JP2024162571A - Optical transceiver for free space optical communications - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、自由空間での相互光通信を実現する光通信装置に用いる光送受信機に関する技術分野に関するものである。 This disclosure relates to the technical field of optical transceivers used in optical communication devices that realize mutual optical communication in free space.
無線による通信では利用できる電波の周波数帯域が多くの通信方式によって既に使用されており新たに使用できる電波帯域の枯渇が発生し、通信速度の向上や通信端末数の増加などに対応できず大きな問題が発生している。この電波帯域の枯渇問題を解消するために、現在、送信キャリアとして光を用いた光通信方式が盛んに研究されている。光による地上での通信は、遮断物や天候によって通信が容易に遮断されるために電波による通信に優位性がある。しかしながら宇宙空間では、この光の直進性の良さによって送信電力を低下、高速の通信が実現など非常に大きなメリットがあるため実用化に向けての様々な取り組みが行われている。光通信技術は、主に「ビームステアリング技術」、「高速追尾技術」、「送受信偏光分離技術」、「アダプティブ光学技術」の4要素の技術によって構成されており、それぞれの技術を改善する事で、より高速で信頼性の高い通信技術として実用化に向けた取り組みが行われている。以下、これらの主要4要素技術に関して従来例を交えて説明を行う。 In wireless communication, the available radio frequency bands are already in use by many communication methods, and the newly available radio frequency bands are depleted, which is causing major problems such as being unable to respond to improvements in communication speeds and an increase in the number of communication terminals. In order to solve this problem of depletion of radio frequency bands, optical communication methods using light as a transmission carrier are currently being actively researched. Radio wave communication has an advantage over optical communication on the ground, as communication is easily blocked by obstacles and weather. However, in space, the good straightness of light offers great advantages such as reduced transmission power and high-speed communication, and various efforts are being made to put it into practical use. Optical communication technology is mainly composed of four elements of technology: "beam steering technology," "high-speed tracking technology," "transmitting and receiving polarization separation technology," and "adaptive optics technology." By improving each of these technologies, efforts are being made to put it into practical use as a faster and more reliable communication technology. Below, these four main elemental technologies are explained with examples of the past.
「ビームステアリング技術」は、光通信端末の指向性を向上させ、衛星の移動に追従しながら信号を送受信できるように技術である。非特許文献1の1060ページには、高速で移動する衛星に対して衛星間の相対速度を考慮した送信光ビームのステアリング技術が開示されており、この技術について図1を用いて説明を行う。図1において101は、光通信で衛星1、102は101に搭載された受信光アンテナ、103は101に搭載された送信光アンテナ、104は衛星105からの送信光、105は衛星1と通信を行う衛星2、106は102に搭載された送信光アンテナ、107は102に搭載された受信光アンテナ、108は101の衛星1から出射された送信光である。図1は相互に通信を行う101と105の2つの衛星が8km/sの相対速度で移動しているケースを示している。それぞれの衛星に搭載されている送信および受信用の光通信アンテナ(102,103,106,107)は開口径が9cm、通信に用いる光波長は101の衛星1から105の衛星2への通信が1550nm、105の衛星2から101の衛星1への通信が1570nmである。宇宙空間で衛星間での光通信を行う際に、これらパラメータは一般的な数値である。データの受信は、例えば図1に示したように105の衛星2から出射した送信光104を頼りに、受信アンテナ102の方向に正しく制御することができれば、105の衛星2からの送信光104を受信できるため105の衛星2からのデータ受信は成立する。これは105の衛星2が101の衛星1からのデータを受信する際にも同様である。一方で、衛星1および衛星2からデータを送信する際には、お互いの相対速度を考慮した光ビームステアリング制御が必要となる。図1は、101の衛星1が105の衛星2に送信光108を出射する際の状況を示しており、101の衛星1は105の衛星2の送信光104を受信して受信光アンテナ102の方向を精度よく制御を行っているが、同じ方向に送信光アンテナ103を向けて光を送信しても105の衛星2には到達しない。これは、101の衛星1と105の衛星2は、図1の例では、相対速度が8km/sで移動しており、105の衛星2から光を出射して101の衛星1に到達した後に101の衛星が105の衛星2に向かって光を照射して105の衛星2に光が到達するまでの時間で101と102の衛星の位置関係が変化するためである。102衛星に送信光を照射するには、101の衛星1は送信する光ビーム108の方向を移動する2つの衛星の位置関係の変化を考慮した方向に正確に制御をする必要が発生する。図1には2000km離れた衛星に開口径8cmの送信アンテナで平行光を送信した例を示しており、この場合、送信光の広がり角は0.00126°となる。これは光の到達時間に変化する衛星間の相対位置関係で発生する角度差の0.00305°より小さいために、2つの衛星の位置関係を考慮して送信アンテナ103の角度制御をおこなわないと通信が行えない事を意味している。この位置関係を考慮した送信アンテナ103の制御は、ポイントアヘッド制御と言われており、多くの衛星間の光通信端末間で導入されている。このポイントアヘッド制御に関しては、特許文献1や特許文献2に開示されている。特許文献1や特許文献2に開示されている技術は、ポイントアヘッド技術に加えて「高速追尾技術」と「送受信偏光分離技術」を利用することによって光通信端末を実現しており、これらの技術について特許文献1や特許文献2の開示内容に基づき図2を用いて説明する。 "Beam steering technology" is a technology that improves the directivity of optical communication terminals and enables signals to be transmitted and received while following the movement of satellites. Page 1060 of Non-Patent Document 1 discloses a steering technology of a transmitted optical beam that takes into account the relative speed between satellites moving at high speed, and this technology will be explained using Figure 1. In Figure 1, 101 is a satellite 1 in optical communication, 102 is a receiving optical antenna mounted on 101, 103 is a transmitting optical antenna mounted on 101, 104 is a transmitted light from satellite 105, 105 is a satellite 2 that communicates with satellite 1, 106 is a transmitting optical antenna mounted on 102, 107 is a receiving optical antenna mounted on 102, and 108 is a transmitted light emitted from satellite 1 101. Figure 1 shows a case where two satellites 101 and 105 that communicate with each other are moving at a relative speed of 8 km/s. The optical communication antennas (102, 103, 106, 107) for transmitting and receiving mounted on each satellite have an aperture diameter of 9 cm, and the optical wavelength used for communication is 1550 nm for communication from satellite 1 (101) to satellite 2 (105), and 1570 nm for communication from satellite 2 (105) to satellite 1 (101). These parameters are general values when optical communication is performed between satellites in outer space. For example, as shown in FIG. 1, if the direction of the receiving antenna 102 can be correctly controlled by relying on the transmitted light 104 emitted from satellite 2 (105), the transmitted light 104 from satellite 2 (105) can be received, and data reception from satellite 2 (105) is established. This is also true when satellite 2 (105) receives data from satellite 1 (101). On the other hand, when transmitting data from satellite 1 and satellite 2, optical beam steering control is required taking into account the relative speeds of each satellite. 1 shows the situation when the satellite 1, 101, emits a transmission light 108 to the satellite 2, 105. The satellite 1, 101, receives the transmission light 104 from the satellite 2, 105, and controls the direction of the receiving optical antenna 102 with high precision, but even if the transmitting optical antenna 103 is aimed in the same direction and transmits light, it will not reach the satellite 2, 105. This is because, in the example of FIG. 1, the satellite 1, 101, and the satellite 2, 105, move at a relative speed of 8 km/s, and the positional relationship between the satellites 101 and 102 changes during the time from when the satellite 2, 105, emits light and reaches the satellite 1, 101, to when the satellite 2, 101, irradiates light toward the satellite 2, 105, and the light reaches the satellite 2, 105. In order to irradiate the transmission light to the satellite 102, the satellite 1, 101, needs to accurately control the direction taking into consideration the change in the positional relationship between the two satellites moving in the direction of the transmitted light beam 108. FIG. 1 shows an example of transmitting parallel light to a satellite 2000 km away using a transmitting antenna with an aperture diameter of 8 cm. In this case, the spread angle of the transmitted light is 0.00126°. This is smaller than the angle difference of 0.00305° that occurs due to the relative positional relationship between the satellites, which changes depending on the arrival time of the light, meaning that communication cannot be performed unless the angle of the transmitting antenna 103 is controlled taking into account the positional relationship between the two satellites. This control of the transmitting antenna 103 taking into account the positional relationship is called point-ahead control, and has been introduced between many optical communication terminals between satellites. This point-ahead control is disclosed in Patent Documents 1 and 2. The technology disclosed in Patent Documents 1 and 2 realizes an optical communication terminal by using "high-speed tracking technology" and "transmitting and receiving polarization separation technology" in addition to point-ahead technology, and these technologies will be described using FIG. 2 based on the disclosures of Patent Documents 1 and 2.
図2において、201は光通信を行う相手側の衛星、202は光通信端末の光学系部分が乗ったジンバル機構、203は光通信端末のメカ制御や通信データの送受信の処理を行うデータ信号処理・制御処理ブロック、204は光アンテナの鏡筒、205は光アンテナ鏡筒204をチルト方向に回転させるジンバル機構、206は光アンテナ鏡筒204を平面内で回転させるジンバル機構、207は通信光を集光させる集光ミラー、208は集光ミラー207からの光を平行光として反射させる凸形状ミラー、209は光通信光のビーム角度を変化させる2軸ステアリングミラー、210は1/4λ板、211は光通信光の偏光面の状態によって反射または透過させる偏光ビームスプリッタ、212は通信光の70%を反射させ30%を透過させるビームスプリッタ、213はビームスプリッタ212で反射した光を光ファイバーに結合させるための集光レンズ、214は光ファイバーを固定するファイバーコネクタ、215は光ファイバー、216は受信光の光強度を増幅する受信光アンプ、217は光ファイバー、218はデータ受信用のInGaAsフォトダイオード、219は212のビームスプリッタを通過した光を更に1対1に分割するビームスプリッタ、220は219のビームスプリッタで反射した光ビームのサイズを小さくする集光レンズ、221は220で集光された光の位置から通信光の荒い角度を検出する4分割のInGaAsフォトダイオードで構成された粗角度検出センサー、222は219で分割された透過光のビームサイズを小さくする集光レンズ、223は222で集光された光の位置から通信光の高精度の角度を検出する4分割のInGaAsフォトダイオードで構成された精角度検出センサー、224は203のデータ信号処理・制御処理ブロックから出力された送信データに応じて出力をオン・オフする送信レーザ、225は光ファイバー、226は送信レーザ224の出力を増幅する送信光アンプ、227は光ファイバー、228は光ファイバーコネクタ、228は光ファイバーコネクタ228の出力を平行光に変換する集光レンズ、230は、前述したポイントアヘッド制御を実現する2軸ポイントアヘッドミラー、231は2軸ポイントアヘッドミラーの角度を校正する校正用のレーザ、232は光ファイバー、233は1/4波長板、234は調整光を入射した方向と同じ方向に反射させるレトロリフレクタである。226の光ファイバーと231の光ファイバーは融合結合されており、レーザ223とレーザ230から出射した光は、この融合部で結合して同一の光ファイバーコネクタ227より出射される。 In FIG. 2, 201 is a satellite with which optical communication is performed, 202 is a gimbal mechanism on which the optical system part of the optical communication terminal is mounted, 203 is a data signal processing and control processing block that controls the mechanism of the optical communication terminal and processes the transmission and reception of communication data, 204 is an optical antenna barrel, 205 is a gimbal mechanism that rotates the optical antenna barrel 204 in the tilt direction, 206 is a gimbal mechanism that rotates the optical antenna barrel 204 in a plane, 207 is a focusing mirror that focuses the communication light, 208 is a convex mirror that reflects the light from the focusing mirror 207 as parallel light, and 209 is a two-axis steering wheel that changes the beam angle of the optical communication light. 215 is an optical fiber, 216 is a receiving optical amplifier that amplifies the light intensity of the received light, 217 is an optical fiber, 218 is an InGaAs photodiode for receiving data, and 219 is a pair of optical fibers that further couple the light reflected by the beam splitter 212 to an optical fiber. 220 is a condenser lens that reduces the size of the light beam reflected by the beam splitter 219. 221 is a coarse angle detection sensor composed of a four-segment InGaAs photodiode that detects the rough angle of the communication light from the position of the light condensed by 220. 222 is a condenser lens that reduces the beam size of the transmitted light split by 219. 223 is a fine angle detection sensor composed of a four-segment InGaAs photodiode that detects the high-precision angle of the communication light from the position of the light condensed by 222. 224 is an output from the data signal processing and control processing block 203. The transmitting laser turns on and off the output according to the transmitted data, 225 is an optical fiber, 226 is a transmitting optical amplifier that amplifies the output of the transmitting laser 224, 227 is an optical fiber, 228 is an optical fiber connector, 228 is a condenser lens that converts the output of the optical fiber connector 228 into parallel light, 230 is a two-axis point-ahead mirror that realizes the above-mentioned point-ahead control, 231 is a calibration laser that calibrates the angle of the two-axis point-ahead mirror, 232 is an optical fiber, 233 is a quarter-wave plate, and 234 is a retroreflector that reflects the adjustment light in the same direction as it was incident. The optical fiber 226 and the optical fiber 231 are fused and connected, and the light emitted from the laser 223 and the laser 230 is combined at this fusion part and emitted from the same optical fiber connector 227.
まず、図2を用いて光通信端末からデータを衛星201に送信する際の送信光の経路について説明を行う。衛星201に出射される通信光は203のデータ信号処理・制御処理ブロックから出力された送信データは、224の送信レーザに入力され224の送信レーザは入力された送信データに応じてオン・オフされ、225の光ファイバーを通じて226の光アンプに入力され約100倍に増幅され5ワットの出力まで増幅される。226の光アンプから出力された光は227の光ファイバーを通じて集光レンズ229の焦点位置に配置された光ファイバーコネクタ228と結合して平行光に変換され、230の2軸ポイントアヘッドミラーに入射する。2軸ポイントアヘッドミラー230は、通信を行う衛星間で予め交換されている軌道情報に基づいて相対速度を求めることで、その速度に対応する角度を設定することで送信光の角度が前述したビームアヘッド制御される。230で角度制御された送信光はP偏光のため211の偏光ビームスプリッタを通過し、210の1/4波長板を通過する事で円偏光となり、209のステアリングミラーで正確に衛星の方向に制御され、208の凸形状ミラーと207の集光ミラーを経由して平行光で衛星201に向かって照射される。 First, the path of the light transmitted when transmitting data from the optical communication terminal to the satellite 201 will be described with reference to FIG. 2. The communication light emitted to the satellite 201 is transmitted data output from the data signal processing and control processing block 203, which is input to the transmission laser 224, which is turned on and off according to the input transmission data, and is input to the optical amplifier 226 through the optical fiber 225, where it is amplified by about 100 times and up to an output of 5 watts. The light output from the optical amplifier 226 is coupled to the optical fiber connector 228 arranged at the focal position of the focusing lens 229 through the optical fiber 227, where it is converted into parallel light, and enters the two-axis point-ahead mirror 230. The two-axis point-ahead mirror 230 determines the relative speed based on the orbit information exchanged in advance between the communicating satellites, and sets an angle corresponding to that speed, thereby performing the beam-ahead control of the angle of the transmitted light as described above. The transmitted light, angle-controlled at 230, is P-polarized and passes through the polarizing beam splitter at 211, then passes through the quarter-wave plate at 210 to become circularly polarized light, which is then precisely controlled in the direction of the satellite by the steering mirror at 209, and is irradiated as parallel light toward the satellite 201 via the convex mirror at 208 and the focusing mirror at 207.
一方、衛星201から出射された円偏光の光は、受信光として204の光アンテナの鏡筒を通過して207の集光ミラーで集光され208の凸ミラーで平行光に変換される。平行光は、更に209のステアリングミラーで反射され、210の1/4波長板を通過してS偏光に変換されるために、211の偏光ビームスプリッタで反射され212のビームスプリッタに入射する。212のビームスプリッタに入射した光は212のビームスプリッタで70%の光を反射させ受信データを復調するための信号として利用される。この反射光は、213の集光レンズを通して214の光ファイバーコネクタ、215の光ファイバーを通じて216の光アンプに導かれ100倍に増幅された後に、218のInGaAsフォトダイオードで電気信号に変換され、203のデータ信号処理・制御処理ブロックにおいて通信データが復調される。212のビームスプリッタを通過した光は、219のビームスプリッタで更に1対1に分割され反射光と透過光に分かれる。反射光は集光レンズ220によって集光され、センサー部分が4分割に分割されたInGaAsフォトダイオード221に入射する。透過光も集光レンズ222を通過後にセンサー部分が4分割に分割されたInGaAsフォトダイオード223に入射する。集光レンズ220と222は、焦点距離がそれぞれ異なっており、一般的に221の粗角度検出センサーは受信光の方向を±0.2度程度の比較的広い角度範囲で、223の精角度検出センサーは±0.006度と高感度で検出できる光学構成が用いられる。安定な光通信を実現するためには、受信用のファイバー215に安定に受信光を導く必要があり、そのために必要な制御角度精度は±0.0001度程度が要求され、一方で衛星が通信を開始する際には、お互いの衛星の位置情報に誤差があり、±0.2度程度の通信光の角度誤差が発生するために±0.2度程度の角度ずれに対しても制御が可能で、その制御精度は±0.0001度を実現する必要がある。このために光通信端末は、誤差検出範囲が比較的大きい粗角度検出センサー221と精角度センサー223によって、誤差が大きい場合の角度制御時には221の粗角度検出センサーの情報を用い、ある程度制御によって誤差が小さくなり223の精調整角度検出センサーの検出範囲内に入った後は、223の精調整角度検出センサーの情報を用いて制御を行う方式が一般的に用いられている。これらの制御は、粗角度検出センサー221と精角度検出センサー221にそれぞれ入力されている光量によって221と223の角度誤差信号を切り替えながら制御を行う事で実現できる。また適切な割合で221と223の角度誤差信号を加算して制御を行う事でも実現可能である。これらの制御を行っているのが203のデータ信号処理・制御処理ブロックである。203の制御ブロックは、ジンバル機構202と2軸ステアリングミラー209に接続されており、制御を行う周波数帯域と制御角度範囲に応じてジンバル機構202と2軸ステアリングミラー209を適切に制御し、受光した受信光を安定に215の光ファイバーに結合させる。シングルモードの光ファイバーは、そのコア系が10μm前後のため安定に受信光を213の集光レンズで集光し215の光ファイバーに安定に結合させために必要な受信光の制御角度精度は±0.0001度程度となる。一般的に光アンテナの鏡筒204は重量が重く、これを可動させるジンバル機構204と205の制御帯域は10から30Hz程度となる。しかし高速で移動する衛星を追随し衛星内の振動で発生する揺れによる受信光の角度ずれを±0.0001度以下に補正するためには、一般的に300Hz以上の制御帯域を持つ制御システムが必要になる。これを実現するための技術が「高速追尾技術」である。この「高速追尾技術」を実現するために図2の従来例では、209の2軸ステアリングミラーを備えた構成となっている。209の2軸ステアリングミラーは、通信光の角度をコントロール出来る角度範囲は±2度程度だが、可動部であるミラーの重量が軽いために高い帯域まで制御が可能となる。203の制御ブロックは、221と223の角度誤差信号を帯域分割して低速で応答が必要だが広い可動範囲が必要な制御はジンバル機構202を制御し、高速な通信光の角度変動要素に対しては209のステアリングミラーを制御する事で、広い応答範囲と広い制御周波数特性を実現している。「高速追尾技術」は、この様に広帯域のステアリングミラー209を用いて従来の30Hz程度から約10倍の300Hzと高いゲイン交点を持つ制御特性を実現し制御精度を向上させる技術である。 On the other hand, the circularly polarized light emitted from the satellite 201 passes through the lens barrel of the optical antenna 204 as the received light, is collected by the collecting mirror 207, and is converted into parallel light by the convex mirror 208. The parallel light is further reflected by the steering mirror 209, passes through the quarter-wave plate 210 and is converted into S-polarized light, so it is reflected by the polarizing beam splitter 211 and enters the beam splitter 212. 70% of the light that enters the beam splitter 212 is reflected by the beam splitter 212 and used as a signal to demodulate the received data. This reflected light is led through the collecting lens 213 to the optical fiber connector 214 and the optical fiber 215 to the optical amplifier 216, where it is amplified 100 times, and then converted into an electrical signal by the InGaAs photodiode 218, and the communication data is demodulated in the data signal processing and control processing block 203. The light that passes through the beam splitter 212 is further split 1:1 by the beam splitter 219 into reflected light and transmitted light. The reflected light is collected by the collecting lens 220 and enters an InGaAs photodiode 221 whose sensor portion is divided into four parts. The transmitted light also passes through the collecting lens 222 and enters an InGaAs photodiode 223 whose sensor portion is divided into four parts. The collecting lenses 220 and 222 have different focal lengths, and generally, an optical configuration is used in which the rough angle detection sensor 221 can detect the direction of the received light in a relatively wide angle range of about ±0.2 degrees, and the precise angle detection sensor 223 can detect the direction of the received light with high sensitivity of ±0.006 degrees. In order to realize stable optical communication, it is necessary to stably guide the receiving light to the receiving fiber 215, and the necessary control angle precision is required to be about ±0.0001 degrees, while when the satellites start communication, there is an error in the position information of each satellite, and an angle error of about ±0.2 degrees occurs in the communication light, so that control is possible even for an angle deviation of about ±0.2 degrees, and the control precision must be realized to be ±0.0001 degrees. For this reason, the optical communication terminal generally uses a method in which, using the coarse angle detection sensor 221 and the precise angle sensor 223, which have a relatively large error detection range, when controlling the angle when the error is large, the information of the coarse angle detection sensor 221 is used during angle control, and after the error is reduced to a certain extent by control and falls within the detection range of the precise adjustment angle detection sensor 223, the information of the precise adjustment angle detection sensor 223 is used for control. These controls can be realized by switching the angle error signals of 221 and 223 depending on the amount of light input to the coarse angle detection sensor 221 and the precise angle detection sensor 221, respectively. It can also be realized by adding the angle error signals 221 and 223 at an appropriate ratio to perform control. The data signal processing and control processing block 203 performs these controls. The control block 203 is connected to the gimbal mechanism 202 and the two-axis steering mirror 209, and appropriately controls the gimbal mechanism 202 and the two-axis steering mirror 209 according to the frequency band and the control angle range to stably couple the received light to the optical fiber 215. Since the core system of a single mode optical fiber is about 10 μm, the control angle precision of the received light required to stably collect the received light with the collecting lens 213 and stably couple it to the optical fiber 215 is about ±0.0001 degrees. In general, the lens barrel 204 of the optical antenna is heavy, and the control band of the gimbal mechanisms 204 and 205 that move it is about 10 to 30 Hz. However, in order to track a satellite moving at high speed and correct the angular deviation of the received light caused by the vibrations inside the satellite to within ±0.0001 degrees, a control system with a control band of 300 Hz or more is generally required. The technology to achieve this is the "high-speed tracking technology." In the conventional example of FIG. 2, a two-axis steering mirror 209 is provided to achieve this "high-speed tracking technology." The two-axis steering mirror 209 can control the angle of the communication light within an angle range of about ±2 degrees, but since the weight of the mirror, which is the moving part, is light, it can control up to a high bandwidth. The control block 203 divides the band of the angle error signals 221 and 223, and controls the gimbal mechanism 202 for control that requires a low-speed response but a wide movable range, and controls the steering mirror 209 for the angle fluctuation elements of the high-speed communication light, thereby achieving a wide response range and a wide control frequency characteristic. "High-speed tracking technology" uses a wideband steering mirror 209 to achieve control characteristics with a high gain crossover point of 300 Hz, approximately 10 times higher than the conventional 30 Hz, thereby improving control accuracy.
「送受信偏光分離技術」は、前述したポイントアヘッドを行うために光の偏光特性を利用して送信光と受信光の光路を分離する技術である。従来例の実施形態である図2の光通信端末は、送信光の発光点である228の光ファイバーコネクタと受信光の受光点である214の光ファイバーコネクタは空間的に別々の場所に分離されており、送信光だけがポイントアヘッドミラー230を通過し、偏光ビームスプリッタ211で同一の光路に合成されている。この送信光と受信光の光路を分離する構成によって送信の通信光の方向と受信の受信光の角度を変える事が出来ており、これを実現するのが「送受信偏光分離技術」である。安定に通信を行うには、ポイントアヘッドミラー230は、±0.0002度程度の精度で正確に制御する必要がある。 "Transmitting and receiving polarization separation technology" is a technology that uses the polarization properties of light to separate the optical paths of the transmitted light and the received light in order to perform the point ahead mentioned above. In the optical communication terminal of FIG. 2, which is a conventional embodiment, the optical fiber connector 228, which is the emission point of the transmitted light, and the optical fiber connector 214, which is the reception point of the received light, are spatially separated into different locations, and only the transmitted light passes through the point ahead mirror 230 and is combined into the same optical path by the polarized beam splitter 211. This configuration that separates the optical paths of the transmitted light and the received light makes it possible to change the direction of the transmitted communication light and the angle of the received light, and this is achieved by "transmitting and receiving polarization separation technology". In order to perform stable communication, the point ahead mirror 230 needs to be accurately controlled with an accuracy of about ±0.0002 degrees.
しかしながら、一般的なポイントアヘッドミラー230はミラーをボイスコイル等で傾ける機構のためにフィードフォワード制御で±0.0002度の精度を実現する事は非常に難しく、ポイントアヘッドミラー230を駆動した駆動量と実際にミラーが傾いた量の関係を測定して校正を行うプロセスが必要となる。そのプロセスを実行するための光学系が、図2の従来の光通信端末には搭載されている。この校正系の動作について、図2を用いて以下説明を行う。231の校正用レーザは偏光面が224受信光と同じS偏光方向に配置されており、231の校正用レーザは232の光ファイバーに結合したのちに送光用の光ファイバー227と融合して228の光ファイバーコネクタより出射され229の集光レンズで平行光に変換された後に、ポイントアヘッドミラー230で反射され偏光ビームスプリッタ211に入射する。校正用のレーザはS偏光であるためビームスプリッタ221で反射され1/4波長板233に入射し円偏光となり、レトロリフレクタで入射した方向と同じ角度で反射され再度1/4波長板を通過してP偏光となり偏光ビームスプリッタ211を透過する。透過した校正用レーザ光は受信光と同様に粗角度検出センサー221と精角度センサー223で校正用レーザの光軸の角度が検出される。ビームアヘッドミラー230の駆動量を変化させながら、この校正用レーザの光軸の角度を逐次測定する事で、ビームアヘッドミラー230の駆動量と光軸の角度の関係を取得する事ができる。従来の光通信端末は、この校正処理を行う事でフィードフォワードでありながら正確なビームアヘッド制御を実現する。 However, since a typical point-ahead mirror 230 has a mechanism for tilting the mirror with a voice coil or the like, it is very difficult to achieve an accuracy of ±0.0002 degrees with feed-forward control, and a process is required to measure the relationship between the amount of driving the point-ahead mirror 230 and the amount of tilt of the mirror actually, and perform calibration. An optical system for performing this process is installed in the conventional optical communication terminal of FIG. 2. The operation of this calibration system will be explained below with reference to FIG. 2. The calibration laser 231 has a polarization plane arranged in the same S-polarized direction as the received light 224, and the calibration laser 231 is coupled to the optical fiber 232, then merged with the optical fiber 227 for light transmission, and emitted from the optical fiber connector 228, converted into parallel light by the focusing lens 229, reflected by the point-ahead mirror 230, and enters the polarizing beam splitter 211. Since the calibration laser is S-polarized, it is reflected by the beam splitter 221, enters the quarter-wave plate 233, and becomes circularly polarized. It is then reflected by the retroreflector at the same angle as the incident direction, passes through the quarter-wave plate again, becomes P-polarized, and passes through the polarizing beam splitter 211. The transmitted calibration laser light is detected by the coarse angle detection sensor 221 and the fine angle sensor 223 as with the received light. By successively measuring the angle of the optical axis of this calibration laser while changing the drive amount of the beam ahead mirror 230, the relationship between the drive amount of the beam ahead mirror 230 and the angle of the optical axis can be obtained. Conventional optical communication terminals achieve accurate beam ahead control while being feedforward by performing this calibration process.
最後に「アダプティブ光学システム」について、図3を用いながら説明を行う。「アダプティブ光学システム」は、例えば衛星と衛星の地上局間のような、大気中での光通信を高精度に行う際に用いられる技術である。大気の乱れによって引き起こされる光通信信号の劣化を補正する技術である。図3の光通信端末は、図2で説明を行った従来の光通信端末に、液晶素子で構成した送信光の位相補正を変調する送信光位相変調器301と同じく液晶素子で構成した受信光位相変調器302が追加されており、送信光と受信光の空間光位相を203の制御ブロックから制御を行う事が可能となっている。例えば特許文献3では、送信光と受信光の両方が通過する箇所に補償光学ミラーを配置して光の位相を制御する事で、受信光を最大化する技術が開示されている。図3の従来例では、特許文献3と同様な手法を用いて大気中の擾乱で乱された受信光の光学的な光の空間位相を受信光変調器302で光の空間位相をコントロールしてフラットにすることで受信光の最大化を図っている。図3の従来例では、送信光位相変調器301によって送信光の空間光位相をコントロールする事が可能となっており、2つの衛星が光通信を開始時する際に、送信光の広がり角を送信光位相変調器301によってコントロールする事が可能となっており、送信光のビーム幅を広げて通信を開始する事で安定に通信を開始する制御を行う事が可能となっている。この様に、送信光と受信光の光位相をアダプティブにコントロールする「アダプティブ光学技術」は、通信開始時の安定性や通信時に発生する大気擾乱などによる通信光の減衰を防止する事を可能とする技術である。 Finally, the "adaptive optical system" will be explained with reference to FIG. 3. The "adaptive optical system" is a technology used for performing optical communication in the atmosphere with high accuracy, for example, between a satellite and a satellite ground station. It is a technology to correct the deterioration of optical communication signals caused by atmospheric turbulence. The optical communication terminal in FIG. 3 is a conventional optical communication terminal explained in FIG. 2, to which a transmitting light phase modulator 301 composed of a liquid crystal element that modulates the phase correction of the transmitting light and a receiving light phase modulator 302 composed of the same liquid crystal element are added, and it is possible to control the spatial optical phase of the transmitting light and the receiving light from the control block 203. For example, Patent Document 3 discloses a technology to maximize the receiving light by controlling the phase of the light by arranging an adaptive optical mirror at a place where both the transmitting light and the receiving light pass. In the conventional example in FIG. 3, the optical spatial phase of the receiving light disturbed by atmospheric turbulence is controlled and flattened by the receiving light modulator 302 using a method similar to that of Patent Document 3, thereby maximizing the receiving light. In the conventional example of Figure 3, the spatial optical phase of the transmitted light can be controlled by the transmitted light phase modulator 301, and when two satellites start optical communication, the spread angle of the transmitted light can be controlled by the transmitted light phase modulator 301, making it possible to control the start of communication stably by widening the beam width of the transmitted light to start communication. In this way, "adaptive optical technology," which adaptively controls the optical phase of the transmitted light and received light, is a technology that makes it possible to prevent attenuation of the communication light due to stability at the start of communication and atmospheric turbulence that occurs during communication.
光通信端末は、主に「ビームステアリング技術」、「高速追尾技術」、「送受信偏光分離技術」、「アダプティブ光学技術」の4要素の技術によって構成されており、ビームステアリングを実現するためには図2に示したように、送信光の発光点である光ファイバー227の端面の光ファイバーコネクタ228と受信光の受光点である光ファイバー215の端面の光ファイバーコネクタ214を、「送受信偏光分離技術」によって空間的に分離してする必要があった。高速で移動する衛星などの移動体間で通信を行う際には、送信光の送信角度を受信光に対して出射方向を変化させるビームアヘッドが必要となり、そのためには送信光と受信光の光路を分離して、送信光だけにビームアヘッドミラー230のような光の角度を変化させるデバイスを通過させて光ビームの角度を受信光に対して変化させる技術が用いられていた。しかしながら、宇宙のような過酷な環境のみならず長期の通信端末の信頼性を確保する上で、従来の光学構成は大きな課題があった。図2に示すように従来の光通端末の光学系は、受信光と送信光を分離するために偏光ビームスプリッタ212の様な偏光分離素子が用いられており、この偏光ビームスプリッタの反射面の角度は通常45度に設定されているが、この反射面の角度が変わると受信光と送信光の角度ずれ要因となってしまう。「ビームステアリング技術」ではビームアヘッドミラーをフィードフォワード制御することで受信光と送信光の間に角度差を設けるが、この角度差に求められる設定精度は±0.0002度が必要となる。偏光ビームスプリッタ212の反射面の角度の変動は、送信光と受信光の角度差となるために受信光を精角度センサー223で検出して高精度で受信光が光アンテナに平行に入射するように制御を行っても偏光ビームスプリッタ212の反射面の角度が変動してしまった場合に送信光の角度差を正確に保てなくなる。更に送信光と受信光の角度差は、ビームスプリッタ219の反射面の角度によっても変動してしまうために、送信光と受信光の角度差の挙動は更に複雑になってしまう。また、データを受信するための受信光はビームスプリッタ212の反射面で反射して光ファイバー215に効率よく結合する必要があり、ビームスプリッタ212の反射面の変動も光通信端末の性能に影響を与えることになる。接着等で固定されたビームスプリッタ211、212、219の反射面の角度を、±0.0002度以下の精度で長期間に渡って保つことは非常に難しく、特に宇宙空間のような温度変化が激しい環境では実現が難しく光通信端末のコストアップや寿命低下など光通信を低コストで信頼性高い技術として普及させるための大きな阻害要因となっていた。高信頼性を実現するには、高い強度の光学ベース上に光学部品を精度良く配置する必要があり、これは光通信端末の重量アップを招き今後普及が予測される小型の衛星端末で光通信を実用化する事を困難としていた。光通信端末の光学系の構成をシンプルにして小型化と軽量化を実現する事ができれば、電波の帯域が不足している自由空間の通信にとって非常に大きな技術革新になると予測される。 Optical communication terminals are mainly composed of four elements of technology: "beam steering technology," "high-speed tracking technology," "transmitting and receiving polarization separation technology," and "adaptive optical technology." In order to realize beam steering, as shown in Figure 2, it was necessary to spatially separate the optical fiber connector 228 at the end of the optical fiber 227, which is the light emitting point of the transmitted light, and the optical fiber connector 214 at the end of the optical fiber 215, which is the light receiving point of the received light, using "transmitting and receiving polarization separation technology." When communicating between moving objects such as satellites moving at high speed, a beam ahead is required to change the transmission angle of the transmitted light relative to the direction of emission of the received light. For this purpose, a technology was used in which the optical paths of the transmitted light and the received light are separated, and only the transmitted light passes through a device that changes the angle of the light beam, such as a beam ahead mirror 230, to change the angle of the light beam relative to the received light. However, the conventional optical configuration had a major problem in ensuring the reliability of communication terminals not only in harsh environments such as space but also for long-term use. As shown in FIG. 2, the optical system of the conventional optical communication terminal uses a polarized light separation element such as a polarized beam splitter 212 to separate the received light from the transmitted light. The angle of the reflecting surface of this polarized beam splitter is usually set to 45 degrees, but if the angle of this reflecting surface changes, it will cause an angular deviation between the received light and the transmitted light. In the "beam steering technology", an angle difference is set between the received light and the transmitted light by feedforward control of the beam ahead mirror, but the setting accuracy required for this angle difference is ±0.0002 degrees. Since the fluctuation of the angle of the reflecting surface of the polarized beam splitter 212 becomes the angle difference between the transmitted light and the received light, even if the received light is detected by the precision angle sensor 223 and controlled so that the received light is incident on the optical antenna in parallel with high accuracy, if the angle of the reflecting surface of the polarized beam splitter 212 fluctuates, the angular difference of the transmitted light cannot be accurately maintained. Furthermore, the angular difference between the transmitted light and the received light also fluctuates depending on the angle of the reflecting surface of the beam splitter 219, so the behavior of the angular difference between the transmitted light and the received light becomes even more complicated. In addition, the light for receiving data must be reflected by the reflecting surface of the beam splitter 212 and efficiently coupled to the optical fiber 215, and fluctuations in the reflecting surface of the beam splitter 212 also affect the performance of the optical communication terminal. It is very difficult to maintain the angle of the reflecting surface of the beam splitters 211, 212, and 219 fixed by adhesive or the like with an accuracy of ±0.0002 degrees or less for a long period of time, and this is particularly difficult to achieve in an environment with drastic temperature changes such as outer space, which has been a major obstacle to the widespread use of optical communication as a low-cost, highly reliable technology, such as increased costs and reduced lifespans of optical communication terminals. To achieve high reliability, optical components must be precisely positioned on a high-strength optical base, which increases the weight of the optical communication terminal and makes it difficult to put optical communication into practical use in small satellite terminals that are expected to become more widespread in the future. If the optical system configuration of the optical communication terminal can be simplified to achieve small size and weight reduction, it is predicted that this will be a very significant technological innovation for free space communication, where radio wave bandwidth is insufficient.
本発明の光通信機は上記課題に鑑みなされたもので、自由空間で円偏光の光を用いてデータ通信を行うために通信相手側からの受信光を受信すると共に通信相手にデータための送信光を送出する送受信アンテナと受信光を用いて相手方の衛星をトラッキングするためのガイド機構と受信光の角度を検出する角度検出器と角度検出器の出力を用いガイド機構の制御を行い通信相手をトラッキングするトラッキング制御器を有しており、送信光と受信光が共に通過する空間位相変調を備え、主に送信光に空間位相変調がなされる空間光位相変調器を有する事を特徴としている。また、上記特徴を備える事で、受信光と送信光が空間的にほぼ同一の点から出射もしくは入射する光学光路を備えたことも特徴とする光通信機を実現可能となる。今回の発明のポイントである空間光位相変調器は入射する光の偏光方向の違いにより位相変調量が異なる空間光位相変調器であることも一つの特徴としており、偏向方向の違いによって空間位相変調量が異なるデバイスであるLCOSを空間光位相変調器使用することも特徴となっている。また、同様の効果は、入射する光の波長の違いにより位相変調量が異なる空間位相変調器を用いても実現可能である。この空間位相変調器のパターンの変更は、空間光位相変調を行うためのパターンを保持もしくは生成し空間位相変調パターンを設定する制御処理ブロックを備える事で受信光に対する送信光の角度を自由に変更することが容易に実現可能となる。送信光と受信光の特性として、送信光と受信光の送受信アンテナに対するアパーチャーが送信光の方が小さいことが望ましく、この構成によって送信の電力効率の改善を行う事が可能となる。また、トラッキング制御を行う制御器は、光の方向を変更する角度範囲の広い租調整機構と光の方向を変更する範囲が狭い精調整機構を制御対象として制御を行い、精調整機構が2軸もしくは3軸の方向に稼働する光学素子で構成することで従来に比べて高速な制御が可能となり、具体的なの光学素子としては集光レンズもしくは集光ミラーを用いることができる。また本発明の特徴である受信光と送信光が空間的にほぼ同一の点から出射もしくは入射する光学光路を実現するために、送信光と受信光の光路を結合する必要があるが、その接続形態としては、送信光と記受信光を入力が光ファイバー入力で構成され、入力された受信光と送信光が光サーキュレータで結合することで効率的に、また送信光と受信光の光学的なクロストークを防止して空間的なほぼ同一の点を形成することが可能となり、より性能の良い光通信機が実現できる。また、本発明の光通信機は、空間的にほぼ同一の点に光ファイバーを結合することで送信光と受信光を1本の光ファイバーで接続することも可能である。また、空間光位相変調器の変調分解能が低いデバイスを用いても制御処理ブロックが空間光位相変調を行うためのパターンを2つ以上保持し、前記空間光変調器の応答速度より早い速度で2つ以上のパターンを切り替えることで高い分解能の空間光変調器と同等の性能を実現可能である。また送信光と受信光が空間的にほぼ同一の点となるという本発明の特徴により受信光の周辺部の光から前記受信光の角度を検出することも可能となり、光集光点の近傍に光学素子を配置できるために光学的に安定な角度検出器を実現でき性能が高い光通信端末が実現できる。 The optical communication device of the present invention has been developed in consideration of the above problems, and has a transmitting/receiving antenna that receives received light from the communication partner and transmits transmitted light for data to the communication partner in order to perform data communication using circularly polarized light in free space, a guide mechanism for tracking the communication partner's satellite using the received light, an angle detector that detects the angle of the received light, and a tracking controller that uses the output of the angle detector to control the guide mechanism and track the communication partner, and is characterized by having a spatial phase modulator that is equipped with spatial phase modulation through which both the transmitted light and the received light pass, and in which spatial phase modulation is mainly performed on the transmitted light. In addition, by having the above characteristics, it is possible to realize an optical communication device that is characterized by having an optical path from which the received light and the transmitted light are emitted or incident from approximately the same point in space. One of the characteristics of the spatial light phase modulator, which is the point of this invention, is that it is a spatial light phase modulator that has different phase modulation amounts depending on the difference in the polarization direction of the incident light, and another characteristic is that the spatial light phase modulator uses LCOS, a device in which the spatial phase modulation amount varies depending on the difference in the polarization direction. In addition, the same effect can be achieved by using a spatial phase modulator in which the phase modulation amount varies depending on the difference in the wavelength of the incident light. The change of the pattern of the spatial phase modulator can be easily realized by providing a control processing block that holds or generates a pattern for performing spatial light phase modulation and sets the spatial phase modulation pattern, so that the angle of the transmitted light relative to the received light can be freely changed. As a characteristic of the transmitted light and the received light, it is desirable that the aperture of the transmitted light relative to the transmitting and receiving antennas for the transmitted light and the received light is smaller, and this configuration makes it possible to improve the power efficiency of transmission. In addition, the controller that performs tracking control controls a coarse adjustment mechanism with a wide angle range for changing the direction of light and a fine adjustment mechanism with a narrow range for changing the direction of light as control objects, and the fine adjustment mechanism is configured with an optical element that operates in the direction of two or three axes, making it possible to perform control at a higher speed than in the past, and a condenser lens or a condenser mirror can be used as a specific optical element. In order to realize an optical path in which the received light and the transmitted light are emitted or incident from almost the same spatial point, which is a feature of the present invention, it is necessary to couple the optical paths of the transmitted light and the received light. As a connection form, the input of the transmitted light and the received light is configured as an optical fiber input, and the input received light and the transmitted light are combined with an optical circulator, which makes it possible to efficiently form almost the same spatial point while preventing optical crosstalk between the transmitted light and the received light, thereby realizing an optical communication device with better performance. In addition, the optical communication device of the present invention can also connect the transmitted light and the received light with one optical fiber by coupling the optical fiber to almost the same spatial point. Even if a device with low modulation resolution of the spatial light phase modulator is used, it is possible to realize performance equivalent to that of a spatial light modulator with high resolution by holding two or more patterns for the control processing block to perform spatial light phase modulation and switching between the two or more patterns at a speed faster than the response speed of the spatial light modulator. In addition, due to the feature of the present invention that the transmitted light and the received light are at almost the same point in space, it is also possible to detect the angle of the received light from the light at the periphery of the received light, and because the optical element can be placed near the light focusing point, an optically stable angle detector can be realized, resulting in a high-performance optical communications terminal.
また、上記の選択性のある空間光位相変調器を受信光の変調に適用することで従来の光通信機では実現できなかった優れた特性の実現が可能となる。具体的には、自由空間で円偏光の光を用いてデータ通信を行うために通信相手側からの受信光を受信すると共に通信相手にデータための送信光を送出する送受信アンテナと受信光を用いて相手方の衛星をトラッキングするためのガイド機構と受信光の角度を検出する角度検出器と角度検出器の出力を用い前記ガイド機構の制御を行い通信相手をトラッキングするトラッキング制御器を有する光通信機において、送信光と受信光が共に通過し概ね受信光に空間位相変調がなされる空間光位相変調器を備えることである。また、概ね受信光に空間位相変調がなされる空間光位相変調器を備え光通信端末は、受信光と送信光が空間的にほぼ同一の点から出射もしくはほぼ同一の点に入射する光学光路を備えることが可能となり安定な受信性能を実現可能となる。また、本発明の光通信機は受信光に空間光位相変調を行うためのパターンを保持もしくは生成し空間光制御処理器に空間位相変調パターンを設定する制御処理ブロックを備えており、容易に受信時の特性を変更可能となっている。具体的には、制御処理ブロックに光通信機の状態を入力として、この入力に応じて複数の空間光位相変調パターンを切り替える事で通信状態に応じて最適な受信光学系を構成することができる。具体的には、光通信機の状態がアクジションフェーズでは制御用の光量が通信用の光量よりも大きくパターンを設定し、トラッキングフェーズでは制御用の光量が通信用の光量よりも小さくなるパターンを設定することで高速のアクジションと高い転送レートでの通信が両立可能となる。また、空間位相変調器に空間位相変調器の中心に照射された光は空間位相変調がなされず、中心以外に照射された光は中心部に向かって光軸が傾く空間変調パターンを設定することで、角度誤差の検出範囲が広くかつ角度誤差の検出精度の高い角度誤差検出器が実現可能となり高性能で低コストの光通信機が実現可能となる。 In addition, by applying the above-mentioned selective spatial light phase modulator to the modulation of the received light, it is possible to realize excellent characteristics that could not be realized by conventional optical communication devices. Specifically, in order to perform data communication using circularly polarized light in free space, an optical communication device having a transmitting/receiving antenna that receives received light from the communication partner and transmits transmitted light for data to the communication partner, a guide mechanism for tracking the satellite of the communication partner using the received light, an angle detector that detects the angle of the received light, and a tracking controller that uses the output of the angle detector to control the guide mechanism and track the communication partner, is provided with a spatial light phase modulator through which both the transmitted light and the received light pass and in which the received light is generally spatially modulated. In addition, an optical communication terminal equipped with a spatial light phase modulator that generally modulates the received light can be provided with an optical path in which the received light and the transmitted light are emitted from or incident on approximately the same point in space, thereby realizing stable reception performance. In addition, the optical communication device of the present invention is equipped with a control processing block that holds or generates a pattern for performing spatial light phase modulation on the received light and sets the spatial phase modulation pattern in the spatial light control processor, making it possible to easily change the characteristics during reception. Specifically, the state of the optical communication device is input to the control processing block, and multiple spatial light phase modulation patterns are switched according to this input to configure an optimal receiving optical system according to the communication state. Specifically, by setting a pattern in which the amount of light for control is greater than the amount of light for communication when the state of the optical communication device is in the acquisition phase, and setting a pattern in which the amount of light for control is smaller than the amount of light for communication when the state of the optical communication device is in the tracking phase, high-speed acquisition and communication at a high transfer rate can be achieved at the same time. In addition, by setting a spatial modulation pattern in which the light irradiated to the center of the spatial phase modulator is not spatially phase modulated, and the light irradiated to other than the center has an optical axis tilted toward the center, it is possible to realize an angle error detector with a wide detection range for angle errors and high detection accuracy for angle errors, and a high-performance, low-cost optical communication device can be realized.
上述した構成によって具現化された光通信端末は、今までの光通信端末に比べて格段に光学系の構成が簡素になるばかりでなく、非常に精密な角度制御が要請される光通信機において、受信光と送信光の光路が共通化された特徴からポイントアヘッド精度が従来に比べて高くばかりではなく、簡素な光学系で実現が可能なため低コスト化とメンテナンスフリーで長期の使用が求められる宇宙空間での安定運用が可能な光通信機が実現できる発明である。また、受信光に対して光通信機の状態に応じて光学特性を変更できるため高転送レートで低レーテンシーな光通信機が本発明によって実現される。 The optical communications terminal realized by the above-mentioned configuration not only has a significantly simpler optical system configuration than conventional optical communications terminals, but also has higher point-ahead accuracy than conventional optical communications devices, which require extremely precise angle control, due to the feature that the optical paths of the received light and transmitted light are shared. Furthermore, since it can be realized with a simple optical system, this invention makes it possible to realize an optical communications device that can be operated stably in outer space, where low cost, maintenance-free, and long-term use are required. In addition, since the optical characteristics can be changed according to the state of the optical communications device for the received light, the present invention realizes an optical communications device with high transfer rate and low latency.
以下、本発明の光通信端末の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。 The following describes in detail an embodiment of the optical communication terminal of the present invention with reference to the drawings.
図4-1は、本実施形態の衛星システム1を示す図である。図4-1に示されるように、実施形態の衛星システム1は、中継衛星2と、中継衛星2とは異なる他の衛星3A,3B,3C(以下、単に「ユーザ衛星」とも称する。)と、地球上の無線局である地上局4と、を備える。中継衛星2及びユーザ衛星3A,3B,3Cは、人工衛星である。地上に設置される地上局4は、無線通信又は光通信を行う地球局の一例であり、また地上局4が複数設置されている場合はそれらの総称であっても良い。 Figure 4-1 is a diagram showing a satellite system 1 of this embodiment. As shown in Figure 4-1, the satellite system 1 of this embodiment includes a relay satellite 2, other satellites 3A, 3B, and 3C (hereinafter also simply referred to as "user satellites") that are different from the relay satellite 2, and a ground station 4, which is a radio station on Earth. The relay satellite 2 and the user satellites 3A, 3B, and 3C are artificial satellites. The ground station 4 installed on the ground is an example of an earth station that performs wireless communication or optical communication, and when multiple ground stations 4 are installed, it may be a collective term for them.
なお、ユーザ衛星3A,3B,3Cの各々は、宇宙空間における第1の軌道を周回する。また、中継衛星2は、宇宙空間における第2の軌道を周回する。第1の軌道及び第2の軌道の地表からの高度は、対地同期軌道の地表からの高度(高度約36,000km)よりも低い。なお、静止軌道(GEO: Geostationary Orbit)は対地同期軌道の一例である。さらに、第2の軌道の地表からの高度は、第1の軌道の地表からの高度よりも高い。第1の軌道は、例えば地球低軌道(LEO: Low Earth Orbit)である。地球低軌道の遠地点の地表からの高度は、例えば地表から20km~2,000kmの高度である。第2の軌道は、例えば中高度軌道(MEO: Medium Earth Orbit)である。中高度軌道の遠地点の地表からの高度は、例えば、地表から1,000km~約36,0000kmの高度である。 Each of the user satellites 3A, 3B, and 3C orbits in a first orbit in outer space. The relay satellite 2 orbits in a second orbit in outer space. The altitudes of the first and second orbits from the Earth's surface are lower than the altitude of a geosynchronous orbit from the Earth's surface (altitude of about 36,000 km). A geostationary orbit (GEO) is an example of a geosynchronous orbit. Furthermore, the altitude of the second orbit from the Earth's surface is higher than the altitude of the first orbit from the Earth's surface. The first orbit is, for example, a low Earth orbit (LEO). The altitude of the apogee of the low Earth orbit from the Earth's surface is, for example, 20 km to 2,000 km from the Earth's surface. The second orbit is, for example, a medium Earth orbit (MEO). The altitude of the apogee of a medium earth orbit above the Earth's surface is, for example, between 1,000 km and approximately 36,0000 km above the Earth's surface.
複数のユーザ衛星3A,3B,3Cの各々は、中継衛星2と無線通信を行い、中継衛星2を介して地上局4とデータ通信を行う。中継衛星2は、複数のユーザ衛星3A,3B,3Cとデータ通信を行うと同時に、並列して地上局4とデータ通信を行うことにより複数のユーザ衛星3A,3B,3Cと地上局4との間のデータ通信をリアルタイムで中継する。地上局4とサーバ6とは、例えばインターネット等のネットワーク5によって接続されており、サーバ6は地上局4を介してユーザ衛星3A,3B,3Cによって取得されたデータを受信する。これにより、サーバ6は地上に居ながらにしてユーザ衛星3A,3B,3Cにより取得されたデータを得ることができると共に、図4-1の衛星システムを運用するために必要な機能を備える。なお、複数のユーザ衛星3A,3B,3Cのうちの何れか1つのユーザ衛星を称呼する場合には、単に「ユーザ衛星3」と称呼する。 Each of the multiple user satellites 3A, 3B, and 3C performs wireless communication with the relay satellite 2 and performs data communication with the ground station 4 via the relay satellite 2. The relay satellite 2 performs data communication with the multiple user satellites 3A, 3B, and 3C, and at the same time performs data communication with the ground station 4 in parallel, thereby relaying data communication between the multiple user satellites 3A, 3B, and 3C and the ground station 4 in real time. The ground station 4 and the server 6 are connected by a network 5 such as the Internet, and the server 6 receives data acquired by the user satellites 3A, 3B, and 3C via the ground station 4. As a result, the server 6 can obtain data acquired by the user satellites 3A, 3B, and 3C while remaining on the ground, and has the functions necessary to operate the satellite system of FIG. 4-1. Note that when referring to any one of the multiple user satellites 3A, 3B, and 3C, it is simply referred to as "user satellite 3."
図4-2は、実施形態の通信制御システム12の詳細な構成例を示す図である。図4-2に示されるように、通信制御システム12は、複数の光通信機14A,14B,14Cと、通信制御装置16と、信号切替回路18と、データ多重化回路19Aと、多重化データ分離回路19Bと、高周波無線機20とを備えている。通信制御システム12は、中継衛星2に搭載される。なお、複数の光通信機14A,14B,14Cのうちの何れか1つの光通信機を称呼する場合には、単に「光通信機14」と称呼する。なお、ユーザ衛星3の数は、図4-2に例示した3つに限定されず、3つを超えても良い。さらにユーザ衛星3の数は、光通信機14の台数と同じ台数である必要もなく、光通信機14の台数を超えても良い。ユーザ衛星3は複数の衛星を連携させて一つの機能やサービスを達成する衛星コンステレーションの一部でも良い。 Figure 4-2 is a diagram showing a detailed configuration example of the communication control system 12 of the embodiment. As shown in Figure 4-2, the communication control system 12 includes multiple optical communication devices 14A, 14B, and 14C, a communication control device 16, a signal switching circuit 18, a data multiplexing circuit 19A, a multiplexed data separation circuit 19B, and a high-frequency radio device 20. The communication control system 12 is mounted on a relay satellite 2. When referring to any one of the multiple optical communication devices 14A, 14B, and 14C, it is simply referred to as an "optical communication device 14". The number of user satellites 3 is not limited to three as shown in Figure 4-2, and may be more than three. Furthermore, the number of user satellites 3 does not need to be the same as the number of optical communication devices 14, and may exceed the number of optical communication devices 14. The user satellite 3 may be part of a satellite constellation in which multiple satellites are linked to achieve a single function or service.
(光通信機)
複数の光通信機14A,14B,14Cの各々は、図4-2の光通信機14Aに示されるように、光望遠鏡22Aと、光受信機24Aと、光送信機26Aとを備えている。図4-2に示す光通信機14B,14Cの構成は、光通信機14Aと同様である。このため、以下では、光通信機14Aの構成についてのみ説明する。
(Optical communication device)
Each of the optical communication devices 14A, 14B, and 14C includes an optical telescope 22A, an optical receiver 24A, and an optical transmitter 26A, as shown in the optical communication device 14A in Fig. 4-2. The configurations of the optical communication devices 14B and 14C shown in Fig. 4-2 are similar to that of the optical communication device 14A. Therefore, only the configuration of the optical communication device 14A will be described below.
光望遠鏡22Aは、ユーザ衛星3A,3B,3Cとの間においてレーザ光の送受信を行う。なお、光通信機14Aが光通信するユーザ衛星は、ユーザ衛星3Aに限られるものではない。光通信機14Aは、ユーザ衛星3B及びユーザ衛星3Cとも光通信をし得る。光望遠鏡22Aは、レーザ光の出入口となる窓(図示省略)を有する。また、光望遠鏡22Aは、ビームステアリングミラー(図示省略)を有している。ビームステアリングミラーによって光路が調整される。 The optical telescope 22A transmits and receives laser light between the user satellites 3A, 3B, and 3C. Note that the user satellite with which the optical communication device 14A optically communicates is not limited to the user satellite 3A. The optical communication device 14A can also optically communicate with the user satellites 3B and 3C. The optical telescope 22A has a window (not shown) that serves as an entrance and exit for the laser light. The optical telescope 22A also has a beam steering mirror (not shown). The beam steering mirror adjusts the optical path.
光望遠鏡22Aは、ビームステアリングミラーを介して、後述する光受信機24Aに対して他の衛星から受信したレーザ光を出力する。また、光望遠鏡22Aは、ビームステアリングミラーを介して、後述する光送信機26Aから出力されたレーザ光を他の衛星へ出力する。 The optical telescope 22A outputs the laser light received from other satellites to the optical receiver 24A (described later) via a beam steering mirror. The optical telescope 22A also outputs the laser light output from the optical transmitter 26A (described later) to other satellites via a beam steering mirror.
光受信機24Aは、光望遠鏡22Aから出力されたレーザ光を光復調することにより、光望遠鏡22Aが受信したレーザ光に対応するデジタル電気信号を得る。そして、光受信機24Aは、デジタル電気信号を後述する高周波無線機20へ出力する。 The optical receiver 24A optically demodulates the laser light output from the optical telescope 22A to obtain a digital electrical signal corresponding to the laser light received by the optical telescope 22A. The optical receiver 24A then outputs the digital electrical signal to the high-frequency radio 20, which will be described later.
光送信機26Aは、後述する高周波無線機20から出力されたデジタル電気信号に対して光変調をすることにより、デジタル電気信号に対応するレーザ光を得る。そして、光送信機26Aは、レーザ光を光望遠鏡22Aに出力する。 The optical transmitter 26A obtains laser light corresponding to the digital electrical signal by optically modulating the digital electrical signal output from the high-frequency radio device 20 described below. The optical transmitter 26A then outputs the laser light to the optical telescope 22A.
(通信制御装置)
通信制御装置16は、図4-2に示されるように、設定部28と、制御部30とを備えている。設定部28は、光通信に必要な各種情報を設定する。制御部30は、通信制御システム1内の各機器を制御する。
(Communication control device)
4B, the communication control device 16 includes a setting unit 28 and a control unit 30. The setting unit 28 sets various information required for optical communication. The control unit 30 controls each device in the communication control system 1.
(信号切替回路)
信号切替回路18は、通信制御装置16から出力される制御信号に応じて、複数の光通信機14A,14B,14Cの間の信号経路及び複数の光通信機14A,14B,14Cと後述する高周波無線機20との間の信号経路を切り替える。
(Signal switching circuit)
The signal switching circuit 18 switches the signal paths between the multiple optical communication devices 14A, 14B, 14C and the signal paths between the multiple optical communication devices 14A, 14B, 14C and the high-frequency radio device 20 described later in response to a control signal output from the communication control device 16.
(データ多重化回路及び多重化データ分離回路)
データ多重化回路19Aは、複数の光通信機による光通信が可能なようにデータを多重化する。また、多重化データ分離回路19Bは、複数の光通信機による光通信が可能なように、多重化されたデータを分離する。
(Data multiplexing circuit and multiplexed data separation circuit)
The data multiplexing circuit 19A multiplexes data so that optical communication can be performed by a plurality of optical communication devices. The multiplexed data demultiplexing circuit 19B demultiplexes the multiplexed data so that optical communication can be performed by a plurality of optical communication devices.
(高周波無線機)
高周波無線機20は、中継衛星2が地上局4等と通信を行うための中継用通信機の一例である。高周波無線機20は、高周波変調回路32と、高周波送信アンテナ33と、高周波送信機34と、高周波受信アンテナ35と、高周波受信機204と、高周波復調回路37とを備えている。高周波無線機20は、複数の光通信機14A,14B,14Cによって取得されたデータを変調し、地上局4へ送信する。また、高周波無線機20は、地上局4から送信されたデータを復調し、複数の光通信機14A,14B,14Cへ受け渡す。
(High frequency radio)
The high frequency radio device 20 is an example of a relay communication device for the relay satellite 2 to communicate with the ground station 4 and the like. The high frequency radio device 20 includes a high frequency modulation circuit 32, a high frequency transmission antenna 33, a high frequency transmitter 34, a high frequency receiving antenna 35, a high frequency receiver 204, and a high frequency demodulation circuit 37. The high frequency radio device 20 modulates data acquired by the multiple optical communication devices 14A, 14B, and 14C and transmits the data to the ground station 4. The high frequency radio device 20 also demodulates data transmitted from the ground station 4 and passes it to the multiple optical communication devices 14A, 14B, and 14C.
高周波変調回路32は、光通信機14から出力されたデジタル電気信号を変調し、高周波送信機34へ出力する。 The high frequency modulation circuit 32 modulates the digital electrical signal output from the optical communication device 14 and outputs it to the high frequency transmitter 34.
高周波送信機34は、高周波変調回路32によって変調された信号を高周波信号に変換し、その信号を増幅する。 The high-frequency transmitter 34 converts the signal modulated by the high-frequency modulation circuit 32 into a high-frequency signal and amplifies the signal.
高周波送信アンテナ33は、高周波送信機34から出力された高周波を地上局4に向けて放射する。 The high-frequency transmission antenna 33 radiates the high-frequency signal output from the high-frequency transmitter 34 toward the ground station 4.
高周波受信アンテナ35は、地上局4から送信された高周波を受信する。 The high frequency receiving antenna 35 receives high frequency waves transmitted from the ground station 4.
高周波受信機204は、高周波受信アンテナ35によって受信された高周波から変調信号を取り出し、その変調信号を出力する。 The high frequency receiver 204 extracts a modulated signal from the high frequency received by the high frequency receiving antenna 35 and outputs the modulated signal.
高周波復調回路37は、高周波受信機204から出力された変調信号を復調し、デジタル電気信号へ変換する。 The high frequency demodulation circuit 37 demodulates the modulated signal output from the high frequency receiver 204 and converts it into a digital electrical signal.
通信制御システム12の通信制御装置16は、例えば、図4-3に示すコンピュータ70で実現することができる。コンピュータ70はCentral Processing Unit(CPU)71、一時記憶領域としてのメモリ72、及び不揮発性の記憶部73を備える。また、コンピュータ70は、入出力装置等(図示省略)が接続される入出力interface(I/F)74、及び記録媒体に対するデータの読み込み及び書き込みを制御するread/write(R/W)部75を備える。また、コンピュータ70は、通信制御システム12がインターネット等の地上の通信システムに接続可能なネットワークinterface(I/F)76を備える。CPU71、メモリ72、記憶部73、入出力I/F74、R/W部75、及びネットワークI/F76は、バス77を介して互いに接続される。 The communication control device 16 of the communication control system 12 can be realized, for example, by a computer 70 shown in FIG. 4-3. The computer 70 includes a Central Processing Unit (CPU) 71, a memory 72 as a temporary storage area, and a non-volatile storage unit 73. The computer 70 also includes an input/output interface (I/F) 74 to which an input/output device (not shown) is connected, and a read/write (R/W) unit 75 that controls reading and writing of data to a recording medium. The computer 70 also includes a network interface (I/F) 76 that allows the communication control system 12 to connect to a terrestrial communication system such as the Internet. The CPU 71, memory 72, storage unit 73, input/output I/F 74, R/W unit 75, and network I/F 76 are connected to each other via a bus 77.
記憶部73は、Hard Disk Drive(HDD)、solid state drive(SSD)、フラッシュメモリ等によって実現できる。記憶媒体としての記憶部73には、コンピュータ70を機能させるためのプログラムが記憶されている。CPU71は、プログラムを記憶部73から読み出してメモリ72に展開し、プログラムが有するプロセスを順次実行する。 The storage unit 73 can be realized by a hard disk drive (HDD), a solid state drive (SSD), a flash memory, or the like. The storage unit 73 as a storage medium stores a program for causing the computer 70 to function. The CPU 71 reads the program from the storage unit 73, expands it into the memory 72, and sequentially executes the processes contained in the program.
なお、プログラムにより実現される機能は、例えば半導体集積回路、より詳しくはApplication Specific Integrated Circuit(ASIC)等で実現することも可能である。 The functions realized by the program can also be realized, for example, by a semiconductor integrated circuit, or more specifically, an Application Specific Integrated Circuit (ASIC).
また、通信制御システム12が備える各機器も、図4-3に示すコンピュータ70によって実現される場合がある。 In addition, each device included in the communication control system 12 may also be realized by a computer 70 shown in Figure 4-3.
なお、上記の構成のうち説明されていない構成については、特許6987420号公報を参照されたい。特許6987420号公報に開示されている内容は、その内容が本願明細書において具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。 For configurations not described above, please refer to Japanese Patent No. 6987420. The contents disclosed in Japanese Patent No. 6987420 are incorporated by reference into this specification to the same extent as if the contents were specifically and individually set forth in this specification.
なお、以下の各実施形態の光通信端末は光通信機の一例であり、上記の衛星システム1の光通信機に相当し得る。また、以下の各実施形態の角度検出センサーは、角度検出器の一例である。以下の各実施形態のデータ信号処理・制御処理ブロックは、トラッキング制御器の一例である。なお、データ信号処理・制御処理ブロックは、上記の衛星システム1の通信制御装置16によって実現されてもよい。また、以下の各実施形態の、ジンバル機構(光ビームの角度を大きく変える機構)と、ステアリングミラー又はステアリングレンズ(光ビームの角度を小さく変える機構)とが、相手方の衛星をトラッキングするためのガイド機構の一例である。 The optical communication terminal in each of the following embodiments is an example of an optical communication device, and may correspond to the optical communication device of the above-mentioned satellite system 1. The angle detection sensor in each of the following embodiments is an example of an angle detector. The data signal processing/control processing block in each of the following embodiments is an example of a tracking controller. The data signal processing/control processing block may be realized by the communication control device 16 of the above-mentioned satellite system 1. In each of the following embodiments, the gimbal mechanism (mechanism that changes the angle of the light beam by a large amount) and the steering mirror or steering lens (mechanism that changes the angle of the light beam by a small amount) are examples of guide mechanisms for tracking the other satellite.
<第1実施形態の光通信端末>
図4-4は、本発明の光通信端末の第1の実施形態の例を示したものである。図4-4において、401は光通信を行う相手側の衛星、402は光通信端末の光学系部分が乗ったジンバル機構、403は光通信端末のメカ制御や通信データの送受信の処理を行うデータ信号処理・制御処理ブロック、404は光アンテナの鏡筒、405は光アンテナ鏡筒404をチルト方向に回転させるジンバル機構、406は光アンテナ鏡筒404を平面内で回転させるジンバル機構、407は通信光を集光させる集光ミラー、408は集光ミラー407からの光を平行光として反射させる凸形状ミラー、409は光通信光のビーム角度を変化させる2軸ステアリングミラー、410は1/4λ板、411はP偏光の成分に対して光位相を変調するLCOS(Liquid Crystal on Silicon)で構成された空間光位相変調器、412は集光レンズ、413は中心部分に光が通過できるホールを形成した4分割のInGaAsフォトダイオードで構成した角度検出センサー、414は光ファイバーコネクタ、415は受信光と送信光を分離する光サーキュレータ、416は受信光用の光ファイバー、417は受信光用の光アンプ、418は光ファイバー、419はデータ受信用のInGaAsフォトダイオード、420は送信光用の光ファイバー、421は送信光を増幅する光アンプ、422は光ファイバー、423は送信光を発生するレーザである。416の受信光用の光ファイバーと420の送信光用の光ファイバーは光サーキュレータ415で結合されており受信光と送信光は同一の光ファイバーコネクタ414より出射もしくは入射される。図4-4に示すように、従来の光通信端末の光学系に比べて本発明の光学系は、受信光の受信と送信光の送信が空間的に同一の点から行われる点が大きな特徴となっている。受信光から送信光の角度を進めるビームアヘッド制御を行うために送信光と受信光の光路を分けてビームアヘッドミラー(図1の230)等が配置されていた。本発明の光通信端末では送信光と受信光が空間的に同一の発光点もしくは受光点にあり、送信光と受信光が同一の光路を共有しながら受信光の角度に対して送信光の角度を進めるビームアヘッドの機能を実現している。
<Optical communication terminal of the first embodiment>
Fig. 4-4 shows an example of the first embodiment of the optical communication terminal of the present invention. In Fig. 4-4, 401 is a satellite on the other side of the optical communication, 402 is a gimbal mechanism on which the optical system part of the optical communication terminal is mounted, 403 is a data signal processing and control processing block that performs mechanical control of the optical communication terminal and processing for transmitting and receiving communication data, 404 is an optical antenna barrel, 405 is a gimbal mechanism that rotates the optical antenna barrel 404 in the tilt direction, 406 is a gimbal mechanism that rotates the optical antenna barrel 404 in a plane, 407 is a focusing mirror that focuses communication light, 408 is a convex mirror that reflects the light from the focusing mirror 407 as parallel light, 409 is a two-axis steering mirror that changes the beam angle of the optical communication light, 410 is a 1/4 λ plate, and 411 is an LCOS (Liquid Crystal on Silicon) that modulates the optical phase of the P-polarized component. The optical fiber 416 for receiving light and the optical fiber 420 for transmitting light are connected by an optical circulator 415, and the optical fiber 420 for transmitting light are connected by an optical circulator 415, and the optical fiber 420 for transmitting light is ... In order to perform beam-ahead control to advance the angle of the transmitted light from the received light, a beam-ahead mirror (230 in FIG. 1) or the like is arranged to separate the optical paths of the transmitted light and the received light. In the optical communication terminal of the present invention, the transmitted light and the received light are spatially at the same light-emitting point or light-receiving point, and the transmitted light and the received light share the same optical path, realizing the beam-ahead function of advancing the angle of the transmitted light relative to the angle of the received light.
まず図4-4に点線で示した受信光の光路について説明を行う。通信を行う相手方の衛星401から出射された光は、4-4図の光通信端末に受信光として入射する。図4-4では、受信光を点線で示してある。光アンテナの鏡筒404に入射した受信光は407の集光ミラーで集光された後に408の凸形状ミラー平行光となったのちに、409の2軸ステアリングミラーで反射され、410の1/4λ板によってS偏光の直線偏光となる。411の空間光位相変調器で反射されるが、411の空間光位相変調器はS偏光に対しては光の位相変調を行われないので受信光は空間位相変調を受けずに反射され412の集光レンズによって集光される。集光された受信光は角度検出センサー413で集光された外周部分の光を受光し受信光の角度が検出される。角度検出センサー413の詳細を図5に示す。図5は、角度検出センサー上に受信光が照射されている状態を示している。501の受信光は光ファイバー415/420の中心に受信光が集光レンズ412で集光されて光ファイバーに受信光が結合されている状態を示している。502の受信光は、受信光の角度ずれがあり光ファイバーに結合されていない受信光である。角度検出センサー413の光入射面には、その中心に受信光が通過できるホールが形成されており受信光が中心部分にある状態では、受信光はホールを通過して受信光の光ファイアー415と結合する。受信光の角度ずれがある場合には、受信光は図5の502の様な中心とは異なる位置に移動するため受信光の光ファイバー415と結合ができなくなる。この際の受信光のずれ量に応じて受信光が501の位置となるようにステアリングミラー409を制御することが出来れば受信光を安定に光ファイバー415に結合することが出来る。本実施例においては、受信光が通過するホール503の周辺に4分割したセンサーを配置しており、受信光の角度に応じて受信光の一部もしくは全部が4分割されたセンサー504/505/506/507のいずれかに入射する構成となっている。この4分割センサー504/505/506/507の出力に対して以下の演算を行う事で、光ビームの中心からのずれ量を検出できる。図5の光入射面の水平方向をX軸、垂直方向をY軸、センサー504の出力をA、センサー505の出力をB、センサー506の出力をC、センサー507の出力をD、X軸方向のずれをEx、Y軸方向のずれをEyとするとExとEyは、Ex=(A-B-C+D)/(A+B+C+D)、Ey=(A+B-C-d)/(A+B+C+D)で求める事が出来る。ExとEyが共にゼロとなるようにファインステアリングミラーの角度をX軸方向とY軸方向に制御すれば、受信光は501の位置に制御され安定に受信光を光ファイバーと結合することが出来るようになる。Ex,Eyは角度検出センサー413に入力される全光量であるA+B+C+Dで割り算の処理が行われているが、これは受信光量が変化した際に制御系の制御ゲインが変化しないようにするための措置である。ファインステアリングミラー409は高速に応答するので、高い周波数まで制御が可能であるが動作範囲が±0.2度程度と狭い場合が多い。さらに広い角度範囲まで衛星を捕捉追尾するために第1の実施形態の光通信端末は、角度検出センサー413の低域成分を用いて光アンテナ鏡筒をチルト方向に回転させるジンバル機構405と平面内で回転させるジンバル機構406にデータ信号処理・制御処理ブロック403よりフィードバック制御している。このフィードバック制御によって角度検出センサー413の中心部に導かれた受信光の中心部分は、414の光ファイバーコネクタを通過して415の光サーキュレータに導入され受信光のみが光ファイバー416に結合し光アンプ417で100倍に増幅される。増幅された受信光は418の光ファイバーを通過して419のデータ受信用のInGaAsフォトダイオードで受光され光の強度が電気信号の強度に変換された後に403のデータ信号処理・制御処理ブロックで受信データとして復調される。 First, the optical path of the received light shown by the dotted line in Figure 4-4 will be explained. The light emitted from the satellite 401 with which communication is being performed is incident as received light on the optical communication terminal in Figure 4-4. In Figure 4-4, the received light is shown by the dotted line. The received light incident on the optical antenna lens tube 404 is collected by the collecting mirror 407, becomes parallel light by the convex mirror 408, is reflected by the two-axis steering mirror 409, and becomes linearly polarized S-polarized light by the 1/4 λ plate 410. It is reflected by the spatial light phase modulator 411, but since the spatial light phase modulator 411 does not perform phase modulation on S-polarized light, the received light is reflected without being spatial phase modulated and is collected by the collecting lens 412. The collected received light is received by the angle detection sensor 413, which receives the light from the outer periphery of the collected light, and the angle of the received light is detected. Details of the angle detection sensor 413 are shown in Figure 5. FIG. 5 shows a state where the received light is irradiated onto the angle detection sensor. The received light 501 shows a state where the received light is collected by the collecting lens 412 at the center of the optical fiber 415/420 and is coupled to the optical fiber. The received light 502 is the received light that has an angle deviation and is not coupled to the optical fiber. The light incident surface of the angle detection sensor 413 has a hole at its center through which the received light can pass, and when the received light is in the center, the received light passes through the hole and is coupled to the optical fiber 415 of the received light. When there is an angle deviation of the received light, the received light moves to a position different from the center as shown by 502 in FIG. 5, and cannot be coupled to the optical fiber 415 of the received light. If the steering mirror 409 can be controlled so that the received light is at the position 501 according to the amount of deviation of the received light at this time, the received light can be stably coupled to the optical fiber 415. In this embodiment, sensors divided into four are arranged around a hole 503 through which the received light passes, and a part or all of the received light is incident on one of the four divided sensors 504/505/506/507 depending on the angle of the received light. The amount of deviation from the center of the light beam can be detected by performing the following calculation on the output of these four divided sensors 504/505/506/507. If the horizontal direction of the light incident surface in FIG. 5 is the X-axis, the vertical direction is the Y-axis, the output of sensor 504 is A, the output of sensor 505 is B, the output of sensor 506 is C, the output of sensor 507 is D, the deviation in the X-axis direction is Ex, and the deviation in the Y-axis direction is Ey, Ex and Ey can be calculated by Ex=(A-B-C+D)/(A+B+C+D) and Ey=(A+B-C-d)/(A+B+C+D). If the angle of the fine steering mirror is controlled in the X-axis and Y-axis directions so that both Ex and Ey are zero, the received light is controlled to the position 501, and the received light can be stably coupled to the optical fiber. Ex and Ey are divided by A+B+C+D, which is the total amount of light input to the angle detection sensor 413, and this is a measure to prevent the control gain of the control system from changing when the amount of received light changes. Since the fine steering mirror 409 responds quickly, it can be controlled up to high frequencies, but the operating range is often narrow, about ±0.2 degrees. In order to capture and track satellites over an even wider angle range, the optical communication terminal of the first embodiment uses the low-frequency components of the angle detection sensor 413 to feedback control the gimbal mechanism 405 that rotates the optical antenna barrel in the tilt direction and the gimbal mechanism 406 that rotates it within a plane from the data signal processing and control processing block 403. The central portion of the received light guided to the center of the angle detection sensor 413 by this feedback control passes through an optical fiber connector 414 and is introduced into an optical circulator 415, where only the received light is coupled to an optical fiber 416 and amplified 100 times by an optical amplifier 417. The amplified received light passes through an optical fiber 418 and is received by an InGaAs photodiode 419 for data reception, where the light intensity is converted into the intensity of an electrical signal, and then demodulated as received data by the data signal processing and control processing block 403.
次に図4-4に一点鎖線で示した送信光の光路について説明を行う。データ信号処理・制御処理ブロック403より出力される通信データでプリ変調された信号は、送信光用レーザ423でオンオフキーイング変調が施され、光ファイバー422に結合され、光アンプ421で300倍に増幅され3Wのレーザ光となり光ファイバー420を通して415の光サーキュレータに入力され光ファイバーコネクタ414に接続されたファイバーよりP偏光で出射される。415の光サーキュレータは光の進行方向を制限するデバイスで、414の光コネクターから入力された光は光ファイバー416に導入され、光ファイバー420側からの光は415の光コネクター側のファイバーに導入されるため受信光と送信光を分離する働きを行っている。415の光コメクターから出射された光は、角度検出センサー413の中心部に設けられたホール503を通過して集光レンズ412で平行光に変換され空間光位相変調器411に入射する。空間位相変調器411に、P偏光に対しては光の位相を変調しS偏光に対しては光の位相を変調しないという偏光選択性を持つ空間位相変調器を用いることで、送信光の発光点と受信光の受光点が空間的に同じ点にありながら送信光の送信角度を受信光の角度に対して自由に変更できる光通信端末を実現している。送信光の送信角度を受信光の角度対して変更する411の空間位相変調器の動作について図6を用いて説明を行う。本発明の第1実施形態では、空間位相変調器としてLCOSを用いた。LCOSは、液晶に電圧を加える事で光の位相差をコントロールするデバイスであり、第1の実施形態で用いたLCOSは図6-1に示したように16mm×13mmのサイズで1280×1024のピクセルに分かれており、それぞれのピクセルに照射される光の位相を0から1λまで256諧調コントロールする事が出来る。例えばLCOSを用いて光の反射角度をX方向に変更したい場合は、図6-2に示したように各ピクセルのX方向の位相を直線的に変化させることで、反射角度を変化させることが出来る。例えば本実施形態1の波長1.55μmの光を用い図6-2に示したように1280ピクセルの間の光位相を0~1λまで変化させるパターンをLCOSに設定した場合、反射光を約0.0056度傾かせることができる。位相変調を行う各ピクセルの分解能は1/256λと非常に小さな光位相をコントロールできるため、光の反射角を非常に細かく精度よくコントロールする事が可能となる。具体的に送信光を図6のX方向にAx度、Y方向にAy度傾ける際のLCOSの各ピクセルの位相設定値V(x,y)は、LCOSのX方向のサイズをLx、Y方向のサイズをLy、X方向のピクセル数をPx、Y方向のピクセル数をPy、ピクセル座標をx,y、送信光の波長をλとすると以下の様な(数1)となる。本発明の光通信端末では、送信光をビームアヘッドする角度Ax,Ayにもとづいて(数1)に従いLCOSのピクセルに位相を設定することが可能で、光の波長の256分の1の分解能で送信光の空間位相をコントロールする事ができ非常に高い精度で送信光の角度を受信光に対して変化させることが可能となる。 Next, the optical path of the transmitted light shown by the dashed line in Figure 4-4 will be explained. The signal pre-modulated with the communication data output from the data signal processing/control processing block 403 is on-off keyed by the transmitted light laser 423, coupled to the optical fiber 422, amplified 300 times by the optical amplifier 421 to become a 3W laser light, which is input to the optical circulator 415 through the optical fiber 420 and emitted as P-polarized light from the fiber connected to the optical fiber connector 414. The optical circulator 415 is a device that limits the direction of light travel, and the light input from the optical connector 414 is introduced into the optical fiber 416, and the light from the optical fiber 420 side is introduced into the fiber on the optical connector side of 415, so that it functions to separate the received light from the transmitted light. The light emitted from the optical connector 415 passes through the hole 503 provided in the center of the angle detection sensor 413, is converted into parallel light by the condenser lens 412, and enters the spatial light phase modulator 411. By using a spatial phase modulator 411 having polarization selectivity that modulates the phase of light for P-polarized light and does not modulate the phase of light for S-polarized light, an optical communication terminal is realized in which the transmission angle of the transmitted light can be freely changed with respect to the angle of the received light, even though the light emission point of the transmitted light and the light reception point of the received light are at the same spatial point. The operation of the spatial phase modulator 411 that changes the transmission angle of the transmitted light with respect to the angle of the received light will be described with reference to FIG. 6. In the first embodiment of the present invention, an LCOS is used as the spatial phase modulator. An LCOS is a device that controls the phase difference of light by applying a voltage to liquid crystal. The LCOS used in the first embodiment has a size of 16 mm×13 mm and is divided into 1280×1024 pixels as shown in FIG. 6-1, and the phase of light irradiated to each pixel can be controlled in 256 gradations from 0 to 1λ. For example, if it is desired to change the reflection angle of light in the X direction using an LCOS, the reflection angle can be changed by linearly changing the phase of each pixel in the X direction as shown in FIG. 6-2. For example, when a pattern is set on the LCOS in which the optical phase between 1280 pixels is changed from 0 to 1 λ using light of the wavelength of 1.55 μm in the first embodiment as shown in FIG. 6-2, the reflected light can be tilted by about 0.0056 degrees. Since the resolution of each pixel performing phase modulation is 1/256 λ and a very small optical phase can be controlled, it is possible to control the reflection angle of light very finely and with high precision. Specifically, the phase setting value V(x, y) of each pixel of the LCOS when tilting the transmitted light by Ax degrees in the X direction and Ay degrees in the Y direction in FIG. 6 is expressed by the following (Equation 1), where Lx is the size of the LCOS in the X direction, Ly is the size in the Y direction, Px is the number of pixels in the X direction, Py is the number of pixels in the Y direction, x, y are the pixel coordinates, and λ is the wavelength of the transmitted light. In the optical communication terminal of the present invention, it is possible to set the phase of the LCOS pixels according to (Equation 1) based on the beam-ahead angles Ax and Ay of the transmitted light, and it is possible to control the spatial phase of the transmitted light with a resolution of 1/256 of the wavelength of light, and to change the angle of the transmitted light relative to the received light with extremely high precision.
従来の光通信端末では、ビームアヘッドをミラーの角度を調整する事で行っており、1/1000度のような高い精度を実現することが非常に難しくビームアヘッドミラー(230)の角度を事前に調整用のレーザ(231)を用いて校正するなど複雑な手順が必要だけでなく、温度変化などによる光学部品の変形などにも弱く精度の高い光通信端末を実現する事が難しく、光通信端末の転送レートの向上や低コストの光通信端末を実現する上で大きな障害となっていた。これに対して本発明の光通信端末は、光の偏向方向に対して選択的に空間位相変調を加えることが可能な空間位相変調器411を用いる事でP偏光である送信光のみに空間位相変調を加えることが可能となり、同一光路を通過する相手方の衛星から送信されるS偏光の受信光に対して411で空間位相変調が行われない構成としたところに大きな特徴があり、受信光を用いて2軸ステアリングミラー409を制御することで相手方の衛星の方向を高い精度で捕捉すると共に、この受信光を基準に送信光に空間位相変調を加える事で非常に高い精度で送信光の角度を受信光に対して変化させる事が可能となった。ビームアヘッドの角度に応じて411の空間位相変調器に(数1)のパターンの生成と転送は403のデータ信号処理・制御処理ブロックによって行われる。このように実現をした第1の実施形態による光通信端末を動作させ送信光のビームアヘッドの角度分解能が約5×10-5度の精度でコントロール出来る事が確認された。これは光通信端末のビームアヘッドに用いるのに十分な性能である。また、本実施例では受信光の制御系のゲイン交点を300Hzに設定してPID制御を用いファインステアリングミラー409の制御をデータ信号処理・制御処理ブロック403で行う事で概ね0.3μradの制御精度で受信光の角度制御が実施できることも同時に確認された。その際のエラーレートも10-12と光通信端末として十分な特性が確認された。 In conventional optical communication terminals, beam ahead is performed by adjusting the angle of the mirror, and it is very difficult to achieve high accuracy such as 1/1000 degrees, and a complicated procedure is required, such as calibrating the angle of the beam ahead mirror (230) in advance using an adjustment laser (231). Not only is it difficult to realize a high-precision optical communication terminal, but it is also vulnerable to deformation of optical components due to temperature changes, etc., and this has been a major obstacle to improving the transfer rate of optical communication terminals and realizing low-cost optical communication terminals. In contrast, the optical communication terminal of the present invention uses a spatial phase modulator 411 that can selectively add spatial phase modulation to the polarization direction of light, making it possible to add spatial phase modulation only to the transmitted light that is P polarized, and has a major feature in that the spatial phase modulation is not performed by 411 on the received light that is S polarized transmitted from the other satellite passing through the same optical path, and by controlling the two-axis steering mirror 409 using the received light, the direction of the other satellite can be captured with high accuracy, and by adding spatial phase modulation to the transmitted light based on this received light, it is possible to change the angle of the transmitted light with respect to the received light with very high accuracy. The generation and transfer of the pattern of (Equation 1) to the spatial phase modulator 411 according to the beam ahead angle is performed by the data signal processing and control processing block 403. By operating the optical communication terminal according to the first embodiment thus realized, it was confirmed that the angular resolution of the beam ahead of the transmitted light can be controlled with an accuracy of about 5×10 −5 degrees. This is sufficient performance for use in the beam ahead of an optical communication terminal. In addition, in this embodiment, it was also confirmed that the angle control of the received light can be performed with a control accuracy of about 0.3 μrad by setting the gain crossover point of the control system of the received light to 300 Hz and using PID control to control the fine steering mirror 409 in the data signal processing and control processing block 403. The error rate at that time was also confirmed to be 10 −12 , which is sufficient characteristics for an optical communication terminal.
第1実施形態で用いた偏光選択性を持つ空間位相変調器は、S偏光に対する感度が0%、P偏光に関する感度が100%であることが理想ではあるが、おおむねP偏光に対する感度が70%以上あれば送信光の70%を通信光に利用でき問題なく通信が可能となる。また、この場合S偏光に対する感度が最大30%存在する事になり受信光の30%をロスする事になるが、光通信端末として十分に機能する光量を得る事ができる。よってS偏光に対する位相変調感度が30%以下でP偏光に対する位相変調感度が70%以上の空間光変調器を用いる事が本発明を実施する際の空間光変調器に望まれる特性となる。第1の実施形態において空間位相変調器をP偏光の変調特性が70%、S偏光の変調特性が30%の空間光変調器を用いてもP偏光の変調特性がほぼ100%、S偏光の変調特性がほぼ0%の空間光変調器と同等の追随特性とエラーレートが確認された。なお、第1実施形態においては、空間位相変調を行う偏光選択特性を持った位相変調器としてLCOSを用いたが、位相変調特性に偏光選択性を持つ空間位相変調器であれば、第1の実施形態と同様の性能を実現できる。例えば、送信と受信光の波長を変えることで波長選択性を持つ空間位相変調器やカー効果による複屈折特性を利用した空間位相変調器を用いても同様の特性を得る事ができる。また、ビームアヘッド量を変える必要が無い場合には、複屈折特性を持つ結晶を用いた空間位相変調器を用いても良い。また、第1の実施形態においては、送信光を増幅するための光アンプ417と受信光を増幅する光アンプ421を用いたが、これは長距離通信を実現するためであり、これらの光アンプが無くても本発明の機能は同様に発揮されるため必ずしも必要するものではない。 The spatial phase modulator with polarization selectivity used in the first embodiment is ideally 0% sensitive to S-polarized light and 100% sensitive to P-polarized light, but if the sensitivity to P-polarized light is generally 70% or more, 70% of the transmitted light can be used for communication light, and communication can be performed without problems. In this case, the sensitivity to S-polarized light is a maximum of 30%, which means that 30% of the received light is lost, but it is possible to obtain a sufficient amount of light to function as an optical communication terminal. Therefore, the use of a spatial light modulator with a phase modulation sensitivity to S-polarized light of 30% or less and a phase modulation sensitivity to P-polarized light of 70% or more is the desired characteristic of the spatial light modulator when implementing the present invention. In the first embodiment, even if a spatial light modulator with a modulation characteristic of 70% for P-polarized light and a modulation characteristic of 30% for S-polarized light is used as the spatial phase modulator, the tracking characteristic and error rate were confirmed to be equivalent to that of a spatial light modulator with a modulation characteristic of almost 100% for P-polarized light and a modulation characteristic of almost 0% for S-polarized light. In the first embodiment, LCOS is used as a phase modulator with polarization selection characteristics for spatial phase modulation, but if a spatial phase modulator with polarization selectivity in phase modulation characteristics is used, the same performance as in the first embodiment can be achieved. For example, similar characteristics can be obtained by using a spatial phase modulator with wavelength selectivity by changing the wavelengths of the transmitted and received light, or a spatial phase modulator using birefringence characteristics due to the Kerr effect. In addition, if there is no need to change the amount of beam ahead, a spatial phase modulator using a crystal with birefringence characteristics may be used. In addition, in the first embodiment, an optical amplifier 417 for amplifying the transmitted light and an optical amplifier 421 for amplifying the received light are used, but this is to realize long-distance communication, and these optical amplifiers are not necessarily required because the function of the present invention can be similarly exerted even without them.
<第2実施形態の光通信端末>
図7は、本発明の光通信端末の第2の実施形態の例を示したものである。図7において、701は光通信を行う相手側の衛星、702は光通信端末の光学系部分が乗ったジンバル機構、703は光通信端末のメカ制御や通信データの送受信の処理を行うデータ信号処理・制御処理ブロック、704は光アンテナの鏡筒、705は光アンテナ鏡筒704をチルト方向に回転させるジンバル機構、706は光アンテナ鏡筒704を平面内で回転させるジンバル機構、707は通信光を集光させる集光ミラー、708は集光ミラー707からの光を平行光として反射させる凸形状ミラー、709は光通信光のビーム角度を変化させる2軸ステアリングミラー、710は1/4λ板、711はP偏光の成分に対して光位相を変調するLCOS(Liquid Crystal on Silicon)で構成された空間光位相変調器、712は集光レンズ、713は中心部分に光が通過できるホールを形成した4分割のInGaAsフォトダイオードで構成した角度検出センサー、714は光ファイバーコネクタ、715は受信光と送信光を分離する光サーキュレータ、716は受信光用の光ファイバー、717は受信光用の光アンプ、718は光ファイバー、719はデータ受信用のInGaAsフォトダイオード、720は送信光用の光ファイバー、721は送信光を増幅する光アンプ、722は光ファイバー、723は送信光を発生するレーザである。716の受信光用の光ファイバーと720の送信光用の光ファイバーは光サーキュレータ715で結合されており受信光と送信光は同一の光ファイバーコネクタ714より出射もしくは入射される。第2の実施形態は第1の実施形態と近い構成であるが、集光ミラー707への送信光の取り込み範囲である送信光アパーチャーサイズに対して受信光の取り込み範囲である受信光アパーチャーサイズを大きくした事を特徴としている。図7に受信光を点線で、送信光を一点鎖線で示しており、点線で示した707の集光ミラーに入射する受信光の範囲より一点鎖線で示した送信光の範囲が狭くなっとり、この特徴によって第2の実施形態では送信光の伝達効率を第1の実施形態に対して高められるという特徴がある。第2の実施形態においては、送信光のアパーチャーサイズを受信光のアパーチャーサイズに対して小さくしたことによって、光通信端末を校正する光学部品等の設計パラメータは第1の実施形態と異なっているが、その機能は同一であるので送信光と受信光に光路に対する詳細な説明は省略し、第2の実施形態の特徴である送信光の伝達効率を高められるという特徴に関して以下詳しく説明を行う。
Optical communication terminal of second embodiment
Fig. 7 shows an example of the second embodiment of the optical communication terminal of the present invention. In Fig. 7, 701 is a satellite on the other side of the optical communication, 702 is a gimbal mechanism on which the optical system of the optical communication terminal is mounted, 703 is a data signal processing and control processing block that performs mechanical control of the optical communication terminal and processing for transmitting and receiving communication data, 704 is an optical antenna barrel, 705 is a gimbal mechanism that rotates the optical antenna barrel 704 in the tilt direction, 706 is a gimbal mechanism that rotates the optical antenna barrel 704 in a plane, 707 is a collecting mirror that collects communication light, 708 is a convex mirror that reflects the light from the collecting mirror 707 as parallel light, 709 is a two-axis steering mirror that changes the beam angle of the optical communication light, 710 is a 1/4 λ plate, and 711 is an LCOS (Liquid Crystal on Silicon) that modulates the optical phase of the P-polarized component. The reference numeral 715 denotes an optical circulator for separating received light from transmitted light, 716 denotes an optical fiber for received light, 717 denotes an optical amplifier for received light, 718 denotes an optical fiber, 719 denotes an InGaAs photodiode for receiving data, 720 denotes an optical fiber for transmitted light, 721 denotes an optical amplifier for amplifying transmitted light, 722 denotes an optical fiber, and 723 denotes a laser for generating transmitted light. The optical fiber for received light 716 and the optical fiber for transmitted light 720 are connected by an optical circulator 715, and the received light and transmitted light are emitted or input from the same optical fiber connector 714. The second embodiment has a similar configuration to the first embodiment, but is characterized in that the receiving light aperture size, which is the range of receiving light, is larger than the transmitting light aperture size, which is the range of receiving light into the collecting mirror 707. In Fig. 7, the receiving light is shown by a dotted line and the transmitting light is shown by a dashed line, and the range of the transmitting light shown by the dashed line is narrower than the range of the receiving light incident on the collecting mirror 707 shown by the dotted line, and this feature allows the second embodiment to improve the transmission efficiency of the transmitting light compared to the first embodiment. In the second embodiment, the aperture size of the transmitting light is made smaller than the aperture size of the receiving light, so that the design parameters of the optical components and the like that calibrate the optical communication terminal are different from those of the first embodiment, but the functions are the same, so a detailed description of the optical paths of the transmitting light and the receiving light is omitted, and the feature of the second embodiment, which is the improvement of the transmission efficiency of the transmitting light, is described in detail below.
図8は、713の角度検出センサー上の受信光と送信光の状態を示す拡大で、713の角度検出センサーで検出された受信光801の角度情報から703のデータ信号処理・制御処理ブロックから709の2軸ステアリングミラーによって受信光の角度の制御を行い受信光が713の角度検出センサーの中心部に制御されている状態を示している。第1および第2の実施形態では、この状態で受信光外周部分の約20%が角度検出センサー713の4分割された光センサー受光部804/805/806/807に入射する光学設計がなされている。受信光と送信光のアパーチャーサイズが同一に設計された第1の実施形態では、図5に示したように、光コネクター414に接続された光ファイバー415から出力される送信光の外周部分がホールを通過できないために約20%が送信光として利用されず送信の電力効率の低下を招いた。第2の実施形態は、第1の実施形態の送信光の電力効率が低下するという課題を解決するためになされたもので、送信光のレーザ出射の効率を約100%に近い値に高める事ができる。第2の実施形態では、送信光アパーチャーサイズに対して受信光アパーチャーサイズを大きくした事を特徴としており、送信光のアパーチャーサイズを受信光のアパーチャーサイズより小さくすることで、図8に示した様に光ファイバー715から出射した送信光802の多くがホール803を通過する事が可能となり、送信光の電力効率を95%程度まで高める事が出来た。第2の実施形態では、送信光のアパーチャーサイズを受信光のアパーチャーサイズ対して20%小さく設定をしたが、送信光のアパーチャーサイズを受信光のアパーチャーサイズ対して小さくすれば、送信光の電力効率が高まり第2の実施形態と同様の効果を得る事ができる。受信光の外周部分をどの程度角度制御用の信号として、残りをデータ通信用の光として利用するかは、光通信端末として実現必要な制御の精度と送受信の転送レートとのトレードオフ設計問題となるが、一般的に、50%から10%程度の光を制御用の信号として利用する事が望ましく、この場合は送信光のアパーチャーサイズを受信光のアパーチャーサイズも同様に50%から10%程度と設定することが望ましい。 Figure 8 is an enlarged view showing the state of the received light and the transmitted light on the angle detection sensor 713, and shows the state in which the angle of the received light is controlled by the two-axis steering mirror 709 from the data signal processing and control processing block 703 based on the angle information of the received light 801 detected by the angle detection sensor 713, and the received light is controlled to the center of the angle detection sensor 713. In the first and second embodiments, the optical design is such that in this state, about 20% of the outer peripheral part of the received light is incident on the four-part optical sensor light receiving parts 804/805/806/807 of the angle detection sensor 713. In the first embodiment, in which the aperture size of the received light and the transmitted light are designed to be the same, as shown in Figure 5, the outer peripheral part of the transmitted light output from the optical fiber 415 connected to the optical connector 414 cannot pass through the hole, so about 20% is not used as transmitted light, resulting in a decrease in the power efficiency of transmission. The second embodiment is made to solve the problem of the decrease in the power efficiency of the transmitted light in the first embodiment, and can increase the efficiency of the laser emission of the transmitted light to a value close to about 100%. The second embodiment is characterized in that the aperture size of the received light is made larger than the aperture size of the transmitted light. By making the aperture size of the transmitted light smaller than the aperture size of the received light, it becomes possible for most of the transmitted light 802 emitted from the optical fiber 715 to pass through the hole 803 as shown in FIG. 8, and the power efficiency of the transmitted light can be increased to about 95%. In the second embodiment, the aperture size of the transmitted light is set to be 20% smaller than the aperture size of the received light, but if the aperture size of the transmitted light is made smaller than the aperture size of the received light, the power efficiency of the transmitted light is increased and the same effect as in the second embodiment can be obtained. How much of the outer periphery of the received light should be used as an angle control signal and the remainder as light for data communication is a design issue that requires a trade-off between the control precision required for an optical communications terminal and the transmission and reception transfer rates, but in general it is desirable to use about 50% to 10% of the light as a control signal, and in this case it is desirable to set the aperture size of the transmitted light to about 50% to 10% of the aperture size of the received light as well.
<第3実施形態の光通信端末>
光通信端末のビームアヘッド精度をさらに向上させることが出来る第3の実施形態の光通信端末について図9を用いて説明を行う。図9において903は、空間位相変調器711に設定する複数のパターンを保持し変調パターンの設定を行うデータ信号処理・制御処理ブロックである。第3の実施形態ある光通信端末は、第2の実施形態の光通信端末に対して、711のLCOSで構成された空間光位相変調器に設定するパターンを変化させることによって、ビームアヘッドの角度の分解能を向上させビームアヘッドの精度をさらに向上させている。第2の実施形態と第3の実施形態の差分であるLCOSのコントロール部分を図9には示している。図9に示すように第3の実施形態である光通信端末は、ビームアヘッドを行う角度に応じて903のデータ信号処理・制御処理ブロックによって位相変調パターンをセットすることで受信光と角度差を発生させるが、一般的にLCOSのような空間位相変調器に設定できるパターンはデジタル設定値のため例えば図9のパターンAやパターンBのようなデジタル値となる。更にビームアヘッドの精度を向上するためには、LCOSに設定できる位相値の分解能を上げAとBの中間の状態が設定できるようにする必要がある。しかしLCOSの分解能を高くするとコストアップやパターンを設定するインターフェースが複雑になってしまうなどの課題がありビームアヘッドの精度を更に向上する際の障害となっていた。第3の実施形態は、この課題を解決するためになされた発明であり空間変調器の持つ分解能以下の精度で空間変調器の位相をコントロールする事が可能となる。第3の実施形態の光通信端末のデータ信号処理・制御処理ブロック903は、例えばパターンAとパターンBを、それぞれ所定の時間T1とT2の時間位相変調する機能を有している。T1+T2のパターンが繰り返し変化する時間となるが、この時間を空間変調器711の変調応答速度よりも早くすることで、T1とT2の時間比に応じてパターンAとパターンBの中間値である図9に示した位相変調パターンを設定可能となる。これは、T1+T2を所定の値であるが空間位相変調器の応答時間よりも早い周期に設定し、パターンAとパターンBを切り替えると空間位相変調器711はT1とT2の比率で決まる中間値となる。このようなコントロールを行うことで空間位相変調器711は設定できる分解能を大きく向上する事ができることになる。例えば、空間位相変調器の各ピクセルがONとOFFの1ビットの分解能しかなくてもT1とT2の比率の設定分解能で空間位相変調を行う事も可能となる。903のデータ信号処理・制御処理ブロックに、このような空間位相変調器制御を導入する事で第3の実施形態では第2の実施形態に対してビームアヘッドの分解能を約20倍に向上することが可能となった。
<Optical communication terminal of the third embodiment>
An optical communication terminal of the third embodiment capable of further improving the beam-ahead accuracy of the optical communication terminal will be described with reference to FIG. 9. In FIG. 9, 903 is a data signal processing and control processing block that holds a plurality of patterns to be set in the spatial phase modulator 711 and sets the modulation pattern. In the optical communication terminal of the third embodiment, the pattern to be set in the spatial light phase modulator composed of the LCOS 711 is changed, thereby improving the resolution of the beam-ahead angle and further improving the beam-ahead accuracy, compared to the optical communication terminal of the second embodiment. FIG. 9 shows the control part of the LCOS, which is the difference between the second embodiment and the third embodiment. As shown in FIG. 9, the optical communication terminal of the third embodiment generates an angle difference with the received light by setting a phase modulation pattern by the data signal processing and control processing block 903 according to the angle at which the beam-ahead is performed, but generally, the pattern that can be set in a spatial phase modulator such as an LCOS is a digital setting value, so that it is a digital value such as pattern A or pattern B in FIG. 9. In order to further improve the accuracy of the beam-ahead, it is necessary to increase the resolution of the phase value that can be set in the LCOS so that an intermediate state between A and B can be set. However, increasing the resolution of the LCOS leads to problems such as increased costs and complicated interfaces for setting patterns, which have become obstacles to further improving the accuracy of beam ahead. The third embodiment is an invention made to solve this problem, and makes it possible to control the phase of the spatial modulator with an accuracy equal to or lower than the resolution of the spatial modulator. The data signal processing/control processing block 903 of the optical communication terminal of the third embodiment has a function of, for example, phase modulating the patterns A and B for predetermined times T1 and T2, respectively. The pattern of T1+T2 is a time during which it repeatedly changes, and by making this time faster than the modulation response speed of the spatial modulator 711, it is possible to set the phase modulation pattern shown in FIG. 9, which is an intermediate value between the patterns A and B, according to the time ratio of T1 and T2. This is done by setting T1+T2 to a predetermined value but a period faster than the response time of the spatial phase modulator, and by switching between the patterns A and B, the spatial phase modulator 711 becomes an intermediate value determined by the ratio of T1 and T2. By performing such control, the resolution that can be set by the spatial phase modulator 711 can be greatly improved. For example, even if each pixel of the spatial phase modulator has only a 1-bit resolution of ON and OFF, it is possible to perform spatial phase modulation with a set resolution of the ratio of T1 and T2. By introducing such spatial phase modulator control into the data signal processing and control processing block 903, the third embodiment can improve the beam ahead resolution by about 20 times compared to the second embodiment.
<第4実施形態の光通信端末>
図10は、本発明の光通信端末の第4の実施形態の例を示したものである。図10において、1001は光通信を行う相手側の衛星、1002は光通信端末の光学系部分が乗ったジンバル機構、1003は光通信端末のメカ制御や通信データの送受信の処理を行うデータ信号処理・制御処理ブロック、1004は光アンテナの鏡筒、1005は光アンテナ鏡筒1004をチルト方向に回転させるジンバル機構、1006は光アンテナ鏡筒704を平面内で回転させるジンバル機構、1007は通信光を集光させる集光レンズ、1008は光通信光のビーム角度を変化させる3軸ステアリングレンズ、1009は通信光を反射させるミラー、1010は1/4λ板、1011はP偏光の成分に対して光位相を変調するLCOS(Liquid Crystal on Silicon)で構成された空間光位相変調器、1012はS偏光の成分に対して光位相を変調するLCOS(Liquid Crystal on Silicon)で構成された空間光位相変調器、1013集光レンズ、1014は4分割のInGaAsフォトダイオードで構成した前光角度検出センサー、1015は4分割のInGaAsフォトダイオードで構成した後光角度検出センサー、1016は光ファイバーコネクタ、1017は受信光と送信光を分離する光サーキュレータ、1018は受信光用の光ファイバー、1019は受信光用の光アンプ、1020は光ファイバー、1021はデータ受信用のInGaAsフォトダイオード、1022は送信光用の光ファイバー、1023は送信光を増幅する光アンプ、1024は光ファイバー、1025は送信光を発生するレーザである。1018の受信光用の光ファイバーと1022の送信光用の光ファイバーは光サーキュレータ1017で結合されており受信光と送信光は同一の光ファイバーコネクタ1016より出射もしくは入射される。第4の実施形態は第2の実施形態と近い構成であるが、受信光と送信光の集光に集光レンズ1007を用い、第1の実施形態で用いていた2軸のステアリングミラーの代わりに送受信の光ビームと垂直な平面内で2軸方向と送受信の光ビームと平行な方向に1軸の移動軸を持つステアリングレンズ1008によって送信光もしくは受信光の角度を変化させる点が、第4の実施形態の特徴となっている。第1、第2および第3の実施形態では、光サーキュレータ(415/715)の光ファイバーに受信光を高い効率で結合する必要があり、集光レンズ(412/712)によって10μm以下に集光し結合を行っていた。しかしながら、衛星内の振動や温度変化などによって集光状態が変化するために、高い結合状態を維持するために集光レンズ(412/712)や光ファイバーコネクター(414/714)を剛性の高く温度変化が少ない基台に固定する必要があり光通信端末の低コスト化や信頼性の向上に課題が発生していた。第4の実施形態の光通信端末は、この課題を解決するためになされたもので光ファイバー1017に集光される受信光の集光状態をフォーカス方向に稼働する3軸のステアリングレンズ1008を用いて制御するとことに特徴がある。これによって、衛星内での振動、光学系の経時変動や温度変動などによって光サーキュレータの光ファイバー1017に結合する集光ビームの状態が変化した際にもフィードバック制御を行う事で安定な光通信が維持される。このフィードバック制御を実現するためには、集光レンズ1013の集光状態であるフォーカス位置検出を行う必要がある。このフォーカス位置の検出方法に関して、以下、図11を用い説明を行う。図11-1は、フォーカス位置を検出するための光学構成の一例であり、1101と1102は空間光位相変調器1102から反射した受信光の1次回折光である。空間光位相変調器1012は、S偏光成分にのみ空間位相変調されるLCOS素子で構成されており、S偏光で入射する受信光のみが空間位相変調を受ける。1012の空間位相変調器には、データ信号処理・制御処理ブロック1003より図11-2で示したようなグレーティング1120の空間位相変調パターンが転送されており、このグレーティングパターン1120によってS偏光である受信光は、直進する0次光1103と回折された1次光の1101と1102に分かれ、0次光は光ファイバーコネクタ1106を経由して光サーキュレータ1017と結合をする。空間位相変調器1012で回折された1次光は、フォーカス位置と受信光の角度を検出するために設けられた前光角度検出センサー1014と後光角度検出センサー1105で検出される。空間位相変調器1012には、送信光も入射をするがP偏光である送信光は1102で位相変調は受けずに反射されるために回折されず、ほぼ100パーセントの光が送信光として利用される。第4の実施形態にでは、制御に利用される1次回折光と受信データの復調に用いられる0次光の比率を0.2対0.8とするために、図11-2で示したグレーティングパターン1120の間隔を2.54μm、空間位相変調器で変調されるグレーティング部分の位相差を1/12λ(λ:光通信で用いる受信光の光波長)とした。0次光が光サーキュレータ1017の光ファイバーに焦点を結んで結合している状態で、前光角度検出センサー1014は1次光の焦点位置より手前に配置され、後光角度検出センサー1105は1次光の焦点位置より奥に配置され、この状態で前光角度検出センサー1014と後光角度検出センサー1105上のビームスポットサイズが等しくなる位置関係としている。0次光の焦点位置が手前にずれると、前光角度検出センサー1014上のビームスポットは大きくなり、後光角度検出センサー1105上のビームサイズは小さくなるので、1014と1015のセンサー上の光ビームサイズの差を検出すれば、0次光のフォーカス位置を反映したフォーカス位置信号が検出される。同時に1014と1015のセンサーから受信光の角度を検出する必要があるために、1014と1015のセンサーを図11―3に示すような分割を行う事で、センサー上の光ビームサイズと位置を同時に検出した。図11-3において、1101は空間位相変調器で回折された1次光の後焦点光スポット、1102は空間位相変調器で回折された1次光の前焦点光スポット、1103は光ファイバーコネクタ1016に接続された光サーキュレータ1107の光ファイバーに結合する0次光、1104~1110は角度検出センサー1014と1015上に形成されている光検出器である。
Optical communication terminal of the fourth embodiment
Fig. 10 shows an example of the fourth embodiment of the optical communication terminal of the present invention. In Fig. 10, 1001 is a satellite on the other side of the optical communication, 1002 is a gimbal mechanism on which the optical system part of the optical communication terminal is mounted, 1003 is a data signal processing and control processing block that performs mechanical control of the optical communication terminal and processing for transmitting and receiving communication data, 1004 is an optical antenna lens, 1005 is a gimbal mechanism that rotates the optical antenna lens barrel 1004 in the tilt direction, 1006 is a gimbal mechanism that rotates the optical antenna lens barrel 704 in a plane, 1007 is a focusing lens that focuses the communication light, 1008 is a three-axis steering lens that changes the beam angle of the optical communication light, 1009 is a mirror that reflects the communication light, 1010 is a 1/4 λ plate, 1011 is a spatial light phase modulator made of LCOS (Liquid Crystal on Silicon) that modulates the optical phase of the P-polarized light component, and 1012 is a spatial light phase modulator made of LCOS (Liquid Crystal on Silicon) that modulates the optical phase of the S-polarized light component. The spatial light phase modulator is made of a silicon (Si), 1013 is a condenser lens, 1014 is a front light angle detection sensor made of a four-part InGaAs photodiode, 1015 is a rear light angle detection sensor made of a four-part InGaAs photodiode, 1016 is an optical fiber connector, 1017 is an optical circulator that separates the received light from the transmitted light, 1018 is an optical fiber for the received light, 1019 is an optical amplifier for the received light, 1020 is an optical fiber, 1021 is an InGaAs photodiode for data reception, 1022 is an optical fiber for the transmitted light, 1023 is an optical amplifier for amplifying the transmitted light, 1024 is an optical fiber, and 1025 is a laser that generates the transmitted light. The optical fiber for the received light 1018 and the optical fiber for the transmitted light 1022 are connected by the optical circulator 1017, and the received light and the transmitted light are emitted or input from the same optical fiber connector 1016. The fourth embodiment has a similar configuration to the second embodiment, but uses a condenser lens 1007 to condense the received light and the transmitted light, and instead of the two-axis steering mirror used in the first embodiment, the steering lens 1008 has a moving axis in two axial directions in a plane perpendicular to the transmitted and received light beams and one axis parallel to the transmitted and received light beams, changing the angle of the transmitted light or the received light. In the first, second and third embodiments, it is necessary to couple the received light to the optical fiber of the optical circulator (415/715) with high efficiency, and the coupling is performed by condensing the light to 10 μm or less using the condenser lens (412/712). However, since the condensed state changes due to vibrations and temperature changes in the satellite, in order to maintain a high coupling state, it is necessary to fix the condenser lens (412/712) and the optical fiber connector (414/714) to a base with high rigidity and little temperature change, which has caused problems in reducing the cost and improving the reliability of the optical communication terminal. The optical communication terminal of the fourth embodiment has been made to solve this problem, and is characterized in that the focusing state of the received light focused on the optical fiber 1017 is controlled by using a three-axis steering lens 1008 that operates in the focus direction. As a result, stable optical communication is maintained by performing feedback control even when the state of the focused beam coupled to the optical fiber 1017 of the optical circulator changes due to vibrations in the satellite, aging fluctuations of the optical system, temperature fluctuations, etc. In order to realize this feedback control, it is necessary to detect the focus position, which is the focusing state of the focusing lens 1013. The method of detecting this focus position will be described below with reference to FIG. 11. FIG. 11-1 is an example of an optical configuration for detecting the focus position, and 1101 and 1102 are first-order diffracted lights of the received light reflected from the spatial light phase modulator 1102. The spatial light phase modulator 1012 is composed of an LCOS element that performs spatial phase modulation only on the S-polarized component, and only the received light incident with S-polarized light undergoes spatial phase modulation. A spatial phase modulation pattern of a grating 1120 as shown in FIG. 11-2 is transferred to the spatial phase modulator 1012 from the data signal processing/control processing block 1003, and the received light, which is S-polarized light, is split by this grating pattern 1120 into a straight-traveling zeroth-order light 1103 and diffracted first-order light 1101 and 1102, and the zeroth-order light is coupled to an optical circulator 1017 via an optical fiber connector 1106. The first-order light diffracted by the spatial phase modulator 1012 is detected by a front light angle detection sensor 1014 and a rear light angle detection sensor 1105, which are provided to detect the focus position and the angle of the received light. The transmitted light is also incident on the spatial phase modulator 1012, but the transmitted light, which is P-polarized light, is reflected by 1102 without undergoing phase modulation and is not diffracted, and almost 100% of the light is used as the transmitted light. In the fourth embodiment, in order to set the ratio of the first-order diffracted light used for control to the zeroth-order light used for demodulating the received data to 0.2:0.8, the interval of the grating pattern 1120 shown in Fig. 11-2 is set to 2.54 μm, and the phase difference of the grating part modulated by the spatial phase modulator is set to 1/12 λ (λ: optical wavelength of the received light used in optical communication). In a state where the zeroth-order light is focused and coupled to the optical fiber of the optical circulator 1017, the front light angle detection sensor 1014 is disposed in front of the focal position of the first-order light, and the back light angle detection sensor 1105 is disposed behind the focal position of the first-order light, and in this state, the positional relationship is set such that the beam spot sizes on the front light angle detection sensor 1014 and the back light angle detection sensor 1105 are equal. When the focal position of the zeroth order light is shifted forward, the beam spot on the front light angle detection sensor 1014 becomes larger and the beam size on the back light angle detection sensor 1105 becomes smaller, so that if the difference in the light beam size on the sensors 1014 and 1015 is detected, a focus position signal reflecting the focal position of the zeroth order light is detected. Since it is necessary to simultaneously detect the angle of the received light from the sensors 1014 and 1015, the sensors 1014 and 1015 are divided as shown in Fig. 11-3 to simultaneously detect the light beam size and position on the sensors. In Fig. 11-3, 1101 denotes the back focal light spot of the first order light diffracted by the spatial phase modulator, 1102 denotes the front focal light spot of the first order light diffracted by the spatial phase modulator, 1103 denotes the zeroth order light coupled to the optical fiber of the optical circulator 1107 connected to the optical fiber connector 1016, and 1104 to 1110 denote photodetectors formed on the angle detection sensors 1014 and 1015.
以下、1014と1015のセンサーから得られて信号を演算して、フォーカス位置検出信号と受信光の角度検出信号を演算する手段について説明を行う。各センサーからの出力を、図11-3に示した記号番号をXXXXとした際の信号をSXXXXとした場合、以下の演算を行う事で、フォーカス位置検出信号FEと受信光の角度検出信号PX,PYを得る事が出来る。 Below, we will explain the means for calculating the signals obtained from sensors 1014 and 1015 to calculate the focus position detection signal and the received light angle detection signal. If the output from each sensor is SXXXX when the symbol number shown in Figure 11-3 is XXXX, the focus position detection signal FE and the received light angle detection signals PX, PY can be obtained by performing the following calculations.
FE = {(S1104+S1107+S1108+S1111) - (S1112+S1115+S1116+S1119) - (S1105+S1106+S1109+S1110) - (S1113+S1114+S1117+S1118)} / (S1104+S1105+S1106+S1107+S1108+S1109+S1110+S1111) FE = {(S1104+S1107+S1108+S1111) - (S1112+S1115+S1116+S1119) - (S1105+S1106+S1109+S1110) - (S1113+S1114+S1117+S1118)} / (S1104+S1105+S1106+S1107+S1108+S1109+S1110+S1111)
PX = {(S1104+S1105+S1111+S1110) - (S1106+S1107+S1108+S1109) + (S1112+S1113+S1119+S1118) - (S1114+S1115+S1116+S1117)} / (S1104+S1105+S1106+S1107+S1108+S1109+S1110+S1111) PX = {(S1104+S1105+S1111+S1110) - (S1106+S1107+S1108+S1109) + (S1112+S1113+S1119+S1118) - (S1114+S1115+S1116+S1117)} / (S1104+S1105+S1106+S1107+S1108+S1109+S1110+S1111)
PY = {(S1104+S1105+S1106+S1107) - (S1108+S1109+S1110+S1111) + (S1112+S1113+S1114+S1115) - (S1116+S1117+S1118+S1119)} / (S1104+S1105+S1106+S1107+S1108+S1109+S1110+S1111) PY = {(S1104+S1105+S1106+S1107) - (S1108+S1109+S1110+S1111) + (S1112+S1113+S1114+S1115) - (S1116+S1117+S1118+S1119)} / (S1104+S1105+S1106+S1107+S1108+S1109+S1110+S1111)
受信光の角度検出信号であるPXとPYを用いて、データ信号処理・制御処理ブロック1003によりステアリングレンズ1008を光軸と垂直な面内でXとYの2軸にそれぞれ制御することで、光サーキュレータ1017の光ファイバーの中心に受信光を制御する事ができる。その後、フォーカス位置検出信号FEがゼロもしくは所望の値になるように、データ信号処理・制御処理ブロック1003によりステアリングレンズ1008を光軸と平行な方向に制御をすることで、集光レンズ1103の焦点位置が安定し空間位相変調器1012で反射した受信0次回折光を安定に光サーキュレータ1017に結合する事が可能となった。フォーカス位置検出信号FEの検出は、角度検出センサー1014、1015のほぼ中心に光ビームが位置する状態で行う方が正しいビームサイズの検出ができるため、受信光の角度制御後にフォーカス位置制御を行うことが望ましい制御手順となる。第4の実施形態の光通信端末は、光サーキュレータ1017に結合する受信光の集光状態を制御することで、従来に比べより安定に光通信のリンクを行う事が可能となり、第1および第2の実施形態における光通信端末に対して、通信データのエラーレートを1桁から2桁程度改善を行う事ができた。なお、第4の実施形態においてフォーカス位置の一検出手段として焦点位置の前後のスポットサイズ差を用いる検出方法を用いたが、かならずしもこの検出手段に限らず、フォーカス位置の検出方法としては1014の集光レンズに非点収差特性を付加する事で非点収差法によるフォーカス位置検出を用いる事も可能である。また、受信光の位相を変調する空間位相変調器のパターンを変更する事で光ビームの回折方向を変化させフォーカス用の検出信号を得ることも可能である。また、第4の実施形態においては、1011の送信光をビームアヘッドするための空間位相変調器を同時に用いたが、光通信端末間の相対速度が遅い場合には、1011の送信光をビームアヘッドするための送信光を位相変調する空間位相変調器は必要なく受信光に対する空間変調器1012だけで第4の実施形態で得られた効果を得る事が出来る。第4の実施形態は、受信光のみに変調を行う空間位相変調器1012を用いたことが特徴となっており、送信光に全く影響をあたえずに、受信光を分割して必要な制御信号を得る事ができるという従来にない大きな効果を生み出している。これによって、空間的に同一の点から出射される送信光と同一の点に入射する受信光で構成された光通信端末を実現でき、非常に安定で信頼性が高い光通が実現可能となった。 By using the angle detection signals PX and PY of the received light, the data signal processing/control processing block 1003 controls the steering lens 1008 in two axes, X and Y, in a plane perpendicular to the optical axis, so that the received light can be controlled to the center of the optical fiber of the optical circulator 1017. After that, the data signal processing/control processing block 1003 controls the steering lens 1008 in a direction parallel to the optical axis so that the focus position detection signal FE becomes zero or a desired value, so that the focal position of the condenser lens 1103 is stabilized and the received zero-order diffracted light reflected by the spatial phase modulator 1012 can be stably coupled to the optical circulator 1017. The focus position detection signal FE is preferably detected when the light beam is positioned approximately in the center of the angle detection sensors 1014 and 1015, so that the correct beam size can be detected. Therefore, it is desirable to perform focus position control after angle control of the received light. The optical communication terminal of the fourth embodiment controls the condensed state of the received light coupled to the optical circulator 1017, thereby enabling a more stable optical communication link than in the past, and the error rate of communication data can be improved by one to two orders of magnitude compared to the optical communication terminals of the first and second embodiments. In the fourth embodiment, a detection method using the spot size difference before and after the focal position is used as one means for detecting the focus position, but this detection method is not necessarily limited to this detection method, and it is also possible to use focus position detection by the astigmatism method by adding astigmatism characteristics to the condenser lens 1014 as a method for detecting the focus position. In addition, it is also possible to change the diffraction direction of the light beam by changing the pattern of the spatial phase modulator that modulates the phase of the received light, thereby obtaining a detection signal for focus. In the fourth embodiment, a spatial phase modulator is used simultaneously to beam ahead the transmission light of 1011, but if the relative speed between the optical communication terminals is slow, a spatial phase modulator that phase modulates the transmission light to beam ahead the transmission light of 1011 is not necessary, and the effect obtained in the fourth embodiment can be obtained only with the spatial modulator 1012 for the received light. The fourth embodiment is characterized by using a spatial phase modulator 1012 that modulates only the received light, which produces a great effect not seen in the past, that is, the received light can be divided to obtain the necessary control signal without affecting the transmitted light at all. This makes it possible to realize an optical communication terminal configured with transmitted light emitted from the same spatial point and received light incident on the same point, making it possible to realize very stable and reliable optical communication.
<第5実施形態の光通信端末>
図10は、本発明の光通信端末の第5の実施形態の例を示したものである。第5の実施形態は、光通信端末間で通信を開始する際のアクエジションを高速に行い通信開始前の時間を短くして通信のレーテンシーを改善するためになされたものである。衛星間で光通信を開始する際には、お互いの軌道位置情報から相手の方向に光ビームを出射して、相手方の光ビームにトラッキングする事で通信が開始される。しかしながら、お互いの軌道情報には誤差があるために軌道情報から求まった方向に光ビームを出射しても相手の衛星に光ビームは届かず通信がスタートできない。初期に相手方の衛星との通信を開始するための通信開始シーケンスが決められており図13に概要を示す。図13において1301は通信を行う相手方の衛星、1302は通信を行う自衛星、1303は自衛星の光通信光、1304相手方の衛星の光通信光である。図13に示した通信を開始するまでのシーケンスは、予めスケジューリングがされており、スケジューリングされた時刻をトリガーに次の5段階のステップを実行する事でお互いの衛星間での光通信チャンネルのリンクつまり衛星間のトラッキングが開始される。第1のステップは、衛星1302が軌道情報から計算された衛星1301の位置を中心に光ビームをスパイラル状にスキャンを行い、衛星1301は衛星1302からの通信光の検出を試みる。スパイラル状にスキャンをする衛星1302の通信光1303が衛星1301に照射されると、衛星1301は内部の受信光角度検出センサーの検出値に基づき衛星1302の方向を検出して、その方向に衛星を向ける動作を行う。これがアクジションフェーズ1である。次に衛星1301は、前ステップで検出した衛星1302の方向を中心に通信光をスパイラル状にスキャンを行い、衛星1302は衛星1301の方向の検出を試みる。衛星1301の通信光が衛星1302に照射されると、衛星1302は内部の受信光角度検出センサーの検出値に基づき衛星1301の方向を検出して、その方向に衛星を向ける動作を行う。これがアクジッションフェーズ2である。次のファインアクジションのフェーズでは、衛星1301と1302が再度スパイラル状のスキャンを行う事で内部の受信光角度検出センサーの値から双方の衛星の方向をより正確に求めお互いの方向を修正するファインアクジションのフェーズを経て、双方の送信光をガイドに双方の衛星をトラッキング制御するトラッキングフェーズに移行する。上述した第1から第4までの実施形態はトラッキングフェーズ以降の通信が開始された後の動作について説明を行ってきた。第5の実施形態の光通信端末は、第4の端末とその構成は酷似しているが、P偏光もしくはS偏光の光にのみ空間位相変調を行う空間位相変調器によって、通信開始シーケンスにおいても従来にない優れた特性を発揮することができる。この通信開始シーケンスにおける具体的な動作について図12および図14を用いて説明を行う。
Optical communication terminal of the fifth embodiment
FIG. 10 shows an example of the fifth embodiment of the optical communication terminal of the present invention. The fifth embodiment is made to improve communication latency by performing acquisition at high speed when starting communication between optical communication terminals and shortening the time before starting communication. When starting optical communication between satellites, communication is started by emitting an optical beam in the direction of the other party based on each other's orbit position information and tracking the other party's optical beam. However, since there is an error in each other's orbit information, even if an optical beam is emitted in the direction determined from the orbit information, the optical beam does not reach the other party's satellite and communication cannot start. A communication start sequence for starting communication with the other party's satellite at the beginning is determined and is outlined in FIG. 13. In FIG. 13, 1301 is the other party's satellite with which communication is performed, 1302 is the own satellite with which communication is performed, 1303 is the optical communication light of the own satellite, and 1304 is the optical communication light of the other party's satellite. The sequence up to starting communication shown in FIG. 13 is scheduled in advance, and the scheduled time is used as a trigger to execute the following five steps to link the optical communication channel between the satellites, that is, to start tracking between the satellites. In the first step, the satellite 1302 performs a spiral scan with a light beam centered on the position of the satellite 1301 calculated from the orbit information, and the satellite 1301 attempts to detect communication light from the satellite 1302. When the communication light 1303 of the satellite 1302, which is scanning in a spiral shape, is irradiated to the satellite 1301, the satellite 1301 detects the direction of the satellite 1302 based on the detection value of the internal receiving light angle detection sensor, and performs an operation to point the satellite in that direction. This is acquisition phase 1. Next, the satellite 1301 performs a spiral scan with communication light centered on the direction of the satellite 1302 detected in the previous step, and the satellite 1302 attempts to detect the direction of the satellite 1301. When the communication light of the satellite 1301 is irradiated to the satellite 1302, the satellite 1302 detects the direction of the satellite 1301 based on the detection value of the internal receiving light angle detection sensor, and performs an operation to point the satellite in that direction. This is acquisition phase 2. In the next fine acquisition phase, the satellites 1301 and 1302 perform a spiral scan again to more accurately determine the directions of both satellites from the values of the internal receiving light angle detection sensors and correct each other's directions, and then move to the tracking phase in which the tracking control of both satellites is performed using the transmitted light of both satellites as a guide. The above-mentioned first to fourth embodiments have described the operation after the tracking phase and the start of communication. The optical communication terminal of the fifth embodiment has a similar configuration to the fourth terminal, but can exhibit unprecedentedly excellent characteristics even in the communication start sequence by using a spatial phase modulator that performs spatial phase modulation only on P-polarized or S-polarized light. The specific operation in this communication start sequence will be described with reference to Figures 12 and 14.
図12に示した本発明の第5の実施形態は、既に説明を行った第4の実施形態から1201の光通信端末のメカ制御や通信データの送受信の処理を行うデータ信号処理・制御処理ブロック、1202の光通信光のビーム角度を変化させる2軸ステアリングレンズ、1203の集光レンズを光軸方向に移動させフォーカス位置を調整する機構を具したフォーカス調整用のフォーカス調整レンズに置き換えた構成となっている。その他の構成要素は、第4の実施形態と同じであるために同一の符号を用いている。第4の実施形態と同じ構成要素については、すでに説明を行っているので、その説明を省略し変更された1201、1202、1203について以下説明を行う。アクジションフェーズ1および2では、光通信端末は、相手方の通信光の角度を検出する動作だけとなり、このフェーズではデータの復調を行うために必要な通信光は不要である。従来の光通信端末では受信光の光路や制御信号光と通信信号光の比率は、ビームスプリッタの様な予め決められた光学素子の特性で決められており変更する事が不可能であった。特にアクジションフェーズでは相手方衛星の通信光はガウシアンビームをしておりビーム周辺部で1/2から1/3に低下する通信光から角度検出を行う必要があり、角度検出精度とアクジションフェーズ1および2のスキャンスピードとのトレードが発生して性能がリンク時間を短縮できないという課題があった。本発明の光通信端末は、S偏光で空間位相変調器1012に入射する受信光のみに空間位相変調を付加することが可能なため、例えば1次回折光による角度検出信号と0次光によるデータ受信光の光量比率を変更できる優れた特性を有しており、この特性によってアクジションフェーズ1と2およびファインアクジションフェーズでは、1次回折光の強度がほぼ100%に近くなるパターンを空間位相変調器1012に設定し、トラッキングフェーズでは、第4の実施形態の様なパターンに変更する事でアクジションフェーズ1と2およびファインアクジションフェーズの引き込み性能を従来に比べて大きく改善する事が出来る。具体的な空間位相変調器1012の設定例を図14-1に示す。1401は、アクジションフェーズおよびファインアクジションフェーズの際のグレーティングパターンで、グレーティングパターン1401の間隔を2.54μm、空間位相変調器で変調されるグレーティング部分1401の位相差をλ(λ:光通信で用いる受信光の光波長)とすることで、受信データ光である0次回折光と制御信号光である1次回折光の強度比を、ほぼ100対0とすることができる。トラッキングフェーズでは、第4の実施形態と同じグレーティング部分1402の位相差を1/12λとすることで、0次回折光と制御信号光である1次回折光の強度比を約0.8対0.2と動作状態に応じて動的に変更が可能となり動作モード毎に最適な信号配分が可能となる。 The fifth embodiment of the present invention shown in FIG. 12 is configured by replacing the already described fourth embodiment with a data signal processing/control processing block 1201 that performs mechanical control of the optical communication terminal and processing for transmitting and receiving communication data, a two-axis steering lens 1202 that changes the beam angle of the optical communication light, and a focus adjustment lens 1203 that has a mechanism for moving the condenser lens in the optical axis direction to adjust the focus position. The other components are the same as those in the fourth embodiment, so the same reference numerals are used. The components that are the same as those in the fourth embodiment have already been described, so their description is omitted and the modified components 1201, 1202, and 1203 will be described below. In acquisition phases 1 and 2, the optical communication terminal only detects the angle of the communication light of the other party, and communication light required for demodulating data is not required in this phase. In conventional optical communication terminals, the optical path of the received light and the ratio of the control signal light and the communication signal light were determined by the characteristics of predetermined optical elements such as beam splitters and could not be changed. In particular, in the acquisition phase, the communication light of the other satellite is a Gaussian beam, and angle detection must be performed from the communication light that is reduced to 1/2 to 1/3 at the periphery of the beam, and there is a trade between the angle detection accuracy and the scan speed of acquisition phases 1 and 2, which causes a problem that the performance cannot shorten the link time. Since the optical communication terminal of the present invention can add spatial phase modulation only to the reception light that is S-polarized and enters the spatial phase modulator 1012, it has an excellent characteristic that can change the light intensity ratio of the angle detection signal by the 1st order diffracted light and the data reception light by the 0th order light, and by this characteristic, in the acquisition phases 1 and 2 and the fine acquisition phase, a pattern in which the intensity of the 1st order diffracted light is almost 100% is set in the spatial phase modulator 1012, and in the tracking phase, the pattern is changed to that of the fourth embodiment, which can greatly improve the pull-in performance of the acquisition phases 1 and 2 and the fine acquisition phase compared to the conventional one. A specific setting example of the spatial phase modulator 1012 is shown in FIG. 14-1. 1401 is a grating pattern during the acquisition phase and fine acquisition phase, and by setting the spacing of the grating pattern 1401 to 2.54 μm and the phase difference of the grating portion 1401 modulated by the spatial phase modulator to λ (λ: optical wavelength of the received light used in optical communication), the intensity ratio of the 0th order diffracted light, which is the received data light, to the 1st order diffracted light, which is the control signal light, can be made approximately 100:0. In the tracking phase, by setting the phase difference of the grating portion 1402, which is the same as in the fourth embodiment, to 1/12λ, the intensity ratio of the 0th order diffracted light to the 1st order diffracted light, which is the control signal light, can be dynamically changed to approximately 0.8:0.2 depending on the operating state, enabling optimal signal distribution for each operating mode.
本発明の第5の実施形態は、位相変調器1012の空間変調パターンを変更することでアクエジションフェーズとトラッキングフェーズで1014と1015の角度検出感度を動的に変更できる機能も提供する事も可能である。従来の光通信端末では、図2に示した様に221の粗角度検出器と223の精角度検出器の2種類の感度を持つセンサーが用いられており、制御用の信号を219のビームスプリッタで光学部品の特性で決まる比率で分割する必要があるために制御信号の信号量が低下し制御性能を向上することが難しく、データ通信速度の向上を阻んでいた。本発明の第5の実施形態は、アクジションフェーズ1と2およびファインアクジションフェーズとトラッキングフェーズで動的に受信光角度検出器の検出感度を変更する事も可能である。アクジションフェーズ1と2およびファインアクジションフェーズでは、受信光の角度を広い範囲で検出が求められ検出範囲を広くできればスパイラルスキャンのピッチを広く設定できるためにアクジション時間の短縮が図れる。トラッキングフェーズでは制御信号の検出精度を向上することが必要なために検出の角度範囲は狭いが検出の感度を向上することが必要となる。一般的には、受信光の角度検出感度はアクジションフェーズ1と2およびファインアクジションフェーズでは、±0.2度程度の検出範囲が要求され、トラッキングフェーズでは±0.006度程度の検出範囲に設計される。約30倍異なる検出感度を同一の光学系で実現できれば良いが、従来は受信光を分割して2種類の検出感度を持つ検出系を使って制御を行っていた。 The fifth embodiment of the present invention can also provide a function that dynamically changes the angle detection sensitivity of 1014 and 1015 in the acquisition phase and tracking phase by changing the spatial modulation pattern of the phase modulator 1012. In the conventional optical communication terminal, as shown in FIG. 2, sensors with two types of sensitivity, a rough angle detector 221 and a fine angle detector 223, are used, and since it is necessary to split the control signal at a ratio determined by the characteristics of the optical components by the beam splitter 219, the signal amount of the control signal decreases, making it difficult to improve the control performance, and preventing an improvement in the data communication speed. The fifth embodiment of the present invention can also dynamically change the detection sensitivity of the receiving light angle detector in the acquisition phases 1 and 2, the fine acquisition phase, and the tracking phase. In the acquisition phases 1 and 2 and the fine acquisition phase, it is required to detect the angle of the receiving light over a wide range, and if the detection range can be widened, the spiral scan pitch can be set wide, so the acquisition time can be shortened. In the tracking phase, it is necessary to improve the detection accuracy of the control signal, so the detection angle range is narrow, but it is necessary to improve the detection sensitivity. Generally, the angular detection sensitivity of the received light requires a detection range of about ±0.2 degrees in acquisition phases 1 and 2 and the fine acquisition phase, and is designed to have a detection range of about ±0.006 degrees in the tracking phase. It would be ideal if detection sensitivities that differ by about 30 times could be achieved with the same optical system, but conventionally, control was performed by splitting the received light and using a detection system with two types of detection sensitivity.
本発明の第5の実施形態は、空間位相変調器1012の空間変調パターンを変更することでアクエジションフェーズとトラッキングフェーズで1014と1015の角度検出感度を動的に変更する事が可能である。図14-2を用いて、その具体的な実現手段について以下に説明を行う。図14-2は、本発明の空間位相変調器の変調パターンと受信光の角度検出感度の関係を模式的に示した図である。1403は受信光が傾いていない場合の光軸中心、1404は受信光の光軸がプラス側に傾いた際の光軸中心、1405は受信光の光軸がマイナス側に傾いた際の光軸中心、1406は本発明の空間変調パターンも模式図、1407は受信光の光軸が傾いていない場合の角度検出センサー1015上の光スポット、1408は受信光の光軸がプラス側に傾いた際の角度検出センサー1015上の光スポット、1409は受信光の光軸がプラス側に傾いた際の角度検出センサー1015上の光スポットである。1406は中心から離れるほど位相周期パターンが密になる設定となっており、この様な位相変調を行うことで1406の外周を通過したほど中心に向かって光軸を変化させることが出来る。受信光の光軸に傾きが発生すると空間位相変調器1012の中心からずれた位置に受信光のスポットが移動するが、このずれ量に応じて光の進行方向を中心部に傾ける図14-2の1406の様な位相パターンを1012の空間位相変調器に加える事で、受信光の傾き角が大きくなった際に角度検出センサー上のビームスポットを中心部に近づける事によって、角度検出センサーの検出器上から光スポットが外れなくなり角度検出範囲の拡大が可能となる。このように位相変調器1012の空間変調パターンを変更することでアクエジションフェーズとトラッキングフェーズで1014と1015の角度検出感度を動的に変更することが可能となる。従来に比べて、受信光を分割して複数の傾き角検出感度が異なるセンサーで検出する必要がなくなり、受信光量を増加させることが可能となり、より転送レートが高く安定な光通信端末が実現可能となる。 In the fifth embodiment of the present invention, the spatial modulation pattern of the spatial phase modulator 1012 is changed to dynamically change the angle detection sensitivity of 1014 and 1015 in the acquisition phase and tracking phase. A specific implementation method will be described below with reference to FIG. 14-2. FIG. 14-2 is a diagram showing a relationship between the modulation pattern of the spatial phase modulator of the present invention and the angle detection sensitivity of the received light. 1403 is the optical axis center when the received light is not tilted, 1404 is the optical axis center when the optical axis of the received light is tilted to the positive side, 1405 is the optical axis center when the optical axis of the received light is tilted to the negative side, 1406 is a schematic diagram of the spatial modulation pattern of the present invention, 1407 is the light spot on the angle detection sensor 1015 when the optical axis of the received light is not tilted, 1408 is the light spot on the angle detection sensor 1015 when the optical axis of the received light is tilted to the positive side, and 1409 is the light spot on the angle detection sensor 1015 when the optical axis of the received light is tilted to the positive side. 1406 is set so that the phase periodic pattern becomes denser the further away from the center, and by performing such phase modulation, the optical axis can be changed toward the center as it passes through the outer periphery of 1406. When the optical axis of the received light is tilted, the spot of the received light moves to a position shifted from the center of the spatial phase modulator 1012. However, by adding a phase pattern such as 1406 in FIG. 14-2, which tilts the traveling direction of the light toward the center according to the amount of this shift, to the spatial phase modulator 1012, the beam spot on the angle detection sensor is moved closer to the center when the tilt angle of the received light increases, so that the light spot does not deviate from the detector of the angle detection sensor, and the angle detection range can be expanded. In this way, by changing the spatial modulation pattern of the phase modulator 1012, it is possible to dynamically change the angle detection sensitivity of 1014 and 1015 in the acquisition phase and tracking phase. Compared to the conventional method, it is no longer necessary to divide the received light and detect it with multiple sensors with different tilt angle detection sensitivities, making it possible to increase the amount of received light, and to realize an optical communication terminal with a higher transfer rate and higher stability.
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and applications are possible without departing from the spirit of the invention.
例えば、本願明細書中において、コンピュータ70の記憶部73にプログラムが予めインストールされている実施形態として説明したが、当該プログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して提供することも可能である。例えば、プログラムは、CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory)、DVD-ROM(Digital Versatile Disk Read Only Memory)、及びUSB(Universal Serial Bus)メモリ等の非一時的(non-transitory)記憶媒体に記憶された形態で提供されてもよい。また、プログラムは、ネットワークを介して外部装置からダウンロードされる形態としてもよい。 For example, although the present specification has described an embodiment in which the program is pre-installed in the storage unit 73 of the computer 70, the program can also be provided by storing it in a computer-readable recording medium. For example, the program may be provided in a form stored in a non-transitory storage medium such as a CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory), a DVD-ROM (Digital Versatile Disk Read Only Memory), or a USB (Universal Serial Bus) memory. The program may also be provided in a form in which it is downloaded from an external device via a network.
なお、上記実施形態でCPUがソフトウェア(プログラム)を読み込んで実行した処理を、CPU以外の各種のプロセッサが実行してもよい。この場合のプロセッサとしては、FPGA(Field-Programmable Gate Array)等の製造後に回路構成を変更可能なPLD(Programmable Logic Device)、及びASIC(Application Specific Integrated Circuit)等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路等が例示される。または、プロセッサとしては、GPGPU(General-purpose graphics processing UNIT)を用いてもよい。また、各処理を、これらの各種のプロセッサのうちの1つで実行してもよいし、同種又は異種の2つ以上のプロセッサの組み合わせ(例えば、複数のFPGA、及びCPUとFPGAとの組み合わせ等)で実行してもよい。また、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造は、より具体的には、半導体素子等の回路素子を組み合わせた電気回路である。 In the above embodiment, the processing executed by the CPU after reading the software (program) may be executed by various processors other than the CPU. In this case, examples of the processor include a PLD (Programmable Logic Device) such as an FPGA (Field-Programmable Gate Array) whose circuit configuration can be changed after manufacture, and an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) which is a dedicated electric circuit that is a processor having a circuit configuration designed specifically to execute a specific process. Alternatively, a GPGPU (General-purpose graphics processing unit) may be used as the processor. Each process may be executed by one of these various processors, or by a combination of two or more processors of the same or different types (for example, multiple FPGAs, or a combination of a CPU and an FPGA). The hardware structure of these various processors is, more specifically, an electric circuit that combines circuit elements such as semiconductor elements.
また、本実施形態の各処理を、汎用演算処理装置及び記憶装置等を備えたコンピュータ又はサーバ等により構成して、各処理がプログラムによって実行されるものとしてもよい。このプログラムは記憶装置に記憶されており、磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等の記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。もちろん、その他いかなる構成要素についても、単一のコンピュータやサーバによって実現しなければならないものではなく、ネットワークによって接続された複数のコンピュータに分散して実現してもよい。 In addition, each process of this embodiment may be implemented by a computer or server equipped with a general-purpose processor and storage device, and each process may be executed by a program. This program is stored in a storage device, and can be recorded on a recording medium such as a magnetic disk, optical disk, or semiconductor memory, or can be provided via a network. Of course, any other components do not have to be implemented by a single computer or server, and may be distributed across multiple computers connected by a network.
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。 All publications, patent applications, and technical standards mentioned in this specification are incorporated by reference into this specification to the same extent as if each individual publication, patent application, and technical standard was specifically and individually indicated to be incorporated by reference.
なお、上記実施形態においては、「××のみに基づいて」、「××のみに応じて」、「××のみの場合」というように「のみ」との記載がなければ、本明細書においては、付加的な情報も考慮し得ることが想定されていることに留意されたい。一例として、「aの場合にbする」という記載は、明示した場合を除き、「aの場合に常にbする」ことを必ずしも意味しない。 Please note that in the above embodiment, unless there is a statement such as "based only on XX", "depending only on XX", or "in the case of XX only", it is assumed in this specification that additional information may be taken into consideration. As an example, the statement "do b if a" does not necessarily mean "always do b if a" unless expressly stated.
また、何らかの方法、プログラム、端末、装置、サーバ又はシステム(以下「方法等」)において、本明細書で記述された動作と異なる動作を行う側面があるとしても、開示の技術の各態様は、本明細書で記述された動作のいずれかと同一の動作を対象とするものであり、本明細書で記述された動作と異なる動作が存在することは、当該方法等を本開示の技術の各態様の範囲外とするものではない。 Furthermore, even if there is an aspect of a method, program, terminal, device, server, or system (hereinafter, "method, etc.") that performs an operation different from that described in this specification, each aspect of the disclosed technology is directed to an operation identical to any of the operations described in this specification, and the existence of an operation different from that described in this specification does not make the method, etc. outside the scope of each aspect of the disclosed technology.
なお、以下に付記を開示する。 The following additional information is provided below.
(付記1)
自由空間で円偏光の光を用いてデータ通信を行うために通信相手側からの受信光を受信すると共に前記通信相手にデータための送信光を送出する送受信アンテナと前記受信光を用いて相手方の衛星をトラッキングするためのガイド機構と前記受信光の角度を検出する角度検出器と角度検出器の出力を用い前記ガイド機構の制御を行い前記通信相手をトラッキングするトラッキング制御器を有する光通信機において、前記送信光と前記受信光が共に通過し概ね送信光に空間位相変調がなされる空間光位相変調器を備えたことを特徴とする光通信機。
(Appendix 1)
An optical communication device having a transmit/receive antenna that receives received light from a communication partner and sends transmitted light for data to the communication partner in order to communicate data in free space using circularly polarized light, a guide mechanism for tracking the communication partner's satellite using the received light, an angle detector that detects the angle of the received light, and a tracking controller that controls the guide mechanism using the output of the angle detector to track the communication partner, characterized in that the optical communication device further comprises a spatial light phase modulator through which both the transmitted light and the received light pass and which performs spatial phase modulation on the transmitted light.
(付記2)
付記1に記載の光通信機において、前記受信光と前記送信光が空間的にほぼ同一の点から出射もしくは前記ほぼ同一の点に入射する光学光路を備えたことを特徴とする光通信機。
(Appendix 2)
2. The optical communication device according to claim 1, further comprising an optical path in which the received light and the transmitted light are emitted from or incident on approximately the same spatial point.
(付記3)
付記1に記載の光通信機において、前記空間光位相変調器が入射する光の偏光方向の違いにより位相変調量が異なる空間光位相変調器であることを特徴とした光通信機。
(Appendix 3)
2. The optical communication device according to claim 1, wherein the spatial light phase modulator is a spatial light phase modulator in which an amount of phase modulation varies depending on a polarization direction of incident light.
(付記4)
付記3に記載の光通信機において、前記空間光位相変調器がLCOSで行使されていることを特徴とした光通信機。
(Appendix 4)
4. The optical communication device according to claim 3, wherein the spatial light phase modulator is implemented using LCOS.
(付記5)
付記1に記載の光通信機において、入射する光の波長の違いにより位相変調量が異なる空間位相変調器であることを特徴とした光通信機。
(Appendix 5)
2. The optical communication device according to claim 1, further comprising a spatial phase modulator having a phase modulation amount that varies depending on the wavelength of incident light.
(付記6)
付記1に記載の光通信機において、前記送信光に空間光位相変調を行うためのパターンを保持もしくは生成し前記空間位相変調器に空間位相変調パターンを設定する制御処理ブロックを備えたことを特徴とする光通信機。
(Appendix 6)
2. The optical communication device according to claim 1, further comprising a control processing block that holds or generates a pattern for performing spatial optical phase modulation on the transmitted light and sets the spatial phase modulation pattern in the spatial phase modulator.
(付記7)
付記1に記載の光通信機において、前記送信光と前記受信光の前記送受信アンテナに対するアパーチャーが前記送信光の方が小さいことを特徴とする光通信機
(Appendix 7)
2. The optical communication device according to claim 1, wherein an aperture for the transmitting/receiving antenna for the transmitting light is smaller than that for the receiving light.
(付記8)
付記1に記載の光通信機において、前記トラッキング制御器が光の方向を変更する角度範囲の広い租調整機構と光の方向を変更する範囲が狭い精調整機構を制御対象として制御を行い、前記精調整機構が2軸もしくは3軸の方向に稼働する光学素子で構成されていることを特徴とする光通信端末。
(Appendix 8)
In the optical communication device described in Appendix 1, the tracking controller controls a coarse adjustment mechanism having a wide angular range for changing the direction of light and a fine adjustment mechanism having a narrow range for changing the direction of light, and the fine adjustment mechanism is composed of an optical element that operates in a two-axis or three-axis direction.
(付記9)
付記8に記載の光通信機において、前記精調整機構の光学素子が集光レンズであることを特徴とする光通信端末。
(Appendix 9)
9. The optical communication terminal according to claim 8, wherein the optical element of the precision adjustment mechanism is a focusing lens.
(付記10)
付記2に記載の光通信機において、前記送信光と前記受信光を入力が光ファイバー入力で構成され、入力された前記受信光と前記送信光が光サーキュレータで結合され前記空間的なほぼ同一の点を形成することを特徴とする光通信機。
(Appendix 10)
3. The optical communication device according to claim 2, wherein the input of the transmitting light and the receiving light is configured as an optical fiber input, and the input receiving light and the transmitting light are combined by an optical circulator to form the substantially same spatial point.
(付記11)
付記2に記載の光通信機において、前記空間的なほぼ同一の点に光ファイバーで結合されることを光通信機。
(Appendix 11)
3. The optical communication device according to claim 2, wherein the optical communication device is coupled to the substantially same spatial point by an optical fiber.
(付記12)
付記6に記載の光通信機において、前記制御処理ブロックが空間光位相変調を行うためのパターンを2つ以上保持し、前記空間位相変調器の応答速度より早い速度で2つ以上のパターンを切り替えることを特徴とする光通信機。
(Appendix 12)
7. The optical communication device according to claim 6, wherein the control processing block holds two or more patterns for performing spatial light phase modulation, and switches between the two or more patterns at a speed faster than a response speed of the spatial light modulator.
(付記13)
付記7に記載の光通信機において、前記受信光の周辺部の光から前記受信光の角度を検出する角度検出器を備えたことを特徴とする光通信機。
(Appendix 13)
8. The optical communication device according to claim 7, further comprising an angle detector for detecting an angle of the received light from peripheral light of the received light.
(付記14)
自由空間で円偏光の光を用いてデータ通信を行うために通信相手側からの受信光を受信すると共に前記通信相手にデータための送信光を送出する送受信アンテナと前記受信光を用いて相手方の衛星をトラッキングするためのガイド機構と前記受信光の角度を検出する角度検出器と角度検出器の出力を用い前記ガイド機構の制御を行い前記通信相手をトラッキングするトラッキング制御器を有する光通信機において、前記送信光と前記受信光が共に通過し概ね受信光に空間位相変調がなされる空間光位相変調器を備えたことを特徴とする光通信機。
(Appendix 14)
An optical communication device having a transmit/receive antenna that receives received light from a communication partner and sends transmitted light for data to the communication partner in order to communicate data in free space using circularly polarized light, a guide mechanism for tracking the communication partner's satellite using the received light, an angle detector that detects the angle of the received light, and a tracking controller that controls the guide mechanism using the output of the angle detector to track the communication partner, characterized in that the optical communication device further comprises a spatial light phase modulator through which both the transmitted light and the received light pass and which performs spatial phase modulation on the received light.
(付記15)
付記14に記載の光通信機において、前記受信光と前記送信光が空間的にほぼ同一の点から出射もしくは前記ほぼ同一の点に入射する光学光路を備えたことを特徴とする光通信機。
(Appendix 15)
15. The optical communication device according to claim 14, further comprising an optical path in which the received light and the transmitted light are emitted from or incident on approximately the same spatial point.
(付記16)
付記14に記載の光通信機において、前記空間光位相変調器が入射する光の偏光方向の違いにより位相変調量が異なる空間光位相変調器であることを特徴とした光通信機。
(Appendix 16)
15. The optical communication device according to claim 14, wherein the spatial light phase modulator is a spatial light phase modulator in which an amount of phase modulation varies depending on a difference in a polarization direction of incident light.
(付記17)
付記16に記載の光通信機において、前記空間光位相変調器がLCOSで行使されていることを特徴とした光通信機。
(Appendix 17)
17. The optical communication device according to claim 16, wherein the spatial light phase modulator is implemented using LCOS.
(付記18)
付記14に記載の光通信機において、入射する光の波長の違いにより位相変調量が異なる空間位相変調器であることを特徴とした光通信機。
(Appendix 18)
15. The optical communication device according to claim 14, further comprising a spatial phase modulator having a phase modulation amount that varies depending on the wavelength of incident light.
(付記19)
付記14に記載の光通信機において、前記受信光に空間光位相変調を行うためのパターンを保持もしくは生成し前記空間位相変調器に空間位相変調パターンを設定する制御処理ブロックを備えたことを特徴とする光通信機。
(Appendix 19)
15. The optical communication device according to claim 14, further comprising a control processing block that holds or generates a pattern for performing spatial light phase modulation on the received light and sets the spatial phase modulation pattern in the spatial phase modulator.
(付記20)
付記14に記載の光通信機において、前記送信光と前記受信光の前記送受信アンテナに対するアパーチャーが前記送信光の方が小さいことを特徴とする光通信機
(Appendix 20)
15. The optical communication device according to claim 14, wherein an aperture for the transmitting/receiving antenna for the transmitting light is smaller than that for the receiving light.
(付記21)
付記14に記載の光通信機において、前記トラッキング制御器が光の方向を変更する角度範囲の広い租調整機構と光の方向を変更する範囲が狭い精調整機構を制御対象として制御を行い、前記精調整機構が2軸もしくは3軸の方向に稼働する光学素子で構成されていることを特徴とする光通信端末。
(Appendix 21)
In the optical communication device described in Appendix 14, the tracking controller controls a coarse adjustment mechanism having a wide angular range for changing the direction of light and a fine adjustment mechanism having a narrow range for changing the direction of light, and the fine adjustment mechanism is configured with an optical element that operates in a two-axis or three-axis direction.
(付記22)
付記21に記載の光通信機において、前記精調整機構の光学素子が集光レンズであることを特徴とする光通信端末。
(Appendix 22)
22. The optical communication terminal according to claim 21, wherein the optical element of the precision adjustment mechanism is a focusing lens.
(付記23)
付記15に記載の光通信機において、前記送信光と前記受信光を入力が光ファイバー入力で構成され、入力された前記受信光と前記送信光が光サーキュレータで結合され前記空間的なほぼ同一の点を形成することを特徴とする光通信機。
(Appendix 23)
16. The optical communication device according to claim 15, wherein the input of the transmitting light and the receiving light is configured as an optical fiber input, and the input receiving light and the transmitting light are combined by an optical circulator to form the substantially same spatial point.
(付記24)
付記15に記載の光通信機において、前記空間的なほぼ同一の点に光ファイバーで結合されることを光通信機。
(Appendix 24)
16. The optical communication device according to claim 15, wherein the optical communication device is coupled to the substantially same spatial point by an optical fiber.
(付記25)
付記19に記載の光通信機において、前記制御処理ブロックが空間光位相変調を行うためのパターンを2つ以上保持し、前記空間位相変調器の応答速度より早い速度で2つ以上のパターンを切り替えることを特徴とする光通信機。
(Appendix 25)
20. The optical communication device according to claim 19, wherein the control processing block holds two or more patterns for performing spatial light phase modulation, and switches between the two or more patterns at a speed faster than a response speed of the spatial light modulator.
(付記26)
付記20に記載の光通信機において、前記受信光の周辺部の光から前記受信光の角度を検出する角度検出器を備えたことを特徴とする光通信機。
(Appendix 26)
21. The optical communication device according to claim 20, further comprising an angle detector for detecting an angle of the received light from peripheral light of the received light.
(付記27)
付記19に記載の光通信機において、前記制御処理ブロックが前記光通信機の状態を入力として、前記入力に応じて複数のパターンを切り替える事を特徴とした光通信機。
(Appendix 27)
20. The optical communication device according to claim 19, wherein the control processing block receives a state of the optical communication device as an input and switches between a plurality of patterns in response to the input.
(付記28)
付記27に記載の光通信機において、前記光通信機の状態がアクエジションフェーズでは制御用の光量が通信用の光量よりも大きくパターンを設定し、トラッキングフェーズでは制御用の光量が通信用の光量よりも小さくなるパターンを設定する設定する制御ブロックを備えたことを特徴とする光通信機。
(Appendix 28)
28. The optical communication device according to claim 27, further comprising a control block for setting a pattern in which the amount of light for control is greater than the amount of light for communication in an acquisition phase, and for setting a pattern in which the amount of light for control is smaller than the amount of light for communication in a tracking phase.
(付記29)
付記27に記載の光通信機において、前記光通信機の状態がアクエジションフェーズでは前記空間位相変調器に前記空間位相変調器の中心に照射された光は空間位相変調がなされず、中心以外に照射された光は中心部に向かって光軸が傾く空間変調パターンを設定する制御ブロックを備えたことを特徴とする光通信機。
(Appendix 29)
28. The optical communication device according to claim 27, further comprising a control block that sets a spatial modulation pattern in which, when the state of the optical communication device is in an acquisition phase, light irradiated to a center of the spatial phase modulator is not spatially phase modulated, and light irradiated other than the center has an optical axis tilted toward the center.
101 衛星1
102 衛星1に搭載された受信光アンテナ
103 衛星1に搭載された送信光アンテナ
104 衛星1からの送信光
105 衛星2
106 衛星2の送信光アンテナ
107 衛星2の受信光アンテナ
108 衛星1からの送信光
201 光通信を行う相手側の衛星
202 ジンバル機構
203 データ信号処理・制御処理ブロック
204 光アンテナの鏡筒
205 チルト方向回転ジンバル機構
206 平面内回転ジンバル機構
207 集光ミラー
208 凸形状ミラー
209 2軸ステアリングミラー
210 1/4λ板
211 偏光ビームスプリッタ
212 ビームスプリッタ
213 集光レンズ
214 光ファイバーを固定するファイバーコネクタ
215 光ファイバー
216 光アンプ
217 光ファイバー
218 InGaAsフォトダイオード
219 ビームスプリッタ
220 レンズ
221 粗角度検出センサー
222 集光レンズ
223 精角度検出センサー
224 送信レーザ
225 光ファイバー
226 送信光アンプ
227 光ファイバー
228 光ファイバーコネクタ
229 集光レンズ
230 2軸ポイントアヘッドミラー
231 校正用のレーザ
232 光ファイバー
233 1/4波長板
234 レトロリフレクタ
301 送信光光位相変調器
302 受信光光位相変調器
401 光通信を行う相手側の衛星
402 ジンバル機構
403 データ信号処理・制御処理ブロック
404 光アンテナの鏡筒
405 チルト方向ジンバル機構
406 回転ジンバル機構
407 集光ミラー
408 凸形状ミラー
409 2軸ステアリングミラー
410 1/4λ板
411 空間光位相変調器
412 集光レンズ
413 角度検出センサー
414 光ファイバーコネクタ
415 光サーキュレータ
416 受信光用の光ファイバー
417 受信光用の光アンプ
418 光ファイバー
419 InGaAsフォトダイオード
420 光ファイバー
421 光アンプ
422 光ファイバー
423 送信光レーザ
501 角度ずれのない受信光
502 角度ずれのある受信光
503 受信光が通過するホール
504、505、506、507 4分割されたセンサー
701 光通信を行う相手側の衛星
702 ジンバル機構
703 データ信号処理・制御処理ブロック
704 光アンテナの鏡筒
705 チルト方向ジンバル機構
706 平面内回転ジンバル機構
707 通信光を集光させる集光ミラー
708 凸形状ミラー
709 2軸ステアリングミラー
710 1/4λ板
711 空間光位相変調器
712 集光レンズ
713 角度検出センサー
714 光ファイバーコネクタ
715 光サーキュレータ
716 光ファイバー
717 光アンプ
718 光ファイバー
719 InGaAsフォトダイオード
720 光ファイバー
721 光アンプ
722 光ファイバー
723 送信光レーザ
801 受信光
802 送信光
803 ホール
804、805,806,807 光センサー受光部
903 データ信号処理・制御処理ブロック
1001 光通信を行う相手側の衛星
1002 ジンバル機構
1003 データ信号処理・制御処理ブロック
1004 光アンテナの鏡筒
1005 チルト方向回転ジンバル機構
1006 平面内回転ジンバル機構
1007 集光レンズ
1008 3軸ステアリングレンズ
1009 反射させるミラー
1010 1/4λ板
1011 空間光位相変調器
1012 空間光位相変調器
1013 集光レンズ
1014 前光角度検出センサー
1015 後光角度検出センサー
1016 光ファイバーコネクタ
1017 受信光と送信光を分離する光サーキュレータ
1018 光ファイバー
1019 光アンプ
1020 光ファイバー
1021 InGaAsフォトダイオード
1022 光ファイバー
1023 光アンプ
1024 光ファイバー
1025 送信光レーザ
1101 1次回折光
1102 1次回折光
1103 0次回折光
1104~1119 光検出器センサー部
1120 グレーティング
1201 データ信号処理・制御処理ブロック
1202 2軸ステアリングレンズ
1203 フォーカス調整レンズ
1301 通信を行う相手方の衛星
1302 通信を行う自衛星
1303 自衛星の光通信光
1304 相手方の衛星の光通信光
1401 空間位相変調器上のグレーティング
1402 空間位相変調器上のグレーティング
1403 受信光が傾いていない場合の光軸中心
1404 受信光の光軸がプラス側に傾いた際の光軸中心
1405 受信光の光軸がマイナス側に傾いた際の光軸中心
1406 空間変調パターン模式図
1407 受信光の光軸が傾いていない場合の光スポット
1408 受信光の光軸がプラス側に傾いた際の光スポット
1409 受信光の光軸がプラス側に傾いた際の光スポット
101 Satellite 1
102: Receiving optical antenna mounted on satellite 1; 103: Transmitting optical antenna mounted on satellite 1; 104: Transmitted light from satellite 1; 105: Satellite 2
106: Satellite 2's transmitting optical antenna 107: Satellite 2's receiving optical antenna 108: Transmitted light from satellite 1 201: Partner satellite with which optical communication is performed 202: Gimbal mechanism 203: Data signal processing/control processing block 204: Optical antenna lens barrel 205: Tilt direction rotation gimbal mechanism 206: In-plane rotation gimbal mechanism 207: Collecting mirror 208: Convex mirror 209: Two-axis steering mirror 210: 1/4 λ plate 211: Polarizing beam splitter 212: Beam splitter 213: Collecting lens 214: Fiber connector for fixing optical fiber 215: Optical fiber 216: Optical amplifier 217: Optical fiber 218: InGaAs photodiode 219: Beam splitter 220: Lens 221: Coarse angle detection sensor 222: Collecting lens 223: Fine angle detection sensor 224: Transmitting laser 225: Optical fiber 226: Transmitting optical amplifier 227: Optical fiber 228 Optical fiber connector 229 Condenser lens 230 Two-axis point-ahead mirror 231 Calibration laser 232 Optical fiber 233 1/4 wavelength plate 234 Retroreflector 301 Transmitting light optical phase modulator 302 Received light optical phase modulator 401 Partner satellite 402 for optical communication Gimbal mechanism 403 Data signal processing/control processing block 404 Optical antenna barrel 405 Tilt direction gimbal mechanism 406 Rotation gimbal mechanism 407 Condenser mirror 408 Convex mirror 409 Two-axis steering mirror 410 1/4 λ plate 411 Spatial light phase modulator 412 Condenser lens 413 Angle detection sensor 414 Optical fiber connector 415 Optical circulator 416 Optical fiber for received light 417 Optical amplifier for received light 418 Optical fiber 419 InGaAs photodiode 420 Optical fiber 421 Optical amplifier 422 Optical fiber 423 Transmitting light laser 501 Received light 502 with no angular deviation Received light 503 with angular deviation Holes 504, 505, 506, 507 through which the received light passes Four-part sensor 701 Partner satellite 702 for optical communication Gimbal mechanism 703 Data signal processing/control processing block 704 Optical antenna lens barrel 705 Tilt direction gimbal mechanism 706 In-plane rotation gimbal mechanism 707 Condenser mirror 708 for concentrating communication light Convex mirror 709 Two-axis steering mirror 710 1/4 λ plate 711 Spatial light phase modulator 712 Condenser lens 713 Angle detection sensor 714 Optical fiber connector 715 Optical circulator 716 Optical fiber 717 Optical amplifier 718 Optical fiber 719 InGaAs photodiode 720 Optical fiber 721 Optical amplifier 722 Optical fiber 723 Transmitting light laser 801 Received light 802 Transmitted light 803 Holes 804, 805, 806, 807 Optical sensor light receiving unit 903 Data signal processing/control processing block 1001 Partner satellite 1002 for optical communication Gimbal mechanism 1003 Data signal processing/control processing block 1004 Optical antenna lens barrel 1005 Tilt direction rotation gimbal mechanism 1006 In-plane rotation gimbal mechanism 1007 Condenser lens 1008 3-axis steering lens 1009 Reflecting mirror 1010 1/4 λ plate 1011 Spatial light phase modulator 1012 Spatial light phase modulator 1013 Condenser lens 1014 Front light angle detection sensor 1015 Rear light angle detection sensor 1016 Optical fiber connector 1017 Optical circulator 1018 for separating received light and transmitted light Optical fiber 1019 Optical amplifier 1020 Optical fiber 1021 InGaAs photodiode 1022 Optical fiber 1023 Optical amplifier 1024 Optical fiber 1025 Transmitted light laser 1101 1st order diffracted light 1102 1st order diffracted light 1103 0th order diffracted light 1104 to 1119 Photodetector sensor section 1120 Grating 1201 Data signal processing/control processing block 1202 Two-axis steering lens 1203 Focus adjustment lens 1301 Partner satellite with which to communicate 1302 Self-satellite with which to communicate 1303 Optical communication light from self-satellite 1304 Optical communication light from partner satellite 1401 Grating on spatial phase modulator 1402 Grating on spatial phase modulator 1403 Optical axis center when received light is not tilted 1404 Optical axis center when the optical axis of received light is tilted to the positive side 1405 Optical axis center when the optical axis of received light is tilted to the negative side 1406 Schematic diagram of spatial modulation pattern 1407 Light spot 1408 when the optical axis of the received light is not tilted Light spot 1409 when the optical axis of the received light is tilted to the plus side Light spot 1409 when the optical axis of the received light is tilted to the plus side
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