JP3793514B2

JP3793514B2 - Polarization scrambler

Info

Publication number: JP3793514B2
Application number: JP2003044959A
Authority: JP
Inventors: 正満藤原; 光啓手島; 昇高知尾; 岩月　　勝美
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2023-02-21
Also published as: JP2003315739A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号光の偏光度をゼロにする偏波スクランブラに関する。長距離光増幅中継伝送システムでは、光増幅器の利得の偏波依存性による伝送特性劣化に対して、送信側で信号光の偏光状態を高速に変化させて無偏光化する偏波スクランブリングが有効な改善技術として注目されている。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は、偏波スクランブラを用いた長距離光増幅中継伝送システムの構成例を示す。図において、光送信部は、光搬送波を出力する光源１、光搬送波を送信信号で変調して光信号を出力する光変調器２、光信号を偏波スクランブリングする偏波スクランブラ３、偏波スクランブラ３に一定周期信号を与える発振器４、偏波スクランブル光を増幅する光増幅器５により構成される。光送信部から出力される光信号は、光ファイバ伝送路６および光増幅器５を介して光受信部に伝送される。光受信部は、光増幅器５、光増幅器５で付加された自然放出光による雑音の影響を低減する光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）７、光信号を光電気変換して受信信号を出力する光電気変換器８により構成される。
【０００３】
ここで、伝送路中の光増幅器は、偏波ホールバーニング（ＰＨＢ：Polarization Hole Burning)の影響により、0.1dB 程度の小さな利得の偏波依存性（ＰＤＧ：Polarization Dependent Gain)をもつ。長距離伝送では、この光増幅器が多段に接続されることにより、自然放出光による雑音と利得の偏波依存性により信号対雑音比（ＳＮＲ）の劣化が累積され、結果的に大きな伝送特性の劣化を引き起こす。
【０００４】
偏波スクランブラ３は、図１１(b) に示すように、位相変調を与えることが可能なＹ軸（位相変調軸）と、それに直交する位相変調の影響をほとんど受けないＸ軸（非位相変調軸）をもつ光位相変調器であり、発振器４から一定周期信号を印加する構成である。光位相変調器をＺ軸方向に進む入射光は、偏波軸がＸ軸およびＹ軸に対して45度の角度になるように入射され、発振器４からの一定周期信号によりＹ軸のみ位相変調される。これにより、入射光の偏波状態が回転し、多段接続された各光増幅器のＰＤＧの影響を平均化し、ＳＮＲ劣化を低減させることができる。
【０００５】
なお、偏波スクランブリングの効果を最大にするには、時間平均においてすべての偏波状態が均一に起こる、すなわち偏光度ゼロにする必要がある。また、位相変調信号の繰り返し周期は、光増幅器のＰＨＢの時定数（〜0.1ms)よりも速ければよく、特に変調信号ビットレートの２倍程度以上の信号周波数で高速偏波スクランブリングを行うことにより、その効果が大きくなることが指摘されている（例えば、参考文献１として非特許文献１参照）。
【０００６】
また、その他の偏波スクランブリング方法が提案されているいくつかの文献があり（例えば、特許文献１、２参照）、偏光に係る技術を開示した文献もある（例えば、非特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−３２６７６７号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開平９−３２６７５８号公報
【０００９】
【非特許文献１】
IEEE Photon. Technol. Lett., vol.6, pp.1156-1158, 1994
【００１０】
【非特許文献２】
M.Born and E.Wolf, Principle of Optics, 4th ed,London: Pergamon Press, 1970, ch10-8
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１１(b) に示す光位相変調器を用いた偏波スクランブラの構成は簡単であるが、一方の偏波軸にのみ位相変調を行うため、位相変調による光スペクトル広がりが大きくなる。そのため、例えば図１２に示すような波長多重（ＷＤＭ）伝送システムに偏波スクランブラ（光位相変調器）３を用いた場合には、隣接波長チャネル間のクロストークを引き起こし、ＷＤＭ信号の高密度化を阻害する要因になっていた。
【００１２】
この問題を解決する手法として、位相変調を直交する２軸に分散する偏波スクランブリング方法が提案されている（特許文献１）。この偏波スクランブリング方法では、図１１(b) においてＹ軸（位相変調軸）のみに行う位相変調を、それに直交するＸ軸（非位相変調軸）に対しても行うために、Ｘ軸およびＹ軸に与える一定周期信号を互いに逆位相としている。この手法では、Ｙ軸のみに与えていた位相変調量を直交する２軸に均等に分散することにより、図１１(b) の偏波スクランブラよりも光スペクトル広がりの小さい偏波スクランブリングが可能となる。
【００１３】
具体的には、図１１(b) の光位相変調器を２段にし、図１３に示すように光位相変調器４１−１，４１−２の間に偏波を90度回転させる偏波回転器４２を配置し、発振器４から各光位相変調器に印加される一定周期信号が互いに逆位相になるように位相調整器４３を用いる。
【００１４】
一方、偏波スクランブリング方法には、上記の位相変調を用いた手法の他に、光短パルスを利用した手法がある（特許文献２）。これは、信号１ビットに複数の光短パルスを対応させ、各光短パルスの偏波状態を一定にし、かつ１ビット内の各光短パルスの偏波状態を相互に異なるようにして信号１ビットを無偏光化する（偏光度をゼロにする）ものである。以下、この手法による無偏光化について説明する。
【００１５】
振幅および位相を変調されたＺ軸方向に進む光電界（Ｘ軸方向の光電界Ｅx 、Ｙ軸方向の光電界Ｅy ）は、
Ｅx(t)＝ａ₁(t) expｉ[(ω_ct−kz)−φ₁(t)] …(1)
Ｅy(t)＝ａ₂(t) expｉ[(ω_ct−kz)−φ₂(t)] …(2)
と表される。ここで、ω_c ，ｋは、光電界の角周波数、波数である。ａ₁(t)、ａ₂(t)、φ₁(t)、φ₂(t)は、Ｘ軸方向変調振幅、Ｙ軸方向変調振幅、Ｘ軸方向変調位相、Ｙ軸方向変調位相を表す。
【００１６】
Ｙ軸方向成分がＸ軸方向成分に比べてεだけ位相を遅らせたとすると、正のＸ軸とθの角度をなす方向に透過軸をもつ偏光子を透過した後の光強度Ｉ（θ，ε）を考える。このとき、θ方向の電界ベクトル成分は、
Ｅ(t;θ;ε)＝Ｅx cosθ＋Ｅy exp(ｉε)sinθ …(3)
であり、その強度の時間平均は、

で与えられる。ここで、Ｊ_xx、Ｊ_yy、Ｊ_xy、Ｊ_yxは、次の可干渉性行列
【００１７】
【数１】

【００１８】
の各要素に対応する。Ｊの対角要素は実数であり、対角要素の和は光の全強度
ＴrＪ＝Ｊ_xx＋Ｊ_yy＝＜Ｅx Ｅx^*＞＋＜Ｅy Ｅy^*＞ …(6)
を表す。非対角要素は、一般に複素数であり、
Ｊ_xy＝Ｊ_yx ^* …(7)
｜Ｊ_xy｜＝｜Ｊ_yx｜≦(Ｊ_xx)^1/2(Ｊ_yy)^1/2 …(8)
なる関係がある。
【００１９】
ここで、偏光度ゼロの光とは、式(4) の値が、θ、εのいずれにも依存しない状態の光のことをいい、その必要十分条件は、
Ｊ_xy＝Ｊ_yx＝０ …(9)
Ｊ_xx＝Ｊ_yy …(10)
である（非特許文献２）。
【００２０】
いま、スクランブル光の直交偏波成分のパワーは等しく、条件式(10)は満たされているので、条件式(9) が成り立てばスクランブル光の偏光度はゼロになる。すなわち、パルスごとに偏波の直交した光パルスが時間的に重ならなければ、光パルスの位相に係わらずａ₁(t)×ａ₂(t)はすべての時間においてゼロになり、スクランブル光の偏光度をゼロにすることが可能であり、参考文献３はこれに基づいたものである。
【００２１】
しかし、パルスごとに偏波を直交した光パルスの時間的な重なりがない場合には、スクランブル光のパワーが小さくなる問題がある。一方、スクランブル光のパワーを上げるために、パルスごとに偏波を直交した光パルスに時間的な重なりをもたせた上で、スクランブル光の偏光度をゼロにする手法が必要になるが、参考文献３その他では未だ明らかになっていない。
【００２２】
本発明は、パルスごとに直交偏波した光パルスに時間的な重なりがある場合でも偏光度がゼロであり、かつ光スペクトル広がりの小さい光を生成することができる偏波スクランブラを提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の偏波スクランブラは、一定期間Ｔ／２ごとに同一の強度波形を繰り返し、かつ前記一定期間Ｔ／２ごとに光電界位相が反転した光電界周期Ｔの光パルスを発生する光パルス発生器と、前記光パルスを入力して偏波状態が直交する２つの光パルスに分離し、さらにその時間位置を相対的に（２ｎ−１）Ｔ／４だけずらし（ｎは自然数）、１パルスごとに偏波の直交した光を生成する直交偏波遅延器とを備え、前記光パルス発生器は、連続光を発生する光源と、ｔを時刻としたときに、入力信号φ (t) 、特定の入力信号φ ₀ に対して、出力光電界が
Ｅ ( φ (t) −φ ₀ ) ＝−Ｅ ( −φ (t) −φ ₀ ) （≠０）
となる透過特性をもち、
φ (t) −φ ₀ ＝φ ( ｔ−Ｔ ) −φ ₀ ＝−φ ( ｔ−Ｔ /2) −φ ₀ （≠０）
の関係がある周期Ｔの入力信号φ (t) で駆動される光強度変調器とを有し、前記連続光を前記周期Ｔの入力信号φ (t) で変調し、光電界が
Ｅ (t) ＝Ｅ ( φ (t))
で表される強度波形周期Ｔ／２、光電界周期Ｔの光パルスを発生する構成であることを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（本発明の偏波スクランブラの実施形態）
図１は、本発明の偏波スクランブラの実施形態を示す。図において、本発明の偏波スクランブラは、一定期間Ｔ／２ごとに同一の強度波形を繰り返し、かつ一定期間Ｔ／２ごとに位相が反転する強度波形周期Ｔ／２、光電界周期Ｔの光パルス（例えば図１(b) ）を発生する光パルス発生器１０と、その光パルスを入力して偏波状態が直交する２つの光パルスに分離し、さらにその時間位置を相対的に（２ｎ−１）Ｔ／４だけずらして１パルスごとに偏波の直交した光（例えば図１(c) ）を生成する直交偏波遅延器２０により構成される（ｎは自然数）。
【００２６】
図２は、直交偏波遅延器２０の構成例を示す（参考文献３）。図２(a) に示す直交偏波遅延器２０は、入力光パルスを光パワーが均等になるように２分岐する光分岐器２１と、２分岐された各光パルスの偏波を相対的に直交させる偏波回転器２２および時間位置を相対的に（２ｎ−１）Ｔ／４だけずらす遅延線２３と、偏波および時間位置を調整した光パルスを合波し、偏光度ゼロの光を出力する光合波器２４により構成される。なお、ここでは、２分岐した一方の経路に偏波回転器２２を配置し、他方の経路に遅延線２３を配置しているが、それらは相対的なものであるので、いずれか一方の経路にまとめて配置してもよい。
【００２７】
図２(b) に示す直交偏波遅延器２０は、偏波保持光ファイバ２５を用いたものであり、偏波保持光ファイバ２５の速達軸２６と遅延軸２７に電力比が１：１になるように光パルスを入力する。その結果、１つの光パルスは偏光状態が直交する２つの光パルスに分離され、１パルスごとに偏波の直交した光が生成される。
【００２８】
（光パルス発生器１０の第１の構成例）
図３は、光パルス発生器１０の第１の構成例を示す。図において、光パルス発生器１０は、連続光を発生する光源１１、光強度変調器１２および発振器１３から構成される。光強度変調器１２は、例えば図４に示すように、入力信号φ(t) と、特定の入力信号φ₀ に対して、出力光電界が
Ｅ(φ(t)−φ₀)＝−Ｅ(−φ(t)−φ₀)
となる透過特性をもち、
φ(t)−φ₀ ＝φ(ｔ−Ｔ)−φ₀ ＝−φ(ｔ−Ｔ/2)−φ₀
なる関係がある周期Ｔの入力信号φ(t) で駆動される。すなわち、光強度変調器１２は、φ₀ を境に透過特性の絶対値が等しいので、発振器１３から出力される周期Ｔの入力信号φ(t) を用いて周期Ｔ／２（光電界まで含めると周期Ｔ）の光パルスを生成することができる。
【００２９】
（光パルス発生器１０の第２の構成例）
図３に示した光パルス発生器１０における光強度変調器１２は、図５に示すように、入力信号φ(t) と、特定の入力信号φ₀ に対して、出力光電界が周期的な透過特性をもち、周期Ｔの入力信号φ(t) で駆動するようにしてもよい。この構成では、入力信号φ(t) の振幅を大きくすることにより、入力信号周波数を一定にしたままで偏波スクランブル速度を上昇させることができる。
【００３０】
（光パルス発生器１０の第３の構成例）
図６は、光パルス発生器１０の第３の構成例を示す。図において、光パルス発生器１０は、連続光を発生する光源１１、マッハツェンダ型光強度変調器１４、マッハツェンダ型光強度変調器１４を駆動する発振器１３、直流印加器１５および位相調整器１６から構成される。マッハツェンダ型光強度変調器１４は、光源１１からの連続光を入力し、光パワーを均等に２分岐した経路に与えられる相対的な位相差に応じて振幅変調を行う。特に、大きさが等しく、互いに逆位相（逆符号）の信号で２つの経路をそれぞれ位相変調すると、図６(b) に示すような正弦波状の電界透過特性が得られる。なお、ここではφは逆位相信号の位相差を示し、時間平均差がφ₀ （分離した２経路に位相差πを生じさせる量）であり、ピークツーピークで位相差πを生じさせる逆位相の正弦波信号で位相変調を行い、光パルスを生成する。ただし、２つの正弦波信号に加えられる時間平均差φ₀ および位相差は、それぞれ直流印加器１５および位相調整器１６において与えられる。
【００３１】
このような光パルス発生器１０と直交偏波遅延器２０の構成により得られる光パルス（スクランブル光）の偏光度がゼロになることについて以下に示す。光パルス発生器１０は、光電界が
Ｅ(t) ＝Ｅ(φ(t)) …(11)
で表される周期Ｔ／２（光電界まで含めると周期Ｔ）の光パルスを発生する。なお、Ｅおよびφは、ｔを時刻、Ｔをφの周期としたときに、
Ｅ(φ)＝−Ｅ(−φ) （≠０） …(12)
φ(t) ＝φ(ｔ−Ｔ）＝−φ(ｔ−Ｔ/2）（≠０） …(13)
なる関係を満たす関数である。
【００３２】
ここで、直交偏波遅延器２０を図２(a) に示す構成とした場合に、光分岐器２１で２分岐される光パワーは等しく、互いに偏波が直交する光パルスのパワーは等しいとしているので、条件式(10)は満たされており、条件式(9) が成り立てばスクランブル光の偏光度はゼロになる。ここで、
Ｅx(t)＝Ｅ(φ(t)) …(14)
Ｅy(t)＝Ｅ(φ(t−Ｔ/4)) …(15)
であるので、
【００３３】
【数２】

【００３４】
となり、偏光度がゼロであることが示される。途中、置換式t'＝ｔ−Ｔ/4、t"＝ｔ−Ｔ/2、t'" ＝ｔ− 3Ｔ/4、および式(12)〜(15)を用いた。
【００３５】
（従来構成と本発明構成の比較）
図１３の従来構成の偏波スクランブラと、図１，６の本発明構成の偏波スクランブラにより生成された偏光度ゼロの光の特性について比較する。まず、各偏波スクランブリング方式に対する入力信号周期を決定する。図７は、ビットレートＢの送信信号で変調した光に偏波スクランブリングを行い、その後、単一偏波を透過する偏光子（伝送路の偏波特性が極端な場合）を透過させた時の計算パラメータθおよびεに対するアイ開口を示す。
【００３６】
入力信号周期は、後述するように、Ｔ＝２／ｍＢ（ｍは自然数）であることが望ましいので、図７(a) 〜(c) はそれぞれ、従来構成における入力信号周期Ｔ＝１／Ｂ、従来構成における入力信号周期Ｔ＝１／２Ｂ、本発明構成における入力信号周期Ｔ＝１／Ｂの場合についての計算結果である。実際には、従来構成の偏波スクランブラでは、Ｘ軸およびＹ軸をそれぞれ
φ_PM1 ＝(0.7655/2)πsin2π(t/T) …(17)
φ_PM2 ＝−(0.7655/2)πsin2π(t/T) …(18)
の入力信号で位相変調し、本発明の偏波スクランブラでは、マッハツェンダ型光強度変調器の２分岐した経路にそれぞれ
φ_pulse1＝(1/2)πsin2π(t/T) ＋φ₀ …(19)
φ_pulse2＝−(1/2)πsin2π(t/T)t …(20)
の入力信号で位相変調する。変調器を駆動する信号は正弦波とした。図７(b),(c) に示すように、従来構成における入力信号周期Ｔ＝１／２Ｂと、本発明構成における入力信号周期Ｔ＝１／Ｂの場合は、同等のアイ開口が得られていることがわかる。したがって、以下の計算はこの条件の下で行う。
【００３７】
図８は、各偏波スクランブラに対して、６Ｂの３dB幅をもつガウス型光フィルタを偏光子の前に１回、偏光子の後に２回透過させたときの出力パワーを示す。なお、光フィルタを透過させない場合は、偏光度ゼロの条件により偏光子出力パワーに変動はない。図の縦軸は光源からの連続光パワーを０dBとしている。図８(a) に示すように、θおよびε、すなわち偏光子への入力偏波状態により出力光パワーに変動が生じるが、図８(b) ではほとんどパワー変動が生じない。これは、光スペクトルの広がり具合により、光フィルタによりスペクトルが切り取られ、偏光度がゼロからずれるためである。
【００３８】
さらに、光フィルタの３dB幅を変化させた場合のパワー変動量変化についての計算結果を図８(c) に示す。実線は本発明構成、破線は従来構成によるものである。この図より、本発明構成の偏波スクランブラは、光フィルタの３dB幅の変化に対してもパワー変動量がほとんどないことがわかる。光パワー変動は、伝送路内に挿入された光増幅器への入力パワー変動により、時間的な信号ＳＮＲのばらつきを生む。このことから、本発明構成の方が従来構成よりも、信号ＳＮＲの観点からも有利であると言える。
【００３９】
図９(a) は、光フィルタの３dB幅を変化させた場合の最小光パワーの計算結果を示す。実線は本発明構成、破線は従来構成によるものである。なお、ここでの最小光パワーとは、偏光子への入力偏波状態による最悪値である。この図から本発明構成の方が従来構成よりも光スペクトルが小さいことがわかる。なお、図９(a) （および図８(b))は、光パルス生成によるパワー損失〜２dBを含んでいるため、グラフの縦軸を相対平均パワーにとると、本発明構成の計算結果はいずれも＋２dBとなる。また、光スペクトル広がりが小さいことは、伝送路の分散の影響によるアイ開口劣化が小さいことからも示される。図９(b) に、波長1550nm、ビットレート2.5Gbit/s の偏波スクランブルした光を偏光子に透過させた後（光フィルタは透過させない）、波長分散量16ps/nm/kmの単一モードファイバ上で伝送させた時のアイ開口の計算結果を示す。アイ開口は、偏光子への入力偏波状態による最悪値をプロットした。図に示されるように、本発明構成による偏波スクランブラの方が、従来構成よりも同じアイ開口劣化に達する伝送距離が長い。
【００４０】
（本発明の偏波スクランブラを用いた光送信装置の構成例）
図１０は、本発明の偏波スクランブラを用いた光送信装置の構成例を示す。図において、本発明の偏波スクランブラを構成する光パルス発生器１０の光源１１と光強度変調器１２との間に光データ変調器３１を配置し、光データ変調器３１を送信信号発生器３２から出力される送信信号により駆動する。基準周波数発生器３３は、送信信号発生器３２および発振器１３に所定の基準周波数信号を供給して位相同期をとる。必要があれば、周波数逓倍／分周器により基準周波数信号を逓倍／分周してもよい。
【００４１】
光源１１から出力された連続光は光データ変調器２１に入力され、送信信号発生器３２から出力されるビットレートＢの送信信号で変調されて光強度変調器１２に入力される。光強度変調器１２は、発振器１３からの周期Ｔ／２ｍＢの繰り返し信号によって駆動され、信号１ビット内で位相が反転する光パルスを生成して直交偏波遅延器２０に入力する。直交偏波遅延器２０では図２に示す構成により信号１ビット内で偏波の直交した偏光度ゼロの信号光が生成される。
【００４２】
本構成では、図１０(b) に示すように（ｍ＝２の場合）、Ｚ軸方向に進む信号光は、Ｘ偏波成分およびＹ偏波成分ともに、スリップすることなく常に１ビット内における同じ相対時間位置がサンプリングされるので、光電気変換後の受信信号波形から周波数ずれによるジッタの影響を取り除くことができる。また、位相同期をとることにより、位相ずれによるジッタの影響も同時に取り除くことができる。なお、基準周波数発生器３３から供給される基準周波数信号の代わりに、一方の信号から取り出したクロック信号を用いてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の偏波スクランブラは、パルスごとに偏波を直交した光パルスに時間的な重なりをもたせた上で、スクランブル光の偏光度をゼロにし、かつ光スペクトル広がりの小さい偏波スクランブル光を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の偏波スクランブラの実施形態を示す図である。
【図２】直交偏波遅延器２０の構成例を示す図である。
【図３】光パルス発生器１０の第１の構成例を示す図である。
【図４】光強度変調器１２の透過特性を示す図である。
【図５】光強度変調器１２の透過特性を示す図である。
【図６】光パルス発生器１０の第３の構成例を示す図である。
【図７】従来構成と本発明構成における入力信号周期の決定を説明する図である。
【図８】従来構成と本発明構成の比較を示す図である。
【図９】従来構成と本発明構成の比較を示す図である。
【図１０】本発明の偏波スクランブラを用いた光送信器の構成例を示す図である。
【図１１】偏波スクランブラを用いた長距離光増幅中継伝送システムの構成例を示す図である。
【図１２】偏波スクランブラを用いた波長多重（ＷＤＭ）伝送システムの構成例を示す図である。
【図１３】従来の偏波スクランブラの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１０光パルス発生器
１１光源
１２光強度変調器
１３発振器
１４マッハツェンダ型光強度変調器
１５直流印加器
１６位相調整器
２０直交偏波遅延器
２１光分岐器
２２偏波回転器
２３遅延線
２４光合波器
２５偏波保持光ファイバ
３１光データ変調器
３２送信信号発生器
３３基準信号発生器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polarization scrambler that makes the degree of polarization of signal light zero. In long-distance optical amplifying and repeating transmission systems, polarization scrambling is effective for changing the polarization state of signal light at high speed and depolarizing it against transmission characteristics degradation due to polarization dependence of the gain of the optical amplifier. It is attracting attention as an improved technology.
[0002]
[Prior art]
FIG. 11 shows a configuration example of a long-distance optical amplification repeater transmission system using a polarization scrambler. In the figure, an optical transmitter includes a light source 1 that outputs an optical carrier, an optical modulator 2 that modulates the optical carrier with a transmission signal and outputs an optical signal, a polarization scrambler 3 that polarizes and scrambles the optical signal, a polarization It comprises an oscillator 4 that gives a signal of a fixed period to the wave scrambler 3 and an optical amplifier 5 that amplifies the polarization scrambled light. The optical signal output from the optical transmitter is transmitted to the optical receiver via the optical fiber transmission line 6 and the optical amplifier 5. The optical receiving unit includes an optical amplifier 5, an optical bandpass filter (BPF) 7 that reduces the influence of noise caused by spontaneous emission light added by the optical amplifier 5, and an optical / electrical unit that photoelectrically converts the optical signal and outputs a received signal. It is constituted by a converter 8.
[0003]
Here, the optical amplifier in the transmission path has a polarization dependence (PDG: Polarization Dependent Gain) with a small gain of about 0.1 dB due to the influence of polarization hole burning (PHB). In long-distance transmission, this optical amplifier is connected in multiple stages, so that the degradation of signal-to-noise ratio (SNR) is accumulated due to the polarization dependence of noise and gain due to spontaneous emission, resulting in large transmission characteristics. Causes deterioration.
[0004]
As shown in FIG. 11 (b), the polarization scrambler 3 includes a Y axis (phase modulation axis) capable of giving phase modulation and an X axis (non-phase) that is hardly affected by phase modulation orthogonal thereto. The optical phase modulator has a modulation axis), and is configured to apply a constant period signal from the oscillator 4. Incident light traveling in the Z-axis direction through the optical phase modulator is incident so that the polarization axis is at an angle of 45 degrees with respect to the X-axis and Y-axis, and only the Y-axis is phase-modulated by a constant period signal from the oscillator 4. Is done. As a result, the polarization state of the incident light rotates, the influence of the PDG of each optical amplifier connected in multiple stages can be averaged, and SNR degradation can be reduced.
[0005]
In order to maximize the effect of polarization scrambling, it is necessary that all polarization states occur uniformly in the time average, that is, the degree of polarization is zero. The repetition period of the phase modulation signal only needs to be faster than the PHB time constant (˜0.1 ms) of the optical amplifier, and in particular, high-speed polarization scrambling is performed at a signal frequency of about twice or more the modulation signal bit rate. Therefore, it is pointed out that the effect becomes large (for example, see Non-Patent Document 1 as Reference Document 1).
[0006]
In addition, there are some documents in which other polarization scrambling methods have been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2), and there are also documents that disclose techniques relating to polarization (see, for example, Non-Patent Document 2). .
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-326767
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-326758 [0009]
[Non-Patent Document 1]
IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.6, pp.1156-1158, 1994
[0010]
[Non-Patent Document 2]
M. Born and E. Wolf, Principle of Optics, 4th ed, London: Pergamon Press, 1970, ch10-8
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the configuration of the polarization scrambler using the optical phase modulator shown in FIG. 11B is simple. However, since the phase modulation is performed only on one polarization axis, the optical spectrum spread by the phase modulation becomes large. . Therefore, for example, when the polarization scrambler (optical phase modulator) 3 is used in a wavelength division multiplexing (WDM) transmission system as shown in FIG. 12, crosstalk between adjacent wavelength channels is caused, and the high density of the WDM signal. It was a factor that hinders the transformation.
[0012]
As a technique for solving this problem, a polarization scrambling method that disperses phase modulation in two orthogonal axes has been proposed (Patent Document 1). In this polarization scrambling method, since the phase modulation performed only on the Y axis (phase modulation axis) in FIG. 11 (b) is also performed on the X axis (non-phase modulation axis) orthogonal thereto, The constant period signals applied to the Y axis are in opposite phases. In this method, polarization scrambling with a smaller optical spectrum than the polarization scrambler of FIG. 11 (b) is possible by evenly distributing the phase modulation amount given only to the Y axis to two orthogonal axes. It becomes.
[0013]
Specifically, the optical phase modulator of FIG. 11 (b) has two stages, and the polarization rotation rotates the polarization between the optical phase modulators 41-1 and 41-2 by 90 degrees as shown in FIG. The phase adjuster 43 is used so that the constant period signals applied from the oscillator 4 to the respective optical phase modulators have opposite phases.
[0014]
On the other hand, the polarization scrambling method includes a method using an optical short pulse in addition to the above-described method using phase modulation (Patent Document 2). This is because signal 1 bit is made to correspond to a plurality of optical short pulses, the polarization state of each optical short pulse is made constant, and the polarization state of each optical short pulse in one bit is made different from each other. The bit is depolarized (the degree of polarization is zero). Hereinafter, depolarization by this method will be described.
[0015]
An optical electric field (optical electric field Ex in the X-axis direction, optical electric field Ey in the Y-axis direction) traveling in the Z-axis direction with modulated amplitude and phase is
Ex (t) = a ₁ (t) expi [(ω _c t−kz) −φ ₁ (t)] (1)
Ey (t) = a ₂ (t) expi [(ω _c t−kz) −φ ₂ (t)] (2)
It is expressed. Here, ω _c and k are the angular frequency and wave number of the optical electric field. a ₁ (t), a ₂ (t), φ ₁ (t), and φ ₂ (t) represent the X-axis direction modulation amplitude, the Y-axis direction modulation amplitude, the X-axis direction modulation phase, and the Y-axis direction modulation phase. .
[0016]
Assuming that the Y-axis direction component delays the phase by ε compared to the X-axis direction component, the light intensity I (θ, ε) after passing through a polarizer having a transmission axis in a direction that forms an angle θ with the positive X-axis. )think of. At this time, the electric field vector component in the θ direction is
E (t; θ; ε) = Ex cos θ + Ey exp (iε) sinθ (3)
And the time average of its intensity is

Given in. Here, J _xx , J _yy , J _xy , and J _yx are the following coherence matrices:
[Expression 1]

[0018]
Corresponds to each element of. Diagonal elements of J is a real number, the sum of the diagonal elements is the total intensity of light _{_{TrJ = J xx + J yy =}} <Ex Ex *> + <Ey Ey *> ... (6)
Represents. Non-diagonal elements are generally complex numbers,
J _xy = J _yx ^* (7)
| J _xy | = | J _yx | ≦ (J _xx ) ^1/2 (J _yy ) ^1/2 (8)
There is a relationship.
[0019]
Here, light having a degree of polarization of zero means light in a state where the value of equation (4) does not depend on either θ or ε.
J _xy = J _yx = 0 (9)
J _xx = J _yy … (10)
(Non-Patent Document 2).
[0020]
Now, since the powers of the orthogonal polarization components of the scrambled light are equal and the conditional expression (10) is satisfied, the degree of polarization of the scrambled light becomes zero if the conditional expression (9) is satisfied. That is, if optical pulses having orthogonal polarizations do not overlap in time for each pulse, a ₁ (t) × a ₂ (t) becomes zero at all times regardless of the phase of the optical pulse, and the scrambled light The degree of polarization can be made zero, and Reference 3 is based on this.
[0021]
However, there is a problem that the power of the scrambled light is reduced when there is no temporal overlap of optical pulses whose polarizations are orthogonal to each pulse. On the other hand, in order to increase the power of scrambled light, it is necessary to have a method of making the degree of polarization of scrambled light zero after adding temporal overlap to optical pulses whose polarizations are orthogonal to each other. 3 Others have not been revealed yet.
[0022]
The present invention provides a polarization scrambler that can generate light having a polarization degree of zero and a small optical spectrum spread even when optical pulses orthogonally polarized for each pulse have temporal overlap. With the goal.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
The polarization scrambler of the present invention repeats the same intensity waveform every fixed period T / 2, and generates an optical pulse having an optical electric field period T in which the optical electric field phase is inverted every fixed period T / 2. A generator and the optical pulse are input and separated into two optical pulses whose polarization states are orthogonal, and the time position is relatively shifted by (2n-1) T / 4 (n is a natural number), 1 e Bei the orthogonal polarization delay unit for generating a light orthogonal polarization for each pulse, the light pulse generator includes a light source for generating continuous light, when a time of t, the input signal phi (t ) Specific input signal φ ₀ In contrast, the output optical electric field is
_{E (φ (t) -φ 0} ) = -E (-φ (t) -φ 0) (≠ 0)
With the transmission characteristics
φ (t) −φ ₀ = Φ (t-T) -φ 0 = −φ ( t−T / 2) −φ ₀ (≠ 0)
And an optical intensity modulator driven by an input signal φ (t) having a period T having the following relationship: the continuous light is modulated by an input signal φ (t) having a period T, and an optical electric field is
E (t) = E ( φ (t))
It is the structure which generate | occur | produces the optical pulse of the intensity waveform period T / 2 represented by these, and the optical electric field period T.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment of Polarization Scrambler of the Present Invention)
FIG. 1 shows an embodiment of a polarization scrambler of the present invention. In the figure, the polarization scrambler of the present invention repeats the same intensity waveform every fixed period T / 2, and has an intensity waveform period T / 2 and an optical electric field period T in which the phase is inverted every fixed period T / 2. An optical pulse generator 10 for generating an optical pulse (for example, FIG. 1 (b)) and the optical pulse are inputted and separated into two optical pulses whose polarization states are orthogonal, and the time position is relatively ( 2n-1) It is constituted by an orthogonal polarization delay device 20 that generates light having a polarization orthogonal to each pulse (for example, FIG. 1 (c)) shifted by T / 4 (n is a natural number).
[0026]
FIG. 2 shows a configuration example of the orthogonal polarization delay device 20 (reference document 3). The orthogonal polarization delay device 20 shown in FIG. 2 (a) relatively compares the optical branching device 21 that splits an input optical pulse into two so that the optical power is equal, and the polarization of each of the two branched optical pulses. The polarization rotator 22 to be orthogonalized, the delay line 23 that relatively shifts the time position by (2n-1) T / 4, and the optical pulse whose polarization and time position are adjusted are combined to produce light with zero polarization degree. It is comprised by the optical multiplexer 24 which outputs. Here, the polarization rotator 22 is arranged on one of the two branched paths, and the delay line 23 is arranged on the other path. However, since these are relative, either one of the paths is arranged. May be arranged together.
[0027]
The orthogonal polarization delay device 20 shown in FIG. 2B uses a polarization maintaining optical fiber 25, and the power ratio is 1: 1 between the express delivery axis 26 and the delay axis 27 of the polarization maintaining optical fiber 25. The light pulse is input so that As a result, one optical pulse is separated into two optical pulses whose polarization states are orthogonal, and light having an orthogonal polarization is generated for each pulse.
[0028]
(First Configuration Example of Optical Pulse Generator 10 )
FIG. 3 shows a first configuration example of the optical pulse generator 10. In the figure, an optical pulse generator 10 includes a light source 11 that generates continuous light, a light intensity modulator 12, and an oscillator 13. For example, as shown in FIG. 4, the optical intensity modulator 12 has an output optical electric field of E (φ (t) −φ ₀ ) = − E for an input signal φ (t) and a specific input signal φ ₀ . (−φ (t) −φ ₀ )
With the transmission characteristics
φ (t) −φ ₀ = φ (t−T) −φ ₀ = −φ (t−T / 2) −φ ₀
It is driven by an input signal φ (t) with a period T having the following relationship. That is, since the absolute value of the transmission characteristic is equal at φ ₀ as a boundary, the light intensity modulator 12 uses the input signal φ (t) of the cycle T output from the oscillator 13 to include the cycle T / 2 (up to the optical electric field). And a light pulse having a period T) can be generated.
[0029]
(Second configuration example of the optical pulse generator 10)
As shown in FIG. 5, the optical intensity modulator 12 in the optical pulse generator 10 shown in FIG. 3 has a periodic output optical electric field with respect to an input signal φ (t) and a specific input signal φ ₀ . It may be driven by an input signal φ (t) having a transmission characteristic and a period T. In this configuration, by increasing the amplitude of the input signal φ (t), the polarization scrambling speed can be increased while keeping the input signal frequency constant.
[0030]
(Third configuration example of the optical pulse generator 10)
FIG. 6 shows a third configuration example of the optical pulse generator 10. In the figure, an optical pulse generator 10 includes a light source 11 that generates continuous light, a Mach-Zehnder light intensity modulator 14, an oscillator 13 that drives the Mach-Zehnder light intensity modulator 14, a DC applicator 15, and a phase adjuster 16. Is done. The Mach-Zehnder light intensity modulator 14 receives continuous light from the light source 11 and performs amplitude modulation according to a relative phase difference given to a path obtained by equally dividing the optical power into two branches. In particular, when the two paths are phase-modulated with signals of equal magnitude and opposite phases (reverse signs), a sinusoidal electric field transmission characteristic as shown in FIG. 6B is obtained. Here, φ indicates the phase difference of the antiphase signal, the time average difference is φ ₀ (the amount that causes the phase difference π in the two separated paths), and the antiphase that causes the phase difference π from peak to peak. The optical signal is generated by performing phase modulation with the sine wave signal. However, the time average difference φ ₀ and the phase difference applied to the two sine wave signals are given by the DC applicator 15 and the phase adjuster 16, respectively.
[0031]
It will be described below that the degree of polarization of the optical pulse (scrambled light) obtained by the configuration of the optical pulse generator 10 and the orthogonal polarization delay device 20 becomes zero. The optical pulse generator 10 has an optical electric field of E (t) = E (φ (t)) (11)
An optical pulse having a period T / 2 (period T including the optical electric field) is generated. E and φ are time t and T is the period of φ.
E (φ) = − E (−φ) (≠ 0) (12)
φ (t) = φ (t−T) = − φ (t−T / 2) (≠ 0) (13)
A function that satisfies the relationship
[0032]
Here, when the orthogonal polarization delay device 20 is configured as shown in FIG. 2A, the optical power branched into two by the optical splitter 21 is equal, and the power of optical pulses whose polarizations are orthogonal to each other are equal. Therefore, conditional expression (10) is satisfied, and if conditional expression (9) is satisfied, the degree of polarization of scrambled light becomes zero. here,
Ex (t) = E (φ (t)) (14)
Ey (t) = E (φ (t−T / 4)) (15)
So
[0033]
[Expression 2]

[0034]
, Indicating that the degree of polarization is zero. In the middle, substitution formulas t ′ = t−T / 4, t ″ = t−T / 2, t ′ ″ = t−3T / 4, and formulas (12) to (15) were used.
[0035]
(Comparison of the conventional configuration and the configuration of the present invention)
The characteristics of the light with zero degree of polarization generated by the polarization scrambler of the conventional configuration of FIG. 13 and the polarization scrambler of the configuration of the present invention of FIGS. First, the input signal period for each polarization scrambling method is determined. In FIG. 7, polarization scrambling is performed on light modulated with a transmission signal of bit rate B, and then a polarizer that transmits a single polarization (when the polarization characteristic of the transmission line is extreme) is transmitted. The eye opening for the calculated parameters θ and ε is shown.
[0036]
As will be described later, it is desirable that the input signal period is T = 2 / mB (m is a natural number). Therefore, FIGS. 7A to 7C respectively show the input signal period T = 1 / B in the conventional configuration. This is a calculation result for the case where the input signal period T = 1 / 2B in the conventional configuration and the input signal period T = 1 / B in the configuration of the present invention. Actually, in the polarization scrambler of the conventional configuration, the X axis and the Y axis are set to φ _PM1 = (0.7655 / 2) πsin2π (t / T) (17)
φ _PM2 = − (0.7655 / 2) πsin2π (t / T)… (18)
In the polarization scrambler of the present invention, φ _pulse1 = (1/2) πsin2π (t / T) + φ ₀ (19) is provided in each of the two branches of the Mach-Zehnder type optical intensity modulator.
φ _pulse2 = − (1/2) πsin2π (t / T) t… (20)
Phase modulation with the input signal. The signal for driving the modulator was a sine wave. As shown in FIGS. 7B and 7C, when the input signal period T = 1 / 2B in the conventional configuration and the input signal period T = 1 / B in the configuration of the present invention, an equivalent eye opening is obtained. You can see that Therefore, the following calculation is performed under this condition.
[0037]
FIG. 8 shows the output power when a Gaussian optical filter having a 3 dB width of 6B is transmitted once before the polarizer and twice after the polarizer for each polarization scrambler. In the case where the light filter is not transmitted, there is no change in the polarizer output power under the condition that the degree of polarization is zero. The vertical axis in the figure represents the continuous light power from the light source as 0 dB. As shown in FIG. 8 (a), the output optical power varies depending on θ and ε, that is, the state of input polarization to the polarizer, but almost no power variation occurs in FIG. 8 (b). This is because the spectrum is cut out by the optical filter due to the extent of the optical spectrum, and the degree of polarization deviates from zero.
[0038]
Further, FIG. 8 (c) shows the calculation result for the power fluctuation amount change when the 3 dB width of the optical filter is changed. The solid line represents the configuration of the present invention, and the broken line represents the conventional configuration. From this figure, it can be seen that the polarization scrambler of the configuration of the present invention has almost no power fluctuation amount even when the optical filter has a 3 dB width change. The optical power fluctuation causes temporal signal SNR variation due to the input power fluctuation to the optical amplifier inserted in the transmission path. From this, it can be said that the configuration of the present invention is more advantageous from the viewpoint of signal SNR than the conventional configuration.
[0039]
FIG. 9A shows the calculation result of the minimum optical power when the 3 dB width of the optical filter is changed. The solid line represents the configuration of the present invention, and the broken line represents the conventional configuration. In addition, the minimum optical power here is the worst value by the input polarization state to a polarizer. From this figure, it can be seen that the configuration of the present invention has a smaller optical spectrum than the conventional configuration. FIG. 9 (a) (and FIG. 8 (b)) includes power loss to 2 dB due to optical pulse generation. Therefore, when the vertical axis of the graph is a relative average power, the calculation result of the configuration of the present invention is as follows. Both are + 2dB. Moreover, the fact that the optical spectrum spread is small is also indicated by the small deterioration of the eye opening due to the influence of dispersion in the transmission path. Figure 9 (b) shows a single mode with a wavelength dispersion of 16 ps / nm / km after the polarization-scrambled light with a wavelength of 1550 nm and a bit rate of 2.5 Gbit / s is transmitted through the polarizer (the optical filter does not transmit). The calculation result of the eye opening when transmitting on the fiber is shown. For the eye opening, the worst value according to the input polarization state to the polarizer is plotted. As shown in the figure, the polarization scrambler according to the configuration of the present invention has a longer transmission distance to reach the same eye opening degradation than the conventional configuration.
[0040]
(Configuration example of optical transmission device using polarization scrambler of the present invention)
FIG. 10 shows a configuration example of an optical transmission device using the polarization scrambler of the present invention. In the figure, an optical data modulator 31 is arranged between a light source 11 and an optical intensity modulator 12 of an optical pulse generator 10 constituting a polarization scrambler of the present invention, and the optical data modulator 31 is used as a transmission signal generator. It is driven by the transmission signal output from 32. The reference frequency generator 33 supplies a predetermined reference frequency signal to the transmission signal generator 32 and the oscillator 13 to achieve phase synchronization. If necessary, the reference frequency signal may be multiplied / divided by a frequency multiplier / divider.
[0041]
The continuous light output from the light source 11 is input to the optical data modulator 21, modulated by the transmission signal of the bit rate B output from the transmission signal generator 32, and input to the optical intensity modulator 12. The optical intensity modulator 12 is driven by a repetitive signal having a period T / 2 mB from the oscillator 13, generates an optical pulse whose phase is inverted within one bit of the signal, and inputs the optical pulse to the orthogonal polarization delay unit 20. In the orthogonal polarization delay device 20, signal light having a polarization degree of zero and having a polarization orthogonal within one bit of the signal is generated by the configuration shown in FIG.
[0042]
In this configuration, as shown in FIG. 10B (when m = 2), the signal light traveling in the Z-axis direction is always within one bit without slipping in both the X polarization component and the Y polarization component. Since the same relative time position is sampled, it is possible to remove the influence of jitter due to frequency deviation from the received signal waveform after photoelectric conversion. Further, by taking phase synchronization, the influence of jitter due to phase shift can be removed at the same time. Instead of the reference frequency signal supplied from the reference frequency generator 33, a clock signal extracted from one signal may be used.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, the polarization scrambler according to the present invention makes the degree of polarization of the scrambled light zero and spreads the optical spectrum after temporally overlapping optical pulses whose polarizations are orthogonal to each other. Small polarization scrambled light can be generated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a polarization scrambler of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of an orthogonal polarization delay device 20;
FIG. 3 is a diagram illustrating a first configuration example of the optical pulse generator 10;
FIG. 4 is a diagram showing the transmission characteristics of the light intensity modulator 12;
FIG. 5 is a diagram showing the transmission characteristics of the light intensity modulator 12;
6 is a diagram showing a third configuration example of the optical pulse generator 10. FIG.
FIG. 7 is a diagram for explaining determination of an input signal period in the conventional configuration and the configuration of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a comparison between a conventional configuration and a configuration of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a comparison between a conventional configuration and the configuration of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of an optical transmitter using the polarization scrambler of the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example of a long-distance optical amplification repeater transmission system using a polarization scrambler.
FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration example of a wavelength division multiplexing (WDM) transmission system using a polarization scrambler.
FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional polarization scrambler.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Optical pulse generator 11 Light source 12 Optical intensity modulator 13 Oscillator 14 Mach-Zehnder optical intensity modulator 15 DC applicator 16 Phase adjuster 20 Orthogonal polarization delay device 21 Optical branching device 22 Polarization rotator 23 Delay line 24 Optical multiplexing 25 Polarization-maintaining optical fiber 31 Optical data modulator 32 Transmission signal generator 33 Reference signal generator

Claims

An optical pulse generator that repeats the same intensity waveform every fixed period T / 2 and generates an optical pulse of an optical electric field period T in which the optical electric field phase is inverted every fixed period T / 2;
The optical pulse is input and separated into two optical pulses whose polarization states are orthogonal, and the time position is relatively shifted by (2n-1) T / 4 (n is a natural number). Bei example the orthogonal polarization delay unit for generating orthogonal optical waves,
The optical pulse generator is
A light source that generates continuous light;
When t is the time, the input signal φ (t) and the specific input signal φ ₀ In contrast, the output optical electric field is
E ( φ (t) −φ ₀ ) = − E ( −φ (t) −φ ₀ ) (≠ 0)
With the transmission characteristics
φ (t) −φ ₀ = Φ (t-T) -φ 0 = −φ ( t−T / 2) −φ ₀ (≠ 0)
A light intensity modulator driven by an input signal φ (t) of period T having the relationship
The continuous light is modulated by the input signal φ (t) with the period T, and the optical electric field is
E (t) = E ( φ (t))
A polarization scrambler that is configured to generate an optical pulse having an intensity waveform period T / 2 and an optical electric field period T expressed by:

The polarization scrambler according to claim 1 ,
The polarization scrambler characterized in that the light intensity modulator has a periodic transmission characteristic with respect to an input signal.

The polarization scrambler according to claim 2 ,
The light intensity modulator is a Mach-Zehnder light intensity modulator, and a time-average difference is φ ₀ in a path obtained by branching the optical power into two, and an antiphase sine wave signal that causes a phase difference π from peak to peak A polarization scrambler characterized in that the phase modulation is performed by the scrambler.

In the polarization scrambler according to claim 1 or 3 ,
When the transmission signal bit rate is B, the phase of the input signal to the optical intensity modulator is T = 2 / mB (m is a natural number) and the phase of the transmission signal and the input signal to the optical intensity modulator is synchronized. A polarization scrambler having a configuration.