JPH02287444A - 量子状態制御装置，光受信装置および光通信装置 - 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】

本発明はコヒーレント光通信の受信感度及びビット誤り
率の大幅な改善を目的とした受信量子状態制御装置、光
受信装置および光通信装置に関する。

【従来の技術】

コヒーレント光通信系の信号対雑音比は信号光の量子雑
音、光受信装置の局発光雑音、暗電流。 回路熱雑音によってその限界が決まる。現在、このよう
な系の信号対雑音比は信号光の量子雑音に基づく限界ま
で実現されるようになっている。第２図に従来のコヒー
レント光通信系の構成例を示す。同図において、１は光
通信装置であり、コヒーレント状態の信号光を出力する
。２は信号光を伝送する通信用伝送路であり、３は光ホ
モダイン検波装置である。詳細は文献「光通信理論とそ
の応用」第６章、森北出版、１９８８に解説されている
（以下文献１と略記）。近年、さらに信号対雑音比を改
善するために光の量子状態を制御し信号光の量子雑音を
小さくする物理現象の応用が提案されている。この応用
にはスクイズド状態（あるいは２光子コヒーレント状態
）生成技術と呼ばれている技術が使用される（文献、フ
イズカル・レビュー、ニー、ボリューム１３．ナンバー
６（１９７６年）第２２２６頁から第２２４３頁（Ｐｈ
ｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ａ　１３　　Ｎｏ、６　
　Ｊｕｎｅ１９７６、ｐｐ、２２２６−２２４３））。 ここでスクイズド状態とは、光の直交するふたつの振幅
成分が異なる量子雑音を有する状態である。これに対し
て、従来からコヒーレント光通信に用いられている光は
、コヒーレント状態と呼ばれ、ふたつの振幅成分は同じ
量子雑音を有する。 現在、この量子状態制御の応用法は第３図に示すように
光送信装置において信号光の量子状態を制御する方法が
提案されている。同図において、４はスクイズド状態の
信号光を出力する光送信装置である。２および３は第２
図と同じである。信号光の２つの直交する振幅成分に対
する量子雑音はコヒーレント状態の時、共に−（規格化
電力）ただし、Ｚはスクイズドパラメータ。この結果、
送信光の量子状態がコヒーレント状態の場合（−船釣な
コヒーレント光通信）、系の信号対雑音比の理論値は４
〈ｎ〉となる。一方、スクイズド状態で量子雑音の小さ
い方を情報信号とした場合の信号対雑音比は４（ｎ）（
（ｎ）＋１）となる。 ただし、＜ｎ＞はパルス信号光のもつ平均光子数である
０以上より信号光をスクイズド状態にすることによって
信号対雑音比を大幅に改善することができる。詳細につ
いては文献１．第２章において述べられている。 上記量子状態の制御の応用技術では通信用伝送路にエネ
ルギーの損失が発生すれば信号光のスククイズド状態が
破壊され、信号対雑音比は劣化し、量子状態制御の利点
が全くなくなるため実際の通信系の適用に重大な難点が
生ずる。この現象の詳―は文献１．第２章に述べられて
いる。 ［発明が解決しようとする課題］ コヒーレント光通信の特性改善を目的とした従来の量子
状態制御技術は通信用伝送路のエネルギー損失によって
その利点が全くなくなる。 本発明の目的は上記エネルギー損失による量子状態制御
の利点の劣化に関する問題を解決し、従来のコヒーレン
ト光通信系よりはるかに高い信号対雑音特性を得る光受
信装置を実現することにある。 本発明の他の目的は、上記装置にて用いる量子状態制御
装置を実現することにある。 本発明の他の目的は、上記装置を用いた光通信装置を実
現することにある。

【課題を解決するための手段】

上記目的の光受信装置は、信号光を第１および第２分岐
光に分岐する光分岐回路と、該第２分岐光により注入同
期をかけられるポンピング用レーザと、該ポンピング用
レーザからの出力光の周波数を２倍にする２倍高調波発
生器と、該２倍高調波発生器からの出力光によりボンピ
ングされ、且つ、該第１分岐光の量子状態をスクイズド
状態に変換して出力する装置（スクイザ−）と、該スク
イザ−からの出力光をホモダイン検波する′光ホモダイ
ン検波装置とを設けることにより達成される。 上記他の目的の量子状態制御装置は、信号光を第１およ
び第２分岐光に分岐する光分岐回路と、該第２分岐光に
より注入同期をかけられるポンピング用レーザと、該ポ
ンピング用レーザからの出力光の周波数を２倍にする２
倍高調波発生器と、該２倍高調波発生器からの出力光に
よりポンピングされ、且つ、該第１分岐光の量子状態を
スクイズド状態に変換して出力する装置（スクイザ−）
とを設けることにより達成される。 上記他の目的の光通信装置は、光送信装置と通信用伝送
路と上記光受信装置とを設けることにより達成される。

【作用】 本発明は受信量子状態制御装置の動作の新しい発見に基
づいている。 光送信装置用光源からの出力光はコヒーレント状態をも
ち、信号は光波の位相に対する２値ＰＳＫ　（位相シフ
トキーイング）とする。ただし、情報１とＯに対し、Ｐ
ＳＫ信号の位相はＯｏと９０°とする。すなわち、光信
号は光のコサイン成分の振ＮＸｃとサイン成分の振１ｔ
ｌｉｉＸｓに対応する。 このコヒーレント状態の光がエネルギー損失のある通信
用伝送路を伝搬する時その出力の量子状態はまたコヒー
レント状態となる。ここでただちに検波すれば信号対雑
音比は４（ｎＲ）となる。ただしくｎＲ＞は通信用伝送
路出力における１光パルス当りの光子数である。この信
号対雑音比は通常ショット雑音限界と呼ばれる。 本発明では通信用伝送路から出力するコヒーレント光を
光分岐回路によって２つのビームに分岐し、一つはスク
イザ−の信号光入力端へ、他はスクイザ−のポンピング
光源であるボンピングレーザの−・端へ注入する。スク
イザ−は入射光のコサイン成分あるいはサイン成分をス
クイズ（一方を増幅し他方を減衰）する装置である。も
しポンピング光の位相がＯｏであればスクイザによって
光のコサイン成分の信号と量子雑音はＧ倍に増幅され、
サイン成分は−に減衰される。情報信号であるコサイン
成分の信号対雑音比はスクイザ−人力のそれと等しく４
＜ｎｎ＞となる。ただし信号と雑音の関係は第４図に示
すようになる。同図において、直交座標の横軸は信号光
の電界のコサイン成分の振幅をまた縦軸はサイン成分の
振幅を表わしている。ＥＲはスクイザ−人力光のコサイ
ン成分の電界振幅であり、Ｊ＜ｎＲ＞に等しい。 一方、ポンピング光の位相が１８０″′（７ｃ）でビュ
ー、ニー、ボリューム３８．ナンバー９（１９８８）第
４６９６から第４７１１頁（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖ
ｉｅｗ　Ａ　３８　、　Ｎｏ、　９　、　Ｎｏｖ。 １９８８、ｐｐ、４６９６−４７１１））。従って、本
発明の量子状態制御装置では、第８図に示す入力光に対
して、第５図に示す信号光を出力する。 上記の特性を利用してコヒーレント光通信のビット誤り
特性を大幅に改善する我々の装置の動作原理を以下に示
す。 送信光は Ｅｒ　ｃｏｓ（ωｓｔ＋φ５）＝Ｘｃ　ｃｏｓ　ωｓｔ
＋Ｘｓ　ｓｉｎ　ω５ｔ変調信号は位相φＳ＝Ｏラジア
ンと−ラジアンの２値ＰＳＫである。この時、対応する
送信光の振幅はそれぞれＸｃとＸｓであり、その絶対値
は共に振幅ＥＴに等しい。ωＳは送信号の角周波数であ
る。 通信用伝送路出力の信号光は Ｊ　ＫＥＴ　ｃｏｓ（ωｓ　ｔ＋φ５）ＥＥＲＣｏ５（
（１１ｓｔ＋φｓ）　　　　（２）ザーの入力端に入力
される。他方は発振周波数ωＳのスクイザ−をポンピン
グするレーザに注入同期信号として注入される。この注
入同期′系は倍周波数は２ωＳが必要である。そこで信
号光に注入同期されたボンピング用レーザの出力は２倍
高調波発生器で周波数が２ωＳに、また、位相は２φＳ
に変換される。ポンピング用レーザの出力電力を十分大
きくすれば高調波もまたスクイザ−をポンピングするに
十分な電力が得られる。 となり、信号と雑音との関係は第８図のようになる。た
だしＪＫは伝送路の透過度であり、ＪＫＥＴ＝ＥＲが成
り立つ。光分岐回路によって一方はＶηＥＲＣＯ８（ω
ｓｔ＋φｓ）、他方はｖ／１−ηＥ＊ｃｏｓ（ωｓｔ＋
φＳ）に分岐される。但しＶηは分岐の割合を表わして
おり、ｏくηく１カ成り立つ。ｖ’ｑＥｎ成分は信号光
としてスクイ時、それはπとなる。したがってスクイザ
−の入力端に入射された信号成分は、信号がφｓ＝０の
時、信号及び量子雑音は ただし、ＧＳはスクイザ−のスクイズ度である。 また、ＸＣ，、、、およびΔＸ　２Ｃｌ　ａ　ｕ　ｔ　
＋は、スクイザ−から出射された信号光のコサイン成分
の振幅および量子雑音の分散である。同様に、Ｘｓ（。 ４５．およびΔＸ　”　Ｓ　＋　ａ　ｕ　ｔ　ｌは信号
光のサイン成分の振幅および量子雑音の分散である。 一方、φＳ＝−の時、 この様子は、第５図のように表わされる。光ホモダイン
受信機の局発光の位相をＯと設定すれば、この受信機は
信号光のコサイン成分（Ｘ　ｃ　（。５．）およびΔＸ
　”　ｃ　＋。、））のみの検出器となる。（文献１、
第６章）。 光ホモダイン検波された信号出力に対する（Ｈ号判定法
は、送信信号が１（φＳ＝Ｏに対応）とＯ（φＳ＝π／
２に対応）の時で雑音分布の特性が第６図のようになる
ので、この図で示すような２つのしきい値＋ＸＴＨと−
ＸＴ）ｌとを用いる。すなわち検波出力が士ＸＴ）ｌ内
であれば信号０と判定し、それ以外は１と判定する。こ
の時の誤り確率Ｐｅは ■ 但し、　ｅｒｆｃは誤差補間数を表わす、ここでＸＴ）
Ｉの選定は受信光子数ηＥＲ”を固定した時、２ｘｖｏ
−ｅｘｐ　［−２ｒ＋Ｅ＋／］　＝　ｅｒｆｃ　［７４
Ｅｕ”］の解とする。ただし上式の右辺は従来の光ＰＳ
Ｋシステムの誤り確率特性である。この時、式（７）％
式％ 以上より、Ｇｓを十分大きくすることによって従来の光
ＰＳＫシステムより極めて高信頼度のシステムが得られ
る。第７図には、従来の光Ｐ・ＳＫホモダイン検波に対
する本発明の相対誤り率Ｈの理論値を示す。パラメータ
は、ＥＲ２：　（ｎｙ＋）　＝　９およびＧＳ、。、＝
５２７０とした。同図は。 Ｋ　＝　Ｇｓ／　Ｇｓ＋ｔ＋＋＋を１よりも大きくする
ことにより、従来よりも誤り率を改善できる（Ｈ＜１）
ことを示している。 以上をまとめると、本発明の効果は以下の通りである。 ■　信号光の強度およびビットレートを従来のコヒーレ
ント光通信系と同じにすると、従来よりも受信信号の符
号誤り率を低くすることができる。 ■　ビットレートおよび受信信号の符号誤り牢番従来と
同じにすると、受信感度が改善されるので、通信用伝送
路に許容される損失を多くできる。即ち、伝送距離を長
くできる。 ■　受信信号の符号誤り率および信号光の強度Ｐｅ　（
ｌ　ｌ　Ｏ）　ｇ。 Ｇｓ−＋　ω を従来と同じにすると、ビットレートを従来よりも高く
できる。 ■　ビットレートおよび受信信号の符号誤り率を従来と
同じにすると、信号光を複数に分岐でき、複数の光受信
装置あるいは光検出装置が同時に信号光を受信すること
ができる。

【実施例１ 以下、本発明の光受信装置、量子状態制御装置および光
通信装置の１実施例を第１図により説明する。１は光送
信装置である。５は光源であり、例えば分布帰還型（Ｄ
ＦＢ）半導体レーザ、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）半
導体レーザ、外部共振器付半導体レーザおよびガスレー
ザ等の単一周波数で発振するレーザにより実現すること
ができる。６は光変調器であり、送信信号７により邸動
される。ＰＳＫ変調された信号光を得る場合、６は位相
変調器であり、例えば、市販のリチウム・ナイオベイト
（ＬｉＮｂ○、）を用いた変調器により実現できる。こ
のとき６は、５から出力するコヒーレント状態の光に位
相０ラジアンと一うジアワ ンによるＰＳＫ変調を施す。 ２は信号光を伝送する通信用伝送路であって、例えば光
ファイバにより実現することができる。 ２は空間であってもよい。 ８は本発明の量子状態制御装置である。 ９は通信用伝送路出力光を２波に分岐する光分岐回路で
ある。９は例えば市販の光カプラやハーフミラ−等で実
現することができる。１０は９から出力された信号光を
コヒーレント状態からスクイズド状態に変換する装置（
スクイザ−）である（電力増幅率Ｇ）。スクイザ−１０
は例えば縮退パラメトリック増幅や縮退４波混合等を利
用して実現されており、その実施例の詳細については、
前者については、フィジカル・レビュー・レター第５７
巻、ナンバー２０．第２５２０〜第２５２３頁、１９８
６年（Ｐ　ｈｙｓ　、　Ｒｅｖｉｅｗ　。 Ｌｅｔｔ、、　Ｖｏｌ、５７　、　Ｎｏ、２０．　ｐｐ
、２５２０〜ｐｐ、２５２３．１９８６）において、ま
た後者については、サイエンス、第１８巻、ナンバー７
゜第４８頁〜第５８頁、１９８８年（日経サイエン入社
）において論じられている。 １１はスクイザ−をポンピングするための高励起で自励
発振しているレーザである。１１は９から出力された信
号光により注入同期がかけられる。 １２は光の２倍高調波発生器であり、１１の出力光の周
波数を２倍にする。１２は、光学的に非線形な特性を有
する物質を用いて実現することができる。１２の出力は
スクイザ−１０のポンピング光源として用いられる。こ
のとき、１１の出力光の位相φＳも同様に２倍される。 送信信号が１′１”である場合（φＳ＝Ｏラジアン）、
１２からの出力光の位相は０ラジアン、一方、送信信号
が“Ｏ”である場合（φＳ＝π／２ラジアン）、１２か
らの出力光の位相はπラジアンとなる。従って、送信信
号が′１′″の場合、スクイザ−は信号光のコサイン成
分に対して増幅を行い、一方、ＩＩ　Ｏｊｆｉの場合、
サイン成分に対して増幅を行う。この結果、装置８は、
コヒーレント状態の信号光（第８図）をスクイズド状態
の信号光（第５図）に変換して出力することができる。 スクイザ−１０から出力された信号光は量子状態制御装
置８の出力となる。 ３は光ホモダイン検波装置である。８から出力された信
号光は光カプラ等の光合波器１３により局発光源１４か
ら出力された局発光と合波される。 １４は、光源５と同様の単一周波数レーザにより実現す
ることができる。ここで、信号光と局発光とは、それぞ
れの偏波状態と位相とが略一致した状態で合波される。 １５は光検波器であり、送信信号に略等しい受信信号１
６を復元して出力する。 １５は少なくともフォト・ダイオード（ＰＤ）を用いて
実現できる。１５は増幅器、フィルタ等通常の光受信装
置に含まれる回路を含んでいてもよい。 １７は本発明の光受信装置であり、少なくとも８と３と
から構成される０本発明の光通信装置は、１．２および
１７とから少なくとも構成される。 本実施例によれば、【作用】の項で記述した効果を有す
る量子状態制御装置、光受信装置および光通信装置を簡
易な構成で実現できるという効果を得る。 ［発明の効果１ 本発明の量子状態制御装置によれば、受信光のビット誤
り率特性を改善できるという効果を得る。 本発明の光受信装置および光通信装置によれば、内蔵さ
れる量子状態制御装置が受信光のビット誤り率特性を改
善できるので、以下の効果を得る。 ■　信号光の強度およびビットレートを従来のコヒーレ
ント光通信系と同じにすると、従来よりも受信信号の符
号誤り率を低くすることができる。 ■　ビットレートおよび受信信号の符号誤り率を従来と
同じにすると受信感度が改善されるので、通信用伝送路
に許容される損失を従来よりも多くできる。即ち、伝送
距離を長くできる。 ■　受信信号の符号誤り率および信号光の強度を従来と
同じにすると、ビットレートを従来よりも高くできる。 ■　ビットレートおよび受信信号の符号誤り率を従来と
同じにすると、信号光を複数に分岐でき、複数の先受装
置あるいは光検出装置が同時に信号光を受信することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図は従来のコ
ヒーレント光通信系の構成図、第３図は従来の量子状態
制御の応用法を示す図、第４図はスクイザ−入出力光の
信号と雑音の関係を示す図、第５図は本発明の量子状態
制御装置から出力される光の信号と雑音の関係を示す図
、第６図は雑音分布の特性図、第７図は従来の光ＰＳＫ
ホモダイン検波に対する本発明の相対誤り率を示す図で
あり、第８図は本発明の量子状態制御装置に久方する光
の信号と雑音の関係を示す図である。 １・・・光送信装置、２・・・通信用伝送路、３・・・
光ホモダイン検波装置、４・・・スクイズド状態の信号
光を出力する光送信装置、５・・・光源、６・・・光変
調器、７・・・送信信号、８・・・量子状態制御装置、
９・・・光分岐回路、１０・・・スクイザ−１１・・・
ポンピング用レーザ、１２・・・光の２倍高調波発生器
、１３・・・光合波器、１４・・局発光源、１５・・・
光検波器、１６・・・受信信号、１７・・・本発明の光
受信装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、信号光を第１および第２分岐光に分岐する光分岐回
   路と、該第２分岐光により注入同期されるポンピング用
   レーザと、該ポンピング用レーザからの出力光の周波数
   を２倍にする２倍高調波発生器と、該２倍高調波発生器
   からの出力光によりポンピングされ、且つ、該第１分岐
   光の量子状態をスクイズド状態に変換して出力するスク
   イザーとから構成されることを特徴とする量子状態制御
   装置。 ２、請求項１記載の量子状態制御装置と、該量子状態制
   御装置から出力されるスクイズド状態の光をホモダイン
   検波する光ホモダイン検波装置とから構成されることを
   特徴とする光受信装置。 ３、光送信装置と通信用伝送路と請求項２記載の光受信
   装置とから構成されることを特徴とする光通信装置。