JP2017517925A - 光ファイバ通信における非線形補償の方法 - Google Patents

Abstract

ある割合のＯＦＤＭサブキャリア（たとえば５０％以内）が（データ搬送サブキャリアを置換する）別のサブキャリア上の位相共役コピー（ＰＣＰ）と共に伝送されて非線形歪補償を可能にするＣＯ−ＯＦＤＭ伝送システムのための非線形補償技術である。ＯＦＤＭ方式における小間隔配置のサブキャリアが経た非線形歪みが大きく相関する。ＰＣＰはレシーバ側で用いられ、それらのそれぞれの当初のサブキャリアおよびＰＣＰに近い他のサブキャリアの非線形歪み（たとえば非線形位相シフト）を推定する。この技術によれば、ＤＢＰの複雑さも、位相共役ツインウェーブ（ＰＣ−ＴＷ）技術の容量の５０％の損失もなしに、ＯＦＤＭ方式におけるカー効果による光ファイバ非線形性を効果的に補償することができる。また、本明細書で提案される技術は、単一偏光およびＰＭＤシステムの両方において、単一チャネルおよびＷＤＭ方式の両方において効果的に実施することができる。

Description

発明の分野
本発明は、光ファイバに沿って伝送された信号において観察される非線形効果を補償する技術に関する。特に、本発明は、コヒーレント光直交周波数分割多重（ＣＯ−ＯＦＤＭ）方式における光ファイバ非線形性を補償する方法に関する。

発明の背景
理論的には、固定帯域幅の通信チャネルの容量は、信号対ノイズ比に対数的に比例する［１］。その結果、光ファイバ通信チャネルの容量は、伝送信号パワーとともに単調に増大するはずである。しかしながら、カー効果による非線形歪みにより、光ファイバに送り出すことができる最大光パワーが制限される［２，３］。ファイバカー非線形性効果は、したがって光ファイバ通信の最大実現可能データレートに対して上限を設定する。

いくつかの非線形補償技術によってカー非線形性制限を抑えることを試みるという大規模な取組みがあった。デジタル型誤差逆伝搬法（ＤＢＰ）は有効な非線形補償法であり、レシーバにおいて歪み信号をデジタル的に逆にすることによって非線形歪みを除去するものである［４］。この技術は、光ファイバにおけるパルスの伝搬が非線形シュレーディンガー方程式（ＮＬＳＥ）によって正確にモデリングすることができるという事実に基づく。その結果、ファイバによって導入されるすべての決定論的歪みは、ＮＬＳＥを逆にすることによって、レシーバにおいて補償することができる。

ＤＢＰを適用する概念は、受信信号の完全情報（振幅および位相の両方）をレシーバにおいて提供するコヒーレント検出の利点のために近年現実的になっている。様々な伝送構造によってＤＢＰの性能についての多くの調査が行なわれてきた［４，５，６］。しかしながらＤＢＰは、非線形相互作用下での多くの演算工程のために非実行不可能なほど高い複雑さを示す。さらに、波長分離多重（ＷＤＭ）システムでは、隣り合うＷＤＭチャネルが補償装置にとって未知であるため、ＤＢＰの有効性が著しく低下する。

デジタル［７］および光学［８，９］ミッドリンク位相共役（ＭＬ−ＰＣ）は、リンクの端部における非線形位相シフトの打消しを実現するために伝送リンクの中間点において信号位相を共役させる他の既知の非線形補償技術である。ＭＬ−ＰＣは、リンクの中間点に位相共役器を挿入することによって伝送リンクを修正し、位相共役器に関してほぼ鏡像のパワー発展を必要とする。しかしながら、ＭＬ−ＰＣ方式による有意義な性能向上を実現するために、伝送リンク全体が均質である必要があり、ＭＬ−ＰＣ前後の信号パワー発展プロファイルは鏡像としてエミュレートするために対称的である必要がある。そのような要件は、光学的にルーティングされたネットワークの自由度を著しく低下させる。また、追加ハードウェア（位相共役器）がＭＬ−ＰＣ技術の著しい欠点である。

近年、位相共役のツインウェーブ（phase-conjugated twin waves：ＰＣ−ＴＷ）と呼ばれる新しい非線形補償技術が提案されている［１０］。ＰＣ−ＴＷは、最小の追加ハードウェアまたは信号処理により実施することができるトランスミッタベースの技術である。この方式では、複素信号波形およびその位相共役は、ｘおよびｙ偏光状態で同時に伝送され、その後、非線形信号歪みをコヒーレントな重ね合せによってレシーバにおいて軽減することができる。動作原理は、共役が信号と同じ非線形性を蓄積することである。レシーバでは、共役プロセスがこの非線形性を逆にするため、信号のコピーに追加されると、データ信号が増大する（ＳＮＲを高める）一方で非線形項は減じる。ＰＣ−ＴＷは、シンボル検出に先立ってシンボルごとに追加的な共役および追加動作のみを必要とするため、光ファイバ非線形性を補償する際に単純かつ効果的な解決策をもたらす。しかしながら、ＰＣ−ＴＷの１つの重大な欠点は、送電容量の半分に対応することである。これに加え、ＰＣ−ＴＷは、偏光多重（ＰＤＭ）システムでしか効果的に適用されることができない。

直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）は、広く使用されているデジタル変調／多重化技術である。コヒーレント光ＯＦＤＭ（ＣＯ−ＯＦＤＭ）方式は、未来の高速の（たとえば、チャネル当たりのデータレートが１００Ｇｂ／ｓより大きい）光転信システムのための有望な技術と考えられている[１１〜１３]。ＣＯ−ＯＦＤＭは、いくつかの固有の利点、すなわち高スペクトル効率、光ファイバ色分散（ＣＤ）および偏光モード分散（ＰＭＤ）などの線形障害に向けた高レジリエンス、より単純なチャネル推定および補償技術を提供する。しかしながら、ＣＯ−ＯＦＤＭは、サブキャリアの狭く均等な間隔のために、特に四波混合（ＦＷＭ）のような多くの非線形効果を被る。その結果、ＣＯ−ＯＦＤＭのための光ファイバ非線形性の補償は、いずれの従来の方式と比較しても、はるかに重大である。

補償前および補償後［１４，１５］またはパイロットトーンベースのファイバ非線形補償［１６］といったいくつかの非線形軽減技術がＣＯ−ＯＦＤＭ伝送のために提案されてきた。しかしながら、これらの技術の利点は軽微であり、特定の分散マップを有さない光ファイバリンクには非効果的ですらある。現時点では、ＣＯ−ＯＦＤＭのための単純かつ効果的な光ファイバ非線形補償技術はまだ提案されていない。

発明の概要

最も概略的には、本発明は、ＯＦＤＭサブキャリアのうち少なくとも１つが（データ搬送サブキャリアを置換する）別のサブキャリア上の位相共役コピー（ＰＣＰ）と共に伝送されて非線形歪補償を可能にするＣＯ−ＯＦＤＭ伝送システムのための非線形補償技術を提案する。ＯＦＤＭ方式については、小間隔配置のサブキャリアが経た非線形歪みが大きく相関し、したがって当初のＯＦＤＭサブキャリアの非線形性を補償するのに加えて、任意に１つ以上の追加的な隣接する（または小間隔配置の）サブキャリアの非線形歪みが推定され、したがってその後補償され得る。この方式において、ＯＦＤＭサブキャリアの一部分（たとえば５０％まで）が他のサブキャリアの位相共役として伝送される。ＰＣＰは、それぞれの当初のサブキャリアおよびＰＣＰに近い他のサブキャリアの非線形歪み（たとえば非線形位相シフト）を推定するためにレシーバにおいて用いられる。この技術により、ＯＦＤＭ方式におけるカー効果による光ファイバ非線形性は、ＤＢＰの複雑さも、上記の位相共役のツインウェーブ（ＰＣ−ＴＷ）技術の容量の５０％の損失もなしに、効果的に補償することができる。また、本明細書で提案される技術は、単一偏光およびＰＭＤシステムの両方において、単一チャネルおよびＷＤＭ方式の両方において、効果的に実施することができる。

発明の第１の局面によれば、光ファイバに沿った伝送のために光データ信号を準備する方法が提供される。当該方法は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）符号化データ信号の第１のサブキャリアに情報シンボルをマッピングすることと、情報シンボルの複素共役（本明細書では位相共役とも称する）をＯＦＤＭ符号化データ信号の第２のサブキャリアにマッピングすることとを含み、第２のサブキャリアは、周波数領域において第１のサブキャリアと隣り合う。ＯＦＤＭ符号化データ信号を受信すると、受信情報シンボルおよび複素共役に対応する受信情報シンボルが処理され、以下に説明されるように、ＯＦＤＭデータ信号が経た非線形歪みについての情報をもたらすことができる。このように算出された非線形歪みの推定値を用いて、追加的な周囲のサブキャリアからの情報シンボルの非線形歪みを補償してもよい。このように、位相共役のオーバーヘッドは、５０％未満、つまり（上述したＰＣ−ＴＷ技術などにおいて）共役コピー全体が用いられた場合に必要とされるものよりも小さい。

ＯＦＤＭ符号化信号は、複数の非線形補償情報シンボルペアを含むと考えられ得る。各ペアは、１つのデータを搬送する情報シンボルと、それぞれのサブキャリア上で伝達されるその情報シンボルの複素共役とを含む。サブキャリアの帯域を介して非線形補償情報シンボルペアを離間することにより、発明は、ＯＦＤＭ符号化データ信号の周波数範囲全体にわたる正確な非線形補償を比較的低い帯域幅オーバーヘッドで提供することができる。

したがって、当該方法は、複数の非線形補償情報シンボルペアを、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）符号化データ信号のサブキャリアのそれぞれのペアにマッピングすることを含み、複数の非線形補償情報シンボルペアの各々は、第１のサブキャリアにマッピングされたデータ情報シンボルと、第２のサブキャリアにマッピングされたデータ情報シンボルの複素共役とを含み、第２のサブキャリアは、周波数領域における第１のサブキャリアと隣り合う。

複数の非線形補償情報シンボルペアは、ＯＦＤＭ符号化データ信号のサブキャリアの周波数分布を介して規則的に離間される。たとえば、対応する位相共役を有さない情報シンボルを伝達する１つ、２つ、３つ、４つ、５つまたはそれ以上のサブキャリアによって離間される。

他のサブキャリアによって搬送されるデータ情報シンボルの複素共役を伝達するＯＦＤＭ符号化光データ信号におけるサブキャリアの割合は、５０％以下、たとえば３０％以下、２５％以下、または２０％以下であり得る。好ましくは、割合は１０％よりも大きい。

本明細書では、周波数領域において「隣り合う」という言及は、第１および第２のサブキャリアが互いに近い、たとえば５つ以下のサブキャリア、好ましくは３つ以下のサブキャリアによって離間されることを意味し得る。実際には、第１および第２のサブキャリアは、それらの非線形位相シフトのために周波数において十分近くにあり、高度の相関関係を表し得る。好ましくは、第１のサブキャリアはＯＦＤＭ符号化光データ信号におけるサブキャリアの周波数分布において第２のサブキャリアに隣接する。

情報シンボルがそれぞれのサブキャリアにマッピングされた後、ＯＦＤＭ符号化データ信号は、従来のやり方で、たとえば、ＯＦＤＭ符号化データ信号に逆高速フーリエ変換を適用して時間領域信号を生成することと、時間領域信号によって光搬送波を変調することと、光ファイバを介して光搬送波を伝送することとによって伝送され得る。

発明の非線形補償は、伝送リンクに沿って分散対称を作成することによって向上され得る。当該方法はしたがって、たとえば逆高速フーリエ変換が行われる前に、ＯＦＤＭ符号化データ信号に電気的分散プレ補償を適用することを含む。

第１の局面による伝送準備処理は、好適にプログラミングされたコンピュータによって行なわれ得る。当該処理は、従来のＯＦＤＭ（特にＣＯ−ＯＦＤＭ）システムの一部であってもよく、たとえば、シンボルマッピング後であるが逆高速フーリエ変換が行われる前にデータ上で動作する。発明の第１の局面は、コンピュータ読取可能命令が記憶されたコンピュータプログラムプロダクトであって、コンピュータによって実行されると、上に記載した方法をコンピュータに行なわせるコンピュータプログラムプロダクトも提供する。

第２の局面によれば、本発明は、光ファイバ非線形性を補償する方法を提供する。当該方法は、光ファイバから直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）符号化光データ信号を受信することと、ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第１のサブキャリアから第１の受信情報シンボルを検出することと、ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第２のサブキャリアから第２の受信情報シンボルを検出することとを含み、第２のサブキャリアは周波数領域において第１のサブキャリアと隣り合い、第２の受信情報シンボルは、第１の受信情報シンボルのための位相共役パイロットであり、当該方法はさらに、第２の受信情報シンボルに基づいて第１の受信情報シンボルの非線形位相シフトを補償することを含む。受信したＯＦＤＭ符号化光データ信号は、発明の第１の局面の方法によって生成され得る。したがって、上述した発明の第１の局面の特徴は、発明の第２の局面によって共有されてもよく、再び述べない。

「第１の受信情報シンボルについての位相共役パイロット」という用語は、第２の受信情報シンボルが、第１のサブキャリア上に符号化されたオリジナルであった情報シンボルの複素共役（位相共役）として符号化されたことを意味し得る。しかしながら、伝送中にＯＦＤＭ符号化光データ信号が経る非線形効果のために、第１の受信情報シンボルおよび第２の受信情報シンボルは、互いの複素共役ではなくなることになる。本発明は、初めに符号化された時の２つの情報シンボル間の関係を利用して、非線形効果を補償する。

第１の受信情報シンボルの非線形位相シフトを補償することは、第１の受信情報シンボルおよび第２の受信情報シンボルの共役を平均することを含み得る。

上述したように、第１および第２のサブキャリアは、サブキャリアの周波数分布において互いに近くであり得、たとえば５つ以下のサブキャリア、好ましくは３つ以下のサブキャリアによって離間される。実際には、第１および第２のサブキャリアは、それらの非線形位相シフトのために周波数において十分近くにあり、高度の相関関係を表し得る。好ましくは、第１のサブキャリアは、ＯＦＤＭ符号化光データ信号のサブキャリアの周波数分布において第２のサブキャリアに隣接する。

当該方法は、第１の受信情報シンボルおよび第２の受信情報シンボルに基づいて、推定非線形歪みを算出することを含み得る。有利に、この推定非線形歪みは、他の情報シンボルが経た非線形効果を補償するために用いられてもよい。これは、あらゆる伝達された情報シンボルに複素共役を提供する必要なしに補償を行なうことができることを意味する。したがって、当該方法は、ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第３のサブキャリアから第３の受信情報シンボルを検出することと、推定非線形歪みに基づいて第３の受信情報シンボルの非線形位相シフトを補償することとを含み得る。補償は、第３のサブキャリアが周波数領域において第１のサブキャリアと隣り合う、つまり、５つ以下のサブキャリアによって離間される場合に特に効果的である。サブキャリアの数が十分に大きいか、または信号の帯域幅が十分に小さい場合、第１のサブキャリアは、５つ以上の介在するサブキャリア、たとえば６つ、７つ、８つ、９つ、またはそれ以上の介在するサブキャリアによって第３のサブキャリアから離間され得る。

実際は、推定非線形歪みを用いて、周波数領域の第１のサブキャリアの辺りに位置する複数のサブキャリアによって伝達された複数の受信情報シンボルの非線形歪みを補償してもよい。

第１の局面と同様に、発明の第２の局面は、受信信号中に複数の情報シンボル共役ペアが符号化されている時に特に有益である。共役ペアがＯＦＤＭ符号化信号の周波数帯を介して広げられると、非線形補償は、共役ペアを有するか否かにかかわらず、あらゆるサブキャリアによって伝達される情報シンボルに対して行なわれ得る。

したがって、発明の第２の局面は、光ファイバ非線形性を補償する方法として表現されてもよく、当該方法は、光ファイバから直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）符号化光データ信号を受信することと、ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第１のペアのサブキャリアから第１のペアの非線形補償情報シンボルを検出することとを含み、第１のペアの非線形補償情報シンボルは、ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第１のサブキャリアからの第１の受信情報シンボルと、ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第２のサブキャリアからの第２の受信情報シンボルとを含み、第２のサブキャリアは、周波数領域において第１のサブキャリアと隣り合い、第２の受信情報シンボルは、第１の受信情報シンボルについての位相共役パイロットであり、当該方法はさらに、ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第２のペアのサブキャリアから第２のペアの非線形補償情報シンボルを検出することを含み、第２のペアの非線形補償情報シンボルは、ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第３のサブキャリアからの第３の受信情報シンボルと、ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第４のサブキャリアからの第４の受信情報シンボルとを含み、第４のサブキャリアは、周波数領域において第３のサブキャリアと隣り合い、第４の受信情報シンボルは、第３の受信情報シンボルについての位相共役パイロットであり、当該方法はさらに、第１の受信情報シンボルおよび第２の受信情報シンボルに基づいて、第１の推定非線形歪みを算出することと、第３の受信情報シンボルおよび第４の受信情報シンボルに基づいて、第２の推定非線形歪みを算出することと、ＯＦＤＭ符号化光データ信号の周波数領域において第１のペアのサブキャリアと第２のペアのサブキャリアとの間に位置する複数のサブキャリアによって伝達された複数の受信情報シンボルを検出することと、第１の推定非線形歪みおよび第２の推定非線形歪みに基づいて、複数の受信情報シンボルの各々における非線形位相シフトを補償することとを含む。

補償するステップ自体は、多くのやり方で行なわれ得る。たとえば、所与の共役ペアについて算出された同じ推定非線形歪みを用いて、その共役ペアに最も近いすべてのサブキャリアである情報シンボルを補償してもよい。したがって、当該方法は、各それぞれの受信情報シンボルのサブキャリアが、ＯＦＤＭ符号化光データ信号の周波数領域において第１のペアのサブキャリアまたは第２のペアのサブキャリアにより近いかを判定することと、サブキャリアが第１のペアのサブキャリアにより近い場合、第１の推定非線形歪みをそのそれぞれの受信情報シンボルに適用することと、サブキャリアが第２のペアのサブキャリアにより近い場合、第２の推定非線形歪みをそのそれぞれの受信情報シンボルに適用することとを含む。

あるいは、非線形歪みは、あるやり方では共役ペアどうしの間で変動すると想定され得る。たとえば、特に共役ペアが周波数において比較的近い場合、非線形歪みは隣接する共役ペアどうしの間でほぼ直線的に変動すると想定され得る。したがって、当該方法は、第１の推定非線形歪みおよび第２の推定非線形歪みに基づいて、推定非線形歪みの直線的変動を周波数によって内挿することを含み、複数の受信情報シンボルの各々において非線形位相シフトを補償することは、そのサブキャリアの周波数に基づいて、複数の受信情報シンボルの各々に、内挿された推定非線形歪みを適用することを含む。

第１の局面と同様に、発明の第２の局面は、上に概説した方法ステップに対応するソフトウェア命令を実行する好適にプログラミングされたコンピュータ上で実施され得る。

要約すると、上に提案した位相共役パイロット方式は、単純で、低価格でかつフレキシブルなやり方で実施することができ、変調フォーマットまたはファイバリンクプロパティに対してトランスペアレントであり得る。当該技術はデジタルであるため、いずれのハードウェア変更および要件もなしに、（分散補償モジュールの有無に関わらず）短距離から長距離リンクに及ぶ任意の光リンクに適用することができ、それによって実施の際の自由度をもたらす。

図面の概要
添付の図面を参照して、発明の例について以下に述べる。

位相共役パイロットと関連サブキャリアとの関係を示す概略図である。 発明の実施形態である非線形補償技術を実施するのに好適な偏光多重（ＰＤＭ）コヒーレント光直交周波数分割多重（ＣＯ−ＯＦＤＭ）方式のブロック図である。 図２に示されるレシーバのブロック図である。 発明の実施形態である非線形補償技術を用いる時に図２のシステムを介して伝送される複数の信号についての起動パワーの関数としてのＱ値を示すグラフである。 図２のシステムのための一組の受信信号点配置図であり、各受信信号点配置図は、発明の実施形態である非線形補償技術を用いた時の異なる量の位相共役パイロットオーバーヘッドに対応する図である。 発明の実施形態である補償技術を用いた時の、位相共役パイロットオーバーヘッドの関数としてのＱ値向上を示すグラフである。

詳細な説明、さらなる選択肢、および優先度
発明の補償技術の背景にある概念は、上述した既知の位相共役ツインウェーブ（ＰＣ−ＴＷ）概念［１０］との比較によって理解することができる。ＰＣ−ＴＷ概念は、複素信号波形と、ｘ偏光およびｙ偏光におけるその位相共役とを伝送することによって作用する。本発明の補償技術は、信号全体がコピーされない点でこれとは異なる。その代わり、発明の補償技術は、いわゆる位相共役パイロット信号を伝送する目的で１つ以上のサブキャリアをＯＦＤＭ方式で割当てる。各位相共役パイロット信号は、サブキャリアのうちの別のもの上で伝送された「実際の」データ信号の位相共役である。ＯＦＤＭ方式における周波数間隔は小さいことが多いため、隣り合うサブキャリアは、光ファイバ中を伝搬する間に同様の非線形歪みを経験する。したがって、光リンクの端部においては、隣り合うサブキャリア上の非線形位相シフトは深い相関関係を経験することになる。本発明は、ＯＦＤＭ帯域全体にわたって位相共役パイロットを挿入することによって非線形補償が実現され得るという認識に基づく。

本明細書において「隣り合う」とは、直接隣接する、つまり次の最も近いサブキャリアを意味してもよいし、近くの、たとえば０、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、またはそれ以上の中間サブキャリアのうちのいずれかによって離間されたサブキャリアであってもよい。

位相共役パイロットを伝送することによって、その関連サブキャリアデータ上の非線形位相シフトを以下のように推定することができることが注目されるべきである：

図１は、位相共役パイロットが別の２つのサブキャリアによってそのベースデータサブキャリアから離間される配置を示す。これらのサブキャリア間の周波数離調を最小化するためにそのベースデータサブキャリアからの小さな周波数分離のみにおいて位相共役パイロットを提供し、したがってこれらのサブキャリア間の非線形位相シフトの相関関係の可能性を増大させることが望ましい。たとえば、データを有するサブキャリアは、その位相共役パイロットの隣りに直接配置されてもよいし、多くのサブキャリア、たとえば１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、またはそれ以上によってそれから離間されてもよい。

第ｋ番目のサブキャリア１００に対する非線形歪みは、位相共役パイロットの助けによって以下のように推定することもできる：

式（２）および（３）によって表わされる推定値を用いて、他の隣り合う、つまり近くのサブキャリア上の非線形歪みを補償することができる。この技術を適用することによって、ＯＦＤＭ方式におけるデータサブキャリアに対するファイバ非線形性減損を、サブキャリアのすべてのペアを共役させることなく補償することができる。

複数のデータサブキャリアおよびそれらの位相共役パイロットサブキャリアは、ＯＦＤＭ信号全体を介して分散され得る。分散は規則的であり得る。対応する位相共役パイロットのない複数のデータサブキャリアは、各データ／位相共役パイロットサブキャリアペアを離間し得る。周波数間隔が小さければ、対応する位相共役パイロットのないデータサブキャリア上の非線形歪みは、データ／位相共役パイロットサブキャリアペアと同様となる。したがって、非線形歪みは、最も近いペアのサブキャリアデータ上の推定非線形歪みおよび位相共役パイロットを用いて、対応する位相共役パイロットのないデータサブキャリアにおいて補償することができる。したがって、この方式を用いると、１つの位相共役パイロットを用いていくつかのサブキャリア上の非線形歪みを補償することができる。その結果、この方式における位相共役パイロットによるオーバーヘッドは、特定用途の要件に従って、相対的に軽減され、設計することができる。

リンクプロパティに依存して、位相共役パイロットが付随しないサブキャリア上の非線形歪みを様々なやり方で推定することができる。第１の方法は、一ペアのサブキャリアデータとその位相共役とからの同じ推定非線形歪みδ_ｋを用いて、上記のようにこのペアを取り巻くサブキャリア上の非線形歪みを補償することである。第２の方法は、隣接する２ペアのサブキャリアデータおよびその位相共役パイロットからの推定非線形歪みの線形内挿を用いて、これらの２つのペアの中間のサブキャリア上の非線形歪みを補償することである。第２の方法については以下でさらに述べる。

発明の補償技術は、伝送リンクに沿って分散対称を生じさせるために電気的分散プレ補償（プレＥＤＣ）を適用することによって高められ得る。対称な分散マップを有することで、サブキャリアデータおよびその位相共役上の非線形歪みどうしの間の類似点を向上させ、したがって非線形性打消し方式の有効性をさらに向上させ得る。対称な分散マップを作成するために、プレＥＤＣが次のように適用される：

ここでＸ（Ｏ，ω）は伝送信号のスペクトルであり、Ｄはファイバ分散であり、λは波長であり、ｃは光速であり、Ｌは伝送距離である。

ＣＯ−ＯＦＤＭ方式では、プレＥＤＣは、以下の式によってＩＦＦＴブロックの前に周波数領域において容易に実施することができる：

ｋはサブキャリアインデックスであり、Δｆは周波数間隔である。その結果、提供されるファイバ非線形補償技術をＣＯ−ＯＦＤＭ伝送のためにプレＥＤＣと容易に組合わせて、最良の性能を実現することができる。

図２は、偏光多重（ＰＤＭ）ＣＯ−ＯＦＤＭシステム２００のブロック図を示す。該システムは、光ファイバ２２０の長さによって接続されたトランスミッタ側プロセスおよびレシーバ側プロセッサを含む。本発明のシミュレーションで得られたステップを説明する。

複数の機能的ブロック（以下ではプロセッサの「部分」と称する）として図２で表わされるトランスミッタ側プロセッサ２０１にデータストリーム２０２が入力される。これらの機能は、適宜ハードウェアまたはソフトウェアにおいて実装され得る。入力データストリーム２０２はｘ偏光およびｙ偏光に分割され、各々は次いで、シリアルパラレル変換部分２０４およびシンボルマッピング部分２０６によって、たとえば４位相偏移変調（ＱＰＳＫ）変調フォーマットを用いて、１９２０個のサブキャリア上にマッピングされる。複数の所定のサブキャリアには、位相共役のためにそれらを保留するために０がマッピングされている。

この段階において、つまりまだ周波数領域において、複数の位相共役パイロットがＰＣＰ追加部分２０８によって追加される。ここで、保留されていた複数の所定のサブキャリアの各々は、それぞれのサブキャリアの位相共役がそれにマッピングされている。

シンボルマッピング部分２０６およびＰＣＰ追加部分２０８によって行なわれる機能は、単一のシンボルマッピングブロックにおいて同時に行なわれてもよく、データおよびその位相共役がデータを搬送するサブキャリアおよびＰＣＰ上に同時にマッピングされる。

位相共役パイロットの追加に続いて、プレＥＤＣ部分２１０において上記の（たとえば式（５）を参照）電気的分散プレ補償がサブキャリアに対して行われる。サブキャリアはその後、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）部分２１２によって時間領域に転送される。ＩＦＦＴはサイズ２０４８であり、ゼロが残りを占める。

次いで、１つ以上のトレーニングシンボルが部分２１６において追加される前に、サブキャリアは部分２１４においてシリアルパラレル変換を受ける。次いで、デジタル-アナログ変換器２１８、Ｉ／Ｑモジュレータ２２２および偏光ビームスプリッタ２２４によって伝送のために信号が準備される。

ＯＦＤＭの有益な期間は５１．２ｎｓである。ここで行われたシミュレーションでは、長距離のファイバリンク（光ファイバ２２０）は、損失パラメータが０．２ｄＢｋｍ^−１、非線形性係数が１．２２Ｗ^−１ｋｍ^−１、分散度が１６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、およびＰＭＤ係数が０．１ｐｓ／ｋｍ^０．５である８０ｋｍスパンのスタンダードシングルモードファイバ（ＳＳＭＦ）で構成されると想定される。ファイバスパン損失は、利得１６ｄＢおよび雑音指数４ｄＢのエルビウム添加ファイバアンプ２２６（ＥＤＦＡ）によって補償される。

シミュレーションでは、自然放出増幅光（ＡＳＥ）ノイズがインラインで追加された。トランスミッタおよびレシーバのレーザは同じ線幅１００ｋＨｚを有する。シミュレートされた時間ウィンドウは、１００個のＯＦＤＭシンボルを含む。

光ファイバ２２０を通って進行した後、信号は、光局部発振器（ＯＬＯ）２２８が接続されているダイバーシティレシーバ２３０によって受信される。次いで、受信信号は、アナログ-デジタル変換器２３２による解釈のために準備される。アナログ-デジタル変換器２３２は信号を再サンプリングし、二偏光状態の同相の直角分をデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）２３４に提供する。

レシーバＤＳＰ２３４のブロック図を図３に示す。ＤＳＰ２３４は、さらなる処理のために信号を直列から並列に変換するための第１の部分３０２と、重畳周波数領域等化器（ＯＦＤＥ）を用いて重畳保留法によって色分散補償を行なうための第２の部分３０４と、高速フーリエ変換を行なって信号を周波数領域に変形するための第３の部分３０６と、ＭＩＭＯ処理［１７］によるゼロフォーシング推定法を用いて初期トレーニングシーケンスの援助によってチャネル推定および等化を行なうための第４の部分３０８と、非線形位相ノイズ（ＮＬＰＮ）推定を行なうための第５の部分３１０と、ＮＬＰＮ補償を行なうための第６の部分３１２とを有する。結果として得られる情報は、第７の部分３１４において復調され、次いでシンボルマッピング部分２３６に送られて復号される。復号後、適切なシリアルパラレル変換部分２３８を通ってデータが出力される。

位相共役パイロットを用いてＮＬＰＮを補償するために、レーザの位相ノイズおよびファイバ非線形性によって最初に導入された共通位相エラー（ＣＰＥ）を補償することが必要である。このタスクは、［１８］に示されるような位相共役パイロットの支援によって行うこともでき、本明細書ではさらに述べない。

シミュレーションでは、ＣＰＥ補償後、線形内挿方式の有無に関わらず、位相共役パイロットが付随したサブキャリアデータの非線形位相ノイズを式（１）を用いて補償し、次いで他のサブキャリアの非線形位相ノイズを式（３）を用いて補償する。このステップは、復調のために信号が第７の部分３１４に送られる前に、第５の部分３１０および第６の部分３１２によって行なわれる。

図４は、異なる起動パワーについてＱ値の挙動に注目することによって、上記のシミュレーションで用いられる位相共役パイロットの効果を実証するグラフである。図４は、サブキャリアの５０％が位相共役パイロットに割当てられる（が、上述したようにオーバーヘッドはこれ未満であり得る）方式を、位相共役パイロットのない方式と比較する。図４は、プレＥＤＣ技術を追加的に適用することによって得られる結果も比較する。プレＥＤＣおよび５０％の位相共役パイロットが用いられると、システム性能における約４．５ｄＢの向上が実現されることが分かる。この比較における伝送距離は３２００ｋｍである。

その上、位相共役パイロット補償技術が適用されると、非線形しきい値も６ｄＢ上昇する。この結果は、位相共役パイロットおよびその関連データサブキャリアをコヒーレントに平均することで、非線形位相ノイズを著しく軽減することができることを明らかに示す。この向上の結果、より長い伝送距離を実現することができる。図４は、６４００ｋｍの伝送距離後の、位相共役パイロットが５０％であるシステムの性能も示す。このシステムは、３２００ｋｍの伝送距離後の位相共役パイロットのないＯＦＤＭ方式と比較して、性能の面で約１．５ｄＢのメリットがある。この重要な比較は、発明の位相共役パイロット技術によりスペクトル効率および伝送距離の積を著しく増大することができることを示す。

図４に表されたシミュレーション結果は、各サブキャリアデータをその位相共役パイロットとともに伝送することによって、システム性能を著しく向上させることができることを明らかに示す。この実装例は最良の性能を提示するが、５０％のオーバーヘッドを必要とする。位相共役パイロット補償技術を適用する際の必要なオーバーヘッドは、一ペアのサブキャリアデータおよびその位相共役パイロットに対して推定非線形歪みを用いて、他のサブキャリア上の非線形歪みを補償することによって減少させることができることを先のセクションにおいて述べた。具体的には、一位相共役パイロットを用いて３３％、２５％、２０％、またはそれより小さいオーバーヘッドを犠牲にしてそれぞれ２つ、３つ、４つ、またはそれ以上のデータサブキャリアの非線形歪みを補償することができる。図５では、ファイバ非線形補償のための位相共役パイロットの有無によるシステムの受信信号点配置図を、位相共役パイロットオーバーヘッドの異なる値について示す。図５（ａ）は、位相共役パイロットのない受信信号点配置図である。図５（ｂ）は、位相共役パイロットオーバーヘッドが２０％の受信信号点配置図である（各パイロットは４つのデータサブキャリアを補償する）。図５（ｃ）は、位相共役パイロットオーバーヘッドが２５％の受信信号点配置図である（各パイロットは３つのデータサブキャリアを補償する）。図５（ｄ）は、位相共役パイロットオーバーヘッドが５０％の受信信号点配置図である（各パイロットは１つのデータサブキャリアを補償する）。このシミュレーションでは、伝送距離は１２００ｋｍ、起動パワーは６ｄＢｍであった。位相共役パイロットによるオーバーヘッドと性能との間のトレードオフを明確に観察することができる。位相共役パイロットの伝送によるオーバーヘッドが大きくなるほど性能が向上する。

位相共役パイロットによるオーバーヘッドの関数としてのｄＢにおけるシステム性能の向上を図６に示す。システム性能の向上は、最適な起動パワーポイントにおいて規定される。オーバーヘッドが５０％、３３％、および２０％であれば、システム性能の実現可能な向上は、それぞれ４．６ｄＢ、３．２ｄＢ、および２．１ｄＢである。その結果、オーバーヘッドと性能向上との間のトレードオフにより、提案されるファイバ非線形補償技術は、光リンク要件に従って適応して適用され得る。

前述したように、一ペアのサブキャリアデータおよびその位相共役パイロット上の推定非線形歪みを用いて、線形内挿方式の有無に関わらず他の周囲のサブキャリア上の非線形歪みを補償することができる。オーバーヘッドが５０％、３３％、および２０％であれば、システム性能の実現可能な向上は、それぞれ約４．６ｄＢ、３．２ｄＢおよび２．１ｄＢ、または１％のオーバーヘッドごとにおよそ０．１ｄＢである。実際のシステムでは、ＣＰＥ（４〜１０％）について最小のオーバーヘッドが必要とされ、このオーバーヘッドを用いて、追加的なオーバーヘッドなしに一定レベルの非線形補償を提供し得る。

参考文献

Claims (15)

1. 光ファイバに沿った伝送のために光データ信号を準備する方法であって、前記方法は、
   複数の非線形補償情報シンボルペアを、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）符号化データ信号のサブキャリアのそれぞれのペアにマッピングすることを含み、前記複数の非線形補償情報シンボルペアの各々は、
   第１のサブキャリアにマッピングされたデータ情報シンボルと、
   第２のサブキャリアにマッピングされた前記データ情報シンボルの複素共役とを含み、
   前記第２のサブキャリアは、周波数領域において第１のサブキャリアと隣り合い、
   他のサブキャリアによって搬送されるデータ情報シンボルの複素共役を伝達する前記ＯＦＤＭ符号化光データ信号におけるサブキャリアの割合は５０％以下である、方法。
2. 前記複数の非線形補償情報シンボルペアは、前記ＯＦＤＭ符号化データ信号におけるサブキャリアの周波数分布によって規則的に離間される、請求項１に記載の方法。
3. 前記割合は３０％以下である、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１のサブキャリアは前記ＯＦＤＭ符号化光データ信号におけるサブキャリアの周波数分布において前記第２のサブキャリアに隣接する、先行する請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
5. 前記ＯＦＤＭ符号化データ信号に逆高速フーリエ変換を適用して時間領域信号を生成することと、
   前記時間領域信号によって光搬送波を変調することと、
   光ファイバを介して前記光搬送波を伝送することとを含む、先行する請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
6. 前記ＯＦＤＭ符号化データ信号に電気的分散プレ補償を適用することを含む、請求項５に記載の方法。
7. コンピュータ読取可能命令が記憶されたコンピュータプログラムプロダクトであって、コンピュータによって実行されると、請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の方法を前記コンピュータに行なわせる、コンピュータプログラムプロダクト。
8. 光ファイバ非線形性を補償する方法であって、前記方法は、
   光ファイバから直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）符号化光データ信号を受信することと、
   前記ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第１のサブキャリアから第１の受信情報シンボルを検出することと、
   前記ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第２のサブキャリアから第２の受信情報シンボルを検出することとを含み、前記第２のサブキャリアは周波数領域において前記第１のサブキャリアと隣り合い、前記第２の受信情報シンボルは、前記第１の受信情報シンボルのための位相共役パイロットであり、前記方法はさらに、
   前記第２の受信情報シンボルに基づいて前記第１の受信情報シンボルの非線形位相シフトを補償することと、
   前記第１の受信情報シンボルおよび前記第２の受信情報シンボルに基づいて、推定非線形歪みを算出することと、
   前記ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第３のサブキャリアから第３の受信情報シンボルを検出することとを含み、前記第３のサブキャリアは前記周波数領域において前記第１のサブキャリアと隣り合い、前記方法はさらに、
   前記推定非線形歪みに基づいて、前記第３の受信情報シンボルの非線形位相シフトを補償することを含む、方法。
9. 前記第１の受信情報シンボルの非線形位相シフトを補償することは、前記第１の受信情報シンボルおよび前記第２の受信情報シンボルの共役を平均することを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記第１のサブキャリアは、前記ＯＦＤＭ符号化光データ信号のサブキャリアの周波数分布において前記第２のサブキャリアに隣接する、請求項８または９に記載の方法。
11. 前記推定非線形歪みを前記複数の受信情報シンボルの各々に適用することによって、前記周波数領域において前記第１のサブキャリアの辺りに位置する複数のサブキャリアによって伝達される複数の受信情報シンボルの非線形位相シフトを補償することを含む、請求項８に記載の方法。
12. 光ファイバ非線形性を補償する方法であって、前記方法は、
    光ファイバから直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）符号化光データ信号を受信することと、
    前記ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第１のペアのサブキャリアから第１のペアの非線形補償情報シンボルを検出することを含み、前記第１のペアの非線形補償情報シンボルは、
    前記ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第１のサブキャリアからの第１の受信情報シンボルと、
    前記ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第２のサブキャリアからの第２の受信情報シンボルとを含み、
    前記第２のサブキャリアは、周波数領域において前記第１のサブキャリアと隣り合い、
    前記第２の受信情報シンボルは、前記第１の受信情報シンボルについての位相共役パイロットであり、前記方法はさらに、
    前記ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第２のペアのサブキャリアから第２のペアの非線形補償情報シンボルを検出することを含み、前記第２のペアの非線形補償情報シンボルは、
    前記ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第３のサブキャリアからの第３の受信情報シンボルと、
    前記ＯＦＤＭ符号化光データ信号の第４のサブキャリアからの第４の受信情報シンボルとを含み、
    前記第４のサブキャリアは、前記周波数領域において前記第３のサブキャリアと隣り合い、
    前記第４の受信情報シンボルは、前記第３の受信情報シンボルについての位相共役パイロットであり、前記方法はさらに、
    前記第１の受信情報シンボルおよび前記第２の受信情報シンボルに基づいて、第１の推定非線形歪みを算出することと、
    前記第３の受信情報シンボルおよび前記第４の受信情報シンボルに基づいて、第２の推定非線形歪みを算出することと、
    前記ＯＦＤＭ符号化光データ信号の前記周波数領域において前記第１のペアのサブキャリアと前記第２のペアのサブキャリアとの間に位置する複数のサブキャリアによって伝達された複数の受信情報シンボルを検出することと、
    前記第１の推定非線形歪みおよび前記第２の推定非線形歪みに基づいて、前記複数の受信情報シンボルの各々において非線形位相シフトを補償することとを含む、方法。
13. 前記複数の受信情報シンボルの各々において非線形位相シフトを補償することは、
    各それぞれの受信情報シンボルのサブキャリアが、前記ＯＦＤＭ符号化光データ信号の前記周波数領域において前記第１のペアのサブキャリアまたは前記第２のペアのサブキャリアにより近いかを判定することと、
    前記サブキャリアが前記第１のペアのサブキャリアにより近い場合、前記第１の推定非線形歪みをそのそれぞれの受信情報シンボルに適用することと、
    前記サブキャリアが前記第２のペアのサブキャリアにより近い場合、前記第２の推定非線形歪みをそのそれぞれの受信情報シンボルに適用することとを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１の推定非線形歪みおよび前記第２の推定非線形歪みに基づいて、推定非線形歪みの直線的変動を周波数によって内挿することを含み、前記複数の受信情報シンボルの各々において非線形位相シフトを補償することは、そのサブキャリアの周波数に基づいて、前記複数の受信情報シンボルの各々に、内挿された推定非線形歪みを適用することを含む、請求項１２に記載の方法。
15. コンピュータ読取可能命令が記憶されたコンピュータプログラムプロダクトであって、コンピュータによって実行されると、請求項８〜１４のうちいずれか１項に記載の方法を前記コンピュータに行なわせる、コンピュータプログラムプロダクト。

Images