JP3094950B2 - 光送信装置及び光送信方法 - Google Patents

光送信装置及び光送信方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に基幹系の光フ
ァイバ伝送システムに用いられる光送信装置及び光送信
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】今日の光ファイバ通信システムでは、信
号光の強度に情報を割り当て、光検出器で直接強度を検
出する強度変調−直接検波方式が一般的に用いられてお
り、さらに波長多重を用いて容量の拡大が行なわれるに
至っている。この通信システムにおいては、光ファイバ
中の波長分散（GVD:Group Velocity Dispersion）と、
光ファイバ中で生じる非線形光学効果の一つの自己位相
変調効果（SPM:Self Phase Modulation effect）が組み
合わさって引き起こす、SPM+GVD効果と呼ばれる現象に
よる波形歪みが伝送品質の主な劣化要因である。
【０００３】GVDとは光ファイバを進行する速度が波長
により異なる現象である。データ変調信号は信号スペク
トルに幅を持つためGVDがあると波形歪みが生じる。今
日では、GVDそれ自体は分散補償素子により補償可能と
なっているが、分散補償素子はコスト増加を招くため、
GVDの影響を受けにくい変調信号の提案も行なわれてい
る。一般に、信号スペクトル幅が狭いほどGVDの影響は
小さいので、信号帯域を狭窄化することにより改善が期
待できる。その手法の１つに光デュオバイナリ変調方式
がある。（米永氏らによる特開H08-139681号公報や、K.
Fukuchi et al.， OFC '97 Technical Digest， ThH3，
1997など） デュオバイナリ(duobinary)信号は、パー
シャルレスポンス(partial responce)信号の１つに分類
され、信号振幅の多値化と信号スペクトル幅の制限を理
想的な形で行なっている信号として、電気通信の分野で
は古くからよく知られている。デュオバイナリ信号は３
つの振幅値を持つが、光デュオバイナリ変調方式では、
その３値を、単純に光強度の３値に割り当てるのではな
く、光の位相変調も用いて、＋１、０、−１、の３状態
に割り当てる。ここで０は光強度が０である状態を、±
１は強度は１だが光の位相が互いに反転している状態を
表す。受信機ではこれを通常の直接検波するだけで、元
の２値ディジタル信号を再生することができる。ただし
信号が光ファイバを伝搬している間は、帯域は圧縮され
たままなのでGVDによる波形歪みが少ないという特長を
有する。
【０００４】一方の性能劣化要因であるSPMは信号光強
度が時間に伴い変化するとそれに応じた位相変調が信号
に印加される現象であり、従って強度変調方式では不可
避なものである。光デュオバイナリ信号も信号光強度だ
け見れば、通常の強度変調信号と大差なく、SPMは抑圧
されない。SPMは、波形は変化させないが信号スペクト
ル帯域を増大させるため、波長多重の多重密度を制約し
てしまうほか、GVDと組み合わさって、SPM-GVD効果を起
こす。
【０００５】SPMを低減する通信方式の１つとして、偏
波変調方式が提案されている。偏波変調方式とは、伝送
する光の偏波状態に情報を割り当てる方式であり、信号
光の強度包絡線が常に一定であるため、SPMが生じにく
く、伝送劣化が少ないという特長を有する。偏波変調方
式を用いた２値ディジタル通信装置の構成の従来技術に
は、例えば深谷氏による特開H01-208920がある。
【０００６】問題のSPM-GVD効果とは、光ファイバ伝送
中にGVDによる波形歪みと同時にSPMが生じて、単なる分
散補償では波形が回復しなくなる現象である。回復が困
難な理由は、波形に応じてSPMが生じると、信号光に周
波数チャープ(chirp)が生じ、チャープはGVDを被ると余
分な波形歪みを引き起こし、それがまた新たなSPMを呼
ぶというように、SPMがない場合の波形歪みとは異なる
波形歪みとなるためである。今日、1000km以上の長距離
の光ファイバ伝送システムでは、このSPM+GVD効果が伝
送距離を制約する主要因となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来の光デュオバイナ
リ信号は、GVDによる波形歪みが少ない分だけ有利であ
るがSPMに対しては効果がなく、一方、従来の偏波変調
方式はSPMが生じにくい分だけ有利であるが、GVDに対し
ては効果がないため、SPM+GVD効果による伝送限界に対
しては、どちらも大きな改善は得られないという問題が
あった。
【０００８】本発明の目的は、両者の長所を兼ね合わせ
た信号を提供することにより、SPM+GVD効果によるこれ
までの伝送限界を打破する光通信装置を提供することに
ある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の光送信
装置は、入力された２値のデータ信号をデュオバイナリ
信号に変換する符号変換手段と、搬送波源と、該搬送波
源から出力される搬送波に、前記デュオバイナリ信号に
よって偏波変調および位相変調を与えるものであり、デ
ュオバイナリ信号の３値を＋１、０、−１と表記すると
き、中央値０に対応する偏波と、デュオバイナリ信号の
最大値＋１および最小値−１に対応する偏波とが直交
し、かつ最大値＋１と最小値−１に対応する搬送波の位
相が反転するように変調を行う光変調手段とを有するこ
とを特徴とする。また、前記光変調手段は、前記中央値
０に対応する偏波の信号光において、強度が０となるビ
ットがあるたびに搬送波の位相が反転するように変調を
行うようにすることができる。請求項３に記載の光送信
装置は、入力された２値のデータ信号を、振幅が等しく
極性が互いに逆転している１対の相補的なデュオバイナ
リ信号に変換する符号変換手段と、搬送波源と、該搬送
波源から出力された搬送波を２つに分岐し、これら搬送
波の位相を、前記符号変換手段により変換された前記１
対の相補的なデュオバイナリ信号に応じてそれぞれ変化
させ、合波して干渉させ、１対の相補的な干渉出力光を
出力する強度変調素子と、該強度変調素子から出力され
た前記１対の相補的な干渉出力光を互いに直交するよう
に偏波合成する偏波合成手段とを有する光送信装置であ
って、前記強度変調素子は、前記１対の相補的な干渉出
力光のどちらか一方に着目したとき、その強度が、前記
強度変調素子自身の駆動信号であるデュオバイナリ信号
のシンボルが、中央値の時、最小で、他の２値の時に最
大であるようにし、かつ前記駆動信号の最大値と最小値
に対応する出力搬送波の位相が互いに逆であるように変
調することを特徴とする。請求項４に記載の光送信装置
は、入力された２値のデータ信号は２分岐され、この２
分岐により分岐されたうちの一方のデータ信号である第
１データ信号が入力され、該第１データ信号を１対の相
補的な干渉出力光に変換して出力する光変調手段と、他
方のデータ信号である第２データ信号が入力され、該第
２データ信号を符号変換して出力するプリコーダと、前
記プリコーダにより変換され出力された前記第２データ
信号と、前記１対の相補的な干渉出力光のうちの一方が
入力され、この干渉出力光を前記第２データ信号に応じ
て位相変調する位相変調素子と、前記位相変調素子の出
力光と前記１対の相補的な干渉出力光のうち位相変調器
を通さない方の光を、互いに直交するように偏波合成す
る偏波合成手段とを備えた光送信装置であって、前記光
変調手段は、前記第１データ信号を、振幅が等しく極性
が互いに逆転している１対の相補的なデュオバイナリ信
号に変換する符号変換手段と、搬送波源と、該搬送波源
から出力された搬送波を２つに分岐し、これら搬送波の
位相を、前記符号変換手段により変換された前記１対の
相補的なデュオバイナリ信号に応じてそれぞれ変化さ
せ、合波して干渉させ、１対の相補的な干渉出力光を出
力する強度変調素子とを有し、前記強度変調素子は、前
記１対の相補的な干渉出力光のどちらか一方が、前記駆
動信号が中央値の時、最小で、他の２値の時に最大であ
るようにし、かつ前記駆動信号の最大値と最小値に対応
する出力搬送波の位相が互いに逆であるように変調する
ものであり、前記位相変調素子は、前記プリコーダによ
り変換され出力された前記第２データ信号と、前記１対
の相補的な干渉出力光のうち、前記強度変調素子の駆動
信号が中央値の時に最大で、他の２値の時に最小である
方の干渉出力光とが入力され、前記強度変調素子による
変調のタイミングから０．５ビット遅れたタイミング
で、前記干渉出力光に位相変調を行うものであることを
特徴とする。また、前記プリコーダは、前記第２データ
信号が１の時には出力が変化せず、０の時には、出力が
０から１へ、または１から０へと反転する、という変換
規則のプリコーダであるようにすることができる。請求
項６に記載の光送信装置は、搬送波源と、入力された２
値のデータ信号を２分岐して生成した第１データ信号に
応じて、前記搬送波源からの搬送波を偏波変調する偏波
変調素子と、前記２分岐して生成した第２データ信号を
符号変換するプリコーダと、偏波変調された前記搬送波
を、前記プリコーダの出力信号に応じて位相変調する位
相変調素子とを有する光送信装置であって、前記プリコ
ーダは、前記第２データ信号が１の時には出力が変化せ
ず、０の時には出力が０から１へ、または１から０へと
反転するという変換規則のプリコーダであり、前記位相
変調を、偏波変調タイミングから０．５ビット遅れたタ
イミングで行うことを特徴とする。また、前記第１デー
タ信号の波形を変形させる波形変換手段を有し、該波形
変換手段は、２値ディジタルデータ信号が入力され、ア
イパターンのクロスポイントが強度の中央値よりも高強
度側に寄るように変形した２値のデータ信号を出力し、
前記第１データ信号を前記波形変換手段によって変形さ
せた後、前記偏波変調素子に入力するようにすることが
できる。また、前記波形変換手段は、入力されたデータ
信号の振幅の最大値近傍で利得飽和を生じて出力信号は
波形が歪むように設定した増幅器を有するようにするこ
とができる。また、前記波形変換手段は、ダイオードと
反転器とを有するようにすることができる。また、前記
偏波変調素子のバイアスを、偏波分離後受信して得られ
る波形のアイパターンのクロスポイントが強度の中央値
よりも高強度側に寄るように設定するようにすることが
できる。請求項１１に記載の光送信装置は、搬送波源
と、前記搬送波を第一と第二の２つの直交偏波方向に分
け、それらを各々位相変調して、再び偏波合成する手段
と、２値データ信号が入力され、前記２つの位相変調素
子への駆動信号を生成する駆動信号生成回路とを有する
光送信装置であって、前記駆動信号生成回路は、前記駆
動信号生成回路に入力されるデータ信号を２分岐して得
た一方のデータ信号に応じて、前記第一の偏波の搬送波
に位相差πを生じさせ、前記２分岐して得たもう一方の
データ信号を１ビット遅延した信号に応じて、前記第二
の偏波の搬送波に位相差πを生じさせ、前記２つの位相
変調素子を駆動する回路であるとともに、入力されたデ
ータ信号において０が２ビット連続した時には前記第一
の偏波の搬送波に位相差πを生じさせ、１が２ビット連
続した時には前記第二の偏波の搬送波に位相差πを生じ
させ、どちらでもないときには、前記２つの偏波とも位
相変調しないように、前記２つの位相変調素子を駆動す
る回路であることを特徴とする。請求項１２に記載の光
送信装置は、搬送波源と、該搬送波源から出力される搬
送波を偏波変調する偏波変調素子とを有し、偏波変調素
子は、デュオバイナリ信号を変調素子駆動信号として入
力する手段を備え、入力された前記デュオバイナリ信号
に応じて前記搬送波の偏波を旋光能を用いて回転させる
ものであり、デュオバイナリ信号の３値を＋１,０,−１
とするとき、前記変調素子駆動信号が最大値＋１および
最小値−１の時に前記搬送波の位相が互いに逆であり、
かつそれらに対応する偏波と中央値０に対応する偏波が
直交するように変調することを特徴とする。請求項１３
に記載の光送信方法は、入力された２値のデータ信号を
デュオバイナリ信号に変換し、搬送波源から出力される
搬送波に、前記デュオバイナリ信号によって偏波変調お
よび位相変調を与え、デュオバイナリ信号の３値を＋
１、０、−１と表記するとき、中央値０に対応する偏波
と、デュオバイナリ信号の最大値＋１および最小値−１
に対応する偏波とが直交し、かつ最大値＋１と最小値−
１に対応する搬送波の位相が反転するように変調を行う
ことを特徴とする。
【００１０】本発明ではデュオバイナリ電気信号の３値
を、光の偏波変調も用いて、＋１、ｐ、−１、の３値に
割り当てる変調方式を用いる。これら３状態で強度はど
れも１であるが、±１は光の位相が互いに反転している
状態、ｐは偏波が±１の状態とは直交している状態を表
す。受信機ではこれを従来の偏波変調と同様に、例えば
偏光ビームスプリッタなどを用いて偏波分離後に受信す
るだけで、元の２値ディジタル信号が再生される。
【００１１】この変調信号光は、信号が光ファイバ中を
伝搬されている間、帯域が圧縮されているためGVDによ
る波形歪みが少なく、また、強度包絡線が一定なのでSP
Mの発生量も低減される。
【００１２】なお、本発明において「〜応じて」とは、
例えば、比例させる等、本発明を実施する上で好適なも
のを意味する。請求項４において「相補的なデュオバイ
ナリ信号に応じてそれぞれ変化させ」とは、例えば、具
体的には位相＝比例係数×信号振幅＋バイアスの一次式
で変化させる等、本発明を実施する上で好適な方法によ
り変化させることを含む。また、請求項５、５、１２に
おいては例えば、「比例した位相変調をかける」という
意味であり、請求項１４においては「比例した偏波回転
変調をかける」という意味である。
【００１３】また、「中央値」とは、例えば、「＋１，
０，−１」の場合「０」であり、「他の２値」が「＋
１」と「−１」である。また、「０，＋１，＋２」の場
合には、「中央値」が「＋１」であり、「他の２値」が
「０」と「＋２」である。
【００１４】また、「強度変調素子」としては、例え
ば、マッハツェンダー干渉計型強度変調器等、本発明を
実施する上で好適なものを用いることができる。
【００１５】また、デュオバイナリ方式では、送信側も
しくは受信側において符号変換が必要であり、特に符号
誤りの伝播を防ぐために、送信側にて予め符号変換を行
うプリコーディング(precoding)が必要であることは、
よく知られており、本発明でもそれを適宜用いることが
できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。 （第１の実施の形態）図１は、請求項４記載の発明を説
明する第１の実施の形態の構成図である。本実施の形態
は、プッシュプル駆動タイプのマッハツェンダー干渉計
型強度変調器を用いた光デュオバイナリ変調方式を基本
形としている。従来の光デュオバイナリ変調装置におい
ては、干渉計で相補的に得られる２つの干渉出力光のう
ち一方を出力信号として利用し、反対側の干渉出力光は
発散させていた。本実施の形態では発散させていた出力
光を偏波を90度回転させた後偏波合成することにより、
強度が常に一定な変調信号光を得る。
【００１７】1.55μm帯で発振している半導体レーザ光
源１（搬送波源）から出力された光は、偏波保持光ファ
イバによりその直線偏波状態を維持しながらプッシュプ
ル(push-pull)駆動タイプのマッハツェンダー(Mach-Zeh
nder)干渉計型LiNbO3強度変調器３０に導かれる。この
変調器３０で、入力光はまずＹ分岐４０で２等分され、
それらは位相変調セクション４１，４２でデュオバイナ
リ電気信号２５，２６に応じてそれぞれ位相変調を被
り、その後、３dBカプラ４３で合波され、干渉出力光５
０，５１となる。変調器３０は、これらを１つのLiNbO3
基板に集積し、入出力に偏波保持ファイバピグテイルを
接続したものである。
【００１８】入力されたディジタルデータ電気信号２２
は、論理反転器１１ａで論理反転され、プリコーダ７
（符号変換手段）でプリコードされたのち、２分岐され
て、一方はそのまま低域濾波器（LPF:Low Pass Filte
r）１２に入力されてデュオバイナリ信号２５となり、
もう一方は論理反転器(NOT)で論理を反転されたのちLPF
１３に入力されてデュオバイナリ信号２６となる。プリ
コーダ７の入出力の論理表を表１に、回路構成の一例を
図４に示す。
【００１９】
【表１】
【００２０】LPF１２，１３には、ビットレートの約１
／４のカットオフ周波数を有する５次のベッセルトムソ
ン型LPFを用いている。ここでプリコーダ７とLPF１２
は、いわゆるデュオバイナリ用プリコーダ（差動符号化
器）と（1，1）変換器としてよく知られたものであり、
次の符号変換を行うものである。
【００２１】入力信号系列：ａｉ プリコーダ出力信号系列：ｂｉ＝ａｉ(Ex-OR)ｂｉ−１
（Ex-OR：排他的論理和） （１，１）変換器出力信号系列：ｃｉ＝ｂｉ＋ｂｉ＋１
【００２２】これらには様々な実現形態が知られてお
り、ここでは詳細な説明は省略する。論理反転器１１ｂ
とLPF１３の経路で生成される信号２６は信号２５の極
性を反転した信号であり、信号２５を極性反転して得て
もよいが、アナログ信号である信号２５を極性反転する
と波形の劣化を招くおそれがあるため、このような経路
で生成している。また反転器１１は受信側の最終出力信
号に置いてもよいことは言うまでもない。
【００２３】変調器３０で用いるプッシュプル駆動と
は、マッハツェンダー干渉計の２つの光路で互いに逆の
位相変調をかける駆動方式であって、その動作を図３に
示す。この図では、DC成分を含まないデュオバイナリ電
気信号の３つの振幅値をそれぞれ＋１、０、−１と表記
した時の、それら３値に対応する２つの干渉出力光５
０，５１の状態を図示している。デュオバイナリ信号２
５，２６の振幅とタイミングを揃え、DCバイアス２７を
適切に設定することにより、この図にある対応の変調が
行われる。細い矢印は干渉計の２つの光路からの出力光
を表し、それらの合成ベクトルすなわち干渉出力光を太
い矢印で模式的に表す。この図から、互いに相補的、つ
まり両者の和が常に１である２つの干渉出力光が理解さ
れる。ここで干渉出力光５０と干渉出力光５１の間の相
対的な位相差は、簡単化のため無視している。
【００２４】得られた出力光５０と出力光５１のうちど
ちらか一方の偏波保持ファイバピグテイルを９０度ツイ
ストし、偏光ビームスプリッタ（PBS:Polarization Bea
m Splitter）１０（偏波合成手段）に導いて偏波合波す
ることにより、常に強度が一定の変調信号５５が得られ
る。この信号光は光デュオバイナリ信号光成分と強度変
調光成分の和であるため、完全なデュオバイナリ信号で
はないが、受信の際は強度変調光成分を除去して、光デ
ュオバイナリ信号光成分だけを取り出すので、問題はな
い。
【００２５】この構成で5 Gb/sで光変調を行い、-1.5 p
s/nm/kmのGVDを有する光ファイバとその中に40 km毎に
配置された光増幅器と、240 km毎に配置された約20 km
長の+17 ps/nm/kmのGVDを有する分散補償用光ファイバ
で構成された光伝送路で伝送実験を行った。ここで敢え
て-1.5 ps/nm/kmという少量のGVDを有する伝送路を用い
る理由は、GVDが完全に０となると、光増幅器で付加さ
れるノイズ光と信号光が４光波混合光を生じ、伝送性能
が制約されるおそれがあるためである。この実験系で、
従来は、強度変調で約3，000 km、光デュオバイナリ変
調および従来の偏波変調で各々約5，000 kmと、主にSPM
+GVD効果により伝送距離が制限されていたが、本方式で
は約6，000 kmまで伝送可能距離が伸張され、本実施の
形態の有効性が確認された。
【００２６】（第２の実施の形態）第１の実施の形態に
おいては、光デュオバイナリでない方の偏波の信号は単
なる強度変調信号なので分散耐力に乏しい。もしこちら
も光デュオバイナリと同様に分散に対する波形変化が緩
やかなになれば、SPM+GVD効果に対する耐力がより増強
される。そこで、第２の実施の形態では、この信号の分
散耐力を向上させるために、次のような位相変調を行
う。
【００２７】図２は、請求項５乃至請求項８記載の発明
を説明する第２の実施の形態の構成図であり、図１と同
一の部分の名称表記を一部省略している。
【００２８】入力されたディジタルデータ電気信号２２
は、まず、２分岐され、第１データ信号と、第２データ
信号とが生成される。
【００２９】第１データ信号は光送信手段に入力され、
光信号５０，５１を生成するのに供される。光送信手段
は第一の実施の形態に係る光送信装置と同一構成のもの
である。光信号５１は位相変調素子１５を通り、PBS１
０で偏波合成される。ここでは特に、光信号５０を二乗
検波後に入力信号２２と同符号の系列が得られるよう
に、DCバイアス２７を調整している。図中、符号７ａは
プリコーダである。
【００３０】第２データ信号は、プリコーダ７ｂと移相
器１４とを介して位相変調素子１５に入力される。プリ
コーダ７ｂは、第２データ信号を符号変換し、移送器１
４に送出する。位相変調素子１５は、斯かる第２データ
信号で駆動される。駆動信号のタイミングは、移相器１
４を用いて光信号５１の強度変調のタイミングから０．
５ビット遅延するように、すなわち、光強度が０のビッ
トスロットの中央で位相が反転するように調整される。
【００３１】本実施の形態の構成を別の観点でみると、
前述の文献（K.Fukuchi et al.， OFC '97 Technical D
igest， ThH3， 1997）に記載されている、縦続接続さ
れた強度変調素子と位相変調素子を用いた光デュオバイ
ナリ信号生成法を、強度変調信号５１に適用して光デュ
オバイナリ信号化したものと言える。
【００３２】この構成で第１の実施の形態と同様の伝送
実験を行ったところ、従来は、最も長距離まで伝送可能
な光デュオバイナリ変調および従来の偏波変調でも約
5，000kmに制限されていたものが、本方式では約7，000
kmまで伝送可能距離が伸張され、第２の実施の形態の
有効性が確認された。
【００３３】（第３の実施の形態）図５は、請求項９〜
請求項１４の発明を説明する第３の実施の形態の構成図
である。本実施の形態は、前述の文献（K.Fukuchi et a
l.， OFC '97 Technical Digest， ThH3， 1997）にあ
るような、位相変調素子と強度変調素子を縦続接続した
光デュオバイナリ変調方式を基本形としている。第３の
実施の形態では従来のこの方式の強度変調素子を偏波変
調素子に置換することにより、強度が一定な変調信号光
を得る。本構成の長所としては、アナログ信号である３
値デュオバイナリ電気信号を取り扱わず、２値のディジ
タル電気信号のみを取り扱えばよい、ということがあ
る。
【００３４】1.55μm帯で発振している半導体レーザ光
源１から出力された光は、偏波保持光ファイバによりそ
の直線偏波状態を維持しながらLiNbO3偏波変調素子２に
導かれ、その出力光はLiNbO3位相変調素子３に導かれ
る。言うまでもなく、偏波変調素子２は、入力ディジタ
ル電気信号２２の値［１，０］に応じて互いに直交した
偏波光を出力し、また、位相変調素子３は入力信号の値
［１，０］に応じてそれぞれ光位相を［π，０］（相対
値）と変調する。偏波変調素子２には、位相変調素子に
直線偏波光を斜め45度に入射する構成を用いている。
【００３５】２値のデータ信号２２を２分岐し、一方を
偏波変調素子２に入力し、もう一方のデータ信号は反転
器１１ａで論理反転された後プリコーダ７で符号化され
る。この符号化された２値データ信号を遅延器９で０．
５ビット遅延させた後、位相変調素子３に入力する。た
だし、この遅延器は偏波変調素子２から位相変調素子３
への信号の伝播遅延時間なども考慮し、偏波変調に対し
て位相変調のタイミングが０．５ビット遅延となるよう
に、すなわち偏波変調のビットスロットの中央で位相が
切り替わるように調整してある。以上の構成で常に強度
が一定の変調信号（出力光）５６が得られる。なお本実
施の形態では、光源から出た光はまず偏波変調され、そ
の後位相変調されるという順序であるが、駆動信号のタ
イミングさえ適切であるならば、変調素子の接続順序は
逆でも同様の結果が得られるのは言うまでもない。また
極性反転器１１ａとプリコーダ７の位置に対して遅延器
９がどこに接続されても同様の結果が得られることも説
明するまでもない。
【００３６】なお、前述の文献（K.Fukuchi et al.， O
FC '97 Technical Digest， ThH3，1997）にもあるよう
に、この構成では、偏波変調の仕方を工夫するとさらに
性能が向上する。本実施の形態では、偏波変調素子２に
与えるDCバイアスを調整して、PBSで偏波分離後のアイ
パターンのクロスポイントが光強度が大きくなる方向
に、変調素子の動作点をシフトした。バイアスをずらす
量は、０.１〜０.２×Ｖπ程度が適量であった。
【００３７】この構成で第１の実施の形態と同様の伝送
実験を行ったところ、従来は、最も長距離まで伝送可能
な光デュオバイナリ変調および従来の偏波変調でも約
5，000kmに制限されていたものが、本方式では約7，000
kmまで伝送可能距離が伸張され、第３の実施の形態の
有効性が確認された。
【００３８】なお、第３の実施の形態では、偏波変調時
の変調波形の変形を、偏波変調素子２のバイアス点をシ
フトさせて行ったわけだが、これは変調素子の駆動波形
自体を図６のように変形させても同様の効果がえられる
ことは言うまでもない。例えば、増幅器を利得飽和ぎみ
の動作条件で用いたり、ダイオードの非線形伝達特性を
利用しても同様の波形を得ることができる。ダイオード
特性を利用する場合、クロスポイントは下に（低強度側
に）シフトするが、その場合は反転増幅器などを用いて
極性を反転させればよい。
【００３９】（第４の実施の形態）図７は、 請求項１５乃至請求項１６の発明を説明する第
４の実施の形態の構成図である。半導体レーザ光源１か
ら出力された光は、偏波保持光ファイバによりその直線
偏波状態を維持しながら第一の偏波変調素子４に導か
れ、その出力光は第二の偏波変調素子５に導かれる。こ
れらの位相変調素子は、その光軸（電界によって位相変
調を被る偏波面の方向）に斜め４５度に直線偏波光を入
射する構成のものを用いており、結果として偏波変調素
子として作用する。第一の位相変調素子４と第二の位相
変調素子５の光軸は互いに直交させてある。
【００４０】各々の位相変調素子の作用を図８で説明す
る。第一の位相変調素子の光軸をｐ、第二の位相変調素
子の光軸をｓとする。これらの位相変調素子への駆動信
号が０の時、すなわち変調しないときの出力光５７の偏
波状態はｐ０である。各々の位相変調素子を駆動する
と、ｐ０ベクトルはｐ軸およびｓ軸へ射影したベクトル
ｐ０ｐ、ｐ０ｓに分解されて、各々、位相差πを受け、
再び合成したベクトルに変換される。例えば第一の位相
変調素子がONの時(Op=1)、ｐ０ｐの向きは反対となり
(ｐ０ｐバー)、ｐ０ｓとの合成の結果ｐ１となり、初期
偏波ｐ０と直交した偏波となる。同様に、第二の位相変
調素子がONの時(Os=1)、ｐ０ｓの向きが反対となり(ｐ
０ｓバー)、ｐ０ｐとの合成の結果ｐ−１となり、やは
り初期偏波ｐ０と直交した偏波となる。しかもｐ１とｐ
−１は偏波は同一だが位相が反転している。
【００４１】これらの位相変調素子を駆動する信号２
３，２４は、まず第１の実施の形態で用いたのと同じ反
転器１１ａとプリコーダ７によって２値のディジタル信
号を符号変換し、その出力をさらに駆動信号生成回路８
に入力して得られる。
【００４２】駆動信号生成回路８では、プリコーダより
出力された２値ディジタル信号の現在の信号(bi)と１ビ
ット前の信号(bi-1)によって、例えば表２の真理値表で
与えられる符号変換規則に基づいた駆動信号が生成され
る。
【００４３】
【表２】
【００４４】すなわち、０が２ビット連続した時には第
一の位相変調素子４をON(Op=1)にし、１が２ビット連続
した時には第二の位相変調素子５をON(Os=1)にする。ど
ちらでもないときには、両方の位相変調素子をともにOF
F(Op=Os=0)にする。その実現回路例を図９、図１０に示
す。図１０の構成においては、初段の(1，1)変換によっ
て得られた３値信号を、その後の識別器(D-FF)で識別し
て２値としている。それらの識別レベルは図１１のよう
に設定される。
【００４５】ところで前述の真理値表２では、biのマー
ク率が典型値である1/2の時、Os，Opともにそのマーク
率が1/4となってしまい、駆動回路に優れた低域遮断特
性が要求されるという欠点がある。そこで、bi-1=0，bi
=1のとき、もしくはbi-1=1，bi=0のときは、Os，Opとも
に１とすることを許すことにする。するとOs，Opともに
マーク率は1/2となってDCバランスがとれ、通常の駆動
回路が使用可能となる。その場合の真理値表は、表３、
表４となる。さらに位相差πの位相変調においては駆動
信号の極性を反転しても作用は同様であるから、結局
「Ｏp＝ｂi、Ｏs＝ｂi-1」もしくは「Ｏs＝ｂi、Ｏp＝
ｂi-1」の関係で変調すればよく、実現回路は至極単純
となる。なお、Os=Op=1の場合、出力偏波はｐ０の位相
が反転したもの（ｐ０バー）となるが、受信側でｐ０と
ｐ０バーは同一視するので問題なく元の符号が復元され
る。以上の構成で常に強度が一定の変調信号５７が得ら
れる。
【００４６】
【表３】
【００４７】
【表４】
【００４８】この構成で第１の実施の形態と同様の伝送
実験を行ったところ、従来は、最も長距離まで伝送可能
だった変調方式でも約5，000 kmに制限されていたもの
が、本方式では約8，000 kmまで伝送可能距離が伸張さ
れ、第４の実施の形態の有効性が確認された。
【００４９】図１２及び図１３は、第４の実施の形態と
全く同じ構成を、一見異なるように見える部材を用いて
構成した例である。図１２は、光源から出た光をPBSで
２つの偏波に分波し、各々位相変調し、それらを偏波合
成する構成である。実施の形態３では同一の空間を伝播
している直交する２偏波の搬送波が、この構成では一部
別々の空間を伝播している。この構成では分波PBSから
合波PBSまでの光路長を波長オーダーで維持する必要が
あり、実用化には集積化が必須となる。図１３は電気光
学効果（ポッケルス効果）を持つ物質の直交した２方向
に独立に電界を印加できるように電極を配置したもの
で、実施の形態３の位相変調器を１つにまとめてしまっ
たものとみなせるものである。この場合、位相変調器を
進行波型とすることが難しくなり、集中定数型となって
しまうため、動作速度を高められない懸念がある。な
お、図１３どちらの構成においても、位相変調器の駆動
信号は、実施の形態３と同様であることは言うまでもな
い。
【００５０】なお、駆動信号生成回路を、入力されるデ
ータ信号を２分岐して得た一方のデータ信号に応じて、
第一の偏波の搬送波に位相差πを生じさせ、２分岐して
得たもう一方のデータ信号を１ビット遅延した信号に応
じて、第二の偏波の搬送波に位相差πを生じさせ、２つ
の位相変調素子を駆動する回路とすれば、部品点数が少
なく、必要な信号処理もわずかなので、生産コストを低
減し、信頼性を向上させることができる。
【００５１】（第５の実施の形態）図１４は、請求項１
８の発明を説明する第５の実施の形態の構成図である。
本実施の形態では、偏波を変調する素子として特に旋光
子(rotator)を用いる。電気信号によって旋光の角度を
変調する手段として、本実施の形態ではファラデー(Far
aday)効果を用いる。その変調素子をここではファラデ
ー素子と表記する。
【００５２】半導体レーザ光源１から出力された光は、
偏波保持光ファイバによりその直線偏波状態を維持しな
がらファラデー素子６まで導かれる。ここで、このファ
ラデー素子６によって生じる旋光角δを、デュオバイナ
リ電気信号の３値がδ＝０、π／２、π、の３状態に割
り当てられるように駆動する。ここでδ＝０とδ＝πで
は偏波状態は同じであるが、搬送波源１からの搬送波の
位相が反転しており、δ＝０とδ＝π／２では偏波が直
交していることに注意を要する。
【００５３】以上により、光デュオバイナリ信号と同様
な信号スペクトルを持ちつつ、強度が一定な変調信号光
（出力光）５８を得ることができた。
【００５４】この構成で第１の実施の形態と同様の伝送
実験を行ったところ、本方式では約7，000 kmまで伝送
可能距離が伸張され、第５の実施の形態の有効性が確認
された。
【００５５】なお、以上の実施の形態では、位相変調
器、偏波変調器として、LiNbO3変調器、ファラデー素子
を用いたが、これに限定されるものではなく、信号速度
程度に位相変調、偏波変調がかかるデバイスであれば、
その材質は半導体、有機物、無機物、光ファイバなどで
もよく、方式は電気式、磁気的、機械式、光学的などで
もよい。位相変調器として、マッハツェンダー干渉計型
光強度変調器のプッシュプル駆動方式のものを用いても
よい。
【００５６】また、以上の実施の形態中でプリコーダの
回路例をいくつか示したが、もちろんこれらに限定され
るものではなく、その他の論理回路の組み合わせや、ア
ナログ回路でも同等の機能が実現できうることは言うま
でもない。
【００５７】また、以上の実施の形態においては、デュ
オバイナリ信号の３値を＋１、ｐ、−１、の３値にマッ
ピングする際、ｐの前後でｐと直交した偏波の搬送波の
位相反転を必ず行っていたが、ｐが連続する場合、ｐと
直交した偏波の搬送波は出力されないので、その場合は
位相反転を省略しても構わないことは言うまでもない。
【００５８】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明の構成を用
いることにより、帯域が圧縮されているためGVDによる
波形歪みが少なく、また強度包絡線が一定なのでSPMの
発生量が低減される。
【００５９】その結果、デュオバイナリ信号の狭帯域と
いう特質と偏波変調の強度包絡線が常に一定という特質
を合わせ持った信号を得ることができ、SPM+GVD効果に
よる伝送限界を改善できる。
【００６０】また、偏波変調を用いているため、光増幅
器が多段に接続された光ファイバ伝送路で問題となって
いる入射偏波に依存した増幅率の変化（偏波ホールバー
ニング）などの影響も抑圧できるという特徴も兼ね備え
ている。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の構成説明図である。
【図２】第２の実施の形態の構成説明図である。
【図３】第１の実施の形態における２つの干渉光の状態
説明図である。
【図４】プリコーダの一例を示す回路図である。
【図５】第３の実施の形態の構成説明図である。
【図６】波形変換の例。
【図７】第４の実施の形態の構成説明図である。
【図８】第４の実施の形態における偏波変調動作の説明
図である。
【図９】駆動信号生成回路の一例を示す回路図である。
【図１０】駆動信号生成回路の一例を示す回路図であ
る。
【図１１】閾値の設定説明図である。
【図１２】第４の実施の形態の別の実現構成の説明図で
ある。
【図１３】第４の実施の形態の別の実現構成の説明図で
ある。
【図１４】第５の実施の形態の構成説明図である。
【符号の説明】
１ 半導体レーザ光源（搬送波源） ２ 偏波変調素子 ３ 位相変調素子 ６ ファラディ素子 ７、７ａ、７ｂ プリーコーダ（符号変換手段） ９ ０．５ビット遅延器 １０ ＰＢＳ（偏波合成手段） １１ａ、１１ｂ 論理反転器 １２、１３ ＬＰＦ １４ 位相器 １５ 位相変調素子 ２２ ディジタル電気信号 ２５、２６ デュオバイナリ電気信号 ２７ ＤＣバイアス信号 ３０ 強度変調器（強度変調素子） ４０ Ｙ分岐 ４１、４２ 位相変調セクション ４３ ３dBカプラ ５０ 干渉出力光１ ５１ 干渉出力光２ ５５ 出力光 ５８ 変調信号光（出力光）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−206737（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−193144（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−64418（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−139681（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−236781（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−112688（ＪＰ，Ａ) 特表 平９−501296（ＪＰ，Ａ) Ｋ．Ｆｕｋｕｃｈｉ，ｅｔ ａ ｌ．，”10Ｇｂｉｔ／ｓ−120 ｋｍ ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｉｂｅｒ ｔｒａ ｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｍｐｌｏｙｉｎ ｇ ａ ｎｏｖｅｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈａｓｅ−ｅｎｃｏｄｅｄ ｉｎｔｅ ｎｓｉｔｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｆ ｏｒ ｓｉｇｎａｌ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ”，1997，Ｏ ＦＣ’97 Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇ ｅｓｔ，ＴｈＨ３，ｐｐ．270−271. (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04B 10/00 - 10/28 H04L 25/497

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入力された２値のデータ信号をデュオバ
    イナリ信号に変換する符号変換手段と、 搬送波源と、 該搬送波源から出力される搬送波に、前記デュオバイナ
    リ信号によって偏波変調および位相変調を与えるもので
    あり、デュオバイナリ信号の３値を＋１、０、−１と表
    記するとき、中央値０に対応する偏波と、デュオバイナ
    リ信号の最大値＋１および最小値−１に対応する偏波と
    が直交し、かつ最大値＋１と最小値−１に対応する搬送
    波の位相が反転するように変調を行う光変調手段とを有
    することを特徴とする光送信装置。
  2. 【請求項２】 前記光変調手段は、前記中央値０に対応
    する偏波の信号光において、強度が０となるビットがあ
    るたびに搬送波の位相が反転するように変調を行うこと
    を特徴とする請求項１記載の光送信装置。
  3. 【請求項３】 入力された２値のデータ信号を、振幅が
    等しく極性が互いに逆転している１対の相補的なデュオ
    バイナリ信号に変換する符号変換手段と、搬送波源と、
    該搬送波源から出力された搬送波を２つに分岐し、これ
    ら搬送波の位相を、前記符号変換手段により変換された
    前記１対の相補的なデュオバイナリ信号に応じてそれぞ
    れ変化させ、合波して干渉させ、１対の相補的な干渉出
    力光を出力する強度変調素子と、該強度変調素子から出
    力された前記１対の相補的な干渉出力光を互いに直交す
    るように偏波合成する偏波合成手段とを有する光送信装
    置であって、 前記強度変調素子は、前記１対の相補的な干渉出力光の
    どちらか一方に着目したとき、その強度が、前記強度変
    調素子自身の駆動信号であるデュオバイナリ信号のシン
    ボルが、中央値の時、最小で、他の２値の時に最大であ
    るようにし、かつ前記駆動信号の最大値と最小値に対応
    する出力搬送波の位相が互いに逆であるように変調する
    ことを特徴とする光送信装置。
  4. 【請求項４】 入力された２値のデータ信号は２分岐さ
    れ、この２分岐により分岐されたうちの一方のデータ信
    号である第１データ信号が入力され、該第１データ信号
    を１対の相補的な干渉出力光に変換して出力する光変調
    手段と、他方のデータ信号である第２データ信号が入力
    され、該第２データ信号を符号変換して出力するプリコ
    ーダと、前記プリコーダにより変換され出力された前記
    第２データ信号と、前記１対の相補的な干渉出力光のう
    ちの一方が入力され、この干渉出力光を前記第２データ
    信号に応じて位相変調する位相変調素子と、前記位相変
    調素子の出力光と前記１対の相補的な干渉出力光のうち
    位相変調器を通さない方の光を、互いに直交するように
    偏波合成する偏波合成手段とを備えた光送信装置であっ
    て、 前記光変調手段は、前記第１データ信号を、振幅が等し
    く極性が互いに逆転している１対の相補的なデュオバイ
    ナリ信号に変換する符号変換手段と、搬送波源と、該搬
    送波源から出力された搬送波を２つに分岐し、これら搬
    送波の位相を、前記符号変換手段により変換された前記
    １対の相補的なデュオバイナリ信号に応じてそれぞれ変
    化させ、合波して干渉させ、１対の相補的な干渉出力光
    を出力する強度変調素子とを有し、 前記強度変調素子は、前記１対の相補的な干渉出力光の
    どちらか一方が、前記駆動信号が中央値の時、最小で、
    他の２値の時に最大であるようにし、かつ前記駆動信号
    の最大値と最小値に対応する出力搬送波の位相が互いに
    逆であるように変調するものであり、 前記位相変調素子は、前記プリコーダにより変換され出
    力された前記第２データ信号と、前記１対の相補的な干
    渉出力光のうち、前記強度変調素子の駆動信号が中央値
    の時に最大で、他の２値の時に最小である方の干渉出力
    光とが入力され、前記強度変調素子による変調のタイミ
    ングから０．５ビット遅れたタイミングで、前記干渉出
    力光に位相変調を行うものであることを特徴とする光送
    信装置。
  5. 【請求項５】 前記プリコーダは、前記第２データ信号
    が１の時には出力が変化せず、０の時には、出力が０か
    ら１へ、または１から０へと反転する、という変換規則
    のプリコーダであることを特徴とする請求項４に記載の
    光送信装置。
  6. 【請求項６】 搬送波源と、入力された２値のデータ信
    号を２分岐して生成した第１データ信号に応じて、前記
    搬送波源からの搬送波を偏波変調する偏波変調素子と、
    前記２分岐して生成した第２データ信号を符号変換する
    プリコーダと、偏波変調された前記搬送波を、前記プリ
    コーダの出力信号に応じて位相変調する位相変調素子と
    を有する光送信装置であって、 前記プリコーダは、前記第２データ信号が１の時には出
    力が変化せず、０の時には出力が０から１へ、または１
    から０へと反転するという変換規則のプリコーダであ
    り、前記位相変調を、偏波変調タイミングから０．５ビ
    ット遅れたタイミングで行うことを特徴とする光送信装
    置。
  7. 【請求項７】 前記第１データ信号の波形を変形させる
    波形変換手段を有し、該波形変換手段は、２値ディジタ
    ルデータ信号が入力され、アイパターンのクロスポイン
    トが強度の中央値よりも高強度側に寄るように変形した
    ２値のデータ信号を出力し、前記第１データ信号を前記
    波形変換手段によって変形させた後、前記偏波変調素子
    に入力することを特徴とする請求項６に記載の光送信装
    置。
  8. 【請求項８】 前記波形変換手段は、入力されたデータ
    信号の振幅の最大値近傍で利得飽和を生じて出力信号は
    波形が歪むように設定した増幅器を有することを特徴と
    した請求項７に記載の光送信装置。
  9. 【請求項９】 前記波形変換手段は、ダイオードと反転
    器とを有することを特徴とした請求項７に記載の光送信
    装置。
  10. 【請求項１０】 前記偏波変調素子のバイアスを、偏波
    分離後受信して得られる波形のアイパターンのクロスポ
    イントが強度の中央値よりも高強度側に寄るように設定
    すること特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の
    光送信装置。
  11. 【請求項１１】 搬送波源と、前記搬送波を第一と第二
    の２つの直交偏波方向に分け、それらを各々位相変調し
    て、再び偏波合成する手段と、２値データ信号が入力さ
    れ、前記２つの位相変調素子への駆動信号を生成する駆
    動信号生成回路とを有する光送信装置であって、 前記駆動信号生成回路は、前記駆動信号生成回路に入力
    されるデータ信号を２分岐して得た一方のデータ信号に
    応じて、前記第一の偏波の搬送波に位相差πを生じさ
    せ、前記２分岐して得たもう一方のデータ信号を１ビッ
    ト遅延した信号に応じて、前記第二の偏波の搬送波に位
    相差πを生じさせ、前記２つの位相変調素子を駆動する
    回路であるとともに、入力されたデータ信号において０
    が２ビット連続した時には前記第一の偏波の搬送波に位
    相差πを生じさせ、１が２ビット連 続した時には前記第
    二の偏波の搬送波に位相差πを生じさせ、どちらでもな
    いときには、前記２つの偏波とも位相変調しないよう
    に、前記２つの位相変調素子を駆動する回路であること
    を特徴とする光送信装置。
  12. 【請求項１２】 搬送波源と、該搬送波源から出力され
    る搬送波を偏波変調する偏波変調素子とを有し、 該偏波変調素子は、デュオバイナリ信号を変調素子駆動
    信号として入力する手段を備え、入力された前記デュオ
    バイナリ信号に応じて前記搬送波の偏波を旋光能を用い
    て回転させるものであり、デュオバイナリ信号の３値を
    ＋１,０,−１とするとき、前記変調素子駆動信号が最大
    値＋１および最小値−１の時に前記搬送波の位相が互い
    に逆であり、かつそれらに対応する偏波と中央値０に対
    応する偏波が直交するように変調することを特徴とする
    光送信装置。
  13. 【請求項１３】 入力された２値のデータ信号をデュオ
    バイナリ信号に変換し、 搬送波源から出力される搬送波に、前記デュオバイナリ
    信号によって偏波変調および位相変調を与え、デュオバ
    イナリ信号の３値を＋１、０、−１と表記するとき、中
    央値０に対応する偏波と、デュオバイナリ信号の最大値
    ＋１および最小値−１に対応する偏波とが直交し、かつ
    最大値＋１と最小値−１に対応する搬送波の位相が反転
    するように変調を行うことを特徴とする光送信方法。
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