JP2011182197A

JP2011182197A - 光雑音低減回路及び光雑音低減方法

Info

Publication number: JP2011182197A
Application number: JP2010044461A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Fukutoku; 光師福徳; Yasushi Inoue; 恭井上
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2010-03-01
Publication date: 2011-09-15

Abstract

【課題】光強度がオン・オフ変調された光強度変調信号光の強度揺らぎを低減する。
【解決手段】本発明は、入力信号光の一部を分岐する光分岐手段と、分岐された信号光Ａの光強度を検出する光検出手段と、光分岐手段から信号光Ｂの光強度を変調する、透過特性が印加電圧に対して正弦波状である光強度変調手段と、光検出手段の検出信号に基づいて、光強度変調手段を駆動する駆動手段と、駆動手段による光強度変調手段への信号印加時刻と光強度変調手段への光信号入力時刻とのタイミングを、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、光強度変化を打ち消すように調整する遅延調整手段と、を有し、光強度変調手段のバイアスは、入力信号のオンレベルでの動作点が透過特性の傾きが−１である点に設定され、光検出手段と光強度変調手段と駆動手段は、光強度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であることとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光雑音低減回路及び光雑音低減方法に係り、特に、光ファイバ通信技術おいて光強度変調信号の強度揺らぎを低減する光雑音低減回路及び光雑音低減方法に関する。

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、光強度をオン・オフさせてデジタル信号を伝送する光強度変調伝送方式は、送受信機の構成が簡便であることから、光伝送技術開発当初から広く用いられている。

光信号をファイバ伝送する際の課題のひとつに、伝送路で混入する様々な雑音光がある。例えば、光中継増幅器で発生する自然放出光、波長多重伝送において四光波混合と呼ばれる光ファイバの非線形性により発生する四光波混合光、中継ノード内の光スイッチング回路の不完全性に起因する干渉光、などである。これらの雑音光が伝送信号光に重畳されると、両者が干渉して強度揺らぎとなる。光強度揺らぎは、受信器における信号対雑音比を劣化させ、受信感度を劣化させる。

この伝送特性劣化を抑えるため、発生した光強度揺らぎを伝送路途中で抑圧する研究が進められている。

伝送路途中で揺らぎを抑圧するもっとも単純な方法は、伝送光信号を電気信号に変換し、電気回路での閾値処理により元のデジタル信号を再生し、それをまた光信号に変換して次の伝送路へ送出する方法である。しかしながら、この方法は光-電気変換及び電気-光変換が必要であり、効率的でない。

これに対し、光信号のまま強度揺らぎを抑制する手法も研究されている。これにはいくつかの方式があるが、ここでは代表例であるマッハツェンダ干渉計の透過特性を利用した抑圧法について説明する。

図４は、光強度揺らぎ抑圧回路の従来例の構成である。CW光源１から出力された連続光は分岐器２で２分岐され、２つの経路を経た後、再び合波器５で合波される。これは、マッハツェンダ干渉計と呼ばれる構成である。干渉計１０からの出力光強度は、２経路の伝播位相差に依存した正弦波状となる。ここで、干渉計１０の一方の経路は光非線形媒質３を通過するようになっている。そして、この光非線形媒質３の経路上を、光強度が揺らいでいる強度変調信号光が通過するように構成されている（例えば、非特許文献１参照）。

光非線形媒質３には、光強度によって屈折率が変化する性質がある。この光非線形媒質３を強度変調信号が通過すると、その光強度に応じて屈折率が変化する。屈折率が変化すると、そこを通過する連続光の伝播位相が変化する。伝播位相が変化すると、マッハツェンダ干渉計の伝播位相差が変化する。伝播位相差が変化すると、干渉計からの出力光強度が変化する。その変化の仕方は、伝播位相差に対して正弦波状である。以上をまとめると、図５に示すように、光非線形媒質に入力された信号光の強度に応じて、干渉計からの出力光強度が正弦波状に変化する。

図５の入出力特性に対し、強度変調信号オンの時の平均光強度が正弦波のピーク、オフの時の平均光強度が正弦波のボトムとなるように、干渉計のバイアス位相差を設定する。すると、入力信号オンの時に出力光強度は最大、オフの時に出力光強度は最小、となる。さらに、正弦波のピーク及びボトム付近では入力光強度の微小変化に対して出力光強度変化は平坦であるため、それぞれの揺らぎが抑えられて出力される。すなわち、強度揺らぎが抑圧されたオン／オフ信号が出力される。

以上が、従来の光雑音低減回路の構成及び動作原理である

西村他、「半導体導波路素子を用いた光信号再生・波長変換技術」信学技報、PN2004-53, pp.25-30, 2004.

しかしながら、光ファイバ通信において、光強度変調伝送方式における光中継増幅器で発生する自然放出光や波長多重伝送による四光波混合がある場合には、光信号の強度が揺らぎ、信号対雑音比を劣化させ、受信感度を劣化させる。このような光強度信号の揺らぎを非線形媒質の入出力特性を利用して揺らぎを低減する方法では、非線形媒質を用いるため、大きな光強度の連続光源を用意する必要がある。

つまり、上記光雑音低減回路には、
（１）連続光源を用意する必要がある；
（２）干渉計を最適動作条件に安定化する必要がある；
（３）一般に光非線形媒質の屈折率の光強度依存性は大きくないため、所望の位相変化を得るために大きな光強度の信号光を入力する必要がある；
などの課題がある。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、上記のような難点の無い光雑音低減回路及び光雑音低減方法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である。

本発明（請求項１）は、光強度がオン・オフ変調された光強度変調信号光の強度揺らぎを低減する光雑音低減回路であって、
入力された信号光の一部を分岐する光分岐手段２１と、
光分岐手段２１により分岐された信号光の光強度を検出する光検出手段２３と、
光分岐手段２１からの出力のうち、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、透過特性が印加電圧に対して正弦波状である光強度変調手段１０と、
光検出手段２３の検出信号に基づいて、光強度変調手段１０を駆動する駆動手段２４と、
駆動手段２４による光強度変調手段１０への信号印加時刻と、光強度変調手段１０への光信号入力時刻と、のタイミングを、光検出手段２３で検出した光強度を元にして、該光強度変調手段１０に対して、光強度変化を打ち消すように調整する遅延調整手段２２と、
を有し、
光強度変調手段１０のバイアスは、入力信号のオンレベルでの動作点が透過特性の傾きが−１である点に設定され、
光検出手段２３と光強度変調手段１０と駆動手段２４は、光強度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である光雑音低減回路である。

本発明（請求項２）は、光強度がオン・オフ変調された光強度変調信号光の強度揺らぎを低減する光雑音低減方法であって、
光分岐手段、光検出手段、強度変調手段、駆動手段、遅延調整手段を有する装置において、
光分岐手段において、入力された信号光の一部を分岐し、
光検出手段において、分岐された一方の信号光Ａの光強度を検出し、
透過特性が印加電圧に対して正弦波状である光強度変調手段において、分岐されたもう一方の信号光Ｂの光強度を変調し、
駆動手段において、光検出手段の信号光Ａの検出信号に基づいて、光強度変調手段を駆動させ、
遅延調整手段において、駆動手段による光強度変調手段への信号印加時刻と、光強度変調手段への光信号入力時刻と、のタイミングを、光検出手段で検出した信号光Ａの光強度を元にして、該光強度変調手段に対して、光強度変化を打ち消すように調整し、
光強度変調手段のバイアスは、入力信号のオンレベルでの動作点が透過特性の傾きが−１である点に設定され、
光検出手段と光強度変調手段と駆動手段は、光強度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である光雑音低減方法である。

上記のように本発明によれば、光信号を分岐し、一方を直接検波してモニタ信号を抽出し、もう一方をマッハツェンダ型光強度変調器に入力し、当該マッハツェンダ型光強度変調器のバイアスを、入力信号のオンレベルがマッハツェンダ型光強度変調器の入出力特性が右肩下がりの真ん中近辺になるように設定し、モニタ信号によってマッハツェンダ型光強度変調器を駆動することにより、揺らぎが微小である近似の範囲で、入力された強度変調信号光の信号オンの時の揺らぎをゼロ、信号オフ時の揺らぎを約１０％減、として出力することができる。

本発明の原理構成図である。本発明の一実施の形態における光雑音低減回路の構成図である。本発明の一実施の形態におけるマッハツェンダ干渉計型光強度変調器におけるオンレベル・オフレベルのときの動作点を示す図である。従来の光雑音抑圧回路の構成である。従来の光雑音抑圧回路の入出力特性である。干渉計型光強度変調器

以下、図面と共に本発明の実施の形態を説明する。

図２は、本発明の一実施の形態における光雑音低減回路の構成を示す。

同図に示す光雑音低減回路は、光カップラ２１、光遅延調節回路２２、光検出器２３、マッハツェンダ型光強度変調器１０から構成される。

同図において、入力された信号光の一部が光カップラ２１により分岐され、光強度検出器２３に入力される。光検出器２３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２３は、入力信号光の強度揺らぎをそのまま電気信号に変換する応答速度を有するものとする。一方、光カップラ２１で分岐された元の主信号光は光遅延調節回路２２を経た後、透過特性が印加電圧に対して正弦波状であるマッハツェンダ干渉計型光強度変調器１０に入力される。

この光強度変調器１０は、上記光検出器２３からの電気信号に基づいて駆動されている。

光遅延調節回路２２は、光カップラ２１で分岐され光検出器２３から出力され、光強度変調器１０に入力される信号の信号印加時刻と、光カップラ２１で分岐されたもう一方の(光検出器２３とは別の)光信号の光強度変調器１０への信号印加時刻とのタイミングを、光検出器２３で検出された光強度を元にして、光強度変調器１０に対して光強度変化を打ち消すように調整する。

以下、この光強度変調器１０の駆動条件について、式を用いて説明する。

まず、光検出器２３で検出された入力信号光強度Ｉ_inを次のように表す。

Ｉ_sは信号成分、

は時間とともに変動する揺らぎ成分である。さらにこれを、次のように、信号オンの時の入力光強度

と信号オフの時の入力光強度

とに場合分けして考える。

信号オフ時の信号成分

は理想的にはゼロであるが、元の信号光の残留オフレベルや雑音光の分だけ有限な値となる。但し、

に比べれば十分小さい。また、信号オフ時の強度揺らぎ

も、信号オン時の強度揺らぎ

よりは十分に小さい。これは、光強度揺らぎは信号光と雑音光との干渉により起こり、その大きさは信号光レベルに比例するためである。信号オフ時の信号光レベルは信号オン時よりも十分小さく、したがって強度揺らぎも十分小さい。

入力信号光の一部は、その光強度が光検出器２３により電気信号に変換される。光検出器２３から出力される電気信号Ｖは、次のように表される。

但し、ｋは比例定数である。

この電気信号がマッハツェンダ干渉計型光強度変調器１０に印加される。マッハツェンダ干渉計型１０の場合、その透過率Ｔは印加電気信号に対して正弦波状となる。式で表すと、

但し、Ｖ_bは規格化バイアス電圧である。

図３は、本発明の一実施の形態におけるマッハツェンダ干渉計型光強度変調器における入出力特性とオンレベル・オフレベルのときの動作点を示す。

ここで、信号オンの時の透過率が正弦波の右肩下がりの真ん中近辺であるように（図３のπ）、V_ｂを設定する。

式で表すと、

ということである。

信号オン時の強度揺らぎ

を微小量とすると、この動作条件下での変調器透過率Ｔ_onは次のように近似される。

この光変調器１０へ式（２ａ）（２ｂ）で表される信号光が入力される。ここで、遅延調節回路２２により、光検出器２３からの電気信号が印加されるタイミングとその電気信号の元となる光信号が入力されるタイミングが一致するように設定する。すると、変調器１０からの出力光強度Ｉ_outは、次のように表わされる。

最後の近似では、

を用いた。

ここで、比例定数ｋが

であるように設定されているものとする。すると、変調器１０の出力は

となる。すなわち、マッハツェンダ干渉計型光強度変調器１０から強度揺らぎが相殺された信号光が出力される。

上記は信号オンの時の変調器出力である。

次に、上記動作条件における信号オフの時の出力についてみてみる（図３の入力が(π−１のとき)。信号オフ時の変調器透過率は式（４ｂ）で表されている。この式に式（５）の設定条件式を代入すると、次のようになる。

信号オフの時の信号レベルはオンの時の信号レベルより十分小さい

とすると、

これに式（８）の設定条件式を代入すると、

さらに

を微小量として近似展開すると、

となる。

この透過率状態である光変調器１０に式（２ｂ）で表される信号が入力されると、その出力光強度は次式となる。

設定条件式（８）を代入すると、

但し、

を適用した。上式は、信号オフ時の揺らぎが約１０％低減することを示している。

上記のように、マッハツェンダ干渉計型光強度変調器１０の入出力特性を用い、当該入出力特性の右肩下がりの真ん中に近辺になるように、マッハツェンダ干渉計型光強度変調器１０のバイアスを設定することにより、モニタ信号によってマッハツェンダ干渉計型光強度変調器１０を駆動する。これにより、信号オンのときの揺らぎをキャンセルしてゼロにすることができる。

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。

本発明は、光受信器に適用可能である。

１０光強度変調手段、マッハツェンダ干渉計型光強度変調器
２１光分岐手段、光カップラ
２２遅延調節手段、遅延調節回路
２３光検出手段、光検出器
２４駆動手段

Claims

光強度がオン・オフ変調された光強度変調信号光の強度揺らぎを低減する光雑音低減回路であって、
入力され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、透過特性が印加電圧に対して正弦波状であ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、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、前記光強度変調手段への前記光信号入力時刻と、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、
前記光強度変調手段のバイアスは、入力信号のオンレベルでの動作点が前記透過特性の傾きが−１である点に設定され、
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、光強度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であること
を特徴とする光雑音低減回路。
光強度がオン・オフ変調された光強度変調信号光の強度揺らぎを低減する光雑音低減方法であって、
光分岐手段、光検出手段、強度変調手段、駆動手段、遅延調整手段を有する装置において、
前記光分岐手段において、入力された信号光の一部を分岐し、
前記光検出手段において、分岐された一方の信号光Ａの光強度を検出し、
透過特性が印加電圧に対して正弦波状である前記光強度変調手段において、分岐されたもう一方の信号光Ｂの光強度を変調し、
前記駆動手段において、前記光検出手段の信号光Ａの検出信号に基づいて、前記光強度変調手段を駆動させ、
前記遅延調整手段において、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、前記光強度変調手段への前記光信号入力時刻と、のタイミングを、前記光検出手段で検出した前記信号光Ａの光強度を元にして、該光強度変調手段に対して、光強度変化を打ち消すように調整し、
前記光強度変調手段のバイアスは、入力信号のオンレベルでの動作点が前記透過特性の傾きが−１である点に設定され、
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、光強度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であること
を特徴とする光雑音低減方法。