JP2012044626A - デジタルコヒーレント光受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のデジタルコヒーレント光受信装置における局部発振光は、それぞれが独立した光源から発生されていた。このため、各光受信部において局部発振光の光位相に関する情報を特定することができなかった。各コヒーレント検波手段から出力される電気信号の相互の位相関係から、波長多重信号光における各チャネルの信号光の光位相関係を正確に把握することもできなかった。
【解決手段】本発明のデジタルコヒーレント光受信装置では、複数の局部発振光は、各局部発振光の光電界の位相がロックされたマルチキャリア局部発振光源から発生される。さらに、各チャネルのコヒーレント検波手段から出力される複数の電気信号が、結合された信号処理部に入力される。各チャネルにおける各複素時系列出力（Ａ_nX、Ａ_nY）は、本発明に特有のクロストーク補償段へ入力され、隣接チャネルからのクロストークに関する情報を利用して、より正確な信号光チャネルの推定が可能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、波長多重された光信号をデジタルコヒーレント受信する光受信装置に関する。

基幹光ネットワークにおける通信トラフィックの増大に伴い、光通信システムの伝送容量のさらなる大容量化が進んでいる。この大容量化に向けた基幹技術として、波長多重方式における多重数を増加させることによる多チャンネル化、チャネル間周波数間隔の低減化、および１チャネルあたりのビットレートの高速化が求められている。

これらの基幹技術の実現にあたっては、様々な問題点が存在している。例えば、波長多重数を増やして多チャンネル化をするのにともなって、相互位相変調および４光波混合等に起因する非線形クロストークが顕著になる。また、ビットレートの高速化とともに生じる信号帯域の増大およびチャネル間の周波数間隔の低減にともなって、隣接チャネルからの線形クロストークが増大する。さらに、信号帯域の増大は、波長分散および偏波分散による信号波形の劣化をもたらす。従って、光通信システムの伝送容量をさらに大容量化するためには、これらの伝送条件を制限する各問題への対策が必要である。

近年では、送信および受信回路に超高速電子回路によるデジタル信号処理を適用した、いわゆるデジタルコヒーレント伝送技術が大容量光通信の有力な手段となりつつある。最初に、このデジタルコヒーレント伝送技術の概要を説明する。

図１は、従来のデジタルコヒーレント光受信装置を用いたデジタルコヒーレント光伝送システムの構成を示す図である（非特許文献１を参照）。図１のデジタルコヒーレント光伝送システムは、全体としては、デジタルコヒーレント光送信装置１とデジタルコヒーレント光受信装置２とから構成されている。デジタルコヒーレント光送信装置１は、チャネル１、２・・、ＮのＮチャネル分の光送信部から構成されている。チャネル１に注目すると、デジタルコヒーレント光送信装置１の光送信部３−１において、送信する情報にしたがって光周波数ν₁のキャリア光の振幅および／または位相が変調される。さらに同一波長の信号光を偏波多重することによって当該チャネル光周波数の信号光１２−１が得られる。光送信部３−１からの信号光１２−１は、光合波器４によって他のチャネルからの信号光と波長多重され、波長多重信号光１８として光伝送路１７上で受信側へ伝送される。他のチャネル２・・・Ｎの光周波数（ν₂、..、ν_N）についても、チャネル１と同様に動作する。

デジタルコヒーレント光受信装置２においては、受信された波長多重信号光１８は光分波器５によって分波される。。分波された各信号光１３−１〜１３−Ｎは、コヒーレント検波手段７−１において局部発振光（局発光とも略される）１４−１とミキシングされて電気信号１５に変換される。各チャネルの動作は同じなので、以下、チャネル１の動作に注目する。信号光１３−１は、局部発振光源８−１からの局部発振光（以下、局部発振光とする）とのビート信号を検出することによって、電気信号１５に変換される。コヒーレント検波手段７−１は、通常、偏波ダイバーシティおよび位相ダイバーシティのための光学系ならびに光検出器から構成される。従って、コヒーレント検波手段７−１からの電気信号出力数は、各偏波成分（Ｘ、Ｙ）に対するＩ成分、Ｑ成分の各々に対応し、合計で４出力（２×２）となる。コヒーレント検波手段７−１からの４つの電気信号出力は、さらに信号処理部９−１に入力される。信号処理部９−１からは、復調された信号光１６−１が得られる。

図２は、従来のデジタルコヒーレント光受信装置における信号処理部の構成を示した図である。図２には、コヒーレント検波手段７も含まれている。コヒーレント検波手段７では、光合分波器２０および４つの位相検波器２１によって、４つの電気信号が得られ、信号処理部９へ渡される。コヒーレント検波手段７からの４つの入力信号は、信号処理部９において、それぞれＡＤ変換器２２−１〜２２−４でデジタル信号に変換され、Ｘ偏波成分のＩ成分およびＱ成分と、Ｙ偏波成分のＩ成分およびＱ成分とが得られる。これらの各偏波のＩ成分およびＱ成分は結合されて、以降複素デジタル時系列として処理される。

ＡＤ変換器２２−１〜２２−４に後続する波長分散補償段２３−１、２３−２において、伝送路１７の波長分散が、偏波成分毎に粗く補償される。２つの波長分散補償段２３−１、２３−２からの各複素時系列出力（Ａ_X、Ａ_Y）は、送信側で偏波多重された偏波成分が混合された状態のままで、偏波多重分離段２４に入力される。偏波多重分離段２４は、入出力関係が式（１）によって表される適応型ＦＩＲフィルタである。

式（１）の中で、＊は畳み込み演算を表す。４つのフィルタ係数ｈ_XX(k)、ｈ_XY(k)、ｈ_YX(k)、ｈ_YY(k)は、偏波多重分離段２４への入力時系列（Ａ_X、Ａ_Y）の値に従って逐次推定される。推定アルゴリズムとしては、ＣＭＡ（Constant Modulus Algorithm）法、またはその変形版が用いられる。例えば、ＣＭＡ法の場合は、ｋ番目のフィルタ係数ｈ_XX(k)、ｈ_XY(k)、ｈ_YX(k)、ｈ_YY(k)が、偏波多重分離段２４の複素時系列出力Ｂ_X、Ｂ_Yの制御目標からの誤差ε(Ｂ_X)、ε(Ｂ_Y)を０に近づけるように、次の漸化式を繰り返すことによって与えられる。

式（２）において、μは漸化式のステップサイズを表す。

偏波多重分離段２４では、偏波多重分離だけではなく偏波分散補償および微調整レベルの波長分散補償も行われる。偏波多重分離段２４で分離された各偏波成分出力は、さらにクロック抽出段２５において、信号光−局部発振光間の光周波数ずれが補正される。さらに、続くキャリア位相推定段２６において、Ｉ成分およびＱ成分それぞれの位相補正を施され、周波数および位相の同期が行われる。最後に、シンボル識別段２７において、シンボルの識別が行われ、復調された信号光であるＸ偏波出力およびＹ偏波出力１６−１が得られる。

図３は、波長多重伝送する場合のデジタルコヒーレント光受信装置の信号処理部全体の構成を示した図である。コヒーレント検波手段７および信号処理部９は、キャリア光周波数と一対一に対応する。したがって、チャネル１〜Ｎの各信号を波長多重するシステムの場合は、図３に示したように、波長多重数分の信号処理部が並列して設けられる。

デジタルコヒーレント受信系よりも前のコヒーレント受信技術では、局部発振光を信号光に対して光位相同期させることが不可欠であった。上述のデジタルコヒーレント技術の登場によって、信号光の光位相に対して同期していないフリーラン状態の局部発振光を用いても、信号光を受信することが可能となった。

Jens C. Rasmussen他2名「100 Gbps光伝送システムのためのデジタルコヒーレント受信技術」2009年9月、FUJITSU、60、5、p.476-483、インターネットURL：http://img.jp.fujitsu.com/downloads/jp/jmag/vol60-5/paper18.pdf Seb J. Sabory, "Digital filters for coherent optical receivers," Optics Express, vol. 16, no. 2, pp. 804-817 (2008)

既に述べたとおり、波長多重伝送方式の場合、受信されるチャネルの信号光は隣接チャネルから線形クロストークおよび非線形クロストークの影響を受ける。従来のデジタルコヒーレント光受信装置においては、受信した信号光から得られる当該チャネルの時系列情報のみに基づいて信号を推定していた。このため、上述の隣接チャネルからのクロストークを正確に補償することができなかった。

また、上述のクロストークの影響を正確に推定しこの影響を補償するには、光受信部において、波長多重信号光における互いに独立な各チャネルの信号光の振幅だけでなく光位相を知る必要がある。ここで、波長多重信号光における各チャネルの信号光の位相をθ₁、..、θ_N、各チャネルに対応する局部発振光の電界の位相をφ₁、..、φ_Nとする。このとき、コヒーレント検波手段から出力される電気信号の位相は、θ₁−φ₁、..、θ_N−φ_Nとなる。従って、各チャネルの信号光の位相を知るためには、コヒーレント検波手段から出力される出力電気信号で検出される位相だけではなく、局部発振光の電界の位相または各局部発振光の相互の位相関係も知る必要がある。

しかしながら、従来のデジタルコヒーレント光受信装置において、各チャネルに対応する局部発振光はそれぞれが独立した光源から発生されていた。このため、各光受信部６−１、６−２、・・６−Ｎにおいて、局部発振光の光位相に関する情報を特定することはできなかった。従って、各コヒーレント検波手段から出力される電気信号の相互の位相関係から、波長多重信号光における各チャネルの信号光の光位相関係を正確に把握することもできなかった。

上述の問題点に鑑み、本発明は波長多重信号光における互いに独立な各チャネルの信号光の光位相関係を把握することを可能とし、隣接チャネルからの線形クロストークおよび非線形クロストークの影響を正確に推定しおよびこれを補償することができるコヒーレント光伝送方式を開示する。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、波長多重信号光の中に含まれるＮチャネルの信号光を復調するデジタルコヒーレント光受信装置において、波長多重分離され、前記Ｎチャネルの各々のチャネルに対応する光周波数を有する信号光をそれぞれコヒーレント受信するＮ個のコヒーレント光受信部と、前記N個のコヒーレント光受信部の各々に対して、コヒーレント検波を行うための対応するＮ個の局部発振光を供給するマルチキャリア光源であって、前記Ｎ個の局部発振光の光電界相互の位相差が固定されているマルチキャリア光源と、前記Ｎ個のコヒーレント光受信部の中の所定のチャネルに対応するコヒーレント光受信部からの出力検波信号と、前記所定のチャネルに隣接する少なくとも１つのチャネルに対応するコヒーレント光受信部からの出力検波信号とに基づいてクロストーク補償を行なう１つの信号処理部とを備えたことを特徴とするデジタルコヒーレント光受信装置である。また、好ましくは、前記信号光は、光電界の振幅または位相について多値変調されている。

すべてのチャネルのコヒーレント光受信部からの出力検波信号に基づいてクロストーク補償を行なうことが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１のデジタルコヒーレント光受信装置であって、前記信号処理部は、ｎを１≦ｎ≦Ｎである整数とし、ｍを１≦ｍ≦Ｎの整数とするとき、前記コヒーレント光受信部から出力される、Ｘ偏波およびＹ偏波に対応する複素時系列入力Ａ_nX、Ａ_nYと、Ｘ偏波およびＹ偏波に対応するｋ番目の複素出力Ｂ_nX（ｋ）、Ｂ_nY（ｋ）との関係が、ｋ番目のフィルタ係数ｈ_mnXX（ｋ）、ｈ_mnXY（ｋ）、ｈ_mnYX（ｋ）、ｈ_mnYY（ｋ）を介して、式

で与えられる適応型ＦＩＲフィルタから構成されるクロストーク補償部を含むことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２のデジタルコヒーレント光受信装置であって、前記ｋ番目のフィルタ係数ｈ_mnXX（ｋ）、ｈ_mnXY（ｋ）、ｈ_mnYX（ｋ）、ｈ_mnYY（ｋ）は、複素時系列出力Ｂ_nX、Ｂ_nYの制御目標からの誤差ε(Ｂ_nX)、ε(Ｂ_nY)を０に近づけるように、漸化式

を繰返すことによって与えられることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３のデジタルコヒーレント光受信装置であって、前記ｋ番目のフィルタ係数ｈ_mnXX（ｋ）、ｈ_mnXY（ｋ）、ｈ_mnYX（ｋ）、ｈ_mnYY（ｋ）は、複素時系列出力Ｂ_nX、Ｂ_nYの制御目標からの誤差ε(Ｂ_nX)、ε(Ｂ_nY)を０に近づけるように、漸化式

を繰返すことによって与えられ、前記漸化式のδ_mnが少なくとも１以上である整数ｖに対して
|ｍ−ｎ|≦ｖのとき、δ_mn＝１ および
|ｍ−ｎ|＞ｖのとき、δ_mn＝０
であることを特徴とする。このとき、対角上要素および少なくとも前記対角要素に隣接する要素を除いた他の行列要素は、０と設定される。請求項４に記載の発明は、すべてのチャネルからのクロストークを考慮して、すべてのフィルタ係数を求める請求項３に記載の発明の特別な形態である。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４いずれかのデジタルコヒーレント光受信装置であって、前記波長多重信号光の中に含まれる信号光が偏波多重されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかのデジタルコヒーレント光受信装置であって、前記マルチキャリア光源は、少なくとも１つの種光源と、前記種光源から供給された光に対して、前記波長多重化されたＮチャネルの前記信号光の光周波数間隔に等しい間隔で１つ以上のサイドバンド光を生じさせる光強度変調器または光位相変調器とを含むことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかのデジタルコヒーレント光受信装置であって、前記マルチキャリア光源は、少なくとも１つの種光源と、前記種光源から供給された光に対して位相変調を施す第１の光位相変調器と、前記第１の光位相変調器からの出力光が入射される分散性媒質と、前記分散性媒質からの出力光に対して、周波数チャープを与える第２の光位相変調器とを含むことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかのデジタルコヒーレント光受信装置であって、前記マルチキャリア光源は、前記信号光の光周波数間隔に等しい繰返し周波数の光パルスを出力する少なくとも１つの種パルス光源と、前記種パルス光源の出力光パルスが入射され、前記出力光パルスのサイドバンドを増加させる光非線形媒質とを含むことを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項６乃至８いずれかのデジタルコヒーレント光受信装置であって、前記マルチキャリア光源は、前記光強度変調器もしくは前記光位相変調器または前記種パルス光源へ、前記信号光の光周波数間隔に等しい周波数の信号を供給する発振器をさらに含むことを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、２個以上であってＮ個以下の単一波長光源または請求項６乃至８いずれかに記載のマルチキャリア光源を備え、前記単一波長光源または前記マルチキャリア光源からの各々の局部発振光の光電界相互の位相差が固定されていることを特徴とするデジタルコヒーレント光受信装置である。

以上説明したように、本発明によれば、波長多重信号光における互いに独立な各チャネルの信号光の光位相関係を把握することを可能となる。さらに、隣接チャネルからの線形クロストークおよび非線形クロストークの影響を正確に推定しおよびこれを補償することができるコヒーレント光伝送方式を実現できる。

従来のデジタルコヒーレント光受信装置を用いたデジタルコヒーレント光伝送システムの構成を示した図である。 従来のデジタルコヒーレント光受信装置の受信側における１つの信号処理部の構成を示した図である。 波長多重伝送する場合のデジタルコヒーレント光受信装置の信号処理部全体の構成を示した図である。 本発明のデジタルコヒーレント光受信装置に関わる第１の実施形態の構成を示した図である。 第１の実施形態の本発明のデジタルコヒーレント光受信装置における光受信部のさらに詳細な構成を示した図である。 本発明のデジタルコヒーレント光受信装置で使用されるマルチキャリア局部発振光源の第１の実施例の構成を示す図である。 本発明のデジタルコヒーレント光受信装置で使用されるマルチキャリア局部発振光源の第２の実施例の構成を示す図である。 本発明のデジタルコヒーレント光受信装置で使用されるマルチキャリア局部発振光源の第３の実施例の構成を示す図である。 本発明のデジタルコヒーレント光受信装置で使用されるマルチキャリア局部発振光源の第４の実施例の構成を示す図である。 本発明のデジタルコヒーレント光受信装置で使用されるマルチキャリア局部発振光源の第５の実施例の構成を示す図である。 本発明のデジタルコヒーレント光受信装置で使用されるマルチキャリア局部発振光源の第６の実施例の構成を示す図である。 本発明のデジタルコヒーレント光受信装置におけるクロストーク補償段の動作を表すフィルタ行列を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明のデジタルコヒーレント光受信装置は、従来技術のデジタルコヒーレント光受信装置と比べて、次の点に特徴がある。

第１に、各チャネルの信号光がコヒーレント受信される複数の光受信器にそれぞれ対応する複数の局部発振光は、各局部発振光の光電界の位相がロックされたマルチキャリア局部発振光源から発生される。これに対し、従来技術のデジタルコヒーレント光受信装置においては、波長多重数分の独立した局部発振光源から局部発振光源が発生されていた。

第２に、各チャネルのコヒーレント検波手段から出力される複数の電気信号が、結合された信号処理部に入力される。これに対し、従来技術のデジタルコヒーレント光受信装置においては、コヒーレント検波手段からの複数の電気信号出力は、対応する別個の信号処理部にそれぞれ入力されていた。

（第１の実施形態）
図４は、第１の実施形態の本発明のデジタルコヒーレント光受信装置の構成を示した図である。本実施形態のデジタルコヒーレント光受信装置は、図１に示した従来のデジタルコヒーレント光受信装置の構成と比べると、局部発振光源の構成およびコヒーレント光検波手段よりも後段の信号処理部の構成の点で相違している。以下、これらの相違点を中心に説明する。

図４に示したデジタルコヒーレント光受信装置において、送信側の構成については、図１の従来技術の構成と同一である。これに対し受信側においては、第１に、局部発振信号の供給方法が図１の従来技術の構成と異なっている。すなわち、各チャネルの光受信部６−１、６−２、・・６−Ｎへ供給される局部発振信号１４−１、１４−２、・・１４−Ｎは、マルチキャリア局部発振回路４１において生成され、光分波器４０を経由して供給される。受信側の光分波器５において分波されたＮチャネルの信号光は、それぞれ対応するＮ波の局部発振光とミキシングされてコヒーレント受信される。本発明においては、Ｎ波の局部発振光は、各々の光位相がロックされたマルチキャリア光源４１から発生されるため、各局部発振光間で相互の光位相関係が確定される。ここで、各々の光位相がロックされたとは、各局部発振光の相互の位相差が固定されていることを意味する。従って、コヒーレント検波手段７−１、７−２、・・７−Ｎの各出力電気信号１５−１、１５−２、・・１５−Ｎの位相関係から、波長多重信号光における各チャネルの信号光の光位相関係を推定することが可能となる。各局部発振光の光位相がロックされたマルチキャリア光源４１の具体的な構成は、後述の実施例で示される。

第２に、コヒーレント検波手段７−１、７−２、・・７−Ｎの各出力電気信号１５−１、１５−２、・・１５−Ｎは、共通のマルチチャネル信号処理部４２へ入力される点で、図１の従来技術の構成と相違している。従来技術のデジタルコヒーレント光受信装置では、Ｎチャネルの信号光に対応したコヒーレント検波手段の各出力は、それぞれ対応するＮ個の独立した別個の信号処理部に入力されていた。このため各信号処理部では他のチャネルの信号を相互に利用することができず、他のチャネルからのクロストークの精密な補償ができなかった。

これに対し、本発明のデジタルコヒーレント光受信装置では、各チャネルの信号光にそれぞれ対応したコヒーレント検波手段の各出力は、各チャネルの信号光を相互に利用するため、各チャネルからの信号光が結合され統合された信号処理部へ入力される。次に、この統合された信号処理部の構成および動作について説明する。

図５は、第１の実施形態の本発明のデジタルコヒーレント光受信装置における光受信部のさらに詳細な構成を示した図である。マルチキャリア信号処理部４２は、図３に示した従来技術の構成における個々の偏波多重分離段２１−１、２４−２、・・２４−Ｎに代えて、結合されたクロストーク補償段５０を備えている。クロストーク補償段５０に対しては、後述するように各チャネルからの信号光が入力され、隣接チャネルからのクロストークの補償のために利用される。すなわち、他のチャネルからの線形クロストークおよび非線形クロストークの影響を正確に推定しおよびこれを補償することができる。クロストーク補償段５０以外の部分は、従来技術の構成とほぼ同様である。次に、クロストーク補償段５０の構成および動作についてさらに説明する。

チャネル１に着目すれば、コヒーレント検波手段７−１からのコヒーレントの４つの入力信号は、それぞれＡＤ変換器２２によってデジタル信号に変換され、Ｘ偏波成分のＩ成分およびＱ成分と、Ｙ偏波成分のＩ成分およびＱ成分とが得られる。これらの各信号成分は結合されて、以降複素デジタル時系列信号として処理される。

ＡＤ変換器２２の次段の波長分散補償段２３−１、２３−２において、伝送路の波長分散が、偏波成分毎に粗く補償される。２つの波長分散補償段２３−１、２３−２からの各複素時系列出力（Ａ_1X、Ａ_1Y）は、送信側で偏波多重された偏波成分が混合した状態のままで、クロストーク補償段５０へ入力される。同様に、チャンネル２からの複素時系列出力（Ａ_2X、Ａ_2Y）もクロストーク補償段５０へ入力され、合計Ｎチャネルのすべての複素時系列出力がクロストーク補償段５０へ入力される。

クロストーク補償段５０にＸ偏波およびＹ偏波に対応する複素時系列Ａ_nX、Ａ_nYが入力されるとき（１≦ｎ≦Ｎ）、Ｘ偏波およびＹ偏波にそれぞれ対応するｋ番目の複素出力Ｂ_nX(k)、Ｂ_nY(k)は、次式で与えられる。

ここで、ｈ_mnXX(k)、ｈ_mnXY(k)、ｈ_mnYX(k)、ｈ_mnYY(k)は、ｋ番目のフィルタ係数である（１≦ｍ≦Ｎ）。式（３）は、適応型ＦＩＲフィルタを表している。

従来技術と同様に、フィルタ係数ｈ_mnXX(k)、ｈ_mnXY(k)、ｈ_mnYX(k)、ｈ_mnYY(k)は、入力時系列（Ａ_nX、Ａ_nY）の値に従って逐次推定される。推定アルゴリズムとしては、ＣＭＡ（Constant Modulus Algorithm）法、またはその変形版が用いられる。例えば、ＣＭＡ法の場合は、ｋ番目のフィルタ係数ｈ_XX(k)、ｈ_XY(k)、ｈ_YX(k)、ｈ_YY(k)が、複素時系列出力Ｂ_X、Ｂ_Yの制御目標からの誤差ε(Ｂ_X)、ε(Ｂ_Y)を０に近づけるように、次式の漸化式を繰り返すことによって与えられる。

式（４）から容易に理解されるように、本発明のデジタルコヒーレント光受信装置では、各フィルタ係数は、すべてのチャネルからの複素時系列入力および出力が考慮される。フィルタ係数は、図１２の（ａ）の行列形式で表される。これによって、隣接チャネルからの線形クロストークおよび非線形クロストークの影響を正確に推定しおよびこれを補償することができる。

上述のように、本発明は、マルチキャリア局部発振光源を使用することによって、各局部発振光の光位相をロックしている。すなわち、異なる局部発振光の位相差が固定されており、これによって、波長多重信号の各チャネルの信号光間の光位相関係をコヒーレント検波手段からの出力の位相関係に反映させることができる。

波長多重伝送方式の場合、受信されるチャネルの信号光は隣接チャネルから線形クロストークおよび非線形クロストークの影響を受ける。従来のデジタルコヒーレント光受信装置においては、受信した信号光から得られる当該チャネルの時系列情報のみに基づいて信号を推定していた。このため、上述の隣接チャネルからのクロストークを正確に補償することができなかった。本発明では、各キャリア光出力の光位相がロックされたマルチキャリア局部発振光源を用いることによって、光受信部において、波長多重信号光における互いに独立な各チャネルの信号光の振幅だけでなく光位相を知ることができ、上述のクロストークの影響を正確に推定しこの影響を補償することが可能となる。すなわち、波長多重信号光における各チャネルの信号光の位相をθ₁、..、θ_N、各チャネルに対応するマルチキャリア局部発振光の電界の位相をφ₁、..、φ_Nとする。このとき、コヒーレント検波手段から出力される電気信号の位相は、θ₁−φ₁、..、θ_N−φ_Nとなる。マルチキャリア局部発振光の電界の位相が確定し既知の情報となることによって、コヒーレント検波手段から出力される電気信号は、波長多重信号光における各チャネルの信号の振幅および位相をともに反映した情報となる。

さらに、すべてのまたは複数のチャネルからの複素時系列信号を利用する統合したクロストーク補償段５０を利用して、隣接チャネルからのクロストークに関する情報を得ることによって、より正確な信号光チャネルの推定が可能となる。

本発明では、キャリア光の振幅だけではなく位相を変調して発生させた信号光に対しても適用可能である。また、本発明は直交した２つの偏波状態に多重して得られた、いわゆる偏波多重信号光に対しても適用可能である。

第１の実施形態では、フィルタ係数に関して、１〜Ｎのすべての（ｍ、ｎ）について計算したため、計算量がＮ²に比例して増大する。しかし、ある所定のチャネルにおいて、当該チャネル近傍のチャネルからのクロストークが支配的である場合は、（ｍ、ｎ）の対角成分近傍の係数だけについて考慮して計算することができる。これによって、フィルタ係数を求めるための計算量をほぼチャネル数Ｎに比例する程度にまで減少させることが可能である。図１２の（ｂ）に示したように、各チャネルについて、行列の対角線近傍上の４つのフィルタ係数ｈ_mnXX(k)、ｈ_mnXY(k)、ｈ_mnYX(k)、ｈ_mnYY(k)を計算すれば良い。例えば、対角成分の要素に直接隣接する要素のみを考慮することができる。言い換えると、式（４）におけるδｍｎが、少なくとも１以上である整数ｖに対して、次式
|ｍ−ｎ|≦ｖのとき、δ_mn＝１
|ｍ−ｎ|＞ｖのとき、δ_mn＝０
を満たせば良い。これによって、ほぼチャネル数Ｎに比例した計算量まで削減することができる。

図５に示した第１の実施形態の構成における信号処理ブロックの順序・組み合わせは、これに限定されない。例えば、クロック抽出部２５とキャリア位相推定部２６のブロックをまとめて１つの機能ブロックとした構成も可能である。

また、上記実施形態では、波長多重された光信号の１〜Ｎチャネル全てのチャネルを信号処理の対象としたが、本発明は、波長多重された全光信号の内の一部のチャネル群を信号処理の対象としても良い。次に、マルチキャリア光源の様々な実施例について述べる。

（マルチキャリア光源の第１の実施例）
図６は、本発明に係るデジタルコヒーレント光受信装置で使用されるマルチキャリア局部発振光源の第１の実施例の構成を示す図である。本実施例では、マルチキャリア局部発振光は、以下のように発生される。種光源６１から出力される単一光周波数の光６５を、発振器６２の出力によって駆動される光変調器６３で変調することによって、複数のサイドバンド光６４を発生させる。光変調器６３は、光強度変調器または光位相変調器のいずれかが用いられる。マルチキャリア光の周波数間隔Δｆと等しい周波数を有する周期的信号が、発振器６２から光変調器６３に与えられる。この周期的信号による単一光周波数光の変調を経て、光変調器６３からマルチキャリア局部発振光が発生される。図６には、種光源６１および光変調器６３の光周波数スペクトラムも示されている。

（マルチキャリア光源の第２の実施例）
図７は、本発明に係るデジタルコヒーレント光受信装置で使用されるマルチキャリア局部発振光源の第２の実施例の構成を示す図である。本実施例では、上述の第1の実施例における種光源を複数備えることを特徴とする。さらに、複数の種光源の光位相が互いにロックされている。すなわち、ν₁の光周波数を発生する第１の種光源７１−１と、ν₂の光周波数を発生する第２の種光源７１−２とを備え、それぞれの単一光周波数の光は光合波器７４−２で合波される。ここで、２つの光周波数の差ν₂−ν₁は、発振器７２の出力の周波数、すなわち発生するマルチキャリアの周波数間隔Δｆの整数（ｎ）倍となるように設定されている。

複数のマルチキャリア光の光位相をロックする方法は非特許文献１に開示されている。例えば、光変調器７３の出力光の一部を光分岐器７４−１で分岐し、光位相監視制御部７５へフィードバックして、複数の種光源７１−１、７１−２の光周波数を制御する。上述の２つの光周波数の差ν₂−ν₁の関係および光位相のロック条件を満たすことによって、単一のマルチキャリア局部発振光源を用いる場合と同様に、周波数間隔Δｆで等間隔に配列され、かつ光位相関係がロックされたマルチキャリア局部発振光７５を発生することができる。

サイドバンドの発生数は、光位相変調器または後述する光非線形媒質によって種光源からの光に与えられるチャープ（歪み量）に概ね比例し、周波数間隔 Δｆに反比例する。したがって、光位相変調器などの条件によっては、サイドバンドの発生数が十分でなく、発生できるキャリア数の制限が生じ得る。本実施例によれば、１つの種光源から発生させることのできるキャリア数が少ない場合でも、より多くのキャリア数を確保することが可能となる。

種光源の数Ｍは、キャリア数をＮ（１以上）とすれば、１以上Ｎ／２以下の整数とすることができる。例えば、Ｎを１０とすると、種光源の数Ｍは最大５となる。第１の実施例は、Ｍ＝１の場合に相当する。また、第２の実施例はＭ＝２の場合に相当する。Ｍの値には様々な選択が可能であることに注意されたい。

（マルチキャリア光源の第３の実施例）
図８は、本発明に係るデジタルコヒーレント光受信装置で使用されるマルチキャリア局部発振光源の第３の実施例の構成を示す図である。本実施例の構成のマルチキャリア局部発振光源は、種光源８１に加え光強度変調器８３および光位相変調器８４を備えている。種光源８１の出力光８５は、光強度変調器８３によってパルス変調を受けてパルス化され、パルス変調によって生じるサイドバンドを有する出力光８７が得られる。さらに、光強度変調器８３によってパルス化された出力光に、光位相変調器８４によって周波数チャープを与えることで、第1の実施例のマルチキャリア局部発振光源と比べキャリア数がより増加し、かつ各キャリア間の強度偏差がより小さいマルチキャリア光８７を発生することができる。光強度変調器８４へのバイアス条件の調節によっては、光強度変調器８３の出力光８６のスペクトルは図８に示したような３キャリアではなく２キャリアとなり得るが、この場合でも、同じ構成を用いてキャリア数を増やすことができる。

（マルチキャリア光源の第４の実施例）
図９は、本発明に係るデジタルコヒーレント光受信装置で使用されるマルチキャリア局部発振光源の第４の実施例の構成を示す図である。本実施例のマルチキャリア局部発振光源は、種光源９１に加え、２つの光位相変調器９３−１、９３−２および分散性媒質９４を備えている。第１の光位相変調器９３−１およびその出力光が入力される分散性媒質９４は、第２の実施例のマルチキャリア局部発振光源における光強度変調器７３と同様なパルス変調動作を行う。本実施例においても、分散性媒質９４から出力さえるパルス化された出力光に、第２の光位相変調器９３−２によって周波数チャープを与えることによって、マルチキャリア局部発振光９５を発生させることができる。

ここで分散性媒質としては、例えば、単一モードファイバもしくはファイバ型回折格子または光干渉計などを利用することができる。

（マルチキャリア光源の第５の実施例）
図１０は、本発明に係るデジタルコヒーレント光受信装置で使用されるマルチキャリア局部発振光源の第５の実施例の構成を示す図である。本実施例のマルチキャリア局部発振光源は、繰返し光パルスを出力する種パルス光源１０１と、種パルス光源１０１からのパルス出力光が入力される光非線形媒質１０３とを備えている。さらに、発振器１０２は、マルチキャリア光の周波数間隔と等しい周波数の周期的信号を種パルス光源１０１に供給する。種パルス光源１０１からの出力光１０５のスペクトルは、光非線形媒質１０３の中で拡大し、拡大されたスペクトルの幅に比例して、マルチキャリア局部発振光１０４に含まれるキャリア数も増加する。

種パルス光源１０１としてはパルス光を発生するレーザ光源を用いる。具体的には、モード同期レーザ（半導体、固体、導波路型）がある。光非線形媒質１０３としては、例えば、ＬｉＮｂＯ₃（ニオブ酸リチウム）、ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（ＫＴＮ）等の化合物デバイス、もしくはこれらに擬似位相整合用の構造を設けたもの、単一モードファイバまたはフォトニック結晶ファイバ等を利用することができる。

上述のいずれの実施例においても、種光源としては、ＣＷ（連続波）光を発生する単一モードレーザ光源を用いることができ、具体的には半導体レーザ、固体レーザ、導波路型レーザを使用することができる。その光周波数は、例えば、１５３０〜１６００ｎｍの間である。発振器としては、正弦波発振器を使用することができ、その周波数は、例えば、１〜５０ＧＨｚの間である。光位相変調器および光強度変調器としては、半導体またはＬｉＮｂＯ₃のものを使用することができる。

（マルチキャリア光源の第６の実施例）
図１１は、本発明に係るデジタルコヒーレント光受信装置で使用されるマルチキャリア局部発振光源の第６の実施例の構成を示す図である。上述の実施例１〜５のマルチキャリア局部発振光源は、単独で使用するだけでなく、異なるまたは同一実施例のマルチキャリア局部発振光源の組合わせにより実施することも可能である。図１１に示すように、異なる複数マルチキャリア局部発振光源１１１−１、１１１−２、・・１１１−Ｎからの各キャリアを光合波器１１２によって組み合わせることによって、マルチキャリア光１１５を得る。本実施例の場合も、第２の実施例のように、光分岐器１１３によってキャリアの一部を光位相監視制御部１１４へフィードバックして、異なるマルチキャリア光源間の光位相を同期させる。

また、上述の各実施例におけるマルチキャリア局部発振光源の出力強度を増大させるために、マルチキャリア局部発振光源の後段に光増幅器を設けることもできる。

また、上述のマルチキャリア光源の各キャリアの強度レベルを補正するために、マルチキャリア局部発振光源の後段に光レベル等化手段を設けることもできる。

以上詳細に述べたように、本発明により波長多重信号光における互いに独立な各チャネルの信号光の光位相関係を把握することが可能となる。さらに、隣接チャネルからの線形クロストークおよび非線形クロストークの影響を正確に推定しおよびこれを補償することができるコヒーレント光伝送方式を提供することができる。

本発明は、一般的に光通信システムに利用することができる。特に、波長多重された光信号の光受信装置に利用可能である。

３−１、３−２、３−Ｎ 光送信部
４、 ７４−２、１１２ 光合波器
５、４０ 光分波器
６−１、６−２、６−Ｎ 光受信部
７、７−１、７−２、７−Ｎ コヒーレント検波手段
８−１、８−２、８−Ｎ 局部発振光源
９−１、９−２、９−Ｎ 信号処理部
２４、２４−１、２４−２、２４−Ｎ 偏波多重分離段
４１、１１１−１、１１１−２、１１１−Ｎ マルチキャリア局部発振光源
４２ マルチチャネル信号処理部
５０ クロストーク補償部
６１、７１−１、７１−２、８１ 種光源
６３、７３、９３−１、９３−２ 光変調器
７５、１１４ 光位相監視制御部

Claims (10)

1. 波長多重信号光の中に含まれるＮチャネルの信号光を復調するデジタルコヒーレント光受信装置において、
   波長多重分離され、前記Ｎチャネルの各々のチャネルに対応する光周波数を有する信号光をそれぞれコヒーレント受信するＮ個のコヒーレント光受信部と、
   前記N個のコヒーレント光受信部の各々に対して、コヒーレント検波を行うための対応するＮ個の局部発振光を供給するマルチキャリア光源であって、前記Ｎ個の局部発振光の光電界相互の位相差が固定されているマルチキャリア光源と、
   前記Ｎ個のコヒーレント光受信部の中の所定のチャネルに対応するコヒーレント光受信部からの出力検波信号と、前記所定のチャネルに隣接する少なくとも１つのチャネルに対応するコヒーレント光受信部からの出力検波信号とに基づいてクロストーク補償を行なう１つの信号処理部と
   を備えたことを特徴とするデジタルコヒーレント光受信装置。
2. 前記信号処理部は、
   ｎを１≦ｎ≦Ｎである整数とし、ｍを１≦ｍ≦Ｎの整数とするとき、前記コヒーレント光受信部から出力される、Ｘ偏波およびＹ偏波に対応する複素時系列入力Ａ_nX、Ａ_nYと、Ｘ偏波およびＹ偏波に対応するｋ番目の複素出力Ｂ_nX（ｋ）、Ｂ_nY（ｋ）との関係が、ｋ番目のフィルタ係数ｈ_mnXX（ｋ）、ｈ_mnXY（ｋ）、ｈ_mnYX（ｋ）、ｈ_mnYY（ｋ）を介して、式
   

   

   で与えられる適応型ＦＩＲフィルタから構成されるクロストーク補償部を含むことを特徴とする請求項１に記載のデジタルコヒーレント光受信装置。
3. 前記ｋ番目のフィルタ係数ｈ_mnXX（ｋ）、ｈ_mnXY（ｋ）、ｈ_mnYX（ｋ）、ｈ_mnYY（ｋ）は、複素時系列出力Ｂ_nX、Ｂ_nYの制御目標からの誤差ε(Ｂ_nX)、ε(Ｂ_nY)を０に近づけるように、漸化式
   

   

   を繰返すことによって与えられることを特徴とする請求項２に記載のデジタルコヒーレント光受信装置。
4. 前記ｋ番目のフィルタ係数ｈ_mnXX（ｋ）、ｈ_mnXY（ｋ）、ｈ_mnYX（ｋ）、ｈ_mnYY（ｋ）は、複素時系列出力Ｂ_nX、Ｂ_nYの制御目標からの誤差ε(Ｂ_nX)、ε(Ｂ_nY)を０に近づけるように、漸化式
   

   

   を繰返すことによって与えられ、前記δ_mnが少なくとも１以上である整数ｖに対して
   |ｍ−ｎ|≦ｖのとき、δ_mn＝１ および
   |ｍ−ｎ|＞ｖのとき、δ_mn＝０
   であることを特徴とする請求項２に記載のデジタルコヒーレント光受信装置。
5. 前記波長多重信号光の中に含まれる信号光が、偏波多重されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のデジタルコヒーレント光受信装置。
6. 前記マルチキャリア光源は、
   少なくとも１つの種光源と、
   前記種光源から供給された光に対して、前記波長多重化されたＮチャネルの前記信号光の光周波数間隔に等しい間隔で１つ以上のサイドバンド光を生じさせる光強度変調器または光位相変調器と
   を含むことを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のデジタルコヒーレント光受信装置。
7. 前記マルチキャリア光源は、
   少なくとも１つの種光源と、
   前記種光源から供給された光に対して位相変調を施す第１の光位相変調器と、
   前記第１の光位相変調器からの出力光が入射される分散性媒質と、
   前記分散性媒質からの出力光に対して、周波数チャープを与える第２の光位相変調器と
   を含むことを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のデジタルコヒーレント光受信装置。
8. 前記マルチキャリア光源は、
   前記信号光の光周波数間隔に等しい繰返し周波数の光パルスを出力する少なくとも１つの種パルス光源と、
   前記種パルス光源の出力光パルスが入射され、前記出力光パルスのサイドバンドを増加させる光非線形媒質と
   を含むことを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のデジタルコヒーレント光受信装置。
9. 前記マルチキャリア光源は、
   前記光強度変調器もしくは前記光位相変調器または前記種パルス光源へ、前記信号光の光周波数間隔に等しい周波数の信号を供給する発振器をさらに含むことを特徴とする請求項６乃至８いずれかに記載のデジタルコヒーレント光受信装置。
10. ２個以上であってＮ個以下の単一波長光源または請求項６乃至８いずれかに記載のマルチキャリア光源を備え、前記単一波長光源または前記マルチキャリア光源からの各々の局部発振光の光電界相互の位相差が固定されていることを特徴とするデジタルコヒーレント光受信装置。

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