JP5681743B2 - 光受信装置および光受信方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ伝送路で生じる位相雑音を補償する技術に関する。

基幹系光伝送システムの分野において、高速な信号を経済的に収容し、大容量の伝送を行うための検討が進められている。例えば、周波数利用効率向上の観点から、コヒーレント検波とデジタル信号処理とを組み合わせたデジタルコヒーレント伝送方法が検討されている。

周波数利用効率を向上させる技術として、多値変調方式が挙げられる。多値変調方式では、多値数（１シンボル当りのビット数）が大きくなるに従って、光送信装置、光受信装置および光ファイバ伝送路において生じる位相雑音の影響を大きく受けて、伝送劣化を引き起こすことが知られている。非特許文献１や非特許文献２には、送信側においてパイロットトーンを参照信号として主信号に対して異なる周波数位置に重畳し、受信側において、光ファイバ伝送路において生じた位相雑音を推定して主信号の位相変動を補償する技術が開示されている。

T. Kobayashi，et al.，"Nonlinear tolerant long-haul WDM transmission over 1200km using 538Gb/s/ch PDM-64QAM SC-FDM signals with pilot tone"，OM2A.5，OFC/NFOEC (2012) S. L. Jansen，et al.，"20-Gb/s OFDM Transmission over 4，160km SSMF Enabled by RF-Pilot Tone Phase Noise Compensation"，PDP 15，OFC/NFOEC (2007)

しかしながら、非特許文献１や非特許文献２に記載の技術では、光ファイバ伝送路で生じる波長分散の影響を十分に考慮していないため、パイロットトーンから推定される位相変動の位置と主信号の位相変動の位置との相関が低下してしまい、位相変動に対する補償効果が十分に得られないという問題がある。
そこで、本発明は、光受信装置において、位相変動に対する補償精度を向上させる技術を提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明の光受信装置は、主信号に対して、前記主信号とは周波数成分の異なるパイロットトーンを重畳した信号光を、光ファイバ伝送路を経由して受信し、電気信号に変換する受信部と、前記受信部から出力された電気信号に対して波長分散を補償し、その波長分散を補償した電気信号を出力する第１の波長分散補償部と、前記第１の波長分散補償部から出力される電気信号を受信し、波長分散および位相変動を補償した電気信号を出力する位相雑音補償部と、を備え、前記位相雑音補償部が、前記第１の波長分散補償部の出力に対して第１の補償量設定部から出力される位相補償量に対応する位相変動を補償した電気信号を出力する第１の位相補償適用部と、前記第１の位相補償適用部の出力に対して波長分散を補償し、その波長分散を補償した電気信号を出力する第２の波長分散補償部と、前記第２の波長分散補償部の出力に対して第２の補償量設定部から出力される位相補償量に対応する位相変動を補償した電気信号を出力する第２の位相補償適用部と、を直列に接続し、前記第１の波長分散補償部の出力から前記パイロットトーンを抽出するパイロットトーン抽出部と、前記パイロットトーンの位相変動を検出し、変動した位相の量を推定する位相推定部と、前記位相推定部によって推定された前記位相の量に対して、前記第２の波長分散補償部と同量の波長分散を補償する第１の分散低減フィルタと、を直列に接続し、前記第１の補償量設定部は、前記位相推定部によって推定された前記位相の量に所定の重み係数を掛けて、前記位相補償量を算出し、前記第１の位相補償適用部に出力し、前記第２の補償量設定部は、前記第１の分散低減フィルタの出力に所定の重み係数を掛けて、前記位相補償量を算出し、前記第２の位相補償適用部に出力する、ことを特徴とする。

また、請求項４に記載の前記光受信装置の前記位相雑音補償部は、さらに第ｎ（ｎ≧２）の位相補償適用部の出力に対して波長分散を補償し、その波長分散を補償した電気信号を出力する第ｎ＋１の波長分散補償部と、前記第ｎ＋１の波長分散補償部の出力に対して第ｎ＋１の補償量設定部から出力される位相補償量に対応する位相変動を補償した電気信号を出力する第ｎ＋１の位相補償適用部と、を直列に接続し、第ｎ−１の分散低減フィルタの出力側に、前記第ｎ＋１の波長分散補償部と同量の波長分散を補償する第ｎの分散低減フィルタを接続し、前記第ｎ＋１の補償量設定部は、前記第ｎの分散低減フィルタの出力に所定の重み係数を掛けて、前記位相補償量を算出し、前記第ｎ＋１の位相補償適用部に出力する、ことを特徴とする。

このような構成によれば、光受信装置は、主信号に対して、その主信号とは周波数成分の異なるパイロットトーンを重畳した信号光を光ファイバ伝送路を経由して受信して電気信号に変換した後、その電気信号に対して波長分散を補償し、パイロットトーンから位相
変動を推定し、その推定した位相変動に基づいて、主信号の位相変動を補償することができる。
また、光受信装置は、波長分散補償部と位相雑音補償部とを交互に複数接続する構成を備え、波長分散補償部が、電気信号に対して、波長分散に伴う歪みを補償する量を示す分散補償量を補償することにより、主信号とパイロットトーンとのズレを減少させつつ、位相雑音補償部が、変動した位相の量をパイロットトーンから推定して、電気信号の位相変動を補償する。つまり、光受信装置は、波長分散に伴う主信号とパイロットトーンとのズレを減少させつつ、位相変動を補償していくことを繰り返すことによって、位相補償の精度を向上させることができる。
また、光受信装置は、電気信号に対しては、波長分散補償部と位相補償適用部とを交互に複数接続する構成により、波長分散および位相変動を補償しつつ、パイロットトーンに対しては、パイロットトーン抽出部、位相推定部の順で処理した後、位相推定部の出力側に分散低減フィルタを複数接続し、波長分散を補償する。つまり、光受信装置は、パイロットトーンの抽出および変動した位相の算出を一度だけ行えばよくなる。そして、光受信装置は、主信号とパイロットトーンとのズレを減少させつつ、位相変動を補償することを繰り返すことによって、位相補償の精度を向上させることができる。また、パイロットトーンに対して分散補償量を補償する分散低減フィルタの回路規模は、電気信号に対する波長分散補償部の回路規模より小さいもので実現可能である。

また、請求項１を引用する請求項２に記載の前記光受信装置は、前記第１の分散低減フィルタは、前記第２の波長分散補償部と同量の波長分散に伴う遅延を補償することを特徴とする。
また、請求項４を引用する請求項５に記載の前記光受信装置は、前記第ｎの分散低減フィルタは、前記第ｎ＋１の波長分散補償部と同量の波長分散に伴う遅延を補償することを特徴とする。

このような構成によれば、光受信装置は、分散低減フィルタを単に遅延素子として作用させるだけで、位相変動に対する補償精度を向上させることができる。また、回路規模を低減できる。

請求項３に記載の前記第２の波長分散補償部は、前記光ファイバ伝送路の信号電力のレベルダイヤに対応して波長分散の補償量を変化させ、前記第１の補償量設定部および前記第２の補償量設定部が、前記光ファイバ伝送路の信号電力のレベルダイヤに対応して前記重み係数を変化させることを特徴とする。
また、請求項６に記載の前記第ｎ＋１の波長分散補償部は、前記光ファイバ伝送路の信号電力のレベルダイヤに対応して波長分散の補償量を変化させ、前記第ｎ＋１の補償量設定部が、前記光ファイバ伝送路の信号電力のレベルダイヤに対応して前記重み係数を変化させることを特徴とする。

このような構成によれば、波長分散補償部は、補償分散量を細かく変化し、補償量設定部は、重み係数の大きさを変化して位相補償量を変化させることによって、伝送特性を改善することができる。つまり、信号電力の高さに応じて位相変動の大きさが異なるという現象に対処することができる。そして、光受信装置は、位相補償の精度を向上させることができる。

なお、光受信方法に係る発明については、請求項１，４に記載の光受信装置と同様の技術的特徴を備えており、前記光受信装置と同様の効果を有しているので、記載を省略する。

本発明によれば、光受信装置において、位相変動に対する補償精度を向上させることができる。

光送受信システム、光送信装置および光受信装置の構成例を示す図である。 第１実施形態の光受信装置のデジタル信号処理部の機能例を示す図である。 第１実施形態の位相雑音補償部の機能例を示す図である。 位相変動が発生した状況の一例を示す図であり、（ａ）は、伝送距離が短い場合を表し、（ｂ）は、伝送距離が長い場合を表す。 波長分散補償と位相雑音補償とを繰り返し実行する処理の概要を示す図であり、（ａ）は第１段目による補償の結果を表し、（ｂ）は第Ｎ段目による補償の結果を表す。 第１実施形態のシミュレーション結果の一例を示す図である。 第１実施形態の位相雑音補償部の補償量設定部において、重み係数を変化した場合のシミュレーション結果の一例を示す図である。 第２実施形態のデジタル信号処理部の機能例を示す図である。 第２実施形態の位相雑音補償部の機能例を示す図である。 第３実施形態の位相雑音補償部の機能例を示す図である。 誤った位置を補償してしまう処理例を示す図である。

本発明を実施するための形態（以降、「本実施形態」と称す。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

（光送受信システム）
本実施形態における光送受信システム１００は、図１に示すように、光送信装置１および光受信装置２を備えている。光送信装置１は、データを含む変調光１１１を生成し、当該変調光１１１を光ファイバ伝送路５に送出する機能を有する。また、光受信装置２は、光ファイバ伝送路５を伝搬してきた変調光１１１を受信信号光２１１として受信し、当該受信信号光２１１を復調してデータを取得する機能を有する。

光送信装置１は、図１に示すように、信号光源部１０、光変調部１１および変調信号生成部１２を備える。
信号光源部１０は、レーザを用いて光信号を生成し、光変調部１１に出力する機能を有する。
光変調部１１は、変調信号生成部１２によって生成された変調信号１２３を用いて、信号光源部１０の出力信号を変調して変調光（信号光）１１１を生成し、光ファイバ伝送路５に出力する機能を有する。

変調信号生成部１２は、シンボルマッピング部１２１およびパイロットトーン多重部１２２を備える。
シンボルマッピング部１２１は、０，１のバイナリ系列をデータとして受信し、変調方式に応じて、対応する複素数点に当該データをシンボルマッピングして主信号を生成し、パイロットトーン多重部１２２に出力する機能を有する。
パイロットトーン多重部１２２は、１以上のパイロットトーンを主信号に重畳して変調信号１２３を生成し、光変調部１１に出力する機能を有する。なお、パイロットトーンの周波数成分は、主信号の周波数成分とは異なるものとする。

光送信装置１から送出された変調光１１１は、光ファイバ伝送路５を経由して、光受信装置２に受信信号光２１１として受信される。

光受信装置２は、図１に示すように、局発光源部２０、偏波多重光ハイブリッド部（受信部）２１、光電気変換部（受信部）２２、ＡＤ（アナログデジタル）変換部２３およびデジタル信号処理部２４を備える。

局発光源部２０は、コヒーレント受信を行うために、局部発信用レーザを用いて光信号を生成する機能を有する。
偏波多重光ハイブリッド部２１は、受信信号光２１１を受信し、局発光源部２０の出力光と合成して、Ｘ偏波およびＹ偏波の同相成分と直交成分の４成分の光信号に分離する（コヒーレント検波を行う）機能を有する。

光電気変換部２２は、光―電気変換素子を有し、偏波多重光ハイブリッド部２１の出力信号をアナログ電気信号に変換する機能を有する。
ＡＤ変換部２３は、前記アナログ電気信号を受信デジタル信号（電気信号）２３１に変換する機能を有する。なお、受信デジタル信号２３１には、主信号およびパイロットトーンが含まれている。
デジタル信号処理部２４は、受信デジタル信号２３１に対して波長分散補償および位相雑音補償を施し、主信号を復調して、元のデータを出力する機能を有する。なお、デジタル信号処理部２４の機能の詳細については、第１〜第４実施形態として後記する。

（第１実施形態）
次に、第１実施形態のデジタル信号処理部２４の機能例について、図２を用いて説明する（適宜、図１参照）。
デジタル信号処理部２４は、波長分散補償部２４１、位相雑音補償部２４２、パイロットトーン除去部２４３、適応等化部２４４、周波数オフセット補償部２４５、搬送波位相同期部２４６およびシンボル識別部２４７を備える。

波長分散補償部２４１は、受信デジタル信号２３１に対して、波長分散に伴う歪みを補償する機能を有する。
位相雑音補償部２４２は、パイロットトーンを抽出して、当該パイロットトーンから、位相変動を検出し、変動した位相を推定し、推定した位相とは逆向きの位相量を受信デジタル信号２３１に適用して、位相変動を補償する機能を有する。

なお、第１実施形態では、デジタル信号処理部２４は、波長分散補償部２４１および位相雑音補償部２４２を繰り返しＮ段（Ｎ≧２）接続した構成を備えている。すなわち、波長分散補償部２４１の出力を位相雑音補償部２４２に入力し、位相雑音補償部２４２の出力を再び波長分散補償部２４１に入力して、Ｎ段繰り返す機能を有する。なお、以下の説明では、最初の段を第１段目、繰り返しがＮ回目の段を第Ｎ段目と称する。
波長分散補償部２４１は、受信デジタル信号２３１の波長分散に伴う分散量のトータルをＮに分割し、１段ごとに、分割した分散量（分散補償量）分を補償する。例えば、各段は、分散量のトータルのＮ分の１を均等に補償するように実行してもよい。また、各段は、分散量のトータルを満足する範囲において、予め決められた異なる分散補償量分を補償するように実行しても構わない。

次に、Ｎ段接続した構成における処理の概要について説明するが、その前に、光ファイバ伝送路５において、波長分散の影響によって主信号とパイロットトーンとの同期がどの様な状況になるかについて、位相変動の影響とともに、図４を用いて説明する。

図４（ａ）は、伝送距離が短い場合であって、波長分散の影響が小さいケース、図４（ｂ）は、伝送距離が長い場合であって、波長分散の影響が大きいケースを示している。
なお、図４（ａ）（ｂ）では、「主信号」および「パイロットトーン」それぞれについて、送信側の変調信号生成部１２で生成された変調信号１２３の任意の位置を切り出した時の区間信号を模式的に表している。また、両方向矢印は、位相変動が発生した位置を表している。

「主信号」は、小さな縦長の矩形が１つのシンボルを表し、そのシンボルが複数連なって区間信号を表している。また、位相変動を受けた位置には、斜線が付されている。
「パイロットトーン」は、模式的に波形で表しており、位相変動を受けた位置で位相を異ならせて表している。

図４（ａ）に示すように、伝送距離が短い場合には、主信号およびパイロットトーンは、波長が異なっていたとしても、波長分散の影響が小さい。そのため、主信号およびパイロットトーンは、ほぼ同期した位置関係になっている。そして、主信号およびパイロットトーンは、両方向矢印の位置で同様の位相変動を受ける。図４（ａ）では、位相変動を受けた位置は、主信号およびパイロットトーンそれぞれの区間信号においてほぼ同じ場所であって、区間信号の右端付近に示されている。

次に、伝送距離が長い場合には、図４（ｂ）に示すように、波長分散によって、主信号とパイロットトーンとの同期がズレてくる。一例として、図４（ｂ）では、パイロットトーンが主信号より遅れた場合を表している。そして、主信号およびパイロットトーンの双方は、両方向矢印の位置で位相変動を受ける。そのため、主信号では、区間信号の中央付近の右寄りの位置に、位相変動を受けることになる。それに対して、パイロットトーンでは、区間信号の中央付近より左寄りの位置に、位相変動を受けることになる。つまり、図４（ｂ）に示す状態から、波長分散の影響を補償して「主信号」と「パイロットトーン」との同期を合わせた場合、位相変動を受けた位置同士の相関が低下することになる。

そこで、波長分散の影響に対処するために、波長分散の影響を少しずつ補償しつつ位相変動の補償を行えるようにする。具体的には、光受信装置２は、波長分散補償部２４１および位相雑音補償部２４２を繰り返しＮ段（Ｎ回）接続した構成を備える。次に、そのＮ段接続した構成における処理の概要について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、第１段目による補償の結果を表し、図５（ｂ）は、第Ｎ段目による補償の結果を表している。ただし、主信号およびパイロットトーンの双方は、位相変動により、ほぼ同程度の位相変動を受けるものとする。

図５（ａ）では、第１段目に入力される受信デジタル信号２３１は、図４（ｂ）の場合と同様に、主信号とパイロットトーンとの同期がズレた（合っていない）状態となっている。
この状態において、位相雑音補償部２４２は、パイロットトーン内の位相変動の位置（図５（ａ）中では位相の反転箇所）に対応する主信号の箇所（図５（ａ）中では「位相補償位置」と表記）を、位相補償する。なお、位相雑音補償部２４２は、位相補償の処理を行った際、当該位相補償を行ったパイロットトーンの位相変動の位置を対応済として記憶しておき、再度位相補償に用いないようにする。例えば、対応済とするために、パイロットトーンの位相の反転箇所を、元の状態に戻してもよい。

そして、段数が増すにしたがって、波長分散による同期のズレ（遅延差）が小さくなるように処理される。図５（ｂ）に示す第Ｎ段目では、主信号とパイロットトーンとは、図４（ａ）の場合と同様に、ほぼ同期した状態となる。つまり、主信号とパイロットトーンとのズレを減少するとともに、パイロットトーン内の位相変動の位置が、主信号の区間信号と新たに重なる状態となる。したがって、位相雑音補償部２４２は、当該パイロットトーン内の位相変動の位置が新たに主信号と重なった箇所（図５（ｂ）中では「位相補償位置」と表記）を、位相補償する。

仮に、Ｎ＝１として１段構成とした場合には、図１１に示すように、波長分散補償部２４１が波長分散の影響を１度に補償してしまうために、主信号とパイロットトーンとが同期した状態にされてしまう。次に、位相雑音補償部２４２がパイロットトーンの位相変動の位置に対応する主信号の箇所に対して位相変動の補償を行う処理を実行してしまう。そのため、図１１では、主信号の右端の位相変動は補償されるが、主信号の誤った位置に対して誤った位相補償が実行されてしまうことになる。
つまり、Ｎを２以上とすることにより、補償精度を向上させることが期待できる。

ここで、位相雑音補償部２４２の機能例について、図３を用いて説明する（適宜、図２参照）。
位相雑音補償部２４２は、パイロットトーン抽出部３１、位相推定部３２、補償量設定部３３および位相補償適用部３４を備える。
パイロットトーン抽出部３１は、受信デジタル信号２３１からパイロットトーンを抽出する機能を有する。具体的には、パイロットトーン抽出部３１は、パイロットトーンの周波数および位相変動成分を通過する通過帯域フィルタ（不図示）を用いて、パイロットトーンを抽出する。なお、位相変動成分の周波数幅は、例えば、数ＭＨｚ〜数ＧＨｚである。また、パイロットトーン抽出部３１は、分散補償のための高速フーリエ変換演算によって算出される周波数領域の信号を入力とし、パイロットトーンおよび位相変動成分が位置する周波数に通過帯域フィルタを掛けて、パイロットトーンを抽出することが可能である。また、パイロットトーン抽出部３１は、時間ドメインのＦＩＲ（Finite Impulse Response）またはＩＩＲ（Infinite Impulse Response）によるデジタルフィルタを用いて、パイロットトーンを抽出しても構わない。

位相推定部３２は、パイロットトーンの位相変動を検出し、変動した位相を推定する機能を有する。具体的には、位相推定部３２は、送信側で主信号に重畳したパイロットトーンが既知であることを利用して、検出したパイロットトーンのずれた周波数分だけ逆向きにシフトさせて、パイロットトーンをベースバンドに落とし込み、変動した位相の量を推定することができる。

補償量設定部３３は、位相推定部３２で推定された変動した位相の量に対して、重み係数を掛けて、位相補償量を算出する機能を有する。
位相補償適用部３４は、補償量設定部３３によって算出された位相補償量を、受信デジタル信号２３１に適用し、位相変動を補償する機能を有する。

ここで、受信デジタル信号２３１の位相変動を補償する方法に関して、２つの方法について説明する。
１つ目の方法は、受信デジタル信号２３１を複素数として表される信号から位相角で表される信号に変換した上で位相補償を行うものである。この場合、位相推定部３２は、複素信号の実部と虚部の値を用いて、予め実部と虚部との値の組および位相角の関係が記憶されたメモリテーブルを参照して、位相角を求める。なお、メモリテーブルは、例えば、Ａｒｃｔａｎ（虚部／実部）を用いて、（虚部／実部）の値と位相角とを事前に計算して生成されればよい。また、位相推定部３２は、例えば、Ａｒｃｔａｎ（虚部／実部）を演算して、位相角を求めてもよい。そして、位相補償適用部３４は、推定された位相角とは逆向きの位相角を再び複素数で表される位相補償量に変換し、受信デジタル信号２３１に適用する。当該逆向きの変換でもメモリテーブルを利用することも可能である。

２つ目の方法は、複素数で表される位相情報を、そのまま利用するものである。補償量設定部３３は、位相推定部３２で推定された変動した位相とは逆向きの位相の量を示す複素信号に対して、重み係数を掛けて位相補償量を算出する。位相補償適用部３４は、位相補償量の複素信号と受信デジタル信号２３１の複素信号との複素乗算処理を実行する。この際、逆向きの位相の量は、変動した位相の量に対して複素共役で表現できる。

図２に戻って、パイロットトーン除去部２４３は、Ｎ段目の位相雑音補償部２４２の出力信号から、パイロットトーンを除去して、主信号を取り出す機能を有する。
適応等化部２４４は、偏波モード分散補償を実行する機能を有する。
周波数オフセット補償部２４５は、周波数オフセット量を推定し、周波数オフセット補償を実行する機能を有する。

搬送波位相同期部２４６は、搬送波と同期をとる機能を有する。
シンボル識別部２４７は、主信号からシンボル系列を復調し、送信側から送信された元のデータを出力する機能を有する。

次に、デジタル信号処理部２４の波長分散補償部２４１および位相雑音補償部２４２のＮ段の処理をシミュレーションした結果について、図６を用いて説明する（適宜、図１〜３参照）。シミュレーションは、図１に示す光送受信システム１００と同様の構成の実験系を構築し、光受信装置２において受信デジタル信号２３１をコンピュータに取り込み、オフラインでデジタル信号処理部２４の処理を模して行った。なお、波長分散補償部２４１の１段当りの分散補償量は、分散補償量のトータルのＮ分の１となるようにした。

図６では、横軸は伝送距離（ｋｍ）、縦軸はＱ値（ｄＢ）を表している。そして、繰り返しの段数Ｎは、Ｎ＝４の場合と、Ｎ＝１の場合とを表している。伝送距離が２００ｋｍの場合には、Ｎ＝４の場合およびＮ＝１の場合の双方とも、Ｑ値はほぼ同じであった。この理由は、伝送距離が２００ｋｍでは、伝送距離が短いので、Ｎ＝４の場合であっても、Ｎ＝１の場合と同様に、主信号とパイロットトーンとがほぼ同期していたためと考えられる。それに対して、伝送距離が長くなるに従って、Ｎ＝４の場合のＱ値とＮ＝１の場合のＱ値との差が大きくなっている。この理由は、図５（ａ）（ｂ）に示したように、段数をＮ＝４として、波長分散に伴うズレの量を徐々に変更していくことによって、パイロットトーンと主信号との重なり部分を変更できるようになったためと考えられる。

なお、Ｎの数を大きくするに従ってＱ値は改善する傾向を示すが、回路規模やリアルタイム性（演算処理を所定時間内で終了すること）を考慮に入れて、Ｎを所定の数値に決めることが好ましい。シミュレーション結果によれば、Ｎ＝３〜５が好適である。

また、図３に示す位相雑音補償部２４２の補償量設定部３３において、位相推定部３２で推定された変動した位相の量に重み係数（１以下）を乗算することによって過剰な補償を抑制することができ、図７に示すようにＱ値を改善することができる。ところで、図７は、横軸に重み係数、縦軸に相対Ｑ値（重み係数＝１の場合を０ｄＢとした。）を表している。パラメータは、伝送距離が８００ｋｍおよび１０００ｋｍの場合である。
図７より、伝送距離が８００ｋｍおよび１０００ｋｍのいずれの場合であっても、重み係数が１より小さいときには、Ｑ値が改善していることが分かる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態のデジタル信号処理部２４（図２参照）における波長分散補償部２４１および位相雑音補償部２４２のＮ段構成の箇所を、図８に示すように、波長分散補償部２４１と位相雑音補償部２５０に集約した構成を備える。なお、第２の実施形態においては、符号を、デジタル信号処理部２４ａ、位相雑音補償部２５０と付して説明し、第１の実施形態と同じ機能には同じ符号を付して説明を省略する。

図８は、第２の実施形態におけるデジタル信号処理部２４ａの機能例を表している。デジタル信号処理部２４ａは、位相雑音補償部２５０の機能が、第１の実施形態の位相雑音補償部２４２の機能とは異なる。したがって、位相雑音補償部２５０の機能について、図９を用いて説明する（適宜、図２参照）。

図９に示すように、位相雑音補償部２５０は、受信デジタル信号２３１に対しては、位相補償適用部３４と波長分散補償部２４１とが交互に繰り返され、Ｎ段目では、位相補償適用部（Ｎ）３４のみが構成される。また、位相雑音補償部２５０は、パイロットトーンに対しては、パイロットトーン抽出部３１、位相推定部３２の順で処理した後、位相推定部３２の出力側に分散低減フィルタ３５を（Ｎ−１）段接続する構成を備える。また、位相雑音補償部２５０は、位相推定部３２の出力信号を補償量設定部（１）３３を介して位相補償適用部（１）３４に入力し、分散低減フィルタ（Ｍ）３５の出力信号を補償量設定部（Ｍ＋１）３３を介して位相補償適用部（Ｍ＋１）３４に入力する構成を備える。ただし、Ｎ＞Ｍ≧１である。このようにして、位相雑音補償部２５０は、受信デジタル信号２３１に対しては、波長分散補償部２４１と位相補償適用部３４とを交互に複数接続し、波長分散または位相変動の少なくとも一方を補償することができる。

第１の実施形態では、パイロットトーンは、位相雑音補償部２４２のパイロットトーン抽出部３１において、Ｎ段の繰り返しのたびに抽出されていた。しかし、周波数ω_ＰＴのパイロットトーンの位相変動の帯域幅の、波長分散補償部２４１によって補償される波長分散の帯域幅に対する比が所定値より小さいとき、パイロットトーンの位相変動の帯域幅は、波長分散補償部２４１の処理を実行してもほとんど変化しない。そこで、図９に示すように、パイロットトーン抽出部３１が、パイロットトーンの抽出を１度のみ実行する。そして、分散低減フィルタ（１）３５〜（Ｎ−１）３５それぞれは、波長分散補償部（２）２４１〜（Ｎ）２４１それぞれの波長分散量に等しい波長分散量をパイロットトーンから低減する機能を有する。このような構成を備えることで、第１の実施形態の波長分散補償部２４１（図２参照）のＮ段構成の機能と同等の効果を得ることができる。ただし、分散低減フィルタ（Ｍ）３５に設定される波長分散量は、波長分散補償部（Ｍ＋１）２４１に設定される波長分散量に等しいものとする。なお、補償量設定部３３は、位相補償量の微調整に用いられる。また、分散低減フィルタ３５は、パイロットトーンに対して作用させるだけであるので、その回路規模は、受信デジタル信号２３１に対する回路規模より小さくてよい。また、第２の実施形態のように、パイロットトーンの位相変動の帯域幅に対する、波長分散補償部２４１によって補償される波長分散の帯域幅の比が所定値より小さい場合には、図９に示す回路のＮの値が、第１の実施形態の場合における段数Ｎの値より小さくても、第１の実施形態の場合よりもＱ値が高くなるというシミュレーション結果が得られている。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、図９に示す第２の実施形態の位相雑音補償部２５０の機能の中で、分散低減フィルタ３５の代わりに、遅延量低減部３６を備える点において異なる。なお、第３の実施形態の位相雑音補償部２５１の機能例を、図１０に示す。
第２の実施形態の場合よりもさらに位相変動の帯域幅が小さい場合、つまり、位相変動の帯域幅が分散低減フィルタ３５で付与する波長分散の帯域幅より非常に小さい場合、分散低減フィルタ３５は、波長分散に伴う前記受信デジタル信号の歪みの中で単なる遅延として作用するため、第３の実施形態では、帯域通過フィルタの機能を有する必要はなく遅延量低減部３６として回路を簡略化できる。したがって、第３の実施形態の回路規模は、第１，第２の実施形態の回路規模より、小さくすることができる。なお、補償量設定部３３は、位相補償量の微調整に用いられる。また、分散低減フィルタ３５を用いて、実質的に波長分散に伴う遅延を補償しても構わない。
遅延量低減部３６によって低減される遅延量τは、次式（１）を用いて求めることができる。

ただし、Ｄは波長分散パラメータ、Ｌ_ｎは遅延に対する伝送距離、λ_Ｃは主信号の中心波長、ｃ_０は光速、ｎは図１０中のカッコ（）内の数字である。

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、第１〜第３の実施形態のいずれかと同様の機能を備えるので、図示を省略する（適宜、図２，３，９，１０参照）。なお、第４の実施形態では、位相補償量に付加する重み係数や補償分散量の設定の細かさを、信号電力の大きさ（レベルダイヤ）に依存して変化する点を特徴としている。

光送信装置１から送信された信号の信号電力は、光ファイバ伝送路５を伝搬するとともに、光ファイバの損失により減少する。また、光ファイバ伝送路５で生じる非線形光学効果にともなう位相回転量は信号電力に比例するので、信号電力が高い領域では、大きな位相回転を受ける。つまり、大きな位相回転を受けた伝送領域での位相補償量を大きくすれば、伝送特性を改善することができる。

例えば、光ファイバ伝送路５の信号電力のレベルダイヤに応じて、信号電力が高い伝送領域では、波長分散補償部２４１は補償分散量を細かく設定し、位相雑音補償部２４２の補償量設定部３３は、重み係数を大きくして位相補償量を大きく算出するとよい。

以上、本実施形態の光受信装置２は、主信号に対して、主信号とは異なる波長のパイロットトーンを重畳した信号光を、光ファイバ伝送路５を経由して受信し、パイロットトーンから位相変動を検出し、変動した位相を推定する。光受信装置２は、波長分散に応じて主信号とパイロットトーンとの時間的なズレを少しずつ調整しつつ、パイロットトーンの位相変動の位置に重なる主信号の位置の位相変動を補償する。そのため、光受信装置２は、波長分散補償部２４１による波長分散補償と位相雑音補償部２４２による位相変動補償とを繰り返し実行する。波長分散補償部２４１は、波長分散に伴う分散量のトータルを満足するように、各段において分散補償量として割り当てて、当該分散補償量に対応してズレを補償する。また、位相雑音補償部２４２は、パイロットトーンを抽出して、変動する位相の量を推定し、推定した位相とは逆向きの位相を有する位相補償量を主信号に適用して、位相変動を補償する。

また、補償量設定部３３が、推定位相角の時間波形に対して、重み係数を掛けて、位相補償量を算出する場合、Ｎ段中の各段において算出される推定位相角の中で、強調する推定位相角に対して大きな重み係数を掛けるようにしてもよい。

また、図２に示すデジタル信号処理部２４において、周波数オフセット補償部２４５を有しない構成としても構わない。

また、図２では、波長分散補償部２４１と位相雑音補償部２４２とを組としてＮ段（Ｎ≧２）の構成とするように説明したが、Ｎ段目の最後の位相雑音補償部２４２を省略した構成であっても構わない。

また、本実施形態では、パイロットトーンが１つの場合について説明したが、パイロットトーンが複数ある場合には、パイロットトーンごとに本実施形態で説明した構成を並列に複数備えてもよい。

また、本実施形態では、デジタル信号処理部２４において、受信デジタル信号２３１を電気信号の入力として処理を実行するように説明したが、その入力は必ずしもデジタル信号に限られる必要はない。
また、波長分散補償部２４１は、分散低減フィルタ３５と同様の機能を備えるようにしてもよい。

１ 光送信装置
２ 光受信装置
５ 光ファイバ伝送路
２１ 偏波多重光ハイブリッド部（受信部）
２２ 光電気変換部（受信部）
２４，２４ａ デジタル信号処理部
３１ パイロットトーン抽出部
３２ 位相推定部
３３ 補償量設定部
３４ 位相補償適用部
３５ 分散低減フィルタ
３６ 遅延量低減部
１１１ 変調光（信号光）
２３１ 受信デジタル信号（電気信号）
２４１ 波長分散補償部
２４２，２５０ 位相雑音補償部
２４３ パイロットトーン除去部
２４４ 適応等化部
２４５ 周波数オフセット補償部
２４６ 搬送波位相同期部
２４７ シンボル識別部

Claims (8)

1. 主信号に対して、前記主信号とは周波数成分の異なるパイロットトーンを重畳した信号光を、光ファイバ伝送路を経由して受信し、電気信号に変換する受信部と、
   前記受信部から出力された電気信号に対して波長分散を補償し、その波長分散を補償した電気信号を出力する第１の波長分散補償部と、
   前記第１の波長分散補償部から出力される電気信号を受信し、波長分散および位相変動を補償した電気信号を出力する位相雑音補償部と、
   を備え、
   前記位相雑音補償部は、
   前記第１の波長分散補償部の出力に対して第１の補償量設定部から出力される位相補償量に対応する位相変動を補償した電気信号を出力する第１の位相補償適用部と、
   前記第１の位相補償適用部の出力に対して波長分散を補償し、その波長分散を補償した電気信号を出力する第２の波長分散補償部と、
   前記第２の波長分散補償部の出力に対して第２の補償量設定部から出力される位相補償量に対応する位相変動を補償した電気信号を出力する第２の位相補償適用部と、
   を直列に接続し、
   前記第１の波長分散補償部の出力から前記パイロットトーンを抽出するパイロットトーン抽出部と、
   前記パイロットトーンの位相変動を検出し、変動した位相の量を推定する位相推定部と、
   前記位相推定部によって推定された前記位相の量に対して、前記第２の波長分散補償部と同量の波長分散を補償する第１の分散低減フィルタと、
   を直列に接続し、
   前記第１の補償量設定部は、前記位相推定部によって推定された前記位相の量に所定の重み係数を掛けて、前記位相補償量を算出し、前記第１の位相補償適用部に出力し、
   前記第２の補償量設定部は、前記第１の分散低減フィルタの出力に所定の重み係数を掛けて、前記位相補償量を算出し、前記第２の位相補償適用部に出力する、
   ことを特徴とする光受信装置。
2. 前記第１の分散低減フィルタは、前記第２の波長分散補償部と同量の波長分散に伴う遅延を補償する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
3. 前記第２の波長分散補償部は、前記光ファイバ伝送路の信号電力のレベルダイヤに対応して波長分散の補償量を変化させ、
   前記第１の補償量設定部および前記第２の補償量設定部は、前記光ファイバ伝送路の信号電力のレベルダイヤに対応して前記重み係数を変化させる
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光受信装置。
4. 前記位相雑音補償部は、さらに
   第ｎ（ｎ≧２）の位相補償適用部の出力に対して波長分散を補償し、その波長分散を補償した電気信号を出力する第ｎ＋１の波長分散補償部と、
   前記第ｎ＋１の波長分散補償部の出力に対して第ｎ＋１の補償量設定部から出力される位相補償量に対応する位相変動を補償した電気信号を出力する第ｎ＋１の位相補償適用部と、
   を直列に接続し、
   第ｎ−１の分散低減フィルタの出力側に、前記第ｎ＋１の波長分散補償部と同量の波長分散を補償する第ｎの分散低減フィルタを接続し、
   前記第ｎ＋１の補償量設定部は、前記第ｎの分散低減フィルタの出力に所定の重み係数を掛けて、前記位相補償量を算出し、前記第ｎ＋１の位相補償適用部に出力する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
5. 前記第ｎの分散低減フィルタは、前記第ｎ＋１の波長分散補償部と同量の波長分散に伴う遅延を補償する
   ことを特徴とする請求項４に記載の光受信装置。
6. 前記第ｎ＋１の波長分散補償部は、前記光ファイバ伝送路の信号電力のレベルダイヤに対応して波長分散の補償量を変化させ、
   前記第ｎ＋１の補償量設定部は、前記光ファイバ伝送路の信号電力のレベルダイヤに対応して前記重み係数を変化させる
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の光受信装置。
7. 主信号に対して、前記主信号とは周波数成分の異なるパイロットトーンを重畳した信号光を、光ファイバ伝送路を経由して受信する光受信装置の光受信方法であって、
   前記光受信装置は、
   前記受信した信号光を電気信号に変換する受信部と、
   前記受信部から出力された電気信号に対して波長分散を補償し、その波長分散を補償した電気信号を出力する第１の波長分散補償部と、
   第１の位相補償適用部および第２の位相補償適用部と、第２の波長分散補償部と、第１の補償量設定部および第２の補償量設定部と、パイロットトーン抽出部と、位相推定部と、第１の分散低減フィルタと
   を備えており、
   前記光受信装置は、
   前記第１の位相補償適用部において、前記第１の波長分散補償部の出力に対して前記第１の補償量設定部から出力される位相補償量に対応する位相変動を補償した電気信号を前記第２の波長分散補償部に出力するステップを実行し、
   前記第２の波長分散補償部において、前記第１の位相補償適用部の出力に対して波長分散を補償し、その波長分散を補償した電気信号を前記第２の位相補償適用部に出力するステップを実行し、
   前記第２の位相補償適用部において、前記第２の波長分散補償部の出力に対して前記第２の補償量設定部から出力される位相補償量に対応する位相変動を補償した電気信号を出力するステップを実行し、
   前記パイロットトーン抽出部において、前記第１の波長分散補償部の出力から前記パイロットトーンを抽出するステップを実行し、
   前記位相推定部において、前記パイロットトーンの位相変動を検出し、変動した位相の量を推定するステップを実行し、
   前記第１の分散低減フィルタにおいて、前記位相推定部によって推定された前記位相の量に対して、前記第２の波長分散補償部の出力と同量の波長分散を補償するステップを実行し、
   前記第１の補償量設定部において、前記位相推定部によって推定された前記位相の量に所定の重み係数を掛けて、前記位相補償量を算出し、前記第１の位相補償適用部に出力するステップを実行し、
   前記第２の補償量設定部において、前記第１の分散低減フィルタの出力に所定の重み係数を掛けて、前記位相補償量を算出し、前記第２の位相補償適用部に出力するステップを実行することを特徴とする光受信方法。
8. 前記光受信装置は、さらに、第ｎ＋１（ｎ≧２）の波長分散補償部と、第ｎ＋１の位相補償適用部と、第ｎの分散低減フィルタと、第ｎ＋１の補償量設定部と、を備えており、
   前記第ｎ＋１の波長分散補償部において、第ｎの位相補償適用部の出力に対して波長分散を補償し、その波長分散を補償した電気信号を前記第ｎ＋１の位相補償適用部に出力するステップを実行し、
   前記第ｎ＋１の位相補償適用部において、前記第ｎ＋１の波長分散補償部の出力に対して前記第ｎ＋１の補償量設定部から出力される位相補償量に対応する位相変動を補償した電気信号を出力するステップを実行し、
   前記第ｎの分散低減フィルタにおいて、第ｎ−１の分散低減フィルタの出力に対して、前記第ｎ＋１の波長分散補償部と同量の波長分散を補償するステップを実行し、
   前記第ｎ＋１の補償量設定部において、前記第ｎの分散低減フィルタの出力に所定の重み係数を掛けて、前記位相補償量を算出し、前記第ｎ＋１の位相補償適用部に出力するステップを実行する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の光受信方法。

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