JP4031076B2 - 高性能光学的送信システム用の複雑な高調波を含む周期的波形を使用する同期偏光および位相変調 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報の光学的送信に関し、より詳細には、高性能光学的送信システム用の複雑な高調波を含む周期的波形を使用する同期偏光および位相変調に関する。
【０００２】
【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】
光学的アンプ・レピータを使用する海底または大陸横断陸上光波送信システムで使用されるような非常に長い光ファイバ送信経路の性能は、送信経路を構成している光ファイバの全長にわたって累積する多くの障害によって低下する。通常、上記障害は、時間と共に変化し、受信信号のＳＮ比をランダムに変動させる。上記障害は、例えば、光学的アンプで使用されるエルビウムでドーピングした光ファイバの偏光孔開き（「ＰＨＢ」）、および送信経路全体にわたる、色分散および光学的非直線性による波形歪によって生じる累積ノイズ効果により起こることがある。光学的キャリヤの偏光を取り除くために、送信した光信号の偏光状況をスクランブルすると、ＰＨＢが低減し受信信号のＳＮ比を改善することができる。
【０００３】
本発明の同時係属出願である米国特許出願第０８／３１２、８４８号には、ある装置が開示されているが、この装置の場合、偏光スクランブリング周波数は、送信機のビット速度を指定するクロック周波数として使用されている。上記技術により、波長分割多重化（「ＷＤＭ」）システムでの光の帯域幅をより有効に使用することができる。このビット同期偏光スクランブリングは、また低速スクランブリングと高速スクランブリングの二つの方式の間の折り合いをつけるのに特に有利である。同期偏光スクランブリングの他に、重畳した位相変調（「ＰＭ」）が、受信データ・パターンの孔開きを劇的に増大する場合がある。上記孔開きの増大は、光ファイバの色分散および非直線効果を通して行われるＰＭからビット同期振幅変調（「ＡＭ」）への変換によるものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、単純な正弦波が含む高調波内容よりさらに複雑な高調波内容を持つ周期的波形によって、光信号の光学的位相および偏光を変調することにより、性能を改善する方法および装置を提供する。位相変調器は、その上で所定の周波数で、データが変調されている光信号を受信する。位相変調器は、基本波位相変調周波数が、光信号上でデータが変調された同じ所定の周波数と等しい場合に、複雑な高調波を持つ周期的波形によって、連続的に光信号の位相を変調する。本発明の他の実施例の場合には、偏光変調器は、さらに基本波偏光変調周波数が、光信号上でデータが変調されたのと同じものである所定の周波数と等しい場合に、複雑な高調波を持つ周期的波形によって、連続的に信号の偏光状態を変調することによって、光信号を処理する。連続的に変調するほかに、各変調サイクルの間の偏光状態の平均数値が、ほぼゼロに等しくなるように偏光変調が行われる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施を容易にする例示としての装置の簡単なブロック図である。図に示すように、本発明は、連続波形（「ＣＷ」）の光信号１０１を発生するためのレーザ１００を含む。光信号１０１は、データ変調器１０２に送られ、このデータ変調器１０２は、変調光情報信号１０３を作る目的で、従来の方法により情報を加えるために上記信号を変調する。データ変調器１０２は、データ源１０４から、光信号１０１に加える信号データ１１６を受信する。データ変調器１０２は、ライン１１７上のクロック信号を通して、クロック１０６が指定した周波数で、光信号１０１を変調する。光情報信号１０３は、データ変調器１０２から位相変調器１０８へ送信される。位相変調器１０８は、その上でデータ信号の変調が行われた光学的キャリヤ（すなわち、光信号１０１）の位相を変調する。本発明の原理によれば、位相変調器１０８は周期的波形１１２によって駆動される。周期的波形１１２は、波形発生器１１０および可変遅延素子を使用して生成する。波形発生器１１０は、周期的制御信号１１１を生成する。周期的制御信号１１１は、クロック１０６と同じ基本周波数を持ち、さらにライン１１８上のクロック信号を通して、クロック１０６に位相ロックされる。
【０００６】
光情報信号１０３によって運ばれる信号データ１１６と、周期的波形１１２との間の相対的な遅れは、可変遅延素子１０７によって決定される。図１に示すように、可変遅延素子１０７は波形発生器１１０に接続していて、周期的制御信号１１１を受信する。遅延は、上記位相変調器により、システムの送信性能を容易に最適化できるように設定される。例えば、遅延は遠隔地で受信したＳＮ比またはＱ係数が最大になるように設定することができる。しかし、可変遅延素子１０７は、使用しても使用しなくてもよいものであり、本発明のある実施例の場合には、取り外すことができることを強調しておきたい。周期的波形１１２により位相変調器１０８を駆動する方法は、位相変調器によって処理される光信号の電界を参照しながら説明する。
【０００７】
【数１】

但し、ωは光学的キャリヤ周波数であり、φ（ｔ）は光信号１０５の位相角であり、Ａ（ｔ）は真の磁界振幅であり、輝度変調を含む。光位相φ（ｔ）は、下記の式（２）で示すように、周期的関数ｆ（ｘ）により駆動される。
【０００８】
【数２】

但し、ａは光位相変調指数、Ωは（ビット速度に対応する）位相変調周波数、ΨはＰＭとデータ・ビットとの間の相対的な遅れであり、γは任意のオフセットである。時間関数ｆ（ｔ）は、位相波形発生器１１０で生成する。位相Ψを追加の選択的調整可能なパラメータとして導入することにより、非ゼロ復帰（「ＮＲＺ」）変調書式を使用したとき、性能に悪影響を与える種々の振幅エラーを軽減することができる。振幅エラーは、アンプ・ノイズ、色分散および光ファイバの非直線性を含む種々の要因によって起こる場合がある。すでに説明したように、信号と光ファイバの色分散および屈折非直線指数との間の相互作用により生じる偏光および位相変調の変換から生成されたＡＭは、ＡＭの位相をデータに対して適当に調整すれば、有利に使用することができる。信号に対するノイズ以外の障害を調査するためのグラフによる方法は、アイ・ダイアグラムとして、通常の当業者には周知である。生成されるＡＭは、受信データのアイを「開く」ことができ、エラーの振幅のタイプによるアイの閉鎖を確実に行うことができる。適当に位相Ψを調整することによって、アイの開きを改善することができる。動作中、位相Ψは、受信光信号のＳＮ比（「ＳＮＲ」）が最適になるまで、可変遅延素子１０７によって調整される。
【０００９】
図２−図５は、光情報信号１０３を位相変調するのに使用される周期的波形ｆ（ｔ）のいくつかの例である（図１）。図２に示す波形は、上記共出願に開示されている単純な正弦波信号である。図３−図５に示す波形は、本発明の原理による光学的送信システムの性能を改善するために設計された、もっと複雑な高調波内容を含む波形のいくつかの例である。図３に示す波形は、帯域幅制限矩形波または有限遷移領域を持つ矩形波である。この波形は、データ・ビットの縁部に時変位相を加えるために使用される。当業者にとっては周知のように、時変位相は、下記式が示す関係による周期的の変化と同じものである。
【数３】

但し、Δｆは周波数偏差である。
【００１０】
図４および図５に示す波形は、ランプ関数への実際の近似のいくつかの例である。図４に示す波形は、正弦波周波数変調が行われた正弦波であり、下記の式によって表される。
【数４】

【００１１】
図５に示す波形は、一連の正弦波信号によって発生するもので、下記の式によって表される。
【数５】

【００１２】
図６は、偏光変調機能が図１の装置の出力に追加された本発明の他の実施例である。レーザ３００はＣＷ光信号３０１を発生する。光信号３０１は、データ変調器３０２に送られ、このデータ変調器３０２は、変調光情報信号３０３を作る目的で、従来の方法により情報を加えるために上記信号を変調し、変調光情報信号３０３を作る。データ変調器３０２は、データ源３０４から、光信号３０１に加える信号データ受信し、クロック信号３３７により、クロック３０６が指定した周波数で、光信号３０１を変調する。光情報信号３０３は、データ変調器３０２から位相変調器３０８へ送られ、位相変調器３０８は、光情報信号３０３の位相を変調する。位相変調器３０８は、図１のところですでに説明したような動作を行う。位相変調器３０８からの位相変調信号３３０は、偏光変調器３１１に送られ、この偏光変調器３１１は光情報信号３０３の偏光状態（「ＳＯＰ」）を変調する。偏光変調器３１１は、変調周期の間に平均された好適なＳＯＰを持たないような方法で、光情報信号のＳＯＰを変更する。従って、出力信号３１４は、ほぼゼロの偏光を受けていて、スクランブリングによる偏光を受けていると呼ばれる。偏光変調器３１１の動作の一例を説明すると、光情報信号３０３のＳＯＰは、ポアンカレの球面上に完全な大きな円を描く。別の場合、光信号のＳＯＰは、ポアンカレの球面上を往復する。どちらの場合でも、各変調サイクルの間のＳＯＰの平均値はほぼゼロに等しい。本発明で使用することができる偏光変調器１０８の一例が、米国特許第５、３２７、５１１号、特にその明細書の図３に開示されている。
【００１３】
本発明によれば、偏光変調器３１１は偏光波形発生器３１２が発生する周期的波形３１６によって駆動される。図１の実施例と同じように、周期的波形３１６は、本発明の原理に従って、図２−図５に示す例示としての波形の中の任意の波形をとることができる。この周期的波形は、クロック３０６と同じ基本波周波数を持ち、さらにクロック３０６によって位相ロックされる。信号３０３上で変調された信号データと、３１２で発生した周期的波形３１５との間の相対的な遅れは可変遅延素子３１３によって設定される。周期的波形３１７および３１６が、それぞれ位相変調器３０８および偏光変調器３１１を駆動する方法は、位相変調器によって処理される光信号の電界を参照しながら説明する。ｘ−ｙ座標においては、上記構成要素は下記式によって表される。
【数６】

【００１４】
但し、ωは光学的キャリヤの周波数であり、φ_x（ｔ）およびφ_y（ｔ）は光信号３１４の位相角であり、Ａ_x（ｔ）およびＡ_y（ｔ）は、真の磁界振幅であると見なされ、輝度変調を含む。原則的には、上記電界構成要素を持つ光信号の可能な各ＳＯＰは、（Ａ_x ²＋Ａ_y ²）の数値を一定に保ちながら、相対的な位相差φ_x−φ_yを０から２πの間で変化させて、Ａ_x／Ａ_y比を変化させることによって得ることができる。しかし、偏光変調器３０８は、変調サイクルの間その平均値がゼロであるＳＯＰを供給するのに十分なだけ、位相φｘおよびφｙだけを変化させることによって、光信号のＳＯＰを変調する。
【数７】

【００１５】
式８および式９が示すように、位相変調器３０８は、光信号３０３の構成要素ｘおよびｙの両方に同じ位相変調をおこなう。何故なら、これら構成要素は同じ位相変調指数ａを持っているからである。従って、位相変調器３０８は、光信号の偏光は変調しないで、信号３０３の光学的位相を変調する。位相変調器３０８が偏光を変調しないのは、光信号の偏光変調は、位相φｘとφｙとの間の差に比例するからであり、また、上記位相差は位相変調器３０８によって影響されない。何故なら、位相変調器３０８はφｘおよびφｙの両方を等しい量だけ変調するからである。
【００１６】
ＡＭ変調の偏光変調および／または位相変調を変換可能な現象には二つの種類がある。すなわち、偏光依存型の現象と偏光に依存しない現象である。偏光依存型の現象の一例は、送信媒体の偏光依存型損失（「ＰＤＬ」）が仲介している。それ故、時間の経過中に変動し、追加の信号のフェージングを起こす。偏光に依存しない現象の一例は、送信光ファイバの色拡散および／または屈折の非直線指数を仲介としているので、そのため時間の経過中変動しない。以下に説明するように、ビット速度で偏光を変調することにより生成されるＡＭは、信号のフェージングに有意な影響を与えない。
【００１７】
偏光スクランブリングされた信号がＰＤＬを持つ素子を通ると、変調周波数Ωおよびその高調波（すなわち、２Ω、３Ω．．．）のところでＡＭ変調が起こる。ＡＭの量および偏光変調の位相に対するＡＭの位相関係は、一般的に、偏光変調軸に対するＰＤＬ素子の損失軸の方向によって変わる。発生するＡＭの量は、時間の経過と共に変動する。何故なら、光信号の偏光状態は時間と共に変化するからである。当業者なら理解できるように、通常の光ファイバ受信機は、データ速度の約６０％の電気的な帯域幅を持つ。それ故、ビット速度で起こるＡＭの一部は、受信機を通って決定回路に行き、ＢＥＲに作用することができる。しかし、ＢＥＲは２Ωまたはそれ以上の周波数を持つビット速度の高調波で起こるＡＭによっては影響を受けない。何故なら、上記高調波は受信機によって阻止されるからである。光信号の往復ＳＯＰとＰＤＬ素子との間の相互作用によるＡＭの編成を分析することにより、ほとんどのＡＭ変調は、変調周波数（すなわち、２Ωおよびそれより高い周波数）の高調波の所で起こり、基本波変調周波数Ωのところで起きていないことを証明することができる。それ故、すでに説明したように、ビット速度で偏光を変調した結果生じたＡＭは、適当に設計した光学的受信機を使用すれば、信号のフェージングに有意な影響を与えることはない。光ファイバの色分散および／または屈折の非直線指数のために、偏光および／または位相変調の変換によって生じたＡＭは、ビット速度で偏光変調を行った場合有利に使用できる。
【００１８】
図７においては、図６に示す位相変調器３０８および偏光変調器３１１は、両方とも一つの装置４０８に収容されている。本発明のこの実施例の場合には、単一の可変遅延素子４０７が、偏光変調および光学的位相変調の両方を変化するために使用される。偏光変調は、角度の差φ１−φ２によって行われ、少ない偏光に対して調整が行われる。過度の位相変調は、二つの角度の平均（φ１＋φ２）／２によって行われる。本発明のこの実施例の動作は、下記の式を使用する図６に示す動作に類似している。
【数８】

【００１９】
図８は、本発明の原理を実施する送信システム・アーキテクチャの簡単なブロック図である。レーザ、データ源、データ変調器、およびクロック（図示せず）を含む送信機５００は、変調器５１０に接続している。この例示としての送信システム・アーキテクチャの場合、変調器５１０は、位相変調および偏光変調の両方を行う。すなわち、図４に示し、すでに説明した素子に類似の装置に形成され、それが持つ有利な特徴を実施している。別な場合には、変調器５１０は、図１に示す位相変調器の特徴を実施している（すなわち、上記の偏光変調は行はない）。受信機５２０は、順方向送信経路５３０を通して変調器５１０に接続している。モニタ５５０は、受信機５２０が受信した光信号の性能特性を測定するために受信機５２０に接続している。モニタ５５０は、例えば、従来のビット・エラー速度検出装置であってもよい。戻りの遠隔測定経路５４０は、モニタ５５０を変調器５１０に接続している。上記性能特性は、ＳＮＲまたはＱ係数を含む。測定した性能特性は、遠隔測定回路５４０を通して変調器５１０に送信される。すでに説明したように、式２の位相Ψ（すなわち、相対的遅れ）パラメータは、送信システムの性能を最適化するために、測定した性能特性に従って、変調器５１０で調整することができる。
【００２０】
上記特定の技術は、本発明の原理を単に説明するためのもので、当業者なら本発明の精神および範囲を逸脱しないで、種々の変更を行うことができ、本発明は以下の特許請求の範囲によってのみ制限されることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位相変調送信機の一実施例の簡単なブロック図である。
【図２】図１の位相変調器を駆動するのに使用される例示としての波形である。
【図３】図１の位相変調器を駆動するのに使用される例示としての波形である。
【図４】図１の位相変調器を駆動するのに使用される例示としての波形である。
【図５】図１の位相変調器を駆動するのに使用される例示としての波形である。
【図６】本発明の位相および偏光変調送信機の一実施例の簡単なブロック図である。
【図７】本発明による位相および偏光変調が一回で行われる、位相および偏光変調送信機の他の実施例の簡単なブロック図である。
【図８】本発明の原理を実施する送信システム・アーキテクチャの簡単なブロック図である。

Claims (11)

1. 所定のデータ変調周波数でデータが変調される光信号を生成するための光信号源と、
   上記光信号源に接続されるとともに、上記光信号の位相を変調するための位相変調器と、
   上記位相変調器に接続されるとともに、上記位相変調器の変調サイクルを制御するための、位相変調周波数を有する周期的制御信号を生成するための周期的波形発生器と、
   上記位相変調器及び上記光信号源に接続されるとともに、上記データ変調周波数が上記位相変調周波数に等しくなるように上記データ変調周波数及び上記位相変調周波数を決定するクロックとを備える装置。
2. 上記光信号源は、連続した波形の光信号発生器とデータ源とを含み、上記のクロックがデータ源に接続されるとともに、データが上記光信号上で変調される上記の所定のデータ変調周波数を確立する請求項１に記載の装置。
3. 上記波形発生器を上記位相変調器に接続するとともに、上記光信号と上記制御信号との間の相対的な遅れを選択的に変化させるための可変遅延素子をさらに含む請求項１に記載の装置。
4. 上記位相変調器が、上記クロックに位相ロックされる請求項１に記載の装置。
5. 上記位相変調器が、光信号に実質的に偏光変調を行わないで、光信号を光学的位相変調する請求項１に記載の装置。
6. 上記クロックは、上記の位相変調器が、上記の所定のデータ変調周波数に位相ロックされる周波数で光学的位相変調を行うように上記位相変調器に接続される請求項５に記載の装置。
7. 上記制御信号が、ｆ（ｔ）＝ｓｉｎ（ｔ＋０．６^* ｓｉｎ（ｔ））で表される時間の関数ｆ（ｔ）である請求項１に記載の装置。
8. 上記制御信号がｆ（ｔ）＝ｓｉｎ（ｔ）＋０．４^* ｓｉｎ（２ｔ）＋０．２^* ｓｉｎ（４ｔ））で表される時間の関数ｆ（ｔ）である請求項１に記載の装置。
9. 上記制御信号が、基本波周波数および少なくとも一つのより高い高調波周波数を持つ周期的信号である請求項１に記載の装置。
10. 所定のデータ変調周波数でデータにより変調される光信号を受信することができ、変調サイクルの間の偏光状態の平均値がほぼゼロに等しくなるように、上記光信号の偏光をポアンカレの球面の少なくとも一部に沿って、トレースすることによって、上記光信号の偏光状態を変調するための偏光変調器と、
    上記偏光変調器に接続されるとともに、偏光変調周波数が、上記の所定のデータ変調周波数にほぼ等しくなるように、上記偏光変調器の変調サイクルを制御するための偏光変調周波数を有する周期的制御信号を生成するための周期的波形発生器とからなる装置。
11. 上記の所定のデータ変調周波数および上記の偏光変調周波数を決定するクロック周波数を持つ、上記波形発生器に接続しているクロックをさらに含む請求項１０に記載の装置。

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