JP2007049350A - 光復調回路 - Google Patents

Abstract

【課題】強度雑音を抑圧することができ、従来よりも高いＳ／Ｎ比を達成することができる光復調回路を得る。
【解決手段】変調信号により変調されたレーザ光を２つに分岐する光分岐カプラ７と、光分岐カプラ７から出力された一方の光信号の第１の通過周波数帯域のみを通過させる光バンドパスフィルタ８と、光分岐カプラ７から出力された他方の光信号の第２の通過周波数帯域のみを通過させる光バンドパスフィルタ９と、第１及び第２の光バンドパスフィルタ８、９から出力された２つの光信号を合波させ、２つの光信号に対する２つの出力信号の光キャリア位相に９０度の位相差をつけて出力する光合波カプラ１０と、光合波カプラ１０から出力された光信号を強度比は保ったまま電気信号に変換する、一方のアノードと他方のカソードが直列接続された２つのフォトダイオード１１、１２とを設けた。
【選択図】図１

Description

この発明は、強度雑音を抑圧し、従来よりも高いＳ／Ｎ比を持つ信号を得ることができる光復調回路に関するものである。

従来の光復調回路としては、図５に示されているものが存在する（例えば、特許文献１参照）。この光復調回路について図５を参照しながら説明する。図５は、従来の光復調回路の構成を示すブロック図である。

図５において、光源１０１と、光変調器１０３と、変調信号発生器１０４と、光ファイバなどの光伝送路１０５と、従来の光復調回路１０６とが示されている。なお、光源１０１と光変調器１０３と光伝送路１０５と光復調回路１０６との間は、光ファイバ１０２により接続されている。

従来の光復調回路１０６は、フォトダイオード１０７と、増幅回路１０９と、出力端子１１０とが設けられている。なお、フォトダイオード１０７と増幅回路１０９と出力端子１１０との間は、電線１０８により接続されている。

次に、従来の光復調回路１０６の動作について説明する。まず、光源１０１からＣＷからなるレーザ光を出力すると同時に、変調信号発生器１０４により変調信号を発生し光変調器１０３に送る。光変調器１０３によりＣＷからなるレーザ光に対し変調信号発生器１０４からの変調信号に応じた光変調、例えば強度変調を施す。その後、光伝送路１０５により、変調された光信号は光復調回路１０６に送られる。この光信号は、フォトダイオード１０７により直接検波される。その後、フォトダイオード１０７から出力される電気信号は増幅回路１０９により増幅され、出力端子１１０へ出力される。以上の動作により、出力端子１１０からの出力信号は、変調信号発生器１０４により発生された変調信号と同じ波形となり、復調動作が完了する。

特開２００１−３０８７９２号公報

しかし、従来の光復調回路では、光源１０１から出力されるレーザ光にふくまれるＲＩＮ(Relative Intensity Noise)と称される強度雑音により、出力される電気信号（復調後の出力信号）のＳ／Ｎ比が劣化し、所望の品質を持つ復調信号が得られないという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、強度雑音を抑圧することができ、従来よりも高いＳ／Ｎ比を達成することができる光復調回路を得るものである。

この発明に係る光復調回路は、変調信号により変調されたレーザ光を２つに分岐する光分岐カプラと、前記光分岐カプラから出力された一方の光信号の第１の通過周波数帯域のみを通過させる第１の光バンドパスフィルタと、前記光分岐カプラから出力された他方の光信号の第２の通過周波数帯域のみを通過させる第２の光バンドパスフィルタと、前記第１及び第２の光バンドパスフィルタから出力された２つの光信号を合波させ、２つの光信号に対する２つの出力信号の光キャリア位相に９０度の位相差をつけて出力する光合波カプラと、前記光合波カプラから出力された光信号を強度比は保ったまま電気信号に変換する、一方のアノードと他方のカソードが直列接続された２つのフォトダイオードとを設けたものである。

この発明に係る光復調回路は、強度雑音を抑圧することができ、従来よりも高いＳ／Ｎ比を達成することができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る光復調回路について図１から図４までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る光復調回路の構成を示す図である。

図１において、光源１と、光変調器３と、変調信号発生器４と、光ファイバなどの光伝送路５と、光復調回路６とが示されている。なお、光ファイバ２により、光源１と、光変調器３と、光伝送路５と、光復調回路６とが接続され、電線により、光変調器３と変調信号発生器４とが接続されている。

また、図１において、この実施の形態１に係る光復調回路６は、光分岐カプラ７と、光バンドパスフィルタ（第１の光バンドパスフィルタ）８と、光バンドパスフィルタ（第２の光バンドパスフィルタ）９と、光合波カプラ１０と、フォトダイオード１１及び１２と、増幅回路１４と、出力端子１５とが設けられている。

光ファイバにより、光分岐カプラ７と、光バンドパスフィルタ８と、光バンドパスフィルタ９と、光合波カプラ１０とが接続され、電線１３により、フォトダイオード１１及び１２と、増幅回路１４と、出力端子１５とが接続されている。

図１において、光源１は、単一波長のＣＷレーザ光を生成する機能を有している。変調信号発生器４は、所望の変調信号を発生する。光変調器３は、変調信号発生器４からの変調信号をもとにして入力された光信号に変調をかける機能を有している。変調のタイプとしては、強度変調、位相変調等の複数種類が考えられるが、ここでは強度変調を行うものとして説明する。光伝送路５は、光変調器３から出力されるレーザ光を光復調回路６まで伝送させる。

光復調回路６の光分岐カプラ７は、光伝送路５からのレーザ光を２つに分岐する機能を有している。光バンドパスフィルタ８、９は、光分岐カプラ７からの２つのレーザ光に対し、各々設定した帯域のみの光信号を通過させ、それ以外の光信号は遮断する。光合波カプラ１０は、光バンドパスフィルタ８、９からの２つのレーザ光を合波させて出力する機能を有している。フォトダイオード１１、１２は、入力した光信号を強度比は保ったまま電気信号に変換する。増幅回路１４は、トランスインピーダンスアンプの機能を有し、電流を電圧に変換する帰還抵抗と、反転増幅器とで構成される。

図１において、変調信号発生器４から送信される変調信号は、例えばマイクロ波帯の数百ＭＨｚのキャリア周波数を持つＣＷ信号が考えられる。ここでは、この場合について説明する。また、光源１から出力されるレーザ光の波長は、例えば光ファイバの最低損失波長帯である１．５μｍ帯である。また、２つの光バンドパスフィルタ８及び９は、異なる通過周波数帯域を有している。光バンドパスフィルタ８の通過周波数帯域は、光源１からのレーザ光波長に対応する周波数を含み、光バンドパスフィルタ９の通過周波数帯域は、光源１からのレーザ光波長に対応する周波数から変調信号周波数ｆ_ｍだけ高周波側にシフトした周波数を含む。また、光バンドパスフィルタ８及び９のうち、少なくとも一方の通過周波数帯域幅は、変調信号周波数ｆ_ｍ以上で、２ｆ_ｍ以下の値に設定されている。また、光合波カプラ１０は、入力される２つの光信号を合波するだけでなく、入力された各々の光信号に対する２つの出力信号の光キャリア位相に９０度の位相差をつけて出力する機能、つまり９０度ハイブリッド回路の機能を有している。なお、図１において、光バンドパスフィルタ８、９は、例えばＤＢＲフィルタやＤＦＢフィルタなどを用い、フィルタ注入電流により透過波長制御を行うことで実現できる。

つぎに、この実施の形態１に係る光復調回路の動作について図面を参照しながら説明する。図２は、光変調器による変調後の光信号のスペクトルを示す図である。図３は、この発明の実施の形態１に係る光復調回路の２つの光バンドパスフィルタからの出力光のスペクトルを示す図である。図４は、この発明の実施の形態１に係る光復調回路の２つの光バンドパスフィルタの帯域幅を説明するための図である。

光源１からのレーザ光は、光変調器３により、変調信号発生器４で発生する変調信号周波数ｆ_ｍに応じた光周波数変調を受ける。変調後の光信号のスペクトルを図２に示す。図２に示すように、光信号にはメインバンド成分である光源１からの周波数ｆ_ｌのレーザ光に加えて、周波数ｆ_ｌ＋ｆ_ｍ、ｆ_ｌ−ｆ_ｍに変調によるサイドバンド成分が発生する。また、主に光源１（メインバンドの信号成分）のもつ強度雑音成分も含まれる。

次に、光ファイバを用いた光伝送路５を経て光分岐カプラ７により光伝送路５からのレーザ光を２つに分岐し、２つの光バンドパスフィルタ８及び９に光信号をそれぞれ送る。光バンドパスフィルタ８では、周波数ｆ_ｌ＋ｆ_ｍのサイドバンドを遮断し、出力光信号をメインバンドのみとする。一方、光バンドパスフィルタ９では、メインバンドを遮断し、出力光信号を周波数ｆ_ｌ＋ｆ_ｍのサイドバンドのみとする。この２つの光バンドパスフィルタ８、９から出力される光信号を、９０度ハイブリッド回路機能を持つ光合波カプラ１０により合波させ、２つのフォトダイオード１１、１２で光電変換を行った後、互いの差信号を増幅回路１４により増幅し、出力端子１５へ出力する。このようないわゆるヘテロダイン検波による復調を行うことで、出力端子１５からの出力信号は上記メインバンドと上記サイドバンドとのビート信号周波数、つまり変調信号と同じ波形を持つ周波数ｆ_ｍの信号となる。

このとき、図１に示したように、９０度ハイブリッド回路機能を持つ光合波カプラ１０、２つのフォトダイオード１１、１２を有し、かつ２つのフォトダイオード１１、１２の内の一方のアノードと他方のカソードを接続することで、次に記載する効果を生じる。

光バンドパスフィルタ８からの光信号が持つ強度雑音については、２つのフォトダイオード１１、１２のアノードからカソード方向の電流値が同じ位相となる。図１では２つのフォトダイオード１１、１２の内の一方のアノードと他方のカソードが接続されているので、電線１３においてこの強度雑音はキャンセルされる。

また、光バンドパスフィルタ９からの光信号が持つ強度雑音についても同じ原理によりキャンセルされる。それに対し、上記メインバンドと上記サイドバンドとのビート信号については光合波カプラ１０が９０度ハイブリッド回路の機能を有しているため、２つのフォトダイオード１１、１２のアノードからカソード方向の電流値が逆位相となる。したがて、電線１３において２つのビート信号は同位相となり、足し合わされて出力される。このように、本実施の形態１に係る光復調回路を用いることで、光源１からのレーザ光が持つ強度雑音成分を抑圧することが可能となるので、従来に対して高いＳ／Ｎ比での復調が可能となる。

ここで、本実施の形態１に係る光復調回路における強度雑音の抑圧についてさらに詳細に説明する。

光合波カプラ１０で合波する前の２つの光バンドパスフィルタ８、９からの出力光のスペクトルをそれぞれ図３（ａ）、（ｂ）に示す。ここで、光バンドパスフィルタ８、９の帯域幅をｆ_ｗとし、帯域幅以外の周波数に含まれる信号及び雑音については完全に遮断できるものとする。図３（ａ）より、メインバンドのみを通過させる光バンドパスフィルタ８の光信号のスペクトルは、周波数ｆ_ｌに発生するメインバンドの信号成分及び主に光源１（メインバンドの信号成分）のもつ強度雑音成分が、周波数ｆ_ｌ−（ｆ_ｗ／２）からｆ_ｌ＋（ｆ_ｗ／２）の間に含まれる。

一方、図３（ｂ）より、サイドバンドのみを通過させる光バンドパスフィルタ９の光信号のスペクトルは、周波数ｆ_ｌ＋ｆ_ｍに発生するサイドバンドの信号成分及び主に光源１のもつ強度雑音成分が、周波数ｆ_ｌ＋ｆ_ｍ−（ｆ_ｗ／２）からｆ_ｌ＋ｆ_ｍ＋（ｆ_ｗ／２）の間に含まれる。なお、サイドバンドの信号成分のもつ強度雑音成分は、メインバンドの信号成分のもつ強度雑音に比べて非常に小さいと仮定し、無視できる。

図３（ａ）、（ｂ）に示すスペクトルをもつ信号が光合波カプラ１０により合波されると、合波後のメインバンドとサイドバンドのビート信号の周波数は、図３（ａ）、（ｂ）に示した両バンドの差周波数ｆ_ｍとなる。ここで、周波数ｆ_ｍには上記２バンドのビート信号以外に、図３（ａ）と（ｂ）に存在する雑音成分どうしのビートが存在する。この雑音成分どうしのビートは、図３（ａ）に示す周波数ｆ_ｌ−（ｆ_ｗ／２）からｆ_ｌ＋（ｆ_ｗ／２）の間の雑音成分と、図３（ｂ）に示す周波数ｆ_ｌ＋ｆ_ｍ−（ｆ_ｗ／２）からｆ_ｌ＋ｆ_ｍ＋（ｆ_ｗ／２）の間の雑音成分の中で２つの周波数成分の差の絶対値がｆ_ｍとなる成分の組合せから生じる。

この雑音成分の組合せの中で、例えば、図４に示すように、スペクトル上で周波数ｆ_Ａに含まれる雑音電力Ｎ_Ａと、周波数ｆ_Ｂに含まれる雑音電力Ｎ_Ｂのビートについて考える。ここで、周波数ｆ_Ａと周波数ｆ_Ｂの間には次の式（１）が成り立つとする。

ｆ_Ｂ−ｆ_Ａ＝ｆ_ｍ （１）

雑音電力Ｎ_Ａと雑音電力Ｎ_Ｂは、両者ともに光バンドパスフィルタ８から出力されるレーザ光に含まれている。したがって、この２つの成分のビート信号は、フォトダイオード１１、１２で光信号を電気信号に変換した際に生じる強度雑音成分であり、電線１３においてキャンセルされる成分である。

次に、図４に示すように、スペクトル上で周波数ｆ_Ｂに含まれる雑音電力Ｎ_Ｂと、周波数ｆ_Ｃに含まれる雑音電力Ｎ_Ｃのビートについて考える。ここで、周波数ｆ_Ｂと周波数ｆ_Ｃの間には次の式（２）が成り立つとする。

ｆ_Ｃ−ｆ_Ｂ＝ｆ_ｍ （２）

雑音電力Ｎ_Ｂは、図３（ａ）に示すように、光バンドパスフィルタ８から出力されるメインバンドを含む光信号に含まれており、雑音電力Ｎ_Ｃは、図３（ｂ）に示すように、光バンドパスフィルタ９から出力されるサイドバンドを含む光信号に含まれている。したがって、この２つの成分のビート信号は、メインバンドとサイドバンドのビート信号成分と同じように、電線１３において同位相で足し合わされ、キャンセルされることはない。

以上説明したように、一方の光バンドパスフィルタ８の帯域内において周波数差がｆ_ｍとなるような雑音成分どうしのビートは、本実施の形態１に係る光復調回路を用いることにより除去することができる。つまり、本実施の形態１に係る光復調回路によれば、単に光信号の強度雑音を除去できるというだけでなく、メインバンドとサイドバンドとのビート信号周波数ｆ_ｍに混入する雑音成分を抑圧することが可能となる。この効果は、従来の光復調回路において電気信号に変換した後に電気領域においてバンドバスフィルタを用いて雑音を除去する方法では実現が困難なものである。

なお、上記で述べた所望周波数における雑音成分の抑圧効果を得るには、光バンドパスフィルタの帯域内に周波数差ｆ_ｍの２つの雑音成分を含む必要があるが、そのためには光バンドパスフィルタの通過周波数帯域幅ｆ_ｗをｆ_ｍ以上とすればよい。また、光バンドパスフィルタ８でサイドバンドを遮断しメインバンドのみの光信号を出力するためには、図２に示すように、光バンドパスフィルタ８の通過周波数帯域幅ｆ_ｗは、ｆ_ｍの２倍以下とすることが条件となる。したがって、本実施の形態１に係る光復調回路が所望周波数における雑音成分の抑圧効果を有するための光バンドパスフィルタ８、９のうち、少なくとも一方の通過周波数帯域幅ｆ_ｗの条件は、次の式（３）で表される。

ｆ_ｍ≦ｆ_ｗ≦２ｆ_ｍ （３）

なお、上記の説明においては、図３に示すように、光バンドパスフィルタの通過周波数帯域の中心周波数と、光信号のメインバンドの周波数、あるいはサイドバンドの周波数とを一致させているが、一致させなくても構わない。

また、本実施の形態１に係る光復調回路では、光分岐カプラ７と光バンドパスフィルタ８及び９との代わりに、入力導波路に入射された複数の光波長を一度に合波または分波することが可能なデバイスである、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）を用いても良い。

この発明の実施の形態１に係る光復調回路の構成を示すブロック図である。 光変調器による変調後の光信号のスペクトルを示す図である。 この発明の実施の形態１に係る光復調回路の２つの光バンドパスフィルタからの出力光のスペクトルを示す図である。 この発明の実施の形態１に係る光復調回路の２つの光バンドパスフィルタの帯域幅を説明するための図である。 従来の光復調回路の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 光源、２ 光ファイバ、３ 光変調器、４ 変調信号発生器、５ 光伝送路、６ 光復調回路、７ 光分岐カプラ、８ 光バンドパスフィルタ、９ 光バンドパスフィルタ、１０ 光合波カプラ、１１ フォトダイオード、１２ フォトダイオード、１３ 電線、１４ 増幅回路、１５ 出力端子。

Claims (2)

1. 変調信号により変調されたレーザ光を２つに分岐する光分岐カプラと、
   前記光分岐カプラから出力された一方の光信号の第１の通過周波数帯域のみを通過させる第１の光バンドパスフィルタと、
   前記光分岐カプラから出力された他方の光信号の第２の通過周波数帯域のみを通過させる第２の光バンドパスフィルタと、
   前記第１及び第２の光バンドパスフィルタから出力された２つの光信号を合波させ、２つの光信号に対する２つの出力信号の光キャリア位相に９０度の位相差をつけて出力する光合波カプラと、
   前記光合波カプラから出力された光信号を強度比は保ったまま電気信号に変換する、一方のアノードと他方のカソードが直列接続された２つのフォトダイオードと
   を備えたことを特徴とする光復調回路。
2. 前記第１及び第２の光バンドパスフィルタのうち、一方は変調された光信号におけるメインバンド成分のみを通過させ、他方は変調された光信号におけるサイドバンド成分のみを通過させ、
   かつ、前記変調信号の周波数をｆ_ｍと表すと、前記第１及び第２の光バンドパスフィルタのうち、少なくとも一方の通過周波数帯域幅がｆ_ｍ以上２ｆ_ｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１記載の光復調回路。

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