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
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Description
【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、φx(t)およびφy(t)は光信号103の位相角であり、そしてAx(t)およびAy(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(Ax 2 +Ay 2 )一定の値を維持しつつ相対的な位相差φx −φy を0と2πの間で変化させながら比Ax /Ay 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φx およびφy 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φx およびφy 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φx およびφy 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φx およびφy の間の差に比例し、この差は(φx およびφy 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ax 、ay 、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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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