JP2010154446A - 光受信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ＷＤＭ光伝送方式において、正確なＯＳＮＲを測定することによって、光入力信号のノイズ重畳の状況を把握した上で、信号判定の閾値を最適なレベルに調整することによって信頼性の高い伝送を可能にする光受信モジュールを提供する。
【解決手段】伝送路を伝播してきた光信号が入射され、前記光信号の光パワーを光電変換し信号を検出する信号受信用ＰＤと、光信号のＯＳＮＲを監視するモニタ用ＰＤを有し、前記モニタ用ＰＤの光電変換出力値により算出したＯＳＮＲに基づいて前記信号受信用ＰＤの光電変換出力信号のレベル値を判定する信号判定閾値を調整する光受信モジュールであって、前記モニタ用ＰＤは、所定の波長域で可変の波長分波器を介して前記光信号を受光し、該モニタ用ＰＤによって光電変換された光パワーの最大値と最小値により前記ＯＳＮＲを算出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、波長多重光通信技術における光受信モジュールに関し、光信号の伝送特性劣化の指標となる光信号対雑音比を測定可能な光受信モジュールに関する。

近年、光通信などの分野において、伝送容量を増大させるために波長多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）方式を採用した光伝送システムの普及が進んでいる。
ＷＤＭ光伝送システムでは、光ファイバを伝わる光信号が減衰するので、長距離伝送を可能にするためには、途中で信号の減衰を補う光増幅器が必要になる。

しかし、光増幅器では、光信号出力の強度が所定の範囲となるように光ファイバへ送出するが、自然放出（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）光による雑音（白色ノイズ）を生じるため、光信号に雑音が重畳され、したがって光信号の強度は所定の範囲にあっても、その光信号対雑音比（Optical Signal-to-Noise Ratio：ＯＳＮＲ）が劣化する場合があり、伝送誤り率特性（Bit Error Rate：ＢＥＲ）が悪くなる原因となる。この光増幅器によって生じるＡＳＥ光による雑音の大きさは、光増幅器に入力する信号光の強度に依存し、光信号入力におけるＨ（High）レベル時には、Ｌ（Low）レベル時よりも多くの雑音が生じる。

例えば、図１において、図１（Ａ）のようなＯＳＮＲが３０ｄＢ程度ある光信号に対するアイパターンは図１（Ｂ）のようになるので、Ｈレベルの信号であるかＬレベルの信号であるかを判定するための光強度の最適な信号判定閾値レベルは、光信号波形の光強度の５０％のレベル（ＨレベルとＬレベルの中間のレベル）がよい。
しかし、図１（Ｃ）のようなＯＳＮＲが１４ｄＢ程度しかない光信号に対するアイパターンは図１（Ｄ）のようになるので、Ｈレベルの信号であるかＬレベルの信号であるかを判定するための光強度の最適な信号判定閾値レベルは、光信号波形の光強度の５０％のレベルより低いレベルとなる。

したがって、ＯＳＮＲが小さい場合は信号光のＨレベルとＬレベル、即ち、信号「１」と信号「０」とを判定するための光強度の最適な信号判定閾値レベルは、光信号波形の光強度の５０％のレベルより低いレベルとなる。このため、光受信モジュールでは、従来、ＯＳＮＲを測定（モニタ）して信号判定閾値レベルを調整するようにしていた。例えば、特許文献１では、波長フィルタを用いてＡＳＥ光と信号光に分けて、それぞれのパワーの平均を取って信号判定閾値を決定し、また、特許文献２では、バンドパスフィルタ（Band-pass Filter：ＢＰＦ）を用いている。

しかし、これらの特許文献１や特許文献２の方式では、モニタ用のＰＤ（Photo Diode）やＢＰＦを複数個必要とするため、装置の小型化の支障となる。また、これらの方式は、送信側の光波長が固定されていることを前提として考えられているため、光信号の波長が変動した場合には正確に光信号とＡＳＥ光を切り分けてＯＳＮＲを測ることが難しいという問題がある。

図２に示すように、Ｓを信号光パワー、ＮをＡＳＥ光パワーとすると、ＯＳＮＲは、
ＯＳＮＲ＝（Ｓ/Ｎ）・・・（式１）
で表されるが、上記の測定方法では光信号に信号光と同じ波長のＡＳＥ光を含んで測定されてしまうため、得られる値ＯＳＮＲ’は、
ＯＳＮＲ’＝（Ｓ＋Ｎ）/Ｎ・・・（式２）
となり、厳密なＯＳＮＲといえない。

この（式２）において、信号光パワー（Ｓ）がＡＳＥ光パワー（Ｎ）と比べて非常に大きい場合は、（式１）の値と（式２）の値がほぼ同じと見なすことは可能であるが、信号光パワー（Ｓ）が小さくなるとＳの値に対して相対的にＮの値が大きくなるため、（式１）の値と（式２）の値の差は無視できなくなる。
特開２０００−２３２４３３号公報 特開２００１−１４４６９２号公報 特開２００３−１５２６４５号公報

以上のことから、光受信モジュールでは、ＯＳＮＲが小さい時にはＡＳＥ光による白色ノイズがＬレベル側よりもＨレベル側の方に多くのるため、Ｈレベルの信号かＬレベルの信号かを判定するための光強度の最適な信号判定閾値レベルをＯＳＮＲに対応して調整しなくてはならないが、波長が変った時やＯＳＮＲが小さい時に、正確にＯＳＮＲを測定することができないという課題がある。

本発明は、上述の実情を考慮してなされたものであって、ＷＤＭ光伝送方式において、正確なＯＳＮＲを測定することによって、光入力信号のノイズ重畳の状況を正確に把握した上で、信号判定の閾値を最適なレベルに調整することによって信頼性の高い伝送を可能にする光受信モジュールを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の光受信モジュールは、伝送路を伝播してきた波長多重信号光のいずれかの波長の光信号が入射され、前記光信号の光パワーを光電変換し信号を検出する信号受信用ＰＤと、光信号のＯＳＮＲを監視するモニタ用ＰＤを有し、前記モニタ用ＰＤの光電変換出力値により算出したＯＳＮＲに基づいて前記信号受信用ＰＤの光電変換出力信号のレベル値を判定する信号判定閾値を調整する光受信モジュールであって、前記モニタ用ＰＤは、所定の波長域で可変の波長分波器を介して前記光信号を受光し、該モニタ用ＰＤによって光電変換された光パワーの最大値と最小値により前記ＯＳＮＲを算出する。

前記最大値と最小値は次のいずれかの方法で算出する。
（１）前記モニタ用ＰＤの光電変換出力をピークホールド回路に入力し、前記光電変換出力の最大値と最小値をホールドし、前記最大値を前記光信号のうち信号成分から得る。
（２）前記光電変換した光パワーを前記最小値は、前記光信号のうち信号成分以外の成分から得る。
（３）前記ピークホールド回路は、前記最大値と前記最小値を得るたびにリセットされる。

また、光受信モジュールは、光信号のＯＳＮＲとそれに対応した最適な信号判定閾値の関係を格納したメモリを備え、前記メモリを参照して、算出した前記ＯＳＮＲに応じた最適な信号判定閾値を取得して前記信号受信用ＰＤの光電変換出力信号のレベル値を判定する。

本発明の光受信モジュールによれば、ＷＤＭ光伝送方式において、正確なＯＳＮＲが測定できるので、ＯＳＮＲに対応した適切な信号判定の閾値を設定して信頼性の高い伝送が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の光受信モジュールに係る好適な実施形態について説明する。
本実施形態に係る光受信モジュールは、伝送路を伝播してきた波長多重信号光から各波長成分に分離されたいずれか１つの信号光が入射され、その信号のＨレベルの信号「１」またはＬレベルの信号「０」を出力するものとする。

図３は、本発明に係る光受信モジュールの構成を示すブロック図である。同図において、光受信モジュール１０は、波長分波器１１、モニタ用フォトダイオード（ＰＤ）１２、パワー検出回路１３、信号処理部１４、制御回路１５、信号受信用フォトダイオード（ＰＤ）１６、信号検出部１７とから構成されている。また、図３において、太い線の矢印は光信号の経路を表わし、細い線の矢印は電気信号の経路を表わすものとする。

本発明による光受信モジュール１０は、図３に示すように、波長多重された光信号から分波された所定波長の光信号を、信号受信用フォトダイオード（以下、信号受信用ＰＤ）１６で受光すると共に、波長分波器１１を介してモニタ用フォトダイオード（以下、モニタ用ＰＤ）１２で受光するように構成される。モニタ用ＰＤ１２で受光した光信号の光電変換出力は、パワー検出回路１３に入力され、光パワーのモニタされたときのピーク値が算定され、信号処理部１４に入力される。信号処理部１４では、光パワーのモニタされたときのピーク値から最大値と最小値が算定されて、光パワーの最大値と最小値から信号光のＯＳＮＲが算出され、算出結果は制御回路１５に入力される。制御回路１５では、算出されたＯＳＮＲに基づいて、信号受信用ＰＤ１６で受光した受信信号を検出する信号検出部１７のレベル判定の信号判定閾値を出力する。制御回路部１５は、光信号のＯＳＮＲと、それに対応した最適な信号判定閾値の関係を格納したメモリを備えており、このメモリを参照することによって、算出されたＯＳＮＲに応じたき最適な信号判定閾値を得る。
信号検出部１７では、制御回路１５から与えられて信号判定閾値により、信号受信用ＰＤ１６によって光電変換された光パワーの信号レベルを判定する。

波長分波器１１は、所定の波長のみ透過する共振器やフィルタなどで形成され、光受信モジュール１０に入力される光信号に対して、透過波長が時間の経過と共に周期的に変化するように構成されている。具体的には、波長分波器１１に透過波長の異なる複数の領域を持たせ、その領域を周期的に変える（移動、回転、揺動など）ことにより、モニタ用ＰＤ１２に入力される光パワーが変動する。

光受信モジュール１０に入力された光信号は、本来の信号光である信号成分（Ｓ）と光増幅器により付加されたＡＥＳ光等のノイズ成分（Ｎ）とからなる。ノイズ成分（Ｎ）は、光信号の波長全域に生じ、信号成分（Ｓ）は所定の波長域である。このため、この光信号を上記の波長分波器１１を介してモニタ用ＰＤ１２に入力すると、図４に示すように、本来の信号成分（Ｓ）の波長の光パワーは大きく、ノイズ成分（Ｎ）の波長の光パワーは小さい状態で受光させることができる。

この光パワーの違いは、波長分波器１１を周期的に変化させることにより、繰り返し検出され、図５に示すように、信号成分の波長域の光パワー（Ｓ＋Ｎ）とノイズ成分のみの光パワー（Ｎ）とを交互に受光することができる。この受光状態をモニタ用ＰＤ１２で光電変換して、パワー検出回路１３に出力する。なお、波長分波器１１の周期的な変化は制御回路１５により実行される。

パワー検出回路１３は、モニタ用ＰＤ１２により光電変換された光パワー（電圧値）のピーク値を読み取って信号処理部１４に出力する。なお、このパワー検出回路１３は、時定数が波長分波器１１の周期の５倍〜１０倍のピークホールド回路を備えるようにする。

光受信モジュール１０に入力された光信号を、波長分波器１１を介して連続的に透過させると、図５のように、信号成分（Ｓ）が透過したときにピークの光パワーが生じる。この光パワーのピークをパワー検出回路１３のピークホールド回路で保持し、最大値と最小値が得られる度にリセットすることにより、そのパワー検出回路１３の出力は、図６の太い実線に示すようになる。尚、図６の点線はモニタ用ＰＤ１２から受信する光パワー（電圧値）である。

信号処理部１４は、パワー検出回路１３から出力された光信号の信号成分が透過したときのピークである最大値と、光信号の信号成分以外のノイズ成分が透過したときのピーク値である最小値を測定し、これらの最大値と最小値に基づいて、次の（式３）でＯＳＮＲを算出する。
ＯＳＮＲ＝［最大値−最小値］／［最小値］…（式３）

次に、予め、信号光がＨレベルの信号かＬレベルの信号かを区別する最適な信号判定閾値とＯＳＮＲとの関係を算出したテーブルをメモリに記憶させておき、このテーブルを参照して、上記の（式３）で算出したＯＳＮＲに対する信号判定閾値を算出し、算出された信号判定閾値を制御回路１５に出力する。

制御回路１５は、透過波長を所定の波長域内で周期的に変化するように波長分波器１１に制御信号を出力する。ここで、ＯＳＮＲは信号ほど高速に変動しないので、透過波長の変化周期は光信号に比べて長くても問題はない。

また、制御回路１５は、例えば、図６に示すように、波長分波器１１の波長が変化する周期の１／４周期の終わった時点でパワー検出回路１３にリセット信号を送出する。パワー検出回路１３は、このリセット信号を受けて、これまでのピーク値をクリアして、新たなピーク値を検出して信号処理部１４に出力する。信号処理部１４は、パワー検出回路１３から出力された光信号の信号成分が透過したときの新たなピークである最大値と、光信号の信号成分以外のノイズ成分が新たに透過したときのピーク値である最小値を算出し、これらの最大値と最小値に基づいて、（式３）でＯＳＮＲを算出し直す。

また、制御回路１５は、信号処理部１４から受信した信号判定閾値を信号検出部１７に出力する。
信号受信用ＰＤ１６は、入射した光信号の光パワーを光電変換して信号検出部１７に出力する。
信号検出部１７は、信号受信用ＰＤ１６により光電変換された光パワーを入力して、制御回路１５から与えられた信号判定閾値を超えた場合には、Ｈレベルの信号を出力し、超えない場合にはＬレベルの信号を出力する。
以上のように構成した光受信モジュール１０は、ＯＳＮＲ測定用に波長分波器１１とモニタ用ＰＤ１２のみを設置すればよいため、小規模化、簡素化が可能である。

次に、本実施形態の光受信モジュールの動作について説明する。
光受信モジュール１０には、伝送路を伝播してきた波長多重信号光から所定の波長成分に分離された光信号が入射される。この光信号は、ＯＳＮＲ測定用の光信号と信号検出用の光信号に分岐される。

ＯＳＮＲ測定用の光信号は、制御回路１５からの制御信号に応じて、所定の波長域内で周期的に変化した透過波長の光信号が波長分波器１１によって透過され、モニタ用ＰＤ１２により光電変換された光パワーがパワー検出回路１３に出力される。

モニタ用ＰＤ１２により光電変換された光パワーのピーク値がパワー検出回路（ピークホールド回路）１３で検出され信号処理部１４に出力される。また、このパワー検出回路１３では、波長分波器１１の波長の変化周期の１／４周期の終わった時点で制御回路１５からリセット信号を入力して、これまで保持していたピーク値がクリアされ、新たなピーク値が検出しなおされる。

信号処理部１４により、パワー検出回路１３から出力された光信号の信号成分が透過したときのピークである最大値と、光信号の信号成分以外のノイズ成分が透過したときのピーク値である最小値が算出され、これらの最大値と最小値に基づいて、（式３）によりＯＳＮＲが算出される。
信号光がＨレベルの信号かＬレベルの信号かを区別する最適な信号判定閾値とＯＳＮＲとの関係を算出したテーブルを参照して、ＯＳＮＲに対する信号判定閾値を算出し、信号判定閾値は制御回路１５を経て信号検出部１７に出力される。

一方、入射した光信号を信号受信用ＰＤ１６により光電変換し、光電変換された光パワーが制御回路１５から与えられた信号判定閾値を超えるか否かによってＨレベルの信号またはＬレベルの信号を出力する。

このようにして算出したＯＳＮＲに応じて信号検出のための信号判定閾値を調整することで、ＯＳＮＲが劣化した際の誤り特性の悪化を防ぐことができる。
また、波長を変更した際にも、波長分波器の所定の波長域内の変更であれば設定を変更せずにＯＳＮＲを正しく算出することができる。
また、固定したフィルタを使う場合と比べて、周期を自由にかつ広く設定できるため、波長変動による影響を受けない。

上記の実施形態のパワー検出用回路（ピークホールド回路）１３は、図６では、波長分波器１１の波長の変化周期の１／４周期の終わった時点でリセットをかけるようにしていたが、波長分波器１１の波長の変化する周期の任意の周期の時点でリセットをかけるようにしてもよい。
図７は、波長分波器１１の波長の変化する周期の１／２周期でリセットをかけた例を示し、パワー検出用回路１３のピークホールド回路の出力状態は、図のようになり、ピーク値を常に検出することができる。また、ＡＳＥ光等によるノイズ成分は、リセットをかけたときから所定の時間内の透過光の光パワー（電圧値）を測定することにより最小値を検出することができる。
ＯＳＮＲは、これらの最大値と最小値を用いて（式３）により算出できる。

また、図８に示すように、上述のようにリセット信号を用いず、波長分波器１１で透過した光信号のピーク値（最大値）をパワー検出回路１３により測定するとともに、信号成分以外の波長の透過光をノイズ成分と考えて、その透過光のパワーを測定する。このときのパワーを最小値として、ＯＳＮＲを（式３）で算出するようにしてもよい。

また、図３の光受信モジュールの構成において、波長分波器１１では、信号光以外の波長の光信号を反射して、モニタ用ＰＤ１２でこの反射光のパワー（電圧値）を得るようにする。
この反射光を光電変換したときのパワーは、図９のように、信号光が透過しなかったときにピーク値が生じ、信号光が透過したときにボトム値が生じる。このボトム値はノイズのパワーを表わし、ピーク値はノイズを含んだ光信号のパワーを表わしている。
したがって、パワー検出回路１３では、ピークホールド回路ではなくボトムホールド回路を用いてピーク値の代わりにボトム値を検出する。

これらのことから、ＯＳＮＲは、最大値＝ピーク値、最小値＝ボトム値として、（式３）から算出できる。

ノイズによる光信号の劣化を説明する図である。 ノイズを含まない光信号のパワーから算出されるＯＳＮＲと、ノイズを含んだ光信号のパワーから算出されたＯＳＮＲの相違を説明する図である。 本発明に係る光受信モジュールの構成を示すブロック図である。 所定の波長域内で変動する透過波長とそのパワーの関係を説明する図である。 モニタ用ＰＤが受信する光パワーの時間変動を表わす図である。 波長分波器の波長の変動周期の１／４周期の終わった時点でリセットをかけたときのピークホールド回路の出力と光信号の光パワーの関係を表わす図である。 波長分波器の波長の変動周期の１／２周期の終わった時点でリセットをかけたときのピークホールド回路の出力と光信号の光パワーの関係を表わす図である。 ノイズのパワーを測定する位置を表わす図である。 信号光以外の波長を反射した光信号をモニタ用ＰＤが受信したときの光パワーの時間変動を表わす図である。

符号の説明

１０…光受信モジュール、１１…波長分波器、１２…モニタ用ＰＤ、１３…パワー検出回路、１４…信号処理部、１５…制御回路、１６…信号受信用ＰＤ、１７…信号検出部。

Claims (5)

1. 伝送路を伝播してきた光信号が入射され、前記光信号の光パワーを光電変換し信号を検出する信号受信用ＰＤと、光信号のＯＳＮＲを監視するモニタ用ＰＤを有し、前記モニタ用ＰＤの光電変換出力値により算出したＯＳＮＲに基づいて前記信号受信用ＰＤの光電変換出力信号のレベル値を判定する信号判定閾値を調整する光受信モジュールであって、
   前記モニタ用ＰＤは、所定の波長域で可変の波長分波器を介して前記光信号を受光し、該モニタ用ＰＤによって光電変換された光パワーの最大値と最小値により前記ＯＳＮＲを算出することを特徴とする光受信モジュール。
2. 前記モニタ用ＰＤの光電変換出力をピークホールド回路に入力し、前記光電変換出力の最大値と最小値をホールドし、前記最大値を前記光信号のうち信号成分から得ることを特徴とする請求項１に記載の光受信モジュール。
3. 前記光電変換した光パワーを前記最小値は、前記光信号のうち信号成分以外の成分から得ることを特徴とする請求項１または２に記載の光受信モジュール。
4. 前記ピークホールド回路は、前記最大値と前記最小値を得るたびにリセットされることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光受信モジュール。
5. 光信号のＯＳＮＲとそれに対応した最適な信号判定閾値の関係を格納したメモリを備え、前記メモリを参照して、算出した前記ＯＳＮＲに応じた最適な信号判定閾値を取得して前記信号受信用ＰＤの光電変換出力信号のレベル値を判定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光受信モジュール。