JP6058168B2 - 光伝送装置および光伝送方法 - Google Patents

Description

この発明は、デジタルコヒーレント方式を用いた光伝送装置および光伝送方法に関する。

長距離大容量光伝送を可能とするためには、光信号対雑音電力の限界を克服すること、高密度な波長多重化を実現すること、およびファイバ非線形光学効果を克服することが課題である。

まず、光信号対雑音電力の限界を克服するための技術として、従来は、オンオフキーイング（ＯＯＫ：Ｏｎ−Ｏｆｆ Ｋｅｙｉｎｇ）が用いられていた。しかしながら、近年では、２値位相偏移変調（ＢＰＳＫ：Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ−Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）、または４値ＰＳＫ（ＱＰＳＫ：Ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ−Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）が用いられている。

次に、高密度波長の多重化を実現するための技術としては、偏波多重方式（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を用いて、１シンボル当たりの伝送ビット数を２倍に増やす方式が知られている。偏波多重方式においては、直交する２つの偏波成分（垂直偏波、水平偏波）に、独立の送信信号がそれぞれ割り当てられる。

また、別の方式として、上述したＱＰＳＫや１６値直交振幅変調（ＱＡＭ：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）のように、信号点を増やして、１シンボル当たりの伝送ビット数を増やす方式が知られている。ＱＰＳＫおよび１６ＱＡＭにおいては、光送信器で、同位相軸（Ｉ軸：Ｉｎ−Ｐｈａｓｅ軸）と直交位相軸（Ｑ軸：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ−Ｐｈａｓｅ軸）とに、それぞれ送信信号が割り当てられる。

また、これらの光変調信号の伝送方式として、デジタルコヒーレント方式が注目されている（例えば、非特許文献１、２参照）。デジタルコヒーレント方式は、同期検波方式とデジタル信号処理とを組み合わせて、これらの光変調信号を受信するものである。この方式では、同期検波による線形な光電気変換と、デジタル信号処理による線形等化とを行う。ここで、線形等化には、固定的な線形等化、半固定的な線形等化、および適応的な線形等化がある。

一般に、伝送路では、波長分散および偏波モード分散（ＰＭＤ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｍｏｄｅ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）等に起因する線形な波形歪みが発生する。デジタルコヒーレント方式においては、上述したように、光電気変換と線形等化とを行うので、このような波形歪みの影響を低減することができ、優れた等化特性および優れた雑音耐力を実現することができる。なお、デジタルコヒーレント方式では、非特許文献１、２に示されるように、主に偏波多重ＱＰＳＫ方式が用いられてきた。

続いて、ファイバ中で生じる非線形光学効果に起因する波形歪みを補償するための技術としては、デジタル信号処理によりファイバの逆方向伝搬を模擬することで、送信端での信号を再現しようとするデジタル逆伝搬法が知られている（例えば、非特許文献３参照）。また、伝送路の中央で光の位相を反転することで、受信端において位相歪みがキャンセルされる光位相共役法が知られている（例えば、非特許文献４参照）。

しかしながら、上記のような非線形光学効果を補償する方式では、デジタル信号処理を実現するための回路規模が膨大となったり、伝送路中央に光位相を反転するための装置が必要になったりするという課題があった。

そこで、これらの課題を克服する方法として、位相共役関係にある光を並列に伝送する方式が開発され、注目を集めている（例えば、特許文献１、非特許文献５参照）。この方法では、送信側の符号化処理により、位相共役光のペア（Ｅ，（Ｅ＊））を、例えば直交偏波Ｘ／Ｙの電界（ＥＸ，ＥＹ）により伝送し、デジタルコヒーレント方式により受信した後、デジタル領域で共役関係にある２つの信号を合成することにより、伝送路で生じる波形歪みをキャンセルする。ここで、Ｅは複素信号を示し、（Ｅ＊）はＥの複素共役であることを示す。

このとき、ファイバ非線形光学効果を含む波形歪みは、摂動解析により、近似的にＥはδ、（Ｅ＊）は−（δ＊）として得られるので、受信側では、ＥＸ＋（ＥＹ＊）の処理を行うことにより、摂動成分δを除去しつつ、元信号Ｅのみを復元することができる。なお、（ＥＹ＊）はＥＹの複素共役であることを示す。これにより、膨大な信号処理回路や、伝送路中央の光位相反転装置を不要としつつ、ファイバ非線形光学効果への耐性を高めることができる。

米国特許出願公開第２０１３／０１３６４４９号明細書

Ｊｏｅ．Ｂｅｒｔｈｏｌｄ，外６人，「１００Ｇ Ｕｌｔｒａ Ｌｏｎｇ Ｈａｕｌ ＤＷＤＭ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ」，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｒｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ Ｆｏｒｕｍ，２００９年６月 Ｅ．Ｙａｍａｚａｋｉ，外２７名，「Ｆａｓｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｈａｎｎｅｌ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｉｎ ｆｉｅｌｄ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ １００−Ｇｂｉｔ／ｓ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｏｖｅｒ ＯＴＮ ｕｓｉｎｇ ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ＤＳＰ」，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，２０１１年７月４日，ｖｏｌ．１９，ｎｏ．１４，ｐｐ．１３１７９―１３１８４ Ｘ．Ｌｉ，外６名，「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐｏｓｔ−ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ＷＤＭ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｉｍｐａｉｒｍｅｎｔｓ ｕｓｉｎｇ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．１６，ｎｏ．２，ｐｐ．８８０−８８８，２００８ Ｄ．Ｄ．Ｍａｒｃｅｎａｃ，外６名，「４０Ｇｂｉｔ／ｓｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ ４０６ｋｍ ｏｆ ＮＤＳＦ ｕｓｉｎｇ ｍｉｄ−ｓｐａｎ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂｙ ｆｏｕｒ−ｗａｖｅ−ｍｉｘｉｎｇ ｉｎ ａ ２ｍｍ ｌｏｎｇ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．３３，ｎｏ．１０，ｐｐ．８７９−８８０，１９９７ Ｘ．Ｌｉｕ，外４名，「Ｐｈａｓｅ−ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ ｔｗｉｎ ｗａｖｅｓ ｆｏｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｙｏｎｄ ｔｈｅ Ｋｅｒｒ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｌｉｍｉｔ」，Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．７，ｐｐ．５６０−５６８

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
すなわち、上述した特許文献１、非特許文献５の方法においては、位相共役関係にある光を並列に伝送する必要があることから、周波数利用効率が半減してしまうという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、周波数利用効率を低下させることなく位相共役信号のペアを伝送して受信側で合成し、伝送品質劣化を抑圧することができる光伝送装置および光伝送方法を得ることを目的とする。

この発明に係る光伝送装置は、光送信部と光受信部とが、光伝送部を介して互いに接続された光伝送装置であって、光送信部は、外部から入力された複数系統の信号に基づいて、複数系統の位相共役信号のペアを生成し、位相共役信号のペアを直交偏波の電界に混合分散配置する信号配置部と、信号配置部からの電気信号を光信号に変換して光伝送部に出力する光変調部と、を備え、光受信部は、光伝送部を伝送した光信号を電気信号に変換する光電変換部と、光電変換部からの混合分散配置された信号を合成して、元の複数系統の信号を再構成する信号再構成部と、を備えたものである。

この発明に係る光伝送方法は、光送信ステップと光受信ステップとを有する光伝送方法であって、光送信ステップは、外部から入力された複数系統の信号に基づいて、複数系統の位相共役信号のペアを生成し、位相共役信号のペアを直交偏波の電界に混合分散配置する信号配置ステップと、信号配置ステップで生成された電気信号を光信号に変換する光変調ステップと、を有し、光受信ステップは、受信した光信号を電気信号に変換する光電変換ステップと、光電変換ステップで変換された、混合分散配置された電気信号を合成して、元の複数系統の信号を再構成する信号再構成ステップと、を有するものである。

この発明に係る光伝送装置および光伝送方法によれば、信号配置部（ステップ）は、外部から入力された複数系統の信号に基づいて、複数系統の位相共役信号のペアを生成し、位相共役信号のペアを直交偏波の電界に混合分散配置し、信号再構成部（ステップ）は、混合分散配置された信号を合成して、元の複数系統の信号を再構成する。
そのため、単一系統の位相共役信号のペアを伝送する場合と比べて、周波数利用効率を向上させることができるとともに、従来の偏波多重信号に比べて伝送品質劣化を抑圧することができる。
すなわち、周波数利用効率を低下させることなく位相共役信号のペアを伝送して受信側で合成し、伝送品質劣化を抑圧することができる。

この発明の実施の形態１に係る光伝送装置を示すブロック構成図である。 図１に示した光送信部を詳細に示すブロック構成図である。 図１に示した光受信部を詳細に示すブロック構成図である。 図２に示した無干渉化部および図３に示した干渉除去部に関するパルス形状を示す説明図である。

以下、この発明に係る光伝送装置および光伝送方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

なお、以下に説明する実施の形態は、この発明を具体化する際の一形態であって、この発明をその範囲内に限定するものではない。また、この発明に係る光伝送方法およびそれを実現する光伝送装置は、例えばデジタルコヒーレント方式を用いた高密度多重長距離光伝送システムに有用である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る光伝送装置を示すブロック構成図である。図１では、この発明の実施の形態１に係る光伝送方法を用いた光伝送システムの一例を示している。図１において、この光伝送装置は、光送信部１００、光伝送部２００および光受信部３００を備えている。

光送信部１００は、光信号を送信し、光伝送部２００は、光ファイバから構成されて、光信号を伝送し、光受信部３００は、光信号を受信する。なお、この発明の実施の形態１に係る光伝送装置は、光送信部１００および光受信部３００の少なくとも何れか一方を備えている。

図２は、図１に示した光送信部１００を詳細に示すブロック構成図である。図２において、光送信部１００は、無干渉化部１０１Ａ、１０１Ｂ、信号配置部１０２、送信信号調整部１０３および光変調部１０４を有している。

図３は、図１に示した光受信部３００を詳細に示すブロック構成図である。図３において、光受信部３００は、光電変換部３０１、受信信号調整部３０２、信号再構成部３０３、および干渉除去部３０４Ａ、３０４Ｂを有している。

以下、上記構成の光伝送装置の動作について説明する。
光送信部１００は、図示しない外部から入力された複数系統の信号を光信号に変換して光伝送部２００に出力する。

光送信部１００の内部では、まず、外部から入力された複数系統の信号が、無干渉化部１０１Ａ、１０１Ｂに入力される。図２では、信号の系統数を２として例示している。ここで、２つの信号系統を、それぞれＡ系統およびＢ系統とし、無干渉化部１０１Ａに対してＡ系統の信号が入力され、無干渉化部１０１Ｂに対してＢ系統の信号が入力される。

無干渉化部１０１Ａは、外部から入力されたＡ系統の複素信号ＤＡを、例えばｃｏｓ（πｔ／Ｔｓ＋３π／４）の形状でパルス化し、パルス化された複素信号ＥＡを信号配置部１０２に出力する。また、無干渉化部１０１Ｂは、外部から入力されたＢ系統の複素信号ＤＢを、例えばｓｉｎ（πｔ／Ｔｓ＋３π／４）の形状でパルス化し、パルス化された複素信号ＥＢを信号配置部１０２に出力する。

ここで、Ｔｓはシンボル繰り返し周期を示し、ｔは時間を示している。また、時間ｔは、１シンボル内において、−Ｔｓ／２〜Ｔｓ／２をとるものとする。このとき、パルス形状の概念図を図４に示す。図４において、パルス形状Ａとパルス形状Ｂとは、互いに直交関係にあるので、受信端で各パルスとの相関をとることにより、相互に干渉を除去することができる。

信号配置部１０２は、無干渉化部１０１Ａから入力されたＡ系統のパルス化された複素信号ＥＡと、無干渉化部１０１Ｂから入力されたＢ系統のパルス化された複素信号ＥＢとに基づいて、次式（１）および次式（２）に例示されるように、これら２系統の複素信号を混合してＸ偏波の複素信号ＥＸとＹ偏波の複素信号ＥＹとに分散的に配置する。

ＥＸ＝ＥＡ＋ＥＢ （１）
ＥＹ＝（ＥＡ＊）−（ＥＢ＊） （２）

式（２）において、（ＥＡ＊）はＥＡの複素共役であることを示し、（ＥＢ＊）はＥＢの複素共役であることを示している。このようにして生成されたＥＸおよびＥＹは、それぞれＩ軸およびＱ軸からなるので、ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱの４レーン信号として取り扱われる。信号配置部１０２は、この４レーン信号を、送信信号調整部１０３に出力する。

すなわち、信号配置部１０２は、外部から入力された複数系統の信号に基づいて、複数系統の位相共役信号のペアを生成し、この位相共役信号のペアを直交偏波の電界に混合分散配置する。

送信信号調整部１０３は、信号配置部１０２から入力された４レーン信号に対して、波形等化、スペクトル整形、遅延補償または遅延差の付加等の調整処理を行い、各調整処理が施された後の４レーンの電気信号を光変調部１０４に出力する。

光変調部１０４は、送信信号調整部１０３から入力された４レーンの電気信号に基づいて、光変調部１０４内部で生成した無変調光を、例えば偏波多重型Ｉ／Ｑ光変調器により変調して、変調された光信号を光伝送部２００に出力する。

光伝送部２００は、光送信部１００から入力された光信号を伝送し、光受信部３００に出力する。ここで、光伝送部２００では、波長分散や非線形光学効果の影響により、波形歪みが生じる。このとき、変調された光信号は、複数（この例では、２つ）の位相共役信号のペアで構成されており、この位相共役信号ペア間では、波形歪みに相関が生じる。

光受信部３００は、光伝送部２００から入力された、位相共役関係にある複数系統の信号がひとかたまりとなった光信号から、位相共役化処理前の元の複数系統信号（この例では、Ａ系統の信号とＢ系統の信号）を復元して、図示しない外部に出力する。

光受信部３００の内部では、まず、光伝送部２００から入力された信号が、光電変換部３０１に入力される。

光電変換部３０１は、内部に局部発振光を有している。光電変換部３０１は、光伝送部２００から入力された光信号を、この局部発振光と混合干渉させることにより、光／電気変換するコヒーレント検波を行う。また、光電変換部３０１は、コヒーレント検波で得られた電気信号を、受信信号調整部３０２に出力する。

すなわち、受信信号調整部３０２には、光電変換部３０１から、２偏波かつＩ／Ｑ軸の信号が混合された状態の４レーンの電気信号が入力される。受信信号調整部３０２は、電気的処理を用いて、この電気信号を２偏波に分離するとともに、遅延調整、等化処理、搬送波周波数・位相復元等の調整処理を行い、非線形光学効果に起因する波形歪みやランダム雑音を除いて、各調整処理が施された後の４レーンの電気信号を信号再構成部３０３に出力する。

信号再構成部３０３は、受信信号調整部３０２から入力された４レーンの電気信号に基づいて、次式（３）および次式（４）に例示されるように、Ｘ／Ｙ偏波に混合分散配置されたＡ／Ｂ系統の複素信号ＥＡおよびＥＢを再構成する。すなわち、信号再構成部３０３は、混合分散配置された信号を合成して、元の複数系統の信号を再構成する。

ＥＡ＝ＥＸ＋（ＥＹ＊） （３）
ＥＢ＝ＥＸ−（ＥＹ＊） （４）

式（３）および式（４）において、（ＥＹ＊）はＥＹの複素共役であることを示している。信号再構成部３０３は、このようにして再構成したＡ系統の複素信号ＥＡを、干渉除去部３０４Ａに出力し、再構成したＢ系統の複素信号ＥＢを、干渉除去部３０４Ｂに出力する。なお、複素信号ＥＡおよびＥＢは、図４に示したパルス形状を有する。

ここで、式（３）の処理によって、Ａ系統に関する位相共役ペアＥＡおよび（ＥＡ＊）に対する、ファイバ非線形光学効果に起因する波形歪みをキャンセルすることができる。また、式（４）の処理によって、Ｂ系統に関する位相共役ペアＥＢおよび（ＥＢ＊）に対する、ファイバ非線形光学効果に起因する波形歪みをキャンセルすることができる。

干渉除去部３０４Ａは、信号再構成部３０３から入力された、再構成されたＡ系統の複素信号ＥＡについて、無干渉化部１０１Ａにおけるパルス化処理に対応して相関をとる。すなわち、干渉除去部３０４Ａは、ｃｏｓ（πｔ／Ｔｓ＋３π／４）をたたみ込み積分することで、Ａ系統の元の複素信号ＤＡを復元し、この復元された複素信号を図示しない外部に出力する。

また、干渉除去部３０４Ｂは、信号再構成部３０３から入力された、再構成されたＢ系統の複素信号ＥＢについて、無干渉化部１０１Ｂにおけるパルス化処理に対応して相関をとる。すなわち、干渉除去部３０４Ｂは、ｓｉｎ（πｔ／Ｔｓ＋３π／４）をたたみ込み積分することで、Ｂ系統の元の複素信号ＤＢを復元し、この復元された複素信号を図示しない外部に出力する。

ここで、この発明の実施の形態１では、送信信号調整部１０３および受信信号調整部３０２において、シンボル繰り返し周波数の半分程度まで電気信号帯域を制限することで、光変調部１０４で生成する光信号の帯域をシンボル繰り返し周波数程度まで狭窄化することができる。

このように、位相共役化した複数の信号ペアを混合して、Ｘ／Ｙ偏波に分散的に配置して伝送し、受信側でそれらを合成することで、ファイバ非線形光学効果に対する耐力を高めることができる。また、複数の位相共役信号ペアを同一波長に多重することから、周波数利用効率の低下を避けることもできる。したがって、高密度多重したデジタルコヒーレント光伝送システムにおける伝送可能距離を拡大することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、信号配置部は、外部から入力された複数系統の信号に基づいて、複数系統の位相共役信号のペアを生成し、位相共役信号のペアを直交偏波の電界に混合分散配置し、信号再構成部は、混合分散配置された信号を合成して、元の複数系統の信号を再構成する。
そのため、単一系統の位相共役信号のペアを伝送する場合と比べて、周波数利用効率を向上させることができるとともに、従来の偏波多重信号に比べて伝送品質劣化を抑圧することができる。
すなわち、周波数利用効率を低下させることなく位相共役信号のペアを伝送して受信側で合成し、伝送品質劣化を抑圧することができる。

さらに、実施の形態１によれば、偏波依存性損失等によりＸ偏波とＹ偏波との間で信号品質に偏差が生じた場合にも、受信側で信号合成を行うことから、信号品質偏差を低減することができる。すなわち、符号誤りの偏りを防ぎ、誤り訂正性能の劣化を防ぐことができる。

１００ 光送信部、１０１Ａ、１０１Ｂ 無干渉化部、１０２ 信号配置部、１０３ 送信信号調整部、１０４ 光変調部、２００ 光伝送部、３００ 光受信部、３０１ 光電変換部、３０２ 受信信号調整部、３０３ 信号再構成部、３０４Ａ、３０４Ｂ 干渉除去部。

Claims (8)

1. 光送信部と光受信部とが、光伝送部を介して互いに接続された光伝送装置であって、
   前記光送信部は、
   外部から入力された複数系統の信号に基づいて、複数系統の位相共役信号のペアを生成し、前記位相共役信号のペアを直交偏波の電界に混合分散配置する信号配置部と、
   前記信号配置部からの電気信号を光信号に変換して前記光伝送部に出力する光変調部と、を備え、
   前記光受信部は、
   前記光伝送部を伝送した光信号を電気信号に変換する光電変換部と、
   前記光電変換部からの混合分散配置された信号を合成して、元の複数系統の信号を再構成する信号再構成部と、を備えた
   光伝送装置。
2. 前記光送信部は、前記複数系統の信号間における相互干渉をあらかじめ防ぐ無干渉化部をさらに備えた
   請求項１に記載の光伝送装置。
3. 前記無干渉化部は、前記複数系統の信号を、互いに直交関係にあるパルス形状に割り付ける
   請求項２に記載の光伝送装置。
4. 前記光受信部は、前記複数系統の信号間における相互干渉を除去する干渉除去部をさらに備えた
   請求項１に記載の光伝送装置。
5. 前記干渉除去部は、互いに直交関係にあるパルス形状に割り付けられた複数系統の信号に対して相関をとることで、干渉を抑制して独立に受信可能とする
   請求項４に記載の光伝送装置。
6. 前記光送信部は、前記信号配置部からの出力に対して、送信信号の波形等化、スペクトル整形、遅延補償および遅延差の付加のうち、少なくとも１つの調整処理を行う送信信号調整部をさらに備えた
   請求項１に記載の光伝送装置。
7. 前記光受信部は、前記光電変換部からの出力に対して、偏波分離、遅延調整、等化処理および搬送波周波数・位相復元のうち、少なくとも１つの調整処理を行う受信信号調整部をさらに備えた
   請求項１に記載の光伝送装置。
8. 光送信ステップと光受信ステップとを有する光伝送方法であって、
   前記光送信ステップは、
   外部から入力された複数系統の信号に基づいて、複数系統の位相共役信号のペアを生成し、前記位相共役信号のペアを直交偏波の電界に混合分散配置する信号配置ステップと、
   前記信号配置ステップで生成された電気信号を光信号に変換する光変調ステップと、を有し、
   前記光受信ステップは、
   受信した光信号を電気信号に変換する光電変換ステップと、
   前記光電変換ステップで変換された、混合分散配置された電気信号を合成して、元の複数系統の信号を再構成する信号再構成ステップと、を有する
   光伝送方法。

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