JP2019161246A

JP2019161246A - デジタルコヒーレント伝送システム

Info

Publication number: JP2019161246A
Application number: JP2018040281A
Authority: JP
Inventors: 中沢　正隆; Masataka Nakazawa; 正隆中沢; 吉田　真人; Masato Yoshida; 真人吉田; 俊彦廣岡; Toshihiko Hirooka; 恵介葛西; Keisuke Kasai
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2038-03-07
Also published as: JP7038408B2

Abstract

【課題】光ファイバ伝送路中で生じる導波音響波型ブリルアン散乱（GAWBS: Guided Acoustic-Wave Brillouin Scattering）による光位相雑音の補償回路を有するデジタルコヒーレント伝送システムを提供する。【解決手段】送信部と光ファイバ伝送路５と受信部とを備えている。送信部は、パイロットトーン信号（無変調のキャリア信号）を生成する。受信部は、光位相補償回路を有する。光位相補償回路は、パイロットトーン信号を用いて光ファイバ伝送路５中で発生した導波音響波型ブリルアン散乱による光位相雑音を検出するとともに、検出した雑音信号を用いて伝送後のデータ信号に付与された光位相雑音を除去する。【選択図】図１

Description

本発明は、デジタルコヒーレント伝送において、光ファイバ伝送路中で生じる導波音響波型ブリルアン散乱による光位相雑音の補償回路を有するデジタルコヒーレント伝送システムに関するものである。

光ファイバ伝送路は、その屈折率が光強度に比例して変化する光カー効果によって、自己位相変調（SPM：Self Phase Modulation）や相互位相変調（XPM：Cross Phase Modulation）などの非線形光学効果を誘発する（例えば、非特許文献１参照）。そのため、光ファイバ伝送路中を伝送する信号光の光電界位相が、自らのチャンネルあるいは他のチャンネルの光強度に依存して変化し、これがデータ復調時の符号誤りを引き起こす。

さらに光ファイバ伝送路は、熱平衡状態で光ファイバに生じる音響振動モード（ブリルアン散乱）の影響による光位相変調効果を誘発することが知られている（例えば、非特許文献２参照）。これは、導波音響波型ブリルアン散乱（GAWBS: Guided Acoustic-Wave Brillouin Scattering）と呼ばれ、このGAWBSによる位相変調の大きさは、伝送距離に比例して増大する関係にある。そのため、伝送距離が長くなるほどGAWBSによる位相雑音の影響が顕著になる。

光カー効果による非線形位相回転の影響に対しては、これまでに様々な補償法が提案されている。その代表例として、受信部におけるデジタル信号処理（DSP）上で、分散、非線形光学効果、損失係数を反転させた光ファイバ伝送路中の逆方向の伝搬を解析し、分散と非線形光学効果による波形歪みを一括して除去する逆伝搬法がある（例えば、非特許文献３参照）。

一方、GAWBSによる光位相変調の影響に対しては、光ファイバを冷却することによる抑制効果や、特殊な導波路構造を有するフォトニック結晶ファイバを用いて低減を図る手法が報告されている（例えば、非特許文献４または５参照）。しかしながら、デジタルコヒーレント伝送へ応用できるようなGAWBS雑音の補償技術の報告例はない。

G. P. Agrawal, "Nonlinear Fiber Optics", Third Edition, Academic Press, 2001 R. Shelby et al., "Resolved forward Brillouin scattering in optical fibers", Phys. Rev. Lett., 1985, vol. 54, no. 9, pp. 939-942 M. Tsang et al., "Reverse propagation of femtosecond pulses in optical fibers", Opt. Lett., 2003, vol. 28, no. 20, pp. 1873-1875 S. Perlmutter et al., "Polarization properties of quasielastic light scattering in fused-silica optical fiber", Phys. Rev. B, 1990, vol. 42, no. 8, pp. 5294-5305 D. Elser et al., "Reduction of guided acoustic wave Brillouin scattering in photonic crystal fibers", Phys. Rev. Lett., 2006, vol. 97, 133901

デジタルコヒーレント多値QAM（Quadrature Amplitude Modulation）伝送では、QAM信号の多値度を高めることで周波数利用効率を向上させることができ、その結果、光通信波長帯全域を利用して伝送可能な最大通信容量を大幅に増大できる。しかし、多値度が上がるとシンボル間の位相間隔が狭まるため、前述したカー効果やGAWBSによる位相変調効果が大きな符号誤りを誘発する。そのため、GAWBSに起因した光位相雑音への補償技術が、QAM信号の多値度増大に向け大変重要な課題となる。

本発明は、上記の課題を解決するためのものであり、GAWBSに起因した光位相雑音に対する補償回路を有するデジタルコヒーレント伝送システム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、本発明に係るデジタルコヒーレント伝送システムは、送信部と光ファイバ伝送路と受信部とを備えたデジタルコヒーレント伝送システムであって、前記送信部はパイロットトーン信号（無変調のキャリア信号）を生成し、前記受信部は光位相補償回路を有し、前記光位相補償回路は、前記パイロットトーン信号を用いて前記光ファイバ伝送路中で発生した導波音響波型ブリルアン散乱による光位相雑音を検出するとともに、検出した雑音信号を用いて伝送後のデータ信号に付与された前記光位相雑音を除去することを特徴とする。

本発明に係るデジタルコヒーレント伝送システムにおいて、前記受信部は光位相変調器を有し、前記光位相補償回路は、前記検出した雑音信号を変調信号として前記光位相変調器を駆動してもよい。

本発明に係るデジタルコヒーレント伝送システムにおいて、前記光位相補償回路は、前記パイロットトーン信号をシード光として局発光源を注入同期してもよい。

本発明に係るデジタルコヒーレント伝送システムにおいて、前記受信部はアナログ・デジタル変換器を有し、前記アナログ・デジタル変換器は、前記データ信号と併せて前記パイロットトーン信号をデジタル信号に変換し、前記光位相補償回路は、デジタル信号処理により前記光位相雑音の検出及び除去を行ってもよい。

本発明に係るデジタルコヒーレント伝送システムにおいて、前記送信部は、前記パイロットトーン信号を前記データ信号に波長分割多重してもよい。

本発明によれば、GAWBSに起因した光位相雑音に対する補償回路を有するデジタルコヒーレント伝送システムを提供することができる。本発明のGAWBS雑音補償回路を用いることにより、デジタルコヒーレント伝送システム内の位相雑音が低減し、本システムで伝送可能なデータ信号の多値度が増大する。その結果、伝送の周波数利用効率が上がり、より経済的な伝送システムを実現できる。また、伝送可能な距離を拡大できる。

本発明の第一の実施形態のデジタルコヒーレント伝送システムを示すブロック図である。図１に示すデジタルコヒーレント伝送システムの、パイロットトーン信号を用いて検出したGAWBS雑音の実測例を示す、（ａ）光ファイバ伝送路を除いて送・受信部を直結したBack-to-back受信時のIF信号、（ｂ）長さ80 kmの標準単一モードファイバとエルビウム添加光ファイバ増幅器（中継アンプ）を計2スパン（160 km）用いた場合のIF信号のRFスペクトルである。図１に示すデジタルコヒーレント伝送システムの、GAWBS補償の実験結果を示す、（ａ）GAWBS雑音に対する補償回路の適用がない場合、（ｂ）補償回路の適用がある場合における、復調信号のコンステレーションマップである。図１に示すデジタルコヒーレント伝送システムの受信部の変形例を示すブロック図である。本発明の第二の実施形態のデジタルコヒーレント伝送システムの、受信部を示すブロック図である。本発明の第三の実施形態のデジタルコヒーレント伝送システムの、受信部を示すブロック図である。図６に示すデジタルコヒーレント伝送システムの、受信部で実施するデジタル信号処理のフローチャートである。図６に示すデジタルコヒーレント伝送システムの、受信部の変形例を示すブロック図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の第一の実施形態を図１に示す。送信部において、CW光源１から出力されるキャリア信号（図１中の例では、光周波数f_s）を光カプラ２Ａで分岐し、分岐した信号をそれぞれIQ変調器３および光周波数シフタ４（図１中の例では、f_Toneのダウンシフト）へ入力してデータ信号およびパイロットトーン信号を生成する。そして、これらの信号を光カプラ２Ｂで合波し、光ファイバ伝送路５へ入力する。

受信部では、伝送後のデータ信号とパイロットトーン信号とを、波長分割フィルタ６を用いて分割する。分割されたデータ信号は、遅延ライン７と光位相変調器８を介した後にコヒーレントレシーバ１５へ入力され、光カプラ２Ｃで分岐した局発光源（LO: Local Oscillator）９からの出力光の一部とともに、ホモダイン検波される。検出されたホモダイン検波信号を、アナログ・デジタル変換器（ADC: Analog to Digital Convertor）１６とデジタル信号処理回路（DSP: Digital Signal Processor）１７とを用いて復調する。

一方、分割されたパイロットトーン信号は、光カプラ２Ｄを介して光検出器１０へ入力され、光カプラ２Ｃで分岐したLO９からの出力光の一部とのIF（Intermediate Frequency）信号が検出される。検出されたIF信号の周りに立つGAWBS雑音を、ダブルバランスドミキサ（DBM: Double Balanced Mixer）１１、シンセサイザ１２、ローパスフィルタ１３からなる位相同期検波回路で抽出する。抽出された雑音信号を、反転増幅器１４で増幅して位相を反転させ、これを変調信号として光位相変調器８をデータ信号と同期して逆相で駆動することで、伝送後のデータ信号に付与されたGAWBS雑音を相殺する。

GAWBS雑音は、±500 MHz程度の帯域を有するため、送信部において、データ信号のキャリア周波数から1 GHz以上離れた位置に、パイロットトーン信号を立てるとよい。また、IQ変調器３を変調する電気データ信号にパイロットトーン生成用電気信号を加算し、IQ変調器３を用いて、データ信号と同時にパイロットトーン信号を生成する手法も有効である。この場合、光カプラ２Ａ、２Ｂおよび光周波数シフタ４が不要となり、システム構成を簡素化できる。

光ファイバ伝送路５は、任意の波長分散を有する各種光ファイバならびに中継アンプやラマンアンプといった光増幅器より構成される。

受信部において、データ信号とLO信号間の位相同期の方法として、アナログの光位相同期回路を用いる手法と、DSP１７を用いたデジタル信号処理による手法が有効である。波長分割フィルタ６としては、帯域を有するデータ信号の抽出には、回折格子型の光フィルタが有効である。一方、無変調のパイロットトーン信号の抽出には、回折格子型の光フィルタの他、エタロンやファイバブラッググレーティングを用いた狭帯域光フィルタが有効である。遅延ライン７には、光ファイバコードによる粗調整と、空間結合型遅延モジュールを用いた微調整との組み合わせが有効である。この遅延ライン７により、光位相変調器８中をデータ信号が通過するタイミングと、パイロットトーン信号を用いて検出したGAWBS雑音信号を光位相変調器８へフィードバックするタイミングとを、10 psのオーダーの高い精度で調整することにより、±500 MHz程度の帯域を有するGAWBS雑音の全成分を相殺することができる。

図１に示す第一の実施形態において、光検出器１０で検出したIF信号のRFスペクトルの一例を、図２に示す。図２（ａ）は、光ファイバ伝送路５を除いて送・受信部を直結したBack-to-back受信時のIF信号、図２（ｂ）は、長さ80 kmの標準単一モードファイバとエルビウム添加光ファイバ増幅器（中継アンプ）とを、計2スパン（160 km）用いた場合のIF信号に対応している。図２（ｂ）に示すように、160 km伝送後において、IF信号の周りにおおよそ50 MHzの間隔で複数本の光位相雑音成分が観測されている。このGAWBSによる雑音信号の帯域は±500 MHz程度であり、これはデータ信号の通常の帯域（数GHz〜数10 GHz）と比べ十分に狭い。そのため、GAWBS雑音はデータ信号の帯域内に混入してしまい、信号と判別されにくい。そして、このGAWBS雑音は、光位相揺らぎを誘発し、伝送特性の劣化を引き起こす。

図１に示す第一の実施形態を用いて行ったGAWBS雑音補償の実験結果の一例を、図３に示す。本実験では、データ信号として3 Gsymbol/s, 64 QAM信号を利用し、そのキャリア周波数から10 GHzだけ低周波側にパイロットトーン信号を配置している。図３（ａ）、（ｂ）に、それぞれGAWBS雑音に対する補償回路の適用がない場合と、ある場合とにおける復調信号のコンステレーションマップを示す。これらの図より、本発明で提案する補償回路を適用することで、コンステレーションマップ上の位相揺らぎが小さくなっている様子がわかる。その結果、振幅エラーの大きさを示すEVM（Error Vector Magnitude）の値を、2.2 %から1.9 %までに低減できている。

図４に、第一の実施形態における受信部の変形例を示す。図１に示す受信部との相違点は、光位相変調器８の挿入位置を、データ信号の光パスからLO信号の光パスへ変更し、DBM１１、シンセサイザ１２、ローパスフィルタ１３からなる位相同期検波回路で検出したGAWBS雑音信号を、非反転増幅器１８を介して光位相変調器８へフィードバックしている点である。このようにして、データ信号に付与された光位相雑音と同位相の関係でLO信号を位相変調することで、それら２つの信号をホモダイン検波した際にGAWBS雑音が相殺される。

図５に、第二の実施形態における受信部の構成を示す。その他の構成は、第一の実施形態（変形例）と同じである。図４に示す受信部との相違点は、光位相変調器８の代わりに、注入同期法を用いてLO信号にGAWBS位相雑音を付与している点である。具体的には、波長分割フィルタ６で分割したパイロットトーン信号を、光サーキュレータ１９を介してLO９へ注入することで、LO信号の光位相をパイロットトーン信号に同期させている。このとき、LOの光周波数はパイロットトーン信号と同一であることより、データ信号のキャリア周波数からずれた関係にある（図５中の例では、−f_Toneのずれ）。そこで、光周波数シフタ２０（図５中の例では、f_Toneのアップシフト）を用いて、LO信号の光周波数をデータのキャリア周波数に合致させている。第二の実施形態は、第一の実施形態と比べ使用する光部品が少なく、より簡便な構成である利点を有する。

図６に、第三の実施形態における受信部の構成を示す。その他の構成は、第一の実施形態と同じである。第一、第二の実施形態がハードウェアを用いた補償法であるのに対し、第三の実施形態は、DSP１７を用いたソフトウェアによる補償法である点が異なる。デジタル信号処理（ソフトウェア）による補償法は、以下のとおりである。パイロットトーン信号をデータ信号とともにコヒーレントレシーバ１５へ入力し、データ信号とLO信号とのホモダイン検波をすると同時に、パイロットトーン信号とLO信号とのIF信号を検出する。そして、検出したこれらの信号を、ADC１６によりデジタル信号に変換した後に、DSP１７内におけるデジタル信号処理によりGAWBS雑音補償を行う。

図７に、第三の実施形態の受信部で実施するデジタル信号処理のフローチャートを示す。ここで、オリジナルのデータ信号をS₀(t)、IF信号の周波数をf_IF、伝送時に付与されたGAWBS位相雑音をφ_G(t)とすると、ホモダイン検波信号S₁(t)およびIF信号S₂(t)は、次式で与えられる。

従って、求めるべきS₀(t)は、受信した2つのデジタル信号S₁(t)、S₂(t)を用いて次式の演算により算出できる。

第三の実施形態は、第二の実施形態に比べ、さらに使用する光部品の数が少なく、データ信号とパイロットトーン信号間のタイミング調整も、デジタル信号処理で実施できる利点がある。

図８に、第三の実施形態における受信部の変形例を示す。図６に示す受信部との相違点は、波長分割フィルタ６を用いてデータ信号とパイロット信号とを分割し、それぞれ独立に光検出する点である。これにより、パイロットトーン信号の受信感度が上がり、GAWBS雑音の補償精度を改善できる。

本発明は、デジタルコヒーレント伝送システムに適用され、伝送性能の改善に有用である。

１ CW光源
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ光カプラ
３ IQ変調器
４光周波数シフタ
５光ファイバ伝送路
６波長分割フィルタ
７遅延ライン
８光位相変調器
９局発光源（LO）
１０光検出器
１１ダブルバランスドミキサ（DBM）
１２シンセサイザ
１３ローパスフィルタ
１４反転増幅器
１５コヒーレントレシーバ
１６アナログ・デジタル変換器（ADC）
１７デジタル信号処理回路（DSP）
１８非反転増幅器
１９光サーキュレータ
２０光周波数シフタ

Claims

送信部と光ファイバ伝送路と受信部とを備えたデジタルコヒーレント伝送システムであって、
前記送信部はパイロットトーン信号を生成し、
前記受信部は光位相補償回路を有し、前記光位相補償回路は、前記パイロットトーン信号を用いて前記光ファイバ伝送路中で発生した導波音響波型ブリルアン散乱による光位相雑音を検出するとともに、検出した雑音信号を用いて伝送後のデータ信号に付与された前記光位相雑音を除去することを
特徴とするデジタルコヒーレント伝送システム。
前記受信部は光位相変調器を有し、
前記光位相補償回路は、前記検出した雑音信号を変調信号として前記光位相変調器を駆動することを
特徴とする請求項１記載のデジタルコヒーレント伝送システム。
前記光位相補償回路は、前記パイロットトーン信号をシード光として局発光源を注入同期することを特徴とする請求項１記載のデジタルコヒーレント伝送システム。
前記受信部はアナログ・デジタル変換器を有し、前記アナログ・デジタル変換器は、前記データ信号と併せて前記パイロットトーン信号をデジタル信号に変換し、
前記光位相補償回路は、デジタル信号処理により前記光位相雑音の検出及び除去を行うことを
特徴とする請求項１記載のデジタルコヒーレント伝送システム。
前記送信部は、前記パイロットトーン信号を前記データ信号に波長分割多重することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のデジタルコヒーレント伝送システム。