JP2006211507A

JP2006211507A - 偏波モード分散補償装置

Info

Publication number: JP2006211507A
Application number: JP2005023286A
Authority: JP
Inventors: Takamasa Goto; 尊巨後藤
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】波形品質の低下を招く偏波モード分散を補償する偏波モード分散補償装置に関し、特に光学部品の部品点数を削減するとともに短時間で偏波モード分散を補償する偏波モード分散補償装置を提供する。
【解決手段】
入力された光信号の偏波モード分散を補償する偏波制御器と前記偏波制御器を通過した光信号を分岐する第１の光分岐手段とを備える偏波モード分散補償装置において、
前記第１の光分岐手段により分岐された光信号が入力され、前記光信号を垂直成分と水平成分に分離する第２の光分岐手段と、
前記第２の光分岐手段によって分離された垂直成分及び水平成分の光信号を電気信号に変換し、垂直成分の電気信号又は水平信号の電気信号を時間軸に対してずらしながらサンプリングして垂直成分と水平成分の相関を求める相関比較器と、
前記相関比較器が算出した相関値に基づいて前記偏波制御器を制御する制御回路と
を備えることを特徴とする偏波モード分散補償装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、波形品質の低下を招く偏波モード分散を補償する偏波モード分散補償装置に関し、特にポアンカレ球表示に基づくストークスパラメータを使用せずに、光学部品の部品点数を削減し、短時間で偏波モード分散を補償する偏波モード分散補償装置に関する。

一般に、偏波モード分散（以下、ＰＭＤ（ Polarization-Mode Dispersion）という。）の大きな光ファイバでは、光伝送システムにおける伝送速度、伝送距離が制限される。特に海外の古い既設伝送路ファイバにおいてＰＭＤ値が大きいことが知られており、高速伝送になるほど、深刻な伝送距離制限要因となる。さらに、ＰＭＤは、温度・ストレス等の伝送路環境変化によって経時的に変動する。

一方、光デジタル信号はＸ方向偏波とＹ方向偏波が合成されて光ファイバ内を伝わるが、ファイバのコア形状が僅かに楕円化しているために、二つの直交偏波モード成分間に伝搬時間差を生じ、波形劣化を引き起こしてしまう。この様なＰＭＤの測定技術を示す文献としては非特許文献１〜３のようなものがある。

畑野達也、他３名、「高精度ＤＯＰ測定器の開発」、古河電工時報、古河電気工業株式会社、２００３年１月、１１１号、ｐ．３７−４０

磯村章彦、他１名、「自動偏波モード分散補償技術の現状と課題」、ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ、株式会社富士通研究所、２００３年、ＮＯ.１０、ｐ.１２６−１２８

磯村章彦、他４名、「偏光度モニタを用いた４３Gbit/s自動偏波モード分散補償実験」、電子情報通信学会総合大会、株式会社富士通研究所、２００３年、ｐ.５５４

以下、従来の偏波モード補償装置について図５を参照して説明する。図５は従来の偏波モード補償装置の構成例である。偏波モード補償装置１は、光伝送路１００、偏波制御器２００、ビームスプリッタ（以下、「ＢＳ」という。）３００、偏波保持ファイバ４００、ＤＯＰ（Degree Of Polarization）モニタ５００、制御回路６００を備える。

光伝送路１００は例えば光ファイバである。偏波制御器２００は、後述する制御回路６００の制御に基づいて光伝送路１００から入力される光信号の偏波モードを制御する。ＢＳ３００は偏波制御器２００から入力された光信号を分岐して、一方を偏波保持ファイバ４００に出力するとともに、他方をＤＯＰモニタ５００に出力する。

ＤＯＰモニタ５００は、偏波の度合いを求めるポアンカレ球表示に基づくストークスパラメータを導き出すものであり、ＢＳ５１０、５１１、偏光ビームスプリッタ５１２、波長板５２０、４５度偏光子５３０、５３１、フォトダイオード（図面では「ＰＤ」という。）５４０〜５４３、演算回路５５０を備える。

ＢＳ５１０はＢＳ３００から入力された光信号を分岐して、一方をＢＳ５１１に出力し、他方を波長板５２０に出力する。ＢＳ５１１はＢＳ５１０から入力された光信号を分岐して、一方を偏光ビームスプリッタ５１２に出力し、他方を４５度偏光子５３１に出力する。偏光ビームスプリッタ５１２はＢＳ５１１から入力された光信号を分岐して、一方をフォトダイオード５４３に出力し、他方をフォトダイオード５４２に出力する。

波長板５２０は、入射光の偏向軸が波長板５２０の光学軸に対して角度４５度となるように配置され、直線偏向を円偏向に変換する。４５度偏光子５３０は、波長板５２０を介して入力された光信号を４５度回転させてフォトダイオード５４０に出力する。４５度偏光子５３１はＢＳ５１１で分岐された他方の光信号を４５度回転させてフォトダイオード５４１に出力する。

フォトダイオード５４０は、４５度偏光子５３０を介して入力された光信号を電気信号に変換して演算回路５５０に出力する。フォトダイオード５４１は、４５度偏光子５３１を介して入力された光信号を電気信号に変換して演算回路５５０に出力する。フォトダイオード５４２は、ＢＳ５１２を介して入力された光信号を電気信号に変換して演算回路５５０に出力する。フォトダイオード５４３は偏光ビームスプリッタ５１２で分岐された一方の光信号を電気信号に変換して演算回路５５０に出力する。

演算回路５５０はフォトダイオード５４０〜５４３で変換された電気信号に基づいてＤＯＰ値を計算する。制御回路６００はＰＭＤの値が最小となるように偏波制御器２００を制御する。ここでＰＭＤの値は、ＤＯＰ値が最大のときに最小となるが、その理由については非特許文献２及び非特許文献３に記載されている通り周知なので説明を省略する。このような理由により、制御回路６００は演算回路５５０から出力されるＤＯＰ値が最大となるように以下の様に制御する。

すなわち、制御回路６００は偏波制御器２００に内蔵される図示しない可変ＤＧＤ（群遅延差）光回路に制御信号を出力し、垂直成分又は水平成分のいずれかを位相シフトしてＰＭＤの値が最小となるように制御する。

このように、従来技術であるポアンカレ球表示に基づくストークスパラメータを使用すると高精度にＰＭＤを補償することができる。

しかし、ＢＳ等の光学部品を複数使用しなければならないので、装置が大型化し、振動に弱い。また、光学部品を複数使用するのでコスト高である。

さらに、ＤＯＰ値が最大となるように偏波制御器２００にフィードバックをかけ、複数回に渡り制御回路６００を用いて偏波制御器２００を調整しなければならないので、迅速に補償をかけることができない。

本発明は、波形品質の低下を招くＰＭＤを補償する偏波モード分散補償装置に関し、特にポアンカレ球表示に基づくストークスパラメータを使用せずに、光学部品の部品点数を削減し、短時間でＰＭＤを補償する偏波モード分散補償装置を提供することを目的とする。

このような課題を達成するために、請求項１記載の発明は、
入力された光信号の偏波モード分散を補償する偏波制御器と前記偏波制御器を通過した光信号を分岐する第１の光分岐手段とを備え、偏波分散を補償する偏波モード分散補償装置において、
前記第１の光分岐手段により分岐された光信号が入力され、前記光信号を垂直成分と水平成分に分離する第２の光分岐手段と、
前記第２の光分岐手段によって分離された垂直成分及び水平成分の光信号を電気信号に変換し、垂直成分の電気信号又は水平信号の電気信号を時間軸に対してずらしながらサンプリングして垂直成分と水平成分の相関を求める相関比較器と、
前記相関比較器が算出した相関値に基づいて前記偏波制御器で補償する偏波の度合いを制御する制御回路と
を備える。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記相関比較器は、垂直成分及び水平成分の電気信号をＡ／Ｄ変換し、これらの信号を時間軸に対してずらしながら相関を求める。

また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記相関比較器は、直成分及び水平成分の電気信号をＡ／Ｄ変換し、これらの信号を時間軸に対してずらしながら、垂直成分の振幅の絶対値と水平成分の振幅の絶対値を乗算することにより、垂直成分と水平成分の相関を求める。

また、請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記相関比較器は、直成分及び水平成分の電気信号をＡ／Ｄ変換し、これらの信号を時間軸に対してずらしながら、このサンプリング値に基づいてこれらの相関を求め、前記垂直、水平成分の位相差をなくするために補償すべき位相差を求め、前記制御回路はこの位相差から補償すべき偏波の度合いを求める。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、
前記相関比較器は、前記垂直成分の所定の周波数を通過させる第１のＢＰＦと、
前記水平成分の周波数のうち前記第１のＢＰＦと同一の周波数を通過させる第２のＢＰＦを備える。

本発明では、次のような効果がある。
垂直成分の電気信号と水平信号の電気信号を時間軸に対してずらしながらサンプリングして垂直、水平成分の相関を求め偏波分散を補償するので、ポアンカレ球表示に基づくストークスパラメータを使用せずに、光学部品の部品点数を削減し、短時間でＰＭＤを補償する偏波モード分散補償装置を提供することができる。また、光学部品の点数が少ないので、装置を小型化でき、コスト安で、振動に強い。

また、相関比較器は、Ａ／Ｄ変換した電気信号を時間軸に対してずらしながら相関を求めるので、ポアンカレ球表示に基づくストークスパラメータを使用せずに、光学部品の部品点数を削減し、短時間で偏波モード分散を補償する偏波モード分散補償装置を提供することができる。

また、相関比較器は、Ａ／Ｄ変換した垂直成分又は水平成分の電気信号を時間軸に対してずらしながら、これらの垂直成分の振幅の絶対値と水平成分の振幅の絶対値を乗算することにより、垂直成分と水平成分の相関を求めるので、ポアンカレ球表示に基づくストークスパラメータを使用せずに、光学部品の部品点数を削減し、短時間でＰＭＤを補償する偏波モード分散補償装置を提供することができる。

また、相関比較器は、Ａ／Ｄ変換された垂直成分又は水平成分の電気信号を時間軸に対してずらしながらサンプリングし、このサンプリング値に基づいてこれらの相関を求め、垂直、水平成分の位相差をなくするために補償すべき位相差を求め、制御回路はこの位相差から補償すべきＰＭＤを求めるので、ポアンカレ球表示に基づくストークスパラメータを使用せずに、光学部品の部品点数を削減し、短時間でＰＭＤを補償する偏波モード分散補償装置を提供することができる。

さらに、相関比較器は、垂直成分の所定の周波数を通過させる第１のＢＰＦと、水平成分の周波数のうち第１のＢＰＦと同一の周波数を通過させる第２のＢＰＦを備え、これらのＢＰＦにより特定の周波数を抜き出し、振幅の時間変化について相関関係を取るので、ビットレートが変化し、それに含まれる数波数成分の比率が変化してもその変化量は第１のＢＰＦ通過後と第２のＢＰＦ通過後で同じであり、結果的にビットレートに依存しない。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。本発明の偏波モード補償装置の構成例を図１を参照して説明するが、従来技術のブロック図である図５と同様の構成は同じ番号を付して説明を省略する。

図１において、偏波モード補償装置１０は、光伝送路１００、偏波制御器２００、ＢＳ３００、偏波保持ファイバ４００、位相比較部７００、制御回路８００を備える。相関比較器７００は、偏波の度合いを測定してＰＭＤを補償するため、偏光ビームスプリッタ７１０、フォトダイオード７２０、７２１、アンプ７３０、７３１、バンドパスフィルタ（以下、「ＢＰＦ」という。）７４０、７４１、相関比較器７５０を備える。

偏光ビームスプリッタ７１０には、ＢＳ３００によって分岐された光信号が入力され、この光信号は垂直成分と水平成分の光信号に分岐されてフォトダイオード７２０、７２１に出力される。ここで、偏光ビームスプリッタ７１０で分岐された垂直成分の光信号はフォトダイオード７２０に入力され、水平成分の光信号はフォトダイオード７２１に入力されるものとする。

フォトダイオード７２０は、垂直成分の光信号を電気信号（電流）に変換してアンプ７３０に出力し、フォトダイオード７２１は、水平成分の光信号を電気信号（電流）に変換してアンプ７３１に出力する。

アンプ７３０は垂直成分の電気信号（電流）を電圧に変換してＢＰＦ７４０に出力し、アンプ７３１は水平成分の電気信号（電流）を電圧に変換してＢＰＦ７４１に出力する。ＢＰＦ７４０は垂直成分の電圧信号のうち所定の周波数成分を相関比較器７５０に出力し、ＢＰＦ７４１は水平成分の電圧信号のうちＢＰＦ７４０が通過させる周波数と同一の周波数成分を相関比較器７５０に出力する。位相比較器７５０はＢＰＦ７４０、７４１を介して入力された垂直、水平成分の信号に基づいて、詳しくは後述するように相関値を算出する。制御回路８００は、位相比較器７５０から出力される相関値に基づいて偏波制御器２００を制御する。

次に、図１の動作を説明する。まず、光伝送路１００を伝送する光信号は、偏波制御器２００を介してＢＳ３００に入力される。この光信号はＢＳ３００で分岐され、一方は偏波保持ファイバ４００に出力され、他方は相関比較器７００の偏光ビームスプリッタ７１０に入力される。偏光ビームスプリッタ７１０に入力された光信号は、垂直成分と水平成分に分岐されて、それぞれフォトダイオード７２０、７２１に入力される。

垂直成分の信号はアンプ７３０を介してＢＰＦ７４０に入力され、所定の周波数帯が相関比較器７５０に出力される。一方、水平成分の信号はアンプ７３０を介してＢＰＦ７４０に入力され、ＢＰＦ７４０と同一の周波数帯が相関比較器７５０に出力される。

相関比較器７５０は、後述するようにＢＰＦ７４０、７４１を介して入力された垂直、水平成分の相関を求め、相関値が最大となったときのこれらの位相差（あるいは時間差）を求めて、この情報を制御回路８００に出力し、制御回路８００は相関比較器７５０から入力された情報に基づいて偏波制御器２００に対してＰＭＤが最小になるよう制御信号を出力する。ここで、相関の求め方は、例えば垂直・水平偏波をＡ／Ｄ変換し、図示しないメモリに記憶し、このメモリに記憶された垂直成分偏波又は水平成分偏波のいずれか一方を他方に対してずらしながら行なう。

ところで、図１は「相関関数」を利用してＰＭＤを補償する回路である。そこで、図１におけるＰＭＤ補償動作を説明する前に、まず図２を参照して図１で求める相関関数の性質について説明する。一般に、相関関数とは波形をベクトルと見たときの内積のことをいう。たとえばサンプリングした２つの波形について各時間における値をそれぞれ掛算し、それらの合計が相関値となる。特に、同一の波形についての相関関係を「自己相関関数」ともいう。図２（ア）において、自己相関関数は一方の位相をずらしながら相関を取ると、図２（イ）のようになる(横軸が位相差でグラフの中心が位相０度を示す。)。繰り返し波形なので、相関値も周期的になっている。

ここで、図２は正弦波の場合であるが、図１の相関比較器７５０に入力される信号はランダムなので、以下図２で説明した相関関数の性質の説明を踏まえて、図１のＰＭＤ補償動作について図３の波形図を参照して説明する。図３は相関比較器７５０に入力される垂直、水平成分の信号と近似するランダムな波形図である。また、図３（ア）はランダムな信号の波形例であり、図３（イ）はその相関値である。図３（ア）の波形例を時間軸に対してずらしながらサンプリングし、自己相関を取ると、図（イ）のように垂直成分と水平成分の位相差が０度の場合の相関値（符号Ｚ）が最も高くなる。本発明における相関比較器７５０に入力される垂直、水平成分の信号もランダムな信号なので、図３と同様に考えることができる。

また、一般論としての「相関」は以下のとおりである。すなわち、「相関」とは時間軸ｔ_ｎ上の各ポイントと、そのときの振幅を要素に持つベクトルの内積のことをいう。たとえば、時間−ｎ〜ｎでサンプリングした元の波形のベクトルｖ１における時間軸ｔ_ｎに対する振幅をａ_ｎとする。さらに、この元の波形を時間軸ｔ_ｎに対して任意にずらしたベクトルｖ２における時間軸ｔ_ｎに対する振幅をｂ_ｎとした場合、その内積は
ｖ１・ｖ２＝ａ_−ｎｂ_−ｎ＋・・・＋ａ_０ｂ_０＋・・・＋ａ_ｎｂ_ｎ
となる。これらの内積は周知の様に、ａ_ｎ＝ｂ_ｎのとき（つまり、時間がずれていないとき）に最大となる。

すなわち、図１では相関比較器７５０が垂直、水平成分の相関関係を調べ、相関値が最大となったときのこれらの位相差（あるいは時間差）を求めて、この情報を制御回路８００に出力し、制御回路８００は相関比較器７５０から入力された情報に基づいて偏波制御器２００に対してＰＭＤが最小になるよう制御信号を出力する。

このように、垂直成分の電気信号と水平信号の電気信号を時間軸に対してずらしながらサンプリングして垂直、水平成分の相関を求めて偏波分散を補償するので、ポアンカレ球表示に基づくストークスパラメータを使用せずに、光学部品の部品点数を削減するとともに短時間でＰＭＤを補償する偏波モード分散補償装置を提供することができる。

次に、本発明の他の実施例を説明するが、図１又は図５と同じ構成については同一の符号を付して説明を省略する。図４は、偏波モード補償装置２０の他の実施例を説明するブロック図である。図４において、偏波モード補償装置２０は、光伝送路１００、偏波制御器２００、ＢＳ３００、偏波保持ファイバ４００、相関比較器７０１を備える。相関比較器７０１は、偏光ビームスプリッタ７１０、フォトダイオード７２０、７２１、アンプ７３０、７３１、ＢＰＦ７４０、７４１、位相シフタ７６０、乗算器７６１、モニタ７６２、制御装置７６３を備える。また、相関比較器７０１は「偏波の度合い」を調べるものであり、偏波制御器２００は、この相関比較器７０１から出力された結果に基づいて光信号を補償する。

位相シフタ７６０は、ＢＰＦ７４０を通過した信号に対して線路長を変更する等して信号に遅延を与える。乗算器７６１は、位相シフタ７６０及びＢＰＦ７４１を通過した電気信号を乗算する素子である。モニタ７６２は、乗算器７６１を介して入力された電気信号を図示しないＡ／Ｄ変換器により数値化し、後述する制御装置７６３に対してこの数値化された情報を伝達する。制御装置７６３から偏波制御器２００及び位相シフタ７６０に出力される信号は後述する動作で説明する。

次に、図４の動作を説明する。ＢＰＦ７４０を介して位相シフタ７６０に入力された垂直成分の信号は、任意の遅延量が付加される。ＢＰＦ７４１を介して乗算器７６１に入力された信号は、位相シフタ７６０を介して入力された信号と乗算される。乗算器７６１から出力された信号はモニタ７６２に入力される。モニタ７６２に入力された信号は、図示しないＡ／Ｄ変換器により信号振幅が数値化され、後述する制御装置７６３に出力する。制御装置７６３は、偏波制御器２００及び位相シフタ７６０に対して、それぞれ以下の内容の信号を出力する。

偏波制御器２００に対して出力される信号は、「偏波の度合い」の計算結果である。相関比較器７０１の役割は「偏波の度合い」を調べることであり、偏波制御器２００はこの偏波の度合いに基づいて光信号を補償するからである。また、位相シフタ７６０に出力される信号は、例えば「偏波の度合い」を計算するための(計算途中の）「内部変数」である。

このように、偏波分散を垂直・水平偏波の相関関係で調べる位相シフタ７６０、乗算機７６１、モニタ７６２、制御装置７６３を設けたので、回路を単純化することができる。

本発明による偏波モード補償装置１０のブロック図である。相関関数の性質を説明するサイン波である。相関比較器７５０に入力される垂直、水平成分の信号と近似するランダムな波形である。本発明による偏波モード補償装置２０のブロック図である。従来の偏波モード補償装置のブロック図である。

符号の説明

１０、２０偏波モード補償装置
１００光伝送路
２００偏波制御器
３００ＢＳ
４００偏波保持ファイバ
７００、７０１相関比較器
７１０偏光ビームスプリッタ
７２０、７２１フォトダイオード
７４０、７４１ＢＰＦ
７５０相関比較器
８００制御回路

Claims

入力された光信号の偏波モード分散を補償する偏波制御器と、前記偏波制御器を通過した光信号を分岐する第１の光分岐手段とを備え、偏波分散を補償する偏波モード分散補償装置において、
前記第１の光分岐手段により分岐された光信号が入力され、前記光信号を垂直成分と水平成分に分離する第２の光分岐手段と、
前記第２の光分岐手段によって分離された垂直成分及び水平成分の光信号を電気信号に変換し、垂直成分の電気信号又は水平信号の電気信号を時間軸に対してずらしながらサンプリングして垂直成分と水平成分の相関を求める相関比較器と、
前記相関比較器が算出した相関値に基づいて、前記偏波制御器で補償する偏波の度合いを制御する制御回路と
を備えることを特徴とする偏波モード分散補償装置。
前記相関比較器は、垂直成分及び水平成分の電気信号をＡ／Ｄ変換し、これらの信号を時間軸に対してずらしながら相関を求めることを特徴とする請求項１記載の偏波モード分散補償装置。
前記相関比較器は、直成分及び水平成分の電気信号をＡ／Ｄ変換し、これらの信号を時間軸に対してずらしながら、垂直成分の振幅の絶対値と水平成分の振幅の絶対値を乗算することにより、垂直成分と水平成分の相関を求めることを特徴とする請求項１記載の偏波モード分散補償装置。
前記相関比較器は、直成分及び水平成分の電気信号をＡ／Ｄ変換し、これらの信号を時間軸に対してずらしながら、このサンプリング値に基づいてこれらの相関を求め、前記垂直、水平成分の位相差をなくするために補償すべき位相差を求め、前記制御回路はこの位相差から前記偏波制御器で補償すべき偏波の度合いを求めることを特徴とする請求項１記載の偏波モード分散補償装置。
前記相関比較器は、前記垂直成分の所定の周波数を通過させる第１のＢＰＦと、
前記水平成分の周波数のうち前記第１のＢＰＦと同一の周波数を通過させる第２のＢＰＦを備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の偏波モード分散補償装置。