JP2010268056A - 光受信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ＷＤＭ光伝送方式において、信号光を減退させること無く、大掛かりな装置を使わずに正確なＯＳＮＲを測定できる受信モジュールを提供する。
【解決手段】この光受信モジュールは、信号光及び該信号光の信号波長帯域内のノイズ光を含む光信号を、前記信号光の偏波方向に合致する第１偏波成分と、該偏波方向に直交する第２偏波成分に分離し、前記第１偏波成分を第１光路に、前記第２偏波成分を第２光路に供給する偏波制御装置と、前記第１光路の光信号の光強度を光電変換し信号を検出する第１光検出素子と、前記第２光路の光信号の光強度を光電変換する第２光検出素子とを有し、前記第１光検出素子と前記第２光検出素子の光電変換出力により算出したＯＳＮＲに基づいて前記第１光検出素子の光電変換出力の閾値レベルを調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長分割多重技術を用いた光通信における光受信モジュールに関し、光信号対雑音比を測定可能な光受信モジュールに関する。

近年、光通信などの分野において、伝送容量を増大させるために波長多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）方式を採用した光伝送システムの普及が進んでいる。
ＷＤＭ光伝送システムでは、光ファイバを伝わる光信号が減衰するので、長距離伝送を可能にするためには、途中で信号の減衰を補う光増幅器が必要になる。

しかし、光増幅器では、光信号出力の強度が所定の範囲となるように光ファイバへ送出するが、自然放出（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）光による雑音（白色ノイズ）を生じるため、光信号に雑音が重畳され、したがって光信号の強度は所定の範囲にあっても、その光信号対雑音比（Optical Signal-to-Noise Ratio：ＯＳＮＲ）が劣化する場合がある。ＯＳＮＲが劣化した信号は、そうでない信号と比べて、同じ光強度でも伝送誤り率特性（Bit Error Rate：ＢＥＲ）が劣化する。

また、ＡＳＥ光による雑音の大きさは、光増幅器に入力する光信号の光強度に比例するため、ＯＳＮＲが劣化すると光信号波形がＨ（High）レベルかＬ（Low）レベルを識別する最適な閾値レベルは、光信号の光強度の５０％以下になる。
例えば、図５（Ａ）のようなＯＳＮＲが３０ｄＢの光信号に対するアイパターンは図５（Ｂ）のようになるので、最適な閾値レベルは光信号の光強度の５０％のレベル（ＨレベルとＬレベルの中間のレベル）でよい。
しかし、図５（Ｃ）のようなＯＳＮＲが１４ｄＢの光信号に対するアイパターンは図５（Ｄ）のようになるので、最適な閾値レベルは光信号の光強度の５０％のレベルより弱い方向にずれることになる。

そこで、従来技術においては、次のようにしてＯＳＮＲが劣化しないようにしている。
例えば、特許文献１に開示のノイズ抑圧方法及び装置は、ノイズ光を除去し、信号光のみを補償する方法である。この特許文献１では、信号光が偏光であり、ノイズ光は白色光であることを利用して、偏光ビームスプリッタで(信号光＋ノイズ光)と(ノイズ光のみ)に分離する。ノイズ光は等分されるため、サーキュレータで(ノイズ光のみ)の偏光面を９０度回転させ、(信号光＋ノイズ光)と干渉させてノイズ光を削除し、ＯＳＮＲが最大になるようにしている。

また、特許文献２に開示の波長多重光通信システム及び光増幅装置は、光増幅器への入射光の光強度を測定し、所定の関係式からＯＳＮＲを予測して、信号光の光強度を一定に保つようにしている。
また、特許文献３に開示の光伝送装置は、光受信モジュールへの入射光を閾値以上では信号光、閾値以下ではＡＳＥ光として測定し、信号光の光強度の合計値とＡＳＥ光の光強度の合計値とからＯＳＮＲを求め、信号光の光強度を一定に保つようにしている。

特開２００４−３５００８１号公報 特開２０００−２３２４３３号公報 特開２００７−２７４５４５号公報

信号光と異なる波長のＡＳＥ光は、帯域制限光フィルタで容易に除去されるが、信号光の波長帯域と重なる波長のＡＳＥ光は帯域制限光フィルタでは除去できない。

そこで、ＯＳＮＲをモニタして光信号の光強度がＨレベルであるかＬレベルであるかを判定する閾値レベルを制御するとともに、ＢＥＲの改善を図る機能を光受信モジュールに備えさせたい。

しかし、特許文献１に開示の方法では、ノイズ光が充分大きい場合はノイズ光が除去しきれず、ＯＳＮＲが小さいままである。また、ノイズ光が除去されると入射光は弱まるため、ＢＥＲは劣化してしまう。
また、特許文献２に開示の方法では、光増幅器のノイズ光発生量は波長依存性があるので、予測には入射光の波長を考慮した複雑な式が必要となる。このため、オシロスコープなどの大掛かりな装置が必要となり、光受信モジュールには不適である。
また、特許文献３に開示の方法では、光増幅器を伴う伝送系では受信する光の光強度の範囲が広いため、信号光が弱い場合はノイズ光と誤って判断し、ノイズ光が強い場合には信号光と誤って判断されてしまう。また、これを制御するために入射光強度を一定に保つ処置を取った場合には、この処置によってＯＳＮＲがさらに劣化してしまうことになる。

本発明は、上述の実情を考慮してなされたものであって、ＷＤＭ光伝送方式において、信号光を減退させること無く、大掛かりな装置を使わずに正確なＯＳＮＲを測定できる光受信モジュールを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の光受信モジュールは、信号光及び該信号光の信号波長帯域内のノイズ光を含む光信号を、前記信号光の偏波方向に合致する第１偏波成分と、該偏波方向に直交する第２偏波成分に分離し、前記第１偏波成分を第１光路に、前記第２偏波成分を第２光路に供給する偏波制御装置と、前記第１光路の光信号の光強度を光電変換し信号を検出する第１光検出素子と、前記第２光路の光信号の光強度を光電変換する第２光検出素子とを有し、前記第１光検出素子と前記第２光検出素子の光電変換出力により算出したＯＳＮＲに基づいて前記第１光検出素子の光電変換出力の閾値レベルを調整する。
さらに、前記第１光検出素子および前記第２光検出素子の光電変換出力を同等に増幅する線形増幅器をそれぞれ備えるようにしてもよい。

本発明によれば、フィルタを用いる場合と比較してノイズ光を正確に測定できるので、従来と比べて、複雑な計算や装置が必要なく、正確にＯＳＮＲを測定できる。
さらに、信号光がＨレベルかＬレベルかを判定する閾値レベルをＯＳＮＲによって調整することで、光入力信号のノイズ重畳の状況を正確に把握した上で、信号判定の閾値レベルを調整することによってＢＥＲが改善される。
また、ノイズ光は信号光と比べて小さいので、光検出素子の後に線形増幅器を入れることにより、光電変換出力が微小な場合でも正確に測定できるようになり、検出可能な光強度の範囲が広がり、求めるＯＳＮＲの精度も高めることができる。

本発明に係る光受信モジュールの構成を示すブロック図である。 信号光とノイズ光の偏光面を説明する図である。 偏光ビームスプリッタおよび２つの光検出素子（ＰＤ１，ＰＤ２）への入力光と光強度との関係を説明する図である。 本発明に係る光受信モジュールの動作を示すフローチャートである。 ノイズによる光信号の劣化を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の光受信モジュールに係る好適な実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る光受信モジュールの構成を示すブロック図である。同図において、光受信モジュール１０は、偏波制御装置１１、偏光ビームスプリッタ１２、第１光検出素子（ＰＤ１）１３、第１線形増幅器１４、第２光検出素子（ＰＤ２）１５、第２線形増幅器１６、光強度検出回路１７、信号処理部１８、制御回路１９、リミットアンプ２０とから構成されている。また、図１において、太い線の矢印は光信号の経路を表わし、細い線の矢印は電気信号の経路を表わすものとする。

本実施形態に係る光受信モジュールは、伝送路を伝播してきた光信号が入射され、その信号のＨレベルの信号「１」またはＬレベルの信号「０」を出力するものとする。
この光信号は、図２に示すように、光の進行方向をＺ軸方向とすると、偏光に偏りのある直線偏波の信号光と、偏光に偏りのないノイズ光からなっている。

伝送路から光信号が入力されると、偏波制御装置１１は、光信号の偏波方向が偏光ビームスプリッタ１２の特定の偏波方向に合致するように制御する。このような偏波制御の結果、偏光ビームスプリッタ１２は、偏波制御装置１１の出力光を互いに直交する２つの偏波成分に分離し、一方の偏波成分を第１光路に、他方の偏波成分を第２光路に供給する。
第１光路および第２光路に供給された偏波成分は、それぞれ第１光検出素子１３と第２光検出素子１５で光電変換され、これらの光電変換出力は同型、同増幅率の線形増幅器１４，１６でそれぞれ増幅される。
第１線形増幅器１４および第２線形増幅器１６でそれぞれ増幅された光電変換出力は、光強度検出回路１７に供給され、それらの光強度が検出されてそれぞれ信号処理部１８に出力される。

信号処理部１８は、光強度検出回路１７で検出された光強度に基づいてＯＳＮＲを算出して、このＯＳＮＲに基づいて閾値レベルを算出し、ＯＳＮＲの値と閾値レベルを制御回路１９に出力する。
制御回路１９は、信号処理部１８で算出した閾値レベルに基づいてリミットアンプ２０を制御する。また、同時に、ＯＳＮＲの値を前回算出時の値と比較し、ＯＳＮＲが大きくなるように偏波制御装置１１を調整する。

信号検出部２１は、リミットアンプ２０によって、第１線形増幅器１４で増幅された光電変換出力を閾値レベルで制限し、閾値レベルを超えた場合には、Ｈレベルの信号を出力し、超えない場合にはＬレベルの信号を光受信モジュール１０の出力とする。

次に、光受信モジュールの各構成について説明する。光受信モジュール１０は、伝送路から入力された光信号を偏波制御装置１１に入力する。偏波制御装置１１は、入力された光信号の偏波方向が所定の方向になるように回転させて偏光ビームスプリッタ１２に入力する。偏光ビームスプリッタ１２は、偏波制御装置１１からの出力光を互いに直交する２つの偏波成分に分離し、一方の信号光を含む光信号の偏波成分を第１光路に、他方の偏波成分を第２光路に供給する。

第１光路に供給された光信号の偏波成分は、第１光検出素子（第１フォトダイオード：ＰＤ１）１３により光電変換され、この光電変換出力は第１線形増幅器１４に供給される。第２光路に供給された光信号の偏波成分は、第２光検出素子（第２フォトダイオード：ＰＤ２）１５により光電変換され、この光電変換出力は第２線形増幅器１６に供給される。
第１線形増幅器１４および第２線形増幅器１６は、第１光検出素子１３および第２光検出素子１５からの光電変換出力を増幅しそれぞれ光強度検出回路１７へ出力する。これらの第１線形増幅器１４および第２線形増幅器１６は、同型、同増幅率のリニアアンプである。しかし、これらの線形増幅器は必ず必要というわけではなく、光検出素子からの出力が微弱である場合にのみ備えるようにしても構わない。

光強度検出回路１７は、第１線形増幅器１４および第２線形増幅器１６でそれぞれ増幅された光電変換出力から光強度を検出し、それぞれの光強度を信号処理部１８へ出力する。
信号処理部１８は、第１光検出素子１３からの光強度をＰ１として入力し、第２光検出素子１５からの光強度をＰ２として入力し、これらの光強度Ｐ１とＰ２を比較する。
Ｐ１＜Ｐ２ときには、Ｐ１≧Ｐ２でＰ１／Ｐ２が大きくなるように、光信号の偏波方向を回転させ制御回路１９を介して偏波制御装置１１で制御する。

Ｐ１≧Ｐ２でＰ１／Ｐ２が大きくなったときに、図３（Ａ）に示すように、偏光ビームスプリッタ１２へ入力される光信号の光強度が最大となり、このときの光信号には、信号光成分（Ｓ）とＡＳＥ光成分（２Ｎ）とが合成されている。
また、図３（Ｂ）に示すように、第１光検出素子（ＰＤ１）１３には、２つに分離された光信号の偏波成分のうち、信号光成分（Ｓ）とＡＳＥ成分（Ｎ）が合成されたものが入力される。
また、図３（Ｃ）に示されるように、第２光検出素子（ＰＤ２）１５には、ＡＳＥ成分（Ｎ）だけが入力される。

したがって、信号処理部１８は、Ｐ１≧Ｐ２でＰ１／Ｐ２が大きくなったときに、ＯＳＮＲの値を次の（式１）で算出する。
ＯＳＮＲ＝Ｓ／Ｎ＝（Ｐ１−Ｐ２）／Ｐ２ …（式１）
また、ＯＳＮＲの値と閾値レベルとの関係を示したテーブル、または、ＯＳＮＲの値と閾値レベルとの関係式を予めメモリに記憶させておき、このテーブルまたは関係式に基づいてＯＳＮＲの値に対する閾値レベルを算出する。
この信号処理部１８は、算出したＯＳＮＲの値を前回算出時のＯＳＮＲの値と比較し、ＯＳＮＲが大きいか等しくなるような調整を制御回路１９を介して偏波制御装置１１に行わせる。

リミットアンプ２０は、制御回路１９から与えられた閾値レベルで、第１線形増幅器１４から出力された光電変換出力を制限して、閾値レベルを超えた場合には、Ｈレベルの信号を、超えない場合にはＬレベルの信号を信号検出部２１に出力する。この閾値レベルは、次の制御まで維持する。
信号検出部２１は、リミットアンプ２０の出力信号のＨレベル／Ｌレベルの判定を行い、この判定結果を光受信モジュール１０の出力とする。

次に、光受信モジュールの動作について説明する。
図４は、本発明に係る光受信モジュールの動作を示すフローチャートである。
ステップＳ１では、偏波制御装置１１により、光信号の偏波方向を回転させて、偏光ビームスプリッタ１２により光信号を互いに直交する２つの偏波成分に分離して、一方の光信号の偏波成分を第１光路に、他方の偏波成分を第２光路に供給する。

ステップＳ２では、第１光路に供給された光信号の偏波成分を第１光検出素子１３で光電変換し、この光電変換出力を第１線形増幅器１４で増幅し、光強度検出回路１７で検出した光強度をＰ１とする。
また、第２光路に供給された光信号の偏波成分を第２光検出素子１５で光電変換し、この光電変換出力を第２線形増幅器１６で増幅し、光強度検出回路１７で検出した光強度をＰ２とする。

ステップＳ３では、光強度Ｐ１とＰ２を比較し、Ｐ１＜Ｐ２であれば（Ｓ３のＮＯ）、ステップＳ４に進み、Ｐ１≧Ｐ２であれば（Ｓ３のＹＥＳ）、ステップＳ５に進む。
ステップＳ４では、Ｐ１≧Ｐ２でＰ１／Ｐ２が大きくなるように、光信号の偏波方向を回転させて偏光ビームスプリッタ１２に入力する制御を偏波制御装置１１に行わせ、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ５では、Ｐ１≧Ｐ２でＰ１／Ｐ２が大きくなったときに、ＯＮＳＲの値を（式１）で算出する。
ステップＳ６では、ＯＳＮＲの値と閾値レベルとの関係を示したテーブル、または、ＯＳＮＲの値と閾値レベルとの関係式に基づいてＯＳＮＲの値に対する閾値レベルを算出して、リミットアンプ２０の閾値レベルを調整する。

ステップＳ７では、（算出したＯＳＮＲの値）＜（前回算出時のＯＳＮＲの値）の場合（Ｓ７のＮＯ）は、ステップＳ４に進み、ＯＳＮＲが大きくなるような調整を偏波制御装置１１に行わせる。
また、（算出したＯＳＮＲの値）≧（前回算出時のＯＳＮＲの値）の場合（Ｓ７のＹＥＳ）は、ステップＳ８に進む。この算出した閾値レベルは、次の制御まで維持する。

ステップＳ８では、第１線形増幅器１４から出力された光電変換出力を、リミットアンプ２０で閾値レベルに制限して、閾値レベルを超えた場合にはＨレベルの信号を出力し、超えない場合にはＬレベルの信号を出力する。

以上の構成により、フィルタを用いる場合と比較してノイズ光を正確に測定できるので、従来と比べて、複雑な計算や装置が必要なく、正確にＯＳＮＲを測定できる。
さらに、信号光がＨレベルかＬレベルかを判定する閾値レベルをＯＳＮＲによって調整することで、光入力信号のノイズ重畳の状況を正確に把握した上で、信号判定の閾値レベルを調整することによってＢＥＲが改善される。
また、ノイズ光は信号光と比べて小さいので、光検出素子の後に線形増幅器を入れることにより、光電変換出力が微小な場合でも正確に測定できるようになり、検出可能な光強度の範囲が広がり、求めるＯＳＮＲの精度も高めることができる。

１０…光受信モジュール、１１…偏波制御装置、１２…偏光ビームスプリッタ、１３…第１光検出素子（ＰＤ１）、１４…第１線形増幅器、１５…第２光検出素子（ＰＤ２）、１６…第２線形増幅器、１７…光強度検出回路、１８…信号処理部、１９…制御回路、２０…リミットアンプ、２１…信号検出部。

Claims (2)

1. 信号光及び該信号光の信号波長帯域内のノイズ光を含む光信号を、前記信号光の偏波方向に合致する第１偏波成分と、該偏波方向に直交する第２偏波成分に分離し、前記第１偏波成分を第１光路に、前記第２偏波成分を第２光路に供給する偏波制御装置と、前記第１光路の光信号の光強度を光電変換し信号を検出する第１光検出素子と、前記第２光路の光信号の光強度を光電変換する第２光検出素子とを有し、前記第１光検出素子と前記第２光検出素子の光電変換出力により算出したＯＳＮＲに基づいて前記第１光検出素子の光電変換出力の閾値レベルを調整することを特徴とする光受信モジュール。
2. 前記第１光検出素子および前記第２光検出素子の光電変換出力を同等に増幅する線形増幅器をそれぞれ備えることを特徴とする請求項１に記載の光受信モジュール。

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