JP5827379B2 - 偏波多重光伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、偏波多重光伝送システムに係り、特に、トランスペアレント光ネットワークにおいて、光伝送路もしくは光ノードに存在する偏波依存性損失（Polarization Dependent Loss: PDL）の偏波多重光伝送への影響を監視するための偏波多重光伝送システムに関する。

従来のトランスペアレント光ネットワークにおいては、光信号は、単一偏波で伝送されてきた。

実際の光伝送路においては、偏波依存性損失（Polarization Dependent Loss: PDL）が存在し、信号光の偏波状態によって信号光が過剰に減衰することが知られている。これまでの光伝送システムでは、単一偏波のみ用いているため、このＰＤＬにより過剰に減衰した分を光ノードで監視して補償することができ、支障が生じることはなかった。

一方、近年伝送速度の高速化や帯域使用率の高効率化のために偏波多重方式の導入が検討されている。この偏波多重方式は、同一の波長に、互いに直交する二つの偏波状態が存在することを利用して、これらの二つの偏波状態に独立な二つの信号を対応させて伝送し、受信側で偏波分離を行うことにより２つの信号を得る。

図１０に従来の偏波多重光伝送システムの送信系の構成を示す。同図に示すように、一般的にはＣＷ光源１、分波器２、電気変調信号発生部３、Ｘ偏波用の光変調器４、Ｙ偏波用の光変調器５、及び偏波合波器６から構成される。

偏波多重方式は、同一波長の光信号を偏波が直交する状態（図１１ではＸ偏波及びＹ偏波）で、送信元で偏波多重して伝送する方式である。ここで例えば、Ｘ偏波の方向と光伝送路のＰＤＬの損失軸（図では水平軸）が一致したとすると、図１１（ｂ）のように伝搬後にＸ偏波が減衰することになる。ＰＤＬが大きいほど、Ｘ偏波が大きく減衰する。

図１２において、ノードＡからノードＣに光信号を伝送する場合を考える。図１２のように単一偏波方式で非偏波多重の場合、偏波でチャネルが規定されているわけではなく、単一偏波状態であるため、たとえ、光伝送路（図ではＢＣ間）のＰＤＬにより過剰に減衰を受けても光ノードの光増幅器で所定のレベルに回復させることができ（図ではＤの位置）、その後次のノード送られる。ただ、受信端（図ではＦの位置）では最後のリンク（図ではＤＥ間）でのＰＤＬの影響を受ける可能性はある。

一方、図１３のように偏波多重方式の場合、現状の光ノードでは、二つの異なる偏波状態の光信号のパワーの和を一定とすることになるため、どちらかのチャネルのパワーがＰＤＬにより過剰に減衰して小さくなっていても十分にパワーが回復しないまま（図ではＤの位置）、次のノードに送られていることになる（図ではＸ偏波が回復していないことを示す）。さらにその信号光（図ではＸ偏波）が再び過剰な減衰を被った場合（図ではＤＥ間）、受信端ではその光信号のレベルが極端に小さくなり、必要な光信号対雑音比（ＯＳＮＲ）が得られなくなる可能性がある（例えば、非特許文献１参照）。

また、このように二つの信号間のレベル偏差が大きい場合、最近開発が進められているディジタルコヒーレント方式においては、コヒーレントレシーバでの偏波分離が困難になることが予想される（例えば、非特許文献２参照）。

このように、偏波多重方式をトランスペアレント光ネットワークに導入する場合、現状の技術だけでは、光伝送路のＰＤＬにより伝送特性が劣化する恐れがある。また、光ノードを構成する部品自体にも多少ともＰＤＬが存在するため、光信号が多くの光ノードを通過する場合はその影響は無視できない。

上記のPDLによる伝送特性への影響を知るには、チャネル（波長）毎にPDLによって生じた偏波間レベル比を監視する必要がある。また、監視した偏波間レベル比の情報に基づいて、各偏波成分のレベルが等しくなるよう制御（すなわちPDL補償）することが望まれる。

T. Duuthel et al., "Impact of polarization dependent loss on coherent POLMUX-NRZ-DQPSK", OthU5, OFC/NFOEC2008, 2008. 菊池和朗,「ディジタルコヒーレント光受信機を用いた偏波多重分離及び偏波分散補償技術の基礎」、OCS2009-T01、OCS第二種研究会第1回「ディジタル信号処理による新しい光伝送技術」、2009年7月。

上記のように、偏波多重方式の場合、二つの光信号のうち、どちらかが受信端で大きくレベルが下がり、良好な伝送特性が得られない恐れがある。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、ＰＤＬによる偏波間レベル比を監視できる偏波間レベル比監視と偏波間レベル比制御を可能とする偏波多重光伝送システム及びネットワークを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明（請求項１）は、光ネットワークにおいて、同一
波長の２つの光信号を互いに直交する偏波で多重して伝送する偏波多重光伝送システムで
あって、
送信系は、
異なる周波数の２つのトーン変調信号を発生するトーン信号発生部と、
前記２つの光信号それぞれに異なるトーン変調信号を重畳させる２つの光変調器と、
を有し、
中継系、または、光ノードは、
入力された偏波多重光信号から２つのトーン変調信号成分を抽出するトーン変調信号抽
出部と、
前記２つのトーン変調信号成分から偏波間レベル比を求める偏波間レベル比検出部と、
を有し、
前記中継系、または、前記光ノードは、
検出した偏波間レベル比を基に該２つの光信号のレベル比を制御する偏波間レベル比制
御部を備え、
前記偏波間レベル比制御部は、
偏波多重光信号を該２つの光信号に分離する偏波分離部と、
各偏光の光信号レベルを可変する光可変減衰部と、
２つの光信号を再び直交する偏波で多重する偏波多重部と、
を備え、
偏波間レベル比監視装置が検出した偏波間レベル比を１にするように該光可変減衰部で
光信号レベルを制御する。

また、本発明（請求項２）は、前記光変調器において、光信号の強度または位相または偏波を変調する。

また、本発明（請求項３）は、前記送信系が、
電気段で主信号にトーン変調信号を重畳するトーン変調信号重畳部を備え、
前記トーン変調信号を重畳した電気主信号で前記光変調器を変調する。

また、本発明（請求項４）は、前記トーン変調信号抽出部が、
光信号を電気信号へ変換する光電変換部と、
トーン変調周波数成分を抽出する電気フィルタと、からなる。

また、本発明（請求項５）は、前記トーン変調信号抽出部が、
光信号を電気信号へ変換する光電変換部と、
電気信号処理によりトーン変調周波数成分を抽出する電気信号処理部と、からなる。

上記のように、本発明は、送信側で光信号に異なる周波数のトーン変調信号を重畳し、受信側で抽出した２種類のトーン変調信号に基づいて、偏波間のレベル比を監視し、偏波依存性損失（ＰＤＬ）を補償することにより、ＰＤＬの伝送特性への影響を低減し、緩和できる偏波多重光伝送システムを実現することができる。

本発明の第１の実施の形態における偏波多重光伝送システムの送信系の構成図である。 本発明の第１の実施の形態における偏波多重光伝送システムのＰＤＬ監視部の構成例である。 本発明の第２の実施の形態におけるＷＤＭ光送信系の構成図である。 本発明の第２の実施の形態における多チャネルの場合のＰＤＬ監視部の構成図である。 本発明の第３の実施の形態における波長多重光伝送システムのＰＤＬ補償部の構成図である。 本発明の第３の実施の形態における偏波レベル調整部の構成例である。 本発明の第４の実施の形態における多チャネルの場合の偏波レベル調整部の構成例である。 本発明の第４の実施の形態における多チャネルの場合の偏波制御部の構成例である。 本発明の第５の実施の形態における波長多重光伝送システムのディジタルコヒーレント受信部の構成例である。 従来の偏波多重光伝送システムの送信系の構成図である。 ＰＤＬの偏波多重光信号への影響である。 単一偏波光伝送の場合のパワーレベルの変化である。 偏波多重光伝送の場合のパワーレベルの変化である。

以下図面と共に、本発明の実施の形態を説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態における偏波多重光伝送システムの送信系の構成を示す。同図において、図１０の構成と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。

図１０の従来の偏波多重光伝送システムの送信系の構成に対し、本発明の偏波多重光伝送システムでは、図１に示すような送信系を有する。

同図（ａ）に示す送信系は、図１０の構成にトーン変調信号発生器１０を付加した構成である。トーン変調信号発生器１０は、異なる周波数のトーン変調信号（f1x，f1y）をそれぞれＸ偏波用光変調器４とＹ偏波用光変調器５に重畳している。トーン変調は光信号の強度または位相または偏波を変調する。同図（ａ）のトーン変調信号発生器１０は、データである電気変調信号とは別の端子から変調器へトーン変調信号を入力している。例えば、トーン変調信号の周波数を数Hz〜数100kHzと低周波数領域とすることで、変調器４，５の直流バイアス電圧と重畳して直流バイアス端子へ入力すればよい。

図１（ｂ）では、電気変調信号とトーン変調信号を変調信号合波部１１により重畳した後に変調器４，５へ入力している構成例である。この場合、例えばトーン変調信号の周波数を数100kHz以上とすることも可能である。

図２は、本発明の第１の実施の形態における偏波多重伝送システムのＰＤＬ監視部の構成を示す。ＰＤＬ監視部２０は、線形光中継系や光ノードにおいては、同図に示したように、光分岐器２１、トーン変調信号抽出部２２及びＰＤＬ抽出部２３を備えている。光分岐器２１で一部のパワーを分岐し、トーン変調信号抽出部２２で光電変換した後に電気信号からトーン変調信号成分出力Pe（f1x）、Pe（f1y）を抽出する。そして、ＰＤＬ検出部２３において、これら抽出したPe（f1x）、Pe（f1y）はそれぞれX偏波強度とY偏波強度に相当するため、これらの値の比から光信号のX偏波強度（Pox）とY偏波強度（Poy）の比を求めることができる。例えば、トーン変調信号成分出力Pe（f1x）、Pe（f1y）が電力値である場合は、光信号のX偏波とY偏波のレベル比は以下の式となる。

Pox／Poy ＝ {Pe(f1x)／Pe(f1y)}1/2 （１）
具体的には、トーン変調信号抽出部２２としては、アバランシェフォトダイオード（APD）やPINフォトダイオード等の受光器などを用いることができる。また、PDL抽出部２３としては電気のバンドパスフィルタと電気増幅器の組み合わせや、AD変換器とディジタル信号処理回路の組み合わせなどがある。後者の場合は、ディジタル信号処理回路においてフーリエ変換により入力信号からトーン変調周波数成分を抽出することができる。

トーン変調信号（ｆ1x，ｆ1y）の周波数差は、用いるトーン変調信号抽出部２２の周波数分解能によって決定すればよい。例えば、電気のバンドパスフィルタのバンド幅が１kHzであれば、周波数ｆ1x，ｆ1yの差を１kＨｚ以上にすればよい。ディジタル信号の処理回路において、フーリエ変換の周波数分解能が１００Hzであれば、周波数ｆ1x，ｆ1yの差を100Ｈｚ以上にすればよい。

上記述べたように、送信系で異なる周波数のトーン変調信号（ｆ1x，ｆ1y）をそれぞれＸ偏波用光変調器４とＹ偏波用光変調器５に重畳して、線形光中継系や光ノードにおいてトーン変調信号成分出力Pe（f1x）、Pe（f1y）を抽出することで、PDLによる偏波レベル比を監視することができる。

［第２の実施の形態］
本実施の形態では、WDM(Wavelength Division Multiplexing)信号を用いる場合について説明する。

図３は、本発明の第２の実施の形態におけるWDM光送信系の構成を示し、図４は、本発明の第２の実施の形態における多チャネルの場合のＰＤＬ監視部の構成を示す。

WDM信号の場合は多チャネルを伝送するため、トーン変調信号発生器１０は、それぞれのチャネルの変調器４１，…，４n及び５１，…，５nへトーン変調信号を重畳する。図４（ａ）に示すように、PDL監視部がチャネル毎に設置される場合は、図２のように各チャネルのトーン変調周波数は２種類あればよい
図４（ｂ）に示したように、PDL監視部２０において、多チャネルのPDLを一括して監視する場合は、各チャネルのトーン変調周波数を異なるもの（f1X，f2X，…， fnX、f1Y，f2Y，…，fnY）を用いることで、どのチャネルか、及びどの偏波なのかを識別することができる。この場合、PDL検出部３３としてAD変換器とディジタル信号処理回路の組み合わせを用いることで簡易に全てのトーン周波数成分を検出して各チャネルのPDLによる偏波間レベル比を求めることができる。

［第３の実施の形態］
図５は、本発明の第３の実施の形態における波長多重光伝送システムのPDL補償部の構成を示す。

図５（ａ）は、単一チャネルのPDL補償部の構成の第１の例を示したものであり、図２のPDL監視部に偏波レベル調整部２４が追加されている。この例は主に、中継系やノード内の光増幅器、光スイッチ、分散補償器、及び伝送路などのPDLを発生するシステム構成要素３０の後段に配置される。システム構成要素の出力光の一部を分岐してPDL監視部により偏波間レベル比を検出し、偏波レベル調整部２４により偏波間レベル比を１（X偏波成分とY偏波成分が等しい状態）とするよう調整することでPDLの補償を行う。

図６は、本発明の第３の実施の形態における偏波レベル調整部の構成を示し、図５のPDL補償で用いる偏波レベル調整部２４の構成例であり、偏波制御部２４１、偏波分離器２
４２、光分岐器２４３、偏波多重器２４５、第２のトーン変調信号抽出部２４６、偏光状態検出部２４７、及び光減衰量制御部２４４からなる。

図６に示す偏波分離器２４２で互いに直交するP偏光とS偏光に分離し、片方（図ではP偏光）の出力の一部から第２のトーン変調信号抽出部２４６によりトーン変調信号周波数（f1X、f1 Y）の成分（Pe（f1x）、Pe（f1y））を抽出して、偏光状態検出部２４７により上記の式（１）の偏波レベル比Pox／Poyを求める。この偏波レベル比が最大（または最小）となるように偏波制御部２４１により偏波分離器２４２への偏波多重光信号の偏光状態を制御する。偏波レベル比を最大（または最小）とすることにより、X成分（またはY成分）をP偏光、Y成分（またはX成分）をS偏光として分離することができる。S偏光であるY成分（またはX成分）のレベルを光減衰量制御部２４４で調整した後に、偏波多重器２４５によりP偏光とS偏光を多重する。偏波レベル調整部２４の出力の一部から第１のトーン変調信号抽出部２２によりトーン変調信号周波数（f1X、f1Y）の成分（Pe（f1x）、Pe（f1y））を抽出して、PDL検出部２３により式（１）の偏波レベル比Pox／Poyを求める。偏波レベル比を１（X偏波成分とY偏波成分が等しい状態）とするように光減衰量制御部２４４で光信号のレベルを調整することでPDLの補償を行うことができる。

偏波制御部２４１として具体的には、1/2波長板と1/4波長板の組み合わせ、セラミックやLiNbO3を用いた偏波制御器などを用いることができる。光減衰量制御部２４４として具体的には、マッハチェンダ干渉計型光減衰器、MEMSを用いた光減衰器などを用いることができる。

図５（ｂ）は、単一チャネルのPDL補償部の第２の例を示したものであり、図２のPDL監視部２０の構成に偏波制御部２５が追加されている。この構成例は主に、中継系やノード内の光増幅器、光スイッチ、分散補償器、及び伝送路などのPDLを発生するシステム構成要素５０を中簡に配置する形態で使用される。システム構成要素５０の出力光の一部を分岐してPDL監視部２０により偏波間レベル比を検出し、偏波間のレベル比を１（X偏波成分とY偏波成分が等しい状態）とするよう偏波制御部２４１において偏波多重光信号の偏光状態を制御することでPDLの補償を行う。

PDLを発生するシステム構成要素が複数であっても、図１１に示したように損失の異なる２つの偏光主軸を持つ一つの構成要素とみなすことができる。従って、システム構成要素の偏光主軸に対して45°オフセットした偏光方向に一致するように、偏波制御部２４により波長多重光信号のX成分及びY成分の偏光方向を制御することにより、PDLの影響を低減することができる。

［第４の実施の形態］
第３の実施の形態では、単チャネルについて説明したが、本実施の形態では、多チャネルの場合について説明する。

図７は、本発明の第４の実施の形態における多チャネルの場合の偏波レベル調整部の構成例を示す。同図は、多チャネルの場合の図５（ａ）の偏波レベル調整部２４の構成例である。

WDM信号は波長分波器４１により各チャネル（波長）に分離される。各チャネルの偏波多重光信号は偏波レベル調整部２４を通過して波長合波器４２で波長多重される。偏波レベル調整部２４の出力の一部からトーン変調信号抽出部２２によりトーン変調信号周波数（f1X, f2X,…., fnX、f1Y, f2Y,…., fnY）の成分（Pe（f1x）, Pe（f2x）,…Pe（fnx）、Pe（f1y）, Pe（f2y）,…Pe（fny））を抽出して、PDL検出部２３により各チャネルの偏波レベル比を求める。各チャネルの偏波レベル調整部２４において、各チャネルの偏波レベル比を１（X偏波成分とY偏波成分が等しい状態）とするように光減衰制御部２４４を調整することで全てのチャネルのPDL補償を行うことができる。

図８は、本発明の第４の実施の形態における多チャネルの場合の偏波制御部の構成を示しており、多チャネルの場合の図５（ｂ）の偏波制御部２５の例である。

WDM信号は光サーキュレータ２５１を通過した後に、偏波分離器２５２でP偏光とS偏光に分離され、波長分波器２５３により各チャネル（波長）に分離される。各チャネルの偏波多重光信号は位相変調器アレイ２５４で位相変調を受けた後に再び波長多重及び偏波多重されて光サーキュレータにより出力ポートへ出力される。偏波制御部２５の出力の一部からトーン変調信号抽出部２２によりトーン変調信号周波数（f1X, f2X,…., fnX、f1Y,f2Y,…., fnY）の成分（Pe（f1x），Pe（f2x），…Pe（fnx）、Pe（f1y）， Pe（f2y），…Pe（fny））を抽出して、PDL検出部２３により各チャネルの偏波レベル比を求める。位相変調アレイ２５４において、各チャネル（各波長）のP偏光（またはS偏光）のみ位相変調を行うことで偏波合波器後の各チャネルの偏光状態を独立に制御することができる。従って、各チャネルの偏波レベル比を１（X偏波成分とY偏波成分が等しい状態）とするように位相変調アレイを調整することで全てのチャネルのPDL補償を行うことができる。

位相変調アレイ２５４として具体的には、LCOS等の液晶型位相変調器などを用いることができる。また、LCOS等の液晶型位相変調器を内蔵した波長選択スイッチ（WSS）をノードで使用している場合、上記と同様に各チャネルの偏波レベル比に基づいてP偏光（またはS偏光）のみに位相変調を行うことで、WSSに偏波制御部の機能を追加してPDL補償を行うことができる。

［第５の実施の形態］
図９は、本発明の第５の実施の形態における波長多重光伝送システムのディジタルコヒーレント受信部の構成例を示す。

従来技術で述べたディジタルコヒーレント方式の場合、ディジタルコヒーレント受信部でディジタル信号処理により偏波分離が行なわれるが、偏波間レベル比が大きな場合にディジタル信号処理への負担が大きく処理に時間がかかる、光信号の伝送経路でのPDLが高速に変化する場合にディジタル信号処理での追従が困難になるなどの恐れがあった。その場合、図９に示したように、まず、ディジタルコヒーレント受信部６４前で光信号の一部を分岐して、トーン変調信号抽出部６２でトーン変調信号を抽出して、PDL検出部６３により偏波レベル比を求めて、ディジタルコヒーレント受信部６４に入力する。

ディジタルコヒーレント受信部６４では、その情報を基にディジタル信号処理を行うためPDL補償に関する計算の負担が低減でき処理時間の削減が可能となる。また、本発明のPDL監視部は複雑な信号処理を行わないため高速なPDL変化にも対応して偏波間レベル比を求めることができる。ディジタルコヒーレント受信部６４では、偏波間レベル比を高速に処理する必要がなくなる。従って、本発明を用いることで、ディジタルコヒーレント受信部のディジタル信号処理の負担を軽減し、高速なPDL変化にも対応する受信系を提供することができる。

上記により、従来のディジタルコヒーレント方式では、偏波分離が困難であったが、本発明は、送信側において光信号に異なる周波数のトーン変調信号を重畳し、また、受信側において抽出した２種類のトーン変調信号に基づいて偏波間レベル比を監視し、監視した偏波間レベル比に基づいて、各偏波成分のレベルが等しくなるように補償することができる。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲内において、種々変更・応用が可能である。

１ ＣＷ(continuous Wave)光源
２ 分波器
３ 電気変調信号発生部
４、５ 変調器
６ 偏波合波器
７ 波長多重手段
１０ トーン変調信号発生器
２０ ＰＤＬ監視部
２１ 分波器（光カプラ）
２２ トーン変調信号抽出部
２３ ＰＤＬ検出部
２４ 偏波レベル調整部
２５ 偏波制御部
３１ 分波器
３２ トーン変調信号抽出部
３３ ＰＤＬ検出部
３４ 波長分波手段
３５ 主信号受信器
４１ 波長分波器
４２ 波長合波器
５０ ＰＤＬを発生する構成要素
６１ 分波器（光カプラ）
６２ トーン変調信号抽出部
６３ ＰＤＬ検出部
６４ ディジタルコヒーレント受信部
２４１ 偏波制御部
２４２ 偏波分離器
２４３ 分波器（光カプラ）
２４４ 光減衰量制御部
２４５ 偏波多重器
２５１ 光サーキュレータ
２５２ 偏波分波器
２５３ 波長分波器
２５４ 位相変調器アレイ
２５５ 位相変調器アレイ制御部

Claims (5)

1. 光ネットワークにおいて、同一波長の２つの光信号を互いに直交する偏波で多重して伝
   送する偏波多重光伝送システムであって、
   送信系は、
   異なる周波数の２つのトーン変調信号を発生するトーン信号発生部と、
   前記２つの光信号それぞれに異なるトーン変調信号を重畳させる２つの光変調器と、
   を有し、
   中継系、または、光ノードは、
   入力された偏波多重光信号から２つのトーン変調信号成分を抽出するトーン変調信号抽
   出部と、
   前記２つのトーン変調信号成分から偏波間レベル比を求める偏波間レベル比検出部と、
   を有し、
   前記中継系、または、前記光ノードは、
   検出した偏波間レベル比を基に該２つの光信号のレベル比を制御する偏波間レベル比制
   御部を備え、
   前記偏波間レベル比制御部は、
   偏波多重光信号を該２つの光信号に分離する偏波分離部と、
   各偏光の光信号レベルを可変する光可変減衰部と、
   ２つの光信号を再び直交する偏波で多重する偏波多重部と、
   を備え、
   偏波間レベル比監視装置が検出した偏波間レベル比を１にするように該光可変減衰部で
   光信号レベルを制御することを特徴とする偏波多重光伝送システム。
2. 前記光変調器は、
   光信号の強度または位相または偏波を変調する
   請求項１記載の偏波多重光伝送システム。
3. 前記送信系は、
   電気段で主信号にトーン変調信号を重畳するトーン変調信号重畳部を備え、
   前記トーン変調信号を重畳した電気主信号で前記光変調器を変調する
   請求項１記載の偏波多重光伝送システム。
4. 前記トーン変調信号抽出部は、
   光信号を電気信号へ変換する光電変換部と、
   トーン変調周波数成分を抽出する電気フィルタと、
   からなる請求項１記載の偏波多重光伝送システム。
5. 前記トーン変調信号抽出部は、
   光信号を電気信号へ変換する光電変換部と、
   電気信号処理によりトーン変調周波数成分を抽出する電気信号処理部と、
   からなる請求項１記載の偏波多重光伝送システム。
   

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