JP2002344426A - 偏光状態制御信号の送受信方法および送受信装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 伝送信号速度より遅い速度の信号処理で偏波
の分離が可能となる偏光状態制御信号の送受信方法およ
び送受信装置を提供する。 【解決手段】 光源１からの光を光カプラ２で分岐した
第１の信号および第２の信号のいずれの信号とも相関の
十分小さい第３の信号源７からの信号によって、第１の
光波または第２の光波を送信側で変調器４，６で変調
し、受信端において第３の信号を電気信号として取出
し、その電気信号を偏光自動制御装置１３の制御信号と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は偏光状態制御信号
の送受信方法および送受信装置に関し、特に、異なる信
号で変調された２つの光波の偏光状態を直交せしめて光
伝送路に送出し、受信側で２つの直交する光波に分類す
る偏波状態制御信号の送受信方法および送受信装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】伝搬する光波には、偏光状態と言われる
属性がある。偏光は偏波とも言われ、偏光状態は光波の
電界をベクトルで表示したとき、伝搬方向に垂直な面へ
のベクトルの先端の射影の軌跡の形状と時間的変化の仕
方によって規定される。

【０００３】偏光状態の簡単な例は直線偏光と呼ばれる
偏光状態であり、この偏光状態では電界の方向は不変で
あり、前述の形状は直線となる。偏光状態の他の例は円
偏光と呼ばれる偏光状態であり、この偏光状態では前述
の形状は円となる。一般的には形状は楕円であり、楕円
偏光と呼ばれる。

【０００４】偏光状態には直交状態と言われる２つの偏
光状態が存在する。直線偏光に関しては、直交する偏光
状態の軌跡は互いに直交する２つの直線となる。円偏光
に関しては、形状は同一の円であり、時間的な変化が右
回りの円と左回りの円である。

【０００５】上述の直交の意味は、任意の偏光状態であ
る光波が直交する偏光状態の光波の一時結合によって記
述されることである。直交する光波は互いに独立である
ので、直交する光波を異なる信号で変調して伝送すれ
ば、効率的な信号伝送が可能となる。このような伝送方
法は偏波多重伝送と呼ばれている。

【０００６】光ファイバを光波が伝搬すると、光ファイ
バの特性が光ファイバの長手方向に一様でないために、
偏光状態は一般的には伝搬するとともに変化する。ま
た、光ファイバの特性が環境条件などにより時間的にも
変化するため、偏光状態は時間的にも変化する。光ファ
イバを用いて単一の信号を伝送する方式では、受信端で
偏光状態を自動制御し、常に所望の偏光状態を得ること
が可能であり、そのための偏光状態自動制御装置が市販
されている。

【０００７】しかし、直交する偏光状態である２つの光
波を、異なる信号で変調して光ファイバに送出した場合
には、受信端における偏光状態の変化が光ファイバの特
性の変化によるものであるか、異なる２つの信号光の重
ね合わせによる結果であるのか区別がつかない。したが
って、今日に至るまで光ファイバを用いる偏波多重方式
は実用にはなっていない。

【０００８】近年、リターンゼロの光信号（以下、ＲＺ
信号と称する）を交番偏波多重で伝送する方法が、高速
なデジタル信号伝送に適していることが明らかになっ
た。

【０００９】ＲＺ信号とはデジタル光信号を「１」と
「０」で表わすとき、「１」の信号の占有時間幅がタイ
ムスロットより小さいような信号をいう。図２はそのよ
うなＲＺ信号を示す図である。交番偏波多重とは、時間
的に交互に直交する偏光状態を用いて伝送する方式であ
る。第１の信号は「１０１１０１」であり、第２の信号
は「１１１００１」であるとした場合の光の強度の変化
を図示すると図３に示すようになる。図３において横軸
は時間であり、ｘ軸とｙ軸は直交する空間軸であって、
ｘ軸は第１の信号であり、ｙ軸は第２の信号である。こ
のような信号光に対しては、実験的には以下に述べる方
法が提案されている。

【００１０】伝送された光波を偏光状態自動制御装置に
入力し、その出力を偏光ビームスプリッタに入力する。
偏光ビームスプリッタは、入力された光波を２つの直交
する直線偏光として出力するが、入力される光波が直線
偏光でない場合は、２つの出力には第１の信号と第２の
信号が混合して存在する。

【００１１】今、第１の信号および第２の信号の伝送速
度がＡ Ｇｂｐｓとすると、偏光ビームスプリッタの出
力が第１の信号と第２の信号とに分離された状態のとき
に、そのいずれの出力においてもＡ ＧＨｚの交流信号
が最大であり、混合された状態ではＡ ＧＨｚの交流信
号はその最大値より小さい。

【００１２】したがって、偏光ビームスプリッタのいず
れかの出力を光電気変換してＡ ＧＨｚの電気信号を
得、これを偏光状態自動制御装置の制御信号とすること
により、信号１の光波と信号２の光波を別々に取出すこ
とが可能となる。

【００１３】しかし、この方法では、信号のビットレー
トは４０Ｇｂｐｓを超えるような高速の伝送速度になる
と、光電気変換が困難になり、偏光状態を分離すること
ができなくなる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】偏波多重伝送が実現す
れば、単一偏波による伝送の２倍の情報を送ることや高
速のＲＺ信号を伝送することが可能であるが、前述のよ
うに実用的な偏光制御方式が実現していない実情にあ
る。

【００１５】それゆえに、この発明の主たる目的は、伝
送信号速度より遅い速度の信号処理で偏光の分離が可能
となる偏光状態制御信号の送受信方法および送受信装置
を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この発明は、第１の光源
から発せられた光波を第１の信号で変調して得られた第
１の光波と、第１の光源の波長と同一の波長を有する第
２の光源から発せられた光波を第２の信号で変調して得
られた第２の光波とを、偏光状態を互いに直交せしめて
合波して送信信号光とし、該送信信号光を光伝送路に送
出し、該光伝送路を伝搬した信号光を、受信側で偏光状
態制御装置を介して直交する２つの光波に分離する偏波
多重光伝送方法において、第１の信号と第２の信号のい
ずれの信号とも相関の十分小さい第３の信号によって、
第１の光波または第２の光波を送信側で変調し、受信側
において第３の信号を電気信号として取り出し、該電気
信号を偏光状態制御装置の制御信号とする。

【００１７】他の発明は、第１の光源から発せられた光
波を第１の光変調手段により第１の信号で変調して得ら
れた第１の光波と、第１の光源の波長と同一の波長を有
する第２の光源から発せられた光波を第２の変調手段に
より第２の信号で変調して得られた第２の光波とを、偏
光状態を互いに直交せしめて合波して送信信号光とし、
該送信信号光を光伝送路に送出し、該光伝送路を伝搬し
た信号光を、受信側で偏光状態制御装置を介して直交す
る２つの光波に分離する偏波多重光伝送装置において、
第１の信号と第２の信号のいずれの信号とも相関の十分
小さい第３の信号によって、第１の光波または第２の光
波を送信側で変調する第３の光変調手段と、受信側にお
いて第３の信号を電気信号として取り出し、該電気信号
を偏光状態制御装置の制御信号として出力する信号抽出
手段とを備えたことを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の一実施形態にお
ける偏波多重伝送を行なう場合の光伝送システムのブロ
ック図である。図１において、二重線は光ファイバによ
る結線を示し、太い実線は銅線による結線を示してい
る。光源１は半導体レーザ（以下、ＬＤと称する）が用
いられ、光ファイバに直線偏光の光波を出力する。光フ
ァイバは偏波保持ファイバ（以下、ＰＭＦと称する）が
用いられる。ＰＭＦの特徴は、入力された光波の偏光状
態を保つ機能が優れていることであり、直線偏光の光波
を入力すると、直線偏光の光波を取出すことが容易とな
る。

【００１９】光源１からの光波は光ファイバを介して光
カプラ２に入力され、光波が２つの光波に分岐されて２
つの光ファイバに出力される。光カプラ２としては、た
とえば光ファイバ型の３ｄＢカプラが用いられる。ここ
で、３ｄＢは等しい光パワーに分岐することを意味して
いる。この実施形態では、各光ファイバはＰＭＦであ
る。光カプラ２で分岐された各光波は第１の光変調器４
と第２の光変調器６とに入力される。

【００２０】第１の信号源３は伝送すべき第１の信号を
発生するものであり、情報として伝送したい電気信号を
送出し、この例では、１０ギガビット毎秒（以下、Ｇｂ
ｐｓと称する）のデジタル信号を発生して第１の光変調
器４に入力する。なお、第１の信号源３には電力増幅器
が含まれている。第１の光変調器４は光の入力端と光の
出力端と伝送信号の入力端を有しており、光カプラ２か
ら入力された光波の強度や位相を、第１の信号源３から
入力された電気信号によって変調する。この例では、第
１の光変調器４としてはリチウムナイオベイト光変調器
（以下、ＬＮと称する）が用いられ、入力された光波の
強度を変調する。

【００２１】第２の信号源５は伝送すべき第２の信号を
発生するものであり、第１の信号源３と同様の機能を有
しており、第１の信号源３とは独立な１０Ｇｂｐｓの信
号を発生する。この第２の信号源５からの第２の信号は
第２の光変調器６に入力される。この第２の光変調器６
も第１の光変調器４と同様の機能を有していて、光カプ
ラ２から入力された光波の強度や位相を、第２の信号源
５から入力された電気信号によって変調する。

【００２２】第３の信号源７は第１および第２の信号源
３，５から送出される信号とは相関がほとんどない信号
を送出する。相関がないということは、適切な信号処理
によって区別し得ることを意味している。この実施形態
では、第３の信号源７は１００ｋＨｚの電気信号の発振
器が用いられ、第１および第２の信号源３，５から送出
される信号とは周波数が重ならない信号であるので、電
気フィルタを通過させることにより容易に区別できる。

【００２３】第３の光変調器８は第１の光変調器４と同
様の機能を有しており、第１の光変調器４から出力され
た光波を第３の信号源７からの信号で変調する。第３の
光変調器８で変調された光波は光遅延器１０に与えら
れ、所定の時間の遅延が与えられて出力される。この実
施形態では、光遅延器１０として可変遅延器が用いら
れ、遅延量が可変な機構となっている。

【００２４】一方、第２の光変調器６で変調された光波
は光減衰器９に入力される。光減衰器９は入力された光
波の強度に所定の減衰を与えて出力する。この実施形態
では、光減衰器９として可変減衰器が用いられ、減衰量
が可変な機構となっている。

【００２５】光遅延器１０で遅延された光波と光減衰器
９で減衰された光波は合波器１１に入力される。合波器
１１は２つの光波を合波して光出力端から出力する。こ
の実施形態では、２つの直線偏光の光波が入力したとき
に空間的に直交した偏光状態で出力する機能を有する偏
光ビームコンバイナが用いられる。ここで、空間的に直
交とは、一方の直線偏光の光波の電界の方向と、他方の
直線偏光の光波の電界の方向とが９０°の角度をなして
いることをいう。合波器１１で合波された光波は光伝送
路１２を介して偏光自動制御装置１３に入力される。光
伝送路１２は光ファイバや光増幅器などから構成されて
いる。

【００２６】偏光自動制御装置１３はその内部に光回路
素子や制御回路や制御プログラムを含んでおり、この実
施形態では、１ｍｓｅｃごとに制御電気信号を計測し、
制御電気信号が増大するようにプログラムに従って光回
路素子を制御する。偏光自動制御装置１３の出力の光波
は偏光ビームスプリッタ１４に入力される。偏光ビーム
スプリッタ１４は１つの入力された光波を空間的に直交
する直線偏光に分離して出力する。入力された光波が空
間的に直交する直線偏光の合成波であれば、２つの出力
は合成される前の２つの直線偏光の光波となる。偏光ビ
ームスプリッタ１４で分離された一方の光波は光カプラ
１５に与えられ、他方は光波出力端子２０に出力され
る。光カプラ１５は光源１の光波を分岐する光カプラ２
と同様の機能を有しており、偏光ビームスプリッタ１４
からの光波を分岐し、一方を光電気変換器１６に与え、
他方を光波出力端子２１から出力する。

【００２７】光電気変換器１６は入力された光波の強度
に比例した電気信号を出力するものであり、その出力信
号は電気フィルタ１７に与えられる。電気フィルタ１７
は入力された電気信号の所定の周波数領域の電気信号だ
けを出力し、この実施形態では、９９ｋＨｚと１０１ｋ
Ｈｚの間の信号成分を出力する。電気フィルタ１７の出
力は検波器１８に与えられ、入力された交流電気信号の
瞬時の実効値が出力されて増幅器１９に与えられる。増
幅器１９はその増幅利得が可変にされており、検波器１
８で出力された瞬時の実効値を増幅して偏光自動制御装
置１３に与える。

【００２８】次に、図１に示した偏波多重伝送システム
の動作について説明する。光源１のＬＤ光源から出力さ
れた光波は３ｄＢの光カプラ２で２等分され、その一方
の出力は第１の光変調器４によって第１の信号源３から
の電気信号に基づいて光強度が変調され、伝送すべき第
１の信号を含んだ第１の光波となる。他方の光波は第２
の光変調器６によって第２の信号源５からの信号によっ
て光の強度が変調され、伝送すべき第２の信号を含んだ
第２の光波となる。第１の光波にはさらに第３の光変調
器８によって１００ｋＨｚの信号が重畳される。

【００２９】以下の説明では、第３の光変調器８によっ
て変調された光波を第３の光波と称する。この第３の光
波の強度と第２の光波の強度とは、第３の光変調器８が
挿入されているので異なる。そこで光減衰器９は第２の
光波に減衰を与えその出力の強度を第３の光波の強度と
同程度にする。第２の光波と第３の光波は合波器１１に
よって合成されるが、各々の光波に含まれる伝送信号の
位相を揃えるために、光遅延器１０によって遅延量が調
節される。

【００３０】以上の動作によって、合波器１１からは第
１の信号を含む光波と第２の信号を含む光波とが、偏光
状態がそれぞれ直線偏光で空間的には直交した信号光と
して出力される。この信号光は光伝送路１２を伝搬して
受信側に到達する。一般的な光伝送路は、単一モード光
ファイバと光増幅器を含むような伝送路である。このよ
うな光伝送路１２を伝搬した光波の偏光状態は、通常は
伝搬とともに複雑に変化し、また同一地点においても時
間的に変化する。ただし、その変化の速さは１００ｋＨ
ｚよりは十分にゆっくりしたものである。

【００３１】偏光自動制御装置１３に入力された光波の
偏光状態が変化した場合の動作について考えてみる。偏
光状態が変更した過渡的状態では、第２の光波と第３の
光波とは偏光状態によっては区別されない信号光となっ
て偏光自動制御装置１３から出力され、偏光ビームスプ
リッタ１４に入力される。偏光ビームスプリッタ１４か
らは空間的に直交する２つの直線偏光が出力されるが、
それぞれは第１の信号と第２の信号とを混合した光波と
なっている。

【００３２】偏光ビームスプリッタ１４から出力される
一方の信号光は、光カプラ１５で分岐された後、光電気
変換器１６によって電気信号に変換され、さらに電気フ
ィルタ１７によって１００ｋＨｚの電気信号成分が抽出
され、検波器１８によって１００ｋＨｚの交流信号成分
が検波され、増幅器１９で増幅され、１００ｋＨｚの信
号の強度変化の信号として偏光自動制御装置１３に入力
される。

【００３３】偏光自動制御装置１３は１ｍｓｅｃごとに
制御信号の大きさを監視しており、制御信号が強くなる
ように１ｍｓｅｃごとに出力の偏光状態を変更させる。
偏光自動制御装置１３から出力される光波の偏光状態が
変化し、制御信号が最大となる状態では偏光ビームスプ
リッタ１４の入力端から入力された光波のうちの１００
ｋＨｚの信号を含む光波のすべてが光カプラ１５に入力
した場合である。偏光ビームスプリッタ１４からは直線
偏光が出力されているので、この状態ではその直線偏光
の光波は第３の光波が伝送されたものであることにな
る。

【００３４】出力端子２０に出力される光波は１００ｋ
Ｈｚの信号を含まない直線偏光の光波であるので、その
直線偏光の光波は第２の光波が伝送されたものであるこ
とになる。また、出力端子２１からは第１の信号の他に
１００ｋＨｚの信号が出力されるが、これらの信号には
相関がほとんどないため、第１の信号の伝送に何らの影
響を及ぼさない。すなわち、１０Ｇｂｐｓのデジタル信
号が有する周波数領域は１００ｋＨｚ以上であるので、
１００ｋＨｚの広域通過フィルタを用いれば第１の信号
を容易に取出すことができる。

【００３５】上述のごとく、送信側で第３の光変調器８
によって伝送すべき第１の信号に１００ｋＨｚの信号を
重畳するようにしたので、直交する２つの偏波の光波の
うちの一方に１００ｋＨｚの目印をつけたことになる。
また、受信側では目印のついた偏光の光波を分離して取
出すことができるので、偏波多重方式の光伝送が可能と
なる。

【００３６】なお、上述の実施形態とは別の実施形態で
は、第３の光変調器８を用いることなく、第１の信号と
第３の信号とを電気信号の段階で重畳する方法もとるこ
とができる。この場合には、第３の光変調器８と第１の
光変調器４との間に光電気変調器を挿入し、変調信号と
して１００ｋＨｚの電気信号を入力するようにすればよ
い。

【００３７】また、交番偏波多重においても、第１の信
号で変調された光波を第３の信号で変調し、受信側で第
３の信号を取出して偏光制御の信号とする方法が有効と
なる。たとえば、第１の信号が８０Ｇｂｐｓ，第２の信
号が８０Ｇｂｐｓのデジタル信号の実施形態の動作につ
いて以下に説明する。

【００３８】この場合には、第１のデジタル信号で変調
された光波の強度を２値とし、一方の強度を他方の９０
％とする。これらの値は１タイムスロットごとに交互に
現われるようにする。このような信号は第３の信号を４
０ＧＨｚとし、第３の光変調器８の変調度を１０／９５
と設定することによって作り出される。第３の４０ＧＨ
ｚの信号は第１の信号源３や第１の光変調器４の信号と
同期している必要がある。

【００３９】この場合には、受信側として光電気変換器
１６には４０ＧＨｚの応答速度を持つ光電気信号変換器
を用い、電気フィルタ１７には４０ＧＨｚの狭帯域のフ
ィルタを用いる必要がある。この例では、２つの８０Ｇ
ｂｐｓの信号のうちの１つに４０ＧＨｚの目印をつけた
ことになり、受信側で目印のついた光波を分離して取出
すので、偏波多重伝送が可能となる。

【００４０】上述の８０Ｇｂｐｓの２つの信号を伝送す
る場合には、第３の信号が４０ＧＨｚの交流電気信号で
あったが、第３の信号源の１０ＧＨｚのパルス信号が第
１の信号源３や第２の信号源５の８０Ｇｂｐｓの信号と
同期している必要がある。第３の光変調器８は引き続く
７つのタイムスロットの光波の振幅が同一で、８つ目の
タイムスロットごとに出力される光波の振幅が他の７つ
のタイムスロットの振幅とは異なるように動作するもの
とする。たとえば、８つのタイムスロットの最小タイム
スロットの振幅が他の振幅より１０％大きい値となるよ
うな変調を与える。このような設定とすることによっ
て、８０Ｇｂｐｓの１つの信号に１０ＧＨｚの目印をつ
けることが可能である。

【００４１】なお、４０ＧＨｚの目印と１０ＧＨｚの目
印を比較すると、１０ＧＨｚの目印の方が検出が容易で
あるが、信号の成分は小さいという欠点がある。

【００４２】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【００４３】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、送信
する第１および第２の２つの信号光の偏波多重により伝
送する場合に、送信する信号とは相関が小さい第３の信
号を１つの信号に重畳して転送するようにしたので、受
信側において第３の信号を検出し、これを制御信号とし
て光波の偏光状態を制御することが可能となり、偏波に
よる２つの信号の分離が可能となり、偏波多重伝送が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施形態の偏波多重伝送システ
ムの構成を示すブロック図である。

【図２】 リターンゼロの光信号の光強度の時間波形の
一例を示す図である。

【図３】 交番偏波多重の光信号の光強度の時間変化の
例を示す図である。

【符号の説明】

１ 光源、２，１５ 光カプラ、３ 第１の信号源、４
第１の光変調器、５第２の信号源、６ 第２の光変調
器、７ 第３の信号源、８ 第３の光変調器、９ 光減
衰器、１０ 光遅延器、１１ 合波器、１２ 光伝送
路、１３ 偏光自動制御装置、１４ 偏光ビームスプリ
ッタ、１６ 光電気変換器、１７ 電気フィルタ、１８
検波器、１９ 増幅器、２０，２１ 出力端子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の光源から発せられた光波を第１の
   信号で変調して得られた第１の光波と、前記第１の光源
   の波長と同一の波長を有する第２の光源から発せられた
   光波を第２の信号で変調して得られた第２の光波とを、
   偏光状態を互いに直交せしめて合波して送信信号光と
   し、該送信信号光を光伝送路に送出し、該光伝送路を伝
   搬した信号光を、受信側で偏光状態制御装置を介して直
   交する２つの光波に分離する偏波多重光伝送方法におい
   て、 前記第１の信号と前記第２の信号のいずれの信号とも相
   関の十分小さい第３の信号によって、前記第１の光波ま
   たは第２の光波を送信側で変調し、受信側において前記
   第３の信号を電気信号として取り出し、該電気信号を前
   記偏光状態制御装置の制御信号とすることを特徴とす
   る、偏光状態制御信号の送受信方法。
2. 【請求項２】 第１の光源から発せられた光波を第１の
   光変調手段により第１の信号で変調して得られた第１の
   光波と、前記第１の光源の波長と同一の波長を有する第
   ２の光源から発せられた光波を第２の変調手段により第
   ２の信号で変調して得られた第２の光波とを、偏光状態
   を互いに直交せしめて合波して送信信号光とし、該送信
   信号光を光伝送路に送出し、該光伝送路を伝搬した信号
   光を、受信側で偏光状態制御装置を介して直交する２つ
   の光波に分離する偏波多重光伝送装置において、 前記第１の信号と前記第２の信号のいずれの信号とも相
   関の十分小さい第３の信号によって、前記第１の光波ま
   たは第２の光波を送信側で変調する第３の光変調手段
   と、 受信側において前記第３の信号を電気信号として取り出
   し、該電気信号を前記偏光状態制御装置の制御信号とし
   て出力する信号抽出手段とを備えたことを特徴とする、
   偏光状態制御信号の送受信装置。