JP2015162863A - 光位相同期回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路を用いて、16値以上の多値位相変調信号光に対して局部発振光の光位相を同期させる。【解決手段】16値以上の多値位相変調信号光と局部発振光を光90度ハイブリッド回路に入力し、光90度ハイブリッド回路から出力されるＩ成分とＱ成分の信号光をそれぞれ信号Ｉ，Ｑに変換する受光器とＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路との間に、信号Ｉ，Ｑから、位相が?π／４または?３π／４であるＱＰＳＫの符号に対応する信号を抽出してＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路に入力するＱＰＳＫ成分抽出回路を備え、ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路は、多値位相変調信号光のうちＱＰＳＫの符号に対応する信号を用いて局部発振光の位相同期制御を行う構成である。【選択図】 図１

Description

本発明は、16値以上の多値位相変調信号光をホモダイン位相同期検波する多値位相変調信号受信装置において、多値位相変調信号光に対して局部発振光の光位相を同期させる光位相同期回路に関する。

図５は、ＱＰＳＫ信号光に対する従来の光位相同期回路の構成例を示す（非特許文献１）。
図５において、ＱＰＳＫ信号光と局部発振光源（ＬＤ）３１から出力される局部発振光は、光90度ハイブリッド回路３２に入力される。光90度ハイブリッド回路３２は、ＱＰＳＫ信号光と局部発振光を合波し、Ｉ成分とＱ成分の信号光を出力する。このＩ成分とＱ成分の信号光は、受光器（またはバランスド受光器）３３−１，３３−２に入力してそれぞれ電気信号に変換されて信号Ｉ，Ｑとなり、差動出力増幅器３４−１を介して差動信号Ｉ，−Ｉとして出力され、差動出力増幅器３４−２を介して差動信号Ｑ，−Ｑとして出力される。

識別回路３５−１は、信号Ｉ，−Ｉを入力してその差分信号を識別判定し、判定信号（２Ｉ）を出力する。識別回路３５−２は、信号Ｑ，−Ｑを入力してその差分信号を識別判定し、判定信号（２Ｑ）を出力する。識別回路３５−３は、信号Ｉ，Ｑを入力してその差分信号を識別判定し、判定信号（Ｉ−Ｑ）を出力する。識別回路３５−４は、信号Ｉ，−Ｑを入力してその差分信号を識別判定し、判定信号（Ｉ＋Ｑ）を出力する。

排他的論理和回路（ＥｘＯＲ）３６−１は、判定信号（２Ｉ，２Ｑ）を入力して排他的論理和信号Ａを出力する。排他的論理和回路３６−２は、判定信号（Ｉ−Ｑ，Ｉ＋Ｑ）を入力して排他的論理和信号Ｂを出力する。排他的論理和回路３６−３は、排他的論理和信号Ａ，Ｂを入力して排他的論理和信号Ｃを出力する。この排他的論理和信号Ａ，Ｂ，Ｃは、ＱＰＳＫ信号光の送信情報に依存しない信号であり、排他的論理和信号Ｃは、ＱＰＳＫ信号光に対する局部発振光の位相誤差に相当する成分を有する。よって、この排他的論理和信号Ｃをループフィルタ３７を介して局部発振光源３１にフィードバックし、ＱＰＳＫ信号光に対する局部発振光の位相誤差が０になるように光周波数制御を行う。

ここで、差動出力増幅器３４−１，３４−２、識別回路３５−１〜３５−４、排他的論理和回路３６−１〜３６−３は、ＱＰＳＫ信号光に対する局部発振光の位相誤差を検出するＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路を構成する。

なお、識別回路３５−１〜３５−４と排他的論理和回路３６−１〜３６−３は、Ｓ／Ｎ比を改善するために、それぞれ正極および負極の各信号成分を入出力処理する構成となっているが、いずれか一方の信号成分を入出力処理する構成であってもよい。

A. Mizutori, et al. ,"Stable Costas Loop Homodyne Detection for 20-Gbit/s QPSK Signal Fiber Transmission", ECOC2013, Mo 4 C 1, 2013

図５に示す従来の光位相同期回路（ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路）は、ＢＰＳＫ信号光やＱＰＳＫ信号光に対する局部発振光の位相誤差を検出することができる。例えばＱＰＳＫでは、送信情報を±π／４，±３π／４の４値位相を使って送信するが、ＣＯＳＴＡＳ回路ではＩとＱの２信号から位相を４倍することで、送信情報に依存しない形で位相誤差を検出している。

しかし、16値以上の多値位相変調信号（例えば16ＱＡＭ信号や64ＱＡＭ信号）の場合は、位相を４倍したときに送信情報に依存した情報と、依存しない情報（真の位相誤差）になる信号がある。例えば16ＱＡＭでは、図６に示すＩＱ空間上に、位相が±π／４または±３π／４のＱＰＳＫの符号に対応する信号●と、その他の符号に対応する信号○がそれぞれ８個ある。このうち、ＱＰＳＫの符号に対応する信号●はその位相を４倍するとπになり、πからのずれが位相誤差として検出できるが、信号○は位相を４倍または８倍しても位相誤差だけを検出することができない。

このように、従来のＣＯＳＴＡＳ回路は、ＢＰＳＫ信号光やＱＰＳＫ信号光に対して位相誤差検出器として機能するが、16値以上の多値位相変調信号光に対する位相誤差検出器として機能させることができない。一方、インターネットが普及した現在、通信容量拡大のために変調方式の多値化が進んでいる。

本発明は、16値以上の多値位相変調信号光に対して局部発振光の光位相を同期させることができる光位相同期回路を提供することを目的とする。

本発明は、局部発振光を出力する局部発振光源と、ＱＰＳＫ信号光と局部発振光とを入力して合波し、Ｉ成分とＱ成分の信号光を出力する光90度ハイブリッド回路と、Ｉ成分とＱ成分の信号光をそれぞれ電気信号に変換し、信号Ｉ，Ｑを出力する受光器と、信号Ｉ，Ｑを入力し、その位相を４倍して送信情報に依存せずにＱＰＳＫ信号光に対する局部発振光の位相誤差を検出し、この位相誤差に応じた制御信号を局部発振光源に入力してＱＰＳＫ信号光に対する局部発振光の光位相を同期させるＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路とを備えた光位相同期回路において、ＱＰＳＫ信号光に代えて16値以上の多値位相変調信号光を光90度ハイブリッド回路に入力し、受光器とＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路との間に、受光器から出力される信号Ｉ，Ｑから、位相が±π／４または±３π／４であるＱＰＳＫの符号に対応する信号を抽出してＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路に入力するＱＰＳＫ成分抽出回路を備え、ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路は、多値位相変調信号光のうちＱＰＳＫの符号に対応する信号を用いて局部発振光の位相同期制御を行う構成である。

本発明の光位相同期回路において、ＱＰＳＫ成分抽出回路は、受光器から出力される信号Ｉ，Ｑの強度を検出する強度検出回路と、信号Ｉ，Ｑの強度とＱＰＳＫの符号を識別する所定の閾値とを比較し、信号Ｉ，ＱからＱＰＳＫの符号に対応する信号が出現するタイミングを検出し、ラッチ信号を出力する比較回路と、比較回路からラッチ信号を入力したタイミングで、信号Ｉ，ＱからＱＰＳＫの符号に対応する信号を抽出してＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路に入力する保持回路とを備える。

本発明の光位相同期回路において、ＱＰＳＫ成分抽出回路の比較回路は、１つの閾値を用い、信号Ｉ，ＱからＱＰＳＫの符号に対応する信号のうち最小の強度を有する信号を抽出する構成としてもよい。

本発明の光位相同期回路は、ＱＰＳＫ成分抽出回路を用いて16値以上の多値位相変調信号光からＱＰＳＫの符号に対応する信号を抽出することにより、ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路において多値位相変調信号光のうちＱＰＳＫの符号に対応する信号を用いて局部発振光の位相同期制御を行うことができる。

これにより、16値以上の多値位相変調信号光をホモダイン位相同期検波する多値位相変調信号受信装置を簡単な構成で実現することができ、変調信号光の多値化による通信容量の拡大を図ることができる。

本発明の光位相同期回路の実施例構成を示す図である。 16ＱＡＭ信号からＱＰＳＫの符号に対応する信号を抽出する動作を説明する図である。 32ＱＡＭ信号からＱＰＳＫの符号に対応する信号を抽出する動作を説明する図である。 64ＱＡＭ信号からＱＰＳＫの符号に対応する信号を抽出する動作を説明する図である。 ＱＰＳＫ信号光に対する従来の光位相同期回路の構成例を示す図である。 16ＱＡＭ信号の信号空間ダイヤグラムを示す図である。

図１は、本発明の光位相同期回路の実施例構成を示す。
図１において、局部発振光源（ＬＤ）３１、光90度ハイブリッド回路３２、受光器（ＰＤ）３３−１，３３−２、ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路（差動出力増幅器３４−１，３４−２、識別回路３５−１〜３５−４、排他的論理和回路３６−１〜３６−３）、ループフィルタ３７は、図５に示す従来の光位相同期回路と同様の構成である。受光器３３−１，３３−２については、バランスド受光器であってもよい（非特許文献１）。

本実施例の特徴は、受光器３３−１，３３−２と、ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路の差動出力増幅器３４−１，３４−２との間に、16値以上の多値位相変調信号からＱＰＳＫの符号に対応する信号のみを抽出するＱＰＳＫ成分抽出回路を挿入した構成にある。ここで、ＱＰＳＫの符号に対応する信号とは、位相が±π／４または±３π／４の符号である。

ＱＰＳＫ成分抽出回路は、強度検出回路１１、比較回路１２、保持回路１３−１，１３−２により構成される。強度検出回路１１は、受光器３３−１，３３−２から出力される信号Ｉ，Ｑを入力してその強度Ｒを検出する。例えば、信号Ｉ，Ｑをそれぞれ２乗する２乗回路と、２乗回路の各出力を加算する加算回路により構成される。

比較回路１２は、強度検出回路１１で検出された強度Ｒと１つ以上の閾値とを比較し、ＱＰＳＫの符号に対応する信号の出現タイミングを検出してラッチ信号を出力する。例えば、後述するように16ＱＡＭ信号に対して２つの閾値Ｒ1 ，Ｒ2 （Ｒ1 ＜Ｒ2 ）を用いるとき、強度検出回路１１で検出された強度Ｒと閾値Ｒ1 を比較し、Ｒ＜Ｒ1 のときに論理「１」の信号を出力する比較器と、強度検出回路１１で検出された強度Ｒと閾値Ｒ2 を比較し、Ｒ＞Ｒ2 のときに論理「１」の信号を出力する比較器と、各比較器の出力の論理和をとり、Ｒ＜Ｒ1 またはＲ＞Ｒ2 のときにラッチ信号として論理「１」の信号を出力する論理和回路により構成される。

保持回路１３−１，１３−２は、比較回路１２がラッチ信号を出力するタイミング、すなわちＱＰＳＫの符号に対応する信号の出現タイミングで、受光器３３−１，３３−２が出力する信号Ｉ，ＱからＱＰＳＫの符号に対応する信号を抽出してＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路の差動出力増幅器３４−１，３４−２に入力する。

ここで、ＱＰＳＫ成分抽出回路の動作について、図２に示す16ＱＡＭ信号の場合、図３に示す32ＱＡＭ信号の場合、図４に示す64ＱＡＭ信号の場合を例に説明する。

図２に示す16ＱＡＭ信号の場合、各符号はＩＱ空間の●と○で表される。●は、16ＱＡＭ信号のうち位相が±π／４または±３π／４のＱＰＳＫの符号に対応する信号であり、○はその他の符号に対応する信号を示す。比較回路１２に与える閾値Ｒ1 ，Ｒ2 （Ｒ1 ＜Ｒ2 ）は、信号●と信号○との境界を示す。したがって、信号Ｉ，Ｑの強度ＲがＲ＜Ｒ1 またはＲ＞Ｒ2 であればＱＰＳＫの符号に対応する信号●を示し、信号Ｉ，Ｑの強度ＲがＲ1 ＜Ｒ＜Ｒ2 であれば、ＱＰＳＫの符号に対応しない信号○を示す。

比較回路１２は、１つの閾値Ｒ1 またはＲ2 を用い、Ｒ＜Ｒ1 またはＲ＞Ｒ2 となるタイミングでラッチ信号を出力すると、保持回路１３−１，１３−２は16ＱＡＭ信号のうちＱＰＳＫの符号に対応する信号●を４個抽出し、ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路の差動出力増幅器３４−１，３４−２に入力する。あるいは、２つの閾値Ｒ1 ，Ｒ2 を用い、Ｒ＜Ｒ1 またはＲ＞Ｒ2 となるタイミングでラッチ信号を出力すると、保持回路１３−１，１３−２は16ＱＡＭ信号のうちＱＰＳＫの符号に対応する信号●を８個抽出し、ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路の差動出力増幅器３４−１，３４−２に入力する。

ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路では、16ＱＡＭ信号のうちＱＰＳＫの符号に対応する信号から、図５を参照して説明したように位相誤差を検出し、ループフィルタ３７を介して局部発振光源（ＬＤ）３１にフィードバックし、ＱＰＳＫ信号光と同様に16ＱＡＭ信号光に対する局部発振光の位相誤差が０になるように光周波数制御を行い、16ＱＡＭ信号光のホモダイン位相同期検波が可能となる。

図３に示す32ＱＡＭ信号の場合、各符号はＩＱ空間の●と○で表される。●は、32ＱＡＭ信号のうち位相が±π／４または±３π／４のＱＰＳＫの符号に対応する信号であり、○はその他の符号に対応する信号を示す。比較回路１２に与える閾値Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ３（Ｒ1 ＜Ｒ2 ＜Ｒ3 ）は、信号●と信号○との境界を示す。したがって、信号Ｉ，Ｑの強度ＲがＲ＜Ｒ1 またはＲ2 ＜Ｒ＜Ｒ3 であればＱＰＳＫの符号に対応する信号●を示し、信号Ｉ，Ｑの強度ＲがＲ＞Ｒ3 またはＲ1 ＜Ｒ＜Ｒ2 であれば、ＱＰＳＫの符号に対応しない信号○を示す。

比較回路１２は、１つの閾値Ｒ1 を用い、Ｒ＜Ｒ1 となるタイミングでラッチ信号を出力すると、保持回路１３−１，１３−２は32ＱＡＭ信号のうちＱＰＳＫの符号に対応する信号●を４個抽出し、ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路の差動出力増幅器３４−１，３４−２に入力する。あるいは、２つの閾値Ｒ2 ，Ｒ3 を用い、Ｒ2 ＜Ｒ＜Ｒ3 となるタイミングでラッチ信号を出力すると、保持回路１３−１，１３−２は32ＱＡＭ信号のうちＱＰＳＫの符号に対応する信号●を４個抽出し、ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路の差動出力増幅器３４−１，３４−２に入力する。あるいは、３つの閾値Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 を用い、Ｒ＜Ｒ1 またはＲ2 ＜Ｒ＜Ｒ3 となるタイミングでラッチ信号を出力すると、保持回路１３−１，１３−２は32ＱＡＭ信号のうちＱＰＳＫの符号に対応する信号●を８個抽出し、ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路の差動出力増幅器３４−１，３４−２に入力する。

ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路では、32ＱＡＭ信号のうちＱＰＳＫの符号に対応する信号から、図５を参照して説明したように位相誤差を検出し、ループフィルタ３７を介して局部発振光源（ＬＤ）３１にフィードバックし、ＱＰＳＫ信号光と同様に32ＱＡＭ信号光に対する局部発振光の位相誤差が０になるように光周波数制御を行い、32ＱＡＭ信号光のホモダイン位相同期検波が可能となる。

図４に示す64ＱＡＭ信号の場合も同様であり、強度検出回路１１が検出する信号Ｉ，Ｑの強度Ｒと閾値Ｒ１〜Ｒ４を比較することにより、64ＱＡＭ信号のうちＱＰＳＫの符号に対応する各信号●を抽出し、ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路の差動出力増幅器３４−１，３４−２に入力し、局部発振光の位相同期が可能である。 128値以上の多値位相変調信号についても同様である。

なお、図１に示す光位相同期回路を用いて、16値以上の多値位相変調信号光に対して局部発振光の位相同期を行うには、局部発振光源３１のスペクトル線幅とＰＬＬループ帯域幅に応じて、多値位相変調信号光のうちＱＰＳＫの符号に対応する信号の出現率が所定値以上である必要がある。例えば、スペクトル線幅が３ｋＨz 、位相誤差を２度程度に抑えるには、ループ帯域は２ＭＨz となり、 500ｎsec に１回の割合で局部発振光源３１の位相を補正すればよいことになる。多値位相変調信号光のビットレートが12.5Ｇbit/s とすると、ＱＰＳＫの符号に対応する信号の出現率は１／16程度で十分である。

例えば、１つの閾値を用いて、信号Ｉ，ＱからＱＰＳＫの符号に対応する信号のうち最小の強度を有する４個の信号を抽出できれば、16ＱＡＭ信号の場合の符号出現率は４／16となり、32ＱＡＭ信号の場合の符号出現率は４／32となり、64ＱＡＭ信号の場合の符号出現率は４／64となり、それぞれ十分に位相同期が可能である。また、 128ＱＡＭ信号の場合でも、複数の閾値を用いてＱＰＳＫの符号に対応する信号を８個抽出できれば、符号出現率は８／128 ＝１／16となり、十分に位相同期が可能である。局部発振光源３１のスペクトル線幅とＰＬＬループ帯域幅を変えれば、例えば1024ＱＡＭ信号と局部発振光の位相同期も可能である。また、局部発振光源３１の狭線幅化により、位相同期に必要なＱＰＳＫの符号に対応する信号の出現率を小さくできるので、閾値の数を減らして比較回路１２の構成を簡単にすることができる。

また、図１に示すＱＰＳＫ成分抽出回路、ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路およびループフィルタ３７のすべてをデジタル回路で実現することができる。この場合、ＱＰＳＫ成分抽出回路の前段にアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ）を配置し、デジタルループフィルタの後段にデジタル／アナログ変換（Ｄ／Ａ）を配置すればよい。

１１ 強度検出回路
１２ 比較回路
１３−１，１３−２ 保持回路
３１ 局部発振光源（ＬＤ）
３２ 光90度ハイブリッド回路
３３−１，３３−２ 受光器（ＰＤ）
３４−１，３４−２ 差動出力増幅器
３５−１〜３５−４ 識別回路
３６−１〜３６−３ 排他的論理和回路（ＥｘＯＲ）
３７ ループフィルタ

Claims (3)

1. 局部発振光を出力する局部発振光源と、
   ＱＰＳＫ信号光と前記局部発振光とを入力して合波し、Ｉ成分とＱ成分の信号光を出力する光90度ハイブリッド回路と、
   前記Ｉ成分とＱ成分の信号光をそれぞれ電気信号に変換し、信号Ｉ，Ｑを出力する受光器と、
   前記信号Ｉ，Ｑを入力し、その位相を４倍して送信情報に依存せずに前記ＱＰＳＫ信号光に対する前記局部発振光の位相誤差を検出し、この位相誤差に応じた制御信号を前記局部発振光源に入力して前記ＱＰＳＫ信号光に対する前記局部発振光の光位相を同期させるＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路と
   を備えた光位相同期回路において、
   前記ＱＰＳＫ信号光に代えて16値以上の多値位相変調信号光を前記光90度ハイブリッド回路に入力し、
   前記受光器と前記ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路との間に、前記受光器から出力される前記信号Ｉ，Ｑから、位相が±π／４または±３π／４であるＱＰＳＫの符号に対応する信号を抽出して前記ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路に入力するＱＰＳＫ成分抽出回路を備え、
   前記ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路は、前記多値位相変調信号光のうち前記ＱＰＳＫの符号に対応する信号を用いて前記局部発振光の位相同期制御を行う構成である
   ことを特徴とする光位相同期回路。
2. 請求項１に記載の光位相同期回路において、
   前記ＱＰＳＫ成分抽出回路は、
   前記受光器から出力される前記信号Ｉ，Ｑの強度を検出する強度検出回路と、
   前記信号Ｉ，Ｑの強度と前記ＱＰＳＫの符号を識別する所定の閾値とを比較し、前記信号Ｉ，Ｑから前記ＱＰＳＫの符号に対応する信号が出現するタイミングを検出し、ラッチ信号を出力する比較回路と、
   前記比較回路から前記ラッチ信号を入力したタイミングで、前記信号Ｉ，Ｑから前記ＱＰＳＫの符号に対応する信号を抽出して前記ＱＰＳＫ用ＣＯＳＴＡＳ回路に入力する保持回路と
   を備えたことを特徴とする光位相同期回路。
3. 請求項２に記載の光位相同期回路において、
   前記比較回路は、１つの閾値を用い、前記信号Ｉ，Ｑから前記ＱＰＳＫの符号に対応する信号のうち最小の強度を有する信号を抽出する構成である
   ことを特徴とする光位相同期回路。

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