JP2011114852A - 光受信器及び光ファイバ伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】 受信器に入力される光位相変調信号の強度揺らぎに起因する受信信号揺らぎを抑圧し、信号復調特性の劣化を抑えた光受信器と光ファイバ伝送システムを提供する。
【解決手段】 本発明は、光信号を分岐する光分岐手段と、分岐された一方の光信号から光信号の強度揺らぎを検出する光検出手段と、光検出手段での遅延に合わせて、光強度を変調する光強度変調手段への信号光の印加タイミングの遅延を調整する遅延調整手段と、光検出手段の検出信号に基づいて光強度変動を低減するように光強度変調手段を駆動する駆動手段と、信号の強度が一定になるように強度変調する光強度変調手段と、を有し、強度が一定の光位相変調信号を出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光受信器及び光ファイバ伝送システムに係り、特に、光位相変調信号を受信する光受信器、及び、光位相変調信号をファイバ伝送する光ファイバ伝送システムに関する。

まず、従来の光位相変調信号受信器について説明する。

図６は、従来の光位相変調信号受信器の基本構成例である。

同図（ａ）は、遅延受信器と呼ばれるもので、まず、入力された位相変調信号を光増幅器１で増幅し、次に光フィルタ２により光増幅器１から出力される余分な自然放出光を除去する。分岐器３、光合波器４により光分岐・遅延・合波回路５を構成する。光フィルタ２からの出力は分岐器３により２つの経路に分岐され、一方に１ビットスロット分の時間遅延を与えられた後、２入力２出力の光合波器４により再び合波される。合波器出力はそれぞれ光検出器６，７に入力される。これにより合波器４から出力される光の強度が電気信号に変換される。そして２つの光検出器６，７からの電気信号は差動回路８で差動的に合流され、その出力信号から受信器に入力された光位相変調信号のビット情報を復調する（例えば、非特許文献１参照）。

この構成における光分岐・遅延・合波回路５は、隣接するビットスロットの光を干渉させるように動作する。これを「１ビット遅延干渉計」という。干渉の結果、隣接スロットの相対位相に応じて、２つの出力端子のいずれかへ光が出力される。すなわち、１ビット遅延干渉計により、位相情報が干渉計出力光強度のオン・オフへと変換される。そして、１ビット遅延干渉計からの出力光強度は光検出器６，７で電気信号に変換され、これにより位相変調信号が復調される。

同図（ｂ）は、ホモダイン受信器と呼ばれるもので、入力された位相変調信号光は、２入力２出力の光合波器１１により、信号光と同じ光周波数の局発光と合波される。合波器出力はそれぞれ光検出器１２，１３に入力される。これにより、合波器１１から出力される光の強度が電気信号に変換される。そして、２つの光検出器１２，１３からの電気信号は、差動回路１４で差動的に合流され、その出力信号から受信器に入力された光位相変調信号のビット情報を復調する（例えば、非特許文献２参照）。

上記の合波器においては、信号光と局発光が干渉する。干渉の結果、２光波の相対位相に応じて、２つの出力端子のいずれかへ光が出力される。すなわち、信号光と局発光の干渉により、位相情報が合波器出力光強度のオン・オフへ変換される。これを「ホモダイン検波」という。そして、ホモダイン検波の出力光強度は光検出器で電気信号に変換され、これより位相変調信号が復調される。

以上は、光位相変調信号を復調する光受信器の基本形であり、その他にも、多値位相変調信号を復調するための構成や受信特性を偏波無依存とするための構成など、様々な構成の光位相変調信号受信器があるが、いずれの受信器においても、光の干渉現象を利用して位相情報を光強度に変換することにより、位相変調信号を復調することは共通している。

次に、従来の光ファイバ信号伝送について説明する。

光ファイバ信号伝送は、長距離・大容量伝送を提供する技術として、広く普及している。中でも、光の位相に情報を載せて伝送する光位相変調信号伝送方式は、受信感度が高い、多値変復調による伝送容量の拡大が可能、ホモダイン検波後に波形ひずみ補償が可能、等の特長を有する技術として知られている。今後の更なる長距離・大容量化を目指す研究開発においては、現在、この伝送方式が主流として研究されている。

光位相変調信号伝送方式の長距離・大容量伝送を実現するための技術的課題はいくつもあるが、その中に、光ファイバの非線形による伝送特性劣化がある。まず、これについて説明する。

光ファイバには、伝播する光の強度に依存して屈折率が変化するという性質がある。これを「光カー効果」という。一方、長距離伝送系では、伝送路途中で光増幅器を用いて伝送信号を増幅中継するのが一般的である。その際、光増幅器からは自然放出光と呼ばれる雑音光が発生する。この雑音光のため、伝送光の光強度は時間的に揺らぐことになる。さらに、分散（波長によって屈折率が異なる性質）があるファイバ伝送路では、位相変調が強度変調に変換されるという現象が起こり、これによっても伝送光強度は変動する。この位相変調から強度変調への変換現象による光強度変動は、複数の信号光が伝送される波長多重伝送システムでは雑音的な揺らぎとなる。このように、いくつかの要因により、光ファイバ伝送中の光強度は時間的に揺らいでいる。すると、先に述べた光カー効果により、ファイバの屈折率が揺らぐことになる。屈折率が揺らぐと、そこを伝播している光の伝播位相が揺らぐ。その結果、伝送信号光の位相が揺らぐことになり、これは位相変復調伝送方式にとっては受信信号揺らぎとなる。このため、信号伝送特性が劣化する。

さて、上記による伝送特性劣化を抑える手段として、光パラメトリック増幅の利得飽和を利用する方法が研究されている（例えば、非特許文献３参照）。

光パラメトリック増幅とは、光非線形を高めた光ファイバ（「高非線形ファイバ」という）に高いパワーのポンプ光を入射すると、ある特定の波長関係を満たす信号光が増幅される現象である。この現象における信号光入出力特性は、図７のようになる。入力光パワーを増加させていくと、入力光パワーが小さいうちは、線形的に出力光パワーが増加するが、次第にその傾きが緩くなり、ある入力レベルでピークに達すると、その後は減少に転じる。

この入出力特性を利用すると、信号光の光強度揺らぎを抑えることができる。すなわち、入力信号光パワーを出力がピークとなるレベルに設定する。すると、ピーク付近では出力光パワーの傾きがゼロであるため、入力光強度が揺らいでも、光パワーは一定で出力される。これにより、光強度揺らぎが抑えられた信号光を得ることができる。

このような光強度揺らぎ抑圧装置を伝送路の要所要所に設置すれば、光強度揺らぎが抑えられた信号光が光ファイバを伝播することになる。すると、光カー効果による強度揺らぎから位相揺らぎへの変換が起こらなくなり、前述の伝送特性劣化を抑えることができる。

「コヒーレント光通信工学」大越、菊池、オーム社、p.145 1989. 「コヒーレント光通信」嶌田、電子情報通信学会、p. 24, 昭和63. Masayuki Matsumoto and Kenichi Sanuki, "Performance improvement of DPSK signal transmission by a phase-preserving amplitude limiter," Optic Express, vol. 15, no. 13, pp. 8094-8103 (2007).

一般に伝送されてきた信号光は、伝送路途中に挿入されている光増幅器の自然放出光やファイバ伝送路の光非線形特性から生じるチャンネル間干渉などにより、雑音を伴っている。さらに受信器で用いられている光増幅器から発生する自然放出光も加わるため、受信信号光の強度及び位相は揺らいでいる。

前述のように、信号光の位相情報は、遅延干渉計またはホモダイン検波により光強度情報へ変換される。その際、信号光の強度及び位相が揺らいでいると、その揺らぎは遅延干渉計またはホモダイン検波の出力光強度の揺らぎに転化される。この揺らぎのため受信信号が揺らぎ、信号復調特性が劣化するという問題がある。

そこで、本発明は、信号光の強度揺らぎに起因する受信信号揺らぎを抑圧し、信号復調特性の劣化を抑えた光位相変調信号受信器を提供することを目的とする。

また、従来の光ファイバ信号伝送における光パラメトリック増幅による光強度揺らぎ抑圧法には、次のような難点がある。

（１）高い光パワーのポンプ光が必要である。

（２）高非線形ファイバ出力段で、光フィルタによりポンプ光を除去する必要がある。

（３）適用できる信号光の波長が限定される。

（４）波長多重伝送システムで用いるためには、多重信号光をいったん分波し、それぞれの光強度揺らぎを抑圧した後に再び合波する必要がある。これは、波長多重光をそのまま光パラメトリック増幅すると、多重信号光間で非線形相互作用が起こってしまうためである。

以上のような難点があるため、上記光強度揺らぎ抑圧装置を用いた光伝送システムは、構成が複雑で高コストなものになってしまう。

そこで、本発明は、上記従来の（１）〜（４）の難点がない光強度揺らぎ抑圧装置を用いることにより、簡便な装置構成で光カー効果による受信特性劣化を抑えた光ファイバ伝送システムを提供することを目的とする。

図１は、本発明の原理構成図（その１）である。

本発明（請求項１）は、光位相変調信号を受信する光受信器であって、
受信した信号光の一部を分岐する光分岐手段１０３と、
光分岐手段１０３により分岐された信号光の光強度変動を検出する光検出手段１０５と、
光分岐手段１０３からの出力のうち、光検出手段１０５に入力される信号光とは別の信号光の光強度を変調する光強度変調手段１０７と、
光検出手段の１０５検出信号に基づいて、光強度変動を低減するように光強度変調手段１０７を駆動する駆動手段１０６と、
駆動手段１０６による光強度変調手段１０７への信号印加時刻と、主信号光の光強度変調手段１０７への入力時刻と、のタイミングを、光検出手段１０５で検出した光強度を元にして、該光強度変調手段１０７に対して、光強度の変化を打ち消すように調整する遅延調整手段１０４と、
光強度変調手段１０７から出力された信号光の位相変調信号を復調する光位相変調信号復調手段１０８と、
を有し、
光検出手段１０５と光強度変調手段１０７と駆動手段１０６は、光位相変調信号のシンボルレートが同等またはそれ以上の帯域である。

図２は、本発明の原理構成図（その２）である。

本発明（請求項２）は、光位相変調信号を光ファイバ伝送路２１０を介して受信装置へ送信する光ファイバ伝送システムであって、
光ファイバ伝送路の途中に光強度揺らぎ抑圧装置２３０が配置され、
光強度揺らぎ抑圧装置２３０は、
受信した信号光の一部を分岐する光分岐手段２３１と、
光分岐手段２３１により分岐された信号光の光強度変動を検出する光検出手段２３２と、
光分岐手段２３１からの出力のうち、光検出手段２３２に入力される信号光とは別の信号光の光強度を変調する光強度変調手段２３５と、
光検出手段２３２の検出信号に基づいて、光強度変動を低減するように光強度変調手段２３５を駆動する駆動手段２３３と、
駆動手段２３３による光強度変調手段２３５への信号印加時刻と、主信号光の光強度変調手段２３５への入力時刻と、のタイミングを、光検出手段２３２で検出した光強度を元にして、該光強度変調手段２３５に対して、光強度の変化を打ち消すように調整する遅延調整手段２３４と、
を有し、
光検出手段２３２と光強度変調手段２３５と駆動手段２３３は、光位相変調信号のシンボルレートが同等またはそれ以上の帯域である。

上記のように本発明によれば、光位相変調方式において、入力された光信号を分岐し、検出することで、信号の強度揺らぎを検出し、検出手段での遅延に合わせて信号の遅延を調整した後に、出力された光強度が一定になるように強度変調することで、強度が一定の光位相変調信号となるので、受信手段で強度揺らぎが重畳させることがなくなる。

本発明の原理構成図（その１）である。 本発明の原理構成図（その２）である。 本発明の第１の実施の形態における光受信器の構成図である。 本発明の第２の実施の形態における光位相変調信号伝送システムの構成図である。 本発明の第２の実施の形態における強度揺らぎ抑圧装置の構成図である。 従来の光位相変調信号受信器の構成図である。 光パラメトリック増幅の入出力特性を示す図である。

以下、図面と共に本発明の実施の形態を説明する。

［第１の実施の形態］
本実施の形態では、光受信器について説明する。

図３は、本発明の第１の実施の形態における光受信器の構成を示す。

同図に示す光受信器は、光増幅器１０１、光フィルタ１０２、光分岐器（光カップラ）１０３、遅延調整部１０４、光検出器１０５、駆動回路１０６、光強度変調器１０７、光位相変調信号復調器１０８から構成される。

光増幅器１０１は、入力された位相変調信号を増幅し、光フィルタ１０２に出力する。

光フィルタ１０２は増幅された位相変調信号から余分な自然放出光を除去する。

光分岐器１０３は、入力された信号光を光検出器１０５と遅延調整部１０４の入力に分岐する。

光検出器１０５は、分岐された一方の信号光の光強度変動を検出する。

駆動回路１０６は、光検出器１０５の検出信号に基づいて光強度変動を低減させるように光強度変調器１０７を駆動させる。

遅延調整部１０４は、光検出部１０５と駆動回路１０６を介して光強度変調器１０７へ入力されるタイミングと分岐されたもう一方の信号光のタイミングを調整する。

光強度変調器１０７は、分岐されたもう一方の信号光と光検出器１０５から出力された信号光の光強度を変調する。

光位相変調信号復調器１０８は、光強度変調器１０７から出力された信号光の位相変調信号を復調する。

上記の構成の光受信器において、入力された位相変調信号は光増幅器１０１で増幅された後、光フィルタ１０２により光増幅器１０２から出力される余分な自然放出光が除去される。光フィルタ１０２の出力は、その一部が光分岐器１０３で分岐され、光検出器１０５に入力される。光検出器１０５は、入力された光の強度を電気信号に変換して駆動回路１０６に出力する。

一方、光分岐器１０３で一部が分岐された主信号光は、遅延時間調整部１０４を経て光強度変調器１０７に入力される。この光強度変調器１０７は、上記の光検出器１０５からの電気信号に基づいて駆動されている。この電気信号は、分岐光の強度揺らぎを反映しており、したがって、主信号光の強度揺らぎを反映している。そこで、駆動回路１０６は、この電気信号に基づき、透過率が主信号光の強度揺らぎと逆相になるように光強度変調器１０７を駆動する。すなわち、主信号光強度がプラスに振れていれば透過率を下げるように、マイナスに振れていれば透過率を上げるように光強度変調器１０７を駆動する。光位相変調信号への強度揺らぎが重畳されないようにするために、光検出器１０５、光強度変調器１０７、及び駆動回路１０６は、位相変調信号のシンボルレートと同等、または、それ以上の帯域を有する必要がある。

以上の構成において、光強度変調器１０７の前段に置かれている遅延調整部１０４は、主信号光が光強度変調器１０７を通過するタイミングと、光検出器１０５からの電気信号が光強度変調器１０７へ印加されるタイミングを合わせるために備えられている。

また、図３では、光検出器１０５からの電気信号が直接光強度変調器１０７へ印加されるように描かれているが、必要に応じて、増幅器、フィルタ、遅延調整部などを介していてもよい。

上記のように光強度変調器１０７を駆動すると、当該光強度変調器１０７からは強度揺らぎが抑えられた光が出力される。光強度変調器１０７からの出力は、遅延受信器またはホモダイン受信器などの従来の光位相変調信号復調器１０８へ入力される。これにより、位相変調信号が復調される。

上記の構成においては、光位相変調信号復調器１０８へは強度揺らぎが抑えられた信号光が入力される。したがって、復調信号では信号光の強度揺らぎに起因する揺らぎが抑えられている。そのため、信号復調特性の劣化が抑えられる。

以上説明したように、本実施の形態の光受信器によれば、信号光の強度揺らぎに起因する受信信号揺らぎが抑圧されるため、信号復調特性の劣化を抑えた光位相変調信号受信器が実現できる。

［第２の実施の形態］
本実施の形態では、光カー効果による受信特性劣化を抑えた光位相変調信号伝送システムについて説明する。

図４は、本発明の第２の実施の形態における光位相変調信号伝送システムの全体構成を示す。

光送信装置２００からは位相変調された信号光が出力される。出力信号光は波長多重された多チャンネル光でもよい。出力信号光は、光増幅器２２０及び光強度揺らぎ抑圧装置２２０を経ながらファイバ伝送路２１０を伝播して光受信装置２４０に達する。

なお、図４では、ファイバ伝送路２１０−光増幅器２２０−光強度揺らぎ抑圧装置２３０の順序で配置されているが、これに限定されるものではなく、光増幅器２２０及び光強度揺らぎ抑圧装置２３０の挿入位置は、システム設計の必要に応じて決められる。

図５は、本発明の第２の実施の形態における光強度揺らぎ抑圧装置の構成を示す。

同図に示す光強度揺らぎ抑圧装置２３０は、前述の第１の実施の形態の図３に示す受信器のａの構成と同様である。

図５において、伝送されてきた信号光の一部が光分岐器（光カップラ）２３１により分岐され、光検出器２３２に入力される。光検出器２３２からは、入力された光強度に比例した電気信号が出力される。この光検出器２３２は、伝送信号光強度の時間的揺らぎをそのまま電気信号に変換する程度の応答速度を持つものとする。

一方、元の主信号光は光強度変調器２３５に入力される。この光強度変調器２３５は、上記光検出器２３２からの電気信号に基づいて駆動回路２３３によって駆動されている。この電気信号は、分岐光の強度揺らぎを反映しており、したがって主信号光の強度揺らぎを反映している。そこで、駆動回路２３３は、この電気信号に基づき、透過率が主信号光の強度揺らぎと逆相になるように光強度変調器２３５を駆動する。すなわち、主信号光強度がプラスに振れていれば透過率を下げるように、マイナスに振れていれば透過率を上げるように光強度変調器２３５を駆動する。

なお、光強度変調器２３５の前段には遅延調整部２３４が設けられている。これは、元の信号光が光強度変調器２３５を透過するタイミングと、光検出器２３２からの電気信号が光強度変調器２３５へ印加されるタイミングを合わせるために備えられている。

また、図５では、光検出器２３２からの電気信号が直接光強度変調器２３５へ印加されるように描かれているが、必要に応じて、増幅器、フィルタ、遅延調整器等を介していてもよい。

上記のように、光強度変調器２３５を駆動すると、当該光強度変調器２３５からは揺らぎが抑えられた強度が一定の光が出力される。この出力光を次の伝送路２１０へと送出する。

以上の装置を用いることにより、強度一定の信号光がファイバ伝送路を伝播することになる。光強度が一定であれば、光カー効果による信号光の位相揺らぎは生じない。したがって、光カー効果による受信特性劣化が抑えられた位相変調信号光伝送システムが実現する。

本実施の形態で用いている光強度揺らぎ抑圧装置２３０には、光パラメトリック増幅を利用する従来方法における難点がない。すなわち、ポンプ光が不要、信号光波長に無依存、また波長多重伝送信号光に対して各チャンネルを分波することなく一括して適用可能である。そのため、より簡便な構成で光カー効果による受信特性劣化が抑えられる位相変調信号光伝送システムが実現できる。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲内において種々変更・応用が可能である。

１ 光増幅器
２ 光フィルタ
３ 分岐器
４ 合波器
５ 光分岐・遅延・合波回路
６ 光検出器
７ 光検出器
８ 差動回路
１１ 合波器
１２ 光検出器
１３ 光検出器
１４ 差動回路
１０１ 光増幅器
１０２ 光フィルタ
１０３ 光分岐器（光カップラ）
１０４ 遅延調整部
１０５ 光検出器
１０６ 駆動回路
１０７ 光強度変調器
１０８ 光位相変調信号復調器
２００ 光送信装置
２１０ 光ファイバ伝送路
２２０ 光増幅器
２３０ 強度揺らぎ抑圧装置
２３１ 光分岐器
２３２ 光検出器
２３３ 駆動回路
２３４ 遅延調整部
２３５ 光強度変調器
２４０ 光受信装置

Claims (2)

1. 光位相変調信号を受信する光受信器であって、
   受信した信号光の一部を分岐する光分岐手段と、
   前記光分岐手段により分岐された信号光の光強度変動を検出する光検出手段と、
   前記光分岐手段からの出力のうち、前記光検出手段に入力される信号光とは別の信号光の光強度を変調する光強度変調手段と、
   前記光検出手段の検出信号に基づいて、光強度変動を低減するように前記光強度変調手段を駆動する駆動手段と、
   前記駆動手段による前記光強度変調手段への信号印加時刻と、前記主信号光の前記光強度変調手段への入力時刻と、のタイミングを、前記光検出手段で検出した光強度を元にして、該光強度変調手段に対して、光強度の変化を打ち消すように調整する遅延調整手段と、
   前記光強度変調手段から出力された信号光の位相変調信号を復調する光位相変調信号復調手段と、
   を有し、
   前記光検出手段と前記光強度変調手段と前記駆動手段は、光位相変調信号のシンボルレートが同等またはそれ以上の帯域であること
   を特徴とする光受信器。
2. 光位相変調信号を光ファイバ伝送路を介して受信装置へ送信する光ファイバ伝送システムであって、
   前記光ファイバ伝送路の途中に光強度揺らぎ抑圧装置が配置され、
   前記光強度揺らぎ抑圧装置は、
   受信した信号光の一部を分岐する光分岐手段と、
   前記光分岐手段により分岐された信号光の光強度変動を検出する光検出手段と、
   前記光分岐手段からの出力のうち、前記光検出手段に入力される信号光とは別の信号光の光強度を変調する光強度変調手段と、
   前記光検出手段の検出信号に基づいて、光強度変動を低減するように前記光強度変調手段を駆動する駆動手段と、
   前記駆動手段による前記光強度変調手段への信号印加時刻と、前記主信号光の前記光強度変調手段への入力時刻と、のタイミングを、前記光検出手段で検出した光強度を元にして、該光強度変調手段に対して、光強度の変化を打ち消すように調整する遅延調整手段と、
   を有し、
   前記光検出手段と前記光強度変調手段と前記駆動手段は、光位相変調信号のシンボルレートが同等またはそれ以上の帯域であること
   を特徴とする光ファイバ伝送システム。

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