WO2004029699A1

WO2004029699A1 - Ｐｍｄエミュレータ

Info

Publication number: WO2004029699A1
Application number: PCT/JP2003/012150
Authority: WO
Inventors: Yu Mimura; Kazuhiro Ikeda
Original assignee: The Furukawa Electric Co., Ltd.
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2004-04-08
Also published as: US7190850B2; EP1557711A4; US20050244092A1; EP1557711A1; JP4460054B2; JPWO2004029699A1; AU2003266575A1

Description

明細書

PMDエミュレータ技術分野

本発明は、信号光が伝播される際に発生する偏波モード分散（Polarization— ModeDispersion： PMD) の評価を行うため、又は、光伝送路の補償を行うために用いられる PMDエミュレータに関するものである。背景技術

近年の光伝送システムの進展、普及に伴い、システムの伝送容量を増大させるために、波長分割多重（WDM)方式による多チヤンネル化が進められている。この多チヤンネル化と並んで、伝送容量を増大させる方法としては、各チヤンネルの光パルスのビットレートを増大させる方法があり、現在では、 lOGbZ sの導入が進んでいる。そして、最近では、今後実用化が期待されている 40Gb /sの導入が展望されている。このようなハイビットレートの光パルス伝送路においては、その伝送品質の劣化を招くいくつかの要素がある。

その一つが、偏波モード分散（P olarization— ModeDispersion： PMD) である。これは、光パルスの伝送路である光ファイバの中でランダムに発生する複屈折に基因して、伝送されている光パルスにおいて、本来は縮退しているべき直交偏波モードが分離してパルス幅を拡大させるという現象である。このような現象を発現した光パルスは、正しい光信号としての機能を発揮しないことになる。従って、最近の光ファイバでは、この PMDを小さくする努力がなされている。しかしながら、その値は、せいせい 25psZkmi/²程度である。そして、そのような光ファイバを用いて AOGbZsのビットレートを採用した場合、光伝送が可能な距離は、長くても 100km程度であり、それ以上の距離の光伝送を実現することは出来ない。

また、これまでに敷設されてきた古い光ファイバの PMD は、 lpsZkm"² 程度であるため、ビットレートを lOGbZs にするとその光伝送可能な距離は 170km程度であり、ビットレート ^GbZsにすると 10km程度までしか光伝送を実現することができない。このように、既設の光ファイバを用いた光伝送システムにおいて、ビットレートを lOGbZsに高める場合や、次世代光伝送システム用に新たな光ファイバを敷設してそのビットレートを 40Gb/s 以上で運転しょうとする場合には、 PMDの影響が顕著に現れ、その結果、伝送容量が大きく、実用的な光伝送システムの構築が困難になる。

従って、高ビットレート伝送を行う光伝送システムにおける PMD特性の評価を行ったり、光伝送システムに生じた PMDを捕償することが必要であり、その解決のために、 PMDエミュレータが用いられる。ここで、光伝送システムの PMD耐性評価等のために、実線路の Single Mode Fiber ( S MF) の PMD特性をエミュレートするために用いられる PMDエミユレータの従来例を説明する。もし、実験室で実際の S MFを用いて P MDの評価を行おうとすれば、実験室は、 S M Fが敷設された場所よりもさらに環境が安定しているため、実際よりもさらに長時間を要することになる。従って、 PMDエミユータを用いて、 PMD評価を行うことが有効である。この実施例で取り扱う S MFは、長さが数十〜数百 k mで、 PMDは◦〜数 1 0 p s程度であり、 2次以上の PMDを含む場合を想定している。このエミュレータにおいては、 1次 PMD (Differential Group Delay： DGD) と 2次以上の P MDとして影響の大きい 2次 PMD (Second Order Polarization Mode Dispersion： SO PMD) を取り扱つている。この実施例の PMDエミュレータの概要図を図 18に示す。多数の（例えば 1 00セクション） DGDセクション 161 i〜l 61 _nが回転連結によりモデリングされている。この実施例の場合には、 DGDセクションに複屈折部を用いている。このセクション数が多いほうが、実際の SMFの特性に近づくことになるため、実際の SMFに近い PMD特性を得るためには、非常に大掛かりで高価な PMDエミュレータが必要となる。

SMFの PMD特性を得るために、 DGDセクション 161 a〜l 61 nを回転させる。この回転速度は、各々の DGDセクションによって異なるが、回転速度自体は一定で、何ら速度制御等は行っていない。

図 19のグラフは、この PMDエミュレータによって得られた DGDと S OPMDの特性を示す。グラフの横軸は、波長（nm) を示し、縦軸を DGD

(p s) と S OPMD (p s ²) を示す。また、図 2 OAは DGD分布を示し、図 20B は S OPMD分布を示す。また、各波長における DGDと S OPMD の相関関係は、図 21に示すように、正の相関となることが判明している。し力し、この PMD特性を得るためには、多数の DGDセクションを有する大掛かりな PMDエミュレータを長時間稼動させなければならない。次に、 PMDエミュレータの代表的な装置の実施例として、 US 2002/80467 号公報に記載されている装直について、更に具体的に説明する。（例えば US2002Z0080467号公報参照。）図 17は、この装置の構成概略図であり、入射された測定対象光は、この装置を伝播されると、正確な PMDの値が得られるというものである。）

この PMDエミュレータ 100は、測定対象光を入射、出射させる光ファイバ 101、 102と、入射、出射させる光ファイバ 101、 102の間に、 DGD部 122、 132、 142と位相シフト部 124、 134、 144からなる複屈折部 104、 106、 108と、偏波モード混合部 110、 112、 114とが、交互で多段に接続されて構成されている。図 1 7では、複屈折部と偏波モード混合部が N個配置された例が記載されている。なお、位相シフト部 124、 134、 144には、位相シフト量の制御を行うためのコントローラ 126、 136、 146が配置され、偏波モード混合部 110、 112、 114には、偏光回転方向の制御を行うためのコントローラ 116、 118、 120が配置されている。また、他の従来例としては下記が挙げられる。

既設伝送路に発生する PMDは時間方向および周波数方向に分布を示し、その分布は理論的に示されている確率密度分布に従い、 D G D (1次 PMD) はマクスゥェル分布、 S O PMD (2次 PMD) についても対応した確率密度関数が与えられている。（OPTICAL FIBER TELECOMMUNICATIONS, VOLUME IVB, Chapter 5 "Polarization -Mode Dispersion"参照。）伝送評価実験を行う場合にはその時間方向の分布が重要であり、そのような実際の伝送路の PMDを模擬する PMDエミュレータとしては、図 2 2に示すように偏波保持ファィパゃ複屈折結晶からなる DGDセクションの多段構成とし、さらに各セクションの間に可変の偏光回転素子を配置してそれら全ての回転角度をランダムに回転させる装置が提案されている。（例えば Proc.OFC02,paper ThA3，pp374-375, 2002参照。）上述の US2002//0080467号公報に示される従来の PMDエミュレータでは、偏波モード混合部として、 YV04、 LiNb03を使用し、電気光学効果を利用しているので、圧電素子などの大規模な装置を必要とし、またその消費電力も大きいという問題がある。また、 YV04、 LiNb03は、揷入損失が大きいという問題もある。

また、従来の PMDエミュレータにおいては、発生させた PMDの時間分布を理論的な確率密度関数に十分近づかせるためには、 DGDセクションの段数を多数にする必要があり、このような装置では制御部分が DGDセクションの数に従つて多数になるため、装置が複雑で高価になるという問題点がある。光伝送システムを評価するためには、この部品点数の多い装置を長時間稼動させて PMD 特性を得る必要がある。また、従来の PMDエミュレータは、全データ P MD値を得るまで、長時間 PMDエミュレータを稼動させて、始めて統計的に PMD特性（分布）を得ることができるのであって、ある時点での所望の PMD値だけを再現するようなことは不可能である。

また、平均 GDG値を変えるためには、各 DGDセクションの DGD特性自体を変更しなければ、対応できない問題がある。

また、従来の PMDエミュレータでは、あくまで接続角度を変化せせるものであり、逆に角度を固定して PMD特性を得ることは不可能である。従って、本発明の目的は、前記従来技術の課題を鑑みてなされたもので、低消費電力で安定動作し、挿入損失が小さく、従来よりも部品点数が少なく、複雑で高価な装置を必要とせず、ある時点での所望の DGD値を発生させることが可能であり、各セクションの GDG値を変えることなく平均 GDGを変えることが可能であり、また、接続角度を変えることなく PMD特性の得られる PMDェミュレータを提供することにある。

発明の開示

上記の課題を解決するため、本発明の PMDエミュレータの第 1の実施形態は、測定対象光を入射する入側光フアイバと、

前記測定対象光を出射する出側光ファイバと、

M (Mは 2以上の整数）基の D G Dセクションと（M— 1 ) 個の偏波回転子とが交互に接続され、両端に D GDセクションが配置された第 1の偏波回転部と、 N (Nは 2以上の整数）基の D G Dセクションと（N— 1 ) 個の偏波回転子とが交互に接続され、両端に D G Dセクションが配置された第 2の偏波回転部と、任意の偏波状態から任意の偏波状態へ変更する任意一任意偏波コントローラと、が備えられ、

前記入側光ファイバと前記第 1の偏波回転部の入側の D G Dセクションとが接続され、前記第 1の偏波回転部の出側の D G Dセクションと前記任意一任意偏波コントローラの入側の接続点とが接続され、前記任意一任意偏波コント口一ラの出側の接続点と前記第 2の偏波回転部の入側の D G Dセクシヨンとが接続され、前記第 2の偏波回転部の出側の D G Dセクションと前記出側光ファイバとが接続されたことを特徴とする PMDエミュレータである。本発明の PMDエミュレータの他の実施形態は、前記偏波コントローラ力偏波位相子の両端に偏波回転子が接続されたことを特徴とする PMD エミユレ一タである。本発明の PMDエミュレータの他の実施形態は、前記 Mの値が 2であり、前記 Nの値が 2であることを特徴とする PMDエミュレータである。本発明の PMDエミュレータの他の実施形態は、シミュレーションにより求められた制御パラメータに基づいて前記偏波回転子を制御することによって、所望の PMD値を発生させることを特徴とする PMDエミュレータである。本発明の： PMDエミュレータの他の実施形態は、前記 D G Dセクションの D G D特性を変えることなく、前記偏波回転子を制御することによって、平均 G D Gを変化させることを特徴とする PMDエミュレータである。本発明の PMDエミュレータの他の実施形態は、 40個以上の DGDセクションをランダムな相対角度で接続し、その全体に温度変動を与える温度制御機構を備えたことを特徴とする PMDエミユレ一である。本発明の PMDエミュレータの他の実施形態は、前記 DGDセクションに、正規分布に従った、異なる DGD値を持たせたことを特徴とする PMDエミユレ一タである。本発明の PMDエミュレータの他の実施形態は、 DGD値の正規分布の標準備差が、その正規分布の平均値の 20%であることを特徴とする PMDエミユレ一タである。本発明の PMDエミュレータの他の実施形態は、前記 DGDセクションが偏波保持ファイバまたは一軸性複屈折結晶であることを特徴とする PMDエミユレータである。

図面の簡単な説明

図 1は、本発明の PMDエミュレータの一構成例を示す図である。

図 2は、 PMDの計算値と、従来の 1 0 0基の GDGセクションを有する PMD エミュレータによる測定値とを比較したグラフである。

図 3は、 PMDの計算値と、 4基の GDGセクションを有する PMDエミユレータにおいて、一定の回転を行って測定した測定値とを比較したグラフである。図 4は、 GDGの計算値と、本発明の 4基の GDGセクションを有する PMD エミュレータによる測定値とを比較したグラフである。

図 5は、本発明の PMDエミュレータの他構成例を示す図である。

図 6は、図 5の PMDエミュレータの他の構成例を示す図である。

図 7は、図 6の PMDエミュレータの他の構成例を示す図である。

図 8は、図 6の PMDエミュレータのさらに他の構成例を示す図である。図 9は、図 6の PMDエミュレータのさらに他の構成例を示す図である。図 1 0は、偏波モード分散測定装置の構成例を示す図である。

図 1 1は、 PMDエミュレータの PMD特性と理論計算値を DGD備により示したグラフである。

図 1 2は、 PMDエミュレータの PMD特性と理論計算値を SOPMD値により示したグラフである。

図 1 3は、 PMD エミュレータの PMD特性と理論計算値を、 SOPMD値を PCDの絶対値と PSDに分解して示したグラフである。

図 14は、 DGD分布の計算結果を示す図である。

図 1 5は、 40基以上の DGDセクションを相対角度をランダムに接続して構成された PMDエミュレータを示す図である。

図 1 6は、図 1 5に示す PMDエミュレータにおいて、 DGD分布の計算結果を示す図である。

図 1 7は、従来の PMDエミュレータの一構成例を示す図である。

図 18は、従来の PMDエミュレータのー構成例を示す図である。

図 19は、 SMFの DGDと SOPMの特性を示すグラフである。

図 2 0は、 DGD分布と SOPMD分布を示すグラフである。

図 2 1は、 DGDと SOPMDの関係を示すグラフである。

図 2 2は、従来の PMDエミュレータのー構成例を示す図である。

図 2 3は、本発明の LN導波路型偏波コントローラの概要図である。

図 2 4は、モード変換器として用いる場合の、屈折率の状態を示し模式図である。

図 2 5は、上下電極の大きさは同じで、互いに符号が異なる非対称な電圧を掛ける方法を示した図である。

図 2 6は、上下電極の大きさ、及び符号が同じ電圧を掛ける方法を示した図である。

図 2 7は、導波路上に有効に掛かる電解成分について、元の状態と変化後の状態を示した図である。

図 2 8は、上下電極の大きさ、及ぴ符号が同じ電圧を掛ける方法における効果を示した図である。

図 2 9は、波長版として用いる場合の原理を示した図である。図 30は、波長板動作時の屈折率状態を示した図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照ながら説明する。

まず最初に、 PMDエミュレータの原理について説明する。複数の偏光回転子と複数の偏光保持ファイバ（PMF) または、複数の備光回転子と複数の複屈折結晶を用いた PMDエミュレータの PMDは、再起的に計算が可能である。（n +1)セクション後の 1次 PMDベクトルで（n+1) と 2次 PMDベクトルでて ω (n+1) は PMD接続関係式で表され、それは下記のように表される。

(数式 1)

T(n + l)-R_n+1(x(n)+x_n+1) (i)

(数式 2)

ΐ_ω (n + l) = R_n+1 τ_ω (n) + τ_η+1 χ ΐ、η》（ ₂ ) なお、 τη+1は η+1番目の DGDセクションの 1次 PMDベクトル Τ (η) は 1〜ηセクションの 1次 PMDベタトル、 Rnは n番目の回転偏光子による回転接続を表すマトリクスである。特に 2セクションの DGDで発生される PMDの量は、 2つのセクションの DGDをて 1、て2とし、回転接続角を ]3として、下記のように表され、

(数式 3) τι +^τ2 +2てT^COSSQ (3)

(数式 4)

て _ω二て 1て ₂sin2Q (4) これらは周波数に依存しない。下付は微分を表す。ここでては DGD、は光' 搬送波の角周波数である。このとき、 2次 PMDベタトルは必ず 1次べクトルに直交するため、 SOPMDの成分は PSDのみである。逆に、 2セクションより多い DGDで発生された PMDは周波数に関して周期的な DGDと 2成分を含む SOPMDをもち、その FSRは 1つの PMFの長さにより決定される。 3セクションより多い場合には、複数の FSR (Free Spect— rumrange) がミキシングされるが、各 FSRを等しい値とすることによりエミユレータ全体として 1つの FSRを持たせることが可能であり、安定したエミュレータ特性を実現できる。また FSRを同量変化させることにより、特性の形はそのままに周波数方向へ特性をシフトさせることができる。次にこの原理に基づいた本発明の PMDエミュレータの実施形態について具体的に説明する。

図 1に、本発明の偏波コントローラを備えた PMDエミュレータのひとつの実施形態を示す。この実施形態の PMDエミュレータ 7 0では、 D G Dセクション 7 6、 7 7 (M=2) が備えられた第 1の偏波回転部 7 3と、 D G Dセクション 7 8 , 7 9 (N=2) が備えられた第 2の偏波回転部 7 4を有しており、計 4基の D G Dセクションが備えられている。図 1 Aに示すように、第 1の偏波回転部 7 3は、 DGDセクション 7 6に偏波回転子 8 0が接続され、この偏波回転子 8 0に DGDセクション 7 7が接続されて構成されている。また、第 2の偏波回転部 7 4は、 DGDセクション 7 8に偏波回転子 8 1が接続され、この偏波回転子 8 1に DGDセクション 7 9が接続されて構成されている。測定対象光を入射する入側光ファイバ 7 1は、第 1の偏波回転部 7 3の入側の D G Dセクション 7 6と接続されている。また、第 1の偏波回転部 7 3の出側の DGDセクション 77は、任意一任意偏波コントローラ 75の入側の接続点と接続されている。また、任意一任意偏波コントローラ 75の出側の接続点は、第 2の偏波回転部 74の入側の DGDセクション 78と接続されている。また、第 2偏波回転部 74の出側の DGDセクション 78には、測定対象光を出射する出側光ファイバ 72が接続されている。

DGDセクション 76〜79は、 PMF (Polarization Maintaining Fiber) で構成されているが、 PMFの代わりに Ti02等の複屈折結晶を用いてもよい。また、偏波回転子 80, 81は、ファラデー回転子を用いることもできるし、または、 1 Z 2波長板を回転させることによつても実現できる。図 1 Bには、本実施形態の任意一任意偏波コントローラ 75の構成を示す。任意一任意偏波コントローラ 75は、任意一任意偏波コントローラの最も一般的な構成である、偏波位相子 82の両端に偏波回転子 83と偏波回転子 84が接続された構成を有している。

この構成は、他の構成に較べて部品点数が少なく、安価な装置を提供することが可能である。この任意一任意偏波コントローラ 75を構成している偏波回転子 83, 84 は、ファラデー回転子の適用が可能であるし、また、 1ノ 2波長板を回転させることも可能である。偏波位相子 82は、偏波回転子を 2つの 1/4波長板ではさみ合わせることにより実現可能である。この PMDエミュレータ 70では、入側光ファイバ 71を伝送された測定対象光が、 000セクション76、偏波回転子 80、 DGDセクション 77、偏波回転子 83、偏波位相子 82、偏波回転子 84、 000セクション78、偏波回転子 81、 DGDセクション 79の順で伝搬され、出側光ファイバ 72から外部へ伝送される。なお、外側の DGDセクション 76と DGDセクション 79が結晶から構成されている場合には、図示されていないが、入側光ファイバ 71と出側光フアイパ 72の端末にはコリメータが取り付けられる。また、本実施形態では、第 1の偏波回転部に備えられた DGDセクション数 M=2であり、第 2の偏波回転部に備えられた DGDセクション数 N=2である PMDエミュレータの実施形態について説明したが、 M、 Nはその他 2以上の任意の整数を取ることが可能である。次に、図 1に示される 4基の D GDセクションを備えた PMDエミュレータ 7 0を精密に制御することによって、 PMDの分布を得る手順を説明する。上述のように、従来では、 DGDセクションの多数のセクションを接続した PMD エミュレータを長時間稼動させて、 PMD の分布を得る必要があった。つまり、全てのデータを採取した後、初めて統計的に P M Dの特性が得られるものであり、特定の時点での PMD特性を発生させることは不可能であった。し力し、上述の PMDエミュレータ 70では、各偏波回転子の回転を精密に制御することによって、ある特定の時点の所望の PMD値を再現することが可能である。

具体的には、まず、コンピュータ計算によって多数の DGDセクションを有する PMDエミュレータのシミュレーションを行い、 DGD、 SO PMD値の時間的変化を求める。（実際に、 PMDエミュレータを稼動させなレ、。）そして、同じくコンピュータ計算によって非線形フィッティングを行い、所望の DGD値， SOPMD値となる場合の、 PMDエミュレータ 70の各偏波回転子の制御パラメータを算出することができる。この算出された制御パラメータを用いて、実際に DGG4セクションの PMDエミュレータ 70を稼動させることによって、正確に、所望の DGD, SOPMD値を発生させることができる。この PMDエミュレータ 70で発生させた DGD値， SOPMD値は、出側光ファイバ 72に接続された偏波モード分散測定装置によつて測定することができる。

同様に制御パラメータを用いて、種々の DGD， SO PMD値を発生させることを繰り返すことによって、 S M Fの時間的な統計分布を再現することも可能である。

さらに、従来の PMDエミュレータでは、全体の平均 DGDを変化させるためには、 PMDエミュレータを構成する各 DGDセクションの DGD特性を変える必要があつたが、本発明に係る PMDエミュレータ 70においては、偏波回転子を精密に制御することによって変化させることができる。ここで、図 2Aは、計算値による DGDの特性と、従来の 100セクションの PMDエミュレータによる DGDの実測値の特性を対比できるように示したグラフである。この PMDエミュレータの平均 GDGは 10 p sである。

図 2Bは、計算値による SOPMDの特性と、従来の PMDエミュレータによる S O PMDの実測値の特性を対比できるように示したグラフである。 D G D、 SOPMD共に、計算値と実測値がほぼ一致していることがわかる。

また、図 2C は、 DGDと SOPMDの実測値の相関関係を示すグラフである。両者は、ほぼ正の相関があることを示している。図 3Aは、計算値による DGDの特性と、 8 p sの GD Gを有する D GDセクションを 4基備えた本発明に係る PMDエミュレータにおいて、（特別な制御を行わず）一定回転速度で回転させた場合の D G D特性の実測値を対比できるように示したグラフである。

図 3Bは、計算値による SOPMDの特性と、 DGD4セクションの PMDェミュレータ 70において、一定回転速度で回転させた場合の S O PMDの実測値の特性を対比できるように示したグラフである。 DGD値、 SOPMD値共に、計算値と実測値が異なる値を示していることが示されている。また、図 3Cは、 DGDと SO PMDの実測値の相関関係を示すグラフである。両者には、定かな相関が見られないことを示している。図 4Aは、計算値による DGDの特性と、 8 p sの DGDを有する DGDセクシヨンを 4基を備えた本発明に係る PMDエミュレータにおいて、偏波回転子を精密に制御した場合の DGDの実測値の特性を対比できるように示したダラフである。

図 4Bは、計算値による SOPMDの特性と、 GDG4セクションの PMDェミュレータ 70において、偏波回転子を精密に制御した場合の S O PMD特性の実測値を対比できるように示したグラフである。 DGD値、 SOPMD値共に、計算値と実測値がほぼ一致していることがわかる。

また、図 4Cは、 DGDと SOPMDの実測値の相関関係を示すグラフである。両者は、ほぼ正の相関があることを示している。以上のように、本発明の PMDエミュレータの実施形態として、 4基の DGD セクションと、偏波位相子の両端に 2個の偏波回転子が接続された構成を有する任意一任意偏波コントローラを備えた PMDエミュレータについて説明を行つてきたが、本発明の実施形態は、それだけに限られない。以下に、本発明の PMDエミュレータその他の実施形態を説明する。図 5は本発明の他の実施形態に係わる構成を示す図である。本装置例の PMD エミュレータ 10は、測定対象光を入射、出射させる光ファイバ 12、 14と、両光ファイバ 12、 14間に、 4つの DGDセクション 16と、 3つの偏波コント口ーラ 18とが交互に接続して配置されている。偏波コントローラ 18は、一つのファラデー回転子で構成され、 D G Dセクション 16 は PMF (PolarizationMaintangFiber) で構成されている。なお、 DGDセクション 16は、 PMFの代わりに Ti02等の複屈折結晶を用いてもよい。この PMDエミュレータ 10では、入射側の光ファイバ 12を伝送してきた測定対象光が、第 1の DGDセクション 16、第 1の偏波コントローラ 18、第 2 の DGDセクション 16、第 2の偏波コントローラ 18、第 3の DGDセクション 16、第 3の偏波コントローラ 18、第 4の DGDセクション 16の順で伝播され、出射側の光ファイバ 14に結合される。なお、第 1の DGDセクション 16およぴ第 4の DGDセクション 16力結晶から構成されている場合は、図示しないが、入射、出射させる光ファイバ 12、 14の端末にコリメータを取り付ける。また、図 5では、 4つの DGDセクション 16と 3つの偏波コントローラ 18 が交互に接続されて構成されているが、各個数はこの構成に限られない。例えば、 DGDセクション 16は、 5つ、 6つ ·· ·Ν個配置されてもよい。また、偏波コントローラ 18は、 DGDセクション 16間に配置されるので、 DGDセクシヨン 16の数より一つ少ない数だけ配置されることになる。つまり、 DGDセクシヨン 16の配置数が Ν個であれば、偏波コントローラ 18の配置数は、（Ν — 1) 個となる。偏波コントローラ 18では、ファラデー回転子により、 DGDセクション 16 から出射された光の偏波回転を制御するものである。磁場の中で光が磁場と平行に進むと偏光面が回転するファラデー効果を利用して、進行光と逆方向の光の偏波面角度を制御するものである。ファラデー回転子は、約 20mA経度の電流により、偏波回転を制御しているため、消費電力が少ないというのがーつの特徴である。次に、 PMD エミュレータの他の実施形態について図 6を参照して説明する。図 6に示す PMDエミュレータ 30は、図 5に示した PMDエミュレータ 10に位相子 32を配置させた点が異なる構成となっている。さらに説明すると、図 6 の PMDエミュレータ 30は、 DGDセクション 16と、偏波コントローラ 18の構成、配置は同一であるが、各備波コントローラ 18に 1つづつの位相子 32が接続されている点が、図 5の PMDエミュレータ 10とは異なる構成である。なお、位相子 32は、 2つの 1/4波長板の間にファラデー回転子を配置させた構成である。図 6に示すように、位相子 32は、 D G Dセクション 16を N個配置させた場合、（N— 1) 個配置される。つまり、図 2の構成では、位相子 32と偏波コントローラ 18とが同じ数だけ配置されることになる。位相子 32の配置場所は、偏波コントローラ 18の入射光ファイバ 12側である。

なお、位相子 32 は、配置場所により、配置個数を（N— 2) 個にすることが可能である。この場合の一構成例を図 3により説明する。図 7は、 D G Dセクション 16が N個配置され、偏波コントローラ 18カ（N 一 1) 個配置され、位相子 32が（N— 2) 個配置された PMDエミュレータ 40 を示す構成図である。

図 7では、入射用光ファイバ 12側から第 1D G Dセクション 16、第 1偏波コントローラ 18、第 1位相子 32の順に配置され、続いて第 2D G Dセクション 16、第 2備波コントローラ 18、第 2位相子 32が配置されている。図示は省略するが、引き続き、第 3、第 4· · ·第 n— 2番目と配置される。続いて、第 n— 1 番目では、第 n—lD G Dセクション 16、第 n—l偏波コントローラ 18が配置され、第 n番目は、第 nD GDセクション 16のみが配置されている。なお、第 nD G Dセクション 16には、出射用光ファイバ 14が接続されている。また、図 7の変形例として、図 8に示すような PMDエミュレータ 50の構成としてもよレ、。第 1D G Dセクション 16、第 1偏波コントローラ 18の順に配置され、続いて第 2D GDセクション 16、第 1位相子 32、第 2備波コントローラ 18の順に配置され、第 3D G Dセクション 16、第 2位相子 32、第 3偏波コントローラ 18の順に配置させる。続いて、第 4、第 5 ·…第 n— 1番目まで同様に配置され、第 n番目に第 n備波コントローラ 18が配置されている。さらに図 8の変形例として、図 9に示すような PMDエミュレータ 60の構成としてもよい。第 2備波コントローラ 18と第 2D GDセクション 16との間に第 1位相子 32を配置させ、第 2偏波コントローラ 18と第 3D G Dセクション 16との間に第 2位相子 32を配置させる構成としてもよい。この場合、偶数番目の偏波コントローラ 18とその前段と後段に位置する D G Dセクション 16との間に位相子 32が接続されることになる。上述では、図 7〜図 9に、位相子 32 力 S (N-2) 個配置された構成例についてそれぞれ説明してきたが、これらを組合わせても良いということは言うまでもない。言い換えると、入射用光ファイバ L12が接続された第 1D GDセクシヨン 1 6と、出射用光ファイバ 14が接続された第 nD G Dセクション 16以外の D G Dセクションには位相をシフトするための位相子 32が配置されているということになる。次に具体的な実施例について説明する。まず、図 5に示した PMDエミュレータについて具体的に説明する。偏波コントローラ 18は、偏光回転子として機能する 3つのファラデー回転子である。備波コントローラ 18には、それぞれ接続された 4つの D G Dセクション 16が接続されているが、これらは PMFで構成されている。

決まった FSRを持つように、すべての D G Dセクション 16の PMFは同じ長さとした。すべての PMFの DGDは 7. 5p sである。 FSRは 13 · 3GHzであるが、すべての位相が同じになるように調整した。この位相についてすべての D G Dセクション 16において同量シフトさせることにより、 PMDの形を変えずに周波数シフトをさせることが可能である。位相のシフトは位相シフタ 32 (図 6〜図 9を参照）や D G Dセクションの温度調節（図示しないが、ペルチェ、ヒータ等を使用する。）で実現できる。 D G Dセクション 16は 4セクションである力一部の回転接続角を 0度に設定することによりセクション数を減らすことができ、周波数依存性のない 2セクシヨンも実現できる。

DGD、 PCD (Polarization Chromatic Dispersion)、 PSD (polarization― state Depolarization)、 SOPMDは性質上関連しているので、完全に自由に独立して値を選択することはできないが、 1つより大きい目標プロファイルに対して同時に非線形フィッティングを行なうことにより、可能な範囲の回転接続角度を求めることができるようにした。図 5〜図 9に示した PMDエミュレータでは、回転接続角を偏波コントローラ（ファラデー回転子）で調節できるようにし、算出した接続角を ±3度以内の精度で実現できるようになつている。次に、 PMDエミュレータを用いた偏波モード分散測定器 50の構成を図 1 0 に示す。この偏波モード分散測定器 50は、通常の偏光解析法であり、偏波コントローラ 58として、偏光子 58aと、偏光回転子の機能を有するファラデー回転子 58bを用いた。

入射偏波状態はストークス空間で直交する 2点からミューラーマトリタス法 (MMM) により PMDベタトルを求めた。 PMDベタトルを求めるのには波長が点必要だが、 2次 PMDを求めるには波長がもう 1点必要である。よって、ある波長における 2次 PMDを正確に求めるためには、波長 3点における偏波状態 2状態について偏波状態が時間的に変化しないうちに測定する必要がある。今回，反応速度の早い偏波コントローラ（ファラデー回転子）を用いることにより、測定時間が短くなり、 PMDベタトルを正確に測定することが可能となつた。この結果、 2成分の 2次 PMD量を正確にすることができるようになった。ファラデー回転子の π /2回転に要する時間は 0. 2ms未満である。

次に、 PMD エミュレータの再現性について説明する。周波数依存性をもつ DGDの周波数特性を固定して、 2次 PMD量の異なる状態を PMDエミユレ一タで再現した。中心波長 1548nmにおける DGDの値が 20 p s、 SOPMDの値が全周波数域において 75, 100, 125 p s ²となるように目標値を設定した。ファラデー回転子による回転角は下記のとおりである。

SOPMD 75ps2： 31. 0, 67. 5, 31. 0 [deg. ]

SOPMD100ps2： 26. も 65. 2， 26. 4 [deg. ]

SOPMD 125ps2： 21. 8， 63. 5， 21. 8 [deg. ] このときの： PMDエミュレータの PMD特性と理論計算値を図 1 1、図 1 2に示す。図 1 1が DGD値、図 1 2が SOPMD値である。 PMDエミュレータにより生成された PMD特性は再現性があり、理論計算値と良く一致していることがわ力²¹る。

SOPMD値が 100p s²であるものについて、図 1 3に SOPMDを PCDの絶対値と PSDに分解して表示した。 PCDと PSDを精度良く分解して生成、測定できていることが分かる。 DGDの周期的性質から、中心波長において PCDが 0 であるため、中心波長において SOPMDの成分は PSDのみ、中心波長から離れるに従って PCSの割合が増し、半周期のところで再度 PSD成分になるという特性をもつ。周波数依存性のない状態は 2セクションの DGDでエミュレートでき、このとき 2次 PMDは同じように 75、 100、 125ps2に設定することができる。この PMD エミュレータを用いて、同じ SOPMD値をもつ状態を 2種類以上実現でき、このエミュレータを用いることにより、光通信システムにおける 2成分の 2次 PMDによる性能低下を見積もることが可能となるであろう。上述したように、偏波コントローラ（ファラデー回転子）を用いたプログラム可能な PMD エミュレータと偏波モード分散測定装置により正確な測定が可能となる。なお、この PMDエミュレータは安定であり、 PMDエミュレータで発生した PMDを偏波モード分散測定装置で測定した DGDと 2次 PMDの 2成分は理論計算と良く一致した。次に、 DGDセクションの接続角度は固定し、温度変動によって位相を変化させることによってエミュレートを行う PMD エミュレータの実施形態について説明する。

以下に、モード結合部分を多数含む実際の伝送路のモデルを用いて説明する。モード結合部分を多数含む伝送路をジヨーンズマトリタスで表すと数式 5のようになる。

(数式 5 )

( 5 ) すなわち、直線位相子を表すジヨーンズマトリクスと回転を表すジヨーンズマトリクスが交互に掛かる形である。ここで、 Tiは偏波保持ファイバゃ複屈折結晶を用いる場合、環境温度によつて光の振動周期レベルでは揺らいでいる。今、 Ti の環境温 tによる光の振動周期レベルでの揺らぎを Tiと分離して 8Ti (t)とすると、数式 5中の指数部分は、 (数式 6 )

土 ιτ 12 = ±i(z^ + δτ_ί (ΐ)ω) 12 = ±ζ(^. (ω) + δφ_ι (ω, t)) 12

( 6 ) と置くことが出来る。ここで、 Φί ( ω ) は DGDセクションの揺らぎを無視した成分による位相を表しており、これは周波数のみに依存する。一方、 ( co，t) は環境温度による揺らぎ成分による位相を表しており、これは周波数と環境温度に依存する。従って、このモデルにおいて可変となるパラメータは回転角度 0 iと揺らぎによる位相 ( ω , ΐ) となる。今、 PMD の時間分布のみを問題とするので coを定数と考えて、それぞれ 0 i (t)、 δ Φΐ (t) とおきなおす。

以上のモデルに対して、 DGDセクションの段数を変えて、 0 i (t) のみをランダムに振った場合（8村 t) はランダム値で固定）、 8村 t) のみをランダムに振った場合（δ Φί (t) はランダム値で固定）、両方をランダムに振った場合での DGD (1次 PMD) の分布を計算した結果を図 2に示す。なお、それぞれの計算において、平均 DGDが 30psとなるように DGDセクションの値を定めている。さらに周波数方向の周期性を排除するために各 DGDセクションを、標準偏差を平均値の 20%として正規分布させている。 Total DGDは使用されている DGDセクションの DGD の総和を表し、 Average DGDは使用されている DGDセクションの平均値を表している。図 1 4によれば、回転 6 i (t) のみを振った場合と两方を振った場合は 9セクシヨンでも理輪値に近い分布を示している力位相 δ Φί (t) のみを振った場合には 40セクション程度でないと分布が近づかないことがわかる。すなわち、回転をランダムに変えると位相を変える場合に比べて少ないセクションで理輸値に近い分布が得られることになる。し力し、回転をランダムに変える機構を実際に装置として組み立てる場合には 9セクションであっても複雑になってしまう。一方、位相をランダムにかえる場合には、各セクションの DGD値が異なつていれば、温度に対する位相変化率がそれぞれ異なることになるため、各セクションを個別に温度変動させる必要はなく、一括に温度変動をさせることによつて各セクションの位相がランダムに振ることができる。以上のことから、図 1 5に示すような 40セクション以上の DGDセクション、例えば偏波保持ファイバを、相対角度をランダムに接続して構成し、全体の温度を変動させれば、制御機構が 1つの簡単な PMDエミュレータを構成できる。図 1 6に、実際に 50セクションで平均 DGDが 30psとなるように設計試作した温度制御付き PMDエミュレータの、室温で放置した（温度変動無）の場合と温度制御機構による温度変動有の場合の DGD分布を示す。温度変動の有、無を比較すると、温度変動によって位相がランダムに分布し、その結果、上記計算の通りの理論値に近い DGD分布が得られていることが分かる。

(その他の実施形態）

本発明のその他の実施形態として、 LN導波路型偏波コントローラについて説明を行う。

この実施形態では、電気光学効果を有するニオブ酸リチウム（LiNb03) 結晶 (以下 LN) を基板材料とし、 LN基板上に Tiを蒸着、熱拡散させることにより、光導波路を形成する。この際、光の伝播方向は LN結晶の光学軸である C軸方向 ( z軸と同等）の方向に伝播する。デバイスの構成図及び断面図を図 2 3に示す。デバイスを構成する LN結晶は X軸方位に切り出されており、導波路及び制御用の電極は + X面に形成される。制御用の電極の配置パターンとしては導波路直上に配置される中心電極と、導波路から離れて配置される上段電極、及び上段電極とは逆方向に導波路から離れて配置される下段電極により構成される。この中心電極、上段電極、下段電極により 1つの '段' が形成され、ここでは 1つの段が 1つの波長板として機能することになる（補足 A参考)。全体の偏波コントローラとしては波長板が ₃段、もしくは 4段により構成され、波長板の特徴を示す値としては初段、 2段目、 3段目、 4段目がそれぞれ; 1 / 4、 λ Ι 2、 λ / 4、 λ /a (最終段の値は未定）となる。また、波長板の特徴を位相差で表現した場合にはそれぞれ（π / 2 rad、 π rad、 π / 2 rad、 b rad) となる。各段を波長板として機能させるには、中心の電極を GND に取り、両脇の電極にそれぞれ図 1に示す電圧を印加する。波長板の位相差 Δ φ、及び角度 0が与えられた場合の Vc、及ぴ Vsの値は

Vs=(A φ/π) · V · cos(26)+Vb

Vc=(A φ/π) · VO · sin(20 )

で表すことができる。（補足 B.及び C.を参照)。（ここで VO.VTiJbは定数）この LN導波路型偏波コントローラを、モード変換器として用いる場合と、波長板として用いる場合が考えられる。

まず、モード変換器として用いる場合を説明する。

LN結晶中を光が光学軸方向に伝播する際には、媒質に起因する屈折率はどちらの方向も noの値であるが、ここでは Tiの拡散により導波路を形成しているため、導波路の構造に起因する見た目上の屈折率の変化が起り等価的な屈折率の値は TEモードと TMモードで異なる。屈折率の状態を図 24のように楕円で表示した場合、入射光はそれぞれ楕円の長軸方向の成分と短軸方向の成分に分割され（電圧を掛けない状態では図 2 4の状態であるので TE、及び TMモードになる）、位相差 Δ ψは二つの等価的な屈折率の差（ΔηΤΕ - ΔηΤΜ)と伝播距離（厚み d) の積と比例の関係がある。

よって、伝播距離 dは電極の長さによつて決まるので、波長板のような位相差が一定の場合には二つの屈折率差が一定であるように制御する。上下電極に電圧を印加する手法、及びその際の状態の変化は次のようになる。制御のための電圧印加の方法には 2通りがあり、

( 1) 上下電極に大きさは同じで互いに符号が異なる非対称な電圧を掛ける方法（図 2 5参照。） ( 2 ) 上下電極で大きさ、及び符号が同じ電圧を掛ける方法 (図 2 6参照。 ) である。上述の（1 ) の方向で電圧を印加した場合には、導波路上に有効に掛かる電界成分の方向としては y方向になり、図 2 7のように元の状態を点線、変化後の状態を実線で表すことができる。

( X軸と y軸で大きさが同じで符号が異なる屈折率の変化が起り、屈折率の変化量は電圧の大きさに比例する）このように適切な電圧を（1 ) の方向に印加することにより、例えば導波路化に伴い見た目上の屈折率が変化し、屈折率の状態が楕円形状になったものを円形に修正することができる。

また、電圧印加量を調節することにより、 X軸方向の光の成分が見る屈折率と y軸方向の光の成分が見る屈折率が異なる状態にすることができ、このような状態に置いては導波路から出射される光の _y方向成分（_TEモード）と X方向成分

(TMモード）との間に位相差が生じることになり、電圧の印加量によって調節することが可能である。次に上述の（2 ) の方法で電圧を印加した際の効果を図 2 8に示す。この際には電圧印加に伴う導波路上に有効的に作用を及ぼす電界成分は X方向となる。なお、この場合において初期の状態では①の方向に電圧が掛かっており、導波路化に伴い楕円化した状態を円形に戻してあるものとする。

この状態においては楕円の長軸、及ぴ短軸方向は元の座標系から 45° 傾いた状態に配置され、屈折率の変化量は印加電圧 Vcに比例する。

この状態において、電圧印加に伴う楕円の変化の差がある一定量になった場合（屈折率の差に起因する楕円の長軸方向成分と短軸方向成分の位相差が π rad になつた場合）、 TEモード（ y軸方向）で入射された光は完全に TMモード（ X軸方向）に変換される。また、逆に TMモードで入射された光は TEモードに変換される。位相差が π radでない他の値の場合においては TE (TM) モードで入射された光の一部分が TMモードに変換されることになり、電圧印加量によって TE—TMモード変換の度合いを調節できることになり、モード変換器として機能する。

(対象特許では説明に用いた方法とは電圧の印加方法は異なるが、このような原理を用いて TE-TMモード変換機として機能させている）モード変換器としての動作用件をまとめると

( 1 ) y方向の電界成分は導波路化に伴う楕円化した屈折率の状態を円に戻す量を印加

( 2 ) X方向の電界成分は起こしたいモード変換の度合いに応じて量を調節する

また、 y方向の電界を発生させる電圧を Vs、 X方向の電界を発生させる電圧を Vcとすれば

Vs=Vb (Vb :定数 (導波路化に伴う楕円ィヒした屈折率の状態を円に戻す電圧) ) Vc=Vc (値はモード変換を起こしたい度合いにより調整）次に、 LN導波路型偏波コントローラを波長板として利用する場合について説明する。

一般的に波長板とは光が伝播する方向に対して光の偏光状態により 2つの屈折率を持ったものであり、光が波長板に入射された際には、波長板に固有の 2 つの偏光状態の間に固定の位相差を付与することができる光学素子である。

(光の偏光状態を他の偏光状態に変換するために使用し、最も一般的なものは水晶（LNでも可）を板状に加工したものである。（図 2 9参照。）

また、任意の入射偏光状態から他の任意の偏光状態に変換するには、波長板を回転接続することにより実現すること力可能であるため、複数の（C軸）回転角が回転可能な波長板を用いることにより、任意の偏光変換が可能な偏波コントローラを実現することができる。波長板として動作させる際にも X方向の電界成分と y方向の電界成分を印加することにより実現することができる。しカゝし、波長板として動作をさせる際には波長板の特徴を示すパラメータである二つの軸間の固定された位相差と回転角度を設定する必要があるため（図 3 0参照。）、電圧の印加量はモード変換器とは異なる。モード変換器においては y軸方向の電界成分は TE- TM モード間の屈折率差を補正し、楕円の形状を円にする量を印加する必要があるが、波長板として動作させるためには求める位相差と回転角度に応じて、 X方向の電界成分と連動して y方向の電界成分を調節する必要がある。

逆に言えば波長板として動作をさせる為には波長板の回転量に応じて y方向の電界印加量は楕円を円する電界印加量からズレた値にする必要がある。また、同様に y方向の電界を発生させる電圧を Vs、 X方向の電界を発生させる電圧を Vcとすれば

Vs= (厶 φ / π ) - Υ π - cos (2 6 ) +Vb

Vc= ( A φ / π ) · VO · sin (2 0 )

となる。ここで Δ φ、 0は波長板の位相差、及び角度であり、 V0、 ν π、 Vb (Vb の値は B.と同様で導波路化に伴う楕円化した屈折率の状態を円に戻す電圧）は定数である。以上のように、従来の PMDエミュレータにおいては、多数の DGDセクションが必要であり装置が複雑で高価になったが、本発明の PMDエミュレータでは、非常に少ない GDGセクションを有するシンプルで安価な装置によって、 PMD 特性を得ることができる。

また、本発明の PMDエミュレータを用いれば、シユミレーシヨンによって得られた制御パラメータに基づ、て制御することによって、ある時間における所望の D G D値， S O PMD値を発生させ、モニタすることが可能である。また、本発明の PMDエミュレータにおいては、各 GDGセクションの PMD 特性を変えることなく、偏波回転子を精密に制御することによって、平均 G D Gを可変にすることが可能である。また、本発明の PMDエミュレータによれば、偏波コントローラは、ファラデ一回転子が配置されてなるので、少ない消費電力で偏波回転を制御することが出来る。また、ファラデー回転子は、ガーネット結晶を使用しているため、 YV04、 LiNbo3と比べ、挿入損失を小さくすることができる。

また、本発明の PMDエミュレータでは、ひとつの制御装置で温度制御を行うことによって位相を変化させ、 GDG セクションの接続角度を固定したまま PDMをエミュレートすることが可能であり、従来に比べて非常にシンプルで安価な装置で、 PDM特性を得ることができる。

更に、本発明の LN導波路型偏波コントローラを、モード変換器や波長板として適用することができる。

Claims

請求の範囲

1. 測定対象光を入射する入側光フアイパと、

前記測定対象光を出射する出側光フアイバと、

M (Mは 2以上の整数）基の DGDセクションと（M— 1) 個の偏波回転子とが交互に接続され、両端に D G Dセクションが配置された第 1の偏波回転部と、 N (Nは 2以上の整数）基の DGDセクションと（N— 1) 個の偏波回転子とが交互に接続され、両端に DGDセクションが配置された第 2の偏波回転部と、任意の偏波状態から任意の偏波状態へ変更する任意一任意偏波コントローラと、が備えられ、

前記入側光ファィパと前記第 1の偏波回転部の入側の D GDセクシヨンとが接続され、前記第 1の偏波回転部の出側の D GDセクションと前記任意一任意偏波コントローラの入側の接続点とが接続され、前記任意一任意偏波コントローラの出側の接続点と前記第 2の偏波回転部の入側の D G Dセクシヨンとが接続され、前記第 2の偏波回転部の出側の D G Dセクションと前記出側光フアイバとが接続されたことを特徴とする PMDエミュレータ。

2. 前記偏波コントローラが、偏波位相子の両端に偏波回転子が接続されたことを特徴とする請求項 1に記載の PMDエミュレータ。

3. 前記 Mの値が 2であり、前記 Nの値が 2であることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の PMDエミュレータ。

4. シミュレーシヨンにより求められた制御パラメータに基づいて前記偏波回転子を制御することによって、所望の PMD値を発生させることを特徴とする請求項 1カゝら 3の何れか 1項に記載の PMDエミュレータ。

5. 前記 DGDセクションの DGD特 1"生を変えることなく、前記偏波回転子を制御することによって、平均 G D Gを変化させることを特徴とする請求項 1 から 3の何れか 1項に記載の PMDエミュレータ。

6 . 40個以上の DGDセクションをランダムな相対角度で接続し、その全体に温度変動を与える温度制御機構を備えたことを特徴とする PMD エミユレ一タ。

7 . 前記 DGDセクションに、正規分布に従った、異なる DGD値を持たせたことを特徴とする請求項 6に記載の PMDエミュレータ。

8 . DGD値の正規分布の標準備差が、その正規分布の平均値の 20%であることを特徴とする請求項 7に記載の PMDエミュレータ。

9 . 前記 DGDセクションが偏波保持ファイバまたは一軸性複屈折結晶であることを特徴とする請求項 6から 8の何れか 1項に記載の PMDエミュレータ。