JPH02110524A - コヒーレント光通信用ヘテロダイン検波受信装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　　　要〕 長距離・大容量通信への適用が期待されているコヒーレ
ント光通信に利用可能な、ヘテロダイン検波方式による
光受信装置に係−リ、さらに詳しくは信号光の偏波状態
を能動制御するための回路部分の改良に関し、 信号光の偏波状態をモニタするための光学系を簡単に構
成できるようにし、かつ高感度の受信を可能にすること
を目的とし、 局部発振光を発振する光層部発振回路と、光伝送路を介
して伝送されてきた信号光の偏波状態を変化させる偏波
作用器と、該偏波作用器により偏波状態を補正された信
号光と前記光層部発振回路から出力された局部発振光と
を混合する混合回路と、該混合回路の出力光を２種類の
偏波成分に分離する偏波分離器と、該偏波分離器からの
各偏波成分毎の信号をそれぞれ検波して中間周波数信号
を出力する受光器と、該受光器から出力された２つの中
間周波数信号を入力する９０度ハイブリッドカプラと、
該９０度ハイブリッドカプラから出力された中間周波数
信号を復調する復調器と、前記受光器及び前記９０度ハ
イブリッドカプラからのそれぞれの出力信号に基づき前
記偏波作用器を駆動して、前記信号光の偏波状態を制御
する偏波制御回路とを備えて構成する。

〔産業上の利用分野］ 本発明は、長距離・大容量通信への適用が期待されてい
るコヒーレント光通信に利用可能な、ヘテロダイン検波
方式による光受信装置に係り、さらに詳しくは信号光の
偏波状態を能動制御するための回路部分の改良に関する
。

［従　来　の　技　術］ コヒーレント光通信において、光伝送路を介して受信し
た信号光と、局部発振光とを混合して検波するヘテロゲ
イン検波方式が広く利用されている。ところが、このよ
うな方式では、信号光の偏波状態が光ファイバを伝送中
に変動してしまうため、局部発振光と合波する際に、そ
の検波効率が劣化するという問題が起こる。このような
問題を解決する方法の一つとして、信号光と局部発振光
の偏波状態を積極的に一致させるようにする能動制御方
式がある。第６図に、能動制御方式による従来のヘテロ
ダイン検波受信装置の回路構成を示す。

同図において、光ファイバ等を伝送されてきた信号光は
、偏波作用Ｒ７ｒ　１を介して混合回路２に入力され、
ここで、光層部発振回路３から出力された局部発振光と
合波される。上記局部発振光は、例えば４５度斜め方向
に主軸角を持つ偏波状態とする。混合回路２の出力信号
の一方は、受光器４でヘテロゲイン検波されて中間周波
数信号に変換され、この中間周波数信号が復調回路５で
復調されて出力される。

また、上記混合回路２のもう一方の出力信号は、信号光
の偏波状態のモニタ用として使用される。

ｔなわち、このモニタ用の光信号は、まずハーフミラ−
６で２つに分岐され、その透過光は偏波分離２ｉ７で２
つの直行した偏波成分に分離された後、受光器８．９で
電気信号に変換される。一方、上記ハーフミラ−６から
の反射光は、λ／４板１０で偏波状態が変換され（例え
ば直線偏光から円偏光に、或いは円偏光から直線偏光に
変換され）、続いて偏波分離器１１で２つの直行した偏
波成分に分離された後、受光器１２．１３で電気信号に
変換される。上記２つの受光器８．９の出力信号は差動
増幅器１４に入力され、また、他方の２つの受光器１２
．１３の出力信号は他方の差動増幅器１５に入力され、
これらの差動増幅信号Ａ、　Ｂをモニタ信号として、偏
波作用器ｌにより信号光の偏波状態の制御が行われる。

すなわち、例えば、信号光の偏波状態の主軸角は、信号
Ａがゼロになるようにすることで制御でき、その楕円率
は、信号Ｂがゼロになるようにすることで制御できる。

（発明が解決しようとする課題］ 上記従来のへテロダイン検波受信装置では、上述したよ
うに、ハーフミラ−６及び偏波分離器７．１１を用いて
信号光の一部を分岐した後、４つの受光器８．９．１２
．１３を用いて信号光の偏波状態をモニタし、信号光の
偏波状態を制御するようにしている。

従って、信号光の偏波状態をモニタするためのみに、光
学系の構成が複雑になり、４つもの受光器を用いなけれ
ばならないことから、装置が大型化せざるを得ないとい
う問題がある。また、信号光の一部を分岐し、これをモ
ニタ用としてだけ使用していることから、その分だけ受
信感度が劣化してしまうという問題もある。更に、雑音
成分を抑圧して高感度の受信が可能なりＢＯＲ（二重平
衡型受信機）を構成できないという問題もある。

本発明は、信号光の偏波状態をモニタするための光学系
を簡単に構成できるようにし、かつ高感度の受信を可能
にすることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は、本発明の原理ブロック図である。

同図において、光伝送路を伝送されてきた信号光を偏波
作用器２０を介して混合回路２１に与えると共に、光層
部発振回路２２から局部発振光を出力して混合回路２１
に与え、ここで信号光と局部発振光とを合波する。なお
、局部発振光の偏波状態は、例えば４５度斜め方向に主
軸角を持つようにする。混合回路２１で信号光と局部発
振光とを合波した後、偏波分離器２３を用いて２つの直
交した偏波成分に分離し、それぞれ受光器２４．２５で
へ・テロダイン検波して中間周波数信号を得る。

以上までが光学系によって構成され、続いて電気信号段
に移る。

電気信号段においては、まず、上記受光器２４．２５か
ら出力された中間周波数信号を９０度ハイブリッドカプ
ラ２６に与え、その出力ポートＰ４からの出力信号を復
調器２７で復調して出力する。

一方、受光器２４．２５から出力された中間周波数信号
を差動増幅器２８に入力し、その出力信号すを偏波制御
回路２９に与えると共に、９０度ハイブリッドカプラ２
６のもう一方の出力ボートＰ３からの出力信号ａを偏波
制御回路２９に与える。

この偏波制御回路２９は、上記信号ａ及びｂに基づいた
制御信号Ａ、Ｂを出力して偏波作用器２０を駆動するこ
とにより、信号光の偏波状態を適宜制御する。

〔作　　用〕

第１図において、偏波分離器２３で分離された２つの直
交する偏波成分（例えば０度方向の偏波成分と９０度方
向の偏波成分）が、それぞれ受光器２４．２５でヘテロ
ダイン検波されるので、それによって得られた２つの中
間周波数信号のパワーを互いに比較すれば、すなわち差
動増幅器２８の出力信号すがゼロからどれだけずれてい
るかを見れば、信号光の偏波状態の主軸角が４５度から
どれだけずれているかを知ることができる。よって、例
えば上記の信号すがゼロとなるように偏波制御、回路２
９で偏波作用器２０を駆動することにより、信号光の偏
波状態の主軸角を４５度に制御することができる。

また、９０度ハイブリッドカプラ２６に入力する２つの
中間周波数信号は、それらの位相が互いに９０度ずれて
いるので、更に９０度ハイブリッドカプラ２６でクロス
方向に位相がずらされると、一方の出力ボートＰ４には
互いに同相の信号が加わって出力され、他方の出力ボー
トＰ３には互いに逆相の信号が加わって（すなわち打ち
消し合って）出力される。このことから、上記出力ボー
トＰ３から出力される信号ａがゼロからどれだけずれて
いるかを見れば、信号光の楕円率を知ることができる。

よって、上記の信号ａがゼロとなるように偏波制御回路
２９で偏波作用器２０を駆動することにより、信号光の
偏波状態を、局部発振光の偏波状態に対し９０度の位相
差を持つようにすることができる。例えば、局部発振光
の偏波状態が４５度直線偏光の場合、信号光の偏波状態
を円偏向に制御することができる。

更に、９０度ハイブリッドカプラ２６のポートＰ４から
は増強されたビート成分が得られ、もう一方のポートＰ
３からはイメージ成分が互いに打ち消すように出力され
ることになるので、信号ａがゼロとなるように偏波制御
回路２９で偏波作用器２０を駆動することにより、ポー
トＰ４から出力される中間周波数信号の中からイメージ
成分を除去することもできる。

本発明によれば、受光器が少なくとも２個あれば充分で
あることから、光学系を従来のものと比べて非常に節単
に構成することができ、装置全体の小型化が可能になる
。また、信号光の偏波状態のモニタのためだけに信号光
を分岐することをせずに、電気信号段にて偏波状態をモ
ニタすることができるので、従来よりも高感度の受信が
可能になる。しかも、ＤＢＯＲを用いて構成することも
容易なので、その場合には一層の高感度受信が可能にな
る。

〔実　　施　　例〕

以下、図面を参照しながら本発明の詳細な説明する。

第２図は、本発明の第１の実施例を示すブロック図であ
る。

同図においては、光学系として、偏波作用器２０、光カ
ップラ等からなる混合回路２１、半導体レーザ等からな
る光層部発振回路２２、偏波分離器２３、及びフォトト
ランジスタ等からなる２つの受光器２４．２５を備え、
また、電気信号段として、９０度ハイブリッドカブラ２
６、復調器２７、差動増幅器２８、偏波制御回路２９、
及びＡＦＣ（自動周波数コントローラ）等を備えている
。

上記偏波制御回路２９と偏波作用器２０の具体的構成の
一例を、第３図と第４図に示す。第３図において、偏波
制御回路２９は、これに入力されるアナログ信号ａ、ｂ
をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器２９ａ、
２９ｂと、上記デジタル信号に基づく数値処理を行うた
めの数値処理回路２９ｃと、この処理結果に基づきパル
スモータ２０ｃ、２０ｄ（第４図参照）をそれぞれ駆動
するための信号Ａ、Ｂを出力するパルスモータ駆動回路
２９ｄ、２９ｅとから構成されている。上記数値処理は
、信号ａ、ｂがいずれもゼロになるように制御する処理
である。なお、Ａ／Ｄ変換せずに、アナログ信号をその
まま数値処理してもよい。一方、第４図において、偏波
作用器２０は、信号光の光路上に順次配置されたλ／４
板２０ａ、λ／２板２０ｂと、これらを上記信号Ａ、Ｂ
に応じて回転制御卸するためのパルスモータ２０ｃ、２
０ｄとから構成されている。

上記構成の実施例のヘテロゲイン検波受信装置においで
、まず光ファイバ等を伝送されてきた信号光は、偏波作
用器２０を介し、混合回路２１の一方の入力ボートＰＩ
に入力される。一方、光層部発振回路２２からは、局部
発振光が出力され、混合回路２１のもう一方の入カポ−
）Ｐｚに入力される。信号光と局部発振光とは混合回路
２１で合波され、ビート成分を有する光信号となって出
力ポートＰ３から出力される。この光信号は、偏波分離
器２３により、２つの直交するＸ方向とＸ方向の偏波成
分に分離された後、それぞれ受光器２４．２５によって
ヘテロゲイン検波される。

上記の光学系による動作を、数式を用いて、以下に具体
的に説明する。

まず、局部発振光は、４５度斜め方向に主軸を持つ偏波
状態（例えば円偏光、４５度又は１３５度直線偏光等）
にし、そのＸ方向とＸ方向の偏波成分の光パワーが偏波
分離器２３によって等分されるようにする。局部発振光
の偏波状態を式に表すと、Ｘ　＝　ｌ　／（”；！−ｘ
ｖ’Ｐ　ＬＯＸ　ＣＯＳ　（（υＬｏｔ）Ｙ＝Ｉ／（Ｔ
ｘ−ｒ丁−Ｘ　ｃ　ｏ　ｓ　（（Ｏｔｏｔ十〇ｔｏ）に
なる。例えば、θ、。−〇、π／２の時、それぞれ４５
度直線偏光、円偏光を示す。

一方、信号光は、４５度斜め方向に主軸角を持ち、かつ
局部発振光の偏波状態に対して位相差が９０度になるよ
うにする。例えば、局部発振光の偏波状態が円偏光の場
合には、信号光の偏波状態が４５度又は１３５度直線偏
光となるようにし、一方、局部発振光の偏波状態が４５
度又は１３５度直線偏光の場合には、信号光の偏波状態
が円偏光となるようにする。信号光の偏波状態を式に表
すと、Ｘ　＝　、１　／、／７　Ｘ　、／７〒Ｘｃｏｓ
　（（１１５Ｂｙ＝１／７７ｘ、／−下Ｓ　Ｘｃｏｓ　
（（ＩＪｓ　ｔ＋θＳ）になる。ただし、θＳ−θ、。

−π／２の関係をンＡたす。

上記の式で表される信号光と局部発振光とを混合回路２
１で合波した後、その直交した２つの偏波成分を偏波分
＃器２３で分離し、それぞれ受光器２４．２５でヘテロ
ゲイン検波することにより、それぞれ以下の式で表され
るように、互いに位相が９０度ずれた中間周波数信号Ｉ
工、Ｉｖが得られる。

ｌｘ　＝１．ｃｏｓ　　（（ωＳ　−ωｔｏ）ｔ）Ｉｖ
　　＝ＩＯＣＯ９（（ωＳ　−ω１０）　　ｔ＋　（θ
、−〇Ｌ、）　　） ＝１．　　ｓ　　ｉｎ　　（（ωｓ−ωｔｏ）ｔ）ただ
し、Ｉｏ＝１／４Ｘ、ｒ■−了Ｔである。

次に、電気信号段による処理を、以下に具体的に述べる
。

まず、上記２つの中間周波数信号１ｘ、Ｉｖは、９０度
ハイブリッドカプラ２６の入力ポートＰ、、Ｐ２にそれ
ぞれ入力され、クロスした方向に位相が９０度遅延され
たものが加えられて、それぞれ出力ポートＰ３、Ｐ４か
ら出力される。すなわち、ボートＰ１からボートＰ、３
への経路及びボートＰ２からボートＰ４への経路では位
相は変化しないが、ボートＰ、からボートＰ４への経路
及びボートＰ２からボートＰ３への経路では位相が９０
度遅延される。よって、９０度ハイブリッドカプラ２６
の出力Ｏｘ、ＯＹは、以下の式で表される。

Ｏｘ　＝Ｉｘ　＋　（Ｉｖ　） ＝（−１＋ｓｇｎ（ωＳ　−ωｔｏ）　　）　　Ｘ　１
ｘＯｖ　　＝　　（ｌｘ　　）　　＋　Ｉｖ＝　　（１
＋ｓｇｎ　　（ωＳ　−ωＬｏ））Ｘ’Ｔｙただし、（
）は、９０度位相遅延を意味する。また、 と定義する。

よって、上記のＯｘ、Ｏｙの弐から明らかなように、ω
、−ω、。〉０の時に０ｘ−０かつ０Ｖ−２１ｖとなり
、一方、（ＬＩＳ　−ωｃｏ＜Ｏの時にＯｖ−〇かつＯ
ｘ−２１ｘとなる。すなわち、９０度ハイブリッドカプ
ラ２６に入力する２つの中間周波数信号１ｘ、ｒｖは、
それらの位相が互いに９０度ずれているので、更に９０
度ハイブリッドカプラ２６でクロス方向に位相がずらさ
れると、ω。

とωＬＯの大小関係に応じ、一方の出力ボートには互い
に同相の信号が加わって出力され、もう一方の出力ボー
トには互いに逆相の信号が加わって（すなわち打ち消し
合って）出力される。本実施例では、ω、−ω、。〉０
となるように設定されているものとし、これに応じて、
ボートＰ４からの出力０ｖ（＝２１ｖ）が復調器２７に
よって復調されて出力される。この際、上記の出力ＯＶ
を成る一定の周波数に安定させるために、ＡＦＣ３０に
より、光層部発振回路２２の発振周波数が適宜制御卸さ
れている。

次に、信号光の偏波状態のモニタについて、具体的に述
べる。

上述したように偏波分離器２３で分離された２つの直交
する偏波成分（ここでは０度方向の偏波成分と９０度方
向の偏波成分とする）がそれぞれ受光器２４．２５でヘ
テロゲイン検波されるので、それによって得られた２つ
の中間周波数信号ＩＸ、■、のパワーを互いに比較すれ
ば、信号光の偏波状態の主軸角が４５度からどれだけず
れているかを知ることができる。そこで本実施例では、
上記中間周波数信号ＩＸ、ＩＹを差動増幅器２８に入力
し、その出力を信号すとして偏波制御回路２９に与える
ようにしている。よって、信号すがゼロからどれだけず
れているかは、信号光の偏波状態の主軸角が４５度から
どれだけずれているかに対応するので、上記の信号すが
ゼロとなるように偏波制御回路２９で偏波作用器２０を
駆動することにより、信号光の偏波状態の主軸角を４５
度に制御することができる。

また、上述した９０度ハイブリッドカプラ２６のボート
Ｐ：ｌからの出力Ｏｘがゼロからどれだけずれているか
を見れば、信号光の楕円率を知ることができる。そこで
本実施例では、上記ボートＰ３からの出力ＯＸを信号ａ
として偏波制御回路２９に与え、この信号ａがゼロとな
るように、すなわちθ、−〇、。＝π／２となるように
偏波制御回路２９で偏波作用器２０を駆動することによ
り、信号光の偏波状態を円偏光（局部発振光が４５度又
は１３５度直線偏光の場合）、あるいは４５度又は１３
５度直線偏光（局部発振光が円偏光の場合）とすること
ができる。

更に、９０度ハイブリッドカプラ２６のポートＰ４から
は増強されたビート成分が得られ、もう一方のボートＰ
３からはイメージ成分が互いに打ち消すように出力され
ることになるので、上記のように信号ａがゼロとなるよ
うに偏波制御回路２９で偏波作用器２０を駆動すること
により、ボートＰ４から出力される中間周波数信号の中
からイメージ成分を除去することもできる。

以上述べたように本実施例では、受光器が２個で済むこ
とから、光学系を従来のものと比べて非常に簡単に構成
することができ、装置全体の小型化を実現できる。また
、信号光の偏波状態のモニタのためだけに信号光を分岐
することをせずに、電気信号段にて偏波状態をモニタす
ることができるので、受信感度を従来よりも一段と向上
させることができる。

次に、第５図は、本発明の第２の実施例を示すブロック
図である。

本実施例は、ＤＢＯＲ（、二重平衡型受信機）を用いて
構成したものである。すなわち、前記第１の実施例にお
ける混合回路２１のボートＰ４に対し、前述した偏波分
離２３２３及び受光器２４．２５と同様な構成からなる
、もう−組の偏波分離器３１及び受光器３２．３３を設
けると共に、受光器２４と受光器３２の出力を減算器３
４に！ｊ、え、受光器２５と受光器３３の出力を減算器
３５に与えるようにしたものである。

このような構成においては、信号光と局部発振光とが１
昆合回路２１で合波され、ポー１−Ｐ３、Ｐ４からは互
いに１８０度の位相差を持つ光信号が出力される。そし
て、これらの光信号は、それぞれ偏波分離器２３．３１
により等しい割合で分１捕され、各受光器２４．２５．
３２．３３でヘテロゲイン検波される。このようにして
受光器２４．３２で得られた中間周波数信号は減算器３
４に与えられ、もう一方の受光器２５．３３で得られた
中間周波数信号は減算器３５に与えられる。この際、受
光器２４．３２には互いに１８０度の位相差を持つビー
ト成分が入力され、同様に、受光器２５．３３にも互い
に１８０度の位相差を持うビート成分が入力されので、
減算器３４．３５により、ビート成分は互いに加算され
て増強され、それとは逆に、局部発振光の強度雑音成分
は相殺される。このようにして強度雑音成分の抑圧され
た中間周波数信号は、９０度ハイブリッドカプラ２６と
差動増幅器２８に入力され、その後は前記第１の実施例
と同様な処理が行われる。

従って、本実施例では、混合回路２１の２つの出力光を
有効に利用することにより、局部発振光の強度雑音を抑
圧して、受信感度を一段と向上させることができる。

なお、上記の各実施例では、信号光と局部発振光のいず
れか一方を４５度（又は１３５度）直線偏光とし、もう
一方を円偏光とする場合について述べたが、必ずしもこ
のように制御する必要はない。

すなわち、信号光と局部発振光の双方が４５度斜め方向
に主軸を持つ偏波状態であって、かつ、それらの互いの
位相差が９０度であることが条件であり、この条件を満
たす１どのような偏波状態であってもよく、例えば信号
光がＸ成分とＹ成分とで１１０度の位相差を持つ楕円偏
光で、局部発振光がＸ成分とＹ成分とで２０度の位相差
を持つ楕円偏光であってもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、受光器が少なくとも２個あれば充分で
あることから、光学系を従来のものと比べて非常に簡単
に構成することができ、よって装置全体を小型化するこ
とができる。また、信号光の偏波状態のモニタのためだ
けに信号光を分岐することをせずに、電気信号段にて偏
波状態を〔ニクすることができるので、従来よりも著し
く高ざ度の受信が可能になる。しかも、ＤＢＯＲを用い
て構成することも容易なので、その場合には一層の高感
度受信が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理ブロック図、 第２図は本発明の第１の実施例の１１１１７９図、第３
図は第２図に示した偏彼制御１回路２９の具体的構成の
一例のブロック図、 第４図は第２図に示した偏波作用器２０の具体的構成の
一例のブロック図、 第５図は本発明の第２の実施例のブロック図、第６図は
従来のヘテロダイン検波受信装置を示すブロック図であ
る。 ２０・・・偏波作用器、 ２１・・・混合回路、 ２２・・・光層部発振回路、 ２３・・・偏波分離器、 ２４．２５・・・受光２３． ２６・　・　・９０度ハイフ゛りンドカブラ、２７・・
・復調器、 ２８・・・差動増幅器、 ２９・・・偏波制御回路、 ３０・・・ＡＦＣ。 ３１・・・偏波分離器、 ３２．３３・・・受光器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 局部発振光を発振する光局部発振回路（２２）と、 光伝送路を介して伝送されてきた信号光の偏波状態を変
   化させる偏波作用器（２０）と、 該偏波作用器により偏波状態を補正された信号光と、前
   記光局部発振回路（２２）から出力された局部発振光と
   を混合する混合回路（２１）と、該混合回路（２１）の
   出力光を２種類の偏波成分に分離する偏波分離器（２３
   ）と、 該偏波分離器（２３）からの各偏波成分毎の信号をそれ
   ぞれ検波して中間周波数信号を出力する受光器（２４、
   ２５）と、 該受光器（２４、２５）から出力された２つの中間周波
   数信号を入力する９０度ハイブリッドカプラ　（２６）
   と、 該９０度ハイブリッドカプラ（２６）から出力された中
   間周波数信号を復調する復調器（２７）と、 前記受光器（２４、２５）及び前記９０度ハイブリッド
   カプラ（２６）からのそれぞれの出力信号に基づき前記
   偏波作用器を駆動して、前記信号光の偏波状態を制御す
   る偏波制御回路（２９）とを備えたことを特徴とするコ
   ヒーレント光通信用ヘテロダイン検波受信装置。