JP3886147B2 - 分散の補償 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、分散性媒質、例えば光ファイバ、における光信号の送信の方法および装置に関する。
従来技術
分散性媒質内でのデータの送信においては、送信された記号は、高データレートにおいてひずみを生じる。すなわち、送信された記号は、記号を伝送する媒質により、その持続時間を延長されるような影響を受ける。その結果、高データレートにおいては、送信されたデータは、前に送信された記号および後に送信される記号の双方の影響を受ける。この記号間妨害により、信号が所望される長距離を送信される場合には、受信機において欠陥のある判断が行われるリスクが、必然的に許容される所定値を超えることになる。
従って、信号が分散性媒質内を送信される時は、信号が送信されうる距離、または信号が中継器により中継されなければならない距離、を延長するために、信号に与えられるひずみの最小化を試みる必要がある。
この目的のためには、信号を互いに直交するモード、特に直交偏光モード、の関係にある２つの信号として送信することが公知である。
欧州特許出願ＥＰ−Ａ１ ２ ３１２ １９０は、光波を１つの偏光モードから直交偏光モードへ変換する電気光学的変換器、例えばＴＥ−ＴＭ変換器を開示している。１つの特徴として、装置は、偏光した光波により搬送される振幅変調された入力信号の位相を制御し、その光波は２つの直交偏光成分に分割される。それらの成分間には、振幅変調された信号の位相の偏移に対応して、相対遅延が導入される。
英国特許出願ＧＢ−Ａ ２ ２０２ １７２は、振幅変調された光信号の位相の制御に関する。電気光学的ＴＥ−ＴＭ変換器が、振幅変調された平面偏光である光を、制御された振幅比を有する直交平面偏光部分に分割する。複屈折性導波路が、それら２つの部分の間に、振幅変調の周期の１／４サイクルに等しい相対遅延を導入する。光検出器が、前記振幅比に応じて移相された前記２つの部分により搬送される信号のベクトル結合である信号を発生する。
米国特許第４，７５０，８３３号には、テストされるべき単一モードファイバの伝送分散の測定が説明されている。色分散および偏光分散のような、異なる形式の分散が測定されうる。
米国特許第４，７９３，６７６号には、ファイバ光学的、音響光学的振幅変調器が示されており、それは２つの直交偏光モードの間で光を結合させる。
米国特許第４，８９３，３５２号には、変調信号のための光送信機が説明されている。分割導波路において光信号を分割し、該分割された信号の少なくとも１つを変調し、それらの信号を再結合させることにより、共通導波路上の直交光信号が得られる。それらの信号の１つは、周波数、位相、または振幅変調されうる。
米国特許第５，０７８，４６４号には、光論理装置が示されており、その論理装置においては、非線形偏移素子、すなわち「チャープ（chirp）」素子、へ適切な信号パルスを印加することによりディジタル論理機能が実現され、該素子の出力は、ソリトン伝搬を支援しうる分散性素子へ供給される。２つの直交した偏光のパルスは、非線形チャープ素子として作用する、適度に複屈折性をもつファイバの組合せへ供給される。
従来技術が提供する技術によれば、ＳＴＭ−１６レベル（同期転送モードレベル１６、すなわち約２，５Ｇｂｉｔ／ｓ）におけるパフォーマンスは、直接変調レーザに対する中継器距離が６０ｋｍであり、プリチャープ外部変調器が用いられる場合の、ＳＴＭ−６４レベル（同期転送モードレベル６４、すなわち約１０Ｇｂｉｔ／ｓ）におけるパフォーマンスは、約７５ｋｍである。
これら上述の制約の理由の１つは、ファイバ内において起こるパルス分散である。
光ファイバネットワークにおいて送信された信号に与えられるひずみを減少させるさまざまな方法により、パフォーマンスを改善するためには、まず２つの主要カテゴリに注意する。
１．送信するレーザを周波数変調し、次に外部変調器において振幅変調を行うことによるか、または外部変調器において周波数変調および振幅変調を同時に行うことにより、送信機をプリチャープ（prechirp）する。
２．信号経路に沿って分散補償ファイバを導入することにより、ほとんど無分散の光ファイバ線路を作る。
以上において示唆した方法による作業システムは、実験室においてはテストされたが、まだシステムは市販されていない。しかし、これらの方法は今日、パフォーマンスを改善するための最も有望な方法であると思われる。
発明の要約
本発明は、分散性媒質内、特に光ファイバケーブル内における、データの長距離送信のパフォーマンスを改善することを目的とする。
本発明のもう１つの目的は、特に光ファイバ線路内を、技術の現状により可能であるよりも長い距離を経て、高ビットレートで送信しうるようにする、方法および装置を提供することである。
これらの目的は本発明により達成され、本発明の特徴は添付の請求の範囲に記載されている。
一般に、分散性媒質内を送信されるべき信号には先行ひずませが与えられ、それにより、その信号が分散性媒質を通って伝搬する時に、該信号に与えられるひずみが補償される。
先行ひずませは、送信されるべき信号が、チャープされることなく振幅変調される事実によって行われ、また同時に、先行ひずませは、送信される信号がまた、位相変調される事実によって行われる。これら２つの信号、すなわち振幅変調信号および対応する位相変調信号は、その後、異なるモードにより送信され、それらは同様に大きい伝搬速度を有する。位相変調信号は、媒質内での伝送中に振幅変調信号に与えられたひずみを補償するために受信機により用いられる。この補償は、位相変調信号からの振幅変調された寄与を、振幅変調信号の振幅変調された寄与へ加算することにより得られる。すなわち、受信機内においては、前記２つの信号の振幅寄与の和が形成される。
特に、例えば、単一モードファイバタイプの光ファイバにおいては、用いられるファイバにおける偏光モードの分散が十分に小さい限り、使用される２つのモードは、２つの直交偏光モードでありうる。さらに、この特殊な場合には、本方法における受信機は極度に簡単になる。そのわけは、使用される検出器が、強度には反応するが、偏りおよび位相変調には感じない検出器でありうるからである。このタイプの受信機は、強度変調された信号に対して今日用いられている標準的な受信機である。
逆のタイプの先行ひずませもまた可能であることが理解される。すなわち、振幅変調された先行ひずませにより、位相変調信号の先行ひずませを行うと、受信される信号は、２つの異なるモードにより送信された信号の、位相変調された寄与により形成されることになる。
この方法に基づく送信システムは、行われたコンピュータシミュレーションによると、ＳＴＭ−６４レベル、すなわち約１０Ｇｂｉｔ／ｓ、において約１２５ｋｍのパフォーマンスに達することができ、これは、現状の技術により得られうるものより５０％をやや超えるだけ長い。
従って、一般に信号は、光ファイバ線路、またはマイクロ波に対する導波管、特に空洞導波管のような分散性媒質内を、２つの直交モードをなして平行に且つ同時に送信され、その場合、１つのモードの信号は本質的に振幅変調され、他のモードの信号は本質的に位相変調される。もし、本質的に振幅変調された信号の変調側波帯と、本質的に位相変調された信号の変調側波帯と、の間の角が、本質的に９０°に等しければこのようにされる。
送信された信号が安全にデコードされるためには、本質的に位相変調された信号は、光ファイバ線路を経て、またはマイクロ波用の導波管を経て、対応する本質的に振幅変調された信号よりも、ビット間隔の１／１０より短時間だけ前または後に、送信されることを有利とする。
そのような送信のための送信機は、振幅変調器と位相変調器とを含み、それらは、典型的にはレーザである光源、またはマイクロ波の発振回路のような、適切な発生器からの搬送波を受けるように接続されている。それら双方の変調器は、変調信号として送信されるべき信号を受け、同時に、これにより搬送波を変調するので、送信機からは同時に伝送線路へ、本質的に振幅変調された信号と、本質的に位相変調された信号とが送信される。従って、振幅変調器と位相変調器とは、送信される本質的に振幅変調された信号と、本質的に位相変調された信号と、のそれぞれの変調側波帯の間の位相差が、本質的に９０°に等しくなるように有利に接続される。
この送信においては、強度変調システムのために設計された受信機が用いられうる。
図面の説明
次に、添付図面を参照しつつ、限定的な意味はもたない実施例により本発明を説明する。添付図面において、
図１は、光ファイバリンク上への送信用の送信機を示すブロック図であり、
図２は、２次空胴導波管内における２つの主要直交偏波モードの概略図であり、
図３ａおよび図３ｂは、振幅変調および位相変調のそれぞれを示す位相ベクトル図である。
実施例の説明
図１には、信号の送信に用いるための送信器が示されている。この実施例における送信機は、固定された周波数および振幅を有する光ビームを発射するレーザ１を含む。このビームは、ビームスプリッタ２３において２つの平行なビームに分割される。これら２つのビームは、ビームスプリッタ２３から振幅変調器３と位相変調器５とのそれぞれへ導かれる。
２つの変調器３および５は、情報信号を搬送する線路７上に存在する送信されるべき電気信号により並列に変調される。線路７上のこの信号は、１７において分割され、線路１９および２１のそれぞれを経て、それぞれの変調器、すなわち振幅変調器３および位相変調器５のそれぞれへ伝送される。振幅変調器３からの出力信号は、偏り保存光ファイバ９を経て、ここではビームコレクタとして作用する偏光ビームスプリッタ１１の一方の側へ送られる。位相変調器５からの偏光である出力信号は、偏光ビームスプリッタ１１へ伝送され、該信号は偏光ビームスプリッタ１１において、振幅変調器３からの入来出力信号に対して直交する偏りを得る。これは、ある光学的に回転させる素子により行われうるが、より簡単には、前記出力信号を偏り保存光ファイバ１３を経て偏光ビームスプリッタ１１の他の側へ伝送し、かつこのファイバを適切な様式で回転させることにより行われうる。
図１に示されている実施例は、いくつかの市販の離散的部品から組立てられる。しかし同様の送信機を、全体的に、または部分的に、集積された形式で製造することは完全に可能であり、それは、多くの場合有利である。その実現は、例えば、ＬｉＮｂＯ₃またはＩｎＰ内において行いうる。
このようにして、偏光ビームスプリッタ１１から出る信号は、互いに対して直角に偏った２つのサブ信号から成り、従って、送信機と受信機との間のリンクを形成する単一モード光ファイバ１５内を、互いに対する関係において２つの直交モードをなして伝搬する。しかし実際には、以上において仮定された、完全に振幅変調される変調器は、得ることが困難でありうる。通常、そのような変調器は、信号に対し小さい位相変調の寄与を与える。この事実を補償するために、振幅変調信号の位相変調寄与に対応する振幅寄与が得られるように、位相変調器が設計されうる。
これは、位相ベクトル図である図３ａおよび図３ｂに示されている。図３ａにおいては、振幅変調搬送波が１に示されており、図３ｂにおいては、位相変調搬送波が３に示されている。振幅変調信号の側波帯は７に示されており、位相変調信号の側波帯は９に示されている。同じソースから発生した２つの搬送波の位相は、この場合同じ角周波数を有する。１１に示されている角ａ、すなわち搬送波と変調側波帯との間の角の場合は０°に等しく、純粋な振幅変調が得られる。もし一方、この角が９０°であれば、純粋な位相変調が得られる。後者の場合は１３に示されており、その場合角ｂは９０°である。もしいま、変調の不完全性のために、１１に示されている角ａが正確に０°でなく、例えば、ｃを小さい数としてｃ°に等しければ、これを、位相変調信号をも同じ誤差、すなわちｃ°、だけ振幅変調信号として劣化させることにより補償し、（ｂ−ａ）が依然として本質的に９０°であるようにすることができる。この差の角に小さい誤差があっても、パフォーマンスを著しく損なうことはないが、この差の角が９０°である時に最適の結果が得られる。
この例における受信機２３は、入力信号として振幅変調信号と位相変調信号との和を用いる、強度変調直接検出システムのための標準的受信機から構成される。これが満足に動作するためには、それぞれの直交モードで送信された信号が、本質的に別個の時刻に到達しないことが必要である。
これは、信号が伝搬する信号経路に要求を課する。この点に関し、本質的に振幅変調された信号により、また本質的に位相変調された信号により、それぞれ用いられる共通信号モードファイバ１５は、なんら問題を生じない。そのわけは、それぞれの直交信号が、このファイバを同じ速度で伝搬するからである。しかし、電気信号が分割された点１７から、それらが偏光ビームスプリッタ１１において併合されるまでの間の、電気光学的経路については、それぞれが異なる経路１７−１９−３−９−１１および１７−２１−５−１３−１１を進むので、要求が生じる。
さらに、２３におけるレーザビームの分割から、これらが、偏光ビームスプリッタ１１において再び１つの同じ線路へ入るまでの光経路、すなわち、光経路２３−３−９−１１および２５−５−１３−１１のそれぞれにも、要求が生じる。すなわち、信号経路の合計差は、単一モードファイバ内を送信される振幅変調信号と位相変調信号との間に、ビット間隔の１／１０の大きさよりも本質的に長い差を与えてはならない。
もし送信機の大部分が集積形式で製造されれば、これらの要求を満たすことは困難ではない。しかし、もし送信機が、上述の例におけるようにいくつかの離散的部品を組立てて製造されるとすれば、送信機を調節するために、多分少なくとも電気光学的信号経路内へ、ある形式の調節可能な遅延素子を組み込む必要がある。しかし、そのような調節可能な電気的遅延成分は市販されているので、これは困難なことではない。
さらに、行われたコンピュータシミュレーションにおいては、異なるサブ信号の２つの変調指数間の比、すなわち、位相変調信号の変調指数／振幅変調信号の変調指数は、好ましくは約０．８であるべきであることが示された。しかし、これら行われたコンピュータシミュレーションはまた、この比が０．４から１．０までの間隔内においては比較的に敏感でないことをも示した。
上述の送信方法はまた、マイクロ波システムにおいても応用されうる。そのようなシステムにおいては、２次空胴導波管内のＴＥ₁₀およびＴＥ₀₁モードは、２つのサブ信号が伝搬する直交モードを形成しうる。これらのモードは図２に示されている。しかし、これらのシステムにおいては、受信機は、光システムにおけると同様には簡単にならない。これは、マイクロ波に対する受信機は、一般に偏りに敏感である事実による。従って、多くの場合、異なるそれぞれの偏波モードにおける信号の大きさを受信するように配置された２つの同様の受信機として、そのような受信機を構成し、その後適切な様式でこれらの信号の大きさを加算し、得られた和を出力信号として用いることが必要となる。

Claims (17)

1. 分散性媒質内における信号の送信方法であって，該信号が２つの変調信号を形成するために搬送波上で変調されており，該２つの変調信号が２つの直交モードで平行して分散性媒質上に送信される送信方法において，
   前記２つの変調信号（３１，３３）の変調側波帯（３７，３９）が，９０°に等しい角度だけ，互いに対して位相を変位せしめられており，前記２つの変調信号の一つが該２つの変調信号の他の一つの先行ひずませを形成し，該先行ひずませが，分散性媒質を通って伝播する時に前記２つの変調信号の他の一つに与えられるひずみを補償し，前記２つの変調信号の一つが，該２つの変調信号の他の一つに与えられたひずみを補償するために受信機（２３）により使用可能にされ，これにより，分散性媒質内で高ビットレートと長距離送信を含む高い送信性能を得ることを特徴とする前記送信方法。
2. 前記２つの変調信号のうちの第１の信号は振幅変調され，前記２つの変調信号のうちの第２の異なる信号は位相変調され，前記２つの変調信号のうちの一つが振幅変調信号の場合は振幅の寄与を加えられることにより，または前記２つの変調信号のうちの一つが位相変調信号の場合は位相変調の寄与を加えることにより前記受信機（２３）により補償が得られる，請求項１に記載の方法。
3. 前記２つの変調信号のうちの一つが振幅変調信号の場合，前記受信機は強度を検出し，偏り及び位相変調には感じない，請求項２に記載の方法。
4. 前記２つの変調信号のうちの一つが振幅変調信号の場合，前記位相変調信号が，前記振幅変調信号よりも，ビット間隔の１／１０より短時間だけ前または後に，分散性媒質上に送信される請求項２または３に記載の方法。
5. 前記信号が分散性媒質を構成している光ファイバ（１５）上に送信される請求項１に記載の方法。
6. 前記信号が分散性媒質を構成しているマイクロ波用導波路上に送信される請求項１に記載の方法。
7. 前記信号が空胴導波路上に送信される請求項６に記載の方法。
8. 振幅変調信号と位相変調信号の変調指数間の比が，０．４から１．０までの間にある請求項１に記載の方法。
9. 前記振幅変調信号と前記位相変調信号の前記変調指数間の比が，０．８に等しい請求項８に記載の方法。
10. 分散性媒質（１５）に信号を送信する装置であって，該装置は
    搬送波の発生器（１）と，
    前記搬送波および前記信号を受信するために接続され，分散性媒質上に送信された変調信号を出力信号として生成するために前記信号を前記搬送波上で変調する変調器（３，５）とを含み，
    前記変調器が，前記信号で変調された２つの変調信号を構成する２つの出力信号を生成するように配列され，
    前記２つの変調信号（３１，３３）の変調側波帯（３７，３９）が９０°に等しい角度だけ，互いに対して変位せしめられており，
    前記２つの変調信号を受信し，該２つの変調信号が互いに直交する偏りを得るように該２つの変調信号を分散性媒質上に送信するために接続（９，１３）されたビームコレクタ（１１）と，
    前記２つの変調信号の一つが該前記２つの変調信号の他の一つの先行ひずませを形成し，該先行ひずませが，分散性媒質を通って伝播する時に前記２つの変調信号の他の一つに与えられるひずみを補償し，前記２つの変調信号の一つが該２つの変調信号の他の一つに与えられたひずみを補償するために受信機（２３）により使用可能にされ，これにより，分散性媒質内で高ビットレートと長距離送信を含む高い送信性能を得ることを特徴とした前記装置。
11. 前記変調器が振幅変調器（３）と位相変調器（５）を含み，前記２つの変調信号が振幅変調信号と位相変調信号を含む，請求項１０に記載の装置。
12. 前記分散性媒質が光ファイバであり，前記ビームコレクタが経路（９，１３）を介して前記変調器（３，５）に接続された偏光ビームスプリッタ（１１）であり，前記経路の一つが光学的に回転する素子を含む，請求項１０に記載の装置。
13. 前記分散性媒質が光ファイバであり，前記ビームコレクタが，偏り保存光ファイバ（９，１３）を介して前記変調器（３，５）に接続された偏光ビームスプリッタ（１１）であり，前記偏り保存光ファイバの一つが適切な様式で回転させられた，請求項１０に記載の装置。
14. 前記分散性媒質が光ファイバであり，前記発生器がレーザ（１）を含む，請求項１０に記載の装置。
15. 前記位相変調信号が生成される時点から，送信されるべき信号のビット間隔の１／１０より短時間だけ前または後に，前記振幅変調信号が生成されるように前記２つの変調器（３，５）が配列されている請求項１１に記載の方法。
16. 前記振幅変調信号と前記位相変調信号を生成するように前記２つの変調器（３，５）が配列され，前記振幅変調信号と前記位相変調信号の変調指数間の比が０．４から１．０の間にある，請求項１１に記載の装置。
17. 前記振幅変調信号と前記位相変調信号を生成するように前記２つの変調器（３，５）が配列され，前記振幅変調信号と前記位相変調信号の変調指数間の比が０．８に等しい，請求項１６に記載の装置。

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