JP5737874B2 - 復調器及び光送受信機 - Google Patents

Description

本発明は、光通信システムにおける位相変調信号を復調する復調器、及びそれを用いた光送受信器（光通信モジュール）に関する。

光通信の分野では、信号変調として強度変調を行い、復調として光検出器を用いて光強度を直接電気信号に変換する、という最も単純な方式が長らく用いられてきた。しかし近年、４０Ｇｂ／ｓを上回る高ビットレートに対応するために、信号変調として位相変調を行う方式が注目されている。位相変調信号の復調方法には、信号変調されて送信された光を受信器側に備えた局部発振光からの光と干渉させて復調させる方法（コヒーレント方式）、信号変調された光を２分岐して信号変調１ビット分だけタイミングをずらして合波して干渉させ、位相の偏移を光強度信号に変換して復調する方法（差動位相偏移変調方式）の２通りがある。このうち差動位相偏移変調方式は、変調される位相の数によって差動２値位相偏移変調（ＤＢＰＳＫもしくはＤＰＳＫ，Diffential Binary Phase Shift Keying）、差動４値位相偏移変調（ＤＱＰＳＫ，Differential Quadrature Phase Shift Keying）などと呼ばれる。また、コヒーレント方式においては、例えば位相４値変調の場合はＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）と呼ばれる。また、上記いずれの方式も、光の２つの偏光成分を独立に変調する偏波ダイバシティ方式との併用が可能であり、これにより情報量を２倍に増やすことが可能である。特にコヒーレント方式においては、偏波ダイバシティ方式とＱＰＳＫを組み合わせたＤＰ−ＱＰＳＫ（Dual‐Polarization QPSK）と呼ばれる方式も検討されている。

ＤＱＰＳＫにおける復調方法を、復調器のブロック図である図１を用いて説明する。差動位相偏移変調された被変調光１００はまずハーフビームスプリッタのような分岐素子１０１で分岐光１０２，分岐光１０３に２分割される。分岐光１０２はさらに分岐素子１０４で２分割され、そのうち一方は遅延部１０５により信号変調１シンボル分の光路長（例えば信号変調周波数が２０ＧＨｚの場合、約１４ｍｍ）が加えられ、分岐素子１０４の２つの分岐光の光路長差が光の波長の整数倍（すなわち位相差が０）となるように設定される。その後、２つの分岐光はハーフビームスプリッタのような合波素子１０６で再び合波され、２つの干渉光が生成される。これらの干渉光の強度差を、平衡型光検出器とトランスインピーダンスアンプからなる差動検出器１０７によって検出することによって出力信号を得る。この位相差ゼロの干渉光から得られる出力信号のチャンネルは、Ｉチャンネルと呼ばれる。一方、分岐素子１０１からの分岐光１０３は分岐光１０２と同様に分岐素子１０８によって２分岐され、遅延部１０９により一方に１シンボル分の遅延が与えられ、再び合波素子１１０により合波され、２つの干渉光が生成される。但し、ここで位相差は９０度になるように設定されている。これらの干渉光はＩチャンネルと同様に検出器１１１によって検出され、出力信号が得られる。この位相差９０度の干渉光から得られる出力チャンネルはＱチャンネルと呼ばれる。

ＤＰ−ＱＰＳＫにおける復調方法を、復調器のブロック図である図２に示す。被変調光２００（以後、信号光と呼ぶ）は偏光ビームスプリッタ等の偏光分離素子２０１により２つの偏光成分に分離される。同様に受信側に用意された局部発振光２０２も分岐素子２０３によって２分岐される。ここで信号光、局部発振光の分岐光は光９０度ハイブリッド２０４，２０５の一方に入力され、ここで信号光と局部発振光の干渉光が生成される。このとき信号光と局部発振光はそれぞれ光９０度ハイブリッドの内部において光分岐素子により分岐され、互いに９０度異なる位相関係で２種類の合波がなされる。ここで、ひとつの合波により生成される２つの干渉光は平衡型検出器２０６，２０７，２０８，２０９のいずれかで検出され、強度差に対応した電気信号を出力するため、ＤＱＰＳＫの復調器と同様、１つの偏光成分につきＩチャンネル、Ｑチャンネルの出力信号が生成される。

以上のように位相変調信号の復調には、複数の光を合波させ干渉させる干渉計型の光学系が用いられる。また、ＤＱＰＳＫやＤＰ−ＱＰＳＫの例で述べたように、４値位相変調信号の復調には、２チャンネルの出力が必要であるため、互いに９０度異なる位相関係で２種類の合波がなされ、干渉光が生成される。このような実装形態として、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６などが知られている。

上に述べた干渉計の実装形態として、主に光導波路を用いる形態と、バルク光学素子を用いた空間光学系を用いる形態があり、後者は前者にくらべて低コストであるという特徴をもつ。

特開２００８−２７８２４９号公報（対応ＵＳ１２／１０４０５６号公報） 特開２００６−２８７４９３号公報（対応ＵＳ１１／３９１４１４号公報） 特開２００７−３０６３７１号公報（対応ＵＳ２００７／０２６４０２９号公報） 特開２００８−１７４４５号公報（対応ＵＳ１１／４７９９２０号公報） 特許第４１７０２９８号公報（対応ＵＳ１１／１１７４２９号公報） 特開２００６−２７０９０９号公報（対応ＵＳ１２／６５６４１３号公報）

ＤＱＰＳＫやＤＰ−ＱＰＳＫなどにおいてＩチャンネル、Ｑチャンネルの出力を得るため、信号光と（コヒーレント方式の場合は）局部発振光を２分岐する必要がある。ここで従来の空間光学系型の復調器においては、入力する光の偏光状態によらずに光を２分岐する、無偏光ビームスプリッタが用いられていた（特許文献１、２、３、５のハーフミラー（ＨＭ），特許文献４のビームスプリッタ、特許文献６の光カプラ。但し特許文献６の復調器は導波路型である）。分岐後の２光束の光量は等しくする必要があり、受信機としての性能を確保するために無偏光ハーフビームスプリッタの分岐比は高い精度が要求される。さらに、ここで述べられる位相変調信号の復調器は、一般に波長多重方式と併用されるのが一般的であり、入力される光の波長は所定の範囲で変化する。従って上記の高い精度の分岐比を、広い波長範囲にわたって確保する必要がある。さらに、無偏光ハーフビームスプリッタは一般に、透過光、反射光に対して、２つの異なる偏光状態（水平偏光、垂直偏光）で異なる位相差を生じる。この性質により、Ｉチャンネル、Ｑチャンネルの位相差（本来９０度）に誤差が発生する。従って上記位相差をゼロに抑える必要がある。このような無偏光ビームスプリッタの設計は非常に複雑であり、高コストになる。なお、２光束を合波して干渉光を発生させる目的でも無偏光ハーフビームスプリッタが用いられる。この場合も上記と同様、復調器としての性能を満足させるための分岐比や偏光状態間の位相差の精度を満足するためには無偏光ハーフビームスプリッタが高コストになる。

また、別の課題として、無偏光ビームスプリッタや偏光ビームスプリッタによる光分岐は分離面での反射を伴うため、入力される光と分岐光が同一方向を向かない。このため従来の復調器は基本的に検出器に出力される干渉光の複数の光束が整列していない。一方で電気回路を簡素化するために、検出器の受光部はすべて同一直線状に整列していることが望ましい。整列していない干渉光を整列した検出器に導く手段として、特許文献５に示されているように光ファイバを用いることが可能であるが、出力チャンネル間のスキュー（光路長差）を抑えるため、各光ファイバの長さを高い精度で一致させる必要があり、装置が高コストになるという課題がある。

上記問題に鑑み、本発明の第一の目的は、低コストな位相偏移変調信号の復調器、更には、それを用いた光通信モジュールを提供することにある。

本発明の第二の目的は、低コストでスキューの抑圧が容易な位相偏移変調信号の復調器、更には、それを用いた光通信モジュールを提供することにある。

本発明の目的を達成するために以下の手段を用いた。

（１）所定の偏光状態の信号光の偏光を変換する波長板等の偏光変換手段と、前記偏光変換された信号光を、互いに異なる位相関係で干渉する複数の信号光に分離し、それぞれの前記分離された信号光は互いに直交する偏光状態であるビームディスプレイサ等の偏光分離手段と、前記偏光分離手段にて分離されたそれぞれの信号光を別の分離された信号光もしくは局部発振光と合波する偏光合波手段と、前記偏光合波手段により生成された合波光束の偏光を変換、分離して複数の干渉光を生成する、波長板、ビームディスプレイサ等からなる干渉光生成手段と、を有する構成とした。

これにより、互いに異なる位相関係で干渉する複数の信号光を生成する際、あるいは複数の干渉光を生成する際の光パワーを精度良く等しく設定することができる。また、上記信号光の生成時において偏光状態に依存した位相差が原理的に発生しないため、複数の信号光が干渉する際の、位相関係の差の誤差を抑えることが容易に実現でき、結果的に装置の低コスト化が可能となる。

（２）（１）において偏光分離手段にて分離された信号光が、偏光変換手段に入力される信号光に対して実質的に平行であるとした。これにより、分離された光束を整列させて出射させることが可能となり、光学系の簡素化と、スキューの抑圧が可能となる。

（３）（２）において、前記偏光分離手段がビームディスプレイサであるとした。これにより、分離された光束を整列させることが容易に行うことができるため、光学系の簡素化、スキューの抑圧を簡素に行うことができる。

（４）（２）において、前記偏光分離手段が、入射光束と出射光束が平行になるよう配置された偏光ビームスプリッタであるとした。これにより、分離された光束間の距離を微調整することが可能であり、精度良く干渉光を生成することが可能である。

（５）（１）において、前記偏光変換手段の光源側に、ランダムな偏光状態の信号光の２つの偏光状態を分離する第２の偏光分離手段を有することとした。これにより、入力される信号光の偏光状態によらずに（１）の効果を得ることができる。

（６）（５）において、前記干渉光それぞれを偏光状態によって合波する第二の偏光合波手段を、 前記干渉光生成手段の検出器側に設けることとした。これにより、入力される信号光の偏光状態ごとに検出器を設ける必要がなくなるため、簡素な構成でランダムな偏光状態の信号光から信号を復調することが可能となる。

（７）所定の偏光状態の信号光と局部発振光の偏光を変換する偏光変換手段と、 前記偏光変換された信号光と局部発振光の２つの偏光状態を分離する同一の偏光分離手段と、前記偏光分離手段にて分離されたそれぞれの信号光と局部発振光とを合波する偏光合波手段と、前記偏光合波手段により生成された合波光束の偏光を変換、分離して干渉光を生成する干渉光生成手段と、を有することとした。これにより、信号光と局部発振光を合波を精度よく行うことが可能となり、高品質の復調信号を生成することが可能となる。

（８）信号光の２つの偏光成分のそれぞれに対し、局部発振光を干渉させて複数の干渉光束を生成する干渉光学系と、前記複数の干渉光束のそれぞれを反射する複数の反射素子と、反射素子から反射された干渉光束を検出し、受光部が一直線上に配置された複数の検出器と、からなり、信号光が前記複数の反射素子に到達するまでの光路長が実質的に全て等しく、前記反射素子から反射された干渉光束が実質的に整列して前記複数の検出器に入射することとした。これにより、スキューの抑圧が容易な復調器を実現することが可能となる。

本発明によれば、従来に比べて低コスト或いはスキューの小さな位相変調信号の復調器や光通信モジュールを提供することができる。

ＤＱＰＳＫ信号復調器のブロック図である。 ＤＰ−ＱＰＳＫ信号復調器のブロック図である。 本発明のＤＰ−ＱＰＳＫ信号復調器の構成図である。 ビームディスプレイサの厚さ誤差により合波が不完全になることを説明する図である。 偏光ビームスプリッタを用いたＤＰ−ＱＰＳＫ信号復調器の構成図である。 偏光ビームスプリッタでの作用を説明する図である。 偏光ビームスプリッタの変位により分離光束間の距離が調整できることを説明する図である。 ＤＰ−ＱＰＳＫ信号復調器において、偏光分離と信号光、局部発振光の合波を同一の偏光ビームスプリッタで行う実施形態の構成図である。 偏光ビームスプリッタにより偏光分離と合波が同時に行われることを説明する図である。 偏光ビームスプリッタによる偏光分離、合波を用いた実施形態の構成図である。 スキューを抑圧した実施形態の構成図である。 本発明のＤＱＰＳＫ信号復調器の構成図である。 ＤＱＰＳＫ信号復調器において偏光分離と２光束の合波を同一の偏光ビームスプリッタで行う実施形態の構成図である。 本発明のＤＰ−ＱＰＳＫ信号を用いた光送受信機の構成図である。 本発明のＤＱＰＳＫ信号を用いた光送受信機の構成図である。

本発明のＤＰ−ＱＰＳＫ信号復調器を図３に示す。ＤＰ−ＱＰＳＫはコヒーレント方式の１種であるため、４値位相変調された信号光３０１と、受信側に用意された局部発振光３０２が入力される。まず信号光３０１と局部発振光３０２は、ビームディスプレイサ３０３によりそれぞれの偏光成分が分離される。ビームディスプレイサは複屈折媒質を切り出すことにより得られる光学素子であり、入射する光の直交する２つの偏光成分を分離する性質がある。また、分離された２つの光は平行に入射光と平行に出射するという性質を持つ。ここで局部発振光３０２は予め垂直偏光（ビームディスプレイサ中で光軸位置の変位を伴わずに出射される偏光成分）と水平偏光（ビームディスプレイサ中で光軸位置の変位を伴って出射される偏光成分）とが等しい大きさを持つ４５度偏光状態となっており、ビームディスプレイサ３０３によって分岐された２光束の光量は等しくなっている。

ビームディスプレイサ３０３の通過後に生成された４つの光束のうち、信号光３０１の垂直偏光成分、局部発振光３０２の垂直偏光成分、水平偏光成分は、軸方向が水平偏光方向に対して２２．５度に設定されたλ／２板３０４を通過し、４５度偏光状態となる、信号光の水平偏光成分は、軸方向が水平偏光に対して４５度に設定されたλ／４板３０５を通過し、円偏光状態となる。円偏光状態は４５度偏光状態と同じく水平偏光成分と垂直偏光成分が等しく含まれるが、水平偏光成分と垂直偏光成分との間の位相差が９０度となっている（４５度偏光の場合は０度）。この９０度の位相差が、後述する出力のＩチャンネルとＱチャンネルの間の、信号光と局部発振光の相対位相の差となる。これら４つの光束は、ビームディスプレイサ３０６もしくはビームディスプレイサ３０７によってそれぞれ２分岐され、合計８つの光束が生成される。これらの光束は、スキュー補正のため、それぞれ所定の厚さのガラス板３０８を通過する。そして、８つの光束のうち４つは軸方向が水平偏光に対して４５度のλ／２板３０９を通過して偏光が９０度回転され、この時点で信号光はすべて垂直偏光、局部発振光はすべて水平偏光とされる。ここでこれら８つの光束がビームディスプレイサ３１０に入射し、局部発振光の４光束は水平偏光であるためにそれぞれ変位を生じ、信号光の４光束とそれぞれ合波される。これら４つの合波光束は、軸方向が水平偏光に対して２２．５度に設定されたλ／２板３１１を通過し、各合波光束中の信号光成分と局部発振光成分がそれぞれ４５度偏光と―４５度偏光となる。その後４つの合波光束はビームディスプレイサ３１２によって水平偏光成分と垂直偏光成分に分離され、この時点で信号光と局部発振光の干渉光が８つ生成される。これらの光束のうち一部はスキュー補正のためのガラス板３１３を通過し、最終的に８つの光束それぞれがアレイレンズ３１４に入射し、集光されて検出器３１５に検出される。これら８つの光束のうち隣接する２光束の強度差が所望の干渉信号となり、最終的に信号光の水平偏光成分、垂直偏光成分のそれぞれにつき、互いに９０度異なる位相の干渉信号出力であるＩチャンネル、Ｑチャンネルの出力が得られる。

ここで、本実施例において高い分岐比が実現可能であることを説明する。本実施例において、光束の分離はビームディスプレイサによる偏光分離に基づいて行われた。従って、この分離時の分岐比（分岐された２光束の強度比）は、入射する光の水平偏光成分と垂直偏光成分の比で決まっている。従って、ビームディスプレイサの直前に配置された波長板３０４，３０５，３０９，３１１の軸方向が所望の値となっていれば、ビームディスプレイサや波長板の製作精度やばらつきによらず、１：１の分岐比を実現することが可能である。波長板３０４，３０５，３０９，３１１の軸方向はそれぞれ調整可能であるため、調整により極めて高い精度で１：１の分岐比を実現することが可能である。特に波長板３０４，３０５、ビームディスプレイサ３０６，３０７による光束分離はＩチャンネルとＱチャンネルを発生させる箇所であり、従来に比べて大幅に高い精度でＩチャンネルとＱチャンネルの強度比を等しくすることが可能である。

また、本実施例のビームディスプレイサのような偏光分離素子は、基本的に水平偏光成分と垂直偏光成分を別々の光束に分離するため、無偏光ハーフビームスプリッタで現れる、分岐後の光の水平偏光成分と垂直偏光成分の間の位相差が原理的に発生しない。従ってＩ，Ｑチャンネル分岐時に、光束分離に由来するチャンネル間の位相差偏差が発生しない。同様に、信号光、局部発振光の合波や干渉光生成箇所においても位相差偏差が発生しないため、結果的に復調器としてＩチャンネル出力とＱチャンネル出力の間の位相差偏差（９０°からのずれ）を抑圧することが可能である。

また、ガラス板３０８、３１３の役割について説明する。ビームディスプレイサによって変位を伴って出射される光束と、変位を伴わずに出射される光束は、平行に出射するが、ビームディスプレイサ内部での屈折率が異なるため、異なる光路長を経て出射されている。この光路長差は、変調信号の受信器としてはスキュー（変調信号の各ポート間のタイミング差）として現れ、受信器としての性能劣化に直結するため相対的に短い光路長を経て出射された、変位を伴わない出射光束に対し、ガラス板を通過させて他方の光束と光路長が等しくなるようにする。但し、ビームディスプレイサにおけるスキュー発生量が十分小さく無視できる場合は、これらガラス板は省略可能である。

本実施例において、基本的に信号光と局部発振光は同一のビームディスプレイサを通過している。これは、ビームディスプレイサの点数を減らすだけでなく、ビームディスプレイサの厚さばらつきによる、ビーム分離距離の差を生じさせない効果もある。例えば図４のように、信号光と局部発振光をそれぞれ異なるビームディスプレイサで分離した後に、別のビームディスプレイサで合波する場合を考える。このような場合、信号光を分離するビームディスプレイサと局部発振光を分離するビームディスプレイサの間に厚さの誤差が生じていると、信号光と局部発振光を分離した時の変位量が異なる。すると、別のビームディスプレイサで合波する際に、２つの光束対が変位量の差のために正確に合波できなくなり、結果的に干渉光の生成効率が悪くなり、受信器の性能劣化につながる。これに対し信号光と局部発振光を同一のビームディスプレイサで合波することにより、このような厚み誤差による受信器の性能劣化を避けることが可能である。

本実施例は、実施例１におけるビームディスプレイサを偏光ビームスプリッタに置き換えた別の実施例である。本実施例の構成図を図５に示す。偏光ビームスプリッタは通常、図６（ａ）のごとく入射面６０１に対してほぼ垂直に光束が入射され、分離面６０２において入射光束の水平偏光成分が光軸を変えずに透過し、垂直偏光成分が９０°の方向に反射する。これに対し、本実施例では図６（ｂ）のごとく、偏光ビームスプリッタへの入射角を変え、光束が入射面６０１、出射面６０３、６０４で屈折して方向が変わることを利用し、分離面での透過光６０５と反射光６０６が入射光６０７と平行に出射されるようにしている。従って実施例１のビームディスプレイサと全く同等に扱うことができる。但し、ビームディスプレイサにおける分離された光束間の距離はビームディスプレイサの外形と光軸方向により決まっているのに対し、本実施例の偏光ビームスプリッタについては、図７のように偏光ビームスプリッタを入射光束と垂直方向に移動させることにより、反射光束位置を可変とすることができ、透過光束、反射光束間の距離の微調整が可能である。

本実施例は、実施例１、２における、Ｉ，Ｑチャンネル生成のための偏光分離と、干渉光生成のための偏光合波を同時に行う別の実施形態である。図８に構成図を示す。実施例１と同様にビームディスプレイサ３０３で偏光分離され、λ／２板３０４またはλ／４板３０５によって偏光変換された信号光、局部発振光は、偏光ビームスプリッタ８０２，８０３のいずれかに入射される。ここで、偏光ビームスプリッタ８０２，８０３は信号光、局部発振光それぞれの水平偏光成分、垂直偏光成分を分離するが、図９に示すように、信号光の水平偏光成分と、局部発振光の垂直偏光成分が同軸となって合波され、また信号光の垂直偏光成分と、局部発振光の水平偏光成分が同軸となって合波される。すなわち、実施例１においてビームディスプレイサ３０６，３０７によってなされた偏光変換と、ビームディスプレイサ３１０によってなされた信号光、局部発振光の合波が、偏光ビームスプリッタ８０２，８０３によって同時になされている。偏光ビームスプリッタ８０２，８０３より出射される４光束は実施例１においてビームディスプレイサ３０１から出射される４光束と同一であり、これらの光束が検出されるまでの過程は実施例１と同一である。

なお、図１０のように、偏光分離素子として偏光ビームスプリッタ（光束の入射方向は図６（ａ）のごとく、透過光と反射光が９０度の方向を向く方向）のみを用いた構成も可能である。

本実施例は、本発明のＤＰ−ＱＰＳＫ信号復調器の、スキューを抑圧した別の実施形態である。本実施例の構成図を図１１に示す。入力された信号光は局部発信光とともに偏光ビームスプリッタ１１０１に入射し、図９のごとく信号光の垂直偏光成分と局部発振光の水平偏光成分が合波された第一の合波光束１１０２と、信号光の水平偏光成分と局部発振光の垂直偏光成分が合波された第二の合波光束１１０３とが生成される。第一の合波光束１１０２は無偏光ビームスプリッタ１１０４に入射し、透過光である第一の分岐光束と反射光である第二の分岐光束に分岐される。同様に第二の合波光束は無偏光ビームスプリッタ１１０５に入射し、反射光である第三の分岐光束と透過光である第四の分岐光束に分岐される。第一、第三の分岐光束はそれぞれλ／２板１１０６，１１０７（軸方位：水平偏光方向に対して２２．５度）を、第二、第四の分岐光束はλ／４板１１０８、１１０９（軸方位：水平偏光方向に対して４５度）を、それぞれ通過し、信号光、局部発振光が水平偏光成分と垂直偏光成分を等しく有する偏光状態とされる。これら分岐光束は偏光ビームスプリッタ１１１０または１１１１によって水平偏光成分と垂直偏光成分とに分離され、干渉光が生成される。各偏光ビームスプリッタからの透過光と反射光はそれぞれミラー１１１２で反射されてレンズ１１１３により集光され、それぞれ検出器１１１４の隣接した受光部に入射し、これらの強度差に対応する信号が生成される。第一、第二の分岐光から生成される出力信号はそれぞれ、信号光の垂直偏光成分に対するＩチャンネル出力信号、Ｑチャンネルであり、第三、第四の分岐光から生成される出力信号はそれぞれ、信号光の水平偏光成分に対するＩチャンネル出力信号、Ｑチャンネルである。

なお、本構成において、無偏光ビームスプリッタ１１０４、１１０５は偏光ビームスプリッタ１１０１から等しい距離に配置されており、また偏光ビームスプリッタ１１１０と無偏光ビームスプリッタ１１０４との距離、偏光ビームスプリッタ１１１１と無偏光ビームスプリッタ１１０５との距離はいずれも等しく配置されている。さらに、偏光ビームスプリッタ１１１０，１１１１のそれぞれから生成される反射光、透過光は、ほぼ整列した状態で検出器に入射する。すなわち、光軸がこれらの光束を検出する検出器の中心軸に対して対称であり、かつ検出器に近づく方向へ出射されている。このように対称性を持った構成のため、各干渉光の偏光ビームスプリッタ１１０１での合波時点からミラー１１１２に到達するまでの光路長が等しい。さらにミラーの１１１２から反射された光束は実質的に整列して検出器１１１４に入射するため、ミラー１１１２反射時点から検出器１１１４に到達するまでの各光束の光路長も等しくなり、結果として各干渉光の、偏光ビームスプリッタ１１０１での合波時点から検出器１１１４に到達するまでの光路長が等しくなる。すなわちスキューが発生しない。さらに、偏光ビームスプリッタ１１０１、１１１０、１１１１や無偏光ビームスプリッタ１１０４、１１０５の搭載位置ずれなどによりミラー１１１２到達以前の光束にスキューが発生した場合も、ミラー１１１２のそれぞれの位置、角度を微調整することによりミラー１１１２から検出器１１１４までの光路長を微調整し、スキューを補正することが可能であり、スキューの抑圧が容易である。

本実施例は、本発明のＤＱＰＳＫ信号復調器の実施形態である。図１２に構成図を示す。入力されたランダムな偏光状態の信号光は、実施例１と同様、ビームディスプレイサ１２０１によって水平偏光成分と垂直偏光成分とに分離される。分離された光束はλ／２板１２０２（軸方向：水平偏光方向に対して２２．５度）によって水平偏光成分と垂直偏光成分を等しく有する偏光状態とされた後、ビームディスプレイサ１２０３、１２０４のいずれかによって水平偏光成分と垂直偏光成分が別々の光束として分離され、Ｉ，Ｑチャンネルに対応する光束が生成される。これらの光束はλ／２板１２０５（軸方向：水平偏光方向に対して２２．５度）、λ／４板１２０６（軸方向：水平偏光方向に対して４５度）、λ／２板１２０７（軸方向：水平偏光方向に対して６７．５度）、λ／４板１２０８（軸方向：水平偏光方向に対して１３５度）のいずれかにより水平偏光成分と垂直偏光成分を等しく有する偏光状態とされた後、それぞれ偏光ビームスプリッタ１２０９により透過する水平偏光成分と反射する垂直偏光成分とに分離される。このうち反射された光束はミラー１２１０，１２１１により光路を折り返されることで透過光に対して信号光の１シンボル分の遅延が与えられた状態で偏光ビームスプリッタ１２１３に入射し、ここで透過光と合波される。これらの合波光束は、実施例１における信号光と局部発振光とが合波された合波光束に対応しており、実施例１と同様、λ／２板１２１４（軸方向：水平偏光方向に対して２２．５度）、ビームディスプレイサ１２１５を通過することで干渉光が生成される。本実施例における干渉光とは、偏光ビームスプリッタ１２０９における透過光束と反射光束との干渉光である。これらの干渉光は実施例１と同様にガラス板１２１６によってスキュー補正され、一部の光束はλ／２板１２１７（軸方向：水平偏光方向に対して４５度）を通過する。この時点で、ビームディスプレイサ１２０１によって分離された水平偏光成分の光束に由来する干渉光は垂直偏光に、垂直偏光成分の光束に由来する干渉光は水平偏光になっている。そしてこれら水平偏光の干渉光と垂直偏光の干渉光はビームディスプレイサ１２１８によって合波され、アレイレンズ１２１９によって検出器１２２０に集光され、検出される。

なお、偏光ビームスプリッタ１２０９で反射した光束にはシリコン単結晶１２１３が挿入されている。これは図示しない発熱体により温度を可変とされ、温度による屈折率変化のために反射光束の（偏光ビームスプリッタ１２０８の透過光束に対する）位相が調整される。この位相はＩチャンネルにおいて０となるように調整される。ここで、λ／２板１２０５，１２０７、λ／４板１２０６，１２０８によってＱチャンネルにおける位相はＩチャンネルにおける上記位相に対して９０°となるように調整されており、Ｉチャンネルにおける位相を０°に設定することで、Ｑチャンネルにおける位相は必然的に９０°となる。また、ＩチャンネルとＱチャンネルに相当する光束は２つずつあるが、同一チャンネルに相当する２光束の位相はλ／２板１２０５，１２０７、λ／４板１２０６，１２０８により等しくなるように設定されている。

本実施例において、光束の分離は基本的にビームディスプレイサや偏光ビームスプリッタのような偏光分離素子を用いている。ビームディスプレイサ１２０１は入力される信号光の偏光状態がランダムであっても、それを２つの所定の偏光状態の光束に分離するため、その後の偏光分離素子による光束の分岐を、入力された信号光の偏光状態によらずに精度良く行うことを可能にしている。

また、ビームディスプレイサ１２１８は、ビームディスプレイサ１２０１によって分岐された信号光の水平偏光成分と垂直偏光成分を再び合波する目的で挿入されている。これは、信号光の位相変調がＤＰ−ＱＰＳＫと異なり偏波多重されておらず、復調器の出力として、入力される信号光の偏光状態によらない出力であることが望ましいためである。逆に、偏波多重されたＤＱＰＳＫ信号を復調する場合は、λ／２板１２１７、ビームディスプレイサ１２１８を取り除き、８つの干渉光束を検出して実施例と同様に偏光成分ごとにＩチャンネル、Ｑチャンネルの信号を出力する復調器とすればよい。

本実施例は、実施例５における偏光ビームスプリッタ１２０９の偏光分離と、偏光ビームスプリッタ１２１２の２光束合波を同時に行う別の実施形態である。本実施例の構成図を図１３に示す。本実施例の場合、実施例４のビームディスプレイサ１２０３，１２０４の代わりに偏光ビームスプリッタ１３０１により入力された信号光の水平偏光成分、垂直偏光成分それぞれに対するＩチャンネル、Ｑチャンネルに相当する光束が生成される。偏光ビームスプリッタ１３０１での反射光束（垂直偏光成分）はプリズムミラー１３０２，１３０３により光路を変えて信号変調１シンボル分の遅延が与えられた後、λ／２板１３０４（軸方向：水平偏光方向に対して２２．５度）を通過し、水平偏光成分と垂直偏光成分が等しく含まれた偏光状態となる。同様に偏光ビームスプリッタ１３０２での透過光束（水平偏光成分）はλ／４板１３０５（軸方向：水平偏光方向に対して４５度）を通過し、水平偏光成分と垂直偏光成分が等しく含まれた偏光状態となる。（但し、水平偏光成分と垂直偏光成分には９０°の位相差が発生している）。これらの光束は従って実施例３と同様に、図９のごとく、偏光ビームスプリッタ１３０６によって各光束の水平偏光成分と垂直偏光成分が分離され、かつ異なる光束と合波される。ここで生成される４つの光束は実施例４における偏光ビームスプリッタによって生成される合波光束と同等であり、以後の過程は実施例４と同一である。（但し入力された信号光の水平偏光成分、垂直偏光成分に基づく干渉光の合波はＩ，Ｑチャンネルで別々のビームディスプレイサ１３０７，１３０８を用いている）

図１４は、本発明のＤＰ−ＱＰＳＫの送受信器（光通信モジュール）の構成を示すものである。図１４に示すように、本送受信器１４０１は送信部１４０２と受信部１４０３からなる。送信部１４０２は複数のデータ信号１４０４とクロック信号１４０５とマルチプレクサ１４０６より４つのデータ変調信号１４０７，１４０８，１４０９，１４１０と、クロック信号１４１１を生成する。４つのデータ変調信号１４０７，１４０８，１４０９，１４１０は、それぞれ別々のドライバ１４１２，１４１３，１４１４，１４１５により位相変調器１４１６，１４１７，１４１８，１４１９を変調し、レーザ光源１４２０から出射された光に対してＤＰ−ＱＰＳＫ信号変調を行う。なお、位相変調器１４１６，１４１７により信号変調された光と位相変調器１４１８，１４１９により信号変調された光とは偏光が互いに直交した状態で偏光ビームスプリッタ１４２１において合波され、ＤＰ−ＱＰＳＫ信号変調された光が生成される。クロック信号１４１１はドライバ１４２２に送られ、パルルカーバ１４２３によりＤＰ−ＱＰＳＫ信号変調された光に対してパルス状の変調が加えられる。このようにして変調された光１４２４が送信される。

受信部はＤＰ−ＱＰＳＫ信号変調された光１４２５が、受信部に用意されたレーザ光源１４２６からの局部発振光１４２７とともに実施例１に示したものと同様の復調器１４２８に入力され、ここで入力された信号光の直交する偏光成分のそれぞれに対してＩチャンネル出力信号１４２９、１４３０とＱチャンネル出力信号１４３１，１４３２が生成される。これらはＡＤコンバータ１４３３によりデジタル信号へと変換された後、デジタル信号処理回路１４３４に入力され、ここで再生信号１４３５が生成される。この再生信号はデマルチプレクサ１４３６において複数のデータ信号１４３７とクロック信号１４３８に分離される。

図１５は、本発明のＤＱＰＳＫの送受信器（光通信モジュール）の構成を示すものである。図１２に示すように、本送受信器１５０１は送信部１５０２と受信部１５０３からなる。送信部１５０２は複数のデータ信号１５０４とクロック信号１５０５とマルチプレクサ１５０６より第一のデータ変調信号１５０７と第二のデータ変調信号１５０８と、クロック信号１５０９を生成する。第一のデータ変調信号１５０７と第二のデータ変調信号１５０８は、それぞれ第一のドライバ１５１０と第二のドライバ１５１１によって第一の位相変調器１５１２と第二の位相変調器１５１３を変調し、レーザ光源１５１４から出射された光に対して差動位相偏移変調を行う。クロック信号１５０９は第三のドライバ１５１５に送られ、パルルカーバ１５１６により差動位相偏移変調された光に対してパルス状の変調が加えられる。このようにして変調された光１５１７が送信される。

受信部は差動位相偏移変調された光１５１８が入力され、実施例５に示したものと同様の復調器１５１９によってＩチャンネル出力信号１５２０とＱチャンネル出力信豪１５２１が生成され、これらはデマルチプレクサ１５２２（信号処理部）において複数のデータ信号１５２３とクロック信号１５２４に分離される。また、制御部１５２５は、シリコン単結晶を加熱するヒータへの駆動信号を発生するドライバ１５２６を制御し、遅延干渉計の位相制御を行う。

本発明により、低コスト、高性能な大容量光通信システムの受信機を実現することができ、通信容量の大容量化に貢献することができる。

１００ 被変調光、１０１ 光分岐素子、１０２、１０３ 分岐光、１０４、１０８ 分岐素子、１０５、１０９ 遅延部、１０６、１１０ 合波素子、１０７、１１１ 検出器、２００ 被変調光、２０１ 偏光分離素子、２０２:局部発振光、２０３ 光分岐素子、２０４、２０５ 光９０度ハイブリッド、２０６、２０７、２０８、２０９ 平衡型検出器、３０１ 信号光、３０２ 局部発振光、３０３ ビームディスプレイサ、３０４ λ／２板、３０５ λ／４板、３０６、３０７ ビームディスプレイサ、３０８ ガラス板、３０９ λ／２板、３１０ ビームディスプレイサ、３１１ λ／２板、３１２ ビームディスプレイサ、３１３ ガラス板、３１４ アレイレンズ、３１５ 検出器、５０１、５０２、５０３、５０４、５０５ 偏光ビームスプリッタ、６００ 偏光ビームスプリッタ、６０１ 入射面、６０２ 分離面、６０３、６０４ 出射面、６０５ 透過光、６０６ 反射光、８０２、８０３ 偏光ビームスプリッタ、１００１、１００２ 偏光ビームスプリッタ、１００３ ミラー、１００４ レンズ、１１０１ 偏光ビームスプリッタ、１１０２、１１０３ 分岐光束、１１０４、１１０５ 無偏光ビームスプリッタ、１１０６、１１０８ λ／２板、１１０７、１１０９ λ／４板、１１１０、１１１１ 偏光ビームスプリッタ、１１１２ ミラー、１１１３ レンズ、１１１４ 検出器、１２０１、１２０３、１２０４、１２１５、１２１８ ビームディスプレイサ、１２０２、１２０５、１２０７ λ／２板、１２０６、１２０８ λ／４板、１２０９、１２１２ 偏光ビームスプリッタ、１２１０、１２１１ ミラー、１２１３ シリコン単結晶、１２１４ λ／２板、１２１６ ガラス板、１２１７ λ／２板、１２１９ アレイレンズ、１２２０ 検出器、１３０１、１３０６ 偏光ビームスプリッタ、１３０２、１３０３ プリズムミラー、１３０４ λ／２板、１３０５ λ／４板、１３０７、１３０８ ビームディスプレイサ、１４０１ 送受信機、１４０２ 送信部、１４０３ 受信部、１４０４ データ信号 １４０５ クロック信号、１４０６ マルチプレクサ、１４０７、１４０８、１４０９、１４１０ データ変調信号、１４１１ クロック信号、１４１２、１４１３、１４１４、１４１５ ドライバ、１４１６、１４１７、１４１８、１４１９ 位相変調器、１４２０ レーザ光源、１４２１ 偏光ビームスプリッタ、１４２２ ドライバ、１４２３ パルスカーバ、１４２４、１４２５ 変調光、１４２６ レーザ光源、１４２７ 局部発振光、１４２８ 復調器、１４２９、１４３０ Ｉチャンネル出力信号、１４３１、１４３２ Ｑチャンネル出力信号、１４３３ ＡＤコンバータ、１４３４ デジタル信号処理回路、１４３５ 再生信号、１４３６ デマルチプレクサ、１４３７ データ信号、１４３８ クロック信号、１５０１ 送受信機、１５０２ 送信部、１５０３ 受信部、１５０４ データ信号 １５０５ クロック信号、１５０６ マルチプレクサ、１５０７、１５０８ データ変調信号、１５１９ クロック信号、１５１０、１５１１ ドライバ、１５１２、１５１３ 位相変調器、１５１４ レーザ光源、１５１５ ドライバ、１５１６ パルスカーバ、１５１７、１５１８ 変調光、１５１９ 復調器、１５２０ Ｉチャンネル出力信号、１５２１ Ｑチャンネル出力信号、１５２２ デマルチプレクサ、１５２３ データ信号、１５２４ クロック信号、１５２５ 制御部、１５２６ ドライバ。

Claims (11)

1. ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光と局部発振光とが入射し、それぞれを垂直偏光成分と水平偏光成分に偏光分離する第１偏光分離手段と、
   前記第１偏光分離手段で分離された前記局部発振光の水平偏光成分を４５度偏光状態に変換する第１偏光変換手段と、
   前記第１偏光分離手段で分離された前記信号光の水平偏光成分を円偏光状態に変換する第２偏光変換手段と、
   前記第１偏光変換手段で変換された前記局部発振光の水平偏光成分を第１垂直偏光成分局部発振光と第１水平偏光成分局部発振光に偏光分離し、前記第２偏光変換手段で変換された前記信号光の水平偏光成分を、第１垂直偏光成分信号光と第１水平偏光成分信号光に偏光分離する第２偏光分離手段と、
   前記第１水平偏光成分信号光と前記第１垂直偏光成分局部発振光の偏光状態をそれぞれ９０度回転した偏光状態に偏光変換する第３偏光変換手段と、
   前記第１水平偏光成分局部発振光と前記第３偏光変換手段で変換された前記第１水平偏光成分信号光とを合波して第１合波光を出力し、前記第１垂直偏光成分信号光と前記第３偏光変換手段で変換された前記第１垂直偏光成分局部発振光とを合波して第２合波光を出力する第１合波手段と、
   前記第１及び２合波光の偏光状態をそれぞれ４５度回転した偏光状態に偏光変換する第４偏光変換手段と、
   前記第４偏光変換手段で変換された前記第１及び２合波光を、それぞれ水平偏光成分と垂直偏光成分に偏光分離する第３偏光分離手段と、を有し、
   前記第３偏光分離手段で分離された干渉光を用いて前記ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光を復調する復調器。
2. 前記第１乃至３偏光分離手段がビームディスプレイサであることを特徴とする請求項１に記載の復調器。
3. 前記第１乃至３偏光分離手段が偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１に記載の復調器。
4. 前記第３偏光変換手段は、前記第１水平偏光成分信号光を偏光変換するものと、前記第１垂直偏光成分局部発振光を偏光変換するものとが別体であることを特徴とする請求項１に記載の復調器。
5. 前記第１偏光分離手段から前記第３偏光分離手段の光路の間に、スキュー調整手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の復調器。
6. 前記スキュー調整手段は、ガラス板であることを特徴とする請求項５に記載の復調器。
7. ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光と局部発振光とが入射し、それぞれを垂直偏光成分と水平偏光成分に偏光分離する第１偏光分離手段と、
   前記第１偏光分離手段で分離された前記局部発振光の水平偏光成分を４５度偏光状態に変換する第１偏光変換手段と、
   前記第１偏光分離手段で分離された前記信号光の水平偏光成分を円偏光状態に変換する第２偏光変換手段と、
   前記第１偏光変換手段で変換された前記局部発振光の水平偏光成分を第１垂直偏光成分局部発振光と第１水平偏光成分局部発振光に偏光分離し、前記第２偏光変換手段で変換された前記信号光の水平偏光成分を第１垂直偏光成分信号光と第１水平偏光成分信号光に偏光分離し、前記第１水平偏光成分信号光と前記第１垂直偏光成分局部発振光を合波した第１合波光を出力し、前記第１垂直偏光成分信号光と前記第１水平偏光成分局部発振光を合波して第２合波光を出力する第１分離合波手段と、
   前記第１及び２合波光の偏光状態をそれぞれ４５度回転した偏光状態に偏光変換する第３偏光変換手段と、
   前記第３偏光変換手段で変換された前記第１及び２合波光を、それぞれ水平偏光成分と垂直偏光成分に偏光分離する第２偏光分離手段と、を有し、
   前記第２偏光分離手段で分離された干渉光を用いて前記ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光を復調する復調器。
8. 前記第１及び２偏光分離手段がビームディスプレイサであることを特徴とする請求項７に記載の復調器。
9. 前記第１分離合波手段が偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項７に記載の復調器。
10. ＤＰ−ＱＰＳＫ信号変調された光を送信する送信部と、
    ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光が入力され、複数のデータ信号とクロック信号とを生成する受信部とを有し、
    前記受信部は、
    ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光と局部発振光とが入射し、それぞれを垂直偏光成分と水平偏光成分に偏光分離する第１偏光分離手段と、
    前記第１偏光分離手段で分離された前記局部発振光の水平偏光成分を４５度偏光状態に変換する第１偏光変換手段と、
    前記第１偏光分離手段で分離された前記信号光の水平偏光成分を円偏光状態に変換する第２偏光変換手段と、
    前記第１偏光変換手段で変換された前記局部発振光の水平偏光成分を第１垂直偏光成分局部発振光と第１水平偏光成分局部発振光に偏光分離し、前記第２偏光変換手段で変換された前記信号光の水平偏光成分を、第１垂直偏光成分信号光と第１水平偏光成分信号光に偏光分離する第２偏光分離手段と、
    前記第１水平偏光成分信号光と前記第１垂直偏光成分局部発振光の偏光状態をそれぞれ９０度回転した偏光状態に偏光変換する第３偏光変換手段と、
    前記第１水平偏光成分局部発振光と前記第３偏光変換手段で変換された前記第１水平偏光成分信号光とを合波して第１合波光を出力し、前記第１垂直偏光成分信号光と前記第３偏光変換手段で変換された前記第１垂直偏光成分局部発振光とを合波して第２合波光を出力する第１合波手段と、
    前記第１及び２合波光の偏光状態をそれぞれ４５度回転した偏光状態に偏光変換する第４偏光変換手段と、
    前記第４偏光変換手段で変換された前記第１及び２合波光を、それぞれ水平偏光成分と垂直偏光成分に偏光分離する第３偏光分離手段と、を有し、
    前記第３偏光分離手段で分離された干渉光を用いて前記ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光を復調することを特徴とする光送受信器。
11. ＤＰ−ＱＰＳＫ信号変調された光を送信する送信部と、
    ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光が入力され、複数のデータ信号とクロック信号とを生成する受信部とを有し、
    前記受信部は、
    ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光と局部発振光とが入射し、それぞれを垂直偏光成分と水平偏光成分に偏光分離する第１偏光分離手段と、
    前記第１偏光分離手段で分離された前記局部発振光の水平偏光成分を４５度偏光状態に変換する第１偏光変換手段と、
    前記第１偏光分離手段で分離された前記信号光の水平偏光成分を円偏光状態に変換する第２偏光変換手段と、
    前記第１偏光変換手段で変換された前記局部発振光の水平偏光成分を第１垂直偏光成分局部発振光と第１水平偏光成分局部発振光に偏光分離し、前記第２偏光変換手段で変換された前記信号光の水平偏光成分を第１垂直偏光成分信号光と第１水平偏光成分信号光に偏光分離し、前記第１水平偏光成分信号光と前記第１垂直偏光成分局部発振光を合波した第１合波光を出力し、前記第１垂直偏光成分信号光と前記第１水平偏光成分局部発振光を合波して第２合波光を出力する第１分離合波手段と、
    前記第１及び２合波光の偏光状態をそれぞれ４５度回転した偏光状態に偏光変換する第３偏光変換手段と、
    前記第３偏光変換手段で変換された前記第１及び２合波光を、それぞれ水平偏光成分と垂直偏光成分に偏光分離する第２偏光分離手段と、を有し、
    前記第２偏光分離手段で分離された干渉光を用いて前記ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光を復調することを特徴とする光送受信器。

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