JP5233115B2 - Ｄｑｐｓｋ復調方法を用いた光受信装置およびｄｑｐｓｋ復調方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＤＱＰＳＫ（Differential Quadrature Phase-Shift Keying）復調方法を用いた光受信装置およびＤＱＰＳＫ復調方法に関し、特に、ＤＱＰＳＫ変調方式を用いた装置やシステムを小型で低価格に実現するためのＤＱＰＳＫ復調方法を用いた光受信装置およびＤＱＰＳＫ復調方法に関する。

光通信の変復調方法の１つであるＤＱＰＳＫ変復調方法は、波長の利用効率、波長分散耐力、偏波分散耐力に優れた通信方式である。非特許文献1に記載されているように、これらの利点が必要とされる高速なＷＤＭ（波長分割多重）光通信システムへの適用が期待されている。その送受信装置構成については、特許文献１の図１と図３および非特許文献２の図１に示されている。

ＤＱＰＳＫ変調方式を用いた一般的な光受信装置の構成および動作を図４から図７を参照して説明する。

図４は、一般的な光受信装置（復調装置）２２０の構成例を示すブロック図である。図４に示す光受信装置２２０は、光スプリッタ２２８、遅延干渉計２３０，２３２、およびバランス型光−電気変換器２３４，２３６を備えている。遅延干渉計２３０は、光スプリッタ２２８で分岐された光信号を入力し、一方のアーム２３０ａ内に、他方のアーム２３０ｂに対する相対的な遅延時間τを作る光伝送路を有する。遅延干渉計２３２は、光スプリッタ２２８で分岐された光信号を入力し、一方のアーム２３２ａ内に、他方のアーム２３２ｂに対する相対的な遅延時間τを作る光伝送路を有する。遅延時間τは２つのアームの光路長を異ならせることによって、つまりアーム２３０ａ，２３２ａの長さをアーム２３０ｂ，２３２ｂの長さよりも物理的に長くすることによって実現される。また、遅延干渉計２３０，２３２の短い方のアーム２３０ｂ，２３２ｂには電極が設けられ、電極に適正な値の電圧を印加することによって、π／４および−π／４の位相シフトが光信号に固定的に与えられるよう構成されている。

図５は、一般的なＤＱＰＳＫ受信光信号Ｅ（ｔ）２１４の例を示す説明図である。図６は、一般的なＤＱＰＳＫ光信号の位相状態を示す説明図である。図５に示すように、光信号の位相θはサンプル毎に｛π／４，３π／４，５π／４，７π／４｝のいずれかの位相にある。元の信号は、符号化され、信号の前のビットとの位相差Δθにマッピングされている。Δθは｛０，π／２，π，３π／２｝の４値のいずれかの値である。シンボル毎に４値、つまり２ｂｉｔの情報を有するため、伝送容量Ｂ［ｂｉｔ／ｓ］に対して、シンボル速度はＢ／２［Symbol／ｓ］となり、シンボル間隔はτ＝２／Ｂ秒になる。

受信された光信号Ｅ（ｔ）２１４は、光スプリッタ２２８によって２つの光信号に分離される。分離された２つの光信号の一方は遅延干渉計２３０に送られ、他方は遅延干渉計２３２に送られる。遅延干渉計２３０，２３２のそれぞれでは、入力された光信号がさらに２分岐される。遅延干渉計２３０，２３２のそれぞれは、片側の光信号をτ遅延させた後にもう片側の光信号と干渉させる。つまり、一サンプル前の光信号と干渉させて、位相差Δθを抽出する。このとき、遅延干渉計２３０では、短い方のアームの信号をπ／４位相シフトさせたものと干渉させるため、干渉計２３０からの２つの光出力信号Ｅ１（ｔ），Ｅ２（ｔ）の強度は、（式１）で表されるようになる。

２つの光信号をバランス型光−電気変換器２３４で２乗検波を行い電気信号に変換すると、Ｉ１とＩ２の差分が（式２）に示すような電気信号ｘ１（ｔ）に変換される。

同様に、遅延干渉計２３２では、短い方のアームの信号を−π／４だけ位相シフトさせたものと干渉させるため、遅延干渉計２３２からの光出力信号Ｅ３（ｔ），Ｅ４（ｔ）の強度は、（式３）で表されるようになる。

２つの光信号をバランス型光−電気変換器２３６で２乗検波を行い電気信号に変換すると、Ｉ３とＩ４の差分が（式４）に示すような電気信号ｙ２（ｔ）に変換される。図７には、バランス型光−電気変換器２３４，２３６の出力例が示されている。

なお、得られる電気信号ｘ１（ｔ）と電気信号ｙ２（ｔ）とが送信側の符号化前のバイナリ信号になるように送信側では符号化され、信号上のΔθにマッピングされている。

特表２００４−５１６７４３（図１，図３） R.A.Griffin 他著、Optical Differential Quadrature Phase-Shift Key （oDQPSK） for High Capacity Optical Transmission ，Optical Fiber Communication Conference and Exhibit，米国、２００２年３月，WX６，３６７−３６８頁

ＤＱＰＳＫ変調方式を用いた光受信装置の第１の問題点は、装置構成が小型化に適していないことである。その理由は、ＤＱＰＳＫ復調には、遅延干渉計やバランス型の光−電気変換器といった光学モジュール（光学部品）が２セットずつ必要になるためである。

第２の問題点は、装置構成が装置の低価格化に適していないことである。その理由は、上記のように光学モジュールが２セットずつ必要であり、これら光学モジュールは光学部品を組み立てて構成されるため、その製造プロセスには、半導体集積回路のような量産効果による低価格化を期待できないためである。

そこで、本発明は、装置の小型化および低コスト化に適したＤＱＰＳＫ復調方法を用いた光受信装置およびＤＱＰＳＫ復調方法を提供することを目的とする。

本発明によるＤＱＰＳＫ受信方式は、１つの遅延干渉計の一方のアームへの印加電圧の値を周期的に変化させることにより、従来２つの遅延干渉計を用いて抽出していた信号を、１つの遅延干渉計で抽出できるようにするものである。一方のアームへの印加電圧の値をシンボル間隔τの半分のτ／２毎に切り替えることによって、遅延干渉計の出力には、従来の２つの干渉計で抽出していた信号成分がτ／２毎に交互に現れる。上記のような構成によって、本発明では、ＤＱＰＳＫ復調を用いた光通信システムを実現するのに、２つの干渉計や２つの光−電気変換器を設ける必要がなくなり、干渉計や光−電気変換器を１つずつしか使用しない。

上記のような考え方にもとづく本発明による光受信装置は、１つのマッハ・ツェンダ干渉計と、マッハ・ツェンダ干渉計の光出力信号を入力する１つのバランス型光−電気変換器と、マッハ・ツェンダ干渉計を通る一方の光信号の位相を動的（固定的ではないこと）にシフトさせる位相調整手段とを備えたことを特徴とする。

光受信装置は、一例として、マッハ・ツェンダ干渉計におけるそれぞれのアームの間に光路長差が設けられ、光路長差は変調された符号のシンボル周期に対応し、マッハ・ツェンダ干渉計が、外部からの電気信号によって一方の光信号の位相をシフトさせる位相調整機能を有するように構成される。

より具体的には、マッハ・ツェンダ干渉計は、外部からの電気信号によって、π／４と−π／４の位相シフトを周期的に生じさせる位相調整機能を有する。

光受信装置は、１つのマッハ・ツェンダ干渉計と、マッハ・ツェンダ干渉計の光出力信号を入力する１つのバランス型光−電気変換器と、バランス型光−電気変換器で変換された電気信号からシンボル周期のクロック信号を抽出するクロック抽出器と、クロック抽出器によって抽出されたクロック信号にもとづく電気信号を、マッハ・ツェンダ干渉計を通る一方の光信号に位相シフトを与えるためにマッハ・ツェンダ干渉計に供給する配線とを備えた構成であってもよい。

本発明によるＤＱＰＳＫ復調方法は、受信した光信号を２分岐させ、分岐した２つの光信号のうちの一方の光信号の位相をマッハ・ツェンダ干渉計においてシフトさせた後、２つの光信号を干渉させ、干渉後の光信号を１つのバランス型光−電気変換器で電気信号に変換し、一方の光信号の位相を動的にシフトさせて位相調整し、一方の光信号の位相シフトを周期的に生じさせることを特徴とする。

ＤＱＰＳＫ復調方法では、一例として、２つの光信号を干渉させるまでに、一方の光信号に、他方の信号に対してシンボル周期分の遅延を与え、マッハ・ツェンダ干渉計の外部からの電気信号によって２つの光信号のうちの一方の光信号の位相をシフトさせる。

より具体的には、ＤＱＰＳＫ復調方法では、一方の光信号に、マッハ・ツェンダ干渉計の外部からの電気信号によって、π／４と−π／４の位相シフトを周期的に生じさせる。

本発明によるＤＱＰＳＫ復調方法は、受信した光信号を遅延干渉計で２分岐させ、分岐した２つの光信号を干渉させ、干渉後の光信号を電気信号に変換し、変換された電気信号からシンボル周期のクロック信号を抽出し、抽出したクロック信号を干渉計に与え、クロック信号によって、遅延干渉計で、２つの光信号のうちの一方の光信号にπ／４と−π／４の位相シフトを周期的に生じさせるように構成されていてもよい。

本発明の第１の効果は、ＤＱＰＳＫ復調方法を用いた装置を小型にできることである。その理由は、ＤＱＰＳＫ復調のための遅延干渉計とバランス型光−電気変換器が、従来２つずつ必要だったのに対して、１つずつの遅延干渉計とバランス型光−電気変換器でＤＱＰＳＫ変調信号を復調できるからである。

第２の効果は、ＤＱＰＳＫ復調方法を用いた装置を低コストにできることである。その理由は、従来２つずつ必要だった光学部品を１つだけ用いればよいので、低価格化が難しい光学部品を半減することができるからである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明を実施するための最良の形態の構成を示すブロック図である。図１に示す光受信装置は、１つの遅延干渉計１３０、１つのバランス型光−電気変換器１３４とを含む。遅延干渉計１３０における短い方のアームでは、入力される電気信号Ｖｃ（ｔ）にもとづく位相変調が行われる。以下、短い方のアームに位相調整手段１３１が設けられているというように説明を行う。また、干渉計１３０は、一方のアーム１３０ａ内に、他方のアーム１３０ｂに対する遅延時間τを作る光伝送路を有する。遅延時間τはデータのシンボル間隔に等しい。

次に、図１のブロック図と図２の説明図を参照して本実施の形態の動作を説明する。受信された光信号Ｅ（ｔ）２１４は、遅延干渉計１３０に送られる。光信号Ｅ（ｔ）２１４は遅延干渉計１３０では２分岐し、アーム１３０ａの光信号はτ遅延した後に、１３０ｂのアームからの光信号と干渉する。短い方のアーム１３０ｂの位相調整手段１３１に設けられている電極に適正な電圧Ｖｃ（ｔ）（光信号の位相をシフトさせることが可能な振幅の電圧）を印加する。Ｖｃ（ｔ）は光信号Ｅ（ｔ）におけるシンボルが切り替わるタイミングに同期した電圧であり、周期的に電圧Ｖ_１またはＶ_２が印加されることにより、位相調整手段１３１では光信号の位相が−π／４またはπ／４シフトする。

図２に示されるように、電圧Ｖｃ（ｔ）は、シンボル間隔τの半分の周期τ／２でＶ_１からＶ_２に、またはＶ_２からＶ_１に切り替わる。電圧Ｖｃ（ｔ）が切り替わることによって、位相調整手段１３１における位相のシフト量φ（ｔ）もτ／２の周期でπ／４と−π／４の値に交互に切り替わるように構成されている。位相調整手段１３１における位相のシフト量φ（ｔ）がπ／４の状態では、干渉計出力信号（光出力信号）Ｅ５（ｔ），Ｅ６（ｔ）として、図４に示された遅延干渉計２３０の光出力信号Ｅ１（ｔ），Ｅ２（ｔ）の信号成分が得られ、位相調整手段１３１における位相のシフト量φ（ｔ）が−π／４の状態では、図４に示された遅延干渉計２３２の光出力信号Ｅ３（ｔ），Ｅ４（ｔ）の信号成分が得られる。よって、図２に示すように、光−電気変換器１３４の出力である電気信号ｚ（ｔ）として、図７に示された電気信号ｘ１（ｔ）と電気信号ｘ２（ｔ）との信号が交互に得られる。

本実施の形態では、ＤＱＰＳＫ復調に際して各１つの遅延干渉計と光−電気変換器としか用いない。従って、従来の装置に対して光学部品を半分にすることができるので、従来の装置に比べて装置を小型化できる。また、価格低減が難しい光学部品が削減されるので、従来の装置に比べて価格を抑えることができる。

次に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図３は、本発明によるＤＱＰＳＫ復調方法を用いた光受信装置（以下、ＤＱＰＳＫ受信装置という。）の実施例を示すブロック図である。図３に示すＤＱＰＳＫ受信装置は、図１に示された実施の形態をＢ＝４０Ｇｂｐｓの信号の場合について具体的に示す例の光受信装置である。

４０ＧｂｐｓのＤＱＰＳＫ受信装置は、受信された光信号Ｅ（ｔ）３１４を入力し復調器として機能する遅延干渉計３３０、バランス型ＰＤ（photo detector）３３４、ＴＩＡ（トランスインピーダンス型増幅器：Trans Impedance Amplifier ）３３６、およびＴＩＡ３３６が出力する４０Ｇｂｐｓの電気信号を１６個の信号に分割する１：１６ＣＤＲ（データ再生：Clock and Data Recovery ）機能付きＤＭＵＸ（Demultiplexer ）３３８を備えている。

遅延干渉計３３０は、マッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）である。ＭＺＩは通常ガリム砒素またはニオブ酸リチウムで作られている。バランス型ＰＤ３３４は、ＭＺＩの２つの光出力信号を入力し、２つの光出力信号の強度の差に比例したレベルの電気信号を出力する。ＭＺＩでは、アーム３３０ａをアーム３３０ｂよりも長くすることにより、アーム３３０ａを通った信号がアーム３３０ｂを通った信号よりも５０ｐｓ遅延する。図２に示すように、４０Ｇｂｐｓの場合、ＤＱＰＳＫのシンボル速度は２０ＧSymbol／ｓとなり、シンボル間隔は５０ｐｓだからである。

遅延干渉計３３０における位相調整手段３３１は、ＭＺＩの一方のアーム３３０ｂに電極が設けられた構造である。電極への印加電圧によって光伝送路の屈折率が変化し、光出力信号の位相が変化する。印加電圧の振幅値は、位相のシフト量がπ／４または−π／４になるように屈折率を変化させる値である。

遅延干渉計３３０から出力された光出力信号は、バランス型ＰＤ３３４で電流信号に変換された後、ＴＩＡ３３６によって電圧信号に変換され増幅される。増幅された信号は、１：１６ＣＤＲ機能付きＤＭＵＸ３３８に入力される。１：１６ＣＤＲ機能付きＤＭＵＸ３３８は、クロック抽出機能によって、信号のシンボルレートの２０ＧＨｚのクロック信号を抽出する。

遅延干渉計３３０における位相調整手段３３１に、抽出された２０ＧＨｚクロック信号が配線３３９を介して電圧Ｖｃ（ｔ）として印加される。クロック信号の電圧値が最小値から最大値に切り替わるタイミングおよび最大値から最小値に切り替わるタイミングを、遅延干渉計３３０に入力された信号におけるシンボルが切り替わるタイミングに一致させる。よって、２５ｐｓ毎に光出力信号Ｅ５（ｔ）および光出力信号Ｅ６（ｔ）に２値の信号が現れる。そして、バランス型ＰＤ３３４の出力として、光出力信号Ｅ５（ｔ）と光出力信号Ｅ６（ｔ）との光強度の差に比例した電気信号ｚ（ｔ）が得られる。電気信号ｚ（ｔ）は２５ｐｓ毎の２値信号、つまり一本の４０Ｇｂｐｓのバイナリ信号である。

なお、１：１６ＣＤＲ機能付きＤＭＵＸ３３８の内部において、または外部の電圧調整手段（図示せず）によって、位相調整手段３３１に供給されるクロック信号の電圧は、適正な値の電圧Ｖｃ（ｔ）になるように調整されている。

本発明は、ＤＰＳＫ復調方法を用いた光受信装置を含む光通信システムであって、特に超高速の光通信システムにおいて好適に適用される。

最良の実施の形態の構成を示すブロック図である。 光受信装置の動作を説明するための説明図である。 ＤＱＰＳＫ受信装置の実施例を示すブロック図である。 一般的な光受信装置の構成例を示すブロック図である。 一般的なＤＱＰＳＫ受信光信号の例を示す説明図である。 一般的なＤＱＰＳＫ光信号の位相状態を示す説明図である。 バランス型光−電気変換器２３４，２３６の出力例を示す説明図である。

符号の説明

１３０ 遅延干渉計
１３０ａ，１３０ｂ 干渉計のアーム
１３１ 位相調整手段
１３４ バランス型光−電気変換器
２２０ 光受信装置（復調装置）
２２８ 光スプリッタ
２３０，２３２ 遅延干渉計
２３０ａ，２３０ｂ，２３２ａ，２３２ｂ 遅延干渉計のアーム
２３４，２３６ バランス型光−電気変換器
３３０ 遅延干渉計
３３０ａ，３３０ｂ 干渉計のアーム
３３１ 位相調整手段
３３４ バランス型ＰＤ
３３６ ＴＩＡ（トランスインピーダンス型増幅器）
３３８ １：１６ＣＤＲ機能付きＤＭＵＸ
３３９ 配線

Claims (12)

1. ＤＱＰＳＫ復調方法を用いた光受信装置であって、
   １つのマッハ・ツェンダ干渉計と、
   前記マッハ・ツェンダ干渉計の光出力信号を入力する１つのバランス型光−電気変換器と、
   前記マッハ・ツェンダ干渉計を通る一方の光信号の位相を動的にシフトさせる位相調整手段とを備え、
   前記位相調整手段は、前記一方の光信号の位相シフトを周期的に生じさせる
   ことを特徴とする光受信装置。
2. 前記マッハ・ツェンダ干渉計におけるそれぞれのアームの間に光路長差が設けられ、該光路長差は変調された符号のシンボル周期に対応し、
   前記マッハ・ツェンダ干渉計が、当該マッハ・ツェンダ干渉計の外部からの電気信号によって位相シフトを生じさせる位相調整機能を有する
   請求項１記載の光受信装置。
3. 前記位相調整機能は、前記一方の光信号の位相と他方の光信号の位相との相対的な位相差がπ／４と−π／４となるように前記位相シフトを周期的に生じさせる
   請求項２記載の光受信装置。
4. 前記位相調整機能は、前記マッハ・ツェンダ干渉計の外部からの電気信号によって、π／４と−π／４の前記位相シフトを周期的に生じさせる
   請求項２または請求項３記載の光受信装置。
5. 前記位相調整機能は、前記シンボル周期より短い周期で前記位相シフトを生じさせる
   請求項２から請求項４のうちのいずれか１項に記載の光受信装置。
6. ＤＱＰＳＫ復調方法を用いた光受信装置であって、
   １つのマッハ・ツェンダ干渉計と、
   前記マッハ・ツェンダ干渉計の光出力信号を入力する１つのバランス型光−電気変換器と、
   前記バランス型光−電気変換器で変換された電気信号からシンボル周期のクロック信号を抽出するクロック抽出器と、
   前記クロック抽出器によって抽出されたクロック信号にもとづく電気信号を、前記マッハ・ツェンダ干渉計を通る一方の光信号に位相シフトを与えるために前記マッハ・ツェンダ干渉計に供給する配線とを備えた
   ことを特徴とする光受信装置。
7. ＤＱＰＳＫによる変調光信号を復調するＤＱＰＳＫ復調方法であって、
   受信した光信号を２分岐させ、
   分岐した２つの光信号のうちの一方の光信号の位相をマッハ・ツェンダ干渉計においてシフトさせた後、２つの光信号を干渉させ、
   干渉後の光信号を１つのバランス型光−電気変換器で電気信号に変換し、
   前記一方の光信号の位相を動的にシフトさせて位相調整し、前記一方の光信号の位相シフトを周期的に生じさせる
   ことを特徴とするＤＱＰＳＫ復調方法。
8. 前記マッハ・ツェンダ干渉計の外部からの電気信号によって位相シフトを生じさせる
   請求項７記載のＤＱＰＳＫ復調方法。
9. 前記一方の光信号の位相と前記他方の光信号の位相との相対的な位相差がπ／４と−π／４となるように前記位相シフトを周期的に生じさせる
   請求項８記載のＤＱＰＳＫ復調方法。
10. 一方の光信号に、前記マッハ・ツェンダ干渉計の外部からの電気信号によって、π／４と−π／４の前記位相シフトを周期的に生じさせる
    請求項８または請求項９記載のＤＱＰＳＫ復調方法。
11. 変調された符号のシンボル周期より短い周期で前記位相シフトを生じさせる
    請求項８から請求項１０のうちのいずれか１項に記載のＤＱＰＳＫ復調方法。
12. ＤＱＰＳＫによる変調光信号を復調するＤＱＰＳＫ復調方法であって、
    受信した光信号を遅延干渉計で２分岐させ、
    分岐した２つの光信号を干渉させ、
    干渉後の光信号を電気信号に変換し、
    変換された電気信号からシンボル周期のクロック信号を抽出し、
    抽出したクロック信号を前記干渉計に与え、
    前記クロック信号によって、前記遅延干渉計で、前記２つの光信号のうちの一方の光信号にπ／４と−π／４の位相シフトを周期的に生じさせる
    ことを特徴とするＤＱＰＳＫ復調方法。

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