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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-06-12
(45)【発行日】2025-06-20
(54)【発明の名称】空間光通信送受信機
(51)【国際特許分類】
H04B 10/112 20130101AFI20250613BHJP
【ＦＩ】
H04B10/112
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2024563199
(86)(22)【出願日】2024-03-15
(86)【国際出願番号】 JP2024010142
(87)【国際公開番号】W WO2025004466
(87)【国際公開日】2025-01-02
【審査請求日】2024-10-25
(31)【優先権主張番号】PCT/JP2023/023687
(32)【優先日】2023-06-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003166
【氏名又は名称】弁理士法人山王内外特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】尾野 仁深
(72)【発明者】
【氏名】原口 英介
(72)【発明者】
【氏名】安藤 俊行
(72)【発明者】
【氏名】穴田 貴康
【審査官】対馬 英明
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１９／０２６２０７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／２０７７５６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２２／０３８６７８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０８－１４９０７７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｂ １０／００－１０／９０
Ｈ０４Ｊ １４／００－１４／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ光を生成する光源と、前記光源により生成されたレーザ光に通信信号を重畳する光変調器と、
前記光変調器による重畳後のレーザ光を増幅する光増幅器と、
ファイバコネクタおよびコリメータレンズを有し、前記光増幅器による増幅後のレーザ光を空間光に変換して、当該空間光である送信光を放射するコリメータと、
前記コリメータにより放射された送信光のビーム幅を拡大して空間伝送路に放射する光学望遠鏡と、
前記コリメータレンズの焦点距離を調整可能な駆動機構と、
自機と通信相手である空間光通信送受信機との間の距離から算出される自由空間損失と、送信光のビーム拡がり角により決まる送信利得との積が一定となるよう、前記駆動機構の駆動量を決定する駆動制御器と
を備えた空間光通信送受信機。
【請求項2】
前記ファイバコネクタの端部を光軸に沿って移動可能なピエゾ素子を備え、前記駆動機構は、前記ピエゾ素子を駆動することで、前記コリメータレンズの焦点距離を調整する
ことを特徴とする請求項１記載の空間光通信送受信機。
【請求項3】
前記コリメータレンズは、電圧が印加されることによって焦点距離が変化するレンズであり、前記駆動機構は、前記コリメータレンズに対して電圧を印加することで、当該コリメータレンズの焦点距離を調整する
ことを特徴とする請求項１記載の空間光通信送受信機。
【請求項4】
前記コリメータにより放射された送信光のビーム拡がり角を検出する波面計測器を備え、前記駆動制御器は、前記波面計測器により計測された送信光のビーム拡がり角が目標値に対して誤差がある場合、当該誤差を打ち消すように前記駆動機構の駆動量を補正する
ことを特徴とする請求項１記載の空間光通信送受信機。
【請求項5】
前記光学望遠鏡の光軸方向を調整可能なジンバルと、前記コリメータにより放射された送信光の二軸方向の角度を調整可能なチップチルトミラーと、
前記光学望遠鏡により受信された受信光から通信信号を復調する光復調器と、
前記光学望遠鏡により受信された受信光の到来角度を検出する捕捉追尾センサと、
通信相手である空間光通信送受信機の自機に対する相対的な方向である見込角、および、前記捕捉追尾センサにより検出された到来角度に基づいて、前記ジンバルおよび前記チップチルトミラーを制御することで、前記光学望遠鏡と通信相手である空間光通信送受信機が有する光学望遠鏡との光軸を合わせる捕捉追尾制御器とを備えた
ことを特徴とする請求項１または請求項４記載の空間光通信送受信機。
【請求項6】
前記駆動制御器は、通信相手である空間光通信送受信機との間での空間伝送路の確立を行う際に、自機と通信相手である空間光通信送受信機との間の距離をＬとした場合に、送信光のビーム拡がり角が１／Ｌに比例して変化するよう、前記駆動機構の駆動量を決定し、前記捕捉追尾制御器は、通信相手である空間光通信送受信機との間での空間伝送路の確立を行う際に、前記チップチルトミラーを制御することで、送信光のスパイラル状のスキャンを行う
ことを特徴とする請求項５記載の空間光通信送受信機。
【請求項7】
前記駆動制御器は、通信相手である空間光通信送受信機との間での空間伝送路の確立を行う際に、自機と通信相手である空間光通信送受信機との間の距離をＬとした場合に、送信光のビーム拡がり角が１／Ｌ２
に比例して変化するよう、前記駆動機構の駆動量を決定し、前記捕捉追尾制御器は、通信相手である空間光通信送受信機との間での空間伝送路の確立を行う際に、前記チップチルトミラーを制御することで、送信光のスパイラル状のスキャンを行う
ことを特徴とする請求項５記載の空間光通信送受信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、移動体に搭載され、データの伝送を行う空間光通信送受信機に関する。
【背景技術】
【0002】
空間光通信は、搬送波の周波数がテラヘルツ以上と非常に高く、広い帯域を確保できる。また、空間光通信は、空間伝搬の指向性が高い。これらのことから、空間光通信は、長距離の高速通信への活用が期待できる。
【0003】
一方、移動体に搭載された空間光通信送受信機において、近距離から遠距離までの広い距離変動がある場合での通信路の維持を考えた場合、光復調器内の光電変換器または捕捉追尾センサなどの受光器のダイナミックレンジ以上の損失変動が起こる可能性がある。なお、ここでのダイナミックレンジとは、最小受光強度と飽和強度との比を表す。
【0004】
光空間通信の空間伝送路における自由空間損失は伝搬距離の２乗で変動する。よって、例えば、空間伝送路の距離が１００ｋｍ～１００００ｋｍと２０ｄＢ変動する場合には、４０ｄＢ以上のダイナミックレンジが必要となる。
【0005】
これに対し、例えば特許文献１に開示された装置では、受信側の空間光減衰器を調整することで、受光素子の入射光量を補正するとともに、受光素子の受光感度を補正し、受光後の増幅回路の利得を変えている。これにより、この装置では、広い範囲での入射光量の変化を補正している。
【0006】
しかしながら、この装置では、受信機側の構成要素が増えて複雑化する。
また、この装置では、光量の調整範囲は可変減衰器が実現可能な減衰率に依存している。そのため、この装置では、長距離の光通信においては受信機側の内部光学系の損失が増加し、回線成立性を悪化させる。
また、この装置では、光量の調整範囲は可変減衰器が実現可能な減衰率に依存している。そのため、この装置では、長距離の光通信においては受信機側の内部光学系の損失が増加し、回線成立性を悪化させる。
【0007】
また、空間伝送路の距離変動に対応する方法として、空間光通信送受信機のＯＨＰＡ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の利得を電気的に制御する方法も考えられる。すなわち、ＯＨＰＡの励起光の駆動電流または注入電流をＯＨＰＡ制御器により変化させ、ＯＨＰＡの利得を制御する。
しかしながら、高利得のＯＨＰＡでは、利得しきい値付近の電気的制御が困難である。また、高利得方向に利得制御をすると、ＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を誘発してＮＦ（Ｎｏｉｓｅ Ｆｉｇｕｒｅ）が劣化し、通信路のＳ／Ｎが変動してしまう。
しかしながら、高利得のＯＨＰＡでは、利得しきい値付近の電気的制御が困難である。また、高利得方向に利得制御をすると、ＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を誘発してＮＦ（Ｎｏｉｓｅ Ｆｉｇｕｒｅ）が劣化し、通信路のＳ／Ｎが変動してしまう。
【0008】
これに対し、例えば特許文献２または特許文献３に開示された装置では、空間光学系の間隔または集光レンズの位置を光軸方向に制御することで、空間光のファイバに対する結合効率を変化させ、光信号の強度を増減させている。これにより、この装置では、ＯＨＰＡ、特にファイバ増幅器において、電気的な制御が必要なく、ＯＨＰＡの出力光強度を調整できる。
【0009】
しかしながら、この装置では、空間光を再度ファイバに結合させる構成になっている。そのため、この装置では、出力光強度を調整した際の余剰光がファイバコア外に局所的に照射され、ファイバを損傷する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【文献】特開２００５－１９５８０６号
【文献】特開２００２－２２１６７５号
【文献】特開平０６－０３７７１９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
上記のように、空間光通信装置の通信可能な距離を拡大するにあたって、受信機側の可変減衰器を用いた場合には、内部光学系損失が増加し、回線成立性が悪化する。また、空間光通信装置の通信可能な距離を拡大するにあたって、送信機の光増幅器の利得を電気的に制御する場合には、利得しきい値付近の電気的制御が困難であり、利得変化をさせた場合の雑音特性が変化することによる通信路のＳ／Ｎ変動が起こる。
【0012】
本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、電気的な利得可変を行わずに、空間伝送路の距離変動に対応可能となる空間光通信送受信機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本開示に係る空間光通信送受信機は、レーザ光を生成する光源と、光源により生成されたレーザ光に通信信号を重畳する光変調器と、光変調器による重畳後のレーザ光を増幅する光増幅器と、ファイバコネクタおよびコリメータレンズを有し、光増幅器による増幅後のレーザ光を空間光に変換して、当該空間光である送信光を放射するコリメータと、コリメータにより放射された送信光のビーム幅を拡大して空間伝送路に放射する光学望遠鏡と、コリメータレンズの焦点距離を調整可能な駆動機構と、自機と通信相手である空間光通信送受信機との間の距離から算出される自由空間損失と、送信光のビーム拡がり角により決まる送信利得との積が一定となるよう、駆動機構の駆動量を決定する駆動制御器とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
本開示によれば、上記のように構成したので、電気的な利得可変を行わずに、空間伝送路の距離変動に対応可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】実施の形態１に係る空間光通信システムの構成例を示す図である。
【図2】図２Ａ、図２Ｂは、実施の形態１におけるコリメータレンズの焦点距離の調整による送信光のビーム拡がり角の可変の概要を説明するための図であって、図２Ａはコリメータレンズの位置調整を行わない場合の一例を示す図であり、図２Ｂはコリメータレンズの位置調整を行った場合の一例を示す図である。
【図3】実施の形態１におけるコリメータの構成例を示す図であって、コリメータレンズを移動させる場合の構成例を示す図である。
【図4】実施の形態１におけるコリメータの構成例を示す図であって、ファイバコネクタの端部を移動させる場合の構成例を示す図である。
【図5】実施の形態１におけるコリメータの構成例を示す図であって、コリメータレンズ部分に電気光学材料を用いる場合の構成例を示す図である。
【図6】実施の形態２に係る空間光通信システムの構成例を示す図である。
【図7】実施の形態３に係る空間光通信システムの構成例を示す図である。
【図8】空間光通信送受信機間の相対距離に対する角度誤差の一例を示す図である。
【図10】実施の形態３に係る空間光通信システムにおける一方の空間光通信送受信機による初期捕捉の際の動作例を示すフローチャートである。
【図11】実施の形態３に係る空間光通信システムにおける他方の空間光通信送受信機による初期捕捉の際の動作例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る空間光通信システムの構成例を示す図である。
空間光通信システムは、図１に示すように、空間光通信装置１－１および空間光通信装置１－２を備えている。この空間光通信システムでは、空間光通信装置１－１と空間光通信装置１－２との間で双方向通信を行う。
なお、ここでは、空間光通信装置１および当該空間光通信装置１が有する構成について、系統を区別する必要がある場合には、符号に接尾符号（－１，－２）を追加して示す。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る空間光通信システムの構成例を示す図である。
空間光通信システムは、図１に示すように、空間光通信装置１－１および空間光通信装置１－２を備えている。この空間光通信システムでは、空間光通信装置１－１と空間光通信装置１－２との間で双方向通信を行う。
なお、ここでは、空間光通信装置１および当該空間光通信装置１が有する構成について、系統を区別する必要がある場合には、符号に接尾符号（－１，－２）を追加して示す。
【0017】
空間光通信装置１－１は、移動体に搭載され、通信相手である空間光通信装置１－２との間で通信を行う。なお、実施の形態１に係る空間光通信装置１－１は、空間伝送路の距離変動があった場合にも、通信相手である空間光通信装置１－２で受光される送信光の光強度を一定にし、安定な空間光通信路を確立することを可能とする機能を有する。
この空間光通信装置１－１は、図１に示すように、空間光通信送受信機１１－１および姿勢軌道制御計算機１２－１を備えている。
この空間光通信装置１－１は、図１に示すように、空間光通信送受信機１１－１および姿勢軌道制御計算機１２－１を備えている。
【0018】
空間光通信送受信機１１－１は、図１に示すように、光源１１０１－１、光変調器１１０２－１、ＯＨＰＡ１１０３－１、ＯＨＰＡ制御器１１０４－１、コリメータ１１０５－１、ダイクロイックミラー１１０６－１、チップチルトミラー１１０７－１、光学望遠鏡１１０８－１、ジンバル１１０９－１、ビームスプリッタ１１１０－１、光復調器１１１１－１、駆動機構１１１２－１、駆動制御器１１１３－１、記憶装置１１１４－１、捕捉追尾センサ１１１５－１、および、捕捉追尾制御器１１１６－１を備えている。
【0019】
光源１１０１－１は、空間伝搬させる搬送波であるレーザ光を生成する。この光源１１０１－１により生成されたレーザ光は、光変調器１１０２－１に出力される。
なお、光源１１０１－１としては、例えばＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）が挙げられる。
なお、光源１１０１－１としては、例えばＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）が挙げられる。
【0020】
光変調器１１０２－１は、光源１１０１－１により生成されたレーザ光に送信データ１０１－１を重畳する。なお、送信データ１０１－１は、空間光通信送受信機１１－１の外部から入力される通信信号である。この光変調器１１０２－１による重畳後のレーザ光は、ＯＨＰＡ１１０３－１に出力される。
なお、光変調器１１０２－１による光変調の方法としては、例えば、光の強度変調によるＯＯＫ（Ｏｎ－Ｏｆｆ Ｋｅｙｉｎｇ）、または、光の位相変調によるＰＳＫ（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）などが挙げられ、適宜選択可能である。
なお、光変調器１１０２－１による光変調の方法としては、例えば、光の強度変調によるＯＯＫ（Ｏｎ－Ｏｆｆ Ｋｅｙｉｎｇ）、または、光の位相変調によるＰＳＫ（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）などが挙げられ、適宜選択可能である。
【0021】
ＯＨＰＡ１１０３－１は、ファイバを入出力とした光増幅器である。このＯＨＰＡ１１０３－１は、光変調器１１０２－１による重畳後のレーザ光の光強度を増幅する。このＯＨＰＡ１１０３－１による増幅後のレーザ光は、コリメータ１１０５－１に出力される。
このＯＨＰＡ１１０３－１としては、例えば、エルビウムドープトファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）などのファイバ増幅器、または、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）が挙げられる。ファイバ増幅器は、ファイバに励起光が注入されることで信号光が増幅される。また、半導体光増幅器は、電流注入により信号光が増幅される。
このＯＨＰＡ１１０３－１としては、例えば、エルビウムドープトファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）などのファイバ増幅器、または、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）が挙げられる。ファイバ増幅器は、ファイバに励起光が注入されることで信号光が増幅される。また、半導体光増幅器は、電流注入により信号光が増幅される。
【0022】
ＯＨＰＡ制御器１１０４－１は、ＯＨＰＡ１１０３－１の利得制御を行う光増幅器制御器である。すなわち、ＯＨＰＡ制御器１１０４－１は、ＯＨＰＡ１１０３－１がファイバ増幅器である場合には、当該ファイバ増幅器の励起光を制御することで、当該ファイバ増幅器の利得制御を行う。また、ＯＨＰＡ制御器１１０４－１は、ＯＨＰＡ１１０３－１が半導体光増幅器である場合には、当該半導体光増幅器の注入電流を制御することで、当該半導体光増幅器の利得制御を行う。
【0023】
コリメータ１１０５－１は、ＯＨＰＡ１１０３－１による増幅後のレーザ光を並行光に近い空間光に変換し、当該空間光である送信光を放射する。このコリメータ１１０５－１により放射された送信光は、ダイクロイックミラー１１０６－１およびチップチルトミラー１１０７－１を介して、光学望遠鏡１１０８－１に出力される。
このコリメータ１１０５－１は、通常、ファイバコネクタ１１０５１－１およびコリメータレンズ１１０５２－１により構成される。そして、このコリメータ１１０５－１は、ファイバコネクタ１１０５１－１の端部とコリメータレンズ１１０５２－１との間の距離をコリメータレンズ１１０５２－１の焦点距離とすることで、コリメータレンズ１１０５２－１からの出力光が平行光、すなわちコリメート光となる。
このコリメータ１１０５－１は、通常、ファイバコネクタ１１０５１－１およびコリメータレンズ１１０５２－１により構成される。そして、このコリメータ１１０５－１は、ファイバコネクタ１１０５１－１の端部とコリメータレンズ１１０５２－１との間の距離をコリメータレンズ１１０５２－１の焦点距離とすることで、コリメータレンズ１１０５２－１からの出力光が平行光、すなわちコリメート光となる。
【0024】
ダイクロイックミラー１１０６－１は、コリメータ１１０５－１により放射された送信光と、チップチルトミラー１１０７－１により反射された受信光とを波長分離する。すなわち、ダイクロイックミラー１１０６－１は、コリメータ１１０５－１により放射された送信光を透過させ、チップチルトミラー１１０７－１により反射された受信光を反射する。このダイクロイックミラー１１０６－１を透過した送信光はチップチルトミラー１１０７－１に出力され、ダイクロイックミラー１１０６－１により反射された受信光はビームスプリッタ１１１０－１に出力される。
【0025】
チップチルトミラー１１０７－１は、送信光および受信光における二軸方向の角度を調整可能なミラーである。
そして、チップチルトミラー１１０７－１は、ダイクロイックミラー１１０６－１を透過した送信光を反射し、光学望遠鏡１１０８－１により受光された受信光を反射する。このチップチルトミラー１１０７－１により反射された送信光は光学望遠鏡１１０８－１に出力され、光学望遠鏡１１０８－１により反射された受信光はダイクロイックミラー１１０６－１に出力される。
そして、チップチルトミラー１１０７－１は、ダイクロイックミラー１１０６－１を透過した送信光を反射し、光学望遠鏡１１０８－１により受光された受信光を反射する。このチップチルトミラー１１０７－１により反射された送信光は光学望遠鏡１１０８－１に出力され、光学望遠鏡１１０８－１により反射された受信光はダイクロイックミラー１１０６－１に出力される。
【0026】
チップチルトミラー１１０７－１は、送信光および受信光の両方の角度を同一のミラーで制御している。これに対し、空間光通信送受信機１１間の距離が長い場合には、チップチルトミラー１１０７－１に加え、別途送信光のみの角度制御を独立して行うチップチルトミラーが追加されてもよい。空間伝送路の距離が長い場合、空間伝送路を光が伝搬する間に、移動体に搭載された通信相手である空間光通信装置１－２は移動する。よって、通信相手からの受信光を元に、通信相手の指向方向を特定し、送信光の指向制御をすると、空間伝送路を光が往復する時間に移動体が移動した分の指向誤差を生じる。これを光行差と呼ぶ。この光行差を補正するためには、ダイクロイックミラー１１０６－１とコリメータ１１０５－１との間に、光行差補正用のチップチルトミラーが加えられればよい。
【0027】
光学望遠鏡１１０８－１は、チップチルトミラー１１０７－１により反射された送信光のビーム幅を拡大して空間伝送路に放射する。また、光学望遠鏡１１０８－１は、対向する空間光通信送受信機１１－２における光学望遠鏡１１０８－２により放射された送信光を受信光として受光する。
【0028】
ジンバル１１０９－１は、光学望遠鏡１１０８－１の光軸方向を調整可能な機器である。
【0029】
ビームスプリッタ１１１０－１は、ダイクロイックミラー１１０６－１により反射された受信光を二分岐する。このビームスプリッタ１１１０－１により得られた一方の受信光は光復調器１１１１－１に出力され、他方の受信光は捕捉追尾センサ１１１５－１に出力される。
【0030】
光復調器１１１１－１は、ビームスプリッタ１１１０－１により得られた一方の受信光を光電変換して通信信号を復調する。この光復調器１１１１－１により復調された通信信号は受信データ１０２－１として外部に出力される。
【0031】
駆動機構１１１２－１は、コリメータ１１０５－１が有するコリメータレンズ１１０５２－１を駆動する。そして、駆動機構１１１２－１は、コリメータレンズ１１０５２－１を駆動することで、コリメータレンズ１１０５２－１の光軸方向の調整およびコリメータレンズ１１０５２－１の焦点距離の調整を行う。
【0032】
駆動制御器１１１３－１は、姿勢軌道制御計算機１２－１により予測された移動体間の距離および記憶装置１１１４－１に記憶されている情報に基づいて、駆動機構１１１２－１の駆動制御を行う。この際、駆動制御器１１１３－１は、姿勢軌道制御計算機１２－１により予測された移動体間の距離に基づいて、当該距離から算出される自由空間損失と送信光のビーム拡がり角により決まる送信利得との積が一定となるよう、駆動機構１１１２－１の駆動量を決定する。
【0033】
記憶装置１１１４－１は、駆動機構１１１２－１のレンズ駆動量と光学望遠鏡１１０８－１から空間伝送路に放射される送信光のビーム拡がり角との関係を示す情報を記憶する設定テーブルである。
【0034】
記憶装置１１１４－１としては、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、またはＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）などが該当する。
【0035】
なお、図１では、記憶装置１１１４－１が空間光通信送受信機１１－１の内部に設けられた場合を示した。しかしながら、これに限らず、記憶装置１１１４－１は空間光通信送受信機１１－１の外部に設けられていてもよい。
【0036】
捕捉追尾センサ１１１５－１は、ビームスプリッタ１１１０－１により得られた他方の受信光に基づいて、当該受信光の到来角度を検出する。この捕捉追尾センサ１１１５－１により検出された受信光の到来角度を示す情報は、捕捉追尾制御器１１１６－１に出力される。
【0037】
捕捉追尾制御器１１１６－１は、姿勢軌道制御計算機１２－１により予測された見込角、および、捕捉追尾センサ１１１５－１により検出された受信光の到来角度に基づいて、ジンバル１１０９－１およびチップチルトミラー１１０７－１を制御する。すなわち、捕捉追尾制御器１１１６－１は、ジンバル１１０９－１の角度およびチップチルトミラー１１０７－１の角度を制御することで、光学望遠鏡１１０８－１の光軸と、空間光通信送受信機１１－１と通信を行う空間光通信送受信機１１－２における光学望遠鏡１１０８－２の光軸とを合わせる。
【0038】
姿勢軌道制御計算機１２－１は、空間光通信装置１－１が搭載される移動体の姿勢および位置情報、ならびに、空間光通信装置１－２が搭載される移動体の位置情報に基づいて、見込角を予測するとともに、通信を行う移動体間の距離を予測する。見込角は、空間光通信送受信機１１－２の空間光通信送受信機１１－１に対する相対的な方向である。また、通信を行う移動体間の距離は、空間光通信送受信機１１－１と空間光通信送受信機１１－２との間の距離である。この姿勢軌道制御計算機１２－１により予測された見込角を示す情報は、捕捉追尾制御器１１１６－１に出力される。また、姿勢軌道制御計算機１２－１により予測された通信を行う移動体間の距離を示す情報は、駆動制御器１１１３－１に出力される。
【0039】
空間光通信装置１－２は、移動体に搭載され、通信相手である空間光通信装置１－１との間で通信を行う。なお、実施の形態１に係る空間光通信装置１－２は、空間伝送路の距離変動があった場合にも、通信相手である空間光通信装置１－１で受光される送信光の光強度を一定にし、安定な空間光通信路を確立することを可能とする機能を有する。
この空間光通信装置１－２は、図１に示すように、空間光通信送受信機１１－２および姿勢軌道制御計算機１２－２を備えている。
この空間光通信装置１－２は、図１に示すように、空間光通信送受信機１１－２および姿勢軌道制御計算機１２－２を備えている。
【0040】
空間光通信送受信機１１－２は、図１に示すように、光源１１０１－２、光変調器１１０２－２、ＯＨＰＡ１１０３－２、ＯＨＰＡ制御器１１０４－２、コリメータ１１０５－２、ダイクロイックミラー１１０６－２、チップチルトミラー１１０７－２、光学望遠鏡１１０８－２、ジンバル１１０９－２、ビームスプリッタ１１１０－２、光復調器１１１１－２、駆動機構１１１２－２、駆動制御器１１１３－２、記憶装置１１１４－２、捕捉追尾センサ１１１５－２、および、捕捉追尾制御器１１１６－２を備えている。
【0041】
光源１１０１－２は、空間伝搬させる搬送波であるレーザ光を生成する。この光源１１０１－２により生成されたレーザ光は、光変調器１１０２－２に出力される。
なお、光源１１０１－２としては、例えばＬＤが挙げられる。
なお、光源１１０１－２としては、例えばＬＤが挙げられる。
【0042】
光変調器１１０２－２は、光源１１０１－２により生成されたレーザ光に送信データ１０１－２を重畳する。なお、送信データ１０１－２は、空間光通信送受信機１１－２の外部から入力される通信信号である。この光変調器１１０２－２による重畳後のレーザ光は、ＯＨＰＡ１１０３－２に出力される。
なお、光変調器１１０２－２による光変調の方法としては、例えば、光の強度変調によるＯＯＫ、または、光の位相変調によるＰＳＫなどが挙げられ、適宜選択可能である。
なお、光変調器１１０２－２による光変調の方法としては、例えば、光の強度変調によるＯＯＫ、または、光の位相変調によるＰＳＫなどが挙げられ、適宜選択可能である。
【0043】
ＯＨＰＡ１１０３－２は、ファイバを入出力とした光増幅器である。このＯＨＰＡ１１０３－２は、光変調器１１０２－１による重畳後のレーザ光の光強度を増幅する。このＯＨＰＡ１１０３－２による増幅後のレーザ光は、コリメータ１１０５－２に出力される。
このＯＨＰＡ１１０３－２としては、例えば、エルビウムドープトファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）などのファイバ増幅器、または、半導体光増幅器（ＳＯＡ）が挙げられる。ファイバ増幅器は、ファイバに励起光が注入されることで信号光が増幅される。また、半導体光増幅器は、電流注入により信号光が増幅される。
このＯＨＰＡ１１０３－２としては、例えば、エルビウムドープトファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）などのファイバ増幅器、または、半導体光増幅器（ＳＯＡ）が挙げられる。ファイバ増幅器は、ファイバに励起光が注入されることで信号光が増幅される。また、半導体光増幅器は、電流注入により信号光が増幅される。
【0044】
ＯＨＰＡ制御器１１０４－２は、ＯＨＰＡ１１０３－２の利得制御を行う光増幅器制御器である。すなわち、ＯＨＰＡ制御器１１０４－２は、ＯＨＰＡ１１０３－２がファイバ増幅器である場合には、当該ファイバ増幅器の励起光を制御することで、当該ファイバ増幅器の利得制御を行う。また、ＯＨＰＡ制御器１１０４－２は、ＯＨＰＡ１１０３－２が半導体光増幅器である場合には、当該半導体光増幅器の注入電流を制御することで、当該半導体光増幅器の利得制御を行う。
【0045】
コリメータ１１０５－２は、ＯＨＰＡ１１０３－２による増幅後のレーザ光を並行光に近い空間光に変換し、当該空間光である送信光を放射する。このコリメータ１１０５－２により放射された送信光は、ダイクロイックミラー１１０６－２およびチップチルトミラー１１０７－２を介して、光学望遠鏡１１０８－２に出力される。
このコリメータ１１０５－２は、通常、ファイバコネクタ１１０５１－２およびコリメータレンズ１１０５２－２により構成される。そして、このコリメータ１１０５－２は、ファイバコネクタ１１０５１－２の端部とコリメータレンズ１１０５２－２との間の距離をコリメータレンズ１１０５２－２の焦点距離とすることで、コリメータレンズ１１０５２－２からの出力光が平行光、すなわちコリメート光となる。
このコリメータ１１０５－２は、通常、ファイバコネクタ１１０５１－２およびコリメータレンズ１１０５２－２により構成される。そして、このコリメータ１１０５－２は、ファイバコネクタ１１０５１－２の端部とコリメータレンズ１１０５２－２との間の距離をコリメータレンズ１１０５２－２の焦点距離とすることで、コリメータレンズ１１０５２－２からの出力光が平行光、すなわちコリメート光となる。
【0046】
ダイクロイックミラー１１０６－２は、コリメータ１１０５－２により放射された送信光と、チップチルトミラー１１０７－２により反射された受信光とを波長分離する。すなわち、ダイクロイックミラー１１０６－２は、コリメータ１１０５－２により放射された送信光を透過させ、チップチルトミラー１１０７－２により反射された受信光を反射する。このダイクロイックミラー１１０６－２を透過した送信光はチップチルトミラー１１０７－２に出力され、ダイクロイックミラー１１０６－２により反射された受信光はビームスプリッタ１１１０－２に出力される。
【0047】
チップチルトミラー１１０７－２は、送信光および受信光における二軸方向の角度を調整可能なミラーである。
そして、チップチルトミラー１１０７－２は、ダイクロイックミラー１１０６－２を透過した送信光を反射し、光学望遠鏡１１０８－２により受光された受信光を反射する。このチップチルトミラー１１０７－２により反射された送信光は光学望遠鏡１１０８－２に出力され、光学望遠鏡１１０８－２により反射された受信光はダイクロイックミラー１１０６－２に出力される。
そして、チップチルトミラー１１０７－２は、ダイクロイックミラー１１０６－２を透過した送信光を反射し、光学望遠鏡１１０８－２により受光された受信光を反射する。このチップチルトミラー１１０７－２により反射された送信光は光学望遠鏡１１０８－２に出力され、光学望遠鏡１１０８－２により反射された受信光はダイクロイックミラー１１０６－２に出力される。
【0048】
チップチルトミラー１１０７－２は、送信光および受信光の両方の角度を同一のミラーで制御している。これに対し、空間光通信送受信機１１間の距離が長い場合には、チップチルトミラー１１０７－２に加え、別途送信光のみの角度制御を独立して行うチップチルトミラーが追加されてもよい。空間伝送路の距離が長い場合、空間伝送路を光が伝搬する間に、移動体に搭載された通信相手である空間光通信装置１－１は移動する。よって、通信相手からの受信光を元に、通信相手の指向方向を特定し、送信光の指向制御をすると、空間伝送路を光が往復する時間に移動体が移動した分の指向誤差を生じる。これを光行差と呼ぶ。この光行差を補正するためには、ダイクロイックミラー１１０６－２とコリメータ１１０５－２との間に、光行差補正用のチップチルトミラーが加えられればよい。
【0049】
光学望遠鏡１１０８－２は、チップチルトミラー１１０７－２により反射された送信光のビーム幅を拡大して空間伝送路に放射する。また、光学望遠鏡１１０８－２は、対向する空間光通信送受信機１１－１における光学望遠鏡１１０８－１により放射された送信光を受信光として受光する。
【0050】
ジンバル１１０９－２は、光学望遠鏡１１０８－２の光軸方向を調整可能な機器である。
【0051】
ビームスプリッタ１１１０－２は、ダイクロイックミラー１１０６－２により反射された受信光を二分岐する。このビームスプリッタ１１１０－２により得られた一方の受信光は光復調器１１１１－２に出力され、他方の受信光は捕捉追尾センサ１１１５－２に出力される。
【0052】
光復調器１１１１－２は、ビームスプリッタ１１１０－２により得られた一方の受信光を光電変換して通信信号を復調する。この光復調器１１１１－２により復調された通信信号は受信データ１０２－２として外部に出力される。
【0053】
駆動機構１１１２－２は、コリメータ１１０５－２が有するコリメータレンズ１１０５２－２を駆動する。そして、駆動機構１１１２－２は、コリメータレンズ１１０５２－２を駆動することで、コリメータレンズ１１０５２－２の光軸方向の調整およびコリメータレンズ１１０５２－２の焦点距離の調整を行う。
【0054】
駆動制御器１１１３－２は、姿勢軌道制御計算機１２－２により予測された移動体間の距離および記憶装置１１１４－２に記憶されている情報に基づいて、駆動機構１１１２－２の駆動制御を行う。この際、駆動制御器１１１３－２は、姿勢軌道制御計算機１２－２により予測された移動体間の距離に基づいて、当該距離から算出される自由空間損失と送信光のビーム拡がり角により決まる送信利得との積が一定となるよう、駆動機構１１１２－２の駆動量を決定する。
【0055】
記憶装置１１１４－２は、駆動機構１１１２－２のレンズ駆動量と光学望遠鏡１１０８－２から空間伝送路に放射される送信光のビーム拡がり角との関係を示す情報を記憶する設定テーブルである。
【0056】
記憶装置１１１４－２としては、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、またはＤＶＤなどが該当する。
【0057】
なお、図１では、記憶装置１１１４－２が空間光通信送受信機１１－２の内部に設けられた場合を示した。しかしながら、これに限らず、記憶装置１１１４－２は空間光通信送受信機１１－２の外部に設けられていてもよい。
【0058】
捕捉追尾センサ１１１５－２は、ビームスプリッタ１１１０－２により得られた他方の受信光に基づいて、当該受信光の到来角度を検出する。この捕捉追尾センサ１１１５－２により検出された受信光の到来角度を示す情報は、捕捉追尾制御器１１１６－２に出力される。
【0059】
捕捉追尾制御器１１１６－２は、姿勢軌道制御計算機１２－２により予測された見込角、および、捕捉追尾センサ１１１５－２により検出された受信光の到来角度に基づいて、ジンバル１１０９－２およびチップチルトミラー１１０７－２を制御する。すなわち、捕捉追尾制御器１１１６－２は、ジンバル１１０９－２の角度およびチップチルトミラー１１０７－２の角度を制御することで、光学望遠鏡１１０８－２の光軸と、空間光通信送受信機１１－２と通信を行う空間光通信送受信機１１－１における光学望遠鏡１１０８－１の光軸とを合わせる。
【0060】
姿勢軌道制御計算機１２－２は、空間光通信装置１－２が搭載される移動体の姿勢および位置情報、ならびに、空間光通信装置１－１が搭載される移動体の位置情報に基づいて、見込角を予測するとともに、通信を行う移動体間の距離を予測する。見込角は、空間光通信送受信機１１－１の空間光通信送受信機１１－２に対する相対的な方向である。また、通信を行う移動体間の距離は、空間光通信送受信機１１－１と空間光通信送受信機１１－２との間の距離である。この姿勢軌道制御計算機１２－２により予測された見込角を示す情報は、捕捉追尾制御器１１１６－２に出力される。また、姿勢軌道制御計算機１２－２により予測された通信を行う移動体間の距離を示す情報は、駆動制御器１１１３－２に出力される。
【0061】
なお、空間伝送路は、空間光通信送受信機１１－１と空間光通信送受信機１１－２との間を満たす媒質であり、地球上の通信の場合には大気、海中通信の場合には海水、衛星間通信の場合には真空と、その媒質は問わない。
図１において、符号１０３は、通信を行う移動体間の距離、すなわち空間伝送路の距離を示している。
図１において、符号１０３は、通信を行う移動体間の距離、すなわち空間伝送路の距離を示している。
【0062】
次に、図１に示す実施の形態１に係る空間光通信システムの動作例について説明する。
この空間光通信システムでは、空間光通信装置１－１から空間光通信装置１－２にデータを伝送するとともに、空間光通信装置１－２から空間光通信装置１－１にデータを伝送する。ここでは、空間光通信装置１－１から空間光通信装置１－２への送信光の波長をλａとし、空間光通信装置１－２から空間光通信装置１－１への送信光の波長をλｂとする。
この空間光通信システムでは、空間光通信装置１－１から空間光通信装置１－２にデータを伝送するとともに、空間光通信装置１－２から空間光通信装置１－１にデータを伝送する。ここでは、空間光通信装置１－１から空間光通信装置１－２への送信光の波長をλａとし、空間光通信装置１－２から空間光通信装置１－１への送信光の波長をλｂとする。
【0063】
また、空間光通信装置１－１および空間光通信装置１－２は同様の動作をするため、以下では、空間光通信装置１－１から空間光通信装置１－２にデータを送信する場合を例に説明を行う。
【0064】
まず、空間光通信送受信機１１－１における光源１１０１－１の出力光は、光変調器１１０２－１に入力され、光変調器１１０２－１によって空間光通信送受信機１１－１の外部から入力される通信信号である送信データ１０１－１が重畳される。
【0065】
この光変調器１１０２－１の出力光は、ＯＨＰＡ１１０３－１に入力され、ＯＨＰＡ１１０３－１によって光強度が増幅される。
なお、ＯＨＰＡ制御器１１０４－１は、ＯＨＰＡ１１０３－１の利得制御を行う。
なお、ＯＨＰＡ制御器１１０４－１は、ＯＨＰＡ１１０３－１の利得制御を行う。
【0066】
このＯＨＰＡ１１０３－１の出力光は、コリメータ１１０５－１により空間光に変換されて送信光として放射される。
【0067】
このコリメータ１１０５－１の出力光は、ダイクロイックミラー１１０６－１を透過し、チップチルトミラー１１０７－１で反射して、光学望遠鏡１１０８－１に入射する。
なお、ダイクロイックミラー１１０６－１は、空間光通信送受信機１１－１の送信光と空間光通信送受信機１１－２からの受信光とを分離するものであり、すなわち、λａの波長を透過し、λｂの波長を反射するものとする。これにより、空間光通信送受信機１１－２からの送信光は、ダイクロイックミラー１１０６－１で反射され、コリメータ１１０５－１側には入射されない。
なお、ダイクロイックミラー１１０６－１は、空間光通信送受信機１１－１の送信光と空間光通信送受信機１１－２からの受信光とを分離するものであり、すなわち、λａの波長を透過し、λｂの波長を反射するものとする。これにより、空間光通信送受信機１１－２からの送信光は、ダイクロイックミラー１１０６－１で反射され、コリメータ１１０５－１側には入射されない。
【0068】
この光学望遠鏡１１０８－１の出力光は、空間伝送路を伝搬し、空間光通信送受信機１１－２の光学望遠鏡１１０８－２で受信光として受光される。
光学望遠鏡１１０８－２で受光された受信光は、チップチルトミラー１１０７－２で反射され、ダイクロイックミラー１１０６－２で反射された後、ビームスプリッタ１１１０－２で二分岐され、捕捉追尾センサ１１１５－２および光復調器１１１１－２へそれぞれ入力される。
光学望遠鏡１１０８－２で受光された受信光は、チップチルトミラー１１０７－２で反射され、ダイクロイックミラー１１０６－２で反射された後、ビームスプリッタ１１１０－２で二分岐され、捕捉追尾センサ１１１５－２および光復調器１１１１－２へそれぞれ入力される。
【0069】
その後、光復調器１１１１－２では、内部の光電変換器で受信光が光電変換されて通信信号が復調される。この光復調器１１１１－２により復調された通信信号は、受信データ１０２－２として外部に出力される。
【0070】
また、空間光通信送受信機１１－１は、空間光通信送受信機１１－２との間での通信路を確保するにあたって、捕捉追尾センサ１１１５－１で受信光の到来方向を検出し、その情報をもとに捕捉追尾制御器１１１６－１でチップチルトミラー１１０７－１およびジンバル１１０９－１を制御することで実現する。
この際、姿勢軌道制御計算機１２－１は、空間光通信送受信機１１－１が搭載されている移動体の姿勢および位置、ならびに、空間光通信送受信機１１－２が搭載されている移動体の位置に基づいて、空間光通信送受信機１１－２の空間光通信送受信機１１－１に対する相対的な方向である見込角を予測する。そして、捕捉追尾制御器１１１６－１は、この情報と上記受信光の到来方向をもとに、ジンバル１１０９－１の指向角度を決定し、チップチルトミラー１１０７－１で補正できる範囲に角度誤差を抑える。
この際、姿勢軌道制御計算機１２－１は、空間光通信送受信機１１－１が搭載されている移動体の姿勢および位置、ならびに、空間光通信送受信機１１－２が搭載されている移動体の位置に基づいて、空間光通信送受信機１１－２の空間光通信送受信機１１－１に対する相対的な方向である見込角を予測する。そして、捕捉追尾制御器１１１６－１は、この情報と上記受信光の到来方向をもとに、ジンバル１１０９－１の指向角度を決定し、チップチルトミラー１１０７－１で補正できる範囲に角度誤差を抑える。
【0071】
なお、上記では、空間光通信装置１－１から空間光通信装置１－２へデータ伝送を行う場合の動作例について示した。これに対し、空間光通信装置１－２から空間光通信装置１－１へデータ伝送を行う場合についても上記と同様の動作を行う。
これにより、空間光通信システムでは、光学望遠鏡１１０８－１の光軸と光学望遠鏡１１０８－２の光軸とが正対するようになり、捕捉追尾制御器１１１６－１による角度制御および捕捉追尾制御器１１１６－２による角度制御を続けることで、相互に移動体の追尾が実現され、光路が維持される。
これにより、空間光通信システムでは、光学望遠鏡１１０８－１の光軸と光学望遠鏡１１０８－２の光軸とが正対するようになり、捕捉追尾制御器１１１６－１による角度制御および捕捉追尾制御器１１１６－２による角度制御を続けることで、相互に移動体の追尾が実現され、光路が維持される。
【0072】
上記では、空間光通信装置１－１および空間光通信装置１－２の基本的な動作を説明した。
一方、近距離から遠距離までの広い距離変動がある場合の通信路の維持を考えた場合に、光復調器１１１１－１内の光電変換器または捕捉追尾センサ１１１５－１などの受光器のダイナミックレンジ以上の損失変動が起こる可能性がある。ここでのダイナミックレンジとは、最小受光強度と飽和強度との比を表す。
一方、近距離から遠距離までの広い距離変動がある場合の通信路の維持を考えた場合に、光復調器１１１１－１内の光電変換器または捕捉追尾センサ１１１５－１などの受光器のダイナミックレンジ以上の損失変動が起こる可能性がある。ここでのダイナミックレンジとは、最小受光強度と飽和強度との比を表す。
【0073】
一般に、光の自由空間損失であるＧｆｓは下式（１）で表される。
式（１）において、λは伝搬する光の波長、Ｌは伝搬距離である。式（１）の通り、自由空間損失は、伝搬距離の２乗で変動する。よって、例えば空間伝送路の距離が１００ｋｍ～１００００ｋｍと２０ｄＢ変動する場合には、４０ｄＢ以上のダイナミックレンジが必要となる。
式（１）において、λは伝搬する光の波長、Ｌは伝搬距離である。式（１）の通り、自由空間損失は、伝搬距離の２乗で変動する。よって、例えば空間伝送路の距離が１００ｋｍ～１００００ｋｍと２０ｄＢ変動する場合には、４０ｄＢ以上のダイナミックレンジが必要となる。
【0074】
また、空間伝送路の距離変動に対応する方法として、ＯＨＰＡ１１０３－１の利得を電気的に制御することが考えられる。すなわち、ＯＨＰＡ１１０３－１の励起光の駆動電流または注入電流をＯＨＰＡ制御器１１０４－１により変化させ、ＯＨＰＡ１１０３－１の利得を制御することができる。
しかしながら、高利得のＯＨＰＡ１１０３－１では、利得を落としていった際の、利得しきい値付近の電気的制御が困難である。また、高利得方向に利得制御をすると、ＡＳＥを誘発してＮＦが劣化し、通信路のＳ／Ｎが変動してしまう。
しかしながら、高利得のＯＨＰＡ１１０３－１では、利得を落としていった際の、利得しきい値付近の電気的制御が困難である。また、高利得方向に利得制御をすると、ＡＳＥを誘発してＮＦが劣化し、通信路のＳ／Ｎが変動してしまう。
【0075】
そこで、実施の形態１では、ＯＨＰＡ制御器１１０４－１の電流値の変更など、電気的なＯＨＰＡ１１０３－１の利得可変に基づかない、空間伝送路の距離変動に対応可能な空間光通信送受信機１１－１を実現する。
【0076】
すなわち、実施の形態１に係る空間光通信送受信機１１－１では、コリメータ１１０５－１から放射される送信光のビーム拡がり角を制御することで、光学望遠鏡１１０８－１から放射される送信光のビーム拡がり角を制御する。
コリメータ１１０５－１では、一般的には、出射光が平行光となるよう、ファイバコネクタ１１０５１－１の端部とコリメータレンズ１１０５２－１との距離が固定され、コリメータレンズ１１０５２－１の焦点距離が固定されている。これに対し、実施の形態１に係る空間光通信送受信機１１－１では、駆動機構１１１２－１により、コリメータレンズ１１０５２－１の焦点距離を可変させる。
コリメータ１１０５－１では、一般的には、出射光が平行光となるよう、ファイバコネクタ１１０５１－１の端部とコリメータレンズ１１０５２－１との距離が固定され、コリメータレンズ１１０５２－１の焦点距離が固定されている。これに対し、実施の形態１に係る空間光通信送受信機１１－１では、駆動機構１１１２－１により、コリメータレンズ１１０５２－１の焦点距離を可変させる。
【0077】
コリメータレンズ１１０５２－１の焦点距離の調整による送信光のビーム拡がり角の可変の概要について、図２を参照しながら説明する。
図２の例では、コリメータ１１０５－１がコリメータレンズ１１０５２－１を有する屈折型のコリメータであり、光学望遠鏡１１０８－１がコリメータ側レンズ１１０８１－１および空間伝送路側レンズ１１０８２－１を有する屈折型の光学望遠鏡である場合を示している。
また、コリメータレンズ１１０５２－１の焦点距離はｆ１－１であり、コリメータ側レンズ１１０８１－１の焦点距離はｆ２－１であり、空間伝送路側レンズ１１０８２－１の焦点距離はｆ３－１であるとする。
図２の例では、コリメータ１１０５－１がコリメータレンズ１１０５２－１を有する屈折型のコリメータであり、光学望遠鏡１１０８－１がコリメータ側レンズ１１０８１－１および空間伝送路側レンズ１１０８２－１を有する屈折型の光学望遠鏡である場合を示している。
また、コリメータレンズ１１０５２－１の焦点距離はｆ１－１であり、コリメータ側レンズ１１０８１－１の焦点距離はｆ２－１であり、空間伝送路側レンズ１１０８２－１の焦点距離はｆ３－１であるとする。
【0078】
図２Ａに示すコリメータレンズ１１０５２－１の調整を行わない場合では、コリメータレンズ１１０５２－１とファイバコネクタ１１０５１－１の端部との間の距離はｆ１－１であり、コリメータ１１０５－１の出射光は平行光となる。その光をアフォーカル光学系である光学望遠鏡１１０８－１で拡大し、送信光として光学望遠鏡１１０８－１より放射する。よって、送信光はほぼ平行光となり、光学望遠鏡１１０８－１の空間伝送路側の開口径で決まるビーム幅に応じて、長距離伝搬させると送信光が回折的に広がっていく。
【0079】
これに対し、図２Ｂに示すように、コリメータレンズ１１０５２－１をファイバコネクタ１１０５１－１の端部に近づけると、コリメータ１１０５－１の出射光は平行光でなく、拡がりを持つようになる。このため、光学望遠鏡１１０８－１ではアフォーカル結像系が崩れ、送信光は図２Ａの場合に対してより拡がったビームとなる。図２Ｂでは、コリメータレンズ１１０５２－１とファイバコネクタ１１０５１－１の端部との間の距離をｆ１’－１とした場合を示している。
【0080】
なお、上記では、コリメータ１１０５－１が屈折型のコリメータであり、光学望遠鏡１１０８－１が屈折型の光学望遠鏡である場合を例に示したが、反射鏡を用いた構成についても同様の光学的な効果を得られる。
【0081】
また、コリメータ１１０５－１の焦点距離を調整する方法としては、例えば以下のような方法が挙げられる。
【0082】
まず、例えば、図３に示すように、コリメータレンズ１１０５２－１を移動させる方法が挙げられる。
この場合、例えば、コリメータ１１０５－１には、コリメータレンズ１１０５２－１が固定され、コリメータレンズ１１０５２－１を光軸に沿って移動可能な直動アクチュエータ１１０５３－１が設けられる。そして、駆動機構１１１２－１は、駆動制御信号によって当該直動アクチュエータ１１０５３－１を駆動することで、コリメータ１１０５－１の焦点距離を調整する。
この場合、例えば、コリメータ１１０５－１には、コリメータレンズ１１０５２－１が固定され、コリメータレンズ１１０５２－１を光軸に沿って移動可能な直動アクチュエータ１１０５３－１が設けられる。そして、駆動機構１１１２－１は、駆動制御信号によって当該直動アクチュエータ１１０５３－１を駆動することで、コリメータ１１０５－１の焦点距離を調整する。
【0083】
また、例えば、図４に示すように、ファイバコネクタ１１０５１－１の端部を移動させる方法が挙げられる。
この場合、例えば、コリメータ１１０５－１には、ファイバコネクタ１１０５１－１が固定され、ファイバコネクタ１１０５１－１の端部を光軸方向に沿って移動可能な円筒状のピエゾ素子１１０５４－１が設けられる。そして、駆動機構１１１２－１は、駆動制御信号によって当該ピエゾ素子１１０５４－１を駆動し、当該ピエゾ素子１１０５４－１の伸縮によりファイバコネクタ１１０５１－１の位置制御を行うことで、コリメータ１１０５－１の焦点距離を調整する。
この場合、図３の場合に対し、コリメータ１１０５－１の構成として、機械的な駆動部分を用いない精密な駆動を行うことが可能となる。
この場合、例えば、コリメータ１１０５－１には、ファイバコネクタ１１０５１－１が固定され、ファイバコネクタ１１０５１－１の端部を光軸方向に沿って移動可能な円筒状のピエゾ素子１１０５４－１が設けられる。そして、駆動機構１１１２－１は、駆動制御信号によって当該ピエゾ素子１１０５４－１を駆動し、当該ピエゾ素子１１０５４－１の伸縮によりファイバコネクタ１１０５１－１の位置制御を行うことで、コリメータ１１０５－１の焦点距離を調整する。
この場合、図３の場合に対し、コリメータ１１０５－１の構成として、機械的な駆動部分を用いない精密な駆動を行うことが可能となる。
【0084】
また、例えば、図５に示すように、コリメータレンズ１１０５２－１として、電圧が印加されることによって焦点距離が変化するレンズを用いる方法が挙げられる。
この場合、例えば、コリメータレンズ１１０５２－１に電気光学（Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃ）材料を用いる。そして、駆動機構１１１２－１は、駆動制御信号によってコリメータレンズ１１０５２－１の電気光学効果によるレンズパワーを制御することで、コリメータ１１０５－１の焦点距離を調整する。
この場合、図３の場合に対し、コリメータ１１０５－１の構成として、機械的な駆動部分を用いない精密な駆動を行うことが可能となる。
この場合、例えば、コリメータレンズ１１０５２－１に電気光学（Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃ）材料を用いる。そして、駆動機構１１１２－１は、駆動制御信号によってコリメータレンズ１１０５２－１の電気光学効果によるレンズパワーを制御することで、コリメータ１１０５－１の焦点距離を調整する。
この場合、図３の場合に対し、コリメータ１１０５－１の構成として、機械的な駆動部分を用いない精密な駆動を行うことが可能となる。
【0085】
また、姿勢軌道制御計算機１２－１では空間光通信送受信機１１－１と空間光通信送受信機１１－２との間の距離を予測可能であり、その結果、空間光通信装置１－１は自由空間損失を予測することが可能である。
なお、空間光通信装置１－１が搭載されている移動体の位置および空間光通信装置１－２が搭載されている移動体の位置のそれぞれから、姿勢軌道制御計算機１２－１が空間伝送路の距離を計算する方法としては、例えば、移動体が衛星であればＴＬＥ（Ｔｗｏ－Ｌｉｎｅ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ）を地上局から別の通信手段で取得し、それに基づいた軌道計算を行う方法が考えられる。あるいは、レーザ測距またはマイクロ波による直接的な測距を用いて、空間伝送路の距離を計算する方法を採用してもよい。
なお、空間光通信装置１－１が搭載されている移動体の位置および空間光通信装置１－２が搭載されている移動体の位置のそれぞれから、姿勢軌道制御計算機１２－１が空間伝送路の距離を計算する方法としては、例えば、移動体が衛星であればＴＬＥ（Ｔｗｏ－Ｌｉｎｅ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ）を地上局から別の通信手段で取得し、それに基づいた軌道計算を行う方法が考えられる。あるいは、レーザ測距またはマイクロ波による直接的な測距を用いて、空間伝送路の距離を計算する方法を採用してもよい。
【0086】
ここで、光学望遠鏡１１０８－１の出力光のビーム拡がり角をθｔとしたときの、送信利得であるＧｔは下式（２）で表される。よって、ビーム拡がり角の２乗で送信利得が劣化する。
【0087】
そして、駆動制御器１１１３－１は、姿勢軌道制御計算機１２－１で予測された通信を行う移動体間の距離、すなわち空間伝送路の距離と、記憶装置１１１４－１に記憶されている情報とから、下式（３）の条件が満たされるようにレンズ駆動量を選択し、駆動機構１１１２－１に対して設定を行う。
【0088】
受信利得は、対向する光学望遠鏡１１０８－２の開口径で決まる。そのため、上記のような制御を行うことで、送信利得と自由空間損失と受信利得の合計値は一定になる。これにより、空間光通信装置１－２における捕捉追尾センサ１１１５－２および光復調器１１１１－２での受光強度は一定に保たれる。
【0089】
また、従来の構成では、ＯＨＰＡ制御器が、空間伝送路の距離変動に応じてＯＨＰＡの利得制御を行う必要があった。これに対し、実施の形態１に係る空間光通信送受信機１１－１では、ＯＨＰＡ制御器１１０４－１は、空間伝送路の距離変動に応じてＯＨＰＡ１１０３－１の利得制御を行う必要はなく、飽和しない程度の最大出力で動作させ続けることで、信号増幅効果および付与される雑音の両面で、安定的な動作が期待できる。
【0090】
以上の説明では、空間光通信送受信機１１－１から空間光通信送受信機１１－２に対しての送信光の制御について説明を行った。これに対し、空間光通信送受信機１１－２から空間光通信送受信機１１－１に対しての送信光の制御についても、上記と同様である。
【0091】
以上のように、この実施の形態１によれば、空間光通信送受信機１１は、レーザ光を生成する光源１１０１と、光源１１０１により生成されたレーザ光に通信信号を重畳する光変調器１１０２と、光変調器１１０２による重畳後のレーザ光を増幅するＯＨＰＡ１１０３と、ファイバコネクタ１１０５１およびコリメータレンズ１１０５２を有し、ＯＨＰＡ１１０３による増幅後のレーザ光を空間光に変換して、当該空間光である送信光を放射するコリメータ１１０５と、コリメータ１１０５により放射された送信光のビーム幅を拡大して空間伝送路に放射する光学望遠鏡１１０８と、コリメータレンズ１１０５２の焦点距離を調整可能な駆動機構１１１２と、自機と通信相手である空間光通信送受信機１１との間の距離から算出される自由空間損失と、送信光のビーム拡がり角により決まる送信利得との積が一定となるよう、駆動機構１１１２の駆動量を決定する駆動制御器１１１３とを備えた。これにより、実施の形態１に係る空間光通信送受信機１１は、電気的な利得可変を行わずに、空間伝送路の距離変動に対応可能となり、受信側が受ける受光強度を一定にすることができる。その結果、従来に対し、通信可能な距離範囲の拡大が図れる。
また、実施の形態１に係る空間光通信送受信機１１は、従来に対し、受信側の内部光学系損失を抑えることができ、長距離での回線成立性を向上させることができる。
また、実施の形態１に係る空間光通信送受信機１１は、従来に対し、高強度の光が局所的に集光されることによるファイバの損傷を防ぐことができる。
また、実施の形態１に係る空間光通信送受信機１１は、従来に対し、受信側の内部光学系損失を抑えることができ、長距離での回線成立性を向上させることができる。
また、実施の形態１に係る空間光通信送受信機１１は、従来に対し、高強度の光が局所的に集光されることによるファイバの損傷を防ぐことができる。
【0092】
実施の形態２．
図６は実施の形態２に係る空間光通信システムの構成例を示す図である。
この図６に示す実施の形態２に係る空間光通信システムでは、図１に示す実施の形態１に係る空間光通信システムに対し、空間光通信送受信機１１－１に波面計測器１１１７－１が追加され、ダイクロイックミラー１１０６－１、駆動制御器１１１３－１および記憶装置１１１４－１の機能が変更され、空間光通信送受信機１１－２に波面計測器１１１７－２が追加され、ダイクロイックミラー１１０６－２、駆動制御器１１１３－２および記憶装置１１１４－２の機能が変更されている。この図６に示す実施の形態２に係る空間光通信システムにおけるその他の構成例については、図１に示す実施の形態１に係る空間光通信システムにおける構成例と同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
図６は実施の形態２に係る空間光通信システムの構成例を示す図である。
この図６に示す実施の形態２に係る空間光通信システムでは、図１に示す実施の形態１に係る空間光通信システムに対し、空間光通信送受信機１１－１に波面計測器１１１７－１が追加され、ダイクロイックミラー１１０６－１、駆動制御器１１１３－１および記憶装置１１１４－１の機能が変更され、空間光通信送受信機１１－２に波面計測器１１１７－２が追加され、ダイクロイックミラー１１０６－２、駆動制御器１１１３－２および記憶装置１１１４－２の機能が変更されている。この図６に示す実施の形態２に係る空間光通信システムにおけるその他の構成例については、図１に示す実施の形態１に係る空間光通信システムにおける構成例と同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
【0093】
ダイクロイックミラー１１０６－１は、コリメータ１１０５－１により放射された送信光と、チップチルトミラー１１０７－１により反射された受信光とを波長分離する。また、ダイクロイックミラー１１０６－１は、コリメータ１１０５－１により放射された送信光の一部を分離する。すなわち、ダイクロイックミラー１１０６－１は、コリメータ１１０５－１により放射された送信光のうちの一部をフレネル反射して残りを透過させ、チップチルトミラー１１０７－１により反射された受信光を反射する。このダイクロイックミラー１１０６－１によりフレネル反射された送信光は波面計測器１１１７－１に出力され、ダイクロイックミラー１１０６－１を透過した送信光はチップチルトミラー１１０７－１に出力され、ダイクロイックミラー１１０６－１により反射された受信光はビームスプリッタ１１１０－１に出力される。
【0094】
波面計測器１１１７－１は、ダイクロイックミラー１１０６－１によりフレネル反射された送信光のビーム拡がり角を検出する。この波面計測器１１１７－１により計測された送信光のビーム拡がり角を示す情報は、駆動制御器１１１３－１に出力される。
この波面計測器１１１７－１としては、例えば、シャック・ハルトマン波面センサが挙げられる。シャック・ハルトマン波面センサは、レンズアレイにより波面を分割してイメージャに集光し、そのスポットの変位量を計測することで、各点の波面勾配を測定し、それらの結果を結合することで全体の波面を復元できる。例えば、シャック・ハルトマン波面センサは、この計測波面を例えばツェルニケ多項式で収差成分に分解し、デフォーカス成分を分析することで、ビーム拡がり角を推定できる。
この波面計測器１１１７－１としては、例えば、シャック・ハルトマン波面センサが挙げられる。シャック・ハルトマン波面センサは、レンズアレイにより波面を分割してイメージャに集光し、そのスポットの変位量を計測することで、各点の波面勾配を測定し、それらの結果を結合することで全体の波面を復元できる。例えば、シャック・ハルトマン波面センサは、この計測波面を例えばツェルニケ多項式で収差成分に分解し、デフォーカス成分を分析することで、ビーム拡がり角を推定できる。
【0095】
駆動制御器１１１３－１は、姿勢軌道制御計算機１２－１により予測された移動体間の距離および記憶装置１１１４－１に記憶されている情報に基づいて、駆動機構１１１２－１の駆動制御を行う。この際、駆動制御器１１１３－１は、姿勢軌道制御計算機１２－１により予測された移動体間の距離に基づいて、当該距離から算出される自由空間損失と送信光のビーム拡がり角により決まる送信利得との積が一定となるよう、駆動機構１１１２－１の駆動量を決定する。また、駆動制御器１１１３－１は、波面計測器１１１７－１により検出された送信光のビーム拡がり角に基づいて、目標値に対するビーム拡がり角に誤差がある場合には、当該誤差を打ち消すように上記駆動量に対する補正を行う。
【0096】
記憶装置１１１４－１は、駆動機構１１１２－１のレンズ駆動量と光学望遠鏡１１０８－１から空間伝送路に放射される送信光のビーム拡がり角およびコリメータ１１０５－１により放射される送信光のビーム拡がり角との関係を示す情報を記憶する設定テーブルである。
【0097】
ダイクロイックミラー１１０６－２は、コリメータ１１０５－２により放射された送信光と、チップチルトミラー１１０７－２により反射された受信光とを波長分離する。また、ダイクロイックミラー１１０６－２は、コリメータ１１０５－２により放射された送信光の一部を分離する。すなわち、ダイクロイックミラー１１０６－２は、コリメータ１１０５－２により放射された送信光のうちの一部をフレネル反射して残りを透過させ、チップチルトミラー１１０７－２により反射された受信光を反射する。このダイクロイックミラー１１０６－２によりフレネル反射された送信光は波面計測器１１１７－２に出力され、ダイクロイックミラー１１０６－２を透過した送信光はチップチルトミラー１１０７－２に出力され、ダイクロイックミラー１１０６－２により反射された受信光はビームスプリッタ１１１０－２に出力される。
【0098】
波面計測器１１１７－２は、ダイクロイックミラー１１０６－２によりフレネル反射された送信光のビーム拡がり角を検出する。この波面計測器１１１７－２により計測された送信光のビーム拡がり角を示す情報は、駆動制御器１１１３－２に出力される。
この波面計測器１１１７－２としては、例えば、シャック・ハルトマン波面センサが挙げられる。シャック・ハルトマン波面センサは、レンズアレイにより波面を分割してイメージャに集光し、そのスポットの変位量を計測することで、各点の波面勾配を測定し、それらの結果を結合することで全体の波面を復元できる。例えば、シャック・ハルトマン波面センサは、この計測波面を例えばツェルニケ多項式で収差成分に分解し、デフォーカス成分を分析することで、ビーム拡がり角を推定できる。
この波面計測器１１１７－２としては、例えば、シャック・ハルトマン波面センサが挙げられる。シャック・ハルトマン波面センサは、レンズアレイにより波面を分割してイメージャに集光し、そのスポットの変位量を計測することで、各点の波面勾配を測定し、それらの結果を結合することで全体の波面を復元できる。例えば、シャック・ハルトマン波面センサは、この計測波面を例えばツェルニケ多項式で収差成分に分解し、デフォーカス成分を分析することで、ビーム拡がり角を推定できる。
【0099】
駆動制御器１１１３－２は、姿勢軌道制御計算機１２－２により予測された移動体間の距離および記憶装置１１１４－２に記憶されている情報に基づいて、駆動機構１１１２－２の駆動制御を行う。この際、駆動制御器１１１３－２は、姿勢軌道制御計算機１２－２により予測された移動体間の距離に基づいて、当該距離から算出される自由空間損失と送信光のビーム拡がり角により決まる送信利得との積が一定となるよう、駆動機構１１１２－２の駆動量を決定する。また、駆動制御器１１１３－２は、波面計測器１１１７－２により検出された送信光のビーム拡がり角に基づいて、目標値に対するビーム拡がり角に誤差がある場合には、当該誤差を打ち消すように上記駆動量に対する補正を行う。
【0100】
記憶装置１１１４－２は、駆動機構１１１２－２のレンズ駆動量と光学望遠鏡１１０８－２から空間伝送路に放射される送信光のビーム拡がり角およびコリメータ１１０５－２により放射される送信光のビーム拡がり角との関係を示す情報を記憶する設定テーブルである。
【0101】
ここで、コリメータ１１０５－１の駆動制御により、光学望遠鏡１１０８－１からの送信光のビーム拡がり角を制御する場合、コリメータ１１０５－１からの送信光のビーム拡がり角をより精密に制御する必要がある。
光学望遠鏡１１０８－１は、一般的に、空間伝送路に対する送信利得および受信利得を増加させるために開口を大きくし、ビーム幅を広げて空間伝送路に対するビーム出力を行う。よって、光学望遠鏡１１０８－１は、空間光通信送受信機１１－１の内部側から、空間伝送路に対して光学的に１以上の横倍率を持つ。すなわち、空間伝送路から、光学望遠鏡１１０８－１は空間光通信送受信機１１－１の内部側に対して、光学的に１以上の角倍率を持つことになる。よって、駆動機構１１１２－１の駆動に対して、光学望遠鏡１１０８－１から空間伝送路への送信光のビーム拡がり角は、コリメータ１１０５－１からの送信光のビーム拡がり角よりも鋭敏に変化する。
光学望遠鏡１１０８－１は、一般的に、空間伝送路に対する送信利得および受信利得を増加させるために開口を大きくし、ビーム幅を広げて空間伝送路に対するビーム出力を行う。よって、光学望遠鏡１１０８－１は、空間光通信送受信機１１－１の内部側から、空間伝送路に対して光学的に１以上の横倍率を持つ。すなわち、空間伝送路から、光学望遠鏡１１０８－１は空間光通信送受信機１１－１の内部側に対して、光学的に１以上の角倍率を持つことになる。よって、駆動機構１１１２－１の駆動に対して、光学望遠鏡１１０８－１から空間伝送路への送信光のビーム拡がり角は、コリメータ１１０５－１からの送信光のビーム拡がり角よりも鋭敏に変化する。
【0102】
そこで、実施の形態２に係る空間光通信送受信機１１－１では、コリメータ１１０５－１からの送信光のうち、ダイクロイックミラー１１０６－１のフレネル反射光を波面計測器１１１７－１に入射させ、波面計測器１１１７－１にてコリメータからの送信光のビーム拡がり角を計測する。
【0103】
そして、実施の形態２に係る空間光通信送受信機１１－１では、コリメータ１１０５－１からの送信光のビーム拡がり角を精密に制御するため、波面計測器１１１７－１で検出された送信光のビーム拡がり角を示す情報を、駆動制御器１１１３－１に入力する。
そして、駆動制御器１１１３－１は、式（２）および式（３）に基づき、空間伝送路の距離に応じた送信光のビーム拡がり角になるよう、レンズ駆動量を設定する。その後、駆動制御器１１１３－１は、波面計測器１１１７－１により検出された送信光のビーム拡がり角に基づいて、空間伝送路における送信光のビーム拡がり角の目標値と実測値との乖離があれば、この乖離を打ち消すようにレンズ駆動量を補正する。
そして、駆動制御器１１１３－１は、式（２）および式（３）に基づき、空間伝送路の距離に応じた送信光のビーム拡がり角になるよう、レンズ駆動量を設定する。その後、駆動制御器１１１３－１は、波面計測器１１１７－１により検出された送信光のビーム拡がり角に基づいて、空間伝送路における送信光のビーム拡がり角の目標値と実測値との乖離があれば、この乖離を打ち消すようにレンズ駆動量を補正する。
【0104】
以上の説明では、空間光通信送受信機１１－１から空間光通信送受信機１１－２に対しての送信光の制御について説明を行った。これに対し、空間光通信送受信機１１－２から空間光通信送受信機１１－１に対しての送信光の制御についても、上記と同様である。
【0105】
以上のように、この実施の形態２によれば、空間光通信送受信機１１は、コリメータ１１０５により放射された送信光のビーム拡がり角を検出する波面計測器１１１７を備え、駆動制御器１１１３は、波面計測器１１１７により計測された送信光のビーム拡がり角が目標値に対して誤差がある場合、当該誤差を打ち消すように駆動機構１１１２の駆動量を補正する。これにより、実施の形態２に係る空間光通信送受信機１１は、実施の形態１に係る空間光通信送受信機１１に対し、空間伝送路における送信光のビーム拡がり角をより精密に制御でき、受信側で受ける受光強度をより安定化させることができる。
【0106】
実施の形態３．
移動体の空間光通信では、通信相手の位置情報に基づいてビームを制御し、相互に光が受信できるようにする必要がある。これを初期捕捉と呼ぶ。
移動体の空間光通信では、通信相手の位置情報に基づいてビームを制御し、相互に光が受信できるようにする必要がある。これを初期捕捉と呼ぶ。
【0107】
初期捕捉の方式としては、ビーム拡がり角および出力パワーが通信光よりも大きいビーコン光を用いるビーコン方式という方式がある。例えば、特許文献４では、距離に応じて光の拡がり角を変えることで、受信機での捕捉を容易とする手法が示されている。
このビーコン方式は、短時間で初期捕捉を完了させることができる一方で、通信用の光源とは別の光源を用意しないといけないこと、および、ビーコンを出力するための別の光アンテナが必要となることなどから、ＳＷａＰ（Ｓｉｚｅ，Ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ）面で不利となる。
このビーコン方式は、短時間で初期捕捉を完了させることができる一方で、通信用の光源とは別の光源を用意しないといけないこと、および、ビーコンを出力するための別の光アンテナが必要となることなどから、ＳＷａＰ（Ｓｉｚｅ，Ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ）面で不利となる。
【文献】特開２０２３－１４３２４２号公報
【0108】
一方で、別の方式として、上記のような強度の強いビーコン光を広げて照射するのではなく、通信光を直接的に初期捕捉に用いるビーコンレス方式という方式がある。このビーコンレス方式による初期捕捉では、通信相手の位置情報の誤差範囲内をくまなく通信光で掃引することが必要である。また、位置情報の誤差が一定であっても、通信相手との相対距離が短くなると、ビームスキャンを行わなければいけない角度範囲が広がり、ビーム掃引に時間がかかる。
【0109】
そこで、実施の形態３に係る空間光通信システムでは、上記のような空間光通信装置間の初期捕捉における課題を解決するため、ビーム拡がり角の制御を行うことで掃引時間の短縮を図ることが可能な構成について説明する。
【0110】
図７は実施の形態３に係る空間光通信システムの構成例を示す図である。
この図７に示す実施の形態３に係る空間光通信システムでは、図１に示す実施の形態１に係る空間光通信システムに対し、空間光通信送受信機１１－１における駆動制御器１１１３－１、捕捉追尾センサ１１１５－１および捕捉追尾制御器１１１６－１がそれぞれ、駆動制御器１１１３ｂ－１、捕捉追尾センサ１１１５ｂ－１および捕捉追尾制御器１１１６ｂ－１に変更され、空間光通信送受信機１１－２における駆動制御器１１１３－２、捕捉追尾センサ１１１５－２および捕捉追尾制御器１１１６－２がそれぞれ、駆動制御器１１１３ｂ－２、捕捉追尾センサ１１１５ｂ－２および捕捉追尾制御器１１１６ｂ－２に変更されている。この図７に示す実施の形態３に係る空間光通信システムにおけるその他の構成例については、図１に示す実施の形態１に係る空間光通信システムにおける構成例と同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
この図７に示す実施の形態３に係る空間光通信システムでは、図１に示す実施の形態１に係る空間光通信システムに対し、空間光通信送受信機１１－１における駆動制御器１１１３－１、捕捉追尾センサ１１１５－１および捕捉追尾制御器１１１６－１がそれぞれ、駆動制御器１１１３ｂ－１、捕捉追尾センサ１１１５ｂ－１および捕捉追尾制御器１１１６ｂ－１に変更され、空間光通信送受信機１１－２における駆動制御器１１１３－２、捕捉追尾センサ１１１５－２および捕捉追尾制御器１１１６－２がそれぞれ、駆動制御器１１１３ｂ－２、捕捉追尾センサ１１１５ｂ－２および捕捉追尾制御器１１１６ｂ－２に変更されている。この図７に示す実施の形態３に係る空間光通信システムにおけるその他の構成例については、図１に示す実施の形態１に係る空間光通信システムにおける構成例と同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
【0111】
駆動制御器１１１３ｂ－１は、通信相手である空間光通信送受信機１１－２との間での空間伝送路の確立を行う際、すなわち初期捕捉を行う際に、姿勢軌道制御計算機１２－１により予測された移動体間の距離および記憶装置１１１４－１に記憶されている情報に基づいて、通信を行う移動体間の距離をＬとした場合に、送信光のビーム拡がり角が１／Ｌまたは１／Ｌ２で変化するよう、駆動機構１１１２－１の駆動量を決定する。
駆動制御器１１１３ｂ－１は、上記の機能以外は、実施の形態１で示した駆動制御器１１１３－１と同様の機能を有する。
駆動制御器１１１３ｂ－１は、上記の機能以外は、実施の形態１で示した駆動制御器１１１３－１と同様の機能を有する。
【0112】
捕捉追尾センサ１１１５ｂ－１は、図７に示すように、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－１および精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－１を有する。
【0113】
粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－１は、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－１に対して視野が広い捕捉追尾センサである。この粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－１は、ビームスプリッタ１１１０－１により得られた他方の受信光に基づいて、当該受信光の到来角度を検出する。
【0114】
精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－１は、実施の形態１で示した捕捉追尾センサ１１１５－１の機能と同様の機能を有する。すなわち、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－１は、ビームスプリッタ１１１０－１により得られた他方の受信光に基づいて、当該受信光の到来角度を検出する。
【0115】
捕捉追尾制御器１１１６ｂ－１は、図７に示すように、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－１および追尾制御器１１１６２ｂ－１を有する。
【0116】
初期捕捉制御器１１１６１ｂ－１は、初期捕捉の際に動作する。
この初期捕捉制御器１１１６１ｂ－１は、空間光通信装置１－２が搭載される移動体の位置情報に基づいて、ジンバル１１０９－１の角度を制御することで、当該ジンバル１１０９－１を通信相手である空間光通信送受信機１１－２に向ける。
そして、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－１は、チップチルトミラー１１０７－１を制御し、光学望遠鏡１１０８－１からの送信光をスパイラル状にスキャンする。
また、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－１は、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－１により検出された受信光の到来角度に基づいて、ジンバル１１０９－１の角度を補正する。
この初期捕捉制御器１１１６１ｂ－１は、空間光通信装置１－２が搭載される移動体の位置情報に基づいて、ジンバル１１０９－１の角度を制御することで、当該ジンバル１１０９－１を通信相手である空間光通信送受信機１１－２に向ける。
そして、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－１は、チップチルトミラー１１０７－１を制御し、光学望遠鏡１１０８－１からの送信光をスパイラル状にスキャンする。
また、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－１は、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－１により検出された受信光の到来角度に基づいて、ジンバル１１０９－１の角度を補正する。
【0117】
追尾制御器１１１６２ｂ－１は、初期捕捉が完了した後に動作する。すなわち、追尾制御器１１１６２ｂ－１は、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－１により受信光の到来角度が検出可能となった後に動作する。
この追尾制御器１１１６２ｂ－１は、実施の形態１で示した捕捉追尾制御器１１１６－１の機能と同様の機能を有する。すなわち、追尾制御器１１１６２ｂ－１は、姿勢軌道制御計算機１２－１により予測された見込角、および、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－１により検出された受信光の到来角度に基づいて、ジンバル１１０９－１およびチップチルトミラー１１０７－１を制御する。すなわち、追尾制御器１１１６２ｂ－１は、ジンバル１１０９－１の角度およびチップチルトミラー１１０７－１の角度を制御することで、光学望遠鏡１１０８－１の光軸と、空間光通信送受信機１１－１と通信を行う空間光通信送受信機１１－２における光学望遠鏡１１０８－２の光軸とを合わせる。
この追尾制御器１１１６２ｂ－１は、実施の形態１で示した捕捉追尾制御器１１１６－１の機能と同様の機能を有する。すなわち、追尾制御器１１１６２ｂ－１は、姿勢軌道制御計算機１２－１により予測された見込角、および、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－１により検出された受信光の到来角度に基づいて、ジンバル１１０９－１およびチップチルトミラー１１０７－１を制御する。すなわち、追尾制御器１１１６２ｂ－１は、ジンバル１１０９－１の角度およびチップチルトミラー１１０７－１の角度を制御することで、光学望遠鏡１１０８－１の光軸と、空間光通信送受信機１１－１と通信を行う空間光通信送受信機１１－２における光学望遠鏡１１０８－２の光軸とを合わせる。
【0118】
駆動制御器１１１３ｂ－２は、通信相手である空間光通信送受信機１１－１との間での空間伝送路の確立を行う際、すなわち初期捕捉を行う際に、姿勢軌道制御計算機１２－２により予測された移動体間の距離および記憶装置１１１４－２に記憶されている情報に基づいて、通信を行う移動体間の距離をＬとした場合に、送信光のビーム拡がり角が１／Ｌまたは１／Ｌ２で変化するよう、駆動機構１１１２－２の駆動量を決定する。
駆動制御器１１１３ｂ－２は、上記の機能以外は、実施の形態１で示した駆動制御器１１１３－２と同様の機能を有する。
駆動制御器１１１３ｂ－２は、上記の機能以外は、実施の形態１で示した駆動制御器１１１３－２と同様の機能を有する。
【0119】
捕捉追尾センサ１１１５ｂ－２は、図７に示すように、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－２および精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－２を有する。
【0120】
粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－２は、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－２に対して視野が広い捕捉追尾センサである。この粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－２は、ビームスプリッタ１１１０－２により得られた他方の受信光に基づいて、当該受信光の到来角度を検出する。
【0121】
精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－２は、実施の形態１で示した捕捉追尾センサ１１１５－２の機能と同様の機能を有する。すなわち、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－２は、ビームスプリッタ１１１０－２により得られた他方の受信光に基づいて、当該受信光の到来角度を検出する。
【0122】
捕捉追尾制御器１１１６ｂ－２は、図７に示すように、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－２および追尾制御器１１１６２ｂ－２を有する。
【0123】
初期捕捉制御器１１１６１ｂ－２は、初期捕捉の際に動作する。
この初期捕捉制御器１１１６１ｂ－２は、空間光通信装置１－１が搭載される移動体の位置情報に基づいて、ジンバル１１０９－２の角度を制御することで、当該ジンバル１１０９－２を通信相手である空間光通信送受信機１１－１に向ける。
そして、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－２は、チップチルトミラー１１０７－２を制御し、光学望遠鏡１１０８－２からの送信光をスパイラル状にスキャンする。
また、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－２は、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－２により検出された受信光の到来角度に基づいて、ジンバル１１０９－２の角度を補正する。
この初期捕捉制御器１１１６１ｂ－２は、空間光通信装置１－１が搭載される移動体の位置情報に基づいて、ジンバル１１０９－２の角度を制御することで、当該ジンバル１１０９－２を通信相手である空間光通信送受信機１１－１に向ける。
そして、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－２は、チップチルトミラー１１０７－２を制御し、光学望遠鏡１１０８－２からの送信光をスパイラル状にスキャンする。
また、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－２は、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－２により検出された受信光の到来角度に基づいて、ジンバル１１０９－２の角度を補正する。
【0124】
追尾制御器１１１６２ｂ－２は、初期捕捉が完了した後に動作する。すなわち、追尾制御器１１１６２ｂ－２は、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－２により受信光の到来角度が検出可能となった後に動作する。
この追尾制御器１１１６２ｂ－２は、実施の形態１で示した捕捉追尾制御器１１１６－２の機能と同様の機能を有する。すなわち、追尾制御器１１１６２ｂ－２は、姿勢軌道制御計算機１２－２により予測された見込角、および、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－２により検出された受信光の到来角度に基づいて、ジンバル１１０９－２およびチップチルトミラー１１０７－２を制御する。すなわち、追尾制御器１１１６２ｂ－２は、ジンバル１１０９－２の角度およびチップチルトミラー１１０７－２の角度を制御することで、光学望遠鏡１１０８－２の光軸と、空間光通信送受信機１１－２と通信を行う空間光通信送受信機１１－１における光学望遠鏡１１０８－１の光軸とを合わせる。
この追尾制御器１１１６２ｂ－２は、実施の形態１で示した捕捉追尾制御器１１１６－２の機能と同様の機能を有する。すなわち、追尾制御器１１１６２ｂ－２は、姿勢軌道制御計算機１２－２により予測された見込角、および、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－２により検出された受信光の到来角度に基づいて、ジンバル１１０９－２およびチップチルトミラー１１０７－２を制御する。すなわち、追尾制御器１１１６２ｂ－２は、ジンバル１１０９－２の角度およびチップチルトミラー１１０７－２の角度を制御することで、光学望遠鏡１１０８－２の光軸と、空間光通信送受信機１１－２と通信を行う空間光通信送受信機１１－１における光学望遠鏡１１０８－１の光軸とを合わせる。
【0125】
ここで、空間光通信送受信機１１－１，１１－２間での空間伝送路を確立する初期捕捉において、ビームスキャンが必要な角度誤差範囲（θｍａｘ）は、相手側の空間光通信装置１の位置推定誤差が一定であるとすれば、相対距離（Ｌ）に対して、図８および下式（４）のような関係がある。図８では、相手側の空間光通信装置１の位置推定誤差が１０ｋｍである場合を示している。
【0126】
また、スキャンするビームのビーム拡がり角（θｔ）を一定としてビームスキャンした場合では、ビームスキャンにかかる時間（τ）は、θｍａｘの２乗に比例するため、下式（５）のような関係となる。すなわち、相対距離が短ければ短いほどビームスキャンにかかる時間が増大する。
【0127】
【0128】
ここで、ビーム拡がり角（θｔ）を下式（７）に基づき広げることを考える（第１のケース）。
【0129】
この場合、ビームの掃引速度を一定とすれば、θｍａｘが相対距離に応じて変動する効果と、ビーム拡がり角（θｔ）を相対距離に応じて可変する効果とにより、下式（８）のような関係となる。もともとは式（５）で示したように距離変動（Ｌ）に応じてビームスキャンにかかる時間（τ）は１／Ｌ２で増大していたため、時間の短縮効果が見込めることがわかる。
【0130】
次に、ビーム拡がり角（θｔ）を下式（９）に基づき広げることを考える（第２のケース）。この場合には、ビームスキャンにかかる時間（τ）を一定とすることができる。
【0131】
図９において、符号５１で示すマークは、ビームスキャンを行う送信光を示している。また、符号５２は、角度誤差範囲を示している。
図９Ａは角度誤差範囲が１ｍｒａｄである場合を示し、図９Ｂおよび図９Ｃは角度誤差範囲が１．５ｍｒａｄである場合を示している。
図９Ｂに示すように、図９Ａの場合に対して角度誤差範囲が広がった場合、細い送信光を用いてスキャンを行うと、ビームスキャンに時間がかかる。
これに対し、図９Ｃに示すように、角度誤差範囲に応じて送信光を拡大してスキャンを行うと、ビームスキャンにかかる時間を短縮することができる。
図９Ａは角度誤差範囲が１ｍｒａｄである場合を示し、図９Ｂおよび図９Ｃは角度誤差範囲が１．５ｍｒａｄである場合を示している。
図９Ｂに示すように、図９Ａの場合に対して角度誤差範囲が広がった場合、細い送信光を用いてスキャンを行うと、ビームスキャンに時間がかかる。
これに対し、図９Ｃに示すように、角度誤差範囲に応じて送信光を拡大してスキャンを行うと、ビームスキャンにかかる時間を短縮することができる。
【0132】
ここまで、ビームスキャンにかかる時間（τ）に関しての説明を行ってきたが、ビーム拡がり角（θｔ）を可変とすることは、空間光通信システムの回線成立性にも影響を及ぼす。ここでは、空間光通信装置１の内部光学系の損失および受信アンテナ利得については変化がないものとし、距離に応じて変動が起こる自由空間伝搬損失と送信アンテナ利得が変化することについて、考察する。
【0133】
空間光通信装置１－１，１－２の送受信間での自由空間伝搬損失（Ｌｐａｓｓ）は、波長（λ）と相対距離（Ｌ）を用いて、下式（１０）で表せる。
【0134】
また、光学望遠鏡１１０８の送信アンテナ利得（ＧＴ）およびビーム拡がり角（θｔ）は、下式（１１），（１２）のような関係がある。
【0135】
よって、ビーム拡がり角（θｔ）が一定の場合においては、自由空間伝搬損失と送信アンテナ利得を合わせると、下式（１３）のような関係が成り立つ。
【0136】
次に、ビーム拡がり角を可変した場合の２つの場合(第１のケースおよび第２のケース)について考察する。
第１のケースの場合では、ビーム拡がり角を式（７）の関係で変化させることから、式（７）および式（１３）から下式（１４）が得られ、捕捉追尾センサ１１１５ｂで検出する受信光強度を一定とすることができる。
第１のケースの場合では、ビーム拡がり角を式（７）の関係で変化させることから、式（７）および式（１３）から下式（１４）が得られ、捕捉追尾センサ１１１５ｂで検出する受信光強度を一定とすることができる。
【0137】
また、第２のケースの場合では、ビーム拡がり角を式（９）の関係で変化させることから、式（９）および式（１３）から下式（１５）が得られ、距離が短い場合において受信光強度が低下する。よって、捕捉追尾センサ１１１５ｂにおける受信光強度が、回線を成立させたい範囲において飽和および不足しないようにする必要がある。
【0138】
以上より、第１のケースおよび第２のケースのいずれの場合においても、ビーム拡がり角を可変させない場合に対して、初期捕捉時間を削減できる。第１のケースの場合では、ビームスキャンにかかる時間（τ）は１／Ｌで変化し、捕捉追尾センサ１１１５ｂで検出する受信光強度は一定となる。また、第２のケースの場合では、ビームスキャンにかかる時間（τ）は一定となり、捕捉追尾センサ１１１５ｂで検出する受信光強度はＬ２で変化する。
【0139】
なお、ビーム拡がり角は指向誤差損失（Ｌｐ）にも寄与する。指向誤差損失は、ビームの指向誤差（θｐ）に対して、下式（１６）のように表せられる。これはビーム拡がり角（θｔ）を大きくすることで損失が小さくなる傾向にあることから、回線成立において影響を及ぼさない。
【0140】
次に、実施の形態３に係る空間光通信システムによる初期捕捉の際の動作例について、図１０および図１１を参照しながら説明する。
まず、実施の形態３に係る空間光通信送受信機１１－１による初期捕捉の際の動作例について、図１０を参照しながら説明する。なお、空間光通信送受信機１１－１は、空間光通信送受信機１１－２と同時刻に制御を開始する。
まず、実施の形態３に係る空間光通信送受信機１１－１による初期捕捉の際の動作例について、図１０を参照しながら説明する。なお、空間光通信送受信機１１－１は、空間光通信送受信機１１－２と同時刻に制御を開始する。
【0141】
この実施の形態３に係る空間光通信送受信機１１－１による初期捕捉の際の動作例では、例えば図１０に示すように、まず、捕捉追尾制御器１１１６ｂ－１は、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－１を動作させる（ステップＳＴ１０１）。
【0142】
次いで、姿勢軌道制御計算機１２－１は、空間光通信装置１－１が搭載される移動体の位置情報、および、空間光通信装置１－２が搭載される移動体の位置情報に基づいて、通信を行う移動体間の距離を予測する（ステップＳＴ１０２）。
【0143】
また、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－１は、空間光通信装置１－２が搭載される移動体の位置情報に基づいて、ジンバル１１０９－１の角度を制御することで、当該ジンバル１１０９－１を通信相手である空間光通信送受信機１１－２に向ける（ステップＳＴ１０３）。この際、相手側の空間光通信送受信機１１－２の位置推定誤差に基づく角度誤差が発生する。よって、この状態では、空間光通信送受信機１１－１，１１－２間での空間伝送路は確立できない。そこで送信光のビームスキャンを行うことで初期捕捉を行う。
【0144】
次いで、駆動制御器１１１３ｂ－１は、姿勢軌道制御計算機１２－１により予測された移動体間の距離および記憶装置１１１４－１に記憶されている情報に基づいて、通信を行う移動体間の距離をＬとした場合に、送信光のビーム拡がり角が１／Ｌまたは１／Ｌ２で変化するよう、駆動機構１１１２－１の駆動量を決定する（ステップＳＴ１０４）。すなわち、ビームスキャンを行うにあたって、第１のケースまたは第２のケースの条件が満たされるように、光学望遠鏡１１０８－１からの送信光のビーム拡がり角を制御する。
【0145】
次いで、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－１は、チップチルトミラー１１０７－１を制御し、光学望遠鏡１１０８－１からの送信光をスパイラル状にスキャンする（ステップＳＴ１０５）。上記のスキャン処理は例えば４，５回程度繰返される。
すなわち、上記のスキャン処理を複数回繰返すことで、通信相手である空間光通信装置１－２が有する粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－２での受光確率が向上し、確実に受光が行えるようになる。
すなわち、上記のスキャン処理を複数回繰返すことで、通信相手である空間光通信装置１－２が有する粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－２での受光確率が向上し、確実に受光が行えるようになる。
【0146】
次いで、通信相手である空間光通信装置１－２において送信光がスパイラル状にスキャンされている状態において、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－１は、ビームスプリッタ１１１０－１により得られた他方の受信光に基づいて、当該受信光の到来角度を検出する（ステップＳＴ１０６）。
なお、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－１は、初期捕捉において角度誤差が大きくても、通信相手である空間光通信送受信機１１－２からの送信光を受信できるように、広い視野を確保することが望ましい。よって、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－１としては、例えば、イメージセンサなどの素子数が多く、視野が広く確保できるものが用いられる。
なお、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－１は、初期捕捉において角度誤差が大きくても、通信相手である空間光通信送受信機１１－２からの送信光を受信できるように、広い視野を確保することが望ましい。よって、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－１としては、例えば、イメージセンサなどの素子数が多く、視野が広く確保できるものが用いられる。
【0147】
次いで、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－１は、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－１により検出された受信光の到来角度に基づいて、ジンバル１１０９－１の角度を補正する（ステップＳＴ１０７）。
これにより、光学望遠鏡１１０８－１の空間光通信送受信機１１－２に対する指向誤差が低減される。
これにより、光学望遠鏡１１０８－１の空間光通信送受信機１１－２に対する指向誤差が低減される。
【0148】
次いで、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－１は、ビームスプリッタ１１１０－１により得られた他方の受信光に基づいて、当該受信光の到来角度の検出を行う（ステップＳＴ１０８）。このステップＳＴ１０８において、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－１が受信光の到来角度の検出が行えない場合には、シーケンスはステップＳＴ１０５に戻る。
【0149】
一方、ステップＳＴ１０８において、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－１が受信光の到来角度の検出が行えた場合には、捕捉追尾制御器１１１６ｂ－１は、追尾制御器１１１６２ｂ－１を動作させる（ステップＳＴ１０９）。
すなわち、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－１が受信光の到来角度の検出が行えた場合には、初期捕捉が完了したと判定し、空間伝送路が確立する。そして、捕捉追尾制御器１１１６ｂ－１で動作させる制御器を、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－１から追尾制御器１１１６２ｂ－１に切り替える。
すなわち、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－１が受信光の到来角度の検出が行えた場合には、初期捕捉が完了したと判定し、空間伝送路が確立する。そして、捕捉追尾制御器１１１６ｂ－１で動作させる制御器を、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－１から追尾制御器１１１６２ｂ－１に切り替える。
【0150】
次いで、追尾制御器１１１６２ｂ－１は、姿勢軌道制御計算機１２－１により予測された見込角、および、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－１により検出された受信光の到来角度に基づいて、ジンバル１１０９－１およびチップチルトミラー１１０７－１を制御する（ステップＳＴ１１０）。以降、空間光通信送受信機１１－１は空間光通信送受信機１１－２を追尾するように制御を継続する。
以上により、空間伝送路が継続して確立される。
以上により、空間伝送路が継続して確立される。
【0151】
次に、実施の形態３に係る空間光通信送受信機１１－２による初期捕捉の際の動作例について、図１１を参照しながら説明する。なお、空間光通信送受信機１１－２は、空間光通信送受信機１１－１と同時刻に制御を開始する。
【0152】
この実施の形態３に係る空間光通信送受信機１１－２による初期捕捉の際の動作例では、例えば図１１に示すように、まず、捕捉追尾制御器１１１６ｂ－２は、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－２を動作させる（ステップＳＴ２０１）。
【0153】
次いで、姿勢軌道制御計算機１２－２は、空間光通信装置１－１が搭載される移動体の位置情報、および、空間光通信装置１－２が搭載される移動体の位置情報に基づいて、通信を行う移動体間の距離を予測する（ステップＳＴ２０２）。
【0154】
また、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－２は、空間光通信装置１－１が搭載される移動体の位置情報に基づいて、ジンバル１１０９－２の角度を制御することで、当該ジンバル１１０９－２を通信相手である空間光通信送受信機１１－１に向ける（ステップＳＴ２０３）。この際、相手側の空間光通信送受信機１１－１の位置推定誤差に基づく角度誤差が発生する。よって、この状態では、空間光通信送受信機１１－１，１１－２間での空間伝送路は確立できない。そこで送信光のビームスキャンを行うことで初期捕捉を行う。
【0155】
次いで、駆動制御器１１１３ｂ－２は、姿勢軌道制御計算機１２－２により予測された移動体間の距離および記憶装置１１１４－２に記憶されている情報に基づいて、通信を行う移動体間の距離をＬとした場合に、送信光のビーム拡がり角が１／Ｌまたは１／Ｌ２で変化するよう、駆動機構１１１２－２の駆動量を決定する（ステップＳＴ２０４）。すなわち、ビームスキャンを行うにあたって、第１のケースまたは第２のケースの条件が満たされるように、光学望遠鏡１１０８－２からの送信光のビーム拡がり角を制御する。
【0156】
次いで、通信相手である空間光通信装置１－１において送信光がスパイラル状にスキャンされている状態において、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－２は、ビームスプリッタ１１１０－２により得られた他方の受信光に基づいて、当該受信光の到来角度を検出する（ステップＳＴ２０５）。
なお、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－２は、初期捕捉において角度誤差が大きくても、通信相手である空間光通信送受信機１１－１からの送信光を受信できるように、広い視野を確保することが望ましい。よって、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－２としては、例えば、イメージセンサなどの素子数が多く、視野が広く確保できるものが用いられる。
なお、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－２は、初期捕捉において角度誤差が大きくても、通信相手である空間光通信送受信機１１－１からの送信光を受信できるように、広い視野を確保することが望ましい。よって、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－２としては、例えば、イメージセンサなどの素子数が多く、視野が広く確保できるものが用いられる。
【0157】
次いで、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－２は、粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－２により検出された受信光の到来角度に基づいて、ジンバル１１０９－２の角度を補正する（ステップＳＴ２０６）。
これにより、光学望遠鏡１１０８－２の空間光通信送受信機１１－１に対する指向誤差が低減される。
これにより、光学望遠鏡１１０８－２の空間光通信送受信機１１－１に対する指向誤差が低減される。
【0158】
次いで、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－２は、チップチルトミラー１１０７－２を制御し、光学望遠鏡１１０８－２からの送信光をスパイラル状にスキャンする（ステップＳＴ２０７）。上記のスキャン処理は例えば４，５回程度繰返される。
すなわち、上記のスキャン処理を複数回繰返すことで、通信相手である空間光通信装置１－１が有する粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－１での受光確率が向上し、確実に受光が行えるようになる。
すなわち、上記のスキャン処理を複数回繰返すことで、通信相手である空間光通信装置１－１が有する粗捕捉追尾センサ１１１５１ｂ－１での受光確率が向上し、確実に受光が行えるようになる。
【0159】
なお、図１０に示すステップＳＴ１０５において空間光通信送受信機１１－１が先にビームスキャンを行うことで、光学望遠鏡１１０８－１の光軸と光学望遠鏡１１０８－２の光軸とがなす角は小さくなっている。そのため、一般に、図１１に示すステップＳＴ２０７におけるスキャン範囲は、図１０に示すステップＳＴ１０５におけるスキャン範囲よりも小さくすることができる。
【0160】
次いで、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－２は、ビームスプリッタ１１１０－２により得られた他方の受信光に基づいて、当該受信光の到来角度の検出を行う（ステップＳＴ２０８）。このステップＳＴ２０８において、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－２が受信光の到来角度の検出が行えない場合には、シーケンスはステップＳＴ２０５に戻る。
【0161】
一方、ステップＳＴ２０８において、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－２が受信光の到来角度の検出が行えた場合には、捕捉追尾制御器１１１６ｂ－２は、追尾制御器１１１６２ｂ－２を動作させる（ステップＳＴ２０９）。
すなわち、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－２が受信光の到来角度の検出が行えた場合には、初期捕捉が完了したと判定し、空間伝送路が確立する。そして、捕捉追尾制御器１１１６ｂ－２で動作させる制御器を、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－２から追尾制御器１１１６２ｂ－２に切り替える。
すなわち、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－２が受信光の到来角度の検出が行えた場合には、初期捕捉が完了したと判定し、空間伝送路が確立する。そして、捕捉追尾制御器１１１６ｂ－２で動作させる制御器を、初期捕捉制御器１１１６１ｂ－２から追尾制御器１１１６２ｂ－２に切り替える。
【0162】
次いで、追尾制御器１１１６２ｂ－２は、姿勢軌道制御計算機１２－２により予測された見込角、および、精捕捉追尾センサ１１１５２ｂ－２により検出された受信光の到来角度に基づいて、ジンバル１１０９－２およびチップチルトミラー１１０７－２を制御する（ステップＳＴ２１０）。以降、空間光通信送受信機１１－２は空間光通信送受信機１１－１を追尾するように制御を継続する。
以上により、空間伝送路が継続して確立される。
以上により、空間伝送路が継続して確立される。
【0163】
なお、上記では、空間光通信送受信機１１－１が先にビームスキャンを行う場合を示したが、空間光通信送受信機１１－２が先にビームスキャンを行ってもよい。
【0164】
また、上記では、図１に示す実施の形態１に係る空間光通信システムに対して、駆動制御器１１１３、捕捉追尾センサ１１１５および捕捉追尾制御器１１１６をそれぞれ、駆動制御器１１１３ｂ、捕捉追尾センサ１１１５ｂおよび捕捉追尾制御器１１１６ｂに変更した場合を示した。しかしながら、これに限らず、図６に示す実施の形態２に係る空間光通信システムに対して、駆動制御器１１１３、捕捉追尾センサ１１１５および捕捉追尾制御器１１１６をそれぞれ、駆動制御器１１１３ｂ、捕捉追尾センサ１１１５ｂおよび捕捉追尾制御器１１１６ｂに変更してもよく、上記と同様の効果が得られる。
【0165】
以上のように、この実施の形態３によれば、駆動制御器１１１３ｂは、通信相手である空間光通信送受信機１１との間での空間伝送路の確立を行う際に、自機と通信相手である空間光通信送受信機１１との間の距離をＬとした場合に、送信光のビーム拡がり角が１／Ｌで変化するよう、駆動機構１１１２の駆動量を決定し、捕捉追尾制御器１１１６ｂは、通信相手である空間光通信送受信機１１との間での空間伝送路の確立を行う際に、チップチルトミラー１１０７を制御することで、送信光のスパイラル状のスキャンを行う。
また、この実施の形態３によれば、駆動制御器１１１３ｂは、通信相手である空間光通信送受信機１１との間での空間伝送路の確立を行う際に、自機と通信相手である空間光通信送受信機１１との間の距離をＬとした場合に、送信光のビーム拡がり角が１／Ｌ２で変化するよう、駆動機構１１１２の駆動量を決定し、捕捉追尾制御器１１１６ｂは、通信相手である空間光通信送受信機１１との間での空間伝送路の確立を行う際に、チップチルトミラー１１０７を制御することで、送信光のスパイラル状のスキャンを行う。
これらにより、実施の形態３に係る空間光通信送受信機１１は、実施の形態１，２に係る空間光通信送受信機１１に対し、ビーム拡がり角の制御によって、通信相手である空間光通信装置１の初期捕捉時間を短縮できる。
すなわち、実施の形態３に係る空間光通信システムでは、初期捕捉の際にＯＨＰＡ１１０３の出力光を空間に出力するコリメータ１１０５のコリメータレンズ１１０５２とファイバコネクタ１１０５１との間の距離を可変させることで、コリメータ１１０５の出力光の拡がり角を調整する。そして、実施の形態３に係る空間光通信システムでは、この拡がり角を移動体間の距離に応じて変化させ、角度誤差範囲内をくまなく掃引する。これにより、実施の形態３に係る空間光通信システムでは、初期捕捉における掃引時間の短縮が可能となる。
また、この実施の形態３によれば、駆動制御器１１１３ｂは、通信相手である空間光通信送受信機１１との間での空間伝送路の確立を行う際に、自機と通信相手である空間光通信送受信機１１との間の距離をＬとした場合に、送信光のビーム拡がり角が１／Ｌ２で変化するよう、駆動機構１１１２の駆動量を決定し、捕捉追尾制御器１１１６ｂは、通信相手である空間光通信送受信機１１との間での空間伝送路の確立を行う際に、チップチルトミラー１１０７を制御することで、送信光のスパイラル状のスキャンを行う。
これらにより、実施の形態３に係る空間光通信送受信機１１は、実施の形態１，２に係る空間光通信送受信機１１に対し、ビーム拡がり角の制御によって、通信相手である空間光通信装置１の初期捕捉時間を短縮できる。
すなわち、実施の形態３に係る空間光通信システムでは、初期捕捉の際にＯＨＰＡ１１０３の出力光を空間に出力するコリメータ１１０５のコリメータレンズ１１０５２とファイバコネクタ１１０５１との間の距離を可変させることで、コリメータ１１０５の出力光の拡がり角を調整する。そして、実施の形態３に係る空間光通信システムでは、この拡がり角を移動体間の距離に応じて変化させ、角度誤差範囲内をくまなく掃引する。これにより、実施の形態３に係る空間光通信システムでは、初期捕捉における掃引時間の短縮が可能となる。
【0166】
最後に、図１２を参照して、実施の形態１－３に係る空間光通信送受信機１１のハードウェア構成例を説明する。以下では、実施の形態１に係る空間光通信送受信機１１のハードウェア構成例について説明するが、実施の形態２，３に係る空間光通信送受信機１１のハードウェア構成例についても同様である。
空間光通信送受信機１１におけるＯＨＰＡ制御器１１０４－１、駆動制御器１１１３－１および捕捉追尾制御器１１１６－１の各機能は、処理回路５１により実現される。処理回路５１は、図１２Ａに示すように、専用のハードウェアであってもよいし、図１２Ｂに示すように、メモリ５３に格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、またはＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）ともいう）５２であってもよい。
空間光通信送受信機１１におけるＯＨＰＡ制御器１１０４－１、駆動制御器１１１３－１および捕捉追尾制御器１１１６－１の各機能は、処理回路５１により実現される。処理回路５１は、図１２Ａに示すように、専用のハードウェアであってもよいし、図１２Ｂに示すように、メモリ５３に格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、またはＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）ともいう）５２であってもよい。
【0167】
処理回路５１が専用のハードウェアである場合、処理回路５１は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。ＯＨＰＡ制御器１１０４－１、駆動制御器１１１３－１および捕捉追尾制御器１１１６－１の各部の機能それぞれを処理回路５１で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路５１で実現してもよい。
【0168】
処理回路５１がＣＰＵ５２の場合、ＯＨＰＡ制御器１１０４－１、駆動制御器１１１３－１および捕捉追尾制御器１１１６－１の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ５３に格納される。処理回路５１は、メモリ５３に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわち、空間光通信送受信機１１は、処理回路５１により実行されるときに、各構成の処理が結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ５３を備える。また、これらのプログラムは、ＯＨＰＡ制御器１１０４－１、駆動制御器１１１３－１および捕捉追尾制御器１１１６－１の手順および方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリ５３としては、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、またはＤＶＤなどが該当する。
【0169】
なお、ＯＨＰＡ制御器１１０４－１、駆動制御器１１１３－１および捕捉追尾制御器１１１６－１の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。例えば、ＯＨＰＡ制御器１１０４－１については専用のハードウェアとしての処理回路５１でその機能を実現し、駆動制御器１１１３－１および捕捉追尾制御器１１１６－１については処理回路５１がメモリ５３に格納されたプログラムを読み出して実行することによってその機能を実現することが可能である。
【0170】
このように、処理回路５１は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。
【0171】
なお、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【産業上の利用可能性】
【0172】
本開示に係る空間光通信送受信機は、電気的な利得可変を行わずに、空間伝送路の距離変動に対応可能となり、移動体に搭載され、データの伝送を行う空間光通信送受信機などに用いるのに適している。
【符号の説明】
【0173】
１－１，１－２ 空間光通信装置、１１－１，１１－２ 空間光通信送受信機、１２－１，１２－２ 姿勢軌道制御計算機、５１ 処理回路、５２ ＣＰＵ、５３ メモリ、１１０１－１，１１０１－２ 光源、１１０２－１，１１０２－２ 光変調器、１１０３－１，１１０３－２ ＯＨＰＡ、１１０４－１，１１０４－２ ＯＨＰＡ制御器、１１０５－１，１１０５－２ コリメータ、１１０６－１，１１０６－２ ダイクロイックミラー、１１０７－１，１１０７－２ チップチルトミラー、１１０８－１，１１０８－２ 光学望遠鏡、１１０９－１，１１０９－２ ジンバル、１１１０－１，１１１０－２ ビームスプリッタ、１１１１－１，１１１１－２ 光復調器、１１１２－１，１１１２－２ 駆動機構、１１１３－１，１１１３ｂ－１，１１１３－２，１１１３ｂ－２ 駆動制御器、１１１４－１，１１１４－２ 記憶装置、１１１５－１，１１１５ｂ－１，１１１５－２，１１１５ｂ－２ 捕捉追尾センサ、１１１６－１，１１１６ｂ－１，１１１６－２，１１１６ｂ－２ 捕捉追尾制御器、１１１７－１，１１１７－２ 波面計測器、１１０５１－１，１１０５１－２ ファイバコネクタ、１１０５２－１，１１０５２－２ コリメータレンズ、１１０５３－１ 直動アクチュエータ、１１０５４－１ ピエゾ素子、１１０８１－１ コリメータ側レンズ、１１０８２－１ 空間伝送路側レンズ、１１１５１ｂ－１，１１１５１ｂ－２ 粗捕捉追尾センサ、１１１５２ｂ－１，１１１５２ｂ－２ 精捕捉追尾センサ、１１１６１ｂ－１，１１１６１ｂ－２ 初期捕捉制御器、１１１６２ｂ－１，１１１６２ｂ－２ 追尾制御器。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】