(57)【要約】受信光信号に対する高いリニアリティを維持した信号を出力しながら、構成回路に必要となる入力ダイナミックレンジをより小さくするために、光受信器は、受信光信号と局部発振光とを干渉させることにより、第１の干渉光信号と、第１の干渉光信号の位相が略反転した第２の干渉光信号とを生成する干渉部１１と、第１の干渉光信号を光電変換した信号、および、局部発振光の光強度に基づいた光強度を有する局部発振光比例信号を光電変換した信号の差を表す第１の干渉光減算信号を生成する第１の干渉光減算部１２と、第２の干渉光信号を光電変換した信号および局部発振光比例信号を光電変換した信号の差を表す第２の干渉光減算信号を生成する第２の干渉光減算部１３と、第１の干渉光減算信号および第２の干渉光減算信号の差分を表す信号を出力する差分出力部１４と、を備える。
2012117951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信光信号と局部発振光とを干渉させることにより、第１の干渉光信号と前記第１の干渉光信号の位相が略反転した第２の干渉光信号とを生成する干渉手段と、
前記第１の干渉光信号を光電変換した信号と、前記局部発振光の光強度に基づいた光強度を有する光信号を光電変換した信号との差を表す第１の干渉光減算信号を生成する第１の干渉光減算手段と、
前記第２の干渉光信号を光電変換した信号と、前記局部発振光の光強度に基づいた光強度を有する前記光信号を光電変換した信号との差を表す第２の干渉光減算信号を生成する第２の干渉光減算手段と、
前記第１の干渉光減算信号および前記第２の干渉光減算信号の差分を表す信号を出力する差分出力手段と、
を備えた光受信器。
【請求項２】
前記差分出力手段は、前記差分を表す信号を増幅して出力する差動増幅手段によって構成されることを特徴とする請求項１に記載の光受信器。
【請求項３】
前記干渉手段は、前記局部発振光を減衰させて強度を調整することにより、前記局部発振光の光強度に基づいた光強度を有する前記光信号を生成し、生成した光信号を前記第１の干渉光減算手段および前記第２の干渉光減算手段に出力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光受信器。
【請求項４】
前記局部発振光を減衰させて強度を調整することにより、前記局部発振光の光強度に基づいた光強度を有する前記光信号を生成し、生成した光信号を前記第１の干渉光減算手段および前記第２の干渉光減算手段に出力する光減衰手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光受信器。
【請求項５】
前記第１の干渉光減算手段および前記第２の干渉光減算手段の少なくともいずれか１つにおいて、前記局部発振光の光強度に基づいた光強度を有する前記光信号を光電変換する光検出手段の容量は、前記第１および第２の干渉光信号のいずれかを光電変換する光検出手段の容量より小さいことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の光受信器。
【請求項６】
前記局部発振光の光強度に基づいた光強度を有する前記光信号の光強度は、前記局部発振光の光強度より小さいことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の光受信器。
【請求項７】
前記第１の干渉光減算手段および前記第２の干渉光減算手段の少なくともいずれか１つが、同一の基板上に形成されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の光受信器。
【請求項８】
受信光信号と局部発振光とを干渉させることにより、第１の干渉光信号と前記第１の干渉光信号の位相が略反転した第２の干渉光信号とを生成し、
前記第１の干渉光信号を光電変換した信号と、前記局部発振光の光強度に基づいた光強度を有する光信号を光電変換した信号との差を表す第１の干渉光減算信号を生成し、
前記第２の干渉光信号を光電変換した信号と、前記局部発振光の光強度に基づいた光強度を有する前記光信号を光電変換した信号との差を表す第２の干渉光減算信号を生成し、
前記第１の干渉光減算信号および前記第２の干渉光減算信号の差分を表す信号を出力する、光受信方法。
【請求項９】
前記局部発振光を減衰させて光強度を調整することにより、前記局部発振光の光強度に基づいた光強度を有する前記光信号を生成することを特徴とする請求項８に記載の光受信方法。
【請求項１０】
受信光信号と局部発振光とを干渉させることにより、第１の干渉光信号と前記第１の干渉光信号の位相が略反転した第２の干渉光信号とを生成する干渉手段と、
前記第１の干渉光信号を光電変換した信号と、前記局部発振光の光強度に基づいた強度を有する電流信号との差を表す第１の干渉光減算信号を生成する第１の干渉光減算手段と、
前記第２の干渉光信号を光電変換した信号と、前記局部発振光の光強度に基づいた強度を有する前記電流信号との差を表す第２の干渉光減算信号を生成する第２の干渉光減算手段と、
前記第１の干渉光減算信号および前記第２の干渉光減算信号の差分を表す信号を出力する差分出力手段と、
を備えた光受信器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システムにおける受信装置で用いられる光受信器に関し、特にコヒーレント光受信方式の光受信器に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの普及に伴って、光通信システムの大容量化が進められている。たとえば、幹線系では、１波長当たり、４０Ｇｂｉｔ／ｓを超える信号を伝送可能な光送信器および光受信器の研究が行われている。１波長当たりのビットレートを高くすると、光信号対雑音比（ＯＳＮＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ）耐力の低下や、伝送路の波長分散、偏波モード分散、非線形効果などに起因する波形歪みによる信号品質の劣化が大きくなる。このため、近年、ＯＳＮＲ耐力および波形歪み耐力の高いデジタルコヒーレント受信方式が注目されている。
デジタルコヒーレント受信方式では、受信光信号から光強度情報および位相情報が抽出され、デジタル信号処理回路により復調が行われる。そして、デジタルコヒーレント受信方式では、コヒーレント受信によるＯＳＮＲ耐力の改善、および、デジタル信号処理回路による波形歪みの補償が実現される。その結果、デジタルコヒーレント受信方式では、４０Ｇｂｉｔ／ｓを超える光通信システムでも高い信頼性が得られる。
図８に、デジタルコヒーレント受信方式における一般的な受信装置９および受信装置９に備えられる光受信器９０の構成の一例を示す。光受信器９０は、受信光信号とほぼ同一の波長を有する局部発振光と受信光信号とを干渉させて電気信号に変換（コヒーレント検波）する。コヒーレント検波は強い偏波依存性を持つため、１台の光受信器９０は、局部発振光と同一の偏波状態の光信号しか受信できない。このため、受信装置９は、受信光信号の入力部に偏波分離回路を備えて、受信光信号を２つの直交偏波成分に分離する。従って、受信装置９は、一つの光信号の受信に２台の光受信器９０を必要とする。しかしながら、送信側で光信号を偏波多重し情報伝送量を２倍にすることによって、その不利を補うことができる。
図８において、各偏波のために備えられたそれぞれの光受信器９０では、受信光信号と局部発振光とが、光９０度ハイブリッド９１に入力される。光９０度ハイブリッド９１は、受信光信号と局部発振光とを互いに同相および逆相で干渉させた１組の出力光（Ｉ）、ならびに、直交（９０度）および逆直交（−９０度）で干渉させた他の１組の出力光（Ｑ）の計４本の出力光を出力する。光９０度ハイブリッド９１から出力される２組の光信号を、それぞれ２個ずつの光検出器（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＰＤ）９２が電流信号に変換する。そして、差分出力部９３が、これらの電流信号に基づいて、後段のデジタル信号処理回路（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）９５で処理するための信号を出力する。ここで、差分出力部９３は、例えば、差動型トランスインピーダンスアンプによって構成される。この場合、差分出力部９３は、２個のＰＤ９２からの電流信号の不要な直流成分をキャンセルすることにより、受信光信号および局部発振光のビート成分のみを効率的に抽出する。この差分出力部９３から出力される電気信号は、それぞれ受信光信号および局部発振光の同相干渉成分（Ｉ）と直交位相干渉成分（Ｑ）を表す。
このようにして、各光受信器９０から出力されるＸ偏波のＩＱ成分（ＸＩ，ＸＱ）およびＹ偏波のＩＱ成分（ＹＩ，ＹＱ）の計４つの電気信号は、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ：ａｎａｌｏｇ  ｔｏ  ｄｉｇｉｔａｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）９４によりそれぞれ高速にＡＤ（ａｎａｌｏｇ  ｔｏ  ｄｉｇｉｔａｌ）変換されてデジタル情報信号となる。そして、ＤＳＰ９５は、このようにして得られたデジタル情報信号に対して、無線通信で広く用いられるデジタル信号処理を用いて、さまざまな等化・判定処理を実施する。そして、ＤＳＰ９５は、等化・判定処理を実施した信号に対する誤り訂正を行ったのち、１００Ｇｂｉｔ／ｓの情報信号を出力する。このようなデジタルコヒーレント受信方式の受信装置および光受信器については、特許文献１にも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２５１８５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような光受信器からの出力信号には、大きな出力振幅が必要である。その理由は、後段でＡＤ変換してデジタル信号処理を行う際に、ＡＤ変換器で高い精度及び分解能を得るためである。
また、光受信器には、受信光信号に対する高い線形性（リニアリティ）を維持した信号の出力が要求される。その理由は、光受信器からの出力信号においてリニアリティが低下すると、後段でのデジタル処理で高度な波形歪等化ができなくなるからである。このように、受信光信号をその光波形状を変えずにＡＤ変換器に入力するためには、光受信器に高いリニアリティが必要となる。
光受信器における高いリニアリティを維持するためには、図８における差分出力部９３（差動トランスインピーダンスアンプ）の入力ダイナミックレンジを入力信号強度以上にする必要がある。ここで、図９に、ＯＩＦ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ  Ｆｏｒｕｍ）の標準化委員会で定められている受信光信号および局部発振光の光パワーの関係を示す。図９を参照すると、受信光信号に対して、局部発振光の光パワーが１０倍以上大きいことが分る。したがって、上述の光受信器においては、特に局部発振光の強度に起因して、差分出力部９３に入力される信号強度が大きくなる。このため、差分出力部９３には、広い入力ダイナミックレンジが不可欠となる。
例えば、受信光信号の強度が−１２ｄＢｍで、局部発振光の強度が１２ｄＢｍの場合の、図８におけるＰＤ９２からの出力電流信号を図１０に示す。図１０において、実線および破線の波形は、図８において１つの差分出力部９３に入力される２つのＰＤ９２からの出力電流信号を表している。図１０を参照すると、各ＰＤの出力電流信号の波形は、振幅が０．４ｍＡｐｐであるのに対して、オフセット成分（すなわち直流成分）が１．８ｍＡと大きい。このような電流信号を入力して高いリニアリティを維持するためには、広い入力ダイナミックレンジを持つ差分出力部が必要となる。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、受信光信号に対する高いリニアリティを維持した信号を出力しながら、構成回路に必要となる入力ダイナミックレンジをより小さくすることができる光受信器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の光受信器は、受信光信号と局部発振光とを干渉させることにより、第１の干渉光信号と前記第１の干渉光信号の位相が略反転した第２の干渉光信号とを生成する干渉部と、前記第１の干渉光信号を光電変換した信号と、前記局部発振光の光強度に基づいた光強度を有する局部発振光比例信号を光電変換した信号との差を表す第１の干渉光減算信号を生成する第１の干渉光減算部と、前記第２の干渉光信号を光電変換した信号と、前記局部発振光比例信号を光電変換した信号との差を表す第２の干渉光減算信号を生成する第２の干渉光減算部と、前記第１の干渉光減算信号および前記第２の干渉光減算信号の差分を表す信号を出力する差分出力部と、を備える。
また、本発明の光受信方法は、受信光信号と局部発振光とを干渉させることにより、第１の干渉光信号と前記第１の干渉光信号の位相が略反転した第２の干渉光信号とを生成し、前記第１の干渉光信号を光電変換した信号と、前記局部発振光の光強度に基づいた光強度を有する局部発振光比例信号を光電変換した信号との差を表す第１の干渉光減算信号を生成し、前記第２の干渉光信号を光電変換した信号と、前記局部発振光比例信号を光電変換した信号との差を表す第２の干渉光減算信号を生成し、前記第１の干渉光減算信号および前記第２の干渉光減算信号の差分を表す信号を出力する。
また、本発明の光受信器は、受信光信号と局部発振光とを干渉させることにより、第１の干渉光信号と前記第１の干渉光信号の位相が略反転した第２の干渉光信号とを生成する干渉部と、前記第１の干渉光信号を光電変換した信号と、前記局部発振光の光強度に基づいた強度を有する電流信号との差を表す第１の干渉光減算信号を生成する第１の干渉光減算部と、前記第２の干渉光信号を光電変換した信号と、前記局部発振光の光強度に基づいた強度を有する前記電流信号との差を表す第２の干渉光減算信号を生成する第２の干渉光減算部と、前記第１の干渉光減算信号および前記第２の干渉光減算信号の差分を表す信号を出力する差分出力部と、を有する。
また、本発明の光受信方法は、受信光信号と局部発振光とを干渉させることにより、第１の干渉光信号と前記第１の干渉光信号の位相が略反転した第２の干渉光信号とを生成し、前記第１の干渉光信号を光電変換した信号と、前記局部発振光の光強度に基づいた強度を有する電流信号との差を表す第１の干渉光減算信号を生成し、前記第２の干渉光信号を光電変換した信号と、前記局部発振光の光強度に基づいた強度を有する前記電流信号との差を表す第２の干渉光減算信号を生成し、前記第１の干渉光減算信号および前記第２の干渉光減算信号の差分を表す信号を出力する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、受信光信号に対する高いリニアリティを維持した信号を出力しながら、構成回路に必要となる入力ダイナミックレンジをより小さくする光受信器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施の形態としての光受信器の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態としての光受信器の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態としての光受信器の回路構成の一例を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態としての光受信器の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態としての光受信器の回路構成の一例を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態におけるバランス型光検出器からの出力電流信号のオフセット成分を説明するためのグラフである。
【図７】本発明の第３の実施の形態としての光受信器の回路構成の他の一例を示す図である。
【図８】関連技術の光受信器の構成を示す図である。
【図９】受信光信号の光パワーと局部発振光の光パワーとに定められた関係を示すグラフである。
【図１０】関連技術の光受信器において光検出器からの出力電流信号のオフセット成分を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態としての光受信器１の構成を図１に示す。図１において、光受信器１は、干渉部１１と、第１の干渉光減算部１２と、第２の干渉光減算部１３と、差分出力部１４とを備えている。また、光受信器１は、デジタルコヒーレント受信方式を用いた受信装置に備えられている。この光受信器１から出力される電気信号は、受信装置が備えるＡＤ変換部８１に入力され、デジタル信号処理部８２によって処理されることにより、送信データに復調される。
干渉部１１は、受信光信号と局部発振光とを干渉させることにより、第１の干渉光信号と、この第１の干渉光信号の位相が略反転した第２の干渉光信号とを生成する。ここで、局部発振光は、受信光信号とほぼ同一の波長を有する光信号である。局部発振光は、受信装置が有する局部発振器（図示せず）から出力される。例えば、干渉部１１は、光９０度ハイブリッドによって構成される。また、干渉部１１は、受信光信号と局部発振光とを互いに同相および逆位相でそれぞれ干渉させた第１の干渉光信号および第２の干渉光信号を生成してもよい。また、干渉部１１は、受信光信号と局部発振光とを互いに直交および逆直交でそれぞれ干渉させた第１の干渉光信号および第２の干渉光信号を生成してもよい。
第１の干渉光減算部１２は、第１の干渉光信号を光電変換した信号と、局部発振光比例信号を光電変換した信号との差を表す第１の干渉光減算信号を生成する。ここで、局部発振光比例信号とは、局部発振光の光強度に基づく光強度を有する光信号である。すなわち、局部発振光比例信号の光強度は、局部発振器から出力される局部発振光の光強度に比例する。また、局部発振光比例信号の光強度は、局部発振光の光強度より小さいことが好ましい。なお、局部発振光比例信号は、外部から入力されたものであってもよい。
例えば、第１の干渉光減算部１２は、光信号を電気信号に変換する光検出器を用いて第１の干渉光信号を光電変換する。また、第１の干渉光減算部１２は、他の光検出器を用いて局部発振光比例信号を光電変換する。そして、第１の干渉光減算部１２は、減算回路を用いて、第１の干渉光信号が変換された電気信号と、局部発振光比例信号が変換された電気信号との差分を第１の干渉光減算信号として出力する。すなわち、第１の干渉光減算信号は、第１の干渉光信号から局部発振光比例信号が減算された電気信号となる。
第２の干渉光減算部１３は、第２の干渉光信号を光電変換した信号および上述の局部発振光比例信号を光電変換した信号との差を表す第２の干渉光減算信号を生成する。
例えば、第２の干渉光減算部１３は、光検出器を用いて第２の干渉光信号を光電変換する。また、第２の干渉光減算部１３は、他の光検出器を用いて局部発振光比例信号を光電変換する。そして、第２の干渉光減算部１３は、減算回路を用いて、第２の干渉光信号が変換された電気信号と、局部発振光比例信号が変換された電気信号との差分を第２の干渉光減算信号として出力する。すなわち、第２の干渉光減算信号は、第２の干渉光信号から局部発振光比例信号が減算された電気信号となる。
差分出力部１４は、第１の干渉光減算信号および第２の干渉光減算信号の差分を表す信号を光受信器１の外部に出力する。例えば、差分出力部１４は、減算器によって構成される。このような差分出力部１４が出力する電気信号は、受信光信号の位相情報を含むものとなる。例えば、干渉部１１が、受信光信号および局部発振光を互いに同相および逆位相でそれぞれ干渉させた第１の干渉光信号および第２の干渉光信号を生成した場合、差分出力部１４が出力する信号は、受信光信号および局部発振光の同相干渉成分となる。また、干渉部１１が、受信光信号と局部発振光とを互いに直交および逆直交でそれぞれ干渉させた第１の干渉光信号および第２の干渉光信号を生成した場合、差分出力部１４が出力する信号は、受信光信号および局部発振光の直交位相干渉成分となる。
以上のように構成される光受信器１の動作について説明する。まず、干渉部１１は、入力される受信光信号と局部発振光とを、少なくとも２種類の位相でそれぞれ干渉させることにより、第１の干渉光信号および第２の干渉光信号を生成する。次に、第１の干渉光減算部１２は、第１の干渉光信号と局部発振光比例信号とをそれぞれ光電変換し、その差である第１の干渉光減算信号を生成する。また、第２の干渉光減算部１３は、第２の干渉光信号と局部発振光比例信号とをそれぞれ光電変換し、その差である第２の干渉光減算信号を生成する。次に、差分出力部１４は、第１の干渉光減算信号および第２の干渉光減算信号の差分を表す信号を光受信器１の外部に出力する。
このように動作する光受信器１から出力される信号を、ＡＤ変換部８１がデジタル信号に変換し、デジタル信号処理部８２が各種処理を実行する。これにより、送信データが復調される。
なお、本発明の第１の実施の形態において、光受信器１が、干渉部１１と、第１の干渉光減算部１２および第２の干渉光減算部１３と、差分出力部１４とをそれぞれ１つずつ備える例について説明した。しかしながら、本発明としての光受信器が備える各部の数は限定されない。例えば、光受信器１は、受信光信号および局部発振光を互いに同相および逆位相でそれぞれ干渉させて混合する干渉部１１、および、両光を互いに直交および逆直交でそれぞれ干渉させて混合する他の干渉部１１を備えてもよい。そして、この場合、光受信器１は、各干渉部１１の後続に第１の干渉光減算部１２、第２の干渉光減算部１３、および、差分出力部１４をそれぞれ備える。このように構成することにより、光受信器１は、受信光信号および局部発振光の同相干渉成分（Ｉ）および直交位相干渉成分（Ｑ）を出力可能となる。
また、このような光受信器１は、受信装置において受信光信号が分離された２つの直交偏波成分のそれぞれに対する光受信器として適用可能である。
次に、本発明の第１の実施の形態の効果について述べる。
本発明の第１の実施の形態としての光受信器は、受信光信号に対する高いリニアリティを維持した信号を出力しながら、構成回路に必要となる入力ダイナミックレンジをより小さくすることができる。
その理由について説明する。前述のように、受信光信号の強度に対して定められた局部発振光の強度が大きい。このため、干渉部によって生成される第１および第２の干渉光信号の強度が大きくなる。図８を用いて説明した関連技術の光受信器では、第１および第２の干渉光信号をそれぞれ光電変換した信号の差分を差分出力部が出力する。このため、強度が大きい第１および第２の干渉光信号が変換された電気信号が入力される差分出力部に、広い入力ダイナミックレンジが必要であった。
これに対して、本発明の第１の実施の形態としての光受信器では、第１および第２の干渉光信号に相当する電気信号を差分出力部に入力する前に、第１および第２の干渉光減算部が、第１および第２の干渉光信号に相当する電気信号から局部発振光比例信号に相当する電気信号をそれぞれ減算してから、差分出力部に入力している。このため、本発明の第１の実施の形態としての光受信器は、差分出力部に入力される電気信号のオフセット成分の大きさを関連技術のものより小さくすることができる。したがって、本発明の第１の実施の形態としての光受信器は、差分出力部に必要とされる入力ダイナミックレンジを小さくすることができる。
また、本発明の第１の実施の形態において、局部発振光比例信号の光強度は、局部発振光の光強度に比例している。このため、第１の干渉光信号に相当する電気信号から局部発振光比例信号に相当する電気信号が減算された第１の干渉光減算信号と、第２の干渉光信号に相当する電気信号から局部発振光比例信号に相当する電気信号が減算された第２の干渉光減算信号との差分を出力する差分出力部は、高いリニアリティを維持可能である。
したがって、本発明の第１の実施の形態としての光受信器は、受信光信号に対する高いリニアリティを維持した信号を出力しながら、構成回路に必要となる入力ダイナミックレンジをより小さくすることができる。
なお、本発明の第１の実施の形態において、差分出力部は、差動増幅器で構成されることが望ましい。その理由について説明する。前述のように、光受信器には、高いリニアリティとともに大きな出力振幅が要求される。ところが、図８を用いて説明した関連技術の光受信器では、高いリニアリティを維持するとともに大きな振幅を有する出力信号を得ながら、差分出力部の入力ダイナミックレンジを小さくすることが難しかった。
そこで、本発明の第１の実施の形態における差分出力部を差動増幅器で構成することにより、差動増幅器に入力される２つの電気信号の差分を表す信号を増幅することができる。これにより、本発明の第１の実施の形態としての光受信器は、差動増幅器の出力信号において、高いリニアリティを維持し、かつ大きな出力振幅を得ながらも、差動増幅器の入力ダイナミックレンジをより小さくすることが可能となる。差動増幅器の一例として、差動トランスインピーダンスアンプを用いてもよい。
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態で用いる図面において、本発明の第１の実施の形態の構成と同一のものには同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。本発明の第２の実施の形態としての光受信器２の構成を図２に示す。図２において、光受信器２は、本発明の第１の実施の形態としての光受信器１に対して、干渉部１１に替えて干渉部２１を備える点が異なる。
干渉部２１は、局部発振光を分岐することにより、その強度を調整した局部発振光比例信号を生成する。干渉部２１が生成する局部発振光比例信号は、第１の干渉光減算部１２および第２の干渉光減算部１３に出力される。例えば、干渉部２１は、入力される局部発振光を受信光信号と干渉させるために位相変換した信号を分岐させることにより、局部発振光比例信号を出力してもよい。この場合、分岐された局部発振光は、分岐や損失により減衰し、局部発振光の強度より小さくかつその強度に比例した局部発振光比例信号となって出力される。
このような光受信器２として、四位相偏移変調（ＱＰＳＫ）光信号を受信する受信装置に備えられた光受信器の回路構成例を図３に示す。なお、図３は、１つの偏波に対する１つの光受信器の構成を示している。図３において、光受信器２は、光９０度ハイブリッド２００と、光検出器（ＰＤ）２０５ａ〜２０５ｄと、ＰＤ２０６ａ〜２０６ｄと、減算器２０３ａ〜２０３ｄと、減算器２０４ａおよび２０４ｂとを備えている。また、光９０度ハイブリッド２００は、光移相器２０１ａ〜２０１ｃと、光ミキサ２０２ａ〜２０２ｄとを有している。ここで、光９０度ハイブリッド２００は、本発明における干渉部の一実施形態を構成している。また、ＰＤ２０５ａ、ＰＤ２０６ａおよび減算器２０３ａは、本発明の第１の干渉光減算部の一実施形態を構成している。また、ＰＤ２０５ｃ、ＰＤ２０６ｃおよび減算器２０３ｃは、本発明の第１の干渉光減算部の一実施形態を構成している。
また、ＰＤ２０５ｂ、ＰＤ２０６ｂおよび減算器２０３ｂは、本発明の第２の干渉光減算部の一実施形態を構成している。また、ＰＤ２０５ｄ、ＰＤ２０６ｄおよび減算器２０３ｄは、本発明の第２の干渉光減算部の一実施形態を構成している。また、減算器２０４ａおよび２０４ｂは、それぞれ本発明の差分出力部の一実施形態を構成している。
以上のように構成された光受信器２の動作について説明する。
まず、偏光ビームスプリッタ等によりＸ偏波またはＹ偏波に分離された受信光信号Ｓ（ｔ）が光受信器２に入力される。次に、光９０度ハイブリッド２００は、光カプラ（図示せず）により受信光信号を４分岐する。また、光９０度ハイブリッド２００は、局部発振光を光カプラにより４分岐し、各信号の位相を、光移相器２０１ａ〜２０１ｃを用いてそれぞれ０、π、π／２、３π／２シフトする。さらに、光９０度ハイブリッド２００は、４分岐した受信光信号と、４分岐して位相変換した各局部発振光とを干渉させた第１および第２の干渉光信号を、ＰＤ２０５ａ〜２０５ｄに出力する。また、光９０度ハイブリッド２００は、局部発振光を位相変換した各信号をさらに分岐することにより得られる局部発振光比例信号を、ＰＤ２０６ａ〜２０６ｄに出力する。減算器２０３ａ〜２０３ｄは、それぞれＰＤ２０５ａ〜２０５ｄからの出力信号（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）と、ＰＤ２０６ａ〜２０６ｄからの各出力信号（Ｅ）との各差分信号（Ｆ），（Ｇ），（Ｈ），（Ｉ）を、減算器２０４ａ〜２０４ｂにそれぞれ出力する。ここで、信号（Ｆ），（Ｈ）は、第１の干渉光減算信号であり、信号（Ｇ），（Ｉ）は、第２の干渉光減算信号である。次に、減算器２０４ａは、減算器２０３ａからの出力信号（Ｆ）と、減算器２０３ｂからの出力信号（Ｇ）との差分信号（Ｊ）をＡＤ変換部８１に出力する。また、減算器２０４ｂは、減算器２０３ｃからの出力信号（Ｈ）と、減算器２０３ｄからの出力信号（Ｉ）との差分信号（Ｋ）をＡＤ変換部８１に出力する。以上で、光受信器２は動作を終了する。
なお、このようにして光受信器２から出力される信号（Ｊ）および（Ｋ）は、ＡＤ変換部８１によってデジタル信号に変換される。デジタル信号は、デジタル信号処理部８２による偏波分離、光源周波数オフセット補償、位相補償などのデジタル信号処理を経て、復調される。
次に、本発明の第２の実施の形態の効果について説明する。
本発明の第２の実施の形態としての光受信器は、受信光信号に対する高いリニアリティを維持した信号を出力しながら、差分出力部を構成する減算器に必要となる入力ダイナミックレンジをより小さくすることができる。
その理由について、図３に示した回路構成の光受信器を用いて説明する。まず、受信光信号Ｓ（ｔ）を次式（１）で表し、局部発振光Ｌ（ｔ）を次式（２）で表す。
2012117951.tif 000003
ここで、ω１、ωは、それぞれ受信光信号、局部発振光の光の周波数（＝光速／波長）であり、φは位相である。また、位相変調方式においては、位相φに送信情報が乗せられ、ＱＰＳＫでは０、π、π／２、３π／２である。ここでは受信光信号および局部発振光の光の周波数は一致（ω１＝ω）しているものとする。
このとき、受信光信号と局部発振光との第１および第２の干渉光信号が入力される各ＰＤ２０５ａ〜２０５ｄの出力信号（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は、それぞれ次式（３）〜（６）のように表される。
出力信号（Ａ）：
2012117951.tif 000004
出力信号（Ｂ）：
2012117951.tif 000005
出力信号（Ｃ）：
2012117951.tif 000006
出力信号（Ｄ）：
2012117951.tif 000007
式（３）〜（６）においてａ、ｂ、ｃ、ｄは各ＰＤの量子効率であり、ここでは、ａ＝ｂ＝ｃ＝ｄ＝１とする。
一方、局部発振光比例信号が入力される各ＰＤ２０６ａ〜２０６ｄの出力信号（Ｅ）は、次式（７）で表される。
2012117951.tif 000008
ここで、αは、局部発振光比例信号に関する比例定数で０＜α＜１である。また、ｅは、各ＰＤ２０６ａ〜２０６ｄの量子効率であり、ここではｅ＝１とする。
すると、減算器２０３ａ〜２０３ｄの出力信号（Ｆ），（Ｇ），（Ｈ），（Ｉ）は、次式（８）〜（１１）のように表される。
出力信号（Ｆ）：
2012117951.tif 000009
出力信号（Ｇ）：
2012117951.tif 000010
出力信号（Ｈ）：
2012117951.tif 000011
出力信号（Ｉ）：
2012117951.tif 000012
で、表される。式（８）〜（１１）において、第１項および第２項は、オフセット成分（ＤＣ成分）を表し、第３項は、受信光信号の位相情報を表している。これらの式から、出力信号（Ｆ），（Ｇ），（Ｈ），（Ｉ）は、ＰＤ２０６ａ〜２０６ｄを用いない関連技術の光受信器に比べて、α２Ｂ２分だけ、オフセット成分が小さくなることが分る。局部発振光の強度Ｂ２は、受信光信号の強度Ａ２の１０倍以上で、式（８）〜（１１）では支配的であるため、減算器２０４ａおよび２０４ｂに必要な入力ダイナミックレンジはＢ２の項で決まる。したがって、本実施形態は、関連技術に比べてα２Ｂ２分だけ、減算器２０４ａおよび２０４ｂに必要な入力ダイナミックレンジを小さくすることが可能となる。
また、減算器２０４ａおよび２０４ｂの出力信号（Ｊ）および（Ｋ）は次式（１２）および（１３）のように表される。
出力信号（Ｊ）：
2012117951.tif 000013
出力信号（Ｋ）：
2012117951.tif 000014
すなわち、本発明の第２の実施の形態としての光受信器２は、関連技術の光受信器と同様に位相情報を抽出可能となっている。
このように、本発明の第２の実施の形態としての光受信器は、干渉部が、局部発振光を減衰させた局部発振光比例信号を出力し、この局部発振光比例信号が入力されるＰＤ２０６ａ〜２０６ｄを備えている。そして、受信光信号と局部発振光との第１の干渉光信号が変換された信号（Ａ）および第２の干渉光信号が変換された信号（Ｂ）の差分をとる前に、信号（Ａ）および（Ｂ）から、局部発振光比例信号がＰＤ２０６ａ〜２０６ｄによって変換された信号（Ｅ）を減算する。これにより、減算部２０４ａおよび２０４ｂに入力される信号のオフセット成分を小さくすることができる。その結果、受信光信号の位相情報を抽出する差分出力部を構成する減算器に必要な入力ダイナミックレンジを小さくすることが可能となる。
なお、本実施の形態において、干渉部として、図３に示す回路構成の光９０度ハイブリッドを用いることにより局部発振光の強度を調整した局部発振光比例信号を出力する例について説明した。本発明の干渉部は、その他の分岐経路を有する回路構成を用いて、局部発振光の強度を調整して局部発振光比例信号を出力してもよい。
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態で用いる各図面において、本発明の第２の実施の形態の構成と同一のものには同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。本発明の第３の実施の形態としての光受信器３の構成を図４に示す。図４において、光受信器３は、本発明の第２の実施の形態としての光受信器２に対して、第１の干渉光減算部１２および第２の干渉光減算部１３に替えて、第１の干渉光減算部３２および第２の干渉光減算部３３と、差分出力部１４に替えて差分出力部３４とを備える点が異なる。
第１の干渉光減算部３２および第２の干渉光減算部３３は、バランス型光検出器を用いて、第１および第２の干渉光信号を光電変換した信号から、局部発振光比例信号を光電変換した信号をそれぞれ減算した信号を出力する。
差分出力部３４は、第１の干渉光減算信号および第２の干渉光減算信号の差分を増幅して出力する。差分出力部３４は、例えば、差動型トランスインピーダンスアンプによって構成される。
このような光受信器３として、ＱＰＳＫ光信号を受信する受信装置に備えられた光受信器の回路構成例を図５に示す。なお、図５は、１つの偏波に対応する１つの光受信器を示している。図５において、光受信器３は、光９０度ハイブリッド２００と、ＰＤ３０５ａ〜３０５ｄと、ＰＤ３０６ａ〜３０６ｄと、差動型トランスインピーダンスアンプ３０４ａ〜３０４ｂとを備えている。ここで、ＰＤ３０５ａおよび３０６ａ、ＰＤ３０５ｂおよび３０６ｂ、ＰＤ３０５ｃおよび３０６ｃ、ＰＤ３０５ｄおよび３０６ｄは、それぞれアノードおよびカソードが接続されることにより、バランス型光検出器を構成している。また、ＰＤ３０５ａおよび３０６ａ、ならびに、ＰＤ３０５ｃおよび３０６ｃは、それぞれ本発明の第１の干渉光減算部の一実施形態を構成している。また、ＰＤ３０５ｂおよび３０６ｂ、ならびに、ＰＤ３０５ｄおよび３０６ｄは、それぞれ本発明の第２の干渉光減算部の一実施形態を構成している。
以上のように構成された光受信器３の動作について説明する。
まず、偏光ビームスプリッタ等によりＸ偏波またはＹ偏波に分離された受信光信号Ｓ（ｔ）が光受信器３に入力される。次に、光９０度ハイブリッド２００は、光カプラ（図示せず）により受信光信号を４分岐する。また、光９０度ハイブリッド２００は、局部発振光を光カプラにより４分岐した後、各信号の位相を、光移相器２０１ａ〜２０１ｃを用いてそれぞれ０、π、π／２、３π／２シフトする。さらに、光９０度ハイブリッド２００は、４分岐した受信光信号と、４分岐して位相変換した各局部発振光とを干渉させた第１および第２の干渉光信号を、ＰＤ３０５ａ〜３０５ｄに出力する。また、光９０度ハイブリッド２００は、局部発振光を位相変換した各信号をさらに分岐することにより得られる局部発振光比例信号を、ＰＤ３０６ａ〜３０６ｄに出力する。次に、ＰＤ３０５ａおよび３０６ａによって構成されるバランス型光検出器は、第１の干渉光減算信号（Ｆ）を出力する。同様に、ＰＤ３０５ｂおよび３０６ｂによって構成されるバランス型光検出器は、第２の干渉光減算信号（Ｇ）を出力する。同様に、ＰＤ３０５ｃおよび３０６ｃによって構成されるバランス型光検出器は、第１の干渉光減算信号（Ｈ）を出力する。同様に、ＰＤ３０５ｄおよび３０６ｄによって構成されるバランス型光検出器は、第２の干渉光減算信号（Ｉ）を出力する。次に、差動型トランスインピーダンスアンプ３０４ａは、出力信号（Ｆ）と出力信号（Ｇ）との差分を増幅した信号（Ｊ）をＡＤ変換部８１に出力する。また、差動型トランスインピーダンスアンプ３０４ｂは、出力信号（Ｈ）と出力信号（Ｉ）との差分を増幅した信号（Ｋ）をＡＤ変換部８１に出力する。以上で、光受信器３は動作を終了する。
なお、このようにして光受信器３から出力される信号（Ｊ）および（Ｋ）は、ＡＤ変換部８１によってデジタル信号に変換される。デジタル信号は、デジタル信号処理部８２による偏波分離、光源周波数オフセット補償、位相補償などのデジタル信号処理を経て、復調される。
ここで、図６に、光受信器３において、差動型トランスインピーダンスアンプ３０４ａおよび３０４ｂに入力されるバランス型光検出器からの出力信号（第１および第２の干渉光減算信号）の波形を示す。図６において、実線および破線は、１つの差動型トランスインピーダンスアンプ３０４に入力される２つのバランス型光検出器からの各出力電流信号をそれぞれ表している。これらの出力電流信号のオフセット成分は、図１０で説明した関連技術の光受信器において差動型トランスインピーダンスアンプに入力される信号の波形に対して小さくなっていることがわかる。
次に、本発明の第３の実施の形態の効果について説明する。
本発明の第３の実施の形態としての光受信器は、差動型トランスインピーダンスアンプに必要な入力ダイナミックレンジを広くすることなく、リニアリティを維持しながらより大きな出力振幅を得ることができる。
その理由について説明する。まず、デジタルコヒーレント受信方式の受信装置に備えられる光受信器には、大きな出力振幅が必要であることについて説明する。これは、光受信器からの出力信号は、後段でＡＤ変換されてデジタル信号処理が施されるためである。つまり、ＡＤ変換部での高い精度と分解能を得るためには、光受信器からの大きな出力振幅が必要とされる。
図８に示した関連技術の光受信器では、図１０に示したようなオフセット成分が大きい電気信号が差動型トランスインピーダンスアンプに入力されていた。このため、リニアリティを維持しながら大きな出力振幅を得るには、差動型トランスインピーダンスアンプの入力ダイナミックレンジを広くする必要があった。
これに対して、本発明の第３の実施の形態としての光受信器は、バランス型光検出器を用いて、図１０に示すような第１および第２の干渉光信号が光電変換された信号から、局部発振光比例信号が光電変換された信号を減算する。これにより、本発明の第３の実施の形態としての光受信器は、図６に示すようなオフセット成分を小さくした信号を差動型トランスインピーダンスアンプに入力する。
ここで、図５における第１および第２の干渉光信号が光電変換された信号（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は、本発明の第２の実施の形態と同様に、式（３）〜（６）でそれぞれ表される。また、図５における局部発振光比例信号が光電変換された信号（Ｅ）は、本発明の第２の実施の形態と同様に、式（７）で表される。したがって、図５における差分出力部としての差動型トランスインピーダンスに入力される信号（Ｆ），（Ｇ），（Ｈ），（Ｉ）は、本発明の第２の実施の形態と同様に、式（８）〜（１１）で表され、オフセット成分がα２Ｂ２分だけ小さくなる。すなわち、本発明の第３の実施の形態としての光受信器は、差動型トランスインピーダンスアンプに必要な入力ダイナミックレンジをα２Ｂ２分だけ小さくすることができる。
また、本発明の第３の実施の形態としての光受信器は、第１および第２の干渉光減算部をバランス型光検出器で構成することにより、光受信器の構成を小さくすることができる。
次に、本発明の第３の実施の形態の光受信器３の他の回路構成について説明する。本発明の第３の実施の形態の光受信器３は、図７に示すように、各バランス型光検出器を構成するＰＤをそれぞれ同一基板上に集積して構成される。
このように構成することにより、本発明の第３の実施の形態の光受信器における光検出器を構成する各ＰＤの特性を均一にすることができる。また、このような構成により、光受信器の組み立て工程を簡素化することが可能である。
また、本発明の第３の実施の形態における第１および第２の干渉光減算部を構成する各バランス型光検出器において、局部発振光比例信号を光電変換する各ＰＤ３０６ａ〜３０６ｂの容量を、第１および第２の干渉光信号を光電変換する各ＰＤ３０５ａ〜３０５ｄの容量より小さいもので構成してもよい。すなわち、ＰＤ３０６ａ〜３０６ｄは、ＰＤ３０５ａ〜３０５ｄに対して光吸収層厚が厚く、キャリア走行時間は長いが容量が小さいＰＤによって構成されてもよい。ここで、局部発振光比例信号が入力されるＰＤ３０６ａ〜３０６ｂは、オフセット成分を減算するための構成であるため、広帯域性を必要としない。したがって、光吸収層厚が厚く容量が小さいＰＤを用いてＰＤ３０６ａ〜３０６ｂを構成することにより、差動型トランスインピーダンスアンプ３０４ａおよび３０４ｂにとっての入力容量の増加を抑えることができる。
なお、本発明の第２および第３の実施の形態において、ＱＰＳＫ光信号をコヒーレント受信する光受信器の回路構成例について説明した。本発明の光受信器は、他の位相偏移変調光信号を受信する受信装置における光受信器にも適用可能である。
また、本発明の各実施の形態において、局部発振光比例信号は、外部から入力されるか、干渉部によってその強度を調整されるものとして説明した。本発明の光受信器は、局部発振光を減衰させてその強度を調整した局部発振光比例信号を出力する光減衰部を備えてもよい。このような光減衰部は、例えば光アッテネータによって構成される。この場合、光減衰部は、干渉部と、第１および第２の干渉光減算部との間に配置される。あるいは、光減衰部は、干渉部を構成する光９０度ハイブリッド上に配置されてもよい。
また、本発明の各実施の形態において、第１および第２の干渉光減算部が、局部発振光比例信号を光電変換する例について説明した。本発明の光受信器の第１および第２の干渉光減算部には、局部発振光の光強度に基づいた強度を有する電流信号が外部から入力されてもよい。この場合、第１および第２の干渉光減算部は、第１および第２の干渉光信号を光電変換した信号と、外部から入力される電流信号との差を、第１および第２の干渉光減算信号として生成する。
また、上述した各実施の形態は、適宜組み合わせて実施されることが可能である。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２０１１年３月１日に出願された日本出願特願２０１１−０４３７４２を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。
【符号の説明】
【０００９】
１、２、３、９０    光受信器
９  受信装置
１１、２１    干渉部
１２、３２    第１の干渉光減算部
１３、３３    第２の干渉光減算部
１４、３４、９３    差分出力部
８１    ＡＤ変換部
８２、９５    デジタル信号処理部
９１、２００    光９０度ハイブリッド
９２    ＰＤ
９４    ＡＤ変換器
２０１ａ〜２０１ｃ    光移相器
２０２ａ〜２０２ｄ    光ミキサ
２０３ａ〜２０３ｄ、２０４ａ〜２０４ｂ    減算器
２０５ａ〜２０５ｄ、２０６ａ〜２０６ｄ、３０５ａ〜３０５ｄ、３０６ａ〜３０６ｄ    ＰＤ
３０４ａ〜３０４ｂ    差動型トランスインピーダンスアンプ
【図１】
2012117951.tif 000015
【図２】
2012117951.tif 000016
【図３】
2012117951.tif 000017
【図４】
2012117951.tif 000018
【図５】
2012117951.tif 000019
【図６】
2012117951.tif 000020
【図７】
2012117951.tif 000021
【図８】
2012117951.tif 000022
【図９】
2012117951.tif 000023
【図１０】
2012117951.tif 000024
【国際調査報告】
2012117951.tif 000025
2012117951.tif 000026