JP5700050B2 - コヒーレント光受信装置およびコヒーレント光受信方法 - Google Patents

Description

本発明は、コヒーレント光受信装置およびコヒーレント光受信方法に関し、特に、光多重信号をコヒーレント検波により受信するコヒーレント光受信装置およびコヒーレント光受信方法に関する。

インターネット内の情報量（トラフィック）の増大に伴い基幹伝送システムの更なる大容量化が求められている。大容量化技術の一つとしてコヒーレント光伝送技術が注目されている。コヒーレント光伝送技術では、コヒーレント光受信装置において信号光と局部発振（Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：ＬＯ）光を混合することによって増幅されたＡＣ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ）信号成分を受信する。このとき、局部発振（ＬＯ）光の光出力を大きくするほど信号光に大きな増幅作用が働くため、信号光に対して大きな局部発振（ＬＯ）光を入力することによって高いＳ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅ）比での受信特性が得られる。
このようなコヒーレント光受信装置の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載のコヒーレント光受信装置には、減衰器、光カプラ、受信器、及び処理装置が含まれる。
ここでコヒーレント光受信方式では、入力信号の強度ノイズと、入力信号と局部発振（ＬＯ）光とのビート信号出力とは、入力信号の減衰に応じた低減率が異なる。つまり、入力信号のパワーが減衰すると、入力信号の強度ノイズはビート信号よりも早く低減する。
このことから、特許文献１のコヒーレント光受信装置においては、入力信号と局部発振（ＬＯ）信号を結合する前に入力信号を減衰させることによって、ビート信号のＳ／Ｎ比を向上させることとしている。さらに、処理装置と可変減衰器の間に帰還ループを設けることによって、ビート信号のＳ／Ｎ比の実時間測定に応答して、入力信号の減衰を調整することができるとしている。
また、特許文献２には、入力信号光の強度を調整する強度調整手段と、アナログ信号をデジタル信号に変換する変換手段と、振幅値を記憶する記憶手段と、強度調整手段を制御する制御手段とを備えたコヒーレント型光受信器が開示されている。ここで、変換手段は信号光と局発光とを合波して得られる合波光を光電変換して得られたアナログ信号をデジタル信号に変換する。記憶手段は、局発光を消した状態で入力信号光として波形歪みのない入力信号光を用いた時に得られるアナログ信号の第１振幅値を記憶する。さらに制御手段は、局発光を消した状態で入力信号光として運用時の入力信号光を用いた時に得られるアナログ信号の第２振幅値が第１振幅値と等しくなるように強度調整手段の強度調整値を制御する。このような構成とすることにより、入力信号光が多様な波形歪みの状態にあっても良好な受信特性が達成できるとしている。
特開２００１−２４９０５３号公報（段落「０００７」〜「００１６」） 特開２００９−２１２９９４号公報（段落「００１７」、「００１８」）

コヒーレント光伝送方式においては、強度変調／直接検波（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ−Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ：ＩＭ−ＤＤ）方式と異なり、高出力の局部発振（ＬＯ）光が常に入力されているので、入力信号光のパワー・ダイナミックレンジが制限される。つまり、最小受信感度特性を向上させるために局部発振（ＬＯ）光の出力を大きくすると、受信可能な最大入力パワーが小さくなってしまう。そのため、最小受信感度の改善および伝送距離の延伸と入力ダイナミックレンジがトレードオフの関係になる。そして、関連するコヒーレント光受信器では、フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＰＤ）の定格やトランスインピーダンスアンプ（Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＴＩＡ）の増幅率の制限によって、光入力パワーのダイナミックレンジがＩＭ−ＤＤ方式による受信器に比べて小さくなるという問題があった。
ダイナミックレンジが小さくなると、光通信システムにおける光フィルタ、例えばＲＯＡＤＭ（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）フィルタの損失変動、またはＥＤＦＡ（Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）による波長損失変動などによる影響を吸収することが出来なくなる。そのため、光通信システム全体の設計が困難になり、現行システムに適用できないという問題があった。
一方、コヒーレント光伝送方式には、局部発振（ＬＯ）光の周波数と適合する波長チャンネルの信号のみを受信することができるという特徴がある。このような特徴を利用して、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：波長分割多重）方式における光多重信号（マルチチャンネル）を、光フィルタを通さずに直接コヒーレント受信器に入力し、所望のチャンネル信号を局部発振（ＬＯ）光の波長で選択する光ＦＤＭ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ、周波数分割多重）受信方式が検討されている。
しかしながら、光ＦＤＭ受信方式のように、光ＤＭＵＸ（Ｄｅ−ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）フィルタなどの光フィルタを用いない光通信システムにおいて関連するコヒーレント光受信器を用いることとすると、光入力パワーのダイナミックレンジがさらに狭くなるという問題があった。これは、チャンネル信号として使用しない不要チャンネルの光信号も含めた複数チャンネルの光信号が一括して入力されるため、コヒーレント光受信器の平均入力パワーが増大するからである。
このように、関連するコヒーレント光受信器においては、光入力パワーのダイナミックレンジが減少し、特に、光多重信号を局部発振光の波長により選択的に受信する場合にはダイナミックレンジの減少が著しい、という問題があった。
本発明の目的は、上述した課題である、関連するコヒーレント光受信器においては、光多重信号を局部発振光の波長により選択的に受信する場合にはダイナミックレンジの減少が著しい、という課題を解決するコヒーレント光受信装置およびコヒーレント光受信方法を提供することにある。

本発明のコヒーレント光受信装置は、信号光が多重された光多重信号を一括して受信するコヒーレント光受信器と、可変光減衰器と、コヒーレント光受信器に接続された局部発振器と、コヒーレント光受信器の出力信号に基づく第１の制御信号によって可変光減衰器を制御する第１の制御部、とを有し、コヒーレント光受信器は、９０°ハイブリッド回路と、光電変換器と、インピーダンス変換増幅器とを備え、局部発振器が出力する局部発振光と干渉する信号光を光多重信号の中から選択的に検波し、可変光減衰器は、光電変換器よりも前段側の光多重信号の光路内に配置され、光多重信号を入力し、第１の制御信号に基づいて光多重信号の強度を制御してコヒーレント光受信器に出力する。
本発明のコヒーレント光受信方法は、信号光が多重された光多重信号を一括して受信し、局部発振光と干渉する信号光を光多重信号の中から選択的に検波し、検波後の信号を出力し、検波後の信号に基づいて光多重信号の強度を制御する。

本発明のコヒーレント光受信装置およびコヒーレント光受信方法によれば、光多重信号を局部発振光の波長により選択的に受信する場合であっても、十分なダイナミックレンジを確保することができる。

図１は本発明の第１の実施形態に係るコヒーレント光受信装置の構成を示すブロック図である。
図２は本発明の第１の実施形態に係るコヒーレント光受信装置の動作を示すフローチャートである。
図３は本発明の第１の実施形態に係るコヒーレント光受信装置の別の構成を示すブロック図である。
図４は本発明の第１の実施形態に係るコヒーレント光受信装置のさらに別の構成を示すブロック図である。
図５は本発明の第２の実施形態に係るコヒーレント光受信装置の構成を示すブロック図である。
図６は本発明の第２の実施形態に係るコヒーレント光受信装置の動作を示すフローチャートである。
図７は本発明の第３の実施形態に係るコヒーレント光受信装置の構成を示すブロック図である。
図８は本発明の第３の実施形態に係るコヒーレント光受信方式の原理を説明するための概略図である。
図９はデバイス制限要因について説明するための関連するコヒーレント光受信器の構成を示すブロック図である。
図１０は光多重信号を受信した場合の関連するコヒーレント光受信器における入力信号パワーと局部発振光パワーとの関係を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係るコヒーレント光受信装置１００の構成を示すブロック図である。コヒーレント光受信装置１００は、コヒーレント光受信器１１０、可変光減衰器（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ：ＶＯＡ）１２０、コヒーレント光受信器１１０に接続された局部発振器（ＬＯ）１３０、および第１の制御部１４０を有する。
コヒーレント光受信器１１０は、９０°ハイブリッド回路１１１、光電変換器１１２、およびインピーダンス変換増幅器１１３を備える。そして、信号光が多重された光多重信号を一括して受信し、局部発振器（ＬＯ）１３０が出力する局部発振光と干渉する信号光を光多重信号の中から選択的に検波し、検波後の信号を出力する。
第１の制御部１４０は、コヒーレント光受信器１１０の出力信号に基づく第１の制御信号によって可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０を制御する。例えば、インピーダンス変換増幅器１１３の出力信号から得られる振幅情報に基づいて第１の制御信号を決定し、このときの第１の制御信号によって可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０の減衰度を制御する。
可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０は、光電変換器１１２よりも前段側の光多重信号の光路内に配置され、光多重信号を入力し、第１の制御信号に基づいて光多重信号の強度を制御してコヒーレント光受信器１１０に出力する。
次に、本実施形態のコヒーレント光受信装置１００の動作について図２を用いて説明する。図２は、本実施形態のコヒーレント光受信装置１００の動作を示すフローチャートである。コヒーレント光受信装置１００はまず、可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０で光多重信号を受信する（ステップＳ１１）。可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０は光多重信号の光出力の強度を調整し（ステップＳ１２）、コヒーレント光受信器１１０の９０°ハイブリッド回路１１１に出力する。
９０°ハイブリッド回路１１１は局部発振器（ＬＯ）１３０が出力する局部発振光と入力された光多重信号を干渉させ（ステップＳ１３）、その後、光電変換器１１２で光電変換を行う（ステップＳ１４）。このとき、局部発振器（ＬＯ）１３０が出力する局部発振光と干渉する信号光が光多重信号の中から選択的に検波される。インピーダンス変換増幅器（Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＴＩＡ）１１３は光電変換された電気信号を増幅して出力する（ステップＳ１５）。
第１の制御部１４０は、インピーダンス変換増幅器（ＴＩＡ）１１３の出力信号、例えばＡＣ振幅の値を所定の基準値と比較し（ステップＳ１６）、比較結果を振幅情報とする。ＡＣ振幅値が基準値と等しいか大きい場合（ステップＳ１６／ＮＯ）、第１の制御部１４０はこのときの振幅情報に基づいて定まる第１の制御信号を用いて、減衰量を増やして光出力を減少させるように可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０を制御する（ステップＳ１７）。それに対して、ＡＣ振幅値が基準値よりも小さい場合（ステップＳ１６／ＹＥＳ）、第１の制御部１４０はこのときの振幅情報に基づいて定まる第１の制御信号を用いて、減衰量を変化させないように可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０を制御する（ステップＳ１８）。
可変光減衰器１２０は、第１の制御信号に基づいて光多重信号の強度を制御し（ステップＳ１９）、コヒーレント光受信器１１０に出力する。
このような構成を採用することにより、本実施形態のコヒーレント光受信装置１００によれば、光多重信号の中から選択的に検波した信号光（チャンネル）の強度に基づいて、入力した光多重信号の強度を制御することが可能になる。そのため、選択した信号光（チャンネル）ごとにダイナミックレンジを最適化することができる。したがって、光多重信号を局部発振光の波長により選択的に受信する場合であっても、十分なダイナミックレンジを確保することが可能になる。
これに対して、背景技術で説明した関連するコヒーレント光受信装置においては、光多重信号を入力させた場合、平均的な入力光パワーをモニターするにすぎない。しかしながら、所望の信号光は受信した全体光信号の一部にすぎないため、関連するコヒーレント光受信装置では所望の信号光の光出力は検出することができない。したがって、光多重信号を局部発振光の波長により選択的に受信する場合、関連するコヒーレント光受信装置では入力光のダイナミックレンジを改善することはできない。
図１では、可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０はコヒーレント光受信器１１０の前段の光多重信号の光路内に配置された場合を示したが、これに限らず、光電変換器１１２よりも前段側の光多重信号の光路内であれば、他の箇所に配置することとしてもよい。
ここで、コヒーレント光受信器１１０を構成する光電変換器１１２およびインピーダンス変換増幅器１１３は、それぞれ差動型構成とすることができる。このとき、９０°ハイブリッド回路１１１は、光多重信号と局部発振光を入力して干渉させ、正相光信号と逆相光信号をそれぞれ光電変換器１１２に出力する。そして、光電変換器１１２は正相光信号を光電変換して正相電気信号をインピーダンス変換増幅器１１３に出力し、逆相光信号を光電変換して逆相電気信号をインピーダンス変換増幅器１１３に出力する。差動構成とすることにより、選択した信号光以外の信号光、つまり不要チャンネルの光信号を除去することができる。
上述したように、第１の制御部１４０はコヒーレント光受信器１１０の出力信号に基づく第１の制御信号によって、可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０を制御することとしている。このコヒーレント光受信器１１０の出力信号に基づく第１の制御信号には、コヒーレント光受信器１１０より後段に配置される信号処理部からの制御信号が含まれる。すなわち、本実施形態のコヒーレント光受信装置１００はコヒーレント光受信器１１０の後段にさらにアナログ−デジタル変換器１５０を、さらにはデジタル信号処理部（ＤＳＰ）１６０を備えた構成とすることができる。このとき例えば図３に示すように、第１の制御部１４０はアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１５０の出力信号から得られる振幅情報に基づいて第１の制御信号を決定し、このときの第１の制御信号によって可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０を制御することができる。また図４に示すように、デジタル信号処理部（ＤＳＰ）１６０の出力信号から得られる振幅情報に基づいて第１の制御信号を決定し、このときの第１の制御信号によって可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０を制御することとしてもよい。この場合、第１の制御部１４０とデジタル信号処理部（ＤＳＰ）１６０を同一の集積回路素子に実装することができる。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図５は、本発明の第２の実施形態に係るコヒーレント光受信装置２００の構成を示すブロック図である。コヒーレント光受信装置２００は、コヒーレント光受信器１１０、可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０、コヒーレント光受信器１１０に接続された局部発振器（ＬＯ）１３０、および第１の制御部１４０を有する。
コヒーレント光受信器１１０は、９０°ハイブリッド回路１１１、光電変換器１１２、およびインピーダンス変換増幅器１１３を備える。そして、信号光が多重された光多重信号を一括して受信し、局部発振器（ＬＯ）１３０が出力する局部発振光と干渉する信号光を光多重信号の中から選択的に検波し、検波後の信号を出力する。
第１の制御部１４０は、コヒーレント光受信器１１０の出力信号に基づく第１の制御信号によって可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０を制御する。例えば、インピーダンス変換増幅器１１３の出力信号から得られる振幅情報に基づいて第１の制御信号を決定し、このときの第１の制御信号によって可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０の減衰度を制御する。
可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０は、光電変換器１１２よりも前段側の光多重信号の光路内に配置され、光多重信号を入力し、第１の制御信号に基づいて光多重信号の強度を制御してコヒーレント光受信器１１０に出力する。
ここまでの構成は第１の実施形態のコヒーレント光受信装置１００と同様である。本実施形態のコヒーレント光受信装置２００はさらに、可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０から９０°ハイブリッド回路１１１に出力される光多重信号の一部を取り出す分岐部（ＴＡＰ）２５０、受光部２６０、および第２の制御部２７０を備える。
受光部２６０は分岐部（ＴＡＰ）２５０から入力された光多重信号を電気信号に変換し、このときの電気信号を受光信号として第２の制御部２７０に出力する。第２の制御部２７０は受光部（ＰＤ）２６０から取得した受光信号に基づく第２の制御信号によって、可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０の減衰度を制御する。このとき可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０は、第２の制御信号に基づいて光多重信号の強度を制御してコヒーレント光受信器１１０に出力する。
これにより本実施形態のコヒーレント光受信装置２００によれば、光多重信号の中から選択的に検波した信号光（チャンネル）の強度に加えて、受光した全ての光多重信号（全チャンネル）の強度に基づいて可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０を制御することが可能になる。そのため、コヒーレント光受信器１１０の光電変換器１１２に過大な光信号が入力することを防止することができる。
次に、本実施形態のコヒーレント光受信装置２００の動作について図６を用いて説明する。図６は、本実施形態のコヒーレント光受信装置２００の動作を示すフローチャートである。コヒーレント光受信装置２００はまず、可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０で光多重信号を受信する（ステップＳ２１）。可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０は光多重信号の光出力の強度を調整し（ステップＳ２２）、分岐部（ＴＡＰ）２５０に出力する。
分岐部（ＴＡＰ）２５０は、可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０から９０°ハイブリッド回路１１１に出力される光多重信号の一部を取り出して受光部２６０に出力する。受光部２６０は分岐部（ＴＡＰ）２５０から入力された光多重信号を電気信号に変換し、受光信号として第２の制御部２７０に出力する。
第２の制御部２７０は受光部（ＰＤ）２６０から取得した受光信号、例えば直流（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ：ＤＣ）振幅の値を所定の基準値と比較する（ステップＳ２３）。ＤＣ振幅値が基準値と等しいか大きい場合（ステップＳ２３／ＮＯ）、第２の制御部２７０はこのときの受光信号によって定まる第２の制御信号を用いて、減衰量を増やして光出力を減少させるように可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０を制御する（ステップＳ２４）。それに対して、ＤＣ振幅値が基準値よりも小さい場合（ステップＳ２３／ＹＥＳ）、第２の制御部２７０はこのときの受光信号によって定まる第２の制御信号を用いて、減衰量を変化させないように可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０を制御する（ステップＳ２５）。
９０°ハイブリッド回路１１１は局部発振器（ＬＯ）１３０が出力する局部発振光と入力された光多重信号を干渉させ（ステップＳ２６）、その後、光電変換器１１２で光電変換を行う（ステップＳ２７）。このとき、局部発振器（ＬＯ）１３０が出力する局部発振光と干渉する信号光が光多重信号の中から選択的に検波される。インピーダンス変換増幅器（ＴＩＡ）１１３は光電変換された電気信号を増幅して出力する（ステップＳ２８）。
第１の制御部１４０は、インピーダンス変換増幅器（ＴＩＡ）１１３の出力信号、例えばＡＣ振幅の値を所定の基準値と比較し（ステップＳ２９）、比較結果を振幅情報とする。ＡＣ振幅値が基準値と等しいか大きい場合（ステップＳ２９／ＮＯ）、第１の制御部１４０はこのときの振幅情報に基づいて定まる第１の制御信号を用いて、減衰量を増やして光出力を減少させるように可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０を制御する（ステップＳ３０）。それに対して、ＡＣ振幅値が基準値よりも小さい場合（ステップＳ２９／ＹＥＳ）、第１の制御部１４０はこのときの振幅情報に基づいて定まる第１の制御信号を用いて、減衰量を変化させないように可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０を制御する（ステップＳ３１）。
可変光減衰器１２０は、第１の制御信号および第２の制御信号に基づいて光多重信号の強度を制御し（ステップＳ３２）、コヒーレント光受信器１１０に出力する。
以上説明したように、本実施形態のコヒーレント光受信装置２００によれば、光多重信号を局部発振光の波長により選択的に受信する場合であっても、十分なダイナミックレンジを確保することが可能であるとともに、光電変換器１１２の保護を図ることができる。
図５では、可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０および分岐部（ＴＡＰ）２５０は、コヒーレント光受信器１１０の前段の光多重信号の光路内に配置された場合を示した。しかし、これに限らず、光電変換器１１２よりも前段側の光多重信号の光路内であれば、他の箇所に配置することとしてもよい。
上述したように本実施形態では、第１の制御部１４０はインピーダンス変換増幅器（ＴＩＡ）１１３の出力信号から得られる振幅情報に基づいて第１の制御信号を決定し、このときの第１の制御信号によって可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０を制御することとした。しかしこれに限らず、第１の実施形態と同様に、アナログ−デジタル変換器１５０またはデジタル信号処理部（ＤＳＰ）１６０の出力信号から得られる振幅情報を用いることとしてもよい。
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態では、変調方式として偏波多重４相位相変調（Ｄｕａｌ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：ＤＰ−ＱＰＳＫ）方式を用いた場合を例として説明する。
図７は、本発明の第３の実施形態に係るコヒーレント光受信装置３００の構成を示すブロック図である。コヒーレント光受信装置３００は、コヒーレント光受信器３１０、可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０、コヒーレント光受信器３１０に接続された局部発振器（ＬＯ）１３０、および第１の制御部３４０を有する。
コヒーレント光受信器３１０は、９０°ハイブリッド回路３１１、光電変換器３１２、およびインピーダンス変換増幅器３１３を備える。そして、信号光が多重された光多重信号を一括して受信し、局部発振器（ＬＯ）１３０が出力する局部発振光と干渉する信号光を光多重信号の中から選択的に検波し、検波後の信号を出力する。可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０は、光電変換器３１２よりも前段側の光多重信号の光路内に配置され、光多重信号を入力し第１の制御部３４０からの第１の制御信号に基づいて光多重信号の強度を制御して出力する。これまでの構成は第１の実施形態によるコヒーレント光受信装置１００と同様である。
本実施形態によるコヒーレント光受信装置３００では、コヒーレント光受信器３１０の後段にさらにアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３５０およびデジタル信号処理部（ＤＳＰ）３６０を備える。そして、第１の制御部３４０はデジタル信号処理部（ＤＳＰ）３６０の出力信号から得られる振幅情報に基づいて第１の制御信号を決定し、このときの第１の制御信号によって可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０を制御することとした。
コヒーレント光受信装置３００の構成について、以下にさらに具体的に説明する。図７に示すように、コヒーレント光受信器３１０には、信号光入力ポートから位相変調された光多重信号が一括して入力される。一方、局部発振（ＬＯ）光ポートには局部発振器（ＬＯ）１３０から局部発振光が入力される。また、コヒーレント光受信器３１０は信号光の入力側に偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３１４を、局部発振光の入力側にビームスプリッタ（ＢＳ）３１５を備えている。
可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０は光多重（マルチチャンネル）信号を入力し、第１の制御部３４０からの第１の制御信号に基づいて光多重信号の強度を減衰させることによって所望の光出力範囲に調整し、コヒーレント光受信器３１０に出力する。
光出力を調整された光多重信号は、コヒーレント光受信器３１０を構成する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３１４によって二つの偏波光に分岐され、それぞれ９０°ハイブリッド回路（９０° Ｈｙｂｒｉｄ）３１１に入力される。９０°ハイブリッド回路３１１において光多重信号は同相成分（Ｉ）および直交成分（Ｑ）に分離され、光電変換器３１２としてのフォトダイオード（ＰＤ）にそれぞれ差動入力される。より詳細には、光多重信号と局部発振（ＬＯ）光とのビート出力が偏波・位相・強度のそれぞれについてダイバーシティ分岐され、総数８種類の光信号がそれぞれフォトダイオード（ＰＤ）に入力される。
フォトダイオード（ＰＤ）からの出力信号は、インピーダンス変換増幅器３１３としての差動増幅器によってＡＣ信号成分のみが取り出され、後段のアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３５０に適した出力振幅に増幅される。その後、４個のアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３５０によってそれぞれデジタル信号に変換され、デジタル信号処理部（ＤＳＰ）３６０において二つのＩ／Ｑ平面にマッピングされた信号として処理される。
デジタル信号処理部（ＤＳＰ）３６０は、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３５０の出力振幅が一定になるように処理を行う。第１の制御部３４０は、そのときの処理信号を用いて第１の制御信号を決定し、このときの第１の制御信号によって可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０を制御する。可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０は第１の制御信号に基づいて光多重信号の強度を減衰させることによって所望の光出力範囲に調整する。
このように、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３５０の出力振幅に基づいて光パワーを制御する可変光減衰器（ＶＯＡ）を設けることによって、選択した信号光の強度に基づいてコヒーレント光受信器に入力する光パワーを制御することができる。それによって、コヒーレント光受信器が受信可能なパワー・ダイナミックレンジを拡大することができる。
なお図７では、可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０はコヒーレント光受信器３１０の前段の光多重信号の光路内に配置された場合を示したが、これに限らず、光電変換器３１２よりも前段側の光多重信号の光路内であれば、他の箇所に配置することとしてもよい。
以上説明したように、本実施形態のコヒーレント光受信装置３００によれば、光多重信号の中から選択的に検波した信号光（チャンネル）の強度に基づいて、入力した光多重信号の強度を制御することが可能になる。そのため、選択した信号光（チャンネル）ごとにダイナミックレンジを最適化することができる。したがって、光多重信号を局部発振光の波長により選択的に受信する場合であっても、十分なダイナミックレンジを確保することが可能になる。
図８に、本実施形態におけるコヒーレント光受信方式の原理を説明するための概略図を示す。コヒーレント光受信方式では、信号光と局部発振（ＬＯ）光を９０°ハイブリッド回路４０１で合波し、差動型のフォトダイオード（ＰＤ）４０２で受光する。図８では、簡単のため偏波分離を含まない構成について説明する。
ＱＰＳＫ変調方式では、信号光の位相に情報が付与されている。信号光と同一周波数の局部発振（ＬＯ）光を合波することによって、光強度および位相情報を検出することができる。このとき、信号光のうち一方は信号光と局部発振（ＬＯ）光をそのまま光カプラ４０３で合波し、他方は９０°位相差部４０４を通過させた後の局部発振（ＬＯ）光と信号光を合波させる。これによって、位相情報のコサイン（ｃｏｓ）成分とサイン（ｓｉｎ）成分がそれぞれ得られる。これらの光信号をフォトダイオード（ＰＤ）４０２で受光することにより、各光信号が現在どの位相に存在するかがわかる。このようなコヒーレント光受信方式には以下の特徴がある。すなわち、信号光または局部発振（ＬＯ）光の周波数変動をデジタル信号処理で修正可能であり、また、位相情報を用いることにより波長分散または偏波モード分散をデジタル信号処理で補償することが可能である。
次に、関連するコヒーレント光受信器のデバイス制限要因について説明する。図９は、デバイス制限要因について説明するための関連するコヒーレント光受信器の構成を示すブロック図である。図に示すように、フォトダイオード（ＰＤ）の最大入力制限（Ａ）、インピーダンス変換増幅器（ＴＩＡ）の増幅率（Ｂ）、および信号出力振幅の制限条件（Ｃ）によって実際の光信号の最大入力パワーが決定される。入力光パワーが小さい場合には、ＴＩＡの最大増幅率（Ｂ）だけが問題になるが、入力パワーが大きい場合には、ＰＤの最大入力制限（最大入力定格）（Ａ）、ＴＩＡの最小増幅率（Ｂ）および信号出力振幅最大値（Ｃ）が問題になる。
具体的事例として、光多重信号（マルチチャンネル）を受信した場合における関連するコヒーレント光受信器の入力制限について説明する。図１０は、光多重信号を受信した場合の関連するコヒーレント光受信器における入力信号パワーと局部発振光パワーとの関係を示す図である。横軸は入力信号パワー、縦軸は局部発振（ＬＯ）光パワーであり、信号光が１００チャンネルの場合を示す。
図１０において、領域（Ｉ）はＰＤの最大定格による制限を示し、領域（ＩＩ）はＴＩＡの利得上限による制限を、領域（ＩＩＩ）はＴＩＡの利得下限による制限を示す。図から、光通信システムにおいて実際に使用可能な領域は図中白抜きで示した領域（Ｘ）に限られることがわかる。入力光信号パワーの範囲ΔＰの値は、局部発振（ＬＯ）光パワーが１３ｄＢｍのとき約８ｄＢ程度となる。光入力ダイナミックレンジが約８ｄＢ程度であると、光通信システムの設計は困難である。また、コヒーレント光受信器では局部発振（ＬＯ）光によって受信感度を上げる構成であるため、局部発振（ＬＯ）光のパワーは大きいほど望ましい。そのため入力光信号パワーの範囲はさらに制限されることになる。
ここで、光入力ダイナミックレンジを拡げるために、コヒーレント光受信器の前段に可変光減衰器（ＶＯＡ）を設け、受信可能な光入力レベルまで光入力パワーを減衰させることも考えられる。しかし、光多重信号を受信する場合には、複数チャンネルの光入力信号が混在しているため、可変光減衰器（ＶＯＡ）のフィードバック制御に用いることができない。
これに対して、本実施形態のコヒーレント光受信装置３００においては、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）の出力振幅またはインピーダンス変換増幅器（ＴＩＡ）の増幅率を可変光減衰器（ＶＯＡ）のフィードバック制御に使用するように第１の制御部が構成されている。これによって、１チャンネルの光信号に基づく制御信号を検出することができるため、可変光減衰器（ＶＯＡ）を適切に制御することが可能となり、ダイナミックレンジを拡大することができる。
上述した実施形態における可変光減衰器（ＶＯＡ）１２０には、ファイバー型可変光減衰器（ＶＯＡ）であっても、ＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）型可変光減衰器（ＶＯＡ）であっても用いることができる。また、コヒーレント光受信器と一体に形成された集積型可変光減衰器（ＶＯＡ）とすることもできる。
本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
この出願は、２０１０年１１月１８日に出願された日本出願特願２０１０−２５８０２１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００、２００、３００ コヒーレント光受信装置
１１０、３１０ コヒーレント光受信器
１１１、３１１、４０１ ９０°ハイブリッド回路
１１２、３１２ 光電変換器
１１３、３１３ インピーダンス変換増幅器
１２０ 可変光減衰器（ＶＯＡ）
１３０ 局部発振器（ＬＯ）
１４０、３４０ 第１の制御部
２５０ 分岐部（ＴＡＰ）
２６０ 受光部
２７０ 第２の制御部
３１４ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
３１５ ビームスプリッタ（ＢＳ）
１５０、３５０ アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）
１６０、３６０ デジタル信号処理部（ＤＳＰ）
４０２ フォトダイオード（ＰＤ）
４０３ 光カプラ
４０４ ９０°位相差部

Claims (14)

1. 複数の波長の信号光が多重された光多重信号を一括して受け付けるコヒーレント光受信器と、
   前記光多重信号の強度を減衰する可変光減衰器と、
   前記コヒーレント光受信器に接続された局部発振器と、
   前記コヒーレント光受信器の出力信号から得られる振幅情報に基づく第１の制御信号によって前記可変光減衰器を制御する第１の制御部、
   とを有し、
   前記コヒーレント光受信器は、９０°ハイブリッド回路と、光電変換器と、インピーダンス変換増幅器とを備え、前記局部発振器が出力する局部発振光と干渉する信号光を前記光多重信号の中から選択的に検波し、
   前記可変光減衰器は、前記光電変換器よりも前段側の前記光多重信号の光路内に配置され、前記光多重信号を入力し、前記第１の制御信号と前記光多重信号のトータル光パワーとに基づいて前記光多重信号の強度を減衰して前記コヒーレント光受信器に出力する
   コヒーレント光受信装置。
2. 請求項１に記載したコヒーレント光受信装置において、
   前記可変光減衰器から前記コヒーレント光受信器に出力される前記光多重信号の一部を取り出す分岐部と、受光部と、第２の制御部をさらに備え、
   前記受光部は、前記光多重信号のトータル光パワーの一部を電気信号に変換した受光信号を、前記第２の制御部に出力し、
   前記第２の制御部は、前記受光信号に基づく第２の制御信号によって前記可変光減衰器を制御し、
   前記可変光減衰器は、前記第２の制御信号に基づいて前記光多重信号の強度を減衰して前記コヒーレント光受信器に出力する
   コヒーレント光受信装置。
3. 請求項１または２に記載したコヒーレント光受信装置において、
   前記第１の制御部は、前記インピーダンス変換増幅器の出力信号から得られる振幅情報に基づいて前記第１の制御信号を決定し、前記第１の制御信号によって前記可変光減衰器の減衰度を制御する
   コヒーレント光受信装置。
4. 請求項１または２に記載したコヒーレント光受信装置において、
   前記コヒーレント光受信器の後段にアナログ−デジタル変換器をさらに備え、
   前記第１の制御部は、前記アナログ−デジタル変換器の出力信号から得られる振幅情報に基づいて前記第１の制御信号を決定し、前記第１の制御信号によって前記可変光減衰器の減衰度を制御する
   コヒーレント光受信装置。
5. 請求項１または２に記載したコヒーレント光受信装置において、
   前記コヒーレント光受信器の後段にアナログ−デジタル変換器と、デジタル信号処理部をさらに備え、
   前記第１の制御部は、前記デジタル信号処理部の振幅情報に基づいて前記第１の制御信号を決定し、前記第１の制御信号によって前記可変光減衰器の減衰度を制御する
   コヒーレント光受信装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載したコヒーレント光受信装置において、
   前記可変光減衰器は、前記コヒーレント光受信器の前段の前記光多重信号の光路内に配置されている
   コヒーレント光受信装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載したコヒーレント光受信装置において、
   前記光電変換器と前記インピーダンス変換増幅器は、それぞれ差動型構成であり、
   前記９０°ハイブリッド回路は、前記光多重信号と前記局部発振光を入力して干渉させ、正相光信号と逆相光信号をそれぞれ前記光電変換器に出力し、
   前記光電変換器は、前記正相光信号を光電変換して正相電気信号を前記インピーダンス変換増幅器に出力し、前記逆相光信号を光電変換して逆相電気信号を前記インピーダンス変換増幅器に出力する
   コヒーレント光受信装置。
8. 複数の波長の信号光が多重された光多重信号を一括して受け付け、
   局部発振光と干渉する信号光を前記光多重信号の中から選択的に検波し、前記検波後の信号を出力し、
   前記検波後の信号から得られる振幅情報と前記光多重信号のトータル光パワーとに基づいて前記光多重信号の強度を減衰する
   コヒーレント光受信方法。
9. 請求項８に記載したコヒーレント光受信方法において、
   前記信号光を前記光多重信号の中から選択的に検波する前に、前記光多重信号の一部を取り出して電気信号に変換し、
   前記電気信号に基づいて前記光多重信号の強度を減衰する
   請求項８に記載したコヒーレント光受信方法。
10. 請求項８または９に記載したコヒーレント光受信方法において、
    前記検波後の信号から振幅情報を取得し、前記振幅情報に基づいて前記光多重信号の強度を減衰する
    コヒーレント光受信方法。
11. 所定の波長の局部発振光を出力する第１の手段と、
    入力された波長多重光信号の光強度を減衰することが可能な第２の手段と、
    前記第２の手段からの前記波長多重光信号と前記局部発振光とを干渉させ、前記波長多重光信号から所定の波長の光信号を選択的にコヒーレント光受信する第３の手段と、
    前記第３の手段が受信する前記光信号を電気的に処理して出力する第４の手段と、
    前記第４の手段の出力から得られる振幅情報と前記波長多重光信号のトータル光パワーとに基づき、前記第２の手段の前記波長多重光信号に対する減衰量を制御する第５の手段と、
    を備える光通信装置。
12. 前記第２の手段に入力される前記波長多重光信号を分岐して前記波長多重光信号のトータル光パワーの一部を取り出す第６の手段と、
    前記第６の手段が取り出した前記波長多重光信号のトータル光パワーの一部の光強度をモニタする第７の手段と、
    前記モニタ結果に応じて、前記第２の手段の前記波長多重光信号に対する減衰量を制御する第８の手段と、をさらに備える
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光通信装置。
13. 所定の波長の局部発振光を出力し、
    入力された波長多重光信号の光強度を減衰し、
    前記波長多重光信号と前記局部発振光とを干渉させ、前記波長多重光信号から所定の波長の光信号を選択的に受信し、
    前記選択的に受信した光信号を光電変換し、前記光電変換後の信号を出力し、
    前記光電変換後の信号から得られる振幅情報と前記波長多重光信号のトータル光パワーとに基づき、前記波長多重光信号に対する減衰量を制御する
    ことを特徴とする光通信方法。
14. 前記波長多重光信号を分岐して前記波長多重光信号のトータル光パワーの一部を取り出し、
    前記波長多重光信号のトータル光パワーの一部の光強度をモニタし、
    前記モニタ結果に応じて、前記波長多重光信号に対する減衰量を制御する
    ことを特徴とする請求項１３に記載の光通信方法。

Images