JP6536579B2 - 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。将来のさらに性能が向上した観測機器が生成するデータを効率的に地上に伝送するため、マイクロ波よりも格段に広帯域化が期待できる光周波数帯を用いた空間光通信（Ｆｒｅｅ Ｓｐａｃｅ Ｏｐｔｉｃｓ ：ＦＳＯ）システムが検討されている。

空間光通信（ＦＳＯ）システムにおいては、人工衛星から地上までの超長距離の伝送を実現するため、高感度な受信装置が必要である。また、大容量な空間光通信（ＦＳＯ）システムを実現するためには、伝送レートの高速化技術と波長多重技術を適用すること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。その理由は、例えば、低雑音かつ高利得な直接光増幅技術、高感度なデジタルコヒーレント受信技術、高ビットレート送受信技術、および高密度波長多重（Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＤＷＤＭ）技術などを利用することが可能だからである。

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。大容量化のため、特許文献１では、半導体レーザなどのコヒーレント光源を備えた送信器と、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）を用いた光送受信技術を用いている。

空間光通信（ＦＳＯ）受信装置では、以下に述べるように、地上付近の大気中を信号伝搬すること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。しかし、上述したビームスポットが変動する現象は、ファイバ結合効率の劣化（フェード）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、僅かなビームスポットの揺らぎであっても大きなフェードが発生し、受信データの欠損が生じるからである。したがって、大容量空間光通信（ＦＳＯ）システムを実現するためには、伝送レートの高速化と同時に、シンチレーションによるフェードを抑制する必要がある。

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（フェード）を回避するために、特許文献１に記載されたＦＳＯレシーバでは、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またはファイバ・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、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、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、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、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テーパー・ファイバが知られている。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。

また、特許文献１には、単一モード・ファイバを融合したマルチモード・ファイバ・バンドルが記載されている。そして、このファイバ・バンドルの大きなアパーチャ面の上に、収集レンズを用いて光を収集させる構成としたＦＳＯレシーバが開示されている。

特表２０１３−５３５８７１号公報

上述した特許文献１に記載されたＦＳＯレシーバにおいては、ファイバ・バンドルは、コア面積に対してクラッド面積が占める割合が大きく、効率の良い単一モードファイバへの結合は困難である。また、単一のコアによるテーパー・ファイバの場合には、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１に記載されたＦＳＯレシーバでは、ファイバとの高効率な結合は困難である。

一方、特許文献１に記載されたマルチモードファイバ（Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ ：ＭＭＦ）自体は、コア面積が十分大きいことにより、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することができる。そして、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）を伝搬可能な固有伝搬モードの全てを分離し、分離された各モードの光信号をそれぞれシングルモードファイバ（ＳＭＦ）に結合して光受信器により光電変換する構成とすることが可能である。このとき、光電変換された全モードの信号は、信号処理回路（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ：ＤＳＰ）によって、受信信号として再合成される。ここで信号処理回路（ＤＳＰ）は、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）処理またはＳＩＭＯ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）処理を行う。

上述した構成では、十分に大きなコア径を持つマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を用いることにより、原理的にはコアに照射された光信号を損失無く受信し、ＳＭＦへ結合することにより高速信号の受信を可能にし、信号処理回路（ＤＳＰ）による再合成により受信信号を安定に再生することが可能である。

ところで、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）には、集光スポットが照射されるコアの面内の位置によって、異なるモードが励振される。ここで、強いシンチレーションに対してもファイバ結合効率を良好に維持するためには、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）のコア径を十分に大きくする必要がある。一方、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）が伝搬可能な固有モードの個数ｍは、コアの直径に対して約２乗に比例した正の相関がある。そのため、十分に高い結合効率が得られるコア径の大きいマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を用いると、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）において励振されるモード数ｍは非常に大きくなる。したがって、強いシンチレーションに対しても、安定な空間光通信（ＦＳＯ）受信特性を実現するためには、ＦＳＯ受信装置は大きなコア径のマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を用いて、多くのモード信号に対してＭＩＭＯ処理を行う必要がある。

しかし、ＭＩＭＯ処理に必要な回路規模は信号数の自乗に比例するため、信号入力数の増加に伴い信号処理回路（ＤＳＰ）の回路規模がマルチモードファイバ（ＭＭＦ）のコア径の拡大に連れて加速度的に増大してしまう、という問題がある。

このように、空間光受信装置においては、受信光とファイバとの結合効率の向上を図ると、信号処理が複雑になるため信号処理回路の回路規模が増大しコストが増加する、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、空間光受信装置においては、受信光とファイバとの結合効率の向上を図ると、信号処理が複雑になるため信号処理回路の回路規模が増大しコストが増加する、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部と、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、マルチモード光の一部に基づく複数の受信電気信号を出力するマルチモード信号処理部と、マルチモード光に基づく信号情報をモニタするモニタ部と、信号情報に基づいてマルチモード信号処理部の動作を制御する制御部と、複数の受信電気信号に信号処理を施し、複数の受信電気信号を合成した出力信号を出力する信号処理部、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マルチモード光に変換し、マルチモード光に基づく信号情報をモニタし、信号情報に基づいて、マルチモード光の一部に基づく複数の受信電気信号を生成し、複数の受信電気信号を合成する。

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、信号処理回路の回路規模の増大を抑制しつつ、受信光とファイバとの結合効率の向上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ニタ部によって取得し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２の実施形態に係る空間光受信装置の別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の動作を説明するための図であって、単一の信号処理回路（ＤＳＰ）を用いた場合の入出力信号の時間変化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動作を説明するための図であって、二個の信号処理回路（ＤＳＰ）を用いた場合の入出力信号の時間変化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別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のさらに別の構成を示すブロック図である。 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５の実施形態に係る空間光受信装置の動作を説明するためのモード分布を模式的に示す概略図であって、モード変換を適用しない場合における図である。 本発明の第５の実施形態に係る空間光受信装置の動作を説明するためのモード分布を模式的に示す概略図であって、モード変換された後のモード分布を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る空間光受信装置の動作を説明するためのモード分布を模式的に示す概略図であって、信号選択部が選択した後のモード分布を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る空間光受信装置が備えるモード制御部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６の実施形態に係る空間光受信装置の主要部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が備えるモード変換部の動作を説明するためのモード分布を模式的に示す概略図である。 本発明の第６の実施形態に係る空間光受信装置が備えるモード変換部の動作を説明するための別のモード分布を模式的に示す概略図である。 本発明の第６の実施形態に係る空間光受信装置が備えるモード変換部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が備えるモード変換部の具体的な構成例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が備えるモード変換部の別の具体的な構成例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が備えるモード変換部のさらに別の具体的な構成例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。

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、集光部１１０、マルチモード伝送媒体１２０、マルチモード信号処理部１３０、モニタ部１４０、制御部１５０、および信号処理部１６０を有する。

集光部１１０は、空間伝送路を伝搬したレーザ光１０１を集光する。マルチモード伝送媒体１２０は、レーザ光１０１を入力し、マルチモード光を出力する。マルチモード信号処理部１３０は、マルチモード光の一部に基づく複数の受信電気信号を出力する。モニタ部１４０は、マルチモード光に基づく信号情報をモニタする。制御部１５０は、信号情報に基づいてマルチモード信号処理部１３０の動作を制御する。そして、信号処理部１６０は、複数の受信電気信号に信号処理を施し、複数の受信電気信号を合成した出力信号を出力する。

このように、本実施形態による空間光受信装置においては、空間伝送路を伝搬したレーザ光をマルチモード伝送媒体に導入する構成としている。そのため、受信光とファイバとの結合効率の向上を図ることができる。このとき、マルチモード光の一部に基づく複数の受信電気信号を生成し、これらの受信電気信号に対してのみ信号処理を施し、受信電気信号を合成する構成としている。そのため、信号処理回路の回路規模を削減することができる。

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マルチモード光に変換する。このマルチモード光に基づく信号情報をモニタし、この信号情報に基づいて、マルチモード光の一部に基づく複数の受信電気信号を生成する。最後に、これらの複数の受信電気信号を合成する。

このような構成とすることにより、本実施形態による空間光受信方法によれば、信号処理回路の回路規模の増大を抑制しつつ、受信光とファイバとの結合効率の向上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、集光部１１０、マルチモード伝送媒体１２０、モード分離部２３１、複数の単一モード伝送媒体２３２、複数の光受信器２３３、信号選択部２３４、制御部としての選択制御部２５０、および信号処理部１６０を有する。ここで、モード分離部２３１、複数の単一モード伝送媒体２３２、複数の光受信器２３３、および信号選択部２３４が、マルチモード信号処理部を構成する。

集光部１１０は光アンテナを含む集光光学系からなり、空間伝搬により波面の乱れを持ったレーザ光１０１を、マルチモード伝送媒体１２０のコア１２１に集光する。コア１２１はシンチレーションに対して十分な面積を有し、高いファイバ結合効率を実現することが可能である。マルチモード伝送媒体１２０は、典型的には光ファイバ形態の光導波路であるマルチモードファイバ（ＭＭＦ）である。しかし、これに限らず、平面光波回路（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＰＬＣ）または３次元光導波路（例えば、３ｄ−Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｌａｎｔｅｒｎ：ＰＬ）などを用いることとしてもよい。

マルチモード伝送媒体１２０のコア１２１上に集光されたレーザ光（信号光）は、シンチレーションによりコア１２１の面内で移動し、それにともなってマルチモード伝送媒体１２０に励起される伝搬モードも変化する。

このとき、モード分離部２３１はマルチモード光を複数の単一モード光に分離し、これらの単一モード光は複数の単一モード伝送媒体２３２をそれぞれ導波する。具体的には、モード分離部２３１は、マルチモード伝送媒体１２０が伝搬可能なｍ通りのモードの全てを単一モードの光信号ｓ４０に分離し、それぞれｍ本の単一モード伝送媒体２３２に結合して出力する。単一モード伝送媒体２３２は典型的にはシングルモードファイバ（ＳＭＦ）である。また、モード分離部２３１は、例えばＰｈｏｔｏｎｉｃ Ｌａｎｔｅｒｎなどを用いたモード多重分離技術を適用することにより構成することができる。このように、モード分離とシングルモードファイバ（ＳＭＦ）への結合により、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）をベースとした光ファイバ伝送技術群を適用することが可能となる。これにより、空間光通信（ＦＳＯ）の大容量化および長距離伝送化を達成することができる。

光受信器２３３は、複数の単一モード伝送媒体２３２を介して複数の単一モード光をそれぞれ受光し復調する。すなわち、モード分離された全ての光信号ｓ４０はｍ個の光受信器２３３により光電変換される。ここで光受信器２３３は、コヒーレント光受信器あるいはデジタルコヒーレント技術を適用した構成とすることができる。

信号選択部２３４は、複数の光受信器２３３の前段および後段の少なくとも一方に配置し、複数の入力信号の一部を選択して出力する。図２では、信号選択部２３４が光受信器２３３の後段に配置している場合を示す。この場合、光受信器２３３で光電変換された受信信号ｓ５０は、信号選択部２３４によってｍ本のうちからｎ本が選択される。ここで「ｍ」と「ｎ」は正の整数であり、ｍ≧ｎ≧１の関係にある。信号選択部２３４は電子回路によるマトリクススイッチを用いて構成することができる。

信号選択部２３４によって選択されたｎ本の受信電気信号ｓ５１は、信号処理部１６０に入力される。信号処理部１６０は、複数の受信電気信号ｓ５１の全てあるいは一部に信号処理を施し、受信電気信号を再合成した出力信号ｓ６０を出力する。信号処理部１６０は、典型的には信号処理回路（ＤＳＰ）により構成される。

選択制御部２５０は、複数の単一モード光の信号情報および信号処理部１６０が算出する受信電気信号の品質情報の少なくとも一方に基づいて、信号選択部２３４の動作を制御する。以下に、信号選択部２３４および選択制御部２５０の動作について詳細に説明する。

信号選択部２３４は、選択制御部２５０からの制御信号ｓ７１に基づいて以下のように動作する。すなわち、入力されるｍ本の受信信号ｓ５０から任意の組み合わせのｎ本以下の受信電気信号ｓ５１を出力する。このとき信号選択部２３４は、受信信号ｓ５０の中から信号品質が良好な信号を選択し、受信電気信号ｓ５１として出力する。ここで、信号品質は単一モードの光信号ｓ４０の信号情報、典型的には信号強度から求めることができる。この場合、上述した信号品質は、例えば、モード分離した受信信号ｓ５０の各々の強度をモニタすることにより判断することができる。例えば、光受信器２３３に内蔵された光モニタ機能をモニタ部として用いることにより、強度信号ｓ７２を取得することができる。また、光電変換された受信信号ｓ５０の振幅から信号情報を取得することとしてもよい。

上述した信号品質が良好な信号には、光受信に際して十分な振幅がある信号のうち、Ｓ／Ｎ比（ｓｉｇｎａｌ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が高い信号、またはモードクロストークの少ない信号を含めることができる。このとき、Ｓ／Ｎ比およびクロストーク量の評価を、受信電気信号ｓ５１の振幅分布を用いて行うこととしてもよい。

また、信号処理部１６０の内部においてデジタル信号処理技術によって受信電気信号ｓ５１の品質情報を検出し、品質情報ｓ７３として選択制御部２５０に供給することとしてもよい。信号処理部１６０の内部で検出可能な受信電気信号ｓ５１の品質情報としては、例えば、受信電気信号ｓ５１のＱ値など、信号のＳ／Ｎ比を示す値を用いることができる。これに限らず、位相や偏波の情報を用いることとしてもよい。

さらに、選択制御部２５０が、信号処理部１６０にセレクタ切り替え情報ｓ７４を供給することによって、受信モードの選択と受信電気信号の再合成処理を連携させることとしてもよい。再合成に用いる受信電気信号ｓ５１の本数の増減は、再生される出力信号ｓ６０の品質に影響を与える。特に、受信電気信号ｓ５１の遮断は、それが再合成処理に用いられる受信電気信号の一部にすぎない場合であっても、情報量の急減による誤り訂正処理の誤動作や、再生された出力信号ｓ６０の信号断などを引き起こす可能性がある。このような不安定な動作を回避するために、あらかじめ、受信電気信号ｓ５１の遮断や追加情報を、セレクタ切り替え情報ｓ７４として信号処理部１６０に通知する構成とすることができる。これにより、信号処理部１６０における内部エラーのマスク処理や、誤り訂正処理の最適化などを行うことが可能になる。

次に、選択制御部２５０の動作について、図３を用いて説明する。

図３は、光受信器２３３に内蔵されたモニタ部によって取得し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。同図中、横軸は概念的なモードの次数であり、原点から遠ざかるほど高次モードであることを示す。縦軸は光強度を示す。また破線は、あらかじめ定められた閾値を示し、光強度がこの閾値を越えるモードの光信号に丸印を付加した。

選択制御部２５０は、複数のモニタ信号から得られる情報を用いて、出力信号ｓ６０の品質が最良となるように信号選択部２３４の制御を行う。このときの制御として例えば、図３中の丸印を付加した５個のモードを選択する構成とすることができる。また、図３に示したあらかじめ定められた閾値を越える光強度を持つ受信信号から、あらかじめ定められた個数の受信信号を、あらかじめ定められたルールにより選択することとしてもよい。このときのルールには、例えば、光強度が大きい順またはモード次数が小さい順に選択する手法、あるいは安定性の高いモードを学習により順位付けて選択する手法などを用いることができる。なお、閾値としては例えば、光受信器２３３の最小受信感度を基準として、あらかじめ定められたマージンを加えた値を用いることができる。

また、信号処理部１６０から品質情報ｓ７３を取得するフィードバック型の構成である場合、選択制御部２５０は強度信号ｓ７２と品質情報ｓ７３を組み合わせることにより最適制御を行うことができる。この場合、選択制御部２５０は上述した動作に加えて以下の動作を行う。信号処理部１６０から取得する信号の品質情報として、例えばＱ値を用いる場合、受信信号ｓ４０の強度情報とＱ値を組み合わせる。これにより選択制御部２５０は、クロストークによって劣化した信号や、モード分散の影響が大きな信号を選択から除外し、それ以外の受信信号ｓ４０から信号選択部２３４の出力信号である受信電気信号ｓ５１を選択することが可能となる。具体的には例えば、見かけ上の強度は大きいが、モードクロストークによりＱ値が劣化した信号を用いる場合、受信電気信号の良好な再合成は困難である。このような場合、信号強度は弱いがＱ値が大きい信号を選択することによって、受信電気信号の良好な再合成が可能になる。

また、信号処理部１６０から取得する信号の品質情報として、例えば位相情報を用いる場合、大きなモード分散を受けた信号を検出することができる。これは、モード分散による遅延量はマルチモード伝送媒体１２０のファイバ端部に対する入射波面の傾き、すなわち波面の乱れの大きさと相関があるからである。このことから、あらかじめ定められた閾値により、ある一定以上の傾きの波面を除外するための判定に位相情報を用いることができる。

信号処理部１６０から取得する信号の品質情報として偏波情報を用いると、モードの変化の検出が可能となる。マルチモードファイバ（ＭＭＦ）の伝搬モード（ＬＰモード（Ｌｉｎｅａｒｌｙ Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｍｏｄｅ））は、複数の基本モード（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｍｏｄｅ：ＦＭ）の合成である。偏波状態の変化を基本モードＦＭに還元することにより、モード状態の変化を検出することが可能である。具体的には、あらかじめ解析や学習を実行し、モードの変化を観測することにより信号品質の劣化を検出することが可能になる。

また、選択制御部２５０が複数の受信信号ｓ４０の相関関係を用いる構成としてもよい。複数モードの符号誤り率をモニタすることによってモード毎の信号品質の時間分布が分かる。そのため、時間方向におけるデータの欠損が少なくなるように、モード選択を制御することが可能となる。シンチレーションによる光信号強度の変化はモード毎に異なるため、互いに相関の無い複数のモード、あるいは逆特性のモードを選択することによって、受信電気信号ｓ５１を再合成した出力信号ｓ６０におけるデータの欠損を最小限度に制御することが可能となる。

上述の実施形態では、図２に示したように信号選択部２３４が光受信器２３３の後段に配置している場合について説明した。これに限らず、信号選択部２３４が複数の光受信器２３３の前段に配置している構成としてもよい。この場合の空間光受信装置２０１の構成を図４に示す。

図４に示すように、信号選択部２３４はモード分離部２３１と光受信器２３３の間に配置している。この場合、モニタ部は、単一モード伝送媒体２３２としてのシングルモードファイバ（ＳＭＦ）の途中で分岐器により光信号を分岐し、光パワーのモニタを行う構成としている。信号選択部２３４および選択制御部２５０の動作は、図２に示した空間光受信装置２００における場合と同様である。

このような構成とすることにより、光受信器２３３の個数を減らすことができるので、空間光受信装置２０１全体のコストおよび消費電力を低減することができる。

ここで、信号選択部２３４には、入力信号数がｍ本、出力信号数がｎ本である光マトリクススイッチを用いることができる。この光マトリクススイッチには、高速な接続切替性能を有する光スイッチを適用することが望ましい。高速光スイッチとしては、例えば、平面型石英光導波路型光スイッチ、シリコンフォトニクス技術を用いた光スイッチ、ニオブ酸リチウム導波路による光スイッチ、ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）光スイッチ、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）光スイッチなど、各種の光スイッチ素子を適用することができる。

以上説明したように、本実施形態の空間光受信装置２００、２０１によれば、信号処理回路の回路規模の増大を抑制しつつ、受信光とファイバとの結合効率の向上を図ることができる。これは、信号処理回路（ＤＳＰ）への入力信号数を削減することによって、信号処理回路（ＤＳＰ）の回路規模を削減することができるからである。その結果、シンチレーションの影響の緩和と大容量伝送が可能な空間光受信装置の小型化、低コスト化を実現することが可能である。

上述したように、本実施形態による空間光受信装置２００、２０１においては、マルチモード伝送媒体１２０として大きなコア径のマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を用いることにより、ファイバ結合効率の劣化を回避することを可能にしている。このとき、シンチレーションの発生により、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）において高次モードが励振されるが、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）の全てのモードが同時に励振されるわけではない。そこで、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）で励振されたモードの中でも、Ｓ／Ｎ比が十分大きい信号だけを選択して信号処理回路（ＤＳＰ）に供給する構成とした。このとき、シンチレーションの時定数以下の応答速度で励起されたモードを検出し、可変的にモードを選択する制御機能を備えた構成とすることにより、安定的な受信動作が可能となる。以上より、本実施形態の空間光受信装置２００、２０１によれば、安定な受信動作と信号処理回路（ＤＳＰ）の回路規模の削減を両立させることができる。

〔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５に、本発明の第３の実施形態に係る空間光受信装置３００の構成を示す。

本実施形態による空間光受信装置３００は、信号処理部として複数の信号処理回路を備え、複数の信号処理回路の出力を合成して出力信号ｓ６２を出力する合成部３７０を有する点において、第２の実施形態による空間光受信装置２００の構成と異なる。図５では、第１の信号処理回路３６１と第２の信号処理回路３６２を備えた構成を示す。他の構成は第２の実施形態による空間光受信装置２００と同様であるから、それらの詳細な説明は省略する。

この場合、信号選択部２３４は、複数の信号処理回路３６１、３６２の入力信号数の合計と等しい個数の出力を有する構成とした。具体的には、図５に示した場合、第１の信号処理回路３６１および第２の信号処理回路３６２はそれぞれｎ本の信号入力を有するため、信号選択部２３４は２×ｎ本の受信電気信号ｓ５１ａ，ｂを出力する構成とした。すなわち、信号選択部２３４はｍ本の信号入力から任意の組み合わせの２×ｎ本の出力信号を選択する。信号選択部２３４における入出力信号の個数の条件は、ｍ≧ｎであるが、ｍ≧２ｎである必要はない。したがって、入力信号から選択した同一の信号をそれぞれ含む信号を第１の信号処理回路３６１および第２の信号処理回路３６２に出力することとしてもよい。信号選択部２３４は例えば電子マトリクススイッチを用いて構成することができる。

第１の信号処理回路３６１と第２の信号処理回路３６２は、受信電気信号を再合成する際に、それぞれ独立のパラメータを設定することが可能である。ここで第１の信号処理回路３６１と第２の信号処理回路３６２は排他的に動作する必要はない。したがって、それぞれに入力される受信電気信号ｓ５１ａ、ｓ５１ｂに対して、同時に独立に受信電気信号の再合成処理を行うこととしてもよい。第１の信号処理回路３６１と第２の信号処理回路３６２は、モードの強度分布の変化にともなって見かけ上は選択制御部２５０に従属して動作するので、選択制御部２５０から制御信号ｓ７６を受け取ることにより同期動作することとしてもよい。

合成部３７０は、第１の信号処理回路３６１と第２の信号処理回路３６２でそれぞれ再合成された２個の信号ｓ６０ａ、ｓ６０ｂを合流させ、１個の出力信号ｓ６２として出力する。合成部３７０は、２個の入力信号ｓ６０ａ、ｓ６０ｂに対して、それぞれ独立な位相整合用の入力バッファ回路を入力部に備えた構成とすることができる。入力バッファ回路のバッファ量は、モード分散による遅延量の最大値よりも大きい構成とする。このとき、信号選択部２３４の切替え動作に従って、選択されるモード群のモード遅延量の最大値とバッファ遅延量を連動させる構成とすることができる。

合成部３７０は入力信号の位相を同期させ、あらかじめ定められたアルゴリズムに従って、２個の入力信号ｓ６０ａ、ｓ６０ｂを１個の出力信号ｓ６２に合流させる処理を行う。ここで、合流処理のアルゴリズムとして例えば、２個の入力信号ｓ６０ａ、ｓ６０ｂのエラーレートを比較し、エラーレートの良好な信号を選択する手法を用いることができる。合成部３７０は、モードの強度分布の変化にともなって見かけ上は選択制御部２５０に従属して動作するので、第１の信号処理回路３６１と第２の信号処理回路３６２と同様に、選択制御部２５０から制御信号ｓ７６を受け取ることにより同期動作することとしてもよい。

信号処理部（ＤＳＰ）に入力する受信電気信号の本数の変化は、再合成処理に用いられる信号全体にしめる割合の一部であっても、再生信号ｓ６０の不安定性を引き起こす可能性がある。したがって、信号選択部２３４からの切替情報ｓ７４ａ、ｓ７４ｂおよび制御信号ｓ７６によって、第１の信号処理回路３６１と第２の信号処理回路３６２および合成部３７０に、受信電気信号の変化をあらかじめ通知する構成とすることができる。これにより、信号処理回路（ＤＳＰ）の動作状態の最適化および不安定期間に劣化した信号のマスク処理を行うことが可能になる。

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、安定な空間光通信（ＦＳＯ）受信の実現と、信号処理部（ＤＳＰ）の回路規模の削減との両立が可能となる。さらに、信号処理部（ＤＳＰ）のトレーニング動作による受信電気信号の再合成処理が中断する期間に、２個の信号処理回路（ＤＳＰ）を相補的に動作させることにより、出力信号の中断を回避することが可能になる。上述したように、本実施形態の空間光受信装置３００は小規模な信号処理回路（ＤＳＰ）を２個並列に接続して用いる構成としている。これにより、単一の信号処理回路（ＤＳＰ）を用いてＭＩＭＯ処理を一括して行う構成と比較して、回路規模を削減することができる。

次に、第１の信号処理回路３６１と第２の信号処理回路３６２および合成部３７０の動作について詳細に説明する。図６Ａ、６Ｂは、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）に結合した信号光のモード強度分布の変化に伴う、信号処理回路（ＤＳＰ）３６１、３６２と合成部３７０の入出力信号の時間変化を模式的に示す概略図である。図６Ａは、単一の信号処理回路（ＤＳＰ）を用いた場合であり、図６Ｂは本実施形態による第１の信号処理回路３６１と第２の信号処理回路３６２を用いた場合を示す。

マルチモードファイバ（ＭＭＦ）の端面における集光スポットの移動に伴って、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）に励起されるモードが変化する。このとき、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）に励起されるモードは単一ではなく、複数のモードが任意の強度分布で同時に励起されると仮定し、これらをモード群と呼ぶことにする。集光スポットの移動は、波面の位相の動きに伴って連続的に変化すると仮定すると、２個のモード群の間の強度分布の移動も連続的であると推定することができる。このことを図６Ａ、６Ｂでは、横軸の時間ｔ_１とｔ_２との間における光強度の遷移として模式的に表している。すなわち、時間ｔ_１からｔ_２にかけて、励起されるモードが順次、モード群１からモード群２に移動している。

ここでまず、単一の信号処理回路（ＤＳＰ）を用いた場合の受信動作シーケンスを、図６Ａを用いて説明する。信号処理回路（ＤＳＰ）へ供給する信号を信号選択部２３４で選択する場合、モード群１のモード分布が変化し強度が低下した時点（時間ｔ_２）で、信号選択部２３４の制御信号（セレクタ制御信号）ｓ７１の切り替わりに従って、信号処理回路（ＤＳＰ）の入力信号である受信電気信号ｓ５１が切り替わる。信号処理回路（ＤＳＰ）は信号の切り替わりによって、あらかじめ定められたＭＩＭＯパラメータのトレーニングシーケンスを開始し、トレーニング終了後にモード群２から再合成した信号を出力する。

信号処理回路（ＤＳＰ）のトレーニングに要する時間をτ_ｔｒｇとすると、信号処理回路（ＤＳＰ）から出力される出力信号ｓ６０はτ_ｔｒｇに相当する時間だけ中断する。また、一般にマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を伝搬する固有モードは、それぞれ群遅延が異なるので、モード群の切り替りに伴って出力信号ｓ６０の位相が異なる可能性がある。このような信号の中断と位相の変化は、空間光通信（ＦＳＯ）受信における安定な信号受信を妨げる要因となり得る。

次に、本実施形態による空間光受信装置３００における受信動作のシーケンスを、図６Ｂを用いて説明する。

モード群１からモード群２へのモード分布の移動は、図６Ａで示した場合と同じである。信号選択部２３４は２組の出力を有し、第１の信号処理回路（ＤＳＰ１）にモード群１を、第２の信号処理回路（ＤＳＰ２）にモード群２を選択して出力するものとする。

時間ｔ_１より以前は、モード群１が第１の信号処理回路（ＤＳＰ１）によって再合成されるのに対して、モード群２には十分な光強度が分配されていないため、第２の信号処理回路（ＤＳＰ２）では信号再合成は行われない。

時間ｔ_１以降においては、モード群２への光強度の分配が増加し、第２の信号処理回路（ＤＳＰ２）でトレーニングが開始される。このとき、第１の信号処理回路（ＤＳＰ１）は依然としてモード群１の信号の再合成を継続して行っている。

時間ｔ_２以降は、モード群１の強度が弱まるため、第１の信号処理回路（ＤＳＰ１）における信号の再合成は困難になるが、第２の信号処理回路（ＤＳＰ２）において、すでに信号の再合成が開始されている。

合成部３７０は、第１の信号処理回路（ＤＳＰ１）および第２の信号処理回路（ＤＳＰ２）の出力信号ｓ６０ａ、ｓ６０ｂに対してあらかじめ設定した長さのバッファをそれぞれ備える。これにより、第１の信号処理回路（ＤＳＰ１）および第２の信号処理回路（ＤＳＰ２）において再合成された２個の信号の位相差（Δτ_ｓｋｅｗ）を解消し、位相を整合させることができる。そして、双方の位相を整合させた後に合成処理を行う。バッファの長さは、空間光受信装置３００で使用するマルチモードファイバ（ＭＭＦ）における最大の群遅延差（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｇｒｏｕｐ Ｄｅｌａｙ：ＤＧＤ）を十分に吸収できるだけの長さである。ここで、（ｔ_２−ｔ_１）＞τ_ｔｒｇであれば、出力信号ｓ６２に中断は発生せず、安定な受信を実現することができる。

次に、本実施形態による空間光受信装置の別の構成を図７に示す。空間光受信装置３０１は、信号処理部を構成する信号処理回路（ＤＳＰ）の並列数を拡張した構成としている。図７では、４個の信号処理回路（ＤＳＰ）３６１〜３６４を備えた構成を示している。信号処理回路（ＤＳＰ）の並列数を増加することによって、より複雑なモード変化に追従することが可能となり、空間光通信（ＦＳＯ）におけるより安定な受信を実現することができる。

図８に、本実施形態による空間光受信装置のさらに別の構成を示す。空間光受信装置３０２は、信号選択部２３４から第１の信号処理回路３６１と第２の信号処理回路３６２に同一信号を分配する構成とした。ここで、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）で励振されるモード数が少ない場合には、第１の信号処理回路３６１および第２の信号処理回路３６２のパラメータを異なる値に設定することにより、信号選択部２３４の出力数を削減し制御を簡略化することが可能になる。

上述したように、本実施形態の空間光受信装置３００〜３０２は、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）で励振されたモードの信号を選択的に受信する構成としている。これにより、信号処理回路の回路規模の増大を抑制しつつ、受信光とファイバとの結合効率の向上を図ることができる。このとき、本実施形態の空間光受信装置３００〜３０２によれば、信号光のモードが変化する時間領域においても、信号処理部（ＤＳＰ）の出力信号の中断を回避することが可能になる。

この効果について、さらに詳細に説明する。マルチモードファイバ（ＭＭＦ）で励起されるモードは時間的に変動するため、信号処理部（ＤＳＰ）が受信する信号の組み合わせも変化する。ここでシングルモードファイバ（ＳＭＦ）の結合効率の劣化とモード変化の原因がほぼ等しいとすると、モード変動の周波数成分は、最大で数１００Ｈｚと考えられる。

一方、ＭＩＭＯ処理を行う信号処理部（ＤＳＰ）のパラメータを最適化（トレーニング）するのに要する時間は約１０ミリ秒（ｍｓｅｃ）程度である。

すなわち、信号処理部（ＤＳＰ）のトレーニングが終了する前にモードが変化してしまう可能性がある。信号処理部（ＤＳＰ）のトレーニングが終了しない期間は、信号処理部（ＤＳＰ）が受信信号の再合成を安定に行うことは困難であるため、受信信号の安定な再生を行うことはできない。

しかし、本実施形態の空間光受信装置３００〜３０２は上述したように、複数の信号処理回路が入力された受信電気信号の再合成をそれぞれ行い、合成部が複数の信号処理回路の出力を合成して出力信号を出力する構成としている。このとき、複数の信号処理回路がモードの変化に対してそれぞれ相補的に動作することにより、一方の信号処理回路が信号の再合成を行っている期間中に、他方の信号処理回路がトレーニングを行うことが可能になる。これにより、信号光のモード変化に伴う信号処理部（ＤＳＰ）の出力信号の中断を回避することできる。

上述したように、本実施形態の空間光受信装置３００〜３０２によれば、信号処理部（ＤＳＰ）の回路規模の削減と同時に、モードの変化に伴う信号処理部（ＤＳＰ）のトレーニングの影響を隠蔽し、信号再生の中断の中断時間を削減することができる。これにより、空間光通信（ＦＳＯ）における安定な受信を実現することが可能になる。

この場合、同一の入力信号を単一の信号処理部（ＤＳＰ）で処理する場合に比べ、回路規模を削減することができる。この効果について、具体的に説明する。ここでは、２個の信号処理部（ＤＳＰ）を備えた空間光受信装置を例に説明する。ある１つの受信状態に対してｎモードの受信によるＭＩＭＯ処理を行う場合について回路規模を概算する。ｎ入力のＭＩＭＯ処理を行う信号処理部（ＤＳＰ）の回路規模は、原理的にｎ^２に比例するので、２個の信号処理部（ＤＳＰ）の回路規模は、２×ｎ^２となる。それに対して、仮に単一の信号処理部（ＤＳＰ）を用いて同一の入力信号数を処理する場合、原理的に（２ｎ）^２＝４ｎ^２の回路規模となる。以上より、本実施形態の空間光受信装置３００〜３０２によれば、この場合、信号処理部（ＤＳＰ）の回路規模を原理的に半減させることが可能である。

〔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９に、本発明の第４の実施形態に係る空間光受信装置４００の構成を示す。

空間光受信装置４００は、集光部１１０、マルチモード伝送媒体１２０、モード変換部４１０、モード分離部２３１、複数の単一モード伝送媒体２３２、複数の光受信器２３３、制御部としてのモード制御部４８０、および信号処理部１６０を有する。ここで、モード変換部４１０、モード分離部２３１、複数の単一モード伝送媒体２３２、および複数の光受信器２３３が、マルチモード信号処理部を構成する。

モード変換部４１０は、マルチモード伝送媒体１２０が出力するマルチモード光の光エネルギー分布を変換し、光エネルギーが集中した複数の伝搬モード光を生成する。モード分離部２３１は、複数の伝搬モード光を分離してそれぞれ出力する。単一モード伝送媒体２３２は、複数の伝搬モード光をそれぞれ導波する。光受信器２３３は、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し復調する。

モード制御部４８０は、複数の伝搬モード光の信号情報および信号処理部１６０が算出する受信電気信号の品質情報の少なくとも一方に基づいて、モード変換部４１０の動作を制御する。具体的に説明すると、モード制御部４８０には、モード分離した後のｍ本の光信号ｓ４０の信号情報、例えば強度情報ｓ７２が入力される。また、モード制御部４８０は、信号処理部１６０から受信電気信号の品質情報ｓ７３を取得することとしてもよい。そして、モード制御部４８０はモード制御信号ｓ８０によりモード変換部４１０の動作を制御する。また、モード制御部４８０がモード制御の状態を示すモード情報ｓ８１を信号処理部１６０に通知する構成としてもよい。

上述したように、モード変換部４１０は、モード分離部２３１の出力信号ｓ４０の強度分布が分散しないようにマルチモード光を制御する。具体的には、単一または少数のモードに光強度が集中し、多数のモードにエネルギーが分散することを回避するように、マルチモード光のモード変換を行う。

以上の動作において、モード変換部４１０は、信号処理部１６０に供給する受信電気信号ｓ５１の本数を削減するように動作するので、信号処理部１６０の回路規模の削減が可能となる。すなわち、本実施形態の空間光受信装置４００によれば、信号処理回路の回路規模の増大を抑制しつつ、受信光とファイバとの結合効率の向上を図ることができる。

〔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１０に、本発明の第５の実施形態に係る空間光受信装置５００の構成を示す。

図１０に示すように、本実施形態の空間光受信装置５００は、第４の実施形態による空間光受信装置４００に、第２の実施形態の空間光受信装置２００が備える信号選択部２３４および選択制御部２５０をあわせて備えた構成である。すなわち、空間光受信装置５００は複数の光受信器２３３の前段および後段の少なくとも一方に配置した信号選択部２３４をさらに備える。ここで、信号選択部２３４は複数の入力信号の一部を選択して出力する。そして、制御部としての選択制御部２５０は、複数の伝搬モード光の信号情報および信号処理部１６０が算出する受信電気信号の品質情報の少なくとも一方に基づいて、信号選択部２３４の動作を制御する。

なお、本実施形態の空間光受信装置５００は、第３の実施形態による空間光受信装置３００と同様に、信号処理部１６０として複数の信号処理回路を備えた構成とすることもできる。

本実施形態の空間光受信装置５００において、信号選択部２３４はモード変換部４１０の動作と連動して、光強度が集中した強い光信号だけを選択し、信号処理部１６０に受信電気信号ｓ５１として供給する。このとき、選択制御部２５０は、例えば各モードの光信号ｓ４０の光強度情報ｓ７２や、信号処理部１６０からの信号品質情報ｓ７３を用いることとしてもよい。また、選択制御部２５０は制御信号ｓ８２を介してモード制御部４８０と連携して動作する構成としてもよい。このとき、制御信号ｓ８２として用いる信号としては例えば、モード変換部４１０の選択モード情報や、または信号選択部２３４の接続情報などがある。これらの制御信号を交換することにより、モード変換部４１０と信号選択部２３４の連携動作が可能となり、Ｓ／Ｎ比の高い信号の受信が可能となる。

以上の動作において、モード変換部４１０は、信号処理部１６０に供給する受信電気信号ｓ５１の本数を削減するように動作するので、信号処理部１６０の回路規模の削減が可能となる。すなわち、本実施形態の空間光受信装置５００によれば、信号処理回路の回路規模の増大を抑制しつつ、受信光とファイバとの結合効率の向上を図ることができる。

次に、本実施形態による空間光受信装置５００の動作について、さらに詳細に説明する。

図１１Ａ、１１Ｂ、および１１Ｃを用いて、モード変換部４１０と信号選択部２３４の連携動作により、受信電気信号ｓ５１が選択される過程を説明する。

図１１Ａは、モード変換を適用しない場合における、モード分離部２３１から出力される各モードの光強度分布を模式的に示す概略図である。図３に示した場合と同様に、閾値をわずかに下回る光強度の信号が複数存在することがわかる。

図１１Ｂに、モード変換部４１０を通過してモード変換された後の各モードの光強度分布を示す。同図から、閾値をわずかに下回るモードが顕著に減少し、替わって少数のモードに光のエネルギーが集中していることがわかる。ここで、図１１Ａに示したモード分布から図１１Ｂに示したモード分布へのモード変換によって、モードの強度分布は変化するが、信号の持つエネルギーは原理的に保存されると考えられる。

図１１Ｃに、信号選択部２３４がＳ／Ｎ比の高い信号を選択し、光受信器２３３に入射される光信号の強度分布を示す。この例では、信号選択部２３４は閾値を越えた３本の信号だけを番号の小さい出力ポート側に集めて出力し、それ以外の出力ポートは接続回路を開放し無信号状態としている。

モード制御部４８０は、信号強度ｓ７２の分布に基づいてモード変換部４１０を制御し、上述したモード変換を行う。選択制御部２５０はモード変換後の信号強度ｓ７２の分布に基づいて、信号選択部２３４における接続を制御する。また、選択制御部２５０は、モード制御部４８０から出力されるモード変換情報である制御信号ｓ８２と信号強度の分布に基づいて、良好なＳ／Ｎ比の信号を信号処理部１６０に供給するように、信号選択部２３４の接続を制御することとしてもよい。

次に、モード制御部４８０の動作について説明する。モード制御部４８０は、あらかじめ定められた周期でモード分離後の信号ｓ４０の強度分布を観測し、モード変換部４１０の状態を最適に補正する。なお、モード制御部４８０は、あらかじめ定められたアルゴリズムに基づいて制御動作を繰り返す電子回路やコンピュータなどにより構成することができる。

図１２に示したフローチャートを用いて、モード制御部４８０の動作をさらに詳細に説明する。モード制御部４８０はまず、モード分離した信号ｓ４０の各々の強度情報ｓ７２を収集し、モードの強度分布を検出する（ステップＳ１０）。このモード強度分布から、マルチモード伝送媒体１２０における伝搬モードの推定を行う（ステップＳ２０）。

次に、モード制御部４８０はモード変換のシミュレーションを行う（ステップＳ３０）。まず、ステップＳ２０で推定した伝搬モードを用いて、モード変換を生じさせるモードの結合状態が変化した場合を仮定する（ステップＳ３１）。この仮定に基づいて、モード変換を行った後のモード強度分布のシミュレーションを行う（ステップＳ３２）。そして、仮定したモード変換状態と現状を比較し、良否判断の比較により収束判定を行う（ステップＳ３３）。ここで例えば、誤差があらかじめ定められた閾値以下であれば、収束したと判断することができる。または、極小値探索により収束判定を行うこととしてもよい。これに限らず、強度情報ｓ７２の分布から、あらかじめ定められた計算手法により各モードのＳ／Ｎ比を推定し、このときのＳ／Ｎ比と、あらかじめ定められた基準を比較して収束判定することとしてもよい。さらに、受信光強度の合計値を基準に、あらかじめ定められた手法により収束判定を行うこととしてもよい。

収束判定を行った後、ステップＳ３１で仮定したモード変換の状態となるように、あらかじめ定められた計算式から制御信号ｓ８０を生成し、モード変換部４１０に出力する（ステップＳ４０）。また、選択制御部２５０および信号処理部１６０の少なくとも一方に対して、モード変換の更新情報、シミュレーションから推定される強度分布の情報、または伝搬モードから間接的に推定可能な波面の乱れの程度を示す情報などを出力する（ステップＳ５０）。この後に再びステップＳ１０の強度分布検出に戻る。さらに、以上のシーケンスを繰り返すことによって得られる誤差情報の学習に基づいて、モード推定やモード変換のアルゴリズムを更新する（ステップＳ６０）こととしてもよい。また、モード変換のシミュレーション（ステップＳ３０）で用いる方式に依存して、伝搬モードを推定するステップ（ステップＳ２０）を行うこととしてもよいし、あるいは省略することとしてもよい。

以上説明したモード制御部４８０の動作により、モード分離した信号光のＳ／Ｎ比を改善することができ、信号処理部１６０に供給する信号のＳ／Ｎ比の劣化を回避することができる。

上述したように、本実施形態の空間光受信装置５００は、モード変換部４１０とモード制御部４８０を備えた構成としている。これにより、受信光の波面揺らぎに追従して、モード変換を制御することが可能である。ここでモード制御部４８０は、モニタ部からの信号を用いて、変換後の出力光のモード分布をあらかじめ定められた手法に基づいて制御する。モニタ部がモニタする対象としては例えば、入射光の波面状態、モード変換部４１０を伝搬した後の光強度または波面状態、モード分離後の光強度分布、または信号処理部１６０で検出可能な各信号の信号品質情報などがあげられる。ここで、信号品質情報には平均強度、Ｓ／Ｎ比、Ｑ値、位相情報、または符号誤り率などが含まれる。なお、モード制御部４８０は、変換後の出力光のモードにおいて可能な限り少数かつ低次のモードに光信号強度が集中するように制御することが望ましい。

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５００によれば、信号処理部１６０への入力信号数の削減と同時に信号処理部１６０に供給する信号のＳ／Ｎ比を高く維持することができる。これにより、安定な空間光通信（ＦＳＯ）受信と信号処理部（ＤＳＰ）の回路規模の削減を実現することが可能になる。その結果、シンチレーションの影響を緩和することができ大容量伝送が可能な空間光受信装置の小型化、低コスト化を実現することができる。

なお、上述したように、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）内では一部のモードだけが励振されるが、高次モードの光信号を安定に受信することは困難である。例えば、高次モードの光はマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を伝搬中にモード間で容易に結合し、複数のモードにパワーが分散する可能性がある。そのため、モード分離後の光信号のＳ／Ｎ比の劣化により、安定な信号受信が困難になる。

しかし、本実施形態の空間光受信装置５００においては、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）の励振モードを制御し、少数のモードが選択的に励振される構成とすることにより、モード分離後の光信号のＳ／Ｎ比を改善することができる。

この効果について、さらに詳細に説明する。

図２に示した第２の実施形態による空間光受信装置２００においては上述したように、信号選択部２３４がｍ個のモードにモード分離した受信信号ｓ４０から、あらかじめ定められたルールによりモード強度分布が強い信号を選択する。これにより、信号処理部１６０の回路規模を縮小することができる。

このとき、選択された信号以外の（ｍ−ｎ）本の信号は破棄される。そのため、信号処理部１６０が受け取る情報量は、マルチモード伝送媒体１２０のコア１２１に照射された光信号から破棄されるモードに分配された光強度分だけ減少している。この点を図３に示した例を用いて具体的に説明する。図３に示すように、光信号がマルチモード伝送媒体１２０に結合して多数のモードが励振されている。その中で、破線で示す閾値を越えた信号強度を持つモード（丸印を付加した太線の５本）だけが、信号選択部２３４で選択され受信されるものとする。この場合、選択された５本以外の閾値を下回る信号は破棄されることになる。

図３の例では、閾値を僅かに下回る強度のモードが複数存在しているが、これらの信号は単一では十分なＳ／Ｎ比は得られない。しかし、このような閾値以下の光強度のモードであっても、その本数が多くなると破棄される光エネルギーが増え、全体としては光受信の効率が低下することになる。

しかし、本実施形態の空間光受信装置５００においては、モード変換部４１０が、マルチモード伝送媒体１２０が出力するマルチモード光の光エネルギー分布を変換し、光エネルギーが集中した複数の伝搬モード光を生成する構成としている。そのため、上述したような場合であっても、信号選択部２３４が受信しないモードを破棄することによる信号エネルギーの損失、すなわち信号のＳ／Ｎ比の劣化を回避することができる。

〔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１３に、本発明の第６の実施形態に係る空間光受信装置６００の構成の主要部を示す。

空間光受信装置６００は、マルチモード伝送媒体１２０、モード変換部６１０、モード分離部２３１、複数の単一モード伝送媒体２３２、複数の光受信器２３３、制御部としてのモード制御部６８０を有する。ここで、モード変換部６１０、モード分離部２３１、複数の単一モード伝送媒体２３２、および複数の光受信器２３３が、マルチモード信号処理部を構成する。空間光受信装置６００は、モード変換部６１０の構成が第４の実施形態および第５の実施形態による空間光受信装置４００、５００と異なる。

モード変換部６１０は、可変モードスクランブラ６１１およびモードフィルタ６１２を備える。可変モードスクランブラ６１１は、マルチモードファイバと、マルチモードファイバに機械的作用を印加する作動部を備える。そして、モード制御部６８０は作動部の動作を制御する。以下に、可変モードスクランブラ６１１の構成を具体的に説明する。

可変モードスクランブラ６１１は、マルチモード伝送媒体１２０から入射した受信光信号の伝搬モードを撹拌する機能を有する光ファイバコンポーネントである。具体的には、ファイバコイルやマイクロベンディング、オフセットランチを用いたものを利用することができる。このようなモードスクランブラは、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）のコイルの応力によりマルチモードファイバ（ＭＭＦ）内部のモード結合を生成し、モード間で光エネルギーの交換が行われることを利用している。

モード制御部６８０は、可変モードスクランブラ６１１を構成するマルチモードファイバ（ＭＭＦ）の曲率または応力を制御する。具体的には、制御信号ｓ８０によって、可変モードスクランブラに内蔵されるピエゾ素子やコイルなど電気制御による力学的な調整手段を用いて、ファイバコイルの曲率、張力、または応力を可変する。

可変モードスクランブラ６１１が伝搬可能なモード数は、マルチモード伝送媒体１２０を伝搬可能なモード数に対して、等しいかまたは多い構成とする。可変モードスクランブラ６１１はマルチモード伝送媒体１２０を伝搬するモードの全てと原理的に結合可能であり、さらに十分に小さな損失で結合することが可能であることが望ましい。その理由は、結合効率の高いマルチモード伝送媒体１２０に結合した光信号を、損失させることなくモード変換するためである。仮に、マルチモード伝送媒体１２０よりも可変モードスクランブラ６１１の伝搬モード数が少ないと、モード変換する前に一部のモードの信号光が損失となり、高効率な空間光通信（ＦＳＯ）受信にとって障害となるからである。

可変モードスクランブラ６１１でモード変換された信号光が、モードフィルタ６１２に接続される構成とすることができる。モードフィルタ６１２は、あらかじめ定められたモード範囲の信号光を選択的に伝搬させる。モードフィルタ６１２として例えば、コア径の小さなマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を用いることができる。具体的には、２個から数１０個程度までの低次モードだけが伝搬可能なマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を適用することができる。また、高次モードを選択的に拡散（損失）させる技術を適用することとしてもよい。

マルチモード伝送媒体１２０および可変モードスクランブラ６１１を構成するマルチモードファイバ（ＭＭＦ）が伝搬可能なモード数は、数１００モードに上る。それに対して、後段のモード分離部２３１が数１００本のモードを分離する構成とすると、空間光受信装置を実現する際における体積やコストなどの実装条件の難度が上昇する。一方、実装条件を緩和するためにモード分離数を制限すると、分離できない高次モードがモード分離部２３１に入射しモードクロストークの原因となる。しかし、本実施形態の空間光受信装置６００においては、モード分離部２３１の前段にモード分離数に相当するモードフィルタ６１２を配置し、あらかじめ高次モードを除去する構成としている。このような構成とすることにより、不要なモードクロストークを回避することができる。

上述したように、可変モードスクランブラ６１１はマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を備えた構成であり、またモードフィルタ６１２も光ファイバを用いて構成される。そのため、マルチモード伝送媒体１２０とモード変換部６１０を複数の機能を持つ一体のコンポーネントと考えることもできる。したがって、このような構成を、例えば１本のマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を分離せずに、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）の伝送路上で各機能に区分けすることによって実現することが可能である。例えば、融着接続された複数のファイバを上述した単一のコンポーネントとすることも可能である。

また、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）により構成される一連の機能、すなわち、可変モードスクランブラ６１１、モードフィルタ６１２、およびモード分離部２３１を、３次元光導波路デバイスを適用して実現することとしてもよい。例えば、３次元光導波路であるＰｈｏｔｏｎｉｃ Ｌａｎｔｅｒｎ（ＰＬ）は、マルチモード側ではマルチモードファイバ（ＭＭＦ）と等価の入力特性を持つため、可変モードスクランブラ６１１の機能を付加することが可能である。また、ＰＬのマルチモード側の導波モードを適切に設計することにより、モードフィルタ６１２の機能を付加することも可能である。ここでＰＬは、マルチモードで入力した光信号を、原理的に無損失で複数のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）に結合させることができる。このとき、直交したモード状態が複数のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）に出力され、後段の信号処理部１６０におけるＭＩＭＯ処理によりモード分離が行われる。ここで、ＰＬのシングルモードファイバ（ＳＭＦ）への出力においては、厳密な意味でのモード分離はされていないが、信号処理部１６０における処理と組み合わせることによってモード分離が可能である。したがって、ＰＬを本実施形態の空間光受信装置６００におけるモード分離機能を実現する手段として用いることができる。

また、モード変換部６１０に光ファイバアンプを挿入し、モード変換部６１０の内部損失を補償する構成としてもよい。例えば１．５５マイクロメートル（μｍ）のファイバ伝送波長帯であれば、マルチモード・エルビウム添加ファイバアンプ（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＭＭ−ＥＤＦＡ）とマルチモード伝送媒体１２０および可変モードスクランブラ６１１との共用化を図ることができる。 また、数モードファイバ（Ｆｅｗ Ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ：ＦＭＦ）伝送用の数モード・エルビウム添加ファイバアンプ（Ｆｅｗ Ｍｏｄｅ Ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＦＭ−ＥＤＦＡ）とモードフィルタ６１２を共用化することとしてもよい。

次に、モード変換部６１０およびモード制御部６８０の動作について説明する。

モード制御部６８０は、第４の実施形態および第５の実施形態による空間光受信装置４００、５００と同様に、モード分離後の光信号の強度信号ｓ７２を用いてモード毎の光強度分布をモニタすることができる。これに加えて、モード制御部６８０は図１３に示すように、モードフィルタ６１２の出力光を分岐してモニタ手段６８１を用いて観測することにより、モード強度分布情報を得ることができる。この場合、モニタ手段６８１は単純な光強度の測定であってもよい。

モード変換部６１０およびモード制御部６８０の動作を、図１４Ａ、１４Ｂを用いてさらに具体的に説明する。ここでは一例として、モード分離部２３１が分離可能なモードを５モードとした。図中で丸印を付したモードが分離可能なモードを表している。

モード変換部６１０によるモード変換結果が、図１４Ａに示す状態であった場合、閾値を越える信号強度を有するモードの大半は、後段でモード分離ができない高次モードに存在している。このとき、モニタ手段６８１が観測するモードフィルタ６１２の出力の光強度は、モード分離が可能な５本のモードの光強度の合計値と等しい。そのため、モードの状態が図１４Ａに示した場合では、５本のモードの光強度は小さい。それに対して、図１４Ｂに示したモード状態である場合は、モニタ手段６８１が観測する光強度は大きくなる。

図１４Ａと１４Ｂに示した二通りの状態を比較すると、モード分離が可能な５本のモードの光強度の合計値をモニタ手段６８１によってモニタすることにより、光受信器２３３によって受信される光強度が最大となるように制御できることがわかる。正確なモード変換を行うために微調整を行う場合は、モード強度分布を強度信号ｓ７２により取得する必要がある。しかしながら、モード変換の粗調性や極大値の探索のためには、単一の強度情報が得られるモニタ手段６８１を用いることが有効となる。

また、図１３に示したモニタ手段６８２を用いることによっても、同様のモード強度分布情報を観測することが可能である。モニタ手段６８２はモード変換後のモード分布を直接測定する機能を有する。モニタ手段６８２として、例えば波面センサなどを用いることができる。

図１５に、本実施形態によるモード変換部の別の構成を示す。図１５に示したモード変換部６２０は、可変モードスクランブラ６１１の前段にビームスキャナ６２１を備える。この構成によりモード変換部６２０は、可変モードスクランブラ６１１におけるモード結合状態を固定または半固定状態とし、可変モードスクランブラ６１１の外部に配置するビームスキャナ６２１を用いてモードを可変的に制御する。これにより、上述したモード変換部６１０と同様の機能を実現することができる。

モード変換部６２０で用いる半固定的な可変モードスクランブラ６１１は、光学系の機械的なオフセットや光学系側の状態の変化、例えば焦点距離や開口径の変化などに対応した時定数の長い変化に対応することができる。それに対して、ビームスキャナ６２１は、時定数の短いシンチレーションの変化に対応するために用いられる。なお、このようなマルチモードファイバ中の伝搬条件を制御する手段として、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）の帯域制御技術やモード変換技術などが知られている。

次に、ビームスキャナ６２１の動作原理を説明する。ビームスキャナ６２１は、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）のコア領域における光ビームの照射位置の変化に対して、励起される伝搬モードが変化する現象を利用する。基本モードのガウスビームをマルチモードファイバ（ＭＭＦ）コアの辺縁部に照射すると高次モードが励起される。光線の伝搬は可逆的なので、高次モードを適切にコア辺縁部に照射できれば、原理的にはマルチモードファイバ（ＭＭＦ）には基本モードが励起される。しかし、空間を伝搬した光の波面は複雑に重ね合わさった状態で乱れているため、上述したような理想的な逆変換は困難である。

本実施形態によるモード変換部６２０は、モードスクランブラの機能を持たせた可変モードスクランブラ６１１としてのマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を用いて、そのコア面に対する受信ビームの照射位置をビームスキャナ６２１によってスキャンする。モード制御部６８０は、制御信号ｓ８４によってビームスキャナ６２１を制御する。このときモード制御部６８０が行う制御は、モード変換部６２０における可変モードスクランブラ６１１に対する制御と同様である。

図１５に示したモード変換部６２０は、モード変換部６１０が備える可変モードスクランブラ６１１を有する構成とした。しかし、モード変換部６２０はビームスキャナ６２１を備えているので、可変モードスクランブラ６１１に限らず、多モードを励起することが可能な伝送媒体であればよい。例えば、作動部を備えていないマルチモードファイバ（ＭＭＦ）単体や光導波路を用いることとしてもよい。

また、集光部１１０によって光結合するマルチモード伝送媒体１２０は、ビームスキャナ６２１の前段に配置する構成であっても、後段に配置する構成であってもよい。マルチモード伝送媒体１２０をビームスキャナ６２１の後段に配置する構成の場合、集光された光信号はビームスキャナ６２１を通過してからマルチモード伝送媒体１２０に入射する。この場合、上述したように、マルチモード伝送媒体１２０と可変モードスクランブラ６１１を一体化した部品として構成することができる。

図１６に、図１５に示したビームスキャナ６２１の具体的な構成例を示す。この例では、受信光を結合したマルチモード伝送媒体１２０としてのマルチモードファイバ（ＭＭＦ）の出射端の機械的な位置を可変することによって、ビームの可変を実現する構成とした。このとき、ピエゾ素子６２２を用いてマルチモードファイバ（ＭＭＦ）の位置制御を行うことができる。また、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）の出射位置を可変する構成に替えて、可動レンズとミラーを用いて可変する構成としてもよい。さらに、レンズおよびミラーに替えて、電気光学効果または磁気光学効果を持つ光学結晶とそれに印加する制御信号とを用いてビームスキャンを行う構成とすることもできる。

モード制御部６８０は、ピエゾ素子６２２、またはレンズおよびミラーの位置を制御する。モード制御部６８０は上述したように、後段のモードフィルタ６１２の出射側における光強度またはモード分布のモニタ結果、または信号処理部１６０が検出する信号品質情報に基づいて最適制御を行う。このとき、モード制御部６８０は図１２を用いて説明したモード推定のプロセスを行うこととしてもよい。

図１７に、ビームスキャナの別な具体的な構成例を示す。ビームスキャナ６３１は空間変調器６３２を備える。モード制御部６８０は、後段におけるモード分離したモード分布のモニタ結果、または信号処理部１６０が検出する信号品質情報に基づいて、空間変調器６３２を制御する。このとき、モード制御部６８０は図１２を用いて説明したモード推定のプロセスを行うこととしてもよい。なお、図１７においては、空間変調器６３２は透過型の構成としているが、これに限らず反射型として構成してもよい。

空間変調器６３２を用いてシングルモードファイバ（ＳＭＦ）への結合効率を改善するためには、一般には入射した光の精密な波面検出とそれに対する大量の計算が必要なフーリエ変換などを用いた波面推定処理を行う必要がある。しかしながら、本実施形態による空間光受信装置６００の構成においては、入射光を平面波に変換する必要がない。これは、本実施形態による空間光受信装置６００では、図１４Ａおよび１４Ｂを用いて説明したように、モード変換部６２０を通過した後にモード分離部２３１においてモード分離が可能なモードに変換されていればよいからである。そのため、必ずしも単一の波面を生成するための最適解は必要ではないので、一般に必要とされている大量の計算は不要となる。

図１８に、ビームスキャナのさらに別の具体的な構成例を示す。ビームスキャナ６４１はビームの出射方向を変化させる機構として音響光学スキャナ６４２を備える。ここで音響光学スキャナ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｓｃａｎｎｅｒ：ＡＯＳ）は、超音波を用いて音響光学媒体に回折格子を生成し、媒体内を伝搬する光の進行方向を可変する素子である。音響光学スキャナ６４２を用いたモード変換の原理およびビームスキャナの可変制御手法は、上述したピエゾ素子６２２または空間変調器６３２を用いた場合と同様である。

モード制御部６８０は、後段におけるモード分離したモード分布のモニタ結果、または信号処理部１６０が検出する信号品質情報に基づいて、音響光学スキャナ６４２を制御する。このとき、モード制御部６８０は図１２を用いて説明したモード推定のプロセスを行うこととしてもよい。

〔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１９に、本発明の第７の実施形態に係る空間光受信装置７００の構成を示す。本実施形態による空間光受信装置７００においては、モード変換部６２０が第６の実施形態による音響光学スキャナ６４２を備えた構成とした。また、光受信器２３３は局発光源７３３を備えたコヒーレント光受信器とした。

音響光学スキャナ（ＡＯＳ）は、媒質内に回折格子を生成する超音波により、通過する信号光に超音波の周波数に相当した周波数シフトを発生させる。媒質に印加する超音波の周波数を、数メガヘルツ（ＭＨｚ）から数１００メガヘルツ（ＭＨｚ）とすることができるので、それに相当する周波数シフトが信号光に誘起される。

このとき、光受信器２３３にコヒーレント光受信技術を用いている場合、局発光源７３３からの局発光との周波数誤差が大きな問題となる。すなわち、信号光と局発光の周波数差が急変すると、受信信号の符号誤り率に大きな劣化が生じる可能性がある。

ここで本実施形態による空間光受信装置７００は、図１９に示すように、モード制御部６８０が局発光源７３３に周波数オフセット情報ｓ８６を供給する構成としている。そのため、局発光源７３３の周波数をオフセットさせることにより、音響光学スキャナ（ＡＯＳ）による周波数シフトを補償することができる。

音響光学スキャナ（ＡＯＳ）が発生する超音波の周波数は、モード変換制御信号ｓ８４に対応して定まるため、モード制御部６８０にとって原理的に既知の量である。したがってモード制御部６８０は、発生した超音波による信号の周波数オフセットも一意に決定することが可能である。そして、モード制御部６８０はあらかじめ定められた関係を用いて、このモード変換制御信号ｓ８４に対応した周波数オフセット信号ｓ８６を生成する。局発光源７３３は周波数オフセット信号ｓ８６を参照して、あらかじめ定められた関係を用いて発振周波数の調整を行う。これらのあらかじめ定められた関係は、変換式や参照テーブルを用いて規定することができる。

次に、本実施形態による音響光学スキャナ６４２を用いた空間光受信装置７００の効果について説明する。

空間光通信（ＦＳＯ）を適用するアプリケーションの一例に、人工衛星から地上へ向けた通信がある。人工衛星は高速移動するため、ドップラシフトにより信号光の周波数がシフトすることが知られている。そのため、局発光源周波数の同期制御が必要であり、例えばフィードバック制御における時定数を長く設定することにより局発光の周波数の安定化を図る技術がある。

しかし、大気擾乱に起因したシンチレーションはランダムかつ高速な変化であるため、局発光源周波数も高速かつランダムに変化させる必要がある。ここで、音響光学スキャナ（ＡＯＳ）により受信信号光が受ける周波数シフトは、音響光学スキャナ（ＡＯＳ）に印加するマイクロ波の周波数で決まるため、積極的に局発光源７３３にフィードフォアードすることが可能である。フィードフォアードすることにより、高速な周波数変化に対しても追従して制御することが可能になり、音響光学スキャナ（ＡＯＳ）による周波数シフトを補償することが可能となる。

以上説明したように、音響光学スキャナ（ＡＯＳ）周波数シフト補償技術を空間光通信（ＦＳＯ）受信器に適用した空間光受信装置７００によれば、シンチレーションに連動したコヒーレント光受信器で発生する急激な符号誤り率の劣化を補償することができる。その結果、空間光通信（ＦＳＯ）における安定な受信を実現することが可能になる。

また、デジタルコヒーレント受信技術を用いて、音響光学スキャナ６４２による信号光の周波数オフセットをＤＳＰにおける信号処理により補償することとしてもよい。

デジタルコヒーレント受信技術においては、信号光と局発光の周波数誤差の補償を信号処理の過程で行うことができる。信号光と局発光の周波数同期技術では、周波数差の変化を推定することにより周波数差を補償している。しかし、音響光学スキャナ（ＡＯＳ）による周波数シフトは高速かつランダムであるため、ＤＳＰによる周波数誤差の推定が不安定になる可能性がある。

しかし、本実施形態による空間光受信装置７００においては、モード制御部６８０が音響光学スキャナ（ＡＯＳ）により発生する周波数シフトの情報を、モード切替情報ｓ８１と同じ経路で信号処理部１６０に通知する構成としている。このときの周波数シフト情報は、例えばシフトの方向と大きさとすることができる。そして、信号処理部１６０が受け取った周波数シフト情報に基づいて、フィードフォアードで周波数オフセットを補償することにより、空間光通信（ＦＳＯ）における安定な受信を実現することが可能になる。

また、音響光学スキャナ（ＡＯＳ）による周波数シフトによって、音響光学スキャナ（ＡＯＳ）の回折次数に対応した異なるシフト量を受けた複数の周波数の信号光が生成される。複数の回折次数に対応する信号光は、音響光学スキャナ（ＡＯＳ）から異なる角度で出射されるため、次段の可変モードスクランブラ６１１において異なるモードが励起され、それらはモード分離部２３１によって分離される。

このとき、同じ信号光の入力に対して異なるモードに変換された信号光には、異なる周波数オフセットが発生する。すなわち、モードとオフセット量には対応関係が存在する。この対応関係はあらかじめ決められるか、またはトレーニングシーケンスなどを用いて対応関係を学習することにより決定することができる。このことから、ＤＳＰの内部処理による周波数オフセットの制御をモード毎に動的に切り替えることによって、より高品質な信号受信が可能となる。

具体的に説明すると、モード制御部６８０は音響光学スキャナ６４２で発生する信号光の周波数オフセット情報を、モード切替情報ｓ８１と同じ経路で信号処理部１６０に供給する。信号処理部１６０は、あらかじめ定められた範囲における、周波数オフセット量の整数倍となる周波数差をオフセット値の候補として用いて、各モードに対応する受信信号に対し最適な周波数オフセットを探索する。ここで、整数倍の周波数差は音響光学スキャナ（ＡＯＳ）の回折次数に対応する。

本実施形態の空間光受信装置７００によれば、信号処理部１６０はモード変換の切替に連動した信号光周波数シフトの変化のタイミングと、周波数シフト量の候補を知ることができる。そのため、信号処理部１６０の内部における周波数差の推定に要する計算負荷を低減することができる。

なお、上述した本実施形態による空間光受信装置７００の構成は、局発光源７３３を用いない差動位相シフト変調（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：ＤＰＳＫ）によるコヒーレント光受信器にも適用することが可能である。この構成では、音響光学スキャナ（ＡＯＳ）による信号光周波数が遷移する間に、位相差のオフセットが発生し受信特性の劣化が起きる可能性がある。それに対して、本実施形態による空間光受信装置７００においては、上述した場合と同様に、音響光学スキャナ６４２で発生する周波数のオフセットは既知となる。したがって、オフセットを補償することができるので、受信特性の劣化が生じるのを回避することが可能となる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

この出願は、２０１４年７月２２日に出願された日本出願特願２０１４−１４８６６８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

（付記１）空間伝送路を伝搬したレーザ光を集光する集光部と、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の一部に基づく複数の受信電気信号を出力するマルチモード信号処理部と、前記マルチモード光に基づく信号情報をモニタするモニタ部と、前記信号情報に基づいて前記マルチモード信号処理部の動作を制御する制御部と、前記複数の受信電気信号に信号処理を施し、前記複数の受信電気信号を合成した出力信号を出力する信号処理部、とを有する空間光受信装置。

（付記２）前記マルチモード信号処理部は、前記マルチモード光に含まれる低次モード光に基づく複数の受信電気信号を出力する付記１に記載した空間光受信装置。

（付記３）前記マルチモード信号処理部は、前記マルチモード光を複数の単一モード光に分離するモード分離部と、前記複数の単一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単一モード光をそれぞれ受光し復調する複数の光受信器と、前記複数の光受信器の前段および後段の少なくとも一方に配置した、複数の入力信号の一部を選択して出力する信号選択部、とを備え、前記制御部は、前記複数の単一モード光の信号情報および前記信号処理部が算出する前記受信電気信号の品質情報の少なくとも一方に基づいて、前記信号選択部の動作を制御する付記１または２に記載した空間光受信装置。

（付記４）合成部をさらに有し、前記信号処理部は複数の信号処理回路を備え、前記合成部は、前記複数の信号処理回路の出力を合成して前記出力信号を出力する付記３に記載した空間光受信装置。

（付記５）前記マルチモード信号処理部は、前記マルチモード光の光エネルギー分布を変換し、光エネルギーが集中した複数の伝搬モード光を生成するモード変換部と、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部と、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し復調する複数の光受信器、とを備え、前記制御部は、前記複数の伝搬モード光の信号情報および前記信号処理部が算出する前記受信電気信号の品質情報の少なくとも一方に基づいて、前記モード変換部の動作を制御する付記１または２に記載した空間光受信装置。

（付記６）前記モード変換部はモードスクランブラを備え、前記モードスクランブラは、マルチモードファイバと、前記マルチモードファイバに励起するモードを制御する作動部を備え、前記制御部は、前記作動部の動作を制御する付記５に記載した空間光受信装置。

（付記７）前記モード変換部は、前記モード変換部の出射側にモードフィルタを備える 付記６に記載した空間光受信装置。

（付記８）前記マルチモード信号処理部は、前記複数の光受信器の前段および後段の少なくとも一方に配置した、複数の入力信号の一部を選択して出力する信号選択部、をさらに備え、前記制御部は、前記複数の伝搬モード光の信号情報および前記信号処理部が算出する前記受信電気信号の品質情報の少なくとも一方に基づいて、前記信号選択部の動作を制御する付記５から７のいずれか一項に記載した空間光受信装置。

（付記９）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マルチモード光に変換し、前記マルチモード光に基づく信号情報をモニタし、前記信号情報に基づいて、前記マルチモード光の一部に基づく複数の受信電気信号を生成し、前記複数の受信電気信号を合成する空間光受信方法。

（付記１０）前記マルチモード光を複数の単一モード光に分離し、前記複数の単一モード光の信号情報および前記受信電気信号の品質情報の少なくとも一方に基づいて、前記複数の単一モード光に基づく受信信号の一部を選択する付記９に記載した空間光受信方法。

（付記１１）前記信号情報は、信号強度、信号振幅、ノイズ強度、およびノイズ振幅のうちの少なくとも一つを含む付記３に記載した空間光受信装置。

（付記１２）前記品質情報は、信号振幅、ノイズ振幅、Ｑ値、Ｓ／Ｎ比、位相情報、偏波情報、および符号誤り率の少なくとも一つを含む付記３に記載した空間光受信装置。

（付記１３）前記合成部は、再合成された信号の位相整合用の入力バッファ回路を備える付記３に記載した空間光受信装置。

（付記１４）前記制御部は、前記信号選択部を制御することによりモードを選択する際に、所定の閾値を越える光強度を持つ受信信号を選択する手法、光強度が大きい順に選択する手法、モード次数が小さい順に選択する手法、Ｑ値に基づいて選択する手法、位相情報に基づいて選択する手法、偏波情報に基づいて選択する手法、および符号誤り率に基づいて選択する手法、のうち少なくとも一の手法を用いる付記３または４に記載した空間光受信装置。

（付記１５）前記信号選択部は、ｍ本の入力からｎ本を選択して出力する電子回路によるマトリクススイッチであり、ｍとｎは正の整数であって、ｍ≧ｎ≧１の関係にある付記３または４に記載した空間光受信装置。

（付記１６）前記制御部は、前記信号処理部にセレクタ切り替え情報を供給することによって、受信モードの選択と前記受信電気信号の再合成処理を連携させる付記３または４に記載した空間光受信装置。

（付記１７）前記制御部は、前記受信電気信号の遮断や追加情報をセレクタ切り替え情報として前記信号処理部に通知する構成を備え、前記信号処理部における内部エラーのマスク処理および誤り訂正処理の少なくとも一方の最適化を行う付記３または４に記載した空間光受信装置。

（付記１８）前記信号選択部は、入力信号数がｍ本であり出力信号数がｎ本である光マトリクススイッチを備える付記３または４に記載した空間光受信装置。

（付記１９）前記複数の信号処理回路は、前記信号処理回路のトレーニング動作による受信電気信号の再合成処理が中断する期間に、相補的に動作する付記４に記載した空間光受信装置。

（付記２０）前記信号選択部は、低次かつ少数のモードを選択する付記８に記載した空間光受信装置。

（付記２１）前記モード制御部は、伝搬モードを推定し、推定した伝搬モードを用いてモード変換状態を変更した場合を仮定し、前記仮定に基づいてモード変換を行った後のモード強度分布のシミュレーションを行い、仮定したモード変換状態と現状を比較し良否判断の比較により収束判定を行う付記５から８のいずれか一項に記載した空間光受信装置。

（付記２２）前記モードスクランブラは、前記マルチモード伝送媒体を伝搬するモードの全てと結合可能である付記６に記載した空間光受信装置。

（付記２３）前記モードフィルタは、前記モード分離部が分離可能なモードを伝搬する付記７に記載した空間光受信装置。

（付記２４）前記モードフィルタは、前記可変モードスクランブラが備える前記マルチモードファイバのコア径よりも小さいコア径からなるマルチモードファイバである付記７に記載した空間光受信装置。

（付記２５）前記モードフィルタは、高次モードを選択的に拡散させる付記７に記載した空間光受信装置。

（付記２６）前記可変モードスクランブラ、前記モードフィルタ、および前記モード分離部の少なくとも一つは３次元光導波路デバイスを含む付記７に記載した空間光受信装置。

（付記２７）前記モード変換部は、前記可変モードスクランブラの前段にビームスキャナをさらに備え、前記制御部は、前記ビームスキャナの動作を制御する付記６に記載した空間光受信装置。

（付記２８）前記ビームスキャナは、ピエゾ素子、可動レンズ、およびミラーのいずれかを含む付記６に記載した空間光受信装置。

（付記２９）前記ビームスキャナは、音響光学スキャナを備える付記２８に記載した空間光受信装置。

（付記３０）前記ビームスキャナは音響光学スキャナを備え、前記光受信器は局発光源を備えたコヒーレント光受信器であり、前記モード制御部は、前記局発光源に周波数オフセット情報を供給する付記２８に記載した空間光受信装置。

（付記３１）前記周波数オフセット情報は、前記音響光学スキャナによる周波数シフトに関する情報を含む付記３０に記載した空間光受信装置。

（付記３２）前記ビームスキャナは音響光学スキャナを備え、前記光受信器は局発光源を備えたコヒーレント光受信器であり、前記モード制御部は、前記音響光学スキャナにより発生する周波数シフトに関する情報を前記信号処理部に通知し、前記信号処理部は受け取った周波数シフトに関する情報に基づいて前記周波数オフセットを補償する付記２７に記載した空間光受信装置。

１００、２００、２０１、３００、３０１、３０２、４００、５００、６００、７００ 空間光受信装置
１０１ レーザ光
１１０ 集光部
１２０ マルチモード伝送媒体
１２１ コア
１３０ マルチモード信号処理部
１４０ モニタ部
１５０ 制御部
１６０ 信号処理部
２３１ モード分離部
２３２ 単一モード伝送媒体
２３３ 光受信器
２３４ 信号選択部
２５０ 選択制御部
３６１ 第１の信号処理回路
３６２ 第２の信号処理回路
３６３、３６４ 信号処理回路（ＤＳＰ）
３７０ 合成部
４１０、６１０、６２０ モード変換部
４８０、６８０ モード制御部
６１１ 可変モードスクランブラ
６１２ モードフィルタ
６２１、６３１、６４１ ビームスキャナ
６２２ ピエゾ素子
６３２ 空間変調器
６４２ 音響光学スキャナ
６８１、６８２ モニタ手段
７３３ 局発光源

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の一部に基づく複数の受信電気信号を出力するマルチモード信号処理手段と、
   前記マルチモード光に基づく信号情報をモニタするモニタ手段と、
   前記信号情報に基づいて前記マルチモード信号処理手段の動作を制御する制御手段と、
   前記複数の受信電気信号に信号処理を施し、前記複数の受信電気信号を合成した出力信号を出力する信号処理手段、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、
   前記マルチモード信号処理手段は、前記マルチモード光に含まれる低次モード光に基づく複数の受信電気信号を出力する
   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、
   前記マルチモード信号処理手段は、
   前記マルチモード光を複数の単一モード光に分離するモード分離手段と、
   前記複数の単一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単一モード光をそれぞれ受光し復調する複数の光受信手段と、
   前記複数の光受信手段の前段および後段の少なくとも一方に配置した、複数の入力信号の一部を選択して出力する信号選択手段、とを備え、
   前記制御手段は、前記複数の単一モード光の信号情報および前記信号処理手段が算出する前記受信電気信号の品質情報の少なくとも一方に基づいて、前記信号選択手段の動作を制御する
   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、
   合成手段をさらに有し、
   前記信号処理手段は複数の信号処理回路を備え、
   前記合成手段は、前記複数の信号処理回路の出力を合成して前記出力信号を出力する
   空間光受信装置。
5. 請求項１または２に記載した空間光受信装置において、
   前記マルチモード信号処理手段は、
   前記マルチモード光の光エネルギー分布を変換し、光エネルギーが集中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、
   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し復調する複数の光受信手段、とを備え、
   前記制御手段は、前記複数の伝搬モード光の信号情報および前記信号処理手段が算出する前記受信電気信号の品質情報の少なくとも一方に基づいて、前記モード変換手段の動作を制御する
   空間光受信装置。
6. 請求項５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はモードスクランブラを備え、
   前記モードスクランブラは、マルチモード伝送媒体と、前記マルチモード伝送媒体に励起するモードを制御する作動手段を備え、
   前記制御手段は、前記作動手段の動作を制御する
   空間光受信装置。
7. 請求項６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は、前記モード変換手段の出射側にモードフィルタを備える
   空間光受信装置。
8. 請求項５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、
   前記マルチモード信号処理手段は、
   前記複数の光受信手段の前段および後段の少なくとも一方に配置した、複数の入力信号の一部を選択して出力する信号選択手段、をさらに備え、
   前記制御手段は、前記複数の伝搬モード光の信号情報および前記信号処理手段が算出する前記受信電気信号の品質情報の少なくとも一方に基づいて、前記信号選択手段の動作を制御する
   空間光受信装置。
9. 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マルチモード光に変換し、
   前記マルチモード光に基づく信号情報をモニタし、
   前記信号情報に基づいて、前記マルチモード光の一部に基づく複数の受信電気信号を生成し、
   前記複数の受信電気信号を合成する
   空間光受信方法。
10. 請求項９に記載した空間光受信方法において、
    前記マルチモード光を複数の単一モード光に分離し、
    前記複数の単一モード光の信号情報および前記受信電気信号の品質情報の少なくとも一方に基づいて、前記複数の単一モード光に基づく受信信号の一部を選択する
    空間光受信方法。

Images