JPH0613988A - 偏波ダイバーシティ受信機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 偏波ダイバーシティ受信機に関し、受信感度
を常に最適値に維持できるようにすることを目的とす
る。 【構成】 各偏波光よりなる局部発振光と、各偏波光よ
りなる受信信号光とを混合して各偏波混合光を得、これ
らをそれぞれ光／電気変換する各光検波回路（２１，２
２）およびその光／電気変換信号により中間周波信号を
復調する回路系（３１，３２，４１，４２，５２）を有
すると共に、各光検波回路（２１，２２）内の各光電流
レベルをモニターする各モニター手段（６１，６２）
と、各モニター出力に応じて局部発振光の各偏波光間の
パワーずれを、フィードフォワードにより第１および第
２可変利得増幅回路（３１，３２）に与えて補償する分
配ずれ補償回路（７１）と、受信信号光の電力成分に対
するＡＧＣ制御を行う第３および第４可変利得増幅回路
（３３，３４）と、そのＡＧＣ制御を行う自動利得制御
回路（５１）を設けるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コヒーレント光通信に
おける偏波ダイバーシティ受信機に関する。コヒーレン
ト光通信においては、光伝送路（光ファイバ）内を信号
光が伝搬する間にその偏波状態（Ｐ偏波、Ｓ偏波）が変
動してしまう。このような信号光を受信機において局部
発振光と合波して光検波する場合、両者の偏波状態が完
全に一致していないと、検波効率がきわめて悪くなる。

【０００２】この場合、例えば既に敷設済みの光ファイ
バケーブルを光伝送路としてコヒーレント光通信を行お
うとすると、上述した両偏波状態を長期に亘って常に一
致させておく必要があるが、実際には、光ファイバケー
ブルの環境変化、例えば温度変動、振動、外乱などによ
り、信号光の偏波状態が様々に変化してしまう。そこ
で、信号光が光伝送路内を伝搬中にその偏波状態がどの
ように変わろうとも、受信機において常に高い検波効率
を維持できるようにしたのが偏波ダイバーシティ受信方
式であり、公知である。すなわち偏波ダイバーシティ受
信方式は、受信機側で信号光の各偏波（Ｐ偏波、Ｓ偏
波）ごとに、それぞれヘテロダイン検波し、その後その
各検波出力である各偏波対応の中間周波信号を復調し、
さらにこれらを合成してディジタル信号を再生する。

【０００３】

【従来の技術】図７は従来の偏波ダイバーシティ受信機
の基本構成を示す図である。本図において、偏波ダイバ
ーシティ受信機は、図示するように光局部発振器１１、
光混合器１２、第１および第２光検波回路２１，２２、
第３および第４可変利得増幅回路３３，３４（第１およ
び第２可変利得増幅回路については後述）、第１および
第２復調回路４１，４２、自動利得制御回路５１、加算
回路５２、第１および第２検波器８１，８２から構成さ
れる。

【０００４】光局部発振器１１は、局部発振光を出力す
る。光混合器１２は、局部発振光の第１および第２偏波
光（ＰおよびＳ偏波光）と、受信した信号光の第１およ
び第２偏波光（ＰおよびＳ偏波光）とを混合して、第１
偏波混合光および第２偏波混合光を出力する。第１およ
び第２光検波回路２１，２２は、第１および第２偏波混
合光を光／電気変換して第１および第２の中間周波信号
をそれぞれ出力する。

【０００５】第３および第４可変利得増幅回路３３，３
４は、第１および第２中間周波信号を可変の利得でそれ
ぞれ増幅する。自動利得制御（ＡＧＣ）回路５１は、第
１および第２可変利得増幅回路３１，３２からの各出力
を受信して上記第１および第２中間周波信号に対しそれ
ぞれ自動利得制御を加える。

【０００６】第１および第２復調回路４１，４２は、上
記の自動利得制御が加えられた第１および第２中間周波
信号をそれぞれ復調する。加算回路５２は、復調後の第
１および第２ベースバンド信号を合成する。なお、図中
のＫは、受信した信号光の電力（パワー）を表し、ａ
は、光混合器１２内で入力光が第１偏波（Ｐ）と第２偏
波（Ｓ）に分岐されるときの分岐比（Ｐ側がａならＳ側
は１−ａ）を表す。ここに自動利得制御回路５１は、中
間周波信号パワーＩＦ_P およびＩＦ_S を入力とし、その
和（ＩＦ_P ＋ＩＦ_S ）を用いてＫに反比例した値
（Ｋ^-1）を第３および第４可変利得制御回路３３，３４
に帰還し、いわゆるＡＧＣをかける。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の偏波ダイバーシ
ティ受信機においては、光局部発振器１１からの局部発
振光は第１偏波（Ｐ）系と第２偏波（Ｓ）系とに均等に
配分される、という前提で設計がなされている。しかし
ながら実際には種々の要因で上記の均等配分が正確には
行われていないものと考えられる。種々の要因として
は、局部発振光の偏光度（だ円率および主軸角）の変動
や、光局部発振器１１から光混合器１２に至る光ファイ
バ内および光混合器１２内での偏波状態の変動、温度変
動、経年変化等、多数の要因を挙げることができる。

【０００８】かくの如く局部発振光の第１偏波（Ｐ）光
と第２偏波（Ｓ）光とが、各光検波回路２１，２２に対
して均等に配分して入力されないことがあることに起因
して、次の２つの問題およびが生ずる。 受信機が持つ熱雑音よりも局部発振光のショット雑
音が十分大きいことが期待され、各偏波（Ｐ，Ｓ）成分
の受信機内での受信感度は、光局部発振器１１より入射
される局部発振光の電力（パワー）に大きく依存する。
したがって上記の均等配分が崩れると、Ｐ偏波側受信系
の受信感度とＳ偏波側受信系の受信感度とは均等でなく
なり、いずれか一方の系は他方の系よりも熱雑音による
受信感度の劣化が大きくなる。そうすると、受信機全体
としての受信感度は、いずれか悪い方の系の受信感度で
決まってしまうので、結局受信機全体としてみると性能
が低下してしまう、という第１の問題が生ずる。

【０００９】 各偏波（Ｐ，Ｓ）成分に含まれる受信
機内での雑音を、最も大きく支配するのは光局部発振器
１１からの局部発振光のショット雑音である。このショ
ット雑音の電力（パワー）は、当該局部発振光のパワー
にほぼ比例することから、上記の均等配分が崩れると、
Ｐ偏波側成分に含まれる雑音パワーとＳ偏波側成分に含
まれる雑音パワーとは均等でなくなる。そうすると、Ｐ
偏波系の雑音パワーとＳ偏波系の雑音パワーにアンバラ
ンスを生じ、最適な重み付け合成が期待できなくなり、
その結果として受信機の受信感度が劣化する、という第
２の問題を生ずる。

【００１０】したがって本発明は上記問題点に鑑み、既
述した局部発振光の偏光度の変動や経年変化等があって
も、偏波ダイバーシティ受信機全体の受信感度を常に最
適値に維持できるようにすることを目的とするものであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】図１は本発明によって新
たに加わる機能を説明する図である。なお図７に示した
従来の偏波ダイバーシティ受信機と同様の構成要素には
同一の参照番号または記号を付して示す。したがって新
たに導入された部分は、第１モニター手段６１、第２モ
ニター手段６２、偏波分配ずれ比検出部７０および分配
ずれ補償回路７１、可変利得増幅回路３５および３６で
ある。

【００１２】第１および第２モニター手段６１，６２
は、第１および第２光検波回路２１，２２内の各光電流
レベルをそれぞれモニターする。偏波分配ずれ比検出部
７０は、第１および第２モニター手段６１，６２からの
各モニター出力を入力として所定の演算を行い、その演
算結果を、分配ずれ補償回路７１に与える。分配ずれ補
償回路７１は、当該偏波分配ずれ比に応じて、一対の可
変利得増幅回路３５，３６の各利得を制御する。かくし
て、光混合器１２に入力される局部発振光の第１偏波
（Ｐ）光と第２偏波（Ｓ）光との間の入力配分のずれ
が、フィードフォーワード形式で補償される。

【００１３】

【作用】第１および第２モニター手段６１および６２に
よってそれぞれモニターされる第１偏波（Ｐ）系の光電
流レベルおよび第２偏波（Ｓ）系の光電流レベルは、光
局部発振器１１からの局部発振光の各偏波成分のパワ
ー、すなわち該局部発振光の第１偏波（Ｐ）光および第
２偏波（Ｓ）光の各パワーをそれぞれ表している。した
がって、これらの光電流レベルの間のずれを検出して、
局部発振光の第１および第２偏波光間の入力配分のずれ
を補償することができる。

【００１４】第１および第２偏波系の各光電流レベル
は、局部発振光の第１および第２偏波光の各電力（パワ
ー）をそれぞれ次のように表す。図１において信号光の
パワーをＰ_sgとし、光局部発振器１１からの局部発振光
のパワーをＰ_loとし、そしてこれらのパワーの電界強度
（Ｅ）をそれぞれＥ_sgおよびＥ_loで表すと、 Ｅ_sg（ｔ）＝√Ｐ_sgｃｏｓω_sgｔ Ｅ_lo（ｔ）＝√Ｐ_loｃｏｓω_loｔ （ｔは時間） と表すことができる。なお、この式はＰ偏波系でもＳ偏
波系でも同様に成立する。これらの電界を光混合器１２
において合波した値｜Ｅ｜² は、 ｜Ｅ｜² ＝｜√Ｐ_sgｃｏｓω_sgｔ＋√Ｐ_loｃｏｓω_loｔ｜² となる。これを展開すると、 ｜Ｅ｜² ＝１／２×Ｐ_sg＋１／２×Ｐ_lo ＋２√Ｐ_sg√Ｐ_loｃｏｓ（ω_sg−ω_lo）ｔ となる。この式のうち、１／２×Ｐ_sgは無視することが
できる。なぜなら一般にＰ_sg≪Ｐ_loが成立するからであ
る。また第３項の成分は数ＧＨ₂ の中間周波信号である
から、直流的な光電流レベルとしては１／２×Ｐ_loが支
配的になる。したがって、局部発振光の第１および第２
偏波光の各パワーのずれは、第１および第２モニター手
段６１，６２でそれぞれ検出された各光電流レベルＩ_P
およびＩ_Sによって定まる。

【００１５】具体的には、上記各パワーのずれを前述し
た偏波分配ずれ比ｂとして表すと、 Ｉ_P ：Ｉ_S ＝（１＋ｂ）：（１−ｂ） と表せるので、ｂは ｂ＝（Ｉ_P −Ｉ_S ）／（Ｉ_P ＋Ｉ_S ） と求めることができる。そこで第１および第２モニター
手段６１，６２で検出された上記Ｉ_P およびＩ_S を、偏
波分配ずれ比検出部７０に印加し、ｂを求める。このｂ
によって、一対の可変利得増幅回路３５および３６に対
し、分配ずれ補償回路７１を介してフィードフォワード
の制御を行う。この結果、局部発振光の第１および第２
偏波光の各パワーのずれが補償されることになる。

【００１６】

【実施例】図２は本発明の基本構成を示す図である。こ
の基本構成によれば、一対の可変利得増幅回路３５，３
６の機能のうち、局部発振光の分配ずれは可変利得増幅
回路３１，３２が専属に行い、そしてその他の重み付け
等の複雑な制御は可変利得制御増幅回路３３，３４が専
属に行うようにする。このように専属的に分化すれば各
回路の構成は単純化される。

【００１７】図３は光混合器および光検波回路の一例を
示す図である。受信した信号光は、偏波分離器（ビーム
スプリッタ）１３にて、ＰおよびＳ偏波として１／２ず
つに分波され、他方、局部発振光は偏波分離器１４にて
ＰおよびＳ偏波として１／２ずつに分波される。さらに
これらの分波された偏波光は、各偏波光対応に光カプラ
１５Ｐおよび１５Ｓにて合波される。

【００１８】光混合器１２からの合波された各偏波
（Ｐ，Ｓ）光は、それぞれ第１光検波回路２１および第
２光検波回路２２に印加され、ここで光／電気変換され
る。第１および第２光検波回路２１および２２は図示の
ようにホトダイオードで構成される。図４は光検波回路
の詳細な具体例とモニター手段の一例を示す図である。
図３より明らかなように、光カプラ１５Ｐおよび１５Ｓ
の各々における一対の出力光のうち一方のみが対応する
ホトダイオードに印加され、他方の出力光は捨てられて
いる。したがって、このような無駄を無くし、光カプラ
１５Ｐ，１５Ｓからの一対の出力光の双方を利用するた
めに、図４に示す公知のバランス形受光回路を用いるの
が好ましい。

【００１９】一方、図１や図２においては第１および第
２モニター手段６１，６２をそれぞれ単独の独立したブ
ロックとして示しているが、実際には光検波回路２１，
２２の中に組み入れて実現するのが有利である。つま
り、図４の第１光検波回路２１内において、第１モニタ
ー手段６１は、＋側光電流レベル検出部６３および−側
光電流レベル検出部６５と、これらの検出電流を合成す
る電流加算部６７によって構成する。

【００２０】同様にして、第２光検波回路２２内におい
て、第２モニター手段６２は、＋側光電流レベル検出部
６４および−側光電流レベル検出部６６と、これらの検
出電流を合成する電流加算部６８によって構成する。図
５は本発明の実施例を示す図である。本図において、偏
波分配ずれ比検出部７０は演算器７２で実現されてい
る。演算器７２は既述の式に則り、Ｉ_P −Ｉ_Sなる減算
と、Ｉ_P ＋Ｉ_S なる加算とＩ_P −Ｉ_S ／Ｉ_P ＋Ｉ_S なる
除算を順番に行い、偏波分配ずれ比ｂを出力する。ま
た、前述した第３および第４可変利得増幅回路３３，３
４は、第１および第２検波器８１，８２および自動利得
制御回路５１と共に信号光成分Ｋの変動に対するＡＧＣ
制御を行う。

【００２１】第１および第２光検波回路２１，２２から
の第１中間周波信号Ｋａ（１＋ｂ）および第２中間周波
信号Ｋ（１−ａ）（１ｂ）に対し、変動ならびにずれの
要因であるＫ（１＋ｂ）およびＫ（１−ｂ）の成分を、
（１＋ｂ）と（１−ｂ）に関しては第１および第２可変
利得増幅回路３１，３２で補償し、Ｋに関しては第３お
よび第４可変利得増幅回路３３，３４で調整する、とい
うように、“ｂ”と“Ｋ”に関しそれぞれ別個に、か
つ、独立に制御を行う。この結果、ｂとＫについての補
償ならびに調整動作が無理なく楽に行え、したがってハ
ードウェア（３１〜３４，７０，７１，７２，５１）も
シンプルになる。

【００２２】図６は図５における自動利得制御回路５１
の一例を示す図である。本図において２つの中間周波信
号のパワー成分ａおよび（１−ａ）を、例えば包絡線検
波器からなる第１および第２検波器８１，８２でモニタ
ーし、加算器９２に加える。加算器９２は自動利得制御
回路５１の前段に配置され、その後段にはゲインＧのア
ンプ９３が配置される。アンプ９３は、第３および第４
可変利得増幅回路３３，３４に対し共通にＡＧＣ制御信
号（Ｋ^-1）を送出する。

【００２３】すなわち、第１および第２検波器８１，８
２でそれぞれモニターされたパワーをＰ₁ およびＰ₂ と
すると、加算器９２において Ｐ₁ ＋Ｐ₂ ＝Ｋａ＋Ｋ（１−ａ）＝Ｋ なる出力が得られ、これをアンプ９３を介して第３およ
び第４可変利得増幅回路３３，３４にフィードバックす
る。このため、信号光の偏波状態（＝ａ）に依存するこ
となく、全信号光電力Ｋの変動のみを抽出することがで
きる。

【００２４】最後に図１に示す構成における動作を数式
を用いて補足説明する。コヒーレント検波方式は、一般
に次のような信号対雑音比Ｓ／Ｎで表される。 Ｓ／Ｎ＝［２Ｐ_S ×Ｐ_L （ｅη／ｈν）² ］／［（２Ｐ_L ×ｅη／ｈν） ＋（４ｋＴ／Ｒ）］Ｂ ただし、Ｐ_S ：信号光パワー、 ν：光周波数 Ｐ_L ：局部発振光パワー、 ｋ：ボルツマン定数 ｅ ：電子素量、 Ｔ：温度 η ：量子効率、 Ｒ：負荷抵抗 ｈ ：プランク定数、 Ｂ：周波数帯域 である。

【００２５】ここで、雑音（上記式の分母側）の第１
項、第２項は、それぞれ局部発振光のショット雑音、熱
雑音を示す。局部発振光パワーＰ_L が大きい場合には、
局部発振光のショット雑音が支配的になり、従来の光強
度変調・直接検波方式と比較して受信感度の改善が得ら
れる。以下の議論では、簡単のために、「局部発振光パ
ワーＰ_L が十分大きい」と仮定し、熱雑音を無視して議
論する。

【００２６】今、偏波ダイバーシティ受信方式におい
て、Ｐ偏波およびＳ偏波の受信機に分配される信号光パ
ワーおよび局部発振光パワーを、それぞれ Ｐ_SP＝ａ・Ｐ_SO （０≦ａ≦１） Ｐ_SS＝（１−ａ）・Ｐ_SO （０≦ａ≦１） Ｐ_Lp＝［（１＋ｂ）／２］Ｐ_LO （−１≦ｂ≦１） Ｐ_ls＝［（１−ｂ）／２］Ｐ_LO （−１≦ｂ≦１）と
おく。 ただし、ａは前述の分岐比、ｂは前述の偏波分配ずれ
比、Ｐ_SP，Ｐ_SSはそれぞれＰ偏波およびＳ偏波の各信号
光パワー（Ｐ_S ）、Ｐ_LpおよびＰ_lsはそれぞれＰ偏波お
よびＳ偏波の各局部発振光パワー（Ｐ_L ）、Ｐ_SO，Ｐ_LO
はそれぞれ信号光および局部発振光の全パワーである。

【００２７】したがって、Ｐ偏波およびＳ偏波の各受信
系で得られる電気信号パワーＳ_P ，Ｓ_S 、および雑音信
号パワーＮ_P ，Ｎ_S は、 Ｓ_P ＝ａ（１＋ｂ）・Ｐ_SOＰ_LO（ｅη／ｈν）² Ｓ_S ＝（１−ａ）（１−ｂ）・Ｐ_SOＰ_LO（ｅη／ｈν）² Ｎ_P ＝（１＋ｂ）・Ｐ_LO（ｅη／ｈν） Ｎ_S ＝（１−ｂ）・Ｐ_LO（ｅη／ｈν） と書ける。

【００２８】ところで局部発振光のＰおよびＳ偏波光間
に分配ずれがない（ｂ＝０）ことを前提とした従来のコ
ヒーレント検波方式では、自動利得制御を行う上で重要
な既述のパラメータＩＦ_P ＋ＩＦ_S は、 ＩＦ_P ＋ＩＦ_S ＝Ｓ_P ＋Ｓ_S ＝Ｐ_SOＰ_LO（ｅη／ｈν）² になり、信号光の偏波状態による分岐比ａに依存しな
い。

【００２９】一方、前記の分配ずれｂが生じる（ｂ≠
０）場合には、 ＩＦ_P ＋ＩＦ_S ＝［ａ（１＋ｂ）＋（１−ａ）（１−ｂ）］ ×Ｐ_SOＰ_LO（ｅη／ｈν）² ＝（１−ｂ＋２ａｂ）・Ｐ_SOＰ_LO（ｅη／ｈν）² になり、信号光の偏波状態による分岐比ａにも依存し、
適正な制御が行われない。

【００３０】そこで、以下に述べる方法で、分配ずれｂ
を抽出し、フィードフォワードで補正を加える。Ｐ偏波
およびＳ偏波の各受信系で検出できる局部発振光の光電
流レベル（Ｉ_P ，Ｉ_S ）は、 Ｉ_P ＝［（１＋ｂ）／２］Ｐ_LO（ｅη／ｈν） Ｉ_S ＝［（１−ｂ）／２］Ｐ_LO（ｅη／ｈν） であるから、分配ずれｂは、 ｂ＝（Ｉ_P −Ｉ_S ）／（Ｉ_P ＋Ｉ_S ） と求めることができる。従って、これに基づいて電気信
号および雑音信号パワーＳ_P ，Ｓ_S ，Ｎ_P ，Ｎ_S を以下
のように補正することができる。

【００３１】 Ｓ_P ＝Ｓ_P ／（１＋ｂ） ＝ａ・Ｐ_SOＰ_LO（ｅη／ｈν）² Ｓ_S ＝Ｓ_S ／（１−ｂ） ＝（１−ａ）・Ｐ_SOＰ_LO（ｅη／ｈν）² Ｎ_P ＝Ｎ_P ／（１＋ｂ） ＝Ｐ_LO（ｅη／ｈν） Ｎ_S ＝Ｎ_S ／（１−ｂ） ＝Ｐ_LO（ｅη／ｈν）

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、受
信感度の劣化が、局部発振光のＰおよびＳ偏波間におけ
る分配ずれｂにも起因することに着目し、これのみを独
立して自動的に補償できるようにして、偏波ダイバーシ
ティ受信機の受信感度が長期に亘って徐々に劣化するこ
とを確実に防止可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により新たに加わる機能を説明するため
の図である。

【図２】本発明の基本構成図である。

【図３】光混合器および光検波回路の一例を示す図であ
る。

【図４】光検波回路の詳細な具体例とモニター手段の一
例を示す図である。

【図５】本発明の実施例を示す図である。

【図６】図５における自動利得制御回路の一例を示す図
である。

【図７】従来の偏波ダイバーシティ受信機の基本構成を
示す図である。

【符号の説明】

１１…光局部発振器 １２…光混合器 ２１，２２…第１および第２光検波回路 ３１，３２…第１および第２可変利得増幅回路 ３３，３４…第３および第４可変利得増幅回路 ４１，４２…第１および第２復調回路 ５１…自動利得制御回路 ５２…加算回路 ６１，６２…第１および第２モニター手段 ７０…偏波分配ずれ比検出部 ７１…分配ずれ補償回路 ８１，８２…第１および第２検波器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 局部発振光を出力する光局部発振器（１
   １）と、前記局部発振光の第１および第２偏波光と、受
   信した信号光の第１および第２偏波光とを混合して、第
   １偏波混合光および第２偏波混合光を出力する光混合器
   （１２）と、 前記第１および第２偏波混合光を光／電気変換して第１
   および第２の中間周波信号をそれぞれ出力する第１およ
   び第２光検波回路（２１，２２）と、 前記第１および第２中間周波信号を可変の利得でそれぞ
   れ増幅する一対の可変利得増幅回路（３３，３４）と、 前記一対の可変利得増幅回路の各出力に現れる前記信号
   光の電力をそれぞれ検出する一対の検波器（８１，８
   ２）と、 前記一対の検波器からの各検波出力に基づいて前記一対
   の可変利得増幅回路の各々に対して自動利得制御を行う
   自動利得制御回路（５１）と、 前記一対の可変利得増幅回路で増幅された前記第１およ
   び第２中間周波信号をそれぞれ復調する第１および第２
   復調回路（４１，４２）と、 前記復調後の第１および第２ベースバンド信号を合成す
   る加算回路（５２）とを有する偏波ダイバーシティ受信
   機において、 前記第１および第２光検波回路（２１，２２）と、前記
   一対の可変利得増幅回路（３３，３４）との間にそれぞ
   れ直列に挿入される第１および第２可変利得増幅回路
   （３１，３２）と、 前記第１および第２光検波回路内の各光電流レベルをそ
   れぞれモニターする第１および第２モニター手段（６
   １，６２）と、 前記第１および第２モニター手段からの各モニター出力
   を入力として、前記光混合器に入力される前記局部発振
   光の前記第１偏波光と第２偏波光との間の入力配分のず
   れを表す偏波分配ずれ比を検出する偏波分配ずれ比検出
   部（７０）と、 前記偏波分配ずれ比検出部（７０）により検出された偏
   波分配ずれ比に応じて前記第１および第２可変利得増幅
   回路の各利得を制御する分配ずれ補償回路（７１）と、
   を設けることを特徴とする偏波ダイバーシティ受信機。