信部
１１１ｂ レンズ
１１１ｃ 半導体レーザ
１１１ｄ シリコン基板
１１１ｅ 入力光導波路
１１１ｆ 光スイッチ
１１１ｇ 出力光導波路
１１１ｈ 出力端
２１１ 送信器
２１１ａ 送信部
２１１ｂ レンズ
２１１ｃ 半導体レーザ
２１１ｄ シリコン基板
２１１ｅ 入力光導波路
２１１ｆ 光スイッチ
２１１ｇ 出力光導波路
２１１ｈ 出力端
５００、５００ａ、５００ｂ 移動体
５１０ 無線通信部
５２０ 光ビーコン部
５３０ 撮像部
５５０ 移動機構部
５６０ 中央制御部
６００ 基地局
７００ 通信システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】