JPH03179332A - 光受信器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 光通信では、伝送路の有効利用を図るため、同時に複数
の波長の光信号を伝送して、それぞれの波長に異なる情
報を割り当てる技術、いわゆる波長多重の技術がある。

この技術では、光信号を波長毎に分離する機能を有する
光受信器が必要となる。本発明は、このような光受信器
に関するものである。すなわち、本発明は、光信号の波
長スペクトルが狭く、安定である場合に波長多重された
光信号を波長毎に分離する機能を有する光受信器に関す
るものである。

［従来の技術］ 従来の光受信器の一例を第２４図に示す。図に示すよう
に、波長多重された信号光１は光ファイバ２を伝搬して
きた後、角度分散素子３によって分散され、分散角毎に
１個の受光素子４で検出する構成である。なお、図中、
符号５および６は、それぞれ入射側レンズおよび出射側
レンズを示すものである。上記構成から分かるように、
この従来の光分波器は、角度の違いを位置の違いに置き
換えて検出する構成の装置である。したがって、この光
受信器では、分散角が小さいと位置の違いも小さくなり
、それだけ検出も困難となる。この光受信器において、
−殻内には、隣接間隔が数１０ｎｍオーダの波長多重光
を分波にするのに許される位置の違いは数ｌＯμｍと小
さいため、角度分散素子３と受光素子４との光学的結合
ではμｍオーダの高い精度が必要とされる。そのため、
この光受信器は、その製造コストが高いものとなってい
る。

また、この光受信器は、角度分散素子と受光素子との光
学的結合でμｍオーダの高い精度が必要なため、当然、
光源波長のわずかな変動に対しても分波特性も劣化する
ことになる。

さらに、第２４図に示した構成から分かるように、光源
波長が変った場合、信号光に対する分散角が異なってく
るため、設計段階からの変更が必要となる。したがって
、この光分波器は、波長変動等の条件変化に対して、か
なり柔軟性に欠けたものとなっている。

このように、上記従来の光受信器は、製造コストが嵩む
ため経済的でなく、分波特性も充分なものでなく、しか
も、測定上の諸条件に対する柔軟性にも欠けていた。

さらに、従来の他の光受信器として、第２５図に示す構
成の装置が知られている。この例の光受信器は、古典的
な光学の分野でよく知られているマツハ・ツエンダ−干
渉計を光導波路で実現した光分波器に受光素子を結合し
たものである。

第２５図において、７Ａ〜７Ｆは単一モード光導波路、
８Ａおよび８Ｂは方向性結合器、９Ａ〜９Ｄはボート、
ＩＯＡおよびＩＯＢは受光素子である。２つの方向性結
合器８Ａ、　８Ｂは２つの単一モード光導波路７Ａ、　
７Ｂを介して接続されている。第２５図の光回路は４つ
のボート９Ａ、　９Ｂ、　９Ｃおよび９Ｄを有する。２
つの単一モード光導波路７Ａ、　７Ｂは長さが互いに異
なっている。従って、例えばボート９Ａから光信号を入
れる場合を考えると、方向性結合器８Ａで分離された光
信号が単一モード光導波路７Ａ、　７Ｂを経て方向性結
合器８Ｂで再度合成されるとき、単一モード光導波路７
Ａを伝搬してきた光信号と単一モード先導波路７Ｂを伝
搬してきた光信号とでは位相が異なることになる。この
位相差は光信号の波長（または周波数）によって違った
ものとなる。ボート９Ｃおよび９Ｄからの出力は、この
位相差によって決る。

第２６図に、例えば、ボー）−９Ａから入れる２つの光
信号の波長（または周波数）をｆｌおよびｆ２とし、方
向性結合器８Ａおよび８Ｂの分離比が１：１である場合
のボー）−９Ｃおよび９Ｄで得られる出力特性を示す。

波長ｆ１は、ボート９Ｃでの光出力が大でボート９Ｄの
光出力が小である。また、波長ｆ２は、反対に、ボート
９Ｃでの光出力が小で、ボート９Ｄの光出力が大である
。この特性を利用することにより、ボート９Ａから入っ
た信号ｆ、′Ｊ３よびｆ２のうち、ｆｌをボート９Ｃへ
、またｆ２をボート９Ｄへ分ける光分波器として使うこ
とができる。従って、上記従来の光受信器において、波
長多重された光信号から各波長毎の信号を分離するには
、出力ボート９Ｃ９Ｄに受光素子１０Ａ、　ＩＯＢを結
合させ、それぞれの受光素子から得られる電気信号ＯＡ
、ＯＢをそのまま利用していた。すなわち、電気信号Ｏ
Ａは波長（周波数）ｆｌの光信号に対応した電気信号、
ＯＢは波長（周波数）ｆ２の光信号に対応した電気信号
として利用されていた。

しかしながら、第２５図のような従来の構成で光受信器
を実現する場合、光導波路間の干渉を利用しているため
、光導波路の長さや配置の微妙な違いが波長分離特性を
大きく左右していた。そのため、光回路の設計や制作に
極めて高度な技術が要求されることとなり、例え制作さ
れたとしても、出来上がった光回路を１７１０℃以下の
精度で温度制御する必要があり、特性にばらつきが多い
といった問題点があった。さらに、使用波長数が増えて
くると光回路の構成が複雑になり、回路規模の増大や損
失特性の劣化を招くという問題点があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、波長スペクトルが狭くかつ安定である
ような光源を使った光波長多重通信において、波長の異
なる複数の光信号に対する信号分離を簡易かつ制作容易
な光回路を用いて行うことのできる光受信器を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

この課題に対し、本発明の光受信器は、波長の違いを空
間的パワー分布の違いに変換する光変換デバイス［Ａ］
　と、前記空間的パワー分布のパターンを認識して出力
信号を取り出すパターン認識手段［Ｂ］　との２つの要
素を具備してなることを特徴とする。

前記本発明の第１の構成要素［Ａ］の光変換デバイスと
しては、まず大きく多モード光回路（１）と、回折格子
（２）とが挙げられる。そして、前記多モード光回路（
１）には、多モード光導波路単体■と、多モード光導波
路と、その出力端面に接続と、複数の光導波路、方向性
結合器、７分岐器の組み合せによって構成される光回路
■とが考えられる。

従って、本発明の第１の構成要素［Ａ］である光交換デ
バイスの具体的構成として、 （ｉ）多モード先導波路単体■、 （ｉｉ）多モード光導波路と、その出力端面に接続され
た複数の光導波路から構成される光回路■、（ｉｉｉ）
複数の光導波路、方向性結合器、７分岐器の組み合せに
よって構成される光回路■、（ｉｖ）回折格子（２Ｌ の４種が挙げられる。なお、光導波路という用語の範囲
には、光ファイバも含まれる。

次に、前記本発明の第２の構成要素［Ｂ］のパターン認
識手段としては、以下の３種の構成が挙げられる。すな
わち、 （ｉ）前記光変換デバイスから光強度分布を受信して電
気信号に変換する受光素子アレイと、複数の処理エレメ
ントおよび結線エレメントを有し、前記受光素子アレイ
からの電気信号を処理して、前記光変換デバイスに入力
する複数または単一の波長からなる光信号に含まれる個
々の波長の光信号に対応した出力信号を取り出すニュー
ラル・ネットワークと、を有してなる構成、 （ｉｉ）前記光変換デバイスから出射した光信号を受光
し、該光信号の波面条件に応じて該光信号を処理して、
前記光変換デイバスに入力する複数または単一の波長か
らなる光信号に含まれる個々の波長の光信号に対応した
光強度分布の出射光を出力するホログラム素子と、該ホ
ログラム素子からの前記出射光の光強度分布を受信して
電気信号に変換する受信素子アレイと、を有してなる構
成、（ｉｉｉ）前記ホログラム素子と、前記受光素子ア
レイと前記ニューラル・ネットワークとを有してなる構
成、 とである。なお、前記ニューラル・ネットワークとして
は、学習機能を有する構成がさらに好ましい。

〔実施例〕

以下に、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。

（実施例１） 本発明の第１の実施例を第１図に示す。ここで、符号２
０は光入力部、２１Ａ、　２１Ｂは光信号、２２は多モ
ード光回路（この図では、多モード光導波路単体）、２
３は多モード光回路２２の一方の端面（入力端面）、２
４は多モード光回路２２の他方の端面（出力端面）　、
　２５Ａ〜２５Ｄは受光素子アレイ、２６Ａ〜２６Ｄは
電気信号、２７はニューラル・ネットワーク、２８Ａ〜
２８Ｄは入力ボート、２９Ａ、　２９Ｂは出力信号、３
０Ａ、　３０Ｂは出力ボートである。

このように、本実施例では、波長の異なる複数の光信号
にそれぞれ含まれる信号を分離するために、多モード光
回路と受光素子アレイ、ニューラル・ネットワークを接
続した構成をとることを特徴とする。したがって、本実
施例と従来技術とを比べたときの明確な相違点は、多モ
ード光回路を用いていること、およびニューラル・ネッ
トワークを用いていることの２点である。ただし、ここ
で言うところのニューラル・ネットワークとは、一般に
言われているのと同様に、複数の入力ボートからの信号
を重み付けして加算する加算処理部と、入力信号に対し
て非線形処理を施す非線形処理部とで実現される処理エ
レメント（複数）、および処理エレメント同志を結合す
る結線エレメント（複数）によって構成される信号処理
ネットワークのことであり、ネットワーク全体への入力
信号に対して認識、連想、学習等の機能を有する回路を
指している。この種の技術の参考文献として、例えば、
デイ・工・ルンメルハルト、ジエ・エル・マクセルラン
ド、およびビイ・デイ・ビイ　リサーチグループ著「並
列処理」エムアイティプレス、ケンブリッジ、１９８６
年（Ｄ、Ｅ、　Ｒｕｍｍｅｌｈａｒｔ、Ｊ、Ｌ、ＭｃＣ
ｅｌｌａｎｄ、ａｎｄ　ｔｈｅＰＤＰ　Ｒｅ５ｅａｒｃ
ｈ　Ｇｒｏｕｐ　ｒＰａｒａｌｌｅｌ　Ｄｉｓｔｒｉｂ
ｕｔｅｄＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＪ、ＭＩＴ　Ｐｒｅｓｓ
、Ｃａｍｂｒｉｎｇｅ（１９８６）　）続いて、前記構
成の光受信器の作用を説明する。光入力部２０から入射
した光信号２１は、波長の互いに異なる光信号２１Ａお
よび２１Ｂを含んでいる。光信号２１Ａおよび２１Ｂは
、入力部２０の導波路を出た後、多モード光回路２２内
を伝撤し、その端面２４から出て受光素子アレイ２５に
結合する。本図において、多モード光回路２２は、多モ
ード光導波路単体から構成されている。受光素子アレイ
２５では、その受光素子２５Ａ、　２５Ｂ、　２５Ｇ、
　２５Ｄごとに光信号を電気信号２６Ａ、　２６Ｂ、　
２６Ｃ，２６Ｄに変換する。これらの電気信号２６Ａ、
　２６Ｂ、　２６Ｃ，２６Ｄは、各々入力ボート２８Ａ
、　２８Ｂ、　２８Ｃ，２８Ｄよりニューラル・ネット
ワーク２７に入り、ニューラル・ネットワーク２７の内
部で処理を受ける。その結果、最終的な出力信号２９Ａ
。

２９Ｂが出力ボート３０Ａ、　３０Ｂから得られる。

このような構成をとる第１図の実施例では、光信号２１
の波長の違いによって多モード光回路２２の出力端面２
４上の光強度分布が異なることになる。

これは、多モード光回路２２内を伝搬する複数のモード
が互いに波長依存性の異なる伝搬定数を有しているため
、各モードが干渉しあう結実現れる出力端面２４上の光
強度分布にも、当然のことながら波長依存性が生じるた
めである。スペクトル幅の狭い光を多モード光回路内に
伝搬させたとき、その端面に現れるこのような光強度分
布は、一般に゛スペックル・パターン°゛と呼ばれてい
るものである（アール・イ・エビウォース「モードノイ
ズ−原因と矯正法」レーザフォカス誌、１０９〜１１５
頁、１９８１年９月参照）　　（Ｒ，Ｅ、Ｅｐｗｏｒｔ
ｈ　ｒＭｏｄａｌＮｏｉｓｅ−Ｇａｕｓｅｓ　ａｎｄ　
ＣｕｒｅｓＪ　Ｌａ５ｅｒ　Ｆｏｃｕｓ、ｐｐ、ｌＯ’
Ｊ〜１１５　（Ｓｅｐｔ、１９８１））。第１図に示す
ように、多モード光回路２２の入力端面２３上の入射光
学系は一定であるにもかかわらず、光信号２１の波長の
違いによって、出力端面２４上の光強度分布は異なった
ものになる。

第２図（Ａ）および（Ｂ）には、このときの出力端面９
上の光強度分布の例を示している。第２図（Ａ）は、光
信号２１Ａのみが多モード光回路２２に入射したときの
光強度分布であり、第２図（Ｂ）は、光信号２１Ｂのみ
が多モード光回路２２に入射したときの光強度分布であ
る。ここで、斜線で示す部分は白地の部分よりも光強度
が大であることを意味している。

いま、２つの光信号２１Ａ、　２１Ｂがそれぞれ情報の
異なるディジタル信号で強度変調を受け、波長多重され
たものが入力部２０の先導波路を経て多モード光回路２
２に入射するのもとする。このとき、受信される光信号
の状態には、４つの場合が考えられる。すなわち、（１
）光信号２１Ａが１゛で、２１Ｂが°゛０°“の場合、
（２）光信号２１ＡがＯ°。

で、２１Ｂが°°１°゛の場合、（３）光信号２１Ａお
よび２１Ｂがいずれも°°１°゛の場合、（４）光信号
２１Ａおよび２１Ｂがいずれも°Ｏ”の場合、である。

第３図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）および（Ｄ）に
は、それぞれこれら４つの場合、（１）、　（２）、　
（３）、　（４）の出力端面２４上の光強度分布を、第
２図（Ａ）、（Ｂ）の例をもとに示している。ここで、
黒くなっている部分は、斜線部分よりも光強度で大であ
り、斜線部分は光強度が白地部分と黒い部分の中間であ
ることを意味している。

第３図かられかるように、出力端面２４上の光強１分布
は４つの場合で互いに異なっている。これら４つの光強
度分布、第３図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）および
（ＤＪを受光素子アレイ２５で検出し、それぞれの場合
の電気信号２６をニューラル・ネットワーク２７に入れ
る。ニューラル・ネットワーク２７は、その機能から、
特定の人力信号パターンに対して特定の出カバターンを
発生させるよう、予め内部状態を設定することができる
。ニューラル・ネットワーク２７の２つの出力信号２９
Ａおよび２９Ｂの信号レベルをそれぞれＥｌ、Ｅ２とす
ると、第３図（Ａ）の光強度分布のときにはＥ１＝１、
Ｅ２＝Ｏ１第３図（Ｂ）の光強度分布のときにはＥ１＝
　Ｏ、Ｅ２＝　１、第３図（Ｃ）の光強度分布のときに
はＥ１＝１、Ｅ２＝１、第３図（Ｄ）の光強度分布のと
きにはＥ１＝Ｏ，Ｅ２＝Ｏ１となるようにニューラル・
ネットワーク２７の内部状態を設定することが可能であ
る。

ここで、この多モード光回路（実際には多モード先導波
路）によるパターンの変化の程度をシュミレーションで
明らかにした例を第７図に示す。

多モード光導波路はＸ方向に多モードであるような、２
次元スラブ状ガイドを想定した。クラッドへの電磁界し
み出しがないものとして、第０次のモードの電磁界分布
を、スカラー量 Ｅｎ＝　ｓｉｎ　（πｎｘ／ａ）　　−（１）で表した
。ａはコア幅である。

コア部の屈折率は１２４６、ＮＡおよびコア幅はそれぞ
れ０．２および２２．５μｍとした。これらの値は、最
高次のモード次数が６であることに相当している。ガイ
ドの長さは１０ｃｍとした。また、受光素子アレイに結
合させるのは多モード光ガイドの近視野像であるとした
。

式（１）で表される６つのモードが、多モード光導波路
の入射端で均一に励磁されると仮定して計算を行った。

第４図には、光信号の波長が１　、５５０ｎｍからｌｎ
ｍづつ増加していったときの、出射端における光強度分
布を示す。分布に明確な変化が認められるには、ｌｎｍ
程度の波長変化が必要であり、また充分であることが分
かる。この波長依存性は多モード光ガイドの長さおよび
ＮＡの２乗に比例する。

さらにここで、本実施例の実現性を示すために、前記第
１図において、受光素子アレイの数を２にするとともに
、ニューラル・ネットワークを２人力／２出力タイプの
ものを使用して、２波長１００Ｍｂｉｔ／ｓの分波を行
なった実験結果を第５図に示す。

第５図（ａ）は、信号ん、（図の上部トレース〉と尤２
（図の下部トレース）の伝送波形を示すものであり、前
記信号え１，１．２は４つの状態を有する。

すなわち、（ルｌ、　Ｌ　、）＝　（０，０）、（０，
１）、（１，０）（１，０）（１，１）である。第５図
（ｂ）には２つの受光素子アレイでの検出波形が示され
ている。丸、および尤２の光信号は、光強度分布に応じ
た各波形にスーパーインポーズされる。ニューラル・ネ
ットワークは、第５図（ｃ）に示すように、オリジナル
な信号を正確に再生する。

以上に述べたことから、第１図の光入力部２０で波長が
互いに異なり、かつ異なる信号で強度変調された光信号
２１Ａおよび２１Ｂが波長多重された状態で受信されて
も、第１図に示した実施例に従えば、ニューラル・ネッ
トワーク２７の出力ボート３０Ａおよび３０Ｂにおいて
、もとの変調信号を復元することが可能となる。

以上には、説明を簡単にするために、強度変調された光
信号の場合について例を示したが、本発明は強度変調の
場合だけでなく、周波数変調の場合にも適用可能である
。強度変調の場合には、波長の異なる光信号２１Ａおよ
び２１Ｂの１””　ｏ　”に対応して、第２図に示した
光強度分布Ａ−１，Ａ−２がそれぞれ端面９上に現われ
たり消滅したりする。これに対して周波数変調の場合、
光信号２１Ａの“１”、“Ｏ°゛に対応して光強度分布
は２通りのパターンをとる。したがって２波多重された
信号光に対して異なる４通りのパターンが現われること
になる。これは、ディジタル周波数変調の場合、光の強
度は一定で周波数のみが２値の値をとるため、個々の周
波数に応じた光強度分布が出力端面２４上に現れるから
である。これら４つのパターンを考慮に入れて、ニュー
ラル・ネットワーク２７の内部状態を設定しておけば、
強度変調小遣Ａし同性Ｌ”　　ｄ、レバ亦押樗旦ル沼；
ナス７ンができる。ここでは、２値のディジタル周波数
変調について述べたが、多値の場合にも同じ考え方が成
り立つのは当然である。

以上、第１図、第２図、第３図、第４図および第５図に
基いて、本発明の第１の実施例について説明したが、本
発明の構成は、第１図に示した構成、あるいは後述する
実施例で示される範囲に限定されるものではなく、例え
ば以下の第（１）項ないし第（ｌＯ）項に列記する変更
形態が可能であることは明らかである。

すなわち、本発明第１の実施例では、 （１）異なる波長の光信号２１の数は２、受光素子アレ
イ２５のエレメント数は４、ニューラル・ネットワーク
２７の入力ボート２８の数は４、ニューラル・ネットワ
ーク２７の出力ボート３０の数は２、出力信号２９の数
は２としたが、これらの数は使用目的に応じて自由に設
定できるものである。

（２）多モード光回路２２は３次元光導波路の形状をし
ているが、これはスラブ状の２次元光導波路でふっτ（
、上い一刷旧７−畳卑宏竿アレイ２５Ｍ±、２次元アレ
イ形状をしているが、これを１次元アレイにすることも
可能である。

（３）各光学部品や光学回路は直結されていたり、ある
いは空間を介して結合されているが、レンズ系を必要な
箇所に介在させることも可能である。

（４）出力端面２４上の光強度分布がそのまま受光素子
アレイ２５によって検出されている。すなわち、端面２
４における光強度の近視野像にア・フィールド・パター
ン）が受光素子アレイ２５によって検出されている。こ
れに対して、出力端面２４と受光素子アレイ２５とを空
間的に離れた状態で互いに結合することち可能である。

この場合には、出力端面２４における光強度の遠視野像
（ファー・フィールド・パターン）が受光素子アレイ２
５によって検出されることになる。この時の遠視野像は
、近視野像同様、光信号２１の波長の違いによって変化
する。従って、受光素子アレイ２５から得た電気信号２
６をニューラル・ネットワーク２７に入れることにより
、上述の近視野像の場合と同様の信号処理出力を得るこ
とができる。

（５）ディジタル的に強度変調された信号光を波長多重
した入力信号光２１としては、各波長間で同期している
場合と非同期の場合が考えられる。本発明ではともに適
用可能である。ただし、同期系では、ニューラル・ネッ
トワーク内の非線形処理部に対して同期をとるためのタ
イミングクロックを入力する必要がある。なお、同期系
のほうがより高速まで動作可能であることは当然である
。

（６）多モード光回路２２は、たとえば１つの装置内に
入るような小型の光回路の場合もあれば、たとえば数１
０ｋｍにも及ぶ長さの多モード光ファイバの場合もある
。後者の場合には、第１図の左端は光伝送系の送信側、
右端は光伝送系の受信側に対応することになる。

（７）光信号２１を多モード光回路２２に導くために光
入力部２０が使われている。この光入力部２０は、第１
図のような光導波路の代わりに、当然のことながら光空
間ビームであってもよい。

（８）受光素子アレイ２５とニューラル・ネットワーク
２７とは直結しているが、両者の間には当然のことなが
ら、増幅器等の電子回路類を必要に応じて挿入すること
もありうる。

（９）複数の波長からなる光信号を多モード光回路に入
れていたが、単一波長の光信号であっても、その波長が
時間とともに連続的または不連続的に変化する場合にも
、第１図と同様の処理が可能となる。その場合には、波
長の変化とともに、出力端面２４上の光強度分布が変化
するので、波長変化をニューラル・ネットワーク２７の
出力として検出することが可能となる。

（ｌＯ）受光素子アレイ２５は、多モード光回路２２の
出力端面２４上の光強度分布を直接検波している。

方、光通信の領域では、このような直接検波のほかに、
受信側に備えた局部発信光源からの光と受信した光信号
とをミキシングした上で検波する、いわゆるヘテロダイ
ン検波、あるいはホモダイン検波という技術がある（例
えば、島田著ｒコヒーレント光通信」電子情報通信学会
、　１９８８年、９照）。これらの検波技術の特長は、
受光素子中の熱雑音の影響を抑圧し、受光感度を向上で
きる点にある。本発明においても、これらヘテロゲイン
検波、あるいはホモダイン検波を取り入れることができ
る。

第６図には、その場合の構成例を示す。第６図において
、第６図に示した構成に新たに付加した符号３１で示す
部品は受信側に備えた局部発信光源からの光を多モード
光回路２２にまで導くための光導波路である。この第１
図では、光導波路１６は、多モード光回路２２の入力端
面２３に直接接続されている。ヘテロゲイン検波、すな
わち、受信した光信号（光入力部２０）と、受信側に備
えた局部発信光源からの光（先導波路３１）とをミキシ
ングした上で検波するためには、予め充分にミキシング
する必要がある。したがって、第６図のように、先導波
路１６を多モード光回路２２の入力端面２３に直接接続
した構成でも特に支障ないが、より好ましくは光導波路
３１は多モード光回路２２の手前側において光入力部２
０に結合する構成とする。

さらに、以上の説明では述べなかったが、ニューラル・
ネットワーク２７は、電子回路または光学回路からなる
ハードウェアである場合もあるし、入出力端子を持ちソ
フトウェアによって制御される計算機の場合もある。

上記ニューラル・ネットワーク２７は、前記したように
、複数の入力ボートからの信号を重み付けして加算する
複数の加算処理部と、入力信号に対して非線形処理エレ
メント同志を結合する複数の結線エレメントによって構
成される信号処理ネットワークのことであり、ネットワ
ーク全体への入力信号に対して認識、連想、学習等の機
能を有する回路であり、本発明においては学習機能を有
することが望ましい。

このような学習機能付きニューラル・ネットワーク（Ｎ
Ｎ）を用いた光受信器の構成例を第７図に示すととちに
、その動作に関するタイミング・チャートを第８図に示
す。

学習機能を有する場合、学習回路（ＬｅａｒｎｉｎｇＣ
ｉｒｃｕｉｔ）４０と、パターン発生器（Ｐａｔｔｅｒ
ｎＧｅｎｅｒａｔｏｒ）４１がニューラル・ネットワー
ク２７の一部として加わることになる。学習回路４０は
、ニューラル・ネットワーク２７の重みＷやしきい値θ
を学習内容に応じて更新していく。パターン発生器４１
は教師信号ｔを発生する。

学習動作は次のようになる。まず、光源からは第８図の
ん、〜１１．４に示したように、２’＝１６パターンが
繰り返し送出される。この光信号は受光素子アレイによ
って電気信号に変換された後、ニューラル・ネットワー
ク２７でパターン認識され、信号０．　（ｊ＝１．２．
３．４）として出力される。この信号はＳ字状の緩やか
な識別処理が施されているため、アナログ的振幅値を示
す。この出力信号０、の振幅を教師信号ｔＪの振幅と比
較し、状態関数Ｅ＝Σ（ｔ、−０，）２が最小となるよ
うにニューラル・ネットワークの内部状態（重みＷｌ、
、しきい値θ１）を徐々に更新することで学習が進行す
る。比較に際して、教師信号ｔ１の発生パターンは、光
源から送出された信号パターンと一致しておく必要があ
る。例えば、光源側信号が、第８図中で示した１４番目
の信号パターンである時、教師信号も同じ１４番目のパ
ターンでなければ、学習の意味がないのである。ところ
が、光源側から信号が送られ始めたときは、そのパター
ンが一致しているとは限らない。第８図中では光源側パ
ターンが１４番目の時、教師信号パターンは１１番目の
パターンとなっている。

そこで、パターン同期をとる必要が生じる。パターン同
期は、例えば、第７図に示したように、リセット信号（
Ｒｅｓｅｔ　ｓｉｇｎａｌ）でパターン発生器をリセッ
トすることにより可能となる。リセット信号の発生は本
構成例ではＮＡＮＤゲートで実現しているＮＡＮＤゲー
トに１４番目のパターンが入力されると、リセット信号
が発生し、パターン発生器は再びＯ番目のパターンから
出力を始める。ＮＡＮＤゲートへの入力信号は、ニュー
ラル・ネットワークからの出力信号０４をクロック付き
の識別器で識別再生され信号ＯＴを用いる。再生信号Ｏ
ＴＪには、光源信号からの遅延が生じており、第８図中
で示した例では遅延量は１タイムスロット分となってい
る。

パターン同期がとれた後は、１６パターンに対する学習
が複数回行なわれ、状態関数値Ｅが予め設定された値よ
り小さくなると、学習回路は学習（終了）信号（Ｌｅａ
ｒｎｉｎｇ　Ｅｎｄ　Ｓｉｇｎａｌ）を送出して学習を
終了する。

（実施例２） 第９図に本発明の第２の実施例を示す。なお、ここで第
１図に示した第１の実施例と同一箇所には同一の記号を
付している。

第２の実施例と第１図に示した第１の実施例との相違点
は、多モード光回路５０の構造が異なる点である。第１
の実施例では、（ｉ）多モード光導波路単体であったが
、第２の実施例では、（ｉｉ）多モード光導波路５１と
その出力端面５２に接続された複数の先導波路５３から
構成される光回路を用いる。なお、本例では先導波路の
数は４である。この４本の光導波路の出射端には４個の
素子２５Ａ〜２５Ｄからなる受光素子アレイ２５が備え
られている。

（実施例３） 第１０図に本発明の実施例を示す。なお、ここで第１図
に示した第１の実施例と同一箇所には同一の記号を付し
ている。

第３の実施例と第１図に示した第１の実施例との相違点
も、多モード光回路６０の構造が異なる点である。第３
の実施例では多モード光回路として（ｉｉｉ）複数の光
導波路５４．方向性結合器５６．Ｙ分岐回路５５の組み
合せによって構成される光回路を用いている。組み合せ
を変えることにより多種類の光回路を実現できる。当然
のことながら、従来例として第２５図に示した光分波器
もこの光回路の一部として含まれる。

（実施例４） 本発明の第４図の実施例を第１１図に示す。なお、ここ
で、第１図に示した第１の実施例と同箇所には同一の記
号を付している。この第４の実施例と、第１の実施例と
の相違点は、空間的強度分布のパターン認識手段が異な
る点である。第■の実施例では、（ｉ）受光素子アレイ
とニューラル・ネットワークであったが、本例では、（
ｉｉ）ホログラム素子７１と受光素子アレイによってパ
ターン認識を行なう。

多モード光回路２２からの出射光７０はホログラム素子
７１に結合される。ホログラム素子７１では、その中に
記録された情報によって、多モード光回路出射光７０を
その波面条件に応じて処理し、その出射光７０とは異な
るホログラム素子出射光７２を出力する。このホログラ
ム素子出射光７２は、受光素子アレイ７３に結合し電気
信号に変換される。その結果、受光素子アレイ７３の出
力ポードア４Ａ、　７４Ｂから最終的な出力信号７５Ａ
、　７５Ｂが得られる。

上記ホログラム素子７１には予め多モード光回路２２か
らの出射パターン７６を記憶しておく必要がある。記憶
には、第１２図に示すように、従来通り参照光７７を用
いて、出射パターン７６との干渉結果を感光させる。参
照光７７は出射パターン７６の伝搬方向に対し、θの角
度をなす方向から照射する。角度θは、波長ごとに異な
る。

記憶されたホログラム素子７１に出射パターン７６を照
射すると、参照光７７の方向に回折される。したがって
、波長ごとに異なる方向に回折波が生じるから波長分離
が可能となる。なお、参照波に点光源から伝搬する球面
波を用いると、回折波は点光源の位置に集束するビーム
となるから、その集束する位置に受光素子アレイ７３を
置くと分離が容易になる。参照波に広がりのある平行ビ
ームを用いると、回折波も広がりのあるビームとなるか
ら回折波は受光素子アレイ７３上に分布することになる
。そのときは、後述するように受光素子アレイの後にニ
ューラル・ネットワークを設置して認識処理を行なう。

このような構成をとる第１１図の実施例では、前記第１
の実施例で説明したのと同様にある波長の光信号２１Ａ
のみが、多モード光回路２２に入力した時と、別の波長
の光信号２１Ｂのみが入力した時とでは、多モード光回
路２２の出力２４に現われる光強度分布は互いに異なっ
たものとなる。例えば、ある波長の光信号２１Ａに対し
て第１３図（Ａ）の分布が出力されたとしたとき、別の
波長の光信号２１Ｂに対しては第１３図（Ｂ）の分布が
出力されるように、入力される光信号の波長が異なれば
、出力される分布が異なる。

また、同様に、２つの光信号２１Ａ、　２１Ｂがそれぞ
れ異なるディジタル信号で強度変調を受け、波長多重さ
れたものが人力先導波路２０を経て多モード光回路２２
に入射する場合、受信される光信号の状態には、４つの
場合が考えられる。これら４つの場合の出力端面２４上
の光強度分布は、第１４図（Ａ）。

（Ｂ）、（Ｃ）および（ＤＪとなる。これら４つの分布
はホログラム素子７１に入射することになる。このホロ
グラム素子７１においても、前記実施例１で説明したニ
ューラル・ネットワーク２７でと同様に、受光素子アレ
イ７３からの２つの出力信号７５Ａ、　７５Ｂの信号レ
ベルに基づき、第１４図（Ａ）〜（Ｄ）の光強度に対応
したホログラム出射光７２が得られるように、ホログラ
ム素子７１の内部状態を設定することが可能である。

以上述べたことから、第１１図の入力先導波路２０で波
長が互いに異なり、かつ異なる信号で強度変調された光
信号２１Ａおよび２１Ｂが波長多重された状態で受信さ
れても、第８図に示した実施例に従えば、受光素子アレ
イ７３の出力ポードア４Ａおよび７４Ｂにおいても、も
との変調信号を復元することが可能となる。

以上には、前記実施例１におけると同様に、説明を簡単
にするため、強度変調された光信号の場合についての例
を示したが、本発明は、強度変調の場合だけでなく、同
波長変調の場合にも適用できる。また、同様に、ここで
は、２値のディジタル周波数変調について述べたが、多
値の場合にも同じ考え方が成り立つのは当然である。

以上、本発明の第４の実施例について説明したが、本発
明の構成は、第１１図に示した構成、あるいは後述する
各実施例で示される範囲に限定されず、前記第１の実施
例で説明した変更形態（１）〜（ｌＯ）と同様なことが
可能であることは明らかである。ただし、この場合、ニ
ューラル・ネットワークがホログラム素子に変更されて
いること、等の構成上の差異を考慮する必要がある。

なお、以上の説明では述べなかったが、ホログラム素子
７１は、２次元平板上に情報を記録したものであれば、
３次元光学結晶を用いて情報を３次元的に記録したもの
もある。

（実施例５） 第１５図は、本発明の第５の実施例を示す。ここで、第
１１図に示した第４の実施例と同一箇所には同一記号を
付している。この第５の実施例と第１１図に示した第４
の実施例との相違点は、多モード光回路の代りに新たな
構造の多モード光回路５０を設けた点である。前記多モ
ード光回路２２は１つの多モード光導波路であったが、
この第５の実施例の多モード光回路５０は、複数の先導
波路（本例では４個）によって構成されている。すなわ
ち、この第５の実施例では、多モード光導波路５１とそ
の端面５２に接続された４個の先導、波路５３とが、多
モード光回路５０として機能している。この構成は前記
第９図で示した実施例２でと同様である。４個の光導波
路５３には、ホログラム素子７１を間に介して受光素子
アレイ７３が接続されている。

（実施例６） 第１６図に本発明の第６の実施例を示す。なお、ここで
第１Ｏ図に示した第３の実施例および第１１図に示した
第４の実施例と同一箇所には同一の記号を付している。

この第６の実施例と第１１図に示した第４の実施例との
相違点は、第５実施例の場合と同様に、多モード光回路
２２の代りに、新たな構造の多モード光回路６０を設け
た点である。多モード光回路２２は１つの多モード先導
波路であったが本実施例の多モード光回路６０の方は、
複数の光導波路によって構成されている。すなわち、こ
の第６の実施例では、複数の光導波路５４を光分岐回路
５５および光方向性結合器５６と組み合わせて接続した
ものを多モード光回路６０として機能させる。この構造
は前記第１０図で示した実施例３と同様である。この構
造では、光導波路５４等の接続組合せを変えることによ
り、多種類の光回路を考えることができ、当然のことな
がら、第２５図に従来例として示した単一モード光導波
路からなる光分波器も最ち簡単な例として含むことにな
る。

（実施例７） 第１７図は、本発明の第７の実施例を示す。本実施例で
は、多モード光回路２２とホログラム素子７１Ａ、　７
１Ｂとの間に、偏光分離素子８０を挿入している。多モ
ード光回路２２の出射光７０は偏光分離素子８０によっ
て互いに直交した偏光７０Ａおよび７０Ｂに分離された
後、それぞれの偏光７０Ａ、　７０Ｂが２つのホログラ
ム素子７１Ａ、　７１Ｂに結合する。ホログラム素子７
１Ａ、　７１Ｂの出射光７２Ａ、　７２Ｂは、その後方
に配設した２つの受光素子アレイ７３Ａ、　７３Ｂに結
合し、受光素子アレイ７３Ａ、　７３Ｂの出力信号が加
算回路８１により加算されて出力される。通常、光導波
路２０から入力する光信号２１は種々の偏光状態をとる
ので、第１７図のような構成にすることにより、偏光依
存性のない光分波特性を有する光受信器を実現すること
ができる。

（実施例８） 第１８図は、本発明の第８の実施例を示す。本実施例で
は受光素子アレイ７３の後段に、前記第１実施例で示し
たニューラル・ネットワーク２７を接続している。本実
施例では、このニューラル・ネットワーク２７がもつパ
ターン認識機能を利用することにより、信号再生特性を
さらに向上させることができる。

（実施例９） 第１９図に本発明の第９の実施例を示す。図中、符号９
０は回折格子、９１は直線上に並んだ１次元受光素子（
ＰＤ）アレイであり、前記各実施例でと同様に、２７は
ニューラル・ネットワーク、３０はその出力ボートであ
る。

本実施例が、他の実施例に比べて異なる点は回折格子（
光変換デバイス）９０を用いている点にある。

第１９図において、光ファイバ２０を伝搬してきた波長
多重信号光２１は回折格子９０で角度分散を受ける（回
折される）。ここで、波長多重信号光２１は強度変調さ
れたディジクル信号である。角度分散を受けた（回折さ
れた）信号光９２は受光素子アレイ上では、第２０図に
示すように、各波長毎に１個のピークを有する光強度分
布に変換される。第２０図に示した通り、光の分布は、
アレイが並んでいる方向に対して連続的に変化している
が、受光素子は有限の小ささを持っているので、受光素
子アレイに生じる光電流の分布は第２１図〜第２３図に
示す通り、受光素子アレイの幅で不連続なグラフとなる
。複数の信号光が同時に°“ＯＮ゛状態の場合、光電流
分布はその線形加算となる。受光素子アレイ９１から出
力されるこのような電流分布をニューラル・ネットワー
ク２７でパターン認識処理させると、ニューラル・ネッ
トワーク２７の出力ボート３０から各波長に対応した信
号が再生できる。

ニューラル・ネットワーク２７は前記したように、その
機能から、特定の入カバターンに対して特定の出カバタ
ーンを発生させるように、予め内部状態を電気的に設定
することが出来る。例えば、第２１図のような電流分布
（パターン）の入力に対して出力ボート３０　［０，，
０２・、Ｏｎ］からＥｌ。

Ｏｌ・・・、０〕　というパターンが出力されるように
設定できる。予め設定するパターンの数は、２値信号を
仮定すると、波長多重数がｎの場合、２″個となる。そ
の場合、光源に波長変動が起きてもニューラル・ネット
ワーク２７が自動的に内部状態を変更して分波波長を調
整するから、波長変動に伴う分岐特性の劣化は生じない
。

なお、第２１図〜第２３図において、受光素子の数Ｍと
波長多重数ｎとの間には０５Ｍの関係が必要である。ｎ
個の異なる独立した出力を得るためには、入力数Ｍは代
数的に最低ｎ個は必要だからである。

このように、本実施例では、光強度分布を受光素子アレ
イ全体で受光する構成だから、光学的結合に高い精度を
必要としない。

本実施例では、角度分散素子に回折素子を用いているが
、プリズムを用いても動作は同じである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、波長スペクトル
が狭く、かつ安定であるような光源を使った光波長多重
通信において、波長の異なる複数の光信号に対する信号
分離を簡易かつ制作容易な光回路を用いて行なうことの
できる光受信器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第８図は本発明の第１の実施例を説明する
ためのもので、第１図は光受信器の構成図、 第２図（Ａ）および（Ｂ）は多モード光回路における光
強度分布の様子の一例を示した第１の説明図、 第３図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）および（Ｄ）は
多モード光回路における光強度分布の様子の一例を示し
た第２の説明図、 第４図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）および（ｄ）は
本発明に多モード光回路として用いる多モード先導波路
の波長分解能を知るために示した多モード光導波路の出
力端面における光強度分布の様子を示した図、 第５図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）は本発明の第１
の実施例の作用を説明するために示した実験結果で、（
ａ）は光入力部における送信波形図、（ｂ）は受光素子
アレイにおける波形図、（Ｃ）はニューラル・ネットワ
ークの出力側における分波波形図、 第６図は水弟１の実施例の光受信器にヘテロダイン検波
を取り入れた場合の構成図、 第７図は学習機能を有するニューラル・ネットワークの
一例を示す構成図、 第８図は同ニューラル・ネットワークの動作に関するタ
イミング・チャート、 第９図は本発明の第２の実施例の構成図、第１Ｏ図は本
発明の第３の実施例の構成図、第１１図ないし第１４図
（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）および（Ｄ）は本発明
の第４の実施例を説明するためのもので、第１１図は本
実施例の光受信器の構成図、第１２図はホログラム素子
へのパターン記憶メカニズムを説明する斜視図、 第１３図（Ａ）および（Ｂ）は本実施例中の多モード光
回路における出射光の個別波長ごとの端面上の光強度分
布を例示する図、 第１４図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）および（Ｄ）
は多モード光回路における出射光の波長多重光信号の端
面上の光強度分布を例示する図、 第１５図は本発明の第５の実施例の構成図、第１６図は
本発明の第６の実施例の構成図、第１７図は本発明の第
７の実施例の構成図、第１８図は本発明の第８の実施例
の構成図、第１９図ないし第２３図は本発明の第９の実
施例を説明するためのもので、第１９図は本発明の光受
信器の構成図、 第２０図は受光素子アレイ上での光強度分布図、 第２１図は波長ル、の信号光を受光素子アレイで受光し
たときの光電流の分布図、 第２２図は波長ん２の信号光を受光素子アレイで受光し
たときの光電流の分布図、 第２３図は波長λ。の信号光を受光素子アレイで受光し
たときの光電流の分布図、 第２４図は従来の光受信器の一例を示す説明図、 第２５図は従来の光受信器の他の例を示す説明図、 第２６図は上記従来の他の例の光受信器の出力特性の説
明図である。 ２０・・・光入力部、 ２１Ａ、２１Ｂ・・・光信号、 ２２・・・多モード光回路（多モード光導波路）２３・
・・多モード光回路の入力端面、２４・・・多モード光
回路の出力端面、２５Ａ〜２５Ｄ・・・受光素子アレイ
、２６Ａ〜２６Ｄ・・・電気信号、 ２７・・・ニューラル・ネットワーク、２８Ａ〜２８Ｄ
・・・入力ボート、 ２９Ａ、　２９Ｂ・・・出力信号、 ３０Ａ、　３０Ｂ・・・出力ボート、 ４０・・・学習回路、 ４１・・・パターン発生器、 ５０・・・多モード光回路、 ５１・・・多モード光導波路、 ５２・・・出力端面、 ５３・・・光導波路、 ５４・・・光導波路、 ５５・・・１分岐器、 ５６・・・方向性結合器、 ６０・・・多モード光回路、 ７０・・・多モード光回路の出射光、 ７１・・・ホログラム素子、 ７２・・・ホログラム素子の出射光、 ７３・・・受光素子アレイ、 ７４・・・出力ボート、 ７５Ａ、　７５Ｂ・・・出力信号、 ７６・・・出射パターン、 ７７・・・参照光、 ８０・・・偏光分離素子、 ８１・・・加算回路、 ９０・・・回折格子、 ９１・・・１次元受光素子アレイ、 ９２・・・信号光。 法名 国 架〜 （ａ） （ｂ） （Ｃ） （ｄ） 第４図 第１２図 尤強崖 第２１図 第２２図 第２３図 ４ イ（来イ＋ｙ＋　／’九咬々４ｉの一例の言えβＡ臥第
２４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）波長の違いを空間的パワー分布の違いに変換する光
   変換デバイスと、前記空間的パワー分布のパターンを認
   識して出力信号を取り出すパターン認識手段とを具備し
   てなる光受信器。 ２）前記光変換デバイスが、一方の端部から入力された
   複数または単一の波長からなる光信号を他方の端部まで
   伝搬させて前記光信号の光強度分布を出力するもので、
   複数のモードを同時に伝搬可能な多モード光回路である
   ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光受信器。 ３）前記多モード光回路が、多モード光導波路単体であ
   ることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の光受信器
   。 ４）前記多モード光導波路が、多モード光導波路とその
   出力端面に接続された複数の光導波路から構成される光
   回路であることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の
   光受信器。 ５）前記多モード光回路が複数の光導波路、方向性結合
   器、Ｙ分岐器の組み合せによって構成される光回路であ
   ることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の光受信器
   。 ６）前記光変換デバイスが回折格子であることを特徴と
   する請求の範囲第１項に記載の光受信器。 ７）前記パターン認識手段が、 前記光変換デバイスから光強度分布を受信して電気信号
   に変換する受光素子アレイと、 複数の処理エレメントおよび結線エレメントを有し、前
   記受光素子アレイからの電気信号を処理して、前記光変
   換デバイスに入力する複数または単一の波長からなる光
   信号に含まれる個々の波長の光信号に対応した出力信号
   を取り出すニューラル・ネットワークと、 を有してなることを特徴とする請求の範囲第１項に記載
   の光受信器。 ８）前記ニューラル・ネットワークが学習機能を有する
   ことを特徴とする請求の範囲第７項に記載の光受信器。 ９）前記パターン認識手段が、 前記光変換デバイスから出射した光信号を受光し、該光
   信号の波面条件に応じて該光信号を処理して、前記光変
   換デバイスに入力する複数または単一の波長からなる光
   信号に含まれる個々の波長の光信号に対応した光強度分
   布の出射光を出力するホログラム素子と、 該ホログラム素子からの前記出射光の光強度分布を受信
   して電気信号に変換する受光素子アレイと、 を有してなることを特徴とする請求の範囲第１項に記載
   の光受信器。 １０）前記パターン認識手段が、前記ホログラム素子と
   前記受光素子アレイと前記ニューラル・ネットワークと
   を有してなることを特徴とする請求の範囲第１項に記載
   の光受信器。 １１）前記ニューラル・ネットワークが学習機能を有す
   ることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の光受信
   器。