JPH03257431A - コヒーレント光通信方法及びコヒーレント光通信システム - 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】 概要 コヒーレント光通信方法及びコヒーレント光通信システ
ムに関し、 光の位相同期を必要とせずにＰＳＫホモダイン検波を可
能にするとを目的とし、 半導体レーザ光増幅器の非線形現象である四光波混合を
用いることによって、受信側での搬送光の再生を可能に
する。

産業上の利用分野 本発明はコヒーレント光送信方法及び受信方法並びにこ
れらの方法を組み合わせてなるコヒーレント光通信方法
に関し、また、本発明はコヒーレント光送信機及び受信
機並びにこれらを構成要素とするコヒーレント光通信シ
ステムに関する。

コヒーレント光通信方式は、現在実用化されている強度
変調・直接検波方式に比べて受信感度を高めることがで
きるので、長距離伝送に適している。また、光検波を行
った後に電気的な処理によって比較的容易に周波数選択
を行うことができるので、高密度なＦＤＭ（周波数分割
多重）伝送に適している。コヒーレント光通信方式のう
ちで最も受信感度が高い受信方式として、ＰＳＫホモダ
イン検波方式が知られている。この方式は、送信側で位
相シフトキーイング（Ｐ　Ｓ　Ｋ）を行い、受信側では
、搬送光に同期した光を用いてこの光と受信光との混合
により同期検波を行うようにしたものである。このた必
、ＰＳＫホモダイン検波方式を実施する□場合、搬送光
に同期した光が受信側で必要になる。

従来の技術 ＰＳＫホモダイン方式が適用されるシステムとして従来
から提案されているものを第５図に示す。

このシステムでは局発光源８８が用いられ、また、局発
光と搬送光上を位相同期させるために位相比較制御回路
９６が設けられており、いわゆる光ＰＬＬ回路が構成さ
れている。搬送光光源８０及び外部位相変調器８２を備
えた光送信機からの位相変調光は、光伝送路８４により
光受信機に伝送される。光受信機において、８６は受信
した位相変調光と局発光とを加え合わせて出力する光カ
プラ、９０は光カプラ８６からの位相変調光及び局発光
が入力する二乗検波特性を有する受光器、９２は受光器
９０に生じた光電流を増幅する増幅器、９４は検波信号
の不要成分を取り除くローパスフィルタである。

いま、位相・変調光の電界をＥＳ　、局発光の電界をＥ
、とすると、これらは次の式で表される。

Ｅｓ　　＝Ａ＋　　ｃｏｓ　　（２πｆＳｔ＋θ（１）
＋φ５（ｔ））　　・・・（１〕ＥＬ　　＝Ａ２　　Ｃ
Ｏ９（２πｆＬｔ＋φＬ（ｔ））　　　　　　　・・・
〔２〕ｆＳは変調光の周波数、ｆＬ　は局発光の周波数
、θ（１）　　は信号位相（例えばＤ又はπ）、φ、（
ｔ）φ１　（１）　　はそれぞれ搬送光光源及び局発光
光源の位相雑音である。位相比較制御回路９６が、ｆＳ
−−ｆＬ、φ、（ｔ）−φ１．　（１）となるように動
作すれば、検波信号Ｊについて、Ｊ　＝　Ｂｃｏｓ　　
（θ（ｔ）） 十　Ｂ ・・・（３） が成り立つので、伝送情報の再生が可能になる。

Ｂは定数である。

発明が解決しようとする課題 第５図により説明した従来技術による場合、局発光の位
相を搬送光の位相に同期させための光ＰＬＬ回路が必要
不可欠となるが、この回路の実現は現在の技術レベルで
は困難である。

そこで、本発明は光の位相同期を必要とせずにＰＳＫホ
モダイン検波を可能にすることを目的とする。

課題を解決するための手段 第１図は本発明を説明するための原理図であり、本発明
のコヒーレント光通信システムのブロック構成が図示さ
れている。

まず、送信機の構成を説明する。２は搬送光光源であり
、周波数ｆＳの搬送光を出力する。４は第１の光分岐手
段であり、搬送光光源２からの搬送光を分岐する。６は
変調手段であり、第１の光分岐手段４で分岐された一方
の搬送光について位相変調を行い、位相変調光を出力す
る。８はポンプ光光源であり、周波数ｆＰ　のポンプ光
を出力する。ここで、ｆＳとｆＳは次の関係を有する。

ｆＰ＝ｆＳ十Δｆ １０は第１の光結合手段であり、ポンプ光光源８からの
ポンプ光と第１の光分岐手段４で分岐された他方の搬送
光とを加え合わせて出力する。１２は第１の半導体レー
ザ光増幅器であり、第１の光結合手段１０からのポンプ
光及び搬送光を増幅して出力する。１４は第１のフィル
タであり、第１の半導体レーザ光増幅器１２における四
光波混合により生じた光から周波数ｆＳ及び周波数ｆＳ
十２八ｆの光を抽出して出力する。１６は第２の光結合
手段であり、変調手段６からの位相変調光と第１のフィ
ルタ１４からの光とを加え合わせて光伝送路１８に送出
する。

次いで、受信機の構成を説明する。２０は第２の光分岐
手段であり、受信した光を分岐する。２２は第２のフィ
ルタであり、第２の光分岐手段２０で分岐された一方の
光から位相変調光を抽出して出力する。２４は第３のフ
ィルタであり、第２の光分岐手段２０で分岐された他方
の光から周波数ｆＳ及び周波数ｆＳ＋２Δｆの光を抽出
して出力する。２６は第２の半導体レーザ光増幅器であ
り、第３のフィルタ２４からの光を増幅して出力する。

２８は第４のフィルタであり、第２の半導体レーザ光増
幅器２６における四光波混合により生じた光から周波数
ｆＳの光を抽出して出力する。

３０は第３の光結合手段であり、第２のフィルタ２２か
らの光と第４のフィルタ２８からの光とを加え合わせて
出力する。３２は光検波手段であり、第２の光結合手段
３０からの光を光−電気変換して検波信号を出力する。

本発明のコヒーレント光送信方法は、周波数ｆＳの搬送
光と周波数ｆＰ　　（ｆＰ”　　ｆＳ　＋Δｆ）のポン
プ光とを加え合わせて第１の半導体レーザ光増幅器によ
り光増幅し、該光増幅器における四光波混合により生じ
た光から周波数ｆＳ及び周波数ｆ。

＋２Δｆの光を抽出し、その一方で上記搬送光について
位相変調を行い、この位相変調光と上記抽０ 出された光とを加え合わせて光伝送路へ送出するように
したものである。

本発明のコヒーレント光受信方法は、受信した光から周
波数ｆＰ及び周波数ｆＳ＋　２Δｆの光を抽出し、この
抽出された光を第２の半導体レーザ光増幅器により光増
幅して、該光増幅器における四光波混合により生じた光
から周波数ｆＳの光を抽出し、その一方で上記受信した
光から位相変調光を抽出し、該位相変調光と上記抽出さ
れた周波数ｆＳの光とを加え合わせて光−電気変換して
検波信号を出力するようにしたものである。

本発明のコヒーレント光通信方法は、上記送信方法によ
り光伝送路に光を送出し、上記受信方法により光伝送路
からの光を受信するようにしたものである。

作　　　用 半導体レーザ光増幅器が利得飽和状態止なるように注入
電流及び人力光パワーを設定して、この半導体レーザ光
増幅器に周波数差が数Ｇ）Ｉｚ程度の二つの光を入力す
ると、これらの光の周波数とは異なる周波数の新たな光
が高効率で発生することが知られている。この現象は近
縮退形四光波混合と称される。上記二つの光の周波数が
ｆＳＳｆＰであるとすると、新たに発生する光の周波数
は２ｆＳ−ｆＳ及び２　ｆＰ　　　ｆＳ　である。本発
明では、半導体レーザ光増幅器を用いて四光波混合を生
じさせ、この現象を利用して搬送光を再生し、局発光を
用いることなしに復調を可能にしている。つまり、本発
明による場合、局発光が不要になるので光の位相同期が
不要になる。

第２図（ａ）〜（社）は第１図のＡ−Ｈ点における光の
周波数配置を説明するための図である。この図を参照し
ながら、本発明の構成により生じる作用を説明する。第
２図（ａ）に示すように周波数配置された第１の光結合
手段１０からの搬送光及びポンプ光を第１の半導体レー
ザ光増幅器１２に入力すると、四光波混合が生じて、そ
の出力光は第２図（ｂ）に周波数配置を示すようなもの
となる。説明の便宜上Δｆは正の値を取るものとし、ｆ
Ｓ＜ｆＰ　として説明を進必る。Δｆが負の値であり、
ｆＰ＜ｆＳの場合にも本発明を実施することができる。

四光波混合により生じた光のうち周波数ｆＳ及び周波数
ｆＳ　＋２Δｆの光は第１のフィルタ１４を有効に透過
し、周波数ｆＳ−Δｆ及び周波数ｆ。

の光は第１のフィルタ１４で有効に遮断され、第１のフ
ィルタ１４からの光の周波数配置は第２図（Ｃ）に示す
ようになる。この光は変調手段６からの位相変調光と第
２の光結合手段１６で加え合わされて光伝送路１８に送
出される。光伝送路１８に送出される光の周波数配置を
第２図（ｄ）に示す。

受信側において受信した光が第２のフィルタ２２に入力
すると、周波数ｆＳに中心周波数を有する位相変調光は
第２のフィルタ２２を有効に透過し、周波数ｆＳ及び周
波数ｆＳ＋２Δｆの光は第２のフィルタ２２で有効に遮
断され、第２のフィルタ２２からの光の周波数配置は第
２図（ｅ）に示すようなものとなる。その一方で受信側
で受信した光が第３のフィルタ２４に人力すると、中心
周波数ｆＳの位相変調光は有効に遮断され、周波数ｆ。

及び周波数ｆＳ＋２Δｆの光は第３のフィルタ２４を有
効に透過して、第２図（ｆ）に示すような周波数配置の
光が第２の半導体レーザ光増幅器２６に人力することに
なる。第２の半導体レーザ光増幅器２６において生じる
四光波混合の結果、その出力光の周波数配置は第２ｆｆ
ｉ（Ｉｉに示すようになる。

第４のフィルタ２８では、周波数ｆＰ、、’ｆＳ＋２Δ
ｆ及びｆ５＋３Δｆの光は有効に遮断され、周波数ｆＳ
　の光のみが第４のフィルタ２８を有効に透過する。こ
のように第３の光結合手段３０に人力する光は、第２図
（ｅ）に示す位相変調光と第２図Φ）に示す再生された
搬送光とになるから、これらを加え合わせて光検波手段
３２に人力することによって、その出力として検波信号
を得ることができる。

実　　施　　例 以下本発明の詳細な説明する。

第３図は本発明の実施例を示すコヒーレント光送信機の
ブロック図である。３４は搬送光光源と３ １４− しての半導体レーザモジュールであり、その出力は第１
の光分岐手段としての光カプラ３６の二つの入力ポート
のうちの一方に接続されている。光カプラ３６の二つの
出力ポートは外部位相変調器３８と第１の光結合手段と
しての光カプラ４２の二つの入力ポートのうちの一方と
に接続されている。光カプラ４２の他方の入力ポートに
はポンプ光光源としての半導体レーザモジュール４０が
接続されている。この実施例では、第１の半導体レーザ
光増幅器は、光アイソレータ４４．４Ｂとこれらの間に
設けられた単一又は複数の進行波型光増幅チップ４６と
から構成される。進行波型光増幅チップ４６の数は゛再
生搬送光強度が十分になるような四光波混合を生じさせ
るように設定される。

５０は第１のフィルタとしての光フィルタである。

位相変調器３８及び光フィルタ５０の出力は、第２の光
結合手段としての光カプラ５４の二つの人力ポートにそ
れぞれ接続されている。光カプラ５４の出力ポートは光
伝送路に接続される。

第４図は本発明の実施例を示すコヒーレント光受信機の
ブロック図である。５６は第２の光分岐手段としての光
カプラであり、その人力ポートは光伝送路に接続されて
いる。光カプラ５６の二つの出力ポートは第２のフィル
タとしての光フィルタ５８と第３のフィルタとしての光
フィルタ６０とにそれぞれ接続されている。第２の半導
体レーザ光増幅器は第１の半導体レーザ光増幅器と同様
に、光アイソレータ６２，６６及び進行波型光増幅チッ
プ６４から構成される。尚、第１及び第２の半導体レー
ザ光増幅器においてその構成要素として光アイソレータ
を用いているのは、光ファイバの端面間等に光共振器が
形成されて不所望な光発振が生じることを防止するた必
である。６８は第４のフィルタとしての光フィルタであ
る。光フィルタ５８．６８の出力は第３の光結合手段と
しての光カプラ７０の二つの人力ポートにそれぞれ接続
される。光カプラ７０の出力ポートは光検波手段に接続
される。光検波手段は、ＰＩＮフォトダイオード等の受
光器７２を備えており、その受光器７２に生じた光電流
の変化が電圧信号とじてフロントエンド増幅器７４によ
り増幅されて出力される。

光カプラ７０の二つの出力ポートからの信号光パワーを
有効に用いるた必に、二重平衡型に構成された光検波手
段を用いることもできる。この場合、実質的に同一特定
の二つの受光器を用い、検波信号の差信号を出力するよ
うにする。こうすると光パワーの有効利用が可能になる
とともに、強度雑音成分を抑圧してＳ／Ｎを向上させる
ことができる。

各光フィルタとして、必要な帯域のみを透過させる狭帯
域バンドパス光フィルタを用いることによって、光増幅
器において生じた雑音を有効に除去することができるの
で、これによりＳ／Ｎが向上する。

第４図に示された光受信機においては、再生された搬送
光と抽出された位相変調光とに基づいて同期検波を行う
ので、検波効率を高給るために、分岐された光経路にお
ける光路長に差が生じないように、光経路を設定するこ
が望ましい。

このように、本実施例によると、受信感度が最も高くし
かもフロントエンドに広帯域な電子回路を必要としない
ＰＳＫホモダイン方式が、比較的簡単な構成により実現
される。また、再生された搬送光は元の搬送光に基づく
ものであるので、位相雑音による受信感度劣化が生じな
い。更に、再生された搬送光と抽出された変調光は共通
の光伝送路を伝送されてきた光に基づくので、光伝送路
における偏波状態の変動に対処する必要がない。

尚、Δｆを約１０ＧＨｚ　に設定しておけば、光伝送路
における偏波分散はほとんど問題とはならない。

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば光の位相同期を必要
とせずにＰＳＫホモダイン検波方式の実現が可能になる
という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理ブロック図、 第２図は第１図のＡ−Ｈ点における光の周波数７ ８ 配置の説明図、 第３図は本発明の実施例を示すコヒーレント光送信機の
ブロック図、 第４図は本発明の実施例を示すコヒーレント光受信機の
ブロック図、 第５図は従来技術の説明図である。 ２・・・搬送光光源、 ４・・・第１の光分岐手段、 ６・・・変調手段、 ８・・・ポンプ光光源、 １０・・・第１の光結合手段、 １２・・・第１の半導体レーザ光増幅器、１４・・・第
１のフィルタ、 １６・・・第２の光結合手段、 １８・・・光伝送路、 ２０・・・第２の光分岐手段、 ２２・・・第２のフィルタ、 ２４・・・第３のフィルタ ２６・・・第２の半導体レーザ光増幅器、２８・・・第
４のフィルタ、 ３０・・・第２の光結合手段、 ３２・・・光検波手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、周波数ｆ＿Ｓの搬送光と周波数ｆ＿Ｐ（ｆ＿Ｐ＝ｆ
   ＿Ｓ＋Δｆ）のポンプ光とを加え合わせて（１０）第１
   の半導体レーザ光増幅器（１２）により光増幅し、該光
   増幅器（１２）における四光波混合により生じた光から
   周波数ｆ＿Ｐ及び周波数ｆ＿Ｓ＋２Δｆの光を抽出（１
   ４）し、 その一方で上記搬送光について位相変調を行い（６）、 この位相変調光と上記抽出された光とを加え合わせて光
   伝送路（１８）へ送出する（１６）ことを特徴とするコ
   ヒーレント光送信方法。 ２、受信した光から周波数ｆ＿Ｐ及び周波数ｆ＿Ｓ＋２
   Δｆの光を抽出し（２４）、この抽出された光を第２の
   半導体レーザ光増幅器（２６）により光増幅して、該光
   増幅器（２６）における四光波混合により生じた光から
   周波数ｆ＿Ｓの光を抽出し（２８）、その一方で上記受
   信した光から位相変調光を抽出し（２２）、 該位相変調光と上記抽出された周波数ｆ＿Ｓの光とを加
   え合わせて（３０）光−電気変換して検波信号を出力す
   る（３２）ことを特徴とするコヒーレント光受信方法。 ３、請求項１に記載の送信方法により光伝送路（１８）
   に光を送出し、請求項２に記載の受信方法により上記光
   伝送路（１８）からの光を受信することを特徴とするコ
   ヒーレント光通信方法。 ４、周波数ｆ＿Ｓの搬送光を出力する搬送光光源（２）
   と、 該光源（２）からの搬送光を分岐する第１の光分岐手段
   （４）と、 該手段（４）で分岐された一方の搬送光について位相変
   調を行い位相変調光を出力する変調手段（６）と、 周波数ｆ＿Ｐ（ｆ＿Ｐ＝ｆ＿Ｓ＋Δｆ）のポンプ光を出
   力するポンプ光光源（８）と、 該光源（８）からのポンプ光と上記第１の光分岐手段（
   ４）で分岐された他方の搬送光とを加え合わせて出力す
   る第１の光結合手段（１０）と、該手段（１０）からの
   ポンプ光及び搬送光を増幅して出力する第１の半導体レ
   ーザ光増幅器（１２）と、該光増幅器（１２）における
   四光波混合により生じた光から周波数ｆ＿Ｐ及び周波数
   ｆ＿Ｓ＋２Δｆの光を抽出して出力する第１のフィルタ
   （１４）と、上記変調手段（６）からの位相変調光と上
   記第１のフィルタ（１４）からの光とを加え合わせて光
   伝送路（１８）に送出する第２の光結合手段（１６）と
   を備えたことを特徴とするコヒーレント光送信機。 ５、受信した光を分岐する第２の光分岐手段（２０）と
   、 該手段（２０）で分岐された一方の光から位相変調光を
   抽出して出力する第２のフィルタ（２２）と、上記第２
   の光分岐手段（２０）で分岐された他方の光から周波数
   ｆ＿Ｐ及び周波数ｆ＿Ｓ＋２Δｆの光を抽出して出力す
   る第３のフィルタ（２４）と、該フィルタ（２４）から
   の光を増幅して出力する第２の半導体レーザ光増幅器（
   ２６）と、 該光増幅器（２６）における四光波混合により生じた光
   から周波数ｆ＿Ｓの光を抽出して出力する第４のフィル
   タ（２８）と、 上記第２のフィルタ（２２）からの光と上記第４のフィ
   ルタ（２８）からの光とを加え合わせて出力する第３の
   光結合手段（３０）と、 該手段（３０）からの光を光−電気変換して検波信号を
   出力する光検波手段（３２）とを備えたことを特徴とす
   るコヒーレント光受信機。 ６、請求項４に記載の送信機により光伝送路（１８）に
   光を送出し、請求項５に記載の受信機により上記光伝送
   路（１８）からの光を受信することを特徴とするコヒー
   レント光通信システム。