JP5497349B2

JP5497349B2 - 光信号送受信装置および光信号送受信方法

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Publication number: JP5497349B2
Application number: JP2009157789A
Authority: JP
Inventors: 俊哉松田; 明那賀; 剛志関; 一弘織田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2029-07-02
Also published as: JP2011013474A

Description

本発明は、光の偏波状態（ＳＯＰ：State of Polarization)で多値のビット情報を伝送する光信号送受信装置および光信号送受信方法に関する。

大容量伝送システムにおける多重化方式は、伝送速度が10Ｇbit/s までは時分割多重（ＴＤＭ：Time-Domain Multiplexing）が主流であった。さらに高速な40Ｇbit/s システムでは、偏波モード分散（ＰＭＤ）対策としてシンボルレートを低減するために、光信号の位相情報を用いた多重化方式であるＱＰＳＫが用いられるようになった（非特許文献１）。

今後の実用化を目指して研究が進められているさらに高速な 100Ｇbit/s システムでは、電気回路の動作速度の問題から、より多重度を上げてシンボルレートの上昇を抑える必要があり、様々な多重化方式が提案されている。その中には、位相情報を用いた高速な多重化方式としてｘＰＳＫ（非特許文献２）や、位相情報に加えて振幅情報を用いたｘＡＰＳＫ、ｘＱＡＭ（非特許文献３）等がある。また、直交する偏波で独立した信号を伝送する偏波多重分離方式も併用されることが多い。なお、非特許文献４，５については、実施例説明の中で参照する。

Kataoka, T.; Matsuoka, S.; Matsuda, T.; Maeda, H.; Sakaida, N.; Kubo, T.; Kotanigawa, T.; Kawasaki, T., "Field transmission by using a commercially-ready 43 Gbit/s DWDM system employing RZ-DQPSK transponders in high PMD installed fiber", OFC2007, JThA45, (2007) R. Freund, D.-D. Gro , M. Seimetz, L. Molle, C. Caspar, "30 Gbit/s RZ-8-PSK Transmission over 2800 km Standard Single Mode Fibre without Inline Dispersion Compensation", OFC2008, OMI5, (2008) M. Nakazawa,"CHALLENGES TO FDM-QAM COHERENT TRANSMISSION WITH ULTRAHIGH SPECTRAL EFFICIENCY", ECOC2008, Tu.1.E.1, (2008) R. M. A. AZZAM, "Longitudinal polarization-dependent coupling of light from an optical fiber to a side-bonded planar proximity detector: application to integrated azimuthally distributed multidetector photopolarimeters ", IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.2, No.12, (1990) Betti, S.; Curti, T.; Daino, B.; De Marchis, G.; Iannone, E.; "STATE OF POLARISATION AND PHASE NOISE INDEPENDENT COHERENT OPTICAL TRANSMISSION SYSTEM BASED ON STOKES PARAMETER DETECTION", Electron. Lett.,Vol.24, No.23, (1988)

ＰＳＫ，ＡＰＳＫ，ＱＡＭ等の各信号の状態が２次元の位相平面上の信号点で表わされる多値変復調方式では、多重度が上がるにつれて多重化効果によりシンボルレートが低下するので、雑音の観点からは受信特性は有利になる。しかし、シンボルレート低下の割合よりも符号間距離の縮まる割合のほうが大きいため、同じビットレートでも多重度が上がるほど受信感度は低下する問題がある。

また、従来の偏波多重分離方式は、直交する偏波を２つの独立なモードとして扱っており、それ以上の多重化は検討されていなかった。

本発明は、光の偏波状態（ＳＯＰ）で多値のビット情報を表し、符号間距離を大きく縮めることなる多重度を上げることができる光信号送受信装置および光信号送受信方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、入力されたデータ信号列を偏波状態（ＳＯＰ）に対応するＳＯＰデータ列に変換するデータ変換器と、信号光源と、信号光源の出力光をデータ変換器から出力されるＳＯＰデータ列で変調する偏波変調器とを有する送信装置と、送信装置から出力された光信号を光ファイバ伝送路を介して受信し、この受信光信号のＳＯＰを解析してＳＯＰデータ信号列を出力するＳＯＰ解析器と、このＳＯＰデータ列をデータ信号列に変換するデータ変換器とを有する受信装置とを備えた光信号送受信装置において、送信装置は、データ変換器でデータ信号列の連続するｎビット信号を２ⁿ種類のＳＯＰの１つに割り当て、この２ⁿ種類以外でストークスベクトル表現にて直交する２つのＳＯＰをプローブとして送信する構成であり、受信装置は、受信光信号のＳＯＰを変換する偏波コントローラと、偏波コントローラの出力光信号のＳＯＰをＳＯＰ解析器で解析し、その情報を元に偏波コントローラを制御する偏波コントローラ制御器とを備え、ＳＯＰ解析器でプローブのＳＯＰを解析し、元のＳＯＰへ変換するように偏波コントローラ制御器を制御し、その後に受信光信号のＳＯＰデータ列をデータ変換器に出力し、元のデータ信号列に復元する構成である。

第１の発明の光信号送受信装置における送信装置は、データ変換器でデータ信号列の連続するｎビット信号を強度情報を含む２ⁿ種類のＳＯＰの１つに割り当て、この２ⁿ種類以外でストークスベクトル表現にて直交する２つのＳＯＰをプローブとして送信する構成としてもよい。

第２の発明は、入力されたデータ信号列を偏波状態（ＳＯＰ）に対応するＳＯＰデータ列に変換するデータ変換器と、信号光源と、信号光源の出力光をデータ変換器から出力されるＳＯＰデータ列で変調する偏波変調器とを有する送信装置と、送信装置から出力された光信号を光ファイバ伝送路を介して受信し、この受信光信号のＳＯＰを解析してＳＯＰデータ信号列を出力するＳＯＰ解析器と、このＳＯＰデータ列をデータ信号列に変換するデータ変換器とを有する受信装置とを備えた光信号送受信装置において、送信装置は、データ変換器でデータ信号列の連続するｎビット信号を強度情報を含む２ⁿ種類のＳＯＰの１つに割り当て、この２ⁿ種類以外でストークスベクトル表現にて直交する２つのＳＯＰをプローブとして送信する構成であり、受信装置は、受信光信号と局発光を干渉させて４つの光強度信号を出力する90度ハイブリッドを備え、ＳＯＰ解析器は90度ハイブリッドの出力からプローブのＳＯＰを解析して元のＳＯＰへ変換する変換行列を求め、受信光信号に対して当該変換行列を用いて得られたＳＯＰデータ列をデータ変換器に出力し、元のデータ信号列に復元する構成である。

第３の発明は、送信装置に入力されたデータ信号列をデータ変換器で偏波状態（ＳＯＰ）に対応するＳＯＰデータ列に変換して偏波変調器に入力し、ＳＯＰデータ列で変調された光信号を送信し、光信号を光ファイバ伝送路を介して受信装置で受信し、この受信光信号のＳＯＰをＳＯＰ解析器で解析してＳＯＰデータ信号列を生成し、このＳＯＰデータ列をデータ変換器でデータ信号列に変換する処理を行う光信号送受信方法において、送信装置は、データ変換器でデータ信号列の連続するｎビット信号を２ⁿ種類のＳＯＰの１つに割り当て、この２ⁿ種類以外でストークスベクトル表現にて直交する２つのＳＯＰをプローブとして送信し、受信装置は、受信光信号のＳＯＰを変換する偏波コントローラと、偏波コントローラの出力光信号のＳＯＰをＳＯＰ解析器で解析し、その情報を元に偏波コントローラを制御する偏波コントローラ制御器とを備え、ＳＯＰ解析器でプローブのＳＯＰを解析し、元のＳＯＰへ変換するように偏波コントローラ制御器を制御し、その後に受信光信号のＳＯＰデータ列をデータ変換器に出力し、元のデータ信号列に復元する。

第３の発明における送信装置は、データ変換器でデータ信号列の連続するｎビット信号を強度情報を含む２ⁿ種類のＳＯＰの１つに割り当て、この２ⁿ種類以外でストークスベクトル表現にて直交する２つのＳＯＰをプローブとして送信する。

第４の発明は、送信装置に入力されたデータ信号列をデータ変換器で偏波状態（ＳＯＰ）に対応するＳＯＰデータ列に変換して偏波変調器に入力し、ＳＯＰデータ列で変調された光信号を送信し、光信号を光ファイバ伝送路を介して受信装置で受信し、この受信光信号のＳＯＰをＳＯＰ解析器で解析してＳＯＰデータ信号列を生成し、このＳＯＰデータ列をデータ変換器でデータ信号列に変換する処理を行う光信号送受信方法において、送信装置は、データ変換器でデータ信号列の連続するｎビット信号を強度情報を含む２ⁿ種類のＳＯＰの１つに割り当て、この２ⁿ種類以外でストークスベクトル表現にて直交する２つのＳＯＰをプローブとして送信し、受信装置は、受信光信号と局発光を干渉させて４つの光強度信号を出力する90度ハイブリッドを備え、ＳＯＰ解析器は90度ハイブリッドの出力からプローブのＳＯＰを解析して元のＳＯＰへ変換する変換行列を求め、受信光信号に対して当該変換行列を用いて得られたＳＯＰデータ列をデータ変換器に出力し、元のデータ信号列に復元する。

本発明では、光の偏波状態（ＳＯＰ）で多値のビット情報を表すことができる。ＰＳＫ、ＡＰＳＫ、ＱＡＭ等の多重化方式が１つの位相情報と振幅情報で多値ビット情報を表すのに対して、本発明では各偏波の位相情報と振幅情報を用いるため、従来の２次元平面上での多重から３次元空間での多重となり、符号間距離を大きく縮めることなく多重度を上げることができる。

光の偏光状態は、図１に示すように、直交する光の位相関係により偏光楕円率χ（＝tan^-1(b/a)) 、相対的な振幅により主軸方位角ψ、各振幅の合成により強度ｒが変化する。（χ, ψ, ｒ）は、次式(1) によってストークスパラメタ（Ｓ₁，Ｓ₂，Ｓ₃）に変換できる。
Ｓ₁＝ｒcos(2χ) cos(2ψ)
Ｓ₂＝ｒcos(2χ) sin(2ψ)
Ｓ₃＝ｒsin(2χ) …(1)

このストークスパラメタで表される３次元の点に信号点を配置することにより、３次元での多重が可能となる。

ただし、送信装置で信号光に与えた各ＳＯＰは、光ファイバ中を伝搬することによって回転するが、その回転が受信装置で復調する際に問題となる。本発明では、シンボルレートと比較して各ＳＯＰの相対関係は変わらないことを利用して、ストークスベクトル表現で直交する２つのＳＯＰをプローブとして使用し、受信装置においてプローブのＳＯＰが送信側でのＳＯＰと一致するように回転する変換を各ＳＯＰに与えることにより、送信装置において変調したＳＯＰデータ列を復元することができる。

光の偏光状態を示す図である。本発明の光信号送受信装置の実施例１の構成例を示す図である。偏波変調器１３の構成例を示す図である。実施例１の変調光の様子を示す図である。実施例２の変調光の様子を示す図である。本発明の光信号送受信装置の実施例３の構成例を示す図である。

図２は、本発明の光信号送受信装置の実施例１の構成例を示す。
図において、送信装置１０は、データ変換器１１、信号光源１２および偏波変調器１３により構成される。受信装置２０は、偏波コントローラ２１、光／電気変換器（Ｏ／Ｅ）２２、ＳＯＰ解析器２３、偏波コントローラ制御器２４およびデータ変換器２５により構成される。なお、ＳＯＰ解析器２３は、アナログ／デジタル変換器を含む。

図３は、偏波変調器１３の構成例を示す。
図において、偏波変調器１３は、偏波分離器１３１、位相変調器１３２，１３３、強度変調器１３４，１３５、偏波多重器１３６により構成される。位相変調器１３２，１３３に印加する電圧により、偏波分離器１３１で分離された直交する偏波の位相差を発生させて偏光楕円率を制御する。強度変調器１３４、１３５に印加する電圧により直交する偏波の強度を変化させて主軸方位角を制御する。

送信装置１０のデータ変換器１１は、入力したデータ信号列を４ビット毎に表１の１つのＳＯＰ情報に変換し、偏波変調器１３の位相変調器１３２，１３３および強度変調器１３４，１３５に入力する。偏波変調器１３は、データ信号列に応じたＳＯＰ情報により信号光源１２の出力光のＳＯＰを設定する。その変調光の様子を図４に示す。

ここで、各ストークスベクトルは正規化されている。プローブとして用いる直交する２つのストークスパラメタＵ₀＝(0, 1, 0) 、Ｖ₀＝(-1, 0, 0)が、伝送後にそれぞれＵ＝（ｕ₁,ｕ₂,ｕ₃)＝（χ₁, ψ₁, 1 ）、Ｖ＝（ｖ₁,ｖ₂,ｖ₃)＝（χ₂, ψ₂, 1 ）に変化したとする。ＵおよびＶをＵ₀およびＶ₀に戻すために、まずは式(2) で表されるＳ₁軸中心の回転行列Ｔ₁とＳ₃軸中心の回転行列Ｔ₃を用いてＵをＵ’に変換し、ＶをＶ’に変換する。

このときＵ’＝Ｔ₁・Ｔ₃・Ｕ＝(0, 1, 0) となる。Ｕ⊥ＶよりＵ’⊥Ｖ’なので、
Ｖ’＝（ｖ₁'，０，ｖ₃'）＝（χ₂', ψ₂', １）（ただしχ₂'＝０またはπ/2）
と表される。さらに式(3) で表されるＴ₂を用いてＶ’をＶ”＝Ｔ₂・Ｖ’＝(-1, 0, 0)に変換する。

以上より、受信後の各ＳＯＰデータ列に対して、受信装置２０の偏波コントローラ２１において行列Ｔ₂・Ｔ₁・Ｔ₃を用いた変換を行い、送信時のＳＯＰデータ列を復元する。具体的には、変更楕円率を変更する１／４波長板および主軸方位角を変更する１／２波長板等で構成された偏波コントローラ２１の通過後の信号から、ＳＯＰ解析器２３によって観測した各プローブのＳＯＰがＵ’＝(0, 1, 0) およびＶ”＝(-1, 0, 0)となるよう偏波コントローラ制御器２４を介して偏波コントローラ２１を制御し、以降のデータ列受信時は偏波コントローラ２２の設定を固定する。

ＳＯＰ解析器２３は、固定した偏波コントローラ２１の出力からＳＯＰデータ列を判定してデータ変換器２５に出力し、データ変換器２５で表１に従ってデータ信号列を復元する。なお、ＳＯＰ解析器２３において受信信号のＳＯＰを判定する方法として、例えば非特許文献４に記載の方法がある。

本実施例の光信号送受信装置の送信装置１０および受信装置２０の構成は、図２に示す実施例１と同様である。

本実施例の送信装置１０のデータ変換器１１は、入力したデータ信号列を５ビット毎に光強度情報も加えた表２の１つのＳＯＰ情報に変換し、図３に示す偏波変調器１３の位相変調器１３２，１３３および強度変調器１３４，１３５に入力する。偏波変調器１３は、データ信号列に応じたＳＯＰ情報により信号光源１２の出力光のＳＯＰを設定する。すなわち、位相変調器１３２，１３３に印加する電圧により直交する偏波の位相差を発生させて偏光楕円率を制御する。強度変調器１３４，１３５に印加する電圧により直交する偏波の強度を変化させて主軸方位角に加えて光強度も制御する。その変調光の様子を図５に示す。

受信装置２０におけるＳＯＰ判定は光強度情報も含むため、プローブを用いた送信ＳＯＰデータ列の復元方法およびＳＯＰ解析器２２によるＳＯＰ判定は実施例１と同じである。データ変換器２５は表２に従ってデータ信号列を復元する。

図６は、本発明の光信号送受信装置の実施例３の構成例を示す。
図において、送信装置１０は、データ変換器１１、信号光源１２および偏波変調器１３により構成される。受信装置２０は、90度ハイブリッド２６、局発光源２７、光／電気変換器（Ｏ／Ｅ）２２、ＳＯＰ解析器２８およびデータ変換器２５により構成される。なお、ＳＯＰ解析器２８は、アナログ／デジタル変換器を含む。

本実施例の送信装置１０のデータ変換器１１は、実施例２と同様に、入力したデータ信号列を５ビット毎に光強度情報も加えた表２の１つのＳＯＰ情報に変換し、偏波変調器１３に入力する。偏波変調器１３は、データ信号列に応じたＳＯＰ情報により信号光源１２の出力光のＳＯＰを設定する。すなわち、図３における位相変調器１３２，１３３に印加する電圧により直交する偏波の位相差を発生させて偏光楕円率を制御する。強度変調器１３４，１３５に印加する電圧により直交する偏波の強度を変化させて主軸方位角に加えて光強度も制御する。

受信装置２０では、局発光源２７の局発光と90度ハイブリッド２６を用いて得られた４つの光強度信号がＯ／Ｅ２２でそれぞれ電気信号に変換された後、ＳＯＰ解析器２８でアナログ／デジタル変換された信号からデジタル信号処理によりＳＯＰを判定する。ＳＯＰ判定は、最初にプローブ受信ＳＯＰを送信ＳＯＰに戻す変換行列Ｔ₂・Ｔ₁・Ｔ₃を求めた後、受信信号に対して変換行列Ｔ₂・Ｔ₁・Ｔ₃を用いて送信時のＳＯＰデータ列を復元する。データ変換器２５では、表２に従ってデータ信号列を復元する。なお、ＳＯＰ解析器２８において受信信号のＳＯＰを判定する方法として、例えば非特許文献５に記載の方法がある。

１０送信装置
１１データ変換器
１２信号光源
１３偏波変調器
２０受信装置
２１偏波コントローラ
２２光／電気変換器（Ｏ／Ｅ）
２３，２８ＳＯＰ解析器
２４偏波コントローラ制御器
２５データ変換器
２６９０度ハイブリッド
２７局発光源

Claims

入力されたデータ信号列を偏波状態（ＳＯＰ）に対応するＳＯＰデータ列に変換するデータ変換器と、信号光源と、信号光源の出力光をデータ変換器から出力されるＳＯＰデータ列で変調する偏波変調器とを有する送信装置と、
前記送信装置から出力された光信号を光ファイバ伝送路を介して受信し、この受信光信号のＳＯＰを解析してＳＯＰデータ信号列を出力するＳＯＰ解析器と、このＳＯＰデータ列をデータ信号列に変換するデータ変換器とを有する受信装置と
を備えた光信号送受信装置において、
前記送信装置は、前記データ変換器で前記データ信号列の連続するｎビット信号を２ⁿ種類のＳＯＰの１つに割り当て、この２ⁿ種類以外でストークスベクトル表現にて直交する２つのＳＯＰをプローブとして送信する構成であり、
前記受信装置は、前記受信光信号のＳＯＰを変換する偏波コントローラと、偏波コントローラの出力光信号のＳＯＰを前記ＳＯＰ解析器で解析し、その情報を元に偏波コントローラを制御する偏波コントローラ制御器とを備え、前記ＳＯＰ解析器で前記プローブのＳＯＰを解析し、元のＳＯＰへ変換するように前記偏波コントローラ制御器を制御し、その後に前記受信光信号のＳＯＰデータ列を前記データ変換器に出力し、元のデータ信号列に復元する構成である
ことを特徴とする光信号送受信装置。
請求項１に記載の光信号送受信装置において、
前記送信装置は、前記データ変換器で前記データ信号列の連続するｎビット信号を強度情報を含む２ⁿ種類のＳＯＰの１つに割り当て、この２ⁿ種類以外でストークスベクトル表現にて直交する２つのＳＯＰをプローブとして送信する構成である
ことを特徴とする光信号送受信装置。
入力されたデータ信号列を偏波状態（ＳＯＰ）に対応するＳＯＰデータ列に変換するデータ変換器と、信号光源と、信号光源の出力光をデータ変換器から出力されるＳＯＰデータ列で変調する偏波変調器とを有する送信装置と、
前記送信装置から出力された光信号を光ファイバ伝送路を介して受信し、この受信光信号のＳＯＰを解析してＳＯＰデータ信号列を出力するＳＯＰ解析器と、このＳＯＰデータ列をデータ信号列に変換するデータ変換器とを有する受信装置と
を備えた光信号送受信装置において、
前記送信装置は、前記データ変換器で前記データ信号列の連続するｎビット信号を強度情報を含む２ⁿ種類のＳＯＰの１つに割り当て、この２ⁿ種類以外でストークスベクトル表現にて直交する２つのＳＯＰをプローブとして送信する構成であり、
前記受信装置は、前記受信光信号と局発光を干渉させて４つの光強度信号を出力する90度ハイブリッドを備え、前記ＳＯＰ解析器は90度ハイブリッドの出力から前記プローブのＳＯＰを解析して元のＳＯＰへ変換する変換行列を求め、前記受信光信号に対して当該変換行列を用いて得られたＳＯＰデータ列を前記データ変換器に出力し、元のデータ信号列に復元する構成である
ことを特徴とする光信号送受信装置。
送信装置に入力されたデータ信号列をデータ変換器で偏波状態（ＳＯＰ）に対応するＳＯＰデータ列に変換して偏波変調器に入力し、ＳＯＰデータ列で変調された光信号を送信し、
前記光信号を光ファイバ伝送路を介して受信装置で受信し、この受信光信号のＳＯＰをＳＯＰ解析器で解析してＳＯＰデータ信号列を生成し、このＳＯＰデータ列をデータ変換器でデータ信号列に変換する処理を行う光信号送受信方法において、
前記送信装置は、前記データ変換器で前記データ信号列の連続するｎビット信号を２ⁿ種類のＳＯＰの１つに割り当て、この２ⁿ種類以外でストークスベクトル表現にて直交する２つのＳＯＰをプローブとして送信し、
前記受信装置は、前記受信光信号のＳＯＰを変換する偏波コントローラと、偏波コントローラの出力光信号のＳＯＰを前記ＳＯＰ解析器で解析し、その情報を元に偏波コントローラを制御する偏波コントローラ制御器とを備え、前記ＳＯＰ解析器で前記プローブのＳＯＰを解析し、元のＳＯＰへ変換するように前記偏波コントローラ制御器を制御し、その後に前記受信光信号のＳＯＰデータ列を前記データ変換器に出力し、元のデータ信号列に復元する
ことを特徴とする光信号送受信方法。
請求項４に記載の光信号送受信方法において、
前記送信装置は、前記データ変換器で前記データ信号列の連続するｎビット信号を強度情報を含む２ⁿ種類のＳＯＰの１つに割り当て、この２ⁿ種類以外でストークスベクトル表現にて直交する２つのＳＯＰをプローブとして送信する
ことを特徴とする光信号送受信方法。
送信装置に入力されたデータ信号列をデータ変換器で偏波状態（ＳＯＰ）に対応するＳＯＰデータ列に変換して偏波変調器に入力し、ＳＯＰデータ列で変調された光信号を送信し、
前記光信号を光ファイバ伝送路を介して受信装置で受信し、この受信光信号のＳＯＰをＳＯＰ解析器で解析してＳＯＰデータ信号列を生成し、このＳＯＰデータ列をデータ変換器でデータ信号列に変換する処理を行う光信号送受信方法において、
前記送信装置は、前記データ変換器で前記データ信号列の連続するｎビット信号を強度情報を含む２ⁿ種類のＳＯＰの１つに割り当て、この２ⁿ種類以外でストークスベクトル表現にて直交する２つのＳＯＰをプローブとして送信し、
前記受信装置は、前記受信光信号と局発光を干渉させて４つの光強度信号を出力する90度ハイブリッドを備え、前記ＳＯＰ解析器は90度ハイブリッドの出力から前記プローブのＳＯＰを解析して元のＳＯＰへ変換する変換行列を求め、前記受信光信号に対して当該変換行列を用いて得られたＳＯＰデータ列を前記データ変換器に出力し、元のデータ信号列に復元する
ことを特徴とする光信号送受信方法。