JP2505610B2

JP2505610B2 - 光ヘテロダイン検波装置

Info

Publication number: JP2505610B2
Application number: JP2039428A
Authority: JP
Inventors: 義久界; 昭一須藤; 徹彦池上
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-02-20
Filing date: 1990-02-20
Publication date: 1996-06-12
Anticipated expiration: 2011-06-12
Also published as: JPH03242630A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は光通信及び光計測において、微弱な信号光と
パワーレベルの高い局部発振光を結合して、２つの光の
ビート信号を中間周波数として電気信号で検出する光ヘ
テロダイン検波装置に関するものである。

（従来の技術）第２図は従来の光ヘテロダイン検波装置の構成図であ
る。第２図において、１は半導体レーザを基本要素とし
て構成された送信器、２は信号伝送用光ファイバ、３は
受信器で、半導体レーザで構成された局部発振器31、光
カップラ32、受光器33、復調用電気回路34、局部発振器
31の発振周波数を送信光の周波数に追従させるための帰
還ループ35から構成されている。また、IFはヘテロダイ
ン検波によって取り出された中間周波数信号である。

このような構成において、送信器１から出射された信
号光（送信光）は、光ファイバ２を伝搬し受信器３で受
信される。受信器３では、ヘテロダイン検波するため
に、局部発振器31による高出力の局部発振光が長距離の
光ファイバ２中を伝搬し微弱となった信号光と光カップ
ラ32によって重ね合わされ、この光が受光器33で受光さ
れ、光電変換される。これにより、信号光と局部発振光
の共周波数の差がビート信号となり、これに基づいて復
調用電気回路34で電気処理がなされ、ビート信号に対応
した中間周波数信号IFが得られる。

このとき、中間周波数、つまり、送信光と局部発振光
の光周波数の差が一定になるように、電気的、あるいは
回折格子を使った外部共振器による光学的な帰還ループ
35によって、信号光の時間的な周波数揺らぎに対し、局
部発振光の光周波数が追従するようにしている（文献、
K.Iwashita and T.Matsumoto;IEEE J.Lightwave Techno
logy,LT-5巻、452ページ〜460ページ、1987年、等参
照）。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記従来の装置では、信号光の発振周
波数の揺らぎに対して常に局部発振器31の発振周波数を
追従させなければならず、その機構も複雑で安定性も充
分であるとはいえない。また、光周波数分割多重方式に
採用するときには、近接した信号光間での漏話が生じ、
信号受信感度の劣化を引き起こす。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、
その目的は、安定な中間周波数信号が得られ、かつ、構
成が簡単で実用性に優れた光ヘテロダイン検波装置を提
供することにある。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するため、請求項（１）では、微弱な
信号光とパワーレベルの高い局部発振光とを結合して、
二つの光のビート信号を中間周波数として電気信号で検
出する光ヘテロダイン検波装置において、所定の原子ま
たは分子気体の共鳴または吸収線の波長に同期して発振
する第１の半導体レーザ装置と、該第１の半導体レーザ
装置によるレーザ光を変調する光変調手段とを有し前記
信号光を送出する送信器と、前記第１の半導体レーザ装
置の発振波長に近接して波長で、かつ、原子または分子
気体の共鳴または吸収線の波長に同期して発振し、前記
局部発振光を出射する第２の半導体レーザ装置を有する
受信器とを備えた。

また、請求項（２）では、前記第１及び第２の半導体
レーザにおける分子気体を、近接した光吸収線を有する
アセチレン分子及び同位体置換アセチレン分子の組合せ
で構成した。

（作用）請求項（１）によれば、所定の原子または分子気体の
共鳴または吸収線の波長に同期して発振波長が安定化さ
れた第１の半導体レーザの出射光は、光変調手段により
変調され、信号光として伝送路へ送出され、受信器に入
射される。

受信器では、入射した信号光と、第１の半導体レーザ
装置の発振波長に近接した波長であって、原子または分
子気体の共鳴または吸収線の波長に同期して発振波長が
安定化された第２の半導体レーザ装置による局部発振光
とが結合され、この二つの光のビート信号を中間周波数
として電気信号で検出される。

請求項（２）によれば、例えば、第１の半導体レーザ
装置の発振波長は、アセチレン分子の吸収線の波長に同
期して安定化される。一方、第２の半導体レーザ装置の
発振波長は同位体置換アセチレン分子の吸収線の波長に
同期して安定化される。

（実施例）第１図は、本発明に係る光ヘテロダイン検波装置の第
１の実施例を示す構成図である。第１図において、11は
送信器、12は伝送用光ファイバ、13は受信器である。

送信器11は、アセチレン分子（または同位体置換アセ
チレン分子）の光吸収線の波長を波長基準として用い、
この基準に同期して発振波長が安定化された第１の半導
体レーザ111と、信号を重畳するための変調回路112と、
第１の半導体レーザ装置111の出射光を、変調回路112に
よる伝送信号でその強度あるいは周波数あるいは位相を
変調し、伝送用光ファイバ12に信号光として導波する光
変調器113とから構成されている。

受信器13は、第１の半導体レーザ装置111の発振波長
と近接した波長、例えば同位体置換アセチレン分子（ま
たはアセチレン分子）の光吸収線の波長を波長基準とし
て用い、この基準に同期して発振波長が安定化され、信
号よりパワーレベルの高い局部発振光を出射する第２の
半導体レーザ装置131と、この局部発光と伝送用光ファ
イバ12を導波した信号光を重ね合わせる光カップラ132
と、光カップラ132の出射光を受光し光電気変換する受
光器133と、受光器133による電気信号からビート信号に
対応した中間周波数信号IFを得る復調用電気回路134と
から構成されている。

次に、第１及び第２半導体レーザ装置111,131の具体
的な構成例を第３図を用いて説明する。

第１の半導体レーザ111は第３図に示すように、半導
体レーザLD、光カップラCP、光周波数変調器FM、光波長
基準用吸収セルAC、受光器DT、帰還回路FC及び光ファイ
バFB₁,FB₂から構成されており、各部の構成、機能につ
いて以下に詳述する。

半導体レーザLDは、例えば波長1.536μｍで発振するI
nGaAsP系のブラッグ反射型半導体レーザ（DBR型LD）か
ら構成されている。また、光ファイバにより出力が取り
出せるように、光ファイバ出力端子（図示せず）を備え
ている。

光カップラCPは、半導体レーザLDと光周波数変調器FM
間に挿入され、入力端が半導体レーザLDの出力端子に、
一の出力端が光周波数変調器FMの入力端子にそれぞれ接
続されており、半導体レーザLDの出射光と２分岐する。

光周波数変調器FMは、半導体レーザLDの出射光に対し
て所定の周波数変調をかける。また、光ファイバによる
入出力が行えるように、光ファイバ入出力端子（図示せ
ず）を備えている。

光波長基準用吸収セルACは、例えばセル長が5cmで、
吸収気体としてアセチレンガス（¹²C₂H₂）を10Torr封入
した、吸収線1536.049nm（光周波数195306GHz）のセル
から構成されている。また、光ファイバにより入出力が
行えるように、光ファイバ入出力端子（図示せず）を備
えている。

受光器DTは、吸収セルACの出力光を受光して電気信号
に変換し、この信号を帰還回路FCに出力する。また、光
ファイバにより入力が行えるように光ファイバ入力端子
（図示せず）を備えている。

帰還回路FCは、受光器DTによる電気信号を入力し、こ
れに応じた誤差信号を発生し、半導体レーザLDの発振波
長を波長基準に追従させるように制御した注入電流を半
導体レーザLDに供給する。

また、光周波数変調器FMと吸収セルACとが光ファイバ
FB₁により、また吸収セルACと受光器DTとが光ファイバF
B₂によりそれぞれ接続されている。

第２の半導体レーザ装置131は、第３図の構成におい
て吸収セルACへの封入ガスがアセチレンガス（以下、¹²
C₂H₂と表記する）の代わりに、同位体置換アセチレンガ
ス（以下、¹³C₂H₂と表記する）を、長さ5cmのセルに10T
orrの圧力で封入した点を除けば、第１の半導体レーザ
装置111と同様の構成を有している。この場合、局部発
振用の波長基準としては¹³C₂H₂の吸収線1535.977nm（光
周波数195315GHz）が用いられる。

また、第１及び第２の半導体レーザ装置111,133のレ
ーザの温度は、例えば（±）0.01℃以下に制御される。

このような構成において、半導体レーザLDの発振波長
は、光周波数変調器FMで周波数変調がかけられ、さらに
吸収セルACを透過した光を受光器DTで光電気変換し、吸
収線の中心波長からのずれをロックイン検出した後、そ
の誤差信号を半導体レーザLDにフィードバックすること
により安定化される。

これにより、第１及び第２の半導体レーザ装置111,13
1の中心発振波長（周波数）の変動は、１×10^-5nm（光
周波数にして1MHz）以下に独立に安定化される。

次に、第１の構成による動作を説明する。

まず、送信器11において、¹²C₂H₂の光吸収線の波長を
波長基準として発振波長が安定化された第１の半導体レ
ーザ装置111の出射光は、光変調器113により変調回路11
2の伝送信号でその強度（あるいは周波数あるいは位
相）に対し変調がかけられる。この変調光は、信号光と
して伝送用光ファイバ12に導波され、光ファイバ12を伝
搬後、受光器13に入射される。

受信器13では、入射した信号光と¹³C₂H₂の光吸収線の
波長を波長基準として発振波長が安定化された第２の半
導体レーザ装置131による局部発振光とが重ね合わさ
れ、この光が受光器133で受光される。受光器133では、
入射光が光電変換される。これにより、信号光と局部発
振光の光周波数の差がビート信号となり、これに基づい
て、復調用電気回路134でビート信号に対応した安定な
中間周波数信号IFが得られる。

第１図の構成では、第１及び第２の半導体レーザ装置
111,131の出射光の発振波長を光吸収線を有する¹²C₂H₂
及び¹³C₂H₂を用いて安定化させているので、局部発振器
としての第２の半導体レーザ装置131の発振波長を信号
光の周波数に追従させることなく、安定な中間周波数を
得ることができる。

次に、¹²C₂H₂及び¹³C₂H₂の組合せで、第１及び第２の
半導体レーザ装置111,131の発振波長を安定化させるこ
とによって、上記効果が得られるメカニズムについて、
第４図乃至第６図を用いて説明する。

第４図は、波長1.51〜1.55μｍ帯における¹²C₂H₂と¹³
C₂H₂の光吸収特性を示す図であって、横軸が波長を、縦
軸が吸収強度をそれぞれ表している。この測定には、1.
5μｍ高輝度発光ダイオード（光出力1mW、波長域1.40〜
1.60μｍ）を光源として用いた。また、波長の確定（絶
対値の測定）には、光スペクトラムアナライザ（アンリ
ツ社製MA9001S.波長分解能0.1nm）を用いた。

第４図から分かるように、¹³C₂H₂の光吸収線は、¹²C₂
H₂に約10nm長波長側へシフトしている。現在、中間周波
数としては、受光器133と電気回路134の制約から数GHz
から十数GHzが、実現可能であり、波長に換算すると、
0.01nm〜0.1nm程度の波長差が適当である。これを第４
図でみてみると、２つの光吸収線が重なっている波長領
域は、1.52μｍ〜1.54μｍに亘っており、適当な波長差
が得られることが推察される。

第５図は長距離光伝送用光増幅器として有望視されて
いるEr³⁺添加光ファイバ増幅器の利得が最も高い1.536
μｍ帯の吸収線（第４図中、矢印で示す）をさらに詳細
に測定した結果を示す図である。

この測定に際しては¹²C₂H₂と¹³C₂H₂を10Torrの圧力で
封入した10cm長のセルをそれぞれ作製し、発振波長1.53
6μｍのDBRレーザを用い、これに対する注入電流を変化
させることにより波長掃引し、その光吸収特性を測定し
た。第５図中、上段が¹²C₂H₂の測定結果、下段が¹³C₂H₂
の測定結果である。また、波長の確定には、ディジタル
光波長計（アドバンテスト社製、分解能0.001nm）で行
った。

第５図に示すように、¹²C₂H₂と¹³C₂H₂の光吸収線の中
心波長は、それぞれ1536.049nm、1535.977nmで、吸収強
度は52％,67％、半値全幅は0.9GHz,0.8GHzである。この
中心波長の差を周波数に換算すると9GHzである。

また、上記特性を有する¹²C₂H₂と¹³C₂H₂の光吸収線の
波長を、送信される信号光用及び局部発振光用の波長基
準に用いた第１図の装置により、中間周波数信号IFに相
当する送信光と局部発振光のビートスペクトルを観測し
たものが第６図である。

第６図に示すように、ビートスペクトルの中心周波数
は9GHz、スペクトル幅は150MHzであった。このように、
ビートスペクトルの中心周波数は、ディジタル光波長で
測定した第３図に示す結果と一致している。

これにより、中間周波数の安定性は半導体レーザの発
振波長の安定性で決まることが分かり、実際、2MHz以下
の安定性が得られている。このことは、数十Mbits/s以
下の信号伝送に対して十分なものである。

なお、本実施例においては、1.536μｍ付近の２本の
吸収線についてのみ説明したが、第４図に示すように、
¹²C₂H₂と¹³C₂H₂の二つの光吸収線が重なっている波長領
域は1.52μｍ〜1.54μｍに亘っており、この波長帯のい
くつかが有望であると考えられる。また、複数本の吸収
線を組合わせて、他チャネルの光ヘテロダイン検波が可
能である。

また、使用するガスについても、¹²C₂H₂と¹³C₂H₂だけ
でなく、上記以外の同位体置換アセチレンガス、アンモ
ニアガス、メタンガス、二酸化炭素等を用いても、上記
したと同様の作用効果を得ることができる。

また、本実施例においては、波長基準として分子気体
の吸収線の波長を採用したが、これに限定されるもので
はなく、原子の共鳴波長を基準にしてもよい。

第７図は、本発明に係る光ヘテロダイン検波装置の第
２の実施例を示す構成図である。本第２の実施例が前記
第１の実施例と異なる点は、送信器11aにおいて、光変
調器を用いずに、第１の半導体レーザ装置111の注入電
流を、変調回路112により直接変調するようにしたこと
にある。その他の構成、作用、効果は前記第１の実施例
と同様である。

（発明の効果）以上説明したように、請求項（１）または請求項
（２）によれば、所定の原子または分子気体の共鳴また
は吸収線の波長に同期して発振する第１の半導体レーザ
装置と、該第１の半導体レーザ装置によるレーザ光を変
調する光変調手段とを有し前記信号光を送出する送信器
と、前記第１の半導体レーザ装置の発振波長に近接した
波長で、かつ、原子または分子気体の共鳴または吸収線
の波長に同期して発振し、前記局部発振光を出射する第
２の半導体レーザ装置を有する受信器とを備えたので、
局部発振光の発振波長を信号光の周波数に追従させるた
めの機構を用いることなく、簡易な構成で、かつ、安定
な中間周波数信号を得ることができる光ヘテロダイン検
波装置を提供できる利点がある。

また、本装置は、上記効果に加え、信号光の絶対的な
光周波数も確定され、光周波数多重化も容易であり、コ
ヒーレント光通信における光ヘテロダイン検波が適用可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光ヘテロダイン検波装置の第１の
実施例を示す構成図、第２図は従来の光ヘテロダイン検
波装置の構成図、第３図は本発明に係る半導体レーザ装
置の具体的な構成例を示す図、第４図は本発明に係る半
導体レーザ装置の具体的な構成例を示す図、第４図は本
発明に係るアセチレンガスと同位体置換アセチレンガス
の1.51μｍ〜1.55μｍにおける光吸収特性図、第５図は
本発明に係るアセチレンガスと同位体置換アセチレンガ
スの1.536μｍ付近における光吸収特性図、第６図は本
発明装置によるヘテロダイン検波の中間周波数に相当す
る信号光と局部発振光とのビートスペクトルを示す図、
第７図は本発明に係る光ヘテロダイン検波装置の第２の
実施例を示す構成図である。図中、11,11a……送信器、111……第１の半導体レーザ
装置、112……変調回路、113……光変調器、12……伝送
用光ファイバ、13……受信器、131……第２の半導体レ
ーザ装置、132……光カップラ、133……受光器、134…
…復調用電気回路、LD……半導体レーザ、AC……光波長
基準用吸収セル。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】微弱な信号光とパワーレベルの高い局部発
振光とを結合して、二つの光のビート信号を中間周波数
として電気信号で検出する光ヘテロダイン検波装置にお
いて、所定の原子または分子気体の共鳴または吸収線の波長に
同期して発振する第１の半導体レーザ装置と、該第１の
半導体レーザ装置によるレーザ光を変調する光変調手段
とを有し前記信号光を送出する送信器と、前記第１の半導体レーザ装置の発振波長に近接した波長
で、かつ、原子または分子気体の共鳴または吸収線の波
長に同期して発振し、前記局部発振光を出射する第２の
半導体レーザ装置を有する受信器とを備えたことを特徴とする光ヘテロダイン検波装置。
【請求項２】前記第１及び第２の半導体レーザにおける
分子気体を、近接した光吸収線を有するアセチレン分子
及び同位体置換アセチレン分子の組合せで構成した請求
項（１）記載の光ヘテロダイン検波装置。