JP2020036229A - 光干渉回路 - Google Patents
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Abstract
Description
f0’=f0−fCLK+δf−δf’
となる。
f1=f0’+fCLK+ferr
の光が再生され、これが再生基準光となる。ferrは、周波数ロックがずれてしまった場合の周波数ずれ量であり、PLLがきちんと動作していればferr=0となる。
ΔfLD=f1−f0’=fCLK+ferr
の干渉ビート信号が検出(ヘテロダイン検波)される。このビート信号とクロック源125からのクロック周波数fCLKとをミキサ126で乗算し、図示しない適切な低域通過フィルタ(LPF)を通すことにより、ベースバンドでの誤差信号として周波数ずれferrを検出することができる。すなわち、ミキサ126は、LPF等を組み合わせることにより、クロック周波数fCLKに対する一種の周波数比較を行う周波数比較器として動作する。なお、必要に応じてビート信号をミキサ126に入力する前に、分周器で分周して位相比較範囲(ロック範囲)を拡大することもできる。
f1’=f1+fsb+δf+fsa
=(f0’+fCLK)+(−fm−fCLK)+δf+(fm−δf’)
=f0’+δf−δf’=(f0−fCLK+δf−δf’)+δf−δf’
=f0−fCLK+2(δf−δf’)
となる。この逆伝搬した再生基準光f1’と元の周波数基準光f0とは、空間型光干渉回路111で干渉し、光検出器112では両基準光の差
Δffbr=f0−f1’=fCLK+2(δf’−δf)
の干渉ビート信号が検出(ヘテロダイン検波)される。
(偏波直交型光干渉回路の構成)
図4に、本発明の第1の実施形態に係る基準光再生およびファイバ長揺らぎ補償に用いる偏波直交型の光干渉回路200の構成を示す。光干渉回路200は、導波路を用いた光回路で構成され、再生基準光入力ポート201からの光を分岐する分岐カプラ202と、分岐カプラ202の一方の出力に接続される周波数同期検出回路210と、他方の出力に接続される伝送路長揺らぎ検出回路220とから構成される。
光干渉回路200の動作について、以下に説明する。ここでは、再生基準光入力ポート201へは再生基準光がTM偏波で入力され、参照光経路218、228に偏波回転器213、223が設置されているとする。また、PBS212、222は、TM偏波光がクロス経路(タップカプラ211、221と伝送路ファイバ入出力ポート215、225を結ぶ経路)、TE偏波光がバー経路(3dBカプラ214、224と伝送路ファイバ入出力ポート215、225を結ぶ経路)で100%伝搬するように設計されているとする。再生基準光入力ポート201へ入力された再生基準光は、分岐カプラ202で分岐され、周波数同期検出回路210と伝送路揺らぎ検出回路220とに入力される。
次に、環境温度変化による光干渉回路200の物理的なサイズの伸び縮み、すなわち、経路長の温度依存性の影響と、導波路の等価屈折率の温度依存性の影響を極力小さくする回路設計について詳細に説明する。温度依存性の影響を小さくする為ためには、分岐カプラ202から周波数同期検出回路210のタップカプラ211、参照光経路218を経由して3dBカプラ214までの経路長L0と、分岐カプラ202から伝送路長揺らぎ検出回路220のタップカプラ221、参照光経路228を経由して3dBカプラ224までの経路長L1が同じになる(L0=L1)ように設計する。光が感じる経路の長さ、すなわち光路長は、経路長に導波路の等価屈折率neqを乗じた値となるので、上記の各経路の光路長Lp0、Lp1は、それぞれ、
Lp0=neq・L0
Lp1=neq・L1
となる。環境温度の変動によって、光干渉回路200の物理的なサイズの伸び縮みが生じても、その伸び縮みの比率は、光干渉回路200の中では概ね均一であると考えて良いので、常にL0=L1が保たれることから、Lp1=Lp0が保たれる。また、環境温度が変化して導波路の等価屈折率neqが変化しても、やはり、Lp1=Lp0が保たれる。
Lp0=neqTM・(L01+L02)+neqTE・L03
Lp1=neqTM・(L11+L12)+neqTE・L13
となる。従って、環境温度変動があってもLp0=Lp1を維持するためには、
L01+L02=L11+L12、L03=L13
となるように設計することが望ましい。
L06=L02+L03=L04+L05
さらに、複屈折の影響も考慮する場合は、L02=L04、L03=L05となるように設計する。このように設計を行っておけば、前者の経路の光路長Lp04+Lp05に相当する経路長は、
neqTM・L04+neqTE・L05
であり、後者の経路の光路長Lp06に相当する経路長は、
neqTM・L02+neqTE・L03
であるので、環境温度変化よって等価屈折率や導波路長の変動があっても、Lp04+Lp05=Lp06が維持される。
タップカプラ211、221の結合率、いわゆるタップ率の詳細設計について説明する。タップカプラ211は、結合率可変の光カプラとして、使用状況に応じて結合率を調整する。一方、干渉ビート信号の振幅が最大になる結合率は、以下に示すように50%になるので、回路構成の簡素化のため、通常は結合率が50%に固定された光カプラを用いても良い。3dBカプラ214、224の結合率は、上述したように、差動光検出器における検出時に直流成分を相殺させるために、50%に設計する。
干渉ビート信号の検出感度に関して述べる。例として周波数同期検出回路210で説明するが、伝送路揺らぎ検出回路220でも同様である。干渉ビート信号は、検出光出力ポート216/217のいずれか一方の出力に通常の光検出器(シングルエンド光検出器)を接続した構成を用いても検出することができる。この場合、シングルエンド光検出器からは、式1または式2で表される光電力に比例した光電流が出力される。従って、振幅がPLとPSの相乗平均に比例した周波数Δfの干渉ビート信号が得られることになる。
(同一偏波型光干渉回路の構成)
図7に、本発明の第2の実施形態に係る基準光再生およびファイバ長揺らぎ補償に用いる同一偏波型の光干渉回路300の構成を示す。光干渉回路300の構成は、第1の実施形態の光干渉回路200に対して、PBS212、222がそれぞれ3dB合流カプラ312、322に置き換えられ、偏波回転器213、223が削除された点が異なる。周辺のデバイスへの接続は、第1の実施形態と同じである。再生基準光入力ポート301には基準光再生光源127が接続され、伝送路ファイバ入出力ポート315、325には、それぞれ、AOM122、116が接続される。検出光出力ポート316/317、326/327には、それぞれ、差動光検出器319、329が光検出器124、112として接続される。なお、再生基準光入力ポート301への再生基準光の入力は、TE偏波/TM偏波のどちらでも良いが、本実施形態ではTM偏波で入力する例を示している。
(同一偏波、干渉回路共用型光干渉回路の構成)
図8に、本発明の第3の実施形態に係る基準光再生およびファイバ長揺らぎ補償に用いる同一偏波、干渉回路共用型の光干渉回路400の構成を示す。光干渉回路400は、第2の実施形態の光干渉回路300の構成を基に、以下の変更を加えている。第1に、光干渉回路300において個別に用意されていた周波数同期検出回路310と伝送路長揺らぎ検出回路320とを1つにまとめ、分岐カプラ302を削除している。第2に、光干渉回路300では、3dB合流カプラ312、322が2入力1出力カプラとして用いられていたのに対して、光干渉回路400では、2入力2出力の3dB合分岐カプラ412に置き換えられている。3dB合分岐カプラ412の2出力の内、一方の出力が伝送路ファイバ入出力ポート413に接続され、他方の出力が伝送路ファイバ入出力ポート414に接続されている。なお、再生基準光入力ポート401への再生基準光の入力は、TE偏波/TM偏波のどちらでも良いが、本実施形態ではTM偏波で入力する例を示している。
図11に、第3の実施形態の光干渉回路を空間光学系で構成した場合を示す。本実施形態については、導波路技術を用いた構成に限定されることなく、空間光学技術を用いた構成においても適用でき、同様の効果が得られることを付記しておく。すなわち、各部の光カプラをハーフミラーに置き換えることにより、空間光学系による光干渉回路を構成してもよい。
(同一偏波、捨て光再利用型光干渉回路の構成)
図12に、本発明の第4の実施形態に係る基準光再生およびファイバ長揺らぎ補償に用いる同一偏波、捨て光再利用型の光干渉回路の構成を示す。
タップカプラ511、521の結合率、いわゆるタップ率の詳細設計について説明する。タップカプラ511は、結合率可変の光カプラとして、使用状況に応じて結合率を調整する。一方、干渉ビート信号の振幅が最大になる結合率は、以下に示すように約67%になるので、回路構成の簡素化のため、通常は結合率が67%に固定された光カプラを用いても良い。3dBカプラ514、524の結合率は、上述したように、差動検出器における直流成分を相殺させるために、50%に設計する。
L06=L04+L05
(多出力型光干渉回路の構成)
図14に、本発明の第5の実施形態に係る基準光再生およびファイバ長揺らぎ補償に用いる多出力型の光干渉回路の構成を示す。光干渉回路600は、導波路を用いた光回路で構成され、再生基準光入力ポート601からの光をN分岐する多分岐カプラ605(Nは2以上の整数)と、多分岐カプラ605の出力にそれぞれ接続される周波数同期検出回路610および(N−1)個の伝送路長揺らぎ検出回路620〜640とから構成される。本実施形態では、例としてN=4の場合を示す。
第1の実施形態の光干渉回路200を、石英系PLC技術を用いて作製した。等長設計は、周波数同期検出回路210と伝送路長揺らぎ検出回路220を、同じパターン設計とし、分岐カプラ202から周波数同期検出回路210のタップカプラ211までの経路長と分岐カプラ202から伝送路長揺らぎ検出回路220のタップカプラ221までの経路長を同じにした。偏波回転器213、223は、参照光経路218、228に設置している。3dBカプラ、分岐カプラ、合流カプラ、合分岐カプラの各種の光カプラには、2本の導波路を近接して配置することによって光を結合させる方向性結合器を用いている。偏波ビームスプリッタ(PBS)は、2つの方向性結合器を縦続接続した一種のマッハツェンダー干渉計を用いた。方向性結合器を接続している2本の導波路アームの光路長差が、TM偏波光に対してゼロに、TE偏光に対して半波長になるように設計されている。偏波によって異なる光路長差を与える方法には様々な方法があるが、本実施例では一方の導波路の周辺のクラッドを除去する応力解放溝を設け、複屈折を制御する方法を用いている。
102、104、422、424、426、652、654、656、658 伝送用光ファイバ
103、423、425、653 中継局
105、427、655、657、659 受信局
110、130、430、450、470、670、680、690、710 ファイバ長揺らぎ補償部
120、140、440、460、480、660、720、730、740 基準光再生部
111、123、400b 空間型光干渉回路
112、124 光検出器(PD)
113、125、445、453、665、673、683、693、865、873、883、893 クロック源(CLK)
114、126、446、454、666、674、684、694、866、874、884、894 ミキサ(DBM)
115、455、675、685、695、875、885、895 電圧制御発振器(VCO)
116、122、442、456、662、676、686、696、862、876、886、896 音響光学変調器(AOM)
121、441、661、861 偏波制御器(PC)
127、447、667、867 基準光再生光源(LD)
111a、123a、128、411b、412b、415b ハーフミラー
111b、123b、129、402 ミラー
200、300、400、500、600、800 光干渉回路
201、301、401、501、601、801 再生基準光入力ポート
201a、301a、401a、501a、601a、801a 偏波保持光ファイバ
202、302、502、602〜604、802 分岐カプラ
210、310、510、610 周波数同期検出回路
211、221、311、321、411、511、521、611、621、811、821 タップカプラ
212、222、612、622 偏波ビームスプリッタ(PBS)
213、223、613、623 偏波回転器
214、224、314、324、415、514、524、614、624、815、825 3dBカプラ
215、225、315、325、413、414、515、525、615、625、635、645、813、814、823、824 伝送路ファイバ入出力ポート
215a〜217a、225a〜227a、315a〜317a、325a〜327a、401b、413a、413b、414a、414b、416a、417a、515a〜517a、525a〜527a、615a〜617a、625a〜627a、635a〜637a、645a〜647a、813a〜817a、823a〜827a 光ファイバ
216、217、226、227、316、317、326、327、416、417、516、517、526、527、616、617、626、627、636、637、646、647、816、817、826、827 検出光出力ポート
218、228、318、328、418、518、528、618、628、818、828 参照光経路
219、229、319、329、419、419b、519、529、619、629、639、649、819、829 差動光検出器
220、320、520、620、630、640 伝送路長揺らぎ検出回路
312、322 3dB合流カプラ
403、404、405 レンズ
412、812、822 3dB合分岐カプラ
605 多分岐カプラ
810 周波数同期/伝送路長揺らぎ検出回路
820 2ファイバ伝送路長揺らぎ検出回路
Claims (10)
- 基板上の導波路を用いて構成された光干渉回路であって、
再生基準光入力ポートからの光を分岐する分岐カプラと、
前記分岐カプラの一方の出力に接続された周波数同期検出回路と、
前記分岐カプラの他方の出力に接続された伝送路長揺らぎ検出回路とを備え、
前記周波数同期検出回路および前記伝送路長揺らぎ検出回路は、
前記分岐カプラの出力に接続されたタップカプラ、
前記タップカプラの一方の出力が、一方の偏波分離ポートに接続された偏波ビームスプリッタ、
前記タップカプラの他方の出力が、参照光経路を介して一方の入力に接続された3dBカプラ、および
前記タップカプラと前記偏波ビームスプリッタと前記3dBカプラとを相互に接続している経路に挿入された偏波回転器を含み、
前記偏波ビームスプリッタの他方の偏波分離ポートは前記3dBカプラの他方の入力に接続され、前記偏波ビームスプリッタの偏波合成ポートは伝送路ファイバ入出力ポートに接続され、前記3dBカプラの出力は検出光出力ポートに接続され、
前記分岐カプラから前記周波数同期検出回路の前記3dBカプラまでの前記参照光経路を経由した経路の長さと、前記分岐カプラから前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記3dBカプラまでの前記参照光経路を経由した経路の長さとが等しいことを特徴とする光干渉回路。 - 前記タップカプラから前記偏波ビームスプリッタを経由して前記伝送路ファイバ入出力ポートまでの経路の長さに前記伝送路ファイバ入出力ポートから前記偏波ビームスプリッタを経由して前記3dBカプラまでの経路の長さを加えた長さと、前記タップカプラから前記参照光経路を経由して前記3dBカプラまでの経路の長さとが等しいことを特徴とする請求項1記載の光干渉回路。
- 前記タップカプラの光結合率は、50%であることを特徴とする請求項1または2に記載の光干渉回路。
- 前記3dBカプラの2つの出力に各々接続された2つの検出光出力ポートに、差動光検出器が接続されていることを特徴とする請求項1、2または3に記載の光干渉回路。
- 前記分岐カプラは、分岐比が可変の光カプラであることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の光干渉回路。
- 周波数基準光を送信する光中継伝送システムにおける光送信装置であって、
請求項1ないし5のいずれか1項に記載の光干渉回路と、
前記再生基準光入力ポートに前記周波数基準光を入力する第1の光源と、
前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートに接続された光学変調器であって、その出力が後段の中継装置または受信装置に接続された光学変調器と、
前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記検出光出力ポートに前記光学変調器を制御して周波数シフトを制御するための信号を出力する光検出器と
を備えたことを特徴とする光送信装置。 - 周波数基準光を中継する光中継伝送システムにおける中継装置であって、
請求項1ないし5のいずれか1項に記載の光干渉回路と、
前記再生基準光入力ポートに再生基準光を入力する第1の光源と、
前記周波数同期検出回路の前記検出光出力ポートに前記第1の光源の発振周波数を制御するための信号を出力する光検出器と、
前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートに接続された光学変調器であって、その出力が後段の中継局または受信局に接続された光学変調器と、
前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記検出光出力ポートに前記光学変調器を制御して周波数シフトを制御するための信号を出力する光検出器とを備え、
前記周波数同期検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートに前段の送信装置または中継装置に接続された光ファイバが接続され、前記周波数基準光に同期した再生基準光を前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートから出力することを特徴とする中継装置。 - 周波数基準光を受信する光中継伝送システムにおける光受信装置であって、
請求項1ないし5のいずれか1項に記載の光干渉回路と、
前記再生基準光入力ポートに再生基準光を入力する第1の光源と、
前記周波数同期検出回路の前記検出光出力ポートに前記第1の光源の発振周波数を制御するための信号を出力する光検出器とを備え、
前記周波数同期検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートに前段の送信装置または中継装置に接続された光ファイバが接続され、前記周波数基準光に同期した再生基準光を前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートまたは前記第1の光源の出力に挿入した分岐カプラから出力することを特徴とする光受信装置。 - 周波数基準光を伝送する光中継伝送システムであって、
請求項6に記載された光送信装置と、
請求項8に記載された光受信装置と、
前記光送信装置と前記光受信装置との間に挿入された1または複数の請求項7に記載された中継装置と
を備えたことを特徴とする光中継伝送システム。 - 周波数基準光を伝送する光中継伝送システムにおける伝送方法であって、
再生基準光入力ポートからの光を分岐する分岐カプラと、
前記分岐カプラの一方の出力に接続された周波数同期検出回路と、
前記分岐カプラの他方の出力に接続された伝送路長揺らぎ検出回路とを備え、
前記周波数同期検出回路および前記伝送路長揺らぎ検出回路は、
前記分岐カプラの出力に接続されたタップカプラ、
前記タップカプラの一方の出力が、一方の偏波分離ポートに接続された偏波ビームスプリッタ、
前記タップカプラの他方の出力が、参照光経路を介して一方の入力に接続された3dBカプラ、および
前記タップカプラと前記偏波ビームスプリッタと前記3dBカプラとを相互に接続している経路に挿入された偏波回転器を含み、
前記偏波ビームスプリッタの他方の偏波分離ポートは前記3dBカプラの他方の入力に接続され、前記偏波ビームスプリッタの偏波合成ポートは伝送路ファイバ入出力ポートに接続され、前記3dBカプラの出力は検出光出力ポートに接続され、
前記分岐カプラから前記周波数同期検出回路の前記3dBカプラまでの前記参照光経路を経由した経路の長さと、前記分岐カプラから前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記3dBカプラまでの前記参照光経路を経由した経路の長さとが等しい光干渉回路を有する局において、
前記周波数同期検出回路の前記検出光出力ポートに接続された光検出器からの信号を用いて、前記再生基準光入力ポートに再生基準光を入力する第1の光源の発振周波数を制御するステップと、
前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記検出光出力ポートに接続された光検出器からの信号を用いて、前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートに接続された光学変調器を制御して周波数シフトを制御するステップとを備え、
前記周波数同期検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートに前段の送信装置または中継装置に接続された光ファイバが接続され、前記周波数基準光に同期した再生基準光を前記伝送路長揺らぎ検出回路の前記伝送路ファイバ入出力ポートから出力することを特徴とする伝送方法。
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