JP2009060309A

JP2009060309A - コヒーレント光受信装置

Info

Publication number: JP2009060309A
Application number: JP2007225040A
Authority: JP
Inventors: Morio Toyoshima; 守生豊嶋; Nozomi Nishinaga; 望西永; Yoshihisa Takayama; 佳久高山; Hiroo Kunimori; 裕生國森
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2027-08-31
Also published as: US20090060511A1; US8036541B2; JP4911618B2

Abstract

【課題】光PLLを用いなくてもよく、光位相変調信号によりクロック同期可能とし、強度変調とコヒーレント通信の両方の光変調方式を受信可能にする。
【解決手段】本発明は、入力信号光が入力される９０度光ハイブリッド回路と、この出力が入力されるIチャンネル及びQチャンネル用の光検出器と、入力信号光を復調した復調信号と同速度の同期したクロックを再生するクロック抽出回路と、このクロックにより、サンプリングするIチャンネル及びQチャンネル用のサンプリング回路と、それぞれのサンプリング信号をデジタル信号処理して、デジタル信号に変換して出力するデジタル信号処理部とを備える。デジタル信号処理部は、そこで検出された位相オフセット信号をクロック抽出回路に帰還して、クロックの位相を制御すると共に、デジタル処理によるフィルタ機能により、ファイバの分散補償や、空間伝搬した際の位相ゆらぎを補償する。
【選択図】図１

Description

本発明は、地上における光ファイバ通信、地上間における空間光通信、衛星間における空間光通信、地上と衛星両方を用いた空間光通信、送受信機が固定及び移動体である通信等に用いられるコヒーレント光通信において、光位相変調信号からクロック同期可能、かつ信号の伝搬補償が可能な、強度変調とコヒーレント通信の両方の光変調方式を受信することのできるコヒーレント光受信装置に関する。

光波の強度を変調して信号の伝送を行っている通常の光通信に対して、レーザー光の波としての本来の性質を引きだし、周波数とか位相に変調をかけて信号の伝送を行うコヒーレント光通信方式が知られている。このようなコヒーレント光通信方式は、大容量伝送が必要な光通信分野、ファイバ情報通信分野、長距離伝送が必要な光通信分野、地球近傍における宇宙通信および深宇宙通信分野において用いることができる。コヒーレント光通信方式の光検波は、信号光と局部発振光を混合することで行われるが、コヒーレント光検波を実現する方法として、位相ダイバーシティ受信方式が提案されている（特許文献１参照）。

図４は、特許文献１に記載の位相ダイバーシティ受信方式の光受信機を説明する図である。受信機には、PSK変調された入力信号光が光送信機（図示省略）から入力される。図示の光受信機では、入力信号光を直交成分Ｉ、Ｑに分離する９０度光ハイブリッド、一対の光受光器、一対の遅延検波用１ビット遅延線、一対の２入力４象限出力のアナログ乗算器からなる位相ダイバーシティ方式を用いた遅延検波により信号を復調する。乗算器のそれぞれの出力は加算されて信号成分を出力する。

ＡＦＣ回路は周波数弁別器と、ＡＦＣに必要な直流近傍の成分のみを通過させるLPF(low pass filter：低域通過フィルタ）と、局発光源とを有する。局発光源の出力は９０度光ハイブリッドへ帰還する。位相ダイバーシティ受信方式では局発光と信号光との周波数差を零とするようなＡＦＣ回路が用いられる。

このように、例示の受信機は、位相ダイバーシティ方式を用いた遅延検波によりPSK変調信号を復調することができるが、位相検出がデジタル処理によるもので無いために、ファイバ分散補償や大気ゆらぎの位相補償などが行えず、また、強度変調とコヒーレント変調に、同じ受信機で対応できない。

非特許文献１は、デジタル処理する位相ダイバーシティ受信方式を開示する。図５は、非特許文献１に記載の位相ダイバーシティ受信方式のコヒーレント光受信装置を示す図である。図示の受信装置においては、まず、送信器側から伝送された信号光を、局発光源からの局部発振光と共に、位相ダイバーシティホモダイン受信器に入力する。ホモダイン受信器は、入力信号光と同じ周波数の局部発振光をミックスして、直接低周波電気信号を取り出す受信方式である。取り出された低周波電気信号I_PD1, I_PD2は、互いに９０°異なる位相を有し（SIN波及びCOS波）、それぞれ光信号の振幅及び位相情報を含んでいる。この低周波電気信号I_PD1, I_PD2は、それぞれ低域通過フィルタLPF及びアナログ／デジタル変換器ADCを通って、デジタル処理回路DSPに導かれる。デジタル処理回路DSPは、キャリア位相を検出して、データを復調する。本来ならば、局部発振光周波数は、PLL（Phase-locked loop：位相同期回路）を用いて、入力信号光に一致させるべきところ、例示のコヒーレント光受信装置は、PLLを用いること無く、周波数のずれはデジタル処理によって吸収しようとするものである。しかし、現実にリアルタイムで数Gbpsの伝送速度を達成するのはデバイスの開発を待たねばならず難しい。図５に例示の受信装置は、PLLを用いていないために、ホモダイン受信器出力には、周波数ずれに基づくビート周波数が重畳される。このために、アナログ／デジタル変換器ADCにおけるサンプリングは、シンボル周期毎に１回のサンプリングとなるようにデータ信号と同期させて行うことができない。それ故、例えば、１０Gbpsの信号伝送のために、アナログ／デジタル変換器ADCは、例えば、その１０倍の１００Gサンプル／Ｓ程度の高速処理が必要となる（図３参照）。
特開平１１−４１２０７号公報 Kazuro Kikuchi, "Phase-Diversity Homodyne Detection of Multilevel Optical Modulation With Digital Carrier Phase Estimation," IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 12, NO. 4, JULY/AUGUST 2006

上述したように、デジタル処理により光コヒーレント通信を実現するに当たり、アナログ／デジタル変換器の動作速度に限度があるため、伝送速度より高いサンプリング周波数で動作させるのは現実的に難しい。

本発明は、係る問題点を解決して、コヒーレント光通信において、光PLLを用いなくてもよく、光位相変調信号によりクロック同期可能とし、強度変調とコヒーレント通信の両方の光変調方式を受信可能なコヒーレント光受信装置を提供することを目的としている。

本発明のコヒーレント光受信装置は、光コヒーレント変調された信号光及び局発光を入力して、この入力信号光を直交成分Ｉ、Ｑに分離して出力する９０度光ハイブリッド回路と、前記９０度光ハイブリッド回路が出力する直交成分Ｉ、Ｑがそれぞれ入力されるIチャンネル及びQチャンネル用の光検出器と、前記入力信号光を復調し、かつこの復調信号と同速度の同期したクロックを再生するクロック抽出回路と、前記再生されたクロックにより、前記Iチャンネル及びQチャンネル用の光検出器からのそれぞれの信号のサンプリングのタイミングを決定するIチャンネル及びQチャンネル用のサンプリング回路と、前記Iチャンネル及びQチャンネル用のサンプリング回路からそれぞれ入力されたサンプリング信号をデジタル信号処理して、デジタル信号に変換して出力するデジタル信号処理部と、を備える。前記デジタル信号処理部は、そこで検出された位相オフセット信号を前記クロック抽出回路に帰還して、クロックの位相を制御すると共に、デジタル信号処理部では、デジタル処理によるフィルタ機能により、ファイバの分散補償や、空間伝搬した際の位相ゆらぎを補償する。

また、前記入力信号光は、光PSK変調された信号光であり、かつ、カップラに入力信号光を直接に、かつこの入力信号光を１ビット遅延回路を通して入力してそこで乗算し、この乗算光を光検波器により検波して得た復調信号から前記クロックを再生する。さらに、前記Iチャンネル及びQチャンネル用の光検出器からの信号と該信号をそれぞれ１ビット遅延回路に通したものを乗算するIチャンネル及びQチャンネル用の乗算器と、該２つの乗算器の出力を加算する加算器とにより入力信号光の復調を行い、この復調信号から前記クロックを再生する。局発光をオフすることにより、光コヒーレント変調された信号光だけでなく、強度変調された信号光にも対応可能に構成した。

本発明によれば、受信側で、独立にクロック抽出が可能であり、デジタル処理にかける負荷が少なくなり、それにより伝送速度が向上する。光を遅延検波、または光をヘテロダイン方式で光受信後に遅延し乗算することにより、伝送速度のクロック抽出を可能にして、そのクロック信号によりサンプリング回路を動作させるようにしたことで、光コヒーレント通信の伝送速度を向上させることができる。

また、本発明により、光の強度変調及びコヒーレント変調など様々な変調方式に対して、構成を変えずに汎用的に光通信の分野に利用することが可能である。さらに、複素情報を持つ信号をデジタル処理できるため、ファイバにおける分散補償や、空間を伝送した時の大気の位相ゆらぎの補償がリアルタイムに可能である。

以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態を示すコヒーレント光受信装置の回路構成図である。図１は、クロック信号抽出を光信号レベルで行った例である。コヒーレント光送信装置（図示省略）から光PSK（特に、DPSKやBPSK）変調された信号が、第１のビームスプリッタにより分岐され、一方は、入力信号光を直交成分Ｉ、Ｑに分離する９０度光ハイブリッド回路に、他方は、第２のビームスプリッタに導かれる。９０度光ハイブリッド回路では局発光と合波され、それぞれI、Qチャンネル用の光検出器へと導かれる。各光検出器の出力電気信号は、互いに９０°異なる位相を有し（SIN波及びCOS波）、それぞれ光信号の振幅及び位相情報を含んでいる。

第２のビームスプリッタにより分岐した光の一方は、１ビット遅延回路を通してカップラに入力し、かつ、分岐光の他方は直接カップラに入力してそこで乗算する。この乗算光は光検波器により検波され、クロック抽出回路により検波信号と同速度の同期したクロックが再生される。要するに、光検波器では位相変調信号の簡易な復調が行われるならば、この復調された信号からクロックを抽出することができるので、DPSKやBPSK以外の変調光に対しては、それに応じた光検波器を用いる。例えば、QPSKでは、差動符号化によりデータ変換を行った位相変調信号により、1シンボル遅延回路を導入することで実現可能である。

I、Qチャンネルそれぞれの光検出器からの信号は、I、Qチャンネル用のそれぞれのサンプリング回路にてサンプリングされ、デジタル信号処理部へ伝送される。サンプリング回路にてサンプリングする際には、抽出されたクロック信号によりサンプリングのタイミングが決定される。このように、クロックは、伝送信号から抽出されるので、抽出クロックはI、Qチャンネル光検出器からの信号と同期しているが、さらに、デジタル信号処理部で検出された位相信号の位相平面における信号間距離が最大になるように、クロック抽出回路にクロック信号とデータ信号の位相オフセットを帰還し、クロックの位相を最適位相に制御する。

サンプリング回路でサンプリングされたデータは、デジタル信号処理により信号のベクトル成分の位相検出が行われ、かつ、この検出された位相に基づき、デジタル信号に復調される。デジタル信号処理部では、デジタル処理による有限インパルス応答（FIR）フィルタや無限インパルス応答（IIR）フィルタ機能を用いて復調信号に重み付けをし帰還させることにより、ファイバ伝送路の分散特性の逆関数を用いた分散補償や、空間伝搬した際の大気ゆらぎによる位相及び振幅擾乱を補償する。

また、Qチャンネル（またはIチャンネル）の電気信号、またはデジタル信号処理部の出力により光周波数制御部で、ビート周波数を電気信号として検出できる周波数帯域の範囲に局発光の周波数を調整する機能を有する。局発光をオフすることで、強度変調も受信可能となる。強度変調の場合は、信号が遅延した信号と重なる時に2倍のレベルになるものの、信号成分は伝送速度の周波数成分そのまま持っているので、クロックの周期を検出することができる。さらに、この信号のレベルを一定にする必要があれば、第2のビームスプリッタから1ビット遅延回路、カップラまでを取り除くか、リミッタ機能をクロック抽出回路に付加することで適応可能となる。

デジタル信号処理部は、ビート信号の周波数成分を抽出し、光周波数制御部へ光周波数を増減するための信号を入力する。この時、ビート周波数が高い場合には、光周波数制御部によりビート周波数が低くなるように局発光の光周波数を制御する。

図２は、本発明の第２の実施形態を示すコヒーレント光受信装置の回路構成図である。図２は、クロック信号抽出を電気信号レベルで行い、局発光の制御をアナログ信号により行った例である。光PSK変調された信号と局発光が、９０度光ハイブリッド回路で合波され、それぞれI、Qチャンネル用の光検出器へと導かれる。各光検出器からの信号と、それぞれ１ビット遅延回路を通ったものが乗算器で乗算された後、加算器で加算されることにより、信号の簡易な復調が行われる。この復調信号から、クロック抽出回路により復調信号と同速度の同期したクロックが再生される。このように、クロックは、伝送信号から抽出されるので、抽出クロックはI、Qチャンネル光検出器からサンプリング回路に入力される信号と同期しているが、さらに、デジタル信号処理部で検出された位相信号が、クロック抽出回路に帰還されて、クロックの位相を制御する。

I、Qチャンネルそれぞれの光検出器信号は、サンプリング回路にてサンプリングされ、デジタル信号処理部へ伝送される。サンプリング回路にてサンプリングする際には、抽出されたクロック信号によりサンプリングのタイミングが決定される。サンプリングされたデータは、デジタル信号処理により位相検出が行われ、かつ、この検出された位相に基づき、デジタル信号に復調される。デジタル信号処理部では、デジタル処理によるフィルタ機能により、ファイバの分散補償や、空間伝搬した際の位相ゆらぎを補償する。また、Qチャンネル（またはIチャンネル）の信号により局発光の周波数を調整する機能を有する。局発光をオフすることで、全く光学部は変更なしで強度変調も受信可能となる。

従来においては、実際には存在するビート成分のために、図示したように、各シンボル周期毎に複数回（４回として図示）のサンプリングを行う必要がある。これに対して、本発明は、ＡＤ変換のためのサンプリングを、シンボル周期毎に１回のサンプリングとなるように、かつ、位相変調信号と位相を合わせて（例えば、シンボル周期の中央でサンプリング）同期して行うことができる。これによって、本発明では、サンプリング速度は、伝送信号と同じ速度にまで低下させることが可能となる。

本発明の第１の実施形態を示すコヒーレント光受信装置の回路構成図である。本発明の第２の実施形態を示すコヒーレント光受信装置の回路構成図である。本発明によるサンプリングを、従来技術と対比しつつ説明する図である。特許文献１に記載の位相ダイバーシティ受信方式の光受信機を説明する図である。非特許文献１に記載の位相ダイバーシティ受信方式のコヒーレント光受信装置を示す図である。

Claims

光コヒーレント変調された信号光及び局発光を入力して、この入力信号光を直交成分Ｉ、Ｑに分離して出力する９０度光ハイブリッド回路と、
前記９０度光ハイブリッド回路が出力する直交成分Ｉ、Ｑがそれぞれ入力されるIチャンネル及びQチャンネル用の光検出器と、
前記入力信号光を復調し、かつこの復調信号と同速度の同期したクロックを再生するクロック抽出回路と、
前記再生されたクロックにより、前記Iチャンネル及びQチャンネル用の光検出器からのそれぞれの信号のサンプリングのタイミングを決定するIチャンネル及びQチャンネル用のサンプリング回路と、
前記Iチャンネル及びQチャンネル用のサンプリング回路からそれぞれ入力されたサンプリング信号をデジタル信号処理して、デジタル信号に変換して出力するデジタル信号処理部と、を備え、
前記デジタル信号処理部で検出された位相オフセット信号を前記クロック抽出回路に帰還して、クロックの位相を制御すると共に、デジタル信号処理部では、デジタル処理によるフィルタ機能により、ファイバの分散補償や、空間伝搬した際の位相ゆらぎを補償することから成るコヒーレント光受信装置。
前記入力信号光は、光PSK変調された信号光であり、かつ、カップラに入力信号光を直接に、かつこの入力信号光を１ビット遅延回路を通して入力してそこで乗算し、この乗算光を光検波器により検波して得た復調信号から前記クロックを再生する請求項１に記載のコヒーレント光受信装置。
前記Iチャンネル及びQチャンネル用の光検出器からの信号と該信号をそれぞれ１ビット遅延回路に通したものを乗算するIチャンネル及びQチャンネル用の乗算器と、該２つの乗算器の出力を加算する加算器とにより入力信号光の復調を行い、この復調信号から前記クロックを再生する請求項１に記載のコヒーレント光受信装置。
局発光をオフすることにより、光コヒーレント変調された信号光だけでなく、強度変調された信号光にも対応可能に構成した請求項１に記載のコヒーレント光受信装置。