JP4518282B2

JP4518282B2 - コヒーレント型光受信器およびその調整方法

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Publication number: JP4518282B2
Application number: JP2008055716A
Authority: JP
Inventors: 俊治伊東
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2028-03-06
Also published as: US20090226189A1; CN101527600B; US8078064B2; JP2009212994A; CN101527600A

Description

本発明は光伝送システムに係り、特にコヒーレント受信方式の受信器およびその調整方法に関する。

光ファイバを伝送路媒体として用いる光伝送システムは、その優れた長距離伝送能力、大容量伝送能力により基幹系通信ネットワークの中で重要な役割を果たしている。実用に供されている光伝送システムの多くは、伝達すべき信号を強度変調により信号光に重畳している。具体的には、デジタル的な２値の１／０信号が光のＯＮ／ＯＦＦに割り当てられる。伝送速度が１０Ｇｂ／ｓを越える最新の光伝送システムの一部では、信号の重畳を強度ではなく位相で行う方式が使用されているが、この場合においても、受信端において光学的処理により強度２値信号への変換が行われ、その後で受信される。

強度２値信号による光通信は、実施が容易であるが、性能としては必ずしも最良ではない。それにもかかわらず強度２値信号のシステムが主流で有り続けられた要因は光増幅器の実用化にあった。信号光を光のまま線形に増幅可能な光増幅器の実用化は１９９０年代前半であるが、実際にそれ以前では様々な異なる方式の検討が行われていた。コヒーレント光伝送方式もその一つである。

受信端で信号光と局発光とをかけ合わせ、そのビート成分を光電変換器で検出するコヒーレント光伝送方式は、構成上の複雑さにも拘わらず、優れた受信感度を有することから光増幅器実用化前には精力的に検討された。光増幅器が実用化されると、受信感度の良さは構成上の複雑さを補うだけの利点とは認識されなくなったが、それでもコヒーレント光伝送方式は別の観点から依然として注目され続けている。

光通信システムの信号速度が１０Ｇｂ／ｓ、４０Ｇｂ／ｓと上昇するに連れて、信号光は伝送路ファイバやその他の場所でビット間の相互作用による波形歪みが発生し易くなり、その対策として受信後の電気段での波形補正などの処理が必要になる。この場合、光電変換器からもたらされる信号光の強度情報だけでは情報量として不足である。この点、コヒーレント受信方式は位相情報も同時に入手可能であることから注目が集まっている。

また、信号速度の上昇に伴い、信号を単純に時間多重したシリアル信号のまま処理することに技術的困難が多数発生している。処理速度低減のための方策として、２値信号から多値信号への展開も模索されている。多値信号を使用する場合、それに付随する複雑な符号化/復号化プロセスは電気的に処理する必要があり、こうした観点からもコヒーレント型受信方式の優位性が認められている。

今のところ、波形補正や復号の処理を行う電子部品の性能的問題もあって、報告される実験的検討結果は可能性の検証のレベルを超えていないのだが、波長多重伝送システムにおける高密度多重分離（非特許文献１）、40Gb/sシステムでの巨大波長分散補償（非特許文献２）、100Gb/s級信号への適用（非特許文献３）など、多様な検討が進められている。

また、ヘテロダインビート信号の信号対雑音比ＳＮＲを改善する光受信器の調整方法が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された光へテロダイン検出システムは、入力信号を局部発振信号と合成する光カプラの前に入力信号を減衰させる減衰器を設け、入力信号のない状態で局部発信信号による光検出信号を基礎測定値とし、異なる減衰レベルでの入力信号による光検出信号をサンプル測定として、基礎測定値とサンプル測定値とによって最適減衰レベルを求める。また、光検出器のＤＣ検出電圧限界まで入力信号を大きくするように最小減衰レベルを設定することで光検出器の飽和を回避している。

K．Kikuchi, "Phase-diversity homodyne detection of multilevel optical modulation with digital carrier phase estimation", IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, vol. 12, No. 4, pp. 563-570, 2006. C．Laperle et al., "Wavelength division multiplexing (WDM) and polarization mode dispersion (PMD) performance of a coherent 40Gbit/s dual-polarization quadrature phase shift keying (DP-DQPSK) transceiver", OFC/NFOEC2007, paper PDP16, 2007. C. R. S. Fludger et al., "10 x 111 Gbit/s, 50 GHz spaced, POLMUX-RZ-DQPSK transmission over 2375 km employing coherent equalization", OFC/NFOEC2007, paper PDP22, 2007. 特開２００４−１４７３２３号公報

しかしながら、コヒーレント型受信器は、様々な波形歪みを受けた信号光やビット毎に異なるエネルギーを持つ信号光が入力することから、入力信号光の平均強度を固定しても波形歪みの要因毎に入力信号の振幅が異なる。一例として波長分散による信号光の波形変化の様子を示す。

図５（Ａ）は送信部から出力された信号波形を示すグラフであり、図５（Ｂ）は２０ｋｍのファイバを伝送させた後の信号波形を示すグラフ、図５（Ｃ）は４０ｋｍのファイバを伝送させた後の信号波形を示すグラフ、図５（Ｄ）は２００ｋｍのファイバを伝送させた後の信号波形を示すグラフである。ここでは、40Gb/sのRZ-DQPSK信号を通常のSMF伝送路ファイバ (波長分散値：17.0ps/nm/km) を伝送させた時の波形変化の様子を示す（計128bit分）。

図５（Ａ）に示すように、送信部から出力された状態ではビット間でレベルに差違がない。図５（Ａ）〜（Ｄ）は全て等しい平均強度であるが、波長分散が蓄積し、前後のビット間で相互作用が発生すると、次第に局所的なピークを持ち、全体として振幅が拡大された信号となっていくことが分かる。

このように波形歪みを有する光信号を受信すると、光受信器の電気段でデジタル信号処理による信号波形歪み補償を行う必要がある。その際、光電変換された電気信号はAnalog-to-Digital変換器（以下、ＡＤ変換器という。）によりアナログ信号からデジタル信号へ変換される。高い精度での波形歪み補償によって高感度受信特性を得るためには、ＡＤ変換器の入力ダイナミックレンジを満遍なく使用するようにＡＤ変換器への入力信号の振幅を調整することが必要である。

その際、入力信号光が単に光ＳＮＲ的な劣化を受けているだけで、既存の光通信システムと同様に大きな波形歪みが生じていないのであれば、入力信号光の平均強度を固定することで、どのシステムにおいても最適な動作環境の提供が可能である。すなわちＡＤ変換器の入力ダイナミックレンジを満遍なく使用させることが可能である。しかしながら、波形歪みが発生し、その結果として信号の振幅がシステム毎に異なるとすれば、それぞれの場合について最適化を行う必要がある。

電気段でのデジタル信号処理による信号波形歪み補償を目的として使用するコヒーレント型受信器では、入力される信号光が様々な歪みを有する可能性がある。したがって、上述したように単に入力信号光の強度をある一定値に制御するだけでは最適な動作環境は実現されない。すなわち、波形歪みの小さな状態に受信器を最適化すれば、波形歪みが大きい領域ではＡＤ変換器の入力信号が入力ダイナミックレンジを越えてしまい正確な復調が不可能になる。一方、波形歪みの大きい波形に対して最適化を行えば、波形歪みが小さな信号光が入力されると、ＡＤ変換器の能力の一部しか使用されず受信能力が劣化する。

そこで、本発明の目的は入力信号光が多様な波形歪みの状態にあっても良好な受信特性を達成できるコヒーレント型光受信器およびその調整方法を提供することにある。

本発明によるコヒーレント型光受信器は、光送信部から出力された信号光を光伝送路を通して受信するコヒーレント型光受信器であって、受信信号光の強度を調整する強度調整手段と、局部発振光（以下、局発光という。）をオン／オフ制御可能な局発光光源と、前記強度調整手段の出力光と前記局発光とを合波する合波手段と、前記合波手段から出力される合波光を電気信号に変換する光電変換手段と、前記電気信号の振幅を計測する振幅計測手段と、前記局発光を消した状態で前記光送信部の出力光と同等の波形歪みのない信号光を用いた時に得られる前記電気信号の第１振幅値と、前記局発光を消した状態で前記受信信号光を用いた時に得られる前記電気信号の第２振幅値とを用い、前記第１振幅値と前記第２振幅値とが等しくなるように前記強度調整手段の強度調整値を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、入力信号光が多様な波形歪みの状態にあっても良好な受信特性を達成できる。

１．構成
図１は本発明の一実施形態によるコヒーレント型光受信器の機能的構成を示すブロック図である。光ファイバ等の光伝送路を通過して到達した入力信号光は強度調整器１０１によって強度調整され、その出力である信号光が光カプラ１０２へ出力される。光カプラ１０２は、この信号光と局発光光源１０３からの局部発振光（以下、局発光という。）とを合波し、合波光を光電変換器１０４へ出力する。

光電変換器１０４は受光した合波光を電気信号に変換して直流カットフィルタ１０５へ出力する。この電気信号は、直流カットフィルタ１０５によって直流成分が除去され、増幅器１０６によって増幅されてＡＤ変換器１０７へ入力する。増幅器１０６は、直流成分が除去された電気信号をＡＤ変換器１０７の入力に適したレベルのアナログ信号に増幅する。ＡＤ変換器１０７から出力されたデジタル信号に対して、デジタル信号処理部１０８は、たとえば波形歪補償や復号などの処理を行う。

本実施形態では、ＡＤ変換器１０７から出力されるデジタル信号そのものを、当該ＡＤ変換器１０７に入力するアナログ信号の振幅測定値として用いる。後述するように、局発光を消した状態での理想的な入力信号光によるアナログ信号の振幅測定値Ａ_REFを雑音成分記憶部１０９に記憶し、比較部１１０が局発光を消した状態での実際の入力信号光によるアナログ信号の振幅測定値Ａ_INと上記振幅測定値Ａ_REFとを比較して、比較結果を制御部１１１へ出力する。

制御部１１１は、後述するように、比較部１１０の比較結果を参照しながらＡ_INがＡ_REFに近づくように強度調整器１０１の強度調整値を制御する。さらに、制御部１１１は局発光光源１０３の発光／消光の制御、すなわちＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。

なお、ＡＤ変換器１０７へ入力するアナログ信号の強度を調整するパラメータは全部で３つある。すなわち、信号光の強度、局発光の強度および増幅器１０６の利得である。増幅器１０６の利得を制御して入力レベルを調整することが実装上もっとも簡単な手段である。しかしながら、コヒーレント型受信方式の広い動作周波数範囲、高い利得および広い範囲の利得変更能力を全て満たすことは容易ではない。また、局発光の強度はその性質上、積極的に変化を与えるべきものではない。したがって、ＡＤ変換器１０７への入力レベルの調整を行う場合、信号光の強度、増幅器１０６の利得、そして最後に局発光の強度という優先順位にすることが望ましい。

また、ＡＤ変換器１０７に入力するアナログ信号には２つの成分が含まれている。１つは、信号光と局発光とのビート成分であり、これが信号復調に使用される信号成分である。もう一つは、信号光そのものの受信成分であり、これは信号復調という点からすると雑音成分である。このビート成分（信号成分）と雑音成分とは分離不可能であるため、その相対強度を適切な範囲に設定することも、ＡＤ変換器１０７への入力強度の調整と同様に重要である。

ここでは、信号光と局発光とのビート成分の振幅と信号光そのものの受信成分の振幅との間には相関がある。すなわち、受信成分はビート成分の二乗に比例し、１：１の関係にある。本実施形態では、この関係性を用いてＡＤ変換器１０７への入力強度の調整を行う。

２．動作
２．１）基本光強度値の決定
まず、運用開始前にコヒーレント型受信器における信号光の強度の基本値（以下、基本光強度値という。）を設定する。基本光強度値とは、信号光が波形歪みの無い信号光である場合、受信状態が最も良好となる当該信号光の強度をいう。なお、基本光強度値を決定する際には、信号光と局発光とのビート成分（信号成分）および信号光そのものの受信成分の相対強度も決定される。なお、基本光強度値は、受信器で使用される変復調方式、信号速度、許容される局発光の強度、増幅器１０６の性能など多数のパラメータに依存する値である。

図２は本実施形態における基本光強度値の決定方法を示すフローチャートである。まず波形歪みのない入力信号光を入力すると共に、制御部１１１は局発光光源１０３から局発光を光カプラ１０２へ出力させる（ステップ２０１）。この状態で、制御部１１１は、最適受信状態となるように強度調整器１０１の強度調整値を制御する（ステップ２０２および２０３）。ただし、上述したように増幅器１０６の利得や局発光光源１０３の局発光強度を調整してもよい。最適受信状態は、ここではＡＤ変換器１０７に入力するアナログ信号の振幅がＡＤ変換器１０７の入力ダイナミックレンジを満遍なく使用する状態である。

最適受信状態になると（ステップ２０２：ＹＥＳ）、制御部１１１は、そのときの信号光の強度（具体的には、強度調整器１０１の強度調整値）を基本光強度値として決定し記憶部（図示せず。）に格納しておく（ステップ２０４）。こうして基本光強度値を記憶しておき、次に述べる雑音成分の測定を行う。

２．３）雑音成分の測定
図３は本実施形態における雑音成分の測定方法を示すフローチャートである。まず、波形歪みの無い入力信号光を入力すると共に、制御部１１１は局発光光源１０３をＯＦＦして（ステップ３０１）、強度調整器１０１の強度調整値を基本光強度値に設定する（ステップ３０２）。

この状態で、基本光強度値の信号光が光カプラ１０２へ入射し、局発光がＯＦＦの状態で合波光として光電変換器１０４により電気信号に変換される。そして、上述したように直流カットフィルタ１０５により直流成分がカットされ、増幅器１０６により増幅されたアナログ信号としてＡＤ変換器１０７に入力する。ＡＤ変換器１０７は信号光のみに対応するアナログ信号の振幅測定値Ａ_REFをデジタル信号として出力する（ステップ３０３）。制御部１１１は、ＡＤ変換器１０７から出力された振幅測定値Ａ_REFを雑音成分記憶部１０９に格納する（ステップ３０４）。

こうして、波形歪みの無い入力信号光を局発光を消した状態で入力したときのＡＤ変換器１０７の入力振幅測定値Ａ_REF（第１振幅値）が雑音成分として記憶部１０９に記憶される。続いて、実際の運用の際の入力強度の設定方法を説明する。

２．４）コヒーレント型光受信器の調整
図４は本実施形態におけるコヒーレント型光受信器の調整方法を示すフローチャートである。上述したように、雑音成分記憶部１０９には、波形歪みの無い入力信号光を局発光を消した状態で入力したときのＡＤ変換器１０７の入力振幅測定値Ａ_REF（第１振幅値）が記憶されている。

まず、局発光光源１０３をＯＦＦにし（ステップ４０１）、実際に運用するときの入力信号光を入力する（ステップ４０２）。この状態でＡＤ変換器１０７は、運用時の入力信号光のみに対応するアナログ信号の振幅測定値Ａ_IN（第２振幅値）をデジタル信号として出力する（ステップ４０３）。比較部１１０は、入力振幅測定値Ａ_REF（第１振幅値）と今回測定された振幅測定値Ａ_IN（第２振幅値）とを比較し（ステップ４０４）、その比較結果を制御部１１１へ通知する。

制御部１１１は、Ａ_REF≠Ａ_INであれば（ステップ４０４：ＮＯ）、振幅測定値Ａ_IN（第２振幅値）が入力振幅測定値Ａ_REF（第１振幅値）と一致する方向に強度調整器１０１の強度調整値を変化させる（ステップ４０５）。比較器１１０は、調整後の信号光に対応するアナログ信号の振幅測定値Ａ_IN（第２振幅値）と入力振幅測定値Ａ_REF（第１振幅値）とを比較し、ある所定の範囲で実質的にＡ_REF＝Ａ_INとなるまでステップ４０３〜４０５を繰り返す。

Ａ_REF＝Ａ_INに到達すると（ステップ４０４：ＹＥＳ）、制御部１１１は強度調整器１０１の強度調整値を決定し、局発光光源１０３をＯＮして局発光を光カプラ１０２へ出力する（ステップ４０６）。これによりＡＤ変換器１０７に入力するアナログ信号の振幅は、波形歪みが無い状態で最適化した場合と等しくなり、この最適動作状態で実際の信号光を受信することが可能となる（ステップ４０７）。

なお、信号光と局発光とのビート成分（信号成分）と比較して信号光そのものの受信成分（雑音成分）は小さく設定される必要があることから、信号光そのものの受信成分（雑音成分）の振幅をＡＤ変換器１０７の能力で識別することは難しくなる可能性がある。この場合は、入力される信号光の強度の基本光強度値が決定されると、局発光光源１０３をＯＦＦにした上で、強度調整器１０１により信号光の強度を増大させた状態で（たとえば基本光強度値の１０倍）、雑音成分の振幅Ａ_REFを観測する。最適化の際には、入力信号光強度を拡大された雑音成分振幅Ａ_REFを参照して調整した後に１／１０倍することにより、ＡＤ変換器１０７の識別能力の不足を回避することができる。

なお、上述した比較部１１０および制御部１１１の調整機能は、プログラムをＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサ上で実行することにより実現することも可能である。

２．５）効果
上述したように、波形歪みの無い入力信号光を受信器へ入力し、その状態で受信環境(信号光の強度、局発光の強度、増幅器１０６の利得、その他)を最適化する。この状態で局発光をOFFにし、信号光のみを入力した状態でＡＤ変換器０７への入力信号の強度分布をＡＤ変換器１０７そのものを用いて測定する。実際の、歪みを含んだ入力信号光を受信する際は、局発光をＯＦＦにした状態で信号光を入力し、ＡＤ変換器１０７への入力信号の強度分布が、歪みのない信号光で最適化を行った場合の強度分布と等しくなるように、入力信号光の強度を調整する。

このように、信号復調のプロセス内にＡＤ変換器１０７によるデジタル化を含むコヒーレント型光受信器に本実施形態を適用することで、入力信号光の波形歪み等の要因に左右されることなく、ＡＤ変換器１０７の入力ダイナミックレンジを満遍なく使用したデジタル化が可能となり、これにより、多様な波形歪みの状態に対し良好な受信特性を有するコヒーレント型光受信器を提供することができる。

本発明は光伝送システムの受信側装置に適用可能であり、信号復調のプロセス内にＡＤ変換器によるデジタル化プロセスを含むコヒーレント型光受信器一般に利用可能である。

本発明の一実施形態によるコヒーレント型光受信器の機能的構成を示すブロック図である。本実施形態における基本光強度値の決定方法を示すフローチャートである。本実施形態における雑音成分の測定方法を示すフローチャートである。本実施形態におけるコヒーレント型光受信器の調整方法を示すフローチャートである。（Ａ）は送信部から出力された信号波形を示すグラフであり、（Ｂ）は２０ｋｍのファイバを伝送させた後の信号波形を示すグラフ、（Ｃ）は４０ｋｍのファイバを伝送させた後の信号波形を示すグラフ、（Ｄ）は２００ｋｍのファイバを伝送させた後の信号波形を示すグラフである。

符号の説明

１０１強度調整器
１０２光カプラ
１０３局発光光源
１０４光電変換器
１０５直流カットフィルタ
１０６増幅器
１０７ＡＤ変換器
１０８デジタル信号処理部
１０９雑音成分記憶部
１１０比較部
１１１制御部

Claims

光送信部から出力された信号光を光伝送路を通して受信するコヒーレント型光受信器において、
受信信号光の強度を調整する強度調整手段と、
局部発振光（以下、局発光という。）をオン／オフ制御可能な局発光光源と、
前記強度調整手段の出力光と前記局発光とを合波する合波手段と、
前記合波手段から出力される合波光を電気信号に変換する光電変換手段と、
前記電気信号の振幅を計測する振幅計測手段と、
前記局発光を消した状態で前記光送信部の出力光と同等の波形歪みのない信号光を用いた時に得られる前記電気信号の第１振幅値と、前記局発光を消した状態で前記受信信号光を用いた時に得られる前記電気信号の第２振幅値とを用い、前記第１振幅値と前記第２振幅値とが等しくなるように前記強度調整手段の強度調整値を制御する制御手段と、
を有することを特徴とするコヒーレント型光受信器。
前記制御手段は、前記局発光と前記波形歪みのない信号光とを用いて最適受信状態を示す前記信号光の基本光強度値を決定し、前記信号光が基本光強度値である状態で前記局発光を消し、前記振幅計測手段により前記第１振幅値および前記第２振幅値をそれぞれ測定することを特徴とする請求項１に記載のコヒーレント型光受信器。
前記制御手段は、少なくとも前記強度調整手段の強度調整値を制御することで前記基本光強度値を決定することを特徴とする請求項２に記載のコヒーレント型光受信器。
前記光電変換手段は、光電変換された電気信号から直流分をカットするフィルタ手段と、前記フィルタ手段の出力信号を電気的に増幅する増幅手段とを含み、
前記制御手段は、前記強度調整手段の強度調整値、前記増幅手段の増幅率および前記局発光の強度の優先順位で制御することで前記基本光強度値を決定することを特徴とする請求項３に記載のコヒーレント型光受信器。
光送信部から出力された信号光を光伝送路を通して受信し、受信信号光の強度を調整する強度調整手段と、局部発振光（以下、局発光という。）をオン／オフ制御可能な局発光光源と、前記強度調整手段の出力光と前記局発光とを合波する合波手段と、前記合波手段から出力される合波光を電気信号に変換する光電変換手段と、前記電気信号の振幅を計測する振幅計測手段と、を有するコヒーレント型光受信器の調整方法であって、
制御手段が前記局発光を消した状態で前記振幅計測手段が前記光送信部の出力光と同等の波形歪みのない信号光を用いて前記電気信号の第１振幅値を計測し、
前記制御手段が前記局発光を消した状態で前記振幅計測手段が前記受信信号光を用いて前記電気信号の第２振幅値を計測し、
前記制御手段が前記第１振幅値と前記第２振幅値とが等しくなるように前記強度調整手段の強度調整値を制御する、
ことを特徴とするコヒーレント型光受信器の調整方法。
前記第１振幅値および前記第２振幅値の測定は、前記局発光と前記波形歪みのない信号光とを用いて最適受信状態を示す前記信号光の基本光強度値を決定し、前記信号光が基本光強度値である状態で前記局発光を消してから、それぞれ実行されることを特徴とする請求項５に記載のコヒーレント型光受信器の調整方法。
前記基本光強度値は、少なくとも前記強度調整手段の強度調整値を制御することで決定されることを特徴とする請求項６に記載のコヒーレント型光受信器の調整方法。
前記光電変換手段は、光電変換された電気信号から直流分をカットするフィルタ手段と、前記フィルタ手段の出力信号を電気的に増幅する増幅手段とを含み、
前記基本光強度値は、前記強度調整手段の強度調整値、前記増幅手段の増幅率および前記局発光の強度の優先順位で制御することで決定されることを特徴とする請求項７に記載のコヒーレント型光受信器の調整方法。
光送信部から出力された信号光を光伝送路を通して受信し、受信信号光の強度を調整する強度調整手段と、局部発振光（以下、局発光という。）をオン／オフ制御可能な局発光光源と、前記強度調整手段の出力光と前記局発光とを合波する合波手段と、前記合波手段から出力される合波光を電気信号に変換する光電変換手段と、前記電気信号の振幅を計測する振幅計測手段と、を有するコヒーレント型光受信器の調整機能をコンピュータで実現するためのプログラムであって、
前記局発光を消した状態で前記振幅計測手段が前記光送信部の出力光と同等の波形歪みのない信号光を用いて前記電気信号の第１振幅値を計測する機能と、
前記制御手段が前記局発光を消した状態で前記振幅計測手段が前記受信信号光を用いて前記電気信号の第２振幅値を計測する機能と、
前記第１振幅値と前記第２振幅値とが等しくなるように前記強度調整手段の強度調整値を制御する機能と、
を前記コンピュータで実現することを特徴とするプログラム。
前記局発光と前記波形歪みのない信号光とを用いて最適受信状態を示す前記信号光の基本光強度値を決定する機能と、前記信号光が基本光強度値である状態で前記局発光を消してから前記第１振幅値および前記第２振幅値の測定をそれぞれ実行する機能と、を前記コンピュータで実現することを特徴とする請求項９に記載のプログラム。