JP2016005158A - Ｏｔｄｍ多重分離方法およびｏｔｄｍ多重分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】隣接チャネルどうしが重なった状態で時間多重されたナイキストＴＤＭ光信号を、高いＳ／Ｎ比で多重分離することができるＯＴＤＭ多重分離方法およびＯＴＤＭ多重分離装置を提供する。
【解決手段】ナイキストパルスを高速ＴＤＭ伝送用の信号光としてだけでなく局発光としても用い、それらをコヒーレント検波させることにより、重なり合ったＴＤＭ信号から所望のチャネルを高いＳ／Ｎ比で多重分離する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光パルスを光領域で時間多重した超高速光時分割多重（ＯＴＤＭ）伝送において、隣接パルスどうしが重なり合った状態であっても高いＳ／Ｎ比で多重分離するＯＴＤＭ多重分離方法およびＯＴＤＭ多重分離装置に関するものである。

基幹光伝送網の大容量化に向けて、時分割多重（TDM: Time Division Multiplexing）による１波長あたりの伝送速度の高速化が精力的に進められている。超短光パルスを光領域で時間多重する光時分割多重（OTDM: Optical Time Division Multiplexing）により、１波長あたり1 Tbit/sを超える伝送速度が既に実現されている（例えば、非特許文献１または２参照）。最近では、QAM（Quadrature Amplitude Modulation）と呼ばれるデジタルコヒーレント多値変調方式を導入し、光パルスの位相と振幅に同時に情報を乗せることにより、伝送速度をさらに高速化すると同時に、周波数利用効率の向上が図られている（例えば、特許文献１、非特許文献３または４参照）。

一般に、TDMに用いられるGauss型やSech型の光パルスは、シンボルごとにパルスの裾野がゼロに落ちることから、RZ（Return-to-Zero）パルスと呼ばれている。RZパルスを用いた超高速伝送には超短パルス化が不可欠であるが、超短パルスはその周波数スペクトルが大きく広がってしまう。このため、伝送容量を伝送パルスの周波数スペクトル幅で割算して得られる周波数利用効率は低くなってしまう欠点があった。

この問題を解決するための手法として、帯域広がりを抑えつつ高速化を実現できる新たな光パルスを用いた伝送方式が開発されている（例えば、特許文献２参照）。この光パルスは「光ナイキストパルス」と呼ばれ、その時間波形はsinc関数的な形状を有する。ナイキストパルスの裾野は振動を伴いながら減衰し、振幅が一定間隔ごとにゼロとなることが特徴である。その波形の一例を図７に示す。Tはシンボル間隔を表している。

このナイキストパルスをシンボル間隔Tごとに時分割多重した波形を、図８（ａ）に示す。比較のために、通常のRZパルスを時分割多重した波形を、図８（ｂ）に示す。RZパルスは、図８（ｂ）に示すように隣のシンボルと重ならないよう、出来るだけ幅を狭くする必要ある。それに対し、ナイキストパルスは、図８（ａ）に示すように、幅の広いパルスで、隣り合う信号どうしが重なり合っていても各シンボル点では1と0とが完全に識別できる。そのため、幅が広いパルスを用いても高速通信が実現でき、幅が広いパルスは帯域が狭いため周波数利用効率の増大が同時に可能となる優れた伝送方式である（例えば、非特許文献５参照）。この伝送方式により、シンボルレート160 Gbaudの光ナイキストパルスに、64 QAM変調を施し偏波多重を行うことで、1.92 Tbit/s/chという超高速でありながら、7.5 bit/s/Hzという高い周波数利用効率が報告されている（例えば、非特許文献６参照）。

特開２０１２−３９２９０号公報 特開２０１２−１７５４１７号公報

M. Nakazawa, T. Yamamoto, K. R. Tamura, " 1.28 Tbit/s-70 km OTDM transmission using third- and fourth-order simultaneous dispersion compensation with a phase modulator", Electron., Lett., 2000, vol. 36, no. 24, pp. 2027-2029 H. G. Weber, S. Ferber, M. Kroh, C. Schmidt-Langhorst, R. Ludwig, V. Marembert, C. Boerner, F. Futami, S. Watanabe, and C. Schubert, "Single channel 1.28 Tbit/s and 2.56 Tbit/s DQPSK transmission", Electron. Lett., 2006, vol. 42, no. 3, pp. 178-179 T. Richter, E. Palushani, C. Schmidt-Langhorst, M. Nolle, R. Ludwig, and C. Schubert, "Single Wavelength Channel 10.2 Tb/s TDM-Data Capacity using 16-QAM and coherent detection", in Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2011, paper PDPA9 D. O. Otuya, K. Kasai, M. Yoshida, T. Hirooka, and M. Nakazawa, "A single-channel 1.92 Tbit/s, 64 QAM coherent optical pulse transmission over 150 km using frequency-domain equalization", Opt. Express, 2013, vol. 21, no. 19, pp. 22808-22816 M. Nakazawa, T. Hirooka, P. Ruan, and P. Guan, "Ultrahigh-speed "orthogonal" TDM transmission with an optical Nyquist pulse train", Opt. Express, 2012, vol. 20, no. 2. pp. 1129-1140 D. O. Otuya, K. Kasai, T. Hirooka, M. Yoshida, and M. Nakazawa, "1.92 Tbit/s, 64 QAM coherent Nyquist pulse transmission over 150 km with a spectral efficiency of 7.5 bit/s/Hz", in Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2014, W1A.4

基本繰り返し周波数R、時分割多重度N（即ちシンボルレートN×R）のOTDM信号を受信するには、N×Rパルス/秒からRパルス/秒への多重分離が必要となる。従来のRZパルスの場合は、シンボル間隔T = 1/(N×R)と同程度のゲート幅で所望のチャネルを抽出すればよい。しかしながら、ナイキストパルスは隣接するパルスどうしが重なり合っているため、所望のチャネルの中心位置（情報を完全に識別できるシンボル点）のみを抽出する方式が用いられる。そして中心位置のみの情報を取り出すために、ゲート幅の狭い高速なサンプラが必要となる。RZパルスの多重分離とナイキストパルスのサンプリングとを比較したものを、図９に示す。図９（ｂ）に示すように、RZパルスはシンボル間隔Tと同程度のゲート幅でチャネルを抽出できるのに対し、図９（ｂ）に示すように、ナイキストパルスはシンボル間隔Tより十分狭いゲート幅で抽出する必要がある。このように、ナイキストパルスの多重分離においては、シンボル間隔よりも十分狭いゲート幅でスイッチング（超高速サンプリング）を行うため、信号光パワーが部分的に除去されてしまい、多重分離後の信号はS/N比が劣化してしまう問題があった。

本発明は、このような課題を解決するためのものであり、ナイキストTDM光信号を高いS/N比で多重分離することができるＯＴＤＭ多重分離方法およびＯＴＤＭ多重分離装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明に係るＯＴＤＭ多重分離方法は、基本繰り返し周波数をＲ、時分割多重度をＮとする光時分割多重（ＯＴＤＭ）ナイキストパルス伝送において、受信部において多重分離用の繰り返し周波数Ｒのナイキストパルスを準備し、伝送されたＮ×Ｒナイキスト信号と多重分離用の前記ナイキストパルスとを光検出器に入射せしめ、該光検出器における前記ナイキストパルスの時間領域の直交性を用いて高効率に多重分離することを特徴とする。

本発明に係るＯＴＤＭ多重分離装置は、局発光を発生する光源と、ＯＴＤＭ信号と前記局発光との位相を同期させる光位相同期回路と、前記ＯＴＤＭ信号と前記局発光とのタイミングを同期させるクロック再生回路と、光検出器とを備え、該局発光として、その繰り返し周波数が前記ＯＴＤＭ信号の基本繰り返し周波数Ｒで与えられるナイキストパルスを用いることを特徴とする。

本発明に係るＯＴＤＭ多重分離方法で、前記Ｎ×Ｒナイキスト信号および、局発光パルスとして用いる繰り返し周波数Ｒの前記ナイキストパルスは同じ形状を有し、その帯域は（１＋α）Ｎ×Ｒ（ただし０≦α≦１）であることが好ましい。また、局発光として用いる前記ナイキストパルスの位相およびタイミングが前記Ｎ×Ｒナイキスト信号と同期していることが好ましい。

本発明では、ナイキスト時分割多重信号の多重分離用光パルスとして、繰り返し周波数Rのナイキストパルス（ナイキスト局発光パルス）を用いる。即ち、伝送信号と多重分離信号の両方がナイキストパルスである。そして、両者のナイキストパルスの光位相とタイミングを、N×Rパルス/秒のナイキストパルス伝送信号と同期させた上で、これらナイキストパルスを光検出器に入射することにより、重なり合った信号のみから所望のチャネルを高いS/N比で多重分離・復調することを特徴とする。また、重なり合わない場所からの漏れこみも完全に除去されることが特徴である。

本特許において提案する多重分離法は、時間領域におけるナイキストパルス間の直交性を利用するものであり、ナイキストパルスの形状を決めるロールオフ率α（0≦α≦1）というパラメータをα=0に設定したときに、本発明の効果を最大に引き出すことが出来る。

本発明のＯＴＤＭ多重分離方法およびＯＴＤＭ多重分離装置により、１シンボルの信号光全体を検出しているため、従来の超高速サンプリング方式による部分的な検出に比べて高いS/N比で信号を多重分離することが可能となる。その結果、従来よりも高い多値度でパルス伝送を実現することが出来、伝送速度のさらなる高速化や周波数利用効率の向上が同時に可能となる。また、高速サンプリングに必要な超短パルス光源やNOLMなどのスイッチング素子を必要としないため、安価で高性能な多重分離が実現できる点も特徴である。

本発明の実施の形態のＯＴＤＭ多重分離装置を示すブロック構成図である。 図１に示すＯＴＤＭ多重分離装置の、ナイキストOTDM信号およびナイキスト局発光パルスの模式図である。 図１に示すＯＴＤＭ多重分離装置の、局発パルス光源のブロック構成図である。 図１に示すＯＴＤＭ多重分離装置の、コヒーレント光検波回路のブロック構成である。 64 QAM変調を施したα=0のナイキストパルスのOTDM信号を、（ａ）本発明の実施の形態のＯＴＤＭ多重分離方法（ｂ）従来の高速サンプリング法により多重分離した後の64 QAM信号のコンスタレーションマップである。 64 QAM変調を施したα=0.5のナイキストパルスのOTDM信号を、（ａ）本発明の実施の形態のＯＴＤＭ多重分離方法（ｂ）従来の高速サンプリング法により多重分離した後の64 QAM信号のコンスタレーションマップである。 ナイキストパルスの時間波形の一例を示すグラフである。 （ａ）ナイキストパルスおよび（ｂ）RZパルスをそれぞれTDMで多重化した波形を示すグラフである。 （ａ）ナイキストパルスおよび（ｂ）RZパルスをスイッチングゲートで多重分離する様子を示す説明図である。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の実施形態の一例を図１に示す。局発パルス光源１は、繰り返し周波数Rの光ナイキストパルスを出力する。基本繰り返し周波数をR、TDM多重度をNとし、シンボルレートN×Rに多重化されたOTDMデータ信号からその一部を分岐し、クロック再生回路２および光位相同期回路３に入射する。これらを用いて、ナイキスト局発光パルスのクロック周波数、タイミング、ならびに光の位相をOTDMデータ信号と同期させる。位相同期の方法としては、例えばデータ信号から光フィルタ４によりパイロットトーン信号や残留キャリヤ成分を抽出し、光PLL（Phase-Locked Loop）回路により基準信号との誤差を検出し、これを光周波数制御信号として局発光源にフィードバックする方法などを用いることが出来る。あるいは、注入同期（Injection locking）や、局発光源をフリーランニングで動作させ、コヒーレント検波後ディジタル信号処理によって位相誤差を補正しても良い。同期した２つのナイキストパルスを、図２に模式的に示す。ナイキスト局発光パルスは、伝送用ナイキストパルスと同じ周期で強度がゼロとなり、さらにOTDM多重後のシンボル間隔T = 1/(N×R)ごとにも強度はゼロとなっている。

局発パルス光源１の構成の一例を図３に示す。CW局発光源１１の光出力を、周波数Rのクロック信号で駆動される光コム発生器１２に入力し、縦モード間隔Rの光周波数コムを生成する。これを、光パルス整形器１３を用いてナイキストパルスに整形する。光パルス整形回路としては、光コムの縦モード一本ずつの振幅及び位相を独立に制御する方法、あるいは形状可変の光フィルタを通過させる方法などを用いることが出来る。

ナイキストパルスの時間波形r(t)およびスペクトルR(f)は、以下の（１）式および（２）式で与えられる。
ここでTは光パルスの間隔であり、本発明では時分割多重を行った後のパルス間隔 T = 1/(N×R)に設定する。また、aはロールオフ率と呼ばれるパラメータであり、0≦α≦1の値をとる。

このようにして得られたナイキスト局発光パルスを、図１に示すように、OTDMデータ信号と合波し、コヒーレント光検波回路５においてホモダインもしくはヘテロダイン検波を行う。コヒーレント光検波回路５の構成の一例を、図４に示す。本回路では、OTDMデータ信号とナイキスト局発光パルスを3 dBカプラ５１で干渉させ、その出力を平衡光検出器５２により平衡検波している。本回路は必要に応じて90度光ハイブリッド回路を用いた位相ダイバーシティ構成、さらには偏波ビームスプリッタを用いた偏波ダイバーシティ構成に拡張することが出来る。

コヒーレント光検波回路５の２つの入力端子にOTDMデータ信号u(t)およびナイキスト局発光パルスf_n(t)を入力すると、3 dBカプラ５１の２つの出力端子にはそれぞれ（３）式の信号が出力される。これを平衡検波すると、その出力は（４）式となる。即ち、u(t)およびf_n(t)自身の二乗検波成分は平衡検波によってキャンセルされ、u(t)とf_n(t)の積のみが出力される。

ここで、光検出器の応答速度もしくは受信器におけるフィルタの周波数帯域を考慮し、その伝達関数をH(w)とおくと、コヒーレント検波した信号出力I_out(t)は以下の（５）式で表される。

（６）式を（５）式に代入すると、出力信号I_out(t)は（７）式となる。

ここで、伝達関数H(w)が帯域Ωの低域通過フィルタであるとすると、（７）式より（８）式が得られる。

ここで、帯域Ωは比較的狭いと仮定し、Ω << 1/(t′−t)の条件のもとでは、exp[jΩ(t′−t)] ~ 1+ jΩ(t′−t)と近似してよい。帯域Ωをシンボル間隔Tに対してΩ = 2p/Tに選ぶと、（４）式と（８）式より、光検出器の出力では、（９）式の信号が得られることがわかる。このとき、以下で説明するように、ナイキスト局発パルス光とタイミングが一致したOTDMチャネルの信号が多重分離され、また同時に中間周波数（IF: Intermediate Frequency）信号として復調される。

ここで、OTDM信号はチャネルどうしが重なっているにもかかわらず、上述の方法により多重分離を行うことが出来る原理について説明する。ナイキストパルスをTDMで多重化した信号u(t)は、以下の（１０）式で表される。

ここで、f_n(t)はt = nTに中心をもつナイキストパルスr(t−nT)である。またg_nはt = nTにおけるデータを表している。α=0のとき、ナイキストパルスf_n(t)は以下に示す直交関係を満たすことが知られている。

その結果、（１０）式と（１１）式から、g_nはu(t)とf_n(t)を用いて以下のように表すことが出来る。

（１２）式の右辺は（９）式の右辺と等しいことから、f_n(t)を局発パルス光とみなすと、OTDMデータ信号u(t)とナイキスト局発パルス光を光検出器に入射することにより、その出力I_outではt = nTにおけるデータg_nを抽出できることがわかる。

α≠0の場合は、（１１）式の積分値は以下のようになる。
このとき、（１１）式の直交関係は厳密には満たされないものの、m≠nのときの積分値は十分小さいことから、α≠0の場合においても本発明の方法を利用することは実用上可能である。

本発明を実際にナイキストOTDM信号の多重分離に適用した例を以下に示す。シンボルレートR = 10 Gsymbol/sで64 QAM変調を施したα=0のナイキストパルスを、OTDMでN = 16倍（即ちN×R = 160 Gsymbol/s）に多重化し、繰り返し周波数R = 10 GHzのナイキスト局発光で多重分離を行った。その結果得られた多重分離後の64 QAM信号のコンスタレーションマップを、図５（ａ）に示す。比較のために、従来の超高速サンプリング法で多重分離した場合の結果を図５（ｂ）に示す。コンスタレーションの歪みを表すEVM（Error Vector Magnitude）という指標を評価したところ、本発明による多重分離では3.4%であったのに対し、従来の光サンプリング法では4.1%に劣化していることが判る。

同様の実験をα=0.5のナイキストパルスを用いて行ったときの結果を、図６に示す。この場合も、本発明による多重分離ではEVMが3.0%であったのに対し、従来法では3.6%に劣化している。EVMの改善効果がα=0の場合に比べて小さいのは、直交性を厳密に満たしていないことがその理由の一つとして挙げられる。以上の結果から、本発明により多重分離に伴うS/N比の劣化が改善され、多重分離の性能が大きく向上していることがわかる。

以上詳細に説明したように、ナイキストパルスを用いた高速TDM伝送において、局発光にもナイキストパルスを用い、光検出器を用いて信号光とナイキスト局発光パルスとを電気的にミキシングを行うことにより、従来の高速光サンプリング方式と比べて高いS/N比でTDM信号の多重分離を実現することが可能となる。その結果、高いS/N比が要求される多値度の高いQAM伝送にもナイキストパルスを適用することが出来る。このため、高速伝送における周波数利用効率の向上に大きく貢献することが出来る。

１ 局発パルス光源（光ナイキストパルス局発光源）
１１ CW局発光源
１２ 光コム発生器
１３ 光パルス整形器
２ クロック再生回路
３ 光位相同期回路
４ 光フィルタ
５ コヒーレント光検波回路
５１ 3 dBカプラ
５２ 平衡光検出器

Claims (4)

1. 基本繰り返し周波数をＲ、時分割多重度をＮとする光時分割多重（ＯＴＤＭ）ナイキストパルス伝送において、受信部において多重分離用の繰り返し周波数Ｒのナイキストパルスを準備し、伝送されたＮ×Ｒナイキスト信号と多重分離用の前記ナイキストパルスとを光検出器に入射せしめ、該光検出器における前記ナイキストパルスの時間領域の直交性を用いて高効率に多重分離することを特徴とするＯＴＤＭ多重分離方法。
2. 前記Ｎ×Ｒナイキスト信号および、局発光パルスとして用いる繰り返し周波数Ｒの前記ナイキストパルスは同じ形状を有し、その帯域は（１＋α）Ｎ×Ｒ（ただし０≦α≦１）であることを特徴とする請求項１記載のＯＴＤＭ多重分離方法。
3. 局発光として用いる前記ナイキストパルスの位相およびタイミングが前記Ｎ×Ｒナイキスト信号と同期していることを特徴とする請求項１または２記載のＯＴＤＭ多重分離方法。
4. 局発光を発生する光源と、
   ＯＴＤＭ信号と前記局発光との位相を同期させる光位相同期回路と、
   前記ＯＴＤＭ信号と前記局発光とのタイミングを同期させるクロック再生回路と、
   光検出器とを備え、
   該局発光として、その繰り返し周波数が前記ＯＴＤＭ信号の基本繰り返し周波数Ｒで与えられるナイキストパルスを用いることを
   特徴とするＯＴＤＭ多重分離装置。