JP7318886B2

JP7318886B2 - 光受信装置

Info

Publication number: JP7318886B2
Application number: JP2019184057A
Authority: JP
Inventors: 昇太石村; 拓夫種村; 太一郎福井; 亮汰田之村
Original assignee: KDDI Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: KDDI Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2019-10-04
Filing date: 2019-10-04
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2039-10-04
Also published as: JP2021061508A

Description

本発明は、コヒーレント光検波を行う光受信装置に関する。

通信容量の増大に対応するためにコヒーレント光検波技術及び偏波多重技術が利用されている。通常、偏波多重された光信号（以下、偏波多重光）のコヒーレント光検波には、４つのバランス型光検出器、つまり、８つのフォトダイオード（以下、ＰＤ）が使用される。非特許文献１は、偏波多重光のコヒーレント光検波に使用するＰＤを４つに削減するための構成を開示している。

ＳｅｂＪ．Ｓａｖｏｒｙ，"Ｄｉｇｉｔａｌｆｉｌｔｅｒｓｆｏｒｃｏｈｅｒｅｎｔｏｐｔｉｃａｌｒｅｃｅｉｖｅｒｓ", Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ１６，８０４－８１７,２００８年

バランス型光検出器は、２つのＰＤにより信号光間のビートによる雑音を相殺して出力するが、非特許文献１の構成では、バランス型光検出器に代えて１つのＰＤを使用するため、信号光間のビートによる雑音が出力される。非特許文献１では、局所光の振幅（強度）を信号光の振幅よりも強くすることで、ビートによる雑音が相対的に無視できる様になるとしているが、局所光の振幅にも上限があり、かつ、信号光についても前置増幅によりその振幅を強くする場合があるため、信号光間のビートによる雑音が無視できなくなる場合が生じ得る。

本発明は、信号光間のビートによる雑音を抑えることができる光受信装置を提供するものである。

本発明の一態様によると、光受信装置は、信号光と第１偏波の第１局所光とを干渉させた第１干渉光を出力する第１干渉手段と、前記信号光と前記第１局所光の位相をπ／２だけシフトさせた光とを干渉させた第２干渉光を出力する第２干渉手段と、前記信号光と前記第１偏波とは直交する第２偏波の第２局所光とを干渉させた第３干渉光を出力する第３干渉手段と、前記信号光と前記第２局所光の位相をπ／２だけシフトさせた光とを干渉させた第４干渉光を出力する第４干渉手段と、前記第１干渉光を光電変換して第１電気信号を出力する第１光電変換手段と、前記第２干渉光を光電変換して第２電気信号を出力する第２光電変換手段と、前記第３干渉光を光電変換して第３電気信号を出力する第３光電変換手段と、前記第４干渉光を光電変換して第４電気信号を出力する第４光電変換手段と、前記信号光を光電変換して第５電気信号を出力する第５光電変換手段と、前記信号光の復調のために、前記第１電気信号、前記第２電気信号、前記第３電気信号及び前記第４電気信号それぞれから前記第５電気信号を減ずる処理を行う処理手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明によると、信号光間のビートによる雑音を抑えることができる。

一実施形態による光受信装置の構成図。一実施形態による光受信装置の構成図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明に必須のものとは限らない。実施形態で説明されている複数の特徴うち二つ以上の特徴が任意に組み合わされてもよい。また、同一若しくは同様の構成には同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

＜第一実施形態＞
図１は、本実施形態による光受信装置の構成図である。光受信装置は、光伝送路を介して図示しない光送信装置から偏波多重光である信号光Ｓを受信する。信号光Ｓは、光送信装置において、第１偏波の信号光と、第１偏波とは直交する第２偏波の信号光とを偏波多重した光信号である。分岐部１２は、受信する信号光Ｓを等振幅に３分岐し、各信号光Ｓを、９０度ハイブリッド１３、ＰＤ１７及び９０度ハイブリッド１４それぞれに出力する。

光源１０は、連続光である局所光Ｌを生成して偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１に出力する。ＰＢＳ１１は、局所光Ｌの偏波分離を行い、Ｘ偏波の局所光Ｌｘを９０度ハイブリッド１３に出力し、Ｘ偏波と直交するＹ偏波の局所光Ｌｙを９０度ハイブリッド１４に出力する。局所光Ｌｘ及び局所光Ｌｙの振幅差を小さくするため、例えば、光源１０が生成する連続光の偏波面は、Ｘ偏波及びＹ偏波それぞれに対して４５度となる様に調整され得る。なお、Ｘ偏波及びＹ偏波と、送信側における第１偏波及び第２偏波の方向は独立している。

９０度ハイブリッド１３は、局所光Ｌｘと信号光Ｓとの干渉光Ａ１をＰＤ１５に出力し、局所光Ｌｘの位相をπ／２だけシフトさせた光と信号光Ｓとの干渉光Ａ２をＰＤ１６に出力する。局所光Ｌｘの電界をＥ_Ｌｘとし、信号光ＳのＸ偏波成分の電界をＥ_Ｓｘとし、信号光ＳのＹ偏波成分の電界をＥ_Ｓｙとすると、干渉光Ａ１のジョーンズベクトルは（Ｅ_Ｓｘ＋Ｅ_Ｌｘ，Ｅ_Ｓｙ）となり、干渉光Ａ２のジョーンズベクトルは（Ｅ_Ｓｘ＋ｊＥ_Ｌｘ，Ｅ_Ｓｙ）となる。なお、各要素に共通する振幅の倍数は省略している。

ＰＤ１５及びＰＤ１６は、それぞれ、干渉光Ａ１及びＡ２の光電変換を行って以下の電気信号ＸＩ及びＸＱを処理部６０に出力する。
ＸＩ＝｜Ｅ_Ｓｘ｜^２＋｜Ｅ_Ｌｘ｜^２＋２Ｒｅ［Ｅ_ＳｘＥ^＊ _Ｌｘ］＋｜Ｅ_Ｓｙ｜^２（１）
ＸＱ＝｜Ｅ_Ｓｘ｜^２＋｜Ｅ_Ｌｘ｜^２＋２Ｉｍ［Ｅ_ＳｘＥ^＊ _Ｌｘ］＋｜Ｅ_Ｓｙ｜^２（２）
なお、Ｒｅ［］は実数部分を意味し、Ｉｍ［］は虚数部分を意味している。また、Ｅ^＊ _Ｌｘは、Ｅ_Ｌｘの共役複素数である。

９０度ハイブリッド１４は、局所光Ｌｙと信号光Ｓとの干渉光Ｂ１をＰＤ１８に出力し、局所光Ｌｙの位相をπ／２だけシフトさせた光と信号光Ｓとの干渉光Ｂ２をＰＤ１９に出力する。局所光Ｌｙの電界をＥ_Ｌｙとすると、干渉光Ｂ１のジョーンズベクトルは（Ｅ_Ｓｘ，Ｅ_Ｓｙ＋Ｅ_Ｌｙ）となり、干渉光Ｂ２のジョーンズベクトルは（Ｅ_Ｓｘ，Ｅ_Ｓｙ＋ｊＥ_Ｌｙ）となる。なお、各要素に共通する振幅の倍数は省略している。

ＰＤ１８及びＰＤ１９は、それぞれ、干渉光Ｂ１及びＢ２の光電変換を行って以下の電気信号ＹＩ及びＹＱを処理部６０に出力する。
ＹＩ＝｜Ｅ_Ｓｘ｜^２＋｜Ｅ_Ｌｙ｜^２＋２Ｒｅ［Ｅ_ＳｙＥ^＊ _Ｌｙ］＋｜Ｅ_Ｓｙ｜^２（３）
ＹＱ＝｜Ｅ_Ｓｘ｜^２＋｜Ｅ_Ｌｙ｜^２＋２Ｉｍ［Ｅ_ＳｙＥ^＊ _Ｌｙ］＋｜Ｅ_Ｓｙ｜^２（４）
なお、Ｅ^＊ _Ｌｙは、Ｅ_Ｌｙの共役複素数である。

ＰＤ１７は、信号光Ｓの光電変換を行って以下の電気信号Ｇを処理部６０に出力する。
Ｇ＝｜Ｅ_Ｓｘ｜^２＋｜Ｅ_Ｓｙ｜^２（５）

式（１）～式（４）の内、復調に必要な項は、それぞれ、２Ｒｅ［Ｅ_ＳｘＥ^＊ _Ｌｘ］、２Ｉｍ［Ｅ_ＳｘＥ^＊ _Ｌｘ］、２Ｒｅ［Ｅ_ＳｙＥ^＊ _Ｌｙ］、２Ｉｍ［Ｅ_ＳｙＥ^＊ _Ｌｙ］である。したがって、処理部６０は、電気信号ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ及びＹＱから、それぞれ、２Ｒｅ［Ｅ_ＳｘＥ^＊ _Ｌｘ］、２Ｉｍ［Ｅ_ＳｘＥ^＊ _Ｌｘ］、２Ｒｅ［Ｅ_ＳｙＥ^＊ _Ｌｙ］、２Ｉｍ［Ｅ_ＳｙＥ^＊ _Ｌｙ］に対応する信号成分を抽出する必要がある。

ここで、式（１）～式（４）の内、｜Ｅ_Ｌｘ｜^２や｜Ｅ_Ｌｙ｜^２は、局所光間のビート成分に対応する。光受信装置は、光源１０が生成する局所光Ｌの振幅（強度）を一定の所定値に制御でき、この場合、局所光Ｌｘのビート成分である｜Ｅ_Ｌｘ｜^２や、局所光Ｌｙのビート成分である｜Ｅ_Ｌｙ｜^２は、光受信装置において既知の一定値（直流成分）になる。したがって、処理部６０に、｜Ｅ_Ｌｘ｜^２及び｜Ｅ_Ｌｙ｜^２を予め設定しておくことで、処理部６０は、電気信号ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ及びＹＱから、局所光のビート成分の部分を除去することができる。

また、式（１）～式（４）の内、｜Ｅ_ｓｘ｜^２＋｜Ｅ_ｓｙ｜^２の部分は、信号光間のビート成分に対応する。局所光Ｌとは異なり、この信号光間のビート成分は、偏波多重光Ｓの強度変化に伴い変化する。このため、処理部６０は、ＰＤ１７が出力する、信号光間のビート成分である｜Ｅ_ｓｘ｜^２＋｜Ｅ_ｓｙ｜^２に対応する電気信号Ｇを使用する。具体的には、処理部６０は、電気信号ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ及びＹＱそれぞれから、予め設定された局所光のビート成分に対応する所定値と電気信号Ｇを減ずることで、局所光間のビート成分及び信号光間のビート成分を除去した電気信号を取得する。なお、この処理は、アナログ領域で行ってもデジタル領域で行っても良い。

光受信装置は、その後、後段のＭＩＭＯ処理部で、処理部６０が取得した電気信号のＭＩＭＯ処理を行うことで、第１偏波の信号光と第２偏波の信号光それぞれで搬送された情報の復調を行うことができる。

以上、本実施形態による光受信装置は、偏波多重された信号光のコヒーレント光検波のために５つのＰＤを使用し、４つのバランス型光検出器、つまり、８つのＰＤを使用する従来の構成と比較して、必要なＰＤの数を削減することができる。なお、非特許文献１に記載の構成と比較すると、必要なＰＤが１つ増えるが、信号光間のビート成分を除去することができ、復調におけるノイズの影響を抑えることができる。

なお、本実施形態では、光源１０が生成した局所光ＬをＰＢＳ１１において偏波分離することで局所光Ｌｘ及び局所光Ｌｙを生成していた。しかしながら、光源１０がＸ偏波の局所光を生成し、この局所光を等振幅に２分岐した後、一方の局所光を半波長板でＹ偏波の局所光に変換することで、局所光Ｌｘ及びＬｙを生成する構成とすることもできる。また、本実施形態において、光受信装置は、互いに直交する２つの偏波の信号光を偏波多重した偏波多重光を受信するものとしていたが、偏波多重を使用しない光通信システムに対しても本発明を適用することができる。

＜第二実施形態＞
図１の光受信装置において、９０度ハイブリッド１３及び１４には、Ｘ偏波及びＹ偏波の両方の成分を含む光が入力されていた。しかしながら、９０度ハイブリッド１３及び１４に偏波依存性がある場合、Ｘ偏波成分及びＹ偏波成分の一方は、他方より大きく減衰し、この場合、電気信号ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ及びＹＱそれぞれから電気信号Ｇを減じても、信号光間のビート成分を除去できなくなる。本実施形態は、９０度ハイブリッドが偏波依存性を有していても信号光間のビート成分を除去できる構成を開示するものである。

図２は、本実施形態による光受信装置の構成図である。光受信装置は、光伝送路を介して図示しない光送信装置から偏波多重光である信号光Ｓを受信する。信号光Ｓは、第１偏波の信号光と、第１偏波とは直交する第２偏波の信号光とを偏波多重した光信号である。ＰＢＳ２０は、受信する偏波多重光の偏波分離を行い、Ｘ偏波の信号光Ｓｘを分岐部２２に出力し、Ｘ偏波と直交するＹ偏波の信号光Ｓｙを半波長板２１に出力する。半波長板２１は、Ｙ偏波の信号光Ｓｙの偏波を回転してＸ偏波の信号光Ｓｙｘに変換し、信号光Ｓｙｘを分岐部２３に出力する。分岐部２２は、信号光Ｓｘを等振幅に２分岐し、ＰＤ２８と９０度ハイブリッド２６に出力する。同様に、分岐部２３は、信号光Ｓｙｘを２分岐し、ＰＤ３３と９０度ハイブリッド２７に出力する。なお、Ｘ偏波及びＹ偏波と、送信側における第１偏波及び第２偏波の方向は独立している。

光源２４は、Ｘ偏波の局所光Ｌｘを生成して分岐部２５に出力する。分岐部２５は、局所光Ｌｘを等振幅に２分岐し、それぞれ、９０度ハイブリッド２６及び２７に出力する。

９０度ハイブリッド２６は、局所光Ｌｘと信号光Ｓｘとの干渉光Ｃ１をＰＤ２９に出力し、局所光Ｌｘの位相をπ／２だけシフトさせた光と信号光Ｓｘとの干渉光Ｃ２をＰＤ３０に出力する。Ｘ偏波である局所光Ｌｘ及び信号光Ｓｘの電界をそれぞれＥ_Ｌｘ及びＥ_Ｓｘとすると、干渉光Ｃ１のジョーンズベクトルは（Ｅ_Ｓｘ＋Ｅ_Ｌｘ，０）となり、干渉光Ｃ２のジョーンズベクトルは（Ｅ_Ｓｘ＋ｊＥ_Ｌｘ，０）となる。なお、各要素に共通する振幅の倍数は省略している。

ＰＤ２９及びＰＤ３０は、それぞれ、干渉光Ｃ１及びＣ２の光電変換を行って以下の電気信号ＸＩ及びＸＱを処理部６１に出力する。
ＸＩ＝｜Ｅ_Ｓｘ｜^２＋｜Ｅ_Ｌｘ｜^２＋２Ｒｅ［Ｅ_ＳｘＥ^＊ _Ｌｘ］（６）
ＸＱ＝｜Ｅ_Ｓｘ｜^２＋｜Ｅ_Ｌｘ｜^２＋２Ｉｍ［Ｅ_ＳｘＥ^＊ _Ｌｘ］（７）
なお、Ｅ^＊ _Ｌｘは、Ｅ_Ｌｘの共役複素数である。

９０度ハイブリッド２７は、局所光Ｌｘと信号光Ｓｙｘとの干渉光Ｄ１をＰＤ３１に出力し、局所光Ｌｘの位相をπ／２だけシフトさせた光と信号光Ｓｙｘとの干渉光Ｄ２をＰＤ３２に出力する。Ｘ偏波である局所光Ｌｘ及び信号光Ｓｙｘの電界をそれぞれＥ_Ｌｘ及びＥ_Ｓｙｘとすると、干渉光Ｄ１のジョーンズベクトルは（Ｅ_Ｓｙｘ＋Ｅ_Ｌｘ，０）となり、干渉光Ｄ２のジョーンズベクトルは（Ｅ_Ｓｙｘ＋ｊＥ_Ｌｘ，０）となる。なお、各要素に共通する振幅の倍数は省略している。

ＰＤ３１及びＰＤ３２は、それぞれ、干渉光Ｄ１及びＤ２の光電変換を行って以下の電気信号ＹＩ及びＹＱを処理部６１に出力する。
ＹＩ＝｜Ｅ_Ｓｙｘ｜^２＋｜Ｅ_Ｌｘ｜^２＋２Ｒｅ［Ｅ_ＳｙｘＥ^＊ _Ｌｘ］（８）
ＹＱ＝｜Ｅ_Ｓｙｘ｜^２＋｜Ｅ_Ｌｘ｜^２＋２Ｉｍ［Ｅ_ＳｙｘＥ^＊ _Ｌｘ］（９）

また、ＰＤ２８及びＰＤ３３は、それぞれ、信号光Ｓｘ及びＳｙｘの光電変換を行って以下の電気信号ＸＧ及びＹＧを処理部６１に出力する。
ＸＧ＝｜Ｅ_Ｓｘ｜^２（１０）
ＹＧ＝｜Ｅ_Ｓｙｘ｜^２（１１）

式（６）～式（９）の内、復調に必要な項は、それぞれ、２Ｒｅ［Ｅ_ＳｘＥ^＊ _Ｌｘ］、２Ｉｍ［Ｅ_ＳｘＥ^＊ _Ｌｘ］、２Ｒｅ［Ｅ_ＳｙｘＥ^＊ _Ｌｘ］、２Ｉｍ［Ｅ_ＳｙｘＥ^＊ _Ｌｘ］である。したがって、処理部６１は、電気信号ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ及びＹＱから、それぞれ、２Ｒｅ［Ｅ_ＳｘＥ^＊ _Ｌｘ］、２Ｉｍ［Ｅ_ＳｘＥ^＊ _Ｌｘ］、２Ｒｅ［Ｅ_ＳｙｘＥ^＊ _Ｌｘ］、２Ｉｍ［Ｅ_ＳｙｘＥ^＊ _Ｌｘ］に対応する信号成分を抽出する必要がある。

第一実施形態と同様に、｜Ｅ_Ｌｘ｜^２は、局所光間のビート成分に対応し、その値は光受信装置において既知である。したがって、処理部６１に、予め｜Ｅ_Ｌｘ｜^２の値を設定しておく。また、第一実施形態と同様に、式（６）～式（９）の｜Ｅ_Ｓｘ｜^２や｜Ｅ_Ｓｙｘ｜^２は、信号光間のビート成分に対応し、偏波多重光Ｓの強度変化に伴い変化する。

このため、処理部６１は、ＰＤ２８が出力する、信号光Ｓｘ間のビート成分である｜Ｅ_Ｓｘ｜^２に対応する電気信号ＸＧと、信号光Ｓｙｘ間のビート成分である｜Ｅ_Ｓｙｘ｜^２に対応する電気信号ＹＧと、を使用する。処理部６１は、電気信号ＸＩ及びＸＱから電気信号ＸＧ及び予め設定された｜Ｅ_Ｌｘ｜^２を減ずることで、信号光Ｓｘ間及び局所光Ｌｘ間のビート成分を除去した電気信号を取得することができる。同様に、処理部６１は、電気信号ＹＩ及びＹＱから電気信号ＹＧ及び予め設定された｜Ｅ_Ｌｘ｜^２を減ずることで、信号光Ｓｙｘ間及び局所光間のビート成分を除去した電気信号を取得することができる。なお、この処理は、アナログ領域で行ってもデジタル領域で行っても良い。

光受信装置は、その後、後段のＭＩＭＯ処理部で、処理部６１が取得した電気信号のＭＩＭＯ処理を行うことで、第１偏波の信号光と第２偏波の信号光それぞれで搬送された情報の復調を行うことができる。

以上、本実施形態による光受信装置は、偏波多重された信号光のコヒーレント光検波のために６つのＰＤを使用し、従来の８つのＰＤを使用する構成と比較して、必要なＰＤの数を削減することができる。なお、非特許文献１に記載の構成と比較すると、必要なＰＤが２つ増えるが、信号光間のビート成分を除去することができ、復調におけるノイズの影響を抑えることができる。また、９０度ハイブリッドには、Ｘ偏波の光のみが入力されるため、第一実施形態と比較して、９０度ハイブリッドに対する偏波依存性の制約を緩和することができる。

発明は上記の実施形態に制限されるものではなく、発明の要旨の範囲内で、種々の変形・変更が可能である。

１３、１４：９０度ハイブリッド、１５～１９：フォトダイオード

Claims

信号光と第１偏波の第１局所光とを干渉させた第１干渉光を出力する第１干渉手段と、
前記信号光と前記第１局所光の位相をπ／２だけシフトさせた光とを干渉させた第２干渉光を出力する第２干渉手段と、
前記信号光と前記第１偏波とは直交する第２偏波の第２局所光とを干渉させた第３干渉光を出力する第３干渉手段と、
前記信号光と前記第２局所光の位相をπ／２だけシフトさせた光とを干渉させた第４干渉光を出力する第４干渉手段と、
前記第１干渉光を光電変換して第１電気信号を出力する第１光電変換手段と、
前記第２干渉光を光電変換して第２電気信号を出力する第２光電変換手段と、
前記第３干渉光を光電変換して第３電気信号を出力する第３光電変換手段と、
前記第４干渉光を光電変換して第４電気信号を出力する第４光電変換手段と、
前記信号光を光電変換して第５電気信号を出力する第５光電変換手段と、
前記信号光の復調のために、前記第１電気信号、前記第２電気信号、前記第３電気信号及び前記第４電気信号それぞれから前記第５電気信号を減ずる処理を行う処理手段と、
を備えていることを特徴とする光受信装置。
前記処理手段は、前記信号光の復調のために、前記第１電気信号及び前記第２電気信号それぞれから前記第１局所光を光電変換した際に得られる電気信号を減じ、前記第３電気信号及び前記第４電気信号それぞれから前記第２局所光を光電変換した際に得られる電気信号を減ずる処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
前記第１局所光及び前記第２局所光は、同じ光源から生成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光受信装置。
第１の９０度ハイブリッドと、
第２の９０度ハイブリッドと、
を有し、
前記第１干渉手段及び前記第２干渉手段は前記第１の９０度ハイブリッドに含まれ、
前記第３干渉手段及び前記第４干渉手段は前記第２の９０度ハイブリッドに含まれることを特徴とする請求項１から３のいずれか1項に記載の光受信装置。
前記信号光は、互いに直交する偏波の２つの信号光を偏波多重した信号光であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光受信装置。