WO2016047100A1 - 空間光受信装置、空間光通信システムおよび空間光通信方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a spatial light receiver, a spatial light communication system, and a spatial light communication method, and more particularly to a spatial light receiver, a spatial light communication system, and a spatial light communication method that perform optical communication using laser light propagating in free space.
- Patent Document 1 Examples of spatial optical communication devices using such an optical fiber communication technique are described in Patent Document 1 and Patent Document 2.
- modulated laser light is generally transmitted in a narrow beam and propagated in the atmosphere.
- the light is collected by an optical antenna and transmitted through a short-distance fiber before signal reception.
- a beam spot is formed on a focal plane (focal plane) in a condensing unit of a spatial light communication (FSO) receiver, but a speckle pattern is generated in the beam spot due to atmospheric disturbance.
- the generation of the speckle pattern causes the beam spot to diffuse or move (scintillate) with respect to the ideal focal plane.
- the spatial optical communication device described in Patent Document 1 a fiber cable in which a plurality of optical fibers are closely bundled, for example, an optical fiber
- the configuration uses a bundle.
- the spatial optical communication device described in Patent Document 1 closely connects a convex lens as a condensing optical system into which a light beam from a communication partner station received by a transmission / reception telescope is introduced, and a plurality of optical fibers.
- a fine-tracking / tracking function unit including a fiber cable bundled together.
- an optical focal point of the light beam that has passed through the convex lens is formed on the transmission / reception surface, which is one end of the fiber cable from which the ends of the first to nth optical fibers are exposed, and incident light is incident on at least one optical fiber. Combine.
- the received light is guided through any of the first to nth optical fibers.
- Patent Document 2 describes an FSO receiver in which a single fiber that is gradually narrowed from a large core to a small core is used instead of a fiber bundle.
- the FSO receiver described in Patent Document 2 includes a telescope collection system, a wavelength demultiplexer, a diode photodetector, an analog / digital converter, and a digital signal processor.
- a gradually thinning fiber bundle or a single gradually thinning fiber collects the light from the demultiplexer onto multiple individual fiber end faces and inputs that light for input to the photodetector. Are concentrated on a single output fiber.
- Patent Document 2 further describes an FSO transmitter that includes two or more diode lasers, an optical system that combines the functions of a wavelength multiplexer and a telescope, and emits an output beam multiplexed by wavelength. .
- the wavefront of this output beam is deformed as it passes through the atmospheric turbulence cell, but the amount of phase distortion is wavelength dependent, so that the signals in different wavelength channels are subject to different phase distortions. Then, after the output beam propagates a sufficient distance, the phase distortion in each wavelength channel becomes unrelated.
- gain can be achieved by performing separate light detection at the FSO receiver for two or more different wavelength channels.
- JP 2006-333070 paragraphs [0019] to [0043], FIGS. 1 and 2)
- JP-T-2013-535871 paragraphs [0009] to [0033], FIGS. 1 to 4)
- the FSO system using the atmospheric wavelength dispersion characteristic described in Patent Document 2 has a problem that it is difficult to obtain the effect of wavelength diversity because the atmospheric wavelength dispersion characteristic is extremely small.
- the wavelength ( ⁇ ) dispersion characteristic dn / d ⁇ of the refractive index n in the atmosphere is on the order of about 10 ⁇ 8 (/ nm) and is extremely small regardless of the temperature and temperature. Therefore, for example, the refractive index difference ⁇ n obtained by the wavelength difference of about 30 nm, which is the gain band of an erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA), is smaller than 10 ⁇ 6 .
- EDFA erbium-doped optical fiber amplifier
- the dispersion angle ⁇ at this time is on the order of microradians ( ⁇ rad), assuming that ⁇ and sin ⁇ and ⁇ n are approximately equal.
- ⁇ rad microradians
- the object of the present invention is the above-described problem, that in the spatial optical communication system, it is unavoidable to deteriorate the coupling efficiency between the received light and the single mode fiber, and it is difficult to increase the transmission rate.
- An object of the present invention is to provide a spatial light receiver, a spatial light communication system, and a spatial light communication method that solve the problem.
- the spatial light receiving device of the present invention inputs a wavelength-multiplexed reception side laser beam propagating through a spatial transmission path, and receives the reception side laser beam condensed by the light collection unit for each wavelength.
- Propagation mode control means for generating a propagation mode group including a plurality of propagation mode lights having different pumping states, separating and outputting each of the plurality of propagation mode lights, and a plurality of single modes for respectively guiding the plurality of propagation mode lights.
- One mode transmission medium and a plurality of light receiving means for receiving a plurality of propagation mode lights through a plurality of single mode transmission media, respectively.
- the spatial light communication system of the present invention has a spatial light transmitter and a spatial light receiver, and the spatial light transmitter transmits a wavelength-multiplexed laser beam that transmits a plurality of laser beams having different wavelengths.
- a collimating means for emitting, from the optical system consisting of a single optical axis to the spatial transmission path, a collimating means, and a spatial light receiving device.
- the condensing means for condensing the receiving laser light after the transmitting laser light propagates through the spatial transmission path and the receiving laser light condensed by the condensing means are input, and the excitation state differs for each wavelength.
- An excitation mode control unit that generates a propagation mode group including a plurality of propagation mode lights, and outputs the propagation mode group separately for each of the plurality of propagation mode lights, and a plurality of single mode transmission media that respectively guide the plurality of propagation mode lights. And multiple single-mode transmissions A plurality of light receiving means for receiving each of the plurality of propagation mode light through the medium, with a city.
- the spatial optical communication method of the present invention transmits a wavelength-multiplexed laser beam obtained by multiplexing a plurality of laser beams having different wavelengths, introduces the wavelength-multiplexed laser beam into an optical system consisting of a single optical axis, and transmits from the optical system to the transmission side.
- a laser beam is emitted to a spatial transmission path, and the reception-side laser beam after the transmission-side laser beam propagates through the spatial transmission path is condensed, and the excitation state differs for each wavelength from the collected reception-side laser light.
- a group of propagation modes including a plurality of propagation mode lights is generated, separated into a plurality of propagation mode lights, a plurality of propagation mode lights are respectively introduced into a plurality of single mode transmission media, and a plurality of single mode transmission media are guided.
- a plurality of wave propagation mode lights are received.
- the influence of deterioration of the coupling efficiency between the received light and the single mode fiber on the communication characteristics is alleviated, and the transmission rate is increased. be able to.
- FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a spatial light communication system according to a first embodiment of the present invention. It is a block diagram which shows the structure of the space optical communication system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. It is a figure which shows typically the propagation form of the laser beam which the spatial light transmitter which concerns on the 2nd Embodiment of this invention radiate
- FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a spatial light receiving device 100 according to the first embodiment of the present invention.
- the spatial light receiving device 100 includes a condensing unit 110, an excitation mode control unit 120, a plurality of single mode transmission media 130, and a plurality of light receiving units 140.
- the condensing unit 110 condenses the wavelength-multiplexed reception-side laser light 101 propagated through the spatial transmission path.
- the excitation mode control unit 120 receives the reception-side laser light 101 collected by the condensing unit 110, generates a propagation mode group including a plurality of propagation mode lights having different excitation states for each wavelength, and generates a plurality of propagation modes. Separate and output for each light.
- the single mode transmission medium 130 guides a plurality of propagation mode lights.
- the light receiving unit 140 receives a plurality of propagation mode lights via the single mode transmission medium 130.
- the fluctuation (scintillation) of the received light intensity which is a problem in the space optical communication (FSO) is caused by the fluctuation of the wavefront of the laser light due to the random disturbance of the atmosphere.
- the excitation mode control unit 120 receives the reception-side laser light 101, and generates a propagation mode group including a plurality of propagation mode lights having different excitation states for each wavelength.
- the light is separated and output for each of a plurality of propagation mode lights.
- the spatial light receiving device 100 of the present embodiment it is possible to alleviate the influence of the deterioration of the coupling efficiency between the received light and the single mode fiber on the communication characteristics, and to increase the transmission rate.
- FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of the spatial optical communication system 1000 according to the present embodiment.
- the spatial light communication system 1000 includes a spatial light receiver 1100 and a spatial light transmitter 1200, and propagates signal light through a free space transmission path therebetween.
- the free space includes at least one of outer space and atmospheric space.
- Spatial light transmitter 1200 includes wavelength division multiplexed laser light sending means 210 and collimating means 220.
- the wavelength multiplexed laser beam sending means 210 sends a wavelength multiplexed laser beam obtained by multiplexing a plurality of laser beams having different wavelengths.
- the collimating means 220 receives the wavelength-multiplexed laser light and emits the transmission side laser light 201 to the spatial transmission path from an optical system having a single optical axis.
- the spatial light receiving device 1100 has the same configuration as that shown in FIG.
- the condensing means 110 included in the spatial light receiver 1100 condenses the reception-side laser light 101 after the transmission-side laser light 201 has propagated through the spatial transmission path.
- a wavefront variation of the laser beam due to atmospheric disturbance 1001 occurs in the reception-side laser beam 101.
- the spatial optical communication system 1000 according to the present embodiment will be described in more detail.
- the wavelength multiplexing laser light transmission means 210 provided in the spatial light transmission apparatus 1200 can be configured to include a plurality of laser transmission means 211 and multiplexing means 212 having different wavelengths.
- the plurality of laser transmission units 211 generate laser beams having different wavelengths, respectively, modulate them with transmission signals, and output them.
- the combining unit 212 combines a plurality of laser beams having different wavelengths. Then, the collimating means 220 sends the combined laser light to free space.
- the excitation mode control means 120 included in the spatial light receiving device 1100 separates the reception-side laser light 101 collected by the light collecting means 110 into a plurality of propagation mode lights according to the wavefront fluctuation of the laser light. Further, the excitation mode control means 120 can further output after wavelength separation. In this case, if the number of wavelengths is “w” and the number of propagation modes is “m”, the reception-side laser light 101 is separated into “wm” pieces, and the number of single mode transmission media 130 and light receiving means 140 is also “wm”. It becomes a piece.
- the excitation mode control unit 120 included in the spatial light receiver 1100 converts the reception-side laser beam 101 collected by the focusing unit 110 into a plurality of propagation mode lights corresponding to a plurality of wavelengths and wavefront fluctuations of the laser beam. To output. Specifically, for example, when the wavefront disturbance of the laser beam is large, the excitation mode control unit 120 outputs the reception-side laser beam 101 condensed by the condensing unit 110 into a plurality of wavelengths and a plurality of propagation mode lights. It can be set as the structure to do.
- the excitation mode control unit 120 controls the propagation mode of the condensed reception-side laser light 101 and then outputs the light separated into a plurality of wavelengths and a plurality of propagation mode lights. It can be.
- the spatial optical communication system 1000 According to the spatial optical communication system 1000 according to the present embodiment, the influence of the deterioration of the coupling efficiency between the received light and the single mode fiber on the communication characteristics is alleviated, and the transmission rate is increased. Can be planned.
- a wavelength multiplexed laser beam obtained by multiplexing a plurality of laser beams having different wavelengths is transmitted.
- the wavelength-multiplexed laser light is introduced into an optical system composed of a single optical axis, and the transmission side laser light is emitted from this optical system to the spatial transmission path.
- the receiving side laser beam after the transmitting side laser beam propagates through the spatial transmission path is condensed.
- a propagation mode group including a plurality of propagation mode lights having different excitation states for each wavelength is generated from the collected reception-side laser light, and separated for each of the plurality of propagation mode lights.
- the plurality of propagation mode lights are respectively introduced into the plurality of single mode transmission media, and the plurality of propagation mode lights guided through the plurality of single mode transmission media are respectively received.
- the spatial optical communication method of the present embodiment By adopting such a configuration, according to the spatial optical communication method of the present embodiment, the influence of the deterioration of the coupling efficiency between the received light and the single mode fiber on the communication characteristics is alleviated, and the transmission rate is increased. be able to.
- the wavefront fluctuation of the laser beam due to the atmospheric disturbance 1001 and the excitation of a plurality of propagation mode lights as a result thereof are not theoretically generated in outer space.
- the principle of this configuration can also be applied to the wavefront change of signal light incident on the multimode fiber due to vibrations of the apparatus. As a result, the same effect can be obtained in a spatial optical communication apparatus that uses outer space as a spatial transmission path.
- FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a spatial optical communication system 2000 according to the second embodiment of the present invention.
- the spatial light communication system 2000 includes a spatial light receiver 2100 and a spatial light transmitter 2200, and propagates signal light through a free space transmission path therebetween.
- the spatial light transmitter 2200 includes a wavelength-multiplexed laser light sending unit 210 and a collimating unit 220.
- the wavelength multiplexed laser beam sending means 210 sends a wavelength multiplexed laser beam obtained by multiplexing a plurality of laser beams having different wavelengths.
- the collimating means 220 emits the transmission side laser light, in which the emission angle of the wavelength multiplexed laser light is varied for each wavelength, from the optical system composed of a single optical axis to the spatial transmission path.
- the collimating means 220 can be configured to include a transmission-side multimode transmission medium that emits wavelength-multiplexed laser light at different angles for each wavelength.
- the spatial light receiving device 2100 includes a condensing unit 110, an excitation mode control unit 120, a plurality of single mode transmission media 130, a plurality of light receiving units 140, and a signal processing unit 150.
- the excitation mode control means 120 included in the spatial light receiving device 2100 of the present embodiment has a configuration including a multimode transmission medium 121 and a laser light separation means 122.
- the multi-mode transmission medium 121 inputs the reception-side laser light 101 in a different incident state for each wavelength, and outputs a propagation mode group.
- the laser beam separation means 122 receives the propagation mode group and separates and outputs the plurality of propagation mode lights.
- the wavelength multiplexing laser light transmission means 210 provided in the spatial light transmission apparatus 2200 is configured to include a plurality of laser transmission means 211, a multiplexing means 212, and a signal source 213 having different wavelengths.
- the laser transmission unit 211 includes a laser light source that outputs carrier laser beams having a plurality of wavelengths, and a modulation unit that modulates the carrier laser beam using a data signal supplied from the signal source 213 and outputs the modulated laser beam. It is. Here, by independently controlling a plurality of laser light sources, it is possible to set the operation state or the stop state, respectively.
- the collimating means 220 includes tracking means for tracking the spatial light receiver 2100 and has a single optical system including one telescope.
- a single mode fiber (SMF) suitable for transmission of high-speed modulated laser light can be used as the laser light transmission medium in the spatial light transmitter 2200.
- a multimode fiber (MMF) may be used to connect the output side of the multiplexing unit 212 and the collimating unit 220.
- the condensing unit 110 included in the spatial light receiving device 2100 condenses the reception-side laser light 101 that has propagated through the spatial transmission path while being controlled by the tracking unit that tracks the spatial light transmitting device 2200.
- the light is condensed on the multimode transmission medium 121.
- a multimode fiber MMF
- the present invention is not limited to this, and a planar lightwave circuit (PLC) or a three-dimensional optical waveguide element may be used.
- the laser beam separation unit 122 may include a mode separation unit and may further include a wavelength separation unit.
- the wavelength separation means has a function of separating laser light having a plurality of wavelengths that are wavelength-multiplexed in the spatial light transmitter 2200.
- the wavelength separation means can be realized by using an arrayed waveguide grating (AWG) or an interference film filter.
- the mode separation means has a function of separating laser light into eigenmodes (hereinafter simply referred to as “modes”) capable of propagating in a multimode fiber (MMF), and coupling each to a single mode fiber (SMF). Have.
- the mode separation means can be realized by using a wave plate or the like.
- the single mode transmission medium 130 and the light receiving means 140 are the same as those of the spatial light receiving apparatus 100 according to the first embodiment. That is, the single mode transmission medium 130 guides a plurality of propagation mode lights. As the single mode transmission medium 130, a single mode fiber (Single Mode Fiber: SMF) can be typically used. The light receiving means 140 receives a plurality of propagation mode lights via the plurality of single mode transmission media 130, respectively.
- SMF Single Mode Fiber
- the signal processing means 150 performs signal processing on the plurality of reception signals output from the plurality of light receiving means 140, and outputs an output signal obtained by synthesizing the plurality of reception signals.
- the signal source 213 included in the spatial light transmission device 2200 generates a signal to be transmitted by the spatial light transmission device 2200.
- the laser transmitting unit 211 modulates laser light having a plurality of wavelengths.
- the modulated laser beams having a plurality of wavelengths are wavelength-multiplexed by the multiplexing unit 212.
- the laser beam wavelength-multiplexed by the multiplexing unit 212 is sent from the collimating unit 220 to free space.
- the wavefront of the transmission-side laser beam 201 transmitted to free space is disturbed due to atmospheric disturbances.
- the reception-side laser light 101 that has propagated through free space and has been subjected to wavefront disturbance is condensed on the end surface of the multimode transmission medium 121 by the condensing means 110.
- the condensed reception-side laser light propagates through the multimode transmission medium 121 as signal light and is connected to the laser light separation means 122.
- the signal light is separated into a plurality of orthogonal modes by the wavelength separation means and the mode separation means in the laser light separation means 122.
- the separated signal lights are each output to a single mode fiber (SMF) as the single mode transmission medium 130.
- SMF single mode fiber
- the number of signal lights that can be separated into single modes is equal to or smaller than the product of the number of wavelengths (w) and the number of modes (m) that can propagate through the multimode transmission medium 121.
- the plurality of single mode lights coupled to the single mode transmission medium 130 are received by the light receiving means 140, and a reception signal of each mode is generated. All the received signals are processed by the signal processing means 150, and the received signals are output.
- a multimode transmission medium 121 typified by a multimode fiber (MMF) having a larger core area than a single mode fiber (SMF) is provided at the input portion of the excitation mode control means 120. It is characterized by having.
- MMF multimode fiber
- the wavefront component of the signal light that could not be combined with the single mode fiber (SMF) is coupled to the single mode fiber (SMF). It becomes possible.
- the wavelength dependence of the speckle pattern generated on the fiber end face is caused by the wavelength-multiplexed signal light.
- the mode and the wavelength excited by the multimode fiber (MMF) are associated with each other.
- the signal light separated for each wavelength and mode and converted into a single mode is photoelectrically converted by the light receiving means 140. Thereafter, the signal processing means 150 recombines and retransmits the transmitted signal.
- the receiving-side laser beam 101 whose wavefront is disturbed is coupled to a multimode fiber (MMF) and separated for each wavelength and mode, thereby orthogonalizing the influence of atmospheric disturbances.
- MMF multimode fiber
- SMF single mode fiber
- the above-described effect is a diversity effect using a wavelength, which can mitigate the influence of atmospheric disturbances in space optical communication (FSO).
- FSO space optical communication
- the laser transmitter 211 included in the spatial light transmitter 2200 of the present embodiment has a laser light source that outputs carrier laser light having a plurality of wavelengths, and modulates each carrier laser light by a series of data signals generated by the signal source 213.
- the modulated laser beam is output.
- the modulation method is not particularly limited, and various known methods can be applied. Various known techniques can also be applied to the laser modulation method using signals.
- FIG. 3 shows a configuration in which the single signal source 213 distributes the same signal to all the laser transmission units 211, but the present invention is not limited to this, and a configuration having a plurality of signal sources 213 may be employed.
- a configuration in which a plurality of signal sources 213 and a plurality of laser transmission units 211 are connected by a switch unit, and signals from the plurality of signal sources 213 are transmitted in a diversity manner by combining any number of different wavelengths. can do.
- the multiplexing means 212 wavelength-multiplexes and multiplexes the output signal lights of different wavelengths of the laser transmission means 211 propagated by a plurality of single mode fibers (SMF), and combines them to provide a single single mode fiber (SMF) or multimode. Output to fiber (MMF).
- SMF single single mode fiber
- MMF multimode.
- a known technique such as AWG, interference film filter, or mode multiplexing technique can be applied to the multiplexing means 212.
- the multiplexing unit 212 may include an optical amplification unit that amplifies the laser light.
- the optical amplifying means may be provided with an output adjustment function that varies the output light intensity. This output adjustment function can be configured to operate in accordance with the number of wavelengths of laser light wavelength-multiplexed by AWG or the like.
- a fiber type optical amplifier can be used as the optical amplification means.
- a single mode fiber (SMF) type fiber amplifier but also a multimode fiber amplifier can be used.
- the optical amplification means can be further provided with an output power adjustment function.
- the collimating means 220 includes an optical antenna or a telescope.
- the collimating means 220 collimates the wavelength-multiplexed signal light and sends the transmission side laser light 201 to the free space toward the spatial light receiving device 2100. Furthermore, it is good also as providing the function to track the spatial light receiver 2100.
- Patent Document 2 discloses a spatial diversity technique in which transmission is performed using a plurality of light beams as a means for solving the influence of atmospheric disturbance. According to the spatial diversity technique, it is possible to mitigate the disturbance of the wavefront by separating a plurality of beam intervals beyond the coherent length of the space. However, a plurality of collimating means are required to secure the distance between the beams. Therefore, there has been a problem that the total weight or total volume of the spatial light transmitter increases.
- the spatial light transmission apparatus 2200 of this embodiment employs a wavelength diversity technique, and can transmit signal light having a plurality of wavelengths orthogonally by a single collimator means 220. Therefore, there is an effect that the volume and weight of the spatial light transmitter can be reduced. This has a great effect when there are extremely severe restrictions on the weight and power consumption in order to mount the spatial light transmitter on an aircraft or satellite.
- the wavefront of the transmission-side laser beam 201 transmitted from the collimating unit 220 is a plane wave and a configuration in which the wavefronts of all the wavelength-multiplexed signal lights share the same wavefront in relation to the optical amplification unit included in the multiplexing unit 212. can do.
- the effect of spatial diversity may be obtained by wavelength-multiplexing the transmission-side laser light 201 emitted from a single optical system and changing the wavefront of the signal light.
- the transmission side laser light has a different angle for each wavelength. Propagate through space.
- two transmission-side laser beams are emitted from the spatial light transmission device at slightly different angles for each wavelength.
- the deviation angle of the beam center for each wavelength is narrower than the beam divergence angle, and the signal light of both wavelengths is simultaneously incident on the condensing means 110 of the spatial light receiving device with sufficient intensity.
- the signal light of the two types of wavelengths ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) has different atmospheric propagation regions, so that each wavefront passes through different atmospheric disturbances 1001.
- the receiving side laser beam 101 is subjected to different wavefront disturbances for each wavelength, so that different propagation modes are excited on the receiving side.
- the same effect can be expected even in the case where the collimating means 220 formed of a single optical system has a configuration in which the transmission side laser light has a different spread angle for each wavelength. This is because if the beam divergence angle is different, it passes through a space having a different disturbance 1001 for each wavelength.
- the difference between the deviation angle and the spread angle in the beam emission direction is a distance equal to or greater than the coherent length in a space region where the influence of atmospheric disturbance is most noticeable.
- the collimating means 220 is configured so as to be secured.
- the collimator means 220 can be configured to include a diffraction grating.
- a multimode fiber (MMF) as a transmission side multimode transmission medium may be provided.
- a mode multiplexing technique is used to couple to a multimode fiber (MMF) in a mode different for each wavelength, and the transmission side laser light is transmitted from the collimator means 220.
- transmission side laser light having a different wavefront corresponding to each mode is emitted. Since the transmission side laser light of each wavelength travels in the normal direction of each wavefront, it is possible to emit the transmission side laser light at different angles for each wavelength.
- the beam emission angle can be controlled by adjusting the mode order and the diameter of the collimating means 220. Further, the spread angle can be controlled by using an orbital angular momentum (OAM) multiplexing technique.
- OFAM orbital angular momentum
- the multimode transmission medium 121 included in the spatial light receiving device 2100 of the present embodiment is an optical waveguide medium having a plurality of eigenpropagation modes, and is typically a multimode fiber (MMF).
- MMF multimode fiber
- the reception-side laser light 101 propagating through the spatial transmission path is focused on the end face of the multimode fiber (MMF) as the multimode transmission medium 121 by the condensing means 110. Focused.
- the reception-side laser beam 101 has a wavefront that is disturbed by atmospheric turbulence during propagation through space. Therefore, an ideal beam spot is not formed on the end face of the multimode fiber (MMF), and a speckle pattern is formed.
- the receiving laser beam 101 is directly coupled to a single mode fiber (SMF) having a small core area, the coupling efficiency is significantly deteriorated, so that it is difficult to perform stable space optical communication (FSO).
- SMF single mode fiber
- the receiving side laser light 101 is coupled to the multimode transmission medium 121.
- the multi-mode transmission medium 121 having a large core area good fiber coupling is possible even with a beam spot diffused by a speckle pattern, and signal light can be propagated to the light receiving means 140.
- the reception-side laser light 101 coupled to the multimode transmission medium 121 is excited in different eigenmodes depending on the wavefront of the reception-side laser light 101 and the irradiation position of the core surface of the multimode transmission medium 121. Therefore, the receiving side laser beam 101 propagates in the multimode transmission medium 121 in a mode multiplexed state. In this way, signal light that has been wavelength-multiplexed by the wavelength diversity method and propagated through different portions of the atmosphere is incident on different positions on the end face of the multimode transmission medium 121, thereby being associated with the mode diversity method.
- the laser beam separation unit 122 included in the spatial light receiving device 2100 of the present embodiment includes a mode separation unit and a wavelength separation unit.
- the order of execution of the mode separation means and the wavelength separation means is interchangeable.
- the wavelength separation means separates the wavelength multiplexed signal light into respective wavelengths. It can be implemented by using an AWG or an interference film filter.
- the mode separation means separates the mode-multiplexed signal light propagating through the multimode transmission medium 121 into eigenmodes and couples them to a single mode fiber (SMF).
- the mode separation means can be realized by, for example, a mode filter using a combination of wave plates and single mode fiber (SMF) coupling.
- the mode separation means can also be implemented by using a filter that utilizes coupling between waveguides.
- the laser beam separation unit 122 that is lossless in principle can be configured.
- the adiabatic taper portion does not have a function of converting a higher-order mode of the multimodes to a lower-order mode. Therefore, only the fundamental mode component is coupled to the single mode fiber (SMF).
- SMF single mode fiber
- the high-order mode component excited by the multimode fiber (MMF) part is radiated and lost in the process of passing through the tapered portion, so that highly efficient fiber coupling is difficult.
- the spatial light receiving device 2100 of the present embodiment is configured to include a multimode transmission medium 121 and laser light separating means 122. All modes excited in the multimode fiber (MMF) can be changed to a single mode by the multimode fiber (MMF) coupling in the multimode transmission medium 121 and the mode separation means included in the laser beam separation means 122. Therefore, according to the spatial light receiving device 2100 of the present embodiment, highly efficient fiber coupling can be realized.
- the light receiving means 140 includes a high bit rate optical receiving means for receiving an input from a single mode fiber (SMF) as the single mode transmission medium 130, and photoelectrically converts the received signal light.
- SMF single mode fiber
- a coherent receiver using a digital coherent technology capable of receiving a highly sensitive signal at a high transmission rate may be used.
- the signal processing means 150 performs a synthesis process of the spatially propagated received signal from the received signal for each wavelength and mode received by the light receiving means 140.
- the mode of the signal light propagating through the multimode transmission medium 121 varies with time.
- the intensity of each single mode light input to the plurality of light receiving means 140 also varies, so the quality of the output reception signal also varies.
- the signal processing means 150 compensates for the intensity fluctuation between the modes and reproduces the signal transmitted by the transmission apparatus.
- the signal processing means 150 may be configured to compensate for the skew generated between the received signals.
- the skews at this time include those caused by the mode dispersion of the multimode transmission medium 121 and those caused by the fiber length and wiring length after the laser beam separating means 122. Furthermore, it is possible to employ a configuration in which mode mixing and mode crosstalk in the laser beam separation unit 122 are also compensated.
- the signal processing means 150 can be configured by applying an A / D (Analog-to-Digital) converter and digital signal processing technology.
- the spatial light receiving device 2100 of the present embodiment it is possible to avoid deterioration of the coupling efficiency between the received light and the single mode fiber, and to increase the transmission rate.
- FIG. 5 schematically shows a change in power for each mode after receiving a single wavelength of signal light subjected to wavefront disturbance and mode separation using the spatial light receiver 2100 of this embodiment.
- the vertical axis represents a conceptual mode, where the lower side is a low-order mode and the upper side is a high-order mode.
- the horizontal axis represents time, and each curve represents the time change of each mode.
- FIG. 6 schematically shows the operation of the signal processing means 150 when the maximum power is switched.
- the mode group 1 includes the fourth mode in FIG. 5 and the mode group 2 includes the second mode, and each is shown as a superposition of a plurality of modes. Due to the power shift between the modes shown in FIG. 5, the power of each mode is switched as shown in the first and second stages in FIG.
- the signal processing means Digital Signal Processing: DSP
- DSP Digital Signal Processing: DSP
- DSP Digital Signal Processing: DSP
- DSP Digital Signal Processing
- FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining the wavefront state of the signal light incident on the end surface of the multimode transmission medium 121 included in the spatial light receiving device 2100 of the present embodiment when wavelength diversity is applied.
- the wavefront of the receiving laser beam 101 incident from two paths (multipaths) corresponding to the wavelengths is Then, interference fringes are formed on the end face of the multimode transmission medium 121.
- the mode excited by the multimode transmission medium 121 is determined depending on the incident position and the incident angle of the receiving-side laser beam 101 on the end face of the multimode transmission medium 121. Therefore, if the wavelength of the receiving laser beam 101 is different, different modes are excited. Further, the antinode and node periods indicated by the modes propagating through the multi-mode transmission medium 121 are generally shorter as the higher-order modes.
- wavelength diversity can be associated with mode diversity with low correlation between modes. As a result, the timing at which signal interruption occurs in the signal processing means 150 can be spread on the time axis, so that the frequency of signal interruption can be reduced.
- the spatial light receiving device 2100 of the present embodiment it is possible to alleviate the influence of atmospheric disturbance, and to achieve both high-speed transmission signal bit rate and highly efficient fiber coupling. As a result, large-capacity space optical communication (FSO) can be realized.
- FSO space optical communication
- FIG. 8 shows, as a comparative example, the configuration of a related spatial light receiving device configured to simply perform parallel signal processing for each wavelength and perform signal processing.
- the signal processing is configured such that signal reproduction is performed for each wavelength using the digital signal processor 351, and the reproduced signal is superimposed between wavelengths by the OR circuit 352. With this configuration, the missing portion can be complemented.
- the signal light power per wavelength is P / w. Since the signals are not added by the OR circuit 352, the S / N ratio of the output signal is P / (N SC ⁇ w 1/2 ). Therefore, the S / N ratio deteriorates as the number of wavelengths w increases.
- FIG. 10 shows a configuration of a spatial light receiving device 3100 according to the third embodiment of the present invention.
- the spatial light receiving device 3100 includes a condensing unit 110, an excitation mode control unit 120, a plurality of single mode transmission media 130, and a plurality of light receiving units 140.
- the excitation mode control means 120 provided in the spatial light receiving device 3100 of the present embodiment has a configuration in which the multimode transmission medium 121, the laser light separation means 122, and the wavelength dispersion means 123 are provided in front of the multimode transmission medium 121.
- the wavelength dispersion unit 123 inputs the reception-side laser light 101 condensed by the condensing unit 110, branches the reception-side laser light for each wavelength, and is positioned at different positions on the end face of the multimode transmission medium 121 for each wavelength. Output.
- the wavelength diversity can be effectively converted into a different mode even for weak wavefront disturbance by inserting the wavelength dispersion means 123.
- the influence of atmospheric disturbances in space optical communication (FSO) can be mitigated, the transmission signal bit rate can be increased and high-efficiency fiber coupling can be achieved, and large-capacity space optical communication (FSO) Is possible.
- wavelength-multiplexed signal light propagates through the atmosphere, passes through the light collecting means 110, and is collected on the end surface of the multimode transmission medium 121.
- wavelength dispersion means 123 is arranged in the preceding stage of the multimode transmission medium 121.
- the wavelength dispersion unit 123 separates the wavelength of the incident signal light and irradiates the end surface of the multimode transmission medium 121 at different angles for each wavelength.
- the spatial light receiving device 3100 of the present embodiment even if the wavefront disturbance of the incident signal light is small, the light is condensed on the end surface of the multimode transmission medium 121 for each wavelength. The position of the spot can be changed. Therefore, the effect of wavelength diversity can be obtained with certainty.
- the wavelength dispersion means 123 can be configured by using a wavefront control element such as a prism, a diffraction grating, a waveguide element, or an asymmetric chirped fiber Bragg grating element.
- the diffraction grating includes a combination of a diffraction grating and an acousto-optic element and a spatial modulation element.
- the spatial modulation element DFM (Deformable Mirror), LCoS (Liquid Crystal on Silicon), or the like can be used.
- MIMI Multi Mode Interference
- AWG arrayed Waveguide Grating
- the wavelength dispersion means 123 may be provided with a control unit 124.
- the wavelength dispersion unit 123 can be configured to vary the amount of branching for each wavelength, and the wavelength diversity effect can be controlled by varying the amount of branching for each wavelength using a control signal from the control unit 124. Become.
- the number of wavelengths emitted from the spatial light transmission device can be made variable according to the degree of disturbance of the wavefront of the reception-side laser light 101, and the received signal light is irradiated on the end face of the multimode transmission medium 121.
- the position can be appropriately branched for each wavelength. Thereby, it is possible to ensure the diversity effect.
- the branching amount for each wavelength is set so that the position of the focused spot is sufficiently within the core surface of the end surface of the multimode transmission medium 121 for all wavelengths.
- the amount of branching in the wavelength dispersion unit 123 is reduced, and control is performed by a predetermined method so that the signal lights of all wavelengths are evenly arranged in the core surface of the multimode transmission medium 121.
- control is performed so that the center positions of the beam spots of the signal light of all wavelengths used, that is, the center of gravity of the average distribution are evenly arranged in the core of the end face of the multimode transmission medium 121.
- the beam spots may be controlled to be arranged at predetermined intervals from the center of the core toward the core edge.
- FIG. 13 shows the configuration of a spatial optical communication system 4000 according to the fourth embodiment of the present invention.
- the spatial light communication system 4000 includes a spatial light receiver 4100 and a spatial light transmitter 4200, and propagates signal light through a free space transmission path therebetween.
- Spatial light transmitter 4200 includes wavelength division multiplexed laser light sending means 210 and collimating means 220.
- the wavelength-multiplexed laser light transmission unit 210 includes a plurality of laser transmission units 211, a multiplexing unit 212, a signal source 213, and a transmission-side delay unit 214.
- Laser transmitting means 211 transmits laser beams having different wavelengths.
- the multiplexing unit 212 multiplexes the laser beams transmitted from the plurality of laser transmission units 211.
- the signal source 213 generates a data signal to be transmitted by laser light.
- the transmission-side delay unit 214 gives a predetermined delay amount different for each wavelength to the data signal input from the signal source 213 and transmits the data signal to the laser transmission unit 211. This delay amount may be variable in accordance with an external control signal.
- the spatial light transmission device 4200 of the present embodiment it is possible to realize time diversity in which a data signal that modulates carrier laser light is provided with a time difference according to the wavelength of the laser light to be transmitted.
- the structure of the multiplexing means 212 and the collimating means 220 is the same as that in the spatial light transmission apparatus 2200 by 2nd Embodiment, those description is abbreviate
- the spatial light receiving device 4100 includes a condensing unit 110, a multi-mode transmission medium 121, a laser beam separation unit 122, a plurality of light receiving units 140 that receive light through a plurality of single mode transmission media, and a signal processing unit.
- the signal processing means includes a first signal processing means 451, a second signal processing means 452, and a reception side delay means 453.
- the first signal processing unit 451 performs signal processing for each reception signal having the same wavelength on the plurality of reception signals output from the plurality of light receiving units 140, and outputs the first processing signal for each wavelength. To do.
- the reception-side delay means 453 outputs a second processed signal obtained by giving a different delay amount for each wavelength to the first processed signal.
- the second signal processing unit 452 performs signal processing on the second processed signal and outputs an output signal obtained by synthesizing the second processed signal.
- the configurations other than the signal processing unit and the first selector unit 461 and the second selector unit 462 described later are the same as those in the spatial light receiving apparatus 2100 according to the second embodiment, and thus the description thereof is omitted. To do.
- the spatial light receiving device 4100 has a configuration in which the signal processing means is separated into two stages of the first signal processing means 451 and the second signal processing means 452. That is, the first signal processing means (DSP1) 451 performs preprocessing of signal processing for each identical wavelength on the signal light separated for each wavelength and mode by the laser light separation means 122. Thereafter, the receiving side delay means 453 adds a delay time determined in advance for each wavelength. Finally, the second signal processing unit 452 performs signal processing for all wavelengths.
- DSP1 first signal processing means
- the receiving side delay means 453 adds a delay time determined in advance for each wavelength.
- the second signal processing unit 452 performs signal processing for all wavelengths.
- the circuit scale of the signal processing means can be reduced as shown below.
- a single signal processing means theoretically requires a circuit scale of the square of the product of the number of wavelengths w and the number of modes m (mw) 2 .
- m 2 ⁇ w + w 2 w (m 2 + w) ⁇ (mw) 2
- the circuit scale can be reduced.
- the first selector unit 461 may be inserted between the light receiving unit 140 and the first signal processing unit 451, and the second selector unit 462 may be inserted on the input side of the second signal processing unit 452.
- the first selector means 461 and the second selector means 462 select a signal of good quality from the received signals and transmit it to the respective signal processing means.
- the signal strength or signal S / N ratio can be used as the signal quality.
- FIG. 14 shows a configuration of a spatial optical communication system 5000 according to the fifth embodiment of the present invention.
- the spatial light communication system 5000 includes a spatial light receiver 5100 and a spatial light transmitter 5200, and propagates signal light through a free space transmission path therebetween.
- Spatial light transmitter 5200 includes wavelength division multiplexed laser beam sending means 510 and collimating means 220.
- the wavelength-multiplexed laser light sending unit 510 includes a plurality of laser light sources 511, a combining unit 512, a signal source 513, and a modulating unit 514.
- Laser light source 511 transmits carrier wave laser beams having different wavelengths.
- the multiplexing means 512 combines the carrier laser beams respectively transmitted from the plurality of laser light sources 511 and transmits the wavelength multiplexed carrier laser beams.
- the signal source 513 generates a data signal to be transmitted. Then, the modulation means 514 modulates the wavelength multiplexed carrier laser beam using the data signal.
- the collimating means 220 emits the transmission side laser light, in which the emission angle of the wavelength multiplexed laser light is varied for each wavelength, from the optical system composed of a single optical axis to the spatial transmission path.
- the spatial light receiving device 5100 includes a condensing unit 110, a multimode transmission medium 121, a laser beam separation unit 522, a plurality of light receiving units 140 that receive light via a plurality of single mode transmission media, and a signal processing unit 550.
- the laser beam separating means 522 receives a propagation mode group transmitted from the multimode transmission medium 121, separates and outputs each of the plurality of propagation mode lights in a wavelength multiplexed state. To do.
- the light receiving means 140 receives the propagation mode light in a wavelength multiplexed state.
- the spatial light transmitter 5200 is configured to collectively modulate the wavelength-multiplexed carrier laser light using the data signal generated by the signal source 513.
- an intensity modulation method can be used as the modulation method.
- the spatial light receiving device 5100 is configured to receive the light by the light receiving means 140 without performing wavelength separation processing only by performing mode separation processing. That is, the light receiving means 140 receives the mode-separated signal light while being wavelength-multiplexed.
- the light receiving means 140 receives the mode-separated signal light while being wavelength-multiplexed.
- FSO space optical communication
- the wavelength dispersion means 123 is arranged in the preceding stage of the multimode transmission medium 121 as shown in FIG.
- the signal processing means 550 synthesizes the received signal from the mode-separated signal.
- a selector 560 may be disposed in front of the signal processing unit 550 to select only high-quality signals. Further, the signal processing means 550 may use an arithmetic operation of logical sum.
- FIG. 15 shows a configuration of a spatial optical communication system 6000 according to the sixth embodiment of the present invention.
- the spatial light communication system 6000 includes a spatial light receiver 6100 and a spatial light transmitter 5200 according to the fifth embodiment, and propagates signal light through a free space transmission path therebetween.
- the spatial light transmitter 5200 uses the data signal generated by the signal source 513 to collectively modulate the wavelength-multiplexed carrier laser light.
- the spatial light receiving device 6100 includes a condensing unit 110, a multimode transmission medium 121, a laser beam separation unit 122, a plurality of light receiving units 140 that receive light through a plurality of single mode transmission media, and a signal processing unit.
- the signal processing means includes the first signal processing means 651 and the second signal processing means 652.
- the first signal processing unit 651 performs signal processing on the plurality of reception signals output from the plurality of light receiving units 140 for each reception signal having the same propagation mode light, and outputs the processing signal for each propagation mode light. Output.
- the second signal processing means 652 performs signal processing on these processed signals and outputs an output signal obtained by synthesizing the processed signals.
- the laser beam separation means 122 performs mode separation processing and wavelength separation processing on the signal light to separate the signal processing means in two stages.
- the first signal processing means 651 performs the first signal processing for each same mode at different wavelengths. Subsequently, the reception signals of all modes are collected, and the second signal processing unit 652 performs reception signal combining processing.
- the circuit scale of the signal processing means can be reduced as in the fourth embodiment.
- the first selector 661 may be inserted between the light receiving unit 140 and the first signal processing unit 651, and the second selector 662 may be inserted on the input side of the second signal processing unit 652.
- the first selector means 661 and the second selector means 662 select a signal of good quality from the received signals and transmit it to the respective signal processing means.
- the circuit scale of the signal processing means can be further reduced.
- the received signals for the signal lights transmitted at different wavelengths are collectively processed by the first signal processing means 651.
- the first signal processing unit 651 needs to include a phase synchronization processing circuit for each wavelength.
- the wavelength-multiplexed laser light transmission means 510 provided in the spatial light transmission device 5200 synchronizes the optical phase of the carrier laser light transmitted from each of the plurality of laser light sources 511, and thus the transmission-side optical phase synchronization means 610. It can be set as the structure provided with.
- the plurality of light receiving means 140 included in the spatial light receiving device 6100 each include a local oscillation light source, and a reception-side optical phase synchronization means 640 that synchronizes the optical phase of the local oscillation light transmitted from the local oscillation light source. It can be.
- the transmission-side optical phase synchronization means 610 and the reception-side optical phase synchronization means 640 By providing the transmission-side optical phase synchronization means 610 and the reception-side optical phase synchronization means 640, the relative fluctuation between the wavelengths of the phase noise can be suppressed to an extremely low level. Therefore, the first signal processing means 651 detects the same phase noise even if the wavelengths are different. As a result, the circuit scale of the first signal processing unit 651 can be reduced, and the phase synchronization processing can be collectively performed on received signals having different wavelengths.
- an optical PLL Phase Locked Loop
- an optical comb Optical Comb
- optical frequency synchronization may be performed between the transmission-side optical phase synchronization means 610 of the spatial light transmission device 5200 and the reception-side optical phase synchronization means 640 of the spatial light reception device 6100.
- the synchronization signal may be transferred from one of the spatial light transmitter 5200 and the spatial light receiver 6100 to the other using a predetermined wavelength for optical frequency synchronization.
- a large transmission delay occurs. Therefore, in order to minimize phase noise, it is desirable to transmit the wavelength light for synchronization on the transmitter side in parallel with the signal light and use it for synchronization of the local light source on the reception side.
- the phase offset information detected by one first signal processing unit 651 is shared by a plurality of other first signal processing units 651.
- the circuit scale of the signal processing means can be reduced. That is, out of the first signal processing means 651, the first signal processing means for detection corresponding to one wavelength detects the phase offset information, and the first signal processing means corresponding to the other wavelength is detected by the phase offset information. It can be configured to send to 651.
- the phase offset of signal light of a certain wavelength detected by one first signal processing unit 651 is shared by a plurality of other first signal processing units 651, and the phase noise of all wavelengths is detected.
- the phase offset information may be shared via a hub device 670 as shown in FIG.
- the first signal processing means 651 performs phase noise compensation processing by applying the phase offset of each wavelength shared with the other first signal processing means 651 to the input signal of each wavelength.
- FIG. 18 shows a configuration of a spatial light receiving apparatus 700 according to the seventh embodiment of the present invention.
- the spatial light receiving device 700 includes a condensing unit 110, a wavelength dispersion unit 123, a plurality of multimode fibers 721 as a multimode transmission medium, a laser beam separation unit 122, and a plurality of single mode transmission media 130.
- the condensing unit 110 condenses the wavelength-multiplexed reception-side laser light 101 propagated through the spatial transmission path.
- the plurality of multimode fibers 721 are arranged so that the end faces thereof are at different positions with respect to the input direction of the receiving side laser beam. Then, the wavelength dispersion unit 123 outputs the receiving side laser light to the end face of the multimode fiber 721 that is different for each wavelength.
- the multimode fiber 721 outputs a propagation mode group including a plurality of propagation mode lights.
- the laser beam separation means 122 receives the propagation mode group, separates and outputs the plurality of propagation mode lights.
- the single mode transmission medium 130 guides a plurality of propagation mode lights.
- the spatial light receiving apparatus 700 wavelength-separates the reception-side laser light by the wavelength dispersion unit 123 and couples the received laser light to different multimode fibers (MMF) 721 for each wavelength.
- MMF multimode fibers
- the spatial light receiving device 700 of this embodiment gives different offsets to the positions of the multimode fiber (MMF) 721 for each wavelength, so that the focused spot on the core surface of the multimode fiber (MMF) 721 is reduced. The position is changed.
- an offset is given in the in-plane direction of the end face of the multimode fiber (MMF) 721
- the position of the focused spot on the core surface of the multimode fiber (MMF) 721 changes. Therefore, different modes are excited.
- defocusing the optical length from the wavelength dispersion means 123 to the end face of the multimode fiber (MMF) 721 by applying an offset the pattern of the focused spot is changed and different modes are excited.
- This offset is on the order of the wavelength and is a fixed value. For this reason, the influence of the phase shift due to the offset on the signal processing in the subsequent stage is negligible.
- the effect of wavelength diversity can mitigate the influence on the communication characteristics due to the deterioration of the coupling efficiency between the received light and the single mode fiber, and the transmission rate can be reduced.
- the speed can be increased.
- transmission resources such as the number of transmission wavelengths can be variably controlled.
- the number of wavelengths used for wavelength diversity from a single signal source, the spread angle and beam misalignment angle when using spatial diversity, and the intensity of the output light can be varied according to the magnitude of the wavefront disturbance.
- feedback control may be performed on the transmission side from the S / N ratio or error rate of the optical signal detected on the reception side.
- a corresponding space optical communication (FSO) or a wireless line can be used.
- the atmospheric condition may be monitored on the transmitter side to predict wavefront disturbance, and resources may be controlled in an open loop.
- Mie scattering (back scattering) of transmitted signal light, weather information, or the like can be used.
- resource information obtained by space optical communication (FSO) from different satellites or aircraft can be used. This is due to the following reason. That is, wavefront disturbances often occur in the vicinity of the receiving station because they have a strong influence in the lower atmosphere. Therefore, even when there is connection switching with a plurality of space optical communication (FSO) devices, if the switching time is sufficiently shorter than the time constant of the atmospheric state, the same wavefront turbulence is received. This is because it can be assumed. By using such means, transmission resource control can be simplified.
- FSO space optical communication
- the intensity of the optical amplifying means included in the multiplexing means may be controlled in accordance with increase or decrease of transmission resources.
- the output light intensity is adjusted by a predetermined setting in accordance with the number of wavelengths and the combination of wavelengths.
- Condensing means for condensing wavelength-multiplexed receiving side laser light propagated through a spatial transmission line, and receiving side laser light condensed by the condensing means are input, and an excitation state is set for each wavelength.
- a plurality of propagation mode groups including a plurality of propagation mode lights are generated, and excitation mode control means for separating and outputting each of the plurality of propagation mode lights, and a plurality of single modes for respectively guiding the plurality of propagation mode lights.
- a spatial light receiving apparatus comprising: a mode transmission medium; and a plurality of light receiving units that respectively receive the plurality of propagation mode lights through the plurality of single mode transmission media.
- the said excitation mode control means inputs the said receiving side laser beam in the incident state which differs for every wavelength, inputs the said propagation mode group, the multimode transmission medium which outputs the said propagation mode group, and the said several
- the spatial light receiving device further comprising: a laser beam separating unit that separates and outputs each propagation mode light.
- the said excitation mode control means is equipped with the wavelength dispersion means in the front
- the said wavelength dispersion means inputs the said receiving side laser beam, and is the propagation mode excited to the said multimode transmission medium
- the said wavelength dispersion means inputs the said reception side laser beam, branches the said reception side laser beam for every wavelength, and outputs it to the position where the end surface of the said multimode transmission medium differs for every said wavelength. Additional remark 3 The spatial light receiver described in 1.
- the said spatial light transmitter is the wavelength multiplexing laser beam sending means which sends out the wavelength multiplexing laser beam which multiplexed the several laser beam from which a wavelength differs
- the said Collimating means for emitting a transmission-side laser beam having different emission angles of wavelength-multiplexed laser beams for each wavelength from a single optical axis to a spatial transmission path, and the spatial light receiving device,
- the condensing means for condensing the receiving laser light after the transmitting laser light has propagated through the spatial transmission path, and the receiving laser light condensed by the condensing means are input and excited for each wavelength.
- Generating a propagation mode group including a plurality of propagation mode lights, and separating and outputting the plurality of propagation mode lights for each of the plurality of propagation mode lights; and a plurality of single modes for respectively guiding the plurality of propagation mode lights.
- One mode transmission medium and before Space optical communication system having a plurality of light receiving means for receiving each of the plurality of propagation mode light through a plurality of single-mode transmission medium, and.
- the spatial light receiving device further includes signal processing means for performing signal processing on a plurality of reception signals output from the plurality of light receiving means and outputting an output signal obtained by synthesizing the plurality of reception signals
- the collimating means includes a transmission-side multimode transmission medium that emits the wavelength-multiplexed laser light at different angles for each wavelength, and the excitation mode control means inputs the reception-side laser light in a different incident state for each wavelength.
- the spatial light according to appendix 5 comprising: a multimode transmission medium that outputs the propagation mode group; and a laser beam separation unit that inputs the propagation mode group and separates and outputs the plurality of propagation mode lights. Communications system.
- the wavelength-multiplexed laser light transmitting means includes a plurality of laser transmitting means for transmitting laser lights having different wavelengths, a combining means for combining the laser lights transmitted by the plurality of laser transmitting means, A signal source that generates a data signal to be transmitted by the laser beam, and a transmission-side delay unit that gives a predetermined delay amount different for each wavelength to the data signal input from the signal source and sends the data signal to the laser transmission unit;
- the signal processing means includes a first signal processing means, a receiving-side delay means, and a second signal processing means. The first signal processing means is output by the plurality of light receiving means.
- Signal processing is performed for each of the reception signals having the same wavelength, and a first processing signal is output for each wavelength, and the reception-side delay unit includes the first delay signal Before processing signal A second processed signal having a different delay amount for each wavelength is output, and the second signal processing unit performs signal processing on the second processed signal and combines the second processed signal.
- the spatial optical communication system described in appendix 6 for outputting a signal.
- the wavelength multiplexed laser light transmitting means combines a plurality of laser light sources that respectively transmit carrier laser beams having different wavelengths and the carrier laser beams respectively transmitted by the plurality of laser light sources to combine the wavelength multiplexed laser beams.
- a multiplexing unit that transmits laser light; a signal source that generates a data signal to be transmitted; and a modulation unit that transmits wavelength-multiplexed laser light obtained by modulating the wavelength-multiplexed carrier laser light using the data signal.
- the signal processing means includes a first signal processing means and a second signal processing means, and the first signal processing means performs the propagation with respect to a plurality of received signals output from the plurality of light receiving means. Perform signal processing for each received signal having the same mode light, and output a processed signal for each propagation mode light, the second signal processing means performs signal processing on the processed signal, and Space optical communication system according to Note 6 for outputting an output signal obtained by combining the sense signal.
- the first signal processing means for detection corresponding to one wavelength detects phase offset information, and the first signal processing means corresponding to the other wavelength is used as the first signal processing means.
- the spatial optical communication system according to appendix 8 which is transmitted to the signal processing means.
- a wavelength-multiplexed laser beam obtained by multiplexing a plurality of laser beams having different wavelengths is transmitted, the wavelength-multiplexed laser beam is introduced into an optical system composed of a single optical axis, and a transmitting-side laser beam is transmitted from the optical system.
- a plurality of emission states that are emitted to a spatial transmission path collect the reception-side laser light after the transmission-side laser light propagates through the spatial transmission path, and have different excitation states for each wavelength from the collected reception-side laser light
- a plurality of propagation mode lights are generated, separated for each of the plurality of propagation mode lights, the plurality of propagation mode lights are respectively introduced into a plurality of single mode transmission media, and the plurality of single mode transmissions are performed.
- a spatial optical communication method for receiving each of the plurality of propagation mode lights guided through a medium are examples of the plurality of propagation mode lights guided through a medium.
- the wavelength division multiplexing laser beam transmission means combines a plurality of laser light sources respectively transmitting carrier laser beams having different wavelengths and the carrier laser beams respectively transmitted from the plurality of laser light sources, and wavelength division multiplexing carriers.
- a multiplexing unit that transmits laser light; a signal source that generates a data signal to be transmitted; and a modulation unit that transmits wavelength-multiplexed laser light obtained by modulating the wavelength-multiplexed carrier laser light using the data signal.
- the laser beam separating means receives the propagation mode group and separates and outputs each of the plurality of propagation mode lights in a wavelength multiplexed state, and the light receiving means wavelength-multiplexes the propagation mode light.
- the spatial optical communication system described in appendix 6 that receives light in a state.
- the wavelength-multiplexed laser light transmission means includes transmission-side optical phase synchronization means for synchronizing the optical phases of the carrier laser beams transmitted by the plurality of laser light sources, and the plurality of light reception means are respectively local.
- the spatial optical communication system according to appendix 8 further comprising a reception-side optical phase synchronization means that includes an oscillation light source and that synchronizes the optical phase of the local oscillation light transmitted from the local oscillation light source.
- the signal processing means selects a first quality reception signal from the reception signal output from the light receiving means and outputs the received signal to the first signal processing means; and the first selector means
- the multi-mode transmission medium includes a plurality of multi-mode fibers, and the plurality of multi-mode fibers are arranged so that their respective end faces are at different positions with respect to the input direction of the receiving-side laser beam.
- the spatial light receiving device according to appendix 3 or 4, wherein the wavelength dispersion unit outputs the reception-side laser light to an end face of the multimode fiber that is different for each wavelength.
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Abstract
空間光通信システムにおいては、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化が避けられず、伝送レートの高速化を図ることが困難であるため、本発明の空間光受信装置は、空間伝送路を伝搬した波長多重された受信側レーザ光を集光する集光手段と、集光手段が集光した受信側レーザ光を入力し、波長毎に励起状態が異なる、複数の伝搬モード光を含む伝搬モード群を生成し、複数の伝搬モード光ごとに分離して出力する励起モード制御手段と、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、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する複数の受光手段、とを有する。
Description
本発明は、空間光受信装置、空間光通信システムおよび空間光通信方法に関し、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、空間光通信システムおよび空間光通信方法に関する。
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。将来のさらなる観測機器の性能向上に対応するために、無線周波数帯域の制約を受けない、光周波数帯を用いた空間光通信(Free Space Optics:FSO)が検討されている。空間光通信(FSO)の大容量化のためには、伝送レートの高速化技術と波長多重技術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。
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および特許文献2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。
空間光通信(FSO)受信装置では、以下に述べるように、大気伝搬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が、上述したビームスポットが変動する現象は結合効率の劣化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、相対的にスペックルパターンの影響が大きいため、僅かなシンチレーションで受信データの欠損が発生し、実効的な通信レートが低下するからである。
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を回避するために、特許文献1に記載された空間光通信装置では、複数本の光ファイバを密接状に束ねたファイバケーブル、例えば光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に記載された空間光通信装置は、送受信望遠鏡で受信した通信相手局からの光ビームが導入される集光光学系としての凸レンズと、複数の光ファイバを密接状に束ねたファイバケーブルとを備えた精捕捉追尾機能部を有する。そして、第1~第n光ファイバの端部が露出するファイバケーブルの一方端である送受光面上に、凸レンズを透過した光ビームの光焦点を生ぜしめ、少なくとも1つの光ファイバに入射光を結合させる。これにより、第1~第n光ファイバの何れかを経て受信光を導く構成としている。
また、特許文献2には、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を、ファイババンドルに替えて用いることとしたFSOレシーバが記載されている。具体的には、特許文献2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、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、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、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、効率よく光検出を行うために、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ファイババンドルが知られている。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。
特許文献2にはさらに、2つ以上のダイオード・レーザーと、波長のマルチプレクサとテレスコープの機能を組み合わせた光学系を備え、波長により多重化された出力ビームを出射するFSOトランスミッタが記載されている。この出力ビームの波面は大気乱流のセルを通過するときに変形されるが、位相ひずみの量は波長に依存しているので、異なる波長チャネルにおける信号は異なる位相ひずみを受けることになる。そして、出力ビームが十分な距離を伝搬した後には、それぞれの波長チャネルにおける位相ひずみは相互に関連がなくなる。したがって、2つ以上の異なる波長チャネルについて、FSOレシーバで別個の光検出を実行することにより利得を達成することできる、としている。
上述した特許文献1に記載された空間光通信装置において、光ファイババンドル中の個々のファイバのクラッド部に照射された光信号は、受信されずに損失となる。ここで、コアの面積に対するクラッドの面積の比は小さいとは言えないので、上述した損失は無視できないものである。そのため、光ファイババンドルを用いた構成では、シングルモードファイバ(SMF)との結合効率の劣化を回避することが困難である、という問題がある。
また、上述した特許文献2に記載されたFSOレシーバにおいては、単一コアによるテーパーファイバの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、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、断熱テーパーの過程で放射損失となる。そのため、特許文献2に記載されたFSOレシーバを用いても、ビームスポットの移動に伴う損失の発生を回避することができない、という問題がある。
さらに、特許文献2に記載されている大気の波長分散特性を用いたFSOシステムでは、大気の波長分散特性が極めて小さいため、波長ダイバーシティによる効果を得ることは困難である、という問題がある。具体的に説明すると、大気の屈折率nの波長(λ)分散特性dn/dλは温度や気温によらず、およそ10-8 (/nm)のオーダーであり極めて小さい。そのため、例えばエルビウム添加光ファイバ増幅器(erbium-doped optical fiber amplifier:EDFA)の利得帯域である約30nmの波長差によって得られる屈折率差Δnは10-6よりも小さい。このときの分散角Δθは、ΔθとsinθおよびΔnが近似的に等しいとすると、マイクロラジアン(μrad)のオーダーとなる。以上説明したように、特許文献2に記載されたFSOシステムでは、波長のダイバーシティによる効果を得ることは困難であり、シンチレーションによる受信効率の劣化を緩和することができない、という問題がある。
このように、空間光通信システムにおいては、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化が避けられず、伝送レートの高速化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、空間光通信システムにおいては、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化が避けられず、伝送レートの高速化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、空間光通信システムおよび空間光通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波長多重された受信側レーザ光を集光する集光手段と、集光手段が集光した受信側レーザ光を入力し、波長毎に励起状態が異なる、複数の伝搬モード光を含む伝搬モード群を生成し、複数の伝搬モード光ごとに分離して出力する励起モード制御手段と、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、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する複数の受光手段、とを有する。
本発明の空間光通信システムは、空間光送信装置と空間光受信装置を有し、空間光送信装置は、波長の異なる複数のレーザ光を多重した波長多重レーザ光を送出する波長多重レーザ光送出手段と、波長多重レーザ光の出射角を波長毎に異ならせた送信側レーザ光を、単一の光軸からなる光学系から空間伝送路に出射するコリメート手段、とを備え、空間光受信装置は、送信側レーザ光が空間伝送路を伝搬した後の受信側レーザ光を集光する集光手段と、集光手段が集光した受信側レーザ光を入力し、波長毎に励起状態が異なる、複数の伝搬モード光を含む伝搬モード群を生成し、複数の伝搬モード光ごとに分離して出力する励起モード制御手段と、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、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する複数の受光手段、とを有する。
本発明の空間光通信方法は、波長の異なる複数のレーザ光を多重した波長多重レーザ光を送出し、波長多重レーザ光を単一の光軸からなる光学系に導入し、光学系から送信側レーザ光を空間伝送路に出射し、送信側レーザ光が空間伝送路を伝搬した後の受信側レーザ光を集光し、集光した受信側レーザ光から、波長毎に励起状態が異なる、複数の伝搬モード光を含む伝搬モード群を生成し、複数の伝搬モード光ごとに分離し、複数の伝搬モード光を複数の単一モード伝送媒体にそれぞれ導入し、複数の単一モード伝送媒体を導波した複数の伝搬モード光をそれぞれ受光する。
本発明の空間光受信装置、空間光通信システムおよび空間光通信方法によれば、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化が通信特性に及ぼす影響を緩和し、伝送レートの高速化を図ることができる。
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、励起モード制御手段120、複数の単一モード伝送媒体130、および複数の受光手段140を有する。
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、励起モード制御手段120、複数の単一モード伝送媒体130、および複数の受光手段140を有する。
集光手段110は、空間伝送路を伝搬した波長多重された受信側レーザ光101を集光する。励起モード制御手段120は、集光手段110が集光した受信側レーザ光101を入力し、波長毎に励起状態が異なる、複数の伝搬モード光を含む伝搬モード群を生成し、複数の伝搬モード光ごとに分離して出力する。単一モード伝送媒体130は、複数の伝搬モード光をそれぞれ導波する。そして受光手段140は、単一モード伝送媒体130を介して複数の伝搬モード光をそれぞれ受光する。
上述したように、空間光通信(FSO)において問題となる受信光強度の変動(シンチレーション)は、大気のランダムな擾乱によるレーザ光の波面変動に起因する。ここで、本実施形態の空間光受信装置100においては、励起モード制御手段120が受信側レーザ光101を入力し、波長毎に励起状態が異なる、複数の伝搬モード光を含む伝搬モード群を生成し、複数の伝搬モード光ごとに分離して出力する構成としている。このような構成とすることにより、大気の擾乱によるレーザ光の波面変動を、複数の波長の複数の伝搬モード光に分散させることが可能となる。その結果、本実施形態の空間光受信装置100によれば、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化が通信特性に及ぼす影響を緩和し、伝送レートの高速化を図ることができる。
次に、本実施形態による空間光通信システムについて説明する。
図2は、本実施形態による空間光通信システム1000の構成を示すブロック図である。空間光通信システム1000は空間光受信装置1100と空間光送信装置1200とを有し、その間の自由空間の伝送路を介して信号光を伝搬させる。ここで自由空間には、宇宙空間および大気空間の少なくとも一方が含まれる。
空間光送信装置1200は、波長多重レーザ光送出手段210およびコリメート手段220を備える。波長多重レーザ光送出手段210は、波長の異なる複数のレーザ光を多重した波長多重レーザ光を送出する。コリメート手段220は波長多重レーザ光を入力し、単一の光軸からなる光学系から送信側レーザ光201を空間伝送路に出射する。
空間光受信装置1100は、図1に示した構成と同様である。空間光通信システム1000においては、空間光受信装置1100が備える集光手段110が、送信側レーザ光201が空間伝送路を伝搬した後の受信側レーザ光101を集光する。ここで受信側レーザ光101には、大気の擾乱1001によるレーザ光の波面変動が生じている。
本実施形態による空間光通信システム1000について、さらに詳細に説明する。
空間光送信装置1200が備える波長多重レーザ光送出手段210は、波長の異なる複数のレーザ送信手段211と合波手段212を備えた構成とすることができる。複数のレーザ送信手段211は、それぞれ異なる波長のレーザ光を生成し、送信信号で変調して出力する。合波手段212は複数の波長の異なるレーザ光を合波する。そして、コリメート手段220は合波したレーザ光を自由空間に送出する。
空間光受信装置1100が備える励起モード制御手段120は、集光手段110が集光した受信側レーザ光101をレーザ光の波面変動に応じて複数の伝搬モード光に分離する。また、励起モード制御手段120がさらに波長分離して出力する構成とすることができる。この場合、波長数を「w」、伝搬モード数を「m」とすると、受信側レーザ光101は「wm」個に分離され、単一モード伝送媒体130および受光手段140の個数も「wm」個となる。
上述した場合、空間光受信装置1100が備える励起モード制御手段120は、集光手段110が集光した受信側レーザ光101を、複数の波長とレーザ光の波面変動に応じた複数の伝搬モード光に分離して出力する。具体的には例えば、レーザ光の波面乱れが大きい場合、励起モード制御手段120は集光手段110が集光した受信側レーザ光101を、複数の波長と複数の伝搬モード光に分離して出力する構成とすることができる。一方、レーザ光の波面乱れが小さい場合、励起モード制御手段120は集光した受信側レーザ光101の伝搬モードを制御してから、複数の波長と複数の伝搬モード光に分離して出力する構成とすることができる。
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通信システム1000によれば、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化が通信特性に及ぼす影響を緩和し、伝送レートの高速化を図ることができる。
次に、本実施形態による空間光通信方法について説明する。
本実施形態の空間光通信方法においては、まず、波長の異なる複数のレーザ光を多重した波長多重レーザ光を送出する。続いて、波長多重レーザ光を単一の光軸からなる光学系に導入し、この光学系から送信側レーザ光を空間伝送路に出射する。その後に、送信側レーザ光が空間伝送路を伝搬した後の受信側レーザ光を集光する。集光した受信側レーザ光から、波長毎に励起状態が異なる、複数の伝搬モード光を含む伝搬モード群を生成し、複数の伝搬モード光ごとに分離する。そして、複数の伝搬モード光を複数の単一モード伝送媒体にそれぞれ導入し、複数の単一モード伝送媒体を導波した複数の伝搬モード光をそれぞれ受光する。
このような構成とすることにより、本実施形態の空間光通信方法によれば、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化が通信特性に及ぼす影響を緩和し、伝送レートの高速化を図ることができる。
なお、本実施形態において、大気の擾乱1001によるレーザ光の波面変動と、その結果による複数の伝搬モード光の励起は、宇宙空間においては原理的には発生しない。しかし、本構成の原理は、装置の振動などによるマルチモードファイバに入射する信号光の波面変化にも適用することが可能である。その結果、宇宙空間を空間伝送路とする空間光通信装置においても同様の効果がある。
〔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3は、本発明の第2の実施形態に係る空間光通信システム2000の構成を示すブロック図である。空間光通信システム2000は空間光受信装置2100と空間光送信装置2200とを有し、その間の自由空間の伝送路を介して信号光を伝搬させる。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図3は、本発明の第2の実施形態に係る空間光通信システム2000の構成を示すブロック図である。空間光通信システム2000は空間光受信装置2100と空間光送信装置2200とを有し、その間の自由空間の伝送路を介して信号光を伝搬させる。
空間光送信装置2200は、波長多重レーザ光送出手段210およびコリメート手段220を備える。波長多重レーザ光送出手段210は、波長の異なる複数のレーザ光を多重した波長多重レーザ光を送出する。コリメート手段220は、波長多重レーザ光の出射角を波長毎に異ならせた送信側レーザ光を、単一の光軸からなる光学系から空間伝送路に出射する。ここでコリメート手段220は、波長多重レーザ光を波長毎に異なる角度で出射させる送信側マルチモード伝送媒体を備えた構成とすることができる。
空間光受信装置2100は、集光手段110、励起モード制御手段120、複数の単一モード伝送媒体130、複数の受光手段140、および信号処理手段150を有する。
本実施形態の空間光受信装置2100が備える励起モード制御手段120は、マルチモード伝送媒体121とレーザ光分離手段122を備えた構成とした。ここで、マルチモード伝送媒体121は、受信側レーザ光101を波長毎に異なる入射状態で入力し、伝搬モード群を出力する。レーザ光分離手段122は、この伝搬モード群を入力し、複数の伝搬モード光ごとに分離して出力する。
次に、本実施形態による空間光通信システム2000について、さらに詳細に説明する。
図3に示すように、空間光送信装置2200が備える波長多重レーザ光送出手段210は、波長の異なる複数のレーザ送信手段211、合波手段212、および信号源213を備えた構成とした。
レーザ送信手段211には、複数の波長の搬送波レーザ光を出力するレーザ光源と、信号源213から供給されるデータ信号によって搬送波レーザ光を変調し、変調されたレーザ光を出力する変調手段が含まれる。ここで複数のレーザ光源を独立に制御することにより、それぞれ動作状態または停止状態とすることが可能である。
コリメート手段220は、空間光受信装置2100を追尾する追尾手段を備え、1個の望遠鏡などを含む単一の光学系を有する。
信号源213が生成する送信信号のビットレートが高い場合、空間光送信装置2200内のレーザ光の伝送媒体として、高速変調したレーザ光の伝送に適したシングルモードファイバ(SMF)を用いることができる。なお、合波手段212の出力側とコリメート手段220の接続には、マルチモードファイバ(MMF)を用いることとしてもよい。
本実施形態の空間光受信装置2100が備える集光手段110は、空間光送信装置2200を追尾する追尾手段によって制御されながら、空間伝送路を伝搬した受信側レーザ光101を集光し、後段のマルチモード伝送媒体121に集光する。マルチモード伝送媒体121として、典型的にはマルチモードファイバ(MMF)を用いることができる。しかし、これに限らず、平面光波回路(Planar Lightwave Circuit:PLC)または3次元光導波路素子などを用いることとしてもよい。
レーザ光分離手段122はモード分離手段を有し、さらに波長分離手段を備えた構成とすることができる。モード分離手段と波長分離手段の両方を備える場合、これらの配置の順序は可換である。波長分離手段は、空間光送信装置2200において波長多重された複数の波長のレーザ光を分離する機能を有する。波長分離手段は、アレイ導波路回折格子(Arrayed Waveguide Grating:AWG)または干渉膜フィルタなどを用いることにより実現することができる。モード分離手段は、マルチモードファイバ(MMF)を伝搬することが可能な固有モード(以下、単に「モード」と言う)にレーザ光を分離し、それぞれをシングルモードファイバ(SMF)に結合する機能を有する。モード分離手段は、波長板などを用いることにより実現することができる。
単一モード伝送媒体130および受光手段140は、第1の実施形態による空間光受信装置100によるものと同様である。すなわち、単一モード伝送媒体130は、複数の伝搬モード光をそれぞれ導波する。単一モード伝送媒体130として、典型的にはシングルモードファイバ(Single Mode Fiber:SMF)を用いることができる。 受光手段140は、複数の単一モード伝送媒体130を介して複数の伝搬モード光をそれぞれ受光する。
信号処理手段150は、複数の受光手段140が出力する複数の受信信号に信号処理を施し、複数の受信信号を合成した出力信号を出力する。
次に、本実施形態による空間光通信システム2000の動作について説明する。
本実施形態の空間光送信装置2200が備える信号源213は、空間光送信装置2200が送信する信号を生成する。その信号を用いて、レーザ送信手段211は複数の波長のレーザ光を変調する。変調された複数の波長のレーザ光は、合波手段212によって波長多重される。合波手段212によって波長多重されたレーザ光は、コリメート手段220から自由空間に送出される。
自由空間に送出された送信側レーザ光201は、大気の擾乱などにより波面が乱れる。 自由空間を伝搬し波面の乱れを受けた受信側レーザ光101は、集光手段110によってマルチモード伝送媒体121の端面に集光される。集光された受信側レーザ光は信号光としてマルチモード伝送媒体121を伝搬し、レーザ光分離手段122に接続される。信号光は、レーザ光分離手段122における波長分離手段およびモード分離手段によって複数の直交するモードに分離される。分離された信号光は、それぞれ単一モード伝送媒体130としてのシングルモードファイバ(SMF)に出力される。ここで、シングルモードに分離可能な信号光の個数は、波長数(w)とマルチモード伝送媒体121を伝搬可能なモード数(m)の積に等しいかまたは小さい個数である。
単一モード伝送媒体130に結合された複数のシングルモード光は、それぞれ受光手段140で受信され、各モードの受信信号が生成される。全ての受信信号は信号処理手段150で信号処理され、受信信号が出力される。
本実施形態の空間光受信装置2100は、励起モード制御手段120の入力部に、シングルモードファイバ(SMF)に比べてコア面積が広いマルチモードファイバ(MMF)に代表されるマルチモード伝送媒体121を備えたことを特徴とする。信号光をマルチモードファイバ(MMF)に結合し、モード分離によってシングルモードに変換することによって、シングルモードファイバ(SMF)では結合できなかった信号光の波面成分をシングルモードファイバ(SMF)に結合することが可能になる。また、波長多重された信号光によって、ファイバ端面上に生成するスペックルパターンに波長依存性が生じる。その結果、マルチモードファイバ(MMF)に励起されるモードと波長が対応付けられることになる。
波長およびモード毎に分離され、シングルモードに変換された信号光はそれぞれ、受光手段140により光電変換される。その後に、信号処理手段150において再合成され、送信された信号が再生される。
本実施形態の空間光受信装置2100によれば、波面が乱れた受信側レーザ光101をマルチモードファイバ(MMF)に結合し、波長およびモード毎に分離することにより、大気の擾乱による影響を直交する複数の信号光に分散させることが可能となる。すなわち、単一波長の信号光を集光手段からシングルモードファイバ(SMF)に結合する場合と比較し、最大の場合で、波長数(w)とモード数(m)の積である「wm」個に相当する信号光にシンチレーションの影響を拡散させることができる。
上述した効果は、波長を用いたダイバーシティ効果であり、これにより空間光通信(FSO)における大気の擾乱の影響を緩和することができる。この波長ダイバーシティを用いることにより、伝送信号のビットレートの高速化と高効率なファイバ結合の両立を図ることができ、大容量な空間光通信(FSO)が可能となる。
次に、本実施形態による空間光通信システム2000を構成する各手段の構成および動作について、さらに詳細に説明する。
本実施形態の空間光送信装置2200が備えるレーザ送信手段211は、複数波長の搬送波レーザ光を出力するレーザ光源を有し、信号源213が生成した一連のデータ信号によって各搬送波レーザ光を変調し、変調されたレーザ光を出力する。変調方式は特に限定されず、既知の様々な手法を適用することができる。また、信号によるレーザの変調手法も、既知の様々な技術を適用することが可能である。
図3においては、単一の信号源213が、全てのレーザ送信手段211に同一の信号を分配する構成を示したが、これに限らず、複数の信号源213を備えた構成としてもよい。この場合、複数の信号源213と複数のレーザ送信手段211をスイッチ手段で接続し、複数の信号源213からの信号をそれぞれ異なる波長の任意の波長数の組み合わせにより、ダイバーシティ方式で送信する構成とすることができる。
合波手段212は、複数のシングルモードファイバ(SMF)により伝搬されるレーザ送信手段211の異なる波長の出力信号光を波長多重して合波し、単一のシングルモードファイバ(SMF)またはマルチモードファイバ(MMF)に出力する。合波手段212には、AWG、干渉膜フィルタ、またはモード多重技術などの既知の技術を適用することができる。また、合波手段212は、レーザ光を増幅する光増幅手段を含む構成としてもよい。光増幅手段は、出力光強度を可変する出力調整機能を備えることとしてもよい。この出力調整機能は、AWGなどにより波長多重されたレーザ光の波長数に応じて動作する構成とすることができる。光増幅手段として典型的にはファイバ型光アンプを用いることができる。この場合、シングルモードファイバ(SMF)型のファイバアンプに限らず、マルチモードファイバアンプを用いることもできる。光増幅手段に、さらに出力パワー調整機能を持たせることもできる。
コリメート手段220は光アンテナあるいは望遠鏡を備える。コリメート手段220は波長多重された信号光をコリメートし、空間光受信装置2100に向けて送信側レーザ光201を自由空間に送出する。さらに、空間光受信装置2100を追尾する機能を備えることとしてもよい。
ここで、本実施形態の空間光送信装置2200が備えるコリメート手段220は、単一の光軸からなる光学系で構成されている。一方、大気の擾乱による影響に対する解決手段として、複数の光ビームで送信を行う空間ダイバーシティ技術が特許文献2に記載されている。空間ダイバーシティ技術によれば、複数のビーム間隔を空間のコヒーレント長以上に離すことによって、波面の乱れを緩和することが可能である。しかし、ビーム間距離を確保するために、複数のコリメート手段が必要となる。そのため、空間光送信装置の総重量または総体積が増大する、という問題があった。
それに対して、本実施形態の空間光送信装置2200は波長ダイバーシティ技術を採用し、単一のコリメート手段220によって複数の波長の直交する信号光を送出することができる。そのため、空間光送信装置の体積や重量を削減できる効果がある。これは、空間光送信装置を航空機や人工衛星に搭載するために重量や消費電力に対する著しく厳しい制約が存在する場合に、大きな効果がある。
コリメート手段220から送出される送信側レーザ光201の波面は、合波手段212が備える光増幅手段との関係では、平面波でかつ波長多重した全ての信号光の波面が同じ波面を共有する構成とすることができる。
また、単一の光学系から出射される送信側レーザ光201を波長多重し、信号光の波面を異ならせることによって、空間ダイバーシティによる効果を持たせることとしてもよい。
この場合の送信側レーザ光201の例を図4A、4Bを用いて説明する。
図4Aに示したように、コリメート手段220における出射点が共通であっても平面波の傾きが波長間(λ1、λ2)で異なる場合には、送信側レーザ光は波長毎に異なる角度で空間を伝搬する。その結果、空間光送信装置から波長毎にわずかに異なる角度で二個の送信側レーザ光が出射される。ここで、波長毎のビーム中心のズレ角はビーム広がり角よりも狭く、双方の波長の信号光が同時に空間光受信装置の集光手段110に十分な強度で入射する構成としている。このとき、2種の波長(λ1、λ2)の信号光は大気伝搬する領域が異なるため、それぞれの波面は異なる大気の擾乱1001を通過する。そのため、受信側レーザ光101は波長毎に異なる波面の乱れを受けているので、受信側では異なる伝搬モードが励起される。
また、図4Bに示すように、単一の光学系からなるコリメート手段220において、送信側レーザ光が波長毎に異なる広がり角を有する構成とした場合であっても、同様の効果が期待できる。これは、ビーム広がり角が異なれば、波長毎に異なる擾乱1001を有する空間を通過するからである。
本実施形態の空間光送信装置2200においては、ビーム出射方向のズレ角や広がり角の差が、大気の擾乱の影響が最も顕著に表れる空間の領域において、コヒーレント長と等しいかそれ以上の距離を確保できるように、コリメート手段220が構成されている。
上述した波長毎に出射角や広がり角を変化させた光ビームを送出するために、コリメート手段220が回折格子を備えた構成とすることができる。これに限らず、送信側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)を備えた構成としてもよい。モード多重技術を用いて波長毎に異なるモードでマルチモードファイバ(MMF)に結合し、コリメート手段220から送信側レーザ光を送出する。これによって、各モードに対応して異なる波面を有する送信側レーザ光が出射される。それぞれの波長の送信側レーザ光はそれぞれの波面の法線方向に進行するので、送信側レーザ光を波長毎に異なる角度で出射させることが可能である。ビーム出射角度は、モード次数やコリメート手段220の口径を調節することにより制御することができる。また、軌道角運動量(Orbital Angular Momentum:OAM)多重技術を用いることによって、広がり角を制御することも可能である。
本実施形態の空間光受信装置2100が備えるマルチモード伝送媒体121は、複数の固有伝搬モードを有する光導波路媒体であり、典型的にはマルチモードファイバ(MMF)である。以下に、マルチモード伝送媒体121を備えた構成としたことによる、シングルモードファイバ(SMF)との結合効率の改善効果について説明する。
図3に示した本実施形態の空間光受信装置2100において、空間伝送路を伝搬した受信側レーザ光101は、集光手段110によってマルチモード伝送媒体121としてのマルチモードファイバ(MMF)の端面に集光される。受信側レーザ光101は、空間を伝搬中に大気の擾乱によって乱れた波面となっている。そのため、マルチモードファイバ(MMF)の端面において理想的なビームスポットとはならず、スペックルパターンを形成する。このとき、受信側レーザ光101をそのままコア面積が小さいシングルモードファイバ(SMF)に結合すると、結合効率の著しい劣化が発生するため安定な空間光通信(FSO)を行うことが困難である。
しかしながら、本実施形態の空間光受信装置2100においては、受信側レーザ光101をマルチモード伝送媒体121に結合する構成としている。コア面積が大きいマルチモード伝送媒体121を用いることによって、スペックルパターンにより拡散したビームスポットであっても良好なファイバ結合が可能であり、受光手段140に信号光を伝搬させることができる。
マルチモード伝送媒体121に結合した受信側レーザ光101は、受信側レーザ光101の波面と、マルチモード伝送媒体121のコア面の照射位置によって、異なる固有モードが励起される。そのため、受信側レーザ光101はマルチモード伝送媒体121内をモード多重状態で伝搬する。このように、波長ダイバーシティ方式による波長多重され大気の異なる部分を伝搬した信号光が、マルチモード伝送媒体121の端面の異なる位置に入射することにより、モードダイバーシティ方式に対応付けられる。
本実施形態の空間光受信装置2100が備えるレーザ光分離手段122は、モード分離手段および波長分離手段を有する。モード分離手段と波長分離手段の実施順序は可換である。
波長分離手段は、波長多重された信号光をそれぞれの波長に分離する。AWGや干渉膜フィルタなどを用いることにより実施することができる。
モード分離手段は、マルチモード伝送媒体121を伝搬するモード多重された信号光を固有モードに分離し、それぞれをシングルモードファイバ(SMF)に結合する。モード分離手段は、例えば、波長板の組み合わせとシングルモードファイバ(SMF)結合によるモードフィルタによって実現することができる。また、導波路間の結合を利用したフィルタを用いることによっても、モード分離手段を実施することができる。
モード分離手段を介して単一モード伝送媒体130としてのシングルモードファイバ(SMF)に受信した信号光を結合することにより、シングルモードファイバ(SMF)を用いたコヒーレント受信技術を利用することが可能になる。その結果、高ビットレート化と高感度受信を達成することができる。このとき、適切な技術を用いて波長分離手段とモード分離手段を組み合わせることにより、原理的に無損失なレーザ光分離手段122を構成することができる。
上述したモード分離手段について、さらに詳細に説明する。
特許文献1に記載されたバンドルファイバへの結合においては、個々のファイバのクラッド部分に照射される光エネルギーは損失となる。コアの面積に比べてクラッドの面積は相対的に大きいため、高効率なファイバ結合は困難である。
また、特許文献2に記載された、断熱テーパーを用いてマルチモードからシングルモードに変換する構成において、断熱テーパー部分にはマルチモードのうちの高次モードを低次モードに変換する機能が無い。そのため、基本モード成分だけがシングルモードファイバ(SMF)に結合される。マルチモードファイバ(MMF)部で励起された高次モード成分は、テーパー部分を通過する過程で放射され損失となるため、高効率なファイバ結合は困難である。
それに対して、本実施形態の空間光受信装置2100はマルチモード伝送媒体121とレーザ光分離手段122を備えた構成としている。マルチモード伝送媒体121におけるマルチモードファイバ(MMF)結合と、レーザ光分離手段122が備えるモード分離手段によって、マルチモードファイバ(MMF)に励起された全てのモードをシングルモードに変化させることができる。そのため、本実施形態の空間光受信装置2100によれば、高効率なファイバ結合を実現することができる。
受光手段140は、単一モード伝送媒体130としてのシングルモードファイバ(SMF)からの入力を受け付ける高ビットレートの光受信手段を備え、受信した信号光を光電変換する。特に、高い伝送レートで高感度な信号受信が可能な、デジタルコヒーレント技術を用いたコヒーレント受信器を用いることとしてもよい。
信号処理手段150は、受光手段140で受信した波長およびモード毎の受信信号から、空間伝搬した受信信号の合成処理を行う。
シンチレーションにより、マルチモード伝送媒体121を伝搬する信号光のモードは時間的に変動する。そのモード変動に応じて、複数の受光手段140に入力される各シングルモード光の強度も変動するので、出力される受信信号の品質も変動する。信号処理手段150は、このモード間の強度変動を補償し、送信装置が送信した信号を再生する。
なお、信号処理手段150は、受信信号間に発生するスキューをあわせて補償する構成としてもよい。このときのスキューには、マルチモード伝送媒体121のモード分散に起因するもの、およびレーザ光分離手段122以降のファイバ長や配線長に起因するものなどがある。さらに、レーザ光分離手段122におけるモード混合やモードクロストークもあわせて補償する構成とすることができる。
信号処理手段150は、A/D(Analog-to-Digital)コンバータおよびデジタル信号処理技術を適用することにより構成することができる。
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2100によれば、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化を回避し、伝送レートの高速化を図ることができる。
次に、本実施形態による空間光通信システム2000の動作について説明する。
図5に、本実施形態の空間光受信装置2100を用いて、波面の乱れを受けた単一の波長の信号光を受光しモード分離した後の、モード毎のパワーの変化を模式的に示す。縦軸は概念的なモードを表し、下側が低次モード、上側が高次モードである。横軸は時間であり、各曲線は各モードの時間変化を示している。
図5では、時刻t=4からt=6にかけて、最大パワーを有するモードが低次側から4番目のモードから2番目のモードにシフトしている。これは、シンチレーションにより、マルチモード伝送媒体121への受信光の入射状態が変化することによって、マルチモード伝送媒体121において励起されるモードが変化するからである。なお、信号光のトータルパワーは一定であるとした。
この最大パワーの切り替わり時における、信号処理手段150の動作を、図6に模式的に示す。図5の4番目のモードを含むモード群1と、2番目のモードを含むモード群2からなり、それぞれ、複数のモードの重ね合わせとして示している。図5に示したモード間におけるパワーのシフトにより、図6の第1段目と第2段目に示すように、各モードのパワーが切り替わる。
モードのパワーの切り替わりに際して、信号処理手段(Digital Signal Processing:DSP)は信号の合成を行うためのアルゴリズムを切り替える必要がある。このアルゴリズムの切り替えのタイミングを、図5の第3段目に示す。アルゴリズム切り替え前後における信号処理手段(DSP)の信号合成動作を、同図の第4段目に示す。アルゴリズムの切り替えに伴い、信号処理手段(DSP)はトレーニングを行う必要があるため、トレーニングが終了するまでの時間は正常な信号の合成処理は困難である。その結果、同図の第5段目に示すように、信号処理手段(DSP)の出力信号に、信号断が発生する。
この信号断の時間が、モード変化の周期に比べて十分に短ければ、その影響は無視できる。それに対して、大気の擾乱が強く、信号断の時間が無視できない程度に頻度が増大すると、空間光通信(FSO)のスループットが急激に悪化する。
それに対して、本実施形態の空間光受信装置2100により波長ダイバーシティを適用した場合の動作について説明する。図7は、波長ダイバーシティを適用した場合における、本実施形態の空間光受信装置2100が備えるマルチモード伝送媒体121の端面に入射する信号光の波面の状態を説明するための概念図である。
大気の擾乱1001により送信側レーザ光201の波面が乱されても、大気の屈折率の波長分散は極めて小さい。そのため、異なる波長の受信側レーザ光101であっても同じ入射角θでマルチモード伝送媒体121の端面に照射される。その結果、同じ位置に同じ形状のビームスポットが形成される。
それに対して、例えば、波長が異なる二つの送信側レーザ光201が異なる出射角で送出される場合には、波長に対応した二つの経路(マルチパス)から入射した受信側レーザ光101の波面は、マルチモード伝送媒体121の端面で干渉縞を形成する。この干渉縞の間隔Dは、波長をλとすると、D=λ/sin(θ)となる。そのため、受信側レーザ光101の波長によって、マルチモード伝送媒体121の端面に形成されるビームスポットの位置が異なることになる。
ここで、マルチモード伝送媒体121の端面への受信側レーザ光101の入射位置と入射角に依存して、マルチモード伝送媒体121に励起されるモードが決定される。そのため、受信側レーザ光101の波長が異なれば、異なるモードが励起されることになる。さらに、マルチモード伝送媒体121を伝搬するモードが示す腹と節の周期は、一般に高次モードほど短周期になる。このようなマルチモード伝送媒体の伝搬特性を利用することによって、波長ダイバーシティをモード間の相関が低いモードダイバーシティに対応付けることができる。その結果、信号処理手段150における信号断が発生するタイミングを、時間軸上で拡散することができるので、信号断の頻度を低下させることができる。
以上の動作により、本実施形態の空間光受信装置2100によれば、大気の擾乱の影響を緩和し、伝送信号のビットレートの高速化と高効率なファイバ結合の両立を図ることができる。その結果、大容量の空間光通信(FSO)を実現することができる。
次に、信号処理手段150における信号処理について説明する。
図8に、比較例として、波長毎に単純に並列化して信号処理を行う構成とした関連する空間光受信装置の構成を示す。信号処理は、波長毎にデジタルシグナルプロセッサ351を用いて信号再生を行い、再生した信号を論理和回路352によって波長間で重ね合わせる構成としている。この構成により、欠損部を補完することができる。
ここで、大気の擾乱1001によるシンチレーションによって発生する信号の劣化をノイズNSCとし、図7を用いて説明したように波長間では無相関化されると仮定する。この場合、シンチレーションによるノイズは、波長ダイバーシティに用いる波長数を「w」とすると、論理和回路352による合成により、シンチレーションによるノイズはNSC/w1/2となる。
ここで、空間光送信装置の出力パワーが送信ブースターアンプの飽和出力Pで制限されていると仮定すると、各波長当たりの信号光パワーはP/wとなる。信号は論理和回路352では加算されないため、出力信号のS/N比は、P/(NSC・w1/2)となる。したがって、波長数wの増加に従ってS/N比が劣化することになる。
それに対して、本実施形態の空間光受信装置2100においては、図9に示すように、等価的に単一の信号処理手段150に全ての受信信号を入力し、信号処理手段150において信号の合成処理を行う構成としている。これにより、複数の波長の受信側レーザ光101の信号光パワーが加算されるので、信号処理手段150の出力信号のS/N比は、P/(NSC/w1/2)=(P/NSC)×w1/2となる。したがって、本実施形態の空間光受信装置2100によれば、波長数wの増加に従ってS/N比を改善することができる。
〔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10に、本発明の第3の実施形態に係る空間光受信装置3100の構成を示す。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。図10に、本発明の第3の実施形態に係る空間光受信装置3100の構成を示す。
本実施形態による空間光受信装置3100は、集光手段110、励起モード制御手段120、複数の単一モード伝送媒体130、および複数の受光手段140を有する。
本実施形態の空間光受信装置3100が備える励起モード制御手段120は、マルチモード伝送媒体121、レーザ光分離手段122、およびマルチモード伝送媒体121の前段に波長分散手段123を備えた構成とした。ここで波長分散手段123は、集光手段110が集光した受信側レーザ光101を入力し、受信側レーザ光を波長毎に分岐し、波長毎にマルチモード伝送媒体121の端面の異なる位置に出力する。
本実施形態の空間光受信装置3100においては、波長分散手段123を挿入したことにより、弱い波面の乱れに対しても効果的に波長ダイバーシティを異なるモードに変換することができる。その結果、空間光通信(FSO)における大気の擾乱の影響を緩和し、伝送信号のビットレートの高速化と高効率なファイバ結合の両立を図ることができ、大容量な空間光通信(FSO)が可能となる。
次に、図11を用いて波長分散手段123の動作について説明する。
波長多重された信号光は大気を伝搬した後に、集光手段110を通過しマルチモード伝送媒体121の端面に集光される。ここでマルチモード伝送媒体121の前段に、波長分散手段123が配置されている。波長分散手段123は入射した信号光を波長分離し、波長毎に異なる角度でマルチモード伝送媒体121の端面に向けて照射する。
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3100によれば、入射した信号光の波面の乱れが小さい場合であっても、波長毎にマルチモード伝送媒体121の端面における集光スポットの位置を変えることができる。そのため、波長ダイバーシティの効果を確実に得ることができる。
波長分散手段123は、プリズム、回折格子、導波路素子、非対称なチャープドファイバブラッググレーティング素子などの波面制御素子を用いることによって構成することができる。ここで、回折格子には、回折格子と音響光学素子との組み合わせや空間変調素子が含まれる。空間変調素子として、DFM(Deformable Mirror)、LCoS(Liquid Crystal on Silicon)などを用いることができる。また、導波路素子として、多モード干渉導波路(Multi Mode Interference:MIMI)素子やアレイ導波路回折格子(Arrayed Waveguide Grating:AWG)などを用いることができる。
また、図12に示すように、波長分散手段123に制御部124を設けた構成とすることができる。この場合、波長分散手段123の波長毎の分岐量を可変できるように構成し、制御部124からの制御信号で波長毎の分岐量を可変することによって、波長ダイバーシティ効果を制御することが可能になる。
このような構成とすることにより、受信側レーザ光101の波面の乱れの程度に応じて空間光送信装置から出射する波長数を可変とし、マルチモード伝送媒体121の端面における受信した信号光の照射位置を波長毎に適宜分岐させることができる。それにより、ダイバーシティ効果を確実にすることが可能である。ここで、波長毎の分岐量は、全ての波長に対して集光スポットの位置がマルチモード伝送媒体121の端面のコア面内に十分に入るように設定する。
具体的には例えば、大気擾乱が強いとき、すなわち、シンチレーションによって発生するノイズNSCが大きい場合、空間光送信装置からの送信波長数wを増やすことができる。このとき、波長分散手段123における分岐量を小さくし、全ての波長の信号光がマルチモード伝送媒体121のコア面内に均等に配置するように、あらかじめ定められた手法により制御する。例えば、使用する全ての波長の信号光のビームスポットの中心位置、すなわち平均的な分布の重心が、マルチモード伝送媒体121の端面のコア内に均等に配置するように制御することができる。また、ビームスポットがコアの中心からコア辺縁部へ向かって、あらかじめ定められた間隔で配置するように制御してもよい。
〔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13に、本発明の第4の実施形態に係る空間光通信システム4000の構成を示す。空間光通信システム4000は空間光受信装置4100と空間光送信装置4200とを有し、その間の自由空間の伝送路を介して信号光を伝搬させる。
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。図13に、本発明の第4の実施形態に係る空間光通信システム4000の構成を示す。空間光通信システム4000は空間光受信装置4100と空間光送信装置4200とを有し、その間の自由空間の伝送路を介して信号光を伝搬させる。
空間光送信装置4200は、波長多重レーザ光送出手段210およびコリメート手段220を備える。波長多重レーザ光送出手段210は、複数のレーザ送信手段211、合波手段212、信号源213、および送信側遅延手段214を備える。
レーザ送信手段211は、波長の異なるレーザ光をそれぞれ送出する。合波手段212は、複数のレーザ送信手段211が送出するレーザ光を合波する。信号源213は、レーザ光によって送信するデータ信号を生成する。そして、送信側遅延手段214は、信号源213から入力したデータ信号に、波長毎に異なる所定の遅延量を与えてレーザ送信手段211に送出する。この遅延量は外部からの制御信号に従って可変する構成としてもよい。
このような構成により、本実施形態の空間光送信装置4200によれば、搬送波レーザ光を変調するデータ信号に、送信するレーザ光の波長に応じて時間差を設けた時間ダイバーシティを実現することができる。なお、合波手段212およびコリメート手段220の構成は、第2の実施形態による空間光送信装置2200におけるものと同様であるので、それらの説明は省略する。
空間光受信装置4100は、集光手段110、マルチモード伝送媒体121、レーザ光分離手段122、複数の単一モード伝送媒体を介して受光する複数の受光手段140、および信号処理手段を有する。
本実施形態においては、信号処理手段は第1の信号処理手段451、第2の信号処理手段452、および受信側遅延手段453を備えた構成とした。第1の信号処理手段451は、複数の受光手段140が出力する複数の受信信号に対して、波長が同一である受信信号毎に信号処理を施して、波長毎に第1の処理信号を出力する。受信側遅延手段453は、第1の処理信号に、波長毎に異なる遅延量を与えた第2の処理信号を出力する。そして、第2の信号処理手段452は、第2の処理信号に信号処理を施し、第2の処理信号を合成した出力信号を出力する。
なお、信号処理手段および後述する第1のセレクタ手段461、第2のセレクタ手段462以外の構成は、第2の実施形態による空間光受信装置2100におけるものと同様であるので、それらの説明は省略する。
上述したように、本実施形態による空間光受信装置4100は、信号処理手段を第1の信号処理手段451および第2の信号処理手段452の2段階に分離した構成とした。すなわち、第1の信号処理手段(DSP1)451は、レーザ光分離手段122で波長およびモード毎に分離した信号光に対して、同一の波長毎に信号処理の前処理を行う。その後に、受信側遅延手段453が波長毎にあらかじめ決められた遅延時間を付加する。そして最後に、第2の信号処理手段452が全ての波長を一括した信号処理を行う。
このような二段階の信号処理手段を用いることにより、以下に示すように、信号処理手段の回路規模を削減することができる。単一の信号処理手段においては、理論的には波長数wとモード数mの積の自乗(mw)2の回路規模が必要となる。それに対して、本実施形態による信号処理手段の構成においては、波長数wとモード数mが2以上である場合、
m2×w+w2=w(m2+w)<(mw)2
となり、回路規模の縮小が可能である。
m2×w+w2=w(m2+w)<(mw)2
となり、回路規模の縮小が可能である。
また、受光手段140と第1の信号処理手段451との間に第1のセレクタ手段461を、第2の信号処理手段452の入力側に第2のセレクタ手段462を挿入した構成としてもよい。第1のセレクタ手段461および第2のセレクタ手段462は、受信信号の中から品質の良い信号を選択し、それぞれの信号処理手段に伝達する。信号の品質として、信号の強度または信号のS/N比を用いることができる。第1のセレクタ手段461および第2のセレクタ手段462を備えることにより、信号処理手段の回路規模をさらに縮小することができる。
〔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14に、本発明の第5の実施形態に係る空間光通信システム5000の構成を示す。空間光通信システム5000は空間光受信装置5100と空間光送信装置5200とを有し、その間の自由空間の伝送路を介して信号光を伝搬させる。
次に、本発明の第5の実施形態について説明する。図14に、本発明の第5の実施形態に係る空間光通信システム5000の構成を示す。空間光通信システム5000は空間光受信装置5100と空間光送信装置5200とを有し、その間の自由空間の伝送路を介して信号光を伝搬させる。
空間光送信装置5200は、波長多重レーザ光送出手段510およびコリメート手段220を備える。波長多重レーザ光送出手段510は、複数のレーザ光源511、合波手段512、信号源513、および変調手段514を備える。
レーザ光源511は、波長の異なる搬送波レーザ光をそれぞれ送出する。合波手段512は、複数のレーザ光源511がそれぞれ送出する搬送波レーザ光を合波して波長多重搬送波レーザ光を送出する。信号源513は送信するデータ信号を生成する。そして、変調手段514は波長多重搬送波レーザ光を、データ信号を用いて変調する。
また、コリメート手段220は、波長多重レーザ光の出射角を波長毎に異ならせた送信側レーザ光を、単一の光軸からなる光学系から空間伝送路に出射する。
空間光受信装置5100は、集光手段110、マルチモード伝送媒体121、レーザ光分離手段522、複数の単一モード伝送媒体を介して受光する複数の受光手段140、および信号処理手段550を有する。
本実施形態の空間光受信装置5100においては、レーザ光分離手段522はマルチモード伝送媒体121が送出する伝搬モード群を入力し、波長多重された状態で複数の伝搬モード光ごとに分離して出力する。そして、受光手段140は伝搬モード光を波長多重された状態で受光する。
上述したように、本実施形態による空間光送信装置5200は、信号源513で生成されたデータ信号を用いて、波長多重した搬送波レーザ光を一括して変調する構成としている。この場合、変調方式として強度変調方式を用いることができる。
一方、空間光受信装置5100においては、モード分離処理を行うだけで波長分離処理を行うことなく受光手段140で受信する構成としている。すなわち受光手段140は、モード分離された信号光を波長多重された状態のままで受信する。このような構成が可能なのは、空間光通信(FSO)の伝送路では波長分散がほとんど発生しないからである。なお、波長ダイバーシティの効果を確実にするために、図14に示すように、波長分散手段123をマルチモード伝送媒体121の前段に配置した構成としてもよい。
信号処理手段550は、モード分離した信号から受信信号を合成する。信号処理手段550の前段にセレクタ560を配置し、品質の良い信号のみを選択する構成としてもよい。
また、信号処理手段550において、論理和の演算処理を用いることとしてもよい。
また、信号処理手段550において、論理和の演算処理を用いることとしてもよい。
このように、同一のデータ信号を用いて波長多重搬送波レーザ光を変調する構成としたことにより、部品数を削減した空間光送信装置によって波長ダイバーシティを有効に機能させることが可能である。
〔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15に、本発明の第6の実施形態に係る空間光通信システム6000の構成を示す。空間光通信システム6000は空間光受信装置6100と第5の実施形態による空間光送信装置5200とを有し、その間の自由空間の伝送路を介して信号光を伝搬させる。
次に、本発明の第6の実施形態について説明する。図15に、本発明の第6の実施形態に係る空間光通信システム6000の構成を示す。空間光通信システム6000は空間光受信装置6100と第5の実施形態による空間光送信装置5200とを有し、その間の自由空間の伝送路を介して信号光を伝搬させる。
空間光送信装置5200は上述したように、信号源513で生成されたデータ信号を用いて、波長多重した搬送波レーザ光を一括して変調する構成としている。
空間光受信装置6100は、集光手段110、マルチモード伝送媒体121、レーザ光分離手段122、複数の単一モード伝送媒体を介して受光する複数の受光手段140、および信号処理手段を有する。
本実施形態においては、信号処理手段は第1の信号処理手段651および第2の信号処理手段652を備えた構成とした。第1の信号処理手段651は、複数の受光手段140が出力する複数の受信信号に対して、伝搬モード光が同一である受信信号毎に信号処理を施して、伝搬モード光毎に処理信号を出力する。そして、第2の信号処理手段652は、これらの処理信号に信号処理を施し、処理信号を合成した出力信号を出力する。
すなわち、空間光受信装置6100においては、レーザ光分離手段122が信号光についてモード分離処理と波長分離処理を行い、信号処理手段を二段階に分離している。第1の信号処理手段651は、異なる波長で同一のモード毎に第一の信号処理を行う。続いて、全てのモードの受信信号を集めて、第2の信号処理手段652によって受信信号の合成処理を行う。
自由空間およびマルチモード伝送媒体を含む伝送路全体において、波長分散は発生しない。一方、マルチモード伝送媒体を伝搬中にはモード分散が発生する。これらのことから、異なる波長であっても同一のモードであれば分散量は等しくなる。したがって、上述したように、まず第1の信号処理手段651によって同一のモード分散を受けた受信信号を一括して処理し、その後に第2の信号処理手段652によって、異なるモード分散を受けた受信信号を合成することにより出力信号を得ることができる。
本実施形態の空間光受信装置6100によれば、第4の実施形態と同様に、信号処理手段の回路規模を縮小することができる。
また、受光手段140と第1の信号処理手段651との間に第1のセレクタ手段661を、第2の信号処理手段652の入力側に第2のセレクタ手段662を挿入した構成としてもよい。第1のセレクタ手段661および第2のセレクタ手段662は、受信信号の中から品質の良い信号を選択し、それぞれの信号処理手段に伝達する。第1のセレクタ手段661および第2のセレクタ手段662を備えることにより、信号処理手段の回路規模をさらに縮小することができる。
なお、波長ダイバーシティの効果を確実にするために、図15に示すように、波長分散手段123をマルチモード伝送媒体121の前段に配置した構成としてもよい。また、受光手段140にデジタルコヒーレント受信技術を用いることとしてもよい。
上述したように、本実施形態による空間光通信システム6000においては、異なる波長で伝送した信号光に対する受信信号を一括して、第1の信号処理手段651により信号処理を行う構成としている。このとき、波長毎に異なる光周波数の位相雑音が存在すると、第1の信号処理手段651は波長毎に位相同期処理回路を備える必要がある。
この場合、各波長の位相雑音が揃っていれば位相同期回路の規模を削減することが可能である。そこで、図16に示すように、空間光送信装置5200が備える波長多重レーザ光送出手段510が、複数のレーザ光源511がそれぞれ送出する搬送波レーザ光の光位相を同期させる送信側光位相同期手段610を備えた構成とすることができる。また、空間光受信装置6100が備える複数の受光手段140は、それぞれ局部発振光源を備え、局部発振光源がそれぞれ送出する局部発振光の光位相を同期させる受信側光位相同期手段640を備えた構成とすることができる。
送信側光位相同期手段610および受信側光位相同期手段640を備えることにより、位相雑音の波長間の相対的な揺らぎを極めて小さく抑えることができる。そのため、第1の信号処理手段651においては、波長は異なっても同じ位相雑音として検出される。これにより、第1の信号処理手段651の回路規模を削減し、異なる波長の受信信号に対して一括して位相同期処理を行うことが可能になる。
送信側光位相同期手段610および受信側光位相同期手段640には、光PLL(Phase Locked Loop)や光コム(Optical Comb)などを用いることができる。
また、空間光送信装置5200の送信側光位相同期手段610と空間光受信装置6100の受信側光位相同期手段640との間で、光周波数同期を行うこととしてもよい。この場合、あらかじめ決められた光周波数同期用の波長を用いて、空間光送信装置5200または空間光受信装置6100のいずれか一方から他方へ同期信号を転送することとしてもよい。衛星光空間通信に用いる場合は、大きな伝送遅延が発生する。そこで、位相雑音を最小化するために、送信器側の同期用波長光を信号光と並行して伝送し、受信側の局発光源の同期に用いることが望ましい。
また、光周波数同期を行うことに替えて、図17に示すように、一つの第1の信号処理手段651で検出した位相オフセット情報を、他の複数の第1の信号処理手段651で共有することによって、信号処理手段の回路規模の削減を図ることができる。すなわち、第1の信号処理手段651のうち、一の波長に対応した検出用第1の信号処理手段が位相オフセット情報を検出し、位相オフセット情報を他の波長に対応した第1の信号処理手段651に送出する構成とすることができる。
具体的には、一つの第1の信号処理手段651で検出した、ある波長の信号光の位相オフセットを、それ以外の複数の第1の信号処理手段651で共有し、全ての波長の位相雑音を共有する。位相オフセット情報の共有には、図17に示すように、ハブ装置670を介して行うこととしてもよい。第1の信号処理手段651は、他の第1の信号処理手段651と共有した各波長の位相オフセットを、入力された各波長の信号に適用することによって位相雑音の補償処理を行う。
このような構成とすることにより、全ての第1の信号処理手段651において個別に位相雑音を検出する処理を省略することができる。その結果、第1の信号処理手段651の回路規模を削減し、位相雑音の補償を実現することが可能となる。
〔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18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。空間光受信装置700は、集光手段110、波長分散手段123、マルチモード伝送媒体としての複数のマルチモードファイバ721、レーザ光分離手段122、および複数の単一モード伝送媒体130を有する。
次に、本発明の第7の実施形態について説明する。図18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。空間光受信装置700は、集光手段110、波長分散手段123、マルチモード伝送媒体としての複数のマルチモードファイバ721、レーザ光分離手段122、および複数の単一モード伝送媒体130を有する。
集光手段110は、空間伝送路を伝搬した波長多重された受信側レーザ光101を集光する。複数のマルチモードファイバ721は、それぞれの端面が受信側レーザ光の入力方向に対して異なる位置になるように配置している。そして波長分散手段123は、受信側レーザ光を波長毎に異なるマルチモードファイバ721の端面に出力する。
マルチモードファイバ721は、複数の伝搬モード光を含む伝搬モード群を出力する。レーザ光分離手段122は、伝搬モード群を入力し、複数の伝搬モード光ごとに分離して出力する。そして単一モード伝送媒体130は、複数の伝搬モード光をそれぞれ導波する。
このように、本実施形態による空間光受信装置700は、波長分散手段123によって受信側レーザ光を波長分離し、波長毎に異なるマルチモードファイバ(MMF)721に結合させる。
ここで、波長分散手段123から出力される信号光ビームに対して、波長毎に対応するマルチモードファイバ(MMF)721の位置を理想的に一致させた場合を考える。この場合には、大気の波長分散が無いために、それぞれの波長に対応した全てのマルチモードファイバ(MMF)721の端面において、同じシンチレーションが発生する。そのため、波長ダイバーシティの効果は得られない。
それに対して、本実施形態の空間光受信装置700は、波長毎のマルチモードファイバ(MMF)721の位置に異なるオフセットを与えることによって、マルチモードファイバ(MMF)721のコア面における集光スポットの位置を変える構成としている。このように、マルチモードファイバ(MMF)721の端面の面内方向にオフセットを与えると、マルチモードファイバ(MMF)721のコア面における集光スポットの位置が変わる。そのため、異なるモードが励起されることになる。また、波長分散手段123からマルチモードファイバ(MMF)721の端面までの光学長にオフセットを与えてデフォーカスすることにより、集光スポットのパタンが変化し異なるモードが励起される。なお、このオフセットは波長程度のオーダーであり、しかも固定値である。そのため、オフセットによる位相シフトにより後段における信号処理に与える影響は軽微である。
以上述べたように、本実施形態の空間光受信装置700によれば、波長ダイバーシティの効果によって、受信光とシングルモードファイバとの結合効率の劣化が通信特性に及ぼす影響を緩和し、伝送レートの高速化を図ることができる。
上述した各実施形態における波長ダイバーシティを用いた空間光通信システムにおいて、送信波長の個数など送信リソースを可変制御することが可能である。具体的には、波面の乱れの大きさに応じて、単一の信号源から波長ダイバーシティに用いる波長数や、空間ダイバーシティを用いる場合における広がり角やビームのズレ角、および出力光の強度を可変制御することができる。また、第4の実施形態の空間光送信装置における時間ダイバーシティでの遅延量を可変制御することとしてもよい。このような構成とすることにより、送信側の電力等のリソースが限られる衛星や航空機において、波面乱れが少ない伝送路条件の場合には、リソース消費を抑制する効果が得られる。
なお、リソースを制御するために、受信側で検出される光信号のS/N比やエラーレートから送信側にフィードバック制御することとしてもよい。フィードバックには、対応する空間光通信(FSO)や無線回線を用いることができる。また、送信器側で大気状態をモニタして波面乱れを予測し、オープンループでリソースを制御することとしてもよい。大気状態のモニタには、送信した信号光のミー散乱(後方散乱)や気象情報などを用いることができる。
あるいは、異なる衛星や航空機からの空間光通信(FSO)で得られたリソース情報を利用することもできる。これは以下の理由による。すなわち、波面の乱れは大気下層における影響が強いので受信局の近傍で発生することが多い。そのため、複数の空間光通信(FSO)機器との接続切替がある場合であっても、大気の状態の時定数に比べて切替の時間が十分に短ければ、同等の波面乱れの大きさを受けると仮定できるからである。このような手段を用いることにより、送信リソースの制御を簡略化することができる。
また、送信リソースの増減に対応して、合波手段に含まれる光増幅手段の強度を制御することとしてもよい。このとき、波長数や波長の組み合わせに応じて、あらかじめ定められた設定により出力光強度を調整する。このように制御することによって、光増幅手段において発生する非線形効果を抑制し、安定な空間光通信(FSO)を実現することができる。
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9月25日に出願された日本出願特願2014-195305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波長多重された受信側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前記受信側レーザ光を入力し、波長毎に励起状態が異なる、複数の伝搬モード光を含む伝搬モード群を生成し、前記複数の伝搬モード光ごとに分離して出力する励起モード制御手段と、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する複数の受光手段、とを有する空間光受信装置。
(付記2)前記励起モード制御手段は、前記受信側レーザ光を波長毎に異なる入射状態で入力し、前記伝搬モード群を出力するマルチモード伝送媒体と、前記伝搬モード群を入力し、前記複数の伝搬モード光ごとに分離して出力するレーザ光分離手段、とを備える付記1に記載した空間光受信装置。
(付記3)前記励起モード制御手段は、前記マルチモード伝送媒体の前段に波長分散手段を備え、前記波長分散手段は、前記受信側レーザ光を入力し、前記マルチモード伝送媒体に励起する伝搬モードを制御する付記2に記載した空間光受信装置。
(付記4)前記波長分散手段は、前記受信側レーザ光を入力し、前記受信側レーザ光を波長毎に分岐し、前記波長毎に前記マルチモード伝送媒体の端面の異なる位置に出力する 付記3に記載した空間光受信装置。
(付記5)空間光送信装置と空間光受信装置を有し、前記空間光送信装置は、波長の異なる複数のレーザ光を多重した波長多重レーザ光を送出する波長多重レーザ光送出手段と、前記波長多重レーザ光の出射角を波長毎に異ならせた送信側レーザ光を、単一の光軸からなる光学系から空間伝送路に出射するコリメート手段、とを備え、前記空間光受信装置は、前記送信側レーザ光が前記空間伝送路を伝搬した後の受信側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前記受信側レーザ光を入力し、波長毎に励起状態が異なる、複数の伝搬モード光を含む伝搬モード群を生成し、前記複数の伝搬モード光ごとに分離して出力する励起モード制御手段と、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する複数の受光手段、とを有する空間光通信システム。
(付記6)前記空間光受信装置は、前記複数の受光手段が出力する複数の受信信号に信号処理を施し、前記複数の受信信号を合成した出力信号を出力する信号処理手段をさらに有し、前記コリメート手段は、前記波長多重レーザ光を波長毎に異なる角度で出射させる送信側マルチモード伝送媒体を備え、前記励起モード制御手段は、前記受信側レーザ光を波長毎に異なる入射状態で入力し、前記伝搬モード群を出力するマルチモード伝送媒体と、 前記伝搬モード群を入力し、前記複数の伝搬モード光ごとに分離して出力するレーザ光分離手段、とを備える付記5に記載した空間光通信システム。
(付記7)前記波長多重レーザ光送出手段は、波長の異なるレーザ光をそれぞれ送出する複数のレーザ送信手段と、前記複数のレーザ送信手段が送出する前記レーザ光を合波する合波手段と、前記レーザ光によって送信するデータ信号を生成する信号源と、前記信号源から入力した前記データ信号に、前記波長毎に異なる所定の遅延量を与えて前記レーザ送信手段に送出する送信側遅延手段、とを備え、前記信号処理手段は、第1の信号処理手段と、受信側遅延手段と、第2の信号処理手段とを含み、前記第1の信号処理手段は、前記複数の受光手段が出力する複数の受信信号に対して、前記波長が同一である前記受信信号毎に信号処理を施して、前記波長毎に第1の処理信号を出力し、前記受信側遅延手段は、前記第1の処理信号に、前記波長毎に異なる前記遅延量を与えた第2の処理信号を出力し、 前記第2の信号処理手段は、前記第2の処理信号に信号処理を施し、前記第2の処理信号を合成した出力信号を出力する付記6に記載した空間光通信システム。
(付記8)前記波長多重レーザ光送出手段は、波長の異なる搬送波レーザ光をそれぞれ送出する複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源がそれぞれ送出する前記搬送波レーザ光を合波して波長多重搬送波レーザ光を送出する合波手段と、送信するデータ信号を生成する信号源と、前記波長多重搬送波レーザ光を、前記データ信号を用いて変調した波長多重レーザ光を送出する変調手段、とを備え、前記信号処理手段は、第1の信号処理手段と第2の信号処理手段を含み、前記第1の信号処理手段は、前記複数の受光手段が出力する複数の受信信号に対して、前記伝搬モード光が同一である前記受信信号毎に信号処理を施して、前記伝搬モード光毎に処理信号を出力し、前記第2の信号処理手段は、前記処理信号に信号処理を施し、前記処理信号を合成した出力信号を出力する付記6に記載した空間光通信システム。
(付記9)前記第1の信号処理手段のうち、一の波長に対応した検出用第1の信号処理手段が位相オフセット情報を検出し、前記位相オフセット情報を他の波長に対応した前記第1の信号処理手段に送出する付記8に記載した空間光通信システム。
(付記10)波長の異なる複数のレーザ光を多重した波長多重レーザ光を送出し、前記波長多重レーザ光を単一の光軸からなる光学系に導入し、前記光学系から送信側レーザ光を空間伝送路に出射し、前記送信側レーザ光が前記空間伝送路を伝搬した後の受信側レーザ光を集光し、集光した前記受信側レーザ光から、波長毎に励起状態が異なる、複数の伝搬モード光を含む伝搬モード群を生成し、前記複数の伝搬モード光ごとに分離し、前記複数の伝搬モード光を複数の単一モード伝送媒体にそれぞれ導入し、前記複数の単一モード伝送媒体を導波した前記複数の伝搬モード光をそれぞれ受光する空間光通信方法。
(付記11)前記波長多重レーザ光送出手段は、波長の異なる搬送波レーザ光をそれぞれ送出する複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源がそれぞれ送出する前記搬送波レーザ光を合波して波長多重搬送波レーザ光を送出する合波手段と、送信するデータ信号を生成する信号源と、前記波長多重搬送波レーザ光を、前記データ信号を用いて変調した波長多重レーザ光を送出する変調手段、とを備え、前記レーザ光分離手段は、前記伝搬モード群を入力し、波長多重された状態で前記複数の伝搬モード光ごとに分離して出力し、前記受光手段は、前記伝搬モード光を波長多重された状態で受光する付記6に記載した空間光通信システム。
(付記12)前記波長多重レーザ光送出手段は、前記複数のレーザ光源がそれぞれ送出する前記搬送波レーザ光の光位相を同期させる送信側光位相同期手段を備え、前記複数の受光手段は、それぞれ局部発振光源を備え、前記局部発振光源がそれぞれ送出する局部発振光の光位相を同期させる受信側光位相同期手段を備える付記8に記載した空間光通信システム。
(付記13)前記信号処理手段は、前記受光手段が出力する前記受信信号から高品質な受信信号を選択して前記第1の信号処理手段に出力する第1のセレクタ手段と、前記第1の信号処理手段が出力する信号から高品質な信号を選択して前記第2の信号処理手段に出力する第2のセレクタ手段、とをさらに備える付記7または8に記載した空間光通信システム。
(付記14)前記マルチモード伝送媒体は、複数のマルチモードファイバを含み、前記複数のマルチモードファイバは、それぞれの端面が前記受信側レーザ光の入力方向に対して異なる位置になるように配置しており、前記波長分散手段は、前記受信側レーザ光を前記波長毎に異なる前記マルチモードファイバの端面に出力する付記3または4に記載した空間光受信装置。
(付記15)前記光学系から送信側レーザ光を空間伝送路に出射する際に、前記波長多重レーザ光を波長毎に異なる角度で出射させる付記10に記載した空間光通信方法。
(付記16)前記受信側レーザ光から、波長毎に励起状態が異なる、複数の伝搬モード光を含む伝搬モード群を生成する際に、前記受信側レーザ光を波長毎に分岐し、前記波長毎にマルチモード伝送媒体の端面の異なる位置に出力することにより、前記マルチモード伝送媒体から前記伝搬モード群を出力させる付記10に記載した空間光通信方法。
100、700、1100、2100、3100、4100、5100、6100 空間光受信装置
101 受信側レーザ光
110 集光手段
120 励起モード制御手段
121 マルチモード伝送媒体
122、522 レーザ光分離手段
123 波長分散手段
124 制御部
130 単一モード伝送媒体
140 受光手段
150、550 信号処理手段
201 送信側レーザ光
210、510 波長多重レーザ光送出手段
211 レーザ送信手段
212、512 合波手段
213、513 信号源
214 送信側遅延手段
220 コリメート手段
351 デジタルシグナルプロセッサ
352 論理和回路
451、651 第1の信号処理手段
452、652 第2の信号処理手段
453 受信側遅延手段
461、661 第1のセレクタ手段
462、662 第2のセレクタ手段
511 レーザ光源
514 変調手段
560 セレクタ
610 送信側光位相同期手段
640 受信側光位相同期手段
670 ハブ装置
721 マルチモードファイバ
1000、2000、4000、5000、6000 空間光通信システム
1001 大気の擾乱
1200、2200、4200、5200 空間光送信装置
101 受信側レーザ光
110 集光手段
120 励起モード制御手段
121 マルチモード伝送媒体
122、522 レーザ光分離手段
123 波長分散手段
124 制御部
130 単一モード伝送媒体
140 受光手段
150、550 信号処理手段
201 送信側レーザ光
210、510 波長多重レーザ光送出手段
211 レーザ送信手段
212、512 合波手段
213、513 信号源
214 送信側遅延手段
220 コリメート手段
351 デジタルシグナルプロセッサ
352 論理和回路
451、651 第1の信号処理手段
452、652 第2の信号処理手段
453 受信側遅延手段
461、661 第1のセレクタ手段
462、662 第2のセレクタ手段
511 レーザ光源
514 変調手段
560 セレクタ
610 送信側光位相同期手段
640 受信側光位相同期手段
670 ハブ装置
721 マルチモードファイバ
1000、2000、4000、5000、6000 空間光通信システム
1001 大気の擾乱
1200、2200、4200、5200 空間光送信装置
Claims (10)
- 空間伝送路を伝搬した波長多重された受信側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前記受信側レーザ光を入力し、波長毎に励起状態が異なる、複数の伝搬モード光を含む伝搬モード群を生成し、前記複数の伝搬モード光ごとに分離して出力する励起モード制御手段と、
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する複数の受光手段、とを有する
空間光受信装置。 - 請求項1に記載した空間光受信装置において、
前記励起モード制御手段は、
前記受信側レーザ光を波長毎に異なる入射状態で入力し、前記伝搬モード群を出力するマルチモード伝送媒体と、
前記伝搬モード群を入力し、前記複数の伝搬モード光ごとに分離して出力するレーザ光分離手段、とを備える
空間光受信装置。 - 請求項2に記載した空間光受信装置において、
前記励起モード制御手段は、前記マルチモード伝送媒体の前段に波長分散手段を備え、
前記波長分散手段は、前記受信側レーザ光を入力し、前記マルチモード伝送媒体に励起する伝搬モードを制御する
空間光受信装置。 - 請求項3に記載した空間光受信装置において、
前記波長分散手段は、前記受信側レーザ光を入力し、前記受信側レーザ光を波長毎に分岐し、前記波長毎に前記マルチモード伝送媒体の端面の異なる位置に出力する
空間光受信装置。 - 空間光送信装置と空間光受信装置を有し、
前記空間光送信装置は、
波長の異なる複数のレーザ光を多重した波長多重レーザ光を送出する波長多重レーザ光送出手段と、
前記波長多重レーザ光の出射角を波長毎に異ならせた送信側レーザ光を、単一の光軸からなる光学系から空間伝送路に出射するコリメート手段、とを備え、
前記空間光受信装置は、
前記送信側レーザ光が前記空間伝送路を伝搬した後の受信側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前記受信側レーザ光を入力し、波長毎に励起状態が異なる、複数の伝搬モード光を含む伝搬モード群を生成し、前記複数の伝搬モード光ごとに分離して出力する励起モード制御手段と、
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する複数の受光手段、とを有する
空間光通信システム。 - 請求項5に記載した空間光通信システムにおいて、
前記空間光受信装置は、前記複数の受光手段が出力する複数の受信信号に信号処理を施し、前記複数の受信信号を合成した出力信号を出力する信号処理手段をさらに有し、
前記コリメート手段は、前記波長多重レーザ光を波長毎に異なる角度で出射させる送信側マルチモード伝送媒体を備え、
前記励起モード制御手段は、前記受信側レーザ光を波長毎に異なる入射状態で入力し、前記伝搬モード群を出力するマルチモード伝送媒体と、
前記伝搬モード群を入力し、前記複数の伝搬モード光ごとに分離して出力するレーザ光分離手段、とを備える
空間光通信システム。 - 請求項6に記載した空間光通信システムにおいて、
前記波長多重レーザ光送出手段は、
波長の異なるレーザ光をそれぞれ送出する複数のレーザ送信手段と、
前記複数のレーザ送信手段が送出する前記レーザ光を合波する合波手段と、
前記レーザ光によって送信するデータ信号を生成する信号源と、
前記信号源から入力した前記データ信号に、前記波長毎に異なる所定の遅延量を与えて前記レーザ送信手段に送出する送信側遅延手段、とを備え、
前記信号処理手段は、第1の信号処理手段と、受信側遅延手段と、第2の信号処理手段とを含み、
前記第1の信号処理手段は、前記複数の受光手段が出力する複数の受信信号に対して、前記波長が同一である前記受信信号毎に信号処理を施して、前記波長毎に第1の処理信号を出力し、
前記受信側遅延手段は、前記第1の処理信号に、前記波長毎に異なる前記遅延量を与えた第2の処理信号を出力し、
前記第2の信号処理手段は、前記第2の処理信号に信号処理を施し、前記第2の処理信号を合成した出力信号を出力する
空間光通信システム。 - 請求項6に記載した空間光通信システムにおいて、
前記波長多重レーザ光送出手段は、
波長の異なる搬送波レーザ光をそれぞれ送出する複数のレーザ光源と、
前記複数のレーザ光源がそれぞれ送出する前記搬送波レーザ光を合波して波長多重搬送波レーザ光を送出する合波手段と、
送信するデータ信号を生成する信号源と、
前記波長多重搬送波レーザ光を、前記データ信号を用いて変調した波長多重レーザ光を送出する変調手段、とを備え、
前記信号処理手段は、第1の信号処理手段と第2の信号処理手段を含み、
前記第1の信号処理手段は、前記複数の受光手段が出力する複数の受信信号に対して、前記伝搬モード光が同一である前記受信信号毎に信号処理を施して、前記伝搬モード光毎に処理信号を出力し、
前記第2の信号処理手段は、前記処理信号に信号処理を施し、前記処理信号を合成した出力信号を出力する
空間光通信システム。 - 請求項8に記載した空間光通信システムにおいて、
前記第1の信号処理手段のうち、一の波長に対応した検出用第1の信号処理手段が位相オフセット情報を検出し、前記位相オフセット情報を他の波長に対応した前記第1の信号処理手段に送出する
空間光通信システム。 - 波長の異なる複数のレーザ光を多重した波長多重レーザ光を送出し、
前記波長多重レーザ光を単一の光軸からなる光学系に導入し、前記光学系から送信側レーザ光を空間伝送路に出射し、
前記送信側レーザ光が前記空間伝送路を伝搬した後の受信側レーザ光を集光し、
集光した前記受信側レーザ光から、波長毎に励起状態が異なる、複数の伝搬モード光を含む伝搬モード群を生成し、前記複数の伝搬モード光ごとに分離し、
前記複数の伝搬モード光を複数の単一モード伝送媒体にそれぞれ導入し、
前記複数の単一モード伝送媒体を導波した前記複数の伝搬モード光をそれぞれ受光する
空間光通信方法。
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