JP5675825B2 - 光通信リンクにおける多重チャネル非線形性補償 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は一般に光通信システムに関し、より詳細には、波長分割多重化（ＷＤＭ）伝送システムにおけるチャネル間非線形ひずみの補償のための方法および装置に関する。

発明の背景
最新の光通信システムは、典型的には単一モードの光ファイバリンクである光導波路によって相互接続されたネットワークノードを含む。ネットワークノード内において、通信信号は、再生および経路指定を含む信号処理に使用される電気的フォーマットと、ノード間での伝送に使用される光学的フォーマットとの間で変換される。ノード間のリンクは、典型的には、それぞれが数十キロメートルの長さの複数の光ファイバスパンを含む複数の連結された光学部品と、それらのファイバスパンを通る伝送中に光信号が受ける減衰を克服する対応する光増幅器とを含む。

光ファイバリンクを通して伝送される信号は、波長分散（chromatic dispersion）や偏光モード分散といった線形分散プロセスによる影響を受ける。特に波長分散は、伝送システム内の任意の好都合な点において補償されてもよく、多くの既存の設置光ファイバ伝送リンクは、ネットワークノードおよび／または増幅器位置に設置された、分散補償ファイバ長といった分散補償部品を含む。光学伝送システム内においてインライン分散補償部品を配備する技法は、場合によっては、「分散管理」と呼ばれることもあり、結果として得られる伝送リンク内の累積分散特性は「分散マップ」と呼ばれる。

分散管理の技法は非常に有効であり得るが、柔軟性を欠くという不都合点もある。例えば、特定の伝送リンク内の特定の波長チャネルについては有効な分散マップが、別の波長で伝送されるチャネルについては、および／または、リンクの全部または一部が後で異なる光伝送路に組み込まれる場合には、効果が低い場合もある。したがって、多数の波長分割多重化（ＷＤＭ）チャネルを搬送するために、分散管理されるリンクをアップグレードすること、またはリンクが設置されている光ネットワークを再構成することは、分散管理戦略の再設計、およびリンク内の分散補償部品の変更を必要とする場合がある。米国特許出願第１２／０８９５７１号明細書（国際出願ＷＯ２００７／０４１７９９としても公開されている）に記載されているような電子分散補償法を使用すればより大きな柔軟性が得られる可能性があり、この特許出願には特に、電気領域における線形分散の完全な補償を提供するために、情報のブロック符号化、および結果として得られる受信信号の周波数領域等化を使用する電子分散補償法が開示されている。この手法は、電気信号の符号化および復号のために直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）法を使用すれば、特に都合よく実施され得る。とはいえ、多数の既存の設置伝送システムが固定分散管理を用いている。

線形プロセスに加えて、光信号の伝搬は非線形効果も被り得る。大部分の実用的な伝送媒体に、特に石英系光ファイバに存在する光学的非線形性のレベルは相対的に低いが、長い伝送距離にわたって十分な信号対雑音比を維持するためには、一般に、高電力レベルで光信号を送信することが望ましい。高送信電力を使用すると光学的非線形性の影響が増大して光信号ひずみがもたらされ、究極的には受信信号品質を制限し、よって、信号が検出され、回復され、再生される前に達成可能な最大伝送距離を制限することになる。したがって、非線形ひずみの影響、ならびに分散などの線形プロセスの影響を可能な限り緩和することが望ましい。米国特許出願第１２／４４５３８６号明細書（国際出願ＷＯ２００８／０７４０８５としても公開されている）には、送信端における（すなわち補償前の）、および／または受信端における（すなわち補償後の）信号処理による、光学的非線形性の影響を補償するための方法および装置が開示されている。この先行技術の開示は、一般に、チャネル自体に非線形ひずみを引き起こす特定のチャネルにおける高送信電力レベルからもたらされる、自己位相変調（ＳＰＭ）などのいわゆる単一チャネルの影響を補償することを対象とする。しかし、情報が多数の異なる波長チャネルを使用して送信されるＷＤＭシステムにおいては、光パワー全般に対する単一チャネルの寄与は相対的に小さく、４波混合（ＦＷＭ）や相互位相変調（ＸＰＭ）といったいわゆるチャネル間効果が重要になり得る。

多くの既存の光伝送リンクにおいて用いられる分散管理技術などのインライン分散補償は、非線形ひずみのレベルを増大させ得ると考えられる。このひずみの増大は、ＸＰＭなどによるＷＤＭチャネル間の非線形混合の強化によって引き起こされる。というのは、ＷＤＭチャネル間の「ウォークオフ」は分散管理の使用によって低減されるからである。特に、分散は異なるＷＤＭチャネルを異なる速度で光ファイバを伝搬させ、そのため、「平均化」効果により非線形ひずみの深刻さが低減される。というのは、信号のどの部分も光パワー全般における特定のピークの影響下に連続して置かれることがないからである。しかし、インライン分散補償、すなわち分散管理が存在する場合、この利益は多少低減される。

一般には、ＸＰＭなどのチャネル間効果は電子処理によって効果的に緩和することができないと考えられる。というのは、非線形伝搬の影響を無効にするには、ファイバ内で送信されるすべてのチャネルの完全な表現と、それらの伝搬特性とに基づく等化が必要だからである。他方、前述のように、光学的補償の技法を使用すると、一般には、特に単純で費用効果的なやり方でのアップフレードおよび／または再構成を行うことに関連して、ネットワークの柔軟性が制限される。

米国特許出願第１２／０８９５７１号明細書（国際出願ＷＯ２００７／０４１７９９） 米国特許出願第１２／４４５３８６号明細書（国際出願ＷＯ２００８／０７４０８５

したがって、本発明の目的は、非線形ひずみ、特にチャネル間効果の補償および／または緩和を、分散管理戦略を用いる伝送リンクを含む既存の伝送リンクに対して効果的に効率よく適用することができ、同時にネットワークのアップグレードおよび再構成のサポートにも適合可能であるようなやり方で提供することである。

発明の概要
一態様において、本発明は、波長分割多重化（ＷＤＭ）伝送システムにおいて複数の波長チャネルのうちの１つで搬送される光信号のチャネル間非線形ひずみを緩和する方法であって、
複数の波長チャネルの総光パワーの尺度を獲得するステップと、
上記総光パワーの尺度に比例して、光信号に対して位相変調を適用するステップと
を含む方法を提供することである。

前述のように、一般に、チャネル間ひずみは、光リンクを介して送信されるすべてのＷＤＭチャネル、および関連する伝搬特性を完全に知らなければ、電子処理によって効果的に緩和することができないと考えられる。しかし、本発明の発明者らは、すべての関連する波長チャネルにまたがる総光パワーの単一尺度を使用して、チャネル間非線形ひずみの驚くほど有効な緩和を達成し得ることを発見した。これは、分散管理されたシステムにおいてさえも、ＷＤＭチャネルの変調周波数と周波数間隔の両方で、ＸＰＭといったチャネル間効果の効率の低減を引き起こす波長分散の影響に起因するものと考えられる。例えば、５０ＧＨｚのＷＤＭチャネル間隔では、１ＧＨｚ未満の周波数を有する信号の成分だけが隣接するチャネルに対する実質的なＸＰＭペナルティを課す可能性があることが計算されている。この帯域幅は、より離れたＷＤＭチャネルではさらに減少することが期待される。

非線形ひずみの緩和が光伝送リンクの受信端において行われてもよい。代替として、またはこれに加えて、インライン非線形ひずみの緩和が、増幅器位置やアド／ドロップノードといった光リンクまたはネットワーク内の１つまたは複数の位置において行われてもよい。

したがって有利には、総光パワーの単一の尺度が、チャネル間非線形ひずみの緩和のための基礎として使用され得る。好ましい実施形態においては、単一のフォトダイオードが複数のＷＤＭチャネルにおいて光パワーを検出するのに使用され得るが、例えば、ＷＤＭチャネルごとに１つ、または複数でいくつかのＷＤＭ帯域をカバーするなど、複数のフォトダイオードを使用して総光パワーの適切な尺度を獲得することも可能である。

以上の考察に照らして、総光パワーの尺度は、複数の波長チャネルにおける瞬時光パワーの帯域幅制限尺度であることが好ましい。理解されるように、実際の光電子部品および電子部品を使用すると、本質的に、検出される光パワーの帯域幅制限測定が行われることになる。しかし、好ましい実施形態では、この測定をシステムと特定の光信号とに適合させることにより、チャネル間非線形ひずみの緩和においてさらなる改善が達成され得る。

より詳細には、瞬時光パワーの尺度の帯域幅は、好ましくは、低域通過特性に従って制限される。有利には、低域通過特性は、光信号の帯域幅より狭い帯域幅を有する。より好ましくは、低域通過特性は、光信号のチャネル間非線形ひずみの補償レベルを最大にするように選択され、または最適化される。実施形態によっては、適応ディジタルフィルタおよび／またはアナログフィルタの使用は、有利には、柔軟な配備および再構成を円滑化するためのフィルタ特性の最適化を動的に可能にする。

対応する非線形伝搬特性を有する従来の単一モードファイバを利用する好ましい実施形態においては、適用される位相変調は位相を進めることである。

さらに、好ましい実施形態においては、総光パワーの尺度と位相変調のレベルとの間の比例定数が、ＷＤＭ伝送システムの実効非線形長の尺度に従って決定される。

有利には、複数の波長チャネルは、より多くの送信ＷＤＭチャネルの中から選択されるチャネルの帯域からなる。特に、補償が適用される光信号は、選択されるチャネルの帯域の中央付近に位置し得る。前述のように、チャネル間非線形ひずみの影響は、より離れた波長チャネルでは大幅に低減され、したがって、対象となる光信号のひずみに実質的に寄与しないチャネルの検出は回避することが望ましい場合もある。波長チャネルの帯域は、例えば、少なくとも１００ＧＨｚの帯域幅、好ましくは少なくとも２００ＧＨｚの帯域幅、より好ましくは少なくとも３００ＧＨｚの帯域幅で包含される。

非線形ひずみが複数の光信号において緩和されるべきである多重チャネルシステムにおいては、光信号ごとに異なる補償信号（すなわち総光パワーの尺度）を利用したほうが有益となり得る。例えば、瞬時光パワーの尺度の最適帯域幅特性は、光信号ごとに異なり得る。しかし、この手法はさらに別の構成要素および処理を必要とするため、すべての光信号にわたる補償を最大にすることと、コスト／複雑さとの間には対応するトレードオフが生じる。有利には、非線形ひずみの有効な緩和は、個々の光信号ごとの最適化を伴わずに達成することができ、したがって、実施形態によっては、複数の波長チャネルにおける総光パワーの単一の尺度が、チャネル間非線形ひずみの緩和のために、複数の光信号への位相変調の適用に使用され得ることが判明している。したがって有意には、ある範囲のトレードオフがコスト／複雑さと非線形ひずみの緩和の最適性との間で可能である。

別の態様において、本発明は、波長分割多重化（ＷＤＭ）伝送システムにおいて複数の波長チャネルのうちの１つで搬送される光信号のチャネル間非線形ひずみを緩和するための装置であって、
複数の波長チャネルの総光パワーの尺度を検出するように構成された第１の光受信機と、
上記総光パワーの尺度に比例して、光信号に対して位相変調を適用する手段を含む非線形ひずみ補償器と
を含む装置を提供する。

実施形態によっては、非線形ひずみ補償器は、光信号の光伝送路に配置された、第１の光受信機の出力から導出される信号によって駆動される変調制御入力を有する光位相変調器を含む。

装置は、有利には、光伝送リンクの受信端において非線形ひずみ補償を行うために、光信号を検出するように構成された第２の光受信機をさらに含んでいてもよい。そのような実施形態において、非線形ひずみ補償器は、第２の光受信機による検出の後に続く受信光信号の電気信号処理路に配置された、第１の光受信機の出力から導出される信号によって駆動される変調制御入力を有する、電子位相変調器を含んでいてもよい。

実施形態によっては、電子位相変調器は、変調制御入力に従って第２の光受信機からの電気信号出力に位相変調を適用するように構成された少なくとも１つのアナログ位相変調器を含む。

代替の実施形態においては、装置は、第２の光受信機からの電気信号出力を対応するディジタル信号サンプルのシーケンスへの変換するように構成された少なくとも１つのアナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）と、
変調制御入力に従ってディジタル信号サンプルのシーケンスに位相変調を適用するように構成されたディジタル信号プロセッサと
をさらに含む。より詳細には、装置は、第１の光受信機の出力を対応するディジタル制御サンプルのシーケンスへと変換するように構成されたさらに別のＡＤＣを含んでいてもよく、ディジタル信号プロセッサは、ディジタル制御サンプルのシーケンスに従ってディジタル信号サンプルのシーケンスに位相変調を適用するように構成されていてもよい。

第１の光受信機は、好ましくは低域通過特性に従って、より好ましくは、光信号の帯域幅より狭く、光信号のチャネル間非線形ひずみの補償レベルを最大にするように選択され得る帯域幅に従って、総光パワーの尺度の帯域幅を制限するように構成されることが好ましい。第１の光受信機は、典型的には、本質的に制限された帯域幅を有するが、受信機が低域通過フィルタを含んでいてもよく、および／または位相変調器に制御信号を印加する前に第１の光受信機の出力のさらなるフィルタリングが行われてもよい。ディジタル信号処理を用いる実施形態においては、ディジタル制御サンプルのディジタルフィルタリングが行われてもよい。有利にはこれは、例えば、適応ディジタルフィルタの使用による、および／またはディジタル信号処理ソフトウェアの再構成による、チャネル間非線形ひずみの緩和の高度に柔軟な最適化を可能にする。

本発明の方法および装置のさらに別の利益、利点、および好ましい特徴は、以下の好ましい実施形態の説明において明らかになるであろう。好ましい実施形態は、以上の記述のいずれかにおいて、または添付の特許請求の範囲において定義される本発明を限定するものとみなすべきではない。

添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。

本発明の一実施形態による緩和のための装置を含む、非線形光チャネル上で信号を送信するためのシステムを概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による受信光信号のチャネル間非線形ひずみを緩和する方法を示す流れ図である。 本発明の一実施形態に従って達成される結果を含む、受信信号品質をＷＤＭ伝送システムにおけるチャネル数の関数として示すグラフである。 本発明の一実施形態に従って達成される結果を含む、受信信号品質をＷＤＭ伝送システムにおける１チャネル当たりの光パワー（launch power）の関数として示すグラフである。

好ましい実施形態の詳細な説明
図１に、本発明の実施形態による、非線形光チャネル上で信号を送信するためのシステム１００を概略的に示す。システム１００は、送信機１０２と、本発明を実施する受信装置１０４とを含む。送信機１０２と受信装置１０４とは、分散管理光チャネル１１０を介して相互接続されている。送信端にはブースタ増幅器１０６が設けられており、このブースタ増幅器１０６は、光リンク１１０内の分散を事前補償するための、ある長さの分散補償ファイバ（ＤＣＦ）１０８を含む。従来の設計によれば、ブースタ増幅器１０６は、ＤＣＦ１０８が第１段と第２段との間に配置されている２段増幅器といった多段増幅器である。そのような構成は、光通信の分野の当業者には周知であり、したがって、本明細書では詳細に説明しない。

光リンク１１０は複数のスパンを含み、各スパンは、光信号の伝送のための標準単一モードファイバ（Ｓ−ＳＭＦ）長１１２と、対応するＤＣＦ長１１６を含む多段インライン増幅器１１４とを含む。本明細書で説明する例において、各Ｓ−ＳＭＦ長１１２は９５ｋｍに及び、２０スパンまたは２５スパン（つまり合計で１９００ｋｍまたは２３７５ｋｍ）が使用される。しかし、光チャネルのこれらの実施形態は例示にすぎず、本発明は、ＷＤＭ信号の伝送のための非線形光チャネルを含む任意の光学システムに適用できることが理解されるであろう。

便宜上、システム１００には単一の送信機１０２だけが示されている。しかし、システム１００は、一般にＷＤＭシステムであり、本明細書で示す例では、８つの波長チャネルが、図１に概略的に示す受信光スペクトル１１８を有する受信装置１０４によって受信される。８つの波長チャネルはそれぞれ、（本明細書に示す例では３０ＧＨｚの）帯域幅１２０を有し、各チャネルは、（本例では５０ＧＨｚの）間隔１２２で隔てられている。

受信端では、受信光信号電力の割合（proportion）が光タップ１２４を使用して抽出され、第１の光受信機１２６へ向けられる。受信機１２６はフォトダイオード１２８といった光検出器を含み、光検出器は
増幅器１３０を含む関連付けられた電子回路に接続されるとともに、その後、受信される光電流または電圧波形に帯域幅制限を適用するように機能する低域通過フィルタ１３２に接続される。第１の受信機１２６の出力１３４は、８つの波長チャネル１１８の総光パワーの尺度である制御信号である。

第１の光受信機１２６は、図１には３つの別々の構成要素、すなわち、光検出器１２８、増幅器１３０、および低域通過フィルタ１３２からなるものとして示されているが、これはある程度まで便宜的な概略にすぎず、様々な実施形態においては、異なる構成要素の配置が用いられてもよい。例えば、光検出器１２８および増幅器１３０がそれぞれ関連付けられた周波数応答特性を有し、その特性と低域通過フィルタ１３２の特性とがあいまって、受信機１２６の全般的周波数応答を決定することが理解されるであろう。したがって、特定の所望の全般的周波数応答を達成することは、受信機１２６全体の設計を考慮することを伴い、実施形態によっては、その設計により、低域通過フィルタ１３２の特性の全部または一部が、増幅器１３０および他の関連付けられる電子回路の設計に組み込まれてもよい。さらに、いくつかの好ましい実施形態においては、制御信号１３４のさらに別のディジタル処理が行われてもよく、したがって、受信機１２６の所望の帯域幅および／または周波数応答特性が、少なくとも一部は、ディジタル信号処理技術によって達成されてもよい。そのような変形はすべて本発明の範囲内に含まれることを理解すべきである。

受信機１２６による総光パワーの検出と同時に、送信機１０２によって生成される光信号など個々の送信光信号が、ＷＤＭデマルチプレクサ１３６によってＷＤＭスペクトル１１８から分離される。ＷＤＭデマルチプレクサ１３６の１つまたは複数の出力が対応する光受信機に接続されており、特に、例示的システム１００には、送信機１０２によって送信される信号１３８を検出するように構成された第２の光受信機１４０が示されている。図示の実施形態によれば、受信機１４０は、対応するアナログ／ディジタル変換およびディジタル信号処理回路１４２に接続されている複数の出力を有する。

より詳細には、本発明の好ましい実施形態では、図１に示すように、伝送システム１００は、光チャネル上での送信のためのディジタル信号を符号化し、変調するのに直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）を用いる。例えば、コヒーレント伝送システムが想定され、光ＯＦＤＭ信号は、搬送波を伴わずに光リンク１１０を介して送信される。利用可能な送信容量を最大にするために、信号は、光場の２つの直交偏光状態上で送信され得る。したがって、受信機１４０は、好ましくは、局部発振器（例えば半導体その他のレーザー光源など）と、直交偏光状態、ならびに、送信コヒーレント光信号の同相成分および直交成分の両方を分離する光ハイブリッドとを、２つの偏光多重化信号の受信される同相成分および直交成分の検出のための対応する平衡フォトダイオードの対と共に含む。したがって受信機１４０は、最大４つまでの電気出力ポートを含む。簡単にするが、一般性を失わないように、本明細書で説明する特定の例においては単一の偏光チャネルだけが利用されており、したがって、受信機１４０は２つの電気出力ポートだけを有し、これらの出力ポートは、ディジタル変換および処理ブロック１４２に向けられている。

光ＯＦＤＭ信号の生成および伝送についての詳細が、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許出願第１２／０８９５７１号明細書（国際出願ＷＯ２００７／０４１７９９としても公開されている）に開示されている。また、この先行出願は、光リンク１１０内の残存線形分散効果の補償のための電子ディジタル信号処理技術の使用も詳細に説明している。また、好ましい実施形態においては、システム１００のディジタル処理ブロック１４２において分散等化も行われる。しかし、本発明は、光ＯＦＤＭ信号との併用だけに限定されず、コヒーレントＱＰＳＫ伝送を利用するシステムといった、他形式の光変調を用いるシステムにおけるチャネル間非線形ひずみの緩和にも有効であることが期待される。

システム１００の概略図は、いくつかの光学部品および／または代替部品を含む。本発明のいくつかの実施形態では、制御信号１３４の振幅に比例する位相変調を受信ＷＤＭ信号のうちの１つまたは複数に対して適用するために、制御出力１３４が光位相変調器１４４に向けられていてもよい。代替の実施形態では、制御信号出力１３４はアナログ／ディジタル変換器１４６に向けられ、そこでディジタル形式に変換され、対応するディジタル制御信号サンプルのシーケンスがディジタル信号処理ブロック１４２に向けられる。ディジタル信号プロセッサ１４２内では、ディジタル制御信号サンプルに比例する位相変調が算出され、検出される光信号のディジタルサンプルに適用される。特に、受信光信号（同相成分および直交成分）が複素ディジタル数値のシーケンスとして表されるシステムにおいて、位相変調は、アナログ／ディジタル変換器１４６から受信される制御信号サンプルを、単位振幅（unit magnitude）および制御信号サンプルの大きさに比例する位相を有する対応する複素数値へと変換し、次いで、複素信号サンプルを算出される位相変調値で乗じることによって実施され得る。

少なくとも、光位相変調器１４４を用いる本発明の実施形態においては、非線形補償が個々の光信号の検出および／または処理なしで行われ得ることに留意すべきである。したがって、ここでは非線形補償が光伝送リンクの受信端において行われる一実施形態１０４を説明しているが、増幅器位置やアド／ドロップ（add/drop）ノードといった光リンクまたはネットワーク内の１つまたは複数の点においてインライン補償を行うことも可能であることが理解されるであろう。

また、好ましくは、受信装置１０４は、自己位相変調（ＳＰＭ）といった単一チャネル非線形効果についての補償も組み込む。ＳＰＭ補償ブロック１４８は図１の概略図に示されており、その動作は、米国特許出願第１２／４４５３８６号明細書（国際出願ＷＯ２００８／０７４０８５としても公開されている）に記載されている原理に従うものとすることができる。またこの先行出願には、単一チャネル非線形事前補償の使用も記載されており、この事前補償は、本発明の好ましい実施形態による送信機１０２で実施され得る。

受信装置１０４は光帯域通過フィルタ１５０をさらに含んでいてもよく、光帯域通過フィルタ１５０は、（８つのチャネル１１８など）ＷＤＭチャネルの帯域を、光リンク１１０を介して受信されるより多くのＷＤＭチャネルの中から選択するように構成されている。より詳細には、特定の送信光信号が受けるチャネル間非線形ひずみは、最も近い周波数に位置する他のＷＤＭチャネルによって最も強く生成されるため、最も影響の大きいＷＤＭチャネルが第１の受信機１２６によって生成される制御信号に含まれ、好ましくは、より離れたＷＤＭチャネルが除外されることが望ましい。広い範囲の光学波長にわたって分散された多数の波長チャネルを有するＷＤＭシステムにおいては、帯域通過フィルタ１５０によって選択される特定の帯域の受信チャネルとそれぞれが対応する複数の受信装置１０４を設けることが望ましい場合もある。構成によっては、帯域通過フィルタ１５０は、異なる帯域のＷＤＭチャネルが複数の出力ポートの１つずつに向けられる粗い（coarse）ＷＤＭデマルチプレクサとすることができる。チャネル間非線形ひずみが各個別光信号において緩和され得る程度を最大にするために、各帯域によってカバーされる波長の範囲間にオーバーラップを設けることが望ましい場合もある。

さらに、帯域通過フィルタ（またはＷＤＭデマルチプレクサ）１５０の周波数応答が周波数帯域の各エッジにおいて漸進的「ロールオフ」を含み、それによって、対象となる受信信号から（波長において）最も遠く隔たったチャネルにおけるパワーの割合（proportion）だけが第１の受信機１２６に向けられるようにすることが望ましい場合もある。このようにして、受信機１２６の出力１３４において生み出される制御信号に対するより離れたチャネルの寄与は、対象となる光信号のチャネル間非線形ひずみに対するそれらのチャネルの寄与と釣り合う。実施形態１００において、帯域通過フィルタ１５０は、光タップ１２４の前に配置されているが、代替の実施形態では、帯域通過フィルタ１５０は、光タップ１２４と受信機１２６との間に配置され、ＷＤＭデマルチプレクサ１３６に到達する送信ＷＤＭ光信号が帯域通過フィルタ１５０の特性の影響を受けないようにすることもできる。

次に図２を見ると、本発明の好ましい実施形態による、受信光信号のチャネル間非線形ひずみを緩和する方法を示す流れ図２００が示されている。図２に示す方法は、図１に示すシステム１００の受信装置１０４によって実施される。特に、ステップ２０２で、帯域通過フィルタ１５０の機能と対応して、ＷＤＭチャネルの帯域が任意選択で選択される。

ステップ２０４で、光タップ１２４を介して第１の受信機１２６へ向かう受信ＷＤＭ信号の方向と対応して、ＷＤＭチャネルの帯域内の瞬時総光パワーが検出される。

ステップ２０６で、帯域幅制限が検出された信号に適用される。このステップは、低域通過フィルタ１３２の機能および／または処理ブロック１４２によって行われる適切なディジタル信号処理と対応する。

ステップ２０８で、受信機１２６の出力１３４において提供される総光パワーの帯域幅制限尺度に比例する位相変調信号（または対応するディジタル制御サンプルのシーケンス）を生成するために、結果として得られる制御信号が、例えば、適切な「位相変調率」の適用などによってスケールされる。例えば位相変調器１４４を利用するアナログ実施態様においては、適切な変調率は、適切な電気的利得および／または減衰を使用して適用され得る。これは、低域通過フィルタ１３２の前、または後に実施されてもよく、低域通過フィルタ１３２および／または電子増幅器１３０内に組み込まれてもよい。ディジタル実施態様においては、適切な比例定数は、ディジタル信号処理ブロック１４２内の数値処理によって容易に実施される。

最後にステップ２１０で、関連した位相変調が、例えば位相変調器１４４によって、あるいはディジタル信号処理１４２によって受信光信号に適用される。

帯域幅制限２０６に関して、これは、光リンク１１０を伝送される間に発生する受信光信号のチャネル間非線形ひずみの実効帯域幅に関連するものである。特に、個々のＳ−ＳＭＦスパン１１２およびＤＣＦ補償器１１６内の波長分散が、チャネル間非線形ひずみにより最も深刻な影響を受ける受信光信号の周波数成分の範囲を制限する。これは、光周波数領域内のＷＤＭチャネルの相対的「ウォークオフ」によるものであり、それによって、相対的に低い周波数成分だけが、チャネル間非線形ひずみに有意に寄与するのに十分な長さの期間にわたって、位相整合されたままに留まる。チャネル間ひずみによる影響を受ける最大周波数成分は、寄与するチャネル間の光周波数の差が増大するにつれて、増大する波長分散のレベル内において減少する。よって、最適な帯域幅制限は、光リンク１１０の分散マップと、光周波数領域内のＷＤＭチャネルの間隔とに依存する。最適なフィルタ帯域幅は、適切な計算によって、および／または実験的測定もしくは数値シミュレーションを使用することによって推定され得る。例えば、５０ＧＨｚのＷＤＭチャネルグリッドでは、チャネル間非線形ひずみへの最も重大な寄与は１ＧＨｚ未満で発生し、したがってこれは、５０ＧＨｚのチャネル間隔を利用する例示的システムにおける低域通過フィルタ１３２の帯域幅の適切な推定値を提供する。本発明の発明者らによって行われた数値シミュレーションは、チャネル間非線形ひずみ緩和の方法の性能は、低域通過フィルタ帯域幅の正確な最適化を達成することに決定的に依存するものではないことを示した。むしろ、ほぼ最適な結果が達成され得る妥当な範囲のフィルタパラメータが存在する。これは、受信装置１０４が、ＷＤＭ帯域１１８内のいくつかの光チャネルにまたがって、低域通過フィルタ１３２のパラメータの正確な最適化を必要とせずに、効果的に作動することを可能にする。望む場合には、受信信号品質の尺度を最大にするために、フィルタ帯域幅を調整することにより、フィルタパラメータの最適化が動作システム１００内で適応的に実行されてもよい。理解されるように、フィルタパラメータの適応最適化は、帯域幅制限の全部または一部がディジタル領域において行われる場合には、容易に達成され得る。

受信機１２６の出力１３４において生成される制御信号を、受信光信号に適用される位相変調のレベルに関連付ける要因（すなわち比例）に関して、Ｓ−ＳＭＦ（例えば１１２）を利用する伝送システムの場合、適切な変調は一般には位相前進を含む。位相前進の適切なレベルは、一般には、光リンク１１０内のＷＤＭチャネル間の非線形相互作用の強さに依存する。これはさらには、各スパンに送られるパワーレベル、これらのスパンを構成する光ファイバ（すなわちＳ−ＳＭＦ１１２およびＤＣＦ１１６）の非線形特性、ならびに各スパンの非線形有効長に依存する。非線形有効長の概念は当分野において周知であり、全般的非線形相互作用に対する減衰の影響の原因となるものである。特に、信号は、光ファイバのスパンを伝搬する際に減衰し、したがって、非線形相互作用のレベルが減少する。すなわち、非線形プロセスは、光パワーレベルが最大である各スパンの入力端の近くでより顕著になる。したがって、ファイバスパンの非線形有効長は、一般に、当該スパンの実際の物理長より若干短い。

実際には、適切な位相変調率の概算推定値が、光リンク１１０の特性の前述の考慮事項に基づいて獲得され得る。次いで、受信機１４０、１４２における信号品質の適切な尺度を最大にするために、結果として得られる単一の定数が、動作システム１００内で、適切な最適化プロセスによって調整され得る。

したがって一般に、（ステップ２０６で適用される）帯域幅制限の量は、主に、光リンク１１０の分散特性に依存し、（ステップ２０８で適用される）位相変調率は、主に、例えば、ファイバの非線形性および減衰、光照射パワーなど、非線形相互作用の強さに寄与する要因に依存する。したがって、受信装置１０４のこれら２つのパラメータは相対的に相互に独立であり、よって、独立の最適化プロセスによって容易に最適化され得る。さらに、それぞれが、容易に識別される範囲内の対応する受信信号品質の単一の最大値を示すため、オンラインの最適化プロセスが容易に実施され得る。

本発明の実施形態の有効性を評価するために、おおよそ例示的システム１００と一致する伝送システムのいくつかのコンピュータシミュレーションを行った。これらのシミュレーションは、簡単にするために、それぞれが同一であると想定される複数の光ファイバ伝送スパンからなるモデルシステムに適用した。シミュレートされたシステムは、８つのＷＤＭチャネルを含み、各チャネルは、単一偏光において６０Ｇｂｉｔ／秒の生データレートをもたらす４ＱＡＭ方式に従って変調された１０２４副搬送波を有する単一の３０ＧＨｚ帯域幅の光ＯＦＤＭ信号を搬送する。ＷＤＭチャネル間隔は５０ＧＨｚである。

シミュレートされたシステムの光分散マップに関しては、初期波長分散事前補償（すなわちＤＣＦ１０８を介した補償）が適用され、合計で１５３０ｐｓ／ｎｍとした。各スパンは９５ｋｍのＳ−ＳＭＦ１１２を含み、その後に、Ｓ−ＳＭＦ１１２内の分散を８５ｐｓ／ｎｍだけ少なく補償するように構成されているＤＣＦ１１６を組み込んだ増幅器１１４が続く。残存する分散は受信機において補償される。２段増幅器１０６、１１４は、各スパンの損失を補償し、５ｄＢの雑音指数を有する。増幅器利得は、各ＤＣＦ長１１６から出力されるパワーが各Ｓ−ＳＭＦ長１１２の出力におけるパワーと同じになるように構成されており、ＤＣＦ１１６における非線形効果を最小化する。

図３および図４を参照してその結果を以下で詳細に説明する様々なシミュレーションにおいては、スパン１１０の総数が異なり（２０スパンと２５スパンのどちらかである）、また、各スパンに送られるパワーも異なり、１チャネル当たり−１０ｄＢｍから０ｄＢｍである。

シミュレートされた受信装置１０４に関して、チャネル間非線形性補償器は、第１の受信機１２６と位相変調器１４４とからなり、デマルチプレクサ１３６の前に配置され、８つすべてのＷＤＭチャネルの同時補償を可能とする。前述の説明から理解されるように、図１および図２を参照すると、この構成は一般に８つすべてのＷＤＭチャネルの最適補償をもたらすとは見込まれないが、シミュレーション結果は、この技法を使用して複数のＷＤＭチャネルにおいてチャネル間非線形ひずみを緩和することができ、複数のＷＤＭチャネルの同時補償を行うことにより、有利には、受信装置１０４の複雑さおよび／またはコストが低減され得ることを示している。これらのシミュレーションにおいては、フィルタ通過帯域および遷移帯域の幅を系統的に変更してチャネル間非線形ひずみの最大補償レベルを見つけることによって、低域通過フィルタ１３２の特性を第４のＷＤＭチャネル（すなわち帯域の中央付近）に適合させるように数値的最適化を行った。

８つのＷＤＭチャネルは、デマルチプレクサ１３６によって逆多重化され、ＳＰＭ補償器１４８によって個々にＳＰＭを補償され、コヒーレント受信機１４０を使用して検出される。次いで、４ＱＡＭ変調データは受信信号のディジタル処理１４２によって回復され、結果として得られる電気信号品質Ｑが決定される。これらの特定の例において、信号品質Ｑは、複素平面の関連軸からの４ＱＡＭシンボルの平均距離の二乗を対応するシンボル分散で割ったものとして定義される。すなわち、Ｑは検出誤りの尤度（または比率）の尺度であり、より高いＱの値はよりよい品質の信号を表す。有意には、Ｑの値には、９ｄＢよりわずかに大きい下限があり、９ｄＢより上では、適切な前方誤り訂正（ＦＥＣ）アルゴリズムを使用することにより誤りのない伝送が達成され得る。よってこのＱの値は、誤りのない伝送の「ＦＥＣ限界」を構成する。

図３は、（軸３０４上の）８つのＷＤＭチャネルのそれぞれについての（軸３０２上の）平均値Ｑを示すグラフ３００である。また、グラフ３００には、ＦＥＣ限界３０６も示されている。伝送システムは、合計１９００ｋｍにわたる各９５ｋｍの２０スパンを含み、１チャネル当たり−２ｄＢｍの光出射パワーを有する。丸３０８は、補償なしの受信信号品質を表す。三角３１０は、チャネル間非線形ひずみ緩和のみありの受信信号品質を表す。四角３１２は、単一チャネル（すなわちＳＰＭ）非線形ひずみ補償のみありの受信信号品質を表す。ひし形は、チャネル間と単一チャネル両方の非線形ひずみ緩和ありの受信信号品質を表す。非線形ひずみ緩和なしでは、中央のチャネル（例えばチャネル３からチャネル６）は、その他のチャネルからの強いチャネル間効果が原因で、最低の性能を示すことが明らかである。個々のチャネルのＳＰＭについての緩和は、帯域の端、例えばチャネル１やチャネル８においてチャネルに最大の利益を与える。というのは、これらのチャネルはチャネル間非線形ひずみによって受ける影響が最も少ないからである。逆に、チャネル間効果だけの緩和は、中央のチャネル、例えばチャネル３からチャネル６に最大の利益を与える。単一チャネルとチャネル間両方の非線形ひずみ緩和が行われるときには、結果として得られる８つのＷＤＭチャネルすべての品質がＦＥＣ限界を上回る。

次に図４を見ると、（軸４０２上の）信号品質が（軸４０４上の）１チャネル当たりの光出射パワーに対してプロットされたグラフ４００が示されている。曲線４０６、４０８は、非線形ひずみについての補償が適用されないシステムを表す。曲線４１０、４１２は、本発明の実施形態による、単一チャネルとチャネル間両方の非線形ひずみ緩和が適用されるシステムを表す。さらに、曲線４０６、４１０は、合計１９００ｋｍにわたる各９５ｋｍの２０伝送スパンを含むシステムを表し、曲線４０８、４１２は、合計２３７５ｋｍの伝送におよぶ９５ｋｍの２５スパンを含むシステムを表す。４曲線４０６、４０８、４１０、４１２はすべて、それぞれの場合における最悪のＷＤＭチャネルについての信号品質を示す。

グラフ４００に示す結果を見れば、どちらの伝送距離についても、本発明の実施形態によるチャネル間緩和を含む非線形性補償を使用すると、対応する最小の（すなわち最悪の場合の）受信信号品質の増加を伴う、より高い最適な１チャネル当たりの光出射パワーの使用が可能になることが明らかである。特に、非線形性緩和なしでは、最適な光パワーは−６ｄＢｍ前後であり（４１４）、非線形性緩和ありでは、これはほぼ２ｄＢ増加し（４１６）、最悪の場合の受信信号品質の１．３ｄＢの改善（４１８）が達成される。

さらに、非線形性緩和が用いられるときには、２５個の分散管理スパンの２３７５ｋｍの距離にわたってでさえも、すべてのＷＤＭチャネルにおいてＦＥＣ限界を超えることが可能であるが、非線形性補償なしの同じ伝送リンク上ではこれは不可能である。

加えて、図３のグラフ３００に示す結果を参照すると、グラフ４００の曲線４０６、４０８で表される最悪の性能のチャネルは、補償が適用されないときにＷＤＭ帯域の中央付近に位置するチャネルであることが明らかである。ＦＥＣ限界を超えるのに十分なこれらのチャネルの品質における有意な改善は、本発明の実施形態によるチャネル間非線形ひずみ緩和の使用のみによって達成することができる。（比較すると、ＷＤＭ帯域の端のチャネル、例えば、チャネル１やチャネル８は、ＳＰＭ補償だけによって完全な信号品質の改善の過半数を達成する。）したがって、本発明の実施形態を使用することのみによって、受信信号品質の有意な改善をＷＤＭ伝送システムのすべてのチャネルにわたって達成し得ることが明らかである。特に、本明細書で開示した様々な実施形態によれば、有利には、低帯域幅の受信機１２６を使用して複数の波長チャネルにおける総光パワーの単一の尺度が獲得される比較的単純な実施態様を使用して必要な改善を達成することが可能であり、次いで、有利にはこの尺度を使用して、同時に、またはチャネルごとに、波長チャネルのうちの１つまたは複数における受信光信号のチャネル間非線形ひずみの影響を緩和することができる。

いくつかの実施選択肢および変形を説明したが、さらに別の変更も当業者には明らかであろう。したがって、本発明は本明細書で説明した特定の実施形態だけに限定されるべきではなく、その範囲は添付の特許請求の範囲によって定義されるものである。

Claims (17)

1. 波長分割多重化（ＷＤＭ）伝送システムにおける複数の波長チャネルのうちの１つで搬送される光信号のチャネル間非線形ひずみを緩和する方法であって、
   前記複数の波長チャネルの瞬時総光パワーの帯域幅制限尺度である制御信号を生成するステップと、
   複数の波長チャネルからの個々の信号を逆多重化するステップと、
   前記制御信号に比例して、前記個々の信号に対して位相変調を適用するステップと、
   を含む方法。
2. 瞬時光パワーの尺度の帯域幅は、前記個々の信号の帯域幅より狭い帯域幅を有する低域通過特性に従って制限される請求項１に記載の方法。
3. 前記個々の信号のチャネル間非線形ひずみの補償レベルを最大にするよう、前記低域通過特性を選択、または、最適化するステップをさらに含む請求項２に記載の方法。
4. 前記適用される位相変調は、位相を進めることである請求項１に記載の方法。
5. 前記制御信号と前記位相変調のレベルとの間の比例定数は、前記ＷＤＭ伝送システムの実効非線形長の尺度に従って決定される請求項１に記載の方法。
6. 前記複数の波長チャネルは、より多くの送信ＷＤＭチャネルの中から選択されたチャネルの帯域からなる請求項１に記載の方法。
7. 前記個々の信号は、前記複数の波長チャネルの中央の波長の近くに位置する波長で搬送される請求項１に記載の方法。
8. 前記位相変調は、前記ＷＤＭ伝送システムにおける前記波長チャネルのうちの対応する１又は複数で搬送される個々の信号に、あるいは、１又はそれ以上の信号に別々に適用される請求項１に記載の方法。
9. 波長分割多重化（ＷＤＭ）伝送システムにおける複数の波長チャネルのうちの１つで搬送される光信号のチャネル間非線形ひずみを緩和するための装置であって、
   前記複数の波長チャネルを検出し、且つ、前記複数の波長チャネルの瞬時総光パワーの帯域幅制限尺度である制御信号を生成する、ように構成された第１の光受信機と、
   複数の波長チャネルからの個々の信号を逆多重化するデマルチプレクサと、
   前記制御信号に比例して、前記個々の信号に対して位相変調を適用する手段を含む非線形ひずみ補償器と、
   を含む装置。
10. 前記非線形ひずみ補償器は、前記光信号の光伝送路に配置された位相変調器を先だって含み、
    この位相変調器は、前記制御信号によって駆動される変調制御入力を有する請求項９に記載の装置。
11. 前記個々の信号を検出するように構成された第２の光受信機をさらに含み、
    前記非線形ひずみ補償器は、前記第２の光受信機による検出の後に続く前記受信された光信号の電気信号処理路に配置された電子位相変調器を含み、
    この位相変調器は、前記制御信号によって駆動される変調制御入力を有する請求項９に記載の装置。
12. 前記電子位相変調器は、前記変調制御入力に従って、前記第２の光受信機からの電気信号出力に位相変調を適用するように構成された少なくとも１つのアナログ位相変調器を含む請求項１１に記載の装置。
13. 前記第２の光受信機からの電気信号出力を、対応するディジタル信号サンプルのシーケンスへと変換するように構成された少なくとも１つのアナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）と、
    前記変調制御入力に従って、前記ディジタル信号サンプルのシーケンスに位相変調を適用するように構成されたディジタル信号プロセッサと、
    をさらに含む請求項１１に記載の装置。
14. 前記第１の光受信機の出力を、対応するディジタル制御サンプルのシーケンスへと変換するように構成された別のＡＤＣを含み、
    前記ディジタル信号プロセッサは、前記ディジタル制御サンプルのシーケンスに従って前記ディジタル信号サンプルのシーケンスに位相変調を適用するように構成されている請求項１３に記載の装置。
15. 前記第１の光受信機は、低域通過特性に従って、前記総光パワーの尺度の帯域幅を制限するように構成されている請求項９に記載の装置。
16. 前記個々の信号のチャネル間非線形ひずみの補償レベルを最大にするように、前記低域通過特性が選択される請求項１５に記載の装置。
17. 前記ディジタル信号プロセッサは、前記光信号のチャネル間非線形ひずみの補償レベルを最大にするように選択された低域通過特性を有する前記ディジタル制御サンプルのディジタルフィルタリングを行うようにさらに構成されている請求項１６に記載の装置。

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