JP2010262239A

JP2010262239A - 復調器

Info

Publication number: JP2010262239A
Application number: JP2009114868A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shimizu; 貴志清水; Takeshi Yamamoto; 毅山本
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2010-11-18
Also published as: US20100284059A1; US8164824B2

Abstract

【課題】デバイスの大型化を抑制しつつ消光比の劣化を抑制することができる復調器を提供する。
【解決手段】復調器は、差動位相変調光信号を第１分岐光と第２分岐光とに分岐して第１分岐光を第１光路に出射し、第２分岐光を第２光路に出射する分岐手段と、第１光路上に配置され、第２光路の平均屈折率よりも高い屈折率を有する第１誘電体と、第１光路を経由した第１分岐光と第２光路を経由した第２分岐光とを合波干渉させる合波干渉手段と、を備え、第２光路を経由した第２分岐光に対して第１光路を経由した第１分岐光が１ビット遅延するように、第１光路長と第２光路長との差、および、第１誘電体の屈折率が設定されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、復調器に関する。

復調器は、１ビット差の光の位相差を利用して信号を復調するために、光を分岐し１ビットに相当する時間差を設けて再び合波する（例えば、特許文献１参照）。マイクロオプティクスでは、空間を伝播する時間に差を設ける。この場合、空間を伝播する光は、回折によりビーム径が広がる。伝播する光は、波長が長い方が回折の影響を受けやすく、ビーム径が小さい方が回折の影響を受けやすい。

しかしながら、光ファイバ通信に使用される波長には規定があり、自由に波長を選択することができない。そこで、ビームの広がりを抑えるために、ビーム径を大きくすることによって、並行光を維持できる距離を長くして対応することが考えられる。

特開２００７−６７９５５号公報

しかしながら、ビーム径が大きくなると、光学エレメントが大きくなってしまう。またファイバ端面とレンズの距離を大きくしなくてはならず、デバイス全体が大型化してしまう。

近年、通信モジュールは小型化してきておりデバイスの小型化に強い要求がある。一方、小さいビーム径で復調器を構成して必要な遅延を設けるために伝播距離が違う光を合波する場合、ビーム径が異なるために光のパワーを０にしたい場合にも残留光が発生してしまう。それにより、オンオフ比である消光比を劣化させる要因になる。

復調器において、消光比の劣化はそのままノイズの増加につながる。その結果、要求仕様により規定される重要な性能数値になる。また、異なるビーム径を一致させるためにレンズ等を利用した場合、位相波面が合波する二つのビームで異なってしまい、同様に消光比を劣化させる。したがって、細いビームを使い、ビーム径を一致させ、かつ位相波面も一致させることが求められている。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、デバイスの大型化を抑制しつつ消光比の劣化を抑制することができる復調器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、明細書開示の復調器は、差動位相変調光信号を第１分岐光と第２分岐光とに分岐して第１分岐光を第１光路に出射し、第２分岐光を第２光路に出射する分岐手段と、記第１光路上に配置され、第２光路の平均屈折率よりも高い屈折率を有する第１誘電体と、第１光路を経由した第１分岐光と第２光路を経由した第２分岐光とを合波干渉させる合波干渉手段と、を備え、第２光路を経由した第２分岐光に対して第１光路を経由した第１分岐光が１ビット遅延するように、第１光路長と第２光路長との差、および、第１誘電体の屈折率が設定されているものである。

明細書開示の復調器によれば、大型化を抑制しつつ消光比の劣化を抑制することができる。

第１の実施形態に係る復調器を含む差動位相変調光伝送システムの全体構成を説明するブロック図である。光の回折による広がりについて説明するための図である。ビーム径が異なる２つの光を干渉させた場合の残留光分布を説明するための図である。干渉させる２つの光のビーム径の不一致（％）と消光比との関係を説明するための図である。入力光のビーム径と伝播距離とビーム径の広がりとの関係の一例を説明するための図である。第１の実施形態に係る復調器の詳細を説明するためのブロック図である。フレネル領域とフラウンフォーファ領域との境界について説明するための図である。第２の実施形態に係る復調器の詳細を説明するためのブロック図である。第３の実施形態に係る復調器の詳細を説明するためのブロック図である。第４の実施形態に係る復調器のブロック図である。実施例および比較例の結果を説明するための図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、第１の実施形態に係る復調器５０を含む差動位相変調（ＤＰＳＫ：Differential Phase Shift Keying）光伝送システム１００の全体構成を説明するためのブロック図である。図１（ｂ）は、差動位相変調信号を説明するための図である。

図１（ａ）を参照して、光伝送システム１００は、複数の光源１０、複数の位相変調器２０、波長合波器３０、波長分波器４０および複数の復調器５０、および複数の受信機６０を含む。

各光源１０は、互いに異なる波長の光信号を出射する。位相変調器２０は、光源１０から出射された光信号を受信する。位相変調器２０は、受信した光信号から図１（ｂ）で説明されるような位相変調信号を生成する。各位相変調器２０によって生成された位相変調信号は、波長合波器３０に入力される。波長合波器３０は、入力された複数の位相変調信号を合波する。合波された位相変調信号は、光伝送路等を介して波長分波器４０に入力される。

復調器５０は、分波された位相変調信号を復調する。この場合、復調器５０は、位相変調信号とその変調レートの１周期（１ビット）遅延させた信号とを干渉させることによって、位相変調信号を復調する。各復調器５０によって合波干渉された信号は、受信機６０によって受信される。以上の過程により、ＤＰＳＫ光伝送が行われる。

ここで、復調器５０における分岐光のビーム径の広がりについて説明する。図２（ａ）を参照して、光信号を、実線で描かれる第１分岐光と破線で描かれる第２分岐光とに分岐し、第１分岐光を第２分岐光に対して１ビット遅延させるものとする。

ところで、図２（ｂ）で説明されるように、第１分岐光および第２分岐光のいずれも、伝播とともにビーム径が大きくなる。第１分岐光の伝播距離は長くなることから、第２分岐光に対して第１分岐光のビーム径が大きくなってしまう。そこで、図２（ｃ）で説明されるようにビーム径の広がりを抑制しようとすれば、入力される光のビーム径を大きくするか波長を短くする必要がある。しかしながら、ビーム径を大きくすると、デバイスが大型化してしまう。そこで、入力される光のビーム径を小さくするか波長を長くすると、図２（ｄ）で説明されるように、ビーム径の広がりが大きくなってしまう。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は、ビーム径が異なる２つの光を干渉させた場合の残留光分布を説明するための図である。図３（ａ）で説明されるように、ビーム径が異なる２つの光を干渉させるとする。この場合、図３（ｂ）および図３（ｃ）で説明されるように、残留光に分布が生じ、複数のフェーズが発生する。この場合、消光比が劣化してしまう。

図４は、干渉させる２つの光のビーム径不一致（％）と消光比との関係を説明するための図である。図４で説明されるように、ビーム径の不一致が大きくなると、消光比が劣化する。

そこで、本実施形態においては、分岐光を１ビット遅延させるための光路途中に誘電体を配置することによって、ビーム径の広がりを抑制する。図５は、本実施形態に係る復調器５０の詳細を説明するためのブロック図である。復調器５０は、マイケルソン型の復調器である。図５を参照して、復調器５０は、ハーフミラー５１、プリズムミラー５２、誘電体５３およびプリズムミラー５４を備える。

ハーフミラー５１は、入力される光を分岐する分岐手段として機能する。ハーフミラー５１は、入力された光を、第１光路を経由する第１分岐光と第２光路を経由する第２分岐光とに分岐する。第１分岐光は、プリズムミラー５２によって反射され、誘電体５３を透過してハーフミラー５１に再度入力される。本実施形態においては、第１光路は、ハーフミラー５１とプリズムミラー５２との間を往復する経路である。

第２分岐光は、プリズムミラー５４によって反射され、再度ハーフミラー５１に入力される。本実施形態において、第２光路は、ハーフミラー５１とプリズムミラー５４との間を往復する経路である。本実施形態においては、第２光路を経由した第２分岐光に対して第１光路を経由した第１分岐光が１ビット遅延するように、第１光路長と第２光路長との差、および、誘電体５３の屈折率が設定されている。

ハーフミラー５１は、合波干渉手段としても機能する。第１光路を経由してハーフミラー５１に入力された第１分岐光は、第２光路を経由した第２光信号と合波干渉した後に出射されて受信機６０のフォトダイオード６１において受光される。第２光路を経由してハーフミラー５１に入力された第２分岐光は、第１光路を経由した第１分岐光と合波干渉した後に出射されて受信機６０のフォトダイオード６２において受光される。

本実施形態においては、誘電体５３は、第２光路の平均屈折率よりも高い屈折率を有する透明媒質からなる。したがって、誘電体５３を伝播する場合、第２光路を伝播する場合に比べて屈折率に反比例して波長が短くなる。そのため、第１分岐光の広がり角を抑制することができる。また、屈折率に比例して伝播速度が遅くなる。この二つの性質を利用して、誘電体５３で遅延量を設けつつ、合波干渉の際の第１分岐光と第２分岐光とのビーム径の不一致を抑制することができる。その結果、消光比の劣化を抑制することができる。

図６は、本実施形態の効果について説明するための図である。本実施形態によれば、図６で説明されるように、入力光のビーム径にかかわりなく、消光比の劣化を抑制することができる。それにより、入力光のビーム径を小さくすることができる。その結果、デバイスの大型化を抑制することができる。

以下、誘電体５３の具体例について説明する。第１光路（長路）の長さをＬ_１、第２光路（短路）の長さをＬ_２、誘電体５３を第１分岐光が伝播する距離をＬ_ｎとし、空気中の屈折率をｎ_ａｉｒ、誘電体５３の屈折率をｎ_{ｇｌａｓｓ}とすれば、復調器５０に必要な遅延量Ｄｅｌａｙは、

と表される。なお、cは真空中の光速を表す。

一方、信号光入力ファイバから出射された光の等位相波面をコリメートレンズで調整した直後（Ｚ＝０）のビーム径をＤ_０、この界面から伝播方向にｚ離れた観測地点でのビーム径Ｄ_ｚは、ｚ＝０で理想的な平面ガウシアンビームに調整した場合には、

と表すことができる。ここで、λは入力信号光の波長である。

伝播距離Ｌ_１およびＬ_２が、図７で説明されるフレネル領域とフラウンフォーファ領域との境界の目安となるＤ_０ ^２／λより十分に大きい場合には、広がり角θが一定値に近づき、

となる。nは媒質の屈折率を示す。

この場合のビーム径Ｄ_ｚは、

と表すことができるため、第１光路（長路）と第２光路（短路）を伝播後のビーム径Ｄ_１、Ｄ_２は、

と表すことができる。

式（２）のビーム径Ｄ_１と式（３）のビーム径Ｄ_２とが等しくなるように第１光路長と第２光路長との差、および、誘電体５３の屈折率を設定することによって、ビーム径の不一致をゼロにすることができる。それにより、消光比の劣化を抑制することができる。なお、図４を参照して、ビーム径の不一致を０．３％以下にすることによって、消光比を４８ｄＢ程度まで向上させることができる。この場合、システム全体で必要な消光比を３０ｄＢ以下とすれば、十分な効果が得られる。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る復調器５０ａの詳細を説明するためのブロック図である。図８を参照して、復調器５０ａにおいては、第２光路の途中に誘電体５５が配置されている。ハーフミラー５１において分岐した第２分岐光は、プリズムミラー５４によって反射され、誘電体５５を透過してハーフミラー５１に再度入力される。本実施形態においては、第２光路を経由した第２分岐光に対して第１光路を経由した第１分岐光が１ビット遅延するように、第１光路長と第２光路長との差、および、誘電体５３および誘電体５５の屈折率が設定されている。このように、第２光路に誘電体を配置してもよい。

本実施形態においても、誘電体５３は、第２光路の平均屈折率よりも高い屈折率を有する透明媒質からなる。それにより、誘電体５３で遅延量を設けつつ、合波干渉の際の第１分岐光と第２分岐光とのビーム径の不一致を抑制することができる。その結果、消光比の劣化を抑制することができる。

（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態に係る復調器５０ｂの詳細を説明するためのブロック図である。図９を参照して、復調器５０ｂは、マッハツェンダ型の復調器である。図９を参照して、復調器５０ａは、ハーフミラー７１、ミラー７２、誘電体７３、ミラー７４、およびハーフミラー７５を備える。

ハーフミラー７１は、入力される光を分岐する分岐手段として機能する。ハーフミラー７１は、入力された光を、第１光路を経由する第１分岐光と第２光路を経由する第２分岐光とに分岐する。第１分岐光は、ミラー７２によって反射し、誘電体７３を透過してミラー７４によって反射し、ハーフミラー７５に入力される。したがって、第１光路は、ハーフミラー７１から、ミラー７２、誘電体７３、およびミラー７４を経由してハーフミラー７５までの経路である。

第２分岐光は、ミラー７２、誘電体７３およびミラー７４を経由せずにハーフミラー７５に入力される。第２光路は、ハーフミラー７１とプリズムミラー７４との間の経路である。本実施形態においては、第２光路を経由した第２分岐光に対して第１光路を経由した第１分岐光が１ビット遅延するように、第１光路長と第２光路長との差、および、誘電体７３の屈折率が設定されている。

ハーフミラー７５は、合波干渉手段として機能する。第１光路を経由してハーフミラー７５に入力された第１分岐光は、第２光路を経由した第２光信号と合波干渉した後に出射されて受信機６０のフォトダイオード６１において受光される。第２光路を経由してハーフミラー７５に入力された第２分岐光は、第１光路を経由した第１分岐光と合波干渉した後に出射されて受信機６０のフォトダイオード６２において受光される。

本実施形態においては、誘電体７３は、第２光路の平均屈折率よりも高い屈折率を有する透明媒質からなる。それにより、誘電体７３で遅延量を設けつつ、合波干渉の際の第１分岐光と第２分岐光とのビーム径の不一致を抑制することができる。その結果、消光比の劣化を抑制することができる。

（第４の実施形態）
図１０は、第４の実施形態に係る復調器５０ｃのブロック図である。図１０を参照して、復調器５０ｃは、第１〜第３の実施形態に係る復調器が２つ（復調器５０ａ１および復調器５０ａ２）設けられた構造を有する。例えば、ハーフミラー５８を用いて２つに分岐された光信号が各復調器に入力される。

スキュー調整は復調器５０ａ１と復調器５０ａ２とに入力される光信号の光周波数（例えば、約２００ＴＨｚ）における相対的位相差が０度になるように調整される。

復調器５０ａ１においては、第１光路と第２光路とが合波干渉される位置での光路長差が１ビットでかつ光周波数での位相差が−１／４πになるように設定される。復調器５０ａ２にいては、第１光路と第２光路とが合波される位置での光路長差が１ビットでかつ光周波数での位相差が＋１／４πになるように設定される。

本実施例に係る復調器５０ｃは、４相差動位相変調（ＤＱＰＳＫ：Differential Quadrature Phase Shift Keying）された信号を復調する。このように、第１〜第３の実施形態に係る復調器は、ＤＱＳＰＫ信号の復調器として用いることができる。

（実施例）
実施例として、４０ＧＨｚのＦＳＲ（自由スペクトル幅）の復調器で入射ビーム径を５０μｍとする場合の設計例を示す。第２光路（短路）の全長を、空気中で２５ｍｍとする。この場合の観測点でのビーム径は式（３）より２５０μｍである。第１光路には、屈折率１．４５で厚さ１０ｍｍの誘電体を配置する。第１光路の全長は、２８ｍｍとする。この場合、式（２）よりビーム径は２５０μｍで、式（１）より、遅延量は２５ｐｓｅｃとなる。

（比較例）
比較例では、誘電体を配置せず、第１光路の遅延量を空気中の伝播距離によって設ける。この場合、第１光路の全長は３２．５ｍｍとなり、合波時のビーム径Ｄ_１は、３２５μｍとなる。したがって、第２分岐光とのビーム径の比は、２３．１％となる。この場合、消光比は１１ｄＢ程度まで劣化する。

図１１は、以上の結果を説明するための図である。図１１を参照して、比較例においてはビーム径の不一致が大きくなるのに対して、実施例ではビーム径の不一致が抑制される。以上のことから、第１光路に第２光路の平均屈折率以上の屈折率を有する誘電体を配置することによって、ビーム径の不一致が抑制され、消光比の劣化が抑制されることが確認される。

以上、本発明の実施形態および実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態または実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０光源
２０位相変調器
３０波長合波器
４０波長分波器
５０復調器
５１ハーフミラー
５２プリズムミラー
５３誘電体
５４プリズムミラー
６０受信機
６１，６２フォトダイオード
１００光伝送システム

Claims

差動位相変調光信号を第１分岐光と第２分岐光とに分岐して前記第１分岐光を第１光路に出射し、前記第２分岐光を第２光路に出射する分岐手段と、
前記第１光路上に配置され、前記第２光路の平均屈折率よりも高い屈折率を有する第１誘電体と、
前記第１光路を経由した前記第１分岐光と前記第２光路を経由した前記第２分岐光とを合波干渉させる合波干渉手段と、を備え、
前記第２光路を経由した前記第２分岐光に対して前記第１光路を経由した前記第１分岐光が１ビット遅延するように、前記第１光路長と前記第２光路長との差、および、前記第１誘電体の屈折率が設定されていることを特徴とする復調器。
前記第２光路上に配置され、前記第１誘電体と異なる屈折率を有する第２誘電体を備え、
前記第２光路を経由した前記第２分岐光に対して前記第１光路を経由した前記第１分岐光が１ビット遅延するように、前記第１光路長と前記第２光路長との差、および、前記第１誘電体および前記第２誘電体の屈折率が設定されていることを特徴とする請求項１記載の復調器。
前記合波干渉手段における前記第１分岐光と前記第２分岐光とのビーム径の不一致は、０．３％以下であることを特徴とする請求項１または２記載の復調器。