コヒーレント光通信（光学ブリッジ）

一、コヒーレント光通信の基本的な動作原理

　　コヒーレント光通信には主にコヒーレント変調とヘテロダイン検出技術が利用されている。コヒーレント変調とは、伝送される信号を用いて光搬送波の周波数、位相、振幅を変化させることであり、光信号には確定的な周波数と位相（よう自然光のように決定された周波数と位相がない）、すなわちコヒーレント光であるべきである。レーザーはコヒーレント光である。ヘテロダイン検出とは、局部発振によって発生したレーザ光と入力された信号光とを光ミキサ中で混合し、信号光の周波数、位相、振幅と同じ法則で変化する中間周波数信号を得ることである。送信側では、外部変調方式を用いて信号を光キャリア上に変調して伝送する。信号の光伝送が到着すると

受信側では、まず1本の発振光信号とコヒーレント結合し、次に平衡じゅしんきプローブを行う。コヒーレント光通信は、局部光周波数と信号光周波数が等しくないか等しいかに基づいて、ヘテロダイン検出とヘテロダイン検出に分けることができる。前者の光信号を光電変換して得たのはちゅうかんしゅうはしんごうベースバンド信号に変換するには、2次復調も必要である。後者の光信号は光電変換された後、直接ベースバンド信号に変換され、二次復調を必要としないが、ローカル光周波数と信号光周波数が厳密に一致し、ローカル光と信号光の位相ロックが必要である。

コヒーレント光通信システムは、光周波数帯域を多くのチャンネルに分割することができ、それによって光周波数帯域を十分に利用することができ、すなわち多チャンネル光ファイバ通信である。無線技術におけるコヒーレント通信は受信感度が高い利点があり、コヒーレント光通信技術は同様にこの特徴を持っており、この技術を採用した受信感度は直接検出技術より18 dB高いことができる。初期、コヒーレント光通信を研究する際には、光信号が通常の光ファイバ線路を伝送する際にその位相と偏光面がランダムに変化するため、光信号の位相、偏光面を維持するには偏光保護ファイバを採用する必要がある。しかし、後に、光信号が通常の光ファイバで伝送される場合、その位相と偏光面の変化は遅い変化であり、受信機内で偏光コントローラを用いて補正することができるため、従来の光ファイバでコヒーレント通信を行うことができ、この発見はコヒーレント光通信の将来性を明るくすることができた。

コヒーレント光ファイバ通信システムは、光受信機においてヘテロダインまたはゼロダイン受信に必要な局所発振光源を追加し、この光源が出力する光波と受信した調光波とが波面整合と偏光整合を満たす条件下で光電ミキシングを行う。混合後に出力される信号光波場の強度とローカル光波場の強度の和の二乗は比例し、そこからローカル光波と信号光波の差周波数信号を選択することができる。この差周波数信号の変化規則は信号光波の変化規則と同じであり、直検波通信方式のように検出電流は光波の強度のみを反映するので、振幅、周波数、位相と偏光などの各種変調方式を実現することができる。コヒーレント光通信システムは、ローカル光周波数と信号光周波数の差が非ゼロの値である場合、ヘテロダイン受信システムと呼ばれ、ローカル光周波数と信号光周波数の差が非ゼロの値である場合、局部発振光波の周波数と位相が信号光波の周波数と位相と同時にゼロ差分受信システムと呼ばれる。しかし、どのような受信方式を採用しても、その根本的な点はヘテロダイン検出である。

二、コヒーレント光通信システムの利点

コヒーレント光通信はコヒーレント通信方式が持つ混合利得、優れたチャネル選択性及び調整性などの特徴を十分に利用している。以上紹介したコヒーレント光通信システムの基本原理分析から、IM/DDシステムと比較して、コヒーレント光通信システムは以下の＊の利点を持っている：

（一）感度が高く、中継距離が長い

コヒーレント光通信の主な利点は、受信機の感度を改善するためにコヒーレント検出を行うことができることである。コヒーレント光通信システムでは、コヒーレント混合後の出力光電流の大きさは、信号光電力とローカル光電力の積に比例する。

（二）光ファイバ分散によるシステムへの影響の低減

ファイバ中の光パルスの分散効果を補償するためにエレクトロニクスの等化技術を用いた。ヘテロダイン検出コヒーレント光通信における中間周波数フィルタの伝送関数を光ファイバの伝送関数と正反対にすることで、光ファイバ分散がシステムに与える影響を低減することができる。

（三）選択性が良く、通信容量が大きい

コヒーレント光通信は光ファイバの低損失スペクトル領域（1.25〜1.6 nm）を十分に利用でき、光ファイバ通信システムの情報容量を高めることができる。コヒーレント光通信を利用すれば、チャネル間隔が1〜10 GHz未満の密集周波数分割多重を実現でき、光ファイバの伝送帯域幅を十分に利用でき、超高容量の情報伝送を実現できる。

（四）複数の変調方式を有する

従来の光通信システムでは、強度変調方式を用いて光を変調するしかなかった。一方、コヒーレント光通信では、光を振幅変調することができるほか、PSK、DPSK、QAMなどの多種の変調フォーマットは、柔軟な工学応用に有利であり、このようにシステムの複雑性を増加させたが、従来の光受信機が光電力の変化にのみ応答することに対して、コヒーレント検出は光の振幅、周波数、位相、偏光状態が携帯するすべての情報を検出することができるため、コヒーレント検出はホログラフィック検出技術であり、これは従来の光通信技術が備えていない。

三、コヒーレント光通信システムにおける主要なキー技術

（一）光源技術

コヒーレント光ファイバ通信システムでは、信号光源とローカル光源に対する要求が高く、スペクトル線が狭く、周波数安定度が高いことが要求されている。光源自体の諾線幅はシステムが達成できる低誤り率を決定し、できるだけ小さくすべきであると同時に、半導体レーザの周波数は動作温度と注入電流の変化に非常に敏感であり、その変化量は一般的に数十GHz／℃とGHz／mA程度であるため、周波数を安定させるために、注入電流と温度を安定させる以外に、他の能動安定措置を講じて、光周波数を安定させるべきである。

（二）受信技術

コヒーレント光通信の受信技術は2つの部分を含み、一部は光の受信技術であり、他の部分は中間周波数後の様々な方式の復調技術である。復調技術は、実際には電子のASI、FSK、PSKなどの復調技術である。光の受光技術には主に以下の3種類がある：

1.平衡受信法。FSK方式では、半導体レーザは変調過程において、追加の振幅変調ノイズを伴うことは避けられないため、平衡受信方法を利用することで振幅変調ノイズを低減することができる。平衡法の主な思想は光信号が光ファイバから入った後、本偏光光は偏光制御を経て信号の偏光状態に適応することを保証し、本偏光光と信号光は同時に方向精合器を経て2つに分け、それぞれ2つの同じPIN光電検出器を入力し、2つの光電検出器が等幅で反転したエンベロープ信号を出力し、さらにこの2つの信号を合成した後、周波数変調信号を2倍に増加させ、寄生した振幅変調ノイズを互いに相殺し、直流成分も相殺し、振幅変調ノイズの影響を除去する要求に達する。

2.位相ダイバーシチ受信法。振幅変調ノイズのほか、局部光位相と信号光位相に相対的な変動があれば、位相ノイズが発生し、受信効果に深刻な影響を与える。この影響に対して、位相ダイバーシチ法を用いて位相雑音を克服することができる。3相位相ダイバーシチ法は主に信号とローカル光を3つの経路に分けることであり、ローカル光の3つの経路の信号位相はそれぞれ0、120°、240°であるため、信号とローカル光の間に相対位相のランダムな起伏があるにもかかわらず、3つの経路の信号を合成した後も一定に保つことができ、位相ノイズの影響を軽減することができると同時に、この技術は光位相同期を採用せずにゼロ差受信システムに使用することができる。

3.偏光制御技術。前に指摘した：コヒーレント光通信システムの受信側は信号光と本偏光の偏光が同じ偏光でなければ、良好な混合効果を得られ、受信品質を高めることができない。信号光は単一モードファイバを経て長距離伝送された後、偏光状態はランダムに起伏しており、この問題を克服するために、偏光保持ファイバ、偏光制御器、偏光ダイバーシチ受信などの方法を採用することができる。光が通常の光ファイバで伝送されると、位相と偏光面がランダムに変化し、偏光保持ファイバはプロセスと材料の選択によって光位相と偏光を不変に維持する特殊な光ファイバであるが、この光ファイバは損失が大きく、価格も非常に高価である。偏光制御器は主に信号光と局部光を同偏光させ、この方法は応答速度が遅く、ループ制御の要求も高い、偏光ダイバーシチ受信は主に信号光と局部光を混合した後、偏光ビームスプリッタ素子によって混合光を2つの互いに垂直な偏光成分に分け、局部光の2つの垂直偏光成分は偏光コントローラによって制御され、2つの成分の電力を等しくする。このように信号光中の偏光がランダムに起伏すると、1つの分岐の中間周波信号がフェージングするかもしれないが、もう1つの分岐の中間周波信号は依然として存在するため、このシステム後に得られる復調信号はほとんど信号光の偏光とは関係なく、この技術は応答速度が比較的速く、実用的であるが、比較的に複雑化を実現する。

四、広範な応用

コヒーレント光通信は急速に発展し、特に超長波長（2〜10μm）光ファイバ通信にとって、コヒーレント光通信機器吸引力超長波帯では、レイリー散乱によって決まる光ファイバ固有のそんしつさらに大幅に低下するため、理論的には、超長帯域では光ファイバの洋を越えた中継なし通信を実現することができる。超長帯域では、直接検出受信機の性能が悪いので、コヒーレント検出方式は自然により良い選択になります。

ちょうちょうはちょう光ファイバ通信システム超長波長光ファイバを伝送媒体とし、コヒーレント光通信技術を利用して超長距離通信を実現する。このシステムでは超長波長ファイバが重要である。それはより理想的な伝送媒体であり、その主な特性は損失が非常に低く、せきえい材料の1000万分の1。そのため、超長波長光ファイバは中継局ではなく数万キロの伝送を実現することができる。通信コストを大幅に削減し、システムの安定性と信頼性を高めることができ、海底通信と砂漠地域にとってさらに重要な意義を持つ。

光ファイバ通信技術の発展に伴い、超長波長光ファイバを用いた超長距離通信の実現は今後の光ファイバ通信の発展の重要な方向の一つである。しかし、超長波長光ファイバ通信システムには、超長波長光ファイバの材料精製や引き抜き、コヒーレント光通信技術を採用するために必要な超長波長光源や超長波長コヒーレント光検出器など、さらなる解決が必要な技術的課題も数多く存在する。

以上の応用のほか、コヒーレント光通信の優れたチャネル選択性と感度のため、周波数分割多重CATV分配網にも広く応用されている。

五、まとめ

コヒーレント光通信はその*の利点により、光ファイバ通信に広く応用され、ポイントツーポイントシステムにおいてより高速で長距離の方向に発展し続けるだけでなく、特に海底通信において大きな市場潜在力を持っている。新型高効率レーザのほか、新型コヒーレント検出技術もシステム発展の鍵であり、新型検出技術を用いて光源がシステム全体の性能に与える影響を低減し、適応光学、偏光ダイバーシティなどの新型受信方法の導入により、システム応答速度を高め、さらにその応用を改善した。

参考文献

［1］ムドソン・現代光ファイバ通信システム・科学出版社。

［2］洋・コヒーレント光通信及びその応用・科学技術社会における。

(3)雷肇棣.光ファイバ通信基盤.電子科学技術大学出版社.

［4］鄭大鵬・光ファイバー通信原理・人民郵電出版社。

（五）楊同友・光ファイバー通信技術・人民郵電出版社。