JPH03220467A - 光受信器の特性測定方法及び装置 - 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 発明が解決しようとする課題 課題を解決するための手段 作　　　用 実　　施　　例 発明の効果 概要 光受信器の特性測定方法及び装置に関し、簡易な測定方
法の確立及び低価格な測定装置の提要を目的とし、 測定方法にあっては、半導体光増幅器のバイアス電流値
を少なくとも２つの値に切換えて、上記半導体光増幅器
からの光が人力する被測定光受信器の出力雑音電力をそ
れぞれのバイアス電流下で測定してＹファクタを求め、
該Ｙファクタとそれぞれのバイアス電流下における自然
放出光間ピート雑音による過剰雑音比とから被測定光受
信器の雑音特性を導出する第１のステップと、半導体光
増幅器のバイアス電流値を少なくとも２つの値に切換え
て、上記半導体光増幅器かろの光が人力する被測定光受
信器及び負荷抵抗が既知である校正用光受信器の出力雑
音電力をそれぞれのバイアス電流下で測定し、該測定値
から被測定光受信器のトランスインピーダンスを導出す
る第２のステップとから構成する。

産業上の利用分野 本発明は光受信器の特性測定方法及び装置に関する。

高度情報化社会における大容量の情報の伝達手段として
光通信が注目されており、その伝送速度（ビットレート
）の向上に対する要求も年々高まってきている。強度雑
音／直接検波方式（ＩＭ−ＤＤ方式）においては、１．
　６ＧＢＰＳあるいは２゜４　ＧＢＰＳの伝送速度が実
用段階に達し、研究レベルではｌ　ＱＧ８ＰＳが現実の
ものとなっている。また、ＩＭ−ＤＤ方式に比べて原理
的に長距離・大容量伝送が可能になるものとして、コヒ
ーレント光通信方式が研究されており、この方式におい
ても４ＧＢＰＳの伝送速度が達成されている。このよう
に光通信における伝送速度は増大する一方であるから、
光受信器の特性を広帯域にわたって把握してふくことは
、システム設計上、例えばどれくらいまで信号レベルの
劣化を許容し得るかを判断して中継間隔を設定する等に
際して重要である。

従来の技術 光受信器の特性測定方法としては、受信信号の誤り率を
測定するもの、雑音特性を求めるものが一般的である。

前者は光受信器をシステムに組み込んだときによく行わ
れ、光受信器について単独で特性測定を行う場合には、
後者が一般的である。

そして、光受信器の雑音特性の測定は、光受信器内の信
号経路において種々生じる雑音を入力電流等に換算して
、その周波数特性を求めることによってなされるのが通
例である。即ち、光受信器の入力換算雑音の周波数特性
を如何にして求めるかが技術的課題になっている。

第６図は一般的な光受信器のブロック図である。

この光受信器６１は、人力光の電界振幅の二乗に比例し
た光電流を生じさせる受光器６２と、上記光電流が流れ
る負荷抵抗６３と、この負荷抵抗６３における電圧降下
を増幅等する電気回路部６４とから構成されている。受
光器６２において生じた光電流がＩ、出力端電圧がＥで
あるときに、この光受信器６１のトランスインピーダン
スＺ、は、Ｚ、＝Ｅ／Ｉで表される。尚、このトランス
インピーダンスは、測定された出力雑音を入力換算する
場合に使用される。

入力換算雑音の周波数特性の従来の測定方法を第７図に
より説明する。

まず、同図（ａ）に示すような、出力雑音の周波数特性
を測定する。この特性は、周波数選択レベルメータ、Ｌ
ＰＦ（ローパスフィルタ）トハワーメータとの組合せ、
あるいはＮＦメータを用いて周波数領域毎に出力雑音レ
ベルを測定することによって、比較的容易に行うことが
できる。

次に、同図（ｂ）に示すような、光受信器のトランスイ
ンピーダンスの周波数特性を測定する。

この測定は、比較的低周波領域におけるトランスインピ
ーダンスの絶対値測定と、低周波領域において測定され
た特性を高周波領域に外挿（抽斗）するための相対周波
数特性の測定とからなる。低周波領域におけるトランス
インピーダンスの絶対値測定方法としては、 ■　電気回路部６４のＳパラメータを例えばネットワー
クアナライザにより測定し、このＳ、パラメータからト
ランスインピーダンスを導出する。

■　正弦波信号によりアナログ強度変調されたＬＤ（半
導体レーザ）からの光を受光器６２に入力しておき、そ
のときの光電流と出力端電圧とから算出する。

等がある。■の方法であると、測定に際して受光器６２
と電気回路部６４とを切り離す必要があるが、高ビツト
レート用に設計された光受信器においては、ストリップ
ライン等により接続されている受光器と電気回路部を切
り離すことが実際上困難である。■の方法では、ＬＤの
消光比の補正が必要になるため測定が煩雑であり、また
、ＬＤの周波数特性から測定周波数に上限が生じる。

一方、相対周波数特性の測定方法としては、■　広帯域
にわたり安定した変調が可能なＬＤからの光を光受信器
６１に入力しておき、ＬＤを含めたブラックボックスと
してスカシ・ネットワークアナライザを用いて測定する
。

■　発振周波数が近接した２つのＬＤからの光を同時に
受光器６２に入力し、受光器６２の自乗検波特性によっ
て当該周波数差のヘテロゲイン検波信号を生じさせてお
き、一方のＬＤの発振周波数を変化させてヘテロダイン
検波信号の周波数を走査することによって、応答レベル
についての周波数特性を得る（ヘテロダイン法）。

等がある。■の方法では、ＬＤの特性により測定周波数
の上限があり、■の方法では、ＬＤのスペクトル幅によ
り測定周波数の下限が生じるので、一般には■と■の方
法を併用する必要があり、測定が煩雑である。

以上の手順により、出力雑音の周波数特性（第７図（ａ
））’Ｆ及びトランスインピーダンスの周波数特性（第
７図（ｂ））が求められたなろば、これらに基づいて、
第７図（Ｃ）に示すような、入力換算雑音（入力換算雑
音電流）の周波数特性を得ることができる。

発明が解決しようとする課題 このように従来方法は煩雑であり、また、種々の高価な
測定機材が必要であり一般的でない。これは、光受信器
にあってはその最前段に受光器があり、信号入力が光に
よらざるを得ないということに起因しているものと考え
られる。

本発明はこのような事情に鑑みて創作されたもので、簡
易な測定方法の確立及び低価格な測定装置の提供を目的
としている。

課題を解決するための手段 最前段に受光器を有していない例えばマイクロ波帯の増
幅器の雑音特性を測定する場合には、Ｙファクタ法によ
り容易に特性測定を行うことができるっＹファクタ法は
、雑音温度の異なる２つの雑音、涼（アバランンエダイ
オード等）を用いるかあるいは所定の雑音温度の雑音源
をオン・オフするこ゛とによってＹファクタを求め、こ
のＹファクタから雑音指数等を導出するようにした方法
である。しかしながら、最前段に受光器を有する光受信
器にあっては、Ｙファクタ法をそのまま適用することは
できない。なぜならば、光−電気変換を行う受光器をも
含めた雑音特性を測定しなければ意味がないからである
。

そこで、本発明では代替雑音源として半導体光増幅器（
半導体レーザ型の光増幅器）を用い、それにより生じる
自然放出光間ビート雑音（以下単に「ビート雑音」とい
うことがある。）を用いることにする。

第２図は半導体光増幅器を用いることによって光受信器
に生じたビート雑音の例の説明図である。

縦軸は相対出力雑音（ｄＢ）、横軸は入力光強度（ｄＢ
ｍ）を表す。破線１１．１２は半導体光増幅器のバイア
ス電流がそれぞれ４０ｍＡ、　４６ｍＡのときのビート
雑音であり、実線１３．１４はバイアス電流がそれぞれ
同じ＜　４０ｍＡ、　４６ｍＡのときの全雑音である。

また、−点鎖線１５は光受信器の負荷抵抗等に起因する
熱雑音である。このようにビート雑音は熱雑音と同等若
しくはこれよりも大きく、且つ、ビート雑音はバイアス
電流に依存して変化し入力光強度に依存して変化しない
から、半導体光増幅器のバイアス電流値を異なる値に設
定することにより、Ｙファクタ法の実施に必要な少なく
とも２つの雑音源を得ることができる。

第１図に本発明装置の基本構成図を示す。

同図において、ｌは半導体光増幅器、 ２はバイアス電流値を少なくとも２つの値に切換え可能
な半導体光増幅器１のバイアス回路、３は半導体光増幅
器１からの光を光電変換したときにビート雑音を生ずる
ような受光器を備えた負荷抵抗が既知である校正用光受
信器、４は被測定光受信器、 ５は半導体光増幅器１からの光を被測定光受信器４及び
校正用光受信器３に人力したときのこれらの出力雑音電
圧を測定する出力雑音検出部である。

本発明の光受信器の特性測定方法は、半導体光増幅器１
のバイアス電流値を少なくとも２つの値に切換えて、上
記半導体光増幅器１からの光が入力する被測定光受信器
４の出力雑音電力をそれぞれのバイアス電流下で測定し
てＹファクタを求め、該Ｙファクタとそれぞれのバイア
ス電流下における自然放出光間ビート雑音による過剰雑
音比とから被測定光受信器４の雑音特性を導出する第１
のステップと、半導体光増幅器１のバイアス電流値を少
な（とも２つの値に切換えて、上記半導体光増幅器１か
らの光が入力する被測定光受信器４及び負荷抵抗が既知
である校正用光受信器３の出力雑音電力をそれぞれのバ
イアス電流下で測定し、該測定値から被測定光受信器４
のトランスインピーダンスを導出する第２のステップと
を備えている。

作　　　用 第３図は本発明による測定原理の説明図である。

同図（ａ）は本発明方法の第１のステップにおける測定
システムを示し、同図（ｂ）は第２のステップにおける
測定システムを示す。半導体光増幅器１のバイアス電流
は第１のバイアス電流と第２のバイアス電流の間で切換
えられるものとする。

まず、第３図（ａ）により被測定光受信器４の雑音特性
を導出する第１のステップを説明する。第１のバイアス
電流で半導体光増幅器１を駆動したとき被測定光受信器
４の出力として測定される雑音電力は次式で与えられる
。

Ｎ、　　−（２Ｔ’／４Ｒ）　　・　（くｌ３，１２）
　＋　〈１ＡＸＰ２〉　）　・・・（１）また、第２の
バイアス電流での被測定光受信器４の出力雑音電力は同
様に次式で与えられる。

〜２＝（Ｚア’／４Ｒ）　　・（（ｉ５Ｐ２’＞　＋　
　＜ｉＡ、ＩＰ”＞　）　　・・・〔２〕ここで、２丁
　は被測定光受信器４のトランスインピーダンス、 Ｒは出力雑音電力検出部５の人力インピーダンス（通常
は５０Ω）、 ＜　ｌ５ＰＩ’＞は第１のバイアス電流での入力換算ビ
ート雑音電流、 ＜　１　ＳＰ２’　）は第２のバイアス電流での入力換
算ビート雑音電流、 （Ｉ　Ａ）ＩＰ”　）は被測定光受信器４の入力換算雑
音電流、 である。

（１）式より、ビート雑音を入力雑音、被測定光受信器
４で発生する回路雑音を内部雑音とみなすと、雑音指数
Ｆは次の様に定義される。

従って、内部雑音Ｎ６　と雑音指数Ｆとの関係は、Ｎ、
＝ＺＴ’　・　＜　ｌ　ＡＸＰ”＞　　／　４　Ｒ（Ｆ
−１）　　・　ＺＴ２・　＜　！ｓｐ１’＞　　／　４
　Ｒ・・・（４）となり、光受信器の雑音特性を表す場
合に一般に用いられる入力換算雑音電流は雑音指数を用
いることにより次式で与えられることとなる。

＜　　ＩＡＩＩＰ”） （Ｆ−１）　　・　＜　ＩＳＰ＋’＞ ・・・（５） （２）式及び（４）式より、 ＮＦ　（ｄＢ）　＝　ＥＮＲ−１０ＬＯＧ　（Ｙ−１）
　　　　　・・・６口Ｎ２　＝　（Ｚｔ’／４Ｒ）　　
・（（Ｆ−１）　　・＜　！ｓｐ＋”＞　”　　＜　！
ｓｐａ”＞　）・・・（６）が得られるから、（３）式
及び（６）式よりＹファクタＹは、 となる。よって、雑音指数Ｆは次式で与えられることと
なる。

ビート雑音の過剰雑音比を、 とすると、雑音指数ＮＦは次の様になる。

従って、ビート雑音の過剰雑音比ＥＮＲが与えられてい
れば、Ｙファクタを測定することにより、被測定光受信
器４の雑音特性を求めることができる。尚、ビート雑音
の過剰雑音比ＥＮＲは、例えば、既知の負荷抵抗が接続
された受光器に入力する半導体光増幅器からの光をオン
・オフする等によって得ることができる。

次に、第３図ら）を用いて被測定光受信器４のトランス
インピーダンスの測定について説明する。

この場合、測定システム（出力雑音検出部５等）゛の利
得を考慮に入れる必要がある。測定システムを利得が０
１内部雑音がＮ、　／の増幅器とみなして、その出力雑
音を含めて雑音電力が測定されているものとする。第１
のバイアス電流での雑音をＮ１′、第２のバイアス電流
での雑音をＮ　、　／　とすると、 Ｎ、　　、＝Ｎ、　　　＋Ｎ、　　・Ｇ　　　　　　・
・・Ｑｌ）２ ＝Ｎ。

十Ｎ、・Ｇ ・・・αり が成り立つ。従って、測定システムの利得は、となる。

半導体光増幅器１の出力を校正用光受信器３に接続した
場合を考える。第１のバイアス電流で半導体光増幅器１
を駆動したとき、校正用光受信器３の出力について測定
される雑音電力は次式で与えられる。

Ｎ＋　　　　＝（（ｉｓｐ＋”＞　　　・　Ｒ／４）　
・　Ｇ＋ｋＴＢＧ＋Ｎ、　　　　　　・・・α４）ここ
で、Ｒは校正用光受信器３における負荷抵抗（例えば５
０Ω）、ｋＴＢは熱雑音である。また、第２のバイアス
電流での校正用光受信器３の出力雑音電力は同様に次式
で与えろれる。

Ｎ２　　　＝（（１ｓｐ２’）　　・Ｒ／４）　　・Ｇ
−ｋＴＢＧ・〜、　　　・・・α９Ｎ、　　　−Ｎ。

＝（（＜　１−−２２＞ ＜　ｉ、、、”＞　）　・Ｒ／４）　・Ｇ　・・・αＯ
となる。一方、（１）、（２）、αつ式より、Ｎ、　−
！ｉ。

＝　　　（＜　　ｉ　　ｓＰ２”＞　　−（ｉ−Ｐｌ”
）　　）　　・　Ｚｔ”／４Ｒ＝　　（Ｎ、　　−Ｎ、
’）／Ｇ　　　　　　　　　　　　　・・・αつとなる
。よって、ＺＴ２　は次式で表される。

０ｅ式より、 であるからこれを眞式に代入することにより、従って、
１〕す、０２１式より、 となる。よって、半導体光増幅器１を異なる２つのバイ
アス電流で駆動したときの被測定光受信器４及び校正用
光受信器３の出力雑音電力をそれぞれ測定することによ
って、被測定光受信器４のトランスインピーダンスを求
めることができる。

このように、本発明によれば、簡易な測定方法の確立が
可能になり、また、ネットワークアナライザ等の高価な
測定機器を必要としない低価格な測定装置の提供が可能
になる。

実　　施　　例 以下本発明の詳細な説明する。

第４図は本発明の実施例を示す光受信器の特性測定装置
のブロック図である。この図において、２１は測定器本
体であり、４は測定器本体２１に電気的及び光学的に接
続された被測定光受信器である。被測定光受信器４は、
フォトダイオード等の受光器２２と、受光器２２に生じ
た光電流が流れる負荷抵抗２３　（通常はハイインピー
ダンス）と、負荷抵抗２３の両端電圧を増幅する増幅器
２４とから構成されている。２５は受光器２２のバイア
ス回路である。

測定器本体２１内に設けられた半導体光増幅器１の出力
光の一部は、接続用の光ファイバ３８を介して被測定光
受信器の受光器２２に人力する。

また、半導体光増幅器１の出力光の一部は校正用光受信
器３の受光器２６にも入力するようになっている。受光
器２２．２６に測定に十分な光強度の光が人力しないよ
うな場合には、半導体光増幅器１に適当な強度の光を人
力しておき、半導体光増幅器１を光増幅状態で使用して
も良い。校正用光受信器３において、２７は受光器２６
に生じた光電流が流れる負荷抵抗であり、この実施例で
は５０Ωのものが用いられている。２８は負荷抵抗２７
の両端電圧を増幅する増幅器であり、２９は受光器２６
のバイアス回路である。

出力雑音検出部５は、スイッチ３０により選択された校
正用光受信器３及び被測定光受信器４のいずれか一方の
出力雑音電力を測定する。以下の説明では、この出力雑
音検出部５は周波数選択レベルメークであるとする。３
１は測定結果を表示するためのＣＲＴ装置等の表示装置
である。

この実施例では本発明の測定方法の手順に基づいて各部
分を制御する制御回路が設けられており、その構成を説
明する。３２は１７０回路であり、このＩ１０回路３２
は周波数選択レベルメータ５により測定された出力雑音
信号を取り込む。３３はＣＰＵてあり、所定のプログラ
ムに従って、取り込まれた信号に基づいて演算を行うと
ともに、バイアス回路２におけるバイアス電流やスイッ
チ３０を切換えるための信号等を形成する。

３４はＣＰＵ３３における演算結果等を一時的に記憶す
るＲＡＭ、３５は上記プログラム等が記憶されているＲ
ＯＭである。

３６はデマルチプレクサ機能を有するＩ１０回路であり
、バイアス回路２及びスイッチ３０に制御信号を送出し
、周波数選択レベルメータ５に帯域指定信号を送出し及
び、ＣＰＵ３３の演算結果に従って表示装置３１に表示
信号を送出する。

３７はデータバスであり、ＣＰＵ３３、Ｉ１０回路３２
，３６、ＲＡＭ３４及びＲＯＭ３５を相互接続する。

この測定装置の動作を説明する。

まず、バイアス回路２のバイアス電流及びスイッチ３０
の切換えを行うことによって、校正用光受信器３及び被
測定光受信器４の出力雑音を測定し、α０式等に従った
演算を行うことによって、雑音指数ＮＦが求められる。

次いで、同じような切換え操作を行い、（至）式等に従
った演算により、トランスインピーダンスＺ。

が求められる。

そして、これら雑音指数及びトランスインピーダンスを
各帯域（周波数選択レベルメータ５により選択された周
波数帯域）について求め、それぞれ帯域で求められた入
力換算雑音を表示装置３１により表示することによって
、従来技術による場合と同様の入力換算雑音の周波数特
性を自動的に短時間のうちに得ることができる。尚、校
正用光受信器における受光器２６の特性や測定器本体２
１内における光結合効率等は比較的長期にわたって安定
であるから、校正用光受信器３についての測定結果はＲ
ＡＭ３４又は図示しない記憶装置に記憶させておくこと
ができる。これにより、校正用光受信器３についての測
定が不要になるから、さらに測定が簡単になる。

第５図は測定される特性の一例を示すグラフであり、縦
軸は被測定光受信器４の入力換算雑音電力、横軸は周波
数である。比較的低周波数において入力換算雑音が増大
している１／ｆ雑音に相当する部分及び比較的高周波数
において入力換算雑音が増大するｆ２　雑音に相当する
部分については、従来の測定方法では不正確であるか或
いは測定が煩雑であったのと対比して、本発明方法によ
れば、互いに異なる少なくとも２つのバイアス電流を最
適に設定して、各連立方程式の解の有効数字を高めるこ
とができるので、特に１／ｆ雑音及びｆ２雑音に相当す
る部分について容易に且つ精度よく測定を行うことがで
きる。

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、光受信器の特性測
定に関して、簡易な測定方法の確立及び低価格な測定装
置の提供が可能になるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の基本構成図、 第２図は自然放出光間ビート雑音の説明図、第３図は本
発明における測定原理の説明図、第４図は本発明の実施
例を示す光受信器の特性測定装置のブロック図、 第５図は測定される特性の一例を示すグラフ、第６図は
光受信器のブロック図、 第７図は従来方法の説明図である。 １・・・半導体光増幅器、 ２・・・半導体光増幅器のバイアス回路、３・・・校正
用光受信器、 ４・・・被測定光受信器、 ５・・・出力雑音検出部（周波数選択レベルメータ）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体光増幅器（１）のバイアス電流値を少なくと
   も２つの値に切換えて、上記半導体光増幅器（１）から
   の光が入力する被測定光受信器（４）の出力雑音電力を
   それぞれのバイアス電流下で測定してＹファクタを求め
   、該Ｙファクタとそれぞれのバイアス電流下における自
   然放出光間ビート雑音による過剰雑音比とから被測定光
   受信器（４）の雑音特性を導出する第１のステップと、 半導体光増幅器（１）のバイアス電流値を少なくとも２
   つの値に切換えて、上記半導体光増幅器（１）からの光
   が入力する被測定光受信器（４）及び負荷抵抗が既知で
   ある校正用光受信器（３）の出力雑音電力をそれぞれの
   バイアス電流下で測定し、該測定値から被測定光受信器
   （４）のトランスインピーダンスを導出する第２のステ
   ップとを備えたことを特徴とする光受信器の特性測定方
   法。 ２、半導体光増幅器（１）と、 バイアス電流値を少なくとも２つの値に切換え可能な上
   記半導体光増幅器（１）のバイアス回路（２）と、上記
   半導体光増幅器（１）からの光を光電変換したときに自
   然放出光間ビート雑音を生ずるような受光器を備えた負
   荷抵抗が既知である校正用光受信器（３）と、 上記半導体光増幅器（１）からの光を被測定光受信器（
   ４）及び上記校正用光受信器（３）に入力したときの該
   被測定光受信器（４）及び校正用光受信器（３）の出力
   雑音電力を測定する出力雑音検出部（５）とを備えたこ
   とを特徴とする光受信器の特性測定装置。