JP5770878B1 - 光伝送システム及び光伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光通信において、受信時の実効的な偏波依存損失を低減することができる光伝送システムを提供する。【解決手段】送信部と受信部とを備え、偏波多重された信号の品質を推定する光伝送システムであって、送信部は、各々の偏波においてデータ系列に対して信号品質推定用のトレーニング系列を時分割多重するトレーニング系列挿入部と、トレーニング系列が多重化された送信信号系列に対して、受信部からフィードバックされた偏波に依存する信号の品質を示す偏波情報に基づいて偏波回転を行う偏波回転部とを備え、受信部は、受信した信号からトレーニング系列の位置を検出するトレーニング系列位置検出部と、トレーニング系列位置検出部より得られるトレーニング系列の位置情報に基づきトレーニング系列を抽出し、抽出したトレーニング系列に基づき偏波情報を推定し、推定した偏波情報を送信部にフィードバックする偏波情報推定部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、光通信における偏波多重された光信号の伝送特性を得るための光伝送システムに関わり、特に、受信信号の実効的な偏波依存損失量および偏波直交性の劣化量を算出する光伝送システム及び光伝送方法に関する。

近年スマートフォンの普及と情報通信技術サービスの利用拡大に伴い、我が国のインターネットトラフィックは年々増加を続けている。このトラフィックの伸びに対応するため、次世代の光通信技術としてデジタルコヒーレント信号処理技術が近年注目を浴びている。すでに商用化されている４０Ｇｂｐｓ波長多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）システムでは伝送路中に発生する光信号の歪みを補正するため、光領域における分散マネージメントや分散補償器などが広く用いられている。

しかし、１００Ｇｂｐｓ超級のシステムではタイムスロットが狭くなり分散補償の精度が厳しくなるため、従来の分散補償技術では補償量及び補償精度に限界があった。これに対してデジタルコヒーレント信号処理技術を導入することにより、デジタル信号処理にて高精度かつ広範囲の分散補償を行うことが可能になった。また、デジタルコヒーレント技術を用いることで位相推定、偏波分離といった処理をデジタル信号処理にて実現可能になり、従来実現が困難であった多値変調や偏波多重などといった技術が広く用いられるようになった。

直交関係にある２つの偏波に信号を多重する偏波多重伝送を用いる場合、伝送に伴い受ける損失が直交偏波間で異なる。偏波間で生じるこの実効的な偏波依存損失量は、伝送システムに入射する送信信号の偏波状態と、伝送システムが持つシステム偏波依存損失（Polarization Dependent Loss：ＰＤＬ）とによって決定する。また、直交偏波間で損失が異なることにより、偏波間の直交性の劣化が生じる。１００Ｇｂｓ超級のような偏波多重システムでは、受信信号から偏波依存損失量や偏波間直交性の劣化量を推定し、送信部にフィードバックして送信信号の偏波状態を変更し、受信信号における偏波間の損失差を最小とすることにより伝送特性を改善することができる。

偏波依存損失量や偏波間直交性の劣化量を推定する方法としては、特許文献１に開示されているように、各偏波に異なる周波数でトーン変調をかけ、受信装置にてトーン変調の周波数に対応したスペクトル成分をフィルタ等で切り出し、電力を測定することにより各偏波の強度をそれぞれ測定する方法がある。

特開２０１０−１３５９３７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は送信側にて送信信号にトーン変調信号を重畳するため送信信号が劣化するという問題がある。また、トーン変調用の変調器を別途各偏波に対して備える必要があるため、小型化および省電力化には適していないという問題もある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、光通信において、受信時の実効的な偏波依存損失を低減することができる光伝送システム及び光伝送方法を提供することを目的とする。

本発明は、送信部と受信部とを備え、偏波多重された信号の偏波情報を推定する光伝送システムであって、前記送信部は、各々の偏波においてデータ系列に対して、複素平面上の任意の振幅であるＳと−Ｓの交番信号で、変調周波数をＦｓとしたとき±Ｆｓ／２の２本の周波数ピークが生成され、Ｘ偏波とＹ偏波のトレーニング系列とが時分割多重される偏波情報推定用のトレーニング系列を挿入するトレーニング系列挿入部と、前記トレーニング系列が多重化された送信信号系列に対して、前記受信部からフィードバックされた偏波に依存する前記信号の偏波情報に基づいて偏波回転を行う偏波回転部とを備え、前記受信部は、受信した信号からトレーニング系列の位置を検出するトレーニング系列位置検出部と、前記トレーニング系列位置検出部より得られるトレーニング系列の位置情報に基づきトレーニング系列を抽出し、抽出した前記トレーニング系列に基づいて、前記Ｘ偏波と前記Ｙ偏波の受信信号電力の比で定義される偏波依存損失量と、両偏波の電界情報と受信信号電力より推定した偏波間直交性の劣化量とを前記偏波情報として推定し、推定した前記偏波情報を前記送信部にフィードバックする偏波情報推定部とを備えることを特徴とする。

本発明は、送信部と受信部とを備え、偏波多重された信号の偏波情報を推定する光伝送システムが行う光伝送方法であって、前記送信部が、各々の偏波においてデータ系列に対して、複素平面上の任意の振幅であるＳと−Ｓの交番信号で、変調周波数をＦｓとしたとき±Ｆｓ／２の２本の周波数ピークが生成され、Ｘ偏波とＹ偏波のトレーニング系列とが時分割多重される偏波情報推定用のトレーニング系列を挿入するトレーニング系列挿入ステップと、前記送信部が、前記トレーニング系列が多重化された送信信号系列に対して、前記受信部からフィードバックされた偏波に依存する前記信号の偏波情報に基づいて偏波回転を行う偏波回転ステップと、前記受信部が、受信した信号からトレーニング系列の位置を検出するトレーニング系列位置検出ステップと、前記受信部が、前記トレーニング系列位置検出ステップより得られるトレーニング系列の位置情報に基づきトレーニング系列を抽出し、抽出した前記トレーニング系列に基づいて、前記Ｘ偏波と前記Ｙ偏波の受信信号電力の比で定義される偏波依存損失量と、両偏波の電界情報と受信信号電力より推定した偏波間直交性の劣化量とを前記偏波情報として推定し、推定した前記偏波情報を前記送信部にフィードバックする偏波情報推定ステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、光通信において、トーン変調用の変調器などの光デバイスを用いることなく、データ信号伝送中に偏波依存損失量や偏波間直交性の劣化量を得て、送信部にフィードバックすることで受信時の実効的な偏波依存損失を低減することができるという効果が得られる。

本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。 図１に示す送信部１の構成を示すブロック図である。 本発明における送信信号のフレーム構成を示す図である。 図３に示すＴＳ部の交番信号系列のスペクトルを示す図である。 図１に示す受信部２の構成を示すブロック図である。 図５に示すトレーニング系列位置検出回路２４の構成を示すブロック図である。 図５に示す偏波情報推定回路２５の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態による光伝送システムを説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。光伝送システムは、送信部１、受信部２、光伝送路３によって構成する。送信部１からは任意の偏波状態を持つ偏波多重された光信号Ｅ_ｉｎ（ｔ）が出力され、ＰＤＬ媒質である光伝送路３を通過し、受信部２において受信されたＥ_ｏｕｔ（ｔ）から偏波依存損失量および偏波間直交性の劣化量を推定し、推定量を受信部２から送信部１にフィードバックして受信信号の偏波間依存損失量を低減する。光伝送路３は、光ファイバ、光アンプ、フィルタなどから構成される。Ｅ_ｉｎ（ｔ）の偏波状態は時変動するため、光伝送路３通過後のＥ_ｏｕｔ（ｔ）の出力は時間の経過によって変動する。

次に、図２を参照して、図１に示す送信部１の構成を説明する。図２は、図１に示す送信部１の構成を示すブロック図である。送信部１は、データ信号系列生成部１１、トレーニング系列生成部１２、フレーム生成部１３、偏波情報推定量記憶部１４、偏波回転部１５、デジタル／アナログ変換回路１６、レーザー１７、変調器１８を備える。

次に、図２を参照して、図２に示す送信部１の動作を説明する。まず、データ信号系列生成部１１においてデータ信号系列を生成する。一方、トレーニング系列（Training Sequence：ＴＳ）生成部１２において、偏波依存損失量および偏波間直交性の劣化量推定用にトレーニング系列として使用する交番信号系列を生成する。

次に、フレーム生成部１３は、生成されたデータ信号系列とトレーニング系列（ＴＳ）とを合波して送信信号系列を生成する。続いて、受信部２おいて推定しフィードバックされた偏波情報を偏波情報推定量記憶部１４から読み出して偏波回転部１５に対して与える。これを受けて、偏波回転部１５は、受信部２からフィードバックされた偏波情報に基づいて偏波回転を行う。

次に、デジタル／アナログ変換回路１６は、偏波回転部１５の出力を入力し、デジタルデータをアナログ信号に変換して出力する。そして、変調器１８は、レーザー１７から出力された光信号を変調して出力する。この変調光は光伝送路３へ出力される。

なお、偏波回転は、デジタル領域で行っても、光領域で偏波コントローラを用いて行ってもよい。

次に、図３を参照して、送信信号のフレーム構成を説明する。図３は、本発明における送信信号のフレーム構成を示す図である。フレームは偏波依存損失量および偏波間直交性の劣化量を推定するＴＳ部と信号部との連結で構成される。ＴＳ部の位置は、フレーム中の任意の位置に設置することが可能である。送信信号は直交関係にあるＸ偏波とＹ偏波から構成されている。

図３に示すように、Ｘ偏波のＴＳ部は、時間波形の前半が複素平面上の任意の振幅であるＳと−Ｓの交番信号であり、後半には信号を持たない。一方、Ｙ偏波のＴＳ部は、時間波形の前半には信号を持たず、後半にはＳと−Ｓの交番信号を有する。図３はＴＳ部の構成の一例であり、Ｘ偏波とＹ偏波信号が逆転してもよいし、前半と後半で当分に分配しなくてもよい。また、偏波依存損失量および偏波間直交性の劣化量の推定のみを行うために、フレーム構成をとらなくてもよい。

次に、図４を参照して、図３に示すＴＳ部の交番信号系列のスペクトルについて説明する。図４は、図３に示すＴＳ部の交番信号系列のスペクトルを示す図である。Ｓと−Ｓの交番信号系列であるので、そのスペクトルは図４に示すように２本の周波数ピークを有する。２本の周波数ピークが生成される周波数は、変調周波数をＦｓとしたとき、±Ｆｓ／２となる。

次に、図５を参照して、図１に示す受信部２の構成を説明する。図５は、図１に示す受信部２の構成を示すブロック図である。受信部２は、光／電気変換回路２１、アナログ／デジタル変換回路２２、波長分散補償部２３、トレーニング系列位置検出回路２４、偏波情報推定回路２５を備える。

次に、図５を参照して、図５に示す受信部２の動作を説明する。まず、光／電気変換回路２１は、光伝送路３から受信された光信号を電気信号へ変換する。アナログ／デジタル変換回路２２は、得られた電気信号をデジタル信号系列に変換し、波長分散補償部２３に対して出力する。波長分散補償部２３は、光伝送路３で生じた波長分散を補償する。ここで、補償に使用する波長分散量は、推定してもよいし、事前に測定してもよい。また、波長分散の補償法は、時間領域で行ってもよいし、周波数領域で行ってもよい。さらに、光／電気変換を行う前に、光伝送路３内で光学的に補償を行ってもよい。

波長分散補償部２３の出力は、トレーニング系列位置検出回路２４と、偏波依存損失量および偏波間直交性の劣化量の推定を行う偏波情報推定回路２５とに分岐して出力する。偏波情報推定回路２５は、トレーニング系列位置検出回路２４で得られた交番位置情報を元にして受信デジタル信号系列から交番信号系列を抽出し、得られたトレーニング系列（ＴＳ）から偏波依存損失量および偏波間直交性の劣化量を推定し、この推定量を偏波情報推定量として送信部１にフィードバックする。

次に、図６を参照して、図５に示すトレーニング系列位置検出回路２４の構成を説明する。図６は、図５に示すトレーニング系列位置検出回路２４の構成を示すブロック図である。トレーニング系列位置検出回路２４は、ＦＦＴ演算回路２４１、周波数帯域通過フィルタ２４２、ＩＦＦＴ演算回路２４３、電力算出回路２４４、平均化回路２４５、電力ピーク検出回路２４６を備える。

次に、図６を参照して、図６に示すトレーニング系列位置検出回路２４の動作を説明する。まず、ＦＦＴ演算回路２４１は、波長分散補償部２３から入力された時間領域のデジタル信号系列を周波数領域の信号系列に変換する。その後、周波数帯域通過フィルタ２４２は、トレーニング系列（ＴＳ）の２本のピーク周波数を中心とした帯域を抽出する。

ここで、周波数帯域通過フィルタ２４２の中心周波数は、Ｆｓ／２であり、その帯域は、伝送に伴う周波数オフセットの設計値に従って決定され、データ信号系列のスペクトルに比べ十分に狭いものが好ましい。このような周波数帯域通過フィルタ２４２を適用することにより、スペクトルが±Ｆｓ／２周辺に集中しているＴＳ区間の電力は低減せずに、スペクトルがＴＳ区間に比べて広いデータ信号系列の電力を低減することができる。

このため、周波数帯域通過フィルタ２４２の後に接続されている時間波形を得るためのＩＦＦＴ演算回路２４３および電力算出回路２４４を通過後、雑音の影響を低減するために移動平均を行う平均化回路２４５から出力される時間波形において、トレーニング系列区間の電力は他の区間に比べて大きい電力ピークを有する。最後に、電力ピーク検出回路２４６は、トレーニング系列区間の位置を示す電力ピーク位置を検出して出力する。

次に、図７を参照して、図５に示す偏波情報推定回路２５の構成を説明する。図７は、図５に示す偏波情報推定回路２５の構成を示すブロック図である。偏波情報推定回路２５は、偏波依存損失量および偏波間直交性の劣化量の推定を行う。偏波情報推定回路２５は、トレーニング系列抽出回路２５１、周波数帯域通過フィルタ２５２、Ｊｏｎｅｓ行列算出回路２５３、偏波情報推定部２５４を備える。

次に、図７を参照して、図７に示す偏波情報推定回路２５の動作を説明する。始めに、トレーニング系列抽出回路は、図６に示すトレーニング系列位置検出回路２４から得られるトレーニング系列位置検出回路２４の位置情報を基に、波長分散補償部２３から出力された信号系列よりトレーニング系列を抽出する。

次に、周波数帯域通過フィルタ２５２は、雑音成分を低減するためにＦｓ／２を中心周波数とするフィルタを適用して雑音成分を低減する。図３に示すＴＳ部のみを抽出することにより、得られる時間波形はトレーニング系列と雑音成分のみとなる。また、周波数フィルタを適用することで雑音成分を低減することもできる。

次に、Ｊｏｎｅｓ行列算出回路２５３は、周波数帯域通過フィルタ２５２から出力された信号系列から、Ｊｏｎｅｓ行列を算出する。Ｊｏｎｅｓ行列は、光伝送路３において生じる偏波回転の効果を表す。偏波多重伝送において、（１）式に示すようにＪｏｎｅｓ行列Ｊは２×２の行列で表すことができる。Ｊｘｘ、Ｊｘｙ、Ｊｙｘ、ＪｙｙはＪｏｎｅｓ行列Ｊの要素である。

受信信号におけるＸ偏波の電界成分をＥｘ、Ｙ偏波の電界成分をＥｙとすると、トレーニング系列区間において信号は図３のように分布しているため（２）式および（３）式のように表すことができる。ここで、行列Ｍはジョーンズ行列Ｊと送信信号の任意の偏波状態を表すユニタリ行列Ｕの積である。（２）式で得られるベクトルは、トレーニング系列の前半部分のＸ偏波およびＹ偏波の受信電界である。同様に（３）式で得られるベクトルは、トレーニング系列の後半部分のＸ偏波およびＹ偏波の受信電界から求めることができる。

（４）式および（５）式は、受信信号のＸ偏波およびＹ偏波それぞれの電力を示しており、ＴＳ区間の受信電界をそれぞれ自乗することで算出することができる。

偏波依存損失量は、（６）式のようにＸ偏波とＹ偏波の受信信号電力の比で定義される。（４）式および（５）式を代入して（６）式の右辺のように求めることができる。偏波間直交性の劣化量は、偏波間の直交性のずれを表しており（７）式のように示すことができる。ここで両偏波がなす角の９０°からのずれをθとする。前述したように、（４）式および（５）式を代入すると（７）式右辺のように求めることができる。

偏波情報推定部２５４は、前述の方法によって偏波情報を推定する。そして、偏波情報推定部２５４は、得られた偏波依存損失量を送信部１にフィードバックする。送信部１では、その値が小さくなるように、偏波を回転させる。また、得られた偏波間直交性の劣化量が、例えば４５°となるように送信部１の偏波を回転させることで、光伝送路３通過による偏波間の損失量を等しくすることができる。この角度は、事前にＰＤＬ存在下で最も伝送特性が良くなる角度を予め算出して設定することもできる。

以上説明したように、偏波多重伝送における偏波依存損失測定において、時分割多重で片側偏波ずつトレーニング系列を送信部が送信し、受信したトレーニング系列からデジタル信号処理で、トレーニング系列の時間位置を特定して抽出し、各偏波の電力より、Ｊｏｎｅｓ行列を算出して得られたＪｏｎｅｓ行列から行列の演算をおこない固有値を求め、固有値の比である偏波依存損失を推定し、両偏波の電界情報と電力より偏波間直交性の劣化量を推定し、推定した偏波依存損失と偏波間直交性の劣化量を受信部から送信部にフィードバックするようにした。

この構成により、時分割多重したトレーニング系列を用いてデジタル信号処理で実現するため、測定用の光デバイスを必要とせず、簡易な構成で偏波依存損失量および偏波間直交性の劣化量を測定し、送信部にフィードバックすることで実効的な偏波依存損失量を低減することができる。また、デジタル信号処理を用いることで、受信データの電界情報を得てトレーニング系列の時間位置を算出し、偏波依存損失量および偏波間直交性の劣化量を推定することができる。

以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明してきたが、上記実施の形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記実施の形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行ってもよい。

光通信において、受信時の実効的な偏波依存損失を低減することが不可欠な用途に適用できる。

１・・・送信部、１１・・・データ信号系列生成部、１２・・・トレーニング系列生成部、１３・・・フレーム生成部、１４・・・偏波情報推定量記憶部、１５・・・偏波回転部、１６・・・デジタル／アナログ変換回路、１７・・・レーザー、１８・・・変調器、２・・・受信部、２１・・・光／電気変換回路、２２・・・アナログ／デジタル変換回路、２３・・・波長分散補償部、２４・・・トレーニング系列位置検出回路、２５・・・偏波情報推定回路、２４１・・・ＦＦＴ演算回路、２４２・・・周波数帯域通過フィルタ、２４３・・・ＩＦＦＴ演算回路、２４４・・・電力算出回路、２４５・・・平均化回路、２４６・・・電力ピーク検出回路、２５１・・・トレーニング系列抽出回路、２５２・・・周波数帯域通過フィルタ、２５３・・・Ｊｏｎｅｓ行列算出回路、２５４・・・偏波情報推定部、３・・・光伝送部

Claims (2)

1. 送信部と受信部とを備え、偏波多重された信号の偏波情報を推定する光伝送システムであって、
   前記送信部は、
   各々の偏波においてデータ系列に対して、複素平面上の任意の振幅であるＳと−Ｓの交番信号で、変調周波数をＦｓとしたとき±Ｆｓ／２の２本の周波数ピークが生成され、Ｘ偏波とＹ偏波のトレーニング系列とが時分割多重される偏波情報推定用のトレーニング系列を挿入するトレーニング系列挿入部と、
   前記トレーニング系列が多重化された送信信号系列に対して、前記受信部からフィードバックされた偏波に依存する前記信号の偏波情報に基づいて偏波回転を行う偏波回転部とを備え、
   前記受信部は、
   受信した信号からトレーニング系列の位置を検出するトレーニング系列位置検出部と、
   前記トレーニング系列位置検出部より得られるトレーニング系列の位置情報に基づきトレーニング系列を抽出し、抽出した前記トレーニング系列に基づいて、前記Ｘ偏波と前記Ｙ偏波の受信信号電力の比で定義される偏波依存損失量と、両偏波の電界情報と受信信号電力より推定した偏波間直交性の劣化量とを前記偏波情報として推定し、推定した前記偏波情報を前記送信部にフィードバックする偏波情報推定部とを備える
   ことを特徴とする光伝送システム。
2. 送信部と受信部とを備え、偏波多重された信号の偏波情報を推定する光伝送システムが行う光伝送方法であって、
   前記送信部が、各々の偏波においてデータ系列に対して、複素平面上の任意の振幅であるＳと−Ｓの交番信号で、変調周波数をＦｓとしたとき±Ｆｓ／２の２本の周波数ピークが生成され、Ｘ偏波とＹ偏波のトレーニング系列とが時分割多重される偏波情報推定用のトレーニング系列を挿入するトレーニング系列挿入ステップと、
   前記送信部が、前記トレーニング系列が多重化された送信信号系列に対して、前記受信部からフィードバックされた偏波に依存する前記信号の偏波情報に基づいて偏波回転を行う偏波回転ステップと、
   前記受信部が、受信した信号からトレーニング系列の位置を検出するトレーニング系列位置検出ステップと、
   前記受信部が、前記トレーニング系列位置検出ステップより得られるトレーニング系列の位置情報に基づきトレーニング系列を抽出し、抽出した前記トレーニング系列に基づいて、前記Ｘ偏波と前記Ｙ偏波の受信信号電力の比で定義される偏波依存損失量と、両偏波の電界情報と受信信号電力より推定した偏波間直交性の劣化量とを前記偏波情報として推定し、推定した前記偏波情報を前記送信部にフィードバックする偏波情報推定ステップと
   を有することを特徴とする光伝送方法。

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