JP4941340B2 - 光通信方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）変調による信号の様に、振幅分布に偏りがある信号、特にピーク電力対平均電力比が高い信号を伝送する光通信システムに関する。

ＯＦＤＭ変調技術は、送信データを複数のサブキャリアを用いて並列に伝送する方式であり、各サブキャリアのシンボルレートが比較的低くなるためシンボル間干渉に強く、デジタル地上波放送や、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｅｒａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）システムで既に使用されており、光通信システムへの適用についても検討されている（例えば、非特許文献１及び２、参照。）

Ａｒｔｈｕｒ Ｊａｍｅｓ Ｌｏｗｅｒｙ、ｅｔ ａｌ．、"Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｆｏｒ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｎｇ−ｈａｕｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ"、２００６ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ ２０７９、Ｖｏｌ．１４ Ｎｏ．６、２００６年３月 Ｉｖａｎ Ｂ． Ｄｊｏｒｄｊｅｖｉｃ、ｅｔ ａｌ．、"Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｆｏｒ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓ"、２００６ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ ３７６７、Ｖｏｌ．１４ Ｎｏ．９、２００６年５月

例えば、非特許文献１及び２に記載されている様に、現在検討されている光通信システムへのＯＦＤＭ技術の適用は、マッハツェンダ型変調器を用いて連続光を振幅変調するものである。

しかしながら、ＯＦＤＭ信号は、その振幅分布に大きな偏りがあり、ピーク電力対平均電力比（ＰＡＰＲ：Ｐｅａｋ ｔｏ Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ）が高いため、光ファイバにおけるカー効果等の非線形効果により、信号伝送に伴う品質劣化が高いという問題がある。

したがって、本発明は、ＯＦＤＭ信号の様に、その振幅分布が一様ではない信号を、従来技術より品質劣化を抑えて伝送する光通信方法及び光通信装置を提供することを目的とする。

本発明による光通信方法によれば、
送信側光通信装置において、連続光を位相変調するステップと、受信側光通信装置において、位相変調された光信号を、光ヘテロダイン検波して電気信号に変換するステップと、受信側光通信装置において、前記電気信号の位相変動を振幅変動に変換するステップとを備えていることを特徴とする。

本発明の光通信方法における他の実施形態によれば、
連続光の位相変調の位相変調範囲が周期的に反転することも好ましい。

また、本発明の光通信方法における他の実施形態によれば、
連続光の位相変調は、直交周波数分割多重変調された信号により行われることも好ましい。

本発明による光通信装置によれば、
電気信号を生成する手段と、連続光を生成する手段と、連続光を、前記電気信号に基づき位相変調する手段とを備えていることを特徴とする。

本発明の光通信装置における他の実施形態によれば、
位相変調する手段は、連続光の位相を周期的に反転する手段と、周期的に位相が反転する光信号を、前記電気信号で位相変調する手段とを備えていることも好ましい。

また、本発明の光通信装置における他の実施形態によれば、
位相変調する手段は、前記電気信号に所定量のオフセットを周期的に加える手段と、連続光を、周期的にオフセットを加えた電気信号で位相変調する手段とを備えているも好ましい。

更に、本発明の光通信装置における他の実施形態によれば、
前記電気信号は、振幅分布が一様ではないことも好ましい。

従来技術による方法と比較し、光ファイバの非線形効果による影響を防ぐことができる。また、位相変調光信号の位相変調範囲を周期的に反転させることで、キャリア成分が抑圧され、伝送する信号の振幅分布に係らず、品質劣化を抑えた効率的な光信号の伝送が可能になる。

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り、図２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。なお、本発明による光通信システムは、本発明による光通信装置の送信側と受信側とが、光伝送路により接続されたものであり、光伝送路は、光ファイバと、０又は１つ以上の光増幅器を含んでいる。

本発明による光通信装置の送信側は、シリアルパラレル（Ｓ／Ｐ）変換部１１と、マッピング部１２と、ファーストフーリエ逆変換（ＩＦＦＴ）部１３と、デジタルアナログ（Ｄ／Ａ）変換部１４と、ＩＱ多重部１５と、周波数変換部１６と、光位相変調部１７と、局発光発振（ＬＯ）部１８とを備えている。

また、本発明による光通信装置の受信側は、局発光発振（ＬＯ）部２１と、光結合部２２と、光電気変換部２３と、位相復調部２４と、ＩＱ分離部２５と、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換部２６と、ファーストフーリエ変換（ＦＦＴ）部２７と、デマッピング部２８と、パラレルシリアル（Ｐ／Ｓ）変換部２９とを備えている。

Ｓ／Ｐ変換部１１は、送信データを、使用するサブキャリア数のデータ列にパラレル変換し、マッピング部１２は、各サブキャリの変調方式に基づき各入力データを複素平面上の座標、つまり、複素値に変換し、ＩＦＦＴ部１３は、各サブキャリアに対応する入力ポートに入力された複素値を離散フーリエ逆変換して、時間領域の複素サンプルを求め、その実部（Ｒｅ）と虚部（Ｉｍ）をそれぞれ出力し、Ｄ／Ａ変換部１４は、実部の時間サンプルをアナログ変換して同相ＯＦＤＭベースバンド信号（Ｉ：Ｉｎ−ｐｈａｓｅ）として出力し、虚部の時間サンプルをアナログ変換して直交ＯＦＤＭベースバンド信号（Ｑ：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）として出力する。

ＩＱ多重部１５は、直交変調、つまり、同相及び直交ＯＦＤＭベースバンド信号に、位相が互いにπ／２だけ異なる所定周波数の正弦波信号を乗じて周波数変換し、周波数変換後の信号を加算してＯＦＤＭ信号を出力し、周波数変換部１６は、例えば、ＯＦＤＭ信号を無線周波数（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯の周波数に周波数変換する。

ＬＯ部１８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て光位相変調部１７に出力する。光位相変調部１７は、例えば、電気光学効果を利用したＬＮ（ニオブ酸リチウム）変調器であり、ＬＯ部１８からの連続光を、周波数変換部１６が出力するＯＦＤＭ信号により光位相変調を行い、位相変調光信号を光伝送路に出力する。

光結合部２２は、位相変調光信号を受信し、ＬＯ部２１からの連続光と結合し、光電気変換部２３は、光結合部２２が出力する光信号を電気信号に変換する。ＬＯ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ＬＯ部１８が生成する光信号の周波数とは異なる周波数の連続光を生成する。つまり、本発明による光通信装置は、光ヘテロダイン検波を行う。したがって、光電気変換部２３が出力する中間周波数（ＩＦ：Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号は、ＬＯ部２１とＬＯ部１８との周波数差の正弦波信号を、ＯＦＤＭ信号により位相変調したものとなる。

位相復調部２４は、光電気変換部２３が出力する位相変調されたＩＦ信号の、位相変動を振幅変動に変換する。本信号は、ＯＦＤＭ信号により振幅変調された光信号をヘテロダイン検波した場合に得られる信号と同じであるため、以後は、従来技術と同じ方法にて復調を行う。

すなわち、ＩＱ分離部２５は、振幅変動に変換されたＩＦ信号に、それぞれ、位相が互いにπ／２だけ異なる所定周波数の正弦波信号を乗じて同相及び直交ＯＦＤＭベースバンド信号をそれぞれ出力し、Ａ／Ｄ変換部２６は、同相及び直交ＯＦＤＭベースバンド信号をそれぞれサンプリングし、同相ＯＦＤＭベースバンド信号から得られるサンプル値を実部、直交ＯＦＤＭベースバンド信号から得られるサンプル値を虚部として出力し、ＦＦＴ部２７は、実部と虚部とを合わせた時間軸上の複素値から、各サブキャリアの複素平面上での複素値を求め、デマッピング部２８は、各サブキャリアの複素平面上での複素値からそのサブキャリアのデータを判定し、Ｐ／Ｓ変換部２９は、各サブキャリアのデータをシリアル変換して出力する。

図３は、光位相変調部１７が出力する位相変調光信号の振幅及び位相を複素平面にて表示したものである。上述したとおり光位相変調部１７は、ＯＦＤＭ信号の振幅変化に応じて連続光の位相のみを変化させるものであるため、複素平面においてその振幅は一定である。図３（ａ）は、無変調時の光信号を実軸正方向の信号（図の点線の矢印で示す信号）とし、位相変調範囲ｘを、−π／２≦ｘ≦＋π／２とする例を示している。また、図３（ｂ）は、同じく、位相変調範囲ｘを、−π＜ｘ＜＋πとする例を示している。なお、図３に示す位相変調範囲は例示であり、−ｚ＜ｘ＜＋ｚ、ここで、ｚ＜πを使用可能である。

以上、ＯＦＤＭ信号により光信号を位相変調し、受信側においては光ヘテロダイン検波により送信光と局発光とのビート成分を取り出す。ビート成分は、ＯＦＤＭ信号による位相変動を含むものであるため、この位相変動を振幅変動に変換して復調処理を行う。本発明による光通信システムにおいて、伝送される光信号の振幅は一定であり、従来提案されている振幅変調による方式と比較して、光ファイバの非線形効果による影響を受けにくくなる。

また、本発明による光通信システムは、波長分散等に対する耐力も従来技術によるシステムより強く、精度の高い波長分散補償は必要ではない。したがって、既存の光リンク、つまり、あまり精度の高くない波長分散補償ファイバ及び高いＰＭＤを有する光リンクにそのまま適用可能という利点もある。

続いて、本発明の他の実施形態について説明する。上述した実施形態においては、連続光をＯＦＤＭ信号で位相変調していた。ここで、図３（ａ）に示す様に、位相変調範囲ｘを−π／２≦ｘ≦＋π／２とした場合、光位相変調部１７が出力する光信号は、情報伝送に寄与しない光キャリア成分を含んだものとなる。仮に、ＯＦＤＭ信号の振幅が一様に分布、つまり、最小の振幅値から最大の振幅値までの各振幅値の出現確率がほぼ等しいのであれば、図３（ｂ）に示す様に、位相変調範囲ｘを−π＜ｘ＜＋πとすることによりキャリア成分を抑えたスペクトラムが得られ、よって、情報伝送に寄与する側波帯に割り当てる電力を大きくすることができ、品質劣化を抑えた情報伝送が可能になる。しかしながら、ＯＦＤＭ信号の振幅分布は、一様でないため、図３（ｂ）に示す位相変調範囲を使用したとしても、実際には、キャリア成分が残留することになる。

したがって、本実施形態においては、図４（ａ）及び（ｂ）に示す様に、無変調時の信号、すなわち、ＯＦＤＭ信号の振幅が零であるときに出力される光信号として、位相が互いにπだけ異なる２つの信号を使用し、この２つの無変調光信号を、周期的に切り替えて位相変調を行う。つまり、位相変調範囲を周期的に反転させる。位相変調範囲の切替タイミングは、位相の切り替わりによる影響を抑えるため、ＯＦＤＭシンボルの切替タイミングに一致させる。また、後述する様に、位相変調範囲の切替タイミングの受信側通信装置への明示的な通知は、図４に示す位相変調範囲より小さい範囲を使用している場合には必須ではない。π／２より大きい位相変動を伴う位相変調を行う場合や、その他の目的等で、位相変調範囲の切替タイミングの通知を行う場合には、例えば、同期シンボル等、ＯＦＤＭ信号に周期的に含まれる既知のシンボル部分で切替えを行う。これにより、受信側通信装置において、受信信号から切替タイミングを抽出することができる。

以後、図４（ａ）に示す位相変調範囲を使用している期間を第１の期間、図４（ｂ）に示す位相変調範囲を使用している期間を第２の期間として参照する。また、図４（ａ）に矢印で示す信号、つまり、第１の期間における無変調時の信号を第１の基準信号として、図４（ｂ）に矢印で示す信号、つまり、第２の期間における無変調時の信号を第２の基準信号として参照する。

図５は、本実施形態における光位相変調部１７のブロック図である。図５（ａ）によると、光位相変調部１７は、ＬＮ変調器１７１と、オフセット制御部１７２とを備えている。

オフセット制御部１７２には、第１及び第２の期間を示す切替制御信号と、周波数変換部１６が出力するＯＦＤＭ信号が入力され、オフセット制御部１７２は、切替制御信号が第１の期間を示している間、ＯＦＤＭ信号に直流オフセットを加えて出力し、切替制御信号が第２の期間を示している間、ＯＦＤＭ信号に直流オフセットを加えず出力する。ＬＮ変調器１７１は、オフセット制御部１７２の出力信号で、ＬＯ部１８からの連続光を位相変調する。ここで、直流オフセットのレベルは、ＬＮ変調器１７１が、ＬＯ部１８からの連続光の位相を反転、つまり、πだけ位相を異ならせて出力する値に調整することで、本実施形態における光位相変調を実現する。なお、第１の期間と第２の期間において、それぞれ、ＯＦＤＭ信号の振幅が零である場合における出力光信号の位相が反転すれば良く、第１の期間と第２の期間で、それぞれ、異なる値の直流オフセットを加えても良い。

また、図５（ｂ）によると、光位相変調部１７は、マッハツェンダ（ＭＺ）変調器１７３と、ＬＮ変調器１７１とを備えている。ＭＺ変調器１７３には、ＬＯ部１８からの連続光と、第１及び第２の期間の切替を示す切替制御信号が入力される。ＭＺ変調器１７３は、切替制御信号が、第１の期間を示しているときに第１の基準信号を、第２の期間を示しているときに第２の基準信号を、つまり、切替タイミングごとに位相が反転する光信号を出力し、ＬＮ変調器１７１は、周波数変換部１６が出力するＯＦＤＭ信号で、ＭＺ変調器１７３が出力する光信号を位相変調する。

図５（ａ）に示す変調方法から明らかなように、受信側通信装置において位相復調部２４が出力する信号は、ＯＦＤＭ信号に周期的に直流オフセットが加わったものであるが、直流オフセットは、ＯＦＤＭ信号の復調に影響をあたえないため、位相変動の最大値がπ／２以下である場合には、問題とならない。

しかしながら、位相変動の最大値がπ／２を超える場合、位相復調部２４は、位相変動を振幅変動に変換するに際に、第１の期間であるか、第２の期間であるかを認識する必要がある。したがって、この場合には、上述した様に、ＯＦＤＭ信号に含まれる既知のシンボルを目印として切替タイミングを決定できる様にし、受信側通信装置において、図示しないタイミング検出部で切替タイミングを検出して位相復調部２４に通知し、位相復調部２４は、現在の期間を認識しながら位相変動を振幅変動に変換する。

以上、本実施形態においては、光ファイバの非線形効果による影響を受けにくくなることに加え、伝送する電気信号の振幅分布に係わらずキャリア成分が抑圧されることにより、更に、品質劣化を抑えた光信号の伝送が可能になる。

なお、ＯＦＤＭ変調により生成した電気信号を伝送する形態にて説明を行ったが、本発明は、ＯＦＤＭ変調により生成した電気信号に限定されるものではなく、例えば、ＳＣＭ（Ｓｕｂ−Ｃａｒｒｉｅｒ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）により生成された信号の様に、その振幅分布が一様ではない電気信号の伝送に効果がある。更に、その振幅分布に係わらず適用可能であり、従来技術より品質劣化を抑えた信号伝送が可能になる。

本発明による光通信装置の送信側のブロック図である。 本発明による光通信装置の受信側のブロック図である。 本発明による光通信装置が出力する位相変調光信号を示す図である。 本発明の他の実施形態における光通信装置が出力する位相変調光信号を示す図である。 本発明の他の実施形態における光位相変調部のブロック図である。

符号の説明

１１ シリアルパラレル変換部
１２ マッピング部
１３ ファーストフーリエ逆変換部
１４ デジタルアナログ変換部
１５ ＩＱ多重部
１６ 周波数変換部
１７ 光位相変調部
１８、２１ 局発光発振部
２２ 光結合部
２３ 光電気変換部
２４ 位相復調部
２５ ＩＱ分離部
２６ アナログデジタル変換部
２７ ファーストフーリエ変換部
２８ デマッピング部
２９ パラレルシリアル変換部
１７１ ニオブ酸リチウム変調器
１７２ オフセット制御部
１７３ マッハツェンダ変調器

Claims (7)

1. 送信側光通信装置において、連続光を位相変調するステップと、
   受信側光通信装置において、位相変調された光信号を、光ヘテロダイン検波して電気信号に変換するステップと、
   受信側光通信装置において、前記電気信号の位相変動を振幅変動に変換するステップと、
   を備えている光通信方法。
2. 連続光の位相変調の位相変調範囲が周期的に反転する請求項１に記載の方法。
3. 連続光の位相変調は、直交周波数分割多重変調された信号により行われる、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 電気信号を生成する手段と、
   連続光を生成する手段と、
   連続光を、前記電気信号に基づき位相変調する手段と、
   を備えている送信側光通信装置と、
   位相変調された光信号を受信する手段と、
   前記位相変調された光信号を、光ヘテロダイン検波して電気信号に変換する手段と、
   前記電気信号の位相変動を振幅変動に変換する手段と、
   を備えている受信側光通信装置と、
   を備えている光通信システム。
5. 位相変調する手段は、
   連続光の位相を周期的に反転する手段と、
   周期的に位相が反転する光信号を、前記電気信号で位相変調する手段と、
   を備えている請求項４に記載の光通信システム。
6. 位相変調する手段は、
   前記電気信号に所定量のオフセットを周期的に加える手段と、
   連続光を、周期的にオフセットを加えた電気信号で位相変調する手段と、
   を備えている請求項４に記載の光通信システム。
7. 前記送信側光通信装置の前記電気信号は、振幅分布が一様ではない、
   請求項４から６のいずれか１項に記載の光通信システム。

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