JP2008529422A - 差動符号化およびバイポーラ差動検出を有する波長多重光ｃｄｍａ - Google Patents

Abstract

本発明は、一般に、差動光符号化およびバイポーラ復号化を採用する光ＣＤＭＡ送信システムおよびその方法に関する。差動符号化およびバイポーラ復号化は、ビットレベルで実施することができ、この場合、差動位相符号化および復号化は、合成信号全体に対して生じる。差動符号化およびバイポーラ復号化は、チップレベルで実施することもでき、この場合、差動位相符号化および復号化は、所与の信号の個々のスペクトル成分に対して生じる。

Description

本発明は一般に、光通信に関し、より詳細には、差動符号化および検出を採用する光符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）に関する。

過去に、データスループットの増大、エラーレートの減少、および一般的に通信チャネルの性能改善を目的として、多数の通信の仕組みが開発されてきた。周波数分割多重アクセス（ＦＤＭＡ）においては、異なるデータストリームは、送信帯域の異なる周波数における別個のチャネルに割当てられる。時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）においては、異なるデータストリームは、送信帯域の単一周波数における異なるタイムスロットに割当てられる。ＦＤＭＡおよびＴＤＭＡは、所与の送信帯域に関して、サポート可能なユーザ数および／またはデータレートの点で非常に制限される可能性がある。

多くの通信アーキテクチャにおいて、ＦＤＭＡおよびＴＤＭＡに取って代わる特に効果的な通信の仕組みは、ＣＤＭＡである。ＣＤＭＡは、複数のデータストリームまたはチャネルが、同時に単一の送信帯域を共有することを可能とする、スペクトル拡散通信の１形態である。ＣＤＭＡ形式は、複数組の人々が、同じ部屋で同時に互いに会話するカクテルパーティに似ている。このような状況にある人は誰でも理解するように、同時に多数の会話が生ずる場合、会話の中で相手の話を聞くことは、非常に困難である可能性がある。例えば、１組の話し手の声が過度に大きい場合、彼らの会話は他の会話をかき消すであろう。異なる組の人々が同じ言語で話している場合、１つの会話が同じ言語の他の会話に入り込み、聞き違いの原因となる可能性もある。一般に、他の会話全てからの背景ノイズが蓄積すると、相手の話が聞きにくくなる。目標は、他の組の会話の「ノイズ」を最小化して、各組の会話、即ち「信号」が明瞭であるように、全員が同時に通信する方法を見出すことである。

ＣＤＭＡの多重化アプローチは公知であり、Ａｎｄｒｅｗ Ｖｉｔｅｒｂｉによる「ＣＤＭＡ：スペクトル拡散通信の原理」という書籍で詳細に説明されている。この書籍は、Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙから１９９５年に出版されたものであり、本明細書に引用により明示的に組み込まれる。ＣＤＭＡの動作の詳細はＶｉｔｅｒｂｉのテキストに委ねるのが最も賢明であるが、ＣＤＭＡの基本概念のいくつかを理解することは重要である。ＣＤＭＡにおいて、送信するデータ（ユーザデータ）の帯域幅は、送信帯域の帯域幅より遥かに狭い。一意な「擬似ノイズ」キーは、ＣＤＭＡの送信帯域内のチャネルのそれぞれに割当てられる。擬似ノイズキーはガウスノイズ（例えば、「白色ノイズ」）を模倣するように選択され、また最大波長列であるように選択され、他のユーザ／チャネルからの干渉を削減する。１つの擬似ノイズキーは、所与のチャネルについてユーザデータを変調するために使用される。これは、パーティ参加者の各組に、異なる言語を割当てることと等価である。

変調中は、ユーザデータは、ＣＤＭＡ帯域の帯域幅に渡って「拡散」する。即ち、全てのチャネルは、同じ周波数帯で同時に送信される。これは、パーティ参加者の全組が、同時に会話することと等価である。送信中のノイズの入り込み、及び他のユーザからの干渉は不可避である（集合的に「ノイズ」と称する）。擬似ノイズキーの性質により、ノイズは復調中に、ユーザの信号と比較して大幅に減少する。これは、選択したチャネルを受信機が復調するときに、チャネル内のデータが「逆拡散」され、ノイズは逆拡散されないからである。したがって、データが近似的に元の帯域幅に戻り、ノイズはさらに大きな送信帯域上に拡散したままである。また、それぞれのユーザに対する電力制御を、他のユーザからのノイズの削減に役立たせることもできる。電力制御は、声の大きいパーティ参加者の声を小さくすることと等価である。

ＣＤＭＡは、無線電話（セルラー）および他の通信システムにおいて、長年に亘って商用的に利用されてきた。セルラーシステムは、一般的に８００ＭＨｚおよび２ＧＨｚの間で動作するが、個々の周波数帯は、数メガヘルツ程度の幅でもよい。セルラーＣＤＭＡの魅力的な特徴の１つは、ＦＤＭＡやＴＤＭＡと違い、所与の帯域幅内のユーザ数に、絶対的限界が理論的に存在しないということである。送信帯域に対してより多くのユーザを追加することは、単に競合するノイズが増えることを意味する。しかしながら、実際問題として、「信号対ノイズ」の比率が許容不能となるある閾値点がある。この信号対ノイズの閾値により、サポート可能な有料加入者数および／またはデータレートの点で、商用システムには現実的な制約がつけられる。したがって、技術者および科学者は、信号対ノイズ比の改善によるＣＤＭＡシステムの改善を継続的に模索している。

近年、ＣＤＭＡは、光通信ネットワークにおいて益々利用されている。光ＣＤＭＡは、セルラーＣＤＭＡと同じ汎用的原理を採用する。セルラーＣＤＭＡと異なり、光ＣＤＭＡ信号は、光周波数で変調される。それにも拘わらず、光ＣＤＭＡに対する信号対ノイズ比は、セルラーＣＤＭＡの場合と同様に重要である。過去に、光ＣＤＭＡは、オンオフキーイング（ＯＯＫ）を符号化および復号化プロセスの一部として採用してきた。しかしながら、信号対ノイズ比を増大する新規の符号化および復号化技術を開発することが望まれている。

本発明の実施態様により、光ＣＤＭＡ送信機（optical CDMA transmitter）が提供される。光ＣＤＭＡ送信機は、ＤＰＳＫ符号器（DPSK encoder）、パルス光源（optical pulse source）およびスペクトル符号器（spectral encoder）を備える。ＤＰＳＫ符号器は、入力メッセージをＤＰＳＫ符号化するために存在する。パルス光源は、ＤＰＳＫ符号化した入力メッセージにより変調される、マルチキャリア信号を生成するために存在する。スペクトル符号器は、ＤＰＳＫ符号器およびパルス光源に動作可能に接続する。スペクトル符号器は、光学変調およびＤＰＳＫ符号化した入力メッセージに対してスペクトル位相符号化を実施し、符号化信号を生成する。

１つの代替方法において、スペクトル符号器は、光学変調およびＤＰＳＫ符号化した入力メッセージのスペクトル成分に、位相シフトを適用することが望ましい。位相シフトは、固定するか、またはセキュリティを強化するために、いくつかの所定速度で動的に時間変化させてもよい。別の代替方法において、パルス源は、コヒーレント光波長多重パルス源（coherent optical multi-wavelength pulse source）を備えることが望ましい。

さらに別の代替方法において、光ＣＤＭＡ送信機はさらに、スペクトル符号器に動作可能に接続した位相変調器（phase modulator）を備えてもよく、位相変調器は、入ってくる差動符号化したデータビット列に応じて、入力光信号を差動的に位相シフトする。この場合、位相変調器は、パルス源からのキャリア信号と、ＤＰＳＫ符号器からのＤＰＳＫ符号化した入力メッセージとを受信し、光学変調およびＤＰＳＫ符号化した入力メッセージに対し差動的位相シフトを実施して中間信号を生成し、中間信号をスペクトル符号器に供給することが望ましい。

別の場合、位相変調器は、スペクトル符号器と一体であってもよい。ここで、ＤＰＳＫ符号化した入力メッセージは、複数のＤＰＳＫ符号化した入力メッセージを含むことが望ましく、位相変調器は複数の位相変調器を含み、スペクトル符号器によるスペクトル位相符号化のために、それぞれの中間信号を生成することが望ましい。

本発明の別の実施態様により、光ＣＤＭＡ送信機が提供される。送信機は、入力メッセージをＤＰＳＫ符号化する手段と、ＤＰＳＫ符号化された入力メッセージにより変調されるキャリア信号を生成する手段と、光学変調およびＤＰＳＫ符号化した入力メッセージに対してスペクトル位相符号化を実施して、符号化信号を生成する手段とを含む。

本発明のさらに別の実施態様により、光ＣＤＭＡ受信機（optical CDMA receiver）が提供される。受信機は、スペクトル復号器（spectral decoder）、ＤＰＳＫ復調器（DPSK demodulator）および光サンプラ（optical sampler）を備える。スペクトル復号器は、送信機から符号化信号を受信するため、および符号化信号に対してスペクトル位相復号化を実施するために存在する。ＤＰＳＫ復調器は、スペクトル復号器に動作可能に接続し、符号化信号に対してＤＰＳＫ復号化を実施する。光サンプラは、スペクトル復号器およびＤＰＳＫ復調器に動作可能に接続し、スペクトル位相復号化の後に符号化信号から選択チャネルを抽出する。

代替方法において、スペクトル復号器は、送信機のスペクトル位相符号器と適合する。別の代替方法において、ＤＰＳＫ復調器は、スペクトル復号器と一体であり、光サンプラは、ＤＰＳＫ複合化の後に選択チャネルを抽出する。この場合、スペクトル復号器は、選択されたデータチャネルに対する位相補正信号を生成するように、動作可能であることが望ましく、ＤＰＳＫ復号器は複数のＤＰＳＫ復号器を含み、位相補正信号を処理して差動信号（differential signal）を生成する。

別の代替方法において、受信機はさらに差動受光器（differential photoreceiver）を含むことが望ましい。この差動受光器は、選択されたチャネルに基づいて出力メッセージを生成するＤＰＳＫ復調器に動作可能に接続する。この場合、出力メッセージは電気信号を含むことが望ましい。

本発明の別の実施態様により、光ＣＤＭＡ受信機が提供される。受信機は、送信機から符号化信号を受信する手段と、符号化信号に対してスペクトル位相復号化を実施する手段と、符号化信号に対してＤＰＳＫ復調を実施する手段と、スペクトル位相復号化の後に符号化信号から選択チャネルを抽出する手段とを含む。

本発明のさらに別の実施態様により、光ＣＤＭＡ送信方法が提供される。前記送信方法は、ユーザデータを受信すること、ＤＰＳＫ符号化をユーザデータに対して実施し、ＤＰＳＫ符号化信号を生成すること、ＤＰＳＫ符号化信号を光学変調すること、およびスペクトル位相符号化をＤＰＳＫ符号化信号に対して実施することを含む。

１つの代替方法において、送信方法は、さらに位相変調をＤＰＳＫ符号化信号に対して実施することを含む。１例において、スペクトル位相符号化が位相変調の後にＤＰＳＫ符号化信号に対して実施される。別の例において、スペクトル位相符号化および位相変調は並行して実施される。

本発明のさらなる実施態様により、光ＣＤＭＡの受信方法が提供される。前記受信方法は、光ＣＤＭＡ符号化信号を受信すること、スペクトル位相復号化を光ＣＤＭＡ符号化信号に対して実施すること、ＤＰＳＫ復調を光ＣＤＭＡ符号化信号に対して実施すること、光ＣＤＭＡ符号化信号をサンプリングすること、および出力メッセージを生成することを含む。

１つの代替方法において、スペクトル位相復号化およびＤＰＳＫ復調は、並行して実施される。別の代替方法において、サンプリングは、スペクトル位相復号化の後、かつＤＰＳＫ復調の前に実施される。

本発明の態様、特徴および利点は、以下の好適な実施態様の説明と添付図面を参照して考えると理解できるだろう。図面で示した本発明の好適な実施態様の説明において、明確にするために特定の専門用語を使用する。しかしながら、本発明はそのように選択された特定の用語に制限されることを意図しておらず、選択された各用語は、同様の目的を達成するように同様に動作する技術的に等価なもの全てを含むと理解されるべきである。

図１は、光ＣＤＭＡ通信システム１００を示す。メッセージ１０２は、送信機１０４に入力される。メッセージは例えば、音声通信、画像送信、グラフィカル情報またはその他のデータでもよい。以下で説明するように、メッセージ１０２は、送信機１０４により処理されて符号化メッセージが生成され、次に符号化メッセージは、通信チャネル１０６を通って受信機１０８に到達する。受信機１０８は、符号化メッセージを受信し、以下で説明するように、符号化メッセージを処理し、次に復号化メッセージ１１０を生成する。

送信機１０４は、差動位相シフトキー（ＤＰＳＫ：differential phase shift key）符号器１１２、パルス源１１４、位相変調器１１６およびスペクトル位相符号器１１８を含むことが望ましい。ＤＰＳＫ符号器１１２は、メッセージ１０２を受信し、メッセージ１０２に対して差動位相シフトキーイング（differential phase shift keying）を実施して、差動符号化信号１２０を生成する。ＤＰＳＫ１１２は、従来の電子差動位相シフト符号器を含んでもよく、電子差動位相シフト符号器は、１つまたは複数の先行ビットに基づいてメッセージ内のビットそれぞれの位相を判定する。

差動符号化信号１２０は、位相変調器１１６に供給される。また、キャリア信号１２２も、位相変調器１１６に供給される。キャリア信号１２２は、パルス源１１４により生成されることが望ましい。キャリア信号１２２は、波長多重光信号であることが望ましく、パルス源１１４は、コヒーレント波長多重光源（coherent multi-wavelength light source）であることが望ましい。

例えば、パルス源１１４は、波長多重コム（comb）信号を与える能力のあるモードロックされたレーザでよく、コム間隔（comb spacing）はレーザ繰り返しレートに等しい。モードロックされたレーザは、半導体光増幅器、エルビウムドープファイバ増幅器（erbium-doped fiber amplifier）、または固体状態の材料に基づいた他の光増幅器を使用して構築することができる。モードロックされた状態では、明確な位相関係が、スペクトル成分それぞれの間で維持される。図２は、周波数領域においてスペクトルモードをロックすることにより、時間領域において短パルスのストリームが生成されることを示す。

図１に戻ると、位相変調器１１６は、位相変調器を通過する光の相対位相を、所与の波長で固定量だけシフトすることにより機能する。位相変調器１１６は、ＤＰＳＫ符号器１１２と連動して差動符号化信号１２０の２値光変調を実施し、キャリア信号１２２を使用して変調信号１２４を生成することが望ましい。単一のデータ信号は、変調器に適用されるのが望ましく、したがって、単一のユーザに対するデータ変調は、パルス源によって生成された全ての波長／モードに適用される。特に、差動位相符号化は、光パルスそれぞれに生じ、光パルスのそれぞれは、パルス源１１４を出て、変調信号１２４等のＤＰＳＫ符号化光信号を生成することが望ましい。例えば、位相変調器１１６は、通過する光パルスのそれぞれの位相を、先行光パルスに応じて、０または１８０度のシフトを決定してもよく、光パルスのそれぞれは、データビットを表す。言い換えると、データビットのそれぞれの位相は、先行ビットの値に応じて０または１８０度シフトすることができる。本発明の態様にかかる差動光符号化の利点は、受信機１０８における信号対ノイズ比の増加であり、これはシステムの性能を大幅に向上することができる。

ＤＰＳＫ符号器１１２および位相変調器１１６は、単一のコンポーネントであっても、または別個のコンポーネントを含んでもよい。位相変調器１１６は、データレートが最大で毎秒４０ギガビットまでの場合、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）変調器でもよい。しかしながら、コスト、データレート、ビットエラーレート等のシステム上の制約条件全体に応じて、他の電気光学装置を採用してもよい。

変調信号１２４は、スペクトル位相符号器１１８に供給される。スペクトル位相符号器１１８は、位相マスクを変調信号１２４に適用することにより、光パルスの合成信号全体に対し動作する。位相マスクは、所定の光ＣＤＭＡコード（例えば、擬似ランダム直交コード）に対応することが望ましい。スペクトル位相符号器１１８は、光信号を独立したスペクトル成分に分割し、位相マスクに基づいてスペクトル成分それぞれに対する別個の光位相シフトを導入する。スペクトル成分のそれぞれは、パルス源１１４が生成する異なる波長／モードに対応することが望ましい。それぞれのユーザまたは特定ユーザからのメッセージには、任意の所定の時点で一意な位相コードを割当てることが望ましい。したがって、適切な位相マスクを含む受信機のみが、受信側において信号をスペクトル的に復号することができるように、スペクトル成分のそれぞれは周波数領域内で一意な方法で位相符号化する。位相シフトは、固定しても、または動的に時間変化させてもよい。固定した（静的）位相シフトは、単純な遅延成分を使用して作成してもよい。遅延は、わずかな波長であることが望ましく、採用した直交ＣＤＭＡコードの特定集合により決定することが望ましい。可変位相シフトは、例えば、ニオブ酸リチウム、または同等な電気光学材料から構築された制御可能な位相成分を使用して生成された、プログラム可能な位相シフトでもよい。さらに、スペクトル成分のそれぞれは、それぞれに適用される異なる位相値を有してもよい。

スペクトル符号器１１８を実装する方法は、多数ある。例えば、回折格子型のフーリエ変換システム（例えば、光パルス整形器）または超微細光フィルタ等の、自由空間装置（free space device）を使用してもよい。あるいは、ファイバブラッグ回折格子（fiber Bragg gratings）、またはアレイ導波路回折格子等の平面光波回路を採用してもよい。位相変調器１１６に関して上述したように、コスト、データレート、ビットエラーレート等のシステム上の制約条件全体に応じて、他の装置を採用してもよい。

スペクトル位相符号器１１８は、符号化メッセージ１２６を出力し、符号化メッセージ１２６は、通信チャネル１０６を通って受信機１０８に到達する。1つの送信機１０４のみが示されているが、実際のマルチユーザ光ＣＤＭＡシステムにおいては、複数の送信機を使用することが望ましく、光信号は、パッシブ光ファイバ、または自由空間結合器等のパッシブな光結合技術を使用して、1つの多重アクセス光チャネルに結合することが望ましい。通信チャネル１０６は、多重アクセスまたはマルチユーザチャネルであることが望ましく、例えば、自由空間であるかまたは少なくとも１つの光ファイバでもよい。符号化メッセージ１２６は、通信チャネル１０６を通る送信の前または送信中に、例えば信号群を多重化すること、および／または送信信号を光送信プロセスの一部として偏光すること、またはリピータとして動作する光増幅器により増幅されることにより、さらに処理されてもよい。

受信機１０８は、スペクトル位相復号器１２８、光サンプリングゲート１３０、ＤＰＳＫ復調器１３２、および差動受光器１３４を含むことが望ましい。受信機１０８により符号化メッセージ１２６が受信されると、スペクトル位相復号器１２８は、その符号化メッセージ１２６を処理する。スペクトル位相復号器１２８は、逆の働きをすることを除けば、スペクトル位相符号器１１８と同様の一般的な方法で動作する。スペクトル位相復号器は、位相マスクを符号化メッセージ１２６に適用する。位相マスクは、送信側にあるのと同じ所定の光ＣＤＭＡコードに対応しなければならない。こうして、スペクトル位相復号器１２８は、スペクトル成分のそれぞれについて正確な位相を復元する。スペクトル位相符号器１１８の場合のように、スペクトル位相復号器１２８での位相シフトは、固定でも可変でもよく、同様に実施することができる。

スペクトル位相復号器１２８は、符号化メッセージ１２６から位相補正信号１３６を生成する。特定の信号／データチャネルを処理するこの時点において、他の位相補正信号１３６は一時的に拡散し、背景ノイズのように見える傾向がある。即ち、マッチング位相マスクを使用して符号化された信号のみが、スペクトル位相復号器１２８により復号される。

光サンプリングゲート１３０は、スペクトル位相復号器１２８が適正にチャネルを復号してから、所望のデータチャネルを抽出する。光サンプリングゲート１３０は、位相補正信号１３６のそれぞれをサンプリングし、サンプリングウィンドウから外れる位相補正信号の部分を、制御信号または光サンプリングクロック信号１３８に基づいて抑制する。サンプリングウィンドウのサイズは、光サンプリングゲートにより判定する。光サンプリングクロック信号１３８は、データ繰り返しレートで生成した短光パルスの連続列を含むことが望ましい。クロック信号は、例えば、全ユーザに利用可能なネットワーク規模のグローバルクロック信号を使用するか、またはＣＤＭＡ受信機１０８のそれぞれにおいて光クロック復元技術を使用することにより、生成することができる。位相補正信号１３６の抑制部分は、光ＣＤＭＡシステム１００の他のユーザ／信号により発生するノイズと、マルチユーザ干渉とを含む。光サンプリングウィンドウは、そのサイズが、送信帯域と抽出すべきデータパルスのサイズとに依存する、狭い一時ゲーティングウィンドウ（narrow temporal gating window）である。処理後、光サンプリングゲート１３０は、サンプリング信号（sampled signal）１４０を生成する。

光ＣＤＭＡシステムの一般的な帯域幅は、およそ数十ギガヘルツでよく、データパルスは非常に狭く、例えば、およそ数十ピコ秒以下でよい。光サンプリングゲート１３０は、様々な方法で実施することができる。ほんの１例であるが、適切な技術は、非線形ファイバ型干渉計、非線形半導体光増幅器型干渉計、四光波混合に基づいた非線形装置、および電界吸収型光変調器ゲートを含む。

ＤＰＳＫ復調器１３２は、サンプリング信号１４０に対し、バイポーラ復号化（bipolar decoding）を実施する光ＤＰＳＫ復調器であることが望ましい。このＤＰＳＫ復調器１３２は、２つの隣接データビットを光学干渉して２つの差動光信号１４２_aおよび１４２_bをもたらすことで、光復号化／復調を実施することが望ましい。差動光信号１４２_aおよび１４２_bは、互いの補完信号であることが望ましい。即ち、全ての光電力が信号１４２_aに関連付けられたポートから出る場合、信号１４２_aは信号１４２_bに関連付けられたポートには存在しない（逆も真である）。この光干渉は、アームの１つに１ビットの光学遅延を有する２アーム光干渉計構成を使用して実施することができる。例えば、マッハツェンダ光干渉計またはミケルソン光干渉計を使用してもよい。

差動受光器１３４は、２つの差動光信号１４２_aと１４２_bを受信し、その光信号から復号化メッセージ１１０を生成する。次に、復号化メッセージ１１０は、受信者（図示せず）に直接送信可能であるが、さらなる処理および／または送信技術を施してもよい。

上述の実施態様から分かるように、差動符号化およびバイポーラ復号化を、ビットレベルで実施することが可能であり、差動位相符号化および復号化は、特定の光パルスの信号全体において複合的に生ずる。送信側においては、メッセージはＤＰＳＫ符号化され、次に波長多重光源を使用して光学変調される。光学変調された合成信号は、位相変調され、次にスペクトル位相符号化を受ける。受信側においては、符号化メッセージは、スペクトル的に位相復号化される。次に、制御信号に応じて光サンプリングが実施される。サンプリング信号は、光学的にＤＰＳＫ復号化され、復号化信号を得るために処理可能な差動信号が生成される。

差動符号化およびバイポーラ復号化は、チップレベルで実施することも可能である。ここでは、差動位相符号化および復号化は、合成信号全体に対してではなく、波長多重源の個々のスペクトル成分に対して実施される。

図３は、チップレベルの差動位相符号化および復号化用の、光ＣＤＭＡ通信システム３００を示す。図示されるように、メッセージ３０２は、送信機３０４に対して入力される。メッセージは、例えば、音声通信、映像送信、グラフィカル情報またはその他のデータとすることができる。メッセージ３０２は、送信機３０４により処理され、以下で説明するように、符号化メッセージが生成され、次にその符号化メッセージは通信チャネル３０６を通って受信機３０８に到達する。受信機３０８は、符号化メッセージを受信し、以下で説明するように符号化メッセージを処理し、次に復号化メッセージ３１０を生成する。

送信機３０４は、ＤＰＳＫ符号器３１２、パルス源３１４、およびスペクトル位相符号器３１６を含むことが好ましく、複数の位相変調器３１８_l〜３１８_Nを含むことが望ましい。ＤＰＳＫ符号器３１２は、メッセージ３０２を受信し、そのメッセージ３０２に差動位相シフトキーイングを実施して、差動符号化光信号３２０を生成する。前述のように、本発明の態様にかかる差動光符号化の利点は、受信機３０８での信号対ノイズ比の増加であり、そのことでシステムの性能を大幅に向上することができる。

差動符号化信号３２０は、スペクトル位相符号器３１６に供給される。また、キャリア信号３２２も、スペクトル位相符号器３１６に供給される。キャリア信号３２２は、パルス源３１４により生成される。キャリア信号３２２は、波長多重光信号であることが望ましく、パルス源３１４は、パルス源１１４に関して上述したようにコヒーレント波長多重パルス光源であることが望ましい。

スペクトル位相符号器３１６は、位相マスクをチップレベルで、差動符号化信号３２０のそれぞれに適用する。また、差動符号化信号３２０_l〜３２０_Nのそれぞれも、位相変調器３１８_l〜３１８_Nのそれぞれにより、個別に位相変更される。位相マスクは、所定の光ＣＤＭＡコードに対応することが望ましい。スペクトル位相符号器３１６は、異なる光位相シフトを、差動符号化信号３２０のそれぞれに対して導入する。スペクトル位相成分は、特定の光ＣＤＭＡコードに対応し、それぞれのユーザまたはメッセージには、任意の時点で一意な位相コードが割当てられることが望ましい。位相シフトは、固定しても、または動的に時間変化させてもよい。固定（静的）位相シフトは、単純な遅延成分を使用して生成してもよい。この遅延は、わずかな波長であることが望ましい。可変位相シフトは、ニオブ酸リチウム、または同等な電気光学材料で構成した、制御可能な位相成分を使用して生成されたプログラム可能な位相シフトでよい。チップレベルの符号化処理は、前述のビットレベル符号化処理と比較して、他のユーザ（他のメッセージ３０２）からのノイズの抑制をさらに向上させることができる。

上述のように、スペクトル位相符号器３１６を実装する方法は、多数ある。例えば、回折格子型のフーリエ変換システム（例えば、光パルス整形器）または超微細光フィルタ等の、自由空間装置を使用してもよい。あるいは、ファイバブラッググテーチング、またはアレイ導波路格子などの平面光波回路を採用してもよい。コスト、データレート、ビットエラーレート等の、システムの制約条件全体に応じて他の装置を採用してもよい。

位相変調器３１８_l〜３１８_Nのそれぞれは、変調器自体を通過する光の相対位相を、所与の波長で固定量だけシフトすることにより機能する。例えば、それぞれのデータビットの位相は、先行ビットの値に依存して０または１８０度シフトすることができる。スペクトル位相符号器３１６および位相変調器３１８_l〜３１８_Nは、1つのコンポーネントであっても、別個のコンポーネントを備えてもよい。データレートが最大で毎秒４０ギガビットまでの場合、位相変調器３１８のそれぞれは、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）変調器を備えてもよい。しかしながら、コスト、データレート、ビットエラーレート等のシステム上の制約条件全体に応じて、他の電気光学装置を採用してもよい。

スペクトル位相符号器３１６および位相変調器３１８の組み合わせにより、符号化メッセージ３２４を出力し、符号化メッセージ３２４は、通信チャネル３０６を通って受信機３０８に到達する。1つの送信機３０４のみが示されているが、実際のマルチユーザ光ＣＤＭＡシステムにおいては、複数の送信機を使用するのが好適であり、光信号は、パッシブ光ファイバ結合器または自由空間結合器等のパッシブな光結合技術を使用して、1つの多重アクセス光チャネルに結合されることが好適であるのは当然である。通信チャネル３０６は、多重アクセスまたはマルチユーザチャネルであることが望ましく、それらは例えば、自由空間であるか、１つまたは複数の光ファイバでもよい。符号化メッセージ３２４は、通信チャネル３０６を通って送信の前または送信中に、さらに処理されてもよい。例えば、その送信処理の一部として、信号群を多重化すること、および／または送信信号を偏光することにより処理されてもよい。

受信機３０８は、スペクトル位相復号器３２６、複数のＤＰＳＫ復調器３２８_lか〜３２８_N、光サンプリングゲート３３０、および差動受光器３３２を含むことが望ましい。受信機３０８が符号化メッセージ３２４を受信すると、スペクトル位相復号器３２６は、ＤＰＳＫ復調器３２８_l〜３２８_Nと連動して、その符号化メッセージ３２４を好適に処理する。スペクトル位相復号器３２６は、前述のスペクトル位相復号器１２８と同様の一般的な方法で動作する。スペクトル位相復号器３２６は、位相マスクを符号化メッセージ３２４に適用する。位相マスクは、送信機側と同じ所定の光ＣＤＭＡコードに対応していなければならない。このようにして、スペクトル位相復号器３２６は、符号化メッセージのそれぞれの個別スペクトル成分に対して、適正な位相を復元する。

スペクトル位相符号器３１６と同様に、スペクトル位相復号器３２６における位相シフトは、固定しても、または動的に時間変化させてもよく、同様に実施してもよい。スペクトル位相符号器３１６および位相復調器３１８_l〜３１８_Nは、1つのコンポーネントでも、または別個のコンポーネントを含んでもよい。ＤＰＳＫ復調器３２８_l〜３２８_Nは、スペクトル位相復号器３２６と一体であることが望ましい。

本実施態様は、複数のＤＰＳＫ復調器３２８_l〜３２８_Nを備える。ＤＰＳＫ復調器３２８_l〜３２８_Nのそれぞれは、符号化メッセージ３２４内の選択されたデータストリームに対し、バイポーラ復号化を実施する光ＤＰＳＫ復調器であることが望ましい。ＤＰＳＫ復調器３２８_l〜３２８_Nは、所与のデータストリーム内の隣接する２つのデータビットを光学干渉して、２つの差動光信号を与えることにより、光復号化／復調を実施することが望ましい。この光学干渉は、２アーム光干渉計構成を使用して、２つのアームのうちの１つに１ビットだけ光学遅延させて実施することができる。例えば、マッハツェンダ光干渉計、またはミケルソン光干渉計を使用してもよい。スペクトル復号化およびＤＰＳＫ復調に、優先順位はない。実際、スペクトル復号化およびＤＰＳＫ復調は、ＤＰＳＫ復調に使用した２アーム光干渉計の、一方のアームに静的スペクトル位相成分または動的に時間変化するスペクトル位相成分を配置することにより、同時に実施することもできる。

１対の位相補正差動光信号３３４_aおよび３３４_bは、スペクトル位相復号器３２６およびＤＰＳＫ復調器３２８_l〜３２８_Nの組み合わせにより出力される。単一信号の処理において、この時点では、その他の位相補正信号３３４は、一時的に拡張し、背景ノイズのように見える傾向がある。

光サンプリングゲート３３０は、差動光位相補正信号３３４_aおよび３３４_bを処理する。光サンプリングゲート３３０は、差動光位相補正信号３３４_aおよび３３４_bの両方をサンプリングし、サンプリングウィンドウから外れる位相補正信号の部分を、制御信号または光サンプリングクロック３３６に基づいて抑制する。位相補正信号３３４_a‐bの抑制された部分は、光ＣＤＭＡシステム３００の他のユーザ／データストリームにより発生するノイズとマルチユーザ干渉とを含む。このサンプリングウィンドウは、狭い一時的なゲーティングウィンドウであり、そのサイズは、システムの帯域幅と、抽出されるデータパルスのサイズとに依存する。処理後、光サンプリングゲート３３０は、サンプリングした信号３３８を生成するが、位相補正信号３３４_a‐bに対応する１対の差動サンプリングした信号３３８_aおよび３３８_bの形をとることが望ましい。

光ＣＤＭＡシステムの典型的な帯域幅は、およそ数十ギガヘルツでよく、データパルスは非常に狭く、例えば、およそ数十ピコ秒以下でよい。光サンプリングゲート３３０は、様々な方法で実施することができる。ほんの一例であるが、適切な技術には、非線形ファイバ型干渉計、非線形半導体光増幅器型干渉計、四光波混合に基づく非線形装置、および電界吸収型光変調器ゲートを含む。

差動受光器３３２は、サンプリングした信号３３８（例えば、１対の差動サンプリングした信号３３８_aおよび３３８_b）を受信し、サンプリングした信号３３８から復号化メッセージ３１０を生成する。復号化メッセージ３１０は、光信号のままでもよいし、差動受光器３３２により電気信号として出力してもよい。復号化メッセージ３１０は、次に受信者（図示せず）に直接送信されてもよいし、さらに処理および／または送信技術を施されてもよい。

上述の実施態様から理解できるように、差動符号化およびバイポーラ復号化をチップレベルで実施することが可能である。メッセージは、送信側でＤＰＳＫ符号化する。ＤＰＳＫ符号化メッセージのそれぞれは、個別に位相変調され、波長多重光源を使用して光変調され、スペクトル位相符号化を受ける。多重化／合成信号は、光送信媒体を通して送信される。受信側では、符号化メッセージは、ＤＰＳＫ復号化され、スペクトル位相復号化を受ける。次に、光サンプリングクロック信号に応じて光サンプリングが実施される。サンプリングした信号が処理され、１つまたは複数の復号化メッセージを得ることができる。

図４および図５は、本発明の態様にかかるデータ符号化および復号化処理のフロー図を示す。図４は、本発明の態様にかかるスペクトル位相符号化処理を示すフロー図４００である。図４において、送信機は、ステップ４０２でユーザデータを受信する。ＤＰＳＫ符号器は、ステップ４０４においてユーザデータに対しＤＰＳＫ符号化を実施する。位相変調は、ステップ４０６において実施される。スペクトル位相符号化は、ステップ４０８において実施される。スペクトル位相符号化は、上述したように、ビットレベルまたはチップレベルで実施することができる。データ符号化処理は、ステップ４１０において終了する。

図５は、本発明の態様にかかるスペクトル位相復号化処理を示すフロー図である。スペクトル位相復号化は、ステップ５０２において実施される。ステップ５０４において、光サンプリングは、例えば光サンプリングゲート１３０または３３０により実施される。ＤＰＳＫ復調は、ステップ５０６において実施される。ステップ５０８において、例えば、差動信号を受信して復号化メッセージを含む電気信号を生成することにより、データ変換を実施してもよい。図４−５におけるステップを一定の順序で示したが、その順序は固定的なものではなく、特定のシステム構成に応じて、異なるステップを異なる順序で、または並行して実施してもよいことが理解できるだろう。ほんの一例であるが、ステップ５０６におけるＤＰＳＫ復調は、サンプリングステップの前または後で実施することができる。さらに、位相変調およびスペクトル位相符号化のステップ、および／またはスペクトル位相復号化およびＤＰＳＫ復調のステップは、並行して実施してもよい。

本発明を特定の実施態様を参照して説明してきたが、これらの実施態様は、単に本発明の原理と応用の例であることが理解できるだろう。従って、添付の特許請求の範囲が定義する本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、例示的な実施態様には多数の修正を加えることが可能であり、その他の手順を考案することができることが理解できるだろう。

本発明の実施態様にかかる通信システムを示す図である。 波長多重源についての時間および周波数領域変換を示す図である。 本発明の別の実施態様にかかる通信システムを示す図である。 本発明の態様にかかる送信方法のフロー図である。 本発明の態様にかかる受信方法のフロー図である。

Claims (24)

1. 入力メッセージをＤＰＳＫ符号化するＤＰＳＫ符号器、
   前記ＤＰＳＫ符号化した入力メッセージにより変調されるキャリア信号を生成するパルス光源、および、
   前記ＤＰＳＫ符号器および前記パルス光源に動作可能に接続したスペクトル符号器であって、前記スペクトル符号器は、前記光変調およびＤＰＳＫ符号化した入力メッセージに対して、スペクトル位相符号化を実施して、符号化信号を生成するスペクトル符号器を備えることを特徴とする光ＣＤＭＡ送信機。
2. 前記スペクトル符号器は、前記光変調およびＤＰＳＫ符号化した入力メッセージのスペクトル成分に、位相シフトを適用することを特徴とする請求項１に記載の光ＣＤＭＡ送信機。
3. 前記位相シフトは、固定されていることを特徴とする請求項２に記載の光ＣＤＭＡ送信機。
4. 前記位相シフトは、動的に時間変化することを特徴とする請求項２に記載の光ＣＤＭＡ送信機。
5. 前記スペクトル符号器に動作可能に接続された位相変調器をさらに備え、前記位相変調器は、前記ＤＰＳＫ符号化した入力メッセージに基づいて、入力された光信号を差動位相シフトすることを特徴とする請求項１に記載の光ＣＤＭＡ送信機。
6. 前記位相変調器は、前記パルス源から前記キャリア信号を受信し、前記ＤＰＳＫ符号器から前記ＤＰＳＫ符号化した入力メッセージを受信して、前記光変調およびＤＰＳＫ符号化した入力メッセージに対して、差動位相シフトを実施して中間信号を生成し、前記中間信号を前記スペクトル符号器に供給することを特徴とする請求項５に記載の光ＣＤＭＡ送信機。
7. 前記位相変調器は、前記スペクトル符号器と一体であることを特徴とする請求項５に記載の光ＣＤＭＡ送信機。
8. 前記ＤＰＳＫ符号化した入力メッセージは、複数のＤＰＳＫ符号化した入力メッセージを含み、前記位相変調器は、複数の位相変調器を含み、前記スペクトル符号器によりスペクトル位相符号化するための、それぞれの中間信号を生成することを特徴とする請求項７に記載の光ＣＤＭＡ送信機。
9. 前記パルス源は、コヒーレント波長多重パルス光源を含むことを特徴とする請求項１に記載の光ＣＤＭＡ送信機。
10. 入力メッセージをＤＰＳＫ符号化する手段、
    前記ＤＰＳＫ符号化した入力メッセージにより変調されるキャリア信号を生成する手段、および、
    前記光変調およびＤＰＳＫ符号化した入力メッセージに対して、スペクトル位相符号化を実施して符号化信号を生成する手段を備えることを特徴とする光ＣＤＭＡ送信機。
11. 送信機から符号化信号を受信し、前記符号化信号に対してスペクトル位相復号化を実施するスペクトル復号器、
    
    前記スペクトル復号器に動作可能に接続され、前記符号化信号に対してＤＰＳＫ復号化を実施するＤＰＳＫ復調器、および、
    前記スペクトル復号器および前記ＤＰＳＫ復調器に動作可能に接続され、前記スペクトル位相復号化の後に、前記符号化信号から選択チャネルを抽出する光サンプラを備えることを特徴とする光ＣＤＭＡ受信機。
12. 前記スペクトル復号器は、前記送信機のスペクトル位相符号器に適合することを特徴とする請求項１１に記載の光ＣＤＭＡ受信機。
13. 前記ＤＰＳＫ復調器は、前記スペクトル復号器と一体であり、前記光サンプラは、前記ＤＰＳＫ復号化の後に、前記選択チャネルを抽出することを特徴とする請求項１１に記載の光ＣＤＭＡ受信機。
14. 前記スペクトル復号器は、選択したデータチャネルに関する位相補正信号を生成するように動作可能であり、前記ＤＰＳＫ復調器は、複数のＤＰＳＫ復調器を備えて前記位相補正信号を処理し、差動信号を生成することを特徴とする請求項１３に記載の光ＣＤＭＡ受信機。
15. 前記ＤＰＳＫ復調器に、動作可能に接続され、出力メッセージを生成する差動受光機をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の光ＣＤＭＡ受信機。
16. 前記出力メッセージは、電気信号を含むことを特徴とする請求項１５に記載の光ＣＤＭＡ受信機。
17. 送信機から符号化信号を受信し、前記符号化信号に対してスペクトル位相復号化を実施する手段、
    前記符号化信号に対してＤＰＳＫ復調を実施する手段、および、
    前記スペクトル位相復号化の後に、前記符号化信号から選択チャネルを抽出する手段を備えることを特徴とする光ＣＤＭＡ受信機。
18. ユーザデータを受信すること、
    前記ユーザデータに対してＤＰＳＫ符号化を実施して、ＤＰＳＫ符号化信号を生成すること、
    前記ＤＰＳＫ符号化信号を光変調すること、および、
    前記ＤＰＳＫ符号化信号に対してスペクトル位相符号化を実施することを含むことを特徴とする光ＣＤＭＡ送信方法。
19. 前記ＤＰＳＫ符号化信号に対して、位相変調を実施することをさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の光ＣＤＭＡ送信方法。
20. 前記スペクトル位相符号化は、前記位相変調の後に前記ＤＰＳＫ符号化信号に対して実施されることを特徴とする請求項１９に記載の光ＣＤＭＡ送信方法。
21. 前記スペクトル位相符号化および前記位相変調は、並行して実施されることを特徴とする請求項１９に記載の光ＣＤＭＡ送信方法。
22. 光ＣＤＭＡ符号化信号を受信すること、
    前記光ＣＤＭＡ符号化信号に対してスペクトル位相復号化を実施すること、
    前記光ＣＤＭＡ符号化信号に対してＤＰＳＫ復調を実施すること、
    前記光ＣＤＭＡ符号化信号をサンプリングすること、および、
    
    出力メッセージを生成することを含むことを特徴とする光ＣＤＭＡ受信方法。
23. 前記スペクトル位相復号化および前記ＤＰＳＫ復調は、並行して実施されることを特徴とする請求項２２に記載の光ＣＤＭＡ受信方法。
24. 前記サンプリングは、前記スペクトル位相復号化の後、かつ前記ＤＰＳＫ復調の前に実施されることを特徴とする請求項２２に記載の光ＣＤＭＡ受信方法。

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