JP4732922B2 - 光差分位相シフト・キー信号を復調する方法および装置。 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、光通信の分野に関し、より具体的には、差分位相シフト・キー（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｅｄ）光信号を復調する装置および方法に関する。

光差分位相シフト・キーイング（ＤＰＳＫ）は、高い受信器感度、高速伝送における主な非線形効果に対する高い許容度、およびコヒーレント・クロストークに対する高い許容度を提供する有望な変調フォーマットである。光ＤＰＳＫ変調は、差分２進位相シフト・キーイング（ＤＢＰＳＫ）、差分直角位相シフト・キーイング（ＤＱＰＳＫ）、および他の関係するフォーマット変形形態を含む。

光ＤＰＳＫ伝送では、データ情報は、隣接ビット間の光位相差によって搬送される。従来の強度検出器による光ＤＰＳＫ信号の直接検出では、位相符号化信号を強度符号化信号に変換するために、復調器が必要である。そのような復調器は、通常、遅延干渉計である。干渉計の自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）は、遅延の逆数である。光学１ビット遅延干渉計（Ｏ−１ビット−ＤＩ）では、ＦＳＲは、ＳＲを復調されるＤＰＳＫ信号のシンボル・レートとして、ＳＲに等しい。

ＯＣ−７６８ＤＢＰＳＫ信号のＳＲは、通常、４０ＧＨｚ（または、７％のオーバーヘッドが転送エラー補正に使用されるときは４２．７ＧＨｚ）であり、ＯＣ−７６８ＤＱＰＳＫ信号のＳＲは、通常、２０ＧＨｚ（または２１．３ＧＨｚ）である。ＩＴＵ−Ｔ勧告Ｇ．６９２に準拠する波長分割多重化（ＷＤＭ）システムでは、ＩＴＵグリッド上における２つのＷＤＭチャネル間の最小周波数チャネル間隔は、５０ＧＨｚであり、これは、上記で議論されたＯＣ−７６８ＤＢＰＳＫ信号を復号するために一般的に使用されるＯ−１ビット−ＤＩのＦＳＲに等しくない。したがって、Ｏ−１ビット−ＤＩは、Ｏ−１ビット−ＤＩの通過帯域中心周波数を再調節（すなわち同調）せずに、ＩＴＵグリッド上においてチャネルのいずれか１つを復調するために使用することはできない。中心周波数の再調節は、精巧な監視およびフィードバック制御を必要とし、これにより、ＤＰＳＫ復調の複雑さおよびコストが増大する。

従来のＯ−１ビット−ＤＩは、通常、全ファイバ設計または平面光波回路（ＰＬＣ）設計に基づく。これらの設計は、本質的に感温性であるが、その理由は、これらの干渉計（すなわち光路）を構築するために使用される材料の屈折率が、温度依存性を有するからである。したがって、１ビット遅延を得るために長さが異なるＯＤＩの光路を伝播する温度誘起光位相変化は、異なる。その結果、ＯＤＩの２つの光路間の位相差を精確に制御することが必要である。光路間の位相差を精確に制御するために、ＯＤＩの精密な温度制御および安定化が必要であり、これにより、ＯＤＩのコストおよび複雑さが著しく増大する。

本発明は、光ＤＰＳＫ信号を復調する装置および方法を提供する。本発明の一態様は、光ＤＰＳＫ信号を復調するためのＯＤＩのＦＳＲが、ＤＰＳＫ信号のＳＲに必ずしも等しくないが、依然として許容可能な復調性能を提供するという認識を含む。具体的には、ＦＳＲおよびＳＲは、大きな復調ペナルティを生じずに、約±２５％だけ異なることができる。したがって、たとえば、ＯＤＩのＦＳＲは、５０／２^ＮＧＨ_２（Ｎ＝０，１，２，・・・）に設定することができ、これにより、ＯＤＩを再調節せずに、５０ＧＨｚの倍数である周波数間隔を有する異なるＷＤＭチャネルを復調することが可能になる。

本発明の一実施形態の他の態様は、復調される信号のＳＲより大きいＦＳＲを有するＯＤＩが、周波数ドリフト（信号レーザ周波数ドリフトおよび／またはＯＤＩ通過帯域の不良位置合わせ（ミスアラインメント）による）に対してより高い許容度を有するという認識を含む。

本発明の他の態様は、監視およびフィードバックの制御を必要とせず、システムの複雑さおよびコストを低減することができるように、実世界のシステムではＯＤＩを「非同調性」にすることが好ましいという認識を含む。

また、非同調ＯＤＩは、簡易性および高い費用効果を提供するが、通過帯域は、同調または調節することができず、したがって、通過帯域の使用は、チャネルの好ましいグループの復調に限定されるということも認識される。本発明の一実施形態は、１９３．１００ＴＨｚ（１９３．１００ＴＨｚは、ＩＴＵによって使用される周波数グリッドの基準周波数である）において±π／６の範囲内でπの倍数である、ＯＤＩの光路間の位相差を生成するように適合された非同調ＯＤＩを提供する。これにより、ＯＤＩは、すべてのＩＴＵグリッドチャネルについて作用することが可能になる。（本明細書において使用されるような、５０ＧＨｚのＦＳＲおよびＩＴＵグリッドの上にロックされた通過帯域を有するＯＤＩは、「５０−ＧＨｚ−ＯＤＩ」と呼ばれる。）

さらに、本発明によるＯＤＩは、複数のＤＰＳＫ ＷＤＭチャネルを同時に復調することができる。さらに、異なるＩＴＵチャネルに対して中心周波数が動的に同調されるＤＰＳＫ信号を復調するために使用することもできる。

本発明の他の実施形態では、ＯＤＩは、実質的に温度に依存しない非熱的（ａｔｈｅｒｍａｌ）設計であり、したがって、温度の制御および安定化は必要とされない。非熱的設計は、たとえば、２つの光路が極度に低い熱膨張係数を有する自由空間または材料にある自由空間光学マイケルソン干渉計に基づくことができる。実際、自由空間光学機器の使用により、ＳｉＯ_２よりはるかに小さい熱膨張係数を有する材料を使用することが可能になる（ファイバおよびＰＬＣベースのデバイスの場合のように）。

本発明の実施形態によるＯＤＩを使用する潜在的な利点は、ＯＤＩからのデータおよび反転データの出力を明確に決定する能力、チャネル周波数の上にロックする精巧な監視およびフィードバック制御を必要としないこと、ならびに動的波長同調信号伝送との共存可能性をも含む。さらに、本発明の実施形態によるＯＤＩは、インターリーバを使用して既存ＩＴＵグリッドチャネル間に追加のチャネルを導入することによって、チャネル総数が直接的な方式で増大されるシステムにおいて使用することもできる。

以上の概述、ならびに本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な記述は、添付の図面と関連して読むことにより、よりよく理解される。本発明を示すために、現在好ましい図面の実施形態において示されている。しかし、本発明は、示される構成および手段と同一のものに限定されないことを理解されたい。

本発明の１つの好ましい実施形態によるＯＤＩ１００が、図１に示されている。ＯＤＩ１００の自由空間範囲（ＦＳＲ）は、以下の通りである。

たとえば、ＦＳＲ＝５０ＧＨｚ（たとえば、５０−ＧＨｚ−ＯＤＩ）は、遅延（Δｔ）＝２０ｐｓを必要とする。光ＤＰＳＫ信号を復調するためのＯＤＩのＦＳＲは、ＤＰＳＫ信号のＳＲに必ずしも等しくないが、許容可能な復調性能を依然として提供することが認識されている。ＦＳＲおよびＳＲは、大きな復調ペナルティを生じずに、約±２５％だけ異なることができる。したがって、本発明によるＯＤＩのＦＳＲは、約０．８ＳＲと１．３ＳＲとの間にあることが好ましく、または、以下の通りである。
（０．８×ＳＲ）＜ＦＳＲ＜（１．３×ＳＲ）
ＯＤＩの伝送スペクトルを適切に位置合わせするために、遅延Δｔは、
ω_０Δｔ＝Ｍπ
を満たすべきである。上式で、たとえば、ω_０＝２π×１９３．１００ＴＨｚ（１９３．１００ＴＨｚは、ＩＴＵグリッドの基準周波数である）であり、Ｍは大きな整数である（たとえば、Δｔ＝２０ｐｓ遅延では、Ｍは約７７２４である）。Ｍは、Δｔが約１×１０^−３）だけ変化することが可能であるとき、（たとえば、＋／−８）変化することができる。

ＯＤＩ１００は、１つの入力ポート１３０、ならびに建設的（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ）ポートおよび破壊的（ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ）ポートと一般に呼ばれる２つの出力ポート１４０、１５０（出力１、出力２）を有することが好ましい。ＤＢＰＳＫ信号がＯＤＩ１００に入力される場合、建設的ポートからの出力信号は、光学デュオバイナリ・フォーマットを有する信号であり、破壊的ポートからの出力信号は、交番マーク反転（ＡＭＩ）フォーマットを有する信号である。

ＯＤＩ１００は、非熱的であり、自由空間光学設計（図１に示す）に基づき、したがって、その通過帯域は、温度に関してドリフトせず、したがって、温度安定化を必要としないことが好ましい。
ＤＢＰＳＫ信号伝送について周波数オフセットにより導入される復調ペナルティを１ｄＢ未満に制限するために、周波数オフセット（すなわち、光信号の中心周波数とＯＤＩの対応する伝送ピーク位置との間の周波数差）は、ビット・レートの約±５％内にあることが好ましい（たとえば、４０Ｇｂ／ｓ信号では±２ＧＨｚ）。４０Ｇｂ／ｓＤＢＰＳＫ信号を復調するとき、本発明によるＯＤＩは、差分長がＯ−１ビット−ＤＩの差分長より短いために、周波数オフセットに対する許容度に関して、Ｏ−１ビット−ＤＩより性能が優れていることに留意されたい。したがって、周波数ドリフト（信号レーザ周波数ドリフトおよび／またはＯＤＩ通過帯域不良位置合わせ（ミスアラインメント）による）に対するより高い許容度を達成するために、ＯＤＩのＦＳＲをＳＲより大きく設定することが有益である。ＦＳＲは、約１．１ＳＲと約１．３ＳＲとの間にある、または、
（１．１×ＳＲ）＜ＦＳＲ＜（１．３×ＳＲ）
であることが好ましい。

たとえば、ＳＲ＝４２．７Ｇｂ／ｓおよびＦＳＲ＝５０ＧＨｚ（Δｔ＝２０ｐｓ）では、ＦＳＲ＝１．１７ＳＲを有する。この場合、最大許容度周波数オフセットを約±４ＧＨｚに設定する（約２ｄＢのペナルティについて）。したがって、ＯＤＩの２つの経路の位相差の対応する最大オフセットは、２π×４ＧＨｚ×２０ｐｓ≒π／６である。

また、温度変化は、追加の周波数オフセットを生成する可能性もあることに留意されたい。電気通信デバイスの通常の動作温度範囲は、０℃から７０℃である。したがって、本発明によるＯＤＩの温度依存周波数ドリフトは、約０．０５ＧＨｚ／℃未満であることが好ましく、これは、上記で議論された非熱的設計を使用して実現することができる。

図２は、本発明の一実施形態のＯＤＩ（たとえばＯＤＩ１００）の建設的ポートにおける伝送曲線（すなわち、透過率対周波数）を示す。この図から、このＯＤＩ（５０−ＧＨｚ−ＯＤＩ）では、透過率のピークは、５０ＧＨｚＩＴＵグリッド上にロックされることを理解することができる（すなわち、５０ＧＨｚだけ離れて位置し、各ピークが、基準周波数１９３．１００ＴＨｚから５０ＧＨｚの倍数である周波数にある）。当業者なら、そのようなＯＤＩは、ＩＴＵグリッド上の任意のチャネルを復調するために使用することができることを理解することができるであろう。

従来の技術のＯ−１ビット−ＤＩ、および本発明の実施形態による５０−ＧＨｚ−ＯＤＩを使用して、４２．７Ｇｂ／ｓ ＮＲＺ−ＤＢＰＳＫ信号伝送を比較するためにシミュレーションが実施された。図３Ａ〜Ｂは、それぞれ、Ｏ−１ビット−ＤＩ、および平衡検出（ｂａｌａｎｃｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）が続く５０−ＧＨｚ−ＯＤＩによる復調後の４２．７Ｇｂ／ｓ ＮＲＺ−ＤＢＰＳＫ信号のアイ・ダイアグラムである。図３Ａ〜Ｂから、５０−ＧＨｚ−ＯＤＩ（１ビット期間の不正確遅延を有する）を使用するＮＲＺ−ＤＢＰＳＫ信号伝送のアイ閉鎖ペナルティが無視可能であることを理解することができる。

図４Ａ〜Ｂは、それぞれ、Ｏ−１ビット−ＤＩ、および平衡検出が続く本発明の実施形態による５０−ＧＨｚ−ＯＤＩによる復調後の４２．７Ｇｂ／ｓ ＲＺ−ＤＢＰＳＫ信号（６７％デューティサイクルを有する）のアイ・ダイアグラムである。上記で議論されたシミュレーションの場合のように、図４Ａ〜Ｂから、５０−ＧＨｚ−ＯＤＩを使用するＲＺ−ＤＢＰＳＫ信号伝送のアイ閉鎖ペナルティが無視可能であることがわかる。

図５Ａ〜Ｂは、それぞれ、Ｏ−１ビット−ＤＩおよび本発明の実施形態による５０−ＧＨｚ−ＯＤＩによってＮＲＺ−ＤＢＰＳＫ信号を復調した後に得られる４２．７Ｇｂ／ｓデュオバイナリ信号のアイ・ダイアグラムである。上記で議論されたシミュレーションの場合のように、５０−ＧＨｚ−ＯＤＩのアイ閉鎖ペナルティは無視可能である。さらに、５０−ＧＨｚ−ＯＤＩを使用して生成されたデュオバイナリ信号は、Ｏ−１ビット−ＤＩと比較して色分散許容度を向上させたことに留意されたい。

本発明によるＯＤＩは、送信器から、または受信器へのＷＤＭ信号の複数チャネルを復調するために使用することができることも有益である。ＷＤＭ伝送システム６０１の例示的なＯＡＤＭ６００を示す図６から理解することができるように、ＯＤＩ６１０、６２０は、伝送について、ＤＢＰＳＫ信号６３０の複数ＷＤＭチャネルを光デュオバイナリ信号６４０に同時変換するために使用することができる。ＯＤＩ（６１０、６２０）が、送信器からのＤＢＰＳＫチャネル６３０のグループによって共有されるとき、光デュオバイナリ信号６４０は、送信システム６０１上において送信され、オンオフキーイング（ＯＯＫ）に使用される従来の受信器を信号検出に使用することができる。

図７に示される本発明の代替実施形態では、ＯＤＩ７１０、７２０は、受信／従来のＯＯＫ検出について、送信リンク７６０上で送信されたＤＢＰＳＫ信号の複数ＷＤＭチャネルをデュオバイナリ信号７３０に変換するために使用される。

図８に示される本発明の他の代替実施形態では、ＯＤＩ８１０、８２０は、受信／平衡ＯＯＫ検出について、伝送リンク８６０上で送信されたＤＢＰＳＫ信号８４０の複数ＷＤＭチャネルをデュオバイナリおよびＡＭＩ信号８３０に変換するために使用される。２つのデマルチプレクサ８２５が、各ＷＤＭチャネルについて２つの相補信号を生成するために、各ＯＤＩ８１０、８２０に結合される。相補信号は、平衡受信器８５０によって位置合わせして、受信することができる（したがって、ＯＯＫに対してＤＢＰＳＫの利点である３ｄＢの受信器感度を実現する）。

本発明によるＯＤＩの周波数オフセットが、ＷＤＭシステムの全波長帯にわたって４ＧＨｚ未満であることを保証するために、ＦＳＲは、精密に制御されることが好ましい。一般的に使用されるＣ帯は、１９１．０００ＴＨｚから１９５．９５０ＴＨｚの周波数範囲を網羅する。周波数オフセットが１９３．１００ＴＨｚにおいて厳密にゼロであり、縁周波数１９５．９５０ＴＨｚにおいて±４ＧＨｚであると想定すると、ＦＳＲの最大相対エラーは、ほぼ以下のようになるはずであると認識する。

これは、時間遅延Δｔが、約２８ｆｓの精度内において制御される必要があることを意味する。

上記の分析を生成するために、ＦＳＲが５０／２^ＮＧＨｚ（Ｎ＝０，１，２，・・・）であるように選択され、かつ最大周波数オフセットがＦＳＲの８％である場合、ＦＳＲの最大相対エラーは、ほぼ以下のようになるはずである。

本発明は、例示的な実施形態に関して記述されているが、記述は、限定的な意味で解釈されるべきではない。記述される実施形態、および当業者には明らかである本発明が属する他の実施形態の様々な修正が、添付の特許請求の範囲において表される本発明の原理および範囲内にあると考慮される。

本発明の一実施形態によるＯＤＩの装置を示す図である。 本発明の一実施形態によるＯＤＩの建設的ポートにおける透過率を示すプロットである。 本発明の一実施形態による、Ｏ−１ビット−ＤＩによる復調後の４２．７Ｇｂ／ｓ ＮＲＺ−ＤＢＰＳＫ信号のアイ・ダイアグラムである。 本発明の一実施形態による、ＯＤＩによる復調後の４２．７Ｇｂ／ｓ ＮＲＺ−ＤＢＰＳＫ信号のアイ・ダイアグラムである。 本発明の一実施形態による、Ｏ−１ビット−ＤＩによる復調後の４２．７Ｇｂ／ｓ ＲＺ−ＤＢＰＳＫ信号（６７％デューティサイクルを有する）のアイ・ダイアグラムである。 本発明の一実施形態による、ＯＤＩによる復調後の４２．７Ｇｂ／ｓ ＲＺ−ＤＢＰＳＫ信号（６７％デューティサイクルを有する）のアイ・ダイアグラムである。 本発明の一実施形態による、Ｏ−１ビット−ＤＩによるＮＲＺ−ＤＢＰＳＫ信号の復調後に得られる４２．７Ｇｂ／ｓデュオバイナリ信号のアイ・ダイアグラムである。 本発明の一実施形態による、ＯＤＩによるＮＲＺ−ＤＢＰＳＫ信号の復調後に得られる４２．７Ｇｂ／ｓデュオバイナリ信号のアイ・ダイアグラムである。 本発明の一実施形態による、複数のＤＢＰＳＫ信号を光デュオバイナリ信号に同時変換するためのＯＤＩを有する光学アド／ドロップ・マルチプレクサ（ＯＡＤＭ）を示す図である。 本発明の一実施形態による、複数のＤＢＰＳＫ信号を光デュオバイナリ信号に同時変換するためのＯＤＩを有するＯＡＤＭを示す図である。 本発明の一実施形態による、平衡検出により複数のＤＢＰＳＫ信号を同時受信するためのＯＤＩを有するＯＡＤＭを示す図である。

Claims (10)

1. 光信号を復号する方法であって、
   前記光信号を復調するために、非熱的光学遅延干渉計（ＯＤＩ）を経て光信号を伝播させることを備え、
   前記ＯＤＩの光路間の遅延が、
   ＦＳＲ＝５０ＧＨｚ／２^Ｎ、および
   （０．８×ＳＲ）＜ＦＳＲ＜（１．３×ＳＲ）であるように選択され、
   上式で、ＦＳＲが前記ＯＤＩの自由空間範囲、ＳＲが前記光信号のシンボル・レート、およびＮ＝０，１，２，・・・である、方法。
2. 前記光信号が、マルチチャネル光信号であり、前記ＯＤＩが、前記マルチチャネル光信号の複数チャネルを同時に復調する、請求項１に記載の方法。
3. 前記ＯＤＩが、前記ＯＤＩの光路間において、１９３．１００ＴＨｚにおいて±π／６の精度内でπの倍数である位相差を生成するように適合される、請求項１に記載の方法。
4. 前記光信号が、４０Ｇｂ／ｓ差分２進位相シフト・キー光信号であり、前記ＯＤＩの前記ＦＳＲが５０ＧＨｚである、請求項１に記載の方法。
5. 光信号を伝送する光通信システムであって、
   ＦＳＲ＝５０ＧＨｚ／２^Ｎ、および
   （０．８×ＳＲ）＜ＦＳＲ＜（１．３×ＳＲ）
   上式で、ＦＳＲが前記ＯＤＩの自由空間範囲、ＳＲが前記光信号のシンボル・レート、およびＮ＝０，１，２，・・・であるように、遅延干渉計の光路間において遅延を提供するように適合された非熱的光学遅延干渉計（ＯＤＩ）を含む光学アド／ドロップ・マルチプレクサ（ＯＡＤＭ）を備えるシステム。
6. 前記光信号が、マルチチャネル光信号であり、前記ＯＤＩが、前記マルチチャネル光信号の複数チャネルを同時に復調する、請求項５に記載のシステム。
7. 前記光信号の中心周波数が、±４ＧＨｚ／２^Ｎの精度内において、１９３．１００ＴＨｚから５０ＧＨｚ／２^Ｎの倍数である、請求項５に記載のシステム。
8. シンボル・レートＳＲを有する光信号を復調する非熱的光遅延干渉計（ＯＤＩ）装置であって、
   ＦＳＲ＝５０ＧＨｚ／２^Ｎ、および
   （０．８×ＳＲ）＜ＦＳＲ＜（１．３×ＳＲ）
   上式で、ＦＳＲが前記ＯＤＩの自由空間範囲、ＳＲが前記光信号のシンボル・レート、およびＮ＝０，１，２，・・・であるように選択される遅延を、光路に沿って伝播する光信号間において付与する２つの光路を備える、装置。
9. 前記ＯＤＩが非同調性である、請求項８に記載の装置。
10. 前記ＦＳＲが、約１．１ＳＲと約１．３ＳＲとの間にある、請求項８に記載の装置。
    

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