JP2758227B2 - 光ヘテロダイン受信装置 - Google Patents

光ヘテロダイン受信装置

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Description

【発明の詳細な説明】 概要 キャリア(搬送波)再生による同期復調を行う光ヘテ
ロダイン受信装置に関し、 高い受信感度を得ることができ、しかも送信光源及び
局発光源に対するスペクトル線幅の要求を緩和すること
ができる光ヘテロダイン受信装置の提供を目的とし、 振幅シフトキーイング又は周波数シフトキーイングさ
れた受信光に局発光を加えて光−電気変換を行い、中間
周波信号を出力する光検波回路と、分岐された上記中間
周波信号のうちの一方から残留キャリア成分を抽出する
狭帯域フィルタ回路と、分岐された上記中間周波信号の
うちの他方を、上記狭帯域フィルタ回路による信号の遅
延時間と同程度に遅延させる遅延回路と、上記狭帯域フ
ィルタ回路の出力信号と上記遅延回路の出力信号とをか
け合わせて復調する復調回路とを備えて構成する。
産業上の利用分野 本発明はキャリア(搬送波)再生による同期復調を行
う光ヘテロダイン受信装置に関する。
コヒーレント光通信は、従来の光通信方式に比べて、
受信感度が大幅に改善すること、及び光周波数多重によ
る通信容量の大幅な拡大が可能であることなどから、将
来の情報通信ネットワークにおける中心的な通信方式へ
の適用が期待されている。特に、コヒーレント光通信方
式のなかでも構成が比較的簡易で実用性の高い振幅シフ
トキーイング(ASK)方式及び周波数シフトキーイング
(FSK)方式の受信機構成に関して、送信光源及び局発
光源に対するスペクトル線幅の要求を緩和させること
等、基本的な改良が要求されている。なお、光信号及び
電気信号を取り扱うコヒーレント光通信用の受信装置の
説明においては、「検波」及び「復調」の混同を生じや
すいので、本源明細書中では、「検波」は光信号から中
間周波信号への変換の意味で用い、「復調」は中間周波
信号からベースバンド信号への変換の意味で用いる。
従来の技術 ASK方式に適用される光ヘテロダイン受信装置の従来
構成を第6図に示す。51は局発光源、52は光カプラであ
り、受信光、即ち振幅シフトキーイングされた送信側か
らの信号光は、光カプラ52において局発光源51からの局
発光と加えられて、この合分岐された光は、いわゆるバ
ランス型光検波器53で光−電気変換される。光−電気変
換に際して光検波器53が備えている受光器の二乗特性に
よって生じた中間周波信号は、帯域通過フィルタ5を通
って復調器55に入力する。そして、復調器55の出力は、
低域通過フィルタ56を通って識別器57に入力し、データ
が再生される。
FSK方式に適用される光ヘテロダイン受信装置の従来
構成を第7図に示す。受信光、即ち周波数シフトキーイ
ングされた受信側からの信号光は、光カプラ62において
局発光源61からの局発光と加えられ、この合分岐光はバ
ランス型の光検波器63に入力する。光検波器63で発生し
た中間周波信号は2系統に分けられ、その一方は第1帯
域通過フィルタ64、、第1復調器65及び低域通過フィル
タ66を通り、他方は第2帯域通過フィルタ67、第2復調
器68及び低域通過フィルタ69を通り、低域通過フィルタ
66,69からの信号は減算器70において減算処理された
後、識別器71で識別されて、データが再生される。
伝送ディジタル信号の「マーク」及び「スペース」に
対応する2つの周波数帯域の信号がそれぞれ上記の2つ
の系統の帯域フィルタによって抽出される。
発明が解決しようとする課題 上述した光ヘテロダイン受信装置においては、高い受
信感度を達成するために各種デバイスに要求される特性
は厳しく、特に、送信光源及び局発光源のスペクトル線
幅に対する要求には非常に厳しいものがある。
現在実用レベルにある長波長半導体レーザのスペクト
ル線幅の典型的な値は数10MHz程度である。一方、ASK方
式FSK方式では、ビットレートの2〜10%以下のスペク
トル線幅が要求されるが、これらの方式は、コヒーレン
ト光通信において、加入者系、CATVネットワーク系等比
較的低いビットレート(100〜1Gb/s程度)のシステムへ
の適用も考えられるので、光源の線幅としてはより狭い
ものが要求されている。
こうしたギャップを埋めるために、外部共振器を用い
たり、量子井戸構造を用いること、あるいはDFBレーザ
の発振波長を利得の中心から短波長側へ離調させること
などの研究がなされている。しかし、こうした困難をク
リアするためには、デバイスの開発を待つだけでなく、
高い特性を達成しつつ、デバイスに対する要求が緩和さ
れるような方式を開発することが必要である。
本発明はこのような技術的課題に鑑みて創作されたも
ので、高い受信感度を得ることができ、しかも送信光源
及び局発光源に対するスペクトル線幅の要求を緩和させ
ることができる光ヘテロダイン受信装置の提供を目的と
している。
課題を解決するための手段 いま、第2図に示すような復調方式を考えてみる。図
中3は入力した2つの信号を乗算するミキサ、4は低域
通過フィルタである。この復調回路に入力した中間周波
信号はルート1とルート2に分けられ、ルート1の信号
については遅延時間τが与えられるだけであるが、ルー
ト2の信号については、中間周波数(fIF)近傍の周波
数の信号を通過させる狭帯域フィルタを通す。ASK方式
においては、第4図(a)にその電力スペクトル分布を
示すように、中間周波数(fIF)に残留キャリア成分が
あるので、十分狭帯域なフィルタを用いることにより、
キャリア成分を抽出(再生)することができる。
抽出されたキャリア信号I2を、 I2=cos(2πfIFt+φ(t)) …(1) とする。φはレーザ光源の位相雑音である。ASK方式の
場合、変調信号I1は変調成分をA(t)として、 I1=A(t)・cos(2πfIF(t−τ)+φ(t−τ)) …(2) と表されるから、フィルタリング後のキミシングにより
得られる復調信号I3は次式のようになる。
I3=A(t)・cos(2πfIFτ+Δφ(t)) …(3) ここに、Δφは次式で表される位相誤差雑音である。
Δφ(t)=φ(t)−φ(t−τ) …(4) ここで、Δφがガウス雑音であると仮定すれば、その
分散σはビード線幅Δνを用いて次式で近似される。
σ=2πΔν・τ …(5) 従って、遅延時間差τを十分小さくすることができれ
ば、 I3→A(t) …(6) のように復調することができ、しかも、(5)式より、
τを小さくすることによりレーザの位相雑音を抑圧でき
ることになる。原理上、τ=0の場合には位相雑音の影
響はなくなり、光源のスペクトル線幅による受信感度の
劣化はなくなる。さらに、同じく(3)式から明らかな
ように、τが十分小さい場合には、中間周波数fIFの設
定の自由度及びそのずれに対するトレランスを大幅に増
大することができる。
一方、FSK方式の場合、変調信号I1′は、変調成分を
F(t)として、 I1′=cos(2π(fIF+F(t))(t−τ)+φ(t−τ)) …(7) となるから、復調信号I3は次式のようになる。
I3=cos(2πfIFτ+2πF(t)(t−τ)+Δφ(t)) …(8) したがって、ASK方式の場合と同様にして、τが十分
小さい場合には、 I3→cos(2πF(t)t) …(9) のように復調することができ、(5)式より、τを小さ
くすることによりレーザの位相雑音を抑圧できることが
わかる。
FSK方式の場合において、 F(t)=m・ΔF (m=±1) …(10) と置くと、中間周波帯においては、第3図(b)に示す
ように、変調成分、にそれぞれ対応して周波数fIF
±ΔFの位置に残留キャリア成分、が立つから、フ
ィルタ帯域の若しくはを有するシングルフィルタ又
はフィルタ帯域及びを有するデュアルフィルタを用
いてキャリア成分を抽出することができる。
従来、位相雑音を抑制して受信感度を高めるために
は、(5)式において、Δνを減少させる方向に開発の
重点が置かれていたものであるが、本発明では、位相雑
音を抑制するためにはτを小さくすることが効果的であ
るという全く新たな発想に基づいて、レーザ光源のスペ
クトル線幅に対して厳しい要求をすることなしに受信感
度の増大を図っている。
第1図は本発明の構成図である。
この光ヘテロダイン受信装置は、振幅シフトキーイン
グ又は周波数シフトキーイングされた受信光に局発光を
加えて光−電気変換を行い、中間周波信号を出力する光
検波回路5と、分岐された上記中間周波信号のうちの一
方から残留キャリア成分を抽出する狭帯域フィルタ回路
6と、分岐された上記中間周波信号のうちの他方を、上
記帯域フィルタ回路6による信号の遅延時間と同程度に
遅延させる遅延回路7と、上記狭帯域フィルタ回路6の
出力信号と上記遅延回路7の出力信号とをかけ合わせて
復調する復調回路8とを備えて構成されることを特徴と
している。
作用 上記構成によれば、2つに分岐した信号の遅延時間差
τを十分小さくすることによって、送信光源及び局発光
源の位相雑音の影響を緩和することができ、受信感度を
高めることができる。つまり、スペクトル線幅が比較的
広い送信光源、局発光源を用いた場合でも、十分高い受
信感度を得ることができる。
また、τが十分小さい場合には、中間周波数の設定は
特定の値に固定されることなく自由度が増すとともに、
中間周波数のずれに対するトレランスが増す。
実 施 例 以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第4図はASK方式に適用される光ヘテロダイン受信装
置のブロック図、第5図はFSK方式に適用される光ヘテ
ロダイン受信装置のブロック図であり、それぞれ送信側
の構成も付加的に図示されている。図中、11,31はそれ
ぞれ強度変調、周波数変調される半導体レーザからなる
送信光源、12,32はシングルモード光ファイバからなる
光伝送路、13,33は受信光の偏波面を制御する偏波制御
器、14,34は所定周波数の局発光を出力する半導体レー
ザからなる局発光源、15,35は偏波制御された受信光と
局発光とを加えるとともに分岐を行う光カプラ、16,36
は光カプラ15,35からの光を光−電気変換して中間周波
信号を出力する光検波器、17,37は中間周波信号を増幅
する増幅器である。光検波器16,36は、同一特性の受光
素子を2つ直列接続していわゆるバランス型とされてお
り、これにより強度雑音が抑制されるようになってい
る。第1図との対応でみると、光カプラ15及び光検波器
16又は光カプラ35及び光検波器36が光検波回路5に対応
している。
第4図において、増幅器18からの中間周波信号は2分
岐され、その一方は狭帯域フィルタ回路20に入力し、他
方は遅延回路19に入力する。
遅延回路19における信号の遅延時間は、狭帯域フィル
タ回路20における信号の遅延時間と同程度に設定されて
いる。具体的には、例えば適当な長さの導電ケーブルを
用いるだけでも良く、その他、中間周波数信号を所定時
間遅延させるものであればどのようなものを用いても良
い。位相雑音の影響を極力小さくするためには、τ→0
とすることが必要であるが、このような厳密な時間合わ
せは、可変長同軸管を用いたりパルスの遅れをオシロス
コープで観察するなどして行えば良い。
なお、遅延回路19における中間周波信号の遅延時間
を、狭帯域フィルタ回路20における信号の遅延時間と完
全に一致させ、両信号を完全に同期させて次のミキサ21
に入力させるのが最も望ましい。しかし、必ずしも完全
な同期が得られなくても、先に説明した(5)式におけ
るτを無視できる程度の同期が得られれば良い。
21は遅延回路19からの中間周波信号と狭帯域フィルタ
回路20からの信号とを乗算するミキサ、22は乗算信号の
低周波成分を通過させてベースバンド信号を得るための
低域通過フィルタ、23はベースバンド信号からデータを
再生する識別回路である。なお、第1図に対応させる
と、ミキサ21及び低域通過フィルタ22が復調回路8に対
応している。
第5図に示すFSK方式の場合は、増幅器37からの中間
周波信号は2分岐され、その一方は第1帯域通過フィル
タ38に入力し、他方は第2帯域通過フィルタ39に入力す
る。それぞれの帯域フィルタで「マーク」及び「スペー
ス」に対応する2つの周波数帯域信号を抽出する。第1
帯域通過フィルタ38を通過した中間周波信号はさらに2
分岐され、それぞれ第1狭帯域フィルタ回路40及び第1
遅延回路41を経て第1ミキサ42において乗算される。他
方、第2帯域通過フィルタ39を通過した中間周波信号も
さらに2分岐され、それぞれ第2狭帯域フィルタ回路44
及び第2遅延回路45を経て第2ミキサ46において乗算さ
れる。第1ミキサ42及び第2ミキサ46からの信号は減算
器43において相加され、低減通過フィルタ47を経ること
によってベースバンド信号が再生される。そしてこのベ
ースバンド信号は識別48を経てデータが再生される。な
お、FSK方式における遅延回路の遅延時間設定等はASK方
式における場合と同様であるのでその説明を省略する。
発明の効果 以上説明したように、本発明によれば、光源の位相雑
音の影響を緩和することができるので、ASK方式又はFSK
方式において、受信感度の劣化をきたすことなしに送信
光源又は局発光源のスペクトル線幅に対する特性仕様を
緩めることができるようになるという効果を奏する。現
在、一般にコヒーレント光通信に用いられている光源は
スペクトル線幅に対する特性仕様の非常に厳しい外部共
振器付半導体レーザ等であり、上述した特性仕様の緩和
は、コヒーレント光通信の実用化の時期を大幅に早める
とともにコストの削減を達成するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の構成図、 第2図は本発明の原理説明図、 第3図は残留キャリア成分抽出の説明図、 第4図はASK方式に適用される光ヘテロダイン受信装置
のブロック図、 第5図はFSK方式に適用される光ヘテロダイン受信装置
のブロック図、 第6図はASK方式の場合の従来例ブロック図、 第7図はFSK方式の場合の従来例ブロック図である。 5……光検波回路、6……遅延回路、 7……狭帯域フィルタ回路、8……復調回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−10747(JP,A) 特開 平2−226823(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H04B 10/06

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ベースバンド信号に基づき振幅シフトキー
    イング又は周波数シフトキーイングされた受信光に局発
    光を加えて光−電気変換を行い、中間周波信号を出力す
    る光検波回路と、 分岐された上記中間周波信号のうちの一方から抽出され
    得る残留キャリア成分を通過させて出力する狭帯域フィ
    ルタ回路と、 分岐された上記中間周波信号のうちの他方を、上記狭帯
    域フィルタ回路における上記残留キャリア成分の遅延時
    間と同程度に遅延させて出力する遅延回路と、 上記狭帯域フィルタ回路の出力信号と上記遅延回路の出
    力信号との乗算により上記ベースバンド信号を復調する
    復調回路とを備えたことを特徴とする光ヘテロダイン受
    信装置。
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