JP4809811B2 - バースト光受信方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、伝送システム、特にＰＯＮ（Passive Optical Network）システムの上り信号のような、強度の異なるバースト光信号を受信するバースト光受信方法および装置に関するものである。

アクセス区間の光化が急速に進み、光ファイバの低損失かつ広帯域という特徴を利用した高速大容量ネットワークが普及しつつある。その中でも、図５に示すＰＯＮシステムは、通信会社の局舎内に設置されるＯＬＴ（Optical Line Terminal：加入者収容装置）２１と、複数のＯＮＵ（Optical Network Unit：加入者終端装置)２２との間が、光ファイバ伝送路２３および光スプリッタ２４で接続された形態となっており、ＯＬＴ２１、光ファイバ伝送路２３そして光スプリッタ２４をサービス加入者間で共有可能であることから、１加入者当たりのコストが抑制された光アクセスシステムとして注目されている。

ＰＯＮシステムでは、加入者側から送信される信号（上り信号）は、各加入者から送信される信号間の衝突を防ぐため、加入者毎に信号送信タイミングの制御が行われており、具体的には、各加入者毎の信号送出区間の間にガードタイムと呼ばれる無信号区間が挿入されている。

そのため、ＯＬＴ２１からＯＮＵ２２へ送信される信号（下り信号）が連続信号になるのと異なり、上り信号はバースト光信号となる。また、一般的に局舎と各加入者宅までの距離が異なるため、ＯＬＴ２１で受信する信号は強度の異なるバースト光信号となる。従って、ＰＯＮシステムの上り信号のバースト光受信器には、高い感度と共に広いダイナミックレンジを備えた受信器が求められている。

光信号を電気信号に変換する受信素子の中で、増倍作用を有するＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）はＰＩＮ−ＰＤよりも高い感度を達成可能な光電変換素子として知られている。

しかし、ＡＰＤを用いた受信器は、過度に大きな光信号が入力された場合に、ＡＰＤの増倍率自体が不安定となり、安定した通信が阻害されるという問題、ＡＰＤが出力する大きな光電流がＡＰＤ後段に設置されるプリアンプの線形動作入力範囲を逸脱し、ダイナミックレンジが狭くなるという問題、および入力光強度に対して必要以上に大きい増倍率で受信した場合、増倍作用に起因して生じる過剰難音が増加し受信特性（例えばＢＥＲ（Bit Error Rate：符号誤り率））を劣化させるという問題を抱える。

このため、広いダイナミックレンジが要求されるＰＯＮシステムの上り信号バースト光受信器にＡＰＤを用いた場合、ダイナミックレンジを維持するために、比較的小さな増倍率で用いられることが多く、ＡＰＤの増倍効果を十分に活用した高感度化は困難である。

そこで、特許文献１では、ＡＰＤ後段に設置されるプリアンプの出力レベルから、ＡＰＤに入力されたバースト光信号の光強度を判定し、その光強度に応じてＡＰＤの増倍率を切り替えて、高い感度かつ広いダイナミックレンジを実現する方法が提案されている。また非特許文献１では、増倍率の不足分を補償するために、ＦＥＣ（Forward Error Correction：前方誤り訂正符号）を用いて高感度化を実現している。
特願平１１−３５５２１８号公報 N.Suzuki et al.,"A 10G-PON Physical Medium Layer link with new 10.3-Gbit/s LAN-PHY based Optical Interfaces for Future PON Nteworks",ECOC(2006),Mo.4.5.4.

ＡＰＤを用いた受信器では、ＡＰＤ自体の増倍率特性に起因して生じる過剰雑音の影響で、ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio：信号電力対雑音電力比）を最大にする増倍率（＝Ｍｏ）が存在する。このときは、受信器の熱雑音とＡＰＤのショット雑音が等しくなる場合であり、ＡＰＤ増倍率をＭｏ以上で用いる場合、前述した過剰雑音が増大し、受信感度をかえって劣化させる。また、増倍率をＭｏに設定した場合でも、高強度の光信号が入力された時に後段プリアンプが飽和し、要求されるダイナミックレンジを満足できないという問題も同時に抱える。

これらの問題に対して、前述の特許文献１のように増倍率を切替える場合、高い受信感度かつ広いダイナミックレンジを持つバースト光受信器を実現可能である。しかし、更なる受信感度の改善が必要になるシステムでは、この方法を用いても、前置光増幅器等の比較的高価な光デバイスが新たに必要になるという課題がある。

本発明はこのような背景の下になされたものであり、その目的は、ＰＯＮシステムの上り信号のような、異なる強度のバースト光信号を受信するＡＰＤを用いたバースト光受信器において、広いダイナミックレンジを確保しつつ、比較的高価な光デバイスを新たに必要とせず、高い感度を安価に実現することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明のバースト光受信方法は、異なる強度のバースト光信号をＡＰＤを用いて受信するバースト光受信方法において、前記バースト光信号の強度を判定し、該判定結果が閾値以上の時には、前記ＡＰＤの増倍率を１〜２程度に設定し、閾値未満の時には、前記ＡＰＤの増倍率を、ＦＥＣ訂正限界のＢＥＲを達成する光入力強度が最小となる増倍率に、設定することを特徴とする。
請求項２にかかる発明のバースト光受信装置は、バースト光信号を光電変換するＡＰＤと、前記バースト光信号の強度を検出するレベル検出回路と、前記ＡＰＤの増倍率を制御するＡＰＤ増倍率制御回路とを備え、前記ＡＰＤ増倍率制御回路は、前記レベル検出回路で検出した前記バースト光信号の強度が閾値以上のときは、前記ＡＰＤの増倍率を１〜２程度に設定するＡＰＤバイアス切替信号を出力し、閾値未満のときは、前記ＡＰＤの増倍率をＦＥＣ訂正限界のＢＥＲを達成する光入力強度が最小となる増倍率に設定するＡＰＤバイアス切替信号を出力することを特徴とする。

本発明によれば、ＡＰＤの増倍率を、ＳＮＲを最大にする増倍率に設定するのではなく、ＦＥＣ訂正能力の限界のＢＥＲを達成する光入力強度が最小となる増倍率に設定するので、ＳＮＲを最大にする増倍率に設定する場合よりも大きなＦＥＣ符号化利得が獲得でき、結果的に高い受信感度を得ることが可能となる。また、増倍率の切替によるダイナミックレンジ改善効果も同時に得られるため、比較的高価な光デバイスを新たに必要とすることなく、高い感度および広いダイナミックレンジを同時に、安価に実現できる。

＜第１の実施例＞
図１に本発明の第１の実施例のバースト光受信装置の構成を示す。このバースト光受信装置は、バースト光信号を光電流信号に変換するＡＰＤ１１と、そのＡＰＤ１１が出力する光電流信号を増幅・電圧変換するプリアンプ１２と、そのプリアンプ１２の出力信号から入力光強度を検出するレベル検出回路１３と、そのレベル検出回路１３の検出強度のレベル情報に基づきＡＰＤバイアスを切り替えるＡＰＤ増倍率制御回路１４と、プリアンプ１３の出力を利得可変して一定レベルで出力するリミッタアンプ１５と、そのリミッタアンプ１５の出力信号に対して誤り訂正及び信号判定を行う誤り訂正信号判定回路１６とから構成される。

レベル検出回路１３は、プリアンプ１２の出力値からＡＰＤ１１に入射された光信号強度をバースト光信号毎に１回づつ判定する。ＡＰＤ増倍率制御回路１４は、その入力光強度に応じてＡＰＤ１１に印加するバイアス電圧やＡＰＤの動作温度を調節し、増倍率をバースト光信号毎に変更設定する。

この増倍率の設定方法は、高強度の信号が入力された場合は、増倍率を十分小さな値（１〜２程度）に設定し、低強度の信号が入力された場合は、一般的によく用いられる設定方法の１つであるＳＮＲを最大にする増倍率に設定するのではなく、ＡＰＤの過剰雑音が増大するためＳＮＲは劣化するが、ＦＥＣ訂正能力の限界のＢＥＲを達成する光入力強度が最小となる増倍率に設定する。

＜第２の実施例＞
図２に本発明の第２の実施例のバースト光受信装置の構成を示す。本実施例は、図１におけるＡＰＤ増倍率制御回路１４を、ＡＰＤバイアス電圧の切り替えによってＡＰＤ増倍率を設定するＡＰＤバイアス電源１４Ａと、そのＡＰＤバイアス電源１４Ａを制御するＡＰＤバイアス制御回路１４Ｂとで構成したものである。

本実施例では、レベル検出回路１３において、プリアンプ１２の出力電圧から、ＡＰＤ１１に入射されたバースト光信号の強度を推定する。ＡＰＤバイアス制御回路１４Ｂでは、レベル検出回路１３で検出された入力光強度が予め設定している閾値未満の場合、ＡＰＤバイアス電源１４Ａを、所望のＢＥＲを達成する光入力強度が最小となる増倍率になるよう設定するのではなく、ＦＥＣ訂正限界のＢＥＲを達成するのに必要な入力光強度が最小とな増倍率になるように設定する。

この操作により、ＡＰＤ１１の過剰雑音が大きくなるためＳＮＲは劣化し、所望のＢＥＲを達成するための必要光入力強度は増大するが、ＦＥＣ符号化利得が大きくなるため、結果的に所望のＢＥＲを達成する入力光強度を小さくさせることが可能である。

図３を用いて具体例を説明する。光通信で広く用いられているＦＥＣの１つであるリードソロモン符号ＲＳ（２５５，２３９）は、１０^−４のＢＥＲを達成する光入力強度で、１０^−１２のＢＥＲを達成する符号利得を備えている。現在サービス展開されているＧＥ−ＰＯＮシステムでは、１０^−１２のＢＥＲを達成する最小の光入力強度が受信感度として規定されている。

従来のＡＰＤを用いたバースト光受信器では、前述したダイナミックレンジの維持という観点から、比較的低い一定値の増倍率で運用されており、十分な感度の改善が得られず、ＢＥＲ特性はＡで示される特性であった。前述の特許文献１のように受信信号毎に増倍率を切り替えれば、最大のＳＮＲを与える増倍率に設定して運用することが可能となり、ＢＥＲ特性はＢで示されるように、受信感度が図３のａに改善される。しかし、システムにさらなる受信感度が必要となる場合、ＡＰＤ増倍率の操作による改善は得られない。

さらに非特許文献１のように、ＦＥＣを適用して感度改善を図る場合、受信感度は図３のｂとなる。ＳＮＲの劣化は生じるが、１０^−４のＢＥＲを達成するのに必要な入力光強度が最小となるように増倍率を設定した場合、ＢＥＲ特性は図３のＣの特性となり受信感度はｃとなる。

従って、ＦＥＣの適用により、過剰雑音の増加による感度の劣化（ａ−ｄ）よりも、ＦＥＣ利得による改善効果の差（ｃ−ｄ＞ｂ−ａ）が上回るため、結果的に、ＡＰＤ増倍率を、１０^−４のＢＥＲを達成するのに必要な入力光強度を最小とする増倍率に、設定することで、結果的に１０^−１２のＢＥＲを達成するのに必要な入力光強度が最小となる。

この増倍率の切替操作は、バースト光信号の先頭部分を受信してから、バースト光信号のレベル調整部（例えばＰＯＮシステムのプリアンブル部等のオーバヘッド部）内で速やかに１度のみ行われ、ペイロード部の誤り判定に本操作の遅延による影響は生じない。

以上のように、本実施例によれば、ＦＥＣを適用したバースト光受信器において、バースト光信号毎にＡＰＤ増倍率を瞬時に切り替えることで、広ダイナミックレンジ化を可能としながら、比較的高価な光デバイスを新たに用いることなく、大きな受信感度の改善を図ることが可能となる。

図４に、本発明による受信器のＡＰＤ増倍率設定動作のフローチャートを示す。ステップＳ１においては、ＡＰＤ増倍率が初期設定した値（例えば低増倍率）で運用される。この運用は、光信号の入力待機状態（ガードタイム区間）で行われる。ステップＳ２では、受信したバースト光信号がＡＰＤ１１及びプリアンプ１２を通り、レベル検出回路１３に取り込まれる。ステップＳ３では、入力されたバースト光信号の強度がレベル検出回路１３で推定され、その強度のレベル値が予め設定した閾値以上であれば、ＡＰＤ増倍率を変要することなくステップＳ４に移行するが、その強度が閾値未満の場合は、ステップＳ３’に移行する。ステップＳ３’では、レベル検出回路１３から出力されるレベル情報により、ＡＰＤ増倍率が、ＦＥＣ訂正限界のＢＥＲを達成する光入力強度が最小となる増倍率に、再設定され、運用される。この再設定処理は、バースト光信号のプリアンブル部等のオーバヘッド部内で瞬時に行われる。ステップＳ４およびＳ４’では、バースト光信号終了まで誤り訂正を行いながら、信号判定を行う。ステップＳ５では、バースト光信号が終了すると、再びＡＰＤ増倍率を初期設定に再設定するステップＳ１に移行する。

以上のように、本実施例によれば、ＰＯＮシステムのような、強度の異なるバースト光信号を受信するバースト光受信器において、入力光の強度をプリアンプの出力信号から判定し、その判定結果に基づき、ＡＰＤ増倍率を、高強度光信号受信時には低増倍率に設定し、低強度光信号受信時には、ＦＥＣ訂正限界のＢＥＲを達成する光入力強度が最小となる増倍率に変更することで、高い受信感度と広いダイナミックレンジを有するＡＰＤを用いたバースト光受信装置を実現することができる。

なお、本実施例は、ＡＰＤ増倍率の変更をＡＰＤバイアス電圧の切替操作により実現しているが、ＡＰＤの動作温度を調整して実現することも可態である。また、本実施例では、バースト光信号の強度をレベル検出回路１３で検出したが、バースト光信号がＡＰＤに入力する上流側に光分岐手段を配置して一部の光を別の光電変換手段に導き、この光電変換手段から出力する信号によって、バースト光信号の強度を検出してもよい。

本発明のバースト光受信装置の第１の実施例を示すブロック図である。 本発明のバースト光受信装置の第２の実施例を示すブロック図である。 ＢＥＲ特性図である。 本発明のバースト光受信装置の第２の実施例の処理を示すフローチャートである。 従来のＰＯＮシステムの概略図である。

符号の説明

１１：ＡＰＤ、１２：プリアンプ、１３：レベル検出回路、１４：ＡＰＤ増倍率制御回路、１４Ａ：ＡＰＤバイアス電源、１４Ｂ：ＡＰＤバイアス制御回路、１５：リミッタアンプ、１６：誤り訂正信号判定回路
２１：ＯＬＴ、２２：ＯＮＵ、２３：光ファイバ伝送路、２４：光スプリッタ

Claims (2)

1. 異なる強度のバースト光信号をＡＰＤを用いて受信するバースト光受信方法において、
   前記バースト光信号の強度を判定し、該判定結果が閾値以上の時には、前記ＡＰＤの増倍率を１〜２程度に設定し、閾値未満の時には、前記ＡＰＤの増倍率を、ＦＥＣ訂正限界のＢＥＲを達成する光入力強度が最小となる増倍率に、設定することを特徴とするバースト光受信方法。
2. バースト光信号を光電変換するＡＰＤと、前記バースト光信号の強度を検出するレベル検出回路と、前記ＡＰＤの増倍率を制御するＡＰＤ増倍率制御回路とを備え、
   前記ＡＰＤ増倍率制御回路は、前記レベル検出回路で検出した前記バースト光信号の強度が閾値以上のときは、前記ＡＰＤの増倍率を１〜２程度に設定するＡＰＤバイアス切替信号を出力し、閾値未満のときは、前記ＡＰＤの増倍率をＦＥＣ訂正限界のＢＥＲを達成する光入力強度が最小となる増倍率に設定するＡＰＤバイアス切替信号を出力することを特徴とするバースト光受信装置。

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