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
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Description
【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、φx(t)およびφy(t)は光信号314の位相角であり、Ax(t)およびAy(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、(Ax 2+Ay 2)の数値を一定に保ちながら、相対的な位相差φx−φyを0から2πの間で変化させて、Ax/Ay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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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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