WO2011105351A1 - 光復調器 - Google Patents

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phase shift
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原　徳隆
宮地　正英
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住友大阪セメント株式会社
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60—Receivers
    • H04B10/66—Non-coherent receivers, e.g. using direct detection
    • H04B10/67—Optical arrangements in the receiver
    • H04B10/676—Optical arrangements in the receiver for all-optical demodulation of the input optical signal
    • H04B10/677—Optical arrangements in the receiver for all-optical demodulation of the input optical signal for differentially modulated signal, e.g. DPSK signals

Definitions

  • the present invention relates to an optical demodulator, and more particularly to an optical demodulator that demodulates an optical signal subjected to differential phase shift keying such as DQPSK modulation.
  • DQPSK modulation differential quadrature phase shift keying
  • OOK binary intensity modulation
  • On-Off keying the signal band is narrow, the frequency utilization efficiency can be improved and the transmission distance can be increased, and higher sensitivity can be expected.
  • the four-phase phase shift keying (QPSK modulation, Quadrature Phase Shift keying) method is applied to each symbol “00”, “01”, “11” and “10” composed of 2-bit data.
  • “ ⁇ ”, “ ⁇ + ⁇ / 2”, “ ⁇ + ⁇ ”, and “ ⁇ + 3 ⁇ / 2” are assigned.
  • “ ⁇ ” is an arbitrary phase.
  • the receiver reproduces the transmission data by detecting the phase of the received signal.
  • the receiver can recover the transmission data by detecting the phase difference between two adjacent symbols.
  • FIG. 2 shows an example of a delay interferometer configured by a spatial optical system.
  • the incident light is split into two via a half mirror or a polarization beam splitter 1, one being a prism mirror 5 and the other being a prism mirror 4.
  • the branched light reflected from each prism mirror is again combined by the half mirror or the polarization beam splitter 1.
  • the delay amount of one branched light can be adjusted by the silicon plate 2.
  • the delay amount is adjusted by providing a heater 3 for heating the silicon plate 2 and adjusting the optical path length by controlling the temperature of the silicon plate. This is due to the fact that the refractive index of the silicon plate is still highly temperature dependent.
  • the optical path length adjustment by controlling the temperature of the silicon plate has a slow response speed of about 1 second. Moreover, at such a response speed, it is impossible to use the optical demodulator as a part of the phase modulation signal as a dither signal in order to monitor the optimum operating state of the optical demodulator.
  • b A method of changing the refractive index by applying a voltage to a transparent substrate having an electro-optic effect
  • c A method of rotating a transparent substrate inserted in an optical path around an axis perpendicular to the optical axis
  • the response speed is as slow as about 1 second.
  • the method (b) in order to change the refractive index of the substrate, several It requires a voltage of 100V and is not practical.
  • the optical path shift amount parallel movement of the optical path
  • the optical system becomes complicated and the optical loss increases. there were.
  • the problem to be solved by the present invention is to solve the above-described problems, and to construct a delay interferometer used when demodulating an optical signal subjected to differential phase shift key modulation with a spatial optical system, and to provide a delay amount.
  • An object of the present invention is to provide an optical demodulator that increases the response speed of control and suppresses optical path shift.
  • the invention according to claim 1 divides an optical signal that has been subjected to differential phase shift keying into a plurality of signals, and after giving a predetermined delay amount between the branched branched lights, a delay amount providing means for adding the delay amount is provided.
  • a plurality of wedge-shaped optical elements disposed in at least a part of the optical path of the branched light, and having displacement means for displacing at least one of the optical elements without changing the optical path shift of the branched light. It is characterized by that.
  • the invention according to claim 2 is characterized in that, in the optical demodulator according to claim 1, the displacement means electrically controls the amount of movement of the optical element.
  • the invention according to claim 3 is the optical demodulator according to claim 2, wherein the displacement means is a piezoelectric element or a stepping motor.
  • the dither signal is superimposed on the branched light or the multiplexed light multiplexed by using the branched light by the displacement of the displacement means. It is characterized by that.
  • the invention according to claim 5 is characterized in that, in the optical demodulator according to any one of claims 1 to 4, the differential phase shift keying is a DPSK or DQPSK optical modulation.
  • the optical signal that has been subjected to differential phase shift keying is branched into a plurality of branches, a predetermined delay amount is given between the branched branched lights, and the branched lights are combined in a specific combination.
  • the delay amount providing means for adding the delay amount includes the optical path of the branched light Consisting of a plurality of wedge-shaped optical elements arranged at least in part, and having displacement means for displacing at least one of the optical elements without changing the optical path shift of the branched light, It is possible to increase the response speed. Further, since a plurality of wedge-shaped optical elements are used, no optical path shift occurs, the spatial optical system is not complicated, and light loss is suppressed.
  • the displacement means electrically controls the movement amount of the optical element, the response speed of the delay amount adjustment can be increased.
  • the displacement means is a piezoelectric element or a stepping motor
  • the response speed of delay amount adjustment can be increased to about 1 ms.
  • the voltage applied to the displacement means is about several volts, the delay amount can be easily adjusted.
  • the electrical element used for the displacing means is not limited to the above as long as the movement amount of the optical element can be controlled at high speed.
  • the phase for monitoring the optimum operating state of the optical demodulator for superimposing the dither signal on the branched light or the multiplexed light multiplexed using the branched light by the displacement of the displacement means can also be used as part of the modulation signal. For this reason, there is no deterioration in the ON-OFF extinction ratio of the phase modulation signal.
  • the optical demodulator of the present invention is used as an optical demodulator for DPSK or DQPSK optical modulation. It becomes possible.
  • the present invention branches a differential phase shift keyed optical signal into a plurality of branches, gives a predetermined delay amount between the branched branched lights, and then branches the optical signal in a specific combination.
  • the delay amount adding means that adds the delay amount includes the branched light.
  • Displacement means configured to displace at least one of the optical elements (11) without changing the optical path shift of the branched light. 12.
  • a half mirror or a polarization beam splitter 1 can be suitably used.
  • the two branched lights are returned to the same half mirror or polarization beam splitter 1 again using the two prism mirrors 4 and 5, but when the spatial optical system can be made large, It is also possible to configure so as to combine with other half mirrors or polarization beam splitters.
  • two prisms 10 and 11 are inserted in the optical path as wedge-shaped optical elements in order to adjust the delay amount.
  • the angle of the tip of the prism in FIG. 3 is set to 30 °, for example.
  • the prism 11 can use a piezoelectric element, for example, a piezo element as a displacement means, and the optical path length can be adjusted most efficiently by displacing the prism in the longitudinal direction (the direction of arrow A in FIG. 3). it can.
  • the arrangement of the prism and the piezoelectric element as shown in FIG. 3, it is possible to efficiently move the prism with the least applied voltage.
  • the optical path shift amount does not change even if the prism moves. For this reason, the spatial optical system is not complicated, and light loss is also suppressed. If the distance between the prisms is made as small as possible, the initial optical path shift amount can be suppressed. Therefore, the spatial optical system is not complicated and the optical design is facilitated.
  • the displacement means of the optical element electrically controls the movement amount of the optical element.
  • the response speed for adjusting the delay amount can be increased to about 1 ms by using a piezoelectric element or a stepping motor.
  • the voltage applied to the displacement means is about several volts, the delay amount can be adjusted very practically.
  • the optical demodulator of the present invention uses delay amount providing means with a fast response speed, for example, by periodically driving a displacement means for moving a wedge-shaped optical element, the branched light or the branched light is It becomes possible to superimpose a dither signal on the combined light combined.
  • a dither signal can also be used as part of a phase modulation signal for monitoring the optimum operating state of the optical demodulator.
  • the optical demodulator of the present invention does not cause an optical path shift, there is no deterioration in the ON-OFF extinction ratio of the phase modulation signal.
  • the differential phase shift keying to which the optical demodulator of the present invention is applied it can be suitably used for DPSK or DQPSK optical modulation.
  • the optical demodulator of the present invention can be used particularly suitably for a device that adjusts a delay amount in a spatial optical system.
  • the delay interferometer used when demodulating the optical signal that has been subjected to differential phase shift keying is configured with a spatial optical system, and the response speed of the delay amount control is increased. And it becomes possible to provide the optical demodulator which suppressed the optical path shift.

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Abstract

　差動位相偏移変調された光信号を復調する際に用いられる遅延干渉計を空間光学系で構成するとともに、遅延量制御の応答速度を高め、かつ光路シフトを抑制した光復調器を提供することを目的とする。　差動位相偏移変調された光信号を複数に分岐し、分岐された分岐光の間に所定の遅延量を付与した後、特定の組み合わせで該分岐光を合波し、合波された合波光の状態に基づき、差動位相偏移変調に係る電気信号を復調する光復調器において、該遅延量を付与する遅延量付与手段は、該分岐光の光路の少なくとも一部に配置された複数の楔形の光学素子１０，１１から構成され、該分岐光の光路シフトを変化させずに、該光学素子の少なくとも１つを変位させる変位手段１２を有することを特徴とする。

Description

光復調器
　本発明は、光復調器に関し、特に、ＤＱＰＳＫ変調などの差動位相偏移変調された光信号を復調する光復調器に関する。
　通信トラフィックの増大に伴い、高速・大容量化が求められる次世代長距離大容量光通信システムでは、多値変復調符号化技術の導入が検討されている。その代表的なものの一つに差動四相位相偏移変調（ＤＱＰＳＫ変調，Differential Quadrature Phase Shift keying）方式がある。この方式では、従来の２値強度変調（ＯＯＫ，On-Off keying）方式と比べ、信号帯域が狭く、周波数利用効率の向上や伝送距離の拡大が実現できるほか、高感度化も期待できる。
　まず、四相位相偏移変調（ＱＰＳＫ変調，Quadrature Phase Shift keying）方式は、２ビットのデータから構成される各シンボル「００」，「０１」，「１１」及び「１０」に対して、「θ」，「θ＋π／２」，「θ＋π」及び「θ＋３π／２」が割り当てられる。ここで、「θ」は任意の位相である。そして、受信器は、受信信号の位相を検出することにより、送信データを再生する。ＱＰＳＫ変調方式を比較的容易に実現する手段として、ＤＱＰＳＫ変調方式があり、ＤＱＰＳＫ変調では、先に送信したシンボルの値と次に送信するシンボルの値との間の搬送波の位相変化量（「０」,「π／２」，「π」及び「３π／２」）が送信情報の２ビットに対応付けられる。したがって、受信器は、隣接する２つのシンボル間の位相差を検出することにより、送信データを再生することができる。
　特許文献１又は２に示すように、ＤＱＰＳＫ変調された光信号を復調するには、図１のようなＩ（In-phase）信号生成用とＱ（Quadrature）信号生成用の２つの遅延干渉計（導波路１０２と１０３による遅延干渉計、または、導波路１０４と１０５による遅延干渉計）を必要とし、しかも、高精度で位相差を復調する必要がある。図１では、光信号αを２つの遅延干渉計に入れるため、分岐部１０１で２つに分岐されている。各遅延干渉計を経た光波ａ１とａ２、又は光波ａ３とａ４は、各々のバランスド受光素子に入射されてＩ信号やＱ信号を出力する。遅延干渉計では、遅延量を高精度に制御することが必要であり、一般的に、光路長調整素子を遅延干渉計の一方の導波路に挿入することが行われている。
　遅延干渉計としては、特許文献３乃至５に示すように、空間光学系で構成することが提案されている。図２は、空間光学系で構成した遅延干渉計の一例であり、ハーフミラー又は偏光ビームスプリッター１を介して、入射光を２つに分岐し、一方をプリズムミラー５に、他方をプリズムミラー４に導出し、各プリズムミラーから反射された分岐光を、再度、ハーフミラー又は偏光ビームスプリッター１により合波している。そして、一方の分岐光について、シリコン板２により遅延量を調整できるよう構成されている。遅延量の調整方法は、シリコン板２を加熱するヒータ３を設け、シリコン板の温度制御することにより光路長の調整を行っている。これは、シリコン板の屈折率が温度依然性が高いことに起因している。
　しかしながら、シリコン板の温度制御による光路長調整は、応答速度が１秒程度と遅い。しかも、このような応答速度では、光復調器の最適動作状態をモニタするためディザー信号として位相変調信号の一部として利用することも不可能である。
　空間光学系における光路長の調整方法としては、以下のような各種方法がある。
（ａ）光路に挿入した透明素子について温度調整を行い、屈折率変化や熱膨張などを利用する方法
（ｂ）電気光学効果を有する透明基板に電圧を印加し屈折率を変化する方法
（ｃ）光路に挿入した透明基板を光軸に垂直な軸を中心に回転させる方法
　上記（ａ）の方法では、上述したように、温度変化を利用するため、応答速度が１秒程度と遅いこと、上記（ｂ）の方法では、基板の屈折率を変化させるためには、数百Ｖの電圧を必要として実用的でない。また、上記（ｃ）の方法では、透明基板を回転させると光路長の変化と同時に光路シフト量（光路の平行移動）が変化し、光学系が複雑化したり、光損失が増大するという問題があった。
特開２００６－２９５６０３号公報 特開２００７－１５８８５２号公報 特願２００９－６８０１７号（２００９年３月１９日出願） 特願２００９－８０３１９号（２００９年３月２７日出願） 特願２００９－２２８２９３号（２００８年９月３０日出願）
　本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、差動位相偏移変調された光信号を復調する際に用いられる遅延干渉計を空間光学系で構成するとともに、遅延量制御の応答速度を高め、かつ光路シフトを抑制した光復調器を提供することである。
　上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、差動位相偏移変調された光信号を複数に分岐し、分岐された分岐光の間に所定の遅延量を付与した後、特定の組み合わせで該分岐光を合波し、合波された合波光の状態に基づき、差動位相偏移変調に係る電気信号を復調する光復調器において、該遅延量を付与する遅延量付与手段は、該分岐光の光路の少なくとも一部に配置された複数の楔形の光学素子から構成され、該分岐光の光路シフトを変化させずに、該光学素子の少なくとも１つを変位させる変位手段を有することを特徴とする。
　請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光復調器において、該変位手段は該光学素子の移動量を電気的に制御することを特徴とする。
　請求項３に係る発明では、請求項２に記載の光復調器において、該変位手段は圧電素子またはステッピングモータであることを特徴とする。
　請求項４に係る発明では、請求項１乃至３に記載の光復調器において、該変位手段の変位により、該分岐光又は該分岐光を用いて合波された合波光にディザー信号を重畳することを特徴とする。
　請求項５に係る発明では、請求項１乃至４のいずれかに記載の光復調器において、該差動位相偏移変調は、ＤＰＳＫ方式又はＤＱＰＳＫ方式の光変調であることを特徴とする。
　請求項１に係る発明により、差動位相偏移変調された光信号を複数に分岐し、分岐された分岐光の間に所定の遅延量を付与した後、特定の組み合わせで該分岐光を合波し、合波された合波光の状態に基づき、差動位相偏移変調に係る電気信号を復調する光復調器において、該遅延量を付与する遅延量付与手段は、該分岐光の光路の少なくとも一部に配置された複数の楔形の光学素子から構成され、該分岐光の光路シフトを変化させずに、該光学素子の少なくとも１つを変位させる変位手段を有するため、遅延量調整に係る応答速度を高めることが可能である。また、複数の楔形の光学素子を用いるため、光路シフトが発生せず、空間光学系が複雑化しない上、光損失も抑制される。
　請求項２に係る発明により、該変位手段は該光学素子の移動量を電気的に制御するため、遅延量調整の応答速度を高速化することができる。
　請求項３に係る発明により、変位手段は圧電素子またはステッピングモータであるため、遅延量調整の応答速度を１ｍｓ程度まで高速化することも可能となる。また、上記変位手段に印加される電圧は数Ｖ程度であるため、遅延量調整も容易に実現可能となる。なお、変位手段に用いる電気的素子は該光学素子の移動量を高速に制御できるものであれば上記に限定されることはない。
　請求項４に係る発明により、変位手段の変位により、分岐光又は該分岐光を用いて合波された合波光にディザー信号を重畳するため、光復調器の最適動作状態をモニタするための位相変調信号の一部としても利用することが可能となる。このため、位相変調信号のＯＮ－ＯＦＦ消光比の劣化もない。
　請求項５に係る発明により、差動位相偏移変調は、ＤＰＳＫ方式又はＤＱＰＳＫ方式の光変調であるため、本発明の光復調器をＤＰＳＫ方式又はＤＱＰＳＫ方式の光変調用光復調器として利用することが可能となる。
２つの遅延干渉計で構成されるＤＱＰＳＫ変調の光受信器を示す図である。 従来の光復調器に利用される遅延干渉計の一例を示す図である。 本発明の光復調器に利用される遅延干渉計の一例を示す図である。
　以下、本発明の光復調器について、好適例を用いて詳細に説明する。
　本発明は、図３に示すように、差動位相偏移変調された光信号を複数に分岐し、分岐された分岐光の間に所定の遅延量を付与した後、特定の組み合わせで該分岐光を合波し、合波された合波光の状態に基づき、差動位相偏移変調に係る電気信号を復調する光復調器において、該遅延量を付与する遅延量付与手段は、該分岐光の光路の少なくとも一部に配置された複数の楔形の光学素子１０，１１から構成され、該分岐光の光路シフトを変化させずに、該光学素子の少なくとも１つ（１１）を変位させる変位手段１２を有することを特徴とする。
　図３に示すように、差動位相偏移変調された光信号を複数に分岐する際には、ハーフミラー又は偏光ビームスプリッター１が好適に利用可能である。図３では、２つの分岐光を２つのプリズムミラー４，５を利用して、再度、同じハーフミラー又は偏光ビームスプリッター１に戻して合波させているが、空間光学系を大きくとれる場合には、他のハーフミラーや偏光ビームスプリッターで合波するよう構成することも可能である。
　一方の分岐光については、遅延量を調整するため、楔形の光学素子として２つのプリズム１０，１１を光路に挿入している。図３のプリズムの先端の角度は、例えば、３０°に設定されている。プリズム１１は、変位手段として圧電素子、例えば、ピエゾ素子が利用可能であり、プリズムをその長手方向（図３の矢印Ａの方向）に変位させれば、最も効率良く光路長を調整することができる。しかも、プリズムと圧電素子との配置を図３のように構成することで、最も少ない印加電圧で効率良くプリズムを移動させることが可能である。
　図３からも分かるように、複数の楔形の光学素子を用いるため、プリズムが移動しても光路シフト量は変化しない。このため、空間光学系が複雑化しない上、光損失も抑制される。なお、各プリズム間の距離を極力小さくすれば初期の光路シフト量が抑えられるため、空間光学系が複雑化せず、光学設計も容易となる。
　しかも、光学素子の変位手段としては、光学素子の移動量を電気的に制御するものが好ましい。具体的には、圧電素子またはステッピングモータを利用することにより、遅延量調整に係る応答速度を１ｍｓ程度に高めることが可能である。しかも、上記変位手段に印加される電圧は数Ｖ程度であるため、極めて実用的に遅延量調整を行うことが可能となる。
　本発明の光復調器では、応答速度が速い遅延量付与手段を利用しているため、例えば、楔形の光学素子を移動させる変位手段を周期的に駆動させることにより、分岐光又は該分岐光を用いて合波された合波光にディザー信号を重畳することが可能となる。このようなディザー信号は、光復調器の最適動作状態をモニタするための位相変調信号の一部としても利用することが可能となる。しかも、本発明の光復調器は、光路シフトも発生しないため、位相変調信号のＯＮ－ＯＦＦ消光比の劣化もない。
　また、本発明の光復調器が適用される差動位相偏移変調としては、ＤＰＳＫ方式又はＤＱＰＳＫ方式の光変調についても好適に利用可能である。また、本発明の光復調器は、特に、空間光学系で遅延量調整を行うものについては、特に好適に利用可能である。
　以上説明したように、本発明によれば、差動位相偏移変調された光信号を復調する際に用いられる遅延干渉計を空間光学系で構成するとともに、遅延量制御の応答速度を高め、かつ光路シフトを抑制した光復調器を提供することが可能となる。
１　ハーフミラー（偏光ビームスプリッター）
２　シリコン板
３　ヒーター
４，５　プリズムミラー
１０，１１　楔形の光学素子（プリズム）
１２　圧電素子

Claims (5)

  1. 　差動位相偏移変調された光信号を複数に分岐し、分岐された分岐光の間に所定の遅延量を付与した後、特定の組み合わせで該分岐光を合波し、合波された合波光の状態に基づき、差動位相偏移変調に係る電気信号を復調する光復調器において、
    　該遅延量を付与する遅延量付与手段は、該分岐光の光路の少なくとも一部に配置された複数の楔形の光学素子から構成され、該分岐光の光路シフトを変化させずに、該光学素子の少なくとも１つを変位させる変位手段を有することを特徴とする光復調器。
  2. 　請求項１に記載の光復調器において、該変位手段は該光学素子の移動量を電気的に制御することを特徴とする光復調器。
  3. 　請求項２に記載の光復調器において、該変位手段は圧電素子またはステッピングモータであることを特徴とする光復調器。
  4. 　請求項１乃至３に記載の光復調器において、該変位手段の変位により、該分岐光又は該分岐光を用いて合波された合波光にディザー信号を重畳することを特徴とする光復調器。
  5. 　請求項１乃至４のいずれかに記載の光復調器において、該差動位相偏移変調は、ＤＰＳＫ方式又はＤＱＰＳＫ方式の光変調であることを特徴とする光復調器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006287493A (ja) * 2005-03-31 2006-10-19 Fujitsu Ltd Ｍ相差分位相偏移変調方式に対応した光受信器
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