JPH086085A - 光受信装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速デジタル光信号の識別器として応用する
ために有効な観測された干渉パターンの具体的な処理手
段を構成し、比較的簡単な構成で高速な処理が可能とな
る光受信装置を提供する。 【構成】 信号光に同期した局発光を位相同期手段２に
よって発生し、この局発光を変調手段３で変調し、変調
によって生じた各周波数成分の光を周波数分離手段１２
によってそれぞれ空間的に分離し、その周波数の順に配
列し、前記信号光および周波数分離手段から出力される
局発光を受光素子アレイ１で受光して、その光電流の空
間分布を観測し、該受光素子アレイ１の隣接する受光素
子間の光電流を比較器９で比較し、その差を出力してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主に光通信システムに
おいて高速強度変調光信号を受信または中継する際に必
要となる光受信装置に関し、詳しくは有限時間長をもつ
時間的に変調された光信号を受信する光受信装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図５に従来の光受信装置の構成を示す。
従来の光受信装置が取り扱う信号は、Highレベル、Low
レベルの２値のみを取るデジタル光信号である。図５に
おいて、受光素子５１は光信号を電気信号に変換するも
のであり、増幅器５２は電気信号を増幅するものであ
り、識別回路５３は電気信号をあるしきい値レベルによ
ってHighレベルもしくはLow レベルに判別するものであ
る。

【０００３】図５に示す従来の光受信装置は、構成要素
である受光素子、増幅器、識別回路の全てに、デジタル
光信号と同等もしくはそれ以上の帯域（応答速度）を必
要とするため、ビットレートが１０Ｇｂ／ｓを超えるよ
うな超高速光伝送システムに対してはその適用が困難で
あるという問題がある。

【０００４】また、本発明に関連する別の従来技術とし
て、図６に示すような特願平５−４６９２３号記載の光
受信装置が知られている。図６において、信号光はハー
フミラー６によって２つに分岐され、一方は光位相同期
手段２に入射してここで信号光に同期した局発光が発生
される。該局発光は変調手段３によって位相変調や強度
変調等を受けて複数の周波数成分よりなる局発光とな
り、各周波数成分は周波数分離手段４によって空間的に
分離された後、レンズ７を介して受光素子アレイ１（干
渉縞観測手段）に入射する。一方、ハーフミラー６によ
って分離されたもう一方の信号光は、該局発光とともに
受光素子アレイに入射する。そして、この光受信装置
は、有限時間長に有限ビット数の情報を含む高速光信号
（光セル）を複数の周波数よりなり、かつそれらの周波
数成分が空間的に分離された局発光と干渉させ、その干
渉パターンをビットレートに比較して応答の遅い受光素
子アレイ１によって観測することによって、光セルの時
間波形の観測を行うものである。なお、図６において、
１６は基準周波数信号発生器であって、該発生器１６か
ら出力される基準周波数信号が変調信号として前記変調
手段３に供給されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の光受信装置においては、観測された干渉パターンか
ら光セルの時間波形を求めるには、フーリエ分析手段８
によって観測された干渉パターンのフーリエ分析を行う
必要があった。フーリエ分析を行うための手段として
は、一般的な計算機による高速フーリエ変換等のアルゴ
リズムが知られているが、この操作は一般に複雑であ
り、専用の処理回路を用いたとしても相当の時間を要
し、また光信号が繰り返し入射する光通信システムへの
適用は困難であった。従って、高速な伝送システムにお
けるデジタル光信号の識別器として用いるためには、干
渉パターンから光波形を求め、それを識別するまでの手
段を工夫する必要がある。

【０００６】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、高速デジタル光信号の識別器
として応用するために有効な観測された干渉パターンの
具体的な処理手段を構成し、比較的簡単な構成で高速な
処理が可能となる光受信装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の光受信装置は、有限時間長をもつ時間的に
変調された光信号を受信する光受信装置であって、前記
信号光に同期した局発光を発生する局発光発生手段と、
前記局発光を変調する変調手段と、該変調手段の変調に
よって生じた各周波数成分の光をそれぞれ空間的に分離
し、その周波数の順に配列する線形な位相分散特性を有
する局発光分離手段と、前記信号光および前記局発光分
離手段から出力される局発光を受光し、その光電流の空
間分布を観測する受光素子アレイと、該受光素子アレイ
の隣接する受光素子間の光電流を比較し、その差を出力
する処理手段とを有することを要旨とする。

【０００８】また、本発明の光受信装置は、有限時間長
をもつ時間的に変調された光信号を受信する光受信装置
であって、前記信号光に同期した局発光を発生する局発
光発生手段と、前記局発光を変調する変調手段と、該変
調手段の変調によって生じた各周波数成分の光をそれぞ
れ空間的に分離し、その周波数の順に配列する線形な位
相分散特性を有する局発光分離手段と、前記信号光およ
び前記局発光分離手段から出力される局発光を受光し、
その光電流の空間分布を観測する受光素子アレイと、前
記光信号の全パワーを検出するパワー検出手段と、前記
信号光の全パワーと各受光素子の光電流を比較し、その
差を出力する処理手段とを有することを要旨とする。

【０００９】

【作用】本発明の光受信装置では、信号光に同期した局
発光を発生して変調し、該変調によって生じた各周波数
成分の光をそれぞれ局発光分離手段で空間的に分離し
て、周波数の順に配列し、信号光および局発光分離手段
から出力される局発光を受光素子アレイで受光して、そ
の光電流の空間分布を観測し、隣接する受光素子間の光
電流を比較し、その差を出力する。

【００１０】また、本発明の光受信装置では、信号光に
同期した局発光を発生して変調し、該変調によって生じ
た各周波数成分の光をそれぞれ局発光分離手段で空間的
に分離して、周波数の順に配列し、信号光および局発光
分離手段から出力される局発光を受光し、その光電流の
空間分布を観測し、光信号の全パワーを検出し、この信
号光の全パワーと各受光素子の光電流を比較し、その差
を出力する。

【００１１】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図１は、本発明の第１の実施例に係わる光受信装置
の構成を示す図である。同図において、ハーフミラー
６、信号光に同期した局発光を発生する光位相同期手段
２、局発光の変調手段３、干渉縞を観測する受光素子ア
レイ１、基準周波数信号発生器１６、レンズ７は図６に
示したものと同じものである。また、局発光の変調手段
３としては、本実施例では光振幅変調器を使用する場合
について説明するが、その他にも位相変調やレーザのモ
ードロックを利用して複数の周波数を発生する手段も利
用可能である。

【００１２】図１に示す光受信装置において、変調によ
って生じた複数の周波数成分を空間的に分離する周波数
分離手段１２が図６に示すものと異なり、本実施例で
は、この周波数分離手段１２として、図１（ｂ）にその
構成を拡大して詳細に示すように回折格子１３を使用し
ている。なお、図１（ｂ）に示す周波数分離手段１２に
おいて１７，１８はレンズであり、１９は反射ミラーで
ある。

【００１３】この周波数分離手段１２としては、線形な
分散特性を有する波長分散素子に限って使用できる。こ
こで「線形な分散特性」とは、波長分散素子から出力さ
れる各周波数成分の位相関係が線形である（２次以上の
分散を含まない）ことを意味している。実際にはいかな
る波長分散素子も２次以上の分散をまったく含まないも
のは存在しないと思われるが、本発明を効果的に実施す
るには２次以上の分散をなるべく小さくすることが望ま
しい。例えば、回折格子１３にかえてプリズムを用いて
もよい。

【００１４】本発明においては、信号光並びに局発光の
受光素子アレイへの入射角度の設定にその動作上欠くこ
とのできない条件がある。図２は信号光と局発光の入射
角の一例を示している。ここで重要なのは、複数個の局
発光周波数が光信号のスペクトルの全域をカバーしてい
ること、及び異なる周波数の局発光がその周波数の順序
で配列されていることである。つまり、信号光と局発光
の間の角度は、局発光の周波数が大きいほど大きいか、
局発光の周波数が小さいほど大きいか、どちらかでなく
てはならない。

【００１５】干渉縞観測面（図１中のｘ軸）で観測され
た光電流は、低域ろ過フィルタ１１によって直流成分の
みが取り出され、比較器９によって隣接する受光素子に
流れた電流の差が取られる。そして、比較器９の出力
は、しきい値回路１０でしきい値処理されて出力され
る。本構成では、隣接受光素子の電流差の空間分布が直
接的に光信号の時間振幅波形を反映するため、こうした
構成によって振幅変調信号を受信することができる。以
下、その動作を詳しく説明する。

【００１６】本発明で受信される光信号は、持続時間長
Ｔが有限であり、かつ有限の帯域をもつ光信号である。
このような光信号Ｅ_s (t) はその継続時間内（−Ｔ／２
＜ｔ＜Ｔ／２）において以下の式で表わされる。

【００１７】 Ｅ_s (t) ＝ａ(t) ｅｘｐ［ｊ２πｆｔ］ （１） ａ(t) は光信号の電界振幅である。ｆは光信号の中心周
波数である。この光信号の帯域が有限であり、かつ持続
時間がＴであるとすると、電界振幅ａ(t) を以下のよう
なフーリエ級数に展開することができる。

【００１８】

【数１】 ただし

【数２】 である。このとき光信号の帯域Ｂは Ｂ＝２Ｎ／Ｔ である。

【００１９】一方、局発光は振幅変調器３によって周期
１／Ｔの正弦波で変調されて多周波数の局発光となり、
その後回折格子を有する周波数分離手段１２によって空
間的に分離される。このとき信号光ならびに局発光の入
射角が図２のようであるとすると、局発光の電界振幅を
以下のように書くことができる。

【００２０】

【数３】 ただし、ｂ_n は各周波数の局発光の電界複素振幅であ
り、図１の構成では ｂ_n ＝ｂ_n ’ｅｘｐ（ｊＫｎ） （５） で与えられる。ここでｂ_n ’は各周端数成分の振幅を表
わす。本実施例ではｂ_n’はｎによらず一定であること
が望ましく、この条件は例えば振幅変調器３としてＭＱ
Ｗの電界吸収効果を利用した短パルス発生用振幅変調器
を用いればほぼ達成できる。以下ではｂ_n ’はｎによら
ず一定であるとし、ｂ_n ’＝ｂと書くことにする。ま
た、Ｋは干渉系の光路長差に依存する位相定数である。
このとき位相成分ｊＫｎがｎに比例している（線形であ
る）ことが「線形な分散特性」に対応している。

【００２１】図１のｘ軸上にある受光素子アレイ１に
は、その場所における信号光及び局発光の電界振幅の和
の２乗に比例する光電流が流れる。各受光素子の光電流
は低域ろ過フィルタ１１によって低周波成分のみが抽出
され、ｘ軸上の各点において以下の電流分布出力Ｉ(x)
を得る。

【００２２】

【数４】 ここで＊及びｃ．ｃ．はともに複素共役を表わす記号で
ある。またｑ_n は

【数５】 で与えられる。ただしθ_s は信号光の入射角度、θ_-Nは
周端数ｆ−Ｎ／Ｔの局発光の入射角度、ｃは光速であ
る。Δθは隣り合う局発光の入射角度差である。

【００２３】ここでθ_s ，Δθ及びθ_-Nがすべて小さい
と仮定すると以下の近似が成り立つ。

【００２４】

【数６】 及び

【数７】 ただしθ_s −θ_-N＝θとおいた。式（６）の右辺第１項
と第２項はｘに依存しない定数であるから、これをＩ₀
とおき、更に式（８）（９）を使うと式（６）は、

【数８】 となる。式（５）を使って

【数９】 また、式（２）によって

【数１０】 であることに注意すると、式（１１）により

【数１１】 となることがわかる。

【００２５】式（１２）の意味するところは、次の通り
である。受光素子アレイ上の電流分布Ｉ(x) は、直流成
分Ｉ₀ を無視すれば、

【数１２】 と

【数１３】 の積である。従って、

【数１４】 は空間的に単一周期で変動する正弦波を表しており、ま
た

【数１５】 は時間波形ａ(t) と同形の分布を表す。すなわち、観測
された電流分布Ｉ(x) は、単一周期の正弦波を時間波形
ａ(t) に従って変調したものである。従って、電流分布
の空間的な変動の振幅は、もとの光信号の時間的な振幅
変動をそのまま反映する。本発明の特徴は、光電流を検
出した後に、この電流分布の空間的な変動を検出し、結
果としてもとの光信号の振幅を観測することにある。

【００２６】電流分布の空間的な変動の検出は、具体的
には図１に示したように、隣り合う受光素子の出力を比
較器に入力することによって行うことができる。比較器
は例えば図３に示したような割と簡便にトランジスタＴ
ｒａ，Ｔｒｂ、抵抗Ｒａ，Ｒｂ等で構成されるトランジ
スタ回路によって実現でき、平均的な回路技術によって
２〜３ＧＨｚの速度での動作が可能である。図６に示し
た従来の光受信装置においては、このような操作の代わ
りに電流分布のフーリエ分析が必要であったのに対し
て、極めて高速な処理が可能である。

【００２７】図４は、本発明の第２の実施例に係わる光
受信装置の構成を示す図である。この第２の実施例で
は、光信号は第１の実施例と同じく有限の持続時間を有
するものとする。図４において、図１と同じ構成要素に
は同じ符号が付されており、その構成作用は同じである
ので、その説明は省略する。

【００２８】図４に示す第２の実施例における第１の実
施例との違いは、ハーフミラー６で分岐された他方の信
号光を更にハーフミラー２２で分岐し、一方を第１の実
施例と同じく前記受光素子アレイ１に入射し、他方を受
光素子２１に入射して、光信号の全パワーを検出し、こ
の受光素子２１で検出した光信号の全パワーを比較器９
に供給し、これにより光電流の空間分布を検出した後の
処理回路において全パワーとの比較をとるように構成し
ているものである。

【００２９】受光素子アレイ１によって観測される光電
流の空間分布は、第１の実施例と同じく

【数１６】 で与えられる。

【００３０】

【数１７】 であり、この式はＩ₀ が信号光の全パワー

【数１８】 と局発光の全パワー

【数１９】 の和になることを表わしている。局発光の全パワーは常
に一定であるから、信号光の全パワーを検出することに
よってＩ₀ を知ることができ、Ｉ₀ とＩ(x) を比較する
ことによって式（１２）の第２項成分（即ち光信号の時
間波形振幅に比例する成分）を知ることができる。

【００３１】上述したように、本光受信装置では、複数
の局発光の位相関係が適当に設定された場合には、観測
された干渉パターンの空間的な差分（微分）を計算し、
その微分値をしきい値処理することによりデジタル光信
号の識別が可能であり、高速な光信号に適用可能な光信
号識別器を提供することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
信号光に同期した局発光を発生して変調し、該変調によ
って生じた各周波数成分の光をそれぞれ局発光分離手段
で空間的に分離して、周波数の順に配列し、信号光およ
び局発光分離手段から出力される局発光を受光素子アレ
イで受光して、その光電流の空間分布を観測し、隣接す
る受光素子間の光電流を比較したり、または光電流と光
信号および局発光の全パワーを比較して、その差を出力
するので、もとの光信号の時間振幅を求めることができ
る。そして、本発明で必要とする比較器は比較的簡単な
トランジスタ回路で構成できるため、高速な処理が可能
であり、光通信システムへの適用に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わる光受信装置の構
成を示す図である。

【図２】図１の実施例における信号光と局発光の受光素
子アレイに対する入射角度を示す図である。

【図３】図１の実施例に使用される比較器の電気回路に
よる構成を示す図である。

【図４】本発明の第２の実施例に係わる光受信装置の構
成を示す図である。

【図５】従来の光受信装置の構成を示す図である。

【図６】従来の光受信装置の別の構成を示す図である。

【符号の説明】

１ 受光素子アレイ ２ 光位相同期手段 ３ 変調手段 ６ ハーフミラー ９ 比較器 １０ しきい値回路 １１ 低域ろ過フィルタ １２ 周波数分離手段 １３ 回折格子 ２１ 受光素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 有限時間長をもつ時間的に変調された光
   信号を受信する光受信装置であって、前記信号光に同期
   した局発光を発生する局発光発生手段と、前記局発光を
   変調する変調手段と、該変調手段の変調によって生じた
   各周波数成分の光をそれぞれ空間的に分離し、その周波
   数の順に配列する線形な位相分散特性を有する局発光分
   離手段と、前記信号光および前記局発光分離手段から出
   力される局発光を受光し、その光電流の空間分布を観測
   する受光素子アレイと、該受光素子アレイの隣接する受
   光素子間の光電流を比較し、その差を出力する処理手段
   とを有することを特徴とする光受信装置。
2. 【請求項２】 有限時間長をもつ時間的に変調された光
   信号を受信する光受信装置であって、前記信号光に同期
   した局発光を発生する局発光発生手段と、前記局発光を
   変調する変調手段と、該変調手段の変調によって生じた
   各周波数成分の光をそれぞれ空間的に分離し、その周波
   数の順に配列する線形な位相分散特性を有する局発光分
   離手段と、前記信号光および前記局発光分離手段から出
   力される局発光を受光し、その光電流の空間分布を観測
   する受光素子アレイと、前記光信号の全パワーを検出す
   るパワー検出手段と、前記信号光の全パワーと各受光素
   子の光電流を比較し、その差を出力する処理手段とを有
   することを特徴とする光受信装置。