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自由空間光通信（FSO）は、自由空間を伝搬する光を利用して、長距離にわたって通信やコンピュータネットワーク用のデータを無線で伝送する光通信技術です。「自由空間」とは、空気、宇宙空間、真空、またはそれに類するものを指します。これは、光ファイバーケーブルなどの固体を用いる場合とは対照的です。この技術は、コストが高いなどの理由で物理的な接続が現実的でない場合に有効です。
光通信は、さまざまな形で何千年にもわたって使用されてきました。古代ギリシャ人は、クレオクセノス、デモクレイトス、ポリュビオスによって開発された松明を使った符号化されたアルファベット信号システムを使用していました。[ 1 ]近代では、符号化された信号を使用して受信者と通信する、セマフォやヘリオグラフと呼ばれる無線太陽光電信が開発されました。
1880年、アレクサンダー・グラハム・ベルと彼の助手チャールズ・サムナー・テインダーは、ワシントンDCに新設されたベルのボルタ研究所でフォトフォンを発明した。ベルはこれを自身の最も重要な発明と考えていた。この装置は、光線に乗せて音を伝送することを可能にした。1880年6月3日、ベルは213メートル（699フィート）離れた2つの建物間で世界初の無線電話伝送を行った。[ 2 ] [ 3 ]
その実用化は数十年後、軍事通信システム、特に光電信において初めて実現した。1904年に始まったヘレロ戦争中、ドイツ植民地軍はドイツ領南西アフリカ（現在のナミビア）でヘリオグラフ電信送信機を使用した。イギリス、フランス、アメリカ、オスマン帝国も同様にヘリオグラフ電信送信機を使用した。
第一次世界大戦の塹壕戦では、有線通信がしばしば途絶えたため、ドイツ軍はブリンクゲレートと呼ばれる3種類の光モールス信号送信機を使用した。中間型は昼間は最大4km、夜間は最大8kmの距離に対応し、赤色フィルターを使用することで探知されにくい通信を実現した。光電話通信は終戦間際に試験されたが、部隊レベルでは導入されなかった。さらに、航空機、気球、戦車との通信には特殊なブリンクゲレートが使用されたが、その成功度は様々であった。
主要な技術的進歩は、音声伝送においてモールス信号を光波変調に置き換えることであった。カール・ツァイス・イエナ社は、第二次世界大戦中にドイツ軍が対空防御部隊や大西洋の壁の掩蔽壕で使用したLichtsprechgerät 80/80（直訳：光学式音声発信装置）を開発した。[ 4 ]
1960年代のレーザーの発明は、自由空間光通信に革命をもたらした。軍事組織は特に興味を持ち、その開発を加速させた。1973年、PARCで最初のレーザープリンターの試作を行っていたゲイリー・スタークウェザーらは、天体望遠鏡とHeNeレーザーを使用してオフィス間でデータを送信するための双方向30 Mbit/s CAN光リンクを作成した。彼らがこの方法を選んだのは、 FCCによる自由空間光通信に関する規制が（当時）それほど厳しくなかったことが一因であった。[ 5 ]しかし、民間用途の光ファイバーネットワークの設置がピークに達したとき、レーザーベースの自由空間光通信は市場での勢いを失った。
多くのシンプルで安価な家庭用リモコンは、赤外線（IR）光を用いた低速通信を利用しています。これは、民生用赤外線技術として知られています。
自由空間ポイントツーポイント光リンクは赤外線レーザー光を使用して実現できますが、LEDを使用した短距離での低データレート通信も可能です。赤外線データアソシエーション(IrDA) 技術は、自由空間光通信の非常にシンプルな形式です。通信側では、FSO 技術は光無線通信アプリケーションの一部とみなされています。自由空間光は宇宙船間の通信に使用できます。[ 6 ]
FSOユニットの信頼性は、商用通信において常に問題となってきた。一貫して、調査では、狭い範囲（400～500メートル（1,300～1,600フィート））でパケットのドロップや信号エラーが多すぎることが判明している。これは、チェコ共和国などで行われた独立した調査[ 7 ]と、MRV FSOスタッフが行った調査[ 8 ]などの内部調査の両方から得られた結果である。
軍事研究は一貫して信頼性の推定値が高く、地上リンクの最大範囲は2～3 km (1.2～1.9マイル)程度であると予測している。[ 9 ]すべての研究は、リンクの安定性と品質が雨、霧、塵、熱などの大気要因に大きく依存するという点で一致している。FSO 通信の範囲を拡張するためにリレーを使用できる。[ 10 ] [ 11 ]
TMEX USAは1998年から2002年まで、テキサス州ラレドとメキシコのヌエボ・ラレドを結ぶ8マイルのリンクを2本運用していた[ 12 ]。これらのリンクは155 Mbit/sで動作し、電話とインターネットサービスを安定して提供していた[ 13 ] 。
地上通信が非商用通信機能に限定されてきた主な理由は霧です。霧は、500メートル（1,600フィート）を超えるFSOレーザーリンクが商用サービスに十分な年間を通しての可用性を達成することを妨げることがよくあります。いくつかの組織は、FSO通信のこれらの主要な欠点を克服し、より高品質のサービスを備えたシステムを実用化するために継続的に取り組んでいます。DARPAは、ORCAおよびORCLEプログラムで、この取り組みに対して1億3,000万米ドル以上の研究を支援してきました。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]
他の非政府組織も、FSO導入における主要な課題に対処できると主張する様々な技術を評価するためのテストを実施している。2014年10月現在しかし、最も一般的な大気現象に対処できる実用的なシステムを実用化したものはまだない。
1998年から2006年までの民間部門におけるFSO研究の総額は4億710万ドルで、主に4つのスタートアップ企業に分配された。4社すべてが通信品質と距離の基準を満たす製品を提供できなかった。[ 17 ]
ある民間企業が2014年11月20日に論文を発表し、極度の霧の中でも商用レベルの信頼性（99.999%の可用性）を達成したと主張した。この製品が現在市販されているという兆候はない。[ 25 ]
宇宙空間におけるレーザー通信の計り知れない利点に着目し、複数の宇宙機関が安定した宇宙通信プラットフォームの開発を競い合っており、数々の重要な実証実験や成果が生まれている。
ギガビット級のレーザー通信は、欧州宇宙機関によって2014年11月28日に初めて実現され、欧州データ中継システム（EDRS）と名付けられた。このシステムは既に運用されており、日常的に使用されている。
2023年12月、オーストラリア国立大学（ANU）は、マウントストロムロ天文台で量子光学地上局（QOGS）の実証実験を行った。QOGSは、望遠鏡の一部として適応光学系とレーザーを使用し、 NASAのアルテミス計画による月探査を支援できる双方向通信システムを構築する。[ 26 ]
メッセンジャー探査機に搭載された水星レーザー高度計は、双方向通信における最長距離記録を樹立した。2005年5月、探査機が地球に接近した際、 2400万キロメートル（1500万マイル）の距離で通信に成功した。これまでの記録は、1992年にガリレオ探査機が地球からのレーザー光を片方向で検出した際の600万キロメートル（370万マイル）だった。
2013年1月、NASAはレーザーを用いてモナ・リザの画像を約39万km（24万マイル）離れた月探査機ルナー・リコネッサンス・オービターに送信した。大気干渉を補正するために、CDで使用されているものと同様の誤り訂正符号アルゴリズムが実装された。[ 27 ]
2013年10月18日早朝、NASAの月レーザー通信実証機（LLCD）は、月周回軌道から地球へ毎秒622メガビット（Mbit/s）の速度でデータを送信した。[ 28 ] LLCDは、月周辺に存在する希薄で特殊な大気を調査することを主な科学ミッションとする月大気塵環境探査機（LADEE）に搭載されていた。
2014年4月から7月にかけて、NASAのOPALS機器は3.5秒で175メガバイトのアップロードに成功し、 20秒で200～300MBのダウンロードに成功した 。[ 29 ]また、雲に覆われて信号が失われた後も、追跡を再取得することができた。
2021年12月7日、NASAは静止軌道上の宇宙船と地上局の間でデータを中継することを目的としたレーザー通信中継実証実験（LCRD）を開始しました。LCRDはNASA初の双方向エンドツーエンド光中継です。LCRDは、カリフォルニア州のテーブルマウンテン天文台とハワイのハレアカラにある2つの地上局、光学地上局（OGS）-1と-2を使用します。[ 30 ] LCRDの最初の運用ユーザーの1つは、国際宇宙ステーションにある統合LCRD低軌道ユーザーモデムおよびアンプ端末（ILLUMA-T）です。この端末は、宇宙ステーションに搭載された実験装置や機器から高解像度の科学データを受信し、このデータをLCRDに転送し、LCRDはそれを地上局に送信します。データが地球に到着すると、ミッション運用センターとミッション科学者に配信されます。 ILLUMA-Tペイロードは2023年後半にSpaceX CRS-29でISSに送られ、2023年12月5日に初光を達成した。 [ 31 ] [ 32 ]
2023年4月28日、NASAとそのパートナーは、軌道上の衛星と地球間の宇宙-地上光リンクで毎秒200ギガビット（Gbit/s）のスループットを達成しました。これは、 NASAのパスファインダー技術実証機3 （PTD-3）衛星に搭載されたテラバイト赤外線配信（TBIRD）システムによって達成されました。[ 33 ]
SpaceXのStarlinkなど、グローバルなブロードバンド通信網の提供を目的とした様々な衛星コンステレーションは、衛星間の通信にレーザー通信を採用している。これにより、衛星間に宇宙空間を基盤とした光メッシュネットワークが効果的に構築される。
2001年、Twibright Labsは、 1.4 km (0.87 mi)の範囲をカバーするオープンソースのDIY 10 Mbit/s全二重LED FSOシステムであるRONJA Metropolisをリリースした。[ 34 ] [ 35 ]
2004年、日本で可視光通信コンソーシアムが結成された。[ 36 ]これは、屋内ローカルエリアネットワーク（LAN）通信に白色LEDベースの空間照明システムを使用する研究者の研究に基づいていた。これらのシステムは、システム間の分離の改善、受信機/送信機のサイズとコスト、RFライセンス法、空間照明と通信を同じシステムに統合することによって、従来のUHF RFベースのシステムよりも優れている。[ 37 ] 2009年1月、 IEEE 802.15.7として知られる無線パーソナルエリアネットワーク規格の電気電子学会ワーキンググループによって、可視光通信のタスクフォースが結成された。[ 38 ] 2010年にミネソタ州セントクラウドでトライアルが発表された。[ 39 ]
アマチュア無線家は、高輝度LEDからの非干渉光源を使用して、はるかに長い距離を達成しました。2007年には278 km (173 mi)を報告した人もいます。 [ 40 ]しかし、使用された機器の物理的な制限により、帯域幅は約4 kHzに制限されました。このような距離をカバーするために検出器に要求される高い感度により、使用されたフォトダイオードの内部容量が、それに続く高インピーダンスアンプの支配的な要因となり、その結果、カットオフ周波数が4 kHzの範囲にあるローパスフィルタが自然に形成されました。レーザーは、光ファイバ通信に匹敵する非常に高いデータレートを達成できます。
予測されるデータレートと将来のデータレートの主張は様々です。空間照明に使用できる低コストの白色LED（GaN蛍光体） は、通常20MHzまで変調できます。[ 41 ]効率的な変調方式を使用すると100Mbit /sを超えるデータレートが達成でき、シーメンスは2010年に500Mbit/sを超えたと主張しました。[ 42 ] 2009年に発表された研究では、同様のシステムをLED信号機を使用した自動運転車の交通制御に使用しました。[ 43 ]
2013年9月、 Li-Fiに取り組むエジンバラのスタートアップ企業pureLiFiは、市販のLED電球を使用して高速ポイントツーポイント接続を実証した。これまでの研究では、高帯域幅の専用LEDを使用して高データレートを実現していた。新しいシステムLi-1stは、あらゆるLEDデバイスで利用可能な光帯域幅を最大化することで、屋内FSOシステムの展開コストを削減し、パフォーマンスを向上させる。[ 44 ]
一般的に、この技術を活用するのに最適なシナリオは以下のとおりです。
光ビームは非常に狭いため、FSOは傍受が難しく、セキュリティが向上します。暗号化により、リンクを介して送信されるデータを保護できます。FSOは、マイクロ波を使用する場合と比較して、電磁干渉（EMI）に対する耐性が大幅に向上しています。
地上用途における主な制限要因は以下のとおりです。
これらの要因により受信信号が減衰し、ビット誤り率(BER) が高くなります。これらの問題を克服するために、ベンダーは、複数の送信機と複数の受信機を使用するマルチビームまたはマルチパスアーキテクチャなどのソリューションを見つけました。一部の最先端デバイスは、より大きなフェードマージン(雨、スモッグ、霧用に確保された余剰電力) も備えています。目に安全な環境を維持するために、優れた FSO システムはレーザー出力密度が制限されており、レーザークラス1または1Mをサポートしています。指数関数的な性質を持つ大気および霧による減衰により、FSO デバイスの実用的な範囲は数キロメートルに制限されます。ただし、 1550 nm波長に基づく自由空間光は、濃霧条件下では、830 nm波長を使用する自由空間光よりもかなり低い光損失を持ちます。1550 nm 波長を使用する FSO システムは、 850 nm のシステムよりも数倍高い電力を送信でき、人間の目に安全です (1M クラス)。さらに、EC SYSTEMなどの一部の自由空間光学系[ 47 ]は、内蔵の自動ゲイン制御でレーザーダイオードの送信電力を調整するためにリンク品質を常時監視することで、悪天候時の接続信頼性を高めています。[ 47 ]
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