JP5324179B2 - 自己光搬送波抽出を用いたコヒーレント光直交周波数分割多重受信 - Google Patents

Description

本発明は、自己光搬送波抽出を用いたコヒーレント光ＯＦＤＭ（直交周波数分割多重；orthogonal frequency division multiplexing）受信に関する。

直交周波数分割多重は、無線周波数（ＲＦ）の無線通信において普及しているデジタル変調方式である。原理上、ＯＦＤＭは、相互に近接して配置された複数の直交する副搬送波（サブキャリア）を使用しており、副搬送波の各々は、比較的低いシンボルレートで変調される。実際には、ＯＦＤＭは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ；fast Fourier transform）アルゴリズムを使用して実現されており、さらに信号処理技術を活用してＯＦＤＭ方式の性能を改善している。ＯＦＤＭは、厳しいチャネル条件（例えば、大きなマルチパスフェージング効果を有するＲＦチャンネル）に対処する強力な能力を備えていることおよび高いスペクトル効率を有することが、明らかにされている。ＯＦＤＭは、ＷｉＭＡＸ(Worldwide Interoperability for Microwave Access)、無線ＬＡＮ（local area network；ローカルエリアネットワーク）、ＡＤＳＬ（asymmetric digital subscriber line；非対称デジタル加入者回線）、デジタルラジオ、およびビデオ放送システムに適用されており、無線４Ｇ（4th generation；第４世代）標準の候補技術として選ばれた。

最近、光ファイバ伝送を介するＯＦＤＭが多くの注目を集めている。光ＯＦＤＭシステムは、ファイバの（Chromatic Dispersion；波長分散）ＣＤおよびＰＭＤ（Polarization Mode Dispersion；偏波モード分散）に対する優れた耐性を持つことが示されている。コヒーレント光ＯＦＤＭは、非コヒーレント光ＯＦＤＭと比較して、より高い受信感度およびよりよい伝送性能を備えることができる。しかしながら、コヒーレント光ＯＦＤＭ受信機は、追加の光局部発振器（レーザ）を必要とすること、局部発振レーザの位相ノイズおよび周波数ドリフト、並びに入力信号のランダムな偏光回転を含む、従来のコヒーレント光通信システムが直面する多くの問題を引き継いでいる。いくつかの信号処理アルゴリズムが、電気ドメインでの位相ノイズおよび偏光回転の問題を効果的に軽減するために提案され実証されてきた。しかしこのような信号処理アルゴリズムにおける高速信号処理および計算パワーに対する要求はますます高まってきており、リアルタイム（実時間）システムを急ピッチで実現することを非常に挑戦的なものにしている。

ファイバを介した光ＯＦＤＭ信号送信のシステム性能も、複雑な(complex)デジタル信号処理（ＤＳＰ；digital signal processing）に強く依存している。システムのビットレートが４０Ｇｂ／ｓを超える場合、現在のＤＳＰ処理速度および計算パワーは、光ＯＦＤＭシステムが必要とするものよりもはるかに下回っている。したがって、光ＯＦＤＭシステムの新しいアーキテクチャを構築し、システムを単純化し、ＤＳＰ回路の要件を低減することが重要となる。

図１に示すダイアグラム１０は、局部発振（ＬＯ）レーザ１２を使用した、受信信号１１のコヒーレントＯＦＤＭ信号検出の従来の手法を示している。局部発振レーザ１２からの光は、光コヒーレント受信装置１３において入力光ＯＦＤＭ信号１１と干渉させられ、次に、この信号は、信号受信および変調のブロック１４において復調される。２つのビート光ビームが２つの独立した光源から来るので、局部発振レーザの位相ノイズおよび入力光信号のランダムな位相変動は、信号劣化をもたらす場合がある。

したがって、自己光搬送波抽出(self optical carrier extraction)を用いた新規なコヒーレント光ＯＦＤＭ受信機に対する必要性がある。

本発明によれば、方法は、受信した光ＯＦＤＭ信号の光コヒーレント検出を行うために、受信した光ＯＦＤＭ信号と受信した光ＯＦＤＭ信号から抽出された光搬送波との間に干渉を生成することを含む。好ましくは、干渉を生成することは、受信した光ＯＦＤＭ信号を、受信した光ＯＦＤＭ信号から搬送波を抽出するために光フィルタで処理された第１の部分と、受信した光ＯＦＤＭ信号と類似した第２の部分とに光学的に分割することを含む。

本発明の他の態様では、方法は、受信した光ＯＦＤＭ信号を、各部分がその受信した光ＯＦＤＭ信号の光スペクトル特性を有する第１の部分と第２の部分とに分割することと、第１の部分を光フィルタリング処理してその受信した光ＯＦＤＭ信号から光搬送波を抽出することと、抽出された光搬送波と第２の部分とをコヒーレント受信機で受信することと、を含む。光フィルタリングは、ある波長に対する固定バンドパスフィルタリング、異なる波長の入力信号に対する可変バンドパスフィルタリング、および、ある波長グリッド上の異なる波長の入力信号に対する周期的バンドパスフィルタリングのうちの１つであることができる。

本発明のこれらおよびその他の利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照することにより、通常の当業者に明白になるであろう。

本発明は、自己光搬送波抽出を用いたコヒーレント光ＯＦＤＭ受信機を指向したものである。光ＯＦＤＭ信号の搬送波（キャリア）成分は、光ＯＦＤＭ信号からフィルタリング処理によって得られたものであり、コヒーレント信号検出のためにＯＦＤＭ信号と干渉させられる。干渉光搬送波は入力信号から抽出されるので、入力光および干渉光は同一の偏光状態で保持することができ、ホモダイン検波に対して同一の中心波長を有している。

図２に示すダイアグラム２０は、ＯＦＤＭシステムにおける本発明に基づく自己搬送波抽出を示している。受信機側で、入力信号１１は、光分割素子２１により２つのブランチに分割され、一方は入力光ＯＦＤＭ信号としてコヒーレント受信装置１３に直接進み、他方は狭帯域光フィルタ２２を通過し、引き続く復調のために、コヒーレント受信装置１３で干渉のための光搬送波成分が抽出される。

入力光ＯＦＤＭ信号から光搬送波を抽出し、抽出された搬送波をさらに受信信号のコヒーレント検出に用いる本発明の技術は、システム上の多くの利点をもたらす。搬送波位相回復を行なわなくても、受信信号は、入力信号のランダムな位相変化により劣化しない。システムは、大きな線幅を持ったレーザに対して、従来の手法より優れた許容範囲を持っている。局部発振レーザを用いたコヒーレント検出と比較して、自己搬送波抽出方式は、レーザを省くことにより、システムコストを下げることができる。

図３に示すダイアグラム３０は、受信信号から光搬送波を抽出し、抽出された搬送波を受信信号のコヒーレント検出に用いる、本発明の技術を用いた例示的な光ＯＦＤＭシステムを示している。送信側で、ＯＦＤＭ変調器３２によって変調されたデータが、レーザ３１を光源とする電気−光（Ｅ／Ｏ）変調器３３に供給される。電気−光変調された出力は、光フィルタ３４によって光フィルタリング処理され、その後、光増幅器３５により増幅され、ファイバ３６を通じて受信側に送られ、受信端において光増幅器３５’により増幅される。

発生した光ＯＦＤＭ信号は光搬送波成分を有している。これは、送信機側で無線周波数搬送波を持たせることにより、一般に、行うことができる。電気−光（Ｅ／Ｏ）変調器３３での変調方式は、位相変調、輝度変調、または搬送波抑圧変調であってもよい。送信機側で光フィルタ３４を使用して単側波帯信号を発生させることができるが、それは随意である。

受信機側で、自己搬送波抽出部３７は、光分割素子２１として用いられる光カプラと、光フィルタ２２と、光コヒーレント受信装置１３とを備えている。光カプラは入力光信号を２つの部分に分割する。光フィルタ２２を使用して、入力信号の光スペクトルから光搬送波成分を抽出する。コヒーレント受信機１３は、抽出された光搬送波と入力光信号との間の干渉を生成し、光信号を電気信号に変換する。その後、光コヒーレント受信装置１３からの出力に対し、ブロック３８で示すように、ＯＦＤＭ復調および信号等化が行なわれ、出力データが得られる。

光フィルタ２２は、ある波長に対する固定バンドパスフィルタ、異なる複数の波長の入力信号に対する可変バンドパスフィルタ、またはある波長グリッド（例えばＩＴＵグリッド）上の異なる複数の波長の入力信号に対する周期的バンドパス（または櫛形）フィルタであってもよい。

この装置は、自由空間光部品(free-space optical compoments)（例えば、非熱的(athermal)自由空間光プラットフォーム）、または、ファイバをベースとする光部品により組み立てることができる。

上記の説明から、入力光ＯＦＤＭ信号から光搬送波を抽出し、抽出された搬送波をさらにコヒーレント検出に使用する本発明に基づく態様は、次のような多くの利点をもたらすことが明らかである。受信信号は、搬送波位相回復を行なわなくても、入力信号のランダムな位相変化により劣化しない。システムは、大きな線幅を持ったレーザに対して、従来の手法よりも優れた許容範囲を有している。局部発振レーザを用いたコヒーレント検出と比較して、コヒーレント検出に使用される本発明に基づく自己搬送波抽出は、レーザを省くことによりシステムコストを下げることができる。

本発明を最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものについて図示し、説明してきた。しかしながら、新しい試みがそこからなされてもよく、明白な修正が当業者によってなされることは予想される。当業者はここに明確に図示または説明していない多くの配置および変形を考案できるであろうが、それらは本発明の原理を具体化するものであり本発明の精神および範囲に包含されることが十分に理解されるであろう。

本出願は、２００７年１０月３日に申請された"Coherent Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Systems Using Self Optical Carrier Extraction"と題する米国仮出願番号第60/977,119号の利益を請求し、その内容は参照により本明細書に組み込まれている。

局部発振レーザを使用したコヒーレント光周波数分割多重（ＯＦＤＭ）信号検出の従来の手法を説明する図である。 本発明の実施の一形態の自己光搬送波抽出を使用した光周波数多重ＯＦＤＭシステムのブロック図である。 本発明の実施の一形態の自己光搬送波抽出光学系を有する例示的なコヒーレントＯＦＤＭシステムの概略図である。

符号の説明

１１ 受信した光ＯＦＤＭ信号
１２ 局部発振器（レーザ）
１３ 光コヒーレント受信装置
１４ ＯＦＤＭ信号受信および復調
２２，３４ 光フィルタ
３１ レーザ
３２ ＯＦＤＭ変調器
３３ 電気／光（Ｅ／Ｏ）変調器
３５，３５’ 光増幅器
３６ ファイバ
３７ 自己搬送波抽出部
３８ ＯＦＤＭ復調、信号等化

Claims (8)

1. 光ＯＦＤＭ信号を含んでいる入力光ビームを受信する段階と、
   受信した光ＯＦＤＭ信号の光コヒーレント検出を行うために、前記受信した光ＯＦＤＭ信号と該受信した光ＯＦＤＭ信号から抽出された光搬送波との間の干渉光ビームを生成する段階と、
   を有し、
   前記入力光ビームと前記干渉光ビームは、同じ偏光状態を有し、かつ、ホモダイン検波に対して同じ中心波長を有し、
   前記干渉光ビームを生成する段階は、前記受信した光ＯＦＤＭ信号を、該受信した光ＯＦＤＭ信号から搬送波を抽出するために光フィルタによって処理された第１の部分と、前記受信した光ＯＦＤＭ信号に類似した第２の部分とに、光学的に分割することと、前記第１の部分と前記第２の部分とを干渉させて前記干渉光ビームを生成することと、を含む、方法。
2. 前記光フィルタは、ある波長に対する固定バンドパスフィルタ、異なる波長の入力信号に対する可変バンドパスフィルタ、および、ある波長グリッド上の異なる波長の入力信号に対する周期的バンドパスまたは櫛形フィルタのうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
3. 受信した光ＯＦＤＭ信号を含む入力光ビームを、各部分が前記受信した光ＯＦＤＭ信号の光スペクトル特性を有する、第１の部分と第２の部分とに分割する段階と、
   前記第１の部分を光フィルタリング処理して、前記受信した光ＯＦＤＭ信号から光搬送波を抽出する段階と、
   前記抽出された光搬送波と前記第２の部分とをコヒーレント受信機で受信する段階と、
   干渉光ビームを生成する段階と、
   を有し、
   前記入力光ビームと前記干渉光ビームは、同じ偏光状態を有し、かつ、ホモダイン検波に対して同じ中心波長を有し、
   前記干渉光ビームを生成する段階は、前記受信した光ＯＦＤＭ信号を、該受信した光ＯＦＤＭ信号から搬送波を抽出するために光フィルタによって処理された第１の部分と、前記受信した光ＯＦＤＭ信号に類似した第２の部分とに、光学的に分割することと、前記第１の部分と前記第２の部分とを干渉させて前記干渉光ビームを生成することと、を含む、方法。
4. 前記受信する段階は、前記受信した光ＯＦＤＭ信号と前記抽出された光搬送波との間に干渉を生成することを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記光フィルタリングは、ある波長に対する固定バンドパスフィルタリング、異なる波長の入力信号に対する可変バンドパスフィルタリング、および、ある波長グリッド上の異なる波長の入力信号に対する周期的バンドパスフィルタリングのうちの１つを含む、請求項４に記載の方法。
6. 入力信号を、入力光ＯＦＤＭ信号としてコヒーレント受信装置での第１の分岐と、狭帯域光フィルタを通過し、引き続く復調のために前記コヒーレント受信装置での干渉のための光搬送波成分が抽出される第２の分岐と、に分割することを有する、請求項３に記載の方法。
7. 送信機側において無線周波数搬送波を持たせることにより光搬送波成分を有する光ＯＦＤＭ信号を生成することを有する、請求項３に記載の方法。
8. 所定の線幅を有するレーザに対する許容誤差を設けることを有し、前記光ＯＦＤＭ信号は、搬送波位相回復を行なわなくても、入力信号のランダムな位相変化により劣化しない、請求項３に記載の方法。

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