JP2021044626A

JP2021044626A - 光送信機および光送信方法

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Publication number: JP2021044626A
Application number: JP2019163371A
Authority: JP
Inventors: 昇太石村; Shota Ishimura; シュンユンカオ; Hsuan-Yun Kao; 和樹田中; Kazuki Tanaka; 西村　公佐; Kosuke Nishimura; 公佐西村; 鈴木　正敏; Masatoshi Suzuki; 正敏鈴木
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2039-09-06
Also published as: US20220166517A1; CN114556812A; EP4027539A1; JP7273382B2; WO2021044909A1; EP4027539A4

Abstract

【課題】受信機側で一切信号処理を行なうことなく光の複素振幅を再現する。【解決手段】フォトダイオードに対して光信号を送信する光送信機であって、送信信号について角度変調を行なう角度変調器１２と、光トーン信号を生成するレーザ部１４と、を備え、前記角度変調された送信電気信号のうちの単一側波帯信号、および前記単一側波帯信号の周波数帯よりも周波数の高い方または低い方に配置された前記光トーン信号を含む光信号を送信する。【選択図】図３

Description

本発明は、フォトダイオードに対して光信号を送信する光送信機および光送信方法に関する。

従来から、光ファイバ伝送において、直接検波型受信機が知られている。この直接検波型受信機は、フォトダイオードで構成することができ、振幅や波長の情報を乗せた光信号を受信するコヒーレント受信機よりもシンプルであることが特徴である。例えば、非特許文献１には、フォトダイオードのみを用いて、光の複素振幅を線型的に復元する手法が開示されている。

Antonio Mecozzi, Cristian Antonelli, and Mark Shtaif, "Kramers-Kronig coherent receiver," Optica 3, 1220-1227 (2016)

しかしながら、非特許文献１に開示されている手法では、受信機側で複雑な信号処理を行なわなければならない。具体的には、フォトダイオードから得られる電気信号が、光信号の強度情報に比例することから、その強度情報から「Kramers-Kronigの関係性」と呼ばれる、強度と位相の関係式を用いて光の位相情報を回復する必要がある。この関係性は一般に、ヒルベルト変換と呼ばれる変換式に基づいており、複雑な積分計算が必要となる。さらに、信号を予めオーバーサンプリングしておかなくてはいけないなど、ハードウェアの複雑性も増加してしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、受信機側で一切信号処理を行なうことなく光の複素振幅を再現することができる光送信機および光送信方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の光送信機は、フォトダイオードに対して光信号を送信する光送信機であって、送信電気信号について角度変調を行なう角度変調器と、光トーン信号を生成する光トーン信号生成部と、を備え、前記角度変調された送信電気信号に対応する単一側波帯信号、および前記単一側波帯信号の周波数帯よりも周波数の高い方または低い方に配置された前記光トーン信号を含む光信号を送信することを特徴とする。

このように、角度変調された送信電気信号のうちの単一側波帯信号および光トーン信号を含む光信号を送信するので、この光信号をフォトダイオードで受信すると、余分な成分が定数項となり、所望成分のみを取り出すことができ、光の複素振幅を線型的に復元することが可能となる。

（２）また、本発明の光送信機は、前記光トーン信号の周波数を「ω_ｔｏｎｅ」とし、前記角度変調された送信電気信号の周波数を「ω_ＡＮＧ」とし、時間を「ｔ」とし、位相を「φ」としたときに、前記光トーン信号および前記角度変調された送信電気信号を含む前記光信号の複素振幅「Ｅ（ｔ）」は、以下の数式で表されることを特徴とする。

このような数式で表される光信号を送信することによって、フォトダイオードで受信したときに、余分な成分が定数項となり、所望成分のみを取り出すことができ、光の複素振幅を線型的に復元することが可能となる。

（３）また、本発明の光送信機は、前記光トーン信号を生成するレーザ部と、前記光トーン信号および前記角度変調された送信電気信号を入力し、光強度変調を行なう光強度変調器と、前記光強度変調された信号から単一側波帯信号および光トーン信号以外の信号を除去する光フィルタと、を備えることを特徴とする。

この構成により、角度変調された送信電気信号のうちの単一側波帯信号および光トーン信号を含む光信号を生成することが可能となる。これにより、受信側では余分な成分が定数項となり、所望成分のみを取り出すことができ、光の複素振幅を線型的に復元することが可能となる。

（４）また、本発明の光送信機は、前記光トーン信号を生成するレーザ部と、前記角度変調された送信電気信号にトーン信号を挿入するトーン信号挿入部と、前記光トーン信号、並びに前記角度変調された送信電気信号および前記トーン信号を入力し、光ＩＱ変調を行なう光ＩＱ変調部と、を備えることを特徴とする。

（５）また、本発明の光送信機は、前記光トーン信号を生成するレーザ部と前記光トーン信号を二分岐する二分岐カプラと、前記二分岐された一方の光トーン信号を入力すると共に、送信電気信号について光位相変調を行なって、単一側波帯信号を出力する光位相変調器と、前記二分岐された他方の光トーン信号を入力し、前記単一側波帯信号の周波数帯よりも周波数の高い方または低い方に前記他方の光トーン信号を配置する光周波数シフタと、前記光位相変調器および前記光周波数シフタの出力信号を合成する合成カプラと、を備えることを特徴とする。

この構成により、送信電気信号としての単一側波帯信号および光トーン信号を含む光信号を生成することが可能となる。これにより、受信側では余分な成分が定数項となり、所望成分のみを取り出すことができ、光の複素振幅を線型的に復元することが可能となる。

（６）また、本発明の光送信方法は、フォトダイオードに対して光信号を送信する光送信方法であって、送信電気信号について角度変調を行なうステップと、光トーン信号を生成するステップと、前記角度変調された送信電気信号に対応する単一側波帯信号、および前記単一側波帯信号の周波数帯よりも周波数の高い方または低い方に配置された前記光トーン信号を含む光信号を送信するステップと、を含むことを特徴とする。

（７）また、本発明の光送信方法は、前記光トーン信号の周波数を「ω_ｔｏｎｅ」とし、前記角度変調された送信電気信号の周波数を「ω_ＡＮＧ」とし、時間を「ｔ」とし、位相を「φ」としたときに、前記光トーン信号および前記角度変調された送信電気信号を含む前記光信号の複素振幅「Ｅ（ｔ）」は、以下の数式で表されることを特徴とする。

本発明によれば、受信機側で一切信号処理を行なうことなく光の複素振幅を再現することが可能となる。

単一側波帯化された角度変調信号と光トーン信号を送信し、フォトダイオードで検出した場合の受信信号のスペクトルを示す図である。矩形波と光トーン信号を送信し、フォトダイオードで検出した場合の受信信号のスペクトルを示す図である。実施例１に係る光送信機の概略構成を示す図である。実施例２に係る光送信機の概略構成を示す図である。実施例３に係る光送信機の概略構成を示す図である。

本発明者らは、直接検波型受信機を用いる場合の複雑な積分計算やハードウェアの複雑化の問題に着目し、送信側で特定の条件を満たす光信号を送信することによって、受信側で信号処理が不要となることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明の光送信機は、フォトダイオードに対して光信号を送信する光送信機であって、送信電気信号について角度変調を行なう角度変調器と、光トーン信号を生成する光トーン信号生成部と、を備え、前記角度変調された送信電気信号のうちの単一側波帯信号、および前記単一側波帯信号の周波数帯よりも周波数の高い方または低い方に配置された前記光トーン信号を含む光信号を送信することを特徴とする。

これにより、本発明者らは、光信号をフォトダイオードで受信したときに、余分な成分を定数項として除去し、所望成分のみを取り出して、光の複素振幅を線型的に復元することを可能とした。以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

本実施形態においては、変調方式を「アナログ角度変調」とする。すなわち位相変調（Phase modulation：PM）や周波数変調（Frequency modulation：FM）とする。なお、本発明は、これらに限定されるわけではない。これらの変調方式は、一般に「非線形変調」であるため、変調前後の信号を比較すると、変調前のスペクトル幅に対して、変調後のスペクトルが大幅に広がる。しかし、その分、雑音耐性は通常の振幅変調などと比較して高いため、高いＳＮ比が求められるアナログ系のシステムに利用されることが多い。これらの角度変調では、以下の数式で表されるように、正弦波の位相、あるいは周波数に情報を乗せる（以下の数式では、位相に情報を乗せている）。

この場合、振幅は常に一定となり、変動しない。本実施形態では、送信側でこの角度変調と光の単一側波帯信号の両方を用いた光信号を生成し、送信する。この構成により、受信側において、光の複素振幅を容易に再生することが可能となる。

図１は、単一側波帯化された角度変調信号と光トーン信号を送信し、フォトダイオードで検出した場合の受信信号のスペクトルを示す図である。図１では、一例として、紙面に対して左側に光トーン信号のスペクトルを示し、右側に角度変調信号のスペクトルを示している。なお、光トーン信号の位置は、角度変調信号に対して低周波数側であっても良いし、高周波数側であっても良い。

このような光信号を単一のフォトダイオードで受信する構成を考える。光トーン信号の周波数を「ω_ｔｏｎｅ」とし、角度変調された送信電気信号の周波数を「ω_ＡＮＧ」とし、時間を「ｔ」とし、位相を「φ」としたときに、受信前の光電界の複素振幅「Ｅ（ｔ）」は、以下の数式で表される。

この数式において、第一項目は光トーン信号を表し、第二項目は単一側波帯化された角度変調信号を表している。第二項目が数式（１）に対して複素数となっているのは、単一側波帯信号のため上（下）側波帯のみを考えているためである。この信号をフォトダイオードで受信すると、その光電界の強度に比例した電気信号が出力されるため、その出力は以下のようになる。

数式（３）において、第一項は、光トーン信号の強度を表しており、これは通常、定数項となるため、ＤＣ成分としてしか現れず、所望成分には影響しない。また、第二項目の成分は、信号成分自身の強度と比例する成分となり、通常、「signal-to-signal beat noise(SSBI)」などと呼ばれる項である。普通の信号では強度変動があるため、この項は時間とともに変動し所望信号に対して干渉成分となり、信号品質を劣化させる。しかしながら、本実施形態に係る方式では、角度変調が採用されているため、角度変調の振幅は時間によらず常に一定である。このため、第二項についても、第一項と同様に、定数項となり、所望成分への干渉とはならない。第三項は、光トーン信号と角度変調信号のビート（掛け算）成分であり、通常これが所望の成分である。

この結果、所望成分をビート雑音の影響を受けることなく、取り出すことができる。仮に、これが非特許文献１に開示されている手法のように、送信信号（送信電気信号を意味する。）に対して角度変調を行なわない場合は、第二項目が干渉成分として現れる。この様子を図２に示す。送信側で、矩形波と光トーン信号を送信し、受信側において、フォトダイオードで検出すると、ＳＳＢＩが出現する。このため、このＳＳＢＩを取り除くために、上述したような「Kramers-Kronigの関係性」などを用いて、高度な信号処理を行なわなければならない。本実施形態によれば、光の複素振幅を線形に復元することができる。

図３は、実施例１に係る光送信機の概略構成を示す図である。この光送信機は、送信信号部１０、角度変調器１２、レーザ部１４、光強度変調器１６、および光フィルタ１８を備えている。まず、送信信号部１０において、伝送する送信信号が作り出される。送信信号の波形は、図３中、Ａで示すように、一対の矩形波となっている。この送信信号が電気の角度変調器１２に入力される。角度変調器１２で角度変調された信号は、Ｂで示すように、ＤＣ成分を中心として対称の位置に存在する一対の広帯域波となる。この角度変調信号が光強度変調器１６に入力される。光強度変調信号は、Ｃで示すように、一対の広帯域波となっている。この光強度変調信号が、光フィルタ１８に入力され、片方の側波帯（図３の場合は、低周波数側）が除去されて、Ｄで示すようなトーン信号と広帯域の単一側波帯が生成される。

図４は、実施例２に係る光送信機の概略構成を示す図である。この光送信機は、送信信号部１０、角度変調器１２、レーザ部１４、トーン挿入部２０、トーン信号パワー調整部２２、および光ＩＱ変調器２４を備えている。送信信号部１０において、伝送する送信信号が作り出される。送信信号の波形は、図４中、Ａで示すように、一対の矩形波となっている。この送信信号が電気の角度変調器１２に入力される。角度変調器１２で「ω_ＲＦ＝０」として角度変調された信号は、Ｅで示すように、ＤＣ成分を中心として左右対称の単一の広帯域波となる。この光送信機では、トーン信号の挿入は、電気段のトーン挿入部２０で行なわれ、トーン信号パワー調整部２２によって、電気段のトーン信号のパワー調整が行なわれる。トーンは、正の周波数あるいは負の周波数のみに挿入されるため、挿入後の信号は複素数として表現される。レーザ部１４から、Ｇに示す光トーン信号と、トーン挿入部２０から、Ｆに示すトーン挿入済み角度変調信号の実部と虚部を光ＩＱ変調器２４に入力することによって、電気信号を光信号へと変換することができる。この際、光ＩＱ変調器２４は、ヌルバイアスポイントで駆動されるものとする。そして、Ｈで示すようなトーン信号と広帯域の単一側波帯が生成される。

図５は、実施例３に係る光送信機の概略構成を示す図である。この光送信機は、送信信号部１０、レーザ部１４、二分岐カプラ２６、光位相変調器２８、光周波数シフタ３０、可変光減衰器３２、および合波カプラ３４を備えている。上記の実施例では、電気的な角度変調を行なっていたのに対し、実施例３では、光的に変調を行なう。すなわち、レーザ部１４から、Ｇに示す光トーン信号を、二分岐カプラ２６で二つに分岐し、その一方の出力を光位相変調器２８へ入力する。送信信号部１０から所望の送信電気信号を光位相変調器２８へ入力すると、Ｉに示す光位相変調信号が生成される。これにより、送信電気信号が角度変調された信号を得ることができる。二分岐カプラ２６の他方の出力を光周波数シフタ３０に入力される。光周波数シフタ３０は、Ｊに示すように、レーザ部１４が生成した光トーン信号の周波数を他の周波数にシフトする。そして、周波数がシフトされた光と、角度変調された光が合波カプラ３４で合波されることで、Ｈに示すように、トーン信号と単一側波帯信号が生成される。なお、可変光減衰器は、それぞれのパワーを調整するために用いる。

以上説明したように、送信機側でトーン信号と単一側波帯信号から構成される光信号を生成することによって、受信機側で一切信号処理を行なうことなく光の複素振幅を再現することが可能となる。

１０送信信号部
１２角度変調器
１４レーザ部
１６光強度変調器
１８光フィルタ
２０トーン挿入部
２２トーン信号パワー調整部
２４光ＩＱ変調器
２６二分岐カプラ
２８光位相変調器
３０光周波数シフタ
３２可変光減衰器
３４合波カプラ

Claims

フォトダイオードに対して光信号を送信する光送信機であって、
送信信号について角度変調を行なう角度変調器と、
光トーン信号を生成する光トーン信号生成部と、を備え、
前記角度変調された送信電気信号に対応する単一側波帯信号、および前記単一側波帯信号の周波数帯よりも周波数の高い方または低い方に配置された前記光トーン信号を含む光信号を送信することを特徴とする光送信機。
前記光トーン信号の周波数を「ω_ｔｏｎｅ」とし、前記角度変調された送信電気信号の周波数を「ω_ＡＮＧ」とし、時間を「ｔ」とし、位相を「φ」としたときに、前記光トーン信号および前記角度変調された送信電気信号を含む前記光信号の複素振幅「Ｅ（ｔ）」は、以下の数式で表されることを特徴とする請求項１記載の光送信機。
前記光トーン信号を生成するレーザ部と、
前記光トーン信号および前記角度変調された送信電気信号を入力し、光強度変調を行なう光強度変調器と、
前記光強度変調された信号から単一側波帯信号および光トーン信号以外の信号を除去する光フィルタと、を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光送信機。
前記光トーン信号を生成するレーザ部と、
前記角度変調された送信電気信号にトーン信号を挿入するトーン信号挿入部と、
前記光トーン信号、並びに前記角度変調された送信電気信号および前記トーン信号を入力し、光ＩＱ変調を行なう光ＩＱ変調部と、を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光送信機。
前記光トーン信号を生成するレーザ部と、
前記光トーン信号を二分岐する二分岐カプラと、
前記二分岐された一方の光トーン信号を入力すると共に、送信信号について光位相変調を行なって、単一側波帯信号を出力する光位相変調器と、
前記二分岐された他方の光トーン信号を入力し、前記単一側波帯信号の周波数帯よりも周波数の高い方または低い方に前記他方の光トーン信号を配置する光周波数シフタと、
前記光位相変調器および前記光周波数シフタの出力信号を合成する合成カプラと、を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光送信機。
フォトダイオードに対して光信号を送信する光送信方法であって、
送信信号について角度変調を行なうステップと、
光トーン信号を生成するステップと、
前記角度変調された送信電気信号に対応する単一側波帯信号、および前記単一側波帯信号の周波数帯よりも周波数の高い方または低い方に配置された前記光トーン信号を含む光信号を送信するステップと、を含むことを特徴とする光送信方法。
前記光トーン信号の周波数を「ω_ｔｏｎｅ」とし、前記角度変調された送信電気信号の周波数を「ω_ＡＮＧ」とし、時間を「ｔ」とし、位相を「φ」としたときに、前記光トーン信号および前記角度変調された送信電気信号を含む前記光信号の複素振幅「Ｅ（ｔ）」は、以下の数式で表されることを特徴とする請求項６記載の光送信方法。