JP2003163634A - 副搬送波多重光伝送装置の光送信装置及び光受信装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 数ＧＨｚ帯の無線周波数を高い品質で伝送可
能とする光伝送装置を提供する。 【解決手段】 光送信装置２０では、高周波無線信号２
３を局部信号ＬＯを用い周波数変換器２２でダウンコン
バージョンし、レーザダイオード２５で第１波長の光信
号に変換し、局部信号ＬＯはレーザダイオード２６で第
２波長の光信号に変換し、両光信号をカプラ２７で合波
し光ファイバ伝送路２９に送信する。光受信装置３０で
は、両光信号をカプラ３１で分波し、第１波長の光信号
をフォトダイオード３２で無線信号に変換し、第２波長
の光信号をフォトダイオード３３で前記局部信号ＬＯに
変換し、両者を周波数変換器３４で混合してアップコン
バージョンし、高周波無線信号２３を再生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、携帯電話不感対策
用として地下街等に設けた無線基地局を他の無線基地局
に接続したり、通話品質改善用として無線基地局間を接
続する副搬送波多重光伝送装置の光送信装置及び光受信
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】アナログ光伝送による副搬送波多重（Ｓ
ＣＭ）方式の高周波（ＲＦ）信号光伝送は、携帯電話不
感対策、通話品質改善装置類や、光ＣＡＴＶなどに使用
されている。従来の光伝送方式は、被伝送ＲＦ信号をそ
のまま光強度変調し、周波数変換等を行わない方式が主
流である。しかしながら、ＩＭＴ−２０００と呼ばれる
第３世代携帯電話システムでは２．２ＧＨｚ帯が使用さ
れ、またＩＴＳ（高度道路交通システム）などでは５．
８ＧＨｚ帯が使用される予定である。この様に、無線周
波数の高周波化が著しくなると、高周波信号で、直接光
強度変調するのが困難になってきている。

【０００３】ＩＴＳにおいては、無線基地局間の効率的
な無線信号集配のためにアナログ光伝送によるＳＣＭ方
式を使用し、道路沿線に敷設した光ファイバを用いて、
５．８ＧＨｚ帯ＩＴＳ信号と同時に、１．９ＧＨｚ帯Ｐ
ＨＳ（簡易携帯電話）の信号も通すシステムが構想さ
れ、その実験が、郵政事業庁、警察庁、国土交通省など
で共同で行われている。

【０００４】このように、実用化を迎えつつある新無線
通信システムにおいても、ＳＣＭ方式の光伝送による無
線高周波信号の光ファイバによる集配は、システム構築
上の有力な手段として位置付けられている。しかし、使
用無線周波数の高周波化に伴い、光源および光変調器と
して用いられる半導体レーザダイオードの緩和振動周波
数の限界や、周波数多重化信号の伝送で特に問題となる
３次相互変調歪は、変調周波数の３乗に比例して劣化す
ることが理論的、実験的に裏付けられている。このた
め、非常に高価な高速外部光変調器を用いないと、直接
強度変調方式での光変調は限界に近づきつつある。

【０００５】このため、何らかの技術的ブレークスルー
が求められており、被伝送無線高周波信号を周波数変換
して低い周波数帯にダウンコンバージョンする方式が考
慮されるようになってきている。携帯電話用途では、周
波数変換を行ってＲＦ信号をダウンコンバージョンし、
これを伝送した後、再度、元の周波数に戻すことにな
る。周波数変換のためには、局部発信器とミキサが光送
信，受信の双方に必要となる。単純には、送信，受信の
それぞれに局部発信器を持てばよいが、局部発信器の温
度変化による周波数ドリフトなどにより、双方の局部発
信器の発振周波数のずれが大きくなる可能性がある。こ
のずれが大きくなると、光受信側での周波数再変換後の
周波数誤差が大きくなる可能性が大きい。

【０００６】通常、電波法および無線設備規則により、
携帯電話基地局装置類の送信周波数偏差は±０．０５ｐ
ｐｍ内と定められており、上記方式では、電波法令によ
る規定を逸脱する虞がある。この欠点を補った周波数変
換光伝送装置として、例えば、岡田ほかの「移動体通信
用マイクロ波光伝送システムの検討」信学技法ＯＭＩ９
５−３（１９９５年）に記載されている方式がある。

【０００７】図３は、この岡田等の従来方式の基本構成
図である。この従来方式は、送信側の局部発信器として
ＰＬＬシンセサイザ１を使用し、シンセサイザ１から出
力される局部発信信号ＬＯと被伝送ＲＦ信号とを混合器
（ＭＩＸ）３に入力して被伝送ＲＦ信号を周波数変換
し、周波数変換して得た中間周波数信号ＩＦを、バンド
パスフィルタ（ＢＰＦ）４を通すことで周波数変換時に
発生した不要周波数成分を除去し、その後、アンプ５に
より増幅する。一方、ＰＬＬシンセサイザ１の基準信号
（Ｒｅｆ信号）となる水晶発信器６の出力信号を、アン
プ７で増幅し、このアンプ７の出力信号（Ｒｅｆ信号）
と、周波数変換して得た中間周波数（ＩＦ）信号（アン
プ５の出力信号）とを周波数多重し、この周波数多重信
号でレーザダイオード（ＬＤ）８を駆動して光信号に変
換し出力する。

【０００８】受信側では、フォトダイオード（ＰＤ）１
０によって光電変換した後の周波数多重信号を、送信側
で周波数変換したＩＦ信号とＲｅｆ信号（ＰＬＬ基準信
号）に分離し、基準信号（Ｒｅｆ信号）をクリスタルフ
ィルタ１１でフィルタリングした後、ＰＬＬシンセサイ
ザ１２を動作させて局部発信信号を作り出す。受信側で
分離された中間周波数信号（ＩＦ信号）は、ハイパスフ
ィルタ１３を通した後、混合器１４によりＰＬＬシンセ
サイザ１２の局部発信信号と混合して周波数変換し、送
信側の入力信号（被伝送ＲＦ信号）を復調する。この被
伝送ＲＦ信号は、周波数変換時に発生した不要周波数成
分がバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１５によって除去さ
れ、アンプ１６で増幅された後、出力される。

【０００９】上述した様に、この従来方式は、受信側は
水晶発信器を持たず、送信側から送られてきた水晶発信
器６の信号を基準信号とするため、送信側の水晶発信器
６の発信周波数がドリフトしても、それに追従して、周
波数変換時点と同じ周波数の局部発信信号を受信側で発
生できる。岡田らの実験によると、送受信間の周波数偏
差を±０．０１ｐｐｍ程度とすることができたと報告さ
れている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３に
示す従来方式では、周波数変換したＩＦ信号の周波数帯
域幅は７５ＭＨｚであり、重畳した基準信号の周波数は
約１５ＭＨｚであるため、１本のレーザダイオード（Ｌ
Ｄ）で直接強度変調を行うと、レーザダイオード（Ｌ
Ｄ）の非線形性による２次相互変調歪がＩＦ信号帯域内
に発生する。これを電波法令に定める−６０ｄＢｃ（搬
送波周波数を基準としたデシベル値）以下とするには、
重畳する基準信号のレベルを一定値以上に大きくできな
いという問題が発生する。

【００１１】この２次相互変調歪を抑えるには、基準信
号レベルを低く抑えるしかないが、基準信号レベルを低
くしすぎると光伝送後の基準信号のＣＮＲが劣化するた
め、光受信側で再生した局部発信信号の位相雑音特性が
悪化し、周波数再変換後のＲＦ信号の品質劣化を招いて
しまう。このため、基準信号レベルの選択に当たって
は、レーザダイオード（ＬＤ）個別の非線形性を詳細に
考慮したレベルとする必要があり、レーザダイオードの
選別が困難になる。

【００１２】本発明の目的は、周波数変換ＳＣＭ方式光
伝送において、簡便かつ前述のような問題点を持たない
副搬送波多重光伝送装置の光送信装置及び光受信装置を
提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する請求
項１記載の光送信装置は、無線高周波信号をアナログ光
伝送する副搬送波多重光伝送装置の光送信装置であっ
て、入力された１ないしは周波数多重化された高周波無
線信号を周波数変換するための局部発信器及び周波数変
換回路と、該周波数変換回路で周波数変換された無線高
周波信号を第１光波長の光信号に変換する第１レーザダ
イオードと、前記局部発信器の分岐された出力を第２光
波長の光信号に変換する第２レーザダイオードと、前記
第１光波長の光信号と前記第２光波長の光信号とを合成
し光ファイバ伝送路へ出力する波長領域多重光合波カプ
ラとを有することを特徴とする。

【００１４】上記目的を達成する請求項２記載の光受信
装置は、請求項１記載の光送信装置から光ファイバ伝送
路を通して送信されてくる光信号を受信する副搬送波多
重光伝送装置の光受信装置であって、前記光ファイバ伝
送路から受光した光信号を前記第１光波長の光信号と前
記第２光波長の光信号とに分波する波長領域多重光分波
カプラと、該波長領域多重光分波カプラで分波された前
記第１光波長の光信号を光電変換して無線高周波信号を
復元する第１フォトダイオードと、前記波長領域多重光
分波カプラで分波された前記第２光波長の光信号を光電
変換して請求項１記載の局部発信器の出力周波数信号を
復元する第２フォトダイオードと、前記第１フォトダイ
オードで復元された無線高周波信号と前記第２フォトダ
イオードで復元された局部発信器出力周波数信号とで周
波数変換を行い請求項１記載の光送信装置に入力された
元の高周波無線信号を復元する周波数変換回路とを備え
ることを特徴とする。

【００１５】この様に本発明では、ダウンコンバージョ
ンした高周波無線信号を光信号に変換して送信すると共
に、この光信号に、前記ダウンコンバージョンするとき
使用した局部発信信号を前記光信号とは異なる波長の光
信号に変換して混合し、受信側では、２つの波長の光信
号を分離して前記ダウンコンバージョンした無線周波数
信号を復元すると共に前記局部発信信号を復元し、両者
を用いアップコンバージョンして高周波無線信号を再生
する構成としたため、無線信号を光信号に変換するレー
ザダイオードとして既存の半導体レーザダイオードを利
用することができ、周波数ドリフトに起因する問題や伝
送品質の問題も回避可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
を参照して説明する。

【００１７】図１は、本発明の第１の実施形態に係る光
伝送装置の構成図である。光送信部２０は、ＰＬＬや水
晶発信器等の局部発信器２１を有する。この局部発信器
２１の局部発信信号ＬＯを分岐し、一方は周波数変換器
（ＭＩＸ）２２に入力し、入力伝送ＲＦ信号２３をその
周波数よりも低い周波数帯に周波数変換し、ＢＰＦ２４
を通してＩＦ信号を出力する。ここまでは、図３の従来
方式で説明したのと同じ構成である。携帯電話もしくは
簡易携帯電話（ＰＨＳ）システムの２．２ＧＨｚ帯無線
高周波信号または５．８ＧＨｚ帯ＩＴＳ用信号が入力伝
送ＲＦ信号２３となり、或いは、これらの信号の組み合
わせが入力伝送ＲＦ信号２３となる。

【００１８】本実施形態では、このＩＦ信号を、例え
ば、波長１３１０ｎｍ帯の第１波長λ１の半導体レーザ
ダイオード（ＬＤ１）２５により直接強度変調を行う。
従来技術の問題点で指摘したように、アナログ光変調の
特性は高周波になるほど劣化する。また、数１０ＭＨｚ
以下の低い周波数では、反射戻り光の影響によるスパイ
ク性の雑音が混入しやすいため、これらを勘案した適切
な周波数帯にＩＦ信号を設定する。

【００１９】局部発信器２１の分岐された他方の出力
は、例えば、波長１５５０ｎｍ帯の第２波長λ２の半導
体レーザダイオード（ＬＤ２）２６により直接強度変調
を行う。この図１では図示を省略しているが、必要に応
じて適切な光変調度が得られるレベルになるように、系
の途中に増幅器もしくは減衰器を挿入する場合も想定さ
れる。また、分岐したＬＯ信号の伝送経路長差、周波数
変換器２２、ＢＰＦ２４等による伝達遅延時間の発生に
よる、半導体レーザダイオード２５，２６への信号の到
達時間差を調整するために、遅延線等を用いる場合もあ
る。

【００２０】次に、上記の２つの波長λ１，λ２の光変
調信号を、波長領域多重（ＷＤＭ：Wave1enth Division
Mu1tip1ex）合波カプラ２７によって合波し、１本の光
ファイバ伝送路２９で伝送する。

【００２１】光受信部３０においては、ＷＤＭ分波カプ
ラ３１によって、ＩＦ信号が乗っている波長λ１の光信
号と、ＬＯ信号が乗っている波長λ２の光信号に分波
し、それぞれをフォトダイオード（ＰＤ１）３２、（Ｐ
Ｄ２）３３で受光し、ＩＦ信号とＬＯ信号を光信号から
電気信号に変換する。そして、これ等を周波数変換器
（ＭＩＸ）３４へ入力してアップコンバージョン周波数
変換を行い、元の入力周波数のＲＦ信号を復元する。周
波数変換器３４の後段に置かれるＢＰＦ３５は、ＭＩＸ
３４での周波数変換操作により発生した不要波を除去す
るためのものである。

【００２２】この図１には、本実施形態の動作概念を説
明するための最小限の構成部品しか図示していない。し
かし、ＩＦ信号，ＬＯ信号の伝送経路の要部には必要に
応じて、増幅器もしくは減衰器が配置される場合もある
ことは言うまでもない。また、送信部と同様に遅延線等
による伝送遅延時間の調整が必要な場合もある。

【００２３】光ファイバ伝送路２９は、通常用いられる
石英シングルモード光ファイバであれば、１３１０ｎｍ
帯と１５５０ｎｍ帯を同時伝送するのに何ら問題はな
く、ＷＤＭ合分波カプラ２７，３１を用いることで、両
波長帯の光を高アイソレーション、例えば６０ｄＢで分
離できる。このため、受信側のフォトダイオード３２，
３３に両波長が同時に入射することによるビート雑音な
ど、複数光源の光を１個のフォトダイオードで受光する
ために発生する問題も回避できる。光領域でのアイソレ
ーション６０ｄＢは、電気信号に変換した後のレベルと
しては１２０ｄＢに相当するため、事実上無視すること
ができる。

【００２４】本実施形態の構成によれば、光送信部２０
で周波数変換されたＩＦ信号と、周波数変換に用いたＬ
Ｏ信号を、ＷＤＭ光多重により同時伝送し、これにより
元のＲＦ信号周波数を再生する。受信側では、送信側で
周波数変換した時のＬＯ信号を用いて周波数を再変換す
るため、送信部のＬＯ信号の周波数が温度条件等により
ドリフトしても、精度良く元のＲＦ周波数を再現でき
る。また、従来方式に比較して、簡便な回路構成で同様
の機能を実現することができる。

【００２５】図２は、本発明の第２の実施形態に係る光
伝送装置の構成図である。前述した通り、第１の実施形
態では、送信側のＬＯ信号がドリフトしても受信側では
送信側の周波数変換時点のＬＯ信号を用いて再変換を行
うため、元の周波数を再現することができる。このた
め、この第２の実施形態ではこの特性を積極的に利用
し、光送信部から光受信部に対する監視制御のための信
号をＬＯ信号に乗せて伝送する様にしている。

【００２６】図２において、この第２の実施形態に係る
光伝送装置の光送信部４０及び光受信部５０の基本構成
は第１の実施形態（図１）の光送信部２０及び光受信部
３０と同じであり、同一部材には同一符号を付してその
説明は省略する。本実施形態では、光送信部４０におい
て、制御部（ＣＰＵ）４１と、この制御部４１の制御を
受けて監視制御信号を発信する制御情報入力部４２と、
局部発信器２１から発信される信号を監視制御信号で角
度変調した信号をＬＯ信号とする狭帯域角度変調器４３
とを新たに設けた点が第１の実施形態と異なる。

【００２７】また、光受信部５０では、フォトダイオー
ド（ＰＤ２）３３で電気信号に変換されたＬＯ信号を分
岐し、この分岐信号（ＬＯ信号）から監視制御信号を取
り出す狭帯域角度復調器５１と、この監視制御信号を受
信する制御情報入力部５２と、この監視制御信号により
監視を実施する制御部（ＣＰＵ）５３とを新たに設けた
点が第１の実施形態と異なる。

【００２８】局部発信器２１の出力信号に監視制御信号
を混合してＬＯ信号とする場合、ＬＯ信号の振幅成分は
一定値であることが望ましい。このため、２つの信号の
混合は、位相変調もしくは周波数変調の何れかで行えば
よい。位相変調と周波数変調は、微積分の関係で結ばれ
本質的には同一のものであり、あわせて角度変調と呼ば
れている。

【００２９】この光送信部４０で広帯域の角度変調を行
うと、周波数スペクトラムの広がりが発生し、相互変調
歪等の原因になる。遠隔監視制御情報の伝送に関して
は、例えば移動体通信用光伝送装置では、１２００ｂｐ
ｓ程度で十分である。このため、本実施形態では、狭帯
域の角度変調を行なうことにしている。

【００３０】上述した様に、本発明の各実施形態の光伝
送装置によれば、被伝送周波数をダウンコンバージョン
することで、品質を良好に保ったまま伝送することがで
きる。このため、光ＣＡＴＶ用途等の比較的入手しやす
く、従来より用いられていた半導体レーザダイオードを
使用することが可能になる。

【００３１】また、本発明の実施形態によれば、送信側
で周波数のダウンコンバージョンに使用するＬＯ信号を
レーザダイオード（ＬＤ２）２６により同時に受信側へ
伝送し、それを受信側で用いるＬＯ信号として再度ＩＦ
信号をアップコンバージョンし元の周波数に戻すため、
送信側のＬＯ信号の周波数が変動しても、受信側のＬＯ
信号の周波数もそれに追従して変化し、再変換したＲＦ
信号周波数は送信側の入力周波数と一致する。従来方式
では同様の目的を達成するために、送信側のＰＬＬシン
セサイザの基準信号を伝送してこれを基準信号とし、受
信側のＰＬＬシンセサイザをロックしてＬＯ信号を作っ
ており、回路構成が複雑であるが、本発明の実施形態で
は、回路構成が簡単になる。

【００３２】更に、従来方式では、被伝送ＲＦ信号への
基準信号の２次相互変調歪積による歪成分の混入レベル
を規定値以下とするために、送信側で重畳する基準信号
のレベルを無闇に大きくできずＬＯ信号の位相雑音が劣
化するなどの問題があるが、本発明の実施形態ではこの
問題は回避される。

【００３３】また、従来から、光ＣＡＴＶシステムや携
帯電話等の移動体通信用光伝送で用いられている副搬送
波多重（ＳＣＭ：Sub―carrier Multiplex）アナログ光
伝送方式に適した高性能半導体レーザダイオードが多数
商品化されており、本発明の実施形態では、このレーザ
ダイオードを１３１０ｎｍ帯の波長λ１のレーザダイオ
ードとして使用することができる。また、ＬＯ信号を伝
送する光波長λ２としては、ＳＣＭ方式光伝送に適した
レーザダイオードはないが、１３１０ｎｍ帯との混合波
を光アイソレーションで合分波できるＷＤＭカプラがあ
り、このため１５５０ｎｍ帯の半導体レーザを使用する
ことができる。更に、基本的にはＣＷ波の１波を伝送す
るためだけでよいため、高次歪特性等があまり良好でな
い半導体レーザでも使用することが可能である。

【００３４】更にまた、現状の移動体通信用マイクロ波
光伝送用半導体レーザダイオードは、概ね１．５ＧＨｚ
帯以下の周波数帯が伝送に適しているが、ＩＭＴ−２０
００で使用される２．２ＧＨｚ帯では、伝送特性が劣化
してしまう。しかし、本発明の実施形態では、この２．
２ＧＨｚ帯を、例えば１．２ＧＨｚ帯に周波数変換する
ものとすれば、ＬＯ周波数は１ＧＨｚとすれば良く、Ｌ
Ｏ信号を伝送する波長λ２のレーザダイオードとして、
高周波帯の高性能伝送に適した高価なバタフライ型パッ
ケージではなく、安価なアキシャルリードの同軸型パッ
ケージの半導体レーザダイオードモジュールを使用する
ことが可能となる。

【００３５】また、第２の実施形態によれば、送信側の
ＬＯ信号の周波数が変動しても、受信側での再変換後の
被伝送ＲＦ周波数の変動が発生しないため、これを積極
的に利用して、ＬＯ信号に狭帯域周波数変調、位相変調
等の振幅一定の角度変調方式による変調を行い、システ
ムの状態監視、制御情報の伝送に用いることが可能とな
る。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、数ＧＨｚ帯の無線周波
数を利用するシステムで使用する光伝送装置を構成する
レーザダイオードに要求される性能が緩和され、既存の
半導体レーザダイオードが使用可能となり、しかも高い
品質の伝送が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置の構
成図である。

【図２】本発明の第２の実施形態に係る光伝送装置の構
成図である。

【図３】従来の光伝送装置の構成図である。

【符号の説明】

２０，４０ 光送信部 ２１ 局部発信器 ２２ 周波数変換器（ＭＩＸ） ２５，２６ レーザダイオード ２７ ＷＤＭ合波カプラ ２９ 光ファイバ伝送路 ３０，５０ 光受信部 ３１ ＷＤＭ分波カプラ ３２，３３ フォトダイオード ４３ 狭帯域角度変調器 ５１ 狭帯域角度復調器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5K002 AA01 AA03 CA07 DA02 DA21 FA01 GA07 5K022 AA01 AA12 5K067 AA22 DD57 EE10 EE37

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 無線高周波信号をアナログ光伝送する副
   搬送波多重光伝送装置の光送信装置であって、入力され
   た１ないしは周波数多重化された高周波無線信号を周波
   数変換するための局部発信器及び周波数変換回路と、該
   周波数変換回路で周波数変換された無線高周波信号を第
   １光波長の光信号に変換する第１レーザダイオードと、
   前記局部発信器の分岐された出力を第２光波長の光信号
   に変換する第２レーザダイオードと、前記第１光波長の
   光信号と前記第２光波長の光信号とを合成し光ファイバ
   伝送路へ出力する波長領域多重光合波カプラとを有する
   ことを特徴とする副搬送波多重光伝送装置の光送信装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光送信装置から光ファイ
   バ伝送路を通して送信されてくる光信号を受信する副搬
   送波多重光伝送装置の光受信装置であって、前記光ファ
   イバ伝送路から受光した光信号を前記第１光波長の光信
   号と前記第２光波長の光信号とに分波する波長領域多重
   光分波カプラと、該波長領域多重光分波カプラで分波さ
   れた前記第１光波長の光信号を光電変換して無線高周波
   信号を復元する第１フォトダイオードと、前記波長領域
   多重光分波カプラで分波された前記第２光波長の光信号
   を光電変換して請求項１記載の局部発信器の出力周波数
   信号を復元する第２フォトダイオードと、前記第１フォ
   トダイオードで復元された無線高周波信号と前記第２フ
   ォトダイオードで復元された局部発信器出力周波数信号
   とで周波数変換を行い請求項１記載の光送信装置に入力
   された元の高周波無線信号を復元する周波数変換回路と
   を備えることを特徴とする副搬送波多重光伝送装置の光
   受信装置。