JP5090382B2

JP5090382B2 - 光受信機、光通信システム及びヘテロダイン検波方法

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Publication number: JP5090382B2
Application number: JP2009010347A
Authority: JP
Inventors: 學吉野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: JP2010171549A

Description

本発明は、光信号をヘテロダイン同期検波する光受信機、これを含む光通信システム及びそのヘテロダイン検波方法に関する。

ポイント−マルチポイント光通信システムにおいて、秘匿性、妨害耐性に優れた占有型光サービスを提供する方式として光符号分割多重が期待されている。特に加入者側装置に簡便なシステムを使用できるスペクトル領域の強度符号を用いた光符号分割多重が期待されている。スペクトル領域の強度符号は、異なる光周波数の複数の光の組み合わせにより符号化する。このスペクトル領域の強度符号を用いた光符号分割多重では、同一のスペクトルを使用する信号光間のビート雑音による伝送特性の劣化が生ずる。このため、異なる光周波数の複数の光からなる局発光を用いたコヒーレント受信方式の適用が提案されている。このコヒーレント受信方式では、信号光と局発光を構成する異なる光周波数同士の位相差を一定にすることが求められている（例えば、非特許文献１を参照。）。

例えば、信号光と局発光を偏波分割多重又は時分割多重して送信機から送る方式とすることで、信号光と局発光を構成する異なる光周波数同士の位相差を一定にすることができる。伝送距離の異なる送信機からの信号を同時に受信する場合、この方式は自送信機からの局発光との位相差のばらつきを軽減することが可能である。しかし、複数の送信機が存在した場合、この方式は、他送信機からの信号光と位相差のばらつきのために生ずる多重アクセス干渉（ＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：ＭＡＩ）を低減する必要がある。さらに、この方式は、複数の送信機からの局発光が混在することで生じる信号光と位相差のばらつきも低減する必要がある。

また、光符号分割多重しない光通信においても、ヘテロダイン検波をはじめとするコヒーレント検波が注目されている。コヒーレント検波には、包絡線検波と同期検波が存在する。非負の値しかとれない包絡線検波に対し、負の値もとれる同期検波は、１ビットの信号強度の最大値が同一とすると、受信感度を倍にできる。

Ｍ．Ｙｏｓｈｉｎｏｅｔａｌ．，ＪＬＴ，ｖｏｌ．２６，ｐｐ．，９６３−９７０，Ａｐｒ．２００８２００５年電子情報通信学会総合大会Ｃ−４−９ねじり光ファイバを用いた偏波無依存型非対称四光波混合、東京大学種村拓夫他２００８年、電子情報通信学会総合大会、Ｂ−１０−５３、吉野他、チャープ同期受信による光干渉抑圧２００７年電子情報通信学会総合大会，隣接スペクトルチップの漏れ込みに強いＳＡＣ−ＯＣＤＭＡ用復号器吉野他

しかし、同期検波を行うためには、信号光と局発光との光の同期が必要である。受信機側で光位相同期を行うためには、局発光の光位相同期ループを構成しなければならない。光位相同期ループは通常、２光の光位相の誤差情報を光検波器により検出し、電気回路で局発光源にフィードバックする構成になっている。実用的な光位相同期ループを実現するには、２光のフリーランニング時の光周波数差が光位相同期ループの周波数引き込み範囲以内に常に収まり、位相誤差が小さくなるように、光位相同期ループの帯域幅を広くする必要がある。例えば、線幅１０ＭＨｚ程度の信号光の場合、ＧＨｚの帯域幅が要求される。ＧＨｚの帯域幅のためには、ループ遅延時間とループ長は高々０．１マイクロ秒と２ｃｍ程度にする必要がある。このため、光検波器と電気回路部品を集積化して光位相同期ループを構成する必要があり、現状では光位相同期ループの構成は困難であるという課題がある。更に、同一光周波数の複数の信号光が同時に到着する可能性のある光符号分割多重の場合、異なる位相の多数の信号光に一つの局発光の位相を同期することは本質的に不可能という課題もある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、局発光の光位相同期ループを用いることなく、１又は複数の信号光を位相によらずにヘテロダイン検波することができる光受信機、光通信システム及びヘテロダイン検波方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る光受信機、光通信システム及びヘテロダイン検波方法は、互いの位相差が一定である複数の光を四光波混合部にポンプ光として入力し、信号光とポンプ光との四光混合のアイドラー光を複数出力させ、これらの出力されたアイドラー光同士を信号光の伝送する伝送帯域以上の中間周波数でヘテロダイン検波することとした。

具体的には、本発明に係る光受信機は、信号光と、互いの位相差が一定である複数のポンプ光と、が入力され、前記信号光と前記ポンプ光との四光波混合のアイドラー光を複数出力する四光波混合部と、前記四光波混合部からの前記アイドラー光同士を前記信号光の伝送する伝送帯域以上の中間周波数でヘテロダイン検波するヘテロダイン検波部と、を備え、前記複数のポンプ光の光周波数は、前記アイドラー光の少なくとも一組の光周波数間隔が前記中間周波数となる周波数であり、前記四光混合部は、光周波数間隔が前記中間周波数である前記アイドラー光を少なくとも一組出力することを特徴とする。

本発明に係る光受信機は、信号光と、互いの位相差が一定である複数のポンプ光と、から、前記信号光と前記ポンプ光との四光波混合のアイドラー光を複数出力し、前記アイドラー光同士を前記信号光の伝送する伝送帯域以上の中間周波数でヘテロダイン検波し、前記ポンプ光は、前記アイドラー光の少なくとも一組の光周波数間隔が前記中間周波数となる周波数であることを特徴とするヘテロダイン検波方法を採用する。

また、本発明に係る光通信システムは、前記光受信機と、前記光受信機に前記信号光を送信する光送信機と、を含む。

四光波混合部が出力する、それぞれのアイドラー光は位相差が一定となる。このため、位相が互いに直交しない場合は、一つのアイドラー光を信号光、もう一つのアイドラー光を局発光としてヘテロダイン検波することができる。従って、本発明は、局発光の光位相同期ループを用いることなく、１又は複数の信号光を位相によらずにヘテロダイン検波することができる光受信機、光通信システム及びヘテロダイン検波方法を提供することができる。

本発明において前記信号光は、光周波数の異なる複数の信号光であり、前記複数の信号光と前記複数のポンプ光は、前記ヘテロダイン検波部でのヘテロダイン検波の対象となる前記アイドラー光の内、異なる前記信号光に基づく前記アイドラー光同士が前記伝送帯域の４倍以上かつ前記中間周波数の倍以上になる光周波数であることが好ましい。本発明に係る光受信機及び光通信システムは、それぞれの信号光に対応して互いに同期したアイドラー光の組が独立して発生するため、それぞれ混信することなくヘテロダイン検波を行うことができる。

本発明において前記信号光は、光周波数の異なる複数の信号光であり、前記複数の信号光と前記複数のポンプ光は、前記ヘテロダイン検波部でのヘテロダイン検波の対象となる前記アイドラー光の内、異なる前記信号光に基づく前記アイドラー光同士が前記伝送帯域の２倍以上かつ前記中間周波数の倍以上になる光周波数であり、前記四光波混合部は、前記信号光毎に前記アイドラー光を出力し、前記ヘテロダイン検波部は、前記信号光毎に前記アイドラー光をヘテロダイン検波することとしてもよい。本発明に係る光受信機及び光通信システムは、光符号分割多重の信号を受信することができる。また、本発明に係る光受信機及び光通信システムは、それぞれの信号光に対応して互いに同期したアイドラー光の組が独立して発生するため、それぞれ混信することなくヘテロダイン検波を行うことができる。

本発明において前記信号光は、複数の光周波数の光で光符号分割多重されており、前記四光波混合部は、前記アイドラー光を復号する符号に応じて分岐して出力し、前記ヘテロダイン検波部は、前記四光波混合部からの分岐された前記アイドラー光をそれぞれヘテロダイン検波し、ヘテロダイン検波後の中間周波数信号を符号に応じて加減算することが好ましい。

本発明に係る光受信機及び光通信システムは、すべての複数の光符号多重の信号光をそれぞれ構成する複数の光（スペクトルチップ）に対応してそれぞれ、位相差が一定の信号光と局発光の組を生成してヘテロダイン検波を行うことができる。本発明に係る光受信機及び光通信システムは、信号光−局発光間の位相差ばらつきによるＭＡＩの課題を解消することができる。

本発明において前記信号光は、時間に対して光周波数が変化し、前記ポンプ光は、前記信号光の光周波数変化に同期して光周波数が変化することとしてもよい。本発明に係る光受信機及び光通信システムは、スペクトルチップの光周波数変動とポンプ光の光周波数変動とを同期させており、信号光−局発光間の位相差ばらつきによるＭＡＩの課題を解消することができる。

本発明において前記ポンプ光は、互いに同一の円偏波状態であり、前記四光波混合部は、円偏波ねじり光ファイバで前記アイドラー光を生成することが好ましい。ヘテロダイン同期検波をするためには局発光と信号光の偏波を一致させ、偏波依存性を解消する必要がある。本発明に係る光受信機及び光通信システムは、四光波混合部を非特許文献２に記載される偏波無依存型四光波混合としている。すなわち、四光波混合部にポンプ光を入力する際に同一の円偏波状態とし、四光波混合部を円偏波ねじり光ファイバとすることで、四光波混合における偏波依存性を解消することができる。従って、本発明に係る光受信機及び光通信システムは、ヘテロダイン同期検波の偏波依存性を解消することができる。

本発明において前記四光波混合部は、非線形媒質部と偏波ビームコンバイナ（ＰＢＣ）とからなるループで前記アイドラー光を生成してもよい。非線形媒質とＰＢＣとを組み合わせることで直交するいずれの偏波成分に対しても同様の四光波混合を発生させることができる。この結果、それぞれのヘテロダイン検波の出力の総和は偏波に拠らず一定となる。従って、本発明に係る光受信機及び光通信システムは、四光波混合における偏波依存性を解消でき、ヘテロダイン同期検波の偏波依存性を解消できる。

本発明において前記ポンプ光は、それぞれ互いの偏波が直交し、互いの光強度が等しい２つの光からなることでもよい。異なる偏波のポンプ光に対応するアイドラー光の偏波が保持される場合、異なる偏波のアイドラー光同士のビート成分は発生しない。従って、本発明に係る光受信機及び光通信システムは、四光波混合における偏波依存性を解消でき、ヘテロダイン同期検波の偏波依存性を解消できる。

本発明は、局発光の光位相同期ループを用いることなく、１又は複数の信号光を位相によらずにヘテロダイン検波することができる光受信機、光通信システム及びヘテロダイン検波方法を提供することができる。

本発明に係る光通信システムの概略構成図である。本発明に係る光通信システムの概略構成図である。本発明に係る光通信システムの概略構成図である。本発明に係る光通信システムの概略構成図である。本発明に係る光通信システムの概略構成図である。本発明に係る光通信システムの非線形媒質部が出力する光スペクトルを説明する図である。本発明に係る光通信システムの光検出部が出力する電気スペクトルを説明する図である。本発明に係る光通信システムの非線形媒質部が出力する光スペクトルを説明する図である。本発明に係る光通信システムの光検出部が出力する電気スペクトルを説明する図である。本発明に係る光通信システムの非線形媒質部を説明する図である。本発明に係る光通信システムの非線形媒質部を説明する図である。本発明に係る光受信機においてアイドラー光の光周波数が互いに重ならない場合を説明する図である。本発明に係る光受信機においてアイドラー光の光周波数が互いに重ならない場合を説明する図である。本発明に係る光受信機においてアイドラー光の光周波数が互いに重ならない場合を説明する図である。本発明に係る光受信機においてアイドラー光の光周波数が互いに重ならない場合を説明する図である。本発明に係る光通信システムの四光波混合部を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の光通信システムの概略構成図である。本光通信システムは、光受信機３０１と、前記光受信機に信号光を送信する光送信機４０１と、光受信機にポンプ光を供給するポンプ光源４０２と、を含む。光送信機４０１は光波長ｆ１の信号光を出力する。ここで、ポンプ光源は、信号光に対して光位相同期ループをかける必要がないため、光位相同期ループを用いる光受信機とは異なり、図１に示すように光受信機の外部に設置することが可能であり、複数の光受信機でポンプ光源を共用することも可能である。ポンプ光源は光受信機とは独立ではなく、内部に内蔵する構成であってもよい。

以下、ポンプ光が２で、縮退四光波混合を利用する場合で説明するが、後述するようにポンプ光は３以上でもよく、縮退以外の四光波混合を用いても良い。ポンプ光源４０２が出力するポンプ光は、互いの位相差が一定である。このようなポンプ光を出力するポンプ光源４０２は、例えば、連続光（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ：ＣＷ）光源１０１、正弦波信号発生器１０２及び強度変調器１０３を有する。正弦波信号発生器１０２は、例えばシンセサイザーである。強度変調器１０３はＣＷ光源１０１からの光周波数ｆｐの連続光を正弦波信号発生器１０２からの正弦波信号で変調する。ここで、強度変調器１０３は、ＣＷ光源１０１の出力であるキャリア成分を抑圧し、二つの変調サイドバンドのみ出力する状態に調整し、ポンプ光として出力する。ポンプ光は二つの変調サイドバンドであるため、互いの位相は等しい。

また、以下、ポンプ光の位相が一致する場合を例に説明を行うが、ポンプ光の位相差が一定且つその位相差が９０度以外の場合、アイドラー光の位相差も一定となり且つそのヘテロダイン検波の出力は常時零とはならない。そのため、位相差一定の場合も、出力強度の絶対値は減少するが位相が一致する場合と同様である。また、光源として変調サイドバンドを用いる例で示したが、位相差が一定で、後述のヘテロダイン検波で用いるアイドラー光同士の位相差が９０度以外であれば、モードロックレーザや光周波数コム等の他の光源を用いても良い。

光受信機３０１は、四光波混合部３１とヘテロダイン検波部２１とを備える。具体的には、光受信機３０１は、信号光と、互いの位相差が一定である複数のポンプ光と、が入力され、信号光とポンプ光との四光波混合のアイドラー光を複数出力する四光波混合部３１と、四光波混合部３１からのアイドラー光同士を前記信号光の伝送する伝送帯域以上の中間周波数でヘテロダイン検波するヘテロダイン検波部２１と、を備える。ここで、複数のポンプ光の光周波数は、アイドラー光の少なくとも一組の光周波数間隔が中間周波数となる周波数であり、四光波混合部は、光周波数間隔が中間周波数であるアイドラー光を少なくとも一組出力する四光波混合部である。

光受信機３０１は、信号光と、互いの位相差が一定である複数のポンプ光と、から、信号光とポンプ光との四光波混合のアイドラー光を複数生成し、アイドラー光同士を前記信号光の伝送する伝送帯域以上の中間周波数でヘテロダイン検波する。ここで、複数のポンプ光の光周波数は、アイドラー光の少なくとも一組の光周波数間隔が中間周波数となる周波数である。

四光波混合部３１は、信号光とポンプ光を入力して四光波混合を発生する非線形媒質部１１、非線形媒質部１１の出力する四光波混合のアイドラー光を抜き出す光濾波器１２とを有する。非線形媒質部１１は、例えば、半導体光増幅器(ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）、高非線形ファイバ (ＨｉｇｈＮｏｎｌｉｎｅａｒＦｉｂｅｒ：ＨＮＬＦ）、ゼロ分散シフトファイバ（Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｓｈｉｆｔｅｄＦｉｂｅｒ：ＤＳＦ）等を用いることができる。非線形媒質部１１は、信号光及びポンプ光の波長分散等を考慮しても十分な相互作用長が取れるものとする。

四光波混合部３１は、信号光及び位相の揃ったポンプ光が入力されると、一方のポンプ光の縮退四光波混合のアイドラー光、他方のポンプ光の縮退四光波混合のアイドラー光、及び両ポンプ光の四光波混合のアイドラー光を出力する。これらのアイドラー光の位相は一致する。

ここで、信号光、ポンプ光及びアイドラー光に、信号光Ｌｓ、一方のポンプ光Ｌｐ１、他方のポンプ光Ｌｐ２、ポンプ光Ｌｐ１の縮退四光波混合のアイドラー光Ｌａ１、ポンプ光Ｌｐ２の縮退四光波混合のアイドラー光Ｌａ２、ポンプ光Ｌｐ１及びポンプ光Ｌｐ２の四光波混合のアイドラー光Ｌａ３と名づけて説明する。信号光Ｌｓ、一方のポンプ光Ｌｐ１、他方のポンプ光Ｌｐ２、ポンプ光Ｌｐ１の縮退四光波混合のアイドラー光Ｌａ１、ポンプ光Ｌｐ２の縮退四光波混合のアイドラー光Ｌａ２、ポンプ光Ｌｐ１及びポンプ光Ｌｐ２の四光波混合のアイドラー光Ｌａ３の位相をそれぞれφ１，φｐ１，φｐ２，φ１’，φ１’’，φ１’’’とする。また、信号光Ｌｓ、一方のポンプ光Ｌｐ１、他方のポンプ光Ｌｐ２、ポンプ光Ｌｐ１の縮退四光波混合のアイドラー光Ｌａ１、ポンプ光Ｌｐ２の縮退四光波混合のアイドラー光Ｌａ２、ポンプ光Ｌｐ１及びポンプ光Ｌｐ２の四光波混合のアイドラー光Ｌａ３の光周波数をそれぞれｆ１，ｆｐ１，ｆｐ２，ｆ１’，ｆ１’’，ｆ１’’’、とする。さらにポンプ光同士の光周波数間隔をｄｆとすると次式が成り立つ。
ｆ１’＝２ｆｐ１−ｆ１
ｆ１’’＝２ｆｐ２−ｆ１＝２ｆｐ１＋２ｄｆ−ｆ１
ｆ１’’’＝ｆｐ１＋ｆｐ２−ｆ１＝２ｆｐ１＋ｄｆ−ｆ１
φ１’＝２φｐ１−φ１
φ１’’＝２φｐ２−φ１＝２φｐ１−φ１
φ１’’’＝φｐ１＋φｐ２−φ１＝２φｐ１−φ１
ここで、アイドラー光（Ｌａ１、Ｌａ２、Ｌａ３）は全て位相が同期している。なお、図面においては、アイドラー光（Ｌａ１、Ｌａ２、Ｌａ３）の光周波数ｆ１’，ｆ１’’，ｆ１’’’をまとめて“ｆ１^＊”と表している。

なお、ポンプ光と信号光の光周波数関係について示していないが、ポンプ光、信号光、アイドラー光は、その変調による光周波数拡がりを考慮して、それぞれ重ならないことが望ましい。ポンプ光と信号光またはポンプ光とアイドラー光が重なった場合、信号光やアイドラー光もポンプ光の一部となり、その変調成分が、不必要にそのポンプ光から生成されるアイドラー光に重畳される恐れがある。但し、信号光やアイドラー光とポンプ光とが重なる影響は、信号光やアイドラー光とポンプ光の強度比によるので、ポンプ光の強度が信号光やアイドラー光の強度に対して、例えば３０ｄＢのように十分に大きい場合、無視することができる。後述のへテロダイン検波の対象となるアイドラー光と他の光が重なった時は、後述のように光濾波器１２で、アイドラー光のみを取り出すことができないので、光濾波器１２で取り除けない成分が雑音となる。特に、重なる光がアイドラー光に対して強度が大きいポンプ光の場合は、その影響が大きくなる。

図１２は、信号光が１つ、ポンプ光が２つの場合で互いに光周波数が重ならない例である。図１２では、光周波数の低いほうから順に、信号光Ｌｓ、ポンプ光Ｌｐ１、ポンプ光Ｌｐ２、アイドラー光Ｌａ１、アイドラー光Ｌａ３、アイドラー光Ｌａ２の順で並んでいる。ここで光周波数の高低を反転してもよく、この高低の反転は以降の説明でも同様に可能である。

信号光Ｌｓの光周波数ｆ１＝ｆｓ、
ポンプ光Ｌｐ１の光周波数ｆｐ１＝ｆｓ＋Ｄ、
ポンプ光Ｌｐ２の光周波数ｆｐ２＝ｆｐ１＋ｄｆ＝ｆｓ＋Ｄ＋ｄｆ、
アイドラー光Ｌａ１の光周波数ｆ１’
＝２ｆｐ１−ｆｓ＝２ｆｓ＋２Ｄ−ｆｓ＝ｆｓ＋２Ｄ、
アイドラー光Ｌａ３の光周波数ｆ１’’’
＝ｆｐ１＋ｆｐ２−ｆｓ＝２ｆｐ１＋ｄｆ−ｆｓ＝ｆｓ＋２Ｄ＋ｄｆ、
アイドラー光Ｌａ２の光周波数ｆ１’’
＝２ｆｐ２−ｆｓ＝２ｆｐ１＋２ｄｆ−ｆｓ＝ｆｓ＋２Ｄ＋２ｄｆ
と表せる。ここで、信号光Ｌｓとポンプ光Ｌｐ１との光周波数間隔をＤ、ポンプ光間の光周波数間隔ｄｆをへテロダイン検波する中間周波数とし、信号光の伝送帯域Ｂを中間周波数の半分とした。

ここで、光送信機４０１の伝送信号による変調は、伝送帯域に制限しており、変調メインローブ以外の変調成分は無視できる前提で、中間周波数は最小の中間周波数である伝送帯域の２倍とした。このような変調は、光送信機４０１において光変調器または直接変調レーザを変調する信号自体を３ｄＢ帯域が変調帯域の０．５−０．８倍の電気の低域濾波器等を通過させる等によって帯域制限した変調により実現できる。メインローブより高周波の変調成分が無視できない場合、中間周波数は、伝送帯域にメインローブより高周波成分で無視できない変調成分の周波数幅を加えた周波数とすればよい。

この時、変調を考慮して信号光とポンプ光が重ならないためには、
｛ｆｐ１｝−｛ｆｓ｝−０．５ｄｆ＝｛ｆｓ＋Ｄ｝−｛ｆｓ｝−０．５ｄｆ＝Ｄ−０．５ｄｆ≧０、即ちＤ≧０．５ｄｆが成立すればよい。

また、変調を考慮してアイドラー光とポンプ光が重ならないためには、
｛２ｆｐ１−ｆｓ２｝−｛ｆｐ２｝−０．５ｄｆ＝｛ｆｓ＋２Ｄ｝−｛ｆｓ＋Ｄ＋ｄｆ｝−０．５ｄｆ＝Ｄ−１．５ｄｆ≧０、即ちＤ≧１．５ｄｆが成立すればよい。
従って、信号光Ｌｓとポンプ光Ｌｐ１との光周波数間隔Ｄは、ポンプ光間隔ｄｆの１．５倍以上であればこの条件を満たす。

ここで、後述する光濾波器１２の透過光周波数と遮断光周波数は光周波数軸上でステップ上に切り替わることを前提としている。透過光周波数と遮断光周波数の切替わりがなだらかな場合は、アイドラー光とポンプ光の間隔は、伝送帯域Ｂに相当するポンプ光間隔の半分の０．５ｄｆ以上の代わりに、ポンプ光が十分遮断できる間隔とすればよい。この光濾波器の特性の考慮は以降の説明においても同様に考慮すればよい。また、伝送帯域Ｂと中間周波数の関係は２倍としたが、後述する電気濾波器で中間周波数成分を抜き出すに必要な関係であれば良く２倍以上であっても良い。この電気濾波器の特性の考慮は以降の説明においても同様に考慮すればよい。

以下、図１の説明に戻る。光濾波器１２は、アイドラー光（Ｌａ１、Ｌａ２、Ｌａ３）のみを抜き出し、光検波器１３に入力する。

ヘテロダイン検波部２１は、光検波器１３と、光検波器１３の出力から中間周波数信号を抜き出す電気濾波器１４とを有する。ここで、アイドラー光（Ｌａ１、Ｌａ２、Ｌａ３）は全て位相が同期しているため、光検波器１３は一のアイドラー光を信号光、他のアイドラー光を局発光とみなすことでヘテロダイン同期検波が可能となる。

図１に示すように、光濾波器１２が、アイドラー光（Ｌａ１、Ｌａ２、Ｌａ３）を全て導通する場合、光検波器１３にて、アイドラー光Ｌａ１−アイドラー光Ｌａ３、アイドラー光Ｌａ２−アイドラー光Ｌａ３により中間周波数ｄｆの中間周波数信号が発生し、アイドラー光Ｌａ１−アイドラー光Ｌａ２により中間周波数の倍の２ｄｆの中間周波数信号が発生する。電気濾波器１４で、中間周波数２ｄｆの中間周波数信号を十分に抑圧し、中間周波数ｄｆの中間周波数信号を抜き出すことにより、アイドラー光Ｌａ１−アイドラー光Ｌａ３とアイドラー光Ｌａ２−アイドラー光Ｌａ３の中間周波数信号のヘテロダイン同期検波が可能となる。この構成は信号強度的にはもっとも望ましい。

電気濾波器１４は、アイドラー光Ｌａ１−アイドラー光Ｌａ２の中間周波数信号である２ｄｆの中間周波数信号を抜き出してもよい。また、光濾波器１２がアイドラー光（Ｌａ１、Ｌａ２、Ｌａ３）の内の任意の二つを抜き出してもよい。例えば、アイドラー光Ｌａ１−アイドラー光Ｌａ３とアイドラー光Ｌａ２−アイドラー光Ｌａ３のいずれかを抜き出してもよい。この場合、抜き出したアイドラー光同士の中間周波数信号しか光検波器１３で発生しないこととなる。なお、アイドラー光Ｌａ１−アイドラー光Ｌａ２のみを抜き出すと、電気濾波器１４の低周波側の減衰要求が緩和される効果もある。即ち光周波数２ｄｆの中間周波数信号を抜き出す電気濾波器１４が光周波数ｄｆの中間周波数信号を完全に抑圧できなくとも、光受信機３０１はヘテロダイン同期検波が可能である。

上記説明では、信号光Ｌｓ１の中心光周波数は一定であることを前提としたが、非特許文献３に記載されるように時間に対して光周波数が変化する光であってもよい。この場合、ポンプ光（Ｌｐ１、Ｌｐ２）の光周波数が信号光Ｌｓ１の時間に対する光周波数変化に同期して変化すればよい。

本実施形態では、光増幅器を示していないが適宜使用することとしてもよい。

本実施形態では、ポンプ光を２つ用いた縮退四光波混合を例として説明を加えたが、３以上のポンプ光を用いてもよい。例えば、光周波数軸上で信号光の低周波数側に１ポンプ光、高周波数側に２ポンプ光が配置される３ポンプ光を用いるとする。ここで、低周波数側のポンプ光の光周波数をｆｐ１とし、高周波数側のポンプ光の光周波数をｆｐ２とｆｐ２＋ｄｆとする。このときｆｐ２よりも高周波数側の光周波数ｆ１の信号光に対する光周波数がｆｐ１とｆｐ２のポンプ光に対するアイドラー光の光周波数をｆ^＆、光周液数がｆｐ１とｆｐ２＋ｄｆのポンプ光に対するアイドラー光の光周波数をｆ^＆＆とする。このときアイドラー光の光周波数ｆ１^＆とｆ１^＆＆について次式が成り立つ。
ｆ１^＆＝ｆｐ２＋ｆ１−ｆｐ１＝（ｆｐ２−ｆｐ１）＋ｆ１
ｆ１^＆＆＝ｆｐ２＋ｄｆ＋ｆ１−ｆｐ１＝（ｆｐ２−ｆｐ１）＋ｆ１＋ｄｆ

この場合、周波数間隔がｄｆだけ離れた光周波数ｆ１^＆とｆ１^＆＆の２つのアイドラー光が生成する。この２つのアイドラー光を光検波することにより、中間周波数ｄｆでのヘテロダイン同期検波が可能となる。なお、ここで、高周波側に２つのポンプ光を配したが、低周波数側に２つのポンプ光を配するとしても同様である。両ポンプ光は、信号光とアイドラー光がその両ポンプ光の間に収まる間隔であればよい。

光周波数ｆ１^＆とｆ１^＆＆のアイドラー光の光周波数は、信号光、ポンプ光、光周波数ｆ１^＆とｆ１^＆＆、以外のアイドラー光から光濾波器１２で十分遮断できる光周波数であるか、電気濾波器１４で遮断できる光周波数、例えばｄｆ以上異なるとする。

ここで、ポンプ光の間に信号光が入る例で示したが、信号光の高周波側又は、低周波側にポンプ光が位置していても良い。図１３は、信号光が１つ、ポンプ光が３つの場合で互いに光周波数が重ならない例である。図１３では、光周波数の低いほうから順に、信号光Ｌｓ、ポンプ光Ｌｐ１、ポンプ光Ｌｐ２、第３のポンプ光Ｌｐ３、アイドラー光Ｌａ１、Ｌａ３、アイドラー光Ｌａ２、ポンプ光Ｌｐ３とポンプ光Ｌｐ１又はポンプ光Ｌｐ２とのアイドラー光（Ｌａ４、Ｌａ５とする）、ポンプ光Ｌｐ３の縮退四光波混合のアイドラー光Ｌｐ６の順で並んでいるが、光周波数の高低を反転してもよい。また図１３では、アイドラー光Ｌａ４とＬａ５をヘテロダイン検波の対象としているが、アイドラー光Ｌａ１、Ｌａ３、Ｌａ２を用いてヘテロダイン検波をしても良い。

信号光の光周波数ｆ１＝ｆｓ、
ポンプ光Ｌｐ１の光周波数ｆｐ１＝ｆｓ＋Ｄ、
ポンプ光Ｌｐ２の光周波数ｆｐ２＝ｆｐ１＋ｄｆ＝ｆｓ＋Ｄ＋ｄｆ、
ポンプ光Ｌｐ３の光周波数ｆｐ３＝ｆｓ＋Ｈ、
アイドラー光Ｌａ１、Ｌａ３、Ｌａ２、Ｌａ４、Ｌａ５、Ｌａ６の光周波数をそれぞれ
ｆ１’＝２ｆｐ１−ｆｓ＝２ｆｓ＋２Ｄ−ｆｓ＝ｆｓ＋２Ｄ、
ｆ１’’’＝ｆｐ１＋ｆｐ２−ｆｓ＝２ｆｐ１＋ｄｆ−ｆｓ＝ｆｓ＋２Ｄ＋ｄｆ、
ｆ１’’＝２ｆｐ２−ｆｓ＝２ｆｐ１＋２ｄｆ−ｆｓ＝ｆｓ＋２Ｄ＋２ｄｆ、
ｆ１’’’’＝ｆｐ１＋ｆｐ３−ｆｓ＝ｆｓ＋Ｄ＋Ｈ、
ｆ１’’’’’＝ｆｐ２＋ｆｐ３−ｆｓ＝ｆｓ＋Ｄ＋Ｈ＋ｄｆ、
ｆ１’’’’’’＝２ｆｐ３−ｆｓ＝２ｆｓ＋２Ｈ−ｆｓ＝ｆｓ＋２Ｈ
と表せる。ここで、信号光Ｌｓとポンプ光Ｌｐ１との光周波数間隔をＤ、信号光Ｌｓとポンプ光Ｌｐ３との光周波数間隔をＨ、ポンプ光Ｌｐ１とポンプ光Ｌｐ２との間の光周波数間隔ｄｆをヘテロダイン検波する中間周波数、信号光の伝送帯城Ｂを、中間周波数の半分とした。

この時、変調を考慮して、信号光とポンプ光が重ならないためには、変調サイドバンドが伝送帯域Ｂとすると
｛ｆｐ１｝−｛ｆｓ｝−０．５ｄｆ＝｛ｆｓ＋Ｄ｝−｛ｆｓ｝−０．５ｄｆ＝Ｄ−０．５ｄｆ≧０、即ちＤ≧０．５ｄｆが成立すればよい。

変調を考慮してアイドラー光とポンプ光が重ならないためには、
｛２ｆｐ１−ｆｓ｝−｛ｆｐ３｝−０．５ｄｆ＝｛ｆｓ＋２Ｄ｝−｛ｆｓ＋Ｈ｝−０．５ｄｆ＝２Ｄ−Ｈ−０．５ｄｆ≧０、即ちＨ≦２Ｄ−０．５ｄｆが成立すればよい。

それぞれの変調を考慮してアイドラー光Ｌａ４とアイドラー光Ｌａ２が重ならないためには、
｛２ｆｐ３−ｆｓ｝−｛ｆｐ２＋ｆｐ３−ｆｓ｝−１ｄｆ＝｛ｆｓ＋２Ｈ｝−｛ｆｓ＋Ｄ＋Ｈ＋ｄｆ｝＝Ｈ−Ｄ−２ｄｆ≧０、即ちＨ≧Ｄ＋２ｄｆが成立すればよい。

それぞれの変調を考慮してアイドラー光Ｌａ５とアイドラー光Ｌａ６が重ならないためには、
｛２ｆｐ３−ｆｓ｝−｛ｆｐ２＋ｆｐ３−ｆｓ｝−１ｄｆ＝｛ｆｓ＋Ｄ＋Ｈ｝−｛ｆｓ＋２Ｄ＋２ｄｆ｝−ｄｆ＝Ｈ−Ｄ−４ｄｆ≧０、即ちＨ≧Ｄ＋４ｄｆが成立すればよい。
従って、信号光Ｌｓとポンプ光Ｌｐ１との光周波数間隔Ｄは、ポンプ光間隔ｄｆの４．５倍であればこの条件を満たす。ポンプ光Ｌｐ３がポンプ光Ｌｐ１よりも低周波数の場合も、同様である。

また例えば、周波数間隔がｄｆの互いに位相の揃った４ポンプ光を用いる場合、縮退四光波混合以外の６つのアイドラー光の光周波数をそれぞれｆａ、ｆｂ、ｆｃ、ｆｄ、ｆｅ、ｆｆとすると次式が成り立つ。
ｆａ＝２ｆｐ１＋ｄｆ−ｆ１
ｆｂ＝２ｆｐ１＋２ｄｆ−ｆ１
ｆｃ＝２ｆｐ１＋３ｄｆ−ｆ１
ｆｄ＝２ｆｐ１＋４ｄｆ−ｆ１
ｆｅ＝２ｆｐ１＋５ｄｆ−ｆ１
ｆｆ＝２ｆｐ１＋６ｄｆ−ｆ１

なお、縮退四光波混合の４つのアイドラー光の光周波数はｆ１’、ｆｂ＝ｆ１’’、ｆｃ、ｆｆである。この場合、ｄｆ、２ｄｆ、３ｄｆ、４ｄｆ、５ｄｆ、６ｄｆの中間周波数信号が発生するので、任意の中間周波数信号を選択してヘテロダイン同期検波すればよい。

本実施形態の光受信機及び光通信システムは、局発光の位相同期を行う光位相同期ループを用いずにヘテロダイン同期検波を実現することができる。

（第２の実施形態）
図２は、信号光に複数の光周波数が含まれる場合の光通信システムを説明する概略図である。図１と図２の光通信システムの違いは信号光のみである。本光通信システムが伝送する信号光は、異なる光周波数の複数の光からなる。

図６は、信号光を構成する異なる光周波数の光の数が２、その周波数間隔が中間周波数の４倍、伝送帯域の８倍とした場合の光スペクトルの模式図である。図７は、この場合に光検波器１３が出力する電気スペクトルの模式図である。図６の横軸は光周波数で、縦の矢印は光スペクトルの中心周波数で、実線の台形は変調成分を意味する。図７の横軸は周波数で、実線の台形は変調成分を意味し、台形内の縦線は電気スペクトルの中心周波数を意味し、破線の台形は電気濾波器１４の透過帯域を意味する。図６に示すように、信号光を構成する異なる光周波数の二つの光に対応するアイドラー光は光周波数で中間周波数の倍の２ｄｆ以上離れる。このため、中間周波数ｄｆの中間周波数信号を抜き出す電気濾波器１４は、図７に示すように中間周波数の倍の２ｄｆの中間周波数信号を十分抑圧可能であり、光検波器１３の出力から中間周波数ｄｆの中間周波数成分のみを抜き出すことが可能である。従って、図２の光受信機３０１は、信号光を構成する異なる光周波数の複数の光間でのビートによる雑音を抑圧でき、信号光を構成する異なる光周波数の複数の光毎にヘテロダイン同期検波が可能となる。

ここで、光送信機４０１の伝送信号による変調は、伝送帯域に制限しており、変調メインローブ以外の変調成分は無視できる前提で、中間周波数は最小の中間周波数である伝送帯域の２倍とした。このような変調は、光送信機４０１において光変調器または直接変調レーザを変調する信号自体を３ｄＢ帯域が変調帯域の０．５−０．８倍の電気の低域濾波器等を通過させる等によって帯域制限した変調により実現できる。メインローブより高周波の変調成分が無視できない場合、中間周波数は、伝送帯域にメインローブより高周波成分で無視できない変調成分の周波数幅を加えた周波数とすればよい。さらに、信号光を構成する複数の光周波数間隔は、この中間周波数の４倍以上とすればよい。

なお、中間周波数の倍の２ｄｆの中間周波数信号を、電気濾波器１４で取り出してヘテロダイン同期検波するためには、信号光を構成する異なる光周波数の光の周波数間隔を中間周波数の５倍以上離せばよい。この場合、信号光を構成する異なる光周波数の光に対応するアイドラー光は中間周波数の３倍の３ｄｆ以上離れる。

なお、上記の例ではポンプ光と信号光の光周波数関係について示していないが、ヘテロダイン検波の対象となるアイドラー光同士の光周波数間隔に加えて、ポンプ光、信号光、アイドラー光は、その変調による光周波数拡がりを考慮して、それぞれ重ならないことが望ましい。以下、ヘテロダイン検波の対象となるアイドラー光の組同士は２ｄｆ間隔以上、ヘテロダイン検波の対象とならないアイドラー光は光濾波器１２によって遮断することを前提に、ヘテロダイン検波の対象のアイドラー光と対象でないアイドラー光は、１ｄｆ間隔以上、変調成分の乗っていないポンプ光と信号光又はアイドラー光は０．５ｄｆ間隔以上として、それぞれの光周波数関係の例を示す。なお、ヘテロダイン検波の対象とならないアイドラー光は光濾波器１２によって遮断できない場合は、ヘテロダイン検波の対象のアイドラー光同士と同様に２ｄｆ間隔以上であることが望ましいことは同様である。

図１４は、信号光が２つ、ポンプ光が２つの場合で互いに光周波数が重ならない例である。図１４では、光周波数の低いほうから順に、信号光Ｌｓ１、Ｌｓ２、ポンプ光Ｌｐ１、Ｌｐ２、信号光Ｌｓ１のアイドラー光、信号光Ｌｓ２のアイドラー光の順で並んでいる。ここで、光周波数の配置の高低は反転してもよい。

信号光Ｌｓ１の光周波数ｆ１＝ｆｓ、
信号光Ｌｓ２の光周波数ｆ２＝ｆｓ＋Ｓ、
ポンプ光Ｌｐ１の光周波数ｆｐ１＝ｆｓ＋Ｄ、
ポンプ光Ｌｐ２の光周波数ｆｐ２＝ｆｐ１＋ｄｆ＝ｆｓ＋Ｄ＋ｄｆ、
信号光Ｌｓ１とポンプ光Ｌｐ１及びＬｐ２とのアイドラー光の光周波数をそれぞれ
ｆ１’＝２ｆｐ１−ｆｓ＝２ｆｓ＋２Ｄ−ｆｓ＝ｆｓ＋２Ｄ、
ｆ１’’’＝ｆｐ１＋ｆｐ２−ｆｓ＝２ｆｐ１＋ｄｆ−ｆｓ＝ｆｓ＋２Ｄ＋ｄｆ、
ｆ１’’＝２ｆｐ２−ｆｓ＝２ｆｐ１＋２ｄｆ−ｆｓ＝ｆｓ＋２Ｄ＋２ｄｆ、
信号光Ｌｓ２とポンプ光Ｌｐ１及びＬｐ２のアイドラー光の光周波数をそれぞれ
ｆ２’＝２ｆｐ１−ｆ２＝ｆｓ＋２Ｄ−Ｓ、
ｆ２’’’＝ｆｐ１＋ｆｐ２−ｆ２＝ｆｓ＋２Ｄ＋ｄｆ−Ｓ、
ｆ２’’＝２ｆｐ２−ｆ２＝ｆｓ＋２Ｄ＋２ｄｆ−Ｓ
と表せる。ここで、信号光間の光周波数間隔をＳ、信号光Ｌｓとポンプ光Ｌｐ１との光周波数間隔をＤ、ポンプ光間の光周波数間隔ｄｆをヘテロダイン検波する中間周波数、信号光の伝送帯域Ｂを、中間周波数の半分とした。

この時、ヘテロダイン検波対象とするアイドラー光の中で、異なる信号光に対応する中間周波数成分がないためには、２ｄｆ以上離れればよい。従って、｛２ｆｐ１−ｆｓ｝−｛２ｆｐ２−ｆ２｝−２ｄｆ＝｛ｆｓ＋２Ｄ｝−｛ｆｓ＋２Ｄ＋２ｄｆ−Ｓ｝−２ｄｆ＝Ｓ−４ｄｆ≧０、即ち、Ｓ≧４ｄｆを満たせばよい。

変調を考慮して信号光とポンプ光が重ならないためには、
｛ｆｐ１｝−｛ｆ２｝−０．５ｄｆ＝｛ｆｓ＋Ｄ｝−｛ｆｓ＋Ｓ｝−０．５ｄｆ＝Ｄ−Ｓ−０．５ｄｆ≧０、即ちＤ≧Ｓ＋０．５ｄｆが成立すればよい。

変調を考慮してアイドラー光とポンプ光が重ならないためには、
｛２ｆｐ１−ｆ２｝−｛ｆｐ２｝−０．５ｄｆ＝｛ｆｓ＋２Ｄ−Ｓ｝−｛ｆｓ＋Ｄ＋ｄｆ｝−０．５ｄｆ＝Ｄ−Ｓ−１．５ｄｆ≧０、即ちＤ≧Ｓ＋１．５ｄｆが成立すればよい。従って、信号光間の光周波数間隔Ｓは４ｄｆ、信号光Ｌｓとポンプ光Ｌｐ１との光周波数間隔Ｄは、ポンプ光間隔ｄｆの５．５倍以上であればこの条件を満たす。

ここで、後述する光濾波器１２の透過光周波数と遮断光周波数は光周波数軸上でステップ上の切り替わることを前提としている。透過光周波数と遮断光周波数の切替わりがなだらかな場合は、アイドラー光とボンプ光の間隔は、伝送帯域Ｂに相当するポンプ光間隔の半分の０．５ｄｆの代わりに，ポンプ光が十分遮断できる間隔とすればよい。また。伝送帯域Ｂと中間周波数の関係は２倍としたが、後述する電気濾波器で中間周波数成分を抜き出すに必要な関係であれば良く、２倍以上であっでも良い。

また、ヘテロダイン検波対象とするアイドラー光を信号毎に、後述の第３の実施形態と同様に光濾波器でそれぞれ分岐し、それぞれ異なる光検波器でヘテロダイン検波する場合は、異なる信号光に対応するアイドラー光の変調成分同士が重ならなければよい。即ち伝送帯域の倍であるｄｆ以上離れればよいので、信号光間の光周波数間隔ＳはＳ≧３ｄｆを満たせばよいのは明らかである。この関係は以降の説明でも同様である。

また、信号光が３以上の場合は、信号光間の光周波数間隔Ｓに信号光数から１を引いた数を乗じた光周波数間隔で、信号光とポンプ光の光周波数間隔の関係式を計算すれば同様に求まる。この関係は以降の説明でも同様である。

ポンプ光が３以上の場合も、信号光を構成する異なる光周波数の光に対応するアイドラー光が、電気濾波器１４で取り出してヘテロダイン同期検波したい周波数以上離れればよいのは同様である。

例えば、光周波数軸上で信号光の低周波数側に１つのポンプ光、高周波数側に２つのポンプ光が配置される３ポンプ光を用いるとする。ここで、低周波数側のポンプ光の光周波数をｆｐ１とし、高周波数側のポンプ光の光周波数をｆｐ２とｆｐ２＋ｄｆとする。このときｆｐ２よりも高周波数側に位置する光周波数ｆ１及びｆ２の信号光に対する光周波数がｆｐ１とｆｐ２のポンプ光に対するアイドラー光の光周波数をｆ１^＆、ｆ１^＆＆、光周波数ｆ２の信号光に対する光周波数がｆｐ１とｆｐ２＋ｄｆのポンプ光に対するアイドラー光の光周波数をｆ２^＆、ｆ２^＆＆とする。このときアイドラー光の光周波数ｆ１^＆、ｆ１^＆＆、ｆ２^＆、ｆ２^＆＆について次式が成り立つ。
ｆ１^＆＝ｆｐ２＋ｆ１−ｆｐ１＝（ｆｐ２−ｆｐ１）＋ｆ１
ｆ１^＆＆＝ｆｐ２＋ｄｆ＋ｆ１−ｆｐ１＝（ｆｐ２−ｆｐ１）＋ｆ１＋ｄｆ
ｆ２^＆＝ｆｐ２＋ｆ２−ｆｐ１＝（ｆｐ２−ｆｐ１）＋ｆ２
ｆ２^＆＆＝ｆｐ２＋ｄｆ＋ｆ２−ｆｐ１＝（ｆｐ２−ｆｐ１）＋ｆ２＋ｄｆ

この場合、隣接する信号光に対するアイドラー光の間隔が３ｄｆ以上であれば、それぞれの信号光を独立してヘテロダイン検波することが可能である。このため、信号光を構成する異なる光周波数の複数の光の光周波数間隔は、｜ｆ２−ｆ１｜≧３ｄｆ以上、即ち、中間周波数の３倍以上とする。ここで、高周波側に２つのポンプ光を配したが、低周波数側に２つのポンプ光を配するとしても同様である。なお、両ポンプ光は、信号光とアイドラー光がその両ポンプ光の間に収まる間隔であればよい。

光周波数ｆ１^＆とｆ１^＆＆のアイドラー光の光周波数は、信号光、ポンプ光、光周波数ｆ１^＆とｆ１^＆＆以外のアイドラー光から光濾波器１２で十分遮断できる光周波数であるか、電気濾波器１４で遮断できる光周波数、例えばｄｆ以上異なるとする。

ここで、ポンプ光の間に信号光が入る例で示したが、信号光の高周波側又は低周波側に
ポンプ光が位置していても良い。図１５は、信号光が２つ、ポンプ光が３つの場合で互いに光周波数が重ならない例である。図１５では、光周波数の低いほうから順に、
信号光Ｌｓ１、Ｌｓ２、ポンプ光Ｌｐ１、Ｌｐ２、Ｌｐ３、
信号光Ｌｓ２とポンプ光Ｌｐ１とＬｐ２に対応するアイドラー光、
信号光Ｌｓ１とポンプ光Ｌｐ１とＬｐ２に対応するアイドラー光、
信号光Ｌｓ２とポンプ光Ｌｐ３とＬｐ１又は２に対応するアイドラー光、
信号光Ｌｓ１とポンプ光Ｌｐ３とＬｐ１又はＬｐ２に対応するアイドラー光、
信号光Ｌｓ２又はＬｓ１とポンプ光Ｌｐ３に対応するアイドラー光
の順で並んでいる。光周波数の高低は反転してもよい。また図１５では、ポンプ光Ｌｐ３とＬｐ１又はＬｐ２に対応するアイドラー光をヘテロダイン検波の対象としている。

信号光の光周波数をそれぞれｆ１＝ｆｓ、ｆ２＝ｆｓ＋Ｓ、
ポンプ光Ｌｐ１、Ｌｐ２、Ｌｐ３の光周波数をそれぞれｆｐ１＝ｆｓ＋Ｄ、ｆｐ２＝ｆｐ１＋ｄｆ＝ｆｓ＋Ｄ＋ｄｆ、ｆｐ３＝ｆｓ＋Ｈ、
アイドラー光の光周波数をそれぞれ
ｆ２’＝２ｆｐ１−ｆ２＝２ｆｓ＋２Ｄ−ｆｓ−Ｓ＝ｆｓ＋２Ｄ−Ｓ、
ｆ２’’’＝ｆｐ１＋ｆｐ２−ｆ２＝２ｆｐ１＋ｄｆ−ｆｓ−Ｓ＝ｆｓ＋２Ｄ＋ｄｆ−Ｓ、
ｆ２’’＝２ｆｐ２−ｆ２＝２ｆｐ１＋２ｄｆ−ｆｓ−Ｓ＝ｆｓ＋２Ｄ＋２ｄｆ−Ｓ、
ｆ２’’’’＝ｆｐ１＋ｆｐ３−ｆ２＝ｆｓ＋Ｄ＋Ｈ−Ｓ、
ｆ２’’’’’＝ｆｐ２＋ｆｐ３−ｆ２＝ｆｓ＋Ｄ＋Ｈ＋ｄｆ−Ｓ、
ｆ２’’’’’’＝２ｆｐ３−ｆ２＝２ｆｓ＋２Ｈ−ｆｓ−Ｓ＝ｆｓ＋２Ｈ−Ｓ、
ｆ１’＝２ｆｐ１−ｆｓ＝２ｆｓ＋２Ｄ−ｆｓ＝ｆｓ＋２Ｄ、
ｆｌ’’’＝ｆｐ１＋ｆｐ２−ｆｓ＝２ｆｐ１＋ｄｆ−ｆｓ＝ｆｓ＋２Ｄ＋ｄｆ、
ｆ１’’＝２ｆｐ２−ｆｓ＝２ｆｐ１＋２ｄｆ−ｆｓ＝ｆｓ＋２Ｄ＋２ｄｆ、
ｆ１’’’’＝ｆｐ１＋ｆｐ３−ｆｓ＝ｆｓ＋１Ｄ＋Ｈ、
ｆ１’’’’’＝ｆｐ２＋ｆｐ３−ｆｓ＝ｆｓ＋Ｄ＋Ｈ＋ｄｆ、
ｆ１’’’’’’’＝２ｆｐ３−ｆｓ＝２ｆｓ＋２Ｈ−ｆｓ＝ｆｓ＋２Ｈ
と表せる。ここで、信号光の間の光周波数間隔をＳ、信号光Ｌｓ１とポンプ光Ｌｐ１との光周波数間隔をＤ、信号光Ｌｓ１とポンプ光Ｌｐ３との光周波数間隔をＨ、ポンプ光Ｌｐ１とポンプ光Ｌｐ２との間の光周波数間隔ｄｆをヘテロダイン検波する中間周波数、信号光の伝送帯域Ｂを、中間周波数の半分とした。

この時、へテロダイン検波対象とするアイドラー光の中で、異なる信号光に対応する中間周波数成分がないためには、２ｄｆ以上離れればよいので、
｛ｆｐ１＋ｆｐ３−ｆｓ｝−｛ｆｐ２＋ｆｐ３−ｆ２｝−２ｄｆ＝｛ｆｓ＋Ｄ＋Ｈ｝−｛ｆｓ＋Ｄ＋Ｈ＋ｄｆ−Ｓ｝−２ｄｆ＝Ｓ−３ｄｆ≧０、即ち、Ｓ≧３ｄｆ
を満たせばよい。

変調を考慮して、信号光とポンプ光が重ならないためには、変調サイドバンドが伝送帯域Ｂとすると、
｛ｆｐ１｝−｛ｆ２｝−０．５ｄｆ＝｛ｆｓ＋Ｄ｝−｛ｆｓ＋Ｓ｝−０．５ｄｆ＝Ｄ−Ｓ−０．５ｄｆ≧０、即ちＤ≧Ｓ＋０．５ｄｆ≧３．５ｄｆが成立すればよい。

変調を考慮してアイドラー光とポンプ光が重ならないためには、
｛２ｆｐ１−ｆ２｝−｛ｆｐ３｝−０．５ｄｆ＝｛ｆｓ＋２Ｄ−Ｓ｝−｛ｆｓ＋Ｈ｝−０．５ｄｆ＝２Ｄ−Ｈ−Ｓ−０．５ｄｆ≧０、即ちＨ≦２ＤーＳ−０．５ｄｆが成立すればよい。

それぞれの変調を考慮してヘテロダイン対象のアイドラー光とそれ以外のアイドラー光が重ならないためには、
｛ｆｐ１＋ｆｐ３−ｆｓ２｝−｛２ｆｐ２−ｆｓ｝−１ｄｆ＝｛ｆｓ＋Ｄ＋Ｈ−Ｓ｝−｛ｆｓ＋２Ｄ＋２ｄｆ｝−ｄｆ＝Ｈ−Ｄ−Ｓ−３ｄｆ≧０、
即ちＨ≧Ｄ＋Ｓ＋３ｄｆ≧Ｄ＋６ｄｆ
及び
｛２ｆｐ３−ｆｓ２｝−｛ｆｐ２＋ｆｐ３−ｆｓ｝−１ｄｆ＝｛ｆｓ＋２Ｈ−Ｓ｝−｛ｆｓ＋Ｄ＋Ｈ＋ｄｆ｝−ｄｆ＝Ｈ−Ｄ−Ｓ−２ｄｆ≧０、
即ちＨ≧Ｄ＋Ｓ＋２ｄｆ≧Ｄ＋５ｄｆ
が成立すればよい。
従って、信号光Ｌｓとポンプ光Ｌｐ１との光周波数間隔Ｄは、ポンプ光間隔ｄｆの９．５倍であればこの条件を満たす。ポンプ光Ｌｐ３がポンプ光Ｌｐ１よりも低周波数の場合も、同様である。

以上述べたように、本光通信システムは、それぞれの信号光に対応して互いに同期したアイドラー光の組が独立して発生するため、それぞれ混信することなくヘテロダイン同期検波を行うことができる。

（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態の光通信システムを説明する概略図である。図２の光通信システムと本光通信システムとの違いは、受信機３０２の代替として受信機３０３を有している点である。光受信機３０３は、信号光毎にアイドラー光を出力する四光波混合部３３、及び信号光毎にアイドラー光をヘテロダイン検波するヘテロダイン検波部２３を有する。

四光波混合部３３は復号器１５を持ち、複数の光周波数の光のアイドラー毎にアイドラー光を出力する。ヘテロダイン検波部２３は、複数の光周波数の光のアイドラー毎に光検波する光検波器（１３ａ〜１３ｄ）を持つ。その他の点に関しては、第１の実施形態と同様である。信号光は、互いの光周波数間隔が前記帯域の６倍以上の光周波数、且つ前記中間周波数の３倍以上の光周波数であり、ポンプ光は２波長の場合で説明する。

図８は、信号光を構成する異なる光周波数の光の数が２、その周波数間隔が中間周波数の３倍、伝送帯域の６倍とした場合の光スペクトルの模式図である。図９は、この場合に光検波器（１３ａ〜１３ｄ）が出力する電気スペクトルの模式図である。図８の横軸は周波数で、縦の矢印は光スペクトルの場合は中心周波数で、実線の台形は変調成分を、破線の台形は濾波器の透過帯域を意味する。図８に示すように、信号光を構成する異なる光周波数の二つの光に対応するアイドラー光はｄｆ以上離れる。このため、第２の実施形態と異なり、信号光を構成する異なる光周波数の二つの光のアイドラー光同士の周波数間隔がｄｆとなる。図２の構成で、ポンプ光が中間周波数ｄｆだけ異なる２波長とした場合、光検波した後では、信号光を構成する異なる光周波数の複数の光間でのビートを電気濾波器１４で除去できないので、ビートによる雑音が無視できない。しかし、本実施形態の光受信機３０３は、復号器１５で信号光を構成する異なる光周波数の複数の光毎に分離し、それぞれを光検波器（１３ａ〜１３ｄ）で光検波するので、異なる光周波数の複数の光間でのビートが発生しない。光検波器（１３ａ〜１３ｄ）で光検波した電気信号は、加減算器１７で加減算され、電気濾波器１４で必要な中間周波数の信号だけ取り出される。このため、本光通信システムは、信号光を構成する異なる光周波数の複数の光毎にヘテロダイン同期検波が可能となる。

光送信機４０１の伝送信号による変調は、第２の実施形態と同様に伝送帯域に制限しており、変調メインローブ以外の変調成分は無視できる前提で、中間周波数は最小の中間周波数である伝送帯域の２倍とした。メインローブより高周波の変調成分が無視できない場合も同様に、中間周波数は、伝送帯域にメインローブより高周波成分で無視できない変調成分の周波数幅を加えた周波数とすればよい。さらに、信号光を構成する複数の光周波数間隔は、この中間周波数の４倍以上とすればよい。

このようにして、本光通信システムは、非特許文献１に示された構成における信号光を構成する異なる光周波数の光（スペクトルチップ）の光周波数間隔の最小値の３ｄｆである信号光を２ポンプ光の場合に、ヘテロダイン検波することができる。さらに、第２の実施形態に示したように、３ポンプ光の場合に、光周波数間隔２ｄｆの信号光をヘテロダイン検波することも可能である。また、光濾波器１２により、アイドラー光を間引くことで、信号光を構成する異なる光周波数の光に対応するアイドラー間のビート成分を削減することも可能である。

（第４の実施形態）
図４及び図５は、第４の実施形態の光通信システムを説明する概略図である。本光通信システムは、信号光を構成するスペクトルチップを用いた光符号多重の信号光を受信する。このような光符号分割多重の信号光は同一の光周波数の光を複数の信号光で利用する。

図２の光通信システムと本光通信システムとの違いは、送受信機で送受する信号光が光符号多重の信号光であることに加えて、受信機３０１の代替として受信機３０４又は受信機３０５を有している点である。光受信機３０４又は受信機３０５は、アイドラー光を復号する符号に応じて分岐して出力する四光波混合部（３３、３５）と、四光波混合部（３３、３５）からの分岐されたアイドラー光をヘテロダイン検波後に復号する符号に応じてそれぞれ加減算するヘテロダイン検波部２５を有する。

図４の光受信機３０４は、光濾波器１２の後に、非特許文献１に記載される信号光を構成するスペクトルチップを復号する符号に応じて分岐する復号器１５を四光波混合部３３に持ち、復号器１５で分岐した出力を差動検波する差動光検波器１６をヘテロダイン検波部２５に持つ。差動光検波器１６の出力は中間周波数の電気濾波器１４へ入力される。図４には記載されないが、ヘテロダイン検波部２５は、図３のヘテロダイン検波部２３のように復号器１５と各出力を検波する光検波器（１３ａ〜１３ｄ）、それぞれの光検波器の出力を中間周波数の電気濾波器（１４ａ〜１４ｄ）を通し、符号に合わせて加減算する加減算器を有していてもよい。

なお、アイドラー光と信号光は光周波数の並びが反転することを鑑みて、復号器１５の符号は符号器で符号化するときの符号と光周波数軸で反転した並びとなっている。図４では、符号（１１００）または（００１１）に応じた復号器１５で説明している。ここで、符号は例であり、他の符号でもよいし、４以外の符号長であってもよい。各スペクトルチップの周波数間隔は、各スペクトルチップのアイドラー光の間隔となっている。

また、復号器１５又は光濾波器１２により、アイドラー光を間引くことで、異なるスペクトルチップに対応するアイドラー間のビート成分を削減することも可能である。

また、光濾波器１２は、図５のように復号器１５の後に配置してもよいし、復号器と一体であってもよい。

図４の光受信機３０４と図５の光受信機３０５との違いは、復号器１５の配置にある。図５の光受信機３０５の場合、復号器１５は、非線形媒質部１１の前に位置し、信号光のみが入力される。また、光受信機３０５は、少なくとも加算するスペクトルチップと、減算するスペクトルチップとが入力される複数の非線形媒質部１１を具備する。それぞれの非線形媒質部１１は、復号器１５の各出力をそれぞれ四光波混合する。なお、非線形媒質部１１はスペクトルチップ毎に具備してもよい。この構成は、光周波数の並びが反転するアイドラー光ではなく、信号光をそのまま復号器１５に入力するので、復号器１５の符号は光周波数軸で反転した並びではなく、符号器で符号化したときと同じスペクトルチップの並びとなる。また、復号器１５の符号の周波数間隔も信号光のスペクトルチップの周波数間隔と等しく、光送信機４０１に搭載される符号器と同じ構成の復号器をそのまま使用できる。

以上述べたように、本光通信システムは、すべての複数の光符号多重の信号光を構成する複数のスペクトルチップに対応して位相差が一定の信号光と局発光の組をそれぞれ生成してヘテロダイン同期検波を行う。このため、本光通信システムは、信号光−局発光間の位相差ばらつきによるＭＡＩの課題を解消することができる。

（第５の実施形態）
本光通信システムと第４の実施形態との違いは、信号光、ポンプ光、復号器が用いる符号にある。その他は第４の実施形態と同様である。光通信システムの信号光は、信号光を構成するスペクトルチップがそれぞれ時間に対して周波数が同様に変化する。具体的には複数のスペクトルチップのそれぞれが、非特許文献３に示されるように変化する。

ポンプ光は信号光の時間に対する周波数変化に同期して周波数が同様に変化する光である。また、符号は、非特許文献４で提案された隣接スペクトルチップでの漏れ込みで直交化のために不足するスペクトルチップを追加している符号である。具体的には、符号の巡回性を用いて、漏れ込みのあるスペクトルチップに対応するチップを符号の反対側に配置した符号を復号する復号器１５としている。例えば、元の符号が００１０１１１であり、±１スペクトルチップ漏れ込みの場合、１００１０１１１０とする。漏れ込みのあるスペクトルチップ数の範囲内でスペクトルチップシフトして同じ符号となる符号による干渉は避けられないので、それらの符号同士は同時には用いない。使用しない符号数は隣接スペクトルチップの漏れ込み以外が無視できる場合、スペクトルチップシフトしたＭ系列符号では半分、ウオルシュアダマール符号では高々１となる。

本光通信システムは、この符号を用い、且つ図５の構成をとることで、各スペクトルチップの周波数間隔に応じた復号器１５であっても、光符号分割多重の信号をヘテロダイン同期検波することが可能である。これは、通常、復号器に用いられる光濾波器では、透過強度が減少するところで光の位相が回転するため、信号光と局発光の位相差が変化する。このため、上記のような信号光の場合、一つのシンボル時間内でも位相関係が変動する。そのため、各スペクトルチップの周波数間隔に応じた復号器では、信号光−局発光間の位相差ばらつきによるＭＡＩが発生する。しかし、本光通信システムは、位相差ばらつきが発生しないため信号光−局発光間の位相差ばらつきによるＭＡＩを解消することができる。

（第６の実施形態）
本光通信システムは、互いに同一の円偏波状態であるポンプ光を使用し、円偏波ねじり光ファイバの四光波混合部で前記アイドラー光を生成する。本光通信システムと第１から第５の実施形態との違いは、ポンプ光源４０２からのポンプ光の偏波と非線形媒質部１１にある。即ち、ポンプ光源４０２はポンプ光を同一の円偏波状態とし、四光波混合部は円偏波ねじり光ファイバとする。このため、本光通信システムは、四光波混合における偏波依存性を解消でき、ヘテロダイン周期検波の偏波依存性を解消できる。

（第７の実施形態）
本光通信システムは、非線形媒質７１と偏波ビームコンバイナ（ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＢｅａｍＣｏｍｂｉｎｅｒ：ＰＢＣ）７２を含む非線形媒質部１１を備える。非線形媒質７１は、例えば、非線形媒質ファイバである。非線形媒質部１１は、非線形媒質ファイバの両端から信号光及びポンプ光を入力し、アイドラー光を生成する。

非線形媒質部１１は、図１０に示すように非線形媒質７１とＰＢＣ７２とでループを形成する。ＰＢＣ７２は直交する両偏波で等しい光強度のポンプ光を非線形媒質７１の両端から入力する。図１０では、入力された光はＰＢＣ７２で互いに直交する２偏波に分離され、それぞれＰＢＣ７２の一端から非線形媒質７１を経て再びＰＢＣ７２に戻る。この際、ＰＢＣ７２から出力されたときと再びＰＢＣ７２に戻ってくる際の偏波は同一である。あるいは、非線形媒質部１１は、図１１に示すように非線形媒質７１とＰＢＣ７２とのループ及びＰＢＣ７２への入出力を分離する光サーキュレータ７３からなる。図１１の非線形媒質部１１の構成では、非線形媒質７１の中点で偏波が９０度回転しているが、ループの別の箇所であってもよい。図１１の構成では、途中で偏波が９０度回転しているため、ＰＢＣ７２から出力されたときと直交する偏波で再びＰＢＣ７２に戻ってくる。また図１０及び図１１の非線形媒質７１は分布型でなく、集中型であってもよい。図１０及び図１１の横矢印αと二重丸βはそれぞれ直交する偏波を意味する。図１０及び図１１に示すように直交するいずれの偏波成分に対しも同様に四光波混合を発生するので、それぞれのヘテロダイン検波の出力の総和は偏波に拠らず一定となる。

このため、本光通信システムは、四光波混合における偏波依存性を解消でき、ヘテロダイン同期検波の偏波依存性を解消できる。

（第８の実施形態）
本光通信システムと第１から第５実施形態との違いは、ポンプ光にある。本光通信システムのポンプ光は第１から第５実施形態に示す一つのポンプ光に対して、直交する異なる偏波の等強度の二つのポンプ光から構成される。アイドラー光の偏波がポンプ光の偏波と同一偏波に保持される場合、異なる偏波のアイドラー光同士のビート成分は発生しない。

一つのポンプ光に対応する互いに直交する偏波の二つのポンプ光の光周波数差は、それぞれの偏波のアイドラー光同士から発生する中心周波数信号が電気濾波器１４の導通帯域に入る程度の範囲内であり、且つ異なる偏波の二つのポンプ光が単一の偏波の一つのポンプ光とならない程度の光周波数差であれば好ましい。光検波の前に偏波毎に分離してそれぞれ光検波後に電気信号を合流する必要がない。

一方、光検波の前に偏波毎に分離してそれぞれ光検波後に電気信号を合流する場合は、異なる偏波の二つのポンプ光が単一の偏波の一つのポンプ光とならない程度の光周波数差であればよい。

異なる偏波の二つのポンプ光が合波すると単一の偏波の一つのポンプ光となる場合、四光波混合部は、信号光を直交する二つの偏波に分離し、分離した信号光と同一偏波のポンプ光との四光波混合のアイドラー光をそれぞれ出力する四光波混合部とする。偏波が直交するポンプ光に加えて直交する偏波のそれぞれに対応する四光波混合部を備えることで、直交するいずれの偏波成分に対しても同様の四光波混合を発生させることができる。このような四光波混合部の例を図１６に示す。図１６ではＰＢＣで直交する偏波に分離し、偏波毎に非線形媒質を経由してＰＢＣで再合波するとしているが、再合波せずにそれぞれ別のヘテロダイン検波部でヘテロダイン検波しても良い。いずれの場合も偏波分離した信号光又はそのヘテロダイン検波の出力を合流するまでの経路長差は、シンボル長に比べて十分短い長さ、例えばシンボル長の数十分の１程度に抑える。この結果、それぞれのヘテロダイン検波の出力の総和は信号光の偏波によらず一定となる。なお、ヘテロダイン検波部は偏波毎にそれぞれ備えてもよいが、直交する偏波の信号光とポンプ光に対応するアイドラー光の偏波が保持される場合、直交する偏波のアイドラー光同士のビート成分は発生しないので、単一のヘテロダイン検波部に入力しても良い。

１１：非線形媒質部
１２：光濾波器
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ：光検波器
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ：電気濾波器
１５：復号器
１６：差動光検波器
１７：加減算器
２１、２３、２５：ヘテロダイン検波部
３１、３３、３５：四光波混合部
７１：非線形媒質
７２：偏波ビームコンバイナ（ＰＢＣ）
７３：サーキュレータ
１０１：ＣＷ光源
１０２：正弦波信号発生器
１０３：強度変調器
３０１、３０３、３０４、３０５：光受信機
４０１：光送信機
４０２：ポンプ光源

Claims

信号光と、互いの位相差が一定である複数のポンプ光と、が入力され、前記信号光と前記ポンプ光との四光波混合であり、互いの位相差が一定であるアイドラー光を複数出力する四光波混合部と、
前記四光波混合部からの前記アイドラー光同士を前記信号光の伝送する伝送帯域以上の中間周波数でヘテロダイン検波するヘテロダイン検波部と、
を備え、
前記複数のポンプ光の光周波数は、前記アイドラー光の少なくとも一組の光周波数間隔が前記中間周波数となる周波数であり、
前記四光混合部は、光周波数間隔が前記中間周波数である前記アイドラー光を少なくとも一組出力することを特徴とする光受信機。
前記信号光は、光周波数の異なる複数の信号光であり、
前記複数の信号光と前記複数のポンプ光は、前記ヘテロダイン検波部でのヘテロダイン検波の対象となる前記アイドラー光の内、異なる前記信号光に基づく前記アイドラー光同士が前記伝送帯域の４倍以上かつ前記中間周波数の倍以上になる光周波数であることを特徴とする請求項１に記載の光受信機。
前記信号光は、光周波数の異なる複数の信号光であり、
前記複数の信号光と前記複数のポンプ光は、前記ヘテロダイン検波部でのヘテロダイン検波の対象となる前記アイドラー光の内、異なる前記信号光に基づく前記アイドラー光同士が前記伝送帯域の２倍以上かつ前記中間周波数の倍以上になる光周波数であり、
前記四光波混合部は、前記信号光毎に前記アイドラー光を出力し、
前記ヘテロダイン検波部は、前記信号光毎に前記アイドラー光をヘテロダイン検波することを特徴とする請求項１に記載の光受信機。
前記信号光は、複数の光周波数の光で光符号分割多重されており、
前記四光波混合部は、前記アイドラー光を復号する符号に応じて分岐して出力し、
前記ヘテロダイン検波部は、前記四光波混合部からの分岐された前記アイドラー光をそれぞれヘテロダイン検波し、ヘテロダイン検波後の中間周波数信号を符号に応じて加減算することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光受信機。
前記信号光は、時間に対して光周波数が変化し、
前記ポンプ光は、前記信号光の光周波数変化に同期して光周波数が変化することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光受信機。
前記ポンプ光は、互いに同一の円偏波状態であり、
前記四光波混合部は、円偏波ねじり光ファイバで前記アイドラー光を生成することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光受信機。
前記四光波混合部は、非線形媒質部と偏波ビームコンバイナとからなるループで前記アイドラー光を生成することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光受信機。
前記ポンプ光は、それぞれ互いの偏波が直交し、互いの光強度が等しい２つの光からなることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光受信機。
請求項１から８のいずれかに記載の光受信機と、
前記光受信機に前記信号光を送信する光送信機と、
を含む光通信システム。
信号光と、互いの位相差が一定である複数のポンプ光と、から、前記信号光と前記ポンプ光との四光波混合のアイドラー光を複数出力し、前記アイドラー光同士を前記信号光の伝送する伝送帯域以上の中間周波数でヘテロダイン検波し、前記ポンプ光は、前記アイドラー光の少なくとも一組の光周波数間隔が前記中間周波数となる周波数であることを特徴とするヘテロダイン検波方法。