JP2679859B2 - 局部発振器レーザ同調用レーザ制御装置 - Google Patents

局部発振器レーザ同調用レーザ制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、コヒーレント動作のために用意された光受
信機に関する。
［従来の技術］ 既知の受信機の感度と周波数選択感度が向上したた
め、光受信機にコヒーレント検出を使用する要望があ
る。より高い感度と周波数選択感度は、従来技術で使わ
れている直接検出方法よりも、コヒーレント検出によっ
て達成される。いくつかのコヒーレント検出方法が従来
技術で提案されている。
従来技術のコヒーレント光受信機の動作においては、
いかに光搬送周波数が伝送媒体から受信されても厳密に
追跡する周波数で発振するように局部発振器レーザを同
調することが困難であった。同調可能な分布ブラッグ反
射レーザが開発されて以来、広い周波数範囲で局部発振
器レーザを同調させ、大きな多重チャネルで受信した信
号の各々を追跡することが可能となった。
あるシステムへの適用に対して、共通の光媒体上に、
多重化された数個の異なる光搬送波を用いることが望ま
れている。その様なシステムの受信機は、数個の異なる
光チャネルのどれか１つを受信できるように、その局部
発振器周波数の中に柔軟性を必要とする。これらの異な
る光チャネルを選択するために、コヒーレント受信機
は、受信した一群の光搬送周波数と関連した一群の局部
発振器周波数から、どれか１つの光周波数へ選択的に同
調できる局部発振器レーザを備えなければならない。今
迄、選択可能な一群の局部発振器光周波数を作るための
実用可能な装置はなかった。
選択可能な一群の局部発振器周波数を提供する問題に
加えて、劣化、温度変化、周囲条件の変化の結果とし
て、その動作特性中に起こるドリフトのために局部発振
器へ送られるレーザ・バイアス電流を補償する問題があ
る。
［発明の概要］ これらの問題は、能動積分器とディジタル・プロセッ
サを含むフィードバック・ループによって制御される選
択的同調可能なコヒーレント光受信器によって解決され
る。レーザは、制御信号の異なる値に応答して、選択さ
れた一群の局部発振器周波数の異なる周波数へ同調可能
である。ディジタル・プロセッサは異なる発振周波数を
作る制御信号値を決定する。これらの値は、何時でも修
正できるようにディジタル・プロセッサ内に蓄えられ
る。動作中は、所望の周波数を表す制御信号値の１つが
記憶装置から取り出されてレーザへ送られる。若しレー
ザ特性のシフトのため、取り出された制御信号値が誤っ
た自走振動周波数を作るときには、制御信号エラーがフ
ィードバック・ループによって決定され、取り出された
制御信号値に加えられる。プロセッサは制御信号エラー
の値を測り、取り出された元の制御信号値の場所に蓄え
られる新しい合計制御信号値を計算する。
プロセッサが、レーザ特性がシフトしたことを決定し
た時は、ディジタル・プロセッサは所望の周波数の全て
のために異なる制御信号値を計算し、これらの新しい制
御信号値は次の選択と使用のために、ディジタル・プロ
セッサ内の適切な場所に蓄えられる。
その結果、レーザは受信光チャネルのどれか１つから
の情報を検出するための、正しい所望の局部発振器周波
数を作る容易に選択可能な制御信号値によって制御され
る。かかる光局部発振器は、共通の伝送媒体中の周波数
分割多重化された複数の光チャネルから所望のチャネル
を選択的に受信するために有用である。
［実施例］ 第１図は、１組の送信ステーション20,21,22,23か
ら、１組の受信ステーション26,27,28,29へ情報を伝送
するための光周波数分割多重化装置のブロック図を示し
ている。より多くの発信、受信ステーションが含まれる
こともあるが、ここでは各４つのみを例として示す。
光ファイバー30,31,32,33は、送信ステーション20,2
1,22,23から、光スター・カップラー35へ夫々光信号を
搬送する。これらの各光信号は、光搬送波で変調された
情報を含んでいる。例えば、送信ステーション20,21,2
2,23の各々はＮ個の（例えば、Ｎ＝40）使用可能な光搬
送周波数から選ばれた異なる光搬送周波数で情報を送信
する。本出願人の最近の他の特許出願（B.Glance 17）
（米国特許出願）に述べられているように、オペレータ
の選択により、これら40の光搬送周波数は各送信ステー
ション20,21,22,23で使用可能である。相互作用調整の
結果として、ただ１つの送信ステーションのみが、１時
に使用可能な光搬送周波数のどれか１つを選ぶことがで
きる。同時に、他の送信ステーションは、異なる１つの
搬送周波数で操作可能である。本出願人の1987年６月９
日付特許出願059,973号（米国特許出願）で開示された
１つの特徴によって、複数の送信ステーションは互いに
他と同期化される。前記２つの特許出願の開示がここに
参考として組み込まれている。
同時に選ばれた光搬送周波数の全ては、光スター・カ
ップラの中で互いに多重化される。スター・カップラー
からの全ての同時に送信された搬送波は、ファイバ36,3
7,38,39の全てを経て受信ステーション26,27,28,29へ送
られる。
受信ステーション26,27,28,29は２つの異なる方法の
いずれかで操作される。第１の操作方法は、各受信ステ
ーションに、40の光搬送周波数の所定の１つを割り当て
ることである。かかる所定周波数の割当ては、所望の受
信ステーションで受信できる光搬送周波数を各送信ステ
ーションが選択しなければならないため、システムの柔
軟性を制限することになる。受信ステーションで、光周
波数を扱う第２の方法は、各受信ステーションのオペレ
ータは何時でも、40の光搬送周波数のどれか１つを受
信、又は同調のために選ぶことのできる装置を、各受信
ステーションが有することである。受信ステーションを
同調させる方法が本出願の主題である。
全ての受信ステーションは同調可能な局部発振器レー
ザ装置を備え、そのレーザは、例えば40の光局部発振器
周波数のどれか１つをオペレータの選択により、選択的
に作ることができる。第１図の受信ステーション26,27,
28,29は、局部発振器レーザ又は回路特性の中のどんな
変化又はドリフトに対しても自動的に補償又は修正する
ように構成されている。各受信ステーションがドリフト
を補償するため、受信ステーションに対し局部発振器周
波数を選択することは、ステーションがロックするかも
しれない非選択周波数よりも、特別に選択された局部発
振器周波数でその受信ステーションを操作できるため、
オペレータを安心させることとなる。
受信ステーションの自動調整装置の説明は、第２図か
ら第７図までを参照して以下に詳述される。
第２図は、ランダム・アクセスのディジタル同調コヒ
ーレント光受信機45の図を示しており、そこで光ファイ
バー48による多重化光搬送波を受信する。この光受信機
45は、第１図の受信ステーション26,27,28,29の各１つ
に対して使用することができる。第２図の光受信機は、
光ファイバー即ちガイド52に結合する同調可能な単一局
部発振器周波数信号を作る分布ブラッグ反射体レーザ51
を有する。単一周波数レーザの出力は、本質的に、単一
縦モードである。光カプラー49は、ガイド52からの選択
された局部発振器周波数信号を、光ファイバー48の多重
化光搬送波と結合させる。両ファイバー48,52の結合さ
れた光信号は、ファイバー48に受信された多重化信号の
区切られた一群の搬送波を使うことによって、レーザ51
の一群に区切られた光局部発振器周波数を安定化させる
エレクトロニクス装置54が送られる。
装置54において、結合信号は光検出器55によってヘテ
ロダインされる。ヘテロダインされた信号は、中間周波
数受信機回路56内に設けられた中間周波数フィルターに
よって濾波された電気信号になる。この中間周波数受信
機回路56は、情報信号を含む選択された中間周波数チャ
ネルを作る。振幅復調回路57は、もしも振幅シフト・キ
ーイング（ASK）情報信号が用いられるときは、ベース
バンド情報チャネルを作るために、選択された中間周波
数チャネルに応答する。
振幅シフト・キーイング構成のために、選択された中
間周波数チャネル信号の一部は、局部発振器レーザ51の
発振周波数を制御するためのエラー信号を作るために用
いられる。選択された中間周波数チャネル信号のその部
分は、中間周波数fIFを中心とした周波数弁別回路58へ
送られる。
若し、周波数シフト・キーイングのような別の情報信
号が用いられるときは、選択された中間周波数チャネル
の全部が周波数弁別回路58へ送られる。選択された中間
周波数チャネルは、ブロック59に示されるように、周波
数シフト・キーイング（FSK）情報信号のための復調さ
れたベースバンド情報チャネルである。
たとえ、どんな情報信号フォーマットが使われても周
波数弁別回路58の出力は、ローパス・フィルター及び増
幅器60で濾波、増幅されてリード61のエラー信号の中に
入る。この様にして装置54は、選択された光周波数に対
して局部発振器周波数をロックするために用いられるエ
ラー信号をリード61に作る。
第１図のシステムでは、受信器のレーザは所望の、即
ち選択された局部発振器周波数で動作することの保証が
必要である。
第３図は、数個の多重化光チャネルのパワー・スペク
トルの周波数に対する値をプロットした曲線62を示して
いる。チャネル・エネルギーは搬送周波数f1,f2,f3,f5
を中心として示されている。第２図のレーザ51のための
所望の光局部発振器周波数は、第３図に示すように搬送
周波数から中間周波数fIFだけオフセットしている。
第４図は、エラー信号を表す曲線が、第３図の搬送周
波数と並べて局部発振器周波数の水平軸上にプロットさ
れている。エラー信号63は、第３図の各受信チャネル1,
2,3,及び５の範囲により決められた各周波数帯域の中
で、正負両極性の軌跡を作っている。エラー信号は、各
受信チャネル1,2,3,5を受信するために用いられる各局
部発振器周波数f11、f12、f13、f15において零線と交わ
っている。更に第２図のローパス・フィルター及び増幅
器60は、エラー信号63にオフセット電圧を挿入し、それ
によってエラー信号の平坦部は零線の僅か上にある。こ
のオフセット電圧の理由は後述する。
第２図の光受信器45の正規動作中、ディジタル・プロ
セッサ75は、使用可能チャネル1,2,3,5から所望のチャ
ネル選択、例えばチャネル１、が与えられる。プロセッ
サ75は、パワー供給部80にレーザ51への適切なバイアス
電流、即ち制御信号を送らせる。このバイアス電流は、
レーザ51を、第４図の局部発振器周波数f11で発振させ
る電流値である。そのような適切なバイアス電流の一群
が、所望の局部発振器周波数f11、f12、f13、f15の一群
に対して決められ、第２図のディジタル・プロセッサ75
に蓄えられる。
第５図に、実線でレーザ特性曲線65が示されている。
この曲線上の黒丸は、第４図で示した周波数f11、f12、
f13、f15、又は非常に広い帯域内の他の所望の搬送周波
数において、第２図の局部発振器レーザ51を操作するた
めに必要なレーザ・バイアス電流値を示している。
第２図の光受信機45が最初に操作される時、それは第
５図のレーザ特性曲線65に沿って働く。所望の光局部発
振器周波数を決めるためのレーザ・バイアス電流値とし
て次に使うために所望の局部発振器周波数f11、f12、f
13、f15に対するレーザ駆動電流i1,i2,i3,i5の値が決め
られ、第２図のプロセッサ75に蓄えられる。
ある選ばれたレーザに対しては、既知の操作曲線があ
る。同様に光搬送波も、第３図に示すように、周波数f
1,f2,f3,f5が既知である。第５図のレーザ動作曲線を示
す情報は、第２図のディジタル・プロセッサ75を蓄えら
れている。特定のアドレスの一群が、所望の光局部発振
器周波数を作るレーザ・バイアス電流値を蓄えるために
用意されている。局部発振器周波数を作るためのレーザ
・バイアス電流の適切値は、キャリブレーション・プロ
セスによって以下のように決められる。
第１の局部発振器周波数が選ばれる。既知のレーザ特
性曲線から、最初のレーザ・バイアス電流が選ばれる。
その最初のレーザ・バイアス電流、即ち制御信号の値
は、第１の局部発振器周波数、例えばf11の僅か下の周
波数を作るために選ばれる。第２図のキーボード79か
ら、その値がディジタル・プロセッサ75に入れられ、パ
ワー供給部80に読み出され、適切な電流値をリード81を
経て、加算器82の入力に送られる。その電流は、抵抗8
3,84によって適切に分割され、その各々はレーザ51の位
相制御領域と分布ブラッグ反射体領域へ夫々送られる。
パワー供給部80は又直接一定バイアス電流をリード87を
通してレーザ51の活性領域へ供給する。
局部発振器レーザは、選ばれたチャネル周波数からの
中間周波数区間で働く。
レーザの自走周波数は所望の局部発振器周波数におけ
るものではないので、フィードバック・ループがリード
61にエラー信号を作る。能動積分器70は増分レーザ・バ
イアス電流、即ち制御信号エラーを作り、それはリード
89で加算器82の別の入力に送られる。この増分レーザ・
バイアス電流、即ち制御信号エラーは、最初に選ばれた
レーザ・バイアス電流、即ち制御信号に加えられ、所望
の局部発振器周波数、例えばf11で発振させるために、
その自走周波数を駆動するレーザ51へ抵抗83,84を介し
て送られる。
ディジタル・プロセッサ75はリード89中の増分レーザ
・バイアス電流を測り、それを最初のレーザ駆動電流に
加え、局部発振器周波数f11のためのレーザ・バイアス
電流、即ち制御信号の新しい値として、その合計を蓄え
る。
同様に、適切なレーザ・バイアス電流が、他の所望の
局部発振器周波数f12、f13、f15に対して定められる。
これらのバイアス電流値は、次の修正のためにディジタ
ル・プロセッサ75に蓄えられる。正規動作の間、オペレ
ータはキーボード79を介してディジタル・プロセッサ75
へ選択を入力することによって所望の局部発振器周波数
を選択する。プロセッサ75は能動積分器を始動させ、レ
ーザ・バイアス電流の適切値に対する要求をリード90を
通してパワー供給部80へ送り、パワー供給部80はそのレ
ーザ・バイアス電流が加算器82、抵抗83,84を通してレ
ーザ51へ送る。レーザ特性がドリフトしない限り、レー
ザは所望の局部発振器周波数で動作し、エラー信号はリ
ード61上に作られない。能動積分器70による増分レーザ
・バイアス電流もリード89に作られない。
デバイスの劣化や環境変化の結果、例えば第６図の点
線の特性曲線で示されるように、レーザ特性曲線が他の
位置に変わることがあり得る。レーザ51の環境が、動作
特性を代りの特性曲線67へシフトさせる時は、本来のレ
ーザ特性曲線65からの所定のバイアス電流値が適用さ
れ、誤ったレーザ周波数を選択することになる。その様
な変化は、現場での長い運転期間中に、レーザ特性の位
置について起こることが予想されるので、レーザ・フィ
ードバック制御ループを含む回路が、これらの変化を修
正するために働く。
第２図のサーボ制御回路は、エラー信号、例えばリー
ド61上のエラー信号、及びディジタル・プロセッサ75か
らの信号に応答する能動積分器70を含んでいる。このサ
ーボ制御回路は、キャパシタ78と並列に設けられたスイ
ッチ76を含んでいる。キャパシタ78の充電、放電は、デ
ィジタル・ブロセッサ75からのスイッチ76への信号によ
って制御される。
周波数ロックの活動は、スイッチ76が閉じ、キャパシ
タ78の放電によって始まる。キャパシタ78が放電すると
し、周波数ロックの動作が、スイッチ76を開くことによ
って始まる。選ばれたレーザ・バイアス電流、即ち制御
信号のために、それはレーザ自走周波数を作るものであ
るが、リード61上のエラー信号に応答するロッキング・
プロセスの間、レーザ周波数は変化する。第４図の曲線
63に示されるように、リード61上のエラー信号は、局部
発振器周波数f11、f12、f13、f15において零線と交わ
る。これら零交差点の夫々の両側から、エラー信号の極
性が、所望の局部発振器周波数へレーザを適切に駆動す
る。リード61上のエラー信号に応答して、能動積分器回
路70はキャパシタ78への充電を始め、増分バイアス電
流、即ち制御信号エラーをリード89上に発生させる。こ
の増分バイアス電流は、加算器82によってリード81上の
選択されたレーザ・バイアス電流に加えられる。合計さ
れたレーザ・バイアス電流は、所望の局部発振器周波数
で発振するようにレーザを駆動する。周波数関数は、デ
ィジタル・プロセッサ75に応答してパワー供給部80から
選ばれたレーザ・バイアス電流によって作られた周波数
に、エラー信号とオフセット電圧の積算を加えたもので
ある。
レーザ自走周波数が所望の局部発振器周波数で発振し
ている時はエラー電流は作られない。ディジタル・プロ
セッサ75は、リード89中の増分レーザ・バイアス電流値
即ち制御信号を測り、読取り、又は決定して、それを現
在蓄えられているバイアス電流値、即ち制御信号に加
え、次にその新しい合計バイアス電流を、その選ばれた
局部発振器周波数のためのレーザ駆動電流の次の修正の
ために蓄える。
第２図の能動積分器70は、零交差f11における第４図
のエラー信号63のピーク間の急傾斜を越えて、回路の引
込み範囲を広げる。引込み範囲は定められたチャネルの
各々を越えて全範囲に広げられる。オフセット電流、即
ち電圧のため、周波数ロック装置は、オフセットのない
エラー信号の低い振幅によって起こる周波数のスティッ
キング、即ち引込み時間が非常に長くなるのを防止す
る。更にプロセッサ75はエラー信号の強さによってチャ
ネルのない時を決めることができる。
各局部発振器周波数は、零交差64間の周波数範囲と等
しい検索範囲を有している。
上述した第２図のフィードバック・ループは、ディジ
タル・プロセッサ75に、レーザ動作特性のドリフトを知
らせる。例えば第６図では、最初の特性曲線65から、代
りの特性曲線67へ、特性がドリフトしている。選ばれた
局部発振器周波数、例えばf1のために蓄えてあるバイア
ス電流i1の値をディジタル・プロセッサ75で、例えば、
第７図のi1に再計算させる増分レーザ・バイアス電流が
第２図のリード89中に生ずる時は、第６図の曲線67の変
位のため、レーザ・バイアス電流i2,i3,i5の値は、夫
々、所望の局部発振器周波数f2,f3,f5,を作ることがで
きない。蓄えてある特性曲線データと既知の増分レーザ
・バイアス電流を用いて、ディジタル・プロセッサ75
は、第７図に示すように、夫々、周波数f2,f3,f5のため
の新しいレーザ・バイアス電流値i2′,i3′,i5′を計算
し、蓄える。従って、所望の局部発振器周波数が使用の
ために選ばれる時、ディジタル・プロセッサ75は、所望
の局部発振器周波数が正しい値に非常に近付くように、
レーザ・バイアス電流をレーザに供給する。
以上は、ランダム・アクセスのディジタル同調コヒー
レント光受信機の実施例を述べたものである。この実施
例や、その視野で明らかな他の実施例は共に特許請求の
範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
第１図は、光周波数分割多重化装置のブロック図、 第２図は、ランダム・アクセス・ディジタル同調コヒー
レント光受信機のブロック図、 第３図は、光周波数分割多重化装置のためのパワー・ス
ペクトル対搬送周波数応答曲線を示す図、 第４図は、光局部発振器周波数に対してプロットされた
エラー信号応答曲線を示す図、 第５図は、レーザのための最初の周波数対駆動電流特性
曲線を示す図、 第６図は、レーザのための最初の周波数対駆動電流特性
曲線とシフトした周波数対駆動電流特性曲線を示す図、 第７図は、第５図の最初の特性から選ばれた所望の周波
数で局部発振レーザが動作するように、第６図のシフト
した特性曲線を、第２図の装置がいかに補償するかを示
す図である。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】制御信号に応じて、選択可能な一群の局部
    発振器周波数に同調可能なレーザ（51）と、 前記一群の局部発振器周波数のうちの１つと複数の光チ
    ャネルを含む受信光信号周波数とが周波数混合手段によ
    り混合された中間周波数に応じて、前記一群の局部発振
    器周波数を生成するための一群の制御信号値を演算し、
    記憶するプロセッサ（75）と、 前記一群の局部発振器周波数の所望の周波数へ前記レー
    ザを駆動するための制御信号を、記憶した一群の制御信
    号値から選択する手段（79）と、 前記中間周波数と所望の中間周波数の周波数差を求める
    周波数差決定手段（58）と、 前記周波数差を修正するために、制御信号エラーを求め
    る制御信号エラー決定手段（60,70）と、 前記レーザを駆動するための選択された制御信号に前記
    制御信号エラーを加える手段（82）と、 前記プロセッサ内に設けられたレーザの動作特性曲線に
    対応する情報を記憶する手段とからなる局部発振器レー
    ザ同調用レーザ制御装置において、 前記プロセッサに、前記制御信号エラー決定手段から、
    選択された局部発振器周波数の制御信号エラーが入力さ
    れた場合、前記プロセッサは、選択可能な一群の局部発
    振器周波数を新たに生成するために、前記レーザの動作
    特性曲線に基づいて新しい一群の制御信号値を演算し、
    記憶することを特徴とする局部発振器レーザ同調用レー
    ザ制御装置。
  2. 【請求項２】前記周波数混合手段は、 選択された局部発振器信号を、複数の光チャネルを含む
    受信光信号とヘテロダインして、中間周波数信号を含む
    ヘテロダインされた信号を生成する少なくとも１つの光
    検出器（55）と、 前記ヘテロダインされた信号を濾波して情報信号を含む
    中間周波数チャネル信号を生成する手段（56）と、 前記中間周波数チャネル信号を復調して前記情報信号を
    含むベースバンド情報チャネル信号を生成する手段（5
    7）とからなることを特徴とする請求項１の装置。
  3. 【請求項３】前記制御信号エラー決定手段（60,70）
    は、 中間周波数チャネル信号を周波数弁別して復調されたチ
    ャネル信号を濾波してエラー信号を生成する手段（60）
    と、 前記エラー信号を積算して前記制御信号エラーを生成す
    る手段（70）とからなることを特徴とする請求項２の装
    置。
  4. 【請求項４】前記周波数混合手段は、 選択された局部発振器信号を、複数の光チャネルを含む
    受信光信号とヘテロダインして、中間周波数信号を含む
    ヘテロダインされた信号を生成する少なくとも１つの光
    検出器（55）と、 前記ヘテロダインされた信号を濾波して情報信号を含む
    中間周波数チャネル信号を生成する手段（56）と、 中間周波数チャネルを周波数弁別して復調されたチャネ
    ル信号を生成する手段（58）と、 前記復調されたチャネル信号をさらに復調して前記情報
    信号を含むベースバンド情報チャネル信号を生成する手
    段（59）とからなることを特徴とする請求項１の装置。
  5. 【請求項５】前記制御信号エラー決定手段（60,70）
    は、 復調されたチャネル信号を濾波してエラー信号を生成す
    る手段（60）と、 前記エラー信号を積算して前記制御信号エラーを生成す
    る手段（70）とからなることを特徴とする請求項４の装
    置。
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