JP2010233099A

JP2010233099A - 光受信器

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Publication number: JP2010233099A
Application number: JP2009080319A
Authority: JP
Inventors: Katsuhito Mure; 勝仁牟禮; Masahide Miyaji; 正英宮地; Kaoru Hikuma; 薫日隈; Tokuichi Miyazaki; 徳一宮崎; Toshio Kataoka; 利夫片岡; Hiroyuki Sato; 弘幸佐藤; Hiroshi Nagaeda; 浩長枝; Noriyasu Shiga; 代康志賀; Yoichi Oikawa; 陽一及川
Original assignee: TRIMATIZ KK; Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; Trimatiz Ltd
Current assignee: TRIMATIZ KK; Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; Trimatiz Ltd
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: US8180226B2; CN101848037A; CN101848037B; JP4744616B2; US20110052212A1

Abstract

【課題】ＤＱＰＳＫ変調された光信号を多レベルの位相変調信号に復調する光受信器において、偏波無依存となる光受信器を提供する。
【解決手段】ＤＱＰＳＫ変調された光信号を、偏波面が直交する２つの光波に分岐する偏波分岐手段と、分岐光をさらに２つの光波に分岐し、４５度の１／４波長板を通過させる分岐回転手段と、分岐回転手段を経た４つの光波に対し、偏波面が直交する２つの光波に分離し、１ビット遅延回路手段を設け、１ビット遅延回路手段を経た２つの光波は、４５度の１／４波長板を通過し、さらに偏波面を２２．５度回転し、偏波面が直交する２つの光波毎に分岐する回転分岐手段と、回転分岐手段を経た特定の４つの光波を４５度の半波長板を通過させ、得られた８つの光波を特定の組み合わせで偏波面を維持した状態で合波する合波手段を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光受信器に関し、特に、ＤＱＰＳＫ変調された光信号を多レベルの位相変調信号を復調する光受信器に関する。

通信トラフィックの増大に伴い、高速・大容量化が求められる次世代長距離大容量光通信システムでは、多値変復調符号化技術の導入が検討されている。その代表的なものの一つに差動四相位相偏移変調（ＤＱＰＳＫ変調，Differential Quadrature Phase Shift keying）方式がある。この方式では、従来の２値強度変調（ＯＯＫ）方式と比べ、信号帯域が狭く、周波数利用効率の向上や伝送距離の拡大が実現できるほか、高感度化も期待できる。

まず、四相位相偏移変調（ＱＰＳＫ変調，Quadrature Phase Shift keying）方式は、２ビットのデータから構成される各シンボル「００」，「０１」，「１１」及び「１０」に対して、「θ」，「θ＋π／２」，「θ＋π」及び「θ＋３π／２」が割り当てられる。ここで、「θ」は任意の位相である。そして、受信器は、受信信号の位相を検出することにより、送信データを再生する。ＱＰＳＫ変調方式を比較的容易に実現する手段として、ＤＱＰＳＫ変調方式があり、ＤＱＰＳＫ変調では、先に送信したシンボルの値と次に送信するシンボルの値との間の搬送波の位相変化量（「０」,「π／２」，「π」及び「３π／２」）が送信情報の２ビットに対応付けられる。したがって、受信器は、隣接する２つのシンボル間の位相差を検出することにより、送信データを再生することができる。

特許文献１又は２に示すように、ＤＱＰＳＫ変調された光信号を復調するには、図１のようなＩ（In-phase）信号生成用とＱ（Quadrature）信号生成用の２つの遅延干渉計（導波路１０２と１０３による遅延干渉計、または、導波路１０４と１０５による遅延干渉計）を必要とし、しかも、高精度で位相差を復調する必要がある。図１では、光信号αを２つの遅延干渉計に入れるため、分岐部１０１で２つに分岐されている。しかし、光受信器の周辺温度などの影響で、遅延干渉計内の光路長が変化し、位相が安定しないため、高精度な復調が困難となる。また、いずれの干渉計でどちらの信号成分を復調しているのかが識別できないなど問題があった。また、光信号を分岐し２つの干渉計に導入するまでの光路長差や、各干渉計を構成する光路長の差を、最適に調整する必要があり、制御系が極めて複雑化するという問題を生じていた。なお、光波ａ１とａ２、又は光波ａ３とａ４を、各々のバランスド受光素子に入射してＩ信号やＱ信号が得られる。

これに対し、特許文献３において、本出願人は、図２に示すように、偏波面に着目する光受信器を提案した。具体的には、ＤＱＰＳＫ変調光αは、偏波面が一方向に揃えた状態入射し、１ビット遅延回路に導入される。１ビット遅延回路では、偏波保持型のファイバカプラ（１，２）で構成されるとともに、一方の分岐光の経路には偏波面を９０度回転させる半波長板３が配置されている。これにより、合波された光波は、互いに１ビット遅延した２つの信号光が、偏波面が直交する状態で合成されている。

そして、偏波分離回路４を用いて４つの信号光に分離され、例えば、光波ｂ１とｂ２、又は光波ｂ３とｂ４を、各々のバランスド受光素子に入射してＩ信号やＱ信号を得ることができる。これにより、１ビット遅延回路が１つに集約でき、製造コストの削減や光学部品の調整の煩雑さを軽減することが可能となる。

しかしながら、１ビット遅延回路を、例えば、偏波保持型ファイバカプラを用いて作成すると、偏波保持型ファイバカプラは温度変化や外部応力などの外乱に対して非常に敏感であるため、装置としての安定性が乏しいという問題を生じる。また、ハーフミラーなどの空間光学系を利用する場合も、ハーフミラーに偏波依存性があるため、分岐した光波の光路長に誤差が生じ易く、Ｉ成分信号とＱ成分信号との間に時間的なずれが発生する可能性が高い。

特開２００６−２９５６０３号公報特開２００７−１５８８５２号公報特願２００８−２５５５２８号（２００８年９月３０日出願）

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、ＤＱＰＳＫ変調された光信号を多レベルの位相変調信号に復調する光受信器において、偏波無依存となる光受信器を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、ＤＱＰＳＫ変調された光信号を多レベルの位相変調信号に復調する光受信器において、ＤＱＰＳＫ変調された光信号を、偏波面が直交する２つの光波（Ａ，Ｂ）に分岐する偏波分岐手段と、一方の分岐光Ａをさらに２つの光波（Ａ１，Ａ２）に分岐し、＋４５度の１／４波長板を通過させる分岐回転手段と、他方の分岐光Ｂをさらに２つの光波（Ｂ１，Ｂ２）に分岐し、−４５度の１／４波長板を通過させる分岐回転手段と、各分岐回転手段を経た４つの光波（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）に対し、偏波面が直交する２つの光波に分離し、一方の光波を１ビット分の遅れを発生させた後に両者を互いに偏波面が直交する状態で合波する１ビット遅延回路手段を設け、１ビット遅延回路手段を経た２つの光波（Ａ１，Ｂ２）は、各々の光波が−４５度の１／４波長板を通過し、さらに偏波面を２２．５度回転し、偏波面が直交する２つの光波（（Ａ１１，Ａ１２）又は（Ｂ２１，Ｂ２２））毎に分岐する回転分岐手段と、１ビット遅延回路手段を経た他の２つの光波（Ａ２，Ｂ１）は、各々の光波が＋４５度の１／４波長板を通過し、さらに偏波面を２２．５度回転し、偏波面が直交する２つの光波（（Ａ２１，Ａ２２）又は（Ｂ１１，Ｂ１２））毎に分岐する回転分岐手段と、回転分岐手段を経た特定の４つの光波（Ｂ１１，Ｂ１２，Ｂ２１，Ｂ２２）を＋４５度の半波長板を通過させ、得られた８つの光波（Ａ１１，Ａ１２，Ａ２１，Ａ２２，Ｂ１１，Ｂ１２，Ｂ２１，Ｂ２２）を特定の組み合わせ（（Ａ１１，Ｂ２１），（Ａ１２，Ｂ２２），（Ａ２１，Ｂ１１）又は（Ａ２２，Ｂ１２））で偏波面を維持した状態で合波する合波手段を有することを特徴とする光受信器。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光受信器において、前記４つの光波に対する１ビット遅延回路手段は、単一の偏光ビームスプリッターと２つのプリズムミラーで構成されることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、ＤＱＰＳＫ変調された光信号を、偏波面が直交する２つの光波に分岐し、上述したように各々の光波において偏波面を利用したＩ信号成分とＱ信号成分を生成した後に、各偏波面から対応する光波を抽出して特定の組み合わせで合波させることにより、偏波無依存化したＩ信号成分とＱ信号成分を得ることが可能となる。

請求項２に係る発明により、４つの光波に対する１ビット遅延回路手段は、単一の偏光ビームスプリッターと２つのプリズムミラーで構成されるため、空間光学系を小型化することが可能な光受信器を提供することができる。

従来の２つの遅延干渉計で構成されるＤＱＰＳＫ変調の光受信器を示す図である。本出願人が先の出願で提示した偏波面を利用したＤＱＰＳＫ変調の光受信器を示す図である。本発明の光受信器に係る基本的な概念を説明する図である。本発明の光受信器に係る空間光学系を説明するための側面展開図である。本発明の光受信器に係る空間光学系を説明するための平面展開図である。

以下、本発明の光受信器について、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、図３に示すように、ＤＱＰＳＫ変調された光信号αを多レベルの位相変調信号に復調する光受信器において、ＤＱＰＳＫ変調された光信号αを、偏波面が直交する２つの光波（Ａ，Ｂ）に分岐する偏波分岐手段（２０１）と、一方の分岐光Ａをさらに２つの光波（Ａ１，Ａ２）に分岐し、＋４５度の１／４波長板を通過させる分岐回転手段（２１１，２２１）と、他方の分岐光Ｂをさらに２つの光波（Ｂ１，Ｂ２）に分岐し、−４５度の１／４波長板を通過させる分岐回転手段（２１２，２２２）と、各分岐回転手段を経た４つの光波（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）に対し、偏波面が直交する２つの光波に分離し、一方の光波を１ビット分の遅れを発生させた後に両者を互いに偏波面が直交する状態で合波する１ビット遅延回路手段（２３１〜２５４）を設け、１ビット遅延回路手段を経た２つの光波（Ａ１，Ｂ２）は、各々の光波が−４５度の１／４波長板（２６１，２６４）を通過し、さらに偏波面を２２．５度回転（２７０）し、偏波面が直交する２つの光波（（Ａ１１，Ａ１２）又は（Ｂ２１，Ｂ２２））毎に分岐（２８１，２８４）する回転分岐手段と、１ビット遅延回路手段を経た他の２つの光波（Ａ２，Ｂ１）は、各々の光波が＋４５度の１／４波長板（２６２，２６３）を通過し、さらに偏波面を２２．５度回転（２７０）し、偏波面が直交する２つの光波（（Ａ２１，Ａ２２）又は（Ｂ１１，Ｂ１２））毎に分岐（２８２，２８３）する回転分岐手段と、回転分岐手段を経た特定の４つの光波（Ｂ１１，Ｂ１２，Ｂ２１，Ｂ２２）を＋４５度の半波長板（２９０）を通過させ、得られた８つの光波（Ａ１１，Ａ１２，Ａ２１，Ａ２２，Ｂ１１，Ｂ１２，Ｂ２１，Ｂ２２）を特定の組み合わせ（（Ａ１１，Ｂ２１），（Ａ１２，Ｂ２２），（Ａ２１，Ｂ１１）又は（Ａ２２，Ｂ１２））で偏波面を維持した状態で合波する合波手段（３０１〜３０４）を有することを特徴とする。

このような光学系を利用して得られた各光波（Ｃ１〜Ｃ４）は、偏波無依存化したＩ信号成分とＱ信号成分を形成でき、光受信器の光学系にハーフミラーを利用する場合でも、ハーフミラーの偏波依存性に影響を受けず、適正なＩ信号成分とＱ信号成分を得ることができる。

次に、図４及び図５を用いて、図３に対応する空間光学系で構成した光受信器を説明する。図４及び図５は、光の伝搬方向（図の右方向）に向かって、使用する光学部品を直列状態で展開した展開図である。特に、図４は、空間光学系を側面から見た展開図であり、図５は、空間光学系を上方から見た平面状の展開図である。

入射した信号光αは、レンズ４００でコリメートされ、偏波分岐手段４０１を構成する偏光ビームスプリッター４０２，４０３に入射し、図４のように、上下に分離した平行ビーム（Ａ，Ｂ）を形成する。符号βで示す光波は、偏光ビームスプリッターから漏れる漏れ光である。±４５度の１／４波長板と１ビット遅延回路とを含む光学系を符号４１０で示す。この光学系４１０に入射するには、図５に示すハーフミラー４１１とミラー４１２を経るよう設定されている。ハーフミラー４１１により光波（Ａ又はＢ）は、光強度が３ｄＢとなる２つの光波（（実線Ａ１，点線Ａ２）又は（Ｂ１，Ｂ２））に分けられる。

図４の上段側の光波（Ａ１，Ａ２）は、＋４５度の１／４波長板４１３に入射し、下段側の光波（Ｂ１，Ｂ２）は、−４５度の１／４波長板４１３’に入射する。その後、これら４つの光波は、偏光ビームスプリッター４１４で偏光面が直交する２つ光波に分岐され、プリズムミラー４１６及び４１７で各々反射し、再度、偏光ビームスプリッター４１４に入射して、偏波面を直交状態に維持しながら合波される。しかも、偏光ビームスプリッター４１４に対するプリズムミラー４１６及び４１７の設置位置は、光路差が１ビット分となるように設定されており、例えば、光路長を調整するため、ポリマーなどの光透過媒体４１５が、偏光ビームスプリッターとプリズムミラーとの間に配置される。

本発明の光受信器では、特に、４つの光波に対する１ビット遅延回路を、単一の偏光ビームスプリッター４１４と２つのプリズムミラー（４１６，４１７）で構成されるため、空間光学系を、極めて小型化することが可能となる。

１ビット遅延回路を出た光波は、ミラー（４１８，４１９）により−４５度の１／４波長板４２０や＋４５度の１／４波長板４２１へ導かれる。

±４５度の１／４波長板（４２０，４２１）を通過した４つの光波は、さらに、２２．５度の偏波面回転手段４３０を通過し、４つの偏光ビームスプリッター（４４１〜４４４）からなる分岐手段４４０により、各々２つの光波に分岐される。符号γは、偏光ビームスプリッターからの漏れ光である。

図４の下段側の光波（Ｂ１１、Ｂ１２，Ｂ２１，Ｂ２２）は、＋４５度の半波長板４５０を通過し、ミラー４６１と偏光ビームスプリッター４６１、或いは必要に応じて設けられるミラー４６３で構成される合波手段４６０で、上段側の光波と下段側の光波とが特定の組み合わせを構成することとなる。

図５で示すように、空間光学系で構成する場合には、光路差が発生する。このような光路差は、光波間の位相差を生じる原因となるため、各光波の間で、光路差を生じないよう補正する必要がある。

以上説明したように、本発明によれば、ＤＱＰＳＫ変調された光信号を多レベルの位相変調信号に復調する光受信器において、偏波無依存となる光受信器を提供することが可能となる。

２０１，２３１〜２３４，２５１〜２５４，２８１〜２８４，３０１〜３０４偏光ビームスプリッター
２１１，２１２分岐手段
２２１，２２２，２６１〜２６４１／４波長板
２７０２２．５度の偏波面回転手段
２９０半波長板

Claims

ＤＱＰＳＫ変調された光信号を多レベルの位相変調信号に復調する光受信器において、
ＤＱＰＳＫ変調された光信号を、偏波面が直交する２つの光波（Ａ，Ｂ）に分岐する偏波分岐手段と、
一方の分岐光Ａをさらに２つの光波（Ａ１，Ａ２）に分岐し、＋４５度の１／４波長板を通過させる分岐回転手段と、
他方の分岐光Ｂをさらに２つの光波（Ｂ１，Ｂ２）に分岐し、−４５度の１／４波長板を通過させる分岐回転手段と、
各分岐回転手段を経た４つの光波（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）に対し、偏波面が直交する２つの光波に分離し、一方の光波を１ビット分の遅れを発生させた後に両者を互いに偏波面が直交する状態で合波する１ビット遅延回路手段を設け、
１ビット遅延回路手段を経た２つの光波（Ａ１，Ｂ２）は、各々の光波が−４５度の１／４波長板を通過し、さらに偏波面を２２．５度回転し、偏波面が直交する２つの光波（（Ａ１１，Ａ１２）又は（Ｂ２１，Ｂ２２））毎に分岐する回転分岐手段と、
１ビット遅延回路手段を経た他の２つの光波（Ａ２，Ｂ１）は、各々の光波が＋４５度の１／４波長板を通過し、さらに偏波面を２２．５度回転し、偏波面が直交する２つの光波（（Ａ２１，Ａ２２）又は（Ｂ１１，Ｂ１２））毎に分岐する回転分岐手段と、
回転分岐手段を経た特定の４つの光波（Ｂ１１，Ｂ１２，Ｂ２１，Ｂ２２）を＋４５度の半波長板を通過させ、
得られた８つの光波（Ａ１１，Ａ１２，Ａ２１，Ａ２２，Ｂ１１，Ｂ１２，Ｂ２１，Ｂ２２）を特定の組み合わせ（（Ａ１１，Ｂ２１），（Ａ１２，Ｂ２２），（Ａ２１，Ｂ１１）又は（Ａ２２，Ｂ１２））で偏波面を維持した状態で合波する合波手段を有することを特徴とする光受信器。
請求項１に記載の光受信器において、前記４つの光波に対する１ビット遅延回路手段は、単一の偏光ビームスプリッターと２つのプリズムミラーで構成されることを特徴とする光受信器。