JP5424939B2 - 光位相雑音抑圧回路及び位相揺らぎ検出回路及び位相揺らぎ検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、光位相雑音抑圧回路及び位相揺らぎ検出回路及び位相揺らぎ検出方法に係り、特に、光ファイバ伝送システムにおいて、ファイバ伝送中に生じた位相揺らぎを検出し、抑圧するための光位相雑音抑圧回路及び位相揺らぎ検出回路及び位相揺らぎ検出方法に関する。

光ファイバ通信は、長距離・大容量の通信を実現する技術として広く普及している。光通信にも様々な方式があるが、中でも差動位相シフトキーイング（DPSK）変復調方式は、従来の強度変調/直接検波方式より受信感度が高く、またファイバ伝送路の光非線形効果への耐力がある、などの利点を有しており、研究開発が盛んに進められている。

光DPSK方式では、隣り合う時間スロット間の光の位相差を用いてビット情報を伝送する。すなわち、送信機からは、ビット「０」の時は隣接スロットの光位相差を０、ビット「１」の時は隣接スロットの光位相差をπ、とした位相変調信号光が送信される。

そして、受信機では、隣接スロットの光を干渉させるように構成された干渉計（これを１ビット遅延干渉計と呼ぶ）により、隣接スロットの位相差を測定してビット値を復調する。

従来の技術として、単一チャネルの位相変調信号光自身の光強度の揺らぎによって生じる、伝送特性劣化を抑える手段として、光パラメトリック増幅の利得飽和を利用する方法が研究されている（例えば、非特許文献１参照）。

光パラメトリック増幅とは、光非線形を高めた光ファイバ（高非線形ファイバという）に高いパワーのポンプ光を入射すると、ある特定の波長関係を満たす信号光が増幅される現象である。入力光パワーを増加させていくと、入力光パワーが小さいうちは、線形的に出力光パワーが増加するが、次第にその傾きが緩くなり、ある入力レベルでピークに達すると、その後は減少に転じる。

この入出力特性を利用すると、信号光の光強度揺らぎを抑えることができる。すなわち、入力信号光パワーを出力がピークとなるレベルに設定する。すると、ピーク付近では出力光パワーの傾きがゼロであるため、入力光強度が揺らいでも、光パワーが一定で出力される。これにより、光強度揺らぎが抑えられた信号光を得ることができる。

このような光強度揺らぎ抑圧装置を伝送路の要所要所に設置すれば、光強度揺らぎが抑えられた信号光が光ファイバを伝播することになる。すると、光カー効果による強度揺らぎから位相揺らぎへの変換が起こらなくなり、前述の伝送特性劣化を抑えることができる。

Masayuki Matsumoto and Kenichi Sanuki, "Performance improvement of DPSK signal transmission by a phase-preserving amplitude limiter," Optic Express, vol. 15, no. 13, pp. 8094 - 8103 (2007).

上記光パラメトリック増幅による光強度揺らぎ抑圧法には、光の強度揺らぎを抑圧することはできるが、複数チャネルの信号光間で生じた相互位相変調等によって生じた位相揺らぎを抑圧することはできない。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、ファイバ伝送中に生じた位相揺らぎを補償する光位相雑音抑圧回路及び位相揺らぎ検出回路及び位相揺らぎ検出方法を提供することを目的とする。

図１は、本発明の原理構成図である。

本発明（請求項１）は、光差動位相シフトキーイング（DPSK）信号を光ファイバ伝送路を介して受信装置へ送信する光ファイバ伝送システムに用いられる光位相雑音抑圧回路であって、
伝送されてきたDPSK信号光の一部を２分岐する第１の光分岐手段１１と、
第１の光分岐手段１１により分岐された一方の信号光をさらに２分岐する第２の光分岐手段２１と、
第２の光分岐手段２１により分岐された一方の信号光を第１及び第２の光経路に２分岐する第３の光分岐手段２２１と、
第１の光経路に挿入され、第１の光経路と第２の光経路との間にDPSK信号のビットスロット時間に等しい時間差を与え、かつ第１の光経路と第２の光経路の伝播位相差をπ/2とする第１の位相設定手段２２２と、
２×２の入出力端子を有し、一方の入力端子に第１の光経路から第１の位相設定手段により時間差および位相差が付与された信号光が入力され、他方の入力端子に第２の光経路から信号光が入力される第１の光カップラ２２３と、
第１の光カップラ２２３の出力端子にそれぞれ接続された第１及び第２の光検出手段４１，４２と、
第１及び第２の光検出手段４１，４２からの出力を差動合成する第１の信号差動合成手段４３と、
第２の光分岐手段２１により分岐された他方の信号光を第３及び第４の光経路に２分岐する第４の光分岐手段３２１と、
第３の光経路に挿入され、第３の光経路と第４の光経路との間にDPSK信号のビットスロット時間に等しい時間差を与え、かつ第３の光経路と第４の光経路の伝播位相差を０とする第２の位相設定手段３２２と、
２×２の入出力端子を有し、一方の入力端子に第３の光経路から第２の位相設定手段３２２により時間差および位相差が付与された信号光が入力され、他方の入力端子に第４の光経路から信号光が入力される第２の光カップラ３２３と、
第２の光カップラ３２３の出力端子にそれぞれ接続された第３及び第４の光検出手段５１，５２と、
第３及び第４の光検出手段５１，５２からの出力を差動合成する第２の信号差動合成手段５３と、
第１及び第２の信号差動合成手段４３，５３からの出力の乗算信号を出力する信号ミキシング手段２５と、
第１の光分岐手段１１により分岐された他方の信号光の位相を変調する光位相変調手段１３と、
信号ミキシング手段２５からの出力信号に基づいて、光位相変調手段を駆動する駆動手段と、
光位相変調器１３へ入力される信号光に時間遅延を与えることにより、該信号光と駆動信号とのタイミングを調整するタイミング調整手段１２と、を備える。

本発明（請求項２）は、光差動位相シフトキーイング（DPSK）信号を光ファイバ伝送路を介して受信装置へ送信する光ファイバ伝送システムに用いられる位相揺らぎ検出回路であって、
入力された信号光を２分岐する第１の光分岐手段と、
第１の光分岐手段により分岐された一方の信号光を第１及び第２の光経路に２分岐する第２の光分岐手段と、
第１の光経路に挿入され、第１の光経路と第２の光経路との間にDPSK信号のビットスロット時間に等しい時間差を与え、かつ第１の光経路と第２の光経路の伝播位相差をπ/2とする第１の位相設定手段と、
２×２の入出力端子を有し、一方の入力端子に第１の光経路から第１の位相設定手段により時間差および位相差が付与された信号光が入力され、他方の入力端子に第２の光経路から信号光が入力される第１の光カップラと、
第１の光カップラの出力端子にそれぞれ接続された第１及び第２の光検出手段と、
第１及び第２の光検出手段からの出力を差動合成する第１の信号差動合成手段と、
第１の光分岐手段により分岐された他方の信号光を第３及び第４の光経路に２分岐する第３の光分岐手段と、
第３の光経路に挿入され、第３の光経路と第４の光経路との間にDPSK信号のビットスロット時間に等しい時間差を与え、かつ第３の光経路と第４の光経路の伝播位相差を０とする第２の位相設定手段と、
２×２の入出力端子を有し、一方の入力端子に第３の光経路から第２の位相設定手段により時間差および位相差が付与された信号光が入力され、他方の入力端子に第４の光経路から信号光が入力される第２の光カップラと、
第２の光カップラの出力端子にそれぞれ接続された第３及び第４の光検出手段と、
第３及び第４の光検出手段からの出力を差動合成する第２の信号差動合成手段と、
第１及び第２の信号差動合成手段からの出力の乗算信号を出力する信号ミキシング手段と、を備える。

本発明（請求項３）は、光差動位相シフトキーイング（DPSK）信号を光ファイバ伝送路を介して受信装置へ送信する光ファイバ伝送システムに用いられる位相揺らぎ検出方法であって、
第１〜第３の光分岐手段、第１、第２の位相設定手段、２×２の入出力端子を有する第１、第２の光カップラ、第１〜第４の光検出手段、第１、第２の信号差動合成手段、および、信号ミキシング手段を有する回路において、
第１の光分岐手段が、入力された信号光を２分岐し、
第２の光分岐手段が、第１の光分岐手段により分岐された一方の信号光を第１及び第２の光経路に２分岐し、
第１の位相設定手段が、第１の光経路上において、第１の光経路と第２の光経路との間にDPSK信号のビットスロット時間に等しい時間差を与え、かつ第１の光経路と第２の光経路の伝播位相差をπ／２とし、
第１の光カップラが、第１の光経路の第１の位相設定手段により時間差および位相差が付与された信号光と第２の光経路の信号光とを合波し、
第１及び第２の光検出手段が、それぞれ、第１の光カップラの２つの出力端子の信号光を検出し、
第１の信号差動合成回路が、第１及び第２の光検出手段からの出力を差動合成し、
第３の光分岐手段が、第１の光分岐手段により分岐された他方の信号光を第３及び第４の光経路に２分岐し、
第２の位相設定手段が、第３の光経路上において、第３の光経路と第４の光経路との間にDPSK信号のビットスロット時間に等しい時間差を与え、かつ第３の光経路と第４の光経路の伝播位相差を０とし、
第２の光カップラが、第３の光経路の第２の位相設定手段により時間差および位相差が付与された信号光と第４の光経路の信号光とを合波し、
第３及び第４の光検出手段が、それぞれ、第２の光カップラの２つの出力端子の信号光を検出し、
第２の信号差動合成手段が、第３及び第４の光検出手段からの出力を差動合成し、
信号ミキシング手段が、第１及び第２の信号差動合成手段からの出力信号を乗算し、乗算信号を出力する。

上記のように本発明によれば、DPSK光信号を分岐し、位相差がπ／２と０の二つの遅延干渉計で差動受信してモニタ信号を作り、差動受信した二つのモニタ信号をミキシングし、ミキシングされた信号で、主信号を位相変調することにより、ミキシングされた二つのモニタ信号は、主信号の位相揺らぎに比例するため、−１の係数を掛けて位相変調することにより、主信号の位相揺らぎをキャンセルすることができる。

本発明の原理構成図である。 本発明の一実施の形態における光位相雑音抑圧回路及び位相揺らぎ検出回路の構成図である。

以下、図面と共に本発明の実施の形態を説明する。

図２は、本発明の一実施の形態における光位相雑音抑圧回路及び位相揺らぎ検出回路の構成を示す。

同図に示す構成は、光カップラ２１、遅延干渉計２２，３２、光検出器４１，４２，５１，５２、差動合成器４３，５３、ミキシング回路２５からなる位相揺らぎ検出回路１（モニタ信号検出回路）と、これに光カップラ１１、遅延調整回路１２、位相変調器１３を加えた光位相雑音抑圧回路を示している。

同図の左から、位相揺らぎを伴ったDPSK信号光が光カップラ１１に入力されるものとする。この信号光電場は、

と表される。Ａは振幅、θsは所望の信号位相、δθは所定値からの位相変位である。ここでは、入力信号光の振幅Ａは、分散補償などの手段により一定になっているものとする。

入力信号光は、光カップラ１１により一部が分岐され、一方は主信号光として時間遅延調整回路１２を介して光位相変調器１３に入力される。他方は、モニタ信号光として、以下で説明する位相揺らぎ検出回路１（モニタ信号検出回路）の光カップラ２１に入力される。

入力信号光から光カップラ１１で分岐されたモニタ信号光は、光カップラ２１でさらに２分岐され、一方は遅延干渉計Ａ２２へ、他方は遅延干渉計Ｂ３２へ入力される。

遅延干渉計Ａ２２では、入力光は光カップラ２２１により２分岐され、一方にπ／２遅延回路２２２で時間遅延を与えられた後、２×２の入出力端子を有する光カップラ２２３により再び合波される。ここで、位相差設定回路２２２では伝送信号のビットスロット間隔に等しい時間遅延が与えられる。また、２経路の伝播位相差はπ／２に設定されている。これにより、合波カップラ２２３では隣接するビットスロットの２光波が、位相差π／２が付加された上で干渉する。この合波カップラ２２３からの出力光電場は、次のように表される。

Ｅ₁₁、Ｅ₁₂はそれぞれ後段の光検出器４１，４２へと出力される光電場である。各表式において、第１項は短経路を経た出力光成分、第２項は長経路を経た出力光成分を表している。また、τは長経路で与えられる遅延時間、Ａ_mは遅延干渉計Ａ２２への入力光振幅である。

遅延干渉計Ａ２２からの出力光はそれぞれ光検出器４１，４２に入力され、その光強度が電気信号へ変換されて出力される。各光検出器４１，４２からの出力信号は次のように表される。

Ｉ₁₁、Ｉ₁₂はそれぞれ光検出器４１，４２から出力される電気信号、ηは光強度から電気信号への変換係数である。

光検出器４１，４２からの出力信号は差動合成器４３で差動的に合波される。これにより、次式で表わされる信号が出力され、ミキシング回路２５に出力される。

ところで光DPSK伝送では、

である。これを上式（４）に適用すると、

となる。さらに、位相変位の時間変化は十分小さいとすると、上式は次のように近似される。

さて、光カップラ２１で分岐されたモニタ信号光の他方は、遅延干渉計３２に入力される。遅延干渉計Ｂ３２の構成は基本的には上記遅延干渉計Ａ２２と同様であるが、位相設定回路３２２で２経路の伝播遅延位相差が０に設定されている点だけが異なっている。信号の流れを上記と同様に辿っていくと、以下のように表される。

遅延干渉計Ｂ３２からの出力光電場は、

各光検出器５１，５２からの電気信号出力は、

差動合成器５３の出力は、

を適用すると、

位相変位の時間変化量は十分小さいとすると、

次に、遅延干渉計Ａ２２、光検出器４１，４２を経て出力された差動合成器４３の出力Ｓ_m1と遅延干渉計Ｂ３２、光検出気５１，５２を経て出力された差動合成器５３の出力Ｓ_m2はミキシング回路２５に入力される。ミキシング回路２５からは、両者Ｓ_m1、Ｓ_m2が掛け算された信号Ｓ_ｍが出力される。すなわち、次式で表されるモニタ信号Ｓ_ｍが出力される。

これに式（６）（１１）を代入すると、次式となる。

上式は、θ_s(t)−θ_s（t−τ）＝０またはπのいずれであっても、位相変位の時間変化量に比例したモニタ信号が出力されることを示している。

式（１３）で表されるモニタ信号は、光カップラ１１で分岐された主信号光が入力されている位相変調器１３へ印加される。ここで、位相変調器１３前段の時間遅延調整回路１２により、モニタ信号が印加される時刻と該モニタ信号の位相変位の時間変化に対応する主信号光の時間スロットが入力される時刻が一致しているものとする。すると、位相変調器１３からは次式で表される信号光が出力される。

ｋは、印加電気信号から位相変調へ変換係数を含めた比例定数である。

ここで、ｋ＝−１であるように各種回路パラメーターを設定する。すると、式（１４）は

となる。上式は、時刻ｔでの位相変位＝時刻（ｔ−τ）での位相変位、となることを示している。この関係はどの時刻についても成り立つので、位相変位δθは常に一定に保たれるということである。

位相変位が一定であれば、それは位相揺らぎの無い信号光ということができる。すなわち、上記の構成により、位相揺らぎが低減された信号光を得ることができる。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲内において種々変更・応用が可能である。

本発明は、DPSK信号を光ファイバ伝送路を介して受信装置へ送信する光ファイバ伝送システムに適用可能である。

１ 位相揺らぎ検出回路
１１ 第１の光分岐手段、光カップラ
１２ タイミング調整手段、時間遅延調整回路
１３ 光位相変調手段、位相変調器
２１ 第２の光分岐手段、光カップラ
２２ 遅延干渉計Ａ
２５ 信号ミキシング手段、ミキシング回路
３２ 遅延干渉計Ｂ
４１ 第１の光検出手段、光検出器
４２ 第２の光検出手段、光検出器
４３ 第１の信号差動合成手段、差動合成器
５１ 第３の光検出手段、光検出器
５２ 第４の光検出手段、光検出器
５３ 第２の信号差動合成手段、差動合成器
２２１ 第３の光分岐手段、光カップラ
２２２ 第１の位相設定手段、π／２位相設定回路
２２３ 第１の光カップラ、２×２合成光カップラ
３２１ 第４の光分岐手段、光カップラ
３２２ 第２の位相設定手段、０位相設定回路
３２３ 第２の光カップラ、２×２光カップラ

Claims (3)

1. 光差動位相シフトキーイング（DPSK）信号を光ファイバ伝送路を介して受信装置へ送信する光ファイバ伝送システムに用いられる光位相雑音抑圧回路であって、
   伝送されてきたDPSK信号光の一部を２分岐する第１の光分岐手段と、
   前記第１の光分岐手段により分岐された一方の信号光をさらに２分岐する第２の光分岐手段と、
   前記第２の光分岐手段により分岐された一方の信号光を第１及び第２の光経路に２分岐する第３の光分岐手段と、
   前記第１の光経路に挿入され、前記第１の光経路と前記第２の光経路との間に前記DPSK信号のビットスロット時間に等しい時間差を与え、かつ前記第１の光経路と前記第２の光経路の伝播位相差をπ/2とする第１の位相設定手段と、
   ２×２の入出力端子を有し、一方の入力端子に前記第１の光経路から前記第１の位相設定手段により時間差および位相差が付与された信号光が入力され、他方の入力端子に前記第２の光経路から信号光が入力される第１の光カップラと、
   前記第１の光カップラの出力端子にそれぞれ接続された第１及び第２の光検出手段と、
   前記第１及び第２の光検出手段からの出力を差動合成する第１の信号差動合成手段と、
   前記第２の光分岐手段により分岐された他方の信号光を第３及び第４の光経路に２分岐する第４の光分岐手段と、
   前記第３の光経路に挿入され、前記第３の光経路と前記第４の光経路との間に前記DPSK信号のビットスロット時間に等しい時間差を与え、かつ前記第３の光経路と前記第４の光経路の伝播位相差を０とする第２の位相設定手段と、
   ２×２の入出力端子を有し、一方の入力端子に前記第３の光経路から前記第２の位相設定手段により時間差および位相差が付与された信号光が入力され、他方の入力端子に前記第４の光経路から信号光が入力される第２の光カップラと、
   前記第２の光カップラの出力端子にそれぞれ接続された第３及び第４の光検出手段と、
   前記第３及び第４の光検出手段からの出力を差動合成する第２の信号差動合成手段と、
   前記第１及び第２の信号差動合成手段からの出力の乗算信号を出力する信号ミキシング手段と、
   前記第１の光分岐手段により分岐された他方の信号光の位相を変調する光位相変調手段と、
   前記信号ミキシング手段からの出力信号に基づいて、前記光位相変調手段を駆動する駆動手段と、
   前記光位相変調器へ入力される信号光に時間遅延を与えることにより、該信号光と駆動信号とのタイミングを調整するタイミング調整手段と、
   を備えたことを特徴とする光位相雑音抑圧回路。
2. 光差動位相シフトキーイング（DPSK）信号を光ファイバ伝送路を介して受信装置へ送信する光ファイバ伝送システムに用いられる位相揺らぎ検出回路であって、
   入力された信号光を２分岐する第１の光分岐手段と、
   前記第１の光分岐手段により分岐された一方の信号光を第１及び第２の光経路に２分岐する第２の光分岐手段と、
   前記第１の光経路に挿入され、前記第１の光経路と前記第２の光経路との間に前記DPSK信号のビットスロット時間に等しい時間差を与え、かつ前記第１の光経路と前記第２の光経路の伝播位相差をπ/2とする第１の位相設定手段と、
   ２×２の入出力端子を有し、一方の入力端子に前記第１の光経路から前記第１の位相設定手段により時間差および位相差が付与された信号光が入力され、他方の入力端子に前記第２の光経路から信号光が入力される第１の光カップラと、
   前記第１の光カップラの出力端子にそれぞれ接続された第１及び第２の光検出手段と、
   前記第１及び第２の光検出手段からの出力を差動合成する第１の信号差動合成手段と、
   前記第１の光分岐手段により分岐された他方の信号光を第３及び第４の光経路に２分岐する第３の光分岐手段と、
   前記第３の光経路に挿入され、前記第３の光経路と前記第４の光経路との間に前記DPSK信号のビットスロット時間に等しい時間差を与え、かつ前記第３の光経路と前記第４の光経路の伝播位相差を０とする第２の位相設定手段と、
   ２×２の入出力端子を有し、一方の入力端子に前記第３の光経路から前記第２の位相設定手段により時間差および位相差が付与された信号光が入力され、他方の入力端子に前記第４の光経路から信号光が入力される第２の光カップラと、
   前記第２の光カップラの出力端子にそれぞれ接続された第３及び第４の光検出手段と、
   前記第３及び第４の光検出手段からの出力を差動合成する第２の信号差動合成手段と、
   前記第１及び第２の信号差動合成手段からの出力の乗算信号を出力する信号ミキシング手段と、
   を備えたことを特徴とする位相揺らぎ検出回路。
3. 光差動位相シフトキーイング（DPSK）信号を光ファイバ伝送路を介して受信装置へ送信する光ファイバ伝送システムに用いられる位相揺らぎ検出方法であって、
   第１〜第３の光分岐手段、第１、第２の位相設定手段、２×２の入出力端子を有する第１、第２の光カップラ、第１〜第４の光検出手段、第１、第２の信号差動合成手段、および、信号ミキシング手段を有する回路において、
   前記第１の光分岐手段が、入力された信号光を２分岐し、
   前記第２の光分岐手段が、前記第１の光分岐手段により分岐された一方の信号光を第１及び第２の光経路に２分岐し、
   前記第１の位相設定手段が、前記第１の光経路上において、前記第１の光経路と前記第２の光経路との間に前記DPSK信号のビットスロット時間に等しい時間差を与え、かつ前記第１の光経路と前記第２の光経路の伝播位相差をπ／２とし、
   前記第１の光カップラが、前記第１の光経路の前記第１の位相設定手段により時間差および位相差が付与された信号光と前記第２の光経路の信号光とを合波し、
   前記第１及び第２の光検出手段が、それぞれ、前記第１の光カップラの２つの出力端子の信号光を検出し、
   前記第１の信号差動合成回路が、前記第１及び第２の光検出手段からの出力を差動合成し、
   前記第３の光分岐手段が、前記第１の光分岐手段により分岐された他方の信号光を第３及び第４の光経路に２分岐し、
   前記第２の位相設定手段が、前記第３の光経路上において、前記第３の光経路と前記第４の光経路との間に前記DPSK信号のビットスロット時間に等しい時間差を与え、かつ前記第３の光経路と前記第４の光経路の伝播位相差を０とし、
   前記第２の光カップラが、前記第３の光経路の前記第２の位相設定手段により時間差および位相差が付与された信号光と前記第４の光経路の信号光とを合波し、
   前記第３及び第４の光検出手段が、それぞれ、前記第２の光カップラの２つの出力端子の信号光を検出し、
   前記第２の信号差動合成手段が、前記第３及び第４の光検出手段からの出力を差動合成し、
   前記信号ミキシング手段が、前記第１及び第２の信号差動合成手段からの出力信号を乗算し、乗算信号を出力する
   ことを特徴とする位相揺らぎ検出方法。

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