JP5015288B2 - 光伝送方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、広くは光通信の分野に関し、より詳細には、交互偏光位相シフトキー光信号を生成するための光通信装置に関する。

本出願は、２００４年２月２０日に出願された仮出願第６０／５４６５０４号の優先権を主張するものである。
高分散型疑似線形高ビット速度長距離伝送方式において、チャネル内四光波混合（ＩＦＷＭ）およびチャネル内交差位相変調（ＩＸＰＭ）は、非線形ペナルティの主たる原因である。差分位相シフトキーイング（ＤＰＳＫ）変調形式を使用すると、オン・オフ・キーイング（ＯＯＫ）と比較してこれらのペナルティを緩和することができる。いくつかの４０Ｇｂ／ｓＤＰＳＫ超長距離ＤＷＤＭ伝送実験は、優れた能力および距離性能を示した。ＩＸＰＭに対する強い抵抗は、各時間スロットにおける等しいパルス・エネルギーから生じる。ＲＺ−ＯＯＫと比較してゼロ復帰（ＲＺ）−ＤＰＳＫのパルス・エネルギーを低下させ、２つの隣接パルスの非線形位相シフト間の補正を行うと、ＩＦＷＭに対するＲＺ−ＤＰＳＫの強健性が向上することも証明された。

基本的に、ビット毎に信号の偏光を交代させると、２つの直交偏光信号間のＦＷＭがほとんどなくなり、２つの直交偏光間のＸＰＭの効果が、平行偏光間の効果の半分になるため、非線形ペナルティがさらに低減される。従来技術のシミュレーションにより、交代偏光ＤＰＳＫ（ＡＺＰｏｌ−ＤＰＳＫ）を使用することによって、単一偏光ＤＰＳＫと比較して５０％を上回る伝送距離の向上を達成できることが証明された。ＤＰＳＫと偏光交代を同時に使用すると、チャネル内光学的非線形相互作用が制限因子である光転信システムの性能が高められる。

交代偏光ＤＰＳＫを実施するための１つの従来技術の方法は、送信機に光時分割多重化（ＯＴＤＭ）および偏光多重化を用いる。該方法は、ビット速度の半分の速度で動作する短パルス源、受信機でのＯＴＤＭ逆多重化または偏光逆多重化、ならびに複雑な送信機および受信機を必要とする。当該方法は、現実的なシステム用途に実用性がなく、非ゼロ復帰（ＮＲＺ）形式に適さない。この手法は、単一のチャネルに対して多数の光送信機必要とするため光ネットワークにも実用性がない。
さらに、ＤＰＳＫデータをプリコード化およびコード化する従来技術の方法は、交代偏光形式化信号を効率的に生成するのに適さない。

仮出願第６０／５４６５０４号

Ａ．Ｈ． Ｇｎａｕｃｋ ｅｔ ａｌ．，Ｐａｐｅｒ ＰＤＰ ３５、「６"×４２．７−Ｇｂ／ｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ ｔｅｎ ２００−ｋｍ ＥＤＦＡ−ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ＳＳＭＦ ｓｐａｎｓ ｕｓｉｎｇ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ＲＺ−ＤＰＳＫ」、ＯＦＣ ２００４，２００４年２月２２〜２７日

従来技術のこれらおよび他の欠点は、偶数のビット周期によって時分割される光信号の光ビットの間で情報を光学的にコード化する、交代偏光ＤＰＳＫ（ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ）光信号を生成し、かつ／または伝送するための方法および装置を含む本発明の実施形態によって対処される。本発明は、差分四相位相シフトキーイング（ＤＱＰＳＫ）、および差分π／２位相シフトキーイング（Ｄ−π／２−ＰＳＫ）等を含むが、それらに限定されないＤＰＳＫおよびＰＳＫ形式に適用されうる。

一実施形態において、位相シフトキーイング（ＰＳＫ）を用いて光源の出力を変調して、電子データを光学的にコード化して、光信号を生成すること、および連続的な光ビットが実質的に直交偏光を有するように、変調器を使用して位相シフトキード光信号の偏光を交代させて、ＡＰｏｌ−ＰＳＫ信号を生成することを含むＡＰｏｌ−ＰＳＫ伝送方法が提供される。

他の実施形態において、電子データをプリコードすること、プリコードされた電子データを使用してレーザの出力を変調すること、および偶数のビット周期によって分割される２つの光ビットの間で差分位相シフトキーイングを行って、光信号を生成することを含むＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ伝送方法が提供される。連続的な光ビットが実質的に直交偏光を有するように、変調器を使用して差分位相シフトキード光信号の偏光を交代させて、ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ信号を生成する。

他の実施形態において、光源と、電子データ信号をプリコードするためのプリコーダ・デバイスとを備えたＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ伝送用光送信機が提供される。光位相シフトキーイング・データ変調器をプリコーダ・デバイスからのプリコードされた電子データ信号によって駆動させて、信号が、偶数のビット周期によって分割された２つの光ビットの間の位相シフトキーイングとして搬送されるように光ＤＰＳＫ信号を生成する。偏光オルタネータをデータ変調器に光学的に結合させて、データ変調器の出力の偏光交代を行う。

他の実施形態において、光源と、電子データ信号をプリコードするためのプリコーダ・デバイスと、少なくとも１つのアームに偏光回転デバイスを有する改造マッハ・シェンダ（ＭＺ）変調器とを備えたＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ伝送用光送信機が提供される。プリコーダ出力を処理すると同時に、偶数のビット周期によって分割された２つの光ビットの間の位相シフトキーイングとして偏光交代および光データ・コード化を達成するためのＭＺ変調器用駆動回路が提供される。

本発明の先述および他の目的、特徴および利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明からより明白になるであろう。
しかし、添付の図面は、本発明の例示的な実施形態のみを示し、したがって本発明の範囲を制限するものと見なされるべきではない。

「１０１１０１」とコード化されたＲＺ−ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ形式化データ・ストリームの図である。 図２Ａは本発明の実施形態に従って使用できる４０−Ｇｂ／ｓ Ａｐｏｌ−ＤＰＳＫプリコーダを示す図であり、図２Ｂは本発明の実施形態に従って使用できる１０−Ｇｂ／ｓから４０−Ｇｂ／ｓ電子時分割マルチプレクサと一体化した４０Ｇｂ／ｓ Ａｐｏｌ−ＤＰＳＫを示す図である。 本発明の態様に従って、ＤＦＢ（分散フィードバック・レーザ）、ＰＣ（ＲＺパルス・カーバ、ＰＭ（位相変調器）およびＰＡ（偏光オルタネータ）を使用するＲＺ−ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ伝送装置の実施形態を示す図である。 同時データ変調および偏光交代のための単一変調器を使用するＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ伝送装置の実施形態を示す図である。 本発明に従って使用できる偏光交代変調器の代替的な実施形態を示す図である。 本発明に従って使用できる偏光交代変調器の代替的な実施形態を示す図である。 本発明に従って使用できる偏光交代変調器の代替的な実施形態を示す図である。 駆動電圧の関数として図４Ｂに示されるデバイスの光出力の電場の方位を示すグラフである。 データ「１０１１０１」と、２０Ｇクロック（ＣＬＫ）と、図４Ｂのデバイスに対する位相部駆動電圧との関係を示す論理テーブルである。

本発明をＡＰｏｌ−ＤＰＳＫの２ビット遅延実装について説明するが、直接的な改造によって、他の偶数ビット遅延の場合に対するＡＰｏｌ−ＤＰＳＫを実装することが可能であることを当業者は理解できる。ＤＱＰＳＫ、ＰＳＫ（非差分）およびＤ−π／２−ＰＳＫを含むが、それらに限定されない他の位相シフトキーイング形式で偏光交代を遂行するのに本発明を適用できることも理解される。

ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫデータ・コード化：従来の光ＤＰＳＫ伝送では、連続ビット間の０−位相またはπ−位相シフトによって情報をコード化する。本発明によれば、この手法は、ＤＰＳＫで交代偏光を使用できるように改造される（連続ビットは、直交偏光を有するため、１ビット遅延線干渉計を使用する従来のＤＰＳＫ復調器で干渉を起こすことはない）。（同じ偏光を有する）偶数のビット・スロットによって分割された任意の２つのビット間の差分位相シフトキーイングによって、ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫに対するコード化を遂行することができる。２ビット遅延は、可能な最も短い遅延で、結果として実装が簡素化され、２つのビット間の偏光および位相補正が向上するため好ましい。２ビット遅延ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫの位相および偏光情報が図１に示されている。次いで、例えば偶数ビット遅延線干渉計を使用して、信号の復調を達成することができる。

Ａｐｏｌ−ＤＰＳＫプリコード化：本発明によれば、ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ信号を生成するためのシステムに、図２Ａおよび２Ｂに示されるようなプリコーダを使用するのが好ましい。プリコーダの役割は、偶数のビット周期によって分割された２つの光ビット間の位相シフトキーイングとしてプリコーダの出力を光学的にコード化できるように、入力データを処理することである。

図２Ａおよび２Ｂに示されるプリコーダは、ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ形式化データを、各々の集合体が、例えば従来の２０Ｇｂ／ｓ ＤＰＳＫである直交偏光の２つの独立集合体に論理分割できることを利用する。図２Ａおよび２ＢのＡＮＤおよびＴｏｇｇｌｅフリップ・フロップ（Ｔ−ＦＦ）要素は、従来の（例えば４０Ｇｂ／ｓ）ＤＰＳＫプリコーダにおける匹敵する要素とは異なり、半分のビット速度（例えば２０Ｇｂ／ｓ）で動作すればよいことに留意されたい。

実際、４０Ｇｂ／ｓのデータ・ストリームをより低いビット速度の支流から電子的に多重化し、４つの１０Ｇｂ／ｓデータ・ストリームの電子時分割多重化（ＥＴＤＭ）の場合について図２Ｂに示されるように、多重化プロセスでプリコーダを統合することができる。

ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ光変調：本発明によるＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ用プリコード化電子データの光変調および伝送を、例えば図３Ａおよび３Ｂに示される実装によって達成することができる。図３Ａは、位相シフトキーイング・データ変調器（ＰＭ）３２０から変調光信号の偏光を交代させるのに偏光オルタネータ（ＰＡ）３１０が使用される本発明の一実施形態による光伝送システム３００を示す。位相シフトキーイング・データ変調器は、例えば、位相変調、またはマッハ−ツェンダー変調器でありうる。

ＰＡ３１０についてのいくつかの設計が可能である。当該ＰＡの１つの例は、（図４Ａに示される）位相変調器である。図４ＡのＰＡの動作原理は、電気光学偏光スクランブラの動作原理に類似している。光信号が、その偏光を結晶軸に対して４５度配向させて変調器に放射されると、出力偏光は、

となる（ただし、ｒはＴＥ電気光学係数とＴＭ電気光学係数の差で、Ｖ（ｔ）は位相変調器に印加される電圧である）。駆動電圧は、好ましくは、反復速度がビット速度の半分である正弦波または方形波で、電圧のピーク間振幅は、ＴＥ偏光構成要素とＴＭ偏光構成要素のπ位相差を生成することによって、ビット毎の偏光交代を発生させる。図３Ａの点線のボックスで示されるように、データ変調器と偏光オルタネータを単一のデバイスに容易に統合できることに留意されたい。この場合は、データ変調部の出力の偏光を４５度回転させるために、２つの変調部の間に一体化した波プレートを挿入できる。偏光オルタネータにおけるＴＥモードとＴＭモードの伝搬速度の間に実質的な差が存在する場合は、その差を補償するために複屈折要素を挿入できる。

図４Ｂは、偏光回転構成要素、例えば、アーム内の光の偏光を９０度回転させるように１つのアーム内に統合された半波プレートを有する改造型マッハ−ツェンダー変調器デバイスを示す。２つのアームからの光出力は、偏光結合または３−ｄＢ出力結合カップラ接合部によって結合される。当該デバイスを図４Ａのデバイスと同様に駆動させて、偏光交代を達成することができる。変調器の２つのアームに印加される駆動電圧の差は、好ましくは、反復速度がビット速度の半分である正弦波または方形波で、差分電圧の振幅は変調器のＶ_πに設定される。

図４Ｃは、２つの相補的出力ポートを有するマッハ−ツェンダー変調器デバイスを示す。２つの出力ポートからの信号を結合させるための偏光ビーム結合器（ＰＢＣ）も設けられる。当該デバイスを図４Ｂのデバイスと同様に駆動させて、偏光交代を達成することができる。

図３Ｂは、図４Ｂに示されるように、偏光交代およびデータ変調が単一の光変調器３６０で遂行される本発明の他の実施形態による光伝送システム３５０を示す。１つのアーム内の場の偏光が９０度回転される改造型マッハ−ツェンダー変調器を使用するのが好ましい。入力場が、

に沿って偏光されると想定すれば、偏光回転後に、図４Ｂの干渉計の上部アームの場は

になり、下部アームの場は

になる。これらの場を偏光結合カップラ接合部または３−ｄＢ出力結合カップラ接合部によって再結合できることを当業者なら理解するであろう。

干渉計の１つのアームで偏光回転を与える他の方法、ならびに２つのアームを再結合させる他の方法も実質的に同一の動作をもたらすことを当業者なら理解するであろう。加えて、干渉計の２つのアームの偏光の状態を改変する他の方法も、再結合の前に実質的に直交する偏光状態を与えるのであれば好適であることは明白である。
変調器３６０の出力に対する電場ベクトルの方位は、

で表すことができ、変調器３６０の２つの電極に印加される電圧の４つの組合せについて図５に示されている。図６の表における電圧Ｖ_１およびＶ_２の対のシーケンスは、図１に示される「１０１１０１」に対するＡｐｏｌ−ＤＰＳＫコード化ビット・ストリームを生成することが、図１および図５から理解できる。さらに、電圧Ｖ_１およびＶ_２は、プリコード化データ（Ｄ）および２０Ｇクロックと単純な形で関連づけられる。すなわち、

、およびＶ_２／Ｖ_π＝Ｄ（ただし、

はＸＯＲ演算である）で表される。

本発明の態様、およびＤＰＳＫに対するＡＰｏｌ−ＤＰＳＫの性能向上を実証するために、図３Ａに示される実装と同様の実装を用いて、単一チャネル４２．７−Ｇｂ／ｓ伝送実験を行った。１５５１ｎｍのレーザおよびパルス・カーバは、８ｐｓの光パルスを生成し、次いでマッハ−ツェンダー変調器を使用して、それをＤＰＳＫ変調した。疑似無作為データ・シーケンス（四分パターン遅延を伴う１０．７Ｇｂｓシーケンスの４つのコピーから電子的に多重化された、長さが２^３１−１のデータ・シーケンス）を用いたため、データ・プリコード化は必要なかった。３３０ｋｍのファイバ・リンクは、標準単一モード・ファイバ（ＳＳＭＦ）の８２ｋｍまでの４つのスパンから構成され、それぞれのスパンの後に分散補償ファイバ（ＤＣＦ）が続いていた。各々のスパンにラマン＋エルビウム・ハイブリッド増幅スキームを用いた。各スパンにおける開始出力は７ｄＢｍであった。受信光信号対雑音比を２２．２ｄＢに設定した（１ｎｍ解像帯域幅で測定し、０．１ｎｍを基準とした）。復調器として、４ビット（９３．７ｐｓ）遅延干渉計を使用した。この後に、単一フォトダイオード検出、クロック復元、およびビット誤差率（ＢＥＲ）試験のための１０．７Ｇｂ／ｓへの電子多重化を行った。偏光を交代させなければ、ＢＥＲは１０^−６であった。次いで、正弦駆動偏光オルタネータを送信機に加えると、ＢＥＲは１０^−９まで高められた。

本発明の態様の追加的な復調を行ったが、それについては、本明細書に組み込まれているＡ．Ｈ． Ｇｎａｕｃｋ ｅｔ ａｌ．，Ｐａｐｅｒ ＰＤＰ ３５、「６”×４２．７−Ｇｂ／ｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ ｔｅｎ ２００−ｋｍ ＥＤＦＡ−ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ＳＳＭＦ ｓｐａｎｓ ｕｓｉｎｇ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ＲＺ−ＤＰＳＫ」、ＯＦＣ ２００４，２００４年２月２２〜２７日に記載されている。

例示的な実施形態について本発明を説明したが、それは限定的な意味で解釈されるべきではない。本発明が関わる技術分野の当業者にとって明らかである本発明の記載の実施形態および他の実施形態に対する様々な改造形態も、本発明の原理および範囲内に含まれるものと考えられる。

本発明による様々な方法の工程が、特定の手順に関して開示、記載されているが、本発明は、それらの特定の手順におけるそれらの工程の一部またはすべてを実施する方法に限定されない。

Claims (9)

1. 差分位相シフトキーイング（ＤＰＳＫ）を用いて光信号上にデータを変調し、ＤＰＳＫ変調光信号を生成するステップと、
   交代偏光ＤＰＳＫ（ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ）信号を生成するために、連続光ビットが実質的に直交偏光を有するように、前記ＤＰＳＫ変調光信号の連続光ビットの偏光を交代するステップと、
   偶数ビット遅延線干渉計を用いて前記ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ信号を復調するステップとを含む方法。
2. 前記光信号は、送信された前記ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ信号の連続光ビットの偏光が実質的に直交するように、所定の角度に配向した偏光を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 交代偏光位相シフトキーイング（ＡＰｏｌ−ＰＳＫ）送信方法であって、
   偶数の光ビット周期により分割される２つの光ビット間で、位相シフトキーイング（ＰＳＫ）を用いて、光信号上にデータを変調するステップと、
   交代偏光ＰＳＫ（ＡＰｏｌ−ＰＳＫ）信号を生成するために、連続光ビットが実質的に直交偏光を有するように、前記ＰＳＫ変調された光信号の連続光ビットの偏光を交代するステップとを含み、
   前記変調するステップと前記偏光を交代するステップは、少なくとも１つのアームに偏光回転デバイスを有するマッハ−ツェンダー変調器により同時に実行され、
   前記マッハ−ツェンダー変調器の両方のアームへの入力信号は、実質的に同じ偏光を有することを特徴とする方法。
4. 差分位相シフトキーイング（ＤＰＳＫ）変調光信号を生成するために、光信号上にデータを変調するためのＤＰＳＫ変調器と、
   交代偏光ＤＰＳＫ（ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ）変調光信号を生成するために、前記ＤＰＳＫ変調光信号の連続光ビットの偏光を交代するための偏光オルタネータと、
   前記データを前記ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ変調光信号から抽出するために、前記ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ変調光信号を復調するための偶数ビット遅延線干渉計を有する復調器とを含むＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ送信を使用するシステム。
5. 前記偏光オルタネータは、正弦波ＲＦ電圧により駆動される位相変調器を含むことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 前記偏光オルタネータは、ビット速度の半分の速度で伝わる方形パルス列により駆動される位相変調器を含むことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
7. 前記偏光オルタネータは、１つのアームに偏光回転デバイスを有する改造型マッハ−ツェンダー変調器を含むことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
8. 前記変調器の２つのアームに印加される駆動電圧の差は、反復速度が実質的にビット速度の半分である正弦波又は方形波で、前記駆動電圧の差の振幅は前記変調器のＶπに設定される請求項７に記載のシステム。
9. 差分位相シフトキーイング（ＤＰＳＫ）変調光信号を生成するために、差分位相シフトキーイングを用いて、光信号上にデータを変調するための手段と、
   交代偏光ＤＰＳＫ（ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫ）信号を生成するために連続光ビットが実質的に直交偏光を有するように、前記ＤＰＳＫ変調光信号の連続光ビットの偏光を交代するための手段と、
   偶数ビット遅延線干渉計を用いて、前記ＡＰｏｌ−ＤＰＳＫを復調するための手段を含む装置。

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