JP6983891B2 - 光受信機及びコヒーレント光受信方法 - Google Patents

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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。通常、コヒーレント光通信システムの光受信機は、2つの90°光ハイブリッド回路と、4つのバランスドレシーバと、4つのバランスドレシーバが出力する電気信号のアナログ・デジタル変換を行う4つのアナログ・デジタル変換器(ADC)と、を使用して復調を行う。なお、バランスドレシーバは、2つのフォトダイオード(PD)が出力する電気信号の差分を出力するものである。つまり、従来の光受信機は、2つの90°光ハイブリッド回路と、8つのPDと、4つのADCとを必要とする。
非特許文献1は、上記、従来の光受信機より部品数を削減できる光受信機を開示している。非特許文献1によると、2つの90°光ハイブリッド回路に代えて、2つの3×3カップラを使用し、これにより、PDの数及びADCの数をそれぞれ6つ及び4つに削減している。具体的には、非特許文献1の光受信機は、1つの3×3カップラが出力する3つの光信号を、まず、3つのPDで電気信号に変換する。そして、非特許文献1の光受信機は、この3つのPDが出力する3つの電気信号の重み付き加減算をアナログ的に行って、2つの電気信号を出力し、この2つの電気信号を2つのADCでデジタル信号に変換している。
非特許文献1の光受信機は、アナログ領域での3つの電気信号の複雑な重み付き加減算を必要とする。このため、非特許文献1は、アナログ領域での複雑な加減算を必要としない別の構成も開示している。当該別の構成によると、光受信機は、1つの3×3カップラが出力する3つの光信号を、まず、3つのPDで電気信号に変換する。そして、この3つのPDが出力する3つの電気信号を3つのADCでデジタル信号に変換し、その後、デジタル領域で複雑な加減算を行っている。つまり、当該別の構成では、2つの3×3カップラと、6つのPDと、6つのADCを使用する。
本発明は、従来の構成より簡易な構成でコヒーレント光受信を実現する技術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、第1偏波の局所光と、前記第1偏波とは直交する第2偏波の信号光を合波して第1合波光を出力する第1合波手段と、前記第1合波光を第1電気信号に変換する第1変換手段と、前記第1偏波及び前記第2偏波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第1合波光の成分を第2電気信号に変換する第2変換手段と、前記第1偏波又は前記第2偏波の光を1/4波長だけ遅延させる第1遅延手段と、前記第1偏波及び前記第2偏波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1遅延手段及び前記第2偏光手段を通過した前記第1合波光の成分を第3電気信号に変換する第3変換手段と、前記第1電気信号を分岐して、第4電気信号及び第5電気信号を出力する分岐手段と、前記第2電気信号から前記第4電気信号を減ずる第1減算手段と、前記第3電気信号から前記第5電気信号を減ずる第2減算手段と、を備え、前記第1合波手段は、前記第1合波光を、前記第1変換手段、前記第1偏光手段及び前記第1遅延手段それぞれに出力することを特徴とする。
本発明によると、従来の構成より簡易な構成でコヒーレント光受信を実現することができる。
本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。
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の光受信機の他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。光送信機からの信号光は、偏光ビームスプリッタ11に入力される。偏光ビームスプリッタ11は、信号光の偏波分離を行い、信号光のY偏波成分Syを偏光ビームスプリッタ13に出力し、信号光のX偏波成分Sxを偏光ビームスプリッタ14に出力する。以下、信号光のX偏波成分Sx及びY偏波成分Syを、それぞれ、信号光Sx及び信号光Syと呼ぶものとする。一方、図示しない光源が生成する局所光は、偏光ビームスプリッタ12に入力される。偏光ビームスプリッタ12は、局所光の偏波分離を行い、局所光のY偏波成分Lyを偏光ビームスプリッタ14に出力し、局所光のX偏波成分Lxを偏光ビームスプリッタ13に出力する。以下、局所光のX偏波成分Lx及びY偏波成分Lyを、それぞれ、局所光Lx及び局所光Lyと呼ぶものとする。なお、X偏波の偏波面とY偏波の偏波面は互いに直交する。光ビームスプリッタ13は、信号光Sy及び局所光Lxを含む光信号(合波光)を1×3カップラ21に出力し、光ビームスプリッタ14は、信号光Sx及び局所光Lyを含む光信号(合波光)を1×3カップラ22に出力する。1×3カップラ21及び22は、それぞれ、入力される光信号を等振幅(等パワー)で3分岐して出力する。
1×3カップラ21及び22が出力する3つの光信号に対するその後の処理は同様であるため、以下では、1×3カップラ21が出力する3つの光信号に対する処理について説明する。1×3カップラ21が出力する3つの光信号のうちの1つは、PD52に入力される。PD52は、入力される光信号のパワーに対応する電気信号を分岐部61に出力する。1×3カップラ21が出力する3つの光信号のうちの1つは、45度偏光子41に入力される。45度偏光子41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成分(以下、45度成分と呼ぶ。)のみを通過させる。45度偏光子41を通過後の光信号は、PD51に入力される。したがって、PD51は、信号光Syの45度成分及び局所光Lxの45度成分のビート信号を電気信号として出力する。
1×3カップラ21が出力する3つの光信号のうちの1つは、1/4波長板31を通過後、45度偏光子42に入力される。本実施形態において、1/4波長板31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42に出力する。なお、1/4波長板31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42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成分(45度成分)のみを通過させる。45度偏光子42を通過後の光信号は、PD53に入力される。したがって、PD53は、信号光Syの45度成分及び局所光Lxの45度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31により、PD53に入力される信号光Syの45度成分は、1/4波長だけ遅延されている。
PD51が出力する電気信号は減算器71のプラス端子に入力され、PD53が出力する電気信号は減算器72のプラス端子に入力される。PD52が出力する電気信号は、分岐部61で分岐され、それぞれ、減算器71及び減算器72のマイナス端子に入力される。なお、分岐部61が出力する2つの電気信号の振幅は、PD52が出力する電気信号の振幅の半分とする。減算器71及び減算器72は、それぞれ、プラス端子に入力される電気信号からマイナス端子に入力される電気信号を減じた電気信号を出力する。減算器71及び減算器72それぞれが出力する電気信号は、図示しないADCによりデジタル信号に変換されて、DSP等の処理回路に入力される。
続いて、図1の構成で復調できる理由について説明する。そのため、まず、1×3光カップラ21が出力する信号光Sy及び局所光Lxを含む合波光についてのストークスパラメータについて説明する。局所光Lxを複素数Exで表し、信号光Syを複素数Eyで表すと、合波光のストークスパラメータS、S、S及びSは、それぞれ、以下の式で表される。
=|Ex|+|Ey| (1)
=|Ex|−|Ey| (2)
=2Re[Ex*Ey] (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+jSは、信号光Syをコヒーレント検出して得た信号に対応し、S+jSにより信号光Syを復調できる。
なお、ストークスパラメータS、S、S及びSには、以下の関係がある。
=S +S +S (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等振幅(等パワー)で4分岐し、それぞれ、図2に示す回路81〜84に入力する。図2の回路81において、PDは、分岐光の全体の受光量に対応する電流Iを出力する。図2の回路82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を出力する。図2の回路83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を出力する。図2の回路84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、I、I、Iから以下の式で求められる。
=I (6)
=2×I−I (7)
=2×I−I (8)
=2×I−I (9)
ここで、図1のPD52は、図2の回路81に対応し、図1の45度偏光子41及びPD51は、図2の回路83に対応し、図1の1/4波長板31、45度偏光子42及びPD53は、図2の回路84に対応する。つまり、図1のPD52は、合波光についての上記電流Iを出力し、PD51は、合波光についての上記電流Iを出力し、PD53は、合波光についての上記電流Iを出力する。
したがって、PD52が出力する電流Iと、PD51が出力する電流Iと、PD53が出力する電流をIと、に基づき上記式(8)及び(9)よりS及びSを求めることができる。ここで、減算器71は、PD51が出力する電気信号(電流I)から、PD52が出力する電気信号(電流I)の半分の振幅を減ずるものであるため、減算器71が出力する電気信号はSを示すものとなる。一方、減算器72は、PD53が出力する電気信号(電流I)から、PD52が出力する電気信号(電流I)の半分の振幅を減ずるものであるため、減算器72が出力する電気信号はSを示すものとなる。したがって、1×3カップラ21が出力する光信号に基づき減算器71及び減算器72が出力する電気信号を、それぞれ、デジタル信号に変換し、図示しない処理部に入力する。この電気信号は、上述した様に、信号光のY偏波成分をコヒーレント検出して得た信号に対応する。同様に、1×3カップラ22が出力する光信号に基づき2つの減算器が出力する電気信号を、それぞれ、デジタル信号に変換し、図示しない処理部に入力する。1×3カップラ22には、元の信号光のX偏波成分が入力されるため、この電気信号は、信号光のX偏波成分をコヒーレント検出して得た信号に対応する。したがって、処理部は、この4つの電気信号に基づき信号光を復調することができる。
図1の構成から明らかな様に、本実施形態の光受信機に必要なPDの数は6つであり、ADCの数は4つであり、非特許文献1に記載の構成と同様である。しかしながら、本実施形態の光受信機においては、アナログ領域にて、各減算器71及び72での、2つの電気信号の単なる減算処理を行うのみであり、アナログ領域での複雑な加減算を必要としない。
なお、非特許文献1の別の構成と同様に、アナログ領域での加減算をデジタル領域で行う様に変更することも可能である。その場合、PD51〜PD53が出力する3つの電気信号を、それぞれ、3つのADCでデジタル信号に変換して処理部に入力する。ここで、PD52の出力に基づくデジタル信号が示す値を第1デジタル値とし、PD51の出力に基づくデジタル信号が示す値を第2デジタル値とし、PD53の出力に基づくデジタル信号が示す値を第3デジタル値とする。処理部は、第1デジタル値に所定係数を乗じて第4デジタル値を求める。なお、所定係数は0.5である。そして、処理部は、第2デジタル値から、第4デジタル値を減じることでSを求め、第3デジタル値から、第4デジタル値を減じることでSを求める。この場合、非特許文献1の別の構成と同様に、PD及びADCをそれぞれ6つ使用するが、処理部でのデジタル演算の処理負荷は、非特許文献1の別の構成より軽くなる。
なお、図1の偏光ビームスプリッタ13及び14と、1×3光カップラ21及び22を、図3に示す様に、3×3光カップラ23及び24に置換することもできる。3×3光カップラ23は、入力される信号光Sy及び局所光Lxを合波し、さらに、合波光を3つに分岐して出力する。同様に、3×3光カップラ24は、入力される信号光Sx及び局所光Lyを合波し、さらに、合波光を3つに分岐して出力する。
さらに、図1の構成においては、偏光ビームスプリッタ11が信号光の偏波分離を行い、偏光ビームスプリッタ12が局所光の偏波分離を行い、偏光ビームスプリッタ13及び14は、それぞれ、互いに直交する偏波の信号光及び局所光を合波していた。しかしながら、図4に示す様に、偏光ビームスプリッタ11〜14を、偏光ビームスプリッタ15に置換することもできる。図4に示す偏光ビームスプリッタ15は、入力される光のX偏波成分を90度だけ偏向し、Y偏波成分については直進させる。したがって、局所光と信号光の入射方向を90度だけ異ならせることで、偏光ビームスプリッタ15は、信号光Sxと局所光Lyを合波した光と、信号光Syと局所光Lxを合波した光と、をそれぞれ出力する。さらに、図4の偏光ビームスプリッタ15として、MZI(マッハツエンダー干渉計)型の偏光ビームスプリッタを使用することも可能であり、この場合、局所光と信号光の入射方向が互いに直交する様に調整する必要はない。
なお、上記実施形態において、1×3カップラ21及び22は、それぞれ、入力される光信号を等振幅(等パワー)で3分岐して出力し、分岐部61は、PD52が出力する電気信号の半分の振幅の電気信号を出力するものとした。この場合、減算器71は、入力される2つの信号の減算を行うことでSを示す電気信号を出力し、減算器72は、入力される2つの信号の減算を行うことでSを示す電気信号を出力することができる。しかしながら、分岐部61が出力する電気信号の電力は、入力される電気信号の電力の1/4になる。以下では、信号対雑音比(SN比)の劣化を抑えるため、分岐部61として、PD52が出力する電気信号の半分の電力の電気信号を出力する分岐部を使用する場合について説明する。
まず、この場合、分岐部61は、PD52が出力する電気信号の1/(√2)の振幅の電気信号を出力することになる。上述した様に、減算器71及び減算器72が、入力される2つの信号の減算を行うことでS及びSを示す電気信号を出力するためには、減算器71及び減算器72のプラス端子に入力される電気信号の振幅は、分岐部61が出力する信号の2倍でなければならない。つまり、減算器71及び減算器72のプラス端子に入力される電気信号の振幅は、PD52が出力する電気信号の√2倍でなければならない。ここで、フォトダイオードは、入力される光のパワーに比例した振幅の電気信号を出力する。したがって、この場合、1×3カップラ21及び22は、それぞれ、入力される光信号を、そのパワーが√2:1:√2となる様に分岐すれば良い。つまり、1×3カップラ21は、PD52に出力する光信号の√2倍の電力の光信号を、それぞれ、45度偏光子51及び1/4波長板31に出力する様にすれば良い。1×3カップラ22についても同様である。また、PD51〜PD53が出力する3つの電気信号を、それぞれ、3つのADCでデジタル信号に変換して処理する場合、上述した所定係数を1/√2とすれば良い。
本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。
本願は、2017年7月25日提出の日本国特許出願特願2017−143411を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。

Claims (10)

  1. 第1偏波の局所光と、前記第1偏波とは直交する第2偏波の信号光を合波して第1合波光を出力する第1合波手段と、
    前記第1合波光を第1電気信号に変換する第1変換手段と、
    前記第1偏波及び前記第2偏波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第1合波光の成分を第2電気信号に変換する第2変換手段と、
    前記第1偏波又は前記第2偏波の光を1/4波長だけ遅延させる第1遅延手段と、
    前記第1偏波及び前記第2偏波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1遅延手段及び前記第2偏光手段を通過した前記第1合波光の成分を第3電気信号に変換する第3変換手段と、
    前記第1電気信号を分岐して、第4電気信号及び第5電気信号を出力する分岐手段と、
    前記第2電気信号から前記第4電気信号を減ずる第1減算手段と、
    前記第3電気信号から前記第5電気信号を減ずる第2減算手段と、
    を備え、
    前記第1合波手段は、前記第1合波光を、前記第1変換手段、前記第1偏光手段及び前記第1遅延手段それぞれに出力する、光受信機。
  2. 前記第1合波手段は、同じ電力の前記第1合波光を、前記第1変換手段、前記第1偏光手段及び前記第1遅延手段それぞれに出力し、
    前記分岐手段は、前記第1電気信号を分岐して、前記第1電気信号の半分の振幅の前記第4電気信号及び前記第5電気信号を出力する、請求項1に記載の光受信機。
  3. 前記第1偏光手段及び前記第1遅延手段それぞれに出力される前記第1合波光の電力は、前記第1変換手段に出力される前記第1合波光の√2倍の電力であり、
    前記分岐手段は、前記第1電気信号を分岐して、前記第1電気信号の半分の電力の前記第4電気信号及び前記第5電気信号を出力する、請求項1に記載の光受信機。
  4. 前記第2偏波の局所光と、前記第1偏波の信号光を合波して第2合波光を出力する第2合波手段と、
    前記第2合波光を第6電気信号に変換する第4変換手段と、
    前記第1偏波及び前記第2偏波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3偏光手段と、
    前記第3偏光手段を通過した前記第2合波光の成分を第7電気信号に変換する第5変換手段と、
    前記第1偏波又は前記第2偏波の光を1/4波長だけ遅延させる第2遅延手段と、
    前記第1偏波及び前記第2偏波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4偏光手段と、
    前記第2遅延手段及び前記第4偏光手段を通過した前記第2合波光の成分を第8電気信号に変換する第6変換手段と、
    前記第6電気信号を分岐して、第9電気信号及び第10電気信号を出力する分岐手段と、
    前記第7電気信号から前記第9電気信号を減ずる第3減算手段と、
    前記第8電気信号から前記第10電気信号を減ずる第4減算手段と、
    をさらに備え
    前記第2合波手段は、前記第2合波光を、前記第4変換手段、前記第3偏光手段及び前記第2遅延手段それぞれに出力する、請求項1から3のいずれか1項に記載の光受信機。
  5. 光源が射出する光を偏波分離して前記第1偏波の局所光及び前記第2偏波の局所光を出力する第1分離手段と、
    光伝送路から受信する光を偏波分離して前記第1偏波の信号光及び前記第2偏波の信号光を出力する第2分離手段と、
    をさらに備えている、請求項4に記載の光受信機。
  6. 第1偏波の局所光と、前記第1偏波とは直交する第2偏波の信号光を合波して第1合波光を出力する第1合波手段と、
    前記第1合波光を第1電気信号に変換する第1変換手段と、
    前記第1偏波及び前記第2偏波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第1合波光の成分を第2電気信号に変換する第2変換手段と、
    前記第1偏波又は前記第2偏波の光を1/4波長だけ遅延させる第1遅延手段と、
    前記第1偏波及び前記第2偏波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1遅延手段及び前記第2偏光手段を通過した前記第1合波光の成分を第3電気信号に変換する第3変換手段と、
    前記第1電気信号をデジタル変換して第1デジタル値を出力する第1出力手段と、
    前記第2電気信号をデジタル変換して第2デジタル値を出力する第2出力手段と、
    前記第3電気信号をデジタル変換して第3デジタル値を出力する第3出力手段と、
    前記第1デジタル値に所定係数を乗じて第4デジタル値を求め、前記第2デジタル値から前記第4デジタル値を減ずる処理と、前記第3デジタル値から前記第4デジタル値を減ずる処理を行う処理手段と、
    を備え、
    前記第1合波手段は、前記第1合波光を、前記第1変換手段、前記第1偏光手段及び前記第1遅延手段それぞれに出力する、光受信機。
  7. 前記所定係数は0.5である、請求項6に記載の光受信機。
  8. 前記所定係数は1/√2である、請求項6に記載の光受信機。
  9. 第1偏波の局所光と、前記第1偏波とは直交する第2偏波の信号光を合波して合波光を出力することと、
    前記合波光を分岐して第1合波光と、第2合波光と、第3合波光と、を出力することと、
    前記第1合波光を第1電気信号に変換することと、
    前記第2合波光から前記第1偏波及び前記第2偏波の偏波面それぞれと45度の角度の偏波面の成分を取り出して第2電気信号に変換することと、
    前記第3合波光に含まれる前記第1偏波の局所光又は前記第2偏波の信号光を1/4波長だけ遅延させた後、前記第1偏波及び前記第2偏波の偏波面それぞれと45度の角度の偏波面の成分を取り出して第3電気信号に変換することと、
    前記第1電気信号を分岐して、第4電気信号及び第5電気信号を生成することと、
    前記第2電気信号から前記第4電気信号を減ずることと、
    前記第3電気信号から前記第5電気信号を減ずることを、
    含む、コヒーレント光受信方法。
  10. 第1偏波の局所光と、前記第1偏波とは直交する第2偏波の信号光を合波して合波光を出力することと、
    前記合波光を分岐して第1合波光と、第2合波光と、第3合波光と、を出力することと、
    前記第1合波光を第1電気信号に変換することと、
    前記第2合波光から前記第1偏波及び前記第2偏波の偏波面それぞれと45度の角度の偏波面の成分を取り出して第2電気信号に変換することと、
    前記第3合波光に含まれる前記第1偏波の局所光又は前記第2偏波の信号光を1/4波長だけ遅延させた後、前記第1偏波及び前記第2偏波の偏波面それぞれと45度の角度の偏波面の成分を取り出して第3電気信号に変換することと、
    前記第1電気信号をデジタル変換して第1デジタル値を出力することと、
    前記第2電気信号をデジタル変換して第2デジタル値を出力することと、
    前記第3電気信号をデジタル変換して第3デジタル値を出力することと、
    前記第1デジタル値に所定係数を乗じて第4デジタル値を求め、前記第2デジタル値から前記第4デジタル値を減ずる処理と、前記第3デジタル値から前記第4デジタル値を減ずる処理を行うことと、
    を含む、コヒーレント光受信方法。
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