特許 5994773 送信器、受信器、送信方法、受信方法及び通信システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5994773

(24)【登録日】2016年9月2日

(45)【発行日】2016年9月21日

(54)【発明の名称】送信器、受信器、送信方法、受信方法及び通信システム

(51)【国際特許分類】

   H04B 10/572 20130101AFI20160908BHJP

   H04B 10/118 20130101ALI20160908BHJP

   H04B 10/61 20130101ALI20160908BHJP

【ＦＩ】

   H04B9/00 572

   H04B9/00 118

   H04B9/00 610

【請求項の数】10

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2013-507164(P2013-507164)

(86)(22)【出願日】2012年3月23日

(86)【国際出願番号】JP2012002049

(87)【国際公開番号】WO2012132374

(87)【国際公開日】20121004

【審査請求日】2015年2月9日

(31)【優先権主張番号】特願2011-67698(P2011-67698)

(32)【優先日】2011年3月25日

(33)【優先権主張国】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、総務省「光空間通信技術の研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000004237

【氏名又は名称】日本電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110928

【弁理士】

【氏名又は名称】速水 進治

(72)【発明者】

【氏名】橋本 陽一

【審査官】 後澤 瑞征

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００９−５２４３５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−１４９５３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−３３６１１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／０１９５７３（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 S. Camatel 他，「Optical phase-locked loop for coherent detection optical receiver」，Electronics Letters，２００４年 ３月１８日，Vol. 40 No. 6

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｂ１０／００−１０／９０

Ｈ０４Ｊ１４／００−１４／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の周波数を持つ光搬送波をデータ信号で変調して信号光として出力する光データ変調手段と、
前記信号光の周波数を、所定の周波数オフセット量に基づいて前記第１の周波数から第２の周波数へシフトさせて出力する光周波数シフト手段と、
前記光周波数シフト手段によって出力される前記信号光が復調された際に、復調された信号において、前記光周波数シフト手段で生じた高調波成分に対応する帯域が前記データ信号の帯域と重複しないように前記周波数オフセット量を制御する周波数オフセット制御手段と、
を備える送信器。

【請求項2】

前記周波数オフセット制御手段は、前記周波数オフセット量を前記データ信号の帯域全幅の４分の１以上となるように制御する、請求項１に記載された送信器。

【請求項3】

前記光周波数シフト手段によって周波数がシフトされた前記信号光が当該送信器から出力され、
当該送信器から出力される前記信号光が受信器に到達するまでの伝搬経路において前記信号光に印加される動的な周波数シフト量を出力する周波数シフト量算出手段をさらに備え、
前記光周波数シフト手段は、前記周波数オフセット量及び前記動的な周波数シフト量に基づいて前記信号光の周波数を前記第１の周波数から前記第２の周波数へシフトさせる、請求項１又は２に記載された送信器。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれかに記載された送信器と、
前記送信器が送信した信号光を受信し、前記信号光を局発光を用いてコヒーレン卜受信する受信器と、を備えた通信システム。

【請求項5】

第２の周波数を持つ光搬送波をデータ信号で変調した信号光を受信する受信手段と、
第３の周波数を持つ局発光の周波数を、所定の周波数オフセット量に基づいて前記第２の周波数へシフトさせて出力する光周波数シフト手段と、
前記周波数オフセット量を制御する周波数オフセット制御手段と、
前記信号光と前記光周波数シフト手段から出力される前記局発光とを用いてコヒーレン卜受信を実行して、前記信号光を電気信号に変換するコヒーレン卜受信手段と、を備え、
前記周波数オフセット制御手段は、前記電気信号において、前記光周波数シフト手段で生じる高調波成分に対応する帯域が前記データ信号の帯域と重複しないように、前記周波数オフセット量を制御する、受信器。

【請求項6】

前記周波数オフセット制御手段は、前記周波数オフセット量を前記データ信号の帯域全幅の４分の１以上となるように制御する、請求項５に記載された受信器。

【請求項7】

前記信号光の伝搬経路において前記信号光の第１の周波数から前記第２の周波数への周波数シフト量を算出する周波数シフト量算出手段をさらに備え、
前記光周波数シフト手段は、前記周波数オフセット量及び前記周波数シフト量に基づいて前記局発光の周波数を前記第２の周波数へシフトさせて出力する、請求項５又は６に記載された受信器。

【請求項8】

第１の周波数を持つ光搬送波をデータ信号で変調して信号光として出力する光データ変調手段を備える送信器と、前記第１の周波数から第２の周波数へ光搬送波の周波数がシフ卜した信号光を受信するように構成された請求項５乃至７のいずれかに記載された受信器と、を備えた通信システム。

【請求項9】

第１の周波数を持つ光搬送波をデータ信号で変調して信号光として出力し、
前記信号光の周波数を所定の周波数オフセット量に基づいて前記第１の周波数から第２の周波数へシフトさせて出力し、
前記第２の周波数へシフトさせて出力される前記信号光が復調された際に、復調された信号において、前記第２の周波数へのシフトの際に生じた高調波成分に対応する帯域が前記データ信号の帯域と重複しないように前記周波数オフセット量を制御する、送信方法。

【請求項10】

データ信号で変調された、第２の周波数を持つ信号光を受信し、
第３の周波数を持つ局発光の周波数を、所定の周波数オフセット量に基づいて前記第２の周波数へシフトさせて出力し、
前記信号光と前記第２の周波数へシフトさせた前記局発光とを用いてコヒーレン卜受信を実行して、前記信号光を電気信号に変換し、
前記周波数オフセット量は、前記電気信号において、前記局発光の周波数を前記第２の周波数へシフトさせる際に生じる高調波成分に対応する帯域が前記データ信号の帯域と重複しないように制御される、受信方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、送信器、受信器、送信方法、受信方法及び通信システムに関し、特にコヒーレント光通信方式に用いられる光送信器、光受信器、光送信方法、光受信方法及び光通信システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、次世代の陸上及び海底における光ファイバ網を用いた光通信技術として、コヒーレント光送受信方式とデジタル信号処理技術とを組み合わせたデジタルコヒーレント光通信方式が注目されている。

【0003】

加えて、人工衛星などの飛翔体（移動体）と地上基地局等とを接続する次世代光空間通信においても、高感度化と高ビットレート化との期待から、デジタルコヒーレント光通信方式の導入が検討され始めている。

【0004】

デジタルコヒーレント光通信方式で用いられる受信器は、受信された信号光（受信光）を局部発振器からの出力光（局発光）と混合することによって、受信光の強度と位相情報とを抽出可能なベースバンド電気信号を生成する。そして、受信器は、電気信号に変換された信号をアナログ／デジタル変換器（ａｎａｌｏｇ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ、ＡＤＣ）によってデジタル信号に変換する。さらに、受信器は、変換されたデジタル信号から受信光の強度および位相情報を抽出し、抽出した信号をデジタル信号処理することによって、受信した信号からデータを復調する。

【0005】

図９は、光ファイバを伝送媒体とするデジタルコヒーレント光通信方式において、送信される信号光、受信された信号光、及び受信された信号光をコヒーレント検波する際の局発光の周波数の関係を示す図である。図９において、送信される信号光及び受信された信号光の周波数はｆｓ、局発光の周波数はｆＬＯである。

【0006】

図９に示すデジタルコヒーレント光通信方式においては、受信された信号光の周波数と局発光の周波数とをおおむね一致させるイントラダイン方式が採用されている。イントラダイン方式では受信した光信号と局発光との間の周波数同期や位相同期を光信号の状態では行わない。受信信号と局発光との周波数ずれや位相ずれは、デジタル信号処理技術を用いて電気信号として補償される。

【0007】

受信器においては、受信光と局発光との周波数ずれの量は、例えば、数ＧＨｚ以内であることが望ましい。受信器は、デジタル信号処理における位相同期処理により、受信光と局発光との周波数及び位相の同期を行う。このため、さらに具体的には、受信光と局発光との周波数ずれの量は受信器の位相同期処理の周波数同期範囲内であることが望ましい。現在、商用可能なレーザの発振周波数の誤差は、±２．０ＧＨｚ程度である。実際の光通信システムにおいて送信側光源及び受信側局部発振光源の２つが使用されることを考慮すると、周波数ずれの量は±５．０ＧＨｚ以上となる場合がある。受信器はこのような周波数ずれをデジタル信号処理により補償している。

【0008】

図１０は、非特許文献１に記載された、受信光と局発光との周波数及び位相の同期を行う構成を示す図である。非特許文献１は、受信光と局発光との周波数差を数ＧＨｚ以下とすることで、デジタル信号処理による位相補償を安定して実施する構成を開示している。

【0009】

図１０に示す構成では、９０度ハイブリッド１２０１には信号光及び光周波数シフタ部１２０６の出力が入力される。そして、９０度ハイブリッド１２０１は直交するＩ（ｉｎｐｈａｓｅ）信号及びＱ（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）信号を出力する。サンプラー１２０２及び１２０３は、Ｉ信号及びＱ信号をサンプリングし、キャリア位相抽出部１２０４に入力する。キャリア位相抽出部１２０４は、局部発振光源１２０８の出力光と信号光との周波数差を検知する。そして、キャリア位相抽出部１２０４は、検知した周波数差を示す信号によって、ＶＣＯ（ｖｏｌｔａｇｅ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ、電圧制御発振器）１２０７を制御する。ＶＣＯ１２０７は、キャリア位相抽出部１２０４が検知した周波数差に対応する周波数の信号を発生させる。さらに、光周波数シフタ部１２０６は、ＶＣＯ１２０７が発生する信号によって、９０度ハイブリッド１２０１に入力される局部発振光源１２０８の周波数をシフトさせる。

【0010】

一方、移動体−地上基地局間あるいは移動体間における光空間通信システムなどにおいては、チャンネルにおいて信号光のキャリア（搬送波）周波数の動的なシフト（周波数シフト）が生じる場合がある。このような通信システムにデジタルコヒーレント光送受信方式を導入すると、チャンネルで周波数シフトが発生した結果、デジタル信号処理で補償できる周波数差をこえた周波数オフセットが生じる恐れがある。

【0011】

特に、非常に大きな周波数シフト（例えば、ＱＰＳＫの場合にはπ／２に近い位相シフト）が起きてしまうと、受信信号のシンボル間の位相差が、変調によるシンボル遷移であるのか、局発光との周波数差であるのかの区別が困難になる。その結果、デジタル信号処理回路においてこのような周波数シフトを含んだ状態での安定した復調が実現できなくなる場合がある。

【0012】

また、周波数オフセットが動的に変動する場合には、デジタル信号処理によって周波数補償及び位相補償を行う際に、周波数補償量の動的な変化量が大きくなる場合がある。このような場合にはデジタル信号処理回路において位相補償の誤差が生じやすく、復調する信号の判定に誤りが生じる恐れがあるという問題もある。

【0013】

また、周波数補償の際に高速のオーバーサンプリングを行うことで、周波数補償量の補償精度を向上させることが可能である。しかし、オーバーサンプリングを行うと単位時間当たりに処理する信号のデータ量が増えるため、信号処理回路の規模が増大するといった問題が生じる。

【0014】

図１１を用いて、上記の問題点を具体的に説明する。図１１は、光空間通信チャンネルにデジタルコヒーレント光送受方式を導入した場合において、送信される信号光、受信される信号光及び局発光の周波数を示す図である。

【0015】

図１１を参照すると、光空間通信においては、人工衛星等の移動体から送信される信号光の周波数（ｆｓ）は、移動体と地上局との相対的な移動速度に依存して正または負の周波数シフト（＋Δｆまたは−Δｆ）を受ける。周波数シフトの発生する原因としては、例えばドップラーシフトがある。

【0016】

具体的には、移動体の送信開始時（Ａ）においては、移動体は地上局に近づくように動く。このため、地上局は周波数がｆｓ＋Δｆである信号光を移動体から受信する。そして、移動体が頂点（Ｂ）に近づくにつれて移動体の地上局との相対的な速度は小さくなるので、周波数シフトΔｆはゼロに近づく。移動体が頂点（Ｂ）を通過する瞬間においては、地上局は、送信光と同じ周波数の信号を受信する。

【0017】

移動体は、頂点（Ｂ）を通過後には地上局から遠ざかるように動く。このため、地上局は、周波数がｆｓ−Δｆである信号を受信する。一般に、周波数ｆは光速ｃと波長λとを用いてｆ＝ｃ／λと表記できる。従って、地上局が受信する信号光の波長は、送信開始時刻直後から移動体が頂点（Ｂ）に到達するまでの間はλｓ（＝ｃ／ｆｓ）よりも短波長側にシフトしている。そして、移動体が頂点（Ｂ）を通過後、送信の終了までの間は、地上局が受信する信号光の波長は、λｓよりも長波長側にシフトしていく。

【0018】

この周波数シフト量Δｆは、低軌道（ｌｏｗ ｅａｒｔｈ ｏｒｂｉｔ、ＬＥＯ）衛星などの高速な移動体においては±１０ＧＨｚ以上に達する。そのため、地上基地局で受信された信号光の周波数と、局発光の周波数ｆＬＯの光周波数差が時間と共に増大する場合がある。

【0019】

ドップラーシフトが存在する場合、自走する局発光と光搬送波とのイントラダイン検波において想定される局発光の周波数の揺らぎによる局発光と光搬送波との光周波数差に加えて、さらに周波数シフトによってより大きい周波数差が生じる。また、周波数シフト量は移動体の位置とともに変化するため、時間とともに光搬送波の周波数は大きく変化する。これは、動的なキャリア周波数の推定が必要になることを意味する。

【0020】

本発明に関連して、特許文献１及び特許文献２は、移動体と地上局との間のドップラーシフト量に基づいて搬送波周波数を調整する無線伝送システムまたは無線通信システムを記載している。さらに、特許文献３は、コヒーレント光通信システムを空間光伝送装置に適用した構成を記載している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0021】

【特許文献1】特開２００６−３４５４２７号公報

【特許文献2】特開２００９−２０１１４３号公報

【特許文献3】特開平６−１１２９０４号公報

【非特許文献】

【0022】

【非特許文献1】Ｓａｋａｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ、 "Ｄｉｇｉｔａｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｓｔａｓ Ｌｏｏｐ ｆｏｒ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ １０−Ｇｂ／ｓ ＢＰＳＫ"、Ｔｈｅ １５ｔｈ ＯｐｔｏＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＯＥＣＣ２０１０）、２０１０年７月、９Ｂ３−２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0023】

図１０に示したような光周波数シフタ部１２０６を用いて周波数シフトをさせる場合、高次のサイドバンド（高調波）が発生する。例えば、光シングルサイドバンド変調器によって局発光の周波数をシフトさせる場合を考える。この場合、光周波数シフタ部１２０６における周波数のシフト量の絶対値Δｆが小さい場合は、データ信号成分と高調波に重畳されるデータ変調成分が重なってしまう場合がある。その場合には、データ信号成分と高調波成分とが分離ができないという問題が生じる。

【0024】

図１２は、光周波数シフタ部の構成の一例を示す図である。図１２に示す光周波数シフタ部１１０１は、ＶＣＯ１１０２及び２個のＭＺＭ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、マッハツェンダ変調器）１１０３及び１１０４を備える。

【0025】

ＶＣＯ１１０２は、外部から入力される信号により、周波数シフト量に相当する周波数Δｆの信号を発生し、その信号を２個のＭＺＭ１１０３及び１１０４に印加する。これにより、ＭＺＭに入力された光信号の信号キャリア周波数をΔｆだけシフトさせることができる。ここで、ＭＺＭで構成された光周波数シフタは当業者にはよく知られているので、詳細な説明は省略する。

【0026】

図１３は、図１２で説明した光周波数シフタ部１１０１により信号光の周波数をシフトした場合に発生するシフト後の信号光の周波数成分と、付加的に発生する３次の高調波の周波数成分との一般的な関係を示した図である。図１３の（ａ）は、光周波数シフタ部１１０１へ入力される信号光のスペクトルであり、図１３の（ｂ）は光周波数シフタ部１１０１から出力される信号光のスペクトルである。

【0027】

図１３の（ｂ）に示すように、光周波数シフタ部１１０１におけるシフト量の絶対値Δｆが比較的小さい場合は、データ信号成分と高調波に重畳されるデータ変調成分の帯域が重なる。その結果、データ信号成分と高調波とが分離できない。例えば、周波数シフト量が正の値から０へ変化し、さらに０から負の値へ変化するような場合、光周波数シフタ部１１０１から出力される信号光では、シフトさせた周波数の絶対値が小さいほど、信号光と高調波成分との間で強い干渉（ビート）が生じる。そして、干渉成分が信号光に重畳されてしまうことにより、信号光の信号対雑音比が悪化する。その結果、データの復調が正常に行われず、通信システムの通信品質が低下するといった問題が生じる。

【0028】

しかしながら、上述した非特許文献１や特許文献１〜３は、光周波数シフタ部から出力される光の高調波がデータ信号の帯域と重なることにより、通信システムの通信品質が低下する場合があるという課題を解決していない。
［発明の目的］
本発明の目的は、光周波数シフタ部から出力される光の高調波がデータ信号の帯域と重なることにより信号光の信号対雑音比が悪化する結果、通信システムの通信品質が低下するという課題を解決するための技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0029】

本発明の送信器は、第１の周波数を持つ光搬送波をデータ信号で変調して信号光として出力する光データ変調手段と、信号光の周波数を、所定の周波数オフセット量に基づいて第１の周波数から第２の周波数へシフトさせて出力する光周波数シフト手段と、光周波数シフト手段によって出力される前記信号光が復調された際に、復調された信号において、光周波数シフト手段で生じた高調波成分に対応する帯域がデータ信号の帯域と重複しないように周波数オフセット量を制御する周波数オフセット制御手段と、を備える。

【0030】

本発明の受信器は、第２の周波数を持つ信号光を受信する受信手段と、第３の周波数を持つ局発光の周波数を、所定の周波数オフセット量に基づいて第２の周波数へシフトさせて出力する光周波数シフト手段と、周波数オフセット量を制御する周波数オフセット制御手段と、信号光と光周波数シフト手段から出力される局発光とを用いてコヒーレン卜受信を実行して、前記信号光を電気信号に変換するコヒーレン卜受信手段と、を備える。周波数オフセット制御手段は、電気信号において、光周波数シフト手段で生じる高調波成分に対応する帯域がデータ信号の帯域と重複しないように、周波数オフセット量を制御する。

【0031】

本発明の送信方法は、第１の周波数を持つ光搬送波をデータ信号で変調して信号光として出力し、信号光の周波数を所定の周波数オフセット量に基づいて第１の周波数から第２の周波数へシフトさせて出力し、第２の周波数へシフトさせて出力される信号光が復調された際に、復調された信号において、第２の周波数へのシフトの際に生じた高調波成分に対応する帯域がデータ信号の帯域と重複しないように周波数オフセット量を制御する。

【0032】

本発明の受信方法は、データ信号で変調された、第２の周波数を持つ信号光を受信し、第３の周波数を持つ局発光の周波数を、所定の周波数オフセット量に基づいて第２の周波数へシフトさせて出力し、信号光と第２の周波数へシフトさせた局発光とを用いてコヒーレン卜受信を実行して、信号光を電気信号に変換する。前記周波数オフセット量は、前記電気信号において、前記局発光の周波数を前記第２の周波数へシフトさせる際に生じる高調波成分に対応する帯域が前記データ信号の帯域と重複しないように制御される。

【発明の効果】

【0033】

本発明は、通信システムにおける通信品質を向上させるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0034】

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

【0035】

【図1】第１の実施形態の基本的な構成を説明するための図である。

【図2】第１の実施形態において、光周波数シフタ部から出力される光の周波数を示す図である。

【図3】第１の実施形態の光通信システムの構成を示す図である。

【図4】第２の実施形態の光通信システムの構成を示す図である。

【図5】第２の実施形態において、送信された光信号の周波数及び局発光の周波数の関係を示す図である。

【図6】第３の実施形態の光通信システムの構成を示す図である。

【図7】第４の実施形態のエミュレーションシステムの構成を示す図である。

【図8】第５の実施形態として、人工衛星と地上局との間の通信のハンドオーバを説明するための図である。

【図9】光ファイバを伝送媒体とするデジタルコヒーレント光通信方式において、送信される信号光、受信される信号光及び局発光の周波数を示す図である。

【図10】本願発明と関連する、光信号と局発光との周波数及び位相の同期を行う方法を示す図である。

【図11】光空間通信チャンネルにデジタルコヒーレント光送受方式を導入した場合において、送信される信号光、受信される信号光及び局発光の周波数を示す図である。

【図12】光周波数シフタ部の構成例を示す図である。

【図13】光周波数シフタ部により信号光をシフトした場合に発生するシフト後の信号光と、付加的に発生する高次の高調波成分の周波数の関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0036】

次に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも光空間通信における例示である。すなわち、以下の実施形態は、信号がチャンネルを伝送する際に光信号の周波数がシフトする場合に全般的に適用できる。また、以下の記載は、明示されない種々の変形や技術の適用を排除するものではない。即ち、以下の実施形態は、その趣旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することができる。

【0037】

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態の構成を説明するための図である。光周波数シフタ部８０１は、入力された信号に対応する周波数シフトを入力された信号光に与えて出力する。光周波数シフタ部８０１は、例えば、シングルサイドバンド変調器によって構成される。また、光周波数シフタ部８０１として、図１２で説明した光周波数シフタ部１１０１を用いてもよい。

【0038】

周波数シフト量算出部８０２は、信号キャリア周波数シフト量Δｆと対応する信号を出力する。ここで、信号キャリア周波数シフト量Δｆは、信号光が伝送路を伝搬中に受ける周波数シフト量の絶対値である。周波数オフセット制御部８０３は、周波数オフセット量ｆｏｆｆｓｅｔと対応する信号を出力する。周波数印加部８０４は、これらの信号に基づいて、周波数ｆｏｆｆｓｅｔ±Δｆを示す信号を光周波数シフタ部８０１が備えるＶＣＯ８０５へ出力する。

【0039】

なお、「±Δｆ」は、場合に応じて実際シフトされる周波数が＋Δｆまたは−Δｆのいずれかであることを示す。ＶＣＯ８０５は、周波数印加部８０４から入力された、周波数ｆｏｆｆｓｅｔ±Δｆを示す信号に基づいて、周波数がｆｏｆｆｓｅｔ±Δｆである信号を発生する。

【0040】

例えば、周波数シフト量算出部８０２及び周波数オフセット制御部８０３は、それぞれ周波数に比例した直流電圧を出力するようにしてもよい。そして、周波数印加部８０４はそれらの直流電圧を加算してＶＣＯ８０５に出力し、ＶＣＯ８０５は周波数印加部８０４から入力された直流電圧に比例する周波数の信号を発生するようにしてもよい。ここで、信号光の周波数がΔｆだけ低くなる方向へのシフトが行われる場合には、周波数印加部８０４は、周波数シフト量Δｆを示す直流電圧を減算する。

【0041】

光周波数シフタ部８０１は、ＶＣＯ８０５が発生する周波数がｆｏｆｆｓｅｔ±Δｆである信号をＭＺＭ８０６及び８０７に印加することで、周波数オフセット量ｆｏｆｆｓｅｔに信号キャリア周波数シフト量Δｆを加減算した周波数だけ、入力される信号光の周波数をシフトさせる。

【0042】

たとえば、光周波数シフタ部８０１は、ｆｏｆｆｓｅｔ±Δｆが正の値である場合には、入力される信号光の周波数をより周波数が高い方向へシフトさせる。逆に、ｆｏｆｆｓｅｔ±Δｆが負の値である場合には、光周波数シフタ部８０１は、入力される信号光の周波数をより周波数が低い方向へシフトさせる。

【0043】

図２は、光周波数シフタ部８０１から出力される光の周波数を示す図である。図２は、光周波数シフタ部８０１により信号光をシフトした場合に発生するシフト後の信号光と、付加的に発生する高次（図２では３次）の高調波成分の周波数の関係を示す。

【0044】

図２を参照して、光周波数シフタ部８０１の作用を説明する。図２（ａ）は、信号光の周波数が高くなる方向に信号キャリア周波数シフト量Δｆによるシフトを行う場合を示す。図２（ｂ）は、信号光の周波数が低くなる方向に信号キャリア周波数シフト量Δｆによるシフトを行う場合を示す。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、光周波数シフタ部８０１は、周波数がｆｓである光信号の周波数を、信号キャリア周波数シフトを補正するために推定された周波数量Δｆと周波数オフセット量ｆｏｆｆｓｅｔが加算されたシフト量ｆｏｆｆｓｅｔ±Δｆで周波数シフトさせる。ここで、Δｆは、実際に信号光が受ける信号キャリア周波数シフトとは絶対値が等しく逆の符号を持つように設定される。そして、光周波数シフタ部８０１はｆｓ＋ｆｏｆｆｓｅｔ＋Δｆ又はｆｓ＋ｆｏｆｆｓｅｔ−Δｆの周波数の信号光を出力する。この際、光周波数シフタ部８０１では、３×（ｆｏｆｆｓｅｔ±Δｆ）の周波数の３次高調波が同時に発生する。

【0045】

図２（ａ）および図２（ｂ）に示す信号光が、それぞれ信号キャリア周波数の動的なシフト−Δｆまたは＋Δｆが生じるチャンネルを伝搬すると、図２（ｃ）に示すように、信号キャリア周波数シフト±Δｆは相殺される。その結果、周波数が（ｆｓ＋ｆｏｆｆｓｅｔ）の信号光が受信器に到着する。

【0046】

一方、図２（ｄ）に示すように、受信器は、局発光の周波数をｆｓ＋ｆｏｆｆｓｅｔとなるように設定する。図２（ｅ）に示すように、受信される信号光と３次高調波は、この局発光とイントラダイン検波によりｆｓ＋ｆｏｆｆｓｅｔを基準としたベースバンド変調信号に変換される。このとき、図１３で説明したように、周波数オフセット量ｆｏｆｆｓｅｔ（図１３ではΔｆとして記載されている）が小さいと、データ信号成分と高調波に重畳されるデータ変調成分の帯域が重なってしまう場合がある。

【0047】

そこで、第１の実施形態においては、光周波数シフタ部８０１で生じる３次高調波成分（例えば図２（ｄ）の場合、４×（ｆｏｆｆｓｅｔ±Δｆ）で発生する周波数）が信号光から復調されたデータの帯域と重複しないように、周波数オフセット量ｆｏｆｆｓｅｔを設定する。

【0048】

図２（ｄ）を参照すると、受信した信号光から復調された、帯域の全幅がＷであるデータは、ベースバンド周波数領域では０〜Ｗ／２の帯域を占める。一方、３次の高調波成分の中心周波数は、周波数軸上で４×ｆｏｆｆｓｅｔの位置にあり、その帯域幅（全幅）はＷである。従って、データ信号と３次高調波とが周波数領域で重ならないようにするためには、４×ｆｏｆｆｓｅｔの帯域内で、復調されたデータの帯域（半幅）Ｗ／２と３次高調波の帯域（半幅）が重ならないようにｆｏｆｆｓｅｔを設定すればよい。その条件は４×ｆｏｆｆｓｅｔ＞Ｗ／２＋Ｗ／２からｆｏｆｆｓｅｔ＞Ｗ／４と求められる。すなわち、データ信号の帯域幅（全幅）をＷとした場合、ｆｏｆｆｓｅｔをＷ／４以上の周波数に設定すれば、光周波数シフタ部８０１で生じる３次高調波成分とデータ信号の周波数成分は重ならない。

【0049】

第１の実施形態においては、周波数オフセット量ｆｏｆｆｓｅｔを受信器における信号帯域の全幅Ｗより大きく設定している。これにより、光周波数シフタ部８０１で生じる３次高調波成分で発生する周波数は、除去される。

【0050】

図３は、本発明の第１の実施形態の光通信システムの構成を示す図である。光通信システム１０は、飛翔体である人工衛星と地上局との間を光空間通信で接続する。人工衛星は地上局に対して移動しており、人工衛星と地上局との間の相対的な距離は時間的に変化している。以下の説明では、送信器１０１は人工衛星に搭載されており、受信器１１５は地上局に設置されている場合について説明する。

【0051】

光通信システム１０においては、デジタルコヒーレント光通信方式が適用されている。人工衛星に搭載された送信器１０１から送信される信号光データは、光空間通信によって信号キャリア周波数の動的なシフトが生じるチャンネル１１７を経由して地上局に設置された受信器１１５で受信される。

【0052】

図３において、送信器１０１は、光源部１０２、データ変調部１０３、光周波数シフタ部１０４、周波数印加部１０５、周波数オフセット制御部１０６、周波数シフト量算出部１０７、位置情報算出部１０８を備える。また、受信器１１５は、光増幅部１１６、コヒーレント受信部１１２、デジタル信号処理部１１３、局部発振光源１１４を備える。

【0053】

位置情報算出部１０８は、人工衛星と地上局の距離またはこれらの位置や、人工衛星の移動速度の情報を周波数シフト量算出部１０７に出力する。位置情報算出部１０８は、例えば移動速度を、単位時間当たりの位置の変化量に基づいて算出する。

【0054】

周波数シフト量算出部１０７は、送信器から出力される信号光が地上局へ到達するまでに受ける周波数シフト量Δｆを算出する。周波数シフト量Δｆは、たとえばドップラーシフトなどに起因する周波数シフトの量であり、人工衛星と地上局の距離の変化またはこれらの位置の変化や、人工衛星の移動速度の情報などから算出することができる。そして、周波数シフト量算出部１０７は、算出された周波数シフト量Δｆに対して、伝搬する際に受ける周波数シフト量とは正負が逆の周波数に対応する信号を発生する。一般に、送信器から出射される信号光の波長は、人工衛星が地上局に近づく場合には周波数が上昇する方向＋Δｆ（波長でいえば短波長の方向）へシフトする。一方、人工衛星が地上局から遠ざかる場合には、周波数が減少する方向−Δｆ（波長でいえば長波長の方向）へシフトする。そのため、周波数シフト量算出部１０７が出力する信号が示す周波数は、人工衛星が近づく方向の場合は、周波数が減少する方向へ変化し、人工衛星が遠ざかる場合は周波数が上昇する方向へ変化する。周波数シフト量算出部１０７は、通信開始時刻から通信終了時刻までの間、人工衛星の位置情報及び速度情報から逐次周波数シフト量を算出する。

【0055】

一方、周波数オフセット制御部１０６は、データ変調部１０３で変調される信号光のデータ変調帯域と周波数シフト量算出部１０７が算出する周波数シフト量とのそれぞれの最大値を考慮して、これらの和より大きい周波数である周波数オフセットｆｏｆｆｓｅｔに対応する信号を発生させる。

【0056】

例えば、５０Ｇｂｐｓのデータレートで単一偏波ＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式によりデータ変調を行った光信号を送信する場合を考えた場合、送信信号のボーレートは２５ＧＨｚとなる。ここで、ドップラーシフト等による最大周波数シフト量が１０ＧＨｚであると仮定すると、周波数オフセット制御部１０６は、２５ＧＨｚ＋１０ＧＨｚ＝３５ＧＨｚ以上の周波数であるｆｏｆｆｓｅｔ＝４０ＧＨｚに周波数オフセットを設定する。そして、周波数オフセット制御部１０６は、周波数が４０ＧＨｚであることを示す信号を出力する。

【0057】

ここで、周波数オフセット制御部１０６及び周波数シフト量算出部１０７が出力する「周波数と対応する信号」は、周波数に比例した直流電圧とし、周波数印加部１０５はこれらの直流電圧の和の電圧の直流電圧を出力するようにしてもよい。

【0058】

光周波数シフタ部１０４には、光源部１０２で発生された光をデータ変調部１０３で変調した波長λＳ（＝ｃ／ｆｓ）の信号光１１０が入射される。周波数印加部１０５は加算された周波数ｆｏｆｆｓｅｔ±Δｆを示す信号を出力する。

【0059】

光周波数シフタ部１０４は、周波数印加部１０５から入力された信号に基づいて、信号光１１０の周波数をｆｏｆｆｓｅｔ±Δｆだけシフトさせる。例えば、光周波数シフタ部１０４は、周波数印加部１０５から入力された信号の直流電圧に比例する周波数をＶＣＯに発振させ、ＶＣＯの出力をＭＺＭに印加することで信号光の周波数をシフトさせてもよい。この際、光周波数シフタ部１０４は、信号キャリア周波数がｆｓ＋ｆｏｆｆｓｅｔ±Δｆ（＝ｃ／（λｓ＋λｏｆｆｓｅｔ±Δλ））である光信号１１１と３次以上の高調波成分とを同時に出力する。

【0060】

光周波数シフタ部１０４から出力された光信号１１１は、光送信アンテナより空間へ放射される。この送信信号光が光搬送波周波数の動的なシフトが生じるチャンネルを伝搬中に、周波数シフト±Δｆはキャンセルされる。その結果、受信器は信号光キャリア周波数がｆｓ＋ｆｏｆｆｓｅｔである受信光１１９を光受信アンテナを経て受信する。

【0061】

光増幅部１１６は、受信光１１９を増幅する。コヒーレント受信部１１２は、光増幅部１１６で増幅された受信光を、コヒーレント受信技術を用いて電気信号に変換する。コヒーレント受信部１１２は、例えば９０°ハイブリッド光回路、バランストディテクタ、電気帯域通過フィルタ及びアナログ／デジタル変換器（ａｎａｌｏｇ−ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ、ＡＤＣ）等によって構成されている。コヒーレント受信部１１２の一般的な構成は知られているので、その構成及び作用の詳細な説明は省略する。コヒーレント受信部１１２は、光増幅部１１６で増幅された受信光と局部発振光源１１４から出力される局発光とを混合して、ベースバンド変調信号を復調する。具体的には、局発光の光周波数ｆＬＯは、受信される受信光１１９の周波数ｆｓ＋ｆｏｆｆｓｅｔとほぼ同程度になるように設定される。

【0062】

ここで、局部発振光源１１４の周波数ｆＬＯと光源部１０２の周波数ｆｓとが大きく異なっていると、デジタル信号処理部１１３においてこれらの周波数差の補償が困難となる場合がある。そこで、周波数オフセット制御部１０６は、受信器１１５が受信する信号光の周波数ｆｓ＋ｆｏｆｆｓｅｔが局部発振光源１１４の周波数ｆＬＯとほぼ同一となるような周波数にｆｏｆｆｓｅｔをあらかじめ設定してもよい。その結果、局部発振光源１１４の周波数ｆＬＯと光源部１０２の周波数ｆｓとが異なっている場合でも、デジタル信号処理部１１３において、受信器１１５が受信する信号光と局部発振光源１１４との周波数差を補償することが可能となる。

【0063】

そして、コヒーレント受信部１１２において、イントラダイン検波したベースバンド変調信号をＡＤＣによりサンプリングすることでデジタル化された変調信号が得られる。また、受信器で受信されたデータ信号のうち、コヒーレント受信部１１２の受信帯域外の高次の高調波成分は、データ信号に影響を与えることなく除去される。

【0064】

デジタル信号処理部１１３は、受信した信号に対して波形整形、位相抽出、周波数偏差及び位相偏差の補償等を行い、データを復調する。

【0065】

このように、第１の実施形態の光通信システムにおいては、送信器の光源の波長と、受信器の局部発振光源の波長が、互いに周波数オフセット量だけ離れている。そして、周波数オフセットは、送信器において、データ変調帯域と周波数シフト量との和より大きい周波数となるように生成されるので、光周波数シフタから出力される３次高調波成分は、信号光から復調されたデータの帯域と重複しない。その結果、第１の実施形態の光通信システムにおいては、送信器の光周波数シフタ部で生じる高調波成分による光信号対雑音比の悪化を軽減することが可能となる。

【0066】

また、第１の実施形態の光通信システムは、信号光キャリア周波数を、移動体の動きに基づいて発生する周波数シフトを相殺するようにさらにシフトさせる。このため、第１の実施形態の光通信システムにおいては、移動体の動きに基づいて発生する、受信光と局発光の周波数差を低減することができる。その結果、第１の実施形態の光通信システムにおいては、オーバーサンプリングを行うことなく受信データのシンボルの位相をより正確に検出できる。

【0067】

このように、第１の実施形態の光通信システムは、通信システムの通信品質を向上させるという効果を奏する。加えて、第１の実施形態の光通信システムは、オーバーサンプリングを行って受信データの位相補償精度を向上させる構成と比較して、デジタル信号処理の際の処理量を軽減させることができる。その結果、第１の実施形態の光通信システムは、デジタル信号処理回路の規模を小さくすることができ、送信器のデジタル信号処理回路の低消費電力化を図ることができるという効果も奏する。

【0068】

また、第１の実施形態において、データ信号の帯域幅（全幅）をＷとした場合、周波数オフセット量をＷ／４以上に設定してもよい。周波数オフセット量を少なくともＷ／４以上に設定すれば、光周波数シフタ部で生じる３次高調波成分とデータ信号の周波数成分は重ならない。従って、周波数オフセット量をＷ／４以上に設定した場合も、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

【0069】

なお、図３に示した光通信システムにおいて、送信器１０１は、光源部１０２、データ変調部１０３、光周波数シフタ部１０４及び周波数オフセット制御部１０６のみを備え、周波数オフセット制御部１０６の出力は直接光周波数シフタ部１０４に入力されていてもよい。この場合、周波数オフセット制御部１０６は、信号光キャリア周波数をシフトさせることで移動体の動きに基づいて発生する周波数シフトを相殺するように光周波数シフタ部１０４を制御する。その結果、光源部１０２、データ変調部１０３、光周波数シフタ部１０４及び周波数オフセット制御部１０６のみを備える送信器も、上述した第１の実施形態の効果を得ることができる。

【0070】

［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態の光通信システムの構成を示す図である。第２の実施形態の光通信システム２０においては、送信器２０１から送信される信号光データは、光空間通信などの信号キャリア周波数の動的なシフトが生じるチャンネル２０４を経由して、デジタルコヒーレント光通信方式を適用した受信器２０６で受信される。

【0071】

送信器２０１は、光源部２０２及びデータ変調部２０３を備える。送信器２０１においては、光源部２０２が発生した周波数ｆｓ（＝ｃ／λＳ）の光搬送波は、データ変調部２０３により変調されてチャンネル２０４に放射される。

【0072】

受信器２０６は、光増幅部２０８、コヒーレント受信部２０９、デジタル信号処理部２１０、局部発振光源２１１及び光周波数シフタ部２１２を備える。受信器２０６は、さらに、周波数印加部２１３、周波数オフセット制御部２１４、周波数シフト量算出部２１５及び位置情報算出部２１６を備える。

【0073】

図３で説明した光通信システム１０では、送信器１０１においてデータ変調部１０３の出力と周波数印加部１０５の出力とが光周波数シフタ部１０４に入力されていた。これに対して、図４に示す光通信システム２０では、受信器２０６において、局部発振光源２１１の出力と周波数印加部２１３の出力とが光周波数シフタ部２１２に入力されている。

【0074】

図５は、第２の実施形態において、送信された光信号の周波数及び局発光の周波数の関係を示す図である。

【0075】

図５（ａ）は、地上局に近づく人工衛星の送信器から出射された信号光の周波数ｆsが、ドップラーシフト等の周波数シフト＋Δｆを受けて周波数がｆs＋Δｆとなることを示す。受信器２０６は、周波数シフト＋Δｆを受けた信号光を受信する。

【0076】

図５（ｂ）は、地上局に近づく人工衛星の送信器から出射された信号光を受信する場合において、受信器２０６における局部発振光源２１１の周波数ｆＬＯをシフトさせる様子を示している。

【0077】

受信器２０６が備える光周波数シフタ部２１２は、図３で説明した光周波数シフタ部１０４と同様に、周波数印加部２１３の出力に基づいて、局部発振光源２１１の周波数ｆＬＯをシフトさせる。周波数印加部２１３には、周波数オフセット制御部２１４及び周波数シフト量算出部２１５の出力が入力される。また、周波数シフト量算出部２１５の出力は、位置情報算出部２１６によって制御される。

【0078】

そして、周波数シフトによって周波数がｆs＋Δｆとなった受信光と周波数ｆＬＯの局発光とでイントラダイン検波を行う。このため、光周波数シフタ部２１２は、コヒーレント受信部２０９に入力される局発光の周波数と受信光の光搬送波の周波数ｆs＋Δｆとがほぼ一致するように局発光の波長ｆＬＯをシフトさせる。

【0079】

位置情報算出部２１６及び周波数シフト量算出部２１５は、図３で説明した位置情報算出部１０８及び周波数シフト量算出部１０７と同様の機能を備える。すなわち、位置情報算出部２１６は、人工衛星及び地上局の位置情報を周波数シフト量算出部２１５へ出力する。周波数シフト量算出部２１５は、位置情報算出部２１６から入力された位置情報に基づいて人工衛星と地上局との相対的な速度を算出する。そして、周波数シフト量算出部２１５は、ある時刻における受信された信号光の周波数シフト量と周波数シフトの向きとを推定し、それらに対応する信号を周波数印加部２１３に出力する。

【0080】

周波数オフセット制御部２１４は、周波数シフト量算出部２１５が算出した周波数シフト量Δｆと受信した変調信号の帯域とを加算した周波数より大きい周波数を与える周波数オフセット量ｆｏｆｆｓｅｔを設定し、周波数オフセット量に対応する信号を周波数印加部２１３に出力する。

【0081】

周波数印加部２１３は、周波数オフセット量ｆｏｆｆｓｅｔと周波数シフト量Δｆとが加算された周波数に対応する信号を光周波数シフタ部２１２に入力する。

【0082】

図５（ｂ）に示すように、光周波数シフタ部２１２からは、周波数がｆＬＯ−ｆｏｆｆｓｅｔ＋Δｆである光と、周波数が３（ｆｏｆｆｓｅｔ−Δｆ）で表記できる３次の高調波とが出力される。

【0083】

ここで、第１の実施形態と同様に、周波数オフセット制御部２１４及び周波数シフト量算出部２１５は、「周波数と対応する信号」として、周波数に比例した直流電圧を出力してもよい。そして、周波数印加部２１３はこれらの直流電圧の和の電圧の直流電圧を光周波数シフタ部２１２へ出力するようにしてもよい。そして、光周波数シフタ部２１２は、周波数オフセット量ｆｏｆｆｓｅｔと周波数シフト量Δｆとが加算された周波数の信号をＶＣＯに発振させ、ＶＣＯの出力をＭＺＭに印加して受信された信号光の周波数をシフトさせてもよい。

【0084】

図５（ｃ）は、受信器のコヒーレント受信部２０９において、光増幅部２０８で増幅された受信光２１８と光周波数シフタ部２１２によって周波数がシフトされた局発光とが混合され、ベースバンド変調信号に変換される様子を示す。ベースバンド変調信号は、受信帯域内に収まるように受信される。この際に、光周波数シフタ部２１２で発生した３次の高調波成分は除去される。

【0085】

図５（ｄ）〜図５（ｆ）は、各々地上局から遠ざかる人工衛星の送信器から放射された信号光を受信する場合について説明する図である。図５（ｄ）〜図５（ｆ）は、人工衛星が地上局に近づく場合について説明した図５（ａ）〜図５（ｃ）における周波数シフトを＋Δｆから−Δｆに置き換えたものである。

【0086】

すなわち、図５（ｄ）は、地上局から遠ざかる人工衛星の送信器から出射された信号光の周波数ｆsが、ドップラーシフト等により周波数シフト−Δｆを受け、周波数がｆs−Δｆとなる様子を示す。

【0087】

また、図５（ｅ）は、地上局から遠ざかる人工衛星の送信器から出射された信号光を受信する場合において、受信器２０６における局発光の周波数を示す。

【0088】

さらに、図５（ｆ）は、受信器のコヒーレント受信部２０９において、光増幅部２０８から出力された受信光と光周波数シフタ部２１２から出力された局発光とが混合され、ベースバンド変調信号が生成される様子を示す。

【0089】

このように、第２の実施形態の光通信システムにおいては、送信器の光源の周波数と、受信器の局部発振光源の周波数とが、互いに周波数オフセット分だけ離れている。そして、周波数オフセットは、受信器において、データ変調帯域と周波数シフト量との和より大きい周波数となるように生成される。その結果、第２の実施形態の光通信システムにおいては、受信器の光周波数シフタ部２１２で生じる高調波成分による光信号対雑音比の低下を軽減することが可能となる。

【0090】

また、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、データ信号の帯域幅（全幅）をＷとした場合、周波数オフセット量をＷ／４以上に設定してもよい。周波数オフセット量を少なくともＷ／４以上に設定すれば、光周波数シフタ部２１２で生じる３次高調波成分とデータ信号の周波数成分は重ならない。従って、周波数オフセット量をＷ／４以上に設定した場合も、上記と同様の効果が得られる。

【0091】

また、第２の実施形態の光通信システムは、信号光キャリア周波数を、移動体の動きに基づいて発生する周波数シフトを相殺するようにさらにシフトさせる。このため、第２の実施形態の光通信システムにおいては、移動体の動きに基づいて発生する、受信光と局発光の周波数差を低減することができる。その結果、第２の実施形態の光通信システムにおいては、オーバーサンプリングを行うことなく受信データのシンボルの位相をより正確に検出できる。

【0092】

このように、第２の実施形態の光通信システムも、第１の実施形態の光通信システムと同様に、通信システムの通信品質を向上させるという効果を奏する。また、第２の実施形態の光通信システムは、オーバーサンプリングを行って受信データの位相補償精度を向上させる構成と比較して、デジタル信号処理の際の処理量を軽減させることができる。その結果、第２の実施形態の光通信システムは、デジタル信号処理回路の規模を小さくすることができ、受信器のデジタル信号処理回路の低消費電力化を図ることができるという効果も奏する。

【0093】

なお、図４に示した光通信システム２０において、受信器２０６は、コヒーレント受信部２０９、光周波数シフタ部２１２、局部発振光源２１１及び周波数オフセット制御部２１４のみを備え、周波数オフセット制御部２１４の出力は直接光周波数シフタ部２１２に入力されていてもよい。この場合、周波数オフセット制御部２１４は、信号光キャリア周波数をシフトさせることで移動体の動きに基づいて発生する周波数シフトを相殺するように光周波数シフタ部２１２を制御する。その結果、コヒーレント受信部２０９、光周波数シフタ部２１２、局部発振光源２１１及び周波数オフセット制御部２１４のみを備える受信器２０６も、上述した第２の実施形態の効果を得ることができる。

【0094】

［第３の実施形態］
図６は、本発明の第３の実施形態の光通信システムの構成を示す図である。光通信システム３０は、信号キャリア周波数の動的なシフトを生じさせるチャンネル３０４と、デジタルコヒーレント送受信方式を適用した送信器３０１と、受信器３０６を備える。

【0095】

図６に示す光通信システム３０は、図４で説明した周波数シフト量算出部２１５と位置情報算出部２１６とに代えて、周波数差抽出回路３１５を備える。

【0096】

チャンネル３０４を伝搬中に信号光キャリアが受ける周波数シフト量は、送信器３０１と受信器３０６との相対速度の変化に追従して、受信開始時から終了時まで随時変化している。

【0097】

光通信システム３０においては、位置情報に基づいて周波数シフトを行う構成に代えて、光周波数シフタ部３１２から出力される局発光の周波数を逐次受信光の光キャリア周波数に追随させるように光周波数シフタ部３１２を制御する。その結果、光通信システム３０では、周波数シフト量を位置情報から計算する場合と比較して、さらに正確に周波数シフト量を補正することが可能となる。

【0098】

周波数差抽出回路３１５には、受信した信号光と光周波数シフタ部３１２から出力される局発光とが入射される。周波数差抽出回路３１５は、入力されたこれらの信号の周波数差（すなわち、周波数シフト量）を検出して周波数印加部３１３に出力する。

【0099】

周波数差抽出回路３１５で検出された周波数差は、周波数印加部３１３を経て、光周波数シフタ部３１２に印加され、周波数差が小さくなるように制御される。

【0100】

ここで、周波数差抽出回路３１５は、バランストディタクタ等で一旦周波数差を高周波ビート信号に変換した後、位相同期ループ回路で周波数差を検出するように構成してもよい。

【0101】

また、局部発振光源３１１及び光周波数シフタ部３１２に代えてモード同期半導体レーザ等の周波数可変発光デバイスを用いてもよい。そして、周波数印加部３１３の出力によってモード同期半導体レーザの出力周波数を直接制御して、モード同期半導体レーザの出力をコヒーレント受信部３０９及び周波数差抽出回路３１５に入力するように構成してもよい。

【0102】

このように、第３の実施形態の光通信システムにおいては、光周波数シフタ部から出力される局発光の周波数を逐次受信光の光搬送波の周波数に追随させるように、光周波数シフタ部を制御する。その結果、第３の実施形態の光伝送システムは、第２の実施形態の光伝送システムと同様の効果を奏するとともに、さらに正確に周波数シフト量を補正したデジタルコヒーレント送受信方式が構築できる。

【0103】

［第４の実施形態］
図７は、本発明の第４の実施形態のエミュレーションシステム４０の構成を示す図である。エミュレーションシステム４０は、デジタルコヒーレント光通信方式を適用した送信器４０１及び受信器４０３と、光空間通信伝搬時に生じる周波数シフト量を擬似的に発生させるエミュレータ４０２とを備える。

【0104】

周波数シフトが通信方式に与える影響を検証することは、特にデジタルコヒーレント方式による光空間通信技術の構築において重要となる。そして、人工衛星等の移動体との光空間通信の際に生じる周波数シフトを発生させるためには、送信器が搭載された移動体を高速で移動させる必要がある。しかしながら、自動車や航空機を移動体として用いても、低軌道人工衛星が移動することで発生する±１０ＧＨｚ前後の周波数シフトを発生させることはできない。第４の実施形態は、送信器が高速で移動する場合の周波数シフトをエミュレートするためのエミュレーションシステムを提供する。

【0105】

図７に示すエミュレーションシステム４０における送信器４０１は、図３で説明した送信器１０１において、光周波数シフタ部１０４とその駆動部である周波数印加部１０５、周波数オフセット制御部１０６、周波数シフト量算出部１０７を送信器１０１から分離し、エミュレータ４０２として構成したものである。

【0106】

図３で説明した周波数シフト量算出部１０７及び位置情報算出部１０８は、図７においては周波数シフト量エミュレーション部４１１として記載されている。周波数シフト量エミュレーション部４１１は、任意の時刻に任意の周波数シフト量±Δｆに対応する信号を周波数印加部４０９に出力する。図７における光周波数シフタ部４０８、周波数印加部４０９及び周波数オフセット制御部４１０の動作は、それぞれ図３における光周波数シフタ部１０４、周波数印加部１０５及び周波数オフセット制御部１０６と同様であるので詳細な説明は省略する。

【0107】

送信器４０１とエミュレータ４０２との間、及び、エミュレータ４０２と受信器４０３との間は、光伝送路４０７で接続されている。光伝送路４０７は、例えば光ファイバもしくは空間光伝送路である。このような構成によって、エミュレーションシステム４０は、信号光の周波数シフトをエミュレートすることが可能である。その結果、第４の実施形態のエミュレーションシステム４０は、高速で移動する物体を用意することなく周波数シフトが発生する環境下における光通信システムの性能評価を可能とする。

【0108】

なお、図７に示すエミュレーションシステム４０において、送信器４０１を図３で説明した送信器１０１に置き換えてもよい。送信器４０１を送信器１０１に置き換えた構成により、エミュレータ４０２によって与えられる周波数シフトを、送信器１０１が備える光周波数シフタ部１０４において事前に補償する動作のエミュレーションが可能となる。

【0109】

あるいは、図７に示すエミュレーションシステム４０において、受信器４０３を図４で説明した受信器２０６又は図６で説明した受信器３０６に置き換えてもよい。受信器４０３を受信器２０６又は３０６に置き換えた構成により、エミュレータ４０２が備える光周波数シフタ部４０８によって光信号が受けた周波数シフトを、受信器２０６又は３０６が補償する動作のエミュレーションが可能となる。

【0110】

このように、第４の実施形態のエミュレーションシステムは、高速に移動する移動体からの送信光が受ける周波数シフトの影響をエミュレートした受信光を容易に作り出すことができ、光通信システムの性能検証を簡便化、低コスト化することができる。

【0111】

［第５の実施形態］
図８は、本発明の第５の実施形態として、人工衛星と地上局との間の通信のハンドオーバ方法を説明するための図である。図８においては、図３で説明した送信器１０１が人工衛星８５０に配置され、受信器１１５が地上局８５１及び地上局８５２に配置されているものとする。

【0112】

当初、人工衛星８５０からは、地上局８５１へ周波数ｆｓ＋ｆｏｆｆｓｅｔ＋ｆｄ１の信号キャリア周波数で通信リンクが設定されているものとする。ここで、ｆｄ１は、人工衛星８５０と地上局８５１との位置情報から算出される周波数シフト量である。

【0113】

雲等の影響で光が減衰して人工衛星８５０から地上局８５１への通信リンクが遮断された場合には、代替回線を確保するために、人工衛星８５０は、リンク回線を別の地上局８５２にハンドオーバさせて障害を早急に回復させる必要がある。

【0114】

図８を用いて、人工衛星８５０から地上局８５１へのリンク回線を、人工衛星８５０から地上局８５２へのリンク回線へハンドオーバする際の光周波数シフト量制御を説明する。

【0115】

地上局８５１への通信リンクが遮断された場合、人工衛星８５０は、直ちに地上局８５２への周波数シフト量ｆｄ２を推定して算出する。そして、人工衛星８５０は、送信器に搭載された光周波数シフタ部で予め、推定算出された周波数シフト量分の光周波数シフトとオフセット周波数を加味して地上局８５２の局発光の周波数とほぼ同値になるようにシフトさせてデータを送信する。これにより、ハンドオーバ先である地上局８５２における受信時の周波数差を小さくすることが可能となる。

【0116】

また、地上局８５１と地上局８５２とのそれぞれの受信器が備える局部発振光源の周波数が大きく異なる可能性もある。このような場合には、地上局８５２の受信器における局発光と受信光との周波数差が所定の範囲内となるように、人工衛星８５０の送信器は周波数オフセットｆｏｆｆｓｅｔの値を変更してもよい。

【0117】

このように、第５の実施形態のハンドオーバ方法においては、ある地上局への通信リンクが遮断された場合、人工衛星は、直ちに代替の地上局の周波数シフト量を算出する。そして、人工衛星は、算出された周波数シフト量分の光周波数シフトとオフセット周波数を加味して地上局の局発光の周波数とほぼ同値になるようにシフトさせてデータを送信する。その結果、第５の実施形態のハンドオーバ方法においては、障害発生時に短時間で回線のハンドオーバを行うことができる。

【0118】

この出願は、２０１１年３月２５日に出願された日本出願特願２０１１−６７６９８号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
以下、参考形態の例を付記する。
１． 第１の周波数を持つ光搬送波をデータ信号で変調して信号光として出力する光データ変調手段と、
前記信号光の周波数を、所定の周波数オフセット量に基づいて前記第１の周波数から第２の周波数へシフトさせて出力する光周波数シフト手段と、
前記光周波数シフト手段で生じる高調波成分が前記データ信号の帯域と重複しないように前記周波数オフセット量を制御する周波数オフセット制御手段と、
を備える送信器。
２． 前記周波数オフセット制御手段は、前記周波数オフセット量を前記データ信号の帯域全幅の４分の１以上となるように制御する、１．に記載された送信器。
３． 前記信号光の伝搬経路において前記信号光に印加される動的な周波数シフト量を出力する周波数シフト量算出手段をさらに備え、
前記光周波数シフト手段は、前記周波数オフセット量及び前記動的な周波数シフト量に基づいて前記信号光の周波数を前記第１の周波数から前記第２の周波数へシフトさせる、１．文は２に記載された送信器。
４． １．乃至３．のいずれかに記載された送信器と、
前記送信器が送信した信号光を受信し、前記信号光を局発光を用いてコヒーレン卜受信する受信器と、を備えた通信システム。
５． 第２の周波数を持つ光搬送波をデータ信号で変調した信号光を受信する受信手段と、
第３の周波数を持つ局発光の周波数を、所定の周波数オフセット量に基づいて前記第２の周波数へシフトさせて出力する光周波数シフト手段と、
前記光周波数シフト手段で生じる高調波成分が前記データ信号の帯域と重複しないように前記周波数オフセット量を制御する周波数オフセット制御手段と、
前記信号光と前記光周波数シフト手段から出力される前記局発光とを用いてコヒーレン卜受信を実行するコヒーレン卜受信手段と、を備える受信器。
６． 前記周波数オフセット制御手段は、前記周波数オフセット量を前記データ信号の帯域全幅の４分の１以上となるように制御する、５．に記載された受信器。
７． 前記信号光の伝搬経路において前記信号光の第１の周波数から前記第２の周波数への周波数シフト量を算出する周波数シフト量算出手段をさらに備え、
前記光周波数シフト手段は、前記周波数オフセット量及び前記周波数シフト量に基づいて前記局発光の周波数を前記第２の周波数へシフトさせて出力する、５．文は６に記載された受信器。
８． 第１の周波数を持つ光搬送波をデータ信号で変調して信号光として出力する光データ変調手段を備える送信器と、前記第１の周波数から第２の周波数へ光搬送波の周波数がシフ卜した信号光を受信するように構成された５．乃至７．のいずれかに記載された受信器と、を備えた通信システム。
９． 第１の周波数を持つ光搬送波をデータ信号で変調して信号光として出力し、
前記信号光の周波数を所定の周波数オフセット量に基づいて前記第１の周波数から第２の周波数へシフトさせて出力し、
前記第２の周波数へのシフトの際に生じる高調波成分が前記データ信号の帯域と重複しないように前記周波数オフセット量を制御する、送信方法。
１０． データ信号で変調された、第２の周波数を持つ信号光を受信し、
第３の周波数を持つ局発光の周波数を、所定の周波数オフセット量に基づいて前記第２の周波数へシフトさせて出力し、
前記第２の周波数へのシフトの際に生じる高調波成分が前記データ信号の帯域と重複しないように前記周波数オフセット量を制御し、
前記信号光と前記第２の周波数へシフトさせた前記局発光とを用いてコヒーレン卜受信を実行する、受信方法。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】