JP2019161355A - 光受信機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で光送信機における各シンボルの偏波状態の変位を補償する光受信機を提供する。【解決手段】光送信機が送信する信号光を、光伝送路を介して受信する光受信機は、受信する前記信号光のストークスパラメータＳ１、Ｓ２及びＳ３を検出する検出手段と、前記検出手段が検出したストークスパラメータＳ１を所定値にする様にする、前記信号光の回転量及び前記信号光の前記ストークスパラメータＳ１の変位量を求める算出手段と、を備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、ストークスベクトル検波方式の光受信機に関する。

非特許文献１は、ストークスベクトル検波方式の光受信機を用いた短中距離向けの大容量光通信システムを開示している。この光通信システムにおいて、光送信機は、例えば、互いに直交する２つの偏波のうちの一方の偏波で変調光を送信し、他方の偏波で無変調の連続光を送信している。そして、光受信機は、受信する光信号のストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２及びＳ_３を求め、Ｓ_２及びＳ_３の値から光送信機が送信した情報を復調している。また、非特許文献１は、この光通信システムにおいて、偏波依存損失（ＰＤＬ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｌｏｓｓ）が生じると受信機における復号結果に大きな影響を与えることも開示している。このＰＤＬを補償するため、非特許文献１は、伝送路の特性を示す４×４行列を使用する構成や、所定のトレーニング信号を使用する構成を開示している。

Ｑｉａｎ Ｈｕ，ｅｔ ａｌ．，"Ａｄｖａｎｃｅｄ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒｍａｔｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｓｈｏｒｔ ｒｅａｃｈ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ"，ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．３，ｐｐ．３２４５−３２５９，２０１５年

上記、ストークスベクトル検波方式の光受信機を用いた光通信システムにおいては、変調光と連続光の振幅を一定の関係に維持することが重要である。例えば、ＱＰＳＫ変調を使用し、変調光と連続光の振幅を等しくするものとする。この場合、各偏波面の振幅は同じであるため、ＱＰＳＫの各シンボルは、ストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２及びＳ_３を座標軸とする座標系（以下、ストークスパラメータ座標系と呼ぶ。）においてＳ_１＝０の面上に存在する。しかしながら、変調光と連続光の振幅が等しくなくなると、各シンボルは、Ｓ_１＝αの面に平行移動することになる。さらに、光伝送路での伝搬により、光送信機が送信した、このＳ_１＝αの面上の各シンボルは、ストークスパラメータ座標系の座標空間において３次元的に回転する。つまり、光受信機は、光送信機が送信したＳ_１＝αの面上の各シンボルを３次元的に回転させたシンボルを受信することになる。ここで、光受信機は、光送信機における各シンボルのＳ_１＝αの面への移動を何らかの方法で補償しなければ、受信する光信号を正しく復調することはできない。

ここで、非特許文献１は、ＰＤＬを補償する構成を開示しているが、４×４行列を使用する構成では、４×４行列の１６個の要素を総て用いて処理を行う必要があり、光受信機における計算量が膨大となる。また、トレーニング信号を使用する構成では、伝送効率が低下する。

本発明は、簡易な構成で光送信機における各シンボルの偏波状態の変位を補償する光受信機を提供するものである。

本発明の一態様によると、光送信機が送信する信号光を、光伝送路を介して受信する光受信機は、受信する前記信号光のストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２及びＳ_３を検出する検出手段と、前記検出手段が検出したストークスパラメータＳ_１を所定値にする様にする、前記信号光の回転量及び前記信号光の前記ストークスパラメータＳ_１の変位量を求める算出手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明によると、簡易な構成で光送信機における各シンボルの偏波状態の変位を補償することができる。

一実施形態による光送信機の構成図。 一実施形態による光受信機のストークスパラメータ検出部の構成図。 一実施形態による光受信機の補償部の構成図。

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送信機の構成図である。光源１１は連続光を生成する。光源１１が生成した連続光は、偏波分離器１２で、第１偏波の第１連続光と、第１偏波とは直交する第２連続光と、に分離される。なお、第１連続光と第２連続光の振幅が等しくなる様に、偏波分離器１２は、入力される連続光を分離するものとする。偏波分離器１２が出力する第１連続光は、偏波多重器１４に出力される。一方、偏波分離器１２が出力する第２連続光は、変調器１３に出力される。変調器１３は、送信するデータで第１連続光を変調し、変調光を偏波多重器１４に出力する。なお、本実施形態において、変調器１３が使用する変調フォーマットは、位相のみを変化させるもの、例えば、ＱＰＳＫとする。偏波多重器１４は、第１偏波の第１連続光と、第２偏波の変調光と、を偏波多重した信号光を光伝送路に出力する。

本実施形態の光送信機は、第１偏波の第１連続光と、第２偏波の変調光の振幅を等しくする。したがって理想的な状態においては、上述した様に、ストークスパラメータ座標系において、各シンボルはＳ_１＝０の面上に存在する。しかしながら、偏波分離器１２の設置状態や、偏波分離器１２から偏波多重器１４までの光路の違い等により、偏波多重器１４が出力する信号光の第１偏波の振幅と、第２偏波の振幅は異なり得る。この場合、第１偏波の振幅と、第２偏波の振幅との差に応じて、信号光の各シンボルは、Ｓ_１＝αの面上に平行移動する。さらに、信号光の光伝送路での伝搬により、光送信機が送信したＳ_１＝αの面上の各シンボルは、３次元的に回転する。したがって、光受信機は、理想的には、Ｓ_１＝０の面上に存在するシンボルを、Ｓ_１軸に沿って平行移動させ、かつ、回転させたシンボルを受信することになる。

図２及び図３は、本実施形態による光受信機の構成図である。なお、図２は、光受信機のストークスパラメータ検出部２を示している。ストークスパラメータ検出部２は、図１に示す光送信機が送信した信号光を受信し、受信した信号光のストークスパラメータを判定して出力する。なお、図２のストークスパラメータ検出部２が出力するストークスパラメータは、Ｓ_１軸に沿って平行移動され、その後に回転させられた信号光のストークスパラメータである。図３は、この光伝送路の伝搬による回転と、光送信機でのＳ_１軸に沿った平行移動を補償し、光送信機が理想的である場合に、当該光送信機が出力した光信号のストークスパラメータを推定する補償部３を示している。まず、図２について説明する。

偏波分離器２１は、受信する光信号をＸ偏波の信号Ｘ_ｏｕｔと、Ｘ偏波と直交するＹ偏波の信号Ｙ_ｏｕｔに分離する。信号Ｘ_ｏｕｔは、スプリッタ２２で２分岐され、一方の信号は、バランスドフォトディテクタ（ＢＤ）２７に入力され、他方の信号は、９０度光ハイブリッド２４に入力される。同様に、信号Ｙ_ｏｕｔは、スプリッタ２３で２分岐され、一方の信号は、バランスドフォトディテクタ（ＢＤ）２７に入力され、他方の信号は、９０度光ハイブリッド２４に入力される。ＢＤ２７は、入力される２つの信号Ｘ_ｏｕｔ及びＹ_ｏｕｔの２乗の絶対値の差に対応する信号を出力する。これは、ストークスパラメータＳ_１に対応し、以下では、Ｓ_１ｏｕｔと表記する。

９０度光ハイブリッド２４は、信号Ｘ_ｏｕｔ及びＹ_ｏｕｔそれぞれの４５度成分を混合してＢＤ２５に出力する。なお、４５度成分とは、Ｘ偏波及びＹ偏波それぞれとの角度が４５度となる偏波面の成分である。したがって、ＢＤ２５は、２×Ｒｅ｛Ｘ_ｏｕｔＹ_ｏｕｔ ^＊｝に対応する信号を出力する。ＢＤ２５が出力する信号は、ストークスパラメータＳ_２に対応し、以下では、Ｓ_２ｏｕｔと表記する。なお、Ｙ_ｏｕｔ ^＊はＹ_ｏｕｔの共役複素数であり、Ｒｅは実数部分を取り出すことを意味している。また、９０度光ハイブリッド２４は、信号Ｘ_ｏｕｔの４５度成分と、信号Ｙ_ｏｕｔの位相をπ／２だけ遅らせた信号の４５度成分を混合してＢＤ２６に出力する。したがって、ＢＤ２６は、２×Ｉｍ｛Ｘ_ｏｕｔＹ_ｏｕｔ ^＊｝に対応する信号を出力する。ＢＤ２６が出力する信号は、ストークスパラメータＳ_３に対応し、以下では、Ｓ_３ｏｕｔと表記する。なお、Ｉｍは虚数部分を取り出すことを意味している。ストークスパラメータ検出部が出力するストークスパラメータＳ_１ｏｕｔ、Ｓ_２ｏｕｔ及びＳ_３ｏｕｔは、図３に示す補償部に入力される。

なお、受信した信号光のストークスパラメータＳ_１ｏｕｔ、Ｓ_２ｏｕｔ及びＳ_３ｏｕｔを出力するストークスパラメータ検出部２には様々な構成があり、本発明は図２の構成に限定されず、受信した信号光のストークスパラメータＳ_１ｏｕｔ、Ｓ_２ｏｕｔ及びＳ_３ｏｕｔを出力する任意の構成を本発明に適用することができる。

続いて、図３の補償部３における処理について説明する。上述した様に、光送信機における第１連続光と変調光の振幅の不整合により、光送信機が送信する信号光の各シンボルはＳ_１軸に沿って平行移動する。さらに、この信号光は、光伝送路において偏波回転される。したがって、演算部３１において、ストークスパラメータ検出部が検出したストークスパラメータＳ_１ｏｕｔ、Ｓ_２ｏｕｔ及びＳ_３ｏｕｔを、光伝送路で受けた偏波回転を相殺する様に回転させ、その後、光送信機における平行移動を相殺させる様にＳ_１軸に沿って平行移動させれば、光送信機が理想的である場合に、当該光送信機が出力した光信号のストークスパラメータを推定することができる。

ここで、偏波回転は、以下の行列Ａで表される。

なお、θ／２は、信号光の偏波面とＹ偏波の偏波面とのなす角度である（０≦θ≦π）。また、φは、信号光のＸ偏波面の成分と、信号光のＹ偏波面の成分との位相差である（−π／２≦φ≦π／２）。

また、平行移動は、以下の行列Ｂで表される。

なお、γはＳ_１軸に沿った移動量である。

上述した様に、光送信機が理想的である場合に、当該光送信機が出力した信号光のストークスパラメータＳ_１ｅｓｔ、Ｓ_２ｅｓｔ、Ｓ_３ｅｓｔを求めるためには、ストークスパラメータＳ_１ｏｕｔ、Ｓ_２ｏｕｔ及びＳ_３ｏｕｔを光伝送路で受けた偏波回転を相殺する様に回転させ、その後、光送信機における平行移動を相殺させる様にＳ_１軸に沿って平行移動させれば良い。つまり、ストークスパラメータＳ_１ｅｓｔ、Ｓ_２ｅｓｔ、Ｓ_３ｅｓｔは、以下の式（１）により求められる。

ここで、光送信機が理想的である場合、Ｓ_１ｅｓｔは０である。したがって、例えば、Ｓ_１ｅｓｔを０とする様に、確率的勾配法を用いた適応アルゴリズムによりθ、φ及びγを更新することで、光送信機が理想的である場合に、当該光送信機が出力した光信号のストークスパラメータＳ_１ｅｓｔ、Ｓ_２ｅｓｔ、Ｓ_３ｅｓｔに近い値を求めることができる。具体的には、判定部３２は、θ、φ及びγの初期値θ（１）、φ（１）及びγ（１）を保持している。なお、これら初期値は、予め決定して判定部３２に保存しておく。判定部３２は、この初期値を演算部３１に出力し、演算部３１は、この初期値に基づき式（１）により、ストークスパラメータＳ_１ｅｓｔ（１）、Ｓ_２ｅｓｔ（１）、Ｓ_３ｅｓｔ（１）を求めて出力する。そして、判定部３２は、次に、第２回目のθ（２）、φ（２）及びγ（２）を演算部３１に出力し、演算部３１は、これら値に基づき式（１）により、ストークスパラメータＳ_１ｅｓｔ（２）、Ｓ_２ｅｓｔ（２）、Ｓ_３ｅｓｔ（２）を求めて出力する。以下、同様に、判定部３２は、Ｓ_１ｅｓｔを最小値に収束させるθ（ｋ）、φ（ｋ）及びγ（ｋ）を計算し続け、演算部３１は、判定部３２から通知されるθ（ｋ）、φ（ｋ）及びγ（ｋ）に基づきＳ_１ｅｓｔ（ｋ）、Ｓ_２ｅｓｔ（ｋ）、Ｓ_３ｅｓｔ（ｋ）を出力する。なお、第（ｋ＋１）回目のθ（ｋ＋１）、φ（ｋ＋１）及びγ（ｋ＋１）はそれぞれ、以下の式で求められる。

θ（ｋ＋１）＝θ（ｋ）＋μＳ_１ｅｓｔ（ｋ）Ｓ_２ｅｓｔ（ｋ） （２）
φ（ｋ＋１）＝φ（ｋ）−μｓｉｎθ（ｋ）Ｓ_１ｅｓｔ（ｋ）Ｓ_３ｅｓｔ（ｋ） （３）
γ（ｋ＋１）＝γ（ｋ）−μＳ_１ｅｓｔ（ｋ） （４）

なお、μは変更量を示すパラメータであり、予め決定して判定部３２に保存しておく。判定部３２は、上記の通り、θ、φ及びγの収束計算を繰り返し行い、演算部３１は、Ｓ_２ｅｓｔ及びＳ_３ｅｓｔを図示しない復調部に出力する。そして、図示しない復調部は、このＳ_２ｅｓｔ及びＳ_３ｅｓｔに基づき光送信機が送信したデータを復調する。判定部３２による収束計算により、演算部３１が復調部に出力するストークスパラメータＳ_２ｅｓｔ及びＳ_３ｅｓｔは、光送信機での第１連続光と変調光との振幅差を補償したものであり、復調部は、このストークスパラメータＳ_２ｅｓｔ及びＳ_３ｅｓｔに基づき光送信機が送信したデータを精度良く復調することができる。なお、本実施形態では、トレーニング信号を使用しないため、送信効率の劣化はない。また、３つの変数θ、φ及びγの最適解を探索すればよく光受信機における処理負荷も膨大なものとはならない。

＜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。第一実施形態では、光送信機が、振幅一定の変調方式を使用するものとしていた。本実施形態では、１６ＱＡＭの様な、振幅も変化させる変調方式を使用する。例えば、１６ＱＡＭの場合、３つの異なる振幅レベルが存在する。したがって、シンボルは、Ｓ_１＝Ｒ_１、Ｓ_１＝Ｒ_２、Ｓ_１＝Ｒ_３のいずれかの面に存在することになる。なお、Ｒ_１≠Ｒ_２≠Ｒ_３である。ただし、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、変調器１３の構成及び変調方式に応じて決まるため光受信機において既知である。

この場合、判定部３２は、Ｓ_{１ｏｕｔの}絶対値に基づき、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３のいずれであるかを推定する。そして、Ｒｍ（ｍは１、２又は３）であると判定すると、以下の式に基づきθ、φ及びγを更新する。

θ（ｋ＋１）＝θ（ｋ）＋μ［Ｓ_１ｅｓｔ（ｋ）−Ｒｍ］Ｓ_２ｅｓｔ（ｋ） （５）
φ（ｋ＋１）＝φ（ｋ）−μｓｉｎθ（ｋ）［Ｓ_１ｅｓｔ（ｋ）−Ｒｍ］Ｓ_３ｅｓｔ（ｋ）（６）
γ（ｋ＋１）＝γ（ｋ）−μ［Ｓ_１ｅｓｔ（ｋ）−Ｒｍ］ （７）

＜第三実施形態＞
第一実施形態では、理想的な状態において、光送信機が互いに振幅の等しい連続光と変調光を送信する場合を例にして説明したが、理想的な状態において、光送信機が所定の振幅差を有する連続光と変調光とを送信する場合にも本発明を適用することができる。この場合には、理想的な状態において、各シンボルはＳ_１＝βの面上に存在する。なお、βは、連続光と変調光との振幅差に応じて決まる値である。したがって、判定部３２は、Ｓ_１ｅｓｔの値が最もβに近くなるθ、φ及びγの値を収束計算により計算し続けることになる。なお、そのためのθ、φ及びγの値の更新は、式（５）〜（７）のＲｍをβとすれば良い。

２：ストークスパラメータ検出部、３：補償部

Claims (6)

1. 光送信機が送信する信号光を、光伝送路を介して受信する光受信機であって、
   受信する前記信号光のストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２及びＳ_３を検出する検出手段と、
   前記検出手段が検出したストークスパラメータＳ_１を所定値にする様にする前記信号光の回転量及び前記信号光の前記ストークスパラメータＳ_１の変位量を求める算出手段と、
   を備えていることを特徴とする光受信機。
2. 前記光送信機は、第１連続光と、前記第１連続光とは直交する偏波の第２連続光をデータで変調した変調光と、を偏波多重して前記信号光を生成し、
   前記所定値は、前記第１連続光と前記変調光とのレベル差に応じた値であることを特徴とする請求項１に記載の光受信機。
3. 前記変調光のレベルは一定であることを特徴とする請求項２に記載の光受信機。
4. 前記変調光のレベルはデータに応じて変化し、
   前記算出手段は、前記検出手段が検出した前記信号光のストークスパラメータＳ_１の値に基づき前記所定値を判定することを特徴とする請求項２に記載の光受信機。
5. 前記算出手段は、前記検出手段が検出したストークスパラメータＳ_１から前記所定値を減じた値を最小にする様に、前記信号光の回転量及び前記信号光の前記ストークスパラメータＳ_１の変位量を求めることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光受信機。
6. 前記算出手段が求めた前記信号光の第１回転量及び前記信号光の前記ストークスパラメータＳ_１の第１変位量に基づき前記検出手段が検出した前記信号光のストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２及びＳ_３を補償する補償手段をさらに備えており、
   前記算出手段は、前記第１回転量を前記補償手段による補償後のストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２及びＳ_３に基づき更新し、かつ、前記第１変位量を前記補償手段による補償後のストークスパラメータＳ_１に基づき更新することを特徴とする請求項５に記載の光受信機。

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