JPH0296719A

JPH0296719A - 光信号検波回路

Info

Publication number: JPH0296719A
Application number: JP63250560A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Toba; 弘鳥羽
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-10-03
Filing date: 1988-10-03
Publication date: 1990-04-09
Anticipated expiration: 2013-01-26
Also published as: JP2704418B2

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〕本発明は光通信に利用する。特に、周波数変調された光
信号の復調に関する。

〔従来の技術〕

周波数変調された光信号を直接検波するには、従来、フ
ァブリペロ−・エタロンが用いられている。ファブリペ
ロ−・エタロンは特定の光周波数だけを透過させること
ができる。そこで、ファブリペロ−・エタロンの透過周
波数をマーク信号周波数またはスペース信号周波数の一
方に一致させておく。これにより、ファブリペロー・エ
タロンの透過光強度から、マークまたはスペースを識別
できる。

このような検波方式については、例えば、カミノー他、
ｒＦＤＭ−ＦＳにスター・ネットワーク・ウィズ・ア・
チューナプル・オプティカル・フィルタ・デマルチプレ
クサＪ、Ｉ巳巳エレクトロニクス・レターズ第２３巻第
２１号第１１０２頁〜第１１０３頁、１９８７年（１，
Ｐ、にａｍｉｎｏｗ　ｅｔ、ａ１、、　”ＦＤＭ−ＦＳ
Ｋ　５ｔａｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｗ＋ｔｈ　ａ　ｔｕｎａ
ｂｌｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｌｔｅｒ　ｄｅｍｕｌｔ
ｉｐｌｅｘｅｒ”。

ＩＥＥ　　Ｅｉｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ、Ｖｏ１、２３．　　Ｎｏ、２１．　　ｐｐＨ０２−
１１０３（１９８７））　に説明されている。

第６図は従来例光信号検波回路を示す。

ファブリペロー・エタロン６１は屈折率媒体の両端に反
射鏡６２が設けられた構造をもつ。ファブリペロー・エ
タロン６１の出射端近傍には受光素子２が配置される。

受光素子２は増幅器４に接続される。

第７図はファブリペロ−・エタロンの透過特性と入出力
光との関係を示す。第７図（ａ）は透通特性を示し、第
７図（ハ）、（Ｃ）はそれぞれ入力光、出力光のスペク
トル分布を示す。

ファブリペロー・エタロンの透過率Ｔ　（ｆ）は、周波
数の関数として、・　、（１）で表される。ここで、Ｒは反射鏡の反射率、ｎはファブ
リペロー・エタロンの媒質の屈折率、Ｃは真空中の光速
、ｌはファブリペロ−・エタロンの共振器長、ｆは光周
波数である。共振ピークの間隔ＦＳＲおよび共振ピーク
の透過強度の半値幅ΔｆＰＰは、で表される。

そこで、第６図に示したファブリペロー・エタロン７１
の入射端に、周波数変調された光信号を入射する。

周波数変調された光信号は、第７図ら）に示すように、
マーク　（ｒｌＪ）とスペース（「０」）とに異なる光
周波数が割り当てられている。ここで、スペースに光周
波数ｆ、が割り当てられ、マークに光周波数ｆ２が割り
当てられているとする。ただし、ｆ、＝ｆ、＋ｆ、とす
る。ｆ、は周波数偏移である。また、スペース信号周波
数およびマーク信号周波数は、変調速度により広がりを
もつ。

この広がりの半値幅をΔｆ□とする。

このとき、ファブリペロ−・エタロン６１の共振ピーク
のひとつを光周波数ｆ、またはｆ２に一致させ、共振ピ
ークの間＠ＦＳＲを周波数偏移ｆ、より大きくとり、Δ
ｆＦＰをΔｆ０より大きくとれば、第７図（Ｃ）に示す
ような透過光強度が得られる。すなわち、マークのみ、
またはスペースのみのスペクトルを取り出すことができ
る。この透過光を受光素子２に結合することにより、周
波数変調信号を強度変調信号に変換し、検波復調するこ
とができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、ファブリペロ−・エタロンに入射した光信号は
反射鏡の間を多重反射するため、信号の位相遅れが生じ
、その結果、検波した信号の波形に歪が生じる欠点があ
った。

また、出力ポートとしてファブリペロー・エタロンの一
端しか利用できず、しかもマーク信号周波数とスペース
信号周波数とのいずれか一方しか受信できないため、信
号光電力を有効に利用できず、受信感度が劣化する欠点
があった。

さらに、ｎ値（ｎは４以上の正整数）の周波数変調信号
を分離する場合には、サーキュレータ等が必要となり、
フィルタ構成が複雑となる欠点があった。

本発明は、以上の問題点を解決し、信号光電力を有効に
利用して高感度に光周波数変調信号を検波する光信号検
波回路を提供することを目的とする。

ｃ問題点を解決するための手段〕本発明の光信号検波回路は、ｎ値（ｎは２以上の整数）
に周波数変調された光信号を検波する光信号検波回路で
あり、ｎ値にそれぞれ対応する光周波数をそれぞれ異な
る出力ポートに出力するマッハ・ツェンダ形の周期形フ
ィルタを用いたことを特徴とする。

マッハ・ツェンダ形の周期形フィルタは、その基本構造
としてマッノいツエンダ干渉計を含み、分岐比が実質的
に等しい２人力２出力の二つの方向性結合器と、この二
つの方向性結合器の出力端と入力端とをそれぞれ接続す
る光路長が異なる二本の光導波路とを備え、光周波数を
二つの出力ボ−トのいずれかに出力する。二つの出力ポ
ートの透過特性は、光周波数に対して周期的となる。

この基本構造の周期形フィルタをトーナメント形にＮ段
接続することにより、光周波数を２°個の出力ポートに
分離できる。空き出力ポートを許容すれば、２以上の任
意の数の出力ポートに光周波数を分離できる。

２値の光信号を検波するには、周期形フィルタの一方の
出力ポートに透過する光周波数をマーク信号周波数に一
致させ、他方の出力ポートに透過する光周波数をスペー
ス信号周波数に一致させる。

一方の出力ポートだけの出力光では検波可能であるが、
双方の出力ポートの出力光を検波することが望ましい。

３以上の整数ｎについてｎ値の光信号を検波する場合に
は、ｎ個以上の出力ポートを含む周期形フィルタを用い
る。このとき、ｎ値の各レベルに対応する光周波数がそ
れぞれ別々の出力ポートに出力される構成とし、それぞ
れの出力ポートで出力光を検波して復調する。

〔作　用〕

マッハ・ツェンダ干渉計を利用した周期形フィルタは、
多重反射による遅延がなく、信号波形の歪が小さい。ま
た、入射した光信号のすべてのパワーをいずれかの出力
ポートに結合することができる。したがって、それぞれ
の出力ポートに受光素子を配置すれば、信号光電力を有
効に利用でき、受信感度が向上する。

〔実施例〕

第１図は本発明第一実施例光信号検波回路の構成図であ
る。この実施例は、２値に周波数変調された光信号を検
波する回路で本発明を実施したものである。

この光信号検波回路は、２値に周波数変調された光信号
の特定の光周波数を透過する光フィルタ、すなわち周期
形フィルタ１と、この周期形フィルタ１を透過した光を
受光する受光素子２−１．２−２とを備える。周期形フ
ィルタ１は、周波数変調の２値にそれぞれ対応する光周
波数をそれぞれ異なる出力ポート１７−１．１７−２に
出力するマツハツエンダ形のフィルタである。

受光素子２−１．２−２は差動的に接続され、その出力
が帯域通過フィルタ３を介して増幅器４に接続される。

受光素子２−１．２−２の出力はまた、電極制御回路５
に接続される。

周期形フィルタ１は、分岐比が実買的に等しい２人力２
出力の二つの方向性結合器１１．１２と、この二つの光
方向性結合器１１．１２の出力端と入力端とをそれぞれ
接続する光路長が異なる二本の光導波路１３．１４とを
備える。方向性結合器１１の入力端は、この周期形フィ
ルタｌの入カポ−）１６−１．１６−２として使用され
る。方向性結合器１２の出力端は、出力ポート１７−１
．１７−２として使用される。周期形フィルタｌはまた
、光導波路１３の近傍に導波路位相制御用の加熱電極１
５を備える。加熱電極１５は電極制御回路５に接続され
る。

第２図は周期形フィルタ１の透過特性と入出力光との関
係を示す。第２図（ａ）は周期形フィルタ１の透過特性
を示し、第２図ら）は入射光のスペクトル分布を示し、
第２図（Ｃ）および（ｄ）はそれぞれ出力ポート１７−
１．１７−２に透過する光のスペクトル分布を示す。

人カポ−）　１６−１から出力ポート１７−１への透過
率Ｔ１および人力ポート１６−１から出力ポート１．７
−２への透過率Ｔ２は、方向性結合器１１．１２の電力
結合率が０．５であれば、で表される。ここで、ｎは光導波路１３．１４の等価屈
折率、Δｌは光導波路１３と光導波路１４との光路長差
である。

二つの透過率Ｔ、　、Ｔ２が最大となる周波数間隔（以
下「透過周波数間隔」という）Δｆａは、で表される。

例えば石英系の光導波路を用いる場合を仮定してｎ＝１
．４７とすると、Δｆａ＝ＩＧ）！ｚを得るためには、
Δβ＝１０．１９７ｃｍが必要である。

Δｆａの値は、人力される光信号の周波数偏差と等しい
値に設定される。

ここで、入カポ−）　１６−１に、スペースを光周波数
ｆｌ　、マークを光周波数ｆ２　に対応させた周波数変
調信号を入射する。このとき、周期形フィルタ１の透過
周波数間隔Δｆａを周波数偏移ｆ、＝ｆｚ　　　ｆｌ　
と等しい値に設定し、透過率ＴＩが最大となる周波数を
光周波数ｆ、に一致させ、透過率Ｔ２が最大となる周波
数を光周波数ｆ２に一致させておく。これにより、出カ
ポ−）　１７−１．１７−２に、それぞれ光周波数ｆ、
、ｆ２の成分が出力される。これらの出力は、それぞれ
受光素子２−１．２−２に入射する。

受光素子２−１．２−２は差動的に接続されており、出
カポ−１−１７−１，１７−２からの二つの出力光信号
を電気的な強度変調信号に変換する。帯域通過フィルタ
３は、受光素子２−１．２−２０差動出力から復調に必
要な帯域のみを取り出す。増幅器４は帯域通過フィルタ
３の出力を増幅する。

電極制御回路５は、受光素子２−１　、２−２の差動出
力の直流成分を監視し、この出力が常に所定の値になる
ように、加熱電極１５にバイアス電流を供給する。特に
、透過特性が（４）式、（５）式で表される理想的な周
期形フィルタを用い、受光素子２−１．２−２の量子効
率が等しく、受光素子２−１．２−２がそれぞれ＋Ｖｏ
、　Ｖｏにバイアスされている場合には、差動出力が「
０」となるように加熱電極１５のバイアス電流を制御す
る。加熱電極１５は電流により発熱し、光導波路１３の
光路長を変化させる。

これにより、二つの光導波路１３．１４の間の光路長差
を変化させて導波路位相を制御し、出力ポート１７−１
．１７−２への透過光周波数を調整することができる。

周期形ファイバにおける透過光周波数の調整については
、例えば、ドパ他、’５ＧＨｚスペースト、エイトチャ
ネル、ガイデドウェイブ・チューナブル・マルチ／デマ
ルチプレクサ・フォー・オプティカルＦＤＭ　　）ラン
スミッション・システムズ」、１８εエレクトロニクス
・レターズ第２３巻第１５号第７８８頁〜第７８９頁、
１９８７年（Ｈ，Ｔｏｂａ　ｅｔ、ａ１、、　”５（Ｊ
ｚ−ｓｐａｃｅｃ１、　　ｅｉｇｈｔ−ｃｈａｎｎｅ１
、　　ｇｕｉｄｅｄ−ｗａｖｅ　　ｔｕｎａｂ！ｅｍｕ
ｌｔｉ／ｃｌｅｍｕＨｉ−ｐｌｅｘｅｒ　ｆｏｒ　ｏｐ
ｔｉｃａｌ　ＦＤＭ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｙ
ｓｔｅｍｓ　、　　ＩＥＥ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
　１ｅｔｔｅｒｓ。

Ｖｏ１、２３．Ｎｏ、１５．　ＩＩｐ”、８８−’、８
９．　１９８７）！：説明サすテイる。

第３図は方向性結合器１１．１２の電力結合係数に対す
る出カポ−）１７−１．１７−２での損失およびクロス
トークの計算結果を示す。

実際の光導波路で周期形フィルタを構成する場合には、
曲げ損失を考慮した導波路損失、方向性結合器の電力結
合係数の０．５に対する製造誤差その他を考慮する必要
がある。例えば、タカト他、「シリカペースト・シング
ルモード・ウエイフカイヅ・オン・シリコン・アンド・
ゼア・アプリケーション・ツー・ガイデドウエーブ・オ
プティカル・インタフ入ロメータズ」、１８８日ジャー
ナル・オブ・ライトウェーブ・チクノロシイ」、第６巻
第４号第１００３頁〜第１０１０頁、１９８８年（Ｎ、
　Ｔａｋａｔ。

ｅｔ、ａ１、、　　”５ｉｌｉｃａ−ｂａｓｅｄ　ｓｉ
ｎｇｌｅ−ｍＯｄｅ　ｗａｖｅｇｕｉｄｓｏｎ　５ｉｌ
ｉｃｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏ
ｎ　ｔｏ　ｇｕ＋ｄｅｄ−ｗａｖｅ　　ｏｐｔｉｃａｌ
　　ｉｎｔｅｒｆｅｒａｍｅｔｅｒｓ　　、　　ＩＥＥ
Ｅ　　　Ｊｏｕｎａｌｏｆ　ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　ｔｅ
ｃｈｎｏｌｏｇｙ、　　Ｖｏ１、６．　　Ｎｏ、４．　
　ｐｐ１、ＱＱ３−１０１０．１９８８）に示されてい
るように、現在製造されている石英系導波路では、曲率
半径５市以上では曲げによる導波路の過損は発生せず、
０．１ｄＢ／ｃｍという小さい導波路損失を実現できる
。

そこで、光導波路１３．１４の導波路損０．１ｄＢ／ｃ
ｍ、周波数間隔Δｆａ　＝　１ＧＨｚ　、光導波路１３
．１４の屈折率ｎ＝１．４７、光路長差Δ１　＝１０．
１９７の周期形フィルタについて、方向性結合器１１．
１２の電力結合係数に対する出カポ−）　１７−１．１
７−２における損失およびクロストークを計算した。第
３図において、Ｌ、　、Ｌ、はそれぞれ出力ポート１７
−１．１７−２の出力における損失を示し、Ｃ１、Ｃ２
はそれぞれの出力におけるクロストークを示す。なお、
この計算では、方向性結合器１１．１２の電力結合係数
が等しいと仮定した。

第３図に示したように、電力結合係数ｔ＝０．５のとき
には、双方の出力ともに損失が１．２ｄＢであり、クロ
ストークも一２ＯｄＢ以下の小さい値が確保される。

クロストークが増加すると、受光素子２−１．２−２の
差動出力振幅が小さくなり、信号対雑音比が劣化してし
まう。したがって、クロストークは一１３ｄＢ以下であ
ることが必要である。クロストークを一１３ｄＢ以下と
し、しかも損失を１．３ｄＢ以下とするには、第４図か
ら、方向性結合器１１、工２の電力結合率ｔを０．４４
≦ｔ≦０．５７とする必要がある。

第４図は本発明第二実施例光信号検波回路の構成図であ
る。この実施例は、４値に周波数変調された光信号を検
波する回路に本発明を実施したものである。

この光信号検波回路は、４値に周波数変調された光信号
の特定の光周波数を透過する光フィルタ、すなわち周期
形フィルタ１′　と、この周期形フィルタ１′を透過し
た光を受光する受光素子２−１〜２−４とを備え、周期
形フィルタ１′は、４値にそれぞれ対応する光周波数を
それぞれ異なる出力ポート、すわなち１７−１〜１７−
４に出力する構成である。

受光素子２−１．２−２と受光素子２−３．２−４とは
それぞれ差動的に接続される。受光素子２−１．２−２
の差動出力は、レベルシフタ４１を介して加算器４２に
入力される。受光素子２−３．２−４の差動出力は、そ
のまま加算器４２に入力される。加算器４２の出力は増
幅器４に人力される。

周期形フィルタ１′は、第一実施例に右ける周期形フィ
ルタを一個のフィルタ素子とし、このフィルタ素子を二
段構成に接続した構造をもつ。すなわち、周期形フィル
タ素子ＦＬＩの二つの出力ポートにはそれぞれ周期形フ
ィルタ素子ＰＬ２　、ＦＬ３０入カポートが接続される
。周期形フィルタ素子ＰＬ２　、Ｆ１ａの出力ポートが
周期形フィルタ１′の出力ポート１．７−１〜１７−４
として用いられる。

ただし、周期形フィルタ素子ＦＬＩの二本の光導波路の
光路長差はΔ１１であり、周期形フィルタ素子ＰＬ２　
、Ｆ１ａのそれぞれの二本の光導ａ、路の光路長差はΔ
１２＝Δβ１／２である。したがって、周期形フィルタ
素子ＦＬＩの透過周波数間隔Δｆａ。

に対し、周期形フィルタ素子ＰＬ２　、Ｆ１ａの透過周
波数間隔Δｆａ、は、 △ｆａ２＝２△ｆａの関係がある。

第５図は周期形フルイタ素子ＦＬＩ　、ＰＬ２　、Ｆ１
ａの人出カスベクトルを示す。

周期形フィルタ素子ＦＬＩの一方の人力ポート、すなわ
ち入カポ−）　１６−１には、中心周波数として光周波
数ｆ＋、ｆｚ、ｆａおよびｆ、がそれぞれ割り当てられ
た４値の周波数変調（Ｆ　Ｓ　Ｋ）信号が入力される。

ここで、周期形フィルタ素子ＦＬＩの透過周波数間隔Δ
ｆａ、を周波数変調信号の隣接周波数間隔ｆ。

と等しい値に設定し、透過中心周波数を調整しておく。

これにより周期形フィルタ素子ＦＬＩの一方の出力ポー
トには、第５図（５）に示すように、光周波数ｆ１、ｆ
＊の成分が出力される。これらの成分は、周期形フィル
タ素子ＰＬ２に入力される。また、他方の出力ポートに
は、第５図（Ｃ）に示すように、光周波数ｆｔ、ｆ＜の
成分が出力される。これらの成分は、周期形フィルタ素
子ＦＬ３に入力される。

周期形フィルタ素子ＦＬ２　、Ｆ１ａの透過周波数間隔
Δｆａ、は光周波数ｆ＋　、ｆ、の周波数間隔、および
光周波数ｆｚ、ｆ＜の周波数間隔に等しく、それぞれの
成分を分離する。したがって、出力ポート１７−１．１
７−２には、第５図（ｄ）、（ｅ）に示すように、それ
ぞれ光周波数ｆ１、ｆｓの成分が出力される。

また、出力ポート１７−３．１７−４には、第５図げ）
、（ｇ）に示すように、それぞれ光周波数ｆ２、ｆ、の
成分が出力される。

光周波数ｆ＋、ｆ２、ｆｓ、ｆｔの各成分は、それぞれ
別々の受光素子２−１　、２−３．２−２．２〜４に入
力する。そこで、受光素子２−１．２−２の差動出力と
、受光素子２−３．２−４の差動出力とをそれぞれ検出
し、一方の出力をレベルシフタ４１によりシフトさせ、
加算器４２で加算し、増幅器４により増幅する。これに
より、４値の周波数変調信号を４値のレベルをもつ強度
信号に復調することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の光信号検波回路は、ファ
ブリペロー・エタロンを使用した場合のような多重反射
による遅延がないため、信号波形の歪が小さい効果があ
る。また、入射した光信号のすべてのパワーを利用でき
るので、受信感度が向上する効果がある。さらに、２値
の周波数変調信号だけでなく、多値の周波数変調信号を
復調できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第一実施例光信号検波回路の構成図。第２図は周期形フィルタの透過特性と入出力光との関係
を示す図。第３図は方向性結合器の電力結合係数に対する損失およ
びクロストークの計算結果を示す図。第４図は本発明第二実施例光信号検波回路の構成図。第５図は周期形フルイタ素子の人出カスベクトルを示す
図。第６図は従来例光信号検波回路を示す図。第７図はファブリペロ−・エタロンの透過特性と入出力
光との関係を示す図。１、１′・・・周期形フィルタ、２．２−１〜２−４・
・・受光素子、３・・・帯域通過フィルタ、４・・・増
幅器、５・・・電極制御回路、１１．１２・・・方向性
結合器、１３．１４・・・光導波路、１５・・・加熱電
極、１６−１．１６−２・・・入力ポート、１７−１〜
１７−４・・・出力ポート、４１・・・レベルシフタ、
４２・・・加算Ｌ　６１’・・ファブリペロー・エタロ
ン、６２・・・反射鏡、ＦＬＩ　、ＰＬ２　、ＦＬ３・
・・周期形フィルタ素子。特許出願人　日本電信電話株式会社代理人　弁理士　井　出　直　孝 Δｆａ（ａ）透差巧性肩ｌ衷２吋５−コＮジ１２１ｔラリ昂　１　回肩　２　図電力！！＠１ノ！−１仮電兜図（ｅ）出力Ａで−ト１７−２菖図従水佼」（ｂ）入射光（ｃ）１＆丸？Ｐ１７　図

Claims

【特許請求の範囲】１、ｎ値（ｎは２以上の整数）に周波数変調された光信
号の特定の光周波数を透過する光フィルタと、この光フィルタを透過した光を受光する受光素子とを備えた光信号検波回路において、上記光フィルタは、上記ｎ値にそれぞれ対応する光周波
数をそれぞれ異なる出力ポートに出力するマッハ・ツェ
ンダ形の周期形フィルタであることを特徴とする光信号
検波回路。