JPWO2014083800A1 - 偏光多重光送信機および極性判定方法 - Google Patents

Abstract

本発明の偏光多重光送信機は、光信号の偏光成分に所定の周波数シフトを付加する駆動信号を生成して出力する駆動手段、２つの光信号についてそれぞれ２つの偏光成分を駆動信号を用いて変調し、位相差を付加して合波して変調合波光を出力する２つの光変調手段、２つの変調合波光を偏光を直交させた状態で多重化し、偏光多重光信号を出力する偏光多重手段、偏光多重光信号の偏光状態を各偏光成分が混合した状態に変化させ、混合光信号を出力する混合手段、および、混合光信号の強度の周波数分布に基づいて２つの変調合波光の極性の関係を判定する極性判定手段を備える。

Description

本発明は、光デジタルコヒーレント方式の光伝送システムに使用される偏光多重光送信機および極性判定方法に関し、マッハツェンダ型光変調器を用いて光信号を変調する光デジタルコヒーレント方式の偏光多重光送信機および極性判定方法に関する。

インターネット等の普及により、基幹ネットワークを通過するトラフィックが急増している。これに対応するために、１波長あたり１００Ｇｂｐｓを超える超高速の波長多重長距離光通信システムの実現が強く望まれている。それを実現するための技術の一つに、光デジタルコヒーレント方式がある。光デジタルコヒーレント方式が適用された光伝送装置は、例えば、特許文献１に開示されている。

光デジタルコヒーレント方式が適用された光伝送装置においては、偏光多重されたＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）光信号の４つの光位相(例えば、４５度、１３５度、２２５度、３１５度) に、それぞれ２ビット（例えば００、０１、１１、１０）を割り当てる（シンボル・マッピング）。ＱＰＳＫ光信号のコンスタレーションの一例が図１１（ａ）、（ｂ）に示される。

光デジタルコヒーレント方式の光伝送装置においては、偏波保持光スプリッタ等によって２分岐した入力光信号を駆動信号電圧に基づいて光変調する時に、一般的に、光直交位相変調器の一つであるマッハツェンダ型光変調器が用いられる。マッハツェンダ型光変調器は、入力光信号を２つに分離して２つの光路を通過させ、再度合波することによって、２つの光路の干渉を利用して光信号の強度を変化させる。マッハツェンダ型光変調器は、２つの光路に駆動信号電圧を加えることによって、光路を通過する光信号の位相を変化させ、出力される変調光の強度を制御する。

ここで、マッハツェンダ型光変調器は、起点となるバイアス点とそれに隣接するバイアス点とで、駆動信号電圧を掃引したときの出力信号光の位相の変化が異なる。マッハツェンダ型光変調器の駆動信号電圧と出力される変調光の特性との関係を図１２に示す。

図１２に示されるように、駆動信号電圧を出力信号光の強度が最大となる２点間で掃引した場合、図１２の位置Ａのバイアス点では出力信号光の位相が「π→０」に変化するのに対して、図１２の位置Ｂのバイアス点では出力信号光の位相が「０→π」に変化する。従って、起点となるマッハツェンダ型光変調器のバイアス点においてＱＰＳＫ信号のシンボル・マッピングを定める時、互いに隣接するバイアス点においては、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、０１、１０の割り当てが異なる。これを極性問題と呼ぶ。

一方、光伝送の更なる高速化を図るために、ＱＡＭ (Quadrature Amplitude Modulation)等の多値度の大きな変調方式を適用することが提案されている。多値度の大きな変調方式を適用することにより、電気部品の駆動速度を高速化する際の波形歪みの影響を低減できる。多値度の大きな変調方式を採用した光デジタルコヒーレント方式の光伝送装置においては、デジタル・アナログ変換器によって生成した駆動電気信号を用いて光直交位相変調器を駆動する。

また、無線通信で広く知られている直交周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ： Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式のような複雑な送信光信号において、送信端デジタル信号処理技術を適用することが提案されている。送信端デジタル信号処理とは、駆動信号電圧に前置波長分散付与処理、スペクトル整形処理、信号振幅増幅処理などの予等化処理をデジタル信号処理によって施した後、デジタル・アナログ変換器によりアナログ信号に変換する処理である。

ここで、予等化処理とは、光伝送路で発生する波形歪みを光送信機側で予め計算し、発生する歪みを打ち消す逆の歪みを送信信号へ付与するための処理である。予等化方式には主に、以下の２つの方式がある。一つ目は、駆動信号に周波数オフセットを付与することにより２個の独立した光信号に対して異なる光位相の時間的変動を付与する方式（方式１）である。二つ目は、送信端デジタル信号処理技術を活用して駆動信号に対して前置波長分散付与処理をデジタル信号処理により実施する方式（方式２）である。

方式１については、例えば、非特許文献１に開示されている。方式１は、図１３（ａ）に示すように、偏光多重される２つの独立な光信号に対し、異なる光位相の時間変動を付与する。この場合、互いに直交する偏光成分間で搬送波周波数が異なる偏光多重信号が生成され、品質が改善される。

しかし、光信号に対して光位相の時間的変動を付与する時にマッハツェンダ型変調器の極性問題により光位相の時間的変動の符号が変化した場合、図１３（ｂ）に示すように、変調光の光スペクトルの周波数シフトの符号が反転する。この場合、光送信機が付与した光位相の時間的変動を相殺するために光受信機が光位相の時間的変動を加えても、時間的変動の符号が異なるため、時間的変動を相殺することができず、光信号の復調ができない。従って、品質が改善されない。

一方、方式２は、波長分散が周波数領域上の光信号の搬送波周波数からの周波数偏差の２乗に比例する光位相回転であることから、光直交位相変調器の極性が反転した場合、予等化処理により付与する波長分散の符号が反転する。波長分散の符号が反転した場合、上述のように時間的変動を相殺することができず、光信号の復調ができない。従って、品質が改善されない。

特開２００７−０４３６３８号公報

S. Fujisawa et al., "Demonstration of the Mitigation of Intra-Channel Nonlinearities based on Inter-Polarization Digital Frequency Offsetting with 50Gb/s PM-QPSK signal over 10,080km transmission", Mo.1.C.2 ECOC 2012 (Amsterdam, 2012)

そこで、上述の方式１に対して、偏光多重光送信機の出力信号光の光スペクトルを光スペクトル・アナライザで測定することにより、互いに直交する偏光成分の光位相の時間的変動の符号を検出する技術が提案されている。しかし、光スペクトル・アナライザを具備した偏光多重光送信機は非常に高価であると共に、光位相の時間的変動の符号を検出する速度が遅い。

また、マッハツェンダ型光変調器の極性を確定する技術として、光送信機の出力信号光を光受信機において復調した際の受信信号品質を測定し、測定結果に基づいて光直交位相変調器のバイアス設定の正誤を検出して極性を判別することが提案されている。しかし、光受信機において復調した信号の品質に基づいて、光送信機の光直交位相変調器のバイアスを設定する場合、フィードバックのための時間がかかる。さらに、光送信機と光受信機の間の通信路を用意する必要があり、システム規模が大きくなり、システムのコストが高くなる。

本発明の目的は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、高価な機器を配置することなく自機内において光直交位相変調器の極性を速やかに検出できる、偏光多重光送信機および極性判定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係る偏光多重光送信機は、光信号の偏光成分に所定の周波数シフトを付加する駆動信号を生成して出力する駆動手段と、２つの光信号についてそれぞれ、２つの偏光成分を駆動信号を用いて変調し、位相差を付加して合波し、変調合波光を出力する、２つの光変調手段と、２つの変調合波光を偏光を直交させた状態で多重化し、偏光多重光信号を出力する偏光多重手段と、偏光多重光信号の偏光状態を各偏光成分が混合した状態に変化させ、混合光信号を出力する混合手段と、混合光信号の強度の周波数分布に基づいて２つの変調合波光の極性の関係を判定する極性判定手段と、を備える。

上記目的を達成するために本発明に係る極性判定方法は、光信号の偏光成分に所定の周波数シフトを付加する駆動信号を生成して出力し、２つの光信号についてそれぞれ、２つの偏光成分を駆動信号を用いて変調し、位相差を付加して合波して２つの変調合波光を出力し、２つの変調合波光を偏光を直交させた状態で多重化して偏光多重光信号を出力し、偏光多重光信号の偏光状態を各偏光成分が混合した状態に変化させて混合光信号を出力し、混合光信号の強度の周波数分布に基づいて２つの変調合波光の極性の関係を判定する。

本発明に係る偏光多重光送信機および極性判定方法は、高価な機器を配置することなく自機内において光直交位相変調器の極性を速やかに検出できる。

本発明の第１の実施形態に係る偏光多重光送信機１０のブロック構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る偏光多重光送信機１００のブロック構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る光直交位相変調器２５０のブロック構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る偏光多重光送信機１００から出力された偏光多重光信号の（ａ）極性が設定通りの場合、（ｂ）一方の極性が反転した場合、（ｃ）両方の極性が反転した場合の光スペクトルである。 本発明の第２の実施形態に係る偏光多重光送信機１００の動作フロー図である。 本発明の第２の実施形態に係る偏光多重光送信機１００から出力された別の偏光多重光信号の（ａ）極性が同一の場合、（ｂ）一方の極性が反転した場合の光スペクトルである。 本発明の第３の実施形態に係る偏光多重光送信機１００Ｂのブロック構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る偏光多重光送信機１００Ｂから出力された偏光多重光信号の（ａ）極性が同一の場合、（ｂ）極性が異なる場合の光スペクトルである。 本発明の第３の実施形態に係る偏光多重光送信機１００Ｂの動作フロー図である。 本発明の第３の実施形態に係る偏光多重光送信機１００Ｂから出力された別の偏光多重光信号の（ａ）極性が同一の場合、（ｂ）極性が異なる場合の光スペクトルである。 ＱＰＳＫ光信号のコンスタレーションの一例を示す図である。 マッハツェンダ型光変調器から出力される変調光の特性と駆動信号電圧との関係を示す図である。 （ａ）極性が設定通りの場合、（ｂ）極性が反転した場合の、光位相の時間的変動を付与した偏光多重光信号の光スペクトルの図である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る偏光多重光送信機について説明する。本実施形態に係る偏光多重光送信機のブロック構成図を図１に示す。図１において、偏光多重光送信機１０は、駆動手段２０、２つの光変調手段３１、３２、偏光多重手段４０、混合手段５０および極性判定手段６０を備える。

駆動手段２０は、光信号の２つの偏光成分を変調するための駆動信号を生成する。駆動手段２０は、生成した駆動信号に、前置波長分散付与処理、スペクトル整形処理などの予等化処理をデジタル信号処理によって施し（送信端デジタル信号処理）、デジタル・アナログ変換器によりアナログ信号に変換した後、光変調手段３１、３２へ出力する。

また、本実施形態に係る駆動手段２０は、光変調手段３１、３２の極性の関係を判定する時、光信号の２つの偏光成分のそれぞれの光位相に予め定められた一定の速度の時間的変動を付与する駆動信号を生成する。ここで、光信号の光位相に一定の速度の時間的変動を付与することは、周波数シフトを付加することと等価である。駆動手段２０は、光変調手段３１、３２の極性の関係を判定する時に、光信号の２つの偏光成分にそれぞれ所定の周波数シフトを付加する駆動信号を生成して光変調手段３１、３２へ出力する。

光変調手段３１、３２はそれぞれ、入力された光信号の２つの偏光成分を駆動手段２０から入力された駆動信号を用いて変調し、２つの偏光成分に位相差を付加した後で合波し、変調合波光を偏光多重手段４０へ出力する。

偏光多重手段４０は、光変調手段３１、３２から入力された変調合波光を、互いに偏光が直交した状態で多重化し、偏光多重光信号を出力する。偏光多重手段４０から出力された偏光多重光信号は送信信号として偏光多重光送信機１０から出力されると共に、一部が混合手段５０へ出力される。

混合手段５０は、偏光多重手段４０から入力された偏光多重光信号の偏光状態を、互いに直交する偏光状態から各偏光成分が混合した状態に変化させ、混合光信号を極性判定手段６０へ出力する。なお、偏波スクランブラ等を用いて、互いに直交する偏光軸を一定の速度で時間的に変動してもよい。

極性判定手段６０は、混合手段５０から入力された混合光信号の強度の周波数分布に基づいて２つの光変調手段３１、３２の極性の関係を判定する。

本実施形態において、極性判定手段６０は図示しない分離手段を用いて混合手段５０から入力された混合光信号を高周波数成分と低周波数成分とに分離する。極性判定手段６０はさらに、高周波数成分の強度と低周波数成分の強度との大小関係に基づいて２つの光変調手段３１、３２の極性の関係を判定する。例えば、駆動手段２０が光信号の２つの偏光成分にそれぞれ同じ符号の周波数シフトを付加する。そして、高周波数成分の強度が低周波数成分の強度より有意に大きい場合、極性判定手段６０は、２つの光変調手段３１、３２の極性が設定通りであると判定する。一方、高周波数成分の強度と低周波数成分の強度が同等の場合、極性判定手段６０は、光変調手段３１、３２のいずれか一方の極性が反転したと判定する。

なお、図示しない抽出手段を用いて混合光信号から時間的に変動する成分のみを抽出することもできる。極性判定手段６０は、抽出した成分に付与した周波数シフトに対応する成分が含まれているか否か判断し、２つの光変調手段３１、３２の極性の関係を判定する。この場合、駆動手段２０が光信号の２つの偏光成分にそれぞれ異なる符号の周波数シフトを付加する。そして、抽出された成分からビート成分が検出されない場合、極性判定手段６０は、２つの光変調手段３１、３２の極性が設定通りであると判定する。一方、抽出された成分から付加された周波数シフトの偏差に相当するビート成分が検出された場合、極性判定手段６０は、光変調手段３１、３２のいずれか一方の極性が反転したと判定する。

以上のように、本実施形態に係る偏光多重光送信機１０は、高価な機器を配置することなく自機内において光直交位相変調器の極性を速やかに検出できる。

ここで、偏光多重光送信機１０は、極性判定手段６０において光変調手段３１、３２の極性が反転したと判定した場合、駆動手段２０を制御して一方の偏光成分を変調するための駆動信号の符号を反転させて、光変調手段３１、３２の極性を補正することができる。

なお、偏光多重光送信機１０に、光変調手段のバイアスを制御するバイアス制御手段を配置することもできる。そして、光変調手段３１、３２の極性が反転した場合、バイアス制御手段が光変調手段３１、３２のバイアス点を隣接するバイアス点に補正し、光変調手段３１、３２の極性を補正する。なお、バイアス制御手段は、駆動信号が入力していない時に光変調手段３１、３２から出力される変調合波光の強度が最小になるように、光変調手段３１、３２のバイアス点を制御する。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る偏光多重光送信機のブロック構成図を図２に示す。図２において、偏光多重光送信機１００は、偏光多重光生成部２００および極性検出部３００を備える。

先ず、偏光多重光生成部２００について説明する。偏光多重光生成部２００は、一般的な偏光多重光送信機の機能を担う部分である。偏光多重光生成部２００は、レーザ発振器２１０、駆動信号生成部２２０、駆動信号送信部２３０ａ、２３０ｂ、バイアス制御部２４０ａ、２４０ｂ、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂ、偏光回転板２６０および偏光多重部２７０を備える。

レーザ発振器２１０は、所定の光周波数の連続光を生成して入力光信号として出力する。レーザ発振器２１０から出力された連続光は、２分岐されて光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂにそれぞれ入力する。

駆動信号生成部２２０は、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂを駆動するための駆動信号を生成し、生成した駆動信号を駆動信号送信部２３０ａ、２３０ｂへ出力する。駆動信号生成部２２０は、１つまたは複数の送信ビット列に基づいて、ＱＰＳＫ等の多値光位相変調方式などの光通信システムにおいて使用する変調方式に応じた駆動信号を生成する。

また、駆動信号生成部２２０は、偏光多重光送信機１００の起動時および駆動信号断等が発生した時に、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性を判断するためのトレーニング信号を生成し、駆動信号送信部２３０ａ、２３０ｂへ出力する。ここで、トレーニング信号は、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂから出力される変調合波光に、予め定められた周波数の同符号の周波数シフトを付与する複素信号データである。なお、トレーニング信号を用いる代わりに、駆動信号の位相を時間的に変動する所定の速度の高周波クロック信号を光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂへ入力させることによって、変調合波光の周波数をシフトさせることもできる。

本実施形態に係る駆動信号生成部２２０は、光直交位相変調器２５０ａから出力される変調合波光の周波数を「ｆｃ＋ｆｘ」にシフトさせ、光直交位相変調器２５０ｂから出力される変調合波光の周波数を「ｆｃ＋ｆｙ」にシフトさせる、トレーニング信号を生成する。ここで、ｆｃは搬送波周波数である。ここで、付与する周波数シフト量の絶対値は、駆動信号送信部２３０ａ、２３０ｂのデバイス帯域の範囲内であり、マッハツェンダ型光変調器２５２ａ、２５２ｂが周波数成分を分離できる大きさであることが望ましい。例えば、高速光通信システム用の駆動信号送信部に対しては数十ＧＨｚに設定することが望ましい。

さらに、駆動信号生成部２２０は、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性の反転が検出された場合、極性を補正するために、変調光の符号を反転させるためのトレーニング信号を生成して出力する。光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性の補正方法については後述する。

駆動信号送信部２３０ａ、２３０ｂはそれぞれ、駆動信号生成部２２０から入力された駆動信号またはトレーニング信号に、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂを駆動するのに必要となる送信端デジタル信号処理を行い、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂへ出力する。本実施形態において、駆動信号送信部２３０ａ、２３０ｂは、送信端デジタル信号処理として、前置波長分散付与処理、スペクトル整形処理などの予等化処理をデジタル信号処理によって施す。駆動信号送信部２３０ａ、２３０ｂはさらに、デジタル信号処理した信号をデジタル・アナログ変換器によってアナログ信号に変換し、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂへ出力する。

バイアス制御部２４０ａ、２４０ｂは、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂのバイアス点を制御する。本実施形態において、バイアス制御部２４０ａ、２４０ｂは、駆動信号の入力電圧がゼロの時に、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂから出力される変調合波光の光強度が最小になるように、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂのバイアス点を制御する。

光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂはそれぞれ、駆動信号送信部２３０ａ、２３０ｂから入力された駆動信号を用いてレーザ発振器２１０から入力された入力光信号を光変調し、変調合波光を出力する。さらに、本実施形態において、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂはそれぞれ、偏光多重光送信機１００の起動時および入力光信号の入力が停止している時に、駆動信号送信部２３０ａ、２３０ｂから入力されたトレーニング信号を光変調して出力する。

光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂについて詳細に説明する。本実施形態に係る光直交位相変調器２５０のブロック構成図を図３に示す。図３において、光直交位相変調器２５０は、偏波保持光スプリッタ２５１、マッハツェンダ型光変調器２５２ａ、２５２ｂを備える。光直交位相変調器２５０は、さらに、光スプリッタ２５３ａ、２５３ｂ、光移相器２５４、光カプラ２５５、光スプリッタ２５６および光信号ディテクタ２５７ａ、２５７ｂ、２５８を備える。

レーザ発振器２１０から光直交位相変調器２５０へ入力された入力光信号は、偏波保持光スプリッタ２５１によって偏光状態が維持されたまま２分岐され、それぞれマッハツェンダ型光変調器２５２ａ、２５２ｂへ出力される。

マッハツェンダ型光変調器２５２ａ、２５２ｂは、偏波保持光スプリッタ２５１から入力された入力光信号を駆動信号送信部２３０ａ、２３０ｂから入力された駆動信号を用いて光変調し、光スプリッタ２５３ａ、２５３ｂへ出力する。また、マッハツェンダ型光変調器２５２ａ、２５２ｂは、偏光多重光送信機１００の起動時および入力光信号の入力が停止している時に、駆動信号送信部２３０ａ、２３０ｂから入力されたトレーニング信号を光変調し、光スプリッタ２５３ａ、２５３ｂへ出力する。

光スプリッタ２５３ａ、２５３ｂは、マッハツェンダ型光変調器２５２ａ、２５２ｂから入力された変調光の一部を光信号ディテクタ２５７ａ、２５７ｂへ出力すると共に、変調光の大部分を光カプラ２５５側へ出力する。

光移相器２５４は、光スプリッタ２５３ｂと光カプラ２５５との間に配置され、光スプリッタ２５３ｂから入力された変調光の位相をπ／２変化させて光カプラ２５５へ出力する。以下、マッハツェンダ型光変調器２５２ａから出力された変調光をＩ相、光移相器２５４を介してマッハツェンダ型光変調器２５２ｂから出力された変調光をＱ相と定義する。

光カプラ２５５は、マッハツェンダ型光変調器２５２ａから出力された変調光（Ｉ相）と、光移相器２５４を介してマッハツェンダ型光変調器２５２ｂから出力された位相がπ／２変化した変調光（Ｑ相）とを合波して、変調合波光を出力する。

光カプラ２５５から出力された変調合波光は、光スプリッタ２５６において一部が光信号ディテクタ２５８に出力されると共に大部分は偏光多重部２７０側へ出力される。

光信号ディテクタ２５７ａ、２５７ｂ、２５８はそれぞれ、光スプリッタ２５３ａ、２５３ｂ、光スプリッタ２５６を介してマッハツェンダ型光変調器２５２ａ、２５２ｂ、光カプラ２５５から出力された変調光および変調合波光の光強度を計測し、計測結果をバイアス制御部２４０へ出力する。バイアス制御部２４０は、光信号ディテクタ２５７ａ、２５７ｂ、２５８から入力された計測結果に基づいて光直交位相変調器２５０のバイアス点を制御する。

図２の説明に戻る。偏光回転板２６０は、光直交位相変調器２５０ｂと偏光多重部２７０との間に配置される。偏光回転板２６０は、光直交位相変調器２５０ｂから出力された変調合波光の偏光状態が駆動信号送信部２３０ａから出力された変調合波光の偏光状態に対して直交するように、光直交位相変調器２５０ｂから出力された変調合波光を偏光して偏光多重部２７０へ出力する。

偏光多重部２７０は、光直交位相変調器２５０ａから入力された変調合波光と、偏光回転板２６０を介して光直交位相変調器２５０ｂから入力された変調合波光とを多重化し、偏光多重光信号を送信光信号として光伝送路に出力する。

次に、極性検出部３００について説明する。極性検出部３００は、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性を検出する部分である。極性検出部３００は、光スプリッタ３１０、偏光板３２０、マッハツェンダ型光干渉計３３０、光信号ディテクタ３４０ａ、３４０ｂ、信号検出部３５０および信号調整部３６０を備える。

光スプリッタ３１０は、偏光多重部２７０から出力された偏光多重光信号の一部を偏光板３２０へ分岐する。

偏光板３２０は、管理された偏光軸を有し、偏光状態が互いに直交する２つの光信号が混合されるように、偏光多重部２７０から出力された偏光多重光信号の偏光状態を変化させ、混合光信号を出力する。なお、トレーニング信号が印加されている期間だけ偏光多重光生成部２００の偏光回転板２６０の偏光回転をゼロに変更できる場合は偏光板３２０を省略することができる。

マッハツェンダ型光干渉計３３０は、３ｄＢ帯域がＩＴＵ（International Telecommunication Union）グリッド周波数に一致するように設定され、偏光板３２０から入力された混合光信号を、搬送波周波数ｆｃを基準に高周波数成分と低周波数成分とに分離してそれぞれ光信号ディテクタ３４０ａ、３４０ｂへ出力する。

ここで、マッハツェンダ型光干渉計３３０の自由スペクトル領域（ＦＳＲ： Free Spectral Range）は、少なくとも印加する周波数オフセット量の絶対値の半分より大きい必要がある。ＦＳＲが大きいほどマッハツェンダ型干渉計のデバイスサイズの小型化が容易であり、光送信機のサイズを小型化できる。一般的に、数十ＧＨｚ程度のＦＳＲが望ましく、更にＩＴＵグリッドの周波数間隔に合わせることにより管理が容易となる。マッハツェンダ型光干渉計の代わりに、光インターリーバーを用いることもできる。

光信号ディテクタ３４０ａ、３４０ｂはそれぞれ、マッハツェンダ型光干渉計３３０から入力された高周波数成分と低周波数成分を電気強度信号に変換して信号検出部３５０へ出力する。

信号検出部３５０は、光信号ディテクタ３４０ａから入力された高周波数成分に対応する電気強度信号と、光信号ディテクタ３４０ｂから入力された低周波数成分に対応する電気強度信号と、の大きさを比較する。そして、信号検出部３５０は、電気強度信号の大小関係から光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性を判別する。光信号ディテクタ３４０ａ、３４０ｂから出力された電気強度信号の大小関係に基づいて光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が判別できる理由については後述する。

信号調整部３６０は、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性の判別結果に基づいて駆動信号送信部２３０ａ、２３０ｂから出力される駆動信号の符号を制御することによって、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性を補正する。極性の補正方法については後述する。

次に、高周波数成分の大きさと低周波数成分の大きさを比較することによって光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が判別できる理由について説明する。

本実施形態に係る駆動信号生成部２２０は、搬送波周波数がｆｃの時に、光直交位相変調器２５０ａから出力される変調合波光（Ｘ偏光）の周波数を「ｆｃ＋ｆｘ」にシフトさせると共に光直交位相変調器２５０ｂから出力される変調合波光（Ｙ偏光）の周波数を「ｆｃ＋ｆｙ」にシフトさせるトレーニング信号を生成して出力する。この場合、「ｆｃ＋ｆｘ」の変調合波光と「ｆｃ＋ｆｙ」の変調合波光とが偏光多重化されて偏光板３２０に入力する。

「ｆｃ＋ｆｘ」の変調合波光と「ｆｃ＋ｆｙ」の変調合波光は、偏光板３２０において偏光状態が混合され、マッハツェンダ型光干渉計３３０において搬送波周波数ｆｃを基準に高周波数成分と低周波数成分とに分離される。

本実施形態では、偏光多重光信号に対して印加する周波数オフセットを、光周波数シフト（＋ｆｘ、＋ｆｙ）がそれぞれマッハツェンダ型干渉計３３０の高周波成分ポートから出力されるように設定する。従って、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が設定通りの場合、高周波数成分の大きさが低周波数成分の大きさと比較して有意に大きくなる。一方、例えば、光直交位相変調器２５０ａの極性が反転している場合、周波数シフトの符号が反転して「＋ｆｘ」から「−ｆｘ」に変化して低周波数成分側に分離されることから、高周波数成分の大きさと低周波数成分の大きさとが同等になる。さらに、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が共に反転した場合、低周波数成分の大きさが高周波数成分の大きさと比較して有意に大きくなる。

従って、２個の光ディテクタ３４０ａ、３４０ｂから出力される電気強度信号の強度の大小関係を光信号検出部３５０においてモニターすることにより、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性の反転を検出できる。

具体例として、駆動信号生成部２２０において偏光多重光信号の各偏光成分に対してそれぞれ＋５ＧＨｚ（＝ｆｘ＝ｆｙ）の周波数シフトを付与するトレーニング信号を生成した場合の数値シミュレーション結果を図４に示す。図４（ａ）は、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が共に設定通りの場合、図４（ｂ）は、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂのどちらか一方の極性が反転した場合、図４（ｃ）は光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が共に反転した場合である。なお、図４の縦軸の単位はパワースペクトル密度（ＰＳＤ:Power spectral density）である。図４に示すように、付与した周波数シフト量に対応する周波数成分は７０ｄＢ程度あるため、信号検出部３５０において十分検出できる。

極性が設定通りの場合、マッハツェンダ型光干渉計３３０において搬送波周波数ｆｃを基準に高周波数成分と低周波数成分とに分離することにより、高周波数成分の大きさが低周波数成分の大きさと比較して有意に大きくなる。従って、図４（ａ）に示すように、偏光板３２０から出力された混合光信号はｆｃを基準に＋５ＧＨｚの周波数成分にピークが現れる。これは、Ｘ偏光の信号光とＹ偏光の信号光のそれぞれに付与した周波数シフト量と一致する。

また、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂのどちらか一方の極性が反転した場合、高周波数成分の大きさと低周波数成分の大きさが同等となる。従って、図４（ｂ）に示すように、偏光板３２０から出力された混合光信号は＋５ＧＨｚと−５ＧＨｚの周波数成分にピークが現れる。

さらに、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が共に反転した場合、低周波数成分の大きさが高周波数成分の大きさと比較して有意に大きくなる。従って、偏光多重光信号に対して周波数オフセットの大きさを適切に設定することにより、図４（ｃ）に示すように、偏光板３２０から出力された混合光信号は搬送波周波数ｆｃよりも小さい周波数成分にピークが現れる。

なお、光ディテクタ３４０ａの電気信号強度が光ディテクタ３４０ｂの電気信号強度と比較して大きくなるように印加する周波数シフトを設定する場合、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が共に反転することによって、設定とは反対に光ディテクタ３４０ｂの電気信号強度が光ディテクタ３４０ａの電気信号強度よりも大きくなる。

以上のように、信号検出部３５０において、光ディテクタ３４０ａから出力された高周波数成分に対応する電気信号強度と、光ディテクタ３４０ｂから出力された低周波数成分に対応する電気信号強度と、の大小関係をモニターすることにより、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性反転の有無を検出することができる。

なお、偏光板３２０の偏光軸の管理が不十分である場合を考慮して、偏光板３２０の設定を時間的に変動させて光ディテクタ３４０ａ、３４０ｂの電気信号強度の大小関係に変化がないことを確認することが望ましい。

次に、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が反転した場合に極性を補正する方法について説明する。光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂのどちらか一方の極性が反転していると判定された場合（高周波数成分の大きさと低周波数成分の大きさが同等）、信号調整部３６０は、例えば、駆動信号送信部２３０ａの設定を変更して、光直交位相変調器２５０ａのＩ相の駆動信号の符号を反転させる。なお、光直交位相変調器２５０ａのＱ相の駆動信号の符号を反転させることもできるし、駆動信号送信部２３０ｂの設定を変更して、光直交位相変調器２５０ｂのＩ相またはＱ相の駆動信号の符号を反転させることもできる。

そして、上述の設定変更を行った後に再度、光ディテクタ３４０ａ、３４０ｂの電気信号強度の大小関係をモニターする。そして、駆動信号生成部２２０にて付与する周波数シフトの結果と同一の大小関係が実現された場合、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が設定通りに補正されたと判断する（光直交位相変調器２５０ａの極性が反転していた）。

一方、上述の設定変更を光直交位相変調器２５０ａに対して行った後の再モニターにおいて、駆動信号生成部２２０にて付与する周波数シフトの結果と反対の大小関係が実現された場合、光直交位相変調器２５０ｂの極性が反転していたと分かる。この場合、光直交位相変調器２５０ａに対する設定を元に戻し、光直交位相変調器２５０ｂに対して設定変更を行うことにより、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が設定通りに補正される。

さらに、信号検出部３５０が光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が共に反転している場合（低周波数成分の大きさが高周波数成分の大きさよりも有意に大きい）、信号調整部３６０は、駆動信号送信部２３０ａ、２３０ｂの設定を変更して、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂのＩ相の駆動信号の符号を反転させる。なお、Ｉ相の代わりにＱ相の駆動信号の符号を反転させることもできるし、互いに異なる相の駆動信号の符号を反転させることもできる。

次に、本実施形態に係る偏光多重光送信機１００の極性検出手順および極性補正手順について説明する。偏光多重光送信機１００の極性検出および極性補正の動作フローを図５に示す。

本実施形態に係る偏光多重光送信機１００において、偏光多重光送信機１００の起動時および駆動信号断等の発生時、駆動信号生成部２２０は、光直交位相変調器２５０ａから出力される変調合波光の周波数を「ｆｃ＋ｆｘ」にシフトさせ、光直交位相変調器２５０ｂから出力される変調合波光の周波数を「ｆｃ＋ｆｙ」にシフトさせるトレーニング信号を生成して駆動信号送信部２３０ａ、２３０ｂへ出力する（Ｓ１０１）。

駆動信号送信部２３０ａ、２３０ｂは、入力されたトレーニング信号に送信端デジタル信号処理を行い、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂへ印加する。光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂは、印加されたトレーニング信号を光変調して合波し、変調合波光を出力する（Ｓ１０２）。光直交位相変調器２５０ａから出力された変調合波光と、光直交位相変調器２５０ｂおよび偏光回転板２６０から出力された変調合波光とは、偏光多重部２７０において多重化されて出力される。偏光多重部２７０から出力された偏光多重光信号の一部が、偏光板３２０に入力する（Ｓ１０３）。

偏光板３２０は、入力された偏光多重光信号の偏光状態を混合してマッハツェンダ型光干渉計３３０へ出力し、マッハツェンダ型光干渉計３３０は、入力された混合光信号を高周波数成分と低周波数成分とに分離してそれぞれ光信号ディテクタ３４０ａ、３４０ｂへ出力する（Ｓ１０４）。

光信号ディテクタ３４０ａ、３４０ｂは、入力された高周波数成分、低周波数成分を電気強度信号に変換して信号検出部３５０へ出力する。信号検出部３５０は、光ディテクタ３４０ａ、３４０ｂから入力された信号の大小関係をモニターする。

光ディテクタ３４０ａ、３４０ｂからの出力信号の大小関係が、駆動信号生成部２２０での設定通りであれば（Ｓ１０５のＹＥＳ）、偏光板３２０の偏光状態の設定を時間的に変更させる。出力信号の大小関係が維持されている場合（Ｓ１０６のＹＥＳ）、偏光多重光送信機１００は、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が設定通りであると判断し、トレーニング信号の生成を終了し、通常の送信動作に復帰する（Ｓ１０７）。

一方、光ディテクタ３４０ａ、３４０ｂの出力信号の大小関係が駆動信号生成部２２０での設定と異なる場合（Ｓ１０５のＮＯ）や光ディテクタ３４０ａ、３４０ｂの出力信号の大小関係が時間的に変化した場合（Ｓ１０６のＮＯ）、次のように動作する。つまり、偏光多重光送信機１００は、駆動信号送信部２３０ａ、２３０ｂの設定を変更して光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂのＩ相またはＱ相の駆動信号の符号を反転させることによって、極性を補正する（Ｓ１０８）。光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が適正になった場合、偏光多重光送信機１００は通常の送信動作に復帰する。

以上のように、本実施形態に係る偏光多重光送信機１００は、駆動信号生成部２２０において、一方の光直交位相変調器にｆｘだけ搬送波周波数をシフトさせ、他方の光直交位相変調器にｆｙだけ搬送波周波数をシフトさせるトレーニング信号を生成する。変調・多重化したトレーニング信号は、偏光板３２０およびマッハツェンダ型光干渉計３３０を用いて高周波数成分と低周波数成分とに分離される。そして、偏光多重光送信機１００は、高周波数成分の強度と低周波数成分の強度との比較結果に基づいて、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性を判定する。

偏光多重光送信機１００は、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が反転している場合、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂのＩ相またはＱ相の駆動信号の符号を反転させることによって極性を補正する。

従って、本実施形態に係る偏光多重光送信機１００は、光スペクトル・アナライザ等の高価な装置を配置することなく、自機内において光直交位相変調器の極性を速やかに検出できると共に光直交位相変調器の極性を補正することができる。

ここで、本実施形態に係る偏光多重光送信機１００においては、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が反転している場合に駆動信号の符号を反転させることによって極性を補正したが、これに限定されない。例えば、バイアス制御部２４０ａ、２４０ｂを制御して、印加するバイアスの値のうち、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂのＩ相またはＱ相のいずれか一方のバイアスを隣接のバイアス点に補正することでも、極性を補正できる。

この場合、偏光多重光送信機１００は、トレーニング信号に予め定められた速度の光位相の時間的変動を付与し、バイアス制御部２４０ａ、２４０ｂによってバイアス点を確定する。その後、偏光多重光送信機１００は、出力された偏光多重光信号の光位相の時間的変動の符号を検知し、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性を検出する。偏光多重光送信機１００はさらに、検出結果に応じて、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂのバイアス点を補正する。

ここで、本実施形態では、偏光多重光送信機１００の起動時および駆動信号の生成が停止している時に、２つの変調合波光の周波数をシフトさせるトレーニング信号を生成し、該トレーニング信号を光変調・合波等した。しかし、周波数シフトが付与されたトレーニング信号を光変調・合波等する代わりに、レーザ発振器２１０から入力した入力光信号（実送信データ信号）に周波数シフトを付与することもできる。

この場合、駆動信号生成部２２０は、レーザ発振器２１０から入力された入力光信号に基づいて生成した駆動信号に、入力光信号の各偏光成分にそれぞれ予め定められた周波数の周波数シフトを付与する機能を付加する。光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂは、レーザ発振器２１０から入力された入力光信号を、周波数シフトを付与する機能が付加された駆動信号を用いて光変調する。なお、駆動信号送信部２３０ａ、２３０ｂが、駆動信号に送信端デジタル信号処理を活用した予等化等を施す時に、入力光信号の各偏光成分に予め定められた周波数の周波数シフトを付与する機能を駆動信号に付加することもできる。

具体例として、駆動信号生成部２２０が、５０Ｇｂｐｓ偏光多重ＱＰＳＫ信号の各偏光成分にそれぞれ５ＧＨｚの周波数シフトを付与する機能を駆動信号に付加した場合の数値シミュレーション結果を図６に示す。図６（ａ）は、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が設定通りの場合、図６（ｂ）は、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂのどちらか一方の極性が反転した場合である。

図６（ａ）において、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が設定通りの場合、各偏光成分にそれぞれ高周波方向に５ＧＨｚの周波数シフトが付与される。これにより、混合光信号の光スペクトルは、搬送波周波数ｆｃを基準として高周波数成分が大きく、低周波数成分が小さくなる。従って、高周波数成分と低周波数成分とに分離した場合に高周波数成分の大きさが低周波数成分の大きさと比較して大きくなる。

図６（ｂ）において、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂのどちらか一方の極性が反転した場合、偏光板３２０からの混合光信号の光スペクトルが搬送波周波数ｆｃに関して対称となる。従って、高周波数成分と低周波数成分とに分離した場合に高周波数成分の大きさと低周波数成分の大きさが同等となる。

従って、レーザ発振器２１０から入力された入力光信号（実送信データ信号）に対応する駆動信号に周波数シフトを付与する機能を付加することにより、通常の送信動作において、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性を判定することができる。なお、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性の反転を検出した場合は、前述の実施形態で説明した極性の補正方法を適用することができる。

ここで、駆動信号生成部２２０において、データ変調を施した駆動信号に周波数シフトを付与する機能を付加して光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂを駆動する場合、通常の送信動作への切り替えを高速に行うことができる。その理由は、送信データに切り替えた際のバイアス制御部２４０ａ、２４０ｂの動作点のずれが微小だからである。

また、実送信データ信号に基づいて生成した駆動信号に、定期的に上述の周波数シフトを付与する機能を付加することにより、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が動的に変化する場合でも、極性の反転を検知して極性を補正することができる。

本実施形態に係る偏光多重光送信機１００は、単一偏光光通信システムにおける光直交位相変調器の極性の反転の検出に適用することもできる。また、任意の光位相変調方式に対応可能であり、光直交位相変調器以外の各光位相変調方式に特化した光送信機の構成に適用することもできる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。本実施形態に係る偏光多重光送信機のブロック構成図を図７に示す。図７において、本実施形態に係る偏光多重光送信機１００Ｂは、偏光多重光生成部２００Ｂおよび極性検出部３００Ｂを備える。

偏光多重光生成部２００Ｂは、レーザ発振器２１０Ｂ、駆動信号生成部２２０Ｂ、駆動信号送信部２３０ａＢ、２３０ｂＢ、バイアス制御部２４０ａＢ、２４０ｂＢ、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢ、偏光回転板２６０Ｂおよび偏光多重部２７０Ｂを備える。極性検出部３００Ｂは、光スプリッタ３１０Ｂ、偏光板３２０Ｂ、光信号ディテクタ３７０Ｂ、ビート信号分離部３８０Ｂ、信号検出部３５０Ｂおよび信号調整部３６０Ｂを備える。以下、第２の実施形態で説明した図２の偏光多重光送信機１００と異なる部分を中心に説明する。

本実施形態に係る駆動信号生成部２２０Ｂは、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性を判断する場合、互いに異なる周波数の周波数シフトが付与された変調光を光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢから出力させるトレーニング信号を生成する。

ここで、付与する周波数シフト量の差分は、光信号ディテクタ３７０Ｂのデバイス帯域内に設定することが望ましい。例えば、光通信システム用の光ディテクタに対しては数十〜数百ＭＨｚに設定することが望ましい。また、付与する周波数シフト量は、駆動信号送信部２３０ａＢ、２３０ｂＢのデバイス帯域の範囲内であり、かつ、光信号ディテクタ３７０Ｂのデバイス帯域の範囲外であることが望ましい。例えば、高速光通信システム用の駆動信号送信部に対しては数ＧＨｚに設定することが望ましい。なお、付与する周波数シフト量は、光信号ディテクタ３７０Ｂの経年劣化による周波数特性の時間的変化を考慮し、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性を検出する度に変更することができる。駆動信号生成部２２０Ｂは、駆動信号の位相が時間的変動する異なる速度の高周波クロック信号を光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢに入力することによっても、周波数シフトを変調光に付与することができる。

光スプリッタ３１０Ｂは、偏光多重部２７０Ｂから出力された偏光多重光信号の一部を、偏光軸が管理された偏光板３２０Ｂへ分岐する。偏光板３２０Ｂは、互いに直交する偏光状態の光信号が混合するように偏光多重光信号の偏光状態を変化させて光信号ディテクタ３７０Ｂへ出力する。偏光板３２０Ｂから出力された混合光信号には、偏光多重信号の各偏光成分の間に付与された光位相の時間的変動の速度の差に応じた、光位相が時間的に変動する信号成分が含まれる。

光信号ディテクタ３７０Ｂは、混合光信号の光強度を電気強度信号に変換してビート信号分離部３８０Ｂへ出力し、ビート信号分離部３８０Ｂは、電気強度信号から時間的に変動する成分のみを取り出して信号検出部３５０Ｂへ出力する。信号検出部３５０Ｂは、ビート信号分離部３８０Ｂからの出力に、駆動信号生成部２２０Ｂにおいて付与した周波数の周波数シフトに相当するビート成分が含まれているか否か調査し、調査結果に基づいて光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性を判別する。

次に、互いに直交する偏光状態の２つの連続光に周波数シフトを付与し、光信号ディテクタ３７０Ｂから出力された信号に付与した周波数シフトに対応するビート成分が含まれているか調査することで、極性の関係を判別できる理由について説明する。

駆動信号生成部２２０Ｂは、搬送波周波数がｆｃの時に、Ｘ偏光の周波数を「ｆｃ＋ｆｘ」にシフトさせると共にＹ偏光の周波数を「ｆｃ＋ｆｙ」にシフトさせるトレーニング信号を生成して出力する。この時に光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢから出力される変調光は式（１）で与えられる。ここで、Δθは、Ｘ偏光の光信号の位相とＹ偏光の光信号の位相との相対位相である。

一方、偏光板３２０において偏光状態を混合した場合、光信号ディテクタ３７０Ｂから出力される信号は式（２）で与えられる。

ここで、ＥoxおよびＥoyはそれぞれ、Ｘ偏光の光信号とＹ偏光の光信号の複素振幅である。式（２）に示すように、光信号ディテクタ３７０Ｂからの出力には、駆動信号生成部２２０ＢによってＸ偏光の光信号に付与された周波数シフト量とＹ偏光の光信号に付与された周波数シフト量との差分の周波数のビート信号が含まれる。

光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が互いに異なる場合、光信号ディテクタ３７０Ｂにおいて観測されるビート信号の周波数は２つの周波数シフト量の和になる。つまり、ビート信号の周波数は、駆動信号生成部２２０ＢにてＸ偏光の光信号に対して付与した周波数シフト量とＹ偏光の光信号に対して付与した周波数シフト量との和になる。

従って、信号検出部３５０Ｂによって、周波数シフト量の和と同一位置に周波数ピークが検出された場合、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢのどちらか一方の極性が反転していると分かる。

具体例として、Ｘ偏光の光信号に−１．４ＧＨｚの周波数シフトを付与し、Ｙ偏光の光信号に＋１．５ＧＨｚの周波数シフトを付与するように、駆動信号生成部２２０Ｂにおいてトレーニング信号を生成した場合の数値シミュレーション結果を図８に示す。図８（ａ）は光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が同一の場合、図８（ｂ）は光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が互いに異なる場合である。なお、光信号ディテクタ３７０Ｂのデバイス帯域を１ＧＨｚとした。

図８（ａ）において、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が同一である場合、光信号ディテクタ３７０Ｂからの出力信号の信号スペクトルに２．９ＧＨｚの小さい周波数ピークが現れる。これは、Ｘ偏光の光信号およびＹ偏光の光信号にそれぞれ付与した周波数シフトの差分と一致する。図８（ａ）の周波数ピークは光信号ディテクタ３７０Ｂにおいてビート信号として検出されない。

一方、図８（ｂ）において、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が互いに異なる場合、光信号ディテクタ３７０Ｂの出力信号の信号スペクトルに１００ＭＨｚの鋭い周波数ピークが現れる。これは、Ｘ偏光の光信号およびＹ偏光の光信号に付与した周波数シフトの和と一致する。この周波数ピーク（約１１５ｄB）は、実送信データに対応する信号の強度（６５ｄB程度）と比較して５０ｄB程度大きいため、光信号ディテクタ３７０Ｂによりビート信号として検出される。

従って、光信号ディテクタ３７０Ｂからの出力信号の信号スペクトルに、付与した周波数シフトに対応するビート信号が含まれているか否かを調査することによって、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢが互いに同一の極性を有するか否か判別できる。

なお、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が同一である場合にビート信号が検出され、直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が互いに異なる場合にビート信号が検出されないように、周波数シフト量を設定することもできる。

そして、本実施形態に係る偏光多重光送信機１００Ｂは、信号検出部３５０Ｂが光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が互いに異なると判定した場合、第２の実施形態と同様に動作する。すなわち、偏光多重光送信機１００Ｂは、光直交位相変調器２５０ａＢのＩ相の駆動信号の符号を反転させるように、駆動信号送信部２３０ａＢの設定を変更する。なお、光直交位相変調器２５０ａＢのＱ相の駆動信号の符号を反転させることもできるし、駆動信号送信部２３０ｂＢの設定を変更して、光直交位相変調器２５０ｂＢのＩ相またはＱ相の駆動信号の符号を反転させることもできる。

さらに、駆動信号送信部２３０ａＢ、２３０ｂＢの設定を変更する代わりに次のように動作することもできる。すなわち、偏光多重光送信機１００Ｂは、バイアス制御部２４０ａＢ、２４０ｂＢを制御して、印加するバイアスの値のうち、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢのＩ相またはＱ相のいずれかのバイアスを隣接のバイアス点に補正する。

次に、本実施形態に係る偏光多重光送信機１００Ｂの極性検出手順および極性補正手順について説明する。偏光多重光送信機１００Ｂの極性検出および極性補正の動作フローを図９に示す。

図９において、駆動信号生成部２２０Ｂは、起動時および信号断発生時等に、それぞれ互いに異なる周波数の周波数シフトを変調光に付与するように光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢを駆動するトレーニング信号を生成する。駆動信号生成部２２０Ｂは、生成したトレーニング信号を駆動信号送信部２３０ａＢ、２３０ｂＢへ出力する（Ｓ２０１）。

駆動信号送信部２３０ａＢ、２３０ｂＢは、入力されたトレーニング信号に送信端デジタル信号処理を行い、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢへ印加する。光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢに入力されたトレーニング信号は、光変調および合波され（Ｓ２０２）、さらに偏光多重部２７０において多重化された後、一部が偏光板３２０Ｂに入力される（Ｓ２０３）。

偏光多重光信号は、偏光板３２０Ｂにおいて偏光状態が混合され、光信号ディテクタ３７０Ｂにおいて電気強度信号に変換された後、ビート信号分離部３８０Ｂにおいて時間的に変動する成分のみが取り出されて信号検出部３５０Ｂへ出力される（Ｓ２０４）。

信号検出部３５０Ｂは、駆動信号生成部２２０Ｂによって付与した周波数シフト量の和に相当する周波数位置のビート信号が入力された電気強度信号から検出されるか否か調査し、調査結果に基づいて光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性を判別する（Ｓ２０５）。

所定の周波数位置においてビート信号が検出されなかった場合（Ｓ２０５のＮＯ）、信号検出部３５０Ｂはさらに、偏光板３２０Ｂの偏光状態の設定を時間的に変更させてビート信号の周波数成分が検出されるか否か確認する（Ｓ２０６）。偏光板３２０の偏光状態の設定を変化させても変化しない場合、すなわち、ビート信号の周波数成分が検出されない場合（Ｓ２０６のＮＯ）、偏光多重光送信機１００Ｂは、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が同一であると判断する。この場合、偏光多重光送信機１００Ｂは、トレーニング信号の生成を終了して通常の送信動作に復帰する（Ｓ２０７）。

一方、所定の周波数位置においてビート信号が検出された場合（Ｓ２０５のＹＥＳ）、偏光多重光送信機１００Ｂは、光直交位相変調器２５０ａ、２５０ｂの極性が同一ではないと判断する。偏光板３２０Ｂの偏光状態の設定を変更することによって時間的に変化した場合（Ｓ２０６のＹＥＳ）も同様である。いずれの場合も、信号調整部３６０Ｂによって、一方の駆動信号の符号を反転させて極性を補正する（Ｓ２０８）。そして、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が同一になった場合、偏光多重光送信機１００Ｂは、通常の送信動作に復帰する。

以上のように、本実施形態に係る偏光多重光送信機１００Ｂは、駆動信号生成部２２０Ｂにおいて、それぞれ互いに異なる周波数の周波数シフトを変調光に付与するように光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢを駆動するトレーニング信号を生成する。一方、信号検出部３５０Ｂにおいて、トレーニング信号を変調・多重等して得られた電気強度信号に、駆動信号生成部２２０Ｂが付与した光位相の時間的変動の速度の差に相当する周波数を有するビート信号が含まれるかどうか調査する。そして、偏光多重光送信機１００Ｂは、信号検出部３５０Ｂの調査結果に基づいて光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が同一か否か判別する。

従って、本実施形態に係る偏光多重光送信機１００Ｂは、光スペクトル・アナライザ等の高価な装置を配置することなく自機内において光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性を速やかに検出できると共に光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性を補正することができる。

なお、本実施形態では、互いに異なる周波数の周波数シフトを変調光に付与するように光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢを駆動するトレーニング信号を生成し、このトレーニング信号を光変調・合波等したが、これに限定されない。

駆動信号生成部２２０Ｂは、通常の送信動作状態において、レーザ発振器２１０Ｂから入力された光信号に基づいて生成した駆動信号に下記の機能を付加することもできる。すなわち、互いに直交する偏光状態の２つの光信号に、各偏光成分間で同一の送信データ信号に基づいた変調信号に周波数が異なる周波数シフトをそれぞれ付与させる機能を付加する。特に、非特許文献１に記されているように、偏光多重光通信システムにおいて、光ファイバ伝送路中の非線形光学効果による伝送品質の劣化を低減するために、互いに直交する偏光状態の２つの独立した光信号に対して、周波数シフトを付与する場合が該当する。

この場合も、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が同一である場合に駆動信号生成部２２０ＢにてＸ偏光の光信号に付与した周波数シフト量とＹ偏光の光信号に付与した周波数シフト量との差分に相当する周波数のビート信号が発生する。

一方、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が互いに異なる場合は、観測されるビート信号の周波数は駆動信号生成部２２０ＢにてＸ偏光の光信号に付与した周波数シフト量とＹ偏光の光信号に付与した周波数シフト量の和となる。

駆動信号生成部２２０Ｂの生成する具体的な駆動信号に対する数値シミュレーション結果を図１０に示す。この駆動信号は、Ｘ偏光の光信号に対して通常のデータ変調に加えて−１．４ＧＨｚの周波数シフトを付与し、Ｙ偏光の光信号に同一の送信データに基づくデータ変調に加えて＋１．５ＧＨｚの周波数シフトを付与すると仮定した。図１０（ａ）は、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が同一の場合、図１０（ｂ）は、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が互いに異なる場合である。

図１０（ａ）において、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が同一の場合、信号ディテクタ３７０Ｂの出力信号の信号スペクトルに２．９ＧＨｚの小さい周波数ピークが出現する。これは、Ｘ偏光の光信号とＹ偏光の光信号のそれぞれに付与した周波数シフトの差分と一致する。

一方、図１０（ｂ）において、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が互いに異なる場合、光信号ディテクタ３７０Ｂの出力信号の信号スペクトルに１００ＭＨｚの周波数ピークが現れる。これは、Ｘ偏光の光信号とＹ偏光の光信号のそれぞれに付与した周波数シフトの和と一致する。

従って、駆動信号生成部２２０Ｂが駆動信号に所定の周波数シフトを付与する機能を付加することにより、レーザ発振器２１０Ｂから入力した入力光信号（実送信データ信号）を用いて、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性の関係を検出できる。なお、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が互いに異なっている場合、第２の実施形態で説明した極性の補正方法を適用することができる。

以上のように、実送信データ信号に基づいて生成した駆動信号に周波数シフトを付与する機能を付加することでも、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性の関係を判別できる。

なお、駆動信号生成部２２０Ｂにおいて、データ変調を施した駆動信号に周波数シフトを付与する機能を付加して光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢを駆動する場合、通常の送信動作への切り替えを高速に行うことができる。これは、送信データに切り替えた際のバイアス制御部２４０ａＢ、２４０ｂＢの動作点のずれが微小だからである。

また、実送信データ信号に基づいて生成した駆動信号に、定期的に上述の周波数シフトを付与する機能を付加することにより、光直交位相変調器２５０ａＢ、２５０ｂＢの極性が動的に変化する場合でも、極性の反転を検知して極性を補正することができる。

本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。

本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。また、本願発明は、２０１２年１１月２７日に出願された日本出願特願２０１２−２５８５９１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

冗長構成をとったネットワークシステムに広く適用することができる。

１０ 偏光多重光送信機
２０ 駆動手段
３１、３２ 光変調手段
４０ 偏光多重手段
５０ 混合手段
６０ 極性判定手段
１００、１００Ｂ 偏光多重光送信機
２００、２００Ｂ 偏光多重光生成部
２１０、２１０Ｂ レーザ発振器
２２０、２２０Ｂ 駆動信号生成部
２３０ａ、２３０ｂ、２３０ａＢ、２３０ｂＢ 駆動信号送信部
２４０ａ、２４０ｂ、２４０ａＢ、２４０ｂＢ バイアス制御部
２５０ａ、２５０ｂ、２５０ａＢ、２５０ｂＢ 光直交位相変調器
２５１ 偏波保持光スプリッタ
２５２ａ、２５２ｂ マッハツェンダ型光変調器
２５３ａ、２５３ｂ 光スプリッタ
２５４ 光移相器
２５５ 光カプラ
２５６ 光スプリッタ
２５７ａ、２５７ｂ、２５８ 光信号ディテクタ
２６０、２６０Ｂ 偏光回転板
２７０、２７０Ｂ 偏光多重部
３００、３００Ｂ 極性検出部
３１０、３１０Ｂ 光スプリッタ
３２０、３２０Ｂ 偏光板
３３０ マッハツェンダ型光干渉計
３４０ａ、３４０ｂ 光信号ディテクタ
３５０、３５０Ｂ 信号検出部
３６０、３６０Ｂ 信号調整部
３７０Ｂ 光信号ディテクタ
３８０Ｂ ビート信号分離部

Claims (10)

1. 光信号の偏光成分に所定の周波数シフトを付加する駆動信号を生成して出力する駆動手段と、
   ２つの光信号についてそれぞれ、２つの偏光成分を前記駆動信号を用いて変調し、位相差を付加して合波し、変調合波光を出力する、２つの光変調手段と、
   前記２つの変調合波光を偏光を直交させた状態で多重化し、偏光多重光信号を出力する偏光多重手段と、
   前記偏光多重光信号の偏光状態を各偏光成分が混合した状態に変化させ、混合光信号を出力する混合手段と、
   前記混合光信号の強度の周波数分布に基づいて前記２つの変調合波光の極性の関係を判定する極性判定手段と、
   を備える偏光多重光送信機。
2. 前記極性判定手段は、前記混合光信号を高周波数成分と低周波数成分とに分離して出力する分離手段を備え、
   前記極性判定手段は、前記高周波数成分の強度と前記低周波数成分の強度との大小関係に基づいて、前記２つの変調合波光の極性の関係を判定する、
   請求項１記載の偏光多重光送信機。
3. 前記駆動手段は、２つの偏光成分に対して同じ符号の周波数シフトを付加し、
   前記極性判定手段は、高周波数成分と低周波数成分の大きさが同等の場合、前記２つの変調合波光の極性が互いに異なると判定する、請求項２記載の偏光多重光送信機。
4. 前記極性判定手段は、前記混合光信号から時間的に変動する成分のみを抽出して出力する抽出手段を備え、
   前記極性判定手段は、前記抽出された成分に前記付与した周波数シフトに対応する成分が含まれているか否か判断することによって、前記２つの変調合波光の極性の関係を判定する、
   請求項１記載の偏光多重光送信機。
5. 前記駆動手段は、２つの偏光成分に対して異なる符号の周波数シフトを付加し、
   前記極性判定手段は、前記抽出された成分に前記周波数シフトの偏差に相当するビート成分が含まれていると判断した場合、前記２つの変調合波光の極性が互いに異なると判定する、請求項４記載の偏光多重光送信機。
6. 前記光変調手段は、
   前記光信号を２分岐して出力するスプリッタと、
   前記２分岐された光信号をそれぞれ前記駆動信号を用いて変調して変調光を出力する２つのマッハツェンダ型光変調器と、
   ２つの前記変調光の一方の位相を遅延させる移相器と、
   位相差がついた２つの変調光を合波し、変調合波光を出力する光カプラと、
   を備える請求項１乃至５のいずれか１項記載の偏光多重光送信機。
7. 前記２つの変調合波光の極性の関係の判定結果に基づいて、前記変調合波光の極性を補正する極性補正手段をさらに備える請求項１乃至６のいずれか１項記載の偏光多重光送信機。
8. 前記極性補正手段は、前記駆動手段を制御して前記駆動信号の符号を反転させることによって前記変調合波光の極性を補正する、請求項７記載の偏光多重光送信機。
9. 前記光変調手段のバイアスを制御するバイアス制御手段をさらに備え、
   前記極性補正手段は、前記バイアス制御手段を制御してバイアスを隣接のバイアス点に補正することによって前記変調合波光の極性を補正する、請求項７記載の偏光多重光送信機。
10. 光信号の偏光成分に所定の周波数シフトを付加する駆動信号を生成して出力し、
    ２つの光信号についてそれぞれ、２つの偏光成分を前記駆動信号を用いて変調し、位相差を付加して合波し、２つの変調合波光を出力し、
    前記２つの変調合波光を偏光を直交させた状態で多重化し、偏光多重光信号を出力し、
    前記偏光多重光信号の偏光状態を各偏光成分が混合した状態に変化させ、混合光信号を出力し、
    前記混合光信号の強度の周波数分布に基づいて前記２つの変調合波光の極性の関係を判定する、
    極性判定方法。

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