JP7041038B2 - 光変調器、光送信機、光復調器及び光受信機 - Google Patents

Description

本発明は、光変復調技術に関する。

非特許文献１及び２は、偏波多重ＱＰＳＫ信号を生成する光変調器を開示している。図１は、非特許文献１及び２が開示する偏波多重ＱＰＳＫ信号を生成する光変調器の構成図である。Ｘ偏波の連続光は、分岐部５で分岐され、それぞれ、図２に示すＱＰＳＫ光変調部６に入力される。上側のＱＰＳＫ光変調部６は、データ列＃１で連続光をＱＰＳＫ変調し、Ｘ偏波のＱＰＳＫ信号を合波部８に出力する。下側のＱＰＳＫ光変調部６は、データ列＃２で連続光をＱＰＳＫ変調し、Ｘ偏波のＱＰＳＫ信号を偏波回転部７に出力する。偏波回転部７は、Ｘ偏波のＱＰＳＫ信号の偏波を回転させ、Ｘ偏波と直交するＹ偏波のＱＰＳＫ信号を合波部８に出力する。合波部８は、Ｘ偏波のＱＰＳＫ信号とＹ偏波のＱＰＳＫ信号を合波し、偏波多重ＱＰＳＫ信号を出力する。

図２は、図１のＱＰＳＫ変調部６の構成図である。分岐部６０は、入力される連続光を２分岐して、それぞれ、分岐部６１Ｉ及び６１Ｑに出力する。分岐部６１Ｉは、入力される連続光を２分岐して、光位相調整部６２Ｉ及び６３Ｉに出力する。光位相調整部６２Ｉ及び６３Ｉには、データ列に応じた電圧（以下、バイアス）が印加される。光位相調整部６２Ｉ及び６３Ｉが出力する光の位相は、それぞれ、印加されるバイアスに応じて調整される。合波部６４Ｉは、光位相調整部６２Ｉ及び６３Ｉが出力する光を合波して出力する。ここで、ＱＰＳＫ変調部６は、光位相調整部６２Ｉ及び６３Ｉから出力される光の位相が、基準位相を中心に対称となる様に制御する。例えば、基準位相は、複素平面における実軸（Ｉ軸）の方向に対応する位相である。したがって、合波部６４Ｉが出力する合波光は、印加されるバイアスに応じて複素平面の実軸上を移動（振幅が変動）する信号になる。

分岐部６１Ｑ、光位相調整部６２Ｑ及び６３Ｑ並びに合波部６４Ｑでの処理も、分岐部６１Ｉ、光位相調整部６２Ｉ及び６３Ｉ並びに合波部６４Ｉでの上述した処理と同様である。したがって、合波部６４Ｑが出力する合波光は、印加されるバイアスに応じて複素平面の実軸上を移動する信号になる。合波部６４Ｑが出力する合波光は、位相調整部６５において、その位相が９０度回転される。したがって、位相調整部６５が出力する合波光は、印加されるバイアスに応じて複素平面の虚軸（Ｑ軸）上を移動する信号になる。合波部６６は、合波部６４Ｉが出力する合波光と、位相調整部６５が出力する合波光を合波する。したがって、光位相調整部６２Ｉ及び６３Ｉと、光位相調整部６２Ｑ及び６３Ｑに印加するバイアスをデータ列に応じて調整することで、合波部６６が出力する合波光は、ＱＰＳＫ信号になる。

Ｐ．Ｄｏｎｇ，ｅｔ ａｌ．，"１１２－Ｇｂ/ｓ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ＰＤＭ－ＱＰＳＫ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ"，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ ２０，Ｂ６２４－Ｂ６２９，２０１２年 Ｅ．Ｙａｍａｄａ ｅｔ ａｌ．，"１１２－Ｇｂ/ｓ ＩｎＰ ＤＰ－ＱＰＳＫ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗｉｔｈ ａ Ｓｉｌｉｃａ－ＰＬＣ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ"，ｉｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ＯＳＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ（Ｏｐｔｉｃａl Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ），ｐａｐｅｒ ＰＤＰ５Ａ．９，２０１２年

しかしながら、非特許文献１及び２の構成は複雑であり、また、複数回の光の分岐や合波による損失が大きくなる。

本発明は、簡易な構成で偏波多重変調信号を生成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、光変調器は、入力される第１偏波の光信号を位相変調する第１変調手段と、入力される光信号の前記第１偏波の成分及び前記第１偏波とは直交する第２偏波の成分の両方を位相変調する第２変調手段と、前記第１変調手段が出力する変調光を前記第２変調手段に入力する入力手段と、を備え、前記第２変調手段に入力される前記変調光は、前記第１偏波の成分及び前記第２偏波の成分を含み、前記第２変調手段は、各シンボル期間において、前記第１偏波の成分と前記第２偏波の成分に異なる位相の変化量を与えることを特徴とする。

本発明によると、簡易な構成で偏波多重変調信号を生成することができる。

非特許文献に記載の光変調器の構成図。 図１のＱＰＳＫ変調部の構成図。 一実施形態による光変調器の構成図。 一実施形態による光位相調整部に入力される光信号の説明図。 ＱＰＳＫ信号の信号点を示す図。 一実施形態による光復調器の構成図。

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。

＜第一実施形態＞
図３は、本実施形態による光変調器の構成図である。なお、本実施形態では、直交する２つの偏波それぞれの変調方式をＱＰＳＫとする。つまり、直交する２つの偏波それぞれにおいて１シンボルで２ビットのデータを搬送するものとする。しかしながら、本発明は、ＰＳＫ、８ＰＳＫ等、他の多値度の変調方式に対しても同様に適用できる。

光位相調整部１０及び光位相調整部１２は、電気光学効果などを利用した光位相変調器であり、例えば、図２の光位相調整部６２Ｉ等と同じ構成を使用することができる。つまり、光位相調整部１０及び光位相調整部１２は、入力されるバイアスの大きさに応じた位相変化量だけ、入力される光信号の位相を変化させる。ここで、通常、光位相調整部１０及び光位相調整部１２といった光位相変調器は、入力される光信号の偏波の方向に応じて位相の変換係数が異なる。なお、変換係数とは、位相変化量を決定するパラメータであり、例えば、入力される光信号の偏波面に対応する変換係数がＫであると、位相変調器にバイアスＶを印加した場合、位相変化量はＫ×Ｖになる。本実施形態においては、図４（Ａ）に示す様に、光位相調整部１０のＸ偏波に対する変換係数をＫ_１とする。また、図４（Ｂ）に示す様に、光位相調整部１２のＸ偏波に対する変換係数をＫ_２Ｘとし、Ｙ偏波に対する変換係数をＫ_２Ｙとする。なお、光位相調整部１２は、Ｋ_２ＸとＫ_２Ｙとが異なる様に、より詳しくは、Ｋ_２ＸとＫ_２Ｙの差が大きくなる様に設計される。

本実施形態においては、図４（Ａ）に示す様に、光位相調整部１０にはＸ偏波（直線偏波）の光信号（連続光）が入力される。なお、Ｘ偏波の方向は、絶対的なものではなく相対的である。つまり、光位相調整部１０の設置状態に応じて変換係数がＫ_１となる偏波方向が定まりこれがＸ偏波の方向となる。また、光位相調整部１２には、図４（Ｂ）に示す様に、Ｘ偏波及びＹ偏波それぞれに対して４５度の角度の偏波面を有する光信号が入力される。なお、Ｘ偏波及びＹ偏波の方向は、絶対的なものではなく相対的である。つまり、光位相調整部１２の設置状態に応じて変換係数がＫ_２Ｘとなる偏波方向が定まりこれがＸ偏波の方向となる。なお、変換係数がＫ_２Ｙとなる偏波方向は、変換係数がＫ_２Ｘとなる偏波方向に対して９０度だけ回転した方向である。本実施形態において、変換部１３には、変換係数Ｋ_１及びＫ_２Ｙの値が予め格納されており、変換部１４には、変換係数Ｋ_２Ｘ及びＫ_２Ｙの値が予め格納される。

以下、あるシンボル期間における処理について説明する。光変調器は、各シンボル期間において後述する処理を繰り返す。なお、変換部１３には、送信すべきデータ列＃１が入力され、変換部１４には、送信すべきデータ列＃２が入力される。また、変換部１３には、変換部１４からバイアスＶ_２の値が通知される。変換部１３は、当該シンボル期間のシンボルで搬送するデータ列＃１の連続する２ビットの値に応じたバイアスＶ_１を求める。なお、変換部１３は、入力される光信号の位相をバイアスＶ_１による位相変化量Ｋ_１×Ｖ_１だけ変化させることで、変化後の位相が、図５に示すＱＰＳＫで使用する４つの座標の内の送信データの値に対応する位相となる様に、バイアスＶ_１を求める。変換部１３は、バイアスＶ_１と、変換部１４から通知されるバイアスＶ_２と、変換係数Ｋ_１及びＫ_２Ｙに基づき、以下の式（１）に基づきバイアスＶ_１´を求める。
Ｖ_１´＝Ｖ_１－Ｋ_２Ｙ×Ｖ_２／Ｋ_１ （１）
そして、変換部１３は、当該シンボル期間の間、バイアスＶ１´を光位相調整部１０に出力する。したがって、光位相調整部１０は、各シンボル期間において、入力されるＸ偏波の連続光の位相を、当該シンボル期間において入力されるバイアスＶ_１´に変換係数Ｋ_１を乗じた量だけ変化させた変調光３１を出力する。変調光３１は、以下のジョーンズベクトルで表される。

偏波回転部１１は、図４（Ｂ）に示す様に、光位相調整部１２に入力される光信号の偏波面が、光位調整部１２のＸ偏波方向及びＹ偏波方向それぞれに対して４５度だけ傾く様に、変調光３１の偏波面を回転させた変調光３２を出力する。なお、光位相調整部１２の設置状態を調整することで、偏波回転部１１を省略する構成とすることも可能である。光位相調整部１２に入力される変調光３２は、以下のジョーンズベクトルで表される。

なお、Ｘ偏波成分及びＹ偏波成分の振幅は、変調光３１の（１／√２）になるが、説明を簡略化するため、以下の総ての説明において、振幅の倍率については省略する。

変換部１４には、データ列＃２が入力される。変換部１４は、当該シンボル期間のシンボルで搬送するデータ列＃２の連続する２ビットの値に応じたバイアスＶ_２を求める。なお、変換部１４は、位相変化量（Ｋ_２Ｘ－Ｋ_２Ｙ）×Ｖ_２が、搬送するデータ列＃２の連続する２ビットの値に応じて０度、４５度、９０度、１３５度のいずれかとなる様にＶ_２を求める。変換部１４は、当該シンボル期間の間、バイアスＶ_２を光位相調整部１２に出力し、バイアスＶ_２の値を変換部１３に通知する。光位相調整部１２に入力される変調光３２は、Ｘ偏波成分とＹ偏波成分を有するため、光位相調整部１２は、Ｘ偏波成分については、Ｖ_２×Ｋ_２Ｘだけ位相を変化させ、Ｙ偏波成分については、Ｖ_２×Ｋ_２Ｙだけ位相を変化させた変調光３３を出力する。変調光３３は、以下のジョーンズベクトルで表される。

本実施形態による光送信機は、図３に示す光変調器を有し、変調光３３を光伝送路に出力する。

図６は、本実施形態による光受信機が有する光復調器の構成図である。受信部２０には、光送信機が送信した変調光３３が入力される。受信部２０は、通常のコヒーレント光受信機と同様に、変調光３３のＸ偏波成分とＹ偏波成分それぞれを検出し、変調光３３のＸ偏波成分とＹ偏波成分を示す電気信号３４及び３５を出力する。電気信号３４が示す複素平面上の座標をＲｘとし、電気信号３５が示す複素平面上の座標をＲｙとすると、

である。

ここで、式（１）を上記式（２）に代入すると、

となる。

ここで、電気信号３５の位相Ｋ_１×Ｖ_１は、上述した様に、データ列＃１の２ビットに対応する位相であり、判定部２１は、電気信号３５の位相からデータ列＃１の値を判定（復調）することができる。また、電気信号３４と電気信号３５の位相差である（Ｋ_２Ｘ－Ｋ_２Ｙ）×Ｖ_２は、上述した様に、データ列＃２の２ビットに対応するため、判定部２１は、電気信号３４と電気信号３５の位相差からデータ列＃２の値を判定（復調）することができる。

なお、本実施形態において、変換部１４は、バイアスＶ_２の値を変換部１３に通知していた。ここで、式（１）の両辺に、変換係数Ｋ１を乗ずると、以下の式（４）になる。
Ｋ_１×Ｖ_１´＝Ｋ_１×Ｖ_１－Ｋ_２Ｙ×Ｖ_２ （４）
式（４）のＫ_２Ｙ×Ｖ_２は、光位相調整部１２がＹ偏波の光信号に与える位相変化量に対応する。したがって、変換部１４がバイアスＶ_２の値を変換部１３に通知する構成に代えて、変換部１４がＹ偏波の光信号に与える位相変化量を変換部１３に通知する構成とすることができる。この場合、変換部１３は、変換係数Ｋ_２Ｙを保持する必要はなくなる。また、変換係数Ｋ_２Ｙに加えて変換係数Ｋ_２ｘも変換部１３に格納しておき、さらに、データ列＃２を変換部１３にも入力することで、変換部１３が、バイアスＶ_２を求める構成とすることもできる。この場合、変換部１４は、変換部１３にバイアスＶ_２を通知する必要はなくなる。また、本実施形態では、光位相調整部１２には、Ｘ偏波及びＹ偏波それぞれに対して４５度の角度の偏波面を有する光信号を入力するものとした。しかしながら、Ｘ偏波の成分と、Ｙ偏波の成分を有する光信号であれば良い。例えば、偏波回転部１１に代えて１／４波長板を使用することができる。この場合、１／４波長板は、Ｘ偏波の成分と、Ｙ偏波の成分を、それぞれ有する円偏波の変調光を光位相調整部１２に出力する。

１０、１２：光位相調整部、１３、１４：変換部、１１：偏波回転部

Claims (14)

1. 入力される第１偏波の光信号を位相変調する第１変調手段と、
   入力される光信号の前記第１偏波の成分及び前記第１偏波とは直交する第２偏波の成分の両方を位相変調する第２変調手段と、
   前記第１変調手段が出力する変調光を前記第２変調手段に入力する入力手段と、
   を備え、
   前記第２変調手段に入力される前記変調光は、前記第１偏波の成分及び前記第２偏波の成分を含み、
   前記第２変調手段は、各シンボル期間において、前記第１偏波の成分と前記第２偏波の成分に異なる位相の変化量を与えることを特徴とする光変調器。
2. 前記第２変調手段に入力される前記変調光の偏波面は、前記第１偏波の偏波面及び前記第２偏波の偏波面それぞれに対して４５度の角度を有することを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記入力手段は、前記第１変調手段が出力する前記変調光の偏波面を回転させることを特徴とする請求項２に記載の光変調器。
4. 前記入力手段は、前記第１変調手段が出力する直線偏波の前記変調光を円偏波に変換することを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
5. 前記第１変調手段は、第１データに基づき入力される前記第１偏波の連続光を位相変調し、
   前記第２変調手段は、第２データに基づき前記第１偏波の成分及び前記第２偏波の成分を位相変調することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光変調器。
6. 前記第１変調手段は、
   前記第１データに基づき第１バイアスを決定し、前記第１バイアスを出力する第１出力手段と、
   前記第１バイアスに応じて前記連続光を位相変調する第１位相調整手段と、
   を有し、
   前記第２変調手段は、
   前記第２データに基づき第２バイアスを決定し、前記第２バイアスを出力する第２出力手段と、
   前記第２バイアスに応じて前記第１偏波の成分及び前記第２偏波の成分を位相変調する第２位相調整手段と、
   を有することを特徴とする請求項５に記載の光変調器。
7. 前記第１位相調整手段は、前記第１バイアスに第１変換係数を乗じた第１位相変化量を前記連続光に与え、
   前記第２位相調整手段は、前記第２バイアスに第２変換係数を乗じた第２位相変化量を前記第１偏波の成分に与え、かつ、前記第２バイアスに第３変換係数を乗じた第３位相変化量を前記第２偏波の成分に与え、
   前記第２変換係数と前記第３変換係数は異なる値であることを特徴とする請求項６に記載の光変調器。
8. 前記第２出力手段は、前記第２データに応じた第４位相変化量を、前記第２変換係数と前記第３変換係数との差で除することで前記第２バイアスを決定することを特徴とする請求項７に記載の光変調器。
9. 前記第１出力手段は、前記第１データに対応する位相の前記変調光を出力するために前記連続光に与える第５位相変化量と、前記第１変換係数及び前記第３位相変化量に基づき前記第１バイアスを決定することを特徴とする請求項７又は８に記載の光変調器。
10. 前記第１バイアスは、前記第５位相変化量と前記第３位相変化量との差を前記第１変換係数で除した値であることを特徴とする請求項９に記載の光変調器。
11. 前記第２出力手段は、前記第２バイアス又は前記第３位相変化量を前記第１出力手段に通知することを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載の光変調器。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の光変調器を有することを特徴とする光送信機。
13. 第１偏波の第１成分及び前記第１偏波とは直交する第２偏波の第２成分を含む光信号を復調する光復調器であって、
    前記第１成分の位相は第１データに対応し、
    前記第１成分と前記第２成分の位相差は第２データに対応し、
    前記第１成分及び前記第２成分それぞれをコヒーレント検出して第１電気信号及び第２電気信号を出力する出力手段と、
    前記第１電気信号の位相に基づき前記第１データを判定し、前記第１電気信号と前記第２電気信号の位相差に基づき前記第２データを判定する判定手段と、
    を備えていることを特徴とする光復調器。
14. 請求項１３に記載の光復調器を有することを特徴とする光受信機。

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