特開 2024-122526 光受信機及び光送信機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024122526

(43)【公開日】2024-09-09

(54)【発明の名称】光受信機及び光送信機

(51)【国際特許分類】

   H04B 10/66 20130101AFI20240902BHJP

   H04B 10/50 20130101ALI20240902BHJP

   H04J 14/02 20060101ALI20240902BHJP

   H04J 14/06 20060101ALI20240902BHJP

【ＦＩ】

H04B10/66

H04B10/50

H04J14/02

H04J14/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023030105

(22)【出願日】2023-02-28

(71)【出願人】

【識別番号】000208891

【氏名又は名称】ＫＤＤＩ株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】899000068

【氏名又は名称】学校法人早稲田大学

(74)【代理人】

【識別番号】110003281

【氏名又は名称】弁理士法人大塚国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】林 穂高

(72)【発明者】

【氏名】高橋 英憲

(72)【発明者】

【氏名】森田 逸郎

【テーマコード（参考）】

5K102

【Ｆターム（参考）】

5K102AA02

5K102AA52

5K102AB07

5K102AD01

5K102AD15

5K102AH02

5K102AH23

5K102AH27

5K102MA02

5K102MB08

5K102PB01

5K102PD14

5K102PH22

5K102PH33

5K102PH47

5K102PH48

5K102PH49

5K102PH50

(57)【要約】

【課題】ＰＰＭ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。
【解決手段】パルス位置変調されたシンボルが繰り返される信号光を受信する光受信機は、第１受光手段から第Ｍ受光手段（Ｍは２以上の整数）を備え、第ｍ受光手段（ｍは１からＭまでの整数）は、Ｍ個のシンボル毎に１つのシンボルを検出し、かつ、他の（Ｍ－１）個の受光手段と同じシンボルを検出しない様に構成されている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

パルス位置変調されたシンボルが繰り返される信号光を受信する光受信機であって、
第１受光手段から第Ｍ受光手段（Ｍは２以上の整数）を備え、
第ｍ受光手段（ｍは１からＭまでの整数）は、Ｍ個のシンボル毎に１つのシンボルを検出し、かつ、他の（Ｍ－１）個の受光手段と同じシンボルを検出しない様に構成されている、光受信機。

【請求項2】

前記光受信機は、
前記シンボルを単位として前記信号光を分離することで第１信号光から第Ｍ信号光を出力する分離手段をさらに備え、
前記第ｍ受光手段は、第ｍ信号光を検出する、請求項１に記載の光受信機。

【請求項3】

前記繰り返されるシンボルそれぞれの波長又は偏波は、Ｍ個の異なる波長又は偏波の内の１つであり、
前記分離手段は、前記信号光を波長分離又は偏波分離することで、前記第１信号光から前記第Ｍ信号光を出力する、請求項２に記載の光受信機。

【請求項4】

前記繰り返されるシンボルそれぞれの波長及び偏波は、波長及び偏波のＭ個の異なる組み合わせの内の１つであり、
前記分離手段は、前記信号光を波長分離及び偏波分離することで、前記第１信号光から前記第Ｍ信号光を出力する、請求項２に記載の光受信機。

【請求項5】

前記分離手段は、光スイッチを含む、請求項２に記載の光受信機。

【請求項6】

前記光受信機は、
前記信号光を分岐することで第１信号光から第Ｍ信号光を出力する分岐手段と、
前記第１受光手段から前記第Ｍ受光手段の動作状態を、光を検出するアクティブ状態及び光を検出しない非アクティブ状態のいずれかに設定する状態設定手段と、
を備え、
前記第ｍ受光手段には、第ｍ信号光が入力され、
前記状態設定手段は、前記第ｍ受光手段が、Ｍ個のシンボル毎に１つのシンボルを検出し、かつ、他の（Ｍ－１）個の受光手段と同じシンボルを検出しない様に前記第ｍ受光手段の動作状態を設定する、請求項１に記載の光受信機。

【請求項7】

前記第ｍ受光手段が検出する第１シンボルの終了タイミングから、前記第ｍ受光手段が前記第１シンボルの次に検出する第２シンボルの開始タイミングまでの期間は、前記第ｍ受光手段が連続して光を検出できる最小期間より大きい、請求項１から６のいずれか１項に記載の光受信機。

【請求項8】

前記第１受光手段から前記第Ｍ受光手段は、単一フォトン検出器を含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の光受信機。

【請求項9】

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、請求項８に記載の光受信機。

【請求項10】

パルス位置変調されたシンボルが繰り返される信号光を送信する光送信機であって、
送信するデータに基づきパルス位置変調されたシンボルを生成する複数の変調手段と、
前記複数の変調手段が生成した前記シンボルを多重する多重化手段と、
を備え、
前記多重は、波長多重と偏波多重の内の少なくとも１つであり、
前記複数の変調手段が前記シンボルを生成するタイミングはそれぞれ異なる、光送信機。

【請求項11】

前記複数の変調手段が前記シンボルを生成するために使用する光の波長はそれぞれ異なる、請求項１０に記載の光送信機。

【請求項12】

前記複数の変調手段の内の第１変調手段が生成する第１シンボルの終了タイミングから、前記第１変調手段が前記第１シンボルの次に生成する第２シンボルの開始タイミングまでの期間は、前記第１変調手段が生成した前記シンボルを検出する受光手段が連続して光を検出できる最小期間より大きい、請求項１０又は１１に記載の光送信機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光通信技術に関する。

【背景技術】

【0002】

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、タイムスロットの位置（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内で光（パルス光）を送信し、その他のタイムスロットでは光の送信を停止する。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。

【0003】

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。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

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

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＳＰＤ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ＳＰＤを構成することができる。但し、ＡＰＤを用いたＳＰＤ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ＳＰＤ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。したがって、情報伝送量は、ＳＰＤのガードタイムにより制限される。

【0006】

本開示は、ＰＰＭ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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様によると、パルス位置変調されたシンボルが繰り返される信号光を受信する光受信機は、第１受光手段から第Ｍ受光手段（Ｍは２以上の整数）を備え、第ｍ受光手段（ｍは１からＭまでの整数）は、Ｍ個のシンボル毎に１つのシンボルを検出し、かつ、他の（Ｍ－１）個の受光手段と同じシンボルを検出しない様に構成されている。

【発明の効果】

【0008】

本開示によると、ＰＰＭ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。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】幾つかの実施形態による、光送信機が送信する信号光の構成を示す図。

【図2】幾つかの実施形態による、光送信機の構成図。

【図3】幾つかの実施形態による、光受信機の構成図。

【図4】幾つかの実施形態による、光送信機の構成図。

【図5】幾つかの実施形態による、光受信機の構成図。

【図6】幾つかの実施形態による、光受信機の構成図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

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。

【0011】

＜第一実施形態＞
図１は、光送信機が送信する信号光の構成を示している。信号光は、複数のシンボルの繰り返しで構成される。図１に示す様に、１つのシンボルの期間（シンボル期間）はＴである。１つのシンボルは、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のタイムスロットを含む。Ｎ個のタイムスロットのそれぞれは、上述した様に、ｌоｇ_２Ｎビットのデータのいずれかに対応付けられる。例えば、Ｎ＝４の場合、４つのタイムスロットは、４つの２ビットデータ"００"、"０１"、"１０"及び"１１"と１対１に対応付けられる。したがって、光送信機は、１シンボルでｌоｇ_２Ｎビットのデータを搬送することができる。

【0012】

図２は、本実施形態による光送信機の構成図である。光源１０は、波長λ１の光を光変調器１１に送信する。光源２０は、波長λ１とは異なる波長λ２の光を光変調器２１に送信する。光源３０は、波長λ１及びλ２とは異なる波長λ３の光を光変調器３１に送信する。分配部４１は、入力されるデータをｌоｇ_２Ｎビット毎に区切り、例えば、ラウンドロビン形式で光変調器１１、光変調器２１及び光変調器３１に出力する。光変調器１１、光変調器２１及び光変調器３１は、入力されたｌоｇ_２Ｎビットのデータに対応するタイムスロットで、対応する光源から入力された波長の光（パルス光）を出力する。以下では、光変調器１１、光変調器２１及び光変調器３１が出力するパルス位置変調（ＰＰＭ）された光をＰＰＭ光とも表記する。

【0013】

３つの光変調器１１、２１及び３１がＰＰＭ光を出力するタイミングは互いに異なる。本実施形態では、３つの変調器を使用しているため、光変調器１１、２１及び３１がＰＰＭ光を出力するシンボルは、３シンボルに１回となる。一例として、光変調器１１がＰＰＭ光を出力するシンボルは、第１シンボル、第４シンボル、第７シンボル、・・といった、光変調器の数３で割った余りが１になる番号のシンボルである。光変調器２１がＰＰＭ光を出力するシンボルは、第２シンボル、第５シンボル、第８シンボル、・・といった、光変調器の数３で割った余りが２になる番号のシンボルである。光変調器３１がＰＰＭ光を出力するシンボルは、第３シンボル、第６シンボル、第９シンボル、・・といった、光変調器の数３で割った余りが０になる番号のシンボルである。

【0014】

波長多重器４０は、光変調器１１からの波長λ１のＰＰＭ光と、光変調器２１からの波長λ２のＰＰＭ光と、光変調器３１からの波長λ３のＰＰＭ光と、を波長多重したＰＰＭ光（波長多重ＰＰＭ光）を出力する。波長多重ＰＰＭ光は、光受信機に送信される。

【0015】

なお、本実施形態では、使用する波長を３つとし、よって、光変調器の数を３としている。より一般的に、使用する波長の数をＭ（Ｍは２以上の整数）とすると、第１光変調器から第Ｍ光変調器のＭ個の光変調器を設ける。そして、第Ｍ光変調器は、Ｍで割った余りが０となるシンボルでＰＰＭ光を送信し、第ｍ光変調器（ｍは１～Ｍ－１までの整数）は、Ｍで割った余りがｍとなるシンボルでＰＰＭ光を送信する。

【0016】

図３は、本実施形態による光受信機の構成図である。波長分離器５０は、受信する波長多重ＰＰＭ光を、波長λ１のＰＰＭ光と、波長λ２のＰＰＭ光と、波長λ３のＰＰＭ光と、に波長分離する。ＳＰＤ５１は、波長λ１のＰＰＭ光を検出して検出タイミングを出力する。ＳＰＤ５２は、波長λ２のＰＰＭ光を検出して検出タイミングを出力する。ＳＰＤ５３は、波長λ３のＰＰＭ光を検出して検出タイミングを出力する。ＳＰＤ５１～ＳＰＤ５３が出力するＰＰＭ光の検出タイミングは、図示しない復調部に出力される。復調部は、ＳＰＤ５１～ＳＰＤ５３が出力するＰＰＭ光の検出タイミングに基づき光送信機が送信したデータを判定する。

【0017】

図３に示す様に、ＳＰＤ５１～５３のそれぞれがパルス光を検出する最小間隔は、あるシンボルの終了タイミングから、当該あるシンボルより３つの後のシンボルの開始タイミングまでの期間、つまり、２シンボル期間に対応する２Ｔである。なお、使用する波長の数をＭとすると、各ＳＰＤがフォトンを検出する最小間隔は（Ｍ－１）Ｔとなる。したがって、この最小間隔が各ＳＰＤのガードタイムより大きくなる様に、使用する波長数又はシンボル期間Ｔを設定することで、各ＳＰＤは、ＰＰＭ光を検出することができる。

【0018】

以上の構成により、個々のＳＰＤのガードタイムで決まる情報伝送量より多い量の情報を伝送することができる。

【0019】

なお、上記実施形態では、波長多重を使用したが、波長多重に代えて、或いは、加えて偏波多重を使用することができる。例えば、右旋回偏波と、右旋回偏波とは直交する左旋回偏波とを使用することで、各ＳＰＤがフォトンを検出する最小間隔をＴとすることができる。なお、偏波多重は円偏波の多重に限定されず、直線偏波が使用できる場合には、２つの直交する直線偏波で偏波多重する構成であって良い。なお、波長多重と偏波多重の両方を使用する場合、使用する波長数と偏波数の組み合わせの数がＭとなる。

【0020】

なお、図２に示す様に、光源と光変調器はセットで使用される。このセットは、１つの光変調ユニットとも呼ばれ得る。

【0021】

＜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。図４は、本実施形態による光送信機の構成図である。光源１０は、波長λ１の光を光変調器１１に送信する。光変調器１１は、入力されるデータで波長λ１の光を変調してＰＰＭ光を出力する。具体的には、光変調器１１は、入力されるデータをｌоｇ_２Ｎビット毎に区切り、各シンボルについて、ｌоｇ_２Ｎビットのデータに対応するタイムスロットにおいて光を出力することでＰＰＭ光を出力する。

【0022】

図５は、本実施形態による光受信機の構成図である。光スイッチ６０は、受信するＰＰＭ光を、光受信機に設けられたＳＰＤの数と同じ３つにシンボル毎に分離する。したがって、図５に示す様に、ＳＰＤ５１～ＳＰＤ５３には、３シンボル毎に１つのシンボルが入力される。したがって、第一実施形態と同様に、ＳＰＤ５１～５３のそれぞれがパルス光を検出する最小間隔は、２シンボル期間に対応する２Ｔになる。なお、使用するＳＰＤの数をＭとすると、各ＳＰＤがパルス光を検出する最小間隔は（Ｍ－１）Ｔとなる。したがって、この最小間隔が各ＳＰＤのガードタイムより大きくなる様に、使用するＳＰＤの数又はシンボル期間Ｔを設定することで、各ＳＰＤは、ＰＰＭ光を検出することができる。

【0023】

＜第三実施形態＞
続いて、第三実施形態について、第二実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態の光送信機の構成は第二実施形態と同様である。図６は、本実施形態による光受信機の構成図である。本実施形態では、第二実施形態の光スイッチ６０に代えて、光カップラ７０を使用する。したがって、ＳＰＤ５１～ＳＰＤ５３には総てのシンボルが入力される。

【0024】

但し、本実施形態では、ＳＰＤ５１～ＳＰＤ５３がアクティブになる期間をタイミング制御回路７１で制御する。具体的には、タイミング制御回路７１は、１シンボルの期間だけＳＰＤをアクティブにすると、次の連続する２シンボルの期間は当該ＳＰＤが非アクティブとなる様に各ＳＰＤを制御する。なお、タイミング制御回路７１は、ＳＰＤ５１～ＳＰＤ５３がアクティブになる期間を互いに異ならせる。図６の網掛のシンボルは、対応するＳＰＤがアクティブにされることにより、当該ＳＰＤで検出されるシンボルを示している。したがって、第二実施形態と同様に、ＳＰＤ５１～５３のそれぞれがパルス光を検出する最小間隔は、２シンボル期間に対応する２Ｔになる。

【0025】

なお、使用するＳＰＤの数をＭとすると、タイミング制御回路７１は、各ＳＰＤをＭシンボルに１回だけ異なるタイミングでアクティブにする。これにより、各ＳＰＤがパルス光を検出する最小間隔は（Ｍ－１）Ｔとなる。したがって、この最小間隔が各ＳＰＤのガードタイムより大きくなる様に、使用するＳＰＤの数又はシンボル期間Ｔを設定することで、各ＳＰＤは、ＰＰＭ光を検出することができる。

【0026】

＜まとめ＞
以上、各実施形態で説明した様に、光受信機は、Ｍ個の受光部、例えば、ＳＰＤを有する。ＳＰＤは、例えば、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。光受信機は、光送信機から、パルス位置変調されたシンボルの繰り返しで構成される信号光を受信する。各ＳＰＤは、信号光のシンボルを、Ｍシンボル毎に１回だけ検出する様に構成される。なお、各ＳＰＤは、他の（Ｍ－１）個のＳＰＤと同じシンボルを検出しない様に構成される。この構成により、各ＳＰＤが光を検出する最小間隔を調整できる。例えば、あるＳＰＤが検出する第１シンボルの終了タイミングから、当該ＳＰＤが第１シンボルの次に検出する第２シンボルの開始タイミングまでの期間を、当該ＳＰＤが連続して光を検出できる最小期間より大きくする構成とし得る。よって、単一の受光部を使用する場合と比較して、光通信システムにおける情報伝送量をＭ倍に増加させることができる。

【0027】

なお、第一実施形態及び第二実施形態において、光受信機には、受信する信号光を分離して、第１信号光から第Ｍ信号光を出力する分離部を設ける。第１信号光から第Ｍ信号光は、それぞれ、Ｍ個のＳＰＤの内の１つに出力される。第一実施形態において、分離部は、波長分離器５０に対応する。なお、第一実施形態で述べたように、偏波多重を使用する場合、分離器は、偏波分離器となる。さらに、波長多重と偏波多重を併用する場合、分離部は、波長分離器５０及び偏波分離器を含む。また、第二実施形態において、分離部は、光スイッチ６０に対応する。

【0028】

一方、第三実施形態において、光受信機には、受信する信号光を第１信号光から第Ｍ信号光に分岐する分岐部を設ける。第１信号光から第Ｍ信号光は、それぞれ、Ｍ個のＳＰＤの内の１つに出力される。分岐部は、例えば、光カップラ７０である。さらに、第三実施形態において、光受信機には、Ｍ個のＳＰＤの動作状態を、光を検出するアクティブ状態と、光を検出しない非アクティブ状態と、のいずれかに設定する状態設定部が設けられる。状態設定部は、第三実施形態におけるタイミング制御回路７１に対応する。状態設定部は、各ＳＰＤがＭ個のシンボル毎に１つのシンボルを検出し、かつ、他の（Ｍ－１）個のＳＰＤと同じシンボルを検出しない様に各ＳＰＤの動作状態を設定する。

【0029】

また、本実施形態によると、パルス位置変調されたシンボルが繰り返される信号光を送信する光送信機が提供される。光送信機には、送信するデータに基づきパルス位置変調されたＰＰＭ光のシンボルを生成する複数の変調部と、複数の変調部が生成したシンボルを多重する多重化部と、が設けられる。なお、多重化部は、波長多重及び偏波多重の内の少なくとも１つを実行する。各変調部がシンボルを生成するタイミングについては互いに異ならせる。

【0030】

上記構成により、ＰＰＭ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。

【0031】

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。

【符号の説明】

【0032】

５１～５３：ＳＰＤ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】