WO2017029808A1 - 空間光送信装置および空間光通信方法 - Google Patents

Abstract

空間光送信装置においては、ビーコン光の安定な伝送を低コストで実現することが困難であり、安定な追尾を維持することができないため、本発明の空間光送信装置は、光周波数および位相差の時間変化のいずれかが異なる互いに干渉可能な複数のレーザ光を送出するレーザ光送出手段と、複数のレーザ光を、それぞれ異なる波面とした複数の波面制御光を自由空間に送出する波面制御光送出手段、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通信を実現するため、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。

　このような空間光通信（ＦＳＯ）システムの中でも、地上と低軌道（Ｌｏｗ　Ｅａｒｔｈ　Ｏｒｂｉｔ：ＬＥＯ）衛星との間で通信を行うＦＳＯシステムにおいては、通信時間に制約がある。そのため、ビットレートの高速化と同時に、追尾を安定に維持することが重要となる。その理由は、追尾が維持できない場合、再捕捉するために必要となる時間だけ通信時間が減少するので、ＦＳＯシステムの通信容量が減少するからである。

　空間光通信（ＦＳＯ）システムにおいて安定な追尾を維持するためには、ビーコン光の安定な伝送が必要となる。ビーコン光の安定な伝送を実現するためには、以下の二つの技術的な課題を解決する必要がある。第一の課題は、背景光を抑制して高感度なビーコン光の受光を可能とすることである。第二の課題は、ビーコン光に対する大気揺らぎの影響を緩和することである。以下に、それぞれの課題について説明する。

　第一の課題は、受信望遠鏡が集光した光から、背景光と呼ばれる太陽および月や地球からの反射光を除去する必要があることである。これは、ビーコン光と同時に背景光を受光すると、ビーコン光の受信Ｓ／Ｎ（ｓｉｇｎａｌ／ｎｏｉｓｅ）比が劣化するためである。具体的には、受光器の飽和、あるいは、背景光に起因したビートノイズの増大により、高感度なビーコン光の検出が困難になり、その結果、追尾が不安定化することになるからである。

　ビーコン光は狭線幅のレーザ装置を光源とするのに対して、背景光は太陽光を起源とする広帯域の連続スペクトル成分を有する。そのため、ビーコン光の帯域だけを通過させる狭帯域の光バンドパスフィルタ（Ｂａｎｄ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ：ＢＰＦ）を用いて、背景光のスペクトル成分を遮断することによりビーコン光の受信Ｓ／Ｎ比を改善することができる。

　ここで用いる光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）の通過帯域幅は、理想的には可能な限り狭帯域とすることが望ましい。しかしながら、地上と人工衛星間の空間光通信（ＦＳＯ）システムにおいては、ドップラー効果によるレーザ光の周波数シフトを考慮する必要がある。具体的には例えば、地上と低軌道衛星の間の規格化ドップラーシフト量は約±３×１０^－５程度である。これより、波長が１．５５マイクロメートル（μｍ）、すなわち周波数が約２００テラヘルツ（ＴＨｚ）であるレーザ光を用いた場合、発生するシフト量は約±６ＧＨｚとなる。

　しかしながら、ドップラーシフトに追従して通過中心周波数を可変制御する光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を人工衛星に搭載することは、消費電力および機器重量の増加を招くことから好ましくない。そのため、このようなドップラーシフトに対応するためには、シフト量の例えば１．５倍程度のマージンを持たせた１８ＧＨｚ（波長幅が約０．１４ｎｍ）程度の通過帯域幅を有する光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を用いる必要がある。このような光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）は、例えば、空間型のブラッグ・グレーティング・フィルタ（Ｂｒａｇｇ　Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｆｉｌｔｅｒ）とエタロンを組み合わせることにより実現することができる。

　このような狭帯域な光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を用いることによって、背景光を十分に除去し、ビーコン光を高感度で受光することが可能になる。一方、狭帯域な光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を適用することは、ビーコン光に用いるレーザ光のスペクトルに対する制約条件となる。

　次に、第二の課題について説明する。第二の課題は、大気中の伝搬によりビーコン光の波面が乱されることによって受信側で発生するビーコン光の受光強度の変動を、安定化させる必要があることである。強い大気揺らぎにより、受光するビーコン光の強度が大きく減衰（フェード）すると、追尾制御系が検出する誤差信号のＳ／Ｎ比が劣化するので、正確な追尾制御が困難になる。このことは特に、地上から上空の人工衛星に対してビーコン光を送信する場合に顕著になる。なぜならば、地上から人工衛星へ向けて伝搬するビーコン光は、大気揺らぎの影響を強く受けるためである。すなわち、地上から送出されたビーコン光は送出された直後に大気揺らぎの影響を受けた後、空間的な強度分布を保持したまま大気揺らぎの無い真空中を長距離伝搬して、人工衛星の軌道面に拡大投影されるからである。

　ビーコン光の強度分布が面状に拡大されると、受信側の望遠鏡の開口平均効果が得られず、大気揺らぎの影響を強く受けることになる。大気揺らぎにより強いフェードが発生してビーコンを消失すると、人工衛星の追尾制御系が地上局の位置を見失うことになる。そのため、人工衛星から地上に向けて信号光を正確に照射することができなくなり、安定な空間光通信（ＦＳＯ）が困難になる。

　ビーコン光の空間的な強度分布のサイズについて、具体例を用いて以下に説明する。

　地上から衛星に向かって伝搬するビーコン光を球面波とみなすと、その強度分布のコヒーレンス半径は以下の式（１）により表わされる。

　ここで、式（１）には、分子に伝搬距離Ｌが含まれているため、伝搬距離の伸張とともにビーコン光強度分布の空間的なサイズは拡大される。代表的な大気の構造パラメータとしてＨｕｆｎａｇｌｅ－Ｖａｌｌｅｙ（ＨＶ）モデルの一種を用いて、式（１）からコヒーレンス半径ρ_0,sphを概算すると、低軌道衛星として代表的な伝搬距離Ｌ＝６００ｋｍとした場合、ρ_0,sph＝６．４ｍとなる。強度分布の空間的なサイズを空間コヒーレント半径と同等と仮定すると、衛星側では望遠鏡の直径を１３ｍ以上としないと開口平均効果が得られないことになる。しかし、そのような巨大な望遠鏡を衛星側に搭載することは、重量や体積の増加に起因してコストが増大するという問題があった。

　このような大気揺らぎによる問題を解決する技術の例が特許文献１および２に記載されている。

　特許文献１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２には、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空間光伝送装置が記載されている。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３に記載された技術がある。

特開２００５－３５４３３５号公報 特開平９－３２６７６１号公報 特開平１１－２６６２５２号公報

　上述した特許文献１に記載された空間光送信装置においては、送信ビーム間隔をコヒーレント半径程度以上に拡大する必要がある。具体的には、望遠鏡の直径あるいは複数の望遠鏡の配置間隔を１メートル（ｍ）程度とする必要がある。しかし、このような大型の光学系を用いるとコストが増大するという問題がある。

　また、上述した特許文献２に記載された空間光送信装置は、広い光波長帯域を用いる必要があるため、狭帯域の光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を適用することは困難である。そのため、背景光の影響により、ビーコン光を高感度に受光することが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、ビーコン光の安定な伝送を低コストで実現することが困難であり、安定な追尾を維持することができない、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、ビーコン光の安定な伝送を低コストで実現することが困難であり、安定な追尾を維持することができない、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、光周波数および位相差の時間変化のいずれかが異なる互いに干渉可能な複数のレーザ光を送出するレーザ光送出手段と、複数のレーザ光を、それぞれ異なる波面とした複数の波面制御光を自由空間に送出する波面制御光送出手段、とを有する。

　本発明の空間光通信方法は、第１の通信局において、光周波数および位相差の時間変化のいずれかが異なる互いに干渉可能な複数のレーザ光を生成し、複数のレーザ光を、それぞれ異なる波面とした複数の波面制御光を自由空間に送出し、第１の通信局と通信を行う第２の通信局において、自由空間を伝搬した後の波面制御光である受信レーザ光を含む受信光を集光し、受信光から受信レーザ光を取り出し、受信レーザ光を光電変換する。

　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、ビーコン光の安定な伝送を低コストで実現することが可能であり、安定な追尾を維持することができる。

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を構成する空間光送信装置と空間光受信装置との間を伝搬するビーコン光を模式的に示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る空間光通信システムの効果を説明するための、光周波数が異なる二種のレーザ光の受光強度の時間変化を示す図であり、各光強度を加算した場合を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る空間光通信システムの効果を説明するための、光周波数が異なる二種のレーザ光の受光強度の時間変化を示す図であり、差分周波数がゼロである場合を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る空間光通信システムの効果を説明するための、光周波数が異なる二種のレーザ光の受光強度の時間変化を示す図であり、差分周波数がゼロでない場合を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る空間光通信システムにおいて、差分周波数をゼロとした場合における、受信側望遠鏡に入射するビーコン光の電界強度の計算結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る空間光通信システムにおいて、差分周波数がゼロでないとした場合における、受信側望遠鏡に入射するビーコン光の電界強度の計算結果を示す図である。 本発明の第３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３の実施形態に係る空間光送信装置が備える周波数シフタの動作を説明するための模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る空間光送信装置が備える周波数シフタの動作を説明するための模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る空間光受信装置が備える狭帯域バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）の動作を説明するための模式図である。 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、レーザ光の角周波数と数モードファイバ（ＦＭＦ）の固有モードとの対応関係を説明するための模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る空間光送信装置が備える周波数シフタによって付与される周波数差の成分と、大気揺らぎの周波数成分との関係を模式的に示す図である。 本発明の第４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通信システムの動作を説明するための図である。

　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、レーザ光送出手段１１０と波面制御光送出手段１２０を有する。

　レーザ光送出手段１１０は、光周波数および位相差の時間変化のいずれかが異なる互いに干渉可能な複数のレーザ光１１を送出する。波面制御光送出手段１２０は、この複数のレーザ光１１を、それぞれ異なる波面とした複数の波面制御光１２を自由空間に送出する。

　ここで、これらの複数の波面制御光１２は、それぞれ異なる波面を有しているので、自由空間における大気揺らぎを通過する過程で異なる乱れを受ける。したがって、個々の波面制御光１２の光強度は受信側において異なるタイミングで減衰（フェード）することになる。

　これらの複数の波面制御光は干渉可能な光周波数の異なる複数のレーザ光からなるので、受信側において互いに干渉する。そのため、受信光の強度は複数のレーザ光の光周波数の差である差分周波数の周期で変化する。このとき、受信光の信号から差分周波数の成分を除去することにより、複数の波面制御光が重ね合わされることによる統計多重効果によって減衰（フェード）が緩和された受信信号が得られる。これにより、安定なレーザ光の受信が可能になる。

　ここで、複数の波面制御光からなるレーザ光を空間光通信におけるビーコン光として用いることができる。なお、上述した複数のレーザ光の光周波数の差である差分周波数および位相差の変化の周波数のいずれかを、自由空間における大気揺らぎの周波数よりも大きい周波数に設定することができる。

　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、ビーコン光の安定な伝送を低コストで実現することが可能であり、安定な追尾を維持することができる。

　〔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とを有し、自由空間２０を介してレーザ光の伝送を行う。空間光通信システム１０００は、典型的には、空間光送信装置１１００が地上に設置され、空間光受信装置１２００が人工衛星に搭載された構成である。ここで自由空間２０には大気が含まれ、大気圏外および真空領域も含まれる。大気の領域には大気ゆらぎ２１が存在している。

　空間光送信装置１１００は、レーザ光源１１１０、多重器１１２０、光導波媒体１１３０、および送信側望遠鏡１１４０を備える。ここで、レーザ光源１１１０がレーザ光送出手段を構成し、多重器１１２０、光導波媒体１１３０、および送信側望遠鏡１１４０が波面制御光送出手段を構成する。

　レーザ光源１１１０は、それぞれ異なる光周波数のレーザ光を出力する複数（ｍ個）のレーザ光源を含む。レーザ光源１１１０が出力するレーザ光は、それぞれシングルモードファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｍｏｄｅ　Ｆｉｂｅｒ：ＳＭＦ）を通って多重器１１２０に入力される。多重器１１２０は入力されたｍ個のレーザ光を多重し、光導波媒体１１３０に送出する。光導波媒体１１３０を伝搬した多重されたレーザ光は、送信側望遠鏡１１４０から自由空間２０にビーコン光２２として送出される。ビーコン光２２を構成する異なる波面を有するレーザ光（波面制御光）は、大気揺らぎ２１を通過する過程において、それぞれ異なる波面の乱れを受ける。

　なお、空間光送信装置１１００は図２に示すように、レーザ光源１１１０と多重器１１２０との間のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）で接続される区間に、光増幅器１１５０を含む構成としてもよい。

　空間光受信装置１２００は、集光手段としての受信側望遠鏡１２１０、光帯域通過手段としての狭帯域バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１２２０、受光手段としての受光器１２３０を備える。

　受信側望遠鏡１２１０は、自由空間２０を伝搬した後の波面制御光である受信レーザ光を含む受信光を集光する。狭帯域バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１２２０は、受信光のうち受信レーザ光を通過させる。そして受光器１２３０は、受信レーザ光を光電変換する。受光器１２３０として、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）に代表されるアレイ型光検出器、あるいは４分割（Ｑｕａｄｒａｎｔ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＱＤ）センサ等を用いることができる。

　次に、本実施形態による空間光通信システム１０００の動作について説明する。

　上述したように、空間光送信装置１１００は、異なる波面を有する複数のレーザ光（波面制御光）からなるビーコン光２２を自由空間２０に送出する。空間光受信装置１２００に到達したビーコン光２２（受信レーザ光）は、受信側望遠鏡１２１０によって集光される。そして、狭帯域バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１２２０により背景光の光スペクトル成分を除去された後に、受光器１２３０において光電変換される。

　なお、電気フィルタ回路１２４０を用いることにより、光電変換によって得られた受信電気信号のあらかじめ決められた周波数成分を抽出することができる。また、受光器１２３０において、受信側望遠鏡１２１０の追尾誤差を検出し、誤差信号を生成する構成としてもよい。

　次に、本実施形態による空間光通信システム１０００の作用効果について図３を用いて説明する。図３は、本実施形態による空間光通信システム１０００を構成する空間光送信装置と空間光受信装置との間を伝搬するビーコン光２２を模式的に示した図である。ビーコン光２２は、同図に示すように、空間光送信装置１１００が備える送信側望遠鏡１１４０と空間光受信装置１２００が備える受信側望遠鏡１２１０との間を、自由空間を介して伝搬する。

　送信側望遠鏡１１４０から送信されるビーコン光２２が、光周波数が異なる第一のレーザ光２２－１と第二のレーザ光２２－２を含む場合について説明する。第一のレーザ光２２－１と第二のレーザ光２２－２は直交するモードで空間多重されて光導波媒体１１３０を伝搬する。そして、互いに異なる波面で送信側望遠鏡１１４０から自由空間に送出される。

　この二種類のレーザ光がそれぞれ単独で自由空間を伝搬するとした場合、受信側望遠鏡１２１０の開口面における光強度分布の模式的な等高線図の例を、同図中のＡ図およびＢ図に示す。二種の異なる波面を有するレーザ光２２－１、２２－２は、異なる大気揺らぎを受け、異なる強度分布となる。図中に示した例では、第一のレーザ光２２－１は図中のＡ図に示すように、受信側望遠鏡１２１０の中心近傍に強度分布の極大値が存在している。それに対して、第二のレーザ光２２－２は図中のＢ図に示すように、受信側望遠鏡１２１０の中心近傍は強度分布の谷になっており、中心近傍ではレーザ光の強度が弱くなっている。

　この二種のレーザ光の強度分布に関して、仮にそれぞれの光強度を単純に加算することが可能であるとすると、統計多重効果により受信側望遠鏡の開口面に入射する光強度の変動は緩和される。その結果、受光強度の安定化をもたらすと考えられる。しかし、本実施形態による空間光受信装置１２００は狭帯域バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１２２０を備え、背景光の光スペクトル成分を除去する構成としている。そのため、狭帯域バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１２２０を通過する二種のレーザ光の光周波数を、狭帯域バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１２２０の通過帯域幅より近接させる必要がある。したがって、この二種のレーザ光の干渉による影響を考慮する必要がある。

　ここで、第一のレーザ光２２－１と第二のレーザ光２２－２の光周波数の差を、以下の二通りの設定とした場合について検討する。第一の設定は、二種のレーザ光の光周波数差がゼロの場合である。第二の設定は、光周波数差が受光器１２３０の帯域内に含まれ、かつ、大気揺らぎの周波数成分よりも十分に高い周波数とする場合である。

　第一の設定とした場合、二種のレーザ光の間でランダムな干渉が発生するため、強度分布は図３中のＡ図およびＢ図で示した強度分布を加算した強度分布とはならない。すなわち、強い大気揺らぎにより大きな位相分布が付与されると、二種のレーザ光の干渉によりビーコン光２２の受光強度に新たな変動が発生する。

　また第二の設定とした場合にも、光周波数の異なる二種のレーザ光の間で干渉によるビートが発生する。第一のレーザ光２２－１の光周波数をω_０、第二のレーザ光２２－２の光周波数をω_０＋Δωとすると、発生するビートの周波数はΔωとなる。このとき、複数のレーザ光の光周波数の差である差分周波数Δωが、自由空間における大気揺らぎの周波数よりも大きい構成とすることができる。ここで大気揺らぎの周波数は、具体的には例えば１～２キロヘルツ（ｋＨｚ）である。このような構成とすることにより、差分周波数Δωを追尾制御系の周波数帯域外とすることができ、二種の光周波数のレーザ光の干渉による強度分布を緩和することができる。その結果、空間光受信装置１２００における受光強度の安定化を図ることが可能となる。

　次に、上述した本実施形態による空間光通信システム１０００の効果について、さらに詳細に説明する。

　図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃに、光周波数が異なる二種のレーザ光の受光強度の時間変化を示す。図４Ａは各光強度を単純に加算した場合、図４Ｂは差分周波数がゼロである場合、そして図４Ｃは差分周波数がゼロでない場合をそれぞれ示す。

　第一のレーザ光２２－１の波面を第一の波面（ＷＦ＃１）とし、その電界の時間変化をＥ_１（ｔ）とする。また、第二のレーザ光２２－２の波面を第二の波面（ＷＦ＃２）とし、その電界の時間変化をＥ_２（ｔ）とする。Ｅ_１（ｔ）およびＥ_２（ｔ）は下記のように表わされる。

　ここで、Ｓ（ｔ）はレーザ光の強度を表わし、ここでは時間に対して一定であると仮定する。ω_０は第一のレーザ光の光周波数であり、例えばω_０／２π≒２００テラヘルツ（ＴＨｚ）である。Δωは、第一のレーザ光と第二のレーザ光の光周波数の差（差分周波数）である。

　これらの二種のレーザ光は送信側望遠鏡１１４０から自由空間に送出され、大気揺らぎ２１を通過して受信側望遠鏡１２１０の開口面に到達する。このとき、受信側望遠鏡１２１０の開口面に到達する二種のレーザ光は大気揺らぎにより異なる乱れを受け、電界の時間変化はそれぞれ下記のＥ１'（ｔ）およびＥ２'（ｔ）となる。

　ここで、式（４）および（５）によるＥ１'（ｔ）およびＥ２'（ｔ）は、受信側望遠鏡１２１０の開口面の１点における電界強度の時間変動を表わしている。しかし同時に、近似的には受信側望遠鏡１２１０の開口面に照射されるレーザ光全体の電界強度と見なすことができる。その理由は、受信側望遠鏡１２１０は大気揺らぎ２１から十分遠方にあるので、開口面の直径はレーザ光の空間コヒーレンス半径と比べて十分に小さいと見なせるからである。また、式（４）および（５）中、Ａ（ｔ）は第一の波面（ＷＦ＃１）のレーザ光が受信側望遠鏡１２１０に到達する割合であり、Ｂ（ｔ）は、同様に、第二の波面（ＷＦ＃２）のレーザ光が受信側望遠鏡１２１０に到達する割合である。

　図４Ａに、このときのＥ１'（ｔ）およびＥ２'（ｔ）の強度の時間変化を模式的に示す。２波のレーザ光には、それぞれ独立のタイミングで減衰（フェード）が発生している。この２波の波長が十分に離れていてインコヒーレントな加算が可能な場合は、統計多重効果により同図中の点線で示すようにフェードが緩和され、安定なレーザ光の受信が可能になると期待できる。

　次に、差分周波数がゼロの場合（Δω＝０）について検討する。この場合、受信側望遠鏡１２１０に入射するレーザ光の電界Ｅ_Ｓ（ｔ）は、以下のように表わすことができる。

　ここで、Ｓ（ｔ）を一定と見なし、時間ｔの表記を省略して書き直すと下式のようになる。なお、ここではＳ（ｔ）＝１とした。

ここでω_０はレーザ光の光周波数である。

　受光器１２３０の光電変換面における干渉信号Ｓの振幅は、次のように表わされる。

　式（８）に含まれるＡ、Ｂ、φ_Ａ、φ_Ｂは、それぞれ時間軸方向でランダムに変化するため、干渉信号Ｓの強度は、√２・（±Ａ±Ｂ）の範囲でランダムに変化する。

　図４Ｂに、このときのＥ１'（ｔ）およびＥ２'（ｔ）の時間変化を模式的に示す。Ｅ１'（ｔ）およびＥ２'（ｔ）は大気揺らぎ２１により、それぞれ独立にランダムな強度変調Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）と同時にランダムな位相変調を受ける。その結果、二種のレーザ光の電界の和Ｅ１'（ｔ）＋Ｅ２'（ｔ）の強度は、Ｅ１'（ｔ）およびＥ２'（ｔ）の位相状態に依存して図４Ｂ中の実線のようにランダムに変動する。そのため、レーザ光を安定に受光することは困難である。

　次に、差分周波数がゼロでない場合（Δω≠０）について説明する。図４Ｃに、この場合におけるＥ１'（ｔ）およびＥ２'（ｔ）の時間変化を模式的に示す。このとき、二種のレーザ光の電界の和Ｅ_Ｓ（ｔ）は以下のように表わすことができる。

　式（７）と同様に、Ｓ（ｔ）を一定と見なして、その記載を省略すると下式のようになる。

　受光器１２３０の光電変換面における干渉信号Ｓの振幅は、次のように表わされる。

　ここで、差分周波数Δωを大気揺らぎの周波数成分よりも十分に高周波とする。そうすると、大気揺らぎに対して十分に短い時間の範囲においては、Ａ、Ｂ、φ_Ａ、およびφ_Ｂは定数と見なすことができる。したがって、干渉信号ＳはΔωの周期で以下に示すように変化する。

　このとき、干渉による強度変動は大気揺らぎよりも十分に高速な周波数Δωで変動するので、電気フィルタ回路１２４０によって干渉信号ＳからΔω成分を除去し、大気揺らぎの周波数成分だけを抽出することができる。これにより、Ｅ１'（ｔ）とＥ２'（ｔ）の和に相当する信号強度を安定して取得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１０００において、受信側望遠鏡１２１０に入射するビーコン光２２の電界強度を計算により求めた結果について説明する。ここでは、大気伝搬に関する数値シミュレーションにより求めた上述のＡ、Ｂ、φＡ、およびφＢのデータ値を用いた。

　図５に、差分周波数をゼロとした場合（Δω＝０）における、受信側望遠鏡１２１０に入射するビーコン光２２の電界強度の計算結果を示す。同図中、破線は、異なるモードで送信された二種のレーザ光の電界強度Ｅ１'（ｔ）およびＥ２'（ｔ）をそれぞれ示す。実線は、それらの重ね合わせであるＳ＝Ｅ１'（ｔ）＋Ｅ２'（ｔ）の受光強度の変化を示す。

　同図から、Ｅ１'（ｔ）およびＥ２'（ｔ）は、相互にランダムなタイミングでフェードしていることがわかる。一方、受光強度Ｓは単純な加算とはならず、Ｅ１'（ｔ）およびＥ２'（ｔ）とは異なるタイミングで新たなフェードが発生している。このフェードの時間幅は、Ｅ１'（ｔ）およびＥ２'（ｔ）において発生するフェードと同等と見なすことができる。その理由は、受光強度Ｓにおけるフェードの発生メカニズムが、もとになっているビーコン光において発生しているフェードの発生メカニズムと原理的に同一なためである。

　以上のことから、二種のレーザ光を差分周波数がゼロ（Δω＝０）の条件で用いる場合には、安定なビーコン光の伝送は不可能であることがわかる。

　図６に、差分周波数がゼロでないとした場合（Δω≠０）における、受信側望遠鏡１２１０に入射するレーザ光の電界強度を示す。実線は、電界強度がＥ１'（ｔ）およびＥ２'（ｔ）である二種のレーザ光を重ね合わせた受光信号Ｓ＝Ｅ１'（ｔ）＋Ｅ２'（ｔ）の強度の時間変化を示す。受光信号Ｓは高周波数Δωでフェードを繰り返しているが、実線で示す包絡線には深いフェードは発生していない。このことは、本実施形態によるビーコン光の伝送方式を用いることによって、安定なビーコン光の伝送が実現可能となることを示している。

　以上、説明したように、本実施形態の空間光通信システム１０００によれば、ビーコン光の安定な伝送を低コストで実現することが可能であり、安定な追尾を維持することができる。

　〔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７に、本発明の第３の実施形態に係る空間光通信システム２０００の構成を示す。空間光通信システム２０００は空間光送信装置２１００と空間光受信装置１２００とを有し、自由空間２０を介してビーコン光の伝送を行う。空間光受信装置１２００は、第２の実施形態によるものと同様である。

　空間光送信装置２１００は、単一レーザ光源２１１０、光分岐手段としての光分岐器２１２０、および光周波数偏移手段としての光周波数シフタ２１３０を備え、これらがレーザ光送出手段を構成する。空間光送信装置２１００はさらに、モード合成手段としてのモード多重器２１４０と数モードファイバ（Ｆｅｗ　Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ：ＦＭＦ）２１５０、および出射手段としての送信側望遠鏡２１６０を備え、これらが波面制御光送出手段を構成する。

　光周波数シフタ２１３０とモード多重器２１４０はシングルモードファイバ（ＳＭＦ）によって接続することができる。なお、この区間に、入力されたレーザ光を増幅する光増幅器２１７０を含む構成としてもよい。

　単一レーザ光源２１１０は、単一波長の単一レーザ光を送出する。光分岐器２１２０は単一レーザ光を分岐し、複数（ｍ本）の分岐レーザ光を生成する。

　光周波数シフタ２１３０は、複数の分岐レーザ光の光周波数をそれぞれ異なる周波数だけ偏移（シフト）させる。例えば、入力された分岐レーザ光の光周波数を、あらかじめ定められた光周波数Δω／２πだけシフトさせる。光周波数シフタ２１３０として、例えば、音響光学（Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ：ＡＯ）効果に基づくＡＯ周波数シフタを用いることができる。

　モード多重器２１４０と多モード導波手段としての数モードファイバ（ＦＭＦ）２１５０によって、複数のレーザ光をそれぞれ直交する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ことができる。すなわち、モード多重器２１４０は、ｍ本のシングルモードファイバから入力されたレーザ光を、直交する空間モードに多重して１本の数モードファイバ（ＦＭＦ）２１５０に出力する。数モードファイバ（ＦＭＦ）２１５０は、直交したモードで多重されたｍ本のレーザ光を低損失で伝送することが可能である。モード多重器２１４０としては例えば、多面光変換に基づく空間モード多重素子を用いることができる。

　送信側望遠鏡２１６０は、合成レーザ光をビーコン光２２として自由空間２０に出射する。

　次に、図８Ａおよび図８Ｂを用いて、周波数シフタ２１３０の動作について説明する。

　単一レーザ光源２１１０から出力されるレーザ光は、図８Ａに示すように、単一の光角周波数ω_０で発振している。光分岐器２１２０は、この単一レーザ光をｍ本に分岐する。周波数シフタ２１３０は、分岐された分岐レーザ光のうち１本には周波数シフトを施さず、残りの（ｍ－１）本の分岐レーザ光に対して角周波数差Δω、２Δω、３Δω、・・・、（ｍ－１）Δωの周波数シフトを施す（図８Ｂ）。

　光増幅器２１７０は、周波数シフトされたｍ本の分岐レーザ光をそれぞれ、自由空間２０を伝搬するのに必要な光強度に増幅する。モード多重器２１４０は、増幅されたｍ本のレーザ光を、数モードファイバ（ＦＭＦ）２１５０の直交する固有モードにそれぞれ変換して多重化する。送信側望遠鏡２１６０は、多重化されたレーザ光を自由空間２０に送出する。送信側望遠鏡２１６０から送出されたレーザ光は、数モードファイバ（ＦＭＦ）２１５０の固有モードに対応した相互に異なる波面を持つ光ビーム２２－１～２２－ｍとしてそれぞれ自由空間２０を伝搬する。

　なお、図８Ａ、８Ｂでは、各レーザ光を角周波数差Δωの等間隔で配置した構成を示したが、これに限らず、各レーザ光を不等間隔の角周波数差で配置した構成としてもよい。

　図９に、モード合成手段を構成するモード多重器２１４０で多重されるレーザ光の角周波数と、数モードファイバ（ＦＭＦ）２１５０の固有モードとの対応関係を模式的に示す。同図の横軸は、基準とするレーザ光の角周波数との角周波数差であり、縦軸は数モードファイバ（ＦＭＦ）２１５０の固有モードを概念的に表記したモード番号である。モード番号は、具体的にはＬＰモード（Ｌｉｎｅａｒｌｙ　Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　Ｍｏｄｅ）に対応させることができる。

　モード多重器２１４０は、一の光周波数のレーザ光を、他の光周波数のレーザ光のモードと異なる一のモードにだけ変換する。すなわち、レーザ光は図９中の黒丸で示す組合せで数モードファイバ（ＦＭＦ）２１５０に多重され、光周波数と固有モードが重なることが無いように配置される。

　上述した説明では、空間光送信装置２１００は周波数シフタ２１３０を備えることとしたが、周波数シフタ２１３０に替えて位相変調器（位相変調手段）を用いることとしてもよい。すなわち、空間光送信装置２１００はレーザ光送出手段として、単一レーザ光を送出するレーザ光源、光分岐器（光分岐手段）、および位相変調器（位相変調手段）を備えた構成とすることができる。ここで光分岐器は、単一レーザ光を分岐し複数の分岐レーザ光を生成する。位相変調器は、複数の分岐レーザ光にそれぞれ異なる周波数で位相変調を施す。

　位相変調器（位相変調手段）は、自由空間における大気揺らぎの周波数よりも大きい周波数で、分岐レーザ光の一波長に相当する位相量以上の範囲で位相変調を施す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、レーザ光の干渉状態を可変させることが可能である。具体的には例えば、第１のレーザ光に対して、第２のレーザ光の位相を１メガヘルツ（ＭＨｚ）で±π（＝０～２π）の範囲で位相変調し、第３のレーザ光の位相を２メガヘルツ（ＭＨｚ）で±π（＝０～２π）の範囲で位相変調する。なお、位相変調は２πの範囲で十分な分解能が得られればよく、階段状（不連続）の位相変調であっても連続的な位相変調であってもよい。

　これにより、上述した周波数シフタ２１３０を用いた場合と同様の効果を得ることができる。この場合、モード多重器２１４０（モード合成手段）は、一の光周波数のレーザ光を、位相差の変化の周波数が異なるレーザ光のモードと異なる一のモードにだけ変換す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が備える空間光受信装置１２００の動作について説明する。

　空間光送信装置２１００から送出されたｍ本のレーザ光は、自由空間２０において大気揺らぎ２１の影響を受けた後に、受信側望遠鏡１２１０の開口面に到達する。このｍ本のレーザ光は受信側望遠鏡１２１０で集光され、狭帯域バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１２２０によって背景光を除去された後に、受光器１２３０において光電変換される。

　図８Ｃに、狭帯域バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１２２０の透過特性を模式的に示す。同図中、複数の縦線は光スペクトルの分布を示し、台形状の実線は狭帯域バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１２２０の透過帯域を示す。光スペクトルには、ｍ本のレーザ光の他に広帯域の背景光が雑音として重畳されている。レーザ光の光強度にはそれぞれ、大気揺らぎ２１の影響により、ばらつきが発生している。

　狭帯域バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１２２０の透過帯域は、ｍ本のレーザ光のスペクトルを透過させ、かつ、レーザ光の帯域以外の背景光による雑音を除去するように設定されている。例えば、複数のレーザ光の周波数差を１０メガヘルツ（Δω／２π＝１０ＭＨｚ）とし、複数のレーザ光の本数ｍを６本（ｍ＝６）とする。この場合、狭帯域バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１２２０の透過帯域の半値幅は、２×ｍ×Δω／２π＝１２０メガヘルツ（ＭＨｚ）以上とすることが望ましい。

　上述の背景技術において説明したように、ドップラーシフトに対応するためには、１８ＧＨｚ程度の通過帯域幅を有する光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を用いる必要がある。この通過帯域幅に対して、ここで求めたレーザ光の帯域幅（１２０ＭＨｚ）は十分に小さいので、ドップラーシフトにも対応可能である。

　空間光送信装置２１００から送出されたｍ本のレーザ光は、大気揺らぎ２１の影響により、それぞれ異なる光強度と位相の時間変動特性を有する状態で、受光器１２３０において一括して光電変換される。このとき、ｍ本のレーザ光の間で干渉が発生するが、この場合、ｍ（ｍ－１）／２ 通りの組み合わせが可能である。干渉信号の周波数成分は、式（１１）の第２項からｓｉｎ（ｋΔωｔ）、（ｋ＝１，２，・・・ｍ－１）となる。

　したがって、ｍ本のレーザ光を用いる場合でも、図６を用いて説明した二種のレーザ光による場合と同様に、差分周波数Δωを大気揺らぎの周波数成分より十分に高く設定すればよい。これにより、電気フィルタ回路１２４０によって干渉信号からΔω成分を除去し、大気揺らぎの周波数成分だけを抽出することができる。

　図１０に、周波数シフタ２１３０によって付与される周波数差の成分と、大気揺らぎの周波数成分との関係を模式的に示す。横軸は周波数であり、縦軸は各信号の強度である。

　各レーザ光の周波数オフセット幅は、Δω／２π～（ｍ－１）Δω／２πの範囲に配置される。大気揺らぎの影響を回避して安定な追尾を実現するためには、差分周波数の最小値であるΔω／２πが、自由空間における大気揺らぎが有する周波数成分の上限値であるωａ／２πよりも十分に高い周波数であることが必要となる。その理由は、大気揺らぎが十分に静止しているとみなせる時間範囲において、少なくとも１周期以上の干渉による振幅の変動が発生する必要があるからである。

　具体的には、大気揺らぎの周波数成分は１～２キロヘルツ（ｋＨｚ）程度であるので、例えば、Δω／２π＝１０メガヘルツ（ＭＨｚ）とすることができる。これにより、大気揺らぎの状態が一定と見なせる期間に、二種のレーザ光の間で約５０００回程度の干渉による強度の強弱が生じることになる。

　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、第１の通信局において、光周波数および位相差の時間変化のいずれかが異なる互いに干渉可能な複数のレーザ光を生成する。そして、この複数のレーザ光を、それぞれ異なる波面とした複数の波面制御光を自由空間に送出する。

　続いて、第１の通信局と通信を行う第２の通信局において、自由空間を伝搬した後の波面制御光である受信レーザ光を含む受信光を集光する。そして、この受信光から受信レーザ光を取り出し、受信レーザ光を光電変換する。

　ここで、複数の波面制御光からなるレーザ光を空間光通信におけるビーコン光として用いることができる。

　以上、説明したように、本実施形態の空間光通信システム２０００および空間光通信方法によれば、ビーコン光の安定な伝送を低コストで実現することが可能であり、安定な追尾を維持することができる。すなわち、大気揺らぎの影響を回避することができ、地上から人工衛星へビーコン光を安定して伝送することが可能になる。

　本実施形態による空間光通信システム２０００を、地上－人工衛星間の空間光通信におけるアップリンク・ビーコン光の伝送に適用することができる。これにより、大気揺らぎによってビーコン光がフェードし、人工衛星が地上局を追尾する精度が劣化する、という問題を解決することができる。その結果、安定な追尾制御による、安定な空間光通信システムを実現することが可能になる。

　〔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１１に、本発明の第４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３１００と空間光受信装置１２００とを有し、自由空間２０を介してビーコン光の伝送を行う。空間光受信装置１２００は、第２の実施形態によるものと同様である。

　空間光送信装置３１００は、波面制御光送出手段の構成が第３の実施形態による空間光送信装置２１００の構成と異なる。すなわち、本実施形態による空間光送信装置３１００は、複数のレーザ光を、単一光モードでそれぞれ導波する複数の光導波手段と、複数の光導波手段を伝搬した複数のレーザ光を自由空間に出射する出射手段とを含む波面制御光送出手段を備える。

　具体的には、本実施形態による空間光送信装置３１００は、モード多重器２１４０と数モードファイバ（ＦＭＦ）２１５０に替えて、バンドルファイバ３１５０とファンアウト部３１４０を備えた構成とすることができる。ここで、バンドルファイバ３１５０はｍ本のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）からなる。また、ファンアウト部３１４０はバンドルファイバを個々のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）に分岐する。

　ｍ本のレーザ光は、バンドルファイバ３１５０に含まれるｍ本のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）を介して、送信側望遠鏡２１６０から自由空間２０に送出される。ここで、送信側望遠鏡２１６０の内部においてシングルモードファイバ（ＳＭＦ）の空間的な相対位置が異なるので、ｍ本のレーザ光はそれぞれ異なる波面を有する状態で自由空間２０に送出される。

　空間光送信装置３１００から送出された異なる波面を有する複数のレーザ光からなるビーコン光２２は、第３の実施形態による空間光通信システム２０００と同様に、自由空間２０を伝搬した後に空間光受信装置１２００によって受信される。

　本実施形態の空間光通信システム３０００によれば、ビーコン光の安定な伝送を低コストで実現することが可能であり、安定な追尾を維持することができる。

　本実施形態による空間光通信システム３０００を、地上－人工衛星間の空間光通信におけるアップリンク・ビーコン光の伝送に適用することができる。これにより、大気揺らぎによってビーコン光がフェードし、人工衛星が地上局を追尾する精度が劣化する、という問題を解決することができる。その結果、安定な追尾制御による、安定な空間光通信システムを実現することが可能になる。

　〔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１２は、本発明の第５の実施形態に係る空間光通信システム４０００の構成を示すブロック図である。空間光通信システム４０００は空間光送信装置４１００と空間光受信装置４２００とを有し、自由空間２０を介してビーコン光２２の伝送を行う。

　本実施形態による空間光通信システム４０００は、上述した第３の実施形態による空間光通信システム２０００に、新たな機能を有する構成を加えたものである。

　空間光送信装置４１００は、単一レーザ光源２１１０、光分岐器２１２０、光周波数シフタ２１３０、モード多重器２１４０、光導波媒体１１３０、および送信側望遠鏡２１６０を備える。ここまでの構成は、第３の実施形態による空間光送信装置２１００と同様である。

　空間光送信装置４１００はさらに、送信側光分岐器４１１０、モード分離手段としてのモード分離器４１２０、モニタ受光手段としてのモニタ受光器４１３０、制御手段としての制御部４１４０、および光強度調節手段としての可変光増幅器４１５０を備える。

　空間光受信装置４２００は、受信側望遠鏡１２１０、狭帯域バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１２２０、受光器１２３０、および電気フィルタ回路１２４０を備える。ここまでの構成は、第２の実施形態による空間光受信装置１２００と同様である。

　空間光受信装置４２００はさらに、モニタ用レーザ光を送出する受信側レーザ光源４２１０と受信側光分岐器４２２０を備える。ここで、受信側光分岐器４２２０と受信側望遠鏡１２１０が受信側出射手段を構成し、モニタ用レーザ光３１を自由空間２０に出射する。受信側光分岐器４２２０は、受信側望遠鏡１２１０から狭帯域バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１２２０に向かうレーザ光と、受信側レーザ光源４２１０から受信側望遠鏡１２１０へ向かうモニタ用レーザ光を分岐合流させる機能を有する。なお、受信側光分岐器４２２０には、空間光送信装置４１００が備える送信側光分岐器４１１０と同様のデバイスを用いることができる。

　一方、送信側光分岐器４１１０は、自由空間２０を伝搬するビーコン光２２に対応する、モード多重器２１４０から送信側望遠鏡２１６０に向かうレーザ光と、送信側望遠鏡２１６０で集光されたモニタ用レーザ光とを分岐合流させる機能を有する。そして、送信側光分岐器４１１０と送信側望遠鏡２１６０が送信側集光手段を構成し、自由空間２０を伝搬した後のモニタ用レーザ光である受信モニタ用レーザ光を集光する。

　送信側光分岐器４１１０として、波長分離フィルタ、サーキュレータ、および偏波分離素子などを用いることができる。送信側光分岐器４１１０は、光導波媒体１１３０の途中に挿入される。具体的には、光導波媒体１１３０を構成する数モードファイバ（ＦＭＦ）の途中、または数モードファイバ（ＦＭＦ）と送信側望遠鏡２１６０との間の光学系に、送信側光分岐器４１１０が挿入された構成とすることができる。なお、光導波媒体１１３０は、伝搬する複数の直交するモードのレーザ光の間においてクロストークの発生が少ないことが望ましい。

　モード分離器４１２０は、受信モニタ用レーザ光を、それぞれ直交する異なるモードに分離して複数のモニタ用モード光を生成する。すなわち、モード分離器４１２０は送信側望遠鏡２１６０で集光されて光導波媒体１１３０を介して入射した受信モニタ用レーザ光を、直交するｍ個の伝搬モードに分離し、ｍ本のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）にそれぞれ結合させる。

　モニタ受光器４１３０は、モード分離された複数（ｍ本）のモニタ用モード光をそれぞれ光電変換してモニタ信号を生成する。制御部４１４０は、このモニタ信号に基づいて可変光増幅器４１５０を制御する。具体的には、制御部４１４０はモニタ受光器４１３０で受光されたｍ本のレーザ光の強度をモニタし、あらかじめ定められた手順に従って制御信号３２を生成する。そして、可変光増幅器４１５０は、光周波数シフタ２１３０が送出する複数のレーザ光の強度を、制御信号３２に基づいてそれぞれ変化させる。

　次に、本実施形態による空間光通信システム４０００の動作について説明する。

　本実施形態による空間光通信システム４０００においては、ダウンリンク方向に伝搬されるモニタ用レーザ光３１を用いることにより、アップリンク方向に伝搬されるレーザ光であるビーコン光２２の伝搬特性を安定化させることができる。

　モニタ用レーザ光３１とビーコン光２２は自由空間２０を共有し、同時に、双方向に伝搬する。このとき、大気揺らぎ２１中のレーザ光の伝搬は近似的に可逆であると見なすことができる。さらに、大気揺らぎ２１の時定数に比べて、レーザ光が大気中を伝搬する時間は十分に短いので、レーザ光の伝搬に対して大気は静止していると見なすことができる。具体的には、大気（対流圏と成層圏）の厚さを５０キロメートル（ｋｍ）とすると、天頂角が０度の場合、大気中をレーザ光が伝搬する時間は約０．１７ミリ秒（ｍｓｅｃ）程度である。したがって、大気揺らぎの周波数成分を１キロヘルツ（ｋＨｚ）、すなわち時定数を１ミリ秒（ｍｓｅｃ）とすると、レーザ光の伝搬時間は大気揺らぎ２１の時定数に比べて十分に短いことがわかる。

　大気揺らぎの影響を受けることにより、ダウンリンクのモニタ用レーザ光３１の波面は乱される。自由空間２０を伝搬した後のモニタ用レーザ光である受信モニタ用レーザ光を、送信側望遠鏡２１６０で集光し、光導波媒体１１３０と送信側光分岐器４１１０を介してモード分離器４１２０に導入する。そしてモード分離器４１２０において直交するモードに分離し、モニタ受光器４１３０でそれぞれの強度を測定する。これにより、大気揺らぎ２１を含む自由空間２０の伝搬特性を検出することができる。具体的には、モード分離された複数のモニタ用モード光をモニタ受光器４１３０で光電変換してそれぞれの強度を求めることにより、モニタ用レーザ光３１のｍ番目のモードへの強度分配係数を得ることができる。

　ここで、自由空間２０の伝搬特性は可逆的であるとすると、ここで検出した強度分配係数は、アップリンクのビーコン光２２を構成するｍモードのレーザ光２２－１～２２－ｍの伝搬係数と等しいと見なすことができる。すなわち、式（１２）中のＡ′、Ｂ′に相当する係数を、モニタ受光器４１３０の光強度モニタ値から推定することが可能になる。

　制御部４１４０はモニタ受光器４１３０の光強度モニタ値に基づいて、送信するレーザ光の強度を制御するためのｍ本の制御信号３２をあらかじめ決められた手順に従って生成する。

　このように、光周波数シフタ２１３０が送出するｍ本のレーザ光は可変光増幅器４１５０によって出力光強度を調整される。その後、モード多重器２１４０で多重され、送信側望遠鏡２１６０からビーコン光２２として自由空間２０に送出される。

　制御部４１４０における制御方法の一例として、モニタ受光器４１３０から取得した光強度モニタ値の上位２個に対応するモードのレーザ光を選択する手法を用いることができる。具体的には、制御部４１４０は入力されるダウンリンクのｍ本の光強度モニタ値から、光強度の強い順に上位の２本のモードを選択し、この２本のモードを指定する制御信号３２を可変光増幅器４１５０に送出する。可変光増幅器４１５０は、指定された２本以外の（ｍ－２）本のモードに対応するレーザ光の出力強度を十分に低下させる。

　ここで、モニタ受光器４１３０は光の位相は検出できないものとする。したがって、受信側望遠鏡１２１０に到達するレーザ光の位相差を制御することはできない。そのため、ビーコン光２２を構成するレーザ光の位相は、大気揺らぎ２０によりランダムに変化する。この場合、３本以上のモード数でアップリンクのレーザ光（ビーコン光２２）を送信すると、複数の組合せが存在することにより干渉が弱め合う条件が確率的に発生する。それに対して、送信するレーザ光を上述したように２本に制限することにより、空間光受信装置４２００が備える受光器１２３０で発生する干渉を安定化させることができる。

　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。

　本実施形態による空間光通信方法では、まず、第１の通信局と通信を行う第２の通信局において、モニタ用レーザ光を生成し、モニタ用レーザ光を自由空間に出射する。そして、第１の通信局において、自由空間を伝搬した後のモニタ用レーザ光である受信モニタ用レーザ光を集光し、受信モニタ用レーザ光を、それぞれ直交する異なるモードに分離して複数のモニタ用モード光を生成する。この複数のモニタ用モード光をそれぞれ光電変換してモニタ信号を生成し、このモニタ信号に基づいて、複数のレーザ光の強度をそれぞれ変化させる。

　このとき、第１の通信局において、複数のモニタ用モード光からモニタ信号の強度が大きい二種のモニタ用モード光を選択する構成としてもよい。そして、複数のレーザ光のうち、この二種のモニタ用モード光に対応する二種のレーザ光以外のレーザ光の強度を減衰させる。それとともに、この二種のレーザ光の強度を、第２の通信局における受信レーザ光の強度の時間変化が小さくなるように、それぞれ制御する構成とすることができる。

　以上、説明したように、本実施形態の空間光通信システム４０００および空間光通信方法によれば、ビーコン光の安定な伝送を低コストで実現することが可能であり、安定な追尾を維持することができる。さらに、ダウンリンクのレーザ光の伝搬特性を参照して、アップリンクのレーザ光のモード毎の強度比を調整することが可能になるので、空間光受信装置４２００に到達するビーコン光の強度の安定化を図ることができる。

　〔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１３に、本発明の第６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は空間光送信装置５１００と空間光受信装置５２００とを有し、自由空間２０を介して信号レーザ光３０の伝送を行う。

　本実施形態による空間光通信システム５０００は、上述した第５の実施形態による空間光通信システム４０００に、さらにアップリンクの信号通信機能を有する構成を加えたものである。

　空間光送信装置５１００は、信号源５１１０、信号多重部５１２０、送信側高域通過手段としての送信側ハイパスフィルタ（Ｈｉｇｈ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ：ＨＰＦ）５１３０、および光変調手段としての光変調器５１４０をさらに備える。ここで、信号源５１１０と信号多重部５１２０が情報信号生成手段を構成し、送信する情報信号を生成する。その他の構成は第５の実施形態による空間光送信装置４１００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５２００は、受信手段としての信号受光器５２１０、受信側高域通過手段としての受信側ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）５２２０、および情報信号再生手段としての信号再生部５２３０をさらに備える。その他の構成は第５の実施形態による空間光受信装置４２００と同様であるので、それらの説明は省略する。

　空間光送信装置５１００が備える信号源５１１０は、アップリンクで送信する信号列を生成する。信号多重部５１２０は、あらかじめ決められたブロック長を単位として、信号源５１１０で生成された信号列を２倍に多重した信号列とする。送信側ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）５１３０は多重した信号のスペクトル成分に含まれる低域成分を遮断し、高周波側成分だけを通過させる。光変調器５１４０は、単一レーザ光源２１１０から出力されたレーザ光を信号列に従って変調する。

　空間光受信装置５２００が備える信号受光器５２１０は、空間光送信装置５１００で変調されたレーザ光を受光し光電変換する。受信側ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）５２２０は光電変換された信号のスペクトルから低域成分を遮断し、高周波側成分のみを通過させる。信号再生部５２３０は受信側ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）５２２０を通過した信号から受信信号を再生する。

　次に、本実施形態による空間光通信システム５０００の動作について、図１４を用いて説明する。図１４は、本実施形態の空間光通信システム５０００における信号列および信号スペクトルを模式的に示した図である。

　図１４のＡ欄に示すように、信号源５１１０は、あらかじめ定められたブロックサイズの信号列を生成する。同図では、光周波数シフタ２１３０が与えるオフセット周波数をΔω／２πとし、ブロック長の時間を２π／Δωとした場合を示す。

　信号多重部５１２０は、図１４のＢ欄に示すように、この信号列を２回繰り返して多重する。このときのスペクトルは同図に示すように、信号の長周期成分を反映して低域成分を含んだスペクトルとなる。

　送信側ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）５１３０は、図１４のＣ欄に示すように、信号のスペクトルから低域成分を除去する。同図中の矩形状の破線は、送信側ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）５１３０の透過特性を示す。このときのカットオフ周波数ｆｃは、（ｍ－１）Δω／２π＜ｆｃの関係を満たしている。この関係を満たす必要があるのは、周波数オフセットを与えたアップリンクの信号レーザ光によって受信側で発生する周波数Δωのビートに対して、信号源５１１０による信号のスペクトル成分が影響を与えないようにするためである。

　光変調器５１４０で変調された信号レーザ光は、ｍ本に分岐され光周波数オフセット処理を施された後に、送信側望遠鏡２１６０から自由空間２０に送出される。

　空間光送信装置５１００から送出された信号レーザ光３０は、大気揺らぎ２１の影響を受けた後に空間光受信装置５２００に到達する。信号レーザ光３０は受信側望遠鏡１２１０の開口面で干渉し、Δωの周期で強度変動が発生する。この強度変動の周期は、図１４のＤ欄に示すように、２倍に多重された信号の周期と等しくなる。

　信号受光器５２１０で光電変換された信号は、干渉の結果、周期Δω／２πでフェードが発生する可能性がある。しかしながら本実施形態では、送信信号を同じ周期で２回繰り返し送信する構成としているので、信号のリダンダンシを確保することができる。

　信号受光器５２１０によって光電変換された信号には、図１４のＥ欄に示したスペクトルのように、周波数オフセット（Δω／２π）の成分が含まれている。この周波数オフセット成分を、図１４のＦ欄に示したスペクトルのように、受信側ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）５２２０で除去する。信号再生部５２３０は、図１４のＧ欄に示すように、フェード部分を含まないブロックを選択し受信信号を再生する。

　上述した、信号受光器５２１０によって光電変換された信号に生じるフェードは、式（１１）において、Ａ＝Ｂ、かつ、φＡ＝φＢとなる場合に周期Δω／２πで発生する。ここで、φＡ、φＢは未知の変数であるが、係数Ａ、Ｂは信号受光器５２１０によって定まる。

　一方、空間光送信装置５１００が備える制御部４１４０は、制御信号３２を用いて可変光増幅器４１５０を制御することにより、出力光強度を調整することができる。したがって、制御部４１４０が、受信側において式（１１）における係数Ａ、ＢがＡ≠Ｂとなる条件を満たすように出力光強度を制御することにより、受信側で光電変換された信号に生じるフェードを緩和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通信システム５０００によれば、情報信号を伝送する信号レーザ光をビーコン光として用いることができる。そして、このビーコン光の安定な伝送を低コストで実現することが可能であり、安定な追尾を維持することができる。さらに、アップリンクの信号レーザ光に対する大気揺らぎの影響を緩和し、干渉の影響を回避することが可能になる。その結果、信号通信の安定化を図ることができる。

　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）光周波数および位相差の時間変化のいずれかが異なる互いに干渉可能な複数のレーザ光を送出するレーザ光送出手段と、前記複数のレーザ光を、それぞれ異なる波面とした複数の波面制御光を自由空間に送出する波面制御光送出手段、とを有する空間光送信装置。

　（付記２）前記複数のレーザ光の前記光周波数の差である差分周波数および前記位相差の変化の周波数のいずれかが、前記自由空間における大気揺らぎの周波数よりも大きい付記１に記載した空間光送信装置。

　（付記３）前記レーザ光送出手段は、単一レーザ光を送出するレーザ光源と、前記単一レーザ光を分岐し複数の分岐レーザ光を生成する光分岐手段と、前記複数の分岐レーザ光の光周波数をそれぞれ異なる周波数だけ偏移させる複数の光周波数偏移手段、とを備える　付記１または２に記載した空間光送信装置。

　（付記４）前記レーザ光送出手段は、単一レーザ光を送出するレーザ光源と、前記単一レーザ光を分岐し複数の分岐レーザ光を生成する光分岐手段と、前記複数の分岐レーザ光にそれぞれ異なる周波数で位相変調を施す複数の位相変調手段、とを備える付記１または２に記載した空間光送信装置。

　（付記５）前記位相変調手段は、前記自由空間における大気揺らぎの周波数よりも大きい周波数で、前記分岐レーザ光の一波長に相当する位相量以上の範囲で位相変調を施す付記４に記載した空間光送信装置。

　（付記６）前記波面制御光送出手段は、前記複数のレーザ光を、それぞれ直交する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、とを備える付記１から５のいずれか一項に記載した空間光送信装置。

　（付記７）前記モード合成手段は、一の光周波数の前記レーザ光を、他の光周波数の前記レーザ光および前記位相差の変化の周波数が異なる前記レーザ光のいずれかのモードと異なる一のモードにだけ変換する付記６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波面制御光である受信レーザ光を含む受信光を集光する集光手段と、前記受信光のうち前記受信レーザ光を通過させる光帯域通過手段と、前記受信レーザ光を光電変換する受光手段、とを備える空間光通信システム。

　（付記９）前記空間光受信装置は、モニタ用レーザ光を送出する受信側レーザ光源と、前記モニタ用レーザ光を自由空間に出射する受信側出射手段、とを備え、前記空間光送信装置は、前記複数のレーザ光の強度をそれぞれ変化させる光強度調節手段と、前記自由空間を伝搬した後の前記モニタ用レーザ光である受信モニタ用レーザ光を集光する送信側集光手段と、前記受信モニタ用レーザ光を、それぞれ直交する異なるモードに分離して複数のモニタ用モード光を生成するモード分離手段と、前記複数のモニタ用モード光をそれぞれ光電変換してモニタ信号を生成するモニタ受光手段と、前記モニタ信号に基づいて前記光強度調節手段を制御する制御手段、とを備える付記８に記載した空間光通信システム。

　（付記１０）第１の通信局において、光周波数および位相差の時間変化のいずれかが異なる互いに干渉可能な複数のレーザ光を生成し、前記複数のレーザ光を、それぞれ異なる波面とした複数の波面制御光を自由空間に送出し、前記第１の通信局と通信を行う第２の通信局において、前記自由空間を伝搬した後の前記波面制御光である受信レーザ光を含む受信光を集光し、前記受信光から前記受信レーザ光を取り出し、前記受信レーザ光を光電変換する空間光通信方法。

　（付記１１）前記波面制御光送出手段は、前記複数のレーザ光を、それぞれ直交する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導波する多モード導波手段と、前記合成レーザ光を自由空間に出射する出射手段、とを備える付記１から５のいずれか一項に記載した空間光送信装置。

　（付記１２）前記波面制御光送出手段は、前記複数のレーザ光を、単一光モードでそれぞれ導波する複数の光導波手段と、前記複数の光導波手段を伝搬した前記複数のレーザ光を自由空間に出射する出射手段、とを備える付記１から５のいずれか一項に記載した空間光送信装置。

　（付記１３）前記複数のレーザ光による干渉光の強度変化の周波数の最小値が、１メガヘルツよりも大きい付記１から１２のいずれか一項に記載した空間光送信装置。

　（付記１４）付記３または４に記載した空間光送信装置と、空間光受信装置を有し、前記空間光送信装置は、送信する情報信号を生成する情報信号生成手段と、前記情報信号のうち、カットオフ周波数よりも高い周波数成分を有する送信情報信号のみを通過させる送信側高域通過手段と、前記単一レーザ光を前記送信情報信号に基づいて変調して変調レーザ光を生成し、前記変調レーザ光を前記単一レーザ光として前記光分岐手段に送出する光変調手段、とを有し、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波面制御光である受信レーザ光を含む受信光を集光する集光手段と、前記受信光のうち前記受信レーザ光を通過させる光帯域通過手段と、前記受信レーザ光を光電変換して受信信号を生成する受信手段と、前記受信信号のうち、カットオフ周波数よりも高い周波数成分を有する受信情報信号のみを通過させる受信側高域通過手段、とを備える空間光通信システム。

　（付記１５）前記情報信号生成手段は、前記複数のレーザ光による干渉光の強度変化の周波数のうち最小周波数の周期で、情報データを二重化して前記情報信号を生成し、前記空間光受信装置は、前記受信情報信号に含まれる二重化された成分のいずれかを選択して前記情報データを再生する情報信号再生手段を備える付記１４に記載した空間光通信システム。

　（付記１６）前記複数のレーザ光による干渉光の強度変化の周波数の最小値が、前記自由空間における大気揺らぎが有する周波数成分の上限値よりも大きく、前記カットオフ周波数が、前記差分周波数の最大値よりも大きい付記１４または１５に記載した空間光通信システム。

　（付記１７）前記複数のレーザ光による干渉光の強度変化の周波数の最小値が、１メガヘルツよりも大きく、かつ、１００メガヘルツよりも小さい付記１４から１６のいずれか一項に記載した空間光通信システム。

　（付記１８）前記第２の通信局において、モニタ用レーザ光を生成し、前記モニタ用レーザ光を自由空間に出射し、前記第１の通信局において、前記自由空間を伝搬した後の前記モニタ用レーザ光である受信モニタ用レーザ光を集光し、前記受信モニタ用レーザ光を、それぞれ直交する異なるモードに分離して複数のモニタ用モード光を生成し、前記複数のモニタ用モード光をそれぞれ光電変換してモニタ信号を生成し、前記モニタ信号に基づいて、前記複数のレーザ光の強度をそれぞれ変化させる付記１０に記載した空間光通信方法。

　（付記１９）前記第１の通信局において、前記複数のモニタ用モード光から前記モニタ信号の強度が大きい二種のモニタ用モード光を選択し、前記複数のレーザ光のうち、前記二種のモニタ用モード光に対応する二種の前記レーザ光以外の前記レーザ光の強度を減衰させ、前記二種のレーザ光の強度を、前記第２の通信局における前記受信レーザ光の強度の時間変化が小さくなるように、それぞれ制御する付記１８に記載した空間光通信方法。

　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８月２０日に出願された日本出願特願２０１５－１６２４９３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。

　１００、１１００、２１００、３１００、４１００、５１００　　空間光送信装置
　１１０　　レーザ光送出手段
　１２０　　波面制御光送出手段
　１０００、２０００、３０００、４０００、５０００　　空間光通信システム
　１１１０　　レーザ光源
　１１２０　　多重器
　１１３０　　光導波媒体
　１１４０、２１６０　　送信側望遠鏡
　１１５０、２１７０　　光増幅器
　１２００、４２００、５２００　　空間光受信装置
　１２１０　　受信側望遠鏡
　１２２０　　狭帯域バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
　１２３０　　受光器
　１２４０　　電気フィルタ回路
　２１１０　　単一レーザ光源
　２１２０　　光分岐器
　２１３０　　光周波数シフタ
　２１４０　　モード多重器
　２１５０　　数モードファイバ（ＦＭＦ）
　３１４０　　ファンアウト部
　３１５０　　バンドルファイバ
　４１１０　　送信側光分岐器
　４１２０　　モード分離器
　４１３０　　モニタ受光器
　４１４０　　制御部
　４１５０　　可変光増幅器
　４２１０　　受信側レーザ光源
　４２２０　　受信側光分岐器
　５１１０　　信号源
　５１２０　　信号多重部
　５１３０　　送信側ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）
　５１４０　　光変調器
　５２１０　　信号受光器
　５２２０　　受信側ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）
　５２３０　　信号再生部
　１１　　レーザ光
　１２　　波面制御光
　２０　　自由空間
　２１　　大気ゆらぎ
　２２　　ビーコン光
　３０　　信号レーザ光
　３１　　モニタ用レーザ光
　３２　　制御信号

Claims (10)

1. 　光周波数および位相差の時間変化のいずれかが異なる互いに干渉可能な複数のレーザ光を送出するレーザ光送出手段と、
   　前記複数のレーザ光を、それぞれ異なる波面とした複数の波面制御光を自由空間に送出する波面制御光送出手段、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の前記光周波数の差である差分周波数および前記位相差の変化の周波数のいずれかが、前記自由空間における大気揺らぎの周波数よりも大きい
   　空間光送信装置。
3. 　請求項１または２に記載した空間光送信装置において、
   　前記レーザ光送出手段は、
   　　単一レーザ光を送出するレーザ光源と、
   　　前記単一レーザ光を分岐し複数の分岐レーザ光を生成する光分岐手段と、
   　　前記複数の分岐レーザ光の光周波数をそれぞれ異なる周波数だけ偏移させる複数の光周波数偏移手段、とを備える
   　空間光送信装置。
4. 　請求項１または２に記載した空間光送信装置において、
   　前記レーザ光送出手段は、
   　　単一レーザ光を送出するレーザ光源と、
   　　前記単一レーザ光を分岐し複数の分岐レーザ光を生成する光分岐手段と、
   　　前記複数の分岐レーザ光にそれぞれ異なる周波数で位相変調を施す複数の位相変調手段、とを備える
   　空間光送信装置。
5. 　請求項４に記載した空間光送信装置において、
   　前記位相変調手段は、前記自由空間における大気揺らぎの周波数よりも大きい周波数で、前記分岐レーザ光の一波長に相当する位相量以上の範囲で位相変調を施す
   　空間光送信装置。
6. 　請求項１から５のいずれか一項に記載した空間光送信装置において、
   　前記波面制御光送出手段は、
   　　前記複数のレーザ光を、それぞれ直交する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、とを備える
   　空間光送信装置。
7. 　請求項６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、一の光周波数の前記レーザ光を、他の光周波数の前記レーザ光および前記位相差の変化の周波数が異なる前記レーザ光のいずれかのモードと異なる一のモードにだけ変換する
   　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波面制御光である受信レーザ光を含む受信光を集光する集光手段と、
   　　前記受信光のうち前記受信レーザ光を通過させる光帯域通過手段と、
   　　前記受信レーザ光を光電変換する受光手段、とを備える
   　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、
   　前記空間光受信装置は、
   　　モニタ用レーザ光を送出する受信側レーザ光源と、
   　　前記モニタ用レーザ光を自由空間に出射する受信側出射手段、とを備え、
   　前記空間光送信装置は、
   　　前記複数のレーザ光の強度をそれぞれ変化させる光強度調節手段と、
   　　前記自由空間を伝搬した後の前記モニタ用レーザ光である受信モニタ用レーザ光を集光する送信側集光手段と、
   　　前記受信モニタ用レーザ光を、それぞれ直交する異なるモードに分離して複数のモニタ用モード光を生成するモード分離手段と、
   　　前記複数のモニタ用モード光をそれぞれ光電変換してモニタ信号を生成するモニタ受光手段と、
   　　前記モニタ信号に基づいて前記光強度調節手段を制御する制御手段、とを備える
   　空間光通信システム。
10. 　第１の通信局において、
    　　光周波数および位相差の時間変化のいずれかが異なる互いに干渉可能な複数のレーザ光を生成し、
    　　前記複数のレーザ光を、それぞれ異なる波面とした複数の波面制御光を自由空間に送出し、
    　前記第１の通信局と通信を行う第２の通信局において、
    　　前記自由空間を伝搬した後の前記波面制御光である受信レーザ光を含む受信光を集光し、
    　　前記受信光から前記受信レーザ光を取り出し、
    　　前記受信レーザ光を光電変換する
    　空間光通信方法。

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