JP7235963B2

JP7235963B2 - 光受信機の評価方法及び光受信機の評価装置

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Publication number: JP7235963B2
Application number: JP2019043740A
Authority: JP
Inventors: 祥吾山中; 政則中村; 明日香松下
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2023-03-09
Anticipated expiration: 2039-03-11
Also published as: US11736202B2; JP2020150302A; WO2020184445A1; US20220140913A1

Description

本発明は、コヒーレント光通信用の光受信機の評価方法及び光受信機の評価装置に関する。

従来より、デジタル信号処理とコヒーレント検波を組み合わせたデジタルコヒーレント技術に基づいた光送受信機の開発が進んでいる。

１波長あたり１００Ｇｂ／ｓの光送受信機では、ボーレート（Ｂａｕｄｒａｔｅ）と変調方式は例えば３２ＧｂａｕｄＰＤＭ－ＱＰＳＫ（偏波多重－４位相偏移変調）である。光送信機は直交した直線偏光（Ｘ偏波とＹ偏波）を、それぞれＱＰＳＫのベースバンド信号で変調することでＰＤＭ－ＱＰＳＫ光信号を生成する。光受信機は受信光と局発光をコヒーレント検波することで光信号をベースバンド信号に変換し、デジタル信号処理（ＤＳＰ）によってＱＰＳＫを復調し送信データを再生する。

１波長あたりの伝送容量を増やすために、４００Ｇｂ／ｓの光送受信機では、ボーレートと変調方式は例えば６４ＧｂａｕｄＰＤＭ－１６ＱＡＭ（偏波多重－１６直交振幅位相変調）、又は４３ＧｂａｕｄＰＤＭ－６４ＱＡＭである。このように、今後の光送受信機では、１波長あたりの伝送容量を拡大させるためにボーレートの上昇と変調方式の多値化が進む。

図１にデジタルコヒーレント光通信用の光受信機１００の構成図を示す。光受信機１００は、左の受信光（ＲＸ）、局発光（ＬＯ）の入力側から偏波分離器（ＰＢＳRX、ＰＢＳLO）、光９０度ハイブリッド（ＨＹＢX、ＨＹＢY）、バランス型フォトダイオード（ＰＤ１～４）、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ１～４）、及びＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ１～４）とで構成される。

偏波分離器ＰＢＳRX、ＰＢＳLO）は、受信光（ＲＸ）、及び局発光（ＬＯ）をそれらの偏波状態に応じて異なる出力ポートに分岐する。光９０度ハイブリッド（ＨＹＢX、ＨＹ
ＢY）は、各偏波の受信光と局発光をそれぞれ分岐し、それらを干渉させる。その際、分
岐された局発光のうち一方の局発光は他方の局発光に対して９０度の位相差を与えて受信光と干渉される。各偏波の干渉光はフォトダイオード（ＰＤ１～４）とトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ１～４）とにより電気信号に変換され、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ１～４）によりアナログ電気信号からデジタル信号へ変換される。

変調方式の多値化が進むにつれ、光９０度ハイブリッドの位相誤差（９０度からのずれ）が伝送特性に与える影響は顕著となるため、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）を用いて光９０度ハイブリッドの位相誤差を補償する方法が提案されている。例えば、特許文献１が示すように、既知信号を用いて光受信機の伝達関数（光９０度ハイブリッドの位相誤差を含む）を補償することできる。

一方で、図２に示す従来の光９０度ハイブリッドの位相誤差の評価方法として、非特許文献１に記載されているようなビート周波数を用いた光９０度ハイブリッドの位相誤差の評価方法がある。この評価方法では、発振周波数の異なる２つのＣＷ（ＣｏｎｔｉｎｉｏｕｓＷａｖｅｆｏｒｍ：連続波）光ＣＷ1（周波数ｆ1）、ＣＷ2（周波数ｆ2）を光受信機に入力し、トランスインピーダンスアンプから出力されるＡ／Ｄ変換前のビート電気信号（ビート電気信号の周波数は二つの光源の発振周波数の差に相当する）の位相差から９０度ハイブリッドの位相誤差を評価することができる。

具体的には、トランスインピーダンスアンプの４つの出力チャネルをＸ偏波の同相成分（ＸＩ）、Ｘ偏波の直交成分（ＸＱ）、Ｙ偏波の同相成分（ＹＩ）、Ｙ偏波の直交成分（ＹＱ）とすると、Ｘ偏波の９０度ハイブリッドの位相差が９０度の場合（理想的な場合）には、ＸＩチャネルとＸＱチャネルから出力されるビート電気信号の位相差も９０度となる。

一方、Ｘ偏波の９０度ハイブリッドの位相差が９０度からずれている場合には、ＸＩチャネルとＸＱチャネルから出力されるビート電気信号の位相差も９０度に対してそのずれに相当した位相ずれが発生する。よって、ＸＩチャネルとＸＱチャネルから出力されるビート電気信号の位相差から、Ｘ偏波の９０度ハイブリッドの位相誤差を評価することができる。Ｙ偏波の９０度ハイブリッドの位相誤差の評価方法についても同様である。

特許６３１９４８７号公報

ＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎＡｇｒｅｅｍｅｎｔｆｏｒＣＦＰ２－ＡｎａｌｏｇＣｏｈｅｒｅｎｔＯｐｔｉｃｓＭｏｄｕｌｅＩＡ＃ＯＩＦ－ＣＦＰ２－ＡＣＯ－０１．０

従来、既知信号を用いて光受信機の伝達関数を補償する場合には、光受信機で発生するその他の不完全性（例えば、チャネル間の利得バラつき）を含む伝達関数を推定及び補償していた。したがって、光９０度ハイブリッドの位相誤差のみを推定することはできないという問題があった。

また、従来のビート周波数を用いた光９０度ハイブリッドの位相誤差の評価方法では、光受信機のチャネル間にスキュー（遅延時間の差）がある場合には、光９０度ハイブリッドの位相差を精度高く評価できないという課題があった。例えば、ＸＩチャネルとＸＱチャネルとの間にスキューがある場合には、トランスインピーダンスアンプのＸＩチャネルとＸＱチャネルから出力されるビート電気信号の位相差にスキューに応じた位相差が加わってしまっていた。したがって、従来のビート周波数を用いた評価方法では、光９０度ハイブリッドの位相差とチャネル間スキューに起因する位相差を分けて評価することができないため、光受信機にチャネル間スキューがある場合、光９０度ハイブリッドの位相誤差を精度高く評価することができないという課題があった。

本発明は上記の課題を鑑みてなされたものであり、光受信機にチャネル間スキューがある場合においても、光９０度ハイブリッドの位相誤差のみを精度高く評価することを可能とする光受信機の評価方法及び光受信機の評価装置を提供することを目的としている。

本発明の実施形態の一例は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。

光９０度ハイブリッドを有する光受信機の評価方法であって、
前記光受信機の伝達関数をＱＲ分解により、回転行列と上三角行列の積に分解する演算ステップと、
前記演算ステップにより分解された前記上三角行列を、剪断行列、拡大縮小行列の積にさらに分解することにより、前記伝達関数を、回転角（θ）を用いて（式１）で表されるように、前記拡大縮小行列、前記剪断行列、及び前記回転行列の積に分解するステップと、
前記（式１）におけるｂ／ａの逆正接を求めることによって前記光９０度ハイブリッドの位相誤差を算出し、前記位相誤差に基づいて前記光受信機を評価するステップと、
を備えることを特徴とする光受信機の評価方法。

（構成２）
光９０度ハイブリッドを有する光受信機の評価装置であって、
伝送路で接続された送信部と受信部を備え、
前記送信部は、既知信号の系列を生成する既知信号生成部と、光送信機の伝達関数の推定結果を前記受信部の送信機伝達関数推定部から取得して光送信機の伝達関数を補償する送信機補償部、および光送信機を備え、
前記受信部は、光受信機と、受信器補償部、第１及び第２の受信器伝達関数推定部、および前記送信機伝達関数推定部を備え、
推定した前記光受信機の伝達関数を、９０度ハイブリッドの位相誤差、チャネル間利得インバランス、残留回転の項に分解して前記光受信機を評価する
ことを特徴とする光受信機の評価装置。

（構成３）
前記送信機伝達関数推定部は、前記送信部から前記受信部に第１の既知信号を伝送させたときに前記受信部が取得した第１のデジタルデータと、前記光受信機の仮の伝達関数とから、前記光送信機の伝達関数を推定し、
前記第１の受信器伝達関数推定部は、前記光受信機の入力端にＡＳＥ信号を入力された時に前記受信部が取得したデジタルデータから、前記光受信機の仮の伝達関数を推定し、前記第２の受信器伝達関数推定部は、前記送信部から前記受信部に第２の既知信号を伝送させたときに前記受信部が取得した第２のデジタルデータと、推定した前記光送信機の伝達関数とから、前記光受信機の伝達関数を推定する、
ことを特徴とする構成２に記載の光受信機の評価装置。

本発明によれば、光受信機にチャネル間スキューがある場合においても光９０度ハイブリッドの位相誤差のみを精度高く評価することを可能とする光受信機の評価方法及び光受信機の評価装置を提供することができる。

従来の光受信機の構成を示す図である。従来のビート周波数を用いた光９０度ハイブリッドの位相誤差の評価方法を説明する図である。本発明の実施形態に係る光受信機の評価装置を示す図である。本発明の実施形態に係る光受信機の評価方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（実施形態）
図３は、本発明の実施形態に係る光受信機の評価装置３００を示す図である。評価装置３００の送信部４００は、光ファイバ等を介して光信号を受信部５００に送信する。

送信部４００は、既知信号生成部４０１、送信機補償部４０２、及び光送信機４０３を備える。既知信号生成部４０１は、ＸＩチャネル、ＸＱチャネル、ＹＩチャネル、ＹＱチャネルに対して、それぞれ既知信号の系列を生成し、送信機補償部４０２に送信する。既知信号の系列は、送信部４００と受信部５００の間で共有されている。

送信機補償部４０２は、光送信機４０３の伝達関数の推定結果を、受信部５００の送信機伝達関数推定部５０４から取得する。送信機補償部４０２は、その推定結果に基づいて光送信機４０３の伝達関数を補償する。

光送信機４０３は、送信機補償部４０２から出力された既知信号の系列で直交した直線偏光を変調することで、光信号を生成する。生成された光信号は、光伝送路を介して受信部５００に供給される。

受信部５００は光受信機６００、受信器補償部５０２、第１及び第２の受信器伝達関数推定部５０３－１、２、及び局発ＬＤ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）５０１を備える。

評価対象となる光受信機６００は図１と同様、偏波分離器（ＰＢＳ１，２）、光９０度ハイブリッド（ＨＹＢ１，２）、フォトダイオード（ＰＤ１～４）、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ１～４）、及びＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）とで構成される。

偏波分離器（ＰＢＳ１，２）は、受信光及び局発ＬＤから出力される局発光を、それらの偏波状態に応じて異なる出力ポートに分岐する。光９０度ハイブリッド（ＨＹＢ１，２）は、各偏波の受信光と局発光をそれぞれ分岐し、それらを干渉させる。その際、分岐された局発光のうち一方の局発光は他方の局発光に対して９０度の位相差を与えて受信光と干渉される。各偏波の干渉光はフォトダイオード（ＰＤ１～４）とトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ１～４）とにより電気信号に変換され、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）によりアナログ電気信号からデジタル信号へ変換される。

受信機補償部５０２は、光受信機６００のデジタル出力を光受信機６００から取得し、および光受信機６００の伝達関数の推定結果を第２の受信機伝達関数推定部５０３－２から取得し、その推定結果に基づいて光受信機６００の伝達関数を補償する。

第１の受信機伝達関数推定部５０３－１は、光受信機６００の入力端に白色雑音に相当するＡＳＥ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ）信号を入力された時に受信部５００が取得したデジタルデータから、光受信機６００の仮の伝達関数を推定する。ＡＳＥ信号は光アンプから発生させることができる。伝送路（光ファイバ）に光アンプを含んでもよいし、別途光アンプを用意してもよい。

送信機伝達関数推定部５０４は、送信部４００から受信部５００に第１の既知信号を伝送させたときに受信部が取得した第１のデジタルデータと、光受信機６００の仮の伝達関数とから、光送信機４０３の伝達関数を推定する。

第２の受信機伝達関数推定部５０３－２は、送信部４００から受信部５００に第２の既知信号を伝送させたときに受信部５００が取得した第２のデジタルデータと、推定した光送信機４０３の伝達関数とから、光受信機６００の伝達関数を推定する。

図４は、本発明の実施形態に係る光受信機の評価方法を示すフローチャートである。

（ステップＳ１）まず、第１の受信機伝達関数推定部５０３－１にて、光受信機６００の仮の伝達関数を推定する。

（ステップＳ２）次に、送信機伝達関数推定部５０４にて、光送信機４０３の伝達関数を推定する。

（ステップＳ３）次に、第２の受信機伝達関数推定部５０３－２にて、光受信機６００の伝達関数を推定する。ここまでは従来技術と同様であるが、本願発明では、ステップＳ３で推定した受信機の伝達関数を、９０度ハイブリッドの位相誤差、チャネル間利得インバランス、残留回転の項に分解して光受信機を評価するステップＳ４を有することが、特許文献１記載のフローチャートと異なる。ステップＳ１からステップＳ３までの詳細動作は特許文献１と同様のため詳細な説明は省略する。

（ステップＳ４）ステップＳ４の詳細な内容について説明する。ステップＳ３により光受信機の伝達関数を推定した結果、その伝達関数は式２と式３に示す２ｘ２行列で表現される。

式２の２ｘ２行列は光受信機６００のＸ偏波側の伝達関数を表し、式３の２ｘ２行列は光受信機６００のＹ偏波側の伝達関数を表す。光受信機６００のＸ偏波側の伝達関数を表す２ｘ２行列はＸ偏波側の９０度ハイブリッドの位相誤差、ＸＩチャネルとＸＱチャネルの利得誤差、及びステップＳ３で発生する種々の伝送特性補償誤差の積である。光受信機６００のＹ偏波側の伝達関数を表す２ｘ２行列も同様である。

ステップＳ４の目的は、これらの２ｘ２行列から光９０度ハイブリッドの位相誤差を表す行列を求めることである。以下，光受信機６００のＸ偏波側の伝達関数を表す２ｘ２行列から、Ｘ偏波側の光９０度ハイブリッドの位相誤差を求める方法について説明する。

Ｘ偏波側の光９０度ハイブリッドの位相誤差を表す行列は、式４の剪断行列で表される。

ここでδ_X／２は、光９０度ハイブリッドの位相誤差である。

また、ＸＩチャネルとＸＱチャネルの利得誤差を表す行列は、式５の拡大縮小行列で表される。

ここでｇ_XIはＸＩチャネルの利得、ｇ_XQはＸＱチャネルの利得であり、それらの比がチ
ャネル間の利得誤差を表す。

また、ステップＳ３で発生する種々の伝送特性補償誤差は、式６の回転行列で表現される。

ここで、θ_Xは回転角である。

したがって、式２の行列を式４、式５、式６の積として表現し、Ｘ偏波側の光９０度ハイブリッドの位相誤差を表す行列を求めることで、Ｘ偏波側の光９０度ハイブリッドの位相誤差を算出することができる。

そのために、まず、式２の２ｘ２行列をＱＲ分解により、回転行列と上三角行列の積に分解する。すると式２の２ｘ２行列は式７の式のように表される。

次に、式７の上三角行列を、式８の式のように分解することで、２ｘ２行列を式４、式５、式６の積に分解することができる。

したがって、式８で得られたｂ／ａの逆正接を求めることで、Ｘ偏波側の光９０度ハイブリッドの位相誤差を算出することができ、この位相誤差に基づいて光受信機の評価を行うことができる。

以上説明したように、本発明によれば、光受信機にチャネル間スキューがある場合においても光９０度ハイブリッドの位相誤差のみを精度高く評価することを可能とする光受信機の評価方法及び光受信機の評価装置を提供することができる。

１００光受信機
３００評価装置
４００送信部
４０１既知信号生成部
４０２送信機補償部
４０３光送信機
５００受信部
５０１局発ＬＤ
５０２受信器補償部
５０３－１、２第１、第２の受信器伝達関数推定部
５０４送信機伝達関数推定部
６００光受信機

Claims

光９０度ハイブリッドを有する光受信機の評価方法であって、
前記光受信機の伝達関数をＱＲ分解により、回転行列と上三角行列の積に分解する演算ステップと、
前記演算ステップにより分解された前記上三角行列を、剪断行列、拡大縮小行列の積にさらに分解することにより、前記伝達関数を、回転角（θ）を用いて（式１）で表されるように、前記拡大縮小行列、前記剪断行列、及び前記回転行列の積に分解するステップと、
前記（式１）におけるｂ／ａの逆正接を求めることによって前記光９０度ハイブリッドの位相誤差を算出し、前記位相誤差に基づいて前記光受信機を評価するステップと、
を備えることを特徴とする光受信機の評価方法。
光９０度ハイブリッドを有する光受信機の評価装置であって、
伝送路で接続された送信部と受信部を備え、
前記送信部は、既知信号の系列を生成する既知信号生成部と、光送信機の伝達関数の推定結果を前記受信部の送信機伝達関数推定部から取得して光送信機の伝達関数を補償する送信機補償部、および光送信機を備え、
前記受信部は、光受信機と、受信器補償部、第１及び第２の受信器伝達関数推定部、および前記送信機伝達関数推定部を備え、
推定した前記光受信機の伝達関数を、９０度ハイブリッドの位相誤差、チャネル間利得インバランス、残留回転の項に分解して前記光受信機を評価する
ことを特徴とする光受信機の評価装置。
前記送信機伝達関数推定部は、前記送信部から前記受信部に第１の既知信号を伝送させたときに前記受信部が取得した第１のデジタルデータと、前記光受信機の仮の伝達関数とから、前記光送信機の伝達関数を推定し、
前記第１の受信器伝達関数推定部は、前記光受信機の入力端にＡＳＥ信号を入力された時に前記受信部が取得したデジタルデータから、前記光受信機の仮の伝達関数を推定し、前記第２の受信器伝達関数推定部は、前記送信部から前記受信部に第２の既知信号を伝送させたときに前記受信部が取得した第２のデジタルデータと、推定した前記光送信機の伝達関数とから、前記光受信機の伝達関数を推定する、
ことを特徴とする請求項２に記載の光受信機の評価装置。