JP4247927B2 - 光伝送の性能改善のための同期偏光および位相変調 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、情報の光学的伝送、特に光ファイバ伝送システムの伝送能力を改善することに関する。
【０００２】
【発明の背景】
非常に長い光ファイバ伝送路、例えば光増幅中継器を利用する改訂もしくは大陸横断光波伝送システムで利用される光ファイバ伝送路は、伝送路を構成する光ファイバの長さに伴って累積する大きな減損に起因して性能の低下を被る。典型的には、このような長い光伝送システムにおいては、これらの減損は時間とともに変化し受信信号の信号−雑音比（ＳＮＲ）におけるランダムな変動を引き起こす。このランダムな変動は信号フェージングとして知られる現象に寄与する。信号フェージングは、光ファイバ路を介して伝送されるデジタル信号に対しビット誤り率（ＢＥＲ）を結果として増加させる。このような伝送システム内のデジタル信号のＳＮＲが許容できない程小さくなるとき（望ましくない程のＢＥＲになったとき）信号フェージングが生じたといわれる。実験による証拠によれば、伝送路にそっての光ファイバ自体および／又は他の光学素子（例えば、中継器、増幅器など）により誘動される偏光依存効果が信号フェージングおよびＳＮＲ変動に影響することが示された。特に、これらの効果の１つは、光増幅器のポピュレーション インバージョン ダイナミクスに関係する偏光ホール−バーニング（ＰＨＢ）として識別されている。ホール−バーニングについてはＤ．Ｗ．ホール、Ｒ．Ａ．ハース、Ｗ．Ｆ．クルプクおよびＭ．Ｊ．ウェーバーら著の“ネオダイミアムガラスレーザーにおけるスペクトルおよび偏光ホールバーニング”ＩＥＥＥ量子エレクトロニクスジャーナル，Ｖｏｌ．ＱＥ−１９，Ｎｏ．１１ １９８３年１１月において議論がなされている。
【０００３】
ＰＨＢは、伝送路により搬送される主光信号の状態に対して平行な偏光状態（ＳＯＰ）を有する任意信号に対して長く引かれた伝送路内の光増幅器の利得を減少させる。しかしながら、主信号のそれに対して直交するＳＯＰを有する光信号に対しては、これら増幅器により提供される利得な相対的に影響されない状態に留まる。簡単に言うと主光信号は、主光信号のＳＯＰに依存する増幅器の非等方的飽和を生成する。この非等方的飽和は増幅器内のポピュレーションインバージョンを減少させ、結果として主光信号と同じＳＯＰを有する光信号に対してより低い利得となる。このため主信号に対して直交するＳＯＰを有する雑音が増幅器により優先的に強調されることとなる。この強調された雑音は、伝送システムのＳＮＲを低下させそして増幅されたＢＥＲをもたらす。
【０００４】
信号フェージングを減少させる従来の方法は、与えられた光路に入射される信号のＳＯＰをその光路の遠端にて受信される信号の品質の関数として能動的に調節するシステムの利用を含んでいた。いくつかの方法において、信号のＳＯＰはスクランブルされている。例えば、ビット速度よりもより低いおよびより高い両方の周波数でＳＯＰをスクランブルするシステムが知られている。しかしながら、ビット速度よりも低い周波数でスクランブルすると受信器の帯域幅内にデータ信号のＡＭ変調をもたらし、そのため低周波数スクランブルにより達成できる潜在的な改善を減じることとなる。ビット速度よりも高い周波数でのスクランブルはＡＭ変調を減少させることはできるが送信される帯域幅の増加を引き起こしそれは性能を劣化させもする。
【０００５】
【発明の要旨】
本発明によれば、光信号の偏光を変調するための方法および装置が提供される。偏光変調器は、データが予め定められた周波数にて変調された光信号を受信する。この偏光変調器は、位相ロックされかつデータが光信号に変調されるのと同じ予め定められた周波数に等しい周波数にて光信号の偏光の状態を変調する。偏光変調は、各変調サイクルにわたる偏光の状態の平均値がゼロにほぼ等しくなるように遂行される。本発明の一実施例においては、光信号に与えられた偏光変調の位相は、例えば移相器のような電気的遅延線によって選択的に変化される。加えて、光信号は、光信号にほとんど偏光変調を与えないようにして光位相変調器により選択的に位相変調され得る。
【０００６】
【詳細な記述】
図１は、本発明を実施する例示としての構成の単純化されたブロックダイヤグラムを示している。図に示されるように、本発明は、連続波（ＣＷ）光信号１０１を生成するためのレーザ１００を含んでいる。光信号１０１は、周知の仕方でそこに情報を与えるため信号を変調し変調された光情報信号１０３を生成するデータ変調器１０２へと伝送される。データ変調器１０２は、光信号１０１に与えられるべきデータをデータソース１０４から受信しクロック１０６により決定される周波数にて光信号１０１を変調する光情報信号１０３は、データ変調器１０２から光情報信号１０３のＳＯＰを変調する偏光変調器１０８へと伝送される。偏光変調器１０８は、変調周期にわたって平均化される選ばれるＳＯＰをもたないような方法で光情報信号のＳＯＰを変化させるよう動作する。従って、出力信号１０５は、実質的にゼロである偏光の度合いをもちスクランブルされた偏光であるといえる。偏光変調器１０８の動作の一例において、光情報信号１０３のＳＯＰはポアンカレ（Ｐｏｉｎｃａｒｅ）球上の完全な大円を追跡する。これとは別に、光信号のＳＯＰはポアンカレ球にそって往復し得る。いずれにしても、各変調サイクルにわたるＳＯＰの平均値は実質的にゼロに等しい。本発明において利用し得る偏光変調器１０８の一例は米国特許第５，３２７，５１１号、特にそのＦＩＧ．３に開示されている。
【０００７】
本発明によれば、偏光変調器１０８はクロック１０６により駆動されこれにより光情報信号１０３のＳＯＰが、データが光信号１０１に与えられる速度に等しい速度で変調される。言い換えれば、クロック１０６は、偏光変調の速度をデータ変調の速度にロックされた周波数および位相にさせる。クロック１０６が偏光変調１０８を駆動する仕方は、偏光変調が作用する光信号の電場成分を調べることによって記述され得る。ｘ−ｙ座標においてこれら成分は次のように表現され得る。
【数１】

【０００８】
ここでωは光搬送波周波数、φ_x（ｔ）およびφ_y（ｔ）は光信号１０３の位相角であり、そしてＡ_x（ｔ）およびＡ_y（ｔ）は実電場強さであり、強度変調を含むものと仮定される。原理的には、これら電場成分を有する光信号のいずれかの可能なＳＯＰは（Ａ_x ² ＋Ａ_y ² ）一定の値を維持しつつ相対的な位相差φ_x −φ_y を０と２πの間で変化させながら比Ａ_x ／Ａ_y を変化させることによって得られる。しかしながら、偏光変調器１０８は位相φ_x およびφ_y のみを変化させることによって、光信号のＳＯＰを変調するよう機能する。変調サイクルにわたるその平均エネルギーがゼロとなるＳＯＰを提供するためにはこれで十分である。正弦波駆動信号を仮定すると、この位相変調は次のように表される。
【数２】

【０００９】
偏光変調器１０８により与えられる位相変調は、異なる定位相γｘ およびγｙ を伴うｘ成分およびｙ成分を有する（デバイス複屈折の原因となる）信号を提供する。位相変調は、両電場成分について同じである位相ψを伴った変調周波数Ωで振動する正弦波状変動をも導く。しかしながら、この正弦波状変動は、電場成分Ｅｘ およびＥｙ に対してそれぞれ異なる係数ａｘ およびａｙ をもっている。変調係数ａｘ およびａｙ の大きさは、ＳＯＰがポアンカレ球上を横切る往復する軌跡の範囲を決定づける。当業者であれば、式（３）および（４）により表される形式の位相変調はいずれの可能なＳＯＰをも生成しないがパラメータを適当に調整することにより平均偏光が単一の変調サイクルにわたってゼロとなるポアンカレ上の軌跡にそって往復する信号を発生することが可能であると、認識するであろう。例えば、振幅Ａｘ およびＡｙ が等しくなるように選ばれればａｘ −ａｙ ＝０．７６５πと設定することにより偏光の平均度合いはゼロに等しくなるであろう。この場合、偏光変調器１０８からでる変調された光信号はポアンカレ球上の大円全体７６パーセントを追跡するにすぎないが、変調光信号１０５は平均的には完全に偏光が消滅するであろう。
【００１０】
図１に示される構成において、偏光変調器１０８は、クロック１０６の周波数に等しい変調周波数Ωで駆動される。図１においてさらに示されるように、典型的にはクロック１０６を偏光変調器１０８に結合する移相器１１０のような電気的可変遅延線を提供するのが好都合であろう。移相器１１０は、データ変調の位相に相対する偏光変調の位相ψを選択的に調節するのに用いられる。この位相は、受信された信号の信号対雑音比が最大となるように調節されそれは経験的に決定され得る。図３と結びつけて以下において提示される実験結果は、受信信号対位相ψのＳＮＲの量で測定されたシステム性能を示している。これらの結果は、良好なＳＮＲ特性を与える位相ψについての明確な値が存在することを示している。一旦適当に最適化されると、図１に示される装置は、低速変調により引き起こされる残留ＡＭ変調および高速変調により引き起こされる帯域幅の増加などの有害な効果を最小化する。即ち、低速変調と高速変調との間のほぼ最適な平衡を提供する。
【００１１】
偏光変調器１０８により信号１０３に与えられた偏光変調に加えて、位相角φ_x およびφ_y の平均値により与えられる正味の又は過剰の位相変調も存在する。図１に示される発明の実施例においては、この平均位相変調はゼロであると仮定される。しかしながら、以下で議論されるように図２および図３に示される発明の実施例は非ゼロの過剰の位相変調を許容するものである。
【００１２】
偏光および／又は位相変調をＡＭ変調に変換することのできる２つの範疇の現象、文字どおり偏光従属現象および偏光独立現象が存在する。偏光従属現象の例は、時間的に変動し付加的な信号フェージングを引き起こすような伝送媒体における偏光依存損失によりもたらされる。偏光独立現象の例は、時間的に変動しないようなもの、即ち伝送ファイバにおける色分散および／又は非線形屈折率によりもたらされる。以降において説明されるように、ビット速度で偏光を変調することにより発生されるＡＭは、信号フェージングの有為な一因とはならない。
【００１３】
偏光スクランブルされた信号がＰＤＬを有する素子に出会うと、ＡＭ変調が変調周波数Ωおよびその高調波（即ち、２Ω、３Ω、・・・・・・・・・）でおこり得る。ＡＭの量と偏光変調の位相に関してのＡＭの位相関係は、一般に偏光変調軸に関してのＰＤＬ素子の損失軸の方向に依存する。光信号の偏光の状態は時間的にふらつくので生ずるＡＭの量はふらつくであろう。当業者には既知のように、典型的なファイバ光学受信器はデータ速度の約６０パーセントの電気的帯域幅をもっている。したがって、ビット速度で生じるＡＭ変調のいくらかは受信器を通過し判定回路に達しＢＥＲに影響を与える。しかしながら、２Ω以上の周波数を有する高調波は受信器によって阻止されるのでこれらビット速度の高調波で生ずるＡＭによってはＢＥＲは影響されない。光信号の往復するＳＯＰとＰＤＬ成分との相互作用によって引き起こされるＡＭの形式の解析から、ＡＭ変調の大部分は変調周波数の高調波（即ち、２Ω以上）で生じ基本変調周波数Ωでは生じないということを示すことができる。従って、上述したように、適当に設計された光受信器が利用されるものと仮定すると、ビット速度で偏光を変調することにより発生するＡＭは信号フェージングには有意に寄与しない。光ファイバの色分散および／又は非線形屈折率の結果として偏光および／又は位相変調の変換により発生されるＡＭは、偏光変調がビット速度で行われる場合は有利である。
【００１４】
図２は、光位相変調器２１４が偏光変調器２０８に結合される本発明の別の実施例を示している。クロック２０６は、可変遅延線２１０および２１２をそれぞれ介して、光位相変調器２１４と同様に図１に示されるような偏光変調器２０８を駆動する。図１に示される本発明の実施例におけるように、本発明では例えば移相器のような任意の適切な型の可変遅延線の利用がもくろまれる。本発明のこの実施例においては、光信号２０３に与えられる偏光変調は、２つの別個独立の位相、即ち偏光変調２０８と関連づけられる位相ψ₂ および光位相変調器２１４と関連づけられる位相ψ₁ を含んでいる。こうして偏光変調器２０８から出力される光信号２０５の位相角φ_x およびφ_y は次式のようになる。
【数３】

【００１５】
式（５）および式（６）は光位相変調器２１４は、光信号２０３のＸおよびＹ成分双方に対して同じ位相変調を与える。したがって、光位相変調器２１４は、光信号の偏光を変調することなく信号２０３の光学的位相を変調する。光位相変調器２１４が偏光を変調しない理由は、光信号の偏光変調は位相φ_x およびφ_y の間の差に比例し、この差は（φ_x およびφ_y が等しい量で変調されるため）光位相変調器２１４により影響されないからである。しかしながら、位相ψ₂ を追加の選択的に調整可能なパラメータとして導入することにより、ＮＲＺを変調フォーマットを用いるときに性能に逆効果を与える種々の振幅誤差を減少できる。これらの振幅誤差は、増幅器雑音、色分散およびファイバ非線形性をはじめとする種々のファクタによって引き起こされる。上述したように、信号と色分散およびファイバの非線形屈折率の間の相互作用によって引き起こされる偏光および位相変調の変換から発生されるＡＭは、ＡＭの位相がデータに関して適当に調節されていれば、有利で有り得る。雑音以外の信号に対する減損の影響を評価する図式的方法は、アイダイヤグラムとして当業者には知られている。発生されるＡＭは受信されたデータのアイを“開く”ことができ、そして振幅タイプの誤差によりおきるアイ閉鎖を補償することができる。位相ψ₂ を適当に調節することにより、アイ開口を改善できる。動作上、位相ψ₂ は、受信信号のＳＮＲが最適化するまで移相器２１２を介して調整される。
【００１６】
図３において、図２に示される位相変調器２１４および偏光変調器２０８の関数は、両方とも単一のユニットに編入される。この場合は、単一の移相器３１０が偏光変調および光位相変調の双方を変化させるのに用いられる。この場合、偏光変調は、角度φ₁ −φ₂ における差によって与えられ、かつ低い度合いの偏光に対して調整される。過剰の位相変調は２つの角度の平均（φ₁ ＋φ₂ ）／２によって与えられる。本発明のこの実施例の動作は、図２でψ₁ ＝ψ₂ としたときのものに類似する。
【００１７】
図４は、図３に示される構成を用いて遂行される実験の結果を示している。ループ循環手法を用いた伝送路は、６３００ｋｍ延長され、平均入射パワー２５ｄＢｍで２．５Ｇビット／秒のビット速度を利用した。
【００１８】
この図は結果として得られたＱ係数（即ち、電気的ＳＮＲ）対位相ψを示している。このデータは、位相ψについての適正な値を選択することにより良好なＳＮＲ特性が達成できることを示している。
【００１９】
図５は、本発明に従う送信器、受信器、伝送路および遠隔計測路を含む伝送システムの一例である。送信器４００、図２又は図３で示された構成の特性を実現する位相制御された偏光変調器４０２、伝送媒体４０４、および受信器４０８を送信器４００に接続してＳＮＲやＱ係数のような受信信号の特性を帰還（フィードバック）するための遠隔計測経路４０６が示されている。この例の目的としての（本発明はこれに限定されるものではない）伝送媒体は、光増幅器および単一モード光ファイバの連鎖である。これらの要素は当業者には周知である。
【００２０】
送信器４００は、その偏光が上述されたような位相制御された偏光変調器４０２によって変調される光情報信号を生成する。結果として生じる偏光変調された信号は伝送媒体４０４を通過しついで受信器４０８に達する。受信器では、Ｑ係数が伝送性能の指標として測定される。Ｑ係数値は、遠隔計測経路４０６を介して偏光変調器４０２に対して送り返される。
【００２１】
いくつかのアプリケーションにおいては、遠隔計測経路４０６をＳＯＮＥＴフレームにおけるオーバーヘッドあるいはオーダーワイヤチャンネルのような同じ伝送システムに割り当てたり、別個の電話回線のような異なるチャンネルで伝送することが望ましいということが当業者にはわかるであろう。Ｑ係数値は、例えば偏光変調器４０２内に配置され得る論理素子により受信され処理される。この論理素子は、偏光変調器４０２により上述した式（５）および式（６）に従って信号に与えられた位相変調を制御して、受信されるＱ係数を最大化する。とりわけ、論理素子は、例えばａ_x 、ａ_y 、ψ₁ 、ψ₂ および／又はｂの値を制御し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従う位相制御され偏光変調された送信器の一実施例の単純化されたブロックダイヤグラムを示す図である。
【図２】 本発明に従う位相制御され偏光変調された送信器の別の実施例の単純化されたブロックダイヤグラムを示す図である。
【図３】 本発明に従う位相制御され偏光変調された送信器さらに別の実施例の単純化されたブロックダイヤグラムを示す図である。
【図４】図３において示された送信器を利用する構成について結果として生ずるＱ係数対位相を示す図である。
【図５】 本発明に従う送信器、位相制御された偏光変調器、受信器、伝送経路および遠隔経路を含む伝送システム構築の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１００ レーザ
１０１ 光信号
１０２ データ変調器
１０３ 光情報信号
１０４ データソース
１０５ 出力信号
１０６ クロック
１０８ 偏光変調器
１１０ 移相器
２１４ 位相変調器

Claims (15)

1. 光信号の偏光を変調する装置であって、
   所定の周波数のクロックでデータが変調された光信号を受信する偏光変調器であって、前記光信号の偏光をポアンカレ球面の少なくとも一部分に沿って追跡する偏光変調器、及び
   該偏光変調器を駆動する、変調サイクルの周波数を決定する周波数を有する信号であって、該信号の周波数が受信器で受信された該光信号の信号対雑音比が最大となるように前記クロックに位相ロックされ前記所定の周波数に等しい、信号
   からなる装置。
2. 請求項１に記載の装置において、該クロックを該偏光変調器に接続すると共にデータ変調の位相に対する偏光変調の位相を選択的に変化させる電気的可変遅延線をさらに含む装置。
3. 請求項２に記載の装置において、該電気的可変遅延線は、移相器である装置。
4. 請求項２に記載の装置において、該光信号源を該偏光変調器に接続する光位相変調器をさらに含み、該光位相変調器は、該光信号の偏光を変調することなく該光信号を光位相変調する装置。
5. 請求項４に記載の装置において、該クロックは、該光位相変調器に接続され、それによって該光位相変調器は、該クロックに位相ロックされると共に該所定の周波数に等しい周波数で光位相変調を行うことが可能である装置。
6. 請求項５に記載の装置において、該クロックを該光位相変調器に接続すると共に、該光位相変調器が行う該光位相変調の位相を選択的に変化させる第２の電気的可変遅延線をさらに含む装置。
7. 請求項６に記載の装置において、該第２の電気的可変遅延線は、移相器である装置。
8. 請求項４に記載の装置において、該第２の電気的可変遅延線は、該クロックを該光位相変調器に接続し、それによって該光位相変調器によって行われる該光位相変調の位相を受信信号のＳＮＲが最適化する位相にする装置。
9. 請求項８に記載の装置において、該第２の電気的可変遅延線は、移相器である装置。
10. 光信号の偏光を変調する装置であって、
    所定の周波数のクロックでデータを変調してある光信号を受信する偏光変調器であって、所定の周波数で規定の位相によって該光信号の偏光状態を変調する変調偏光器、
    該偏光変調器を駆動すると共に、変調サイクルの周波数を決定する周波数を有する信号であって、該信号の周波数が受信器で受信された該光信号の信号対雑音比が最大となるように該クロックに位相ロックされ該所定の周波数に等しい、信号、
    該クロックを該偏光変調器に接続すると共に、データ変調の位相に対する偏光変調の位相を選択的に変化させる電気的可変遅延線、及び
    該光信号源を該偏光変調器に接続する光位相変調器であって、該光信号の偏光を変調することなく該光信号を光位相変調する光位相変調器
    からなる装置。
11. 請求項１０に記載の装置において、該クロックを該光位相変調器に接続し、それによって該光位相変調器が、該クロックに位相ロックされると共に該所定の周波数に等しい周波数で光位相変調を実行することが可能である装置。
12. 請求項１１に記載の装置において、該クロックを該光位相変調器に接続すると共に、該光位相変調器が実行する該光位相変調の位相を選択的に変化させる第２の電気的可変遅延線をさらに含む装置。
13. 請求項１１に記載の装置において、該電気的可変遅延線は、移相器である装置。
14. 請求項１２に記載の装置において、該第２の電気的可変遅延線は、該クロックを該光位相変調器に接続し、それによって該光位相変調器が実行する該光位相変調の位相を受信信号のＳＮＲが最適化する位相にする装置。
15. 請求項１４に記載の装置において、該第２の電気的可変遅延線は、移相器である装置。

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