JP6617716B2 - 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。

大容量な空間光通信（ＦＳＯ）システムを実現するためには、伝送信号のビット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。また、人工衛星などから地上までの超長距離の伝送を行う空間光通信（ＦＳＯ）システムにおいては、信号光は自由空間を伝搬することにより大きく減衰するので、高感度な受信装置が必要である。その際に、光ファイバ通信技術と共通の技術、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。

これまでに、このようなシングルモードファイバ（ＳＭＦ）を用いた技術を応用した空間光通信（ＦＳＯ）システムが開発されている。ここで、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）を用いた技術を応用した空間光通信（ＦＳＯ）システムにおいては、レーザ光をコア径の小さなシングルモードファイバ（ＳＭＦ）に結合させる必要がある。

ここで、人工衛星などからの長距離伝送を行うＦＳＯシステムにおいては、十分な光パワーを集光するために、空間光通信（ＦＳＯ）受信装置は大きな開口径を有する望遠鏡を備える必要がある。この場合、望遠鏡の口径は大気中を伝搬したレーザ光の空間コヒーレンス半径の数倍以上となるため、風など大気の乱れの影響を受けやすくなる。そのため、望遠鏡で集光されたレーザ光のビームスポットの乱れ度合いが大きくなる、という問題があった。

そのとき、ビームスポットの乱れにより光受信器に入射するレーザ光強度が大きく変動するため、安定な通信が困難であるという問題がある。特に、大きな強度変動による強い減衰（フェード）が発生すると受信データのエラーや欠損が生じるため、エラー訂正符号（Ｆｏｒｗａｒｄ Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ：ＦＥＣ）のオーバヘッドが増大し、または再送処理が必要となる。これは、空間光通信（ＦＳＯ）システムの実効スループットの低下を招くことになる。

このように、空間光通信（ＦＳＯ）システムにおいては、大気伝搬中にレーザ光が受ける波面の乱れにより、通信が不安定になるという問題があった。

このような問題を解決する技術が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された関連する空間光通信（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、波長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を用いて、光検出器に入力するために信号光を単一の出力ファイバに集中させる構成としている。

関連する空間光通信（ＦＳＯ）レシーバは、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ている。これにより、ビームスポットの乱れに対しても安定なファイバ結合を実現することとしている。また、コア径をテーパー状にシングルモードファイバ（ＳＭＦ）と同等の径まで細くすることにより、結合したレーザ光をＳＭＦのコアに集中させ、後段においてＳＭＦに適応した光部品との接続が可能な構成としている。

特表２０１３−５３５８７１号公報

上述したように特許文献１には、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を用いた関連するＦＳＯレシーバが記載されている。

ファイバ・バンドルを用いた構成の場合、複数のファイバのコアに結合したレーザ光の総和を取ることにより、フェードを回避することとしている。この構成においては、バンドルされたシングルモードファイバ（ＳＭＦ）の本数に比例して、受光できるレーザ光の分量は増加する。しかし、ファイバのクラッドに照射されたレーザ光はコアに結合されないので損失となる。例えば、ファイバの断面積に占めるコアの面積の割合を考慮すると、レーザ光がコアに照射される期待値は１０％程度にすぎない。そのため、大気の乱れによってビームスポットの状態が変化することに伴う、大きなフェードの発生を低減する効果は小さい。

また、単芯のマルチモードファイバ（Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ：ＭＭＦ）のコア径をテーパー状にＳＭＦの径まで遷移させる構成においても、ＭＭＦに励起された伝搬モードの全てのエネルギーをＳＭＦに無損失で結合することはできない。なぜならば、テーパー部のコア径を縮小する過程において、ＳＭＦを伝搬することができない高次の伝搬モードはクラッドに放射され損失となるからである。そのため、乱れたビームスポットによってＭＭＦに高次伝搬モードが励起されると、ＳＭＦに結合ができずにフェードが発生することになる。

以上の理由により、特許文献１に記載された関連する空間光通信（ＦＳＯ）受信装置においては、安定な受信動作が困難である。

ここで、特許文献１に記載された徐々に細くなっている単一のファイバを用いる構成に替えて、ＭＭＦによるモード多重伝送技術に用いられるモード多重分離技術およびマルチモード光アンプ技術、および信号処理技術を応用する構成とすることも可能である。モード多重分離技術は、ＭＭＦにおける伝搬モードをＳＭＦにおける伝搬モードに多重分離することが可能だからである。

上述したように、安定な空間光受信を実現するためには、大きなコア径のマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を用いる必要がある。しかしながら、ＭＭＦの伝搬モードの個数はコア径の２乗に比例して増加するので、大きなコア径のＭＭＦには非常に多くの伝搬モードが発生することになる。

具体的には、コア径が５０マイクロメートル（μｍ）であるＭＭＦで励起可能な伝搬モードの個数は、約２５０モードにのぼる。集光されたレーザ光は、そのうちの一部の伝搬モードに強度が分割されて結合する。例えば１００モードに均等な強度で分割されると仮定すると、各モードの光信号強度は単一の伝搬モードで伝搬した場合と比較して２０ｄＢだけ劣化する。しかし、そのようなＳ／Ｎ比（ｓｉｇｎａｌ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が２０ｄＢ劣化した信号によって高感度な受信を実現することは非常に困難である。

一方、マルチモード光アンプを用いると、レーザ光がモード分離による過剰損失を受ける前に光増幅を行うことができる。そのため、空間光受信装置を高感度化することが可能である。

このとき、マルチモード光アンプでは、伝搬可能な全てのモードにおいて自然放出光（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ＡＳＥ）雑音が発生する。そのため、コア径が大きなＭＭＦでは、非常に多くの伝搬モードにＡＳＥが分配される。その結果、信号処理回路（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ：ＤＳＰ）に入力される信号のＳ／Ｎ比が劣化するため、高感度な空間光受信が困難となる。

具体的には、コア径が５０マイクロメートル（μｍ）であるＭＭＦを用いた上述の構成例において、励起されなかった残りの１５０モードに対してもマルチモード光アンプから自然放出光（ＡＳＥ）が放出される。このとき、モード毎に分配されるＡＳＥの強度は一定であると仮定すると、モード分離した光信号を受信する全ての光受信器に入射される雑音の総量は、約２０ｄＢも増加することになる。この場合も、Ｓ／Ｎ比が大きく劣化した信号によって高感度な受信を実現することは非常に困難である。

このように、空間光受信装置においては、安定な受信と高感度な受信の両立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、空間光受信装置においては、安定な受信と高感度な受信の両立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入力してマルチモード光を励起し、励起可能なマルチモード光の個数よりも小さい複数個の伝搬モード光を含むマルチモード伝搬光を出力するマルチモード光生成手段と、マルチモード伝搬光を複数の伝搬モード光ごとに分離して出力するモード分離手段、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マルチモード光に変換し、励起可能なマルチモード光の個数よりも小さい複数個の伝搬モード光を含むマルチモード伝搬光を生成し、マルチモード伝搬光を複数の伝搬モード光ごとに分離する。

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、安定な受信と高感度な受信の両立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マルチモード・光ファイバアンプの動作を説明するための図であって、伝搬モードの個数が制限されていない場合の光アンプ出力のモードスペクトル図である。 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マルチモード・光ファイバアンプの動作を説明するための図であって、伝搬モードの個数を制限した場合における入力信号のモードスペクトル図である。 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マルチモード・光ファイバアンプの動作を説明するための図であって、伝搬モードの個数を制限した場合における光アンプ出力のモードスペクトル図である。 本発明の第３の実施形態に係る空間光受信装置による効果を説明するための表図である。 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４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。

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。なお、図面中の矢印の向きは一例を示すものであり、ブロック間の信号の向きを限定するものではない。

〔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、集光手段１１０、マルチモード光生成手段１２０、およびモード分離手段１３０を有する。

集光手段１１０は、空間伝送路を伝搬したレーザ光ｓ１０１を集光する。マルチモード光生成手段１２０は、集光手段１１０が集光したレーザ光ｓ１０１を入力してマルチモード光を励起し、励起可能なマルチモード光の個数よりも小さい複数個の伝搬モード光を含むマルチモード伝搬光を出力する。そして、モード分離手段１３０は、マルチモード伝搬光を複数の伝搬モード光ｓ１３１ごとに分離して出力する。

上述したように、本実施形態の空間光受信装置１００においては、マルチモード光生成手段１２０がレーザ光ｓ１０１を入力してマルチモード光を励起する構成としている。そのため、レーザ光ｓ１０１を入力するマルチモード光生成手段１２０の受光面の面積を大きくすることができる。これにより、レーザ光ｓ１０１のビームスポットに乱れが生じている場合であっても、レーザ光ｓ１０１を安定に受光することが可能になる。このとき、マルチモード光生成手段１２０は、励起可能なマルチモード光の個数よりも小さい複数個の伝搬モード光を含むマルチモード伝搬光を出力する構成としている。これにより、伝搬モード光ｓ１３１ごとの光強度の低下を抑制することができるので、高感度な受信が可能となる。

このように、本実施形態の空間光受信装置１００によれば、安定な受信と高感度な受信の両立を図ることができる。

ここで、集光手段１１０は視野角の狭い望遠鏡を備え、これにより長距離の空間光受信を実現することができる。具体的には例えば、集光手段１１０は視野角が１ミリラジアン（ｍｒａｄ）以下である光学系を備えた構成とすることにより、空間光受信装置１００は１キロメートル（ｋｍ）以上伝搬したレーザ光ｓ１０１を受信することが可能となる。

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する。そして、集光したレーザ光をマルチモード光に変換し、励起可能なマルチモード光の個数よりも小さい複数個の伝搬モード光を含むマルチモード伝搬光を生成する。最後に、マルチモード伝搬光を複数の伝搬モード光ごとに分離する。

このような方法を用いることにより、本実施形態の空間光受信方法によれば、安定な受信と高感度な受信の両立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、集光手段としての集光部２１０、マルチモード光励起手段としてのマルチモード媒体２２１、マルチモード伝送媒体としてのマルチモードファイバ（ＭＭＦ）２２２、およびモード分離手段としてのモード分離部２３１を有する。ここで、マルチモード媒体２２１とマルチモードファイバ（ＭＭＦ）２２２がマルチモード光生成手段を構成する。

空間光受信装置２００はさらに、複数の単一モード伝送媒体２３２、受光手段としての複数の光受信器２３３、信号選択手段としての信号選択部（セレクタ）２４１、および信号処理手段と光電変換手段を含む信号処理部（ＤＳＰ）２４２を有する。

集光部２１０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受けたレーザ光ｓ２０１をマルチモード媒体２２１に集光する。レーザ光ｓ２０１のビームスポットが照射されるマルチモード媒体２２１のコアは、ビームスポットの揺らぎに対して十分に広い面積を有しているので、レーザ光ｓ２０１の安定なファイバ結合を実現することが可能である。

マルチモード光励起手段としてのマルチモード媒体２２１は、第１のモード個数（ｍｉ）のモード光を含むマルチモード光を励起し、第１のモード個数（ｍｉ）よりも小さい第２のモード個数（ｍｏ）であって複数の伝搬モード光を含むマルチモード伝搬光を出力する。

マルチモード伝送媒体としてのマルチモードファイバ（ＭＭＦ）２２２は、第２のモード個数（ｍｏ）以上の個数である第３のモード個数（ｍｆ）の導波モードを有する。そして、マルチモード媒体２２１から出力されたマルチモード伝搬光を安定にモード分離部２３１に導波する。

モード分離部２３１は、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）２２２から入力されるマルチモード伝搬光を複数の単一モード光（伝搬モード光）に分離する。ここで、モード分離部２３１が分離できるモードの個数である第４のモード個数（ｍｄ）は、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）２２２の導波モードの個数である第３のモード個数（ｍｆ）と等しくすることができる。

モード分離部２３１によって分離された単一モード光は、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はマルチモードファイバ（ＭＭＦ）２２２によって導波されるマルチモード伝搬光をｍ（＝ｍｄ）個の単一モードの光信号ｓ２３２に分離し、ｍ本の単一モード伝送媒体２３２にそれぞれ結合して出力する。

モード分離部２３１は例えば、３次元光導波路またはＰｈｏｔｏｎｉｃ Ｌａｎｔｅｒｎなどを用いたモード分離技術を適用することにより構成することができる。また、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。このように、モード分離した単一モード光をシングルモードファイバ（ＳＭＦ）に結合することによって、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を適用することが可能となる。さらに、３次元光導波路またはＰｈｏｔｏｎｉｃ Ｌａｎｔｅｒｎなどは、マルチモード媒体２２１までを一体化して構成することも可能である。

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ｓ２３２をそれぞれ受光し復調する。すなわち、ｍ個の光受信器２３３がモード分離された全ての単一モード光ｓ２３２を光電変換し、受信信号ｓ２３４をそれぞれ出力する。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。

信号選択手段としての信号選択部（セレクタ）２４１は、複数の受光手段（光受信器２３３）がそれぞれ出力する複数の受信信号ｓ２３４から、複数の伝搬モード光に対応する複数の復調信号ｓ２４３だけを選択する。信号選択部（セレクタ）２４１によって選択されたｎ本の復調信号ｓ２４３は、信号処理部２４２に入力される。ここで、選択される復調信号ｓ２４３の本数ｎは、単一モード伝送媒体２３２を導波する単一モード光（伝搬モード光）の本数ｍ以下である。

信号処理部２４２は複数の復調信号ｓ２４３の全てあるいは一部に信号処理を施し、複数の復調信号ｓ２４３を合成した出力信号ｓ２４４を出力する。信号処理部２４２は、典型的にはデジタル信号処理回路（ＤＳＰ）により構成される。

上述したように、空間光受信装置において十分に安定な受信特性を実現するためには、空間光受信装置２００が備えるマルチモード媒体２２１の入射側のコア径を拡大する必要がある。しかし、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）における伝搬モードの個数はコア径の２乗に比例して増大するため、コア径を拡大するとマルチモード媒体２２１に膨大な個数のモードが励起される可能性がある。このとき、多数の高次伝搬モードとの結合が発生すると、単一のモード当たりの光強度は減少する。そのため、光受信器に入力される光信号の光Ｓ／Ｎ比が劣化し、高感度な受信が困難になる。

しかし、本実施形態による空間光受信装置２００においては、マルチモード媒体２２１で励起された伝搬モードの個数を制限する構成としている。そのため、本実施形態の空間光受信装置２００によれば、安定な空間光受信を実現するとともに、光Ｓ／Ｎ比の劣化を回避することができる。

超長距離空間光通信（ＦＳＯ）システムに用いられる空間光通信（ＦＳＯ）受信装置は、視野角が極めて狭い集光光学系を備えているため、受光したレーザ光のビームはマルチモード媒体２２１に対してほぼ垂直に入射することになる。そのため、マルチモード媒体２２１の入射側における最大入射角θｍに近い角度で入射する斜入射ビームを考慮する必要はない。したがって、マルチモード媒体２２１の入射側で励起される伝搬モードは、基底モードに近い比較的少数の伝搬モードだけである。ここで、最大入射角θｍは、開口数をＮＡとすると、θｍ＝ｓｉｎ^−１（ＮＡ）と表わされる。

本実施形態による空間光受信装置２００は、上述した特性を考慮し、マルチモード媒体２２１の出力側の伝搬モードの個数ｍｏが入力側のモードの個数ｍｉよりも小さい複数個からなる構成としている。すなわち、ｍｉ ＞ ｍｏ ＞１、が成り立つ構成である。

また、マルチモード媒体２２１とモード分離部２３１をつなぐマルチモードファイバ（ＭＭＦ）２２２が伝搬可能なモードの個数ｍｆは、モード分離部２３１が分離可能なモードの個数ｍｄと等しいかまたは小さい構成とした。さらに、マルチモード媒体２２１の出力側のコアが伝搬可能なモードの個数も、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）２２２が伝搬可能なモードの個数と等しいかまたは小さい構成としている。

以上の構成をまとめると、次式で表わすことができる。
ｍｉ ＞ ｍｏ ＞１、かつ、ｍｏ ≦ ｍｆ≦ ｍｄ
マルチモード光励起手段としてのマルチモード媒体２２１には、光路となるコア部を備えた光導波路であって、コア部の径が入力側から出力側に向けて縮小しているテーパー構造を備えた光導波路を用いることができる。ここで、光導波路にはマルチモードファイバ（ＭＭＦ）が含まれる。また、マルチモード伝送媒体としてのマルチモードファイバ（ＭＭＦ）２２２として、少数のモードを伝搬するフューモードファイバ（Ｆｅｗ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ：ＦＭＦ）を用いることができる。ここで、ＦＭＦとしては、例えば、３モードから２０モード程度を上限としたモード数のマルチモードファイバを適用することができる。

上述したテーパー型のマルチモード媒体２２１とフューモードファイバ（ＦＭＦ）を用いる構成とした空間光受信装置２００によれば、ビームスポットの乱れが生じた場合であっても、レーザ光とマルチモード媒体２２１との安定な結合を維持することができる。さらに、励起した基底モードに近い少数の伝搬モードだけを選択的に伝搬させ、後段のモード分離部２３１以降においても少数の伝搬モードだけを処理する構成とすることができる。その結果、複数モードの受信により、フェードの発生を回避するとともに、Ｓ／Ｎ劣化の原因となる多数の高次モードの発生を抑制することができる。

すなわち、テーパー型マルチモード媒体２２１とＦＭＦを組み合わせた構成とした空間光受信装置２００によれば、フェードの発生を回避した安定な受信と、高次伝搬モードの発生を抑制しＳ／Ｎ比の劣化を回避することによる高感度な受信との両立が可能となる。さらに、モードの個数の削減により、モード分離部２３１の構成を簡略化し、光受信器２３３の個数を削減することが可能になる。これにより、空間光受信装置２００のコストを低減することができる。

また、空間光受信装置２００は、図２に示したように、マルチモード光生成手段がマルチモード光励起手段としてのマルチモード媒体２２１の前段に、入射するレーザ光ｓ１０１の波面を制御するビーム制御手段２２３を備えた構成とすることができる。

集光部２１０により形成されるビームスポットは平面波ではあるが、集光されてマルチモード媒体２２１に入射すると、高次の伝搬モードが励起されやすい。ビーム制御手段２２３がマルチモード媒体２２１に入射するレーザ光のビームスポットを補正することにより、このような現象を緩和することができる。ビーム制御手段２２３は各種光学素子を用いることにより実現することが可能である。具体的には例えば、凹レンズやスポットサイズ変換素子、セルフォックレンズ、閉じ込めの弱い光ファイバなどを用いることができる。

ビーム制御手段２２３を挿入した構成には、レーザ光のビームスポットに揺らぎが生じている場合に、マルチモード媒体２２１で励起される伝搬モードを安定化させる効果がある。さらに、レーザ光がマルチモードファイバ（ＭＭＦ）２２２を伝搬する間に、ファイバの屈曲や光コネクタを通過することによる高次の伝搬モードとの結合を抑制する効果がある。このように、ビーム制御手段２２３を用いることにより、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）２２２を伝搬している間におけるレーザ光のモード結合を抑制することができる。これにより、レーザ光のエネルギーを低次の伝搬モードに維持することができ、Ｓ／Ｎ比の劣化をさらに抑制することが可能となる。

なお、ビーム制御手段２２３は、レーザ光のビームスポットのサイズを、マルチモード光励起手段としてのマルチモード媒体２２１の入力側のコア部の径と略同一の大きさに変換する構成とすることができる。すなわち、ビーム制御手段２２３を通過した後のレーザ光のビームスポットのサイズは、マルチモード媒体２２１の入射面のコア径と同等のサイズにデフォーカスされている。さらに、ビーム制御手段２２３は、マルチモード媒体２２１の入射面の直前に配置されることが望ましい。その理由は、ビームスポットを小さく絞ってから平面波に補正することにより、集光部２１０の焦点距離を短くすることができるからである。これにより、空間光受信装置２００を小型化することが可能となる。

上述した、ビーム制御手段２２３、テーパー型のマルチモード媒体２２１、およびマルチモードファイバ（ＭＭＦ）２２２としてのＦＭＦとを組み合わせた構成とした空間光受信装置２００によっても、上記と同様の効果が得られる。すなわち、フェードの発生を回避した安定な受信と、高次の伝搬モードの発生を抑制しＳ／Ｎ比の劣化を回避することによる高感度な受信との両立が可能となる。さらに、モードの個数の削減により、モード分離部２３１の構成を簡略化し、光受信器２３３の個数を削減することが可能になる。これにより、空間光受信装置２００のコストを低減することができる。

また、空間光受信装置２００においては、マルチモード媒体２２１で励起されなかった伝搬モードに対しても、光受信器２３３によって受信信号ｓ２３４が生成される。この無信号の受信信号ｓ２３４は、信号処理部（ＤＳＰ）２４２に入力されても出力信号ｓ２４４の合成には寄与しないばかりか、反対に雑音を増加させるデメリットがある。

しかし、本実施形態による空間光受信装置２００は信号選択部（セレクタ）２４１を備え、信号選択部（セレクタ）２４１が励起されなかったモードに対応する受信信号ｓ２３４を遮断する構成としている。これにより、信号処理部（ＤＳＰ）２４２に入力する信号数を削減することができ、上記デメリットの発生を回避することができる。

上述したように、本実施形態による空間光受信装置２００は、テーパー構造によるマルチモード媒体２２１と信号選択部（セレクタ）２４１を備えた構成としている。このような構成としたことにより、二重のモード数削減効果が得られ、安定な受信と高感度な受信の両立を図ることができる。さらに、空間光受信装置２００に波長多重分離機能を付加した構成とすることにより、大容量化を図ることが可能である。

〔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３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、マルチモード伝送媒体としてのマルチモードファイバ（ＭＭＦ）３２２と光学的に接続する光アンプを備えた構成とした。光アンプは、典型的にはマルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）３３４とすることができる。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。

光ファイバ通信においては、高感度な光受信を実現するために、光アンプ技術が適用されている。この場合、特に良好なＳ／Ｎ比で光受信するには、光アンプを受信器の上流側に配置して光増幅することが望ましい。本実施形態による空間光受信装置３００においても、マルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）３３４が、モード分離部３３１よりも前段側に位置し、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）３２２と光学的に接続した構成とすることが望ましい。

ここで、マルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）は、ＭＭＦが伝搬可能な全ての伝搬モードに対して自然放出光（ＡＳＥ）雑音を発生する。そのため、伝搬モードの個数が多いＭＭＦＡを用いると、光信号のＳ／Ｎ比が劣化する。空間光受信装置３００において光信号のＳ／Ｎ比が劣化すると、信号処理部（ＤＳＰ）３４２に入力される復調信号ｓ３４３の総Ｓ／Ｎ比が劣化するため、高感度な受信が困難になる。

しかし、本実施形態による空間光受信装置３００は、マルチモード媒体３２１で励起される伝搬モードの個数を制限し、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）３２２を伝搬させた後にマルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）３３４を適用する構成としている。すなわち、制限された個数の伝搬モードだけを増幅する構成としているので、不要なモードへの自然放出光（ＡＳＥ）雑音の発生を制限し、光信号のＳ／Ｎ比の劣化を防止することが可能となる。

上述したように、光アンプは典型的にはマルチモード型の光ファイバアンプであるが、これに限らず導波路型光アンプを用いることも可能である。

また、光アンプは第５のモード個数（ｍａ）の導波モードを有する構成とすることができる。ここで第５のモード個数（ｍａ）は、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）３２２の導波モードの個数である第３のモード個数（ｍｆ）以上であって、モード分離部３３１が分離できるモードの個数である第４のモード個数（ｍｄ）以下の個数である。すなわち、次式が成り立つ構成とすることができる。
ｍｉ ＞ ｍｏ ＞１、かつ、ｍｏ ≦ ｍｆ ≦ ｍａ ≦ ｍｄ
上式中、「ｍｉ」はマルチモード媒体３２１の入力側のモードの個数であり、「ｍｏ」は出力側の伝搬モードの個数である。

上述したように、本実施形態による空間光受信装置３００は、マルチモード媒体３２１と、導波モードの個数を制限したマルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）３３４を有する構成としている。このような構成としたことにより、信号処理部（ＤＳＰ）３４２に入力される復調信号ｓ３４３の総Ｓ／Ｎ比の劣化を防止することができるので、安定な受信と高感度な受信の両立を図ることができる。さらに、不要な伝搬モードへの自然放出光（ＡＳＥ）雑音の放出が回避できるので、マルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）３３４の効率を改善することができる。これにより、空間光受信装置３００の低消費電力化および小型化が可能となる。

空間光受信装置３００は、図３に示したように、光アンプが入力側および出力側にモード形状を変換するモードフィールド変換部３３５を備えた構成とすることができる。これにより、光アンプとしてのマルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）３３４の両端において、光学的損失が発生することを回避することができる。その理由を以下に説明する。

光増幅媒体を添加した光ファイバアンプは、添加物を含まない標準的な光ファイバと比べてコア領域の屈折率が増大する。そのため、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）３２２とマルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）３３４のコア径が等しい場合、ＭＭＦＡ３３４におけるモードの個数が大きくなる。これにより、不要なモードに自然放出光（ＡＳＥ）雑音が放出され、光Ｓ／Ｎ比が劣化する。

このような光Ｓ／Ｎ比の劣化を回避するために、ＭＭＦＡ３３４とマルチモードファイバ（ＭＭＦ）３２２およびモード分離部３３１における伝搬可能なモードの個数を等しくする必要がある。そうすると、ＭＭＦＡ３３４のファイバコア径は、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）３２２およびモード分離部３３１の入力部に比べて細くなる。コア径が異なるとモードフィールドのミスマッチが生じ、ＭＭＦＡ３３４の両端で光学的損失が発生することになる。

しかし、本実施形態による空間光受信装置３００は、上述したように、マルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）３３４が入力側および出力側にモードフィールド変換部３３５を備えた構成としている。これにより、ＭＭＦＡ３３４の両端において光学的損失が発生することを回避することができる。モードフィールド変換部３３５は、典型的には、コア拡散（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ−ｄｉｆｆｕｓｅｄ Ｅｘｐａｎｄｅｄ Ｃｏｒｅ：ＴＥＣ）ファイバなどのテーパー型ファイバである。これに限らず、レンズ光学系によりモードフィールド変換部３３５を構成することも可能である。

次に、本実施形態の空間光受信装置３００が備える信号選択部（セレクタ）３４１の動作について説明する。

空間光受信装置３００において、受信したレーザ光ｓ３０１によってマルチモード媒体３２１の伝搬モードの一部が励振されるが、必ずしも全ての伝搬モードに信号光が励振されるとは限らない。それに対して、ＭＭＦＡ３３４は信号光が励振されなかった伝搬モードに対しても自然放出光（ＡＳＥ）を出力する。このとき、信号光が励振されず自然放出光（ＡＳＥ）だけを含む受信信号ｓ３３４、または自然放出光（ＡＳＥ）が重畳されたことによりＳ／Ｎ比が劣化した受信信号ｓ３３４が、信号処理部（ＤＳＰ）３４２に入力するのを遮断する構成とする。これにより、信号処理部（ＤＳＰ）３４２に入力する復調信号ｓ３４３の総Ｓ／Ｎ比を良好に保つことが可能となる。

ここで、本実施形態による空間光受信装置３００が備える信号選択部（セレクタ）３４１は、ｍ本の受信信号ｓ３３４のうちＳ／Ｎ比が十分に大きい信号だけを選択して信号処理部（ＤＳＰ）３４２に供給するように動作する。これにより、信号処理部（ＤＳＰ）３４２に入力されるノイズ成分を低減することができ、信号処理部（ＤＳＰ）３４２に入力される復調信号ｓ３４３の総Ｓ／Ｎ比を改善することができる。

上述したように、本実施形態による空間光受信装置３００は、マルチモード媒体３２１、マルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）３３４、および信号選択部（セレクタ）３４１を備えた構成としている。このような構成としたことにより、安定な受信と高感度な受信の両立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３００が備えるマルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）３３４の動作について説明する。

図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃは、マルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）の動作を説明するための図であって、各モードの信号スペクトルを模式的に示した図である。各図中の横軸は概念的なモードであり、左側が低次モード、右側が高次モードである。各図中の縦軸は信号強度であり、各棒線が励起された伝搬モードの信号強度を示している。

図４Ａは、非常に多数の伝搬モードを有するマルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）の出力のモードスペクトル図である。受信したレーザ光のパワーが多数のモードに分散し、斜線部で示した自然放出光（ＡＳＥ）が重畳された状態を示している。この場合には、良好なＳ／Ｎ比は得られない。

図４Ｂは、伝搬モードをｍ個に制限した本実施形態で用いるマルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）３３４の入力信号のモード分布を模式的に示した図である。モード２の光強度が最も強く、次に比較的高次のモードｋが強く励起されていることがわかる。一方、モード４は光強度が弱く、最高次のモードｍは非常に弱い励起であることを示している。

図４Ｃは、本実施形態で用いたマルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）３３４の出力信号のモード分布を模式的に示す図である。同図中、斜め右下がりの破線は各モードに対するマルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）３３４の利得分布を、斜線部は自然放出光（ＡＳＥ）の強度を示している。同図に示すように、このＭＭＦＡ３３４は高次モードの利得が低くなる特性を有している。

図４Ｃから、入力時の光強度が弱いモード４とモードｍにおいては、信号が雑音に完全に埋もれていることがわかる。このようなＳ／Ｎ比が劣化したモードの信号が信号処理部（ＤＳＰ）３４２に入力すると、合成される出力信号ｓ３４４のＳ／Ｎ比の劣化をもたらすことになる。また、利得が小さい領域のモードｋは、出力信号ｓ３４４の生成には適さないレベルにまでＳ／Ｎ比が劣化していることがわかる。

このような場合において、出力信号ｓ３４４のＳ／Ｎ比の劣化を回避するためには、十分良好なＳ／Ｎ比を有するモード１、モード２、およびモード３の信号だけを選択し、Ｓ／Ｎ比が劣化したモード４からモードｋ、およびモードｍにいたる信号を遮断する必要がある。

このとき、本実施形態による空間光受信装置３００が備える信号選択部（セレクタ）３４１は、十分良好なＳ／Ｎ比を有するモードの信号だけを選択して信号処理部（ＤＳＰ）３４２に入力するように動作する。これにより、空間光受信装置３００の高感度化を図ることができる。

次に、本実施形態による効果について説明する。

図５に、空間光受信装置の４種類の構成と各特性を示す。同図の１行目に、レーザ光をシングルモードファイバ（ＳＭＦ）に直接結合する構成とした基準構成を示す。２行目と３行目に、特許文献１に記載された関連する空間光受信装置の構成を示す。２行目はバンドルファイバを用いた構成であり、３行目は単芯のＭＭＦをテーパー状にＳＭＦに変換する構成である。４行目に本実施形態による空間光受信装置３００の構成を示す。なお同図中、「ＦＡ」はファイバアンプ（Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を、「ＦＭＦ」は少数のモードを伝搬するフューモードファイバ（Ｆｅｗ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）をそれぞれ示す。また、「ＦＭ−ＥＤＦＡ」はエルビウム（Ｅｒ）を添加したフューモード光ファイバを利用する光ファイバアンプ（Ｆｅｗ−Ｍｏｄｅ Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）をそれぞれ示す。

各空間光受信装置の性能評価は、受信できる信号量の総和と光アンプによって重畳されるノイズの総量からＳ／Ｎ比を概算し、得られた値を概念的な受信情報量として行った。ここでは、図５の１行目に示した基準構成を基準として比較評価した。

信号量（Ｓ）は、レーザ光が照射されるファイバコアの面積と、ＳＭＦへの変換効率から算出した。ここで、信号量（Ｓ）は集光されたビームスポットが照射されるファイバ端面のコア面積に比例することとし、コア面積はＳＭＦを１とした。具体的には例えば、コア径が１０マイクロメートル（μｍ）のＳＭＦに対して２５倍のコア面積を持つコア径が５０μｍであるＭＭＦは、ランダムに移動するビームスポットに対して２５倍のレーザ光を結合することが可能であるとした。なお、バンドルファイバのコア面積率は１０％と仮定している。

レーザ光をＳＭＦへ変換する効率は、３行目の構成で用いるテーパー型ファイバによる場合、１０％とした。それに対して４行目に記載した本実施形態による空間光受信装置３００におけるモード分離によってＳＭＦへ変換する構成では、原理的に無損失でＳＭＦに変換可能であるとしている。また、その他の各光部品による過剰損失は無視できるものとした。

光アンプの利得は、全ての構成に対して等しいものと仮定している。また、光アンプが放出するＡＳＥは、１モード当たり同じ強度であるとした。本実施形態による空間光受信装置３００（同図４行目）が備えるマルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）３３４が伝搬可能なモード数は１５モードとした。

空間光受信装置の性能評価の尺度とした受信情報量は、上述した設定から求めた信号量の総和と雑音の総和の比である。異なるモードの雑音は無相関であるので、雑音の総量は二乗和の平方根、すなわちＲＭＳ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）加算により算出した。

上述した仮定のもとに算出した各空間光受信装置の受信可能な情報量を図５の右欄に示す。基準構成（１行目）に対して、特許文献１に記載された構成（３行目）では２．５倍の情報量であるのに対して、本実施形態の構成（４行目）では６．５倍の情報量の受信が可能であることがわかる。

これより、本実施形態の空間光受信装置３００によれば、特許文献１に記載された空間光受信装置と比べて、同じ強度のフェードに対して２．６倍（＝６．５／２．５）の安定性が得られることがわかる。

〔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。

本実施形態による空間光受信装置４００は、第３の実施形態による空間光受信装置３００の構成に加えて、適応光学制御手段としての適応光学システム（ＡＯ）４１３をさらに備えた構成とした。適応光学システム（ＡＯ）４１３は、マルチモード光励起手段としてのマルチモード媒体４２１の前段に位置し、レーザ光ｓ４０１の波面を適応的に制御する。

そして、制御部４５０（制御手段）が、適応光学システム（ＡＯ）４１３、光アンプとしてのマルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）４３４、および信号選択手段としての信号選択部（セレクタ）４４１の少なくとも一を制御する構成とした。このとき制御部４５０は、適応光学システム（ＡＯ）４１３、光受信器４３３、および信号処理部（ＤＳＰ）４４２の少なくとも一から取得した信号情報に基づいて上述の制御を行うこととした。

ここで、マルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）４３４は、利得のモード分布を制御する制御信号を入力する制御信号端子を備えた構成とすることができる。また、適応光学システム（ＡＯ）４１３は、波面状態を設定する制御信号を入力する制御信号端子を備えた構成とすることができる。

他の構成は第３の実施形態による空間光受信装置３００と同様であるから、それらの詳細な説明は省略する。

適応光学システム（ＡＯ）４１３は、典型的には、デフォーマブルミラー（Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ Ｍｉｒｒｏｒ：ＤＭ）または空間変調器（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＳＬＭ）、シャックハルトマン型光検出器（Ｓｈａｃｋ Ｈａｒｔｍａｎｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＳＨＤ）、および波面補償制御部などから構成される。適応光学システム（ＡＯ）４１３は、大気伝搬で乱されたレーザビームの波面を補正し、理想的には、マルチモード媒体４２１の入射面に照射されるレーザ光のビームスポットが点像になるように動作する。なお、適応光学システム（ＡＯ）４１３は、ビーム制御手段４２３の機能を備えた構成とすることもできる。

制御部４５０は、電子回路またはプログラムで動作するコンピュータから構成され、空間光受信装置４００を構成する複数の機能ブロックの制御を行う。

次に、制御部４５０の動作について、さらに詳細に説明する。

制御部４５０は適応光学システム（ＡＯ）４１３に、例えば波面制御の目標とする波面状態を設定することができる。具体的には例えば、マルチモード媒体４２１で励起される伝搬モードが低次モード側になるように波面状態を設定することができる。また、信号のＳ／Ｎ比の劣化を回避するために、励起モード数が最小となる波面状態になるように適応光学システム（ＡＯ）４１３を動作させることも可能である。

このとき、制御部４５０は光受信器４３３から得られる単一モード信号ｓ４３２の強度をそれぞれモニタすることによって、マルチモード媒体４２１における伝搬モードの励起状態を検出することができる。また、信号処理部（ＤＳＰ）４４２における信号処理過程で得られる信号の品質情報を参照して制御することも可能である。

このように、制御部４５０が適応光学システム（ＡＯ）４１３を制御することによって、マルチモード媒体４２１で励起される伝搬モードを削減し、光信号のＳ／Ｎ比の劣化を回避することが可能である。これにより、空間光受信装置４００の高感度化を図ることができる。

また、制御部４５０はマルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）４３４の利得のモード分布を制御することもできる。具体的には例えば、マルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）４３４の低次側と高次側のモードの利得の比率を制御することにより、不要なモードへの自然放出光（ＡＳＥ）出力を抑制することができる。これにより、光信号のＳ／Ｎ比の劣化を回避するようにマルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）４３４を動作させることが可能である。このとき、制御部４５０は信号処理部（ＤＳＰ）４４２の信号処理過程で得られる信号の品質情報を参照して制御することができる。

これに限らず、制御部４５０は適応光学システム（ＡＯ）４１３を構成するシャックハルトマン型光検出器（ＳＨＤ）によってモニタした波面情報から、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）４２２を伝搬する信号光のモードを推定することができる。そして制御部４５０は、ここで推定した伝搬モードに基づいて、マルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）４３４の利得のモード分布をフィードフォワード制御することも可能である。これにより、マルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）４３４で増幅された光信号のＳ／Ｎ比の劣化を回避することが可能となる。その結果、空間光受信装置４００の高感度化を図ることができる。

さらに制御部４５０は、例えば十分良好なＳ／Ｎ比の受信信号ｓ４３４だけを選択するように信号選択部（セレクタ）４４１を制御することも可能である。具体的には例えば、まず、光受信器４３３が単一モード信号ｓ４３２の強度をモニタする。そして、制御部４５０はそのモニタ情報に基づいて、受信信号ｓ４３４から十分良好なＳ／Ｎ比を有する受信信号だけを選択し復調信号ｓ４４３として出力するように、信号選択部（セレクタ）４４１を制御することも可能である。

これに限らず、制御部４５０は適応光学システム（ＡＯ）４１３を構成するシャックハルトマン型光検出器（ＳＨＤ）によってモニタした波面情報から、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）４２２を伝搬する信号光のモードを推定することができる。そして制御部４５０は、ここで推定した伝搬モードに基づいて、信号選択部（セレクタ）４４１の選択状態を制御することも可能である。

さらに、制御部４５０は記憶手段を備えた構成とすることができる。この記憶手段を用いて、シャックハルトマン型光検出器（ＳＨＤ）によってモニタした波面情報と、マルチモード媒体４２１で励起される伝搬モードとの関係を学習することにより、マルチモード媒体４２１において励起されるモードを推定することが可能となる。

このように、制御部４５０が、推定した励起モードに基づいて信号選択部（セレクタ）４４１をフィードフォワード制御することによって、Ｓ／Ｎ比が良好な復調信号ｓ４４３を高速に選択することが可能となる。これにより、空間光受信装置４００の高感度化を図ることができる。

次に、モード毎の信号品質をモニタする構成の一例を詳細に説明する。

図７に示すように、本実施形態による空間光受信装置４００は、受信信号選択手段としての受信信号選択部（第２セレクタ）４４５と、受信信号モニタ手段としての受信信号モニタ部４４６をさらに備えた構成とすることができる。

受信信号選択部（第２セレクタ）４４５は、複数の受信信号ｓ４３４から一の受信信号を選択する。すなわち、ｍ個の光受信器４３３が出力する受信信号ｓ４３４から任意の１つの信号を選択する。

受信信号モニタ部４４６は、受信信号選択部（第２セレクタ）４４５が選択した一の受信信号の信号品質をモニタした結果を信号情報として制御部４５０に出力する。具体的には、受信信号モニタ部４４６は１つの受信信号をモニタし、その信号強度と雑音強度を弁別して算出したＳ／Ｎ比ｓ４４７を信号情報として制御部４５０に出力する。制御部４５０は受信信号モニタ部４４６から取得したＳ／Ｎ比ｓ４４７を用いて、上述した適応光学システム（ＡＯ）４１３、マルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）４３４、および信号選択部（セレクタ）４４１の制御を行うことが可能である。付随的な効果として、適応光学システム（ＡＯ）４１３の制御信号を、シャックハルトマン型光検出器（ＳＨＤ）に代わって、受信信号モニタ部４４６から取得したＳ／Ｎ比ｓ４４７を用いて生成することができる。これにより、波面誤差の検出の高感度化と高速化が期待できる。

なお、受信信号選択部（第２セレクタ）４４５は例えば、１番目からｍ番目の受信信号を一定の時間間隔で順番にモニタすることにより、一の受信信号を選択することとしてもよい。

また、受信信号選択部（第２セレクタ）４４５、受信信号モニタ部４４６、および信号選択部（セレクタ）４４１の一部または全部を、信号処理部（ＤＳＰ）４４２と一体として１個のＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）に集積化することが可能である。この場合、受信信号選択部（第２セレクタ）４４５は信号選択部（セレクタ）４４１の一部として構成することができる。また、受信信号モニタ部４４６は信号処理部（ＤＳＰ）４４２が備える機能の一部を用いる構成とすることができる。

このように、制御部４５０は受信信号のＳ／Ｎ比をモニタすることによって、適応光学システム（ＡＯ）４１３、マルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）４３４、および信号選択部（セレクタ）４４１の制御を行うことができる。これにより、空間光受信装置４００の高感度化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８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。

本実施形態による空間光受信装置５００は、第４の実施形態による空間光受信装置４００の構成に加えて、偏波変換手段としての偏波変換部５１５と偏波制御手段としての偏波制御部５５４をさらに備えた構成とした。ここで、複数の光受信器５３３の少なくとも一は、受光した光信号の偏波状態を検出することができる両偏波光受信器５３３Ａとした。その他の構成は第４の実施形態による空間光受信装置４００と同様であるから、それらの詳細な説明は省略する。

偏波変換部５１５は、レーザ光ｓ５０１の偏波状態を任意の状態に変換する機能を有し、例えば偏波コントローラを用いて構成することができる。また、偏波変換部５１５は、偏波状態を設定する制御信号を入力する制御信号端子を備えた構成とすることができる。

両偏波光受信器５３３Ａは、単一モード信号ｓ５３２の偏波状態を検出することができる光受信器である。両偏波光受信器５３３Ａは典型的には、直交する偏波のＨ軸とＶ軸を分離して受信可能なコヒーレント光受信器を用いて構成することができる。両偏波光受信器５３３Ａは、図８に示した構成では、ｍ個の光受信器５３３のうち少なくとも１個からなる。その他の光受信器５３３は片偏波のみを受信する構成であってもよい。

偏波制御部５５４は、両偏波光受信器５３３Ａが検出した単一モード光（伝搬モード光）の偏波状態に基づいて偏波変換部５１５を制御する。具体的には、偏波制御部５５４は両偏波光受信器５３３Ａが受信するＨ軸とＶ軸の信号強度をモニタし、そのモニタ結果に基づいて偏波変換部５１５を制御する。これにより、レーザ光ｓ５０１の偏波をあらかじめ定められた偏波状態に維持することができる。偏波制御部５５４は典型的には、片偏波の光受信器５３３が受信するのに適した直線偏波状態となるようにレーザ光ｓ５０１の偏波を制御する。

上述の構成は、片偏波のレーザ光が自由空間中を伝搬する構成とした空間光通信（ＦＳＯ）システムを想定したものである。この場合、レーザ光が乱れた大気を伝搬する過程においてレーザ光の偏波が回転すると、光受信器５３３に入力されるレーザ光の偏波は、送信側における直線偏波ではなく楕円偏波となる。楕円偏波となった単一モード信号ｓ５３２を両偏波光受信器５３３Ａによって復調すると、受信した光のエネルギーが２つの偏波に分散する。そのため、受信信号ｓ５３４の１偏波当たりのＳ／Ｎ比は劣化することになる。

しかし、本実施形態による空間光受信装置５００は、両偏波光受信器５３３Ａによって偏波状態をモニタし、モニタした偏波状態に基づいて偏波制御部５５４が偏波変換部５１５をフィードバック制御する構成としている。このような構成としたことにより、片偏波の光受信器５３３に入力する光信号（単一モード信号ｓ５３２）の偏波を直線偏波に維持することができ、受信信号ｓ５３４のＳ／Ｎ比の劣化を抑制することができる。

このように、レーザ光ｓ５０１の偏波状態をフィードバック制御することによって、受信信号ｓ５３４のＳ／Ｎ比の劣化を抑制することができる。これにより、空間光受信装置５００の高感度化を図ることができる。

ここで、全ての光信号（単一モード信号ｓ５３２）を両偏波光受信器５３３Ａによって受信する構成とすると、片偏波受信の構成に比べて光受信器５３３の受光素子の個数が２倍となる。さらに、信号処理部（ＤＳＰ）５４２に入力される復調信号ｓ５４３も２倍になる。そのため、信号処理部（ＤＳＰ）５４２の回路規模が増大し、空間光受信装置のコストが増大することになる。

しかし、本実施形態による空間光受信装置５００によれば、少なくとも１個の両偏波光受信器５３３Ａと偏波変換部５１５によって、レーザ光ｓ５０１の偏波を直線偏波に補正することができる。このような構成としたことにより、上述のコスト増大要因の発生を回避することができるので、空間光受信装置５００のコストを削減することができる。

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１２月１日に出願された日本出願特願２０１４−２４３１４８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手段と、前記集光手段が集光したレーザ光を入力してマルチモード光を励起し、励起可能なマルチモード光の個数よりも小さい複数個の伝搬モード光を含むマルチモード伝搬光を出力するマルチモード光生成手段と、前記マルチモード伝搬光を前記複数の伝搬モード光ごとに分離して出力するモード分離手段、とを有する空間光受信装置。

（付記２）前記マルチモード光生成手段は、第１のモード個数のモード光を含む前記マルチモード光を励起し、前記第１のモード個数よりも小さい第２のモード個数であって複数の伝搬モード光を含む前記マルチモード伝搬光を出力するマルチモード光励起手段と、前記第２のモード個数以上の個数である第３のモード個数の導波モードを有し、前記マルチモード伝搬光を導波するマルチモード伝送媒体、を備え、前記モード分離手段が分離できるモードの個数である第４のモード個数が、前記第３のモード個数以上である付記１に記載した空間光受信装置。

（付記３）前記マルチモード光励起手段は、光路となるコア部を備えた光導波路であり、前記コア部は、前記コア部の径が入力側から出力側に向けて縮小しているテーパー構造である付記２に記載した空間光受信装置。

（付記４）前記マルチモード光生成手段は、前記マルチモード光励起手段の前段に、前記レーザ光の波面を制御するビーム制御手段を備える付記２または３に記載した空間光受信装置。

（付記５）前記マルチモード光生成手段は、前記マルチモード伝送媒体と光学的に接続する光アンプを備え、前記光アンプは、前記第３のモード個数以上であって前記第４のモード個数以下の個数である第５のモード個数の導波モードを有する付記２から４のいずれか一項に記載した空間光受信装置。

（付記６）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、前記複数の受光手段がそれぞれ出力する複数の受信信号から、前記複数の伝搬モード光に対応する複数の復調信号だけを選択する信号選択手段と、前記複数の復調信号を合成した出力信号を出力する信号処理手段、とを有する付記２から５のいずれか一項に記載した空間光受信装置。

（付記７）前記マルチモード伝送媒体が出力するモードの個数、および前記光アンプが伝搬増幅可能なモードの個数の少なくとも一方は、３個以上、かつ２０個以下である 付記５に記載した空間光受信装置。

（付記８）制御手段をさらに有し、前記マルチモード光生成手段は、前記マルチモード伝送媒体と光学的に接続する光アンプと、前記マルチモード光励起手段の前段に前記レーザ光の波面を適応的に制御する適応光学制御手段、とを備え、前記制御手段は、前記適応光学制御手段、前記受光手段、および前記信号処理手段の少なくとも一から取得した信号情報に基づいて、前記適応光学制御手段、前記光アンプ、および前記信号選択手段の少なくとも一を制御する付記６に記載した空間光受信装置。

（付記９）前記複数の受信信号から一の受信信号を選択する受信信号選択手段と、
前記一の受信信号の信号品質をモニタした結果を前記信号情報として前記制御部に出力する受信信号モニタ手段、とを有する付記８に記載した空間光受信装置。

（付記１０）前記マルチモード光生成手段は、前記レーザ光の偏波状態を変換する偏波変換手段を備え、前記複数の受光手段の少なくとも一は、受光した光信号の偏波状態を検出することができる両偏波光受信器であり、前記両偏波光受信器が検出した前記伝搬モード光の偏波状態に基づいて、前記偏波変換手段を制御する偏波制御手段、を有する付記６に記載した空間光受信装置。

（付記１１）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、励起可能なマルチモード光の個数よりも小さい複数個の伝搬モード光を含むマルチモード伝搬光を生成し、前記マルチモード伝搬光を前記複数の伝搬モード光ごとに分離する空間光受信方法。

（付記１２）前記光アンプは、入力側および出力側にモード形状を変換するモードフィールド変換部を備える付記５に記載した空間光受信装置。

（付記１３）前記集光手段は、視野角が１ミリラジアン以下である光学系を備える付記１から１２のいずれか一項に記載した空間光受信装置。

（付記１４）前記マルチモード光励起手段は、光路となるコア部を備えた光導波路であり、前記コア部は、前記コア部の径が入力側から出力側に向けて縮小しているテーパー構造であり、前記ビーム制御手段は、前記レーザ光のビームスポットのサイズを、前記マルチモード光励起手段の入力側の前記コア部の径と略同一の大きさに変換する付記４に記載した空間光受信装置。

（付記１５）前記光アンプは、前記光アンプの利得のモード分布を制御する制御信号を入力する制御信号端子を備える付記５に記載した空間光受信装置。

（付記１６）前記マルチモード光生成手段は、前記レーザ光の波面を適応的に制御する適応光学制御手段を備え、前記適応光学制御手段は、波面状態を設定する制御信号を入力する制御信号端子を備える付記１から５のいずれか一項に記載した空間光受信装置。

（付記１７）前記マルチモード光生成手段は、前記レーザ光の偏波状態を変換する偏波変換手段を備え、前記偏波変換手段は、偏波状態を設定する制御信号を入力する制御信号端子を備える付記１から５のいずれか一項に記載した空間光受信装置。

１００、２００、３００ 空間光受信装置
１１０ 集光手段
１２０ マルチモード光生成手段
１３０ モード分離手段
２１０、３１０、４１０、５１０ 集光部
２２１、３２１、４２１、５２１ マルチモード媒体
２２２、３２２、４２２、５２２ マルチモードファイバ（ＭＭＦ）
２２３、３２３、４２３、５２３ ビーム制御手段
２３１、３３１、４３１、５３１ モード分離部
２３２、３３２、４３２、５３２ 単一モード伝送媒体
２３３、３３３、４３３、５３３ 光受信器
２４１、３４１、４４１、５４１ 信号選択部（セレクタ）
２４２、３４２、４４２、５４２ 信号処理部（ＤＳＰ）
３３４、４３４、５３４ マルチモード・光ファイバアンプ（ＭＭＦＡ）
３３５ モードフィールド変換部
４１３ 適応光学システム（ＡＯ）
４４５ 受信信号選択部（第２セレクタ）
４４６ 受信信号モニタ部
４５０ 制御部
５１５ 偏波変換部
５５４ 偏波制御部
５３３Ａ 両偏波光受信器

Claims (8)

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入力してマルチモード光を励起し、励起可能なマルチモード光の個数よりも小さい複数個の伝搬モード光を含むマルチモード伝搬光を出力するマルチモード光生成手段と、
   前記マルチモード伝搬光を前記複数の伝搬モード光ごとに分離して出力するモード分離手段、とを有し、
   前記マルチモード光生成手段は、
   光路となるコア部を備えた光導波路であり、前記コア部は、前記コア部の径が入力側から出力側に向けて縮小しているテーパー構造であるマルチモード光励起手段と、
   前記マルチモード伝搬光を導波するマルチモード伝送媒体、を備える
   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、
   前記マルチモード光励起手段は、第１のモード個数のモード光を含む前記マルチモード光を励起し、前記第１のモード個数よりも小さい第２のモード個数であって複数の伝搬モード光を含む前記マルチモード伝搬光を出力し、
   前記マルチモード伝送媒体は、前記第２のモード個数以上の個数である第３のモード個数の導波モードを有し、
   前記モード分離手段が分離できるモードの個数である第４のモード個数が、前記第３のモード個数以上である
   空間光受信装置。
3. 請求項２に記載した空間光受信装置において、
   前記マルチモード光生成手段は、前記マルチモード光励起手段の前段に、前記レーザ光の波面を制御するビーム制御手段を備える
   空間光受信装置。
4. 請求項２または３に記載した空間光受信装置において、
   前記マルチモード光生成手段は、前記マルチモード伝送媒体と光学的に接続する光アンプを備え、
   前記光アンプは、前記第３のモード個数以上であって前記第４のモード個数以下の個数である第５のモード個数の導波モードを有する
   空間光受信装置。
5. 請求項２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、
   前記複数の受光手段がそれぞれ出力する複数の受信信号から、前記複数の伝搬モード光に対応する複数の復調信号だけを選択する信号選択手段と、
   前記複数の復調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。
6. 請求項４に記載した空間光受信装置において、
   前記マルチモード伝送媒体が出力するモードの個数、および前記光アンプが伝搬増幅可能なモードの個数の少なくとも一方は、３個以上、かつ２０個以下である
   空間光受信装置。
7. 請求項５に記載した空間光受信装置において、
   制御手段をさらに有し、
   前記マルチモード光生成手段は、前記マルチモード伝送媒体と光学的に接続する光アンプと、前記マルチモード光励起手段の前段に前記レーザ光の波面を適応的に制御する適応光学制御手段、とを備え、
   前記制御手段は、前記適応光学制御手段、前記受光手段、および前記信号処理手段の少なくとも一から取得した信号情報に基づいて、前記適応光学制御手段、前記光アンプ、および前記信号選択手段の少なくとも一を制御する
   空間光受信装置。
8. 請求項７に記載した空間光受信装置において、
   前記複数の受信信号から一の受信信号を選択する受信信号選択手段と、
   前記一の受信信号の信号品質をモニタした結果を前記信号情報として前記制御部に出力する受信信号モニタ手段、とを有する
   空間光受信装置。

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