JP2007528173A - 光変調変換器及び光変調変換法 - Google Patents

Abstract

光入力信号の変調形式を変換するための光変調変換器（１０）であって、偏波保持ファイバーなどの、複屈折媒質（１４）を備え、複屈折媒質は、２つの対称となる主軸の間であらかじめ選択された差分群遅延を有し、複屈折媒質へ入力された光入力信号は２つの光成分に分離され、それぞれが複屈折媒質の主軸の１つに沿って異なる群速度をもって伝播し、それによって光入力信号の変調形式が変換されることを特徴とする。光入力信号のビット速度に基づいて、複屈折媒質によって与えられる差分群遅延を適当に選択し、複屈折媒質の主軸に対して光入力信号を適切に印加することにより、変調形式間の変換が達成できる。これらの変換は光ＤＰＳＫ（差動位相シフト・キーイング）からＰＯＬＳＫ（偏波シフト・キーイング）への直接変換、ＰＬＯＳＫへの変換を介したＤＰＳＫからＩＭ（強度変調）への変換、ＰＯＬＳＫからＩＭＤＤ（強度変調直接検波）への変換、およびＩＭからＰＯＬＳＫへの変換を含んでいる。

Description

本発明は光変調変換器と光信号の変調形式を変換する方法に関するものである。本発明はまた上記の変調変換器を用いる受信器と変調された光信号を受信し検出する方法に関する。

現在の光伝送システムでは、通信トラフィックは光搬送波（光キャリア）によって運ばれ、その光強度は通信トラフィックに応じて変調される。すなわち光キャリアは振幅変調（ＡＭ）されている。光キャリアを変調するために用いられる通信トラフィックは、時にはリターン・ツー・ゼロ（ＲＺ）形式であることもあるが、一般には非リターン・ツー・ゼロ（ＮＲＺ）形式である。

強度変調（ＩＭ）は対応する光受信器／検出器が簡単であるという理由で好まれる。光受信器／検出器は単純な振幅閾値検出器として動作する光検出器、例えばフォトダイオードに基づくものである。まも登場する４０Ｇｂｉｔ／ｓの光通信システムにおけるような特別な応用では、非線形伝播効果に対する大きな耐性を持ち、偏波モード分散（ＰＭＤ）や波長分散（ＣＤ）に対する余裕度の大きな他の変調形式を用いることが提案されてきた。このような特性は例えば高い伝送力と中継器の不要な長い伝送区間をもった光伝送システムの新しいデザインへの道を切り開いた。

このような代替の変調形式は、通常、通信理論における特定の研究により開発されるが、実際の光通信に直接応用することは困難であるのことがしばしばである。

そのような代替変調形式の典型例は信号の光の位相を一連の差動符号化によってデジタルに変調する差動位相シフト・キーイング（ＤＰＳＫ）である。この場合、変調は良く知られたニオブ酸リシウム（ＬｉＮｂＯ３）技術によって単純に実施できるが、位相変調光信号は直接的には検出できないので受信器を実現するのが難しい。

変調されたＤＰＳＫ信号を検出するために、既存技術の中で、主に２つの方法が提案されている。第１はコヒーレント通信技術から直接採用された公知の仕組みに基づくものである。それは偏波状態（ＳＯＰ）と信号キャリア周波数（波長）とが信号と一致する局部発信器（光システムの場合はレーザ）を必要とする［”Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ＰＳＫ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”Ｔ．Ｃｈｉｋａｗａ ｅｔ ａｌ， Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．８，３ ｐｇｓ ３０９−３２２ （１９９０）］。この所要特性は受信器の設計を複雑で高価なものにする。第２の仕組みは時間遅延干渉計に基づくものである。干渉計（典型的にはマッハーツェンダ干渉計）はＰＤＳＫ信号を強度変調（ＩＭ）信号に変換するときに用いられる光部品であり、それにより、通常のＩＭ受信器によって受信することができるようになる。［“Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ ｚｅｒｏ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ａ ｓｉｎｇｌｅ ＮＲＺ ｄｒｉｖｅ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｌａｙ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ”Ｐ．Ｊ．Ｗｉｎｚｅｒ ａｎｄ Ｊ．Ｌｅｕｔｈｏｌｄ，Ｐｈｏｔｏｎ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．１３，１２ ｐｇｓ １２９８−１３００ （２００１）］。しかしながら干渉計構造は維持管理するのが難しく（雰囲気の変化の影響を感応に受けやすい。）、またバイアス安定性に強く依存する［“Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ： Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ （７ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ）” Ｍ Ｂｏｒｎ ａｎｄ Ｅ Ｗｏｌｆ （１９９９）］。さらに、それらはまだ市場では入手できず、研究段階のプロトタイプが知られているだけである。

本発明の一般的な目的は光信号変調形式の変換が容易にできる方法とその変調変換器を入手可能にすることによって上記課題を改善することである。例えば変調されたＤＰＳＫ光信号を受信して、それを電気−光検出ができる（ＲＺまたはＮＲＺの）ＩＭ信号に変換することを可能とする。

本発明の第１の側面によれば、光入力信号の変調形式を変換するための変調変換器であって、選択された差分群遅延（ＤＧＤ）が２つの対称となる主軸（主対称軸）間で生じる複屈折媒質を備え、複屈折媒質に入力された光入力信号が複屈折媒質を通過する際に２つの信号成分に分離され、分離されてなる各信号成分は２つの主軸の何れか１つに沿ってそれぞれ異なった群速度で伝播することを特徴とする変調変換器が提供される。

複屈折媒質の差分群遅延は光入力信号のビット速度に基づいて、複屈折媒質によって導入される差分群遅延が実質的に入力信号のビット周期と等しくなるように決定されると有利である。そのような設定により、位相変調光入力信号を対応する偏波変調出力信号へ変換することができる。

変換器は、複屈折媒質へ入力される前の光入力信号に存在するランダム偏波揺らぎを除去するように動作する偏波制御器をさらに備えるのが好適である。

製造の容易性からみて、複屈折媒質は、正しい変調変換器動作を保障するためにあらかじめ選択された差分群遅延を提供するように選定された長さを持つ偏波保持ファイバーからなるのが有利である。

入力信号が複屈折媒質に加えられる前に光アイソレータを通過させるのが有利である。光アイソレータは複屈折媒質の入力側に存在する余分な反射を低減させるので、変換器の安定性を向上させることができる。

変換されるべき光入力信号が位相変調されているときは、複屈折媒質は複屈折媒質からの光出力信号が、対応する偏波変調された光信号となるように群遅延が選択される。さらに、光入力信号が直線偏波有する位相変調された信号である場合には、光入力信号は複屈折媒質の主軸に対して４５°となるように結合されると有利である（光入力信号の偏波方向が複屈性媒質における主軸に対して４５°を成す）。入力信号の結合は変換器の入力側に置かれた偏波制御器を用いて達成することができる。

位相変調された光入力信号を偏波変調された光信号に変換する場合、変換器は、複屈折媒質の出力側で偏波変調された光信号を対応する強度変調された光信号に変換する偏波感応デバイスを備えた第２の変換ステージをさらに備えるのが有利である。偏波変調された光信号から強度変調された光信号への変換は偏波変調された光信号の偏波状態のうち何れか１つを選択することによって都合よく達成される。

偏波感応デバイスは偏光器、または２つの光信号成分へ分離するための偏波ビーム分岐素子であるのが好都合である。

偏波感応デバイスに加えられる前の光信号が有するランダム偏波揺らぎを除去するためには、変換器は第２の偏波制御器をさらに備えるのが有利である。

変換器は強度変調された光信号を検出するために、第２のステージの出力側に光検出器をさらに備えるのが好適である。

入力信号が位相変調されているときには、複屈折媒質の差分群遅延が入力信号のビット周期に大略等しくなるように選択され、それによって光入力信号を、対応する強度変調されたＮＲＺ（ＩＭ−ＮＲＺ）形式の光信号に変換するのが有利である。或いは、複屈折媒質の差分群遅延が光入力信号のビット周期よりも十分に小さく選択され、それによって位相変調された光入力信号を強度変調されたＲＺ（ＩＭ−ＲＺ）形式の光信号に変換するという別の方法もある。

本発明の第２の側面によれば、光信号の変調形式を光学的に変換する方法が提供される。本方法は、２つの対称となる主軸の間であらかじめ選択された差分群遅延を持った複屈折媒質を通過させて２つの光信号成分に分離し、各光信号成分を異なる群速度で複屈折媒質における何れかの主軸に沿って伝播させるステップを有することを特徴とする方法である。

変換されるべき光入力信号が位相変調されている場合、複屈折媒質の差分群遅延は、複屈折媒質から出力される光信号が、対応する偏波変調された光信号となるように選択されると有利である。

上記の方法は、偏波変調された光信号を偏波感応デバイスに印加して、それを強度変調された光信号に変換するステップをさらに備えるのが好適である。

上記の方法は、複屈折媒質の差分群遅延が、光入力信号の信号ビット周期に大略等しくなるように、ビット速度に基づいて差分群遅延を選択するステップをさらに備えるのが有利である。

本発明のさらに他の側面によれば、位相変調された光入力信号を検出するための光信号受信器であって、光信号を２つの成分に分離し、それぞれ異なる群速度で複屈折媒質の何れかの主軸に沿って伝播させることで、対応する偏波変調された光信号を取得するために、２つの対称となる主軸の間であらかじめ選択された差分群遅延をもつ複屈折媒質を備えた第１の光信号変調形式変換ステージと、偏波変調された光信号を対応する強度変調された光信号に変換するための偏波感応デバイス、および強度変調された光信号を検出するための光検出器とを備えた第２の変換ステージとを有することを特徴とする受信器が提供される。

先行技術と比べて本発明とその利点をよりよく理解するために、添付図面を参照しつつ、その可能な実施例を非制限的例示法で以下に記述する。

簡単であり柔軟性があるという利点を享受している新しい変調変換の概念を、ここで図を参照しつつ記述する。

図１において、本発明に係る光変調変換器の全体の概略を参照番号１０として示す。光変調変換器１０は、光入力端１１で受けた光信号の変調形式を、光出力端１２から出力され、異なる変調形式をもつ対応する光信号へ光変換するためのものである。変換器は、光入力端１１と光出力端１２の間に直列に接続された、良く知られた偏波制御器１３と複屈折媒質１４を備えている。複屈折媒質はあらかじめ選択された長さの偏波保持ファイバー（ＰＭＦ）からなるのが好都合である。

ここで記述するように、本発明の斬新な原理に従って複屈折媒質を用いることにより、変調形式変換のために光干渉計を必要とするという条件を取り除いている。複屈折媒質は、光入力信号を２つの直交偏波成分に分離し、分離された各成分が複屈折媒質の主軸の何れか１つに沿ってそれぞれ伝播するために用いられる。２つの主軸（それぞれ高速軸、低速軸と称する。）は、それぞれ異なる位相速度を持っている。その結果、複屈折は、２つの対称となる主軸の間で差分群遅延（ＤＧＤ）を導入することになり、２つの成分は媒質中を別々の群速度と位相速度を持って伝播することとなる。それ故に、複屈折媒質の入力端で光信号が明確な偏波状態（例えば直線偏波）を有し、かつ、偏波方向が、媒質の主軸に対して適当な角度（例えば４５°）で結合した場合には、両方の信号成分は同じパワーを持つことになる。図１に示された実施例では、偏波制御器を用いることによって光入力信号が媒質の主軸に対して既知の偏波状態で複屈折媒質に入力することを保障している。複屈折媒質を伝播した後、２つの成分は出力端でかなりの相対遅延および光位相差（ともに媒質の複屈折によるものである）をもって出射する。これらの信号成分は複屈折媒質の後端で結合される。最終的な出力光信号は入力信号と、媒質によって導入された遅延と光位相差に複雑に依存する。以下に説明されるように、第１の変調形式を持った光信号が複屈折媒質を通過することにより、別の変調形式への変換を行う少なくとも第１ステージが実現される。

複屈折媒質の入力側での一般的な信号は次のように表すことができる。

ここで、ｘとｙは複屈折媒質の２つの直交する偏波方向を示し、Φ（ｔ）は位相変調，Ｔ_ｂｉｔは入力信号のビット周期（時間）であり、Ｅ_ｏ，ｘとＥ_ｏ，ｙは信号の偏波状態（ＳＯＰ）を決定する複素振幅である（例えば、ともに実数の場合には光は直線偏波となる。）。もしα＝π／２で光が直線偏波の場合はＥ_ｏ，ｘ＝Ｅ_ｏ，ｙである。

複屈折媒質を伝播した後の電界は式（１）となる。

ここでＴは平均群遅延であり、ΔＴとΨはそれぞれ差分群遅延と位相遅延である。

変換器は、既知で固定の偏波状態（ＳＯＰ）を持つ光入力信号が必要である。入力信号の中のランダム偏波揺らぎは、通常、光ファイバーを伝送中に導入されるが、そのランダム偏波揺らぎをキャンセル（除去する）ために、偏波制御器１３（適当なソフトウェアやハードウェア制御器によって実現可能）が変調変換器の入力側に備えられる。偏波制御器は当業者には良く知られているので、これ以上は記述も表示も省略する。

偏波制御器に加えて、複屈折媒質の入力端に存在するであろう余分な反射を低減するために、光アイソレータが変換器の入力側に備えられると有利である。光アイソレータを用いると、以下に説明するように、変換器の安定性が改善できる。

複屈折媒質がどのようにして光信号の変調形式を変換するために用いることができるかを示す原理を、対応するＰＯＬＳＫ信号へＤＰＳＫ信号を変換する場合を参照して、ここでさらに説明する。図２を参照すると、これはＤＰＳＫ（差動位相シフト・キーイング）信号が複屈折媒質（特にＰＭＦファイバー）に沿って進む様子を模式的に示している。ファイバーの左端にはファイバーへの光入力信号を模式的に示し、一方、出力端で得られる結果は右側に模式的に示される。
この例で、入力信号は、直線偏波状態を持ち、１０Ｇｂｉｔ／ｓでＤＰＳＫ変調されている。入力信号は、複屈折媒質の主軸ｘとｙに対してα＝４５°で結合している。入力信号の位相変調は次式で与えられる。

このようなＤＰＳＫ信号が複屈折媒質の入力として印加され、差分群遅延ΔＴが入力信号のビット周期Ｔ_ｂｉｔと同程度であるとすると、媒質からの出力は偏波変調された光信号となる。その変調に使用される信号は元の信号であり、また差動復号される。

出力信号の２つの偏波状態はＤＰＳＫの位相と複屈折媒質の特性に依存することは理解できよう。これは複屈折媒質によって導入される光位相遅延、シフト、Ψがπであり、差分群遅延ΔＴがビット周期Ｔ_ｂｉｔに実質的に等しい場合には出力信号において２つの直交偏波が形成され、すなわち２値ＰＯＬＳＫ（偏波シフト・キーイング）となるということを意味する。さらに、このＰＯＬＳＫ信号はその後、第２の変換ステージを用いて、対応する強度変調（ＩＭ）信号に変換でき、その後、閾値検出器として動作する光検出器（フォトダイオード）を用いてＩＭ信号は容易に検出できる。

第２の変換ステージ（ＰＯＬＳＫからＩＭへ）は、例えば、偏光子や偏波分岐器のような偏波感応デバイス（ＰＳＤ）を備えていて、それによって２つの偏波状態のうちの１つだけを選んで、対応するＩＭ信号を生成する。ＰＯＬＳＫ信号の偏波状態（ＳＯＰ）をＰＳＤの軸に一致させるためには複屈折媒質とＰＳＤの間に偏波制御器をさらに設けるのが有利である。このように、位相変調（ＤＰＳＫまたはＰＳＫ）された光信号に対する受信器を実現することが望まれる場合には、ＰＳＫ光信号をまず複屈折媒質を用いてＰＯＬＳＫ信号に変換して、次にＩＭ信号に変換して、それを適当な通過帯域を備えた通常のフォトダイオードによって検出すればよい。

本発明の変調変換器は差動またはコヒーレント受信器系を必要とすることはなくなり、容易に入手可能な光部品を用いて実現することができる。

複屈折媒質は入力信号のビット速度に基づいて、媒質によって導入された差分群遅延ΔＴが、入力信号のビット周期（時間）Ｔ_ｂｉｔと同程度か、または実質的に等しいように選択される（Ｔ_ｂｉｔ＝１／ビット速度）。例えばビット速度１０Ｇｂｉｔ／ｓの入力信号に対してはビット周期Ｔ_ｂｉｔ＝１００ｐｓであり、線遅延０．２ｐｓ／ｍを持つ複屈折媒質として偏波保持ファイバー（ＰＭＦ）を用いる場合には２つの成分はＰＭＦを５０メートル伝播した後で１ビット周期分だけ遅れることになる。

例えば式（１）から出発して位相変調（ＤＰＳＫ）信号が偏波変調（ＰＯＬＳＫ）信号に変換できることを示すことができる。ＤＰＳＫ位相シフトが正確にπであり、ΔＴ＝Ｔ_ｂｉｔの場合は２つの直交するＳＯＰ信号が生成される。出力は式（Ｅ）で与えられる。

見て判るように、もしΔＴ＝Ｔ_ｂｉｔならば、出力ＳＯＰは式（Ｇ）で与えられる２つの連続するビット間の位相シフトで決まる。

それ故、差動光復号が達成される。これら２つの可能な出力ＳＯＰはΦ（ｔ´−ΔＴ）−Φ（ｔ´）に依存するが、複屈折媒質の軸（この例では軸からそれぞれ±４５°傾いている。）とは一致してはいない。このようにしてＤＰＳＫからＰＯＬＳＫへの変換が得られる。

このことは図３においてさらに明らかとなる。図３では、図の上部は複屈折媒質の２つの軸上で比較した信号の位相を示し、図の下部は複屈折媒質の出力端でのＪｏｎｅｓベクトルを示す。ＤＰＳＫ信号がＰＯＬＳＫ信号に変換されるのは複屈折媒質によるＤＰＳＫ信号の分岐と遅延によるものであることが明らかである。図３に例として考えた２値ビット列は周期信号００１１００１１であり、線形差分遅延はビット周期Ｔ_ｂｉｔ（１００ｐｓ）に正確に等しく設定されている。

当然のことであるが、光部品の相反性により複屈折媒質（ＰＭＦ）は逆に変換、すなわちＰＯＬＳＫ信号をＤＰＳＫ信号へ変換するために用いることができる。

変調形式をＤＰＳＫからＩＭ（または振幅シフト・キーイングＡＳＫ）に変換するためには、まず、上記のＰＯＬＳＫへの変換を用いて、その後、偏波選択デバイス（ＰＳＤ）を用いて出力偏波状態の中から１つだけを選び、ＩＭ信号を得ればよい。ＤＰＳＫ変調入力信号を、対応するＩＭ出力信号に変換するための変換器／受信器を具体的に実現する方法を図４に示す。変換器／受信器１０は、光入力１１と出力１２の間に直列接続された、第１の光アイソレータ１５、第１の偏波制御器１４、選択された長さを持つ偏波保持ファイバー（複屈折媒質）１４、第２の光アイソレータ１６、光分岐器１７、第２の偏波制御器１８、偏波ビーム分岐素子（ＰＢＳ）１９（偏波感応デバイス）、及びＩＭ信号を検出するための光検出器２１を備えている。第２の光検出器２０は、光分岐器１７の第２の出力に接続されていて、ＰＯＬＳＫに変換された信号をモニターするために用いられる。ＤＰＳＫ入力信号は前記したように浮遊反射を回避し安定性を増大させるために光アイソレータ１５を通して偏波制御器１３に加えられる。第１の偏波制御器１３は入力信号の偏波状態が複屈折媒質の主軸と略一致するのを確実にするために配置され、ＤＰＳＫ入力信号が対応するＰＯＬＳＫに正しく変換されるのを保障している。第２の光アイソレータ１６は浮遊反射の影響を低減するために備えられている。複屈折媒質１４と偏波選択デバイス１９の間に設けられる第２の偏波制御器デバイス１８はＰＯＬＳＫ信号の２つのＳＯＰを偏波ビーム分岐素子ＰＢＳの軸と一致させるように動作する。偏波ビーム分岐素子（偏波選択デバイス）１９はＰＯＬＳＫ信号の２つの偏波状態を分離して、そのうちの１つのＳＯＰが光検出器２１へと伝わり光検出され、他は外に出て捨てられる。上述したように偏波選択デバイスは、例えば、偏光フィルターまたは偏光分離器である。ＰＢＳから出力された強度変調された光信号はフォトダイオード２１のような光検出器を用いて容易に光検出される。このようにして簡単にＤＰＳＫ信号受信機が実現される。

ＩＭ信号を得るために、図４の光通信システムは次の理由付けに基づいている。すなわち、ＤＰＳＫの位相が維持されていると、カットオフ偏波状態（＋π／２；‘０’ビットが検出される。）となり、一方、位相が変化すると許容偏波状態（−π／２；‘１’ビットが検出される。）となる。それ故に、ＩＭ信号出力は強度変調となり、複屈折媒質によって導入されたＤＧＤ（差分群遅延）に依存してＲＺ形式またはＮＲＺ形式をもつことになる。特に、ＤＧＤ≒Ｔ_ｂｉｔ（ビット周期）では、変換された信号がＩＭ−ＮＲＺとなり、一方、ＤＧＤ＜Ｔ_ｂｉｔでは、変換された信号がＩＭ−ＲＺとなる。例えば、図５と６には、Ｔ_ｂｉｔ＝１００ｐｓを持つＤＰＳＫ信号が図４の光変換器／受信器装置を用いて変換されたアイ・ダイアグラム（振幅／強度対時間）の測定例が示されている。入力信号は擬似ランダム２値符号列（ＰＲＢＳ）である。図５には複屈折媒質のＤＧＤがビット周期以下であるところのＤＧＤ＝６０ｐｓに選択されており、その結果、光検出器２１によって測定された出力信号はＩＭ−ＲＺ信号となることが明らかとなる。反対に、図６は同じＤＰＳＫ信号であるが、媒質のＤＧＤが入力信号のビット周期と実質的に等しい値であるＤＧＤ＝９５ｐｓの場合のアイ・ダイアグラムを示す。この図は出力信号が今度はＩＭ−ＮＲＺ信号になる様子を示している。

図７を参照すると、本発明による第２の変換器／受信器の配置が示されている。この例で、変換器は１０Ｇｂｉｔ／ｓのＰＯＬＳＫ入力信号を対応するＩＭ信号に変換するためのものである。矛盾が生じないように、同じ部品には図４に示したのと同じ参照番号を用いて示している。ＰＯＬＳＫ入力信号は２つの直交直線偏波状態の何れかで、１つは２値状態“０”を、他は２値状態“１”を示す。偏波制御器１３は、複屈折媒質１４への入力信号の２つの直線偏波状態（それぞれが“０”と“１”ビットに対応している。）が複屈折媒質の主軸（高速軸と低速軸）のそれぞれと一致して（平行になって）導入されるように配置される。この例で、複屈折媒質１４は５０メートルの長さの偏波保持ファイバーで、それは約１００ｐｓの全ＤＧＤを導入することになる。ＰＭＦの高速軸と低速軸に関係する、異なる位相速度によって、“０”ビットは“１”ビットよりも早く複屈折媒質を伝播することは理解できるであろう。それ故に、出力信号は１０ＧＨｚ以上の帯域幅を持つ３つの強度レベルの信号になり、これは変調信号の１次微分と同様になる。入力ビットストリームが論理レベル“０”から“１”へと遷移するときは、｜Ｅ｜^２が２つの可能な偏波状態の重ね合わせによりピーク値を持つ。反対に、入力ビットストリームが論理レベル“１”から“０”へと遷移するときは、｜Ｅ｜^２は可能な偏波状態が存在しないので最小値を持つ。論理遷移が“０”から“０”へ、または“１”から“１”へのとき、すなわち入力信号の連続するビット間に２値状態の変化がないときには、可能な偏波状態のうちの１つだけが存在するので、｜Ｅ｜^２は中間値となる（中間値は最大値と最小値の中間点にある。）線形遅延が正確にビット周期に等しいときには（すなわちＤＧＤΔＴ＝Ｔ_ｂｉｔ＝１００ｐｓの場合には、）最小値はゼロになる。

前記の最後の例（ＰＯＬＳＫの多水準ＩＭへの変換）は複屈折媒質が符号器として用いることができることを例示している。符号化された信号を１０ＧＨｚ以下のバンド幅を持つ（図７に図式的に示してある）光検出器（フォトダイオード）２０と、例えば符号化された信号の半値全幅（ＦＷＨＭ）と７ＧＨｚのバンド幅に等しい、略閾値バイアスをもつ増幅器２２によって検出することによって、もとの一連のＰＯＬＳＫ信号を復号できる。

本発明によれば、光入力信号の変調形式の変換を達成するためには、複屈折媒質を用いることができるということを示してきた。そのような構成は変調変換器を実現する簡単で経済的な方法を提供するものである。当業者には容易に理解されることであるが、複屈折媒質を適当に選択することにより、特に、その差分群遅延、及び入力信号の偏波状態と媒質の主軸との軸合わせを適当に選択することによって、多くの異なる変調変換器が達成できる。例えば、本発明を用いればＤＰＳＫまたはＭＳＫ（最小シフト・キーイング）を直接ＰＯＬＳＫへ変換すること、ＤＰＳＫまたはＭＳＫからＰＯＬＳＫへの変換を中間に介してＩＭ（媒質の差分群遅延と入力信号のビット速度との関係に依存して、ＩＭ信号はＩＭ−ＲＺまたはＩＭ−ＮＲＺとすることができる。）へ変換すること、ＰＯＬＳＫからＩＭＤＤ（強度変調直接検出）またはＩＭからＰＯＬＳＫへ変換することができる。ＤＰＳＫは初期の差動符号化がないＰＳＫと非常に似ているので、これらＤＰＳＫに対する変換はＰＳＫに対しても得ることができる。

本発明によれば強度変調された光信号への変換を導入すれば、強度変調された光信号を検出する光検出器を含むことによって受信器を容易に実現することができるようになる。

将来のネットワークでは、異なった変調形式が共存し、或るネットワーク・ノードでは或る変調形式から他の変調形式へと光学的に変換するのが好都合となるようなことが期待される。本発明はこの変調変換を行うことを可能とし、データとバンド幅の損失なく、伝送された信号形式を変換するためにこれを用いるのが有益である。

本発明の革新的原理を適用するための実施例に関するこれまでの記述は非制限的例示として行ってきた。本発明の技術範囲を逸脱すること無しに色々な変形が可能である。例えば、正しい変換動作のためには、複屈折媒質の中で２つに分岐された信号は複屈折媒質の全体に沿って一定の群遅延と位相差を維持すべきであることが理解されよう。特に、位相遅延は熱的、機械的またはその他の効果で、ある時間周期で変化することがあるので、複屈折媒質の特性によってはこの条件は大変重要となる。それ故、この条件を満足するために、変換器を、特に複屈折媒質を適当な囲い部材で囲って、複屈折媒質を外部環境の影響から隔離することが好適である。別の方法として、変換器は例えばペルチエ加熱冷却装置のような温度制御機構を含んで、複屈折媒質を一定温度に保持するのもよい。さらには、変換器はこのような変化を制御下に置く（変動のうちの或る部分は複屈折媒質通過後に補償する）ように設計するのも良い。偏波保持ファイバーの場合にはファイバーの伝送特性を保持するために、よくある小さな合成カバーを用いるのも有益である。

本発明による、光入力信号の変調形式を光変換するための光変換器のブロック図である。 本発明による光変換器の１部である複屈折媒質に沿っての差動位相シフト・キーイング（ＤＰＳＫ）光信号の展開を示す図である。 本発明による、ＤＰＳＫ信号を偏波シフト・キーイング（ＰＯＬＳＫ）へ変換する様子を示す図である。 本発明の第１の実施例による、ＤＰＳＫ変調入力信号のＩＭ出力信号への変換のための光変換器／受信器のブロック図である。 、 図４の光変換器／受信器配置を用いて変換されたＤＰＳＫ入力信号のアイ・ダイアグラム（振幅／強度対時間）測定例を示す図である。 本発明の第２の実施例による光変換器／受信器のブロック図である。

Claims (18)

1. 光入力信号の変調形式を変換する光変調変換器（１０）であって、
   複屈折媒質（１４）を備え、
   前記複屈折媒質は、該複屈折媒質の２つの対称となる主軸の間であらかじめ選択された差分群遅延を有し、該複屈折媒質へ入力された光入力信号は該複屈折媒質を通過する際に２つの光成分に分離され、分離されてなる該２つの光成分のそれぞれが該複屈折媒質の主軸の１つに沿って異なる群速度をもって伝播することを特徴とする光変調変換器。
2. 前記複屈折媒質は、
   前記複屈折媒質によって導入される差分群遅延が前記光入力信号のビット周期と実質的に等しくなるよう、該光入力信号のビット速度に基づいて選択された媒質であることを特徴とする請求項１に記載の光変調変換器。
3. 前記複屈折媒質に入力される前に、前記光入力信号に含まれるランダムな偏波変動を除去するように動作する偏波制御器（１３）をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調変換器。
4. 前記複屈折媒質は偏波面保持ファイバであることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の光変調変換器。
5. 前記複屈折媒質（１４）の前段に、光アイソレータ（１５）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光変調変換器。
6. 変換対象となる前記光入力信号が位相変調されているときは、前記複屈折媒質から出力される光信号が対応する偏波変調された光信号となるよう、前記複屈折媒質の前記差分群遅延が選択さていることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１項に記載の光変調変換器。
7. 変換対象となる前記光入力信号が位相変調されており、かつ、直線偏波を有しているときは、前記光入力信号の偏波方向が前記複屈性媒質における前記主軸に対して４５°を成すことを特徴とする請求項１ないし６の何れか１項に記載の光変調変換器。
8. 偏波変調された光信号を対応する強度変調された光信号へ変換する偏波感応デバイス（１９）を備える第２変換ステージを前記複屈折媒質の出力端に設けたことを特徴とする請求項６に記載の光変調変換器。
9. 前記偏波感応デバイスは、偏光器又は偏波分離器であることを特徴とする請求項７又は８に記載の光変調変換器。
10. 前記偏波感応デバイスへ入力される前に、前記光入力信号に含まれるランダムな偏波変動を除去するように動作する第２偏波制御器（１８）をさらに含むことを特徴とする請求項７ないし９の何れか１項に記載の光変調変換器。
11. 前記強度変調された光信号を検出するための光検出器を前記第２変換ステージの前段に設けたことを特徴とする請求項７ないし１０の何れか１項に記載の光変調変換器。
12. 前記位相変調された光入力信号を強度変調されたノン・リターン・ツー・ゼロ（ＮＲＺ）形式の光信号へと変換するために、前記複屈折媒質の前記差分群遅延が、前記光入力信号のビット周期と実質的に一致するように選択されていることを特徴とする請求項６に記載の光変調変換器。
13. 前記位相変調された光入力信号を強度変調されたリターン・ツー・ゼロ（ＲＺ）形式の光信号へと変換するために、前記複屈折媒質の前記差分群遅延が、前記光入力信号のビット周期に対して十分小さく選択されていることを特徴とする請求項６に記載の光変調変換器。
14. 光信号の変調形式を光学的に変換する光変調変換方法であって、
    分離されてなる各光信号成分が複屈折媒質における何れか１つの主軸に沿って異なる群速度でもってそれぞれ伝播するよう光入力信号を２つの該光信号性成分に分離するために、２つの対称となる前記主軸の間であらかじめ選択された差分群遅延を有する前記複屈折媒質へ前記光入力信号を通過させることを特徴とする光変調変換方法。
15. 変換対象となる前記光入力信号が位相変調されているときに、前記複屈折媒質から出力される光信号が、対応する偏波変調された光信号となるよう、前記複屈折媒質の前記差分群遅延を選択することを特徴とする請求項１４に記載の光変調変換方法。
16. 偏波変調された光信号を対応する強度変調された光信号へ変換するために、偏波感応デバイス（１９）へ前記偏波変調された光信号を適用することを特徴とする請求項１５に記載の光変調変換方法。
17. 前記複屈折媒質によって導入される差分群遅延が前記光入力信号のビット周期と実質的に等しくなるよう、該光入力信号のビット速度に基づいて前記差分群遅延を選択することを特徴とする請求項１４ないし１６の何れか１項に記載の光変調変換方法。
18. 位相変調された光入力信号を検出するための光信号受信機であって、
    第１変換ステージと、
    第２変換ステージと
    を含み、
    前記第１変換ステージは、
    複屈折媒質を備え、
    前記複屈折媒質は、偏波変調された光信号を取得するために、該複屈折媒質の２つの対称となる主軸の間であらかじめ選択された差分群遅延を有し、該複屈折媒質へ入力された光入力信号は該複屈折媒質を通過する際に２つの光成分に分離され、分離されてなる該２つの光成分のそれぞれが該複屈折媒質の主軸の１つに沿って異なる群速度をもって伝播するものであり、
    前記第２変換ステージは、
    前記偏波変調された光信号を、対応する強度変調された光信号に変換するための偏波感応デバイスと、
    前記強度変調された光信号を検出するための光検出器と
    を備えることを特徴とする光信号受信機。

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