JP2008530930A

JP2008530930A - 非線形等化器を備える光通信用受信器

Info

Publication number: JP2008530930A
Application number: JP2007555649A
Authority: JP
Inventors: ゴマ，ジョセッププラット; ピエールイッジポッジオリーニ，
Original assignee: ユニベルシタートポリテクニカデカタルーニャ
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2008-08-07
Also published as: CN101142771A; ES2258924B1; ES2258924A1; US20080159757A1; WO2006087407A2; WO2006087407A3; ES2340015B1; ES2340015A1

Abstract

本発明は、非線形等化器を備える光通信用の受信器に関する。本発明は、情報搬送信号（Ｓ１）を伝播させる光ファイバ（２）の第１入力要素、光検出器ブロック（３）、非線形等化器ブロック（４）、及び最終処理器ブロック（５）を備えている。本発明は、光検出器ブロック（３）の出力と最終処理器ブロック（５）の入力の間に接続されて、光検出器（３）の二乗の非線形特性を補償する電気式非線形等化器ブロック（４）を備えることを特徴とする。これにより、光検出器ブロック及び非線形等化器ブロック（３及び４）の組が、光ファイバ（２）内の情報搬送光信号（Ｓ１）の電界包絡線と電気信号（Ｓ３）の間に線形性の連結特性を有する。この結果、最終処理器ブロック（５）は、光信号がファイバを通って送信される際に被る線形歪みを更に効率的に補償することができる。このように、本発明は、光検出プロセスの非線形的な補償及びファイバ送信の間に発生する線形歪みの線形補償を備える光受信器（１）を提供する。

Description

本発明は、情報信号を伝播させる光ファイバの入口となる第１の要素、光検出ブロック、非線形電気等化器ブロック、及び最終処理器ブロックを備えた光通信用の受信器に関する。

発明の背景
レーザ光線及び光ファイバの関連分野における進歩によって、送信チャネルとして光ファイバを用いる通信システムの達成が可能となった。これは、光の特性に基本的に依存している。
光ファイバを用いた通信システムのより基本的な構造は、情報電気信号を光の形態の情報信号に変換する機能を有する、発光器又は光送信器とも呼ばれる発光ブロックと、この光の送信チャネル、つまり光ファイバと、受信した光情報を電気信号の形態の情報に変換する機能を有する、光受信器と呼ばれる受信ブロックとにより形成されている。発光器が、例えばレーザダイオード又は発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる光源を含み、光受信器が、例えばフォトダイオード（ＰＩＮ又はＡＰＤ）又はフォトトランジスタとすることができる光検出器を含むことに注目することが重要である。発光器及び光受信器の両方は、光ファイバへの接続を可能にするコネクタを含む。

光受信器の分野では、一般的な直接検出光受信器が通常用いられ、ホモダイン及びヘテロダイン検出光受信器が知られている。
直接検出光受信器の構造は、主に光検出器と、信号を増幅及び処理する複数の回路とに基づいている。よって、受信器は、電流及び電圧が入力の光パワーに比例する電気信号に光信号を変換し、この光信号は後で処理される。

光ファイバチャネルを介した光送信器と受信器の間の光信号の送信又は伝搬は、線形及び非線形の歪み、並びにノイズ及び干渉の問題を提示し得る。線形歪みの中には色分散があり、これは、一部の波長波がそれ以外の波長波よりも早く伝達してデジタルパルスを分散させることにより、ファイバリンクの長さ及び帯域幅が必要な検出品質の制限を超えるとき、通信が崩壊するので、検出された信号が劣化する。このことは、例えば、Govind P. Agrawalによる「Fiber Optic Communication Systems」（John Wiley & Son publishers）に記載されている。
これらの線形歪みの悪影響を、光受信器システムにおける光補償器又は等化器を用いて、或いは最近では、電気式又は電子式の補償器又は等化器を用いて、補償及び最小化するいくつかの方法が開発されている。電気式のものは、現在のところ、通常わずかな補償能力しか示さないが、適応性がある、つまり、自動的に又は半自動的に異なる光リンクに適応するように再構築することができ、デジタル信号処理技術の恩恵によってコストを下げることができるという長所を有し、且つ最近では高速の光通信送信で動作可能である。これらの方法の最新の形態は、例えばT. Nielsen及びS. Chandrasekharによる「OFC 2004 workshop on optical and electronic mitigation of impairments」（the Journal of Lightwave Technology, volume 23, number 1、2005年1月、131-142頁）に記載されている。例えば、国際公開第２００４０６８７４７号パンフレット「Optical transmission method and optical transmission device」等の、これらの等化方法の一部は特許権を付与されており、この特許文献では、光接続の線形歪みが、光フーリエ変換器を用いて補償される。
線形歪みを補償する電気等化器の能力は、通常、前述の光受信器の光検出器の非線形特性によって制限される。これは、V. Curri、R. Gaudino, R., A. Napoli、及びP. Poggioliniによる「Electronic equalization for advanced Modulation formats in dispersion-limited systems」（IEEE Photonics Technology Letters, volume 16, number 11、2004年11月、2556-2558頁）に説明されている。

発明の説明
本発明の課題は、少なくとも部分的に上述の制限を解消し、電気式等化器が、ファイバを介した光送信における線形歪みの悪影響を更に効率的に補償できるようにすることである。

本発明の課題である光通信受信器は、光検出器と最終処理器の間に非線形電気式等化器ブロックを備えており、該等化器ブロックが、Ｓ１の電磁光場の包絡線と光検出器によって生成される電流Ｓ２の間の光検出器（３）の非線形的な特徴を補償することを特徴としている。この関係は、平方的である（光場の包絡線の数学的二乗関数）と同時に、瞬間的な光パワーに線形であり、この瞬間的な光パワーは、場の包絡線の二乗に比例する（光学光検出器で起こる光子の電子への変換における量子現象に起因する）。
本発明では、光包絡線に関する光検出器の入力−出力関係と逆の入力−出力関係を有する電子式非線形等化器ブロックを設けることを提案する。よって、この関係は平方根関数である。数学的には、このブロックを、入力信号と出力信号の関係をＳ３＝ｋＳ２^{（１／２）}［ｋは定数である］とするものと定義する。この関係は理論的且つ理想的なものであり、電気的又は電子的回路を備えたブロックを実際に実施することは、通常は理想的又は正確でないが、所要の精度で前記関数に近似する。これは、フィルタリング機能を実施する必要のない、メモリを有さないブロックである。

光受信器において、光検出器ブロックの後にこのような非線形等化器ブロックを設けることにより、送信における線形歪みを補償する際に電子式等化システムの利点を助成できるという特徴が得られる。これは、通常アナログ式又はデジタル式の信号処理技術のアルゴリズムを利用する最終処理器ブロック（５）において実施される。その技術とは、中でも、トランスバーサル線形フィルタ、「フィードフォワード」等化器、「判定帰還型」等化器、「最尤系列推定器」又はこれらの組合せである。それらは、一般的に、構築可能な係数又は重み付けを有する複数の遅延器及び乗算器段から構成される。
これらのアルゴリズムは、理論的にはあらゆる線形歪みを補償することができ、よって、潜在的にその悪影響を排除することができる。しかしながら、光検出器の非線形特性が、線形歪みを非線形歪みに変換する。本発明は、この非線形歪みを軽減することを目的とする。

本発明の課題である光受信器システムの実施検証により、上述の利点が確認された。本発明を利用した場合、光送信器の入力から光受信器の出力への通信の任意の最終品質に関して、非線形等化器（４）を使用しなかった場合、光ファイバリンクの最大長さが著しく（概ね２倍（更に大きくなり得る）に）増大した。このブロック（４）を光電子受信器に設けることは、本発明の主な新規性を構成する。
電気式最終処理器ブロック（５）は信号の処理を実施し、この処理は、受信器の出力における信号の品質を最適化し、機能的な障害又は摂動を補償することによって送信リンクの特徴に自己適応することを目的とする様々なものであってよい。ブロック（５）は、ブロック（４）とは異なり、アナログ式又はデジタル式のフィルタリング要素又は電気的メモリを含む。このブロックは、文献に記載されているように、用途及び技術的な複雑さに応じて極めて多様であってよい。一般に、このブロックは線形であるが、非線形で良好なシステム操作を行うもっと高度な形式も存在する。このブロック（５）は、本発明の新規性の主要な部分を構成せず、既存の任意の種類の等化器、フィルタ又は適応判定器とすることができる。最も一般的なものは、アナログ式フィルタ、「フィードフォワード等化器」（ＦＦＥ）、「判定帰還型等化器」（ＤＦＥ）及び「最尤系列推定」（ＭＬＳＥ）である。このブロックの実施については、ブロックは、アナログ式又はデジタル式の線形又は非線形処理器とすることができ、これには、例えば「リードソロモン」符号、畳み込み符号、ターボ符号又は低密度パリティ制御（ＬＤＰＣ）符号を持つ、反復型又は反復型でないハードウェア又はソフトウェアデコーダが含まれ、Ｖｉｔｅｒｂｉ又はＢＣＪＲアルゴリズムを有する系列的又は反復的な最尤度の系列推定技術が用いられており、場合によっては適応しきい値を有する決定関数を実行する又はしない。また、このブロックは、前記の組合せによって構築されていてもよく、固定されたアナログ式低域通過フィルタを含んでもよい。

有利には、光受信器システムは、最終処理器ブロック（５）の出力で得られる信号（Ｓ４）にデジタル情報が含まれている場合、当該デジタル信号を抽出し、通常バイナリフォーマットのデジタルデータに変換するのに必要な決定要素又は再生成器を備える。また、それは（５）に含まれていてもよい。
有利には、光受信器は、上述の個々のブロック間と、その入力又は出力で増幅器要素を使用することにより、光ファイバを伝搬する間に減衰した信号のレベルを増大させることもできる。また、光受信器は、コネクタ、ケーブル、及び光信号又は電気信号の相互接続又は適応のための他の要素を使用することもできる。
別の構成では、通信チャネルは、ＦＳＯ（Free Space Optics）と呼ばれるような光ファイバではなく空気又は空間であってもよい。

上述の説明を分かり易く示すために、添付図面を提示する。
ブロックの詳細な定義は主に機能的なものである。実際の実施においては、実施上の理由により、特定の機能は異なる方法で分類されてもよい。

図１に示すように、光通信受信器１は、基本的に、情報の搬送信号Ｓ１を伝播させる光ファイバ２の入口となる第１の要素と、光検出器ブロック３と、非線形等化器ブロック４と、最終処理器ブロック５とを備えている。
光ファイバ２に沿って伝播する情報の光信号Ｓ１搬送体は、遠隔光送信器（図示せず）を起源とし、光学光検出器ブロック３内に導入されて電気信号Ｓ２を生成し、電気信号Ｓ２は非線形等化器ブロック４内に導入される。非線形等化器ブロック４は、Ｓ２からＳ３信号を生成し、Ｓ３信号はその後、最終処理器ブロック５によって等化及びフィルタリングされる。最終処理器ブロック５は、出力信号Ｓ４を生成する。

本発明の主な目的は、入力信号Ｓ２の数学的な平方根に比例する信号３を生成する非線形等化器ブロック４を設置することである。
このブロックには様々な実施形態が可能であるが、基本的には、上述の非線形入力−出力関係に近いものである。

好ましい一実施形態は、１つ又は複数の非線形半導体デバイスを利用する電子回路に基づく。非線形関数が完全に実行される必要はないが、最終的に入力信号Ｓ２の変動の差を近似するのに十分でなくてはならない。
非線形半導体デバイスは、好ましくは、入力電圧（通常、ゲートとソースの間の電圧）と出力電流（通常、ドレイン及びソースにおける電流）の間に平方の関係を示す電界効果トランジスタ（ＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＭＯＳＦＥ、ＭＥＳＦＥＴ又はＨＥＭＴ）とすることができる。デバイスの動作が逆になる場合、つまり、トランジスタがフィードバックし、Ｓ２によって制御される電流源によって電流が励起されて、生成された電圧が感知される場合、所望の非線形平方根関数が得られる。

別の可能な好ましい実施形態は、半導体ダイオードに基づく。電流源によって電流が駆動され、電圧が感知された場合、対数型の入力−出力関係が得られ、適宜、適応レジスタ及びバイアス電流を選択して、効果的にある程度まで平方根に近似させることができる。
他の可能な実施態様は、数学的な操作又はルックアップテーブルを用いるデジタル式にすることができるか、或いは、セクション毎に関数の近似を実施するか又は様々な線形及び非線形関数を組み合わせ、理想的な関数をアナログ式又はデジタル式に近似することができる。また、別の半導体デバイス、例えばバイポラートランジスタ（ＢＪＴ）等も使用することができる。

本発明の一実施形態による光通信受信器のブロック図である。

Claims

情報搬送信号（Ｓ１）を送信する第１の光ファイバ入力要素（２）を備える光通信用の受信器（１）であって、光受信器ブロック（１）が、
光検出器ブロック（３）の出力と最終処理器ブロック（５）の入力の間に接続されている非線形等化器ブロック（４）を備え、この非線形等化器ブロックが、光検出器（３）の二乗の非線形関係を補償することを目的とすること、
これにより、ブロック３及び４からなる組の、前記光ファイバ（２）中の情報搬送光信号（Ｓ１）の電界包絡線と電気信号（Ｓ３）の間の線形特性が増大すること、並びに
これにより、最終処理器ブロック（５）が、光信号が光ファイバを送信される間に受ける線形歪みを更に効率的に補償できること
を特徴とする、受信器。
前記受信器に接続されるか、或いは、前記受信器を構成するブロック（３、４、５）の間か又は内部に接続される増幅器を少なくとも備えることにより、前記光ファイバを送信される間に減衰した信号のレベルを増大させることを特徴とする、請求項１に記載の受信器（１）。
前記増幅器を、電気式又は光学式とすることができることを特徴とする、請求項１又は２に記載の受信器（１）。
前記非線形等化器ブロック（４）が、二乗根数学的関数型の入力−出力関係を示すか、又はメモリレス関数に近似することを特徴とする、請求項１又は２に記載の受信器（１）。
前記非線形等化器ブロック（４）が、非線形半導体デバイスを利用する電子式又は電気式回路に基づくことを特徴とする、請求項１、２又は４に記載の受信器（１）。
前記半導体デバイスが、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ又はＨＥＭＴ）型であることを特徴とする、請求項５に記載の受信器（１）。
前記半導体デバイスがダイオードであることを特徴とする、請求項５に記載の受信器（１）。
前記非線形等化器が、前記関数の区分近似によって、又は様々な線形及び非線形関数を組み合わせて理想的な関数を近似することによって実施され、数学的操作又はルックアップテーブルを有する線形及び非線形デバイスによって、アナログ式又はデジタル式に作成されることを特徴とする、請求項５に記載の受信器（１）。
バイポーラトランジスタ（ＢＪＴ）等の半導体デバイスを使用することを特徴とする、請求項８に記載の受信器（１）。
前記受信器を構成するブロックの前、後又は間に、コネクタ、ケーブル及び光信号又は電気信号を相互接続する又は適合させるための他の要素を使用する、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の受信器（１）。
通信チャネルを空気又は空間とすることができる、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の受信器（１）。
前記受信器（１）の実施を容易にするため又はその性能を向上させるために、前記光受信信号Ｓ１が、変調されていない光の部分又は跡を含む、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の受信器（１）。
前記最終処理器ブロック（５）が基本的に線形である、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の受信器（１）。
前記最終処理器ブロック（５）が、「最尤系列推定」（ＭＬＳＥ）に基づいているか、又は、一般に、単独で又は連続して受信されたシンボルによって動作する既知の種類の適応判定器デバイスに基づいている、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の受信器（１）。
前記最終処理器ブロック（５）が、「判定帰還型等化器」（ＤＦＥ）であるか、又は、一般に、受信器出力における信号の品質を最適化する、既知のいずれかの種類の等化器である、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の受信器（１）。
前記最終処理器ブロック（５）が、既知の種類の等化器、フィルタ、適応判定器、或いは線形又は非線形のアナログ式又はデジタル式のプロセッサの組合せによって実施され、これには、リードソロモン符号、畳み込み符号、ターボ符号又は低密度パリティ制御（ＬＤＰＣ）符号を持つ、反復型又は反復型でないハードウェア又はソフトウェアデコーダが含まれ、Ｖｉｔａｒｂｉ又はＢＣＪＲアルゴリズムを有する連続的又は反復的な最尤度のための系列推定技術を用いており、場合によっては適応しきい値を含む判定関数を実施する又はしない、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の受信器（１）。