JP2004297592A

JP2004297592A - 光受信器

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Publication number: JP2004297592A
Application number: JP2003088927A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Uto; 健一宇藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】ＷＤＭ光通信システムにおいて、受光信号の電力に依存しない光信号波長のモニタを可能とすること。
【解決手段】異なる複数の波長の光信号が多重されてなる光波長多重信号を用いて多重通信を行うＷＤＭ光通信システムに適用される光受信器１７において、光波長多重信号を受信して、光波長多重信号のそれぞれの波長に依存した光電流を発生させる第１の受光部２１と、光波長多重信号のそれぞれの波長を監視する波長監視回路２２とを備え、波長監視回路２２は、光電流のモニタによって得られた受光感度の変化量に基づいて光波長多重信号の波長を算出する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光受信器に関するものであり、特に、光波長の高精度な監視を可能とする光受信器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットが産業・経済および社会生活を支えるインフラストラクチャーとなりつつあるなかで、情報の増加、アプリケーションの多様化、ＣＡＴＶの普及などによって、インターネット利用環境の多様化、高速化が進展している。そのため、これらのバックボーンの高速化を推進するだけでなく、インターネットの発展を支える基盤として、大容量の波長分割多重光通信システム（以下「ＷＤＭ光通信システム」という。［ＷＤＭ：ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘ］）の実現が求められている。
【０００３】
ＷＤＭ光通信システムの利点は大きく分けて２つの点にある。第１の利点は、敷設ファイバを最小数に抑えつつ導入コストが抑制できるという点であり、第２の利点は、予測されるライフサイクルや、将来グレードアップする場合のシステムを再構築に対する柔軟性が高いという点である。このように、ＷＤＭ光通信システムは、通信容量の大容量化および敷設経費の低減下の両者を可能とした光通信網を構築する上で最適な通信システムであるといえる。
【０００４】
このＷＤＭ光通信システムは、光ファイバに異なる波長の光を重畳して複数のチャネルを多重化し、大容量のデータを双方向に伝送することができる。例えば、海底ケーブルや数百キロに及ぶ地上系の長距離ネットワークの構築などには、明らかに経済効率のよい技術である。
【０００５】
特に、近年、ＷＤＭコンポーネントの技術が進化し、Ｇｂｉｔ／ｋｍあたりのコストが低下しているなかで、従来よりも短い距離のネットワークに採用される傾向があり、このＷＤＭ光通信システムの利用価値が増大してきている。
【０００６】
ところで、ＷＤＭ光通信システムは、同一の光伝送路に干渉することのない異なる波長の光信号を同時に入射させ、それぞれの光波長ごとにデータ転送を行う光通信システムである。したがって、このＷＤＭ光通信システムを実現するためには、光波長を安定に出力させる波長可変光源や波長可変フィルタ、光波長多重モジュールおよび広帯域な受信感度をもつ光受信器が必要である。
【０００７】
上述したようなＷＤＭ光通信システムに用いられる光受信器として、例えば、光波長ごとに互いに異なる周波数のトーン信号が重畳された光信号を受信し、光受信器内で主信号成分に重畳されたトーン信号だけを抽出することで、受光信号の波長の情報を検出する光受信装置が開示されている（例えば、特許文献１など）。この光受信装置による受光信号の波長の検出は、異なる周波数のトーン信号が重畳された複数の光信号が波長多重されたＷＤＭ光通信システムにおいては有効な検出手法であった。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−２４７０８９号公報（第４−５頁、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この特許文献１に示された光受信装置では、光送信器側に、トーン信号を重畳させるための重畳回路部と送信光信号の波長ごとに異なる周波数を発振させる発振回路とを具備する必要があり、ＷＤＭ光通信システム全体の装置の大型化とコストの上昇とを招いていた。
【００１０】
また、この光受信装置は、この装置内で異なる光波長を検出するために、トーン信号抽出回路には周波数に応じたバンドパスフィルタを内蔵しており、光受信器ごとに異なるトーン信号抽出回路を用意する必要があった。また、このトーン信号は、異なる光波長ごとに異なる周波数を用いるため、トーン信号抽出回路も異なる光波長に合わせて、異なる周波数に対応する回路を用意する必要があった。
【００１１】
さらに、正しい波長を受信して識別できたとしても、このトーン信号抽出回路だけでは、誤って受信した光波長を精度良く算出することが困難であった。特に、誤った光波長を受信した場合には、どの光波長を受信しているのか精度良く検出することができなかった。
【００１２】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、ＷＤＭ光通信システムにおいて、受光信号の電力に依存しない光信号波長のモニタを可能とする光受信器を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる光受信器にあっては、異なる複数の波長の光信号が多重されてなる光波長多重信号を用いて多重通信を行うＷＤＭ光通信システムに適用される光受信器において、前記光波長多重信号を受信して、該光波長多重信号のそれぞれの波長に依存した光電流を発生させる第１の受光部と、前記光波長多重信号のそれぞれの波長を監視する波長監視回路とを備え、前記波長監視回路は、前記光電流のモニタによって得られた前記受光感度の変化量に基づいて前記光波長多重信号の波長を算出することを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、第１の受光部は、光波長多重信号を受信して、光波長多重信号のそれぞれの波長に依存した光電流を発生させ、波長監視回路は、光波長多重信号のそれぞれの波長を監視し、光電流のモニタによって得られた受光感度の変化量に基づいて光波長多重信号の波長を算出する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる光受信器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１６】
実施の形態１．
まず、この発明の実施の形態１にかかるＷＤＭ光通信システムの構成について説明する。図１は、この発明の実施の形態１にかかるＷＤＭ光通信システムのシステム構成を示すブロック図である。同図において、Ｎ個の電気信号入力端子１８（１８_１、１８_２、・・・、１８_Ｎ）から電気入力信号が入力されて、互いに干渉することのない異なる波長（λ_１、λ_２、・・・、λ_Ｎ）の光信号を発生するＮ個の光送信器１０（１０_１、１０_２、・・・、１０_Ｎ）が、Ｎ本の光ファイバ伝送路１１（１１_１、１１_２、・・・、１１_Ｎ）を介して光合波器１２に接続される。光合波器１２は、光ファイバ伝送路１３をそれぞれ介して縦続接続された複数の光増幅器１４（１４_１、１４_２、・・・、１４_Ｎ）によって光分波器１５に接続される。光分波器１５は、Ｎ個の電気信号出力端子１９（１９_１、１９_２、・・・、１９_Ｎ）をそれぞれ備えた光受信器１７（１７_１、１７_２、・・・、１７_Ｎ）にＮ本の光ファイバ伝送路１６（１６_１、１６_２、・・・、１６_Ｎ）をそれぞれ介して接続される。
【００１７】
つぎに、図１を用いて、このＷＤＭ光通信システムの動作について説明する。電気信号入力端子１８から入力されたＮ個の電気信号に基づいて、Ｎ個の異なる波長（λ_１、λ_２、・・・、λ_Ｎ）の光信号が光ファイバ伝送路１１を介して光合波器１２に入力される。光合波器１２ではこの光信号が合成され、１本の光ファイバ伝送路１３に重畳される。この重畳された光信号は、十分な光信号強度を確保するため複数の光増幅器１４で増幅された後、光分波器１５に入力される。光分波器１５では送信側とは逆の動作、すなわち、Ｎ個の異なる波長（λ_１、λ_２、・・・、λ_Ｎ）の光信号に分波され、光受信器１７にそれぞれ入力される。光受信器１７では、それぞれの電気信号出力端子１９からＮ個の電気信号を取り出すことができる。
【００１８】
上述したようなＷＤＭ光通信システムにおいて、１本の光ファイバで合波された光信号の長距離伝送を行う光ファイバ伝送路１３には、一定値以上の光信号対雑音比（ＯＳＮＲ：ＯｐｔｉｃａｌＳｉｇｎａｌｔｏＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ）が要求される。このため、光ファイバ伝送路１３には光増幅器１４が好適に配置され、一定値以上のＯＳＮＲが確保されるようにしている。
【００１９】
光波長の波長多重数は波長間隔にも依存するが、上記のような一定値以上のＯＳＮＲが確保された光ファイバ伝送路１３を用いれば、光ファイバ伝送に有効な１２６０〜１６１０ｎｍ程度の光波長帯域を利用することで６４波以上の光信号を多重化することができる。具体的には、１本の光ファイバ伝送路で、テラビット級（１×１０^１２ｂｉｔ／ｓ）以上の伝送容量を実現することができる。
【００２０】
ところで、上述したようなＷＤＭ光通信システムでは、異なる波長の光信号同士の干渉に起因した光信号の劣化を防止することが重要である。特に、使用する光波長間隔が狭くなればなる程、ＷＤＭ用光送信器の光出力の波長変動を最小限に抑える必要がある。一方、このＷＤＭ用の光送信器に対して、ＷＤＭ用の光受信器では、可能な限り広帯域な受光信号の波長に対して、安定した受信動作を実現する必要がある。
【００２１】
このような安定した受信動作を実現する場合、受信回路を最適な構成にすることで、同一の受光素子で任意の光波長に対応できれば、システム全体のコストを削減することができる。特に、ＷＤＭ用の光受信器に波長監視機能を内蔵することにより、高い精度で受光信号の波長をモニタすることができ、リアルタイムな波長監視を可能とするとともに、受光信号の波長が設計値と異なる場合にアラーム信号を発出することによりシステム全体の誤動作を抑圧できる等、システム全体の保守管理に貢献できる。このような波長監視機能を実現したものが図２に示す光受信器である。
【００２２】
図２は、図１に示すＷＤＭ光通信システムの光受信器１７の構成を示すブロック図である。同図において、第１の受光部２１と波長監視回路２２とが受光信号処理部２０を構成している。光ファイバ伝送路１６に接続された第１の受光部２１は、その出力端が増幅器２３と波長監視回路２２とに接続されている。第１の受光部２１に接続された増幅器２３は、その出力端がクロック信号抽出器２４および識別器２５に接続されている。増幅器２３に接続された識別器２５は、クロック信号抽出器２４にも接続され、その出力端が電気信号出力端子に接続されている。なお、各処理部を接続する信号線のうち、太い実線の部分が光信号線路を示し、細い実線の部分が電気信号線路を示している。
【００２３】
つぎに、光受信器１７の動作について説明する。図２において、光ファイバ伝送路１６からの光波長多重信号は、受光信号処理部２０の第１の受光部２１と、この第１の受光部２１内に備えられたビームスプリッタ（図示省略）などによって波長監視回路２２に入力される。波長監視回路２２は、波長モニタ端子２７と波長アラーム端子２８とを有しており、検出した光信号の波長を波長モニタ端子２７に出力し、検出した光信号の波長アラーム情報を波長アラーム端子２８に出力する。
【００２４】
第１の受光部２１の電気出力信号は増幅器２３に入力される。増幅器２３の出力信号は、クロック信号抽出器２４と識別器２５とに入力され、その一方で、クロック信号抽出器２４の出力は、識別器２５に入力される。識別器２５は、増幅器２３から出力される出力信号とクロック信号抽出器２４から出力されるクロック信号とに基づいて電気出力信号を電気信号出力端子１９に出力する。
【００２５】
図２に示す光受信器１７は、波長監視回路２２を受光信号処理部２０に内蔵しているので、高い精度で受光信号の波長を検出することができる。その原理は、第１の受光部２１の受光感度が受光信号の波長により変動することを利用するものである。具体的には、第１の受光部２１に生ずる光電流をモニタし、このモニタ時の受光感度の変化量を検出することによって受光信号の波長を算出するようにしている。
【００２６】
つぎに、上述した受光素子の受光感度の変化量を利用して受光信号の波長を検出する原理などについて詳細に説明する。図３は、ＧａＡｓ、Ｓｉ等の代表的な受光素子における受光信号の波長と吸収係数との関係を示すグラフである。同図に示すように、いずれの素子についても、ある波長帯域で吸収係数が大きく変化する特性を有している。この特性は、吸収係数の変化が受光信号の波長だけでなく、他の要因、すなわち、量子効率の影響を受けることに起因する。そこで、まず、受光素子の性能指標を表すものとして重要な量子効率について説明する。一般的に、受光素子の量子効率ηは、次式で表される。
【００２７】
【数１】

【００２８】
ここで、α［ｃｍ^−１］は受光素子の吸収係数であり、Ｗ［μｍ］は受光素子の空乏層の幅である。（１）式では、受光素子の表面の反射率と空乏層以外の領域における吸収率は、近似的に０であると考えている。実際に、受光素子の表面には無反射コーティングが施されており、理想的な反射率が”０”であるとして考えても差し支えない。
【００２９】
つぎに、これも受光素子の性能指標を表すものとして重要な受光感度について説明する。この受光感度は、単位入射光パワーあたりの光電流出力で定義され、次式で表せる。
【００３０】
【数２】

【００３１】
ここで、Ｉ_ｐｈは受光素子の光電流、Ｐ_ｉは受光信号電力、ｑは電子の電荷量、ｈはプランク定数、ｆは受光信号の周波数、λは受光信号の波長である。（２）式から理解されるように、受光感度Ｒは、量子効率ηと受光信号の波長λから決定され、特に、着目すべきは、受光感度Ｒが受光信号の波長λに依存することである。なお、上述したように、受光感度Ｒは、第１の受光部２１に生ずる光電流Ｉ_ｐｈをモニタし、このモニタ時の受光感度Ｒの変化量を検出することによって、（２）式に基づいて受光信号の波長を算出するようにしている。この際、受光信号電力Ｐ_ｉは一定と仮定すれば、光電流Ｉ_ｐｈを電圧信号に変換するなどして電流値を測定することによって、受光感度Ｒをモニタできる。
【００３２】
図４は、受光信号の波長と受光感度との関係を示すグラフである。同図に示すグラフは、量子効率を固定した場合の受光信号の波長と受光感度との関係を示しているが、受光信号の波長が大きなるにつれて受光感度が大きくなることを示している。一般に、大容量ＷＤＭシステムに適用可能な光波長１２６０〜１６１０ｎｍの範囲において、受光感度変動は波長の増加に伴って徐々に大きくなる。例えば、量子効率ηが１．０のとき、波長１６１０ｎｍにおける受光感度は波長１２６０ｎｍにおける受光感度の約１．２倍以上になっている。また、受光素子の吸収係数が光波長に依存することを考慮すると、受光感度の変動はさらに大きくなる。すなわち、受光感度の変化から受光信号の波長を検出する精度を高めることを意味している。
【００３３】
図２に戻って、波長監視回路２２は、受光信号の波長を検出したとき、検出された受光信号の波長の設計情報と比較することで、波長アラーム情報を出力することができる。例えば、所望の光信号の波長ではなく、この所望の波長と異なる波長の光信号を受信した場合に、波長監視回路２２のアラーム出力をトリガにして、識別器２５の出力信号を遮断することにより、後段のシステムに誤った信号を送ることなく、光受信器１７においてシステムの誤動作を最小限に抑えることができる。
【００３４】
以上説明したように、この実施の形態の光受信器によれば、第１の受光部は、光波長多重信号を受信して光波長多重信号のそれぞれの波長に依存した光電流を発生させ、波長監視回路は、光波長多重信号のそれぞれの波長を監視するとともに、光電流のモニタによって得られた受光感度の変化量に基づいて光波長多重信号の波長を算出するようにしているので、受光信号の電力に依存せずに正確な受光信号の波長をモニタすることができ、高精度な波長監視を実現することができる。
【００３５】
また、この実施の形態の光受信器によれば、算出された光信号の波長が所定の波長以外の波長である場合に波長アラーム信号を出力するようにしているので、光クロスコネクトスイッチなどを有するシステムでの波長切替の誤動作を検出して抑圧することができ、また、伝送路中の光クロスコネクトスイッチでの波長切替の動作の検証を行う場合にあっては、光波長を高精度で算出して誤ったチャネルを特定することができるのでＷＤＭ光通信システムの保守管理を容易にすることができる。
【００３６】
また、この実施の形態の光受信器によれば、第１の受光部で検出した受光信号の電力と、波長監視回路で検出した受光信号の波長との２つの出力信号を併用することで、特定のチャネルに対して、光送信器の光出力の調整、光増幅器の利得制御、可変減衰器を用いた光伝送路中の光出力レベル調整等、ＷＤＭ光通信システムにおける最適な光出力の制御が可能である。
【００３７】
また、この実施の形態の光受信器によれば、従来技術のようなトーン信号を用いることなく受光信号の波長を検出できるため、光送信器側に重畳回路部と送信光波長ごとに異なる周波数を発生させる発振回路を備える必要がないので、ＷＤＭ光通信システム全体の装置の大型化とコスト削減を実現できる。
【００３８】
また、この実施の形態の光受信器によれば、波長モニタ端子の出力信号を用いて、第１の受光部または増幅器の利得を制御することで第１の受光部の受光信号の波長による受光感度の変動を補正することができるとともに、識別器の入力振幅が受光信号の波長に依らず一定値になるように制御することで安定な受光感度を維持することができる。
【００３９】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２にかかる受光信号処理部２０の細部構成を示すブロック図である。同図は、図２に示す光受信器１７を構成する受光信号処理部２０の詳細を示したものである。同図に示す波長監視回路２２は、ビームスプリッタ３０、波長フィルタ３１、第２の受光部３２、オペアンプ３３、電圧レベルシフト３４、比較器３５および基準値３６を備えている。なお、その他の構成については、図２の受光信号処理部２０に示す構成と同一であり、同一部分には同一符号を付して示している。また、実施の形態１ではビームスプリッタを第１の受光部２１内に備える構成（図示は省略）とし、実施の形態２では波長監視回路２２内に備える構成としているが、この構成は、どちらであっても構わない。
【００４０】
つぎに、この実施の形態の波長監視回路２２の動作の概要について説明する。図５において、光ファイバ伝送路１６から入力された光信号は、ビームスプリッタ３０において２分岐され、一方は第１の受光部２１に入力され、他方は波長フィルタ３１を介して第２の受光部３２に入力される。第１の受光部２１と第２の受光部３２とは、それぞれの光信号を電流信号に変換して電気信号として出力する。これらの電気信号は、オペアンプ３３に入力された後、電圧レベルシフト３４に入力される。電圧レベルシフト３４で電圧レベルが可変された電圧レベルシフト３４の出力信号は、波長モニタ信号として波長モニタ端子２７から出力される。また、電圧レベルシフト３４の出力信号は、比較器３５の一方の入力端に接続され、他方の入力端には基準値３６が入力される。比較器３５の出力は、波長アラーム信号として波長アラーム端子２８から出力される。波長モニタ端子２７は、モニタした波長モニタ信号（波長λ）に基づき、量子効率ηを一定とした場合に、数２に従って受光感度Ｒを求めることができる。そして、例えば、この受光感度Ｒに基づいて、第１の受光部２１の受光感度が一定値になるように調整すれば、第１の受光部２１の感度を向上させることが可能となる。
【００４１】
さらに、波長監視回路２２の動作の詳細について説明する。図５において、光ファイバ伝送路１６に接続された第１の受光部２１の入力端にビームスプリッタ３０を設けることにより、光出力信号は２分岐される。分岐された一方の出力は、主信号線路側に位置する第１の受光部２１に入力され、第１の受光部２１で光電気変換された後に、主信号成分を有する電気信号が出力され次段の増幅器２３に出力される。
【００４２】
一方、２分岐された他方の出力は、波長フィルタ３１に接続された後に、第２の受光部３２に出力される。波長フィルタ３１では、次式に示すような、波長に対して線形な光出力特性を有するフィルタを用いる。
【００４３】
【数３】

【００４４】
ここで、Ｉλ_１およびＩλ_２は、第１の波長λ_１および第２の波長λ_２が、それぞれ第２の受光部３２に入力されたときに、それぞれ変換される光電流である。波長に対して線形な光出力特性を有する前述のフィルタを用いるとすれば、（３）式で示すところの光電流の差分値（Ｉλ_１−Ｉλ_２）と、波長の差分値（λ_１−λ_２）との比Ａは一定であると考えても差し支えない。
【００４５】
また、光信号の波長λ_ｉｎが第１の受光部２１と第２の受光部３２とにそれぞれ入力されたときを考える。いま、第１の受光部２１に生ずる光信号電流および光信号電力をそれぞれＩ_ＰＤ１およびＰ_１とし、第２の受光部３２に生ずる光信号電流および光信号電力をそれぞれＩ_ＰＤ２およびＰ_２とするとき、ビームスプリッタ３０に入力された光信号電力Ｐ_ｉｎと、Ｉ_ＰＤ１とＩ_ＰＤ２との光信号電流比αは、次式のように表せる。
【００４６】
【数４】

【００４７】
ここで、（５）式に示すＲ_１およびＲ_２は、それぞれ、第１の受光部２１および第２の受光部３２のそれぞれの受光感度であり、ηλは波長フィルタの変換効率、βは波長フィルタに固有な定数である。この（５）式に示されるように、光信号電流比αは受光信号の波長λ_ｉｎに比例することが理解できる。
【００４８】
また、ビームスプリッタの反射率をＲ_ｒｅｆと置けば、前述の（４）、（５）式は、それぞれ（６）、（７）式のように置換することができる。
【００４９】
【数５】

【００５０】
オペアンプ３３は、（７）式で示される光信号電流比αに比例した信号を出力するものである。また、この（７）式には光信号電力Ｐ_ｉｎが含まれていない。したがって、オペアンプ３３の出力は、受光信号の光信号電力Ｐ_ｉｎに依存することなく、波長λ_ｉｎの値を出力することができる。また、上述したような波長に対して線形な光出力特性を有する波長フィルタ３１を用いているので、波長が変化すると波長変化に比例した電流が流れ、光信号電流比αも変化する。このように、光信号電流比αを算出することで、受光信号の光信号電力Ｐ_ｉｎに依存することなく受光信号の波長λ_ｉｎを検出することができる。
【００５１】
図６は、図５に示す受光信号処理部２０の第１の受光部２１および第２の受光部３２の細部構成を示すブロック図である。図６に示す第１の受光部２１は、第１の光学系４４、第１の受光素子電源回路４５、カレントミラー回路４６、第１の受光素子４７、トランスインピーダンスアンプ４８、帰還抵抗４９、トランスインピーダンスアンプ５０および帰還抵抗５１を備えている。また、図６に示す第２の受光部３２は、第２の光学系４０、第２の受光素子４１、トランスインピーダンスアンプ４２および帰還抵抗４３を備えている。なお、その他の構成については、図２の受光信号処理部２０に示す構成と同一であり、同一部分には同一符号を付して示している。
【００５２】
また、第１の受光部２１の第１の受光素子４７は、フォトダイオード（ＰＤ）素子、ＰＩＮダイオード素子、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）素子のいずれの素子をも用いることができる。一方、第２の受光部３２の第２の受光素子４１は、フォトダイオード（ＰＤ）素子またはＰＩＮダイオード素子、増倍率一定のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）素子を用いることができる。
【００５３】
つぎに、受光信号処理部２０の動作について説明する。図６において、光ファイバ伝送路１６から入力された光信号は、ビームスプリッタ３０において２分岐され、一方は第１の光学系４４を介して第１の受光素子４７に入力され、他方は波長フィルタ３１を経由し第２の光学系４０を介して第２の受光素子４１に入力される。
【００５４】
第１の受光部２１では、第１の受光素子４７にて光電流変換が行われ、このときに変換された光電流は、カレントミラー回路４６を介して、トランスインピーダンスアンプ５０および帰還抵抗５１の両者に入力される。これらの両者の回路は、電流電圧変換を行う回路（以下「第１の電流電圧変換回路」という。）であり、この第１の電流電圧変換回路の出力が、波長監視回路２２のオペアンプ３３の一方の入力端子に入力される。なお、ここで入力される電圧値は、受光信号の電力に比例した電圧値に相当するものである。
【００５５】
一方、第２の受光部３２では、第１の受光素子４７にて光電流変換が行われ、このときに変換された光電流は、トランスインピーダンスアンプ４８と帰還抵抗４３の両者に入力される。これらの両者の回路も、電流電圧変換を行う回路（以下「第２の電流電圧変換回路」という。）であり、この第２の電流電圧変換回路の出力が、波長監視回路２２のオペアンプ３３の他方の入力端子に入力される。なお、ここで入力される電圧値は、受光信号の波長に比例した電圧値に相当するものである。
【００５６】
このように、オペアンプ３３には、受光信号の電力および受光信号の波長にそれぞれ比例した電圧値が入力され、その結果（７）式で表される受光信号の波長λ_ｉｎに比例した定数αを出力する。したがって、光信号電流比αを算出することで、受信光電力に依存することなく受光信号の波長λ_ｉｎを検出できる。
【００５７】
例えば、図６の構成において、帰還抵抗５１の抵抗値をＲ_ｅｓ１、帰還抵抗４３の抵抗値をＲ_ｅｓ２、オペアンプ３３の利得をＧ_{ｏｐｅａｍｐ}とすると、オペアンプ出力Ｖ_ｏｕｔは（８）式で表される。また、帰還抵抗５１の抵抗値をＲ_ｅｓ１と帰還抵抗４３の抵抗値をＲ_ｅｓ２とが同じ抵抗値Ｒ_ｅｓであるとすれば、（９）式のように表せる。
【００５８】
【数６】

【００５９】
（９）式に示すように、測定したオペアンプ出力Ｖ_ｏｕｔから、オペアンプ３３の利得Ｇ_{ｏｐｅａｍｐ}、抵抗値Ｒ_ｅｓを用いて、第１の受光部２１と第２の受光部３２とに生ずるそれぞれの光信号電流の電流差（Ｉ_ＰＤ１−Ｉ_ＰＤ２）を算出することができる。
【００６０】
なお、受光信号の波長が変動した場合であっても、波長フィルタの出力特性を考慮することにより、同様な手段で光信号電流の電流差を算出することができる。より具体的に説明するために、（９）式に（３）式を代入すると（１０）式のように変換される。
【００６１】
【数７】

【００６２】
この（１０）式に示されるように、それぞれの電流差を算出することにより受信光波長を算出できる。
【００６３】
以上説明したように、この実施の形態の光受信器によれば、第１の受光部は、光波長多重信号を受信して光波長多重信号のそれぞれの波長に依存した光電流を発生させ、波長フィルタは、光波長多重信号の分岐出力をフィルタリングし、第２の受光部は、波長フィルタからの光出力信号を受信して光電流を発生させ、これらの波長フィルタと第２の受光部とを備えた波長監視回路は、第１の受光部で発生した光電流と第２の受光部で発生した光電流との光電流比に基づいて波長モニタ信号を出力するようにしているので、受光信号の電力に依存せずに正確な受光信号の波長をモニタすることができ、高精度な波長監視を実現することができる。
【００６４】
また、この実施の形態の光受信器によれば、第１の受光部は、光波長多重信号を受信して光波長多重信号のそれぞれの波長に依存した光電流を発生させ、波長フィルタは、光波長多重信号の分岐出力をフィルタリングし、第２の受光部は、波長フィルタからの光出力信号を受信して光電流を発生させ、これらの波長フィルタと第２の受光部とを備えた波長監視回路は、第１の受光部で検出した受光信号の電力と第２の受光部で検出した受光信号の波長との２つの出力信号に基づいて波長モニタ信号を出力するとともに、算出された光信号の波長が所定の波長以外の波長である場合に波長アラーム信号を出力するようにしているので、受光信号の電力に依存せずに正確な受光信号の波長をモニタすることができ、高精度な波長監視を実現することができる。
【００６５】
また、この実施の形態の光受信器によれば、算出された光信号の波長が所定の波長以外の波長である場合に波長アラーム信号を出力するようにしているので、光クロスコネクトスイッチ等を有するシステムでの波長切替の誤動作を検出して抑圧することができ、また、伝送路中の光クロスコネクトスイッチでの波長切替の動作の検証を行う場合にあっては、光波長を高精度で算出して誤ったチャネルを特定することができるのでＷＤＭ光通信システムの保守管理を容易にすることができる。
【００６６】
また、この実施の形態の光受信器によれば、第１の受光部で検出した受光信号の電力と、波長監視回路で検出した受光信号の波長との２つの出力信号を併用することで、特定のチャネルに対して、光送信器の光出力の調整、光増幅器の利得制御、可変減衰器を用いた光伝送路中の光出力レベル調整等、ＷＤＭ光通信システムにおける最適な光出力の制御が可能である。
【００６７】
また、この実施の形態の光受信器によれば、従来技術のようなトーン信号を用いることなく受光信号の波長を検出できるため、光送信器側に重畳回路部と送信光信号の波長ごとに異なる周波数を発生させる発振回路を備える必要がないので、ＷＤＭ光通信システム全体の装置の大型化とコスト削減を実現できる。
【００６８】
また、この実施の形態の光受信器によれば、波長モニタ端子の出力信号を用いて、第１の受光部または増幅器の利得を制御することで、第１の受光部の受光信号の波長による受光感度の変動を補正することができるとともに、識別器の入力振幅が受光信号の波長に依らず一定値になるように制御することで安定な受光感度を維持することができる。
【００６９】
実施の形態３．
一般的に、同一の光伝送路に異なる光波長を複数多重するＷＤＭ方式では、低コストな光通信網を構築する上で有用であるが、大容量ＷＤＭシステムに適用可能な波長帯域は広帯域であり、受光素子の吸収係数の変動や受光信号の波長による変動受光感度劣化を無視できず、受光信号の波長によって光受信器の受信感度劣化を引き起こしていた。特に、波長帯域を広帯域に設計する場合には受光素子の吸収係数の変動は大きく影響し、受光感度の劣化は約１．２倍以上になり、最小受信感度の劣化が約１ｄＢ以上の符号誤り率の劣化を引き起こしていた。
【００７０】
しかしながら、この実施の形態に示す光受信器は、たとえ受光感度が劣化した場合であっても、第１の受光素子４７に用いられるＡＰＤ素子の増倍率（Ｍ値）を制御することによって、Ｑ値を一定値以上に設定することで受信感度の劣化を防ぐことができる。以下、その内容について詳述する。
【００７１】
図７は、図６に示す受光信号処理部２０の接続構成の一部を付加した実施の形態３の構成を示すブロック図である。図７に示す受光信号処理部２０では、電圧レベルシフト３４を第１の受光素子電源回路に接続させた点が相違する。なお、その他の構成については、図６の受光信号処理部２０に示す構成と同一であり、同一部分には同一符号を付して示している。
【００７２】
まず、この実施の形態の受光信号処理部２０の動作について説明する。第１の受光素子４７に流れる光信号電流と第２の受光素子４１に流れる光信号電流との電流差から（１０）式を用いて受光信号の波長を算出する点については、実施の形態２と同様である。このとき、算出された受光信号の波長に比例した出力が電圧レベルシフト３４を介して第１の受光素子電源回路４５に入力される。このとき、受光信号の波長に応じて、ＡＰＤ素子に印加される電源電圧を制御することが可能になる。なお、図６に示す受光信号処理部２０は受光信号の波長を検出するだけであったが、図７に示す受光信号処理部２０では、波長監視回路２２の出力を用いて光受信器１７の最適なレベルダイヤ調整を実現することができ、また、検出した受光信号の波長情報を用いることにより光受信器１７の受信感度特性を安定化させることができる。
【００７３】
ここで、第１の受光素子４７がＡＰＤ素子である場合を考える。上述したように、電圧レベルシフト３４の出力によって第１の受光素子電源回路４５が制御され、制御された電圧がＡＰＤ素子に印加される。ＡＰＤ素子の増倍率（「Ｍ値」とも呼ばれる。）は、ＡＰＤ素子に印加される制御電圧によって決定されるので、電圧レベルシフト３４、第１の受光素子電源回路４５およびＡＰＤ素子とからなる制御ループによって、受光信号の波長に応じたＡＰＤ素子のＭ値を制御することができる。
【００７４】
一般に、マーク率１／２の変調信号を用い、マーク側とスペース側の雑音分布がガウシアン分布で得られる場合に、光受信器１７のビット誤り率（ＢＥＲ）は（１１）式で表される。
【００７５】
【数８】

【００７６】
ここで、Ｉ_Ｄは光受信器の識別レベル、Ｉ_１はマーク側光強度、Ｉ_０はスペース側光強度、σ_１はマーク側光強度の雑音、σ_０はスペース側光強度の雑音を表している。
【００７７】
また、光受信器の識別レベルが（１２）式に示す条件を満足するように、受光信号の電力に依存せずに最小な符号誤り率が得られる最適な識別レベルに設定された場合には、符号誤り率は（１３）式のようになる。
【００７８】
【数９】

【００７９】
（１２）、（１３）式に示されたＱは、”Ｑ値”と呼ばれているものであり、伝送信号の符号誤り率特性に直接関係し、ＷＤＭ光通信システムにおいて重要な評価パラメタの一つである。また、このＱ値は（１４）式のように表すことができる。
【００８０】
【数１０】

【００８１】
（１４）式において、Ｍは受光素子にＡＰＤ素子を用いた場合のＡＰＤ素子のＭ値であり、Ｐ_ｒｅｃは受光信号の電力、σ_Ｓは受光素子のショット雑音、σ_Ｔは受光素子の後段に接続される電気プリアンプの熱雑音を示している。また、（１４）式では、受信光波形の消光比は無限大であると仮定している。
【００８２】
図８は、図７に示す受光信号処理部２０を有する光受信器１７の受光感度と符号誤り率との関係を示すグラフである。同図に示した測定条件は、変調信号のマーク率は１／２であり、マーク側とスペース側の雑音分布はガウシアン分布を仮定し、光受信器の識別レベルは最小な符号誤り率が得られる最適な識別レベルに設定されていることを前提とした。また、光受信器の受光信号の電力はＰ_ｒｅｃ＝−２４（ｄＢｍ）、熱雑音は２０（ｐＡ／√Ｈｚ）、帯域は７（ＧＨｚ）を想定している。図８には、これらの測定条件において第１の受光素子４７であるＡＰＤ素子のＭ値を、Ｍ＝１０、６、３の３通りに変化させた場合の、受光感度に対する符号誤り率の値をプロットしている。
【００８３】
例えば、ＡＰＤ素子のＭ値が”３”に固定された場合、図８の”○”印のプロットが示すように、受光感度Ｒが約１．２（Ａ／Ｗ）から約０．７（Ａ／Ｗ）に減少することにより、符合誤り率が１×１０^−１５から１×１０^−６に劣化している。このことは、（２）、（１３）、（１４）式からも明らかとなる。すなわち、（２）式に示される受光感度Ｒが劣化すると（１４）式に示されるＱ値が小さくなり、その結果（１３）式で示されＢＥＲが増加することになる。
【００８４】
しかしながら、受光感度Ｒが約０．７（Ａ／Ｗ）であっても、Ｍ値を”３”から”１０”に変化させることで、図８の”□”印のプロットが示すように、符号誤り率を１×１０^−６から１×１０^−１５に改善することができる。
【００８５】
なお、この実施の形態の光受信器によれば、光受信器に用いる受光素子を受信光波長に応じて選別する必要はない。したがって、この波長監視回路を光受信器の利得制御に用いることにより、同一の受光素子を用いた場合であっても、受信光波長に依存せずに安定した受信感度が得られる。
【００８６】
以上説明したように、この実施の形態の光受信器によれば、第１の受光部で用いられる受光素子がアバランシェフォトダイオードであり、このアバランシェフォトダイオードで検出される光電流の受光感度に基づいてアバランシェフォトダイオードの増倍率を制御するようにしているので、同一の受光素子を用いた場合であっても、受信光波長に依存せずに安定した受信感度が得られる。また、大容量光通信システムで実用化されているＷＤＭ光通信システムに有用な広帯域な受信特性を有する光受信器を実現できる。さらに、光受信器の受光素子における受光感度の経年劣化も抑圧することができる。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明によれば、光波長多重信号を受信して光波長多重信号のそれぞれの波長に依存した光電流を発生させるとともに、光波長多重信号のそれぞれの波長を監視して、光電流のモニタによって得られた受光感度の変化量に基づいて光波長多重信号の波長を算出するようにしているので、受光信号の電力に依存せずに正確な受光信号の波長をモニタすることができるとともに、高精度な波長監視を実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１にかかるＷＤＭ光通信システムのシステム構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示すＷＤＭ光通信システムの光受信器の構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、ＧａＡｓ、Ｓｉ等の代表的な受光素子における受光信号の波長と吸収係数との関係を示すグラフである。
【図４】受光信号の波長と受光感度との関係を示すグラフである。
【図５】この発明の実施の形態２にかかる受光信号処理部の細部構成を示すブロック図である。
【図６】図５に示す受光信号処理部２０の第１の受光部および第２の受光部の細部構成を示すブロック図である。
【図７】図６に示す受光信号処理部の接続構成の一部を付加した実施の形態３の構成を示すブロック図である。
【図８】図７に示す受光信号処理部を有する光受信器の受光感度と符号誤り率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０光送信器、１１，１３，１６光ファイバ伝送路、１２光合波器、１４光増幅器、１５光分波器、１７光受信器、１８電気信号入力端子、１９電気信号出力端子、２０受光信号処理部、２１第１の受光部、２２波長監視回路、２３増幅器、２４クロック信号抽出器、２５識別器、２７波長モニタ端子、２８波長アラーム端子、３０ビームスプリッタ、３１波長フィルタ、３２第２の受光部、３３オペアンプ、３４電圧レベルシフト、３５比較器、３６基準値、４０第２の光学系、４１第２の受光素子、４２，４８，５０トランスインピーダンスアンプ、４３，４９，５１帰還抵抗、４４第１の光学系、４５第１の受光素子電源回路、４６カレントミラー回路、４７第１の受光素子。

Claims

異なる複数の波長の光信号が多重されてなる光波長多重信号を用いて多重通信を行うＷＤＭ光通信システムに適用される光受信器において、
前記光波長多重信号を受信して、該光波長多重信号のそれぞれの波長に依存した光電流を発生させる第１の受光部と、
前記光波長多重信号のそれぞれの波長を監視する波長監視回路と、
を備え、
前記波長監視回路は、前記光電流のモニタによって得られた前記受光感度の変化量に基づいて前記光波長多重信号の波長を算出することを特徴とする光受信器。
前記波長監視回路は、前記受光感度の波長依存性を利用して前記光波長多重信号の波長を算出することを特徴とする請求項１に記載の光受信器。
異なる複数の波長の光信号が多重されてなる光波長多重信号を用いて多重通信を行うＷＤＭ光通信システムに適用される光受信器において、
前記光波長多重信号を受信して、該光波長多重信号のそれぞれの波長に依存した光電流を発生させる第１の受光部と、
前記光波長多重信号の分岐出力をフィルタリングする波長フィルタと、該波長フィルタからの光出力信号を受信して光電流を発生させる第２の受光部と、
を具備する波長監視回路と、
を備え、
前記波長監視回路は、前記第１の受光部で発生した光電流と前記第２の受光部で発生した光電流との光電流比に基づいて波長モニタ信号を出力することを特徴とする光受信器。
異なる複数の波長の光信号が多重されてなる光波長多重信号を用いて多重通信を行うＷＤＭ光通信システムに適用される光受信器において、
前記光波長多重信号を受信して、該光波長多重信号のそれぞれの波長に依存した光電流を発生させる第１の受光部と、
前記光波長多重信号の分岐出力をフィルタリングする波長フィルタと、該波長フィルタからの光出力信号を受信して光電流を発生させる第２の受光部と、
を具備する波長監視回路と、
を備え、
前記波長監視回路は、前記第１の受光部で検出した受光信号の電力と、前記第２の受光部で検出した受光信号の波長との２つの出力信号に基づいて波長モニタ信号を出力することを特徴とする光受信器。
前記第１の受光部で用いられる受光素子がアバランシェフォトダイオードであって、
前記波長監視回路は、前記光電流の受光感度に基づいて前記アバランシェフォトダイオードの増倍率を制御することを特徴とする請求項４に記載の光受信器。
前記波長監視回路は、算出された光信号の波長が所定の波長以外の波長である場合に波長アラーム信号を出力することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光受信器。
前記波長監視回路は、前記波長モニタ信号を用いて前記第１の受光部が出力する出力信号の利得制御を行うことを特徴とする請求項６に記載の光受信器。