JP4924428B2

JP4924428B2 - 偏波モード分散補償回路

Info

Publication number: JP4924428B2
Application number: JP2007534336A
Authority: JP
Inventors: 茂己和田; 仁山崎
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2026-08-28
Also published as: JPWO2007029535A1; WO2007029535A1; US20090162068A1

Description

本発明は、光学的な手段によるデジタル信号伝送の分野に関し、特に光ファイバの偏波分散によって生じた光信号歪みを電気的に整形する偏波モード分散補償回路に関する。

偏波モード分散(PMD; Polarization Mode Dispersion)とは、伝送路に用いられる光ファイバや光デバイスが偏波依存性を持つ場合に、主軸となる2つの偏波モード間の伝搬時間が異なる現象をいう。また偏波モード分散の量は、2つの主要偏光状態(PSP; Principal States of Polarization)と、伝送路におけるモード間の群遅延時間差（DGD; Differential Group Delay）で特徴付けられる。受信される光信号は、両モードの波形の和として観測されるため、歪んだ波形となり、受信感度や伝送特性の劣化要因となる。さらに伝送路のPSPやDGDは、光ファイバに掛かる圧力や振動、あるいは温度によっても変化するため、偏波モード分散による劣化量は、ランダム性を持って動的変動している。

図４は変動する偏波モード分散により波形が劣化することを説明するための図である。

図４（ａ）に示すように、図面左側に示すように、光ファイバ４０１を伝搬する前には速軸と遅軸とで一致していた信号が、光ファイバ４０１の2つの偏波モード間の伝搬時間が異なることから、光ファイバ４０１の伝搬後には速軸と遅軸とで時間的にずれて出力されている。図４（ｂ）は図４（ａ）に示した光信号を電気的な信号に置き換えた様子を示す図であり、伝搬前には高さが１とされ、"1"、"0"とされていた信号が、伝搬後には、速軸と遅軸との分岐比をγとしたときに、高さが１−γ、γの信号とされ、"1"、"1"と認識されている。この速軸と遅軸との時間差が群遅延時間差である。

図４（ｃ）は動的に変動する偏波モード分散を示す図である。偏波モード分散を特徴付ける2つの主要偏光状態と群遅延時間差は光ファイバに掛かる圧力や振動、あるいは温度によっても変化し、図４（ｃ）に示すように分岐比γや群遅延時間差は動的に変動することとなる。

図４（ｄ）は変動する偏波モード分散により劣化した状態の波形を示すEYE開口である。

上記特性を持つ偏波モード分散を補償するため、光学的な分散補償素子を用いる方法、あるいはデジタルフィルタを用いて電気的に分散補償する方法が取られている。

さらに、特開２００４−３５６７４２号公報に記載があるように、劣化波形を非同期型のサンプリングにより検出し、その劣化度合いを算出し、制御回路で分散補償器を制御するなどの簡易なフィードバック制御方式も考案されている。
特開２００４−３５６７４２号公報

偏波モード分散を補償するための従来技術の一つとして、光学的な分散補償素子を用いる方法、あるいはデジタルフィルタを用いて電気的に分散補償する方法が取られている。しかしながら代表的な劣化変動速度はミリ秒以下程度であり、温度制御を主とする一般的な光学補償素子はこの速度に追従できないことが良く知られている。また、デジタル信号処理でよく用いられるアダプティブ・フィルタと適応アルゴリズムの組み合わせも、10Gbpsを超えるような高速通信においては、その高速性のため充分な変動対応補償が困難であるという問題があった。

さらに、特開２００４−３５６７４２号公報に記載されるように、劣化波形を非同期型のサンプリングにより検出し、その劣化度合いを算出し、制御回路で分散補償器を制御するなどの簡易なフィードバック制御方式では、劣化度合いを判定するためのサンプリングに時間が必要なこと、補償器の制御のための演算処理時間も必要であるなど、高速に変動する偏波モード分散に対応するためのフィードバック制御の高速性にはまだ問題が残っていた。

本発明は上述したような従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、高速に変動する偏波モード分散に対応することのできる補償回路を実現することを目的とする。

本発明の偏波モード分散補償回路は、信号が伝送路を伝搬する際に生じる偏波モード分散を補償する偏波モード分散補償回路であって、
偏波モード分散した波形を整形するトランスバーサルフィルタとして構成された前置補償部と、
偏波モード分散の変動周波数よりも高いループ帯域特性を持つPLL型のデータ信号再生回路を備え、偏波モード分散の時間的変動を追尾し、データを再生するデータ追跡再生部と、
を有することを特徴とする。

本発明の他の形態による偏波モード分散補償回路は、信号が伝送路を伝搬する際に生じる偏波モード分散を補償する偏波モード分散補償回路であって、
偏波モード分散した波形を整形するトランスバーサルフィルタとして構成された前置補償部と、
偏波モード分散の変動周波数よりも高いループ帯域特性を持つPLL型のクロック・データ信号再生回路を備え、偏波モード分散の時間的変動を追尾し、データを再生するデータ追跡再生部と、
を有することを特徴とする。

この場合、前置補償部は、デジタルフィルタの一種である線形等化器で構成されるとしてもよい。

また、前置補償部の重み付け係数は、前置補償部の出力が偏波モード分散の変動範囲の全てでEYE開口を形成し、かつ、その開口部がデータ追跡再生部でデータ識別できる出力振幅となるように設定されるとしてもよい。

また、前記データ追跡部のループ帯域は、偏波モード分散の変動周波数よりも高い周波数に可変できるとしてもよい。

また、前置補償部の重み付け係数は、分岐比４０−６０％の光信号入射時に、前置補償部出力のEYE開口が最大になるように設定されるとしてもよい。

また、前置補償部の重み付け係数は、光入力の分岐比を変化させた時の波形劣化をモニターして決定されるとしてもよい。

また、前記前置補償部の重み付け係数を設定する制御コントローラを有するとしてもよい。

また、制御コントローラは、前置補償部部が出力に応じて前置補償部の重み付け係数を決定するとしてもよい。

また、制御コントローラは、データ追跡再生回路出力のエラーレートに応じて前記データ追跡再生回路の入力電圧を変動させるとしてもよい。

偏波モード分散の変動では、PSPの変化に伴い、波形自体に乱れを生じると共に、伝送線路のDGD量のMAX値に相当する時間範囲内で信号タイミングもずれ、波形はさらに乱れる。

本発明では、前置補償部がトランスバーサルフィルタとして構成されている。トランスバーサルフィルタの重み付け係数を、各個別のPSP値（このとき伝送ファイバ特性によりDGDも決定される）に対する最適値では無く、全PSP値にて次段のデータ追跡再生部が識別可能な波形程度に波形整形する設定としておく。さらに同期型のデータ追跡再生部のループ帯域を、偏波モード分散の変動周波数よりも高くすることで、PSPが時間変動した場合に発生する時間ずれに追従させることができる。サンプリング時間や演算処理時間を必要としない本発明の構成により、ファイバーへの接触、振動などに起因する極めて高速なPMD(PSP、DGD)変動が発生した場合でも、エラーフリーな補償波形が実現できる。

本発明の第１の実施の形態の一例を示す構成図である。本発明の前置補償部の構成を示す図である。本発明のデータ追跡再生部の構成を示す図である。偏波モード分散により信号波形が歪む様子を示した図である。前置補償回路にて補償した出力波形を示す図である。本発明の効果を示す図である。本発明の第２の実施の形態の一例を示す構成図である。前置補償回路にて補償した出力波形と、データ追跡再生部の閾値を示す図である。本発明のデータ追跡再生部の第２の実施構成例を示す図である。

符号の説明

１０１光ファイバ
１０２フォトダイオード
１０３トランスインピーダンス型増幅器
１０４偏波モード分散補償回路
１０５前置補償部
１０６データ追跡再生部
１０７ＣＤＲ／ＤＥＭＵＸ部
３０１，３０７増幅器
３０２遅延器
３０３識別器
３０４位相比較器
３０５ＶＣＯ
３０６ループフィルタ

本説明についてさらに詳細に説述すべく添付図面を参照して以下に説明する。

本発明の実施の形態の一例について説明する。本発明の一実施の形態は、図１に示すように、光ファイバの受信部分にフォトダイオードとトランスインピーダンス型の増幅器から成るフロントエンドモジュールを置いておく。さらに次段として、前置補償部、さらにはデータ追跡再生回路からなる偏波モード分散補償回路を置くことで、偏波モード分散の動的変動によって発生する信号エラーを防ぐことが出来る。

以下、具体的な実施例に即して説明する。

実施例１
図１、図２と図３は、本発明の第１の実施例の偏波モード分散補償回路を示す回路図である。

図１の偏波モード分散補償回路は、フォトダイオード１０２、前置補償部１０５およびデータ追跡再生部１０６からなる偏波モード分散補償回路１０４、クロックデータ再生／分離回路（CDR/DEMUX）１０７から構成される。

フォトダイオード１０２は光ファイバ１０１を介して伝送される光伝送信号を受信し、光信号から電気信号に変換する。トランスインピーダンス型増幅器１０３はフォトダイオード１０２により変換された電気信号を増幅する。前置補償部１０５はトランスインピーダンス型増幅器１０３により増幅された電気信号を波形整形する。データ追跡再生部１０６は前置補償部１０５により整形された波形を偏波モード分散の変動に追従させる。CDR/DEMUX１０７はデータ追跡再生部１０６出力である再生された補償信号データから低速のデータを取り出す。

図２は前置補償部１０５の構成例を示すブロック図である。前置補償部１０５は、遅延時間がビットレート周期の1/2に設定された複数の遅延線路Ｔと重み付け増幅器a₁-a_n、並びに加算器２０１から構成される線形等化器（回路構成によっては、FFE：Feed-forward Equalizer、FIRフィルタ：finite Impulse Reaction Filterとも呼ばれる）を構成するトランスバーサルフィルタである。

図３はデータ追跡再生部１０６の構成例を示すブロック図である。データ追跡再生部１０６は図３に示すように、増幅器３０１，３０７、遅延器３０２、識別器３０３、位相比較器３０４、電圧制御発信器（ＶＣＯ）３０５、ループフィルタ３０６から構成されている。

増幅器３０１は前置補償部１０５からの信号を増幅し、識別器３０３と遅延器３０２へ供給する。遅延器３０２は入力信号を所定時間遅延させた後に位相比較器３０４へ出力する。識別器３０３はＶＣＯ３０５出力をＣ_p入力とするＤフリップフロップにより構成される保持回路であり、その出力は位相比較器３０４および増幅器３０７へ入力されている。

遅延器３０２、識別器３０３、位相比較器３０４、ＶＣＯ３０５およびループフィルタ３０６はＰＬＬ（Phase-Locked Loop）回路を構成するもので、データ追跡再生部１０６はＰＬＬ型のデータ信号再生回路（DR: Data Recovery）を構成する。

位相比較器３０４は識別器３０３と遅延器３０２のデータ出力を位相比較し、ＶＣＯ３０５の発振周波数を制御する。これにより、識別器３０３の出力の位相は遅延器３０２出力の位相に等しいものとなり、増幅器３０７により増幅されて偏波モード分岐補償回路１０４出力とされる。

データ追跡再生部１０６では、偏波モード分散の変動に追従させるために、ループフィルタ３０６の帯域を分散変動周波数（一般的には数〜数百KHz）よりも大きく設定しておく。

図４（ｃ）に示したように、偏波モード分散の変動は、PSPの変化に伴い、波形自体に乱れを生じると共に、伝送線路のDGD量のMAX値に相当する時間範囲内で信号タイミングもずれ、波形はさらに乱れることが特徴である。このとき上記前置補償部１０５の重み付け係数の設定値は、PSPによる波形劣化において、各個別のPSP値（このとき伝送ファイバ特性によりDGDも決定される）に対する最適値では無く、全PSP値にて次段のデータ追跡再生部１０６が識別可能な波形に波形整形する設定とし、固定しておく。このような設定の場合、前置補償部１０５の出力は、次段のデータ追跡再生部２０６の入力感度以上のEYE開口を持つ補償波形と成る。

上記の実施例は、前置補償部１０５を構成する図２に示したトランスバーサルフィルタの各TAP係数を制御し、出力のEYE波形がデータ追跡再生部１０６にて図５に示すように識別可能な状態とする。

一方、データ追跡再生部１０６では、PSPが時間変動した場合に発生する時間ずれに追従し、時間変動があっても時間ずれが発生しない安定した補償波形を出力する。これにより、PMD(PSP、DGD)変動が発生した場合も、エラーフリーな補償波形が実現できる。

図６は、本実施例による偏波分散補償回路を使用した場合と、使用しない場合の偏波分散トレランスを評価した結果である。図６から判るように、本実施例の回路を用いることで、ＤＧＤ量が変動した場合においても、分散トレランス(エラーレート<1E-12で規定)が約3倍改善していることが判る。

なおデータ追跡再生部１０６は、PMD変動周波数より高いループ帯域を持つクロック・データ再生(CDR: Clock Data Recovery)回路、もしくは上記特性を持つCDR内蔵の分離回路（DEMUX）やDeserializerとし、この前段に前置補償器を構成する方法でも構わない。さらに本実施例では、NRZ(Non return-to-zero)信号による例を示したが、本発明はRZ(Return-to-zero)、CSRZ(Carrier Suppressed RZ)、Duo-binary、DPSK(Differential Phase Shift Keying )などの伝送方式に因らず、適用が可能である。

次に、図７を用いて、本発明の第２の実施例の偏波モード分散補償回路を説明する。

図７に示される偏波モード分散補償回路は、分岐比設定部７１３により設定された分岐比にて光ファイバ７０１を伝送する光伝送信号を受信し、光信号から電気信号に変換するフォトダイオード７０２、この電気信号を増幅するトランスインピーダンス型増幅器７０３、トランスインピーダンス型増幅器７０３により増幅された電気信号を波形整形する前置補償部７０５、前置補償部７０５とともに偏波モード分散補償回路７０６を構成し、前置補償部７０５により前置補償された出力波形をロックし、偏波モード分散の変動に追従させるために設けられ、増幅率を調整する機能が付加されたデータ追跡再生部７０６、並びに再生した補償信号データから低速のコーディングされたデータを取り出す為のクロック・データ再生／分離回路（CDR/DEMUX）７０７、コーディングされた低速のデータから正確な信号を生成すると共に、伝送信号のエラーを判定する順方向誤り訂正（FEC：Forward Error Correction）部７１１、前置補償部７０５出力における分散波形の劣化度合いを判定する波形モニター７０８、FEC部７１１における伝送信号のエラー判定結果と波形モニター７０８からの判定信号に基づいた演算処理を行うデジタル信号処理部（DSP：Digital Signal Processor）７１０、DSP７１０における演算処理結果に基づいて前置補償部７０５の重み付け係数を制御するとともに、データ追跡再生部７０６の増幅率を調整する閾値を決定する制御コントローラ７０９から構成される。

フォトダイオード７０２、前置補償部７０５およびデータ追跡再生部７０６からなる偏波モード分散補償回路７０４、クロックデータ再生／分離回路（CDR/DEMUX）７０７の構成および動作は図１に示したフォトダイオード１０２、前置補償部１０５およびデータ追跡再生部１０６からなる偏波モード分散補償回路１０４、クロックデータ再生／分離回路（CDR/DEMUX）１０７と同様である。

前置補償部７０５は、図２に示したような、遅延時間がビットレート周期の1/2に設定された複数の遅延線路Ｔと重み付け増幅器a₁-a_n、並びに加算器２０１から構成される。

図９はデータ追跡再生部７０６の構成を示すブロック図であるが、図９中の増幅器９０７、遅延器９０２、識別器９０３、位相比較器９０４、電圧制御発信器（ＶＣＯ）９０５、ループフィルタ９０６の構成および動作は、図３に示した増幅器３０７、遅延器３０２、識別器３０３、位相比較器３０４、電圧制御発信器（ＶＣＯ）３０５、ループフィルタ３０６と同様である。

本実施例における増幅器９０１は差動増幅器として構成されており、一方の入力には前置補償部７０５からの信号が入力され、他方の入力には制御コントローラ７０９により決定された閾値設定７１４が入力されている。

本実施例においても、データ追跡再生部７０６では、偏波モード分散の変動に追従させるために、ループフィルタ９０６の帯域を分散変動周波数（一般的には数〜数百KHz）よりも大きく設定しておく。

前述のように偏波モード分散の変動は、図４（ｃ）に示すように、PSPの変化に伴い、波形自体に乱れを生じると共に、伝送線路のDGD量のMAX値に相当する時間範囲内で信号タイミングもずれ、波形はさらに乱れることが特徴である。このため、本実施例の偏波モード分散補償回路ならびに伝送装置では、伝送線路の平均値DGDに対して、分岐比設定部７１３により分岐比４０−６０％の範囲の光信号を伝送させる。

光ファイバ７０１伝搬後の光信号の状態は制御コントローラ７０９により設定される。

ＤＳＰ７１０は波形モニター７０８が出力する分散波形については、その劣化度合いを示す"0"、"1"の割合やピークツーピークの値を演算する。また、ＤＳＰ７１０はFEC部７１１が出力する伝送信号のエラー判定結果によりエラーレートを演算する。

制御コントローラ７０９は、ＤＳＰ７１０の演算結果に基づいて前置補償部７０５の重み付け係数設定７１２、データ追跡再生部７０６の閾値設定７１４を決定する。

重み付け係数設定７１２、閾値設定７１４の決定はトレーニング工程にて行われる。、波形モニター７０８が出力する分散波形の劣化度合いの判定結果、並びに、FEC部７１１が出力する伝送信号のエラー判定結果に基づいてEYE開口が最大となり、エラーレートが最小となるように前置補償部７０５の重み付け係数設定７１２を決定し、並びに、データ追跡再生部７０６における入力信号の閾値調整機能の閾値設定７１４を決定し、それらの値を固定する。

重み付け係数設定７１２は分散波形の"0"、"1"の割合が１：１となるように決定されるが、この他にも分散波形のピークツーピークの値が最大となるように決定してもよい。また、これらの決定方法に重み付けを行って併用することとしてもよい。この結果、EYE開口を最大とすることが可能となる。

閾値設定７１４については、エラーレートが所定の値以下とならないように閾値設定７１４を決定する。これにより、増幅器９０１における入力電圧が変更され、エラーレートを最小とすることが可能となる。

図８には、前記トレーニング工程において決定された初期値となる重み付け係数設定７１２により、各TAP係数が制御され、出力のEYE波形がデータ追跡再生部７０６にて識別可能な状態とされ、閾値設定７１４が行われる例が示されている。

一方、データ追跡再生部７０６では、ファイバー接触やファイバー振動などに伴う高速に時間的変動する分散に起因した時間ずれ、振幅変化も補償することができ、時間変動の無い安定した補償波形が出力される。これにより、従来の技術では対応しきれなかったより高速なPMD(PSP、DGD)変動が発生した場合であっても、エラーフリーな補償波形が実現できる。

本実施例においても、第１の実施例と同様、本実施例による偏波分散補償回路を使用した場合と、使用しない場合の偏波分散トレランスを評価した結果として図６に示すデータが得られた。図６から判るように、本実施例の回路を用いることで、変動した場合においても分散トレランス(エラーレート<1E-12で規定)が約3倍改善していることが判る。

なお、本実施例では、前置補償部７０５の重み付け係数設定７１２、並びにデータ追跡再生部７０６の閾値設定７１４をトレーニング工程で設定した初期値に固定する場合について説明したが、制御コントローラ７０９に、トレーニング工程だけではなく、信号伝送時にも重み付け係数設定７１２、並びに、閾値設定７１４を制御する機能を動作させ、常時、重み付け係数設定７１２、並びに、閾値設定７１４を更新する形態としても構わない。

上記のような構成とした場合、ＦＥＣ部７１１におけるエラー判定や波形モニタ信号からの判定時間とDSP演算処理に要する時間の合算時間は、データ追跡再生部で追従する制御速度と一桁以上の時間差が生じる。従って、高速PMD変動にはデータ追跡再生部７０６のみが、温度変動や比較的ゆっくりとしたPMD変動に対してはデータ追跡再生部７０６と制御コントローラ７０９による制御の両方が安定動作し、PMD分散を補償することができる。

またデータ追跡再生部７０６は、PMD変動周波数より高いループ帯域を持つクロック・データ再生(CDR: Clock Data Recovery)回路、もしくは上記特性を持つCDR内蔵のDEMUXやDeserializerとし、この前段に前置補償器を構成する方法でも構わない。さらに本実施例では、NRZ(Non return-to-zero)信号による例を示したが、本実施例はRZ(Return-to-zero)、CSRZ(Carrier Suppressed RZ)、Duo-binary、DPSK(Differential Phase Shift Keying )などの伝送方式に寄らず、適用が可能である。

さらに、本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例の構成に限定されるものではなく、特許請求の各請求項の発明の範囲で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

Claims

信号が伝送路を伝搬する際に生じる偏波モード分散を補償する偏波モード分散補償回路であって、
偏波モード分散した波形を整形するトランスバーサルフィルタとして構成された前置補償部と、
偏波モード分散の変動周波数よりも高いループ帯域特性を持つPLL型のデータ信号再生回路を備え、偏波モード分散の時間的変動を追尾し、データを再生するデータ追跡再生部と、
を有することを特徴とする偏波モード分散補償回路。
信号が伝送路を伝搬する際に生じる偏波モード分散を補償する偏波モード分散補償回路であって、
偏波モード分散した波形を整形するトランスバーサルフィルタとして構成された前置補償部と、
偏波モード分散の変動周波数よりも高いループ帯域特性を持つPLL型のクロック・データ信号再生回路を備え、偏波モード分散の時間的変動を追尾し、データを再生するデータ追跡再生部と、
を有することを特徴とする偏波モード分散補償回路。
請求項１または請求項２記載の偏波モード分散補償回路において、
前置補償部は、デジタルフィルタの一種である線形等化器で構成されることを特徴とする偏波モード分散補償回路。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の偏波モード分散補償回路において、
前置補償部の重み付け係数は、前置補償部の出力が偏波モード分散の変動範囲の全てでEYE開口を形成し、かつ、その開口部がデータ追跡再生部でデータ識別できる出力振幅となるように設定されることを特徴とする偏波モード分散補償回路。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の偏波モード分散補償回路において、
前記データ追跡部のループ帯域は、偏波モード分散の変動周波数よりも高い周波数に可変できることを特徴とする偏波モード分散補償回路。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の偏波モード分散補償回路において、
前置補償部の重み付け係数は、分岐比４０−６０％の光信号入射時に、前置補償部出力のEYE開口が最大になるように設定されることを特徴とする偏波モード分散補償回路。
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の偏波モード分散補償回路において、
前置補償部の重み付け係数は、光入力の分岐比を変化させた時の波形劣化をモニターして決定されることを特徴とする特徴とする偏波モード分散補償回路。
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の偏波モード分散補償回路において、
前記前置補償部の重み付け係数を設定する制御コントローラを有することを特徴とする偏波モード分散補償回路。
請求項８記載の偏波モード分散補償回路において、
制御コントローラは、前置補償部部が出力に応じて前置補償部の重み付け係数を決定することを特徴とする偏波モード分散補償回路。
請求項８または請求項９に記載の偏波モード分散補償回路において、
制御コントローラは、データ追跡再生回路出力のエラーレートに応じて前記データ追跡再生回路の入力電圧を変動させることを特徴とする偏波モード分散補償回路。