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 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
・Vbias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。
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Vbiasは、DCドリフトによる変化を受けやすい。時間とともに、Vbias、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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
は、次式により求められる。
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。
Claims (7)
- 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。
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