JP2018512821A - 偏光不感セルフホモダイン検出受信機 - Google Patents

偏光不感セルフホモダイン検出受信機 Download PDF

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Abstract

セルフホモダイン検出用の受信機11は、コヒーレント検出システムと、直接検出システムとを含んでいる。この受信機は、偏光スプリッタ13と、第1のスプリッタ15と、90度偏光ロータ17と、ハイブリッド検出器19と、第1の平衡検出器21と、プロセッサ23を含んでいる。

Description

本発明は、コヒーレントセルフホモダイン検出(SHD)用の受信機に、より詳しくは偏光不感SHD受信機に関する。
コヒーレントセルフホモダイン検出(SHD)は、次の非特許文献1に最初に提案され、[T. Miyazaki and F. Kubota, “PSK self-homodyne detection using a pilot carrier for multibit/symbol transmission with inverse-RZ signal, Photonics Technology Letters, Vol. 17, No. 6, June 2005]、そして光源からの光を2個の直交偏光成分に分けることにある。これらの成分の内の一つは、コヒーレントな情報信号を用いて変調され、しかるに他の成分は、非変調のままである。
両方の成分は、次いで偏光多重化され、そして光ファイバーを通って伝送される。両方の成分は、長い伝送距離の後でさえ、位相コヒーレントのままであることが示されてきた(非特許文献2[R. Luis, et al., “Digital self-homodyne detection”, submitted to Photonics Technology Letters, Nov. 2014])。受信機においては、偏光ビームスプリッタは、両方の成分を再び分離し、それらをコヒーレント受信機に送出する。そこで、変調された成分の偏光は、非変調成分又はその逆の偏光軸に位置合わせされ、そして両方の成分はミックスされる。結果的に得られる干渉信号は、フォトディテクタによって、電気ドメインに変換される。両方の成分が位相コヒーレントであるので、電気信号は、伝送光源からの位相ノイズによって僅かに影響されるだけである。それ故、ローコストで広い線幅の光源が使用できる。これらの受信機はホモダインであり、そのため、キャリア周波数オフセット推定又は補償を必要としない。更に、それらは、受信機における局部発信器として使用すべく、潜在的に高価なレーザの使用を必要としない。このため、それらは、受動的なオプティカルネットワークなどのコストに敏感な応用における使用のために最近提案されてきている。(非特許文献3[R. Luis, et al., “Ultra high capacity self-homodyne PON with simplified ONU and burst-mode upstream”, Photonics Technology Letters, Vol 26, No. 7, Apr. 2014])
US7421210 US20090214224 国際公開第WO2002/027994号パンフレット
T. Miyazaki and F. Kubota, "PSK self-homodyne detection using a pilot carrier for multibit/symbol transmission with inverse-RZ signal, Photonics Technology Letters, Vol. 17, No. 6, June 2005 R. Luis, et al., "Digital self-homodyne detection", submitted to Photonics Technology Letters, Nov. 2014 R. Luis, et al., "Ultra high capacity self-homodyne PON with simplified ONU and burst-mode upstream", Photonics Technology Letters, Vol 26, No. 7, Apr. 2014
情報信号の適切な再構成のために、受信機は、信号の元の変調成分及び非変調成分を分離することを要求される。この目的のために、光偏光制御サブシステムは、従来技術において示されるように、受信機の入力において、着信信号を偏光ビームスプリッタの偏光軸に位置合わせすることを要求される。この偏光制御は、機械的成分又は電気光学的成分を用いて遂行されなければならず、そして受信機のコスト及び複雑さを実質的に増加させる可能性がある、複雑なフィードバックサブシステムを必要としている。
従来技術の上述した限界に対処すべく、本発明は、偏光位置合わせサブシステム及び関連したフィードバック機構の必要性なく、元の情報システムを再構成できる、受信機の実施の形態に関している。提案された受信機は、コヒーレントサブシステムと直接検出サブシステムとを組み合わせる、特殊化された検出システムを利用している。更に、電気的又はデジタルの信号処理が、最初の情報信号を再構成すべく検出の後使用される。この信号処理は、伝送チャンネルのジョーンズマトリクスの逆行列を検出された信号に適用することを含んでいる。更にまた、本発明は、伝送チャンネルのジョーンズマトリクスを計算して、元の信号を再構成するために、信号プロセッサにとって必要な情報を提供する方法の実施の形態を含んでいる。
本発明は、偏光ビームスプリッタを用いて、着信信号を2個の直交成分に分離する受信機に関する。着信信号の偏光状態は、偏光ビームスプリッタに対して未知であり且つ位置合わせされていないことが仮定される。それ自体、分離された成分の各々は、元の変調成分の一部並びに元の非変調成分の一部を含むことになる。これらの成分間の比及び相対的な位相は、伝送ファイバーのジョーンズマトリクスに依存し、そして情報信号のデータレートよりもはるかに低いレートにおいて、ランダムに変化するよう仮定されている。
分離された直交成分は、次いで2個のサブ受信機の間に共有される。一方はコヒーレント受信機であり、それは両方の成分をミックスし、更に結果的に得られる干渉信号を電気ドメインに変換する。他方は、平衡フォトディテクタを備えた直接検出受信機であり、それは両方の成分の瞬時電力間の差に相当する電気信号を発生する。
再構成された信号は、チャンネル推定サブシステムを使用して計算された複素係数を用いて干渉信号と直接検出された信号との線型結合によって得られる。チャンネル推定サブシステムは、干渉信号と直接検出された信号との平均レベル間の比を用いて、伝送ファイバーのジョーンズマトリクスの偏光方位角及び仰角を計算する。
本発明は、偏光位置合わせサブシステム及び関連したフィードバック機構の必要性なく、元の情報システムを再構成することができる受信機を提供する。
図1は、SHD用の受信機のブロックダイアグラムを示す。 図2は、ハイブリッド検出器の一例を示す。 図3は、ハイブリッド検出器のその他の例を示す。 図4は、プロセッサのブロックダイアグラムを示す。
図1は、本発明のSHD用の受信機のブロックダイアグラムを示す。この受信機11は、コヒーレント検出システムと、直接検出システムとを含んでいる。図1に示されるように、受信機は、偏光スプリッタ13と、第1のスプリッタ15と、90度偏光ロータ17と、ハイブリッド検出器19と、第1の平衡検出器21と、プロセッサ23を含んでいる。
偏光スプリッタ13は、着信信号Rを2個の直交成分にスプリットする。偏光ビームスプリッタ(PBS)は、偏光スプリッタ13として作用することが可能である。2個の直交成分は、第1の成分Rxと第2の成分Ryとを含んでいる。第1の成分Rxの偏光軸は、第2の成分Ryのそれに垂直である。
第1のスプリッタ15は、第1の成分Rxを2個の分離された第1の成分Rx’に、そして第2の成分Ryを2個の分離された第2の成分Ry’に分離する。2個のスプリッタ又は2個のセパレータは、第1のスプリッタ15として作用することが可能である。そのようなスプリッタは、入射光を、この入射光の半分のパワーを有する2個の光にスプリットすることが可能である。図1において、第1のセパレータ15aは、第1の成分Rxを2個の分離された第1の成分Rx’に分離する。第2のセパレータ15bは、第2の成分Ryを2個の分離された第2の成分Ry’に分離する。
90度偏光ロータ17は、偏光制御され分離された第1の成分Rx”を得るために、分離された第1の成分Rx’の一つの偏光を90度だけ回転させる。そのような90度偏光ロータは、上記のPTL1及び2に開示されているように、技術において周知である。
ハイブリッド検出器19は、偏光制御され分離された第1の成分Rx”と分離された第2の成分Ry’を結合し、そして第1の電気信号Riと第2の電気信号Rqを出力する。第1の電気信号Riは、成分Rx”とRy’との間での同相ミックスであり、そして第2の電気信号Rqは、成分Rx”とRy’との間での直交ミックスである。ハイブリッド検出器は、技術において周知であり、そして種々のタイプのハイブリッド検出器が存在している。種々のタイプのハイブリッド検出器を実施することが可能である。後で説明される、図2及び3は、そのようなハイブリッド検出器の例である。ハイブリッド検出器は、周知のデバイスである。例えば、US20090214224及びUS7421210は、そのようなハイブリッド検出器を開示している。
第1の平衡検出器21は、他の分離した第1の成分Rx’及び他の分離した第2の成分Ry’を検出する。第1の平衡検出器21は、第3の電気信号Rdを出力する。Rdは、Rx’とRy’の瞬時電力の差である。
プロセッサ23は、第1の電気信号Ri、第2の電気信号Rq及び第3の電気信号Rdを受信して、そして元の情報信号Rsを再構成する。(Rsは図1に示されていない。)元の情報信号Rsは、着信信号Rの元の情報信号である。
図2は、ハイブリッド検出器の一例を示している。図2に示されるように、ハイブリッド検出器19は、第2のスプリッタ31と、第3のスプリッタ33と、90度移相器35と、第1の2×2カップラ37と、第2の2×2カップラ39と、第1の組の2個のフォトディテクタ41と、第2の組の2個のフォトディテクタ43を含んでいる。
第2のスプリッタ31は、Rx”を2個の成分Rx”a及びRx”bに分割する。成分Rx”は、図1において90度移相器17から出力され、そして上記で説明したように偏光制御され分離された第1の成分である。
第3のスプリッタ33は、Ry’を2個の成分Ry’a及びRy’bに分割する。成分Ry’は、第2のセパレータ15bから出力され、そして分離された第2の成分の一つである。成分Rx”a,Rx”b,Ry’a及びRy’bは、同じ偏光を有していてもよい。
90度移相器35は、Rx”aの位相を90度だけシフトさせ位相がシフトされた信号Rx”a’を得る。Rx”aは、第2のスプリッタ31の出力成分の一つである。
第1の2×2カップラ37は、信号Ry’aと位相がシフトされた信号Rx”a’とを組み合わせて、光信号Rxa及びRxbを発生する。信号Ry’aは、第3のスプリッタ33の出力信号であり、そして位相がシフトされた信号Rx”a’は、90度移相器35の出力信号である。光信号Rxa及びRxbは、夫々、jRx”a’+jRy’a及び−Rx”a’+Ry’aに比例している。
第2の2×2カップラ39は、信号Rx”bと信号Ry’bとを組み合わせて、光信号Rya及びRybを発生する。信号Rx”bは、第2のスプリッタ31の出力信号であり、そして信号Ry’bは、第3のスプリッタ33の出力信号である。光信号Rya及びRybは、夫々、jRx”b−Ryb及び−Rx”b+jRybに比例している。
平衡した構成における、第1の組の2個のフォトディテクタ41は、平衡検出を実行する。2個のフォトディテクタ41は、電気信号Rxa及びRxbを検出して、そして第1の電気信号Riを出力する。第1の電気信号Riは、光信号Rxa及びRxbの瞬時電力間の差によって生じ、そしてRx”×Ry’の実部に比例している。Ry’は、Ry’の複素数(complex)である。
平衡した構成における、第2の組の2個のフォトディテクタ43は、平衡検出を実行する。2個のフォトディテクタ43は、信号Rya及びRybを検出して、そして第2の電気信号Rqを出力する。第2の電気信号Rqは、光信号Rya及びRybの瞬時電力間の差によって生じ、そしてRx”×Ry’の虚部に比例している。Ry’は、Ry’の複素数(complex)である。
図3は、ハイブリッド検出器の他の例を示している。図3において示されるハイブリッド検出器19は、120度ハイブリッドシステムである。図3において示されるように、ハイブリッド検出器19は、対称3×3カップラ51と、信号Ra,Rb及びRcを検出する3個のフォトディテクタ53と、第1の電子装置55と、第2の電子装置57を含んでいる。
対称3×3カップラ51は、3個の入力及び3個の出力を有している。信号Rx”及びRy’は、2個の入力を介して、対称3×3カップラ51に入力する。残りの入力は、オープンされたままでもよい。出力信号は、Ra,Rb及びRcである。
対称3×3カップラ51からの第1の出力信号Raは、
(2/3×exp(2pi/9)+1/3×exp(−4pi/9))×Rx”+(1/3×exp(−4pi/9)−1/3×exp(2pi/9))×Ry’
に比例する。本明細書においては、「pi」は、直径に対する円周の比である。
対称3×3カップラ51からの第2の出力信号Rbは、
(1/3×exp(−4pi/9)−1/3×exp(2pi/9))×(Rx”+Ry’)に比例する。
対称3×3カップラ51からの第3の出力信号Rcは、
(1/3×exp(−4pi/9)−1/3×exp(2pi/9))×Rx”+(2/3×exp(2pi/9)+1/3×exp(−4pi/9))×Ry’
に比例している。
3個のフォトディテクタ53は、信号Ra,Rb及びRcを検出する。信号Ra,Rb及びRcは、対称3×3カップラ51から出力される光信号である。3個のフォトディテクタ53の出力信号は、光信号Ra,Rb及びRcの瞬時電力を反映する電気信号である。それらは、Ra,Rb及びRcとしても示されている。
第1の電子装置55は、−1/2を乗算した信号Raを、信号Rb及び−1/2を乗算したRcに加えた和を計算する。第1の電子装置55の出力は、信号Riを形成するRx”×Ry’の実部に比例している。
第2の電子装置57は、−1を乗算した信号Raと信号Rbの和を計算する。第2の電子装置57の出力は、信号Rqを形成する、Rx”×Ry’の虚部に比例するよう、√3/2を乗算される。
プロセッサ23は:
第1の電気信号Ri、第2の電気信号Rq及び第3の電気信号Rdの平均値を計算し、そして平均化された第1の値<Ri>、平均化された第1の値<Rq>、及び平均化された第1の値<Rd>を夫々出力する、平均値計算器61と、平均化された第1の値<Ri>、平均化された第1の値<Rq>、及び平均化された第1の値<Rd>を用いて以下の式(1)において、以下の係数A1,A2及びA3を計算する係数計算器63とを有する。
S=A1×Ri+A2×Rq+A3×Rd(1)
(上記の式(1)において、Sは元の情報信号Rsに比例している。)
係数計算器63は:
平均化された第1の値<Ri>、平均化された第1の値<Rq>、及び平均化された第1の値<Rd>を用いて値Fを計算することが可能であり、Fは<Rd>/(<Ri>+j<Rq>)であり、
値d、dは−引数(F)であり、
値q、qは“アークタンジェント[2|F|]/2+k×pi/2”であり、
A1、A1は“1−sin(q)(1+exp(−2jd))”であり、
A2、A2は“1−sin(q)(1−exp(−2jd))”であり、
A3、A3は“exp(−2jd)sin(2q)/2”である。
本発明のSHD用の受信機は、WO02−27994に開示されているような、コヒーレントなセルフホモダイン検出(SHD)システムにおいて使用されている。このシステムは、送信機と、受信機と、送信機及び受信機を接続する光ファイバーとを含んでいる。送信機は、光源からの光を2個の直交した偏光成分に分離する。これらの成分の一方は、コヒーレントな情報信号で変調され、しかるに他方は変調されないままである。両方の成分は、次いで偏光多重化され、そして
光ファイバーを介して送信される。本発明のSHD用の受信機は、送信済光Rを受信して、そして元の情報信号Rsを再構成する。
偏光スプリッタ13は、着信信号Rを2個の直交成分にスプリットする。第1の成分Rxの偏光軸は、第2の成分Ryのそれに垂直である。
第1のスプリッタ15は、第1の成分Rxを2個の分離された第1の成分Rx’に、及び第2の成分Ryを2個の分離された第2の成分Ry’に分離する。90度偏光ロータ17は、偏光制御され分離された第1の成分Rx”を得るために、分離された第1の成分Rx’の一つの偏光を90度だけ回転させる。
ハイブリッド検出器19は、偏光制御され分離された第1の成分Rx”と分離された第2の成分Ry’を結合し、そして第1の電気信号Riと第2の電気信号Rqを出力する。第1の平衡検出器21は、他の分離された第1の成分Rx’と他の分離された第2の成分Ry’を検出する。第1の平衡検出器21は、第3の電気信号Rdを出力する。
平衡した構成における第1の組の2個のフォトディテクタ41は、平衡検出を実行する。2個のフォトディテクタ41は、電気信号Rxa及びRxbを検出し、そして第1の電気信号Riを出力する。平衡した構成における第2の組の2個のフォトディテクタ43は、平衡検出を実行する。2個のフォトディテクタ43は、信号Rya及びRybを検出し、そして第2の電気信号Rqを出力する。
プロセッサ23は、第1の電気信号Ri、第2の電気信号Rq及び第3の電気信号Rdを受信して、そして元の情報信号Rsを再構成する。元の情報信号Rsは、着信信号Rの元の信号である。
プロセッサ23は、第1の電気信号Ri、第2の電気信号Rq及び第3の電気信号Rdの平均値を計算し、そして平均化された第1の値<Ri>、平均化された第1の値<Rq>、平均化された第1の値<Rd>を夫々出力する。
プロセッサ23は、平均化された第1の値<Ri>、平均化された第1の値<Rq>、及び平均化された第1の値<Rd>を用いて以下の方程式(1)において、以下の係数A1,A2及びA3を計算する。
S=A1×Ri+A2×Rq+A3×Rd(1)
(上記の式(1)において、Sは元の情報信号Rsに比例している。)
プロセッサ23は、平均化された第1の値<Ri>、平均化された第1の値<Rq>、及び平均化された第1の値<Rd>を用いて値Fを計算する。
Fは<Rd>/(<Ri>+j<Rq>)であり、
値d、dは−引数(F)であり、
値q、qは“アークタンジェント[2|F|]/2+(k×pi/2)”であり、
A1、A1は“1−sin(q)(1+exp(−2jd))”であり、
A2、A2は“1−sin(q)(1−exp(−2jd))”であり、
A3、A3は“exp(−2jd)sin(2q)/2”である。
上記の計算は、プロセッサ63において実行される。

Claims (5)

  1. 着信信号Rを2個の直交成分にスプリットする偏光スプリッタ(13)であって、前記2個の直交成分は、第1の成分Rxと第2の成分Ryを含むものと、
    前記第1の成分Rxを2個の分離された第1の成分Rx’に分離するとともに、前記第2の成分Ryを2個の分離された第2の成分Ry’に分離する第1のスプリッタ(15)と、
    前記分離された第1の成分Rx’の一つの偏光を90度回転させて、偏光制御され分離された第1の成分Rx”を得る90度偏光ロータ(17)と、
    前記偏光制御され分離された第1の成分Rx”と前記分離された第2の成分Ry’とを結合し、第1の電気信号Riと第2の電気信号Rqを出力するハイブリッド検出器(19)であって、前記第1の電気信号Riは、前記成分Rx”とRy’との間の同相ミックスであり、前記第2の電気信号Rqは、前記成分Rx”とRy’との間の直交ミックスであるものと、
    他の分離した第1の成分Rx’及び他の分離した第2の成分Ry’を検出して、第3の電気信号Rdを出力する第1の平衡検出器(21)と、
    前記第1の電気信号Ri、前記第2の電気信号Rq及び前記第3の電気信号Rdを受信して、元の情報信号Rsを再構成するプロセッサ(23)とを含む
    コヒーレントセルフホモダイン検出(SHD)用の受信機(11)。
  2. 前記ハイブリッド検出器(19)は、
    Rx”を2個の成分Rx”a及びRx”bに分割する第2のスプリッタ(31)と、
    Ry’を2個の成分Ry’a及びRy’bに分割する第3のスプリッタ(33)と、
    Rx”aの位相を90度シフトさせ位相がシフトされた信号Rx”a’を得る90度移相器(35)と、
    前記信号Ry’aと前記位相がシフトされた信号Rx”a’とを組み合わせて、夫々、jRx”a’+jRy’a及び−Rx”a’+Ry’aに比例している光信号Rxa及びRxbを発生する第1の2×2カップラ(37)と、
    前記信号Rx”bと前記信号Ry’bとを組み合わせて、夫々、jRx”b−Ryb及び−Rx”b+jRybに比例している光信号Rya及びRybを発生する第2の2×2カップラ(39)と、
    前記電気信号Rxa及びRxbを検出する平衡した構成における第1の組の2個のフォトディテクタ(41)であって、前記第1の組の2個のフォトディテクタ(41)は、前記第1の電気信号Riを出力し、Riは、前記光信号Rxa及びRxbの瞬時電力間の差によって得られ、Rx”×Ry’に比例しているものと、
    前記信号Rya及びRybを検出する平衡した構成における第2の組の2個のフォトディテクタ(43)であって、前記第2の組の2個のフォトディテクタ(43)は、前記第2の電気信号Rqを出力し、Rqは、前記光信号Rya及びRybの瞬時電力間の差によって得られ、Rx”×Ry’の虚部に比例しているものとを含む
    請求項1に記載の受信機。
  3. 前記ハイブリッド検出器(19)は、120度ハイブリッドシステムであって、
    前記120度ハイブリッドシステムは、
    その入力の2個において前記信号Rx”及びRy’を取り込み、残りの入力はオープンのままにした対称的な3×3カップラ(51)であって、前記3×3カップラ(51)の3出力における信号が、
    {(2/3)×exp(2pi/9)+(1/3)×exp(−4pi/9)}×Rx”+{(1/3)×exp(−4pi/9)−(1/3)×exp(2pi/9)}×Ry’:に比例するRa、
    {(1/3)×exp(−4pi/9)−(1/3)×exp(2pi/9)}×(Rx”+Ry’):に比例するRb、及び
    {(1/3)×exp(−4pi/9)−(1/3)×exp(2pi/9)}×Rx”+(2/3)×exp(2pi/9)}+(1/3)×exp(−4pi/9)}×Ry’:に比例するRcであるものと、
    前記信号Ra,Rb及びRcを検出する3個のフォトディテクタ(53)と、
    −1/2を乗算した信号Raに、前記信号Rbと−1/2を乗算した前記信号Rcを加えた和を計算する第1の電子装置(55)であって、前記第1の電子装置(55)の出力は、前記信号Riを形成するRx”×Ry’の実部に比例しているものと、
    −1を乗算した前記信号Raと前記信号Rbの和を計算する第2の電子装置(57)であって、前記第2の電子装置(57)の出力は、前記信号Rqを形成するRx”×Ry’の虚部に比例するよう√3/2を乗算されているものとを含む、
    請求項1に記載の受信機。
  4. 前記プロセッサ(23)は、
    前記第1の電気信号Ri、前記第2の電気信号Rq及び第3の電気信号Rdの平均値を計算し、そして平均化された第1の値<Ri>、平均化された第1の値<Rq>、及び平均化された第1の値<Rd>を夫々出力する、平均値計算器(61)と、
    前記平均化された第1の値<Ri>、前記平均化された第1の値<Rq>、及び前記平均化された第1の値<Rd>を用いて以下の式(1)において、以下の係数A1,A2及びA3を計算する係数計算器(63)とを有する
    S=A1×Ri+A2×Rq+A3×Rd(1)
    (上記の式(1)において、Sは元の情報信号Rsに比例している。)
    請求項1に記載の受信機。
  5. 前記係数計算器(63)は、前記平均化された第1の値<Ri>、前記平均化された第1の値<Rq>、及び平均化された第1の値<Rd>を用いて値Fを計算し、Fは<Rd>/(<Ri>+j<Rq>)であり、
    値d、dは−引数(F)であり、
    値q、qは“アークタンジェント[2|F|]/2+k×pi/2”であり、
    A1、A1は“1−sin(q)(1+exp(−2jd))”であり、
    A2、A2は“1−sin(q)(1−exp(−2jd))”であり、
    A3、A3は“exp(−2jd)sin(2q)/2”である
    請求項4に記載の受信機。
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