JPH02280128A

JPH02280128A - 光ヘテロダイン通信方式

Info

Publication number: JPH02280128A
Application number: JP1100035A
Authority: JP
Inventors: Shinya Sasaki; 慎也佐々木; Hideaki Tsushima; 英明対馬; Shigeki Kitajima; 茂樹北島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-04-21
Filing date: 1989-04-21
Publication date: 1990-11-16

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方式における光源の位相雑
音の影響を除去できる光ヘテロダイン通信方式に関する
。

［従来の技術］コヒーレント光通信においては、大きさが小さいこと、
及び消費電力が小さいことなどがら半導体レーザが光源
として用いられる。ところが半４体レーザは、位相雑音
が大きく、この雑音の大きさを表わすスペクトル線幅は
１０〜２０ＭＨｚ程度である。一方、デジタル信号の０
．１に応じて光の位相をπ変化させる位相変調方式（Ｐ
ＳＫ：Ｐｈａｓｅ　５ｈｉｆｅにｅｙｉｎｇ）はコヒー
レント光通信の中では最も高感度な通信方式ではあるが
、光源に要求される位相雑音の大きさは、スペクトル線
幅で表現すると伝送速度の０．５％以下であり、現状の
半導体レーザでは２Ｇｂ／ｓ以下の伝送速度の信号を送
ることはできない０位相雑音の大きな光源を用いてコヒ
ーレント光通信を行う方法について、オプティカル・フ
ァイバ・コミュニケイシミン・コンファレンス、１９８
９　　テクニカルダイジェスト、論文番号　ティニーア
イ７　（１９８９年）　　（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅ
ｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔ、ｉｏｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎ
ｃｅ。

１９８９　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ、　Ｔｕ
Ｉ７）において論じられている。

従来方式のうちの２周波数位相雑音相殺（キャンセル）
型ヘテロダイン受信器の動作原理を第２図を用いて説明
する。半導体レーザを用いた光送信器１から出た光は、
光ビームスプリッタ又は光カプラ４１で２つに分けられ
る。一方の光は光変調器２を通り変調される。他方の光
は光周波数変換器３を通る。両方の光は光ビームスプリ
ッタ又は光カプラ４２で合波され、光ファイバ５を伝送
した後、局発光源６の光と光ビームスプリッタ又は光カ
プラ４３で合波される。合波された光は、光検波器７で
検波し、増幅器８で増幅される。この電気信号は、局発
光源の光と、送信されて来た光の差周波数成分を持つ信
号であり、従って、光周波数変換器３で周波数変換され
た周波数変化分だけ異なった２つの周波数成分を持つ信
号である。

増幅器８の出力信号は２つに分割され、それぞれの周波
成分に同調した帯域通過フィルタ９及び１０を通り、掛
算器１１で掛算される。この時に位相雑音は打消される
。掛算器１１の出力信号は、光周波数変換器３で変換さ
れた周波数変化分を周波数成分とする電気信号である。

この信号を復調器１２に印加し、基底帯域信号１３を得
る。

［発明が解決しようとする課題］上記従来技術では、位相雑音を受信側で打消したあと、
基底帯域信号を得るために、復調器を必要とした。従っ
て受信器の構成が複雑になった。

本発明は、位相雑音の大きな光源を用いた場合にも安定
で高感度な受信ができる光ヘテロダイン通信システムを
実現することにあり、特に復調器の不用な、従って構成
の簡単な光受信器を実現することにある。

［課題を解決するための手段］本発明は上記目的を構成するために、局発光の光周波数
ｆＬを、送信されて来る光周波数ｆ１＋ｆ２の酩中間つ
まり一方を周波数変換し掛算するように構成したものである
。

［作用］第１図を用いて本発明の光ヘテロダイン受信器の働きを
説明する。光送信器１からの出力光の電界は、Ｅ（ｔ）＝（下τｃｏｓ（２πＪ、ｔ＋φ（し））　　
・・・（１）と書ける。ここでφ（１）は位相雑音、Ｐ
Ｓは出力パワ、Ｊ工は周波数を表わす。この光は光ビー
ムスプリッタ又は光カプラ４１により２等分される。こ
のうち一方の光は光変調器２により変調される。ここで
は簡単のため２値のディジタル位相変調（Ｂ　Ｐ　Ｓ　
Ｋ　；　Ｂｉｎａｒｙ　Ｐｈａｓｅ　５ｈｉｆｔ　Ｋｅ
ｙｉｎｇ）を考える。従って光変調器３の出力電界はの
関係を満足するように設定し、光受信器として、負周波
数成分抑圧型（以下イメージリジエクシゴン型と呼ぶ）
光受信器を用い、その２出力のうちＥ　ｘ　（ｔ）　”
　（７”ｉ　ｃｏｓ（２ｚ　ｆ　、ｔ＋φ（ｔ）　＋　
ｓ　（ｔ））　−（２）と書ける。ここで５（ｔ）はのいずれかであり、ディジタル信号の１１０７１゛′１
”に応じて上記２値のいずれかの値をとるものとする。

他方の光は光周波数変換器３により周波数変換器３の出
力電界はＥ　ｚ　（ｔ　）”　ｆＴｉｃｏｓ　（２πｆ　ｚ　ｔ
＋φ（ｔ））・・・（３）と書ける。これら２つの光は
光ビームスプリッタ又は光カプラ４２で合波され、通信
路である光ファイバ５を伝搬する。この光ファイバを通
った光は、受信側で、局発光源６の光を光ビームスプリ
ッタ又は光カプラ４３で合波される１局発光源６の出力
光の電界は、Ｅしｏ（ｔ）＝　シーＰＬＯＧｏＳ（２７Ｃｆ　、ｔ　
　＋　ξ　（ｔ　））・（４）ここでＰＬＯは出力パワ
、ｆｏは周波数、ξ（１）は位相雑音を表わす。

ここで局発光［６の周波数ｆ０を以下の式を満たすよう
に設定する。

この局発光ＥＬＯと、信号光Ｅ１．Ｅ、の合波された光
は、イメージリジェクション型光受信器１４で光ヘテロ
ダイン検波が行われ２つの電気信号１５と１６に変換さ
れる。ここで１５と１６の電気信号をそれぞれ１８と１
２とすると、ｉ工と１２は次式で与えられる。（ここで
ＰＬＯ＞ＰＳと仮定。）ｉ、＝−ＫｆＷ丙丁ＬＯｃｏｓ
（２ｘ　ｆｔｒｔ＋マ（ｔ　）＋　ｓ　（ｔ　））・＝
（６）ｉｚ＝　　ＫｆΣ円Ｊｉｓｉｎ（２πｆ＋Ｆｔ＋
ψ（ｔ））　　　　　・（７）である、ここで、には比
例定数、ｆｌＦは中間周波信号の周波数で式（５）より
次式を満たす、ｆｘｒ＝ｆ１　ｆ、＝ｆ−ｆ−・・・（
８）またマ（１）は、１Ｐ（ｔ）＝φ（１）−ξ（１）　　　　　・・・（９
）すなわち、信号光と局発光の位相雑音の差である。

尚、式（６）と（７）の導出は実施例の中でイメージリ
ジェクション型光受信器の具体例とともに述べる。次に
この１２に発振器１８の出力５ｉｎ（４πｆ＋ｒｔ）を
掛は算器１７において掛算し、その出力の低周波成分ｉ　ｚ’　”　ｆｒ円Ｗｉｃｏｓ（２７Ｃｆ　ＩＦ　ｔ
　＋Ｗ（ｔ　））　　　　・＝（１０）を低域通過フィ
ルタ１９によって抽出し、この信号を１１の掛算を行う
。その結果の信号の低周波成分を低域通過フィルタ２０
によって取り出すと、となって２値のディジタル信号す
なわち基底帯域信号１３を得ることができる。従ってこ
の光ヘテロダイン受信器は、送信光源及び局発光源の位
相雑音を打消し、しかも復調器なしで基底帯域信号を復
調でき、受信器の構成を簡単にできる。

尚、以上の議論は、ＰＳＫ信号を用いて進めたが、光変
調器２として光強度を０Ｎ−ＯＦＦする。

Ａ　Ｓ　Ｋ　（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　５ｈｉｆｔ　Ｋｅ
ｙｉｎｇ）信号の場合を考えると以下のようになる。

光変調器２の出力の電界Ｅ工はＥｘｃｃ（Ｐ’５ＣｃｏｓＣ２πｆ　、ｔ＋φ（ｔ）＋
５（ｔ））＋ｃｏｓ（２ｉ　ｆｌｔ＋φ（１））］・・
・（２′）となる、５（ｔ）はＰＳＫの場合と同様である。

他のＥ２（ｔ）　、ＥＬＯ（ｔ）はＰ　Ｓ　Ｋの場合と
同じである。すると、イメージリジェクション型米光受
信器の２つの出力信号ｉｉｐ　１２は以下のようになる
。

ｉ　、　ｃｃ　−ＫＶ］口囚１円ア［ｃｏｓ（２７Ｃｆ
　Ｉ　Ｆ　ｔ＋マ（１）＋５（ｔ））＋ｃｏｓ（２ｘ　
ｆ　ＩＦ　ｔ＋ψ（ｔ））］　　　　　　　　　　　　
　　　　−＜６’　　）ｉ、ｃｃ＋ＫＶ］１円■円あＸ
ｃｏｓ（２ｔｃ　ｆｒｒｔ＋マ（１）））・・・（７）従って１２′は式（１０）と同様であり、この１２′　
と１１を掛は算し、その低周波成分を低域通過フィルタ
で取出すと、となり２値のディジタル信号すなわち基底帯域信号１３
が得られる。つまり本発明はＡＳＫ信号の場合にも適用
可能である。

［実施例］以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。光送
信器１は、半導体レーザ等、連続発振するレーザであれ
ば何でもよい。この光送信器の出力（周波数ｆ１）は光
ビームスプリッタ又は光カプラ４１により２分割され、
一方の光は光変調器２によって変調される。光変調器と
しては、位相又は強度変調器のいずれでもよい。他の光
は光周波数変換器３によって光の周波数の変換をうける
。

光周波数変換器３としては、音響光学効果を用いた変換
器、電気光学効果を用いた変換器、半導体を用いた波長
変換素子、非線形媒質を用いたパラメトリック周波数変
換デバイス等が適用可能である。この光周波数変換器３
によってＪ２に周波数変換された光は、光ビームスプリ
ッタ又は光カプラ４２で変調された光と合波される。こ
の合波された光は光ファイバ５を伝送し、光ビームスプ
リッタ又は光カプラ４３で局発光源６からの光（周波数
ｆ、）と合波され、その先２１は光受信器１００の一部
のイメージリジェクション型光受信器１４でヘテロダイ
ン検波される。尚、ｆｏｌｆ１１ｆ２の間には式（５）
の関係が成立するように、ｆｏを設定しておく。

ここでイメージリジェクション型光受信器１４の一例を
第３図に示す。これは、アイ・イーイーイー、ジャーナ
ル・オブ　ライトウェーブ　テクノロジー　１９８６年
　第１１号、第１７２２頁から第１７２５頁に書かれて
いる。入射光２１のうち、信号光Ｅ０とＥ２は直線偏光
、局発光ＥＬＯは円偏光とする。偏光方向の単位ベクト
ルをＸ＋Ｖとすると、入射光２１の電界ＩＥｙ（ｔ）は
１次のように書かける。

の中間周波フィルタ２８の出力信号ｊつと、ｙ成分の中
間周波フィルタ２７の出力信号ｊｙは式（１２）から以
下のように求まる。

ｉ　　Ｘ”　Ｖ’　ＰＳＰＬＯ［−５ｉｎ（２ｚ　　ｆ
　ＩＦ　ｊ　＋’Ｖ　（ｔ）＋５（ｔ））＋５ｉｎ（２
ｘ　ｆ　ＩＦ　ｔ　＋’Ｆ　（ｔ））］　　　　　　　
　　−（１３）ｉｙｏ：Ｊ　ＰＳＰＬＯ［−ＣＯ８（２
７Ｃｆ　＋Ｆｔ＋ｖ（ｔ）＋５（ｔ））−ｃｏｓ（２π
　ｆ　ＩＦ　ｔ＋ψ（ｔ））コ　　　　　　　　　　　
　−＝（１４）Ｅ　Ｔ（ｔ）　”　［ｆＴτｃｏｓ（２
ｔｃ　ｉ　、ｔ＋φ（ｔ）＋５（ｔ）＋　ＯＴ）＋Ｖ−
丁’Ｓ　　ＣＯ８（２７Ｃｆ２を十φ　（１）十　θＴ
）＋［ｖ’丁３　ｃｏｓ（２７ｃｆａｔ＋φ（ｔ）＋５
（ｔ）＋　ＯＴ）＋ル／−−丁ΣＳ　　Ｃｏｇ（２７Ｃ
Ｊ２ｔ＋φ　（１）十　〇Ｔ）＋Ｖ−了”Ｖ　　５ｉｎ
（２７Ｃｆ　、ｔ＋　　ξ　（ｔ）＋　　ＯＲコ　ｙ−
（１２）３ｄＢ中間周波カブラ２９の出力信号１５と１
６は、それぞれ１４及び１２とおくと式（１３）と％式
％）この光は偏光ビームスプリッタ２２でＸ成分２４とｙ成
分２３に分離され受光素子２５と２６でヘテロダイン検
波され、中間周波フィルタ２７と２８を通過する。ＰＬ
Ｏ＞ＰＳの条件の下でＸ成分＝　−ＫＶ”２ＰＳＰＬＯ
ｃｏｓ（２ｙｃ　　ｆ　ｘＦｔ　＋ψ（ｔ）＋５（ｔ）
））・（６）と求まる。尚、他の型のイメージリジェクション型光受
信器を用いてもよいのは言うまでもない。

この２信号１１と１２のうち信号１６（ｉ、）を発振器
１８の出力と掛算を行う。この時発振器１８の出力の周
波数は２　Ｘ　ｆ　ＩＦと選ぶ。この掛算器１７の出力
を低域通過フィルタ１９を通過させる。

この出力と、信号１５（ｉ１）を掛算器１１によって掛
算し、その出力を低域通過フィルタ１２を通すことによ
り、基底帯域信号１３が得られる。

ここで掛算器１１及び１７は例えばタブプルバランスミ
キサ等がある。また低域通過フィルタ１９は、掛算器１
７で発生する３　Ｘ　ｆ　ＩＦの周波数成分の信号を十
分減衰させ、ｆＩＦの周波数成分の信号を減衰させるこ
となく通過させる特性のものである。さらに低域通過フ
ィルタ２０は、掛算器１１で発生する２　Ｘ　ｆ　ＩＦ
の周波数成分の信号を十分減衰させ、基底帯域信号を減
衰させることなく通過させる特性のものである。

尚、上記の説明では、信号１６に発振器１８の出力を掛
算させたが、信号１５に発振器１８の出力を掛算させて
もよい。この時は当然のことながら、低域通過フィルタ
１９は、信号１５の経路に用いる。

本実施例によると、光送信器１及び局発光源６の光の位
相雑音を受信器１０１で相殺することができ、安定で高
感度は光受信器を実現できる。また、復調器が不用なた
め光受信器の構成を簡単にすることができる効果がある
。

第４図に第２の実施例を示す。この場合は、光送信器１
内のレーザの両端面からの出力をそれぞれ取り出し、一
方は光変調器２により変調をかけ、他方の出力光は光周
波数変換器３によって光周波数を変換し、光ビームスプ
リッタ又は光カプラ４２で合波し、送信し、受信側では
第１の実施例と同様にして基底帯域信号１３を得る。

本実施例によれば、送信側において光ビームスプリンタ
又は光カプラが１台で済み、光学系を簡単にできるとい
う効果がある。

尚、実施例の項では、ＰＳＫ信号について説明したが、
作用の項で説明したように本発明はＡＳＫ信号にも適用
できる。

［発明の効果］本発明によれば、光送信器出力光の位相雑音が大きくて
も、受信側で雑音を相殺することができるので、安定で
高感度なコヒーレント光通信システムを実現できる。ま
た、送信用光源として位相雑音に関する選別が不用にで
きる。さらに本発明によれば、光受信器の中で復調器で
不用にできるため、光受信器の構成を簡単にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例の構成図、第２図は従来
例の構成図、第３図はイメージリジェクション光受信器
の一構成図、及び第４図は第２の実施例の構成図である
。１・・・光送信器、２・・・光変調器、３・・・光周波
数変換器、４１，４２．４３・・光ビームスプリッタ又
は光カプラ、５・・・光ファイバ、６・・・局発光源、
７・・・光検波器、８・・・増幅器、９，１０・・・帯
域通過フィルタ、１１．１７・・・掛算器、１２・・・
復調器、１３・・基底帯域信号、１４・・・イメージリ
ジェクション光受信器、１８・・・発振器、１９．２０
・・・低域通過フィルタ、２２・・・偏光ビームスプリ
ッタ、２５゜２６・・・光検波器、２７．２８・・・中
間周波フィルタ、２９・・・３ｄＢ中間周波カブラ、１
００・・・光受信器。第図第 °図第図

Claims

【特許請求の範囲】１、光送信器の出力光（周波数ｆ＿１）を分割し、その
一方を光変調器により変調し、他方を光周波数変換器に
より周波数ｆ＿２に変換し、該変調された光と、該光周
波数変換された光を合波し、この合波された光を送信信
号光として用い、受信側では局発光源の出力光（周波数
ｆ＿０）と伝搬して来た該送信信号光と合波し、負周波
数抑圧型（イメージリジェクション型）光受信器により
光ヘテロダイン検波を行い、該イメージジェクション型
光受信器の２出力のうちの一方を周波数変換し、他方の
出力と該周波数変換された出力とを掛算し、信号を復調
することを特徴とする光ヘテロダイン通信方式。２、上記局発光源の出力光の周波数ｆ＿０を、該送信信
号光の周波数ｆ＿１とｆ＿２を用いてｆ＿０■（ｆ＿０＋ｆ＿１）／２なる関係が満たされるように設定したことを特徴とする
請求項１記載の光ヘテロダイン通信方式。３、上記光送信器の出力光を該光送信器内のレーザの両
端面からの出力光とし、一方の端面からの光を該光変調
器で変調し、他方の端面からの光を該光周波数変換器で
周波数変換することを特徴とする請求項１又は２記載の
光ヘテロダイン通信方式。