JP2013081139A

JP2013081139A - 偏波変調と周波数変調を併用した光伝送システムおよび伝送方法

Info

Publication number: JP2013081139A
Application number: JP2011221213A
Authority: JP
Inventors: wei-ren Peng; ペンウエイレン; Itsuro Morita; 逸郎森田
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2011-10-05
Filing date: 2011-10-05
Publication date: 2013-05-02

Abstract

【課題】高い周波数利用効率を維持し、かつ受光感度の改善を図り、長距離伝送を実現する波長多重光伝送システムを提供する
【解決手段】光伝送システムは、偏波変調を行う手段と、周波数変調を行う手段とを備え、偏波変調を行う手段は、複数偏波を同時に使用しない。また、光伝送システムは、多値変調手段をさらに備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、高い周波数利用効率を維持して長距離伝送を実現する波長多重光伝送システムおよび伝送方法に関する。

基幹系を中心とした長距離光伝送システムにおいては、一般的に、波長の異なる信号を一括して一本の光ファイバで伝送する波長多重伝送技術を用いて光ファイバ当りの伝送容量の拡大を図っている。

波長多重伝送を用いた光伝送システムの周波数利用効率の向上を図る方法として、多値変調方式を用いる方法がある。同一の伝送速度で信号伝送を行う場合、多値変調方式を用いることにより、光信号スペクトルの狭窄化が図れる。例えば、４つの位相状態を用いた４相位相変調方式（ＱＰＳＫ）では１シンボルで２ビットの情報を伝送することが可能となる。そのため、光伝送システムで従来から用いられてきた２値強度変調方式と比較して、信号帯域幅を１／２に低減可能である。また、８つの位相状態を用いた８相位相変調方式（８ＰＳＫ）では１シンボルで３ビットの情報を伝送することが可能となる。そのため、波長多重伝送システムにおいて、周波数軸上により高密度に波長多重チャネルの配置が可能となり、周波数利用効率の向上が図れる。

また、偏波多重分離方式（ＰＤＭ）を用いることにより、さらに周波数利用効率の向上が可能である。例えば、直交する２つの偏波を用いて送信し、受信時にＭＩＭＯ技術等を用いて偏波分離することで、周波数利用効率を２倍にすることができる。

さらに、偏波多重分離方式と多値変調方式を組み合わせて用いる方式がある。図１に、偏波多重多値変調信号スペクトルと、偏波変調多値変調信号スペクトルを示す。図１ａの偏波多重分離方式と４値位相変調方式を併用する例（偏波多重ＱＰＳＫ方式）では、１つのシンボルで伝送できる情報量は４ビット（ＱＰＳＫ：２ビット×偏波多重：２ビット）となる。一方、図２ｂの偏波変調方式と４値位相変調方式を併用する例（偏波変調ＱＰＳＫ方式）では、１つのシンボルで伝送できる情報量は３ビット（ＱＰＳＫ：２ビット＋偏波変調：１ビット）となる。本方式は、偏波多重ＱＰＳＫ方式の場合と比較して、情報量は３／４に劣化する。

しかし、多値変調方式による多値化を行う場合、多値化を進めるにしたがって、所望の信号品質を得るために必要な所要光信号対雑音比（ＯＳＮＲ）も増加するという問題がある。所要ＯＳＮＲが増加することは、光伝送システムにおける伝送距離が減少することに相当するため、システムの適用範囲が小さくなることが避けられなかった。

例えば、偏波多重ＱＰＳＫ方式では、単一偏波伝送（情報量は１／２）の場合と比較して、受光感度は半減（３ｄＢ低下）する。

また、偏波変調ＱＰＳＫ方式は、偏波多重ＱＰＳＫ方式と比べて情報量が３／４に劣化する。そのため、偏波変調ＱＰＳＫ方式で偏波多重ＱＰＳＫ方式と同等の情報量を伝送する場合、シンボル速度を偏波多重ＱＰＳＫ方式の４／３倍に高速化する必要があり、その結果、受光感度は単一偏波伝送の場合と比較して３／４（１．２５ｄＢ低下）となる。

そこで本発明は、高い周波数利用効率を維持し、かつ受光感度の改善を図り、長距離伝送を実現する波長多重光伝送システムおよび伝送方法を提供することを目的とする。

上記目的を実現するため本発明による光伝送システムは、偏波変調を行う手段と、周波数変調を行う手段とを備え、前記偏波変調を行う手段は、複数偏波を同時に使用しない。

また、多値変調手段をさらに備えることも好ましい。

また、前記多値変調手段は４相位相変調であり、前記周波数変調を行う手段は、２^ｍ個（ｍは１以上の整数）の周波数を用いて、周波数変調を行う手段であることも好ましい。

また、前記周波数変調を行う手段は、入力データに基づいて、搬送波の周波数を生成する手段であることも好ましい。

また、前記周波数変調を行う手段は、多重周波数を発生する発生器と、入力データに基づいて通過する周波数を決定するスイッチとを備えていることも好ましい。

上記目的を実現するため本発明による光伝送方法は、偏波変調を行うステップと、周波数変調を行うステップとを含み、前記偏波変調を行うステップは、複数偏波を同時に使用しない。

本発明の方法を用いることにより、単一偏波伝送多値変調方式と同じ受信感度を備え、偏波多重ＱＰＳＫ方式と同じ情報量を有する波長多重光伝送システムおよび伝送方法が提供される。これにより、光伝送システムの大容量化と長距離化の両立が図ることができる。

従来技術による偏波多重多値変調信号スペクトルと、偏波変調多値変調信号スペクトルを示す。本発明の実施形態による信号スペクトルを示す。本発明の実施形態で８段階に周波数変調を行った場合の信号スペクトルを示す。本発明の第１の実施形態による送受信機の構成を示す。本発明の第２の実施形態による送受信機の構成を示す。

本発明を実施するための形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。図２は、本発明の実施形態による信号スペクトルを示す。本実施形態は、図２ａに示すように偏波変調、周波数変調（ＦＳＫ）、および多値変調方式を併用した偏波周波数多重多値変調方式である。多値変調方式として、ＱＰＳＫを用い１シンボルで２ビットを伝送し、偏波変調で１シンボルで１ビットを伝送し、周波数変調で１シンボルで１ビットを伝送する（ＰｏｌＦＳＫ−ＱＰＳＫ）。計４ビット／シンボルとなる。

なお、偏波変調と周波数変調の組み合わせは、例えば、図２ｂのようにシンボルを割り当て、２ビットを伝送することができる。図２ｂにおいて、実線のシンボルがＱＰＳＫで送信されるシンボルを示している。この例から、分かるように、本実施形態では、偏波Ｘ、Ｙが同時に使用されない。

また、ＰｏｌＦＳＫ−ＱＰＳＫにおけるＦＳＫのための周波数間隔は、典型的な直交周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ）のために使用されるサブキャリア間隔と同じくらい小さい。

ＰｏｌＦＳＫ−ＱＰＳＫでは、同じ数のビットを伝送するとき、従来技術より広い信号帯域が必要になり、周波数利用効率が悪くなる。しかし、各シンボルに対し、１つの信号帯のみを利用する（図２ｂ参照）。これは、従来の偏波多重ＱＰＳＫ方式で２つの偏波（Ｘ、Ｙが同時に使用される）を用いることに比べて、電力効率がよい。したがって、受信感度が３ｄＢ増加し、より高速のデータ転送が可能になる。

また、各データシンボルに対して１つの偏波を用いる偏波変調ＱＰＳＫ方式と比べると、受信感度が１．５ｄＢ増加し、シンボルレートが４／３倍になる。

図３は、本発明の実施形態で８段階に周波数変調を行った場合の信号スペクトルを示す。本実施形態は、ＦＳＫのため８つの周波数を用いる。この場合、１シンボルで（１＋３）＋２＝６ビットの伝送が可能になる。一般にｍ段階の周波数変調とＱＰＳＫ変調を用いることにより、１＋ｌｏｇ_２ｍ＋２ビットの伝送が可能になる。この形態でも、従来の偏波多重ＱＰＳＫ方式に対して、受信感度が３ｄＢ増加し、より高速のデータ転送が可能になる。

さらに、ＱＰＳＫを他の多値変調方式に変えることができる。例えば、ＢＰＳＫ、４〜１０２４ＱＡＭを用いることができる。ｎＱＡＭを用いた場合、１シンボルで、１＋ｌｏｇ_２ｍ＋ｌｏｇ_２ｎビットの伝送が可能になる。

各変調方式の情報量と受光感度の比較をまとめると以下の表１のようになる。ここでは、単一偏波多値変調方式の情報量（Ｂ）と受光感度（Ｒ）を基準として比較した。これにより、提案方式を用いることにより、光伝送システムの大容量化と長距離化の両立が図れることが分かる。

本発明の信号スペクトルを実現するための送信機と受信機の実装は、数多く考えられる。ここでは、これらの中から単純なものを例として示す。図４は、本発明の第１の実施形態による送受信機の構成を示す。本形態では、送信機１は、周波数可変光源１１、位相変調器１２、および偏波変調器１３を備えている。受信機２は、局発光源２１、およびコヒーレント受信機２２を備えている。

周波数可変光源１１は、入力データに基づいて、出力する光源の周波数を変化させる。図２ｂの例では、入力データに基づいて、高周波数、低周波数のどちらか一方の光を出力する。位相変調器１２は、入力光の位相を変更するために用いられる。偏波変調器１３は、位相変調後、ＸとＹのどちらかに偏波をスイッチするために用いられる。コヒーレント受信機２２は、デジタルイコライザにより、レーザ位相雑音、周波数オフセット、および波長分散等の伝送路での影響を取り除く。

図５は、本発明の第２の実施形態による送受信機の構成を示す。本形態では、送信機１は、光周波数コム発生器１４、周波数選択スイッチ１５、位相変調器１２、および偏波変調器１３を備えている。受信機２は、光周波数コム発生器２３、およびコヒーレント受信機２２を備えている。

光周波数コム発生器１４は、ＦＳＫのための多重周波数源として用いられる。周波数選択スイッチ１５は、入力データに基づいて、どの周波数を通過させるかを決定するために用いられる。図２ｂの例では、入力データに基づいて、高周波数、低周波数のどちらか一方の光を通過する。光周波数コム発生器２３は、コヒーレント検出のために用いられる。

第１の実施形態による送信機は、入力データにより出力する光源の周波数を変化させるため、周波数選択スイッチ１５を必要としない。このため、第２の実施形態と比較して、送信機の構成を簡単にすることができる。

以上のように、本発明は、光信号の変調方式として、多値変調方式に加えて、偏波変調と周波数変調を併用して用いる。これにより、偏波多重と多値変調方式を併用した場合と同等の情報量（多値変調方式としてＱＰＳＫを用いた場合には４ビット／シンボル）を、単一偏波伝送の場合と同等の受光感度で伝送することが可能となる。

また、以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様および変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲およびその均等範囲によってのみ規定されるものである。

１送信機
２受信機
１１周波数可変光源
１２位相変調器
１３偏波変調器
１４光周波数コム発生器
１５周波数選択スイッチ
２１局発光源
２２コヒーレント受信機
２３光周波数コム発生器

Claims

偏波変調を行う手段と、周波数変調を行う手段と、
を備え、前記偏波変調を行う手段は、複数偏波を同時に使用しないことを特徴とする光伝送システム。
多値変調手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光伝送システム。
前記多値変調手段は４相位相変調であり、前記周波数変調を行う手段は、２^ｍ個（ｍは１以上の整数）の周波数を用いて、周波数変調を行う手段であることを特徴とする請求項２に記載の光伝送システム。
前記周波数変調を行う手段は、入力データに基づいて、搬送波の周波数を生成する手段であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光伝送システム。
前記周波数変調を行う手段は、多重周波数を発生する発生器と、入力データに基づいて通過する周波数を決定するスイッチとを備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光伝送システム。
偏波変調を行うステップと、周波数変調を行うステップと、
を含み、前記偏波変調を行うステップは、複数偏波を同時に使用しないことを特徴とする光伝送方法。