JP5312190B2 - 光受信装置及び光受信方法 - Google Patents

Description

本発明は、光受信装置及び光受信方法に係り、特にコヒーレント光を受信するための光受信装置及び光受信方法に関する。

近年、光通信分野では、無線通信分野で従来用いられていたコヒーレント通信技術を利用したコヒーレント光通信が脚光を浴びている。コヒーレント光通信では、光受信装置側において、入来した光信号と局発光であるローカル光とを受信素子に入力してミキシングさせることにより、コヒーレント受信を可能にさせている。このコヒーレント光通信を用いて光ファイバ通信を行うようにすれば、光ファイバ内のスペクトル利用効率や信号対雑音電力比の向上等の利点を得ることができる。

しかしながら、コヒーレント光受信方式は位相オフセットに弱いという欠点がある。すなわち、コヒーレント光受信では、光送受信装置のコヒーレント光（例えば、レーザ光）間の位相が異なることにより発生する位相オフセットによって通信品質が劣化するという問題があった。そこで、従来の光通信システムでは、光送信装置側で通信光にパイロットキャリアを付加し、光受信装置側でそのパイロットキャリアを用いて、光送受信装置のレーザ間の位相が異なることにより発生する位相オフセットを推定し、その推定した位相オフセットに基づいて位相オフセットを補償した後に復調するようにしていた（非特許文献１，２参照）。

Ｓａｎｄｅｒ Ｌ．Ｊａｎｓｅｎ，Ｉｔｓｕｒｏ Ｍｏｒｉｔａ ａｎｄ Ｈｉｄｅａｋｉ Ｔａｎａｋａ，"１０−Ｇｂ／ｓ ＯＦＤＭ ｗｉｔｈ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ＤＦＢ ｌａｓｅｒｓ"，ＥＣＯＣ２００７． Ｓ．Ｌ．Ｊａｎｓｅｎ，Ｉ．Ｍｏｒｉｔａ，Ｎ．Ｔａｋｅｄａ，Ｈ．Ｔａｎａｋａ，"２０−Ｇｂ／ｓ ＯＦＤＭ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ ４，１６０−ｋｍ ＳＳＭＦ Ｅｎａｂｌｅｄ ｂｙ ＲＦ−Ｐｉｌｏｔ Ｔｏｎｅ Ｐｈａｓｅ Ｎｏｉｓｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ"，ＰＤＰ １５，ＥＣＯＣ２００７．

しかしながら、光送受信装置のレーザ間の位相が異なることにより発生する位相オフセットとは別に、光受信装置内の光電変換を行う処理部において新たな位相オフセットが発生するという問題があった。この位相オフセットはＸ偏波成分とＹ偏波成分とにおいて異なるため、両偏波成分におけるパイロット信号から位相オフセットを求めることができなくなり、全体としての位相オフセットの推定精度が低下するという問題があった。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光受信装置内で発生する偏波成分ごとに異なる位相オフセットを精度よく推定して補償することができ、全体としての位相オフセットを精度よく補償することのできる、光受信装置及び光受信方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下［１］−［５］の手段を提供するものである。
［１］ パイロット信号を発生するパイロット信号発生手段と、
局発光を発生する局発光発生手段と、
前記パイロット信号を電光変換し、これを前記局発光で変調して得られるパイロット光を出力するパイロット光出力手段と、
外部からの受信光と前記パイロット光とを合波してパイロット光付受信光を出力する合波手段と、
前記パイロット光付受信光を偏波分離し、偏波成分ごとに前記局発光と合波して光電変換した局発光付偏波成分を出力する偏波分離合波手段と、
前記局発光付偏波成分から、偏波成分ごとにパイロット信号を抽出するパイロット信号抽出手段と、
前記局発光付偏波成分ごとに前記抽出されたパイロット信号と前記パイロット信号発生手段が発生したパイロット信号との位相オフセットを推定し、この推定した位相オフセットで位相オフセットを補償する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする光受信装置。
［２］ 前記パイロット信号抽出手段がバンドパスフィルタであることを特徴とする上記［１］記載の光受信装置。
［３］ 前記パイロット信号抽出手段が離散フーリエ変換処理を行う計算手段であることを特徴とする上記［１］記載の光受信装置。
［４］ 前記信号処理手段が、
前記受信光に付加された送信側付加パイロット信号を抽出する送信側付加パイロット信号抽出手段と、
前記抽出された送信側付加パイロット信号により残留する位相オフセットを推定し、この推定した位相オフセットを補償する推定補償手段と、
をさらに備えたことを特徴とする上記［１］乃至［３］いずれか一項記載の光受信装置。
［５］ 局発光を発生する局発光発生ステップを有する一方、
パイロット信号を発生するパイロット信号発生ステップと、
前記パイロット信号を電光変換し、これを前記局発光で変調して得られるパイロット光を出力するパイロット光出力ステップと、
外部からの受信光と前記パイロット光とを合波してパイロット光付受信光を出力する合波ステップと、
前記パイロット光付受信光を偏波分離し、偏波成分ごとに前記局発光と合波して光電変換した局発光付偏波成分を出力する偏波分離合波ステップと、
前記局発光付偏波成分から、偏波成分ごとにパイロット信号を抽出するパイロット信号抽出ステップと、
前記局発光付偏波成分ごとに前記抽出されたパイロット信号と前記パイロット信号発ステップにおいて発生したパイロット信号との位相オフセットを推定する位相オフセット推定ステップと、
前記推定した位相オフセットで位相オフセットを補償する位相オフセット補償ステップと、
を有したことを特徴とする光受信方法。

本発明によれば、光受信装置内で発生する偏波成分ごとに異なる位相オフセットを精度よく推定して補償することができるため、全体としての位相オフセットを精度よく補償することができる。したがって、送受信間の光通信品質を格段に向上させることができる。

本発明の第１実施形態における光通信システムにおけるコヒーレント光送信装置のブロック構成図である。 第１実施形態におけるコヒーレント光送信装置のデジタル信号処理部の機能ブロック図である。 ＣＰ（Ｃｙｃｌｉｃ Ｐｒｅｆｉｘ）がブロックデータに付加される様子を模式的に表した図である。 プリアンブルがブロックデータに付加される様子を模式的に表した図である。 第１実施形態におけるコヒーレント光受信装置のブロック構成図である。 第１実施形態におけるコヒーレント光受信装置の偏波分離・光電変換部のブロック構成図である。 第１実施形態におけるコヒーレント光受信装置のデジタル信号処理部の処理フローを示した図である。 第１実施形態におけるコヒーレント光受信装置のデジタル信号処理部の処理フローを示した図である。 光送信信号のスペクトルの例である。 第２パイロット信号のスペクトルの例である。 光受信信号に第２パイロット信号が付加された状態の信号のスペクトルの例である。 本発明の第２実施形態におけるコヒーレント光送信装置のデジタル信号処理部の機能ブロック図である。 第２実施形態におけるコヒーレント光受信装置のブロック構成図である。 光受信信号に第２パイロット信号が付加された状態の信号のスペクトルの例である。 第２実施形態におけるコヒーレント光受信装置のデジタル信号処理部の処理フローを示した図である。 第２実施形態におけるコヒーレント光送信装置のゼロ挿入部によって、信号系列に「０」が挿入された様子を模式的に表した図である。 第２実施形態におけるコヒーレント光送信装置のＩＦＦＴ（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）部の入出力関係を示す。 第２実施形態におけるコヒーレント光受信装置のデジタル信号処理部によるＦＦＴによって、データ信号と第１及び第２パイロット信号とに分離される様子を示した図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態であるコヒーレント光受信装置（光受信装置）を、周波数領域等化技術による波長分散補償方式を採用した光通信システムに適用した例について説明する。図１に、光通信システムにおけるコヒーレント光送信装置（光送信装置）のブロック構成図を示す。同図において、コヒーレント光送信装置１は、直交するＸ偏波成分及びＹ偏波成分のうちＸ偏波成分を出力するＸ偏波成分出力部１００ｘと、Ｙ偏波成分を出力するＹ偏波成分出力部１００ｙと、コヒーレント光である光通信用レーザ光を発光するレーザ光出力部１５０と、Ｘ偏波成分とＹ偏波成分とを偏波多重して光送信信号を出力する偏波合成部１６０とを備えている。

Ｘ偏波成分出力部１００ｘ及びＹ偏波成分出力部１００ｙは同様の構成をなしている。Ｘ偏波成分出力部１００ｘは、デジタル信号処理部１１０ｘと、ＤＡ（Ｄｉｇｉｔａｌ／Ａｎａｌｏｇ）変換部１２０ｘと、電気−光信号変換部（電光変換部）１３０ｘと、増幅部（アンプ）１４０ｘとを備えている。そして、Ｙ偏波成分出力部１００ｙは、デジタル信号処理部１１０ｙと、ＤＡ変換部１２０ｙと、電光変換部１３０ｙと、アンプ１４０ｙとを備えている。

デジタル信号処理部１１０ｘ，１１０ｙは、送信すべき送信データの変調処理や波形整形処理等のデジタル信号処理を行うものである。図２に、デジタル信号処理部１１０ｘ，１１０ｙの機能ブロック図を示す。同図において、デジタル信号処理部１１０ｘ，１１０ｙは、変調部２１０と、ＣＰ（Ｃｙｃｌｉｃ Ｐｒｅｆｉｘ）付加部２２０と、波形整形部２３０と、プリアンブル付加部２４０と、パイロット信号付加部２５０とを備えている。

変調部２１０は、入力された２値の送信データをＩＱ信号に変調するものである。変調方式としては、ＢＰＳＫ（Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式、ＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式、ＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式等の方式を適用できる。

ＣＰ付加部２２０は、変調部２１０から入力されたＩＱ信号のＩ，Ｑデータそれぞれの前にＣＰを付加するものである。ＣＰは、例えばＮ個のシンボルで構成されるブロックごとに、各ブロックデータの後ろの一部分のデータが複製されたものである。図３に、ＣＰがブロックデータに付加される様子を模式的に表した図を示す。ＣＰ付加部２２０によるＣＰ付加処理は、波長分散や偏波モード分散によって発生するブロック間の干渉を防止するために行われるものである。

波形整形部２３０は、ＣＰ付加部２２０から入力された各データにフィルタリング処理を行ってシンボル間の振幅の変化を滑らかにし、スペクトル帯域を制限するものである。プリアンブル付加部２４０は、波形整形部２３０から入力された各データについてＭ個のブロックごとにプリアンブルを付加するものである。このプリアンブルは、特定のパターンを有しており、後述するコヒーレント光受信装置側では既知のデータである。図４に、プリアンブルがＭ個のブロックデータに付加される様子を模式的に表した図を示す。パイロット信号付加部２５０は、プリアンブル付加部２４０から入力された各データに第１パイロット信号を付加するものである。

図１の説明に戻り、ＤＡ変換部１２０ｘ，１２０ｙは、デジタル信号処理されたＩ，Ｑデータをアナログ信号であるＩＱ信号に変換するものである。電光変換部１３０ｘ，１３０ｙは、入力されたアナログＩＱ信号を、レーザ光出力部１５０から出力された光通信用レーザ光を用いて光信号に変換するものである。アンプ１４０ｘ，１４０ｙは光信号のゲインが所望のレベルになるように増幅するものである。偏波合成部１６０は、Ｘ偏波成分出力部１００ｘ及びＹ偏波成分出力部１００ｙから出力された各偏波成分の光信号を偏波多重して光送信信号を出力するものである。

次に、コヒーレント光送信装置１の処理フローについて説明する。送信すべき２値（０，１）の送信データがコヒーレント光送信装置１に入力されると、デジタル信号処理部１１０ｘ，１１０ｙの変調部２１０によってＩＱ信号に変調される。次に、ＣＰ付加部２２０が、Ｎ個のシンボルで構成されるブロック長に区切られたブロックデータの後ろの一部分のデータをＣＰとしてＩ，Ｑデータそれぞれの前に付加する。次に、波形整形部２３０が波形整形を行った後、プリアンブル付加部２４０がＭブロック毎にプリアンブルを付加する。次に、パイロット信号付加部２５０が、第１パイロット信号を付加する。本実施形態においては、信号帯域の帯域外に第１パイロット信号を付加する。

次に、ＤＡ変換部１２０ｘ，１２０ｙがデジタル信号処理部１１０ｘ，１１０ｙから出力されたＩ，Ｑデータをアナログ信号であるＩＱ信号に変換し、電光変換部１３０ｘ，１３０ｙが、レーザ光出力部１５０から出力された光通信用レーザ光を用いて光信号に変換する。そして、アンプ１４０ｘ，１４０ｙで光信号の送信パワーのゲインを調整した後、偏波合成部１６０が直交するＸ偏波成分及びＹ偏波成分を偏波多重して光送信信号を出力する。この光送信信号は、光ファイバを介してコヒーレント光受信装置に伝送される。図９に、光送信信号のスペクトルを例示する。

次に、本発明の第１実施形態であるコヒーレント光受信装置について説明する。図５に、本実施形態であるコヒーレント光受信装置のブロック構成図を示す。同図において、コヒーレント光受信装置５は、光バンドパスフィルタ（ＯＢＰＦ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）５０１と、カプラ（ＣＰＬ：Ｃｏｕｐｌｅｒ）５０２と、局発光源５０３と、偏波コントローラ５０５，５０８と、信号生成部５０６と、電気−光信号変換部（電光変換部）５０７と、偏波分離・光−電気信号変換部（偏波分離・光電気変換部）５０９と、ＢＰＦ５１０ｘ，５１０ｙ，５１４ｘ，５１４ｙ，５１６ｘ，５１６ｙと、ＡＤ変換部５１１ｘ，５１１ｙ，５１２ｘ，５１２ｙ，５１５ｘ，５１５ｙと、デジタル信号処理部５１３とを備えている。

ＯＢＰＦ５０１は、コヒーレント光送信装置１から送信された光信号を受信して、一定帯域幅の光受信信号を通過させるものである。局発光源５０３は、局発光を出力するものである。信号生成部５０６は第２パイロット信号を生成するものである。電光変換部５０７は、第２パイロット信号を局発光で変調して電光変換しパイロット光を出力するものである。偏波コントローラ５０５，５０８は、光信号の偏光状態を変化させるものである。カプラ５０２は、入力された２つの信号を合成して出力する合波器である。偏波分離・光電変換部５０９は、偏波多重された光受信信号をＸ偏波成分とＹ偏波成分とに偏波分離し、偏波成分ごとに局発光と合波して光電変換した局発光付偏波成分であるＩＱ信号ＸＩ，ＸＱ，ＹＩ，ＹＱを出力するものである。

図６に、偏波分離・光電変換部５０９のブロック構成図を示す。同図において、偏波分離・光電変換部５０９は、偏波分離部６１０と、９０°光ハイブリッドモジュール６２０ｘ、６２０ｙと、ＢＲ（ＢＲ：Ｂａｌａｎｃｅｄ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ）６３０ｘｉ，６３０ｘｑ，６３０ｙｉ，６３０ｙｑとを備えている。偏波分離部６１０は、光受信信号を、直交するＸ偏波成分とＹ偏波成分とに偏波分離するものである。９０°光ハイブリッドモジュール６２０ｘ，６２０ｙは、偏波成分と局発光信号とをミキシングするものである。ＢＲ６３０ｘｉ，６３０ｘｑ，６３０ｙｉ，６３０ｙｑは、ミキシングされた光信号をＩＱ信号ＸＩ，ＸＱ，ＹＩ，ＹＱに変換するものである。

図５の説明に戻り、ＢＰＦ５１４ｘ、５１４ｙ、５１０ｘ，５１０ｙは、ＩＱ信号ＸＩ，ＸＱ，ＹＩ，ＹＱから第１パイロット信号及び第２パイロット信号を抽出するためのバンドパスフィルタである。また、ＢＰＦ５１６ｘ，５１６ｙは、送信されたデータが含まれている信号を抽出するためのバンドパスフィルタである。ＡＤ変換部５１１ｘ，５１１ｙ，５１２ｘ，５１２ｙ，５１５ｘ，５１５ｙは、アナログ信号であるＩＱ信号をデジタル信号へ変換するものである。そして、デジタル信号処理部５１３は、入力された各信号の復調処理等のデジタル信号処理を行うものである。

図７及び図８に、デジタル信号処理部５１３の処理フローを示す。図７において、第１位相オフセット推定処理（Ｓ７０１，Ｓ８０１）では、ＢＰＦ５１０ｘ，５１０ｙで抽出された第２パイロット信号から偏波分離・光電変換部５０９に起因する位相オフセットを推定して第１推定位相オフセットを出力する。また、第２パイロット信号の振幅を算出し、偏波コントローラ制御処理部に供給する。偏波コントローラ制御処理（Ｓ７０１ａ）では、第２パイロット信号のＸ偏波成分及びＹ偏波成分の振幅が等しくなるように、偏波コントローラ５０８を制御するための制御信号を出力する。第１位相オフセット補償処理（Ｓ７０２，Ｓ８０２）では、第１推定位相オフセットを用いて位相オフセットを補償する。

タイミング同期処理（Ｓ７０４，Ｓ８０４）では、プリアンブルを用いて光受信信号の受信処理のタイミングを合わせる。周波数オフセット補償処理（Ｓ７０５，Ｓ８０５）では、プリアンブルを用いて周波数オフセットを推定し、周波数オフセットを補償する。第２位相オフセット補償処理（Ｓ７０５ａ，Ｓ８０５ａ）では、後述する第２推定位相オフセットを用いてさらに位相オフセットを補償する。第２位相オフセット推定処理（Ｓ７０８）では、第１パイロット信号から、送受レーザ間の位相オフセットを推定し、第２推定位相オフセットとして出力する。ＣＰ除去処理（Ｓ７０６，Ｓ８０６）では、コヒーレント光送信装置１において付加されたＣＰを除去する。ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理（Ｓ７０７，Ｓ８０７）では、高速フーリエ変換処理（ＦＦＴ）を行う。

次に、図８に示した処理フローの説明に移り、周波数領域等化処理（Ｓ７１０）では、プリアンブルを用いてチャネル状態を推定し、推定したチャネル状態に基づいて周波数領域等化を行う。ＩＦＦＴ（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理（Ｓ７１１，Ｓ８１１）では、入力された信号に対して、逆高速フーリエ変換処理（ＩＦＦＴ）を行う。そして、復調処理（Ｓ７１２，Ｓ８１２）では、偏波成分ごとのＩＱ信号の復調を行って元の信号に復元する。

次に、コヒーレント光受信装置５の主要な処理フローについてより詳細に説明する。ＯＢＰＦ５０１が光受信信号を入力すると、受信対象外の信号成分をカットする。それと並行して、信号生成部５０６は、ＯＢＰＦ５０１のベースバンドでの信号帯域よりも高い周波数を有する第２パイロット信号を生成する。図１０に、第２パイロット信号のスペクトルを例示する。カプラ５０２により、ＯＢＰＦ５０１を通過した光受信信号に対して、電光変換部５０７で電光変換されて偏波コントローラ５０８で偏波制御された第２パイロット信号が付加される。図１１に、光受信信号に第２パイロット信号が付加された状態の信号のスペクトルを例示する。

カプラ５０２によってＯＢＰＦ５０１通過後の光受信信号に第２パイロット信号が付加された後、偏波分離・光電変換部５０９は、Ｘ偏波成分とＹ偏波成分とに偏波分離してＩＱ信号に変換する。送信されたデータが含まれているＩＱ信号は、ＢＰＦ５１６ｘ，５１６ｙにより抽出される。ＡＤ変換部５１２ｘ，５１２ｙはＩＱ信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号処理部５１３に供給する。一方、ＢＰＦ５１４ｘ，５１４ｙは、ＩＱ信号から第１パイロット信号の帯域外の信号成分をカットして第１パイロット信号を抽出する。そして、ＡＤ変換部５１５ｘ，５１５ｙは抽出された第１パイロット信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号処理部５１３に供給する。また、ＢＰＦ５１０ｘ，５１０ｙは、ＩＱ信号から第２パイロット信号の帯域外の信号成分をカットして第２パイロット信号を抽出する。そして、ＡＤ変換部５１１ｘ，５１１ｙは抽出された第２パイロット信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号処理部５１３に供給する。

デジタル信号処理部５１３では、位相オフセット推定処理（Ｓ７０１，Ｓ８０１）において、ＢＰＦ５１０ｘ，５１０ｙで抽出された第２パイロット信号から、偏波分離・光電変換部５０９に起因した推定位相オフセットθαを算出する。その際に、第２パイロット信号のＸ偏波成分及びＹ偏波成分の振幅が同じになるように、偏波コントローラ５０８を制御するための制御信号を出力する（Ｓ７０１ａ）。推定位相オフセットθαの算出例を以下に示す。付加した第２パイロット信号のＸ偏波成分をＰ_ｔｘ２とするとＩＱ表現は数式１のように表される。

数式１において、Ｐ_ｔｘ２［Ｉ］，Ｐ_ｔｘ２［Ｑ］は、それぞれＰ_ｔｘ２のＩ成分，Ｑ成分を指し、ｉは虚数を示している。

偏波分離・光電変換部５０９を通過後の第２パイロット信号のＸ偏波成分は数式２で表される。

数式２において、θαｘは、偏波分離・光電変換部５０９に起因して発生するＸ偏波成分の位相オフセットである。なお、θの単位はラジアンである。

数式２のＰ_ｒｘ２をＩＱ表現で表すと数式３になる。

数式３において、Ｐ_ｒｘ２［Ｉ］，Ｐ_ｒｘ２［Ｑ］は、それぞれＰ_ｒｘ２のＩ成分，Ｑ成分を指し、ｉは虚数を示している。

ここで、Ｘ偏波成分における推定位相オフセットθα’ｘを数式４により計算する。

数式４において、＊は複素共役を示し、ａｒｇは偏角演算を示している。

Ｘ偏波成分における位相オフセットθαｘの補償は、ＩＱ信号に対して−θα’ｘの位相回転を行う。すなわち、ウエイトｗｘ２は数式５によって計算される。

このｗｘ２をＸ偏波成分のＩＱ信号に乗算することによって、偏波分離・光電変換部５０９で生じるＸ偏波成分における位相オフセットθαｘが補償される。Ｙ偏波成分における位相オフセットθαｙの推定及び補償処理についても同様に行う。

光受信信号は、位相オフセットの補償が行われた後、タイミング同期処理（Ｓ７０４，Ｓ８０４）及び、周波数オフセット補償（Ｓ７０５，Ｓ８０５）が行われる。

上記の処理の後、第１パイロット信号を用いて、送受信機のレーザ間の位相が異なることにより発生する位相オフセットθβを推定し補償する。第１パイロット信号も、第２パイロット信号と同様に、ＢＰＦ５１４ｘ，５１４ｙによって抽出される。

送信側で付加した第１パイロット信号のＸ偏波成分をＰ_ｔｘ１、Ｙ偏波成分をＰ_ｔｙ１としてＩＱ表現を数式６で表す。

数式６において、Ｐ_ｔｘ１［Ｉ］，Ｐ_ｔｘ１［Ｑ］は、それぞれＰ_ｔｘ１のＩ成分及びＱ成分である。そして、Ｐ_ｔｙ１［Ｉ］，Ｐ_ｔｙ１［Ｑ］は、それぞれＰ_ｔｙ１のＩ成分及びＱ成分である。また、ｉは虚数を示している。

ＯＢＰＦ５０１通過後の第１パイロット信号のＸ偏波成分及びＹ偏波成分は、数式７で表される。

数式７において、θβは、送受信機のレーザ間の位相が異なることにより発生する位相オフセットである。θの単位はラジアンである。

Ｐ_ｒｘ１及びＰ_ｒｙ１をＩＱ表現で数式８のように表す。

数式８において、Ｐ_ｒｘ１［Ｉ］，Ｐ_ｒｘ１［Ｑ］は、それぞれＰ_ｒｘ１のＩ成分及びＱ成分であり、Ｐ_ｒｙ１［Ｉ］，Ｐ_ｒｙ１［Ｑ］は、それぞれＰ_ｒｙ１のＩ成分及びＱ成分である。また、ｉは虚数を示している。

ここで、数式９によって位相オフセットθβ’を算出する。

数式９において、＊は複素共役を示し、ａｒｇは偏角演算を示す。

位相オフセットθβの補償は、ＩＱ信号に対して−θβ’の位相回転を行う。すなわち、ウエイトｗ１は数式１０のように計算する。

このｗ１をＸ偏波成分及びＹ偏波成分のＩＱ信号に乗算することによって、送受信機内のレーザ間の位相が異なることにより発生する位相オフセットθβを補償する。

次に、光受信信号のＣＰが除去され（Ｓ７０６、Ｓ８０６）、次に、ＮサイズのＦＦＴ（Ｓ７０７，Ｓ８０７）が行われる。このＦＦＴの後、周波数領域等化処理（Ｓ７１０）において周波数領域等化が行われる。その後、ＮサイズのＩＦＦＴ（Ｓ７１１，Ｓ８１１）が行われ、復調処理（Ｓ７１２，Ｓ８１２）によって、元の２値（０，１）に変換される。

以上説明した処理により、コヒーレント光受信装置内で発生する偏波成分ごとに異なる位相オフセットを精度よく推定して補償することができる。したがって、全体として光受信信号の位相オフセットを精度よく補償することができ、コヒーレント光通信の品質劣化を防止することができる。

なお、第１実施形態では、タイミング同期処理の前に第１位相オフセット補償処理を行ったが、必ずしもこの順番である必要はなく、例えば、ＦＦＴの後に第１位相オフセット補償処理を行うようにしてもよい。

また、第１実施形態では、周波数領域等化技術による波長分散補償を採用した光通信システムに適用する例としたが、これ以外にも例えば、分散補償ファイバによる波長分散補償を行う光通信システム、又は後述のＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）通信システムに適用することもできる。

また、第１実施形態では、第１及び第２パイロット信号の抽出にＢＰＦを用いたが、他のフィルタを用いても良い。例えば、パイロット信号の配置によっては、ローパスフィルタやハイパスフィルタを用いてもよい。また、アナログ処理によるフィルタでもデジタルフィルタでもよい。パイロット信号の配置によっては、後述する第２実施形態で説明するように、離散フーリエ変換によってパイロット信号を抽出してもよい。

また、位相オフセットの推定では、抽出したパイロット信号をミキサなどを用いてベースバンド信号に変換してから、推定位相オフセットを算出してもよい。

また、第１実施形態では、コヒーレント光送信装置において第１パイロット信号を付加することによって、送受信機のレーザ間の位相が異なることにより発生する位相オフセットを推定し補償したが、推定方法はこの限りではなく、例えば、プリアンブルやＣＰ等の既知信号を用いて位相オフセットを推定し補償するようにしてもよい。

また、第１実施形態では、送受信機内のレーザ間の位相が異なることにより発生する位相オフセットを数式９の計算により求めたが、これ以外にも例えば、第１パイロット信号のＸ偏波とＹ偏波成分とを合成した後に位相オフセットを算出するようにしてもよい。

また、第１実施形態では、第１及び第２パイロット信号を帯域外に配置したが、これには限定されない。さらに、付加されるパイロット信号は１つでなく複数であってもよい。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態であるコヒーレント光受信装置（光受信装置）を、ＯＦＤＭ通信システムに適用した例について説明する。本実施形態におけるコヒーレント光送信装置（光送信装置）の構成は図１に示したものと同様である。図１２に、コヒーレント光送信装置のデジタル信号処理部の機能ブロック図を示す。同図において、コヒーレント光送信装置のデジタル信号処理部は、変調部１６０１と、パイロット信号付加部１６０７と、ゼロ挿入部１６０２と、ＩＦＦＴ計算部１６０３と、ＣＰ付加部１６０４と、波形整形部１６０５と、プリアンブル付加部１６０６とを備えている。

変調部１６０１は、入力された２値の送信データのうち一方をＩＱ信号に変調するものである。パイロット信号付加部１６０７は、第１パイロット信号を付加する。ゼロ挿入部１６０２は、入力された信号系列に周期的に「０」を挿入するものである。ＩＦＦＴ計算部１６０３は、入力された信号に対して、サイズＮのＩＦＦＴを行うものである。ＣＰ付加部１６０４は、データ部の前にＣＰを付加するものである。波形整形部１６０５は、入力された信号にスムージング処理を行ってシンボル間の振幅の変化を滑らかにするものである。プリアンブル付加部１６０６は、Ｍブロック毎にプリアンブルを付加するものである。

次に、コヒーレント光送信装置の処理フローについて説明する。送信すべき２値（０，１）の送信データがコヒーレント光送信装置に入力されると、デジタル信号処理部の変調部１６０１によってＩＱ信号に変調される。次に、パイロット信号付加部１６０７で第１パイロット信号が付加される。このとき、第１パイロット信号の周波数が、ｆ０＋ｋ１／Ｔｓとなるサブキャリアに割り当てられるようにする。

次に、ゼロ挿入部１６０２が、入力された信号系列に周期的に「０」を挿入する。例えば、フーリエ変換サイズをＮとすると、Ｎ−１シンボルごとに「０」を１つ挿入する。図１６に信号系列に「０」が挿入された様子を模式的に表した図を示す。これにおいて、「０」は、周波数がｆ０＋ｋ２／Ｔｓとなるサブキャリアに割り当てられるようにする。次に、この信号をＩＦＦＴ部１６０３がＩＦＦＴを行う。図１７にＩＦＦＴ部１６０３の入出力関係を示す。同図において、ある端子（周波数がｆ０＋ｋ２／Ｔｓとなるサブキャリア）には、常に「０」が入力されることになる。

ＩＦＦＴ後、ＣＰ付加部１６０４は、Ｎシンボルより構成されるブロックごとにＣＰを付加する。次に、波形整形部１６０５は波形整形を行って、プリアンブル付加部１６０６がＭブロックごとにプリアンブルを付加する。その後、電光変換部において光信号に変換され、必要に応じて送信パワーが増幅された後に、直交するＸ偏波成分及びＹ偏波成分に偏波多重して光送信信号を出力する。この光送信信号は、光ファイバを介してコヒーレント光受信装置に伝送される。

次に、本発明の第２実施形態であるコヒーレント光受信装置について説明する。図１３に、本実施形態であるコヒーレント光受信装置のブロック構成図を示す。第１実施形態のコヒーレント光受信装置５と同一のブロックについては同一の符号を付してその説明を省略し、異なるブロックについて新たな符号を付してその機能を説明する。同図において、コヒーレント光受信装置５ａは、第１実施形態のコヒーレント光受信装置５から、ＢＰＦ５１０ｘ，５１０ｙ，５１４ｘ，５１４ｙ，５１６ｘ，５１６ｙと、ＡＤ変換部５１１ｘ，５１１ｙ，５１５ｘ，５１５ｙとが削除され、デジタル信号処理部５１３に替えてデジタル信号処理部５１３ａを備えたものである。

図１５に、コヒーレント光受信装置におけるデジタル信号処理部の処理フローを示す。同図において、タイミング同期処理（Ｓ１７０１，Ｓ１８０１）では、プリアンブルを用いて光受信信号の受信処理のタイミングを合わせる。周波数オフセット補償処理（Ｓ１７０２，Ｓ１８０２）では、プリアンブルを用いて周波数オフセットを推定し、周波数オフセットの補償を行う。

第１位相オフセット推定処理（Ｓ１７０４ａ，Ｓ１８０４ａ）では、第２パイロット信号から、偏波分離・光電変換部５０９に起因する位相オフセットを推定する。第１位相オフセット補償処理（Ｓ１７０２ａ、Ｓ１８０２ａ）では、第１位相オフセット推定処理（Ｓ１７０４ａ，Ｓ１８０４ａ）で推定した位相オフセットからウエイトを算出して受信信号に乗算し、位相オフセットを補償する。

ＣＰ除去処理（Ｓ１７０３，Ｓ１８０３）では、コヒーレント光送信装置において付加されたＣＰを除去する。ＦＦＴ（Ｓ１７０４，Ｓ１８０４）では、入力された信号に対してＦＦＴを行う。周波数領域等化処理（Ｓ１７１０）では、プリアンブルを用いてチャネル状態を推定し、波長分散に対する周波数領域等化を行う。

第２位相オフセット推定処理（Ｓ１８０５）では、第１パイロット信号から、送受レーザ間の位相差により起因する位相オフセットを推定する。第２位相オフセット補償処理（Ｓ１７１１，Ｓ１８１１）では、第２位相オフセット推定処理（Ｓ１８０５）で推定した位相オフセットからウエイトを算出して受信信号に乗算し、位相オフセットを補償する。復調処理（Ｓ１７１２，Ｓ１８１２）では、ＩＱ信号の復調を行って元の信号に復元する。

次に、コヒーレント光受信装置５ａの主要な処理フローについてより詳細に説明する。ＯＢＰＦ５０１は、受信信号が入力されると、受信対象外の信号成分をカットして出力する。次に、カプラ５０２により、ＯＢＰＦ５０１通過後の信号に第２パイロット信号が付加される。このとき、第２パイロット信号の波長（周波数）は、後段のデジタル信号処理部５１３ａのＦＦＴにおいて取り出せるように、信号伝送間隔の逆数の整数倍を周波数とする。すなわち、中心周波数をｆ０、シンボル間隔をＴｓとした場合、第２パイロット信号の周波数をｆ０＋ｋ２／Ｔｓと設定する。光受信信号に第２パイロット信号が付加された状態の信号のスペクトルの例を図１４に示す。

ここで、ｋ２をコヒーレント光送信装置のＩＦＦＴ部１６０３のＩＦＦＴにおいて「０」が入力されたサブキャリアの周波数になるように設定する。第２パイロット信号がカプラ５０２によって付加された後、偏波分離・光電変換部５０９が、Ｘ偏波成分とＹ偏波成分とに偏波分離して電気信号であるＩＱ信号に変換する。ＡＤ変換部５１２ｘ，５１２ｙはＩＱ信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号処理部５１３ａに供給する。

デジタル信号処理部５１３ａでは、処理タイミング同期処理（Ｓ１７０１，Ｓ１８０１）、周波数オフセット補償処理（Ｓ１７０２，Ｓ１８０２）が行われた後に、第１位相オフセット補償処理（Ｓ１７０２ａ，Ｓ１８０２ａ）が行われる。ここでは、推定位相オフセットを用いて位相オフセットを補償する。補償方法は、第１実施形態において説明したものと同様である。

次に、受信信号のＣＰが除去され（Ｓ１７０３，Ｓ１８０３）、ＮサイズのＦＦＴが行われる（Ｓ１７０４，Ｓ１８０４）。このとき、Ｎ−２シンボルのデータ信号と、第１及び第２パイロット信号とに分離される。図１８に、ＦＦＴによってデータ信号と、第１及び第２パイロット信号とに分離される様子を示す。

第１位相オフセット推定処理（Ｓ１７０４ａ，Ｓ１８０４ａ）においては、第２パイロット信号から位相オフセットが推定される。推定方法は、第１実施形態において説明したものと同様であるためここでは説明を省略する。推定された位相オフセットは、第１位相オフセット補償処理（Ｓ１７０２ａ，Ｓ１８０２ａ）に伝達される。

データ信号は、周波数領域等化（Ｓ１７１０）が行われた後、第２位相オフセット補償（Ｓ１７１１，Ｓ１８１１）が行われる。ここでは、推定位相オフセットを用いて位相オフセットを補償する。補償方法は、第１実施形態において説明したものと同様である。第２位相オフセット推定処理（Ｓ１８０５）においては、第１パイロット信号から位相オフセットが推定される。推定方法は、数式９を下記の数式１１に置き換えて、第１実施形態において説明したものと同様に算出する。推定された位相オフセットは、第２位相オフセット補償処理（Ｓ１７１１，Ｓ１８１１）に伝達される。次に、復調処理（Ｓ１７１２，Ｓ１８１２）によって、元の２値（０，１）に変換される。

以上説明した処理により、コヒーレント光受信装置内で発生する偏波成分ごとに異なる位相オフセットを精度よく推定して補償することができる。したがって、全体として光受信信号の位相オフセットを精度よく補償することができ、コヒーレント光通信の品質劣化を防止することができる。

なお、第２実施形態では、ＦＦＴの前に第１位相オフセット補償処理を行ったが、必ずしもこの順番である必要はなく、例えば、ＦＦＴの後ろに第１位相オフセット補償処理を行うようにしてもよい。

また、第２実施形態では、ＯＦＤＭ通信方式を採用した光通信システムに適用する例としたが、これ以外にも例えば、分散補償ファイバによる波長分散補償を行う光通信システム、又は前述の周波数領域等化による波長分散補償を採用した光通信システムに適用することもできる。

また、第２実施形態では、付加されるパイロット信号が１つでなく複数であってもよい。さらに、第２実施形態では、ＦＦＴによってパイロット信号を抽出したが、第１実施形態のようにＢＰＦで抽出してもよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１ コヒーレント光送信装置
５，５ａ コヒーレント光受信装置
１００ｘ Ｘ偏波成分出力部
１００ｙ Ｙ偏波成分出力部
１１０ｘ，１１０ｙ，５１３，５１３ａ デジタル信号処理部
１２０ｘ，１２０ｙ ＤＡ変換部
１３０ｘ，１３０ｙ 電気−光信号変換部（電光変換部）
１４０ｘ，１４０ｙ 増幅部（アンプ）
１５０ レーザ光出力部
１６０ 偏波合成部
２１０，１６０１ 変調部
２２０，１６０４ ＣＰ（Ｃｙｃｌｉｃ Ｐｒｅｆｉｘ）付加部
２３０，１６０５ 波形整形部
２４０，１６０６ プリアンブル付加部
２５０，１６０７ パイロット信号付加部
５０１ 光バンドパスフィルタ（ＯＢＰＦ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）
５０２ カプラ（ＣＰＬ：Ｃｏｕｐｌｅｒ）
５０３ 局発光源
５０５，５０８ 偏波コントローラ
５０６ 信号生成部
５０７ 電気−光信号変換部（電光変換部）
５０９ 偏波分離・光−電気信号変換部（偏波分離・光電気変換部）
５１０ｘ，５１０ｙ，５１４ｘ，５１４ｙ，５１６ｘ，５１６ｙ ＢＰＦ
５１１ｘ，５１１ｙ，５１２ｘ，５１２ｙ，５１５ｘ，５１５ｙ ＡＤ変換部
６１０ 偏波分離部
６２０ｘ、６２０ｙ ９０°光ハイブリッドモジュール
６３０ｘｉ，６３０ｘｑ，６３０ｙｉ，６３０ｙｑ ＢＲ（ＢＲ：Ｂａｌａｎｃｅｄ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ）
１６０２ ゼロ挿入部
１６０３ ＩＦＦＴ計算部

Claims (5)

1. パイロット信号を発生するパイロット信号発生手段と、
   局発光を発生する局発光発生手段と、
   前記パイロット信号を電光変換し、これを前記局発光で変調して得られるパイロット光を出力するパイロット光出力手段と、
   外部からの受信光と前記パイロット光とを合波してパイロット光付受信光を出力する合波手段と、
   前記パイロット光付受信光を偏波分離し、偏波成分ごとに前記局発光と合波して光電変換した局発光付偏波成分を出力する偏波分離合波手段と、
   前記局発光付偏波成分から、偏波成分ごとにパイロット信号を抽出するパイロット信号抽出手段と、
   前記局発光付偏波成分ごとに前記抽出されたパイロット信号と前記パイロット信号発生手段が発生したパイロット信号との位相オフセットを推定し、この推定した位相オフセットで位相オフセットを補償する信号処理手段と、
   を備えたことを特徴とする光受信装置。
2. 前記パイロット信号抽出手段がバンドパスフィルタであることを特徴とする請求項１記載の光受信装置。
3. 前記パイロット信号抽出手段が離散フーリエ変換処理を行う計算手段であることを特徴とする請求項１記載の光受信装置。
4. 前記信号処理手段が、
   前記受信光に付加された送信側付加パイロット信号を抽出する送信側付加パイロット信号抽出手段と、
   前記抽出された送信側付加パイロット信号により残留する位相オフセットを推定し、この推定した位相オフセットを補償する推定補償手段と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項記載の光受信装置。
5. 局発光を発生する局発光発生ステップを有する一方、
   パイロット信号を発生するパイロット信号発生ステップと、
   前記パイロット信号を電光変換し、これを前記局発光で変調して得られるパイロット光を出力するパイロット光出力ステップと、
   外部からの受信光と前記パイロット光とを合波してパイロット光付受信光を出力する合波ステップと、
   前記パイロット光付受信光を偏波分離し、偏波成分ごとに前記局発光と合波して光電変換した局発光付偏波成分を出力する偏波分離合波ステップと、
   前記局発光付偏波成分から、偏波成分ごとにパイロット信号を抽出するパイロット信号抽出ステップと、
   前記局発光付偏波成分ごとに前記抽出されたパイロット信号と前記パイロット信号発ステップにおいて発生したパイロット信号との位相オフセットを推定する位相オフセット推定ステップと、
   前記推定した位相オフセットで位相オフセットを補償する位相オフセット補償ステップと、
   を有したことを特徴とする光受信方法。

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