JP5343878B2

JP5343878B2 - 光受信器

Info

Publication number: JP5343878B2
Application number: JP2010017771A
Authority: JP
Inventors: 利夫片岡; 薫日隈; 勇貴金原; 正英宮地; 勝仁牟禮
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2030-01-29
Also published as: JP2011160028A

Description

本発明は、多レベルの位相および偏波を利用した、光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四相位相偏移変調（ＱＰＳＫ変調，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、ＱＰＳＫ変調方式は、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、差動四相位相偏移変調（ＤＱＰＳＫ変調，Differential Quadrature Phase Shift keying）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で入射し、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。

この問題に対して、特許文献４において、本出願人は、図３に示すように、偏波保持ファイバを使用せず、ハーフミラーの偏波依存性に影響を受けない光受信器を提案した。具体的には、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（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（２９１〜２９４）を有することを特徴とする。

ところで、上述した光受信器の１ビット遅延回路手段では、光信号を復調するための基準となるローカル光と信号光に対し、偏波分離ブロックを用いて偏波面が直交する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、９０°ハイブリッドブロックを用いて両者を互いに偏波面が直交する状態で合波する操作を行っている。そして、４つの位相状態（０°，９０°，１８０°，２７０°）を検出し信号を復調する機能を有する。

しかしながら、このような１ビット遅延回路手段を構成するには、偏波分離ブロックと９０°ハイブリッドブロックの構成が必要となり、実装面積が大きくなると共に、光学部品間の光軸調整が煩雑化するなどの問題を生じる。

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）特願２００９−８０３１９号（２００９年３月２７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、ＱＰＳＫ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、偏波無依存化や偏波／位相変換を同時に実現することが可能であり、偏波分離合成を有効利用した光学部材の３次元空間配置により小型化も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、請求項１に係る発明は、ＱＰＳＫ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、コヒーレントな基準光（Ｓ）を発生する基準光発生手段と、ＱＰＳＫ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、０度の１／２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１／２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）の各々に対し、該基準光発生手段から発生された基準光を偏波面が直交する状態で合波する合波手段を設け、該合波手段を経た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、該合波手段を経た他の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を有することを特徴とする。

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、該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ると共に、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。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光受信器において、該基準光発生手段から発生した基準光を偏光子を介して、該合波手段に導入することを特徴とする。

請求項１に係る発明により、上述した４つの光波（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）で表される各信号光に対して、コヒーレントな基準光（Ｓ）を合波するよう構成するため、１ビット遅延回路手段に替えて、基準光発生手段であるレーザ光源及び合波手段である９０°ハイブリッドブロックからなる構成で、Ｉ信号成分とＱ信号成分を得ることが可能となる。このため、偏波無依存化や偏波／位相変換を同時に実現すると共、光受信器の小型化を実現することができる。

請求項２に係る発明により、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３に係る発明により、基準光の偏波面を偏光子により適切に調整することができ、効率的にＩ信号成分とＱ信号成分を得ることが可能となる。

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（特許文献３）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。本出願人が先の出願（特許文献４）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。

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４に示すように、ＱＰＳＫ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、コヒーレントな基準光（Ｓ）を発生する基準光発生手段（３３０）と、ＱＰＳＫ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（３０１）と、一方の分岐光Ａをさらに２つの光波（Ａ１，Ａ２）に分岐し、０度の１／２波長板を通過させる分岐回転手段（３１１，３２１）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１／２波長板を通過させる分岐回転手段（３１２，３２２）と、各分岐回転手段を経た４つの光波（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）の各々に対し、該基準光発生手段から発生された基準光を偏波面が直交する状態で合波する合波手段（３５１〜３５４）を設け、該合波手段を経た２つの光波（Ａ１，Ｂ２）は、各々の光波が−４５度の１／４波長板（３６１，３６４）を通過し、さらに偏波面を２２．５度回転（３７０）し、偏波面が直交する２つの光波（（Ａ１１，Ａ１２）又は（Ｂ２１，Ｂ２２））毎に分岐（３８１，３８４）する回転分岐手段と、該合波手段を経た他の２つの光波（Ａ２，Ｂ１）は、各々の光波が＋４５度の１／４波長板（３６２，３６３）を通過し、さらに偏波面を２２．５度回転（３７０）し、偏波面が直交する２つの光波（（Ａ２１，Ａ２２）又は（Ｂ１１，Ｂ１２））毎に分岐（３８２，３８３）する回転分岐手段とを有することを特徴とする。

この構成により、特許文献４に開示する光受信器のような１ビット遅延回路手段が不要となり、レーザ光源などの基準光発生手段（３３０）及び信号光と基準光とを合波手段（３５１〜３５４）である９０°ハイブリッドブロックを用いて、Ｉ信号成分とＱ信号成分を得ることが可能となる。これにより、偏波無依存化と偏波／位相変換を同時に実現することが可能となる。しかも、光受信器の小型化も実現できる。なお、０度の１／２波長板（３２１）は、分岐光Ｂ側の＋４５度の１／２波長板（３２２）により、分岐光ＡとＢとの間で位相差が生じるのを抑制するために設けたものである。このため、分岐光Ａ側の光路長を調整することが可能である場合には、０度の１／２波長板（３２１）は用いる必要はない。

また、図４の構成で得られた８つの光波（Ａ１１，Ａ１２，Ａ２１，Ａ２２，Ｂ１１，Ｂ１２，Ｂ２１，Ｂ２２）については、図３に示すように、特定の４つの光波（Ｂ１１，Ｂ１２，Ｂ２１，Ｂ２２）を＋４５度の半波長板（２９０）を通過させると共に、得られた８つの光波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（２９１〜２９４）を有することを特徴とする。

これにより、図３と同様に、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信号成分を形成するため、例えば、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。

基準光発生手段（３３０）としては、コヒーレントな基準光（Ｓ）を発生する光源であれば良く、半導体レーザ素子などが好適に利用可能である。また、基準光（Ｓ）の偏波面を調整するため、必要に応じて偏光子（３４０）を設けることが好ましい。

偏波分岐手段（３０１）としては、偏光ビームスプリッターが利用可能であり、分岐回転手段に利用される分岐手段（３１１，３１２）には、ハーフミラーが利用される。さらに、基準光（Ｓ）と信号光（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）とを合波する合波手段（３５１〜３５４）には、偏光ビームスプリッターが利用され、回転分岐手段に利用される分岐手段（３８１〜３８４）にも、偏光ビームスプリッターが利用できる。

以上説明したように、本発明によれば、ＱＰＳＫ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、偏波無依存化や偏波／位相変換を同時に実現することが可能であり、偏波分離合成を有効利用した光学部材の３次元空間配置により小型化も可能な光受信器を提供することが可能となる。

３０１，３８１〜３８４分岐手段（偏光ビームスプリッター）
３１１，３１２分岐手段（ハーフミラー）
３２１，３２２１／２波長板
３６１〜３６４１／４波長板
３３０基準光発生手段
３４０偏光子
３５１〜３５４合波手段（偏光ビームスプリッター）
３７０２２．５度の偏波面回転手段

Claims

ＱＰＳＫ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、
コヒーレントな基準光（Ｓ）を発生する基準光発生手段と、
ＱＰＳＫ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、０度の１／２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１／２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）の各々に対し、該基準光発生手段から発生された基準光を偏波面が直交する状態で合波する合波手段を設け、
該合波手段を経た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、
該合波手段を経た他の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、該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ると共に、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又は２に記載の光受信器において、該基準光発生手段から発生した基準光を偏光子を介して、該合波手段に導入することを特徴とする光受信器。