JPH04248721A - バランス型光受信器 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はコヒーレント光通信方式
に用いられる光受信器に関する。

【０００２】近年、次世代の光通信方式として光の波と
しての性質を用いたコヒーレント光通信方式が注目され
、各種通信研究機関等で盛んに研究が行われている。 コヒーレント光通信方式では従来より実用化されている
強度変調直接検波方式（ＩＭ−ＤＤ方式）に比べて、ヘ
テロダインあるいはホモダイン検波による感度改善及び
周波数あるいは位相変復調方式による感度改善の二つの
感度改善により受信感度が１０〜２０ｄＢ改善されるの
で、長距離伝送が可能であり、また、その狭いスペクト
ルにより光周波数多重伝送が可能となり伝送容量が飛躍
的に増大する等のメリットがあり、通信方式としては、
単純なパワ伝送であるＩＭ−ＤＤ方式に比べて基本的に
優位性を持つ。ヘテロダインあるいはホモダイン検波に
よる感度改善は局部発振光源の強力な光パワにより光・
電気変換部であるフロントエンド回路の熱雑音が（搬送
波）信号電力対雑音電力比（ＳＮＲもしくはＣＮＲ）に
おいて無視できるようになることにある。ＩＭ−ＤＤ方
式においては光ファイバを伝播してきた微弱な光と回路
雑音とでＳＮＲが決まるため感度改善のためには回路雑
音を低減するほか方法がないが、コヒーレント光通信方
式においては加えて局部発振光電力を増大させることに
よりショット雑音限界まで感度改善を図ることができる
。ところが、局部発振光パワを増大していくとその強度
雑音が回路雑音に比べて支配的になり受信感度の劣化が
生じるといった問題があったが、バランス型光受信器は
局部発振光の有効利用ができるとともに局部発振光の強
度雑音を抑圧することができるためコヒーレント光通信
用受信器として有望視されている。

【０００３】

【従来の技術】本出願人は先に特願昭６１−１４２８３
７号等により図５に示す如きバランス型受信器を提案し
た。

【０００４】図５において、１１は光カプラ、１２，１
３は受光素子、１４は変調器、１５は制御回路、１６は
半導体レーザ、１７は発振器、１８は増幅器、１９は電
気光学効果素子等の光の位相又は強度を制御できる光学
制御素子である。ここでは、受信出力信号に含まれる変
調信号成分を制御回路１５に於いて抽出し、この変調信
号成分が小さくなるように光学制御素子１９を制御し、
光カプラ１１から受光素子１３に入射される光の位相又
は強度に対して、受光素子１２に入射される光の位相又
は強度を制御する。これによって、受光素子１２，１３
から出力される変調信号成分が等しくなり、受光素子１
２，１３の接続点から出力される信号に変調信号成分が
含まれないことになり、かつ、強度雑音成分も抑圧され
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】バランス型光受信器で
、大きな強度雑音抑圧効果を得るためには、光カプラ１
１から受光素子１２，１３夫々までの両径路の利得及び
位相のバランスを充分にとる必要がある。強度雑音抑圧
による局部発振レーザの（図５の半導体レーザ１６）相
対強度雑音（ＲＩＮ）の改善度を次式で表わす。

【０００６】

【数１】

【０００７】但し、ζｅはバランス型光受信器を用いて
得られる等価的なＲＩＮ，Ｓは利得比、△τは両径路の
遅延時間差、Ｆは光の周波数である。

【０００８】（１）　式から利得のバランスは直流成分
の抑圧に効果があり、位相のバランスは高周波成分の抑
圧に効果があることが分る。

【０００９】図６は局部発振レーザ出力とパワペナルテ
ィとの関係を示す。通常の半導体レーザのＲＩＮは−１
５５ｄＢ／Ｈｚ　程度であるから、出力電力＋１０ｄＢ
ｍ　の半導体レーザではＲＩＮ抑圧は２５ｄＢ程度であ
れば強度雑音による影響が無視できることがわかる。こ
の値から例えば利得比が１±０．０６で位相差が０．０
６程度要求される。例えば伝送速度４Ｇ／ｂ／ｓ　のヘ
テロダイン検波を考えた場合、中間周波数８ＧＨｚにお
いて抑圧量２５ｄＢを達成するに必要な遅延時間差は１
．１　ｐｓで、光ファイバ長にして２００μｍ　の差で
あり、厳しい位相のバランスが要求される。

【００１０】従来のバランス型光受信器で、その出力信
号の変調成分からＲＩＮ抑圧量２５ｄＢを検出するため
には制御回路１５が非常に高感度でなければならない。 また、制御回路１５の負担を軽減するには光変調器１４
による変調度を大きくする必要があり、ＲＩＮ抑圧量が
不充分であると変調信号の残留成分による感度の劣化が
生じる。また効率的な制御を行なうためには変調周波数
は中間周波数あるいは信号帯域の上限周波数を選ぶ必要
があり、このため制御回路１５は高速動作が必要とされ
、高速かつ高感度の制御回路を得ることは非常に困難で
あるという問題があった。

【００１１】本発明は上記の点に鑑みなされたもので、
制御の速度及び感度の負担を軽減し、強度雑音抑圧特性
の劣化を補償できるバランス型光受信器を提供すること
を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理図を
示す。

【００１３】同図中、光カプラ１は受信光と局部発振レ
ーザ光とを混合して得た中間周波光を二分岐する。二分
岐した中間周波光夫々は２つの受光素子２ａ，２ｂで受
光され、２つの受光素子の出力信号をＩＦ増幅器３で合
成して中間周波信号として出力する。

【００１４】強度変調手段４は局部発振レーザ光を第１
及び第２の周波数の信号を混合した信号で強度変調する
。

【００１５】合成手段５は、２つの受光素子２ａ，２ｂ
の出力信号を互いに該中間周波信号の合成とは逆相で合
成する。

【００１６】レベル検出手段６は、合成手段５で得られ
た信号から第１及び第２の周波数成分夫々のレベルを検
出する。

【００１７】制御手段７は、レベル検出手段６で得られ
た第１及び第２の周波数成分夫々のレベルが等しくなる
ように該光カプラの分岐比を制御し、かつ第１及び第２
の周波数成分夫々のレベルのいずれか一方が最大となる
よう二分岐した中間周波光のいずれか一方の位相シフト
を制御する。

【００１８】また、強度変調手段４は第１及び第２の周
波数を受信光の信号帯域より低くしている。

【００１９】

【作用】本発明においては、第１，第２の周波数成分の
レベルに応じて分岐比及び位相シフトの制御を行なうた
め、強度雑音抑圧量を自動的に効率よく制御することが
できる。

【００２０】また第１，第２の周波数を受信光の信号帯
域より低くすることにより、上記第１，第２の周波数成
分が信号帯域内に残留することがなく高感度の受信を行
なうことができる。

【００２１】

【実施例】図２は本発明のバランス型受信器の一実施例
のブロック図を示す。

【００２２】同図中、導波路型の光カプラ２０には位相
連続ＦＳＫ（ＣＰＦＳＫ）変調された信号の受信光と、
局部発振レーザ２１よりの局部発振レーザ光とが供給さ
れる。この局部発振レーザ２１は発振器２２，２３夫々
よりの周波数ｆ１　，ｆ２　のパイロット信号を混合器
２４で混合した信号により強度変調されている。上記の
パイロット信号の周波数ｆ１　，ｆ２　は図３（Ａ）に
示す如くＣＰＦＳＫ変調された信号の信号帯域より低く
設定されている。

【００２３】光カプラ２０は受信光と局部発振レーザ光
とを混合し、これによって得られる中間周波信号光を二
分岐して位相シフタ２１，２２夫々に供給する。位相シ
フタ２１，２２夫々を通した中間周波信号光は受光素子
２３，２４夫々で光電変換される。これによって受光素
子２３，２４夫々に流れる光電流ｉ１，ｉ２　夫々は次
式で表わされる。

【００２４】

【数２】

【００２５】

【数３】

【００２６】εは光カプラの分岐比、ＰＬ　は局部発振
レーザ光電力、ＰＳ　は受信信号光電力、ｆ１Ｆは中間
周波数、ψ１　は光カプラ出力での局部発振光と信号光
の位相差、ψ２　はふたつの径路の位相差、ＮＬ　は強
度雑音を表す。Ａ及びＢはそれぞれ第１及び第２の変調
周波数成分の振幅を表し、ＲＩＮ抑圧特性によってその
大きさは決まる。また、簡単のため受光素子の量子効率
等の受信器の検波効率は１としている。

【００２７】上記の受光素子２３，２４はフォトダイオ
ードで直列接続されており、ＩＦ増幅器２５には受光素
子２３のカソードと受光素子２４のアノードとの接続点
から取り出される差の光電流ｉ１　−ｉ２　が供給され
、合成器２６は受光素子２３のアノード及び受光素子２
４のカソード夫々から取り出される光電流ｉ１　，ｉ２
　が供給され、その他の光電流ｉ１　＋ｉ２　を得る。

【００２８】ここで、光カプラ２０の分岐比が理想的に
０．５　で、受光素子２３，２４夫々までの両径路の位
相差がπならばＩＦ増幅器２５から取り出される中間周
波信号は次式となり、直流成分及び強度雑音成分を除去
できる。

【００２９】

【数４】

【００３０】同様に合成器２６からは次式で表わされる
信号が取り出される。

【００３１】

【数５】

【００３２】合成器２６の出力する信号は帯域フィルタ
２７，２８夫々で帯域制限されて周波数ｆ１　，ｆ２　
夫々の信号が取り出され、包絡線検波器２９，３０夫々
で包絡線検波され、（５）　式における値ＡＰＬ　，Ｂ
ＰＬ　夫々の信号が得られる。つまり、上記の信号振幅
は局部発振レーザ光電力との積となっているため特に高
感度の検出を行なう必要はない。

【００３３】比較器３０は検波器２９，３０夫々よりの
値ＡＰＬ　，ＢＰＬ　夫々の信号を比較して誤差信号を
生成し、これを光カプラ２０に制御信号として供給し、
両信号の値が同一となるように制御する。また検波器２
９よりの値ＡＰＬ　の信号は最大値検出器３１に供給さ
れ、ここで値ＡＰＬ　を最大とするような制御信号が生
成されてセレクタ３２より位相シフタ２１，２２に供給
され、これらのシフト量が制御される。

【００３４】一方、ＩＦ増幅器２５の出力する中間周波
信号は帯域フィルタ３５で不要周波数成分を除去された
後、リミッタ３６を通して遅延検波器３７に供給され、
ここでＣＰＦＳＫ復調される。なお、この遅延検波器３
７内の遅延線３８の遅延量τ１　は次式で表わされる。

【００３５】τ１　＝（２ｎ−１）／４ｆＩＦ但しｎは
自然数である。

【００３６】この復調信号はタイミング抽出回路３９で
タイミング抽出が行なわれ、識別回路４０でタイミング
抽出信号を用いた識別が行なわれて端子４１より出力さ
れる。

【００３７】また、リミッタ３６の出力信号は周波数弁
別器４５で弁別された後ＡＦＣ回路４６に供給され、こ
こで局部発振レーザ光を略一定にするよう制御する信号
が生成されて局部発振レーザ２１に供給される。

【００３８】図４は（１）　式のＲＩＮ抑圧特性つまり
強度変調した受信光をバランス型受信器に入射したとき
の出力スペクトルを示している。利得、位相共にバラン
スがとれているときを実線ａで示し、利得のみバランス
がとれているときを実線ｂで示し、位相のみバランスが
とれているときを破線ｃで示す。また、単一の受光素子
で受信したときを実線ｄで示す。つまりＲＩＮ抑圧量は
実線ａ，ｂ又は破線ｃと実線ｄとの差である。強度変調
の変調周波数が単一の場合は実線ｂが傾斜しているため
、効果的な制御を行なうには変調周波数を中間周波数あ
るいは信号帯域の上限に選ばなければならない。このた
めに変調周波数の残留成分により感度劣化が生じること
は前述の通りである。しかし、本発明では強度変調周波
数つまりパイロット信号周波数をｆ１　，ｆ２　と２つ
選ぶことにより、周波数ｆ１　，ｆ２　を信号帯域より
低く選択しても実線ｂの傾斜を検知して効果的な制御を
行なうことができ、感度が劣化することを防止できる。

【００３９】このように、周波数ｆ１　，ｆ２　夫々の
成分のレベルに応じて分岐比及び位相シフトの制御を行
なうため、強度雑音抑圧量を自動的に効率よく制御する
ことができる。また周波数ｆ１　，ｆ２　を受信光の信
号帯域より低くすることにより、上記周波数ｆ１　，ｆ
２　の成分が信号帯域内に残留することがなく高感度の
受信を行なうことができる。

【００４０】

【発明の効果】上述の如く、本発明のバランス型光受信
器によれば、制御の速度及び感度の負担を軽減し、強度
雑音抑圧特性の劣化を補償でき、実用上きわめて有用で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図である。

【図２】本発明回路の一実施例のブロック図である。

【図３】本発明の信号スペクトル及び中間周波信号波形
を示す図である。

【図４】ＲＩＮ抑圧特性図である。

【図５】従来回路の一例のブロック図である。

【図６】パワペナルティ特性図である。

【符号の説明】

１　　光カプラ ２ａ，２ｂ　　受光素子 ３　　ＩＦ増幅器 ４　　強度変調手段 ５　　合成手段 ６　　レベル検出手段 ７　　制御手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　受信光と局部発振レーザ光とを光カプ
   ラ（１）で混合して得た中間周波光を二分岐し、二分岐
   した中間周波光夫々を２つの受光素子（２ａ，２ｂ）に
   受光させ、該２つの受光素子（２ａ，２ｂ）の出力信号
   を合成して中間周波信号として出力するバランス型光受
   信器において、該局部発振レーザ光を第１及び第２の周
   波数の信号を混合した信号で強度変調する強度変調手段
   （４）と、該２つの受光素子（２ａ，２ｂ）の出力信号
   を互いに該中間周波信号の合成とは逆相で合成する合成
   手段（５）と、該合成手段（５）で得られた信号から該
   第１及び第２の周波数成分夫々のレベルを検出するレベ
   ル検出手段（６）と、該レベル検出手段（６）で得られ
   た第１及び第２の周波数成分夫々のレベルが等しくなる
   ように該光カプラ（１）の分岐比を制御し、かつ第１及
   び第２の周波数成分夫々のレベルのいずれか一方が最大
   となるよう二分岐した中間周波光のいずれか一方の位相
   シフトを制御する制御手段（７）とを有することを特徴
   とするバランス型光受信器。
2. 【請求項２】　　該強度変調手段（４）は該第１及び第
   ２の周波数を受信光の信号帯域より低くしたことを特徴
   とする請求項１のバランス型光受信器。