JP4893672B2

JP4893672B2 - コヒーレント光通信装置及び方法

Info

Publication number: JP4893672B2
Application number: JP2008073126A
Authority: JP
Inventors: ラースヤンセンサンダー; 逸郎森田
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2028-03-21
Also published as: JP2008271527A; US8081885B2; US20080232823A1

Description

本発明は、コヒーレント光通信装置及び方法に関する。

コヒーレント光通信とは、送信側において、レーザダイオードからの連続光を、送信すべき情報に対応する電気信号により、例えば、振幅変調、周波数変調及び／又は位相変調し、受信側において、受信した変調光信号と局発光とを結合して光検波する光通信方法であり、変調光信号と局発光の周波数が異なるものをヘテロダイン検波、変調光信号と局発光の周波数が同一であるものをホモダイン検波、あるいは所定の場合においてはイントラダイン検波と呼ぶ。

ヘテロダイン検波においては、変調光信号と局発光との周波数差を中心周波数とする、中間周波数（ＩＦ：ＩｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯の電気信号が光検波器から出力され、ホモダイン／イントラダイン検波においては、ベースバンドの電気信号が光検波器から出力されることになる。これらコヒーレント光通信において、光検波器が出力する信号の正確な復調処理のためには、局発光を、受信する変調光信号に周波数同期させることが重要であり、ホモダイン検波の場合には、更に、搬送波の位相まで同期させる必要がある。このため、非特許文献１においては、自動周波数制御（ＡＦＣ：ＡｕｔｏｍａｔｉｃＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｔｒｏｌ）ループを用いて、局発光の周波数を制御する構成が記載されている。

しかしながら、局発光の周波数制御を実現するためには、高性能な自動周波数制御ループが必要であり、非特許文献１に記載の構成では、光通信装置のコストが高くなるという問題がある。このため、非特許文献２には、高性能な自動周波数制御ループや光位相ロックループ（ＰＬＬ：ＰｈａｓｅＬｏｃｋＬｏｏｐ）を用いることなく復調処理を行う構成が記載されている。非特許文献２は、Ｍ（Ｍは２のべき乗）値の差動ＰＳＫ変調を用いた光コヒーレント通信に関するものであり、光検波して得られる検波電気信号の各シンボルをＭ乗し、前後、数シンボルの平均値に基づき各シンボルの位相誤差を評価して復調している。

ＣｈｒｉｓｔｏｐｈＷｒｅｅｅｔａｌ、"ＭｅａｓｕｒｅｄＮｏｉｓｅＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｆｏｒＨｅｔｅｒｏｄｙｎｅＤｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆ１０−Ｇｂ／ｓＯＯＫａｎｄＤＰＳＫ"、ＩＥＥＥＰＨＯＴＯＮＩＣＳＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．１９、Ｎｏ．１、ｐｐ．１５−１７、２００７年１月ＳａｔｏｓｈｉＴｓｕｋａｍｏｔｏｅｔａｌ、"ＣｏｈｅｒｅｎｔＤｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆＯｐｔｉｃａｌＭｕｌｔｉｌｅｖｅｌＰｈａｓｅ−Ｓｈｉｆｔ−ＫｅｙｉｎｇＳｉｇｎａｌｓＵｓｉｎｇＨｏｍｏｄｙｎｅＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ"、ＩＥＥＥＰＨＯＴＯＮＩＣＳＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．１８、Ｎｏ．１０、ｐｐ．１１３１−１１３３、２００６年５月

しかしながら、非特許文献２に記載の構成は、各シンボルをＭ乗して平均値を求めた後、Ｍ乗したことを補償するために、その平均値を１／Ｍ倍するものであり、位相誤差が＋π／Ｍ〜−π／Ｍの範囲外にある場合には、正しく補償できないという問題がある。また、Ｍ値の差動ＰＳＫでのみ利用可能であるという問題もある。

したがって、本発明は、高コストとなる自動周波数制御ループや光位相ロックループを用いず、任意の変調方式に適用でき、補償できる誤差範囲に制限がないコヒーレント光通信装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明における光通信装置によれば、
送信情報に対応する第２の電気信号に、０Ｈｚを含む所定周波数の基準電気信号を加えた第１の電気信号で、光信号を変調することにより生成した変調光信号を受信する光通信装置であって、局発光を生成する手段と、受信した変調光信号と局発光とを結合する手段と、結合する手段が出力する光信号を光電気変換して第３の電気信号を出力する手段と、第３の電気信号に含まれる基準電気信号の変動を示す変動量を検出する手段と、検出した変動量に基づき、第３の電気信号に含まれる、前記第２の電気信号の変動を補償する手段とを備えていることを特徴とする。

本発明における光通信装置の他の実施形態によれば、
変動量は、基準電気信号の振幅及び／又は位相に基づく値であることも好ましく、また、補償する手段は、その複素表示が、変動量の逆数に基づく値である信号を、第２の電気信号に乗ずることも好ましい。

本発明における光通信方法によれば、
送信側光通信装置において、送信情報に対応する第２の電気信号に、所定周波数の基準電気信号を加えた第１の電気信号で、光信号を変調して変調光信号を生成するステップと、変調光信号を光伝送路に送信するステップとを備えており、受信側光通信装置において、生成した局発光と、受信した変調光信号とを結合するステップと、結合した光信号を、光電気変換して、第３の電気信号を生成するステップと、第３の電気信号に含まれる基準電気信号の変動を示す変動量を検出するステップと、検出した変動量に基づき、第３の電気信号に含まれる、前記第２の電気信号の変動を補償するステップとを備えていることを特徴とする。

変調光信号に対する局発光の周波数の揺らぎを、送信側の光通信装置が挿入した基準電気信号に基づき検出して補償することで、局発光の周波数制御を行うことなく光コヒーレント通信を実現することができる。本発明による方法は、送信情報に対応する第２の電気信号の形式や、光信号の変調方法に依存せず、かつ、補償範囲に制限はない。更に、局発光に含まれる雑音成分により生じる第２の電気信号の擾乱も、基準電気信号に基づき併せて補償できるという効果もある。

本発明を実施するための最良の実施形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明による光通信装置の送信側のブロック図である。図１によると、光通信装置は、加算部１１と、基準信号生成部１２と、光信号生成部１３、光変調部１４と、光フィルタ１５とを備えている。

基準信号生成部１２は、正弦波信号である基準信号５０を生成し、加算部１１は、送信すべき情報に対応する電気信号３０と基準信号５０を加算し、加算信号３５を出力する。電気信号３０は、例えば、矩形波信号、副搬送波多重（ＳＣＭ：Ｓｕｂ−ＣａｒｒｉｅｒＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式における各副搬送波を多重した電気信号、無線周波数（ＲＦ：ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯の信号に周波数変換された単一搬送波の変調信号又は直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）信号であり、基準信号５０の周波数は、電気信号３０の妨害とならないもの、例えば、帯域外となるものを使用する。なお、電気信号３０に影響を与えない範囲で、電気信号３０に近い周波数を利用することが好ましいが、その他の周波数であっても良く、さらには、基準信号５０は直流信号であっても良い。また、基準信号５０は、電気信号３０と同期する必要はなく、電気信号３０とは無関係に生成することができる。図２に、加算部１１が出力する信号の概略的なスペクトラムを示す。

光信号生成部１３は、例えば、分布帰還型レーザダイオードであり、所定周波数の連続光を生成し、光変調部１４は、例えば、マッハツェンダ変調器であり、光信号生成部１３が生成する光信号４０を、加算信号３５で、例えば、振幅変調する。

光フィルタ１５は、片側側波帯（ＳＳＢ：ＳｉｎｇｌｅＳｉｄｅＢｎａｄ）方式を使用する場合に設けられ、一方の側波帯を抑圧した変調光信号を光伝送路に出力する。なお、光変調部１４が、ＳＳＢ光信号を、直接、生成しても良い。

図３は、本発明による光通信装置の受信側のブロック図である。図３によると、光通信装置は、光信号生成部２１と、光ハイブリッド２２と、光電気変換部２３と、局発光変動補償部２４と、復調部２５とを備えている。

光信号生成部２１は、例えば、分布帰還型レーザダイオードであり、送信側の光信号生成部１３とは異なる周波数の連続光、いわゆる局発光４１を生成し、光ハイブリッド２２は、送信側の光通信装置から受信する変調光信号と局発光４１を結合して出力する。光電気変換部２３は、例えば、フォトダイオードであり、光ハイブリッド２２が出力する光信号を電気信号に変換、つまり、ヘテロダイン検波を行い、検波電気信号３１を出力する。

本発明において、受信側の光信号生成部２１が生成する局発光４１は、受信する変調光信号により制御を行わない、つまり、受信側の光信号生成部２１は、送信側の光信号生成部１３と非同期であり、両信号生成部が生成する光信号の周波数差は一定ではなく変動している。また、局発光４１には雑音成分も含まれている。したがって、光電気変換部２３が出力する検波電気信号３１は、両光信号間の周波数差の揺らぎや雑音による変動を含んだものであり、局発光変動補償部２４は、この変動を検出して、検波電気信号３１の周波数変動を補償し、補償後の検波電気信号３１を復調部２５に出力する。

図４は、局発光変動補償部２４のブロック図である。図４によると、局発光変動補償部部２４は、分岐部２４１と、基準信号抽出部２４２と、変動検出部２４３と、補償部２４４とを備えている。

分岐部２４１は、光電気変換部２３が出力する検波電気信号３１を分岐し、基準信号抽出部２４２は、検波電気信号３１から基準信号５０を抽出する。変動検出部２４３は、例えば、発振器を有し、発振器が生成する正弦波信号と、基準信号５０とを比較することにより基準信号５０の変動を検出して、変動量を示す信号を出力する。なお、発振器が生成する正弦波信号の周波数は、光信号間の周波数差の変動と比較して無視できる程度に小さいものであるため、発振器の発振周波数を受信信号に従属させる処理は必要ない。

補償部２４４は、変動検出部２４３が出力する変動量を示す信号に基づき、検波電気信号３１の周波数変動を補償する。したがって、局発光変動補償部２４が出力する信号は、光信号生成部２１が出力する局発光の、受信する変調光信号に対する変動が補償されたものとなり、これは、従来技術の様に、光信号生成部２１の周波数を光位相ロックループで制御したときに得られる検波電気信号３１と同等であり、したがって、変動補償後の検波電気信号３１を復調する復調部２５には、従来技術と同じものを使用することができる。なお、検波電気信号に含まれる電気信号３０を抽出し、電気信号３０のみを補償する形態であっても良い。

なお、局発光変動補償部２４が、ＩＦ帯にて変動を補償する形態にて説明したが、局発光変動補償部２４内部にてベースバンド信号に周波数変換を行い、ベースバンド信号に対して変動の補償処理を行っても良い。また、ヘテロダイン検波ではなく、ホモダイン／イントラダイン検波により直接ベースバンド信号を得て補償しても良い。

更に、光電気変換部２３が出力する検波電気信号３１を、アナログデジタル変換し、局初光変動補償部２４及び復調部２５をデジタル領域にて、具体的には、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ：ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）により実現することも好ましい。

図６は、局発光変動補償部２４における処理を具体的に説明する図である。なお、図６（ａ）は、受信側にて観測される基準信号５０の、装置内の基準位相及び振幅に対する位相及び振幅を複素平面上で示したものであり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の一部を拡大したものである。もし、光信号生成部２１が生成する局発光４１が変調光信号と同期しており、かつ、雑音成分を含まないものとすると、基準信号抽出部２４２が出力する基準信号５０は複素平面上のある一点、図６においては、符号６０で示す位置に静止する。しかしながら、本発明において、局発光４１は変調光信号と非同期であるため、その周波数差により位相が回転する。更に、光源の位相雑音や、周波数差の変動等により、受信側にて観測される基準信号５０は、単に位相が回転するばかりではなく、図６（ｂ）に示す様な不規則な変動を示す。

例えば、デジタル領域において、変動検出部２４３は、サンプリングされた基準信号５０に対して、所定の周期ごとに離散フーリエ変換処理を行い、周期ごとに基準信号５０の振幅及び位相を求め、求めた振幅及び位相を変動量として補償部２４４に出力する。例えば、ある周期において、振幅がα、位相がθと求められたとすると、ａ＋ｊｂを変動量として補償部２４４に出力する。ここで、α^２＝ａ^２＋ｂ^２であり、ｔａｎθ＝ｂ／ａである。つまり、ａは基準信号５０の同相成分であり、ｂは基準信号５０の直交成分である。なお、位相のみを変動量としても良い。

補償部２４４は、変動検出部２４３から通知される各変動量について、その変動量を求めたのと同じ周期にサンプリングされた検波電気信号３１に対して、その変動量の逆数で表される信号を乗ずることにより変動を補償する。例えば、ａ＋ｊｂが変動量として通知された場合には、ａ／（ａ^２＋ｂ^２）−ｊｂ／（ａ^２＋ｂ^２）を、同一周期にサンプリングされた検波電気信号３１に乗ずる。なお、変動量の逆数を単に乗ずるのではなく、例えば、基準信号５０と、電気信号３０との周波数差に応じて変動量の逆数を修正する等、変動量の逆数に基づく値を、その振幅及び位相とする信号を乗ずれば良い。

上記処理により、変調光信号と非同期、かつ、雑音成分を含む光信号生成部２１を使用することにより生ずる検波電気信号の変動を除去することができる。なお、サンプリングに使用するクロックは、上述したのと同様、クロック生成器の安定度が、光信号間の周波数差の変動と比較して無視できる程度に小さいものであるため、受信信号に従属させる必要はない。

また、電気信号３０が、ＯＦＤＭ信号である場合には、ＯＦＤＭ信号内のサブキャリアの１つを、局発光と変調光信号との相対的な揺らぎ検出のための基準信号５０に割り当てることも可能である。図５は、電気信号３０がＯＦＤＭ信号である場合の、ＲＦ帯に変換された電気信号３０と基準信号５０の周波数スペクトラムであり、電気信号３０の帯域の中心、すなわち、ベースバンド信号のＤＣ成分の位置を基準信号５０として使用している。この場合、ベースバンド信号にオフセットを加えることで基準信号５０を電気信号３０に加算することができる。また、デジタル領域での計算処理で基準信号５０を加えることも、当然、可能である。

また、電気信号３０が、ＳＣＭやＯＦＤＭ信号の様に、複数のサブキャリアを含んでいる場合には、補償部２４４は、サブキャリア毎に変動の補償を行うことが好ましい。このとき、サブキャリアの周波数位置により補正量を変更しても良い。例えば、ａ＋ｊｂが変動量として通知された場合において、検波電気信号３１に乗ずる値をサブキャリアごとに周波数位置に応じて修正しても良い。更に、電気信号３０が、ＳＣＭ信号である場合には、サブキャリアごとに基準信号５０を設けることも好ましい。

本発明による光通信装置の送信側のブロック図である。電気信号に基準信号を加算した信号の概略的なスペクトルを示す図である。本発明による光通信装置の受信側のブロック図である。局発光変動検出部のブロック図である。電気信号に基準信号を加算した信号の他の実施形態での概略的なスペクトルを示す図である。本発明により光通信方法を説明する図である。

符号の説明

１１加算部
１２基準信号生成部
１３光信号生成部
１４光変調部
１５光フィルタ
２１光信号生成部
２２光ハイブリッド
２３光電気変換部
２４局発光変動補償部
２５復調部
３０電気信号
３１検波電気信号
３５加算信号
４０光信号
４１局発光
５０基準信号
６０複素平面上の一点
２４１分岐部
２４２基準信号抽出部
２４３変動検出部
２４４補償部

Claims

送信情報に対応する第２の電気信号に、所定周波数の基準電気信号を加えた第１の電気信号で光信号を変調することにより生成した変調光信号を受信する光通信装置であって、
局発光を生成する手段と、
受信した変調光信号と局発光とを結合する手段と、
結合する手段が出力する光信号を光電気変換して第３の電気信号を出力する手段と、
第３の電気信号に含まれる基準電気信号の変動を示す変動量を検出する手段と、
検出した変動量に基づき、第３の電気信号に含まれる、前記第２の電気信号の変動を補償する手段と、
を備えている光通信装置。
変動量は、基準電気信号の振幅及び／又は位相に基づく値である、
請求項１に記載の光通信装置。
補償する手段は、その複素表示が、変動量の逆数に基づく値である信号を、第２の電気信号に乗ずる、
請求項２に記載の光通信装置。
送信側光通信装置において、
送信情報に対応する第２の電気信号に、所定周波数の基準電気信号を加えた第１の電気信号で、光信号を変調して変調光信号を生成するステップと、
変調光信号を光伝送路に送信するステップと、
を備えており、
受信側光通信装置において、
生成した局発光と、受信した変調光信号とを結合するステップと、
結合した光信号を、光電気変換して、第３の電気信号を生成するステップと、
第３の電気信号に含まれる基準電気信号の変動を示す変動量を検出するステップと、
検出した変動量に基づき、第３の電気信号に含まれる、前記第２の電気信号の変動を補償するステップと、
を備えている光通信方法。