JP4090707B2 - 光受信器 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光サブキャリア変調された信号を復調して受信する光受信器に関し、特に、光信号を電気信号で変調して乗算操作を行う光受信器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の光サブキャリア通信を行うものとしては、例えば特開2000−138644号公報に記載されているように、集中制御局から各アンテナ局にサブキャリア多重された変調済みの光信号を、フォトダイオードで光電気変換した後、サブキャリア周波数を中心として通過させる帯域通過フィルタ回路で濾波後に復調を行っていた。
【0003】
図7は、光サブキャリア通信を行う通信システムの従来例の構成を示す図である。図7において、集中制御局10と複数のアンテナ局20とは、光ファイバ30を介して接続されており、この光ファイバ30の中間には光分岐統合器31が設けられ、集中制御局10から入力する光信号を分岐させて各アンテナ局20に分配している。集中制御局10は、各データ信号が入力する入力端子11と、変調器12と、周波数変換器13と、2つのパイロットキャリア発生器14,15と、合成器16と、レーザドライバ17と、レーザ素子18とから構成され、アンテナ局20は、光ファイバ30から光信号が入力するフォトダイオード21と、データ信号分離器22と、2つのパイロットキャリア分離器23,24と、周波数変換器25と、アンテナ26とから構成されている。
【0004】
集中制御局10では、各入力端子11から入力したデータによって変調器12で変調された信号は、周波数変換器13で周波数変換されて合成器16に入力する。この合成器16には、パイロットキャリア発生器14,15から異なる周波数のパイロットキャリア信号が入力しており、合成器16は、パイロットキャリア信号および周波数変換された信号を合成して出力している。レーザドライバ17は、この出力された信号に対応してレーザ素子18を駆動させ、サブキャリア多重された変調済みの光信号を光ファイバ30へ出力している。
【0005】
アンテナ局20は、入力する光信号を、フォトダイオード21で光電気変換した後、データ信号周波数、サブキャリア周波数をデータ信号分離器22およびパイロットキャリア分離器23,24で分離して通過させた後に、周波数変換器25で周波数変換してデータをアンテナ26に送出していた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術によれば、例えば主信号である高速光信号にごくわずかにサブキャリア重畳された監視制御信号のように、著しく信号対雑音比(SN比)の悪い信号を受信する時には、雑音による増幅器の飽和を避けて所定の利得を得るために、上記サブキャリア周波数を中心とした極めて狭帯域の帯域通過フィルタ回路を用いて、SN比の改善を行う必要がある。
【0007】
ところが、一般的には、帯域通過フィルタ回路の帯域を狭くすると、中心周波数の温度特性や経年変化に対する要求が厳しくなり、また中心周波数が低い場合には、回路のサイズも大きくなるという問題点があった。
【0008】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、信号対雑音比の悪い信号を精度良く復調できる受信器を得ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる光受信器では、光サブキャリア変調された信号を復調して受信する光受信器において、入力する光信号を変調する変調手段と、前記変調手段を駆動させる発振手段と、前記変調された光信号を電気信号に光電気変換する光電気変換手段と、前記変換された電気信号によって前記発振手段の発振周波数または位相を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【0010】
この発明によれば、光変調手段を光電気変換手段の前に配置して、入力する光信号を発振手段からの出力で変調し、従来、電気回路で行っていた乗算操作を光信号の状態のままで行い、さらに光電気変換手段から出力される電気信号を用いて発振手段の発振周波数や位相を制御して、発振手段の出力をサブキャリア信号に位相同期させることで、光電気変換手段の出力で直接ベースバンド信号を得るようにする。
【0011】
つぎの発明にかかる光受信器にあっては、光サブキャリア変調された信号を復調して受信する光受信器において、入力する光信号を変調する第1および第2の光変調手段と、前記第1および第2の光変調手段に互いに直交する位相の信号を出力して、当該第1および第2の光変調手段を駆動させる発振手段と、前記変調された光信号を電気信号にそれぞれ光電気変換する第1および第2の光電気変換手段と、前記変換された電気信号を乗算する乗算手段と、前記乗算された電気信号によって前記発振手段の発振周波数または位相を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【0012】
この発明によれば、発振手段によって第1および第2の光変調手段に互いに直交する位相の出力を与えて光信号の変調を行わせ、この変調された2つの光信号を光電気変換して電気信号を得て、さらに乗算した電気信号を用いて発振手段の発振周波数や位相を制御して、発振手段の出力をサブキャリア信号に位相同期させることで、光電気変換手段の出力で直接ベースバンド信号を得るようにする。
【0013】
つぎの発明にかかる光受信器にあっては、上記の発明において、複数の光ファイバによって伝送された光信号を合波する合波手段をさらに備え、前記合波した光信号を前記光変調手段に出力することを特徴とする。
【0014】
この発明によれば、複数の光信号が入力する場合には、これらを合波した後に変調して乗算操作を行い、さらに光電気変換手段から出力される電気信号を用いて発振手段の発振周波数や位相を制御して、発振手段の出力をサブキャリア信号に位相同期させる。
【0015】
つぎの発明にかかる光受信器にあっては、上記発明において、光変調手段として光変調器、光スイッチ、利得を電気信号で変調する光増幅器のうちの少なくとも一つを備えることを特徴とする。
【0016】
この発明によれば、光変調手段としては、光変調器に限らず、光スイッチ、利得を電気信号で変調する光増幅器、光変調器を組み合わせた光増幅器などのいずれかの装置を用いることでも光信号の変調を可能にする。
【0017】
つぎの発明にかかる光受信器にあっては、上記の発明において、光変調手段は、差動出力型の光変調手段からなり、変調された少なくとも2つの光信号を出力し、前記光電気変換手段は、差動入力型の光電気変換手段からなり、前記各光信号を電気信号に変換することを特徴とする。
【0018】
この発明によれば、差動出力型の光変調手段によって、入力する光信号を電気信号で変調して2つの光信号を出力し、また差動入力型の光電気変換手段によって、前記変調された各光信号を電気信号に変換して、位相の反転した2種類の発振出力を乗算したものと等価な2つの信号を得る。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる光受信器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【0020】
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1にかかる光受信器の構成を示すブロック図である。図1において、光受信器40は、図示しない複数の光ファイバなどを介して光信号が入力する複数の入力端子41と、光合分波器42と、光変調器43と、光電気変換素子44と、電気増幅器45と、発振周波数を入力電流/電圧で可変に設定できる発振器46と、この発振器46を制御するループ回路47と、低域通過フィルタ(以下、「LPF」という)48と、ベースバンド信号(データ信号)を出力する出力端子49とから構成されている。
【0021】
光合分波器42は、例えば光カプラ、平面光導波路、または波長多重合分波器などからなり、各入力端子41から入力する光信号を合波して出力する。なお、この光合分波器42は、光信号が入力する光ファイバが1本の場合には、これを省略することができる。光変調器43は、例えばLN(Lithium Niobate)変調器、EA(電界吸収型)変調器、音響光学スイッチ、メカニカルスイッチ、半導体光増幅器や励起レーザの出力変調可能なファイバ増幅器、または光変調器を内蔵したファイバ増幅器などを用いることが可能であり、発振器46から入力する発振周波数の信号で光合分波器42からの光信号を変調するように駆動している。
【0022】
光電気変換素子44は、例えばフォトダイオードからなり、この光電気変換素子44と電気増幅器45とは、光電気変換器を構成している。ループ回路47は、図2に示すように、電気信号が入力する入力端子47aと、信号の直流成分を遮断するコンデンサ47bと、乗算器47cと、ループフィルタ47dと、増幅器47eと、加算器47fと、ディザ発振器47gと、発振器46へ制御信号を出力する出力端子47hと、LPF47iと、LPF48へデータ信号を出力する出力端子47jとから構成されている。
【0023】
このような構成において、各入力端子41から光信号が入力すると、光合分波器42は、これら光信号を合波して光変調器43に出力する。光変調器43では、入力する光信号を発振器46からの発振周波数の電気信号で変調して乗算操作を行う。この変調された光信号は、光電気変換素子44によって電気信号に変換され、ついで電気増幅器45で増幅されてループ回路47へ出力される。
【0024】
この電気増幅器45から出力される電気信号は、サブキャリア信号とディザ発振器47gからの発振周波数信号との周波数差や位相差情報が含まれている。そこで、ループ回路47では、乗算器47cを用いて電気増幅器45の出力にディザ発振器47gからの出力を乗算させることによって、発振器46の発振周波数信号を光合分波器42からのサブキャリア信号に同期させている。つまり、これは光変調器43を用いてベースバンド信号の同期検波を行うことであり、光電気変換素子44と電気増幅器45の出力から直接にベースバンド信号を得ることができる。
【0025】
乗算器47cの出力は、LPFの機能を有するループフィルタ47dで低域周波数成分の出力となり、かつ増幅器47eで増幅された後に、加算器47fおよびLPF47iに入力される。
【0026】
ところで、電気増幅器45からの出力は、入力された光信号の平均値である直流成分を含んでいるため、通常のPLL(位相同期ループ)のようにループ回路に適当な低域通過特性を持たせただけでは位相同期動作は得られない。そこで、この実施の形態1では、加算器47fにおいて増幅器47eの出力である発振器制御信号に、ディザ発振器47gからの出力を加えて重畳させ、微小な位相変調を行い、入力端子47aに入力するベースバンド信号の同期検波を行っている。この操作により、光変調器43で行う位相検波出力特性は、等価的に微分されて直流成分は除去されることとなる。
【0027】
したがって、サブキャリア信号がASK(Amplitude Shift Keying)信号またはFSK(Frequency Shift Keying)信号の場合には、ループ回路47の出力がLPF48を通過させた後に、適当な判別、例えば閾値を設けて増幅器47eの出力と比較して判別を行うことによってデータ信号を復調することが可能となる。
【0028】
この実施の形態1によれば、光変調器を光電気変換素子の前段に配置させ、光信号を発振器からの出力で変調し、従来例では電気回路で行っていた乗算操作を光信号に対して行い、光電気変換器および増幅器から出力される電気信号を用いて上記発振器の発振周波数や位相を制御して、サブキャリア信号に発振器の出力を位相同期させることによって光電気変換器の出力で直接ベースバンド信号を得ることで、所定のSN比を得ることができ、SN比の悪い信号を精度良く復調できる。
【0029】
また、この実施の形態1によれば、光電気変換器から直接ベースバンド信号が得られるので、所定のSN比を得るための帯域制限は、LPFを用いれば良く、従来例のように高精度でサイズの大きな帯域通過型フィルタを用いる必要がなくなって、省スペース、低価格化が図られる。
【0030】
実施の形態2.
図3は、この発明の実施の形態2にかかる光受信器の構成を示すブロック図である。なお、以下の図において、図1に示した構成部分と同一の構成部分については、同一符号を付すものとする。
【0031】
図3において、この実施の形態2では、光変調器として差動出力光変調器50を用いて、位相の異なる2種類の光信号を光電気変換素子44a,44bにそれぞれ送出しており、これら光信号は、光電気変換素子44a,44bによって、電気信号に変換されている。なお、その他の構成は、図1に示した光受信器と同じである。
【0032】
差動出力光変調器50は、例えば図4のブロック図に示すように、光合分波器50aと、変調器50b,50cと、位相反転器50dとから構成されている。図4において、変調器50b,50cは、例えば半導体光増幅器やEA変調器などの単相出力の変調器であり、発振器46から入力する発振周波数信号で光合分波器50aからの光信号を変調している。位相反転器50dは、発振器46からの発信周波数信号を位相反転して変調器50cに出力している。なお、光電気変換素子44a,44bは、逆相で電気増幅器45と接続されている。
【0033】
つぎに、図5のブロック図を用いて差動出力光変調器の動作を説明する。図5において、光合分波器42からの光信号S1は、入力端子51を介して差動出力光変調器50に入力する。ここで、光信号S1は、発振器46からの出力によって変調されて乗算操作が行われ、位相の反転した2種類の発振器出力を乗算したものと等価な2つの光信号S2,S3となる。これら光信号S2,S3は、出力端子52,53を介して光電気変換素子44a,44bにそれぞれ入力し、ここで電気信号にそれぞれ変換される。光電気変換素子44a,44bと、光電気変換素子44a,44bを逆相で接続した電気増幅器45とは、光信号を光電気変換素子44aと44bに入力させた場合に出力極性が逆になる差動入力光電気変換器として動作するため、差動出力光変調器50からの2つの光信号S2,S3が光電気変換素子44a,44bに同時に入力すると、平均光電力に相当する直流成分は相殺され、サブキャリア信号と発振器46の出力の乗算結果のみを電気増幅器45から電気信号として取り出すことができる。
【0034】
したがって、この電気信号を用いれば適当なループ回路を用いることによって、容易に発振器の出力信号をサブキャリア信号に同期させることができ、これは光変調器を用いて同期検波を行っていることであり、光電気変換素子44a,44bと電気増幅器45とからなる光電気変換器の出力から直接にベースバンド信号が得られる。
【0035】
前述のように、平均光電力に相当する直流成分は相殺されるため、ループ回路47としては、例えばPLLなどのごく一般的な低域通過特性のものを用いることが可能である。また、電気増幅器45は、例えば帰還回路にコンデンサを並列に配置するなどの構成にすることで、容易に狭帯域な低域選択型の増幅特性を持たせることができ、これによりSN比の悪い信号に対しても容易に高い利得が得られる。
【0036】
したがって、サブキャリア信号が例えばASK信号またはFSK信号の場合には、ループ回路47の出力がLPF48を通過させた後に、例えば実施の形態1と同様に、閾値を設けて増幅器47eの出力と比較して判別を行うことによってデータ信号を復調することが可能となる。
【0037】
この実施の形態2によれば、光変調器に差動出力光変調器を用いて、位相の反転した2種類の発振器出力を乗算したものと等価な2つの光信号を得て、これら光信号を同時に光電気変換器に入力させて平均光電力に相当する直流成分を相殺させるので、サブキャリア信号と発振器出力の乗算結果のみを光電気変換器から取り出すことができる。これにより、この実施の形態では、SN比の悪い信号に対しても容易に高い利得を得ることができ、SN比の悪い信号を精度良く復調できる。
【0038】
なお、差動出力光変調器としては、実施の形態2に示したものの他に、例えばマッハツェンダー形変調器の2つのアームの合波部分をカプラ形にしたり、音響光学スイッチ、光路切り替え型メカニカルスイッチなどを用いることができる。
【0039】
実施の形態3.
図6は、この発明の実施の形態3にかかる光受信器の構成を示すブロック図である。図6において、光受信器40は、光信号が入力する複数の入力端子41と、光合分波器42と、差動出力光変調器50e,50fと、光電気変換素子44a〜44dと、電気増幅器45a,45bと、発振周波数を入力電流/電圧で可変に設定できる発振器46と、この発振器46を制御するループ回路47と、LPF48a,48bと、ベースバンド信号を出力する出力端子49と、LPF48a,48bからの出力を乗算する乗算器55と、発振器46からの出力信号の位相を90度ずらす位相シフタ56とから構成されている。
【0040】
光合分波器42は、各入力端子41から入力する光信号を合波して、2つの差動出力光変調器50e,50fに出力している。位相シフタ56は、例えば発振器46をサブキャリア周波数の2N(Nは任意の整数)倍の発振周波数の発振器とし、この発振器とシフトレジスタ型分周器とを組み合わせることで容易に構成することができる。なお、図6の構成は、実施の形態2で説明した乗算器としての機能を有する差動出力光変調器50e,50fと差動入力光電気変換器(光電気変換素子44a,44bと電気増幅器45a、光電気変換素子44c,44dと電気増幅器45b)を用いている点を除けば、コスタス(COSTAS)ループとして公知のトラッキングループであり、LPF48a,48bからの信号を乗算器55で乗算して等価的に位相を逓倍した信号により、発振器46の制御を行っている。
【0041】
光合分波器42からの光信号は、差動出力光変調器50e,50fに入力し、ここで光信号は、発振器46からの出力によって変調されて乗算操作が行われ、位相の反転した2種類の発振器出力を乗算したものと等価な2つずつの光信号(すなわち、差動出力光変調器50e,50fの4つの出力)となる。これら光信号は、光電気変換素子44a〜44dにそれぞれ入力し、ここで電気信号にそれぞれ変換され、実施の形態2と同様に、平均光電力に相当する直流成分が相殺された電気信号として電気増幅器45a,45bからそれぞれ出力される。そして、これら電気信号は、LPF48a,48bによって低域周波数成分の出力となって乗算器55で乗算される。ループ回路47では、この電気信号を用いて発振器46の制御を行い、発振器46の出力をサブキャリア信号に同期させる。
【0042】
このように、この実施の形態3でも、平均光電力に相当する直流成分は相殺されるため、ループ回路47としては、PLLなどのごく一般的な低域通過特性のものを用いることが可能である。また、電気増幅器45も、帰還回路にコンデンサを並列に配置するなどの構成にすることで、容易に狭帯域な低域選択型の増幅特性を持たせることができ、これによりSN比の悪い信号に対しても容易に高い利得が得られる。
【0043】
したがって、サブキャリア信号が例えばBPSK(Binary PhaseShift Keying)信号の場合には、出力端子49から復調されたデータ信号を取り出すことが可能となる。
【0044】
この実施の形態3によれば、2つの差動出力光変調器とコスタスループを用いて、位相の反転した発振器出力を乗算したものと等価な4つの光信号を得て、これらを光電気変換器に入力させて平均光電力に相当する直流成分を相殺させるので、サブキャリア信号と発振器出力の乗算結果のみを光電気変換器から取り出すことができる。これにより、この実施の形態では、実施の形態2と同様に、SN比の悪い信号に対しても容易に高い利得を得ることができ、SN比の悪い信号を精度良く復調できる。
【0045】
なお、この実施の形態3では、差動出力型の光変調器を用いた場合について説明したが、この発明はこれに限らず、例えば実施の形態1に示した単相出力の光変調器を用いることも可能である。
【0046】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、入力する光信号を発振出力で変調し、乗算操作を光信号の状態のままで行い、さらに光電気変換された電気信号を用いて発振周波数や位相を制御して、発振出力をサブキャリア信号に位相同期させることで、光電気変換された出力で直接ベースバンド信号を得ることができるので、所定のSN比を得ることができ、信号対雑音比の悪い信号を精度良く復調できるという効果を奏する。
【0047】
つぎの発明によれば、2つの光変調器とコスタスループを用いて、平均光電力に相当する直流成分を相殺させることで、サブキャリア信号と発振器出力の乗算結果のみを光電気変換器から取り出すので、SN比の悪い信号に対しても容易に高い利得を得ることができ、SN比の悪い信号を精度良く復調できるという効果を奏する。
【0048】
つぎの発明によれば、複数の光ファイバから入力する光信号を合波した後に変調して乗算操作を行い、さらにこの光信号を変換した電気信号を用いて発振周波数や位相を制御して、発振出力をサブキャリア信号に位相同期させるので、複数の光信号に対しても精度良く復調できるという効果を奏する。
【0049】
つぎの発明によれば、光変調器、光スイッチ、利得を電気信号で変調する光増幅器、光変調器を組み合わせた光増幅器などを用いて光信号の変調を行うので、光変調器に限らず、変調機能を有する上記のような装置を用いて光変調を行っても所定のSN比を得ることができ、光信号を精度良く復調できるという効果を奏する。
【0050】
つぎの発明によれば、差動出力型の光変調手段と差動入力型の光電気変換手段によって位相の反転した2種類の発振出力を乗算したものと等価な2つの信号を得て、これら光信号を同時に光電気変換器に入力させて平均光電力に相当する直流成分を相殺させるので、SN比の悪い信号に対しても容易に高い利得を得ることができ、SN比の悪い信号を精度良く復調できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1にかかる光受信器の構成を示すブロック図である。
【図2】 図1に示したループ回路の構成を示す回路図である。
【図3】 この発明の実施の形態2にかかる光受信器の構成を示すブロック図である。
【図4】 図3に示した差動出力光変調器の構成を示すブロック図である。
【図5】 図3に示した差動出力光変調器の動作を説明するためのブロック図である。
【図6】 この発明の実施の形態3にかかる光受信器の構成を示すブロック図である。
【図7】 光サブキャリア通信を行う通信システムの従来例の構成を示す図である。
【符号の説明】
40 光受信器、41,47a,51 入力端子、42,50a 光合分波器、43 光変調器、44,44a,44b,44c,44d 光電気変換素子、45,45a,45b 電気増幅器、46 発振器、47 ループ回路、47bコンデンサ、47c,55 乗算器、47d ループフィルタ、47e 増幅器、47f 加算器、47g ディザ発振器、47h,47j,49,52,53 出力端子、47i,48,48a,48b LPF、50,50e,50f差動出力光変調器、50b,50c 変調器、50d 位相反転器、56 位相シフタ。

Claims (3)

  1. 光サブキャリア変調された信号を復調して受信する光受信器において、
    入力する光信号を、発振手段の出力する発振周波数の電気信号で変調して乗算操作を行う第1および第2の光変調手段と、
    前記第1および第2の光変調手段に互いに直交する位相の前記電気信号を出力して、当該第1および第2の光変調手段を駆動させる前記発振手段と、
    前記変調された光信号を電気信号にそれぞれ光電気変換する第1および第2の光電気変換手段と、
    前記変換された電気信号を乗算する乗算手段と、
    前記乗算された電気信号によって前記発振手段の発振周波数または位相を制御する制御手段と、
    複数の光ファイバによって伝送された光信号を合波し、合波した光信号を前記光変調手段に出力する合波手段と
    を備えたことを特徴とする光受信器。
  2. 記光変調手段として光変調器、光スイッチ、利得を電気信号で変調する光増幅器、光変調器を組み合わせた光増幅器のうちの少なくとも一つを備えることを特徴とする請求項に記載の光受信器。
  3. 前記光変調手段は、差動出力型の光変調手段からなり、前記入力する光信号を電気信号で変調して少なくとも2つの光信号を出力し、前記光電気変換手段は、差動入力型の光電気変換手段からなり、前記変調された各光信号を電気信号に変換することを特徴とする請求項1または2に記載の光受信器。
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