JP3887327B2

JP3887327B2 - 光送信器及び光送信方法

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Publication number: JP3887327B2
Application number: JP2003038673A
Authority: JP
Inventors: 友宏谷口; 尚也桜井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2023-02-17
Also published as: JP2004248218A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広帯域信号光を利用した通信に好適で、特に、同一の光送信器から無線基地局に光信号を送信する光送信器及び光送信方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１、図２、図３はそれぞれ、光送信器から無線基地局を介して無線加入者端末まで信号を伝送する場合における従来の光送信器１０１、無線基地局１１１、無線加入者端末１１５の構成をブロック図で示したものであり、図４は従来例の電気周波数、光周波数のスペクトルを示したものである。
【０００３】
図１の光送信器１０１では、第１の単一スペクトル光源１０３から発振される第１の出力光信号は、入力電気信号（１ａ）に基づき光位相変調器１０６により位相変調され、出力制御器１０７に送られる。第２及び第３の単一スペクトル光源１０４、１０５から発振される第２の出力光信号及び第３の出力光信号は、それぞれが直接、出力制御器１０８、１０９に入力される。出力制御器１０７、１０８、１０９からの第１（変調信号）、第２、及び第３の出力光信号は、光合波器１１０において合波され、光ファイバ等の光伝送路を経て無線基地局１１１へ伝送される。
【０００４】
ここで、それぞれの単一のスペクトル光源１０３、１０４、１０５から発振される第１の出力光信号（１ｂ）及び第２の出力光信号（１ｃ）の中心周波数と、第３の出力光信号（１ｄ）の周波数との間隔が、無線電波周波数帯（例えば、ミリ波帯）のオーダーとなるようにし、第１、第２、及び第３の出力光信号の出力値の比が、１：１：２となるように出力制御器１０７、１０８、１０９においてそれぞれの光信号の出力値を制御する。
【０００５】
図２の無線基地局１１１では、このような出力光信号（１ｅ）を１つの受光素子１１２で同時に自乗検波することにより、第１、第２、第３の出力光信号の差周波数成分からなる出力電気信号（１ｆ）が得られるが、第１の出力光信号（１ｂ）と第３の出力光信号（１ｄ）との間、及び第２の出力光信号（１ｃ）と第３の出力信号光（１ｄ）との間にできる差周波成分をフィルタ１１３により抜き出し出力電気信号（１ｇ）を得、必要に応じて増幅した後に、アンテナ１１４から図３の無線加入者端末１１５へ電波として送出する。これにより、ミリ波帯の電気信号を直接、無線基地局１１１に伝送する必要がなく、また、無線基地局１１１にミリ波帯の局部発振器を用意することなく信号を伝送することが可能となる。ここでは、光送信器１０１において、第１、第２及び第３の出力制御器１０７、１０８、１０９の出力光信号の比を、１：１：２に制御しているので、無線基地局１１１において抽出する無線信号電波の電力は最大になる。
【０００６】
無線基地局１１１から送出された電波（１ｇ）を受信する無線加入者端末１１５においては、２つの差周波成分の信号をダイオードのような非線形回路による乗算器１１７で同時に自乗検波することにより電気信号（１ｈ）を得、これらの電気信号をフィルタ１１８に通す。これにより、無線加入者端末１１５内に局部発振器を用意することなく、ＩＦ帯電気変調信号（１ｉ）を得ることができる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
【非特許文献１】
谷口友宏、桜井尚也、「光／電気２段ヘテロダイン方式による光ファイバ無線アクセスシステムの検討」、電子情報通信学会２００２年ソサエティ大会講演論文集、社団法人電子情報通信学会、２００２年８月２０日、Ｃ−１４−１５
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
無線加入者端末１１５におけるＩＦ信号検波のＳＮ特性を鑑みるに、光送信器における変調方式として位相変調方式を用いて、無線加入者端末１１５におけるＩＦ帯信号として電気位相変調信号が得られるのが望ましい。そこで、図１、図２、図３、図４に挙げた従来技術における位相変調信号の伝送において、第１の単一スペクトル光源１０３の出力光を、光位相変調器１０６により入力電気ディジタル信号のＭ値（Ｍは２のｎ乗（ｎは自然数）であり、Ｍ値信号はｎビットの信号である）の信号に対する位相差φが２π／Ｍとなるように位相変調する。つまり、入力されたＭ個の値を取りうる電気ディジタル信号ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）に対して、電気ディジタル信号（ｍ＋１）に対する第１の出力光信号の位相と、電気ディジタル信号ｍに対する第１の出力光信号の位相との位相差が２π／Ｍとなるように位相変調する。そして、第１の出力制御器１０７により出力を制御された第１の出力光信号と、第２、第３の出力制御器１０８、１０９により出力を制御された第２、第３の出力光信号の出力比を１：１：２として伝送することで、無線加入者端末１１５において、ＩＦ帯信号として電気位相変調信号が得られる。
【０００９】
この時、伝送する光信号の電界Ｅ_optは、次の数式で表すことができる。
【００１０】
【数１】

ただし、ここでＡは電界振幅、ω_i（ｉ＝１，２，３）は光角周波数でω₂＜ω₁＜ω₃、ω_i＝２πｆ_i、ｍはＭ値の入力電気ディジタル信号（ｍ＝１，２，…，Ｍ）を表し、φ_mはφ_m＝２π（ｍ−１）／Ｍを満たし、φはφ＝φ_m+1−φ_m＝２π／Ｍを満たすものとする。
【００１１】
この時、第１、第２、及び第３の出力光信号のうち、最大の出力値を与える第３の光信号が無変調キャリアとして伝送されており、非常に大きな光電力が線スペクトル成分として伝送されるが、このように線スペクトル成分の光電力が大きい場合、光ファイバ等の媒体を伝送中に非線形光学現象である誘導ブリルアン散乱の影響により、光ファイバへの入力光電力が制限を受けてしまう。結果として、光ファイバの伝送距離を制限しなければならなかったり、無線基地局において送出するミリ波帯信号電波の電力が低減されてしまい、無線加入者端末におけるＩＦ帯信号の検波ＳＮ特性が悪くなる等の問題が生じる。
【００１２】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来の構成と同じく、３つの単一スペクトル光源と１つの光位相変調器、３つの出力制御器からなる光送信器において、光ファイバ伝送中での誘導ブリルアン散乱を防ぐことにより、光ファイバへの入力光電力の制限を緩和し、さらに無線加入者端末におけるＩＦ帯信号として、検波のＳＮ特性に優れる電気位相変調信号が得られるような広帯域光無線融合通信システムを構成するのに適した光送信器及び光送信方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明では前記目的を達成するため、第１、第２及び第３の単一スペクトル光源と、該第１の単一スペクトル光源に接続し該第１の単一スペクトル光源からの出力光信号を、入力された電気ディジタル信号を基に位相変調する光位相変調器と、該光位相変調器と残りの単一スペクトル光源のそれぞれに接続した第１、第２及び第３の出力制御器と、該３つの出力制御器と接続した光合波器とを備え、該光合波器からの出力光信号を光伝送媒体を介して無線基地局に送信する光送信器において、第１の単一スペクトル光源の出力光信号の中心周波数が第２の単一スペクトル光源の出力光信号の中心周波数と第３の単一スペクトル光源の出力光信号の中心周波数との間にあり、第１の単一スペクトル光源の出力光信号の中心周波数と第２の単一スペクトル光源の出力光信号及び第３の単一スペクトル光源の出力光信号の中心周波数との間隔が無線信号の周波帯のオーダー（例えば、ミリ波帯）となるように配置し、前記光位相変調器は、前記光位相変調器は、入力されたＭ個の値を取りうる電気ディジタル信号ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）に対して、電気ディジタル信号（ｍ＋１）に対する第１の出力光信号の位相と、電気ディジタル信号ｍに対する第１の出力光信号の位相との位相差がπ／Ｍとなるように位相変調を施し、前記第１、第２及び第３の出力制御器は、出力光信号の出力値の比をそれぞれ２：１：１に制御することを特徴とする光送信器をもって解決手段とする。
【００１４】
本発明において、伝送する光信号の電界Ｅ_optは次式のように表すことができる。
【００１５】
【数２】

ただし、ここでＡは電界振幅、ω_i（ｉ＝１，２，３）は光角周波数でω₂＜ω₁＜ω₃、ω_i＝２πｆ_i、ｍはＭ値（Ｍは２のｎ乗（ｎは自然数）であり、Ｍ値信号はｎビットの信号である）の入力電気ディジタル信号（ｍ＝１，２，…，Ｍ）を表し、φ_mはφ_m＝π（ｍ−１）／Ｍを満たし、φはφ＝φ_m+1−φ_m＝π／Ｍを満たすものとする。
【００１６】
（２）式の（１）式で表される従来の技術に対する相違は、最も出力値の大きい光信号が位相変調されている点にあり、これにより最大出力の光信号のスペクトルが広げられており、線スペクトル成分の電力が抑制されている。さらに、（１）式で表される従来の技術との相違は、入力ディジタル信号のＭ値の信号に対する位相差が変更されている点にある。つまり、入力されたＭ個の値を取りうる電気ディジタル信号ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）に対して、電気ディジタル信号（ｍ＋１）に対する第１の出力光信号の位相と、電気ディジタル信号ｍに対する第１の出力光信号の位相との位相差がπ／Ｍとなるように位相変調されている。これらの相違により、本発明では、光信号の光ファイバ等の媒体を伝送中に起きる誘導ブリルアン散乱を抑制することができるので、無線基地局において得られる電力を向上させることができ、また、無線加入者端末において、ＳＮ特性の最適な位相差を有するミリ波帯信号電波を得ることができる。
【００１７】
図６の無線基地局１１では、上記のようなそれぞれ異なる出力値に制御された出力光信号を１つの受光素子１２で同時に自乗検波することにより、電力がそれぞれ異なる第１、第２、第３の出力光信号の差周波数成分が得られるが、これらの差周波数成分に対してフィルタ１３を用いて、第１の出力光信号と第２及び第３の出力光信号との間にできる２つの差周波数成分を抜き出してミリ波帯信号電波として送出し、一方、第２の出力光信号と第３の出力光信号との間にできる差周波数成分はフィルタリングして除去する。本発明では、光送信器において、第１、第２、第３の光信号の出力比が、２：１：１となるように３つの光信号の出力値を制御することにより、無線基地局における光電力からのミリ波抽出過程で、ミリ波帯信号電波の電力が最大となる。
【００１８】
ここで得られるミリ波帯信号電波の電界Ｅ_RFは、次の数式で表すことができる。
【００１９】
【数３】

図７の無線加入者端末１５では、これらのミリ波信号電波をアンテナで受信した後、ダイオード等の非線形素子よりなる乗算器１７により自乗検波し、フィルタ１８を通すことでＩＦ帯変調信号を得る。本発明では、光送信器において、光位相変調により入力電気ディジタル信号のＭ値の信号に対する光位相変調信号（第１の出力信号光）の位相差φがπ／Ｍとなるように変調されているので、無線加入者端末１５におけるＩＦ帯信号として、次式で表されるように、入力された電気ディジタル信号のＭ値の信号に対する位相差がφ’が２π／Ｍとなるような変調信号を得ることができ、このとき検波のＳＮ特性は最適である。
【００２０】
【数４】

【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、図５、図６、図７の機能ブロック図と、図８の電気周波数、光周波数のスペクトル図を参照しながら説明する。
【００２２】
図５は本発明の一の実施形態における光送信器１の構成を示す機能ブロック図である。２は伝送する電気ディジタル信号を入力する入力端子、３は第１の単一スペクトル光源、４は第２の単一スペクトル光源、５は第３の単一スペクトル光源、６は入力端子２から入力される電気ディジタル信号（２ａ）により第１の単一スペクトル光源３からの出力光を位相変調する光位相変調器、７、８、９はそれぞれ、位相変調器６の出力光信号（第１の出力光信号（２ｂ））、第２の単一スペクトル光源４の出力光信号（第２の出力光信号（２ｃ））、第３の単一スペクトル光源５の出力光信号（第３の出力光信号（２ｄ））の出力値を制御する出力制御器、１０はこれらの光信号を合波する光合波器である。
【００２３】
この光送信器１において、出力制御器７、８、９により、第１、第２、及び第３の出力光信号（２ｂ：２ｃ：２ｄ）の出力値の比が、２：１：１となるようにそれぞれの光信号の出力値を制御して無線基地局１１へ送信する。ここでは、光位相変調器６からの出力光信号（２ｂ）の、電気ディジタル信号（２ａ）のＭ値の信号（Ｍは２のｎ乗（ｎは自然数）であり、Ｍ値信号はｎビットの信号である）に対する位相差φがπ／Ｍとなるように位相変調を施しておく。すなわち、入力されたＭ個の値を取りうる電気ディジタル信号ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）に対して、電気ディジタル信号（ｍ＋１）に対する第１の出力光信号の位相と、電気ディジタル信号ｍに対する第１の出力光信号の位相との位相差がπ／Ｍとなるように位相変調する。
【００２４】
この光送信器１において、光位相変調器６の第１の出力光信号（２ｂ）と第２の単一スペクトル光源４の第２の出力光信号（２ｄ）との中心周波数間隔（｜ｆ₁−ｆ₂｜）と、光位相変調器６の第１の出力光信号（２ｂ）と第３の単一スペクトル光源４の第２の出力光信号（２ｄ）との中心周波数間隔（｜ｆ₁−ｆ₃｜）がそれぞれミリ波帯周波数になるように設定する。また、第１の単一スペクトル光源３の出力信号光の中心周波数が、第２の単一スペクトル光源４と第３の単一スペクトル光源５の出力光信号の周波数の間にあり、第１の単一スペクトル光源３の出力光信号と、第２の単一スペクトル光源４と第３の単一スペクトル光源５の出力光信号のいずれかとの中心周波数間隔のうちで小さい方の値が、光位相変調器６の出力光変調信号の占有周波数帯域幅（Ｂ）の１．５倍値よりも大きくなるようにし、一方、第１の出力光信号（２ｂ）と第２の出力光信号（２ｃ）との中心周波数間隔（｜ｆ₁−ｆ₂｜）と、第１の出力光信号（２ｂ）と第２の出力光信号（２ｄ）との中心周波数間隔（｜ｆ₁−ｆ₃｜）との差が、光位相変調器６の出力光変調信号の占有周波数帯域幅（Ｂ）の半値よりも大きくなるようにする。
【００２５】
光送信器１から送信された上記のような光信号（２ｅ）は、図６に示す無線基地局１１へ光ファイバを介して送信される。このとき、上記のように光送信器１から出力する第１、第２、及び第３の光信号の出力値を、２：１：１となるように制御することにより、従来の技術では無変調のまま伝送されていた、最も大きい出力値をもつ光信号の線スペクトル成分の光電力を抑圧して伝送することができるので、光ファイバ内における誘導ブリルアン散乱の影響を抑制することができる。
【００２６】
図６は、本発明の光送信器１から出力光信号を受信する無線基地局１１の構成を示す機能ブロック図であって、光信号（２ｅ）を自乗検波して電気信号に変換する受光素子１２と、この受光素子１２の出力電気信号（２ｆ）から前記第１の出力信号光（２ｂ）と第２及び第３の信号光（２ｃ）（２ｄ）との間にできる２つの差周波成分（｜ｆ₁−ｆ₂｜、｜ｆ₁−ｆ₃｜）を抜き出し、前記第２の出力光信号と第３の出力光信号との間にできる差周波数成分（｜ｆ₂−ｆ₃｜）を除去するフィルタ１３、このフィルタ１３の出力電気信号（２ｇ）であるミリ波帯無線信号を電波として送出するアンテナ１４により構成される。
【００２７】
図７は、無線基地局１１から無線信号を受信する無線加入者端末１５の構成を示す機能ブロック図であって、無線基地局１１から送出されたミリ波帯無線信号（２ｇ）はアンテナ１６により受信した後、ミキサダイオード等の非線形素子を用いた乗算器１７により自乗検波し、その出力電気信号（２ｈ）をフィルタ１８に通すことで、低周波帯の電気位相変調信号（２ｉ）を得る。
【００２８】
この低周波帯の電気位相変調信号（２ｉ）は、光送信器１の光位相変調器６において、入力電気信号のＭ値の信号に対する位相差φがπ／Ｍとなるように変調が施されているので、自乗検波することにより得られるＩＦ帯信号の位相差φ’は２π／Ｍになり、検波ＳＮ特性の優れた位相変調信号となっている。この低周波帯の電気位相変調信号を検波器１９により検波することで、出力端子２０において、光送信器１の入力端子２に入力された電気ディジタル信号が得られる。
【００２９】
また、光送信器１で出力制御器７、８、９により、前記第１、第２、及び第３の出力光信号（２ｂ：２ｃ：２ｄ）の出力値の比が、２：１：１となるようにそれぞれの光信号の出力値を制御しているので、無線基地局１１における光信号からのミリ波抽出過程で得られるミリ波帯無線信号（２ｇ）の電力は最大化され、ＳＮ特性を向上することができる。
【００３０】
ここで、シングルモード光ファイバ（１．３μｍ分散ゼロ）によって光信号を伝送し、無線加入者端末１５でＩＦ帯信号として２値位相変調（ＢＰＳＫ）信号を得るような場合において、本発明の誘導ブリルアン散乱抑制効果により得られる効果について示す。
【００３１】
誘導ブリルアン散乱が発生する光ファイバへの入力光電力Ｐ_SBSは以下のように表すことができる。
【００３２】
【数５】

式（５）において、Ａ_effは光ファイバ実効断面積、Ｋは偏波因子（１≦Ｋ≦２）、ｇはブリルアン利得係数、Ｌ_effは光ファイバ実効長であって、Ｌ_eff＝（１−ｅ^-α^t）／αを満たす（ただし、αは光ファイバ損失、Ｌは光ファイバ長を表す）。
【００３３】
式（５）を用いて、Ａ_eff＝１００μｍ²、Ｋ＝２（偏波保持無し）、ｇ＝５．０×１０^-11ｍ／Ｗ、α＝０．２ｄＢ／ｋｍ（５．０×１０^-7ｃｍ^-1）として、Ｌが１０ｋｍのＰ_SBSを求めると、
【００３４】
【数６】

となる。
【００３５】
従来の技術においては、最も大きな出力を持った光信号が無変調であるため、この光信号の電力は全て線スペクトル成分が持つと考えられる。そのため、上記の場合において、誘導ブリルアン散乱の影響を受けずに光信号を伝送するには、最も大きな出力を持った光信号の電力を１０ｍＷ以下にする必要があり、結果として、光ファイバに入力できる電力の上限は約２０ｍＷとなる。
【００３６】
一方、本発明においては、最も大きな出力を持った光信号に位相変調を施すため、２値位相変調の場合には、線スペクトル成分電力が１／２程度に抑制されることを確認している。よって、上記の場合において、誘導ブリルアン散乱の影響を受けずに光信号を伝送するには、最も大きな出力を有する光信号の電力を２０ｍＷ以下にすればよく、結果として、光ファイバへの入力光電力の上限は約４０ｍＷまで向上する。
【００３７】
このように、本発明により、光ファイバへの入力光電力を従来の技術を用いた場合に比べて２倍程度向上できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光送信器から無線基地局への光信号の伝送の際に、光ファイバ等の媒体を光信号が介することにより起こるブリルアン散乱を防止することができる。よって、該媒体に入力できる信号光電力を引き上げることができる。さらに、無線加入者端末における自乗検波により、ＩＦ帯信号として、検波のＳＮ特性に優れる電気位相変調光信号を生成できる。
【００３９】
したがって、無線基地局までの光ファイバ伝送距離の拡大や、無線基地局へ供給する光電力が増加することによる無線電波電力の向上が見込め、結果として、サービスエリアの拡大が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の広帯域光無線融合通信システムにおける光送信器の構成を示す機能ブロック図
【図２】従来の広帯域光無線融合通信システムにおける無線基地局の構成を示す機能ブロック図
【図３】従来の広帯域光無線融合通信システムにおける無線加入者端末の構成を示す器のブロック図
【図４】従来の広帯域光無線融合通信システムにおける信号スペクトルを示す図
【図５】本発明の一実施形態に係る光送信器の構成を示す機能ブロック図
【図６】本発明の一実施形態に係る光送信器から光信号を受信する無線基地局の構成を示す機能ブロック図
【図７】無線基地局から電波を受信する無線加入者端末の構成を示す機能ブロック図
【図８】本発明の実施形態に係る信号スペクトルを示す図
【符号の説明】
１、１０１…光送信器、２、２０２…入力端子、３、３０３…第１の単一スペクトル光源、４、４０４…第２の単一スペクトル光源、５、５０５…第３の単一スペクトル光源、６、６０６…光位相変調器、７、８、８、１０７、１０８、１０９…出力制御器、１０、１１０…光合波器、１１、１１１…無線基地局、１２、１１２…受光素子、１３、１８、１１３、１１８…フィルタ、１４、１６、１１４、１１６…アンテナ、１５、１１５…無線加入者端末、１７、１１７…乗算器、１９、１１９…検波器、２０、１２０…出力端子。

Claims

第１、第２及び第３の単一スペクトル光源と、該第１の単一スペクトル光源に接続し該第１の単一スペクトル光源からの出力光信号を入力された電気ディジタル信号を基に位相変調する光位相変調器と、該光位相変調器と残りの単一スペクトル光源のそれぞれに接続した第１、第２及び第３の出力制御器と、該３つの出力制御器と接続した光合波器とを備え、該光合波器からの出力光信号を光伝送媒体を介して無線基地局に送信する光送信器において、
第１の単一スペクトル光源の出力光信号の中心周波数が第２の単一スペクトル光源の出力光信号の中心周波数と第３の単一スペクトル光源の出力光信号の中心周波数との間にあり、第１の単一スペクトル光源の出力光信号の中心周波数と第２の単一スペクトル光源の出力光信号及び第３の単一スペクトル光源の出力光信号の中心周波数との間隔が無線信号の周波帯のオーダーとなるように配置し、
前記光位相変調器は、入力されたＭ個の値を取りうる電気ディジタル信号ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）に対して、電気ディジタル信号（ｍ＋１）に対する第１の出力光信号の位相と、電気ディジタル信号ｍに対する第１の出力光信号の位相との位相差がπ／Ｍとなるように位相変調を施し、
前記第１、第２及び第３の出力制御器は、出力光信号の出力値の比をそれぞれ２：１：１に制御する
ことを特徴とする光送信器。
第１、第２及び第３の単一スペクトル光源からの出力光信号を、第１の単一スペクトル光源からの出力光信号のみを光位相変調器に入力し、入力された電気ディジタル信号を基に位相変調させた後に、それぞれ第１、第２及び第３出力制御器に入力し、該３つの出力制御器からの出力光信号を光合波器で合波して合波光を光伝送媒体を介して無線基地局へ送信する光送信方法において、
第１の単一スペクトル光源の出力光信号の中心周波数を、第２の単一スペクトル光源の出力光信号の中心周波数と第３の単一スペクトル光源の出力光信号の中心周波数との間に設定すると共に、第１の単一スペクトル光源の出力光信号の中心周波数と第２の単一スペクトル光源の出力光信号及び第３の単一スペクトル光源の出力光信号の中心周波数との間隔を、無線信号の周波帯のオーダーとなるように配置し、
前記光位相変調器において、入力されたＭ個の値を取りうる電気ディジタル信号ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）に対して、電気ディジタル信号（ｍ＋１）に対する第１の出力光信号の位相と、電気ディジタル信号ｍに対する第１の出力光信号の位相との位相差がπ／Ｍとなるように位相変調を施し、
前記第１、第２及び第３の出力制御器において、出力光信号の出力値の比をそれぞれ２：１：１に制御する
ことを特徴とする光送信方法。