JP3935877B2 - 偏光モード分散補償のための補償器 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、光ネットワーク装置に関連し特に、偏光モード分散（ＰＭＤ）の補償器に関連する。

遠距離通信システムは、長距離の、高いビットレートの光ファイバーリンクを伴っている光ネットワークを使って実行されるのが増加している。ＰＭＤは、ビットレートが上昇し４０Ｇｂ／ｓを越えるような、光ネットワークでの重要な問題になることを予想される。最近開発されたスパンファイバ技術は、ＰＭＤの最悪の効果を和らげるが、既存のファイバリンクは、補償を必要とするであろう。

ＰＭＤは多くの形の分散の１つであり；すなわち、それは、異なる速度で伝わる光の異なる成分を発生しうる、そしてそれ故に、その光の上に符号化された信号をばらばらにしうる多くの機構の１つである。（ファイバが作られるその素材の屈折率の、波長に伴なう、変動によって発生される）材料分散と、（光ファイバーの横切った断面における光信号の分配の、波長に伴なう、変動により発生される）導波路分散は他の形の分散の例である（両者は、波長依存効果があるので、共に色分散の例である）。

ＰＭＤは遠距離通信工業で使用されたような、単一モード光ファイバー内の残留複屈折に起因する。一般的に、複屈折素材では、２つの直交軸が識別される。それらの軸に沿って直線偏光された光は、他のいかなる軸に沿って偏光された光より、それぞれ、”最速”、及び”最も低速”に伝わるので、それらの２つの軸は”高速”及び”低速”軸と呼ばれる。任意の偏光の光のパルスが、複屈折素材に入力するときに、それは高速及び低速軸に沿って伝わる２つの成分に分かれる。従って。パルスは、もしそれが素材内で十分な距離を伝搬する場合には、時間とともに広がり、そして完全に２つのパルスに分かれうる。

単一モードファイバーは、ただ一つの横モードだけをサポートするので、そのように呼ばれるが、ファイバーは一般にある残留の複屈折を示すので、このようなファイバーは２つの偏光モードをサポートしうる。単一モードファイバーの複屈折は比較的弱いけれども、その効果は、それは長いキロメートルである、遠距離通信応用に関係する距離の上に重要である。複屈折は、その大きさとファイバーの長手方向に沿った軸の方向に変わりうるが、しかし、特定のファイバについて特定の時間で、全体的な偏光の主状態（ＰＳＰ）は同一であり、これはファイバ内の伝搬のための高速及び低速軸である。しかしながら、環境の変動が、一般的に、ＰＳＰの方向及び、それらの間の時間遅延差を、時間及び波長と共に変化させる。従って、能動的補償は、ＰＳＰ内の変化を考慮に入れることが必要とされる。

２つの偏光成分の間の時差は、差動群遅延（ＤＧＤ）と呼ばれる。それは’１次の’ＰＭＤ効果である。

１次のＰＭＤを補償する知られた補償器（図１）では、光パルスが光ファイバーから分散補償モジュール（ＤＣＭ）１０へ伝わり、ここで色分散（例えば、材料分散）が補償される。次に、パルスは偏光コントローラー２０に伝わる。偏光コントローラは、入力光の時間変化するＰＳＰを、入力光の高速ＰＳＰが補償装置の低速軸線に変換される及びその逆のような方法で、補償装置の固定されている主偏光軸に変換する能動素子である。偏光制御が、２つの４分の１波長板と、可変的複屈折の供給によって達成されうる。実際は、偏光コントローラが、典型的に、光ファイバーの３つのループ（ファイバーをループにすることは、応力を発生し、そして、ファイバー内の屈折率が変わる）を含む。各ループが４分の１波長板の役割を果たし、そして、それらがある面からループをねじることにより、コントローラの複屈折は調整されうる。（装置は、このような冗長な自由度を有する）。

次に、パルスは、偏光ビーム分割器３０によって、その偏光成分に分割される。偏光成分は第２の偏光ビーム分割器４０において再結合される。２つのビーム分割器３０、４０の間で、各光パルスは、光の偏光に従って第１又は第２の光軸に沿って伝わる。（反対の偏光を有する対応する成分より進んでいる光信号の成分である）’高速’成分は、第１の光路に配置された能動群遅延要素を通過するが、他のものは、固定されている遅延（すなわち、第２の光路が固定光路長を持っている）を通過する。基本的な能動群遅延要素が、可動ミラー６０へ及びそこから、偏光成分を反射する固定されたミラー５０を有する。補償装置からの光出力の偏光は、モニタ６５によって監視され、そして、可動ミラー６０によって反射される偏光成分によって横断された経路長が、ＤＧＤの効果を相殺するために正しい長さであるように、可動ミラー６０は移動される。能動群遅延装置は、第２の光路長に沿って通過する光に対して、第１の光路に沿って通過する光へ群遅延を供給し、群遅延は、モニタからの出力依存しており、；それにより、フィードバックループがミリセカンドの時間規模での１次のＤＧＤの補正を可能にする。

しかしながら、ＤＧＤとＰＳＰの方位角の各々はそれら自身で、波長と共に変化する。その変動は’２次の’ＰＭＤ効果を導く。パルスは、波長の帯域の光を含み、そのために、２次ＰＭＤを示しているファイバーでは、各々の波長成分は、異なった遅延と異なった減偏光を受け、これはパルス歪みを導く。これらの効果は一般的に、１次効果ほど強くないが、ＤＧＤが補償されるときには、２次の効果が、性能に対する支配的な制限となる。

ＰＭＤの現象は、次のように数学的に記述されうる。[１９９８年のＩＥＥＥフォトニクス技術．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．１０（１２）、第１７３９−１７４１ページの、”単一モード光ファイバーのパルス伝播に関するＰＭＤ２次効果”]でＣ．Ｆｒａｎｃｉａ他によって使用された、標記を使用して、テイラー展開の２次までのＰＭＤベクトルの３Ｄポアンカレ表現

は、

により与えられ、ここで、

は、入力ファイバの２つのＰＳＰの１つの方向を表し、Δτ_０は、２つのＰＳＰの間の周波数ωでの１次差動群遅延である。

と

は、それぞれ、入力光信号の中心周波数で評価された、ＰＳＰ方向と差動群遅延の周波数ωについての変化率である。Δωは、波長チャネルの公称中心周波数からの周波数変位である。

式（１）の右辺の第１の項は、１次の偏光モード分散を表す。第２と第３の項は、それぞれ２次の偏光モード分散の形式を表す。第２の項は、（波長による偏光方向の変化である）減偏光であり、第３の項は（波長による群遅延の変化である）色分散である。

本発明の目的は、１次ＰＭＤを補償し、そして少なくとも部分的に２次のＰＭＤを補償する補償器及び方法を供給することである。

本発明に従って、第１の光路と第２の光路の間で、光の偏光に従って、光を分割するように構成された分割器と、前記第１の光路と前記第２の光路からの前記光を結合するように構成された結合器と、前記光を監視するモニタとを有する、偏光モード分散を補償する補償器であって、前記第１の光路を伝わり且つ異なる波長を有する前記光の成分が異なる遅延を受けるように、前記第１の光路に配置された能動波長遅延装置を有し、前記遅延は前記モニタの出力に従って選択される、ことを特徴とする、補償器が提供される。

好ましくは、能動波長遅延装置は、２次の偏光モード分散による色分散を補償するために配置される。式（１）は、

のように書き直される。

式（２）の右辺の第１の項は、僅かに回転されたＰＳＰベクトル

に関する差動群遅延を示し、一方、第２の項は式（１）と変わらず、そして、元のＰＳＰベクトル

の色分散である。

を、

により与えられる、中心のＰＳＰとして定義する。代わりに、量

を、（各周波数についての相対的な時間遅延に従って重み付けされた）重み付けされた中心のＰＳＰ

として定義してもよい。

式（２）の第１の項が支配的である。それは、補償器に組み合わされた別の群遅延装置により補償されうる。好ましくは、しかしながら、補償器は、更に、前記第１又は前記第２の光路に配置された能動群遅延装置を有し、前記能動群遅延装置は、前記第２の光路に沿って通過する光に対して、前記第１の光路に沿って通過する光へ群遅延を供給する。好ましくは、群遅延は、モニタからの出力に依存する。補償器は、このように（可変的な群遅延を提供する）能動群遅延装置の能動調整により、第１の項に関して補償を提供するように、配置されうる。

従来の技術装置と対照して、しかしながら、補償器は、波長依存遅延を提供する装置の能動調整により、第２の項に関して、少なくとも部分的な補償を提供するようにも、配置されうる。第２の項に関する補償の程度は、

に対する

の減偏光の量に依存する。このように、補償器は、１次ＰＭＤ（式（１）右辺の第１項）及び、式（２）の第１の項により共に示されている、２次ＰＭＤ効果、減偏光（式（１）の右辺の第２項）による群遅延について、群遅延装置を使って、能動的に、補償するように配置されうる。能動的な波長遅延装置を使用することにより、補償器は、２次のＰＭＤ効果、式（２）の第２の項である、式（１）の第３の項により表される、色分散、を改良するために配置されうる。

モニタは、例えば、分割器の上流に及び／又は、結合器の下流の任意の適する点で、光を監視しうる。

好ましくは、異なった波長を有する成分が、波長と共に２次に変化する遅延を受けるように、能動波長遅延装置が配置され、それにより、線形周波数チャープが光に伝えられ、チャープの大きさは能動的に変わる。

能動波長遅延装置は、任意の適する能動色分散装置でも良く；例えば、それはチャープファイバブラッグ格子、格子形フィルタ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計の縦続接続）、又は、縦続接続されたリング共振器でもよい。能動群遅延装置は、モニタからの出力の変更に応じて、能動的に変化する一様な群遅延を提供する装置である。それは、補償器の任意の点に配置され得；例えば、それは、第１又は第２の光路内の、電気−光学的に又は熱−光学的に調整可能な領域でもよい。

好ましくは、補償器は、能動波長遅延装置である能動領域を有する、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を含む。

更に好ましくは、ＡＷＧは、能動群遅延装置である第２の能動領域を構成する。

補償器への光入力が、一般的には、時間で変化するＰＳＰｓを有する。対照的に、補償器は、固定の主偏光軸を有する。好ましくは、補償器はさらに、偏光コントローラーを含む。偏光コントローラは、光が、補償器の固定された軸の１つに沿って

で偏向されるように、光を変換しうる。

好ましくは、補償器は、分割器の上流にあるいは下流に配置された、更なる能動波長遅延装置を有する。好ましくは、モニタからの出力に従って、選択された波長依存遅延を供給するために配置される。好ましくは、補償器は、更に、第２の光路を伝わり且つ異なる波長を有する光の成分は、異なる遅延を受けるように、第２の光路に配置された能動波長遅延装置を有する。好ましくは、遅延は、前記モニタの出力に従って、選択される。好ましくは、前記第１と第２の光路に配置された前記能動波長遅延装置は、それぞれの光路を伝わる光の成分に、反対の符号を有する波長依存遅延を与える。

補償器は、更に、少なくとも１つの組の能動波長遅延装置を有し、各組の１つの装置は第１の光路に配置され且つ１つは第２の光路に配置され、前記組は偏光モード分散による３又は高次の色分散を補償するように構成される。

本発明に従って、光を補償器へ入力し、光の偏光モード分散を示すインジケータを監視し、光の第１の偏光された成分を第１の光路に沿って向け、光の第２の異なって偏光された成分を第２の光路に沿って向け、前記第１及び前記第２の光路からの偏光された成分を再結合する、光信号内の偏光モード分散を補償する方法であって、監視されたインジケータに依存する異なる量だけ、第１の光路を伝わる異なる波長の光を遅延するステップを有する、方法が提供される。

好ましくは、本方法は、第２の光路に沿って通過する成分に対して第１の光路に沿って通過する成分へ群遅延を加えるステップを有し、前記群遅延は監視された出力に依存する。

監視は、本方法の任意の適する段階で実行されうる。

好ましくは、本方法は、監視されたインジケータに依存する異なる量だけ、第２の光路を伝わる異なる波長の光を遅延するステップを有する。

好ましくは、本方法は、第１の光路に沿って通過する成分の群遅延を供給するために能動領域、好ましくはＡＷＧ、を調整するステップを有する。更に好ましくは、波長依存遅延を供給するために１つ又はそれ以上の能動領域、好ましくはＡＷＧ、を調整するステップを有する。

第２の能動領域は、２次の色分散を補償するための遅延を提供するために調整されうる。本方法は更に、３又は高次の分散を補償する波長依存遅延を供給するために、１つは第１の光路内にあり１つは第２の光路内にある、能動領域の更なる組を調整するステップを有する。

また、本発明に従って、第１の光路と第２の光路の間で、光の偏光に従って、光を分割するように構成された分割器と、前記第１の光路と前記第２の光路からの前記光を結合するように構成された結合器と、第２の光路の光に対して第１の光路の光を遅延させる第１の光路に配置された能動群遅延装置と、前記光の色偏光モード分散を監視するモニタと、前記分割器の上流又は下流に配置された能動波長遅延装置を有し、異なる波長を有する光の成分は前記能動波長遅延装置内で異なる遅延を受け、異なる遅延は前記補償器に入力する光の色分散を補償するように選択された遅延を有する、偏光モード分散を補償する補償器であって、前記異なる遅延は、更に前記モニタからの出力に従って選択される遅延を有する、ことを特徴とする補償器が提供される。

好ましくは、前記モニタは、前記分割器の上流に配置されている。更に好ましくは、前記モニタは、前記結合器の下流に配置されている。

好ましくは、前記能動波長遅延装置は、正に分散された信号についての補償を供給する。上述のように、ある量の負の分散が許容されうる。好ましくは、しかしながら、補償器は更に、負に分散された信号についての補償を供給する、前記第１と前記第２の光路に配置された、波長遅延装置を有する。また、本発明に従って、光を補償器へ入力し、前記光を第１の偏光された成分と第２の、異なって偏光された、偏光された成分へ分割し、前記第１の偏光された成分を第１の光路へ沿って向け、前記光の第２の成分を第２の光路へ沿って向け、第２の光路に沿って通過する成分に対して第１の光路沿ってを通過する成分を遅延し、前記第１と前記第２の光路からの偏光された成分を再結合し、光の偏光モード分散の色分散成分を示すインジケータを監視し、前記補償器に入力する光の色分散を補償するために、異なる量だけ、異なる波長の光を遅延する、光信号内の偏光モード分散を補償する方法であって、更に、監視されたインジケータにより示された光の偏光モード分散の色分散成分を補償するために、異なる量だけ、異なる波長の光を遅延することを含む、ことを特徴とする方法が提供される。

本発明の実施例が、図面を参照して、例のみによって、記載される、
図１の従来技術は、上述されている。

ＡＷＧは従来の技術でよく知られている。図２に示されたＡＷＧは、ファイバ８０、自由伝搬領域は９０及び１３０、導波管アレイ１００、矩形能動領域１１０及び、放物線状の能動領域１２０を有する。

１つはＡＷＧの入力側で１つは出力側の、自由伝搬領域９０及び１３０は、シーケンスｍ＝０からＭへ、Ｍ＋１導波路チャネルのアレイにより相互に接続され、チャネルは徐々に増加する経路長を有し、それにより、ｍ次チャネルの幾何学的な経路長は、（ｍ−１）次チャネルの幾何学的な経路長よりも大きい。単一の波長チャネル内に広がる波長の光Σλは、光ファイバ８０に沿って伝送され、そして、導波路アレイ１００に達するまで、自由伝搬領域９０を通して伝播する。自由伝搬領域は９０と１３０は、フラウンホーファー回折が発生するのを可能とするように十分に長く、これは、フーリエ光学的概念が、ＡＷＧの分析に使用されうることを意味する[Ｍ．Ｃ．Ｐａｒｋｅｒ他の１９９９年の光ファイバ受動部品の量子電子工学の特別な話題のＩＥＥＥジャーナル、Ｖｏｌ．５（５），１３７９]。導波路アレイ１００は、光学形内のフーリエ面と見なされることができる。

入力光は、アレイ１００の導波路をわたりガウス強度プロフィール

で分散される。アレイ１００は、全体的な複素アポダイゼイション機能を提供し；即ち、それは入力光の位相と振幅の両方に影響を与える。

能動矩形領域１１０は、アレイをわたり、（すべての周波数においての遅延である）プログラム可能な一定の位相プロフィールを課すために使用される位相制御手段である。遅延は、電圧Ｖ_ａを変えることによって、可変である。能動領域１１０により全ての波長に等しく与えられる位相

は、

により与えられ、Ｌは、能動領域１１０を光が伝わる長さであり、λ_ｉは、パルスの中心波長であり、そして、Δｎ（Ｖ_ａ）は、電圧制御された屈折率変化である。

能動放物線領域１２０は、（フーリエ面であり位相プロフィールは導波路アレイ１００をわたり空間的に分散された周波数に分けられた）アレイ１００内で、プログラム可能な近又はサブ放物線位相プロフィールを発生するために使用されることが可能な位相制御手段であり；擬似楕円フィルタ応答となる（即ち、擬似線形周波数チャープとなる）。与えられる電圧Ｖ_ｂを変えることによって、ｍ次の導波路で照らすべき領域１２０により与えられる位相

は可変的であり；それは、

により与えられ、ここで、Ｆ（Ｖ_ｂ）／４は、アレイの最長／最短の導波路に沿って累積される追加の放物線位相であり、そして最大の色分散補償のために最大の７π／５である。Ｆは、チャープされたファイバブラッグ回折格子についてのパラメータに等価な、同じく正規化されたチャープ強度である。放物線内の最長の導波路についての能動長Ｌ_Ｍを仮定すると、Ｆは、

で与えられる。

能動領域１１０、１２０の各々は、例えば、シリコン技術に基づく、ＡＷＧのための水素と化合させられたアモルファスシリコン（α−Ｓｉ：Ｈ）の層、又は、代わりに、シリカに基づくＡＷＧのための熱−光学領域でもよい。代わりに、領域は、例えば、リン化インジウムあるいはニオブ酸リチウム技術に基づいてＡＷＧ内に電極の形式で具体化されうる。所定の導波路に分けられた位相シフトは、位相制御手段が伸びるチャネルセグメントの長さに比例すると仮定され；それ故に、放物線位相シフトは、アレイ１００をわたり放物線的に変化する長さを有する能動領域によって与えられ、そして、一定の位相シフトが、アレイ１００をわたり一定の長さを有する能動領域（例えば、矩形領域）によって与えられる。

全体的なチャープされたＡＷＧスペクトル伝送応答は、次により与えられ[Ｍ．Ｃ．Ｐａｒｋｅｒ他による、”動的なＷＤＭネットワーキングとルーティングでの能動ＡＷＧのアプリケーション”、２０００年光波技術のジャーナル、Ｖｏｌ．１８（１２）、ページ１７４９−１７５６]：

ここで、

は、平均の屈折率であり、Δｌは隣接する導波路の間の増加する経路長の差であり、ｒは導波路モードスポットサイズであり、Ｒは自由な伝搬領域（ＦＰＲ）の長さであり、ＷはＦＰＲ入力において隣接する導波路の間の中心から中心への距離であり、そしてＡＷＧアレイには、Ｍ＋１の導波路がある。局所的な屈折率は、

により与えられ、ここで、Δｎ（Ｖ_ａ）は、例えば、熱又は電気光学効果による、電圧制御屈折率変化である。

図２のＡＷＧは、それを通過するためにパルスのためにとられた時間を能動的に変化させ、そして、ＡＷＧを通過するために、パルスの個々の波長成分のためにとられる時間をも変化させる手段を提供する。

本発明の実施例（図３）では、補償器の動作は図１で示されてそして上述された、従来技術補償器のと同じである。しかしながら、ミラー５０，６０の代わりに、群遅延がＡＷＧの能動矩形領域１１０によって供給される。供給された遅延は：

であり、ここで、Δτ_０’は式（２）で第１の項の振幅であり、ＤＧＤは回転された補償器ＰＳＰベクトル

に関する。遅延は、電圧Ｖ_ａを変更することによって、２つの偏光の間のＤＧＤの変化に応じて制御されうる。

図３の装置は、式（２）の第２項、オリジナルの補償器ＰＳＰベクトル

の色分散、を部分的に補償することもできる。ＡＷＧによって供給された色分散補償は：

により与えられる。

Δｎ（Ｖ_ｂ）は、放物線領域の電圧制御屈折率変化である。このように、電圧Ｖ_０は色分散を提供するように調整され、それがポアンカレ空間でベクトル

に沿って効果的に適用されるが、そして、その補償の効果は、

がどのくらい

から回転しているか、に依存している。

フィードバックは、ミリ秒の時間スケールの、修正された群遅延Δτ_０’と残留色分散

の能動制御を可能とする。

強い減偏光について、第１の光路の前の、偏光コントローラと偏光ビーム分割器の結合された動作による（第１の近似への）追加の色分散としてそれ自身を明らかにするために、パルスの他の波長で、中心ＰＳＰ

と、実際のＰＳＰ

の間の不適当な組合わせを予想する。補償器のその行動は、基礎をなす物理学の説明からさらに良く理解されうる。図４のポアンカレ球は、光の偏光状態のよく知られている表示である。各偏光状態は、ストークス座標（ｓ_１，ｓ_２，ｓ_３）を有する点によって表され；Ｍａｘ ＢｏｒｎとＥｍｉｌ Ｗｏｌｆの、「光学の原理」、第６（修正）版、Ｐｅｒｇａｍｏｎプレス、オックスフォード（１９８０）、セクション１．４．２（２４−３２ページ）を参照する。偏光状態ストークスベクトルは、原点からその点へのベクトルである。すべての可能な直線偏光は、赤道円の上の点である、ｚ−軸上の北極は、右回りの円偏光に対応し、そしてｚ−軸上の南極は、左回りの円偏光に対応する。面上のすべての他の点は、変化する程度の楕円を有する偏光に対応する。ｘ−ｙ面に平行な面にある点（即ち、球面上の緯度のライン）は、同じ楕円のしかし、異なる方位角の偏光に対応する。ｚ−軸を通過するｘ−ｙ面と垂直な面内にある点（即ち、球面上の経度のライン）は、（楕円偏光を形成している２つの直交直線偏光成分の間の位相差は、経度のラインをわたり

と

の間で変化するので）極から極へと動きながら、同じ方位角のしかし円形から直線へそして円へ戻る範囲の楕円の偏光に対応する。

図３の補償器に入力された光のキャリア波長においての偏光の２つの直交する主状態（ＰＳＰ）の１つが、ベクトル

として示されている。破線

は、ポアンカレ球の面上の

の時間の関数としての乱歩の経路の例である。

もちろん、光信号は、波長の広がりを含むパルスである。偏光が周波数で変化し、そして、それ自身時間で変化する広がりの位置は、図４でポアンカレ球の面上の点線として示されている。２つのこのようなラインは、ランダムに代わる位置の時間ｔ_１とｔ_２においての、”スナップショット”であるように、示されている。キャリア波長は、周波数ω_ｉであり、広がりの赤色−端の波長は、周波数ω_ｒであり、そして、青色−端の波長は、周波数ω_ｂである。

今、図３の補償器の偏光コントローラ２０は、偏光ビーム分割器の２つの軸である、（図４に示された１つの）２つの直交軸

に沿って偏向されるように、入力する光の偏光を変換する。

は、所定の時間での波長の位置の中心に選択される。一般に、ポアンカレ球内の

の間の角度θがあり、そして、その角度は、それらのベクトルの間の減偏光と関係がある。明らかに、その位置が更に多く曲げられると、中心ベクトル

は、（定義によりその位置にある、その位置の中心波長、一方一般的な中心はない）キャリア波長のＰＳＰベクトル

から、遠くなる。

周波数の広がりがポアンカレ球の面上で非常にほぼ線形である、図４のｔ_１の場合を考える。周波数ω_ｉの中心波長は、偏光コントローラ２０がそのようにするように配置されているので、

が

に近いので、ビーム分割器３０に達するときに、ほぼ直線に偏光されている。しかしながら、極端な波長ω_ｒとω_ｂへのベクトルは、

を伴なう有意の角度θを作り、そして、それらの波長での光は、それゆえに、一般的には、偏光コントローラ２０が極端なベクトルに沿ってあるように偏光を直線化するように配置されないので、ビーム分割器３０に達するときに、楕円に偏光される。

今、楕円に偏光された光は、位相差によって分離される（直交軸

に沿った）２つの直交直線偏光成分へ、分解されうる。

ω_ｒへのストークスベクトル及びω_ｂへのストークスベクトルは、近線形の場合に、中心波長ω_ｉに対してベクトル

の反対側にある。ω_ｒでの光とω_ｂでの光は、それらの偏光成分間で、反対の符号の位相差を有する傾向にある。

楕円に偏光された光が、偏光ビーム分割器３０に達するときに、その直線成分は分割され、１つはそれらの間の位相差によって、他に遅れる。最初に、第１の光路に沿って伝わるω_ｒでの成分を考え、そして、即ち、ある位相差でそれがω_ｉでの中心波長成分に進む。アームを伝わるω_ｂでの青色−端成分は、ある位相差だけ中心波長成分に遅れる。中間の波長も、状態ベクトルと

の間の角度に従って、より大きいかあるいはより小さい量にだけ、中心波長に対して進み又は遅れる。

第２のアームに沿って伝わる、各波長の他の偏光成分は、同様に影響を受けるが、しかし、反対の向き（遅れているより赤い波長）へである。

このように、偏光コントローラー２０とビーム分割器３０を通して通過するのに、光は、各々がお互いに相対的に異なった量にだけ遅延された波長の広がりを有する、２つの直交する直線に偏光された成分（補償器の各アームのもの）へ分割される。言い換えれば、２つの色分散された成分が、結果として生じる。

今、このように導入された色分散は、補償器の１つのアームで正であり、他では負である。今日の遠距離通信システムでの負の分散は、パルスをいっそう小型にする傾向にあり、そしてそれゆえに、それの制限される程度が、許容されうる。正の分散は、他方で、パルスを広める傾向にあり、そしてそれは隣接したパルスを、お互いに影響を及ぼさせることができて、そしてそのために良くない。ＡＷＧ７０は、正に分散された光を有するアームの分散を補償するために提供される。

しかしながら、補償器の両方のアームの分散を補償することは、適当である。それぞれのアームの正及び負の分散を適切に補償する、図８の補償器は、それに適している。

に対するω_ｒ、ω_ｉ、及びω_ｂを通しての位置の方位角は、加えられた分散の性質を決定する。ω_ｒからω_ｉを通してω_ｂへ通過する位置は、全体的にポアンカレ球の緯度のラインにあり、そして、すべての周波数は同じ楕円とそれゆえに、それらの直交偏光成分の間の同じ位相差を有する。（ビーム分割器から出現する２つの直線偏光成分の群遅延と任意の色分散は、同じであり、そして、従ってＤＣＭ２１０において補償されることができる）。このように、波長ωでビーム分割器３０から出現する２つの偏光成分の間の位相シフトは、波長及び

に対応するストークスベクトルのｚ−軸成分の間の差に依存する。

光パルスの位相プロフィールの光コントローラ２０と偏光ビーム分割器３０を通しての通過の全体的な効果を決定するために、ポアンカレ球上のω_ｒ−ω_ｂ位置の各点と

の間のｚ−成分内の差を考えねばならない。結果の位相プロフィールを、群遅延、群遅延分散、３次分散及び高次分散に対応する成分の中へ拡大することは可能である。図８の補償器は、いっそう完全に群遅延と群遅延分散を補償し；補償の有効性は、従って、順番に位置の性質に依存する高次の分散の相対的な重要性に依存するであろう。もちろん、位置の性質は、時間で変化しており、そしてそれ故に、補償の有効性もそうである。

代わりの実施例の例が、記載されるであろう。

図５の補償器は、分散補正モジュール（ＤＣＭ）２１０が出力モニタ６５からのフィードバックに従って、制御されていることを除いては、図３のそれと同一である。ＤＣＭ２１０は、ＡＷＧ７０を使用して達成される分散補償器として使用される。

ＡＷＧ７０は、２つの別個の構成要素によって置き換えられることを除いては、図６の補償器は図５のそれと同一である。群遅延装置２８０は熱−光学的に調整可能な経路長を有する単純な酸化ケイ素（シリカ）ブロックである。波長遅延装置２９０は、図２のそれのように、しかし（その機能がこの場合群遅延装置２８０によって引き継がれる）矩形の能動領域１１０のないＡＷＧである。装置２８０と２９０は、モニタ６５からのフィードバックに従って、別々に、調節される。

図７の補償器は、ＡＷＧ２９０が群遅延装置２８０からの他のアーム内にあることを除いては、図６のそれと同一である。群遅延補償と色分散補償は、同じアームの中でよりは、むしろ補償器の別個のアームで達成される。再び、群遅延補償は、２つの偏光成分が結合器４０において集められるようであり；より遅い成分が追いつくことができるように、更に高速の成分が遅くされる限り（又は、等しく、より遅い成分は速められる）限り、そのアームの中で遅延が能動的に調整されることは、問題ではない。

それが更に波長遅延装置２９５を有することを除いては、図８の補償器は、図６のそれと同一である。この実施例では、装置２９０と２９５は、再びＡＷＧｓであるがしかし、多項式的にチャープされたファイバブラッグ回折格子のような他の構成要素が、代わりに使われうる。

上述のように、コントローラー２０と分割器３０を通過しているパルスは、色的に処理により分散される２つの成分に分かれる。２つの成分の各々の色分散は、反対の方向であり；ＤＣＭ２１０の適切な調整で達成される。

前述の実施例では、負に分散された成分は、補償されない。図８の実施例では、ＡＷＧ２９５は、ＡＷＧ２９０の符号に対して反対の符号の２次の位相シフトを供給し；これは、ＡＷＧ２９５は、負にチャープされた成分への補償を提供する（これは、ビーム分割器３０によりそれを通して向けられた）。適用された位相シフトは、モニタ６５からフィードバックに応じて再び変えられる。適切にＤＣＭ２１０を調整することによって、同じ振幅を有するがしかし反対の符号の２次の色分散成分が、２つのアーム内で発生でき、そして従って装置２９０，２９５により補償されることができる。図８の補償器は、このように、偏光モード分散に起因している２次の色分散のより完全な補償を可能とする。

上述の本発明の実施例で、ＡＷＧは、１つの波長チャネルのみの補償器として動作することは指摘されるべきである（ＡＷＧｓが、しばしば同時に複数チャネルに動作を実行するために使用される）。

その効果はしばしば光通信システムで許容されるので、上述のように、負の色分散が、常に補償される必要があるのではない。図９の実施例では、偏光コントローラーとビーム分割器の上流にある、分散補正モジュール２１０は、正の偏光モード色分散を補償するために、モニタ６５からの信号に応じて能動的に調整される。その分散は、（ビーム分割器が、偏光成分を分離した後に）補償器の１つのアームに最も明らかにそれ自身が現れるが、モニタ６５からのフィードバックループは、ＤＣＭ２１０により提供される補償が、その偏光成分の補償について最適化されることを保証する。提供された補償は、ビーム分割器３０の前の点から、フィードバックが取られた場合には、予想されるであろうより僅かに多く負であるであろう。従って、第２の偏光成分の負の分散は、僅かに増加するが、しかしそれはしばしば許容される。代わりの実施例で、正の分散の能動波長遅延装置は、（図６と７の配置と同様に）成分が負に分散されたアームに提供される。

群遅延装置２８０は、ビーム分割器３０及び４０の間の補償器のアームの１つ内に提供される。他の実施例でのように、群遅延は、モニタ６５において監視された光の位相特性内の変化に応じて、能動的に調整される。

ポアンカレ球面の上の高次ＰＭＤ軌跡は、結合モード理論を使用して、理解されることもできる。フーリエ変換（ＦＴ）理論は、静的な又は動的な基準の両方の全てのＰＭＤ次数の補償を可能にするスケーラブルフィルタ法を示唆する。上述のように、ＰＭＤは、標準的な単一モードファイバー（ＳＭＦ）の２つの非縮退偏光モードの間を結合するエネルギにより発生される。それ故に、それは結合モード理論を使用して、分析されることができる。Ｙａｒｉｖの記法（Ａ．Ｙａｒｉｖ、Ｐ．Ｙｅｈの”結晶での光波”、第５及び６章、ジョン ワイリー アンド サンズ、１９８４年）を使用して、：

と書け、ここで、Ｐ_１とＰ_２は、偏光の２つの局所的な主状態（ＰＳＰｓ）の電界振幅であり、ｚは経度の座標であり、Δβ＝β_１−β_２はＰＳＰｓの各々と関連する伝搬定数の間の差であり、ここで、β_１，２＝２πｎ_１，２／λ及び、ｎ_１，２は、ＰＳＰｓの各々と関連する局所的な屈折率である。

ＰＭＤ結合が弱いと思われるので、モード１と２の間を結合するために、分散した確率を生じる結合モード式の解法へ第１のボルン（Ｂｏｒｎ）近似を使用することができ：

ＳＭＦの長さに沿った結合係数ｋ（ｚ）の漸進的変化は、乱歩に従う。この確率的特性は、スペクトルの領域で同等の乱歩を生じるために、（１１）のフーリエ積分によって保存される。

モード２と１の間の分散した振幅は、

であり、一方、分散のない確率（即ち、偏光維持）は、

で与えられる。損失のない又は、偏光に依存する損失（ＰＤＬ）が仮定されると、ユニタリ周波数依存分散マトリクスは：

のように書ける。

搬送周波数ω_０の入力信号が、その周波数においてＳＭＦ ＰＳＰに整列されるとすると、

そして、それゆえに、

である。
上述のように、固定の強度について、偏光の楕円状態（ＳＯＰ）は、ポアンカレ球上の面及び唯一の点である。この点は、２つの球面角座標：楕円のδ楕円率と、χ方位角、によって記述される。上述のように、高次のＰＭＤは、ポアンカレ球の面上の軌跡によって特徴づけられ、そしてそれは、もちろん、ＳＯＰの楕円率と方位角、それぞれδ（ω）とχ（ω）、の角周波数の変化とともに記載する。論じられるように、偏光コントローラを使用して、方位角χ＝０の、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）の周波数に対して、キャリア周波数ω_０で定義される、ＳＭＦの出力ＰＳＰを整列させることを可能とする。

任意の偏光がＰＢＳを通して通過し、方位角がＰＢＳのそれに整列されている場合には（即ち、χ（ω_０）＝０）、楕円偏光は、その成分単純に長軸と短軸の振幅、ａ_１とａ_２に分解される。しかしながら、楕円率角δが、２つの直線偏光成分の間で保存され、そして、適切な複素指数位相として自身が現れる。直交ＰＳＰｓの電界、Ｐ_１とＰ_２は、それぞれ２つのＰＢＳｓによって形成されたＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計（ＭＺＩ）の２つのアームに向けられる。減偏光の軌跡が、χが周波数と共に変化しそして、もはやゼロである必要はないときには、ジョーンズ（Ｊｏｎｅｓ）行列要素の振幅は、修飾され、そして周波数ωで、次により与えられる：

ω＝ω_０の特別な場合には、ＰＢＳ方位角がχ＝０に整列され、

を有しなければならない。

このように、ＰＢＳは、任意の偏光を、各々が共役の位相変化を有する、２つの直線偏光へ変換するように動作する。しかしながら、フィルタ理論から、分散特性を決定するのは位相応答（即ち、周波数での位相の変化）である。線形位相応答は、全ての周波数について一様な群遅延に対応するが、しかし直線性からの離脱は、高次の色分散としてそれ自身が表れる。このように、２つのＰＳＰの間の群遅延Δτ_０と、それらのそれぞれの２次の色分散Ｄは、Ｇ．Ｌｅｎｚ、Ｂ．Ｊ．Ｅｇｇｌｅｔｏｎ、Ｃ．Ｋ．Ｍａｄｓｅｎ、Ｃ．Ｒ．Ｇｉｌｅｓ及びＧ．Ｎｙｋｏｌａｋの、”ＷＤＭシステムのための光学式フィルタの最適な分散”、１９９８年のＩＥＥＥフォトニクス技術レター、Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．４、第５６７−５６９ページによって与えられる：

群遅延＋Δτ_０／２と−Δτ_０／２は、ＭＺＩのそれぞれのアームに現れ、そして、１次のＰＭＤ、ＤＧＤ−１と考えられ；そして、アームの１つの大きさΔτ_０の単一の遅延線により単純に補償される。共役の２次及び高次の色分散は、それぞれ、±Ｄ／２及び±Ｓ／２のアームの各々に現れる。これらは、２次及び高次のＰＭＤ項と考えられる。

各ＰＳＰについて、ＭＺＩの２つのアームは、別々に遅延と高次の分散を補償し、そして第２のＰＢＳは、重ね合わせられた補償された信号を生じるために、それらを集める。χ（ω）が、単純に、本質的に偏光に独立したＭＺＩのアームの両方に共通の、（高次の）色分散としてそれ自身が現われる。遅延は無視され、一方、

に関連する色分散は、フィードバックループを介して、偏光コントローラーのすぐ前の分散補正モジュール（ＤＣＭ）へ補償されることができる。ＤＣＭは、ＳＭＦリンクの材料分散を補償することが本質的である。しかしながら、更に＋Ｄ／２にのＤＣＭの分散を増加することにより、（図９の実施例に関連する上述のように）、２次のＰＭＤは、アームの１つのみの振幅−Ｄの単一の能動分散補償器によって補償されることができる。

（ＭＺＩの前の普通の補償器なしの）高次分散は、完全な補償のために、位相共役分散補償器を必要とする。光学式格子形フィルタは、この形式の応用のために、理想的な候補であるであろう。

このように、我々は、結合モード式の解法のための第１ボルン（Ｂｏｒｎ）近似技術を使用して、ＰＭＤ効果についての完全なＦＴモデルを記述した。それはＰＭＤ効果が標準信号理論によりモデル化されることを可能とするだけでなく、適切な緩和フィルタ設計も合成される。更に加えて、ＰＭＤ効果によるポアンカレ球面上の偏光軌跡が、結合モード理論からどのように理解されるかを示した。

図１０は、３次からｎ次の色分散を供給する、（更なるＡＷＧの形式の）（ｎ−２）の組の更なる分散要素を含む補償器を示す（３次の補償ＡＷＧ３００，４００及びｎ次の補償ＡＷＧ３１０，４１０のみが図に示されている）。この実施例では、群遅延装置２８０は、群遅延

を補償し、装置２９０は、２次の項

を補償し、装置３００は、３次の項

を補償し、そして、装置３１０は、ｎ次の項

を補償する。２より上の各次数については、位相共役分散補償は、干渉計の情報アームで供給され；ＡＷＧ４００はＡＷＧ３００と位相共役対であり、ＡＷＧ４１０はＡＷＧ３１０と位相共役対である。

このように、ＡＷＧ２９０は、２次のＰＭＤから生じる少なくとも部分的な２次の色分散を補償するのに十分であり、（ｎ−２）の更なるＡＷＧ３００から３１０の供給は、（それらの位相共役部分４００から４１０と共に）、ｎ次までの全ての次数の色分散の補償を可能とし、これは順番に３又はより高次のＰＭＤから生じる色分散効果の能動的な補正を可能にする。

更なるＡＷＧの対４００から４１０が、もちろん、図３及び５から９で示されたような、他の干渉計配置に組込まれうる。

更なる代わりの実施例では、高次の色分散は、適切な多項式チャープを有する構成要素２９０，２９５を有する、図８の配置と同様な配置の、単一の装置により提供されうる。

ＤＣＭ２１０が、高次の色補正の能動補償を提供するように配置されている場合には、補償器４００から４１０の各対の１つが分配され、そして、その効果は代わりにＤＣＭにより提供される高次の分散の適切な変化により提供される。

１次の及び高次の偏光モード分散効果を、動的な群遅延及びチャープ制御を特徴とする単一の能動アレイ導波路回折格子により、効果的に緩和することができることを示した。このような回折格子の対は、改善された性能を提供できる。装置のミリ秒応答は、平均傾向と同様に、ＰＭＤ変化を取り扱うことの改善された強さを提供する。補償器を単一基板上に製造することができるので、それは、光搬送ネットワークだけでなく都市内の性能改善の機会を提供する。

従来の技術の１次ＰＭＤ補償器の概略を示す図である。 ＡＷＧの概略を示す図である。 本発明に従った補償器の概略を示す図である。 図３の補償器を通して通過する光に対応するストークス（Ｓｔｏｋｅｓ）ベクトルを示すポアンカレ球である。 本発明の代わりの実施例である補償器である。 本発明の代わりの実施例である補償器である。 本発明の代わりの実施例である補償器である。 本発明の代わりの実施例である補償器である。 本発明の代わりの実施例である補償器である。 本発明の代わりの実施例である補償器である。

Claims (26)

1. 第１の光路と第２の光路の間で、光の偏光に従って、光を分割するように構成された分割器と、前記第１の光路と前記第２の光路からの前記光を結合するように構成された結合器と、前記光を監視するモニタとを有する、偏光モード分散を補償する補償器であって、前記第１の光路を伝わり且つ異なる波長を有する前記光の成分が異なる遅延を受けるように、前記第１の光路に配置されたアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）は光にチャープを与える能動領域を備える能動波長遅延装置を有し、前記遅延は前記モニタの出力に従って選択され、前記能動波長遅延装置の能動領域への電圧制御が電気光学効果により屈折率を変化させることを特徴とする補償器。
2. 前記能動波長遅延装置は、２次の偏光モード分散による色分散を補償するように構成される請求項１に記載の補償器。
3. 更に、前記第１又は前記第２の光路に配置された能動群遅延装置を有し、前記能動群遅延装置は、前記第１又は前記第２の光路の他のものに沿って通過する光に対して、前記第１又は前記第２の光路に沿って通過する光へ群遅延を供給する請求項１或は２に記載の補償器。
4. 前記群遅延は、前記モニタからの出力に依存する請求項２或は３に記載の補償器。
5. １次の偏光モード分散と２次の偏光モード分散による群遅延について、前記群遅延装置を使用して、能動的に補償するように構成される請求項３或は４に記載の補償器。
6. 前記能動波長遅延装置は、異なる波長を有する成分が、波長と共に徐々に変化する遅延を受け、線形周波数チャープが光に伝えられ、前記チャープの大きさは能動的に変化する請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の補償器。
7. 前記アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）に線形周波数チャープを与える能動領域は放物線状の領域であることを特徴とする請求項１に記載の補償器。
8. 前記能動群遅延装置の能動領域は矩形領域であることを特徴とする請求項１に記載の補償器。
9. 前記補償器は更に、偏光コントローラを有する請求項１乃至８のうちいずれか一項に記載の補償器。
10. 更に、前記分割器の上流又は下流に配置された更なる能動波長遅延装置を有する請求項１乃至９のうちいずれか一項に記載の補償器。
11. 更に、能動波長遅延装置は、前記モニタからの出力に従って選択される波長依存遅延を供給するように構成される請求項１０に記載の補償器。
12. 更に、第２の光路を伝わり且つ異なる波長を有する光の成分は、異なる遅延を受けるように、第２の光路に配置された能動波長遅延装置を有する請求項１乃至１１のうちいずれか一項に記載の補償器。
13. 前記波長依存遅延は、前記モニタの出力に従って選択される請求項１２に記載の補償器。
14. 前記第１と第２の光路に配置された前記能動波長遅延装置は、それぞれの光路を伝わる光の成分に、反対の符号を有する波長依存遅延を与える請求項１２或は１３に記載の補償器。
15. 更に、少なくとも１つの組の能動波長遅延装置を有し、各組の１つの装置は第１の光路に配置され且つ１つは第２の光路に配置され、前記組は偏光モード分散による３又は高次の色分散を補償するように構成される請求項１乃至１４のうちいずれか一項に記載の補償器。
16. 光を補償器へ入力し、光の偏光モード分散を示すインジケータを監視し、光の第１の偏光された成分を第１の光路に沿って向け、光の第２の異なって偏光された成分を第２の光路に沿って向け、前記第１及び前記第２の光路からの偏光された成分を再結合する、光信号内の偏光モード分散を補償する方法であって、監視されたインジケータに依存する異なる量だけ、第１の光路を伝わる異なる波長の光を、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）に設けられた能動領域への電圧制御に起因する電気光学効果により可変に遅延させるステップを有することを特徴とする方法。
17. 第２の光路に沿って通過する成分に対して第１の光路に沿って通過する成分へ群遅延を加えるステップを有し、前記群遅延は監視された出力に依存する請求項１６に記載の方法。
18. 第１の光路に沿って通過する成分の群遅延を供給するために能動領域を調整するステップを有する請求項１６或は１７に記載の方法。
19. 更に、監視されたインジケータに依存する異なる量だけ、第２の光路を伝わる異なる波長の光を遅延するステップを有する請求項１６乃至１８のうちいずれか一項に記載の方法。
20. 波長依存遅延を供給するために１つ又はそれ以上の能動領域を調整するステップを有する請求項１６乃至１９のうちいずれか一項に記載の方法。
21. 前記１つ又はそれ以上の能動領域は、２次の色分散を補償するための遅延を供給するために調整される請求項２０に記載の方法。
22. ３又は高次の分散を補償する波長依存遅延を供給するために、１つは第１の光路内にあり１つは第２の光路内にある、能動領域の更なる組を調整するステップを有する請求項２１に記載の方法。
23. 第１の光路と第２の光路の間で、光の偏光に従って、光を分割するように構成された分割器と、前記第１の光路と前記第２の光路からの前記光を結合するように構成された結合器と、第２の光路の光に対して第１の光路の光を遅延させる第１の光路に配置された能動群遅延装置と、前記光の色偏光モード分散を監視するモニタと、前記分割器の上流又は下流に配置されたアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）は電気光学効果を奏し電圧制御により屈折率変化を起こす能動領域を備えた能動波長遅延装置を有し、異なる波長を有する光の成分は前記能動波長遅延装置内で異なる遅延を受け、異なる遅延は前記補償器に入力する光の色分散を補償するように選択された遅延を有する、偏光モード分散を補償する補償器であって、前記異なる遅延は、更に前記モニタからの出力に従って選択される遅延を有することを特徴とする補償器。
24. 前記モニタは、前記結合器の下流に配置されている請求項２３に記載の補償器。
25. 前記能動波長遅延装置は、正に分散された信号についての補償を供給する請求項２３又は２４に記載の補償器。
26. 更に、負に分散された信号についての補償を供給する、前記第１又は前記第２の光路に配置された波長遅延装置を有する請求項２３乃至２５のうちいずれか一項に記載の補償器。

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