JP7340190B2

JP7340190B2 - 光受信装置

Info

Publication number: JP7340190B2
Application number: JP2020067429A
Authority: JP
Inventors: 昇太石村; 拓夫種村
Original assignee: KDDI Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: KDDI Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2020-04-03
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2023-09-07
Anticipated expiration: 2040-04-03
Also published as: JP2021164133A

Description

本発明は、光受信装置に関する。

非特許文献１は、ストークスベクトル型の光受信装置を開示している。図１は、非特許文献１に記載の光受信装置の構成図である。偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１には、信号光が入力される。この信号光のＸ偏波成分の電界をＥ_１とし、Ｘ偏波とは直交するＹ偏波成分の電界をＥ_２とする。ＰＢＳ１は、信号光の偏波分離を行って、信号光のＸ偏波成分とＹ偏波成分を出力する。信号光のＸ偏波成分は、図示しないカップラで２分岐され、一方はフォトダイオード（ＰＤ）４１に出力され、他方は光ハイブリッド３に出力される。なお、ＰＤ４１と光ハイブリッド３に出力される光の電界は、それぞれａＥ_１、ｂＥ_１（ａ＋ｂ＝１）の様に一定の分岐比で分配されるが、説明を簡略化するため、定数である係数ａ、ｂについては省略している。信号光のＹ偏波成分は、図示しないカップラで２分岐され、一方はＰＤ４６に出力され、他方は偏波回転部（ＰＲ）２に出力される。ＰＲ２は、入力される光の偏波方向を９０度だけ回転させ、偏波回転後の光を光ハイブリッド３に出力する。

ＰＤ４１及びＰＤ４６は、入力される光の２乗成分に対応する電流を減算器５３に出力する。したがって、減算器５３は、Ｅ_１の２乗成分とＥ_２の２乗成分の差を出力する。Ｅ_１及びＥ_２は、所謂、直線偏波成分である。したがって、減算器５３が出力する信号は、ストークスパラメータＳ_１に対応する。

光ハイブリッド３は、入力される２つの光（電界Ｅ１及びＥ２）に基づき４つの光を出力する。図１に示す様に、電界がＥ_１＋Ｅ_２に対応する光はＰＤ４２に出力される。電界がＥ_１＋ｊＥ_２に対応する光はＰＤ４３に出力される。電界がＥ_１－ｊＥ_２に対応する光はＰＤ４４に出力される。電界がＥ_１－Ｅ_２に対応する光はＰＤ４５に出力される。ＰＤ４２及び４５は、それぞれ、入力される光の２乗成分に対応する電流を減算器５２に出力する。Ｅ_１＋Ｅ_２及びＥ_１－Ｅ_２は、所謂、４５度偏波成分である。したがって、減算器５２が出力する信号は、ストークスパラメータＳ_２に対応する。ＰＤ４３及び４４は、それぞれ、入力される光の２乗成分に対応する電流を減算器５１に出力する。Ｅ_１＋ｊＥ_２及びＥ_１－ｊＥ_２は、所謂、円偏波成分である。したがって、減算器５１が出力する信号は、ストークスパラメータＳ_３に対応する。

非特許文献１によると、ストークスパラメータＳ_１～Ｓ_３に基づき信号光を復調している。

ＰｏＤｏｎｇ，ｅｔａｌ，"１２８－Ｇｂ／ｓ１００－ｋｍｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｗｉｔｈｄｉｒｅｃｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｕｓｉｎｇｓｉｌｉｃｏｎｐｈｏｔｏｎｉｃＳｔｏｋｅｓｖｅｃｔｏｒｒｅｃｅｉｖｅｒａｎｄＩ／Ｑｍｏｄｕｌａｔｏｒ"，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ２４，１４２０８－１４２１４，２０１６年

ＰＢＳ１やＰＲ２は、非対称構造の光学部材（光学デバイス）であり、このような非対称構造は、例えば、光学部材（光学デバイス）の集積化において好ましくない。

本発明は、ストークスパラメータに基づき復調を行う光受信装置に必要な非対称構造の光学部材数を削減するための技術を提供するものである。

本発明の一態様によると、光受信装置は、第１信号光を受信し、前記第１信号光の第１偏波の第１成分と、前記第１信号光の前記第１偏波とは直交する第２偏波の第２成分との和に対応する前記第１偏波の第２信号光と、前記第１成分と前記第２成分との差に対応する前記第１偏波の第３信号光と、を出力する変換手段と、前記第２信号光と前記第３信号光とに基づき前記第１信号光のストークスパラメータに対応する信号を出力する出力手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明によると、ストークスパラメータに基づき復調を行う光受信装置に必要な非対称構造の光学部材数を削減することができる。

背景技術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。一実施形態による変換部の構成図。一実施形態による変換部における信号光の伝搬の説明図。

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。

図２は、本実施形態による光受信装置の構成図である。本実施形態の光受信装置は、ストークスベクトル光受信装置であり、受信する信号光のストークスパラメータＳ_１～Ｓ_３を判定し、判定したストークスパラメータＳ_１～Ｓ_３に基づき信号光を復調する。図２は、光受信装置における図１に対応する部分、つまり、信号光のストークスパラメータＳ_１～Ｓ_３を判定するための構成部分である。図１との相違点を述べると、ＰＢＳ１が、変換部６に置き換えられ、ＰＲ２が削除される。つまり、非対称構造の光学部材数が削除される。なお、変換部６は、対称構造の光学部材である。

図３は、変換部６の平面図である。変換部６は、モード変換部と、出射部と、を備えている。なお、出射部は、導波路６３と、導波路６４と、を有する。モード変換部及び出射部は、例えば、基板上に形成される。図３は、基板とは逆側から見た状態を示している。以下では、モード変換部における光の伝搬方向を、単に、伝搬方向として参照する。また、基板から当該基板上に形成された変換部６に向かう方向を高さ方向と定義し、伝搬方向及び高さ方向の両方に直交する方向を幅方向と定義する。モード変換部は、入射面６１と、入射面より幅方向の長さが長い出射面６２と、を有する。なお、出射面６２は、実際には、モード変換部と出射部との結合面であり、外部に露出する面ではない。

モード変換部は、所謂、テーパ型モード変換器である。信号光は、モード変換部の入射面６１から入射される。入射面６１から入射された信号光は、伝搬方向に沿って伝搬する。その過程において、０次のＴＭモードは、１次のＴＥモードに変換される。なお、０次のＴＥモードは、０次のＴＥモードのままに維持される。したがって、信号光のＸ偏波成分がＴＥモード（従って、信号光のＹ偏波成分がＴＭモード）となる様に入射面６１から信号光を入射させると、Ｘ偏波成分は、出射面６２において０次のＴＥモードのままであるが、Ｙ偏波成分は、出射面６２において１次のＴＥモード（Ｘ偏波）となる。図４は、１次のＴＥモードの電界成分を示している。図４の左半分の部分に対応する光は、出射面６２から導波路６３に入射し、図４の右半分の部分に対応する光は、出射面６２から導波路６４に入射する。つまり、出射面６２から導波路６３及び導波路６４に入射する過程で、１次のＴＥモードは０次のＴＥモードに変換される。なお、図４から明らかな様に、出射面６２から導波路６３に０次のＴＥモード０として入射する１次のＴＥモードの部分の電界分布は、出射面６２から導波路６４に０次のＴＥモード０として入射する１次のＴＥモードの部分の電界分布に対して反転している。なお、出射面６２に到達した０次のＴＥモードの光は、そのまま０次のＴＥモードの光として導波路６３及び導波路６４に入射する。したがって、出射面６２において０次のＴＥモードであった光の導波路６３及び導波路６４における電界分布は同じとなる。

よって、変換部６は、導波路６３から電界（Ｅ_１＋Ｅ_２）の光を出力し、導波路６４から電界（Ｅ_１－Ｅ_２）の光を出力する。なお、電界に乗ぜられる定数部分については説明の簡略化のために省略している。導波路６３からの光と導波路６４からの光において、電界成分Ｅ_２の符号が異なるのは、上述した様に、ＴＭモードで入射したＹ偏波成分の光は、出射面６２において図４の様な電界分布となり、導波路６３における電界分布と、導波路６４における電界分布が反転するからである。

変換部６が出力する電界（Ｅ_１＋Ｅ_２）の光は、さらに、図示しないカプラで２分岐され、一方は、ＰＤ４１に出力され、他方は、光ハイブリッド３のポート＃１に出力される。同様に、変換部６が出力する電界（Ｅ_１－Ｅ_２）の光は、さらに、図示しないカプラで２分岐され、一方は、ＰＤ４６に出力され、他方は、光ハイブリッド３のポート＃２に出力される。なお、電界に乗ぜられる定数部分については説明の簡略化のために省略する。

ＰＤ４１及びＰＤ４６は、入力される光の２乗成分に対応する電流を減算器５３に出力する。したがって、減算器５３は、Ｅ_１＋Ｅ_２の２乗成分とＥ_１－Ｅ_２の２乗成分の差を出力する。Ｅ_１＋Ｅ_２及びＥ_１－Ｅ_２は、４５度偏波成分である。したがって、減算器５３が出力する信号は、ストークスパラメータＳ_２に対応する。

光ハイブリッド３は、ポート＃１に入力された光とポート＃２に入力された光の和をポート＃３から出力し、ポート＃１に入力された光とポート＃２に入力された光の位相を９０度だけ進めた光との和をポート＃４から出力し、ポート＃１に入力された光とポート＃２に入力された光の位相を９０度だけ遅らせた光との和をポート＃５から出力し、ポート＃１に入力された光とポート＃２に入力された光との差をポート＃６から出力する。

したがって、ポート＃３からは電界２Ｅ_１の光が出力され、ポート＃６からは電界２Ｅ_２の光が出力される。なお、ポート＃３からの電界２Ｅ_１の光はＰＤ４２に出力され、ポート＃６からの電界２Ｅ_２の光はＰＤ４５に出力される。ＰＤ４２及びＰＤ４５は、入力される光の２乗成分に対応する電流を減算器５２に出力する。２Ｅ_１及び２Ｅ_２は、直線偏波成分である。したがって、減算器５２が出力する信号は、ストークスパラメータＳ_１に対応する。

また、ポート＃４からは電界（Ｅ_１＋Ｅ_２）＋ｊ（Ｅ_１－Ｅ_２）の光が出力され、ポート＃５からは電界（Ｅ_１＋Ｅ_２）－ｊ（Ｅ_１－Ｅ_２）の光が出力される。なお、ポート＃４からの光はＰＤ４３に出力され、ポート＃５からの光はＰＤ４４に出力される。ＰＤ４３及びＰＤ４４は、入力される光の２乗成分に対応する電流を減算器５１に出力する。したがって、減算器５１は、これらの２乗成分の差を出力する。

ここで、ポート＃４から出力される光信号の電界は、
（Ｅ_１＋Ｅ_２）＋ｊ（Ｅ_１－Ｅ_２）＝（１＋ｊ）（Ｅ_１－ｊＥ_２）
であり、ポート＃５から出力される光信号の電界は、
（Ｅ_１＋Ｅ_２）－ｊ（Ｅ_１－Ｅ_２）＝（１－ｊ）（Ｅ_１＋ｊＥ_２）
であり、共に、円偏波成分である。したがって、減算器５１が出力する信号は、ストークスパラメータＳ_３に対応する。

なお、本実施形態では、光ハイブリッド３を用いて直線偏波成分及び円偏波成分を出力したが、半波長板や１／４波長板等を使用する構成であっても良い。図示しない復調部は、少なくともストークスパラメータＳ_２及びＳ_３を使用して信号光の復調を行う。したがって、例えば、ストークスパラメータＳ_１を復調部で使用しない場合、ＰＤ４２、ＰＤ４５及び減算器５２を省略することができる。

以上、変換部６、光カップラ３、ＰＤ４１～４６は、対称構造の光学部材で構成することができ、光受信装置に必要な非対称構造の光学部材数を削減することができる。

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。

６：変換部、３：光ハイブリッド、４１～４６：ＰＤ、５１～５３：減算器

Claims

第１信号光を受信し、前記第１信号光の第１偏波の第１成分と、前記第１信号光の前記第１偏波とは直交する第２偏波の第２成分との和に対応する前記第１偏波の第２信号光と、前記第１成分と前記第２成分との差に対応する前記第１偏波の第３信号光と、を出力する変換手段と、
前記第２信号光と前記第３信号光とに基づき前記第１信号光のストークスパラメータに対応する信号を出力する出力手段と、
を備えていることを特徴とする光受信装置。
前記変換手段は、
テーパ型モード変換器と、
前記テーパ型モード変換器の出射面に接続される第１導波路及び第２導波路と、
を有し、
前記第１偏波の前記第１成分は、ＴＥモードの０次成分として前記テーパ型モード変換器に入射され、前記第２偏波の前記第２成分は、ＴＭモードの０次成分として前記テーパ型モード変換器に入射され、
前記テーパ型モード変換器は、入射されたＴＭモードの０次成分を前記出射面においてＴＥモードの１次成分に変換し、入射されたＴＥモードの０次成分を前記出射面においてＴＥモードの０次成分のままに維持し、
前記ＴＥモードの０次成分と前記ＴＥモードの１次成分を２分岐して前記第１導波路と前記第２導波路のそれぞれに入射させることで、前記第１導波路から前記第２信号光を出力し、前記第２導波路から前記第３信号光を出力することを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
前記出力手段は、
前記第２信号光を光電変換する第１光電変換手段と、
前記第３信号光を光電変換する第２光電変換手段と、
前記第１光電変換手段の出力と前記第２光電変換手段の出力との差に基づく第１信号を出力する第１減算手段と、
を備えてい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。
前記第１信号は、ストークスパラメータＳ_２を示す信号であることを特徴とする請求項３に記載の光受信装置。
前記出力手段は、
前記第３信号光の位相を９０度だけ進めて第４信号光とし、前記第２信号光と前記第４信号光との和に対応する第５信号光と、前記第２信号光と前記第４信号光との差に対応する第６信号光と、を出力する加減算手段と、
前記第５信号光を光電変換する第３光電変換手段と、
前記第６信号光を光電変換する第４光電変換手段と、
前記第３光電変換手段の出力と前記第４光電変換手段の出力との差に基づく第２信号を出力する第２減算手段と、
を備えてい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。
前記第２信号は、ストークスパラメータＳ_３を示す信号であることを特徴とする請求項５に記載の光受信装置。
前記加減算手段は、
前記第２信号光と前記第３信号光との和に対応する第７信号光と、前記第２信号光と前記第３信号光との差に対応する第８信号光と、を出力し、
前記出力手段は、さらに、
前記第７信号光を光電変換する第５光電変換手段と、
前記第８信号光を光電変換する第６光電変換手段と、
前記第５光電変換手段の出力と前記第６光電変換手段の出力との差に基づく第３信号を出力する減算手段と、
を備えていることを特徴とする請求項５又は６に記載の光受信装置。
前記第３信号は、ストークスパラメータＳ_１を示す信号であることを特徴とする請求項７に記載の光受信装置。
前記加減算手段は、光ハイブリッドであることを特徴とする請求項５から８のいずれか１項に記載の光受信装置。