JP6946360B2 - 光受信器及び光伝送方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバによるマルチキャリア伝送における波長分散補償技術に関し、特に、強度変調を行って伝送される光信号について、受信側で波長分散補償を行う光受信器、及び、波長分散の影響を回避することができる光伝送方法に関する。

光ファイバ伝送においては、光信号を光ファイバで伝送する際に発生する波長分散フェージングが、信号劣化の要因の一つとなることが知られている。波長分散フェージングは光信号を受信側の光電変換器（フォトダイオード）で電気信号として検出した時に、ある周波数帯域で信号が劣化する現象である。

例えば、図５に示すように、送信器１０から光ファイバ（伝送路）２０を介して受信器３０に光信号を伝送する光伝送システムにおいては、強度変調された両側波帯信号に対してフォトダイオード（光電変換器）ＰＤから出力される信号が波長分散フェージングによってある周波数で劣化する現象が生じる。これは、強度変調信号においては、本来振幅成分を有する信号が、ある周波数付近で位相成分となってしまい、直接検波ができなくなることに起因する。そのため、ある周波数付近をチャネルとする信号成分について、信号劣化が発生してしまう。

光ファイバで発生する波長分散フェージングの影響を回避するには、光学的な補償と、電気的な補償とが存在する。
光学的な補償としては、光ファイバの距離に依存する分散補償ファイバを物理的に挿入する手法がある。例えば、特許文献１には、複数の波長分散補償器を送信器側に設置、各受信器までの光ファイバの伝送距離に応じて波長分散補償器を切り替えるシステムが提案されている。このシステムによれば、伝送距離に応じた分散補償器が必要になるため、運用面でコスト高になるという問題があった。
また、電気的な補償の場合は、受信側でディジタル信号処理を行うための回路が必要となり、低コスト化が求められるアクセス回線への適用には不向きであった。

そこで本発明者らは、送信局において、各受信局との伝送距離及び変調帯域の情報に基づいて、光信号に対して強度変調を行うか、位相変調を行うかを選択することで、波長分散フェージングの影響で強度変調に適しない周波数を使用することなく、強度変調または位相変調のいずれか一方に変調された光信号を伝送するシステム（特許文献２参照）を提案するに至った。

特許第５４１６８４４号公報 特開２０１８−１１３５５５号公報

しかしながら特許文献２に記載の手法によれば、送信局は予め強度変調と位相変調のそれぞれの伝送路応答を受信局側からフィードバックを受けた上で把握しておく必要がある。すなわち、送信器のみで伝送路の特性を把握することはできず、トレーニング信号を受信器に向けて送信したのち、それをフィードバックして送信器側に通知する構成（フィードバック系）を採用する必要があるため、システム構成が複雑となるという課題が残る。

本発明は上記実情に鑑みて提案されたもので、光伝送において、受信側でのみ波長分散フェージングの補償を行って光信号の劣化を防止できる光受信器、及び、この光受信器を用いた光伝送方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため本発明の請求項１に係る光受信器（３０）は、
光信号に対して、遅延差τを与えたパスと、位相回転φを与えたパスとに分けることで、前記光信号をキャリア成分と複数の信号成分とに分岐する信号分岐部（３１１）と、
前記キャリア成分に対して、フェージング周波数をシフトするための位相変化θを与えて前記信号成分と再度の合波を行う信号合波部（３１２）と、
を具備することを特徴としている。

請求項２は、請求項１の光受信器において、
合波された光信号を入力し電気信号を出力する光電変換器（フォトダイオードＰＤ）と、
前記θについて、前記電気信号から対象となる信号成分のＲＦ周波数のパワーが最大となる値を検出する制御部（３４）と、
をさらに含むことを特徴としている。

請求項３は、請求項１の光受信器において、
前記遅延差τ及び前記位相回転φは、前記キャリア成分の角周波数をωC、前記信号成分の変調周波数をωRFとした場合に、
τ＝π／ωRF
φ＝−ωCτ
を満足することを特徴としている。

請求項４の光伝送方法は、
強度変調のみを行って伝送される光信号をキャリア成分と信号成分とに分岐し、
前記キャリア成分にのみ位相変化を加えて再度の合波を行い、
光電変換器を介して電気信号を出力することで、フェージング周波数をシフトさせる一方、
前記位相変化を与えるθは、前記電気信号による対象となる信号成分のＲＦ周波数のパワーが最大値となるように決定することを特徴としている。

本発明によれば、光信号のキャリア成分にのみ位相変化θを加えて再度の合波を行うことで、フェージング周波数をシフトさせることができ、波長分散フェージングの影響を回避して広帯域で信号劣化が少ない信号伝送が可能となる。
制御部（３４）において、光電変換器（フォトダイオードＰＤ）からの電気信号から、対象となる信号成分のＲＦ周波数のパワーが最大となる値を検出することで、最適な位相変化θを求めることができる。
そして、波長分散フェージングを受信側のみの構成で補償するので、送信側での前処理や、システムとしてフィードバック系を採用する必要がなくなり、光伝送システムの簡素化を図ることができる。

本発明の光受信器を使用した光伝送システムのブロック図である。 従来の光伝送システムにおけるフォトダイオード（光電変換器）からの出力パワーを示すグラフ図である。 本発明の光伝送システムにおけるフォトダイオード（光電変換器）からの出力パワーを示すグラフ図である。 位相変化θを決定するためのフローチャート図である。 従来の光伝送システムの構成を示すブロック図である。

本発明の光受信器を用いた光伝送システムについて、図１を参照して説明する。
光伝送システムは、強度変調のみが行われた両側波帯信号を送信する送信器１０と、両側波帯信号の伝送が行われる光ファイバ２０と、光信号を受信し電気信号に変換する光受信器３０から構成されている。伝送される両側波帯信号Ｅin(t)は、数１の関数で表せる。

ただし、Acは光のキャリア成分の、ARFは変調信号成分の振幅を表している。また、数１では変調信号として正弦波信号を仮定しているが、帯域成分を持つ信号であっても、その周波数幅に対して変調周波数が十分に大きければ、近似的に数１を用いて表せる。

光受信器３０は、光信号を分岐させる非対称マッハツェンダー干渉計３１と、光電変換器としてのフォトダイオード（ＰＤ）と、キャリアの波長を検出する波長検出部３２と、フォトダイオードＰＤからの電気信号となる出力ＲＦパワーを検出するＲＦパワー検出部３３と、非対称マッハツェンダー干渉計３１における角周波数ωC、変調周波数ωRF及び位相変化θの値を制御する制御部３４とを備えている。

非対称マッハツェンダー干渉計３１は、光信号に対して、遅延差τを与えたパスと、位相回転φを与えたパスとに分けることで、前記光信号をキャリア成分と信号成分とに分岐する信号分岐部３１１と、キャリア成分に対してθの位相変化を与えて信号成分と再度の合波を行う信号合波部３１２を備えている。
各パスの光ファイバに対しては、遅延差τ、位相回転φ、位相変化θを調整するための電極あるいは温度変化部が設置されている。位相回転φ及び位相変化θは、電極への印加電圧あるいはヒータなどによる温度調整により光ファイバの屈折率を変化させて光路長を変化させることで調整する。遅延差τは、あらかじめ変調周波数ωRFに応じた遅延差を光回路上に与えておくことで実現されるが、ωRFに応じた遅延差に厳密に一致させるため、同光回路上にはφ及びθと同様に、微調整用の電極あるいは温度変化部が備えられている。

信号分岐部３１１で分岐された信号成分Ｅ1(t)とキャリア成分Ｅ2(t)は、それぞれ数２及び数３の関数で表せる。

光信号は送信器１０側から光ファイバ（伝送路）２０を通過し、光受信器３０へと導かれる。両側波帯信号は、搬送波を信号波電流で振幅変調するときスペクトラムのうえで搬送波の両側に側波帯が生じ、これを搬送波とともに伝送するものである。マルチキャリア伝送では、このような複数の両側波帯信号が同時に搬送される。伝送路が光ファイバのような分散性媒質の場合、両側波帯の位相関係が変化することにより、図２に示すように、フォトダイオードＰＤで検出できない帯域Ｘが出現し、波長分散フェージングの原因となる。

図２は、変調された光信号の出力ＲＦパワーを縦軸とし、光信号の変調周波数ωを横軸として強度変調された光信号を示したもので、帯域Ｘで出力ＲＦパワーが低下する（出力がほぼ０）波長分散フェージングが発生している。波長分散フェージングが発生した場合、この帯域をチャネルとする信号成分について、信号品質の大幅な劣化を招くことが知られている。

本発明では、光信号のキャリア成分のみの位相を変えることができれば、この波長分散フェージングが発生する周波数をシフトさせることができることに着目したものである。
光受信器３０で受信した光信号は非対称マッハツェンダー干渉計３１に導かれ、信号分岐部３１１において、上側パスでは下側パスに対して遅延差τが与えられ、かつ下側パスでは位相回転φが与えられるように構成している。
その後、上側と下側のパスは２×２カプラに導かれるが、この際に「τ」及び「φ」が以下の条件（１）（２）を満たすと、２×２カプラの片側の出力から光信号のキャリア成分のみが、もう片側の出力から信号成分のみが出力される。

τ＝π／ωRF 式（１）
φ＝−ωCτ 式（２）

式中、ωCは光信号のキャリアの角周波数を、ωRFは光信号の信号成分の変調周波数をそれぞれ意味している。

非対称マッハツェンダー干渉計３１においては、光信号のキャリア成分に対してθの位相変化を与えて、再度信号成分と合波する。キャリア成分に位相変化θを与えて信号成分と合波した光信号をフォトダイオードＰＤで検波した場合、図３に示すように、位相変化θに応じて周波数応答が変化し、波長分散フェージングが発生する周波数をずらす（シフトさせる）ことができる。

この構成を実現するためには、非対称マッハツェンダー干渉計３１において、式（１）及び式（２）を満足する遅延差τ及び位相回転φとなるように調整する必要があり、そのために、角周波数ωC及び変調周波数ωRFを検出する。角周波数ωCは波長検出部３２により、変調周波数ωRFはＲＦパワー検出部３３によりそれぞれ検出される。

波長検出部３２は、キャリア成分から波長検出を行ってキャリアの角周波数ωCを検出するもので、例えばスペクトラムアナライザで電圧がピークとなる周波数を検出し、角周波数ωCとする。

ＲＦパワー検出部３３は、フォトダイオードＰＤで受信した後の電気信号である出力ＲＦパワーからの出力が最大となる周波数を検出し、変調周波数ωRFとする。

検出された角周波数ωC及び変調周波数ωRFから、式（１）（２）により「τ」「φ」が決まるので、制御部３４は遅延差τ及び位相回転φが所定の値となるように制御する。この制御は、信号分岐部３１１以降の各パスを挟む位置に設置された電極への印加電圧を調整したり、周囲温度を変化させることなどで各パスの光ファイバの屈折率を調整することで行われる。

また、光信号のキャリア成分に位相変化θを与えた場合は、ＲＦパワー検出部３３で検出される電気信号（電圧値等）が変化するので、この電気信号に基づいて最適な位相変化θを決定することができる。
すわなち、位相変化θは、波長分散フェージングが発生する帯域Ｘをチャネルとする対象の信号成分のＲＦ周波数の出力が最大値となるθを最大値探索的な手法で決定する。

最適な位相変化θを決定する手順について、図４のフローチャートを参照して説明する。
先ず、任意の値にθを設定する（ステップ４１）。
波長分散フェージングが発生する帯域Ｘをチャネルとする対象のＲＦ周波数のＲＦパワーをＲＦパワー検出部から検出する（ステップ４２）。
検出したＲＦパワーについて、１ステップ前のＲＦパワーとの比較を行う（ステップ４３）。

ステップ４３において、前回計測分が大きい場合は、θを少し変更し（ステップ４４）、ステップ４２に戻ることを繰り返すことで、位相変化θの最適値をえることができる。位相変化θは、例えば、E2(t)が伝送されるパスを挟む位置に電極を設置して電圧を調整したり、周囲温度を変化させて光ファイバの屈折率を変更することで、光信号に対する光路長を変化させて調整する。
ステップ４３において、前回計測分が小さい場合は、θを位相差として決定し処理を終了させる（ステップ４５）。

上述した光受信器３０によれば、非対称マッハツェンダー干渉計３１の信号分岐部３１１において、遅延差τを与えた上側パスと、位相回転φを与えた下側パスとに分岐し、τ＝π／ωRF、φ＝−ωCτを満たすことで、光信号をキャリア成分と信号成分とに分けることができる。
そして、キャリア成分にのみ位相変化θを加えて信号合波部３１２で再度の合波を行うことで、フェージング周波数をシフトさせることができ、波長分散フェージングの影響を回避して広帯域で信号劣化が少ない信号伝送を行うことができる。

１０…送信器、 ２０…光ファイバ、 ３０…光受信器、 ３１…非対称マッハツェンダー干渉計、 ３２…波長検出部、 ３３…ＲＦパワー検出部、 ３４…制御部、 ＰＤ…フォトダイオード（光電変換器）、 ３１１…信号分岐部、 ３１２…信号合波部。

Claims (4)

1. 光信号に対して、遅延差τを与えたパスと、位相回転φを与えたパスとに分けることで、前記光信号をキャリア成分と複数の信号成分とに分岐する信号分岐部と、
   前記キャリア成分に対してθの位相変化を与えて前記信号成分と再度の合波を行う信号合波部と、
   を具備することを特徴とする光受信器。
2. 前記光受信器は、
   合波された光信号を入力し電気信号を出力する光電変換器と、
   前記θについて、前記電気信号から対象となる信号成分のＲＦ周波数のパワーが最大となる値を検出する制御部と、
   をさらに含む請求項１に記載の光受信器。
3. 前記遅延差τ及び前記位相回転φは、前記キャリア成分の角周波数をωC、前記信号成分の変調周波数をωRFとした場合に、
   τ＝π／ωRF
   φ＝−ωCτ
   を満足する請求項１に記載の光受信器。
4. 強度変調のみを行って伝送される光信号をキャリア成分と信号成分とに分岐し、
   前記キャリア成分にのみ位相変化を加えて再度の合波を行い、
   光電変換器を介して電気信号を出力することで、フェージング周波数をシフトさせる一方、
   前記位相変化を与えるθは、前記電気信号による対象となる信号成分のＲＦ周波数のパワーが最大値となるように決定することを特徴とする光伝送方法。

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