光宇宙通信重力波検出卫星用课件

光宇宙通信重力波検出卫星用2022/12/17光宇宙通信重力波検出卫星用光宇宙通信重力波検出卫星用2022/12/10光宇宙通信重力1１．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。光宇宙通信重力波検出卫星用１．まえがき光宇宙通信重力波検出卫星用2Fig.1Configurationofalightwirelesssystem.

INFOMOD/AMPLIGHTSOURCEPHOTODETECTOROPTICALRECEIVEROPTICALTRANSMITTERTRANSMITTINGANTENNAINFORECEIVINGANTENNAOpticalsignalElectricsignalPROPAGATIONMEDIA光宇宙通信重力波検出卫星用Fig.1Configurationofaligh3図２光伝送系と光トランスポンダの構成光宇宙通信重力波検出卫星用図２光伝送系と光トランスポンダの構成光宇宙通信重力波検出卫42.2Transmissionofsignalpowerbylight・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.光宇宙通信重力波検出卫星用2.2Transmissionofsignalpow5

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

光宇宙通信重力波検出卫星用

表1光回線の解析（λ=0.85μm）項目数値備考レーザ6・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）検波光宇宙通信重力波検出卫星用・光信号を電気信号に直す：光宇宙通信重力波検出卫星用7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）信号スペクトル光宇宙通信重力波検出卫星用図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8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）光宇宙通信重力波検出卫星用ヘテロダイン検波光宇宙通信重力波検出卫星用9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）光宇宙通信重力波検出卫星用よって信号電力光宇宙通10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Pr>Pmin （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PtLdipGarGaifGat<Pt （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、PtLｓｒGarGaifGat<Pt （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）光宇宙通信重力波検出卫星用光トランスポンダが満たすべき条件光宇宙通信重力波検出卫星用112.3Noisesgeneratedinareceiver・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.光宇宙通信重力波検出卫星用2.3Noisesgeneratedinarece12**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光宇宙通信重力波検出卫星用**amplifier:RL=50kΩ,T=29013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。光宇宙通信重力波検出卫星用ヘテロダイン検波における雑音光宇宙通信重力波検出卫星用14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。光宇宙通信重力波検出卫星用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（152.4Communicationquality・TheS/Nofanelectricsignalunderthermalnoiserestriction:

S/N=K1/R4 (9a)and

(9b)wherethecircumferencetemperatureTispresupposedtobeequaltoT0.・Thenoiseexistsanytimeregardlessofthesignal.・TheS/Nundershotnoiserestriction: S/N=K2/R2 (10a)and (10b)・Theshotnoiseincreaseswhenalevelishigh:selectionofthediscriminationlevelofthemarkandspace.光宇宙通信重力波検出卫星用2.4Communicationquality光宇宙通16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。光宇宙通信重力波検出卫星用重力波検出衛星の通信品質光宇宙通信重力波検出卫星用17図５Comparisonbetweenalightwaveantennaandtelescope光宇宙通信重力波検出卫星用図５Comparisonbetweenalightw18・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.光宇宙通信重力波検出卫星用・Themethodofdesigningadif19Fig.4Exampleofdesignofahigh-efficiencylightwaveantenna光宇宙通信重力波検出卫星用Fig.4Exampleofdesignofa20３．２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。光宇宙通信重力波検出卫星用３．２光波伝搬特性光宇宙通信重力波検出卫星用21Fig.9Applicationsoflightwavecommunications

betweensatellites.光宇宙通信重力波検出卫星用Fig.9Applicationsoflightw22Fig.10SILEXsystemconfiguration.光宇宙通信重力波検出卫星用Fig.10SILEXsystemconfigura23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システムの諸元光宇宙通信重力波検出卫星用波長帯0.8-0.85μmＬＤ光出力60mWデータ24OutlineofOICETSLaunchdate Nov.in2000orlaterLaunchvehicle Three-stageJ-IrocketLaunchsite TanegashimaspacecenterMissionlife MorethanoneyearWeight Approx.550kgOrbitaltitude Approx.600kmOrbitinclination 35degreesAttitudecontrol Three-axisstabilizedFromNASDA光宇宙通信重力波検出卫星用OutlineofOICETSLaunchdate N25OutlineofLUCETerminalmass: approx.130kgPowerconsumption: approx.280WWavelength: 847nm(transmission) 819nm(receiving)Bitrate: 2.048Mbps(Forwardlink) 49.3724Mbps(Returnlink)Opticalantennadiameter: 0.26mObscurationratio: 0.2Truncationratio: 2.364Wavefronterror: 800nm/10r.m.sFromNASDA光宇宙通信重力波検出卫星用OutlineofLUCETerminalmass:26PointingErrorBudgetsFromNASDA光宇宙通信重力波検出卫星用PointingErrorBudgetsFromNAS27図初期捕捉追尾シーケンス光宇宙通信重力波検出卫星用図初期捕捉追尾シーケンス光宇宙通信重力波検出卫星用28図１１SAGITTARIUS光学系光宇宙通信重力波検出卫星用図１１SAGITTARIUS光学系光宇宙通信重力波検出卫29５．まとめ重力波検出衛星を実現するため、以下の研究課題が考えられる。（１）レーザ周波数安定度出力効率e.g.SagittariusではNd:YAGレーザ（１．０６μｍ）で出力１Ｗ

（２）光アンテナ鏡面修整開口能率（大きさ、重さ）所望の開口面分布：製作誤差、サドローブ微調機構光宇宙通信重力波検出卫星用５．まとめ光宇宙通信重力波検出卫星用30演讲完毕，谢谢听讲!再见，seeyouagain2022/12/17光宇宙通信重力波検出卫星用演讲完毕，谢谢听讲!再见，seeyouagain202231光宇宙通信重力波検出卫星用2022/12/17光宇宙通信重力波検出卫星用光宇宙通信重力波検出卫星用2022/12/10光宇宙通信重力32１．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。光宇宙通信重力波検出卫星用１．まえがき光宇宙通信重力波検出卫星用33Fig.1Configurationofalightwirelesssystem.

INFOMOD/AMPLIGHTSOURCEPHOTODETECTOROPTICALRECEIVEROPTICALTRANSMITTERTRANSMITTINGANTENNAINFORECEIVINGANTENNAOpticalsignalElectricsignalPROPAGATIONMEDIA光宇宙通信重力波検出卫星用Fig.1Configurationofaligh34図２光伝送系と光トランスポンダの構成光宇宙通信重力波検出卫星用図２光伝送系と光トランスポンダの構成光宇宙通信重力波検出卫352.2Transmissionofsignalpowerbylight・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.光宇宙通信重力波検出卫星用2.2Transmissionofsignalpow36

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

光宇宙通信重力波検出卫星用

表1光回線の解析（λ=0.85μm）項目数値備考レーザ37・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）検波光宇宙通信重力波検出卫星用・光信号を電気信号に直す：光宇宙通信重力波検出卫星用38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）信号スペクトル光宇宙通信重力波検出卫星用図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39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）光宇宙通信重力波検出卫星用ヘテロダイン検波光宇宙通信重力波検出卫星用40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）光宇宙通信重力波検出卫星用よって信号電力光宇宙通41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Pr>Pmin （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PtLdipGarGaifGat<Pt （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、PtLｓｒGarGaifGat<Pt （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）光宇宙通信重力波検出卫星用光トランスポンダが満たすべき条件光宇宙通信重力波検出卫星用422.3Noisesgeneratedinareceiver・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.光宇宙通信重力波検出卫星用2.3Noisesgeneratedinarece43**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光宇宙通信重力波検出卫星用**amplifier:RL=50kΩ,T=29044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。光宇宙通信重力波検出卫星用ヘテロダイン検波における雑音光宇宙通信重力波検出卫星用45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。光宇宙通信重力波検出卫星用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（462.4Communicationquality・TheS/Nofanelectricsignalunderthermalnoiserestriction:

S/N=K1/R4 (9a)and

(9b)wherethecircumferencetemperatureTispresupposedtobeequaltoT0.・Thenoiseexistsanytimeregardlessofthesignal.・TheS/Nundershotnoiserestriction: S/N=K2/R2 (10a)and (10b)・Theshotnoiseincreaseswhenalevelishigh:selectionofthediscriminationlevelofthemarkandspace.光宇宙通信重力波検出卫星用2.4Communicationquality光宇宙通47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。光宇宙通信重力波検出卫星用重力波検出衛星の通信品質光宇宙通信重力波検出卫星用48図５Comparisonbetweenalightwaveantennaandtelescope光宇宙通信重力波検出卫星用図５Comparisonbetweenalightw49・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.光宇宙通信重力波検出卫星用・Themethodofdesigningadif50Fig.4Exampleofdesignofahigh-efficiencylightwaveantenna光宇宙通信重力波検出卫星用Fig.4Exampleofdesignofa51３．２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。光宇宙通信重力波検出卫星用３．２光波伝搬特性光宇宙通信重力波検出卫星用52Fig.9Applicationsoflightwavecommunications

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