WO2020241249A1 - 受信光学系制御装置および受信光学系制御方法 - Google Patents

受信光学系制御装置および受信光学系制御方法 Download PDF

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WO2020241249A1
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optical system
control amount
optical
relative phase
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学 有川
俊治 伊東
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日本電気株式会社
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    • 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
    • H04B10/60—Receivers
    • H04B10/61—Coherent receivers
    • H—ELECTRICITY
    • 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
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    • H—ELECTRICITY
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    • 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
    • H04B10/118—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum specially adapted for satellite communication

Definitions

  • the present invention relates to a receiving optical system control device and a receiving optical system control method, and more particularly to a receiving optical system control device and a receiving optical system control method used in an optical space communication system.
  • optical space communication is attracting attention as a method capable of achieving a large capacity without substantially restricting the bandwidth.
  • light having a wavelength much shorter than that of microwaves is used, so that high directivity can be obtained and the transmitter / receiver device can be made smaller and lighter.
  • optical space communication using the 1.5 micrometer ( ⁇ m) wavelength band uses transmission / reception technology and devices developed for optical fiber communication applications on the ground in order to realize high-speed, high-sensitivity optical communication. It has the advantage of being able to.
  • a device based on single mode fiber (SMF) is used as in optical fiber communication on the ground. Therefore, it is necessary to combine the light transmitted from an artificial satellite or the like with a single mode fiber (SMF) having a core diameter of about 10 micrometers ( ⁇ m) on the receiving side on the ground.
  • SMF single mode fiber
  • the diversity reception method a plurality of receivers are prepared. In this case, if the influence of atmospheric fluctuation is different for each optical signal input to each receiver, the best output from multiple receivers is selected, and more generally, multiple received signals are combined. As a result, the probability of fading occurring in the synthesized signal is reduced.
  • Patent Document 1 describes an example of an optical space communication receiver using such a diversity receiving method.
  • the related optical space communication receiver described in Patent Document 1 is a mode diversity type, and is a fumode fiber, a mode separator, a plurality of coherent receivers, a plurality of ADCs (A / D converters), and an LO (local). It has an oscillator) and a digital signal processing unit.
  • the digital signal processing unit is a relative delay compensation unit that performs relative delay compensation between each received signal, a relative phase compensation unit that performs relative phase compensation between each received signal, and each received signal whose phase is aligned. It is provided with a maximum ratio synthesis unit that performs maximum ratio synthesis.
  • the phase reference signal selection unit included in the relative phase compensation unit selects the signal having the best quality from the received signals as the phase reference signal.
  • the related mode diversity type optical space communication receiver described in Patent Document 1 couples an optical beam to a fumode fiber having a plurality of propagation modes, and outputs an optical signal coupled to each mode. Receive separately with a mode separator. After that, diversity synthesis is performed by digital signal processing. At this time, since the influence of atmospheric fluctuations received by the optical signals coupled to each mode can be considered to fluctuate independently or complementarily for each mode, the influence of fading on the combined signal is mitigated by the diversity effect. Will be done.
  • an optical fiber having an aperture of several centimeters (cm) to 1 meter (m) receives a light beam, and the received incident light beam has a core diameter of about 10 micrometers ( ⁇ m). It is necessary to combine with the core (optical transmission medium) of. Therefore, the coupled optical system for that purpose is one of the important functions related to the reception characteristics, and very precise design and control are required. Further, the control of such a coupling optical system needs to be sufficiently faster than the time scale of a phenomenon that causes deterioration of coupling efficiency such as atmospheric fluctuation and fluctuation of the device.
  • An object of the present invention is that in optical space communication, which is the above-mentioned problem, it is necessary to control the optical system for coupling the incident light beam to the optical transmission medium with high accuracy and high speed, so that the cost of the receiver increases. It is an object of the present invention to provide a receiving optical system control device and a receiving optical system control method for solving the problem of.
  • the receiving optical system control device of the present invention receives, among the incident light beams, a plurality of mode lights coupled to a plurality of propagation modes of an optical transmission medium by an optical system provided with a variable mechanism for each mode light.
  • An optical intensity calculating means for calculating the light intensity of each mode light from the obtained received signal
  • an optical phase calculating means for calculating the optical phase of each mode light from the received signal, and between a plurality of mode lights from the optical phase. It has a relative phase calculating means for calculating the relative phase of the above, and a control amount calculating means for calculating the control amount of the variable mechanism from the light intensity and the relative phase.
  • the receiving optical system control method of the present invention receives, among the incident light beams, a plurality of mode lights coupled to a plurality of propagation modes of an optical transmission medium by an optical system having a variable mechanism for each mode light.
  • the received signal is acquired, the light intensity of each mode light is calculated from the received signal, the optical phase of each mode light is calculated from the received signal, and the relative phase between a plurality of mode lights is calculated from the optical phase.
  • the control amount of the variable mechanism is calculated from the light intensity and the relative phase.
  • an optical system that couples an incident light beam to an optical transmission medium in optical space communication, an optical system that couples an incident light beam to an optical transmission medium can be performed with high accuracy without increasing the cost of the receiver. It can be controlled at high speed.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a receiving optical system control device 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • the receiving optical system control device 100 includes a light intensity calculation unit (light intensity calculation means) 110, an optical phase calculation unit (optical phase calculation means) 120, a relative phase calculation unit (relative phase calculation means) 130, and a control amount calculation unit ( It has a control amount calculation means) 140.
  • the light intensity calculation unit 110 receives the incident light beam obtained by receiving a plurality of mode lights coupled to a plurality of propagation modes of the optical transmission medium by an optical system having a variable mechanism for each mode light. From the signal, the light intensity of each mode light is calculated.
  • the optical phase calculation unit 120 calculates the optical phase of each mode light from this received signal.
  • the relative phase calculation unit 130 calculates the relative phase between the plurality of mode lights from this optical phase. Then, the control amount calculation unit 140 calculates the control amount of the variable mechanism from the light intensity and the relative phase.
  • the receiving optical system control device 100 has a configuration in which the control amount calculation unit 140 calculates the control amount of the variable mechanism from the light intensity and the relative phase. Therefore, it is possible to control the optical system provided with the variable mechanism with high accuracy and high speed without monitoring the incident light beam. That is, according to the receiving optical system control device 100 of the present embodiment, in optical space communication, the optical system that couples the incident light beam to the optical transmission medium can be coupled to the optical transmission medium with high accuracy and high speed without increasing the cost of the receiver. Can be controlled.
  • control amount calculation unit 140 can be configured to calculate the control amount that maximizes the total coupling efficiency, which is the sum of the coupling efficiencies of the incident light beam and each of the plurality of propagation modes.
  • the relative phase calculation unit 130 can be configured to calculate the relative phase with reference to the phase of the basic mode among the plurality of mode lights.
  • a plurality of mode lights coupled to a plurality of propagation modes of the optical transmission medium by an optical system having a variable mechanism are generated for each mode light.
  • calculating the above-mentioned control amount can be used to calculate the control amount that maximizes the total coupling efficiency, which is the sum of the coupling efficiencies of the incident light beam and each of the plurality of propagation modes. Further, in calculating the relative phase described above, the relative phase can be calculated with reference to the phase of the basic mode among the plurality of mode lights.
  • the incident light beam can be used as an optical transmission medium in optical space communication without increasing the cost of the receiver.
  • the optical system to be coupled can be controlled with high accuracy and high speed.
  • FIG. 2 shows the configuration of the optical receiver 1000 according to the present embodiment.
  • the optical receiver 1000 is a receiver to which the mode diversity receiving method used for optical space communication is applied, and includes a control mechanism of a receiving optical system.
  • the optical receiver 1000 includes an optical system 1100, an optical transmission medium 1200, a coupling control device (coupling control means) 1300, a mode separator (mode separation means) 1400, an optical receiver (optical receiving means) 1500, and a signal. It has at least a processing device 1600 and a control amount calculation unit 1700.
  • the signal processing device 1600 includes a light intensity calculation unit 1610, an optical phase calculation unit 1620, and a relative phase calculation unit 1630.
  • the light intensity calculation unit 1610, the optical phase calculation unit 1620, the relative phase calculation unit 1630, and the control amount calculation unit 1700 each have the same configuration as that according to the first embodiment, and these are the receiving optical system control devices. Consists of.
  • the coupling control device 1300 controls the variable mechanism 1101 included in the optical system 1100 based on the control amount calculated by the control amount calculation unit 1700 to combine the incident light beam with a plurality of propagation modes of the optical transmission medium 1200.
  • the mode separator 1400 separates a plurality of mode lights coupled to a plurality of propagation modes of the optical transmission medium 1200, and outputs each mode light. Then, the optical receiver 1500 receives each mode light and generates a received signal.
  • the optical system 1100 is provided with a mirror, and the variable mechanism 1101 is configured to rotate the mirror around an axis.
  • the control amount of the variable mechanism 1101 is the amount of rotation around the axis of the mirror.
  • the optical transmission medium 1200 is typically a fumode fiber (FMF) having a small number of propagation modes.
  • the optical receiver 1500 is configured to perform coherent detection by interfering each mode light with the station emission.
  • FIG. 2 shows a configuration in which a local oscillator 1501 that outputs a local oscillator is provided and coherent detection is performed.
  • the optical axis of the light beam incident on the receiving telescope is controlled by the coupling control device 1300, and is coupled to the fumode fiber as the optical transmission medium 1200 via the coupling lens.
  • the coupling control device 1300 can adjust the tilt of the mirror at high speed and with high accuracy.
  • the optical axis of the light beam can be adjusted by using one mirror and controlling the inclination of the mirror in the horizontal direction (X axis) and the vertical direction (Y axis). That is, the coupling control device 1300 adjusts the amount of rotation of the mirror around the X-axis and the Y-axis, respectively. More generally, it is possible to arbitrarily adjust the optical axis of the light beam within a certain range by using two mirrors and adjusting the inclinations of them in the X-axis and Y-axis directions. is there.
  • the optical beam coupled to the fumode fiber is separated for each mode by the mode separator 1400 and introduced into the optical receiver 1500 which is a single mode fiber (SMF) based receiver.
  • the mode separator 1400 separates the combined light beams in three LP (Linearly Polarized) modes of LP 01 , LP 11a , and LP 11b .
  • the crosstalk between modes in the fumode fiber and the mode separator 1400 can be negligibly small and the insertion loss can be small.
  • the coupling between modes propagating through the fumode fiber is not negligible, especially between the degenerate LP 11a and LP 11b modes.
  • a fumode fiber having an elliptical core can suppress coupling between modes propagating through the fiber, including degenerate modes.
  • Each mode light separated for each mode is received by the optical receiver 1500, which is a single mode fiber (SMF) based receiver. After that, each received signal is sampled by an analog-to-digital converter (ADC) 1800, and then synthesized by digital signal processing in a signal processing device 1600. With such a configuration, coherent reception and coherent synthesis can theoretically obtain the maximum reception performance.
  • SMF single mode fiber
  • ADC analog-to-digital converter
  • An optical amplifier may be arranged between the mode separator 1400 and each optical receiver 1500 to amplify each mode light.
  • the main noise source of the optical receiver 1000 is the natural emission amplified light of the optical amplifier, and when the optical amplifier is not used, shot noise is the main noise source.
  • the optical receiver 1500 and the optical amplifier used for each mode light preferably have uniform characteristics in order to accurately calculate the intensity of the light coupled to each mode.
  • the signal processing device 1600 synthesizes the received signals received in each mode. Further, the light intensity calculation unit 1610 included in the signal processing device 1600 calculates the light intensity of the light (mode light) coupled to each mode, and the light phase calculation unit 1620 calculates the optical phase (carrier) of the carrier wave of each mode light. Carrier phase) is calculated respectively.
  • the light intensity of each mode light is proportional to the signal-to-noise ratio of the received signal of each mode. Therefore, it is possible to estimate the light intensity coupled to each mode by estimating the signal-to-noise ratio for the received signal of each mode after equalizing the internal loss of each optical receiver 1500. is there.
  • An estimation method using second-order and fourth-order moments can be used to estimate the signal-to-noise ratio.
  • the carrier phase of each mode light can be calculated by estimating the carrier phase of the received signal of each mode by a general M-th power method or the like.
  • the relative phase calculation unit 1630 included in the signal processing device 1600 converts the carrier phase of each mode light into a relative phase based on the carrier phase of the LP 01 mode, which is the basic mode.
  • the operation of the relative phase calculation unit 1630 at this time is shown in FIG.
  • the relative phase calculation unit 1630 uses the result of performing a cosine (cos) calculation on the relative phase between the plurality of mode lights as the relative phase (relative phase after conversion) as shown in FIG. It was configured. As a result, it is possible to avoid the influence of the discontinuity of 2 ⁇ appearing in the phase represented as the principal value of the argument (arg).
  • the signal processing device 1600 calculates the light intensity of the incident light beam (mode light) coupled to each mode and the converted relative phase of each mode light with respect to the basic mode.
  • the light intensity and relative phase calculated here are input to the control amount calculation unit 1700.
  • the control amount calculation unit 1700 calculates the control amount of the variable mechanism 1101 of the mirror based on the input light intensity of each mode and the relative phase after conversion with respect to the basic mode.
  • the coupling control device 1300 controls the inclination of the mirror in the X-axis and Y-axis directions based on this control amount.
  • the control amount calculation unit 1700 is configured to model the relationship between the light intensity and the relative phase and the control amount by a neural network. That is, the light intensity and the relative phase are used as the input layer, the selection probability of the adjustment amount with respect to the control amount is used as the output layer, and the control amount is calculated using the parameters representing the connection between the input layer and the output layer. Then, the control amount calculation unit 1700 decides to optimize this parameter by reinforcement learning.
  • control amount calculation unit 1700 assumes that the control amount (X, Y) of the tilt of the mirror is changed by the adjustment amount ( ⁇ X, ⁇ Y), and the possible actions are (+ ⁇ , + ⁇ ), ( It is limited to four types: + ⁇ , ⁇ ), ( ⁇ , + ⁇ ), and ( ⁇ , ⁇ ).
  • the actions are discrete, the probability of selecting a certain action in a certain state, that is, the representation of the policy by the neural network is as shown in FIG.
  • the light intensity of each mode and the relative phase after conversion with respect to the basic mode are arranged as the feature vector x, and the probability of selecting the action a j at the input x ⁇ (a j
  • the bond weights and biases of each layer are the parameter vectors ⁇ that describe this model.
  • the control amount calculation unit 1700 optimizes this parameter vector ⁇ by reinforcement learning and performs desired control.
  • Equation (1) W [l] and b [l] are weighting coefficients and biases, respectively, and g [l] in equation (2) is an activation function.
  • a general rectified linear unit (ReLU) represented by the following equation (3) can be used.
  • the softmax function represented by the following equation (4) can be used as the activation function.
  • the control amount calculation unit 1700 can use the total coupling efficiency, which is the goal itself to be maximized in order to maximize the reception characteristics, as a reward for reinforcement learning.
  • the total coupling efficiency is the sum of the coupling efficiencies of the incident light beam and each of the plurality of propagation modes.
  • control amount calculation unit 1700 can use the policy gradient method as reinforcement learning. In this case, the control amount calculation unit 1700 updates the parameter ⁇ according to the following equation (5) using the profit G which is the sum of the rewards.
  • ⁇ in the above equation (5) is a parameter that determines the magnitude of the update.
  • an optical system for coupling an incident light beam to an optical transmission medium in optical space communication, an optical system for coupling an incident light beam to an optical transmission medium can be achieved with high accuracy without increasing the cost of the receiver. It can be controlled at high speed.
  • the light intensity of the mode light coupled to each mode and the relative phase after conversion based on the basic mode can be used as a feature amount for optimally controlling the mirror provided in the optical system.
  • FIG. 5A shows the binding efficiency to the LP 01 mode
  • FIG. 5B shows the binding efficiency to the LP 11a mode
  • FIG. 5C shows the binding efficiency to the LP 11b mode.
  • the closer to white the higher the binding efficiency.
  • the control amount (X, Y) of the tilt of the mirror indicates the amount of rotation around the X-axis and the Y-axis, respectively.
  • the Zernike coefficient was expanded for an ideal light beam with no beam misalignment, and the control amount (X, Y) of the tilt of the mirror was given as the control amount of the Zernike coefficient component of degree 1.
  • overlap integration with the spatial profile of the electric field in each LP mode was performed.
  • the light intensity (coupling intensity) of the light coupled to each LP mode was calculated from the absolute value of the integration result, and the carrier phase (coupling phase) of the light coupled to each LP mode was calculated from the phase.
  • the coupling efficiency reflects the shape of the spatial profile of each LP mode. That is, as can be seen from FIG. 5A, the binding efficiency to LP 01 is a monomodal shape having a peak in the controlled amount (0,0). On the other hand, as can be seen from FIGS. 5B and 5C, the coupling efficiency to LP 11a / b has a shape having two peaks at positions slightly distant from the center on the X / Y axis, respectively.
  • Figures 6A to 6C show the results of plotting the change in coupling efficiency to each LP mode with respect to the control amount on the X-axis or Y-axis.
  • the relationship between the control amount of the tilt of the mirror and the coupling efficiency to each LP mode also has rotational symmetry accordingly. have. Therefore, even if it is found that the control amount deviates in the X-axis direction, no information can be obtained about the sign (positive or negative) of the deviation amount. Therefore, paying attention to the fact that the spatial distribution of the phase of the electric field in the LP 11a / b mode has an evenness and the rotational symmetry is broken, this is used as information for control.
  • FIGS. 5A to 5C show the control amount (X, Y) of the tilt of the mirror and each LP mode when the received light beam is coupled to the fumode fiber under the condition that there is no atmospheric fluctuation as in the case of FIGS. 5A to 5C.
  • FIG. 7A shows the coupling phase to the LP 01 mode
  • FIG. 7B shows the coupling phase to the LP 11a mode
  • FIG. 7C shows the coupling phase to the LP 11b mode.
  • Figures 8A to 8C show the results of plotting the change in the coupling phase to each LP mode with respect to the control amount on the X-axis or Y-axis.
  • the vertical axis is a numerical value obtained by dividing the coupling phase ⁇ obtained in radians by ⁇ , and takes a value from -1 to +1.
  • the coupling phase to the LP 01 mode has rotational symmetry as well as the coupling efficiency.
  • the coupling phase to the LP 11a takes - ⁇ / 2 in the positive region of the X-axis and + ⁇ in the negative region up to a certain range, for example, in the change in the X-axis direction (solid line). It is taken as / 2, and it can be seen that the symmetry is broken. This suggests that the information on the coupling phase includes information that can identify not only the direction of deviation of the controlled variable but also its sign (positive or negative). Similarly, from FIG.
  • a deviation of the control amount in the X-axis direction up to a certain range causes a decrease in the coupling efficiency to the LP 01 mode and an increase in the coupling efficiency to the LP 11a mode. If the deviation exceeds a certain range, the coupling efficiency to the LP 11a mode also decreases. Therefore, determining the amount of control of the tilt of the mirror when information about any coupling strength and coupling phase is available is not simple enough to immediately describe the rules for that. Therefore, in the present embodiment, the relationship between the coupling strength and the coupling phase and the control quantity is modeled and described by a neural network, and the control quantity is obtained by performing reinforcement learning with the total coupling efficiency to be maximized as a reward. ..
  • the relative phase based on the coupling phase to the LP 01 mode which is the basic mode
  • information on the sign (positive or negative) of the deviation of the control amount can be appropriately obtained. It was decided to expand the area near the center of the area. Further, by performing a cosine (cos) operation on the relative phase obtained here, it is possible to avoid the influence of the discontinuity of 2 ⁇ appearing in the phase.
  • FIGS. 9A-9C show the control amount (X, Y) of the tilt of the mirror and each LP mode when the received light beam is coupled to the fumode fiber under the condition that there is no atmospheric fluctuation as in the case of FIGS. 7A-7C.
  • the result of finding the relationship with the relative phase of is shown by simulation.
  • FIG. 9A shows the relative phase of the LP 01 mode
  • FIG. 9B shows the relative phase of the LP 11a mode
  • FIG. 9C shows the relative phase of the LP 11b mode.
  • FIGS. 10A to 10C show the results of plotting the relative phase changes of each LP mode with respect to the control amount on the X-axis or Y-axis.
  • the vertical axis is the relative phase ⁇ after the cosine (cos) operation is applied to the relative phase, and takes a value from -1 to +1.
  • the control amount is controlled by using the relative phase. It can be seen that the area near the center where information on the sign (positive or negative) of the deviation can be appropriately obtained is expanded.
  • the light intensity of the mode light combined with each mode and the relative phase after conversion based on the basic mode can be used as features for optimally controlling the mirror provided in the optical system.
  • the optical system is provided with a mirror, and the amount of rotation around the axis of the mirror is used as the control amount of the variable mechanism.
  • the present invention is not limited to this, and a spatial optical phase modulator or a variable shape mirror (Deformable Mirror) may be used instead of the mirror.
  • the set of modulation amounts (x1, x2, ..., XN) of each element (pixel, actuator) can be used as the control amount.
  • a receiving optical system control device having a relative phase calculating means for calculating a relative phase and a control amount calculating means for calculating a control amount of the variable mechanism from the light intensity and the relative phase.
  • Appendix 2 The reception described in Appendix 1 for calculating the control amount that maximizes the total coupling efficiency, which is the sum of the coupling efficiencies of the incident light beam and each of the plurality of propagation modes.
  • Optical system control device The reception described in Appendix 1 for calculating the control amount that maximizes the total coupling efficiency, which is the sum of the coupling efficiencies of the incident light beam and each of the plurality of propagation modes.
  • Appendix 3 The receiving optical system control device according to Appendix 1 or 2, wherein the relative phase calculation means calculates the relative phase based on the phase of the basic mode among the plurality of mode lights.
  • the control amount calculation means models the relationship between the light intensity and the relative phase and the control amount by a neural network, uses the light intensity and the relative phase as an input layer, and adjusts the control amount.
  • the receiving optical system control device according to any one of Supplementary note 1 to 3, wherein the selection probability of the quantity is used as an output layer, and the control quantity is calculated using a parameter representing the connection between the input layer and the output layer.
  • the control amount calculation means is the receiving optical system control device according to Appendix 4, which optimizes the parameters by reinforcement learning.
  • Appendix 6 The receiving optics described in Appendix 5 uses the total coupling efficiency, which is the sum of the coupling optics of the incident light beam and each of the plurality of propagation modes, as a reward for the reinforcement learning. System control device.
  • a received signal is acquired by receiving a plurality of mode lights coupled to a plurality of propagation modes of an optical transmission medium by an optical system provided with a variable mechanism for each mode light.
  • the light intensity of each mode light is calculated from the received signal
  • the optical phase of each mode light is calculated from the received signal
  • the relative phase between the plurality of mode lights is calculated from the light phase.
  • the calculation of the control amount includes calculating the control amount that maximizes the total coupling efficiency, which is the sum of the coupling efficiencies of the incident light beam and each of the plurality of propagation modes. 7.
  • Appendix 9 The receiving optical system control method according to Appendix 7 or 8, wherein the calculation of the relative phase includes calculating the relative phase with reference to the phase of the basic mode among the plurality of mode lights.
  • the control amount calculation means uses a normalized linear function as the activation function of the hidden layer of the neural network, and uses a softmax function as the activation function of the output layer. Any one of Appendix 4 to 6.
  • the receiving optical system control device, the optical system, the optical transmission medium, and the variable mechanism according to any one of the items 1 to 6 and 11 to 13 are controlled based on the control amount. Then, the coupling control means for coupling the incident light beam into the plurality of propagation modes, the mode separation means for separating the plurality of mode lights and outputting the respective mode lights, and the respective mode lights are received.
  • An optical receiving device including an optical receiving means for generating the received signal.
  • the optical system includes a mirror, the variable mechanism rotates the mirror around an axis, and the control amount is the amount of rotation of the mirror around the axis. apparatus.
  • the optical transmission medium is the optical receiver according to Appendix 14 or 15, which is a fumode fiber.
  • the calculation of the control amount includes the use of a rectified linear function as the activation function of the hidden layer of the neural network and the softmax function as the activation function of the output layer.
  • Appendix 20 The receiving optical system control method according to Appendix 10, wherein the calculation of the control amount includes the use of the policy gradient method as the reinforcement learning.

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Abstract

光空間通信においては、入射光ビームを光伝送媒体に結合させる光学系を高精度かつ高速に制御する必要があるため、受信機のコストが増大するので、本発明の受信光学系制御装置は、入射光ビームのうち、可変機構を備えた光学系によって光伝送媒体の複数の伝搬モードに結合した複数のモード光を、各モード光ごとに受信することによって得られる受信信号から、各モード光の光強度を算出する光強度算出手段と、受信信号から、各モード光の光位相を算出する光位相算出手段と、光位相から、複数のモード光の間の相対位相を算出する相対位相算出手段と、光強度と相対位相から、可変機構の制御量を算出する制御量算出手段、とを有する。

Description

受信光学系制御装置および受信光学系制御方法
　本発明は、受信光学系制御装置および受信光学系制御方法に関し、特に、光空間通信システムに用いられる受信光学系制御装置および受信光学系制御方法に関する。
　近年、人工衛星から地上の広域を観測するリモートセンシングや、地上通信網が整備されていない環境に通信を提供することなどに注目が集まっている。これに伴い、人工衛星と地上とを結ぶ大容量通信リンクが重要となっている。これまで用いられているマイクロ波通信では、帯域利用の法的および物理的な制約が大きいため、通信容量の増大には限界がある。そこで、帯域の制約が事実上なく、大容量化が達成可能な方式として、光空間通信が注目されている。光空間通信では、マイクロ波に比べて波長が非常に短い光を使用するため、高い指向性が得られるとともに、送受信機装置の小型化、軽量化が可能である。
　光空間通信に使用される波長帯の候補はいくつかある。そのうち、波長１．５マイクロメートル（μｍ）帯を使用した光空間通信は、高速・高感度の光通信を実現するうえで、地上における光ファイバ通信用途に開発された送受信技術やデバイスを利用することができるという利点がある。このような光空間通信においては、地上における光ファイバ通信と同様に、シングルモードファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｍｏｄｅ　Ｆｉｂｅｒ：ＳＭＦ）をベースとするデバイスを使用する。そのため、人工衛星等から送出された光を、地上の受信側においてコア径が１０マイクロメートル（μｍ）程度と非常に小さなシングルモードファイバ（ＳＭＦ）に結合する必要がある。
　ところで、光ビームが地表を覆う大気中を伝搬する際には、大気のゆらぎによってその波面が乱れる。これによって、空間コヒーレンスが制限され、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）への結合効率が大幅に変動し、あるいは劣化する。このようなフェージングの発生が、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）を用いた光空間通信では問題となる。
　この大気ゆらぎによるフェージングの影響を緩和するための有力なアプローチの一つは、ダイバーシティ受信方式を使用することである。ダイバーシティ受信方式では、複数の受信機を用意する。この場合、それぞれの受信機に入力する光信号ごとに大気ゆらぎの影響が異なるとすれば、複数の受信機出力のうち最も良いものを選択する、より一般的には複数の受信信号を合成することにより、合成後の信号にフェージングが生じる確率は低減する。
　このようなダイバーシティ受信方式を用いた光空間通信受信機の一例が、特許文献１に記載されている。
　特許文献１に記載された関連する光空間通信受信機はモードダイバーシティ型であって、フューモードファイバ、モード分離器、複数のコヒーレント受信機、複数のＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換器）、ＬＯ（局所発振器）、およびデジタル信号処理部を有する。デジタル信号処理部は、それぞれの受信信号の間の相対遅延補償を行う相対遅延補償部、それぞれの受信信号間の相対位相補償を行う相対位相補償部、および、位相が揃ったそれぞれの受信信号について最大比合成を行う最大比合成部を備える。ここで、相対位相補償部が備える位相基準信号選択部は、受信信号の中から、品質の最も良い信号を位相基準信号として選ぶ。その結果、関連する光空間通信受信機によれば、それぞれの受信信号間の位相関係を高精度に揃えて合成を行うことが可能となる、としている。
国際公開第２０１８／１８０９１２号
　上述したように、特許文献１に記載された関連するモードダイバーシティ型の光空間通信受信機は、複数の伝搬モードを持つフューモードファイバに光ビームを結合し、それぞれのモードに結合した光信号をモード分離器で分離して受信する。その後に、デジタル信号処理によるダイバーシティ合成を行う。このとき、それぞれのモードに結合した光信号が受けた大気ゆらぎの影響は、モードごとに独立、もしくは相補的に変動すると見なすことができるため、ダイバーシティ効果によって合成後の信号に対するフェージングの影響は緩和される。
　ここで、光空間通信においては、数センチメートル（ｃｍ）から１メートル（ｍ）程度の開口で光ビームを受光し、受光した入射光ビームをコア径が１０マイクロメートル（μｍ）程度の光ファイバのコア（光伝送媒体）に結合させる必要がある。したがって、そのための結合光学系は受信特性に関わる重要な機能の一つであり、非常に精密な設計と制御が必要とされる。さらに、このような結合光学系の制御は、大気ゆらぎや装置の揺動などの結合効率を悪化させる要因となる現象の時間スケールよりも、十分に高速であることが必要である。
　しかしながら、このような結合光学系を高精度かつ高速に制御するためには、入射光ビームを高精度かつ高速でモニタする必要があり、受信機のコストの増大を招くことになる。
　このように、光空間通信においては、入射光ビームを光伝送媒体に結合させる光学系を高精度かつ高速に制御する必要があるため、受信機のコストが増大する、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、光空間通信においては、入射光ビームを光伝送媒体に結合させる光学系を高精度かつ高速に制御する必要があるため、受信機のコストが増大する、という課題を解決する受信光学系制御装置および受信光学系制御方法を提供することにある。
　本発明の受信光学系制御装置は、入射光ビームのうち、可変機構を備えた光学系によって光伝送媒体の複数の伝搬モードに結合した複数のモード光を、各モード光ごとに受信することによって得られる受信信号から、各モード光の光強度を算出する光強度算出手段と、受信信号から、各モード光の光位相を算出する光位相算出手段と、光位相から、複数のモード光の間の相対位相を算出する相対位相算出手段と、光強度と相対位相から、可変機構の制御量を算出する制御量算出手段、とを有する。
　本発明の受信光学系制御方法は、入射光ビームのうち、可変機構を備えた光学系によって光伝送媒体の複数の伝搬モードに結合した複数のモード光を、各モード光ごとに受信することによって受信信号を取得し、受信信号から、各モード光の光強度を算出し、受信信号から、各モード光の光位相を算出し、光位相から、複数のモード光の間の相対位相を算出し、光強度と相対位相から、可変機構の制御量を算出する。
　本発明の受信光学系制御装置および受信光学系制御方法によれば、光空間通信において、受信機のコストの増大をもたらすことなく、入射光ビームを光伝送媒体に結合させる光学系を高精度かつ高速に制御することができる。
本発明の第１の実施形態に係る受信光学系制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える相対位相算出部の動作を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ０１モードへの結合効率のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ１１ａモードへの結合効率のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ１１ｂモードへの結合効率のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ０１モードへの結合効率を制御量に対してプロットした結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ１１ａモードへの結合効率を制御量に対してプロットした結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ１１ｂモードへの結合効率を制御量に対してプロットした結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ０１モードへの結合位相のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ１１ａモードへの結合位相のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ１１ｂモードへの結合位相のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ０１モードへの結合位相を制御量に対してプロットした結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ１１ａモードへの結合位相を制御量に対してプロットした結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ１１ｂモードへの結合位相を制御量に対してプロットした結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ０１モードの相対位相のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ１１ａモードの相対位相のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ１１ｂモードの相対位相のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ０１モードの相対位相を制御量に対してプロットした結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ１１ａモードの相対位相を制御量に対してプロットした結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光受信装置が備える制御量算出部の動作を説明するための図であって、ＬＰ１１ｂモードの相対位相を制御量に対してプロットした結果を示す図である。
　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の実施形態に係る受信光学系制御装置１００の構成を示すブロック図である。
　受信光学系制御装置１００は、光強度算出部（光強度算出手段）１１０、光位相算出部（光位相算出手段）１２０、相対位相算出部（相対位相算出手段）１３０、および制御量算出部（制御量算出手段）１４０を有する。
　光強度算出部１１０は、入射光ビームのうち、可変機構を備えた光学系によって光伝送媒体の複数の伝搬モードに結合した複数のモード光を、各モード光ごとに受信することによって得られる受信信号から、各モード光の光強度を算出する。光位相算出部１２０は、この受信信号から、各モード光の光位相を算出する。相対位相算出部１３０は、この光位相から、複数のモード光の間の相対位相を算出する。そして、制御量算出部１４０は、光強度と相対位相から、可変機構の制御量を算出する。
　このように、本実施形態による受信光学系制御装置１００は、制御量算出部１４０が光強度と相対位相から可変機構の制御量を算出する構成としている。そのため、入射光ビームをモニタすることなく、可変機構を備えた光学系を高精度かつ高速に制御することが可能になる。すなわち、本実施形態の受信光学系制御装置１００によれば、光空間通信において、受信機のコストの増大をもたらすことなく、入射光ビームを光伝送媒体に結合させる光学系を高精度かつ高速に制御することができる。
　ここで、制御量算出部１４０は、入射光ビームと複数の伝搬モードのそれぞれとの結合効率の総和である総結合効率が最大となる制御量を算出する構成とすることができる。また、相対位相算出部１３０は、複数のモード光のうち基本モードの位相を基準として、相対位相を算出する構成とすることができる。
　次に、本実施形態による受信光学系制御方法について説明する。
　本実施形態による受信光学系制御方法においては、まず、入射光ビームのうち、可変機構を備えた光学系によって光伝送媒体の複数の伝搬モードに結合した複数のモード光を、各モード光ごとに受信することによって受信信号を取得する。この受信信号から、各モード光の光強度を算出する。また、この受信信号から、各モード光の光位相を算出する。そして、この光位相から、複数のモード光の間の相対位相を算出する。最後に、上記光強度と上記相対位相から、可変機構の制御量を算出する。
　このような構成としたことにより、入射光ビームをモニタすることなく、可変機構を備えた光学系を高精度かつ高速に制御することが可能になる。
　ここで、上述した制御量を算出することは、入射光ビームと複数の伝搬モードのそれぞれとの結合効率の総和である総結合効率が最大となる制御量を算出することとすることができる。また、上述した相対位相を算出することは、複数のモード光のうち基本モードの位相を基準として、上記相対位相を算出することとすることができる。
　以上説明したように、本実施形態の受信光学系制御装置１００および受信光学系制御方法によれば、光空間通信において、受信機のコストの増大をもたらすことなく、入射光ビームを光伝送媒体に結合させる光学系を高精度かつ高速に制御することができる。
　〔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に、本実施形態による光受信装置１０００の構成を示す。光受信装置１０００は、光空間通信に用いられる、モードダイバーシティ受信方式を適用した受信機であり、受信光学系の制御機構を備えている。
　本実施形態による光受信装置１０００は、光学系１１００、光伝送媒体１２００、結合制御装置（結合制御手段）１３００、モード分離器（モード分離手段）１４００、光受信器（光受信手段）１５００、信号処理装置１６００、および制御量算出部１７００を少なくとも有する。ここで、信号処理装置１６００は、光強度算出部１６１０、光位相算出部１６２０、および相対位相算出部１６３０を備える。なお、光強度算出部１６１０、光位相算出部１６２０、相対位相算出部１６３０、および制御量算出部１７００はそれぞれ、第１の実施形態によるものと同一の構成であり、これらが受信光学系制御装置を構成している。
　結合制御装置１３００は、光学系１１００が備える可変機構１１０１を、制御量算出部１７００が算出した制御量に基づいて制御して、入射光ビームを光伝送媒体１２００の複数の伝搬モードに結合させる。モード分離器１４００は、光伝送媒体１２００の複数の伝搬モードに結合した複数のモード光を分離して、各モード光を出力する。そして、光受信器１５００は、各モード光を受信して受信信号を生成する。
　光学系１１００はミラーを備え、可変機構１１０１はミラーを軸周りに回転させる構成とした。この場合、可変機構１１０１の制御量は、ミラーの軸周りの回転量である。光伝送媒体１２００は、典型的には、少数の伝搬モードを有するフューモードファイバ（ｆｅｗ　ｍｏｄｅ　ｆｉｂｅｒ：ＦＭＦ）である。また、光受信器１５００は、各モード光と局発光を干渉させてコヒーレント検波を行う構成とした。図２には、局発光を出力する局部発振器１５０１を備え、コヒーレント検波を行う構成を記載した。
　次に、本実施形態による光受信装置１０００の動作について説明する。
　受信望遠鏡に入射した光ビームは、結合制御装置１３００によってその光軸が制御され、結合レンズを介して光伝送媒体１２００としてのフューモードファイバへ結合する。結合制御装置１３００は可変機構１１０１を制御することにより、ミラーの傾きを高速、高精度で調整することができる。例えば、1枚のミラーを使用し、ミラーの横方向（Ｘ軸）および縦方向（Ｙ軸）の傾きを制御することにより、光ビームの光軸を調整することができる。すなわち、結合制御装置１３００は、ミラーのＸ軸およびＹ軸周りの回転量をそれぞれ調整する。なお、より一般的には、２枚のミラーを使用し、それらのＸ軸およびＹ軸方向の傾きを調整することにより、光ビームの光軸をある程度の範囲で任意に調整することが可能である。
　フューモードファイバに結合した光ビームは、モード分離器１４００によってモードごとに分離され、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）ベースの受信機である光受信器１５００に導入される。本実施形態では、モード分離器１４００は、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、およびＬＰ１１ｂの３つのＬＰ（Ｌｉｎｅａｒｌｙ　Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）モードで結合した光ビームを分離するものとする。
　ここで、フューモードファイバおよびモード分離器１４００におけるモード間のクロストークは無視できるほど小さく、挿入損失も小さいものとすることができる。一般的には、フューモードファイバを伝搬中のモード間の結合は、特に縮退しているＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードの間では無視できない。しかしながら、例えばコアが楕円型の形状をしたフューモードファイバでは、縮退したモードも含めて、ファイバを伝搬中のモード間の結合を抑制できることが報告されている。
　モードごとに分離された各モード光は、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）ベースの受信機である光受信器１５００によってそれぞれ受信される。その後、各受信信号はアナログ－デジタル変換器（ａｎａｌｏｇ　ｔｏ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＡＤＣ）１８００によってサンプリングされた後、信号処理装置１６００においてデジタル信号処理によって合成される。このような構成によって、コヒーレント受信し、コヒーレント合成することにより、理論的に最大の受信性能が得られる。
　モード分離器１４００と各光受信器１５００の間に光増幅器を配置し、各モード光を増幅する構成としてもよい。光増幅器を使用した場合、光受信装置１０００の主な雑音源は光増幅器の自然放射増幅光であり、光増幅器を使用しない場合は、ショットノイズが主な雑音源となる。いずれの場合にも、各モード光に対して使用される光受信器１５００および光増幅器は、各モードに結合した光の強度を精度よく算出するため、特性が均一であることが望ましい。
　信号処理装置１６００は、各モードで受信した受信信号を合成する。さらに、信号処理装置１６００が備える光強度算出部１６１０がそれぞれのモードに結合した光（モード光）の光強度を算出し、光位相算出部１６２０が各モード光の搬送波（キャリア）の光位相（キャリア位相）をそれぞれ算出する。各モード光の光強度は、各モードの受信信号の信号対雑音比と比例関係にある。したがって、各光受信器１５００の内部の損失等を等しくした上で、各モードの受信信号に対して信号対雑音比を推定することにより、各モードに結合した光強度を推定することが可能である。信号対雑音比の推定には、２次と４次のモーメントを使用した推定方法を用いることができる。
　各モード光のキャリア位相は、各モードの受信信号に対して、一般的なＭ乗法などによるキャリア位相推定を行うことにより算出することができる。
　信号処理装置１６００が備える相対位相算出部１６３０は、各モード光のキャリア位相を、基本モードであるＬＰ０１モードのキャリア位相を基準とした相対位相に変換する。このときの相対位相算出部１６３０の動作を図３に示す。相対位相算出部１６３０は、本実施形態では図３に示したように、複数のモード光の間の相対位相に余弦（ｃｏｓ）演算を施した結果を相対位相（変換後の相対位相）とする構成とした。これにより、偏角（ａｒｇ）の主値として表わした位相に表れる２πの不連続性の影響を回避することができる。
　このようにして、信号処理装置１６００は、各モードに結合した入射光ビーム（モード光）の光強度と、各モード光の基本モードに対する変換後の相対位相を算出する。ここで算出された光強度および相対位相は、制御量算出部１７００に入力される。
　制御量算出部１７００は、入力されたそれぞれのモードの光強度と、基本モードに対する変換後の相対位相に基づいて、ミラーの可変機構１１０１の制御量を算出する。結合制御装置１３００は、この制御量に基づいて、ミラーのＸ軸およびＹ軸方向の傾きを制御する。
　ここで、入射光ビームを光伝送媒体１２００の複数の伝搬モードに適切に結合させるためには、入力する各モードの光強度と、基本モードに対する変換後の相対位相と、ミラーのＸ軸およびＹ軸方向の傾きを制御する制御量との間の適切な関係を求める必要がある。そこで、本実施形態による光受信装置１０００においては、制御量算出部１７００が、光強度および相対位相と、制御量との関係をニューラルネットワークでモデル化する構成とした。すなわち、光強度と相対位相を入力層とし、制御量に対する調整量の選択確率を出力層とし、入力層と出力層との結合を表わすパラメータを用いて制御量を算出する構成とした。そして、制御量算出部１７００は、このパラメータを強化学習によって最適化することとした。
　説明を簡略化するため、制御量算出部１７００は、ミラーの傾きの制御量（Ｘ，Ｙ）を調整量（ΔＸ，ΔＹ）だけ変化させるものとし、取り得る行動を（＋Δ，＋Δ）、（＋Δ，－Δ）、（－Δ，＋Δ）、（－Δ，－Δ）の４種類に制限する。行動が離散的な場合、ある状態においてある行動を選択する確率、すなわち方策のニューラルネットワークによる表現は、図４に示すようになる。
　このニューラルネットワークモデルでは、それぞれのモードの光強度と、基本モードに対する変換後の相対位相を並べたものを特徴量ベクトルｘとし、入力ｘにおいて行動ａｊを選択する確率π（ａｊ｜ｘ）を出力する。各層の結合の重みとバイアスが、このモデルを記述するパラメータベクトルθである。制御量算出部１７００は、このパラメータベクトルθを強化学習によって最適化し、所望の制御を行う。
　図４に示したニューラルネットワークにおいて、層ｌの出力をベクトル化してａ［ｌ］と表現すると、このニューラルネットワークは下記の式（１）および（２）のように表される。ここで、層０が入力に相当し、ａ［０］＝ｘである。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001


Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002

　式（１）中、Ｗ［ｌ］、ｂ［ｌ］はそれぞれ重み係数とバイアスであり、式（２）中のｇ［ｌ］は活性化関数である。上述のニューラルネットワークの隠れ層の活性化関数には、下記の式（３）で表わされる一般的な正規化線形関数（Ｒｅｃｔｉｆｉｅｄ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｕｎｉｔ：ＲｅＬＵ）を用いることができる。


Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003

　また、出力層では各行動を選択する確率を出力する必要があるため、活性化関数として下記の式（４）で表わされるソフトマックス（Ｓｏｆｔｍａｘ）関数を用いることができる。


Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004

　上述した式（１）～（４）に従って、入力層から次の層の出力を順次計算することにより、特徴量ベクトルｘが入力された場合における各行動を選択する確率π（ａｊ｜ｘ）を算出することができる。
　制御量算出部１７００は、強化学習の報酬として、受信特性を最良とするために最大化すべき目標そのものである総結合効率を用いることができる。ここで、総結合効率は、入射光ビームと複数の伝搬モードのそれぞれとの結合効率の総和である。
　また、制御量算出部１７００は、強化学習として方策勾配法を用いることができる。この場合、制御量算出部１７００は、報酬の総和である収益Ｇを用いて、下記の式（５）に従ってパラメータθを更新する。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005

　上式（５）中のαは、更新の大きさを決めるパラメータである。これにより、理想的には、入力状態に応じた報酬を最大化するための制御を行うことができる。
　以上説明したように、本実施形態の光受信装置１０００によれば、光空間通信において、受信機のコストの増大をもたらすことなく、入射光ビームを光伝送媒体に結合させる光学系を高精度かつ高速に制御することができる。
　次に、それぞれのモードに結合したモード光の光強度と、基本モードを基準とした変換後の相対位相が、光学系が備えるミラーを最適に制御するための特徴量として利用できることについて説明する。
　図５Ａ、５Ｂ、５Ｃに、大気ゆらぎが無い条件で受信光ビームをフューモードファイバへ結合する場合における、ミラーの傾きの制御量（Ｘ，Ｙ）とＬＰモードのそれぞれへの結合効率との関係をシミュレーションによって求めた結果を示す。図５ＡはＬＰ０１モードへの結合効率を、図５ＢはＬＰ１１ａモードへの結合効率を、図５ＣはＬＰ１１ｂモードへの結合効率をそれぞれ示す。各図中、白色に近いほど結合効率が高いことを示している。ここで、ミラーの傾きの制御量（Ｘ，Ｙ）は、Ｘ軸、Ｙ軸周りの回転量をそれぞれ示す。
　シミュレーションは、ビーム位置ずれのない理想的な光ビームに対してゼルニケ（Ｚｅｒｎｉｋｅ）係数展開を行い、ミラーの傾きの制御量（Ｘ，Ｙ）を次数１のＺｅｒｎｉｋｅ係数成分の制御量として与えた。その後、各ＬＰモードの電場の空間プロファイルとのオーバーラップ積分を行った。そして、積分結果の絶対値から、各ＬＰモードへ結合した光の光強度（結合強度）を、その位相から、各ＬＰモードへ結合した光のキャリア位相（結合位相）を算出した。
　図５Ａ～５Ｃから、結合効率は、それぞれのＬＰモードの空間プロファイルの形状を反映していることがわかる。すなわち、図５Ａからわかるように、ＬＰ０１への結合効率は、制御量（０，０）にピークを持つ単峰性の形状となっている。それに対して、図５Ｂおよび５Ｃからわかるように、ＬＰ１１ａ／ｂへの結合効率は、それぞれＸ／Ｙ軸上で中心から少し離れた位置に２つのピークをもつ形状となっている。
　図６Ａ～６Ｃに、それぞれのＬＰモードへの結合効率の変化を、Ｘ軸またはＹ軸上の制御量に対してプロットした結果を示す。各図中、実線はＹ＝０におけるＸ軸の制御量に対する結合効率Ｐの変化、すなわちＹ軸周りの回転量を０として、Ｘ軸周りにミラーを回転させた場合の結合効率Ｐの変化を示している。一方、破線は、Ｘ＝０におけるＹ軸の制御量に対する結合効率Ｐの変化、すなわちＸ軸周りの回転量を０として、Ｙ軸周りにミラーを回転させた場合の結合効率Ｐの変化を示している。
　図６Ａ～６Ｃから、例えば、Ｘ軸方向に制御量のずれが生じると、その結果、ある程度の範囲でＬＰ０１モードへの結合効率の低下と、ＬＰ１１ａモードへの結合効率の増加をもたらすことがわかる。逆に言えば、ＬＰ０１モードへの結合効率が低く、ＬＰ１１ａモードへの結合効率が高い状況は、Ｘ軸方向の制御量にずれが生じている可能性が高いことを示唆していることになる。同様に、ＬＰ１１ｂモードへの結合効率からは、Ｙ軸方向の制御量にずれが生じている可能性が、ある程度の範囲でわかる。
　ただし、ＬＰモードのビームプロファイルは回転対称性を有するため、図５Ａ～５Ｃに示したように、ミラーの傾きの制御量とそれぞれのＬＰモードへの結合効率との関係もそれに応じた回転対称性を有している。このため、Ｘ軸方向に制御量のずれが生じていることがわかったとしても、そのずれ量の符号（正負）については情報が得られない。そこで、ＬＰ１１ａ／ｂモードの電場の位相の空間分布には偶奇性があり、回転対称性が崩れることに着目し、これを制御のための情報として利用する。
　図７Ａ～７Ｃに、図５Ａ～５Ｃの場合と同様に大気ゆらぎが無い条件で受信光ビームをフューモードファイバへ結合する場合における、ミラーの傾きの制御量（Ｘ，Ｙ）とそれぞれのＬＰモードへの結合位相との関係をシミュレーションによって求めた結果を示す。図７ＡはＬＰ０１モードへの結合位相を、図７ＢはＬＰ１１ａモードへの結合位相を、図７ＣはＬＰ１１ｂモードへの結合位相をそれぞれ示す。
　図８Ａ～８Ｃに、それぞれのＬＰモードへの結合位相の変化を、Ｘ軸またはＹ軸上の制御量に対してプロットした結果を示す。各図中、縦軸は、ラジアン単位で求めた結合位相φをπで割って得た数値であり、－１から＋１の値を取る。また、実線はＹ＝０におけるＸ軸の制御量に対する結合位相φの変化、すなわちＹ軸周りの回転量を０として、Ｘ軸周りにミラーを回転させた場合の結合位相φの変化を示している。一方、破線は、Ｘ＝０におけるＹ軸の制御量に対する結合位相φの変化、すなわちＸ軸周りの回転量を０として、Ｙ軸周りにミラーを回転させた場合の結合位相φの変化を示している。
　図７Ａから、ＬＰ０１モードへの結合位相は、結合効率と同様に回転対称性を有することがわかる。しかし図８Ｂから、ＬＰ１１ａへの結合位相は、例えばＸ軸方向の変化（実線）においては、ある程度の範囲までは、Ｘ軸の正の領域で－π／２を取り、負の領域では＋π／２を取っており、対称性が崩れていることが分かる。このことは、結合位相の情報からは、制御量のずれの方向だけでなく、その符号（正負）についても特定できる情報が含まれていることを示唆している。同様に図８Ｃから、ＬＰ１１ｂモードへの結合位相からは、Ｙ軸方向の制御量のずれの符号（正負）の情報が、ある程度の範囲で得られることがわかる。なお、ＬＰ１１ａモードへの結合位相のＹ軸上の変化（図８Ｂ中の破線）、およびＬＰ１１ｂモードへの結合位相のＸ軸上の変化（図８Ｃ中の実線）については、この条件では本来、結合効率はほぼゼロであることから、この範囲の結合位相は実質的には利用不可能である。
　上述した結合強度の情報と結合位相の情報を合わせて用いることにより、制御量のずれ量を推測することが可能になる。ただし、図６Ａ～６Ｃからわかるように、例えばある程度の範囲までのＸ軸方向への制御量のずれは、ＬＰ０１モードへの結合効率の低下とＬＰ１１ａモードへの結合効率の増加を招くが、ある程度の範囲以上のずれが生じるとＬＰ１１ａモードへの結合効率も低下する。そのため、任意の結合強度と結合位相に関する情報が得られた場合に、ミラーの傾きの制御量を決定することは、そのための規則を直ちに記述できるほど単純でない。そこで本実施形態においては、結合強度および結合位相と制御量との関係をニューラルネットワークでモデル化して記述し、最大化すべき総結合効率を報酬として強化学習を行うことにより制御量を得る構成とした。
　上述したように、ミラーの傾きの制御量とＬＰ１１ａ／ｂモードへの結合位相との関係においても、中心付近のある範囲では、Ｘ軸の正の領域で－π／２を取り、負の領域で＋π／２を取る。したがって、この範囲では制御量のずれの符号（正負）に関する情報が得られるが、この範囲を超えると再び不連続な変化が生じている。このため、ＬＰ１１ａ／ｂモードへの結合位相そのものは、制御のための情報として用いるには不都合である。
　そこで本実施形態においては、結合位相そのものではなく、基本モードであるＬＰ０１モードへの結合位相を基準とした相対位相を用いることにより、制御量のずれの符号（正負）に関する情報が適切に得られる中心付近の領域を拡大することとした。さらに、ここで得られた相対位相に余弦（ｃｏｓ）演算を施すことにより、位相に表れる２πの不連続性の影響を回避することができる。
　図９Ａ～９Ｃに、図７Ａ～７Ｃの場合と同様に大気ゆらぎが無い条件で受信光ビームをフューモードファイバへ結合する場合における、ミラーの傾きの制御量（Ｘ，Ｙ）とそれぞれのＬＰモードの相対位相との関係をシミュレーションによって求めた結果を示す。図９ＡはＬＰ０１モードの相対位相を、図９ＢはＬＰ１１ａモードの相対位相を、図９ＣはＬＰ１１ｂモードの相対位相をそれぞれ示す。
　また、図１０Ａ～１０Ｃに、それぞれのＬＰモードの相対位相の変化を、Ｘ軸またはＹ軸上の制御量に対してプロットした結果を示す。各図中、縦軸は、相対位相に余弦（ｃｏｓ）演算を施した後の相対位相Φであり、－１から＋１の値を取る。また、実線はＹ＝０におけるＸ軸の制御量に対する相対位相Φの変化、すなわちＹ軸周りの回転量を０として、Ｘ軸周りにミラーを回転させた場合の相対位相Φの変化を示している。一方、破線は、Ｘ＝０におけるＹ軸の制御量に対する相対位相Φの変化、すなわちＸ軸周りの回転量を０として、Ｙ軸周りにミラーを回転させた場合の相対位相Φの変化を示している。
　ＬＰ１１ａ／ｂモードに関する、結合位相の変化（図７Ｂ、７Ｃ、８Ｂ、８Ｃ）と、相対位相の変化（図９Ｂ、９Ｃ、１０Ｂ、１０Ｃ）を比較すると、相対位相を用いることにより、制御量のずれの符号（正負）に関する情報が適切に得られる中心付近の領域が拡大していることがわかる。
　以上より、それぞれのモードに結合したモード光の光強度と、基本モードを基準とした変換後の相対位相が、光学系が備えるミラーを最適に制御するための特徴量として利用できることがわかる。
　上述した実施形態においては、光学系はミラーを備え、可変機構の制御量としてミラーの軸周りの回転量を用いる構成とした。しかし、これに限らず、ミラーに替えて、空間光位相変調器または可変形状ミラー（Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ　Ｍｉｒｒｏｒ）を用いることとしてもよい。この場合、それぞれの素子（画素、アクチュエータ）の変調量の組（ｘ１，ｘ２，．．．，ｘＮ）を制御量とすることができる。
　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）入射光ビームのうち、可変機構を備えた光学系によって光伝送媒体の複数の伝搬モードに結合した複数のモード光を、各モード光ごとに受信することによって得られる受信信号から、前記各モード光の光強度を算出する光強度算出手段と、前記受信信号から、前記各モード光の光位相を算出する光位相算出手段と、前記光位相から、前記複数のモード光の間の相対位相を算出する相対位相算出手段と、前記光強度と前記相対位相から、前記可変機構の制御量を算出する制御量算出手段、とを有する受信光学系制御装置。
　（付記２）前記制御量算出手段は、前記入射光ビームと前記複数の伝搬モードのそれぞれとの結合効率の総和である総結合効率が最大となる前記制御量を算出する付記１に記載した受信光学系制御装置。
　（付記３）前記相対位相算出手段は、前記複数のモード光のうち基本モードの位相を基準として、前記相対位相を算出する付記１または２に記載した受信光学系制御装置。
　（付記４）前記制御量算出手段は、前記光強度および前記相対位相と、前記制御量との関係をニューラルネットワークでモデル化し、前記光強度と前記相対位相を入力層とし、前記制御量に対する調整量の選択確率を出力層とし、前記入力層と前記出力層との結合を表わすパラメータを用いて前記制御量を算出する付記１から３のいずれか一項に記載した受信光学系制御装置。
　（付記５）前記制御量算出手段は、前記パラメータを強化学習によって最適化する付記４に記載した受信光学系制御装置。
　（付記６）前記制御量算出手段は、前記強化学習の報酬として、前記入射光ビームと前記複数の伝搬モードのそれぞれとの結合効率の総和である総結合効率を用いる付記５に記載した受信光学系制御装置。
　（付記７）入射光ビームのうち、可変機構を備えた光学系によって光伝送媒体の複数の伝搬モードに結合した複数のモード光を、各モード光ごとに受信することによって受信信号を取得し、前記受信信号から、前記各モード光の光強度を算出し、前記受信信号から、前記各モード光の光位相を算出し、前記光位相から、前記複数のモード光の間の相対位相を算出し、前記光強度と前記相対位相から、前記可変機構の制御量を算出する受信光学系制御方法。
　（付記８）前記制御量を算出することは、前記入射光ビームと前記複数の伝搬モードのそれぞれとの結合効率の総和である総結合効率が最大となる前記制御量を算出することを含む付記７に記載した受信光学系制御方法。
　（付記９）前記相対位相を算出することは、前記複数のモード光のうち基本モードの位相を基準として、前記相対位相を算出することを含む付記７または８に記載した受信光学系制御方法。
　（付記１０）前記制御量を算出することは、前記光強度および前記相対位相と、前記制御量との関係をニューラルネットワークでモデル化し、前記光強度と前記相対位相を入力層とし、前記制御量に対する調整量の選択確率を出力層とし、前記入力層と前記出力層との結合を表わすパラメータを用いて前記制御量を算出し、前記パラメータを強化学習によって最適化し、前記強化学習の報酬として、前記入射光ビームと前記複数の伝搬モードのそれぞれとの結合効率の総和である総結合効率を用いること、を含む付記７から９のいずれか一項に記載した受信光学系制御方法。
　（付記１１）前記相対位相算出手段は、前記複数のモード光の間の相対位相に余弦演算を施した結果を前記相対位相とする付記１から６のいずれか一項に記載した受信光学系制御装置。
　（付記１２）前記制御量算出手段は、前記ニューラルネットワークの隠れ層の活性化関数として正規化線形関数を用い、前記出力層の活性化関数としてソフトマックス関数を用いる付記４から６のいずれか一項に記載した受信光学系制御装置。
　（付記１３）前記制御量算出手段は、前記強化学習として方策勾配法を用いる付記５または６に記載した受信光学系制御装置。
　（付記１４）付記１から６、および１１から１３のいずれか一項に記載した受信光学系制御装置と、前記光学系と、前記光伝送媒体と、前記可変機構を前記制御量に基づいて制御して、前記入射光ビームを前記複数の伝搬モードに結合させる結合制御手段と、前記複数のモード光を分離して前記各モード光を出力するモード分離手段と、前記各モード光を受信して前記受信信号を生成する光受信手段、とを有する光受信装置。
　（付記１５）前記光学系は、ミラーを備え、前記可変機構は、前記ミラーを軸周りに回転させ、前記制御量は、前記ミラーの前記軸周りの回転量である付記１４に記載した光受信装置。
　（付記１６）前記光伝送媒体は、フューモードファイバである付記１４または１５に記載した光受信装置。
　（付記１７）前記光受信手段は、前記各モード光と局発光を干渉させてコヒーレント検波を行う付記１４から１６のいずれか一項に記載した光受信装置。
　（付記１８）前記相対位相を算出することは、前記複数のモード光の間の相対位相に余弦演算を施した結果を前記相対位相とすることを含む付記７から１０のいずれか一項に記載した受信光学系制御方法。
　（付記１９）前記制御量を算出することは、前記ニューラルネットワークの隠れ層の活性化関数として正規化線形関数を用い、前記出力層の活性化関数としてソフトマックス関数を用いることを含む付記１０に記載した受信光学系制御方法。
　（付記２０）前記制御量を算出することは、前記強化学習として方策勾配法を用いることを含む付記１０に記載した受信光学系制御方法。
　以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
　この出願は、２０１９年５月３１日に出願された日本出願特願２０１９－１０２２８８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　　受信光学系制御装置
　１１０　　光強度算出部
　１２０　　光位相算出部
　１３０　　相対位相算出部
　１４０　　制御量算出部
　１０００　　光受信装置
　１１００　　光学系
　１１０１　　可変機構
　１２００　　光伝送媒体
　１３００　　結合制御装置
　１４００　　モード分離器
　１５００　　光受信器
　１５０１　　局部発信器
　１６００　　信号処理装置
　１６１０　　光強度算出部
　１６２０　　光位相算出部
　１６３０　　相対位相算出部
　１７００　　制御量算出部
　１８００　　アナログ－デジタル変換器

Claims (20)

  1. 　入射光ビームのうち、可変機構を備えた光学系によって光伝送媒体の複数の伝搬モードに結合した複数のモード光を、各モード光ごとに受信することによって得られる受信信号から、前記各モード光の光強度を算出する光強度算出手段と、
    　前記受信信号から、前記各モード光の光位相を算出する光位相算出手段と、
    　前記光位相から、前記複数のモード光の間の相対位相を算出する相対位相算出手段と、
    　前記光強度と前記相対位相から、前記可変機構の制御量を算出する制御量算出手段、とを有する
    　受信光学系制御装置。
  2. 　前記制御量算出手段は、前記入射光ビームと前記複数の伝搬モードのそれぞれとの結合効率の総和である総結合効率が最大となる前記制御量を算出する
    　請求項１に記載した受信光学系制御装置。
  3. 　前記相対位相算出手段は、前記複数のモード光のうち基本モードの位相を基準として、前記相対位相を算出する
    　請求項１または２に記載した受信光学系制御装置。
  4. 　前記制御量算出手段は、前記光強度および前記相対位相と、前記制御量との関係をニューラルネットワークでモデル化し、前記光強度と前記相対位相を入力層とし、前記制御量に対する調整量の選択確率を出力層とし、前記入力層と前記出力層との結合を表わすパラメータを用いて前記制御量を算出する
    　請求項１から３のいずれか一項に記載した受信光学系制御装置。
  5. 　前記制御量算出手段は、前記パラメータを強化学習によって最適化する
    　請求項４に記載した受信光学系制御装置。
  6. 　前記制御量算出手段は、前記強化学習の報酬として、前記入射光ビームと前記複数の伝搬モードのそれぞれとの結合効率の総和である総結合効率を用いる
    　請求項５に記載した受信光学系制御装置。
  7. 　入射光ビームのうち、可変機構を備えた光学系によって光伝送媒体の複数の伝搬モードに結合した複数のモード光を、各モード光ごとに受信することによって受信信号を取得し、
    　前記受信信号から、前記各モード光の光強度を算出し、
    　前記受信信号から、前記各モード光の光位相を算出し、
    　前記光位相から、前記複数のモード光の間の相対位相を算出し、
    　前記光強度と前記相対位相から、前記可変機構の制御量を算出する
    　受信光学系制御方法。
  8. 　前記制御量を算出することは、前記入射光ビームと前記複数の伝搬モードのそれぞれとの結合効率の総和である総結合効率が最大となる前記制御量を算出することを含む
    　請求項７に記載した受信光学系制御方法。
  9. 　前記相対位相を算出することは、前記複数のモード光のうち基本モードの位相を基準として、前記相対位相を算出することを含む
    　請求項７または８に記載した受信光学系制御方法。
  10. 　前記制御量を算出することは、
    　　前記光強度および前記相対位相と、前記制御量との関係をニューラルネットワークでモデル化し、前記光強度と前記相対位相を入力層とし、前記制御量に対する調整量の選択確率を出力層とし、前記入力層と前記出力層との結合を表わすパラメータを用いて前記制御量を算出し、
    　　前記パラメータを強化学習によって最適化し、
    　　前記強化学習の報酬として、前記入射光ビームと前記複数の伝搬モードのそれぞれとの結合効率の総和である総結合効率を用いること、を含む
    　請求項７から９のいずれか一項に記載した受信光学系制御方法。
  11. 　前記相対位相算出手段は、前記複数のモード光の間の相対位相に余弦演算を施した結果を前記相対位相とする
    　請求項１から６のいずれか一項に記載した受信光学系制御装置。
  12. 　前記制御量算出手段は、前記ニューラルネットワークの隠れ層の活性化関数として正規化線形関数を用い、前記出力層の活性化関数としてソフトマックス関数を用いる
    　請求項４から６のいずれか一項に記載した受信光学系制御装置。
  13. 　前記制御量算出手段は、前記強化学習として方策勾配法を用いる
    　請求項５または６に記載した受信光学系制御装置。
  14. 　請求項１から６、および１１から１３のいずれか一項に記載した受信光学系制御装置と、
    　前記光学系と、
    　前記光伝送媒体と、
    　前記可変機構を前記制御量に基づいて制御して、前記入射光ビームを前記複数の伝搬モードに結合させる結合制御手段と、
    　前記複数のモード光を分離して前記各モード光を出力するモード分離手段と、
    　前記各モード光を受信して前記受信信号を生成する光受信手段、とを有する
    　光受信装置。
  15. 　前記光学系は、ミラーを備え、前記可変機構は、前記ミラーを軸周りに回転させ、前記制御量は、前記ミラーの前記軸周りの回転量である
    　請求項１４に記載した光受信装置。
  16. 　前記光伝送媒体は、フューモードファイバである
    　請求項１４または１５に記載した光受信装置。
  17. 　前記光受信手段は、前記各モード光と局発光を干渉させてコヒーレント検波を行う
    　請求項１４から１６のいずれか一項に記載した光受信装置。
  18. 　前記相対位相を算出することは、前記複数のモード光の間の相対位相に余弦演算を施した結果を前記相対位相とすることを含む
    　請求項７から１０のいずれか一項に記載した受信光学系制御方法。
  19. 　前記制御量を算出することは、前記ニューラルネットワークの隠れ層の活性化関数として正規化線形関数を用い、前記出力層の活性化関数としてソフトマックス関数を用いることを含む
    　請求項１０に記載した受信光学系制御方法。
  20. 　前記制御量を算出することは、前記強化学習として方策勾配法を用いることを含む
    　請求項１０に記載した受信光学系制御方法。
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