JP2016208417A - 光受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光通信システムにおいて簡易な構成で分散補償を行う光受信装置を提供する。【解決手段】光受信装置は、光伝送路から受信する光信号を電気信号に変換する光電気変換手段と、前記電気信号をサンプリングしてサンプル列を出力するサンプリング手段と、前記サンプリング手段が出力するサンプル列からＮ個の第１サンプル列を取り出し、前記第１サンプル列の時間的に前又は後ろに、前記第１サンプル列を時間的に反転させたサンプル列を付加することで２Ｎ個の第２サンプル列を出力する処理手段と、前記第２サンプル列を周波数領域の信号に変換して前記光伝送路で生じる歪補償を行い、歪補償後の信号を時間領域の信号に変換して２Ｎ個の第３サンプル列を出力する補償手段と、前記第３サンプル列の前側又は後側のＮ個のサンプル列を出力する出力手段と、を備えていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、強度変調直接検波（ＩＭ−ＤＤ：Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ−Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）方式の光通信システムにおける光受信装置に関する。

光通信システムの光受信装置では、光伝送路の波長分散による波形歪みが著しい場合、受信データを正しく復調／復号するため、光電気変換後、分散補償を行う。特許文献１は、反射型のマイクロストリップ線路を用いて分散補償を行う構成を開示している。また、非特許文献１は、多段タップ型の線形フィルタを用いる方式を開示している。また、非特許文献２は、最尤系列推定処理を用いる方法を開示している。

特開２０１２−１２９７３７号公報

Ｇ．Ｋａｔｚ ｅｔ ａｌ．，"Ｍｉｎｉｍｕｍ ＢＥＲ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｑｕａｌｉｚｅｒ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ"，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６年，第２４巻，第７号，ｐｐ．２８４４−２８５０ Ｃ．Ｒ．Ｓ．Ｆｌｕｄｇｅｒ ｅｔ ａｌ．，"Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｃｏｓｔ １０ Ｇｂｉｔ−Ｄｉｒｅｃｔｌｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ"，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２００４，Ｐａｐｅｒ ＷＭ７，２００４年３月

特許文献１の構成では、光伝送路の特性に応じたマイクロストリップ線路を光伝送路毎に設計する必要があり汎用性に欠ける。また、非特許文献１の構成では、光伝送路での分散量が大きい場合、タップ数を増加させる必要があり、各タップ係数の最適化のための信号処理量が大きくなってしまう。さらに、タップ係数の最適化には所定のトレーニングパターンを使用するが、トレーニングパターンとは異なるデータパターンでは分散を十分に補償できない。非特許文献２に記載の構成でも、光伝送路での分散量が大きい場合、拘束長を長くする必要があり、最尤系列推定のための処理量が大きくなってしまう。

本発明は、光通信システムにおいて簡易な構成で分散補償を行う光受信装置を提供するものである。

本発明の一側面によると、光受信装置は、光伝送路から受信する光信号を電気信号に変換する光電気変換手段と、前記電気信号をサンプリングしてサンプル列を出力するサンプリング手段と、前記サンプリング手段が出力するサンプル列からＮ個の第１サンプル列を取り出し、前記第１サンプル列の時間的に前又は後ろに、前記第１サンプル列を時間的に反転させたサンプル列を付加することで２Ｎ個の第２サンプル列を出力する処理手段と、前記第２サンプル列を周波数領域の信号に変換して前記光伝送路で生じる歪補償を行い、歪補償後の信号を時間領域の信号に変換して２Ｎ個の第３サンプル列を出力する補償手段と、前記第３サンプル列の前側又は後側のＮ個のサンプル列を出力する出力手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明によると、光通信システムにおいて簡易な構成で分散補償を行うことができる。

一実施形態による光受信装置の構成図。 一実施形態による電気分散補償器の構成図。 一実施形態による光受信装置の各部の電気信号波形を示す図。 一実施形態による光受信装置の各部の電気信号波形を示す図。 一実施形態による光受信装置の各部の電気信号波形を示す図。 一実施形態による偶関数化処理の説明図。 一実施形態によるサンプル列の切り出しの説明図。

以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態は例示であり、本発明を実施形態の内容に限定するものではない。また、以下の各図においては、実施形態の説明に必要ではない構成要素については図から省略する。

＜第一実施形態＞
図１は、本実施形態による光受信装置の構成図である。なお、光受信装置は、強度変調、例えば、Ｎレベル（Ｎは２のべき乗）のＰＡＭ変調された光信号を受信する。光電変換器１は、光信号の光電場包絡線、つまり、光信号強度の（１／２）乗の電気信号を出力する。図３（ａ）は、この電気信号を示している。アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）２は、光電変換器１が出力する電気信号をデジタル化し、電気分散補償器３に入力する。電気分散補償器３は、光伝送路の分散補償を電気領域で実行し、補償後の電気信号を判定部４に出力する。判定部４は、補償後の電気信号に基づき送信データを判定する。

図２は、電気分散補償器３の構成図である。偶関数化処理部３１は、ＡＤＣ２が出力する時間サンプル列をＮ個のサンプル列単位に切り出し、Ｎ個のサンプル列を偶関数化する。図７（ａ）は、ＡＤＣ２が出力するサンプル列をＮ個のサンプル列単位（図でのＡ〜Ｃと表記）で切り出している様子を示している。また、図６は、偶関数化処理を示している。図６（ａ）は、切り出したＮ個のサンプル列であり、図６（ｂ）は、偶関数化処理部３１が出力するサンプル列を示している。なお、各サンプルは信号の振幅値を示している。図６（ｂ）に示す様に、偶関数化処理部３１は、Ｎ個のサンプル列の時間順序を逆転させたうえで、逆転させたＮ個のサンプル列を元のＮ個のサンプル列の後に付加することで偶関数化を行う。つまり、偶関数化処理部３１は、Ｎ個のサンプル列から２Ｎ個のサンプル列を出力する。なお、本実施形態では、元のサンプル列の後に時間反転させたサンプル列を追加しているが、前に追加する構成であっても良い。図３（ｂ）は、偶関数化処理部３１が出力する電気信号を示している。なお、図３（ｂ）と、以下に説明を行う図４及び図５の信号は総て時間的に離散な信号であるが、表現を簡略化するため時間的に連続して表示している。

フーリエ変換部（ＦＦＴ）３２は、偶関数化処理部３１が出力する２Ｎ個のサンプル列を離散フーリエ変換して２Ｎ個の値で構成される周波数成分を出力する。偶関数化処理部３１が出力する電気信号は偶関数化されているため、図４（ａ）に示す様に、ＦＦＴ３２が出力する周波数領域の信号は実数、つまり、虚部は０となる。等化処理部３３は、周波数領域の信号に対して等化処理を行い、光伝送路での分散を補償する。具体的には、光伝送路の分散値に基づく等化関数Ｈ（ｆ）を予め求めて等化処理部３３に予め保存しておく。そして、等化処理部３３は、ＦＦＴ３２が出力する周波数領域の信号に等価関数Ｈ（ｆ）を乗じることで、分散補償を行う。図３（ｂ）は、等化処理部３３が出力する周波数成分を示している。

フーリエ逆変換部（ＩＦＦＴ）３４は、等化処理部３３が出力する分散補償後の周波数成分をフーリエ逆変換して時間軸での信号波形を示す電気信号を出力する。この電気信号は、２Ｎ個のサンプル列を含む。図５（ａ）は、ＩＦＦＴ３４が出力する電気信号を示している。データ抽出部３５は、ＩＦＦＴ３４が出力する２Ｎ個のサンプル列の前側Ｎ個のサンプル列を取り出して出力する。図５（ｂ）は、データ抽出部３５が出力する電気信号を示している。

例えば、等価関数Ｈ（ｆ）は、

とすることができる。ここで、ｆは周波数（Ｈｚ）であり、Ｌは光ファイバ（光伝送路）の線路長（ｍ）であり、Ｃはユーザが事前に設定する０より大きい値である。また、β_２は、光ファイバの群速度分散であり、以下の式で定義される。

ここでλは、信号光の波長（ｍ）であり、Ｄは、光ファイバの分散値（ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）であり、ｃは光速（ｍ／ｓ）である。

続いて、等化関数Ｈ（ｆ）を上記式とする理論的背景について説明する。光ファイバの波長分散による光信号波形のみを考慮すると、光ファイバ中を伝搬する光電場包絡線Ｅ（ｚ，ｔ）のふるまいは、次式で表される。

Ｅ（ｚ，ｔ）をフーリエ変換したものをＥ'（ｚ，ｆ）とすると、上記式から以下の関係が導かれる。

ここでＥ（０，ｔ）が偶関数の場合、虚部はすべての周波数成分に対して零であり、Ｅ'（０，ｆ）は実関数となる。このため、Ｅ（０，ｔ）が偶関数の場合、上記式は以下の様に変形することができる。

Ｅ'（０，ｆ）は実関数であることから、Ｅ'（ｚ，ｆ）も実関数であり、結果Ｅ（ｚ，ｔ）も偶関数となる。よって、上記式から、等化関数Ｈ（ｆ）を上記の通り求めることができる。

上述した様に、本実施形態では電気信号を偶関数に変換して周波数領域にて分散補償を行う。ここで、電気信号を偶関数に変換してから分散補償を行う理由について説明する。Ｅ（０，ｔ）が偶関数でない場合、Ｅ'（０，ｆ）及びＥ'（ｚ，ｆ）は共に複素関数となり、結果Ｅ（ｚ，ｔ）も複素関数となる。強度変調直接検波方式において、光受信装置は、光信号の強度情報、つまり、光電場包絡線の振幅情報の絶対値|Ｅ（ｚ，ｔ）|のみを取得可能であり、光信号の位相情報は失われる。このため、Ｅ（ｚ，ｔ）が複素関数である場合、光信号の強度情報のみからＥ（ｚ，ｔ）を復元することは不可能である。つまり、偶関数に変換することなく周波数成分を求め、周波数成分に等化関数を乗算しても、元のＥ'（０，ｆ）やＥ（０，ｔ）を復元できない。以上が、電気信号を偶関数に変換してから分散補償を行う理由である。

＜第二実施形態＞
続いて、第二実施形態について第一実施形態との相違点を中心に説明する。図７（ａ）に示す様に、第一実施形態においては、ＡＤＣ２が出力する時間サンプル値をＮ個単位でサンプル値が重複することなく区切り（図７（ａ）のＡ〜Ｃ）、各Ｎ個のサンプル毎に電気分散補償器３にて補償を行っていた。本実施形態では、図７（ｂ）に示す様に、Ｎ個のサンプル列の内の前側２ｋ個（Ｎ＞４ｋ）のサンプルを、１つ前のＮ個のサンプル列の後側２ｋ個のサンプルと重複させる。Ｎ個の各サンプル列は、第一実施形態と同様に、偶関数化処理部３１、ＦＦＴ３２、等化処理部３３、ＩＦＦＴ３４で処理されてデータ抽出部３５に分散補償後の時間サンプル列が入力される。しかしながら、本実施形態では、前後のサンプル列との重複が存在するため、データ抽出部３５においては、前側のＮ個のサンプル列を取り出した後、その前側ｋ個のサンプルと、後側ｋ個のサンプルを取り除いて出力する。

ＦＦＴ／ＩＦＦＴ処理は、周期的境界条件を想定しているため、分散による波形歪みの影響が１ビット又は１シンボルの時間スロットを上回ると、Ｎサンプルの両端では波形補償の精度が劣化する。しかしながら、本実施形態では、前側ｋ個のサンプルと、後側ｋ個のサンプルを使用しないため、波形補償性能が改善される。

上記各実施形態の電気分散補償器３は、例えば、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）により実現できる。したがって、パラメータ設定のみで、つまり、等価関数Ｈ（ｆ）を変更するのみで様々な分散量の光伝送路に対応させることができる。さらに、上記各実施形態における分散の補償処理の演算量は、補償が必要な分散量に無関係であり、補償すべき分散量が増大しても一定の信号処理演算量で補償が可能となる。

Claims (6)

1. 光伝送路から受信する光信号を電気信号に変換する光電気変換手段と、
   前記電気信号をサンプリングしてサンプル列を出力するサンプリング手段と、
   前記サンプリング手段が出力するサンプル列からＮ個の第１サンプル列を取り出し、前記第１サンプル列の時間的に前又は後ろに、前記第１サンプル列を時間的に反転させたサンプル列を付加することで２Ｎ個の第２サンプル列を出力する処理手段と、
   前記第２サンプル列を周波数領域の信号に変換して前記光伝送路で生じる歪補償を行い、歪補償後の信号を時間領域の信号に変換して２Ｎ個の第３サンプル列を出力する補償手段と、
   前記第３サンプル列の前側又は後側のＮ個のサンプル列を出力する出力手段と、
   を備えていることを特徴とする光受信装置。
2. 光伝送路から受信する光信号を電気信号に変換する光電気変換手段と、
   前記電気信号をサンプリングしてサンプル列を出力するサンプリング手段と、
   前記サンプリング手段が出力するサンプル列からＮ個の第１サンプル列を取り出し、前記第１サンプル列の時間的に前又は後ろに、前記第１サンプル列を時間的に反転させたサンプル列を付加することで２Ｎ個の第２サンプル列を出力する処理手段であって、前記第１サンプル列の前側の２ｋ個（４ｋ＜Ｎ）のサンプル列は、その直前に取り出された第１サンプル列の後側の２ｋ個のサンプル列と重複している、処理手段と、
   前記第２サンプル列を周波数領域の信号に変換して前記光伝送路で生じる歪補償を行い、歪補償後の信号を時間領域の信号に変換して２Ｎ個の第３サンプル列を出力する補償手段と、
   前記第３サンプル列の前側又は後側のＮ個のサンプル列を取り出して第４サンプル列とし、前記第４サンプル列の前側のｋ個のサンプル列と、後側のｋ個のサンプル列を除くサンプル列を出力する出力手段と、
   を備えていることを特徴とする光受信装置。
3. 前記補償手段は、前記光伝送路での分散を補償することを特徴とする請求項１又は２に記載の光受信装置。
4. 前記補償手段は、前記光伝送路での分散を補償するための等化関数を保持しており、前記周波数領域の信号に前記等化関数を乗じることで前記光伝送路での分散を補償することを特徴とする請求項３に記載の光受信装置。
5. 前記光信号は強度変調されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光受信装置。
6. 前記光電気変換手段は、直接検波により前記光信号を前記電気信号に変換することを特徴とする請求項５に記載の光受信装置。