JP2004096137A - 光受信装置、光通信システム及び光受信方法 - Google Patents
光受信装置、光通信システム及び光受信方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】光分離手段による、分離ペナルティを抑圧して光受信装置の受信感度を向上させるとともに、変調方式依存性がなく、実装が容易な光通信システム、光受信装置及び光受信方法を提供することを目的とする。
【解決手段】光受信信号を複数の光信号に分離する光分離手段と、前記光信号をそれぞれ別個に電気信号に変換する光電気変換手段と、前記電気信号をそれぞれ所定の閾値に基づいてデジタルデータ信号に変換する識別器と、前記複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定して出力する経路選択手段とを備える。
【選択図】 図１
【解決手段】光受信信号を複数の光信号に分離する光分離手段と、前記光信号をそれぞれ別個に電気信号に変換する光電気変換手段と、前記電気信号をそれぞれ所定の閾値に基づいてデジタルデータ信号に変換する識別器と、前記複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定して出力する経路選択手段とを備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高速・超長距離光通信システム及びその光受信装置、光受信方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＭ／ＤＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ／ Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）方式による超高速・超長距離光通信システムでは、光受信装置の感度向上のための手段として、主に誤り訂正符号が活用されてきた。しかし、最近の急激な伝送容量／伝送距離の拡大においては、さらなる光受信装置の感度向上が必要不可欠であり、誤り訂正符号以外の簡易な受信感度向上技術が望まれている。
【０００３】
文献”Ｅｒｒｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈｏｕｔ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ｂｙ ｎｏｖｅｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｗｉｔｈ ｄｉｖｅｒｓｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ”，Ｍａｓａｈｉｔｏ Ｔｏｍｉｚａｗａ，Ｙｏｓｈｉａｋｉ Ｋｉｓａｋａ，Ａｋｉｒａ Ｈｉｒａｎｏ，Ｙｕｔａｋａ Ｍｉｙａｍｏｔｏ， ｉｎ ＯＳＡ Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｓｃ （ＴＯＰＳ） ｖｏｌ．７０， Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ， Ｐｏｓｔ−ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ （Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ， Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ ＤＣ， ２００２）， ｐｐ． ３６８−３７０．に開示された従来の光受信装置では、受信段で一つの光信号を波長分離し、その各々の光信号に対して識別器を設け、各識別器での識別結果からより確からしい方のデータを採用することで受信感度向上を図っている。
【０００４】
当該従来の光受信装置は、同一信号の波長軸上において送信信号を冗長化しているため、付加的な誤り訂正符号を用いることなく光受信装置の感度向上を図ることが可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来の光受信装置では、光信号のスペクトラムを光フィルタによって分離しているため、現実的には光フィルタでの分離ペナルティが発生しやすく、光受信装置の感度を十分に向上させることができないという課題があった。
【０００６】
また、光フィルタによる波長軸上での信号分離を行うために、光受信装置の構成が変調方式に依存するといった課題があり、さらに前記光フィルタに対する要求特性が厳しく装置構成上の制約が大きいといった課題があった。
【０００７】
本発明は以上の課題を解決するためになされたものであり、光分離手段による、分離ペナルティを抑圧して光受信装置の受信感度を向上させるとともに、変調方式依存性がなく、実装が容易な光通信システム、光受信装置及び光受信方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明に係る光受信装置は、光受信信号を複数の光信号に分離する光分離手段と、前記光信号をそれぞれ別個に電気信号に変換する光電気変換手段と、前記電気信号をそれぞれ所定の閾値に基づいてデジタルデータ信号に変換する識別手段と、前記複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定して出力する経路選択手段とを備える。
【０００９】
次の発明に係る光受信装置は、ＤＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式により変調処理された光受信信号を入力し、複数の光信号に分離する光分離手段と、前記光信号をそれぞれ別個に復調処理して差動電気信号を出力する復調手段と、前記差動電気信号をそれぞれ所定の閾値に基づいてデジタルデータ信号に変換する識別手段と、前記複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定して出力する経路選択手段とを備える。
【００１０】
次の発明に係る光受信装置は、前記識別手段のうち、少なくとも一つ以上の識別手段は、前記信号若しくは前記差動電気信号を複数の分離信号に分離し、各分離信号をそれぞれ別個にデジタルデータに変換する構成とされる。
【００１１】
次の発明に係る光受信装置は、経路選択手段から出力された最尤データを入力して誤り率を算出し、該誤り率を低下させるように各識別手段の閾値を制御する、閾値制御手段を更に備える。
【００１２】
次の発明に係る光受信装置は、前記閾値制御手段は、識別手段に設定される閾値をそれぞれ異なる値とする。
【００１３】
次の発明に係る光受信装置は、前記各光信号は略同一の光スペクトルを有する。
【００１４】
次の発明に係る光受信装置は、前記光分離手段はカプラを用いる。
【００１５】
次の発明に係る光受信装置は、前記光受信信号に含まれる雑音成分がほぼ無偏光状態であって、前記光分離手段は、偏光ビームスプリッタを用い、前記光受信信号を編波に依存して複数の光信号に分離する構成とされる。
【００１６】
次の発明に係る光受信装置は、複数の光信号が波長多重化された波長多重光信号を入力して所定波長成分を抽出し、受信対象の光信号成分と他の光信号成分の影響に基づいて生じる雑音成分とを含む抽出光信号を出力する光フィルタを更に備え、光分離手段は、前記抽出光信号を互いに光路長が異なる複数の経路に分離して出力する構成とされる。
【００１７】
次の発明に係る光通信システムは、前記段落［０００８］ないし［００１６］の何れかに記載の光受信装置を備える。
【００１８】
次の発明に係る光受信方法は、光受信信号を複数の光信号に分離する光分離工程と、前記光信号をそれぞれ別個に電気信号に変換する光電気変換工程と、前記電気信号をそれぞれ所定の閾値に基づいてデジタルデータ信号に変換する識別工程と、前記複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定して出力する経路選択工程とを備える。
【００１９】
次の発明に係る光受信方法は、ＤＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式により変調処理された光受信信号を入力し、複数の光信号に分離する光分離工程と、前記光信号をそれぞれ別個に復調処理して差動電気信号を出力する復調工程と、前記差動電気信号をそれぞれ所定の閾値に基づいてデジタルデータ信号に変換する識別工程と、前記複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定して出力する経路選択工程とを備える。
【００２０】
次の発明に係る光受信方法は、経路選択手段から出力された最尤データを入力して誤り率を算出し、該誤り率を低下させるように各識別手段の閾値を制御する、閾値制御工程を更に備える。
【００２１】
次の発明に係る光受信方法は、複数の光信号が波長多重化された波長多重光信号を入力して所定波長成分を抽出し、受信対象の光信号成分と他の光信号成分の影響に基づいて生じる雑音成分とを含む抽出光信号を出力する光フィルタリング工程を更に備え、光分離工程は、前記抽出光信号を互いに光路長が異なる複数の経路に分離して出力する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本実施の形態１の光受信装置の構成図である。図１において、１０は光入力信号を３つの経路（経路１〜経路３）に分離する光分離手段、１１ａ〜１１ｃは分離後の光入力信号を電気信号に変換する光電気変換手段、１２ａ〜１２ｃはアナログ電気信号を所定の閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ３に従ってデジタルデータ信号に変換する識別器、１３は各経路のデジタル信号から最尤データを特定して出力する経路選択手段、１４は出力データ系列の誤り特性に基づいて、各識別器の閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ３を制御する閾値制御手段である。
【００２３】
上記の通り構成される本実施の形態１の光受信装置の動作を説明する。
光通信システムにおいて光送信装置から送信された信号は、当該光受信装置に光受信信号として入力される。
光受信装置において光分離手段１０は、一般的な３ｄＢカプラが適用され、前記光受信信号を３つの経路１〜３に分離する。
【００２４】
ここで、光分離手段１０によって分離された各経路の光信号は、略同一の光スペクトルを有する。また、各光信号は互いに相関のないＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）雑音を含むことが、Ｒ． Ｈａｎｂｕｒｒｙ Ｂｒｏｗｎ及びＲ． Ｑ． Ｔｗｉｓｓの実験（Ｎａｔｕｒｅ １７７， ２７ （１９５６）； Ｐｒｏｃ． Ｒ． Ｓｏｃ． Ａ２４２， ３００ （１９５７）； ｉｂｉｄ． Ａ２４３， ２９１ （１９５８）．）により実証されている。
【００２５】
図２は前記Ｒ． Ｈａｎｂｕｒｒｙ Ｂｒｏｗｎらの実験装置の概略構成図である。
光源５０から出射された光は、光フィルタ５１を通過した後に、ハーフミラー５２によって経路１及び経路２に光分離される。分離後の光信号はそれぞれ光検出器５３ａ、５３ｂで光子検出された後、相関計測器５４において信号強度相関が計測される。
【００２６】
この実験で測定される光信号相互間の強度相関は下記式１で与えられる。
【数１】
上記式１において、Ｉ１（ｔ１）及びＩ２（ｔ２）はそれぞれ光検出器５３ａ、５３ｂで時刻ｔ１及びｔ２に測定される信号強度、Ｉ１及びＩ２はＩ１（ｔ１）及びＩ２（ｔ２）の長時間平均、ｇ（２）（ｔ）は２次のコヒーレンス（例えば、文献”Ｔｈｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ２ｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｏｘｆｏｒｄ Ｐｒｅｓｓ”，Ｒ． Ｌｏｕｄｏｎを参照のこと）、τは２つの系列の測定時間差（τ＝ｔ２−ｔ１）、＜Ａ＞は任意の集団Ａに関する集団平均値である（実際にはエルゴード理論によって時間平均値でもよい）。
【００２７】
前記２次コヒーレンスｇ（２）（ｔ）は図３に示したような特性を示し、測定時間差τが十分短い場合には前記信号強度相関（ｇ（２）（ｔ）−１）は１となって相関関係にあるが、測定時間差τが光源のコヒーレンス時間τｃより十分大きい場合には、光検出器５２ａ、５２ｂで観測される光信号の雑音強度は相互に完全無相関（ｇ（２）（ｔ）−１≒０）となる。
【００２８】
ここで、ＡＳＥ雑音のコヒーレント時間τｃは非常に短いので、通常の光通信システムで適応する範囲では、偏波あるいは波長に依存しない３ｄＢカプラを用いて光受信信号を分離した複数の光信号は、相互に無相関となることが明らかである。
光中継増幅器を用いた超長距離伝送のように光のＳＮＲ（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が伝送品質劣化に支配的な影響を与えるシステムにおいては、無相関なＡＳＥ雑音を持つ複数の光信号を用いた受信感度向上技術が有用である。
【００２９】
分離後の光信号はそれぞれ対応する光電気変換手段１１ａ〜１１ｃによってアナログの電気信号に変換する。
【００３０】
一方、閾値制御手段１４には、前記各識別器１２ａ〜１２ｃに対応した閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ３のデフォルト値が予め設定されており、光受信信号の処理開始時には当該デフォルト値を各識別器１２ａ〜１２ｃに対して出力する。
【００３１】
各識別器１２ａ〜１２ｃは、受信クロック信号再生器（図１に図示せず）によって前記光入力信号から再生されたサンプリングクロック信号を入力する。
【００３２】
識別器１２ａは、前記サンプリングクロック信号の周期（以下、サンプリング周期）毎に、アナログ電気信号と前記閾値Ｖｔｈ１とを比較して、光信号が前記閾値Ｖｔｈ１未満である場合には「０」、前記閾値Ｖｔｈ１以上である場合には「１」を出力し、デジタルデータ信号に変換する。
また識別器１２ｂ、１２ｃも、前記識別器１２ａと同様に、アナログ電気信号を閾値Ｖｔｈ２、Ｖｔｈ３に従ってデジタルデータ信号に変換する。
【００３３】
経路選択手段１３は、各経路１〜３に関するデジタルデータ信号を入力し、多数決処理を行って、最も確からしいデータ（以下、最尤データとよぶ）を特定する。
【００３４】
多数決による最尤データの特定は、例えば以下の通り行われる。
ステップ１）経路１及び経路２のデジタルデータ信号を比較して、両者が同一である場合には当該データを最尤データとして特定する。
ステップ２）経路１及び経路２のデジタルデータ信号が互いに相反する場合には、経路３のデジタルデータ信号を最尤データとして特定する。
経路選択手段１３は、各デジタルデータについて最尤データを順次特定し、出力データ系列として出力する。
【００３５】
ここで、３つの経路のが光信号が、それぞれ同じ符合間干渉を有し、同じ大きさのガウスノイズを有する場合について検討する。
【００３６】
各識別器１２ａ〜１２ｃの特性及び識別感度のばらつきは無視できるものとし、経路選択手段は常に最尤データを選択する（誤ったデータを選択することがない）ものと仮定し、各経路１〜３の光信号に含有されるガウスノイズが互いに無相関である場合において、任意のアナログ電気信号に関する識別結果が誤りである確率は、各識別器１２ａ〜１２ｃで互いに独立と考えられる。
【００３７】
このような条件下で、経路選択手段１３によって特定された最尤データが誤りとなるのは、
（１）識別器１２ａ、１２ｂがともに誤りである場合
（２）識別器１２ａ、１２ｂの何れか一方が誤りで、且つ識別器１２ｃが誤りである場合
であり、２個若しくは３個の識別器で同時に誤りが発生した場合に、最尤データが誤りとなる。
【００３８】
従って前記出力データ系列の誤り率ＢＥＲｏｕｔは、下記式２で与えられる。
ＢＥＲｏｕｔ＝（ＢＥＲｒａｗ）２＋（ＢＥＲｒａｗ）３ ・・・式２
ここで、ＢＥＲｒａｗは入力光信号を１つの識別器のみを用いた受信装置で受信した際に測定される誤り率である。
【００３９】
以上より、本実施の形態１の光受信装置の誤り率特性は、図４に示す改善効果が得られる。
ここで、各経路の光信号相互間の相関と出力データ系列の誤り率ＢＥＲｏｕｔは特性図５に示す関係を有し、相関が小さい場合に出力データ系列の誤り率ＢＥＲｏｕｔが大きく改善され、無相関の場合に誤り率ＢＥＲｏｕｔの改善効果が最大となる。
【００４０】
閾値制御手段１４は、前記出力データ系列を入力し、予め設定された観測周期毎に誤り率ＢＥＲｏｕｔを算出するとともに、前記閾値Ｖｔｈ１を変動させて試行錯誤的に誤り率ＢＥＲｏｕｔが小さくなる閾値Ｖｔｈ１を選択し識別器１２ａに対して出力する。
また閾値制御手段１４は、閾値Ｖｔｈ２及び閾値Ｖｔｈ３についても同様に前記誤り率ＢＥＲｏｕｔが小さくなるよう調節制御を行い、識別器１２ｂ、１２ｃに対して出力する。
閾値制御手段１４は、光受信信号の受信処理中にも予め設定された制御周期毎に各閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ３の調節制御を繰り返し行う。
【００４１】
以上の通り本実施の形態１の光受信装置によれば、光受信信号を入力して、雑音成分が互いに無相関な複数の光信号に分離した後にデータ識別処理を行い、複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定するような構成としたことにより、前記光受信信号似た宇する受信感度を簡易に向上して、出力データ系列の誤り率ＢＥＲｏｕｔを改善することができる。
【００４２】
また、前記出力データ系列の誤り率ＢＥＲｏｕｔが小さくなるように、各識別器の閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ３を調節制御するような構成としたことにより、伝送路の状態変動による光信号波形歪の変化に対応した最適制御を実現することができる。
【００４３】
なお、本実施の形態１において光分離手段１０は、一般的な３ｄＢカプラが適用される場合について説明したが、このような構成に限定されるものではなく、光分離手段として６ｄＢカプラ等のように他の分離比率のカプラを適用するような構成であってもよい。このように一般的なカプラを光分離手段としてもちいることにより、光受信信号をスペクトル分離するような構成と比較して、簡易な構成で複数の光信号を得ることができる。
【００４４】
また前記光分離手段は、カプラに限定されるものではなく、無偏光ビームスプリッタを用いるような構成であってもよい。更に、光受信信号に含まれる雑音成分が無偏光状態であれば、光分離手段として偏光ビームスプリッタを用いるような構成であってもよい。この場合にも、従来の光受信装置において生じていた過剰なペナルティを抑圧して光分離処理することができ、受信感度を簡易に向上することが可能となる。
【００４５】
また、本実施の形態１の光受信装置では、光受信信号を光分離手段により３つの光信号に分離してデータ識別処理するとともに、経路選択手段において多数決処理により最尤データを特定したが、光信号の分離数は３つに限定されるものでなく、例えば図６に示す通り、光受信信号を４つの光信号に分離し、経路選択手段において多数決処理により最尤データを特定するような構成であってよい。更に、光受信信号を他の分離数ｎ（ｎ＞１）の光信号に分離するような構成であっても、上記実施の形態１と同様の効果を得ることは当然可能である。
【００４６】
また、本実施の形態１の光受信装置では、各光電気変換手段から出力された電気信号をそれぞれ一つの識別器でデジタルデータ信号に変換したが、これはこのような構成に限定されるものではなく、例えば図７に示す通り、一つの電気信号を複数の分離信号に分離した後に、各分離信号をそれぞれ別個に識別処理を行ってデジタルデータ信号に変換し、経路選択手段に出力するような構成であってもよい。
更に、各電気信号を識別処理する識別器の個数は、全経路で同一である必要はなく、例えば「経路１は２つの分離信号について識別処理を行い、経路２、３はそれぞれ一つの電気信号について識別処理を行う」というように、各経路に個数の異なる識別器を配置するような構成であっても、上記実施の形態１と同様の効果を得ることは可能である。
【００４７】
実施の形態２．
図８は本実施の形態２の光受信装置の構成図である。図８において、８１ａ、８１ｂはＤＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式で変調処理された分離後の光信号を入力して復調処理を行うＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計、８２ａ、８２ｂは１ビット遅延線、８３ａ、８３ｂは前記各Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ａ、８１ｂから出力された復調処理済みの電気信号を所定の信号レベルに増幅する信号増幅手段である。
なお、本実施の形態２の光受信装置は、前記実施の形態１とは、複数のＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ａ、８１ｂを用いて光信号の復調処理を行う点が異なり、その他の構成は同様であるため、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００４８】
上記の通り構成される本実施の形態２の光受信装置の動作を説明する。
光分離手段１０は、ＤＰＳＫ変調処理された光受信信号を入力して２つの光信号（経路１及び経路２）に分離する。
【００４９】
各光信号はそれぞれ対応するＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ａ、８１ｂに入力される。なお２つのＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ａ、８１ｂは同一の構成を有し同一の信号処理を行うため、下記ではＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ａの動作のみについて説明し、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ｂは説明を省略する。
【００５０】
Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ａにおいて光電気変換手段１１ａは経路１の光信号を直接電気信号に変換して出力する。一方、光電気変換手段１１ａは１ビット遅延線８２ａを経由して入力された経路１の光信号を電気信号に変換して出力する。各電気信号は、両光電気変換手段１１ａ、１１ｂの出力端子において１ビットの遅延差が生じている。各電気信号は減算器によって差動処理された後に、信号増幅手段８３ａによって予め設定された増幅率で増幅処理される。
【００５１】
経路１について生成された増幅処理後の差動電気信号は、識別器１２ａ（設定閾値はＶｔｈ１）及び識別器１２ｃ（閾値Ｖｔｈ３）に入力される。また、上記と同様に経路２について生成された増幅処理後の差動電気信号は、識別器１２ｂ（閾値Ｖｔｈ２）及び識別器１２ｄ（閾値Ｖｔｈ４）に入力される。
【００５２】
各識別器１２ａ〜１２ｄには、閾値制御手段１４から出力されたデフォルトの閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４が設定されている。ここで、各閾値には以下の関係が成立する。
Ｖｔｈ３＝Ｖｔｈ１＋ΔＶ、Ｖｔｈ４＝Ｖｔｈ２＋ΔＶ ・・・式３
ここでΔＶは、差動電気信号の判定精度を高めるために設定される判定バイアス値であり、予備的な実験や計算機シミュレーションにより適切な値が選択される。
【００５３】
各識別器１２ａ〜１２ｄは、前述のサンプリング周期毎に、前記差動電気信号を前記閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４に従ってアナログ／デジタル変換処理しデジタルデータ信号を出力する。
【００５４】
経路選択手段１３は、上記各デジタルデータ信号を入力し、以下の方法により最も確からしいデータ（以下、最尤データとよぶ）を特定し、出力データ系列として出力する。
ステップ１）識別器１２ａ及び識別器１２ｂのデジタルデータ信号を比較して、両者が同一であるか判定する。
ステップ２）識別器１２ｃ及び識別器１２ｄのデジタルデータ信号を比較して、両者が同一であるか判定する。
ステップ３）識別器１２ａ、識別器１２ｂが同一、識別器１２ｃ、識別器１２ｄが同一であって、且つ、両デジタルデータ信号が同一である場合は、当該データを最尤データとして特定する。
ステップ４）識別器１２ａ、識別器１２ｂが同一で、且つ、識別器１２ｃ、識別器１２ｄが同一でない場合は、識別器１２ａ、識別器１２ｂのデジタルデータ信号を最尤データとして特定する。
また、識別器１２ａ、識別器１２ｂが同一でなく、且つ、識別器１２ｃ、識別器１２ｄが同一である場合は、識別器１２ｃ、識別器１２ｄのデジタルデータ信号を最尤データとして特定する。
ステップ５）識別器１２ａ、識別器１２ｂが同一、識別器１２ｃ、識別器１２ｄが同一であって、且つ、両デジタルデータ信号が同一でない場合は、所定の識別器（例えば識別器１２ａ）のデジタルデータ信号を最尤データとして特定する。
ステップ６）識別器１２ａ、識別器１２ｂが同一でなく、且つ、識別器１２ｃ、識別器１２ｄが同一でない場合は、所定の識別器のデジタルデータ信号を最尤データとして特定する。
【００５５】
閾値制御手段１４は、前記出力データ系列を入力し、予め設定された観測周期毎に誤り率ＢＥＲｏｕｔを算出するとともに、前記閾値Ｖｔｈ１及びＶｔｈ２を変動させて試行錯誤的に誤り率ＢＥＲｏｕｔが小さくなる閾値Ｖｔｈ１及びＶｔｈ２を選択し識別器１２ａ、１２ｂに対して出力する。
また閾値制御手段１４は、前記式３に従って閾値Ｖｔｈ３、Ｖｔｈ４を算出し、識別器１２ｃ、１２ｄに対して出力する。
閾値制御手段１４は、光受信信号の受信処理中にも予め設定された制御周期毎に各閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４の調節制御を繰り返し行う。
【００５６】
以上の通り本実施の形態２によれば、複数のＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計を用い、それぞれにおいて１ビット遅延した光信号を用いて復調処理を行うため、ＡＳＥ雑音の無相関性を高めることができ、光受信装置の受信感度を高めて、出力データ系列の誤り率ＢＥＲｏｕｔを改善することができる。
【００５７】
なお、本実施の形態２において各Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ａ、８１ｂは、１ビット遅延した光信号を用いて復調処理を行ったが、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計の構成はこれに限定されるものではなく、遅延ビット数の異なる複数の光信号に基づいて復調処理を行うような構成のＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計を適用することも可能である。この場合には、ＡＳＥ雑音の無相関性が高まり、光受信装置の受信感度を更に高めることができる。
【００５８】
また、光分離手段１０による光受信信号の分離数は２つに限定されるものではなく、３つ以上の光信号に分離して、それぞれについて復調・識別処理を行って、経路選択手段により最尤データの特定をおこなうような構成であってもよい。
【００５９】
また、本実施の形態２において各Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ａ、８１ｂから出力された差動電気信号は、それぞれ２つずつの識別器により識別処理されたが、これはこのような構成に限定されるものでなく、各差動電気信号について３つ以上の識別器によって識別処理されるような構成であってもよい。
【００６０】
さらに、光分離手段により光受信信号を３つ以上の光信号に分離する場合には、前記差動電気信号を１つの識別器で識別処理するような構成であっても、前記と同様の効果を得ることは当然可能である。
【００６１】
実施の形態３．
前記実施の形態１では、受信された光信号に主としてＡＳＥ雑音成分が含まれる場合について説明したが、本実施の形態３では、複数の光信号が波長多重伝送され各光信号に後述する光ビート雑音成分が含まれる場合において、当該光ビート雑音成分の影響を抑圧し、特定の光信号の受信感度を高める光受信装置について説明する。
なお、本実施の形態３の光受信装置は、前記実施の形態１とは抽出光信号に光ビート雑音成分が含まれる点が異なるものであり、その他の構成は同様であるため、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００６２】
図９は、本実施の形態３の光受信装置の構成図である。図９において、９１は複数の光信号λ１〜λ３が多重伝送された波長多重光信号、９２は波長多重光信号９１から当該光受信装置で復調処理する特定波長（λ２）の抽出光信号９３のみを抽出する光フィルタである。
【００６３】
上記の通り構成される本実施の形態３の光受信装置の動作について説明する。
光送信装置（図９に図示せず）にから多重伝送された波長多重光信号９１には、相互に波長の異なる複数の光信号λ１〜λ３が含まれる。ここで、光伝送路上の多重化効率を向上させるために、各光信号λ１〜λ３は図９に示す通り信号成分が一部重なり合うような波長間隔で配置されるのが一般的である。
【００６４】
光フィルタ９２は、前記波長多重信号９１から、復調処理の対象となる特定の信号波長λ２を中心とする、所定の波長帯の光信号成分のみを抽出し、抽出光信号９３を出力する。
当該抽出光信号９３には、復調処理対象の光信号成分λ２の他、これに隣接配置された光信号成分λ１、λ３のコヒーレントストローク（サイドローブ成分）である、光ビート雑音成分（図９中、網掛で示す）が含まれ、光信号成分λ２に波形歪みを生じさせる。
抽出光信号９３に含まれる光ビート雑音成分は、光信号成分λ２と隣接光信号成分λ１（若しくはλ３）との間の波長間隔（周波数差）に依存して、周期的な「うなり変動」を生じる。
【００６５】
光分離手段１０は抽出光信号９３を互いに光路長が異なる経路１及び経路２に分離する。光電気変換手段１１ａ、１１ｂは経路１及び経路２の光受信信号９３をそれぞれ別個にアナログ電気信号に変換する。
【００６６】
ここで、経路１及び経路２の光路長が互いに異なるため、各光電気変換手段１１ａ、１１ｂに入力される抽出光信号９３はそれぞれうなり変動の位相が相違する。従って、各光電気変換手段１１ａ、１１ｂの入力における前記抽出光信号９３の光信号成分λ２の波形歪みは互いに異なり、各経路相互間で無相関と考えることができる。
【００６７】
次に前記実施の形態１と同様に、識別器１２ａ〜１２ｄはそれぞれ対応するアナログ電気信号を識別処理し、経路選択手段１３は各識別結果に基づいて最尤データ系列を得る。この際、各経路相互間で無相関な光ビート雑音成分の影響は抑圧され、データ系列の誤り率ＢＥＲｏｕｔを改善することができる。
【００６８】
図１０は、本実施の形態３の光受信装置を用いた場合におけるデータ系列の誤り率ＢＥＲｏｕｔの特性図である。抽出光信号９３を一つの経路について電気変換処理し一つの識別器で識別処理した従来の方法（図１０中、黒四角で示す）と比較して、本実施の形態３の光受信装置（図１０中、黒丸で示す）では、誤り率ＢＥＲｏｕｔが改善され受信感度が向上していることが明らかである。
【００６９】
以上の通り、本実施の形態３によれば、複数の光信号が波長多重伝送される場合において、光ビート雑音成分の影響を抑圧して復調対象の光信号の受信感度を向上することができる。また、コヒーレントストロークによって生じる光ビート雑音成分を補償することができるため、光通信システムにおいて、各光信号間の波長間隔を狭めて伝送多重度を高めることが可能である。
【００７０】
なお、本実施の形態３ではコヒーレントストロークに基づく光ビート雑音成分が抽出光信号に含まれる場合について説明したが、光信号に含まれる雑音成分はコヒーレントストロークに基づく光ビート雑音成分の波形歪みのみに限定されるものではなく、例えば、光ファイバの偏波モード分散などにより、異なる偏波が重ねあわせられるられことによって生じた波形歪みや、光ファイバ中の多重散乱によって生じた波形歪み等が、抽出光信号に含まれる場合にも上記と同様の効果を得ることは可能である。
【００７１】
また、上述した発明の実施の形態において、光分離された各経路の光信号は互いに無相関な雑音成分を含んでいた。
しかし、各光電気変換手段に入力される光信号の振幅が小さく、各識別器に入力されるアナログ電気信号の信号レベルが小さい場合は、電気的な熱雑音が雑音の主要因となる。このような場合には各径路の電気的な熱雑音成分は相互に無相関とみなせる。
この場合、必ずしも光分岐された各経路の光信号の雑音成分は無相関である必なく、本発明に係る光受信装置を広範に適用することが可能である。
【００７２】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、光受信信号を入力して、雑音成分が互いに無相関な複数の光信号に分離した後にデータ識別処理を行い、複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定するような構成としたことにより、前記光受信信号に対応する受信感度を簡易に向上して、出力データ系列の誤り率を改善することができる。
【００７３】
また、前記出力データ系列の誤り率が小さくなるように、各識別器の閾値を調節制御するような構成としたことにより、伝送路の状態変動による光信号波形歪の変化に適応した制御を実現して、出力データ系列の誤り率を改善することができる。
【００７４】
また、複数の光信号が波長多重伝送される光通信システムにおいて、各光信号間の波長間隔を狭めて伝送多重度を高めることが可能である。
【００７５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の光受信装置の構成図である。
【図２】Ｒ． Ｈａｎｂｕｒｒｙ Ｂｒｏｗｎらによる実験装置の構成図である。
【図３】２つに分離された光信号間の２次コヒーレンスの特性図である。
【図４】本発明の実施の形態１の光受信装置の誤り率特性を示した特性図である。
【図５】本発明の実施の形態１の光受信装置の誤り率と各光信号の相関との関係を示した特性図である。
【図６】本発明の実施の形態１の第２の光受信装置の構成図である。
【図７】本発明の実施の形態１の第３の光受信装置の構成図である。
【図８】本発明の実施の形態２の光受信装置の構成図である。
【図９】本発明の実施の形態３の光受信装置の構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態３の光受信装置の誤り率を示した特性図である。
【符号の説明】
１０ 光分離手段
１１ａ〜１１ｄ 光電気変換手段
１２ａ〜１２ｄ 識別器
１３ 経路選択手段
１４ 閾値制御手段
５０ 光源
５１、９２ 光フィルタ
５２ ハーフミラー
５３ａ、５３ｂ 光子検出器
５４ 相関計測器
８１ａ、８１ｂ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計
８２ａ、８２ｂ １ビット遅延線
８３ａ、８３ｂ 信号増幅手段
９１ 波長多重光信号
９３ 抽出光信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高速・超長距離光通信システム及びその光受信装置、光受信方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＭ／ＤＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ／ Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）方式による超高速・超長距離光通信システムでは、光受信装置の感度向上のための手段として、主に誤り訂正符号が活用されてきた。しかし、最近の急激な伝送容量／伝送距離の拡大においては、さらなる光受信装置の感度向上が必要不可欠であり、誤り訂正符号以外の簡易な受信感度向上技術が望まれている。
【０００３】
文献”Ｅｒｒｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈｏｕｔ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ｂｙ ｎｏｖｅｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｗｉｔｈ ｄｉｖｅｒｓｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ”，Ｍａｓａｈｉｔｏ Ｔｏｍｉｚａｗａ，Ｙｏｓｈｉａｋｉ Ｋｉｓａｋａ，Ａｋｉｒａ Ｈｉｒａｎｏ，Ｙｕｔａｋａ Ｍｉｙａｍｏｔｏ， ｉｎ ＯＳＡ Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｓｃ （ＴＯＰＳ） ｖｏｌ．７０， Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ， Ｐｏｓｔ−ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ （Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ， Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ ＤＣ， ２００２）， ｐｐ． ３６８−３７０．に開示された従来の光受信装置では、受信段で一つの光信号を波長分離し、その各々の光信号に対して識別器を設け、各識別器での識別結果からより確からしい方のデータを採用することで受信感度向上を図っている。
【０００４】
当該従来の光受信装置は、同一信号の波長軸上において送信信号を冗長化しているため、付加的な誤り訂正符号を用いることなく光受信装置の感度向上を図ることが可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来の光受信装置では、光信号のスペクトラムを光フィルタによって分離しているため、現実的には光フィルタでの分離ペナルティが発生しやすく、光受信装置の感度を十分に向上させることができないという課題があった。
【０００６】
また、光フィルタによる波長軸上での信号分離を行うために、光受信装置の構成が変調方式に依存するといった課題があり、さらに前記光フィルタに対する要求特性が厳しく装置構成上の制約が大きいといった課題があった。
【０００７】
本発明は以上の課題を解決するためになされたものであり、光分離手段による、分離ペナルティを抑圧して光受信装置の受信感度を向上させるとともに、変調方式依存性がなく、実装が容易な光通信システム、光受信装置及び光受信方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明に係る光受信装置は、光受信信号を複数の光信号に分離する光分離手段と、前記光信号をそれぞれ別個に電気信号に変換する光電気変換手段と、前記電気信号をそれぞれ所定の閾値に基づいてデジタルデータ信号に変換する識別手段と、前記複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定して出力する経路選択手段とを備える。
【０００９】
次の発明に係る光受信装置は、ＤＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式により変調処理された光受信信号を入力し、複数の光信号に分離する光分離手段と、前記光信号をそれぞれ別個に復調処理して差動電気信号を出力する復調手段と、前記差動電気信号をそれぞれ所定の閾値に基づいてデジタルデータ信号に変換する識別手段と、前記複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定して出力する経路選択手段とを備える。
【００１０】
次の発明に係る光受信装置は、前記識別手段のうち、少なくとも一つ以上の識別手段は、前記信号若しくは前記差動電気信号を複数の分離信号に分離し、各分離信号をそれぞれ別個にデジタルデータに変換する構成とされる。
【００１１】
次の発明に係る光受信装置は、経路選択手段から出力された最尤データを入力して誤り率を算出し、該誤り率を低下させるように各識別手段の閾値を制御する、閾値制御手段を更に備える。
【００１２】
次の発明に係る光受信装置は、前記閾値制御手段は、識別手段に設定される閾値をそれぞれ異なる値とする。
【００１３】
次の発明に係る光受信装置は、前記各光信号は略同一の光スペクトルを有する。
【００１４】
次の発明に係る光受信装置は、前記光分離手段はカプラを用いる。
【００１５】
次の発明に係る光受信装置は、前記光受信信号に含まれる雑音成分がほぼ無偏光状態であって、前記光分離手段は、偏光ビームスプリッタを用い、前記光受信信号を編波に依存して複数の光信号に分離する構成とされる。
【００１６】
次の発明に係る光受信装置は、複数の光信号が波長多重化された波長多重光信号を入力して所定波長成分を抽出し、受信対象の光信号成分と他の光信号成分の影響に基づいて生じる雑音成分とを含む抽出光信号を出力する光フィルタを更に備え、光分離手段は、前記抽出光信号を互いに光路長が異なる複数の経路に分離して出力する構成とされる。
【００１７】
次の発明に係る光通信システムは、前記段落［０００８］ないし［００１６］の何れかに記載の光受信装置を備える。
【００１８】
次の発明に係る光受信方法は、光受信信号を複数の光信号に分離する光分離工程と、前記光信号をそれぞれ別個に電気信号に変換する光電気変換工程と、前記電気信号をそれぞれ所定の閾値に基づいてデジタルデータ信号に変換する識別工程と、前記複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定して出力する経路選択工程とを備える。
【００１９】
次の発明に係る光受信方法は、ＤＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式により変調処理された光受信信号を入力し、複数の光信号に分離する光分離工程と、前記光信号をそれぞれ別個に復調処理して差動電気信号を出力する復調工程と、前記差動電気信号をそれぞれ所定の閾値に基づいてデジタルデータ信号に変換する識別工程と、前記複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定して出力する経路選択工程とを備える。
【００２０】
次の発明に係る光受信方法は、経路選択手段から出力された最尤データを入力して誤り率を算出し、該誤り率を低下させるように各識別手段の閾値を制御する、閾値制御工程を更に備える。
【００２１】
次の発明に係る光受信方法は、複数の光信号が波長多重化された波長多重光信号を入力して所定波長成分を抽出し、受信対象の光信号成分と他の光信号成分の影響に基づいて生じる雑音成分とを含む抽出光信号を出力する光フィルタリング工程を更に備え、光分離工程は、前記抽出光信号を互いに光路長が異なる複数の経路に分離して出力する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本実施の形態１の光受信装置の構成図である。図１において、１０は光入力信号を３つの経路（経路１〜経路３）に分離する光分離手段、１１ａ〜１１ｃは分離後の光入力信号を電気信号に変換する光電気変換手段、１２ａ〜１２ｃはアナログ電気信号を所定の閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ３に従ってデジタルデータ信号に変換する識別器、１３は各経路のデジタル信号から最尤データを特定して出力する経路選択手段、１４は出力データ系列の誤り特性に基づいて、各識別器の閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ３を制御する閾値制御手段である。
【００２３】
上記の通り構成される本実施の形態１の光受信装置の動作を説明する。
光通信システムにおいて光送信装置から送信された信号は、当該光受信装置に光受信信号として入力される。
光受信装置において光分離手段１０は、一般的な３ｄＢカプラが適用され、前記光受信信号を３つの経路１〜３に分離する。
【００２４】
ここで、光分離手段１０によって分離された各経路の光信号は、略同一の光スペクトルを有する。また、各光信号は互いに相関のないＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）雑音を含むことが、Ｒ． Ｈａｎｂｕｒｒｙ Ｂｒｏｗｎ及びＲ． Ｑ． Ｔｗｉｓｓの実験（Ｎａｔｕｒｅ １７７， ２７ （１９５６）； Ｐｒｏｃ． Ｒ． Ｓｏｃ． Ａ２４２， ３００ （１９５７）； ｉｂｉｄ． Ａ２４３， ２９１ （１９５８）．）により実証されている。
【００２５】
図２は前記Ｒ． Ｈａｎｂｕｒｒｙ Ｂｒｏｗｎらの実験装置の概略構成図である。
光源５０から出射された光は、光フィルタ５１を通過した後に、ハーフミラー５２によって経路１及び経路２に光分離される。分離後の光信号はそれぞれ光検出器５３ａ、５３ｂで光子検出された後、相関計測器５４において信号強度相関が計測される。
【００２６】
この実験で測定される光信号相互間の強度相関は下記式１で与えられる。
【数１】
【００２７】
前記２次コヒーレンスｇ（２）（ｔ）は図３に示したような特性を示し、測定時間差τが十分短い場合には前記信号強度相関（ｇ（２）（ｔ）−１）は１となって相関関係にあるが、測定時間差τが光源のコヒーレンス時間τｃより十分大きい場合には、光検出器５２ａ、５２ｂで観測される光信号の雑音強度は相互に完全無相関（ｇ（２）（ｔ）−１≒０）となる。
【００２８】
ここで、ＡＳＥ雑音のコヒーレント時間τｃは非常に短いので、通常の光通信システムで適応する範囲では、偏波あるいは波長に依存しない３ｄＢカプラを用いて光受信信号を分離した複数の光信号は、相互に無相関となることが明らかである。
光中継増幅器を用いた超長距離伝送のように光のＳＮＲ（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が伝送品質劣化に支配的な影響を与えるシステムにおいては、無相関なＡＳＥ雑音を持つ複数の光信号を用いた受信感度向上技術が有用である。
【００２９】
分離後の光信号はそれぞれ対応する光電気変換手段１１ａ〜１１ｃによってアナログの電気信号に変換する。
【００３０】
一方、閾値制御手段１４には、前記各識別器１２ａ〜１２ｃに対応した閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ３のデフォルト値が予め設定されており、光受信信号の処理開始時には当該デフォルト値を各識別器１２ａ〜１２ｃに対して出力する。
【００３１】
各識別器１２ａ〜１２ｃは、受信クロック信号再生器（図１に図示せず）によって前記光入力信号から再生されたサンプリングクロック信号を入力する。
【００３２】
識別器１２ａは、前記サンプリングクロック信号の周期（以下、サンプリング周期）毎に、アナログ電気信号と前記閾値Ｖｔｈ１とを比較して、光信号が前記閾値Ｖｔｈ１未満である場合には「０」、前記閾値Ｖｔｈ１以上である場合には「１」を出力し、デジタルデータ信号に変換する。
また識別器１２ｂ、１２ｃも、前記識別器１２ａと同様に、アナログ電気信号を閾値Ｖｔｈ２、Ｖｔｈ３に従ってデジタルデータ信号に変換する。
【００３３】
経路選択手段１３は、各経路１〜３に関するデジタルデータ信号を入力し、多数決処理を行って、最も確からしいデータ（以下、最尤データとよぶ）を特定する。
【００３４】
多数決による最尤データの特定は、例えば以下の通り行われる。
ステップ１）経路１及び経路２のデジタルデータ信号を比較して、両者が同一である場合には当該データを最尤データとして特定する。
ステップ２）経路１及び経路２のデジタルデータ信号が互いに相反する場合には、経路３のデジタルデータ信号を最尤データとして特定する。
経路選択手段１３は、各デジタルデータについて最尤データを順次特定し、出力データ系列として出力する。
【００３５】
ここで、３つの経路のが光信号が、それぞれ同じ符合間干渉を有し、同じ大きさのガウスノイズを有する場合について検討する。
【００３６】
各識別器１２ａ〜１２ｃの特性及び識別感度のばらつきは無視できるものとし、経路選択手段は常に最尤データを選択する（誤ったデータを選択することがない）ものと仮定し、各経路１〜３の光信号に含有されるガウスノイズが互いに無相関である場合において、任意のアナログ電気信号に関する識別結果が誤りである確率は、各識別器１２ａ〜１２ｃで互いに独立と考えられる。
【００３７】
このような条件下で、経路選択手段１３によって特定された最尤データが誤りとなるのは、
（１）識別器１２ａ、１２ｂがともに誤りである場合
（２）識別器１２ａ、１２ｂの何れか一方が誤りで、且つ識別器１２ｃが誤りである場合
であり、２個若しくは３個の識別器で同時に誤りが発生した場合に、最尤データが誤りとなる。
【００３８】
従って前記出力データ系列の誤り率ＢＥＲｏｕｔは、下記式２で与えられる。
ＢＥＲｏｕｔ＝（ＢＥＲｒａｗ）２＋（ＢＥＲｒａｗ）３ ・・・式２
ここで、ＢＥＲｒａｗは入力光信号を１つの識別器のみを用いた受信装置で受信した際に測定される誤り率である。
【００３９】
以上より、本実施の形態１の光受信装置の誤り率特性は、図４に示す改善効果が得られる。
ここで、各経路の光信号相互間の相関と出力データ系列の誤り率ＢＥＲｏｕｔは特性図５に示す関係を有し、相関が小さい場合に出力データ系列の誤り率ＢＥＲｏｕｔが大きく改善され、無相関の場合に誤り率ＢＥＲｏｕｔの改善効果が最大となる。
【００４０】
閾値制御手段１４は、前記出力データ系列を入力し、予め設定された観測周期毎に誤り率ＢＥＲｏｕｔを算出するとともに、前記閾値Ｖｔｈ１を変動させて試行錯誤的に誤り率ＢＥＲｏｕｔが小さくなる閾値Ｖｔｈ１を選択し識別器１２ａに対して出力する。
また閾値制御手段１４は、閾値Ｖｔｈ２及び閾値Ｖｔｈ３についても同様に前記誤り率ＢＥＲｏｕｔが小さくなるよう調節制御を行い、識別器１２ｂ、１２ｃに対して出力する。
閾値制御手段１４は、光受信信号の受信処理中にも予め設定された制御周期毎に各閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ３の調節制御を繰り返し行う。
【００４１】
以上の通り本実施の形態１の光受信装置によれば、光受信信号を入力して、雑音成分が互いに無相関な複数の光信号に分離した後にデータ識別処理を行い、複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定するような構成としたことにより、前記光受信信号似た宇する受信感度を簡易に向上して、出力データ系列の誤り率ＢＥＲｏｕｔを改善することができる。
【００４２】
また、前記出力データ系列の誤り率ＢＥＲｏｕｔが小さくなるように、各識別器の閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ３を調節制御するような構成としたことにより、伝送路の状態変動による光信号波形歪の変化に対応した最適制御を実現することができる。
【００４３】
なお、本実施の形態１において光分離手段１０は、一般的な３ｄＢカプラが適用される場合について説明したが、このような構成に限定されるものではなく、光分離手段として６ｄＢカプラ等のように他の分離比率のカプラを適用するような構成であってもよい。このように一般的なカプラを光分離手段としてもちいることにより、光受信信号をスペクトル分離するような構成と比較して、簡易な構成で複数の光信号を得ることができる。
【００４４】
また前記光分離手段は、カプラに限定されるものではなく、無偏光ビームスプリッタを用いるような構成であってもよい。更に、光受信信号に含まれる雑音成分が無偏光状態であれば、光分離手段として偏光ビームスプリッタを用いるような構成であってもよい。この場合にも、従来の光受信装置において生じていた過剰なペナルティを抑圧して光分離処理することができ、受信感度を簡易に向上することが可能となる。
【００４５】
また、本実施の形態１の光受信装置では、光受信信号を光分離手段により３つの光信号に分離してデータ識別処理するとともに、経路選択手段において多数決処理により最尤データを特定したが、光信号の分離数は３つに限定されるものでなく、例えば図６に示す通り、光受信信号を４つの光信号に分離し、経路選択手段において多数決処理により最尤データを特定するような構成であってよい。更に、光受信信号を他の分離数ｎ（ｎ＞１）の光信号に分離するような構成であっても、上記実施の形態１と同様の効果を得ることは当然可能である。
【００４６】
また、本実施の形態１の光受信装置では、各光電気変換手段から出力された電気信号をそれぞれ一つの識別器でデジタルデータ信号に変換したが、これはこのような構成に限定されるものではなく、例えば図７に示す通り、一つの電気信号を複数の分離信号に分離した後に、各分離信号をそれぞれ別個に識別処理を行ってデジタルデータ信号に変換し、経路選択手段に出力するような構成であってもよい。
更に、各電気信号を識別処理する識別器の個数は、全経路で同一である必要はなく、例えば「経路１は２つの分離信号について識別処理を行い、経路２、３はそれぞれ一つの電気信号について識別処理を行う」というように、各経路に個数の異なる識別器を配置するような構成であっても、上記実施の形態１と同様の効果を得ることは可能である。
【００４７】
実施の形態２．
図８は本実施の形態２の光受信装置の構成図である。図８において、８１ａ、８１ｂはＤＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式で変調処理された分離後の光信号を入力して復調処理を行うＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計、８２ａ、８２ｂは１ビット遅延線、８３ａ、８３ｂは前記各Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ａ、８１ｂから出力された復調処理済みの電気信号を所定の信号レベルに増幅する信号増幅手段である。
なお、本実施の形態２の光受信装置は、前記実施の形態１とは、複数のＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ａ、８１ｂを用いて光信号の復調処理を行う点が異なり、その他の構成は同様であるため、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００４８】
上記の通り構成される本実施の形態２の光受信装置の動作を説明する。
光分離手段１０は、ＤＰＳＫ変調処理された光受信信号を入力して２つの光信号（経路１及び経路２）に分離する。
【００４９】
各光信号はそれぞれ対応するＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ａ、８１ｂに入力される。なお２つのＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ａ、８１ｂは同一の構成を有し同一の信号処理を行うため、下記ではＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ａの動作のみについて説明し、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ｂは説明を省略する。
【００５０】
Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ａにおいて光電気変換手段１１ａは経路１の光信号を直接電気信号に変換して出力する。一方、光電気変換手段１１ａは１ビット遅延線８２ａを経由して入力された経路１の光信号を電気信号に変換して出力する。各電気信号は、両光電気変換手段１１ａ、１１ｂの出力端子において１ビットの遅延差が生じている。各電気信号は減算器によって差動処理された後に、信号増幅手段８３ａによって予め設定された増幅率で増幅処理される。
【００５１】
経路１について生成された増幅処理後の差動電気信号は、識別器１２ａ（設定閾値はＶｔｈ１）及び識別器１２ｃ（閾値Ｖｔｈ３）に入力される。また、上記と同様に経路２について生成された増幅処理後の差動電気信号は、識別器１２ｂ（閾値Ｖｔｈ２）及び識別器１２ｄ（閾値Ｖｔｈ４）に入力される。
【００５２】
各識別器１２ａ〜１２ｄには、閾値制御手段１４から出力されたデフォルトの閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４が設定されている。ここで、各閾値には以下の関係が成立する。
Ｖｔｈ３＝Ｖｔｈ１＋ΔＶ、Ｖｔｈ４＝Ｖｔｈ２＋ΔＶ ・・・式３
ここでΔＶは、差動電気信号の判定精度を高めるために設定される判定バイアス値であり、予備的な実験や計算機シミュレーションにより適切な値が選択される。
【００５３】
各識別器１２ａ〜１２ｄは、前述のサンプリング周期毎に、前記差動電気信号を前記閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４に従ってアナログ／デジタル変換処理しデジタルデータ信号を出力する。
【００５４】
経路選択手段１３は、上記各デジタルデータ信号を入力し、以下の方法により最も確からしいデータ（以下、最尤データとよぶ）を特定し、出力データ系列として出力する。
ステップ１）識別器１２ａ及び識別器１２ｂのデジタルデータ信号を比較して、両者が同一であるか判定する。
ステップ２）識別器１２ｃ及び識別器１２ｄのデジタルデータ信号を比較して、両者が同一であるか判定する。
ステップ３）識別器１２ａ、識別器１２ｂが同一、識別器１２ｃ、識別器１２ｄが同一であって、且つ、両デジタルデータ信号が同一である場合は、当該データを最尤データとして特定する。
ステップ４）識別器１２ａ、識別器１２ｂが同一で、且つ、識別器１２ｃ、識別器１２ｄが同一でない場合は、識別器１２ａ、識別器１２ｂのデジタルデータ信号を最尤データとして特定する。
また、識別器１２ａ、識別器１２ｂが同一でなく、且つ、識別器１２ｃ、識別器１２ｄが同一である場合は、識別器１２ｃ、識別器１２ｄのデジタルデータ信号を最尤データとして特定する。
ステップ５）識別器１２ａ、識別器１２ｂが同一、識別器１２ｃ、識別器１２ｄが同一であって、且つ、両デジタルデータ信号が同一でない場合は、所定の識別器（例えば識別器１２ａ）のデジタルデータ信号を最尤データとして特定する。
ステップ６）識別器１２ａ、識別器１２ｂが同一でなく、且つ、識別器１２ｃ、識別器１２ｄが同一でない場合は、所定の識別器のデジタルデータ信号を最尤データとして特定する。
【００５５】
閾値制御手段１４は、前記出力データ系列を入力し、予め設定された観測周期毎に誤り率ＢＥＲｏｕｔを算出するとともに、前記閾値Ｖｔｈ１及びＶｔｈ２を変動させて試行錯誤的に誤り率ＢＥＲｏｕｔが小さくなる閾値Ｖｔｈ１及びＶｔｈ２を選択し識別器１２ａ、１２ｂに対して出力する。
また閾値制御手段１４は、前記式３に従って閾値Ｖｔｈ３、Ｖｔｈ４を算出し、識別器１２ｃ、１２ｄに対して出力する。
閾値制御手段１４は、光受信信号の受信処理中にも予め設定された制御周期毎に各閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ４の調節制御を繰り返し行う。
【００５６】
以上の通り本実施の形態２によれば、複数のＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計を用い、それぞれにおいて１ビット遅延した光信号を用いて復調処理を行うため、ＡＳＥ雑音の無相関性を高めることができ、光受信装置の受信感度を高めて、出力データ系列の誤り率ＢＥＲｏｕｔを改善することができる。
【００５７】
なお、本実施の形態２において各Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ａ、８１ｂは、１ビット遅延した光信号を用いて復調処理を行ったが、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計の構成はこれに限定されるものではなく、遅延ビット数の異なる複数の光信号に基づいて復調処理を行うような構成のＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計を適用することも可能である。この場合には、ＡＳＥ雑音の無相関性が高まり、光受信装置の受信感度を更に高めることができる。
【００５８】
また、光分離手段１０による光受信信号の分離数は２つに限定されるものではなく、３つ以上の光信号に分離して、それぞれについて復調・識別処理を行って、経路選択手段により最尤データの特定をおこなうような構成であってもよい。
【００５９】
また、本実施の形態２において各Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計８１ａ、８１ｂから出力された差動電気信号は、それぞれ２つずつの識別器により識別処理されたが、これはこのような構成に限定されるものでなく、各差動電気信号について３つ以上の識別器によって識別処理されるような構成であってもよい。
【００６０】
さらに、光分離手段により光受信信号を３つ以上の光信号に分離する場合には、前記差動電気信号を１つの識別器で識別処理するような構成であっても、前記と同様の効果を得ることは当然可能である。
【００６１】
実施の形態３．
前記実施の形態１では、受信された光信号に主としてＡＳＥ雑音成分が含まれる場合について説明したが、本実施の形態３では、複数の光信号が波長多重伝送され各光信号に後述する光ビート雑音成分が含まれる場合において、当該光ビート雑音成分の影響を抑圧し、特定の光信号の受信感度を高める光受信装置について説明する。
なお、本実施の形態３の光受信装置は、前記実施の形態１とは抽出光信号に光ビート雑音成分が含まれる点が異なるものであり、その他の構成は同様であるため、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００６２】
図９は、本実施の形態３の光受信装置の構成図である。図９において、９１は複数の光信号λ１〜λ３が多重伝送された波長多重光信号、９２は波長多重光信号９１から当該光受信装置で復調処理する特定波長（λ２）の抽出光信号９３のみを抽出する光フィルタである。
【００６３】
上記の通り構成される本実施の形態３の光受信装置の動作について説明する。
光送信装置（図９に図示せず）にから多重伝送された波長多重光信号９１には、相互に波長の異なる複数の光信号λ１〜λ３が含まれる。ここで、光伝送路上の多重化効率を向上させるために、各光信号λ１〜λ３は図９に示す通り信号成分が一部重なり合うような波長間隔で配置されるのが一般的である。
【００６４】
光フィルタ９２は、前記波長多重信号９１から、復調処理の対象となる特定の信号波長λ２を中心とする、所定の波長帯の光信号成分のみを抽出し、抽出光信号９３を出力する。
当該抽出光信号９３には、復調処理対象の光信号成分λ２の他、これに隣接配置された光信号成分λ１、λ３のコヒーレントストローク（サイドローブ成分）である、光ビート雑音成分（図９中、網掛で示す）が含まれ、光信号成分λ２に波形歪みを生じさせる。
抽出光信号９３に含まれる光ビート雑音成分は、光信号成分λ２と隣接光信号成分λ１（若しくはλ３）との間の波長間隔（周波数差）に依存して、周期的な「うなり変動」を生じる。
【００６５】
光分離手段１０は抽出光信号９３を互いに光路長が異なる経路１及び経路２に分離する。光電気変換手段１１ａ、１１ｂは経路１及び経路２の光受信信号９３をそれぞれ別個にアナログ電気信号に変換する。
【００６６】
ここで、経路１及び経路２の光路長が互いに異なるため、各光電気変換手段１１ａ、１１ｂに入力される抽出光信号９３はそれぞれうなり変動の位相が相違する。従って、各光電気変換手段１１ａ、１１ｂの入力における前記抽出光信号９３の光信号成分λ２の波形歪みは互いに異なり、各経路相互間で無相関と考えることができる。
【００６７】
次に前記実施の形態１と同様に、識別器１２ａ〜１２ｄはそれぞれ対応するアナログ電気信号を識別処理し、経路選択手段１３は各識別結果に基づいて最尤データ系列を得る。この際、各経路相互間で無相関な光ビート雑音成分の影響は抑圧され、データ系列の誤り率ＢＥＲｏｕｔを改善することができる。
【００６８】
図１０は、本実施の形態３の光受信装置を用いた場合におけるデータ系列の誤り率ＢＥＲｏｕｔの特性図である。抽出光信号９３を一つの経路について電気変換処理し一つの識別器で識別処理した従来の方法（図１０中、黒四角で示す）と比較して、本実施の形態３の光受信装置（図１０中、黒丸で示す）では、誤り率ＢＥＲｏｕｔが改善され受信感度が向上していることが明らかである。
【００６９】
以上の通り、本実施の形態３によれば、複数の光信号が波長多重伝送される場合において、光ビート雑音成分の影響を抑圧して復調対象の光信号の受信感度を向上することができる。また、コヒーレントストロークによって生じる光ビート雑音成分を補償することができるため、光通信システムにおいて、各光信号間の波長間隔を狭めて伝送多重度を高めることが可能である。
【００７０】
なお、本実施の形態３ではコヒーレントストロークに基づく光ビート雑音成分が抽出光信号に含まれる場合について説明したが、光信号に含まれる雑音成分はコヒーレントストロークに基づく光ビート雑音成分の波形歪みのみに限定されるものではなく、例えば、光ファイバの偏波モード分散などにより、異なる偏波が重ねあわせられるられことによって生じた波形歪みや、光ファイバ中の多重散乱によって生じた波形歪み等が、抽出光信号に含まれる場合にも上記と同様の効果を得ることは可能である。
【００７１】
また、上述した発明の実施の形態において、光分離された各経路の光信号は互いに無相関な雑音成分を含んでいた。
しかし、各光電気変換手段に入力される光信号の振幅が小さく、各識別器に入力されるアナログ電気信号の信号レベルが小さい場合は、電気的な熱雑音が雑音の主要因となる。このような場合には各径路の電気的な熱雑音成分は相互に無相関とみなせる。
この場合、必ずしも光分岐された各経路の光信号の雑音成分は無相関である必なく、本発明に係る光受信装置を広範に適用することが可能である。
【００７２】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、光受信信号を入力して、雑音成分が互いに無相関な複数の光信号に分離した後にデータ識別処理を行い、複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定するような構成としたことにより、前記光受信信号に対応する受信感度を簡易に向上して、出力データ系列の誤り率を改善することができる。
【００７３】
また、前記出力データ系列の誤り率が小さくなるように、各識別器の閾値を調節制御するような構成としたことにより、伝送路の状態変動による光信号波形歪の変化に適応した制御を実現して、出力データ系列の誤り率を改善することができる。
【００７４】
また、複数の光信号が波長多重伝送される光通信システムにおいて、各光信号間の波長間隔を狭めて伝送多重度を高めることが可能である。
【００７５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の光受信装置の構成図である。
【図２】Ｒ． Ｈａｎｂｕｒｒｙ Ｂｒｏｗｎらによる実験装置の構成図である。
【図３】２つに分離された光信号間の２次コヒーレンスの特性図である。
【図４】本発明の実施の形態１の光受信装置の誤り率特性を示した特性図である。
【図５】本発明の実施の形態１の光受信装置の誤り率と各光信号の相関との関係を示した特性図である。
【図６】本発明の実施の形態１の第２の光受信装置の構成図である。
【図７】本発明の実施の形態１の第３の光受信装置の構成図である。
【図８】本発明の実施の形態２の光受信装置の構成図である。
【図９】本発明の実施の形態３の光受信装置の構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態３の光受信装置の誤り率を示した特性図である。
【符号の説明】
１０ 光分離手段
１１ａ〜１１ｄ 光電気変換手段
１２ａ〜１２ｄ 識別器
１３ 経路選択手段
１４ 閾値制御手段
５０ 光源
５１、９２ 光フィルタ
５２ ハーフミラー
５３ａ、５３ｂ 光子検出器
５４ 相関計測器
８１ａ、８１ｂ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型遅延干渉計
８２ａ、８２ｂ １ビット遅延線
８３ａ、８３ｂ 信号増幅手段
９１ 波長多重光信号
９３ 抽出光信号
Claims (14)
- 光受信信号を複数の光信号に分離する光分離手段と、
前記光信号をそれぞれ別個に電気信号に変換する光電気変換手段と、
前記電気信号をそれぞれ所定の閾値に基づいてデジタルデータ信号に変換する識別手段と、
前記複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定して出力する経路選択手段とを備えたことを特徴とする、光受信装置。 - ＤＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式により変調処理された光受信信号を入力し、複数の光信号に分離する光分離手段と、
前記光信号をそれぞれ別個に復調処理して差動電気信号を出力する復調手段と、
前記差動電気信号をそれぞれ所定の閾値に基づいてデジタルデータ信号に変換する識別手段と、
前記複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定して出力する経路選択手段とを備えたことを特徴とする、光受信装置。 - 前記識別手段のうち、少なくとも一つ以上の識別手段は、前記信号若しくは前記差動電気信号を複数の分離信号に分離し、各分離信号をそれぞれ別個にデジタルデータに変換する構成とされたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の光受信装置。
- 前記経路選択手段から出力された最尤データを入力して誤り率を算出し、該誤り率を低下させるように各識別手段の閾値を制御する、閾値制御手段を更に備えたことを特徴とする、請求項１ないし３の何れかに記載の光受信装置。
- 前記閾値制御手段は、識別手段に設定される閾値をそれぞれ異なる値とすることを特徴とする、請求項４に記載の光受信装置。
- 前記各光信号は略同一の光スペクトルを有することを特徴とする、請求項１ないし５の何れかに記載の光受信装置。
- 前記光分離手段はカプラを用いたことを特徴とする、請求項１ないし６の何れかに記載の光受信装置。
- 前記光受信信号に含まれる雑音成分がほぼ無偏光状態であって、
前記光分離手段は、偏光ビームスプリッタを用い、前記光受信信号を編波に依存して複数の光信号に分離する構成とされたこと特徴とする、請求項１ないし６の何れかに記載の光受信装置。 - 複数の光信号が波長多重化された波長多重光信号を入力して所定波長成分を抽出し、受信対象の光信号成分と他の光信号成分の影響に基づいて生じる雑音成分とを含む抽出光信号を出力する光フィルタを更に備え、
光分離手段は、前記抽出光信号を互いに光路長が異なる複数の経路に分離して出力する構成とされたことを特徴とする、請求項１ないし８の何れかに記載の光受信装置。 - 請求項１ないし９の何れかに記載の光受信装置を備えたことを特徴とする光通信システム。
- 光受信信号を複数の光信号に分離する光分離工程と、
前記光信号をそれぞれ別個に電気信号に変換する光電気変換工程と、
前記電気信号をそれぞれ所定の閾値に基づいてデジタルデータ信号に変換する識別工程と、
前記複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定して出力する経路選択工程とを備えたことを特徴とする、光通信システムの光受信方法。 - ＤＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式により変調処理された光受信信号を入力し、複数の光信号に分離する光分離工程と、
前記光信号をそれぞれ別個に復調処理して差動電気信号を出力する復調工程と、
前記差動電気信号をそれぞれ所定の閾値に基づいてデジタルデータ信号に変換する識別工程と、
前記複数のデジタルデータ信号に基づいて最尤データを特定して出力する経路選択工程とを備えたことを特徴とする、光通信システムの光受信方法。 - 経路選択手段から出力された最尤データを入力して誤り率を算出し、該誤り率を低下させるように各識別手段の閾値を制御する、閾値制御工程を更に備えたことを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の光受信方法。
- 複数の光信号が波長多重化された波長多重光信号を入力して所定波長成分を抽出し、受信対象の光信号成分と他の光信号成分の影響に基づいて生じる雑音成分とを含む抽出光信号を出力する光フィルタリング工程を更に備え、
光分離工程は、前記抽出光信号を互いに光路長が異なる複数の経路に分離して出力することを特徴とする、請求項１１ないし１３の何れかに記載の光受信方法。
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