JP4030935B2

JP4030935B2 - 光パルス伝送装置

Info

Publication number: JP4030935B2
Application number: JP2003281162A
Authority: JP
Inventors: 秀彦高良; 貴司山本; 哲郎乾
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: JP2005051494A

Description

本発明は、光パルス列を伝送光ファイバおよび光増幅中継器を用いて伝送する光パルス伝送装置に関するものである。

近年、超高速の時分割多重（Time-Division-Multiplexing、以下ＴＤＭと称する）光伝送方式は光通信の大容量化を実現する有効な方法であり現在様々な研究開発が進められている。これは現在用いられているＴＤＭ光伝送方式（符号化された光パルスを時間軸上に並べて多重して伝送する方式）において、光パルスを短パルス化することで１タイムスロット当りの所要時間を短縮してチャンネル多重数の増加を可能とし、単位時間当りの光パルス数（情報量）を増大する方法である。

図１２は従来のＴＤＭ光伝送方式の一例を示したものである。ここで１０１は送信部、１０２は伝送用光ファイバ、１０３は光増幅器（以下、中継器ともいう）、１０４は受信部、１０５は偏波モード分散補償器である。送信部１０１では光パルス発生、符号化および複数のチャンネルの時間軸上での多重化を行い高速（数Ｇｂｉｔ／ｓ〜数１００Ｇｂｉｔ／ｓ）の光パルス信号列を生成し、伝送用光ファイバ１０２および中継器１０３からなる伝送路に送出する。伝送路中の中継器１０３としては現在主に希土類添加光ファイバ増幅器等で構成される１Ｒ中継器が用いられている。この１Ｒ中継器は一中継区間での光ファイバでの損失を補償するために設けられている。伝送路を伝播した光パルス信号列は受信部１０４において各チャンネルに分離され電気信号に変換される。

図１２に示した波形（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、この伝送系における光パルス信号波形を示したものである。送信部１０１直後の光パルス信号は図１２（Ａ）に示したように幅の狭い光パルスである。しかし、伝送用光ファイバの偏波モード分散（ＰＭＤ：Polarization Mode Dispersion）が大きい場合には図１２（Ｂ）および（Ｃ）に示すように光パルス広がりが生じ符号間干渉が生じてしまう。

図１３はＰＭＤによる光パルス波形変化が生じる原理を説明したものである。伝送用光ファイバは複数の長さの異なる複屈折媒質（偏波保持型ファイバなど）の主軸をランダムに変えて直列接続したものとしてモデル化できる。図１３は最も簡単なケースで２つの偏波保持型ファイバ１０７（長さＬおよび２Ｌ）の主軸をずらして接続した場合である。最初の偏波保持型ファイバ１０７の主軸と異なる偏光方向に光パルス（図１３（Ａ））を入射すると偏波保持型ファイバ１０７の複屈折によりパルスが分離する（図１３（Ｂ））。さらに２つ目のＰ偏波保持型ファイバ１０７により４つのパルスに分離する（図１３（ｃ）。実際の光ファイバではさらに複雑な偏波モードの分離および結合が起きる。その結果パルス幅はこれら分離した光パルス群の時間幅となり元の光パルスより広がることになる（図１３（Ｄ））。したがって、従来の伝送系においては、このパルスの広がりを抑圧するため受光系に、偏波制御器と複屈折媒質の組み合わせや、偏波制御器と偏波分離器と光遅延器の組み合わせなどのＰＭＤ補償器（偏波モード分散補償器）１０５を用いていた（例えば非特許文献１〜５参照）。
M. Karlsson, "Polarization mode dispersion mitigation performance of various approaches,"in Proc. OFC'2002, WI1. T. Takahashi, T.Imai, and M.Aiki, "Automatic compensation technique for timewise fluctuation polarization mode dispersion in in-line amplifier systems, "Electron.Lett, vol. 30, pp.348-349, Feb. 1994. F. Heismann, "Integrated-optic polarization transformer for reset-free endless polarization control,"IEEE J.Quantum Electron., vol. 25, pp.1898-1906, Aug. 1989. H. Y. Pua, K. Peddanarappagari, B. Zhu, C. Alien, K. Demarest, and R. Hui,"An adaptive first-order polarization-mode dispersion compensation system aided by polarization scrambling:theory and demonstration,"j.Lightwave Technol., vol. 18, pp. 832-840, June 2000. H. Rosenfeldt, C. Knothe, R. Uirich, E、Brinkmeyer, U. Fieste, C. Schubert, J. Berger, R.Ludwig, H. G. Weber, and A. Ehrhardt,"Automatic PMD compensation at 40 Gbit/s and 80Gbit/s using 3-dimensional DOP evaluation for feedback,"in Proc. OFC'2001,PD27. R. M. Jopson, L.E. Nelson, H. Kogelnik, and GJ. Foschini, "Probability densities of depolarization associated with second-order PMD in optical fibers,"in Proc. OFC'2001,ThA4.

しかしながら、伝送後の光パルス群は図１３（Ｃ）に示したように複数の偏光状態および異なる遅延時間のパルスを重ねたものである。また、この遅延時間の値は時間的に一定ではなく光ファイバの温度や圧力の変動により変化する。この偏波モードの分離・結合により２次のＰＭＤが生じ、ＰＭＤはMaxwellians形の確立分布で示される統計的な物理量となる（非特許文献６）。そのため、非特許文献１〜５に記述されているような一段だけの偏波制御器と複屈折媒質等を組み合わせたＰＭＤ補償器では、このような複雑な偏光状態かつ統計的なＰＭＤ値を有する光パルス信号のＰＭＤを十分に補償するのは困難であるという問題がある。また、広い分布領域をカバーするために多段の偏波制御器や複屈折媒質や可変光遅延器を組み合わせてＰＭＤ補償器を作製しても、大規模で複雑な構成なるために高コストであり、ＰＭＤの早い時間的な変化（０．０１秒以下）に追従してこのような複雑な補償器を制御するのは非常に困難である。その結果、伝送後にＰＭＤによるパルス幅の広がりが生じ伝送特性が劣化するという問題がある。
また、図１４に示すように、複数の波長の光パルス信号を波長多重器１２１により多重化して伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）光パルス伝送の場合、ある程度の長距離を伝送すると波長により光ファイバの複屈折の影響が異なる。そのため、従来の光受信系では各波長に分離した後に個別にＰＭＤ補償を行う必要あり、光受信系の規模が大きくなる、コストが高くなるという問題点がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、光パルス伝送方式において、複数の中継区間に、光信号の偏波消光比を改善する偏波モード分散補償手段を配置することで、伝送用光ファイバでのＰＭＤによる伝送特性の劣化の著しく少ない光パルス伝送装置を提供することを目的とする。

本発明は、光パルス信号を発生する光送信系と、伝送光ファイバと、光増幅中継器とからなる中継区間を多段接続した光伝送路および光受信系からなる光パルス伝送装置であって、光信号の偏波消光比を改善する偏波モード分散補償手段を前記中継区間に配置したことを特徴とする。

本発明は、前記光送信系が複数の波長の光パルス信号を多重した波長多重光パルス信号を発生し、前記偏波モード分散補償手段が該波長多重光パルス信号の偏波消光比を一括に改善することを特徴とする。

本発明は、前記偏波モード分散補償手段は、偏波制御器および偏光子を用い、該偏光子の出力光を伝送路に接続し、該偏光子の出力光パワーが最大になるように、該偏波制御器により該偏光子への入力光の偏光状態を制御することを特徴とする。

本発明は、前記偏波モード分散補償手段は、偏波制御器および偏光分離器を用い、該偏光分離器の一方の出力光を後段の伝送路に接続し、該偏光分離器の他方の出力光のパワーが最低になるように、前記偏波制御器により該偏光子への入力光の偏光状態を制御することを特徴とする。

本発明は、前記偏波モード分散補償手段は、偏波状態測定器、偏波制御器および偏光子を用い、該偏波状態測定器により該偏波制御器へ入力する光信号の偏波状態を観測し、該偏光子への入力光の偏光状態を該偏光子の透過直線偏光と一致するように、前記観測結果を用いて該偏波制御器を制御し、該偏光子の出力光を後段の伝送路に接続することを特徴とする。

本発明は、偏波モード分散補償手段は、偏波制御器および偏光分離器を用い、該偏光分離器の一方の出力光を伝送路に接続し、該偏光分離器の２つの出力光のパワーガ等しくなるように、該偏波制御器により該偏光分離器への入力光の偏光状態を制御することを特徴とする。

本発明は、前記偏波制御器は、位相変調器と四分の一波長板を用いることを特徴とする。

以上説明したように、この発明によれば、光パルス信号を光ファイバを用いて伝送する光パルス伝送方式において、複数の中継区間に、光信号の偏波消光比を改善する偏波モード分散補償手段を配置するようにしたため、伝送用光ファイバでのＰＭＤによる伝送特性の劣化の著しく少ない光パルス伝送装置を提供することができるという効果が得られる。
また、簡単な構成の偏波モード分散補償手段でＰＭＤ補償が可能であるので、装置の小規模化、低コスト化、および動作の高速化が可能になるという効果も得られる。
さらに、ＷＤＭ光パルス信号の一括分散補償も可能であるので、システム全体の低コスト化を図ることができるという効果も得られる。

以下、本発明の一実施形態による光パルス伝送装置を図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、図１２に示す従来の装置と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。この図に示す装置が従来の装置と異なる点は、各中継区間毎に偏波モード分散補償手段１０６が設けられている点である。

図２は本実施形態における光パルス波形変化抑圧の原理を説明したものである。従来の技術で述べたように、伝送用光ファイバは複数の長さの異なる複屈折媒質（偏波保持ファイバなど）の主軸をランダムに変えて直列接続したものとしてモデル化できる。従来技術（図１３）と異なる点は、２つの偏波保持型ファイバ１０７の後に偏波モード分散補償手段１０６を配置している点である。この例では、偏波モード分散補償手段１０６として偏波制御器１０８と偏光子１０９の組み合わせで構成されている。この場合、最初の偏波保持ファイバ１０７の主軸と異なる偏光方向に光パルス（図２（Ａ））を入射して偏波保持ファイバの複屈折によりパルスが分離しても（図２（Ｂ））、偏波制御器１０８により偏光を制御することで分離した２つのパルスの大きい方のみを取り出すことができる。

同様に２つ目の偏波保持ファイバ１０７により２つのパルスに分離しても第２の偏波制御器１０８と第２の偏光子１０９により一つの光パルスのみを取り出すことができる。従って、ＰＭＤによるパルス広がりを抑圧することができる。実際の光ファイバではより複雑な偏波モードの分離および結合が起きるため完全にパルス広がりを除去することはできないが、図１に示すように短い区間毎に偏光モード分散補償を行うことで、光ファイバ内での偏波モードの分離・結合によるＰＤＭの累積を少なくすることができる（言い換えると図１１に示すＰＭＤ分布の幅を狭くできる）。その結果、効果的にパルス広がりを抑圧することができる。

＜第２の実施形態＞
図１に示す構成は、本発明はＷＤＭ光パルス伝送にも適用できる。本発明は短い区間毎に偏波モード分散補償を行うので、ＷＤＭ光パルス伝送の場合でも波長による光ファイバの複屈折の影響の違いが低減できる。そのため、図３に示すように、各波長毎にＰＭＤ補償を行う必要がなく、単一の偏波モード分散補償手段で一括に全てのＷＤＭ光パルス信号の補償が可能である。従って、受信部１０４の規模の縮小、低コスト化が可能となる。

＜第３の実施形態＞
本発明は、ある短い区間毎に偏波モード分散補償手段を配置するため、この偏波モード分散補償手段としては従来のＰＭＤ補償器以外にもより簡単な構成のものが適用できる。そのため、制御速度の向上が可能であり、ＰＭＤの早い時間的な変化（０．０１秒以下）に追従して補償することができる。
図４は、図１に示す偏波モード分散補償手段１０６の基本構成を示す図である。この図において、１０８は偏波制御器、１０９は偏光子、１１０は光パワー分岐器、１１１は光電変換部、１１２は信号処理部、１１３は偏波調整部である。光信号をまず偏波制御器１０８の偏波調整部１１３へ入射し、次に偏光子１０９へ入射する。偏光子１０９からの出力光の一部を光パワー分岐器により分岐し光電変換部１１１で電気信号へ変換し、電気信号を信号処理部１１２へ入力する。偏波制御器１０８では、偏光子１０９の出力光パワーが最大になるように、偏波調整部１１３により偏光子１０９への入力光の偏光状態を制御する。この偏波モード分散補償手段１０６は、光パルス信号の偏光状態に変化にかかわらず定常的に偏光消光比を改善することができるので、図１、３に示す光パルス伝送装置に適用することができる。また、従来のＰＭＤ補償器に比べて構成が簡単であるため、小規模化、低コスト化、動作の高速化を図ることができる。

図５は、図４に示す偏波モード分散補償手段１０６の構成例である。光パワー分岐器１１０としてはビームスプリッタ１１９などが使用できる。偏波調整部１１３としては、２分の１波長板１１７と４分の１波長板１１６の組み合わせ、LiNbO_３やセラミックスを用いた偏波調整回路などが使用できる。
また、ＷＤＭ光パルス伝送の場合は、光パワー分岐器で取り出して全チャネル（波長）の光パワーを制御器１２３によりモニタしてもよいし、光フィルタで一部の波長のみを取り出して光パワーを制御器１２３によりモニタしてもよい。

＜第４の実施形態＞
図６は、図１に示す偏波モード分散補償手段１０６の他の基本構成図である。ここで１１４は偏光分離器である。光信号をまず偏波制御器１０８の偏波調整部１１３へ入射し、次に偏光分離器１１４へ入射する。偏光分離器１１４からの出力光の一方を光電変換部１１１で電気信号へ変換し、電気信号を信号処理部１１２へ入力する。偏波制御器１０８では、偏光分離器１１４の他方の出力光パワーが最大になるように（光電変換部１１１への入力光パワーが最小となるように）、偏波調整部１１３により偏光分離器１１４への入力光の偏光状態を制御する。この偏波モード分散補償手段１０６も第３の実施形態に示す偏波モード分散補償手段１０６と同様の動作が可能であり、図１、図３に示す光パルス伝送装置に適用することができる。偏光分離器１１４としては偏波ビームスプリッタなどが使用できる。

＜第５の実施形態＞
図７は、図１に示す偏波モード分散補償手段の他の基本構成図である。ここで１１５は偏光状態観測部である。光信号をまず光パワー分岐器１１０へ入射し、次に偏波調整部１１３を介して偏光子１０９へ入射する。光パワー分岐器１１０により分岐した分岐光を偏光状態観測部１１５へ入射し、観測結果を信号処理部１１２へ入力する。偏波制御器１０８では、偏光子１０９への入力光の偏光状態を偏光子１０９の透過直線偏光と一致するように、観測結果を用いて偏波調整部１１３を制御する。この偏波モード分散補償手段１０６も第３の実施形態に示す偏波モード分散補償手段１０６と同様の動作が可能であり、図１、３に示すの光パルス伝送装置に適用することができる。偏光状態観測部１１５としてはＳパラメータを観測するポラリメータなどが使用できる。

＜第６の実施形態＞
図８は、図１に示す偏波モード分散補償手段の他の基本構成図である。光信号をまず偏波制御器１０８の偏波調整部１１３へ入射し、次に偏光分離器１１４へ入射する。偏光分離器１１４からの出力光の一方を光電変換部１１１で電気信号へ変換し、電気信号を信号処理部１１２へ入力する。また、偏光分離器１１４の一方の出力光の一部を光パワー分岐器１１０により分岐する。偏光分離器１１４の他方の出力光と光パワー分岐器１１０により分岐した分岐光をそれぞれ異なる光電変換部１１１により電気信号に変換し信号処理部１１２へ入力する。偏波制御器１０８では、光パワー分岐器１１０の分岐比を考慮して偏光分離器１１４の２つの出力光のパワーが等しくなるように、偏波調整部１１３により偏光分離器１１４への入力光の偏光状態を円偏光に制御する。

図９は、図８に示す偏波モード分散補償手段１０６の構成例である。偏波調整部１１３としてはLiNbO_３やセラミックスを用いた位相変調器１２０と固定の４分の１波長板１１６の組み合わせなどが使用できる。固定の４分の１波長板１１６の主軸を偏光ビームスプリッタ１１８の主軸から４５°回転して設定している。このとき、位相変調器１２０で任意の偏光状態を直線偏光にすると固定の４分の１波長板１１６で円偏光となり、偏光ビームスプリッタ１１８からの２つの出力（ｘ成分とｙ成分）の光パワーは等しくなる。つまり、光パワー分岐器１１０の分岐比を考慮して偏光分離器１１４の２つの出力光のパワーが等しくなるように位相変調器１２０を制御するだけで、任意の偏光の入力光を直線偏光にすることができる。従って、この偏波モード分散補償手段１０６は位相変調器１２０を制御するだけの簡単な構成であるので、より小規模で低コストの光パルス伝送装置を実現することが可能である。

図１０は本発明と従来技術の伝送距離と伝送後のパルス幅の関係を理論計算した結果を示したものである。本発明では、図４に示すの偏波モード分散補償手段１０６を８０ｋｍ毎に配置する伝送系を用いた。一方、従来例では、図４に示す偏波モード分散補償手段１０６を受信部のみに配置させた。図１０に示すように本発明でのパルス幅広がりが従来技術の約半分であることから、本発明がＰＭＤ抑圧に効果的であることが確認できる。

なお、図１、３では各中継区間毎に偏波モード分散補償手段を配置しているが、蓄積されるＰＭＤが問題とならない程度に配置する間隔を広げて、複数の中継区間毎に偏光消光比改善手段を配置しても良い。

本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。光パルス波形変化を示す説明図である。波長分割多重（ＷＤＭ）光パルス伝送系の構成を示すブロック図である。偏波モード分散補償手段の構成を示すブロック図である。偏波モード分散補償手段の基本構成を示す図である。偏波モード分散補償手段の構成を示すブロック図である。偏波モード分散補償手段の構成を示すブロック図である。偏波モード分散補償手段の構成を示すブロック図である。偏波モード分散補償手段の基本構成を示す図である。伝送後パルス幅の比較結果を示す図である。偏波モード分散補償の確立密度分布を示す図である。従来の光パルス伝送方式の構成を示すブロック図である。従来の光パルス波形変化を示す説明図である。従来の波長分割多重（ＷＤＭ）光パルス伝送系の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０１・・・送信部
１０２・・・伝送用光ファイバ
１０３・・・光増幅器（中継器）
１０４・・・受信部
１０６・・・偏波モード分散補償手段
１０７・・・偏波保持型ファイバ
１０８・・・偏波制御器
１０９・・・偏光子
１１０・・・光パワー分岐器
１１１・・・光電変換部
１１２・・・信号処理部
１１３・・・偏波調整部
１１４・・・偏光分離器
１１５・・・偏光状態観測部
１１６・・・４分の１波長板
１１７・・・２分の１波長板
１１８・・・偏光ビームスプリッタ
１１９・・・ビームスプリッタ
１２０・・・位相変調器

Claims

光パルス信号を発生する光送信系と、伝送光ファイバと、光増幅中継器とからなる中継区間を多段接続した光伝送路および光受信系からなる光パルス伝送装置であって、
光信号の偏波消光比を改善する偏波モード分散補償手段を前記中継区間に配置し、
前記偏波モード分散補償手段は、
偏波状態測定器、偏波制御器および偏光子を用い、
該偏波状態測定器により該偏波制御器へ入力する光信号の偏波状態を観測し、該偏光子への入力光の偏光状態を該偏光子の透過直線偏光と一致するように、前記観測結果を用いて該偏波制御器を制御し、該偏光子の出力光を後段の伝送路に接続することを特徴とする光パルス伝送装置。
光パルス信号を発生する光送信系と、伝送光ファイバと、光増幅中継器とからなる中継区間を多段接続した光伝送路および光受信系からなる光パルス伝送装置であって、
光信号の偏波消光比を改善する偏波モード分散補償手段を前記中継区間に配置し、
前記偏波モード分散補償手段は、
偏波制御器および偏光分離器を用い、
該偏光分離器の一方の出力光を伝送路に接続し、該偏光分離器の２つの出力光のパワーが等しくなるように、該偏波制御器により該偏光分離器への入力光の偏光状態を制御することを特徴とする光パルス伝送装置。
前記偏波制御器は、
位相変調器と四分の一波長板を用いることを特徴とする請求項２に記載の光パルス伝送装置。
前記光送信系が複数の波長の光パルス信号を多重した波長多重光パルス信号を発生し、
前記偏波モード分散補償手段が該波長多重光パルス信号の偏波消光比を一括に改善することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光パルス伝送装置。