JP6761782B2

JP6761782B2 - 光受信機及びコヒーレント光受信方法

Info

Publication number: JP6761782B2
Application number: JP2017143402A
Authority: JP
Inventors: 昇太石村
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2020-09-30
Anticipated expiration: 2037-07-25
Also published as: JP2019028082A

Description

本発明は、コヒーレント光通信システムの光受信機及びコヒーレント光受信方法に関する。

通信容量の増大に対応するためコヒーレント光通信システムが利用されている。コヒーレント光通信システムの光受信機は、複雑な光回路と信号処理を必要とし、例えば、比較的短距離を接続するシステムにおいては、相対的に、光受信機のコストが高くなる。このため、コヒーレント光通信システムに利用できる安価な光受信機が求められている。非特許文献１は、１２０°光ハイブリッドと、３つのフォトダイオード（ＰＤ）及び３つのアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）を備えたホモダイン光受信機を開示している。

Ｋ．Ｙ．Ｃｈｏｅｔａｌ，"Ｌｏｎｇ−ｒｅａｃｈｃｏｈｅｒｅｎｔＷＤＭＰＯＮｅｍｐｌｏｙｉｎｇｓｅｌｆ−ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ"，ＩＥＥＥＪＬＴ，ｖｏｌ．２９，４５６−４６２，２０１１年

しかしながら、コヒーレント光通信システムをより安価に構成することが求められている。

本発明は、安価な光受信機及びコヒーレント光受信方法を提供するものである。

本発明の一態様によると、光受信機は、局所光を生成する光源と、受信する信号光の振幅を一致させる様に、前記局所光及び前記信号光の少なくとも１つの振幅を調整する調整手段と、前記調整手段による調整後の前記局所光及び前記信号光に基づき、偏波面が互いに直交する前記局所光と前記信号光を含む合波光を出力する出力手段と、前記合波光のストークスパラメータＳ_２及びＳ_３を測定する測定手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明によると、コヒーレント光通信システムをより安価に構成することができる。

一実施形態による光受信機の構成図。ストークスパラメータ測定の説明図。図１の光受信機の置換形態を示す図。図１の光受信機の置換形態を示す図。図１の光受信機の置換形態を示す図。

以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態は例示であり、本発明を実施形態の内容に限定するものではない。また、以下の各図においては、実施形態の説明に必要ではない構成要素については図から省略する。

図１は、本実施形態による光受信機の構成図である。光受信機は、変調された信号光を受信して復調する。なお、信号光の偏波をＹ偏波とする。光源１は、コヒーレント受信のための局所光を生成して射出する。なお、局所光は、Ｙ偏波と直交するＸ偏波とする。光可変減衰器（光可変ＡＴＴ）２１は局所光の振幅を調整し、振幅調整後の局所光を２×２光カップラ３に出力する。同様に、光可変ＡＴＴ２２は信号光の振幅を調整し、振幅調整後の信号光を２×２光カップラ３に出力する。なお、光可変ＡＴＴ２１及び２２は、調整後の局所光及び信号光の振幅が同じとなる様に、局所光及び信号光の振幅の調整を行う。

２×２光カップラ３は、入力される局所光及び信号光を合波し、合波光を、それぞれ、４５度偏光子５１と、１／４波長板４に出力する。したがって、４５度偏光子５１に入力される合波光と、１／４波長板４に入力される合波光に含まれる局所光及び信号光の振幅は同じであり、かつ、局所光及び信号光の偏波面は直交している。本実施形態において、１／４波長板４は、Ｘ偏波の光に対してＹ偏波の光を１／４波長だけ遅延させて４５度偏光子５２に出力する。なお、１／４波長板４は、Ｙ偏波の光に対してＸ偏波の光を１／４波長だけ遅延させるものであっても良い。

４５度偏光子５１及び５２は、それぞれ、Ｘ偏波及びＹ偏波の偏波面それぞれに対して４５度の角度を持った偏波面の成分のみを通過させる。したがって、光電気変換部であるフォトダイオード（ＰＤ）６１は、Ｘ偏波及びＹ偏波の偏波面それぞれに対して４５度の角度を持った偏波面の局所光成分及び信号光成分を含む合波光を受信し、この２つの成分のビート信号を電気信号として出力する。同様に、ＰＤ６２も、Ｘ偏波及びＹ偏波の偏波面それぞれに対して４５度の角度を持った偏波面の局所光成分及び信号光成分を含む合波光を受信し、この２つの成分のビート信号を電気信号として出力する。ただし、１／４波長板４により、ＰＤ６２に入力される信号光成分は、１／４波長だけ遅延されている。ＰＤ６１及びＰＤ６２が出力する電気信号は、それぞれ、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）７１及び７２でデジタル信号に変換され、これらデジタル信号は処理部８に出力される。

続いて、２×２光カップラ３が出力する合波光のストークスパラメータについて説明する。Ｘ偏波の局所光を複素数Ｅｘで表し、Ｙ偏波の信号光を複素数Ｅｙで表すと、２×２光カップラ３が出力する合波光のストークスパラメータＳ_０、Ｓ_１、Ｓ_２及びＳ_３は、それぞれ、以下の式で表される。
Ｓ_０＝｜Ｅｘ｜^２＋｜Ｅｙ｜^２（１）
Ｓ_１＝｜Ｅｘ｜^２−｜Ｅｙ｜^２（２）
Ｓ_２＝２Ｒｅ［Ｅｘ^*Ｅｙ］（３）
Ｓ_３＝２Ｉｍ［Ｅｘ^*Ｅｙ］（４）
なお、式（３）及び（４）のＥｘ^*は、Ｅｘの共役複素数であり、Ｒｅ及びＩｍは、それぞれ、実数部分及び虚数部分を取り出すことを意味している。式（３）及び（４）から明らかな様に、Ｓ_２＋ｊＳ_３は、信号光Ｅｙをコヒーレント検出して得た信号に対応し、Ｓ_２＋ｊＳ_３により信号光を復調できる。

なお、ストークスパラメータＳ_０、Ｓ_１、Ｓ_２及びＳ_３には、以下の関係がある。
Ｓ_０ ^２＝Ｓ_１ ^２＋Ｓ_２ ^２＋Ｓ_３ ^２（５）

続いて、ストークスパラメータの測定について説明する。測定対象の光信号を４分岐し、それぞれ、図２（Ａ）〜（Ｄ）に示す回路に入力する。なお、分岐後の４つの光信号の振幅は等しいものとする。図２（Ａ）の回路において、ＰＤは、分岐光の全体の受光量に対応する電流Ｉ_０を出力する。図２（Ｂ）の回路においては、分岐光の基準偏波面の光成分のみを０度偏光子で取り出し、ＰＤは、この光成分に対応する電流Ｉ_１を出力する。図２（Ｃ）の回路においては、基準偏波面に対して４５度の角度を有する偏波面の光成分を分岐光から取り出し、ＰＤは、この光成分に対応する電流Ｉ_２を出力する。図２（Ｄ）の回路においては、基準偏波面に対して９０度の角度の偏波面の光成分の位相を１／４波長だけ遅延させ、その後、基準偏波面に対して４５度の角度を有する偏波面の光成分を分岐光から取り出し、ＰＤは、この光成分に対応する電流Ｉ_３を出力する。よく知られている様に、ストークスパラメータは、電流Ｉ_０、Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３から以下の式で求められる。
Ｓ_０＝Ｉ_０（６）
Ｓ_１＝２×Ｉ_１−Ｉ_０（７）
Ｓ_２＝２×Ｉ_２−Ｉ_０（８）
Ｓ_３＝２×Ｉ_３−Ｉ_０（９）

ここで、図１の４５度偏光子５１及びＰＤ６１は、図２（Ｃ）の回路に対応し、図１の１／４波長板４、４５度偏光子５２及びＰＤ６２は、図２（Ｄ）の回路に対応する。つまり、図１のＰＤ６１は、合波光についての上記電流Ｉ_２を出力し、ＰＤ６２は、合波光についての上記電流Ｉ_３を出力する。

したがって、ＰＤ６１が出力する電流をＩ_２と表記し、ＰＤ６２が出力する電流をＩ_３と表記すると、合波光のストークスパラメータＳ_２及びＳ_３は、以下の式で求められる。
Ｓ_２＝２×Ｉ_２−Ｉ_０（１０）
Ｓ_３＝２×Ｉ_３−Ｉ_０（１１）
式（１０）及び（１１）に式（６）を代入すると、以下の式が得られる。
Ｓ_２＝２×Ｉ_２−Ｓ_０（１２）
Ｓ_３＝２×Ｉ_３−Ｓ_０（１３）

また、上述した様に、本実施形態において、光可変ＡＴＴ２１及び２２は、調整後の局所光及び信号光の振幅が同じとなる様に、局所光及び信号光の振幅の調整を行っている。つまり、｜Ｅｘ｜＝｜Ｅｙ｜であり、式（２）よりＳ_１＝０である。Ｓ_１＝０を式（５）に代入すると、以下の式を得る。
Ｓ_０ ^２＝Ｓ_２ ^２＋Ｓ_３ ^２（１４）

式（１２）〜（１４）の連立方程式を解くことで、ＰＤ６１が出力する電流Ｉ_２及びＰＤ６２が出力する電流Ｉ_３から、Ｓ_２及びＳ_３を求めることができ、これにより、信号光の復調を行うことができる。なお、図１の処理部８は、ＡＤＣ７１及びＡＤＣ７２が出力する電流Ｉ_２及びＩ_３を示すデジタル信号から、式（１２）〜（１４）の連立方程式を解くことで、Ｓ_２及びＳ_３を求めて復調を行う。

以上、本実施形態では、ＰＤ及びＡＤＣの数が２つであり、非特許文献１に記載の構成より、ＰＤ及びＡＤＣの数を１つずつ削減することができる。なお、本実施形態では、信号光及び局所光それぞれに対応させて光可変ＡＴＴ２１及び２２を設けたが、どちらか一方、例えば、通常、信号光の振幅は局所光の振幅より小さいため、光可変ＡＴＴ２１のみを設ける構成であっても良い。また、光可変ＡＴＴ２１及び２２での減衰量は、サービス開始前に手動で設定しても良いが、例えば、光可変ＡＴＴ２１及び２２が出力する光信号の振幅を監視し、目標振幅となる様に自動的に減衰量を調整する構成とすることもできる。

また、図１の２×２光カップラ３を、図３に示す様に、偏光ビームスプリッタ３１及び１×２光カップラ３２に置換することもできる。偏光ビームスプリッタ３１は、Ｘ偏波の局所光とＹ偏波の信号光を合波して１×２光カップラ３２に出力し、１×２光カップラ３２は、合波光を分岐して、それぞれ、図１の４５度偏光子５１と、１／４波長板４に出力する。

なお、図１の構成において、信号光は、局所光と直交する偏波であるものとした。これは、例えば、光伝送路に偏波保持ファイバを使用することで達成され得る。また、偏波保持ファイバを使用できない場合であっても、例えば、偏波コントローラを使用することで信号光の偏波面を局所光に直交させることができる。さらに、偏波保持ファイバを使用できない場合であっても、図４に示す構成とすることで信号光の偏波面を局所光に直交させることができる。

図４において、光源１は、Ｘ偏波の局所光を１×２光カップラ９１に出力し、１×２光カップラ９１は、Ｘ偏波の局所光を光可変ＡＴＴ２１と偏光ビームスプリッタ９２それぞれに出力する。偏光ビームスプリッタ９２は、Ｘ偏波の局所光を光伝送路１００に出力する。光伝送路１００のもう一方の端部に接続されている光送信機は、受信する局所光を、例えば、反射型反動体光増幅器（ＲＳＯＡ）を用いて反射・増幅し、この反射光を変調して光受信機に送信する。なお、この際、光送信機は、ファラデーローテータを往復通過させることにより反射光の偏波面を９０度だけ回転させる。

光伝送路１００を構成する光ファイバは偏波保持型ではないため、光受信機が光伝送路１００に送信したＸ偏波の局所光は、光伝送路１００においてその偏波面が変動し得る。しかしながら、光信号は光伝送路を往復するので偏波面の変動は相殺される。したがって、光送信機による９０度の偏波面の回転のみが残り、よって、光受信機はＹ偏波の信号光を受信する。そして、光受信機の偏光ビームスプリッタ９２は、Ｙ偏波の信号光を光可変ＡＴＴ２２に出力する。この構成により、偏波保持型の光ファイバを使用することなく、局所光と信号光の偏波面を直交させることが可能になる。なお、この場合、光受信機はホモダイン光受信機となる。しかしながら、偏波保持型の光ファイバを使用する場合等、信号光と局所光を個別に生成する構成において、本発明は、ヘテロダイン光受信機及びホモダイン光受信機の両方に適用可能である。

図５は、図１の光受信機の変形形態を示す図である。図５の構成において、局所光と信号光は同じＺ偏波であり、Ｚ偏波の偏波面はＸ偏波及びＹ偏波それぞれの偏波面と４５度の角度である。偏光ビームスプリッタ３３は、Ｘ偏波成分については、直進させ、Ｙ偏波成分については反射して出力する。つまり、偏光ビームスプリッタ３３は、光可変ＡＴＴ２１から出力されるＺ偏波の局所光のＸ偏波成分については、ポート＃４から出力し、Ｙ偏波成分についてはポート＃３から出力する。また、偏光ビームスプリッタ３３は、光可変ＡＴＴ２２から出力されるＺ偏波の信号光のＹ偏波成分については、ポート＃４から出力し、Ｘ偏波成分についてはポート＃３から出力する。したがって、偏光ビームスプリッタ３３のポート＃３からは、Ｘ偏波の信号光とＹ偏波の局所光の合波光が出力される。一方、偏光ビームスプリッタ３３のポート＃４からは、Ｙ偏波の信号光とＸ偏波の局所光の合波光が出力される。つまり、偏光ビームスプリッタ３３は、互いに直交し、その振幅が同じ信号光と局所光の合波光を出力する。偏光ビームスプリッタ３３のポート＃３から出力される合波光は、４５度偏光子５１を通過後、ＰＤ６１で光電変換される。なお、４５度偏光子５１は、Ｚ偏波成分を通過させる。一方、偏光ビームスプリッタ３３のポート＃４から出力される合波光は、１／４波長板４及び４５度偏光子５２を通過後、ＰＤ６２で光電変換される。なお、４５度偏光子５２は、Ｚ偏波成分を通過させる。

なお、図５の構成において、局所光と信号光は同じＺ偏波としたが、局所光がＺ偏波であり、信号光がＺ偏波と直交するＺ´偏波であっても良い。この場合においても、偏光ビームスプリッタ３３は、ポート＃３及びポート４から、互いに直交し、その振幅が同じ信号光と局所光の合波光を出力する。但し、この場合、４５度偏光子５１と４５度偏光子が通過させる偏波成分の偏波面は、互いに直交する様になる。なお、図５においては、偏光ビームスプリッタ３３のポート＃３から出力される合波光を４５度偏光子５１に出力し、ポート＃４から出力される合波光を１／４波長板４に出力した。しかしながら、ポート＃３から出力される合波光を２分岐して４５度偏光子５１及び１／４波長板４に出力することも、ポート＃４から出力される合波光を２分岐して４５度偏光子５１及び１／４波長板４に出力することもできる。

１：光源、２１、２２：光可変減衰器、３：２×２光カップラ、４：１／４波長板、５１、５２：４５度偏光子、６１、６２：フォトダイオード、７１、７２：アナログ・デジタル変換器、８：処理部

Claims

局所光を生成する光源と、
前記局所光の振幅と、受信する信号光の振幅を一致させる様に、前記局所光及び前記信号光の少なくとも１つの振幅を調整する調整手段と、
前記調整手段による調整後の前記局所光及び前記信号光に基づき、偏波面が互いに直交する前記局所光と前記信号光を含む合波光を出力する出力手段と、
前記合波光のストークスパラメータＳ_２及びＳ_３を測定する測定手段と、
を備えていることを特徴とする光受信機。
前記測定手段は、
前記合波光のうち、前記局所光及び前記信号光の偏波面それぞれと４５度の角度の偏波面の成分を通過させる第１偏光手段と、
前記第１偏光手段を通過した前記合波光の成分を電気信号に変換する第１変換手段と、
前記合波光に含まれる前記局所光又は前記信号光を１／４波長だけ遅延させる遅延手段と、
前記遅延手段を通過した前記合波光のうち、前記局所光及び前記信号光の偏波面それぞれと４５度の角度の偏波面の成分を通過させる第２偏光手段と、
前記第２偏光手段を通過した前記合波光の成分を電気信号に変換する第２変換手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光受信機。
前記測定手段は、
前記第１変換手段及び前記第２変換手段それぞれの出力をデジタル信号に変換するデジタル変換手段をさらに備えており、
前記デジタル変換手段の出力に基づき前記合波光のストークスパラメータＳ_２及びＳ_３を測定することを特徴とする請求項２に記載の光受信機。
前記測定手段は、前記合波光のストークスパラメータＳ_０及びＳ_１を測定しないことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光受信機。
前記光源が生成する局所光と前記受信する信号光の偏波は互いに直交しており、
前記出力手段は、前記調整手段による調整後の前記局所光及び前記信号光を合波することで前記合波光を生成することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光受信機。
前記光源が生成する局所光と前記受信する信号光の偏波は互いに直交しており、
前記出力手段は、前記調整手段による調整後の前記局所光を第１偏波の第１成分と前記第１偏波とは直交する第２偏波の第２成分に分離し、前記調整手段による調整後の前記信号光を前記第１偏波の第３成分と前記第２偏波の第４成分に分離し、前記合波光を、前記第１成分及び前記第４成分を合波することと、前記第２成分及び前記第３成分を合波することと、前記第１成分及び前記第４成分を合波し、かつ、前記第２成分及び前記第３成分を合波することと、の内のいずれかで生成し、
前記局所光及び前記受信する信号光の偏波は、前記第１偏波及び前記第２偏波それぞれと４５度だけ異なることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光受信機。
前記光源が生成する局所光と前記受信する信号光の偏波は同じであり、
前記出力手段は、前記調整手段による調整後の前記局所光を第１偏波の第１成分と前記第１偏波とは直交する第２偏波の第２成分に分離し、前記調整手段による調整後の前記信号光を前記第１偏波の第３成分と前記第２偏波の第４成分に分離し、前記合波光を、前記第１成分及び前記第４成分を合波することと、前記第２成分及び前記第３成分を合波することと、前記第１成分及び前記第４成分を合波し、かつ、前記第２成分及び前記第３成分を合波することと、の内のいずれかで生成し、
前記局所光及び前記受信する信号光の偏波は、前記第１偏波及び前記第２偏波それぞれと４５度だけ異なることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光受信機。
前記受信する信号光は、前記光源が生成する前記局所光を、光伝送路を介して光送信機に送信し、前記光送信機において、前記局所光の変調及び偏波面の９０度の回転が行われた後、前記光送信機により前記光伝送路を介して前記光受信機に送信されたものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光受信機。
局所光を生成することと、
前記局所光の振幅と、受信する信号光の振幅を一致させる様に、前記局所光及び前記信号光の少なくとも１つの振幅を調整することと、
振幅調整後の前記局所光及び前記信号光に基づき、偏波面が互いに直交する前記局所光と前記信号光を含む合波光を出力することと、
前記合波光のストークスパラメータＳ_２及びＳ_３を測定することと、
を含むことを特徴とするコヒーレント光受信方法。