JPH02264528A - 衛星間光通信用送受信装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、衛星間において光波を介して通信を行なう
衛星間光通信用送受信装置、特にその受信部における背
景光雑音の低減に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、この種の装置として、第４図に示すようなものが
あった。

第４図は、　Ｖ、　Ｗ、　Ｓ、　Ｃｈａｎ、　”　４０
０　Ｍｂｉｔｏｐｔｉｃａｌ　ｔ＠ｌｅｃｏｍｍｕｎｉ
ｃａｔｉｏｎ　１ｉｎｋ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ａｇａｏｓ
ｔａｔｌｏｎａｒｙ　５ａｔｅｌｌｉｔｅ　ａｎｄ　ａ
　ｌｏｗ　ｅａｒｔｈ　ｏｒｂｌ−ｔｅｎ　’　　Ｃｏ
ｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｌａ５ｅｒｓ　ａｎｄ　Ｅｌ
ｅｃｔｒｏ　−Ｏｐｔｉｅｇ４５　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
　Ｄｉｇｅｓｔ、　　ｐ、３０（１９８５）に示された
もので９図において（１）は半導体レーザ。

ｔ２＋　ハ送信光、（３）はコリメータレンズ、　（４
ｓハエレベーシヨン粗調整ミラー（以下ＥＬＬ調ミラー
と略す）、（５）はアジマス粗調整ミラー（以下ＡＺ粗
調ミラーと略す）、（６１はダイクロイックミラー、（
７）はアジマス微調整ミラー（以下ＡＺ微調ミラーと略
す）１８）はエレベーション微調整ミラー（以下ＥＬＬ
調ミラーと略す）、（９）は望遠鏡、α値は送信ビーム
、α９は受信ビーム、　（１３は受信光、ｒ１３は干渉
フィルタ、　＋ＩＪは集光レンズ、αりは４分割ミラー
Ｏｅは検出器である。

半導体レーザ（１）はＧａＡｓ　／　ＧａＡｓＡｔ化合
物からなシ、コリメータレンズ（３）の焦点面上に設置
され。

パルス変調された送信光（２）を出射する。送信光（２
）の波長λは例えばＱ−ＦＪ　５　ｔｓｒｎである。コ
リメータレンズ（３）は半導体レーザ（１）から出射さ
れた送信光（２）を平行光束に変換する。ＥＬＬ調ミラ
ー（４）は送信光（２）を反射し、送信光（２）のＥＬ
角を制御する。

ＡＺ粗調ミラー（５）は送信光（２）を反射し、送信光
（２）のＡＺ角を制御する。ダイクロイックミラー（６
）は。

例えば波長０゜８７μｍ　以下の光を透過し、波長０．
８８μｍ　以上の光を反射する特性をもち、送信光（２
）を透過させ、受信光α２を反射させる。ＡＺ微調ミラ
ー（７）とＥＬＬ調ミラー（８）は送信光（２）および
受信光α２を反射し、送信光（２）を望遠＠　（９１へ
、受信光α２をダイクロイックミラー（６）へ入射させ
る。望遠鏡（９）は送信光（２）の光束径を拡大し、送
信ビーム員として出射し、相手側衛星から送信された送
信ビームを受信ビーム（１１１として受光し、光束径の
小さな受信光αりに変換する。干渉フィルタａ３は、受
信光α２の波長付近のみの光を透過し、他の光は反射す
る狭帯域のバンドパスフィルタである。

集光レンズＩは、干渉フィルタα３を透過した受信光ａ
３及び背景光の一部を集光する。４分割ミラー（Ｉ９は
集光レンズｆｉ４１により集光された収束光を４つの方
向に分割して反射する。

検出器（ｌ［１は４個の検出器（１６ａ）　、　（１６
ｂ）　、　（１６ｃ）及び（１６ｄ）で構成されておシ
、それぞれは４分割ミラー（ｌりによる集光レンズＩの
焦点の鏡像点に設置されている。

以上のように構成された装置にあって静止衛星間あるい
は静止衛星と低地球軌道衛星間で通信を行う場合半導体
レーザ（１）で出射された送信光（２）はコリメータレ
ンズ（３）で平行光束に変換され、　　ＥＬＬ調ミラー
（４）でＥＬ角を制御されて反射され。

ＡＺ粗調ミラー（５）でＡＺ角が制御されて反射され。

ダイクロイックミラー（６）を透過して、ＡＺ微調ミラ
ー（７）で反射され、さらにＥＬＬ調ミラー（８）で反
射されて望遠鏡（９）に入射される。望遠鏡（９）は送
信光（２）の光束径を拡大し、送信ビームα１として出
射する。送信ビーム員の送信方向は、ＥＬ粗粗調ミー（
４）、ＡＺ粗調ミラー（５）及びＡＺ微調ミラー（７）
。

ＥＬＬ調ミラー（８）によって制御される。望遠鏡（９
）出射時の送信ビーム員の光束径は望遠鏡（９）の開口
径りで決ｉシ２例えばφ２５０ｎである。また送信ビー
ムＨは３６０００〜４００００　Ｋｍの距離を伝搬する
ので、相手側衛星で充分な受光パワーを得るために、送
信ビームα値の広がり角θτは回折限界程度まで小さく
設定する。回折限界による広がり角６丁は である。

つぎに受信動作について説明する。

望遠鏡（９）は２以上と同様にして相手側衛星から送信
された送信ビームを、受信ビーム（ＬＤとして受光し、
光束径の小さな受信光＜１３に変換する。相手側衛星で
は例えばＧａＡｓ化合物半導体レーザを光源に用いてお
シ、受信光ｔｔａの波長は例えば０．９μｍである。望
遠＠　（９）で光束径の小さな受信光に変換された光は
ＥＬＬ調ミラー（８）とＡＺ微調ミラー（７）で反射さ
れてダイクロイックミラー（６）に入射する。

ダイクロイックミラー（６）は０．８８μｍ以上の波長
である受信光（１３を反射する。

なおＥＬＬ調ミラー（８）とＡＺ微調ミラー（７）は。

望遠鏡（９）の受信視野を制御する。第４図では送信光
（２）の光路を実線で示し、受信光αａの光路を破線で
示した。

ダイクロイックミラー（６）で反射した受信光α２は干
渉フィルタ（＋３を透過するが、受信視野内にある相手
側衛星の背景１例えば地球や太陽などから反射あるいは
放射された背景光は、連続スペクトルをもつので大部分
は干渉フィルタ（１３で反射される。

干渉フィルタ０３を透過した受信光α２は集光レンズα
心によシ集光され、４分割ミラー（１５に入射する。

４分割ミラーａｅは集光レンズα瘤によシ集光された収
束光を４つの方向に分割して反射し２反射光を検出器（
ｊ６ａ）　、　（１６ｂ）　、　（ＩＳｅ）及び（１６
ｄ）にそれぞれ集光させる。各検出器出力の和から相手
側衛星の送信信号が得られる。また検出器（１６ａ）と
（１６ｂ　）の出力の低周波成分の差から、アジマス方
向のトラッキング誤差信号が得られ、ＡＺ微調ミラー（
７）の制御信号に変換される。同様に検出器（１６Ｃ）
と（ｊ６ｄ）の出力の低周波成分の差からエレベーショ
ン方向のトラッキング誤差信号が得られ、　ＥＬ微調ミ
ラー（８）の制御信号に変換される。

以上のようにＡＺ微調ミラー（７）及びＥＬ微調ミラー
（８）を制御して望遠鏡（９）の視野内に相手側衛星を
捕え、相手側衛星の送信信号を受信するとともに７自身
の送信光ｆｔＱを正しく相手側衛星に照射して相手側衛
星で受信可能とし相互に通信することができる。

背景光はショット雑音を増大させるので、高品質な通信
を行なうには、干渉フィルタ（１３の透過波長域を狭帯
域にして検出器Ｏｅで受光される背景光を低減すること
が重要である。背景光の最大の光源は太陽である。太陽
が相手側衛星の背景にあるとき、検出器ａＳで受光され
る背景光レベルｐＢはＰＢ　＝：　Ｎ１３−Ａｏ・ΩＲ
Δλ　（Ｗ）　　　　　　　（１）で表わされる。ここ
でＡＯは望遠鏡（９）の受光面積。

ΩＲは望遠鏡（９）の受信視野、Δλは干渉フィルタ（
１３の透過波長帯域＋　ＮＦｎ　　は太陽の輝度であり
。

Ｎ１３は絶対温度Ｔ＝５７７０にの黒体で良く近似でき
。

Ｃ２：　１．４３８８Ｘ１０　　　（ａｍ−Ｋ）である
。なお、（１）式では望遠鏡（９）の受信視野ΩＲは、
背景光を低減するために太陽を見込む立体角（視直径　
約０．５°）よシも小さいとしている。

一方、相手側衛星から送られた送信光の受信光レベルｐ
ｓは Ｐｓ　＝ＮＢ　−ＡＯＩＱＲａ　　　　　　　（ｗ）　
　　　　（３）で表わされる。ここでＮｓは、受信ビー
ムσＢの輝度で であυ、　ＰＭ、Ｄは相手側衛星の光源である半導体レ
ーザ（１）の平均出力、ηは半導体レーザ（１）と望遠
鏡（９）の結合効率、　Ａｏは望遠鏡（９）の開口面積
で受信側と同一とし、ΩＴは送信ビームα値の出射立体
角である。ΩＲ８は受信側衛星から見込む相手側衛星の
望遠鏡（９）の立体角である。（３）式と（４）式から
受信光レベルは となる。

衛星間距離をＬとするとΩＲ８は Ω１．９＝π（淵２（Ｓ　ｒ） と表わされる。また、高い受信光レベルを得るために送
信ビーム（１１の出射立体角ΩＴを回折限界まで絞ると ΩＴ：ｒ、θＴ’：　ｘ　、（押（Ｓｒ）と表わせる。

望遠鏡（９）の開口径りを２５０１ｍ　、受信光（１１
１の波長λを０．９μｍとすると、受信視野ΩＲを回折
限界まで絞ったとしても、太陽が送信側衛星の背後Ｋｔ
）る場合は（１）式及び（２）式から背景光レベルはＰ
Ｂ＝＝２．７Ｘ１０　　ＸΔλ　　　　（、）となる。

ただし、干渉フィルタ０の透過波長帯域Δλの単位はμ
ｍである。

信号の受信光レベルは、半導体レーザ（１）の平均出力
ＰＬＤを１００ｍｖ、　　望遠鏡（９）との結合効率ダ
を１．衛星間距離りを静止衛星と低地球軌道衛星間とし
て３６０００Ｋｍとすると Ｐｓ　＝　９．３　Ｘ　１０＝　　　　　　（ｗ）とな
る。従って、送信側衛星の背後に太陽があるときを想定
すると、背景光レベルＰＢ　が受信光レベルＰｓ　　と
同程度以下であるためには、干渉フィルタ０３の透過波
長帯域Δλを＆４ｎｍ４ｍの狭帯域にしておく必要があ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の衛星間光通信用送受信装置は以上のように構成さ
れておシ、光源である半導体レーザ（１１の発振波長λ
が温度変化によって−ｚ　０．２５　ｎｍ／ＣＴ で変化するので、宇宙空間における厳しい環境下で送信
側装置の温度が変動すると受信側装置において受光され
る受信光！１３の波長が背景光の影響を低減するための
狭帯域な干渉フィルタａ（の透過波長帯域からはずれ、
検出器αｅで受信できなくなるという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、相手側衛星の送信光の波長が温度変化等によ
って変化しても通信可能な衛星間光通信用送受信装置を
得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る衛星間光通信用送受信装置は。

狭帯域な透過波長帯域をもつエタロンと、エタロンの自
由スペクトル領域と同程度の透過波長帯域をもつ干渉フ
ィルタ及び光軸に対してエタロンと対称に配置された補
正板を設置し、検出器で受光される受信光が最大となる
ように上記エタロンと補正板を駆動装置によって回転制
御するようにしたものである。

〔作用〕

この発明における干渉フィルりは、透過する受信光及び
背景光の波長帯域をエタロンの自由スペクトル領域に制
限し、エタロンの透過波長帯域の中心波長は駆動装置の
回転制御によυ走査され受信光の波長に調整され、補正
板は、エタロンの回転調整によって生じる光路変位を補
正してトラッキング誤差信号のオフセットを補正するの
で、受信光の波長が変化しても通信可能とする。

〔発明の実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す斜視図であシ２図に
おいて（１）〜Ｏｅは第４図に示した従来装置と同一の
ものである。

（Ｉ７１は干渉フィルタ、０ａはエタロン、α９は補正
板。

■は駆動装置、１２＋）は加算回路、＠は制御回路であ
る。

なお、干渉フィルタ０Ｄの透過波長帯域はエタロンａ♂
の自由スペクトル領域内にあり、エタロンαａと補正板
０９は制御回路（社）によって制御される駆動装置（至
）に取付けられている。

次に動作について説明する。上記従来例と同様に望遠鏡
（９）で受光された受信光ａ’ａ及び背景光の長波長成
分はダイクロイックミラー（６）で反射し、干渉フィル
タσηに入射する。干渉フィルタαηの透過波長帯域Δ
λｌはエタロンａ渇の自由スペクトル領域Δλｆ程度で
あり、干渉フィルタαηはΔλｉ内にある受信光α２及
び背景光を透過する。

エタロンα乃は両面を高反射率にした平行平板であり、
透過率Ｔは で与えられる。Ｒはエタロンａ趨の両面の反射率。

ψは内部反射によりエタロンα＆の内部を一往復する際
に生じる位相差で である。ｎはエタロン内部内部の屈折率、ｄはエタロン
の厚さ、θ′はエタロン内部での屈折角である。（５）
式かられかるようにエタロン（ｌ撞の透過率Ｔは、ψ＝
２ｍπ（ｍは整数）となるたびに１となう、波長に対し
て周期的に完全透過となる。

（２ｍ−１）π≦ψ≦（２ｍ＋１）にの領域がエタロン
αａの自由スペクトル領域で、この領域内で透過率が１
となるのは１つの波長に限られる。

第２図は、エタロンσ鋳の透過率と干渉フィルタαηの
透過率の関係を示す図である。エタロンαＱの自由スペ
クトル領域は λ２ Δλｆ２□ａｃｏｓｆ” で与えられ、λ＝　０．９　ｔｔｍ、　　ｎ＝　１．５
　、Δλｆは容易に得られる干渉フィルタ面の透過波長
帯域である３０ａｍ　　とすると、エタロンａＦｊの厚
さｄは１０μｍ程度になる。なお２このように薄ｈエタ
ロン０のは１片面を高反射率にコーティングした２枚の
基板で誘電体薄膜をはさむことによって得られる。

エタロン＜ＩＩの透過波長帯域は で与えられ、エタロンαυの両面の反射率Ｒを高くする
程狭帯域にできる。ｎ＝７３％にすれば。

ΔλｅはΔλｆの１／１０となり、自由スペクトル領域
Δλｆ＝３０ｎｍに対し、透過波長帯域Δλｅ＝３　ｎ
ｍの狭帯域なエタロン（ＩＳが得られる。

エタロンＤＩの透過波長帯域の中心波長は、エタロンα
υを回転して受信光ａ７Ｊの入射角θを変えることで変
化させることができる。

エタロン０樽内部の屈折角θ′をδθ′変化させたとき
の透過波長帯域の中心波長の波長シフト′＃δλは δλ＝−λ−θ１．δθＩ となシ、θ′　を入射角θに置き換えるとと表わせる。

従って、ｎ＝１．５．　　θ＝２０°とすればδθ −＝　（Ｌ　４２　　　　　　　（ｄｅｇ　／ｎｍ　）
δλ の割合で回転調整してエタロンα♂の透過波長帯域の中
心波長を受信光ａ３の波長く合わせることができる。

受信側衛星の温度変化による干渉フィルタ（Ｉη及びエ
タロンα枠の透過波長帯域の変動も考えられる。

温度変化による干渉帯域αηの透過波長帯域Δλｌの波
長シフト量は、膜材料の屈折率をｎｉ、線膨張率をαｉ
とすると、概略 で与えられ、膜材料として一般的なＺｎＳ、ＭｇＦ２ａ
λ 等を用いた場合は、　−＝　ｌ　Ｏ２ｎｍ　／　Ｃ以下
でＴ ある。干渉フィルタαηの透過波長帯域Δλ１　は。

エタロン側の自由スペクトル領域Δλｆ：３０ｎｍ程度
の幅を持ち、温度変化１００Ｃに対する透過波長帯域の
シフト量２ｎｍに比べ十分広いので。

干渉フィルタαηの温度変化による影響は無視できる。

温度変化によるエタロン側の透過波長帯域Δλｅの波長
シフト量は、エタロンα枠の反射面間の線膨張率をαと
すると。

で与えられ、干渉フィルタαηと同程度であり、半導体
レーザ（１）の発振波長の温度変化に比べ１桁小さい。

従って、受信側の温度変化の影響は小さく。

エタロンα■の回転調整は受信光σ２の波長変化に合わ
せる調整が主である。

エタロンα枠を回転し受信光（１ｚの入射角を調整する
と、エタロン０ａ基板の厚さのため、エタロン側を透過
した受信光ｔ１Ｚの光路が、エタロンα種の回転によっ
て横江ずれる。エタロンα枠を透過した受信光θ２の光
路が横にずれると、集光レンズＩを透過して４分割ミラ
ー卵で分割される受信光α２の分割比が１　：１でなく
なり、検出器（１６ａ）と（１６ｂ）の出力差から得ら
れるＡｚ　　）ラッキング誤差信号にオフセットを生じ
る。これを補正するために、エタロン側と集光レンズα
４の間に補正板α９を設置する。

第３図はエタロンα枠と補正板０！Ｉの配置関係を示す
図である。第３図においてエタロンα枠を実線の位置か
ら破線の位置までδθ回転したとすると。

エタロンα勝を透過した受信光α３の光路はエタロンα
・の基板による屈折でＸだけ変位する。エタロンα・の
基板と同厚の補正板ａ９を、光軸の垂直な面に対してエ
タロンα橿と対称に設置し、補正板０９をエタロン側と
逆方向にｉθ回転することによりこの変位Ｘは補正され
る。

エタロン側及び補正板ｆＩ！Ｉを回転駆動する制御信号
は、加算回路ＣＤで検出器（１６ａ）〜（１６ｄ）の出
力の低周波成分の総和をとり、この出力和の最大値を検
出する制御回路（イ）から出力され、駆動装置■に送ら
れる。駆動装置■は、エタロン（１３を透過する受信光
が最大となるようにエタロンαａの角度を設定するとと
もに、補正板α１をエタロンａりと反対方向に回転させ
、光軸の垂直な面に対してエタロンα♂と鏡像的な配置
に設定する。

従って、送信側衛星の温度変化によって受信光（１２の
波長が変化しても、エタロンα梯を回転制御して狭帯域
の透過波長帯域の中心波長を受信光ａ’ａの波長に合わ
せ、受信可能とするものである。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、背景光の影響を低減す
るための比較的広帯域な干渉フィルタと狭帯域なエタロ
ン及び光路を補正する補正板を設置し、検出器で受光さ
れる受信光が最大となるようにエタロンと補正板を駆動
装置によって回転制御するので、エタロンの透過波長帯
域が受信光の波長に調整され、送信装置の変化によって
受信光の波長が変化しても、受信できるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す斜視図、第２図はエ
タロンの透過率と干渉フィルタの透過率の関係を示す説
明図、第３図はエタロンと補正板の配置関係を示す説明
図、第４図は従来の衛星間光通信用送受信装置を示す斜
視図である。 （１１は半導体レーザ、住ｚは受信光、　ａｌｌは検出
器。 ａηは干渉フィルタ、　ａｍはエタロン、ａ傷は補正板
。 ■は駆動装置、（イ）は制御回路である。 なお、各図中同一符号は同一、または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体レーザで出射された送信光をダイクロイックミラ
   ーで透過または反射し望遠鏡で光束径を拡大して送信ビ
   ームとして出射し、相手側衛星から送信された受信ビー
   ムを上記望遠鏡で受光し光束径の小さな受信光に変換し
   、上記ダイクロイックミラーで反射または透過して検出
   器で検出する衛星間光通信送受信装置において、上記ダ
   イクロイックミラーと検出器との間に設けられ、受光す
   る光の波長帯域を制限して背景光の影響を低減する狭帯
   域な透過波長帯域をもつエタロンと、このエタロンと上
   記ダイクロイックミラーとの間に設けられ、上記エタロ
   ンの自由スペクトル領域と同程度の透過波長帯域幅をも
   つ干渉フィルタと、光軸の垂直な面に対して上記エタロ
   ンと対称に配置された補正板と、上記エタロンを回転さ
   せてエタロンに入射する受信光の入射角を変え、エタロ
   ンの透過波長帯域の中心波長を変化させるとともに、上
   記エタロンの回転によつて生じる受信光の光路変位を上
   記補正板の回転によつて補正するよう上記エタロンと上
   記補正板とを回転制御する駆動装置と、上記検出器で受
   光される受信光が最大となるようにこの駆動装置を制御
   する制御回路とを備えたことを特徴とする衛星間光通信
   用送受信装置。