JP6708344B2

JP6708344B2 - コヒーレント光受信器の同相除去比測定装置，及び測定方法

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Publication number: JP6708344B2
Application number: JP2016038152A
Authority: JP
Inventors: 稲垣　惠三; 惠三稲垣; 川西　哲也; 哲也川西; 敦史菅野; 直克山本
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2036-02-29
Also published as: WO2017150347A1; US20190097734A1; US10608748B2; CN108702207A; JP2017157969A; CN108702207B

Description

本発明は，光２トーン光を用いたコヒーレント光受信器の同相除去比測定装置や方法に関する。

近年の光通信用コンポーネント開発は業界団体のＯＩＦ（ＯｐｔｉｃａｌＩｎｔｅｒｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇＦｏｒｕｍ）の規格に沿って進められる。ＯＩＦの最新の１００Gｂｐｓ用偏波多重集積型コヒーレント受信器規格（下記非特許文献１）内で定義されているＣＭＲＲは、バランス型ＰＤを接続する前に個々のＰＤからの出力を測定し、定められた式で計算することとなっている。

キーサイト（旧アジレント）社は、コヒーレント測定技術のフォーラムにて、ＣＭＲＲの周波数特性測定の必要性は認識しながら、具体的な測定ソリューションは未だ提供できていない（下記非特許文献２）。

国際公開ＷＯ２０１３−０５７９６７号パンフレット（下記特許文献１）は，測定技術に関するものではないが，バランス型ＰＤの後段の差動型トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）の利得を自動調整し，ＣＭＲＲの優れた光受信器に関するものである。

国際公開ＷＯ２０１３−０５７９６７号パンフレット特開２０１２−３７４９３号公報

Optical Internetworking Forum, "Implementation Agreement for Integrated Dual Polarization Intradyne Coherent Receivers," IA # OIF-DPC-RX-01.2, Nov. 2013. 川上育夫、「アジレントに全部おまかせ！コヒーレント測定・完全解説」、Agilent Measurement Forum 2013, 1D6, July 2013.

ＯＩＦの最新の１００Ｇｂｐｓ用偏波多重集積型コヒーレント受信器規格は，個々のＰＤの出力を測定した後にバランス型ＰＤを後段の差動型トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）に接続する。このため，ＴＩＡから出力される信号のＣＭＲＲは，接続部の誤差や差動ＴＩＡの特性による影響を受けるので，測定値と異なるという問題がある。

国際公開ＷＯ２０１３−０５７９６７号パンフレットに記載された光受信器は，自動的に差動ＴＩＡの利得を調整し，ＣＭＲＲを高く保つものであるものの，差動ＴＩＡの振幅のみを調整するものであるため，遅延時間差を調整できないという問題がある。

そこで，本発明は，光受信器のＣＭＲＲの周波数特性を簡単に測定できる方法や装置を提供することを目的とする。
また，本発明は，測定対象であるコヒーレント光受信器内で振幅及び遅延時間を調整する方法や装置を提供し，これにより広帯域にわたり良好なＣＭＲＲ特定を有する光受信器を提供することを目的とする。

本発明は，基本的には，以下の知見に基づくものである。
測定周波数（ω［ｈｚ］）を有する光を分岐し，周波数差（ω−Δω［ｈｚ］）を有する信号光である第１の光２トーン信号と，周波数差（ω＋Δω［ｈｚ］）を有する局発光である第２の光２トーン信号を得て，測定対象となるコヒーレント受信器に入力し，この受信器から出力される電気信号を測定すれば，周波数ω［ｈｚ］の成分に対する周波数ω−Δω［ｈｚ］の成分の信号強度比が，信号光側ＣＭＲＲを与えること。
また，周波数ω［ｈｚ］の成分に対する周波数ω＋Δω［ｈｚ］の成分の信号強度比が，局所光側ＣＭＲＲを与えること。
測定周波数（ω［ｈｚ］）を変化させながら，信号光側ＣＭＲＲ又は局所光側ＣＭＲＲの測定を繰り返すことで，受信器のＣＭＲＲ特性がわかること。

本発明は，光受信器のＣＭＲＲの周波数特性を簡単に測定できる方法や装置を提供できる。
また，本発明は，測定対象であるコヒーレント光受信器内で振幅及び遅延時間を調整する方法や装置を提供し，これにより広帯域にわたり良好なＣＭＲＲ特定を有する光受信器を提供できる。

図１は，本発明のコヒーレント光受信器の同相除去比測定装置を示すブロック図である。図２は，第１の光２トーン信号（Ｓｉｇ）と第２の光２トーン信号（ＬＯ）を概念的に記載した図である。図３は，Ｉチャネル側の２トーン光を示す概念図である。図４は，コヒーレント光受信器内のバランス型ＰＤから出力される電気信号のスペクトルを示す概念図である。図５は，バランス型ＰＤから出力される電気信号に基づくＩチャネルの出力スペクトルを示す。図６は，実施例における実験系の構成を示す概念図である。図７は，可変遅延線の調整前（ｂｅｆｏｒｅ）と調整後（ａｆｔｅｒ）の信号光側ＣＭＲＲと局発光側ＣＭＲＲの測定結果を示す図面に替るグラフである。

以下，図面を用いて本発明を実施するための形態について説明する。本発明は，以下に説明する形態に限定されるものではなく，以下の形態から当業者が自明な範囲で適宜修正したものも含む。

図１は，本発明のコヒーレント光受信器の同相除去比測定装置を示すブロック図である。本発明の第１の側面は，コヒーレント光受信器の同相除去比測定装置に関する。同相除去比（ＣＭＲＲ）は，同相信号除去比ともよばれ，差動増幅回路などでの２つの入力に共通する入力信号を除去する傾向の尺度である。

コヒーレント光受信器は，コヒーレント受信機，及びコヒーレント光受信モジュール（財団法人機械システム振興協会発行「コヒーレント光通信システムに関する調査研究報告書など）ともよばれる光受信器である。このコヒーレント光受信器は，国際公開ＷＯ２０１２−０８６８３１Ａ１パンフレットにも記載される通り，公知の光受信器である。

コヒーレント光受信器は，たとえば，以下の構成を有するものがあげられる。この光受信器は，信号光が入力する信号光入力部２１と局所光が入力する局所光入力部２３と，９０°光ハイブリッド２５，及びバランス型ＰＤ（光検出器）２７，２９を有する。そして，入手された信号光及び局所光は，それぞれ分岐部により分岐される。分岐された信号光と分岐された局所光は，カプラなどの合波部で合波され，Ｉチャネル側では２トーン光が同相及び逆相で合成された光信号となる。一方，分岐された局所光の残りの分岐光は，９０°位相が変換され，信号光の残りの分岐光と導波され，Ｑチャネル側の２トーン光となる。そして，これらの２トーン光は，バランス型ＰＤ（光検出器）により検波される。

測定周波数（ω［ｈｚ］）におけるコヒーレント光受信器の同相除去比測定装置１は，任意の波長ωにおける光受信器の同相除去比を測定する装置である。ω［ｈｚ］は，通常１ＭＨｚ以上５００ＧＨｚ以下であり，１０ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下であってもよい。測定周波数（ω［ｈｚ］）の光はレーザー光源から発せられるものが好ましく，連続光（ＣＷ光）であるものが好ましい。また，レーザー光源は，波長を掃引又は変化させることができるものが好ましい。

この装置は，レーザー光源３からの測定周波数（ω［ｈｚ］）を有する光を分岐する分岐部５と，第１の光２トーン発生装置７と，第２の光２トーン発生装置９と，コヒーレント光受信器１１から出力される出力電気信号を測定し，解析する電気信号測定装置１３とを含む。

分岐部は，入力する光を分岐するものであれば，公知の分岐装置を用いることができる。分岐部の例は，入力する光を強度分割するカプラ，ビームスプリッタ（ＢＳ），及び変更ビームスプリッタ（ＰＢＳ）である。

第１の光２トーン発生装置７は，分岐部５により分岐された第１の分岐光を受け取り，信号光である第１の光２トーン信号を発生する装置である。第１の光２トーン信号は，測定周波数より低い周波数差（ω−Δω［ｈｚ］）を有する。通常，周波数差は，上側側帯（ＵＳＢ）信号の周波数から下側側帯（ＬＳＢ）信号の周波数を引いて求められるものである。

測定周波数ωに対して、特性が大きく変化しない程度にΔωを小さく選定することが好ましく，測定時間があまりかからない程度にΔωを大きく選定することが好ましい。Δωは，たとえば，ωの１００万分の１以上１０００分の１以下であり，１０万分の１以上１万分の１以下でもよい。たとえば，ωが１ＧＨｚ以上の場合，Δωは，１００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下が好ましい。

光２トーン発生装置７，９は，基準となる周波数から所定の周波数ずれた２つの光信号を発生できるものであれば公知の光２トーン発生装置を用いることができる。光２トーン発生装置は，たとえば，ＤＳＢ（両側側帯）変調器を用いてもよいし，ＤＳＢ−ＳＣ変調器を用いてもよい。光２トーン光は，２つの光信号の強度が同程度であることが好ましい。

第２の光２トーン発生装置９は，分岐部５により分岐された第２の分岐光を受け取り，局発光である第２の光２トーン信号を発生する装置である。第２の光２トーン信号は，測定周波数より高い周波数差（ω＋Δω［ｈｚ］）を有する。第１の光２トーン信号と第２の光２トーン信号の光強度は，同程度であることが好ましい。特に，第１の光２トーン信号を構成する２つの光信号と，第２の光２トーン信号を構成する２つの光信号の強度はいずれも同程度であることが好ましい。

電気信号測定装置１３は，同相除去比（ＣＭＲＲ）の測定対象となるコヒーレント光受信器１１から出力される出力電気信号を受け取って，たとえば，光強度を測定し，これを用いてＣＭＲＲを解析する装置である。電気信号測定装置１３の例は，公知のスペクトルアナライザーであるが，コヒーレント光通信において用いられる電気信号測定装置を用いることが好ましい。

電気信号測定装置１３は，信号光である第１の光２トーン信号と局発光である第２の光２トーン信号の差動成分として出力される周波数ω［ｈｚ］に対応する電気信号の強度Ｉ_ωと，信号光である第１の光２トーン信号のみが有する周波数（ω−Δω［ｈｚ］）に対応する電気信号の強度Ｉ_ω−Δωとの強度比から，信号光側の同相除去比（ＣＭＲＲ）を求める機能を有する。

電気信号測定装置１３は，信号光である第１の光２トーン信号と局発光である第２の光２トーン信号の差動成分として出力される周波数ω［ｈｚ］に対応する電気信号の強度Ｉ_ωと，局発光である第２の光２トーン信号のみが有する周波数差（ω＋Δω［ｈｚ］）に対応する電気信号の強度Ｉ_ω＋Δωとの強度比から，局発光側の同相除去比（ＣＭＲＲ）を求める機能をさらに有するものが好ましい。

上記は，たとえば，単一偏波（例えばＸ偏波）のＩ信号成分に対する同相信号除去比の測定装置として利用されうる。

以下，本発明の同相除去比を求める方法について説明する。
分岐部５が，レーザー光源３から発せられた測定周波数（ω［ｈｚ］）のレーザー光を分岐し，第１の分岐光及び第２の分岐光を得る。この際，第１の分岐光及び第２の分岐光は，レーザー光を強度分離された光（特に同じ強度で分離された光）であることが好ましい。

第１の光２トーン発生装置７は，分岐部５により分岐された第１の分岐光を受け取り，信号光（Ｓｉｇ）である第１の光２トーン信号を発生する。第１の光２トーン信号は，測定周波数より低い周波数差（ω−Δω［ｈｚ］）を有する。

第２の光２トーン発生装置９は，分岐部５により分岐された第２の分岐光を受け取り，局発光（ＬＯ）である第２の光２トーン信号を発生する。第２の光２トーン信号は，測定周波数より高い周波数差（ω＋Δω［ｈｚ］）を有する。光２トーン信号の発生装置は，たとえば，特開２０１２−３７４９３号公報に記載された通り，公知である。この方法は，２つのサブＭＺＭに高周波信号（ｆ_１及びｆ_２）を印加し，メインＭＺＭのバイアス電圧を調整して，２つのサブＭＺＭ（マッハツェンダー変調器）から出力されるＤＳＢ−ＳＣ変調信号の位相差をπ／２とする。そして，高速光検出器で二乗検波する。すると，クロスターム成分（ｆ_１−ｆ_２及びｆ_１＋ｆ_２）が抑圧された高周波信号の２倍周波数成分（２ｆ_１及び２ｆ_２）からなる光２トーン信号を得ることができる。ＤＳＢ−ＳＣ（両側波帯―抑圧搬送波）変調は公知であり，ＤＳＢ−ＳＣ信号を光２トーン信号として利用することができる。

図２は，第１の光２トーン信号（Ｓｉｇ）と第２の光２トーン信号（ＬＯ）を概念的に記載した図である。なお，図２においてΔωは単にΔと記載されている。第１の光２トーン信号（Ｓｉｇ）と第２の光２トーン信号（ＬＯ）の中央周波数領域に存在する信号は，搬送波成分（ω［Ｈｚ］）である。

図３は，Ｉチャネル側の２トーン光を示す概念図である。コヒーレント光受信器１１は，第１の光２トーン信号（Ｓｉｇ）と第２の光２トーン信号（ＬＯ）とを受け取り，これらの入力光を９０°ハイブリッドにより混合する。Ｉ_＋信号は，第１の光２トーン信号（Ｓｉｇ）と第２の光２トーン信号（ＬＯ）とが同相で合成されたものを示す。図中Ａ_Ｓ及びＡ_Ｒは，図２における光信号Ａ_Ｓ及びＡ_Ｒを意味する。Ｉ₋信号は，第１の光２トーン信号（Ｓｉｇ）と第２の光２トーン信号（ＬＯ）とが逆相で合成されたものを示す。分岐された局所光の残りの分岐光は，９０°位相が変換され，信号光の残りの分岐光と導波され，Ｑチャネル側の２トーン光となる。

図４は，コヒーレント光受信器内のバランス型ＰＤから出力される電気信号のスペクトルを示す概念図である。図４に示される通り，２トーン光が，バランス型ＰＤにそれぞれ入力され，二乗検波される。そして，信号項側同相信号（ＣｏｍｍｏｎＭｏｄｅｉｎＳｉｇ）がω−Δωに，局所光側同相信号（ＣｏｍｍｏｎＭｏｄｅｉｎＬＯ）がω＋Δωに，差動信号（Ｄｉｆｆ．Ｍｏｄｅ）がωに出力される。

図５は，バランス型ＰＤから出力される電気信号に基づくＩチャネルの出力スペクトルを示す。図５に示されるように，ＰＤ同相及びＰＤ逆相信号の差分をとることで，同相成分が減算されるとともに，逆相成分が加算され，図５に示すスペクトルが得られることとなる。もっとも，同相成分の振幅及び位相には，多少のアンバランスがあるため完全には打ち消されずに残留することとなる。このため，出力電気信号をスペクトルアナライザーなどで観測することで，周波数ωの光信号の信号強度に対するω−Δωの周波数を有する信号の強度比が信号光側のＣＭＲＲとして測定できることとなる。また，周波数ωの光信号の信号強度に対するω＋Δωの周波数を有する信号の強度比が局所光側のＣＭＲＲとして測定できることとなる。

すなわち，信号光である第１の光２トーン信号と局発光である第２の光２トーン信号の差動成分として出力される周波数ω［ｈｚ］に対応する電気信号の強度Ｉ_ωと，信号光である第１の光２トーン信号のみが有する周波数（ω−Δω［ｈｚ］）に対応する電気信号の強度Ｉ_ω−Δωとの強度比から，信号光側の同相除去比（ＣＭＲＲ）を求めることができる。

また，信号光である第１の光２トーン信号と局発光である第２の光２トーン信号の差動成分として出力される周波数ω［ｈｚ］に対応する電気信号の強度Ｉ_ωと，局発光である第２の光２トーン信号のみが有する周波数（ω＋Δω［ｈｚ］）に対応する電気信号の強度Ｉ_ω＋Δωとの強度比から，局発光側の同相除去比（ＣＭＲＲ）を求めることができる。

測定周波数を繰り返し変化させ，変化させた周波数範囲に対応した同相除去比（ＣＭＲＲ）の周波数特性を求めることで，コヒーレント光受信器の周波数特性を求めることができる。コヒーレント光受信器の周波数特性は，対象となる周波数が変化した場合に，同相除去比（ＣＭＲＲ）がどのように変動するかといったコヒーレント光受信器の特性を意味する。

なお，本発明は，単一偏波（例えばＸ偏波）のＩ信号成分に対する同相信号除去比の測定装置や方法のみならず，より複雑な態様についても応用できる。たとえば，Ｉ信号成分と，このＩ信号成分と時間軸上で位相が９０度異なるＱ信号成分を光２トーンとして扱うことで，信号光側の同相除去比（ＣＭＲＲ）や局発光側の同相除去比（ＣＭＲＲ）を求めることができる。

図６に実施例における実験系の構成を示す。この構成は，レーザー光源（Ｌａｓｅｒ），２つの光２トーン信号発生装置（Ｔｗｏ−ｔｏｎｅ１，Ｔｗｏ−ｔｏｎｅ２），２つの変調信号源（（ω−Δ）／２，（ω＋Δ）／２），光９０度ハイブリッド（９０−ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ），バランス型ＰＤ（ＢａｌａｎｃｅｄＰＤ），コヒーレント光受信器（ＣｏｈｅｒｅｎｔＲｅｃｅｉｖｅｒｕｎｄｅｒＴｅｓｔ），及びスペクトルアナライザー（ＳＰＡ）を含む。光９０度ハイブリッドとバランス型ＰＤを可変光アッテネータおよび可変光遅延線を介して接続したコヒーレント光受信器を構成し，４０ＧＨｚまで２ＧＨｚ毎の信号光側ＣＭＲＲおよび局発光側ＣＭＲＲの周波数特性を測定した。

図７は，可変遅延線の調整前（ｂｅｆｏｒｅ）と調整後（ａｆｔｅｒ）の信号光側ＣＭＲＲと局発光側ＣＭＲＲの測定結果を示す図面に替るグラフである。縦軸はＣＭＲＲ（デシベル），横軸は周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ［ＧＨｚ］）を示す。まず２ＧＨｚでのＣＭＲＲが最大となるよう可変光アッテネータを調整し，周波数特性を測定した信号光側のＣＭＲＲ及び局所光側のＣＭＲＲを，それぞれＳｉｇ−ＣＭＲＲｂｅｆｏｒｅ及びＬＯ−ＣＭＲＲ−ｂｅｆｏｒｅとして示す。光路長差のためＣＭＲＲが周期的に大幅に劣化していることがわかる。次に可変遅延線も調整してから周波数特性を測定した信号光側のＣＭＲＲ及び局所光側のＣＭＲＲを，それぞれＳｉｇ−ＣＭＲＲａｆｔｅｒ及びＬＯ−ＣＭＲＲ−ａｆｔｅｒして示す。図から，可変遅延線の遅延量を量精した結果，周期的な劣化はなくなり，４０ＧＨｚにおいても１５ｄＢ以上の良好なＣＭＲＲが得られたことがわかる。

本発明は，光通信の分野で利用されうる。

１同相除去比測定装置
３レーザー光源
５分岐部
７第１の光２トーン発生装置
９第２の光２トーン発生装置
１１コヒーレント光受信器
１３電気信号測定装置

Claims

測定周波数（ω［ｈｚ］）におけるコヒーレント光受信器の同相除去比測定装置（１）であって，
レーザー光源（３）からの前記測定周波数（ω［ｈｚ］）を有する光を分岐する分岐部（５）と，
前記分岐部（５）により分岐された第１の分岐光を受け取り，信号光である第１の光２トーン信号を発生する第１の光２トーン発生装置（７）と，
前記分岐部（５）により分岐された第２の分岐光を受け取り，局発光である第２の光２トーン信号を発生する第２の光２トーン発生装置（９）と，
同相除去比（ＣＭＲＲ）の測定対象となるコヒーレント光受信器（１１）から出力される出力電気信号を測定し，解析する電気信号測定装置（１３）と，
を有し，
第１の光２トーン信号は，前記測定周波数より低い周波数差（ω−Δω［ｈｚ］）を有し，
第２の光２トーン信号は，前記測定周波数より高い周波数差（ω＋Δω［ｈｚ］）を有し，
前記電気信号測定装置（１３）は，
前記信号光である第１の光２トーン信号と局発光である第２の光２トーン信号の差動成分として出力される周波数ω［ｈｚ］に対応する電気信号の強度Ｉ_ωと，前記信号光である第１の光２トーン信号のみが有する周波数（ω−Δω［ｈｚ］）に対応する電気信号の強度Ｉ_ω−Δωとの強度比から，前記信号光側の同相除去比（ＣＭＲＲ）を求める機能を有する，
コヒーレント光受信器の同相除去比測定装置（１）。
請求項１に記載のコヒーレント光受信器の同相除去比測定装置であって，
前記電気信号測定装置（１３）は，
前記信号光である第１の光２トーン信号と局発光である第２の光２トーン信号の差動成分として出力される周波数ω［ｈｚ］に対応する電気信号の強度Ｉ_ωと，前記局発光である第２の光２トーン信号のみが有する周波数差（ω＋Δω［ｈｚ］）に対応する電気信号の強度Ｉ_ω＋Δωとの強度比から，前記局発光側の同相除去比（ＣＭＲＲ）を求める機能をさらに有する，
コヒーレント光受信器の同相除去比測定装置。
同相除去比を求める方法であって，
レーザー光源（３）からの測定周波数（ω［ｈｚ］）の光を分岐し，第１の分岐光及び第２の分岐光を得る工程と，
第１の分岐光を受け取り，信号光である第１の光２トーン信号を発生する工程であって，第１の光２トーン信号は，前記測定周波数より低い周波数差（ω−Δω［ｈｚ］）を有する工程と，
第２の分岐光を受け取り，局発光である第２の光２トーン信号を発生する工程であって，第２の光２トーン信号は，前記測定周波数より高い周波数差（ω＋Δω［ｈｚ］）を有する工程と，
同相除去比（ＣＭＲＲ）の測定対象となるコヒーレント光受信器（１１）から出力される出力電気信号を測定し，解析する工程であって，前記信号光である第１の光２トーン信号と局発光である第２の光２トーン信号の差動成分として出力される周波数ω［ｈｚ］に対応する電気信号の強度Ｉ_ωと，前記信号光である第１の光２トーン信号のみが有する周波数（ω−Δω［ｈｚ］）に対応する電気信号の強度Ｉ_ω−Δωとの強度比から，前記信号光側の同相除去比（ＣＭＲＲ）を求める工程と，
を含む，
コヒーレント光受信器の同相除去比を求める方法。
請求項３に記載のコヒーレント光受信器の同相除去比を求める方法であって，
前記測定周波数を繰り返し変化させ，変化させた周波数範囲に対応した同相除去比（ＣＭＲＲ）の周波数特性を求める工程をさらに含む，
コヒーレント光受信器の同相除去比を求める方法。
請求項３又は４に記載のコヒーレント光受信器の同相除去比を求める方法であって，
前記出力電気信号を測定し，解析する工程は，
前記信号光である第１の光２トーン信号と局発光である第２の光２トーン信号の差動成分として出力される周波数ω［ｈｚ］に対応する電気信号の強度Ｉ_ωと，前記局発光である第２の光２トーン信号のみが有する周波数（ω＋Δω［ｈｚ］）に対応する電気信号の強度Ｉ_ω＋Δωとの強度比から，前記局発光側の同相除去比（ＣＭＲＲ）を求める工程をさらに有する，
コヒーレント光受信器の同相除去比を求める方法。
請求項３に記載のコヒーレント光受信器の同相除去比を求める方法であって，
信号光である第１の光２トーン信号と局発光である第２の光２トーン信号の強度が等しい，コヒーレント光受信器の同相除去比を求める方法。