JP2017157928A - 光送信器、及び光送信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 周波数帯域の利用効率を維持しつつ伝送品質を改善することのできる光送信器を提供する。【解決手段】 光送信器は、送信信号に対し信号処理を施す信号処理回路と、前記信号処理回路から出力される送信信号で光源からの光を変調し、光信号を出力する光変調器と、前記光信号の搬送波周波数を制御する周波数制御信号を前記信号処理回路に出力する制御回路と、を有し、前記信号処理回路は、前記周波数制御信号と変調方式とに基づいて前記送信信号の複素平面上へのマッピング位置を調整するマッピング選択調整回路と、調整された前記マッピング位置で前記送信信号に前記周波数制御信号に応じた位相回転を与える位相回転回路と、を有する。【選択図】図１６

Description

本発明は、光送信器と、複数の光送信器を用いて波長多重を行う光送信装置に関する。

データトラフィックの増大に伴い、光通信ネットワークの大容量化が求められ、１波長あたり４０Ｇｂｐｓ（ギガビット毎秒）、１００Ｇｂｐｓなどの高速通信が実用化されつつある。高速の光通信を実現する技術として、デジタル信号処理による光信号の送受信が注目されている。

送信側では、信号処理回路で送信データを電界情報にマッピングし、マッピングした電界情報を用いて送信光源からの光波を変調し送信する。複数の光送信器で波長または搬送波周波数の異なる光信号を生成して合波することにより、波長多重が行われる。

送信光源の発振周波数が温度変化や経年劣化により所望の値からずれると、伝送品質に影響し、波長多重の高密度化が阻害される。そこで、信号処理回路であらかじめ搬送波周波数のずれを補正する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。搬送波周波数のずれに応じて、マッピングされた電界情報の電界位相に逆方向の位相回転を与えて搬送波周波数を制御する。

なお、多値光信号のＰＡＰＲ（Peak to Average Power Ratio；ピーク電力対平均電力比）を小さくするために、２種類のコンスタレーションマップを用意し、ビットデータの送信タイミングごとに２種類のマップを切り替える方法が知られている（たとえば、特許文献２参照）。この方法では、２種類のマップのシンボル位置は、ＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器）の出力最大振幅を超えないように振幅制限されている。

特開２０１２−１２００１０号公報 特開２０１４−７６４２号公報

マッピングされたデータにあらかじめ搬送波周波数のずれに応じた位相回転をあたえることで、高密度の波長多重が実現し、周波数帯域の利用効率が向上する。しかし、位相回転処理の結果、信号点がダイナミックレンジの上限を超える場合に、ダイナミックレンジ内への丸め込みが発生する。この場合、コンスタレーション歪みが発生し、シンボル位置検出精度の低下やＢＥＲ（Bit Error Rate；ビット誤り率）の劣化によって伝送距離が短くなり、通信性能が低下する。

そこで、周波数帯域の利用効率を維持しつつ、伝送品質を改善することのできる光送信技術の提供を課題とする。

本発明の一態様では、光送信器は、
送信信号に対し信号処理を施す信号処理回路と、
前記信号処理回路から出力される送信信号で光源からの光を変調し、光信号を出力する光変調器と、
前記光信号の搬送波周波数を制御する周波数制御信号を前記信号処理回路に出力する制御回路と、
を有し、
前記信号処理回路は、
前記周波数制御信号と変調方式とに基づいて前記送信信号の複素平面上へのマッピング位置を調整するマッピング選択調整回路と、
調整された前記マッピング位置で前記送信信号に前記周波数制御信号に応じた位相回転を与える位相回転回路と、
を有する。

上記の構成により、周波数帯域の利用効率を維持し伝送品質を改善することができる。

位相回転による周波数ずれの補正を説明する図である。 図１の手法で生じる問題点を説明する図である。 位相回転による搬送波周波数の制御にシンボル点の振幅制限を適用したときに生じる問題を説明する図である。 第１実施形態のマッピング調整を説明する図である。 第１実施形態のマッピング調整の手順を説明する図である。 第１実施形態のマッピング調整の手順を説明する図である。 第１実施形態のマッピング調整方法のフローチャートである。 シンボル点が３２点の場合の調整後のマッピングパターンを示す。 シンボル点が６４点の場合の調整後のマッピングパターンを示す。 第２実施形態のマッピング調整を説明する図である。 第２実施形態のマッピング調整の手順を説明する図である。 第２実施形態のマッピング調整の手順を説明する図である。 第２実施形態のマッピング調整方法のフローチャートである。 シンボル点が３２点の場合のマッピング調整を示す図である。 シンボル点が６４点の場合のマッピング調整を示す図である。 実施形態の光送信器と光伝送システムの概略図である。 搬送波周波数のずれ補正を説明する図である。 光送信器の信号処理回路の動作を示すフローチャートである。 実施形態の効果を示す図である。 複数の光送信器を用いて波長多重を実現する光送信装置の概略図である。

図１及び図２は、搬送波の周波数ずれに応じた位相回転を与える手法に生じる問題点を説明する図である。光送信器の信号処理回路では、外部から入力される送信信号を、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）、ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）等の変調方式に応じて電界情報にマッピングする。たとえば、１６ＱＡＭ方式の変調を行う場合、入力データを４ビットずつのビット列に分割して、複素平面（ＩＱ平面）上の信号点（シンボル点）にマッピングする。これを「コンスタレーションマッピング」と呼ぶ。コンスタレーション上の各シンボル点は、振幅と位相で決まる電界情報に対応する。

送信光源の発振周波数の変動や伝送路の影響で、受信側ではコンスタレーションが回転したように見える。そこで、送信側であらかじめ位相を逆方向に回転させて補正を行う。図１の例では、半時計回りの方向に一定周期で位相を回転させている。光源から出力される搬送波は位相回転が与えられた電界情報で変調され、光信号として送信される。

図２の上側のラインに示すように、マッピング後に与えられる位相回転角度が小さければ、位相回転後のシンボル点はダイナミックレンジ内にあり、受信側で元のコンスタレーションを再生することができる。

これに対し、図２の下側のラインに示すように、位相回転角度が大きくシンボル点がダイナミックレンジの上限を超える場合、ダイナミックレンジ内への丸め込みが発生する。その結果、コンスタレーションが歪み、受信側で元のコンスタレーションを再生することができないという問題が生じる。コンスタレーションの歪みにより、雑音が大きくなってビット誤りが増加し、伝送特性が劣化する。

位相回転によるコンスタレーションの歪みを回避するため、位相回転時の最外点の軌跡Ｐがダイナミックレンジの範囲内に収まるように振幅を小さくすることが考えられる。しかし、別の問題が生じる。

図３は、位相回転による搬送波周波数の制御に、シンボル点の振幅制限を導入した場合の問題点を説明する図である。左側の状態では、シンボル間の距離はｄ１と広いが、位相回転によりシンボル点がダイナミックレンジの上限を超えて、ダイナミックレンジ内への丸め込みが発生する。

中央の図に示すように、振幅を小さくすることでシンボル間の距離ｄ２は振幅制限前のシンボル間距離ｄ１よりも狭くなるが、右側の図に示すように、位相回転を与えても丸め込みによるコンスタレーション歪みは発生しない。信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）の良い条件では、シンボル位置検出精度の低下やＢＥＲの劣化の問題は解決され得る。

しかし、Ｓ／Ｎ比の悪い条件では、シンボル間距離が狭くなったことでＢＥＲが劣化し伝送距離を延すことができないという問題が生じる。

そこで、実施形態では、位相回転による搬送波周波数の制御が行われる場合に、ダイナミックレンジの範囲内でシンボル間距離を最大とするマッピング調整を行う。これにより周波数帯域の利用効率を維持しつつ、伝送品質を改善する。
＜第１実施形態＞
図４は、第１実施形態のマッピング調整を説明する図である。第１実施形態では、六角形の細密配置を利用してシンボル位置を調整する。１６ＱＡＭを例にとって第１実施形態のマッピング調整（シンボル位置の調整）を説明する。

図４の左図は、位相回転時の最外点の軌跡Ｐがダイナミックレンジの上限を超えないようにシンボル点の振幅を制限した状態を示す。この手法を便宜上「振幅制限法」と呼ぶ。振幅が制限された結果、１６ＱＡＭの本来のマッピング位置と比較して、シンボル間の距離ｄが小さくなっている。位相回転時の最外点の軌跡Ｐがダイナミックレンジの上限の内接円に収まっているので、ダイナミックレンジ内への丸め込みは発生しないが、Ｓ／Ｎ比の悪い条件で伝送品質が劣化する。

この問題を解決するために、第１実施形態では、あるシンボル点Ｓ１から他の１５個のシンボル点への距離の中で最も短い距離が、振幅制限法によるシンボル間距離よりも大きくなるように、マッピングを調整する。

図４の右図は、マッピング調整後の状態である。これをマッピングパターン１とする。マッピングパターン１では、ダイナミックレンジの上限の内接円を超えない範囲で、シンボル間距離が最も広がり、かつ各シンボルが等間隔に並ぶように調整されている。マッピングパターン１を用いることで、搬送波周波数の制御のために位相回転が与えられる場合でも、シンボル間距離をできるだけ広く保った状態でコンスタレーションの歪みを防止する。これにより、周波数帯の利用効率と伝送品質の改善を両立させることができる。

図５は、図３のマッピング調整方法を説明する図である。このマッピング調整では、中心にシンボル点をもつ六角形Ｈを隙間なく並べ、あるシンボル点を中心として、ダイナミックレンジの上限の内接円Ｃを決定する。シンボル点が１６点ある場合のマッピング調整は、以下の手順で行われる。
（１）中心にシンボル点をもつ六角形Ｈを隙間なく並べ、ダイナミックレンジの上限の範囲内で、内部に少なくとも１６個のシンボル点を持つ最小の円Ｃを決定する。図５の左図に示すように、少なくとも１６個のシンボル点を包含する最小の円Ｃは、内部に１９個のシンボル点を持つ。
（２）「内部にシンボル点が１６個入り、かつシンボル間距離が最大となる」ようにシンボル位置を調整する。具体的には、円Ｃの中心のシンボル点Ｓoを移動して、円Ｃの中で最も中心から遠いシンボル点（これを「最外点」と称する）６個のうち３個（シンボル点Ｓi、Ｓj、Ｓk）を円Ｃの外に出す。さらに、円Ｃの内部で最外点にあるシンボル点が円Ｃの円周上に来るように、または円Ｃの内部で最も円周に近づくように、シンボル全体の間隔を広げる。これにより、シンボル間を等間隔に保ったまま、シンボル間の距離を最大に広げることができる。
（３）マッピング調整後は、図５の右図に示すように、１６個の各シンボルが等間隔で並び、かつシンボル間距離が最大となるマッピングパターン１が生成される。マッピングパターン１を用いることで、搬送周波数のずれを補正するために位相回転が適用された場合も、コンスタレーションの歪みを回避し、伝送品質を維持することができる。

図６は、ダイナミックレンジ上限の内接円におけるシンボル点Ｓoの移動を示す。図６では、３つのシンボル点を内接円の外側に出すために、シンボル点ＳｏをＱ軸に沿ってプラス方向に移動しているが、この例に限定されない。規定のシンボル数との差分に当たる数のシンボル点を除外し、シンボル間距離を全体的に拡張できる限り、シンボル点ＳｏをＱ軸と平行にマイナス方向に移動してもよいし、Ｉ軸と平行にプラス方向またはマイナス方向に移動させてもよい。

図７は、第１実施形態のマッピング調整方法のフローチャートである。まず、中心にシンボル点を持つ六角形を、ＩＱ平面上に隙間なく並べる（Ｓ１０１）。六角形のサイズは、ダイナミックレンジの上限と変調方式（または多値数）によって適宜設定される。

次に、あるシンボル点を中心点とし、内部に少なくとも変調方式に応じた数のシンボル数が入る最小の円を決定する（Ｓ１０２）。決定された円の内部のシンボル点の数と、規定のシンボル数との差分を求める（Ｓ１０３）。１６ＱＡＭの場合、少なくとも１６個のシンボル点を包含する最小の円には１９個のシンボル点が含まれ、差分は３シンボルとなる。３２ＱＡＭの場合は、後述するように、少なくとも３２個のシンボル点を包含する最小の円に３７個のシンボル点が含まれ、差分は５シンボルとなる。

差分に相当する数のシンボル点が円の外に出るように円の中心点を移動させ、円の内部の最外点が円周上、または円周に最も近づくようにシンボル間の距離を全体的に拡張する（Ｓ１０４）。

このマッピング調整のフローは、運用中に搬送波の周波数ずれが生じたときに、光送信器で変調方式に合わせてリアルタイムで実行されてもよい。あるいは、あらかじめ変調方式ごとにマッピングパターン１を生成しておき、搬送波の周波数ずれの有無に応じて、規定のコンスタレーションと、マッピングパターン１を使い分けてもよい。

図８は、シンボル数が３２点の場合の調整後のマッピングパターン１を、振幅制限法によるコンスタレーションと比較して示す。図８（ａ）の単純な振幅制限法では、３２個のシンボル点がダイナミックレンジの上限の内接円の中に納まるように、振幅が低減されている。図８（ａ）で最も近いシンボル間の距離はａ１である。

図８（ｂ）に示すマッピングパターン１では、六角形の細密配置に基づいて余剰の数のシンボル点を円の外に除外し、かつ円の内部にある最外点のシンボル位置が円周上に来るように、または最も円周に近づくように、シンボル間の距離が全体的に拡張されている。マッピングパターン１で、各シンボル点は等間隔で配置され、シンボル間の距離はａ２である。マッピングパターン１のシンボル間距離ａ２は、振幅制限法による最短のシンボル間距離ａ１よりも大きい（ａ２＞ａ１）。

図９は、シンボル数が６４点の場合の調整後のマッピングパターン１を、振幅制限法によるコンスタレーションと比較して示す。図９（ａ）の単純な振幅制限法では、６４個のシンボル点がダイナミックレンジの上限の内接円の中に納まるように、振幅が低減されている。最も近いシンボル間の距離はａ１である。

図９（ｂ）に示すマッピングパターン１では、六角形の細密配置に基づいて６４点を超える数のシンボル点を円外に除外し、かつ円の内部にある最外点のシンボル位置が円周上に来るように、または最も円周に近づくように、シンボル間の距離が全体的に拡張されている。マッピングパターン１で、各シンボル点は等間隔で配置され、シンボル間の距離はａ２である。マッピングパターン１のシンボル間距離ａ２は、振幅制限法による最短のシンボル間距離ａ１よりも大きい（ａ２＞ａ１）。

図８と図９を比較すると、変調の多値数が多いほど、第１実施形態の効果が大きいことがわかる。今後、大容量化のために、変調の多値数の増大と、多重される波長数の増大が見込まれ、搬送波周波数の制御に対する要求は厳しくなっていくと考えられる。その場合でも、第１実施形態のマッピング調整を行うことでコンスタレーション歪みを防止し、伝送品質を維持することができる。
＜第２実施形態＞
図１０は、第２実施形態のマッピング調整を説明する図である。第２実施形態では、中心を同じくする複数の円（パワーバンド）を形成し、内側の円（すなわち半径の小さい円）から順に、円周上にシンボル点を等間隔に配置して、シンボル位置を調整する。ここでは１６ＱＡＭを例にとってマッピング調整（シンボル位置の調整）を説明する。

図１０の左図は、振幅制限法により、位相回転時の最外点の軌跡Ｐがダイナミックレンジの上限を超えないようにシンボル点の振幅を制限した状態を示す。この状態では、１６ＱＡＭの本来のマッピング位置と比較して、シンボル間の距離ｄが小さくなっている。位相回転時の最外点の軌跡Ｐがダイナミックレンジの上限の内接円に収まっているので、ダイナミックレンジ内への丸め込みは発生しないが、Ｓ／Ｎ比の悪い条件（シンボル間距離の短い部分）で伝送品質が劣化する。

この問題を解決するために、第２実施形態でも、あるシンボル点Ｓ１から他の１５個のシンボル点への距離の中で最も短い距離が、振幅制限法による最も狭いシンボル間距離ｄよりも広がるように、マッピングを調整する。

図１０の右図はマッピング調整後の状態である。これをマッピングパターン２とする。マッピングパターン２では、ダイナミックレンジの上限の内接円を超えない範囲で、円の中心側から順に、シンボル間距離が最も広がり、かつ各シンボルが等間隔に並ぶシンボル位置が選択されている。マッピングパターン２を用いることで、搬送波周波数の制御により位相回転が与えられる場合でも、シンボル間距離をできるだけ広く保った状態でコンスタレーションの歪みを防止する。これにより、周波数帯の利用効率と、伝送品質の改善を両立させることができる。

図１１は、図１０のマッピング調整方法を説明する図である。シンボル点が１６個の場合、中心点を同じくする３つの円を決定する。半径の小さい順に、最内殻、中殻、最外殻とする。各円は電界の振幅を表わすので、これらの同心円を「パワーバンド」と称する。

最内殻の円周上に、シンボル点を４つ配置する。中殻の円周上に、シンボル点を４つ配置する。最外殻の円周上にシンボル点を８つ配置する。最外殻は、ダイナミックレンジの上限の内接円と一致してもよい。パワーバンド（同心円）の数と半径、及び各円上のシンボル数は、ダイナミックレンジの上限と変調方式に応じて後述する方法で決定される。

図１１（ａ）において、最内殻のシンボル点は、円周をシンボル点の数（この例では４点）で等分した位置に配置される。この処理により、マッピングの基準となるシンボル間距離ｄが一意に決まる。図１１（ａ）では、４つのシンボル点をＩ軸上とＱ軸上にとっているが、この例に限定されず、等間隔である限り円周上の任意の位置に配置してもよい。

図１１（ｂ）において、中殻のシンボル点を、「最内殻の隣接する２つのシンボル点からの距離がｄ」となる位置に配置する。これにより、最内殻の隣接する２つのシンボル点と中殻上のシンボル点で、放射状に広がる４つの正三角形が形成される。

図１１（ｃ）において、最外殻のシンボル点を、「中殻の一番近いシンボル点からの距離がｄ」、「最外殻の隣接する他のシンボル点との距離がｄ以上」であり、かつ「最外殻の半径が最小」となる位置に配置する。この最外殻をダイナミックレンジの上限の内接円と考えてマッピングすると、各シンボルが等間隔で並び、かつシンボル間距離を最大にすることができる。

図１２は、パワーバンドの数と、各円周上に配置されるシンボル点の数の決定方法を説明する図である。ＩＱ平面の直交座標系において、４つの象限のうちの１つの象限に着目して説明する。ＩＱ平面全体では、図１２の状態を４倍すれば足りる。

シンボル数が１６の場合、１つの象限に４つのシンボル点が配置される。まず、最内殻の各象限にひとつのシンボルを配置する（図中の最内殻の欄に「１」で表記）。

次に、２番目に半径の小さい第２殻に配置し得る組み合わせを決定する。最内殻に１つのシンボルを配置したので、残りのシンボル数は３個である。第２殻の配置として、シンボルを１つ配置する（第２殻の欄に「１」と表記）、２つ配置する（第２殻の欄に「２」と表記）、３つ配置する（第２殻の欄に「３」と表記）の３パターンがある。

次に、３番目に半径の小さい第３殻に配置し得る組み合わせを決定する。第２殻のシンボル数が「１」の場合、残りのシンボルは２つである。この場合、第３殻と最外殻に一つずつ配置する組み合わせＡと、第３殻に２つのシンボルを配置する組み合わせＢがある。

第２殻のシンボル数が「２」の場合、残るシンボルは１つだけなので、これを第３殻に配置する。これにより、最内殻から順に「１」、「２」、「１」と配置される組み合わせＣが決定される。

第２殻のシンボル数が「３」の場合、配置すべきシンボルは残っていないので、各象限において、最内殻に１つ、第２殻に３つのシンボル点が配置される組み合わせＤが得られる。

組み合わせＡ〜Ｄの中から、最外殻の振幅（半径）がダイナミックレンジの上限の内接円の中に収まり、シンボル間距離が最も大きくなる組み合わせを選択する。半径を１に正規化した単位円の中に、図１０の手順でシンボルを配置した場合、組み合わせＡのシンボル間距離は０．４８６、組み合わせＢのシンボル間距離は０．５２２である。組み合わせＣのシンボル間距離は０．４７１である。この値は１６ＱＡＭの本来のマッピングによる最も狭いシンボル間距離と同じであり、Ｓ／Ｎ比が悪くなる。組み合わせＤのシンボル間距離は、０．５１８である。

この結果、シンボル間距離が最も大きくなる組み合わせＢが選択される。一つの象限でみたときに、最内殻から順にシンボル点の数が「１、１、２」であるから、４象限でみたときに、配置されるシンボル点の数は「４、４、８」となる。

図１３は、第２実施形態のマッピング調整方法のフローチャートである。まず、ＩＱ平面上で、パワーバンドの最内殻に４つのシンボルを等間隔で配置する（Ｓ２０１）。以降の処理は、ＩＱ平面の直交座標系の４つの象限のうちの１つの象限について行う。

最内殻以外のパワーバンドに配置するシンボル数を、１象限当たりの規定の数のシンボル数ｎの範囲内で選択する（Ｓ２０２）。１象限当たりの既定のシンボル数ｎは、変調方式によって決まる信号点の数の１／４であり、１６ＱＡＭの場合は４個、３２ＱＡＭの場合は８個、６４ＱＡＭの場合は１６個である。たとえば、第２パワーバンドに配置されるシンボル数ｉ（ｉは自然数）は、ｉ＝１，...，ｎ−１の中から選択される。第３パワーバンドに配置されるシンボル数ｊ（ｊは自然数）はｊ＝１，...，ｎ−１−ｉの中から選択される。パワーバンドに配置するシンボル数として最小値「１」をまず選択して、後述するステップＳ２０４、２０５、２０７の判断で処理が繰り返されるたびに、１ずつインクリメントしてもよい。

次に、選択したシンボルを、隣接するシンボルとの間の距離が最内殻のシンボル間距離ｄと同じになり、着目しているパワーバンドの振幅（半径）が最小となる位置に配置する（Ｓ２０３）。

着目しているパワーバンドを最外殻としたときのシンボル間距離が、本来の変調方式でのシンボルマッピングにおける最小のシンボル間距離よりも大きいか否かを判断する（Ｓ２０４）。配置後のシンボル間距離が、本来の変調方式でのシンボルマッピングにおける最小のシンボル間距離と同等またはそれ以下である場合は（Ｓ２０４でＮＯ）、周波数帯域の利用効率を維持しつつ伝送品質を改善するという効果を十分に奏することができない。たとえば、図１２の組み合わせＣがこの配置パターンに該当する。この場合は、このシンボル配置を除外し、Ｓ２０２及びＳ２０３を繰り返す。

シンボル間距離が、本来の変調方式でのシンボルマッピングにおける最小のシンボル間距離よりも大きい場合は（Ｓ２０４でＹＥＳ）、この象限の規定数のシンボル位置がすべて決定されたか否かを判断し（Ｓ２０５）、規定数のシンボルのすべて位置が決まるまで、Ｓ２０２〜Ｓ２０４を繰り返す。

この象限での規定数のシンボル位置が決定されたならば（Ｓ２０５でＹＥＳ）、残りの３つの象限について同じシンボル配置を決定し、全体のシンボル配置を記憶する（Ｓ２０６）。この段階で、ひとつの組み合わせ（マッピングパターン）が決まる。

すべてのシンボル配置の組み合わせが決定されたか否かを判断し（Ｓ２０７）、他にシンボル配置の組み合わせが残っている場合は（Ｓ２０７でＮＯ）、Ｓ２０２〜Ｓ２０６を繰り返して、他のシンボル配置の組み合わせを決定する。

すべてのシンボル配置の組み合わせが決まったならば（Ｓ２０７でＹＥＳ）、記憶したすべてのシンボル配置の組み合わせの中から、最外殻の振幅（半径）がダイナミックレンジの上限の内接円の中に納まるマッピングを選択して（Ｓ１０８）、処理を終了する。図１２の例では、組み合わせＡ、組み合わせＢ、及び組み合わせＤが選択される。いずれのマッピングパターンを採用してもよいが、単位円でのシンボル間距離が最も広い組み合わせＢを用いる。

図１４は、シンボル数が３２点の場合の調整後のマッピングパターン２を、振幅制限法によるコンスタレーションと比較して示す。図１４（ａ）の単純な振幅制限法では、３２個のシンボル点がダイナミックレンジの上限の内接円の中に納まるように、振幅が低減されている。図１４（ａ）で最も近いシンボル間の距離はａ１である。

図１４（ｂ）に示すマッピングパターン２では、中心を同じくする５つの円（パワーバンド）上に、内側から順に４点、４点、８点、８点、８点のシンボルが配置されている。これらのシンボルは等間隔に配置され、シンボル間距離が最も広くなるシンボル配置の組み合わせが選択されている。マッピングパターン２でのシンボル間の距離はａ２である。マッピングパターン２のシンボル間距離ａ２は、振幅制限法による最短のシンボル間距離ａ１よりも大きい（ａ２＞ａ１）。

図１５は、シンボル数が６４点の場合の調整後のマッピングパターン２を、振幅制限法によるコンスタレーションと比較して示す。図１５（ａ）の単純な振幅制限法では、６４個のシンボル点がダイナミックレンジの上限の内接円の中に納まるように、振幅が低減されている。最も近いシンボル間の距離はａ１である。

図１５（ｂ）に示すマッピングパターン２では、中心を同じくする１０つの円（パワーバンド）上に、内側から順に４点、４点、８点、８点、８点、４点、８点、４点、８点、８点のシンボルが配置されている。これらのシンボルは等間隔に配置され、シンボル間距離が最も広くなるシンボル配置、すなわち最外殻がダイナミックレンジ上限の内接円の中に納まる組み合わせが選択されている。マッピングパターン２でのシンボル間の距離はａ２である。マッピングパターン２のシンボル間距離ａ２は、振幅制限法による最短のシンボル間距離ａ１よりも大きい（ａ２＞ａ１）。

図１４と図１５を比較すると、変調の多値数が多いほど、第２実施形態の効果が大きいことがわかる。今後、大容量化のために、変調の多値数の増大と、多重される波長数の増大が見込まれ、搬送波周波数の制御に対する要求は厳しくなっていくと考えられる。その場合でも、第２実施形態のマッピング調整を行うことでコンスタレーション歪みを防止し伝送品質を維持することができる。
＜装置構成＞
図１６は、実施形態の光送信器１０の概略構成図である。光送信器１０は光伝送路２５により光受信器２０と接続されて、光信号を伝送する。

光送信器１０は、搬送波周波数制御回路１１、信号処理回路１２、ＤＡＣ（デジタル／アナログ変換器）１３、ドライバ１４、光源１５、光変調器１７を有している。

光源１５は、たとえば所定の周波数ｆで出力光を発振するレーザ光源である。

信号処理回路１２は、たとえばＤＳＰ（Digital Signal Processor）であり、外部から入力されるバイナリデータである送信信号に対しデジタル信号処理を施す。信号処理回路１２は、マッピング選択調整回路１２１と、位相回転回路１２２と、メモリ１２３を有する。各回路の動作については後述する。

ＤＡＣ１３は、信号処理回路１２から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換する。ドライバ１４は、ＤＡＣ１３からの信号を増幅して駆動信号を生成し、駆動信号で光変調器１７を駆動する。光変調器１７は、送信情報を乗せた駆動信号で光源１５からの出力光を変調し、光信号として光伝送路２５に出力する。

搬送波周波数制御回路１１は、光変調器１７から出力される光信号の搬送波周波数を制御する制御信号を出力する。制御信号は、搬送波周波数の設計値からのずれを表わす周波数制御量Δｆを含む。周波数制御量Δｆは、光変調器１７の出力光の一部をモニタして中心周波数のずれを観測することで検出されてもよい。あるいは、受信器側で得られたＢＥＲ、Ｓ／Ｎ比などの品質検出結果に基づいて決定されてもよい。

周波数制御量Δｆは、信号処理回路１２のマッピング選択調整回路１２１と位相回転回路１２２の双方に供給される。

図１７は、搬送波周波数のずれを説明する図である。光源１５の発振周波数は、温度変化や経年劣化により変動し、設計した搬送波周波数（中心周波数）からずれる。このずれ量をΔｆとする。搬送波の周波数ずれは、高密度の波長多重に対する影響が大きい。そこで、搬送波周波数のずれを送信側の信号処理の段階で補償する。

図１６に戻って、マッピング選択調整回路１２１は、入力されるΔｆの値に応じて、マッピングパターンを選択または調整する。周波数制御量Δｆがゼロの場合（Δｆ＝０）、マッピング選択調整回路１２１は、入力される送信信号（バイナリデータ）を変調方式に応じた本来のマッピング方式でコンスタレーション上にマップする。マッピングされたシンボル点の電界情報Ｅは、時間ｔにおける電界強度Ａ（ｔ）と、電界位相θ（ｔ）により、Ｅ＝Ａ（ｔ）・ｅ^jθ(t)で与えられる。

周波数制御量Δｆがゼロでない場合は（Δｆ≠０）、マッピング選択調整回路１２１は、第１実施形態のマッピングパターン１または第２実施形態のマッピングパターン２を用いる。マッピングパターン１または２では、すべてのシンボル点が、シンボル間距離を最大に保った状態でダイナミックレンジ上限の内接円の中に配置されている。したがって、位相回転回路１２２による位相回転が与えられる場合でも、ダイナミックレンジ内への丸め込みを防止して伝送品質を維持することができる。

マッピングパターン１または２は、各変調方式と対応づけてメモリ１２３にあらかじめ記憶されていてもよいし、信号処理回路１２の演算機能を用いて、リアルタイムでマッピング調整（シンボル位置の調整）が行われてもよい。

位相回転回路１２２は、シンボル点の電界位相に対して、θ＝２πΔｆｔで表される位相回転を与える。Δｆがゼロの場合は、位相回転は与えられず、本来のコンスタレーションマッピングで決まる信号点の電界情報がＤＡＣ１３に出力される。

Δｆがゼロでない場合は、位相回転回路１２２は、マッピングパターン１または２で配置されたシンボル点の電界情報に一定周期で位相回転を与える。これにより搬送波周波数のずれや、伝送路で生じる位相回転をあらかじめ補償する。

マッピングパターン１、２のいずれを用いても、シンボル間距離は最大かつ等距離に保たれているので、Ｓ／Ｎ比を改善することができる。また、すべてのシンボル点がダイナミックレンジ上限の内接円の中にあるので、シンボル点の検出精度の低下や誤り率の劣化を防止することができる。

光受信器２０の構成は図示を省略するが、フロントエンド回路で、光信号を受信して電気信号に変換し、アナログ／デジタル変換によりデジタル信号に変換する。デジタル信号処理による誤り訂正を受ける際に検出された誤り率が光伝送路２５により光送信器１０に伝送され、搬送波周波数制御回路１１で用いられてもよい。

図１８は、信号処理回路１２の動作を示すフローチャートである。まず、マッピング選択調整回路１２１と位相回転回路１２２が、搬送波周波数制御回路１１から周波数制御量Δｆを取得する（Ｓ３０１）。

マッピング選択調整回路１２１は、入力される送信信号を変調方式に応じてＩＱ平面上にマッピングする（Ｓ３０２）。

マッピング選択調整回路１２１と位相回転回路１２２は、それぞれ周波数制御量Δｆがゼロ以外の値であるか否かを判断する（Ｓ３０３）。周波数制御量Δｆがゼロの場合は（Ｓ３０３でＮＯ）、マッピング選択調整回路１２１は、本来のマッピングによるシンボル位置の電界情報を位相回転回路１２２に出力する。位相回転回路１２２は、位相回転を与えずに、受け取った電界情報をそのまま出力する（Ｓ３０６）。

周波数制御量Δｆがゼロでない場合（Ｓ３０３でＹＥＳ）、マッピング選択調整回路は、マッピングされた各シンボル点に対して、マッピングパターン１または２で示されるようにシンボル位置（電界情報）を調整し、調整後の値を位相回転回路１２２に出力する（Ｓ３０４）。位相回転回路１２２は、Δｆを補償するために、一定周期で電界位相に位相回転を与える（Ｓ３０５）。

実施形態では、位相回転の影響を抑制したマッピングが採用されているので、搬送波周波数ずれや伝送路の影響をあらかじめ補償する場合でも、シンボル間距離を最大に保ってコンスタレーション歪みを防止する。周波数帯の利用効率を維持しつつ、伝送品質を改善することができる。

図１９は、実施形態の効果を示す図である。第１実施形態のマッピングパターン１（図１９（ｂ））と、第２実施形態のマッピングパターン２（図１９（ｃ））を、特許文献２の方法によるマッピングと比較して示す。いずれも、１６ＱＡＭを例にとって半径１の単位円にシンボル点を配置している。

特許文献２の方法によると、外周のシンボル間距離は０．５０５、内周のシンボル間距離は０．４７５、内周と外周の間のシンボル間距離は０．５２７である。最も短いシンボル間距離は０．４７５である。

これに対し、第１実施形態と第２実施形態のマッピング法では、シンボル間距離を等距離にし、かつ従来手法の最も短いシンボル間距離よりも大きいシンボル間距離を実現している。この構成によりＳ／Ｎ比が改善され、伝送距離を延すことができる。

図２０は、実施形態の光送信器１０を複数用いた波長多重用の光送信装置１００の概略図である。光送信装置１００は、複数の光送信器１０−１〜１０−ｎと、光合波器４０を有する。各光送信器１０は図１６の光送信器１０と同じであり、それぞれを個別の光送信チップとして構成してもよい。

各光送信器１０で、周波数制御量Δｆに応じて送信信号のマッピング位置が調整され、調整後のマッピング位置で位相回転が与えられた電界情報に基づく光信号が出力される。各光送信器１０のマッピング選択調整回路１２１で、シンボル間距離を最大にするマッピング調整がなされているので、位相回転が与えられる場合でもコンスタレーション歪みを防止し、かつＳ／Ｎ比を良好に維持することができる。

光送信器１０−１〜１０−ｎから出力された光信号は、光合波器４０によって合波される。このとき、各光送信器１０の搬送波周波数制御回路１１が異なる周波数制御量Δｆ_１〜Δｆ_ｎを出力することで、同じ種類の光源１５を用いて、中心周波数がそれぞれ異なる複数の光信号を高密度に多重した波長多重が実現する。各搬送波の周波数が搬送波周波数制御回路１１によって制御され、かつマッピング選択調整回路１２１でコンスタレーション歪みが発生しないようにマッピング位置が調整されている。したがって、波長多重の場合も、各搬送波が占有する周波数帯域を狭くして周波数帯域の利用効率を維持しつつ、伝送品質を改善することができる。

以上、本発明の良好な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。たとえば、本発明は一つの光信号帯の中に複数のサブキャリアを密に配置した光ＯＦＤＭ（orthogonal frequency division multiplexing：直交周波数分割多重）にも適用可能である。

以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
送信信号に対し信号処理を施す信号処理回路と、
前記信号処理回路から出力される送信信号で光源からの光を変調し、光信号を出力する光変調器と、
前記光信号の搬送波周波数を制御する周波数制御信号を前記信号処理回路に出力する制御回路と、
を有し、
前記信号処理回路は、
前記周波数制御信号と変調方式とに基づいて前記送信信号の複素平面上へのマッピング位置を調整するマッピング選択調整回路と、
調整された前記マッピング位置で前記送信信号に前記周波数制御信号に応じた位相回転を与える位相回転回路
と、
を有することを特徴とする光送信器。
（付記２）
前記マッピング選択調整回路は、前記周波数制御信号により前記搬送波周波数のずれが示されている場合に、前記変調方式に応じて決まる最外殻のシンボル点が前記光送信器のダイナミックレンジ上限の内接円の範囲内にあり、かつシンボル間の距離が最大となる配置パターンに基づいて、前記送信信号のマッピング位置を調整することを特徴とする付記１に記載の光送信器。
（付記３）
前記信号処理回路は、前記配置パターンを記憶するメモリを有し、
前記マッピング選択調整回路は、前記搬送波周波数のずれが示されている場合に、前記メモリに記憶される前記配置パターンを用いて前記送信信号のマッピング位置を調整することを特徴とする付記２に記載の光送信器。
（付記４）
前記配置パターンは、前記複素平面上への六角形の細密配置によりすべてのシンボル間距離が等距離に設定されていることを特徴とする付記２に記載の光送信器。
（付記５）
前記配置パターンは、中心にシンボル点を持つ六角形の細密配置において、あるシンボル点を中心点として内部に少なくとも前記変調方式で決まる数のシンボル点を含む最小の円をシンボル配置領域とし、前記最小の円に含まれるシンボル点の数と、前記変調方式で決まるシンボル点の数との差分に応じた数のシンボル点が前記最小の円の外部に除外されるように前記中心点の位置が調整されたパターンであることを特徴とする付記４に記載の光送信器。
（付記６）
前記配置パターンは、前記複素平面上で中心を同じくする複数の円上にシンボル点が配置され、各シンボル点が内側または外側で隣接する円上の最も近いシンボル点から等距離に配置されていることを特徴とする付記２に記載の光送信器。
（付記７）
前記配置パターンは、最も内側の円を４つのシンボル点で等分したときの隣接するシンボル間の距離を基準として決定されていることを特徴とする付記６に記載の光送信器。
（付記８）
前記配置パターンは、最も外側の円が前記ダイナミックレンジ上限の内接円に相当することを特徴とする付記６または７に記載の光送信器。
（付記９）
付記１〜８のいずれか記載の複数の光送信器と、
前記複数の光送信器から出力される光信号を合波する合波器と、
を有し、
前記複数の光送信器の各々は、それぞれ異なる搬送波周波数の光信号を出力することを特徴とする光送信装置。
（付記１０）
光送信器から出力される光信号の搬送波周波数のずれが検出された場合に、信号処理回路にて、送信信号の複素平面上へのマッピング位置を調整し、
調整された前記マッピング位置で、前記送信信号に前記搬送波周波数のずれ量に応じた位相回転を与える、
ことを特徴とする光送信方法。
（付記１１）
光送信器で送信信号に位相回転を与えて搬送波周波数のずれを補正する場合に、
信号処理回路にて、変調方式に応じて決まる最外殻のシンボル点の位置が前記光送信器のダイナミックレンジ上限の内接円の範囲内にあり、かつシンボル間の距離が最大となる配置パターンに基づいて、前記送信信号の複素平面上へのマッピング位置を調整する
ことを特徴とするマッピング調整方法。

１ 光伝送システム
１０、１０−１...１０−ｎ 光送信器
１１ 搬送波周波数制御回路
１２ 信号処理回路
１３ ＤＡＣ（デジタル／アナログ変換器）
１４ ドライバ
１５ 光源
１７ 光変調器
２０ 光受信器
２５ 光伝送路
４０ 光合波器
１００ 光送信装置
１２１ マッピング選択調整回路
１２２ 位相回転回路
１２３ メモリ

Claims (7)

1. 送信信号に対し信号処理を施す信号処理回路と、
   前記信号処理回路から出力される送信信号で光源からの光を変調し、光信号を出力する光変調器と、
   前記光信号の搬送波周波数を制御する周波数制御信号を前記信号処理回路に出力する制御回路と、
   を有し、
   前記信号処理回路は、
   前記周波数制御信号と変調方式とに基づいて前記送信信号の複素平面上へのマッピング位置を調整するマッピング選択調整回路と、
   調整された前記マッピング位置で前記送信信号に前記周波数制御信号に応じた位相回転を与える位相回転回路と、
   を有することを特徴とする光送信器。
2. 前記マッピング選択調整回路は、前記周波数制御信号により前記搬送波周波数のずれが示されている場合に、前記変調方式に応じて決まる最外殻のシンボル点が前記光送信器のダイナミックレンジ上限の内接円の範囲内にあり、かつシンボル間の距離が最大となる配置パターンに基づいて、前記送信信号のマッピング位置を調整することを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
3. 前記信号処理回路は、前記配置パターンを記憶するメモリを有し、
   前記マッピング選択調整回路は、前記搬送波周波数のずれが示されている場合に、前記メモリに記憶される前記配置パターンを用いて前記送信信号のマッピング位置を調整することを特徴とする請求項２に記載の光送信器。
4. 前記配置パターンは、前記複素平面上への六角形の細密配置によりすべてのシンボル間距離が等距離に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の光送信器。
5. 前記配置パターンは、前記複素平面上で中心を同じくする複数の円上にシンボル点が配置され、各シンボル点が内側または外側で隣接する円上の最も近いシンボル点から等距離に配置されていることを特徴とする
   請求項２に記載の光送信器。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の複数の光送信器と、
   前記複数の光送信器から出力される光信号を合波する合波器と、
   を有し、
   前記複数の光送信器の各々は、それぞれ異なる搬送波周波数の光信号を出力することを特徴とする光送信装置。
7. 光送信器から出力される光信号の搬送波周波数のずれが検出された場合に、信号処理回路にて、送信信号の複素平面上へのマッピング位置を調整し、
   調整された前記マッピング位置で、前記送信信号に前記搬送波周波数のずれ量に応じた位相回転を与える、
   ことを特徴とする光送信方法。

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