JPH0272335A - デュアルバランス型受光装置 - 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】 目　　　　次 概要 産業上の利用分野 従来の技術 ３頁 ４頁 ５頁 発明が解決しようとする課題　・・・　９頁課題を解決
するための手段　・・・・１０頁作　　　用　　・　・
　・　・　・　・　・　・　・　・　・　・　１１真実
　　施　　例　　・　・　・　・　・　・　・　・　・
　・　・　１１頁発明の効果　・・・・・・・・・・・
２１頁概要 コヒーレント光通信方式の受信部において使用するデュ
アルバランス型受光装置に関し、受光器に到達する混合
光の遅延時間差を小さくして効果的に局発光の強度雑音
を抑制することができるデュアルバランス型受光装置の
提供を目的とし、 受信光と局発光を混合して２つの受光器にて光−電気変
換しその差信号を得るようにしたデュアルバランス型受
光装置において、少なくとも一方の受光器に入力される
混合光の伝搬経路中に光路長可変半没を設けて構成する
。

産業上の利用分野 本発明は、コヒーレント光通信方式の受信部において使
用するデュアルバランス型受光装置に関する。

光通信の分野においては、光伝送路により伝送された強
度変調光を直接的に受光素子により受光して電気信号に
変換する強度変調／直接検波方式が一般的である。これ
に対し近年、光周波数使用効率の向上及び伝送距離の長
大化等の要請から、スペクトル純度の高いレーザ光源を
送信用の搬送光及び受信用の局発光の光源として用い、
受信側で受信光と局発光とを混合してヘテロゲイン検波
、ホモダイン検波等を行うようにしたコヒーレント光通
信方式の研究が活発化している。この方式によれば、強
度変調／直接検波方式と比較して受信感度の向上を期待
できるので、光伝送路における中継間隔の拡大若しくは
中継器数の削減又は分岐数の増大が容易になり、光伝送
路を経済的に構築することが可能になる。コヒーレント
光通信方式における受信感度の更なる向上に寄与するも
のとしてデュアルバランス型受光装置があり、その構成
の最適化が摸索されている。

従来の技術 第８図はコヒーレント光通信方式の説明図である。送信
部７１からの光信号は、シングルモード光ファイバ等か
らなる光伝送路７２により受信部に伝送される。受信部
においては、その受信光と局部発振レーザ７３からの局
部発振光（局発光）とを光混合器７４に加えて混合し、
その混合出力光をフォトダイオード等の受光器７５に入
射させ、光信号を電気信号に変換して増幅器７６に加え
るようにしている。受信した光の信号成分は、受光器７
５の自乗特性によってその光の周波数と局発光の周波数
との差の周波数を有する中間周波信号（例えば数Ｇｌ（
ｚ）又はベースバンド信号として取り出すことができる
ので、これを図示しない適当な復調回路により復調する
ものである。

この方式によれば、受光器７５の出力として、受信光の
振幅と局発光の振幅との積に比例した振幅を有する信号
を得ることができるので、適当な強度の局発光を用いる
ことによって、高い受信感度を達成することができる。

第９図は、ＣＮＲ（搬送波対雑音電力比）と局発光の強
度との関係を、局発光の強度雑音をパラメータとして表
したＣＮＲ特性曲線図である。第８図に示す構成におい
て、局発光の強度雑音が小さい場合には、局発光の強度
を大きくするに従ってＣＮＲ又は最小受信レベルが改善
されるものである。しかし、局部発振レーザ７３の安定
性等に基づ（局発光の強度雑音が大きい場合、局発光の
強度を大きくしても、本来到達することのできるショッ
ト雑音限界に達しないで、ＣＮ　Ｒが劣化することがあ
る。従って、強度雑音の小さい局発光を用いである程度
のＣＮＨの劣化を許容するか、あるいはこの強度雑音を
抑圧する必要がある。

そこで、デュアルバランス型受光装置が提案された。こ
の方式は、第１０図に示すように、受信光８１と局部発
振レーザ８２からの局発光とを光混合器８３に加えて混
合するときに、２つの出力光が得られるから、それぞれ
受光器８４．８５にそれらの出力光を入射して電気信号
に変換し、増幅器８６．８７により増幅して減算器８８
に加えるものである。ハーフミラ−等の光混合器８３か
ら受光器８４．８５にそれぞれ入射される受信光は１８
０゛位相がずれており、一方、局発光の強度雑音成分は
同相となるから、減算器８８により増幅器８６．８７の
出力信号の差を求めることにより、信号成分は相加され
、強度雑音は相殺され、局発光の強度雑音を抑制するこ
とができる。

第１１図は、光混合器８３の作用を説明し併せて受光器
の他の例を説明するための図である。光混合器８３は、
無反射処理された透明ｖｉ８３ａ上に反射膜８３ｂを形
成して構成されており、透明板８３ａの屈折率は周囲の
媒質の屈折率よりも大きく、反射膜８３ｂの屈折率は、
周囲の媒質の屈折率よりも大きく、且つ、透明板８３ａ
の屈折率よりも小さくされている。受信光Ｓが反射膜８
３ｂで反射するときは固定端での反射に対応し、反射光
の位相は１８０゛ずれてＳ（π）となり、透過光は、位
相がずれずに５（０）となる。局発光りが反射膜８３ｂ
で反射するときは自由端での反射に対応し、位相がずれ
ずに反射光Ｌ（０）となり、透過するときにも位相がず
れずにＬ（０）となる。２つの光路に分配された混合光
は、直列接続の受光器９１．９２に入射され、受光器９
１９２の接続点からの信号は、増幅器９３に人力される
。このように受光器９１．９２を直列に接続しているこ
とにより、第１０図における減算器８８によるのと同様
に、信号成分を相加し、強度雑音成分を相殺するように
動作する。

第１２図は、３ｄＢ光カブラ１０１を光混合器として用
いたデュアルバランス型受信方式の説明図であり、受信
光と局発光を３ｄＢ光カブラ１０１に入射し、混合され
た出力光をそれぞれ直列接続の受光器９１．９２に入射
するようにしたものである。この構成によっても、第１
１図に示す構成と同様に、強度雑音を抑制することがで
きる。

第１３図は、受光器への光結合部の具体的な構成例を示
す図である。

（ａ）光混合器において分配された混合光をそれぞれ伝
搬する光ファイバ１１１．１１２の端部を切断し、切断
面をそれぞれ直接受光器９１．９２の受光部に対向させ
る。

（ｂ）混合光が伝搬する光ファイバ１１３，１１４の端
部をテーバ先球状に加工し、集束作用を持たせて受光器
９１．９２に結合する。

（Ｃ）・光ファイバ１１５，１１６の端面から放射され
た混合光をレンズ１１７．１１８によす集束させて、受
光器９１．９２に結合する。

発明が解決しようとする課題 デュアルバランス型受信方式において効果的に強度雑音
の抑制を行うためには、光混合器からそれぞれの受光器
までの光路長が一致していることが要求される。ところ
で、Ｇ　ｂ　／　ｓ級の伝送速度では、受光器の容量を
小さくするために、受光径が数１０μｍと小さなものを
用いる必要があり、このため、第１３図に示されるよう
な光結合部の構成であると、光結合効率を維持する上で
は、光ファイバと受光器の離間距離を自由に調整するこ
とはできない。従って、光混合器と受光器間の光伝送路
となる光ファイバに長さのばらつきがあると、直接的に
混合光の遅延時間差を生じ、効果的に強度雑音を抑制す
ることが困難になる。

本発明はこのような事情に鑑みて創作されたもので、受
光器に到達する混合光の遅延時間差を小さくして効果的
に局発光の強度雑音を抑制することができるデュアルバ
ランス型受光装置の提供を目的としている。

課題を解決するための手段 第１図は本発明の原理図である。

受信光１と局発光２は混合器３において混合され、２つ
の伝搬経路に分配して出力される。

一方の混合光４は受光器７に入射され、光−電気変換さ
れる。

他方の混合光５は、光路長可変手段６を介して受光器８
に入射され、光−電気変換される。

受光器７．８の出力信号は、差動対等からなる減算器９
に入力され、差信号が得られる。

作　　　用 一般に、光の伝搬媒質中の２地点間の光路長は、２地点
間の距離と媒質の屈折率との積により表され、光路長が
同一である場合には、２地点間を光が伝搬する時間は同
一である。従って、光路長可変手段は、具体的には、光
路の長さを可変にするか、あるいは、伝搬媒質の一部又
は全部の屈折率を可変にすることで実現される。

本発明では、少なくとも一方の受光器に人力される混合
光の伝搬経路中に光路長可変手段を設けているので、そ
れぞれの受光器に到達する混合光の遅延時間差が最小と
なるように調整して、効果的に局発光の強度雑音を抑制
することが可能になる。

実　　施　　例 以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図は本発明の第１実施例を示すデュアルバランス型
受光装置の構成図である。１１は受信光を伝搬する光フ
ァイバ、１２は局発光を伝搬する光ファイバである。１
３は例えば光ファイバを融着・延伸することによって形
成された光カプラであり、光混合器として機能する。１
４は光カブラ１３で混合された混合光の半分のパワーを
伝搬する光ファイバ、１５は混合光のもう半分のパワー
を伝搬する光ファイバである。光ファイバ１４の端面か
ら放射された光は、コリメートレンズ１６により概略平
行光ビームとされ、この平行光ビームは、集光レンズ１
７により集光されて受光器１８の受光部に結合される。

光ファイバ１５の端面から放射された光は、コリメート
レンズ２０により平行光ビームとされ、この平行光ビー
ムは、集光レンズ２１により集光されて受光器２２の受
光部に結合される。光ファイバ１５の端部近傍及びコリ
メートレンズ２０は、ホルダ１９に固定保持されており
、このホルダ１９は、光ファイバ１５の出射端と受光器
２２の受光部とを結ぶ光軸の方向に移動可能に支持され
ている。

受光器１８．２２における光−電気変換により生じたヘ
テロゲイン又はホモダイン信号は、それぞれ増幅器２３
．２４により増幅されて減算器２５に加えられ、ここで
局発光の強度雑音が相殺されて、ホモダイン又はヘテロ
ゲイン信号が相加されて出力される。

このように本実施例では、コリメートレンズ２０を光フ
ァイバ１５と一体化してこの一体化物を光軸方向に移動
可能に支持しているので、光ファイバ１５の端部から放
射されて受光器２２に入射される光の伝搬経路の距離を
調整して、光カブラ１３から受光器２２までの光路長を
可変することができ、光ファイバ１４．１５の長さがば
らついている場合でも、上記調整を行うことによって、
受光器１８．２２に到達する混合光の遅延時間差を小さ
くして、効果的に局発光の強度雑音を抑制することが可
能になる。

尚、本実施例では、光結合効率等のバランスを取るため
に、光ファイバ１４と受光器１８間及び光ファイバ１５
と受光器２２間の双方に平行光ビーム系を構成している
が、光ファイバ１４と受光器１８間については必ずしも
平行光ビーム系を構成する必要はなく、テーバ先球等の
従前の光結合構造としてもよい。

第３図は本発明の第２実施例を示すデュアルバランス型
受光装置の構成図である。前実施例におけるものと実質
的に同一の部分については同一の符号を付すと共にその
説明を一部省略することがある（以下同様）。この実施
例では、光ファイバ１５から放射された光は、コリメー
トレンズ３０、迂回光学系３１及び集光レンズ３６を介
して受光器２２の受光部に結合されるようになっている
。

迂回光学系３１は、コリメートレンズ３０による平行光
ビームを反射して光軸と垂直な方向に取り出す反射鏡３
２と、この先軸と垂直な方向に取り出された光を光軸と
平行な方向に反射する反射鏡３３と、反射鏡３３の反射
光を再び光軸と垂直な方向に反射する反射鏡３４と、反
射鏡３４の反射光をもとの光軸と一致するように反射さ
せる反射鏡３５とから構成されており、反射鏡３３．３
４は、光軸と垂直な方向に一体的に移動可能に支持され
ている。この構成によっても、反射鏡３３３４の位置調
整を行うことにより、混合光の伝搬経路の光路長を可変
することができ、効果的に局発光の強度雑音を抑制する
ことが可能になる。

上記第１及び第２実施例において、光路長を可変する側
に平行光ビーム系を採用しているのは、以下に示す理由
による。即ち、平行光ビームとなっている部分の光の伝
搬経路の長さを変化させても光結合効率が大きく変化す
ることがないからである。このことは次の事実に基づい
て説明される。

第４図は平行光ビーム系としたことによる作用を説明す
るための図である。同図（ａ）に示すように、ＬＤ（半
導体レーザ）及びコリメートレンズ４２からＬＤアセン
ブリ４３を構成し、集光レンズ４４及び光ファイバ４５
からファイバアセンブリ４６を構成し、両アセンブ１Ｊ
４３，４６の離間距離を変化させたときの結合損失の変
化を測定して、結合損失とレンズの関係を同図（ｂ）に
示したものであり、橋本、加ｅ；ｒ１．５μｍ帯零分散
ファイバとＬＤの結合系の検討」昭和６２年電子情報通
信学会半導体・材料部門全国大会　３９８、に開示され
ている内容に対応している。−般に、ＬＤの開口角は比
較的大きく、且つ、光軸に垂直な面内で開口が一様でな
く、このような場合でさえ結合損失がレンズ間隔りにほ
とんど依存しないことから、本実施例のようにビームパ
ラメータの整合が容易な受光系においては、平行光ビー
ム部の光路の長さを変化させたとしても、結合損失又は
結合効率が太き（変化する恐れはない。

第２実施例においては、迂回光学系３１を反射鏡のみか
ら構成しているが、反射鏡の全部又は−部をプリズムに
置換してもよい。この場合、反射鏡３３．３４に代えて
移動可能に支持されたコーナキューブプリズムを使用す
れば、その配置角度に対する許容誤差が大きくなるので
、製造作業性が良好になる。また、反射鏡又はプリズム
から迂回光学系を構成する場合、各反射面における反射
光の位相反転が問題になるが、反射面の数を偶数にして
おくことで、迂回光学系全体としての位相反転はなくな
る。

第５図は本発明の第３実施例を示すデュアルバランス型
受光装置の構成図である。この実施例では、コリメート
レンズ３０と集光レンズ３６間に、平行光ビーム部分に
貫通する透孔を有する枠部材５１を設け、屈折率の異な
る光学媒質群５２から選択される光学媒質を択一的に枠
部材５１に挿入可能に構成している。光学媒質の−厚み
を１その屈折率をｎとするときに、光学媒質中における
光路長Ｅは、 ｆ＝ｔｎ と表されるから、ｎを調整することにより光学媒質につ
いての光路長を可変して、混合光の伝搬経路の光路長を
可変するものである。この構成によっても、最適な光学
媒質を選択することで、効果的に局発光の強度雑音を抑
制することが可能になる。

第１乃至第３実施例のように混合光の伝搬経路中に光路
長可変手段を設け、その光路長を最適に調整したときの
効果を、第６図及び第７図により説明する。第６図はテ
゛ニアルバランス型受光装置のモデル図であり、局部発
振レーザ６１からの局発光に生じている強度雑音がＮＬ
１光混合器６２の電力透過係数がε、第１分岐における
受光器６３の量子効率がη２、第１分岐における増幅器
（フロントエンド回路）６４の利得がＨ＋Ｈ）［＝Ａ＋
ｅｘｐ（Ｊφ、）コ、第２分岐における受光器６５の量
子効率がη２、第２分岐における増幅器６６の利得がＨ
２（ｆ）　　Ｃ＝Ａ２ｅｘｐ（ｊφ２）〕、増幅器等に
おいて生じるショット雑音及び熱雑音がそれぞれＮｓ　
、　Ｎｔｈであるようなモデルが示されている。雑音源
のうちショット雑音Ｎ、及び熱雑音Ｎ、ｈについては、
第１分岐と第２分岐で発生する雑音に相関がないから、
差動合成による雑音抑制効果はない。これに対し、局発
光の強度雑音Ｎ、の発生要因は単一の局部発振レーザに
あるので、第１分岐と第２分岐で雑音に相関がある。従
って、差動合成することにより、局発光の強度雑音を抑
制することができる。これがデュアルバランス型受信方
式の原理である。

局発光の強度雑音ＮＬ　は、 ＮＬ−ξＤ’　［（１−Ｅ）２＋　Ｅ”θ２　ａ　２２
Ｅ　　（１−Ｅ）　　θａＭｃｏｓΔφ］ＰＬ２ＢＩＰ
・・・（１） で表される。ここでξは相対強度雑音（ＲＩＮ）の真値
であり、 ξ＝　ｌ　ＱＲＩＩＩ／ｌ。

で表され、ＰＬ　は局発光の強度、ＢＩＦは中間周波数
の帯域である。また、 Ｄ　”　７７　＋　ｅ　／　ｈ　ｕ　、　　θ＝η２／
ηｈΔφ＝φ２−φ１＝２　πＦ１Ｆ△τ であり、ＰＩＦは中間周波数、△τは遅延時間差である
。

一方、デュアルバランス型とせずに単一の受光器を使用
したときの局発光の強度雑音ＮＬ’　は、（１）式にお
いてａ＝Ｑとすることにより求まり、ＮＬ′＝ξＤ２（
１−ε）２ＰＬ’ＢＩＦ　　　　・・・（２）となる。

従って、デュアルバランス型にすることによるＲＩＮの
改善量ξ、は、（１）、　（２）式より、＝ξ　［１＋
　Ｓ’−２Ｓ　ＭｃｏｓΔφ］＝ξ　［（１−Ｓ）’＋
　２５（１−ＭｃｏｓΔφ）］・・・（３） となる。ここでＳは、分岐比、利得比、量子効率比の積
で与えられる利得を表すパラメータであり、ε で表される。

（３）式の結果からすると、Δφ−０．Ｓ＝１のとき改
善量が最大になることが明らかであり、光学系について
は、Ｓ＝１とした状態でΔφを最小にすること、つまり
、それぞれの受光器への光結合効率を変化させずにΔφ
−０（Δτ＝０）に近づけることが、技術的課題となっ
ているものである。

第７図は、（３）式におけるＳをＳ＝１　（Ｓ＝ＯｄＢ
）に固定し、Δτ＝１．１０，１００．１０００ピコ秒
としたときの、ＲＩＮの改善量とデータビットレートＦ
、との関係を示すグラフである。

ここで、ＰＩＦ＝２ＦＡＩ　、ＢＩＦ＝２×０．　７Ｘ
Ｆヤとしている。通常の半導体レーザでは、ＲＩＮ＝−
１５０〜−１６０ｄＢ／Ｈｚであるから、局発光の強度
雑音の影響を無視するためには、１０〜３０ｄＢのＲＩ
Ｎの改善が要求される。Ｇ　ｂ　／　ｓ級の伝送におい
て、３０ｄＢの改善量を得るためには、（３）式又は第
７図からすると、Δτを１ピコ秒程度に抑える必要があ
り、これを１．５５μｍ帯の光源について長さ換算する
と、光フアイバ中では０．２ｍｍ、空気中では０．３ｍ
の長さに相当する。このように、高ビットレートにおい
て局発光の強度雑音を効果的に抑制するためには、混合
光の伝搬経路の光路長を１　ｍｍ以下の精度で調整する
必要があるから、混合光の伝搬経路中に光路長可変手段
を設けることは、上記調整に際して極めて有効である。

発明の効果 以上詳述したように、本発明によれば、デュアルバラン
ス型受光装置において、少なくとも一方の受光器に入力
される混合光の伝搬経路中に光路長可変手段を設けてい
るので、受光器に到達する混合光の遅延時間差を小さく
して効果的に局発光の強度雑音を抑制することが可能に
なるという効果を奏する。

また、装置を構成する際に光混合器と受光器間の光ファ
イバの長さを厳密に揃えておく必要がないので、装置製
造作業性が向上するという利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理図、 第２図は本発明の第１実施例を示すデュアルバランス型
受光装置の構成図、 第３図は本発明の第２実施例を示すデュアルバランス型
受光装置の構成図、 第４図は本発明の第１及び第２実施例の作用説明図、 第５図は本発明の第３実施例を示すデュアルバランス型
受光装置の構成図、 第６図は本発明実施例の効果を説明するためのデュアル
バランス型受信方式のモデル図、第７図は本発明実施例
の効果を説明するための、ＲＩＮの改善量とデータビッ
トレートとの関係を示すグラフ、 第８図はコヒーレント光通信方式の説明図、第９図はコ
ヒーレント光通信方式におけるＣＮＲ特性曲線図、 第１０図乃至第１２図はデュアルバランス型受信方式の
説明図、 第１３図はデュアルバランス型受信方式における受光器
への光結合部の従来例を示す図である。 １・・・受信光、 ２・・・局発光、 ３・・・光混合器、 ４．５・・・混合光、 ６・・・光路長可変手段、 ７．８．１８，２２゜ ６３゜ ５・・・受光器。 募２冥１范伊１図 第３図 レンス゛ｊ−電下山 Ｌ　　（ｍｍ） （ｂ） ＄１．＄２×１范例作用説明図 第４図 ！１８イ列効果事光明モデ゛ル閃 第６図 ン餌　３　リで　うオシ　イ列　６０ 第５図 １０Ｍ ００Ｍ Ｇ ＋ＯＧ テータヒ゛、７トシート ｍ （ｂ／ｓ） 多くう會也イ列丈力１ξすえ　−月　図第７図 ０ヒーレント光１イ官太べ０説明図 第８図 す−アルノマラソス型受イ吉τ入°の官尾明図第１０図 ＣＮＲｔ隼；［−））１　曲＊ｉ。 第９図 テに丁ルへ′ラシス型吏信ナベのす括明図第１１図 Ｔ１アルハ゛ランス型受イ１１入０す虻、Ｖ月図第１２
図 （Ｇ） 受光符への光ヤ奢心辛下０模米イ列を水で図第１３図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）受信光（１）と局発光（２）を混合して２つの受
   光器（７、８）にて光−電気変換しその差信号を得るよ
   うにしたデュアルバランス型受光装置において、 少なくとも一方の受光器（８）に入力される混合光（５
   ）の伝搬経路中に光路長可変手段（６）を設けたことを
   特徴とするデュアルバランス型受光装置。
2. （２）混合光が導波される光ファイバ（１５）の出射端
   と受光器（２２）の受光部とを結ぶ光軸上にコリメート
   レンズ（２０）及び集光レンズ（２１）を設けて平行光
   ビーム系を構成し、 上記コリメートレンズ（２０）を上記光ファイバ（１５
   ）と一体化してこの一体化物を上記光軸方向に移動可能
   にしたことを特徴とする請求項１記載のデュアルバラン
   ス型受光装置。
3. （３）混合光が導波される光ファイバ（１５）の出射端
   と受光器（２２）の受光部とを結ぶ光軸上にコリメート
   レンズ（３０）及び集光レンズ（３６）を設けて平行光
   ビーム系を構成し、 この平行光ビーム系に、反射鏡及び／又はプリズムを組
   み合わせてなる迂回光学系（３１）を付与し、該迂回光
   学系（３１）の構成要素を移動可能に支持したことを特
   徴とする請求項１記載のデュアルバランス型受光装置。
4. （４）屈折率の異なる光学媒質群（５２）から選択され
   る光学媒質を択一的に混合光の伝搬経路中に挿入するよ
   うにしたことを特徴とする請求項１記載のデュアルバラ
   ンス型受光装置。