CN114258648B - 光通信系统以及光通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供光通信系统以及光通信方法，以在数字相干传输中，能够降低在求出用于进行失真校正的传递函数的处理中产生的延迟。本发明的光通信系统在传输延迟时间小的传输信道上传输用于估计传输信道中的传递函数的导频数据，并在传输数据接收之前估计该传输信道的传递函数，将该传递函数应用于其他传输信道。

Description

光通信系统以及光通信方法
技术领域
本公开涉及进行数字相干传输的光通信系统以及光通信方法。
背景技术
近年来，随着网络使用的多样化，对传输延迟的要求提高了。在以基于算法的高频金融交易为首的计算机间的通信中，以ns～μs为单位进行数据通信/处理，即使是很小的传输延迟降低也会带来很大的影响。预计今后对延迟降低量的要求将进一步加快。
光传输系统中，由光源和传输路径产生的波长色散、偏振模色散、频率偏移、相位偏移和其他信号失真限制了传输容量的扩大。现在，通过由数字信号处理来校正信号失真的数字相干传输技术、校正由其他随机噪声引起的比特错误的纠错技术，能够进行多值度高的光传输，实现了传输容量的飞跃性的扩大。数字相干传输技术和纠错技术根据接收信号估计上述传输线路引起的信号失真和比特错误，来获得均衡信号。
为了扩大传输频带，需要高负荷的数字信号处理。传输频带和信号处理的负荷及延迟时间是折衷的关系。非专利文献1报告了在信道间部分地转用数字信号处理的失真校正，来降低信号处理的负荷。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：M.D.Feuer，L.E.Nelson，X.Zhou，S.L.Woodward，R.Isaac，B.Zhu,T.F.Taunay,M.Fishteyn,J.M.Fini and M.F.Yan,"Joint Digital SignaI ProcessingReceivers for Spatial SuperchanneIs,"IEEE Photon.Technol.Lett.Vol.24,No.21(2012)。
非专利文献2：M.Hirano，Y.Yamamoto，V.A.M.Sleifffer and T.Sasaki，“Analytical OSNR Formulation Validate with 100G-WDM experiments and OpticalSubsea Fiber Propos al，"in proceedings of OFC2013，OTu2B.6(2013)。
非专利文献3：S.Zhang，P.Y.Kam，J.Chen，and C.Yu“Bit-error rateperformance of coherent optical M-ary PSK/QAM using decision-aided maximumlikelihood phase estimation，"Optics Express，Vol.18，No.12，pp.12088-12103(2010)。
非专利文献4：T.Kodama，T.Miyazaki，and M.Hanawa"Seamless PAM-4to QPSKModulation Format Conversion at Gateway for Short-reach and Long-haulIntegrated Networks，"ECOC2018 pp.1-3(2018)。
非专利文献5：K.Kikuchi"Characterization of semiconductor-laser phasenoise and estimation of bit-error rate performance with low-speed offlinedigital coherent receivers,"Optics Express,Vol.20,No.5,pp.5291-5302(2012)。
非专利文献6：B.J.Puttnam，G.Rademacher，R.S.Luis，J.Sakaguchi，Y.Awa ji，N.Wada，"Inter-Core Skew Measurements in Temperature Controlled Multi-CoreFiber，"in proceedings of OFC2018，Tu3B.3(2018)。
发明内容
发明要解决的技术问题
然而，非专利文献1虽然降低了信号处理的负荷，但存在以下问题：难以降低在求出用于失真校正的传递函数的处理中产生的延迟。因此，本发明的目的在于提供光通信系统以及光通信方法，以在数字相干传输中，能够降低在求出用于进行失真校正的传递函数的处理中产生的延迟。
解决问题的技术手段
为了实现上述目的，本发明的光通信系统在传输延迟时间小的传输信道上传输用于估计传输信道中的传递函数的导频数据，并在传输数据接收之前估计该传输信道的传递函数，将该传递函数应用于其他传输信道。
具体地，本发明的光通信系统是进行数字相干传输的光通信系统，其特征在于，包括：
N个(N为2以上的整数)传输信道，传输用传输数据对光进行调制后的光信号；
N台接收机，连接至各个所述传输信道，用同一本振光对各个所述传输信道中传输的所述光信号进行相干检波并接收；
信号处理单元，连接至与最短传输信道连接的所述接收机，获取去除所述最短传输信道中传播的光信号的信号失真的传递函数，所述最短传输信道为所述传输信道中传输延迟时间最小的传输信道；和，
N-1台解调单元，连接至与所述传输信道中所述最短传输信道以外的其他传输信道连接的所述接收机，使用所述传递函数去除所述其他传输信道中传播的各个光信号的信号失真，并对所述传输数据进行解调。
另外，本发明的光通信方法是数字相干传输的光通信方法，其特征在于：
通过N个(N为2以上的整数)传输信道传输光信号；
用同一本振光对各个所述传输信道中传输的所述光信号进行相干检波，并用N台接收机进行接收；
获取去除最短传输信道中传播的光信号的信号失真的传递函数，所述最短传输信道为所述传输信道中传输延迟时间最小的传输信道；和，
使用所述传递函数去除所述传输信道中所述最短传输信道以外的其他传输信道中传播的各个光信号的信号失真。
本光通信系统以及本光通信方法，使用信号传输延迟时间不同的多个传输信道，在其中传输延迟时间小的传输信道中，先于其他传输信道获取信号失真校正用的传递函数。然后，将该传递函数用于其他传输信道的信号失真估计。由于在传统的数字相干传输中，在所有的传输信道上获取传递函数，因此，通过如本光通信系统以及本光通信方法那样，仅获取特定传输信道的传递函数并转用于其他传输信道，可以大幅减少传输路径整体的信号处理负荷的同时，减少信号处理时间。
优选地，在所述最短传输信道中传播的光信号的所述传输数据，是传输延迟时间比在所述其他传输信道中传播的光信号的所述传输数据小的导频数据。
本发明的光通信系统，其特征在于，还包括：单一光源；和，N台调制器，该N台调制器输出通过各个所述传输数据对所述光源同时刻输出的光进行调制后的光信号。传递函数因生成信号的光源的频率波动和相位噪声而不同。因此，为了将由导频数据确定的传递函数转用于传输数据的解调，优选地，将一个光源在同一时刻生成的光用于导频数据信号以及传输数据信号。
本发明的光通信系统以及光通信方法，其特征在于，将同时刻输出的所述本振光到达N台所述接收机中的每一个的时刻，仅偏移所述传输信道的传输延迟时间差。本光通信系统以及本光通信方法能够不依赖于传输信道的传输延迟时间差和传输距离等，不产生质量劣化地进行解调。
发明效果
本发明能够提供光通信系统以及光通信方法，以在数字相干传输中，能够降低在求出用于进行失真校正的传递函数的处理中产生的延迟。
附图说明
图1是说明本发明的光通信方法的原理的图。
图2是说明本发明的光通信系统的框图。
图3是说明本发明的光通信系统为QPSK时，相位波动与误码率的关系的图。横轴是相位波动，纵轴是误码率。
图4是说明本发明的光通信系统的特性图的图。在本特性图中，横轴是传输距离，纵轴是实现纠错界限的误码率的导频数据和传输数据的允许传输延迟时间差，用每个光源线宽表示传输距离与允许传输延迟时间差的关系。
图5是说明本发明的光通信系统的框图。
具体实施方式
将参照附图对本发明的实施方式进行描述。以下描述的实施方式是本发明的实施例，本发明并不限定于以下的实施方式。此外，在本说明书以及附图中，附图标记相同的技术特征表示彼此相同的技术特征。
以下，以N信道传输系统为例说明本发明的实施方式。N为2以上的自然数。
(实施方式1)
图1示出了本实施方式的光通信方法的概念图。相干光传输通过数字信号处理对在传输信道50中产生的信号失真进行解调。数字信号处理单元11具备：波长色散补偿单元11a、偏振分离·偏振模色散补偿单元11b以及频率偏移·相位波动补偿单元11c。通过光信号依次经过波长色散补偿单元11a、偏振分离·偏振模色散补偿单元11b和频率偏移·相位波动补偿单元11c，数字信号处理单元11确定去除信号失真的传递函数。传统的数字相干传输是对每个传输信道获取传递函数，并由解调单元获取解调信号。
本实施方式的光通信方法，使用信号延迟时间不同的不同类型的传输信道50，同时实现信号处理负荷的降低和信号处理延迟的降低。相对于传输信道50(2)～(N)，传输信道50(1)仅传输延迟时间差s较小。本光通信方法通过传输延迟时间小的导频信号来确定传递函数，将该传递函数转用于延迟接收的传输信道50(2)～(N)的数据解调。
由于不需要在传输信道(2)～(N)中进行数字信号处理，因此，相对于传统的数字相干传输，本光通信方法能够将信号处理负荷降低至1/N。在图1示例中，波长色散补偿单元11a、偏振分离·偏振模色散补偿单元11b以及频率偏移·相位波动补偿单元11c的所有功能块对应的传递函数被转用于其他传输信道的传输数据。除图1的示例以外，通过仅获取任一功能块的传递函数并转用于其他传输数据，也可以获得类似的效果。
(实施方式2)
图2是说明本实施方式的光通信系统301的框图。光通信系统301是进行数字相干传输的光通信系统，其特征在于，包括：
N个(N是2以上的整数)传输信道50，传输用传输数据对光进行调制后的光信号；
N台接收机13，连接至各个传输信道50，用同一本振光12对各个传输信道50中传输的所述光信号进行相干检波并接收；
信号处理单元11，连接至与最短传输信道50(1)连接的接收机13(1)，获取去除最短传输信道50(1)中传播的光信号的信号失真的传递函数，最短传输信道50(1)为传输信道50中传输延迟时间最小的传输信道；和，
N-1台解调单元14(2)～(N)，连接至与其他传输信道50(2)～(N)连接的接收机13(2)～(N)，使用所述传递函数去除其他传输信道50(2)～(N)中传播的各个光信号的信号失真，并对所述传输数据进行解调。
光通信系统301还包括：单一光源15；和，N台调制器16，该N台调制器16输出通过各个所述传输数据对光源15同时刻输出的光进行调制后的光信号。在数字相干传输中，传递函数因生成信号的光源的频率波动和相位噪声而不同。因此，为了将由导频数据确定的传递函数转用于传输数据的解调，优选地，将光源15在同一时刻生成的光用于导频数据信号以及传输数据信号。
调制同步单元17，使生成导频数据的光信号的调制器16(1)和生成传输数据的光信号的调制器16(2)～(N)的动作同步。由调制器16(1)调制的光信号被传输至传输信道50(1)，由调制器16(2)～(N)调制的光信号被传输至传输信道50(2)～(N)。
与传输信道50(2)～(N)相比，传输信道50(1)仅传输信道的信号从入射到接收的延迟时间s较小。传输信道50(1)中传播的导频数据的光信号被入射至接收机13(1)，传输信道50(2)～(N)中传播的传输数据的光信号被入射至接收机13(2)～(N)。
从本振光源12发射的用于相干接收的本振光，在本振光分支传输单元18中被分支为多个，并被输入至接收机13(1)～(N)。本振光与导频数据的光信号以及传输数据的光信号分别被合波，并由接收机13(1)～(N)相干接收。
接收机13(1)相干接收的导频数据，在数字信号处理单元11中执行数字信号处理的解调，并确定用于解调的传递函数。
由接收机13(2)～(N)相干接收的传输数据，被输入至信号解调用的解调单元14(2)～(N)。传递函数传送单元19将由数字信号处理单元11确定的传递函数传送至传输数据解调单元(2)～(N)。
传输数据解调单元(2)～(N)使用该传递函数补偿传输信道上产生的失真，并解调相干接收的传输数据。
此外，在上述描述中，尽管描述了传输信道50(1)仅传输导频数据，但是传输信道50(1)也可以以与导频数据接续的形式传输传输数据。也就是说，光通信系统301还包括：解调单元14(1)，连接至最短传输信道50(1)，使用所述传递函数去除最短传输信道50(1)中传播的光信号的信号失真，并且对接续于所述导频数据之后的数据进行解调。
本实施方式的光通信系统中，由于在导频数据的光信号与传输数据的光信号之间产生了传输延迟时间差，因此，即使这些光信号的发送时刻相同，解调时刻也不同。因此，用于相干接收的本振光的相位在接收导频数据的光信号时和接收传输数据的光信号时可能不同。当本振光的相位不同时，通过导频数据获取的传递函数被转用于传输数据的解调时，会产生由相位失配引起的相位噪声导致的解调精度劣化。
在光通信系统的传输方式为QPSK、传输信道的损耗为0.16dB/km时，假定最大的光信噪比(OSNR；Optical Signal to Noise Ratio)。图3是表示针对每个传输路径长度，此时的比特错误率(BER)和相位噪声Δφ之间的关系的图。此处，最大OSNR基于非专利文献2进行计算，QPSK的BER特性根据非专利文献3通过以下公式求出。
[数学式1]
其中，G(Δθ、Δφ)是方差为相位噪声Δφ的正态分布。
使用冗余度为7％的Reed-Solomon(255,233)进行数字信号处理的纠错时的纠错极限(FEC极限)为BER＝3.4×10-3(例如，参照非专利文献4。)。当传输线长度为10000km、5000km和1000km时，成为该纠错极限以下的BER的允许相位噪声分别为0.057rad2、0.071rad2、0.081rad2。上述允许相位噪声的变化是由于传输线长度的延长引起的OSNR劣化导致的。
设传输数据的光信号和导频数据的光信号的传输延迟时间差为s、光源线宽为Δf，则根据非专利文献5，相位噪声比可表示为下式。
[数学式2]
Δφ＝2πΔfs
图4是以每个光源线宽度表示在作为纠错极限的BER＝3.4×10-3时，根据允许相位噪声使用数学式2求出的允许传输延迟时间差s和传输距离之间的关系的图。由于OSNR在传输距离增加时劣化且允许相位噪声降低，所以允许传输延迟时间差s减小。根据图4，例如在光源线宽10kHz以上、传输距离10000km以下的情况时，如果将传输导频数据与传输数据的传输信道之间的传输延迟时间差设为100ps/km以下，则能够抑制伴随解调时刻差的信号劣化。
(实施方式3)
实施方式1说明了同时满足减少信号处理负荷和减少伴随信号处理的延迟时间的光通信系统，进一步地，还说明了解调的质量根据传输延迟时间差与传输距离等之间的关系而变化。
本实施方式描述的光通信系统具有通过向本振光传输路径添加延迟线，来防止由于传输延迟时间差和传输距离等之间的关系而导致解调的质量变化的配置。图5是说明本实施方式的光通信系统302的图。光通信系统302，其特征在于，在图2的光通信系统301中还包括延迟器，该延迟器将同时刻输出的所述本振光到达N台所述接收机中的每一个的时刻，仅偏移所述传输信道的传输延迟时间差。
与光通信系统301同样地，光通信系统302也将光源15在同一时刻生成的光源用于导频数据的光信号以及传输数据的光信号，从导频数据的光信号中获取传递函数，转用于传输数据的解调。
调制同步单元17，使生成导频数据的光信号的调制器16(1)和生成传输数据的光信号的调制器16(2)～(N)的动作同步。由调制器16(1)调制的导频数据的光信号被传输到传输信道50(1)，由调制器16(2)～(N)调制的传输数据的光信号被传输到传输信道50(2)～(N)。传输信道50(1)中传播的导频数据的光信号被入射至接收机13(1)，传输信道50(2)～(N)中传播的传输数据的光信号被入射至接收机13(2)～(N)。
此时，传输信道50(1)与传输信道50(2)～(N)的组延迟时间特性不同，且导频数据的光信号相较于传输数据的光信号仅提前传输延迟时间差s被接收机13(1)接收。
从本振光源12出射的本振光向本振光分支传输单元18入射。本振光分支传输单元18包括延迟赋予单元18a，该延迟赋予单元18a赋予与传输延迟时间差s相对应的传播延迟时间。传输数据的光信号的相干接收所使用的本振光，经由延迟赋予单元18a被入射至接收机13(2)～(N)。另一方面，导频数据的光信号的相干接收所使用的本振光，不经由延迟赋予单元18a而被入射至接收机13(1)。
接收机13(1)将导频数据的光信号与本振光进行合波并相干接收。数字信号处理单元11确定用于解调的传递函数。传递函数传送单元19将由数字信号处理单元11确定的传递函数传送到传输数据解调单元(2)～(N)。
接收机13(2)～(N)将传输数据的光信号与延迟后的本振光进行合波并相干接收，并且将接收信号传送至传输数据解调单元(2)～(N)。传输数据解调单元(2)～(N)使用来自传递函数传送单元19的传递函数来对接收信号进行传输数据解调。
由于入射至传输数据的光信号的接收机13(2)～(N)的本振光经过延迟赋予单元18a，因此，相对于导频数据的光信号的本振光的相位与相对于传输数据的光信号的本振光的相位之间的差足够小。因此，能够抑制由实施方式1中描述的导频数据的光信号和传输数据的光信号的传输延迟时间差引起的调制精度劣化。
(其它实施方式)
可以认为，导频数据的光信号和传输数据的光信号的传输延迟时间差，随光纤铺设环境的温度变动而变化。此处，已知在使用了多芯光纤(MCF)的传输中，各纤芯的传输延迟时间差的温度变动比使用单芯光纤的多信道传输更小(例如，参照非专利文献6。)。
因此，作为上述传输信道，使用配置了两种以上具有不同光的组延迟时间特性的纤芯的MCF的各纤芯。通过将MCF的各纤心作为传输信道，各传输信道受到的环境变动被共同化，能够抑制由环境变动引起的调制精度劣化。
产业上的应用可能性
本发明可以用于相干光通信。
附图标记说明
11：信号处理单元
12：本振光源
13：接收机
14：解调单元
15：光源
16：调制器
17：调制同步单元
18：本振光分支传输单元
18a：延迟赋予单元
19：传递函数传送单元
50：传输信道
301、302：光通信系统

Claims (8)

1.光通信系统，是进行数字相干传输的光通信系统，其特征在于，包括：
N个传输信道，传输用传输数据对光进行调制后的光信号，其中，N为2以上的整数；
N台接收机，连接至各个所述传输信道，用同一本振光对各个所述传输信道中传输的所述光信号进行相干检波并接收；
信号处理单元，连接至与最短传输信道连接的所述接收机，获取去除所述最短传输信道中传播的光信号的信号失真的传递函数，所述最短传输信道为所述传输信道中传输延迟时间最小的传输信道；和，
N-1台解调单元，连接至与所述传输信道中所述最短传输信道以外的其他传输信道连接的所述接收机，使用所述传递函数去除所述其他传输信道中传播的各个光信号的信号失真，并对所述传输数据进行解调。
2.根据权利要求1所述的光通信系统，其特征在于，在所述最短传输信道中传播的光信号的所述传输数据为：
传输延迟时间比在所述其他传输信道中传播的光信号的所述传输数据小的导频数据。
3.根据权利要求1所述的光通信系统，其特征在于，还包括：
单一光源；和，
N台调制器，该N台调制器输出通过各个所述传输数据对所述光源同时刻输出的光进行调制后的光信号。
4.根据权利要求1所述的光通信系统，其特征在于，还包括延迟器，该延迟器将同时刻输出的所述本振光到达N台所述接收机中的每一个的时刻，仅偏移所述传输信道的传输延迟时间差。
5.根据权利要求2所述的光通信系统，其特征在于，还包括：第二解调单元，该第二解调单元连接至所述最短传输信道，使用所述传递函数去除所述最短传输信道中传播的光信号的信号失真的同时，对接续于所述导频数据之后的数据进行解调。
6.一种光通信方法，是数字相干传输的光通信方法，其特征在于：
通过N个传输信道传输光信号，其中，N为2以上的整数；
用同一本振光对各个所述传输信道中传输的所述光信号进行相干检波，并用N台接收机进行接收；
获取去除最短传输信道中传播的光信号的信号失真的传递函数，所述最短传输信道为所述传输信道中传输延迟时间最小的传输信道；和，
使用所述传递函数去除所述传输信道中所述最短传输信道以外的其他传输信道中传播的各个光信号的信号失真。
7.根据权利要求6所述的光通信方法，其特征在于，通过导频数据对所述最短传输信道中传输的光信号进行调制，该导频数据的传输延迟时间比对所述其他传输信道中传输的光信号进行调制的传输数据小。
8.根据权利要求6所述的光通信方法，其特征在于，将同时刻输出的所述本振光到达N台所述接收机中的每一个的时刻，仅偏移所述传输信道的传输延迟时间差。
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