JP4091956B2

JP4091956B2 - 巻き戻し動作が不要な、リセットフリーかつエンドレス偏波制御のための偏波モード分散補償器およびその方法

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Publication number: JP4091956B2
Application number: JP2005503849A
Authority: JP
Inventors: シーラスムッセン，イエンス; 章彦磯村
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2008-05-28
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Description

本発明は、光の偏波状態を制御する方法に関する。本発明は、特に、任意の変化する偏波から静的偏波へのエンドレス変換、またはその逆のエンドレス変換を提供する制御方法、任意の変化する偏波から任意の変化する偏波への一般変換のための制御方法、およびこれらの制御方法を実装する偏波モード分散補償器に関する。

光伝送システムのビットレートが高ければ高いほど、光ファイバの一定量の偏波モード分散が伝送される信号をより大きく歪ませる。
偏波モード分散により、いわゆるシングルモードファイバ内の２つのモードは異なる速度で伝搬する。初期パルスはそのエネルギーを２つのモードに分配する。それらの２つのモードには伝搬中に群遅延時間差が生じる。これは、ファイバの終端におけるパルスの拡がりをもたらす。２つのモード間の群遅延時間差がビット持続時間のオーダになればなるほど、隣接するパルスはより大きく重複することになり、少なくともビット誤り率の増加をもたらし、あるいはパルスの識別を不可能にすることさえある。偏波モード分散は、内部複屈折（例えば、ファイバコア構造の不規則性）または外的要因により誘発された複屈折（例えば、曲げ、絞り等）によるものである。大規模なシングルモードファイバでは、ランダムに変化する場所において、例えば、温度のような環境変化によりランダムに変動する強度で偏波モード結合が発生するため、偏波モード分散そのものが時間とともに変化する。主偏波状態間の瞬時の群遅延時間差がマクスウェルの確率分布関数に従うことは周知である。マクスウェル分布する瞬時の群遅延時間差の平均値は、ファイバの平均群遅延時間差または偏波モード分散値（ＰＭＤ）として知られている。強い偏波モード結合を持つ大規模なシングルモードファイバの偏波モード分散値は、ファイバ長の平方根に比例する。

偏波モード分散による信号の歪みを緩和するために、ファイバに近い量の逆符号の群遅延時間差をもたらす光学素子をファイバの終端に設置してもよい。大規模な光ファイバにおける瞬時の群遅延時間差および主偏波状態のランダムな性質のため、偏波モード分散を補償するために用いられる光学素子を、一時的なファイバ状態に対して適応的に調整しなければならない。したがって、閉ループ設計の偏波モード分散補償器は、図１に示すように、
１．偏波変換器
２．ＰＭＤ補償光学素子（適応光学系）
３．歪みアナライザ
４．制御ロジック
からなる。

図１において、歪みアナライザ１４は、光ファイバの一時的な偏波モード分散状態に最も良く一致するように偏波変換器１１および適応光学系１２を適応的に調整するために、制御ロジック１３に対して信号歪みの指標を提供する。

例えば、スペクトルホールバーニング（ＳＨＢ）、直接アイオープニング解析等のような方法に加えて、偏光度（ＤＯＰ）を偏波モード分散による信号歪みの解析に用いることができる。当業者にとって、スペクトル幅に反比例するコヒーレンス長が群遅延時間差のオーダであれば、光ビームが劣化することは周知である。群遅延時間差がコヒーレンス長に比べて大きくなればなるほど、ビームはより大きく劣化し、その偏光度はより大きく減少する。このような周知の物理的効果はそのまま、偏波モード分散補償器の光学素子を適応的に制御するフィードバック信号として用いることができる。ファイバの異方性による光信号の偏波解消を信号スペクトル（帯域幅、形状）、群遅延時間差、および入力偏波状態の関数として導出する方法は、非特許文献１に示されている。

スペクトルホールバーニング、アイオープニングの直接計測、あるいはビット誤り率検出に比べて、偏光度を適応偏波モード分散補償のフィードバック信号として用いる方法の利点は、次の通りである。
１．ビットレートに無関係
２．任意の変調方式に対して変更することなく適用可能
３．偏光度は偏波モード分散のみによる信号歪みの良好な指標を提供するという具合に、波長分散の影響を受けない
図２は、非ゼロ復帰（ＮＲＺ）方式にて４８Ｇｂｉｔ／ｓのビットレートで変調された伝送信号の偏光度およびＱペナルティを、瞬時の群遅延時間差の関数として示している。ここで、Ｑペナルティは次のように定義される。

図２では、参考のため、２４ＧＨｚ（ビットレートの半分）のスペクトル成分のパワーも瞬時の群遅延時間差の関数として示されている。ビットレートの半分のスペクトル成分は、瞬時の群時間差に対して最も強い依存性を示すことが判明している。

瞬時の群遅延時間差がなくなったときに唯一の極大値を取る偏光度とは反対に、２４ＧＨｚのスペクトル成分は周期的な振る舞いを示している。したがって、瞬時の群遅延時間差がビット持続時間を超えると予想される場合には、曖昧さを避けるために、少なくとももう１つのスペクトル成分、すなわち１２ＧＨｚ（ビットレートの４分の１）を付加的にテストしなければならない。

小さな群遅延時間差の値に対する偏光度と、２４ＧＨｚ（ビットレートの半分）、１２ＧＨｚ（ビットレートの４分の１）、および６ＧＨｚ（ビットレートの８分の１）のスペクトル成分のパワーの詳細を図３に示す。

図４は、任意の変化する入力偏波から任意の変化する出力偏波への一般偏波変換を実現する偏波変換器の一構成を示している。この構成は、０°、４５°、０°、および４５°の傾きの固定された固有軸をそれぞれ有する４つの可変遅延器４１、４２、４３、および４４からなる。入力光４５は、これらの遅延器を通過し、出力光４６として出力される。

これらの遅延器の各々が４πの調整レンジを持つものとすると、任意の変化する入力偏波から任意の変化する出力偏波への偏波変換が可能になる。しかし、これらの遅延器の１つが調整限界に達する、すなわち、所望の変換のために、与えられたレンジを超える調整を行わなければならなくなると、巻き戻し動作が必要になる。巻き戻し動作中には、残りの３つの遅延器に偏波制御を引き継がせながら、限界に達した遅延器を調整限界から遠い状態に連続的に戻す必要がある。この種の動作には処理時間がかかり、偏波変動に対する応答速度を低下させる。もし、高速変動が起こると思われる状況で巻き戻し動作が必要になると、処理速度の制限のために偏波制御は不可能になるかも知れない。このため、原理的に巻き戻し動作が不要な偏波変換装置を実現することが望ましい。

巻き戻し動作が不要な、任意の変化する入力偏波から任意の変化する出力偏波への一般偏波変換を実現するために、幾つかの構成が挙げられる（例えば、非特許文献２を参照）。

図５は、このような一般偏波変換を実現する一構成を示している。この構成は、自由に回転可能なλ／４、λ／２、およびλ／４波長板５１、５２、および５３からなり、これらの波長板がπ／２、π、およびπ／２の位相シフトを生じさせる１つの、そしてただ１つの特定波長に対して、エンドレス偏波変換を提供することが知られている。入力光５４は、これらの波長板を通過し、出力光５５として出力される。

正確な位相シフトの厳しい要請から、この構成の使用可能性は微小な波長レンジのみに限定される。要求される構造からはさらなる制限が生じ、この構成を非常に低速なものにする。

ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃ ）基材上の偏波変換デバイスを実現する基本構造は、図６に示すようなものである。これは、ＬｉＮｂＯ₃ 基材６５、導波路６４、バッファ層６６、および３つの電極６１、６２、６３からなる。光信号は、導波路を通過する。

中央の電極６２を接地し、正または負の電圧を外側の電極６１および６３に印加することにより、導波路内に水平方向の電界が発生する（ｘ方向）。逆符号の電圧を外側の電極６１および６３に印加することにより、導波路内に垂直方向の電界が発生する（ｙ方向）。ｘカット、ｚ伝搬のＬｉＮｂＯ₃ 基材では、これらの電界が電気光学係数ｒ₁₂上の屈折率を変化させる。

デバイス特性を記述する３つの電圧を以下のように定義する。
・Ｖ_biasは、内部複屈折がキャンセルされる電圧である。
・Ｖ₀ は、全横電気−横磁気（ＴＥ−ＴＭ）モード変換が起こる電圧である。
・

は、ＴＥモードとＴＭモードの間で１８０度の位相シフトが生じる電圧である。
このとき、回転角θ／２のエンドレスに回転可能な１／ｎ波長板として振る舞うように、デバイスを制御することができる。これを達成するため、電極６１に印加される電圧Ｖ₁および電極６３に印加される電圧Ｖ₃を、次のように計算する。

この計算により、理論的には、エンドレスに回転可能な波長板のような動作が保証される。周期的な形式で電圧を印加するため、制御限界に達することはない。したがって、巻き戻し動作は不要である。エンドレスに回転可能な波長板としての動作を保証するために必要となるのは、Ｖ_bias、Ｖ₀ 、および

によるデバイス特性の知識である。
これらの電圧は計測により取得可能であるが、変化を受けやすい。実際のところ、これらの電圧は温度および波長に依存するだけではない。このようなデバイスへの直流（ＤＣ）電圧の印加により起こるドリフトのために、デバイス特性は変化する。特に、電圧Ｖ_biasは、ＤＣドリフトによる変化を受けやすい。時間とともに、Ｖ_bias、Ｖ₀ 、および

により記述されるデバイス特性は変化する。このため、計測から導出された初期電圧の集合は無効となり、エンドレスに回転可能な波長板のようなデバイスの動作は、もはや不可能である。

通常動作中のデバイスの特性を導出可能な方法が見つかれば、図６に示した基本構造を用いて、任意の変化する入力偏波を任意の変化する出力偏波へ変換する主要機能を持った偏波変換器を実現することができる。このようなデバイスを図７に示す。このデバイスは、ＬｉＮｂＯ₃ 基材８１、導波路８０、および３つの電極区間からなる。第１、第２、および第３の区間は、電極７１乃至７３、７４乃至７６、および７７乃至７９をそれぞれ含む。すべての中央電極７２、７５、および７８を接地し、電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ 、Ｖ₄ 、Ｖ₅ 、およびＶ₆を、

の形で外側の電極７１、７３、７４、７６、７７、および７９にそれぞれ印加することにより、それぞれ角度α、β、およびγの傾きの、自由に回転可能なλ／４、λ／２、およびλ／４波長板のように、全構造が動作する。特性電圧Ｖ_bias、Ｖ₀ 、および

は、３つの区間の各々に対して異なっていてもよい。
以下に、従来の偏波制御の問題点をまとめることにする。
重要なのは、高速な光遠隔通信システムにおける偏波モード分散（ＰＭＤ）の適応補償に対して偏波制御を適用することである。ＰＭＤが伝送中に光パルスの拡がりを引き起こすことは周知である。光ファイバ内の２つの偏波モードには、パルスの拡がりとして顕在化する群遅延時間差が生じる。ＰＭＤを補償するためには、群遅延時間差（ＤＧＤ）素子を後段に持つ偏波コントローラ（偏波変換器）を用いることができる。この場合、オルトバナジウム酸イットリウム（ＹＶＯ₄）、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）等のような複屈折結晶や、偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）が、ＤＧＤ素子として用いられる。ＰＭＤを補償するには、ＤＧＤ素子の高速固有軸を変換して伝送システムの低速出力主偏波状態（ＰＳＰ）に一致させるように、偏波コントローラを調整しなければならない。この場合、伝送ファイバのＤＧＤは、偏波コントローラに続くＤＧＤ素子により生成されるＤＧＤの量だけ減少する。また、２番目の方法では、ＤＧＤ素子の固有軸を適切に変換することで伝送ファイバの入力ＰＳＰを送信光信号の偏波状態に一致させるように、偏波コントローラを調整しなければならない。いずれの方法を用いた場合も、環境の影響による伝送ファイバのＰＳＰの任意変化に追随するために、ＤＧＤ素子の線形固有軸のエンドレス変換を行う機能が必要になる。

上述したように、エンドレスかつリセットフリー偏波制御は、２種類の方法に大別できる。
１．巻き戻し動作が必要なもの
２．巻き戻し動作が不要なもの
巻き戻し動作が必要なデバイスは、例えば、４πの遅延調整レンジを有する、０°、４５°、０°、および４５°の傾きの４つの遅延器からなる。この場合、ファイバスクイーザ、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）、液晶（ＬＣ）、またはファラデー回転子が遅延器として用いられる。動作中に、これらの遅延器の１つが制御限界に達すると、巻き戻さなければならなくなる。この巻き戻し動作は、要求される動作が任意の変化する偏波状態を静的偏波に変換すること、またはその逆である場合には、上述したデバイスに対して常に可能である。しかし、巻き戻しには処理時間がかかり、高速変動が起こったり、任意の変化する偏波から任意の変化する偏波への変換が用途上要求されたりすると、巻き戻しは失敗するかも知れない。

巻き戻し動作が不要なデバイスは、例えば、エンドレスに回転可能な１／４、１／２、および１／４波長板の組み合わせからなる。正しい動作を保証するには、波長板の遅延量が正確である必要がある。結果として、このデバイスは、非常に限られた波長レンジに対してのみ適用可能となる。さらに、要求される構造のため、低速な方法となる。高速な方法は、０°、４５°、０°、４５°、および０°の傾きの５つの可変遅延器、または３電極構造のＬｉＮｂＯ₃ ベースのデバイスからなるデバイスによる方法である。このようなデバイスは、デバイスの性質（印加された制御信号によるデバイス特性の変化）が周知である場合に、そしてその場合に限って、おおむねエンドレスかつリセットフリーな動作を可能にする。キャリブレーションは可能であるが、静的環境において短時間のみ適用可能である（温度依存性、ＤＣドリフト、経年変化等）。この種の問題は、他の特許文献においても論じられている（例えば、特許文献１、２、および３を参照）。

巻き戻し動作が不要な偏波コントローラは、おおむね最も高速かつ最も信頼性の高い偏波制御方法を提供するため、信頼性のある所望の変換機能を常に提供するように構成され、制御されるデバイスであれば、特に関心を引く。デバイスの用途には、高速偏波制御（安定化）および高速ＰＭＤ補償が含まれる。
Jun-ichi Sakai, Susumu Machida, Tatsuya Kimura, "Degree of Polarization in Anisotropic Single-Mode Optical Fibers: Theory", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-18, No. 4, pp. 488-495, 1982 N. G. Walker and G. R. Walker, "Polarization control for coherent communications", Journal of Lightwave Technology, Vol. 8, No. 3, pp. 438-458, 1990 特表２００２−５３２７５２号公報（国際公開第ＷＯ００／３６４５９号）特開２００１−２４４８９６号公報特開２００２−０３３７０１号公報

本発明の課題は、環境変化および時間とともに変化するデバイス特性の問題を克服する偏波制御方法と、そのような方法を実装した偏波モード分散補償器を提供することである。

本発明の第１の局面において、偏波モード分散補償器は、偏波変換器、補償光学部、歪みアナライザ、および制御回路を備える。偏波変換器は、入力光信号の偏波を変換し、補償光学部は、入力光信号の偏波モード分散を補償して、出力光信号を出力する。歪みアナライザは、出力光信号の偏波状態および歪みを計測し、計測された偏波状態および歪みを表すフィードバック信号を生成する。制御回路は、そのフィードバック信号に基づいて、歪みが計測される複数の目標偏波状態が後続動作における出力光信号内で実現されるように偏波変換器を調整する、制御信号を生成する。

本発明の第２の局面において、歪みアナライザは、歪み情報として出力光信号の偏光度を計測する。そして、制御回路は、偏波空間における実際の状態の周辺で最大偏光度の状態を探索することでそれらの目標偏波状態の中から最適状態が見つけられるように偏波変換器を調整する、制御信号を生成する。

本発明の第３の局面において、歪みアナライザは、歪み情報として出力光信号の偏光度を計測する。そして、制御回路は、計測された偏波状態および偏光度を記録し、偏波の変化から、偏波空間においてそれらの目標偏波状態が互いに均等に分離し、かつ、実際の状態から均等に離れるように偏波変換器を調整する、制御信号を計算する。

本発明の第４の局面において、歪みアナライザは、歪み情報として出力光信号の偏光度を計測する。そして、制御回路は、計測された偏波状態および偏光度を記録し、偏波の変化から、偏波空間においてそれらの目標偏波状態が互いに不均等に分離し、かつ、実際の状態から不均等に離れるように偏波変換器を調整する、制御信号を計算し、偏波空間における各目標偏波状態と実際の状態の間の距離を用いてそれらの目標偏波状態における計測された偏光度を重み付けする。

本発明の第５の局面において、制御回路は、それらの目標偏波状態の一部が実現されない場合に偏波変換器の変化するデバイス特性を認識し、偏波変換器のデバイス特性を記述する電圧を再計算して計算された電圧を偏波変換器に印加する制御信号を生成することで、偏波変換器をエンドレスに回転可能な波長板のように動作させる、という対策をとる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
環境変化および時間とともに変化するデバイス特性の問題を克服するために、ＰＭＤ補償器を効果的に実現する上でフィードバックのためにとにかく用いられる、偏光計により供給される情報を用いた方法を採用する。この方法を制御のタイミングに組み入れれば、処理時間の増加やより洗練された制御ロジックの必要性を回避しつつ、それを適用することが可能になる。

偏波モード分散による信号歪みの指標としての偏光度（ＤＯＰ）は、ＰＭＤ補償器の制御に用いることができるが、偏波変換器の変化する特性を補償するためには、偏波状態、特に、偏波変換器に印加される制御信号の変化に伴う偏波状態の変化に関する付加情報を用いることが効果的である。以下では、変化するデバイス特性に対して耐性のある制御アルゴリズムの効果的な実現のために、ＤＯＰをフィードバック信号として適応偏波モード分散補償器（ＰＭＤＣ）に印加するとともに偏波状態に関する付加情報を用いる、様々な方法について説明する。

最初にＰＭＤＣが最適状態にある、すなわち、ＰＭＤによる歪みを補償光学系の能力の最大限で補償していると仮定すると、この最適状態は最大化されたＤＯＰに対応する。さらに、偏光計により計測された偏波状態は既知である。この偏波状態は、方位角θおよび楕円率εの２つの変数（角度）により完全に記述される。ＰＭＤＣの前方の伝送範囲におけるＰＭＤ状態が変化すると、ＤＯＰおよび偏波状態の両方が変化する。そのとき、もはやＰＭＤＣは最適状態にはない。新たな最適状態、すなわち、偏波変換器および補償光学系に印加すべき制御信号を見つけるためには、ＰＭＤＣは、前の最適状態の周辺でＤＯＰをテストしなければならない。このテストは、わずかに変更した制御信号を印加しながら、ＤＯＰを増大させるような変更を探索することで、遂行できる。この単純なアプローチを実際のシステムで用いる場合、２つの問題が発生する。
１．偏波変換デバイスの変化するデバイス特性のために、ＰＭＤＣをその最適状態に調整するのに必要な変換が可能であることは保証されない。さらに悪いことに、ＤＯＰを信号歪みの指標として用いて制御ロジックにフィードバックを供給するだけでは、必要な変換が実行できない状況を識別することさえ不可能である。この問題は、ＰＭＤ補償デバイスに対するフィードバック信号としてＤＯＰを用いた場合に限られない。スペクトルホールバーニング、アイオープニング計測、またはビット誤り率のような他のフィードバック方法にも当てはまる。これらの方法はすべて、歪みの指標を提供するのみである。
２．制御信号を所定ステップだけ変更することは、ＰＭＤＣが補償状態をはっきりと異なるステップだけ変化させることを意味するわけではない。実際には、伝送範囲のＰＭＤ状態とＰＭＤＣの状態とに依存して、１つの制御信号の変化はＰＭＤＣの補償状態に対して微小変化のみをもたらす。１つの制御信号のいかなる変化もＰＭＤＣの補償状態に対してまったく変化をもたらさない、といった状況さえ起こり得る。例えば、このような状況は、変換すべき偏波が偏波変換デバイスの１つの区間の固有軸に近い場合に起こる。

１および２に伴う問題を克服するため、ＰＭＤＣの偏波変換デバイスを以下の記述に従って制御する。最初に、最大ＤＯＰを見つけることにより、ＰＭＤを補償光学系の能力の最大限で補償するような状態にＰＭＤＣを設定する。この設定は、偏光計により計測される偏波がポアンカレ球全体（−４５°≦楕円率ε≦４５°，−９０°≦方位角θ≦９０°）を覆うように偏波変換デバイスを調整して、ＤＯＰ値を計算することにより、行われる。得られたＤＯＰ値対方位角および楕円率の２次元マップから、ＤＯＰの大域的最大値が分かる。ＰＭＤＣの偏波変換器は、この最大ＤＯＰ値に対応する状態に設定される。補償光学系が付加的な調整機能、すなわち、付加された自由度を持つ場合は、大域的最適値を見つけるために２次元ＤＯＰマップを取得しながら、制御パラメータを連続的に変更することができる。大域的最適値を見つけるための上述した動作は、ＰＭＤＣのスイッチを入れたときにだけ許される。伝送システムの動作中は、ＰＭＤＣが大域的最大値を見つけるためにすべての可能な状態を走査することは、その動作が光信号に大きな歪みを生じさせるため、許されない。伝送システムの動作中には、ＰＭＤＣは、許容できない信号歪みを生じさせることなく、変化するＰＭＤ状態を追跡して最適状態を見つける必要がある。このとき、制御信号のディザリング（制御信号に小さな変更を加えること）は、最適状態を追跡する１つの方法となる。変化するデバイス特性（経年変化、温度等）により、実際の用途では上述した問題が発生する。これらの問題を克服するため、効果的な方法としては、制御信号の空間上ではなく、偏光計により計測される偏波の空間上で、偏波変換デバイスの状態の最適化を行う。

図８は、この効果的な方法を採用したＰＭＤＣの構成を示している。このＰＭＤＣは、偏波変換器８２、適応光学系８３、制御回路８４、および偏光計８５を備える。入力光８６は、偏波変換器８２および適応光学系８３を通過し、出力光８７として出力される。偏光計８５は、図１の歪みアナライザ１４に対応し、出力光８７の偏波状態および偏光度を計測してフィードバック信号を生成する。制御回路８４は、偏光計８５からのフィードバック信号を用いて、偏波変換器８２および適応光学系８３に対する制御信号を生成する。

ストークスベクトル

により偏波状態を記述すると、ＤＯＰは偏光パワーと全パワーの商として計算される。

このＰＭＤＣは、図９に示すフローチャートに従って動作する。まず、偏光計８５は、偏波空間の初期最適位置における初期ストークスベクトルおよびＤＯＰを計測する（ステップ９１）。ポアンカレ空間上の初期最適位置Ａ０の例を、図１０に示す。図１１は、角度θおよびεの２次元空間におけるＡ０の別の見方を示している。

制御回路８４は、ストークスベクトルがＡ０の周囲の円上になるように偏波変換器８２を駆動し、そのときのＤＯＰ値を記憶する（ステップ９２）。図１０および１１では、一例として、８つの目標位置Ａ１乃至Ａ８がＡ０の周囲の円上に配置されている。次に、制御回路８４は、すべての目標位置が実現されたか否かをチェックする（ステップ９３）。もし、それらの目標位置の１つが実現できなければ、制御回路８４は、偏波変換器８２のデバイス特性を変更して（ステップ９４）、ステップ９２以降の動作を繰り返す。図６に示したＬｉＮｂＯ₃ 基材上の偏波制御デバイスを用いた場合は、Ｖ_bias、Ｖ₀ 、および

を変更する制御信号が偏波変換器８２に出力される。すべての目標位置が実現できた場合、制御回路８４は、ストークスベクトルがそれらの目標位置に対するストークスベクトルの中で最大ＤＯＰを持つものとなるように偏波変換器８２を駆動し（ステップ９５）、その最大ＤＯＰの位置を新たな初期位置としてステップ９２以降の動作を繰り返す。Ａ１乃至Ａ８の中でＡ４が最大ＤＯＰを伴う場合は、図１２に示すように、この位置が新たな初期位置Ｂ０となり、新たな目標位置Ｂ１乃至Ｂ８が実現されることになる。

上述した制御によれば、初期最適状態から開始して、偏光計８５により計測される偏波が初期最適位置Ａ０の周囲の円上に配置されるように、偏波変換器８２に印加される制御信号が調整される。位置Ａ１乃至Ａ８の各々において計測されたＤＯＰ値から、新たな最適状態を指す方向が計算される。伝送システムのＰＭＤ状態が変化しなければ、Ａ１乃至Ａ８におけるすべてのＤＯＰ値が初期状態におけるＤＯＰ値より小さくなる。そこで、偏波変換器８２はこの初期状態に再設定され、その状態から初期偏波の周辺におけるＤＯＰ値の精査を再開する。ＰＭＤ状態が変化すると、Ａ１乃至Ａ８において計測されたＤＯＰ値の少なくとも１つが初期ＤＯＰ値より大きくなる。そこで、偏波変換器８２はこの新たな状態に調整され、その状態から新たな状態の周辺におけるＤＯＰ値の精査を再開する。上記ステップを何度も繰り返すことにより、ＰＭＤＣの偏波変換デバイスは、伝送システムの変化するＰＭＤ状態を追跡する。ＤＯＰ値が精査される、偏波空間において均等に分離した状態をもたらす制御信号を見つけるために、任意の初期制御信号の集合から制御が開始する。そして、制御信号と偏波状態の変化の両方が記録される。どんな制御信号がどんな偏波変化をもたらすかが分かっていれば、次のシーケンスにおいて偏波が均等分離の理想的条件により近づくように、次の制御信号の集合を計算することができる。この動作を何度も繰り返すことにより、ＤＯＰ値が計測される、均等に分離した状態を実現するために印加されるべき制御信号が、見つけられる。例えば、精査された偏波状態の次善最適集合は、図１３に示すようになる。ここでは、初期位置Ｃ０の周囲のＣ１乃至Ｃ８が実現され、Ｃ１の偏波のみが実際の偏波に対して理想的な距離にあることが分かる。それに続く状態は、より短い距離にある。アルゴリズムは、次の動作において、短い距離の偏波が実際の状態からより遠くに離れて配置されるように、知得された距離から新たな制御信号の集合を計算する。

偏波変換器８２のデバイス特性が変化した場合に起こると思われる状況を、図１４に示す。位置Ｄ０における実際の状態の周辺で、位置Ｄ１乃至Ｄ８における偏波が実現されるが、制御アルゴリズムは、デバイス記述電圧を用いて偏波変換器８２をエンドレスに回転可能な波長板のように動作させる制御を行っても、所望の偏波１４１に決して達することができない。このような状況になると、制御アルゴリズムは、すべての目標偏波が初期偏波の周囲の円上に再配置されるように、偏波変換器８２のデバイス特性を記述する電圧をわずかに変更する。これらの目標偏波は与えられている（初期状態の周囲の円上に配置されなければならない）ので、偏波変換器８２のデバイス特性を変更するような状況は、常に認識可能である。

図１５は、図８に示したＰＭＤＣの構成の具体例を示している。このＰＭＤＣは、偏波変換デバイス１５０１、偏波保持ファイバ１５０２（０°）、１５０４（９０°）、制御回路１５０５、可変遅延器１５０３（４５°）、ビームスプリッタ１５０６、遅延器１５０７（λ／４）、偏光子１５０８（０°）、１５０９（４５°）、１５１０（０°）、およびフォトダイオード１５１１乃至１５１４を備える。偏波変換デバイス１５０１および制御回路１５０５は、図８の偏波変換器８２および制御回路８４にそれぞれ対応する。偏波保持ファイバ１５０２、１５０４および可変遅延器１５０３は、図８の適応光学系８３に対応する。ビームスプリッタ１５０６、遅延器１５０７、偏光子１５０８、１５０９、１５１０、およびフォトダイオード１５１１乃至１５１４は、図８の偏光計８５を形成する。

偏波変換デバイス１５０１は、図７に示したＬｉＮｂＯ₃ 基材上の少なくとも３段または多段の３電極構造により実現される。適応光学系は、可変遅延器１５０３により分離された２区間の群遅延時間差生成素子１５０２および１５０４を備え、可変遅延器１５０３の固有軸は、それぞれの群遅延時間差生成素子の固有軸に対して４５°の傾きを持つ。より一般的には、適応光学系は、２つの隣接する群遅延時間差生成素子の各々の固有軸に対して４５°の傾きの固有軸を持つ、独立に制御可能な複数の可変遅延器により分離された、多数区間の群遅延時間差生成素子を備えることも可能である。フォトダイオード１５１１、１５１２、１５１３、および１５１４により検出される強度をそれぞれＩ₀、Ｉ₁、Ｉ₂、およびＩ₃と記すと、ストークスベクトル

は、次式により求められる。

上述した実施形態では目標位置が円上に配置されているが、提案する方法は、初期位置を円形に取り囲むことを目標とするストークスベクトルに限定されるものではない。円は最も実装しやすい形状であり、重み付けを必要としない。円以外の形状は、次の初期位置の決定にあたって重み付けを必要とする。例えば、目標位置を配置する形状として楕円を用いることも可能である。重み付けは、位置Ａ１乃至Ａ８におけるＤＯＰ値に初期位置Ａ０からの距離の逆数を乗算することで、行うことができる（しかし、これには限定されない）。この重み付けは、そうしなければ起こる可能性のある、小さな距離に対する小さなＤＯＰ変化の重要性を過小評価したための誤判定に対して、効果的な対策となる。

さらに、信号歪みを表す他の情報をフィードバック信号として用いることも可能である。図１６および図１７に例を示す。
図１６に示すＰＭＤＣは、偏波変換器１６０１、適応光学系１６０２、制御回路１６０３、偏光計１６０４、フォトダイオード１６０５、およびバンドパスフィルタ１６０６を備える。偏光計１６０４は、出力光の偏波状態（ストークスベクトル）を計測し、フィードバック信号を生成する。これは、初期位置の周囲の円上の複数の目標ＳＯＰが実現されたか否かを追跡するために必要である。フォトダイオード１６０５は、出力光を検出して、電気信号を生成し、バンドパスフィルタ１６０６は、次の初期位置の決定のためのフィードバック信号を生成する。バンドパスフィルタ１６０６の帯域は、Ｂ／ｎ（Ｂ：信号光のビットレート、ｎ＝２，４，６，．．．）の特定周波数成分が検出できるように決定される。制御回路１６０３は、偏光計１６０４およびバンドパスフィルタ１６０６からのフィードバック信号を用いて、偏波変換器１６０１および適応光学系１６０２に対する制御信号を生成する。

図１７に示すＰＭＤＣは、偏波変換器１７０１、適応光学系１７０２、制御回路１７０３、および偏光計１７０４を備える。受信部１７０５および前方誤り訂正（ＦＥＣ）部１７０６は、受信器側に設けられる。偏光計１７０４は、図１６に示した構成と同様に、出力光の偏波状態（ストークスベクトル）を計測し、フィードバック信号を生成する。前方誤り訂正部１７０６は、次の初期位置の決定のための情報として、エラーカウントのフィードバック信号を生成する。制御回路１７０３は、偏光計１７０４および前方誤り訂正部１７０６からのフィードバック信号を用いて、偏波変換器１７０１および適応光学系１７０２に対する制御信号を生成する。

以上詳細に説明したように、本発明によれば、環境変化および時間とともに変化する、ＰＭＤＣのデバイス特性に対して、耐性のある偏波制御が提供される。したがって、デバイス特性が変化する場合であっても、ＰＭＤＣをその最適状態に調整することが可能になる。

従来の偏波モード分散補償器の構成を示す図である。瞬時の群遅延時間差の関数としての偏光度、Ｑペナルティ、およびスペクトル成分を示す図である。瞬時の群遅延時間差の関数としての偏光度、Ｑペナルティ、およびスペクトル成分の詳細を示す図である。４つの可変遅延器からなる偏波変換器の構成を示す図である。３つの回転可能な波長板からなる偏波変換器の構成を示す図である。ＬｉＮｂＯ₃ 基材上の偏波変換器の基本構造を示す図である。任意の変化する入力偏波を任意の変化する出力偏波に変換する機能を持つ、ＬｉＮｂＯ₃ 基材上の偏波変換器の基本構造を示す図である。信号歪みの情報として偏光度を採用した偏波モード分散補償器の構成を示す図である。偏波モード分散補償器の動作のフローチャートである。ポアンカレ球上における最適状態の探索を示す図である。２次元偏波空間における最適状態の探索を示す図である。ポアンカレ球上における最適状態の別の探索を示す図である。２次元偏波空間における最適状態の別の探索を示す図である。所望の偏波に達することができない状況を示す図である。偏波モード分散補償器の構成の具体例を示す図である。信号歪みの検出にフォトダイオードおよびバンドパスフィルタを採用した偏波モード分散補償器の構成を示す図である。信号歪みの検出に前方誤り訂正部を採用した偏波モード分散補償器の構成を示す図である。

Claims

入力光信号の偏波を変換する偏波変換器と、
前記入力光信号の偏波モード分散を補償して、出力光信号を出力する補償光学部と、
前記出力光信号の偏波状態および偏光度を計測し、計測された偏波状態および偏光度を表すフィードバック信号を生成する偏光計と、
前記フィードバック信号に基づいて、前記偏光度が計測される複数の目標偏波状態が後続動作における出力光信号内で実現されるように前記偏波変換器を調整する、制御信号を生成する制御回路とを備え、
前記制御回路は、偏波空間における実際の状態の周辺で最大偏光度の状態を探索することで前記複数の目標偏波状態の中から最適状態が見つけられるように前記偏波変換器を調整するとともに、前記制御信号を生成し、前記計測された偏波状態および偏光度を記録し、偏波の変化から、前記偏波空間において前記複数の目標偏波状態が互いに均等に分離し、かつ、前記実際の状態から均等に離れるように前記偏波変換器を調整する、制御信号を計算することを特徴とする偏波モード分散補償器。
前記偏波変換器のデバイス動作がエンドレスに回転可能な波長板に相当するように制御電圧が印加される、ＬｉＮｂＯ₃ 基材上の多段の３電極構造により、該偏波変換器が実現されることを特徴とする請求項１記載の偏波モード分散補償器。
偏波保持ファイバおよび複屈折結晶のうちの一方によって一定量の群遅延時間差が生じるように、前記補償光学部が実現されることを特徴とする請求項１記載の偏波モード分散補償器。
前記補償光学部は、２つの隣接する群遅延時間差生成素子の各々の固有軸に対して４５度の角度の傾きの固有軸を持つ、少なくとも１つの独立に制御可能な可変遅延器により分離された、複数区間の群遅延時間差生成素子を備えることを特徴とする請求項１記載の偏波モード分散補償器。
前記複数の目標偏波状態はあらかじめ設定され、前記偏波空間において前記実際の状態の周囲の円上に所定の距離を置いて配置されることを特徴とする請求項１記載の偏波モード分散補償器。
前記制御回路は、前記複数の目標偏波状態の一部が実現されない場合に前記偏波変換器の変化するデバイス特性を認識し、該偏波変換器の該デバイス特性を記述する電圧を再計算して計算された電圧を該偏波変換器に印加する制御信号を生成することで、該偏波変換器をエンドレスに回転可能な波長板のように動作させる、という対策をとることを特徴とする請求項１記載の偏波モード分散補償器。
入力光信号の偏波を変換する偏波変換器と、
前記入力光信号の偏波モード分散を補償して、出力光信号を出力する補償光学部と、
前記出力光信号の偏波状態および歪みを計測し、計測された偏波状態および歪みを表すフィードバック信号を生成する歪みアナライザと、
前記フィードバック信号に基づいて、前記歪みが計測される複数の目標偏波状態が後続動作における出力光信号内で実現されるように前記偏波変換器を調整する、制御信号を生成する制御回路とを備え、
前記制御回路は、偏波空間における実際の状態の周辺で最大偏光度の状態を探索することで前記複数の目標偏波状態の中から最適状態が見つけられるように前記偏波変換器を調整するとともに、前記制御信号を生成し、前記計測された偏波状態および歪みを記録し、偏波の変化から、前記偏波空間において前記複数の目標偏波状態が互いに均等に分離し、かつ、前記実際の状態から均等に離れるように前記偏波変換器を調整する、制御信号を計算することを特徴とする偏波モード分散補償器。