CN111095823A - 光收发装置和光收发方法 - Google Patents

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Abstract

提供光收发装置(1)，该光收发装置(1)经由通信路(2)进行光信号的收发，其中，通信路(2)是抑制了光信号的相位变化的通信路，该光收发装置(1)具有发送装置(10)和接收装置(20)，该发送装置(10)具有帧生成部(11)、符号映射部(12)和光调制部(13)，该接收装置(20)具有光接收前端部(21)、A/D转换部(22)、偏振分离部(23)和相位估计部(24)，该相位估计部(24)根据由偏振分离部(23)分离后的多个偏振信号估计多个偏振中的至少一个偏振的相位，根据估计出的相位估计其他偏振的相位，由此，电路规模较小且能够在空间光通信或接入网络那样通信距离较短的通信系统中应用数字相干接收方式。

Description

光收发装置和光收发方法
技术领域
本发明涉及接收对信息信号进行多值调制后的光信号并进行数字信号处理从而对接收信号进行解调的光收发装置和光收发方法。
背景技术
现有的光收发装置和光收发方法使用开关调制(On Off Keying：OOK)或2相相位调制(Binary Phase Shift Keying：BPSK)等作为要发送的发送光信号的光调制方式。但是，近年来，由于互联网中的业务量的增大，要求光通信系统的大容量化，正在研究使用能够收发容量比现有的光调制方式大的信息的数字信号处理技术对多值的相位调制信号进行处理的方式。关于这些针对多值的相位调制信号的调制方式，存在4相相位调制(Quadrature Phase Shift Keying：QPSK)、差动4相相位调制(Differential QuadraturePhase Shift Keying：DQPSK)、8相相位调制(Eight Quadrature Amplitude Modulation：8QAM)等。
结合要发送的光信号的光调制方式，关于光信号的接收方式，也从现有的将光强度的开/关分配给2值信号而进行直接检波的直接检波方式发展到数字相干接收方式的研究，在数字相干接收方式中，使来自本地振荡光源的连续波本地振荡光与进行了光调制后的光信号发生干涉，由此提取光信号的光强度信息和相位信息。通过数字相干接收方式提取出的光信号的光强度和相位信息在提取后通过模拟/数字(Analog/Digital)转换器进行量化，通过数字信号处理部进行解调。
作为数字相干接收方式的优点之一，举出如下优点：能够安装使发送光源和本地振荡光源的频率和相位与要接收的接收光信号同步的机构作为数字信号处理。由此，即使不安装实现难度高的光PLL(Phase Locked Loop)，也能够使发送光源和本地振荡光源的频率和相位与接收光信号同步。作为具体的实现方法，在专利文献1中提出了基于m次幂法(维特比/维特比算法)的方法。此外，通过使信号重叠于偏振光，对要发送的光信号进行复用，在接收装置中，能够使用CMA(Constant Modulus Algorithm)偏振等偏振分离算法对复用的偏振信号进行分离。
进而，数字相干接收方式具有光信噪比(Optical Signal-to-Noise Ratio：OSNR)耐力和通信路的波形畸变耐力。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：WO2014/115840公報
发明内容
发明要解决的问题
近年来，研究了在将空间作为介质进行光通信的空间光通信或通信距离较短为40km左右的接入网等通信系统中使用数字相干方式。但是，现有的数字相干接收方式是适于通信距离为600km～10,000km的城域网或基干系统网络的方式，光收发装置的消耗功率较多，要构成的电路规模也较大，因此，存在很难应用于空间光通信或接入网那样通信距离较短的通信系统这样的问题。
此外，在专利文献1的光接收装置中的数字相干接收方式中，在光调制方式是QPSK等对多值的相位调制信号进行处理的方式的情况下，需要X偏振用的相位补偿块和Y偏振用的相位补偿块，存在要构成的电路规模较大这样的问题。
本发明正是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，实现能够在空间光通信或接入网那样通信距离较短的通信系统中应用数字相干接收方式的电路规模较小的光收发装置。
用于解决问题的手段
为了解决上述课题并实现目的，本发明的光收发装置经由通信路进行收发，其中，通信路是能够无视所述光信号的相位的变化的通信路，光收发装置具有发送装置和接收装置，发送装置具有：帧生成部，其将信息信号映射到光发送用的数据帧；符号映射部，其对数据帧的信息信号进行多值调制；以及光调制部，其将由符号映射部进行多值调制后的数据帧重叠于光载波的多个偏振，由此转换为光偏振复用信号而送出到通信路，接收装置具有：光接收前端部，其经由通信路从对方接收光偏振复用信号，将使光偏振复用信号和本机振荡器振荡出的连续波本地振荡光发生干涉而得到的光信号转换为模拟电信号；A/D转换部，其将模拟信号转换为数字信号；偏振分离部，其使用数字信号将接收到的光偏振复用信号分离成多个偏振信号；以及相位估计部，其根据由偏振分离部分离后的多个偏振信号，估计多个偏振中的至少一个偏振的相位，根据估计出的相位估计其他偏振的相位。
发明的效果
根据本发明的光收发装置，具有上述结构，因此，电路规模较小且能够在空间光通信或接入网那样通信距离较短的通信系统中应用数字相干接收方式。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1中的数字通信系统的一例的结构图。
图2是示出本发明的实施方式1中的光收发装置的一例的构造图。
图3是示出本发明的实施方式1中的OTUk帧的一例的构造图。
图4是示出本发明的实施方式1中的光接收前端部的一例的构造图。
图5是示出本发明的实施方式1中的相位估计部的一例的构造图。
图6是示出本发明的实施方式1中的基于m次幂法的相位估计方法的流程的一例的说明图。
具体实施方式
下面，根据附图对本发明的显示装置的实施方式进行详细说明。在以下参照的附图中，对相同或相当的部分标注相同标号。另外，本发明不由该实施方式进行限定。
实施方式1
图1是示出本发明的实施方式1中的数字通信系统的一例的结构图。在以下的说明中，将图1所示的数字通信系统简称为“光通信系统”。此外，下面，只要没有特别的说明，则光通信系统是空间光通信或接入网那样通信距离较短的通信系统。
如图1所示，光通信系统100具有2个光收发装置1(1a和1b)以及通信路2。光收发装置1是至少具有光信号的发送功能或接收功能的装置，通信路2是光纤等有线的传输线路、或者在空气或真空中进行传输并由微波、红外线或可见光线等电磁波构成的无线的传输路。这里，在空间光通信的情况下，通信路2由无线的传输路构成，在接入网的情况下，通信路2由通信距离较短的有线的传输线路或无线的传输线路构成。光收发装置1a和1b经由通信路2进行光信号的双向通信。另外，光收发装置1的详细情况在后面叙述。
图2是示出本发明的实施方式1中的光收发装置的一例的构造图。如图2所示，光收发装置1具有发送装置10和接收装置20。
发送装置10具有帧生成部11、符号映射部12和光调制部13。
帧生成部11将作为信息信号的客户端发送信号映射到光信号用的数据帧，附加帧同步或维护监视所需要的信息，生成作为光发送帧的信号。下面，作为例子，对光信号用的数据帧是OTUk(k＝0、1、2、3、4…)(Optical channel Transport Unit-k)帧的情况进行说明。这里，OTUk帧是参考文献(ITU-T Recommendation G.709)所示的数据帧。另外，光信号用的数据帧不限于OTUk帧，只要是OPU(Optical channel Payload Unit)帧或OTN(OpticalTransport Network)帧等一般的光信号用的数据帧即可。
图3是示出本发明的实施方式1中的OTUk帧的一例的构造图。如图3所示，OTUk帧具有由4行×4080列构成的16320字节的帧尺寸，第1列～第16列由头区域构成，第17列～第3824列由用于存储作为信息信号的客户端发送信号这样的实际的信息数据的有效载荷区域构成，并且第3825列～第4080列由用于纠错的FEC(Forward Error Correction)冗余区域构成。此外，头区域由帧同步用的FA OH(Frame Alignment OverHead)、维护监视信息用的OTUk OH和ODUk OH(Optical channel Data Unit-k OverHead)、以及有效载荷的映射用的OPUk OH(Optical channel Payload Unit-k)构成。
返回图2，符号映射部12通过例如QPSK、DQPSK和8QAM的相位调制方式对帧生成部11生成的信号进行调制，生成多值的相位调制信号。
光调制部13将由符号映射部12生成的多值的相位调制信号重叠于光载波的多个偏振，由此将其转换为光偏振复用信号，生成发送光信号，送出到通信路2。然后，从光调制部13送出的发送光信号经由通信路2被发送到发送目的地的光收发装置1。
返回图2，接收装置20具有光接收前端部21、模拟/数字(A/D)转换部22、偏振分离部23、相位估计部24和帧终结部25。
光接收前端部21将从发送方的光收发装置1经由通信路2接收到的接收光信号转换为模拟电信号。图4是示出本发明的实施方式1中的光接收前端部的一例的构造图。
如图4所示，光接收前端部21具有：对从通信路2接收到的接收光信号的X偏振和Y偏振进行分离的偏振分束器(PBS)211；具有本地振荡光源且振荡出与光接收前端部21接收到的接收光信号的频率不同的正弦波即连续波本地振荡光的本机振荡器(LO)212；对从LO212振荡出的连续波本地振荡光进行偏振分离的PBS 213；使由PBS211进行偏振分离后的接收光信号和由PBS 213进行偏振分离后的从LO 212振荡出的连续波本地振荡光发生干涉的90°光混合部214；将从90°光混合部214接收到的光信号转换为模拟电信号的光/电(O/E)转换器215；以及对由O/E转换器215转换后的模拟的电信号进行放大的放大器(AMP)216。
返回图2，A/D转换部22从光接收前端部21接收模拟电信号，将接收到的模拟信号转换为n比特的数字电信号。
偏振分离部23从A/D转换部22接收数字电信号，对接收到的数字电信号进行数字信号处理，由此分离通信路2中正交的2个以上的偏振例如X偏振和Y偏振。
相位估计部24估计由偏振分离部23分离后的偏振的相位。图5是示出本发明的实施方式1中的相位估计部的一例的构造图。
如图5所示，相位估计部24具有相位估计部(X偏振)231、相位偏置估计部232、相位相加部233、相位补偿部(X偏振)234和相位补偿部(Y偏振)235。这里，相位估计部24接收从偏振分离部23接收到的X偏振和Y偏振各自的信号即Ex_in和Ey_in。接收到的Ex_in被输入到相位估计部231、相位偏置估计部232和相位补偿部(X偏振)234。接收到的Ey_in被输入到相位偏置估计部232和相位补偿部(Y偏振)235。
相位估计部(X偏振)231例如使用m次幂法(维特比/维特比算法)估计接收到的接收信号即数字电信号的X偏振的相位。这里，m次幂法是如下的相位估计方法：如专利文献1所示，当对m值PSK信号的接收信号进行m次方时，相位在复平面上重叠在一点，利用这种性质进行相位估计。下面，作为例子，对m＝4、即利用QPSK方式对接收到的信号进行调制而得到的QPSK信号的情况下的相位估计方法进行说明。
由于接收信号是QPSK信号，因此，相位估计部(X偏振)231接收到的接收信号的相位θsignal可取的值成为0、π/2、π、3π/2这4个值。这里，当设接收信号的相位波动量的总量为θnoise时，接收信号的功率I成为数学式1的关系。
【数学式1】
I∝exp{-j(θsignal+θnoise)}......(数学式1)
当对数学式1进行4次方时，接收信号的功率I成为数学式2的关系。
【数学式2】
I∝exp{-j(4×θnoise)}......(数学式2)
根据数学式2，相位估计部(X偏振)231能够计算θnoise的4倍的值，通过使该值成为1/4倍，能够得到θnoise的值。相位估计部(X偏振)231使用该得到的θnoise从接收信号中去除θnoise，根据数学式3估计相位。
【数学式3】
I∝exp{-j(θsignal+θnoise-θnoise)}
＝exp(-jθsignal)......(数学式3)
接着，使用图6对相位估计部(X偏振)231估计接收到的接收信号即数字电信号的X偏振的相位的流程进行说明。图6是示出本发明的实施方式1中的基于m次幂法的相位估计方法的流程的一例的说明图。下面，作为例子，对m＝4、即利用QPSK方式对接收到的信号进行调制而得到的QPSK信号的情况下的相位估计方法的流程进行说明。
图6的(a)是图示了示出包含θnoise的接收信号的相位的数学式1的说明图，图6的(b)是图示了对接收信号进行4乘而仅设为θnoise的数学式2的说明图，图6的(c)是图示了从接收信号中去除了θnoise的数学式3的说明图。这里，各附图的横轴是同相轴(Ich)，纵轴是正交轴(Qch)。此外，黑点表示可取的相位。
如图6的(a)所示，接收信号能够取包含θnoise的4个相位。这里，对接收信号进行4次方时，成为数学式2，因此，如图6的(b)所示，对接收信号进行4次方后的相位成为4×θnoise。此外，当从接收信号中去除θnoise后，成为数学式3，因此，如图6的(c)所示，从接收信号中去除了θnoise后的相位能够取同相轴或正交轴上的4个相位。
如图6所示，相位估计部(X偏振)231根据数学式1、2和3估计接收信号即数字电信号的X偏振的相位。
返回图5，相位偏置估计部232根据数学式4估计相位偏置θoffset，该相位偏置θoffset表示接收到的接收信号即数字电信号的X偏振与Y偏振之间的相位偏移。
【数学式4】
Figure BDA0002390373700000071
这里，θoffset是由于光收发装置1的X偏振用的电路和Y偏振用的电路中的数字信号处理时间之差而产生的，是不随时间变化的值。因此，相位偏置估计部232不需要针对全部接收信号每次计算θoffset，考虑接收信号的信号质量的劣化的影响而按照每个固定期间或固定符号计算θoffset即可。例如，相位偏置估计部232以每500符号一次、针对符号数的0.2％左右的接收信号计算θoffset，由此，能够大致无视接收信号的信号质量的劣化的影响。
相位相加部233对相位估计部(X偏振)231估计出的接收信号即数字电信号的X偏振的相位加上相位偏置估计部232估计出的θoffset，估计接收信号即数字电信号的Y偏振的相位。
相位补偿部(X偏振)234根据相位估计部(X偏振)231估计出的接收信号即数字电信号的X偏振的相位，生成对接收信号即数字电信号Ex_in进行了补偿的数字电信号Ex_out并进行输出。
相位补偿部(Y偏振)235根据相位相加部233估计出的接收信号即数字电信号的Y偏振的相位，生成对接收信号即数字电信号Ey_in进行了补偿的数字电信号Ey_out并进行输出。
如上所述，相位估计部24通过使用针对接收信号即数字电信号的X偏振估计出的相位，能够估计接收信号即数字电信号的其他偏振、Y偏振的相位。
这样，下面对实施方式1中的光通信系统能够使用接收光信号的一个偏振的相位的估计结果估计其他偏振的相位的理由进行说明。
作为从发送侧的光收发装置1发送的发送光信号和从接收侧的光收发装置1的LO212振荡出的连续波本地振荡光的频率及相位变化的要因，举出以下2个要因。一个是发送光信号的发送光源和LO 212的本地振荡光源各自的光源所具有的相位波动。另一个是被用作通信路2的光纤所具有的非线性效果。这是因为，光纤的折射率具有根据光的强度而变化的性质，由此，在光纤中传输的偏振复用后的光信号的相位按照每个偏振而变化。
这里，在城域网或基干系统网络中，通信距离较长，因此，偏振复用后的光信号的X偏振和Y偏振分别在通信路2传输中受到的相位变化量按照每个偏振而不同，因此，在接收侧的光收发装置1中，需要估计接收光信号的X偏振和Y偏振各自的相位。
另一方面，在实施方式1的光通信系统即空间光通信或接入网中，前者的光信号在空气或真空中进行传输，因此，折射率固定而与光的强度无关，不会产生非线性效果，后者的通信距离较短，因此，即使使用光纤作为通信路2，光信号在通信路2传输中受到的相位变化量也较小，能够大致无视相位变化。即，在空间光通信或接入网中，通信路2成为抑制了光信号的相位变化的通信路。因此，在空间光通信或接入网中相位变化的支配性要因仅为发送光信号的发送光源和LO 212的本地振荡光源的相位波动。这里，光偏振复用信号是从一个发送光源生成的，因此，发送光源的相位波动不会由于光信号的偏振的种类而变化。此外，LO 212的本地振荡光源也为一个，LO 212的本地振荡光源的相位波动不会由于光信号的偏振的种类而变化。
因此，在实施方式1的光通信系统即空间光通信或接入网中，在接收侧的光收发装置1中，关于发送光信号的发送光源和LO 212的本地振荡光源的相位波动，具有针对至少一个偏振进行了相位估计而得到的估计结果即可，即使不对其他偏振进行相位估计，也能够进行相位估计。
返回图2，帧终结部25针对从相位估计部24接收到的数字电信号的OTUk帧终止帧同步或维护控制所需要的信息，根据OTUk帧对客户端接收信号进行解映射，输出信息信号即客户端接收信号。
如上所述，根据实施方式1的光收发装置1，仅具有估计接收信号的至少一个偏振的相位的相位估计部，就能够估计其他偏振的相位，因此，能够减小电路规模，能够得到能够在空间光通信或接入网那样通信距离较短的通信系统中应用数字相干接收方式这样的效果。
另外，说明了相位估计部24具有相位偏置估计部232和相位相加部233的情况，但是，只要光收发装置1的X偏振用的电路和Y偏振用的电路中的数字信号处理时间之差小到能够无视即可，相位估计部24也可以不具有相位偏置估计部232和相位相加部233。该情况下，相位补偿部(Y偏振)235将相位估计部(X偏振)231估计出的X偏振的相位直接设为Y偏振的相位而生成Ey_out并进行输出。
在相位估计部24也可以不具有相位偏置估计部232和相位相加部233的情况下，相位估计部24能够由更小的电路构成，能够得到能够进一步减小光收发装置1的电路规模这样的效果。
标号说明
1：光收发装置；2：通信路；10：发送装置；11：帧生成部；12：符号映射部；13：光调制部；20：接收装置；21：光接收前端部；211、213：偏振分束器；212：本机振荡器；214：90°光混合部；215：光/电转换器；216：放大器；22：A/D转换部；23：偏振分离部；24：相位估计部；231：相位估计部(X偏振)；232：相位偏置估计部；233：相位相加部；234：相位补偿部(X偏振)；235：相位补偿部(Y偏振)；25：帧终结部；100：光通信系统。

Claims (4)

1.一种光收发装置，其经由通信路进行光信号的收发，其中，
所述通信路是抑制了所述光信号的相位变化的通信路，
所述光收发装置具有发送装置和接收装置，
所述发送装置具有：帧生成部，其将信息信号映射到光发送用的数据帧；符号映射部，其对所述数据帧的所述信息信号进行多值调制；以及光调制部，其将由所述符号映射部进行多值调制后的所述数据帧重叠于光载波的多个偏振，由此转换为光偏振复用信号而送出到所述通信路，
所述接收装置具有：光接收前端部，其经由所述通信路从对方接收光偏振复用信号，将使所述光偏振复用信号和本机振荡器振荡出的连续波本地振荡光发生干涉而得到的光信号转换为模拟电信号；A/D转换部，其将所述模拟信号转换为数字信号；偏振分离部，其使用所述数字信号将接收到的所述光偏振复用信号分离成多个偏振信号；以及相位估计部，其根据由所述偏振分离部分离后的所述多个偏振信号，估计多个偏振中的至少一个偏振的相位，根据所述估计出的相位估计其他偏振的相位。
2.根据权利要求1所述的光收发装置，其特征在于，
所述通信路是无线的传输线路或通信距离短的有线的传输线路。
3.根据权利要求1或2所述的光收发装置，其特征在于，
所述相位估计部对估计出相位的偏振与其他偏振之间的相位偏移进行估计，根据估计出的所述相位偏移和所述估计出相位的偏振的相位，估计所述其他偏振的相位。
4.一种光收发方法，其中，
在经由抑制了光信号的相位变化的通信路向对方发送信息信号时，将所述信息信号映射到数据帧，对所述数据帧进行多值调制，将所述多值调制后的所述数据帧重叠于光载波的多个偏振，由此转换为光偏振复用信号而送出到所述通信路，
在从对方经由所述通信路接收到光偏振复用信号时，混合所述光偏振复用信号和本机振荡器振荡出的信号并将其转换为模拟信号，将所述模拟信号转换为数字信号，使用所述数字信号将接收到的所述光偏振复用信号分离成多个偏振信号，根据所述多个偏振信号，估计多个偏振中的至少一个偏振的相位，根据所述估计出的相位估计其他偏振的相位。
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