WO2016203747A1 - 空間光送信装置および空間光通信方法 - Google Patents

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WO2016203747A1
WO2016203747A1 PCT/JP2016/002821 JP2016002821W WO2016203747A1 WO 2016203747 A1 WO2016203747 A1 WO 2016203747A1 JP 2016002821 W JP2016002821 W JP 2016002821W WO 2016203747 A1 WO2016203747 A1 WO 2016203747A1
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light
spatial
mode
laser
optical
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PCT/JP2016/002821
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成五 高橋
俊治 伊東
聡寛 田中
学 有川
晃平 細川
有秀 野田
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日本電気株式会社
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/112—Line-of-sight transmission over an extended range
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J14/00—Optical multiplex systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J14/00—Optical multiplex systems
    • H04J14/04—Mode multiplex systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J14/00—Optical multiplex systems
    • H04J14/06—Polarisation multiplex systems

Definitions

  • the present invention relates to a spatial light transmission device and a spatial light communication method, and more particularly to a spatial light transmission device and a spatial light communication method that perform optical communication using laser light propagating in free space.
  • a device mounted on the flying object when performing space optical communication (FSO) with a flying object that flies and stays above the ground, a device mounted on the flying object generally includes volume, weight, power consumption (Size, There are strong restrictions on weight, and power (SWaP).
  • Size volume, weight, power consumption
  • SWaP power consumption
  • an optical receiving apparatus that can be coupled from a telescope to a single mode fiber (SMF) is desirable. This is because it is possible to receive light with a minimum component configuration without parallelization.
  • the spatial optical communication is performed from the space optical communication (FSO) transmission apparatus installed in the environment where the restrictions on SWaP are weak to the FSO reception apparatus having strong restrictions on SWaP
  • the atmosphere in the FSO transmission apparatus It is desirable to eliminate the influence of fluctuation.
  • Patent Document 2 Examples of spatial light transmission devices using such a technique for suppressing the influence of atmospheric fluctuations and mitigating fading on the receiving side are described in Patent Document 2 and Patent Document 3.
  • the multi-beam laser communication device described in Patent Document 2 includes first to fourth telescopes for laser beam transmission, laser directing devices, light receiving telescopes, a gimbal mechanism for adjusting the azimuth and elevation angle of transmission and reception, and a control unit. .
  • the control unit selects the laser light source to be used from the telescope according to the beam condition and irradiates the laser beam, and adjusts the beam divergence angle so that the fluctuation of the received light intensity on the other side can be suppressed. This makes it easy to hold the laser line in an environment in which atmospheric fluctuations and pointing errors exist.
  • the spatial light transmission device described in Patent Document 3 includes a plurality of signal light sources that emit signal light having different wavelengths, a drive circuit that modulates each signal light source by an input electrical signal, and the same light as each signal light. It has a transmitting station with a mirror and a beam splitter that multiplex on the axis. By adopting such a configuration, the same signal can be transmitted simultaneously by a plurality of signal lights having different wavelengths, so that fluctuations in received light power on the receiving side are reduced as compared with transmission using one light source. It can be made to.
  • JP 2006-333070 A JP 2005-354335 A Japanese Patent Laid-Open No. 9-326761
  • Special table 2013-535871 gazette
  • Special table 2014-525717 gazette
  • the spatial light transmission device has a problem that the cost increases if the configuration is suitable for large-capacity communication.
  • An object of the present invention is to provide a spatial light transmission apparatus and a spatial light communication method that solve the problem that the cost increases when the spatial light transmission apparatus has a configuration suitable for large-capacity communication. There is.
  • the spatial light transmission device of the present invention combines a plurality of laser light transmission means each using optical carriers that do not interfere with each other, and a laser signal light transmitted by each of the plurality of laser light transmission means into different modes, respectively.
  • a mode combining unit that generates a combined laser beam; and an emitting unit that outputs the combined laser beam to free space.
  • the spatial optical communication method of the present invention generates a plurality of laser signal lights using optical carriers that do not interfere with each other, converts the plurality of laser signal lights into different modes, and generates a combined laser light, Synthetic laser light is emitted into free space, and received synthetic laser light, which is synthetic laser light after propagating through free space, is condensed, and the received synthetic laser light is transmitted through a periodic transmission wavelength band with the wavelength of the optical carrier. Detect with a compatible delay interferometer.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a spatial light transmitting apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • the spatial light transmission apparatus 100 includes a plurality of laser light transmission units 110, a mode synthesis unit 120, and an emission unit 130.
  • the plurality of laser beam sending means 110 use optical carriers that do not interfere with each other.
  • the mode synthesizing unit 120 generates synthesized laser beams by converting the laser signal beams transmitted from the plurality of laser beam transmitting units 110 into different spatial modes and combining them. Then, the emitting unit 130 emits the synthetic laser beam 10 into free space.
  • a telescope can be typically used as the emitting means 130.
  • the laser beam sending means 110 includes a plurality of laser light sources that output optical carriers that do not interfere with each other.
  • the laser beam transmitting means 110 can be configured to transmit laser signal beams obtained by modulating optical carriers having different wavelengths with the same data signal.
  • Laser signal light respectively transmitted by the laser beam transmitting unit 110 is input to the mode combining unit 120 via a single mode fiber (SMF).
  • An optical amplifier may be arranged in the transmission path of this single mode fiber (SMF).
  • an optical fiber can be used as a propagation means for propagating the synthesized laser light synthesized by the mode synthesis means 120 from the mode synthesis means 120 to the emission means 130.
  • the synthetic laser beam 10 emitted from the emitting means 130 propagates in different spaces for each mode, it is subject to different wavefront disturbances due to atmospheric fluctuations in each mode.
  • the fluctuation of the atmosphere can be regarded as a random phenomenon having no spatial or temporal correlation, the disturbance of the wavefront received by the laser signal light in each spatial mode also occurs uncorrelated.
  • the fade can be mitigated by a statistical multiplexing effect.
  • large-capacity communication using an optical fiber transmission technology using a single mode fiber (SMF) becomes possible.
  • the spatial light transmission device 100 since the spatial light transmission device 100 according to the present embodiment does not require a plurality of emission means and has a single emission means 130, it does not cause a significant increase in cost.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a spatial optical communication system 1000 according to the second embodiment of the present invention.
  • the spatial light communication system 1000 includes a spatial light transmitter 1100 and a spatial light receiver 1200.
  • the spatial light transmitter 1100 includes a plurality of laser light sources 1110 (1110-1 to 1110-m), a multiplexer 1120 as mode combining means, a transmission side telescope 1130 as emission means, an optical fiber 1140 as propagation means, and a transmission A signal source 1150 is included.
  • the laser light source 1110 and the transmission signal source 1150 constitute a laser beam sending means.
  • a plurality (m) of laser light sources 1110 output optical carrier waves having different wavelengths, and output laser signal light modulated using the same data signal output from a single transmission signal source 1150. Since the other configuration of the spatial light transmission device 1100 is the same as the configuration of the spatial light transmission device 100 according to the first embodiment, a detailed description thereof will be omitted.
  • the spatial light receiving device 1200 includes a receiving telescope 1210, a single mode fiber (SMF) 1220, and an optical receiver 1230.
  • SMF single mode fiber
  • the spatial light transmitter 1100 and the spatial light receiver 1200 transmit / receive wavelength-multiplexed and spatially multiplexed combined laser light 10 via the free space 11.
  • the free space 11 includes an atmospheric propagation section, and further includes random atmospheric fluctuations 12 caused by wind and temperature distribution.
  • the synthetic laser beam 10 is subjected to random wavefront disturbance by passing through the atmospheric fluctuation 12, and then reaches the receiving telescope 1210.
  • the synthesized laser beam 10 is subjected to wavefront disturbances that are uncorrelated between the wavelengths. This is because the synthesized laser light 10 that is spatially multiplexed and transmitted to the free space 11 propagates through different paths, and thus is affected by different atmospheric fluctuations.
  • the combined laser beam 10 incident on the receiving telescope 1210 is coupled to a single mode fiber (SMF) 1220.
  • the time change of the laser light intensity of each wavelength coupled to the single mode fiber (SMF) 1220 includes a random fade.
  • the frequency of fading can be greatly reduced by the statistical multiplexing effect by photoelectrically converting the spatially multiplexed combined laser beam 10 including a plurality of wavelengths with one optical receiver 1230.
  • the spatial optical communication system 1000 according to the present embodiment, an increase in the cost of the telescope portion can be suppressed. For this reason, it is possible to reduce the cost of the spatial light transmission device as compared with the comparative configuration described above.
  • the spatial optical communication system 1000 of the present embodiment fading on the receiving side can be mitigated, and a large-capacity spatial optical communication system can be realized at low cost.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a time change of the intensity of the laser beam coupled to the single mode fiber (SMF) 1220 included in the spatial light receiving device 1200.
  • the figure shows the light intensity of each of the three types of wavelengths ( ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3) and the total light intensity of these three wavelengths of laser light. That is, the two solid lines and the double line indicate the respective intensities of the laser light of three different wavelengths ( ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3), and the broken line indicates the total value of the light intensities of the three wavelengths. It can be seen that the intensity of the laser light coupled to the single mode fiber (SMF) 1220 generates a deep fade of about 40 dB at the maximum at a single wavelength.
  • the effect of the spatial optical communication system 1000 of the present embodiment described above can be considered as a margin required for the transmission light intensity required to make the minimum received light intensity the same level when attention is paid to the loss of received data.
  • FSO space optical communication
  • the fade can be reduced by 30 dB.
  • the spatial optical communication system 1000 of the present embodiment deep fade on the receiving side can be mitigated, and large-capacity spatial optical communication can be realized without causing an increase in cost.
  • FIG. 4 shows a configuration of a spatial light transmitter 200 according to the third embodiment of the present invention.
  • the spatial light transmitting apparatus 200 includes a plurality of laser light sources 210 (210-1 to 210-m) having different wavelengths as a plurality of laser light transmitting means, a spatial modulator 221, a mode multiplexer 222, and an emitting means.
  • the spatial modulator (spatial modulation means) 221 converts the plurality of laser signal lights output from the plurality of laser light sources 210 into different spatial modes.
  • the mode multiplexer (mode multiplexing means) 222 multiplexes a plurality of laser signal lights converted into different spatial modes by the spatial modulator 221.
  • the spatial modulator 221 and the mode multiplexer 222 constitute a multiplexer 220 as mode combining means.
  • the spatial light transmitter 200 can be configured to further include a multimode fiber (MMF) 240 as a propagation means and a signal source 250.
  • the laser light source 210 has a function of modulating an optical carrier wave with a data signal output from the signal source 250.
  • the multimode fiber (MMF) 240 the number of eigenmodes capable of propagating light is two or more modes, and a number mode fiber (FMF) limited to a relatively small number of modes is used. It is good.
  • the laser signal light of m wavelengths output from the laser light sources 210-1 to 210-m through the single mode fiber (SMF) is modulated into different spatial modes by the m spatial modulators 221, respectively. Thereafter, the signals are multiplexed by the mode multiplexer 222 and output to one multimode fiber (MMF) 240.
  • MMF multimode fiber
  • Each of the m spatial modulators 221 has orthogonal spatial modulation characteristics.
  • the mode multiplexer 222 multiplexes and outputs the laser signal light spatially modulated in the orthogonal spatial mode onto one multimode fiber (MMF) 240.
  • the upper limit value of the spatial mode of the spatial modulator 221 is set to be equal to or less than the upper limit value of the spatial mode in which the multimode fiber (MMF) 240 can propagate.
  • a mode multiplexing element described in Non-Patent Document 1 can be applied.
  • the multimode fiber (MMF) 240 is connected to the focal plane of the telescope 230, and the combined laser beam 10 corresponding to a plurality of eigenmode far-field images (far field patterns) included in the multimode fiber (MMF) 240 is brought into free space. Send it out.
  • MMF multimode fiber
  • light beams transmitted in different spatial modes propagate in different spaces in free space, they are affected by different atmospheric fluctuations. As a result, a wavefront turbulence decorrelation between wavelengths occurs.
  • the horizontal axis represents the wavelength of the laser beam
  • the vertical axis represents the spatial mode of the laser beam.
  • a single spatial mode is multiplexed with a plurality of wavelengths modulated by different data signals, and further mode multiplexed to perform FMF transmission.
  • This is equivalent to arranging and transmitting laser beams modulated by different data signals at all grid intersections of the laser beam wavelength and the spatial mode in FIG.
  • the transmission rate by one type of laser light is B
  • a transmission capacity of 12 ⁇ B can be realized in a transmission system using four wavelengths and three modes.
  • the spatial light transmission device 200 of the present embodiment is configured to use only the combinations indicated by black circles among the grid intersections shown in FIG. That is, the spatial modulator (spatial modulation means) 221 is configured to convert the laser signal light of one wavelength into only one spatial mode different from the spatial mode of the laser signal light of other wavelengths.
  • the transmission capacity of the space optical communication (FSO) system is 1 ⁇ B.
  • this system ensures redundancy by combining wavelength and spatial mode for transmission paths with unstable propagation characteristics called free space, and obtaining communication stability. This is the intended multiplexing method.
  • the configuration is such that the same wavelength is assigned to the spatial modes to be multiplexed, for example, a configuration in which laser light from one laser light source is branched and distributed to m spatial modulators 221, fading can be reduced. It is difficult. The reason is that even if a plurality of laser beams having different spatial modes are transmitted to free space, a fade occurs due to the interference of a plurality of laser beams having the same wavelength.
  • FIG. 6 shows the configuration of a spatial light transmission apparatus 300 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the spatial light transmitter 300 includes m laser light sources 210 (210-1 to 210-m) having different wavelengths as a plurality of laser light transmitting means, and m spatial modulators 221 (2211-1 to 221-1). 221-m), and a telescope 230 as an emitting means.
  • the spatial light transmitter 300 further includes a fiber bundle 342 bundled in an array and an optical fiber 341 that is fan-out from the fiber bundle 342.
  • the optical fiber 341 and the fiber bundle 342 constitute a multi-mode propagation means having a plurality of propagation modes.
  • each fiber constituting the fiber bundle 342 and each optical fiber 341 are a series of fibers having the same propagation characteristics, and a multimode fiber (MMF) or a number mode fiber (FMF) can be applied. it can.
  • the multimode fiber (MMF) or the number mode fiber (FMF) constituting the optical fiber 341 and the fiber bundle 342 may be configured to have a polarization preserving function.
  • Laser beams of m types of wavelengths output from laser light sources 210-1 to 210-m having different wavelengths and having a modulation function are respectively modulated into different spatial modes by m spatial modulators 221-1 to 221-m. And connected to m optical fibers 341, for example, MMF.
  • Optical fibers 341 through which laser beams modulated in different spatial modes propagate are bundled and connected to the telescope 230 as a fiber bundle 342.
  • the combined laser beam 10 is sent to free space as a light beam that is wavelength-multiplexed and spatially multiplexed.
  • the spatial light transmission apparatus 300 of the present embodiment bundled fibers, that is, light beams in different spatial modes are transmitted from the bundled fibers, that is, a plurality of emission points, on the focal plane of the telescope 230. Therefore, unlike the case where the spatial light transmitter 200 according to the third embodiment shown in FIG. 4 transmits laser light that is mode-multiplexed from a single multimode fiber (MMF) 240, the synthetic laser light has an ideal mode.
  • the spatial multiplexing state is not orthogonal.
  • the spatial light transmission device 300 of the present embodiment also transmits laser beams of different wavelengths in different spatial modes, the effect of reducing the fade can be obtained as in the spatial light transmission device 200 according to the third embodiment.
  • the number of spatial modulators 221 can be equal to or less than the number of multimode fibers (MMFs) constituting the bundled fiber bundle 342.
  • MMFs multimode fibers
  • the spatial light transmission apparatus 300 when the bundled fiber bundle 342 is replaced with a single mode fiber (SMF), beams in the same spatial mode are spatially multiplexed and emitted. Therefore, the configuration is in principle equivalent to a configuration in which the wavelength multiplexing technique is applied to the configuration described in Patent Document 2 described above.
  • the spatial light transmission apparatus 300 of this embodiment includes a multimode fiber (MMF) instead of a single mode fiber (SMF), and further propagates the multimode fiber (MMF) and is transmitted to space. The light wavelength and mode are different from each other.
  • MMF multimode fiber
  • FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a spatial optical communication system 2000 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the spatial light communication system 2000 includes a spatial light transmitter 1100 and a spatial light receiver 2200.
  • the spatial light transmitter 1100 and the spatial light receiver 2200 propagate the wavelength-multiplexed and spatially multiplexed combined laser light 10 through the free space 11 including the atmospheric fluctuation 12.
  • Optical communication FSO
  • the spatial light transmission device 1100 has the same configuration as the spatial light transmission device 1100 according to the second embodiment.
  • the spatial light transmission device 200 according to the third embodiment described above and the spatial light transmission device 300 according to the fourth embodiment may be employed. Therefore, the description of the spatial light transmitter is omitted.
  • the spatial light receiver 2200 includes a receiving telescope 1210 as a condensing means, a single mode fiber (SMF) 1220, an optical band selection filter (BPF) 2230, an optical detector (optical detecting means) 2240, and a light receiver (light receiving means). ) 2250.
  • the receiving-side telescope 1210 condenses the received combined laser beam that is the combined laser beam 10 after propagating through the free space 11.
  • the optical band selection filter (BPF) 2230 transmits the received combined laser light having the same wavelength as the combined laser light 10 and removes background light and the like incident on the receiving telescope 1210 from the free space 11. As a result, the S / N (signal / noise) ratio of the received combined laser beam can be improved. Further, when the optical amplifier is provided, spontaneous emission light noise can be removed by the optical band selection filter (BPF) 2230.
  • the optical detector (optical detection means) 2240 can be a delay detection circuit that receives the received combined laser beam and outputs the detected laser beam detected using the delay interferometer.
  • the light receiver (light receiving means) 2250 photoelectrically converts the detected laser light.
  • the optical detector (optical detection means) 2240 can be configured such that the periodic transmission wavelength band corresponds to the wavelength of the optical carrier, as will be described later.
  • the optical detector 2240 includes a delay interferometer, periodic transmission characteristics having a certain wavelength interval (Free Spectral Range: FSR) can be obtained. Therefore, by detecting the interval between the wavelengths of the laser light source 1110 included in the spatial light transmitter 1100 with the FSR of the optical detector 2240, it is possible to detect laser light with a plurality of wavelengths using one delay interferometer. It becomes possible. By adopting such a configuration, the spatial light receiving device mounted on an artificial satellite with strong SWaP constraints can achieve a great effect that the number of parts does not increase even when the configuration is provided with redundancy.
  • FSR Free Spectral Range
  • the light receiver 2250 detects the intensity of the detected laser beam detected by the optical detector 2240. At this time, it is possible to avoid the occurrence of optical beat noise due to the frequency difference by sufficiently separating the wavelengths of the laser light source 1110, that is, the optical frequency, and making the optical frequency difference sufficiently higher than the band of the light receiver 2250. it can. As a result, the wavelength-multiplexed laser light can be photoelectrically converted by the same light receiver without wavelength separation. This also provides a great effect that the number of components does not increase even when the spatial light receiving device mounted on an artificial satellite with strong SWaP constraints is configured with redundancy.
  • the data signal output from the signal source 1150 of the spatial light transmission apparatus 1100 is transmitted through the free space 11 by the combined laser light that is wavelength-multiplexed and spatially multiplexed.
  • the spatial light receiving device 2200 having the above-described configuration, it is possible to realize spatial light reception without increasing the number of devices in order to ensure redundancy (redundancy).
  • the fade which has been a problem can be eased.
  • large-capacity space optical communication (FSO) maintaining high throughput can be realized at low cost.
  • FIG. 8 schematically shows the relationship between the wavelength of the laser light source 1110 provided in the spatial light transmitter 1100 and the spectral intensity of the transmitted wavelength of the optical detector 2240 using a delay interferometer. As shown in the figure, the wavelengths ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 of the laser beam shown in the bright line shape coincide with the peak of the transmission spectrum of the optical detector 2240.
  • the transmission spectrum of the optical detector 2240 composed of a delay interferometer is sinusoidal.
  • the wavelength ⁇ of the laser light transmitted in the spatial light communication system 2000 is 1.55 micrometers ( ⁇ m).
  • a modulation method a 2.5 Gbps (bits per second) 1-bit differential phase modulation (Differential Phase Shift Keying: DPSK) method is used.
  • the FSR of the delay interferometer is 2.5 gigahertz (GHz)
  • the wavelength period ⁇ is about 0.02 nanometers (nm).
  • the receiving band of the light receiver 2250 is sufficient to be 2.5 GHz or less.
  • the wavelengths ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 are spaced apart by 100 GHz corresponding to, for example, 40 periods of periodic transmission characteristics.
  • the spatial light receiving device 2200 having such a configuration, it is possible to receive a data signal modulated by the spatial light transmitting device 1100.
  • a redundant configuration for atmospheric fluctuation can be realized by wavelength multiplexing and spatial mode multiplexing without parallelizing the devices.
  • FIG. 9 is a time chart showing a time change of a signal transmitted between the spatial light transmission device 1100 and the spatial light reception device 2200 in the spatial light communication system 2000 of the present embodiment.
  • the horizontal axis is the time axis
  • the vertical stages indicate each part constituting the spatial optical communication system 2000.
  • One block in each stage corresponds to 1 bit, and represents the transmission state at different times.
  • the first half shows “010” and the second half shows “010”.
  • the frequency component of the fade fluctuation is about several kilohertz (kHz). Therefore, assuming that the data signal output from the signal source 1150 has a bit rate on the order of gigabits per second (Gbps), the time chart shown in FIG. 9 is a snapshot in which the time change shown in FIG. Can be considered.
  • Gbps gigabits per second
  • the m laser light sources 1110-1 to 1110 -m that output different wavelengths are modulated by the data signal (first stage in FIG. 9) output from the signal source 1150 (second stage in FIG. 9).
  • the laser signal light of m kinds of wavelengths is transmitted to free space after being wavelength multiplexed and mode multiplexed. At this time, it is assumed that the intensity of the laser signal light of each wavelength is equal, and there is no bit skew between wavelengths.
  • the laser signal light of each wavelength coupled to the single mode fiber (SMF) 1220 provided in the spatial light receiving device 2200 is affected by atmospheric fluctuations and varies in intensity (third stage in FIG. 9).
  • the laser signal light having a wavelength of ⁇ 1 is attenuated by strong fading, and the laser signal light having a wavelength of ⁇ 2 is coupled to the single mode fiber with sufficient light intensity. It shows that the laser signal light of ⁇ m has received a weak fade.
  • the second half of the time chart is in a completely different fade state.
  • the laser signal light of each wavelength is detected by the optical detector 2240 (the fourth stage in FIG. 9), and photoelectrically converted by the light receiver 2250.
  • the output signal after the photoelectric conversion has a waveform obtained by simply adding the intensities of the detected laser beams output for each wavelength by the optical detector 2240 (the fifth stage in FIG. 9).
  • this skew is represented as a step-like waveform deterioration. This skew is not due to atmospheric wavelength dispersion but to spatial mode dispersion.
  • this spatial mode dispersion is a function of the exit angle ⁇ from the transmitting telescope 1130.
  • the optical path difference is about 0.16 mm from 2 ⁇ r ⁇ tan ⁇ 2r ⁇ , and the length of one symbol in the free space of a 2.5 Gbps optical signal is about 12 cm. Corresponding. Therefore, the optical path difference is 1/750 of one symbol length, which according to the skew is not a deterioration factor of the received signal.
  • FIGS. 11A, 11B, and 11C show simulation examples of transmission characteristics of the spatial optical communication system 2000 according to the present embodiment.
  • FIG. 11A shows the temporal change of the received light intensity
  • FIG. 11B shows the probability distribution of the received light intensity
  • FIG. 11C shows the result of calculating the cumulative probability distribution of the received light intensity by simulation.
  • a data signal is transmitted from the ground to the artificial satellite through a free space in which atmospheric fluctuations exist using synthetic laser light in which 21 types of wavelengths are multiplexed into 21 spatial modes.
  • FIG. 11A shows the time change of the optical signal intensity incident on the light receiver 2250. From the figure, as the number of spatial modes of the laser signal light to be transmitted is increased from 1 mode to 21 mode, the intensity fluctuation due to fading of the optical signal incident on the light receiver 2250 is greatly stabilized from 46 dB to 14 dB. I understand that.
  • a differential detector When a DPSK-modulated optical signal is detected with a delay interferometer, a differential detector can be applied to the light receiver 2250. Since the signal output from the differential detector takes three positive and negative values with zero as the center, it can be identified with the median (zero) as the threshold value. In this case, the above-described fade of about 14 dB can be stably identified.
  • BER bit error rate
  • the spatial light transmission device 1100 included in the spatial light communication system 2000 of the present embodiment uses m laser light sources 1110-1 that use optical carriers of m wavelengths different from each other. It was set as the structure which has ⁇ 1110-m.
  • the present invention is not limited to this, and may include a plurality of laser light sources (laser light transmitting means) 1110 that transmit laser signal light modulated by the same data signal with an optical carrier wave having a different polarization direction.
  • two laser light sources such as laser light sources 1110-1 and 1110-2, laser light sources 1110-3 and 1110-4, and laser light sources 1110- (m-1) and 1110-m are mutually connected at the same wavelength.
  • the spatial light transmitter 1100 it is necessary to configure the spatial light transmitter 1100 so that the laser signal light having the same wavelength is orthogonal to the synthesized laser light 10 transmitted from the transmission-side telescope 1130. Specifically, this can be realized by providing the optical fiber included in the spatial light transmitter 1100 with polarization maintaining characteristics.
  • the transmission wavelength width of the optical band selection filter (BPF) 2230 included in the spatial light receiver 2200 can be halved.
  • the optical S / N ratio of the detected laser beam input to the light receiver 2250 can be improved.
  • a plurality of laser signal lights using optical carriers that do not interfere with each other are generated.
  • the plurality of laser signal lights are converted into different modes and combined to generate a combined laser light, and the combined laser light is emitted into free space.
  • combination laser beam after propagating through free space is condensed.
  • the received combined laser light is detected by a delay interferometer whose periodic transmission wavelength band corresponds to the wavelength of the optical carrier wave.
  • FIG. 12 shows a configuration of a spatial optical communication system 3000 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the spatial light communication system 3000 includes a spatial light transmission device 1100, a spatial light reception device 3200, and a transmission side control device (transmission side control means) 3100.
  • the spatial light transmitter 1100 has the same configuration as the spatial light transmitter according to the fifth embodiment.
  • the spatial light receiving device 3200 includes an optical band selection filter (BPF) 2230 that passes the received combined laser light with a variable pass bandwidth, and a receiving side control device (receiving side control means) 3260 that controls this pass bandwidth.
  • BPF optical band selection filter
  • receiving side control device receiving side control means
  • the transmission-side control device 3100 acquires mode state information that is information related to the mode state of the combined laser beam. Control mode transmission means for notifying the receiving side control device 3260 of this mode state information is provided.
  • the reception side control device 3260 included in the spatial light reception device 3200 includes control information reception means for acquiring the above-described mode state information from the transmission side control device 3100. Then, the pass bandwidth of the optical band selection filter (BPF) 2230 is controlled based on the acquired mode state information.
  • BPF optical band selection filter
  • the transmission-side control device 3100 transmits the spatial mode multiplexing state of the combined laser beam 10 transmitted by the spatial light transmission device 1100 to the reception-side control device 3260 via the mode state signal 31.
  • the reception side control device 3260 generates the band control signal 32 according to the mode state signal 31.
  • the optical band selection filter (BPF) 2230 controls the pass bandwidth of the optical signal input from the single mode fiber (SMF) 1220 according to the band control signal 32.
  • the transmission side control device 3100 operates in conjunction with the spatial light transmission device 1100, it does not have to be arranged at the same point as the spatial light transmission device 1100.
  • the mode state signal 31 is not limited to a configuration in which the mode state signal 31 is transmitted through a line directly connected to the transmission-side control device 3100 and the spatial light transmission device 1100, but may be configured to be transmitted by an operator's operation.
  • the mode state signal 31 is transmitted through another line different from the space optical communication (FSO).
  • FSO space optical communication
  • a telemetry line independent from space optical communication (FSO) can be used.
  • the peak of the periodic transmission band of the optical detector 2240 matches the wavelengths ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 of the laser light source 1110.
  • the laser signal lights output from the laser light source 1110 are combined and transmitted to the free space as the combined laser light 10.
  • Spatial light receiving device 3200 condenses the received combined laser light after propagating in free space by receiving side telescope 1210 and couples it to single mode fiber (SMF) 1220.
  • the received combined laser beam is detected by passing through the peak of the periodic transmission characteristic of the optical detector 2240.
  • the transmission characteristic of the optical detector 2240 is sinusoidal, the background light and the noise of the optical amplifier are also passed. As a result, the S / N ratio of the received optical signal may be degraded.
  • the spatial light receiving device 3200 of this embodiment is configured to remove noise light outside the signal band by the optical band selection filter (BPF) 2230, it is possible to suppress such deterioration of the S / N ratio. Can do.
  • an optical band selection filter having a single wavelength wavelength transmission characteristic shown in the third stage of FIG. 13 may be used.
  • the conditions in which the atmospheric fluctuation is extremely small are, for example, when the spatial light transmitter is installed in a mountainous area with a high altitude, or when it is mounted on an aircraft or other artificial satellite that cruises at a high altitude. Etc.
  • SWaP restrictions on SWaP are imposed. In this case, it is desirable to use a single wavelength.
  • the intensity of the transmitted light is limited, it is necessary to perform highly sensitive reception using a narrow band optical band selection filter (BPF).
  • the spatial light communication can be stabilized by performing spatial mode multiplex transmission using multiple wavelengths by the spatial light transmitter 1100 of the present embodiment.
  • the case where the atmospheric fluctuation is large is, for example, a case where the spatial light transmission device 1100 is installed on the ground where the sea level is low.
  • an optical band selection filter (BPF) having a single wavelength pass characteristic but a broadband as shown in the fourth stage (multi-wavelength 1) or the fifth stage (multi-wavelength 2) in FIG. It is necessary to use an optical band selection filter (BPF) 2230 having a wavelength transmission characteristic of
  • the spatial optical communication system 3000 is configured to perform switching control of the passband of the optical band selection filter (BPF) 2230 in accordance with the environmental conditions of the spatial light transmission apparatus 1100.
  • BPF optical band selection filter
  • the spatial light receiving device 3200 includes an optical band selection filter (BPF) 2230 capable of switching the pass bandwidth, and a receiving side control device 3260 for controlling it. did.
  • the spatial optical communication system 3000 according to the present embodiment includes a transmission-side control device 3100 and switches the passband of the optical band selection filter (BPF) 2230 via the mode state signal 31 and the band control signal 32. did.
  • the optical band selection filter (BPF) 2230 capable of controlling the pass band can be realized, for example, by switching a combination of a plurality of optical band selection filters (BPF).
  • BPF optical band selection filters
  • a Fabry-Perot filter having a periodic transmission characteristic and a steep cutoff characteristic can be applied to each optical band selection filter (BPF).
  • the optical band selection filter (BPF) 2230 capable of controlling the passband is the minimum in both single-wavelength and multi-wavelength operation modes even when the switching operation becomes difficult due to a failure. It is possible to ensure the operation. That is, when fixed in an operation mode of a single wavelength, signal light of that single wavelength can be received, so that it is possible to receive spatial optical communication from the ground although the throughput is insufficient. . Further, when fixed in the multi-wavelength operation mode, when receiving a single wavelength laser signal light, the reception sensitivity is deteriorated due to an increase in noise components. However, if there is a sufficient amount of received light, the optical signal can be received.
  • FIG. 14 shows an example of a band control sequence of the optical band selection filter (BPF) 2230.
  • space optical communication FSO
  • FSO space optical communication
  • the transmission side control device A series of control operations starting from 3100 will be described.
  • a portion indicated by a dotted line between the ground station and the space station represents a case where the mode state signal 31 is transmitted using a communication means different from the space optical communication (FSO).
  • FSO space optical communication
  • telemetry communication can be used for example.
  • a transmission start signal is transmitted to the reception side control device 3260 (S11).
  • the receiving side control device 3260 instructs the optical band selection filter (BPF) 2230 included in the spatial light receiving device 3200 to switch the band using the band control signal 32 (S12).
  • the optical band selection filter (BPF) 2230 is switched from a single wavelength passing state to a state allowing a plurality of wavelengths to pass, and is capable of receiving a spatial optical communication (FSO) using a plurality of wavelengths and spatial multiplexing. It becomes.
  • the band control signal 32 notifies the switching completion to the receiving side control device 3260 (S13).
  • the reception side control device 3260 transmits a band switching completion signal to the transmission side control device 3100 (S14).
  • the transmission side control device 3100 instructs the spatial light transmission device 1100 to start transmission (S15), and transmission by spatial light communication (FSO) using a plurality of wavelengths and spatial multiplexing is started.
  • the transmission side control device 3100 instructs the spatial light transmission device 1100 to end the transmission (S16). In response to this, the spatial light transmitter 1100 ends transmission. Further, the transmission side control device 3100 transmits a return signal for returning the band of the optical band selection filter (BPF) 2230 to the reception side control device 3260 (S17).
  • BPF optical band selection filter
  • the receiving side control device 3260 switches the pass band of the optical band selection filter (BPF) 2230 from the multiple wavelength pass state to the single wavelength pass state (S18, S19).
  • the path and procedure at this time are the same as when switching the pass band of the optical band selection filter (BPF) 2230 from the single pass state to the multiple wavelength pass state (S12, S13).
  • reception side control device 3260 transmits a return completion signal indicating that the operation of returning the passband is completed to the transmission side control device 3100 (S20), and the transmission side control device 3100 completes the return.
  • a series of band control sequences is completed by receiving the signal.
  • the spatial optical communication system 3000 of the present embodiment large-capacity communication can be realized without causing an increase in cost. Furthermore, it is possible to realize appropriate space optical communication (FSO) according to the environmental conditions of the space light transmitter 1100 and the space light receiver 3200.
  • FSO space optical communication
  • FIG. 15 shows the configuration of a spatial light transmission apparatus 400 according to the seventh embodiment of the present invention.
  • the spatial light transmitter 400 according to the present embodiment is configured by adding a function of correcting the skew of the wavelength multiplexed and spatially multiplexed combined laser light 10 to the spatial light transmitter 200 of the third embodiment shown in FIG. It is what.
  • the spatial light transmission device 400 includes a delay control unit 410 serving as a transmission timing control unit, an optical splitter 421 and a condensing optical system 422 constituting an optical branching unit, and a mode selector 430 serving as a mode signal light selection unit. Furthermore, it has a single mode fiber (SMF) 441 and an optical receiver 442 constituting a branching light receiving means, and a skew control section 450 as a skew control means.
  • the optical splitter 421 is inserted into the collimator 231 that constitutes a part of the optical system of the telescope 230.
  • Other configurations are the same as those of the spatial light transmission apparatus 200 according to the third embodiment, and thus description thereof is omitted.
  • Delay control unit (transmission timing control means) 410 varies the timing at which laser light sources 210-1 to 210-m serving as a plurality of laser light transmission means transmit laser signal light.
  • the optical branching unit branches a part of the combined laser beam and extracts the branched combined laser beam.
  • the mode selector (mode signal light selection means) 430 extracts the laser signal light of one mode selected from the branched combined laser light as the selection mode signal light.
  • the branch light receiving means photoelectrically converts the selection mode signal light and outputs a selection mode reception signal.
  • the skew control unit (skew control means) 450 acquires the selection mode reception signal for each different mode, and detects the relative skew between the selection mode reception signals corresponding to the different modes. Then, the delay control unit (transmission timing control means) 410 is controlled so that the relative skew becomes the minimum.
  • the skew generated in the transmission path of the free space 11 including the atmospheric fluctuation 12 can be ignored as described with reference to FIG.
  • skew between wavelengths does not occur at the transmission distance of the single mode fiber (SMF) 1220 included in the spatial light receiver 2200.
  • SMF single mode fiber
  • the combined laser beam spatially multiplexed by the error of the length of each fiber connected to the plurality of laser light sources 1110 or the mode dispersion of the optical fiber 1140 there is a possibility of skew between 10 wavelengths.
  • the spatial light transmission device 400 of the present embodiment it is possible to correct such a skew as described below.
  • the optical splitter 421 provided in the spatial light transmitter 400 branches a part of the laser light emitted from the multimode fiber (MMF) 240 to the optical system in the telescope 230.
  • the branched laser light is condensed by a condensing optical system 422 and coupled to a single mode fiber (SMF) 441 through a mode selector 430.
  • the laser beam coupled to the single mode fiber (SMF) 441 is photoelectrically converted by the optical receiver 442 and input to the skew control unit 450.
  • the skew control unit 450 controls the state of the mode selector 430 by the mode switching signal 41.
  • the mode selector 430 selects and receives one spatial mode from the branched laser light. Accordingly, the skew control unit 450 measures the relative skew between the spatial modes. Then, based on the skew amount obtained by the measurement, the delay control unit 410 controls the timing at which the laser light source 210 transmits the laser signal light. That is, the delay control unit 410 gives a delay amount to the data signal that becomes the modulation signal according to the time difference obtained from the relative skew. At this time, the skew control unit 450 performs feedback control on the delay control unit 410 so that the relative skew is minimized.
  • skew control can be performed by wavelength selection using a narrow-band variable wavelength filter instead of spatial mode selection using the mode selector 430.
  • the selected laser signal light be directly input to the optical receiver 442 and photoelectrically converted without being coupled to the single mode fiber (SMF) 441.
  • the optical receiver 442 has a configuration including a delay interferometer. Therefore, even when the single mode fiber (SMF) 441 is not used, the above-described skew control can be performed by using the delay interferometer of the spatial optical system.
  • the function of the optical splitter 421 is provided to the multimode fiber (MMF) 240.
  • a fiber-type or waveguide-type optical splitter can be used as the optical splitter 421.
  • a multimode fiber (MMF) connects between the optical splitter and the spatial optical system included in the telescope 230 and between the optical splitter and the mode selector 430. Therefore, it is desirable to shorten each fiber length to such an extent that the skew generated in these portions can be ignored.
  • the present invention is not limited to this, and the skew generated in the multimode fiber (MMF) portion may be calibrated by adopting a configuration in which the skew control unit 450 has a function of performing offset adjustment.
  • the delay control unit 410 is configured by an electronic circuit and adjusts the delay amount of the data signal supplied to the modulation means provided in the laser light source 210.
  • the configuration is not limited to this, and a configuration like the spatial light transmission device 401 illustrated in FIG. 16 may be employed.
  • the wavelength multiplexer 471 wavelength-multiplexes the carrier laser beams of different wavelengths transmitted from the plurality of carrier laser light sources 460-1 to 460-m.
  • the optical modulator 480 collectively modulates the wavelength-multiplexed carrier laser light using a data signal transmitted from the signal source 250.
  • the wavelength-modulated laser signal light is wavelength-separated by a wavelength separator 472 and inserted into a plurality of optical delay adjusters 490-1 to 490-m for each wavelength.
  • the laser signal light whose optical delay is adjusted is subjected to spatial modulation and mode multiplexing by the multiplexer 220 in the same manner as the spatial light transmission apparatus 400 described above.
  • the above-described skew control can also be performed by the spatial light transmitter 401 configured as described above.
  • the spatial light transmitters 400 and 401 of the present embodiment large-capacity communication can be realized without causing an increase in cost. Furthermore, it is possible to minimize the skew of the spatially multiplexed combined laser light and realize spatial optical communication (FSO) without jitter.
  • FSO spatial optical communication
  • a plurality of laser beam transmitting means each using optical carriers that do not interfere with each other, and a combined laser beam synthesized by converting the laser signal lights respectively transmitted by the plurality of laser light transmitting means into different modes
  • a spatial light transmitting apparatus comprising: a mode combining unit for generating; and an emitting unit for emitting the combined laser beam to free space.
  • combination means is provided with the spatial modulation means which converts several said laser signal light into a respectively different spatial mode, and the multiple mode propagation means which has several propagation modes. Any one of Additional remark 1 to 3 The spatial light transmitter described in 1.
  • Sending timing control means for changing the timing at which the plurality of laser light sending means send the laser signal light, and light branching means for branching a part of the combined laser light and extracting the branched combined laser light ,
  • a mode signal light selecting means for taking out the laser signal light of one mode selected from the branched combined laser light as a selection mode signal light, and a branched light for photoelectrically converting the selection mode signal light and outputting a selection mode reception signal
  • the reception unit and the selection mode reception signal are acquired for each of the different modes, the relative skew between the selection mode reception signals corresponding to the different modes is detected, and the timing at which the relative skew is minimized is set as the timing.
  • the skew control means for controlling the delivery timing control means as described in any one of appendices 1 to 6 During optical transmitter.
  • the spatial light transmission device according to any one of supplementary notes 1 to 7 and a spatial light reception device, wherein the spatial light reception device uses the combined laser light after propagating in the free space.
  • Condensing means for condensing certain received combined laser light, optical detection means for inputting the received combined laser light and outputting detected laser light detected using a delay interferometer, and photoelectrically converting the detected laser light
  • a spatial light communication system wherein a periodic transmission wavelength band of the optical detection means corresponds to a wavelength of the optical carrier wave.
  • a plurality of laser signal lights using optical carriers that do not interfere with each other are generated, and the plurality of laser signal lights are converted into different modes and combined to generate a combined laser beam, and the combined laser beam is generated.
  • the received combined laser beam which is the combined laser beam after propagating through the free space, is collected, and the received combined laser beam is transmitted with a periodic transmission wavelength band equal to the wavelength of the optical carrier wave. Spatial optical communication method of detecting with a corresponding delay interferometer.
  • the multi-mode propagation means includes a fiber bundle in which a plurality of multi-mode optical fibers and the plurality of multi-mode optical fibers are bundled, and a fiber in which a plurality of number-mode optical fibers and the plurality of number-mode optical fibers are bundled.
  • the condensing means which condenses the received synthetic
  • a spatial light receiving device that is synthesized and in which a periodic transmission wavelength band of the optical detection means corresponds to a wavelength of the optical carrier wave.
  • a plurality of laser signal lights are generated using optical carriers that do not interfere with each other, a combined laser light is generated by converting the plurality of laser signal lights into different modes, and the combined laser light
  • a spatial light transmission method for emitting light into free space
  • Additional remark 15 It described in Additional remark 14 which converts the said several laser signal light to a respectively different spatial mode, and multiplexes the said several laser signal light converted into a different spatial mode, when producing
  • a part of the combined laser light is branched to extract a branched combined laser light, the laser signal light of one mode selected from the branched combined laser light is extracted as a selection mode signal light, and the selection mode Photoelectrically converting signal light to generate a selection mode reception signal, acquiring the selection mode reception signal for each of the different modes, detecting a relative skew between the selection mode reception signals corresponding to the different modes, 17.
  • the spatial light transmission method according to any one of appendices 14 to 16, wherein the timing of generating the plurality of laser signal lights is controlled so that a dynamic skew is minimized.
  • mode state information which is information related to the state of the mode of the combined laser beam
  • a pass bandwidth for allowing the received combined laser beam to pass is controlled based on the mode state information.
  • Spatial light transmitter 110 Laser light transmitting means 120 Mode combining means 130 Emitting means 210 Laser light source 220 Multiplexer 221 Spatial modulator 222 Mode multiplexer 230 Telescope 231 Collimator 240 Multimode fiber (MMF) ) 250 Signal source 341 Optical fiber 342 Fiber bundle 410 Delay control unit 421 Optical splitter 422 Condensing optical system 430 Mode selector 441 Single mode fiber (SMF) 442 Optical receiver 450 Skew control unit 460 Carrier laser light source 471 Wavelength multiplexer 472 Wavelength separator 480 Optical modulator 490 Optical delay adjuster 1000, 2000, 3000 Spatial optical communication system 1100 Spatial optical transmitter 1110 Laser light source 1120 Multiplexer 1130 Transmission-side telescope 1140 Optical fiber 1150 Transmission signal source 1200, 2200, 3200 Spatial light receiving device 1210 Reception-side telescope 1220 Single mode fiber (SMF) 1230 Optical receiver 2230 Optical band selection filter

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Abstract

空間光送信装置においては、大容量通信に適した構成とするとコストが増大するため、本発明の空間光送信装置は、互いに干渉しない光搬送波をそれぞれ用いた複数のレーザ光送出手段と、複数のレーザ光送出手段がそれぞれ送出するレーザ信号光を、それぞれ異なるモードに変換して合成した合成レーザ光を生成するモード合成手段と、合成レーザ光を自由空間に出射する出射手段、とを有する。

Description

空間光送信装置および空間光通信方法
　本発明は、空間光送信装置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送信装置および空間光通信方法に関する。
　近年、地上と航空機や人工衛星との間で伝送されるデータ量が増大している。さらに大容量のデータ伝送を実現するため、マイクロ波よりも格段に広帯域化が可能である光周波数帯を用いた空間光通信（Ｆｒｅｅ　Ｓｐａｃｅ　Ｏｐｔｉｃｓ：ＦＳＯ）システムが検討されている。
　大容量な空間光通信（ＦＳＯ）システムを実現するためには、伝送信号のビットレートの高速化技術を適用することが必要とされている。また、地上と人工衛星との間の超長距離伝送を行う空間光通信（ＦＳＯ）システムにおいては、信号光は自由空間を伝搬することにより大きく減衰する。そのため、高感度な受信装置が必要である。この場合、光ファイバ通信技術と共通の技術、すなわちシングルモードファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｍｏｄｅ　Ｆｉｂｅｒ：ＳＭＦ）を用いた光ファイバ伝送技術を応用することが効率的である。その理由は、例えば、低雑音かつ高利得な直接光増幅技術、高感度なデジタルコヒーレント受信技術、および高ビットレート送受信技術などを適用することにより、空間光通信（ＦＳＯ）システムの大容量化が可能だからである。
　これまでに、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）をベースとした光ファイバ伝送技術を空間光通信（ＦＳＯ）に応用したシステムが開発されている（例えば、特許文献１参照）。このような空間光通信（ＦＳＯ）システムで用いられる受信装置においては、大気伝搬したレーザ光を望遠鏡で集光し、コア径の小さなシングルモードファイバ（ＳＭＦ）に光結合させる必要がある。しかし、大気伝搬の過程で波面が乱れたレーザ光を望遠鏡で集光しても焦点面のビームスポットが乱れるため、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）に結合したレーザ光の強度には大きな減衰（フェード）が発生する。このフェードによる受信データの欠損は、空間光通信（ＦＳＯ）システムにおける実効スループットの低下をもたらすので、大容量空間光通信（ＦＳＯ）を実現するうえで障害となっていた。
　この問題を解決する手法として、レーザ光の波面の乱れに対する対策を、受信装置側で行う手法、送信側で行う手法、および、それらを組み合わせた手法が考えられる。しかし、これらの対策を実施する場合、装置の追加や同一構成の装置の並列化が必要となる。
　また、特に、地上を離れた上空において飛行、滞留する飛行体との間で空間光通信（ＦＳＯ）を行う場合、飛行体に搭載される装置には一般に、体積、重量、消費電力（Ｓｉｚｅ，ｗｅｉｇｈｔ，ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ：ＳＷａＰ）に関して強い制約がある。受信側にＳＷａＰの制約がある環境において高ビットレートの光信号を高感度で受信するためには、望遠鏡からシングルモードファイバ（ＳＭＦ）に結合できる光受信装置が望ましい。これにより、並列化することなく最小限の部品構成で光受信が可能となるからである。このように、ＳＷａＰに関する制約が弱い環境に設置された空間光通信（ＦＳＯ）送信装置から、ＳＷａＰに関して強い制約があるＦＳＯ受信装置に対して空間光通信を行う場合には、ＦＳＯ送信装置において大気揺らぎの影響を除去することが望ましい。
　このような、大気の揺らぎによる影響を抑制し、受信側におけるフェードを緩和する技術を用いた空間光送信装置の例が、特許文献２および特許文献３に記載されている。
　特許文献２に記載されたマルチビームレーザ通信装置は、レーザビーム送信用の第１～第４望遠鏡、レーザ指向装置、受光用望遠鏡、送受信の方位および仰角を調整するジンバル機構、および制御部を有する。制御部は、ビーム条件に応じて望遠鏡から使用するレーザ光源を選択してレーザビームを照射すると共に、相手側での受光強度変動を抑制できるように、それらのビーム拡がり角を調整する。これにより、大気揺らぎや指向誤差の存在する環境でのレーザ回線の保持が容易となる、としている。
　また、特許文献３に記載された空間光伝送装置は、波長の異なる信号光を放射する複数個の信号光源、入力された電気信号により各信号光源を変調する駆動回路、各信号光を同一光軸上に合波するミラーおよびビームスプリッターを備えた送信側局を有する。このような構成としたことにより、同一の信号を波長の異なる複数の信号光により同時に伝送することができるので、１つの光源により伝送を行なった場合に比べ受信側での受光パワーの変動を減少させることができる、としている。
　また、関連技術としては、特許文献４、５に記載された技術がある。
特開２００６－３３３０７０号公報 特開２００５－３５４３３５号公報 特開平９－３２６７６１号公報 特表２０１３－５３５８７１号公報 特表２０１４－５２５７１７号公報
Guillaume Labroille, et. al., "Efficient and mode selective spatial mode multiplexer based on multi-plane light conversion", Optics Express, Vol. 22, No. 13, pp. 15599-15607 (2014)
　上述した特許文献２に記載された空間光送信装置において、受信側で発生するレーザ光強度の減衰（フェード）を十分に抑制するためには、レーザビーム送信用の望遠鏡の本数を増加させる必要がある。そのため、空間光送信装置が大型化し、製造コストが増大するという問題がある。
　また、特許文献３に記載された空間光送信装置によって高ビットレート信号の送受信を行う場合、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）との結合に適した１．５５マイクロメートル（μｍ）帯のレーザ光を用いる必要がある。しかし、この波長帯においては大気の波長分散が極めて小さいため、ダイバーシティ効果を得ることは困難であるという問題がある。
　このように、空間光送信装置においては、大容量通信に適した構成とするとコストが増大する、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、空間光送信装置においては、大容量通信に適した構成とするとコストが増大する、という課題を解決する空間光送信装置および空間光通信方法を提供することにある。
　本発明の空間光送信装置は、互いに干渉しない光搬送波をそれぞれ用いた複数のレーザ光送出手段と、複数のレーザ光送出手段がそれぞれ送出するレーザ信号光を、それぞれ異なるモードに変換して合成した合成レーザ光を生成するモード合成手段と、合成レーザ光を自由空間に出射する出射手段、とを有する。
　本発明の空間光通信方法は、互いに干渉しない光搬送波をそれぞれ用いた複数のレーザ信号光を生成し、複数のレーザ信号光を、それぞれ異なるモードに変換し合成して合成レーザ光を生成し、合成レーザ光を自由空間に出射し、自由空間を伝搬した後の合成レーザ光である受信合成レーザ光を集光し、受信合成レーザ光を、周期的な透過波長帯域が光搬送波の波長とそれぞれ対応している遅延干渉計により検波する。
　本発明の空間光送信装置および空間光通信方法によれば、コストの増大を招くことなく大容量通信を実現することができる。
本発明の第１の実施形態に係る空間光送信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る空間光通信システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る空間光通信システムが備える空間光受信装置における、レーザ光強度の時間変化を模式的に示した図である。 本発明の第３の実施形態に係る空間光送信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る空間光送信装置における、レーザ光の波長と空間モードの対応関係を説明するための模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る空間光送信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第５の実施形態に係る空間光通信システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第５の実施形態に係る空間光通信システムにおける、レーザ光源の波長と光検波器の透過波長のスペクトル強度との関係を模式的に示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る空間光通信システムを構成する空間光送信装置と空間光受信装置の間で伝送される信号の時間変化を示すタイムチャートである。 本発明の第５の実施形態に係る空間光通信システムにおいて発生する空間モード分散を説明するための模式図である。 本発明の第５の実施形態に係る空間光通信システムにおける受信光強度の時間変化をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る空間光通信システムにおける受信光強度の確率分布をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る空間光通信システムにおける受信光強度の累積確率分布をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。 本発明の第６の実施形態に係る空間光通信システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第６の実施形態に係る空間光受信装置が備える光帯域選択フィルタの通過帯域幅を制御する動作を説明するための模式図である。 本発明の第６の実施形態に係る空間光受信装置が備える光帯域選択フィルタの帯域を制御する動作を説明するためのシーケンス図である。 本発明の第７の実施形態に係る空間光送信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第７の実施形態に係る空間光送信装置の別の構成を示すブロック図である。
　以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
　〔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送信装置１００の構成を示すブロック図である。空間光送信装置１００は、複数のレーザ光送出手段１１０、モード合成手段１２０、および出射手段１３０を有する。
　複数のレーザ光送出手段１１０は、互いに干渉しない光搬送波をそれぞれ用いる。モード合成手段１２０は、複数のレーザ光送出手段１１０がそれぞれ送出するレーザ信号光を、それぞれ異なる空間モードに変換して合成した合成レーザ光を生成する。そして、出射手段１３０は、合成レーザ光１０を自由空間に出射する。出射手段１３０として、典型的には望遠鏡を用いることができる。
　レーザ光送出手段１１０は、互いに干渉しない光搬送波をそれぞれ出力する複数個のレーザ光源を備える。ここで、レーザ光送出手段１１０は、波長が互いに異なる光搬送波を、同一のデータ信号によってそれぞれ変調したレーザ信号光を送出する構成とすることができる。レーザ光送出手段１１０がそれぞれ送出するレーザ信号光は、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）を介してモード合成手段１２０に入力される。このシングルモードファイバ（ＳＭＦ）の伝送路中に、光増幅器を配置した構成としてもよい。
　また、モード合成手段１２０が合成した合成レーザ光をモード合成手段１２０から出射手段１３０に伝搬させる伝搬手段として、光ファイバを用いることができる。
　出射手段１３０から出射された合成レーザ光１０は、モード毎に異なる空間を伝搬するので、それぞれにおける大気の揺らぎにより異なる波面の乱れを受ける。このとき、大気の揺らぎは空間的、時間的に相関性の無いランダムな現象と見なせるので、各空間モードのレーザ信号光が受ける波面の乱れも無相関に発生する。このような波面乱れを含む複数の空間モードのレーザ信号光を受信側で全て受信することにより、統計多重的な効果によってフェードを緩和することができる。その結果、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）を用いた光ファイバ伝送技術を応用した大容量通信が可能になる。
　また、本実施形態による空間光送信装置１００は、複数個の出射手段を必要とせず、単一の出射手段１３０を有する構成であるので、大幅なコストの増大をもたらすことはない。
　以上、説明したように、本実施形態の空間光送信装置１００によれば、コストの増大を招くことなく大容量通信を実現することができる。
　〔第２の実施形態〕
　次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、本発明の第２の実施形態に係る空間光通信システム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は空間光送信装置１１００と空間光受信装置１２００とを有する。
　空間光送信装置１１００は、複数のレーザ光源１１１０（１１１０－１～１１１０－ｍ）、モード合成手段としての多重器１１２０、出射手段としての送信側望遠鏡１１３０、伝搬手段としての光ファイバ１１４０、および送信信号源１１５０を有する。ここで、レーザ光源１１１０と送信信号源１１５０がレーザ光送出手段を構成する。複数個（ｍ個）のレーザ光源１１１０は、それぞれ異なる波長の光搬送波を出力し、単一の送信信号源１１５０から出力される同一のデータ信号を用いて変調したレーザ信号光を出力する。空間光送信装置１１００の他の構成は、第１の実施形態による空間光送信装置１００の構成と同様であるので、それらの詳細な説明は省略する。
　空間光受信装置１２００は、受信側望遠鏡１２１０、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）１２２０、および光受信器１２３０を有する。
　空間光通信システム１０００においては、空間光送信装置１１００と空間光受信装置１２００が自由空間１１を介して、波長多重および空間多重された合成レーザ光１０を送受信する。自由空間１１には大気伝搬区間が含まれ、さらに風や温度分布などに起因するランダムな大気揺らぎ１２が含まれる。合成レーザ光１０は大気揺らぎ１２を通過することによりランダムな波面の乱れを受け、その後に受信側望遠鏡１２１０に到達する。このとき合成レーザ光１０は、各波長間で無相関な波面の乱れを受ける。その理由は、空間多重されて自由空間１１に送出された合成レーザ光１０は、相互に異なる経路を伝搬するので、異なる大気揺らぎの影響を受けるからである。
　受信側望遠鏡１２１０に入射した合成レーザ光１０は、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）１２２０に結合する。シングルモードファイバ（ＳＭＦ）１２２０に結合した各波長のレーザ光強度の時間変化には、ランダムなフェードが含まれる。しかし、複数の波長を含む空間多重された合成レーザ光１０を一個の光受信器１２３０で光電変換することにより、統計多重効果によってフェードの発生頻度を大幅に緩和することができる。
　ここで、比較例として、特許文献２および特許文献３に記載された構成を組み合わせた比較構成について検討する。上述した本実施形態による空間光通信システム１０００と使用する波長数が等しい場合、空間多重の多重数も等しいので、受信側で得られるフェードの緩和効果も統計的に等しくなると考えられる。しかしながら、比較構成においては望遠鏡の鏡筒数は使用する波長数と等しい個数だけ必要となる。それに対して、本実施形態による空間光通信システム１０００では、望遠鏡の鏡筒数は一個だけでよい。地上と人工衛星間の長距離空間光通信を行う場合、ビーム広がりを抑えるために比較的大口径の望遠鏡を用いる必要がある。そのため、望遠鏡の鏡筒数の増加によるコスト増加は看過することのできない問題である。それに対して、本実施形態による空間光通信システム１０００によれば、望遠鏡部分のコスト上昇を抑制することができる。そのため、上述した比較構成と比べ、空間光送信装置の低コスト化を図ることが可能である。
　このように、本実施形態の空間光通信システム１０００によれば、受信側におけるフェードを緩和することが可能になり、大容量の空間光通信システムを低コストで実現することができる。
　次に、本実施形態の空間光通信システム１０００による効果について、具体例を用いてさらに詳細に説明する。
　図３は、空間光受信装置１２００が備えるシングルモードファイバ（ＳＭＦ）１２２０に結合したレーザ光強度の時間変化を模式的に示した図である。同図には、３種類の波長（λ１、λ２、λ３）のレーザ光のそれぞれの光強度と、これらの３波長のレーザ光の光強度の合計を示す。すなわち、二本の実線と二重線は異なる３波長（λ１、λ２、λ３）のレーザ光のそれぞれの強度を、破線は３波長の光強度の合計値を示している。シングルモードファイバ（ＳＭＦ）１２２０に結合したレーザ光の強度は、単一の波長では最大で約４０ｄＢ程度の深いフェードが発生することがわかる。しかし、３波長のレーザ光が同時にフェードする確率は非常に小さい。そのため、３波長のレーザ光強度を合計することによって、個々の波長のレーザ光におけるフェードは隠蔽され１０ｄＢ以下の光強度変動に緩和されることがわかる。
　上述した本実施形態の空間光通信システム１０００による効果は、受信データの欠損に着目すると、最低受光強度を同レベルにするために必要な送信光強度に要求されるマージンと考えることができる。単一の波長を用いる空間光通信（ＦＳＯ）方法では、４０ｄＢのフェードを１０ｄＢまで緩和するためには、送信光強度を３０ｄＢ上昇させる必要がある。それに対して、本実施形態の空間光通信システム１０００によれば、図３に示した例では、３波長分のレーザ光強度に相当する４．８ｄＢ（＝３倍）の送信光強度の増加により、フェードを３０ｄＢだけ緩和することができる。この３波長のレーザ光を空間多重したことによる効果は、２５．２ｄＢ（＝３０ｄＢ－４．８ｄＢ）という非常に大きな利得に換算することができる。
　以上述べたように、本実施形態の空間光通信システム１０００によれば、受信側における深いフェードを緩和し、コストの増大を招くことなく大容量の空間光通信を実現することができる。
　〔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４に、本発明の第３の実施形態に係る空間光送信装置２００の構成を示す。
　本実施形態による空間光送信装置２００は、複数のレーザ光送出手段としての波長の異なる複数のレーザ光源２１０（２１０－１～２１０－ｍ）、空間変調器２２１、モード多重器２２２、および出射手段としての望遠鏡２３０を有する。空間変調器（空間変調手段）２２１は、複数のレーザ光源２１０が出力する複数のレーザ信号光をそれぞれ異なる空間モードに変換する。モード多重器（モード多重手段）２２２は、空間変調器２２１によって異なる空間モードに変換された複数のレーザ信号光を多重する。ここで、空間変調器２２１とモード多重器２２２が、モード合成手段としての多重器２２０を構成する。
　空間光送信装置２００は、伝搬手段としてのマルチモードファイバ（ＭＭＦ）２４０と、信号源２５０をさらに備えた構成とすることができる。レーザ光源２１０は、信号源２５０が出力するデータ信号によって光搬送波を変調する機能を有する。なお、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）２４０として、光伝搬可能な固有モード数が２モード以上であり、かつ、比較的少ないモード数に制限された数モードファイバ（ｆｅｗ－ｍｏｄｅ　ｆｉｂｅｒ：ＦＭＦ）を用いることとしてもよい。
　次に、本実施形態による空間光送信装置２００の動作について説明する。
　レーザ光源２１０－１～２１０－ｍからシングルモードファイバ（ＳＭＦ）を通して出力されたｍ波長のレーザ信号光は、ｍ個の空間変調器２２１により異なる空間モードにそれぞれ変調される。その後、モード多重器２２２において多重され、１本のマルチモードファイバ（ＭＭＦ）２４０に出力される。なお、ｍ個の空間変調器２２１はそれぞれ、直交する空間変調特性を備えている。
　このように、モード多重器２２２は、直交する空間モードで空間変調されたレーザ信号光を、１本のマルチモードファイバ（ＭＭＦ）２４０に多重して出力する。このとき、空間変調器２２１の空間モードの上限値は、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）２４０が伝搬可能な空間モードの上限値と等しいか、またはそれ以下とする。空間変調器２２１およびモード多重器２２２として、例えば、非特許文献１に記載されたモード多重素子を適用することができる。
　マルチモードファイバ（ＭＭＦ）２４０は望遠鏡２３０の焦点面に接続され、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）２４０が有する複数の固有モードの遠視野像（ｆａｒ　ｆｉｅｌｄ　ｐａｔｔｅｒｎ）に相当する合成レーザ光１０を自由空間に送出する。このような構成とすることにより、レーザ光の波長と空間モードを１対１に対応づけて自由空間に送出することが可能になる。ここで、異なる空間モードで送出された光ビームは、自由空間中で異なる空間を伝搬するため、異なる大気揺らぎの影響を受ける。その結果、波長間における波面の乱れの非相関性が生じる。
　次に図５を用いて、本実施形態の空間光送信装置２００における、レーザ光の波長と空間モードの対応関係をさらに詳細に説明する。図５において、横軸はレーザ光の波長、縦軸はレーザ光の空間モードである。
　数モードファイバ（ＦＭＦ）を用いた伝送技術では、１個の空間モードに異なるデータ信号で変調した複数波長を多重し、さらにモード多重してＦＭＦ伝送を行う。これは、図５のレーザ光波長と空間モードの全てのグリッド交点に、それぞれ異なるデータ信号で変調したレーザ光を配置して伝送することに相当する。このとき、１種類のレーザ光による伝送レートをＢとすると、４波長３モードを用いる伝送システムでは１２×Ｂの伝送容量を実現することができる。これは、光ファイバという伝送特性が極めて安定した伝送媒体を利用し、その周波数利用効率を高め伝送容量を拡大するという目的に沿った方式である。
　それに対して、本実施形態の空間光送信装置２００においては、図５に示したグリッド交点のうち黒丸で示した組合せだけを使用する構成とした。すなわち、空間変調器（空間変調手段）２２１は、一の波長のレーザ信号光を、他の波長のレーザ信号光の空間モードと異なる一の空間モードにだけ変換する構成とした。
　ここで、本実施形態の空間光送信装置２００では、図５のそれぞれの交点に対応するレーザ光の全てを、同一の信号源２５０が出力するデータ信号で変調する。そのため、空間光通信（ＦＳＯ）システムの伝送容量は１×Ｂとなる。これは、光ファイバ伝送とは異なり、自由空間という伝搬特性の不安定な伝送路に対して、波長と空間モードを組み合わせることによって冗長性（リダンダンシ）を確保し、通信の安定性を得ることを目的とした多重方式である。
　このように、波長多重と空間モード多重を組合せた合成レーザ光を送信すると、波長毎に無相関な大気揺らぎを受ける。そして、空間光受信装置に入射した合成レーザ光は、統計多重効果によりフェードが緩和される。これにより、大容量の空間光通信を低コストで実現することが可能になる。
　一方、多重する空間モードに対して同じ波長を割当てる構成、例えば、１個のレーザ光源からのレーザ光を分岐してｍ個の空間変調器２２１に分配する構成とすると、フェードの緩和を図ることは困難である。その理由は、空間モードが異なる複数のレーザ光を自由空間に送出しても、同一波長の複数のレーザ光が干渉することによってフェードが発生してしまうからである。
　〔第４の実施形態〕
　次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図６に、本発明の第４の実施形態に係る空間光送信装置３００の構成を示す。
　本実施形態による空間光送信装置３００は、複数のレーザ光送出手段としての波長の異なるｍ個のレーザ光源２１０（２１０－１～２１０－ｍ）、ｍ個の空間変調器２２１（２２１－１～２２１－ｍ）、および出射手段としての望遠鏡２３０を有する。
　空間光送信装置３００はさらに、アレイ状にバンドルされたファイバ束３４２と、ファイバ束３４２からファンアウト（ｆａｎ－ｏｕｔ）された光ファイバ３４１を有する。光ファイバ３４１とファイバ束３４２が複数の伝搬モードを有する複数モード伝搬手段を構成する。ここで、ファイバ束３４２を構成する各ファイバと個々の光ファイバ３４１は同一の伝搬特性を備えた一続きのファイバであり、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）または数モードファイバ（ＦＭＦ）を適用することができる。光ファイバ３４１およびファイバ束３４２を構成するマルチモードファイバ（ＭＭＦ）または数モードファイバ（ＦＭＦ）は、偏波保存機能を備えた構成としてもよい。
　次に、本実施形態による空間光送信装置３００の動作について説明する。
　変調機能を備えた波長の異なるレーザ光源２１０－１～２１０－ｍから出力されたｍ種の波長のレーザ光は、ｍ個の空間変調器２２１－１～２２１－ｍによって異なる空間モードにそれぞれ変調され、ｍ本の光ファイバ３４１、例えばＭＭＦに接続される。異なる空間モードに変調されたレーザ光が伝搬する光ファイバ３４１はバンドルされ、ファイバ束３４２として望遠鏡２３０に接続される。その結果、波長多重と空間多重された光ビームとして、合成レーザ光１０が自由空間に送出される。
　本実施形態の空間光送信装置３００では、望遠鏡２３０の焦点面において、バンドルされたファイバ、すなわち複数の出射点から異なる空間モードの光ビームが送出される。そのため、図４に示した第３の実施形態による空間光送信装置２００が１本のマルチモードファイバ（ＭＭＦ）２４０からモード多重したレーザ光を送出する場合とは異なり、合成レーザ光はモードが理想的に直交した空間多重状態とはならない。しかし、本実施形態の空間光送信装置３００も異なる波長のレーザ光を異なる空間モードで送出するので、第３の実施形態による空間光送信装置２００と同様に、フェードを緩和する効果が得られる。
　なお、空間変調器２２１の個数は、バンドルされたファイバ束３４２を構成するマルチモードファイバ（ＭＭＦ）の本数と等しいか、または少ない個数とすることができる。マルチモードファイバ（ＭＭＦ）の本数よりも少ない個数の空間変調器２２１を用いる場合は、コネクタや光スイッチを用いて両者の接続の組合せを変更可能な構成とすればよい。
　本実施形態による空間光送信装置３００において、バンドルされたファイバ束３４２をシングルモードファイバ（ＳＭＦ）に置き換えた構成とすると、同じ空間モードのビームを空間多重して出射することになる。したがって、上述した特許文献２に記載された構成に波長多重技術を適用した構成と原理的に同等な構成となる。それに対して、本実施形態の空間光送信装置３００は、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）の替わりにマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を備え、さらにマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を伝搬して空間に送出されるレーザ光の波長とモードがそれぞれ異なる構成とした。
　上述したように、特許文献２に記載されたマルチビームレーザ通信装置では、異なる空間のダイバーシティ効果を得るためにビーム間の間隔を広げる必要があるので、複数の送信側の望遠鏡が必要となる。そのため、コストの上昇を招くという問題であった。それに対して、本実施形態の空間光送信装置３００によれば、単一の望遠鏡を備えた構成とすることができるので、空間多重したレーザ光の送出を低コストで実現することができる。
　〔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７は、本発明の第５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は空間光送信装置１１００と空間光受信装置２２００とを有する。
　空間光通信システム２０００においては、空間光送信装置１１００と空間光受信装置２２００が、大気揺らぎ１２を含む自由空間１１を介して、波長多重および空間多重された合成レーザ光１０を伝搬することにより空間光通信（ＦＳＯ）を実現する。なお、空間光送信装置１１００は第２の実施形態による空間光送信装置１１００と同様の構成である。また、上述した第３の実施形態による空間光送信装置２００および第４の実施形態による空間光送信装置３００の構成とすることもできる。したがって、空間光送信装置についての説明は省略する。
　空間光受信装置２２００は、集光手段としての受信側望遠鏡１２１０、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）１２２０、光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０、光検波器（光検波手段）２２４０、および受光器（受光手段）２２５０を有する。なお、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）１２２０の伝送路中に、光増幅器を配置した構成としてもよい。
　受信側望遠鏡１２１０は、自由空間１１を伝搬した後の合成レーザ光１０である受信合成レーザ光を集光する。光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０は、合成レーザ光１０と等しい波長の受信合成レーザ光を透過させ、自由空間１１から受信側望遠鏡１２１０に入射する背景光などを除去する。これにより、受信合成レーザ光のＳ／Ｎ（ｓｉｇｎａｌ／ｎｏｉｓｅ）比を改善することができる。また、光増幅器を備えた構成とした場合は、光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０によって自然放出光ノイズを除去することができる。
　光検波器（光検波手段）２２４０は、受信合成レーザ光を入力し、遅延干渉計を用いて検波した検波レーザ光を出力する遅延検波回路とすることができる。受光器（受光手段）２２５０は、検波レーザ光を光電変換する。ここで、光検波器（光検波手段）２２４０は、後述するように、周期的な透過波長帯域が光搬送波の波長とそれぞれ対応している構成とすることができる。
　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。
　光検波器２２４０は遅延干渉計を備えた構成としているので、一定の波長間隔（Ｆｒｅｅ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ｒａｎｇｅ：ＦＳＲ）を有する周期的な透過特性が得られる。そのため、空間光送信装置１１００が備えるレーザ光源１１１０の各波長の間隔を、光検波器２２４０のＦＳＲに合致させることにより、一個の遅延干渉計を用いて複数波長のレーザ光の検波を行うことが可能になる。このような構成とすることにより、ＳＷａＰ制約が強い人工衛星に搭載する空間光受信装置において、冗長性（リダンダンシ）を備えた構成とした場合でも部品点数が増加しないという大きな効果が得られる。
　受光器２２５０は、光検波器２２４０で検波された検波レーザ光の強度を検出する。このとき、レーザ光源１１１０の各波長、すなわち光周波数を十分に離し、光周波数差を受光器２２５０の帯域より十分に高くすることにより、周波数差に起因する光ビート雑音の発生を回避することができる。その結果、波長多重されたレーザ光を波長分離することなく、同一の受光器で光電変換することが可能になる。このことによっても、ＳＷａＰ制約が強い人工衛星に搭載する空間光受信装置において、冗長性（リダンダンシ）を備えた構成とした場合でも部品点数が増加しないという大きな効果が得られる。
　本実施形態による空間光通信システム２０００では、空間光送信装置１１００の信号源１１５０から出力されたデータ信号を、波長多重および空間多重した合成レーザ光により自由空間１１を介して伝送する。そして、上述した構成の空間光受信装置２２００を用いることによって、冗長性（リダンダンシ）を確保するために装置を増加させることなく、空間光受信を実現することが可能となる。さらに、特許文献１に記載されているようなシングルモードファイバ（ＳＭＦ）結合を用いた受信装置と同様の構成でありながら、これまで問題となっていたフェードを緩和することができる。その結果、高いスループットを維持した大容量の空間光通信（ＦＳＯ）を低コストで実現することが可能となる。
　次に、本実施形態による空間光通信システム２０００の効果について、さらに詳細に説明する。
　図８に、空間光送信装置１１００が備えるレーザ光源１１１０の波長と、遅延干渉計を用いた光検波器２２４０の透過波長のスペクトル強度との関係を模式的に示す。同図に示すように、輝線状に示したレーザ光の波長λ１、λ２、λ３は、光検波器２２４０の透過スペクトルのピークに合致している。
　図８に示したように、遅延干渉計からなる光検波器２２４０の透過スペクトルは正弦波状である。透過スペクトルの波長周期Δλは、レーザ光の波長をλとすると、遅延干渉計の共振周波数間隔（ＦＳＲ）と光速ｃから、Δλ＝ＦＳＲ×λ２／ｃと表わされる。
　ここで、空間光通信システム２０００において伝送するレーザ光の波長λを１．５５マイクロメートル（μｍ）とする。また、変調方式として、２．５Ｇｂｐｓ（ｂｉｔｓ　ｐｅｒ　ｓｅｃｏｎｄ）の１ビット（ｂｉｔ）差動位相変調（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｐｈａｓｅ　Ｓｈｉｆｔ　Ｋｅｙｉｎｇ：ＤＰＳＫ）方式を用いるとする。この場合、遅延干渉計のＦＳＲは２．５ギガヘルツ（ＧＨｚ）、波長周期Δλは約０．０２ナノメートル（ｎｍ）となる。
　上述した３波長のレーザ光が、それぞれ２．５Ｇｂｐｓで変調されている場合、受光器２２５０の受信帯域は２．５ＧＨｚ以下で十分である。一方、波長λ１、λ２、λ３を、例えば、周期透過特性の４０周期分に相当する１００ＧＨｚずつ離間して配置する。この場合、この３波長のレーザ光を１個の受光器２２５０によって一括して受光しても、波長間の光ビート雑音は受光器２２５０では検出されない。そのため、各波長の強度が加算された信号強度が得られる。空間光受信装置２２００をこのような構成とすることにより、空間光送信装置１１００で変調されたデータ信号を受信することが可能となる。
　上述したように、本実施形態の空間光受信装置２２００によれば、装置を並列化することなく、波長多重と空間モード多重によって大気揺らぎに対する冗長（リダンダンシ）構成を実現することができる。
　図９は、本実施形態の空間光通信システム２０００において、空間光送信装置１１００と空間光受信装置２２００の間で伝送される信号の時間変化を示すタイムチャートである。同図中、横軸は時間軸であり、縦の段に空間光通信システム２０００を構成する各部を示す。各段のブロックの１個が１ｂｉｔに相当し、異なる時間における伝送状態を表わしている。図９の例では、前半が「０１０」、後半が「０１０」の状態を示している。
　図３に例示したように、フェードの変動の周波数成分は数キロヘルツ（ｋＨｚ）程度である。したがって、信号源１１５０から出力されるデータ信号がギガビット毎秒（Ｇｂｐｓ）オーダーのビットレートであるとすると、図９に示したタイムチャートは、図３で示した時間変化を一時点で切り取ったスナップショットと見なすことができる。
　信号源１１５０から出力されたデータ信号（図９の１段目）によって、異なる波長を出力するｍ個のレーザ光源１１１０－１～１１１０－ｍがそれぞれ変調される（図９の２段目）。このｍ種類の波長のレーザ信号光は波長多重およびモード多重された後に自由空間に送出される。このとき、各波長のレーザ信号光の強度は等しく、波長間でビットのスキューは生じていないものとする。
　空間光受信装置２２００が備えるシングルモードファイバ（ＳＭＦ）１２２０に結合した各波長のレーザ信号光は、大気揺らぎの影響を受けて強度にバラツキが生じる（図９の３段目）。図９に示したタイムチャートの前半では、波長がλ１であるレーザ信号光は強いフェードを受けて減衰し、波長がλ２のレーザ信号光は十分な光強度でシングルモードファイバに結合し、波長がλｍのレーザ信号光は弱いフェードを受けていることを示している。一方、タイムチャートの後半では、全く異なるフェードの状態となっている。
　これら各波長のレーザ信号光を、光検波器２２４０によって検波し（図９の４段目）、受光器２２５０で一括して光電変換する。光電変換した後の出力信号は、光検波器２２４０が波長毎に出力する検波レーザ光の強度を単純に加算した波形となる（図９の５段目）。
　ここで、空間光受信装置２２００では、それぞれの波長の信号に若干のスキューが発生することが想定される。図９の５段目に示した受光器２２５０の出力信号波形において、このスキューが階段状の波形の劣化として表わされている。このスキューは大気の波長分散によるものではなく、空間モード分散によるものである。
　図１０に示すように、この空間モード分散は送信側望遠鏡１１３０からの出射角βの関数となる。送信側望遠鏡１１３０の口径を４０センチメートル（ｃｍ）とし、空間多重によって鏡筒面内に最大で１０波長分の波面の傾きを生成する場合、出射角βは約４０マイクロラジアン（μｒａｄ）（＝ｔａｎ（１０×１．５５μｍ／４０ｃｍ）と概算される。また、受信側望遠鏡１２１０に入射する合成レーザ光１０が伝搬する範囲ｒは、ビームの中心軸から２メートル（ｍ）の範囲であると仮定する。このとき、最短距離を伝搬する空間モードのレーザ光が通る最短経路２１と、最大の到来方向（Ａｎｇｌｅ　ｏｆ　Ａｒｒｉｖａｌ：ＡＯＡ）をとる空間モードのレーザ光が通る最大伝搬経路２２の間の光路差は、２・ｒ・ｔａｎβ≒２ｒβから約０．１６ｍｍとなる。２．５Ｇｂｐｓの光信号の自由空間における１シンボルの長さは約１２ｃｍに相当する。したがって、光路差は１シンボル長の１／７５０であり、これによるスキューは受信信号の劣化要因とはならない。
　図１１Ａ、１１Ｂ、および１１Ｃに、本実施形態による空間光通信システム２０００の伝送特性のシミュレーション例を示す。図１１Ａは受信光強度の時間変化を、図１１Ｂは受信光強度の確率分布を、図１１Ｃは受信光強度の累積確率分布をそれぞれシミュレーションにより求めた結果を示す。ここでは、２１種類の波長を２１個の空間モードに多重した合成レーザ光を用いて、大気揺らぎが存在する自由空間を介して地上から人工衛星に対してデータ信号を伝送するものとした。
　図１１Ａに、受光器２２５０に入射する光信号強度の時間変化を示す。同図から、送信するレーザ信号光の空間モード個数を１モードから２１モードまで増加させるのに従って、受光器２２５０に入射する光信号のフェードによる強度変動は、４６ｄＢから１４ｄＢまで大幅に安定化されることがわかる。
　ＤＰＳＫ変調された光信号を遅延干渉計で検波する場合、受光器２２５０に差動検出器を適用することができる。差動検出器から出力される信号はゼロを中心として正負の３値を取るので、中央値（ゼロ）を閾値とした識別が可能である。この場合、上述した１４ｄＢ程度のフェードであれば安定に識別することが可能である。
　また、フェードによる平均符合消失率は累積確率分布に対応する。したがって、消失率が０．１％、すなわちビットエラーレート（ｂｉｔ　ｅｒｒｏｒ　ｒａｔｅ：ＢＥＲ）が５×１０－４を満たす受信光強度を、図１１Ｃに示した累積確率分布から求めることができる。同図から、２１モードのレーザ信号光を合成して送信する場合、単一波長のレーザ信号光を単一モードで送信する構成と比較して、フェードが４０ｄＢと大幅に緩和されることがわかる。すなわち、２１モード分のレーザ光強度に相当する約１３ｄＢ（＝２１倍）の送信光強度の増加により、フェードが４０ｄＢ緩和されたことになる。このことは、波長多重と空間多重を組み合わせた構成とすることにより、２７ｄＢ（＝４０－１３）の利得が得られる、とみなすことができる。
　上述の説明では、本実施形態の空間光通信システム２０００が備える空間光送信装置１１００は、図７に示したように、互いに異なるｍ個の波長の光搬送波を用いるｍ個のレーザ光源１１１０－１～１１１０－ｍを有する構成とした。これに限らず、偏光方向が異なる一の波長の光搬送波を、同一のデータ信号によってそれぞれ変調したレーザ信号光を送出する複数のレーザ光源（レーザ光送出手段）１１１０を含む構成としてもよい。例えば、レーザ光源１１１０－１と１１１０－２、レーザ光源１１１０－３と１１１０－４、およびレーザ光源１１１０－（ｍ－１）と１１１０－ｍといったように、２個のレーザ光源が同じ波長で相互に直交する偏波の光搬送波をそれぞれ用いる構成としてもよい。その理由は、直交する偏波のレーザ光同士は互いに干渉しないからである。
　この場合、送信側望遠鏡１１３０から送出される合成レーザ光１０において、同じ波長のレーザ信号光が直交するように空間光送信装置１１００を構成する必要がある。具体的には、空間光送信装置１１００に含まれる光ファイバに、偏波保持特性を備えることによって実現することが可能である。
　このような構成とすることにより、空間光受信装置２２００が備える光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０の透過波長幅を半減することができる。その結果、受光器２２５０に入力される検波レーザ光の光Ｓ／Ｎ比を改善することができる。
　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、互いに干渉しない光搬送波をそれぞれ用いた複数のレーザ信号光を生成する。この複数のレーザ信号光を、それぞれ異なるモードに変換し合成して合成レーザ光を生成し、この合成レーザ光を自由空間に出射する。そして、自由空間を伝搬した後の合成レーザ光である受信合成レーザ光を集光する。最後に、受信合成レーザ光を、周期的な透過波長帯域が光搬送波の波長とそれぞれ対応している遅延干渉計により検波する。
　上述したように、本実施形態の空間光通信システムおよび空間光通信方法によれば、コストの増大を招くことなく大容量通信を実現することができる。
　〔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１２に、本発明の第６の実施形態に係る空間光通信システム３０００の構成を示す。空間光通信システム３０００は、空間光送信装置１１００、空間光受信装置３２００、および送信側制御装置（送信側制御手段）３１００を有する。空間光送信装置１１００は第５の実施形態による空間光送信装置と同様の構成である。
　空間光受信装置３２００は、受信合成レーザ光を、可変な通過帯域幅で通過させる光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０と、この通過帯域幅を制御する受信側制御装置（受信側制御手段）３２６０を備える。その他の構成は、第５の実施形態による空間光受信装置２２００の構成と同様である。
　送信側制御装置３１００は、合成レーザ光のモードの状態に関する情報であるモード状態情報を取得する。そして、このモード状態情報を受信側制御装置３２６０に通知する制御情報送信手段を備える。
　空間光受信装置３２００が備える受信側制御装置３２６０は、上述したモード状態情報を送信側制御装置３１００から取得する制御情報受信手段を備える。そして、取得したモード状態情報に基づいて光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０の通過帯域幅を制御する。
　次に、本実施形態による空間光通信システム３０００の動作について説明する。
　送信側制御装置３１００は、空間光送信装置１１００が送信する合成レーザ光１０の空間モード多重状態を、モード状態信号３１を介して受信側制御装置３２６０へ伝達する。受信側制御装置３２６０は、モード状態信号３１に従って帯域制御信号３２を生成する。光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０は、帯域制御信号３２に従ってシングルモードファイバ（ＳＭＦ）１２２０から入力される光信号の通過帯域幅を制御する。
　送信側制御装置３１００は空間光送信装置１１００と連動して動作するが、空間光送信装置１１００と同一地点に配置される必要はない。また、モード状態信号３１が、送信側制御装置３１００と空間光送信装置１１００が直接接続された回線によって伝達される構成に限らず、作業者の操作によって伝達される構成であってもよい。また、モード状態信号３１は、空間光通信（ＦＳＯ）とは異なる別の回線によって伝達される。例えば、衛星通信の場合には、空間光通信（ＦＳＯ）とは独立のテレメトリ回線を用いることができる。
　次に、図１３を用いて、光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０の通過帯域幅の制御方法について、さらに詳細に説明する。
　図１３の第１段目および２段目に示すように、光検波器２２４０の周期的な透過帯域のピークとレーザ光源１１１０の各波長λ１、λ２、λ３は合致している。レーザ光源１１１０から出力されたレーザ信号光は合成され、合成レーザ光１０として自由空間に送出される。
　空間光受信装置３２００は、自由空間を伝搬した後の受信合成レーザ光を受信側望遠鏡１２１０で集光し、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）１２２０に結合する。受信合成レーザ光は、光検波器２２４０の周期的透過特性のピークを通過することにより検波される。このとき、光検波器２２４０の透過特性は正弦波状であるため、背景光や光増幅器の雑音も通過させる。これにより、受信光信号のＳ／Ｎ比が劣化するおそれがある。しかし、本実施形態の空間光受信装置３２００においては、光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０によって信号帯域外の雑音光を除去する構成としているので、このようなＳ／Ｎ比の劣化を抑制することができる。
　空間光通信を大気揺らぎが極めて小さい条件で行う場合には、波長多重と空間モード多重を行う必要は必ずしもなく、単一の波長のレーザ光をシングルモードファイバ（ＳＭＦ）から送出されるときの空間モードで送出すればよい。この場合には、図１３の３段目に示した単一波長の波長透過特性を有する光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）を用いればよい。ここで、大気揺らぎが極めて小さい条件とは、例えば、空間光送信装置が、標高の高い山岳地に設置されている場合、あるいは高高度を巡航する航空機や他の人工衛星に搭載されている場合などである。特に、空間光送信装置を航空機や人工衛星に搭載する場合にはＳＷａＰの制約が課されるので、この場合には単一の波長を用いることが望ましい。また、送出光の強度も制限されるので、狭帯域の光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）を用いて高感度な受信を行う必要がある。
　一方、大気揺らぎが大きく、ＳＷａＰの制約が弱い場合には、本実施形態の空間光送信装置１１００により多波長を用いた空間モード多重送信を行うことによって、空間光通信を安定化させることができる。ここで、大気揺らぎが大きい場合とは、例えば、空間光送信装置１１００が海抜の低い地上に設置されている場合などである。この場合には、単一の波長通過特性を持つ光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）ではなく、図１３の４段目（多波長１）または５段目（多波長２）に示したような、広帯域の波長透過特性を有する光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０を用いる必要がある。
　本実施形態の空間光通信システム３０００においては、空間光送信装置１１００の環境条件に合わせて、光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０の通過帯域の切替制御を行う構成とした。このような構成としたことにより、上述したような様々な条件の場所に設置された空間光送信装置１１００と空間光受信装置３２００との間で、環境条件に応じた適切な空間光通信（ＦＳＯ）を実現することが可能になる。
　具体的には図１２に示したように、空間光受信装置３２００は通過帯域幅の切替が可能な光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０と、それを制御する受信側制御装置３２６０を備えた構成とした。そして、本実施形態の空間光通信システム３０００は送信側制御装置３１００を有し、モード状態信号３１と帯域制御信号３２を介して光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０の通過帯域の切替を行う構成とした。
　通過帯域の制御が可能な光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０は、例えば、複数の光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）の組み合わせを切り替えることによって実現することが可能である。この場合、個々の光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）には、周期的透過特性と急峻な遮断特性を有するファブリペロー型フィルタを適用することができる。
　なお、通過帯域の制御が可能な光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０は、故障により切替動作が困難になった場合であっても、単一波長および多波長の双方の動作モードにおいて、最低限の動作を確保できることが可能である。すなわち、単一波長の動作モードで固定された場合、その単一波長の信号光を受光することができるので、スループットは不十分であるが地上からの空間光通信を受信することは可能である。また、多波長の動作モードで固定された場合、単一波長のレーザ信号光を受信する際に、ノイズ成分の増加による受信感度の劣化が生じる。しかしながら、十分な受光量があれば、光信号の受信は可能である。
　図１４に、光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０の帯域制御シーケンスの一例を示す。ここでは、地上（地上局）に設置した空間光送信装置１１００から人工衛星（宇宙局）に搭載された空間光受信装置３２００に対して空間光通信（ＦＳＯ）を行う場合について、送信側制御装置３１００を起点とした一連の制御動作を説明する。なお、同図中、地上局と宇宙局間の点線で示した部分は、空間光通信（ＦＳＯ）とは異なる通信手段を用いてモード状態信号３１を伝送する場合を表している。このモード状態信号３１の伝送には、例えばテレメトリ通信を用いることができる。
　送信側制御装置３１００が帯域切替を開始する場合、まず、切替開始信号を受信側制御装置３２６０に対して送信する（Ｓ１１）。受信側制御装置３２６０は切替開始信号を受け取ると、空間光受信装置３２００が備える光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０に対して、帯域制御信号３２によって帯域の切替を指示する（Ｓ１２）。ここで、光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０は単一波長通過の状態から複数波長通過可能な状態に切り替わり、複数波長と空間多重を用いた空間光通信（ＦＳＯ）を受信することが可能な状態となる。光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０が帯域の切替を終了すると、帯域制御信号３２によって、切替完了を受信側制御装置３２６０に伝達する（Ｓ１３）。これを受けて、受信側制御装置３２６０は送信側制御装置３１００に向けて帯域切替完了信号を送信する（Ｓ１４）。
　送信側制御装置３１００は帯域切替完了信号を受信すると、空間光送信装置１１００に対して送信開始を指示し（Ｓ１５）、複数波長と空間多重を用いた空間光通信（ＦＳＯ）による送信が開始される。
　規定量のデータの送信を終えると、送信側制御装置３１００は空間光送信装置１１００に対して送信終了を指示する（Ｓ１６）。それを受けて、空間光送信装置１１００は送信を終了する。また、送信側制御装置３１００は受信側制御装置３２６０に対して、光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０の帯域をもとに戻す切戻信号を送信する（Ｓ１７）。
　受信側制御装置３２６０は切戻信号を受信すると、光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０の通過帯域を複数波長通過状態から単一波長通過状態に切り戻す（Ｓ１８、Ｓ１９）。このときの経路および手順は、光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）２２３０の通過帯域を単一通過状態から複数波長通過状態へ切替える場合（Ｓ１２、Ｓ１３）と同様である。
　この後に、受信側制御装置３２６０は、通過帯域を切り戻す動作が完了したことを示す切戻完了信号を送信側制御装置３１００に対して送信し（Ｓ２０）、送信側制御装置３１００が切戻完了信号を受信することにより一連の帯域制御シーケンスが完了する。
　上述したように、本実施形態の空間光通信システム３０００によれば、コストの増大を招くことなく大容量通信を実現することができる。さらに、空間光送信装置１１００および空間光受信装置３２００の環境条件に応じた適切な空間光通信（ＦＳＯ）を実現することが可能になる。
　〔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１５に、本発明の第７の実施形態に係る空間光送信装置４００の構成を示す。本実施形態による空間光送信装置４００は、図４に示した第３の実施形態の空間光送信装置２００に、波長多重および空間多重された合成レーザ光１０のスキューを補正する機能を付加した構成としたものである。
　空間光送信装置４００は、送出タイミング制御手段としての遅延制御部４１０、光分岐手段を構成する光スプリッタ４２１と集光光学系４２２、およびモード信号光選択手段としてのモードセレクタ４３０を有する。さらに、分岐光受信手段を構成するシングルモードファイバ（ＳＭＦ）４４１と光受信器４４２、およびスキュー制御手段としてのスキュー制御部４５０を有する。ここで、光スプリッタ４２１は、望遠鏡２３０の光学系の一部を構成するコリメート部２３１の内部に挿入されている。その他の構成は、第３の実施形態による空間光送信装置２００と同様であるから、その説明は省略する。
　遅延制御部（送出タイミング制御手段）４１０は、複数のレーザ光送出手段としてのレーザ光源２１０－１～２１０－ｍがレーザ信号光を送出するタイミングを可変する。光分岐手段は、合成レーザ光の一部を分岐して分岐合成レーザ光を取り出す。モードセレクタ（モード信号光選択手段）４３０は、分岐合成レーザ光から選択した一のモードのレーザ信号光を選択モード信号光として取り出す。分岐光受信手段は、選択モード信号光を光電変換し選択モード受信信号を出力する。
　スキュー制御部（スキュー制御手段）４５０は、選択モード受信信号を異なるモード毎に取得し、異なるモードに対応する選択モード受信信号間の相対的スキューを検出する。そして、相対的スキューが最小となるタイミングとするように遅延制御部（送出タイミング制御手段）４１０を制御する。
　上述した第５の実施形態の空間光通信システム２０００において、大気揺らぎ１２を含む自由空間１１の伝送路で発生するスキューは、図１０を用いて説明したように、無視できる。また、空間光受信装置２２００が備えるシングルモードファイバ（ＳＭＦ）１２２０の伝送距離では、波長間のスキューは発生しない。
　それに対して、第２の実施形態で説明した空間光送信装置１１００では、複数のレーザ光源１１１０に接続された各ファイバ長の誤差、または光ファイバ１１４０のモード分散により、空間多重された合成レーザ光１０の波長間でスキューが発生する可能性がある。しかし、本実施形態の空間光送信装置４００によれば、以下に説明するように、このようなスキューを補正することが可能である。
　次に、本実施形態による空間光送信装置４００の動作について説明する。
　空間光送信装置４００が備える光スプリッタ４２１は、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）２４０から望遠鏡２３０内の光学系に放出されたレーザ光の一部を分岐する。分岐されたレーザ光は集光光学系４２２によって集光され、モードセレクタ４３０を介してシングルモードファイバ（ＳＭＦ）４４１に結合する。シングルモードファイバ（ＳＭＦ）４４１に結合したレーザ光は光受信器４４２によって光電変換され、スキュー制御部４５０に入力される。
　スキュー制御部４５０は、モード切替信号４１によってモードセレクタ４３０の状態を制御する。そして、モードセレクタ４３０が分岐したレーザ光から一の空間モードをそれぞれ選択して受信する。これにより、スキュー制御部４５０は各空間モード間の相対的なスキューを測定する。そして、測定により得られたスキュー量に基づいて、遅延制御部４１０はレーザ光源２１０がレーザ信号光を送出するタイミングを制御する。すなわち、遅延制御部４１０は相対的なスキューから得られる時間差に従って、変調信号となるデータ信号に遅延量を与える。このとき、スキュー制御部４５０は相対的スキューが最小となるように、遅延制御部４１０に対してフィードバック制御を行う。
　このような構成とすることによって、空間多重された合成レーザ光１０のスキューを最小化し、ジッタの無い空間光通信（ＦＳＯ）を実現することが可能になる。
　また、モードセレクタ４３０を用いた空間モード選択に替えて、狭帯域の可変波長フィルタを用いた波長選択によっても、このようなスキュー制御を行うことが可能である。この場合、選択したレーザ信号光をシングルモードファイバ（ＳＭＦ）４４１に結合させずに、直接光受信器４４２に入力し光電変換を行う構成とすることが望ましい。なお、レーザ信号光の変調にＤＰＳＫ方式を用いる場合には、光受信器４４２は遅延干渉計を備えた構成となる。したがって、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）４４１を用いない場合であっても、空間光学系の遅延干渉計を用いることにより、上述したスキュー制御を行うことが可能である。
　また、光スプリッタ４２１の機能をマルチモードファイバ（ＭＭＦ）２４０に持たせた構成とすることも可能である。この場合、光スプリッタ４２１として、ファイバ型または導波路型の光スプリッタを用いることができる。このとき、光スプリッタと望遠鏡２３０が備える空間光学系の間、および光スプリッタとモードセレクタ４３０の間をマルチモードファイバ（ＭＭＦ）で接続することになる。そのため、これらの部分で発生するスキューを無視できる程度に、それぞれのファイバ長を短くすることが望ましい。これに限らず、スキュー制御部４５０がオフセット調整を行う機能を備えた構成とすることにより、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）部分で発生するスキューを校正することとしてもよい。
　上述した空間光送信装置４００においては、遅延制御部４１０は電子回路で構成され、レーザ光源２１０が備える変調手段に供給するデータ信号の遅延量を調整する構成とした。これに限らず、図１６に示す空間光送信装置４０１のような構成としてもよい。
　空間光送信装置４０１では、複数の搬送波レーザ光源４６０－１～４６０－ｍが送出する異なる波長の搬送波レーザ光を波長多重器４７１で波長多重する。光変調器４８０は、この波長多重された搬送波レーザ光を信号源２５０が送出するデータ信号を用いて一括変調する。一括変調されたレーザ信号光は、波長分離器４７２によって波長分離され、波長毎に複数の光遅延調節器４９０－１～４９０－ｍに挿入される。光遅延調節されたレーザ信号光は、上述した空間光送信装置４００と同様に、多重器２２０によって空間変調およびモード多重が施される。このような構成とした空間光送信装置４０１によっても、上述したスキュー制御を行うことが可能である。
　以上述べたように、本実施形態の空間光送信装置４００、４０１によれば、コストの増大を招くことなく大容量通信を実現することができる。さらに、空間多重された合成レーザ光のスキューを最小化し、ジッタの無い空間光通信（ＦＳＯ）を実現することが可能になる。
　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、２０１５年６月１６日に出願された日本出願特願２０１５－１２０７１１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）互いに干渉しない光搬送波をそれぞれ用いた複数のレーザ光送出手段と、前記複数のレーザ光送出手段がそれぞれ送出するレーザ信号光を、それぞれ異なるモードに変換して合成した合成レーザ光を生成するモード合成手段と、前記合成レーザ光を自由空間に出射する出射手段、とを有する空間光送信装置。
　（付記２）前記複数のレーザ光送出手段は、波長が互いに異なる前記光搬送波を、同一のデータ信号によってそれぞれ変調した前記レーザ信号光を送出する付記１に記載した空間光送信装置。
　（付記３）前記複数のレーザ光送出手段は、偏光方向が異なる一の波長の前記光搬送波を、前記同一のデータ信号によってそれぞれ変調した前記レーザ信号光を送出する付記２に記載した空間光送信装置。
　（付記４）前記合成レーザ光を、前記モード合成手段から前記出射手段に伝搬させる伝搬手段を有し、前記モード合成手段は、複数の前記レーザ信号光をそれぞれ異なる空間モードに変換する空間変調手段と、前記空間変調手段によって異なる空間モードに変換された前記複数のレーザ信号光を多重するモード多重手段を備える付記１から３のいずれか一項に記載した空間光送信装置。
　（付記５）前記モード合成手段は、複数の前記レーザ信号光をそれぞれ異なる空間モードに変換する空間変調手段と、複数の伝搬モードを有する複数モード伝搬手段を備える　付記１から３のいずれか一項に記載した空間光送信装置。
　（付記６）前記空間変調手段は、一の波長の前記レーザ信号光を、他の波長の前記レーザ信号光の空間モードと異なる一の空間モードにだけ変換する付記４または５に記載した空間光送信装置。
　（付記７）前記複数のレーザ光送出手段が前記レーザ信号光を送出するタイミングを可変する送出タイミング制御手段と、前記合成レーザ光の一部を分岐して分岐合成レーザ光を取り出す光分岐手段と、前記分岐合成レーザ光から選択した一の前記モードの前記レーザ信号光を選択モード信号光として取り出すモード信号光選択手段と、前記選択モード信号光を光電変換し選択モード受信信号を出力する分岐光受信手段と、前記選択モード受信信号を前記異なるモード毎に取得し、前記異なるモードに対応する前記選択モード受信信号間の相対的スキューを検出し、前記相対的スキューが最小となる前記タイミングとするように前記送出タイミング制御手段を制御するスキュー制御手段、とを有する付記１から６のいずれか一項に記載した空間光送信装置。
　（付記８）付記１から７のいずれか一項に記載した空間光送信装置と、空間光受信装置を有し、前記空間光受信装置は、前記自由空間を伝搬した後の前記合成レーザ光である受信合成レーザ光を集光する集光手段と、前記受信合成レーザ光を入力し、遅延干渉計を用いて検波した検波レーザ光を出力する光検波手段と、前記検波レーザ光を光電変換する受光手段、とを備え、前記光検波手段の周期的な透過波長帯域が、前記光搬送波の波長とそれぞれ対応している空間光通信システム。
　（付記９）前記合成レーザ光の前記モードの状態に関する情報であるモード状態情報を取得する送信側制御手段を有し、前記空間光受信装置は、前記受信合成レーザ光を、可変な通過帯域幅で通過させる光帯域選択フィルタと、前記通過帯域幅を制御する受信側制御手段、をさらに備え、前記送信側制御手段は、前記モード状態情報を前記受信側制御手段に通知する制御情報送信手段を備え、前記受信側制御手段は、前記モード状態情報を前記送信側制御手段から取得する制御情報受信手段を備え、前記モード状態情報に基づいて前記通過帯域幅を制御する付記８に記載した空間光通信システム。
　（付記１０）互いに干渉しない光搬送波をそれぞれ用いた複数のレーザ信号光を生成し、　前記複数のレーザ信号光を、それぞれ異なるモードに変換し合成して合成レーザ光を生成し、前記合成レーザ光を自由空間に出射し、前記自由空間を伝搬した後の前記合成レーザ光である受信合成レーザ光を集光し、前記受信合成レーザ光を、周期的な透過波長帯域が前記光搬送波の波長とそれぞれ対応している遅延干渉計により検波する空間光通信方法。
　（付記１１）前記伝搬手段は、マルチモード光ファイバである付記４に記載した空間光送信装置。
　（付記１２）前記複数モード伝搬手段は、複数のマルチモード光ファイバと前記複数のマルチモード光ファイバを束ねたファイバ束、および複数の数モード光ファイバと前記複数の数モード光ファイバを束ねたファイバ束、のいずれかを備える付記５に記載した空間光送信装置。
　（付記１３）自由空間を伝搬した後の合成レーザ光である受信合成レーザ光を集光する集光手段と、前記受信合成レーザ光を入力し、遅延干渉計を用いて検波した検波レーザ光を出力する光検波手段と、前記検波レーザ光を光電変換する受光手段、とを備え、前記合成レーザ光は、互いに干渉しない光搬送波を用いた複数のレーザ信号光を、それぞれ異なるモードに変換して合成したものであり、前記光検波手段の周期的な透過波長帯域が、前記光搬送波の波長とそれぞれ対応している空間光受信装置。
　（付記１４）互いに干渉しない光搬送波をそれぞれ用いて複数のレーザ信号光を生成し、前記複数のレーザ信号光を、それぞれ異なるモードに変換して合成した合成レーザ光を生成し、前記合成レーザ光を自由空間に出射する空間光送信方法。
　（付記１５）前記合成レーザ光を生成する際に、前記複数のレーザ信号光をそれぞれ異なる空間モードに変換し、異なる空間モードに変換された前記複数のレーザ信号光を多重する付記１４に記載した空間光送信方法。
　（付記１６）前記合成レーザ光を生成する際に、前記複数のレーザ信号光をそれぞれ異なる空間モードに変換し、複数の伝搬モードで伝搬させる付記１４に記載した空間光送信方法。
　（付記１７）前記合成レーザ光の一部を分岐して分岐合成レーザ光を取り出し、前記分岐合成レーザ光から選択した一の前記モードの前記レーザ信号光を選択モード信号光として取り出し、前記選択モード信号光を光電変換し選択モード受信信号を生成し、前記選択モード受信信号を前記異なるモード毎に取得し、前記異なるモードに対応する前記選択モード受信信号間の相対的スキューを検出し、前記相対的スキューが最小となるように前記複数のレーザ信号光を生成するタイミングを制御する付記１４から１６のいずれか一項に記載した空間光送信方法。
　（付記１８）前記合成レーザ光の前記モードの状態に関する情報であるモード状態情報を取得し、前記モード状態情報に基づいて、前記受信合成レーザ光を通過させる通過帯域幅を制御する付記１０に記載した空間光通信方法。
　１００、２００、３００、４００、４０１　　空間光送信装置
　１１０　　レーザ光送出手段
　１２０　　モード合成手段
　１３０　　出射手段
　２１０　　レーザ光源
　２２０　　多重器
　２２１　　空間変調器
　２２２　　モード多重器
　２３０　　望遠鏡
　２３１　　コリメート部
　２４０　　マルチモードファイバ（ＭＭＦ）
　２５０　　信号源
　３４１　　光ファイバ
　３４２　　ファイバ束
　４１０　　遅延制御部
　４２１　　光スプリッタ
　４２２　　集光光学系
　４３０　　モードセレクタ
　４４１　　シングルモードファイバ（ＳＭＦ）
　４４２　　光受信器
　４５０　　スキュー制御部
　４６０　　搬送波レーザ光源
　４７１　　波長多重器
　４７２　　波長分離器
　４８０　　光変調器
　４９０　　光遅延調節器
　１０００、２０００、３０００　　空間光通信システム
　１１００　　空間光送信装置
　１１１０　　レーザ光源
　１１２０　　多重器
　１１３０　　送信側望遠鏡
　１１４０　　光ファイバ
　１１５０　　送信信号源
　１２００、２２００、３２００　　空間光受信装置
　１２１０　　受信側望遠鏡
　１２２０　　シングルモードファイバ（ＳＭＦ）
　１２３０　　光受信器
　２２３０　　光帯域選択フィルタ（ＢＰＦ）
　２２４０　　光検波器
　２２５０　　受光器
　３１００　　送信側制御装置
　３２６０　　受信側制御装置
　１０　　合成レーザ光
　１１　　自由空間
　１２　　大気揺らぎ
　２１　　最短経路
　２２　　最大伝搬経路
　３１　　モード状態信号
　３２　　帯域制御信号
　４１　　モード切替信号

Claims (10)

  1. 　互いに干渉しない光搬送波をそれぞれ用いた複数のレーザ光送出手段と、
    　前記複数のレーザ光送出手段がそれぞれ送出するレーザ信号光を、それぞれ異なるモードに変換して合成した合成レーザ光を生成するモード合成手段と、
    　前記合成レーザ光を自由空間に出射する出射手段、とを有する
    　空間光送信装置。
  2. 　請求項１に記載した空間光送信装置において、
    　前記複数のレーザ光送出手段は、波長が互いに異なる前記光搬送波を、同一のデータ信号によってそれぞれ変調した前記レーザ信号光を送出する
    　空間光送信装置。
  3. 　請求項２に記載した空間光送信装置において、
    　前記複数のレーザ光送出手段は、偏光方向が異なる一の波長の前記光搬送波を、前記同一のデータ信号によってそれぞれ変調した前記レーザ信号光を送出する
    　空間光送信装置。
  4. 　請求項１から３のいずれか一項に記載した空間光送信装置において、
    　前記合成レーザ光を、前記モード合成手段から前記出射手段に伝搬させる伝搬手段を有し、
    　前記モード合成手段は、複数の前記レーザ信号光をそれぞれ異なる空間モードに変換する空間変調手段と、前記空間変調手段によって異なる空間モードに変換された前記複数のレーザ信号光を多重するモード多重手段を備える
    　空間光送信装置。
  5. 　請求項１から３のいずれか一項に記載した空間光送信装置において、
    　前記モード合成手段は、複数の前記レーザ信号光をそれぞれ異なる空間モードに変換する空間変調手段と、複数の伝搬モードを有する複数モード伝搬手段を備える
    　空間光送信装置。
  6. 　請求項４または５に記載した空間光送信装置において、
    　前記空間変調手段は、一の波長の前記レーザ信号光を、他の波長の前記レーザ信号光の空間モードと異なる一の空間モードにだけ変換する
    　空間光送信装置。
  7. 　請求項１から６のいずれか一項に記載した空間光送信装置において、
    　前記複数のレーザ光送出手段が前記レーザ信号光を送出するタイミングを可変する送出タイミング制御手段と、
    　前記合成レーザ光の一部を分岐して分岐合成レーザ光を取り出す光分岐手段と、
    　前記分岐合成レーザ光から選択した一の前記モードの前記レーザ信号光を選択モード信号光として取り出すモード信号光選択手段と、
    　前記選択モード信号光を光電変換し選択モード受信信号を出力する分岐光受信手段と、
    　前記選択モード受信信号を前記異なるモード毎に取得し、前記異なるモードに対応する前記選択モード受信信号間の相対的スキューを検出し、前記相対的スキューが最小となる前記タイミングとするように前記送出タイミング制御手段を制御するスキュー制御手段、とを有する
    　空間光送信装置。
  8. 　請求項１から７のいずれか一項に記載した空間光送信装置と、空間光受信装置を有し、
    　前記空間光受信装置は、
    　　前記自由空間を伝搬した後の前記合成レーザ光である受信合成レーザ光を集光する集光手段と、
    　　前記受信合成レーザ光を入力し、遅延干渉計を用いて検波した検波レーザ光を出力する光検波手段と、
    　　前記検波レーザ光を光電変換する受光手段、とを備え、
    　　前記光検波手段の周期的な透過波長帯域が、前記光搬送波の波長とそれぞれ対応している
    　空間光通信システム。
  9. 　請求項８に記載した空間光通信システムにおいて、
    　前記合成レーザ光の前記モードの状態に関する情報であるモード状態情報を取得する送信側制御手段を有し、
    　前記空間光受信装置は、
    　　前記受信合成レーザ光を、可変な通過帯域幅で通過させる光帯域選択フィルタと、
    　　前記通過帯域幅を制御する受信側制御手段、をさらに備え、
    　前記送信側制御手段は、前記モード状態情報を前記受信側制御手段に通知する制御情報送信手段を備え、
    　前記受信側制御手段は、前記モード状態情報を前記送信側制御手段から取得する制御情報受信手段を備え、前記モード状態情報に基づいて前記通過帯域幅を制御する
    　空間光通信システム。
  10. 　互いに干渉しない光搬送波をそれぞれ用いた複数のレーザ信号光を生成し、
    　前記複数のレーザ信号光を、それぞれ異なるモードに変換し合成して合成レーザ光を生成し、
    　前記合成レーザ光を自由空間に出射し、
    　前記自由空間を伝搬した後の前記合成レーザ光である受信合成レーザ光を集光し、
    　前記受信合成レーザ光を、周期的な透過波長帯域が前記光搬送波の波長とそれぞれ対応している遅延干渉計により検波する
    　空間光通信方法。
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WO2011052405A1 (ja) * 2009-10-30 2011-05-05 国立大学法人北海道大学 光通信システム
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