JP4083144B2 - 偏光デュオバイナリ光伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、光通信システムのための光伝送装置に関し、特に、偏光デュオバイナリ光送信技法を利用した偏光デュオバイナリ光伝送装置に関する。

一般的に、高密度波長分割多重方式（Dense Wavelength Division Multiplexing： 以下、ＤＷＤＭと称する）の光伝送システムは、１つの光ファイバ内に異なる波長を有する多数のチャネルから構成された光信号を伝送することによって伝送効率を高めることができ、さらに、伝送速度と関係なく光信号を伝送することができる。従って、このＤＷＤＭシステムは、超高速インターネット網に有用に使用されている。現在、ＤＷＤＭを使用するシステムは、１００個以上のチャネルを１つの光ファイバを通じて伝送することができ、１つの光ファイバを通じて２００個以上の４０Gbpsチャネルを同時に伝送して１０Tbps以上の伝送速度を有するシステムに関する研究も活発に進行されている。

しかしながら、既存のＮＲＺ（Non Return to Zero： 以下ＮＲＺと称する）を利用して光強度を変調する時、チャネル間隔が５０GHz以下である場合は、急激なチャネル間の干渉及び歪曲によって伝送容量の拡張に限界がある。これは、急激なデータトラヒックの増加及び４０Gbps以上の高速データ伝送要求のためである。既存のバイナリ（binary）ＮＲＺ伝送信号のＤＣ（Direct Current）周波数成分及び変調時に拡散された高周波成分は、該バイナリＮＲＺ伝送信号を光ファイバ媒質において伝播する時、非線形及び分散を生じさせるので、１０Gbps以上の高速伝送において伝送距離に限界を有する。

最近、光デュオバイナリ技術が、色分散（chromatic dispersion）による伝送距離の制限を克服できる光伝送として注目を集めている。デュオバイナリ伝送の重要長所は、伝送スペクトルが一般的なバイナリ伝送に比べて減少することである。分散制限システムにおいて、伝達距離は、伝送スペクトル帯域幅に反比例する。これは、伝送スペクトルが１／２に減少されると、伝達距離が２倍になることを意味する。さらに、搬送波周波数がデュオバイナリ伝送スペクトル内に抑圧されるので、光ファイバ内で刺激を受けるブリュアン散乱（Brillouin Scattering）による出力光電力に対する制限を緩和することができる。

特に、狭い信号帯域幅及び光ファイバの非線形歪曲に強い特性を有する偏光デュオバイナリ（polarization−shaped duobinary）変調方式に対する研究が進行されている。

偏光デュオバイナリ信号は、図１に示すように、‘１’レベルは、相互直交である２つの偏光特性を有する強度（１⊥または１‖）で表現される光信号であり、‘０’レベルは、理想的に光強度がゼロ（zero）である状態で表示される光信号である。しかしながら、偏光デュオバイナリ信号の光強度（optical intensity）は、‘１’及び‘０’の２進（binary）によって構成されているので、既存のＯＯＫ（on−off keying）方式光伝送システムにおいて使用される受信器が変更されずにそのまま使用される。

偏光デュオバイナリ信号の特徴は、狭い信号帯域幅及び光ファイバ非線形歪曲に強いことである。偏光デュオバイナリ信号の帯域幅は、既存のＯＯＫ（on−off keying）信号または位相デュオバイナリ信号（AM−PSK duobinary）よりスペクトルが狭いので、ＤＷＤＭ光伝送システムの周波数効率性を向上させることができる。さらに、偏光デュオバイナリ信号は、全ての信号のビットが同一偏光であるＯＯＫ（on−off keying）方式または位相デュオバイナリ方式とは違って、‘１’レベルが直交偏光を有するビットから構成されるので、光ファイバの非線形歪曲による影響に強い。

図２は、従来の偏光デュオバイナリ送信器の構造を示す。まず、２進（binary）ＮＲＺ（non−return−to−zero）入力データ信号は、差動エンコーダ（differential encoder）１に印加されてコーディングされる。一般的に、デュオバイナリ送信器は、光変調器を駆動する信号と受信される信号が異なるので、伝送段において差動符号化器１を利用して受信する信号と送信器のデータが同一になるように前記入力データ信号をコーディングする。コーディングされた信号は、２つに分割され、１つは直接第１デュオバイナリフィルタ２に印加され、もう１つはインバータ３を経て第２デュオバイナリフィルタ４に印加される。デュオバイナリフィルタ２、４は、一般的に、データ伝送速度の１／４（〜０．２５×伝送速度）の帯域幅を有するローパスフィルタであり、これらのフィルタに印加された２進信号は、論理的に＋１、０、−１の３つのレベルを有する３進（ternary）信号に変換される。半波整流器（half−wave rectifier）５、８は、正の信号のみを通過させ、負の信号はフィルタリングする役割を遂行する。従って、半波整流器５を通過した３進信号は、−１の値を有するビットが０の値を有するビットに変換されるので、＋１及び０のみを有する２進信号に変換される。半波整流器５の出力信号は、光変調器ドライバ６を経て光強度変調器７に印加される。一方、インバータ３を経て反転された信号も半波整流器８、光変調器ドライバ９を通じて光強度変調器１０に印加される。そして、レーザダイオード１１からの連続性（Continuous Wave）光が、直交偏光分離器（polarization beam splitter）１２を通じて垂直成分の２つの偏光に分割された後、それぞれ光強度変調器７、１０に印加され、偏光維持カプラー（polarization−maintaining coupler）１３によって合成される。

しかしながら、従来技術による偏光デュオバイナリ光送信器は、図２に示すように上下対称的な構造を有するので、差動符号化器、インバータ、及び直交偏光分離器以外にも２つのデュオバイナリフィルタ、２つの半波整流器、２つの光変調ドライバ、及び２つの光強度変調器が要求される。従って、既存の偏光デュオバイナリ光送信器は、多数の電気素子を必要とするので、コスト高となる。さらに、対称的な構造によって、電気／光学素子の対称性要求条件が発生するので、具現の信頼性及び再現性（reproducibility）が低下する。また、半波整流器を使用する図２の光送受信器の場合、半波整流器の特性が劣化するので、‘１’ビットの偏光直交性が減少し、その結果、光ファイバの非線形性に対する耐性（tolerance）が減少する。

従って、本発明の目的は、既存の偏光デュオバイナリ光送信器の複雑性を低減することによって光送信器のコストを減らすことのできる偏光デュオバイナリ光送信装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、既存の偏光デュオバイナリ光送信器の対称構造による電気素子の対称性要求条件を緩和または除去することによって、偏光デュオバイナリ光送受信器の信頼性を向上させることのできる偏光デュオバイナリ光送信装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の偏光デュオバイナリ光伝送装置は、入力電気信号を符号化する差動符号化器と、符号化された２−レベルの電気信号を３−レベル信号に変換するデュオバイナリフィルタと、連続性光を発生する光源と、その連続性光の偏光を調節する偏光器と、該偏光器から出力された光を２つの電極に分岐して受信し、該電極の一方ではデュオバイナリフィルタから入力された３−レベルのデュオバイナリ信号に従って偏光変調すると共に電極の他方では位相調整するマッハツェンダ変調器と、このマッハツェンダ変調器の他方の電極に入射される光の偏光軸をマッハツェンダ変調器の電界−光学効果軸に一致させるファラデー回転子と、から構成されることを特徴とする。

この場合も、デュオバイナリフィルタを駆動するための駆動増幅器をさらに備えることができ、また望ましくは、偏光器は、マッハツェンダ光変調器の電界−光学効果軸に対して４５度程度の角度傾くものとする。さらに、望ましくは、デュオバイナリフィルタは、入力電気信号の帯域幅より小さい帯域幅（データ伝送速度の１／４程度の帯域幅）を有するローパスフィルタから構成されたものとする。

本発明の偏光デュオバイナリ光伝送装置は、既存の偏光デュオバイナリ光伝送装置において要求された多数の電子素子の種類及び個数をかなり減らすことができるので、偏光デュオバイナリ光伝送装置の価格競争力を高めることができる。

さらに、本発明の光伝送装置は、従来の技術とは違って、対称構造を採用しないので、多数の高速電気素子の対称性要求条件を根本的に除去して光伝送装置の信頼性及び再現性を向上させられる。

以下、本発明の好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明確にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。

図３は、本発明の第１実施形態による偏光デュオバイナリ光伝送装置の構成を示し、図４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、図３のノードＡ、Ｂ、Ｃ及びＤにおける信号形態を示す。

図３を参照すると、本例の偏光デュオバイナリ光伝送装置は、連続性（continuous wave）光を発生する光源１０１、その連続性光を入力電気信号に従って光強度信号に変換する光強度変調器１０３、前記入力電気信号を符号化する差動符号化器１０４、該符号化された２−レベルの電気信号を半ビット遅延する電気素子１０５、及び半ビット遅延された２−レベル信号を偏光変調する偏光変調器１０７から構成される。さらに、偏光デュオバイナリ光伝送装置は、変調器駆動増幅器１０２、１０６を備える。

光源１０１は、連続性光を発生し、レーザダイオード（ＬＤ）によって具現することができる。

光強度変調器１０３は、印加された変調器駆動信号に従って、光源１０１から入力される連続性光を光強度信号に変換する。光強度変調器１０３は、１つの電極（single arm）を有するＸ−カット（cut）構造の干渉計形態の光強度（intensity）変調器または２つの電極（dual arm）を有するＺ−カット（cut）構造の干渉計形態の光強度変調器によって具現することができる。

差動符号化器１０４は、入力される２−レベルのＮＲＺデータを符号化し、パワー分割器（power spliter）、１ビット遅延器及び排他的論理和（exclusive−OR）ゲートで具現することができる。

半ビット遅延素子１０５は、データ信号の伝送時間を半ビット遅延する。

偏光変調器１０７は、印加された電気信号を利用することによって光強度変調された信号を偏光変調する。半ビット遅延素子１０５及び変調器駆動増幅器１０６を通過した信号のピークツウピーク（peak−to−peak）値が偏光変調器１０７のＶ_π（偏光変調器１０７内の位相変調部分において信号の位相を１８０度変調するために要求される電圧）になるように調整された場合、偏光変調器１０７によって前記信号の‘＋１’レベル及び‘０’レベル信号は相互直交成分を有する光信号に変調される。

前述したような構成を有するこの例の偏光デュオバイナリ光伝送装置の動作は、次のようである。

図３及び図４を参照すると、図４の（ａ）に示すような２−レベルのＮＲＺデータが２つの信号に分割された後、分割された信号のうち１つは、変調器駆動増幅器１０２を経て光強度変調器１０３の駆動信号として印加され、他の１つは、差動符号化器１０４に印加される。光源１０１からの連続性光は、光強度変調器１０３に印加され、変調器駆動増幅器１０２から印加された電気信号に従って、そのビットを表した光強度信号に変換される。一方、差動符号化器１０４に印加された２−レベルのＮＲＺデータは、図４の（ｂ）のように符号化された後、半ビット遅延素子１０５に印加される（図４の（ｃ））。半ビット遅延素子１０５及び変調器駆動増幅器１０６を通過した信号のピークツウピーク（peak−to−peak）値が偏光変調器１０７のＶ_π（偏光変調器１０７内の位相変調部分において位相を１８０度変調するために要求される電圧）になるように調整された場合、前記信号の‘＋１’レベル及び‘０’レベル信号は、偏光変調器１０７によって相互直交成分を有する光信号に変調される。図４の（ｄ）は、偏光変調器１７０を通過した光信号を示し、当該光信号の‘１’ビットが相互直交成分を有する光信号から構成されているので、偏光デュオバイナリ信号を得ることができる。

図５は、本発明の第２実施形態による偏光デュオバイナリ光伝送装置の構成を示し、図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、図５の各ノードＡ、Ｂ、Ｃ及びＤにおける信号形態を示す。

図５を参照すると、本例の偏光デュオバイナリ光伝送装置は、連続性（continuous wave）光を発生する光源２０１、その連続性光を入力電気信号に従って光強度信号に変換する光強度変調器２０３、前記入力電気信号を符号化する差動符号化器２０４、符号化された２−レベルの電気信号を３−レベル信号に変換するデュオバイナリフィルタ２０６、及び３−レベル信号に変換された電気信号を利用することによって前記光強度変調された信号を偏光変調する偏光変調器２０７から構成される。さらに、偏光デュオバイナリ光伝送装置は、光強度変調器及びデュオバイナリフィルタの駆動信号を出力する変調器駆動増幅器２０２及び２０５を備える。本実施形態と前記第１実施形態との構成の差は、第１実施形態の半ビット遅延する電気素子の代わりに、デュオバイナリフィルタ２０６を備える点である。本実施形態の説明においては、重複記載を避けるために前記差のみに関して説明する。

デュオバイナリフィルタ２０６は、データ伝送速度の１／４（〜０.２５×伝送速度）の帯域幅を有するローパスフィルタであり、印加された２−レベル信号を３つの論理的レベル＋１、０、−１を有する３−レベル信号に変換する。

前述したような構成を有する本発明の第２実施形態による偏光デュオバイナリ光伝送装置の動作は、以下のようである。

図５及び図６を参照すると、図６の（ａ）に示すような２−レベルのＮＲＺデータは、２つの信号に分割された後、その分割された信号のうち１つは、変調器駆動増幅器２０２を経て光強度変調器２０３の駆動信号として印加され、他の１つは、差動符号化器２０４に印加される。光源２０１からの連続性光は、光強度変調器２０３に印加され、変調器駆動増幅器２０２から印加された電気信号に従って、そのビットを表した光強度信号に変換される。一方、差動符号化器２０４に印加された２−レベルのＮＲＺデータは、図６の（ｂ）のように符号化された後、変調器駆動増幅器２０５を経てデュオバイナリフィルタ２０６に印加される。デュオバイナリフィルタ２０６は、データ伝送速度（Hz）の１／４（〜０．２５×伝送速度）の帯域幅を有するローパスフィルタであり、印加されたバイナリ信号を３つの論理的レベル＋１、０、−１を有するデュオバイナリ信号に変換する。従って、２−レベル信号（図６の（ｂ））は、デュオバイナリフィルタ２０６を通過して３−レベル信号に変換される（図６の（ｃ））。デュオバイナリフィルタ２０６を通過した３−レベル信号のピークツウピーク（peak−to−peak）値が偏光変調器２０７のＶ_π（偏光変調器内の位相変調部分において位相を１８０度変調するために要求される電圧）になるように調整された場合、デュオバイナリフィルタ２０６を通過したデュオバイナリ電気信号の＋１レベル及び−１レベル信号は、偏光変調器２０７によって相互直交成分を有する光信号に変調される。図６の（ｄ）は、偏光変調器を通過した光信号を示し、該光信号の‘１’ビットが相互直交成分を有する光信号から構成されているので、偏光デュオバイナリ信号を得ることができる。

図７は、本発明の第３実施形態による偏光デュオバイナリ光伝送装置の構成を示し、本実施形態は、マッハツェンダ干渉計を利用した例を示す。

図７を参照すると、本発明の偏光デュオバイナリ光伝送装置は、光源３０１、差動符号化器３０２、駆動増幅器３０３、デュオバイナリフィルタ３０４、及び光変調部３１０から構成される。

光源３０１は、連続性光を発生し、レーザダイオード（LD）で具現することができる。

差動符号化器３０２は、入力される２−レベルのＮＲＺデータを符号化し、光パワー分割器、１ビット遅延器及び光パワー結合器（power combiner）で具現することができる。

デュオバイナリフィルタ３０４は、データ伝送速度の１／４（〜０．２５×伝送速度）の帯域幅を有するローパスフィルタであり、印加された２−レベル信号を３つの論理的レベル＋１、０、−１を有する３−レベル信号に変換する。

光変調部３１０は、偏光器３１１、マッハツェンダ（Mach−Zehnder）変調器３１２、及びファラデー回転子（Faraday rotator）３１３を備える。

マッハツェンダ変調器３１２は、２つの電極（dual arm）を有するＺ−カット（cut）構造であり、光通信において光変調器として通常使用されるＬｉＮｂＯ_３またはポリマーで具現することができる。

偏光器３１１は、マッハツェンダ変調器３１２の電界−光学効果（electro−optic effect）軸に対して４５度傾き、図７に示すように、ＬｉＮｂＯ_３またはポリマー導波管（waveguide）内に挿入することもでき、または、外部に別途に配置することもできる。

以下、前述したような構成を有する偏光デュオバイナリ光伝送装置の動作を図７ないし図９を参照して説明する。図８は、ポアンカレ（Poincare）球面において信号の偏光状態を示し、図９は、図７の光伝送装置による出力光の波形を示す。

図７を参照すると、レーザダイオード３０１からの連続性光は、偏光器３１１を経てマッハツェンダ干渉計３１２に入射される。マッハツェンダ干渉計３１２に入射された連続性光は、Ｙ−ブランチ（Y−branch）Ｙ１において分割され、上部電極（upper arm）３１２−１及び下部電極（lower arm）３１２−２に進行する。まず、上部電極３１２−１に進行する光は、電界−光学効果によって偏光変調される。この偏光変調のために上部電極３１２−１に印加される電気信号は、３−レベルのデュオバイナリ信号である。該３−レベルのデュオバイナリ信号は、差動符号化器３０２、駆動増幅器３０３、デュオバイナリフィルタ３０４を通じて生成される。上部電極３１２−１に振幅Ｖ_π（偏光変調器内の位相変調部分において位相が１８０度変調されるために要求される電圧）であるデュオバイナリ信号を印加する場合、３−レベルのデュオバイナリ信号は、図８に示すようにＳx、Ｓi、Ｓyの３つの偏光状態を有するデュオバイナリ偏光変調された信号（duobinary polarization−shift keying）に変換される。ここで、Ｓx及びＳyは、直交偏光成分を有する。

一方、下部電極３１２−２に入射された光は、ファラデー回転子３１３によって偏光軸が導波管の電界−光学効果軸に一致させられた後、下部電極３１２−２が位置した導波管を進行する。下部電極３１２−２は、マッハツェンダ干渉計３１２のバイアス（図７のphase bias）を最小点（null point）に調整する。上部電極３１２−１及び下部電極３１２−２を進行した光は、Ｙ−ブランチＹ２においてまた合成される。一般的に、異なる経路を経た２つの光の結合は、光の相対的な偏光、強度、及び位相状態によって特徴付けられる。例えば、Ｙ−ブランチが理想的な５０：５０分岐／結合器であると仮定すると、異なる経路を経た光の強度は同一であるので、結合された光の性質は、２つの光の偏光及び位相状態によって決定される。上部電極３１２−２にＤＣバイアスを印加することによってＳiの偏光状態をマッハツェンダ干渉計の電界−光学効果軸に一致させる場合（つまり、上部電極を経たＳi偏光状態が下部電極の偏光状態と同一であることを意味）、上部電極３１２−１を経たＳi偏光を有する光は、Ｙ−ブランチ（Ｙ２）において結合される時、相殺干渉が発生する。これは、下部電極３１２−２の位相バイアスが、上部電極３１２−１と下部電極３１２−２との間の光の相殺干渉を発生するように調整されるからである。一方、上部電極３１２−１のＳxまたはＳyの偏光を有する光は、Ｓi偏光状態である下部電極３１２−２と結合するが、この場合、２つの光の偏光状態が異なるので、相殺干渉が発生しない。従って、上部電極３１２−１に印加される信号がＳi偏光を生成する時は、相殺干渉が発生し、そうでない状態（つまり、Ｓx及びＳy）では、相殺干渉が発生しないので、図９に示すような偏光デュオバイナリ信号が生成される。しかしながら、Ｓx及びＳyが直交偏光である場合、光変調器の出力偏光は、直交偏光関係でない、相互４５度傾いた偏光関係を有する。

以上、本発明を具体的な実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明の範囲は前述の一実施形態によって限られるべきではなく、本発明の範囲内で様々な変形が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである

偏光デュオバイナリ信号の出力特性を示す図である。 従来の偏光デュオバイナリ光送信器の例を示す図である。 本発明の第１実施形態による偏光デュオバイナリ光伝送装置の構成を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図３の各ノードＡ、Ｂ、Ｃ及びＤにおける信号形態を示す図である。 本発明の第２実施形態による偏光デュオバイナリ光伝送装置の構成を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図５の各ノードＡ、Ｂ、Ｃ及びＤにおける信号形態を示す図である。 本発明の第３実施形態による偏光デュオバイナリ光伝送装置の構成を示す図である。 ポアンカレ（Poincare）球面において信号の偏光状態を示す図である。 図７の光伝送装置による出力光の波形を示す図である。

符号の説明

１０１ 光源
１０２，１０６ 変調器駆動増幅器
１０３ 光強度変調器
１０４ 差動符号化器
１０５ 半ビット遅延素子
１０７ 偏光変調器
２０１ 光源
２０２，２０５ 変調器駆動増幅器
２０３ 光強度変調器
２０４ 差動符号化器
２０６ デュオバイナリフィルタ
２０７ 偏光変調器
３０１ 光源
３０２ 差動符号化器
３０３ 駆動増幅器
３０４ デュオバイナリフィルタ
３１０ 光変調部
３１１ 偏光器
３１２ マッハツェンダ変調器
３１３ ファラデー回転子

Claims (4)

1. 入力電気信号を符号化する差動符号化器と、
   前記符号化された２−レベルの電気信号を３−レベル信号に変換するデュオバイナリフィルタと、
   連続性光を発生する光源と、
   前記連続性光の偏光を調節する偏光器と、
   前記偏光器から出力された光を２つの電極に分岐して受信し、該電極の一方では前記デュオバイナリフィルタから入力された３−レベルのデュオバイナリ信号に従って偏光変調すると共に前記電極の他方では位相調整するマッハツェンダ変調器と、
   前記マッハツェンダ変調器の他方の電極に入射される光の偏光軸を前記マッハツェンダ変調器の電界−光学効果軸に一致させるファラデー回転子と、から構成されることを特徴とする偏光デュオバイナリ光伝送装置。
2. 前記デュオバイナリフィルタを駆動するための駆動増幅器をさらに備える請求項１に記載の偏光デュオバイナリ光伝送装置。
3. 前記偏光器は、マッハツェンダ光変調器の電界−光学効果軸に対して４５度程度の角度傾くものである請求項１に記載の偏光デュオバイナリ光伝送装置。
4. 前記デュオバイナリフィルタは、入力電気信号の帯域幅より小さい帯域幅を有するローパスフィルタから構成される請求項１に記載の偏光デュオバイナリ光伝送装置。
   

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