JP2004233347A - 偏光分解ヘテロダイン光学受信機 - Google Patents

Abstract

【課題】より正確な偏光測定を行うことが可能なヘテロダイン受信機を提供する。
【解決手段】ヘテロダイン受信機への入力における光波の偏光を、電気信号の振幅を測定することによって、位相測定を行うことなく求めることができる。これにより、ノイズが存在する場合でも偏光をより正確に測定することができ、かつ、光波の偏光度を求めることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、光ヘテロダイン受信機に関し、より詳しくは、偏光に関する測定を行うための光ヘテロダイン受信機に関する。

光波の偏光状態は、特定の偏光フィルタを透過する光パワーを検出することによって求めることが可能である。従来の偏光計は、一般に、光パワーＰ_０−Ｐ_３を測定して、ストークス・パラメータＳ_０−Ｓ_３を求める。従って、Ｓ_０−Ｓ_３は、下記によって得られる。

ストークス・パラメータから、以下の式によって偏光度ｐを計算することが可能である。

図１ａには、入力１０１の光波が４つの個別光波に分割され、結果生じる光波が並列に処理される、従来の空間分割偏光計１００が示されている。出力１０２の光波は、直線水平偏光子１１５を通過して、Ｐ_１を生じる。出力１０３の光波は、直線４５度偏光子１２０を通過して、Ｐ_２を生じる。出力１０４の光波は、４分の１波長板１２５及び直線４５度偏光子を通過して、円偏光光の測度であるＰ_３を生じる。４分の１波長板１２５によって、入射光波の円形偏光部分が直線４５度光波に変換され、直線４５度偏光子１３０に通される。出力１０５の光波は、直接出射して、総パワーに比例するＰ_０を生じる。従って、偏光度を、式（１）〜（５）を用いて、偏光計１００によって実施される測定から求めることができる。

アジレント・テクノロジ社の８１９１０Ａ及び８３４５３Ａのようないくつかのヘテロダイン光学受信機は、受信した光学場（received optical field）の偏光を測定するように構成することが可能である。これらの偏光分解ヘテロダイン（polarization resolving heterodyne）光学受信機の場合、受信機から生じる２つの電気信号間の位相差を測定して、受信した光学場の偏光を求めなければならない。この位相測定は、とりわけ、電気信号にかなりのノイズが含まれている場合には、困難である可能性がある。さらに、これらのヘテロダイン光学受信機からの測定結果によっては、偏光度を求めることはできない。

従って、本発明の目的は、これらの困難を克服して、通常は、従来の偏光計によって提供されるデータが得られるようにするヘテロダイン光学受信システムを提供することにある。

本発明によれば、ヘテロダイン受信機に対する入力における光波の偏光は、位相測定を必要とすることなく、電気信号の振幅を測定することによって求めることが可能である。これによって、ノイズがあっても、偏光のより正確な測定が可能になり、光波の偏光度を求めることが可能になる。強度ノイズを低減するため、偏光分解受信機は、全て、平衡受信機とすることが可能である。

図１ｂには、本発明による偏光分解ヘテロダイン受信機の概念が示されている。掃引局部発振器基準源１７５によって、明確な直線偏光を有する、ｃｏｓω_１ｔに比例した基準信号が得られるが、入力信号は、ｘ（ｔ）ｃｏｓω_２ｔに比例し、未知の偏光を有している。一般に、受信機１８５から出力される無線周波数出力は、２ｘ（ｔ）ｃｏｓθｃｏｓ（ω_１−ω_２）ｔに比例しており、ここで、θは、信号入力と基準信号の偏光間における角度である。受信機１８５によって検出される信号の振幅は、入力信号の偏光に対して角度θをなすように配置された偏光子を通過した入力信号の出力に相当する、２ｘ（ｔ）ｃｏｓθに比例する。

本発明によれば、偏光合成器（偏光シンセサイザ）または波長板は、それぞれ、図２ａ及び２ｂに示すように、信号経路内または局部発振器経路内に配置することが可能である。これら２つの状況は、ジョーンズ行列の解析を利用して調べることが可能である。図２ａに単純化された形で示された事例１では、偏光合成器２０１または波長板２０１が信号経路２０５内にあるものと想定されている。図２ｂに単純化された形で示された事例２では、偏光合成器２０１または波長板２０１が局部発振器経路２０６内にあるものと想定されている。

が、信号経路２０５内の偏光合成器２０１に関するジョーンズ行列を表わし、信号が、

によって表わされるものとし、

が、局部発振器経路２０６内の偏光合成器２０１に関するジョーンズ行列を表わし、局部発振器が、

によって表わされるものとする。カプラ２０７によって、信号経路２０５と局部発振器経路２０６が結合されている。事例１において、受信機２１０によって測定されるヘテロダイン強度信号Ｒ_１は、ジョーンズ行列形式で下記のように書くことが可能である。

ここで、

は、行列転置を表し、^＊は共役複素数を表わしている。同様に、事例２の受信機２１０によって測定されるヘテロダイン強度信号Ｒ_２は、ジョーンズ行列形式で下記のように書くことが可能である。

Ｒ_１＝Ｒ_２と置くと、強度が等しくなるような結果が得られる。

従って、偏光分解ヘテロダイン受信機が、局部発振器経路２０６内の偏光合成器を用いて構成される場合、その結果は、もし式（８）が満たされるならば、信号経路２０５内に偏光合成器を設ける場合と同等になる。

図３には、本発明による１実施態様が示されている。一般に、掃引線幅の狭い光源（掃引狭線幅光源）３１０を用いて、ヘテロダイン・システムに必要な掃引局部発振器基準源が得られる。光源３１０は、単一モード光ファイバ３１５によって偏光子３２０に接続されている。偏光子３２０は、偏波保持型光ファイバ（または、偏光保持型光ファイバ。以下同じ）３２５によって４方向スプリッタ（４ウェイスプリッタ）３３５に接続されている。４方向スプリッタ３３５は、基準光波を４方向に分割して、偏波保持型光ファイバ３４５、３４６、３４７、及び、３４８に送り込む。４方向スプリッタ３３５は、偏波保持型光ファイバ３４５、３４６、３４７、及び、３４８によって、それぞれ、単一偏光受信機３６０、単一偏光受信機３６５、単一偏光受信機３７０、及び、偏光（偏波）ダイバーシチ受信機３７５に接続されている。入力信号光波は、単一モード光ファイバ３３０上で４方向スプリッタ３４０に入射し、４方向に分割されて、単一モード・ファイバ３５１、３５２、３５３、及び、３５４に送り込まれる。単一モード・ファイバ３５３は、４分の１波長板３５５を介して結合している。単一モード・ファイバ３５１、３５２、３５３、及び、３５４は、図３に示すように、それぞれ、単一偏光受信機３６０、単一偏光受信機３６５、単一偏光受信機３７０、及び、偏波ダイバーシチ受信機３７５にも接続されている。強度ノイズを低減するため、受信機３６０、３６５、３７０、及び、３７５は、平衡受信機とすることも可能である。

偏光子３２０は、光源３１０から基準光波を受光し、偏波保持型光ファイバ３２５に入射する基準光波を直線偏光させ、偏波保持型光ファイバ３２５の偏光方向と適正なアライメントがとれることを保証する。基準光波の偏光は、４方向スプリッタ３３５によって分割されて、偏波保持型光ファイバ３４５、３４６、３４７、及び、３４８に送り込まれた後、保持される。偏波保持型光ファイバ３４５の配向は、一般に、単一偏光受信機３６０に入射する基準光波の直線偏光が０度になるように施されている。偏波保持型光ファイバ３４６の配向は、一般に、単一偏光受信機３６５に入射する基準光波の直線偏光が４５度になるように施されている。偏波保持型光ファイバ３４７の配向は、一般に、単一偏光受信機３７０に入射する基準光波の直線偏光が４５度になるように施されている。４分の１波長リターダ３５５によって、単一モード光ファイバ３５３上で単一偏光受信機３７０に入射する信号光波の円偏光部分が、４５度の直線偏光光に変換されてから、単一偏光受信機３７０によって受信される。従って、単一偏光受信機３７０に入射する信号光波の偏光は、４５度になる。単一偏光受信機３６０、３６５、及び、３７０は、入力光波を電気的表現に変換する偏光検知型光学ヘテロダイン受信機として機能する。電気信号出力は、基準光波の方向に偏光した入力信号光波成分の強度に関連している。従って、単一偏光受信機３６０、３６５、及び、３７０の電気的出力によって、それぞれ、Ｐ_１、Ｐ_２、及び、Ｐ_３の測定値が得られる。

偏波ダイバーシチ受信機３７５は、入射光波を電気表現に変換するコヒーレント受信機として機能する。電気信号出力は、入力信号光波の全強度に関連している。従って、偏波ダイバーシチ受信機３７５の電気的出力によって、Ｐ_０の測定値が得られる。

図４には、本発明による実施態様が示されている。掃引線幅の狭い光源４１０によって、ヘテロダイン・システムに必要な掃引局部発振器基準源が得られる。光源４１０は、単一モード光ファイバ４１５によって偏光子４２０に接続されている。偏光子４２０は、偏波保持型光ファイバ４２５によって３方向スプリッタ（３ウェイスプリッタ）４３５に接続されている。３方向スプリッタ４３５によって、基準信号光波は３方向に分割され、偏波保持型光ファイバ４４５、４４６、及び、４４８に送り込まれる。３方向スプリッタ４３５は、偏波保持型光ファイバ４４５、４４６、及び、４４８によって、それぞれ、偏光分解受信機４８０、単一偏光受信機４６５、及び、単一偏光受信機４７０に接続されている。偏波保持型光ファイバ４４８は、４分の１波長リターダ４５５を介して、単一モード光ファイバ４４９に接続されている。単一モード光ファイバ４４９によって、４分の１波長リターダ４５５は単一偏光受信機４７０に接続されている。代替的には、４分の１波長リターダ４５５は、単一モード光ファイバ４５３と受信機４７０の間の入力信号経路内に配置することも可能である。入力信号光波は、単一モード光ファイバ４３０上で３方向スプリッタ４４０に入射し、３方向に分割されて、単一モード光ファイバ４５１、４５２、及び、４５３に送り込まれる。単一モード光ファイバ４５１、４５２、及び、４５３は、偏光分解受信機４８０、単一偏光受信機４６５、及び、単一偏光受信機４７０にも接続されている。強度ノイズを低減するため、受信機４８０、４６５、及び、４７０は、平衡受信機とすることも可能であるという点に留意されたい。

偏光子４２０は、光源４１０から基準光波を受光し、偏波保持型光ファイバ４２５に入射する基準光波を直線偏光させ、偏波保持型光ファイバ４２５の偏光方向と適正なアライメントがとれることを保証する。基準光波の偏光は、３方向スプリッタ４３５によって分割されて、偏波保持型光ファイバ４４５、４４６、及び、４４８に送り込まれた後、保持される。偏波保持型光ファイバ４４５の配向は、偏光分解受信機４８０に入射する基準光波の直線偏光が４５度になるように施されている。偏波保持型光ファイバ４４６の配向は、単一偏光受信機４６５に入射する基準光波の直線偏光が４５度になるように施されている。偏波保持型光ファイバ４４８は、４分の１波長リターダ４５５に接続されている。４分の１波長リターダ４５５によって、偏波保持型光ファイバ４４８から入射する直線偏光した基準光波が、円偏光光に変換され、単一モード光ファイバ４４９上で単一偏光受信機４７０に送られる。単一偏光受信機４６５及び４７０は、入力光波を電気的表現に変換する偏光検知型光学ヘテロダイン受信機として機能する。電気信号出力は、基準光波の方向に偏光した入力信号光波成分の強度に関連している。単一偏光受信機４６５及び４７０の電気的出力は、それぞれ、Ｐ_２及びＰ_３に対応しており、Ｐ_２及びＰ_３の測定値をもたらす。

偏光分解受信機４８０によって、ｘ方向に偏光した入力光波及びｙ方向に偏光した入力光波に比例した２つの出力ｘ及びｙが得られる。図５には、図４の偏光分解受信機４８０の本発明による１実施態様が示されている。４５度偏光した、掃引線幅の狭い光源４１０から入射する光波が、偏光ビーム・スプリッタ５３０によって、単一モード光ファイバ４５１からの入射光波と混合する２つの等しい成分に分割される。入力信号は、偏光ビーム・スプリッタ５３０に対して未知の角度θをなすように偏光させられ、ｃｏｓθ（ｘ方向）及びｓｉｎθ（ｙ方向）として分割される。掃引線幅の狭い光源４１０からの基準光波は、４５度をなすように偏光させられるので、光検出器５４５と５５０の間で等分割される。ディジタル・プロセッサ４９９において光検出器５４５及び５５０からの電気的出力を二乗し、合計することによって、未知の角度θに左右されない信号が生じ、その平方根をとることによって、総パワーＰ_０が得られる。ｘ方向における信号は、０度の偏光方向におけるパワーに比例し、スケーラ４９０によってＰ_１にスケーリングが施される。Ｐ_０、Ｐ_１、Ｐ_２、及び、Ｐ_３を求めることによって、ストークス・パラメータの計算、及び、入力信号の偏光度の特性解明が可能になる。

図６には、偏光合成器６３０を用いた本発明による１実施態様が示されている。図６に示す実施態様では、偏光合成器６３０を導入することによって、必要な受信機の数が１つに減少する。掃引線幅の狭い光源６１０は、単一モード光ファイバ６１５によって偏光子６２０に結合されている。偏光子６２０は、偏波保持型光ファイバ６０５によって偏光合成器６３０に結合されている。一般に、偏光合成器の出力が既知で、かつ、明確であるためには、入力偏光が明確であることが必要とされるが、これは、偏波保持型光ファイバ６０５を用いて、偏光子６２０を偏光合成器６３０に結合することによって実現される。偏光合成器６３０は、単一モード光ファイバ６４０を介して偏光分解受信機６６０に結合される。偏光分解受信機６６０は、図５に示す偏光分解受信機４８０と同様であり、ｘ及びｙ成分の出力を生じる。偏光分解受信機６６０は、一般に、平衡受信機である。偏光分解受信機６６０は、さらに、入力信号６５１を受信するように結合されている。偏光分解受信機６６０は、入力光波を電気的表現に変換するコヒーレント受信機として機能する。この実施態様の場合、各光周波数毎に、４つの個別の測定、すなわち、偏光合成器のＰ_１に関する０度、Ｐ_２に関する４５度、Ｐ_３に関する円偏光、及び、

に関する９０度の４つの設定のそれぞれについて１つの測定が実施され、各測定毎に、ｘ及びｙ成分が得られる。これによって、一般的にはディジタル・プロセッサ（不図示）によって実施される、入力信号６５１に関する偏光度及びストークス・パラメータＳ_０−Ｓ_３を求めることが可能になる。

本発明によれば、ヘテロダイン受信機への入力における光波の偏光を、電気信号の振幅を測定することによって、位相測定を行うことなく求めることができる。これにより、ノイズが存在する場合でも偏光をより正確に測定することができ、かつ、光波の偏光度を求めることができる。

本発明を特定の実施態様に関連して説明したが、当業者には、上記説明に鑑みて、多くの代替、修正、及び、変形態様が明らかになるであろう。従って、本発明には、特許請求の範囲の思想及び範囲内に含まれる他の全てのそうした代替、修正、及び、変形態様が包含されることが意図されている。

先行技術による偏光計の略図である。 本発明による偏光分解ヘテロダイン受信機の概念図である。 本発明による偏光合成器または波長板を配置するための代替位置を示す図である。 本発明による偏光合成器または波長板を配置するための代替位置を示す図である。 本発明による実施態様の１つを示す図である。 本発明による実施態様の１つを示す図である。 偏光分解受信機の本発明による実施態様の１つを示す図である。 本発明による実施態様の１つを示す図である。

符号の説明

３１０、４１０、６１０ 光源
３２０、４２０、６２０ 偏光子
３３０、４３０、６５１ 入力信号線
３３５、４３５ 第１のスプリッタ
３４０、４４０ 第２のスプリッタ
３４５、３４６、３４７、３４８、４４５、４４６、６０５ 偏波保持型光ファイバ
３６０、３６５、３７０、３７５、４６５、４７０、４８０ 偏光受信機
４５５ 波長板
４９０ スケーラ
６３０ 偏光合成器
６４０ 光ファイバ
６６０ 偏光分解受信機

Claims (16)

1. 光源（６１０）と、
   前記光源（６１０）に結合された偏光合成器（６３０）と、
   前記偏光合成器（６３０）及び入力信号線（６５１）に結合されて、前記偏光合成器（６３０）によって選択された偏光方向におけるパワーに関連した信号を出力することが可能な偏光分解受信機（６６０）
   とを備える、偏光分解ヘテロダイン受信装置。
2. 前記光源が掃引狭線幅光源（６１０）である、請求項１に記載の装置。
3. 前記光源が、偏波保持型光ファイバ（６０５）を使用して、前記偏光合成器（６３０）に結合される、請求項１に記載の装置。
4. 前記偏光合成器（６３０）が、単一モード光ファイバ（６４０）を使用して、前記偏光分解受信機（６６０）に結合される、請求項１に記載の装置。
5. 前記偏光方向が円形である、請求項１に記載の装置。
6. 前記偏光分解受信機（６６０）が第１と第２の出力信号を出力することが可能である、請求項１に記載の装置。
7. 偏光子（６２０）が前記光源（６１０）と前記偏光合成器（６３０）の間に配置される、請求項１に記載の装置。
8. 光源（３１０、４１０）と、
   前記光源（３１０、４１０）に結合された第１のスプリッタ（３３５、４３５）と、
   前記第１のスプリッタ（３３５、４３５）に結合された複数の偏光受信機（３６０、３６５、３７０、３７５、４８０、４６５、４７０）と、
   前記複数の偏光受信機（３６０、３６５、３７０、３７５、４８０、４６５、４７０）及び入力信号線（３３０、４３０）に結合されて、前記複数の偏光受信機（３６０、３６５、３７０、３７５、４８０、４６５、４７０）が、それぞれ、光パワーに比例した電気信号を出力するよう動作可能であるようにすることからなる、第２のスプリッタ（３４０、４４０）
   とを備える、偏光分解ヘテロダイン受信装置。
9. 前記第１のスプリッタ（３３５、４３５）が、偏波保持型光ファイバ（３４５、３４６、３４７、３４８、４４５、４４６）を使用して、前記複数の偏光受信機（３６０、３６５、３７０、３７５、４８０、４６５、４７０）の少なくとも１つに結合される、請求項８に記載の装置。
10. 前記光源（３１０、４１０）が掃引狭線幅光源である、請求項８に記載の装置。
11. 前記光源と前記第１のスプリッタの間に偏光子（３２０、４２０）が配置される、請求項８に記載の装置。
12. 前記第２のスプリッタ（３４０）と前記複数の偏光受信機の１つ（３７０）との間に、波長板（３５５）が配置される、請求項８に記載の装置。
13. 前記複数の偏光受信機の１つ（４８０）がスケーラ（４９０）に結合される、請求項８に記載の装置。
14. 前記複数の偏光受信機の１つ（４８０）が、第１と第２の出力信号を出力することが可能であり、前記第１の出力信号が、ｘ方向に偏光した入射光波に比例し、前記第２の出力信号が、ｙ方向に偏光した入射光波に比例することからなる、請求項８に記載の装置。
15. 前記複数の偏光受信機の１つが偏波ダイバーシチ受信機（３７５）である、請求項８に記載の装置。
16. 前記第１のスプリッタ（４３５）と前記複数の偏光受信機の１つ（４７０）の間に、波長板（４５５）が配置される、請求項８に記載の装置。
    

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