JP5278574B1 - 光９０度ハイブリッド回路及びそれを用いた光受信器 - Google Patents

Abstract

【課題】
信号光と局部発振光との光パワー比を容易に調整可能であり、かつ、光受信器に係る光学系が複雑化することを抑制した光９０度ハイブリッド回路及びそれを用いた光受信器を提供すること。
【解決手段】
信号光に含まれる所定偏波面の光波と、該信号光と同一波長で円偏光に調整された局部発振光とを合波し、合波光を偏波分離することにより、各偏波に応じた多値位相変調信号を復調するための光９０度ハイブリッド回路において、該信号光から所定偏波面の光波を抽出する偏波分離手段（偏波分離）と、該偏波分離手段から抽出された偏波面を回転させる偏波変換素子と、局部発振光と合波する前で信号光の偏波面を規定する偏光子とを備え、該偏波分離手段と該偏波変換素子及び該偏光子とが協働して、該信号光の光強度を調整（ＶＯＡ機能）するよう構成されていることを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、光９０度ハイブリッド回路及びそれを用いた光受信器に関し、特に、信号光の所定偏波面の光波と局部発振光とを合波し、合波光を偏波分離することにより、各偏波に応じた多値位相変調信号を復調するための光９０度ハイブリッド回路及びそれを用いた光受信器に関する。

四位相偏移変調（ＱＰＳＫ）信号、偏波多重四位相偏移変調（ＤＰ−ＱＰＳＫ）信号、直角位相振幅変調（ＱＡＭ）信号など用いた光通信技術がある。これらの変調方式では、受信信号を得る際に、図１に示すように、位相変調光や直角振幅変調光等の信号光と、基準となる局部発振光（コヒーレント光）とを、光９０度ハイブリッド回路に入射させ、信号光と局部発振光とを干渉させ、直交関係に変換された干渉光を出力させている。そしてこれらの干渉光は、受光素子で検出され、Ｉ信号（In-phase信号）やＱ信号（Quadrature-phase信号）等が出力される。

光９０度ハイブリッド回路では、図２に示すように、ランダムな偏波の回転状態で９０度ハイブリッドに偏波多重信号光が入力され、偏波多重信号は偏波分離素子により垂直偏波成分、水平偏波成分に分離される。偏波分離された垂直偏波成分、水平偏波成分は、偏波変換素子（λ／２波長板）にて偏波面を４５度回転されてそれぞれ斜め４５度偏波、１３５度偏波に変換される。

一方、局部発振光は、偏波変換素子（λ／４波長板）にて円偏波に変換され、斜め４５度、１３５度の偏波面に変換された２つの信号光と合分波器（ハーフミラー）にて合波される。

合波された光は、その後、分波されそれぞれの合分波器より差動関係（In phase,
Out of phase）にある２つの光信号が出力される。２つの合分波器から出力される合計４つの光出力はそれぞれ偏波分離素子に入力されることで、偏波分離されたＩＱ（In-phase, Quadrature-phase）信号に分離される。このような光９０度ハイブリッド回路を空間光学系で構成する例を、特許文献１に示す。

光受信器では、電気信号を増幅する部分（TransImpedance Amplifier；ＴＩＡ）の入力信号の定格が定められているため、一定パワー以上の光信号を受信することが出来ない。光９０度ハイブリッド回路に入力される信号光は信号品質上、局部発振光と信号光とのパワー比は十分大きくする必要があるが、このＴＩＡの入力定格に制限される。

ＴＩＡに入力される電気信号（受光素子から出力される光電流の値）は、以下で表わされる。
（式）
ＴＩＡに入力される電気信号 ∝ （信号光パワー×局部発振光パワー）＾０．５

ＴＩＡの定格には一定の範囲があるため、信号光のパワーが大きくなった場合、局部発振光のパワーを小さくする必要がある。復調後の信号品質を保つためには、ＴＩＡの入力定格を守った上で局部発振光は入力される信号光のパワーと比べ十分大きくする必要がある。
例えば、信号光パワーが過剰に大きい場合、局部発振光とのパワー比が十分に取れない。

局部発振光のパワーを一定として信号光のパワーを調整する場合、具体的には、図３に示すように、光９０度ハイブリッド回路の前段に可変光減衰器（Valiable Optical Attenuator；ＶＯＡ）を用いて、信号光のパワー調整することが可能である。しかしながら、可変光減衰器という受信系のデバイスが増えるため、構成が大型化・複雑化するという問題がある。

また、図１のように、可変光減衰器を用いない場合には、信号光に対する局部発振光の光パワー比を一定以上に保つため、光パワー調整付きの局部発振光源を用いる必要がある。この場合は、上述したＴＩＡの入力定格の制限により、一定パワー以上の光信号（信号光）を受信することが出来なくなる。

特願２０１２−２６８５０号（出願日：２０１２年２月１０日）

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、信号光と局部発振光との光パワー比を容易に調整可能であり、かつ、光受信器に係る光学系が複雑化すること抑制した光９０度ハイブリッド回路およびそれを用いた光受信器を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は以下のような技術的特徴を有する。
（１） 信号光に含まれる所定偏波面の光波と、該信号光と同一波長で円偏光に調整された局部発振光とを合波し、合波光を偏波分離することにより、各偏波に応じた多値位相変調信号を復調するための光９０度ハイブリッド回路において、該信号光から所定偏波面の光波を抽出する偏波分離手段と、該偏波分離手段から抽出された偏波面を回転させる偏波変換素子と、局部発振光と合波する前で信号光の偏波面を規定する偏光子とを備え、該偏波分離手段と該偏波変換素子及び該偏光子とが協働して、該信号光の光強度を調整するよう構成されていることを特徴とする。

（２） 上記（１）に記載の光９０度ハイブリッド回路において、該偏波変換素子は、液晶素子又は回転機能の付いたλ／２波長板のいずれかであることを特徴とする。

（３） 上記（１）又は（２）に記載の光９０度ハイブリッド回路において、該偏光子を透過した信号光の光強度を検出する光量モニタ手段を備え、該偏波変換素子は、該光量モニタ手段により、該信号光の光強度が所定量になるように制御されることを特徴とする。

（４） 信号光に含まれる所定偏波面の光波と、該信号光と同一波長で円偏光に調整された局部発振光とを合波し、合波光を偏波分離することにより、各偏波に応じた多値位相変調信号を復調する光受信器において、上記（１）から（３）に記載の光９０度ハイブリッド回路を有することを特徴とする。

本発明のように、信号光に含まれる所定偏波面の光波と、該信号光と同一波長で円偏光に調整された局部発振光とを合波し、合波光を偏波分離することにより、各偏波に応じた多値位相変調信号を復調するための光９０度ハイブリッド回路において、該信号光から所定偏波面の光波を抽出する偏波分離手段と、該偏波分離手段から抽出された偏波面を回転させる偏波変換素子と、局部発振光と合波する前で信号光の偏波面を規定する偏光子とを備え、該偏波分離手段と該偏波変換素子及び該偏光子とが協働して、該信号光の光強度を調整するよう構成されているため、光９０度ハイブリッド回路内に可変光減衰器を組み込むことができ、信号光と局部発振光との光パワー比を調整可能でありながら、光受信器に係る光学系を複雑化させない光９０度ハイブリッド回路を提供することが可能となる。また、このような光９０度ハイブリッド回路を光受信器に組み込むことにより、同様の作用効果を有する光変調器を提供することが可能となる。

また、偏波変換素子は、液晶素子又は回転機能の付いたλ／２波長板のいずれかであるため、光受信器に係る光学系をコンパクト化することも可能となる。

さらに、偏光子を透過した信号光の光強度を検出する光量モニタ手段を備え、偏波変換素子は、該光量モニタ手段により、該信号光の光強度が所定量になるように制御されるため、信号光と局部発振光との光パワー比を常に適正な出力に調整することが可能となる。

従来の光９０度ハイブリッド回路を有する光受信器を説明するブロック図である。 図１の光９０度ハイブリッド回路の主な構成を説明する図である。 従来の光９０度ハイブリッド回路を有する光受信器に可変光減衰器（ＶＯＡ）を用いた例を説明する図である。 本発明の光９０度ハイブリッド回路を有する光受信器の概略を説明するブロック図である。 図４のＶＯＡ機能を有する光９０度ハイブリッド回路の主な構成を説明する図である。 図４のＶＯＡ機能を有する光９０度ハイブリッド回路と光パワーモニタ部とを備えた光受信器の主な構成を説明する図である。 図４のＶＯＡに回転機能付き偏波変換素子（回転機能の付いたλ／２波長板）を用いた例を説明する光受信器の概略図である。

以下、本発明の光受信器について、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、信号光に含まれる所定偏波面の光波と、該信号光と同一波長で円偏光に調整された局部発振光とを合波し、合波光を偏波分離することにより、各偏波に応じた多値位相変調信号を復調するための光９０度ハイブリッド回路において、該信号光から所定偏波面の光波を抽出する偏波分離手段と、該偏波分離手段から抽出された偏波面を回転させる偏波変換素子と、局部発振光と合波する前で信号光の偏波面を規定する偏光子とを備え、該偏波分離手段と該偏波変換素子及び該偏光子とが協働して、該信号光の光強度を調整するよう構成されていることを特徴とする。また、本発明の光受信器は、このような光９０度ハイブリッド回路を組み込んだものである。

本発明の光９０度ハイブリッド回路及び光受信器は、図４に示すように、信号光と局部発振光とを合波し、合波光を偏波分離する光９０度ハイブリッド回路に、可変光減衰器（ＶＯＡ）の機能を有する部材を組み込むものである。

具体的には、図５に示すように、ランダムな偏波状態にて光９０度ハイブリッド回路に入力される信号光は、偏光ビームスプリッターなどの偏波分離素子により垂直、水平偏波に分離される。

分離された垂直、水平偏波の光は、それぞれ偏波変換素子に入力される。偏波変換素子としては、液晶素子が利用可能である。液晶素子は、２つの透明基板の間に液晶が封入されたもので、透明基板に設けた透明電極に電圧を印加することで、液晶に印加電圧に応じた複屈折を与える。

偏波変換素子（液晶素子）は、不図示の制御回路によって供給される電圧により複屈折を与えられるため、液晶素子に入力された２つの光は液晶素子の複屈折によって、それぞれある偏光状態に偏波変換される。偏波変換された２つの光は、偏光子によってそれぞれ垂直偏光、水平偏光のみを透過する。本形態の場合、偏波変換素子は０度の偏波面回転操作を行う場合に「減衰なし」となり、偏波面回転が９０度の偏波面回転操作を行う場合に「消光」する。
そのため、液晶に供給する電圧を可変することにより、２つの偏光子を透過した後の光パワーを変えることが可能となる。

このように、信号光から特定偏波面の光波を抽出する偏波分離手段である偏波分離素子と、偏波面を回転させる偏波変換素子と、偏波面を規定する偏光子とが協働することで、可変光減衰器（ＶＯＡ）の機能を担っていることが容易に理解される。このように可変光減衰器が偏波分離素子を部品の一部に利用するため、部品点数の削減及び光学系のコンパクト化を実現することが出来る。

図５では、偏光子を通過した信号光を所定の角度の偏波面とするため、偏波変換素子（λ／２波長板）が設けられている。それ以降は、図２で説明した光受信器と同様に、偏光子透過後の２つの信号光は、円偏光に変換された局部発振光と、それぞれハーフミラーなどの合分波器（偏波合成素子）にて干渉し、ここで２組の差動信号成分を出力する。偏波合成素子を出力した４組の光は、それぞれ偏波分離素子によってＩ(InPhase)信号とＱ(QuadraturePhase)信号を抽出し、最終的に計８出力を得る。

また、液晶素子などの偏波変換素子は、複屈折の温度依存性が存在するため、図６の光パワーモニタ部に示すように、偏光子出力後の１または２光線を分岐し、その光線の光パワーをモニタすることで、所望の光パワーになるよう液晶に印加する電圧を制御することが可能である。つまり、本発明の光９０度ハイブリッド回路及びそれを用いた光受信器は、偏光子を透過した信号光の光強度を検出する光量モニタ手段を備え、液晶素子などの偏波変換素子が、該光量モニタ手段により、該信号光の光強度が所定量になるように制御されている。

図６では、図５の偏波変換素子（λ／２波長板）を省略し、予め所定の偏波面の光波を出力することができるように、偏光子の角度を設置している。
偏波変換素子（液晶素子）は、不図示の制御回路によって供給される電圧により複屈折を与えられるため、液晶素子に入力された２つの光は液晶素子の複屈折によって、それぞれある偏光状態に偏波変換される。偏波変換された２つの光は、偏光子によってそれぞれ４５度直線偏光、１３５度直線偏光の光のみを透過する。

そのため、液晶に供給する電圧を可変することにより、２つの偏光子を透過した後の光パワーを変えることが可能となる。本形態の場合、偏波変換素子は４５度の偏波面回転操作を行う場合に「減衰なし」となり、偏波面回転が１３５度（−４５度）の偏波面回転操作を行う場合に「消光」する。

偏波面を回転する偏波変換素子は、液晶素子に限定されない、例えば、図７に示すように、回転機能の付いたλ／２波長板を用いることも可能である。図７では、光パワーモニタ部において、検出した信号光の大きさに応じ、λ／２波長板を所定の角度回転させるよう構成されている。

偏波分離手段を通過して分離された互いに直交する２偏波（水平偏波および垂直偏波）が直交関係を維持したまま偏波変換素子を通過する場合、偏波変換素子の後段に配される２つの偏光子は互いに直交（偏光方向のなす各が９０度）となることが好ましく、平行（偏光方向のなす角が０度）であってはならない。偏光子の角度が９０度であれば、適切に「減衰なし」から「消光」までの光減衰機能を使い分けることが可能であるが、平行であると本発明の効果を発揮することは出来ない。

ただし、偏波分離後に一方の光路にのみ他の偏波変換手段を配置して偏波面を回転させた場合はその限りではない。この場合は他の偏波変換素子が回転させた同じ角度の大きさ分、該光路の偏光子も偏波面が回転されれば本発明の効果を奏する。

一例として図６の形態において、偏波分離手段により水平偏波と垂直偏波に分離された後、偏光子を通過するまでに水平偏波のみが他の偏波変換手段によって偏波面を９０度回転させた場合、図中下段の光路の水平偏波が垂直偏波となるため、この光路において偏波が通過する偏光子は上段の垂直偏波の経路の偏光子と平行である必要がある。

以上説明したように、本発明によれば、信号光と局部発振光との光パワー比を容易に調整可能であり、かつ、光受信器に係る光学系が複雑化することを抑制した光９０度ハイブリッド回路及びそれを用いた光受信器を提供することが可能となる。

Claims (4)

1. 信号光に含まれる所定偏波面の光波と、該信号光と同一波長で円偏光に調整された局部発振光とを合波し、合波光を偏波分離することにより、各偏波に応じた多値位相変調信号を復調するための光９０度ハイブリッド回路において、
   該信号光から所定偏波面の光波を抽出する偏波分離手段と、
   該偏波分離手段から抽出された偏波面を回転させる偏波変換素子と、
   局部発振光と合波する前で信号光の偏波面を規定する偏光子とを備え、
   該偏波分離手段と該偏波変換素子及び該偏光子とが協働して、該信号光の光強度を調整するよう構成されていることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路。
2. 請求項１に記載の光９０度ハイブリッド回路において、該偏波変換素子は、液晶素子又は回転機能の付いたλ／２波長板のいずれかであることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路。
3. 請求項１又は２に記載の光９０度ハイブリッド回路において、該偏光子を透過した信号光の光強度を検出する光量モニタ手段を備え、該偏波変換素子は、該光量モニタ手段により、該信号光の光強度が所定量になるように制御されることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光９０度ハイブリッド回路を有することを特徴とする光受信器。

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