JP4746126B2 - 偏光解消されたｗｄｍソース - Google Patents

Description

本発明は、波長分割多重（ＷＤＭ）ソースに関し、特に超長距離（ＵＬＨ）通信システムにおけるそれらの使用に関する。

ＷＤＭ信号は通常、情報を搬送するように変調した光信号である多数のデータチャネルを含む。各データチャネルは独立した情報を搬送するが、通常の伝送媒体における非線形効果のためこうしたチャネル間の干渉が生じることがある。こうした効果には４光波混合（ＦＷＭ）および交差位相変調（ＸＰＭ）が含まれる。ＦＷＭは、異なる周波数の２つ以上の信号が光ファイバを通過する時発生し得る非線形効果であり、新しい周波数の信号を生成する効果を有する。こうした非線形効果は信号の品質を低下させて、送信機から受信機にデータを伝送する際のＷＤＭ信号の有効性を制限する。さらに、こうした効果はデータチャネル間の周波数分離が縮小するに連れて重大になり、所与のＷＤＭ信号が搬送しうるデータチャネルの数（およびひいては情報の量）を制限するように作用する。

米国特許６，３４２，９６１は、上記で説明した非線形効果を緩和すべく、隣接するデータチャネルを直交偏光で送出するシステムを記載している。このシステムでは、データチャネルの２つのコームを広帯域直交結合器によって多重化し、結果として得られるＷＤＭ信号中のデータチャネルが直交偏光状態間で交互になるようにしている。

データチャネルに加えて、ＷＤＭシステムは通常、多数のローディングチャネルを搬送する。ローディングチャネルは、広帯域動作のためにライン増幅器を正しく飽和させデータ搬送チャネルに最適なチャネルパワーを提供するために使用する。最新世代のシステムの多くは初めシステムのために意図したものより少ないチャネル数で運用し、トラフィック容量への要求を満たすようにアップグレードする。「運用開始時の」システムはローディングチャネルを多数のデータチャネルのパワーの代替品として使用する。こうしたローディングチャネルは連続波（ＣＷ）または被変調チャネルでもよい。

ローディングチャネルは、チャネルレベル、帯域レベル、または海底端局装置（ＳＬＴＥ）の集約段階でデータチャネルと多重化する。

現在の伝送装置の供給業者は通常、ローディングチャネルのためにハイパワーレーザーコームまたはフィルタリングした増幅自然放出（ＡＳＥ）ノイズを使用する。レーザーの場合、多数のローディングチャネルが必要であり、かつ／またはそれらを変調して伝送の問題を克服しなければならない。フィルタリングしたＡＳＥソースは通常、停止帯域の阻止が不完全で線幅が広いためデータチャネルの性能が制限される。

例えば、パワー、波長、および偏光状態といったローディングチャネルの物理的属性はデータチャネルの性能と、ひいてはアップグレード戦略に影響を与える。理想的には、端末装置および伝送線路から生じる偏光の問題を回避するため、ローディングチャネルは偏光解消すべきである。通常、少数のローディングチャネルがリンクのパワーの大部分を搬送し、データチャネルは敏感なプローブ信号のように作用する。

マルチチャネルリピータシステムにとっての１つの大きな問題は偏光依存利得（ＰＤＧ）であるが、これは偏光ホールバーニング（ＰＨＢ）として知られる効果によるものであり、これによってある特定の偏光について利用可能な利得が飽和し欠乏してしまう。ローディングチャネルに送出された光が高度の偏光で特徴付けられたものである場合、隣接するデータチャネルで、ライン増幅器を通じて伝播する際の利得が異なる可能性がある。利得レベルの正確さは、データチャネル内を伝播する光信号がローディングチャネル内の光の偏光とどの程度整合しているかに依存する。時間と共に、システム変動の影響によってチャネル間の相対的な偏光状態が変化し、それはデータチャネルの光パワーの変動につながる。さらに悪いことには、チャネルパワーの変化はチャネルの光信号対ノイズ比（ＯＳＮＲ）および非線形効果の強度に影響し、チャネルのビット誤り率（ＢＥＲ）を変化させることがある。

本発明の第１の態様によれば、波長分割多重（ＷＤＭ）伝送システムのための光学装置であって、各光ソースが光ソース信号を提供する複数の光ソースと、光ソース信号を多重化して偏光多重信号を形成するために光ソースに結合した偏光保持マルチプレクサと、偏光保持マルチプレクサの出力に結合した差分群遅延（ＤＧＤ）要素とを備え、その際ＤＧＤ要素が、各ソース信号について十分に大きな時間平均偏光度（ＤＯＰ）を保持しつつ多重信号を偏光解消するようになっている光学装置が提供される。

本発明の第２の態様によれば、光信号を処理する方法であって、複数の光ソース信号が偏光保持マルチプレクサを通過するようにして偏光多重信号を形成するステップと、多重信号が、ＤＧＤ要素を含む光路を通過するようにして、各ソース信号について十分に大きな時間平均偏光度（ＤＯＰ）を保持しつつ多重信号を偏光解消するステップとを備える方法が提供される。

本発明のＤＧＤ要素はソース信号の周波数に依存するある量だけソース信号の偏光状態を変化させる。したがって、各ソース信号は様々に影響されるので、個別のチャネルは偏光状態を保ったままで、結果として得られる総合多重信号の光学場全体が偏光解消される。隣接するデータチャネルは周波数が異なっているため異なる偏光状態を有するので、この技術はデータチャネルに対する非線形効果の影響を低下させる。さらに、本発明は、総合ＷＤＭ信号全体を偏光解消する手段を導入することによって、ＰＤＧおよびＰＨＢの問題を克服する。したがって、（ＯＳＮＲおよびＢＥＲに影響し得る）データチャネルの光パワーの変動といった、ＰＤＧの有害な結果は除去される。

したがって、本発明は同時に、ＷＤＭシステムに見られる多数の未解決の現象に対する簡単で、統合された、低コストな解決法を提供する。

ＰＤＧおよびＰＨＢに関する本発明の利点は、低チャネル数のシステムで特に明らかである。例えば、システム中のチャネルの数が少ないほど、チャネルが上記で説明したような有害な向きになる統計的確率が高くなる。さらに、各ローディングチャネルが合計システムパワーのうちより多くの部分を提供するようになるので、ライン増幅器の飽和にする影響が大きくなる。また、低チャネル数のシステムでは、単一のローディングチャネルがスペクトル領域の唯一の占有者となって強いＰＨＢを発生する可能性が大きくなる。

本発明は、通常（連続波（ＣＷ）レーザーのような）ＷＤＭ信号のために使用されるソースが偏光信号を生成するという事実に関わらず、ローディングチャネルを生じるためにそうしたソースを使用できるようにする。ＤＧＤ要素は、ローディングチャネルの総合的な貢献が有効に偏光解消されるように１つ以上のローディングチャネルの偏光を変化させる。

ＷＤＭに適したソースを使用した結果、本発明は、必要に応じて、かつ必要が生じた際に、ローディングチャネルからデータチャネル（またはその逆）への変換を可能にする。さらに、こうしたソースは狭い線幅と高いＯＳＮＲを有する。またこうしたソースは安定で正確な波長およびパワーの制御を提供する。

ローディングチャネルを追加または除去する際に、多重信号を偏光解消する際のＤＧＤの有効性が否定的な影響を受けることがある。このため、本発明の好適実施形態は、ローディングチャネルの周波数およびパワーレベルを調整して、偏光解消の最大レベルが常に達成されることを保証することができる。例えば、等しいパワーの２つのローディングチャネルのシステムでは、チャネルがＤＧＤを通過した後それぞれの偏光状態が直交するようになるチャネル間の周波数差を採用することによって、最大送出偏光解消を達成してもよい。第３のローディングチャネルを追加する場合、その周波数は、その偏光状態が既存のチャネルの１つと平行になるように選択してもよい。第３のローディングチャネルを追加することにより多重信号の偏光解消が最大になることを保証するため、２つの平行なローディングチャネルのパワーを残りの直交するローディングチャネルのパワーに対して下げることが必要である。

本発明の好適実施形態では、ローディングチャネルの多数の群を使用するが、その際各群のメンバは、群を分離する波長範囲より十分に小さい波長範囲内にあり、各群はＤＧＤによって有効に偏光解消される。このため、ファイバ中の偏光モード分散（ＰＭＤ）がローディングチャネルの相対偏光に対して有し得る影響を最小化しつつローディングチャネルを伝送スペクトル全体にわたって分布させることが可能になる。

好適には、各チャネルのパワーおよび波長を調整してもよい。こうしたパラメータの調整は、そのチャネルの出力偏光と、ひいては多重出力信号の総合的な偏光度（ＤＯＰ）に影響する。したがって、こうしたパラメータの微調整を使用して、ファイバ中のＰＭＤによる影響を打ち消し、それによってそのリンクの正味ＰＤＧを最小化してもよい。

ローディングチャネルは確定した周波数を有する一方、データチャネルは、それが変調されたものであるという性質によって、有限の帯域幅を有する。すなわち、ＤＧＤ要素を通過したデータチャネルの偏光状態は中心位置の付近で時間と共に変化する。それにもかかわらず、本発明は、データチャネルの時間平均ＤＯＰが、常にデータチャネル間の偏光状態（ＳＯＰ）の差を保持し、したがってＦＷＭおよびＸＰＭの有利な低減を達成するのに十分大きな値であることを保証する。各チャネルの時間平均ＤＯＰは好適には０．７より大きい。より好適には、各チャネルの時間平均ＤＯＰは０．９より大きい。

本発明の好適実施形態では、隣接するチャネルの時間平均ＳＯＰは直交する。しかし、他の相対角度を利用してもよい。例えば、あるチャネルの時間平均ＳＯＰを隣接するチャネルに対して１２０度に設定してもよい。一般に、多重信号中の隣接するソース信号の間の時間平均ＳＯＰの差は、ｎが３以上の整数である時３６０／ｎ度である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、海底端局装置（ＳＬＴＥ）伝送システムの典型的な例を示す。チャネルは、ローディングチャネルおよびデータチャネルの任意の組み合わせでもよい。図示する例では、各々複数のチャネルを備える独立した「帯域」が存在する。ＷＤＭ信号は、帯域を一緒に多重化して最終信号を形成する前の各帯域から形成される。

図示するように、各帯域内の複数のチャネルソース１０１は、偏光保持マルチプレクサ１０２によって一緒に多重化することで偏光ＷＤＭ信号を提供する、平行偏光光ソース信号を提供する。そして、ＷＤＭ信号中の各チャネルの時間平均ＤＯＰを十分大きな値に維持しつつＷＤＭ信号を偏光解消するために、この偏光信号はＤＧＤ要素１０３を通過する。

そして、各帯域からの偏光解消されたＷＤＭ信号をさらに別のマルチプレクサ１０４によって結合する。結合した信号は、伝送線路１０６を介して受信側ＳＬＴＥ１０７に送出される前に様々な他の集約装置１０５を通過する。

チャネルソース１０１は、連続波（ＣＷ）レーザーでもよい。図１に示す実施形態では、ＤＧＤ要素１０３は、偏光ＷＤＭ信号の偏光軸に対して軸が４５度の角度をなすある長さのＰＭファイバである。図２は、２つのローディングチャネルの単純な事例を参照して、こうしたＤＧＤ要素２０１がどのように信号を偏光解消できるかを例示する。ＰＭファイバの軸とローディングチャネルの偏光との間の角度は４５度であるので、ローディングチャネルはそれぞれ、ＰＭファイバの高速および低速両方の軸で等しいパワーの成分を有する。実際には、各ローディングチャネルは、一方の成分が高速軸に沿って偏光しもう一方の成分が低速軸に沿って偏光した２つの成分の重ね合わせと見なすことができる。

ＰＭファイバの２つの軸に沿って偏光される光の間に導入されるＤＧＤは選択するファイバ長さに依存する。各ローディングチャネルについて、ファイバを出る偏光状態は２つの成分間の位相差に依存する。各成分の位相の変化量は、絶対周波数およびＰＭファイバに導入されるＤＧＤの関数となる。ローディングチャネル間の所与の周波数差に対して正しいＤＧＤ（すなわち、ファイバの正しい長さ）を選択することによって、２つのローディングチャネルの出力偏光状態を平行または直交に揃えることができる。直交状態（およびひいては事実上偏光解消された光）を与えるために必要なＤＧＤは、Δｆがローディングチャネル間の周波数差（単位Ｈｚ）でありｎが整数である時、ほぼ（１＋２ｎ）／２Δｆである。ローディングチャネルと異なって、データチャネルは有限の帯域幅を有するので、関連する周波数差は２つのチャネルの中心周波数の間の差であることは念頭に置く価値がある。

図３は、チャネル間隔の関数として直交状態を与えるために必要な代表的なＰＭファイバ長を示す。

当業者に明らかなように、ＤＧＤ要素は必ずしもＰＭファイバである必要はない。実際に実現した１つの例は、複屈折結晶（または任意の他の複屈折要素）を使用する。代替的には、チャネルの２つの偏光モードを物理的に分離してそれらを再結合する前に各モードの経路に異なる遅延を配置することによってＤＧＤを実現してもよい。

特に、データチャネルが有限の帯域幅を有しローディングチャネルが一般にそれを有しないため、データチャネルおよびローディングチャネルに対する本発明の有益な効果は個別に検討する価値がある。

図４は、ＤＧＤ要素を通過し、その後２つのチャネル（１および３）に整合した偏光器を通過した４つの被変調データチャネルおよび偏光ノイズ信号４０１のスペクトルを示す。ノイズ応答４０１は、ＤＧＤ要素の出力の偏光が周波数に依存することを明らかに示している。さらに、隣接するチャネル（２および４）が偏光装置に整合したチャネルと比較して有効に抑圧されていることが分かる。この抑圧効果は、チャネル間隔に対してデータチャネルが狭いほど強くなる。

前に述べたように、信号のＳＯＰに対するＤＧＤ要素の効果はその周波数に依存する。（データチャネルのような）有限の帯域幅を有する信号がこうした要素を通過する時、結果として得られるＳＯＰは、帯域幅中に含まれる最大および最小の周波数に関連する極値の間で時間変化する。帯域幅全体にわたって対称的に分布すると想定すると、時間平均ＳＯＰは、帯域幅内に中心周波数を有する単純波から得られるＳＯＰと同等になる。

図５は、２つのデータチャネルの時間平均ＳＯＰが互いに直交することを保証するように配置したＤＧＤを通過した、２つのデータチャネルについてのＳＯＰ５０１の主要な範囲と時間平均ＳＯＰ５０２とを例示する円グラフである。ＳＯＰの広がり、または範囲が大きくなるほど、各チャネルについての時間平均ＤＯＰは低くなる。明らかに、チャネルのＳＯＰが重なり合うことがないような大きな時間平均ＤＯＰを有するのが有利である。

データチャネルのＳＯＰが時間と共に変化する理由は、わずかに異なる周波数を有する２つの一緒に伝播する単色波という単純な事例を検討することによって理解できる。場の間のうなりのため、これは実際には無限の長いゼロ復帰信号として働く。これら２つの信号が直交していれば、時間平均ＤＯＰは明らかにゼロになるだろう。しかし、各場のＤＯＰは１となる。場全体（すなわち、２つの信号の組み合わせ）の経過を考慮すると、ＳＯＰはビート周波数の逆数に等しい周期で時間と共に進展する。ＳＯＰは明らかに、任意の所与の点での各場の相対強度に依存して各単色信号のＳＯＰの間で変化する。現実のデータチャネルは実際には帯域幅全体にわたる単色波の重なり合いなので、同様の過程が発生するが、その場合は周期的な挙動はない。この理由から、ＤＧＤ要素を通過したチャネルの関連するＤＯＰおよびＳＯＰは時間平均値であり、したがって、特に定めない限り、本明細書が言及するのはこの時間平均値である。

図５は、２つのデータチャネルの時間平均ＳＯＰが直交する事例を示す。しかし、隣接するチャネルの時間平均ＳＯＰが直交するということは、各チャネルの時間平均ＳＯＰが次の１つだけのチャネルのものと平行だということを意味する。チャネル間隔が狭い状況では、このことは交互チャネル間の有害な非線形効果（例えば、ＦＷＭおよびＸＰＭ）の発生につながることがある。したがって、状況によっては、隣接するチャネル間の時間平均ＳＯＰの間の異なる角度を採用することが好適である。例えば、１２０度の角度を選択してもよい。図６はこの状況を単純化して例示したもので、３つのデータチャネルについて範囲６０１および時間平均ＳＯＰ６０２を示している。一般に、チャネルの時間平均ＳＯＰの間の角度は好適には、ｎが３以上の整数である時３６０／ｎ度である。

本発明は、多重信号についての総合的なＤＯＰを最小化しつつ、多重信号内の各チャネルについてのＤＯＰを十分大きな値に維持するように配置する。このためチャネル間のＸＰＭおよびＦＷＭの可能性が減少する。さらに、（上記で説明したように、ＤＧＤの高速軸に沿って偏光した成分は低速軸に沿って偏光した成分より前に到達するので信号はわずかに広がるため）ＤＧＤ要素を通過させることによってデータチャネルのＤＯＰが低下すると固有のＱペナルティももたらされる。したがって、各チャネルのＤＯＰは０．７より大きいのが好適であり、より好適には０．９より大きい。

図７は、多重信号７０２のＤＯＰと個別チャネル７０１のＤＯＰとの間の差を例示すると共に、各チャネルについてのＤＧＤ要素によるＱペナルティ７０３を示す。図示する例では、２つの１０ＧｂｐｓＲＺチャネルは３７．５Ｇｈｚの間隔を有している。図示するように、結合信号のＤＯＰ７０２の第１の最小値（すなわち、チャネルの時間平均ＳＯＰが直交する点）はＤＧＤが約１３ｐｓの時発生し、各チャネルについてのＤＯＰ７０１は約０．９である。さらに、この時点で各チャネルについてのＤＧＤのＱペナルティは約０．２ｄＢである。

図５および図６は、例示のみを目的とするＳＯＰの単純化した表示である。より厳密な表示は、偏光の円形および線形の表示が可能なポアンカレ球を使用して達成できる。この文脈では、ＤＯＰおよびＳＯＰの数学的基礎を例示することができる。ＤＯＰおよびＳＯＰの定義は当業技術分野で周知であり、例えば、「光学の原理（Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ）」、ボーン（Ｂｏｒｎ）およびウルフ（Ｗｏｌｆ）著、ケンブリッジ大学（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）刊、２００２年に見出せる。単色波の場は次式によって表すことができる。
Ｅ_x＝ａ_xｃｏｓ（ωｔ−ｋ_x（ω）ｚ＋δ_x）
Ｅ_y＝ａ_yｃｏｓ（ωｔ−ｋ_y（ω）ｚ＋δ_y）

ここで、伝播定数ｋ_x（ω）およびｋ_y（ω）はｘおよびｙ方向で異なり、送出時の位相に対する所与の伝播距離ｚの後の伝播定数の差による位相差は（ｋ_x（ω）−ｋ_y（ω））ｚである。

ストークスパラメータは次式によって定義されるが、
ｓ₀＝ａ_x ²＋ａ_y ²
ｓ₁＝ａ_x ²−ａ_y ²
ｓ₂＝２ａ_xａ_yｃｏｓδ
ｓ₃＝２ａ_xａ_yｓｉｎδ
ここで、δ＝δ_y−δ_xである。正規化したＳＯＰはベクトル

によって与えられる。

図８は、ポアンカレ球上に表示したＳＯＰを示す。球の南北軸は光が右回りまたは左回りに偏光する度合いを表し、この軸に沿った角度は線形偏光の角度を表す。すなわち、上下の極は左右回りの偏光を表し、赤道上の点は線形偏光を示し、球上の他の点は楕円偏光を表す。

多数の波長が存在する場合、次の時間平均ストークスパラメータを使用する。
ｓ₀＝＜ａ_x ²＞＋＜ａ_y ²＞
ｓ₁＝＜ａ_x ²＞＋＜ａ_y ²＞
ｓ₂＝＜２ａ_xａ_yｃｏｓδ＞
ｓ₃＝＜２ａ_xａ_yｓｉｎδ＞

各々異なる波長を有し得るｍ個の場の集合のＤＯＰは次式によって定義する。

本発明の好適実施形態に係る複屈折ファイバを使用する場合、ＤＧＤτ_gは、Δθがポアンカレ球上のチャネル間の必要な分離角度であり、Δνがそれらの周波数分離である時、

となるように選択する。本発明では、チャネルソースは、線形ＳＯＰ（すなわち、ｚ＝０でｓ₃＝０）、好適にはｘ軸に対して４５°（ｓ₁＝０）で送出される。ｍ個の等間隔の波長（ｍΔ２θ＝２π）についての対応する平均ストークスパラメータは次式であり、

ここで、Δω＝２πΔνである。各波長の振幅が等しいと想定すると、合計を評価することができ、ＤＯＰはゼロとなる。波長は、ポアンカレ球とＳ＝ｓ₁平面との交差によって形成される円の周囲に均一に分布する。

図９は、６０００ｋｍループシステムでの受信信号のＱ値のヒストグラムを通じて本発明のデータチャネルに対する性能上の利点を例示する。線９０１は平行偏光を有するデータチャネルを使用したシステムでの受信Ｑ値を例示し、線９０２は、隣接するチャネルが定常状態で線形だが直交する偏光を伴って送出されるシステムでの結果を例示する。直交データチャネルを使用する明らかな利点が存在する。残りの２つのグラフは、ＤＧＤ要素を通過した後の隣接するチャネルの時間平均ＳＯＰが直交する場合（線９０３）と１２０度の角度である場合（線９０４）とについての本発明の効果を例示する。直交して送出される単純化した場合では付加的な利点はわずかであり、データチャネルの平行送出に関しては大きな利点が得られることが分かる。

図１０は、図９と同じループ実験についてのチャネルの時間平均ＳＯＰ間の回転角度に対するＱの変化を示す。チャネル間隔は固定し、チャネルを多重化した後ＤＧＤ要素（この場合ＰＭファイバ）の長さを変化させることによって回転角度を調整する。グラフは、整合状態（０°）から直交状態（９０°）に角度を変化させることによる１．４ｄＢを越える平均Ｑの改善を示している。さらに、９０°に近い角度も良好な性能を有する。このことは、本システムにおける不正確なチャネル間隔またはＰＭファイバ長さに対する良好な許容度を実証している。

各チャネルの絶対偏光状態を経時的に変化させることによって、さらなる性能上の利点が見出せるだろう。以下説明する装置を使用して、同じチャネル間隔を維持しつつ、チャネルの波長を調整することによって絶対偏光状態を変化させることができる。このようにしてシステムの累積ＰＭＤ（これは経時的かつ各波長について独立して変化し得る）の変化に応答して調整を行い、図９に示すヒストグラムの上部にＱ値を保持することができる。

有益にも、本発明は、データチャネルを偏光解消してＦＷＭおよびＸＰＭといった効果を緩和するためだけでなく、ローディングチャネルを偏光解消してＰＤＧの効果を低減するためにも有効である。

ローディングチャネルは、伝送システムの性能がデータチャネル内で伝播する光信号について伝送システムの性能が満足すべきものとなることを保証するために含まれる「ダミー」チャネルである。

図１１は、２つの間隔の近い、高度に偏光したローディング信号を伴う、増幅器チェーンを通過したプローブ信号に対する偏光依存利得（ＰＤＧ）の影響を示す。線１１０１はローディングチャネルが平行な時の応答を例示し、線１１０２はローディングチャネルが直交する時の応答を例示する。図から見られるように、２つのローディング信号が平行である時、ＰＤＧの効果は著しく増大する。それと対照的に、直交偏光状態では、ライン増幅器に現れる総合ローディングパワーは偏光解消されており、ＰＤＧは抑圧されている。図１１の垂直の矢印はローディング信号の周波数を示す。

通常、いくつかの連続波（ＣＷ）レーザーソースを使用して、パワーおよび波長の両者を調整可能なローディングチャネルの光ソースを提供する。ここでは、集積カプラおよび光増幅器と共にレーザーダイオードアレイが利用可能である。ｎ個のレーザーのアレイでは、一般に、ｎ個のレーザーのうち１つをオンにして、高度に偏光し偏光を保持して外部データ変調器のインタフェースへ出力する。しかし、１つより多いレーザーをオンにして、調整可能な偏光保持（ＰＭ）マルチチャネルソースを提供することも可能である。

図１２は、ＤＧＤに対する２つのローディングチャネルについてのＤＯＰを示す。この図は、４５（線１２０１）、５０（線１２０２）、および５５ＧＨｚ（線１２０３）だけ離れたチャネルの関係を示す。図示するように、５０ＧＨｚ間隔のローディングチャネルについてのＤＯＰのゼロ次最小値はＤＧＤが１０ｐｓの時に現れており、一般に、ｎ次最小値は（１０＋ｎ＊２０）ｐｓの時に現れる。さらに、チャネル間隔が１０ＧＨｚ幅である場合、０．２未満（すなわち２０％未満）のＤＯＰは１０ｐｓの固定ＤＧＤで達成されることが見られる。すなわち、本装置は、性能を大きく損なうことなく、レーザーが発生する光の波長のわずかなドリフトを吸収することができる。図示するように、ドリフトに対するこの許容度は高次最小値では大きく低下する。

様々なチャネル間隔が無数にあっても、それらはある所与のＤＧＤ値で最小値を生じることになる。図１３は、５０ＧＨｚ（線１３０１）、１５０ＧＨｚ（線１３０２）、および３５０ＧＨｚ（線１３０３）のチャネル間隔が全て１０ｐｓで最小値を生じることを例示する。一般に、ＤＧＤが１０ｐｓの時、（５０＋ｎ＊１００）ＧＨｚのチャネル間隔は最小値を提供する。しかし、図示するように、チャネル間隔が高次になると（ｎが大きくなると）、ＤＧＤの変化に対する許容度は小さくなる。

上記の議論は２つのローディングチャネルを使用する本発明の実施形態に関するものであるが、使用するローディングチャネルの数はいくつでもよいことを認識されたい。

図１４は、３つ（図１４Ａ）および５つ（図１４Ｂ）のローディングチャネルを組み込んだシステムについてＤＧＤに対するＤＯＰを示す。ローディングチャネルが３つの場合、中心周波数のチャネルが２つの外側のチャネルに対して直交偏光する時偏光度が最小になる。各偏光状態で伝送されるパワーの量が等しいこと（ひいてはＤＯＰが最小であること）を保証するため、２つの外側チャネルのパワーは中心チャネルのパワーの約０．５倍に低下させる。同様に、ローディングチャネルが５つの場合、偏光状態は好適には交互になり、したがって、内側のチャネルは好適には中心チャネルのパワーの０．６４倍以下に設定し、外側のチャネルは中心チャネルのパワーの０．１６倍以下とする。一般に、以下の式が満たされるならば、第１の偏光状態にあるｎ個のチャネルと第２の、直交偏光状態にあるｍ個のチャネルとのシステムで最小のＤＯＰが得られる。

ここでＰは所与のチャネルのパワーである。

図１４から見られるように、ローディングチャネルの数が多いほど、ＤＧＤの変化に対する総合的なＤＯＰの許容度は大きくなる。

上記で説明したように、直交偏光信号の組み合わせを通じて偏光解消状態を達成してもよい。しかし、当業者が容易に認識するように、個別の偏光信号の様々な他の組み合わせによっても総合ＤＯＰはゼロになる。例えば、０度、１２０度、および２４０度に偏光した等しいパワーの信号の組み合わせによっても総合ＤＯＰはゼロになる。一般に、ローディングチャネルがｎ個の異なる偏光を有する場合、それらは０度、３６０／ｎ度、２＊３６０／ｎ度、３＊３６０／ｎ度、以下同様に（ｎ−１）＊３６０／ｎ度までとなる。

直線偏光と並んで、ローディング信号は円偏光してもよい。この場合、総合ＤＯＰをゼロにするため、左回りおよび右回りの円偏光信号の組み合わせを選択してもよい。

伝送ファイバには必然的にある程度の偏光モード分散（ＰＭＤ）という欠点があるが、このことは、長距離ではローディングチャネルの偏光整合が保持できないということを意味する。図１５は、ローディングチャネル間の波長分離に対する非相関距離（異なる信号の偏光間の関係が保持されなくなる距離）の関係を例示する。図示するように、ローディングチャネル間の波長が近くなるほど、非相関距離は大きくなる。

伝送帯域全体にわたってローディングチャネルを配置する必要があることが多い。しかし、図１５に示すように、ローディングチャネル間の波長分離を大きくすると、非相関距離が小さくなる。１つの実施形態では、複数対の直交偏光ローディングチャネルを波長スペクトル全体にわたって配置し、各対の中のローディングチャネルの波長を近づけて非相関距離を最大にする。有利にも、各対の波長分離は同じなので、単一のＰＭファイバによって全てのチャネル対を偏光解消するＤＧＤ手段を提供できる。上記は多数対のローディングチャネルの使用を説明しているが、代替案として（３つまたは５つのチャネルからなる上記で説明したもののような）他の小さな群を使用してもよい。

ローディングチャネルとデータチャネルとを伝送線路に送出する前に結合する海底端局装置の一例の単純化した略図である。 ＤＧＤ要素による２つのローディングチャネルの偏光解消を例示する。 ローディングチャネルの間隔に対する偏光保持ファイバ（ＰＭＦ）長およびＤＧＤのグラフである。 ＤＧＤ要素を通過した４つのデータチャネルおよびノイズ信号の偏光フィルタ通過後の周波数応答を示すグラフである。 ＤＧＤ要素を通過した２つのデータチャネルのＳＯＰの範囲および時間平均値を例示する円グラフである。 ＤＧＤ要素を通過した３つのデータチャネルのＳＯＰの範囲および時間平均値を例示する円グラフである。 ３７．５Ｇｈｚ間隔の２つの１０Ｇｂｐｓデータチャネルから形成した多重信号のＤＯＰに対するＤＧＤの効果を例示し、かつ各チャネルのＤＯＰに対するＤＧＤの効果と共にＤＧＤによって引き起こされる各チャネルについてのＱペナルティを例示する。 ポアンカレ球を例示する。 ６０００ｋｍ再循環ループ実験でのＱ値に対する本発明の利点を例示するヒストグラムである。 図８の実験での２つのデータチャネルについての相対回転角度に対するＱ値を示す。 ２つの高度に偏光した信号をロードした増幅器チェーンを通過したプローブ信号についての波長に対する偏光依存利得（ＰＤＧ）のグラフである。 ２つのローディングチャネルについてのＤＧＤに対する偏光度（ＤＯＰ）のグラフである。 種々のチャネル間隔についてのＤＧＤに対するＤＯＰのグラフである。 図１４Ａおよび図１４Ｂはそれぞれ３つおよび５つのローディングチャネルについてのＤＧＤに対するＤＯＰのグラフである。 波長分離に対する非相関距離のグラフである。

Claims (22)

1. 波長分割多重（ＷＤＭ）伝送システムのための光学装置であって、
   各ソースが光ソース信号を提供する複数の光ソースと、
   前記光ソース信号を多重化して偏光多重信号を形成するために前記光ソースに結合した偏光保持（ＰＭ）マルチプレクサと、
   前記ＰＭマルチプレクサの出力に結合した差分群遅延（ＤＧＤ）要素とを備え、
   前記ＤＧＤ要素の長さは該ＤＧＤ要素によって導入されるＤＧＤが（１＋２ｍ）／２Δｆであるように選択され、ここでΔｆは前記複数の光ソースの少なくとも２つの間の周波数差であり、ｍは整数であり、それによって前記ＤＧＤ要素が、各ソース信号について０．７より大きい時間平均偏光度（ＤＯＰ）を保持しつつ前記多重信号を偏光解消する光学装置。
2. 前記光ソースが、時間と共に各光ソース信号の周波数を変化させるようになっている、請求項１に記載の光学装置。
3. １つ以上の前記光信号がローディングチャネルである、請求項１または２に記載の光学装置。
4. 前記ＤＧＤ要素が複屈折要素である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学装置。
5. 前記ＤＧＤ要素がＰＭファイバである、請求項４記載の光学装置。
6. 前記ＰＭファイバの高速および低速の軸が前記偏光多重信号の偏光状態に対して４５度である、請求項５に記載の光学装置。
7. １つ以上の前記光ソースが連続波（ＣＷ）レーザーである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学装置。
8. ＤＧＤ要素が、前記偏光解消多重信号中の隣接する光ソース信号の時間平均偏光状態（ＳＯＰ）間の角度が、ｎが３以上の整数である時３６０／ｎ度であるようになっている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学装置。
9. ｎが４に等しい、請求項８に記載の光学装置。
10. ｍがゼロに等しい、請求項９に記載の光学装置。
11. 前記光ソース信号が、異なる周波数のローディングチャネルの複数の群を備え、各群間の周波数差が各群内の周波数差より大きく、前記ＤＧＤ要素が各群に異なる遅延を導入して前記多重信号を偏光解消する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学装置。
12. 光信号を処理する方法であって、
    複数の光ソース信号を偏光保持マルチプレクサに通過させて偏光多重信号を形成するステップと、
    前記多重信号を、ＤＧＤ要素を含む光路に通過させるステップであって、前記ＤＧＤ要素の長さは該ＤＧＤ要素によって導入されるＤＧＤが（１＋２ｍ）／２Δｆであるように選択され、ここでΔｆは前記複数の光ソースの少なくとも２つの間の周波数差であり、ｍは整数であり、それによって前記ＤＧＤ要素が、各ソース信号について０．７より大きい時間平均偏光度（ＤＯＰ）を保持しつつ前記多重信号を偏光解消するステップとを備える方法。
13. 前記光ソースが、時間と共に各光ソース信号の周波数を変化させるようになっている、請求項１２に記載の方法。
14. １つ以上の前記光信号がローディングチャネルである、請求項１２または１３に記載の方法。
15. 前記ＤＧＤ要素が複屈折要素である、請求項１２〜１４の何れかに記載の方法。
16. 前記ＤＧＤ要素がＰＭファイバである、請求項１５に記載の方法。
17. 前記ＰＭファイバの高速および低速の軸が前記偏光多重信号の偏光状態に対して４５度である、請求項１６に記載の方法。
18. ＤＧＤ要素が、前記脱偏光多重信号中の隣接する光ソース信号の時間平均偏光状態（ＳＯＰ）間の角度が、ｎが３以上の整数である時３６０／ｎ度であるようになっている、請求項１２〜１７の何れかに記載の方法。
19. ｎが４に等しい、請求項１８に記載の方法。
20. ｍがゼロに等しい、請求項１９に記載の方法。
21. 前記ＤＧＤ要素が、各光信号の偏光状態が１つ以上の残りの光信号の偏光状態と直交するように、１つ以上の光信号の偏光状態を修正する、請求項１２〜２０の何れかに記載の方法。
22. 前記ソース信号が、異なる周波数のローディングチャネルの複数の群を備え、各群間の周波数差が各群内の周波数差より大きく、前記多重信号を前記ＤＧＤ要素に通過させる前記ステップが各群に異なる遅延を導入して前記多重信号を偏光解消する、請求項１２〜２１の何れかに記載の方法。

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