JP6206576B2 - 空間光受信装置および空間光受信方法 - Google Patents

Description

本発明は、空間光受信装置および空間光受信方法に関し、特に、自由空間を伝搬するレーザ光により光通信を行う空間光受信装置および空間光受信方法に関する。

近年、リモートセンシング技術の発達により、航空機や人工衛星に搭載される観測機器の性能が向上し、上空から地上へ伝送される情報量が増大している。将来のさらなる観測機器の性能向上に対応するために、無線周波数帯域の制約を受けない、光周波数帯を用いた空間光通信（Ｆｒｅｅ Ｓｐａｃｅ Ｏｐｔｉｃｓ ：ＦＳＯ）が検討されている。空間光通信（ＦＳＯ）の大容量化のためには、伝送レートの高速化技術と波長多重技術が必要とされている。その際に、光ファイバ通信技術と共通の技術を利用すること、すなわちシングルモードファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ ：ＳＭＦ）を用いた光送受信技術を応用することが効率的である。

このような光ファイバ通信技術を用いた空間光通信装置の例が特許文献１および特許文献２に記載されている。

空間光通信（ＦＳＯ）技術では一般に、変調したレーザ光を狭ビームで送信し大気中を伝搬させる。受信側では、光アンテナで集光し、短距離のファイバを伝送させた後に信号受信を行う。

空間光通信（ＦＳＯ）受信装置では、以下に述べるように、大気伝搬によるレーザ光の波面乱れが問題となる。空間光通信（ＦＳＯ）受信装置の集光部では焦点面（フォーカルプレーン）上にビームスポットが形成されるが、大気の擾乱によりビームスポットにスペックルパターンが発生する。スペックルパターンの発生により、ビームスポットは理想的な焦点面に対して拡散あるいは移動（シンチレーション）する。

空間光通信（ＦＳＯ）受信装置では信号のビットレートが高速化するにしたがって、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）と光結合させる必要があるが、上述したビームスポットが変動する現象は結合効率の劣化をもたらすため極めて大きな問題となる。その理由は、ファイバのコア径が小さいシングルモードファイバ（ＳＭＦ）では、相対的にスペックルパターンの影響が大きいため、僅かなシンチレーションで受信データの欠損が発生し、実効的な通信レートが低下するからである。

上述したシングルモードファイバ（ＳＭＦ）との結合効率の劣化を回避するために、特許文献１に記載された空間光通信装置では、複数本の光ファイバを密接状に束ねたファイバケーブル、例えば光ファイババンドルを用いた構成としている。具体的には、特許文献１に記載された空間光通信装置は、送受信望遠鏡で受信した通信相手局からの光ビームが導入される集光光学系としての凸レンズと、複数の光ファイバを密接状に束ねたファイバケーブルとを備えた精捕捉追尾機能部を有する。そして、第１〜第ｎ 光ファイバの端部が露出するファイバケーブルの一方端である送受光面上に、凸レンズを透過した光ビームの光焦点を生ぜしめ、少なくとも１つの光ファイバに入射光を結合させる。これにより、第１〜第ｎ光ファイバの何れかを経て受信光を導く構成としている。

また、特許文献２には、大きなコアから小さなコアへと徐々に細くなっている単一のファイバを、ファイバ・バンドルに替えて用いることとしたＦＳＯレシーバが記載されている。具体的には、特許文献２に記載されたＦＳＯレシーバは、テレスコープ収集システムと、波長デマルチプレクサと、ダイオード光検出器と、アナログ・デジタル変換器と、デジタル信号プロセッサとを含む。そして、徐々に細くなっているファイバ・バンドルまたは徐々に細くなっている単一のファイバが、デマルチプレクサから複数の個別のファイバ端面に光を収集し、光検出器に対して入力するためにその光を単一の出力ファイバに集中させる構成としている。

この手段によって、比較的大きな光アパーチャが光信号を収集するために提供される。このように、効率よく光検出を行うために、収集された光を単一モードの出力ファイバに効率的に結合するための断熱テーパーを用いた、徐々に細くなっているファイバ・バンドルが知られている。そして、このように大きなアパーチャ構成を利用可能としたことにより、通信システムの性能を悪化させるビーム・ワンダー（ｂｅａｍ ｗａｎｄｅｒ）に対するより大きな耐性が得られる、としている。

特開２００６−３３３０７０号公報（段落［００１９］〜［００４３］、図１、図２） 特表２０１３−５３５８７１号公報（段落［００１３］〜［００３２］、図２、図３）

上述した特許文献１に記載された空間光通信装置において、光ファイババンドル中の個々のファイバのクラッド部に照射された光信号は、受信されずに損失となる。ここで、コアの面積に対するクラッドの面積の比は小さいとは言えないので、上述した損失は無視できないものである。そのため、光ファイババンドルを用いた構成では、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）との結合効率の劣化を回避することが困難である、という問題がある。

また、上述した特許文献２に記載されたＦＳＯレシーバにおいては、単一のファイバの大きなコアの辺縁部にコヒーレントな信号光を照射すると、大きなコア領域のファイバに高次モードが励起される。このとき、断熱テーパーでは、後段のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）が伝搬できない高次モードは放射損失となる。そのため、特許文献２に記載されたＦＳＯレシーバを用いても、ビームスポットの移動に伴う損失の発生を回避することができない、という問題がある。

このように、空間光通信受信装置においては、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化が避けられず、伝送レートの高速化を図ることが困難である、という問題があった。

本発明の目的は、上述した課題である、空間光通信受信装置においては、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化が避けられず、伝送レートの高速化を図ることが困難である、という課題を解決する空間光受信装置および空間光受信方法を提供することにある。

本発明の空間光受信装置は、空間伝送路を伝搬したレーザ光を集光する集光手段と、集光手段が集光したレーザ光を、レーザ光の波面変動に応じて複数の伝搬モード光に分離して出力するモード制御手段と、複数の伝搬モード光をそれぞれ導波する複数の単一モード伝送媒体と、複数の単一モード伝送媒体を介して複数の伝搬モード光をそれぞれ受光する複数の受光手段、とを有する。

本発明の空間光受信方法は、空間伝送路を伝搬したレーザ光を集光し、集光したレーザ光を、レーザ光の波面変動に応じて複数の伝搬モード光に分離し、複数の伝搬モード光を複数の単一モード伝送媒体にそれぞれ導入し、複数の単一モード伝送媒体を導波した複数の伝搬モード光をそれぞれ受光する。

本発明の空間光受信装置および空間光受信方法によれば、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化を回避し、伝送レートの高速化を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る空間光受信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る空間光受信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る空間光受信装置が備えるモード変換手段に入力する信号光の伝搬モード毎の光強度分布を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る空間光受信装置が備えるモード変換手段から出力された信号光の伝搬モード毎の光強度分布を示す概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る空間光受信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る空間光受信装置が備える制御手段の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第４の実施形態に係る空間光受信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第５の実施形態に係る空間光受信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第６の実施形態に係る空間光受信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第７の実施形態に係る空間光受信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第８の実施形態に係る空間光受信装置の構成を示すブロック図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る空間光受信装置１００の構成を示すブロック図である。空間光受信装置１００は、空間伝送路を伝搬したレーザ光１０１を集光する集光手段１１０、モード制御手段１２０、複数の単一モード伝送媒体１３０、および複数の受光手段１４０を有する。

モード制御手段１２０は、集光手段１１０が集光したレーザ光を、レーザ光の波面変動に応じて複数の伝搬モード光に分離して出力する。単一モード伝送媒体１３０は、複数の伝搬モード光をそれぞれ導波する。受光手段１４０は、単一モード伝送媒体１３０を介して複数の伝搬モード光をそれぞれ受光する。なお図１では、複数の単一モード伝送媒体１３０および複数の受光手段１４０の個数を「ｍ」で表わした。

上述したように、空間光通信（ＦＳＯ）において問題となる受信光強度の変動（シンチレーション）は、大気のランダムな擾乱によるレーザ光の波面変動に起因する。ここで、本実施形態の空間光受信装置１００においては、モード制御手段１２０が、集光手段１１０が集光したレーザ光を、レーザ光の波面変動に応じて複数の伝搬モード光に分離して出力する構成としている。すなわち、ランダムな外乱により変化するレーザ光の波面変動に応じて、伝搬モードを制御することが可能になる。

具体的には例えば、レーザ光の波面変動が小さい場合、モード制御手段１２０は集光手段１１０が集光したレーザ光をそのまま複数の伝搬モード光に分離して出力する構成とすることができる。また、レーザ光の波面変動が大きいが、受信パワー（Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ）比）のマージンが十分取れる場合、モード制御手段１２０は集光したレーザ光の伝搬モードを静的に制御した後に、複数の伝搬モード光に分離して出力する構成とすることができる。また、レーザ光の波面変動が大きく、受信パワー（Ｓ／Ｎ比）のマージンが小さい場合、モード制御手段１２０は集光したレーザ光の伝搬モードを動的に制御した後に、複数の伝搬モード光に分離して出力する構成とすることができる。

このような構成とすることにより、本実施形態の空間光受信装置１００によれば、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化を回避し、伝送レートの高速化を図ることができる。

次に、本実施形態による空間光受信方法について説明する。

本実施形態の空間光受信方法においては、まず、空間伝送路を伝搬したレーザ光を集光し、集光したレーザ光を、レーザ光の波面変動に応じて複数の伝搬モード光に分離する。そして、これらの複数の伝搬モード光を複数の単一モード伝送媒体にそれぞれ導入する。最後に、複数の単一モード伝送媒体を導波した複数の伝搬モード光をそれぞれ受光する。

このような構成とすることにより、本実施形態の空間光受信方法によれば、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化を回避し、伝送レートの高速化を図ることができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、本発明の第２の実施形態に係る空間光受信装置２００の構成を示すブロック図である。

空間光受信装置２００は、空間伝送路を伝搬したレーザ光１０１を集光する集光手段１１０、マルチモード伝送媒体２２１、モード変換手段２２２、およびモード分離手段２２３とを有する。ここで、マルチモード伝送媒体２２１と、モード変換手段２２２と、モード分離手段２２３とが、モード制御手段を構成する。このモード制御手段は、レーザ光からマルチモード光を生成し、マルチモード光を制御してマルチモード光に含まれる高次モード光を低次モード光に変換した複数の伝搬モード光を生成する。

空間光受信装置２００は、さらに、複数の単一モード伝送媒体１３０、複数の受光手段１４０、および信号処理手段２５０を有する。

単一モード伝送媒体１３０は、複数の伝搬モード光をそれぞれ導波する。単一モード伝送媒体１３０として、典型的にはシングルモードファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ：ＳＭＦ）２３０を用いることができる。

受光手段１４０は、複数の単一モード伝送媒体１３０を介して複数の伝搬モード光をそれぞれ受光する。信号処理手段２５０は、複数の受光手段１４０が出力する複数の受信信号ｓ４０に信号処理を施し、複数の受信信号ｓ４０を合成した出力信号ｓ５０を出力する。

次に、本実施形態による空間光受信装置２００の動作について説明する。

空間伝送路を伝搬し波面の揺らぎを受けた信号光は、集光手段１１０によってマルチモード伝送媒体２２１の端面２２０に集光される。集光された信号光はマルチモード伝送媒体２２１を伝搬し、モード変換手段２２２に接続される。信号光はモード変換手段２２２においてモード変換された後に、モード分離手段２２３によって複数の直交するモードに分離される。そして各信号光は、それぞれシングルモードファイバ２３０に出力される。

シングルモードファイバ２３０に結合された複数のシングルモード光ｓ３０は、それぞれ受光手段１４０で受信され、各モードの受信信号ｓ４０が生成される。全ての受信信号ｓ４０は信号処理手段２５０で信号処理され、受信信号ｓ５０が出力される。

なお、モード分離手段２２３がシングルモードに分離可能なモード数ｍは、マルチモード伝送媒体２２１が伝搬可能なモード数と等しいか小さい。

ここで一般に、マルチモード伝送媒体２２１が有する伝搬モードの数は、１００モード以上である。それに対して、光ファイバ通信技術で用いられているモード分離技術で分離可能なモード数は、数１０モードに限られる。そのため、マルチモード伝送媒体２２１が有する伝搬モードのうち、モード分離が不可能な伝搬モードは、分離したシングルモード光信号にクロストークとして混入して信号品質を劣化させるか、または放射モードとなって信号の欠損を招くことになる。

それに対して、本実施形態の空間光受信装置２００においては、モード変換手段２２２を備えた構成としているので、このような問題を回避することができる。すなわち、モード変換手段２２２によれば、マルチモード伝送媒体２２１の多くの伝搬モードから、シングルモードファイバ２３０に結合でき、かつ、モード分離手段２２３において分離可能なシングルモードの信号光だけを選択的に受信することが可能となる。その結果、伝送信号のビットレートの高速化と高効率なファイバ結合の両立を図ることができ、大容量な空間光通信（ＦＳＯ）が可能となる。

次に、本実施形態の空間光受信装置２００を構成する各手段の構成および動作について、さらに詳細に説明する。

（集光手段１１０）
集光手段１１０は光アンテナを含む光学系からなる。そして、対向する送信装置から送信されて空間伝送路を伝搬したレーザ光１０１を、マルチモード伝送媒体２２１の端面２２０に集光する。なお、集光手段１１０は、送信装置に対する追尾機能を備えた構成としてもよい。

（マルチモード伝送媒体２２１）
マルチモード伝送媒体２２１は、レーザ光１０１を入力し、マルチモード光を出力する。すなわち、マルチモード伝送媒体２２１は２個以上の複数モードを伝搬可能な光導波媒体である。典型的には、マルチモード光ファイバ（Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ：ＭＭＦ）を用いることができる。光導波媒体として、自由空間を用いることとしてもよい。

マルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）は、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）と比較すると、コア径が広く、開口率（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ：ＮＡ）が大きい。そのため、空間伝搬により信号光の波面が乱れ、マルチモード伝送媒体２２１の端面２２０にスペックルパターンが発生しても、ビームスポットがコアから外れる確率が著しく低減される。その結果、シンチレーションによるファイバ結合効率の劣化を回避し、高効率なファイバ結合を維持することができる。このとき、大気の擾乱などの原因により波面が乱れた信号光は、マルチモード伝送媒体２２１に結合した後、高次モードで伝搬する。

なお、次段のモード変換手段２２２の入力部に、マルチモード伝送媒体２２１の端面２２０と同等の入射特性を持たせることによって、モード変換手段２２２がマルチモード伝送媒体２２１を含む構成とすることができる。また、マルチモード伝送媒体２２１の一部または全体を、例えば、エルビウム添加光ファイバ増幅器（Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＥＤＦＡ）のような利得媒体を備えた構成としてもよい。

（モード変換手段２２２）
モード変換手段２２２は、入射した信号光の伝搬モードが異なる伝搬モードとなるようにモード変換を行う。具体的には、モード変換手段２２２は、マルチモード光を制御してマルチモード光に含まれる高次モード光を低次モード光に変換した複数の伝搬モード光を生成する。このときのマルチモード光の制御は、静的または動的に行うことができる。

モード変換手段２２２の動作を、図３Ａ、３Ｂを用いて説明する。図３Ａ、３Ｂは、マルチモード伝送媒体２２１を伝搬した信号光の、ある瞬間の伝搬モード毎の光強度分布を模式的に示す概略図である。図３Ａはモード変換手段２２２に入力する信号光の、図３Ｂはモード変換手段２２２を通過して出力された信号光の伝搬モード毎の光強度分布を示す。

図３Ａ、３Ｂの横軸は、マルチモード伝送媒体２２１内での励振モードの状態を示す概念的なモード次数である。具体的には、例えば、ゼルニケ多項式の次数、またはＬＰモード（Ｌｉｎｅａｒｌｙ Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｍｏｄｅ）の次数などを用いることができる。図３Ａ、３Ｂの縦軸は各モードの信号光の光強度である。図３Ａ、３Ｂでは、後段のモード分離手段２２３が分離可能なモードは、低次側から５個のモードであるとした。また、同図中の破線は、受光手段１４０が受信可能な最低光強度を示している。

図３Ａは、モード変換手段２２２に入力する信号光の伝搬モード毎の光強度分布を示す。同図に示すように、空間伝搬により乱れた波面に起因して、高次のモードに光信号のエネルギーが集中している。したがって、このようなモード分布である信号光をそのままモード分離手段２２３に入力してモード分離したとしても、シングルモードファイバ２３０に結合することが可能なシングルモードの信号光では十分な光強度が得られない。光強度の大半が分配されている高次モードの信号光は、モード分離手段２２３において放射モードとなり、受光手段１４０で受信した後にはデータの欠落となる。

図３Ｂは、図３Ａに示したモード分布を有する信号光がモード変換手段２２２を通過し、出力した後の信号光の伝搬モード毎の光強度分布を示す。同図から、信号光のエネルギーが高次モードから低次モードに変換されて出力されていることがわかる。また、高次モードの信号光にも依然としてエネルギーが残っているが、低次モードの信号光に受光手段１４０が受信可能なレベル以上のエネルギーが分配されていることがわかる。

このように、モード変換手段２２２は、図３Ａに示したモード分布から図３Ｂに示したモード分布となるようなモード変換を行う。これにより、モード分離手段２２３は、シングルモードファイバ２３０に結合することが可能なモードにモード分離することができる。その結果、本実施形態の空間光受信装置２００によれば、シンチレーションが生じている場合であっても、信号の欠落を回避するとともに、受信光とシングルモードファイバとの高効率な結合を可能とし、伝送レートの高速化を図ることができる。

モード変換手段２２２は、例えば、空間光変調器により構成することができる。具体的には、音響光学効果、磁気光学効果であるファラデー回転、および電気光学効果などを用いた空間光変調器を用いることができる。また、コイル状ファイバなどの応力を付与した光学媒体など、モード結合が可能な光伝搬媒体を組み合わせて適用することとしてもよい。このコイル状ファイバを用いると、低次モード光と高次モード光を結合させ、高次モード光のエネルギーの一部を低次モード光に分けることができるので、マルチモード光を静的に制御することが可能である。

（モード分離手段２２３）
モード分離手段２２３は、入射されたマルチモードの信号光から直交する伝搬モードをそれぞれ分離し、各光信号がシングルモードファイバ２３０に結合が可能となるようにモード変換を行う。モード分離手段２２３は、モードフィルタを備えた構成とすることができる。

上述したように、マルチモード伝送媒体が伝搬可能なモード数は、一般にモード分離手段２２３が分離することができるモードの個数よりも大きい。そのため、マルチモード伝送媒体を伝搬する全てのモードを分離して受信することは困難である。また、信号光が空間を伝搬する間に受ける変動はランダムであるので、マルチモード伝送媒体２２１とモード分離手段２２３のみによる構成が、シングルモードファイバと結合することが可能なモードを励起するとは必ずしも限らない。しかし、本実施形態の空間光受信装置２００は、マルチモード伝送媒体２２１とモード分離手段２２３との間に、モード変換手段２２２を備えた構成としている。そのため、シンチレーションが生じている場合であっても、シングルモードファイバと結合することが可能なモードを得ることができる。そして、モード分離手段２２３を介してシングルモードファイバ２３０に受信信号を結合することにより、シングルモードファイバを用いたコヒーレント受信技術を利用することが可能になる。その結果、高ビットレート化と高感度受信を達成することができる。

モード分離手段２２３は、例えば、位相板とシングルモードファイバ（ＳＭＦ）を結合した構成、またはＰＬ素子（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｌａｎｔｅｒｎ）と信号処理回路を組み合わせた構成などにより実現することができる。

（受光手段１４０）
受光手段１４０は、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）からの入力を受け付ける高ビットレートの光受信手段を備え、受信した信号光を光電変換する。特に、高い伝送レートで高感度な信号受信が可能な、デジタルコヒーレント技術を用いたコヒーレント受信器を用いることとしてもよい。本実施形態では、モード分離手段２２３によってシングルモードファイバ２３０と結合したモードの個数をｍ個とし、これに相当する個数の受光手段１４０を接続した構成とした。

（信号処理手段２５０）
信号処理手段２５０は、受光手段１４０で受信したｍ個のモード毎の受信信号ｓ４０から、空間伝搬した受信信号の合成処理を行う。

シンチレーションにより、マルチモード伝送媒体２２１を伝搬する信号光のモードは時間的に変動する。そのモード変動に応じて、複数の受光手段１４０に入力される各シングルモード光の強度も変動するので、出力される受信信号ｓ４０の品質も変動する。信号処理手段２５０は、このモード間の強度変動を補償し、送信装置が送信した信号を再生する。

なお、信号処理手段２５０は、ｍ個の受信信号間に発生するスキューをあわせて補償する構成としてもよい。このときのスキューには、マルチモード伝送媒体２２１のモード分散に起因するもの、およびモード分離手段２２３以降のファイバ長や配線長に起因するものなどがある。さらに、モード分離手段２２３におけるモード混合やモードクロストークもあわせて補償する構成とすることができる。

信号処理手段２５０は、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ）コンバータおよびデジタル信号処理技術を適用することにより構成することができる。

上述した構成とすることにより、本実施形態の空間光受信装置２００によれば、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化を回避し、伝送レートの高速化を図ることができる。

次に、本実施形態による空間光受信方法について説明する。

本実施形態の空間光受信方法においては、まず、空間伝送路を伝搬したレーザ光を集光し、集光したレーザ光を、レーザ光の波面変動に応じて複数の伝搬モード光に分離する。そして、これらの複数の伝搬モード光を複数の単一モード伝送媒体にそれぞれ導入する。最後に、複数の単一モード伝送媒体を導波した複数の伝搬モード光をそれぞれ受光する。

ここで、上述した複数の伝搬モード光に分離する際に以下の処理を行う。まず、レーザ光をマルチモード伝送媒体に導入してマルチモード光を生成する。このマルチモード光を制御してマルチモード光に含まれる高次モード光を低次モード光に変換した複数の伝搬モード光を生成する。そして、この複数の伝搬モード光をそれぞれ分離する処理を行う。

このような構成とすることにより、本実施形態の空間光受信方法によれば、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化を回避し、伝送レートの高速化を図ることができる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図４は、本実施形態による空間光受信装置３００の構成を示すブロック図である。

空間光受信装置３００は、集光手段１１０、マルチモード伝送媒体２２１、モード変換手段２２２、モード分離手段２２３、複数の単一モード伝送媒体としてのシングルモードファイバ２３０、複数の受光手段１４０、および信号処理手段２５０を有する。ここまでの構成は第２の実施形態による空間光受信装置２００と同様である。

本実施形態による空間光受信装置３００は、モニタ手段と組み合わせてモード変換機能を動的に制御する構成とした点において、第２の実施形態による空間光受信装置２００と異なる。すなわち、本実施形態の空間光受信装置３００は、モード変換手段２２２が出力する複数の伝搬モード光の光強度をモニタするモニタ手段３７０と、モニタ手段３７０のモニタ結果に基づいてモード変換手段２２２の動作を動的に制御する制御手段３８０を備える。

モニタ手段３７０は、モード分離手段２２３へ入力される信号光の強度をモニタする。制御手段３８０は、このときモニタした強度信号に基づいて、モード分離手段２２３の出力光強度が最大となるように、あらかじめ決められた処理手順に従ってモード変換手段２２２を制御する。これにより、出力信号ｓ５０のシンチレーションによる欠落を最小化することができる。

このような構成としたことにより本実施形態の空間光受信装置３００によれば、空間光通信（ＦＳＯ）における受信信号のシンチレーションによる影響を緩和することができる。その結果、伝送レートの高速化と高効率なファイバ結合の両立を図ることができ、大容量な空間光通信（ＦＳＯ）が可能となる。

次に、本実施形態の空間光受信装置３００を構成する各手段の構成および動作について、さらに詳細に説明する。

（モード変換手段２２２）
モード変換手段２２２は、制御手段３８０から制御信号ｓ８０を受け付け、制御信号ｓ８０の状態に従って入力光信号の伝搬モードを異なる伝搬モードに変換して出力する。このモード変換は、入力される制御信号ｓ８０の値に従って各モードの連続的な強度変化を伴うモード変換とすることができる。

（モニタ手段３７０）
本実施形態においては図４に示すように、モニタ手段３７０は、モード変換手段２２２の出力信号の一部を分岐して入力する。そして、モニタ手段３７０は、モード変換後にマルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）を伝搬する光信号の光強度を一括して検出する構成とした。ここで、モード変換手段２２２の出力における伝搬モードと、モード分離手段２２３が分離可能なモードは、整合しているものとする。このとき、モニタ手段３７０の検出強度はモード分離後の光強度の合計を示すことになる。

また、モニタ手段３７０は、モード分離手段２２３と同様の手法でモード分離を行い、モード毎の光強度をモニタすることとしてもよい。このとき、モード分離する個数は必ずしもモード分離手段２２３における個数と同じである必要は無い。さらに、波面センサなどを用いて波面情報と光強度分布を検出し、モード毎の光強度分布を解析することによって、モニタ手段３７０を実現することとしてもよい。

（制御手段３８０）
制御手段３８０は、モニタ手段３７０の検出強度が最大となるように、制御信号ｓ８０を介してモード変換手段２２２のモード変換動作を制御する。

図５を用いて、制御手段３８０の動作について説明する。図５は、制御手段３８０の動作の一例を説明するためのフローチャートである。

制御手段３８０はまず、モニタ手段３７０が検出した光強度情報を読み取る（ステップＳ１０）。そして、検出した光強度と、あらかじめ決められた閾値を比較し（ステップＳ１１）、光強度が十分かどうかの判定を行う（ステップＳ１２）。このとき、検出強度が閾値を越えている場合（ステップＳ１２／ＹＥＳ）、受光手段１４０には十分な光信号が入力されていると判定する。すなわち、この状態は図３Ｂに示した状態に相当するので、制御手段３８０はその状態を維持し、再びモニタ手段３７０の検出強度を読み取りに戻る。

検出強度が閾値を下回る場合（ステップＳ１２／ＮＯ）、受光手段１４０は十分な強度の光信号を受信できていないと推定される。すなわち、この場合は図３Ａに相当する状態であると推定できる。そのとき制御手段３８０は、モード変換手段２２２における伝搬モードの状態と変化の方向を推定し（ステップＳ１３）、その推定に従って制御信号ｓ８０の値を変化させる（ステップＳ１４）。制御信号ｓ８０の値を変化させた後に、制御手段３８０は再びモニタ手段３７０の検出強度を読み取りに戻る。

上述した一連の動作を制御手段３８０が繰り返し行うことによって、モード分離手段２２３に入射される信号光の伝搬モードは、図３Ｂに示した状態へモード変換され、安定な受信が維持される。ここで、モード状態の変化の方向の推定には、例えば、入力信号あるいは制御信号ｓ８０にディザ信号を重畳してロックイン検出を行う技術など、一般的に知られた技術を用いることができる。

上述した構成とすることにより、本実施形態の空間光受信装置３００によれば、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化を回避し、伝送レートの高速化を図ることができる。すなわち、光信号が伝搬する自由空間の環境が動的に変化することによるシンチレーションによって、ファイバとの結合状態が動的に変化する場合であっても、受信した光信号のモード状態の変化に追従することができる。その結果、安定した空間光通信（ＦＳＯ）の受信が可能になる。

〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図６は、本実施形態による空間光受信装置４００の構成を示すブロック図である。本実施形態による空間光受信装置４００は、モニタ手段と制御手段の構成が第３の実施形態による空間光受信装置３００と異なる。その他の構成は第３の実施形態による空間光受信装置３００と同様であるので、それらについての詳細な説明は省略する。

空間光受信装置４００は、モード分離手段２２３が出力する複数の伝搬モード光のそれぞれの光強度をモニタするモニタ手段４７１と、モニタ手段４７１のモニタ結果に基づいてモード変換手段２２２の動作を制御する制御手段４８０を有する。

モニタ手段４７１は、モード分離手段２２３によってモード分離された後に、複数の単一モード伝送媒体としてのシングルモードファイバ２３０を伝搬するシングルモード光ｓ３０の光強度をモニタする。すなわち、モニタ手段４７１がシングルモードの光信号（ｓ３０）の強度に一意に対応する情報をモニタする構成とした点に特徴がある。モニタ手段４７１は例えば、シングルモードファイバ２３０から光分岐手段を用いて、シングルモードの光信号（ｓ３０）の一部を分離してモニタすることができる。また、受光手段１４０に内蔵された光強度モニタ機能を用いることとしてもよい。さらに、光電変換された受信信号ｓ４０の振幅をモニタする構成、あるいは信号処理手段２５０において信号強度検出を行う構成としてもよい。

空間光受信装置４００においては、分離されたモードの個数ｍと等しい数のモニタ手段４７１から、ｍ本の検出強度信号ｓ７１が制御手段４８０に入力される。制御手段４８０はｍ本の検出強度信号ｓ７１に基づいて、あらかじめ決められた処理手順に従って制御信号ｓ８０を生成し、モード変換手段２２２のモード変換動作を制御する。制御手段４８０は、あらかじめ決められた処理手順として例えば、モード分離されたシングルモード光ｓ３０の内いずれか１本の強度を最大化し、受光手段１４０が受信できる十分な光レベルを維持するように動作する。これに限らず、モード分離されたシングルモード光ｓ３０の複数の強度の合計を最大化することにより、受光手段１４０が受信できる十分な光レベルを維持するように動作することとしてもよい。

ここで、信号処理手段２５０が制御手段４８０からモニタ手段４７１のモニタ結果を取得し、このモニタ結果に基づいて信号処理を行う構成としてもよい。具体的には、制御手段４８０は、信号処理手段２５０に対してモード制御状態信号ｓ８１を通知し、信号処理の最適化を行う。このとき信号処理手段２５０は、モード分離した後の受信信号の状態または強度分布などの情報を、モード制御状態信号ｓ８１から逐次取得する。これにより、信号処理手段２５０は受信信号の品質をあらかじめ決められた手法で推定することが可能になる。その結果、信号処理手段２５０は、あらかじめ決められたアルゴリズムに従って、１個または複数のモードの受信信号に基づいて信号処理を行うことにより、出力信号ｓ５０の品質の最適化を図ることができる。

上述したように空間光受信装置４００においては、モード分離した後にシングルモードファイバ２３０に結合した各モードの信号強度を個別にモニタする構成とした。これにより、モード分布の正確なモニタが可能となるので、モード変換の精度を向上させることができる。その結果、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化をより的確に回避し、伝送レートの高速化を図ることができる。

また、信号処理手段２５０にモードの状態や変更の情報を動的に通知することにより、モード間で相関する信号処理を最適化する際の精度を向上することができる。その結果、出力信号ｓ５０の品質の向上を図ることが可能になる。

〔第５の実施形態〕
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図７は、本実施形態による空間光受信装置５００の構成を示すブロック図である。本実施形態による空間光受信装置５００は、モニタ手段と制御手段の構成が第３の実施形態による空間光受信装置３００と異なる。その他の構成は第３の実施形態による空間光受信装置３００と同様であるので、それらについての詳細な説明は省略する。

本実施形態による空間光受信装置５００は、モード変換手段２２２に入力するレーザ光の伝搬モードの状態をモニタするモニタ手段５７２と、このモニタ手段５７２のモニタ結果に基づいてモード変換手段２２２の動作を制御する制御手段５８０を有する。本実施形態では図７に示すように、モニタ手段５７２と合わせて、第３の実施形態によるモニタ手段３７０と、第４の実施形態によるモニタ手段４７１も備えた構成とした。そして制御手段５８０は、これらのモニタ手段が出力する検出強度信号の内のいくつか、あるいは全ての検出強度信号に基づいて、あらかじめ決められた処理手順に従い、制御信号ｓ８０を生成することとした。これにより、制御手段５８０はモード変換手段２２２のモード変換動作を制御する。

本実施形態のモニタ手段５７２は、モード変換手段２２２に入力するレーザ光（信号光）の伝搬モードの状態をモニタする。モニタ手段５７２としては、例えば波面センサなどを用いることができる。

本実施形態の空間光受信装置５００によれば、モード変換手段２２２に入力する信号光のモード状態をモニタすることにより、制御手段５８０におけるモード推定の精度を向上させることが可能になる。その結果、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化をより的確に回避し、伝送レートの高速化を図ることができる。

〔第６の実施形態〕
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。図８は、本実施形態による空間光受信装置６００の構成を示すブロック図である。本実施形態による空間光受信装置６００は、信号処理手段２５０と制御手段６８０の動作が第５の実施形態による空間光受信装置５００と異なる。その他の構成は第５の実施形態による空間光受信装置５００と同様であるので、それらについての詳細な説明は省略する。

本実施形態による空間光受信装置６００において、信号処理手段２５０は、受信信号から得られる情報である受信信号情報ｓ６１を制御手段６８０に通知する。そして、制御手段６８０は、受信信号情報ｓ６１に基づいてモード変換手段２２２の動作を制御する。

制御手段６８０は、モニタ手段３７０、モニタ手段４７１、およびモニタ手段５７２が出力する検出強度信号の内のいくつか、あるいは全ての検出強度信号に基づいて、制御信号ｓ８０を生成する。これにより、制御手段６８０におけるモード推定の精度を向上させることが可能になる。さらに制御手段６８０は、信号処理手段２５０で検出される各モードの信号の強度、Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅ）比、および誤り率情報などのいずれか、または全てである受信信号情報ｓ６１に基づいて制御信号ｓ８０を生成する。

このような構成とすることにより、本実施形態の空間光受信装置６００によれば、モード変換手段２２２のモード変換動作を制御することによって、出力信号ｓ５０の誤り率を最小化する制御を行うことが可能になる。

〔第７の実施形態〕
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。図９は、本実施形態による空間光受信装置７００の構成を示すブロック図である。

本実施形態による空間光受信装置７００は、波長多重通信に用いる構成としたものである。すなわち、空間光受信装置７００は、複数の異なる波長の信号光を多重した波長多重信号光であるレーザ光１０１を受信し、波長分離手段７５２を有する。ここで、波長分離手段７５２は、単一モード伝送媒体としてのシングルモードファイバ２３０を導波した伝搬モード光を複数の異なる波長ごとに分離し、受光手段１４０にそれぞれ出力する。その他の構成は第２の実施形態による空間光受信装置２００と同様であるので、それらについての詳細な説明は省略する。

このような構成とすることにより、本実施形態の空間光受信装置７００によれば、空間光通信（ＦＳＯ）の伝送容量を最大で多重された波長数（ｗ）倍まで拡張することが可能となる。

次に、本実施形態の空間光受信装置７００を構成する各手段の構成および動作について、さらに詳細に説明する。

（波長分離手段７５２）
波長分離手段７５２は、図９に示すようにｍ本のシングルモードファイバ２３０に接続され、それぞれの信号光をｗ個の波長に分離する。そして、波長分離手段７５２には、それぞれｗ個の受光手段１４０が接続される。したがって、受光手段１４０の全ての個数は、分離されるモードの個数ｍとの積となり、最大でｍ×ｗ個となる。なお、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）伝送技術を用いることにより、波長分離手段７５２の出力側における波長間クロストークは、無視できる程度に小さくすることができる。

（信号処理手段２５０）
信号処理手段２５０の最大個数は、波長数と同じ個数であるｗ個となる。このとき、ｍ×ｗ個の受光手段１４０とｗ個の信号処理手段２５０との接続は以下のような構成とすることができる。すなわち、波長分離手段７５２によって分離された各波長に対応するｍ個の受光手段１４０から出力されるｍ本の受信信号ｓ４０を、同一の信号処理手段２５０に接続する構成とした。この構成においては、出力信号ｓ５０はそれぞれ各波長に対応した信号となる。

本実施形態による空間光受信装置７００では、波長分離手段７５２が、空間伝送された波長多重信号からなる受信信号を波長ごとに分離する。それによって、受信信号の波長間における相関は無くなるので、シンチレーションの影響はモード間の相関だけに限定できる。その結果、異なる波長間で相関する信号処理を行う必要はない。

図９に示した波長毎に個別の信号処理手段２５０を接続する構成は、（ｍ×ｗ）個の受信信号を一括して信号処理する構成と比較して、信号処理手段２５０の回路規模を小さくすることができる。また、多重する波長数が増加する場合であっても、段階的に拡張することが可能な構成であるので、波長数の増減に対して柔軟に設備の追加削減を行うことが可能になる。

〔第８の実施形態〕
次に、本発明の第８の実施形態について説明する。図１０は、本実施形態による空間光受信装置８００の構成を示すブロック図である。

本実施形態による空間光受信装置８００は、レーザ光１０１を複数の波長を含む複数の波長群に分割する波長群生成手段８２２を備えた構成とした点で、第７の実施形態による空間光受信装置７００と異なる。そして、マルチモード伝送媒体２２１と、モード変換手段２２２と、モード分離手段２２３とを含むモード制御手段が、波長群ごとに伝搬モードを制御し、複数の伝搬モード光に分離して出力する。その他の構成は第７の実施形態による空間光受信装置７００と同様であるので、それらについての詳細な説明は省略する。

次に、本実施形態による空間光受信装置８００の構成及び動作について、さらに詳細に説明する。

本実施形態による空間光受信装置８００においては、波長群生成手段８２２がモード変換手段２２２に入力される受信光を波長群に分離する。波長群生成手段８２２は波長分離特性を有するとともに、マルチモード伝送媒体２２１と等しい伝搬特性、あるいはモード変換手段２２２に入力可能な伝搬モードに対して均一と見なせる伝搬特性を備える。

波長群生成手段８２２の出力側に複数のモード変換手段２２２が接続される。空間光受信装置８００において、モード変換手段２２２よりも後段の構成は波長群ごとに独立した構成である。なお、図１０には、図９に示した空間光受信装置７００が備える波長分離手段７５２と、図４に示した空間光受信装置３００が備えるモニタ手段３７０を有する構成を示したが、これに限られることはない。

本実施形態の空間光受信装置８００においては、波長依存性を無視することができる波長範囲に含まれる複数の波長毎に波長群として分離する。これにより、各構成手段が波長依存性を有する場合であっても、受信処理を行うことが可能になる。例えば、マルチモード伝送媒体２２１、モード変換手段２２２、モード分離手段２２３、および波長分離手段７５２のいずれかにおいて、その伝搬特性が大きな波長依存性を有する場合であっても、受信処理を行うことが可能になる。

上述した各構成手段が波長依存性を有する場合、モード制御手段によるモード変換の制御において、波長毎にモード制御状態が異なる可能性が生じる。この場合、一括してモード変換の制御を行うためには、複雑な制御アルゴリズムが必要となる。それに対して、本実施形態の空間光受信装置８００によれば、上述した各構成手段が有する波長依存性を緩和することができるので、空間光通信（ＦＳＯ）における受信処理を安定して行うことができる。

図１０では、波長群生成手段８２２をマルチモード伝送媒体２２１とモード変換手段２２２の間に配置した場合を示した。しかしこれに限らず、波長群生成手段８２２を集光手段１１０の内部、または集光手段１１０とマルチモード伝送媒体２２１の間に配置することとしてもよい。この場合は、マルチモード伝送媒体２２１から後段が並列化された構成となるが、波長群ごとの受信動作は図１０に示した構成のものと同様である。

本実施形態の空間光受信装置８００は、第７の実施形態で示したように波長分離手段７５２によって一括して波長分離するのではなく、波長群生成手段８２２によって、あらかじめ波長群に分離する構成とした点が特徴である。

また、通常用いられる光ファイバ伝送技術においては、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）を前提とした波長群に基づいて波長多重分離を行っている。それに対して、本実施形態の空間光受信装置８００では、マルチモード状態において波長群に分離する構成としている。このような構成としたことにより、各構成手段が有する波長依存性を緩和することができるという効果が得られる。なお、このような効果は、通常用いられる光ファイバ伝送技術によっては得られないものである。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００ 空間光受信装置
１０１ レーザ光
１１０ 集光手段
１２０ モード制御手段
１３０ 単一モード伝送媒体
１４０ 受光手段
２２０ 端面
２２１ マルチモード伝送媒体
２２２ モード変換手段
２２３ モード分離手段
２３０ シングルモードファイバ
２５０ 信号処理手段
３７０、４７１、５７２ モニタ手段
３８０、４８０、５８０、６８０ 制御手段
７５２ 波長分離手段
８２２ 波長群生成手段
ｓ３０ シングルモード光
ｓ４０ 受信信号
ｓ５０ 出力信号
ｓ６１ 受信信号情報
ｓ７１ 検出強度信号
ｓ８０ 制御信号
ｓ８１ モード制御状態信号

Claims (10)

1. 空間伝送路を伝搬したレーザ光を集光する集光手段と、
   前記集光手段が集光したレーザ光を、前記レーザ光の波面変動に応じて複数の伝搬モード光に分離して出力するモード制御手段と、
   前記複数の伝搬モード光をそれぞれ導波する複数の単一モード伝送媒体と、
   前記複数の単一モード伝送媒体を介して前記複数の伝搬モード光をそれぞれ受光する複数の受光手段、とを有する
   空間光受信装置。
2. 請求項１に記載した空間光受信装置において、
   前記モード制御手段は、前記レーザ光からマルチモード光を生成し、前記マルチモード光を制御して前記マルチモード光に含まれる高次モード光を低次モード光に変換した複数の伝搬モード光を生成する
   空間光受信装置。
3. 請求項１または２に記載した空間光受信装置において、
   前記モード制御手段は、
   前記レーザ光を入力し、マルチモード光を出力するマルチモード伝送媒体と、
   前記マルチモード光を制御して前記マルチモード光に含まれる高次モード光を低次モード光に変換した複数の伝搬モード光を生成するモード変換手段と、
   前記複数の伝搬モード光を分離してそれぞれ出力するモード分離手段、とを備える
   空間光受信装置。
4. 請求項３に記載した空間光受信装置において、
   前記モード変換手段が出力する前記複数の伝搬モード光の光強度と、
   前記モード分離手段が出力する前記複数の伝搬モード光のそれぞれの光強度と、
   前記モード変換手段に入力する前記レーザ光の前記伝搬モードの状態、とのうち少なくとも一つをモニタするモニタ手段と、
   前記モニタ手段のモニタ結果に基づいて前記モード変換手段の動作を動的に制御する制御手段、を備える
   空間光受信装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載した空間光受信装置において、
   前記複数の受光手段が出力する複数の受信信号に信号処理を施し、前記複数の受信信号を合成した出力信号を出力する信号処理手段を備える
   空間光受信装置。
6. 請求項４に記載した空間光受信装置において、
   前記複数の受光手段が出力する複数の受信信号に信号処理を施し、前記複数の受信信号を合成した出力信号を出力する信号処理手段を備え、
   前記信号処理手段は、前記制御手段から前記モニタ結果を取得し、前記モニタ結果に基づいて前記信号処理を行う
   空間光受信装置。
7. 請求項４または６に記載した空間光受信装置において、
   前記複数の受光手段が出力する複数の受信信号に信号処理を施し、前記複数の受信信号を合成した出力信号を出力する信号処理手段を備え、
   前記信号処理手段は、前記受信信号から得られる情報である受信信号情報を前記制御手段に通知し、
   前記制御手段は、前記受信信号情報に基づいて前記モード変換手段の動作を制御する
   空間光受信装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載した空間光受信装置において、
   前記レーザ光は、複数の異なる波長の信号光を多重した波長多重信号光であり、
   前記単一モード伝送媒体を導波した前記伝搬モード光を前記複数の異なる波長ごとに分離し、前記受光手段にそれぞれ出力する波長分離手段、をさらに備える
   空間光受信装置。
9. 請求項８に記載した空間光受信装置において、
   前記レーザ光を複数の波長を含む複数の波長群に分割する波長群生成手段を備え、
   前記モード制御手段は、前記波長群ごとに前記伝搬モードを制御し、複数の伝搬モード光に分離して出力する
   空間光受信装置。
10. 空間伝送路を伝搬したレーザ光を集光し、
    集光した前記レーザ光を、前記レーザ光の波面変動に応じて複数の伝搬モード光に分離し、
    前記複数の伝搬モード光を複数の単一モード伝送媒体にそれぞれ導入し、
    前記複数の単一モード伝送媒体を導波した前記複数の伝搬モード光をそれぞれ受光する
    空間光受信方法。

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