(57)【要約】【課題】光電変換素子に過大な入力が加わることを防止する、光通信において受信又は中継をする光受信器に関する。【解決手段】光受信器は、外部からの入力した光信号を２つに分岐する光分岐手段と、分岐された２つの光信号のうち、一方の光信号に時間遅延を与える光遅延手段と、光遅延手段からの光信号の光強度を変調する光強度変調手段と、光強度変調手段からの光信号を電気信号に変換する第１の光電変換手段と、他方の光信号の強度を計測し、電気信号に変換する第２の光電変換手段と、第２の光電変換手段で計測された光信号の強度に応じて、光信号の変調量を制御する制御信号を光強度変調手段に出力する制御手段とを備え、一方の光信号が出力されたときから光強度変調手段に入力されるまでの時間は、他方の光信号が出力されたときから光強度変調手段が応答を完了するまでの時間以上となるように光遅延手段が一方の光信号を遅延する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光通信における受信又は中継で使用される光受信器であって、
外部からの入力した光信号を２つに分岐する光分岐手段と、
前記光分岐手段から分岐された２つの光信号のうち、一方の光信号に時間遅延を与えて出力する光遅延手段と、
前記光遅延手段から出力された光信号の光強度を変調して出力する光強度変調手段と、
前記光強度変調手段から出力された光信号を電気信号に変換する第１の光電変換手段と、
前記光分岐手段から分岐された２つの光信号のうち、他方の光信号の強度を計測して、前記他方の光信号を電気信号に変換して出力する第２の光電変換手段と、
前記第２の光電変換手段から出力された電気信号を入力し、前記第２の光電変換手段で計測された光信号の強度に応じて、前記光強度変調手段が変調する光信号の変調量を制御する制御信号を前記光強度変調手段に出力する制御手段とを備え、
前記光分岐手段から前記一方の光信号が出力されたときから前記光強度変調手段に前記一方の光信号が入力されるまでの時間は、前記光分岐手段から前記他方の光信号が出力されたときから前記光強度変調手段が応答を完了するまでの時間以上となるように前記光遅延手段が前記一方の光を遅延することを特徴とする光受信器。
【請求項２】
前記第１の光電変換手段は、前記光強度変調手段から出力された光信号を電気信号に復調するフォトダイオードと、前記フォトダイオードから出力された電気信号を電気増幅する電気増幅手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の光受信器。
【請求項３】
前記制御手段は、前記第２の光電変換手段で計測された光信号の光強度が所定のしきい値を超えない場合は、前記光遅延手段から出力される光信号を透過させ、前記第２の光電変換手段で計測された光信号の光強度が前記所定のしきい値を超える場合は、前記光強度変調手段から出力される光信号の光強度を所定の値にするように前記光強度変調手段を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の光受信器。
【請求項４】
前記フォトダイオードは、アバランシェ・フォトダイオードであることを特徴とする請求項２又は３に記載の光受信器。
【請求項５】
前記制御手段は、前記第２の光電変換手段で計測された光信号の光強度が前記所定のしきい値を超えない場合は、前記第２の光電変換手段で計測された光信号の光強度に応じて前記アバランシェ・フォトダイオードの利得を増加させ、前記第２の光電変換手段で計測された光信号の光強度が前記所定のしきい値を超える場合は、前記第２の光電変換手段で計測された光信号の光強度に応じて前記アバランシェ・フォトダイオードの利得を減少するように、前記アバランシェ・フォトダイオードの印加電圧を制御することを特徴とする請求項４に記載の光受信器。
【請求項６】
前記第２の光電変換手段は、モニタフォトダイオードであることを特徴とする請求項１から５に記載の光受信器。
【請求項７】
前記光遅延手段は、光導波路であることを特徴とする請求項１から６に記載の光受信器。
【請求項８】
前記光遅延手段は、ガラス媒体であることを特徴とする請求項１から６に記載の光受信器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信において受信又は中継をする光受信器に関し、より詳細には、光電変換素子に過大な入力が加わることを防止する、光通信において受信又は中継をする光受信器に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、従来の光受信器１００を示す図である。図１において、従来の光受信器１００は、可変光減衰器（Variable Optical Attenuator、以下、ＶＯＡと略す）１０１と、フォトダイオード（Photodiode、以下、ＰＤと略す）１０２と、電気増幅器１０３と、制御部１０４とを備える。
【０００３】
最も単純な光受信器は、ＰＤ１０２と電気増幅器１０３とで構成され、これらの２つの部品によって、光信号を電気信号へと変換し、その電気信号を増幅する。制御部１０４は、光の過入力に対して、ＶＯＡ１０１をフィードバック制御する。ＶＯＡ１０１がフィードバック制御に基づいて光信号を減衰することによって、ＰＤ１０２を保護し、復号におけるエラーの発生を防止する。すなわち、ＰＤ１０２に流れる光電流のうちの直流成分を計測すれば、逐次ＰＤ１０２に入射する光強度が分かるため、適切にフィードバック制御をすることで、ＰＤ１０２へ入射する光強度が過入力にならないように調整することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】S. Fukushima, K. Yonenaga, T. Kurosaki, T. Ito, A. Okada, and H. Oohashi, 300-pin MSA optical transceiver with large dynamic range for L-band DWDM network,' International Conference on Photonics in Switching 2008 (PS2008), paper S-03-１ (Sapporo, Aug. 2008, IEICE/IEEE/JSAP/OSA)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、上記の従来の例では防ぐことのできない種類の過入力について述べる。従来の例におけるフィードバック制御は、伝送路の温度変化等に伴う長周期の光強度変化には適切に追随する。しかしながら、急激なレベル変動、例えば伝送路である光ファイバの振動に伴う損失変化、及び伝送路中に配置された光増幅器（特にエルビウムドープ光ファイバ増幅器（Erbium Doped Fiber Amplifier、以下、ＥＤＦＡと略す））から発生する光サージは、大変短いパルス状の光強度成分を有する。それ故に、フィードバック制御系の中に、インパルス状の光パルスが入射した場合には、制御系の応答速度を高速化しても、急激なレベル変動に応答しきれないため、光パルスの光強度を十分に低下させることができない。その結果、光パルスの発生中に光受信器からエラーが発生し、場合によっては、ＰＤ又は電気増幅器が破損するという問題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の請求項１にかかる光受信器は、光通信における受信又は中継で使用される光受信器であって、外部からの入力した光信号を２つに分岐する光分岐手段と、光分岐手段から分岐された２つの光信号のうち、一方の光信号に時間遅延を与えて出力する光遅延手段と、光遅延手段から出力された光信号の光強度を変調して出力する光強度変調手段と、光強度変調手段から出力された光信号を電気信号に変換する第１の光電変換手段と、光分岐手段から分岐された２つの光信号のうち、他方の光信号の強度を計測して、他方の光信号を電気信号に変換して出力する第２の光電変換手段と、第２の光電変換手段から出力された電気信号を入力し、第２の光電変換手段で計測された光信号の強度に応じて、光強度変調手段が変調する光信号の変調量を制御する制御信号を光強度変調手段に出力する制御手段とを備え、光分岐手段から一方の光信号が出力されたときから光強度変調手段に一方の光信号が入力されるまでの時間は、光分岐手段から他方の光信号が出力されたときから光強度変調手段が応答を完了するまでの時間以上となるように光遅延手段が一方の光を遅延することを特徴とする。
【０００７】
本発明の請求項２にかかる光受信器は、請求項１に記載の光受信器において、第１の光電変換手段は、光強度変調手段から出力された光信号を電気信号に復調するフォトダイオードと、フォトダイオードから出力された電気信号を電気増幅する電気増幅手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項３にかかる光受信器は、請求項１又は２に記載の光受信器において、制御手段は、第２の光電変換手段で計測された光信号の光強度が所定のしきい値を超えない場合は、光遅延手段から出力される光信号を透過させ、第２の光電変換手段で計測された光信号の光強度が所定のしきい値を超える場合は、光強度変調手段から出力される光信号の光強度を所定の値にするように光強度変調手段を制御することを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項４にかかる光受信器は、請求項２又は３に記載の光受信器において、フォトダイオードは、アバランシェ・フォトダイオードであることを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項５にかかる光受信器は、請求項４に記載の光受信器において、制御手段は、第２の光電変換手段で計測された光信号の光強度が所定のしきい値を超えない場合は、第２の光電変換手段で計測された光信号の光強度に応じてアバランシェ・フォトダイオードの利得を増加させ、第２の光電変換手段で計測された光信号の光強度が所定のしきい値を超える場合は、第２の光電変換手段で計測された光信号の光強度に応じてアバランシェ・フォトダイオードの利得を減少するように、アバランシェ・フォトダイオードの印加電圧を制御することを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項６にかかる光受信器は、請求項１から５に記載の光受信器において、第２の光電変換手段は、モニタフォトダイオードであることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項７にかかる光受信器は、請求項１から６に記載の光受信器において、光遅延手段は、光導波路であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項８にかかる光受信器は、請求項１から６に記載の光受信器において、光遅延手段は、ガラス媒体であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高光強度入力耐性に優れた光受信器を提供することができる。さらに、インパルス状の光入力が発生したときであっても、光電変換素子を破損することがなく、エラー発生の少ない光受信器を提供することができる。入力される光信号の光強度に応じて受信感度を変化させることによって、受信ダイナミックレンジを広くすることができる。光ファイバを介する光通信にも適用可能であり、空間伝搬型の光通信にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の光受信器の例を示す図である。
【図２】本発明にかかる光受信器の実施例１を示す図である。
【図３】本発明にかかる光受信器の実施例２を示す図である。
【図４】本発明にかかる光受信器の実施例２における光受信器の受信感度特性を示す図である。
【図５】本発明にかかる光受信器の実施例２におけるＶＯＡの電圧対減衰特性を示す図である。
【図６】本発明にかかる光受信器の実施例３を示す図である。
【図７】本発明にかかる光受信器の実施例４を示す図である。
【実施例１】
【００１６】
図２は、本発明にかかる光受信器の実施例１を示す。実施例１では、主に本発明の基本的な原理と構造を説明する。図２において、光受信器１１０は、光分岐部１ｚと、光遅延部２１と、光強度変調部２２と、第１の光電変換部２３ｘと、第２の光電変換部２３ｙと、制御部７ｚとを備える。
【００１７】
光分岐部１ｚは、光分岐手段に相当し、光信号を２つに分岐して光遅延部２１及び第２の光電変換部２３ｙに出力する。光遅延部２１は、光遅延手段に相当し、入力した光信号を遅延して、その遅延した光信号を光強度変調部２２に出力する。光強度変調部２２は、光強度変調手段に相当し、後に説明する、制御部７ｚから出力される制御信号に基づいて、光遅延部２１から受信した光の光強度を変調して、変調した光信号を第１の光電変換部２３ｘに出力する。第１の光電変換部２３ｘは、第１の光電変換手段に相当し、光強度変調部２２から受信した光信号を電気信号に変調する。第２の光電変換部２３ｙは、第２の光電変換手段に相当し、光信号の強度を計測し、その光信号を電気信号に変換して制御部７ｚに出力する。制御部７ｚは、制御手段に相当し、第２の光電変換部２３ｙから出力された電気信号の信号レベルに応じて光強度変調部２２における変調量を調節するように制御信号を光強度変調部２２に出力する。ここで、光遅延部２１、光強度変調部２２、及び第１の光電変換部２３ｘによって受信処理系を構成し、第２の光電変換部２３ｙ及び制御部７ｚによって駆動制御系を構成する。
【００１８】
光分岐部１ｚは、例えば光カプラ、プリズムなどとすることができる。光遅延部２１は、様々なものを用いることができ、例えば、光ファイバ、シリコン又はガラス基板上に形成された光導波路、ガラス板、ブロック状のガラス、ファブリペロ共振器、フォトニック結晶で形成した高Q光共振器などとすることができる。光強度変調部２２は、例えばＶＯＡ、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier、以下、ＳＯＡと略す）などとすることができる。第１の光電変換部２３ｘは、例えばＰＤ、アバランシェ・フォトダイオード（Avalanche Photodiode、以下、ＡＰＤと略する）などとすることができる。第２の光電変換部２３ｙは、例えばモニタフォトダイオード（Monitor Photodiode、以下、ＭＰＤと略す）などとすることができる。
【００１９】
図中の各部品間の信号を示す線にあっては、光信号は細線で、電気信号は二重線で示される。図２によって、大まかな信号の流れを示す。本発明は、フィードフォワード制御を用いた光受信器であるため、光信号は最初に、光分岐部１ｚによって２つに分岐される。光分岐部１ｚによって２つに分岐された光の一方は復調・復号を担う受信処理系へと進み、他方は駆動制御系へと進む。
【００２０】
光信号は、前述のように、光分岐部１ｚで２つに分岐される。光強度の分岐比は任意である。光分岐部１ｚから分岐された光の一方は、受信処理系の光遅延部２１へと進み、他方は駆動制御系の第２の光電変換部２３ｙへと進む。
【００２１】
制御信号を受信処理よりも早く生成するために、光遅延部２１に入力された光信号は、一定時間遅延される。光遅延部２１によって一定時間の遅延を受けた光信号は、電圧又は電流によって出力の光強度を変化させる光強度変調部２２に出力される。後述するように、第２の光電変換部２３ｙに入力された光信号の光強度が、所定のしきい値を超えた場合、光強度変調部２２は、制御部７ｚからの制御信号に基づいて、光信号の光強度の透過率を小さくする。光信号の光強度が所定のしきい値を超えない場合、光強度変調部２２は光信号の透過率を大きくする。光強度変調部２２から出力された光信号は、第１の光電変換部２３ｘに入力され、その光信号を電気信号に変換して出力する。
【００２２】
光分岐部１ｚで分岐された他方の光信号は、光信号の強度を計測して電気信号に変換する第２の光電変換部２３ｙに入力される。第２の光電変換部２３ｙは、入力した光信号の光強度を計測して、その光信号を電気信号に変換して制御部７ｚに出力する。第２の光電変換部２３ｙが入力した光信号の光強度が高い場合、光信号をそのまま透過させると第１の光電変換部２３ｘを破損したり、エラーを発生する可能性がある。第１の光電変換部２３ｘの破損及びエラーを防ぐために、第２の光電変換部２３ｙにおいて光信号の光強度に関して所定のしきい値を設定する。制御部７ｚは、第２の光電変換部２３ｙで計測された光強度が所定のしきい値より大きいときは光強度変調部２２の透過率を小さくし、光強度が所定のしきい値より小さいときは光強度変調部２２の透過率を大きくするような制御信号を光強度変調部２２に出力する。
【００２３】
温度変動に伴う受信光強度変動であれば、低速のＶＯＡ及びフィードバック制御系を用いても十分に追随する。しかしながら、ＥＤＦＡを用いた通信システムでは、ＥＤＦＡから発生される光サージと呼ばれる時間的に急峻な立ち上がり成分を有する光信号の強度変化に対応する必要がある。この種の光サージは、１ｎｓ以下の時間で立ち上がるため、駆動制御系をフィードフォワード制御にする必要がある。
【００２４】
そこで、実施例１では、光信号の一部を駆動制御系に分岐して、第２の光電変換２３ｙによって受信光強度をリアルタイムで計測し、計測された受信光強度に基づいて、制御部７ｚによって光強度変調部２２を駆動して、光信号の光強度を適切に調節する。加えて、受信処理系では、光分岐部１ｚと光強度変調部２２との間に光遅延部２１を挿入して、光信号を遅延させる。
【００２５】
光分岐部１ｚの出力ポートのうち、第２の光電変換部２３ｙに接続されている出力ポートから光信号が出力され、第２の光電変換部２３ｙを介し、制御部７ｚによって光強度変調部２２を駆動して、光信号の光強度が適切に調節されるまでの時間をＴ１する。同様に、光分岐部１ｚの出力ポートのうち、光遅延部２１に接続されている出力ポートから光信号が出力し、光強度変調部２２の入力ポートに到達するまでの時間をＴ２とする。光遅延部２１における遅延量は、以下の条件が成立するように予め調整されている。
Ｔ２−Ｔ１＝０
ただし、Ｔ２とＴ１との差Δ（＝Ｔ２−Ｔ１）については、Δ＞０でもよい。Δの値は、第１の光電変換部２３ｘの許容最大受信光強度又は最小受信光強度に応じて、光遅延部２１又は制御部７zを調整して設定することができる。このように、光カプラ１ｚから一方の光が出力されたときから光強度変調部２２に一方の光が入力されるまでの時間は、光カプラ１ｚから他方の光が出力されたときから光強度変調部２２が応答を完了するまでの時間以上となるように、光遅延部２１が一方の光を遅延する。光信号が光分岐部１ｚに入力される以前で、光信号の光強度が非常に高い場合でも、光強度を適切に調節した光信号が、第１の光電変換部２３ｘに入力される。
【００２６】
ＥＤＦＡで発生した光サージを実施例１の構成の光受信器に入力したが、光受信器は破損せず、駆動制御系は適切に機能していることが確認された。
【実施例２】
【００２７】
実施例１の基本的な構成説明に対して、ここでは構成部品についてより詳細に説明する。
【００２８】
図３を用いて実施例２を説明する。図３において、光受信器１２０は、光カプラ１ａと、光遅延線２ａと、ＶＯＡ３ａと、ＰＤ４と、電気増幅器５ａと、ＭＰＤ６ａと、制御部７ａとを備える。
【００２９】
図中の各部品間の信号を示す線にあっては、光信号は細線で、電気信号は二重線で示される。図３によって、大まかな信号の流れを示す。本発明は、フィードフォワード制御を用いた光受信器であるため、光信号は最初に光カプラ１ａにて２つに分岐され、一方の光信号は、復調・復号を担う受信処理系へと進み、他方の光信号は、駆動制御系へと進む。
【００３０】
光信号は、光カプラ１ａで２つに分岐される。本実施例では、光カプラ１ａの強度分岐比は、０．９９：０．０１（光遅延線２ａ：ＭＰＤ６ａ）である。復調・復号の処理を行う受信処理系にほとんどの光信号が入力され、駆動制御系には、強度分岐比０．０１の光信号だけが入力される。強度分岐比０．９９で分岐された光信号は、次に設置された光遅延線２ａに入力される。実施例２では光遅延線２ａとして、光ファイバを例に説明する。光遅延線２ａとして、光ファイバ等の光導波路を用いることにより、ＶＯＣなどによる長い応答時間にも対応できるように、光信号を遅延させることができる。
【００３１】
制御信号を処理よりも早く生成するために、光遅延線２ａに入力された光信号は、一定時間遅延される。光遅延線２ａによって一定時間の遅延を受けた光信号は、ＶＯＡ３ａに出力される。後述するように、ＭＰＤ６ａに入力された光信号の光強度が、所定のしきい値を超えた場合、ＶＯＡ３ａは、制御部７ａからの制御信号に基づいて、光信号の光強度を適切に減衰する。光信号の光強度が所定のしきい値を超えない場合、ＶＯＡ３ａは光信号を透過する。ＶＯＡ３ａから出力された光信号は、ＰＤ４に入力される。ＰＤ４は、光信号を電気信号に変換して、その電気信号を電気増幅器５ａに出力する。電気増幅器５ａは、入力した電気信号を増幅する。なお、ＭＰＤを用いることにより、高感度の光受信器を実現できる。実施例２で用いたＰＤ４は、ＰＩＮ−ＰＤである。電気増幅器５ａは、プリアンプだけの構成もありうるが、プリアンプとリミッタアンプとクロックデータ再生部とを含む構成もありうる。プリアンプに加え、リミッタアンプ及びクロックデータ再生部を使用することにより、電気信号を復調・復号することができる。
【００３２】
光カプラ１ａにおいて強度分岐比０．０１で分岐された光信号は、ＭＰＤ６ａで光電変換される。図４は、本発明にかかる光受信器の実施例２の受信感度特性を示す。ただし、光信号の波長は、１．５５μｍであり、変調方式は、ＮＲＺ（non return to zero）であり、伝送速度は、９．９５Ｇｂ／ｓである。実線は、ＶＯＡを使用しない場合の結果である。受信光強度が、およそ−５ｄＢｍでビットエラーレート（ＢＥＲ）=１Ｅ−１２となり、受信光強度がそれより大きい場合、多くのエラーが発生する。最小受信光強度は、−１７ｄＢｍである。ＶＯＡを使用した場合の結果は破線であるが、説明は後で行う。
【００３３】
図５は、本発明にかかる光受信器の実施例２のＶＯＡ３ａの電圧対減衰特性を示す。ＶＯＡ３ａとして物質の磁気的性質を利用して光を減衰させる磁気光学効果型のＶＯＡが使用され、また、ノーマリブライト型と呼ばれるものが使用された。ノーマリブライト型とは、図５に示されるとおり、印加電圧がない場合に透過状態（ブライト＝bright）であり、ＶVOAの電圧印加によって非透過になり、光の減衰量が増していくものである。そこで、制御部７ａを次のような条件で駆動することにする。
（受信光強度）≦−５ｄＢｍならば、ＶVOA=０V（ＶＯＡ３ａは透過状態）である。
（受信光強度）＞−５ｄＢｍならば、制御部７ａは、ＶＯＡ３ａに（受信光強度）＝−５ｄＢｍとなる電圧を印加する。
【００３４】
これによって、光受信器に光強度の大きい光信号が入力されても、ＰＤ４に入力された光強度は−５ｄＢｍに保たれ、光受信器の破損もエラーも発生しない。受信光強度１５ｄＢｍまでの受信感度特性の試験を行ったが、（ＢＥＲ）＝１Ｅ−１２を越えるエラーは発生しなかった。図４に示すように、受信感度特性は大変良好であった。
【００３５】
温度変動に伴う光信号の強度変動であれば、低速のＶＯＡ及びフィードバック制御系を用いても十分に追随する。しかしながら、ＥＤＦＡを用いた通信システムでは、ＥＤＦＡから発生される光サージと呼ばれる時間的に急峻な立ち上がり成分を有する光信号の強度変化に対応する必要がある。この種の光サージは、１ｎｓ以下の時間で立ち上がるため、駆動制御系をフィードフォワード制御にする必要がある。
【００３６】
そこで、実施例２では、強度分岐比０．０１で駆動制御系に分岐された光信号の光強度を、ＭＰＤ６ａによってリアルタイムで計測する。計測された光強度に基づいて、制御部７ａは、ＶＯＡ３ａを駆動して、光信号の光強度を減衰させるか、又は光信号を透過させる。加えて、受信処理系では、光分岐部１ａとＶＯＡ３ａとの間に光遅延線２ａを挿入して、光信号を遅延させる。その遅延時間は、ＶＯＡ３ａの応答時間よりも大きいものとする。実施例２で使用したＶＯＡ３ａの応答時間は１μｓである。
【００３７】
光カプラ１aの出力ポートのうち、ＭＰＤ６ａに接続されている出力ポートから光信号が出力し、ＭＰＤ６ａを介し、制御部７aによってＶＯＡ３ａを駆動して、光信号の光強度を適切に調節するまでの時間をＴ１とする。光カプラ１aの出力ポートのうち、光遅延線２ａに接続されている出力ポートから光信号が出力し、ＶＯＡ３ａの入力ポートに到達するまでの時間をＴ２とする。光遅延部２１での遅延量は、以下の条件が成立するように予め調整されている。
Ｔ２−Ｔ１＝１μｓ
ただし、Ｔ２とＴ１との差Δ（＝Ｔ２−Ｔ１）については、Δ≧０であればよい。Δの値は、ＰＤ４の許容最大受信光強度又は最小受信光強度に応じて、光遅延線２ａ又は制御部７ａを調整して設定する。本実施例では、制御部７ａの応答時間は１ｎｓであり、光遅延線２ａとして、長さ２００ｍのシングルモード光ファイバを用いて、光遅延線２ａの遅延量を１μｓとした。このように、光カプラ１ａから一方の光が出力されたときから可変光減衰器３ａに一方の光が入力されるまでの時間が、光カプラ１ａから他方の光が出力されたときから可変光減衰器３ａが応答を完了するまでの時間以上となるように、光遅延線２ａは一方の光を遅延する。
【００３８】
実施例２の構成の光受信器にＥＤＦＡで発生した光サージを入力したが、光受信器は破損せず、駆動制御系は適切に機能していることが確認された。
【００３９】
本実施例において、光カプラ１ａの強度分岐比は、０．９９：０．０１（光遅延線２ａ：ＭＰＤ６ａ）とした。しかしながら、構築する光通信システムが求める光受信器１２０の受信性能を満足することができれば、光カプラ１ａの強度分岐比はこれに限定されない。想定される入力光強度（光サージを含む）の最大強度及び最小強度において、少なくとも最大強度のときにＭＰＤ６ａが損傷せず、かつ可変光減衰器３ａでの減衰量も含めてＰＤ４が損傷せず、最小強度のときに可変光減衰器３ａを通過することによる損失も含めてＰＤ４の最小受信感度以下にならない、という条件を満たせば他の比率も使用する事が可能である。
【実施例３】
【００４０】
図６は、本発明にかかる光受信器の実施例３の構成を示す。ほとんどの部分が実施例２と同様であるため、重複部分の説明を省略する。光受信器の光電変換のために、ＡＰＤ８ａを用いた。ＡＰＤは、アバランシェ増倍と呼ばれる現象を利用して受光感度を上昇させたフォトダイオードである。アバランシェ増倍によって光強度が小さな光でも大きな電圧変化を引き起こせるため、フォトダイオードの最小受信感度を向上することができる。ＡＰＤは、増幅作用によって内部に流れる光電流をＰＩＮ−ＰＤより１桁ほど大きくすることができる。このことは、ダイナミックレンジの拡大とともに、光強度の大きな光信号によってＡＰＤ８ａなどが破損する確率が上がることを意味する。
【００４１】
実施例２では、ＰＩＮ−ＰＤの保護をＶＯＡのみで行ったが、実施例３では、制御部７ｂがＡＰＤ８ａのバイアス制御も行う。ＡＰＤにおける電流利得、すなわち増倍係数Ｍは、印加される逆バイアス電圧の大きさに依存し、逆バイアス電圧の絶対値が大きいほど増倍係数Ｍが大きくなる。したがって、逆バイアス電圧の絶対値が大きいほど最小受信感度は改善するが、光強度の大きい光信号入力に対して破損の可能生が高くなる。換言すれば、逆バイアス電圧の絶対値が小さいほど最小受信感度は劣化するが、光強度の大きな光信号入力に対してＡＰＤ８ａなどが破損する確率が低くなる。実施例３の特徴は、ＶＯＡ制御とともに実行されるＡＰＤへのバイアス電圧を制御することによって、入力される光信号の光強度に応じて受信感度を変化させて、受信ダイナミックレンジを広くすることにある。
【００４２】
実施例３の制御部７ｂは次のように動作する。
（受信光強度）≦−５ｄＢｍならば、ＶVOA =０V（ＶＯＡ３ａは透過状態）である。また、（Ｍ値）＝１０となるバイアス電圧ＶAPDをＡＰＤ８ａに印加する。
（受信光強度）＞−５ｄＢｍならば、制御部７ｂは、ＶＯＡ３ａに（受信光強度）＝−５ｄＢｍとなる電圧を印加する。また、（Ｍ値）＝１となるバイアス電圧ＶAPDをＡＰＤ８ａに印加する。
【００４３】
図示を省略するが、ＡＰＤへの印加電圧は、温度のフィードバックも行った。さらに、光強度の大きな光信号に対しては、（Ｍ値）＝１に固定するだけでなく、しきい値−５ｄＢｍを越える点から徐々にＭ値を低下させるような設定も行い、実施例２で得られた以上のオーバロード耐性があることを確認した。
【実施例４】
【００４４】
実施例２〜３は個別部品を用いた光受信器の構成であったが、実施例４では、全部品を一体に収めたモジュール形状のものを示す。また、ＶＯＡとして高速応答動作が期待できるＳＯＡを用いたため、光遅延部も光ファイバのような長尺のものではなく、ガラス板の中の多重反射で十分である。光遅延部としてガラス板などのガラス媒体を用いることにより、光受信器をコンパクト化することができる。
【００４５】
図７は、本発明にかかる光受信器の実施例４を示す図である。図７において、光受信器１４０は、ＭＰＤ６ｃと、制御部７ｃと、ＡＰＤ８ｂと、光ファイバ９と、コリメータ１０と、ファイバカラ１１と、プリズム１２と、光遅延部１３と、レンズ１４ａ及び１４ｂと、ＳＯＡ１５と、トランスインピーダンス増幅器（Trans-impedance Amplifier、以下、ＴＩＡと略す）１６と、筐体１７とを備える。
【００４６】
製造にあたっては、プリズム１２、光遅延部１３、ＳＯＡ１５を筐体１７にパッシブアライメントで位置決めして、固定した。ＴＩＡ１６及び制御部７ｃは電子部品であるので、アライメントはマーカによる位置決めで十分である。また、このときに、これらの電子部品とＡＰＤ８ｂとのワイヤボンディングを行った。次に、ＳＯＡ１５に流れる電流を計測しつつ、ファイバカラ１１とレンズ１４ａとをアクティブアライメントで位置決めして、固定した。その次に、ＳＯＡ１５にある程度の電流を流して、自然放出光を発生させ、ＡＰＤ８ｂに流れる電流を計測しつつ、レンズ１４ｂをアクティブアライメントで固定した。最後に、ＭＰＤ６ｃをアクティブアライメントで固定した。図７でＭＰＤ６ｃを載せているブロックは、ＭＰＤキャリアである。ＭＰＤ６ｃの電極は、キャリア上の配線パターンに接続されている。
【００４７】
実施例２〜３と同様に、信号の流れを受信処理系と駆動制御系とに分けて説明する。受信処理系における光信号の流れは、光ファイバ９、コリメータ１０、プリズム１２、光遅延部１３、レンズ１４ａ、ＳＯＡ１５、レンズ１４ｂ、ＡＰＤ８ｂの順である。ＡＰＤ８ｂで光電変換された電気信号は、ＴＩＡ１６で増幅され、外部へ出力される。
【００４８】
各部品を詳細に説明する。光ファイバ９からモジュール内部へと入力された光信号は、コリメータ１０によって平行光となる。プリズム１２の機能は、２つある。第１の機能は、透過光に偏向を与えて、透過光を次に配置された光遅延部に所定の角度で入射させて多重反射させるように偏向する機能である。第２の機能は、プリズム１２の入射面側界面において、ガラスと空気の屈折率差とを利用して、強度比で約４%の光をＭＰＤ６ｃ側に分岐する機能であって、光カプラの機能と同様である。したがって、プリズム１２は、入射面側には光学薄膜が蒸着されておらず、出射面側には無反射膜が蒸着されている。
【００４９】
次に光遅延部１３は、ガラスで形成されたブロック状の光学部品であり、内部における多重反射で遅延を与えるものである。プリズム１２からの光が入射する位置及び出射する位置を除いて、入射面及び出射面には、反射における損失を低減するために高反射膜が蒸着されている。実施例４で用いたＳＯＡ１５は、応答時間２００ｐｓで応答したため、光遅延部１３は、それに見合う遅延量と多少のマージンとして２５０ｐｓの光遅延部（真空中の光路長は、７．５ｃｍ）として設計した。すなわち、用いたガラスの屈折率１．４からガラス内の光路長約５．４ｃｍが算出されるため、光路進行方向の厚さ２．７ｍｍ、往復反射回数１０回のブロックを用いた。
【００５０】
ここでは光学系を簡易にするために、ガラスブロックを光遅延部として用いたが、この他にＳｉ基板上の光回路を光遅延部として用いることができる。さらに、構造的に高屈折率を実現するＳｉ細線を用いた光回路又はフォトニック結晶を用いた光回路を用いることも可能である。
【００５１】
なお、遅延量２５０ｐｓを正確なものにするために、光遅延部１３以外の受信処理系の遅延量及び駆動制御系の光学的および電気的な遅延量は、一致するように配置し、配線した。
【００５２】
２５０ｐｓの遅延を受けた光信号は、光遅延部１３を出射した後、レンズ１４ａを介してＳＯＡ１５に入射する。ＳＯＡ１５は、大電流を流すと光増幅器として動作するが、電流を小さくした場合には、損失媒体として機能するので、印加する電流の大小を制御して、ここでは可変光減衰器として使用する。また、実施例２〜３で使用された磁気光学効果型ＶＯＡと比較して、ＳＯＡは、非常に高速に応答する特徴がある。もちろん、受信光強度が小さいときには、ＳＯＡを利得領域で使用してかまわない。
【００５３】
可変光減衰器として、ＳＯＡの他に、半導体電界吸収変調器又はマッハツェンダ型光変調器を用いることも可能である。
【００５４】
ＳＯＡ１５が出射した光信号は、レンズ１４ｂを介してＡＰＤ８ｂへと入射する。光信号はＡＰＤ８ｂで光電変換され、ＴＩＡ１６で電気増幅される。実施例４のモジュールでは、リミッタ増幅器、クロックデータ再生回路などは、モジュールの外付けとした。よって、復調・復号の処理は外部でなされる。
【００５５】
駆動制御系では、光信号は、プリズム１２からＭＰＤ６ｃへと入射される。ＭＰＤ６ｃで測定された受信光強度は、制御部７ｃで計測され、ＡＰＤ８ｂに入射される光強度が−５ｄＢｍを越えないようにＳＯＡ１５への電流を制御する。さらに、実施例３と同様に制御部はＡＰＤ８ｂのＭ値制御も行う。制御部の機能および動作は実施例３と同様であるため、ここではこれ以上の詳細は割愛する。
【００５６】
実施例４の構成の光受信器にも光サージを入力したが、光受信器は破損せず、駆動制御系は適切に機能していることが確認された。
【００５７】
本発明の光受信器は、広い受信ダイナミックレンジおよび高いオーバロード耐性を有しており、光ファイバ通信における光受信器として、又は空間伝搬型の光受信器として使用することが可能である。
【００５８】
また、モニタフォトダイオードで計測された光信号の強度が所定のしきい値を超えた場合に、フォトダイオードに入力される光信号の光強度を所定の値に変調したが、フォトダイオードに入力される光信号の光強度を、フォトダイオードで計測された光信号の強度に応じて変調してもよい。
【００５９】
また、光分岐部は、受信光を２つに分岐する構成としたが、用途に応じて光を３つ以上に分岐する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１ａ、１ｂ  光カプラ
１ｚ  光分岐部
２ａ、２ｂ  光遅延線
３ａ、３ｂ  可変光減衰器
４ フォトダイオード
５ａ、５ｂ  電気増幅器
６ａ−６ｃ  モニタフォトダイオード
７ａ−７ｃ、 ７ｚ  制御部
８ａ、８ｂ  アバランシェ・フォトダイオード
９  光ファイバ
１０  コリメータ
１１  ファイバカラ
１２  プリズム
１３、２１  光遅延部
１４ａ、１４ｂ レンズ
１５  半導体光増幅器
１６  トランスインピーダンス増幅器
１７  筐体
２２  光強度変調部
２３ｘ  第１の光電変換部
２３ｙ  第２の光電変換部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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