JP7649230B2 - 光送信機、光受信機及び光通信システム - Google Patents

Description

本発明は、光通信技術に関する。

人工衛星と地上との間の通信や、月と地上との間の通信の様な深宇宙通信においては、人工衛星等の宇宙局における電力制限や、超長距離伝送による大きな損失を考慮し、エネルギー効率の高い変調方式と、感度の高い受信技術と、を利用することが必要になる。非特許文献１は、エネルギー効率の高いパルス位置変調（ＰＰＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を人工衛星と地上との間の通信に使用することを開示している。ＰＰＭとは、光パルス信号を送信するタイムスロット位置（番号）とデータとを対応付ける方式である。例えば、１番目～４番目の４つのタイムスロットを使用する場合、１番目のタイムスロッをビット"００"に対応付け、２番目のタイムスロットをビット"１０"に対応付け、３番目のタイムスロットをビット"０１"に対応付け、４番目のタイムスロットをビット"１１"に対応付ける。この様な対応付けにおいてビット"０１"を送信する場合、光送信機は、３番目のタイムスロットで光パルス信号を送信し、その他のタイムスロットでは光パルス信号の送信を停止する。ＰＰＭにおいて情報伝送量を増加させるには、各タイムスロットの期間を短くする必要がある。

また、非特許文献１は、ＰＰＭ信号を高感度に受信するために、単一フォトン検出器（ＳＰＤ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を使用することを開示している。

Ｄａｖｉｄ Ｊ．Ｇｅｉｓｌｅｒ，"Ｍｏｄｅｍ Ｍｏｄｕｌｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｆｏｒ ＮＡＳＡ'ｓ Ｏｒｉｏｎ Ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ：Ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ＦＳＯ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｏｖｅｒ Ｌｕｎａｒ Ｄｉｓｔａｎｃｅｓ"，Ｔｈ３Ｊ．１．ｐｄｆ，ＯＦＣ ２０２０，ＯＳＡ ２０２０

単一フォトン検出器には超電導を用いるものがあるが、この場合、単一フォトン検出器を極低温に冷却する必要がある。極低温に冷却するには、大型の装置が必要となるため、超電導を用いる単一フォトン検出器は、宇宙局における使用には適さない。一方、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）をガイガーモードで動作させることで単一フォトン検出器を構成することができる。但し、ＡＰＤを用いた単一フォトン検出器の場合、フォトンの検出間隔はガードタイムより大きくしなければならない。つまり、ＡＰＤを用いた単一フォトン検出器は、あるフォトンを検出した後、ガードタイム以内に次のフォトンが到達しても、この次のフォトンを検出できない。

例えば、図１に示す様に各フレームをＴＳ＃１～ＴＳ＃８の８つのタイムスロットで構成するものとする。なお、各ＴＳの期間をＴとする。１フレームが８つのタイムスロットを有するため、１フレームで３ビットのデータを送信できる。光送信機は、各フレームにおいてＴＳ＃１～ＴＳ＃８の内の送信するデータに対応するタイムスロットのみで光パルス信号を送信する。なお、光パルス信号は、各タイムスロットの中心タイミング近傍で送信されるものとする。送信するデータによっては、第ＮフレームのＴＳ＃８で光パルス信号が送信され、続く第（Ｎ＋１）フレームのＴＳ＃１で光パルス信号が送信される。この様な光信号を検出するためには、期間Ｔを単一フォトン検出器のガードタイムより大きくする必要がある。したがって、情報伝送量は、単一フォトン検出器のガードタイムにより制限される。

本発明は、パルス位置変調を使用する光通信システムにおける情報伝送量を増加させる技術を提供するものである。

本開示の一態様によると、光送信機は、送信するデータに基づきパルス位置変調された変調光を生成する１つ以上の変調手段を備え、前記１つ以上の変調手段は、前記変調光の周波数を第１周波数から第２周波数に向けて線形的に変化させることを繰り返し、前記変調光の周波数を前記第１周波数から前記第２周波数に向けて線形的に変化させる期間は、前記パルス位置変調におけるタイムスロットの期間のＭ倍（Ｍは２以上の整数）であることを特徴とする。

本発明によると、パルス位置変調を使用する光通信システムにおける情報伝送量を増加させることができる。

フレーム構成を示す図。 比較例を示す図。 一実施形態による光送信機の構成図。 一実施形態による光送信機の動作説明図。 一実施形態による光受信機の構成図。 一実施形態による光送信機の構成図。 一実施形態による光送信機の動作説明図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明に必須のものとは限らない。実施形態で説明されている複数の特徴うち二つ以上の特徴が任意に組み合わされてもよい。また、同一若しくは同様の構成には同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

実施形態を説明する前に、まず、比較例について説明する。図２は、比較例における光受信機の構成を示している。なお、以下の説明では、図１に示す様に、各フレームをＴＳ＃１～ＴＳ＃８の８つのタイムスロットで構成するものとする。図２において光受信機は、４つの単一フォトン検出器（ＳＰＤ）５１を有する。なお、以下の説明において、４つのＳＰＤ５１を区別する場合には、ＳＰＤ＃１～ＳＰＤ＃４と表記する。

光スイッチ５０は、ＴＳ＃１及びＴＳ＃５をＳＰＤ＃１に出力し、ＴＳ＃２及びＴＳ＃６をＳＰＤ＃２に出力し、ＴＳ＃３及びＴＳ＃７をＳＰＤ＃３に出力し、ＴＳ＃４及びＴＳ＃８をＳＰＤ＃４に出力する。各ＳＰＤ５１は、入力されるタイムスロットで光パルス信号が送信されているか否かを検出する。したがって、各ＳＰＤ５１が光パルス信号を検出しなければならない最小間隔は、単一のＳＰＤ５１を用いる場合の４倍となる。言い換えると、ＳＰＤ５１のガードタイムが一定であるとすると、４つのＳＰＤ５１を使用することで、タイムスロットの期間Ｔを１／４にすることができる。これは、単一のＳＰＤ５１を使用することと比較して、情報伝送量を４倍にできることを意味する。しかしながら、光スイッチ５０の切替速度を高速化することは難しく、光スイッチ５０の切替速度により情報伝送量が制限されてしまう。

＜第一実施形態＞
図３は、本実施形態による光送信機１の構成図である。例えば、レーザダイオードである光源１０は、搬送光を生成して光変調器１１に出力する。光変調器１１は、入力されるデータに基づき搬送光をパルス位置変調して変調光を出力する。本例における変調光のフレーム構成は図１の通りである。同期部１５は、図１のフレーム構成に基づき、光源１０が出力する搬送光の周波数（波長）を変化させるための信号を光源１０に出力する。したがって、光源１０は、時間と共に周波数が変化する搬送光を出力する。

図４は、光源１０が出力する搬送光の周波数変化の説明図である。図４に示す様に、本例において、光源１０は、タイムスロット＃１の開始タイミングからタイムスロット＃４の終了タイミングに向けて線形的に周波数を増加させる。その後、光源１０は、タイムスロット＃５の開始タイミングにおける搬送光の周波数をタイムスロット＃１の開始タイミングと同じにし、タイムスロット＃５の開始タイミングからタイムスロット＃８の終了タイミングに向けて線形的に周波数を増加させる。なお、タイムスロット＃８の終了タイミングにおける搬送光の周波数は、タイムスロット＃４の終了タイミングにおける搬送光の周波数と同じにする。

したがって、ＴＳ＃１で送信される光パルス信号とＴＳ＃５で送信される光パルス信号は同じ周波数となる。同様に、ＴＳ＃２で送信される光パルス信号とＴＳ＃６で送信される光パルス信号は同じ周波数となり、ＴＳ＃３で送信される光パルス信号とＴＳ＃７で送信される光パルス信号は同じ周波数となり、ＴＳ＃４で送信される光パルス信号とＴＳ＃８で送信される光パルス信号は同じ周波数となる。以下の説明においては、ＴＳ＃ｋ及びＴＳ＃（ｋ＋４）（ｋは１～４の整数）で送信される光パルス信号の周波数をｆ＃ｋと表記する。

図５は、本実施形態による光受信機２の構成を示している。光分波器２０は、入力される変調光を周波数に応じて分離する。本例における光分波器２０は、周波数ｆ＃ｋの変調光をＳＰＤ＃ｋに出力する。図２の変形例で説明した様に、単一のＳＰＤ５１を使用することと比較して、情報伝送量を４倍にすることができる。さらに、本実施形態では、動的に動作する光スイッチ５０に代えて、静的に動作する光分波器２０を使用するため、比較例の様に光スイッチ５０の切替速度により情報伝送量が制限されることもない。

以上、本実施形態においては、搬送光の周波数を、第１周波数から第２周波数に向けて線形的に変化させることを繰り返し、光変調器１１は、この様に周波数が変化する搬送光をパルス位置変調して変調光を出力する。この構成により、タイムスロットの期間を短くしても光受信機２においては光分波器２０により変調光を周波数分離することができ、よって、情報伝送量を増加させることができる。

＜第二実施形態＞
続いて、第二実施形態について第一実施形態との相違点を中心に説明する。第一実施形態では、図４に示す様に、ＴＳ＃４の終了タイミング（ＴＳ＃５の開始タイミング）及びＴＳ＃８の終了タイミング（ＴＳ＃１の開始タイミング）において、光源１０は、出力する搬送光の周波数を大きく変化させなければならない。なお、図４では、図の簡略化のためＴＳ＃４の終了タイミング及びＴＳ＃８の終了タイミングにおいて、搬送光の周波数が瞬間的に変化している様に表記しているが、実際には、ある傾きを持って搬送光の周波数は変化する。つまり、ＴＳ＃４の終了タイミングにおける周波数からＴＳ＃５の開始タイミングにおける周波数となるまでには所定の期間Ｘが必要となる。したがって、第一実施形態の構成では、この期間Ｘにより情報伝送量が制限される。このため、本実施形態では、複数の光源を使用する。

図６は、本実施形態による光送信機１の構成図である。なお、本実施形態の光送信機１は、光源１０、光変調器１１及び同期部１５に加えて、光源１２と、光変調器１３と、光合波器１４と、を有する。光源１２は、光源１１と同様に、搬送光を生成して光変調器１３に出力する。光変調器１３は、光変調器１１と同様に、入力されるデータに基づき搬送光をパルス位置変調して変調光を出力する。光合波部１４は、光変調器１１からの変調光と、光変調器１３からの変調光と、を合波した変調光を出力する。同期部１５は、光源１０に加えて、光源１２が出力する搬送光の周波数も制御する。

図７（Ａ）は、光源１０が出力する搬送光の周波数変化を示し、図７（Ｂ）は、光源１２が出力する搬送光の周波数変化を示している。光源１０は、タイムスロット＃１の開始タイミングからタイムスロット＃４の終了タイミングに向けて線形的に周波数を増加させる。その後、光源１０は、次のタイムスロット＃１の開始タイミングまで、搬送光を出力しない。同様に、光源１２は、タイムスロット＃５の開始タイミングからタイムスロット＃８の終了タイミングに向けて線形的に周波数を増加させる。その後、光源１０は、次のタイムスロット＃５の開始タイミングまで、搬送光を出力しない。

以上の構成により、光源が出力する搬送光の周波数を大きく変化させる期間Ｘにより情報伝送量が制限されることを防ぐことができる。なお、本実施形態における光受信機２の構成は、第一実施形態と同様である。

なお、本実施形態では、光源の数を２としていたが、光源の数Ｐは、２以上の任意の数とすることができる。Ｐ個の光源は、ある１つの光源が搬送光を出力しているときに、残りの（Ｐ－１）個の光源は搬送光の出力を停止する様に構成される。なお、この制御は同期部１５が行う。具体的には、搬送光の周波数を線形的に変化させる期間をＱとすると、Ｐ個の光源それぞれは、搬送光の周波数を線形的に変化させると、続くＱ×（Ｐ－１）の期間の間、搬送光の出力を停止する様に構成される。なお、期間Ｑは、図７の例では４Ｔである。

また、本実施形態では、１つの光源に対応させて１つの光変調器を設けていたが、ある瞬間において搬送光を出力する光源は１つであるため、複数の光源からの搬送光を同じ１つの光変調器に入力することで、光変調器の数を１つとすることができる。また、この場合、光合波器１４は省略される。

＜その他＞
上記各実施形態においては搬送光の周波数を線形的に変化させていたが、搬送光の周波数に応じて搬送光の強度（振幅）を変化させることもできる。これは、周波数に応じて伝送損失が異なるからである。つまり、光送信機１においては、光受信機２が受信する変調光の強度が周波数によらず一定となる様に、搬送光の周波数に応じて搬送光の強度（振幅）を変化させる構成とすることができる。また、上記各実施形態では、光源と光変調器とを異なる部材としていた。しかしながら、光源の発光をデータに基づく駆動信号により制御することで、光源がパルス位置変調された変調光を直接出力する構成とすることもできる。つまり、上記各実施形態における光源と上記各実施形態における光変調器とを１つの部材により実現する構成することもできる。なお、当該部材は、光源とも、光変調器とも呼ばれ得る。

上記各実施形態において、光源は、４タイムスロットに渡る期間（４Ｔ）において搬送光の周波数を線形的に増加させていたが、搬送光の周波数を線形的に減少させる構成とすることもできる。また、上記各実施形態において、光源は、４タイムスロットに渡る期間（４Ｔ）において搬送光の周波数を線形的に変化させていた。これは、光受信機２におけるＳＰＤ５１の数が４であったためである。したがって、より一般的に述べると、光受信機２におけるＳＰＤ５１の数がＭである場合、光源は、Ｍタイムスロットに渡る期間（Ｍ×Ｔ）において搬送光の周波数を線形的に変化させる。なお、Ｍは２以上の整数である。

なお、上記各実施形態においては、光受信機２の数Ｍを、フレーム内のタイムスロット数の１／２の４としていた。これは、個々のＳＰＤ５１に入力されるタイスロットの番号を所定のものとするためである。例えば、図２に示す例においては、ＳＰＤ＃１にはＴＳ＃１及びＴＳ＃５のみが入力され、ＴＳ＃２～＃４及びＴＳ＃６～＃８がＳＰＤ＃１に入力されることはなかった。ＳＰＤ５１の数Ｍを、フレーム内のタイムスロット数の整数分の１、或いは、フレーム内のタイムスロット数の整数倍とすることで、各ＳＰＤ５１に入力されるタイスロットの番号を所定のものとすることができる。この構成は、各ＳＰＤ５１と、当該ＳＰＤ５１により検出されるデータ値との対応関係が分かり易いため有利である。しかしながら、ＳＰＤ５１の数Ｍを、フレーム内のタイムスロット数の整数分の１、或いは、フレーム内のタイムスロット数の整数倍とは異なる値にすることができる。例えば、１フレームが８タイムスロットであっても、ＳＰＤ５１の数Ｍを７とすることができる。この場合、ＳＰＤ＃５１に入力されるタイムスロットの番号は、ＴＳ＃１、ＴＳ＃８、ＴＳ＃７、ＴＳ＃６、ＴＳ＃５、ＴＳ＃４、ＴＳ＃３、ＴＳ＃２、ＴＳ＃１の繰り返しとなる。

さらに、各実施形態で説明した光送信機と光受信機とを含む光通信システムが提供される。

上記構成により、パルス位置変調を使用する光通信システムにおける情報伝送量を増加させることができる。よって、国連が主導する持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標９「レジリエントなインフラを整備し、持続可能な産業化を推進するとともに、イノベーションの拡大を図る」に貢献することが可能となる。

発明は上記の実施形態に制限されるものではなく、発明の要旨の範囲内で、種々の変形・変更が可能である。

１０、１２：光源、１１、１３：光変調器

Claims (13)

1. 送信するデータに基づきパルス位置変調された変調光を生成する１つ以上の変調手段を備え、
   前記１つ以上の変調手段は、前記変調光の周波数を第１周波数から第２周波数に向けて線形的に変化させることを繰り返し、
   前記変調光の周波数を前記第１周波数から前記第２周波数に向けて線形的に変化させる期間は、前記パルス位置変調におけるタイムスロットの期間のＭ倍（Ｍは２以上の整数）であることを特徴とする光送信機。
2. 前記１つ以上の変調手段は１つの変調手段であり、
   前記１つの変調手段は、前記変調光の周波数が前記第２周波数に達すると、続いて、前記変調光の周波数を前記第１周波数から前記第２周波数に向けて線形的に変化させることを特徴とする請求項１に記載の光送信機。
3. 前記１つ以上の変調手段は複数の変調手段であり、
   前記複数の変調手段の内の１つの変調手段が前記変調光を出力しているときに、前記複数の変調手段の内の前記１つの変調手段とは異なる変調手段は、前記変調光の出力を停止する様に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光送信機。
4. 前記複数の変調手段の数はＰ（Ｐは２以上の整数）であり、
   前記複数の変調手段が前記変調光の周波数を前記第１周波数から前記第２周波数に向けて線形的に変化させる期間はＱであり、
   前記複数の変調手段は、前記変調光の周波数を前記第１周波数から前記第２周波数に向けて線形的に変化させると、続くＱ×（Ｐ－１）の期間の間、前記変調光の出力を停止する様に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の光送信機。
5. 前記１つ以上の変調手段それぞれは、搬送光を生成する光源と、前記光源からの前記搬送光を前記データに基づきパルス位置変調して前記変調光を生成する変調器と、を備え、
   前記搬送光の周波数を前記第１周波数から前記第２周波数に向けて線形的に変化させることで、前記変調光の周波数が前記第１周波数から前記第２周波数に向けて線形的に変化されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光送信機。
6. 前記１つ以上の変調手段は、それぞれが搬送光を生成する複数の光源と、前記複数の光源からの前記搬送光を前記データに基づきパルス位置変調して前記変調光を生成する変調器と、を備え、
   前記搬送光の周波数を前記第１周波数から前記第２周波数に向けて線形的に変化させることで、前記変調光の周波数が前記第１周波数から前記第２周波数に向けて線形的に変化され、
   前記複数の光源の内の１つの光源が前記搬送光を出力しているときに、前記複数の光源の内の前記１つの光源とは異なる光源は、前記搬送光の出力を停止する様に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光送信機。
7. 前記複数の光源の数はＰ（Ｐは２以上の整数）であり、
   前記複数の光源が前記搬送光の周波数を前記第１周波数から前記第２周波数に向けて線形的に変化させる期間はＱであり、
   前記複数の光源は、前記搬送光の周波数を前記第１周波数から前記第２周波数に向けて線形的に変化させると、続くＱ×（Ｐ－１）の期間の間、前記搬送光の出力を停止する様に構成されていることを特徴とする請求項６に記載の光送信機。
8. 前記変調光を受信する受信機は、前記変調光を前記変調光の周波数に応じてＭ個の分波変調光に分波する分波手段と、前記Ｍ個の分波変調光それぞれを受光するＭ個の受光手段と、を備えている請求項１から７のいずれか１項に記載の光送信機。
9. 前記１つ以上の変調手段は、前記変調光の周波数に応じて前記変調光の強度を変化させることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光送信機。
10. 第１周波数から第２周波数に向けて周波数が線形的に変化する、パルス位置変調された変調光を受信する光受信機であって、
    前記変調光を前記変調光の周波数に応じて、複数の分波変調光に分波する分波手段と、
    前記複数の分波変調光それぞれを受光する複数の受光手段と、
    を備え、
    前記複数の受光手段の数はＭ（Ｍは２以上の整数）であり、前記変調光の前記周波数が前記第１周波数から前記第２周波数に向けて線形的に変化する期間は、前記パルス位置変調におけるタイムスロットの期間のＭ倍であることを特徴とする光受信機。
11. 前記複数の受光手段は、単一フォトン検出器であることを特徴とする請求項１０に記載の光受信機。
12. 前記単一フォトン検出器は、ガイガーモードで動作させたアバランシェフォトダイオードであることを特徴とする請求項１１に記載の光受信機。
13. 請求項１から９のいずれか１項に記載の光送信機と、
    請求項１０から１２のいずれか１項に記載の光受信機と、
    を備えていることを特徴とする光通信システム。

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