光宇宙通信重力波検出卫星用

光宇宙通信と重力波検出衛星用光トランスポンダ２００２年５月９日高野忠TadashiTakano文部省宇宙科学研究所〒229-8510神奈川県相模原市由野台[e-mail]目次１．まえがき２．光通信の基礎３．光回路の特性４．システム構成例５．まとめ１．まえがき・光波を通信（１）広い周波数帯域を確保できる。従って大容量伝送が可能である。（２）通信装置を小型化できる可能性がある。・重力波検出衛星回路素子、S/Nの考え方、回線設計法には、光宇宙通信と類似性が強い。Fig.1Configurationofalightwirelesssystem.INFOMOD/AMPLIGHTSOURCEPHOTODETECTOROPTICALRECEIVEROPTICALTRANSMITTERTRANSMITTINGANTENNAINFORECEIVINGANTENNAOpticalsignalElectricsignalPROPAGATIONMEDIA図２光伝送系と光トランスポンダの構成2.2Transmissionofsignalpowerbylight・ThereceivedlightpowerPr:Pr=PtGtLfLaGr(1)wherePtistheoutputofanopticaltransmitter,Gisthegainofalightwaveantenna,subscriptstandrexpresstransmissionandreception,respectively,Lfisthefreespacelossbetweentransmissionandreception,andLaistheadditionallossaccordingtoabsorption,scattering,etc.・Antennagaininthedirectionofthefront:G=α(πD/λ)2(2)whereλiswavelength,αistheefficiencydecidedbythefielddistributionontheaperture,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）項目数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・光信号を電気信号に直す：（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）信号スペクトルヘテロダイン検波光信号波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、光周波数混合器（光ダイオード）の出力電流i(t)は、[cos{(ωｃ-ωｌ)t+φ}+cos{(ωｃ+ωｌ)t+φ}]↓↓電気信号iｉ(t)更に高周波数の光（１０）21)(2(t))e(t)(eKi(t)/S2lsDlsata)]tcos2[121(t)a)]tcos2([121(t)al2sc2sよって信号電力（１２）光信号波の電力をPｒ、局発電力をPｌとすれば（１３）よって、（１４）2141)(421222lsDLataKSR.)(21,)(2122taKPtaKPslsrlrDLIFPpSRS22122)(21tiRSiLIF光トランスポンダが満たすべき条件（１）戻り光Prが最小の検出レベルPminを上回っていることPrPmin（１５）Pminは、干渉処理に必要なS/Nと受信系の雑音特性により決まる。（２）次に右衛星から折り返され再放射される光は、一部反射されるが、発振に至らないこと・送受分離器DIPで分離不完全のため、LdipPtだけ受信器Rxに入ってしまう。従って、DIP入り口までのループを経た送信光が、元より小さい条件PtLdipGarGaifGatPt（１６）・同じく、右アンテナから放射された光が空間で折り返され戻ってくるので、PtLｓｒGarGaifGatPt（１７）・空間折り返し光の減衰Lsrは、伝搬路上の散乱・反射現象により決まる。（３）左衛星から放射た後戻って来る光が、右衛星から折り返されて来る光に対し、充分小さい必要から、PtGtLfGr＞＞PtLdip（１８）PtGtLfGr＞＞PtLｓｒ（１９）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=2Hz38pA/Hz0.804pA/ModulationschemeIntensitymodulation(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)**Hz0.007pA/Hz0.804pA/Table2Electricsignalandnoiseatthemarkreceptionヘテロダイン検波における雑音雑音電力（２３）ここにBＩＦ：中間周波数段での帯域幅。しかし局発電力を充分大きくすればN≒RＬqSＤ・Pｌ・BIF（２４）よってショット雑音優勢であるが、信号レベルPrに依らない。この時（２５）特色（直接検波に比べて）（１）検波器出力電流i(t)は、eｓ(t)に比例（位相情報有り）。従って、AM、FM、PMが可能（cf.直接検波ではIM）（２）S/NがPｒに比例し、信号による雑音増加が無い。（３）BＩＦを狭くすることにより、S/Nを良くできる。)(212tiRNilIFIFdrDlDL4kTB)BiPSPq(SRIFrIFrDhfBPgBPSNS極微弱な光を受信する場合は、上式のＰｒの量子性に基づく雑音（量子雑音）が発生する。1μｍ波長光に対し、hf/2＝1.88×10－１９Joule＝9.4x10-20W/Hz（２６）従って受信レベルPrが、下記の値より充分大きいことが必要である。9.4x10E-20B（W）＝－１６０．３＋[B]（ｄBm）（２７）帯域Bは、系の安定性で決まる。例えばB=1kHzとすれば、Prc=-130.3dBm。従って量子雑音は、無視できる。2.4Communicationquality・TheS/Nofanelectricsignalunderthermalnoiserestriction:S/N=K1/R4(9a)and(9b)wherethecircumferencetemperatureTispresupposedtobeequaltoT0.・Thenoiseexistsanytimeregardlessofthesignal.・TheS/Nundershotnoiserestriction:S/N=K2/R2(10a)and(10b)・Theshotnoiseincreaseswhenalevelishigh:selectionofthediscriminationlevelofthemarkandspace.B2M1hf4PtGtGrKx22B4kFTRhfqM4GGPK0L222rtt1重力波検出衛星の通信品質（１）最終的な情報は、送出光（基準光）と戻り光（信号光）を干渉させそのアナログ的光変化を、PDにより電気信号に変換したもの（２）その干渉縞が判別できるだけのS/N（電気）が必要。（３）基準光は充分強くすることが出来る。従って戻り光は極微弱になるが、ショット雑音制限域になる（ヘテロダイン検波と同じ）。（４）折り返し衛星では、受信光と自由発振レーザの干渉状態を一定にするべく制御する。このとき観測周波数を消さないで、かつ帯域（例えば０．１Hz以下）の雑音を充分抑える必要がある。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光波伝搬特性（１）宇宙プラズマによるシンチレーションや減衰。（２）天体や他の光波源からの干渉・混入。Fig.9Applicationsoflightwavecommunicationsbetweensatellites.Fig.10SILEXsystemconfiguration.波長帯0.8-0.85μmＬＤ光出力60mWデータ速度50Mbps(GEO-LEO)2Mbps(LEO-GEO)望遠鏡口径0.25m指向精度0.3rad(random)0.8rad(static)装置重量160kg表５SILEXシステムの諸元Totheearth(+Zaxis)(+Xaxis)(+Yaxis)FlightdirectionLUCE-OS-bandantennaOutlineofOICETSLaunchdateNov.in2000orlaterL