JP2012235411A - Optical receiver and optical reception method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、波長多重伝送された波長の異なる複数の信号光を、それぞれの信号光に分波して受信する光受信装置と光受信方法に関する。 The present invention relates to an optical receiving apparatus and an optical receiving method for receiving a plurality of signal lights having different wavelengths that have been wavelength-multiplexed and transmitted by demultiplexing the signal lights.
波長の異なる複数の信号光を波長多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)して光ファイバで伝送された光信号は、それぞれの波長に分波して受信されるが、波長多重光信号をそれぞれの信号光に分波するには、今までにも種々の方法が提案されている。例えば、特許文献1には、波長による光路長の違いを利用して分波する方法が開示され、特許文献2には、回折格子(グレーティング)を用いて分波する方法が開示されている。また、特許文献3には、誘電体多層膜フィルタを用いて分波する方法が開示されている。
An optical signal transmitted through an optical fiber by wavelength multiplexing (WDM: Wavelength Division Multiplexing) of a plurality of signal lights having different wavelengths is received after being demultiplexed into the respective wavelengths. Various methods have been proposed to demultiplex light. For example,
メトロアクセス系のWDM通信における受信装置側では、光ファイバ等で伝送されてくる波長の異なる複数の信号光を、低損失で各波長の信号光に分波する必要がある。
特許文献1に示されるような光路長の違いを利用した分波方法は、例えば、Si光導波路では光導波部分と周囲クラッド部分の屈折率差を大きくとることができるので、曲げ半径を小さくできる等で、小型の分波器を構成することができる。しかし、光ファイバと光導波路との結合損失や光導波路の伝搬損失があり、長距離伝送への使用に対しては受信感度が低下するという問題がある。
On the receiving device side in the WDM communication of the metro access system, it is necessary to demultiplex a plurality of signal lights having different wavelengths transmitted through an optical fiber or the like into signal lights of each wavelength with low loss.
The demultiplexing method using the difference in optical path length as shown in
また、特許文献2に示されるような回折格子を用いる分波方法は、波長間隔が短くなるにつれ高い加工精度が要求され、現実的でないという問題がある。
他方、特許文献3に示される誘電体多層膜フィルタを用いた方法は、反射と透過による分波であるため損失が少ないと言う特徴があり、アクセス系で幅広く用いられている。しかし、低損失で構成できるフィルタを25Gbps×4波長のLANWDMで使用することを考えると、この通信規格で要求される波長間隔800GHzでは、受信する光の波長間隔が狭く、急峻なフィルタ特性を得るために、多大な成膜時間を要することからコストがかかり、また厳しい実装精度が要求されるという問題がある。
In addition, the demultiplexing method using a diffraction grating as disclosed in
On the other hand, the method using the dielectric multilayer filter disclosed in Patent Document 3 has a feature that the loss is small because it is a demultiplexing due to reflection and transmission, and is widely used in access systems. However, considering the use of a filter that can be configured with low loss in LAN WDM of 25 Gbps × 4 wavelengths, the wavelength interval of received light is narrow and the steep filter characteristics are obtained at the wavelength interval of 800 GHz required by this communication standard. For this reason, there is a problem that a lot of film forming time is required, which is costly and requires strict mounting accuracy.
本発明は、上述した実状に鑑みてなされたもので、誘電体多層膜フィルタを用いた波長多重光信号の分波で、波長間隔が狭くても受信に十分な実装精度を確保することが可能な光受信装置と光受信方法の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described situation, and is a demultiplexing of a wavelength-multiplexed optical signal using a dielectric multilayer filter, so that sufficient mounting accuracy can be ensured even when the wavelength interval is narrow. An object of the present invention is to provide an optical receiving apparatus and an optical receiving method.
本発明による光受信装置および光受信方法は、波長多重により伝送された波長の異なる複数の信号光を、それぞれの波長の信号光に分波して受信するものであって、波長多重された複数の信号光を、透過信号光と反射信号光に分波するエタロンと、透過信号光と反射信号光のそれぞれを、波長の異なる複数の信号光に分波する誘電体多層膜フィルタと、分波された波長の異なる複数の信号光をそれぞれ受光する受光素子と、受光素子で受光した信号を増幅する増幅器を備えていることを特徴とする。
なお、エタロンにより分波された反射信号光を透過させる第2のエタロンを備えるようにしてもよく、また、エタロンには、温度管理を必要としない実効温度係数がゼロであるものを用いるようにしてもよい。
An optical receiver and an optical reception method according to the present invention receive a plurality of signal lights having different wavelengths transmitted by wavelength multiplexing by demultiplexing them into signal lights of the respective wavelengths. An etalon that demultiplexes the transmitted signal light into transmitted signal light and reflected signal light, a dielectric multilayer filter that demultiplexes each of the transmitted signal light and reflected signal light into a plurality of signal lights having different wavelengths, and demultiplexing And a light-receiving element that respectively receives a plurality of signal lights having different wavelengths, and an amplifier that amplifies the signal received by the light-receiving element.
Note that a second etalon that transmits the reflected signal light demultiplexed by the etalon may be provided, and an etalon having an effective temperature coefficient of zero that does not require temperature management is used. May be.
本発明によれば、波長多重される信号光の波長間隔が狭い場合でも、信号光の波長間隔の2倍で設計した誘電体多層膜フィルタを使用できるためコストを下げられ、また、高精度な実装を行うことなく容易に受信することが可能となる。また、受信感度の波長依存性をなくし、ノイズ除去も容易に行うことができる。 According to the present invention, even when the wavelength interval of signal light to be wavelength-multiplexed is narrow, a dielectric multilayer filter designed with twice the wavelength interval of signal light can be used, so that the cost can be reduced and high accuracy can be achieved. It becomes possible to easily receive without mounting. Further, the wavelength dependency of the reception sensitivity is eliminated, and noise can be easily removed.
図により本発明の光受信装置の概略を説明する。図1は本発明の実施形態の一例を示す図で、図において、10は光ファイバ、11は平行レンズ、12は電子冷却モジュール、13はエタロン、14は第1のミラー、15a,15bは誘電体多層膜フィルタ、16a,16bは第2のミラー、17a〜17dは集光レンズ、18a〜18dは受光素子、19a〜19dは増幅器を示す。 The outline of the optical receiver of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an example of an embodiment of the present invention. In the figure, 10 is an optical fiber, 11 is a parallel lens, 12 is an electronic cooling module, 13 is an etalon, 14 is a first mirror, and 15a and 15b are dielectrics. 16a and 16b are second mirrors, 17a to 17d are condenser lenses, 18a to 18d are light receiving elements, and 19a to 19d are amplifiers.
波長多重された光信号が光ファイバ10により伝送され、光受信装置の入力部に入力される。この光信号は、例えば、異なる波長λ1,λ2,λ3,λ4の4つの信号光が多重化されているとする。ここで、波長λ1〜λ4は、例えば、1300nm帯の波長が用いられるとし、λ1は229.16THz(1309.14nm)、λ2は229.96THz(1304.58nm)、λ3は230.76THz(1300.05nm)、λ4は231.56THz(1295.56nm)の周波数(波長)であるとする。すなわち、これらの信号光間の波長間隔は、800GHzの狭い周波数間隔であるとする。
The wavelength-multiplexed optical signal is transmitted through the
光ファイバ10からの波長多重光信号は、平行レンズ11により平行光に変換されて、電子冷却モジュール12上に実装されたエタロン13に所定の角度(例えば、エタロン表面の垂線に対して3°の角度)で入射される。エタロン13に入射された複数の信号光(λ1,λ2,λ3,λ4)のうち、エタロン13を透過する信号光(例えば、λ1とλ3とする)と、透過されずにエタロン表面で反射される信号光(例えば、λ2とλ4とする)に分波される。反射された反射信号光(λ2,λ4)は、第1のミラー14により、所定の方向に反射される。
The wavelength-multiplexed optical signal from the
エタロン13を透過した透過信号光(λ1,λ3)は、誘電体多層膜フィルタ15aに所定の角度(例えば、フィルタの偏波依存性の小さい10°以下の角度)で入射される。入射された透過信号光(λ1,λ3)は、誘電体多層膜フィルタ15aを透過する所定波長(例えば、λ1とする)の信号光と、透過されずに反射する所定波長(例えば、λ3とする)と、の2つの信号光に分波される。誘電体多層膜フィルタ15aを透過した信号光(λ1)は、集光レンズ17aで集光されて受光素子18aで受光される。反射された信号光(λ3)は、第2のミラー16aにより反射されて、集光レンズ17bを経て受光素子18bで受光される。
The transmitted signal light (λ1, λ3) transmitted through the
エタロン13で反射され、第1のミラー14により所定の方向に反射された反射信号光(λ2,λ4)は、誘電体多層膜フィルタ15bに所定の角度(例えば、10°以下の角度)で入射される。入射された透過信号光(λ2,λ4)は、誘電体多層膜フィルタ15bを透過する所定波長(例えば、λ2とする)の信号光と、透過されずに反射する所定波長(例えば、λ4とする)と、の2つの信号光に分波される。誘電体多層膜フィルタ15bを透過した信号光(λ2)は、集光レンズ17cで集光されて受光素子18cで受光される。反射された信号光(λ4)は、第2のミラーbにより反射されて、集光レンズ17dを経て受光素子18dで受光される。
The reflected signal light (λ2, λ4) reflected by the
アレイ状または個別に配列された受光素子18a〜18dで受光されたそれぞれの信号光は、電気信号に変換されて増幅器19a〜19dのそれぞれに入力され、増幅されて所定の受信信号とされる。なお、受光素子18a〜18dから増幅器19a〜19dへの信号伝送は、メタルワイヤによる伝送となる。
Each signal light received by the
図2に示す実施形態は、図1の実施形態と比べて、エタロン表面で反射された反射信号光(λ2,λ4)を、第2のエタロンに入射させて、その透過信号光を誘電体多層膜フィルタに入射させる点で異なるが、その他の構成については同じである。
すなわち、光ファイバ10からの波長多重された光信号は、平行レンズ11により平行光に変換されて、電子冷却モジュール12に実装された第1のエタロン13に所定の角度で入射される。第1のエタロン13に入射された複数の信号光(λ1,λ2,λ3,λ4)のうち、第1のエタロン13を透過する信号光(λ1,λ3)と、透過されずにエタロン表面で反射される信号光(λ2,λ4)に分波される。
Compared with the embodiment of FIG. 1, the embodiment shown in FIG. 2 makes the reflected signal light (λ2, λ4) reflected by the etalon surface incident on the second etalon and transmits the transmitted signal light to the dielectric multilayer. Although different in that it is incident on the membrane filter, the other configurations are the same.
That is, the wavelength-multiplexed optical signal from the
第1のエタロン13を透過した透過信号光(λ1,λ3)は、誘電体多層膜フィルタ15aに所定の角度で入射される。入射された透過信号光(λ1,λ3)は、誘電体多層膜フィルタ15aを透過する所定波長(例えば、λ1とする)の信号光と、透過されずに反射する所定波長(例えば、λ3とする)の信号光と、の2つの信号光に分波される。
第1のエタロン13で反射された反射信号光(λ2,λ4)は、第1のミラー14により所定の方向に反射され、第2のエタロン13’に所定の角度で入射される。入射された反射信号光(λ2,λ4)は、誘電体多層膜フィルタ15bを透過する所定波長(λ2)の信号光と、透過されずに反射する所定波長(λ4)の信号光と、の2つの信号光に分波される。
The transmitted signal light (λ1, λ3) transmitted through the
The reflected signal light (λ2, λ4) reflected by the
次に、上述したエタロン13,13’の機能等について説明する。エタロンは、互いに平行な半透明ミラーにより反射型共振器を形成した単純な構成のデバイスで、高い透過特性を持った狭帯域波長フィルタとしての機能を有し、波面歪みや挿入損失が少ないものとして知られている。
Next, functions and the like of the
図3は、エタロンに入射された光の透過光,反射光とその周波数(波長)の関係を模擬的に示す図で、横軸に周波数(Hz)、縦軸に入射光の相対透過率・反射率を示したものである。エタロンは横軸の周波数軸に対して、実線Xで示すように、光の透過率のピークが等間隔で周期的に生じる特性を持ち、上記の周期は透過ミラーの間隔で決まる。この透過率のピークが生じる周波数間隔は、自由分光領域(通称FSR)と言われている。また、エタロン表面を反射する光は、点線Yで示すように、光が透過しない周波数領域で、透過率のピーク値と同様に等間隔で周期的に生じる。 FIG. 3 is a diagram schematically showing the relationship between the transmitted light and reflected light of the light incident on the etalon and its frequency (wavelength). The horizontal axis represents frequency (Hz) and the vertical axis represents the relative transmittance of incident light. The reflectivity is shown. The etalon has a characteristic in which light transmittance peaks periodically occur at regular intervals as indicated by a solid line X with respect to the horizontal frequency axis, and the above period is determined by the interval between the transmission mirrors. The frequency interval at which this transmittance peak occurs is said to be the free spectral region (commonly called FSR). Further, as shown by the dotted line Y, the light reflected from the etalon surface is periodically generated at equal intervals in the frequency region where the light does not pass, similarly to the peak value of the transmittance.
エタロン13の透過率がピークとなる透過光Xの1つの中央波長を、例えば、信号光λ3の波長に一致させた230.76THz(1300.05nm)とし、FSRを1600GHzとすることにより、隣の透過率がピークとなる中央波長は、上記の信号光λ1と同じになる。また、反射光の周波数領域の中央波長は、信号光λ1とλ3からそれぞれ800GHz離れた信号光λ2とλ4と同じになる。
One central wavelength of the transmitted light X having the peak transmittance of the
上記のように、図1,2におけるエタロン13の透過特性を設定することにより、光ファイバ10からエタロン13に入射された複数の信号光(λ1,λ2,λ3,λ4)のうち、信号光λ1とλ3のみがエタロン13を透過して、次段の誘電体多層膜フィルタ15aに入射される。他方、信号光λ2とλ4は、エタロン13の表面で反射され、次いで第1のミラー14により次段の誘電体多層膜フィルタ15bに入射される。
As described above, by setting the transmission characteristics of the
図2の実施形態では、上記のエタロン13を第1のエタロンとし、これとは別に第2のエタロン13’を設置し、第1のミラー14により第1のエタロン13で反射された反射信号光λ2,λ4を入射させている。第2のエタロン13’は、第1のエタロン13と同様なものであるが、透過率がピークとなる中央波長を、信号光λ2またはλ4と同じで波長で、FSRを1600GHzになるように設計される。この結果、信号光λ2とλ4のみが透過され、他の周辺のノイズ信号がカットされる。この結果、受信波長以外の波長ノイズを除去することができ、ノイズ耐性を向上させることができる。
In the embodiment of FIG. 2, the
図4は、エタロンの端面反射率が0.9のときの透過率特性を示す図である。この透過率特性(ピーク周波数が230.65THz)における透過強度が90%までを許容範囲とすると、そのFSRの許容誤差範囲は、8GHz程度となる。信号光の波長がレーザダイオードの発信波長のずれ等により5GHz程度あると見込むと、エタロン側でのFSRの許容誤差範囲(ΔFSR)は、3GHz(±1.5GHz)となる。したがって、エタロンの特性変動は、この許容誤差範囲となるように設計される。 FIG. 4 is a diagram showing the transmittance characteristics when the end face reflectance of the etalon is 0.9. When the permissible range is a transmission intensity of 90% in this transmittance characteristic (peak frequency is 230.65 THz), the permissible error range of the FSR is about 8 GHz. Assuming that the wavelength of the signal light is about 5 GHz due to a shift in the transmission wavelength of the laser diode, etc., the allowable error range (ΔFSR) of the FSR on the etalon side is 3 GHz (± 1.5 GHz). Therefore, the characteristic variation of the etalon is designed to be within this allowable error range.
図5は、エタロン表面の垂線に対する入射光の入射角度と透過強度の関係を示す図で、例えば、入射角度を3°で設計したときの透過強度を基準とし、入射角度の変動による透過強度の変化を示している。この図によれば、透過強度の許容変動量が10%以内とするとすれば、エタロンの実装精度(傾斜角)は±0.4°となる。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the incident angle of incident light with respect to the normal of the etalon surface and the transmission intensity. For example, the transmission intensity when the incident angle is designed at 3 ° is used as a reference, and the transmission intensity due to the variation of the incident angle It shows a change. According to this figure, if the permissible fluctuation amount of the transmission intensity is within 10%, the mounting accuracy (tilt angle) of the etalon is ± 0.4 °.
図6は、エタロン表面の垂線に対する入射光の入射角度との許容誤差範囲(ΔFSR)との関係を示す図である。図5によりエタロンへの入射光の入射角度を±0.4°が許容されるとすると、ΔFSRの変動は、0.6GHzとなり、図4で説明した許容誤差範囲(ΔFSR:1.5GHz以下)範囲内という設計値を満たすことができる。 FIG. 6 is a diagram showing a relationship between an allowable error range (ΔFSR) and an incident angle of incident light with respect to a normal of the etalon surface. Assuming that the incident angle of the incident light on the etalon is allowed to be ± 0.4 ° according to FIG. 5, the variation of ΔFSR is 0.6 GHz, and the allowable error range described in FIG. 4 (ΔFSR: 1.5 GHz or less) The design value within the range can be satisfied.
また、エタロンの材料としては、一般的には合成石英などが使用されるが、温度変化により屈折率と体積が変動する。このため、エタロンの許容誤差範囲(ΔFSR)は温度依存性がある。
図7は、室温25℃における透過光のΔFSRを基準として、光受信装置が−5℃〜85℃の範囲で使用されるとしたΔFSRの変動特性を示したものある。この図によれば、ΔFSRは、―0.4GHz〜0.7GHzの範囲で変動するが、図4で説明した入射光の入射角度の誤差0.6GHzと合わせても、許容誤差範囲(ΔFSR:1.5GHz以下)範囲内という設計値を満たすことができる。
In general, synthetic quartz or the like is used as an etalon material, but the refractive index and volume fluctuate due to temperature changes. For this reason, the allowable error range (ΔFSR) of the etalon is temperature dependent.
FIG. 7 shows the variation characteristics of ΔFSR in which the optical receiver is used in the range of −5 ° C. to 85 ° C. with reference to ΔFSR of transmitted light at a room temperature of 25 ° C. According to this figure, ΔFSR fluctuates in the range of −0.4 GHz to 0.7 GHz. However, even when combined with the incident light error of 0.6 GHz explained in FIG. 4, the allowable error range (ΔFSR: The design value of 1.5 GHz or less) can be satisfied.
エタロンの透過光の透過強度も図8に示すように、温度依存性を示す。図8は、室温25℃における透過光の透過強度を基準として、光受信装置が−5℃〜85℃の範囲で使用されるとした透過強度の変動特性を示したものある。この図によれば、エタロンの透過強度は、上記の温度範囲で10%程度の変動を生じることになり、上述したエタロンの実装精度の許容値10%と合わせると20%の変動になる。したがって、エタロンをペルチェ素子からなる電子冷却モジュール等に実装して、温度管理するのが好ましい。 The transmission intensity of the transmitted light of the etalon also shows temperature dependency as shown in FIG. FIG. 8 shows the transmission intensity variation characteristic that the optical receiver is used in the range of −5 ° C. to 85 ° C. based on the transmission intensity of transmitted light at room temperature of 25 ° C. According to this figure, the transmission intensity of the etalon varies about 10% in the above temperature range, and when combined with the allowable value of 10% for the mounting accuracy of the etalon described above, it varies by 20%. Therefore, it is preferable to control the temperature by mounting the etalon in an electronic cooling module or the like made of a Peltier element.
しかし、エタロンに温度依存性ないものを用いる等によって、温度管理を省略することもできる。なお、温度依存性のないエタロンとしては、例えば、エタロンの材料に、温度変動が正のものと負のものを組み合わせることにより実現可能である。また、この他、エタロンの温度特性をメモリに記憶させ、動作温度で補正量を付加して波長ロックをかけるようにするようにしてもよい。 However, temperature control can be omitted by using an etalon that does not depend on temperature. Note that an etalon having no temperature dependence can be realized, for example, by combining a etalon material with a positive and negative temperature fluctuation. In addition, the temperature characteristics of the etalon may be stored in a memory, and a wavelength may be locked by adding a correction amount at the operating temperature.
上述したように、波長間隔の狭い波長多重光信号の受信に際して、エタロンにより透過信号光と反射信号光で分波した信号光を、誘電体多層膜フィルタで分波することで、低損失な受信系を構成することができる。例えば、800GHzの狭い波長間隔の信号光でも、エタロンを用いることにより、透過する信号光の波長間隔は2倍の1600GHzとなる。分波する2つの信号光の波長間隔が広げられることにより、誘電体多層膜フィルタの実装精度に余裕を持たせることができ、低損失で波長依存性のない受信を行うことが可能となる。また、信号光がエタロンを透過することにより、所定の受信波長以外の波長ノイズが除去され、ノイズに対する耐性を向上させることが可能となる。 As described above, when receiving a wavelength multiplexed optical signal with a narrow wavelength interval, the signal light demultiplexed by the transmitted signal light and the reflected signal light by the etalon is demultiplexed by the dielectric multilayer filter, thereby receiving low loss. A system can be constructed. For example, even with signal light having a narrow wavelength interval of 800 GHz, by using an etalon, the wavelength interval of the transmitted signal light is doubled to 1600 GHz. By widening the wavelength interval between the two signal lights to be demultiplexed, it is possible to provide a sufficient mounting accuracy of the dielectric multilayer filter, and it is possible to perform reception with low loss and no wavelength dependency. Further, since the signal light passes through the etalon, wavelength noise other than a predetermined reception wavelength is removed, and it is possible to improve resistance to noise.
10…光ファイバ、11…レンズ、12…電子冷却モジュール、13…エタロン、14…第1のミラー、15a,15b…誘電体多層膜フィルタ、16a,16b…第2のミラー、17a〜17d…集光レンズ、18a〜18d…受光素子、19a〜19d…増幅器。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記波長多重された複数の信号光を、透過信号光と反射信号光に分波するエタロンと、前記透過信号光と前記反射信号光のそれぞれを、前記波長の異なる複数の信号光に分波する誘電体多層膜フィルタと、前記分波された波長の異なる複数の信号光をそれぞれ受光する受光素子と、前記受光素子で受光した信号を増幅する増幅器を備えていることを特徴とする光受信装置。 An optical receiver that demultiplexes and receives a plurality of signal lights having different wavelengths transmitted by wavelength multiplexing, into signal lights of respective wavelengths,
An etalon for demultiplexing the plurality of wavelength-multiplexed signal lights into a transmitted signal light and a reflected signal light, and demultiplexing each of the transmitted signal light and the reflected signal light into a plurality of signal lights having different wavelengths. An optical receiver comprising: a dielectric multilayer filter; a light receiving element that receives each of the plurality of signal lights with different wavelengths; and an amplifier that amplifies the signal received by the light receiving element. .
前記波長多重された複数の信号光を、エタロンにより透過信号光と反射信号光に分波した後、前記透過信号光と前記反射信号光のそれぞれを、誘電体多層膜フィルタにより前記波長の異なる複数の信号光に分波し、前記分波された波長の異なる複数の信号光のそれぞれを受光素子により受光し、前記受光した信号を増幅することを特徴とする光受信方法。 An optical reception method for receiving a plurality of signal lights having different wavelengths transmitted by wavelength multiplexing by demultiplexing into a signal light of each wavelength,
After the plurality of wavelength-multiplexed signal lights are demultiplexed into transmitted signal light and reflected signal light by an etalon, each of the transmitted signal light and the reflected signal light is divided into a plurality of different wavelengths by a dielectric multilayer filter. An optical receiving method comprising: demultiplexing the received signal light into a plurality of signal lights, receiving each of a plurality of the separated signal lights having different wavelengths by a light receiving element, and amplifying the received signal.
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