JP5750177B1

JP5750177B1 - 光受信装置、光通信システムおよび偏波間クロストーク補償方法

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Publication number: JP5750177B1
Application number: JP2014059553A
Authority: JP
Inventors: 光輝吉田; 山崎　悦史; 悦史山崎; 藤原　直樹; 直樹藤原; 聖司岡本; 浩一石原; 光樹芝原; 小林　孝行; 孝行小林; 木坂　由明; 由明木坂; 片岡　智由; 智由片岡; 一茂米永; 富沢　将人; 将人富沢
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2034-03-24
Also published as: JP2015185974A

Abstract

【課題】高速に変動する光カー効果由来の偏波間クロストークを補償する。【解決手段】光受信装置２は、偏波多重した主信号を生成し主信号にパイロットトーンを周波数領域で多重した信号光を光ファイバ伝送路５を経由して受信し、受信した信号光を第１の偏波チャネルと第２の偏波チャネルとに分離するアナログデジタル変換部２０３、各偏波チャネルからパイロットトーンと主信号とを分離するパイロットトーン分離部２０５、第１の偏波チャネルのパイロットトーンの絶対値振幅と、第２の偏波チャネルのパイロットトーンの絶対値振幅との差を用いて、絶対値振幅の差に比例する量の偏波間クロストーク補償を第１および第２の偏波チャネルの主信号に対して実行する偏波間クロストーク補償部（２０６〜２０９）、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、光カー効果由来の偏波間クロストークを補償する技術に関する。

年々増大するコアネットワークの伝送需要に対応するため、波長あたり１００Ｇｂ／ｓクラスの伝送容量を実現する光伝送装置が実用化されつつある。１００Ｇｂ／ｓクラスの長距離光伝送では、コヒーレント受信方式が主に用いられている。さらに、位相変調技術や偏波多重技術を用いることによって、１００Ｇｂ／ｓの情報伝送が２８〜３５ＧＨｚ程度のシンボルレートで実現されている。

１００Ｇｂ／ｓクラスの長距離光伝送では、非線形光学効果による信号歪が発生する。その信号歪は、伝送可能距離を制限する要因となる。非線形光学効果は、伝送光ファイバに入力する光信号の強度を増大させるほど信号品質の劣化を大きくする。また、非線形光学効果は、伝送距離が長くなるほど信号品質の劣化を大きくする。信号品質の劣化が大きくなると、受信側においてビット誤りが発生する。

したがって、非線形光学効果は、ビット誤りを前方誤り訂正符号の許容値を超えないように伝送距離を選ばなければならなくするという点で直接的に伝送距離を制限している。また、非線形光学効果による信号品質の劣化が著しく大きくならないようにするためには、伝送光ファイバに入力する光信号の強度を制限する必要がある。そのため、受信側における信号雑音比を高くできなくなるので、非線形光学効果は、間接的に伝送可能距離を制限している。

非線形光学効果に由来する信号品質の劣化を大別すると、自己位相変調、相互位相変調、四光波混合の３種類がある。
自己位相変調は、非線形光学効果が単一伝送チャネル内で完結しているものを指し、信号自身の電場によって信号歪が生じる現象である。その現象がチャネル内に閉じているため、自己位相変調による信号歪は逆伝搬法を用いて補償または影響の低減を可能とすることが知られている。
四光波混合は、伝送光ファイバの波長分散が非常に小さい場合には大きな問題となるが、ゼロ分散波長近辺での運用を避ければ大きな問題とはならない。

相互位相変調は、波長多重技術を採用した場合に問題になる。非線形光学効果が、チャネル間をまたがって生じるため、単一のチャネル内の信号処理のみでは補償することが困難である。しかし、波長多重されたすべてのチャネルにまたがった信号処理を行うことは現実的ではない。

波長多重技術を利用し、かつ偏波多重手段を採用した光通信システムでは、相互位相変調の一種である光カー効果に由来する偏波回転が問題となる。
光カー効果は、光電場の強度によって媒質の屈折率が変動する現象である。具体的には、光カー効果は、光の進行方向に直角な２方向で別々の屈折率変動が生じることによって、媒質に複屈折性をもたらす現象である。光カー効果が発生すると、伝送光ファイバ中で、光信号は偏波回転を受けることになる。つまり、偏波多重された光信号を利用する場合には、光カー効果由来の偏波間クロストークが発生する。

偏波多重された光信号の２つの偏波はどちらも同じ強度を持っている。しかし、波長多重を行った場合、局所的にたまたま互いに強め合って干渉したり、または互いに弱め合って干渉したりして、両偏波の強度は必ずしも一定ではなくなる。そのため、前記光カー効果由来の偏波間クロストークが発生する。また、この偏波間の振幅インバランスは、シンボルレート程度の速さで変動するため、クロストーク量はシンボルレート程度の速さで変動する。ただし、波長分散がゼロでない場合は、波長分散により偏波間の振幅インバランスが時間的に平均されて、クロストーク量の変動速度はシンボルレートより一桁程度遅くなる。

偏波多重された光信号を受信する光受信装置は、一般的に、２つの直交する偏波を弁別し、クロストークを除去する機能を備えている。このような機能は、例えば、ＬＭＳ（Least Mean Square）アルゴリズム（非特許文献１，２参照）を用いて制御される適応ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）フィルタによって実現されている。偏波回転の時間変動が適応ＭＩＭＯフィルタの追従速度と比べて緩やかな場合には、偏波間クロストークを補償することができる。

S. Haykin，"Adaptive Filter Theory"，Prentice-Hall，1996 P. Johannisson，et al.，"Convergence Comparison of CMA and ICA for Blind Polarization Demultiplexing of QPSK and 16-QAM Signalsn"，ECOC 2010，Th.9.A.3，(2010.9)

しかしながら、ＬＭＳ（例えば、ＣＭＡ；Constant Modulus Algorithm）アルゴリズムの追従速度は、ステップサイズパラメータによって決定され、そのステップサイズパラメータは追従速度と雑音抑圧との間のトレードオフを考慮して、シンボルレートの１／１０００から１／１００００に設定されている。したがって、偏波間クロストークの変化速度が、シンボルレートの１／１０００程度の場合には、ＬＭＳアルゴリズムを用いて制御される適応ＭＩＭＯフィルタによって偏波間クロストークを除去可能であるが、その追従速度より高速で変動する偏波間クロストークは除去できずに残留してしまう。

そこで、本発明は、高速に変動する光カー効果由来の波間クロストークを補償する技術を提供することを目的とする。

また、本発明の光通信システムの光受信装置は、偏波多重した主信号にパイロットトーンを周波数領域で多重した信号光を光ファイバ伝送路経由で受信し、受信した前記信号光を電気デジタル信号に変換した、第１の偏波チャネルと第２の偏波チャネルとに分離する変換部、前記第１の偏波チャネルおよび前記第２の偏波チャネルに適応ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）フィルタを適用して、前記第１の偏波チャネルおよび前記第２の偏波チャネルから静的または準静的な偏波間クロストークを除去した出力信号を生成する偏波分離部、前記偏波分離部によって生成された前記出力信号の各偏波チャネルから、第１のパイロットトーンと第２のパイロットトーン、および、第１の主信号と第２の主信号を分離するパイロットトーン分離部、前記第１のパイロットトーンおよび前記第２のパイロットトーン間の位相差に一致する量の位相差補償を前記第２の主信号に対して実行し、位相差補償後の第２の主信号を生成する偏波間クロストーク補償部、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、光通信システムの光受信装置は、パイロットトーンの偏波チャネル間の位相差に基づいて、主信号に残留している偏波間クロストークのうちの位相差について補償することができる。したがって、光受信装置は、高速に変動する光カー効果由来の偏波間クロストークを主信号に対して補償することができる。

また、前記光受信装置の前記偏波間クロストーク補償部は、前記第１のパイロットトーンの絶対値振幅と、前記第２のパイロットトーンの絶対値振幅との差に基づいて、前記差に比例する量の偏波間クロストーク補償を前記第１の主信号および前記位相差補償後の第２の主信号に対して実行し、偏波間クロストーク補償後の第１の主信号および偏波間クロストーク補償後の第２の主信号を生成することを特徴とする。

このような構成によれば、光受信装置は、パイロットトーンの絶対値振幅に基づいて、主信号に残留している偏波間クロストークのうちの振幅インバランスについて補償することができる。したがって、光受信装置は、高速に変動する光カー効果由来の偏波間クロストークを主信号に対して補償することができる。

また、前記光受信装置は、前記第１のパイロットトーンおよび前記第２のパイロットトーン間の位相差に一致する量の位相差補償を前記第２のパイロットトーンに対して実行して位相差補償後の第２のパイロットトーンを生成し、前記差に比例する量の偏波間クロストーク補償を前記第１のパイロットトーンおよび前記位相差補償後の第２のパイロットトーンに対して実行して偏波間クロストーク補償後の第１のパイロットトーンおよび偏波間クロストーク補償後の第２のパイロットトーンを生成し、前記偏波間クロストーク補償後の第１のパイロットトーンおよび前記偏波間クロストーク補償後の第２のパイロットトーンに基づいて前記偏波間クロストーク補償後の第１の主信号および前記偏波間クロストーク補償後の第２の主信号の位相補償を実行することを特徴とする。

このような構成によれば、光受信装置は、パイロットトーンの偏波間クロストーク補償を行い、偏波間クロストーク補償後のパイロットトーンに基づいて、位相雑音に関する位相補償を主信号に対して実行することができる。

本発明の光通信システムの光受信装置は、偏波多重した主信号にパイロットトーンを周波数領域で多重した信号光を光ファイバ伝送路経由で受信し、受信した前記信号光を電気デジタル信号に変換した、第１の偏波チャネルと第２の偏波チャネルとに分離する変換部、前記第１の偏波チャネルおよび前記第２の偏波チャネルに適応ＭＩＭＯフィルタを適用して、前記第１の偏波チャネルおよび前記第２の偏波チャネルから静的または準静的な偏波間クロストークを除去した出力信号を生成する偏波分離部、前記偏波分離部によって生成された前記出力信号の各偏波チャネルから、第１のパイロットトーンと第２のパイロットトーン、および、第１の主信号と第２の主信号を分離するパイロットトーン分離部、前記第１のパイロットトーンの絶対値振幅と、前記第２のパイロットトーンの絶対値振幅との差に基づいて、前記差に比例する量の偏波間クロストーク補償を前記第１の主信号および前記第２の主信号に対して実行し、前記差に対応する補償後の第１の主信号および前記差に対応する補償後の第２の主信号を生成する偏波間クロストーク補償部、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、光通信システムの光受信装置は、パイロットトーンの絶対値振幅に基づいて、主信号に残留している偏波間クロストークのうちの振幅インバランスについて補償することができる。したがって、光受信装置は、高速に変動する光カー効果由来の偏波間クロストークを主信号に対して補償することができる。

また、前記光受信装置の前記偏波間クロストーク補償部は、前記第１のパイロットトーンおよび前記第２のパイロットトーン間の位相差に一致する量の位相差補償を前記差に対応する補償後の第２の主信号に対して実行し、偏波間クロストーク補償後の第１の主信号および偏波間クロストーク補償後の第２の主信号を生成することを特徴とする。

このような構成によれば、光受信装置は、パイロットトーンの偏波チャネル間の位相差に基づいて、主信号に残留している偏波間クロストークのうちの位相差について補償することができる。したがって、光受信装置は、高速に変動する光カー効果由来の偏波間クロストークを主信号に対して補償することができる。

また、前記光受信装置は、前記差に比例する量の偏波間クロストーク補償を前記第１のパイロットトーンおよび前記第２のパイロットトーンに対して実行して前記差に対応する補償後の第１のパイロットトーンおよび前記差に対応する補償後の第２のパイロットトーンを生成し、前記第１のパイロットトーンおよび前記第２のパイロットトーン間の位相差に一致する量の位相差補償を前記差に対応する補償後の第２のパイロットトーンに対して実行して、偏波間クロストーク補償後の第１のパイロットトーンおよび偏波間クロストーク補償後の第２のパイロットトーンを生成し、前記偏波間クロストーク補償後の第１のパイロットトーンおよび前記偏波間クロストーク補償後の第２のパイロットトーンに基づいて前記偏波間クロストーク補償後の第１の主信号および前記偏波間クロストーク補償後の第２の主信号の位相補償を実行することを特徴とする。

なお、前記光受信装置を有する光通信システムに係る発明および偏波間クロストーク補償方法に係る発明については、前記した光受信装置と同様の技術的特徴を備えており、光受信装置と同様の作用効果を有しているので、この課題を解決するための手段においては記載を省略する。

本発明によれば、光受信装置において、高速に変動する光カー効果由来の偏波間クロストークを補償することができる。

光通信システムの構成例を示す図である。光送信装置の機能例を示す図である。光受信装置の機能例を示す図である。信号処理部の機能例を示す図である。信号処理部の別の機能例を示す図である。偏波間クロストーク補償ありの場合となしの場合におけるＱ値の実験結果の一例を示す図である。

本発明を実施するための形態（以降、「本実施形態」と称す。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

（光通信システム）
光通信システム１００は、図１に示すように、光送信装置１および光受信装置２を備えている。光送信装置１は、送信データを偏波多重した主信号を生成し、その主信号にパイロットトーンを周波数領域で多重化した電気信号の光変調を行って、信号光を生成する機能を有する。そして、光送信装置１は、信号光を光ファイバ伝送路５に出力する。
また、光受信装置２は、光ファイバ伝送路５を経由してきた信号光を受信光として受信し、受信した受信光を２つの偏波チャネルに分離し、各偏波チャネルに含まれるパイロットトーンに基づいて、偏波間クロストーク補償を主信号に対して実行する機能を有する。すなわち、光受信装置２は、偏波間クロストークを低減する。
なお、光ファイバ伝送路５は、光ファイバや光増幅器（不図示）によって構成されている。

（光送信装置）
次に、光送信装置１の機能例について、図２を用いて説明する。
光送信装置１は、図２に示すように、シンボルマッピング部１０１、パイロットトーン挿入部１０２、デジタルアナログ変換部１０３、光変調部１０４およびレーザ発振部１０５を備える。

シンボルマッピング部１０１は、送信データ１０を、外部から受信する、またはメモリから読み出す等によって受信する。そして、シンボルマッピング部１０１は、受信した送信データ１０を偏波多重ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）信号にマッピングし、デジタル的に表記された時系列信号波形データ（以降、主信号と称す。）を生成する機能を有する。シンボルマッピング部１０１は、生成した主信号をパイロットトーン挿入部１０２に出力する。

パイロットトーン挿入部１０２は、主信号を受信し、受信した主信号にパイロットトーンを周波数多重して、変調信号を生成する機能を有する。なお、パイロットトーンと主信号とは位相同期されているものとする。また、パイロットトーンの周波数は、主信号の占有帯域とは重ならない範囲で主信号の占有帯域の中心周波数に接近させることが好ましい。また、主信号はＸ偏波チャネルとＹ偏波チャネルの重ね合わせで構成されており、Ｘ偏波とＹ偏波は互いに直交している。パイロットトーンのＸ偏波成分とＹ偏波成分は、互いに同振幅かつ同位相になるように設計または調整される。
パイロットトーン挿入部１０２は、生成した変調信号をデジタルアナログ変換部１０３に出力する。

デジタルアナログ変換部１０３は、変調信号を受信して、アナログ電気信号に変換する機能を有する。アナログ電気信号は、４レーンの電気信号であり、それぞれＸ偏波同相成分、Ｘ偏波直交位相成分、Ｙ偏波同相成分、Ｙ偏波直交位相成分に対応している。デジタルアナログ変換部１０３は、４レーンの電気信号を光変調部１０４に出力する。

光変調部１０４は、４レーンの電気信号を受信し、受信した電気信号によって、レーザ発振部１０５のレーザ光を変調し、偏波多重ＱＰＳＫ光信号（信号光１１）を生成する機能を有する。そして、光変調部１０４は、生成した信号光１１を光ファイバ伝送路５に出力する。

レーザ発振部１０５は、レーザを用いて光信号を生成し、光変調部１０４に出力する機能を有する。

なお、本実施形態では、変調方式を偏波多重ＱＰＳＫとしたが、偏波多重ＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）や偏波多重ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）等の、他の変調方式を採用することも可能である。また、シンボルマッピング部１０１の出力であるデジタル信号の段階でパイロットトーン多重を行うように説明したが、デジタルアナログ変換部１０３の出力であるアナログ信号の段階でパイロットトーン多重を行ってもよい。

（光受信装置）
次に、光受信装置２の機能例について、図３を用いて説明する。
光受信装置２は、図３に示すように、コヒーレント光電変換部（変換部）２０１、局部発振レーザ部２０２、アナログデジタル変換部（変換部）２０３、偏波分離部２０４、パイロットトーン分離部２０５、Ｘ−Ｙ位相差検出部（偏波間クロストーク補償部）２０６、Ｘ−Ｙ位相差補償部（偏波間クロストーク補償部）２０７、偏波回転検出部（偏波間クロストーク補償部）２０８、偏波回転補償部（偏波間クロストーク補償部）２０９、位相補償部２１０および信号処理部２１１を備える。

コヒーレント光電変換部２０１は、光ファイバ伝送路５を経由してきた信号光１１を受信する。ここでは、受信した信号を受信光２１と称する。コヒーレント光電変換部２０１は、受信光２１を局部発振レーザ部２０２から出力される局発光２２と混合し、偏波間の位相情報を保持したまま受信アナログ電気信号２３に変換する機能を有する。そして、コヒーレント光電変換部２０１は、受信アナログ電気信号２３を、アナログデジタル変換部２０３に出力する。

局部発振レーザ部２０２は、コヒーレント受信を行うために、局部発振用レーザを用いて光信号を生成する機能を有する。

アナログデジタル変換部２０３は、受信アナログ電気信号２３を受信し、受信した受信アナログ電気信号２３をデジタル信号に変換する機能を有する。なお、当該デジタル信号は、受信デジタル信号２４と称し、元々の４レーンの信号を２レーンの複素信号として表現するものとする。すなわち、受信デジタル信号２４は、Ｘ偏波成分およびＹ偏波成分である第１の偏波チャネルと第２の偏波チャネルとで表される。アナログデジタル変換部２０３は、受信デジタル信号２４を偏波分離部２０４に出力する。

偏波分離部２０４は、受信デジタル信号２４を受信し、受信した受信デジタル信号２４に適応ＭＩＭＯフィルタを適用して、静的または準静的な偏波間クロストークを除去する機能を有する。偏波分離部２０４は、偏波間クロストークを除去した受信デジタル信号２４を、パイロットトーン分離部２０５に出力する。なお、適応ＭＩＭＯフィルタは、２レーンの複素信号を入力とし、両レーンの信号間の偏波間クロストークを補償して、補償後の２レーンの複素信号を出力する。適応ＭＩＭＯフィルタは、偏波間クロストークの変化速度がおおむねシンボルレートの１／１００００程度までの場合には、適応ＭＩＭＯフィルタによってクロストーク除去が可能である。しかし、シンボルレートの１／１００００より高速で変動する偏波間クロストークは除去できず残留してしまう。

パイロットトーン分離部２０５は、偏波分離部２０４の出力信号を受信し、当該出力信号にデジタルフィルタを適用して、当該出力信号をパイロットトーン２６と主信号２５とに分離する機能を有する。そして、パイロットトーン分離部２０５は、主信号２５をＸ−Ｙ位相差補償部２０７に出力する。また、パイロットトーン分離部２０５は、パイロットトーン２６をＸ−Ｙ位相差検出部２０６に出力する。図３では、主信号２５の経路を一点鎖線矢印で表し、パイロットトーン２６の経路を点線矢印で表している。

Ｘ−Ｙ位相差検出部（偏波間クロストーク補償部）２０６は、パイロットトーン２６を受信し、パイロットトーン２６のＸ偏波とＹ偏波との間の位相差を求め、当該位相差を位相差情報２７としてＸ−Ｙ位相差補償部２０７に出力する機能を有する。そして、Ｘ−Ｙ位相差検出部２０６は、受信したパイロットトーン２６をＸ−Ｙ位相差補償部２０７に出力する。なお、パイロットトーン２６は、Ｘ偏波とＹ偏波との間の位相差がゼロの場合、パイロットトーン２６は直線偏光であり、位相差がゼロでない場合、パイロットトーン２６は楕円偏光をなしている。

Ｘ−Ｙ位相差補償部（偏波間クロストーク補償部）２０７は、主信号２５、パイロットトーン２６、位相差情報２７を受信する。Ｘ−Ｙ位相差補償部２０７は、位相差情報２７に基づいて、パイロットトーン２６が直線偏光となるように、パイロットトーン２６のＸ偏波またはＹ偏波のいずれか一方の位相を調整する機能を有する。また、Ｘ−Ｙ位相差補償部２０７は、位相差情報２７に基づいて、主信号２５が直線偏光となるように、主信号２５のＸ偏波またはＹ偏波のいずれか一方の位相を調整する機能を有する。そして、Ｘ−Ｙ位相差補償部２０７は、位相差補償前のパイロットトーンおよび位相差補償後のパイロットトーンを偏波回転検出部２０８に出力する。また、Ｘ−Ｙ位相差補償部２０７は、位相差補償後の主信号を偏波回転補償部２０９に出力する。

偏波回転検出部（偏波間クロストーク補償部）２０８は、位相差補償前のパイロットトーンおよび位相差補償後のパイロットトーンを受信する。偏波回転検出部２０８は、受信した位相差補償前のパイロットトーンのＸ偏波およびＹ偏波の絶対値振幅を求め、さらに双方の絶対値振幅の差に比例する値を求める機能を有する。当該比例する値は、パイロットトーン２６の振幅インバランスを打ち消すような偏波回転を示す振幅インバランスデータ（偏波回転情報２８）である。そして、偏波回転検出部２０８は、位相差補償後のパイロットトーンおよび主信号と、振幅インバランスデータ（偏波回転情報２８）とを偏波回転補償部２０９に出力する。

偏波回転補償部（偏波間クロストーク補償部）２０９は、位相差補償後のパイロットトーンおよび主信号と、振幅インバランスデータ（偏波回転情報２８）とを受信する。偏波回転補償部２０９は、受信した偏波回転情報２８に基づいて、位相差補償後のパイロットトーンに対して偏波間クロストーク補償の処理を実行する機能を有する。また、偏波回転補償部２０９は、受信した偏波回転情報２８に基づいて、位相差補償後の主信号に対して偏波間クロストーク補償の処理を実行する機能を有する。偏波回転補償部２０９は、偏波間クロストーク補償後のパイロットトーンおよび主信号を、位相補償部２１０に出力する。

なお、図３では、Ｘ−Ｙ位相差検出部２０６およびＸ−Ｙ位相差補償部２０７の処理の後に、偏波回転検出部２０８および偏波回転補償部２０９の処理を行うように説明したが、この順番を入れ替えて、偏波回転検出部２０８および偏波回転補償部２０９の処理の後に、Ｘ−Ｙ位相差検出部２０６およびＸ−Ｙ位相差補償部２０７の処理を実行するようにしても構わない。

位相補償部２１０は、偏波間クロストーク補償後のパイロットトーンおよび主信号を受信する。位相補償部２１０は、受信した偏波間クロストーク補償後のパイロットトーンの複素共役値を求め、その複素共役値を主信号に乗算して、主信号の位相揺らぎ（位相雑音）を補償する機能を有する。そして、位相補償部２１０は、位相揺らぎ（位相雑音）を補償した主信号を、信号処理部２１１に出力する。

信号処理部２１１は、図４に示すように、例えば、周波数オフセット補償部２１２、搬送波位相同期部２１３およびシンボル判定部２１４を備える。
周波数オフセット補償部２１２は、周波数オフセット量を推定し、周波数オフセット補償を実行する機能を有する。
搬送波位相同期部２１３は、受信した主信号と搬送波との同期をとる機能を有する。
シンボル判定部２１４は、搬送波位相同期部２１３の出力信号である主信号からシンボル系列を復調し、送信側から送信された元の送信データ１０を出力する機能を有する。
なお、信号処理部２１１は、図５に示すように、搬送波位相同期部２１３およびシンボル判定部２１４だけを備えるようにしても構わない。

（偏波間クロストーク補償の処理例）
ここでは、偏波間クロストーク補償部（Ｘ−Ｙ位相差検出部２０６、Ｘ−Ｙ位相差補償部２０７、偏波回転検出部２０８および偏波回転補償部２０９）における偏波間クロストーク補償の処理例と、位相補償部２１０における位相補償の処理例とについて、以下に説明する。

ここで、パイロットトーン分離部２０５から出力される主信号２５のＸ偏波成分およびＹ偏波成分（第１の偏波チャネルの主信号および第２の偏波チャネルの主信号）それぞれをＳ_ｘ０，Ｓ_ｙ０とする。また、パイロットトーン分離部２０５から出力されるパイロットトーン２６のＸ偏波成分およびＹ偏波成分（第１の偏波チャネルのパイロットトーンおよび第２の偏波チャネルのパイロットトーン）それぞれをＰ_ｘ０，Ｐ_ｙ０とする。Ｓ_ｘ０，Ｓ_ｙ０，Ｐ_ｘ０，Ｐ_ｙ０それぞれは、一次元の時系列を表しており、時間の関数である。主信号Ｓ_ｘ０，Ｓ_ｙ０は、光カー効果由来の動的な偏波回転に起因する偏波間クロストーク成分を有している。また、偏波回転はパイロットトーンＰ_ｘ０，Ｐ_ｙ０に対しても、主信号の場合と同様に生じている。

双方のパイロットトーンＰ_ｘ０，Ｐ_ｙ０は、理想的な状態では振幅および位相が等しくなっている。しかし、偏波回転によって、パイロットトーンＰ_ｘ０，Ｐ_ｙ０は、位相差ｄおよび振幅インバランスδを含んでいる。位相差ｄおよび振幅インバランスδは、パイロットトーンＰ_ｘ０，Ｐ_ｙ０を用いて、次式（１）のように表すことができる。

ただし、＊は複素共役を表す。

次に、位相差ｄおよび振幅インバランスδを用いて、偏波間クロストーク補償後の主信号Ｓ_ｘ１，Ｓ_ｙ１を、次式（２）のように表すことができる。

まず、位相差については、式（２）を用いて、Ｘ偏波成分のパイロットトーンＰ_ｘ０とＹ偏波成分のパイロットトーンＰ_ｙ０との位相差ｄに一致する量の位相差補償をＹ偏波成分の主信号Ｓ_ｙ０に対して実行する。また、振幅インバランスについては、式（１）から、Ｘ偏波成分のパイロットトーンの絶対値振幅と、Ｙ偏波成分のパイロットトーンの絶対値振幅との差を用いて、その差に比例する値である振幅インバランスδを求める。そして、振幅インバランスδを式（２）に適用して、前記絶対値振幅の差に比例する量の偏波クロストーク補償を主信号に対して実行する。このことにより、主信号の偏波間クロストークの補償が実行できる。

なお、パイロットトーンを用いて位相補償を行うことによって、主信号の信号品質をさらに改善することが可能である。まず、パイロットトーンＰ_ｘ０，Ｐ_ｙ０に対しても主信号と同様の偏波間クロストークの補償処理を行う。偏波間クロストークの補償後のパイロットトーンＰ_ｘ１，Ｐ_ｙ１を、次式（３）のように表すことができる。

式（３）によって、Ｘ偏波成分のパイロットトーンＰ_ｘ０とＹ偏波成分のパイロットトーンＰ_ｙ０との位相差ｄに一致する量の位相差補償をＹ偏波成分のパイロットトーンＰ_ｙ０に対して実行する。次に、振幅インバランスδを式（３）に適用して、偏波間クロストーク補償をパイロットトーンに対して実行する。このことにより、パイロットトーンの偏波間クロストークの補償が実行できる。偏波間クロストークの補償後のパイロットトーンＰ_ｘ１とＰ_ｙ１とは、ノイズの影響を除けば等しくなっている。
さらに、次式（４）を用いて位相補償係数を求める。

ただし、ｆはパイロットトーン周波数（ｆ_ＰＴ）と主信号の中心周波数(ｆｃ)との差を示す周波数差であり、ｆ＝ｆｃ−ｆ_ＰＴで与えられる。ｔは時間である。ｉは虚数単位である。

式（４）に示すＰ_ｃは、主信号の位相雑音に対応していると期待でき、次式（５）によって、位相補償された主信号Ｓ_ｘ２，Ｓ_ｙ２を算出できる。

以上の説明では、位相差補償を先に実行し、その後に偏波間クロストーク補償を実行するように説明したが、その逆に、式（２）（３）から明らかなように、偏波間クロストーク補償を先に実行し、位相差補償を後に実行してもよい。
なお、上記説明中のＸ偏波成分とＹ偏波成分とを入れ替えても構わない。

次に、偏波間クロストーク補償ありの場合となしの場合におけるＱ値の実験結果の一例について、図６を用いて説明する。
図６は、横軸がＯＳＮＲ（Optical Signal to Noise Ratio）を表し、縦軸がＱ値を表している。○印は、本発明の偏波間クロストーク補償を行った場合、すなわち「偏波間クロストーク補償あり」の場合を示している。また、○印のプロット間を実線で表示した。また、△印は、本発明の偏波間クロストーク補償を行わなかった場合、すなわち「偏波間クロストーク補償なし」の場合を示している。また、△印のプロット間を点線で表示した。

図６から、「偏波間クロストーク補償なし」の場合のＯＳＮＲが２９ｄＢのときのＱ値と、「偏波間クロストーク補償あり」の場合のＯＳＮＲが２６ｄＢのときのＱ値とが等しくなることがわかる。このことから、本発明の偏波間クロストーク補償を適用した場合には、伝送距離の増加にともなってＯＳＮＲが３ｄＢ劣化したときであっても、「偏波間クロストーク補償なし」の場合と同等の品質の伝送ができる。つまり、本発明の偏波間クロストーク補償を適用することによって、伝送可能距離を延伸できるという効果がある。

以上、本実施形態の光受信装置２は、光送信装置１において主信号とパイロットトーンとを周波数領域で多重した受信光２１を受信し、パイロットトーンを基準信号として、主信号の偏波間クロストーク補償を実行する。具体的には、光受信装置２は、偏波多重した主信号にパイロットトーンを周波数領域で多重した信号光１１を光ファイバ伝送路５経由で受信し、受信した前記信号光（受信光２１）を第１の偏波チャネルと第２の偏波チャネルとに分離する変換部（コヒーレント光電変換部２０１、アナログデジタル変換部２０３）、前記変換部によって分離された各偏波チャネルから前記パイロットトーンと前記主信号とを分離するパイロットトーン分離部２０５、前記第１の偏波チャネルのパイロットトーンの絶対値振幅と、前記第２の偏波チャネルのパイロットトーンの絶対値振幅との差に基づいて、前記差に比例する量の偏波間クロストーク補償を前記第１および前記第２の偏波チャネルの主信号に対して実行する偏波間クロストーク補償部（Ｘ−Ｙ位相差検出部２０６、Ｘ−Ｙ位相差補償部２０７、偏波回転検出部２０８、偏波回転補償部２０９）、を備える。
このことにより、本発明の光受信装置２（光通信システム１００）は、高速に変動する光カー効果由来の偏波間クロストークを補償することができる。

１光送信装置
２光受信装置
５光ファイバ伝送路
１０送信データ
１１信号光
２１受信光
２２局発光
２３受信アナログ電気信号
２４受信デジタル信号
２５主信号
２６パイロットトーン
２７位相差情報
２８偏波回転情報
１００光通信システム
１０１シンボルマッピング部
１０２パイロットトーン挿入部
１０３デジタルアナログ変換部
１０４光変調部
１０５レーザ発振部
２０１コヒーレント光電変換部（変換部）
２０２局部発振レーザ部
２０３アナログデジタル変換部（変換部）
２０４偏波分離部
２０５パイロットトーン分離部
２０６Ｘ−Ｙ位相差検出部（偏波間クロストーク補償部）
２０７Ｘ−Ｙ位相差補償部（偏波間クロストーク補償部）
２０８偏波回転検出部（偏波間クロストーク補償部）
２０９偏波回転補償部（偏波間クロストーク補償部）
２１０位相補償部
２１１信号処理部
２１２周波数オフセット補償部
２１３搬送波位相同期部
２１４シンボル判定部

Claims

偏波多重した主信号にパイロットトーンを周波数領域で多重した信号光を光ファイバ伝送路経由で受信し、受信した前記信号光を電気デジタル信号に変換した、第１の偏波チャネルと第２の偏波チャネルとに分離する変換部、
前記第１の偏波チャネルおよび前記第２の偏波チャネルに適応ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）フィルタを適用して、前記第１の偏波チャネルおよび前記第２の偏波チャネルから静的または準静的な偏波間クロストークを除去した出力信号を生成する偏波分離部、
前記偏波分離部によって生成された前記出力信号の各偏波チャネルから、第１のパイロットトーンと第２のパイロットトーン、および、第１の主信号と第２の主信号を分離するパイロットトーン分離部、
前記第１のパイロットトーンおよび前記第２のパイロットトーン間の位相差に一致する量の位相差補償を前記第２の主信号に対して実行し、位相差補償後の第２の主信号を生成する偏波間クロストーク補償部、
を備えることを特徴とする光受信装置。
前記偏波間クロストーク補償部は、
前記第１のパイロットトーンの絶対値振幅と、前記第２のパイロットトーンの絶対値振幅との差に基づいて、前記差に比例する量の偏波間クロストーク補償を前記第１の主信号および前記位相差補償後の第２の主信号に対して実行し、偏波間クロストーク補償後の第１の主信号および偏波間クロストーク補償後の第２の主信号を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
前記光受信装置は、前記第１のパイロットトーンおよび前記第２のパイロットトーン間の位相差に一致する量の位相差補償を前記第２のパイロットトーンに対して実行して位相差補償後の第２のパイロットトーンを生成し、前記差に比例する量の偏波間クロストーク補償を前記第１のパイロットトーンおよび前記位相差補償後の第２のパイロットトーンに対して実行して偏波間クロストーク補償後の第１のパイロットトーンおよび偏波間クロストーク補償後の第２のパイロットトーンを生成し、前記偏波間クロストーク補償後の第１のパイロットトーンおよび前記偏波間クロストーク補償後の第２のパイロットトーンに基づいて前記偏波間クロストーク補償後の第１の主信号および前記偏波間クロストーク補償後の第２の主信号の位相補償を実行する
ことを特徴とする請求項２に記載の光受信装置。
偏波多重した主信号にパイロットトーンを周波数領域で多重した信号光を光ファイバ伝送路経由で受信し、受信した前記信号光を電気デジタル信号に変換した、第１の偏波チャネルと第２の偏波チャネルとに分離する変換部、
前記第１の偏波チャネルおよび前記第２の偏波チャネルに適応ＭＩＭＯフィルタを適用して、前記第１の偏波チャネルおよび前記第２の偏波チャネルから静的または準静的な偏波間クロストークを除去した出力信号を生成する偏波分離部、
前記偏波分離部によって生成された前記出力信号の各偏波チャネルから、第１のパイロットトーンと第２のパイロットトーン、および、第１の主信号と第２の主信号を分離するパイロットトーン分離部、
前記第１のパイロットトーンの絶対値振幅と、前記第２のパイロットトーンの絶対値振幅との差に基づいて、前記差に比例する量の偏波間クロストーク補償を前記第１の主信号および前記第２の主信号に対して実行し、前記差に対応する補償後の第１の主信号および前記差に対応する補償後の第２の主信号を生成する偏波間クロストーク補償部、
を備えることを特徴とする光受信装置。
前記偏波間クロストーク補償部は、
前記第１のパイロットトーンおよび前記第２のパイロットトーン間の位相差に一致する量の位相差補償を前記差に対応する補償後の第２の主信号に対して実行し、偏波間クロストーク補償後の第１の主信号および偏波間クロストーク補償後の第２の主信号を生成する
ことを特徴とする請求項４に記載の光受信装置。
前記光受信装置は、
前記差に比例する量の偏波間クロストーク補償を前記第１のパイロットトーンおよび前記第２のパイロットトーンに対して実行して前記差に対応する補償後の第１のパイロットトーンおよび前記差に対応する補償後の第２のパイロットトーンを生成し、前記第１のパイロットトーンおよび前記第２のパイロットトーン間の位相差に一致する量の位相差補償を前記差に対応する補償後の第２のパイロットトーンに対して実行して、偏波間クロストーク補償後の第１のパイロットトーンおよび偏波間クロストーク補償後の第２のパイロットトーンを生成し、前記偏波間クロストーク補償後の第１のパイロットトーンおよび前記偏波間クロストーク補償後の第２のパイロットトーンに基づいて前記偏波間クロストーク補償後の第１の主信号および前記偏波間クロストーク補償後の第２の主信号の位相補償を実行する
ことを特徴とする請求項５に記載の光受信装置。
偏波多重した主信号を生成し、前記主信号にパイロットトーンを周波数領域で多重した信号光を生成し出力する光送信装置と、
前記信号光を光ファイバ伝送路経由で受信し、受信した前記信号光を電気デジタル信号に変換した、第１の偏波チャネルと第２の偏波チャネルとに分離する変換部、
前記第１の偏波チャネルおよび前記第２の偏波チャネルに適応ＭＩＭＯフィルタを適用して、前記第１の偏波チャネルおよび前記第２の偏波チャネルから静的または準静的な偏波間クロストークを除去した出力信号を生成する偏波分離部、
前記偏波分離部によって生成された前記出力信号の各偏波チャネルから、第１のパイロットトーンと第２のパイロットトーン、および、第１の主信号と第２の主信号を分離するパイロットトーン分離部、
前記第１のパイロットトーンの絶対値振幅と、前記第２のパイロットトーンの絶対値振幅との差に基づいて、前記差に比例する量の偏波間クロストーク補償を前記第１の主信号および前記第２の主信号に対して実行する偏波間クロストーク補償部、
を有する光受信装置と、
を備えることを特徴とする光通信システム。
偏波多重した主信号にパイロットトーンを周波数領域で多重した信号光を光ファイバ伝送路経由で受信する光受信装置の偏波間クロストーク補償方法であって、
前記光受信装置は、
受信した前記信号光を電気デジタル信号に変換した、第１の偏波チャネルと第２の偏波チャネルとに分離する変換ステップ、
前記第１の偏波チャネルおよび前記第２の偏波チャネルに適応ＭＩＭＯフィルタを適用して、前記第１の偏波チャネルおよび前記第２の偏波チャネルから静的または準静的な偏波間クロストークを除去した出力信号を生成する偏波分離ステップ、
前記偏波分離ステップによって生成された前記出力信号の各偏波チャネルから、第１のパイロットトーンと第２のパイロットトーン、および、第１の主信号と第２の主信号を分離するパイロットトーン分離ステップ、
前記第１のパイロットトーンの絶対値振幅と、前記第２のパイロットトーンの絶対値振幅との差に基づいて、前記差に比例する量の偏波間クロストーク補償を前記第１の主信号および前記第２の主信号に対して実行する偏波間クロストーク補償ステップ、
を実行することを特徴とする偏波間クロストーク補償方法。