JP2018032918A - 水中通信システム及び水中通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受信側が送信側の通信機器の位置を容易に検出できる水中通信システム及び水中通信装置。【解決手段】第１通信装置１は、複数の第１レーザダイオード１１１ａ〜１１１ｅの複数のレーザを第１マルチモードファイバ１１３に結合して第２通信装置２に送信するレーザ送信器１１、第２通信装置からレーザを受信するレーザ受信器１２を備える。第２通信装置は、複数の第２レーザダイオードの複数のレーザを第２マルチモードファイバに結合して第１通信装置に送信するレーザ送信器２１と、第１マルチモードファイバからのレーザを受信するレーザ受信器２２と、レーザ受信器２２で受信した第１マルチモードファイバからのレーザを解析してレーザ送信器１１からのレーザの中心位置を求める解析部２４と、解析部２４で求められたレーザ送信器１１からのレーザの中心位置に第２通信装置を移動させる装置移動部２５とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、水中でレーザ通信を行う水中通信システム及び水中通信装置に関する。

近年、水中において透過特性の良い４５０ｎｍ帯の青色レーザダイオ―ドを用いた水中通信が期待されている。特許文献１は、水中通信に青色レーザダイオードを用い、通信する２つの通信機器間において、互いに送信方向、受信方向をやり取りすることで、２つの通信機器の相互位置が変動しても、安定してデータを送受信することができる。

特開２００９−５５４０８号公報

しかしながら、信号の伝送距離を稼ぐために、一方の通信機器から指向性を持ったレーザを他方の通信機器に送信した場合には、他方の通信機器は、指向性を持ったレーザを容易に受信することができなかった。このため、受信側は送信側の通信機器の位置を容易に検出することができなかった。

本発明の課題は、受信側が送信側の通信機器の位置を容易に検出することができる水中通信システム及び水中通信装置を提供することにある。

本発明に係る水中通信システムは、上記課題を解決するために、第１通信装置と第２通信装置との間で通信を行う水中通信システムであって、前記第１通信装置は、複数の第１レーザダイオードの複数のレーザを第１マルチモードファイバに結合して前記第２通信装置に送信する第１レーザ送信器と、前記第２通信装置からレーザを受信する第１レーザ受信器とを備える。前記第２通信装置は、複数の第２レーザダイオードの複数のレーザを第２マルチモードファイバに結合して前記第１通信装置に送信する第２レーザ送信器と、前記第１マルチモードファイバからのレーザを受信する第２レーザ受信器と、前記第２レーザ受信器で受信した前記第１マルチモードファイバからのレーザを解析して前記第１レーザ送信器からのレーザの中心位置を求める第２解析部と、前記第２解析部で求められた前記第１レーザ送信器からのレーザの中心位置に前記第２通信装置を移動させる第２移動部とを備えることを特徴とする。

また、本発明の水中通信システムでは、前記第２レーザ送信器は、前記第１レーザ送信器からのレーザの中心位置への前記第２通信装置の移動が完了したときに、移動完了情報を前記第１通信装置に送信し、前記第１レーザ送信器は、前記第１レーザ受信器が前記移動完了情報を受信した後に、前記第１マルチモードファイバからのレーザをコリメートして前記第２通信装置に送信することを特徴とする。

また、本発明は、他の水中通信装置との間で通信を行う水中通信装置であって、前記他の水中通信装置が複数の第１レーザダイオードの複数のレーザを第１マルチモードファイバに結合して送信した場合に、前記第１マルチモードファイバからのレーザを受信するレーザ受信器と、複数の第２レーザダイオードの複数のレーザを第２マルチモードファイバに結合して前記他の水中通信装置に送信するレーザ送信器と、前記レーザ受信器で受信した前記第１マルチモードファイバからのレーザを解析し前記他の水中通信装置からのレーザの中心位置を求める解析部と、前記解析部で求められた前記他の水中通信装置からのレーザの中心位置に自己の水中通信装置を移動させる移動部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１レーザ送信器が、所定間隔毎に配列された複数の第１レーザダイオードの複数のレーザを第１マルチモードファイバに結合して第２通信装置に送信すると、第２レーザ受信器は、第１マルチモードファイバからのレーザを受信する。第２解析部は、第１マルチモードファイバからのレーザを解析して第１レーザ送信器からのレーザの中心位置を求め、第２移動部は、第２解析部で求められた第１レーザ送信器からのレーザの中心位置に第２通信装置を移動させる。

従って、受信側が送信側の通信機器の位置を容易に検出することができ、位置検出後に安定した通信を行うことができる。

実施例１の水中通信システムの構成ブロック図である。 実施例１の水中通信システムのマルチモードファイバから出力されるモードを示した図であって、該モードが横方向位置に対する光強度分布を表した図である。 実施例１の水中通信システムの動作を説明するためのフローチャートである。 第１通信装置のマルチモードファイバから出力されるモードの光強度の最小値ＭN1を第２通信装置が受信した状態を示す図である。 第１通信装置のマルチモードファイバから出力されるモードの光強度の最大値ＭXを示すレーザの中心位置に第２通信装置を移動させた状態を示す図である。 第１通信装置が第２通信装置の移動完了を受信した後にマルチモードファイバからのレーザをコリメートして第２通信装置に送信した状態を示す図である。 実施例２の水中通信システムの主要部の構成ブロック図である。 実施例２の水中通信システムの変調速度と装置移動量との関係を示す図である。 実施例３の水中通信システムの主要部の構成ブロック図である。 実施例３の水中通信システムの波長と装置移動量との関係を示す図である。

以下、本発明の水中通信システム及び水中通信装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施例１）
図１（ａ）は、実施例１の水中通信システムの構成ブロック図である。図１（ｂ）は、レーザ送信器の詳細な構成図である。

実施例１の水中通信システムは、第１通信装置１と第２通信装置２との間でレーザ通信を行う。第１通信装置１は、レーザ送信器１１、レーザ受信器１２、制御部１３、解析部１４、装置移動部１５を備える。

レーザ送信器１１は、本発明の第１レーザ送信器に対応し、図１（ｂ）に示すように、所定間隔毎に配列された複数のレーザダイオード１１１ａ〜１１１ｅの複数のレーザを結合レンズ１１２でマルチモードファイバ１１３（本発明の第１マルチモードファイバ）に結合して第２通信装置２に送信する。

複数のレーザダイオード１１１ａ〜１１１ｅは、４５０ｎｍ帯の青色レーザダイオード又は緑色レーザダイオードからなる。

マルチモードファイバ１１３は、マルチモードを発生するために必要十分な大径のコア１１４と、コア１１４を取り囲むクラッド１１５とからなり、複数のレーザダイオード１１１ａ〜１１１ｅの配列パターンに応じたファイバ出力の光強度分布が生じる。

図２は、実施例１の水中通信システムのマルチモードファイバ１１３から出力される横方向位置に対する光強度分布を表すモードを示す図である。図２に示す例では、両端のレーザダイオード１１１ａ，１１１ｅの光強度が小さく、中央のレーザダイオード１１１ｃの光強度が大きく設定されているので、横方向位置に対してモードの両端が最小値ＭN１，ＭN2であり、モードの中央が最大値ＭXであり、モードは左右対称な光強度を持つ。

レーザ受信器１２は、本発明の第１レーザ受信器に対応し、第２通信装置２からレーザを受信する。制御部１３は、レーザ送信器１１及びレーザ受信器１２を制御する。

解析部１４は、本発明の第１解析部に対応し、レーザ受信器１２で受信した第２マルチモードファイバ１１３からのモードを解析して解析されたモードに基づきレーザ送信器２１からのレーザの中心位置を求める。装置移動部１５は、本発明の第１移動部に対応し、解析部１４で求められたレーザ送信器２１からのレーザの中心位置に第１通信装置１を移動させる。

第２通信装置２は、レーザ送信器２１、レーザ受信器２２、制御部２３、解析部２４、装置移動部２５を備える。

レーザ送信器２１は、本発明の第２レーザ送信器に対応し、図１（ｂ）に示すように、所定間隔毎に配列された複数の第１レーザダイオード１１１ａ〜１１１ｅの複数のレーザを結合レンズ１１２でマルチモードファイバ１１３（本発明の第２マルチモードファイバ）に結合して第１通信装置１に送信する。

レーザ受信器２２は、本発明の第２レーザ受信器に対応し、第１通信装置１のマルチモードファイバ１１３からのモードを受信する。制御部２３は、レーザ送信器２１及びレーザ受信器２２を制御する。

解析部２４は、本発明の第２解析部に対応し、レーザ受信器２２で受信した第１マルチモードファイバ１１３からのモードを解析して解析されたモードに基づきレーザ送信器１１からのレーザの中心位置を求める。装置移動部２５は、本発明の第２移動部に対応し、解析部２４で求められたレーザ送信器１１からのレーザの中心位置に第２通信装置２を移動させる。

また、レーザ送信器２１は、レーザ送信器１１からのレーザの中心位置への第２通信装置２の移動が完了したときに、移動完了情報を第１通信装置１に送信する。レーザ送信器１１は、レーザ受信器１２が移動完了情報を受信した後に、マルチモードファイバ１１３からのレーザをコリメートして第２通信装置２に送信する。

また、レーザ送信器１１は、レーザ送信器２１からのレーザの中心位置への第１通信装置１の移動が完了したときに、移動完了情報を第２通信装置２に送信する。レーザ送信器２１は、レーザ受信器２２が移動完了情報を受信した後に、マルチモードファイバ１１３からのレーザをコリメートして第１通信装置１に送信する。

図３は、実施例１の水中通信システムの動作を説明するためのフローチャートである。次に、図３乃至図６を参照しながら、水中通信システムの動作を説明する。ここでは、一例として、第１通信装置１が送信側で、第２通信装置２が受信側である場合の動作を説明する。なお、第２通信装置２が送信側で、第１通信装置１が受信側である場合も同様である。

まず、第１通信装置１は、マルチモードファイバ１１３から、図２に示すような横方向位置の両端の光強度が最小値ＭN１，ＭN2で且つ横方向位置の中央の光強度が最大値ＭXとなるモードを、第２通信装置２に向けて送信する（ステップＳ１１）。このモードは、図４に示すように、横方向位置に対して広がりを持つ横モードである。

そして、図４に示すように、第２通信装置２のレーザ受信器２２が第１通信装置１のマルチモードファイバ１１３からのモードの最小値ＭN１を受信し検出する（ステップＳ１２）。解析部２４は、検出したモードを解析する（ステップＳ１３）。

このモードのパターンは、第１通信装置１と第２通信装置２との間で予め取り決めされており、例えば、モードの横方向位置の端が最小値ＭN１であり、モードの横方向位置の中央が最大値ＭXとして予め取り決めされている。この場合には、最大値ＭXの横方向位置が第１通信装置１のマルチモードファイバ１１３からのレーザの中心位置である。

このため、解析部２４は、最小値ＭN１と図２に示す光強度の傾き、即ちｔａｎθとに基づき、モードの値が最大値ＭXとなる自己の通信装置の移動量を算出することで、第１通信装置１のマルチモードファイバ１１３からのレーザの中心位置を求める（ステップＳ１４）。この場合、解析部２４は、図２に示す光強度の傾き、即ちｔａｎθが大きい程、自己の通信装置２の移動量を小さくし、ｔａｎθが小さい程、自己の通信装置２の移動量を大きくする。また、最小値ＭN１から最大値ＭXの位置を予測する。

装置移動部２５は、解析部２４で算出された自己の通信装置２の移動量に基づき自己の通信装置２を移動させることで、第２通信装置２を第１通信装置１のレーザの中心位置に移動させる（ステップＳ１５）。図５に、第１通信装置１のマルチモードファイバ１１３から出力されるレーザの中心位置に第２通信装置２を移動させた状態を示す。

次に、第２通信装置２は、移動完了した場合には、レディ状態であることを第１通信装置１に送信する（ステップＳ１６）。第１通信装置１が第２通信装置２の移動完了を受信した後、第２通信装置２と第１通信装置１との通信状態を確立させる（ステップＳ１７）。

次に、図６に示すように、第１通信装置１は、マルチモードファイバ１１３からのレーザをコリメートレンズ１６によりコリメートして、第２通信装置２に送信する（ステップＳ１８）。これにより、第１通信装置１と第２通信装置２との間で、安定した通信を行うことができる（ステップＳ１９）。

このように実施例１の水中通信システムによれば、レーザ送信器１１が、所定間隔毎に配列された複数のレーザダイオード１１１ａ〜１１１ｅの複数のレーザをマルチモードファイバ１１３に結合して第２通信装置２に送信する。すると、レーザ受信器２２は、マルチモードファイバ１１３からのモードを受信し、解析部２４は、マルチモードファイバ１１３からのモードを解析してレーザ送信器１１からのレーザの中心位置を求める。装置移動部２５は、解析部２４で求められたレーザ送信器１１からのレーザの中心位置に第２通信装置２を移動させる。

従って、受信側が送信側の通信装置の位置を容易に検出することができ、位置検出後に高いＳＮ比を有して安定した通信を行うことができる水中通信システム及び水中通信装置を提供することができる。

（実施例２）
図７は、実施例２の水中通信システムの主要部の構成ブロック図である。実施例２の水中通信システムは、実施例１の水中通信システムの構成に対して、制御部１３に代えて、変調速度制御部１３ａを用いたことを特徴とする。

複数のレーザダイオード１１１ａ〜１１１ｅは、実施例１で説明したように、予め個々に異なる光強度が設定されている。

変調速度制御部１３ａは、複数のレーザダイオード１１１ａ〜１１１ｅに対して、個々に変調速度を制御するものであり、例えば、レーザダイオード１１１ｃに対して変調速度を最も速くし、レーザダイオード１１１ａ，１１１ｅに対して変調速度を最も遅くすることで、複数のレーザダイオード１１１ａ〜１１１ｅに対して、変調速度情報を付加する。変調速度は、レーザダイオードをオンオフさせる周期を短くしたり、あるいは長くしたりすることで変えることができる。

このため、レーザ送信器１１は、モードと変調速度情報を付加したレーザを第２通信装置２に送信する。レーザ受信器２２は、第１通信装置１のマルチモードファイバ１１３からのモードと変調速度情報を受信し検出する。解析部２４は、検出したモードと変調速度情報を解析する。モードの解析については、実施例１で説明した通りである。

変調速度情報のパターンは、第１通信装置１と第２通信装置２との間で予め取り決めされている。この場合には、変調速度が最も速くなる位置が第１通信装置１のマルチモードファイバ１１３からのレーザの中心位置である。

このため、解析部２４は、変調速度情報に基づき、変調速度が最も速くなる自己の通信装置の移動量を算出することで、送信側のレーザの中心位置を求める。図８に、変調速度と装置移動量との関係を示す。

装置移動部２５は、解析部２４で算出された自己の通信装置２の移動量に基づき自己の通信装置２を移動させることで、第２通信装置２を第１通信装置１のレーザの中心位置に移動させる。

実施例２の水中通信システムによれば、モードと変調速度情報とを用いたので、実施例１の水中通信システムよりも、レーザの中心位置をより明確に解析することができる。

（実施例３）
図９は、実施例３の水中通信システムの主要部の構成ブロック図である。図９では、例えば第１通信装置１を送信側とし、第２通信装置２を受信側としている。なお、第２通信装置２を送信側とし、第１通信装置１を受信側としても良い。

図９の送信側の複数のレーザダイオード１１１ａ〜１１１ｅは、予め個々に異なる波長が設定されている。図９に示す例では、レーザダイオード１１１ｃが最も短い波長λminで発振し、レーザダイオード１１１ａ，１１１ｅが最も長い波長λmaxで発振し、レーザダイオード１１１ｂ，１１１ｄが中間の波長λmidで発振する。

このため、レーザ送信器１１は、異なる波長を持つレーザを第２通信装置２に送信する。レーザ受信器からなるスペクトラムアナライザ２２ａは、第１通信装置１のマルチモードファイバ１１３からの異なる波長を持つレーザを受信し、異なる波長を検出する。解析部２４は、検出された異なる波長を解析する。

異なる波長のパターンは、第１通信装置１と第２通信装置２との間で予め取り決めされている。この場合には、波長が最も短くなる位置が第１通信装置１のマルチモードファイバ１１３からのレーザの中心位置である。

このため、解析部２４は、受信した異なる波長に基づき、波長が最も短くなる自己の通信装置の移動量を算出することで、送信側のレーザの中心位置を求める。図１０に、波長と装置移動量との関係を示す。

装置移動部２５は、解析部２４で算出された自己の通信装置２の移動量に基づき自己の通信装置２を移動させることで、第２通信装置２を第１通信装置１のレーザの中心位置に移動させる。

実施例３の水中通信システムによれば、異なる波長を用いたので、実施例１の水中通信システムと同様な効果が得られる。

なお、実施例１乃至３の水中通信システム及び水中通信装置では、第１通信装置１及び第２通信装置２の各々に、解析部と装置移動部とを設けたが、一方の通信装置、例えば、第２通信装置２のみに解析部２４と装置移動部２５とを設けてもよい。あるいは、第１通信装置１のみに解析部１４と装置移動部１５とを設けてもよい。

また、実施例１，２の水中通信システム及び水中通信装置では、中央に配列されたレーザダイオード１１１ｃの光強度が、両端に配列されたレーザダイオード１１１ａ，１１１ｅの光強度よりも大きく設定した。例えば、中央に配列されたレーザダイオード１１１ｃの光強度が、両端に配列されたレーザダイオード１１１ａ，１１１ｅの光強度よりも小さく設定しても良い。

本発明に係る水中通信システムは、レーザ通信装置に適用可能である。

１ 第１通信装置
２ 第２通信装置
１１，２１ レーザ送信器
１２，２２ レーザ受信器
１３，２３ 制御部
１３ａ 変調速度制御部
１４，２４ 解析部
１５，２５ 装置移動部
１６ コリメートレンズ
２２ａ スペクトラムアナライザ
１１１ａ〜１１１ｅ レーザダイオード
１１２ 結合レンズ
１１３ マルチモードファイバ
１１４ コア
１１５ クラッド
ＭN１，ＭN2 最小値
ＭX 最大値

Claims (7)

1. 第１通信装置と第２通信装置との間で通信を行う水中通信システムであって、
   前記第１通信装置は、
   複数の第１レーザダイオードの複数のレーザを第１マルチモードファイバに結合して前記第２通信装置に送信する第１レーザ送信器と、
   前記第２通信装置からレーザを受信する第１レーザ受信器とを備え、
   前記第２通信装置は、
   複数の第２レーザダイオードの複数のレーザを第２マルチモードファイバに結合して前記第１通信装置に送信する第２レーザ送信器と、
   前記第１マルチモードファイバからのレーザを受信する第２レーザ受信器と、
   前記第２レーザ受信器で受信した前記第１マルチモードファイバからのレーザを解析して前記第１レーザ送信器からのレーザの中心位置を求める第２解析部と、
   前記第２解析部で求められた前記第１レーザ送信器からのレーザの中心位置に前記第２通信装置を移動させる第２移動部と、
   を備えることを特徴とする水中通信システム。
2. 前記第２レーザ送信器は、前記第１レーザ送信器からのレーザの中心位置への前記第２通信装置の移動が完了したときに、移動完了情報を前記第１通信装置に送信し、
   前記第１レーザ送信器は、前記第１レーザ受信器が前記移動完了情報を受信した後に、前記第１マルチモードファイバからのレーザをコリメートして前記第２通信装置に送信することを特徴とする請求項１記載の水中通信システム。
3. 前記第１通信装置は、さらに、
   前記第１レーザ受信器で受信した前記第２マルチモードファイバからのレーザを解析し前記第２レーザ送信器からのレーザの中心位置を求める第１解析部と、
   前記第１解析部で求められた前記第２レーザ送信器からのレーザの中心位置に前記第１通信装置を移動させる第１移動部と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の水中通信システム。
4. 前記第１マルチモードファイバは、前記複数の第１レーザダイオードの配列に応じた光強度が設定された光強度分布を示すモードを出力し、
   前記第２レーザ受信器は、前記第１マルチモードファイバからの前記モードを受信し、
   前記第２解析部は、前記第２レーザ受信器で受信した前記モードを解析し解析されたモードに基づき前記第１レーザ送信器からのレーザの中心位置を求めることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の水中通信システム。
5. 前記複数の第１レーザダイオードに対して、個々に変調速度を制御する変調速度制御部を備えることを特徴とする請求項４記載の水中通信システム。
6. 前記複数の第１レーザダイオードは、予め個々に異なる波長が設定され、
   前記第２レーザ受信器は、前記第１マルチモードファイバからの前記異なる波長を受信し、
   前記第２解析部は、前記第２レーザ受信器で受信した前記異なる波長を解析し解析された波長に基づき前記第１レーザ送信器からのレーザの中心位置を求めることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の水中通信システム。
7. 他の水中通信装置との間で通信を行う水中通信装置であって、
   前記他の水中通信装置が複数の第１レーザダイオードの複数のレーザを第１マルチモードファイバに結合して送信した場合に、前記第１マルチモードファイバからのレーザを受信するレーザ受信器と、
   複数の第２レーザダイオードの複数のレーザを第２マルチモードファイバに結合して前記他の水中通信装置に送信するレーザ送信器と、
   前記レーザ受信器で受信した前記第１マルチモードファイバからのレーザを解析し前記他の水中通信装置からのレーザの中心位置を求める解析部と、
   前記解析部で求められた前記他の水中通信装置からのレーザの中心位置に自己の水中通信装置を移動させる移動部と、
   を備えることを特徴とする水中通信装置。

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