JPWO2014016955A1

JPWO2014016955A1 - 光変復調方法および光送受信器

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Publication number: JPWO2014016955A1
Application number: JP2014501343A
Authority: JP
Inventors: 吉田　剛; 剛吉田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2032-07-27
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Abstract

光送信部１００と光受信部３００とを備えた光送受信器で、光送信部１００で、送信光信号の信号点の配置をＸ偏波とＹ偏波とで非対称とし、光受信部３００で、受信光信号の搬送波の周波数および位相をＸ偏波およびＹ偏波間で同時に推定することで、位相スリップを検出する。位相スリップ状態に応じて、受信光信号の信号点の配置が固有となるため、信号点毎に、位相スリップ状態を推定し、推定したスリップ状態に応じた復号を行うことができる。

Description

本発明は光変復調方法および光送受信器に関し、特に、デジタルコヒーレント方式を用いた光変復調方法および光送受信器に関する。

大容量光伝送のためには、光信号（optical signal）対雑音電力（noise power）の限界の克服と、高密度波長多重化とが、課題である。

光信号対雑音電力の限界を克服する技術として、従来のオンオフキーイング（Ｏｎ−ＯｆｆＫｅｙｉｎｇ：ＯＯＫ）の代わりに、２値位相偏移変調（ＢｉｎａｒｙＰｈａｓｅ−ＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ：ＢＰＳＫ）や４値ＰＳＫ（ＱｕａｔｅｒｎａｒｙＰｈａｓｅ−ＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ：ＱＰＳＫ）が用いられる。

高密度波長多重化のために、直交する２つの偏波成分に独立の信号を割り当てる偏波多重によって、１シンボル当たりの伝送ビット数を２倍に増やす方式が用いられている。あるいは、別の方式として、ＱＰＳＫや１６値直交振幅変調（１６ＱｕａｄｒａｔｕｒｅＡｍｐｌｉｔｕｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ：１６ＱＡＭ）のように、信号多重度を上げて、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や１６ＱＡＭは、光送信器において、同位相軸（Ｉｎ−Ｐｈａｓｅ軸：Ｉ軸）と、直交位相軸（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ−Ｐｈａｓｅ軸：Ｑ軸）とに信号を割り当てて伝送する。

また、同期検波方式にデジタル信号処理を組み合わせて、これらの光変調信号を受信する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１参照）。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固定的または半固定的、および、適応的な線形等化により、伝送路で生じる波長分散や、偏波モード分散（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ＭｏｄｅＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎ：ＰＭＤ）等に起因する線形な波形歪みに対する優れた等化特性や優れた雑音耐力を実現できる。

デジタルコヒーレント方式において受信部で搬送波位相オフセット補償を行う方法として、Ｍ乗法（例えば、非特許文献２参照）や、仮判定型アルゴリズム（例えば、特許文献１参照）が用いられてきた。これらの方法では、雑音や波形歪みが大きい条件において、搬送波の位相の復元時に、角度(２π／Ｍ)×Ｎのスリップが生じ、大規模連続誤りが生じる可能性がある（Ｍ：ＰＳＫの位相数を示す自然数、Ｎ：自然数）。従来、位相スリップを防ぐ方法として、差動符号化・復号化が一般的に利用されてきた。

また、差動符号化・復号化を用いずに、位相スリップを回避する方法も検討されている。

特許文献２では、コヒーレント光受信器の搬送波の位相の推定において、シンボル間の推定搬送波位相の遷移が正もしくは負のしきい値を超えることを条件に、周期カウント（サイクルカウント）値を増減させ、周期カウント値をもとに正確に搬送波位相推定を行うことが開示されている。

特許文献３では、コヒーレント光通信において、送信側で、データ信号の合間に参照信号（パイロット信号）を挿入する。受信側で、参照信号から、搬送波位相を推定する。データ信号のうち位相変動が大きいシンボルについては、参照信号に基づいて推定した搬送波位相を線形補間することにより、搬送波位相の推定確度を保証することが開示されている。

特許文献４では、コヒーレント光通信において、送信側でデータ信号の合間に参照信号（ＳＹＮＣバースト）を挿入し、位相スリップにより発生しうる連続誤りは誤り訂正により救済することが開示されている。また、時系列順及び時系列逆順の両方向データ復号を重ね合わせて照合し、その後、各方向で復号される同一シンボルの復号結果に不整合があるかどうかを判定することで、位相スリップの発生を検知し、誤り訂正で認識して訂正することも開示されている。

ＵＳ２０１１／０２１７０４３Ａ１ＵＳ２００６／０２４５７６６Ａ１ＵＳ２０１１／０２７４４４２Ａ１ＵＳ７５２２８４１Ｂ２

ＯｐｔｉｃａｌＩｎｔｅｒｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇＦｏｒｕｍ，"１００ＧＵｌｔｒａＬｏｎｇＨａｕｌＤＷＤＭＦｒａｍｅｗｏｒｋＤｏｃｕｍｅｎｔ"http://www.oiforum.com/public/documents/OIF-FD-100G-DWDM-01.0.pdf，Ｊｕｎｅ２００９．ＡｎｄｒｅｗＪ．ＶｉｔｅｒｂｉａｎｄＡｕｄｒｅｙＭ．Ｖｉｔｅｒｂｉ"ＮｏｎｌｉｎｅａｒＥｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆＰＳＫ−ＭｏｄｕｌａｔｅｄＣａｒｒｉｅｒＰｈａｓｅｗｉｔｈＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏＢｕｒｓｔＤｉｇｉｔａｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"，ＴｒａｎｓＩｎｆ．Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．ＩＴ−２９，ｎｏ．４，ｐｐ．５４３−５５１，１９８３．

しかしながら、差動符号化・復号化を用いる従来技術によれば、伝送路での１シンボル誤りが伝搬しておよそ２シンボル誤りになり、符号誤り率を劣化させるため、誤り伝搬により雑音耐力が損われるという課題があった。

特許文献２に記載の方法では、位相スリップの検出確度が不十分であり、見逃した位相スリップによる大規模連続誤りが不可避であるという課題があった。

特許文献３及び特許文献４に記載の方法では、参照信号の挿入が必要であり、冗長度を増大させ、伝送速度の高速化を招くという課題があった。

特許文献４に記載の方法では、誤り訂正の連続誤り耐性を高めるために、誤り訂正符号の符号則に制約が加わり、ランダム誤りに対する耐性を低下させてしまうという課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、位相スリップによる伝送品質劣化を防止し、伝送品質の向上および雑音耐力の改善を行うことを可能とする、光変復調方法および光送受信器を得ることを目的とする。

この発明は、光送信部により、Ｘ偏波およびＹ偏波の各直交偏波で非対称となる信号点配置を有する光信号を生成して、それらを多重化するステップと、前記光送信部により、多重化された前記光信号を送信するステップと、光受信部により、多重化された前記光信号を受信するステップと、前記光受信部により、所定の波長で発振する局部発振光を生成するステップと、前記光受信部により、受信した前記光信号と前記局部発振光とを混合して光／電気変換を行うとともに、アナログ／デジタル変換を行って、デジタル信号を出力するステップと、前記光受信部により、前記デジタル信号に基づいて、受信した前記光信号の搬送波周波数及び搬送波位相を前記Ｘ偏波および前記Ｙ偏波で同時に推定するステップと、推定された搬送波周波数及び搬送波位相に基づき、シンボル毎にとり得る位相スリップ状態ごとの周波数・位相補償後のデジタル信号を出力するステップと、前記周波数・位相補償後のデジタル信号に基づいて、前記位相スリップ状態ごとの尤度を演算するステップと、前記周波数・位相補償後のデジタル信号を、前記位相スリップ状態ごとに予め設定された閾値に基づいて復号し、前記位相スリップ状態ごとの復号結果を出力するステップと、前記位相スリップ状態ごとの復号結果の中から、前記尤度の中で最大の尤度の位相スリップ状態に対応する復号結果を選択して出力するステップとを備えたことを特徴とする光変復調方法である。

この発明は、光送信部により、Ｘ偏波およびＹ偏波の各直交偏波で非対称となる信号点配置を有する光信号を生成して、それらを多重化するステップと、前記光送信部により、多重化された前記光信号を送信するステップと、光受信部により、多重化された前記光信号を受信するステップと、前記光受信部により、所定の波長で発振する局部発振光を生成するステップと、前記光受信部により、受信した前記光信号と前記局部発振光とを混合して光／電気変換を行うとともに、アナログ／デジタル変換を行って、デジタル信号を出力するステップと、前記光受信部により、前記デジタル信号に基づいて、受信した前記光信号の搬送波周波数及び搬送波位相を前記Ｘ偏波および前記Ｙ偏波で同時に推定するステップと、推定された搬送波周波数及び搬送波位相に基づき、シンボル毎にとり得る位相スリップ状態ごとの周波数・位相補償後のデジタル信号を出力するステップと、前記周波数・位相補償後のデジタル信号に基づいて、前記位相スリップ状態ごとの尤度を演算するステップと、前記周波数・位相補償後のデジタル信号を、前記位相スリップ状態ごとに予め設定された閾値に基づいて復号し、前記位相スリップ状態ごとの復号結果を出力するステップと、前記位相スリップ状態ごとの復号結果の中から、前記尤度の中で最大の尤度の位相スリップ状態に対応する復号結果を選択して出力するステップとを備えたことを特徴とする光変復調方法であるので、位相スリップによる伝送品質劣化を防止し、伝送品質の向上および雑音耐力の改善を行うことができる。

本発明の実施の形態１にかかる光送受信構成を示す図である。偏波多重ＢＰＳＫ方式の偏波位相空間信号点配置を示す図である。本発明の実施の形態１にかかる偏波位相空間信号点配置を示す図である。本発明の実施の形態１にかかる信号点配置を実現するシンボルマッパの入出力テーブルを示す図である。本発明の実施の形態１にかかる位相スリップ状態ごとの信号点配置を示す図である。本発明の実施の形態１にかかる復号部の詳細機能ブロック構成例を示す図である。本発明の実施の形態１にかかる位相スリップ状態推定部の詳細機能ブロック構成例を示す図である。本発明の実施の形態１にかかる位相スリップ状態推定部内の尤度生成部の構成例を示す図である。本発明の実施の形態１にかかるシミュレーション条件を示す図である。本発明の実施の形態１にかかるシミュレーション結果を示す図である。

以下に、本発明に係る光送受信器及び光変復調方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を具体化する際の一形態であって、本発明をその範疇に限定するためのものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る光送受信器の構成例を示す図である。図１に示すように、本実施の形態１の光送受信器は、光送信部１００と、伝送チャネル２００と、光受信部３００とで構成される。光送信部１００は、光源１０１と、シンボルマッパ１０２と、光変調部１０３とで構成される。光受信部３００は、光源３０１と、光復調部３０２と、波形等化部３０３と、周波数・位相推定部３０４（Ｘ／Ｙ結合）と、復号部３０５（Ｘ／Ｙ同時）と、位相スリップ状態推定部３０６と、選択部３０７とで構成される。光送信部１００は伝送チャネル２００を介して相手側の光送受信器（図示せず）に光信号を送信する。光受信部３００は伝送チャネル２００を介して相手側の光送受信器（図示せず）から送信されてきた光信号を受信する。なお、相手側の光送受信器は、図１では図示していないが、図１に示す光送受信器と同じ構成を有しているものとする。

以下、本実施の形態１に係る光変復調方法および光送受信器について説明する。

まず、光送信部１００について説明する。光源１０１は、予め設定された所定の波長で発振する搬送波光信号を生成し、光変調部１０３に出力する。

シンボルマッパ１０２は、外部（図示せず）から入力される送信データ（２系列の符号Ａ，Ｂ、図４参照）に基づき、信号点配置を行い、４レーンの２値電気信号を出力する。

図２は、偏波多重ＢＰＳＫ（ＤＰ−ＢＰＳＫ：Ｄｕａｌ−ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＢＰＳＫ）方式の偏波位相空間における信号点配置である。横軸は直交偏波多重する際の一方の偏波成分であるＸ偏波の光位相を示し、縦軸は同じく直交偏波多重する際の他方の偏波成分であるＹ偏波の光位相を示す。通常のＢＰＳＫは、位相０および位相πの２値で表示されるが、図２では、それらをπ／４回転させた位相π／４および位相−３π／４で示す。Ｘ偏波、Ｙ偏波それぞれ２値の位相をとるため、図２上で、０、１、２、３の４つの信号点（シンボル）をとり得る。これらの信号点の配置は、Ｘ偏波とＹ偏波とで対称（点対称、線対称）となっている。

図３は、本発明の実施の形態１に係る、偏波位相空間における信号点配置である。図３に示すように、信号点配置が、Ｘ偏波とＹ偏波とで非対称配置となっており、Ｘ偏波とＹ偏波とで互いに異なる信号点配置となっている。具体的には、図３に示すように、ＤＰ−ＢＰＳＫにおいて、Ｘ偏波の位相が−３π／４の場合（信号点１、３）のみ、図２の信号点配置から、Ｙ偏波の位相を＋π／２シフトさせる。なお、Ｘ偏波の位相がπ／４の場合（信号点０、２）は、図２の信号点配置と同じＹ偏波の位相である。これにより、各信号点０，１，２，３の配置は、点対称でもなく、線対称でもなくなる。このように、本実施の形態１においては、Ｘ／Ｙ偏波の両方の信号点配置が２値位相偏移変調であり、Ｘ／Ｙ偏波の一方の２値位相偏移変調の片側位相の場合のみ、Ｘ／Ｙ偏波の他方の信号点をπ／２ずらす。こうして、本実施の形態１では、各信号点の配置が、Ｘ偏波とＹ偏波とで、非対称になっている。

本発明の実施の形態１に係る信号点配置の入出力関係を図４に示す。光送信部１００において、シンボルマッパ１０２は、外部（図示せず）から、２系列の符号Ａおよび符号Ｂが送信データとして入力され、４レーンの２値（＋／−）の電気信号ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱを生成し、光変調部１０３に対して出力する。Ｙ偏波は見かけ上ＱＰＳＫとなるが、ＱＰＳＫ側をグレイ符号していないのは、図３から分かるように、シンボル０―２間や１―３間よりも、０−１間、０−３間、２−１間、２−３間の方が偏波位相空間距離が遠いので、遠い側のハミング距離を大きくする意図による。ただし、本発明の範疇を、この符号化則に限定するものではない。この処理は、Ａ、Ｂを入力としてＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱを出力とするテーブル処理により実現可能である。あるいは、以下の論理演算により求めることも可能である。
ＸＩ＝ＮＯＴ｛Ｂ｝
ＸＱ＝ＮＯＴ｛Ｂ｝
ＹＩ＝ＥＸＯＲ｛Ｂ｝
ＹＱ＝ＮＯＴ｛Ａ｝

図４に示すように、シンボル０では、符号Ａが“０”、符号Ｂが“０”で、Ｘ位相がπ／４、Ｙ位相がπ／４となっている。このとき、シンボルマッパ１０２は、ＸＩが“＋”、ＸＱが“＋”、ＹＩが“＋”、ＹＱが“＋”の４レーンの２値信号を生成する。シンボル１，２，３についても、同様であり、それぞれ、図４に示す符号Ａ，Ｂが入力され、それらの基づき、図４に示す４レーンの２値信号を生成する。

光変調部１０３は、光源１０１から入力する搬送波光信号を、シンボルマッパ１０２から入力する４レーンの２値電気信号（ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱ）で変調し、それらを多重化して、図３に示す信号点配置の光信号を生成する。シンボルマッパ１０２から入力される信号（２値電気信号）は、一般に、ドライバ（図示せず）で増幅されて、光変調部１０３を駆動されるが、図１の構成では、ドライバは省略されている。光変調部１０３は、光源１０１から入力される搬送波を２系統に分け、それぞれ、シンボルマッパ１０２からの２値電気信号で直交位相（Ｉ／Ｑ）変調し、直交偏波多重化する。また、送信部１００に、デジタル・アナログ変換部（図示せず）を備えて、送信端で波形歪みの予補償等のデジタル信号処理を行うようにしてもよい。

伝送チャネル２００は、光送信部１００内の光変調部１０３から入力される光信号を伝送し、相手側の光送受信器の光受信部３００に出力する。伝送チャネル２００は、波長合分波装置、光増幅装置、伝送路光ファイバ等、一般に光信号の伝送に用いられる装置および部品を備える。

次に、光受信部３００について説明する。光受信部３００において、光源３０１は、予め設定された所定の波長で発振する局部発振光信号を生成し、光復調部３０２に出力する。一般に、局部発振光信号は、光源１０１で生成される搬送波光信号と概略同一の波長で発振させる。

光復調部３０２は、伝送チャネル２００を介して伝送されてきた光信号と、光源３０１から入力される局部発振光信号とを、直交偏波成分及び直交位相成分に分解する。次に、光復調部３０２は、分解した光信号と局部発振光信号とを混合して光電気変換を行って、４レーンの電気信号に変換するコヒーレント検波を行う。さらに、それらの電気信号を、アナログ・デジタル変換によりデジタル信号に変換して、量子化・標本化する。そうして得られた４レーンのデジタル信号を波形等化部３０３に出力する。前記アナログ・デジタル変換は通常６ビット以上の分解能で量子化を行い、ボーレートの２倍以上のサンプリングレートで標本化を行う。

波形等化部３０３は、光復調部３０２から４レーンのデジタル信号が入力され、伝送チャネル２００で生じる波長分散、偏波回転、偏波モード分散、または、ファイバ非線形光学効果等に起因する波形歪みを補償し、直交偏波分離した４レーンのデジタル信号を、周波数・位相推定部３０４に出力する。

周波数・位相推定部３０４は、波形等化部３０３から４レーンのデジタル信号が入力され、それらを直交偏波間（Ｘ／Ｙ偏波間）で結合して、搬送波周波数・位相を推定して補償する。すなわち、周波数・位相推定部３０４は、波形等化部３０３から入力される４レーンのデジタル信号に存在する、前記搬送波光信号と前記局部発振光信号との中心周波数差を補償し、前記Ｍ乗法や前記仮判定法等に基づき、搬送波周波数推定および搬送波位相推定を行い、周波数・位相補償後の４レーンのデジタル信号を復号部３０５及び位相スリップ状態推定部３０６に出力する。ここで、これらの搬送波周波数推定や搬送波位相推定は、直交偏波間で独立に行うのではなく、直交偏波間（Ｘ／Ｙ偏波間）で結合して同時に行うことに特徴がある。

搬送波周波数推定および搬送波位相推定をＸ／Ｙ偏波で同時に行った場合、位相スリップ状態には、（１）Ｘ／Ｙ偏波ともに位相がスリップしていない状態、（２）Ｘ／Ｙ偏波ともに＋９０度スリップした状態、（３）Ｘ／Ｙ偏波ともに１８０度スリップした状態、（４）Ｘ／Ｙ偏波ともに−９０度スリップした状態の、計４通りの状態があり得る。もし、Ｘ／Ｙ偏波で独立に搬送波周波数・位相推定してしまうと、それぞれの偏波でスリップが独立に生じてしまうため、この４通りに収まらず、４の２乗通り（４²＝１６通り）となり、後述する位相スリップ検出が困難となる。

Ｘ／Ｙ偏波で結合して搬送波周波数・位相推定を同時に行うことにより得られる４通りの位相スリップ状態に対し、周波数・位相補償後の信号点配置は、それぞれ、図５に示す通りとなる。図５において、位相スリップ状態Ｓｔａｔｅ−０は位相スリップがない場合、位相スリップ状態Ｓｔａｔｅ−１は位相スリップ＋９０度の場合、位相スリップ状態Ｓｔａｔｅ−２は位相スリップ＋１８０度の場合、位相スリップ状態Ｓｔａｔｅ−３は位相スリップ−９０度の場合である。各位相スリップ状態間で信号点に重なりがなく、各位相スリップ状態ごとの固有の信号点配置となることがわかる。また、これらの信号点配置は、位相スリップ無しの場合には、とり得ない信号点配置であるため、位相スリップ状態の検出・補償が可能になる。Ｓｔａｔｅ−１におけるシンボルＺ’（Ｚ’＝０’、１’、２’、３’）は、Ｓｔａｔｅ−０におけるシンボルＺ（Ｚ＝０、１、２、３）が＋９０度スリップしたものである。Ｓｔａｔｅ−２におけるシンボルＺ’’（Ｚ’’＝０’’、１’’、２’’、３’’）は、シンボルＺが１８０度スリップしたものである。Ｓｔａｔｅ−３におけるシンボルＺ’’’（Ｚ’’’＝０’’’、１’’’、２’’’、３’’’）は、シンボルＺが−９０度スリップしたものである。

復号部３０５では、シンボル毎にとり得るすべての位相スリップ状態について復号を行う。すなわち、復号部３０５では、図５の各Ｓｔａｔｅの信号点配置に点線で示すしきい値に基づき、周波数・位相推定部３０４から入力される４レーンのデジタル信号を復号し、４通りの復号結果を選択部３０７に出力する。

図６は、復号部３０５の構成例を図示したものである。復号部３０５は、４つの二次元位相識別器（2-D Phase Slicer）５００、５０１、５０２、５０３で構成される。周波数・位相推定部３０４から入力される４レーンのデジタル信号は、等しく二次元位相識別器５００、５０１、５０２、５０３に入力される。二次元位相識別器５００は、Ｓｔａｔｅ−０に対応して４レーンのデジタル信号の信号毎に復号を行い、復号結果を選択部３０７（図１参照）に出力する。二次元位相識別器５０１は、Ｓｔａｔｅ−１に対応して４レーンのデジタル信号の信号毎に復号を行い、復号結果を選択部３０７に出力する。二次元位相識別器５０２は、Ｓｔａｔｅ−２に対応して４レーンのデジタル信号の信号毎に復号を行い、復号結果を選択部３０７に出力する。二次元位相識別器５０３は、Ｓｔａｔｅ−３に対応して４レーンのデジタル信号の信号毎に復号を行い、復号結果を選択部３０７に出力する。シンボルＺ’，Ｚ’’，Ｚ’’’はそれぞれシンボルＺとして復号する。前記復号は、硬判定のみならず、偏波位相空間における信号点中心からの距離に応じて、信頼度情報を付与する軟判定として、軟値を選択部３０７に渡してもよい。

位相スリップ状態推定部３０６は、信号（シンボル）毎にとり得るすべての位相スリップ状態について尤度を演算し、それらを比較し、最大尤度を有する位相スリップ状態がいずれであるかを推定する。すなわち、位相スリップ状態推定部３０６は、周波数・位相推定部３０４から入力される４レーンのデジタル信号に基づき、最大尤度の位相スリップ状態を推定し、選択部３０７に出力する。

図７は、位相スリップ状態推定部３０６の構成例を図示したものである。位相スリップ状態推定部３０６は、４つの尤度生成部（Metric Generator）６００、６０１、６０２、６０３と、１つの最尤状態推定部（Maximum Likelihood State Estimator）６１０とで構成される。周波数・位相推定部３０４（図１参照）から入力される４レーンのデジタル信号は、等しく尤度生成部６００、６０１、６０２、６０３に出力される。尤度生成部６００では、位相スリップ状態がＳｔａｔｅ−０であることの尤度を計算し、尤度情報を最尤状態推定部６１０に出力する。尤度生成部６０１では、位相スリップ状態がＳｔａｔｅ−１であることの尤度を計算し、尤度情報を最尤状態推定部６１０に出力する。尤度生成部６０２では、位相スリップ状態がＳｔａｔｅ−２であることの尤度を計算し、尤度情報を最尤状態推定部６１０に出力する。尤度生成部６０３では、位相スリップ状態がＳｔａｔｅ−３であることの尤度を計算し、尤度情報を最尤状態推定部６１０に出力する。最尤状態推定部６１０は、尤度生成部６００、６０１、６０２、６０３から入力される各位相スリップ状態Ｓｔａｔｅ−０，Ｓｔａｔｅ−１，Ｓｔａｔｅ−２，Ｓｔａｔｅ−３の尤度情報に基づき、位相スリップ状態Ｓｔａｔｅ−０，Ｓｔａｔｅ−１，Ｓｔａｔｅ−２，Ｓｔａｔｅ−３の中から、最も尤度の高い位相スリップ状態を求めて、選択部３０７（図７では図示省略）に出力する。

図８は、位相スリップ状態推定部３０６内の尤度生成部６００、６０１、６０２、６０３の構成例を図示したものである。尤度生成部６００、６０１、６０２、６０３は、それぞれ同様の機能ブロックを備えるため、ここではＳｔａｔｅ−０の尤度を計算する尤度生成部６００の場合について説明する。

尤度生成部６００は、４つの偏波位相距離計算部７００、７０１、７０２、７０３と、１つの選択部７１０と、ｎ個の遅延部７２０Ａ、７２０Ｂ、・・・、７２０Ｘと、ｎ個の乗算部７２１Ａ、７２１Ｂ、・・・、７２１Ｘと、１つの加算部（sum）７２２とで構成される。遅延部７２０Ａ、７２０Ｂ、・・・、７２０Ｘは、図８に示すように、順に、直列に接続されている。乗算部７２１Ａ、７２１Ｂ、・・・、７２１Ｘは、図８に示すように、それぞれ、遅延部７２０Ａ、７２０Ｂ、・・・、７２０Ｘに接続されている。周波数・位相推定部３０４から入力される４レーンのデジタル信号は、等しく偏波位相距離計算部７００、７０１、７０２、７０３に出力される。

偏波位相空間距離計算部７００は、入力された４レーンのデジタル信号に対し、位相スリップのない状態であるＳｔａｔｅ−０の信号点配置規則に基づき、中心となる信号点０からの偏波位相空間距離を求める。例えば、Ｘ偏波方向の位相距離Ｄ＿ｐｈ＿ｘ（０）とＹ偏波方向の位相距離Ｄ＿ｐｈ＿ｙ（０）との二乗和（（Ｄ＿ｐｈ＿ｘ（０））²＋（Ｄ＿ｐｈ＿ｙ（０））²）をとり、演算結果を選択部７１０に出力する。偏波位相空間距離計算部７０１は、４レーンのデジタル信号に対し、位相スリップのない状態であるＳｔａｔｅ−０の信号点配置規則に基づき、信号点１からの偏波位相空間距離を求める。例えば、Ｘ偏波方向の位相距離Ｄ＿ｐｈ＿ｘ（１）とＹ偏波方向の位相距離Ｄ＿ｐｈ＿ｙ（１）との二乗和（（Ｄ＿ｐｈ＿ｘ（１））²＋（Ｄ＿ｐｈ＿ｙ（１））²）をとり、演算結果を選択部７１０に出力する。偏波位相空間距離計算部７０２は、４レーンのデジタル信号に対し、位相スリップのない状態であるＳｔａｔｅ−０の信号点配置規則に基づき、信号点２からの偏波位相空間距離を求める。例えば、Ｘ偏波方向の位相距離Ｄ＿ｐｈ＿ｘ（２）とＹ偏波方向の位相距離Ｄ＿ｐｈ＿ｙ（２）との二乗和（（Ｄ＿ｐｈ＿ｘ（２））²＋（Ｄ＿ｐｈ＿ｙ（２））²）をとり、演算結果を選択部７１０に出力する。偏波位相空間距離計算部７０３は、４レーンのデジタル信号に対し、位相スリップのない状態であるＳｔａｔｅ−０の信号点配置規則に基づき、信号点３からの偏波位相空間距離を求める。例えば、Ｘ偏波方向の位相距離Ｄ＿ｐｈ＿ｘ（３）とＹ偏波方向の位相距離Ｄ＿ｐｈ＿ｙ（３）との二乗和（（Ｄ＿ｐｈ＿ｘ（３））²＋（Ｄ＿ｐｈ＿ｙ（３））²）をとり、演算結果を選択部７１０に出力する。

選択部７１０は、偏波位相空間距離計算部７００、７０１、７０２、７０３から入力される４つの偏波位相空間距離の中から、最小の偏波位相空間距離を選択し、遅延部７２０Ａに出力する。

遅延部７２０Ａは、選択部７１０から入力されるデジタル信号を１シンボル時間保持し、遅延部７２０Ｂ及び乗算部７２１Ａに出力する。

乗算部７２１Ａは、遅延部７２０Ａから入力されるデジタル信号に、係数Ｃ［０］を掛け合わせた結果を加算部７２２に出力する。

遅延部７２０Ｂは、遅延部７２０Ａから入力されるデジタル信号を１シンボル時間保持し、遅延部７２０Ｂに直列接続された遅延部７２０Ｃ（図示せず）及び乗算部７２１Ｂに出力する。

乗算部７２１Ｂは、遅延部７２０Ｂから入力されるデジタル信号に、係数Ｃ［１］を掛け合わせた結果を加算部７２２に出力する。

以降、同様の処理を繰り返し、ｎ番目の遅延部７２０Ｘは、（ｎ−１）番目の遅延部７２０Ｗ（図示せず）から入力されるデジタル信号を１シンボル時間保持し、乗算部７２１Ｘに出力する。

乗算部７２１Ｘは、遅延部７２０Ｘから入力されるデジタル信号に、係数Ｃ［ｎ−１］を掛け合わせた結果を加算部７２２に出力する。

加算部７２２は、乗算部７２１Ａ、７２１Ｂ、・・・、７２１Ｘから入力されるｎ個の乗算結果の総和をとり、当該総和の値を最尤状態推定部６１０（図７参照）に出力する。ここで、総和の値が小さいほど尤度が高いことに注意を要する。

遅延部７２０Ａ、７２０Ｂ、・・・、７２０Ｘ、乗算部７２１Ａ、７２１Ｂ、・・・、７２１Ｘ、および、加算部７２２は、有限インパルス応答フィルタを構成しており、当該有限インパルス応答フィルタにより、各シンボル時点の瞬時尤度を平均化している。従って、遅延部７２０Ａ、７２０Ｂ、・・・、７２０Ｘ、乗算部７２１Ａ、７２１Ｂ、・・・、７２１Ｘ、および、加算部７２２は、選択部７１０から出力される信号を平均化する平均化部を構成している。なお、平均化部を構成するフィルタは、有限インパルス応答フィルタに限らず、忘却型の無限インパルス応答フィルタを用いることも可能である。その場合には、より複雑に、最尤系列推定や事後確率最大化を行うことも可能である。

尤度生成部６０１、６０２、６０３においても、尤度生成部６００における処理と同様の処理を行う。ここでは、その説明は省略する。

こうして、尤度生成部６００、６０１、６０２、６０３から４つの総和の値が最尤状態推定部６１０に入力される。最尤状態推定部６１０は、尤度生成部６００、６０１、６０２、６０３から入力される各位相スリップ状態Ｓｔａｔｅ−０，Ｓｔａｔｅ−１，Ｓｔａｔｅ−２，Ｓｔａｔｅ−３の総和の値の中から、最も総和の値が小さい位相スリップ状態を、「最尤の位相スリップ状態」として求めて、選択部３０７（図１参照）に出力する。

選択部３０７では、位相スリップ状態推定部３０６が推定する位相スリップ状態に基づき、復号部３０５から入力される４つの復号結果を比較して、それらの復号結果の中から、当該位相スリップ状態に対応する復号結果を、最大尤度の復号結果として選択し、光送受信器に接続された外部装置（図示せず）に出力する。

本実施の形態を用いた場合の符号誤り率特性のシミュレーションを行った。シミュレーション条件を図９に示す。ビットレートを１２８Ｇｂ／ｓとし、符号系列は１１段疑似ランダム２進系列を用いた。シンボル数は１６３８４とし、１００回雑音パタンを変えて繰り返し計算した。また、伝送路は、加法性白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ：ＡｄｄｉｔｉｖｅＷｈｉｔｅＧａｕｓｓｉａｎＮｏｉｓｅ）チャネルとし、光信号電力対雑音電力比を定義する際の雑音帯域幅は０．１ｎｍとした。搬送波光信号及び局部発振光信号の位相雑音は０とし、搬送波光信号及び局部発振光信号の周波数差は０とした。偏波多重分離は理想的に行えるものとした。搬送波位相推定には、４乗法を用い、各偏波で検出された位相誤差を平均化して、それぞれの偏波で等量の位相補償を行った。搬送波位相推定の平均化は、１７シンボル移動平均とし、１シンボル前の搬送波位相からの位相変化が±π／４以内となるようＵｎｗｒａｐｐｉｎｇ処理を行った。位相スリップ状態推定の平均化は１７シンボル移動平均により行った。符号誤り率を求めた後、補誤差関数を介してＱ値に変換して評価した。

図１０にシミュレーション結果を示す。比較のため、ＤＰ−ＱＰＳＫ方式に差動符号化・復号化を適用したＤＰ−ＤＥ（ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＥｎｃｏｄｅｄ）ＱＰＳＫ信号と、ＤＰ−ＱＰＳＫ信号で位相スリップのない場合（ＮｏＳｌｉｐ）についても計算した。図１０において、横軸をＯＳＮＲとし、縦軸をＱ値（Q-factor）とする。本実施の形態は、図１０に示されるように、Ｑ値が９ｄＢ以上の領域では、スリップなしの場合と同等のＱ値が得られ、良好な特性を示す。Ｑ値が７ｄＢ以下の領域では、本実施の形態による位相スリップ推定に誤りが生じるため、本実施の形態のＱ値は、位相スリップなしの場合のＱ値に比べて低いが、ＤＰ−ＤＥＱＰＳＫ信号に対しては、依然として、０．５ｄＢ以上優れたＱ値を示す。

以上のように、本実施の形態では、光送信部１００において、図３に示すような直交偏波間で非対称となる信号点配置を行い、受信部３００において、直交偏波間で搬送波周波数・位相推定を同時に行うことで、位相スリップを検出できるようにした。これにより、位相スリップ状態を推定することが可能であり、最も尤もらしいスリップ状態を推定できる。また、推定したスリップ状態に応じた復号規則による復号結果を選択することで、位相スリップ補償を行うことが可能になる。このように、本実施の形態によれば、位相スリップが起きたとき、位相スリップ状態に応じて受信信号点が固有の配置をとり、位相スリップ無しの場合には、とり得ない信号点の配置となる。これにより、位相スリップ状態の検出が可能となり、位相スリップ補償を行うことが可能となる。従って、差動符号化・復号化を用いることなく、また、冗長度を増大させることもなく、信号単位で位相スリップ状態を推定することができる。また、推定したスリップ状態に応じた復号を行うことができる。その結果、位相スリップによる伝送品質劣化を回避し、雑音耐力の改善を行い、かつ、伝送品質を向上させることができる。

産業上の利用の可能性

以上のように、本発明にかかる光変復調方式は、デジタルコヒーレント方式を用いた光伝送システムに有用であり、特に、符号誤り率の悪い光伝送システムに適している。

１００光送信部、１０１光源、１０２シンボルマッパ、１０３光変調部、２００伝送チャネル、３００光受信部、３０１光源、３０２光復調部、３０３波形等化部、３０４周波数・位相推定部、３０５復号部、３０６位相スリップ状態推定部、３０７選択部、５００，５０１，５０２，５０３二次元位相識別器、６００，６０１，６０２，６０３尤度生成部、６１０最尤状態推定部、７００，７０１，７０２，７０３偏波位相空間距離計算部、７１０選択部、７２０Ａ，７２０Ｂ，７２０Ｃ，７２０Ｘ遅延部、７２１Ａ，７２１Ｂ，７２１Ｘ乗算部、７２２加算部。

Claims

光送信部により、Ｘ偏波およびＹ偏波の各直交偏波で非対称となる信号点配置を有する光信号を生成して、それらを多重化するステップと、
前記光送信部により、多重化された前記光信号を送信するステップと、
光受信部により、多重化された前記光信号を受信するステップと、
前記光受信部により、所定の波長で発振する局部発振光を生成するステップと、
前記光受信部により、受信した前記光信号と前記局部発振光とを混合して光／電気変換を行うとともに、アナログ／デジタル変換を行って、デジタル信号を出力するステップと、
前記光受信部により、前記デジタル信号に基づいて、受信した前記光信号の搬送波周波数及び搬送波位相を前記Ｘ偏波および前記Ｙ偏波で同時に推定するステップと、
推定された搬送波周波数及び搬送波位相に基づき、シンボル毎にとり得る位相スリップ状態ごとの周波数・位相補償後のデジタル信号を出力するステップと、
前記周波数・位相補償後のデジタル信号に基づいて、前記位相スリップ状態ごとの尤度を演算するステップと、
前記周波数・位相補償後のデジタル信号を、前記位相スリップ状態ごとに予め設定された閾値に基づいて復号し、前記位相スリップ状態ごとの復号結果を出力するステップと、
前記位相スリップ状態ごとの復号結果の中から、前記尤度の中で最大の尤度の位相スリップ状態に対応する復号結果を選択して出力するステップと
を備えたことを特徴とする光変復調方法。
前記Ｘ偏波および前記Ｙ偏波の両方の信号点配置が２値位相偏移変調であり、
前記Ｘ偏波および前記Ｙ偏波の一方の前記２値位相偏移変調の片側位相の場合のみ、前記Ｘ偏波および前記Ｙ偏波の他方の信号点をπ／２ずらす
ことを特徴とする請求項１に記載の光変復調方法。
光送信部と光受信部とを備えた光送受信器であって、
前記光送信部は、
光信号を出力する光源と、
外部から入力される符号データに基づき、直交偏波多重化のための電気信号を出力するシンボルマッパと、
前記光源から出力された光信号を前記シンボルマッパから出力された電気信号で変調して直交偏波多重化し、Ｘ偏波およびＹ偏波の各直交偏波で非対称となる信号点配置を有する光信号を生成する光変調部と
を備え、
前記光受信部は、
局部発振光信号を出力する局部発振光源と、
光信号を受信し、受信した前記光信号と前記局部発振光信号とを混合して光／電気変換を行うとともに、アナログ／デジタル変換を行って、デジタル信号を出力する光復調部と、
前記デジタル信号の波形歪みを補償する波形等化部と、
前記光受信部により、前記デジタル信号に基づいて、受信した前記光信号の搬送波周波数及び搬送波位相を前記Ｘ偏波および前記Ｙ偏波で同時に推定して補償する搬送波周波数・位相推定部と、
前記周波数・位相補償後のデジタル信号を、前記位相スリップ状態ごとに予め設定された閾値に基づいて復号し、前記位相スリップ状態ごとの復号結果を出力する復号部と、
前記周波数・位相補償後のデジタル信号に基づいて、前記位相スリップ状態ごとの尤度を演算し、前記尤度を比較することにより、最大尤度の位相スリップ状態を推定する位相スリップ状態推定部と、
前記位相スリップ状態推定部が推定する位相スリップ状態に基づき、前記位相スリップ状態ごとの復号結果の中から、前記最大尤度の位相スリップ状態に対応する復号結果を選択して出力する選択部と
を備えている
ことを特徴とする光送受信器。
前記シンボルマッパは、
２系列の２値の電気信号系列が入力され、
出力する４系列の２値の電気信号が、前記Ｘ／Ｙ偏波の両方の信号点配置が２値位相偏移変調であり、前記Ｘ／Ｙ偏波の一方の前記２値位相偏移変調の片側位相の場合のみ、前記Ｘ／Ｙ偏波の他方の信号点をπ／２ずらす
ことを特徴とする請求項３に記載の光送受信器。
前記復号部は、
前記Ｘ偏波および前記Ｙ偏波において位相スリップが共にない場合、
前記Ｘ偏波および前記Ｙ偏波において位相スリップが共に＋９０度の場合、
前記Ｘ偏波および前記Ｙ偏波において位相スリップが共に＋１８０度の場合、及び、
前記Ｘ偏波および前記Ｙ偏波において位相スリップが共に−９０度の場合
のそれぞれの位相スリップ状態について復号を行うことで、各位相スリップ状態に対して１つずつの合計４つの復号結果を得る
ことを特徴とする請求項３または４に記載の光送受信器。
前記位相スリップ状態推定部は、
前記Ｘ偏波および前記Ｙ偏波において位相スリップが共にない場合、
前記Ｘ偏波および前記Ｙ偏波において位相スリップが共に＋９０度の場合、
前記Ｘ偏波および前記Ｙ偏波において位相スリップが共に＋１８０度の場合、及び、
前記Ｘ偏波および前記Ｙ偏波において位相スリップが共に−９０度の場合
のそれぞれの位相スリップ状態であることの尤度を計算する尤度生成部を備え、
前記尤度に基づいて、最大尤度の位相スリップ状態がいずれであるかを推定する
ことを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１項に記載の光送受信器。
前記尤度生成部は、
偏波位相空間におけるシンボル中心からの偏波位相空間距離を計算する偏波位相空間距離計算部と、
前記偏波位相空間距離の最小値を選択する選択部と、
前記選択部から出力される信号を平均化する平均化部と
を備えることを特徴とする請求項６に記載の光送受信器。
前記平均化部は、有限インパルス応答フィルタまたは忘却型の無限インパルス応答フィルタで構成される
ことを特徴とする請求項７に記載の光送受信器。