JP2017112476A - 光受信モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】異なる光信号間でノイズの大きさが異なる場合あっても、高精度で光信号を受信することのできる光受信モジュールを提供する。
【解決手段】光受信モジュールは、入力された光信号を電気信号に変換する変換部と、前記電気信号を増幅し、増幅信号を出力する増幅部と、前記増幅信号を直接又は間接に受信する受信部と、前記電気信号の強度幅の中心と、前記受信部により受信可能な信号強度範囲の中心との差が小さくなるように、前記電気信号をオフセットするオフセット部と、を有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、光受信モジュールに関する。
光通信に用いられる光信号の標準規格として、ITU−T(International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector)等の標準化団体により定められた規格やIEEE802.3等の標準規格が知られている。それらの標準規格では、光信号の変復調方式として、強度変調・直接検波(IM/DD:Intensity Modulation / Direct Detection)方式が採用される場合がある。強度変調・直接検波方式では、光信号の強度の違いによって信号の「0」や「1」を表す。
下記特許文献1には、AGC(Automatic Gain Control)回路を備え、入力される電気信号の振幅の変動に対し一定振幅出力を得る光受信回路が記載されている。
特開平5−145360号公報
近年、より大きなデータ通信量を得るために、4値(2ビット)以上の多値強度変調が行なわれる場合がある。多値強度変調では、異なる光信号の強度の差が2値強度変調の場合に比べて小さくなり、ノイズの影響がより深刻となる場合がある。ここで、ノイズの大きさは、光信号の強度に依存する場合があり、異なる光信号間でノイズの大きさが異なる場合がある。
一方、信号を受信する受信部は、受信可能な信号の強度の範囲が比較的広く設けられる場合があり、信号を増幅して受信可能範囲を最大限活用することで受信精度を向上させている。
しかしながら、異なる光信号間でノイズの大きさが異なる場合、単純に信号を増幅したのでは、信号の強度に偏りが生じて、受信部の受信可能範囲を十分に活用できない場合がある。
そこで、本発明は、異なる光信号間でノイズの大きさが異なる場合あっても、高精度で光信号を受信することのできる光受信モジュールを提供することを目的とする。
(1)上記課題を解決するために、本発明に係る光受信モジュールは、入力された光信号を電気信号に変換する変換部と、前記電気信号を増幅し、増幅信号を出力する増幅部と、前記増幅信号を直接又は間接に受信する受信部と、前記電気信号の強度幅の中心と、前記受信部により受信可能な信号強度範囲の中心との差が小さくなるように、前記電気信号をオフセットするオフセット部と、を有する。
(2)上記(1)に記載の光受信モジュールであって、前記増幅信号の強度の少なくとも最大値と最小値を測定する測定部をさらに有し、前記増幅部は、前記増幅信号の強度の最大値が前記信号強度範囲の最大値以下となり、前記増幅信号の強度の最小値が前記信号強度範囲の最小値以上となるように、前記電気信号を増幅する。
(3)上記(2)に記載の光受信モジュールであって、前記オフセット部は、前記測定部で測定された前記増幅信号の強度に基づいて、前記電気信号のオフセット量を算出するオフセット量算出部を有する。
(4)上記(2)に記載の光受信モジュールであって、前記オフセット部は、前記増幅信号の強度とオフセット量との関係を記憶する記憶部と、前記測定部で測定された前記増幅信号の強度と、前記記憶部に記憶された前記増幅信号の強度とオフセット量との関係とに基づいて、前記電気信号のオフセット量を選択するオフセット量選択部を有する。
(5)上記(1)に記載の光受信モジュールであって、前記増幅信号をデジタル信号に変換し、前記受信部に出力するAD変換部をさらに有する。
(6)上記(1)に記載の光受信モジュールであって、前記変換部は、アバランシェフォトダイオードを含む。
(7)上記(1)に記載の光受信モジュールであって、前記光信号は、光増幅器によって増幅された光信号である。
(8)上記(1)に記載の光受信モジュールであって、前記光信号は、4値以上の光多値強度信号である。
本発明により、異なる光信号間でノイズの大きさが異なる場合あっても、高精度で光信号を受信することのできる光受信モジュールが提供される。
本発明の第1の実施形態に係る光受信モジュールの構成図である。 従来の光受信モジュールにおける、変換部により出力された光電流のヒストグラムと、受信部による受信可能範囲とを示す図である。 従来の光受信モジュールにおける、オフセットされた光電流のヒストグラムと、受信部による受信可能範囲とを示す図である。 従来の光受信モジュールにおける、増幅された光電流のヒストグラムと、受信部による受信可能範囲とを示す図である。 本発明の第1の実施形態に係る光受信モジュールにおける、変換部により出力された光電流のヒストグラムと、受信部による受信可能範囲とを示す図である。 本発明の第1の実施形態に係るオフセット部によりオフセットされた光電流のヒストグラムと、受信部による受信可能範囲とを示す図である。 本発明の第1の実施形態に係る増幅部により増幅された光電流のヒストグラムと、受信部による受信可能範囲とを示す図である。 本発明の第2の実施形態に係る光受信モジュールの構成図である。 本発明の第3の実施形態に係る光受信モジュールの構成図である。
[第1の実施形態]
以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る光受信モジュール1の構成図である。光受信モジュール1は、光ファイバ10から入力された光信号を電気信号に変換する変換部11を有する。光ファイバ10によって伝送される光信号は、4値以上の光多値強度信号であってよく、以下では4値光多値強度信号の場合について説明する。本実施形態に係る変換部11は、光信号を光電流に変換する。本実施形態に係る変換部11は、アバランシェフォトダイオードを含むものであるが、pinフォトダイオードやその他の光電変換素子を含んでもよい。また、変換部11は、光信号を電圧信号に変換するものであってもよい。
本実施形態に係る光受信モジュール1は、変換部11から出力される電気信号をオフセットするオフセット部12と、電気信号を増幅し、増幅信号を出力する増幅部13を有する。ここで、電気信号が電流信号の場合、電気信号をオフセットするとは、電流の直流成分を増減させることをいう。また、電気信号が電圧信号の場合、電気信号をオフセットするとは、電圧の直流成分を増減させることをいう。
本実施形態に係る光受信モジュール1は、増幅部13から出力された増幅信号を直接又は間接に受信する受信部15を有する。本実施形態に係る受信部15は、波形歪みを補償する補償部15aを含む。補償部15aは、光ファイバ10の波長分散に起因する光信号の波形歪みを補償する。これにより、受信部15は、より高精度で光信号の受信を行うことができる。
本実施形態に係る光受信モジュール1は、増幅部13から出力された増幅信号をデジタル信号に変換し、前記受信部に出力するAD変換部14を有する。本実施形態に係る受信部15は、AD変換部14から出力されるデジタル信号を受信することで、増幅信号を間接的に受信する。なお、受信部15は、アナログ信号である増幅信号を直接受信するものであってもよい。AD変換部14を有することで、光信号がデジタル信号として受信され、デジタル処理を用いた解析が容易になる。
本実施形態に係るオフセット部12は、電気信号の強度幅の中心と、受信部15により受信可能な信号強度範囲の中心との差が小さくなるように、電気信号をオフセットする。以下、オフセット部12の働きについて図2〜7を参照しつつ説明する。
図2は、従来の光受信モジュールにおける、変換部により出力された光電流のヒストグラムと、受信部による受信可能範囲とを示す図である。同図には、変換部により出力される光電流の大きさを縦軸に示し、電流値の検出回数を横軸に示して、光電流のヒストグラムを例示している。ヒストグラムに示された4つのピークは、4値光多値強度信号の4つの信号に対応する。グラフには、ノイズが存在しない理想的なヒストグラムIを破線で示し、ノイズが存在する現実のヒストグラムD1を実線で示している。ヒストグラムD1は、熱雑音やショット雑音等のノイズによる寄与を含み、ノイズが存在しない理想的なヒストグラムIよりも分布が広がっている。ここで、理想的なヒストグラムIの面積と、現実のヒストグラムD1の面積は等しい。もっとも、図2では、ノイズの影響を分かり易く示すため、分布の広がりを強調してヒストグラムD1を描いている。ノイズは、光信号の伝送過程で生じる場合もあるし、変換部による変換の過程で生じる場合もある。
以下では、光信号を光電流に変換する変換部としてアバランシェダイオードを採用する場合について、どのようなノイズが生じるかを説明する。アバランシェダイオードは、ショット雑音の影響を比較的強く受け、光強度が大きいほどノイズが大きくなる特性がある。そのため、変換後の光電流に生じるノイズが信号毎に一様でなくなる。具体的には、アバランシェフォトダイオードのSN比は、以下の数式(1)で表される値となる。
Figure 2017112476
ここで、Mは増倍率を表し、IはM=1の場合の光電流を表す。また、qは1電子あたりの電荷量を表し、Idgは増倍される暗電流を表し、Bは帯域幅を表し、Fは過剰雑音係数を表す。また、Idsは増倍されない暗電流を表す。また、kはボルツマン係数を表し、Tは絶対温度を表し、Rは負荷抵抗を表す。
数式(1)の右辺の分母に示される量のうち、第1の項である2q(I+Idg)BMF+2qBIdsは、ショット雑音による寄与を表し、第2の項である4kTB/Rは熱雑音による寄与を表す。一般的な光ファイバ通信においては、増倍率Mが小さい場合、ショット雑音は熱雑音に比べて小さく、第1の項は無視可能である。しかし、第1の項は、増倍率Mの2乗に従い大きくなるため、増倍率が大きくなるに従って次第に無視できない量となる。さらに、第2の項は、光電流Iの大きさに応じて増加する。この結果、アバランシェフォトダイオードを用いる場合、光強度が大きい光信号ほどSN比が悪くなる。
従来の光受信モジュールでは、受信部により受信可能な信号強度範囲(受信可能範囲)を活用するため、光電流の中央値と受信部の受信可能範囲の中心とを一致させるように光電流をオフセットしていた。光電流の中央値とは、測定された光電流を小さい順に並べたときに中央に位置する光電流の値をいう。なお、測定された光電流の値が偶数個である場合、中央に隣接する2つの値の平均値を中央値とする。また、オフセット量は、光電流の中央値と受信部の受信可能範囲の中心との差である第1の量Aとされていた。
図3は、従来の光受信モジュールにおける、オフセットされた光電流のヒストグラムD2と、受信部による受信可能範囲とを示す図である。光電流が第1の量Aだけオフセットされた結果、光電流の中央値と受信部の受信可能範囲の中心は一致する。
図4は、従来の光受信モジュールにおける、増幅された光電流のヒストグラムD3と、受信部による受信可能範囲とを示す図である。従来の光受信モジュールでは、オフセットされた光電流の最小値及び最大値の両方が、受信部の受信可能範囲を超えないように、光電流を増幅していた。本例の場合、増幅された光電流の最大値(max)が、受信部の受信可能範囲の上限に迫るように、光電流が増幅される。これにより、増幅された光電流の最小値(min)と最大値(max)は、いずれも受信部の受信可能範囲内に収まる。しかしながら、このようなオフセットと増幅を行うと、受信部の受信可能範囲のうち下限側の第2の量Bの範囲は使用されないこととなる。このように、従来の受信モジュールでは、受信部の受信可能範囲のうち使用されない範囲が生じて、受信部の受信可能範囲を十分に活用できず、光信号の受信精度が十分に高くなかった。
図5は、本発明の第1の実施形態に係る光受信モジュール1における、変換部11により出力された光電流のヒストグラムD4と、受信部15による受信可能範囲とを示す図である。同図には、変換部11により出力される光電流の大きさを縦軸に示し、電流値の検出回数を横軸に示して、光電流のヒストグラムD4を例示している。ヒストグラムD4に示された4つのピークは、4値光多値強度信号の4つの信号に対応する。4つのピークは、それぞれ熱雑音やショット雑音等のノイズによる寄与を含む。ノイズは、光信号の伝送過程で生じる場合もあるし、変換部11による変換の過程で生じる場合もある。
本実施形態に係るオフセット部12は、電気信号である光電流の強度幅の中心と、受信部15により受信可能な信号強度範囲(受信可能範囲)の中心との差が小さくなるように、電気信号である光電流をオフセットする。ここで、オフセット部12によるオフセット量は、光電流の強度幅の中心と受信部の受信可能範囲の中心との差である第3の量Cとしてよい。本実施形態の場合、受信部15による受信可能範囲は、AD変換部14の変換可能範囲で規定される。すなわち、受信可能範囲の最大値は、AD変換部14の変換可能範囲の最大値AD_maxであり、受信可能範囲の最小値は、AD変換部14の変換可能範囲の最小値AD_minである。そして、受信可能範囲の中心の値は、(AD_max+AD_min)/2である。
図6は、本発明の第1の実施形態に係るオフセット部12によりオフセットされた光電流のヒストグラムD5と、受信部15による受信可能範囲とを示す図である。光電流が第3の量Cだけオフセットされた結果、光電流の強度幅の中心と受信部15の受信可能範囲の中心は一致する。
図7は、本発明の第1の実施形態に係る増幅部13により増幅された光電流のヒストグラムD6と、受信部15による受信可能範囲とを示す図である。増幅部13は、オフセット部12によりオフセットされた光電流の最小値及び最大値の両方が、受信部15の受信可能範囲を超えないように、光電流を増幅する。本例の場合、増幅部13により出力される増幅信号である増幅された光電流の最大値(max)は、受信部15の受信可能範囲の最大値AD_maxに一致し、増幅された光電流の最小値(min)は、受信部15の受信可能範囲の最小値AD_minに一致する。
増幅された光電流の最大値は、受信部15の受信可能範囲の最大値と必ずしも一致しなくてもよく、数%程度小さくてもよい。より具体的には、最上位レベルの光信号に対応する光電流のピークについて、その標準偏差をσと表す場合、増幅部13は、光電流の最大値(max)が、受信部15の受信可能範囲の最大値AD_maxよりσの数倍程度小さくなるように、電気信号を増幅してもよい。また、最下位レベルの光信号に対応する光電流のピークについて、その標準偏差をσと表す場合、増幅部13は、光電流の最小値(min)が、受信部15の受信可能範囲の最小値AD_minよりσの数倍程度大きくなるように、電気信号を増幅してもよい。
本実施形態に係る光受信モジュール1によれば、オフセット部12により増幅信号の強度幅の中心が適切にオフセットされ、受信部15の受信可能な信号強度範囲を余すところなく活用でき、異なる光信号間でノイズの大きさが異なる場合あっても、高精度で光信号を受信することができる。
図1に戻り、本実施形態に係る光受信モジュール1は、増幅信号の強度の少なくとも最大値と最小値を測定する測定部20を有する。本実施形態に係る測定部20は、AD変換部14から出力されたデジタル信号の強度を測定するが、測定部20は、アナログ信号を測定してもよい。測定部20で測定された信号強度は、制御部21に入力される。制御部21は、増幅部13による増幅量を算出する増幅量算出部21bを含む。増幅量算出部21bは、増幅信号の強度の最大値が、受信部15の受信可能な信号強度範囲の最大値以下となり、増幅信号の強度の最小値が、受信部15の受信可能な信号強度範囲の最小値以上となるように、増幅量を算出する。そして、増幅部13は、増幅量算出部21bにより算出された増幅量に従って、増幅信号の強度の最大値が信号強度範囲の最大値以下となり、増幅信号の強度の最小値が信号強度範囲の最小値以上となるように、電気信号を増幅する。
本実施形態に係る光受信モジュール1によれば、増幅信号の測定結果をフィードバックして、増幅信号が受信部15の受信可能範囲に確実に収まるように、増幅部13を制御することができる。これにより、光信号の強度が時間的に変動する場合であっても、変動に追随して増幅部13の増幅倍率を変化させることができ、受信精度を常に高く保つことができる。
本実施形態に係る光受信モジュール1は、オフセット量算出部21aを有する。オフセット量算出部21aは、制御部21に含まれ、オフセット部12によるオフセット量を算出する。オフセット量算出部21aは、測定部20で測定された増幅信号の強度に基づいて、電気信号のオフセット量を算出する。そして、オフセット部12は、オフセット量算出部21aにより算出されたオフセット量に従って、電気信号をオフセットする。
本実施形態に係る光受信モジュール1によれば、増幅信号の測定結果をオフセット部12にフィードバックして、電気信号の強度幅の中心と、受信部15により受信可能な信号強度範囲の中心との差が小さくなるように、電気信号をオフセットすることができる。これにより、光信号の強度が時間的に変動する場合であっても、変動に追随してオフセット部12のオフセット量を変化させることができ、受信精度を常に高く保つことができる。
測定部20は、所定期間(例えば、信号のシンボル周期の100万倍の期間)について増幅信号の強度の少なくとも最大値と最小値を測定する。また、増幅信号の最大値をmax、最小値をmin、受信部15の受信可能範囲の最大値をAD_max、最小値をAD_minと表すこととすると、オフセット量算出部21aは、オフセット量を((AD_max+AD_min)―(max+min))/2により算出してよい。また、増幅量算出部21bは、増幅倍率を(AD_max―AD_min)/(max―min)により算出してよい。なお、オフセット量は正負どちらであってもよく、オフセット量の符号に応じて電気信号のオフセット方向(シフト方向)が定められる。
[第2の実施形態]
図8は、本発明の第2の実施形態に係る光受信モジュール1aの構成図である。本実施形態に係る変換部11に入力する光信号は、光増幅器30によって増幅された光信号である点で、第1の実施形態に係る光受信モジュール1と異なる。本実施形態に係る光受信モジュール1aのその他の構成は、第1の実施形態に係る光受信モジュール1と同様である。
以下では、光増幅器30によって増幅された光信号について、どのようなノイズが生じるかを説明する。光増幅器30により発生するノイズは、光信号の光強度が大きいほど大きくなる特性がある。そのため、変換部11による変換においてノイズが発生しない場合であっても、光電流に生じるノイズが信号毎に一様でなくなる場合がある。具体的には、光増幅器30のSN比は、以下の数式(2)で表される値となる。
Figure 2017112476
ここで、Gは信号利得を表し、nは入力光子数を表す。また、nspは反転分布パラメータを表す。
数式(2)の右辺の分母に示される量のうち、第1の項であるGnは、増幅信号光のショット雑音による寄与を表し、第2の項である(G−1)nspは、自然放出光のショット雑音による寄与を表す。また、第3の項である。2G(G−1)nspは、増幅信号光と自然放出光とのビート雑音による寄与を表し、第4の項である(G−1) spは、自然放出光と自然放出光とのビート雑音による寄与を表す。このうち、第1の項及び第2の項は、光信号の光強度が大きい場合、比較的小さいため無視できる。しかし、第3の項及び第4の項は、比較的大きく残り無視できない。特に、第3の項は、光信号の波長と同じ波長に生じるノイズであるため、光フィルタで除去することが困難であり、SN比が劣化する原因となる。第3の項は、光信号の強度が大きいほど大きくなる量であるため、光多値強度信号の信号毎にノイズの大きさが変化することとなる。
本実施形態に係る光受信モジュール1aは、上述のように光信号にその強度に応じたノイズが生じている場合であっても、オフセット部12による電気信号のオフセットと、増幅部13による電気信号の増幅によって、受信部15の受信可能な信号強度範囲を余すところなく活用でき、異なる光信号間でノイズの大きさが異なる場合あっても、高精度で光信号を受信することができる。
[第3の実施形態]
図9は、本発明の第3の実施形態に係る光受信モジュール1bの構成図である。本実施形態に係る光受信モジュール1bは、増幅信号の強度とオフセット量との関係を記憶する記憶部22と、測定部20で測定された増幅信号の強度と、記憶部22に記憶された増幅信号の強度とオフセット量との関係とに基づいて、電気信号のオフセット量を選択するオフセット量選択部21cとを有する点で、第1の実施形態に係る光受信モジュール1と異なる。本実施形態に係る光受信モジュール1bのその他の構成は、第1の実施形態に係る光受信モジュール1と同様である。
本実施形態に係る記憶部22には、増幅信号の強度とオフセット量との関係が予め記憶される。記憶部22は、例えば、増幅信号の最大値又は最小値とオフセット量との関係を記憶してよい。オフセット量選択部21cは、測定部20で測定された増幅信号の強度と、記憶部22に記憶された増幅信号の強度とオフセット量との関係とを比較して、オフセット量を選択する。記憶部22には、増幅信号の強度の複数の参照値と、当該複数の参照値にそれぞれ対応するオフセット量を記憶することとしてよい。その場合、オフセット量選択部21は、測定部20で測定された増幅信号の強度と最も近い参照値を選び、対応するオフセット量を選択してよい。
本実施形態に係る光受信モジュール1bによれば、オフセット量の演算が必要とされず、制御部21の演算負荷が低減される。また、受信部15の受信可能な信号強度範囲を余すところなく活用でき、異なる光信号間でノイズの大きさが異なる場合あっても、高精度で光信号を受信することができる。
本発明の実施形態は、以上に説明したものに限られない。例えば、オフセット部12は、予め定められた量だけ電気信号をオフセットすることとして、制御部21による制御を省略することとしてもよい。同様に、増幅部13は、予め定められた量だけ電気信号を増幅することとして、制御部21による制御を省略することとしてもよい。
1 光受信モジュール、10 光ファイバ、11 変換部、12 オフセット部、13 増幅部、14 AD変換部、15 受信部、15a 補償部、20 測定部、21 制御部、21a オフセット量算出部、21b 増幅量算出部、21c オフセット量選択部、22 記憶部、30 光増幅器。
以下では、光信号を光電流に変換する変換部としてアバランシェフォトダイオードを採用する場合について、どのようなノイズが生じるかを説明する。アバランシェフォトダイオードは、ショット雑音の影響を比較的強く受け、光強度が大きいほどノイズが大きくなる特性がある。そのため、変換後の光電流に生じるノイズが信号毎に一様でなくなる。具体的には、アバランシェフォトダイオードのSN比は、以下の数式(1)で表される値となる。

Claims (8)

  1. 入力された光信号を電気信号に変換する変換部と、
    前記電気信号を増幅し、増幅信号を出力する増幅部と、
    前記増幅信号を直接又は間接に受信する受信部と、
    前記電気信号の強度幅の中心と、前記受信部により受信可能な信号強度範囲の中心との差が小さくなるように、前記電気信号をオフセットするオフセット部と、
    を有する光受信モジュール。
  2. 請求項1に記載の光受信モジュールであって、
    前記増幅信号の強度の少なくとも最大値と最小値を測定する測定部をさらに有し、
    前記増幅部は、前記増幅信号の強度の最大値が前記信号強度範囲の最大値以下となり、前記増幅信号の強度の最小値が前記信号強度範囲の最小値以上となるように、前記電気信号を増幅する、
    光受信モジュール。
  3. 請求項2に記載の光受信モジュールであって、
    前記オフセット部は、前記測定部で測定された前記増幅信号の強度に基づいて、前記電気信号のオフセット量を算出するオフセット量算出部を有する、
    光受信モジュール。
  4. 請求項2に記載の光受信モジュールであって、
    前記オフセット部は、
    前記増幅信号の強度とオフセット量との関係を記憶する記憶部と、
    前記測定部で測定された前記増幅信号の強度と、前記記憶部に記憶された前記増幅信号の強度とオフセット量との関係とに基づいて、前記電気信号のオフセット量を選択するオフセット量選択部とを有する、
    光受信モジュール。
  5. 請求項1に記載の光受信モジュールであって、
    前記増幅信号をデジタル信号に変換し、前記受信部に出力するAD変換部をさらに有する、
    光受信モジュール。
  6. 請求項1に記載の光受信モジュールであって、
    前記変換部は、アバランシェフォトダイオードを含む、
    光受信モジュール。
  7. 請求項1に記載の光受信モジュールであって、
    前記光信号は、光増幅器によって増幅された光信号である、
    光受信モジュール。
  8. 請求項1に記載の光受信モジュールであって、
    前記光信号は、4値以上の光多値強度信号である、
    光受信モジュール。
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