JP5920779B2

JP5920779B2 - 光通信システム、光送信装置および光受信装置

Info

Publication number: JP5920779B2
Application number: JP2012152630A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　敏夫; 敏夫伊藤; 福島　誠治; 誠治福島
Original assignee: Kagoshima University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Kagoshima University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-07-06
Also published as: JP2014017608A

Description

本発明は、光通信システム、光送信装置および光受信装置に関し、より詳細には、システムの一部にデジタル光通信設備を導入した光通信システム、光送信装置および光受信装置に関する。

従来、高周波システムや無線システムの一部に光伝送技術を組み入れた技術は、Radio on FiberあるいはRadio over Fiber（ＲｏＦ）と呼ばれている。高周波信号をいったん光信号に変換し、光ファイバや空間を光信号として伝送し、再度高周波信号に変換するものである。この技術は、ビルやトンネル内などの電波の不感地帯に非常に多くの携帯電話基地局を配置せざるをえないときに、伝送による損失を低減したり、システム全体のコストを下げるために使用されている（例えば、非特許文献１参照）。

図１に、高周波システムや無線システムの一部に光伝送技術を組み入れた、典型的な従来の光通信システムの図例を示す。

図１の従来技術の例において、無線送信機１の次段に設けられたＥ／Ｏ（電気光）変換器４が、Ｏ／Ｅ（光電気）変換器５と光ファイバ８で接続されている。

この構成を用いれば、光ファイバ８は非常に低損失であるので、無線送信機１の出力を同軸ケーブル等で外界に出射することなしに、遠方へと伝送することができる。

無線送信機１から出力されたアナログの高周波信号は、Ｅ／Ｏ変換器４によりアナログ信号のまま光信号に変換される。Ｅ／Ｏ変換器４としては、直接変調型半導体レーザが使用されることが多い。光信号は光ファイバ８を経て、Ｏ／Ｅ変換器５によって再度アナログの高周波信号へと変換される。Ｏ／Ｅ変換器５の例としては、ＰＩＮフォトダイオードとプリアンプから構成される光受信器が挙げられる。

高周波信号を低損失で伝送されるにもかかわらず、この従来例には以下のような課題がある。

Ｅ／Ｏ変換器４やＯ／Ｅ変換器５で使用される光部品は一般にアナログ変調特性あるいは線形性が優れず、非常に大きな歪を発生するために、低い変調度で使用されたり、再生のために歪の補償回路を用いなければならない、等の課題があった。さらに、光信号がアナログであるがゆえに、一般に使用されている光ファイバ網の中に多重化して光伝送することもできず、専用の光ファイバを敷設して使用されていた。これは高コスト化を引き起こす。

山本聖仁、岩谷洋一、下平慎一郎著、「携帯電話の不感地帯を解消するＲＯＦリモート基地局」、東芝レビュー、Vol. 59, No. 11, pp. 43-46 (2004)

従来例においては、以下のような課題があった。
１）光部品は一般にアナログ信号を歪なく伝送できるほど線形性が良好ではなく、システムにおいて十分な特性が発揮できない。あるいは線形性を保証するための補償回路が必要であった。
２）多くの光ファイバ通信では、デジタルのパケット信号（特にInternet Protocol（ＩＰ））が伝送されているため、既存の光ファイバの上でアナログ信号を多重化するのは容易でなく、新規光ファイバ敷設のコストが発生していた。

上記課題を解決して本発明の目的を達成するため、本発明による光通信システム、光送信装置および光受信装置は、以下の特徴を備える。

請求項１に記載の発明は、高周波伝送または無線伝送における光通信システムであって、伝送対象のデータを変調し、アナログの高周波信号を生成する高周波変調器と、前記アナログの高周波信号を第１のデジタル電気信号へと変換するＡ／Ｄ変換器と、前記第１のデジタル電気信号を所望の信号フォーマットに変換する符号化器と、前記信号フォーマットをデジタル光信号に変換するＥ／Ｏ変換器と、前記デジタル光信号を第２のデジタル電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、前記第２のデジタル電気信号をアナログ電気信号に変換するＤ／Ａ変換器（モデム／コーデック）とを備え、前記Ａ／Ｄ変換器は、前記アナログの高周波信号の電圧が上りスロープ、または下りスロープであって、かつ0Vのときにトリガを発する、スロープトリガ回路であり、前記Ｄ／Ａ変換器は、前記トリガの立ち上がり時刻に基づいて、前記アナログの高周波信号の電圧を再現するシンセサイザであることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光通信システムであって、前記Ａ／Ｄ変換器は、１ビットＡ／Ｄ変換器であり、前記Ｄ／Ａ変換器は、１ビットＤ／Ａ変換器であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の光通信システムであって、前記Ｅ／Ｏ変換器が半導体レーザと半導体光変調器のモノリシック集積デバイスであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、高周波伝送または無線伝送における光送信装置であって、伝送対象のデータを変調し、アナログの高周波信号を生成する高周波変調器と、前記アナログの高周波信号を第１のデジタル電気信号へと変換するＡ／Ｄ変換器と、前記第１のデジタル電気信号を所望の信号フォーマットに変換する符号化器と、前記信号フォーマットをデジタル光信号に変換するＥ／Ｏ変換器と、前記デジタル光信号を第２のデジタル電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、前記第２のデジタル電気信号をアナログ電気信号に変換するＤ／Ａ変換器（モデム／コーデック）とを備えた光送信装置であり、前記Ａ／Ｄ変換器は、前記アナログの高周波信号の電圧が上りスロープ、または下りスロープであって、かつ0Vのときにトリガを発する、スロープトリガ回路であり、前記Ｄ／Ａ変換器は、前記トリガの立ち上がり時刻に基づいて、前記アナログの高周波信号の電圧を再現するシンセサイザであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、高周波伝送または無線伝送における光受信装置であって、伝送対象のデータを変調し、アナログの高周波信号を生成する高周波変調器と、前記アナログの高周波信号を第１のデジタル電気信号へと変換するＡ／Ｄ変換器と、前記第１のデジタル電気信号を所望の信号フォーマットに変換する符号化器と、前記信号フォーマットをデジタル光信号に変換するＥ／Ｏ変換器と、前記デジタル光信号を第２のデジタル電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、前記第２のデジタル電気信号をアナログ電気信号に変換するＤ／Ａ変換器（モデム／コーデック）とを備えた光受信装置であり、前記Ａ／Ｄ変換器は、前記アナログの高周波信号の電圧が上りスロープ、または下りスロープであって、かつ0Vのときにトリガを発する、スロープトリガ回路であり、前記Ｄ／Ａ変換器は、前記トリガの立ち上がり時刻に基づいて、前記アナログの高周波信号の電圧を再現するシンセサイザであることを特徴とする。

本発明によれば、高周波信号をデジタルの光信号として光ファイバや空間等の光媒体を介して伝送することができる。したがって、光部品の線形性にとらわれず、またインターネット・プロトコル（ＩＰ）や波長による多重化も容易であり、既存のＩＰ網へ容易に多重化することができる。

さらに本発明の第２および第３の実施形態の技術を用いた場合は、光信号に重畳されるデジタル信号の帯域を大幅に圧縮できるため、従来システムと比較して、経済性にも多重数にも優れる。

本システムは各種の無線サービス、すなわち携帯電話や放送の不感地対策に適用できる。また、ケーブルテレビ・システムにも適用し得る。

高周波システムや無線システムの一部に光伝送技術を組み入れた、典型的な従来の光通信システムの図例である。本発明の第１の実施形態にかかる光通信システムを示す図である。本発明の第２の実施形態にかかる光通信システムを示す図である。本発明の第２の実施形態におけるスロープトリガの原理を示す図である。本発明の第３の実施形態にかかる光通信システムを示す図である。本発明の第４の実施形態にかかる光通信システムを示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図２に、本発明の第１の実施形態にかかる光通信システムを示す。

図２の第１の実施形態において、ＲＦ変調器（高周波変調器）１ａとＲＦ回路（高周波回路）７ａとの間に、Ａ／Ｄ変換器２ａ、符号化器３ａ、Ｅ／Ｏ変換器４ａ、Ｏ／Ｅ変換器５ａおよびＤ／Ａ変換器６ａの各機器が挿入されている。

ＲＦ変調器１ａの次段にＡ／Ｄ変換器２ａが設けられ、Ａ／Ｄ変換器２ａの次段に符号化器３ａが設けられている。符号化器３ａの次段にＥ／Ｏ変換器４ａが設けられ、Ｅ／Ｏ変換器４ａは、Ｏ／Ｅ変換器５ａと光ファイバ８ａで接続されている。Ｏ／Ｅ変換器５ａの次段にＤ／Ａ変換器６ａが設けられ、Ｄ／Ａ変換器６ａの次段にＲＦ回路７ａが設けられている。

ＲＦ変調器１ａは、無線変調のための振幅、周波数、位相等の変調器である。一般には変調器と呼ばれるが、ここでは光変調器と明確に区別するためにＲＦ変調器と呼ぶ。第１の実施形態では周波数偏移キーイング（ＦＳＫ）変調器を用いたが、オンオフキーイング変調器や位相変調器でも構わない。

ＦＳＫ変調されたアナログの高周波信号は、Ａ／Ｄ変換器２ａにおいてＰＣＭ形態の第１のデジタル電気信号へと変換される。ここでは１６ビットＡ／Ｄ変換器を用いる。ＰＣＭ形態の第１のデジタル電気信号は、汎用の光ファイバ８ａで伝送するために、符号化器３ａで所望の信号フォーマットに変換する。具体的な例を挙げると、ＵＤＰ（ユーザ・データグラム・プロトコル）及びＩＰ（インターネット・プロトコル）へと変換される。その後、汎用のデジタル光ファイバ網で伝送するために、ＩＰパケットはＥ／Ｏ変換器４ａにてデジタル光信号に変換される。用いたＥ／Ｏ変換器４ａは波長1.55μm帯直接変調レーザダイオードであり、光変調の方法は強度変調である。また、光ネットワークの伝送速度は約10Gb/sである。デジタル光信号は、光ファイバ８ａ（単一モード光ファイバ、長さ20km）へと入力され、他方の光ファイバ端から出力される。

デジタル化された光信号は、Ｏ／Ｅ変換器５ａにて再度デジタル電気信号（第２のデジタル電気信号）に変換される。Ｏ／Ｅ変換器５ａは、ＰＩＮ−ＰＤ、プリアンプ、リミッタアンプ、クロック再生回路から構成される波長1.55μm帯用10Gb/s光受信器である。Ｏ／Ｅ変換器５ａでレベル再生、クロック再生された第２のデジタル電気信号は、Ｄ／Ａ変換器６ａにてアナログ電気信号（ここでは高周波信号）に変換される。Ｄ／Ａ変換器６ａ（モデム／コーデック）はＵＴＰ、ＩＰに対するＭＡＣ層処理も行う。Ｄ／Ａ変換器６ａから出力される高周波信号は、最後のＲＦ回路７ａにて増幅される。また必要に応じて周波数変換される。

このようにして、ＲＦ変調器１ａで生成された高周波信号は、本装置によって、光ファイバ８ａを経て20km先までわずかな損失で伝送でき、Ｏ／Ｅ変換器５ａ〜ＲＦ回路７ａによって高周波信号へと再生される。

以上は光ファイバ伝送の例を示したが、伝送媒体として空間を利用してビル間を光無線方式で接続した高周波信号伝送も可能である。高周波信号を光信号に重畳することによって、無線系のＬＡＮ／ＷＡＮ構築が可能である。

（第２の実施形態）
図３に、本発明の第２の実施形態にかかる光通信システムを示す。

図３の第２の実施形態において、ＲＦ変調器１ｂとＲＦ回路７ｂとの間に、スロープトリガ回路９、符号化器３ｂ、Ｅ／Ｏ変換器４ｂ、Ｏ／Ｅ変換器５ｂおよびシンセサイザ１０の各機器が挿入されている。

ＲＦ変調器１ｂの次段にスロープトリガ回路９が設けられ、スロープトリガ回路９の次段に符号化器３ｂが設けられている。符号化器３ｂの次段にＥ／Ｏ変換器４ｂが設けられ、Ｅ／Ｏ変換器４ｂは、Ｏ／Ｅ変換器５ｂと光ファイバ８ｂで接続されている。Ｏ／Ｅ変換器５ｂの次段にシンセサイザ１０が設けられ、シンセサイザ１０の次段にＲＦ回路７ｂが設けられている。

図４は、本発明の第２の実施形態におけるスロープトリガの原理を示す図である。

振幅変調を伴わない無線伝送用高周波信号の電圧e(t)は、
e(t)＝e₀ sin (2πft＋θ) （ただし、e₀は電圧の大きさ、fは周波数、θは位相）
と表すことができる。図４のようにt₁とt₂で電圧が、負電圧から正電圧へと変化しつつあるときに、e＝0を横切る時刻をt₁，t₂とすると、その間の周波数f₁と位相θ₁は、それぞれ、
f₁＝1／(t₂−t₁), θ₁＝0 (t＝t₁)
である。すなわち、
e(t)〜sin {2πf₁ (t−t₁)}
となる。トリガの時刻t₁，t₂を伝送するだけで、無線伝送用高周波信号の電圧は再生可能である。なお、説明を省略するが、時刻t₂〜t₃間の扱いも同様である。この原理によれば、周波数変調と位相変調が伝送可能である。

これらの時刻情報が伝送されれば、シンセサイザ１０によって高周波信号を表現する正弦波電圧（電圧振幅、周波数、位相のすべて）が再現可能である。

ここでは、第１の実施形態との相違点であるスロープトリガ回路９、シンセサイザ１０を中心に説明する。

入力データは、ＲＦ変調器１ｂでアナログの高周波信号に変調される。生成された高周波信号は、図４を用いてその機能を説明したスロープトリガ回路によって、電圧が上りスロープであり、かつ0Vのときに、トリガを発生させる。トリガは符号化器３ｂにより、ＩＰ系の信号へと変換される。Ｅ／Ｏ変換器４ｂからＯ／Ｅ変換器５ｂまでの説明は省略する。

Ｏ／Ｅ変換器５ｂの出力信号は、シンセサイザ１０へと入力される。適当なトリガの時刻t_iとその次のトリガ時刻t_i+1から、高周波電圧の波形は、シンセサイザ１０内でただちに計算され出力される。

具体的な計算例は次のとおりである。トリガ時刻t_i及びトリガ時刻t_i+1は連続する正弦波の立上りトリガ時刻であるから、正弦波の周波数f₁は、
f₁＝1／(t_i+1−t_i)
と計算できる。その値から、高周波電圧e(t)の波形は、
e(t)＝e₀ sin {2πf₁ (t−t_i)}
となる。e₀は電圧振幅であるが、周波数変調と位相変調においては一定の値である。

最後にＲＦ回路７ｂによって、高周波信号は増幅され、所望の周波数に周波数変換される。第２の実施形態の光通信システムも良好に動作する。第２の実施形態で構成された光送信装置および光受信装置も同様である。

（第３の実施形態）
図５に、本発明の第３の実施形態にかかる光通信システムを示す。図５は、図２の第１の実施形態における、Ａ／Ｄ変換器２ａの代わりに１ビットＡ／Ｄ変換器１１を用い、Ｄ／Ａ変換器６ａの代わりに１ビットＤ／Ａ変換器１２を用いて構成した図である。ＲＦ変調器１ｃ、符号化器３ｃ、Ｅ／Ｏ変換器４ｃ、Ｏ／Ｅ変換器５ｃ、ＲＦ回路７ｃおよび光ファイバ８ｃについては説明済みのため詳細は省略する。

第１の実施形態で使用された多ビットのＡ／Ｄ変換器２ａ及びＤ／Ａ変換器６ａに換えて、１ビットＡ／Ｄ変換器１１と１ビットＤ／Ａ変換器１２を使用したのが、第３の実施形態である。ただし、標本化においてはオーバーサンプリングを行う。

第２の実施形態とは伝送量圧縮の原理が異なるが、第３の実施形態においても、第１の実施形態と比較して伝送に必要な帯域は小さくなる。

（第４の実施形態）
本発明の第１から第３の実施形態においてＥ／Ｏ変換器４ａ〜４ｃとして、直接変調型レーザダイオードを用いてきたが、第４の実施形態においては半導体レーザと半導体光変調器のモノリシック集積デバイス１３を用いる。

図６に、本発明の第４の実施形態にかかる光通信システムを示す。図６は、例として第１の実施形態を用いた構成図であり、図２のＥ／Ｏ変換器４ａの代わりに半導体レーザと半導体光変調器のモノリシック集積デバイス１３を用いて構成した図例である。ＲＦ変調器１ｄ、Ａ／Ｄ変換器２ｄ、符号化器３ｄ、Ｏ／Ｅ変換器５ｄ、Ｄ／Ａ変換器６ｄ、ＲＦ回路７ｄおよび光ファイバ８ｄについては説明済みのため詳細は省略する。

直接変調型レーザダイオードを用いた場合の10Gb/sデジタル信号は、通常のシングルモード光ファイバ数十kmしか伝送できない。

ところが、半導体レーザと半導体光変調器のモノリシック集積デバイス１３では、変調の起源が半導体レーザの直接変調ではなく、電界吸収型光変調であるため、波長帯域の広がりが大変小さく、およそ100kmの光伝送が可能である。第１の実施形態のシステムのうち、Ｅ／Ｏ変換器として半導体レーザと半導体光変調器のモノリシック集積デバイス１３を用い、100kmのデジタル光無線伝送が実現できる。

同様にデュアルドライブ型の半導体レーザと半導体光変調器のモノリシック集積デバイスによっても、例えば200kmのデジタル光無線伝送が実現できる。

以上、第１から第４の実施形態にて述べたように、本発明の光通信システムを用いれば、従来の例と比較して、線形性が乏しい光デバイスを用いた場合でも良好なデジタル光無線伝送が可能である。さらに、波長多重化やＩＰ多重化によって既存の光ファイバ網を介してデジタル光無線伝送が実現できる。

１無線送信機
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄＲＦ変調器
２ａ，２ｄＡ／Ｄ変換器
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ符号化器
４，４ａ，４ｂ，４ｃＥ／Ｏ変換器
５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄＯ／Ｅ変換器
６ａ，６ｄＤ／Ａ変換器
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄＲＦ回路
８，８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ光ファイバ
９スロープトリガ回路
１０シンセサイザ
１１１ビットＡ／Ｄ変換器
１２１ビットＤ／Ａ変換器
１３半導体レーザと半導体光変調器のモノリシック集積デバイス

Claims

高周波伝送または無線伝送における光通信システムであって、
伝送対象のデータを変調し、アナログの高周波信号を生成する高周波変調器と、
前記アナログの高周波信号を第１のデジタル電気信号へと変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記第１のデジタル電気信号を所望の信号フォーマットに変換する符号化器と、
前記信号フォーマットをデジタル光信号に変換するＥ／Ｏ変換器と、
前記デジタル光信号を第２のデジタル電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、
前記第２のデジタル電気信号をアナログ電気信号に変換するＤ／Ａ変換器（モデム／コーデック）と
を備え、
前記Ａ／Ｄ変換器は、
前記アナログの高周波信号の電圧が上りスロープ、または下りスロープであって、かつ0Vのときにトリガを発する、スロープトリガ回路であり、
前記Ｄ／Ａ変換器は、
前記トリガの立ち上がり時刻に基づいて、前記アナログの高周波信号の電圧を再現するシンセサイザである
ことを特徴とする光通信システム。
前記Ａ／Ｄ変換器は、１ビットＡ／Ｄ変換器であり、
前記Ｄ／Ａ変換器は、１ビットＤ／Ａ変換器であることを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
前記Ｅ／Ｏ変換器が半導体レーザと半導体光変調器のモノリシック集積デバイスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光通信システム。
高周波伝送または無線伝送における光送信装置であって、
伝送対象のデータを変調し、アナログの高周波信号を生成する高周波変調器と、
前記アナログの高周波信号を第１のデジタル電気信号へと変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記第１のデジタル電気信号を所望の信号フォーマットに変換する符号化器と、
前記信号フォーマットをデジタル光信号に変換するＥ／Ｏ変換器と、
前記デジタル光信号を第２のデジタル電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、
前記第２のデジタル電気信号をアナログ電気信号に変換するＤ／Ａ変換器（モデム／コーデック）と
を備えた光送信装置であり、
前記Ａ／Ｄ変換器は、
前記アナログの高周波信号の電圧が上りスロープ、または下りスロープであって、かつ
0Vのときにトリガを発する、スロープトリガ回路であり、
前記Ｄ／Ａ変換器は、
前記トリガの立ち上がり時刻に基づいて、前記アナログの高周波信号の電圧を再現するシンセサイザであることを特徴とする光送信装置。
高周波伝送または無線伝送における光受信装置であって、
伝送対象のデータを変調し、アナログの高周波信号を生成する高周波変調器と、
前記アナログの高周波信号を第１のデジタル電気信号へと変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記第１のデジタル電気信号を所望の信号フォーマットに変換する符号化器と、
前記信号フォーマットをデジタル光信号に変換するＥ／Ｏ変換器と、
前記デジタル光信号を第２のデジタル電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、
前記第２のデジタル電気信号をアナログ電気信号に変換するＤ／Ａ変換器（モデム／コーデック）と
を備えた光受信装置であり、
前記Ａ／Ｄ変換器は、
前記アナログの高周波信号の電圧が上りスロープ、または下りスロープであって、かつ0Vのときにトリガを発する、スロープトリガ回路であり、
前記Ｄ／Ａ変換器は、
前記トリガの立ち上がり時刻に基づいて、前記アナログの高周波信号の電圧を再現するシンセサイザであることを特徴とする光受信装置。