JP5795669B1

JP5795669B1 - 空間多重光伝送システム

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Publication number: JP5795669B1
Application number: JP2014153279A
Authority: JP
Inventors: 小林　孝行; 孝行小林; 中川　匡夫; 匡夫中川; 宮本　裕; 宮本　　裕; 佐野　明秀; 明秀佐野; 高良　秀彦; 秀彦高良; 水野　隆之; 隆之水野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2034-07-28
Also published as: JP2016032178A

Abstract

【課題】適応信号処理の収束性や安定性を向上し、高品質な伝送の実現することができる空間多重光伝送システムを提供する。【解決手段】光マルチキャリア信号を送信する複数の送信部と、信号光を受信する複数の受信部と、信号光を伝送する複数の空間多重パスをもつ光伝送路と、送信部からのそれぞれの信号光を光伝送路のそれぞれの空間多重パスに結合する第１の結合部と、光伝送路のそれぞれのパスから出力された信号光をそれぞれ受信部へ結合する第２の結合部と、受信された光マルチキャリア信号に対して、第１の結合部及び空間多重パス内で生じたクロストークをサブキャリアごとに補償する並列な適応信号分離・等化処理部とを備え、光マルチキャリア信号のサブキャリアのボーレートを、空間多重パス間で生じる遅延量が適応信号分離・等化処理部のタップ数の時間ウインドウ内に収まるように設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバを用いた空間多重光伝送システムに関する。

光伝送システムの大容量化を目指して、シングルコア光ファイバを用いた光伝送システムが研究されているのみならず、マルチコア／マルチモード光ファイバを用いた空間多重光伝送システムが研究されている（例えば、非特許文献１参照）。空間多重伝送システムでは、コアや伝送モードを用いることで、周波数利用効率を向上させることができるが、コア間やモード間でのクロストークにより信号品質が低下する。そのため、伝送媒体に応じて伝搬方向インターリーブ技術（例えば、非特許文献２参照）やＭＩＭＯ（Multi-in Multi-output）信号処理技術（例えば、非特許文献３、４参照）を併せて用いることで、高品質な空間多重光伝送が実現できる。

しかしながら、ＭＩＭＯ信号処理技術を用いた空間多重光伝送方式には以下の課題がある。すなわち、空間チャネル間には群速度遅延が存在し、伝搬距離に応じて累積する。空間チャネル間のクロストークの時間的な広がりは遅延量に応じて広がるため、ＭＩＭＯ処理を行うために必要なフィルタのタップ数が遅延量に応じて増加する。マルチコアファイバを用いた伝送システムでは、信号が伝搬する各コアが空間チャネルに該当し、コア間の伝搬定数差に起因した群速度遅延が存在する。

また、マルチモードファイバを用いた伝送システムでは、励起されたモードが空間チャネルに該当し、モード間の伝搬定数差に起因したＤＭＧＤ（Differential Mode Group Delay）が存在する。伝搬距離やマルチモードファイバの構造にもよるが、その遅延量は数十ｎｓオーダーの大きさになる。

従来のシングルモードファイバにおける１００Ｇｂ／ｓシングルキャリアデジタルコヒーレント伝送方式では、遅延量が大きくほぼ静的な波長分散（〜数万ｐｓ／ｎｍ）は、周波数領域等化（ＦＤＥ：Frequency domain Equalization）を行う。また、動的な変動を伴う偏波モード分散（ＰＭＤ：polarization mode dispersion）に対しては（〜１００ｐｓ）、１０〜２０ｔａｐ程度のＦＩＲ（Finite impulse response）フィルタを適応的に動かすことにより時間領域等化（ＴＤＥ：Time Domain Equalization）を行う。このようにすることで、光ファイバ中で生じる伝搬チャネルの変動に追随している（例えば、非特許文献５参照）。

従来のシングルキャリアデジタルコヒーレント方式を空間多重光伝送システムに拡張すると、１００Ｇｂ／ｓ級の速度で動作する１０００ｔａｐ程度の動的なＴＤＥが必要になるが、タップ数が大きくなると適応信号処理の収束性および安定性が低下し、その回路規模も増大する。

一方、動的変動を適応的な周波数領域等化で処理するＯＦＤＭ方式の研究も行われており、シングルキャリアのＴＤＥ方式に比べて、大きな遅延量に対する演算コストの面ではすぐれているが、伝送路の変動に対する追随性は低い（例えば、非特許文献６参照）。

T. Morioka, "New generation optical infrastructure technologies: "EXAT initiative" towards 2020 and beyond," OECC2009, FT-4, 2009. A. Sano et al., "409-Tb/s + 409-Tb/s crosstalk suppressed bidirectional MCF transmission over 450 km using propagation-direction interleaving," Opt. Express, Vol. 21, No.14, pp. 16777-16783 (2013). R. Ryf et al., "23 Tbit/s Transmission over 17-km Conventional 50-μm Graded-Index Multimode Fiber," Proc. OFC2014, Th5B.1, 2014 R. Ryf et al., "MIMO-Based Crosstalk Suppression in Spatially Multiplexed 3×56-Gb/s PDM-QPSK Signals for Strongly Coupled Three-Core Fiber," Photonics Technology Letters, IEEE , vol.23, no.20, pp.1469,1471, Oct.15, 2011 E. Yamazaki et al., "Fast optical channel recovery in field demonstration of 100-Gbit/s Ethernet over OTN using real-time DSP," Opt. Express, Vol. 19, No.14, pp. 13179-13184 (2011) 竹島ら, "MIMO処理技術を用いた偏波多重光伝送方式における偏波変動追従速度の高速化に関する検討," 電子情報通信学会論文誌B, IEICE, vol. J96-B, No.3, pp.274-282, 2013

前述したように、従来技術による空間多重光伝送システムにあっては、適応信号処理の収束性や安定性が低く、高品質の伝送を実現することができないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、適応信号処理の収束性や安定性を向上し、高品質な伝送の実現することができる空間多重光伝送システムを提供することを目的とする。

本発明は、光マルチキャリア信号を送信する複数の送信部と、信号光を受信する複数の受信部と、前記信号光を伝送する複数の空間多重パスをもつ光伝送路と、前記送信部からのそれぞれの信号光を前記光伝送路のそれぞれの空間多重パスに結合する第１の結合部と、前記光伝送路のそれぞれのパスから出力された信号光をそれぞれ前記受信部へ結合する第２の結合部と、受信された前記光マルチキャリア信号に対して、前記第１の結合部及び前記空間多重パス内で生じたクロストークをサブキャリアごとに補償する並列な適応信号分離・等化処理部とを備え、前記光マルチキャリア信号のサブキャリアのボーレートを、前記空間多重パス間で生じる遅延量が前記適応信号分離・等化処理部のタップ数の時間ウインドウ内に収まるように設定することを特徴とする。

本発明は、前記光伝送路は、マルチモード光ファイバであることを特徴とする。

本発明は、前記光伝送路は、マルチコア光ファイバであることを特徴とする。

本発明は、前記光伝送路は、マルチコア・マルチモード光ファイバであることを特徴とする。

本発明は、前記送信部は、サブキャリアごとに時間的な位置が異なる既知信号を挿入する既知信号挿入部を備えることを特徴とする。

本発明は、前記受信部は、前記光マルチキャリア信号を一括受信し、受信した光マルチキャリア信号に対して波長分散補償を一括して行う波長分散補償部と、前記波長分散補償部から出力された信号を各サブキャリアに分離するサブキャリア分離部とをさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、光マルチキャリア信号と独立かつ並列な時間領域の適応ＭＩＭＯ等化処理を行うことで、少数タップでの等化処理が可能になり、適応信号処理の収束性や安定性を向上し、高品質な伝送が実現できるという効果が得られる。

本発明の第１実施形態の構成を示すブロック図である。送信信号の光スペクトルを示す図である。本発明の第２実施形態の構成を示すブロック図である。送信信号の光スペクトルを示す図である

＜第１実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態による空間多重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。この図において、符号１１、１２、１３は、所定のキャリア数のマルチキャリア信号を生成して送信するマルチキャリア送信機である。マルチキャリア送信機１１、１２、１３のそれぞれから信号１、２、３が送信される。

符号２は、モード変換及び結合を行うモードコンバータ・結合器である。符号３は、伝送媒体であるマルチモードファイバである。符号４は、分波及びモード変換を行う分波器・モードコンバータである。符号５１、５２、５３は、マルチキャリア送信機１１、１２、１３が送信した信号１、２、３をマルチモードファイバ３を介して受信する受信機である。

符号６は、受信機５１、５２、５３からそれぞれ出力した信号の波長分散を補償する波長分散補償部である。符号７は、波長分散補償部６から出力する信号からサブキャリアを抽出して周波数変換を行うサブキャリア抽出・周波数変換部である。

符号８１は、サブキャリア抽出・周波数変換部７から出力するサブキャリア毎に信号処理を行うＳＣ＃１（第１のサブキャリア）処理部である。ＳＣ＃ｎ（ｎは１からサブキャリアの数と同数まで）処理部は、サブキャリアと同数だけ設けられる。図１においては、ＳＣ＃１処理部８１、ＳＣ＃２処理部８２、ＳＣ＃２０処理部８３のみを図示したが実際には、２０個（ここでは、サブキャリア数が２０）の処理部が設けられる。

符号８１１は、信号分離・等化処理を行うＭＩＭＯ等化処理部である。符号８１２１、８１２２、８１２３は、受信信号毎に位相と周波数オフセットを補償する位相・周波数オフセット補償部である。

符号８１３１、８１３２、８１３３は、位相・周波数オフセット補償部８１２１、８１２２、８１２３それぞれから出力する信号に対して判定を行って信号１、２、３を復調する判定部である。ＳＣ＃１処理部８１の判定部８１３１、８１３２、８１３３からはそれぞれ信号１ＳＣ（サブキャリア）１、信号２ＳＣ２、信号３ＳＣ１が出力されることになる。他のＳＣ＃ｎ処理部からも同様に信号が出力される。

次に、図１を参照して、図１に示す空間多重光伝送システムの動作を説明する。本実施形態では、空間多重の伝送媒体としてマルチモードファイバ３を利用し、使用するモード数（空間多重数）は３、マルチモードファイバの最大ＤＭＧＤを２１ｎｓ、２オーバーサンプルのシステムで実装可能なＭＩＭＯ等化処理回路の規模を３×３×６０タップとする。

２１ｎｓのＤＭＧＤの存在下でクロストークを含む波形劣化を６０ｔａｐの適応フィルタで等化するためには、ＤＭＧＤの正負も考慮すると、サブキャリアのボーレートは７１４．２８Ｍｂａｕｄ（＝１／（２１ｎｓ×２／６０ｔａｐ／２ｏｖｅｒｓａｍｐｌｅ））以下であることが望ましい。例えば、１２．５ＧＨｚのＷＤＭスロットを考えると、サブキャリア間のガードバンド４０ＭＨｚで５２５Ｍｂａｕｄの２０キャリアの信号が収容可能である（図２参照）。これはシングルキャリア信号に換算すると１０．５Ｇｂａｕｄに相当する。図２は、送信信号の光スペクトルを示す図である。

まず、マルチキャリア送信機１１、１２、１３は、設計値に応じたキャリア数のマルチキャリア信号を生成し（ここでは２０キャリア）、各サブキャリアの３つの伝送モードに対して互いに異なるデータが重畳された信号が、モードコンバータ・結合器２を通してマルチモードファイバ３に入力する。

本実施形態では、６０（３ｍｏｄｅ×２０キャリア）の異なる信号が重畳可能である。重畳する信号は、高速な信号を分割したものでもよいし、低速な信号をそれぞれのキャリアの伝搬モードに割り当ててもよい。図１においては、各伝送モードに割り当てる２０キャリアのマルチキャリア信号群を、それぞれ信号１、信号２、信号３と表している。

次に、マルチモードファイバ３を伝送した信号は分波器・モードコンバータ４を通してシングルモードに変換され、それぞれの受信信号に対応した受信機５１、５２、５３で受信する。受信機５１、５２、５３のそれぞれでは、マルチキャリア信号を一括して受信し、量子化・標本化する。そして、波長分散補償部６は、マルチキャリア信号一括で波長分散を補償する。

次に、サブキャリア抽出・周波数変換部７は、サブキャリア抽出を行い、それぞれのサブキャリアをベースバンド信号に周波数変換する。この受信信号は、モードコンバータ・結合器２、分波器・モードコンバータ４やマルチモードファイバ上で生じるクロストークおよびＤＭＧＤの影響を受けて、お互いに混ざり合っているため、サブキャリアごとに実装されるＭＩＭＯ等化処理部８１１は、信号分離・等化処理を行う。

次に、位相・周波数オフセット補償部８１２１、８１２２、８１２３は、受信信号毎に位相リカバリと周波数オフセット補償を行う。そして、判定部８１３１、８１３２、８１３３は判定を行い、データを復調して出力する。この適応信号処理の収束は、送信側でサブキャリアごとに挿入された既知信号を用いたＭＭＳＥ規範を用いて行われるが、ゼロフォーシング規範を用いてもよいし、マルチユーザーＣＭＡのようなブラインド信号処理アルゴリズムを用いてもよい。

ここでは、５２５Ｍｂａｕｄのクロックで３×３×６０タップの信号処理を２０並列で独立に行えばよく、ＭＩＭＯ等化処理回路単位で考えれば、合計のボーレートが等しい１０．５Ｇｂａｕｄのシングルキャリア方式に比べて、タップ数の削減にともなう、適応信号処理の回路規模の削減や収束性・安定性が向上することは明らかである。

なお、本実形態では、単一偏波信号の例を説明したが、送信信号が偏波多重信号の場合は、ＭＩＭＯ処理回路を６×６×６０ｔａｐとすることによって対応すればよい。

また、前述した説明においては、光マルチキャリア信号を一括受信する例を説明したが、光マルチキャリア信号の受信は必ずしも一括でなく個別に受信する構成であってもよい。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態による空間多重光伝送システムを説明する。第１実施形態では伝送モード数が３の時について説明したが、第２実施形態では、Ｎ個の伝送モードを使用する場合の空間多重光伝送システムについて説明する。システム構成は、図１に示す構成と同等であり、異なる点はマルチキャリア送信機の数とＭＩＭＯ等化処理部の後段に接続されている回路の並列数がＮ個になっているという点である。

ＯＳをオーバーサンプリングレート、伝送路の最大ＤＭＧＤがＴ（ｎｓ）でＮ×Ｎ×ＰタップのＭＩＭＯ等化処理回路が実装可能と仮定すると、マルチキャリア信号のボーレートの上限値が（１）式より決定する。
Ｐ×ＯＳ／（２Ｔ）［Ｂａｕｄ］・・・（１）

これよりＷＤＭスロットの帯域幅からボーレートとガードバンドを考慮して、キャリア数を決定しシステムを設計することで、Ｎモード伝送の場合でもシングルキャリア方式に比べ、適応信号処理の回路規模の削減や収束性・安定性の向上が得られる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態による空間多重光伝送システムを説明する。第１、第２実施形態では、マルチモードファイバ３を伝送媒体として用いた場合を説明したが、第３実施形態では、空間多重の伝送媒体としてマルチコアファイバを用いる。図３は、第３実施形態による空間多重光伝送システムの構成を示す図である。この図において、図１に示すシステムと同一の部分には同一の符号を付し、その説明を簡単に行う。

図３において、符号１１、１２、１３は、所定のキャリア数のマルチキャリア信号を生成して送信するマルチキャリア送信機である。マルチキャリア送信機１１、１２、１３のそれぞれから信号１、２、３が送信される。

符号９は、結合を行う結合部である。符号１０は、伝送媒体であるマルチコアファイバである。符号１１は、結合を行う結合部である。符号５１、５２、５３は、マルチキャリア送信機１１、１２、１３が送信した信号１、２、３をマルチコアファイバ１０を介して受信する受信機である。

符号８１は、サブキャリア抽出・周波数変換部７から出力するサブキャリア毎に信号処理を行うＳＣ＃１（第１のサブキャリア）処理部である。ＳＣ＃ｎ（ｎは１からサブキャリアの数と同数まで）処理部は、サブキャリアと同数だけ設けられる。

このように、基本的な構成はマルチモードファイバ３を用いる場合と同様である。異なる点は、空間多重信号が、異なるコアに入力される点と、伝送する信号が受ける信号劣化要因がコア間のクロストークであることと、コアごとの伝搬定数βが製造上の理由等から異なるため、コア間で群遅延差が生じることである。

したがって、第１、第２実施形態で説明したＤＭＧＤをこのコア間の群遅延差に置き換えれば、（１）式を用いて、マルチモードファイバ使用時と同様のマルチキャリア信号の設計手法が適用可能になる。

前述した説明では、３コアファイバの例（図４参照）を説明したが、３より大きなコア数を持つファイバにも適用可能である。図４は、送信信号の光スペクトルを示す図である。したがって、マルチコアファイバ１０を用いる場合でも、ＭＩＭＯ等化処理回路単位で考えれば、合計のボーレートが等しいシングルキャリア方式に比べて、タップ数の削減に伴い、適応信号処理の回路規模の削減や収束性・安定性の向上が得られるのは明らかである。

なお、図１に示すシステム構成と、図３に示すシステム構成とを組み合わせ、伝送媒体としてマルチコア・マルチモード光ファイバを用いるようにしてもよい。

以上説明したように、光マルチキャリア信号と独立かつ並列な時間領域の適応ＭＩＭＯ等化処理を行うことで、少数タップでの等化処理により、空間多重光伝送システムにおいて適応信号処理の収束性や安定性を向上し、高品質な伝送が実現できる。

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。

空間多重光伝送システムにおいて、適応信号処理の収束性や安定性を向上し、高品質な伝送の実現することが不可欠な用途に適用できる。

１１、１２、１３・・・マルチキャリア送信機、２・・・モードコンバータ・結合器、３・・・マルチモードファイバ、４・・・分波器・モードコンバータ、５１、５２、５３・・・受信機、６・・・波長分散補償部、７・・・サブキャリア抽出・周波数変換部、８１・・・ＳＣ＃１処理部、８２・・・ＳＣ＃２処理部、８３・・・ＳＣ＃２０処理部、８１１・・・ＭＩＭＯ等化処理部、８１２１、８１２２、８１２３・・・位相・周波数オフセット補償部、８１３１、８１３２、８２３３・・・判定部、９・・・結合部、１０・・・マルチコアファイバ、１１・・・結合部

Claims

光マルチキャリア信号を送信する複数の送信部と、
信号光を受信する複数の受信部と、
前記信号光を伝送する複数の空間多重パスをもつ光伝送路と、
前記送信部からのそれぞれの信号光を前記光伝送路のそれぞれの空間多重パスに結合する第１の結合部と、
前記光伝送路のそれぞれのパスから出力された信号光をそれぞれ前記受信部へ結合する第２の結合部と、
受信された前記光マルチキャリア信号に対して、前記第１の結合部及び前記空間多重パス内で生じたクロストークをサブキャリアごとに補償する並列な適応信号分離・等化処理部とを備え、
前記光マルチキャリア信号のサブキャリアのボーレートを、前記空間多重パス間で生じる遅延量が前記適応信号分離・等化処理部のタップ数の時間ウインドウ内に収まるように設定することを特徴とする空間多重光伝送システム。
前記光伝送路は、マルチモード光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の空間多重光伝送システム。
前記光伝送路は、マルチコア光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の空間多重光伝送システム。
前記光伝送路は、マルチコア・マルチモード光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の空間多重光伝送システム。
前記送信部は、サブキャリアごとに時間的な位置が異なる既知信号を挿入する既知信号挿入部を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の空間多重光伝送システム。
前記受信部は、前記光マルチキャリア信号を一括受信し、
受信した光マルチキャリア信号に対して波長分散補償を一括して行う波長分散補償部と、
前記波長分散補償部から出力された信号を各サブキャリアに分離するサブキャリア分離部と
をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の空間多重光伝送システム。