JP4067527B2 - 制御可能な二次偏波モード分散を提供するための方法および装置 - Google Patents

Description

この発明は一般に、電気通信の分野に関し、より特定的には、光ファイバ伝送システムに関する。

光ファイバの技術および伝送システムにおいて、通信帯域幅が極めて大きくなったことにより、電気通信に大きな変革がもたらされた。単一ビームの変調レーザ光は、数十万の通話または数百のビデオチャネルに相当する多大な量の情報を運ぶことができる。帯域幅の性能は、２〜３年ごとに２倍を超える割合で上昇している。

光ファイバ伝送システムは一般に、光送信機、光ファイバ、光増幅器、および光受信機を含む。

光送信機は、電気デジタル信号を受信し、レーザ光を光信号パルスに変調することによって、電気デジタル信号を光信号に変換する。光信号パルスは、電気デジタル信号のさまざまな値または状態を表わす。

光信号パルスは、光ファイバを介して伝送され、一般には１つ以上の光増幅器によって増幅された後に、光受信機によって電気デジタル信号に再び変換される。このことは一般に、光リンクまたは光チャネルと呼ばれる。

光受信機に到達した光信号パルスは、光送信機によって送信された光信号のオンパルスとオフパルスとを光受信機が明確に区別することを可能にする、十分な品質を有していなければならない。しかしながら、雑音、減衰、および分散は、光信号パルスを歪ませるおそれのある障害のいくつかであり、光受信機においてこれらの光信号パルスを限界状態か、または使用不能状態にし、電気デジタル信号の正確な検出または再構成を困難にするか、または不可能にする。歪みは、さまざまな光信号パルスを不均一に拡大、拡散、または拡幅し、パルス間の間隔を縮小するか、またはパルスの重複を生じさせ、それによってパルスを実質上区別不可能にする。

従来、適切に設計された光チャネルは、１０^-13またはそれよりも良好なビット誤り率（Bit Error Rate）（「ＢＥＲ」）を維持することができる。光チャネルの品位が１０^-8のＢＥＲまで低下すると、電気通信システムは、代替的な光チャネルに自動的に切換わることが可能であり、ＢＥＲを改善しようと試みる。そうでなければ、電気通信システムは、全体のシステム性能が一層低下した状態で、縮小または低下した帯域幅において作動せざるを得なくなる。

分散は、光信号パルスの歪みに対する主な原因であり、ＢＥＲの上昇を招く。分散によって生じる歪みは一般に、帯域幅またはデータレートの上昇、および光ファイバの伝送距離の増大に伴って増大する。

分散は一般に、（１）クロマティック分散または（２）偏波モード分散（Polarization
Mode Dispersion）（「ＰＭＤ」）によって生じるものとしてみなされてきた。

クロマティック分散は、さまざまな周波数成分または色の光信号パルスが異なる速度で光ファイバを通って進行し、異なる時点で光受信機に到達する際に生じる。このことが生じるのは、光ファイバ等の材料の屈折率が、周波数または波長に応じて変化するためであ
る。その結果、光信号パルスは、周波数に関連するクロマティックなパルス拡散によって歪む。

クロマティック分散に対する主な解決策のいくつかには、（１）単一モード伝播、（２）狭い出力スペクトルを有する分布帰還型（Distributed Feedback）（「ＤＦＢ」）レーザ、および（３）低減衰／分散修正光ファイバが含まれる。これらの策はいずれも、分散が相対的に少ないか、または減少した状態であるために、光信号の歪みが相対的に少ないか、または減少した状態で光信号パルスが光ファイバ内を通過し得るようにすることによって帯域幅を増大させるものである。

単一モード伝播（または狭波長の使用）は、単一モード光ファイバの開発により達成された。この光ファイバにより、単一モードの光のみが光ファイバを通って伝播するようになる。ＤＦＢレーザは、単一モード光ファイバとともに用いるための光源を提供する。ＤＦＢレーザは、出力の周波数および波長の分布が極めて狭い光を生成し、クロマティック分散の問題を最小化する。低減衰スイッチ／分散修正光ファイバは、特定の波長における速度と波長との依存性を最小化する、分散シフト光ファイバを提供する。

これまでは、クロマティック分散が、より大きな注目を集めてきた。なぜなら、利用可能な一層低い帯域幅およびデータレートにおいて、その悪影響を最初により多く制限できたためである。現在は、光透過・高速・長距離・光波システムに加え、多重チャネルケーブルテレビジョン（「ＣＡＴＶ」）伝送システムに対するその潜在的な制限により、ＰＭＤが大きな注目を集めている。

ＰＭＤは、光送信機が放出した偏光信号パルスの直交する（直角の）２つの光波成分における歪みを指す。完全な円形の断面を有しかつ外部応力を受けない理想的な光ファイバにおいて、偏光信号の２つの成分の伝播特性は同一である。しかしながら、製造過程で生じた欠陥により、完全に円形ではない光ファイバが生じ得る。加えて、設置された光ファイバが、圧迫または曲げ等の外部応力を受けることが考えられる。これらの製造上の欠陥および外部応力により、偏光パルスの２つの偏波成分は、異なる伝播特性を有するようになり、それにより、ＰＭＤが生じる。

光ファイバは、製造によって生じる欠陥にもかかわらず、（各光の周波数ωに対して）整合した光パルスがＰＭＤ拡散を被らない２つの入力状態（「偏波の主状態」または「ＰＳＰ」）を有する。しかしながら、光パルスは任意の状態のファイバ内に入力されることが考えられ、これによってパルスは２つの成分に分割され、これらの成分は異なる速度でファイバ通って個々に伝播する。これらの成分は、ファイバの端部に到達すると、時間分割された２つのサブパルスとして再合成される。２つのサブパルス間の遅延は、微分群遅延（「ＤＧＤ」）τとして示される。

長いファイバのＤＧＤおよびＰＳＰは、光パルスの波長または周波数に依存するだけでなく、温度変化、外部の機械的制約等の環境の変化の結果として時間によって変動する。それらの挙動はランダムであり、所定の時間における波長の関数および所定の波長における時間の関数の両方として表現される。

光ファイバ伝送システムにおいて、光パルス信号は、或る帯域幅または範囲の光学周波数を有する。「二次ＰＭＤ」は、変化する周波数に応じたＰＭＤの変化を示し、（ｉ）変化する光学周波数に応じた、変化するＤＧＤ、および（ii）変化する光学周波数に応じた、変化する出力偏波の両方として認識される。

高ビットレート（≧１０Ｇｂ／ｓ）のシステムにおける一次ＰＭＤおよび二次ＰＭＤの影響を分析した。二次ＰＭＤが、一次ＰＭＤによって生じた性能ペナルティに加え、重大な性能損失を生じさせ得ることが分かった。クロマティック分散の値が大きい場合、二次ＰＭＤは実際に、性能低下の主な原因となる。さらに、一次の影響のみを一般に補償する（そして、より高次のものには影響を及ぼさないか、または増大させてしまう）ＰＭＤ補償器の出現により、累積した二次ＰＭＤによる障害が予想され得る。

二次ＰＭＤは、システム性能を適切に評価するための重要な項目である。実際のファイバをエミュレートするために、ＰＭＤエミュレータは、一次だけでなく二次も含むべきである。今日のエミュレータは、時間領域および周波数（波長）領域の両方において強力な偏波モード結合を有する長い標準的なファイバの挙動をできる限り模倣する方策を有する。これらのエミュレータは一般に、回転可能なコネクタまたは偏波スクランブラによって結合された、高複屈折ファイバの多くの部分からなる。しかしながら、これらのＰＭＤエミュレータのＰＭＤ（ＤＧＤおよび二次）の瞬時値は未知である。

したがって、制御可能な一次ＤＧＤを得ることが重要であることに加え、制御可能な二次ＰＭＤを提供するための方法および装置を使用可能にすることがますます必要になっていることは極めて明らかである。このことは、実際のファイバの設置に対する完全な研究、分析、および試験のため、そして、ＰＭＤ（一次ＤＧＤおよびより高次のＰＭＤの両方を含む）によって生じたシステムのペナルティを適切に評価するため、そして、ＰＭＤ補償器およびＰＭＤを有する他の光学ネットワークの構成要素を試験および分析するために不可欠である。

この種の問題に対する解決策が長い間求められてきたが、当業者はこれらを長い間発見することができなかった。

発明の開示
この発明は、光ファイバ伝送システムに対して制御可能な二次偏波モード分散を提供するための方法および装置を提供する。固定された高複屈折光ファイバの一部、偏波コントローラ、および可変の微分群遅延モジュールが提供される。偏波コントローラは、光ファイバ部に接続され、可変の微分群遅延モジュールは、偏波コントローラに接続される。可変の微分群遅延モジュールは、高複屈折光ファイバ部の出力において二次偏波モード分散値を変化させるように制御される。この発明の制御可能な二次偏波モード分散は、高速光ファイバ伝送システムがこれまで利用することのできなかった、実質的な、動作上の、リアルタイムの利点を提供する。

この発明の或る特定の実施例は、上述の利点に加え、または上述の利点の代わりに、その他の利点を有する。これらの利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、当業者に明らかになるであろう。

発明を実施するための最良の態様

光ファイバの伝送システムにおいて、光パルス信号は、或る帯域幅または範囲の光学周波数を有する。「二次ＰＭＤ」は、周波数に応じたＰＭＤの変化を示し、（ｉ）周波数に応じた、変化するＤＧＤと、（ii）周波数に応じた、ポアンカレ球（Poincare Sphere）上におけるＰＳＰの回転とによって明示され、これらにより、変化する光学周波数に応じた、変化する出力偏波を生じる。

高ビットレート（≧１０Ｇｂ／ｓ）のシステムにおける一次ＰＭＤおよび二次ＰＭＤの影響を分析した。二次ＰＭＤが、一次ＰＭＤによって生じる平均ペナルティの付近で重大な変動を生じ得ることが分かった。クロマティック分散の値が大きい場合、二次ＰＭＤは実際に、性能低下の主な原因となる。さらに、一次の影響のみを一般に補償する（そして、より高次なものには影響を及ぼさないか、または、さらに増大させてしまう）ＰＭＤ補償器の出現により、累積した二次ＰＭＤによる障害が予想される。

二次ＰＭＤは、システム性能を適切に評価するための重要な項目である。実際のファイバをエミュレートするために、ＰＭＤエミュレータは、一次だけでなく二次も含むべきである。今日のエミュレータは、時間領域および周波数（波長）領域の両方において強力な偏波モード結合を有する長い標準的なファイバの挙動をできる限り模倣する方策を有する。これらのエミュレータは一般に、回転可能なコネクタまたは偏波スクランブラによって連結された高複屈折ファイバの多くの部分からなる。しかしながら、これらのＰＭＤエミュレータのＰＭＤ（ＤＧＤおよび二次）の瞬時値は未知である。

したがって、実際のファイバの設置についての完全な研究、分析、および試験のため、そして、ＰＭＤ（一次ＤＧＤおよびより高次のＰＭＤの両方を含む）によって生じるシステムのペナルティを正確に評価するため、そして、ＰＭＤ補償器およびＰＭＤを有する他の光学ネットワークの構成要素を試験および分析するために、制御可能な一次ＤＧＤを得られることが重要である上に、制御可能な二次ＰＭＤを提供するための方法および装置を使用可能にすることがますます必要になっていることが極めて明らかである。

ここで図１を参照すると、概略形式において、この発明に従った、制御可能な二次偏波モード分散（「ＰＭＤ」）を提供するためのシステム１００が示される。システム１００は、可変の微分群遅延（「ＤＧＤ」）モジュール１０２と、偏波コントローラ１０４と、光ファイバ部１０６とを含む。光ファイバ部１０６は、固定された高複屈折光ファイバの一部である。

可変のＤＧＤモジュール１０２、偏波コントローラ１０４、および光ファイバ部１０６は、図示されるようにこの順序でともに接続され、偏波コントローラ１０４は、可変のＤＧＤモジュール１０２と高複屈折光ファイバ部１０６との間に位置する。

一実施例において、可変のＤＧＤモジュール１０２は、ＤＧＤ値τ_variableを有し、これは、０から４５ｐｓまで調整可能であり、高複屈折光ファイバ部は、固定ＤＧＤ値τ_fixedを有し、これは、提供されるべき総二次ＰＭＤ値の範囲に依存して、異なる固定値（３０ｐｓ等）にプリセットされる。適切な可変のＤＧＤモジュールは、たとえばゼネラル・フォトニクス（General Photonics）から入手可能である。

偏波コントローラ１０４については、適切かつプログラム可能な偏波コントローラが、たとえば、コーニング（Corning）、ゼネラル・フォトニクス、オプテリオス（Optellios）等から入手可能である。このような偏波コントローラの波長板の位相角は、従来のデジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ、たとえば、ＣＰＵ１１０の制御下にあるＤ／Ａコンバータ１０８によって公知の態様で制御され得、ＣＰＵ１１０はまた、図１に示すように、それに接続されたデジタルＩ／Ｏ１１２を介して可変のＤＧＤモジュール１０２を制御する。

光ファイバ部１０６については、さまざまな価格の適切な高複屈折光ファイバが、たとえば、コーニング（PureMode（登録商標）１５−Ｕ４０）、フジクラ（Fujikura）（ＳＭ．１５−Ｐ−８／１２５−ＵＶ／ＵＶ−４００）、およびファイバコア（Fibercore）（ＨＰ１５００Ｔ）から入手可能である。

そして、偏波コントローラ１０４に対向する可変のＤＧＤモジュール１０２内の光リンクは、システム１００に対する入力１１４として働き、偏波コントローラ１０４に対向する光ファイバ部１０６の端部は、システム１００に対する出力１１６として働く。

適切であれば、可変のＤＧＤモジュール１０２および偏波コントローラ１０４用のＤＣ電源１１８等の電源が設けられる。

理論上の観点からこの発明を理解するために、可変のＤＧＤモジュール１０２のＰＳＰと高複屈折光ファイバ部のＰＳＰとの間の結合角をφと仮定されたい。システム１００の総ＰＭＤベクトルΩ_totalを、以下のように記述することができる。

可変のＤＧＤモジュール１０２および光ファイバ部１０６の、残存する二次ＰＭＤの寄与分Ｏ（ω）を考慮すると、式（２）を以下のように変形することができる。

動作時に、第１のステップは、可変のＤＧＤモジュール１０２の各ＤＧＤにおける偏波コントローラ１０４の最適な結合角または位相角φ_optimumを見つけることである。可変のＤＧＤモジュール１０２のＤＧＤ値が変化すると、そのＰＳＰが変化し、したがってφが変化する。そのため、可変のＤＧＤの各値に対して最適化されたφが存在し、位相角は、最適化されるように再度調節されなければならない。この最適化された結合角により、｜ｓｉｎ（φ）｜の値が予測可能になり、それにより、二次ＰＭＤの出力が、τ_variableに線形に比例する。

次に、各ＤＧＤ値に対するφ_optimumが見つかった後、第２のステップは、可変のＤＧＤモジュール１０２の特定の所望のＤＧＤおよびそのφ_optimumに調整して、光ファイバ部１０６の出力１１６において所望の二次ＰＭＤ値を得ることである。

より具体的に、可変のＤＧＤモジュール１０２の偏波の主状態と、光ファイバ部１０６の偏波の主状態との間の位相角は、まず、可変のＤＧＤモジュール１０２を或る特定のＤＧＤ値にセットしてから、偏波コントローラ１０４の波長板の異なる位相角における総二次ＰＭＤ値を測定することにより、最適化される。任意の所定のＤＧＤ値に対して最適化された位相角は、可変のＤＧＤモジュール１０２のそのＤＧＤ値において総最大二次ＰＭＤ値を提供する角度であり、ＣＰＵ１１０内の回路の制御下において特定され得る。最適化された位相角が特定された後に、可変のＤＧＤモジュール１０２の各ＤＧＤ値における二次ＰＭＤ値を求めることができ、この算出もまた、ＣＰＵ１１０内の回路の制御下において行なわれ得る。たとえば、約３２．５ｐｓの固定ＤＧＤ値を有する高複屈折光ファイバ部を用いることにより、二次ＰＭＤは、可変のＤＧＤモジュール１０２が０．６８ｐｓから４５．１８ｐｓまで調整されるのに伴い、約６６ｐｓ²から７８４ｐｓ²まで調整され得る。

次に図２を参照すると、システム１００を測定および較正するための概略図２００が示される。図示されるように、調整可能レーザ２０２は、テスト光信号をＰＭＤ分析器２０４に提供し、ＰＭＤ分析器２０４は次いで、この発明のシステム１００に接続される。適切な調整可能レーザは、アジレント（Agilent）（モデル８１６３Ａ）から入手可能であり、適切なＰＭＤ分析器は、プロファイル（Profile）（パット（Pat）９０００Ｂ）から入手可能である。

テスト光信号は、上述のように調節可能レーザ２０２により生成され、ＰＭＤ分析器２０４により、まず、後の比較に備えて測定され、入力１１４および出力１１６により、システム１００を通過する（すなわち、可変のＤＧＤモジュール１０２、偏波コントローラ１０４、および光ファイバ部１０６を通過する）。結果的に得られた信号は、ＰＭＤ分析器２０４に戻され、その信号と、調整可能レーザ２０２が最初に生成した信号とを比較して、二次ＰＭＤ値を求める。

次に図３を参照すると、この発明に従った、光ファイバの伝送用に制御可能な二次ＰＭＤを提供するための方法３００のフロー図が示される。この方法は、可変の微分群遅延モジュールを提供するステップ３０２と、固定された高複屈折光ファイバの光ファイバ部を提供するステップ３０４と、可変の微分群遅延モジュールと光ファイバ部との間に接続された偏波コントローラを提供するステップ３０６と、光ファイバ部の出力において二次偏波モード分散値を制御するように可変の微分群遅延モジュールを調整するステップ３０８とを含む。

高次のＰＭＤの影響が大きくなると、単なる一次補償器は十分なものではなくなり、ここで教示した解決策等の解決策が極めて重要となる。なぜなら特に、ＰＭＤの挙動がランダムに変化することから、ネットワークシステムのＤＧＤの瞬時値を予測することがほぼ不可能であるためである。

したがって、この発明の、制御可能な二次偏波モード分散の方法および装置が、高ビットレートの光ファイバによる光ネットワークシステムに対し、これまで利用することのできなかった重要な解決策および性能を提供することがさらに発見された。線形に調整可能な可変のＤＧＤモジュールを用いることにより、制御可能な二次偏波モード分散システムを、信頼可能な態様で較正することができる。

この発明を、特定の最良の態様を用いて説明してきたが、上述の説明に照らして多くの代替例、変更例、および変形例が当業者に明らかであることを理解されるべきである。したがって、この発明は、含まれる請求項の精神および範囲内にあるこのような代替例、変更例、および変形例のすべてを包含するように意図される。これまでこの明細書において明示するか、または添付の図面に図示した内容はすべて、例示的かつ非限定的な意味で解釈されるべきである。

この発明に従った、制御可能な二次偏波モード分散を提供するためのシステムの概略図である。 この発明に従った、図１のシステムを測定および較正するための概略図である。 この発明に従った、制御可能な二次偏波モード分散を提供するための方法のフロー図である。

Claims (8)

1. 光ファイバの伝送に対して制御可能な二次偏波モード分散を提供するための方法（３００）であって、
   固定された高複屈折光ファイバの光ファイバ部（１０６）を提供するステップ（３０２）と、
   光ファイバ部（１０６）に接続された偏波コントローラ（１０４）を提供するステップ（３０４）と、
   偏波コントローラ（１０４）に接続された可変の微分群遅延モジュール（１０２）を提供するステップ（３０６）と、
   高複屈折光ファイバ部（１０６）の出力（１１６）において二次偏波モード分散値を変化させるように可変の微分群遅延モジュール（１０２）を制御するステップ（３０８）とを含み、さらに、
   予め定められた微分群遅延値に可変の微分群遅延モジュール（１０２）をセットするステップと、
   偏波コントローラ（１０４）の異なる位相角における二次偏波モード分散値を測定するステップ（２０４）と、
   可変の微分群遅延モジュール（１０２）の各微分群遅延値における総最大二次偏波モード分散値を提供する偏波コントローラ（１０４）の位相角として、最適化された位相角を特定するステップ（１１０）とにより、可変の微分群遅延モジュール（１０２）と光ファイバ部（１０６）との間の位相角を最適化するステップを含む、方法（３００）。
2. 最適化された位相角を特定するステップ（１１０）の後に、可変の微分群遅延モジュール（１０２）の各微分群遅延値における二次偏波モード分散値を求めるステップ（２０４）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. テスト光信号を提供するための調整可能レーザ（２０２）を提供するステップと、
   調整可能レーザ（２０２）、可変の微分群遅延モジュール（１０２）への入力（１１４）、および光ファイバ部（１０６）の出力（１１６）に接続された偏波モード分散分析器（２０４）を提供するステップと、
   調整可能レーザ（２０２）により生成された光信号を最初に測定するステップ（２０４）と、
   調整可能レーザ（２０２）から、可変の微分群遅延モジュール（１０２）、偏波コントローラ（１０４）、および光ファイバ部（１０６）まで光信号を通過させるステップと、
   結果的に得られた信号と調整可能レーザ（２０２）が最初に生成した信号とを比較して二次変更モード分散値を求めるために、偏波モード分散分析器（２０４）を用いて、結果的に得られた光信号を分析するステップ（２０４）とにより、二次偏波モード分散値を測定および較正するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法（３００）。
4. 可変の微分群遅延モジュール（１０２）を調整するステップと、
   可変の微分群遅延モジュール（１０２）の設定に相関付けられた二次偏波モード分散値を提供するために、可変の微分群遅延モジュール（１０２）の調整に応答して、結果的に得られた二次偏波モード分算値を較正するステップ（１１０）とをさらに含む、請求項１に記載の方法（３００）。
5. 光ファイバ伝送用の二次偏波モードシステム（１００）であって、
   固定された高複屈折光ファイバの光ファイバ部（１０６）と、
   光ファイバ部（１０６）に接続された偏波コントローラ（１０４）と、
   偏波コントローラ（１０４）に接続された可変の微分群遅延モジュール（１０２）とを備え、可変の微分群遅延モジュール（１０２）は、高複屈折光ファイバ部（１０６）の出力（１１６）において二次偏波モード分散値を変化させるための制御を含み、さらに、
   可変の微分群遅延モジュール（１０２）は、可変の微分群遅延モジュール（１０２）の各微分群遅延値における総最大二次偏波モード分散値を提供する偏波コントローラ（１０４）の位相角として、最適化された位相角を特定するための特定回路（１１０）を含む、二次偏波モードシステム（１００）。
6. 可変の微分群遅延モジュール（１０２）は、可変の微分群遅延モジュール（１０２）の各微分群遅延値における二次偏波モード分散値を求めるためのモード値回路（１１０）を含む、請求項５に記載の二次偏波モードシステム（１００）。
7. テスト光信号を提供するための調整可能レーザ（２０２）と、
   調整可能レーザ（２０２）、可変の微分群遅延モジュール（１０２）への入力（１１４）、および光ファイバ部（１０６）の出力（１１６）に接続された偏波モード分散分析器（２０４）とをさらに備え、偏波モード分散分析器（２０４）は、調整可能レーザ（２０２）により生成された光信号を最初に測定するように作動可能であり、かつ、結果的に得られた光信号を分析して二次偏波モード分散値を求めるように作動可能である、請求項５に記載の二次偏波モードシステム（１００）。
8. テスト光信号を提供するための調整可能レーザ（２０２）と、
   可変の微分群遅延モジュール（１０２）の制御に応答して、結果的に得られた二次偏波モード分散値を較正して、可変の微分群遅延モジュール（１０２）の設定に相関付けられた二次偏波モード分散値を提供するための回路（１１０）とをさらに備える、請求項５に記載の二次偏波モードシステム（１００）。

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