JP6889470B2

JP6889470B2 - 空間整合受信

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Publication number: JP6889470B2
Application number: JP2017053742A
Authority: JP
Inventors: 高秀坂本; 梅沢　俊匡; 俊匡梅沢; 直克山本
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2017-03-17
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2037-03-17
Also published as: JP2018157441A; WO2018168598A1

Description

本発明は，光情報通信に用いられる受信装置に関する。より具体的に説明すると，本発明は，空間整合受信に用いられる受信装置に関する。

従来，空間多重信号の分離とコヒーレント光受信器は別の技術を用いて行われていた。光多重信号を受信する場合，通常は，光領域において多重信号を分離し，分離された信号を個別にコヒーレント受信していた。このため，多重信号の分離装置と，コヒーレント受信用の受信装置の両方が必要であった。また，光多重の方式毎に専用の多重分離器を用意する必要があり，空間多重信号のモード数，多重数の種類，多重パターンに応じた専用の受信機器構成が必要であった。さらに，光計測技術において，被測定対象からの光応答は任意の多モード信号となり，様々なモードに対応した超高速応答を評価することは困難であった。

Ｗ．Ｍｏｈａｍｍｅｄｅｔａｌ．，Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．４５，０７４６０２（２００６）

本発明は，任意の空間多重光信号，多モード光信号を受信できる受信器を提供することを目的とする。

本発明は，受信装置に関する（本発明は受信方法をも提供する）。この受信装置は，受信光と合波される局所光を発生する局所光発生源３と，局所光発生源３から発生した局所光が受信光と合波される前に，局所光の複数の部分に異なった複数の変調を与えるための複数の変調領域５を有する変調部７と，変調部７で複数の変調を与えられた局所光と，受信光とが合波された光を，局所光の複数の部分ごとに検出する複数の検出領域９を有する検出部１１とを有する。
受信装置は，
複数の変調領域９が，アレイ状に形成され，
複数の検出領域１１が，アレイ状に形成されるものが好ましい。
受信装置は，
局所光発生源３が，局所光の波長を掃引できるものか，光コム信号発生器であるものが好ましい。
受信装置は，
さらに，受信光と，変調部７で複数の変調を与えられた局所光とを合波する合波部２１をさらに有するものが好ましい。
受信装置は，
複数の検出領域１１が，複数のフォトダイオードであるものが好ましい。

本発明は，任意の空間多重光信号，多モード光信号を受信できる受信器を提供できる。

図１は，受信装置を説明するためのブロック図である。図２は，複数の変調領域を有する変調部を説明するための概念図である。図３は，光検出器を示す概念図である。図３（ａ）は，フォトダイオードと配線の例を示し，図３（ｂ）はフォトダイオードの間隔を説明するための図である。図４は，デジタル信号プロセッサを説明するためのブロック図である。図５は，グレーティングを有する受信装置を説明するためのブロック図である。図６は，合波部を用いない受信装置を説明するためのブロック図である。図７は，光検出器の利用方法の例を示す概念図である。図８は，実施例の空間コヒーレント整合検出器を説明するための概念図である。図９は，ＰＤアレイの設計例を示す図である。図１０は，ＰＤアレイにおける裏面入射断面構造例を示す図である。図１１は，検討した４×４位相パターンを示す。図１１（ａ）は，位相マスクのパターン例を示す。図１１（ｂ）は，重み係数の組み合わせ例を示す。図１２は，モード毎の２０−Ｇｂ／ｓＱＰＳＫ信号の受信に焦点を当てて，ＤＳＰで復元された配置を計算したものを示す図面に替るグラフである。図１３は，フォトディテクターの大きさ（ｐｎ接合面積）に対する３ｄＢ周波数帯域の計算見積もりを示す図面に替るグラフである。図１４は，クロストーク量および挿入損失の算出例を示す図面に替るグラフである。

以下，図面を用いて本発明を実施するための形態について説明する。本発明は，以下に説明する形態に限定されるものではなく，以下の形態から当業者が自明な範囲で適宜修正したものも含む。なお，以下では，空間コヒーレント整合検出器を例にして，本発明を実施するための形態について説明する。しかしながら，本発明は，空間コヒーレント整合検出器に限定されるものではない。

図１は，受信装置を説明するためのブロック図である。図１に示されるように，この受信装置は，受信光と合波される局所光を発生する局所光発生源３と，複数の変調領域５を有する変調部７と，複数の検出領域９を有する検出部１１とを含む。変調部７は，局所光発生源から発生した局所光が受信光と合波される前に，局所光の複数の部分に異なった複数の変調を与えるための複数の変調領域５を有するものである。検出部１１は，変調部で複数の変調を与えられた局所光と，受信光とが合波された光を，局所光の複数の部分ごとに検出する複数の検出領域９を有する。変調の例は，振幅変調，位相変調，周波数変調，振幅シフト，位相シフト，周波数シフト，及びこれら組み合わせである。図１の例では，局所光発生源３から出射した局所光をコリメートするためのレンズ１７と，受信光をコリメートするためのレンズ１９と，コリメートされた受信光及びコリメートされた局所光とを合波するためのハーフミラー（合波部）２１，検出部１１からの検出信号をデジタル化するためのＡＤＣ（アナログ−デジタル変換器）２３，ＤＳＣ（デジタル信号プロセッサ）２５を含む。ＤＳＣ２５は，係数制御部２７と，ＭＩＭＯ（マルチインプットマルチアウトプット）２９を含む。

受信光は，マルチコアファイバ（ＭＣＦ）や数コアファイバ（ＦＣＦ）からの出射光であってもよい。受信光は，モード分割多重（ＭＤＭ）光などの空間多重信号であってもよい。図１の受信装置は，任意の多重モードの光を受信することができるコヒーレント光受信器である。この受信装置は，波長多重伝送，偏波多重伝送，空間多重光伝送，多モード光伝送のみならず，単一モード光伝送におけるコヒーレント受信器として利用されうる。

図２は，複数の変調領域を有する変調部を説明するための概念図である。図２に示されるように，この変調部７は，複数の変調領域５を有する。局所光発生源３から出射し，レンズ１７によりコリメートされた光が，変調部７に存在する複数の変調領域５を通過する。その際に，複数の変調領域５のそれぞれに対応した変調を受けることとなる。複数の変調領域５における変調の例は，位相変調である。例えば，複数の変調領域５が０とπのいずれかの位相変調を行うものであっても，０，π／２，π，及び３π／２のいずれかの変調を行うものであってもよい。複数の変調領域５は，振幅変調を行うものであってもよいし，周波数変調を行うものであってもよい。変調部７（マスク）の各変調領域５には，光変調器が設けられ，それぞれの光変調器が制御部と接続され，任意の変調を行うものであってもよい。

複数の変調領域５は，格子状に設けられてもよいし，任意の配置であってもよい。複数の変調領域５は，格子点上に４つ以上の光変調器が存在するものである。図２の例では，ｍ×ｎ個の変調領域を有している。複数の変調領域５の例は，２×２（縦方向及び横方向に２つずつ），２×２が１つの面に４つある構造（４×４），３×３，５×５，６×６，４×６，８×８，及び１２×１２である。

局所光発生源３の好ましい例は，波長を掃引できる局所光発生源である。波長を掃引できる光源は，例えば再表２００７−１４８４１３号公報に記載される通り，公知である。局所光発生源３の好ましい別の例は，光コム信号発生器である。光コム信号発生器は，例えば特開２００６−１７７４８号公報や，特開２０１１−２２１３６６号公報に記載される通り，公知である。

合波部２１は，受信光と，変調部で複数の変調を与えられた局所光とを合波する要素である。合波部２１の例は，ハーフミラー及びビームスプリッターである。

光検出器（検出部）
次に，光検出器１１の例について説明する。図３は，光検出器を示す概念図である。図３（ａ）は，フォトダイオードと配線の例を示し，図３（ｂ）はフォトダイオードの間隔を説明するための図である。この例の光検出器１１は，複数のフォトディテクター（例えばフォトダイオード）９が２次元アレイ状に配置されている。フォトダイオード９は，光情報通信に用いられている公知のフォトダイオードを用いることができる。フォトダイオード９は，検出器のピクセルを構成し，それぞれが，変調部７の変調領域５に対応したものであってもよい。２次元アレイの例は，格子点上に４つ以上のフォトダイオードが存在するものである。２次元アレイの例は，２×２（縦方向及び横方向に２つずつ），２×２が１つの面に４つある構造（４×４），３×３，５×５，６×６，４×６，８×８，及び１２×１２である。２次元アレイ状に配置された複数のフォトディテクターは，それぞれ１０μｍ以上離れて配置される（つまり隣接するフォトダイオードの最も近い部分間の距離ｄが１０μｍ以上）ことが好ましい。この間隔が大きすぎると，光検出機能が低下するので，隣接するフォトダイオードの間の距離ｄは，１０μｍ以上１００μｍ以下が好ましく，３０μｍ以上８０μｍ以下でも，３０μｍ以上６０μｍ以下でも，４０μｍ以上６０μｍ以下でもよい。光検出器の２次元フォトディテクターアレー部は，面入射構造（表面入射又は裏面入射構造）を有していることが好ましい。

この光検出器は，例えば，複数のフォトディテクターの間に幅が４μｍ以下（好ましくは１μｍ以上４μｍ以下，１μｍ以上３μｍ以下，又は２μｍ以上４μｍ以下）の配線１２を有する。それぞれのフォトダイオードの受光領域は，１辺が１００μｍ以下（面積が１万μｍ^２以下）であることが好ましい。

複数のフォトダイオードは，それぞれメサ構造を有することが好ましい。メサ構造は，あらかじめ結晶成長によりｐｎ接合を形成し，その後，素子領域をエッチングにより島状に切り出した構造を意味する。メサ構造を有するフォトダイオードは，例えば，特許５８４２３９３号公報や特許５３８６７６４号公報に記載される通り公知である。フォトダイオードはプレーな構造であってもよい。プレーな構造は，カソード層側となるｎ型エピタキシャル層の表面から選択的に不純物を深さ方向に添加し，そこをｐ型に反転させてアノードとする構造を意味する。また，光検出器は，２次元フォトディテクターアレー部から１ＧＨｚ以上の高速電気信号を出力することができるような高周波伝送路が設けられていることが好ましい。このような高速伝送路は，例えば，２次元フォトディテクターアレー部を基盤の中心部に設け，その２次元フォトディテクターアレー部に存在する配線と接続された配線が基盤の周方向に伸びている構造を有するものである。そして，この基盤は，外部（例えば後述するデジタル信号プロセッサ）とフィリップチップボンディング又はワイヤーボンディングにより接続されることが好ましい。これらの配線は，マイクロストリップラインやコプレーナ型の伝送線路により実現されることが好ましい。このような構成を有すれば，光電流が各フォトダイオードに流れ，電気信号に変換され，伝送線路を通して外部電気回路へと出力されることとなる。

この光検出器は，光通信用のフォトダイオードをアレイ状にして用いているので，ＣＣＤなどとは異なり，周波数応答が１ＧＨｚ以上といった高速信号に対応できる。

フォトディテクターアレーは，マルチコアファイバ内のシングルモードファイバー群から放射される複数の光を受信するものであり，複数の光のそれぞれに，複数のフォトディテクターのいずれかが対応する。

ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換器）
ＡＤＣ２３は，それぞれのフォトダイオードが検出した光強度をデジタル情報に変換する要素である。それぞれのフォトダイオードと接続されたＡＤＣが存在し，それぞれのフォトダイオードの検出値をデジタル信号に変換してもよい。ＡＤＣはＤＳＰへデジタル信号を出力する。

ＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）
光検出器は，さらにデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）２５を有するものが好ましい。図４は，デジタル信号プロセッサを説明するためのブロック図である。デジタル信号プロセッサ２５は，複数のフォトディテクターに含まれるそれぞれのフォトディテクターに対応した重み係数付与部２７を有する。ＤＳＰ２５は，重み係数付与部が付与するそれぞれの重み係数を調整できる。ＤＳＰ２５は，ＡＤＣ２３のそれぞれからデジタル信号を受け取り，それぞれのデジタル信号に，重み係数をかけ合わせ，ＭＩＭＯ（マルチインプットマルチ出力）部２９に送る。ＭＩＭＯ部２９は，それぞれのフォトディテクターからの光信号に重みがけを行った情報を出力する。出力情報を解析すると，受信信号を解析できる。
このようにして，複数のフォトディテクターのそれぞれから信号に様々な重み係数をかけ合わせたものを信号として出力できる。さらに，それぞれのフォトディテクターに関する重み係数を変えることで，特定のフォトディテクターが検出した成分を抽出できる。

この光検出器は，例えば，マルチコアファイバ（ＭＣＦ）と数モードファイバ（ＦＭＦ）とが組み合わさった伝送路や，ＦＭＦによる伝送路からの出力を直接受信するための光検出器として用いられてもよい。

なお，上記は，フォトダイオードをアレイ状にした例について説明した。もっとも，単一の光検出器を用いても，変調や取得信号の解析を行うことにより，信号光や局所光の振幅，位相の時間変化や空間分布及び空間分布の変化を取得し，これらを復元できる。単一の光検出器を用いた場合には，他の空間分布を持つ光信号と混在した光信号の中から，特定の空間分布を持つ光信号を，選択的に，受信することができる。なお，空間整合受信については，ＣＣＤを用いて検出してもよい。

以下，受信装置の動作例について説明する。ＭＣＦからの出力光が出力ポートに入射する。すると，入力ポートに入射した受信光がレンズに向けて出射する。レンズ１９は，広がった状態の受信光を受け取り，受信光をコリメートし，ハーフミラー２１へと伝える。一方，局所光源３から局所光が出射され，局所光の幅が広げられた状態でレンズ１７に到達し，レンズ１７においてコリメートされる。レンズ１７から出射した局所光は，位相マスク７に到達する。位相マスク７における複数の位相変調器５は，局所光の各部位に対し，所定の位相変調を施す。位相変調を施された局所光は，ハーフミラー２１に到達する。ハーフミラーに到達した際の局所光の光径（ｗ_ｌ）は，ハーフミラー２１に到達した受信光の光径（ｗ_Ｓ）と同じかそれより小さい（例えば，９０％以上９９％以下である）ことが好ましい。ハーフミラー２１において，受信光と局所光とが合波される。受信光のうち，局所光と位相があった部分は強めあい，位相が逆位相であった部分は弱めあう。このように合波された光は，光強度が強めあった部分と弱めあった部分が存在することとなる。その強弱は，基本的には，それぞれの位相変調器５に対応したものである。ハーフミラー２１において合波された光は，光検出器１１に入射する。光検出器１１には，位相変調器５に対応した位置にフォトダイオード９が存在する。このため，光検出器１１において，受信した光の強度を測定できることとなる。それぞれのフォトダイオード９からの出力は，ＡＤＣ２３においてデジタル信号に変換され，ＤＳＰ２５において信号処理が施される。ＤＳＰ２５は，受信光を復元できる。具体的には，ＤＳＰ２５は，それぞれのフォトダイオード９からの出力に対して重み付けをすることができるようにされており，重み付けを調整することで，位相変調に応じた成分の光強度情報を得ることができる。これにより，受信光のモードや変調方式を分類できることとなる。

図５は，グレーティングを有する受信装置を説明するためのブロック図である。この例では，局所光がグレーティング３１及びレンズを経て，位相マスク７に至る。グレーティングの例は，ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）である。ファイバブラッググレーティングは，ユニフォームファイバグレーティング，チャープグレーティング，又はマルチセクショングレーティングを用いるものや，変調可能なファイバグレーティングがあげられる。ファイバブラッググレーティングは，たとえば，位相マスクを介して紫外線を照射し，そのコアの屈折率を所定のピッチで変化させることにより得ることができる。グレーティングを用いることで，波長選択コヒーレント検出を実現できる。つまり，例えば，局発光波長を信号光波長帯域内に配置し，局発光の振幅及び位相等に，空間分布を与え，かつ，信号光と局発光間ビート成分を，単一の光検出または，複数の光検出器を用いて，検出することにより，局発光の振幅，位相の時間変化，空間分布，変化情報を取得，復元することができる。局発光波長を信号光波長帯域内に配置するとは，例えば，信号光波長の占有光波長をλ_１以上λ_２以下とした時（ただし，λ_１＜λ_２），局発光波長λ_Ｌをλ_１以上λ_２以下の領域に配置することである。

なお，局発光波長を信号光波長帯域外に配置した場合，信号光と局発光間ビート成分を，単一の光検出，または，複数の光検出器を用いて検出することで，局発光の振幅，位相の時間変化，空間分布，変化情報を取得，復元するものも有効である。局発光波長を信号光波長帯域外に配置するとは，例えば，信号光波長の占有光波長をλ_１以上λ_２以下とした時（ただし，λ_１＜λ_２），局発光波長λ_Ｌをλ_１より小さいか，λ_２より大きい領域に配置することである。

この場合の受信装置の例は，受信光３と合波される局所光を発生する局所光発生源５，局所光と受信光３とが合波された光を，検出する検出部１３とを有する受信装置となる。局所光の波長は，信号光波長帯域外である。この場合，特定の空間分布を有する光信号を選択的に受信することで，局発光の振幅，位相の時間変化，空間分布，変化情報を取得，復元できる。局発光を信号光帯域外に配置した場合，信号光は電気信号として取得される際に，振幅位相情報を保有したまま，中間周波数帯信号にダウンコンバートされ，この信号がデジタル信号処理回路に入力される。デジタル信号理仮路上で，中間信号を平行信号セットに変換し，前述のマスクアレイと同じ位相，振幅分布をもつマスクを局発信号に適用した平行信号セットを用意し，これと，ミキシング行うことにより，信号光を復調，モード分離が行える。

図６は，合波部を用いない受信装置を説明するためのブロック図である。図６に示される例では，光検出器において受信光と局所光とが合わさるため，受信光と局所光とを合波する合波部が存在しない。このような構成とすれば光学素子を軽減できることとなる。

図７は，光検出器の利用方法の例を示す概念図である。この例では，マルチコアファイバ（ＭＣＦ）と数モードファイバ（ＦＭＦ）とが接続された伝送路からの出力光を複数の光検出器１１を用いて受信し，それぞれの光検出器（及びそれと接続されたＡＤＣ及びＤＳＰ）により受信信号を解析する。

上記の光検出器は，以下のような用途も考えられる。ＭＣＦからの光をレンズ等で集光し，各フォトディテクターへ直接光結合を行う。ＭＣＦのコア配置（三角配置，四角配置）に合わせ，光検出器のピクセルの配置を決定すればよい。従来技術ではＭＣＦを複数の単一ファイバーへ変換するＤＥＭＵＸ装置又はＤＥＭＵＸ装置後に複数の単一ファイバーを接続し，その単一ファイバーに応じた受信器が必要であった。上記の光検出器を用いればＤＥＭＵＸ装置が不要となり，また出力本数分必要であった複数の受信器が１つに集約できる。このため，上記の光検出器を用いれば，受信側システム構成を簡略化でき，小型トランシーバー等の設計に大きく寄与される。また，軌道角運動量（ＯＡＭ）を使ったモード分割多重伝送においても，上記の光検出器を用いることで，光ＤＥＭＵＸ装置や後段の１モードに対する受信機が不要となり，直接ＯＡＭ光信号を受信できる。これにより瞬時モード判定とデータ受信が可能となる。２次元ＰＤＡ各素子とパッチアンテナなどの小型アンテナを接続し，各光検出器素子への位相制御を電気的，光学的手法により行うことで，2次元フェーズドアレーアンテナを製造できる。光検出器単体素子は１００ＧＨｚ以上で動作するよう設計が可能であることから，マイクロ波帯からミリ波帯，あるいはＴＨｚ帯の２次元フェーズドアレーアンテナが作製可能となる。

本実施例では，高速モード分離とコヒーレント検出を光電子的に可能にする「空間コヒーレント整合検出」とよばれる新しい手法を提案し，検討する。

図８にその原理を示す。図８は，実施例の空間コヒーレント整合検出器を説明するための概念図である。空間コヒーレント整合検出器は，ハーフミラー，局所光，位相マスク，フォトダイオード（ＰＤ）アレイおよびデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含む。信号および局所光は信号ポートおよびローカルポートから入力され，コリメートされる。２つの光は，ハーフミラーで結合され，ＰＤアレイに入射する。信号および局所光は，ＰＤアレイのアクティブエリアをカバーするビームサイズで十分に空間的に広がっている。
ＰＤアレイは，共通の光入力と複数の出力電極とが２次元マトリクス状に配置された構造を有し，異なる位置の光電流を別々に取り出す。ＰＤアレイの各要素は従来のＰＤ技術に基づいているため，１０Ｇｂａｕｄ以上の高帯域幅検出が可能である。検出システムでは，ローカルポート側に特殊位相パターンを持つ位相マスクを配置している。位相マスクを用いて，局所ビームの位相パターンが制御される。したがって，ＰＤアレイの各素子に入力されるローカル光の光位相は，必要に応じて制御される。一方，信号光はそのままＰＤアレイに入射し，したがって，ＰＤレーザーで信号光とローカル光の相対位相差を独立に制御できる。

図９は，ＰＤアレイの設計例を示す図である。図９に示されるように，ＰＤアレイは，１ＧＨｚ以上の高速電気信号を外部へ取り出すための高周波伝送路が設けられている。図１０は，ＰＤアレイにおける裏面入射断面構造例を示す図である。タイル状に加工した高速フォトディテクター（大きさ：約１００μｍ×１００μｍ以下）を２次元上に配置する。各フォトディテクターからの電気出力と外部電気回路との接続のため，フォトディテクターには4μｍ程度の配線を設ける。電気信号は1GHz以上の高速信号であるため，外部回路への信号取り出しにはマイクロストリップラインやコプレーナ―伝送線路を設ける。高速光信号は上面もしくは裏面より入射を行う。これにより光電流が各フォトディテクターに流れ，電気信号へ変換され，伝送線路を通して外部電気回路へ出力される。

例えば，アレイ内の２つのＰＤ素子の間にπ／２位相オフセットを与えると，信号の同相（Ｉ）成分と直交（Ｑ）成分が同時に検出され，コヒーレント検出が達成される。空間モードを分離するには，モーダルパターンに一致する位相オフセットを与えることによって，ＰＤ素子からの光電流をすべて集計する必要がある。加算プロセスのための熱電流の重み係数を適切に変更することにより，光学構成を変えることなく任意の直交モードを動的に選択することができる。

重み係数はＤＳＰで簡単に制御することができ，光検出に先立って光モード分割なしですべてのモードチャネルの並列検出を実現できる。例えば，アレイ内の２つのPD素子の間にπ／２位相オフセットを与えると，信号の同相（Ｉ）成分と直交（Ｑ）成分が同時に検出され，コヒーレント検出が達成される。空間モードを分離するには，モードパターンに一致する位相オフセットを与えることによって，ＰＤ素子からの光電流をすべて集計すればよい。加算プロセスのための熱電流の重み係数を適切に変更することにより，光学系の構成を変えることなく任意の直交モードを動的に選択することができる。重み係数はＤＳＰで簡単に制御することができ，光検出に先立って光モード分割なしですべてのモードチャネルの並列検出を実現できる。

この技術の最も重要な点は，受信したＭＤＭ信号に対して空間フィルタまたは他の光信号処理を適用しなくて済むことである。信号は，共通の単一光入力面を有するフォトダイオードアレイに単に入力される。このようなＰＤアレイの単一のセットでは，すべてのモーダルチャネルを個別に検出することができる。位相マスクパターンを変更することなく，空間モードを直交的に分離することができる。我々は，配列要素で検出された光電流の組み合わせを選択するためにＤＳＰを使用する。検出システムは，異なるモード数が多重化された他のＭＤＭ信号に対して柔軟にアップグレードすることができる。マトリックスサイズが十分に大きい場合には，３，５またはそれより高次のＭＤＭ信号を検出可能である。

さらに，検出スキームは，モード分割損失を被らない。モード損失にかかわらず，固有損失は理想的に３ｄＢであり，シングルチャンネル位相ダイバーシティコヒーレント受信機およびコヒーレント整合検出器と同等である。光損失を比例的に増加させる従来の位相板ベースの光モードスプリッタモーダル数に変換する（図８の理論的損失は６ｄＢであるが，ハーフミラーのもう一方の出力ポートを使用してバランス型検出構成として変更することで，３ｄＢまで改善できる。）。

ここでは，４ｘ４ＰＤアレイを用いた３つのモードのＭＤＭ信号のモード分離と検出に着目した空間コヒーレント整合検出器を検討する。本概念を証明するために数値解析を行った。図１１は，検討した４×４位相パターンを示す。図１１（ａ）は，位相マスクのパターン例を示す。図１１（ｂ）は，重み係数の組み合わせ例を示す。この位相マスクは，図の点線の枠で囲まれた４組のサブ位相マスクで構成されている。各サブ位相マスクは，それぞれ０，π／２，π，３π／２の位相シフトを与える４つの領域を有する。［０，π］位相シフトに対応する一対のＰＤ素子は，受信信号の同相成分のバランスト検出として機能する。直角位相成分は，対となる［π／２，３π／２］ＰＤを用いて検出される。ＰＤアレイからのすべての光電流を合計するとき，重み係数の組み合わせを変更するだけでモード分離が達成される。ＬＰ０１モードは，以下の重み係数行列を用いてすべての光電流を合計すると検出される。
Ａ＝［ａ_ij］=［１００１；０ −１ −１０；０ −１ −１０；１００１］（Ｉ成分の場合）。
［０ −１１０；１００ −１； −１００１；０１ −１０］（Ｑ成分の場合）。
また，ＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードを検出するには，それぞれ
［１００ −１；０ −１１０；０ −１１０；１００ −１］（ＬＰ１１ａ−Ｉ），
［０ −１ −１０；１００１； −１００ −１；０１１０］（ＬＰ１１ａ−Ｑ），および
［１００１；０ −１ −１０；０１１０； −１００ −１］（ＬＰ１１ｂ−Ｉ），
［０ −１１０；１００ −１；１００ −１；０ −１１０］（ＬＰ１１ｂ−Ｑ）となる。

図１２は，モード毎の２０−Ｇｂ／ｓＱＰＳＫ信号，例えば３×２０−Ｇｂ／ｓＭＤＭＱＰＳＫ信号の受信に焦点を当てて，ＤＳＰで復元された配置を計算したものを示す。計算では，０．１ｎｍでのＯＳＮＲは２０ｄＢと仮定される。マルチ入力マルチ出力（ＭＩＭＯ）イコライザを適用して信号を分離し，モードのチャネル間のクロストークを抑圧する。図１２（ａ）から（ｃ）は，すべてのチャネルが多重化され，空間コヒーレント整合検出器で受信されたときに得られるＬＰ０１，ＬＰ１１ａおよびＬＰ１１ｂモードに対応するモードのチャネルの配置を示している。なお，簡単に説明するため，空間コヒーレント整合検出器では，すべてのモードが保持されると仮定する。したがって，すべてのチャネルがクロストークなしに別々に復元されていることが分かる。これは，このシステムがＭＤＭ信号のすべてのモードのチャネルを直交で逆多重化できることを意味する。また，ＰＤアレイの角度（および位相マスクも同様）をＭＤＭモードに対して０．１π［ｒａｄ］傾斜させたときに得られた配置を計算した。この配置は図１２（ｄ）から（ｆ）に示されている。この状況では，サブセットＰＤにおける光検出の均衡が不完全になる。従って，不均衡な成分は，ＭＩＭＯで完全に補償することはできない。我々は，ＭＩＭＯ処理を変更する，および/またはＰＤアレイ（より大きい行列スケールを有する）の空間分解能を向上させることができると考えている。

結論として，我々は，高速ＰＤアレイに基づく２次元空間コヒーレント整合検出方器を提案し，検討した。３×２０Ｇｂ／ｓＭＤＭＱＰＳＫ信号を検出する４×４行列による配置の数値解析を通して，ＭＤＭ信号は光電気的に分波し，コヒーレントに受信することができることが分かる。従来のＭＤＭデマルチプレクサーとは異なり，空間フィルタリングも光スプリッティングも受信信号には適用されず，理想的には，単一チャネルコヒーレント受信機に匹敵する３ｄＢの損失を低減するのに有益である。

図１３は，フォトディテクターの大きさ（ｐｎ接合面積）に対する３ｄＢ周波数帯域の計算見積もりを示す図面に替るグラフである。図１３からフォトディテクターの大きさを１００μｍ×１００μｍ以下とすることで帯域約１GHz以上が得られることがわかる。

図１４は，クロストーク量および挿入損失の算出例を示す図面に替るグラフである。図１４に示されるように，１ピクセルのピクセルサイズ１００μｍ×１００μｍ，配線幅４μｍ，スペース１４μｍ，ピクセル間隔６４μｍ時，周波数３０ＧＨｚ以下においてRFクロストーク２０dB以下が得られる。同様に１ピクセルのピクセルサイズ２０μｍ×２０μｍ，配線幅４μｍ，スペース１４μｍ，ピクセル間隔４４μｍ時，周波数３０ＧＨｚ以下においてRFクロストーク２０ｄＢ以下が得られる。

本発明は，光情報通信の分野で利用されうる。

３局所光源
５変調領域（変調器）
７変調部
９検出領域（フォトディテクター，フォトダイオード）
１１検出部
１２配線
１７レンズ
１９レンズ
２１合波部（ハーフミラー）
２３ＡＤＣ
２５デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）
２７重み係数付与部

Claims

受信光と合波される局所光を発生する局所光発生源（３）と，
前記局所光発生源（３）から発生した局所光が前記受信光と合波される前に，前記局所光の複数の部分に異なった複数の変調を与えるための複数の変調領域（５）を有する変調部（７）と，
前記変調部（７）で複数の変調を与えられた局所光と，前記受信光とが合波された光を，前記局所光の複数の部分ごとに検出する複数の検出領域（９）を有する検出部（１１）とを有する，
受信装置。
請求項１に記載の受信装置であって，
前記複数の変調領域（９）は，アレイ状に形成され，
前記複数の検出領域（１１）は，アレイ状に形成される，受信装置。
請求項１に記載の受信装置であって，
前記局所光発生源（３）は，前記局所光の波長を掃引できる，受信装置。
請求項１に記載の受信装置であって，
前記局所光発生源（３）は，光コム信号発生器である，受信装置。
請求項１に記載の受信装置であって，
さらに，前記受信光と，前記変調部（７）で複数の変調を与えられた局所光とを合波する合波部（２１）をさらに有する，受信装置。
請求項１に記載の受信装置であって，
前記複数の検出領域（１１）は，複数のフォトダイオードである，受信装置。