ファイバ直接結合型光無線通信方式の研究 A study on Single-mode-fiber Direct Coupling Type Optical Wireless Communication systems

博士論文

2010

光無線通信技術は、光波の持つ大容量性と地上ファイバ通信網とのインターフェースの親和性、及び簡便性からファイバネットワークのインフラ補完に有効な方法として注目されている。さらに、電波無線技術と並存することで逼迫する電波資源の節約や有効利用を可能とする。しかしながら、現在使用されている波長0.8 μｍ帯を使用した光無線装置では、伝送速度1.5 Gbpsが上限である。また、光ファイバとの接続において光／電気変換を行うためＷＤＭの多重された信号をそのまま伝送することが不可能など、光ファイバと同じ信号伝送速度、及び様々な種類の伝送方式（プロトコル)対応の実現は困難であった。この限界を超えるためには、光電変換を行わず光信号のまま光無線と光ファイバとをシームレスに接続する技術が必要となる、これにより超高速・大容量でかつ装置のインターフェースや伝送方式に依存しない光無線方式の実現が可能となる。しかし、安定した伝送路であるファイバ通信と異なり、自由空間伝送では大気ゆらぎによりレーザ波面に大きな誤差が生じ、受信光強度、ビーム到来角が変動する。したがって、本研究が目指す、波長1.55 μｍ帯のレーザ光を光ファイバに直接結合する光無線通信では自由空間を伝送した光をコア径10 μｍのファイバに直接結合して通信するため、光波減衰を考慮した送受信間マージンを確保し、到来光変動を補償する光追尾技術が必要となる。本論文では、伝送路である大気のゆらぎによる光波の挙動要因について概説し、光無線システムに必要な要素技術、特にレーザビームの送受信を行う光学技術、追尾技術、回線設計の方式等について検討した。この要素技術の検討結果をもとに、大気ゆらぎの影響である到来角変動を補償する粗追尾と高速精追尾を複合した追尾機構、かつ、高い総合効率を有する軸はずし自由曲面光学系を採用した光アンテナを搭載した光無線装置を設計、試作した。この試作機を用いた伝送距離1 kmのフィールド実験において、光通信速度2.5 Gbps 及び10Gbps のデジタル信号の安定した通信を実験的に確認した。さらに、電波を用いた無線サービス信号を一括して光ファイバに閉じこめて伝送するRadio on Fiber (RoF) を空間伝送に拡張した統合型光無線（RoFSO）システムを開発し、WDMによるヘテロジニアス無線サービスの伝送実験を行い、種々のアナログ信号によりROF信号にて直接変調したレーザ光においても安定な光無線通信が可能であることを示した。最後に、光無線通信における光アンテナ光学設計に関して考察した。光アンテナの送受信部は望遠鏡光学系であり、その設計手法と従来の屈折型、反射型の設計例を示した。また、本研究で検討した軸外し3面自由曲面ミラーよりも理論的に高機能，かつ無調整にアンテナを構成できる偏心自由曲面プリズム光学系の可能性を検討した。