JP2012182790A - 光受信器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能で、製造や部品の組立調整に係る作業負担を軽減することが可能な光受信器を提供する。
【解決手段】直交する２偏波に各々独立した多値位相変調信号が付与された信号光Ｓと、信号光と同一波長・直線偏波である局部発振光Ｒとを用いて、各偏波に応じた該多値位相変調信号を復調する光受信器において、該Ｓを各偏波に対応して２つの分離信号光Ｓ１，Ｓ２に分離し、該Ｒを２つの分離局部発振光Ｒ１，Ｒ２に分離し、前記Ｓ１，Ｓ２と該Ｒ１，Ｒ２とを、偏波面が所定の角度を形成するように合波して、各Ｓ１，Ｓ２毎に２つの合成波信号Ｌ１〜Ｌ４を形成して出力する、空間光学系で構成される合成波信号生成手段Ａと、該Ｌ１〜Ｌ４から各偏波に対応するＩ信号及びＱ信号を分離して出力する、空間光学系で構成されるＩＱ出力手段Ｂとを備え、該合成波信号生成手段に対して、該Ｓと該Ｒとは同じ側から入射し、該Ｌ１〜Ｌ４は反対側から出射する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光受信器に関し、特に、直交する２偏波に各々独立した多値位相変調信号を復調する光受信器に関する。

光通信技術の一つに、直交する２偏波に各々独立した多値位相変調信号を印加する通信方式が提案されている。このような信号光を復調するには、偏波間において９０度位相差をもった光を偏光ビームスプリター（Polarizing Beam Splitter。ＰＢＳ）にて偏波分離し、Ｉ信号（In-phase信号）とＱ信号（Quadrature-phase信号）の光出力を得ることが行われている。

光受信器の構成としては、光平面回路（ＰＬＣ）やマイクロオプティクス（空間光学）を利用した方式が採用されている。ＰＬＣは、印刷配線で実現できるため、量産性に優れるが、偏波分離機能を付与するため、外部にＰＢＳ部品を設ける必要がある。さらに、回路の曲げによる偏波依存性が影響し、小型化が困難であった。

他方、マイクロオプティクスで構成する場合は、同様の機能を満たすため、部品の要求仕様（外形公差やＰＢＳ／ＢＳの膜仕様）を高いレベルで実現する必要があり、高コストであった。

特許文献１には、図１に示すように、信号光Ｓと参照光Ｌを入射して、４つの光出力（Ｓ＋Ｌ，Ｓ−Ｌ，Ｓ＋ｊＬ及びＳ−ｊＬ）を得るための、ハーフミラーを用いた空間光学系が開示されている。特許文献１では、ハーフミラーを中心として、その周囲に、全反射ミラーや位相調整板を固定配置して、一体化した空間光学系を構成している。

しかしながら、図１のような空間光学系では、Ｉ，Ｑ信号に関連した４つの光出力が直角の角度関係で出力されるため、図１の出力光を受光する受光素子の配置が複雑化する原因となる。

しかも、空間光学系を取り囲むように、信号光や参照光を入射するための光ファイバや受光素子が配置されるため、光受信器全体のサイズが大型化するという問題がある。

さらに、図１のように、信号光Ｓや参照光Ｌの入射方向や４つの光出力の出射方向が、図面の縦方向や横方向と一致していないため、図１の空間光学系に対する光ファイバや受光素子の配置が複雑化すると共に、空間光学系内の光路調整作業も煩雑化する。また、特許文献１に開示されているように、信号光Ｓと光出力（Ｓ＋ｊＬ）、又は参照光Ｌと（Ｓ＋Ｌ）とを、同一光路として構成する場合には、入射光と出射光とを分離するため、別途、サーキュレータなどを配置する必要がある。

米国特許公開２００７／０２２３９３２号

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、小型化が可能であり、製造や部品の組立調整に係る作業負担を軽減することが可能な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、本発明は以下のような技術的特徴を有する。
（１） 直交する２偏波に各々独立した多値位相変調信号が付与された信号光（Ｓ）と、信号光と同一波長（直線偏波）である局部発振光（Ｒ）とを用いて、各偏波に応じた該多値位相変調信号を復調する光受信器において、該信号光（Ｓ）を各偏波に対応して２つの分離信号光（Ｓ１，Ｓ２）に分離し、該局部発振光（Ｒ）を２つの分離局部発振光（Ｒ１，Ｒ２）に分離し、前記分離信号光（Ｓ１，Ｓ２）と該分離局部発振光（Ｒ１，Ｒ２）とを、偏波面が所定の角度を形成するように合波して、各分離信号光（Ｓ１，Ｓ２）毎に２つの合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）を形成して出力する、空間光学系で構成される合成波信号生成手段と、該合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）から各偏波に対応するＩ信号及びＱ信号を分離して出力する、空間光学系で構成されるＩＱ出力手段とを備え、該合成波信号生成手段に対して、該信号光（Ｓ）と該局部発振光（Ｒ）とは同じ側から入射し、該合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）は、該信号光（Ｓ）と該局部発振光（Ｒ）とが入射する側とは反対側から出射し、また、該ＩＱ出力手段に対して、該合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）が入射する側とは反対側から該Ｉ信号及び該Ｑ信号が出射するよう構成されていることを特徴とする。

（２） 上記（１）に記載の光受信器において、該合成波信号生成手段と該ＩＱ出力手段との間に、各合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）の光路長差を調整する光路長調整手段が配置されていることを特徴とする。

（３） 上記（１）又は（２）に記載の光受信器において、該ＩＱ出力手段の後段に、該ＩＱ出力手段から出射するＩ信号又はＱ信号に係る各信号光の光路長差を調整する光路長調整手段が配置されていることを特徴とする。

（４） 上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光受信器において、該ＩＱ出力手段は、偏光ビームスプリッタを用いてＩ信号及びＱ信号に分離するよう構成されていることを特徴とする。

（５） 上記（４）に記載の光受信器において、該ＩＱ出力手段は、複数の光学部品を組み合わせて構成されると共に、全体が一つのブロック体として結合されていることを特徴とする。

（６） 上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光受信器において、該ＩＱ出力手段は、複屈折材料からなる単一の光学部品で構成されていることを特徴とする。

（７） 上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の光受信器において、該合成波信号生成手段と該ＩＱ出力手段とは、あるいは、該合成波信号生成手段と該ＩＱ出力手段と該光路長調整手段とは、互いに密着して固定配置されていることを特徴とする。

（８） 上記（７）に記載の光受信器において、該合成波信号生成手段を構成する光学部品と該ＩＱ出力手段を構成する光学部品とは、線膨張係数が略等しいことを特徴とする。

本発明のように、直交する２偏波に各々独立した多値位相変調信号が付与された信号光（Ｓ）と、信号光と同一波長（直線偏波）である局部発振光（Ｒ）とを用いて、各偏波に応じた該多値位相変調信号を復調する光受信器において、該信号光（Ｓ）を各偏波に対応して２つの分離信号光（Ｓ１，Ｓ２）に分離し、該局部発振光（Ｒ）を２つの分離局部発振光（Ｒ１，Ｒ２）に分離し、前記分離信号光（Ｓ１，Ｓ２）と該分離局部発振光（Ｒ１，Ｒ２）とを、偏波面が所定の角度を形成するように合波して、各分離信号光（Ｓ１，Ｓ２）毎に２つの合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）を形成して出力する、空間光学系で構成される合成波信号生成手段と、該合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）から各偏波に対応するＩ信号及びＱ信号を分離して出力する、空間光学系で構成されるＩＱ出力手段とを備え、該合成波信号生成手段に対して、該信号光（Ｓ）と該局部発振光（Ｒ）とは同じ側から入射し、該合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）は、該信号光（Ｓ）と該局部発振光（Ｒ）とが入射する側とは反対側から出射し、また、該ＩＱ出力手段に対して、該合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）が入射する側とは反対側から該Ｉ信号及び該Ｑ信号が出射するよう構成されていることにより、信号光等の入射する側と反対側から合成波信号やＩ信号及びＱ信号を出力することができ、光受信器全体のサイズを小型化することが可能となる。さらに、光波の進行方向に対して上流側から、又は下流側から順次、光学部品を固定配置して組立てることができるため、光受信器の製造並びに組立調整を容易に行うことが可能となる。

特許文献１に開示された空間光学系の概略を説明する図である。 本発明の光受信器の概略（実施例１）を説明する図である。 本発明の光受信器の概略（実施例２）を説明する図である。 本発明の光受信器の概略（実施例３）を説明する図である。 本発明の光受信器の概略（実施例４）を説明する図である。 本発明の光受信器の概略（実施例５）を説明する図である。 本発明の光受信器の概略（実施例６）を説明する図である。 本発明の光受信器の概略（実施例７）を説明する図である。

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２に示すように、直交する２偏波に各々独立した多値位相変調信号が付与された信号光（Ｓ）と、信号光と同一波長（直線偏波）である局部発振光（Ｒ）とを用いて、各偏波に応じた該多値位相変調信号を復調する光受信器において、該信号光（Ｓ）を各偏波に対応して２つの分離信号光（Ｓ１，Ｓ２）に分離し、該局部発振光（Ｒ）を２つの分離局部発振光（Ｒ１，Ｒ２）に分離し、前記分離信号光（Ｓ１，Ｓ２）と該分離局部発振光（Ｒ１，Ｒ２）とを、偏波面が所定の角度を形成するように合波して、各分離信号光（Ｓ１，Ｓ２）毎に２つの合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）を形成して出力する、空間光学系で構成される合成波信号生成手段（Ａ）と、該合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）から各偏波に対応するＩ信号及びＱ信号を分離して出力する、空間光学系で構成されるＩＱ出力手段（Ｂ）とを備え、該合成波信号生成手段に対して、該信号光（Ｓ）と該局部発振光（Ｒ）とは同じ側から入射し、該合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）は、該信号光（Ｓ）と該局部発振光（Ｒ）とが入射する側とは反対側から出射し、また、該ＩＱ出力手段に対して、該合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）が入射する側とは反対側から該Ｉ信号及び該Ｑ信号が出射するよう構成されていることを特徴とする。

図２では、合成波信号生成手段（Ａ）に対して、信号光（Ｓ）と局部発振光（Ｒ）を同じ側（図面の上側）から入射し、合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）を反対側（図面の下側）に出射している。さらに、ＩＱ出力手段（Ｂ）に対して、合成波信号が入射する側（図面の上側）と反対側（図面の下側）からＩ信号とＱ信号を出力している。これらの構成により、合成波信号生成手段やＩＱ出力手段から出射する光が必要以上に広がらず、光受信器のサイズを小型化することが可能となる。なお、図２では、信号光等の入射方向と、合成波信号やＩ信号及びＱ信号の出射方向とが、互いに平行となるように構成されているが、本発明においては、必ずしも平行となる必要はなく、出力光が出力された後の光学系に合わせて適宜設計することができる。

合成波信号生成手段では、まず、信号光（Ｓ）を偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）で２つの偏波（Ｓ１，Ｓ２）に分離し、一方の偏波Ｓ２を全反射ミラーで他方の偏波Ｓ１と同じ方向に揃えている。次に、各偏波（Ｓ１，Ｓ２）の偏光角を揃えるためλ／２波長板を通過させる。λ／２波長板を通過した偏波（Ｓ１，Ｓ２）は、当該波長板の下側に配置された全反射ミラーで、図面の横方向に反射され、偏波Ｓ１は左方向に、偏波Ｓ２は右方向に導かれる。

他方、局部発振光（Ｒ）は、信号光と同一波長（直線偏波）であり、その後、円偏光となるように、λ／４波長板を透過させ、最初に通過するハーフミラーで、下方向に向かう局部発振光と右方向に向かう局部発振光の２つに分離する。下方向に向かう局部発振光は、ハーフミラーにより、偏波面を調整された偏波Ｓ１と合波され、さらに、２つの合成波信号（Ｌ１，Ｌ２）を形成する。また、右方向に向かった局部発振光は、全反射ミラーで反射され下方向に向かい、ハーフミラーにより、偏波面を調整された偏波Ｓ２と合波され、さらに、２つの合成波信号（Ｌ３，Ｌ４）を形成する。

図２の実施例では、ＩＱ出力手段（Ｂ）は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いてＩ信号及びＱ信号に分離するよう構成されている。

図２のような空間光学系を製造するには、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、ハーフミラー（ＢＳ）、全反射ミラー、波長板、さらに必要に応じて配置される、部品間の距離を調整するスペーサ部品を、ＢＫ７を基材として構成し、各光学部品を高精度に張り合わせる必要がある。

本発明の光受信器では、Ｃ−ＢＡＮＤ（1530nm-1565nm）、Ｌ−ＢＡＮＤ（1565nm-1625nm）、もしくは両方の帯域において波長依存性の少ない光学膜（反射膜、ハーフミラー、偏光分離ミラーなど）を利用して空間光学系を形成することができる。しかも、ＢＫ７などのガラス部材で構成された、本発明に使用される空間光学系は、偏光依存性がある導波路素子で構成する場合と比べて、波長依存性や偏光依存性に優れた性能を発揮する。

図３は、合成波信号生成手段（Ａ）とＩＱ出力手段（Ｂ）との間に、各合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）の光路長差を調整する光路長調整手段（光路長調整板）を配置した実施例である。

合成波信号生成手段（Ａ）では、ハーフミラーで信号光と局部発信光を合波すると共に、２つの合成波信号（Ｌ１とＬ２，Ｌ３とＬ４）を生成しているが、合成波信号生成手段（Ａ）から出力する時点で、２つの合成波信号に光路長差が発生している。この光路長差を補正するため、光路長調整手段（Ｃ）が設けられている。

光路長調整手段（Ｃ）は、図３のように、合成波信号生成手段（Ａ）に密着して固定配置するだけでなく、離間して配置することも可能である。ただし、図３のように、密着して配置することで、各光学部品の位置決めを、精度良く行うことが可能となり、光受信器の組立調整が容易になる。

図３の実施例では、ＩＱ出力手段（Ｂ）において、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）でＩ信号及びＱ信号に分離した後の光路長を同じにするため、平行四辺形の断面の全面反射ミラーと台形の透明な光学部品が、当該手段の後段部分に配置されている。図２に示すＩＱ出力手段は、図３のような光路長の調整が行われていないため、受光素子の配置位置を調整したり、別途、光路長調整手段をＩＱ出力手段の下流側に配置することが必要となる。

図４の実施例は、合成波信号生成手段（Ａ）と光路長調整手段（Ｃ）及びＩＱ出力手段（Ｃ）とを互いに密着して固定配置し、光受信器を構成する空間光学系全体を一体化したものである。これにより、光受信器を小型化することが可能になるだけでなく、各光学部品の位置決めも高精度かつ容易に行うことができる。図４の構成を採用することで、１５×１５ｍｍ程度の空間に、偏波分離機能を含んだ光受信器を形成することが可能となる。

図５の実施例は、ＩＱ出力手段（Ｂ）は、図面の左右に、２つのＩＱ出力のための光学系を備えているが、これらの部品を別々に位置調整することは煩雑であるため、両者の中間に結合ブロックを配置し、全体が一つのブロック体となるよう構成している。

図６の実施例は、ＩＱ出力手段（Ｂ）の下流側に、合成波信号生成手段で発生する各合成波信号の光路長差を補完する光路長調整板を配置したものである。このように、光路長調整板は、合成波信号生成手段（Ａ）の下流側であれば、どの場所にも設けることは可能であるが、図６のように、ＩＱ出力手段の下流側に配置する場合には、光出力される信号の数がより多くなるため、光路長調整板の部品点数が増加し、図３のものと比較して、調整が煩雑化する。

図７に示すように、ＩＱ出力手段は、複屈折材料で構成される単一の光学部品とすることが可能である。複屈折材料に入射した４つの合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）は、偏波分離され、図７に示すように、９０度の位相関係をもったＩ信号とＱ信号の出力光となる。複屈折材料の結晶軸方向は、偏波分離した光線の進行方向に合わせて、９０度の位相関係で調整される。

さらに、複屈折材料の光進行方向の長さを調整することで、Ｉ信号とＱ信号の光出力間ピッチも調整することが可能となる。図７のように、ＩＱ信号の平行光が得られ、その出力ピッチも自由に変更できることから、Ｉ信号とＱ信号の光出力をまとめて受光素子などの光検出器に光結合することが可能となる。

ＩＱ出力手段から出力される各光波は、バランスド受光素子などの光検出器により、Ｉ信号及びＱ信号に対応する電気信号に変換される。

図７のように、ＩＱ出力手段を複屈折材料による単一の光学部品で構成する場合には、図２〜６に示したように、ＰＢＳや全反射ミラーを組み合わせた光学部品を複数配置するものと比較し、部品点数を大幅に削減することができる。これにより、光受信器における製造コストの低減することができ、部品間の複雑な調整作業も省略できるため、光学特性の劣化を防ぐことができる。ただし、複屈折材料を用いる方が、図面の縦方向の長さが長くなり、図４のものと比較して、大型化することとなる。

ＩＱ出力手段を単一の光学部品で構成した場合には、ＩＱ出力手段を位置決めの基準として利用することができ、図７に示すように、複屈折材料の上に、合成波信号生成手段を構成する複数の光学部品を固定配置することで、各光学部品を精度よく配置することが可能となる。

合成波信号生成手段を構成する光学部品とＩＱ出力手段を構成する光学部品とは、線膨張係数を略等しく構成することが好ましい。これは、使用環境の温度変化に伴い、合成波信号生成手段とＩＱ出力手段との間での位置ずれが発生し、光学特性が劣化するなどの不具合が生じるのを抑制することが可能となる。当然、光路長調整手段についても同様である。

具体的には、合成波信号生成手段を構成する光学部品は、主として光学ガラスＢＫ７で構成することができる。また、ＩＱ出力手段を複屈折材料で構成する場合には、ＹＶＯ４が利用可能である。ＹＶＯ４とＢＫ７とは、線膨張係数がほぼ等しいため、使用環境の温度変化に伴う光学特性の劣化を抑制することが可能となる。

図８に示すように、合成波信号生成手段とＩＱ出力手段との間に、光路長調整板などの光路長調整手段を配置し、各合成波信号の光路長（Ｌ１とＬ２との間の光路長差、又はＬ３とＬ４との間の光路長差）を調整し、各合成波信号間の光路長を一致させることができる。これは、図３の実施例で説明したように、ハーフミラーで各偏波と局部発振光が合波され、その後、平行光として複屈折材料に入射させるため、各合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）における光路長が異なるためである。このように、複屈折材料に入射する合成波信号の光路長差を調整することで、当該複屈折率材料から出射する光波を、直接、光検出器に入射させるだけで、適正なＩ信号やＱ信号を容易に得ることができる。

また、ＩＱ出力手段の後段に第２の光路長調整手段を配置し、ＩＱ出力手段から出力される（Ｉ−１，Ｉ−２）信号と（Ｑ−１，Ｑ−２）信号の光路長差を調整することも可能である。これにより、より適正なＩ信号やＱ信号を得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、小型化が可能であり、製造や部品の組立調整に係る作業負担を軽減することが可能な光受信器を提供するこが可能となる。

Claims (8)

1. 直交する２偏波に各々独立した多値位相変調信号が付与された信号光（Ｓ）と、信号光と同一波長（直線偏波）である局部発振光（Ｒ）とを用いて、各偏波に応じた該多値位相変調信号を復調する光受信器において、
   該信号光（Ｓ）を各偏波に対応して２つの分離信号光（Ｓ１，Ｓ２）に分離し、該局部発振光（Ｒ）を２つの分離局部発振光（Ｒ１，Ｒ２）に分離し、前記分離信号光（Ｓ１，Ｓ２）と該分離局部発振光（Ｒ１，Ｒ２）とを、偏波面が所定の角度を形成するように合波して、各分離信号光（Ｓ１，Ｓ２）毎に２つの合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）を形成して出力する、空間光学系で構成される合成波信号生成手段と、
   該合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）から各偏波に対応するＩ信号及びＱ信号を分離して出力する、空間光学系で構成されるＩＱ出力手段とを備え、
   該合成波信号生成手段に対して、該信号光（Ｓ）と該局部発振光（Ｒ）とは同じ側から入射し、該合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）は、該信号光（Ｓ）と該局部発振光（Ｒ）とが入射する側とは反対側から出射し、また、該ＩＱ出力手段に対して、該合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）が入射する側とは反対側から該Ｉ信号及び該Ｑ信号が出射するよう構成されていることを特徴とする光受信器。
2. 請求項１に記載の光受信器において、該合成波信号生成手段と該ＩＱ出力手段との間に、各合成波信号（Ｌ１〜Ｌ４）の光路長差を調整する光路長調整手段が配置されていることを特徴とする光受信器。
3. 請求項１又は２に記載の光受信器において、該ＩＱ出力手段の後段に、該ＩＱ出力手段から出射するＩ信号又はＱ信号に係る各信号光の光路長差を調整する光路長調整手段が配置されていることを特徴とする光受信器。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光受信器において、該ＩＱ出力手段は、偏光ビームスプリッタを用いてＩ信号及びＱ信号に分離するよう構成されていることを特徴とする光受信器。
5. 請求項４に記載の光受信器において、該ＩＱ出力手段は、複数の光学部品を組み合わせて構成されると共に、全体が一つのブロック体として結合されていることを特徴とする光受信器。
6. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光受信器において、該ＩＱ出力手段は、複屈折材料からなる単一の光学部品で構成されていることを特徴とする光受信器。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の光受信器において、該合成波信号生成手段と該ＩＱ出力手段とは、あるいは、該合成波信号生成手段と該ＩＱ出力手段と該光路長調整手段とは、互いに密着して固定配置されていることを特徴とする光受信器。
8. 請求項７に記載の光受信器において、該合成波信号生成手段を構成する光学部品と該ＩＱ出力手段を構成する光学部品とは、線膨張係数が略等しいことを特徴とする光受信器。

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