光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用課件

光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用2022/12/17光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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衛(wèi)星用１．まえがき光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用2Fig.1Configurationofalightwirelesssystem.

INFOMOD/AMPLIGHTSOURCEPHOTODETECTOROPTICALRECEIVEROPTICALTRANSMITTERTRANSMITTINGANTENNAINFORECEIVINGANTENNAOpticalsignalElectricsignalPROPAGATIONMEDIA光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用Fig.1Configurationofaligh3図２光伝送系と光トランスポンダの構(gòu)成光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用図２光伝送系と光トランスポンダの構(gòu)成光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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衛(wèi)星用2.2Transmissionofsignalpow5

表1光回線の解析（λ=0.85μm）項目數(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

光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用

表1光回線の解析（λ=0.85μm）項目數(shù)値備考レーザ6?光信號を電気信號に直す：（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衛(wèi)星用?光信號を電気信號に直す：光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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）信號スペクトル光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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號波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iｉ(t)更に高周波數(shù)の光

（１０）光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用ヘテロダイン検波光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用9よって信號電力 （１２）光信號波の電力を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衛(wèi)星用よって信號電力光宇宙通10光トランスポンダが満たすべき條件（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(wèi)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、元より小さい條件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、伝搬路上の散亂?反射現(xiàn)象により決まる。（３）左衛(wèi)星から放射た後戻って來る光が、右衛(wèi)星から折り返されて來る光に対し、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衛(wèi)星用光トランスポンダが満たすべき條件光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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衛(wèi)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衛(wèi)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：中間周波數(shù)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(yōu)勢であるが、信號レベル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、信號による雑音増加が無い。（３）BＩＦを狹くすることにより、S/Nを良くできる。光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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衛(wèi)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衛(wèi)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衛(wèi)星用2.4Communicationquality光宇宙通16重力波検出衛(wèi)星の通信品質(zhì)（１）最終的な情報は、送出光（基準光）と戻り光（信號光）を干渉させそのアナログ的光変化を、PDにより電気信號に変換したもの（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來る。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(wèi)星では、受信光と自由発振レーザの干渉狀態(tài)を一定にするべく制御する。このとき観測周波數(shù)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衛(wèi)星用重力波検出衛(wèi)星の通信品質(zhì)光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用17図５Comparisonbetweenalightwaveantennaandtelescope光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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衛(wèi)星用?Themethodofdesigningadif19Fig.4Exampleofdesignofahigh-efficiencylightwaveantenna光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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）天體や他の光波源からの干渉?混入。光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用３．２光波伝搬特性光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用21Fig.9Applicationsoflightwavecommunications

betweensatellites.光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用Fig.9Applicationsoflightw22Fig.10SILEXsystemconfiguration.光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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)望遠鏡口徑0.25m指向精度0.3rad(random)

0.8rad(static)裝置重量160kg表５SILEXシステムの諸元光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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衛(wèi)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衛(wèi)星用OutlineofLUCETerminalmass:26PointingErrorBudgetsFromNASDA光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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衛(wèi)星用図初期捕捉追尾シーケンス光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用28図１１SAGITTARIUS光學(xué)系光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用図１１SAGITTARIUS光學(xué)系光宇宙通信重力波検出衛(wèi)29５．まとめ重力波検出衛(wèi)星を?qū)g現(xiàn)するため、以下の研究課題が考えられる。（１）レーザ周波數(shù)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(diào)機構(gòu)光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用５．まとめ光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用30演講完畢，謝謝聽講!再見，seeyouagain2022/12/17光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用演講完畢，謝謝聽講!再見，seeyouagain202231光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用2022/12/17光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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衛(wèi)星用１．まえがき光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用33Fig.1Configurationofalightwirelesssystem.

INFOMOD/AMPLIGHTSOURCEPHOTODETECTOROPTICALRECEIVEROPTICALTRANSMITTERTRANSMITTINGANTENNAINFORECEIVINGANTENNAOpticalsignalElectricsignalPROPAGATIONMEDIA光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用Fig.1Configurationofaligh34図２光伝送系と光トランスポンダの構(gòu)成光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用図２光伝送系と光トランスポンダの構(gòu)成光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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衛(wèi)星用2.2Transmissionofsignalpow36

表1光回線の解析（λ=0.85μm）項目數(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

光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用

表1光回線の解析（λ=0.85μm）項目數(shù)値備考レーザ37?光信號を電気信號に直す：（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衛(wèi)星用?光信號を電気信號に直す：光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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）信號スペクトル光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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號波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iｉ(t)更に高周波數(shù)の光

（１０）光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用ヘテロダイン検波光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用40よって信號電力 （１２）光信號波の電力を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衛(wèi)星用よって信號電力光宇宙通41光トランスポンダが満たすべき條件（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(wèi)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、元より小さい條件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、伝搬路上の散亂?反射現(xiàn)象により決まる。（３）左衛(wèi)星から放射た後戻って來る光が、右衛(wèi)星から折り返されて來る光に対し、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衛(wèi)星用光トランスポンダが満たすべき條件光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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衛(wèi)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衛(wèi)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：中間周波數(shù)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(yōu)勢であるが、信號レベル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、信號による雑音増加が無い。（３）BＩＦを狹くすることにより、S/Nを良くできる。光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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衛(wèi)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衛(wèi)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衛(wèi)星用2.4Communicationquality光宇宙通47重力波検出衛(wèi)星の通信品質(zhì)（１）最終的な情報は、送出光（基準光）と戻り光（信號光）を干渉させそのアナログ的光変化を、PDにより電気信號に変換したもの（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來る。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(wèi)星では、受信光と自由発振レーザの干渉狀態(tài)を一定にするべく制御する。このとき観測周波數(shù)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衛(wèi)星用重力波検出衛(wèi)星の通信品質(zhì)光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用48図５Comparisonbetweenalightwaveantennaandtelescope光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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衛(wèi)星用?Themethodofdesigningadif50Fig.4Exampleofdesignofahigh-efficiencylightwaveantenna光宇宙通信重力波検出衛(wèi)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）天體や他の光波源からの干渉?混入。光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用３．２光波伝搬特性光宇宙通信重力波検出衛(wèi)星用52Fig.9Applicationsoflightwavecommunications

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