JP2809822B2 - 光fmコヒーレント光伝送方式及びその装置 - Google Patents

光fmコヒーレント光伝送方式及びその装置

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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、電気的に周波数変調もしくは位相変調され
た信号で半導体レーザの出力光を光の周波数変調して、
その光信号を伝送するコヒーレント光伝送方式、及びそ
の装置に関する。
従来の技術 この種の光伝送方式としては、特願平1−69702号に
示されるコヒーレント光伝送方法がある。この方法を以
下に説明する。
送信装置では伝送すべき信号を予め電気的に変調し、
この変調信号を半導体レーザに入力して半導体レーザの
出力光を周波数変調する。そして、光信号を受信装置へ
伝送する。受信装置では、送信装置からの光信号に局部
発振用半導体レーザの光信号を結合し両者のビート信号
を電気信号に変換して光のヘテロダイン検波を行う。得
られたビート信号をFM復調し、さらに予変調されている
信号を復調する。
ところで、従来用いられているFM復調回路には、例え
ば、”伊東祐弥、藤井章著、わかりやすいFM技術”(電
子科学シリーズ26、廣済堂産報出版)に述べられている
レシオ検波回路、あるいは、PLL型FM復調回路などがあ
る。これら従来のFM復調回路は、周波数の変化あるいは
位相の変化を電圧の変化に変換するものである。
発明が解決しようとする課題 従来例で述べたコヒーレント光伝送装置において、従
来のFM復調回路を用いて光のヘテロダイン検波後のビー
ト信号をFM復調した場合、次のような課題があった。
送信装置の光源や受信装置の局部発振用光源に用いる
半導体レーザのスペクトル線幅は、数MHzから数十MHzあ
るので、ヘテロダイン検波後のビート信号のスペクトル
線幅も数十MHzになる。このようなビート信号を従来のF
M復調回路に入力すると、スペクトル線幅の広がりが雑
音として出てくる。そのため、S/Nを上げるためにスペ
クトル線幅が1MHz以下の特別な半導体レーザを用いた
り、変調指数を大きくし変調信号の占有周波数帯域を広
くとるなどした。
本発明は以上のことに鑑み、スペクトル線幅が数MHz
から数十MHzの半導体レーザを用いることができ、しか
も受信装置の占有周波数帯域を広くとらなくてもS/Nの
良いFM復調ができるコヒーレント光伝送方式を提供する
ことを目的とする。
課題を解決するための手段 以上の課題を解決するために、送信装置では、電気的
に周波数変調あるいは位相変調された原信号を半導体レ
ーザに入力して出力光に対し光の周波数変調を行う、受
信装置では、光のヘテロダイン検波をした後、光の周波
数変調によって得られる搬送波成分の信号と第1側波成
分の信号の積を取り、帯域通過フィルタ(BPF)を通し
て原信号を得るように構成した。
作用 以上のように構成したときの作用を式を用いて説明す
る。
周波数fSの信号で半導体レーザの出力光を周波数変調
したときの光信号は、 ES=Acos(2πξt+βsin(2πfSt)) ・・・(1) で与えられる。ただし、Aは定数、ξは無変調時の半導
体レーザの光の周波数、βは変調指数である。
一方、局部発振用半導体レーザの光信号は、 EL=Bcos(2πζt) ・・・(2) で与えられるものとする。ただし、Bは定数、ζは局部
発振用半導体レーザの光の周波数を示す。
ヘテロダイン検波後のビート信号は、 EB=Ccos(2πf0t+βsin(2πfSt)) ・・・(3) となる。ただし、Cは定数、f0はξとζの差の周波数で
ある。
変調指数βがβ<1のとき、上式は近似的に EB≒CJ0cos(2πf0t) −CJ1cos(2πf0t−2πfSt) +CJ1cos(2πf0t+2πfSt) ・・・(4) と表される。ただし、J0、J1は、変数がβの0次および
1次のそれぞれの第一種ベッセル関数である。式(4)
の第1項が搬送波成分、第2項が第1下側波成分、第3
項が第1上側波成分である。
式(4)の第2項と第3項の第1側波成分の周波数
は、搬送波成分の周波数と変調信号の周波数の差あるい
は和の周波数である。
式(4)の搬送波成分と第1側波成分の信号の積を取
ると、 E0=J0cos(2πf0t+ψ) ×{−J1cos(2πf0t−2πfSt) +J1cos(2πf0t+2πfSt)} =−2J0J1cos(2πf0t+ψ) ×sin(2πf0t)sin(2πfSt) =J0J1{sin(ψ) −sin(4πf0t+ψ)} ×sin(2πfSt) =J0J1sin(ψ)sin(2πfSt) −J0J1/2×{cos(4πf0t −2πfSt+ψ)−cos(4πf0t +2πfSt+ψ)} ・・・(5) となる。ただし、ψは搬送波成分の信号と第1側波成分
の信号の遅延位相差である。
最後に帯域通過フィルタ(BPF)で周波数fSの信号成
分のみを抽出し、高調波成分及び不要な周波数帯域の雑
音を除去する。
上記のように搬送波の周波数と第1側波の周波数の差
をとって元の信号を得るので、半導体レーザの光の周波
数ξやζが多少ゆらいでいても、搬送波成分と第1側波
成分の周波数のゆらぎ方が同じことから、最後に得られ
る元の信号では周波数のゆらぎが抑圧されている。ま
た、光周波数変調信号の占有周波数帯域幅は半導体レー
ザに入力する信号の最高周波数の約2倍であり、受信装
置の必要な帯域も同程度で済む。
実施例 請求項1記載の発明の実施例を第1図に示す。
第1図において、500は送信装置、1は半導体レー
ザ、10は入力信号、11は半導体レーザ1から出射する送
信光、600は受信装置、2は局部発振用半導体レーザ、1
2は局部発振用半導体レーザ2の出射光、3は光結合
器、4は受光回路、5はFM復調回路、6は帯域通過フィ
ルタ(BPF)、90は受信装置600からの出力信号、20はFM
復調回路5への入力信号、30はFM復調回路5の出力信号
を示す。以下、動作の説明を行う。なお、この例では、
伝送すべき原信号は周波数変調された信号であるとす
る。
送信装置500で、中心周波数がfSの周波数変調信号10
は、半導体レーザ1に入る。半導体レーザ1では、入力
信号10の信号電流を微小に変化させると半導体レーザ1
から出射する光の振幅はほとんど変わらずに周波数が偏
移する。すなわち、光の周波数で周波数変調がかかる。
このときの光スペクトルは、光の周波数がξの搬送波、
ξ−fSを中心にした第1下側波、ξ+fSを中心にした第
1上側波の3つ成分が主であるとする。この光周波数変
調された信号11は受信装置60へと伝搬する。
受信装置600に伝送されてきた光信号11は、光結合器
3に入射する。光結合器3では送信装置500からの光信
号11に光の周波数がζの局部発振用半導体レーザ2の光
信号12を結合する。光結合器3で結合された二つのレー
ザの光信号は、受光回路4に入り、両者のビート信号が
検波される。いま、二つの光の周波数ξとζのビート周
波数をf0とする。すなわち、 f0=ξ−ζ、または、ζ−ξ、 とすると、受光回路4の出力信号20のスペクトルは、周
波数がf0の搬送波、f0−fSを中心にした第1下側波、f0
+fSを中心にした第1上側波の3つの成分が主に現れ、
第2側波以上の高調波成分は雑音に隠れてしまう。
FM復調回路5では、搬送波成分と第1側波成分の積を
とる。この信号30をBPF6に通して中心周波数がfSの信号
を抽出し、出力信号90を得る。
なお、上述の例では、伝送すべき信号をFM信号とした
が、FSK信号、PM信号、PSK信号であっても良い。
次に、請求項2記載の発明の実施例を説明する。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明の実施例
のFM復調回路5を具体的に示したものである。FM復調回
路を第2図に示す。第2図において、100は分岐器、110
は中心周波数がf0の帯域通過フィルタ(BPF)、120はミ
キサを示す。以下、動作の説明を行う。なお、コヒーレ
ント光伝送装置の全体の動作は、請求項1記載の発明の
実施例と同じであるので、ここでは、FM復調回路のみの
動作説明を行う。
周波数がf0の搬送波、f0−fSを中心にした第1下側
波、f0+fSを中心にした第1上側波の3つの成分からな
る信号20は、まず、分岐器100に入る。ここで信号20は
二つにわかれ、一方はBPF110に、もう一方はミキサ120
に入る。BPF110に入った信号は、周波数がf0の搬送波成
分のみ通過し、第1下側波、第1上側波の二つの成分は
削除される。ミキサ120では、BPF110を通過してきた搬
送波成分と、分岐器100のもう一方の出力信号の積をと
り出力する。出力信号30には、中心周波数がfSの信号
と、中心周波数が2f0±fSの信号、搬送波成分同志の積
で得られる低周波領域の雑音などが含まれている。中心
周波数がfSの信号成分以外は、第1図中のBPF6で削除さ
れる。
次に、請求項3記載の発明の実施例を説明する。
請求項3記載の発明は、請求項1記載の発明の実施例
のFM復調回路5を具体的に示したものである。FM復調回
路を第3図に示す。第3図において、130は方向性結合
器、40、50は方向性結合器130の二つの出力信号を示
す。以下、動作の説明を行う。なお、コヒーレント光伝
送装置の全体の動作は、請求項1記載の発明の実施例と
同じであるので、ここでは、FM復調回路のみの動作説明
を行う。
周波数がf0の搬送波、f0−fSを中心にした第1下側
波、f0+fSを中心にした第1上側波の3つの成分からな
る信号20は、方向性結合器130に入る。
ところで、方向性結合器130の伝達特性及び位相特性
は、それぞれ第4図(1)(2)に示す通りである。な
お、(2)は、Port0−1間の位相を基準にしたときのP
ort0−2間の位相特性である。この方向性結合器の特性
は、帯域が500MHz〜1GHzで結合度が3dBのものについて
示している。
第4図(1)に示すように伝達特性は、周波数が0H
z、1.5GHz、3GHz、4.5GHzのとき、Port0−2間が遮断さ
れ、Port0−1間がスルーになる。そこで、搬送波の周
波数を1.5GHz、3GHz、4.5GHzのいずれかに決め、第1下
側波及び第1上側波成分の周波数がPort0−2間の伝達
特性の損失が少ない領域にくるようにfSを決めておく。
第4図(3)は、f0=1.5GHz、fS=750MHzにしたときの
搬送波及び第1側波のスペクトル分布である。
上述のように信号の周波数を配置すると、第3図に示
す信号40には、分岐による損失がない搬送波成分が得ら
れ、信号50には、3dBだけ振幅が減少した第1側波成分
が得られる。そして、ミキサ120で信号40と信号50の積
をとり、中心周波数fSの信号を得る。
請求項2記載の発明に対する請求項3記載の発明の利
点は、(1)部品の数が少ないこと、(2)分岐による
損失が少ないことである。
発明の効果 以上のことから本発明は、 (1)半導体レーザの光の周波数ゆらぎを抑圧できる、 (2)受信装置に必要な帯域が半導体レーザに入力する
周波数変調信号もしくは位相変調信号の最高周波数の約
2倍で済む、 (3)電気的に周波数変調された信号もしくは位相変調
された信号の中心周波数が互いに異なる複数の信号を加
算して送信装置の半導体レーザに入力すれば、多チャン
ネルの信号を多重して伝送することができるなど、すぐ
れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例であるコヒーレント光伝
送装置を示すブロック図、第2図は本発明の第2の実施
例であるコヒーレント光伝送装置のうちのFM復調回路の
ブロック図、第3図は本発明の第3の実施例であるコヒ
ーレント光伝送装置のうちのFM復調回路のブロック図、
第4図は方向性結合器の伝達特性、位相特性及び入力信
号のスペクトル分布を示す図である。 1……半導体レーザ、2……局部発振用半導体レーザ、
3……光結合器、4……受光回路、5……FM復調回路、
6……帯域通過フィルタ(BPF)、10……入力信号、11
……半導体レーザ1から出射する送信光、12……局部発
振光、20……FM復調回路5への入力信号、30……FM復調
回路5の出力信号、40、50……方向性結合器130の出力
信号、90……受信装置600からの出力信号、100……分岐
器、110……中心周波数がf0の帯域通過フィルタ(BP
F)、120……ミキサ、130……方向性結合器、500……送
信装置、600……受信装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤戸 克行 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特公 平7−75337(JP,B2)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】搬送波周波数がfSである電気的に周波数変
    調もしくは位相変調された原信号で半導体レーザの出力
    光に対し光の周波数変調を行って、前記光信号を受信装
    置に伝送するように少なくとも構成された送信装置と、 局部発振用半導体レーザと、前記の送信装置から送られ
    てきた光信号と前記局部発振用半導体レーザの光信号を
    結合する光結合器と、前記光結合器の出力光を電気信号
    に変換し前記2つの光信号のビート信号を得る受光回路
    と、前記受光回路の出力信号から前記の光の周波数変調
    によって得られる中心周波数f0の搬送波成分である第1
    の信号と前記の光の周波数変調によって得られる第1側
    波成分であり前記第1の信号の中心周波数f0から周波数
    がfSだけ離れている第2の信号をそれぞれ抽出し前記第
    1の信号と前記第2の信号の積をとるFM復調回路と、前
    記FM復調回路の出力信号から前記周波数fS近傍の信号を
    抽出する帯域通過フィルタで少なくとも構成された受信
    装置とからなる光FMコヒーレント光伝送装置。
  2. 【請求項2】搬送波周波数がfSである電気的に周波数変
    調もしくは位相変調された原信号で半導体レーザの出力
    光に対し光の周波数変調を行って、前記光信号を受信装
    置に伝送するように少なくとも構成された送信装置と、 局部発振用半導体レーザと、前記の送信装置から送られ
    てきた光信号と前記局部発振用半導体レーザの光信号を
    結合する光結合器と、前記光結合器の出力光を電気信号
    に変換し前記2つの光信号のビート信号を得る受光回路
    と、前記受光回路の出力を2分岐する分岐器と、前記分
    岐器の一方の出力から前記の光の周波数変調によって得
    られる中心周波数f0の搬送波成分である第1の信号を抽
    出する第一の帯域通過フィルタと、前記第1の信号と前
    記分岐器のもう一方の出力信号の積をとるミキサと、前
    記ミキサの出力信号から前記周波数fSの近傍の信号を抽
    出する第二の帯域通過フィルタで少なくとも構成された
    受信装置からなる光FMコヒーレント光伝送装置。
  3. 【請求項3】搬送波周波数がfSである電気的に周波数変
    調もしくは位相変調された原信号で半導体レーザの出力
    光に対し光の周波数変調を行って、前記光信号を受信装
    置に伝送するように少なくとも構成された送信装置と、 局部発振用半導体レーザと、前記の送信装置から送られ
    てきた光信号と前記局部発振用半導体レーザの光信号を
    結合する光結合器と、前記光結合器の出力光を電気信号
    に変換し前記2つの光信号のビート信号を得る受光回路
    と、前記受光回路の出力をPort−0に入力してPort−1
    とPort−2からそれぞれ出力する方向性結合器と、前記
    方向性結合器のPort−1及びPort−2から出力される出
    力信号間の積をとるミキサと、前記ミキサの出力信号か
    ら前記周波数fSの近傍の信号を抽出する帯域通過フィル
    タで少なくとも構成された受信装置からなり、 前記方向性結合器において、Port0−2間の伝達特性が
    最小になりPort0−1間の伝達特性が最大になる周波数
    領域に前記の光の周波数変調によって得られる搬送波成
    分の周波数f0が存するように前記局部発振用半導体レー
    ザの光の周波数を制御し、前記方向性結合器のPort0−
    2間の伝達特性における損失が少なくなる周波数領域に
    前記の光周波数変調によって得られる第1側波成分の周
    波数が存するように前記周波数fSを設定することを特徴
    とした光FMコヒーレント光伝送装置。
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