JP2008099178A

JP2008099178A - 多値光位相変調回路および多値光位相変調伝送システム

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Publication number: JP2008099178A
Application number: JP2006281393A
Authority: JP
Inventors: Akihide Sano; 明秀佐野; Yutaka Miyamoto; 宮本　　裕
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2008-04-24

Abstract

【課題】ＯＡＤＭやＯＸＣを用いた高密度ＷＤＭネットワークにおいて、フィルタリング効果によるペナルティ増加を抑圧しながら、非線形効果によるペナルティも抑圧して受信感度を最適にする送信信号を生成する。
【解決手段】パワー一定の連続光を発生するＣＷ光源と、シンボルレートに等しい周波数またはシンボルレートの半分の周波数で強度変調を重畳する強度変調器と、２ⁿ値（ｎ≧２）の光位相偏移を与える多値光位相変調器とを備え、ＣＷ光源−強度変調器−多値光位相変調器、もしくは、ＣＷ光源−多値光位相変調器−強度変調器の順に直列に接続されている多値光位相変調回路における前記強度変調器の変調度を可変にする変調度調整回路を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、並列バイナリデータを多値の光位相偏移に符号化して伝送する多値光変調技術に関する。

光ファイバ伝送技術の周波数利用効率を向上する狭帯域変調方式として、光４相位相偏移変調(QPSK:Optical
Quadrature Phase-Shift Keying)方式が注目されている。また、８値、１６値などの更なる多値化も、伝送容量の拡大に向けて有力である。

このような位相変調方式では、受信感度の向上や、伝送ファイバ中で発生する自己位相変調効果(SPM:Self-Phase Modulation)や相互位相変調効果(XPM:Cross-Phase Modulation)等の非線形光学効果を抑圧するために、位相変調信号に対し、シンボルレートに等しい周波数で強度変調を重畳するＲＺ−ＤＱＰＳＫ(Return-to-Zero
Differential Phase-Shift Keying)等の方式が用いられている（例えば、非特許文献１参照）。

位相変調信号をＲＺ(Return-to-Zero)パルス化することにより、受信感度の向上や送信パワーの増加が可能となり、伝送距離の長延化が期待できる。

久保勉、松田俊哉、臼井宗一郎、松岡伸治、"４３Ｇｂｉｔ／ｓ／ｃｈＣＲＺ−ＤＱＰＳＫ信号の非線形耐力の検討"、電子情報通信学会総合大会、２００６年、Ｂ−１０−５４，ｐ３７４

しかしながら、ＲＺ−ＤＱＰＳＫ変復調方式などのＲＺパルスを用いた多値光位相変調方式には以下のような課題がある。

通信キャリアのバックボーンネットワークでは、光挿入分岐多重装置(OADM:Optical
Add-Drop Multiplexer)や光クロスコネクト装置(OXC:Optical Cross-Connect)等のノード装置が導入されているが、このようなノード装置では、光ファイバより受信した波長多重(WDM:Wavelength-Division
Multiplexing)された信号をいったん波長毎の光信号に分岐し、それぞれの信号の方路を切り替えた後に再度波長多重し、別の方路の光ファイバに送出する。

このとき、各波長の光信号は分波または合波される際に光フィルタを通過することになる。従って、波長間隔が狭い高密度ＷＤＭでは、ノード毎に光フィルタを多段に通過するため、光信号スペクトルの一部がフィルタリングされることにより、信号波形歪を生じることになる。

このフィルタリング効果は、光変調スペクトルが広がっているほど影響が大きいため、位相変調信号にＲＺ化を施した場合に、ＲＺ化による過剰なスペクトル広がりにより、かえって伝送特性を低下させてしまう可能性がある。

本発明は、このような背景の下に行われたものであって、ＯＡＤＭやＯＸＣを用いた高密度ＷＤＭネットワークにおいて、フィルタリング効果によるペナルティ増加を抑圧しながら、非線形効果によるペナルティも抑圧して受信感度を最適にする送信信号を生成することができる多値光位相変調回路および伝送システムを提供することを目的とする。

本発明は、パワー一定の連続光を発生するＣＷ光源と、シンボルレートに等しい周波数またはシンボルレートの半分の周波数で強度変調を重畳する強度変調器と、２ⁿ値（ｎ≧２）の光位相偏移を与える多値光位相変調器とを備え、ＣＷ光源−強度変調器−多値光位相変調器、もしくは、ＣＷ光源−多値光位相変調器−強度変調器の順に直列に接続されている多値光位相変調回路であって、前記強度変調器の変調度を可変にする変調度調整回路を備えたことを特徴とする。

例えば、前記多値光位相変調器は４値の光位相変調器であり、入力された光信号を２経路に分け、それぞれの光信号に対して０〜πの位相変調を付加し、一方の光信号の位相をπ／２だけずらして再び合波する構成を有する。

あるいは、前記多値光位相変調器は４値の光位相変調器であり、位相振幅がπである位相変調を印加する０〜π位相変調器と、位相振幅がπ／２である位相変調を印加する０〜π／２位相変調器とが直列に接続された構成を有することもできる。

他の表現を用いれば、本発明は、前記強度変調の変調度が０よりも大きく、１よりも小さいことを特徴とする多値光位相変調回路である。

また、本発明を多値光位相変調伝送システムとして観ることもできる。すなわち、本発明は、パワー一定の連続光を発生するＣＷ光源と、シンボルレートに等しい周波数またはシンボルレートの半分の周波数で強度変調を重畳する強度変調器と、２ⁿ値（ｎ≧２）の光位相偏移を与える多値光位相変調器とを備え、ＣＷ光源−強度変調器−多値光位相変調器、もしくは、ＣＷ光源−多値光位相変調器−強度変調器の順に直列に接続されている多値光位相変調回路と、この多値光位相変調回路からの光信号を受信する光受信回路とで構成された多値光位相変調伝送システムであって、前記強度変調器の変調度を可変にする変調度調整回路と、受信信号の符号誤り率を検出する誤り率モニタ回路と、この誤り率モニタ回路の検出結果を送信側に転送する通信回線とを備え、符号誤り率を最小にするように変調度を調整することを特徴とする。

例えば、前記多値光位相変調器は４値の位相変調器であり、入力された光信号を２経路に分け、それぞれの光信号に対して０〜πの位相変調を付加し、一方の光信号の位相をπ／２だけずらして再び合波する構成を有する。

あるいは、前記多値光位相変調器は４値の位相変調器であり、位相振幅がπである位相変調を印加する０〜π位相変調器と、位相振幅がπ／２である位相変調を印加する０〜π／２位相変調器とが直列に接続された構成を有することもできる。

他の表現を用いれば、本発明は、前記強度変調の変調度が０よりも大きく、１よりも小さいことを特徴とする多値光位相変調伝送システムである。

また、前記誤り率モニタ回路に代えて誤り訂正数モニタ回路を備え、この誤り訂正数モニタ回路により検出された誤り訂正数を最小にするように変調度を調整してもよい。

また、本発明を多値光位相変調方法として観ることもできる。すなわち、本発明は、ｎビット（ｎ≧２）の並列バイナリデータよりなる入力データを、２ⁿ値の光位相偏移に符号化して多値位相変調信号を生成し、さらにこの多値位相変調信号にシンボルレートに等しい周波数またはシンボルレートの半分の周波数で強度変調を重畳する多値光位相変調方法であって、前記強度変調の変調度が可変であることを特徴とする。

このときに、受信側の誤り率を最小にするように前記強度変調の変調度を調整することが望ましい。あるいは、受信側の誤り訂正数を最小にするように前記強度変調の変調度を調整することが望ましい。

他の表現を用いれば、本発明は、前記強度変調の変調度が０よりも大きく、１よりも小さいことを特徴とする多値光位相変調方法である。

本発明によれば、ＯＡＤＭやＯＸＣなどの狭帯域光フィルタが多段に接続された伝送系において、従来構成に比べて良好な伝送特性を実現することができる。

（第一実施例）
第一実施例を図１〜図５を参照して説明する。図１および図２は本実施例の多値光位相変調回路の構成を示す図である。本実施例では、多値光位相変調信号として、４値の位相変調方式であるＤＱＰＳＫ方式の場合を例にとって説明する。

図１に示すように、本発明の光位相変調回路は、パワー一定の連続光を発生するＣＷ光源１と、シンボルレート（Ｂ／２、Ｂ：ビットレート）の半分の周波数でＲＺ強度変調を印加する強度変調器２と、この強度変調器２の変調度を調整する変調度調整回路３と、入力された信号を２経路に分け、それぞれの光信号に対して０〜πの位相変調を付加し、一方の光信号の位相をπ／２ラジアンだけずらして再び合波する多値光位相変調器４により構成される。ここで、本実施例の特徴とするところは、変調度調整回路３を設け、強度変調器２の変調度を可変にしたところにある。図１に示すように、ＣＷ光源１−強度変調器２−多値光位相変調器４、もしくは、図２に示すように、ＣＷ光源１−多値光位相変調器４−強度変調器２の順に直列に接続されている。

次に、第一実施例における強度変調器２の駆動方法について、図３を参照しながら従来方式と対比させて説明する。通常、強度変調器２にはＭＺ(Mach-Zehnder)干渉計構成を用い、干渉計の各アームに対し、周波数がＢ／４であり位相が互いにπラジアンだけ異なり、振幅がＶ₀の駆動電圧を印加する。このとき、出力信号は、
Ｅ_out（ｔ）＝Ｅ₀ｃｏｓ（π（Ｖ₀／Ｖ_π）ｓｉｎ（π（Ｂ／２）ｔ））…（式１）
で与えられる。ここで、Ｖ_πは半波長電圧であり、振幅Ｖ₀は、変調信号のローレベルが完全に消光するために通常の駆動条件ではＶ_π／２である。

この場合の出力波形は、図３（ａ）に示すように周波数がＢ／２で、オフレベルが完全に消光するパルス列となる。これに対し、本実施例では、変調度調整回路３により、駆動振幅を
０＜Ｖ₀＜Ｖ_π／２
となるように与える。これにより変調度ｒを
０＜ｒ＜１
の範囲で可変にできる。この場合の駆動条件を図３（ｂ）に示す。このときの出力光信号は、ローレベルが完全に消光しない波形となる。

図４に、従来（図４（ａ））のＲＺパルス列を用いた光信号と、第一実施例で駆動振幅をＶ_π／４とした場合（図４（ｂ））の光スペクトル（横軸：周波数、縦軸：強度）、光波形（横軸：時間、縦軸：振幅）、および１シンボル遅延ＭＺ干渉計とバランスドレシーバにより復調した波形（横軸：時間、縦軸：振幅）とを示す。この例では、Ｂ＝４３Ｇｂｉｔ／ｓの場合を示している。光スペクトルの図からわかるように、本実施例の場合には、光スペクトルが大幅に狭くなっていることが確認できる。

ピークから２０ｄＢダウンで評価したスペクトル幅はそれぞれ７０および４０ＧＨｚであり、ほぼ半分近くまでスペクトル幅が狭窄化されている。この光スペクトルが狭帯域であるという特徴から、ＯＡＤＭやＯＸＣなどにより、狭帯域フィルタを多段に通過させた場合の伝送特性を向上させることができる。

図５に、狭帯域フィルタを多段に通過させた後の許容ＯＳＮＲの光フィルタ帯域および光フィルタのロールオフ特性に対する依存性のシミュレーション結果を示す。ここで、光信号は波長あたりの伝送速度が４３Ｇｂｉｔ／ｓであり、波長間隔５０ＧＨｚのＷＤＭ信号である。光フィルタの通過特性は、
Ｔ（ｆ）＝ｅｘｐ［−ｌｎ２｜（ｆ／（ｆ₀／２））｜^2m］…（式２）
で表されるスーパーガウシアン関数で表し、フィルタの通過帯域（ＦＷＨＭ）ｆ₀を横軸、次数ｍを縦軸にとり、１０ノード（フィルタ２０段）通過後の光信号に対し、ＢＥＲ１０^-3を達成するのに必要なＯＳＮＲを等高線によりプロットした。許容ＯＳＮＲが小さいほど、伝送特性は良好であることを示している点に注意されたい。

図５（ａ）に示すように、従来のＲＺ変調条件を用いた場合には、ｆ₀が小さく、ｍが大きいほどＯＳＮＲ耐力が向上していることがわかる。これに対し、図５（ｂ）に示すように、本発明のＲＺ変調条件では、従来方式に比べて全領域にわたって許容ＯＳＮＲが向上しており、また、等高線の間隔がより粗くなっていることから、光フィルタの帯域、ロールオフの偏差に対する許容度も大きく向上することがわかる。

以上説明したように、本発明の多値光位相変調器４を用いて、ＲＺ変調の変調度を可変にすることにより、フィルタ多段通過時の伝送特性を向上させることができる。なお、本実施例では、４値の位相変調方式を例にとって説明したが、位相偏移のレベル数が、８値、１６値とさらに多値化していった場合でも、同様に光フィルタ多段通過時の伝送特性を向上させることができることは自明である。

（第二実施例）
第二実施例を図６〜図１０を参照して説明する。図６および図７に構成例を示す。第一実施例では、強度変調器２の駆動周波数はＢ／４であり、また、多値光位相変調器４としては、２つのＭＺ変調器を並列に接続した場合の構成について説明した。本実施例では、図６および図７に示すように、強度変調器２０の駆動周波数をＢ／２とし、多値光位相変調器４０としては、２台の位相変調器４１および４２を直列に接続し、４相位相偏移変調を行う場合の構成例について説明する。図６に示すように、ＣＷ光源１−強度変調器２０−多値光位相変調器４０、もしくは、図７に示すように、ＣＷ光源１−多値光位相変調器４０−強度変調器２０の順に直列に接続されている。

強度変調器２０は、第一実施例と同様にＭＺ変調器を用い、これをＢ／２の周波数の正弦波信号により駆動する。ここで、ＲＺ強度変調の変調度を変調度調整回路３により可変としている点が本発明の特徴である。

また、位相変調に関しては、０、π／２の２値の位相変調を行う位相変調器４１と、０、πの２値の位相変調を行う位相変調器４２とを直列に接続することにより、０、π／２、π、３π／２の４値の位相偏移を実現する。

本実施例の強度変調器２０の駆動条件を図８に示す。従来のＲＺ強度変調器２０では、図８（ａ）に示すように、透過率がピークの半分になる点を中心に、透過率が最大、最小となるように、周波数Ｂ／２の正弦波信号でＲＺ強度変調器２０を駆動する。このときの出力光信号は、第一実施例の場合と同様に繰り返し周波数がＢ／２の光パルス列となる。ただし出力光パルスのデューティ比は、第一実施例では１／３であるのに対し、本実施例では１／２となる点が異なる。また、本実施例では駆動振幅はＶ_π／４である。

これに対し、本実施例では、図８（ｂ）に示すように、変調度調整回路３により駆動振幅を
０＜Ｖ₀＜Ｖ_π／４
とする。これにより、第一実施例の場合と同様に、出力光信号の光スペクトルを狭窄化することができ、光フィルタ多段通過時の伝送特性を向上させることができる。

（実施例の効果）
第一および第二実施例の多値光位相変調回路を用いることにより、伝送ファイバ中における非線形光学効果による影響も考慮した場合においても、本発明の光信号により伝送特性を向上させることができることを以下に説明する。

図９は、波長あたりの伝送速度が４３Ｇｂｉｔ／ｓ、波長間隔が５０ＧＨｚのＷＤＭ信号をファイバ伝送した場合のＶ_π／４で規格化した駆動振幅に対する許容ＯＳＮＲのシミュレーション結果を示す（横軸：規格化駆動振幅、縦軸：許容ＯＳＮＲ）。このシミュレーションでは、伝送ファイバを分散シフトファイバ（ＤＳＦ）とし、８０ｋｍごとにＯＡＤＭを通過させて、トータル１０ノード、１１スパンの伝送を実施した。ＤＳＦの分散値が１．７５および３．８５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの２つの場合の計算結果を示している。

いずれの場合にも、最適な規格化駆動振幅が存在し、分散値が１．８５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍのときは０．７、３．８５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍのときは０．４程度が最適となる。

実際の光ファイバネットワークでは、光ファイバの製造バラツキや分散スロープにより零分散値は区間毎、波長毎に様々な分散値を取り得ることから、本発明により変調度を可変にすることにより、各区間、各波長毎に最適な伝送特性を実現することができる。

（多値光位相変調伝送システムの実施例）
実際に、ＲＺ変調の変調度を最適な状態に設定するための構成例を図１０に示す。ここでは、本発明の多値光位相変調回路を含む光送信回路１０から伝送路１１を介して光受信回路１２により受信された光信号の受信側での符号誤り率（あるいは誤り訂正符号を用いる場合には誤り訂正数）を誤り率モニタ１３により検出し、その検出結果を、制御信号送信部１４から通信回線１５を介して制御信号受信部１６に送出される制御信号により変調度調整回路３に伝達し、符号誤り率（あるいは誤り訂正数）の値が最小になるように送信側の強度変調の変調度を調整することにより、最良の受信性能を実現することができる。

本発明によれば、ＯＡＤＭやＯＸＣなどの狭帯域光フィルタが多段に接続された伝送系において、従来構成に比べて良好な伝送特性を実現することができるので、光通信における通信品質の向上および光通信システム設計の自由度の向上に寄与することができる。

第一実施例の光多値位相変調回路の構成図（その１）。第一実施例の光多値位相変調回路の構成図（その２）。第一実施例のＲＺ強度変調器の駆動条件を従来と比較する図。第一実施例の光スペクトル、光波長、および復調波形を従来と比較する図。第一実施例の許容光信号雑音比の光フィルタ帯域およびロールオフに対する依存性を従来と比較する図。第二実施例の光多値位相変調回路の構成図（その１）。第二実施例の光多値位相変調回路の構成図（その２）。第二実施例のＲＺ強度変調器の駆動条件を従来と比較する図。許容ＯＳＮＲの規格化駆動振幅依存性を示す図。受信誤り率によりＲＺ駆動振幅を最適化する送受信回路構成図。

符号の説明

１ＣＷ光源
２、２０強度変調器
３変調度調整回路
１０光送信回路
１１伝送路
１２光受信回路
１３誤り率モニタ
１４制御信号送信部
１５通信回線
１６制御信号受信部
４、４０多値光位相変調器
４１、４２位相変調器

Claims

パワー一定の連続光を発生するＣＷ光源と、
シンボルレートに等しい周波数またはシンボルレートの半分の周波数で強度変調を重畳する強度変調器と、
２ⁿ値（ｎ≧２）の光位相偏移を与える多値光位相変調器と
を備え、
ＣＷ光源−強度変調器−多値光位相変調器、もしくは、ＣＷ光源−多値光位相変調器−強度変調器の順に直列に接続されている多値光位相変調回路であって、
前記強度変調器の変調度を可変にする変調度調整回路を備えたことを特徴とする多値光位相変調回路。
前記多値光位相変調器は４値の光位相変調器であり、入力された光信号を２経路に分け、それぞれの光信号に対して０〜πの位相変調を付加し、一方の光信号の位相をπ／２だけずらして再び合波する構成を有する請求項１に記載の多値光位相変調回路。
前記多値光位相変調器は４値の光位相変調器であり、位相振幅がπである位相変調を印加する０〜π位相変調器と、位相振幅がπ／２である位相変調を印加する０〜π／２位相変調器とが直列に接続された構成を有する請求項１に記載の多値光位相変調回路。
パワー一定の連続光を発生するＣＷ光源と、
シンボルレートに等しい周波数またはシンボルレートの半分の周波数で強度変調を重畳する強度変調器と、
２ⁿ値（ｎ≧２）の光位相偏移を与える多値光位相変調器と
を備え、
ＣＷ光源−強度変調器−多値光位相変調器、もしくは、ＣＷ光源−多値光位相変調器−強度変調器の順に直列に接続されている多値光位相変調回路であって、
前記強度変調の変調度が０よりも大きく、１よりも小さいことを特徴とする多値光位相変調回路。
パワー一定の連続光を発生するＣＷ光源と、
シンボルレートに等しい周波数またはシンボルレートの半分の周波数で強度変調を重畳する強度変調器と、
２ⁿ値（ｎ≧２）の光位相偏移を与える多値光位相変調器と
を備え、
ＣＷ光源−強度変調器−多値光位相変調器、もしくは、ＣＷ光源−多値光位相変調器−強度変調器の順に直列に接続されている多値光位相変調回路と、
この多値光位相変調回路からの光信号を受信する光受信回路とで構成された多値光位相変調伝送システムであって、
前記強度変調器の変調度を可変にする変調度調整回路と、
受信信号の符号誤り率を検出する誤り率モニタ回路と、
この誤り率モニタ回路の検出結果を送信側に転送する通信回線と
を備え、
符号誤り率を最小にするように変調度を調整する
ことを特徴とする多値光位相変調伝送システム。
前記多値光位相変調器は４値の位相変調器であり、入力された光信号を２経路に分け、それぞれの光信号に対して０〜πの位相変調を付加し、一方の光信号の位相をπ／２だけずらして再び合波する構成を有する請求項５に記載の多値光位相変調伝送システム。
前記多値光位相変調器は４値の位相変調器であり、位相振幅がπである位相変調を印加する０〜π位相変調器と、位相振幅がπ／２である位相変調を印加する０〜π／２位相変調器とが直列に接続された構成を有する請求項５に記載の多値光位相変調伝送システム。
パワー一定の連続光を発生するＣＷ光源と、
シンボルレートに等しい周波数またはシンボルレートの半分の周波数で強度変調を重畳する強度変調器と、
２ⁿ値（ｎ≧２）の光位相偏移を与える多値光位相変調器と
を備え、
ＣＷ光源−強度変調器−多値光位相変調器、もしくは、ＣＷ光源−多値光位相変調器−強度変調器の順に直列に接続されている多値光位相変調回路と、
この多値光位相変調回路からの光信号を受信する光受信回路とで構成された多値光位相変調伝送システムであって、
前記強度変調の変調度が０よりも大きく、１よりも小さいことを特徴とする多値光位相変調伝送システム。
前記誤り率モニタ回路に代えて誤り訂正数モニタ回路を備え、
この誤り訂正数モニタ回路により検出された誤り訂正数を最小にするように変調度を調整する
請求項５ないし７のいずれかに記載の多値光位相変調伝送システム。
ｎビット（ｎ≧２）の並列バイナリデータよりなる入力データを、２ⁿ値の光位相偏移に符号化して多値位相変調信号を生成し、さらにこの多値位相変調信号にシンボルレートに等しい周波数またはシンボルレートの半分の周波数で強度変調を重畳する多値光位相変調方法であって、
前記強度変調の変調度が可変であることを特徴とする多値光位相変調方法。
受信側の誤り率を最小にするように前記強度変調の変調度を調整する請求項１０に記載の多値光位相変調方法。
受信側の誤り訂正数を最小にするように前記強度変調の変調度を調整する請求項１０記載の多値光位相変調方法。
ｎビット（ｎ≧２）の並列バイナリデータよりなる入力データを、２ⁿ値の光位相偏移に符号化して多値位相変調信号を生成し、さらにこの多値位相変調信号にシンボルレートに等しい周波数またはシンボルレートの半分の周波数で強度変調を重畳する多値光位相変調方法であって、
前記強度変調の変調度が０よりも大きく、１よりも小さいことを特徴とする多値光位相変調方法。