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JP7776783B2 - Optical wireless communication system, optical wireless communication method, and optical transmitter - Google Patents
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JP7776783B2 - Optical wireless communication system, optical wireless communication method, and optical transmitter - Google Patents

Optical wireless communication system, optical wireless communication method, and optical transmitter

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JP7776783B2 JP2024509593A JP2024509593A JP7776783B2 JP 7776783 B2 JP7776783 B2 JP 7776783B2 JP 2024509593 A JP2024509593 A JP 2024509593A JP 2024509593 A JP2024509593 A JP 2024509593A JP 7776783 B2 JP7776783 B2 JP 7776783B2
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Description

本発明は、光無線通信システム、光無線通信方法及び光送信装置に関する。 The present invention relates to an optical wireless communication system, an optical wireless communication method, and an optical transmitting device.

大気の擾乱や大気中の微粒子などの通信品質の劣化要因による影響を受けやすい光無線通信システムがある。このような光無線通信システムにおいて通信の長距離化及び高速化を実現する方法の一つとして、通信ビームの送信出力をより高くするという手段がある。しかしながら、高出力のレーザー光は人体に照射されると、人体にとって有害となる場合がある。そのため、レーザー光の出力には安全基準が設けられている。 Some optical wireless communication systems are susceptible to factors that degrade communication quality, such as atmospheric turbulence and particulate matter in the air. One way to achieve longer distances and faster communication speeds in such optical wireless communication systems is to increase the transmission power of the communication beam. However, high-power laser light can be harmful to the human body when irradiated with it. For this reason, safety standards have been established for the power of laser light.

上記の安全基準を満たすために、例えば、レーザー光を使用する区域を立ち入り禁止区域とすることが考えられる。しかしながら、この場合、例えば生活エリアなどの、人の立ち入りを禁止することが難しいことがある区域においては、高出力のレーザー光を用いる光無線通信システムを展開させることは困難である。さらに、例えば高層ビル間又は地上と宇宙との間のような高所の区域などの、現時点では人が立ち入ることはないと想定可能な区域であったとしても、将来的には、例えば飛行可能な車の普及などによって、人が立ち入る可能性がある区域に変わることが考えられる。そのため、立ち入り禁止区域を設けることで上記の安全基準を満たす方法では、高出力のレーザー光を用いる光無線通信システムを広く普及させていくことは難しい。 In order to meet the above safety standards, it is possible to designate areas where laser light is used as off-limits zones. However, in this case, it would be difficult to deploy optical wireless communication systems using high-power laser light in areas where it may be difficult to prohibit people from entering, such as residential areas. Furthermore, even if an area is currently considered to be off-limits to humans, such as between high-rise buildings or in high-altitude areas between the ground and space, it is conceivable that in the future, due to the spread of, for example, flying vehicles, it could become an area where humans may enter. Therefore, it would be difficult to widely deploy optical wireless communication systems using high-power laser light using the method of meeting the above safety standards by establishing off-limits zones.

このような背景から、立ち入り禁止区域を設けることなく、レーザー光の人体への照射を未然に防ぐ方法が検討されている。例えば、レーザー光が通過する伝送経路に人や物体が侵入しそうな場合に、上記の安全基準に従って、レーザー光の送信出力を制限して安全なレベルにまで低くする方法、又はレーザー光を停波させる方法などが考えられる。 In light of this, methods are being considered to prevent laser light from being irradiated onto the human body without establishing restricted areas. For example, when a person or object is likely to enter the transmission path through which the laser light passes, one possible method would be to limit the transmission output of the laser light to a safe level in accordance with the safety standards mentioned above, or to shut off the laser light.

従来、移動体と移動体との間の光無線通信において、例えばカメラ、レーダ、又は超音波センサ等の物体検知装置を用いて周囲の人や物体を検知し、検知結果を移動体と移動体との間で共有することによって、通信用のレーザー光(以下、「通信ビーム」ともいう。)が通過する伝送経路に人や物体が位置するような位置関係にはならないように移動体の位置を制御する光無線通信システムが検討されている(例えば、特許文献1を参照)。移動体と移動体との間の光無線通信においては、このような移動体の制御方法によって、通信ビームが人体に照射されることのない安全な光無線通信を実現することができる。 Conventionally, in optical wireless communication between mobile units, optical wireless communication systems have been considered that use object detection devices such as cameras, radar, or ultrasonic sensors to detect nearby people or objects, and share the detection results between the mobile units to control the position of the mobile units so that people or objects are not positioned in the transmission path of the communication laser light (hereinafter also referred to as "communication beam") (see, for example, Patent Document 1). In optical wireless communication between mobile units, such a method of controlling the mobile units can achieve safe optical wireless communication that prevents the communication beam from irradiating human bodies.

一方、送信局と受信局とが共に移動体ではない場合には、上記のような制御方法を用いることができない。そのため、このような場合に対し、通信ビーム自体が遮断されたことを観測することで、通信ビームの伝送経路へ侵入した侵入物を検知する光無線通信システムが検討されている(例えば、特許文献2参照)。また、このような場合に対し、人体に対して安全な出力範囲で出力される侵入物検出用のレーザー光(以下、「パイロットビーム」という。)を通信ビームと平行する伝送経路で伝送し、パイロットビームが遮断されたことを観測することで通信ビームが遮断されたと判定する光無線通信システムが検討されている(例えば、特許文献3参照)。 On the other hand, if neither the transmitting station nor the receiving station is mobile, the above-mentioned control method cannot be used. Therefore, for such cases, optical wireless communication systems are being considered that detect an intruder that has entered the transmission path of a communication beam by observing that the communication beam itself has been blocked (see, for example, Patent Document 2). For such cases, optical wireless communication systems are being considered that transmit an intruder detection laser beam (hereinafter referred to as a "pilot beam") that is output within an output range safe for humans on a transmission path parallel to the communication beam, and determine that the communication beam has been blocked by observing that the pilot beam has been blocked (see, for example, Patent Document 3).

また、このような場合に対し、通信ビームを、人体に対して安全な出力範囲で出力されるパイロットビームで囲い、パイロットビームが遮蔽されたことを観測することで通信ビームに接近する人や物体を事前に検知し、検知結果に応じて通信ビームの送信出力を低減、又は通信ビームを停波させるように制御する光無線通信システムが検討されている(例えば、特許文献4参照)。このような構成により、通信ビームに接近する人や物体に有無を監視することで通信ビームが人体に照射されることを防ぎつつ、より大きな送信出力でレーザー光を出力可能な光無線通信システムを実現することができる。 In response to such cases, an optical wireless communication system has been considered in which a communication beam is surrounded by a pilot beam that is output within an output range safe for the human body, and by observing whether the pilot beam is blocked, a person or object approaching the communication beam is detected in advance, and the transmission power of the communication beam is reduced or the communication beam is stopped depending on the detection results (see, for example, Patent Document 4). With this configuration, an optical wireless communication system can be realized that can output laser light with a higher transmission power while preventing the communication beam from being irradiated onto human bodies by monitoring the presence of people or objects approaching the communication beam.

特許第6656459号公報Patent No. 6656459 米国特許第5229593号明細書U.S. Pat. No. 5,229,593 米国特許出願公開第2004/0227057号明細書US Patent Application Publication No. 2004/0227057 米国特許第6633026号明細書U.S. Patent No. 6,633,026

“液晶偏光スパイラルプレート”, [online], 株式会社東京インスツルメンツ, [令和4年3月8日検索], インターネット <URL: https://www.tokyoinst.co.jp/products/detail/polarization_elements/AR08/index.html>"Liquid Crystal Polarizing Spiral Plate", [online], Tokyo Instruments Co., Ltd., [Retrieved March 8, 2022], Internet <URL: https://www.tokyoinst.co.jp/products/detail/polarization_elements/AR08/index.html>

特許文献1に記載の光無線通信システムでは、通信ビームの伝送経路への侵入物を検知するために画像処理及び3次元空間データの処理などの高負荷な演算処理が必要とされることから、処理性能の高いデータ処理装置が用いられなければ、演算処理に要する時間が長くなったり、反応速度が遅くなったりする可能性がある。これによって、安全性が損なわれる可能性がある。さらに、特許文献1に記載の光無線通信システムではカメラなどが必要とされるが、カメラの解像度は有限であることから、通信ビームの伝送経路全体を同時に監視するためには多数のカメラが必要となる。これにより、必要とされる装置の部品点数が増大し、画像処理における演算量の増大、システムの大型化、及び消費電力の増大といった課題が生じることが想定される。 The optical wireless communication system described in Patent Document 1 requires high-load computational processing, such as image processing and three-dimensional spatial data processing, to detect intrusions into the transmission path of the communication beam. Therefore, unless a data processing device with high processing performance is used, the time required for computational processing may be long and the response speed may be slow. This could potentially compromise safety. Furthermore, the optical wireless communication system described in Patent Document 1 requires cameras and other devices, but because cameras have finite resolution, multiple cameras are required to simultaneously monitor the entire transmission path of the communication beam. This increases the number of required device components, which is expected to result in issues such as increased computational load in image processing, larger system size, and increased power consumption.

また、特許文献2に記載の技術では、通信ビーム自体の遮蔽によって通信ビームの伝送経路への侵入物が検知されることから、侵入物が検知される前に人体に高出力の通信ビームが照射されてしまう。また、特許文献3に記載の技術でも、特許文献2に記載の技術と同様に、侵入物が検知される前に人体に高出力の通信ビームが照射されてしまう可能性がある。 Furthermore, with the technology described in Patent Document 2, an intrusion into the transmission path of the communication beam is detected by blocking the communication beam itself, so a high-power communication beam is irradiated onto the human body before the intrusion is detected. Furthermore, with the technology described in Patent Document 3, as with the technology described in Patent Document 2, there is a possibility that a high-power communication beam may be irradiated onto the human body before the intrusion is detected.

特許文献4に記載の技術では、高出力の通信ビームを取り囲むパイロットビームが遮蔽されて受信レベルが低下したことを観測することで侵入物を検知できることから、通信ビームが人体に照射されることのない安全な光無線通信を実現することができる。しかしながら、パイロットビームに用いられるレーザー光はある程度広がりながら空間を伝搬するため、より広がったパイロットビームの径に対して伝送経路に人や物体が侵入した空間領域が相対的に小さい場合、受信レベルの低下が検知されにくい可能性がある。これに対し、例えばパイロットビームの受光部を細分化し、多数のフォトダイオードを使用することで分解能を向上させ、侵入物を検知する感度を高める方法が考えられる。しかしながら、この場合、フォトダイオード等の部品の点数が増大するという課題が生じることが想定される。 The technology described in Patent Document 4 can detect an intrusion by observing a drop in reception level due to the interruption of a pilot beam surrounding a high-power communication beam, thereby enabling safe optical wireless communication without irradiating the communication beam onto human bodies. However, because the laser light used in the pilot beam propagates through space while spreading to a certain extent, if the spatial area where a person or object has entered the transmission path is relatively small compared to the diameter of the wider pilot beam, it may be difficult to detect a drop in reception level. To address this issue, one possible method is to improve resolution and increase sensitivity for detecting intrusions by, for example, dividing the light-receiving section of the pilot beam into smaller parts and using multiple photodiodes. However, this method is expected to pose the problem of increasing the number of components, such as photodiodes.

本発明は、上記のような技術的背景に鑑みてなされたものであり、装置コストの増大、演算量の増大、及び消費電力の増大を抑えつつ、意図せず物体に高出力の通信ビームが照射されることなく光無線通信を実現することができる技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned technical background, and aims to provide technology that can achieve optical wireless communication without unintentionally irradiating high-power communication beams onto objects, while suppressing increases in device costs, computational complexity, and power consumption.

本発明の一態様は、送信装置と、受信装置と、を有する光無線通信システムであって、前記送信装置は、所望の情報の伝送に用いられる通信用ビームを前記受信装置へ向けて射出する通信用ビーム送信部と、前記受信装置から前記通信用ビームの伝送経路を覆うように射出された物体検出用のビームである検出用ビームを受光する検出用ビーム受信部と、前記検出用ビームの受信レベルを計測し、前記受信レベルの減衰が検知された場合、前記通信用ビームの送信出力をより低くするように前記通信用ビーム送信部を制御する制御部と、を備え、前記受信装置は、前記通信用ビーム送信部から送信された前記通信用ビームを受光する通信用ビーム受信部と、前記検出用ビームを前記送信装置へ射出する検出用ビーム送信部と、を備える光無線通信システムである。 One aspect of the present invention is an optical wireless communication system having a transmitting device and a receiving device, wherein the transmitting device comprises a communication beam transmitting unit that emits a communication beam used to transmit desired information toward the receiving device, a detection beam receiving unit that receives a detection beam, which is a beam for object detection emitted from the receiving device so as to cover the transmission path of the communication beam, and a control unit that measures the reception level of the detection beam and, if attenuation of the reception level is detected, controls the communication beam transmitting unit to lower the transmission output of the communication beam, and the receiving device is an optical wireless communication system that comprises a communication beam receiving unit that receives the communication beam transmitted from the communication beam transmitting unit and a detection beam transmitting unit that emits the detection beam to the transmitting device.

本発明の一態様は、送信装置と、受信装置と、を有する光無線通信システムのコンピュータによる光送信方法であって、前記受信装置が、所望の情報の伝送に用いられる通信用ビームの伝送経路を覆うように、物体検出用のビームである検出用ビームを前記送信装置へ射出する検出用ビーム送信ステップと、前記送信装置が、前記受信装置から送信された前記検出用ビームを受光する検出用ビーム受信ステップと、前記送信装置が、前記検出用ビームの受信レベルを計測し、前記受信レベルの減衰が検知された場合、前記通信用ビームの送信出力をより低くするよう制御する制御ステップと、前記送信装置が、通信用ビームを前記受信装置へ向けて射出する通信用ビーム送信ステップと、前記受信装置が、前記送信装置から射出された前記通信用ビームを受光する通信用ビーム受信ステップと、を有する光無線通信方法である。 One aspect of the present invention is a computer-implemented optical transmission method for an optical wireless communication system having a transmitting device and a receiving device, the optical wireless communication method comprising: a detection beam transmitting step in which the receiving device emits a detection beam, which is a beam for object detection, to the transmitting device so as to cover the transmission path of a communication beam used to transmit desired information; a detection beam receiving step in which the transmitting device receives the detection beam transmitted from the receiving device; a control step in which the transmitting device measures the reception level of the detection beam and, if attenuation of the reception level is detected, controls the transmission output of the communication beam to be lowered; a communication beam transmitting step in which the transmitting device emits a communication beam toward the receiving device; and a communication beam receiving step in which the receiving device receives the communication beam emitted from the transmitting device.

本発明の一態様は、所望の情報の伝送に用いられる通信用ビームを受信装置へ向けて射出する通信用ビーム送信部と、前記受信装置から前記通信用ビームの伝送経路を覆うように射出された物体検出用のビームである検出用ビームを受光する検出用ビーム受信部と、前記検出用ビームの受信レベルを計測し、前記受信レベルの減衰が検知された場合、前記通信用ビームの送信出力をより低くするように前記通信用ビーム送信部を制御する制御部と、を備える光送信装置である。 One aspect of the present invention is an optical transmission device comprising: a communication beam transmitter that emits a communication beam used to transmit desired information toward a receiving device; a detection beam receiver that receives a detection beam, which is a beam for object detection emitted from the receiving device so as to cover the transmission path of the communication beam; and a control unit that measures the reception level of the detection beam and, if attenuation of the reception level is detected, controls the communication beam transmitter to lower the transmission output of the communication beam.

本発明により、装置コストの増大、演算量の増大、及び消費電力の増大を抑えつつ、意図せず物体に高出力の通信ビームが照射されることなく光無線通信を実現することができる技術を提供することが可能となる。 This invention makes it possible to provide technology that can achieve optical wireless communication without unintentionally irradiating high-power communication beams onto objects, while minimizing increases in device costs, computational complexity, and power consumption.

本発明の第1の実施形態における光無線通信システム1の全体構成図である。1 is a diagram illustrating the overall configuration of an optical wireless communication system 1 according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態における光無線通信システム1の機能構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a functional configuration of an optical wireless communication system 1 according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態におけるOAMモード分離回路12及び送受信制御装置13の構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing the configuration of an OAM mode separation circuit 12 and a transmission/reception control device 13 according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態における送信機10の動作を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing the operation of the transmitter 10 according to the first embodiment of the present invention. 通信ビームCB及びパイロットビームPBの断面の一例を示す図である。1 is a diagram showing an example of a cross section of a communication beam CB and a pilot beam PB. FIG. 通信ビームCB及び複数のOAMモードのビームで構成されるパイロットビームPBの断面の一例を示す図である。A figure showing an example of a cross section of a communication beam CB and a pilot beam PB composed of beams of multiple OAM modes. 本発明の第2の実施形態における光無線通信システム1aの光学的な構成を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an optical configuration of an optical wireless communication system 1a according to a second embodiment of the present invention.

以下、実施形態の光無線通信システム、光無線通信方法及び光送信装置について、図面を参照しながら説明する。 The following describes embodiments of an optical wireless communication system, an optical wireless communication method, and an optical transmitting device with reference to the drawings.

<第1の実施形態>
以下、第1の実施形態における光無線通信システム1について説明する。第1の実施形態における光無線通信システム1は、高出力で照射されると人体にとって有害となる可能性のあるレーザー光を用いて通信を行うシステムである。光無線通信システム1は、通信ビームの伝送経路に侵入しようとする人や物体を事前に検知し、検知結果に応じて通信ビームの送信出力を制御することで安全な(意図せず物体に高出力の通信ビームが照射されることのない)光無線通信を実現することができる。光無線通信システム1は、通信ビームの近傍の観測結果に基づく簡易な情報処理で侵入物を検知することができる。光無線通信システム1は、レーザー光が通過する伝送経路の周囲を常時監視しながら通信ビームの送信出力を制御する。
First Embodiment
An optical wireless communication system 1 according to a first embodiment will be described below. The optical wireless communication system 1 according to the first embodiment is a system that performs communication using laser light, which may be harmful to the human body when irradiated at high power. The optical wireless communication system 1 detects in advance a person or object that is attempting to intrude into the transmission path of the communication beam and controls the transmission power of the communication beam according to the detection results, thereby realizing safe optical wireless communication (preventing unintentional irradiation of an object with a high-power communication beam). The optical wireless communication system 1 can detect an intruder through simple information processing based on observation results in the vicinity of the communication beam. The optical wireless communication system 1 controls the transmission power of the communication beam while constantly monitoring the periphery of the transmission path through which the laser light passes.

[光無線通信システムの全体構成]
以下、光無線通信システム1の全体構成について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態における光無線通信システム1の全体構成図である。図1に示されるように、光無線通信システム1は、送信機10と、受信機20と、を含んで構成される。
[Overall configuration of optical wireless communication system]
The following describes the overall configuration of the optical wireless communication system 1. Fig. 1 is a diagram showing the overall configuration of the optical wireless communication system 1 according to the first embodiment of the present invention. As shown in Fig. 1, the optical wireless communication system 1 includes a transmitter 10 and a receiver 20.

本実施形態に係る光無線通信システムは、通信ビームCBとパイロットビームPBとを用いて通信を行う。通信ビームCBは、送信機10から受信機20へ所望の情報を伝送するためのビームである。パイロットビームPBは、受信機20から送信機10へ送信される、侵入物検出用のビームである。パイロットビームPBは、軌道角運動量を持つ所定のOAM(Orbital Angular Momentum)モードで、通信ビームCBを受信する受信機20から通信ビームCBと同軸で射出される。パイロットビームPBは、図1に示されるように通信ビームCBの伝送経路を覆うように射出される。 The optical wireless communication system of this embodiment communicates using a communication beam CB and a pilot beam PB. The communication beam CB is a beam for transmitting desired information from the transmitter 10 to the receiver 20. The pilot beam PB is a beam for detecting intrusions, transmitted from the receiver 20 to the transmitter 10. The pilot beam PB is emitted coaxially with the communication beam CB from the receiver 20 that receives the communication beam CB in a predetermined OAM (Orbital Angular Momentum) mode having orbital angular momentum. The pilot beam PB is emitted so as to cover the transmission path of the communication beam CB, as shown in Figure 1.

OAM通信は、異なる軌道角運動量を持つ電磁波にそれぞれ異なる信号を乗せて多重化することで、大容量の無線伝送を可能にする技術である。互いに異なる軌道角運動量を持つ電磁波は相関がないことから、それぞれの電磁波に信号を乗せて重ね合わせて送信したとしても、受信側では、それらの重ね合わされた信号を区別し、分離することができる。 OAM communication is a technology that enables high-capacity wireless transmission by multiplexing different signals onto electromagnetic waves with different orbital angular momentum. Because electromagnetic waves with different orbital angular momentum are uncorrelated, even if signals are superimposed on each electromagnetic wave and transmitted, the receiving side can distinguish and separate these superimposed signals.

また、軌道角運動量を持つ電磁波の状態を分類したものをOAMモードといい、伝搬方向に対して垂直な平面における電磁波の位相分布の回転数(整数)によって、「OAMモード+1」のように表される。単一のOAMモードのOAM通信では、遮蔽や雑音がない理想空間においては、送信モード以外のOAMモードで受信されることはない。しかしながら、伝送経路に部分的な遮蔽物がある場合には、軌道角運動量を持つ電磁波の波面が遮蔽物によって乱れ、送信モード以外のOAMモードの電磁波が受信される(クロストークの発生)。本実施形態における光無線通信システムは、このような性質を利用するものである。 Furthermore, a classification of the state of electromagnetic waves with orbital angular momentum is called an OAM mode, and is expressed as "OAM mode + 1" depending on the number of rotations (an integer) of the phase distribution of the electromagnetic wave in a plane perpendicular to the propagation direction. In OAM communication using a single OAM mode, in an ideal space free of obstructions and noise, signals will not be received in OAM modes other than the transmission mode. However, if there is a partial obstruction in the transmission path, the wavefront of the electromagnetic wave with orbital angular momentum is disturbed by the obstruction, and electromagnetic waves in OAM modes other than the transmission mode are received (occurrence of crosstalk). The optical wireless communication system in this embodiment utilizes this property.

[光無線通信システムの機能構成]
以下、光無線通信システム1の機能構成について説明する。図2は、本発明の第1の実施形態における光無線通信システム1の機能構成を示すブロック図である。
[Functional configuration of optical wireless communication system]
The following describes the functional configuration of the optical wireless communication system 1. Fig. 2 is a block diagram showing the functional configuration of the optical wireless communication system 1 according to the first embodiment of the present invention.

図2に示されるように、送信機10は、通信用レーザーダイオード(LD)11と、OAMモード分離回路12と、送受信制御装置13と、通信制御装置14とを含んで構成される。 As shown in Figure 2, the transmitter 10 is composed of a communication laser diode (LD) 11, an OAM mode separation circuit 12, a transmission/reception control device 13, and a communication control device 14.

通信用レーザーダイオード11は、受信機20へ向けて通信ビームCB(レーザー光)を射出する。OAMモード分離回路12は、不図示のフォトダイオードと、不図示の分光器とを含んで構成される。フォトダイオードは、受信機20から射出されたパイロットビームPBを受光する。分光器は、OAMモードごとに受信したパイロットビームを分離する。なお、フォトダイオード及び分光器は、OAMモード分離回路12とは別々に設けられていてもよい。 The communication laser diode 11 emits a communication beam CB (laser light) toward the receiver 20. The OAM mode separation circuit 12 includes a photodiode (not shown) and a spectrometer (not shown). The photodiode receives the pilot beam PB emitted from the receiver 20. The spectrometer separates the received pilot beam for each OAM mode. Note that the photodiode and spectrometer may be provided separately from the OAM mode separation circuit 12.

送受信制御装置13は、パイロットビームPBのOAMモードごとの受信レベルを計測し、計測された受信レベルに基づいて、通信ビームCBの送信出力の制御を行う。通信制御装置14は、受信機20へ向けて情報を送信する情報通信の制御を行う。 The transmission/reception control device 13 measures the reception level of the pilot beam PB for each OAM mode and controls the transmission output of the communication beam CB based on the measured reception level. The communication control device 14 controls the information communication that transmits information to the receiver 20.

図2に示されるように、受信機20は、通信用フォトダイオード(PD)21と、OAMモード生成回路22と、通信制御装置23とを含んで構成される。 As shown in Figure 2, the receiver 20 is composed of a communication photodiode (PD) 21, an OAM mode generating circuit 22, and a communication control device 23.

通信用フォトダイオード21は、送信機10から射出された通信ビームCBを受光する。OAMモード生成回路22は、不図示のレーザーダイオードを含んで構成される。レーザーダイオードは、送信機10へ向けてパイロットビームPBを射出する。なお、レーザーダイオードは、OAMモード生成回路22とは別々に設けられていてもよい。通信制御装置23は、OAMモード生成回路22によるパイロットビームPBの射出の制御、及び、送信機10から送信された情報を受信する情報通信の制御を行う。 The communication photodiode 21 receives the communication beam CB emitted from the transmitter 10. The OAM mode generation circuit 22 includes a laser diode (not shown). The laser diode emits a pilot beam PB toward the transmitter 10. Note that the laser diode may be provided separately from the OAM mode generation circuit 22. The communication control device 23 controls the emission of the pilot beam PB by the OAM mode generation circuit 22 and controls information communications that receive information transmitted from the transmitter 10.

通信ビームCBを覆うように射出されるパイロットビームPBを送受信するOAMモード生成回路22及びOAMモード分離回路12は、例えば非特許文献1に記載の螺旋位相プレート(SPP;Spiral Phase Plate)を用いて実現可能である。 The OAM mode generation circuit 22 and OAM mode separation circuit 12, which transmit and receive the pilot beam PB emitted to cover the communication beam CB, can be realized, for example, using a spiral phase plate (SPP) as described in non-patent document 1.

[閾値判定処理]
以下、送信機10の送受信制御装置13による閾値判定処理を実現するためのOAMモード分離回路12の回路構成の一例について説明する。図3は、本発明の第1の実施形態におけるOAMモード分離回路12及び送受信制御装置13の構成を示すブロック図である。
[Threshold Determination Processing]
An example of the circuit configuration of the OAM mode separation circuit 12 for realizing threshold determination processing by the transmission/reception control device 13 of the transmitter 10 will be described below. Fig. 3 is a block diagram showing the configuration of the OAM mode separation circuit 12 and the transmission/reception control device 13 in the first embodiment of the present invention.

図3に示されるように、OAMモード分離回路12は、分光器121と、4つの螺旋位相プレート(螺旋位相プレート(SPP)121-1~121-4)と、5つのフォトダイオード(フォトダイオード(PD)123-0~123-4)と、加算回路(Σ)124と、除算回路(÷)125と、アナログ-ディジタル変換器126とを含んで構成される。また、送受信制御装置13は、閾値判定部15を含んで構成される。 As shown in FIG. 3, the OAM mode separation circuit 12 includes a spectrometer 121, four spiral phase plates (spiral phase plates (SPP) 121-1 to 121-4), five photodiodes (photodiodes (PD) 123-0 to 123-4), an adder circuit (Σ) 124, a divider circuit (÷) 125, and an analog-to-digital converter 126. The transmission/reception control device 13 also includes a threshold determination unit 15.

受信機20のOAMモード生成回路22のレーザーダイオードから射出されたOAMモード+1のパイロットビームPBは、送信機10のOAMモード分離回路12のフォトダイオードにて受光される。パイロットビームPBは、図3に示されるように、分光器121によって、測定されるOAMモードの個数のパイロットビームPBに分光される。分光器121によって分光されたパイロットビームPBは、螺旋位相プレート(SPP)122-1~122-4を経由するなどして、フォトダイオード(PD)123-0~123-4にそれぞれ入力され、OAMモードごとに受信レベルが計測される。受信レベルの計測は、例えば、送受信制御装置13によって行われる。 The pilot beam PB of OAM mode +1 emitted from the laser diode of the OAM mode generation circuit 22 of the receiver 20 is received by the photodiode of the OAM mode separation circuit 12 of the transmitter 10. As shown in FIG. 3, the pilot beam PB is split by the spectrometer 121 into pilot beams PB equal to the number of OAM modes being measured. The pilot beams PB split by the spectrometer 121 are input to photodiodes (PD) 123-0 to 123-4, respectively, via spiral phase plates (SPP) 122-1 to 122-4, and the reception level is measured for each OAM mode. The reception level is measured, for example, by the transmission/reception control device 13.

加算回路(Σ)124は、フォトダイオード123-0,フォトダイオード123-2,フォトダイオード123-3,及びフォトダイオード123-4からの出力を加算する。除算回路(÷)125は、フォトダイオード123-1から出力を、加算回路124からの出力によって除算する。除算回路125からの出力は、送受信制御装置13へ入力される。 The addition circuit (Σ) 124 adds the outputs from photodiode 123-0, photodiode 123-2, photodiode 123-3, and photodiode 123-4. The division circuit (÷) 125 divides the output from photodiode 123-1 by the output from the addition circuit 124. The output from the division circuit 125 is input to the transmission/reception control device 13.

閾値判定部15は、除算回路125からの入力に基づき、送信モード(すなわち、OAMモード+1)以外の各OAMモード(すなわち、OAMモード0,OAMモード-1,及びOAMモード±2)の受信レベルの和に対する、送信モードの受信レベルの比を計算する。そして、閾値判定部15は、算出された比の値が閾値以上であるか否かを判定し、判定結果に応じて通信ビームCBの送信出力を決定する。 Based on the input from the division circuit 125, the threshold determination unit 15 calculates the ratio of the reception level of the transmission mode to the sum of the reception levels of each OAM mode (i.e., OAM mode 0, OAM mode -1, and OAM mode ±2) other than the transmission mode (i.e., OAM mode +1).The threshold determination unit 15 then determines whether the calculated ratio is greater than or equal to a threshold, and determines the transmission output of the communication beam CB depending on the determination result.

ここで、閾値判定部15は、算出された比の値が閾値以上である場合には、通信ビームCBの送信出力を通常の出力レベルにするように決定し、算出された比の値が閾値未満である場合には、通信ビームCBの送信出力を、通常の出力レベルより低い、安全な出力レベルにするように決定する。なぜならば、侵入物によってOAMの螺旋波面が乱されたことにより、クロストークが発生したと考えられるためである。 Here, if the calculated ratio value is equal to or greater than the threshold value, the threshold determination unit 15 determines to set the transmission output of the communication beam CB to the normal output level, and if the calculated ratio value is less than the threshold value, it determines to set the transmission output of the communication beam CB to a safe output level lower than the normal output level. This is because it is believed that crosstalk has occurred due to the OAM spiral wavefront being disrupted by the intruder.

なお、送信モード以外のOAMモードのそれぞれの受信レベルの和の計算、及び上記の比の値の計算は、オペアンプ等を用いたアナログ演算回路によって行われる構成であってもよいし、OAMモード毎の受信レベルがA-D(アナログ-ディジタル)変換された後にディジタル回路によって行われる構成であってもよい。 In addition, the calculation of the sum of the reception levels for each OAM mode other than the transmission mode and the calculation of the above ratio value may be performed by an analog calculation circuit using an operational amplifier, etc., or may be performed by a digital circuit after the reception level for each OAM mode is AD (analog-to-digital) converted.

なお、アナログ-ディジタル変換器(ADC)126を使用せずに、全てアナログ量での演算処理に基づいて通信用レーザーダイオード11が制御されるような構成であってもよい。具体的には、送受信制御装置13が、算出された上記の比の値をアナログ量での値のまま用いて、当該アナログ量での値に応じて駆動し、通信ビームCBの送信出力を制御するような構成であってもよい。 In addition, the configuration may be such that the communication laser diode 11 is controlled entirely based on calculations using analog quantities, without using the analog-to-digital converter (ADC) 126. Specifically, the transmission/reception control device 13 may use the calculated value of the ratio as an analog quantity, drive according to the analog quantity, and control the transmission output of the communication beam CB.

この場合、例えば、送受信制御装置13は、(例えば電磁リレー等の)機械式スイッチ、又は(例えばトランジスタ等による)電子式スイッチによって構成され、算出された上記の比の値に応じて、A-D変換せずに、通信用レーザーダイオード11のオンとオフとの切り替え、及び出力の強弱を制御する。このように、全てアナログ量の値に基づいて演算処理が行われることにより、処理遅延を非常に小さくしつつ、侵入物が接近した際には瞬時に通信用レーザーダイオード11を制御(低減あるいは停波)することができるため、より安全な光無線通信の運用を実現することが可能になる。In this case, for example, the transmission/reception control device 13 is configured with a mechanical switch (such as an electromagnetic relay) or an electronic switch (such as a transistor), and controls the on/off switching and output strength of the communication laser diode 11 according to the calculated value of the ratio, without A-D conversion. In this way, by performing all calculations based on analog values, processing delays are minimized and the communication laser diode 11 can be instantly controlled (reduced or stopped) when an intruder approaches, making it possible to achieve safer optical wireless communication operations.

閾値判定部15による送信出力の決定に従って、通信ビームCBは、通信用レーザーダイオード11から受信機20に向けて空間に射出される。そして、射出された通信ビームCBは、受信機20のフォトダイオードによって受信される。 In accordance with the transmission output determined by the threshold determination unit 15, the communication beam CB is emitted into space from the communication laser diode 11 toward the receiver 20. The emitted communication beam CB is then received by the photodiode of the receiver 20.

[送信機の動作]
以下、送信機10の動作の一例について説明する。図4は、本発明の第1の実施形態における送信機10の動作を示すフローチャートである。図4のフローチャートが示す送信機10の動作は、受信機20から送信機10へ向けてパイロットビームPBの射出が行われた際に開始される。
[Transmitter operation]
An example of the operation of the transmitter 10 will be described below. Fig. 4 is a flowchart showing the operation of the transmitter 10 in the first embodiment of the present invention. The operation of the transmitter 10 shown in the flowchart of Fig. 4 starts when a pilot beam PB is emitted from the receiver 20 toward the transmitter 10.

受信機20のOAMモード生成回路22のレーザーダイオードから射出されたOAMモード+1のパイロットビームPBは、送信機10のOAMモード分離回路12のフォトダイオードにて受光される(ステップS01)。受光されたパイロットビームPBは、分光器121によって、測定されるOAMモードの個数のパイロットビームPBに分光される。分光器121によって分光されたパイロットビームPBは、螺旋位相プレート(SPP)122-1~122-4を経由するなどして、フォトダイオード(PD)123-0~123-4にそれぞれ入力され、OAMモードごとに受信レベルが測定される。 The pilot beam PB of OAM mode +1 emitted from the laser diode of the OAM mode generation circuit 22 of the receiver 20 is received by the photodiode of the OAM mode separation circuit 12 of the transmitter 10 (step S01). The received pilot beam PB is split by the spectrometer 121 into pilot beams PB equal to the number of OAM modes being measured. The pilot beams PB split by the spectrometer 121 are input to photodiodes (PD) 123-0 to 123-4, respectively, via spiral phase plates (SPP) 122-1 to 122-4, and the reception level is measured for each OAM mode.

加算回路(Σ)124は、フォトダイオード123-0,フォトダイオード123-2,フォトダイオード123-3,及びフォトダイオード123-4からの出力を加算する。除算回路(÷)125は、フォトダイオード123-1から出力を、加算回路124からの出力によって除算する。除算回路125からの出力は、送受信制御装置13へ入力される。 The addition circuit (Σ) 124 adds the outputs from photodiode 123-0, photodiode 123-2, photodiode 123-3, and photodiode 123-4. The division circuit (÷) 125 divides the output from photodiode 123-1 by the output from the addition circuit 124. The output from the division circuit 125 is input to the transmission/reception control device 13.

送受信制御装置13の閾値判定部15は、除算回路125からの入力に基づき、送信モード(すなわち、OAMモード+1)以外の各OAMモード(すなわち、OAMモード0,OAMモード-1,及びOAMモード±2)の受信レベルの和に対する、送信モードの受信レベルの比を計算する。そして、閾値判定部15は、算出された比の値が閾値以上であるか否かを判定する(ステップS02)。 Based on the input from the division circuit 125, the threshold determination unit 15 of the transmission/reception control device 13 calculates the ratio of the reception level of the transmission mode to the sum of the reception levels of each OAM mode (i.e., OAM mode 0, OAM mode -1, and OAM mode ±2) other than the transmission mode (i.e., OAM mode +1).The threshold determination unit 15 then determines whether the calculated ratio is greater than or equal to the threshold (step S02).

閾値判定部15は、算出された比の値が閾値以上である場合には(ステップS02・Yes)、通信ビームCBの送信出力を通常の出力レベルにするように決定し、通常の出力レベルの通信ビームCBが通信用レーザーダイオード11から受信機20に向けて空間に射出される(ステップS03)。 If the calculated ratio value is greater than or equal to the threshold value (step S02, Yes), the threshold determination unit 15 decides to set the transmission output of the communication beam CB to the normal output level, and the communication beam CB at the normal output level is emitted into space from the communication laser diode 11 toward the receiver 20 (step S03).

一方、閾値判定部15は、算出された比の値が閾値未満である場合には(ステップS02・No)、通信ビームCBの送信出力を通常の出力レベルより低い安全な出力レベルにするように決定し、安全な出力レベルの通信ビームCBが通信用レーザーダイオード11から受信機20に向けて空間に射出される(ステップS04)。以上で、図4のフローチャートが示す送信機10の動作が終了する。On the other hand, if the calculated ratio is less than the threshold value (step S02, No), the threshold determination unit 15 determines that the transmission output of the communication beam CB should be set to a safe output level lower than the normal output level, and the communication beam CB at the safe output level is emitted into space from the communication laser diode 11 toward the receiver 20 (step S04). This completes the operation of the transmitter 10 shown in the flowchart of Figure 4.

以上説明したように、第1の実施形態における光無線通信システム1は、通信ビームCBを用いて送信機10から受信機20へ情報の伝送を行う通信システムである。受信機20は、軌道角運動量を持つ所定のOAMモードのパイロットビームPBを、通信ビームCBの送信経路を覆うようにして送信機10に向けて送信する。送信機10は、パイロットビームPBの所定OAMモード以外のOAMモード成分(クロストーク)を検出すると、通信ビームSBの送信出力を低下させるように制御する。 As described above, the optical wireless communication system 1 in the first embodiment is a communication system that transmits information from a transmitter 10 to a receiver 20 using a communication beam CB. The receiver 20 transmits a pilot beam PB of a predetermined OAM mode having orbital angular momentum toward the transmitter 10 so as to cover the transmission path of the communication beam CB. When the transmitter 10 detects an OAM mode component (crosstalk) other than the predetermined OAM mode of the pilot beam PB, it controls the transmission output of the communication beam SB to be reduced.

このような構成を備えることで、第1の実施形態における光無線通信システム1は、多数の受光器部品やレーザー部品などを使用することなく、また画像処理などのデータ処理を伴うことなく、高精度に侵入物を検知することができる。 By having this configuration, the optical wireless communication system 1 in the first embodiment can detect intruders with high accuracy without using a large number of photodetector components or laser components, and without involving data processing such as image processing.

また、このような構成を備えることで、第1の実施形態における光無線通信システム1は、たとえ送信機10又は受信機20から遠い位置において通信ビームCBの伝送経路に侵入しようとする侵入物であっても、通信ビームCBに触れる前にパイロットビームPBによって事前に検知することができ、高出力の通信ビームが侵入物に照射されることを未然に防止することができる。これにより、光無線通信システム1は、人体に危害を与えぬように安全にレーザー機器を運用することができる。 Furthermore, by having such a configuration, the optical wireless communication system 1 in the first embodiment can detect an intruder attempting to enter the transmission path of the communication beam CB at a location far from the transmitter 10 or receiver 20 in advance using the pilot beam PB before it comes into contact with the communication beam CB, thereby preventing the high-power communication beam from being irradiated onto the intruder. This allows the optical wireless communication system 1 to operate laser equipment safely so as not to cause harm to the human body.

また、このような構成を備えることで、第1の実施形態における光無線通信システム1は、パイロットビームPBに軌道角運動量を持つビームを用いるため、従来技術と比べて、分解能を上げるための膨大な数の受光器部品やレーザー部品を使用することなく、侵入物の検知精度をより向上させることができる。また、光無線通信システム1は、監視対象のエリアを例えば通信ビームCBの伝送経路を中心軸とした円柱上の領域のみとすることができるため、カメラによって撮像された画像の画像処理などの作業及びデータ処理を伴うことなく、侵入物を検知することができる。 Furthermore, by having such a configuration, the optical wireless communication system 1 in the first embodiment uses a beam with orbital angular momentum for the pilot beam PB, and therefore, compared to conventional technology, can further improve the detection accuracy of intruders without using a huge number of photodetector components or laser components to increase resolution. Furthermore, the optical wireless communication system 1 can limit the area to be monitored to, for example, a cylindrical region whose central axis is the transmission path of the communication beam CB, and therefore can detect intruders without requiring work such as image processing of images captured by a camera or data processing.

また、このような構成を備えることで、第1の実施形態における光無線通信システム1は、軌道角運動量を持つビームの性質によって、パイロットビームPBの電力は通信ビームCBの伝送経路の中心軸付近には存在しないため、パイロットビームPBと同一の波長帯を使用して通信ビームCBの伝送を行うことができる。 Furthermore, by having such a configuration, the optical wireless communication system 1 in the first embodiment can transmit the communication beam CB using the same wavelength band as the pilot beam PB, because the power of the pilot beam PB is not present near the central axis of the transmission path of the communication beam CB due to the properties of the beam having orbital angular momentum.

また、このような構成を備えることで、第1の実施形態における光無線通信システム1は、パイロットビームPBの受信レベルの低下だけでなく、OAMモードごとの受信レベルを観測しているため、例えば大気等に起因する、全てのOAMモードの受信レベルに一様な低下をもたらすような単純減衰が、侵入物の侵入に起因する減衰であると誤認されることを防ぐことができる。これにより、光無線通信システム1は、本来は不要な通信ビームCBの送信出力の抑制によるシステムの非稼働率の上昇を防止することができる。 Furthermore, by having such a configuration, the optical wireless communication system 1 in the first embodiment monitors not only the decrease in the reception level of the pilot beam PB but also the reception level for each OAM mode, thereby preventing simple attenuation, such as that caused by the atmosphere, which causes a uniform decrease in the reception levels of all OAM modes, from being mistaken for attenuation caused by the intrusion of an intruding object. This allows the optical wireless communication system 1 to prevent an increase in the system downtime rate due to the suppression of the transmission output of the communication beam CB, which is not actually necessary.

なお、第1の実施形態における光無線通信システム1では、説明を簡単にするため、対向する送信機10と受信機20によって片方向の情報の伝送が行われるものとしたが、これに限られるものではない。例えば、対向する2つの無線機の各々が送信機と受信機とを備え、双方向の通信が可能な構成を有する光無線通信システムであってもよい。 In the optical wireless communication system 1 in the first embodiment, for simplicity of explanation, one-way information transmission is performed between the opposing transmitter 10 and receiver 20, but this is not limited to this. For example, the optical wireless communication system may be configured such that two opposing radio devices each have a transmitter and a receiver, allowing for two-way communication.

<第2の実施形態>
以下、第2の実施形態における光無線通信システムについて説明する。
Second Embodiment
The optical wireless communication system according to the second embodiment will be described below.

軌道角運動量を持つ電磁波の特性の1つに、OAMモードごとにビームの径が異なるという特性がある。この特性を利用することで、予想される侵入物の大きさや移動速度に応じてパイロットビームPBのOAMモードを変更させて、パイロットビームPBの径を適宜変更させることが可能である。このような構成にすることで、監視対象とする範囲を適応的に変更させることが可能になるため、想定される侵入物の大きさや移動速度に適した通信ビームCBの送信出力の制御を行うことができる。 One of the characteristics of electromagnetic waves with orbital angular momentum is that the beam diameter varies depending on the OAM mode. Utilizing this characteristic, it is possible to change the OAM mode of the pilot beam PB according to the size and movement speed of the anticipated intruder, thereby appropriately changing the diameter of the pilot beam PB. This configuration makes it possible to adaptively change the range to be monitored, thereby controlling the transmission output of the communication beam CB to suit the size and movement speed of the anticipated intruder.

図5は、通信ビームCB及びパイロットビームPBの断面の一例を示す図である。図5に示されるように、低次のOAMモード(図5におけるモード+1)のパイロットビームPB1より、高次のOAMモード(図5におけるモード+3)のパイロットビームPB3のほうが、径が大きくなる。このように、用いるOAMモードを変更させるだけでパイロットビームPBの径の大きさを変えることができることから、用途に応じて適切な監視範囲を設定することが可能になる。 Figure 5 shows an example of the cross sections of the communication beam CB and the pilot beam PB. As shown in Figure 5, the diameter of the pilot beam PB3 in a higher-order OAM mode (mode +3 in Figure 5) is larger than that of the pilot beam PB1 in a lower-order OAM mode (mode +1 in Figure 5). In this way, the diameter of the pilot beam PB can be changed simply by changing the OAM mode used, making it possible to set an appropriate monitoring range depending on the application.

また、OAMモード±1より高次のOAMモードでは、空間の電力分布の中心が空洞であり、OAMモードの次元がより高くなるほどその空洞が広くなるという特性がある。この特性を利用することで、同時に複数のOAMモードのビームを重ねて射出することにより、マルチリングのような断面形状のパイロットビームPBを形成させることができる(図6)。このような構成にすることで、侵入物の侵入方向(移動方向)を検知することが可能になる。 Furthermore, in OAM modes of higher orders than OAM mode ±1, the center of the spatial power distribution is a cavity, and the higher the dimension of the OAM mode, the wider the cavity becomes. By utilizing this characteristic, it is possible to form a pilot beam PB with a cross-sectional shape similar to a multi-ring by simultaneously emitting multiple OAM mode beams in a superimposed manner (Figure 6). This configuration makes it possible to detect the direction of entry (direction of movement) of an intruding object.

図6は、通信ビームCB及び複数のOAMモードのビームで構成されるパイロットビームPBの断面の一例を示す図である。図6に示されるように、OAMモード+3のパイロットビームPB3とOAMモード+1のパイロットビームPB1とが重なっている場合、OAMモード+3のパイロットビームPB3のほうが、より大きな径となる。 Figure 6 shows an example of the cross section of a communication beam CB and a pilot beam PB composed of beams of multiple OAM modes. As shown in Figure 6, when a pilot beam PB3 of OAM mode +3 and a pilot beam PB1 of OAM mode +1 overlap, the pilot beam PB3 of OAM mode +3 has a larger diameter.

このようなマルチリングのような断面形状のパイロットビームPBに覆われた通信ビームCBに向かって侵入物が接近する場合(図6における(1)の場合)、侵入物は、まずOAMモード+3のパイロットビームPB3によって検知された後に、OAMモード+1のパイロットビームPB1によって検知されることになる。逆に、侵入物が通信ビームCBの近傍から監視範囲の外へ移動する場合(図6における(2)の場合)、まずOAMモード+1のパイロットビームPB1の減衰が先に観測されなくなった後に、OAMモード+3のパイロットビームPB3の減衰が観測されなくなる。 When an intruder approaches a communication beam CB covered by a pilot beam PB with such a multi-ring-like cross-sectional shape (case (1) in Figure 6), the intruder will first be detected by pilot beam PB3 in OAM mode +3, and then by pilot beam PB1 in OAM mode +1. Conversely, when an intruder moves from the vicinity of communication beam CB to outside the monitoring range (case (2) in Figure 6), the attenuation of pilot beam PB1 in OAM mode +1 will first cease to be observed, and then the attenuation of pilot beam PB3 in OAM mode +3 will cease to be observed.

このように、侵入物の移動方向によって、次元の異なる複数のOAMモードのパイロットビームPBの減衰の変化が観測される順番が異なる。すなわち、侵入物の移動方向が、観測範囲の外から通信ビームCBへの方向ならば、より高次のOAMモードのパイロットビームPBから順に減衰が観測される。その逆に、侵入物の移動方向が、通信ビームCB近傍から観測範囲の外への方向ならば、より低次のOAMモードのパイロットビームPBから順に減衰が観測されなくなっていく。 As such, the order in which changes in attenuation of pilot beams PB of multiple OAM modes of different orders are observed varies depending on the direction of movement of the intruder. In other words, if the direction of movement of the intruder is from outside the observation range toward the communication beam CB, attenuation is observed starting with pilot beams PB of higher-order OAM modes. Conversely, if the direction of movement of the intruder is from near the communication beam CB toward outside the observation range, attenuation is no longer observed starting with pilot beams PB of lower-order OAM modes.

このような構成を備えることで、第2の実施形態における光無線通信システムは、侵入物の移動方向、及び侵入物から通信ビームCBまでの距離を予測することができる。これにより、例えば、侵入物の移動方向が通信ビームCBへ近づいていく方向であるときにはより早期に通信ビームCBの送信出力を低くするように切り替えたり、侵入物の移動方向が通信ビームCBから遠ざかっていく方向であるときにはより早期に通信ビームCBの送信出力を元の高い出力に戻したりして、安全性を高めつつ、不稼働率の低減を図ることが可能になる。 By having such a configuration, the optical wireless communication system in the second embodiment can predict the movement direction of an intruder and the distance from the intruder to the communication beam CB. This makes it possible to, for example, switch the transmission power of the communication beam CB to a lower level earlier when the movement direction of the intruder is toward the communication beam CB, or to return the transmission power of the communication beam CB to its original high level earlier when the movement direction of the intruder is away from the communication beam CB, thereby increasing safety and reducing downtime.

また、このような構成を備えることで、第2の実施形態における光無線通信システムは、侵入物の移動速度を予測することができる。これにより、例えば、通信ビームCBへ近づいていく侵入物の移動速度が相対的に速い場合にはより早期に通信ビームCBの送信出力を低くするように切り替えたり、通信ビームCBへ近づいていく侵入物の移動速度が相対的に遅い場合にはより遅めに通信ビームCBの送信出力を低くするように切り替えたりして、安全性を高めつつ、不稼働率の低減を図ることが可能になる。 Furthermore, by having such a configuration, the optical wireless communication system in the second embodiment can predict the movement speed of an intruder. This makes it possible, for example, to switch the transmission power of the communication beam CB to a lower level earlier if the movement speed of an intruder approaching the communication beam CB is relatively fast, or to switch the transmission power of the communication beam CB to a lower level later if the movement speed of an intruder approaching the communication beam CB is relatively slow, thereby increasing safety and reducing downtime.

[光学的構成]
図7は、本発明の第2の実施形態における光無線通信システム1aの光学的な構成を示す図である。図7は、複数のOAMモードのパイロットビームPBの中心軸と通信ビームCBの中心軸とを一致させるための送信機10および受信機20の光学系な構成の一例を示している。
[Optical configuration]
7 is a diagram showing an optical configuration of an optical wireless communication system 1a according to a second embodiment of the present invention, which shows an example of an optical system configuration including a transmitter 10 and a receiver 20 for aligning the central axes of pilot beams PB and communication beams CB of multiple OAM modes.

図7に示されるように、送信機10は、通信用レーザーダイオード(LD)11と、送受信制御装置13と、螺旋位相プレート(SPP)122-1,122-3,122-5と、フォトダイオード(PD)123-1,123-3,123-5と、ビームスプリッタ127-1,127-3,127-5と、ミラー128-1,128-3,128-5とを含んで構成される。また、図7に示されるように、受信機20は、通信用フォトダイオード(PD)21と、レーザーダイオード221-1,221-2,221-3と、螺旋位相プレート(SPP)222-1,222-3,222-5と、ミラー223-1,223-3,223-5と、ビームスプリッタ224-1,224-3,224-5と、を含んで構成される。 As shown in FIG. 7, the transmitter 10 is composed of a communication laser diode (LD) 11, a transmission/reception control device 13, spiral phase plates (SPP) 122-1, 122-3, 122-5, photodiodes (PD) 123-1, 123-3, 123-5, beam splitters 127-1, 127-3, 127-5, and mirrors 128-1, 128-3, 128-5. As shown in FIG. 7, the receiver 20 includes a communication photodiode (PD) 21, laser diodes 221-1, 221-2, and 221-3, spiral phase plates (SPP) 222-1, 222-3, and 222-5, mirrors 223-1, 223-3, and 223-5, and beam splitters 224-1, 224-3, and 224-5.

なお、図7に例示した光無線通信システム1aの光学的な構成では、受信機20が、螺旋位相プレート(螺旋位相プレート222-1,222-3,222-5)と同数のレーザーダイオード(レーザーダイオード221-1,221-2,221-3)を備えているが、この構成に限られるものではない。例えば、受信機20が、単一のレーザーダイオードを備えており、当該単一のレーザーダイオードからの出力光を分岐させて各螺旋位相プレート(例えば、螺旋位相プレート222-1,222-3,222-5)に入射させるような構成であってもよい。 In the optical configuration of the optical wireless communication system 1a illustrated in Figure 7, the receiver 20 is equipped with the same number of laser diodes (laser diodes 221-1, 221-2, 221-3) as the spiral phase plates (spiral phase plates 222-1, 222-3, 222-5), but this configuration is not limited to this. For example, the receiver 20 may be equipped with a single laser diode, and the output light from the single laser diode may be branched and incident on each spiral phase plate (e.g., spiral phase plates 222-1, 222-3, 222-5).

なお、上述した実施形態では、一例として、レーザー光を通信に用いる場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、強力なレーザー光でエネルギーを無線で伝送する無線送電等においても、上述した実施形態におけるレーザー光の制御方法を適用することが可能である。 In the above-described embodiment, the use of laser light for communication has been described as an example, but this is not limited to this. For example, the laser light control method in the above-described embodiment can also be applied to wireless power transmission, in which energy is transmitted wirelessly using powerful laser light.

上述した実施形態によれば、光無線通信システムは、送信装置と、受信装置とを有する。例えば、光無線通信システムは、実施形態における光無線通信システム1であり、送信装置は、実施形態における送信機10であり、受信装置は、実施形態における受信機20である。 According to the above-described embodiment, the optical wireless communication system has a transmitting device and a receiving device. For example, the optical wireless communication system is optical wireless communication system 1 in the embodiment, the transmitting device is transmitter 10 in the embodiment, and the receiving device is receiver 20 in the embodiment.

上記の送信装置は、通信用ビーム送信部と、検出用ビーム受信部と、制御部とを備える。例えば、通信用ビーム送信部は、実施形態における通信用レーザーダイオード11であり、検出用ビーム受信部は、実施形態におけるOAMモード分離回路12が有するフォトダイオードであり、制御部は、実施形態における送受信制御装置13である。 The above-mentioned transmitting device includes a communication beam transmitting unit, a detection beam receiving unit, and a control unit. For example, the communication beam transmitting unit is a communication laser diode 11 in the embodiment, the detection beam receiving unit is a photodiode included in the OAM mode separation circuit 12 in the embodiment, and the control unit is a transmission/reception control device 13 in the embodiment.

上記の通信用ビーム送信部は、所望の情報の伝送に用いられる通信用ビームを受信装置へ向けて射出する。例えば、通信用ビームは、実施形態における通信ビームCBである。上記の検出用ビーム受信部は、受信装置から通信用ビームの伝送経路を覆うように射出された物体検出用のビームである検出用ビームを受光する。例えば、検出用ビームは、実施形態におけるパイロットビームPBである。上記の制御部は、検出用ビームの受信レベルを計測し、受信レベルの減衰が検知された場合、通信用ビームの送信出力をより低くするように通信用ビーム送信部を制御する。 The communication beam transmitter emits a communication beam used to transmit desired information toward the receiving device. For example, the communication beam is communication beam CB in the embodiment. The detection beam receiver receives a detection beam, which is a beam for object detection emitted from the receiving device so as to cover the transmission path of the communication beam. For example, the detection beam is pilot beam PB in the embodiment. The control unit measures the reception level of the detection beam, and if attenuation of the reception level is detected, controls the communication beam transmitter to lower the transmission output of the communication beam.

上記の受信装置は、通信用ビーム受信部と、検出用ビーム送信部とを備える。例えば、通信用ビーム受信部は、実施形態における通信用フォトダイオード21であり、検出用ビーム送信部は、実施形態におけるOAMモード生成回路22が有するレーザーダイオードである。上記の通信用ビーム受信部は、通信用ビーム送信部から送信された通信用ビームを受光する。上記の検出用ビーム送信部は、検出用ビームを送信装置へ射出する。 The above-mentioned receiving device includes a communication beam receiving unit and a detection beam transmitting unit. For example, the communication beam receiving unit is a communication photodiode 21 in the embodiment, and the detection beam transmitting unit is a laser diode provided in the OAM mode generating circuit 22 in the embodiment. The above-mentioned communication beam receiving unit receives the communication beam transmitted from the communication beam transmitting unit. The above-mentioned detection beam transmitting unit emits the detection beam to the transmitting device.

なお、検出用ビームは、所定のOrbital Angular Momentum(OAM)モードの軌道角運動量を有していてもよい。 The detection beam may also have orbital angular momentum of a predetermined Orbital Angular Momentum (OAM) mode.

なお、上記の制御部は、所定のOrbital Angular Momentumモードの検出用ビームを含む、互いに異なる軌道角運動量を有する複数のOrbital Angular Momentumモードの検出用ビームの受信レベルをそれぞれ計測するようにしてもよい。例えば、互いに異なる軌道角運動量を有する複数のOrbital Angular Momentumモードの検出用ビームとは、実施形態におけるパイロットビームPB1及びパイロットビームPB3である。 The control unit may also measure the reception levels of multiple detection beams in Orbital Angular Momentum modes with different orbital angular momenta, including a detection beam in a predetermined Orbital Angular Momentum mode. For example, the detection beams in Orbital Angular Momentum modes with different orbital angular momenta are pilot beam PB1 and pilot beam PB3 in the embodiment.

なお、上記の制御部は、所定のOrbital Angular Momentumモード以外のOrbital Angular Momentumモードの検出用ビームの受信レベルの和に対する、所定のOrbital Angular Momentumモードの検出用ビームの受信レベルの比が所定の閾値未満である場合に、通信用ビームの送信出力を低くするように通信用ビーム送信部を制御するようにしてもよい。例えば、所定のOrbital Angular Momentumモード以外のOrbital Angular Momentumモードの検出用ビームの受信レベルの和とは、実施形態における送信モード(すなわち、OAMモード+1)以外の各OAMモード(すなわち、OAMモード0,OAMモード-1,及びOAMモード±2)の受信レベルの和であり、所定のOrbital Angular Momentumモードの検出用ビームの受信レベルは、実施形態における送信モードの受信レベルである。 The control unit may also control the communication beam transmission unit to lower the transmission output of the communication beam when the ratio of the reception level of the detection beam in the specified Orbital Angular Momentum mode to the sum of the reception levels of the detection beams in Orbital Angular Momentum modes other than the specified Orbital Angular Momentum mode is less than a specified threshold. For example, the sum of the reception levels of the detection beams in Orbital Angular Momentum modes other than the specified Orbital Angular Momentum mode is the sum of the reception levels of each OAM mode (i.e., OAM mode 0, OAM mode -1, and OAM mode ±2) other than the transmission mode in the embodiment (i.e., OAM mode +1), and the reception level of the detection beam in the specified Orbital Angular Momentum mode is the reception level of the transmission mode in the embodiment.

上述した実施形態における送信機10及び受信機20の構成の一部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD-ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、FPGA(Field Programmable Gate Array)等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。 Part of the configuration of the transmitter 10 and receiver 20 in the above-described embodiments may be implemented by a computer. In this case, a program for implementing this function may be recorded on a computer-readable recording medium, and the program may be loaded into a computer system and executed. Note that the term "computer system" here includes hardware such as an OS and peripheral devices. Furthermore, "computer-readable recording medium" refers to portable media such as flexible disks, optical magnetic disks, ROMs, and CD-ROMs, as well as storage devices such as hard disks built into a computer system. Furthermore, "computer-readable recording medium" may also include media that dynamically store programs for a short period of time, such as communication lines used when transmitting programs over networks such as the Internet or telephone lines, or media that store programs for a fixed period of time, such as volatile memory within the computer system that serves as the server or client. The program may be designed to implement part of the aforementioned functions, or may be capable of implementing the aforementioned functions in combination with a program already stored in the computer system, or may be implemented using a programmable logic device such as an FPGA (Field Programmable Gate Array).

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。 The above describes in detail an embodiment of the present invention with reference to the drawings, but the specific configuration is not limited to this embodiment and also includes designs that do not deviate from the gist of the present invention.

1、1a…光無線通信システム、10…送信機、11…通信用レーザーダイオード(LD)、12…OAMモード分離回路、13…送受信制御装置、14…通信制御装置、15…閾値判定部、20…受信機、21…通信用フォトダイオード(PD)、22…OAMモード生成回路、23…通信制御装置、121…分光器、122-1~122-5…螺旋位相プレート(SPP)、123-0~123-5…フォトダイオード(PD)、124…加算回路(Σ)、125…除算回路(÷)、126…アナログ-ディジタル変換器、127-1~127-5…ビームスプリッタ、128-1~128-5…ミラー、221-1~221-3…レーザーダイオード、222-1~222-5…螺旋位相プレート(SPP)、223-1~223-5…ミラー、224-1~224-5…ビームスプリッタ1, 1a...optical wireless communication system, 10...transmitter, 11...communication laser diode (LD), 12...OAM mode separation circuit, 13...transmission/reception control device, 14...communication control device, 15...threshold determination unit, 20...receiver, 21...communication photodiode (PD), 22...OAM mode generation circuit, 23...communication control device, 121...spectroscope, 122-1 to 122-5...spiral phase plates (SPP), 123-0 to 123 -5...photodiode (PD), 124...addition circuit (Σ), 125...division circuit (÷), 126...analog-to-digital converter, 127-1 to 127-5...beam splitters, 128-1 to 128-5...mirrors, 221-1 to 221-3...laser diodes, 222-1 to 222-5...spiral phase plates (SPP), 223-1 to 223-5...mirrors, 224-1 to 224-5...beam splitters

Claims (6)

送信装置と、受信装置と、を有する光無線通信システムであって、
前記送信装置は、
所望の情報の伝送に用いられる通信用ビームを前記受信装置へ向けて射出する通信用ビーム送信部と、
前記受信装置から前記通信用ビームの伝送経路を覆うように射出された、物体の進入によってクロストークが発生する物体検出用のビームである検出用ビームを受光する検出用ビーム受信部と、
前記検出用ビームに前記クロストークが検知された場合、前記通信用ビームの送信出力をより低くするように前記通信用ビーム送信部を制御する制御部と、
を備え、
前記受信装置は、
前記通信用ビーム送信部から送信された前記通信用ビームを受光する通信用ビーム受信部と、
前記検出用ビームを前記送信装置へ射出する検出用ビーム送信部と、
を備える光無線通信システム。
An optical wireless communication system having a transmitting device and a receiving device,
The transmitting device
a communication beam transmitter that emits a communication beam used to transmit desired information toward the receiving device;
a detection beam receiving unit that receives a detection beam, which is a beam for detecting an object and in which crosstalk occurs due to the entry of an object, and which is emitted from the receiving device so as to cover the transmission path of the communication beam;
a control unit that controls the communication beam transmitting unit to lower the transmission output of the communication beam when the crosstalk is detected in the detection beam;
Equipped with
The receiving device
a communication beam receiving unit that receives the communication beam transmitted from the communication beam transmitting unit;
a detection beam transmitter that emits the detection beam to the transmitter;
An optical wireless communication system comprising:
送信装置と、受信装置と、を有する光無線通信システムであって、
前記送信装置は、
所望の情報の伝送に用いられる通信用ビームを前記受信装置へ向けて射出する通信用ビーム送信部と、
前記受信装置から前記通信用ビームの伝送経路を覆うように射出された物体検出用のビームである検出用ビームを受光する検出用ビーム受信部と、
前記検出用ビームの受信レベルを計測し、前記受信レベルの減衰が検知された場合、前記通信用ビームの送信出力をより低くするように前記通信用ビーム送信部を制御する制御部と、
を備え、
前記受信装置は、
前記通信用ビーム送信部から送信された前記通信用ビームを受光する通信用ビーム受信部と、
前記検出用ビームを前記送信装置へ射出する検出用ビーム送信部と、
を備え、
前記検出用ビームは、所定のOrbital Angular Momentumモードの軌道角運動量を有する
光無線通信システム。
An optical wireless communication system having a transmitting device and a receiving device,
The transmitting device
a communication beam transmitter that emits a communication beam used to transmit desired information toward the receiving device;
a detection beam receiving unit that receives a detection beam, which is a beam for object detection emitted from the receiving device so as to cover the transmission path of the communication beam;
a control unit that measures a reception level of the detection beam, and when attenuation of the reception level is detected, controls the communication beam transmission unit to lower the transmission output of the communication beam;
Equipped with
The receiving device
a communication beam receiving unit that receives the communication beam transmitted from the communication beam transmitting unit;
a detection beam transmitter that emits the detection beam to the transmitter;
Equipped with
An optical wireless communication system, wherein the detection beam has an orbital angular momentum of a predetermined orbital angular momentum mode.
前記制御部は、前記所定のOrbital Angular Momentumモードの前記検出用ビームを含む、互いに異なる前記軌道角運動量を有する複数のOrbital Angular Momentumモードの前記検出用ビームの前記受信レベルをそれぞれ計測する
請求項2に記載の光無線通信システム。
3. The optical wireless communication system according to claim 2, wherein the control unit measures the reception levels of the detection beams in a plurality of Orbital Angular Momentum modes having different orbital angular momenta, including the detection beam in the predetermined Orbital Angular Momentum mode.
前記制御部は、前記所定のOrbital Angular Momentumモード以外のOrbital Angular Momentumモードの前記検出用ビームの受信レベルの和に対する、前記所定のOrbital Angular Momentumモードの前記検出用ビームの受信レベルの比が所定の閾値未満である場合に、前記通信用ビームの送信出力を低くするように前記通信用ビーム送信部を制御する
請求項3に記載の光無線通信システム。
4. The optical wireless communication system according to claim 3, wherein the control unit controls the communication beam transmitting unit to reduce the transmission output of the communication beam when a ratio of the reception level of the detection beam in the specified Orbital Angular Momentum mode to the sum of the reception levels of the detection beam in Orbital Angular Momentum modes other than the specified Orbital Angular Momentum mode is less than a specified threshold.
ンピュータによる光無線通信方法であって、
受信装置の前記コンピュータが、所望の情報の伝送に用いられる通信用ビームの伝送経路を覆うように、物体の進入によってクロストークが発生する物体検出用のビームである検出用ビームを送信装置へ射出させる検出用ビーム送信ステップと、
前記送信装置の前記コンピュータが、前記受信装置から送信された前記検出用ビームを受光させる検出用ビーム受信ステップと、
前記送信装置の前記コンピュータが、前記検出用ビームに前記クロストークが検知された場合、前記通信用ビームの送信出力をより低くするよう制御させる制御ステップと、
前記送信装置の前記コンピュータが、前記通信用ビームを前記受信装置へ向けて射出させる通信用ビーム送信ステップと、
前記受信装置の前記コンピュータが、前記送信装置から射出された前記通信用ビームを受光させる通信用ビーム受信ステップと、
を有する光無線通信方法。
1. A computer- implemented optical wireless communication method, comprising:
a detection beam transmission step in which the computer of the receiving device emits a detection beam, which is a beam for detecting an object that generates crosstalk due to the intrusion of an object, to the transmitting device so as to cover a transmission path of a communication beam used to transmit desired information;
a detection beam receiving step in which the computer of the transmitting device receives the detection beam transmitted from the receiving device;
a control step of causing the computer of the transmitting device to control the transmission output of the communication beam to be lowered when the crosstalk is detected in the detection beam;
a communication beam transmitting step in which the computer of the transmitting device emits the communication beam toward the receiving device;
a communication beam receiving step in which the computer of the receiving device receives the communication beam emitted from the transmitting device;
An optical wireless communication method comprising:
所望の情報の伝送に用いられる通信用ビームを受信装置へ向けて射出する通信用ビーム送信部と、
前記受信装置から前記通信用ビームの伝送経路を覆うように射出された、物体の進入によってクロストークが発生する物体検出用のビームである検出用ビームを受光する検出用ビーム受信部と、
前記検出用ビームに前記クロストークが検知された場合、前記通信用ビームの送信出力をより低くするように前記通信用ビーム送信部を制御する制御部と、
を備える光送信装置。
a communication beam transmitter that emits a communication beam used to transmit desired information toward a receiving device;
a detection beam receiving unit that receives a detection beam, which is a beam for detecting an object and in which crosstalk occurs due to the entry of an object, and which is emitted from the receiving device so as to cover the transmission path of the communication beam;
a control unit that controls the communication beam transmitting unit to lower the transmission output of the communication beam when the crosstalk is detected in the detection beam;
An optical transmitting device comprising:
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