(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ伝送路で生じる分散を補償するための光回路と、
前記光回路からの光出力を非線形変換する非線形光学素子と、
前記非線形光学素子からの光出力を電流に変換する光検出器と、
前記光検出器からの出力電流が最大となるように前記光回路を制御する制御手段とを有する光ファイバ伝送路の分散補償装置。
【請求項２】
光ファイバ伝送路を介して伝送されてきた光信号を入力とする光ファイバ伝送路の伝達関数行列の逆伝達関数を近似する光回路と、
前記光回路からの光出力を該光出力の直交する二つの偏波成分の積を含む光出力に非線形変換する非線形変換素子と、
前記非線形光学素子からの光出力を電流に変換する光検出器と、
前記光検出器からの出力電流が最大となるように前記光回路を制御する制御手段とを有する光ファイバ伝送路の分散補償装置。
【請求項３】
前記光回路は、可変位相シフタと前記光ファイバ伝送路上の伝送ビットレートで決まる遅延時間差をもつ遅延回路とからなる単位光回路の繰り返し構造からなる請求項２項記載の光ファイバ伝送路の分散補償装置。
【請求項４】
光ファイバ伝送路を介して伝送されてきた光信号を入力とする群遅延可変の光回路と、
前記光回路からの光出力を該光出力の直交する二つの偏波成分の積を含む光出力に非線形変換する高次非線形変換素子と、
前記非線形光学素子からの光出力を電流に変換する光検出器と、
前記光検出器からの出力電流が最大となるように前記光回路を制御する制御手段とを有する光ファイバ伝送路の分散補償装置。
【請求項５】
前記光回路からの光出力を二つの出力ポートに等分岐する光等分岐器と、該光等分岐器の一方の出力ポートからの光出力を規定の光パルス幅で決まる時間だけ遅延する遅延回路と、該遅延回路からの光出力と前記光等分岐器の他方の出力ポートからの光出力を合波して前記非線形光学素子に供給する光合波器とをさらに有する請求項１乃至４のいずれか１項記載の光ファイバ伝送路の分散補償装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ伝送路の分散補償装置に係り、特に長距離光ファイバ伝送を行う際に問題となる、光ファイバ伝送路で生じる偏波モード分散や群遅延分散（色分散）を補償する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ伝送路を用いた通信においては、インターネットに代表される通信容量拡大、伝送網機能の拡大への要請に対応するため、より大容量の情報を長距離伝送することが期待されている。この要求に対して、伝送ビットレートが１０Ｇｂｐｓを超えるような高速光信号を光増幅器で中継しながら長距離伝送を行うことが有望視されている。
【０００３】
光ファイバ伝送路による長距離伝送においては、光ファイバ伝送路で生じる偏波モード分散（Polarization Mode Dispersion：ＰＭＤ）や群遅延分散（色分散ともいう）が問題となる。これらのうち群遅延分散による波形歪みについては、１０Ｇｂｐｓ程度の伝送速度では温度変動などによるゆらぎが致命的なほどにはならないため、種々の分散特性の光ファイバを組み合わせる分散マネージ法で対応できている。しかし、こうしたプリセット的な分散補償方法では、時間的に変動する長距離高速伝送での偏波モード分散によって伝送波形が変形し、固定的に正しく情報を伝えることが困難である。
【０００４】
改良された偏波モード分散補償技術として、例えば特開平１１−１９６０４６（文献１）には、光ファイバ伝送路を介して受信された光信号を偏波変換光回路によって最も伝播遅延時間の短いモードとそれと直交する伝播遅延時間の最も長いモードに変換分離し、両モードの遅延時間差を可変遅延光回路で補償した後に再合成してＰＭＤによる歪みを除去する方法が開示されている。再合成で得られた光出力を光検波して電気信号とし、その周波数成分を分析して伝送ビットレートの半分の周波数成分が大きくなるように可変遅延光回路を制御する。
【０００５】
また、文献１の中で引用されているTechnical Digest Conference on Optical Fiber Communication 1994(OSA)に記載されている「パルス波形比較アルゴリスムに従って制御される可変光回路を使用した偏波モード分散等化」と題した本発明者らの論文（文献２）には、高次ＰＭＤまで補償可能な技術が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、文献１に記載された方法は一次ＰＭＤを補償するものであり、伝送ビットレートの上昇に伴い、光信号スペクトルの中で光ファイバ伝送路の伝達関数行列が大きく変化する状況には対応できない。そのような状況では、２次ＰＭＤなど高次ＰＭＤ補償が必要になることによる。
【０００７】
また、文献１の方法は光ファイバ伝送路を介して伝送されてきた光信号を光検出器で電気信号に変換し、この電気信号をスペクトル分析して可変遅延光回路の制御信号を生成するため、電子回路の周波数制限を越えた超高速光パルス伝送システムには適用できない。すなわち、電子回路周波数制約により伝送ビットレートが制限される。群遅延による波形劣化についても、光ファイバ伝送路を介して伝送されたきた光信号を可変分散光回路に入力し、その光出力を光検出器により電気信号に変換した後、周波数成分分析を行って可変分散光回路の制御信号を生成する方法では、同様の問題がある。
【０００８】
一方、文献２によれば次ＰＭＤまで補償が可能であるが、パルス波形比較には高速・高精度のアナログ電子回路を必要とするため、伝送ビットレートはやはり電子回路の周波数限界を超えることができなない。
【０００９】
本発明の目的は、光ファイバ伝送路の偏波モード分散や群遅延分散量を直接測定することなく分散補償を行い、電子回路の動作周波数限界を打破して超高速伝送にも適用可能な光ファイバ伝送路の分散補償装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る光ファイバ伝送路の分散補償装置は光ファイバ伝送路で生じる分散を補償するための光回路と、該光回路からの光出力を非線形変換する非線形光学素子と、該非線形光学素子からの光出力を電流に変換する光検出器と、該光検出器からの出力電流が最大となるように光回路を制御する制御手段とを有する。
【００１１】
このように非線形光学素子からの光出力を変換した電流が最大となるように補償のための光回路を制御することで、電気信号の周波数分析やスペクトル分析を必要とする従来の補償法のように電子回路の動作周波数限界に左右されることなく、光ファイバ伝送路による長距離伝送において問題となる偏波モード分散や群遅延分散による効果を容易に補償することができ、電子回路の動作周波数制限を越えるような超高速光パルス伝送にも対応可能となる。
【００１２】
光ファイバ伝送路で生じる分散として偏波モード分散を補償する場合は、光回路は光ファイバ伝送路を介して伝送されてきた光信号を入力とする光ファイバ伝送路の伝達関数行列の逆伝達関数を近似する光回路から構成され、非線形光学素子では光回路からの光出力を該光出力の直交する二つの偏波成分の積を含む光出力に非線形変換する。また、光回路は例えば可変位相シフタと光ファイバ伝送路上の伝送ビットレートで決まる遅延時間差をもつ遅延回路とからなる単位光回路の繰り返し構造からなる。
【００１３】
光ファイバ伝送路で生じる分散として群遅延分散を補償する場合は、光回路は光ファイバ伝送路を介して伝送されてきた光信号を入力とする群遅延等化光回路から構成され、非線形光学素子では光回路からの光出力を該光出力の直交する二つの偏波成分の積を含む光出力に非線形変換する。
【００１４】
さらに、本発明による光ファイバ伝送路の分散補償装置においては、光回路からの光出力を二つの出力ポートに等分岐する光等分岐器と、該光等分岐器の一方の出力ポートからの光出力を規定の光パルス幅で決まる時間だけ遅延する遅延回路と、該遅延回路からの光出力と前記光等分岐器の他方の出力ポートからの光出力を合波して非線形光学素子に供給する光合波器とからなる付加回路をさらに有してもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＰＭＤ補償装置を含むシステムの構成を示している。光ファイバ伝送路１１を介して伝送されてきた光信号は、モード分散等化光回路１２に入力される。このモード分散等化光回路１２は光ファイバ伝送路１１で生じる偏波モード分散を補償するための等化を行う光回路であり、この光回路１２からの光出力は光分岐器１３で二分岐され、一方は光受信器１４に送られ、他方は光増幅器１５によって増幅された後、非線形光学素子１６に導かれる。
【００１６】
非線形光学素子１６に入力された光出力は、直交する二つの偏波成分の積の成分を含む、一般には入力された光出力と別の新たな波長の光出力に非線形変換される。この非線形光学素子１６からの光出力は、フォトダイオードのような光検出器１７により上述した二つの偏波成分の積に対応する電流成分を含む電流に変換され、制御回路１８に制御電流として与えられる。制御回路１８は、入力された制御電流が最大となるようにモード分散等化光回路１２を制御する。これによりモード分散等化光回路１２からは、光ファイバ伝送路１１で生じる偏波モード分散が補償された光出力が得られ、この補償後の光出力が光分岐器１３を介して光受信器１６に導かれる。
【００１７】
図２は、本発明の原理説明図である。非線形光学素子１６として、ＬｉＮｂＯ3（ニオブ酸リチュウム）を用いた。この例では、非線形光学素子１６において領域での掛け算回路を構成するために必要な位相整合をドメイン反転法ＱＰＭ（疑似位相整合）で実現している。モード分散等化光回路１２からの出力光の直交する二つの偏波成分（光電界成分）をＥｘ，Ｅｙとし、非線形光学素子１６のＣ軸方向へのＥｘ，Ｅｙの線形射影をＥｓ＝（Ｅｘ＋Ｅｙ）／√２とすると、非線形光学素子１６からの光出力はＳＨＧ＝｜Ｅｘ＋Ｅｙ｜2／２となる。すなわち、非線形光学素子１６からの光出力は、図中ハッチングで示す重なり部分に相当するＥｘ・Ｅｙの積に比例する項を含み、また｜Ｅｘ｜2＋｜Ｅｙ｜2は出力であり一定である。従って、非線形光学素子１６からの光出力を光検出器１７で電流に変換することにより、制御回路１８がモード分散等化光回路１２を制御するに有効な制御電流とすることができる。
【００１８】
この直交する二つの偏波成分ｘ，ｙは、モード分散等化光回路１２が制御回路１８からの制御を受けるにつれて１次ＰＭＤ分散による最大遅延と最小遅延の成分に近づき、結果的に両成分の遅延差が最小、すなわち積Ｅｘ・Ｅｙが最大となるように制御されて安定する。このことは、コンピュータ・シミュレーションによっても明確に示された。
【００１９】
本実施形態によると、非線形光学素子１６として１．５５μｍ帯で２０ｍｍの長さのＱＰＭニオブ酸リチュウム結晶を用いることにより、光増幅器１５からの１０ｍＷの光出力に対して、変換出力約１μＷを２次高調波ＳＨＧとして得ることができた。なお、非線形光学素子１６として直交する二つの偏波成分ｘ，ｙの積を直接生成できる２次の非線形光学素子を用いれば、さらに制御電流への変換効率が向上する。
【００２０】
モード分散等化光回路１２は、光ファイバ伝送路１１の伝達関数行列の逆伝達関数を近似する光回路によって構成される。図３は、このようなモード分散等化光回路１２の具体例を示す図であり、前述したTechnical Digest Conference on Optical Fiber Communication 1994(OSA)）に記載されている「光ファイバ伝送路の等価伝達関数行列の逆行列回路」と題した本発明者らによる論文（文献３）における可変回転部分を光ファイバによる可変位相シフタに変換した新構造の定偏波ファイバで実現した例である。
【００２１】
これは可変位相シフタと光ファイバ伝送路１２上の伝送ビットレートで決まる遅延時間差をもつ遅延回路とからなる単位光回路の繰り返し構造からなる。すなわち、可変位相シフタを構成する温度依存性が大きく径の小さな小ループ２１と温度依存性の低い径の大きな大ループ２２を最適制御のために伝送ビットレートで決まるタイムスロットＴに大ループ２２間の遅延時間差を選んだ定偏波ファイバ２３上に形成し、小ループ２１の各二つの主軸を定偏波光ファイバ２３上の各位置が図中に示される＋４５°，−４５°，０°の位相となるように結合している。
【００２２】
小ループ２１は可変位相シフタを構成し、その近傍に小ループ２１を加熱するように例えば図示しないペルチェ素子が設置されている。そして、これらのペルチェ素子の通電量が制御回路１８によって制御されることにより、小ループ２１で構成される可変位相シフタの位相シフト量が変化する。図３に示されたモード分散等化光回路１２は単位光回路を３段結合した構成のファイバ形光回路であるが、簡単にＰＬＣ光集積回路に等価変換することも可能である。
【００２３】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係るＰＭＤ補償装置を含むシステムの構成を示す図であり、モード分散等化光回路１２の出力側に光等分岐器３１と光遅延器３２及び光合波器３３が付加されている。
【００２４】
第１の実施形態は、光ファイバ伝送路１１上を光信号として伝送される符号が１００％デューティ比符号（Non-Return to-Zero：ＮＲＺ符号）の場合に適した構成であるが、超高速光伝送では場合によっては小デューティ比の符号（Return to-Zero：ＲＺ符号）が有利となる。第２の実施形態は、ＲＺ符号の場合にも適用可能としたＰＭＤ補償装置である。
【００２５】
直交する二つの偏波成分の光電界の積を得る２次非線形光学素子を用いてＲＺ符号に対するＰＭＤによる波形歪みを補償すると、安定状態ではモード分散等化光回路１２で光信号が極短パルスに変換されてしまい、不都合を生ずる。すなわち、モード分散等化光回路１２からの光出力のパルス幅が小さくなりすぎると、図２で示した重なり部分が小さくなり、直交する二つの偏波成分の積Ｅｘ・Ｅｙが小さくなってしまうため、光検出器１７から制御回路１８に供給される制御電流も小さくなって、制御上好ましくない。
【００２６】
本実施形態では、図４に示すように二つの直交する偏波成分に対応して光等分岐器３１と光遅延器３２及び光合波器３３からなる付加回路を挿入することによって、システムで規定した光パルス幅をＰＭＤ補償装置の出力おいても保証することを可能としている。
【００２７】
モード分散等化光回路１２からの光出力は、光等分岐器３１に入力される。光等分岐器３１は、入力された光出力を二つの出力ポートに等分岐する。光等分岐器３１の一方の出力ポートからの光出力は、光遅延器３２により遅延される。光合波器３３では、光遅延器３２からの光出力と光等分岐器３１の他方の出力ポートからの光出力を合波して、光分岐器１３に供給する。光分岐器１３からの二分岐された一方の光出力は光受信器１４に、また他方の光出力は光増幅器１５を介して非線形光学素子１６にそれぞれ与えられる。
【００２８】
ここで、光遅延器３２の遅延時間は光ファイバ伝送路１１上を伝送される光信号の規定光パルス幅の約半分に設定される。このようにすると、モード分散等化光回路１２でＲＺ符号の光信号に対するＰＭＤ補償を行った結果、極短パルスとった光出力のパルス幅が広げられるため、図２で示した重なり部分が大きくなって直交する二つの偏波成分の積Ｅｘ・Ｅｙも大きくなるため、光検出器１７から制御回路１８に供給される制御電流を大きくすることができ、良好な制御が可能となる。
【００２９】
なお、ＲＺ符号に対しては非線形光学素子１６として三次非線形光学効果を用いることによっても、モード分散等化光回路１２を制御する上で良好な制御電流が得られることがシミュレーションによって確認された。
【００３０】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る群遅延分散補償装置を含むシステムの構成を示している。テラビット級の超高速ＲＺ符号を伝送する場合においては、４０Ｇｂ／ｓ伝送でも問題となる光ファイバ伝送路１２の群遅延分散特性の温度変化などに対する可変等化が不可欠になるが、本実施形態はこのような要求に応えるものである。
【００３１】
本実施形態における動作原理は、第２の実施形態で説明したＲＺ符号に対するＰＭＤ補償装置と同様であり、第１の実施形態との相違はモード分散等化光回路１２に代えて群遅延分散等化光回路１９を用いている点である。群遅延分散等化回路１９は群遅延分散を補償するための可変等化特性を持つ光回路であり、例えば、JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY VOL.12,NO.10 OCTOBER,1994の“Optical Circuit for Equalizing Group Delay Dispersion of Optical Fibers”と題した本発明者らによる論文（文献４）等に記載されており、公知であるので、詳細な説明は省略する。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればインターネットに代表される通信容量拡大、伝送網機能の拡大への要請に対処するための伝送速度増大を実現することが可能になる。すなわち、４０Ｇｂ／ｓを超える伝送速度では偏波モード分散や色分散といった、温度変化などによる光ファイバ伝送路の伝達特性変動の影響が深刻となるが、従来のプリセット方式の補償法でなく、時間変動に追従可能な補償法が不可欠であるが、本発明によるとそれが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る分散補償装置を含むシステムの構成を示すブロック図
【図２】本発明における分散補償用制御信号の生成の原理説明図
【図３】同実施形態におけるモード分散等化光回路の具体例を示す図
【図４】本発明の第２の実施形態に係る分散補償装置を含むシステムの構成を示すブロック図
【図５】本発明第３の実施形態に係る分散補償装置を含むシステムの構成を示すブロック図
【符号の説明】
１１…光ファイバ伝送路
１２…モード分散等化光回路
１３…光分岐器
１４…光受信器
１５…光増幅器
１６…非線形光学素子
１７…光検出器
１８…制御回路
１９…群遅延分散等化光回路
２１…可変位相シフタ
２２…遅延回路
２３…定偏波光ファイバ
３１…光等分岐器
３２…光遅延器
３３…光合波器
【図１】
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【図２】
0003762190.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003762190.tif 000006