JP5766143B2 - 2重偏光非線形光ファイバ通信のためのクロストークなしの高次元コンスタレーション - Google Patents

2重偏光非線形光ファイバ通信のためのクロストークなしの高次元コンスタレーション Download PDF

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Description

この発明は包括的には光通信システムに関し、より詳細には、ファイバ非線形性に起因する偏光解消効果、特に相互偏光変調(cross−polarization modulation)を防ぐことに関するものである。
偏光多重化(POLMUX)を用いる光通信システムでは、或る特定の波長の光チャネルにおいて送信される前に、2つの光信号が互いに直交偏光される。これは、チャネルのデータレートを2倍にする。100Gbpsを超える高速伝送を実現するには、POLMUXおよび高密度波長分割多重化(DWDM)がともに必要とされる。
しかしながら、DWDMシステム内のPOLMUX信号の絶えず入れ替わるビット系列によって、結果として生成される偏光は経時的に変化する。この偏光解消効果によって、相互偏光変調(XPolM)が生じ、これは基本的には雑音である。XPolM劣化は、特にDWDM光通信システムの場合に、チャネル間ファイバ非線形性によって引き起こされる。XPolMに起因して、当初に直交偏光された2重偏光(DP)信号は、もはやその状態ではなく、受信機において偏光スプリッタによって分離することができない。
XPolMは、DPコヒーレント光システムのためのビット誤り率または品質係数に著しい性能劣化を引き起こす。この引き起こされた偏光クロストークは、波長分散のために低域通過応答を有し、結果として、数十シンボルの短いコヒーレンス時間が生じる。時間とともに高速に変化するそのような偏光クロストークは、現在の光通信システムの場合には受信機において補償するのが難しい。
大部分の従来の技法は、適応的なチャネル推定を用いるクロストークキャンセレーションを利用して、受信機において、時間とともに変化するXPolM効果を補償することに焦点を合わせる。しかしながら、性能改善はチャネル推定精度によって制限され、特にXPolMに起因して、チャネルが時間とともに急速に変化することによって、チャネル推定精度は深刻に劣化する。さらに、受信機における非線形補償法は、回路において実現するには、計算が非常に複雑である。
自己位相変調(SPM)のような或る非線形回転は、正確なチャネル推定を用いない場合であっても、2重偏光差動4位相偏移変調(DP−DQPSK)のような差動符号化方式によって十分に対処される。しかしながら、DP−DQPSKは、XPolMおよび偏光モード分散(PMD)に起因する偏光クロストークの存在時に、性能が深刻に劣化するという難点がある。
この発明の実施の形態は、コヒーレント光ファイバ通信ネットワークにおいてXPolM、相互位相変調(XPM)、自己位相変調(SPM)の非線形効果およびPMDの線形効果を許容するための方法を提供し、DWDMシステムとして、POLMUX信号を有する複数の波長が高密度多重化される。
本方法は、次元拡張コンスタレーション(dimension−extended constellation)を使用し、そのコンスタレーションは送信機において任意の偏光クロストークを自動的に解消する。そのような自己偏光分離特性は特殊なコンスタレーション設計に由来し、その設計は、x偏光信号およびy偏光信号を互いに直交させる。x/y偏光信号のジョイント設計は、クロストークキャンセラもチャネル推定も必要としないので、受信機における計算の複雑さを著しく軽減する。
この発明の実施の形態は、クロストークなしのコンスタレーション設計の3つの変形形態、より具体的には、グラスマンコンスタレーション(Grassmann constellation)、ユニタリコンスタレーション(unitary constellation)および回転符号を提供する。
グラスマンコンスタレーションおよびユニタリコンスタレーションは、無線通信のための時空間符号化として使用されてきた。この発明は、それらのコンスタレーションを光通信のための偏光−時間符号化として改変し、XPolM、XPM、SPMおよびPMDを処理する。回転符号は、光チャネルの固有の特性、すなわち、概ねユニタリ性であることを利用して、性能を改善し、かつ計算の複雑さを軽減する。
受信機では、クロストークなしの多次元コンスタレーションが、クロストークチャネルを推定することなく、一般化尤度比検定(GLRT)プロセスによって復号される。マルチシンボル復号、ユニタリ制約および高次手法によってGLRT復号をさらに改善して、時間とともに高速に変化するチャネルに対処する。トレリス符号化変調(TCM)、およびクロストークなしの多次元コンスタレーションを一緒に使用することによって、さらなる利得を提供する。
この発明の実施の形態によるクロストークなしの多次元コンスタレーションは、高いSNRにおいて、長いファイバ距離にわたり、従来技術のDPコンスタレーションに比べて、3dBを超える改善を有する。この発明の方法は、XPolM劣化に加えて、SPMおよびXPMの他の非線形劣化、並びにPMDの線形劣化に対処することができるのに対して、従来技術の方式は対処することはできない。
この発明の方法は、信号品質を改善することによって、ファイバ距離の範囲を広げる。それゆえ、この発明は、DWDMおよびPOLMUXを用いる100Gbpsを超えるデータレートを達成する将来の長距離光通信に対して大きな影響を及ぼす。電気通信において、用語「長距離」は、州間通信および国際通信のような長い距離に及ぶ交換回線網に関連する。
本方法は、偏光クロストークキャンセラおよびチャネル推定を必要としない低複雑度受信機プロセスを提供する。
本方法は、コンスタレーションの高い次元が高いことに起因して、高い品質係数を達成する。この発明の方法とともに多次元トレリス符号化変調および誤り訂正符号が用いられるとき、付加的な利得を得ることができる。
この発明の実施の形態1による、DWDMおよびPOLMUXを用いるコヒーレント光ファイバ通信の概略図である。 この発明の実施の形態1による、グラスマン偏光−時間符号に基づく多次元直交コンスタレーションの概略図である。 この発明の実施の形態1による、偏光−時間符号化に基づく差動ユニタリコンスタレーションのブロック図である。 この発明の実施の形態1による、2重差動回転符号に基づく多次元直交コンスタレーションの概略図である。
実施の形態1.
図1は、POLMUXおよびWDMを用いるコヒーレント光ファイバ通信システム100の好ましい実施の形態を示す。多次元コンスタレーションを得るために、対象となるチャネルにおいて、電気変調器110によって、第kのシンボルインスタンスにおいてx偏光信号S(k)およびy偏光信号S(k)が生成される。電気フィルターを通り抜けた後に、x/y偏光信号S(k)およびS(k)は、信号S(k)およびS(k)を直交偏光するPOLMUXを用いる電気/光(E/O)変調器120によって光信号にアップコンバートされる。
アップコンバートされた光信号は、その後、アレイ導波路回折格子デバイス130のようなWDMマルチプレクサによって、複数の異なる波長の光131を用いて多重化される。WDM光信号は光ファイバチャネル140の中を伝播し、光ファイバチャネルは、多スパンの複数組のシングルモードファイバ(SMF)141、エルビウムドープファイバ増幅器のような光増幅器(OA)142、および分散補償ファイバ(DCF)143からなる。
受信機では、WDM信号が最初にde−WDMデバイス150によって逆多重化され、対応する受信機(Rx)回路151への異なる波長が分離される。対象となるチャネルの場合、光信号はde−POLMUXを用いる光/電気(O/E)変換器160によってダウンコンバートされ、第kシンボルインスタンスにおいてx偏光受信信号R(k)およびy偏光受信信号R(k)が得られる。変調器110から送信された多次元直交コンスタレーションを復号するために、受信機において、一般化尤度比検定(GLRT)復号170によるブラインドプロセスが用いられる。
分散マネージメントファイバの場合、受信信号R(k)およびR(k)は、以下のような線形クロストーク表現によって十分にモデル化される。
Figure 0005766143
ただし、Aは受信信号の大きさであり、Bは自己位相変調(SPM)および相互位相変調(XPM)によって引き起こされる共通位相回転であり、Cはx偏光とy偏光との間の位相差に対応し、W(k)はx偏光からy偏光へのクロストークファクターを表し、[N(k),N(k)]は、第kのシンボルにおける2重偏光の場合の相加性雑音である。
ここで、jは虚数単位を表し、上付き文字[・]は複素共役である。したがって、受信信号ベクトルR(k)=[R(k),R(k)]は、チャネル行列H(k)、および送信信号ベクトルS(k)=[S(k),S(k)]+雑音ベクトルN(k)=[N(k),N(k)]によって与えられる。クロストークW(k)は、相互偏光変調(XPolM)および偏光モード分散(PMD)によって引き起こされる。クロストークW(k)の共分散は、特にXPolMに起因して、短いコヒーレント時間を有し、XPolMは、WDM干渉チャネルおよびPOLMUX信号によって引き起こされる。x偏光信号とy偏光信号との間のクロストークのために、DP受信信号はもはや互いに直交しない。
この発明の1つの構成要素が多次元直交変調器110であり、その変調器は、グラスマンコンスタレーション200、ユニタリコンスタレーション300、または回転符号400のいずれかに基づく。図2〜図4を参照されたい。
コンスタレーションのx偏光信号とy偏光信号との間の根底を成す直交性は、チャネルを推定してクロストークをキャンセルすることなく、自動的に任意のクロストークを解消する。それゆえ、本方法は、受信機において偏光クロストークを補償するデジタル信号処理の計算の複雑さを著しく軽減する。
図2は、グラスマン多様体にわたる信号コンスタレーション設計を示しており、指数投影(exponential projection)によって、任意の多次元変調を超球表面に写像する。信号変調は、5つのステップ:デジタルデータバッファリング210、非直交多次元変調220、指数写像230、グラスマン直交多次元変調240およびDP信号送信250を含む。
qを1偏光1シンボルあたりに送信されることになるビット数とし、たとえば、q=2とする。グラスマンコンスタレーションは次元2×Lからなる。ただし、2は2重偏光に対応し、Lは時間内のブロック長であり、たとえば、L=4である。したがって、1ブロックあたりの全ビット数は2qLになり、グラスマンコンスタレーションの基数は22qLである。L個のシンボルにわたるx/y偏光212のための2qLビットのバッファ210が、コンスタレーションインデックスm(m<22qL)211を生成する。
インデックスmの場合、非直交多次元コンスタレーションD221が、たとえば、格子変調によって、または単に個々の直交振幅変調(QAM)によって生成される。コンスタレーションDの次元222が2×(L−2)になるように設定され、それは2×Lの所望の次元よりも小さい。その後、コンスタレーションDは、以下のように、指数投影231によってグラスマン多様体に写像される。
Figure 0005766143
ただし、Iは(2×2)次元の恒等行列であり、gは符号語距離を制御する定数値であり、[.]はエルミート転置を表す。指数写像は、デカルト座標コンスタレーション点232を、より高次元の超球233の表面点に投影する。投影されたグラスマンコンスタレーションG241は、所望の(2×L)次元242からなり、全ての符号語が直交性を有し、より具体的には、G =Iである。それは、x偏光信号がy偏光信号に対して垂直であり、その逆も成り立つことを意味する。第kのブロックの場合に、L個のシンボル[S(kL+1),S(kL+2),...,S(kL+L)]251にわたって、x/y偏光信号のための第mのコンスタレーションGが順次に送信される。gのための固定値、および元の変調Dを与えられたとすると、第mの符号語のコンスタレーションはあらかじめ決定されることに留意されたい。
グラスマンコンスタレーションを復号するために、GLRTプロセスは、以下のように、Lシンボル受信信号ブロックの部分空間符号語投影にわたって最大の二乗ノルムを探索することによって、符号語直交性に起因して最尤(ML)性能を与える。
Figure 0005766143
ただし、‖・‖はユークリッドノルムを表す。x/y偏光信号は互いに直交するので、GLRTプロセスは、偏光クロストークがあっても、送信データのML推定値を得る。それゆえ、偏光解消ファイバチャネルを得るための、受信機におけるクロストークキャンセレーションおよびチャネル推定は不要である。高次GLRTを用いるマルチブロック復号によって、性能が改善される。
ブロック長が無限大まで進むときに、グラスマンコンスタレーションは、達成し得る概ね最大の性能を実現するが、大きな基数の場合に全てのコンスタレーション点を最適にするのは難しくなる。グラスマンコンスタレーションの場合の最大許容ブロック長はL=4であり、その場合、1偏光あたり2ビット/秒を達成するのに、基数は65000よりも大きくなる。
図3に示されるように、基数を小さくする代替の手法として、この発明の実施の形態1は、ユニタリコンスタレーションを十分に利用する方法300を提供し、そのコンスタレーションによれば、(2×2)次元変調の場合に差動符号化できるようになる。ユニタリコンスタレーションの一例として、ユニタリ符号セット
Figure 0005766143
311の第mの符号語U312が、以下の形によって与えられる。
Figure 0005766143
ただし、Mは基数であり、{k,k,k}は最適化されることになる定数である。1偏光あたり2ビット/秒を達成するために、基数はM=256となり、この数はグラスマンコンスタレーションよりも著しく小さく、計算の複雑さも軽減される。その場合、ユークリッド距離を最大にする最適な整数は、{k,k,k}={104,14,0}である。光ファイバチャネルは非選択的であるので、ユークリッド距離は、積距離よりも重要である。全ての符号語Uはユニタリであり、すなわち、U =U =Iであることに留意されたい。
ユニタリ差動符号化を利用する送信機では、デジタルデータバッファ320は、2シンボルあたり4qビットから、符号語インデックスm(m<M)を生成する。ユニタリ変調器330は、符号セット310から、第mの符号語Uを選択する。x/y偏光信号は、ブロック単位(block−wise)の差動符号化340によって得られ、その場合、DP信号送信ブロック[S(2k),S(2k+1)]が、遅延したバージョン342および符号語Uの行列乗算341によって差動符号化される。それゆえ、結果として生成されるx偏光信号は、y偏光信号と直交する。それは、複数のユニタリブロックが或る種のグラスマンコンスタレーションになることを意味する。それゆえ、差動符号化されたユニタリコンスタレーションは、GLRTプロセスおよび差動復号によって復号される。
グラスマンコンスタレーションおよびユニタリコンスタレーションは、無線チャネルおよび光チャネルの両方に適用可能である。しかしながら、光ファイバチャネルは、無線通信チャネルと区別される固有の特性を有し、具体的には、実用的な光ファイバシステムでは偏光依存損失(PDL)が低いので、光チャネルH(k)はユニタリに近い。この発明の実施の形態1は、性能を改善するために、光チャネルが概ねユニタリ性であることを利用するさらに別の方法を提供する。
図4は、2重差動回転符号と呼ばれる、クロストークなしの多次元変調のための符号化および復号のブロック図を示しており、2重差動回転符号は光ファイバチャネルのユニタリ性を利用する。送信機410において、2次元変調信号P(k)421が最初に、要素単位で差動符号化され(420)、すなわち、x/y偏光信号が従来通りに独立して符号化される。その後、差動符号化されたベクトルV(k)425を、ベクトル単位で差動符号化して(430)、送信DP信号S(k)435を得る。要素単位の差動符号化420の場合、要素単位乗算器423を用いて、信号P(k)を、遅延422を有するベクトルV(k)と乗算して、差動符号化された信号V(k)425を得る。ベクトル単位の差動符号化430の場合、信号V(k)は回転行列Q432と乗算され(431)、その行列は、送信DP信号S(k)の遅延したバージョン434を供給することによって(by feeding)、回転演算部(rotator)433において生成される。その回転行列は以下のように与えられる。
Figure 0005766143
この式は、0以外の任意の信号S(k)の場合にユニタリ行列になり、すなわち、Q =Q =Iである。AejBのスカラ項を除いて、クロストーク光チャネルH(k)も同じ種類のそのようなユニタリ回転行列であることに留意されたい。
2重差動回転符号によって、その受信機は、強い偏光クロストークが存在する場合であっても差動形式でデータを復号できるようになるのに対して、従来の偏光による差動変調はクロストークを許容しない。受信機側460では、受信したDP信号R(k)をベクトル単位で差動復号して(470)、中間データV’(k)476が得られ、さらに要素単位で差動復号して(480)、所望のデータの推定値P’(k)481が得られる。
ベクトル単位の差動復号470の場合、受信信号R(k)が回転行列Q473と乗算され、その行列は、以下のように、受信信号の遅延バージョン475を与えられるときに、回転演算部474によって生成される。その回転行列は、以下のように与えられる。
Figure 0005766143
回転行列はユニタリであるので、ベクトル単位の差動復号470中に雑音は改善されない。差動復号されたデータV’(k)は以下のように与えられる。
Figure 0005766143
ただし、{A,A}はAejBに依存するスカラ値であり、N’(k)は残留雑音である。上記の式は、チャネルH(k)がスケーリングされたユニタリ行列に近いので、任意の偏光クロストークが差動回転によって自動的に解消されることを意味する。
未知のスカラ値{A,A}を処理するために、自らの遅延バージョン483の要素単位の除算482を用いて、中間データV’(k)476に対する要素単位の差動復号480を実行して、最終的な復号されたデータP’(k)481を得る。回転符号は光チャネル特性の付加的な知識を利用するので、回転符号は一般的にグラスマンコンスタレーションおよびユニタリコンスタレーションより優れている。
クロストークなしの多次元コンスタレーションは、低密度パリティ検査符号および多次元トレリス符号化変調のような、さらに別の誤り訂正符号を導入して、符号化利得を達成することによってさらに改善される。
この発明の実施の形態1によるクロストークなしの多次元コンスタレーションは、高いSNRにおいて、長いファイバ距離にわたり、従来技術のDPコンスタレーションに比べて、3dBを超える改善を有する。この発明の方法は、XPolM劣化に加えて、SPMおよびXPMの他の非線形劣化、並びにPMDの線形劣化に対処することができるのに対して、従来技術の方式は対処することはできない。
この発明の方法は、信号品質を改善することによって、ファイバ距離の範囲を広げる。それゆえ、この発明は、DWDMおよびPOLMUXを用いる100Gbpsを超えるデータレートを達成する将来の長距離光通信に対して大きな影響を及ぼす。電気通信において、用語「長距離」は、州間通信および国際通信のような長い距離に及ぶ交換回線網に関連する。
本方法は、偏光クロストークキャンセラおよびチャネル推定を必要としない低複雑度受信機プロセスを提供する。
本方法は、コンスタレーションの高い次元が高いことに起因して、高い品質係数を達成する。この発明の方法とともに多次元トレリス符号化変調および誤り訂正符号が用いられるとき、付加的な利得を得ることができる。

Claims (5)

  1. コヒーレント光通信システムにおいて非線形相互偏光変調(XPolM)を低減するための方法であって、
    送信機において2重差動回転符号化するステップと、
    受信機において2重差動回転復号するステップと、
    を含み、
    前記2重差動回転符号化するステップは、
    変調信号P(k)を要素単位で差動符号化して、中間信号V(k)を得る、差動符号化するステップと、
    回転行列Qを用いて前記中間信号V(k)を同時に差動回転符号化することで、x/y偏光信号S(k)を得るステップであって、該回転行列Qは、前記x/y偏光信号S(k)の遅延したバージョンをS(k−1)としたとき、以下の式で定義される、
    Figure 0005766143
    差動回転符号化するステップと、
    前記x/y偏光信号S(k)を、電気/光(E/O)変調器によって、光信号にアップコンバートするステップと、
    を含
    前記2重差動回転復号するステップは、
    前記光信号を、光/電気(O/E)変換器によって、受信信号R(k)にダウンコンバートするステップと、
    前記受信信号R(k)に対してユニタリ回転行列Qを乗算することによって、中間データV’(k)を得るステップであって、該ユニタリ回転行列Qは、前記受信信号R(k)の遅延したバージョンをR(k−1)としたとき、以下の式で定義される、
    Figure 0005766143
    差動回転復号するステップと、
    前記中間データV’(k)を要素単位で差動復号して、所望のデータの推定値P’(k)を得る、差動復号するステップと、
    を含む
    コヒーレント光通信システムにおいて非線形相互偏光変調(XPolM)を低減するための方法。
  2. 前記x/y偏光信号S(k)前記送信機において直交し、該送信機は、格子変調を含む2重偏光多次元コンスタレーションを生成する、請求項1に記載の方法。
  3. クロストークなしの多次元コンスタレーションとともに、内部誤り訂正符号、および多次元トレリス符号化変調(TCM)によって、付加的な符号化利得が達成可能である、請求項1に記載の方法。
  4. 波長分割多重化(WDM)によって、異なる波長にわたる複数の偏光多重化(POLMUX)信号が多重化される、請求項1に記載の方法。
  5. 長距離通信のために、複数のスパンのシングルモードファイバ(SMF)と、光増幅器(OA)と、分散補償ファイバ(DCF)とを含む、請求項1に記載の方法。
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