光宇宙通信と重力波検出衛(wèi)星用光トランスポンダ２００２年５月９日

高野忠TadashiTakano

文部省宇宙科學(xué)研究所〒229-8510神奈川県相模原市由野臺(tái)3-1-1ttakano@radionet.isas.ac.jp目次１．まえがき２．光通信の基礎(chǔ)３．光回路の特性４．システム構(gòu)成例５．まとめ１．まえがき?光波を通信（１）広い周波數(shù)帯域を確保できる。従って大容量伝送が可能である。（２）通信裝置を小型化できる可能性がある。?重力波検出衛(wèi)星回路素子、S/Nの考え方、回線設(shè)計(jì)法には、光宇宙通信と類似性が強(qiáng)い。Fig.1Configurationofalightwirelesssystem.

INFOMOD/AMPLIGHTSOURCEPHOTODETECTOROPTICALRECEIVEROPTICALTRANSMITTERTRANSMITTINGANTENNAINFORECEIVINGANTENNAOpticalsignalElectricsignalPROPAGATIONMEDIA図２光伝送系と光トランスポンダの構(gòu)成2.2Transmissionofsignalpowerbylight?ThereceivedlightpowerPr: Pr=PtGtLfLaGr (1)wherePtistheoutputofanopticaltransmitter,Gisthegainofalightwaveantenna,subscriptstandrexpresstransmissionandreception,respectively,Lfisthefreespacelossbetweentransmissionandreception,andLaistheadditionallossaccordingtoabsorption,scattering,etc.?Antennagaininthedirectionofthefront: G=α(πD/λ)2 (2)whereλiswavelength,αistheefficiencydecidedbythefielddistributiononthe

aperture,etc.,Distheaperturediameterofanantenna.?Accordingly. Lf=(λ/4πR)2 (3)whereRisthedistancebetweentransmissionandreception.?Asatypicalexample,alinkbetweenaGEOsatelliteandaLEOsatellite:-67.1dBmversus-40dBmsofanopticalfiberrepeater.

表1光回線の解析（λ=0.85μm）項(xiàng)目數(shù)値備考レーザ光出力20dBm100mW送信アンテナ利得104.4dBD=0.1m,α=0.2自由空間損失-295.9dBR=4.2x10７m受信アンテナ利得104.4dBD=0.1m,α=0.2受信光電力-67.1dBm

?光信號(hào)を電気信號(hào)に直す：（ａ）直接検波、（ｂ）ヘテロダイン（ホモダイン）検波図３光へテロダイン検波回路のブロック図と中間周波（IF）信號(hào)スペクトルヘテロダイン検波光信號(hào)波eｓ(t)＝aｓ(t)cos(ωｃt+φ) （６）光局部発振波eｌ(t)＝aｌcos(ωｌt) （７）電力＝K×e２ （８）検波器出力電流＝SD×電力 （９）SD：検波器の感度、SD=ηq/hfよって、光周波數(shù)混合器（光ダイオード）の出力電流i(t)は、

[cos{(ωｃ-ωｌ)t+φ}+cos{(ωｃ+ωｌ)t+φ}]↓↓電気信號(hào)iｉ(t)更に高周波數(shù)の光

（１０）よって信號(hào)電力 （１２）光信號(hào)波の電力をPｒ、局発電力をPｌとすれば （１３）よって、 （１４）光トトラランンススポポンンダダがが満満たたすすべべきき條條件件（１１））戻戻りり光光Prがが最最小小のの検検出出レレベベルルPminをを上上回回っってていいるるここととPr>Pmin（（１１５５））Pminはは、、干干渉渉処処理理にに必必要要ななS/Nとと受受信信系系のの雑雑音音特特性性にによよりり決決ままるる。。（２２））次次にに右右衛(wèi)衛(wèi)星星かからら折折りり返返さされれ再再放放射射さされれるる光光はは、、一一部部反反射射さされれるるがが、、発発振振にに至至ららなないいこことと?送送受受分分離離器器DIPでで分分離離不不完完全全ののたためめ、、LdipPtだだけけ受受信信器器Rxにに入入っっててししままうう。。従従っってて、、DIP入入りり口口ままででののルルーーププをを経経たた送送信信光光がが、、元元よよりり小小ささいい條條件件PtLdipGarGaifGat<Pt（（１１６６））?同同じじくく、、右右アアンンテテナナかからら放放射射さされれたた光光がが空空間間でで折折りり返返さされれ戻戻っっててくくるるののでで、、PtLｓｓｒｒGarGaifGat<Pt（（１１７７））?空空間間折折りり返返しし光光のの減減衰衰Lsrはは、、伝伝搬搬路路上上のの散散亂亂??反反射射現(xiàn)現(xiàn)象象にによよりり決決ままるる。。（３３））左左衛(wèi)衛(wèi)星星かからら放放射射たた後後戻戻っってて來(lái)來(lái)るる光光がが、、右右衛(wèi)衛(wèi)星星かからら折折りり返返さされれてて來(lái)來(lái)るる光光にに対対しし、、充充分分小小ささいい必必要要かからら、、PtGtLfGr＞＞＞＞PtLdip（（１１８８））PtGtLfGr＞＞＞＞PtLｓｓｒｒ（（１１９９））2.3Noisesgeneratedinareceiver?Theshotnoiseins2:<ins2>=2q(iso+id)BM2+x(6)whereid:diodedarkcurrent,x:excessnoisefactor,andB:thefrequencybandwidthinbaseband.?ThermalnoisebyaloadresistanceRL,<inth12>:<inth12>=4kTB/RL.(7)?Thermalnoisebyanamplifier:<inth22>=(F-1)4kToB/RL(8)whereF:amplifiernoisefigureandTo:standardtemperature(290deg.C).?ThetotalnoiseisexpressedbythesumofEqs.(6),(7),and(8).?Shotnoiserestriction,andthermalnoiserestriction.**amplifier:RL=50kΩ,T=290K,F=2ModulationschemeIntensitymodulation(IM)DetectionschemeDirectdetection(DD)DetectordiodePD(M=1,η=1)APD(M=103,x=0.5,η=1)Signal:Eq.(5)133pA133nAShotnoise:Eq.(6)Thermalnoise:Eqs.(7)+(8)**Table2Electricsignalandnoiseatthemarkreceptionヘテロダインン検波におけける雑音雑音電力（２３）ここにBＩＦＦ：中間周波波數(shù)段での帯帯域幅。しかし局発電電力を充分大大きくすればばN≒RＬqSＤ?Pｌ?BIF（２４）よってショッット雑音優(yōu)勢(shì)勢(shì)であるが、、信號(hào)レベルルPrに依ららない。この時(shí)（２５）特色（直接検検波に比べてて）（１）検波器器出力電流i(t)は、、eｓ(t)に比例（位位相情報(bào)有りり）。従ってて、AM、FM、PMがが可能（cf.直接検検波ではIM）（２）S/NがPｒに比比例し、信號(hào)號(hào)による雑音音増加が無(wú)いい。（３）BＩＦＦを狹くするることによりり、S/Nをを良くできるる。極微弱な光をを受信する場(chǎng)場(chǎng)合は、上式式のＰｒの量量子性に基づづく雑音（量量子雑音）がが発生する。。1μｍ波長(zhǎng)長(zhǎng)光に対し、、hf/2＝1.88×10－１９Joule＝9.4x10-20W/Hz（（２６６）従って受信レレベルPrがが、下記の値値より充分大大きいことがが必要であるる。9.4x10E-20B（W）＝＝－１６０．．３＋[B]（ｄBm） （２７７）帯域Bは、系系の安定性でで決まる。例例えばB=1kHzとすすれば、Prc=-130.3dBm。従ってて量子雑音音は、無(wú)視でできる。2.4Communicationquality?TheS/Nofanelectricsignalunderthermalnoiserestriction:S/N=K1/R4(9a)and(9b)wherethecircumferencetemperatureTispresupposedtobeequaltoT0.?Thenoiseexistsanytimeregardlessofthesignal.?TheS/Nundershotnoiserestriction:S/N=K2/R2(10a)and(10b)?Theshotnoiseincreaseswhenalevelishigh:selectionofthediscriminationlevelofthemarkandspace.重力波検出衛(wèi)衛(wèi)星の通信品品質(zhì)（１）最終的的な情報(bào)は、、送出光（基基準(zhǔn)光）と戻戻り光（信號(hào)號(hào)光）を干渉渉させそのアアナログ的的光変化を、、PDによりり電気信號(hào)にに変換したももの（２）その干干渉縞が判別別できるだけけのS/N（（電気）が必必要。（３）基準(zhǔn)光光は充分強(qiáng)くくすることがが出來(lái)る。従従って戻り光光は極微弱にになるが、シショット雑雑音制限域にになる（ヘテテロダイン検検波と同じ））。（４）折り返返し衛(wèi)星ではは、受信光とと自由発振レレーザの干渉渉狀態(tài)を一定定にするべくく制御する。。このときき観測(cè)周波數(shù)數(shù)を消さないいで、かつ帯帯域（例えばば０．１Hz以下）の雑雑音を充分抑抑える必要要がある。図５Comparisonbetweenalightwaveantennaandtelescope?ThemethodofdesigningadiffractionlimitlightwaveantennawithincidenceoftheGaussianbeam.?Thelengthofalightwaveantenna:important,especiallyonasatellite.?F/DwhereFisafocallength:(1)radiowaveantenna;F/D=0.3(2)Hubbletelescope;F/D=3,(3)SILEX;F/D=2.4.?ReflectorshapingmakesF/Dsmallforsinglewavelength.?However,thehighefficiencydesignwillbedegradedsignificantlybythemechanicalerror.?AntennasforanindoorlightwirelessLANoranIrDAsystemcanbegivenbyageometricopticalmethod.Fig.4Exampleofdesignofahigh-efficiencylightwaveantenna３．２光波波伝搬特性（１）宇宙ププラズマによよるシンチレレーションやや減衰。（２）天體やや他の光波源源からの干渉渉?混入。Fig.9Applicationsoflightwavecommunicationsbetweensatellites.Fig.10SILEXsystemconfiguration.波長(zhǎng)帯0.8-0.85μmＬＤ光出力60mWデータ速度50Mbps(GEO-LEO)

2Mbps(LEO-GEO)望遠(yuǎn)鏡口徑0.25m指向精度0.3rad(random)

0.8rad(static)裝置重量160kg表５SILEXシステテムの諸元OutlineofOICETSLaunchdate Nov.in2000orlaterLaunchvehicleThree-stageJ-IrocketLaunchsite TanegashimaspacecenterMissionlife MorethanoneyearWeight Approx.550kgOrbitaltitudeApprox.600kmOrbitinclination 35degreesAttitudecontrol Three-axisstabilizedFromNASDAOutlineofLUCETerminalmass:approx.130kgPowerconsumption: approx.280WWavelength: 847nm(transmission)819nm(receiving)Bitrate:2.048Mbps(Forwardlink)49.3724Mbps(Returnlink)Opticalantennadiameter:0.26mObscurat