JP2017017427A - 波長分散推定装置及び光伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】波長分散を推定するためのトレーニング信号を用いずに、推定範囲が制限されない波長分散の推定を行う。
【解決手段】波長分散推定装置は、受信した光信号を光電気変換して得られる電気信号に対するフーリエ変換により周波数領域の信号に変換するフーリエ変換部と、周波数領域の信号に対して一定の期間に亘る平均化を行う平均化部と、平均化部により平均化された周波数領域の信号を基準点に対して対称に反転させるスペクトル反転部と、スペクトル反転部により得られた信号と周波数領域の信号との乗算結果から光信号に生じた波長分散の周波数応答を推定する波長分散推定部と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、波長分散推定装置及び光伝送システムに関する。

光通信の伝搬路である光ファイバでは、光ファイバの屈折率の波長依存性のために、光ファイバ内を伝搬する光信号に伝搬速度の差が生じる。そのため、光ファイバを伝搬して受信装置で受信された光信号は、波形歪みを含んでいる。この波形歪みは、波長分散といわれる。波長分散は、伝搬路として用いられる光ファイバと逆特性を有する分散補償ファイバを用いることで補償されていた（例えば、非特許文献１）。

しかし、分散補償ファイバを用いる場合には、伝搬路に用いられている光ファイバの特性を事前に測定し、当該伝送路における波長分散の特性を特定し、特定した特性に対して逆の特性を有する分散補償ファイバを選択する必要がある。伝搬路が複数ある場合には、伝送路ごとに補償分散ファイバを選ぶことで、補償量を調整しなければならず、運用性が損なわれていた。また、伝送路を切り替える際には、波長分散の特性を再度特定したり、分散補償ファイバを交換したりする作業が必要となり、保守性も損なわれていた。

そこで、近年、デジタル信号処理によって波長分散を補償する方法が提案され、実用されている。この方法では、受信装置において受信された光信号から、光信号に生じた波長分散が推定され、推定された波長分散の特性と逆の特性を受信された光信号に適用することにより、波形歪みを除去又は低減することができる。

伝搬路である光ファイバを伝搬した光信号から、光信号に生じた波長分散を推定するためには、送信側において光信号に冗長な信号を付与する方法と、光信号に冗長な信号を付与しない方法とがある。

前者の方法は、例えば送信すべき情報系列に対して送信側でトレーニング信号などの既知の信号を付与し、受信側で受信した光信号から既知の信号を抽出することで波長分散を推定し、補償する。このような方法の一例が非特許文献２に記載されており、記載の方法によれば、２，０００ｋｍ以上の単一モードファイバの累積波長分散４０，０００ｐｓ／ｎｍを±２００ｐｓ／ｎｍ以内で推定し、補償可能であることが記載されている。しかし、この方法では、伝送すべきデータを所定の時間内に伝送するためには、ビットレートを上昇させる必要があり、電気及び光フィルタリングの影響を受けて光信号が劣化する問題がある。ビットレートを上昇させない場合には、実効伝送レートが下がってしまう問題がある。

また、後者の方法は、光通信におけるデジタル信号処理で用いられている適応等化器のフィルタ係数から分散値を推定する。このような方法の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１には、信号処理システムが、信号における波長分散を含む偏波に依存しない信号歪を補償する第１のフィルタ部と、第１のフィルタ部の出力に対して偏波に依存する信号歪を適応等化フィルタを用いて補償する第２のフィルタ部と、第２のフィルタ部の適応等化フィルタにおいて用いられるタップ係数に基づいて偏波に依存しない信号歪に対応する伝達関数を算出し、算出した伝達関数に基づいて第１のフィルタ部におけるタップ係数を更新するフィードバック部とを備える、ことが記載されている。つまり、波長分散の分散値の推定は、第２のフィルタ部のタップ数に制限されることになり、分散値の推定範囲が制限される問題がある。

特開２０１４−２３３０３９号公報

「次世代超高速光通信技術−光デバイス開発への技術的課題と克服策−」、第１版、株式会社技術情報協会、２００３年６月２７日、ｐ．１１２−１１８ 鈴木扇太 他、「光通信ネットワークの大容量化に向けたディジタルコヒーレント信号処理技術の研究開発」、電子情報通信学会誌、一般社団法人電子情報通信学会、２０１２年、Ｖｏｌ．９５、Ｎｏ．１２、ｐ．１１００−１１１６

上記事情に鑑み、本発明は、波長分散を推定するためのトレーニング信号を用いずに、推定範囲が制限されない波長分散の推定を行える波長分散推定装置及び光伝送システムを提供することを目的としている。

本発明の一態様は、受信した光信号を光電気変換して得られる電気信号に対するフーリエ変換により周波数領域の信号に変換するフーリエ変換部と、前記周波数領域の信号に対して一定の期間に亘る平均化を行う平均化部と、前記平均化部により平均化された前記周波数領域の信号を基準点に対して対称に反転させるスペクトル反転部と、前記スペクトル反転部により得られた信号と前記周波数領域の信号との乗算結果から前記光信号に生じた波長分散の周波数応答を推定する波長分散推定部と、を備える波長分散推定装置である。

また、本発明の一態様は、上記の波長分散推定装置において、前記波長分散推定部により推定された波長分散の周波数応答に基づいて、前記電気信号の波長分散を補償する補償部を備える。

また、本発明の一態様は、上記の波長分散推定装置において、前記波長分散推定部は、推定した波長分散の周波数応答に基づいた補償信号を生成し、前記補償部は、前記周波数領域の信号と前記補償信号とを乗算することにより、波長分散を補償する。

また、本発明の一態様は、上記の波長分散推定装置において、前記周波数領域の信号と前記補償信号との乗算結果に対して逆フーリエ変換を行うことにより、波長分散が補償された前記電気信号を生成する逆フーリエ変換部を備える。

また、本発明の一態様は、送信するデータに応じた光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信装置と、前記光ファイバ伝送路を伝搬した光信号を受信する受信装置とを備える光伝送システムであって、前記送信装置は、前記データに基づいた１次元変調を無変調光に対して行い、前記光信号を生成する１次元光変調部、を備え、前記受信装置は、受信した前記光信号を電気信号に変換する光電気変換部と、前記電気信号に対するフーリエ変換により周波数領域の信号に変換するフーリエ変換部と、前記周波数領域の信号に対して一定の期間に亘る平均化を行う平均化部と前記平均化部により平均化された前記周波数領域の信号を基準点に対して対称に反転させるスペクトル反転部と、前記スペクトル反転部により得られた信号と前記周波数領域の信号との乗算結果から前記光信号に生じた波長分散の周波数応答を推定する波長分散推定部と、前記波長分散推定部により推定された波長分散の周波数応答に基づいて、前記電気信号の波長分散を補償する補償部と、を備える、光伝送システムである。

本発明によれば、波長分散を推定するためのトレーニング信号を用いずに、推定範囲が制限されない波長分散の推定を行うことが可能となる。

本実施形態における光伝送システムの構成例を示すブロック図である。 １次元変調の一例を示す図である。 本実施形態における周波数領域処理回路と波長分散推定・補償回路との構成例を示すブロック図である。 本実施形態における光伝送システムの特性を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態における波長分散推定補償装置及び光伝送システムを説明する。図１は、本実施形態における光伝送システムの構成例を示すブロック図である。光伝送システムは、送信装置１と光ファイバ伝送路２と受信装置３とを備える。送信装置１は、入力される送信データに基づいて送信光信号を生成し、生成した送信光信号を光ファイバ伝送路２へ出力する。送信光信号は、光ファイバ伝送路２により伝搬され、受信装置３へ到達する。受信装置３は、光ファイバ伝送路２により伝搬された送信光信号を受信光信号として受信する。受信装置３は、受信した受信光信号を電気信号へ変換し、電気信号に対する信号処理を行うことにより受信データを取得する。受信データは、光伝送システムにおける伝送品質が一定以上である場合、送信データと一致する。

送信装置１は、１次元光変調部１１を備える。１次元光変調部１１は、送信データを入力し、一定の波長を有する無変調光に対して送信データに基づいた１次元変調を施す。１次元光変調部１１は、１次元変調により得られた送信光信号を光ファイバ伝送路２へ出力する。ここで、１次元変調について説明する。図２は、１次元変調の一例を示す図である。図２において、横軸は光信号の同相成分を示し、縦軸は光信号の直交成分を示す。１次元変調は、例えば図２（ａ）に示すバイナリ位相シフトキーイング（Binary Phase Shift Keying：ＢＰＳＫ）や、図２（ｂ）に示す４−レベル振幅シフトキーイング（4 Amplitude Shift Keying：４ＡＳＫ）や、図２（ｃ）に示す４−レベルパルス振幅変調（4 Pulse Amplitude Modulation：４ＰＡＭ）などがある。１次元変調は、図２に示したように、信号点の各点が複素信号表示で直線上に並ぶように変調する方式である。また、１次元変調として、図２に示していない、強度変調（On-Off Keying：ＯＯＫ）などの他の変調を用いてもよい。

図１に戻り、光伝送システムの説明を続ける。受信装置３は、光・電気変換回路３１と、デジタル信号処理部３２とを備える。光・電気変換回路３１は、光ファイバ伝送路２を介して受信した受信光信号を電気信号に変換し、電気信号から同相成分と直交成分との信号を取得する。光・電気変換回路３１は、同相成分と直交成分との信号をデジタル信号処理部３２へ出力する。受信装置３がコヒーレント受信機である場合、光・電気変換回路３１は、例えば局発光源、偏波ビームスプリッタ、光９０度ハイブリッド、フォトディテクタ、トランスインピーダンスアンプ、アナログデジタル変換器などを含み構成される。

デジタル信号処理部３２は、周波数領域処理回路３３と波長分散推定・補償回路３４と時間領域処理回路３５とシンボル判定回路３６とを備える。周波数領域処理回路３３は、光・電気変換回路３１から同相成分と直交成分との信号を入力し、入力した信号に対して周波数領域における処理を行う。周波数領域処理回路３３は、同相成分と直交成分との信号から得られる周波数領域の信号を、波長分散推定・補償回路３４へ出力する。また、周波数領域処理回路３３は、周波数領域における処理を施した信号を時間領域処理回路３５へ出力する。波長分散推定・補償回路３４は、周波数領域処理回路３３から入力する信号に基づいて、受信光信号における波長分散を推定する。波長分散推定・補償回路３４は、推定した波長分散に基づいた補償信号を生成し、周波数領域処理回路３３へ出力する。時間領域処理回路３５は、周波数領域処理回路３３から入力する信号に対して適応等化やタイミングリカバリなどの時間領域における信号処理を施し、シンボル判定回路３６へ出力する。シンボル判定回路３６は、時間領域処理回路３５から入力する信号に基づいて受信データを生成し、生成した受信データを外部又は上位の装置へ出力する。

図３は、本実施形態における周波数領域処理回路３３と波長分散推定・補償回路３４との構成例を示すブロック図である。以下、図３や数式などにおいて変数などの上に記載される記号（＾：ハット、￣：オーバライン）は、変数の前に記載する。例えば、＾Ａ（ω）と記載する。周波数領域処理回路３３は、ＦＦＴ処理部３３１と乗算部３３２とＩＦＦＴ処理部３３３とを備える。ＦＦＴ処理部３３１は、周波数領域処理回路３３に入力される信号ｒ（ｎ）に対してＦＦＴを施し、周波数領域の信号Ｒ（ω）へ変換する。ＦＦＴ処理部３３１は、信号Ｒ（ω）を乗算部３３２と波長分散推定・補償回路３４とへ出力する。乗算部３３２は、ＦＦＴ処理部３３１から入力する信号Ｒ（ω）と、波長分散推定・補償回路３４から入力する補償信号＾Ｄ（ω）とを乗算し、乗算結果をＩＦＦＴ処理部３３３へ出力する。ＩＦＦＴ処理部３３３は、乗算結果に対してＩＦＦＴを施し、時間領域の信号＾ａ（ｎ）へ変換する。ＩＦＦＴ処理部３３３は、信号＾ａ（ω）を時間領域処理回路３５へ出力する。

波長分散推定・補償回路３４は、平均化部３４１とスペクトル反転部３４２と乗算部３４３と波長分散推定部３４４とを備える。平均化部３４１は、ＦＦＴ処理部３３１から入力する信号Ｒ（ω）に対して一定期間に亘る平均化を施し、信号Ｒ（ω）を平均化した信号￣Ｒ（ω）を算出する。平均化部３４１は、信号￣Ｒ（ω）をスペクトル反転部３４２と乗算部３４３とへ出力する。スペクトル反転部３４２は、平均化部３４１から入力される信号￣Ｒ（ω）を、基準点に対して対称に反転させた信号￣Ｒ（−ω）を生成する。スペクトル反転部３４２は、生成した信号￣Ｒ（−ω）を乗算部３４３へ出力する。なお、スペクトル反転部３４２において用いる基準点（周波数）は、例えば送信装置１と受信装置３との周波数差に基づいて予め定められる。

乗算部３４３は、平均化部３４１から入力される￣Ｒ（ω）と、スペクトル反転部３４２から入力される￣Ｒ（−ω）とを乗算し、乗算結果￣Ｒ（ω）・￣Ｒ（−ω）を波長分散推定部３４４へ出力する。波長分散推定部３４４は、入力される乗算結果￣Ｒ（ω）・￣Ｒ（−ω）から、光ファイバ伝送路２における波長分散を推定する。波長分散推定部３４４は、波長分散の推定結果に基づいて生成した補償信号＾Ｄ（ω）を周波数領域処理回路３３へ出力する。

以下、周波数領域処理回路３３と波長分散推定・補償回路３４とにおける信号処理について説明する。光・電気変換回路３１により得られる電気信号（受信信号）ｒ（ｎ）は、式（１）で書き表せる。

ここで、ａ（ｎ）は、送信データであり、実信号である。ｄ（ｎ）は、光ファイバ伝送路２で生じる波長分散の時間応答である。ｗ（ｎ）は、送信装置１や受信装置３における増幅などで発生する加法性雑音である。丸（○）の内側にバツ（×）が記載された記号は、畳み込み演算子である。ＦＦＴ処理部３３１により受信信号ｒ（ｎ）は、信号Ｒ（ω）に変換され、式（２）となる。

ここで、Ｄ（ω）は式（３）で書ける。ただし、δは、光ファイバ伝送路２で生じた波長分散の総量を表す。

平均化部３４１による平均化により、式（２）における加法性雑音ｗ（ｎ）に対応するＷ（ω）は互いに打ち消し合うため無視でき、式（２）の平均￣Ｒ（ω）は式（４）として得られる。

送信データａ（ｎ）が実信号であるので、式（５）が成り立つ。なお、Ａ^＊はＡの複素共役を表す。

また、スペクトル反転部３４２の出力は、式（６）となる。

以上より、乗算部３４３において得られる乗算結果は、式（７）となる。

式（７）における位相部分は、波長分散による周波数応答のみを含むので、式（７）の位相を特定すれば、波長分散の周波数応答を推定できる。式（８）における＾δ（ω）を推定位相としたとき、式（９）で表される補償信号＾Ｄ（ω）を受信信号Ｒ（ω）に乗算すれば、式（１０）に示すように送信データａ（ｎ）の離散フーリエ変換結果のＡ（ω）を得ることができる。

以上説明したように、波長分散推定部３４４が、乗算部３４３から出力される乗算結果￣Ｒ（ω）・￣Ｒ（−ω）から推定位相＾δ（ω）を算出し、式（９）で表される補償信号＾Ｄ（ω）を周波数領域処理回路３３へ出力する。周波数領域処理回路３３において、乗算部３３２が、受信信号ｒ（ｎ）の離散フーリエ変換結果Ｒ（ω）と補償信号＾Ｄ（ω）とを乗算することで、送信データａ（ｎ）の離散フーリエ変換結果のＡ（ω）を得ることができる。すなわち、乗算部３３２は、信号ｒ（ｎ）における波長分散を補償する補償部として動作する。ＩＦＦＴ処理部３３３は、離散フーリエ変換結果のＡ（ω）に対して逆フーリエ変換を施し、時間領域の信号に変換することにより、送信データａ（ｎ）の推定値＾ａ（ｎ）を得ることができる。なお、図３では、一つの信号ｒ（ｎ）に対する処理が記載されているが、上述の信号処理を同相成分の信号と直交成分の信号とのそれぞれに対する処理が周波数領域処理回路３３及び波長分散推定・補償回路３４において行われる。

本実施形態の波長分散推定・補償回路３４によれば、信号スペクトルの対称性を利用して波長分散の周波数応答を推定することにより、トレーニング信号を用いることなく、波長分散の推定と、推定結果に基づいた補償信号を生成することができる。この補償信号を受信信号に乗じることにより、波長分散の補償を行うことができる。また、波長分散推定・補償回路３４による波長分散の推定では、１次元変調の有する信号スペクトルの対称性を利用しているため、推定範囲が制限されることなく、波長分散の推定を行うことができる。

また、本実施形態の光伝送システムは、周波数領域処理回路３３と波長分散推定・補償回路３４とを備えることにより、トレーニング信号を用いることなく、波長分散の推定と補償とを行うことができる。すなわち、本実施形態の光伝送システムによれば、実効伝送レートを下げることなく、広範囲の波長分散の推定と補償とを行うことができる。また、フィルタ等を用いた波長分散の推定と補償とに比べ、フィルタにおける係数を定める必要がないため、光ファイバ伝送路２に変更などが生じた場合においても即座に波長分散の推定と補償を行うことができ、即応性が高い処理を行うことができる。

図４は、本実施形態における光伝送システムの特性を示す図である。ここでは、１次元変調として、（−３，−１，＋１，＋３）の値を取り得る４ＡＳＫを用いた場合が示されている。図４において、横軸は光信号対雑音電力比（ＯＳＮＲ）を示し、縦軸は誤り率（ＢＥＲ）を示している。同図における実線のグラフは、４ＡＳＫの理論値を示している。光ファイバ伝送路で生じる波長分散の総量を１５０ｎｓ／ｎｍとした場合の光伝送システムにおける誤り率を菱形（◆）の点で示している。同図から分かるように、本実施形態の光伝送システムにおける誤り率と、理論値とはほぼ一致しており、波長分散を推定するためのトレーニング信号などを用いずとも、広範囲の波長分散の推定と補償とを実現できることが分かる。

上述した実施形態の受信装置におけるデジタル信号処理部３２の全て又は一部をコンピュータで実現するようにしてもよい。例えば、デジタル信号処理部３２が有する構成要素それぞれを実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。更に「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した構成要素の一部を実現するためのものであってもよく、更に前述した構成要素をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されるものであってもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

例えば、フーリエ変換部としてのＦＦＴ処理部３３１と、平均化部３４１と、スペクトル反転部３４２と、乗算部３４３と、波長分散推定部３４４とは、周波数領域処理回路３３と波長分散推定・補償回路３４とに分かれた構成を説明したが、ＦＦＴ処理部３３１と平均化部３４１とスペクトル反転部３４２と乗算部３４３と波長分散推定部３４４とを備えた波長分散推定装置として構成されてもよい。

波長分散を推定するためのトレーニング信号を用いずに、推定範囲が制限されない波長分散の推定と補償とを行うことが不可欠な用途にも適用できる。

１…送信装置
２…光ファイバ伝送路
３…受信装置
１１…１次元光変調部
３１…光・電気変換回路
３２…デジタル信号処理部
３３…周波数領域処理回路
３４…波長分散推定・補償回路
３５…時間領域処理回路
３６…シンボル判定回路
３３１…ＦＦＴ処理部
３３２…乗算部（補償部）
３３３…ＩＦＦＴ処理部
３４１…平均化部
３４２…スペクトル反転部
３４３…乗算部
３４４…波長分散推定部

Claims (5)

1. 受信した光信号を光電気変換して得られる電気信号に対するフーリエ変換により周波数領域の信号に変換するフーリエ変換部と、
   前記周波数領域の信号に対して一定の期間に亘る平均化を行う平均化部と、
   前記平均化部により平均化された前記周波数領域の信号を基準点に対して対称に反転させるスペクトル反転部と、
   前記スペクトル反転部により得られた信号と前記周波数領域の信号との乗算結果から前記光信号に生じた波長分散の周波数応答を推定する波長分散推定部と、
   を備える波長分散推定装置。
2. 前記波長分散推定部により推定された波長分散の周波数応答に基づいて、前記電気信号の波長分散を補償する補償部を備える、
   請求項１に記載の波長分散推定装置。
3. 前記波長分散推定部は、推定した波長分散の周波数応答に基づいた補償信号を生成し、
   前記補償部は、前記周波数領域の信号と前記補償信号とを乗算することにより、波長分散を補償する、
   請求項２に記載の波長分散推定装置。
4. 前記周波数領域の信号と前記補償信号との乗算結果に対して逆フーリエ変換を行うことにより、波長分散が補償された前記電気信号を生成する逆フーリエ変換部を備える、
   請求項３に記載の波長分散推定装置。
5. 送信するデータに応じた光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信装置と、前記光ファイバ伝送路を伝搬した前記光信号を受信する受信装置とを備える光伝送システムであって、
   前記送信装置は、
   前記データに基づいた１次元変調を無変調光に対して行い、前記光信号を生成する１次元光変調部、
   を備え、
   前記受信装置は、
   受信した前記光信号を電気信号に変換する光電気変換部と、
   前記電気信号に対するフーリエ変換により周波数領域の信号に変換するフーリエ変換部と、
   前記周波数領域の信号に対して一定の期間に亘る平均化を行う平均化部と、
   前記平均化部により平均化された前記周波数領域の信号を基準点に対して対称に反転させるスペクトル反転部と、
   前記スペクトル反転部により得られた信号と前記周波数領域の信号との乗算結果から前記光信号に生じた波長分散の周波数応答を推定する波長分散推定部と、
   前記波長分散推定部により推定された波長分散の周波数応答に基づいて、前記電気信号の波長分散を補償する補償部と、
   を備える、
   光伝送システム。

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