JP7472977B2

JP7472977B2 - 送信機、受信機、空間光周波数伝送システム及び空間光周波数伝送方法

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Publication number: JP7472977B2
Application number: JP2022531211A
Authority: JP
Inventors: 大樹佐久間; 薫新井; 隆太杉山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-06-19
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2024-04-23
Anticipated expiration: 2040-06-19
Also published as: WO2021255911A1; JPWO2021255911A1

Description

本発明は、離間した送信機及び受信機間で基準となる光周波数の基準信号光を、空間を介して伝送する送信機、受信機、空間光周波数伝送システム及び空間光周波数伝送方法に関する。

科学計測や通信、ナビゲーション等の様々分野において、遠隔地等に離間した送受信機間で基準となる周波数信号を高精度に伝送する技術が必要とされている。近年、周波数伝送技術の適用領域拡大に向け、光ファイバによる伝送ではなく、空間を介して基準となる光周波数の信号光を伝送する光周波数伝送システムがある。この種の技術として、非特許文献１に記載のものがある。

非特許文献１の空間光周波数伝送方式によるシステムを説明する。このシステムは互いに離間した基準信号光（基準光ともいう）を空間へ送信する送信機と、基準光を受信して送信機へ折り返す受信機とを備える。送信機から基準周波数の光波である基準光を、空間を介して受信機へ送信する。受信機では、ＡＯＭ（Acousto Oputic Modulator：音響光学変調）によって、受信した基準光を周波数シフトさせた折返し信号光（折返し光ともいう）を送信機へ返信する。

送信機では、折返し光と基準光との差分であるビート信号から位相変動を検知し、この検知した位相変動に応じて、送信側で位相変動を相殺可能な周波数シフトを基準光に対して行う。これにより受信側で受信される基準光の周波数が一定となるので、受信機からユーザ等の通信端末機へ光ファイバで一定周波数の基準光を伝送できる。

このような方式のシステムでは、受信機のファラデーミラーで基準光を反射し、この際にＡＯＭにより基準光の周波数ｆ１をシフトして周波数ｆ２の折返し光として送信機へ返信している。つまり、基準光と折返し光の周波数ｆ１，ｆ２を変えて区別している。この周波数ｆ２の折返し光とすることで、受信機からの不要な反射光によるノイズを抑制している。

D.R.Gozzard et al, "Stabilized Free-Space Optical Frequency Transfer," PHYSICAL REVIEW APPLIED 10, 024046 (2018).

しかし、上記非特許文献１のシステムにおいて、ＡＯＭは超音波による機械的な振動を利用したアクティブ光デバイスである。このため、パッシブ光デバイスに比べて故障が起こり易いため信頼性が低く、更に、消費電力が高いといった課題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、故障を起こり難くして信頼性を向上させ、消費電力を抑制することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の送信機は、基準周波数で平面波の基準光を反射及び透過するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射された基準光に対応する第１参照光を反射して、螺旋状で所定のＯＡＭ（Orbital Angular Momentum）モードの第２参照光に変換する第１螺旋位相板と、前記ビームスプリッタを透過した第２参照光を透過して平面波の第１参照光に変換すると共に、送信機から空間を介して送信された基準光が受信機で折り返され、且つ前記ビームスプリッタでの反射により正負が反転したＯＡＭモードの第１折返し光を透過して、平面波の第２折返し光に変換する第２螺旋位相板と、平面波の光のみを伝搬し、前記第２螺旋位相板で変換された平面波である第１参照光及び第２折返し光のみを通す特定デバイスと、前記第２螺旋位相板で変換された後に前記特定デバイスを通った後の平面波である第１参照光と、前記第２螺旋位相板で変換された後に前記特定デバイスを通った後の平面波である第２折返し光とを合波したビート信号の周波数と、基準周波数との差分を出力するビート検出器と、前記差分が０又は一定となるように、前記ビームスプリッタを透過した基準光の周波数をシフトする周波数シフタと、前記周波数シフタから出力される基準光を空間を介して受信機へ送信する光アンテナとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、故障を起こり難くして信頼性を向上させ、消費電力を抑制できる。

本発明の実施形態に係る送信機及び受信機を用いた空間光周波数伝送システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の空間光周波数伝送システムの処理動作を説明するための第１のフローチャートである。本実施形態の空間光周波数伝送システムの処理動作を説明するための第２のフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
＜実施形態の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る送信機及び受信機を用いた空間光周波数伝送システムの構成を示すブロック図である。

図１に示す空間光周波数伝送システム（システムともいう）１００は、互いが遠隔地等に離間する送信機１０と受信機３０とを備える。

送信機１０は、基準周波数の光波である基準光（基準信号光）１を空間へ送信すると共に、受信機３０からの折返し光（折返し信号光）７を受信する機能を備える。

受信機３０は、送信機１０から基準光１を受信し、この受信した基準光１を、光ファイバ４１を介して通信及び情報処理機能を備えるユーザ端末機４２へ送信する。更に、受信機３０は、受信した基準光１を反射し、この反射による折返し光７を、空間を介して送信機１０へ返信する機能を備える。

送信機１０は、基準光源１１から出射される基準光を受信するアイソレータ１２と、ビームスプリッタ１３と、ファラデー回転子１４と、第１螺旋位相板１５と、第２螺旋位相板１６と、レンズ１７と、シングルモードファイバ１８と、基準発振器１９と、ビート検出器２０と、発振器制御部２１と、可変発振器２２と、周波数シフタ２３と、光アンテナ２４とを備えて構成されている。なお、基準光源１１は、送信機１０に備えられていてもよい。なお、請求項記載のビート検出器は、基準発振器１９、発振器制御部２１及び可変発振器２２を含んで構成される。

受信機３０は、光アンテナ３１と、ビームスプリッタ３２と、ファラデー回転子３３と、第３螺旋位相板３４と、レンズ３５とを備えて構成されている。

本実施形態では、前述の従来技術で適用されていたアクティブ光デバイスであるＡＯＭ以外の螺旋位相板（第１～第３螺旋位相板１５，１６，３４）を用いてシステム１００を実現した。

螺旋位相板は、螺旋状のガラス材による位相板により形成され、単一周波数の平面波を、渦を巻いた波面を有する光波に変換するものである。この変換は、光軌道角運動量（ＯＡＭ：Orbital Angular Momentum）で実現される。その光波の波面状態をＯＡＭモードと呼ぶ。

螺旋位相板には、平面波を反射して螺旋状の波面を有する光波である螺旋ビームに変換するものと、通過させて螺旋ビームに変換するものがある。螺旋位相板は、光を受けて反射又は通過させるのみであり、その他の制御が必要ないことから、パッシブ光デバイスである。

螺旋位相板の巻き数が増える程に、螺旋ビームの光強度分布が外周側に移行して円環状となり、円環状の径が大きくなってゆく。光強度分布による円環状の径が大きくなる程にＯＡＭモードが大きくなる。螺旋ビームの光強度は、円環状の１周における０（始点）～２π（終点）の位相変調を1単位としており、０～２πでは、ｍ＝＋１となる。ｍはＯＡＭモードの次数である。０～４πでは、ｍ＝＋２となる。

平面波ではｍ＝「０」である。ｍ＝「０」は、平面波の中心部分が最大の光強度となっている。ｍ＝＋１以上になると、中心部分の光強度が外周側に寄るが、この状態では、中心部分の光強度が無くなる。また、ｍ＝「－１」のように、マイナスは、渦の回転がｍ＝「＋１」の逆回転になることを表す。

送信機１０側の基準光源１１は、レーザを用いて構成されており、基準周波数の平面波であるｍ＝「０」の基準光（レーザ光）を空間を介してアイソレータ１２へ出射する。ｍ＝「０」の平面波の基準光を基準光１「０」と表す。「０」や「＋１」等はＯＡＭモードを示す。

アイソレータ１２は、基準光１「０」を一方向にのみに通過させ、空間を介してビームスプリッタ１３へ出射する。

ビームスプリッタ１３は、基準光１「０」を反射又は通過させる。基準光１「０」がビームスプリッタ１３で反射された光を、参照光２「０」（第１参照光）と呼ぶ。

ファラデー回転子１４は、ビームスプリッタ１２で反射された参照光２「０」を一偏光方向に回転させ、空間を介して第１螺旋位相板１５へ出力する。また、ファラデー回転子１４は、第１螺旋位相板１５で反射した後述の参照光２「＋１」を逆偏光方向に回転させ、空間を介してビームスプリッタ１３へ出力する。

第１螺旋位相板１５は、ｍ＝「＋１」の位相変調作用を有する反射型の螺旋位相板である。この第１螺旋位相板１５は、参照光２「０」を反射すると、参照光２「＋１」（第２参照光）を出射する。この参照光２「＋１」は、空間からファラデー回転子１４を介してビームスプリッタ１３を透過し、更に空間を介して第２螺旋位相板１６に入射される。

第２螺旋位相板１６は、ｍ＝「－１」の位相変調作用を有する透過型の螺旋位相板である。この第２螺旋位相板１６は、入射された参照光２「＋１」を透過することで参照光２「０」に変換する。更に、第２螺旋位相板１６は、後述の折返し光７「＋１」（第１折返し光）を透過することで折返し光７「０」に変換し、後述の不要反射光８「０」を透過することで不要反射光８「－１」に変換する。

この変換では、図示のように参照光２「０」、不要反射光８「－１」、折返し光７「０」への変換、つまり、（０，－１，０）となるように設計しているが、（０，＋１，０）や（０，－２，０）等となるように設計してもよい。つまり、参照光２及び折返し光７が０モードで、不要反射光８「－１」が０モード以外のＯＡＭモードであればよい。

レンズ１７は、第２螺旋位相板１６を透過して空間から入射される参照光２「０」、折返し光７「０」又は不要反射光８「－１」を集光してシングルモードファイバ１８へ入射する。

シングルモードファイバ１８は、ｍ＝０以外の高次モード（例えば、ｍ＝「＋１」や「－１」）を通さず、「０」モードのみを通す。このため、シングルモードファイバ１８は、参照光２「０」、折返し光７「０」を通し、不要反射光８「－１」を通さない。

なお、デバイス（特定デバイス）としてのシングルモードファイバ１８に代え、ＯＡＭモード＝「０」の光のみを伝搬する（通す）空間フィルタ等の特定デバイスを用いてもよい。

基準発振器１９は、基準となる電気のＲＳ（Reference Signal）信号３を、配線を介してビート検出器２０へ出力する。

ビート検出器２０は、参照光２「０」及び折返し光７「０」を合波した光ビート信号を電気信号へと変換後、この電気信号の周波数とＲＳ信号３の基準周波数ｆ０とを比較した差分である周波数差信号４を出力する。

発振器制御部２１は、周波数差信号４から周波数変動量を検知し、制御信号５により可変発振器２２が周波数変動量の１／２に相当する周波数変動量を相殺する周波数信号（可変信号６）を出力するように制御する。

周波数シフタ２３は、可変信号６の可変値に応じて、基準光１「０」の周波数をシフトする。

光アンテナ２４は、周波数シフタ２３から出力された基準光１「０」を、空間へ送信する。

受信機３０の光アンテナ３１は、送信機１０の光アンテナ２４から送信された基準光１「０」を受信する。この受信された基準光１「０」は、空間を介してビームスプリッタ３２で反射され、折返し光７「０」の成分となる。この成分が空間からファラデー回転子３３を介して空間を通り第３螺旋位相板３４へ出力される。

第３螺旋位相板３４は、ｍ＝「＋１」の位相変調作用を有する反射型の螺旋位相板である。この第３螺旋位相板３４は、折返し光７「０」の成分を反射し、折返し光７「＋１」を出射する。この折返し光７「＋１」は、空間からファラデー回転子３３を介してビームスプリッタ３２で反射され、この反射によりＯＡＭモードの正負が反転して折返し光７「－１」となり、光アンテナ３１から空間へ送信される。この際、光アンテナ３１からは、受信機３０内で反射した不要反射光８「０」も送信される。

なお、このようなシステム１００においては、送信機１０の第１及び第２螺旋位相板１５，１６の配置を工夫することで、送信機１０の光アンテナ２４と受信機３０の光アンテナ３１間において、基準光１「０」を高次モードとして伝送することも可能である。

＜実施形態の動作＞
次に、実施形態に係るシステム１００の動作を、図２及び図3に示すフローチャートを参照して説明する。

図2に示すステップＳ１において、基準光源１１から基準周波数の基準光１「０」が出射される。この出射された基準光１「０」は、ステップＳ２において、アイソレータ１２を介してビームスプリッタ１３で反射及び透過される。反射された基準光１「０」は、ファラデー回転子１４へ出力される参照光２「０」となる。透過された基準光１「０」は、周波数シフタ２３へ出力される。

ステップＳ３において、上記参照光２「０」は、ファラデー回転子１４で一偏光方向に回転させられた後、第１螺旋位相板１５へ出力される。

ステップＳ４において、参照光２「０」が第１螺旋位相板１５で反射され、参照光２「＋１」となって出射される。

この出射された参照光２「＋１」は、ステップＳ５において、ファラデー回転子１４で上記ステップＳ３と逆偏光方向に回転させられた後、ビームスプリッタ１３を透過して第２螺旋位相板１６に入射される。この際、第２螺旋位相板１６には、ビームスプリッタ１３で反射された受信機３０からの折返し光７「＋１」及び不要反射光８「０」も入射されたとする。

ステップＳ６において、入射された受信機３０からの折返し光７「＋１」及び不要反射光８「０」と、上記ステップＳ５の参照光２「＋１」とは、第２螺旋位相板１６を透過する際の－１の位相変調作用により、折返し光７「０」、不要反射光８「－１」、参照光２「０」となって出力される。

ステップＳ７において、その出力された折返し光７「０」、不要反射光８「－１」、参照光２「０」は、レンズ１７で集光されてシングルモードファイバ１８へ入射される。シングルモードファイバ１８は、「０」モードの光のみを通過させるため、折返し光７「０」及び参照光２「０」が通過してビート検出器２０に入力される。

ステップＳ８において、ビート検出器２０では、入力された折返し光７「０」及び参照光２「０」が合波された光ビート信号が電気信号に変換される。更に、ビート検出器２０では、変換された電気信号の周波数とＲＳ信号３の基準周波数ｆ０との比較による周波数差信号４を出力する。

次に、図３に示すステップＳ９において、発振器制御部２１は、周波数差信号４の周波数変動に対応した制御信号５により、可変発振器２２で発振される可変信号６の可変値の可変処理を制御する。可変信号６は、周波数シフタ２３へ出力される。

ステップＳ１０において、周波数シフタ２３では、基準光１「０」の周波数が、可変信号６の可変値－３に対応する周波数だけシフトされ、光アンテナ２４へ出力される。

ステップＳ１１において、基準光１「０」が、光アンテナ２４から空間を介して受信機３０の光アンテナ３１へ送信される。

ステップＳ１２において、光アンテナ３１で受信された基準光１「０」は、ビームスプリッタ３２で反射され、折返し光７「０」成分となってファラデー回転子３３を介して第３螺旋位相板３４へ出力される。

ステップＳ１３において、折返し光７「０」成分が第３螺旋位相板３４で反射され、折返し光７「＋１」となって出射される。

この出射された折返し光７「＋１」は、ステップＳ１４において、ファラデー回転子１４を介してビームスプリッタ１３で反射され、折返し光７「－１」となって、光アンテナ３１から空間へ送信される。なお、受信機３０内で反射した不要反射光８「０」がある場合、不要反射光８「－１」も光アンテナ３１から送信される。

ステップＳ１５において、その送信された折返し光７「－１」が、送信機１０の光アンテナ２４で受信される。この受信された折返し光７「－１」は、周波数シフタ２３を介してビームスプリッタ１３で反射される。この反射により折返し光７「－１」は反転して折返し光７「＋１」となり、第２螺旋位相板１６に入射される。この時、ビームスプリッタ１３を透過した参照光２「＋１」も第２螺旋位相板１６に入射されたとする。

この入射された折返し光７「＋１」と参照光２「０」との双方は、上記ステップＳ６～Ｓ８で上記同様に処理される。この処理において、その双方の周波数差が０であったとすると、ビート検出器２０から周波数ｆ０のビート信号４が発振器制御部２１へ出力される。

次に、ステップＳ９において、発振器制御部２１は、ビート信号４の周波数ｆ０に対応した制御信号５により、可変発振器２２で発振される可変信号６の可変値の可変処理を制御する。この制御では可変発振器２２からの可変信号６の可変値が０となって周波数シフタ２３へ出力される。

次に、ステップＳ１０において、周波数シフタ２３では、可変信号６の可変値が０なので、基準光１「０」の基準周波数はシフトされず、そのままの基準周波数の基準光１「０」が光アンテナ２４へ出力される。この基準周波数の基準光１「０」は、受信機３０の光アンテナ３１で受信後に、ビームスプリッタ３２を透過し、レンズ３５で集光されて光ファイバ４１に入射され、光ファイバ４１を介してユーザ端末機４２へ送信される。

このようにステップＳ６～Ｓ１５の処理を繰り返すことにより、基準光１「０」が送信機１０から受信機３０へと伝送される際に生じる周波数変動が補正され、一定周波数の基準光１「０」をユーザ端末機４２へ送信できる。

＜実施形態の効果＞
本実施形態の空間光周波数伝送システム１００の作用効果について説明する。

（１ａ）システム１００の送信機１０は、基準周波数で平面波の基準光１「０」を反射及び透過するビームスプリッタ１３と、ビームスプリッタ１３で反射された基準光１「０」に対応する参照光２「０」を反射して、螺旋状で所定のＯＡＭモードの参照光２「＋１」に変換する第１螺旋位相板１５とを備える。

また、送信機１０は、ビームスプリッタ１３を透過した参照光２「＋１」を透過して平面波の参照光２「０」に変換すると共に、送信機１０から空間を介して送信された基準光１「０」が受信機３０で折り返され、且つビームスプリッタ１３での反射により正負が反転したＯＡＭモードの折返し光７「＋１」を透過して、平面波の折返し光７「０」に変換する第２螺旋位相板１６を備える。

更に、送信機１０は、平面波の光のみを伝搬し、第２螺旋位相板１６で変換された平面波である参照光２「０」及び折返し光７「０」のみを通すシングルモードファイバ１８と、参照光２「０」と折返し光７「０」との周波数差を出力するビート検出器２０と、周波数差が０又は一定となるように、ビームスプリッタ１３を透過した基準光１「０」の周波数をシフトする周波数シフタ２３と、周波数シフタ２３から出力される基準光１「０」を空間を介して受信機３０へ送信する光アンテナ２４とを備える構成とした。

この構成によれば、送信機１０において、基準周波数の基準光１「０」に対応する参照光２「０」と、その基準光１「０」が受信機３０で折り返された折返し光７「０」との周波数差を０又は一定にできる。このため、送信機１０から一定周波数の基準光１「０」を空間を介して受信機３０へ送信し、この送信された一定周波数の基準光１「０」を、受信機３０で受信後にユーザ端末機４２へ送信できる。この処理を行う送信機１０を、パッシブ光デバイスである２つの螺旋位相板１５，１６を用いて構成したので、従来のＡＯＭのような超音波による機械的な振動を利用したアクティブ光デバイスに比べ、故障が起こり難くなるので信頼性を向上できる。更に、パッシブ光デバイスであるため、アクティブ光デバイスに比べ、消費電力を抑制できる。

（２ａ）第２螺旋位相板１６は、送信機１０から空間を介して送信された基準光１「０」が受信機３０で折り返される際に、受信機３０で反射された不要反射光８「－１」を透過して所定のＯＡＭモードの不要反射光８「－１」に変換してシングルモードファイバ１８へ出力する構成とした。

この構成によれば、第２螺旋位相板１６で変換されたＯＡＭモードの不要反射光８「－１」は、平面波のみを伝搬するシングルモードファイバ１８を通ることができない。このため、シングルモードファイバ１８の入力側で不要反射光８「－１」を除去できる。

（３ａ）送信機１０から空間を介して送信された平面波の基準光１「０」を受信する光アンテナ３１と、光アンテナ３１で受信された基準光１「０」を反射及び透過するビームスプリッタ３２と、ビームスプリッタ３２で反射された基準光１「０」に対応する折返し光７「＋１」成分を反射して、螺旋状で所定のＯＡＭモードの折返し光７「＋１」に変換する第３螺旋位相板３４とを備える。第３螺旋位相板３４で変換された折返し光７「＋１」を、ビームスプリッタ１３での反射により正負が反転したＯＡＭモードの折返し光７「０」に変換して、光アンテナ３１から空間を介して送信機１０へ返信する構成とした。

この構成によれば、受信機３０において、送信機１０からの基準光１「０」がビームスプリッタ３２で反射された折返し光７「＋１」成分を、螺旋位相板でＯＡＭモードの折返し光７「＋１」に変換され、この折返し光７「＋１」がビームスプリッタ１３でＯＡＭモードの折返し光７「０」に変換されて送信機１０へ送信される。この処理を行う受信機３０を、パッシブ光デバイスである螺旋位相板３４を用いて構成したので、従来のＡＯＭのようなアクティブ光デバイスに比べ、故障が起こり難くなるので信頼性を向上でき、更に、アクティブ光デバイスに比べ、消費電力を抑制できる。

＜効果＞
（１）基準周波数で平面波の基準光を反射及び透過するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射された基準光に対応する第１参照光を反射して、螺旋状で所定のＯＡＭ（Orbital Angular Momentum）モードの第２参照光に変換する第１螺旋位相板と、前記ビームスプリッタを透過した第２参照光を透過して平面波の第１参照光に変換すると共に、送信機から空間を介して送信された基準光が受信機で折り返され、且つ前記ビームスプリッタでの反射により正負が反転したＯＡＭモードの第１折返し光を透過して、平面波の第２折返し光に変換する第２螺旋位相板と、平面波の光のみを伝搬し、前記第２螺旋位相板で変換された平面波である第１参照光及び第２折返し光のみを通す特定デバイスと、前記第１参照光と前記第２折返し光とを合波したビート信号の周波数と、基準周波数との差分を出力するビート検出器と、前記差分が０又は一定となるように、前記ビームスプリッタを透過した基準光の周波数をシフトする周波数シフタと、前記周波数シフタから出力される基準光を空間を介して受信機へ送信する光アンテナとを備えることを特徴とする送信機である。

この構成によれば、送信機において、基準周波数の基準光に対応する第１参照光と、その基準光が受信機で折り返された第２折返し光との周波数差を０又は一定にできる。このため、送信機から一定周波数の基準光を空間を介して受信機へ送信し、この送信された一定周波数の基準光を、受信機で受信後にユーザ端末機へ送信させることができる。この処理を行う送信機を、パッシブ光デバイスである２つの螺旋位相板を用いて構成したので、従来のＡＯＭのような超音波による機械的な振動を利用したアクティブ光デバイスに比べ、故障が起こり難くなるので信頼性を向上できる。更に、パッシブ光デバイスであるため、アクティブ光デバイスに比べ、消費電力を抑制できる。

（２）前記第２螺旋位相板は、送信機から空間を介して送信された基準光が受信機で折り返される際に、当該受信機で反射された不要反射光を透過して所定のＯＡＭモードの不要反射光に変換して前記特定デバイスへ出力することを特徴とする上記（１）に記載の送信機である。

この構成によれば、第２螺旋位相板で変換されたＯＡＭモードの不要反射光は、平面波のみを伝搬する特定デバイスを通ることができない。このため、特定デバイスの入力側で不要反射光を除去できる。

（３）送信機から空間を介して送信された平面波の基準光を受信する光アンテナと、前記光アンテナで受信された基準光を反射及び透過するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射された基準光に対応する折返し光成分を反射して、螺旋状で所定のＯＡＭモードの第１折返し光に変換する第３螺旋位相板とを備え、前記第３螺旋位相板で変換された第１折返し光を、前記ビームスプリッタでの反射により正負が反転したＯＡＭモードの第２折返し光に変換して、前記光アンテナから空間を介して前記送信機へ返信することを特徴とする受信機である。

この構成によれば、受信機において、送信機からの基準光がビームスプリッタで反射された折返し光成分を、第３螺旋位相板でＯＡＭモードの第１折返し光に変換され、この第１折返し光がビームスプリッタでＯＡＭモードの第２折返し光に変換されて送信機へ送信される。この処理を行う受信機を、パッシブ光デバイスである第３螺旋位相板を用いて構成したので、従来のＡＯＭのようなアクティブ光デバイスに比べ、故障が起こり難くなるので信頼性を向上でき、更に、アクティブ光デバイスに比べ、消費電力を抑制できる。

（３）上記（１）又は（２）に記載の送信機、及び、上記（３）に記載の受信機を備えることを特徴とする空間光周波数伝送システムである。

この構成によれば、（１）又は（２）に記載の送信機、並びに、（３）に記載の受信機の双方と同様の作用効果が得られる。

その他、具体的な構成について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

１０送信機
１３，３２ビームスプリッタ
１５第１螺旋位相板
１６第２螺旋位相板
１８シングルモードファイバ（特定デバイス）
２０ビート検出器
２３周波数シフタ
２４，３１光アンテナ
３０受信機
３４第３螺旋位相板
１００空間光周波数伝送システム

Claims

基準周波数で平面波の基準光を反射及び透過するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで反射された基準光に対応する第１参照光を反射して、螺旋状で所定のＯＡＭ（Orbital Angular Momentum）モードの第２参照光に変換する第１螺旋位相板と、
前記ビームスプリッタを透過した第２参照光を透過して平面波の第１参照光に変換すると共に、送信機から空間を介して送信された基準光が受信機で折り返され、且つ前記ビームスプリッタでの反射により正負が反転したＯＡＭモードの第１折返し光を透過して、平面波の第２折返し光に変換する第２螺旋位相板と、
平面波の光のみを伝搬し、前記第２螺旋位相板で変換された平面波である第１参照光及び第２折返し光のみを通す特定デバイスと、
前記第２螺旋位相板で変換された後に前記特定デバイスを通った後の平面波である第１参照光と、前記第２螺旋位相板で変換された後に前記特定デバイスを通った後の平面波である第２折返し光とを合波したビート信号の周波数と、基準周波数との差分を出力するビート検出器と、
前記差分が０又は一定となるように、前記ビームスプリッタを透過した基準光の周波数をシフトする周波数シフタと、
前記周波数シフタから出力される基準光を空間を介して受信機へ送信する光アンテナと
を備えることを特徴とする送信機。
前記第２螺旋位相板は、送信機から空間を介して送信された基準光が受信機で折り返される際に、当該受信機で反射された不要反射光を透過して所定のＯＡＭモードの不要反射光に変換して前記特定デバイスへ出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の送信機。
送信機から空間を介して送信された平面波の基準光を受信する光アンテナと、
前記光アンテナで受信された基準光を反射及び透過するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで反射された基準光に対応する折返し光成分を反射して、螺旋状で所定のＯＡＭモードの第１折返し光に変換する第３螺旋位相板と
を備え、
前記第３螺旋位相板で変換された第１折返し光を、前記ビームスプリッタでの反射により正負が反転したＯＡＭモードの第２折返し光に変換して、前記光アンテナから空間を介して前記送信機へ返信する
ことを特徴とする受信機。
請求項１又は２に記載の送信機、及び、請求項３に記載の受信機
を備えることを特徴とする空間光周波数伝送システム。
送信機は、
基準周波数で平面波の基準光をビームスプリッタで反射及び透過するステップと、
前記ビームスプリッタで反射された基準光に対応する第１参照光を第１螺旋位相板で反射して、螺旋状で所定のＯＡＭモードの第２参照光に変換するステップと、
第２螺旋位相板によって、前記ビームスプリッタを透過した第２参照光を透過して平面波の第１参照光に変換すると共に、送信機から送信された基準光が受信機で折り返され、且つ前記ビームスプリッタでの反射により正負が反転したＯＡＭモードの第１折返し光を透過して、平面波の第２折返し光に変換するステップと、
平面波の光のみを伝搬する特定デバイスで、前記第２螺旋位相板で変換された平面波である第１参照光及び第２折返し光のみを通すステップと、
前記第２螺旋位相板で変換された後に前記特定デバイスを通った後の平面波である第１参照光と、前記第２螺旋位相板で変換された後に前記特定デバイスを通った後の平面波である第２折返し光とを合波したビート信号の周波数と、基準周波数との差分を出力するステップと、
前記差分が０又は一定となるように、前記ビームスプリッタを透過した基準光の周波数をシフトするステップと、
前記シフトされた基準光を受信機へ送信するステップと
を実行することを特徴とする空間光周波数伝送方法。
受信機は、
送信機から空間を介して送信された平面波の基準光を光アンテナで受信するステップと、
前記光アンテナで受信された基準光をビームスプリッタで反射及び透過するステップと、
前記ビームスプリッタで反射された基準光に対応する折返し光成分を螺旋位相板で反射して、螺旋状で所定のＯＡＭモードの第１折返し光に変換するステップと、
前記第１折返し光を、前記ビームスプリッタでの反射により正負が反転したＯＡＭモードの第２折返し光に変換して、前記光アンテナから空間を介して前記送信機へ返信するステップと
を実行することを特徴とする空間光周波数伝送方法。