JPWO2013111555A1

JPWO2013111555A1 - 光受信器、光受信器の制御方法、および光受信方法

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Publication number: JPWO2013111555A1
Application number: JP2013555187A
Authority: JP
Inventors: 和宏芝
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2015-05-11
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: US9559783B2; JP5839049B2; US20140376930A1; WO2013111555A1

Abstract

複数の信号チャンネルに対応した光受信器においては、複数の信号チャンネル間で光電変換部の受光感度にバラツキが生じ、適正な受信が困難であるため、本発明の光受信器は、入力した入力信号光を処理して複数の出力信号光を出力する光処理回路と、複数の出力信号光をそれぞれ受光して電気信号を出力する複数の光電変換部、を有し、光電変換部は、印加電圧によって電気信号としての出力電流の増倍率を制御することが可能であるアバランシェフォトダイオードを備え、アバランシェフォトダイオードは、複数の光電変換部におけるそれぞれの出力電流が略同一となる駆動電圧で動作する。

Description

本発明は、光受信器、光受信器の制御方法、および光受信方法に関し、特に、複数の信号チャンネルに対応した光受信器、光受信器の制御方法、および光受信方法に関する。

インターネット内の情報量（トラフィック）の増大に伴い基幹伝送システムの更なる大容量化が求められている。大容量化のための技術としては、光多値変調方式や偏波多重方式などの複数チャンネルを用いた光伝送技術がある。また、大容量化とともに受信感度の向上が重要となっており、受信感度に優れたコヒーレント光伝送技術が注目されている。コヒーレント光伝送技術では、コヒーレント光受信器において信号光と局部発振（ＬｏｃａｌＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ：ＬＯ）光を混合することによって増幅されたＡＣ（ＡｌｔｅｒｎａｔｉｎｇＣｕｒｒｅｎｔ）信号成分を受信する。このとき、局部発振（ＬＯ）光の光出力を大きくするほど信号光に大きな増幅作用が働くため、信号光に対して大きな局部発振（ＬＯ）光を入力することによって高いＳ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅ）比での受信特性が得られる。

このような複数チャンネルに対応したコヒーレント光受信器の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載のコヒーレント光受信器は、入力された光信号を信号処理し、分離して複数の出力ポートから出力する光信号処理部と、各出力ポートから出力された光信号を光電変換して出力する光電変換部とを有する。さらに、光電変換部の出力部の間隔よりも広い間隔を有する複数の出力端子と、光電変換部から出力される複数の電気信号を複数の出力端子に接続する電気配線部とを備える。ここで、光電変換部は複数に分離され、接続先の出力端子の中心線上に配置される。また光信号処理部は、光信号処理部の複数の出力ポートの出力が複数に分離して配置された光電変換部に光結合するよう光配線を引き回した光展開部を有する。

このような構成とすることにより、分離配置した光電変換部を出力端子までの距離が短くなるように配置できる。そのため、多チャンネル出力を有する関連するコヒーレント光受信器の出力電気信号レベルの低下を抑制することが可能となるとしている。

特開２０１１−１９３３４７号公報（段落「００１１」〜「００５５」）

上述した関連するコヒーレント光受信器のように、コヒーレント光伝送方式に使用する光受信器では、複数の出力ポートから出力された出力信号光を、同等の効率で受光することが必要である。しかし、関連するコヒーレント光受信器では、光電変換部を配置する際に僅かな実装誤差により各光電変換部の結合効率が異なり、受光感度にバラツキが生じる。特に、関連する光電変換部に用いられるフォトダイオードは、高速通信に対応するため受光領域が狭面積であるため、その影響が顕著である。

このように、関連する光受信器においては、複数の信号チャンネル間で光電変換部の受光感度にバラツキが生じ、適正な受信が困難である、という問題があった。

本発明の目的は、上述した課題である、関連する光受信器においては、複数の信号チャンネル間で光電変換部の受光感度にバラツキが生じ、適正な受信が困難である、という課題を解決する光受信器、光受信器の制御方法、および光受信方法を提供することにある。

本発明の光受信器は、入力した入力信号光を処理して複数の出力信号光を出力する光処理回路と、複数の出力信号光をそれぞれ受光して電気信号を出力する複数の光電変換手段、を有し、光電変換手段は、印加電圧によって電気信号としての出力電流の増倍率を制御することが可能であるアバランシェフォトダイオードを備え、アバランシェフォトダイオードは、複数の光電変換手段におけるそれぞれの出力電流が略同一となる駆動電圧で動作する。

本発明の光受信器の制御方法は、入力した入力信号光を処理して複数の出力信号光を出力する光処理回路と、複数の出力信号光をそれぞれ受光して電気信号を出力する複数の光電変換手段を有し、光電変換手段は印加電圧によって電気信号としての出力電流の増倍率を制御することが可能であるアバランシェフォトダイオードを備える光受信器に対して、複数の光電変換手段におけるアバランシェフォトダイオードのそれぞれの出力電流が、略同一となるように印加電圧を制御する。

本発明の光受信方法は、入力した入力信号光を処理して複数の出力信号光を出力し、複数の出力信号光をそれぞれ受光して電気信号を出力し、電気信号の増倍率を、複数の出力信号光に対するそれぞれの電気信号が略同一となるように制御する。

本発明の光受信器、光受信器の制御方法、および光受信方法によれば、複数の信号チャンネルに対応した場合であっても、適正な受信が可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る光受信器の構成を示すブロック図である。アバランシェフォトダイオードの３ｄＢ帯域の増倍率依存性を計算により求めた結果を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る光受信器の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態に係る光受信器の別の構成を示すブロック図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光受信器１００の構成を示すブロック図である。光受信器１００は、入力した入力信号光１０を処理して複数の出力信号光２０を出力する光処理回路１１０と、複数の出力信号光２０をそれぞれ受光して電気信号３０を出力する複数の光電変換部１２０を有する。光電変換部１２０は、印加電圧によって電気信号３０としての出力電流の増倍率を制御することが可能であるアバランシェフォトダイオード１２２を備える。光受信器１００では、アバランシェフォトダイオード１２２は、複数の光電変換部１２０におけるそれぞれの出力電流３１、３２が略同一となる駆動電圧で動作する。

アバランシェフォトダイオード（ＡｖａｌａｎｃｈｅＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ：ＡＰＤ）は内部利得を有するフォトダイオードであり、アバランシェ現象を利用することによって光電変換した電子を増幅する機能を備えている。ここでアバランシェ現象とは、生成された電子ならびに正孔が電圧により加速されて格子位置原子に衝突し、この衝突により二次電子ならびに正孔が生じ、これらが電圧で加速されてさらに電子正孔対を生む、という連鎖的に発生する現象である。またアバランシェフォトダイオードの増倍率は、印加電圧としての逆バイアス電圧が小さく増倍が起こらないときの光電流に対する、逆バイアス電圧印加時の光電流の比である。

上述したように、アバランシェフォトダイオードは内部利得を有し、印加する電圧（印加電圧）によって利得を制御することができる。具体的には例えば、パンチスルー電圧が１５Ｖであり、降伏電圧が３０Ｖのアバランシェフォトダイオードを用いた場合、アバランシェフォトダイオードに印加する電圧を例えば１７Ｖから１９Ｖに変えることにより、出力電流を増加させることができる。

光受信器１００では、光処理回路１１０の内部における損失の相違、光処理回路１１０と光電変換部１２０との実装位置ずれ等による結合効率の低下等により、光電変換部１２０に入力する出力信号光２０が複数の信号チャンネル間でばらつく可能性がある。しかしながら本実施形態の光受信器１００では、光電変換部１２０は印加電圧によって出力電流の増倍率を制御することが可能であるアバランシェフォトダイオード１２２を備えた構成である。そのため、各信号チャンネルにおける出力電流を独立に調整することが可能である。そして、アバランシェフォトダイオード１２２は、複数の光電変換部１２０におけるそれぞれの出力電流３１、３２が略同一となる駆動電圧で動作する構成としている。以上より、本実施形態の光受信器１００によれば、複数の信号チャンネルにおける出力信号光２０にバラツキが生じている場合であっても、略同一な出力電流が得られるので、適正な受信が可能となる。

具体的には例えば、実装位置ずれ等によって結合効率が低下した信号チャンネルに配置されたアバランシェフォトダイオードは、実装位置ずれが生じていない信号チャネルに配置されたアバランシェフォトダイオードよりも高い印加電圧で動作する構成とする。この構成により、出力信号光２０の低下はアバランシェフォトダイオードの増倍率の増加によって補償されるので、複数の信号チャンネル間における受光感度のバラツキを補正することができ、同時に高い受光感度を実現することができる。

光受信器１００において、アバランシェフォトダイオード１２２の駆動電圧によって定まる増倍率は、増倍率の変化に対してアバランシェフォトダイオード１２２の周波数特性が略一定となる範囲内にある構成とすることができる。また、光受信器１００において、アバランシェフォトダイオード１２２の駆動電圧は、アバランシェフォトダイオード１２２の周波数特性がアバランシェフォトダイオード１２２の容量値と抵抗値から定まる時定数で制限される動作状態となる範囲内にある構成とすることができる。

このような構成とすることにより、複数の信号チャンネル間における高速応答特性が揃った光受信器１００が得られる。次に上記構成について、さらに詳細に説明する。

一般に、受光素子の周波数特性は、素子容量（Ｃ）と素子抵抗（Ｒ）の積（ＣＲ）およびキャリア走行時間により決定される。ＰＩＮフォトダイオード（ＰＩＮＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ：ＰＩＮ−ＰＤ）は、素子容量、素子抵抗、キャリア走行時間は素子構造にのみ依存し、印加電圧を変化させてもこれらの値は変化しない。

一方、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）においては、周波数特性が利得依存性を有する。図２に、アバランシェフォトダイオードの３ｄＢ帯域の増倍率依存性を計算により求めた結果の一例を示す。同図から、アバランシェフォトダイオードでは増倍率（Ｍ）が大きくなるほど３ｄＢ帯域が低下することがわかる。これは、増倍率（Ｍ）が大きい高増倍領域になるほど増倍層でのキャリア走行時間が長くなり、高速応答特性が低下するためである。

低増倍領域ではキャリア走行時間の周波数数特性への影響は小さいので、周波数特性の利得依存性を抑制することが可能となる。また、アバランシェフォトダイオードの周波数特性が、素子容量と抵抗の積で定まる時定数に律速される構成とすることにより、増倍率に対する周波数特性の変化を小さくすることができる。以上より、本実施形態の光受信器１００によれば、複数の信号チャンネル間における高速応答特性が揃った状態で、受光感度の均一化を図ることが可能となる。

次に、本実施形態の光受信器１００の制御方法について説明する。本実施形態の光受信器１００の制御方法においては、光受信器１００に対して、複数の光電変換部１２０におけるアバランシェフォトダイオード１２２のそれぞれの出力電流が、略同一となるように印加電圧を制御する。光受信器１００の構成は、上述した通り、入力した入力信号光１０を処理して複数の出力信号光２０を出力する光処理回路１１０と、複数の出力信号光２０をそれぞれ受光して電気信号３０を出力する複数の光電変換部１２０を有する構成である。そして、光電変換部１２０は、印加電圧によって電気信号３０としての出力電流の増倍率を制御することが可能であるアバランシェフォトダイオード１２２を備えている。また、本実施形態の光受信器１００の制御方法において、印加電圧によって定まる増倍率が、増倍率の変化に対するアバランシェフォトダイオード１２２の周波数特性が略一定である範囲内となるように、印加電圧を制御することとしてもよい。

次に、本実施形態による光受信方法について説明する。本実施形態による光受信方法においては、入力した入力信号光を処理して複数の出力信号光を出力し、複数の出力信号光をそれぞれ受光して電気信号を出力する。そして、電気信号の増倍率を、複数の出力信号光に対するそれぞれの電気信号が略同一となるように制御する。このとき、増倍率を、増倍率の変化に対する電気信号の周波数特性が略一定である範囲内となるように制御することとしてもよい。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３は、本発明の第２の実施形態に係る光受信器２００の構成を示すブロック図である。光受信器２００は、入力した入力信号光１０を処理して複数の出力信号光２０を出力する光処理回路１１０と、複数の出力信号光２０をそれぞれ受光して電気信号３０を出力する複数の光電変換部１２０を有する。光電変換部１２０は、印加電圧によって電気信号３０としての出力電流の増倍率を制御することが可能であるアバランシェフォトダイオード１２２を備える。光受信器２００では、アバランシェフォトダイオード１２２は、複数の光電変換部１２０におけるそれぞれの出力電流３１〜３４が略同一となる駆動電圧で動作する。

ここまでの構成は第１の実施形態の光受信器１００と同様である。本実施形態の光受信器２００はさらに、光処理回路１１０に接続された局部発振光源（ＬＯ）２３０を備える。また、光処理回路１１０は、局部発振光源（ＬＯ）２３０からの局部発振光と入力信号光１０を入力とする９０度ハイブリッド回路２１０を備える。ここで、入力信号光１０は位相変調信号であり、光受信器２００は位相変調信号をコヒーレント検波した電気信号３０を出力する。

次に、本実施形態による光受信器２００の構成について、さらに詳細に説明する。９０度ハイブリッド回路２１０は入力信号光１０と局部発振光を合波し、各ポートに出力信号光２０を出力する。９０度ハイブリッド回路２１０は例えば、光導波路からなる平面光波回路（ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ：ＰＬＣ）により構成することができる。

９０度ハイブリッド回路２１０からの出力信号光２０は、複数の光電変換部１２０によって受光される。このとき、複数の光電変換部１２０がそれぞれ備えるアバランシェフォトダイオード１２２のうちの２個が、バランスド・レシーバを構成することとしてもよい。バランスド・レシーバ（Ｂａｌａｎｃｅｄｒｅｃｅｉｖｅｒ）とは、９０度ハイブリッド回路から出力される正相、逆相の信号光を受光する２個のフォトダイオードからなり、それらのフォトダイオードの電流の差分を利用することによって受信特性を向上させる受信方式である。具体的には、図３に示したチャンネル１（Ｃｈ１）とチャンネル２（Ｃｈ２）、チャンネル３（Ｃｈ３）とチャンネル４（Ｃｈ４）がそれぞれバランスド・レシーバを構成することとすることができる。

ここで、各チャンネルにおける各アバランシェフォトダイオード１２２の受光感度および周波数特性が揃っていることが必要となる。しかし、９０度ハイブリッド回路２１０の内部における損失の相違、９０度ハイブリッド回路２１０と光電変換部１２０との実装位置ずれ等による結合効率の低下等により、光電変換部１２０に入力する出力信号光２０が複数の信号チャンネル間でばらつく可能性がある。このような場合であっても、本実施形態の光受信器２００によれば、以下に述べるように、各チャンネル間の受光感度および周波数特性の均一化を実現することができる。

本実施形態の光受信器２００において、光電変換部１２０は印加電圧によって出力電流の増倍率を制御することが可能であるアバランシェフォトダイオード１２２を備えた構成である。そのため、各信号チャンネルにおける出力電流を独立に調整することが可能であり、出力信号光２０のバラツキによって生じる出力電流３１〜３４の差をアバランシェフォトダイオード１２２の利得を用いて補正することができる。

具体的には例えば、９０度ハイブリッド回路２１０に１ｍＷの局部発振光を入力したとき、アバランシェフォトダイオード１２２の増倍率が「１」である場合、各信号チャンネルにおける出力電流がそれぞれ以下の通りであるとする。つまり、チャンネル１（Ｃｈ１）では０．１ｍＡ、チャンネル２（Ｃｈ２）では０．０５ｍＡ、チャンネル３（Ｃｈ３）では０．０６ｍＡ、そしてチャンネル４（Ｃｈ４）では０．０８ｍＡであるとする。このとき、アバランシェフォトダイオード１２２の駆動電圧をそれぞれ以下のように設定する。すなわち、チャンネル１（Ｃｈ１）では増倍率が「２」となる駆動電圧、チャンネル２（Ｃｈ２）では増倍率が「４」となる駆動電圧を設定する。また、チャンネル３（Ｃｈ３）では増倍率が「３．２」となる駆動電圧、そしてチャンネル４（Ｃｈ４）では増倍率が「２．５」となる駆動電圧をそれぞれ設定する。これにより、各信号チャンネルにおける出力電流を０．２ｍＡに揃えることができる。

以上述べたように、本実施形態の光受信器２００によれば、複数の信号チャンネルにおける出力信号光２０にバラツキが生じている場合であっても、略同一な出力電流が得られるので、適正な受信が可能となる。

また、光受信器２００において、アバランシェフォトダイオード１２２の駆動電圧によって定まる増倍率は、増倍率の変化に対してアバランシェフォトダイオード１２２の周波数特性が略一定となる範囲内にある構成とすることができる。また、光受信器２００において、アバランシェフォトダイオード１２２の駆動電圧は、アバランシェフォトダイオード１２２の周波数特性がアバランシェフォトダイオード１２２の容量値と抵抗値から定まる時定数で制限される動作状態となる範囲内にある構成とすることができる。このような構成とすることにより、第１の実施形態において説明したように、複数の信号チャンネル間における高速応答特性が揃った光受信器２００が得られる。

本実施形態では、光受信器２００における光処理回路１１０は９０度ハイブリッド回路２１０を１個備え、入力信号光１０は位相変調信号である場合について説明した。しかし、これに限らず、光処理回路が９０度ハイブリッド回路を２個備え、入力信号光は偏波多重された位相変調信号であることとしてもよい。この場合の光受信器３００の構成を図４に示す。光受信器３００における光処理回路３１０は、２個の９０度ハイブリッド回路３１１、３１２を備える。さらに、光処理回路３１０は、入力信号光１０側と局部発振光源（ＬＯ）２３０側にそれぞれ偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３１３を有している。

入力信号光１０としての偏波多重された位相変調信号は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３１３によって二つの偏波光に分岐され、それぞれ９０度ハイブリッド回路３１１、３１２に入力される。９０度ハイブリッド回路３１１、３１２において位相変調信号はそれぞれ同相成分（Ｉ）および直交成分（Ｑ）に分離され、光電変換部１２０が備えるアバランシェフォトダイオード１２２にそれぞれ入力される。ここで、複数の信号チャンネルにおける出力信号光２０にバラツキが生じている場合であっても、光受信器３００によれば上述したように、略同一な出力電流が得られるので、適正な受信が可能となる。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

この出願は、２０１２年１月２３日に出願された日本出願特願２０１２−０１１２３０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００、２００、３００光受信器
１１０、３１０光処理回路
１２０光電変換部
１２２アバランシェフォトダイオード
２１０、３１１、３１２９０度ハイブリッド回路
２３０局部発振光源（ＬＯ）
３１３偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１０入力信号光
２０出力信号光
３０電気信号
３１、３２、３３、３４出力電流

Claims

入力した入力信号光を処理して複数の出力信号光を出力する光処理回路と、
前記複数の出力信号光をそれぞれ受光して電気信号を出力する複数の光電変換手段、を有し、
前記光電変換手段は、印加電圧によって前記電気信号としての出力電流の増倍率を制御することが可能であるアバランシェフォトダイオードを備え、
前記アバランシェフォトダイオードは、前記複数の光電変換手段におけるそれぞれの前記出力電流が略同一となる駆動電圧で動作する
光受信器。
請求項１に記載した光受信器において、
前記駆動電圧によって定まる前記増倍率は、前記増倍率の変化に対して前記アバランシェフォトダイオードの周波数特性が略一定となる範囲内にある
光受信器。
請求項１に記載した光受信器において、
前記駆動電圧は、前記アバランシェフォトダイオードの周波数特性が前記アバランシェフォトダイオードの容量値と抵抗値から定まる時定数で制限される動作状態となる範囲内にある
光受信器。
請求項１から３のいずれか一項に記載した光受信器において、
前記複数の光電変換手段がそれぞれ備える前記アバランシェフォトダイオードのうちの２個が、バランスド・レシーバを構成する
光受信器。
請求項１から４のいずれか一項に記載した光受信器において、
前記光処理回路に接続された局部発振光源を備え、
前記光処理回路は、前記局部発振光源からの局部発振光と前記入力信号光を入力とする９０度ハイブリッド回路を備え、
前記入力信号光は位相変調信号であり、前記位相変調信号をコヒーレント検波した電気信号を出力する
光受信器。
請求項５に記載した光受信器において、
前記光処理回路は、前記９０度ハイブリッド回路を２個備え、
前記入力信号光は偏波多重された位相変調信号である
請求項５に記載した光受信器。
入力した入力信号光を処理して複数の出力信号光を出力する光処理回路と、前記複数の出力信号光をそれぞれ受光して電気信号を出力する複数の光電変換手段を有し、前記光電変換手段は印加電圧によって前記電気信号としての出力電流の増倍率を制御することが可能であるアバランシェフォトダイオードを備える光受信器に対して、
前記複数の光電変換手段における前記アバランシェフォトダイオードのそれぞれの前記出力電流が、略同一となるように前記印加電圧を制御する
光受信器の制御方法。
請求項７に記載した光受信器の制御方法において、
前記印加電圧によって定まる前記増倍率が、前記増倍率の変化に対する前記アバランシェフォトダイオードの周波数特性が略一定である範囲内となるように、前記印加電圧を制御する
光受信器の制御方法。
入力した入力信号光を処理して複数の出力信号光を出力し、
前記複数の出力信号光をそれぞれ受光して電気信号を出力し、
前記電気信号の増倍率を、前記複数の出力信号光に対するそれぞれの前記電気信号が略同一となるように制御する
光受信方法。
請求項９に記載した光受信方法において、
前記増倍率を、前記増倍率の変化に対する前記電気信号の周波数特性が略一定である範囲内となるように制御する
光受信方法。