JP4429973B2

JP4429973B2 - 光受信回路

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Publication number: JP4429973B2
Application number: JP2005178142A
Authority: JP
Inventors: 明秀佐野; 智由片岡
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2025-06-17
Also published as: JP2006352678A

Description

本発明は、変調符号として差動位相シフトキーイング（Differential Phase-Shift Keying ：ＤＰＳＫ）を用いる光伝送システムにおいて、高感度受信が可能なバランスド受信器と、波長分散に対する耐力が高い直接検波受信器とを共通の構成で実現し、使用形態に応じて両受信器の使い分けを行う光受信回路に関する。

長距離光伝送システムでは、１本の光ファイバ中に複数の波長の光信号を多重化して伝送するＷＤＭ伝送技術を適用し、経済的かつ大容量の情報伝送を実現している。ＷＤＭ伝送装置では、装置コスト低減のために波長あたりの伝送速度の高速化が検討されており、現在は波長あたり10Ｇbit/s の伝送速度が実用化され、さらに経済化のために40Ｇbit/s の伝送速度が検討されている。

伝送速度を10Ｇbit/s から40Ｇbit/s に高速化するにあたっての主要な課題として、光雑音に対する耐力の向上が挙げられる。長距離伝送では、光伝送路および光送受信器において用いられる光増幅器で発生する光雑音により伝送距離が制限されるが、伝送速度40Ｇbit/s で10Ｇbit/s と同じ変復調方式を用いた場合の雑音耐力は１／４になってしまう。このため、伝送速度40Ｇbit/s では光雑音耐力の高い変復調方式が検討されており、変調方式にＤＰＳＫを用い、受信側で遅延ＭＺ（マッハツェンダ）干渉計およびデュアル光検出器を用いたバランスド受信器を用いる構成が代表的な方式となっている（非特許文献１）。

伝送速度40Ｇbit/s を実現するためのもう一つの課題として、波長分散に対する耐力の向上が挙げられる。伝送速度40Ｇbit/s では、10Ｇbit/s に比べて許容される波長分散は１／16程度になってしまう。そのため、高精度な分散補償を実現するために波長ごとの可変分散補償器が必要となり、システム構成の複雑化や装置コストの増加を招く問題が生じる。これを回避するために、波長分散耐力の高い変復調方式が検討されている。その一つとして、送信信号にＤＰＳＫを用いた場合に、受信側で狭帯域光フィルタにより位相変調信号をフィルタリングして強度変調信号に変換し、光検出器でＯＥ変換するＤＰＳＫ直接検波方式があり、波長分散耐力の向上が可能であることが知られている（非特許文献２）。
前田他、「ＲＺ−ＤＰＳＫ方式を適用した16×10Ｇbit/s 500km 超長スパンＷＤＭ無中継伝送」、2004年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、Ｂ-10-72 佐野他、「ＤＰＳＫ直接検波方式を用いた30波×43Ｇbit/s, 500kmＷＤＭ伝送実験」、2004年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、Ｂ-10-73

前述したように、光雑音耐力の向上には、変調方式にＤＰＳＫを用い、受信側でバランスド受信器を用いる構成が有力である。一方、波長分散耐力の向上には、変調方式にＤＰＳＫを用い、受信側で直接検波受信器を用いる構成が有力である。したがって、変調方式にＤＰＳＫを用いた場合の光受信回路の構成として、伝送距離が長く光雑音により伝送距離が制限される場合にはバランスド受信器を用い、短距離のシステムでは分散補償コストの低減の観点から直接検波受信器を用いることが望ましい。

しかし、この両方に対応するために、バランスド受信器および直接検波受信器を用意する構成では、開発費の増加、適用分野による使い分け、予備用品の増加など保守運用を複雑にする問題がある。

また、狭帯域光フィルタにより位相変調信号をフィルタリングして強度変調信号に変換し、光検出器でＯＥ変換する構成の直接検波受信器では、光フィルタとしてかなり狭帯域のものが必要となり、コスト上昇の要因になっている。

本発明は、バランスド受信器と直接検波受信器とを共通の構成で実現し、使用形態に応じて両受信器の切り替えが容易な光受信回路を提供することを目的とする。

また、本発明は、直接検波受信器を構成する光フィルタの狭帯域化を緩和する光受信回路を提供することを目的とする。

第１の発明は、差動位相シフトキーイングにより変調された光信号を受信し、その雑音成分を除去する光フィルタと、光フィルタで雑音除去された光信号を２経路に分け、一方に遅延を与えた後に再び合波し、Ｃ（constructive) 成分およびＤ（destructive)成分の２つの光信号を出力する遅延干渉計と、遅延干渉計から出力されるＣ成分およびＤ成分の２つの光信号を受光してＯＥ変換し、その差分信号を出力するデュアル光検出器と、デュアル光検出器から出力される差分信号のマーク・スペースを識別し、２値ディジタル信号に変換する識別回路とを備え、バランスド受信器として機能させる光受信回路において、遅延干渉計から出力されるＤ成分の光信号をオン・オフし、オンのときにデュアル光検出器にＣ成分およびＤ成分の光信号を受光させてバランスド受信器として機能させ、オフのときにデュアル光検出器にＣ成分の光信号のみを受光させて直接検波受信器として機能させる光スイッチ手段を備える。

第２の発明は、差動位相シフトキーイングにより変調された光信号を受信し、その雑音成分を除去する光フィルタと、光フィルタで雑音除去された光信号を２経路に分け、一方に遅延を与えた後に再び合波し、Ｃ（constructive) 成分およびＤ（destructive)成分の２つの光信号を出力する遅延干渉計と、遅延干渉計から出力されるＣ成分およびＤ成分の２つの光信号を受光してＯＥ変換し、その差分信号を出力するデュアル光検出器と、デュアル光検出器から出力される差分信号のマーク・スペースを識別し、２値ディジタル信号に変換する識別回路とを備え、バランスド受信器として機能させる光受信回路において、受信した光信号の波長に対する遅延干渉計の中心波長のずれを検出し、そのずれを解消するように中心波長を補正する遅延干渉計制御回路と、遅延干渉計から出力されるＤ成分の光信号をデュアル光検出器または遅延干渉計制御回路に切り替え、Ｄ成分の光信号を遅延干渉計制御回路に切り替えたときにデュアル光検出器にＣ成分の光信号のみを受光させて直接検波受信器として機能させるとともに、Ｄ成分の光信号を用いて遅延干渉計の中心波長をフィードバック制御する光スイッチ手段を備える。

第３の発明は、第１または第２の発明において、光スイッチ手段の制御に対応し、バランスド受信器または直接検波受信器として機能させるときに、識別回路の識別レベルをそれぞれ対応するように調整する識別電圧調整回路を備える。

本発明は、バランスド受信器と直接検波受信器を共通の受信器構成により実現することができる。これにより、適用領域に応じて両受信器の使い分けが容易になり、保守運用面での利便性を高めることができる。また、直接検波受信器として用いる場合に、付加的な分岐回路を用いることなく遅延干渉計の中心波長を信号波長にトラッキングする制御系を構成することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の光受信回路の第１の実施形態を示す。図において、光受信回路は、受信した光信号（ＤＰＳＫ信号）の雑音成分を除去する光フィルタ（例えは光帯域通過フィルタ）１１、光フィルタ１１で雑音除去された光信号を２経路に分け、一方に遅延（例えば１ビット遅延）を与えた後に再び合波する遅延ＭＺ干渉計１２、遅延ＭＺ干渉計１２のＣ（constructive) ポートとＤ（destructive)ポートから出力される光信号を受光してＯＥ変換し、その差分信号を出力するデュアル光検出器１３、デュアル光検出器１３から出力される差分信号のマーク・スペースを識別し、２値ディジタル信号に変換する識別回路１４を備える。ここまでは、通常のバランスド受信器の構成となる。なお、遅延ＭＺ干渉計１２のＣポートには、２経路の光信号に所定の遅延差を与えて干渉させたときに各光信号の位相が揃っているconstructive成分が出力され、Ｄポートには位相差がπである destructive成分が出力される。

本発明の特徴は、遅延ＭＺ干渉計１２のＤポートの出力をオン・オフする光スイッチ（光ＳＷ）１６と、光スイッチ１６のオン・オフを制御する光スイッチ制御回路１７を備え、遅延ＭＺ干渉計１２のＤポートの出力をオン・オフすることにより、本光受光回路をバランスド受信器または直接検波受信器に切り替えることを可能にした構成にある。また、光スイッチ１６のオン・オフに合わせて、識別回路１４の識別レベルを調整する識別レベル調整回路１５を備える。

以下、図１の構成、図２に示す光スイッチ１６がオン・オフの場合の受信波形、および図３に示す遅延ＭＺ干渉計１２のＣ／Ｄポートの周波数通過特性を参照して本実施形態の動作例について説明する。

遅延ＭＺ干渉計１２のＣポートとＤポートには、図２(1) に示すように互いに論理が反転した強度変調光信号が出力される。したがって、光スイッチ１６がオンの場合には、デュアル光検出器１３でＣポートおよびＤポートの各光信号が検波され、振幅が２倍になった差分信号が出力されるので、光雑音に対する耐力を向上させることができる。

ただし、遅延ＭＺ干渉計１２のＣポートおよびＤポートの周波数通過特性は、図３(1),(2) に示すように、ＣポートはＤＣを中心とするコサイン型の通過特性であり、Ｄポートはサイン型の通過特性となり、ＤＣから±ｆ_b／2（ｆ_b：遅延ＭＺ干渉計１２のＦＳＲ）だけずれた位置に通過ピークをもつ特性となる。受信した光信号は、光バンドパスフィルタ１１およびこの遅延ＭＺ干渉計１２を通過することにより、図３(3),(4) に示すような周波数通過特性を受けることになる。なお、光バンドパスフィルタ１１の通過特性は、カットオフ周波数ｆ_b／2の矩形フィルタを想定している。図３(3),(4) からわかるように、Ｃポート側はＤＣ近傍のスペクトル成分が透過するのに対して、Ｄポート側は高周波成分の比率が高くなる。ここで、光伝送路に波長分散がある場合には、周波数が大きいスペクトル成分ほど大きな遅延差を受けて波形歪みを引き起こす。したがって、光スイッチ１６がオンになってＤポート出力が検波される場合には、Ｃポート出力のみを検波する場合に比べて波長分散に対する耐力は小さくなる。

一方、光スイッチ１６がオフになり、遅延ＭＺ干渉計１２のＤポート出力が遮断される場合、デュアル光検出器１３は、図３(3) に示すようなＤＣ近傍の信号スペクトルが高いＣポート出力のみを受光するため、波長分散に対する耐力を向上させることができる。しかし、デュアル光検出器１３の出力は図２(2) に示すように、光スイッチ１６がオンになっている場合と比較して振幅が１／２になり、受信感度は約３dBほど劣化することになる。また、このときの識別レベルは、デュアル光検出器１３として用いられるときと異なるレベルとなるので、光スイッチ１６のオン・オフに合わせて、識別レベル調整回路１５が識別回路１４の識別レベルを調整することにより、いずれの場合でも最適な誤り率を達成することが可能となる。

図４は、43Ｇbit/s バランスド受信器と直接検波受信器の波長分散に対する受信感度ペナルティの測定結果の一例を示す。バランスド受信器では、許容されるペナルティを１dBとすると、波長分散に対して70ps/nm 程度の耐力しかないが、直接検波受信器では330ps/nmとバランスド受信器の５倍近い波長分散耐力が得られることがわかる。

以上説明したように、光スイッチ１６がオンの場合には、オフの場合と比較して受信感度を３dBほど向上させることができるが、波長分散耐力は低下する。逆に、光スイッチ１６がオフの場合には、受信感度は３dB悪くなるが、波長分散耐力を向上させることができる。したがって、長距離区間でＯＳＮＲ制限が厳しい場合には光スイッチ１６をオンにしてバランスド受信器として用い、分散補償に関しては可変分散補償器を別途用いることにより対応する。一方、伝送距離が短い場合には光スイッチ１６をオフにして直接検波受信器として用い、可変分散補償器を省略する。このように、光スイッチ１６で切り替える共通の受信器構成で、用途に応じた使い分けが可能になる。

（第２の実施形態）
ところで、図１の構成において光スイッチ１６をオフにした場合に直接検波受信器となるが、バランスド受信器で用いられる遅延干渉計を含む構成となる。この遅延干渉計を用いた直接検波受信器では、信号波長の変化により受信感度ペナルティが発生するため、信号波長の変化に応じて遅延干渉計の中心波長をトラッキングする機構が必要にある。この遅延干渉計のトラッキングを可能とする構成例について以下に説明する。

図５は、本発明の光受光回路の第２の実施形態を示す。ここでは、図１の第１の実施形態におけるオン・オフする光スイッチ１６に代えて１×２光スイッチ２１を用い、直接検波受信器として用いる場合には、遅延ＭＺ干渉計１２のＤポートの出力先をデュアル光検出器１３から干渉計制御回路３０に切り替える。

干渉計制御回路３０は、主信号の伝送速度に対して十分に低速の発振器（周波数ｆ₀）３１を備え、発振器３１から出力される正弦波信号をバイアス回路３２を介して遅延ＭＺ干渉計１２に印加し、その中心波長を周期的に変化させる。遅延ＭＺ干渉計１２のＤポートの出力信号は光検出器３３で受光され、同期検波回路３４で発振器３１から出力される正弦波信号と位相比較される。さらに同期検波回路３４の直流成分出力は、バイアス回路３２で発振器３１から出力される正弦波信号に重畳され、遅延ＭＺ干渉計１２にフィードバックされる。

次に、信号波長にトラッキングして遅延ＭＺ干渉計１２の中心波長を制御する様子について、図６を参照して説明する。遅延ＭＺ干渉計１２の中心波長が信号波長に合っている場合には、図６のＡに示すように、Ｄポート出力の信号は中心波長がプラス側およびマイナス側にシフトしたときに減少し、ｆ₀の倍の周波数で変化する。このため、同期検波回路３４の出力はほぼゼロとなる。一方、遅延ＭＺ干渉計１２の中心波長がプラス側またはマイナス側にずれた場合には、図６のＢおよびＣに示すように周波数ｆ₀で変動する成分が発生するが、その位相はプラス側とマイナス側で反転する。この結果、同期検波回路３４の出力は、例えば中心波長がプラス側にずれた場合には負の電圧、マイナス側にずれた場合には正の電圧というように、ずれの方向に応じた出力が得られる。したがって、このずれを打ち消す方向にバイアスを印加することにより、遅延ＭＺ干渉計１２の中心波長を信号波長にトラッキングすることが可能となる。

このように、第１の実施形態の光スイッチ１６のオフにより遅延ＭＺ干渉計１２を含む直接検波受信器となる場合には、１×２光スイッチ２１を用いて遅延ＭＺ干渉計１２のＤポートの信号を干渉計制御回路３０に入力するフィードバック系を構成することにより、光分岐や電気分岐などの付加的な回路を用いることなく、遅延干渉計の中心波長を信号波長にトラッキングさせることが可能となる。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の光受信回路の第３の実施形態を示す。本実施形態は、第１の実施形態における光スイッチ１６をオフにした状態に対応する。この場合には、デュアル光検出器１３に代えて単独の光検出器４１が用いられる。このように、光フィルタ１１と遅延ＭＺ干渉計１２を組み合わせることにより、上述したように狭帯域光フィルタと同様にＤＰＳＫ信号等の直接検波が可能となる。

（第４の実施形態）
図８は、本発明の光受信回路の第４の実施形態を示す。本実施形態は、第２の実施形態における１×２光スイッチ２１を用いず、遅延ＭＺ干渉計１２のＤポートの信号を直接干渉計制御回路３０に入力する構成とする。この場合は、遅延干渉計を有し、かつその中心波長のトラッキング制御が可能な直接検波受信器としての構成となり、デュアル光検出器１３に代えて単独の光検出器４１が用いられる。

本発明の光受信回路の第１の実施形態を示す図。光スイッチ１６のオン・オフの場合の受信波形を示す図。遅延ＭＺ干渉計１２のＣ／Ｄポートの周波数通過特性を示す図。バランスド受信器、直接検波受信器の波長分散耐力の測定結果の一例を示す図。本発明の光受信回路の第２の実施形態を示す図。遅延ＭＺ干渉計１２の中心波長の制御例を説明する図。本発明の光受信回路の第３の実施形態を示す図。本発明の光受信回路の第４の実施形態を示す図。

符号の説明

１１光フィルタ
１２遅延ＭＺ干渉計
１３デュアル光検出器
１４識別回路
１５識別レベル調整回路
１６光スイッチ（光ＳＷ）
１７光スイッチ制御回路
２１１×２光スイッチ
３０遅延干渉計制御回路
３１発振器
３２バイアス回路
３３光検出器（ＰＤ）
３４同期検波回路
４１光検出器

Claims

差動位相シフトキーイングにより変調された光信号を受信し、その雑音成分を除去する光フィルタと、
前記光フィルタで雑音除去された光信号を２経路に分け、一方に遅延を与えた後に再び合波し、Ｃ（constructive) 成分およびＤ（destructive)成分の２つの光信号を出力する遅延干渉計と、
前記遅延干渉計から出力されるＣ成分およびＤ成分の２つの光信号を受光してＯＥ変換し、その差分信号を出力するデュアル光検出器と、
前記デュアル光検出器から出力される差分信号のマーク・スペースを識別し、２値ディジタル信号に変換する識別回路と
を備え、バランスド受信器として機能させる光受信回路において、
前記遅延干渉計から出力されるＤ成分の光信号をオン・オフし、オンのときに前記デュアル光検出器に前記Ｃ成分およびＤ成分の光信号を受光させてバランスド受信器として機能させ、オフのときに前記デュアル光検出器に前記Ｃ成分の光信号のみを受光させて直接検波受信器として機能させる光スイッチ手段を備えた
ことを特徴とする光受信回路。
差動位相シフトキーイングにより変調された光信号を受信し、その雑音成分を除去する光フィルタと、
前記光フィルタで雑音除去された光信号を２経路に分け、一方に遅延を与えた後に再び合波し、Ｃ（constructive) 成分およびＤ（destructive)成分の２つの光信号を出力する遅延干渉計と、
前記遅延干渉計から出力されるＣ成分およびＤ成分の２つの光信号を受光してＯＥ変換し、その差分信号を出力するデュアル光検出器と、
前記デュアル光検出器から出力される差分信号のマーク・スペースを識別し、２値ディジタル信号に変換する識別回路と
を備え、バランスド受信器として機能させる光受信回路において、
前記受信した光信号の波長に対する前記遅延干渉計の中心波長のずれを検出し、そのずれを解消するように中心波長を補正する遅延干渉計制御回路と、
前記遅延干渉計から出力されるＤ成分の光信号を前記デュアル光検出器または前記遅延干渉計制御回路に切り替え、Ｄ成分の光信号を前記遅延干渉計制御回路に切り替えたときに前記デュアル光検出器に前記Ｃ成分の光信号のみを受光させて直接検波受信器として機能させるとともに、Ｄ成分の光信号を用いて前記遅延干渉計の中心波長をフィードバック制御する光スイッチ手段を備えた
ことを特徴とする光受信回路。
請求項１または請求項２に記載の光受信回路において、
前記光スイッチ手段の制御に対応し、バランスド受信器または直接検波受信器として機能させるときに、前記識別回路の識別レベルをそれぞれ対応するように調整する識別電圧調整回路を備えた
ことを特徴とする光受信回路。