JP4944953B2 - コヒーレントな偏波多重化光信号を受け取るためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、光コヒーレント通信システムに関し、より詳細には、コヒーレントな偏波多重化光信号を受け取るためのシステムおよび方法に関する。

光コヒーレント通信システムは、膨大な量の情報を迅速に伝えることのできるそれらの潜在的能力が故に、広く研究されている。光コヒーレント通信システムでは、いわゆる「光ハイブリッド」を使用して、受信光信号および局部発振器光信号をオーバーレイし、その結果、受信光信号が復調され、同相成分ＩおよびＩと、直交成分ＱとＱとが生成される。これらの成分Ｉ、Ｉ、ＱおよびＱは、次いで、光検出器を使用して電気信号に変換される。この構成は、「位相ダイバーシティ受信器」と呼ばれることがある。その場合、電子論理回路を使用して、出力データを生成するために、電気信号を互いに、１つもしくは複数の閾値に、またはその両方と比較することが可能である。

局部発振器光信号と、受信光信号とは、互いに適切にビートするために同一の偏波配向を有するべきである。残念ながら、受信光信号は、受信器に到達する時までに、ファイバ全体に送られる結果として、任意の偏波変換を受けてしまっている。そのため、受信器は、局部発振器光信号経路内の偏波コントローラを使用して、偏波状態を追跡し、または「偏波ダイバーシティ受信器」と呼ばれる構成を使用しなくてはならない。偏波ダイバーシティ受信器は、偏波多重化信号を使用したい場合には、２つの、好ましくは、線形および直交の偏波状態を使用して、データを送ることが好ましい。従来の偏波ダイバーシティ受信器は、偏波スプリッタを使用して、信号経路および２つの光ハイブリッドを分割し、それぞれのハイブリッドに、適切に配列された局部発振器光信号が与えられる（例えば、Ｋａｚｏｖｓｋｙ、「Ｐｈａｓｅ−ａｎｄ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．、ＬＴ−７巻、第２号、２７９頁〜２９２頁、１９８９年２月を参照のこと）。

残念ながら、光ハイブリッドは、比較的高価な素子である。２つの光ハイブリッドを使用する偏波ダイバーシティ受信器は、非常に高価である可能性があるので、それから利益を得ることが可能になる多くの用途がそれを正当化できるのは、単に費用の結果としてだけではない。
Ｋａｚｏｖｓｋｙ、「Ｐｈａｓｅ−ａｎｄ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．、ＬＴ−７巻、第２号、２７９頁〜２９２頁、１９８９年２月

したがって、当技術分野において求められていることは、偏波ダイバーシティ受信器のためのより優れた構造である。より具体的には、当技術分野において求められていることは、製造費用を抑えた偏波ダイバーシティ受信器である。

従来技術の先に論じた欠点に対処するために、本発明は、一態様において、装置を提供する。一実施形態において、装置は、（１）受信光信号の同相および直交成分を分離し、同相成分をその第１の光出力に送り、直交成分をその第２の光出力に送るように構成されている光学素子と、（２）第１の光出力で光を受け取るために結合されている第１の偏波スプリッタと、（３）第２の光出力で光を受け取るために結合されている第２の偏波スプリッタとを含む。

別の態様では、本発明は、偏波ダイバーシティ受信器を提供する。一実施形態では、受信器は、（１）受信光信号の同相および直交成分を分離し、同相成分をその第１の光出力に送り、直交成分をその第２の光出力に送るように構成されている偏波ダイバース光ハイブリッドと、（２）第１の光出力で光を受け取るために結合されている第１の偏波スプリッタと、（３）第２の光出力で光を受け取るために結合されている第２の偏波スプリッタとを含む。

別の態様では、本発明は、受信光信号を受け取る方法を提供する。一実施形態では、方法は、（１）光学素子の受信光信号の同相および直交成分を分離するステップと、（２）同相成分を光学素子の第１の光出力に送るステップと、（３）第１の光出力で光を第１の偏波スプリッタ内に受け取るステップと、（４）直交成分を光学素子の第２の光出力に送るステップと、（５）第２の光出力で光を第２の偏波スプリッタ内に受け取るステップとを含む。

前述では、本発明の好ましい、代替の特徴を概説したが、それにより、当業者は、後に続く詳細な説明をより理解することができるようになる。追加の特徴が、本明細書において後述されることになり、特許請求の範囲の主題を形成する。当業者は、本発明の同じ目的を実行するための他の構造を設計し、修正するための基本として、開示される概念および具体的な実施形態を容易に使用することが可能であることを理解すべきである。当業者は、また、このような均等の構成は、本発明の精神および範囲から逸脱していないことも認識すべきである。

本発明をより完全に理解するために、次に、添付の図面と併用される以下の説明を参照する。

最初に図１を参照すると、全体的に１００と示されている偏波ダイバーシティ受信器のブロック図が示されており、偏波ダイバーシティ受信器は、コヒーレントであり、偏波多重化される受信光信号Ｓ１１０を、Ｓ１１０の同相および直交成分を示す電気信号に復調し、変換するように構成されている。従来の偏波ダイバーシティ受信器とは異なり、受信器１００は、１つの光ハイブリッドだけを必要とする。

受信器１００は、コヒーレントな局部発振器光信号ＬＯ１２０を使用してＳ１１０を受け取り、復調する。Ｓ１１０およびＬＯ１２０は、偏波非感受性光ハイブリッドを含むことが可能である光学部分１３０内に受け取られる。光学部分１３０は、光ダイオードなどの光検出器である検出器１４０、１５０にそれぞれ供給される少なくとも２つの出力光信号を生成するために、図３に示されることになるように、Ｓ１１０およびＬＯ１２０を分割し、結合する。つまり、検出器１４０、１５０は、電気信号を、電気信号からデジタル・データを抽出することを可能にしている信号処理ユニット１６０に供給する。デジタル・データは、ＤＡＴＡ ＯＵＴと呼ばれる出力において供給される。ＤＡＴＡ ＯＵＴはまた、クロック信号を抽出することと、それに基づいてＬＯ１２０を生成することとを可能にしているクロック修復部および局部発振器ユニット１７０に供給される。当業者は、図１の受信器１００の全体的構造をよく知っているが、図２を参照して次に見られるように、受信器１００の光学部分１３０の構成は、従来の偏波ダイバーシティ受信器とは根本的に異なる。

次に、図２を参照すると、本発明の原理により構成されている図１の偏波ダイバーシティ受信器１００の光学部分をより詳細に示している。光学部分１３０は、光学素子２１０を含み、図２の実施形態では、偏波非感受性光ハイブリッドである。本発明の文脈では、「偏波非感受性」は、光ハイブリッドが、その意図される技術機能、例えば、挿入損失、パワー分割比および位相シフトに関して、実質的に偏波無依存の特性を示すことを意味している。例えば、９０°（π／２）移相器は、すべての偏波状態について９０°±５°位相シフトを行わなくてはならない。

光学素子２１０は、２つの光入力および４つの光出力を有する。図２に示すように、第１の光入力はＬＯ１２０を受け取り、第２の光入力はＳ１１０を受け取る。第１の光出力はＩを供給し、第２の光出力はＱを供給し、第３の光出力はＩを供給し、第４の光出力はＱを供給する。偏波ビームスプリッタＰＢＳが、４つの光出力のそれぞれに結合されている。具体的には、第１のＰＢＳ２２０は第１の光出力（Ｉ）に結合され、第２のＰＢＳ２３０は第３の光出力（Ｉ）に結合され、第３のＰＢＳ２４０は第２の光出力（Ｑ）に結合され、第４のＰＢＳ２５０は第４の光出力（Ｑ）に結合されている。ＰＢＳ２２０、２３０、２４０、２５０はそれぞれ、２つの出力を有し、それぞれ「Ｈ」および「Ｖ」と表示されている。したがって、８つの信号が生成される。ＰＢＳ２２０はＩ_ＨおよびＩ_Ｖを生成し、ＰＢＳ２３０はＩ _ＨおよびＩ _Ｖを生成し、ＰＢＳ２４０はＱ_ＨおよびＱ_Ｖを生成し、ＰＢＳ２５０はＱ _ＨおよびＱ _Ｖを生成する。Ｉ_Ｈ、Ｉ_Ｖ、Ｉ _Ｈ、Ｉ _Ｖ、Ｑ_Ｈ、Ｑ_Ｖ、Ｑ _ＨおよびＱ _Ｖは、４つの差動対として構成されている光検出器２６０に供給される。４つの差動対の光検出器２６０は、前置増幅器２７０それぞれに結合されている。前置増幅器２７０は、平衡またはシングルエンドであってもよい。

ＰＢＳ２２０、２３０、２４０、２５０はそれぞれ、光学素子２１０に対して配列可能であり、それにより、第１または第２の光入力における線形偏波入力信号では、ＰＢＳ２２０、２３０、２４０、２５０それぞれの２つの出力ポートＨおよびＶにおける光パワーの比率は、４つのＰＢＳ２２０、２３０、２４０、２５０すべてについて実質的に同一である。最もよく働くために図１の受信器１００では、ＬＯの偏波状態はまた、光学素子２１０に対して配列されなくてはならず、それにより、本発明は、ＰＢＳ２２０、２３０、２４０、２５０またはＬＯの一部に関して特定の配列を必要としていないにもかかわらず、先に述べたパワー比率は１つに近接している。

図１に戻り簡単に参照すると、光学部分１３０（光学素子２１０および４つのＰＢＳ２２０、２３０、２４０、２５０を含む）および検出器１４０（光検出器２６０を含む）は、ディスクリート素子の形態をとることが可能であり、またはそうではなくて、一体化（単一の基板上に、または共通のモジュール内に配置）されることも可能である。一体化される場合、単一の基板または共通のモジュールはまた、前置増幅器２７０、または所与の用途について有利であると考えられることができるような他の電気回路を含んでもよい。

次に図３を参照すると、図２の光学部分において利用可能である光バイブリッドの一実施形態のブロック図を示している。光ハイブリッド２１０は、９０°の光ハイブリッド２１０であるように示されている。光ハイブリッド２１０は、ＬＯ１２０およびＳ１１０をそれぞれ受け取るための第１および第２の光入力を有する。

第１のスプリッタ３１０が、Ｓ１１０を受け取り、Ｓ１１０を分割するように構成されている。第１のスプリッタ３１０は、３ｄＢスプリッタであってよい。第２のスプリッタ３２０が、ＬＯ１２０を受け取り、ＬＯ１２０を分割するように構成されている。第２のスプリッタ３２０は、３ｄＢスプリッタであってよい。π／２移相器３３０が、第２のスプリッタ３２０に結合されている。π／２移相器３３０は、第２のスプリッタ３２０からπ／２移相器３３０に送られる光を約９０°だけ位相遅れさせるように構成されている。

第１の結合器３４０が、第１のスプリッタ３１０および第２のスプリッタ３２０に結合されている。第１の結合器３４０は、第１のスプリッタ３１０および第２のスプリッタ３２０から送られる光の結合および干渉を引き起こすように構成されている。第１の結合器３４０は、２つの出力を有する。第１の出力は、Ｓ＋ＬＯであるＩを生成する。第２の出力は、−（Ｓ−ＬＯ）であるＩを生成する。

第２の結合器３５０が、第１のスプリッタ３１０およびπ／２移相器３３０に結合されている。第２の結合器３５０は、第１のスプリッタ３１０およびπ／２移相器３３０から送られる光の結合および干渉を引き起こすように構成されている。第２の結合器３５０は、２つの出力を有する。第１の出力は、Ｓ＋ｊＬＯであるＱを生成し、ただし、ｊは複素数を示している。（ＬＯおよびｊＬＯは、π／２移相器によって生成されるπ／２位相差を有する。）第２の出力は、−（Ｓ−ｊＬＯ）であるＱを生成する。上述したように、Ｉ、Ｉ、ＱおよびＱは、４つのＰＢＳに供給され、Ｉ_Ｈ、Ｉ_Ｖ、Ｉ _Ｈ、Ｉ _Ｖ、Ｑ_Ｈ、Ｑ_Ｖ、Ｑ _ＨおよびＱ _Ｖをそれぞれ供給する。

次に、図４を参照すると、本発明の原理により実行される受信光信号を受け取る方法の一実施形態の流れ図を示している。方法の様々なステップは、それらが順番に実行されるかのように説明されているが、いくつかは並行して実行されることを理解されたい。それらのステップが順番に生じても、光の極限速度を同時に与えているように見えることが可能である。

方法は、開始ステップ４１０から始まる。ステップ４１５では、受信光信号の同相および直交成分が、光学素子内に受け取られ、その素子内で分離される。一実施形態では、光学素子は、偏波非感受性光ハイブリッドである。

ステップ４２０では、同相成分は、光学素子の第１の光出力に送られる。ステップ４２５では、第１の光出力で光が第１の偏波スプリッタ内に受け取られる。ステップ４３０では、直交成分は、光学素子の第２の光出力に送られる。ステップ４３５では、第２の光出力で光が第２の偏波スプリッタ内に受け取られる。

ステップ４４０では、同相成分はまた、光学素子の第２の光出力および第４の光出力に送られる。ステップ４４５では、第４の光出力で光が第４の偏波スプリッタ内に受け取られる。ステップ４５０では、直交成分はまた、光学素子の第１の光出力および第３の光出力に送られる。ステップ４５５では、第３の光出力で光が第３の偏波スプリッタ内に受け取られる。一実施形態では、第１および第３の光出力は、差動出力の対として機能するように構成されている。同様に、第２および第４の光出力は、差動出力の対として機能するように構成されている。

ステップ４６０では、複数の偏波成分が複数のＨ光出力上に生成される。ステップ４６５では、複数の直交偏波成分が複数のＶ光出力上に生成される。方法は、終了ステップ４７０で終了する。

本発明を詳細に説明してきたが、その極めて広い形態における本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書において、当業者により、様々な変更形態、置換形態および代替形態が行われることが可能であることを当業者は理解されたい。

偏波多重化光信号を、偏波多重化光信号の同相および直交成分を示す電気信号に復調し、変換するように構成されている偏波ダイバーシティ受信器のブロック図である。 本発明の原理により構成されている図１の偏波ダイバーシティ受信器の光学部分をより詳細に示す図である。 図２の光学部分において使用可能である光ハイブリッドの一実施形態のブロック図である。 本発明の原理により実行される受信光信号を受け取る方法の一実施形態の流れ図である。

Claims (10)

1. 第１および第２の光入力ならびに第１および第２の光出力を備え、前記第１の光入力で受け取られる偏波多重化された受信光信号の同相成分および直交成分を分離し、前記偏波多重化された同相成分を前記第１の光出力に送り、前記偏波多重化された直交成分を前記第２の光出力に送るように構成されている光学素子と、
   前記第２の光入力に結合されている局部光発振器と、
   前記第１の光出力で光を受け取るために結合されている第１の偏波スプリッタと、
   前記第２の光出力で光を受け取るために結合されている第２の偏波スプリッタと、
   を備える装置。
2. 第１および第２の光入力ならびに第１および第２の光出力を備え、前記第１の光入力で受け取られる偏波多重化された受信光信号の同相成分および直交成分を分離し、前記偏波多重化された同相成分を前記第１の光出力に送り、前記偏波多重化された直交成分を前記第２の光出力に送るように構成されている偏波ダイバース光ハイブリッドと、
   前記第２の光入力に結合されている局部光発振器と、
   前記第１の光出力で光を受け取るために結合されている第１の偏波スプリッタと、
   前記第２の光出力で光を受け取るために結合されている第２の偏波スプリッタと、
   を備える偏波ダイバーシティ受信器。
3. 前記第１および第２の偏波スプリッタのそれぞれが、Ｈ光出力上に１つの偏波成分およびＶ光出力上に直交偏波成分を生成し、前記局部光発振器が、前記偏波ダイバース光ハイブリッドに結合され、それにより、前記局部光発振器からの光が前記ＨおよびＶの光出力に送られるようになる、請求項２に記載の受信器。
4. 前記局部光発振器は、前記第１および第２の偏波スプリッタに対して配列されている偏波である、請求項２に記載の受信器。
5. 前記偏波ダイバース光ハイブリッドが、前記同相成分を前記第１の光出力および第３の光出力に送るように、かつ前記直交成分を前記第２の光出力および第４の光出力に送るように構成され、前記第１および第３の光出力は、差動出力の対として機能するように構成され、前記第２および第４の光出力は、差動出力の対として機能するように構成されている、請求項２に記載の受信器。
6. 前記第３の光出力からの光を受け取るために結合されている第３の偏波スプリッタと、
   前記第４の光出力からの光を受け取るために結合されている第４の偏波スプリッタと
   をさらに備える、請求項２乃至５のいずれか１項に記載の受信器。
7. 前記偏波ダイバース光ハイブリッドの光路が９０°移相器を備える、請求項２乃至６のいずれか１項に記載の受信器。
8. 前記偏波ダイバース光ハイブリッドと、前記第１および第２の偏波スプリッタとが、一体化されている、請求項２に記載の受信器。
9. 光学素子内で、偏波多重化された受信光信号の偏波多重化された同相成分および偏波多重化された直交成分を分離するステップと、
   前記偏波多重化された同相成分を前記光学素子の第１の光出力に送るステップと、
   前記第１の光出力で光を第１の偏波スプリッタ内に受け取るステップと、
   前記偏波多重化された直交成分を前記光学素子の第２の光出力に送るステップと、
   前記第２の光出力で光を第２の偏波スプリッタ内に受け取るステップと
   を含む受信光信号を受け取る方法。
10. 前記第１および第２の偏波スプリッタのそれぞれは、偏波成分をＨ光出力上に生成し、さらに直交偏波成分をＶ光出力上に生成し、
    前記局部光発振器は、前記局部光発振器からの光が前記Ｈ光出力および前記Ｖ光出力に送信されるように前記光学素子に結合されている、
    請求項１に記載の装置。

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