JP3697512B2

JP3697512B2 - 光分散等化方法及び光分散等化器

Info

Publication number: JP3697512B2
Application number: JP2002126398A
Authority: JP
Inventors: 秀之外林; 渉中條; 健小関
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: JP2003318827A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを用いた超高速光伝送回線における伝送性能の向上を図る技術であり、より詳しくは光ファイバ内における偏波分散の等化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信技術はレーザー発振技術や光ファイバの実用化により１９８０年代から急速に普及し、特にインターネットをはじめとする情報通信需要の高まりと共に、インフラ整備、特にバックボーンの大容量化や超高速化が強く望まれている。
このような要請に直結する技術としては、ビットレートの増加、波長の多重数の増加などがあり、長距離を安定的に伝送可能な光ファイバ技術の研究も進められている。
【０００３】
特に、１０〜４０Ｇｂｐｓを超えるような超高速の光伝送を支える技術は、映像・音声通信などで今後も飛躍的な情報伝送量の増加が見込まれる中、注目される技術であり、例えば本件出願人らにより特願２００１―２９０３９０号公報において提案したキャリア抑圧光パルス生成方法などが提案されている。
超高速光伝送技術において、現在大きな問題となっているものに、光ファイバ伝送路の波長分散や四光波混合などの非線形効果、偏波モード分散による伝送距離限界の問題がある。
【０００４】
従来の１０Ｇｂｐｓ程度以下の伝送速度における分散補償の技術では、分散の時不変性を前提とし、固定分散値を有する分散補償ファイバ（ＤＣＦ）などによる対応がされてきたが、伝送速度の向上に伴って分散の変化にも対応する必要が出ている。
すなわち、光ファイバの波長分散値には温度依存性があるため、昼夜における変動、季節による変動が生じ、波長分散トレランスの厳しい超高速伝送では、分散補償量を随時変化させることのできる可変分散等化器が必要である。
【０００５】
従来の可変分散等化器では、特殊な符号列を送信してその伝送路と応答から等化器を最適化するフィードバック制御方式のもの多い。例えば、偏波モード分散の補償器として、特開平７−２３１２９７号公報では、信号光をＡＧＣ回路で増幅した後、識別回路で識別し、識別前後の信号を差動増幅器で比較した結果から等化誤差信号を生成する。そして、パラメータ制御回路で偏波モード分散等化光回路のパラメータを少し変化させて等化誤差信号が減少する方向を見つける制御を繰り返して等化誤差信号を最小に追い込み、等化を実現する補償器を開示している。
【０００６】
また、特開平１１−１９６０４６号公報においても、光信号の特定成分の偏波を再度方向設定するために機能する偏波変成素子と、偏波変成素子の出力部に供給される信号を二つの主要な偏波状態の内の各一つに直角に方向設定した偏波状態をそれぞれ有する所定数の信号に分割し、このような各分割した信号を可変量の時間遅延させるために機能する装置（遅延装置と呼ぶ。）とを具備した補償装置を開示する。そして、遅延装置から出力される信号の歪みのレベルを測り、レベルの変化に該偏波変成素子と遅延装置を応動させることにより、補償を行う構成を示している。
【０００７】
しかしながら、光ファイバを用いた時分割多重伝送技術（ＯＴＤＭ）や、波長多重伝送技術（ＷＤＭ）、狭い波長間隔で波長多重を行うことのできる波長分割多重伝送技術（ＤＷＤＭ）による伝送を行う場合には、従来からのフィードバックを行う構成は制御構造の複雑化が避けられず、また高速な補償に対応しうる構成が難しいことから、今後の超高速光伝送において有効な分散等化方法とは言い難い。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みて創出されたものであり、その目的は、光ファイバにおける波長分散及び偏波モード分散を補償する光分散等化方法及び光分散等化器を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題の解決を図るため、本発明では次のような光分散等化方法を提供する。
すなわち、光ファイバを用いた伝送路における波長分散及び偏波モード分散を補償する光分散等化方法であって、次の各ステップを少なくとも含む。
（１）伝送路からの信号光を入射する入射ステップ、
（２）該受信光を直交する２つの偏波成分に分離する偏波分離ステップ、
（３）各偏波成分を、それぞれある分散特性を有する媒質にポンプ光と共に入射し、四光波混合によって信号光・ポンプ光及びアイドラ光を出射する四光波混合ステップ、
（４）該各出射光からポンプ光をそれぞれ除去するポンプ光除去ステップ、
（５）各偏波成分毎に、信号光とアイドラ光とを乗算し、第２次高調波を発生させる第２次高調波発生ステップ、
（６）以上のステップにより各偏波成分で発生させた第２次高調波を互いに加算する加算ステップ、
（７）該加算ステップで生成され、分散等化を実現した光を出射する出射ステップ。
【００１０】
本発明による上記方法によれば、伝送路で波長分散および偏波モード分散などにより乱れた信号をその乱れた要因が既知でなくても、受信側のみの処理により、適応等化できる。
【００１１】
さらに、本発明は、光ファイバを用いた伝送路における波長分散および偏波モード分散を補償する光分散等化器を提供することができる。
該光分散等化器では、伝送路からの信号光を入射する入射手段と、該受信光を直交する２つの偏波成分に分離する偏波分離手段とにより信号光を入力し、偏波分離する。
そして、ポンプ光を発生させるポンプ光光源を用い、各偏波成分毎に、該偏波成分と該ポンプ光とを入射し、四光波混合を発生させる。四光波混合には、信号光・ポンプ光及びアイドラ光からなる光を出射可能な、所定の分散特性を有する２つの四光波混合媒質を用いる。
【００１２】
各四光波混合媒質にそれぞれ接続され、出射される光からポンプ光を除去する２つのろ波手段で信号光とアイドラ光とを抽出し、各偏波成分毎に、乗算手段でそれらを乗算し、第２次高調波を発生させる。
加算手段では各偏波成分で発生させた第２次高調波を互いに加算し、分散等化された光を出射する出射手段を備える。
以上の構成によって、伝送路における波長分散および偏波モード分散など既知ではない光波の乱れに対しても、受信側に配置する本光分散等化器のみの処理によって適応等化が可能となる。
【００１３】
前記四光波混合媒質が、非線形光ファイバ又は半導体光増幅器（ＳＯＡ）であってもよい。
あるいは、偏波保持高非線形分散シフト光ファイバ（ＰＭ−ＨＮＬ−ＤＳＦ）を用いてもよい。
また、ろ波手段と、２次非線形媒質との中途に、光増幅手段を配設する構成であって、その光増幅手段が、エルビウムファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）、ファイバラマン増幅器（ＦＲＡ）、希土類添加ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）、半導体光増幅器（ＳＯＡ）のいずれかを用いる構成でもよい。
【００１４】
乗算手段に、２次非線形媒質を用いることができる。２次非線形媒質としては、とりわけKTP(KTiOPO₄：チタニルリン酸カリウム)、LiNbO₃(ニオブ酸リチウム)、BBO（β-BaB₂O₄：β-ホウ酸バリウム）を用いるとよい。
さらに、ろ波手段に、アレイ導波路型回折格子（ＡＷＧ）フィルタ、多層膜光フィルタ、ファイバグレーティングを用いることもできる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施方法を図面に示した実施例に基づいて説明する。なお、本発明の実施形態は以下に限定されず、適宜変更可能である。
光ファイバを用いた通信では、波長分散や偏波モード分散による影響を抑制することが課題とされている。波長分散とは、光パルスが光ファイバ内部を伝搬していくうちにその幅が時間的に広がってしまう分散現象の１つであり、光パルスに含まれる異なった波長の光が、波長によって異なる伝搬特性を持つために、伝搬中にその幅が時間的に広がる分散現象のことである。
【００１６】
一方、偏波モード分散は、光ファイバに対する外力や、コア形状の非対称性（わずかに楕円化しているなど）により、２つの直交偏波モード成分間に群遅延差を生じ、波形劣化を引き起こす現象である。
特に１万ｋｍに及ぶ地球規模のネットワークを構築する際に、光ファイバ内の偏波モード分散（ＰＭＤ：polarization mode dispersion）は伝送容量を支配する主要な因子になっている。
【００１７】
これら、分散の等化法は、従来からいくつかの手法が試みられており、光分散等化器、ＰＭＤ補償器などとして提供されている。しかし、従来の光学的な補償方法では、分散補償ファイバ（ＤＣＦ）のように固定分散値で補償するために時間的な分散特性の変化に対応できず、また電気的な補償方法は構成が複雑で、特にこれからの波長分割多重伝送には対応が難しく、より簡易な構成でかつ完全な等化手法が望まれていた。
【００１８】
本発明では、以下のような理論構成から、図示する光分散等化回路を提供し、従来の問題を根本的に解決する。まず、完全な分散等化は次のようにして実現する。
ここで、送信波が式１で与えられるとする。
【式１】

光ファイバ伝送路の伝達関数は式２とする。
【式２】

このときの受信波形の非線形信号処理によりすべての分散を等化する技術が本発明である。
【００１９】
受信波は式３で示される。
【式３】

上記受信波行列から、直交する２方向の偏波成分に分離すると共に、光増幅すると、信号に対する利得Ｇ_S、アイドラに対する利得がＧ_iとして、
ｘ偏波成分は、
信号波成分が、
【式４】
Ｇ_SＵＥ_sexp(−ｊΦ)であり、
アイドラ波成分が、
【式５】
Ｇ_iＵ^*Ｅ_s ^*exp(＋ｊΦ)である。
【００２０】
同様に、ｙ偏波成分は、
信号波成分が、
【式６】
Ｇ_SＶＥ_sexp(−ｊΦ)であり、
アイドラ波成分が、
【式７】
Ｇ_iＶ^*Ｅ_s ^*exp(＋ｊΦ)である。
【００２１】
この時に四光波混合で用いたポンプ光を除去し、光領域での乗算としての２次非線形光学効果により、
【式８】
Ｇ_SＧ_iＵＵ^*｜Ｅ_s ²｜を得る。この時点で色分散成分が補償される。
同様にして、ｙ偏波成分から
【式９】
Ｇ_SＧ_iＶＶ^*｜Ｅ_s ²｜を得る。
【００２２】
両偏波を同一偏波に合わせて合成すると、
【式１０】
Ｇ_SＧ_i｛ＵＵ^*＋ＶＶ^*｝｜Ｅ_s ²｜
となり、ここで伝達関数【式２】がユニタリ性を持つとすれば、
【式１１】
Ｇ²｛ＵＵ^*ＶＶ^*｜Ｅ_s ²｜＝Ｇ²｜Ｅ_s ²｜
となることから、送信波との完全な分散等化が行われることが分かる。
【００２３】
以上の理論を基に、本発明では図１に示すような伝送路を経た信号光を効果的に適応等化する光分散等化器を提供する。ここでは
図１において、左から順にＭＬＬＤ：モード同期レーザダイオード（１）、ＬＮ−Ｍｏｄ．：位相変調器（２）、ＰＬＣ・ＴＤＭ・ＭＵＸ：時分割多重化手段（３）、ＥＤＦＡ：光増幅器（４）、ＳＭＦ：シングルモードファイバ（５）、ＲＤＦ：逆分散ファイバ（６）であり、その後、光増幅器（７）、シングルモードファイバ（８）、逆分散ファイバ（９）を繰り返し伝送路を形成する。
【００２４】
モード同期レーザダイオード（１）は、波長が例えば１５３０ｎｍ、パルス幅が１．５ｐｓのモード同期半導体レーザである。そして、この出力の光パルス列を位相変調器（２）に入力する。位相変調器（２）はデジタル光位相変調器で繰り返し周波数１０Ｇｈｚのデジタル位相変調を行い、デジタル位相変調された光パルス列を生成する。このとき、光パルス列は１０Ｇｂｉｔ／ｓのパルスである。
さらに、時分割多重化手段では、光領域における時間軸での多重化方法（Optical Time Division Multiplexing：OTDM）により、４０ないし１６０Ｇｂｉｔ／ｓに高速化する。
【００２５】
光伝送システムの伝送速度を、高速化する技術としては、他に、波長軸での多重化方法（Wavelength Division Multiplexing：WDM）があり、本発明ではいずれの多重化技術用いた送信信号にも対応し、また多重化していない信号にも対応する。
【００２６】
これを光ファイバを用いた光増幅器で高強度に増幅する。本実施例における光増幅器（４）（７）はＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）を用いている。光増幅器（４）（７）は、例えば、Ｅｒの他、Ｎｄ等をドープした希土類添加ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）や、ファイバラマン増幅器（ＦＲＡ）、半導体光増幅器（ＳＯＡ）を用いることもできる。
【００２７】
シングルモードファイバ（５）は光増幅器（４）から出力された光パルスを５８．８ｋｍ伝送する光ファイバ、逆分散ファイバ（６）は、シングルモードファイバ（５）の出力する光パルスの分散補償を行う１１．２ｋｍの長さを持つ光ファイバである。
【００２８】
光増幅器（７）は長距離の伝送を行う際に中継器として作用し、図１のように光増幅器だけを用いてもよいし、光増幅器による増幅時に発生する自然光を受信時にろ波するフィルタを逆分散ファイバ（６）からの受光部に設けてもよく、構成は任意に変更が可能である。
【００２９】
本発明では、以上のような伝送路を経た信号光を、図２に示す分散等化器により適応等化する。
図２において、入力口（Ａ）から入力した光パルスは、ＰＢＳ：偏波ビームスプリッタ（１０）により直交する２つの偏波成分に分離される。
そのうち、一方の偏波成分（ｘ偏波成分）は、ＰｕｍｐＬＤ：ポンプ光光源（１１）によるポンプ光と合波器（１２）において合波され、ＰＭ−ＨＮＬ−ＤＦＳ：偏波保持高非線形分散シフトファイバ（１３）において四光波混合を引き起こし、アイドラ光を得る。
【００３０】
次に、光フィルタ（１４）によりポンプ光を除去し、ＰＭ−ＥＤＦＡ：偏波保持エルビウムファイバ増幅器（１５）において増幅する。
増幅された信号光とアイドラ光は、２次非線形媒質であるＫＴＰ（チタニルリン酸カリウム）に入射して２次非線形光学効果により乗算され、第２次高調波を発生させる。
【００３１】
一方、別の偏波成分（ｙ偏波成分）についても、ポンプ光光源（１７）、合波器（１８）、偏波保持高非線形分散シフトファイバ（１９）、光フィルタ（２０）、偏波保持エルビウムファイバ増幅器（２１）、ＫＴＰ（２２）における各過程を経て、第２次高調波を得る。
【００３２】
各偏波成分による第２次高調波はカプラ（２３）によって加算される。Ｂは以上の過程によって分散等化された光パルスの出力口である。
以下、上記過程につきより詳細に説述する。
【００３３】
偏波ビームスプリッタにより、１５３０ｎｍの受信信号は、ｘ偏波成分ＵＥ_sexp(−ｊΦ)とｙ偏波成分ＶＥ_sexp(−ｊΦ)に分離され、ポンプ光光源（１１）（１７）から出力される例えば１５４５ｎｍのポンプ光と非線形ファイバ（１３）（１９）に入力することで、波長１５６０ｎｍのアイドラ光が四光波混合により発生する。アイドラ光は信号光と位相共役光になる。
【００３４】
ここで、四光波混合を発生させるための媒質としては、上記偏波保持高非線形分散シフト光ファイバに限らず、任意の非線形光ファイバ又は半導体光増幅器を用いることができる。
【００３５】
四光波混合によって信号光・アイドラ光・ポンプ光が出力されるが、これを光フィルタ（１４）（２０）でろ波し、ポンプ光を除去する。
光フィルタとしては、例えばアレイ導波路型回折格子（ＡＷＧ）フィルタ、多層膜光フィルタ、ファイバグレーティングなど、既知の技術を用いることができる。
【００３６】
さらに、光増幅器（１５）（２１）において、信号光とアイドラ光を増幅し、信号光のｘ偏波成分・ｙ偏波成分はそれぞれ、Ｇ_SＵＥ_sexp(−ｊΦ)とＧ_SＶＥ_sexp(−ｊΦ)と表され、波長１５３０ｎｍ、アイドラ光のｘ偏波成分・ｙ偏波成分はそれぞれ、Ｇ_iＵ^*Ｅ_s ^*exp(＋ｊΦ)とＧ_iＶ^*Ｅ_s ^*exp(＋ｊΦ)で波長１５６０ｎｍになる。
【００３７】
光増幅器（１５）（２１）はとしては、上記実施例におけるＰＭ−ＥＤＦＡ（Polarization Maintaining Erbium Doped Fiber Amplifier）の他、Ｎｄ等をドープした希土類添加ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）や、ファイバラマン増幅器（ＦＲＡ）、半導体光増幅器（ＳＯＡ）を用いることもできる。
【００３８】
各信号光とアイドラ光を２次非線形媒質（１６）（２２）に入射すると、２次非線形光学効果が生じ、乗算されるため、Ｇ_SＧ_iＵＵ^*｜Ｅ_s ²｜（ｘ偏波成分）、Ｇ_SＧ_iＶＶ^*｜Ｅ_s ²｜（ｘ偏波成分）で表される波長７７２ｎｍの第２次高調波を得る。ここで色分散成分が補償される。
【００３９】
２次非線形媒質としては、ＫＴＰ(KTiOPO₄：チタニルリン酸カリウム)の他、LiNbO₃(ニオブ酸リチウム)、BBO（β-BaB₂O₄：β-ホウ酸バリウム）などが好適である。
【００４０】
最後に、カプラ（２３）において両偏波成分を加算すると、Ｇ²｜Ｅ_s ²｜となり、信号歪みを除去した、完全な等化が得られる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、以上の構成を備えるので、次の効果を奏する。
すなわち、請求項１に記載の光分散等化方法によれば、光ファイバにおける波長分散及び偏波モード分散を補償する等化方法が実現できる。特に、本構成は送信器や伝送路に特別な設備を必要とせず、受信側のみで分散等化が実現できるため、既存のインフラの活用が図れ、ネットワークの低コスト化にも寄与する。
さらに、波長分散および偏波モード分散などによる信号の乱れは、光ファイバの周辺環境による変動が激しく、従来の固定的な分散補償では対応できなかったが、本方法によれば、既知ではない乱れに対しても効果的かつ高速な補償が行える。
【００４２】
請求項２ないし７に記載の光分散等化器によれば、フォトニックネットワークを構成する、長距離・超高速な光ファイバ通信に適用可能な光分散等化器を提供することができる。
すなわち、従来のフィードバックによる分散補償など、高コストで既存のインフラの改変を伴うシステムではなく、受信側に本発明による光分散等化器を設置することにより、極めて効果的な適応分散が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における伝送路の構成図である。
【図２】本発明に係る光分散等化器の構成図である。
【符号の説明】
１０偏波ビームスプリッタ
１１ポンプ光光源
１２合波器
１３偏波保持高非線形分散シフトファイバ
１４光フィルタ
１５偏波保持エルビウムファイバ増幅器
１６ＫＴＰ
１７ポンプ光光源
１８合波器
１９偏波保持高非線形分散シフトファイバ
２０光フィルタ
２１偏波保持エルビウムファイバ増幅器
２２ＫＴＰ
２３カプラ

Claims

光ファイバを用いた伝送路における波長分散および偏波モード分散を補償する光分散等化方法であって、
伝送路からの信号光を入射する入射ステップ、
該受信光を直交する２つの偏波成分に分離する偏波分離ステップ、
各偏波成分を、それぞれある分散特性を有する媒質にポンプ光と共に入射し、四光波混合によって信号光・ポンプ光及びアイドラ光を出射する四光波混合ステップ、
該各出射光からポンプ光をそれぞれ除去するポンプ光除去ステップ、
各偏波成分毎に、信号光とアイドラ光とを乗算し、第２次高調波を発生させる第２次高調波発生ステップ、
以上のステップにより各偏波成分で発生させた第２次高調波を互いに加算する加算ステップ、
該加算ステップで生成され、分散等化を実現した光を出射する出射ステップ、
の各ステップを少なくとも備えて波長分散及び偏波モード分散による既知ではない光波の乱れに対して適応等化することを特徴とする光分散等化方法。
光ファイバを用いた伝送路における波長分散および偏波モード分散を補償する光分散等化器であって、
伝送路からの信号光を入射する入射手段と、
該受信光を直交する２つの偏波成分に分離する偏波分離手段と、
ポンプ光を発生させるポンプ光光源と、
各偏波成分毎に、該偏波成分と該ポンプ光とを入射し、四光波混合によって信号光・ポンプ光及びアイドラ光からなる光を出射可能な、所定の分散特性を有する２つの四光波混合媒質と、
各四光波混合媒質にそれぞれ接続され、出射される光からポンプ光を除去する２つのろ波手段と、
各偏波成分毎に、信号光とアイドラ光とを乗算し、第２次高調波を発生させる乗算手段と、
各偏波成分で発生させた第２次高調波を互いに加算する加算手段と、
加算手段からの分散等化された光を出射する出射手段と
を少なくとも備えて波長分散及び偏波モード分散による既知ではない光波の乱れに対して適応等化することを特徴とする光分散等化器。
前記四光波混合媒質が、非線形光ファイバ又は半導体光増幅器（ＳＯＡ）である請求項２に記載の光分散等化器。
前記四光波混合媒質が、偏波保持高非線形分散シフト光ファイバ（ＰＭ−ＨＮＬ−ＤＳＦ）である請求項２に記載の光分散等化器。
前記ろ波手段と、前記乗算手段との中途に、光増幅手段を配設する構成であって、
該光増幅手段が、エルビウムファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）、ファイバラマン増幅器（ＦＲＡ）、希土類添加ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）、半導体光増幅器（ＳＯＡ）のいずれかを用いる
ことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の光分散等化器
前記乗算手段に、２次非線形媒質であって、とりわけKTP(KTiOPO₄：チタニルリン酸カリウム)、LiNbO₃(ニオブ酸リチウム)、BBO（β-BaB₂O₄：β-ホウ酸バリウム）を用いる請求項２ないし５のいずれかに記載の光分散等化器。
前記ろ波手段に、アレイ導波路型回折格子（ＡＷＧ）フィルタ、多層膜光フィルタ、ファイバグレーティングを用いる請求項２ないし６のいずれかに記載の光分散等化器。