JP6701466B2

JP6701466B2 - 空間光通信受信器

Info

Publication number: JP6701466B2
Application number: JP2020503219A
Authority: JP
Inventors: 恵介松田; 英介原口; 俊行安藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-03-01
Filing date: 2018-03-01
Publication date: 2020-05-27
Anticipated expiration: 2038-03-01
Also published as: EP3748873B1; US20210075517A1; EP3748873A1; JPWO2019167237A1; WO2019167237A1; EP3748873A4

Description

この発明は、例えば航空機や衛星といった移動体に送受信器を搭載して空間光通信を行うための空間光通信受信器に関する。

大容量空間通信を実現する手段として波長１．５μｍ帯や１．０μｍ帯の光を使った空間光通信が使われる。空間光通信では従来の無線通信と比較してキャリアである光の波長が短く、光アンテナすなわち望遠鏡を含めた送受信器の小型化が期待できる。またビーム広がりを小さく抑えることができ、効率的に光を伝送できるため低消費電力化が期待できる。
空間光通信では、望遠鏡を対向する送受信器に向ける必要があるが、航空機や衛星などの移動体に送受信器を搭載する場合、望遠鏡の指向する角度に誤差を生じてしまい、光の結合損失を生じる。この問題に対処するため、高速に角度誤差を補償するポインティングミラーが用いられる。ポインティングミラーの制御には望遠鏡に入射した光信号の角度誤差を検出するセンサが必要となるが、受信した光を一部分配した光か、信号光とは異なる波長のビーコン光をセンサに入力する必要がある。
また大気中を伝播した光は大気の影響を受けて波面が歪む。コヒーレント検波をする場合を考えると、受信光を、コヒーレント受信器の入力ポートであるシングルモードファイバ（ＳＭＦ）に結合する必要がある。波面が歪んでいる場合には結合損が発生してしまい、信号対雑音電力比（ＳＮＲ）が劣化してしまう課題がある。これを解決するために、波面の歪を波面センサで検出し、形状可変鏡（ＤＭ：Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅｍｉｒｒｏｒ）による波面歪の補償が行われていた（例えば、非特許文献１参照）。

Malcolm W. Wright, et al., "Adaptive optics correction into single mode fiber for a low Earth orbiting space to ground optical communication link using the OPALS downlink," Optics Express Vol. 23, No. 26 pp33705-33712.

しかしながら、従来のように、信号光とは異なる波長のビーコン光を使う場合には、ビーコン光を送信器において波長合波する必要があり、送信側の構成が複雑化するという問題があった。また、受信側でも、角度誤差を検出するセンサが必要となる。さらに、波面センサで波面の歪を検出するためには、信号とは異なる波長のビーコン信号を用いる必要があり、信号光とは異なる波長のビーコン光を使う場合には、上述したように、ビーコン光を送信器において波長合波する必要が生じ、構成の複雑化が避けられないという課題があった。

この発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、信号対雑音電力比の劣化と構成の複雑化を抑制することができ、安定した空間光通信を行うことのできる空間光通信受信器を提供することを目的とする。

この発明に係る空間光通信受信器は、空間伝播した光信号を集光しコリメートされた光信号を出力する望遠鏡と、望遠鏡から出力された光信号の角度ずれを補償するポインティングミラーと、ポインティングミラーからの光信号を集光する集光光学系と、集光された光信号を伝送する複数のコアのマルチコアファイバと、マルチコアファイバで伝送された各コアの光信号をコア毎に異なるシングルモードファイバを通して出力する分離器と、各シングルモードファイバからの光信号をコヒーレント検波するコヒーレント検波器と、コヒーレント検波された信号のデジタル信号を復号するデジタル信号処理部とを備え、デジタル信号処理部は、マルチ入力シングル出力等化を行う適応等化器と、適応等化器からの信号の位相を補償する位相補償部と、位相を補償した信号を復号する復号部と、各コアに対応するパワーのモニタ値を出力するパワーモニタと、モニタ値を用いて集光光学系へ入力される光信号の角度ずれの値を示す角度ずれ信号を出力する角度ずれ検出部とを備え、ポインティングミラーは、角度ずれ信号に対応して補償角度を更新するようにしたものである。

この発明に係る空間光通信受信器は、マルチコアファイバを用いて伝送した光信号をコヒーレント検波してデジタル信号処理部で復号する。デジタル信号処理部では、集光光学系に入力される光信号の角度ずれを検出し、ポインティングミラーは、この角度ずれに対応して補償角度を更新するようにしたので、信号対雑音電力比の劣化と構成の複雑化を抑制することができ、安定した空間光通信を行うことができる。

この発明の実施の形態１の空間光通信受信器の構成図である。この発明の実施の形態１の空間光通信受信器のデジタル信号処理部の構成図である。この発明の実施の形態１の空間光通信受信器のデジタル信号処理部のハードウェア構成図である。この発明の実施の形態１の空間光通信受信器の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態１の空間光通信受信器のマルチコアファイバの断面図である。この発明の実施の形態２の空間光通信受信器の構成図である。この発明の実施の形態２の空間光通信受信器のデジタル信号処理部の構成図である。この発明の実施の形態２の空間光通信受信器の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態３の空間光通信受信器の構成図である。この発明の実施の形態３の空間光通信受信器の波面補償制御部の構成図である。この発明の実施の形態３の空間光通信受信器のデジタル信号処理部の構成図である。この発明の実施の形態３の空間光通信受信器の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態４の空間光通信受信器のデジタル信号処理部の構成図である。この発明の実施の形態４の空間光通信受信器の動作を示すフローチャートである。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による空間光通信受信器を示す構成図である。
図示の空間光通信受信器は、望遠鏡１０１、ポインティングミラー（ＰＭ）１０２、集光光学系１０３、マルチコアファイバ（ＭＣＦ）１０４、分離器１０５、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）１０６、局発光源１０７、コヒーレント検波器１０８、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）１０９、デジタル信号処理部（ＤＳＰ：ｄｉｇｉｔａｌａｎａｌｏｇｐｒｏｃｅｓｓｅｒ）１１０を備える。望遠鏡１０１は、空間伝播した光信号を集光しコリメートされた光信号を出力するよう構成されている。ポインティングミラー１０２は、望遠鏡１０１から出力された光信号の角度ずれを補償するミラーであり、デジタル信号処理部１１０で検出された角度ずれの信号を入力とし、角度ずれを補償して出力光の角度を変えるよう構成されている。集光光学系１０３は、入力されたコリメート光をマルチコアファイバ１０４の入射端面付近に集光するための光学系である。マルチコアファイバ１０４は、集光光学系１０３で集光された光信号を伝送する二つ以上のコアを持つ光ファイバであり、後述する図５に示すように各コアがクラッド内に略均一に配置され、かつ、その入射端面が集光光学系１０３の焦点近傍に位置するよう配置されている。

分離器１０５は、マルチコアファイバ１０４における各コアを伝播した光信号をそれぞれ異なるシングルモードファイバ１０６に分離して出力するよう構成されている。シングルモードファイバ１０６は、シングルモードの光ファイバである。局発光源１０７は、コヒーレント検波器１０８に対して同一の光信号を出力する光源である。コヒーレント検波器１０８は、シングルモードファイバ１０６に対応して複数個設けられ、シングルモードファイバ１０６を介して入力された光信号に対して局発光源１０７からの光信号と干渉させることによりコヒーレント検波して電気信号を出力する検波器である。アナログデジタルコンバータ１０９は、コヒーレント検波器１０８に対応して複数個設けられ、コヒーレント検波器１０８からの電気信号であるアナログ信号をデジタル信号に変換するコンバータである。デジタル信号処理部１１０は、アナログデジタルコンバータ１０９で変換されたデジタル信号の復号を行う処理部であり、その内部構成を図２に示す。

図２において、デジタル信号処理部１１０は、適応等化器２０１、位相補償部２０２、復号部２０３、パワーモニタ２０４、角度ずれ検出部２０５を備える。適応等化器２０１は、マルチ入力シングル出力（ＭＩＳＯ：Ｍｕｌｔｉ−ＩｎｐｕｔａｎｄＳｉｎｇｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）等化を行う適応等化器である。位相補償部２０２は、受信光のキャリアと局発光との位相差を補償する機能部である。復号部２０３は、位相補償部２０２から出力されたデジタル信号の判定及び復号を行う機能部である。パワーモニタ２０４は、アナログデジタルコンバータ１０９からの各コアに結合したパワーをモニタしてそのモニタ値を出力する回路である。角度ずれ検出部２０５は、パワーモニタ２０４から出力されたモニタ値から集光光学系１０３に入力される光信号の角度ずれを検出する検出器であり、その検出結果をポインティングミラー１０２に出力するよう構成されている。

また、デジタル信号処理部１１０における適応等化器２０１〜角度ずれ検出部２０５はそれぞれ専用のハードウェアであってもメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ、なお、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサともいう）を用いて構成してもよい。
適応等化器２０１〜角度ずれ検出部２０５が専用のハードウェアである場合、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらを組み合わせたものが該当する。適応等化器２０１〜角度ずれ検出部２０５をそれぞれ固有の処理回路で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路で実現してもよい。

適応等化器２０１〜角度ずれ検出部２０５をＣＰＵを用いて実現する場合、これら機能部は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。図３にＣＰＵを用いて実現した場合のハードウェア構成を示す。
図示の回路は、ＣＰＵ３０１、メモリ３０２、入出力インタフェース（Ｉ／Ｆ）３０３、バス３０４からなる。ここで、ＣＰＵ３０１は、適応等化器２０１〜角度ずれ検出部２０５の機能に対応したプログラムを実行することにより、これら適応等化器２０１〜角度ずれ検出部２０５を実現するためのプロセッサである。メモリ３０２は、適応等化器２０１〜角度ずれ検出部２０５の機能に対応したプログラムを格納するメモリであり、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリや、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等が該当する。入出力インタフェース３０３は、外部との信号のやり取りを行うためのインタフェースである。バス３０４は、ＣＰＵ３０１〜入出力インタフェース３０３を相互に接続するための通信路である。

なお、適応等化器２０１〜角度ずれ検出部２０５の一部の機能部を専用のハードウェアで実現し、他の機能部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。例えば、適応等化器２０１、位相補償部２０２及び復号部２０３については専用のハードウェアでその機能を実現し、パワーモニタ２０４及び角度ずれ検出部２０５については、ＣＰＵ３０１がメモリ３０２に格納されたプログラムを読み出して実行することによってその機能を実現するといったことが可能である。
このように、デジタル信号処理部１１０を構成する各機能部は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって実現することができる。

次に、実施の形態１の空間光通信受信器の動作について説明する。
図４は、実施の形態１の空間光通信受信器の動作を示すフローチャートである。
空間を伝播した光信号が望遠鏡１０１に入力されると、望遠鏡１０１は光信号を集光しコリメートする（ステップＳＴ１０１）。次にポインティングミラー１０２は、光信号の角度ずれを補償する（ステップＳＴ１０２）。ポインティングミラー１０２からの光信号は集光光学系１０３によって集光され（ステップＳＴ１０３）、これがマルチコアファイバ１０４に入力され、マルチコアファイバ１０４内を伝播する（ステップＳＴ１０４）。その後、分離器１０５によってコア毎に分離され（ステップＳＴ１０５）、コヒーレント検波器１０８で局発光源１０７からの局発光と干渉させ、コヒーレント検波が行われる（ステップＳＴ１０６）。次いでコヒーレント検波器１０８からのアナログ信号はアナログデジタルコンバータ１０９によってデジタル信号に変換される（ステップＳＴ１０７）。このデジタル信号に対しては、デジタル信号処理部１１０内で並行して二つの処理が行われる。一方の処理は、適応等化器２０１により各コアに対応するデジタル信号が合成され（ステップＳＴ１０８）、位相補償部２０２によって位相差が補償され（ステップＳＴ１０９）、復号部２０３によって判定及び復号が行われる（ステップＳＴ１１０）。他方の処理は、各コアに対応するデジタル信号からパワーモニタ２０４がパワーをモニタし（ステップＳＴ１１１）、角度ずれ検出部２０５によって角度誤差を検出する（ステップＳＴ１１２）ものである。

先ず、一方の処理（ステップＳＴ１０８〜ＳＴ１１０）について説明する。
ここで、Ｎ個のコアをもつマルチコアファイバ１０４を用いた場合、各コアに対応して、直交する二つの偏波の信号が適応等化器２０１に入力されるため、入力は２Ｎ個の複素信号となる。適応等化器２０１は２Ｎ個の例えば複素係数をもつＦＩＲフィルタにより構成され、２Ｎ個の入力は、それぞれ個別のＦＩＲフィルタを通った後に、加算される。適応等化器２０１のフィルタ係数は入力信号に応じて適応的に更新される。更新には例えば定包絡線アルゴリズムを用いる。
今、適応等化器２０１が長さＭタップの１サンプル／シンボルで動作するＦＩＲフィルタから構成されている場合を考える。ｉ番目のコアに対応するＦＩＲフィルタのタップ係数をｈｉｘ（ｍ）、ｈｉｙ（ｍ）（ｍ＝１，２，…，Ｍ）とし、適応等化器２０１に入力されるｉ番目のコアに対応するｋシンボル目のＸ偏波成分をＥｉＸ（ｋ）、Ｙ偏波成分をＥｉＹ（ｋ）とし、出力をＥＯＵＴ（ｋ）とすると、式（１）の関係となる。

次に、他方の処理（ステップＳＴ１１１、ＳＴ１１２）について説明する。
パワーモニタ２０４は各コアに対応する、信号の直交する二つの偏波の振幅値から、各コアに結合したパワーをモニタする。ｉ番目のコアに対応する信号パワーＰ_ｉは、直交するＸ偏波とＹ偏波の振幅をＥ_ｉｘ、Ｅ_ｉｙとすると式（２）により表される。

角度ずれ検出部２０５は、図５に示すようにマルチコアファイバ１０４の入射端面に対して、ｘ−ｙ座標をとり、ｉ番目のコアの中心座標を（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）とし、式（３）によってマルチコアファイバ１０４入射端面における光パワーの重心を計算する。

集光光学系１０３の焦点距離をｆとすると、ｘ方向の角度ずれθ_ｘとｙ方向の角度ずれθ_ｙは、式（４）により計算される。

角度ずれ検出部２０５は計算結果をポインティングミラー１０２に入力する。すなわち、図４のフローチャートにおいて、ステップＳＴ１１２の後、ステップＳＴ１０１に戻り、ステップＳＴ１０２において、ポインティングミラー１０２は入力された角度ずれを補償する。

次に、このように構成された空間光通信受信器の効果について説明する。
マルチコアファイバではなく、シングルモードファイバを用いた従来の構成であった場合、大気の影響を受け、集光光学系に入射する波面が歪むと、シングルモードファイバの入射端面における光強度分布がシングルモードファイバのコア径に対して広がってしまい、結合損失を生じる。
これに対して本実施の形態のようにマルチコアファイバ１０４を用いた場合、光強度分布が広がった場合でも、複数のコアが入射端面に配置されているため、光信号は複数のコアに結合される。各コアに対応する信号成分と雑音成分の二乗平均平方根振幅をＳ_ＲＭＳｉおよびＮ_ＲＭＳｉとすると、一つのコアに対応する信号の信号電力と雑音電力はそれぞれ、（Ｓ_ＲＭＳｉ）^２、（Ｎ_ＲＭＳｉ）^２となる。一方、適応等化器２０１により合成された信号の信号電力と雑音電力は、式（５）（６）でそれぞれ表される。

従って、一つのコアに対応するＳＮＲは式（７）になるのに対し、適応等化器２０１により合成された信号のＳＮＲは式（８）となる。

もし、各コアの信号成分と雑音成分のＲＭＳ（ＲｏｏｔＭｅａｎＳｑｕａｒｅ：二乗平均平方根）が一定である場合には、合成された信号のＳＮＲは一つのコアに対応するＳＮＲのＮ倍に改善する。
また本実施の形態では、角度ずれ検出のための専用のセンサを用いることなく、角度ずれ検出部２０５によって角度ずれ検出が可能であり、センサへの信号光の分配による損失も生じず、ビーコン光も必要としない。そしてコヒーレント検波器１０８による高感度なコヒーレント検波を行うため、受信パワーが小さくても角度ずれを検出することが可能である。
マルチコアファイバ１０４を用いることで角度ずれの検出が可能となるのは、マルチコアファイバ１０４の各コアを伝送する光信号が物理的な位置関係を保って伝送されることに依る。

コヒーレント検波には、局発光との干渉を生じさせる必要がある。また干渉した光信号を高速な電気信号に変換する必要がある。従って、複数のコヒーレント検波器を用いる場合には、コヒーレント検波器全体の小型化には限界がある。本実施の形態では光を低損失で伝送可能なマルチコアファイバ１０４を用いることで、分離器１０５及びコヒーレント検波器１０８を光学系から物理的に離して自由に配置でき、空間光通信受信器の機構設計の制約を減らすことができる。
また、マルチコアファイバは伝送媒体として製造されているため、密集したコア配置が安定して製造されており、空間光通信受信器を安価に実現することができる。
さらに、形状可変鏡だけの補償では、空間的な位相の歪は補償されるが、強度分布の歪は補償されない。これに対し、本実施の形態では適応等化器２０１によりコア毎の位相と強度に応じた合成を行うことができる。

以上説明したように、実施の形態１の空間光通信受信器によれば、空間伝播した光信号を集光しコリメートされた光信号を出力する望遠鏡と、望遠鏡から出力された光信号の角度ずれを補償するポインティングミラーと、ポインティングミラーからの光信号を集光する集光光学系と、集光された光信号を伝送する複数のコアのマルチコアファイバと、マルチコアファイバで伝送された各コアの光信号をコア毎に異なるシングルモードファイバを通して出力する分離器と、各シングルモードファイバからの光信号をコヒーレント検波するコヒーレント検波器と、コヒーレント検波された信号のデジタル信号を復号するデジタル信号処理部とを備え、デジタル信号処理部は、マルチ入力シングル出力等化を行う適応等化器と、適応等化器からの信号の位相を補償する位相補償部と、位相を補償した信号を復号する復号部と、各コアに対応するパワーのモニタ値を出力するパワーモニタと、モニタ値を用いて集光光学系へ入力される光信号の角度ずれの値を示す角度ずれ信号を出力する角度ずれ検出部とを備え、ポインティングミラーは、角度ずれ信号に対応して補償角度を更新するようにしたので、信号対雑音電力比の劣化と構成の複雑化を抑制することができ、安定した空間光通信を行うことができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、デジタル信号処理部と形状可変鏡の制御を協調させて行うようにしたものである。
図６は、実施の形態２の空間光通信受信器の構成図である。
図示の空間光通信受信器は、望遠鏡１０１、形状可変鏡（ＤＭ）６０１、集光光学系１０３、マルチコアファイバ（ＭＣＦ）１０４、分離器１０５、シングルモードファイバ１０６、局発光源１０７、コヒーレント検波器１０８、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）１０９、デジタル信号処理部（ＤＳＰ）６０２を備える。ここで、形状可変鏡６０１とデジタル信号処理部６０２以外の構成は図１に示した実施の形態１の構成と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。

形状可変鏡６０１は、望遠鏡１０１から出力された光信号の波面歪を、鏡の形状を変化させることにより補償するミラーであり、デジタル信号処理部６０２で検出された波面歪の信号を入力とし、波面歪を補償して出力するよう構成されている。デジタル信号処理部６０２は、アナログデジタルコンバータ１０９で変換されたデジタル信号の復号を行うと共に、集光光学系１０３の入力の波面歪を算出する処理部であり、その内部構成を図７に示す。

図７において、デジタル信号処理部６０２は、適応等化器２０１、位相補償部２０２、復号部２０３、低周波数振幅分布算出部７０１、フーリエ変換部（ＦＴ）７０２を備える。ここで、適応等化器２０１、位相補償部２０２及び復号部２０３は、図２に示した実施の形態１の構成と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。低周波数振幅分布算出部７０１は、適応等化器２０１のフィルタ係数から、マルチコアファイバ１０４入射端面における、各コアに結合した光信号の振幅を算出することで、マルチコアファイバ１０４入射端面における振幅分布を算出する機能部である。フーリエ変換部７０２は、低周波数振幅分布算出部７０１で算出された振幅分布から集光光学系１０３入力における波面歪を算出して出力する回路である。また、フーリエ変換部７０２の出力は形状可変鏡６０１に送出され、形状可変鏡６０１は、この波面歪の値に基づいて波面歪を補償するよう構成されている。
また、実施の形態２におけるデジタル信号処理部６０２についても、それぞれの機能部を専用のハードウェアで構成しても、ソフトウェア、ファームウェア等で構成してもよい。

次に、実施の形態２の空間光通信受信器の動作について説明する。
図８は、実施の形態２の空間光通信受信器の動作を示すフローチャートである。
図８のフローチャートにおいて、先ず、ステップＳＴ１０１において、望遠鏡１０１が光信号を集光してコリメートするのは実施の形態１と同様である。次に、実施の形態２では、望遠鏡１０１から出力された光信号に対して形状可変鏡６０１はその波面歪を補償する（ステップＳＴ２０１）。その後、ステップＳＴ１０３〜ステップＳＴ１０７は実施の形態１と同様である。実施の形態２では、次のステップＳＴ１０８ａにおいて、適応等化器２０１は、実施の形態１と同様にＭＩＳＯ等化による合成を行うと共に、自身のフィルタ係数更新を行う。その後の並行処理のうち、位相補償部２０２及び復号部２０３による一方の処理（ステップＳＴ１０９、ＳＴ１１０）は実施の形態１と同様である。他方の処理では、先ず、低周波数振幅分布算出部７０１によって、適応等化器２０１のフィルタ係数から、マルチコアファイバ１０４入射端面における、各コアに結合した光信号の振幅を算出することで、マルチコアファイバ１０４入射端面における振幅分布を算出する（ステップＳＴ２０２）。次に、フーリエ変換部７０２は、算出された振幅分布から、集光光学系入力における波面歪を算出し、これを形状可変鏡６０１での補償量として出力する（ステップＳＴ２０３）。以下、低周波数振幅分布算出部７０１及びフーリエ変換部７０２の詳細について説明する。

先ず、低周波数振幅分布算出部７０１について説明する。ｉ番目のコアの位相θ_ｉは式（９）により、適応等化器２０１のフィルタ係数から計算される。

各コアの座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）における位相から、座標に対して位相をアンラッピングすることで、マルチコアファイバ１０４入力端における位相の分布が得られる。また振幅の絶対値の分布については、式（１０）で計算されるＲＭＳから計算するか、入力信号のＲＭＳから計算する。

位相と振幅の絶対値を組み合わせることで、マルチコアファイバ１０４入射端面における振幅分布が得られる。
ここで、振幅分布は大気変動に伴い変動しており、低周波数振幅分布算出部７０１は、時間によって変動する振幅分布に、例えば１ｋＨｚの低域通過フィルタをかけて、低周波数成分を算出し、出力する。

次に、フーリエ変換部７０２の詳細について説明する。フーリエ変換部７０２は入力される、マルチコアファイバ１０４入射端面における振幅分布を二次元フーリエ変換し、集光光学系１０３入力における振幅分布に変換する。振幅分布の位相を抽出することで、位相分布すなわち波面歪が算出され、形状可変鏡６０１に対して出力される。
形状可変鏡６０１では入力された波面歪を打ち消すように、鏡面形状が制御される。

このように、実施の形態２では、形状可変鏡６０１で低速な波面歪を補償し、デジタル信号処理部６０２にて残留する歪を取り除くことで、デジタル信号処理部６０２において必要となる補償量を抑えることができ、結果的にデジタル信号処理部６０２が高速かつ高精度に波面歪の補償を行うことが可能となり、形状可変鏡６０１とデジタル信号処理部６０２を合わせた波面歪補償能力が高まる。

実施の形態２においても、実施の形態１と同様にマルチコアファイバを用いることで、シングルモードファイバを用いた従来の構成と比較してＳＮＲの改善が可能となる。また波面センサを必要とせず、波面センサのための光分配による損失はなく、ビーコンも不要となる効果がある。なお、マルチコアファイバを用いることで波面歪の検出が可能となるのは、マルチコアファイバの各コアを伝播する光信号が物理的な位置関係を保って伝播されることに依る。
さらに、実施の形態１と同様に、マルチコアファイバを用いることで、機構設計の制約が減る。
また、マルチコアファイバは伝送媒体として製造されているため、密集したコア配置が安定して製造されており、空間光通信受信器を安価に実現することができる。
そして、形状可変鏡だけの補償では、空間的な位相の歪は補償されるが、強度分布の歪は補償されない。これに対し、実施の形態２では、適応等化器２０１によりコア毎の位相と強度に応じた合成を行うことができる。

以上説明したように、実施の形態２の空間光通信受信器によれば、空間伝播した光信号を集光しコリメートされた光信号を出力する望遠鏡と、望遠鏡から出力された光信号の波面歪を補償する形状可変鏡と、形状可変鏡からの光信号を集光する集光光学系と、集光された光信号を伝送する複数のコアのマルチコアファイバと、マルチコアファイバで伝送された各コアの光信号をコア毎に異なるシングルモードファイバを通した各光信号をコヒーレント検波するコヒーレント検波器と、コヒーレント検波された信号のデジタル信号を復号するデジタル信号処理部とを備え、デジタル信号処理部は、マルチ入力シングル出力等化を行う適応等化器と、適応等化器からの信号の位相を補償する位相補償部と、位相を補償した信号を復号する復号部と、適応等化器のフィルタ係数からマルチコアファイバ入射端面における振幅分布の低周波成分を算出する低周波数振幅分布算出部と、低周波数振幅分布算出部からの振幅分布を、集光光学系の入力における振幅分布に変換して波面歪を算出するフーリエ変換部とを備え、形状可変鏡は、フーリエ変換部から出力される波面歪に対応して波面歪補償量を更新するようにしたので、信号対雑音電力比の劣化と構成の複雑化を抑制することができ、安定した空間光通信を行うことができる。

実施の形態３．
実施の形態３は、デジタル信号処理部と、集光光学系の入力側に位置する形状可変鏡と波面センサと波面補償制御部とを協調させて制御するようにしたものである。
図９は、実施の形態３の空間光通信受信器の構成図である。
図示の空間光通信受信器は、望遠鏡１０１、形状可変鏡（ＤＭ）６０１、分配器（ＢＳ）９０１、波面センサ（ＷＦＳ）９０２、波面補償制御部９０３、集光光学系１０３、マルチコアファイバ（ＭＣＦ）１０４、分離器１０５、シングルモードファイバ１０６、局発光源１０７、コヒーレント検波器１０８、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）１０９、デジタル信号処理部（ＤＳＰ）９０４を備える。ここで、分配器９０１、波面センサ９０２、波面補償制御部９０３及びデジタル信号処理部９０４以外の構成は図６に示した実施の形態２の構成と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。

分配器９０１は、入力された光信号を集光光学系１０３側と波面センサ９０２側に分配する分配器である。波面センサ９０２は、分配器９０１で分配された光の波面歪を検出するセンサである。波面補償制御部９０３は、波面センサ９０２で検出された波面歪の信号を形状可変鏡６０１に出力すると共に、残留する波面歪により生じるマルチコアファイバ１０４入射端面における振幅分布の信号をデジタル信号処理部９０４に出力するよう構成されている。デジタル信号処理部９０４は、アナログデジタルコンバータ１０９で変換されたデジタル信号の復号を行うと共に、波面補償制御部９０３から出力された振幅分布の信号に基づいて適応等化器２０１ａ（図１１に示す）の初期値を設定するよう構成されている。波面補償制御部９０３の内部構成を図１０に示し、デジタル信号処理部９０４の内部構成を図１１に示す。

図１０において、波面補償制御部９０３は、形状可変鏡制御部（以下、ＤＭ制御部という）１００１とフーリエ変換部（ＦＴ）１００２を備える。ＤＭ制御部１００１は、波面センサ９０２で検出された波面歪のうち、形状可変鏡６０１の空間分解能とダイナミックレンジを考慮し、補償可能な範囲の波面歪の信号を形状可変鏡６０１に出力するよう構成されている。また、ＤＭ制御部１００１は、波面センサ９０２で検出された波面歪に対して形状可変鏡６０１で補償された後に残留する波面歪の値の信号を出力する機能を有する。フーリエ変換部１００２は、ＤＭ制御部１００１から出力された波面歪の値を位相分布に変換してフーリエ変換することで、マルチコアファイバ１０４入射端面における振幅分布を算出し、デジタル信号処理部９０４に出力するよう構成されている。

図１１において、デジタル信号処理部９０４は、適応等化器２０１ａ、位相補償部２０２、復号部２０３、立ち上がり検出部１１０１、等化係数初期設定部１１０２を備える。立ち上がり検出部１１０１はアナログデジタルコンバータ１０９からデジタル信号処理部９０４への信号入力が開始されたことを検出する。等化係数初期設定部１１０２は、立ち上がり検出部１１０１により信号入力が開始されたことを検出した際に、波面補償制御部９０３から入力される振幅分布に基づき適応等化器２０１ａのフィルタに値を設定する機能部である。適応等化器２０１ａは等化係数初期設定部１１０２により設定されたフィルタ係数を初期値として、入力信号に応じて適応的にフィルタ係数を更新するよう構成されたＭＩＳＯ等化器である。位相補償部２０２及び復号部２０３は実施の形態２と同様である。

また、実施の形態３におけるデジタル信号処理部９０４と波面補償制御部９０３については、それぞれの機能部を専用のハードウェアで構成しても、ソフトウェア、ファームウェア等で構成してもよい。

次に、実施の形態３の空間光通信受信器の動作について説明する。
図１２は、実施の形態３の空間光通信受信器の動作を示すフローチャートである。
図１２のフローチャートにおいて、先ず、ステップＳＴ１０１において、望遠鏡１０１が光信号を集光してコリメートするのは実施の形態１、２と同様である。その後は二つの処理が並行して行われる。一方の処理は、形状可変鏡６０１によって光信号の波面歪を補償し、集光光学系１０３で集光して、マルチコアファイバ１０４内を伝播する処理（ステップＳＴ２０１、ＳＴ１０３、ＳＴ１０４）であり、これは実施の形態２と同様である。他方の処理は、分配器９０１によって分配された光信号から波面センサ９０２によって波面歪を検出し（ステップＳＴ３０１）、次に、波面補償制御部９０３によって、形状可変鏡６０１での補償量を算出すると共に（ステップＳＴ３０２）、マルチコアファイバ１０４での振幅分布を算出する処理（ステップＳＴ３０３）である。

二つの並行した処理の後、分離器１０５によってコア毎に光信号が分離され（ステップＳＴ１０５）、コヒーレント検波器１０８によって局発光と干渉させたアナログ信号を得て、これがアナログデジタルコンバータ１０９によってデジタル信号に変換される。次に、デジタル信号処理部９０４の立ち上がり検出部１１０１で、入力したデジタル信号の立ち上がりを検出した場合（ステップＳＴ３０４−Ｙｅｓ）、等化係数初期設定部１１０２は、適応等化器２０１ｂの等化係数の初期値設定を行う（ステップＳＴ３０５）。立ち上がり検出部１１０１は、アナログデジタルコンバータ１０９からの出力（例えばＲＭＳ）のいずれかが予め設定した閾値以上となった場合に、信号入力の開始を検出する。以下、等化係数初期設定部１１０２の処理の詳細について説明する。

等化係数初期設定部１１０２は、波面補償制御部９０３から出力された振幅分布を入力し、振幅分布から各コアを伝播する光信号の振幅を算出する。ここで、実施の形態２と同様に適応等化器２０１ａが長さＭタップの１サンプル／シンボルで動作するＦＩＲフィルタから構成されている場合を考え、例えば、ｉ番目のコアの振幅がＡ_ｉとなったとする。等化係数初期設定部１１０２はフィルタ係数を最大比合成に基づき、例えば式（１１）のように係数を設定する。式中、＊は複素共役を示す。ここでｍ_ｃは、タップの概略中心の位置を示し、例えばＭ／２である。

適応等化器２０１ａは、等化係数初期設定部１１０２により設定されたフィルタ係数を初期値として、入力信号に応じて適応的にフィルタ係数を更新する（ステップＳＴ３０６）。その後は実施の形態１及び実施の形態２と同様に、適応等化器２０１ａにより各コアに対応するデジタル信号が合成されて、位相補償部２０２で位相差が補償され（ステップＳＴ１０９）、復号部２０３で判定及び復号が行われる（ステップＳＴ１１０）。なお、ステップＳＴ３０４において、等化係数初期設定部１１０２で、デジタル信号処理部９０４への入力信号が検出されなかった場合（ステップＳＴ３０４−Ｎｏ）は、適応等化器２０１ａの初期値設定は行わず、ステップＳＴ３０６に移行して適応等化器２０１ａによる合成フィルタ係数の更新を行う。

一般にＭＩＳＯ等化器は、入力信号に対して適応的にフィルタ係数を設定するが、入力信号には雑音が載っているため、フィルタ係数を収束させるには多数の信号入力が必要であり、収束するまでに時間を要する。これに対し、実施の形態３では、波面補償制御部９０３からの信号に基づいて適応等化器２０１ｂの係数の初期値を設定することで、概略収束すべき条件からフィルタ係数の更新を開始することができ、その結果、収束時間の短縮につながる。すなわち、信号の受信を開始した際に高速に通信を成立させることができる。また、形状可変鏡６０１とマルチコアファイバ１０４入射端面における振幅分布の関係はフーリエ変換の関係となるので、形状可変鏡６０１においては空間分解能が高く、変動範囲が大きい波面歪すなわち位相分布であったとしても、マルチコアファイバ１０４入射端面では、比較的空間分解能が落ちるかまたは位相変化を少なくすることができる。なお、この関係は形状可変鏡６０１とマルチコアファイバ１０４入射端面を入れ替えても同じである。従って、形状可変鏡６０１のみ、または、マルチコアファイバ１０４とデジタル信号処理部９０４のみでは補償できない、空間分解能が高くかつ変動範囲が大きい波面歪も補償することができる。

波面補償制御部９０３からの振幅分布に基づき適応等化器２０１ａのフィルタ係数の初期値を等化係数初期設定部１１０２が設定できるのは、マルチコアファイバ１０４の各コアを伝送する光信号が物理的な位置関係を保って伝送されることに依る。
形状可変鏡だけを用いた補償では、空間的な位相の歪は補償されるが、強度分布の歪は補償されない。これに対し、実施の形態３では、実施の形態１、２と同様に、適応等化器２０１ｂによりコア毎の位相と強度に応じた合成を行うことができる。
さらに、実施の形態１と同様に、マルチコアファイバを用いることで、機構設計の制約が減る。

以上説明したように、実施の形態３の空間光通信受信器によれば、空間伝播した光信号を集光しコリメートされた光信号を出力する望遠鏡と、望遠鏡から出力された光信号を第１の方向と第２の方向に出力する分配器と、第１の方向に出力された光信号の波面歪を検出する波面センサと、第２の方向に出力された光信号の波面歪を補償する形状可変鏡と、形状可変鏡からの光信号を集光する集光光学系と、集光された光信号を伝送する複数のコアのマルチコアファイバと、マルチコアファイバで伝送された各コアの光信号をコア毎に異なるシングルモードファイバを通した各光信号をコヒーレント検波するコヒーレント検波器と、コヒーレント検波された信号のデジタル信号を復号するデジタル信号処理部と、波面センサで検出された波面歪に基づき形状可変鏡とデジタル信号処理部とを制御する波面補償制御部とを備え、波面補償制御部は、波面センサで検出した波面歪を打ち消すように形状可変鏡を制御する形状可変鏡制御部と、形状可変鏡からの出力に残留する波面歪を算出し、波面歪をフーリエ変換し、マルチコアファイバの入射端面における振幅分布に変換して出力するフーリエ変換部とを備え、デジタル信号処理部は、マルチ入力シングル出力等化を行う適応等化器と、適応等化器からの信号の位相を補償する位相補償部と、位相を補償した信号を復号する復号部と、フーリエ変換部から出力された振幅分布に基づき、適応等化器の等化係数の初期値を設定する等化係数初期設定部とを備えたので、実施の形態１の効果に加えて、信号の受信を開始した際に高速に通信を成立させることができる。

実施の形態４．
実施の形態４は、デジタル信号処理部における適応等化器の誤収束を判定してその適応等化器の初期値を設定するようにしたものである。
図１３は、実施の形態４の空間光通信受信器におけるデジタル信号処理部１３００を示す構成図である。
図示のデジタル信号処理部１３００は、適応等化器２０１ｂ、位相補償部２０２、復号部２０３、立ち上がり検出部１１０１、等化係数初期設定部１１０２ａ、誤収束判定部１３０１を備える。適応等化器２０１ｂは、実施の形態３における適応等化器２０１ａと同様に、等化係数初期設定部１１０２ａによって与えられる値を初期値として設定すると共に、誤収束判定部１３０１に対して誤収束判定信号を与えるよう構成されたＭＩＳＯ等化器である。等化係数初期設定部１１０２ａは、実施の形態３の等化係数初期設定部１１０２と同様に、波面補償制御部から出力された振幅分布の信号を入力し、この信号または誤収束判定部１３０１から出力された誤収束信号が入力された場合に適応等化器２０１ｂの初期値を設定するよう構成されている。デジタル信号処理部１３００内における位相補償部２０２及び復号部２０３の構成は実施の形態１〜実施の形態３の位相補償部２０２及び復号部２０３と同様である。また、デジタル信号処理部１３００以外の空間光通信受信器の構成は図９に示した実施の形態３の構成と同様であるため、図示及び各構成要素の説明は省略する。なお、以下の空間光通信受信器の説明では図９の構成を用いて行う。

また、実施の形態４におけるデジタル信号処理部１３００と波面補償制御部９０３については、それぞれの機能部を専用のハードウェアで構成しても、ソフトウェア、ファームウェア等で構成してもよい。

次に、実施の形態４の空間光通信受信器の動作について説明する。
図１４は、実施の形態４の空間光通信受信器の動作を示すフローチャートである。
図１４のフローチャートにおいて、ステップＳＴ１０１からステップＳＴ１０６までの処理は、図１２に示す実施の形態３のステップＳＴ１０１からステップＳＴ１０６までの処理と同様である。次に実施の形態４では、ステップＳＴ１０６でコヒーレント検波器１０８がコヒーレント検波を行った後、等化係数初期設定部１１０２ａは、デジタル信号処理部１３００への信号入力があったか、すなわち、立ち上がり検出部１１０１において信号の立ち上がりを検出した場合、または、誤収束判定部１３０１から誤収束の判定信号が出力された場合（ステップＳＴ４０１−Ｙｅｓ）に、適応等化器２０１ｂの初期値設定を行う（ステップＳＴ３０５）。なお、デジタル信号処理部１３００への信号入力があった場合の等化係数初期設定部１１０２ａの初期値設定の動作は実施の形態３と同様である。

また、誤収束判定部１３０１による等化係数初期設定部１１０２ａの初期値設定の動作は次の通りである。先ず、誤収束判定部１３０１は、波面補償制御部９０３から出力された振幅分布と適応等化器２０１ｂのフィルタ係数とを入力し、これらを比較することにより適応等化器２０１ｂの誤収束を判定する。判定結果が誤収束であった場合、誤収束判定部１３０１は、等化係数初期設定部１１０２ａに対し、適応等化器２０１ｂの初期値設定信号を出力する。誤収束判定は、例えば、適応等化器２０１ｂのフィルタ係数から、式（１２）で計算されるｈ_ａｖｇｉと、Ａ_ｉ ^＊とを式（１３）で比較し、式（１３）の値γが例えば０．５以下となった場合に、誤収束と判定する。

等化係数初期設定部１１０２ａは、誤収束判定部１３０１で誤収束と判定された場合、デジタル信号処理部１３００への信号入力があった場合と同様に適応等化器２０１ｂの初期値設定を行う（ステップＳＴ３０５）。

ステップＳＴ３０５で適応等化器２０１ｂの初期値を設定した以降の処理（ステップＳＴ３０６〜ステップＳＴ１０９〜ステップＳＴ１１０）については、実施の形態３と同様である。なお、ステップＳＴ４０１において、等化係数初期設定部１１０２ａで、デジタル信号処理部１３００への入力信号と誤収束判定部１３０１による誤収束判定信号が共に検出されなかった場合（ステップＳＴ４０１−Ｎｏ）は、適応等化器２０１ｂの初期値設定は行わず、ステップＳＴ３０６に移行して適応等化器２０１ｂによる合成フィルタ係数の更新を行う。

以上説明したように、実施の形態４の空間光通信受信器によれば、デジタル信号処理部は、波面補償制御部からの残留波面歪量と、適応等化器のフィルタ係数とを比較し、適応等化器の誤収束を検出した場合に等化係数初期設定部に誤収束信号を出力する誤収束判定部を備え、等化係数初期設定部は、誤収束判定部から誤収束信号が出力された場合に適応等化器の初期値を設定するようにしたので、実施の形態３の効果に加えて、適応等化器が誤収束状態で留まることを避けることができる。

実施の形態５．
実施の形態５は、マルチコアファイバを、光増幅を行うマルチコアファイバアンプとしたものである。
上記実施の形態１〜４におけるマルチコアファイバ１０４をマルチコアファイバアンプとしても良く、このマルチコアファイバアンプによって光信号を伝播する際に光増幅を行う。このような構成により、コヒーレント検波において光信号を電気信号に変換する際の雑音を抑えることができ、信号のＳＮＲが改善し、通信品質を向上させることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組合せ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

以上のように、この発明に係る空間光通信受信器は、空間伝播した光信号を入力してコヒーレント検波し、この信号のデジタル信号を復号する構成に関するものであり、例えば、航空機や衛星などの移動体に送受信器を搭載した大容量空間通信に用いるのに適している。

１０１望遠鏡、１０２ポインティングミラー（ＰＭ）、１０３集光光学系、１０４マルチコアファイバ（ＭＣＦ）、１０５分離器、１０６シングルモードファイバ、１０７局発光源、１０８コヒーレント検波器、１０９アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）、１１０，６０２，９０４，１３００デジタル信号処理部（ＤＳＰ）、２０１，２０１ａ，２０１ｂ適応等化器、２０２位相補償部、２０３復号部、２０４パワーモニタ、２０５角度ずれ検出部、６０１形状可変鏡（ＤＭ）、７０１低周波数振幅分布算出部、７０２，１００２フーリエ変換部（ＦＴ）、９０１分配器(ＢＳ)、９０２波面センサ（ＷＦＳ）、９０３波面補償制御部、１００１形状可変鏡制御部（ＤＭ制御部）、１１０１立ち上がり検出部、１１０２，１１０２ａ等化係数初期設定部、１３０１誤収束判定部。

Claims

空間伝播した光信号を集光しコリメートされた光信号を出力する望遠鏡と、
前記望遠鏡から出力された光信号の角度ずれを補償するポインティングミラーと、
前記ポインティングミラーからの光信号を集光する集光光学系と、
前記集光された光信号を伝送する複数のコアのマルチコアファイバと、
前記マルチコアファイバで伝送された各コアの光信号をコア毎に異なるシングルモードファイバを通して出力する分離器と、
前記各シングルモードファイバからの光信号をコヒーレント検波するコヒーレント検波器と、
前記コヒーレント検波された信号のデジタル信号を復号するデジタル信号処理部とを備え、
前記デジタル信号処理部は、マルチ入力シングル出力等化を行う適応等化器と、前記適応等化器からの信号の位相を補償する位相補償部と、前記位相を補償した信号を復号する復号部と、前記各コアに対応するパワーのモニタ値を出力するパワーモニタと、前記モニタ値を用いて前記集光光学系へ入力される光信号の角度ずれの値を示す角度ずれ信号を出力する角度ずれ検出部とを備え、
前記ポインティングミラーは、前記角度ずれ信号に対応して補償角度を更新することを特徴とする空間光通信受信器。
空間伝播した光信号を集光しコリメートされた光信号を出力する望遠鏡と、
前記望遠鏡から出力された光信号の波面歪を補償する形状可変鏡と、
前記形状可変鏡からの光信号を集光する集光光学系と、
前記集光された光信号を伝送する複数のコアのマルチコアファイバと、
前記マルチコアファイバで伝送された各コアの光信号をコア毎に異なるシングルモードファイバを通した各光信号をコヒーレント検波するコヒーレント検波器と、
前記コヒーレント検波された信号のデジタル信号を復号するデジタル信号処理部とを備え、
前記デジタル信号処理部は、マルチ入力シングル出力等化を行う適応等化器と、前記適応等化器からの信号の位相を補償する位相補償部と、前記位相を補償した信号を復号する復号部と、前記適応等化器のフィルタ係数からマルチコアファイバ入射端面における振幅分布の低周波成分を算出する低周波数振幅分布算出部と、前記低周波数振幅分布算出部からの振幅分布を、前記集光光学系の入力における振幅分布に変換して波面歪を算出するフーリエ変換部とを備え、
前記形状可変鏡は、前記フーリエ変換部から出力される波面歪に対応して波面歪補償量を更新することを特徴とする空間光通信受信器。
空間伝播した光信号を集光しコリメートされた光信号を出力する望遠鏡と、
前記望遠鏡から出力された光信号を第１の方向と第２の方向に出力する分配器と、
前記第１の方向に出力された光信号の波面歪を検出する波面センサと、
前記第２の方向に出力された光信号の波面歪を補償する形状可変鏡と、
前記形状可変鏡からの光信号を集光する集光光学系と、
前記集光された光信号を伝送する複数のコアのマルチコアファイバと、
前記マルチコアファイバで伝送された各コアの光信号をコア毎に異なるシングルモードファイバを通した各光信号をコヒーレント検波するコヒーレント検波器と、
前記コヒーレント検波された信号のデジタル信号を復号するデジタル信号処理部と、
前記波面センサで検出された波面歪に基づき前記形状可変鏡と前記デジタル信号処理部とを制御する波面補償制御部とを備え、
前記波面補償制御部は、
前記波面センサで検出した波面歪を打ち消すように前記形状可変鏡を制御する形状可変鏡制御部と、前記形状可変鏡からの出力に残留する波面歪を算出し、当該波面歪をフーリエ変換し、前記マルチコアファイバの入射端面における振幅分布に変換して出力するフーリエ変換部とを備え、
前記デジタル信号処理部は、マルチ入力シングル出力等化を行う適応等化器と、前記適応等化器からの信号の位相を補償する位相補償部と、前記位相を補償した信号を復号する復号部と、前記フーリエ変換部から出力された前記振幅分布に基づき、前記適応等化器の等化係数の初期値を設定する等化係数初期設定部とを備えたことを特徴とする空間光通信受信器。
前記デジタル信号処理部は、前記波面補償制御部からの残留波面歪量と、前記適応等化器のフィルタ係数とを比較し、当該適応等化器の誤収束を検出した場合に前記等化係数初期設定部に誤収束信号を出力する誤収束判定部を備え、前記等化係数初期設定部は、前記誤収束判定部から誤収束信号が出力された場合に前記適応等化器の初期値を設定することを特徴とする請求項３記載の空間光通信受信器。
前記マルチコアファイバに代えてマルチコアファイバアンプとしたことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の空間光通信受信器。