JP4527396B2

JP4527396B2 - 適応制御可能な偏波モード分散補償器

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Publication number: JP4527396B2
Application number: JP2003526031A
Authority: JP
Inventors: シー．ラスムッセン，イエンス; 丈二石川
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2010-08-18
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Description

本発明は、伝送距離またはビットレートが伝送スパン（伝送線路）のＰＭＤにより制限される場合に、高速光信号に対するＰＭＤによる信号歪みへの対策として用いられる偏波モード分散（ＰＭＤ）補償器に関する。

より大容量の光伝送システムに対する需要が増大し続けている。１本の光ファイバを介して特定の時間内に伝送できるデータ量を増加させるには、主として２つの方法がある。１つは波長分割多重（ＷＤＭ）であり、もう１つは時分割多重（ＴＤＭ）である。

数テラｂｉｔ／ｓのオーダのデータレートを実現するには、ＴＤＭおよびＷＤＭの組み合わせを用いる必要がある。各チャネルが搬送するビットレートを増加させる一方でＷＤＭシステムのチャネル数を削減する方法には、いくつかの利点がある。過去のシステムは２．５Ｇｂｉｔ／ｓで動作していたが、現在のシステムはチャネル当たり１０Ｇｂｉｔ／ｓを利用しており、将来のシステムは４０Ｇｂｉｔ／ｓあるいはより高いデータレートで動作するものと思われる。

しかし、データレートの増大とともに、いわゆる偏波モード分散（ＰＭＤ）という現象が光ファイバの伝送距離を制限する物理的な性質となる。非ゼロ復帰（ＮＲＺ）変調方式を用いた場合、例えば、５ｐｓのＰＭＤ値は、４００ｐｓのビット持続時間を有する２．５Ｇｂｉｔ／ｓのデータレートの信号には影響しない。しかし、同じ５ｐｓのＰＭＤ値は、１０Ｇｂｉｔ／ｓ信号（ＮＲＺビット持続時間が１００ｐｓ）の場合には信号歪みに寄与する可能性があり、４０Ｇｂｉｔ／ｓ信号（ＮＲＺビット持続時間が２５ｐｓ）はかなり歪ませることになる。

さらに悪いことに、ＰＭＤは、シングルモードファイバの複屈折およびモード結合に対して環境的に依存する統計的な性質である。これは、瞬時の群遅延時間差（ＤＧＤ）が、ある確率で、ファイバの平均ＤＧＤ、すなわちＰＭＤよりはるかに大きく、または小さくなり得ることを意味する。瞬時のＤＧＤはマクスウェルの確率分布に従ったいわゆる１次ＰＭＤに一致し、ランダムモード結合による独自の統計分布に従う高次ＰＭＤが付加的に存在する。

それは、例えば、２次ＰＭＤ係数である、ＤＧＤスロープと主偏波状態（ＰＳＰ）の回転率である。当業者にとって、高次ＰＭＤのいくつかの定義が存在することは周知である。ここで強調したいのは、所望の伝送距離に渡って蓄積されたＰＭＤにより信号が許容できないほど大きな歪みを受けた場合、この種の信号劣化に対する対策として、活性的であり、かつ適応的に調整可能な補償方法が必要になるということである。

電気的補償スキームおよびハイブリッド光電補償スキームに加えて、全光学スキームが提唱されている。このうち、全光学補償スキームについて以下で説明する。
全補償スキームは、受信機側に歪み解析装置を必要とする。歪み解析装置は、信号の歪みが最小となるように補償装置のパラメータを適応的に調整する専用アルゴリズムを持つ制御ロジックに対して、フィードバックを行う。一般に、全光学１次ＰＭＤ補償スキームは、以下の３つのカテゴリに分類することができる。
１．送信機側に配置された偏波変換器
図１は、この種の補償器を含むシステムを示している。このシステムは、送信機１１（Ｔｘ）、偏波変換器１２（ＰＣ）、伝送スパン１３、受信機１４（Ｒｘ）、および歪みアナライザ１５を含んでいる。

このシステムでは、歪みアナライザ１５が伝送スパン１３上の光信号の歪みを解析し、偏波変換器１２にフィードバック信号を出力する。このフィードバック信号に従って、偏波変換器１２は、入力偏波状態を適応的に伝送スパン１３の２つの入力ＰＳＰの１つに合わせる（T. Ono, Y. Yano, L. D. Garrett, J. A. Nagel, M. J. Dickerson, and M. Cvijetic,“10 Gb/s PMD compensation filed experiment over 452 km using principal state transmission method,”OFC'99, paper PD44, 1999）。

補償器は、信号の偏波状態が伝送スパンの入力ＰＳＰの１つと揃っている場合、出力偏波状態が１次のオーダでは波長に依存しないという事実を利用している。これは、この発信条件の下で信号の歪みが最小となることを暗示している。
２．受信機側に配置された偏波変換器とそれに続く偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）
図２は、この種の補償器を含むシステムを示している。このシステムは、送信機１１、伝送スパン１３、受信機１４、偏波変換器２１、ＰＭＦ２２、および歪みアナライザ２３を含んでいる。偏波モード分散補償器（ＰＭＤＣ）は、偏波変換器２１およびＰＭＦ２２からなる。

このシステムでは、偏波変換器２１は、連結された伝送スパン１３およびＰＭＤＣの入力主偏波状態（ＰＳＰ）を入力偏波状態に合わせなければならない（C. Francia, F. B. Bruyere, J. P. Thiery, and D. Penninckx,“Simple dynamic polarisation mode dispersion compensator,”Electronics Letters, Vol. 35, No. 5, pp. 414-415, 1999; H. Ooi, Y. Akiyama, and G. Ishikawa,“Automatic polarization-mode dispersion compensation in 40-Gbit/s transmission,”OFC’99, paper WE5, pp. 86-88, 1999）。

この方法は、伝送スパンの瞬時のＤＧＤがＰＭＤＣのＰＭＦのＤＧＤより幾分小さな値よりも小さいうちは、良好な結果を提示する。伝送スパンの瞬時のＤＧＤがこの値を上回るか、あるいはＰＭＤＣのＰＭＦのＤＧＤ値を超えると、ＰＭＦの高速固有状態を伝送スパンの低速出力ＰＳＰに合わせた方がよくなる。ここで、固有状態とは媒体の特性を表すものであり、偏波状態とは光信号または光の特性を表すものである。

このような状況の下で、伝送スパンのＤＧＤが部分的に補償される。連結された伝送スパンおよびＰＭＤＣの残りのＤＧＤは、伝送スパンの瞬時のＤＧＤとＰＭＦのＤＧＤの差分である。
３．受信機側に配置された偏波変換器とそれに続く偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、可変群遅延時間差線路、および偏波ビームコンバイナ（ＰＢＣ）
図３は、この種の補償器を含むシステムを示している。このシステムは、送信機１１、伝送スパン１３、受信機１４、偏波変換器３１、ＰＢＳ３２、可変遅延器３３、ＰＢＣ３４、および歪みアナライザ３５を含んでいる。

このシステムでは、偏波変換器３１は、その高速偏波固有状態を適応的に伝送スパンの低速出力ＰＳＰに合わせ、さらにそのＤＧＤを伝送スパンの瞬時のＤＧＤに合わせなければならない（F. Heismann, D. A. Fishman, and D. L. Wilson,“Automatic compensation of first-order polarization mode dispersion in a 10Gb/s transmission system,”ECOC’98, pp. 529-530, 1998）。

ＰＭＤによる信号の歪みに対する対策となる、上述したすべてのスキームは、いわゆる１次ＰＭＤのみを補償している。それらは、ＤＧＤおよびＰＳＰが波長の関数であることを考慮していない。

図４、５、および６は、ＰＭＤがそれぞれ５、１０、および２０ｐｓのファイバにおけるＤＧＤの波長に対する典型的な関数を示している。図４、５、および６では、１５４５ｎｍと１５５５ｎｍの間の波長領域におけるＤＧＤの関数が示されている。図７、８、および９は、ＰＭＤがそれぞれ５、１０、および２０ｐｓのファイバにおけるＰＳＰの波長に対する典型的な変化を示している。図７、８、および９では、ポアンカレ球を用いて、１５４５ｎｍと１５５５ｎｍの間の０．０１ｎｍ刻みの波長λの領域におけるＰＳＰの変化が示されている。黒点は球の前面上の点を表し、白点は球の背面上の点を表す。提示されたＤＧＤおよびＰＳＰのグラフは、明瞭性の観点からシミュレーション結果を採用したものである。

変調された信号のスペクトル幅は無限に小さいわけではない。変調された信号の中心波長のスペクトル成分は、１次補償の後ではＰＭＤによる歪みを受けていないが、他のスペクトル成分はそれを受けている（C. D. Poole and R. E. Wagner,“Phenomenological approach to polarisation dispersion in long single-mode fibers,”Electronics Letters, Vol. 22, No. 19, pp. 1029-1030, 1986）。さらに悪いことに、受信機側に配置された図２および３の補償スキームは、中心波長におけるＤＧＤは補償するが、中心波長から離れたスペクトル成分に対しては付加的なＰＭＤを追加する。

いわゆる高次ＰＭＤをも補償するためには、補償スキームのＰＭＤ特性を逆転して伝送スパンのＰＭＤ特性に一致させなければならない（R. Noe, D. Sandel, M. Yoshida-Dierolf, S. Hinz, V. Mirvoda, A. Schopflin, C. Glingener, E. Gottwald, C. Scheerer, G. Fischer, T. Weyrauch, and W. Haase,“Polarization mode dispersion compensation at 10, 20, and 40 Gb/s with various optical equalizers,”Journal of Lightwave Technology, Vol. 17, No. 9, 1999）。

簡単に上述した１次補償スキームでは、信号の中心波長に対してこの条件が満たされるだけである。すべての、または少なくとも中心波長に近い信号のスペクトル成分に対して伝送スパンのＰＭＤ特性を一致させる方法により補償性能をさらに向上させるために、多段ＰＭＤ補償スキームが提唱されている。

それは、偏波変換器および可変遅延線路（D. A. Fishman, F. L. Heismann, and D. L. Wilson,“Method and apparatus for automatic compensation of first-order polarization mode dispersion (PMD),”United States Patent No. 5,930,414）、または偏波変換器および固定ＤＧＤ（例えば、ＰＭＦ）（S. Hinz, D. Sandel, M. Yoshida-Dierolf, R. Noe, R. Wessel, and H. Suche,“Distributed fiberoptic PMD compensation of a 60 ps differential group delay at 40 Gbit/s,”ECOC’99, pp. II 136-II 137, 1999）の多段構成からなる。

図１０は、前者の多段ＰＭＤ補償スキームによるシステムを示している。このシステムは、第１乃至第ｎ補償器４１および歪みアナライザ４２を含んでいる。各補償器４１は、図３に示した偏波変換器３１、ＰＢＳ３２、可変遅延器３３、およびＰＢＣ３４からなる。一方、図１１は、後者の多段ＰＭＤ補償スキームによるシステムを示している。このシステムは、第１乃至第ｎ補償器５１および歪みアナライザ５２を含んでいる。各補償器５１は、図２に示した偏波変換器２１およびＰＭＦ２２からなる。

当業者であれば、段数の増加とともに原理的な性能が向上することはよく理解できる。多段になればなるほど、ＰＭＤＣを伝送スパンのＰＭＤ特性により一致させることができる。しかし、追加された自由度により複雑さも増大する。増大した複雑さは、補償スキームのＰＭＤ特性を適応的に調整することを困難にすると思われる。ＰＭＤの数学的記述は、いわゆるＰＭＤベクトルを利用するものである（J. P. Gordon and H. Kogelnik,“PMD fundamentals: Polarization mode dispersion in optical fibers,”PNAS, Vol. 97, No. 9, pp. 4541-4550, 2000）。

は、次のように２つの成分τ（ＤＧＤ）および

に分離することができる。

ＤＧＤは１次ＰＭＤとも言われるのに対して、２次ＰＭＤパラメータは、次のように周波数ωに関する

を導出することにより計算される。

２次ＰＭＤは、偏波に依存する

（ＤＧＤスロープ）成分およびＰＳＰの

からなる。ＰＳＰの回転率は、ナノメートル当たりのラジアン数を単位として測定される。このことから、変調された信号のすべてのスペクトル成分はそれ自身に伴うＰＳＰを有するという結果が導かれる。変調された信号の入力偏波状態に依存して、すべてのスペクトル成分のパワーはそれに伴う２つのＰＳＰに分割され（パワーの分割比は、それぞれの波長における信号の入力偏波状態とファイバのＰＳＰの間の角度に依存する）、これによってそれらの２つの偏波成分はＤＧＤを受ける。

さらに、３次ＰＭＤパラメータは、次のようにして導出される。

は、それぞれ波長分散スロープおよびＰＳＰ回転の変化率を表す。伝送スパンのＰＭＤベクトルとＰＭＤ補償器のＰＭＤベクトルのベクトル和が、少なくとも変調された信号のスペクトル帯域幅内でゼロである場合、ＰＭＤによる信号の歪みは完全に緩和される。

完全に緩和するためには、偏波変換器と交互に配置された膨大な数のＤＧＤセクションを必要とするため（Y. Li, A. Eyal, and A. Yariv,"Higher order error of discrete fiber model and asymptotic bound on multistaged PMD compensation,"Journal of Lightwave Technology, Vol. 18, No. 9, pp. 1205-1213, 2000）、制御速度が制限されるとともに、必要とする部品の数と全体の大きさとが、少なくとも経済的観点から見て、この種の完全な、あるいは完全に近い補償スキームを魅力のないものにしている。

段数がより少なければ、高次ＰＭＤによる残りの歪みが設計上補償されないままとなる（P. Ciprut et al.,"Second-order polarization mode dispersion: Impact on analog and digital transmissions,"Journal of Lightwave Technology, Vol. 16, No. 5, pp. 757771, 1998; C. Francia, F. Bruyere, D. Penninckx, and M. Chbat,"PMD second-order effects on pulse propagation in single-mode optical fibers,"IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 10, No. 12, pp. 17391741, 1998）。しかし、それほど大きくない特定のＰＭＤ値を持つ所与の伝送スパンに対しては、そのようなスキームでもＰＭＤベクトルを逆転して部分的に一致させることができる。このことは、軽減されて残されたペナルティとして、システム設計において考慮しなければならない。

図１２は、実際のファイバにおいて発生する１次（ＤＧＤ）および２次（ＰＳＰ回転率）ＰＭＤパラメータがカバーする領域の明確なイメージを与えている。ＰＭＤ値が４、８、および１６ｐｓのシングルモードファイバ（ＳＭＦ）に対して、１０００個の直線状複屈折セグメントを有する実ファイバモデルを用いて５×１０⁵回の試行が行われた（W. Weiershausen, R. Leppla, F. Kuppers, and H. Scholl,"Polarization-mode dispersion in fibre transmission: Theoretical approach, impact on systems, and suppression of signal-degradation effects,"ECOC'99, pp. II 130-II 133, 1999）。図１２は、瞬時のＤＧＤに対するＰＳＰ回転率を示している。瞬時のＤＧＤが周知のマクスウェルの確率分布（ここでは示されていない）に従っているのに対して、最大発生ＰＳＰ回転率はＤＧＤの増加とともに減少している。

本発明の課題は、複雑さを削減した構成で、光伝送線路の１次および高次ＰＭＤを補償するＰＭＤＣを提供することである。
本発明の第１の局面によるＰＭＤＣは、主偏波状態（ＰＳＰ）調整器およびモード結合調整器を備える。ＰＳＰ調整器は、光伝送線路およびＰＭＤＣの連鎖のＰＳＰを、光伝送線路に入力される光信号の入力偏波状態（ＳＯＰ）に揃える。モード結合調整器は、ＰＭＤＣ内のモード結合を調整する。

ＰＳＰ調整器は、例えば、偏波変換器に対応し、任意の入力ＳＯＰを任意の出力ＳＯＰに変換する。モード結合調整器は、モード結合を変更することで、ＰＭＤＣのＤＧＤとＰＳＰ回転率の両方を調整することができる。ＰＳＰ調整器はモード結合調整器から分離されており、独立に制御可能であるため、１次および高次ＰＭＤが補償される。モード結合調整器は、任意の入力ＳＯＰを任意の出力ＳＯＰに変換することはできないが、偏波変換器より簡単な装置により実現される。

このように、第１の局面によるＰＭＤＣは、複雑さを削減した構成で、１次ＰＭＤのみならず高次ＰＭＤをも補償する。
本発明の第２の局面によるＰＭＤＣは、ＰＳＰ調整器、ＰＳＰ調整器に続く第１の複屈折素子、第１の複屈折素子に続くモード結合調整器、およびモード結合調整器に続く第２の複屈折素子を備える。ＰＳＰ調整器は、光伝送線路およびＰＭＤＣの連鎖のＰＳＰを、光伝送線路に入力される光信号の入力ＳＯＰに揃える。モード結合調整器は、ＰＭＤＣ内のモード結合を調整する。

ＰＳＰ調整器は、例えば、偏波変換器に対応し、第１および第２の複屈折素子の各々は、ＰＭＤをもたらすＰＭＦのような複屈折装置に対応する。モード結合調整器は、第１および第２の複屈折素子のモード結合を変更することで、ＰＭＤＣのＤＧＤとＰＳＰ回転率の両方を調整することができる。モード結合調整器は、本発明の第１の局面と同様に、偏波変換器より簡単な装置により実現される。

このように、第２の局面によるＰＭＤＣは、複雑さを削減した構成で、１次ＰＭＤのみならず高次ＰＭＤをも補償する。

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。
ＰＭＤ補償スキームは、原理的には変調された信号の中心波長において、補償スキームの特性が逆転して伝送スパンのＤＧＤおよびＰＳＰ回転率と一致するように、その特性を調整することのできるものであり、例えば、図１３に示すような２段の偏波変換器およびＰＭＦからなる。

図１３のシステムは、送信機１１、伝送スパン１３、受信機１４、第１段偏波変換器６１、第１段ＰＭＦ６２、第２段偏波変換器６３、第２段ＰＭＦ６４、および歪みアナライザ６５を含んでいる。歪みアナライザ６５は、第２段ＰＭＦ６４の後方の光信号の歪みを解析し、偏波変換器６１および６３にフィードバック信号を出力する。この場合、偏波変換器６１および６３とＰＭＦ６２および６４とがＰＭＤＣを形成し、偏波変換器６１および６３は、例えば、以下の方法により実現される。
−多重回転波長板
−多重ファイバスクイーザ
−複数の回転可能ファイバコイル
−集積光学実現手段（例えば、ＬｉＮｂＯ₃基材上での）
−Soleil-Babinet補償器（結晶またはファイバ光学的な）
−多重可変複屈折波長板（例えば、ＬｉＮｂＯ₃、特殊セラミクス）
−多重セクションの液晶
−複数の温度調整ＰＭＦセクション
−ファラデー効果を利用した多重ファイバセクション
または上記原理スキームの組み合わせ
この２段補償スキームでは、ＰＭＦ６２および６４の間の偏波変換器６３はモード結合調整器として動作して、これらのＰＭＦのＤＧＤおよびＰＳＰ回転率を調整し、ＰＭＦ６２の前方の偏波変換器６１はＰＳＰ調整器として動作して、伝送スパン１３のＰＳＰに対するＰＭＤＣのＰＳＰを調整する。それは、さらに、ＰＭＤＣの主状態が回転する方向を制御する。このスキームは、中心波長におけるＤＧＤを補償するだけでなくＰＳＰ回転率を調整することもできるので、その性能は原理的に１段補償スキームを上回っている。

２段補償スキームを詳細に観察すると、各段は１つの偏波変換器と１本のＰＭＦからなっており、性能や調整領域を制限することなく複雑さを削減できることが分かる。
２本のＰＭＦの連鎖のＤＧＤ（１次ＰＭＤ）がそれらのＰＭＦの固有状態間の相対角度φにのみ依存することは周知である。そのＤＧＤは、例えば、角度φの機械的回転という方法で調整可能であり、次式に従う。

ただし、τ₁およびτ₂は、それぞれ第１および第２のＰＭＦのＤＧＤ値である。
本発明の主要な成果は、ＤＧＤのみならずＰＳＰ回転率（２次ＰＭＤの一部）もＰＭＦの固有状態間の相対角度φにのみ依存するということである。ＰＭＦの固有軸間の相対角度φを一定に保ったままでそれらの固有軸を回転させれば、ＤＧＤやＰＳＰ回転率が変化することはない。この振る舞いは、ポアンカレ球を用いて図１４のように示される。

図１４において、黒点は、相対角度φが０°，１０°，２０°，．．．，８０°の値を取るときの第２偏波変換器および第２ＰＭＦの連鎖の固有状態を表し、黒点７１は第１ＰＭＦの固有状態に対応する。白点は、１５４９．９５ｎｍと１５５０．０５ｎｍの間の波長領域において相対角度φが同じ値を取るときの第１ＰＭＦ、第２偏波変換器、および第２ＰＭＦの連鎖の主状態を表す。角度φの増加（０°≦φ≦９０°）とともに、ＤＧＤは（τ₁＋τ₂から｜τ₁−τ₂｜に）減少し、ＰＳＰ回転率は増加している。左側の球７２から右側の球７３にかけて、固有軸間の相対角度φが一定に保たれたままでそれらの固有軸の絶対角度が変化している。この種の変化では、ＤＧＤおよびＰＳＰ回転率の関数は変化しない。

図１５は、２段補償スキームの調整領域をさらに明確にするために、調整されたＤＧＤおよびＰＳＰ回転率の関係を示している。この例では、１０、２０、および４０ｐｓのＤＧＤセクション（段）を用いた２段補償器におけるＤＧＤおよびＰＳＰ回転率の依存性が示されている。偏波変換器のＤＧＤは正しく構築されていれば無視できるので、セクション当たりのＤＧＤはＰＭＦのＤＧＤにほぼ等しくなる。完全機能型の偏波変換器がＰＭＦセクション間に配置されているか、あるいはＰＭＦが相互に回転するかに関わらず、同じグラフが得られる。

図１６および１７は、ＰＭＦの固有軸間の角度に対するＤＧＤおよびＰＳＰ回転率の依存性をそれぞれ示している。この例では、１０、２０、および４０ｐｓのＤＧＤセクションを用いた２段補償スキームにおける依存性が示されている。

例えば、偏波変換器を可変複屈折波長板（０−２π位相領域）で作成した場合、任意の入力ＳＯＰを任意の出力ＳＯＰに変換するために少なくとも３枚の波長板が必要であり、各波長板を制御するために制御信号が１つずつ必要である。この方法では、２段ＰＭＤＣに、歪みアナライザからのフィードバック信号が少なくとも６つ必要となる。ＰＭＦ間の第２偏波変換器を、例えば、１枚の可変複屈折波長板により実現できる移相器のようなモード結合調整器で置き換えれば、波長板に必要な制御信号の数は６から４に削減される。偏波変換器は偏波特性を極座標系で回転させるので、複雑さが削減されたこのような２段ＰＭＤＣでは、自由度が４から３に削減される。

複雑さが削減された上述の２段ＰＭＤ補償スキームの実現方法としては、以下のようなものが可能である。
１．ＰＭＦの機械的回転
図１８は、この種の２段ＰＭＤＣを含むシステムを示している。このシステムは、第２偏波変換器６３がモード結合調整器として動作する機械的回転器７１に置き換えられている点を除いて、図１３に示したものと類似した構成を有する。
２．ＰＭＦ間への回転可能波長板（位相板）の挿入
図１９は、この種の２段ＰＭＤＣを含むシステムを示している。このシステムは、第２偏波変換器６３が回転可能波長板８１に置き換えられている点を除いて、図１３に示したものと類似した構成を有する。回転可能波長板８１は、可変固有軸を有する固定移相板であり、モード結合調整器として動作する。
３．ＰＭＦ間への可変複屈折波長板の挿入
図２０は、この種の２段ＰＭＤＣを含むシステムを示している。このシステムは、第２偏波変換器６３が可変複屈折波長板９１に置き換えられている点を除いて、図１３に示したものと類似した構成を有する。可変複屈折波長板９１は、可変移相板であり、モード結合調整器として動作する。

図１９および２０に示したシステムでは、固有軸が一致するような角度に揃ったとき偏波保持が最良となる。図１９のシステムでは、回転可能波長板の位相遅延はλ／２のとき最良となる。これは、図１８の機械的回転により実現可能なものと同じ調整領域を保証していることになる。位相遅延がより小さい場合、調整領域が削減されるが、位相遅延がより大きい場合、調整領域は削減されずに、回転角に対するＤＧＤおよびＰＳＰ回転率の依存性がより強くなる。図２０のシステムでは、可変複屈折波長板９１は、その固有軸がＰＭＦの固有軸に対して４５°の角度を成すとき最良となる。機械的回転によるものと同じ調整領域を実現するためには、複屈折特性は０から２πの間で可変でなければならない。

３つの実現方法はすべて、縦列接続された偏波変換器とＰＭＦを利用する補償スキームに比べて、動作領域を制限することなく複雑さが削減されるという利点を持っている。このことは、必要となる制御ロジックを原理的に簡単化し、制御アルゴリズムが補償器の特性を伝送スパンのＰＭＤ特性に合わせて適応的に変更する速度を向上させることになる。

２つのセクションのＰＭＦはその中を伝搬する光ビームにＤＧＤをもたらすが、任意の複屈折素子（またはＤＧＤ装置）を用いてＤＧＤをもたらすことも可能である。これは以下のような方法で実現できる。
１．複屈折結晶（例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）、バナジン酸イットリウム（ＹＶＯ₄）、天然方解石（ＣａＣＯ₃））
２．ＤＧＤの実現に基材（ＬｉＮｂＯ₃）の複屈折特性を用いた集積光学装置
３．ＰＢＳ、複数の異なる経路長、およびＰＢＣの組み合わせ
さらに、提唱した２段補償スキームの調整領域を伝送スパンのＰＭＤ値に適応させるために、２つのセクションに対して必ずしも同じではないＤＧＤを選択することが可能である。

物理的な観点から見て可能な２段ＰＭＤＣの制御アルゴリズムを次に説明する。

第１の動作方法
ａ）モード結合調整器により、ＰＭＤＣのＤＧＤを最大（ＰＳＰ回転率＝０°／ＧＨｚ）となるように調整する。
ｂ）第１偏波変換器により、システム全体（伝送スパンおよびＰＭＤＣの連鎖）のＰＳＰを、送信機により伝送スパンに入力される光信号の入力ＳＯＰに揃える。→１次簡易補償
ｃ）モード結合調整器により、システム全体のＰＳＰを入力ＳＯＰに揃えたままでシステム全体のＰＳＰ回転率が最小化されるように、ＰＭＤＣのＤＧＤを削減する。→２次ＰＳＰ回転率補償
ｄ）ＰＭＤＣのＤＧＤが伝送スパンのＤＧＤより小さくなるまで、以下に述べる第２の動作方法を実行する。

第２の動作方法
ａ）モード結合調整器により、ＰＭＤＣのＤＧＤを伝送スパンのＤＧＤと同じになるように調整する。
ｂ）第１偏波変換器により、ＰＭＤＣのＰＳＰを伝送スパンの出力ＰＳＰと揃うまで回転させる。

第１の動作方法のａ）−ｃ）の動作を実行することにより、比較的広い波長領域のスペクトル成分において、すなわち、中心波長のみならず領域内の他のスペクトル成分においても、システム全体のＰＳＰが入力ＳＯＰに揃えられる。

しかしながら、ＰＭＤの統計的性質により、伝送スパンのＤＧＤがＰＭＤＣの調整可能ＤＧＤより大きくなることもある。この場合、第１の動作方法はもはや適用できず、ＰＭＤＣは第２の動作方法に従って動作を行う。伝送のＤＧＤが調整可能ＤＧＤの最大値よりわずかに大きいだけであれば、灰色領域となる。

このような領域では、第１の動作方法の方が第２の動作方法より高い信号改善を示すものと思われる。伝送スパンのＤＧＤとＰＭＤＣの最大ＤＧＤの差が大きければ大きいほど、第１の動作方法が成功する見込みは小さくなる。また、伝送スパンのＤＧＤがＰＭＤＣの最大ＤＧＤより小さくても、第１の動作方法がよりうまく働くことが指摘できる。この領域では２つの方法が択一的に用いられ、一般に、いずれの方法がよりうまくいくかは決めることができない。

実施形態の説明ではＰＭＤ補償スキームに焦点を当てているが、ＰＭＤ補償システムは、制御ロジックが補償スキームの可変パラメータを適応的に調整できるように、信号歪みについての情報を伝えるフィードバック信号をさらに必要とする。提唱した２段スキームのＰＭＤＣを実現するために、既に提唱されている任意のスキームを適用可能である。この中には、スペクトルホールバーニング（C. Glingener, A. Schopflin, A. Farbert, G. Fischer, R. Noe, D. Sandel, S. Hinz, M. Yoshida-Dierolf, V. Mirvoda, G. Feise, H. Herrmann, R. Ricken, W. Sohler, and F. Wehrmann,"Polarization mode dispersion compensation at 20 Gb/s with a compact distributed equalizer in LiNbO₃,"OFC'99, paper PD29, 1999; G. Ishikawa and H. Ooi,"Polarization-mode dispersion sensitivity and monitoring in 40-Gbit/s OTDM and 10-Gbit/s NRZ transmission experiments,"OFC'98, paper WC5, pp. 117-119, 1998）、偏光度（N. Kikuchi and S. Sasaki,"Polarization-mode dispersion (PMD) detection sensitivity of degree of polarization method for PMD compensation,"ECOC'99, pp. II 8-II 9, 1999; H. Rosenfeldt, R. Ulrich, U. Feiste, R. Ludwig, H. G. Weber, and A. Ehrhardt,"PMD compensation in 10 Gbit/s NRZ field experiment using polarimetric error signal,"Electronics Letters, Vol. 36, No. 5, pp. 448-450, 2000）、またはアイオープニング測定が含まれるが、これに限定されるわけではない。

このような実際のＰＭＤＣでは、歪みアナライザが制御ロジックに対して最大化すべき指標を提供する。したがって、ＰＭＤＣの調整パラメータを変更することにより、歪みアナライザからのフィードバック信号がまさに最大化される。こうして、制御ロジックは物理的観点から見て最良の動作方法を自動的に見出す。

本発明によれば、多段補償スキームにより、１次ＰＭＤのみならず高次ＰＭＤも補償され、波長領域の中心波長のＰＭＤのみならず他のスペクトル成分のそれも補償される。このように、ＰＭＤＣの性能は従来の１段ＰＭＤＣのそれよりも高くなる。

さらに、完全機能型の偏波変換器の代わりにモード結合調整器を用いることで、性能や調整領域を制限することなく、ＰＭＤＣの複雑さが削減される。

第１の１次ＰＭＤ補償スキームを示す図である。第２の１次ＰＭＤ補償スキームを示す図である。第３の１次ＰＭＤ補償スキームを示す図である。ＰＭＤが５ｐｓであるファイバにおけるＤＧＤの波長に対する関数を示す図である。ＰＭＤが１０ｐｓであるファイバにおけるＤＧＤの波長に対する関数を示す図である。ＰＭＤが２０ｐｓであるファイバにおけるＤＧＤの波長に対する関数を示す図である。ＰＭＤが５ｐｓであるファイバにおけるＰＳＰの波長に対する変化を示す図である。ＰＭＤが１０ｐｓであるファイバにおけるＰＳＰの波長に対する変化を示す図である。ＰＭＤが２０ｐｓであるファイバにおけるＰＳＰの波長に対する変化を示す図である。第１の多段ＰＭＤ補償スキームを示す図である。第２の多段ＰＭＤ補償スキームを示す図である。瞬時のＤＧＤに対するＰＳＰ回転率を示す図である。２段ＰＭＤ補償スキームを示す図である。ＰＭＦの固有軸間の相対角度が変化しないような、それらの固有軸の回転を示す図である。調整されたＤＧＤとＰＳＰ回転率の関係を示す図である。ＰＭＦの固有軸間の角度に対するＤＧＤの依存性を示す図である。ＰＭＦの固有軸間の角度に対するＰＳＰ回転率の依存性を示す図である。第１の２段ＰＭＤＣを示す図である。第２の２段ＰＭＤＣを示す図である。第３の２段ＰＭＤＣを示す図である。

Claims

光伝送線路のための偏波モード分散補償器であって、
前記光伝送線路および偏波モード分散補償器の連鎖の主偏波状態を、該光伝送線路に入力される光信号の入力偏波状態に揃える主偏波状態調整器と、
前記偏波モード分散補償器内のモード結合を調整するモード結合調整器と
を備えることを特徴とする偏波モード分散補償器。
光伝送線路のための偏波モード分散補償器であって、
前記光伝送線路および偏波モード分散補償器の連鎖の主偏波状態を、該光伝送線路に入力される光信号の入力偏波状態に揃える主偏波状態調整器と、
前記主偏波状態調整器に続く第１の複屈折素子と、
前記第１の複屈折素子に続き、偏波モード分散補償器内のモード結合を調整するモード結合調整器と、
前記モード結合調整器に続く第２の複屈折素子と
を備えることを特徴とする偏波モード分散補償器。
前記主偏波状態調整器は、波長領域内の複数のスペクトル成分について、前記光伝送線路および偏波モード分散補償器の連鎖の主偏波状態を前記光信号の入力偏波状態に揃えることを特徴とする請求項２記載の偏波モード分散補償器。
前記モード結合調整器は、前記第１および第２の複屈折素子の群遅延時間差と該第１および第２の複屈折素子の主偏波状態の回転率を調整することを特徴とする請求項２記載の偏波モード分散補償器。
前記モード結合調整器は、機械的回転器、回転可能位相板、および可変複屈折波長板のうちの１つに対応することを特徴とする請求項２記載の偏波モード分散補償器。
前記モード結合調整器は、前記第１および第２の複屈折素子の固有軸の間の固定角度に対応し、該角度および該第１および第２の複屈折素子の群遅延時間差値は、前記光伝送線路の主偏波状態の回転率が環境変動によりゼロになる場合に、前記偏波モード分散補償器の実際の主偏波状態の回転率が許容可能な量の信号歪みのみをもたらすように選択されることを特徴とする請求項２記載の偏波モード分散補償器。
偏波モード分散補償器を用いて光伝送線路上の偏波モード分散を補償する方法であって、
前記偏波モード分散補償器の群遅延時間差が最大となるように、該群遅延時間差を調整し、
前記光伝送線路および偏波モード分散補償器の連鎖の主偏波状態を、該光伝送線路に入力される光信号の入力偏波状態に揃え、
前記光伝送線路および偏波モード分散補償器の連鎖の主偏波状態を前記入力偏波状態に揃えたままで、該光伝送線路および偏波モード分散補償器の連鎖の主偏波状態の回転率が最小化されるまで、前記偏波モード分散補償器の群遅延時間差を削減する
ことを特徴とする方法。