JP7243811B2

JP7243811B2 - 光空間通信の受信装置、光空間通信システム、及び光空間通信装置の制御方法

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Publication number: JP7243811B2
Application number: JP2021507118A
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Inventors: 学有川; 俊治伊東
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Description

本発明は、光空間通信の受信装置、光空間通信システム、及び光空間通信装置の制御方法に関し、特に空間的に特徴の異なる複数のモードでのダイバーシティ受信に関する。

近年、人工衛星を使用して、地上広域のリモートセンシングや、地上通信網の整備されていない環境への通信の提供などを行う試みに期待が集まっており、それに伴い人工衛星と地上とを結ぶ大容量通信リンクの重要性が高まっている。これまで用いられるマイクロ波通信では、帯域利用の法的・物理的な制約が大きく、この容量増大に応えるには限界がある。そこで、帯域制約が事実上なく、大容量化が達成可能な方式として、光空間通信が注目されている。さらには、光空間通信では、マイクロ波に比べて非常に短い波長の光を使用するため、高い指向性が得られ、送受信機装置の小型化・軽量化や、盗聴可能性の低減や複数システム同時運用時の干渉性の緩和が期待できる。

大気の透過率は波長によって異なり、透過率の大きくなる光波長帯がいくつか存在するが、光ファイバ通信で一般的に使用される波長１．５μｍ帯はその一つである。この波長１．５μｍ帯を使用した光空間通信では、高速・高感度の光通信を実現するために、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）通信用途に開発された送受信技術やデバイスが利用可能となることも利点となる。一方、このようなＳＭＦベースのデバイスを使用した光空間通信では、人工衛星等から送出されて大気中を伝搬した光信号を、受信側でＳＭＦへと結合する必要がある。ただし、一般的なＳＭＦは、そのコア径が１０μｍと程度と小さく、大気中を伝搬したビームは大気ゆらぎによってその波面が乱れ、空間コヒーレンスが制限されるため、ＳＭＦへの結合効率が大幅に変動・劣化する、いわゆるフェージングが生じることが問題となる。

この大気ゆらぎによるフェージングを解消する一つの有力なアプローチは、複数の受信機を用いたダイバーシティ受信方式の使用である。各受信機に入力する光信号ごとに、受ける大気ゆらぎの影響が独立であるとすれば、複数の受信機のうち最も良いものを選択する、より一般的には複数の受信信号を合成することで、合成後の信号のフェージングの確率は低減される。非特許文献１には、複数の伝搬モードを持つフューモードファイバに光ビームを集光し、デジタル信号処理によるダイバーシティ合成を行う、モードダイバーシティ型の光空間通信の受信装置の構成が報告されている。

図１は、このようなモードダイバーシティ受信を採用した光空間通信システムの概略図である。図１の光空間通信システムは、光信号を大気中へ送出する光送信ターミナル２００と、送出され大気中を伝搬した光信号を受信する光受信ターミナル１００と、を含む。光送信ターミナル２００は、光信号を生成する光送信機２０１、指向制御部２０３、光学系のレンズ２０２などを含む。光受信ターミナル１００は、光学系のレンズ１０１、１０４、結合制御部１０２、ビームスプリッタ１０３、フューモードファイバ１０５、モード分離器１０６、及びコヒーレント受信機１０７ａ～１０７ｃを含む。さらに光受信ターミナル１００は、アナログ－デジタル変換器１０８ａ～１０８ｃ（ＡＤＣ１０８ａ～１０８ｃ）、デジタル信号処理部１０９、局部発振光１１０（ＬＯ１１０）、光位置検出器１１１、及び制御器１１２を含む。

図１の光空間通信システムでは、光送信ターミナル２００は例えば人工衛星に搭載され、ＳＭＦベースの光送信機２０１で生成された光信号を、指向制御部２０３を介して光受信ターミナル１００に向け送出する。光受信ターミナル１００では、受信した光ビームを、結合制御部１０２などを介してフューモードファイバ１０５へと結合する。フューモードファイバ１０５へ結合した光は、モード分離器１０６により、フューモードファイバ１０５の複数の伝搬モードへ結合した成分がそれぞれ分離され、ＳＭＦへと導波されてＳＭＦベースの受信機で受信される。図１の光空間通信システムでは、ＳＭＦベースの受信機として、コヒーレント受信機１０７ａ～１０７ｃを採用している。コヒーレント受信された信号は、アナログ－デジタル変換器１０８ａ（ＡＤＣ１０８ａ～１０８ｃ）によってサンプリングされ、デジタル信号処理部１０９によって合成される。

それぞれのモードに結合した光信号が受けた大気ゆらぎの影響は、モードごとに独立、もしくは相補的に変動すると見なすことができるので、ダイバーシティ効果によって合成後の信号に対するフェージングの影響は緩和される。

人工衛星－地上間の光空間通信では、低軌道衛星でも数１００ｋｍ以上、静止軌道衛星であれば約３６，０００ｋｍという長距離間に光ビームを伝搬させる。光ファイバベースの受信機を使用する光空間通信では、最終的にこの光ビームを１０μｍ程度の光ファイバのコアに導く必要があり、非常に精密な光学系が必要とされる。人工衛星－地上間の相対位置は衛星の移動によって変化し、振動によっても光ビームの光軸は微小に変動するため、これらの影響を取り除くために、非特許文献２に記載されるような、ミラー等の結合光学系の高速で精度のよい動的な追尾制御が必要となる。

図１の光空間通信システムでは、結合光学系制御のために、光受信ターミナル１００が受信した光ビームの一部をビームスプリッタ１０３によって分岐し、分岐された光ビームに対して光位置検出器１１１で位置検出を行う場合を示している。光位置検出器１１１には、ＣＣＤカメラ（Charge Coupled Device Camera）や四象限光検出器などが使用され、光ビームのファイバ結合のための最適な位置からのずれを検出する。四象限光検出器の場合、図２のように、ＸＹ平面の４つの領域Ｑ１～Ｑ４に入射した光強度を検出し、それを基に位置ずれ量を算出する。こうして検出された光ビームの位置のずれの信号に基づき、結合光学系が位置ずれ量を小さくするように駆動される。すなわちこうして検出された光ビームの位置のずれの信号に基づいて、位置ずれ量を小さくするよう制御器１１２は結合制御部１０２を制御する。

この場合、結合光学系制御のためにビームスプリッタ１０３によって分岐された分の光は、フューモードファイバ１０５に結合して受信される主信号にとっては、そのまま無視できない損失となる。

非特許文献２には、波長の異なるビーコン光を使用して結合光学系の制御を行う方法が記載されている。この場合には、ビーコン光の波長のみを分岐することで原理的には主信号に対する損失なしに制御を行うことが可能となるが、送信側にビーコン光と主信号を精度よく同軸に合わせる機構が必要となるのに加え、受信側では波長により光を分離するダイクロイックミラー等のデバイスが必要となる。また、大気ゆらぎによって波面の歪みを受けた光ビームは、自由空間を伝搬する距離に応じてその光強度の空間プロファイルが変化する。すなわち、光位置検出器で検出される光ビームの位置ずれを、光ファイバ入射端面での位置ずれに一致させるためには、同じ波長だとしても分岐後の光ビームに対する厳密な伝搬路の設計が必要となる。

国際公開第２０１７／１４１８５４号国際公開第２０１６／０８８３１８号

細川他、「大気揺らぎを克服するためのSDM型光空間通信技術」、第59回宇宙科学技術連合講演会、1H16 (2015). 有本、「10Gbit/s以上の高速大容量を実現した光無線通信装置の大気揺らぎ環境下における伝送特性」、電子情報通信学会論文誌B、Vol.J96-B、No.3、pp.330-338 (2013).

人工衛星－地上間の光空間通信に代表されるような光空間通信システムにおいて、受信光ビームを光ファイバに結合するために、結合光学系の精密な追尾制御が必要とされる。結合光学系の精密な追尾制御を実現するためには、追尾のための光ビームの位置検出のための光学系を用意する必要があり、これが主信号に対する損失や受信機のコストの増加を招いていた。

特許文献１は光空間通信システムに関するものであり、フューモードファイバに受信光ビームを結合させ、複数の伝搬モードに結合した光を分離し、それぞれのモードで受信した信号のダイバーシティ合成を行うことが提案されている。特許文献１では、それぞれのモードへの結合強度に基づいて結合光学系を制御することが提案されている。

特許文献２は空間光受信装置に関するものであり、デジタル信号処理によってそれぞれのモードで受信した信号のダイバーシティ合成を行うことが提案されている。特許文献２では、デジタル信号処理の信号処理過程で得られる信号の品質情報を参照して光学系を制御すること、こうして光学系を制御することによって光信号のＳ／Ｎ比（Signal to Noise Ratio）の劣化を回避するといった制御の概要が提案されている。

しかしながら、特許文献１、２では制御の概要を提案するもので、その具体的な手段や手法について明確な記載はない。

本発明の目的は、モードダイバーシティ受信を適用した受信装置において、受信光ビームを光ファイバに結合する際に大きな信号損失の原因となる光学系を用意することなく、高速で精度のよい光ビームの追尾制御を実現する光空間通信の受信装置、光空間通信システム、及び光空間通信装置の制御方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る光空間通信の受信装置は、空間的に特徴の異なる複数の伝搬モードを有するファイバと、それに受信光ビームを結合するための結合光学系と、複数の伝搬モードに結合した光を分離するモード分離器と、を備え、
上記受信光ビームを上記ファイバの一端へ結合するための結合光学系の各調整軸を、全てのモードへの結合強度の合計に基づき制御し、
それらの制御の優先度を、それぞれのモードごとの結合強度比の情報を元に調整する。

光空間通信システムは、上記光空間通信の受信装置と、
自由空間に信号光を送出する光空間通信の送信装置と、を含む。

光空間通信装置の制御方法は、空間的に特徴の異なる複数の伝搬モードを有するファイバと、それに受信光ビームを結合するための結合光学系と、複数の伝搬モードに結合した光を分離するモード分離器と、を備える光空間通信装置の制御方法であって、
上記受信光ビームを上記ファイバの一端へ結合するための結合光学系の各調整軸を、全てのモードへの結合強度の合計に基づき制御し、
それらの制御の優先度を、それぞれのモードごとの結合強度比の情報を元に調整する。

本発明によれば、モードダイバーシティ受信を適用した受信装置において、受信光ビームを光ファイバに結合する際に大きな信号損失の原因となる光学系を用意することなく、高速で精度のよい光ビームの追尾制御を実現することができる。

モードダイバーシティ受信を採用した光空間通信システムの構成例を説明するためのブロック図である。四象限光検出器による光ビーム位置ずれ検出のイメージを示した図である。ＬＰモードの電場の空間プロファイルを示した図である。中心位置が原点と一致したガウシアンビームの空間プロファイルを示した図である。中心位置が原点からずれたガウシアンビームの空間プロファイルを示した図である。本発明の第１実施形態の受信光学系制御を含む、モードダイバーシティ受信を適用した光空間通信の受信装置の構成の一例を示した図である。図６の受信光学系制御のための情報出力を含む、受信デジタル信号処理部のブロック図である。適応制御された結果のＦＩＲフィルタの係数からモード結合比の情報を抽出する場合の受信デジタル信号処理部のブロック図である。モード結合比の情報を使用して山登り法により結合光学系のミラーの傾きの制御を行うシーケンスを説明するためのフローチャートである。本発明の第２実施形態の光空間通信の受信装置で使用するデジタル信号処理部のブロック図である。図１０のデジタル信号処理部の詳細な接続を描いたブロック図である。本発明の第３実施形態の光空間通信の受信装置の構成図である。

本発明の具体的な実施形態について説明する前に、本発明の実施形態の概要について説明する。本発明の実施形態では、結合光学系によって複数の伝搬モードを持つフューモードファイバに光ビームを結合する。フューモードファイバのそれぞれのモードに結合した光信号をモード分離器によって分離し、それらの光強度をそれぞれ検出する。本発明の実施形態では、全てのモードへの結合強度の合計を最大化するように結合光学系を制御して光ビームスポットをファイバ中心に近づける。さらに、これによって得られるモードごとの結合強度比の情報を、結合光学系の追尾制御の方策の調整に使用する。

本発明の実施形態では、モードダイバーシティ受信を適用した受信装置において、受信光ビームを光ファイバに結合する際に大きな信号損失の原因となる光学系を用意することなく、光ビームの追尾制御が実現できる。

この効果は次のような理由によって説明される。フューモードファイバの複数のモードはそれぞれ、異なる空間的特徴を持つ。例えば、一般的なＬＰモードによる分離を行う場合、ＬＰ_０１モードは図３のように原点を中心とした単峰性の強度プロファイルとなる。一方で、ＬＰ_１１ａモードやＬＰ_１１ｂモードは図３のように、それぞれ直交した軸において２つのピークを持つ。

この３モードを持つフューモードファイバに、図４のようなＸＹ平面で中心位置が原点と一致したガウシアンビームを結合することを考える。この場合、光ビームはほぼＬＰ_０１モードに結合し、ＬＰ_１１ａモードやＬＰ_１１ｂモードにはほとんど結合しない。

それに対し、図５のようなＸＹ平面で中心位置が原点からずれたガウシアンビームを結合することを考えると、ＬＰ_０１モードへの結合量は低下し、ずれ量がそれほど大きくない場合、ＬＰ_１１ａモードやＬＰ_１１ｂモードへの結合量はずれの方向に応じて変化する。図５の場合、Ｘ軸方向へずれているため、ＬＰ_１１ａモードへの結合量が増加し、ＬＰ_１１ｂモードへの結合量はあまり変化しないか低下する。したがって、モードごとの結合強度比の情報から、完全ではないものの光ビームの位置ずれ量に関する情報が得られる。本発明の実施形態ではこれを使用して、大きな信号損失の原因となる光学系を用意することなく、結合光学系の追尾制御の方策の調整が可能となる。以下、本発明の具体的な実施形態について説明する。

〔第１実施形態〕
初めに、本発明の第１実施形態による光空間通信の受信装置、光空間通信システム、及び光空間通信装置の制御方法について、説明する。図６は、本発明の第１実施形態の受信光学系制御を含む、モードダイバーシティ受信を適用した光空間通信の受信装置の構成の一例を示した図である。光空間通信システムは、図１の光信号を大気中へ送出する光送信ターミナル２００のような送信装置と、送出され大気中を伝搬する光信号を受信する、図６に示される受信装置と、を含んで構成される。

図６の受信装置は、受信望遠鏡１１、結合制御部１２、結合レンズ１３、フューモードファイバ１４、モード分離器１５、及びＳＭＦベースの受信機を含む。図６の受信装置では、ＳＭＦベースの受信機として、コヒーレント受信機１６ａ～１６ｃを用いている。さらに図６の受信装置は、アナログ－デジタル変換器１７ａ～１７ｃ（ＡＤＣ１７ａ～１７ｃ）、デジタル信号処理部１８、局部発振光１９（ＬＯ１９）、及び制御器２０を含む。

受信望遠鏡１１に入射した光ビームは、結合制御部１２によってその光軸が制御され、結合レンズ１３を介してフューモードファイバ１４へ結合する。結合制御部１２は、高速、高精度に傾きを調整可能なミラーによって構成される。この例では、１枚のミラーを使用し、その横方向（Ｘ軸）、縦方向（Ｙ軸）の傾きの制御により、光ビームの光軸を調整する。より一般的には、２枚のミラーを使用し、それらのＸ軸、Ｙ軸の傾きを調整すれば、光軸をある程度の範囲で任意に調整できる。フューモードファイバ１４に結合した光信号は、モード分離器１５によってモードごとに分離され、ＳＭＦベースの受信機としてのコヒーレント受信機１６ａ～１６ｃに導波される。

ここでは、モード分離器１５はＬＰ_０１、ＬＰ_１１ａ、ＬＰ_１１ｂの３つのモードに結合した光信号を分離することとし、フューモードファイバ１４、モード分離器１５でのモード間のクロストークは無視できるほど小さく、挿入損失も小さいものとする。一般的には、フューモードファイバ伝搬中のモード間の結合は、特に縮退しているＬＰ_１１ａモード、ＬＰ_１１ｂモード間では無視できないが、例えばコアが楕円型の形状をしたフューモードファイバでは、縮退したモードを含めファイバ伝搬中のモード間の結合を抑制できることが報告されている。

モードごとの光信号は、ＳＭＦベースの受信機としてのコヒーレント受信機１６ａ～１６ｃによって受信され、ＡＤＣ１７ａ～１７ｃによってそれぞれサンプリングされた後、デジタル信号処理部１８によって合成される。図６では、理論的に最大の受信性能が得られるコヒーレント受信、コヒーレント合成の場合について示している。

ここでは、単一偏波のＱＰＳＫ信号（Quadrature Phase Shift Keying signal）を受信する場合を例にして説明する。モード分離器による分離後、受信機による受信の間には、光増幅器を配置して信号の増幅を行ってもよい。光増幅器を使用しない場合、この受信装置の主な雑音源はショットノイズとなり、光増幅器を使用した場合には増幅器のAmplified Spontaneous Emissionとなる。いずれの場合にも、各モードに使用される受信装置、光増幅器は、モード結合比を精度よく算出するため、できる限り特性の均一な物であることが望ましい。

図７は、図６の受信光学系制御のための情報出力を含む、受信デジタル信号処理部のブロック図である。図７の受信デジタル信号処理部は、強度規格化部２１、相対遅延補償部２２、等化・合成フィルタ２３、キャリア位相補償部２７、及び結合比推定部２８を含む。図７の受信デジタル信号処理部では、ＬＰ_０１、ＬＰ_１１ａ、ＬＰ_１１ｂの３つのモードの受信信号は、最初に強度規格化部２１によって強度規格化が施され、相対遅延補償部２２によってそれらの間の相対遅延補償が行われた後に、等化・合成フィルタ２３に入力される。等化・合成フィルタ２３では、受信装置のデバイス不完全性等に伴う符号間干渉除去のための等化処理と、ダイバーシティ合成処理が行われる。図７の等化・合成フィルタ２３は、ＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタ２４ａ～２４ｃと、加算器２５と、係数制御部２６と、を含む。図７の等化・合成フィルタ２３は、それぞれの受信信号に対してＦＩＲフィルタを施しそれらの出力を足し合わせる構成で、ＦＩＲフィルタの係数を合成後の信号を基に制御する適応等化の方法によって、等化と合成を同時に行う場合の例である。係数制御の方法には、Constant Modulus Algorithm（ＣＭＡ）や、Decision-Directed Least Mean Square（ＤＤＬＭＳ）アルゴリズムが適用可能である。等化・合成フィルタ２３によってダイバーシティ合成の行われた受信信号には、キャリア位相補償部２７でキャリア位相補償が行われ、最終的に復調、復号が行われる。ここで、ＦＩＲフィルタ２４ａ～２４ｃの係数は、同時に結合比推定部２８にも入力され、モード結合比が算出される。

図７の場合では、個別の受信信号に対して強度規格化が行われているため、単純な強度の算出ではモード結合比が得られないものの、あるモードへの結合強度とそのモードの受信信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）の間には、１対１の関係があり、適切な条件では比例関係がある。よって、受信信号のＳＮＲを推定することで、モード結合比を算出することができる。ＳＮＲ推定には、２次と４次のモーメントを使用した方法が知られている。

もしくは図８のように、適応制御された結果のＦＩＲフィルタの係数から、モード結合比を求めることもできる。図８は、図７の受信デジタル信号処理部の変形例であり、適応制御された結果のＦＩＲフィルタの係数からモード結合比の情報を抽出する場合の受信デジタル信号処理部のブロック図である。図８では、３つのモードの受信信号の代わりに、それらの受信信号に施されるＦＩＲフィルタの係数が結合比推定部２８に入力する。適応制御収束後のＦＩＲフィルタ係数の大きさは、ダイバーシティ合成の係数となり、これはそれぞれの受信信号のＳＮＲと１対１の関係にある。強度規格化された信号の場合、合成後のＳＮＲを最大化する合成の重みは、

となる。適応等化収束後のＦＩＲフィルタの大きさは、この最適な重みになっていると考えられるため、これからＳＮＲ、ひいては結合強度を推定することができる。ＦＩＲフィルタ係数が、符号間干渉の除去などのために時間広がりを持つ場合、推定の精度は下がるが、ＦＩＲフィルタの後に１タップの合成重み係数をカスケード状に配置し、その係数を検出することもできる。

こうして得られたモード結合比の情報は、制御器に入力され、結合制御部の制御が行われる。

図９は、モード結合比の情報を使用して山登り法により制御を行うシーケンスの例である。この山登り法では、全てのモードへの結合強度の合計が最大となるように、結合光学系のミラーのＸ軸、Ｙ軸の傾きを制御する。初めに、どちらの軸について制御を行うかを選択する（Ｓ１）。Ｘ軸の傾きを調整するには、現在の状態からわずかに傾き量を増大、減少させて総結合強度の変化を検出し、総結合強度を増大させる方向を求める。そして、その総結合強度を増大させる方向へ、傾き量をわずかに変化させる。これを、逐次繰り返すことにより、Ｘ軸の傾きを調整する（Ｓ２）。Ｙ軸の傾きについても同様であるが、Ｘ軸の制御とＹ軸の制御は、初め交互に選択されて繰り返される。これらの制御を、光ビームの位置ずれ等の変化の速度よりも十分に速く繰り返すことで、ミラーを最適な傾きに調整する。

本シーケンスでは、この山登り法による制御と並行して、モード結合比の検出を行い（Ｓ３）、ＬＰ_１１ａモードへの結合強度Ｐ（ＬＰ_１１ａ）と、ＬＰ_１１ｂモードへの結合強度Ｐ（ＬＰ_１１ｂ）とを比較する（Ｓ４）。ＬＰ_１１ａモードへの結合強度の方が大きい場合、光ビームはＸ軸方向への位置ずれが生じている可能性が高いことを意味する。したがって、この場合、Ｘ軸制御の選択割合を増加させ（Ｓ５）、初め交互に同じ回数繰り返していたＸ軸の制御とＹ軸の制御の割合を変え、Ｘ軸の制御の割合を増やす。反対に、ＬＰ_１１ｂモードへの結合強度の方が大きい場合、光ビームはＹ軸方向への位置ずれが生じている可能性が高いことを意味する。したがって、この場合、Ｙ軸制御の選択割合を増加させ（Ｓ６）、初め交互に同じ回数繰り返していたＸ軸の制御とＹ軸の制御の割合を変え、Ｙ軸の制御の割合を増やす。図９左側の山登り制御のループをある程度試行した後、再びモード結合比の検出に戻ってＸ軸の制御とＹ軸の制御の割合の調整を繰り返す。これにより、総結合強度が最大となる傾きの状態となるまでに、山登り制御のループで制御を行う回数を減らすことができるため、制御が高速となる。

（実施形態の効果）
本実施形態によれば、モードダイバーシティ受信を適用した受信装置において、受信光ビームを光ファイバに結合する際に大きな信号損失の原因となる光学系を用意することなく、高速で精度のよい光ビームの追尾制御を実現することができる。

本実施形態では、単一偏波の光信号を使用し、フューモードファイバ伝搬中のモード間の結合は無視できるほど小さい場合に、受信光ビームを光ファイバに結合する際に大きな信号損失の原因となる光学系を用意することなく、高速で精度のよい光ビームの追尾制御を実現することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態による光空間通信の受信装置、光空間通信システム、及び光空間通信装置の制御方法について、説明する。

上述した本発明の第１実施形態では、単一偏波の光信号を使用し、フューモードファイバ伝搬中のモード間の結合は無視できるほど小さいとした。これに対し本発明の第２実施形態では、偏波多重信号を使用し、フューモードファイバ伝搬中のモード間の結合が無視できない場合に、本発明を適用したものとして説明する。光空間通信の受信装置の構成は、コヒーレント受信機が偏波多重信号用に偏波ダイバーシティ型のものを採用し、その出力がＩ（同相）／Ｑ（直交）位相成分、Ｘ／Ｙ偏波の４つの信号となる他は、図６と同一であり、ＬＰ_０１、ＬＰ_１１ａ、ＬＰ_１１ｂの３つのモードを使用する。

図１０は、本発明の第２実施形態の光空間通信の受信装置で使用するデジタル信号処理部のブロック図である。図１１は、図１０のデジタル信号処理部の詳細な接続を描いたブロック図である。図１０のデジタル信号処理部は、強度規格化部４１、相対遅延補償部４２、ＦＩＲフィルタ４４（ＦＩＲフィルタ４４_１１～４４_１６、４４_２１～４４_２６）、加算器４５（加算器４５_１１～４５_１５、４５_２１～４５_２５）、係数制御部４６、キャリア位相補償部４７ａ、４７ｂ、クロストーク除去部４９、及び結合比推定部４８を含む。

ＬＰ_０１、ＬＰ_１１ａ、ＬＰ_１１ｂの３つのモードのＸ偏波、Ｙ偏波の６つの受信信号は、最初に強度規格化部４１で強度規格化が施され、相対遅延補償部４２でそれらの間の相対遅延補償が行われた後に、等化、偏波分離、ダイバーシティ合成を行う行列型に配置されたＦＩＲフィルタ４４_１１～４４_１６、４４_２１～４４_２６へ入力する。図７と同様に、これらＦＩＲフィルタ４４_１１～４４_１６、４４_２１～４４_２６の係数は、合成後の信号を基に適応等化の方法により制御される。図１０では、可読性のために係数制御部４６の入出力の関係を一つのＦＩＲフィルタ４４_１１についてのみ示している。図１１では、係数制御部４６の入出力の関係を全てのＦＩＲフィルタ４４_１１～４４_１６、４４_２１～４４_２６について示している。図１０のデジタル信号処理部では、図８のように、適応制御された結果のＦＩＲフィルタ４４_１１～４４_１６、４４_２１～４４_２６の係数から、モード結合比を推定する。ただし、本実施形態では偏波間の結合とモード間の結合が生じるため、これを適切に取り除く必要がある。このために、本実施形態のデジタル信号処理部では、クロストーク除去部４９を設けている。本実施形態のデジタル信号処理部では、ＦＩＲフィルタ４４_１１～４４_１６、４４_２１～４４_２６の係数をクロストーク除去部４９に入力し、偏波間の結合とモード間の結合の影響を取り除いた後に、結合比推定部４８でモード結合比を推定する。

適応等化収束後のＦＩＲフィルタの係数は、チャネル応答の逆関数に相当するため、モード間で直交したトレーニング信号等を使用して、検出しておく。こうして検出しておいたフューモードファイバ伝搬に伴う偏波間の結合とモード間の結合の状態を使用して、クロストーク除去部４９は偏波間の結合とモード間の結合の影響を取り除く。その後、結合比推定部４８でモード結合比が推定される。

（実施形態の効果）
本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、モードダイバーシティ受信を適用した受信装置において、受信光ビームを光ファイバに結合する際に大きな信号損失の原因となる光学系を用意することなく、高速で精度のよい光ビームの追尾制御を実現することができる。

本実施形態では、偏波多重信号を使用し、フューモードファイバ伝搬中のモード間の結合が無視できない場合に、受信光ビームを光ファイバに結合する際に大きな信号損失の原因となる光学系を用意することなく、高速で精度のよい光ビームの追尾制御を実現することができる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態による光空間通信の受信装置について、説明する。図１２は、本発明の第３実施形態の光空間通信の受信装置の構成図である。図１２の光空間通信の受信装置は、空間的に特徴の異なる複数の伝搬モードを有するファイバ３１と、このファイバ３１に受信光ビームを結合するための結合光学系３３と、複数の伝搬モードに結合した光を分離するモード分離器３２と、を備える。そして図１２の光空間通信の受信装置では、上記受信光ビームを上記ファイバ３１の一端へ結合するための結合光学系３３の各調整軸を、全てのモードへの結合強度の合計に基づき制御する。そして図１２の光空間通信の受信装置では、上記制御の優先度を、それぞれのモードごとの結合強度比の情報を元に調整する。

本実施形態によれば、モードごとの結合強度比の情報から、受信光ビームの位置ずれ量に関する情報が得られる。これを用いることにより、結合光学系の追尾制御の方策の調整が可能となる。こうして、モードダイバーシティ受信を適用した受信装置において、受信光ビームをファイバ３１に結合する際に大きな信号損失の原因となる光学系を用意することなく、高速で精度のよい光ビームの追尾制御を実現することができる。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１９年３月２０日に出願された日本出願特願２０１９－５３７１７号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。

１１受信望遠鏡
１２結合制御部
１３結合レンズ
１４フューモードファイバ
１５モード分離器
１６ａ～１６ｃコヒーレント受信機
１７ａ～１７ｃＡＤＣ
１８デジタル信号処理部
１９ＬＯ
２０制御器
２１、４１強度規格化部
２２、４２相対遅延補償部
２３等化・合成フィルタ
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、４４_１１～４４_１６、４４_２１～４４_２６ＦＩＲフィルタ
２５、４５_１１～４５_１５、４５_２１～４５_２５加算器
２６、４６係数制御部
２７、４７ａ、４７ｂキャリア位相補償部
２８、４８結合比推定部
４９クロストーク除去部

Claims

空間的に特徴の異なる複数の伝搬モードを有するファイバと、前記ファイバに受信光ビームを結合するための結合光学系と、前記複数の伝搬モードに結合した光を分離するモード分離器と、を備え、
前記結合光学系の各調整軸を、全てのモードへの結合強度の合計に基づき制御し、
前記複数の伝搬モードに含まれる第１の伝搬モードへの結合強度が、前記複数の伝搬モードに含まれる第２の伝搬モードへの結合強度よりも大きい場合、前記第１の伝搬モードに対応する調整軸による制御の割合を増大させる
光空間通信の受信装置。
それぞれのモードで受信した信号のダイバーシティ合成を行うデジタル信号処理手段を備え、
前記デジタル信号処理手段においてそれぞれのモードの受信信号の信号対雑音比を算出し、それを基にそれぞれのモードへの結合強度を推定する、請求項１に記載の光空間通信の受信装置。
前記デジタル信号処理手段は等化・合成フィルタを含み、
前記等化・合成フィルタにおいてそれぞれのモードに施すＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタの係数の大きさからそれぞれのモードへの結合強度を推定する、請求項２に記載の光空間通信の受信装置。
前記ＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタの係数から、ファイバ伝搬中のモード間の結合の影響を取り除くクロストーク除去手段を備え、
前記クロストーク除去手段によってクロストークの影響を取り除いた後の係数からそれぞれのモードへの結合強度を推定する、請求項３に記載の光空間通信の受信装置。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光空間通信の受信装置と、
自由空間に信号光を送出する光空間通信の送信装置と、を含む光空間通信システム。
空間的に特徴の異なる複数の伝搬モードを有するファイバと、前記ファイバに受信光ビームを結合するための結合光学系と、前記複数の伝搬モードに結合した光を分離するモード分離器と、を備える光空間通信装置の制御方法であって、
前記結合光学系の各調整軸を、全てのモードへの結合強度の合計に基づき制御し、
前記複数の伝搬モードに含まれる第１の伝搬モードへの結合強度が、前記複数の伝搬モードに含まれる第２の伝搬モードへの結合強度よりも大きい場合、前記第１の伝搬モードに対応する調整軸による制御の割合を増大させる
光空間通信装置の制御方法。
前記光空間通信装置は、それぞれのモードで受信した信号のダイバーシティ合成を行うデジタル信号処理手段を備え、
前記デジタル信号処理手段においてそれぞれのモードの受信信号の信号対雑音比を算出し、それを基にそれぞれのモードへの結合強度を推定する、請求項６に記載の光空間通信装置の制御方法。
前記デジタル信号処理手段は等化・合成フィルタを含み、
前記等化・合成フィルタにおいてそれぞれのモードに施すＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタの係数の大きさからそれぞれのモードへの結合強度を推定する、請求項７に記載の光空間通信装置の制御方法。
前記光空間通信装置は、ＦＩＲフィルタの係数から、ファイバ伝搬中のモード間の結合の影響を取り除くクロストーク除去手段を備え、
前記クロストーク除去手段によってクロストークの影響を取り除いた後の係数からそれぞれのモードへの結合強度を推定する、請求項７又は請求項８に記載の光空間通信装置の制御方法。