JP5905367B2

JP5905367B2 - マルチフォーマットおよびマルチレートの光信号を生成する送信装置および方法、並びにマルチフォーマットおよびマルチレートの光信号を柔軟に割り当てる方法

Info

Publication number: JP5905367B2
Application number: JP2012193010A
Authority: JP
Inventors: 賢瑛崔; 釣谷　剛宏; 剛宏釣谷
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2032-09-03
Also published as: JP2014050009A

Description

本発明は、光通信装置および光ファイバリンクを備える光通信システムにおいて使用されるマルチフォーマットおよびマルチレートの光信号を生成する送信装置および方法に関する。また、本発明は、前記光通信システムにおいてマルチフォーマットおよびマルチレートの光信号を信号品質に基づいて柔軟に割り当てる方法に関する。

制限されたスペクトル資源を効率的に利用するため、動的再構成可能な波長分割多重（ＷＤＭ）ネットワークにおいて、適応スペクトル配分に関する多くの技術が存在する。これらによれば、光送信装置が柔軟性を提供することが望ましい。つまり、光信号の変調フォーマットおよび／またはビットレートが柔軟に変化されることが望ましい。この目的のため、柔軟性を有する光送信装置の技術がいくつか提案された。

例えば、シリカ平面光波回路（ＰＬＣ：planar lightwave circuit）とＬｉＮｂＯ_３（ＰＬＣ−ＬＮ）の混成集積技術に基づく新しい送信器が、非特許文献１で提案され、実証される（図７（ａ））。高集積変調器を用いることによって、この送信器はマルチフローおよびマルチレートの光信号を生成することが可能である。

一方、ソフトウェア定義のマルチフォーマット送信器は、非特許文献２および３で提案される。光信号の変調フォーマットを柔軟に割り当てるため、ＩＱ変調器に与えられた電気駆動信号が、制御信号にしたがって２値信号から多値信号に変化させられる。この動作のため、駆動信号は、ＦＰＧＡチップによって制御されたデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）（非特許文献２、図７（ｂ））または電気−光−電気（Ｅ−Ｏ−Ｅ）方法（非特許文献３、図７（ｃ））のいずれかによって生成される。

H. Takara, etal., ECOC2011, Tu.5.A.4 R. Schmogrow, etal., PTL, vol. 22, pp. 1601-1603, 2010 Y.-K. Huang, etal, OFC/NFOEC2012, OM3H.4

しかしながら、非特許文献１では、正確かつ安定な動作のため、同調フィルタ、可変結合器、位相シフト器および変調バイアスのような多くの制御パラメータを正確に制御する必要がある。この結果、この送信器は非常に複雑で高価な送信器になる。

また、非特許文献２および３において、多値レベル信号生成方法は複雑であり、これらの送信器は多値レベル信号の優れた品質を要求する。

したがって、本発明は、電気の多値符号化信号やシリカ平面光波回路とＬｉＮｂＯ_３位相変調器の混成集積光回路を使用することなしに、マルチフォーマットおよびマルチレートの光信号を生成する送信装置および方法、並びにマルチフォーマットおよびマルチレートの光信号を柔軟に割り当てる方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明のマルチフォーマットおよびマルチレートの光信号を生成する送信装置は、駆動信号の振幅およびバイアス電圧を調整することによって、光信号のチャープを制御することができ、光信号の振幅と位相を操作することができて、８ＱＡＭまたは１６ＱＡＭの一部のシンボルで光信号を変調するデュアルドライブマッハツェンダ変調器と、駆動信号の振幅およびバイアス電圧を調整することによって、チャープがないＢＰＳＫまたはＱＰＳＫを生成することができ、該ＢＰＳＫまたはＱＰＳＫで光信号を変調するデュアルパラレルマッハツェンダ変調器と、種々の変調形式の内の１つの変調形式が要求されたとき、前記デュアルドライブマッハツェンダ変調器および前記デュアルパラレルマッハツェンダ変調器を駆動するため駆動信号を、前記要求された変調形式に合わせて選択的に生成する制御手段とを備える。

また、前記デュアルドライブマッハツェンダ変調器の２つのアーム、および前記デュアルパラレルマッハツェンダ変調器の２つのマッハツェンダ変調器は、それぞれ２値駆動信号によって、独立して駆動されることも好ましい。

また、前記デュアルドライブマッハツェンダ変調器の駆動信号のバイアス電圧（ｖ_ｂ）および振幅（Ａ_１、Ａ_２）は、ＢＰＳＫおよびＱＰＳＫ生成の際、全て０であることも好ましい。

また、ＢＰＳＫ生成のため、前記デュアルパラレルマッハツェンダ変調器の２つのアームの駆動信号のバイアス位置および振幅（Ａ_３、Ａ_４）は、バイアス位置＝ヌル、Ａ_３＝０、Ａ_４＝２Ｖ_πであることも好ましい。

また、ＱＰＳＫ生成のため、前記デュアルパラレルマッハツェンダ変調器の２つのアームの駆動信号のバイアス位置および振幅（Ａ_３、Ａ_４）は、バイアス位置＝ヌル、Ａ_３＝２Ｖ_π、Ａ_４＝２Ｖ_πであることも好ましい。

また、前記デュアルドライブマッハツェンダ変調器の駆動信号のバイアス電圧（ｖ_ｂ）および振幅（Ａ_１、Ａ_２）は、８ＱＡＭおよび１６ＱＡＭ生成の際、光信号の振幅と位相を操作するために調整されることも好ましい。

また、８ＱＡＭ生成のため、前記デュアルドライブマッハツェンダ変調器の変調条件は、Ａ_１＝０．５Ｖ_π、Ａ_２＝０、ｖ_ｂ＝０．４Ｖ_πであることも好ましい。

また、１６ＱＡＭ生成のため、前記デュアルドライブマッハツェンダ変調器の変調条件は、Ａ_１＝Ａ_２＝０．３Ｖ_π、ｖ_ｂ＝０．５Ｖ_πであることも好ましい。

上記課題を解決するため本発明のマルチフォーマットおよびマルチレートの光信号を生成するための方法は、駆動信号の振幅およびバイアス電圧を調整することによって、光信号のチャープを制御することができ、光信号の振幅と位相を操作することができるデュアルドライブマッハツェンダ変調器が、８ＱＡＭまたは１６ＱＡＭの一部のシンボルで光信号を変調するステップと、駆動信号の振幅およびバイアス電圧を調整することによって、チャープがないＢＰＳＫまたはＱＰＳＫを生成することができるデュアルパラレルマッハツェンダ変調器が、前記ＢＰＳＫまたはＱＰＳＫで光信号を変調するステップと、種々の変調形式の内の１つの変調形式が要求されたとき、前記デュアルドライブマッハツェンダ変調器および前記デュアルパラレルマッハツェンダ変調器を駆動するため駆動信号を、前記要求された変調形式に合わせて選択的に生成するステップとを含む

上記課題を解決するため本発明のマルチフォーマットおよびマルチレートの光信号を柔軟に割り当てる方法は、上記送信装置を備える光通信システムにおいて、信号品質に基づいて、光信号の変調フォーマットおよびレートを柔軟に割り当てる。

また、信号品質を測定するステップと、前記信号品質（例えばＢＥＲ）があらかじめ定められた上限を超えた場合、現在の変調フォーマットより低いオーダの変調フォーマットを選択するステップと、前記信号品質があらかじめ定められた下限より低くなった場合、現在の変調フォーマットより高いオーダの変調フォーマットを選択するステップとを備えることことも好ましい。

上記に記載のように、本発明の送信装置は、電気の２値信号により駆動されるデュアルドライブマッハツェンダ変調器とデュアルパラレルマッハツェンダ変調器から構成され、光信号のシンボルレートを増加、減少させることが可能になる。さらに、この単純な構成のため、送信装置の構成は単純化され、コストが非常に減少される。

本発明の送信装置の構成を示す。８ＱＡＭ生成時のＤＤ−ＭＺＭとＤＰ−ＭＺＭの出力でのコンスタレーションを示す。１６ＱＡＭ生成時のＤＤ−ＭＺＭとＤＰ−ＭＺＭの出力でのコンスタレーションを示す。光信号のフォーマット／レートを割り当てのフローチャートを示す。本発明の送信装置の実験に用いた通信システムの構成を示す。本発明の送信装置の実験結果を示す。マルチフォーマットおよびマルチレートの光信号を生成する既存の装置例を示す。

本発明を実施するための最良の実施形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の送信装置の構成を示す。本送信装置は、レーザ光源１と光位相変調部２を備え、光位相変調部２は、直列に並べられたデュアルドライブマッハツェンダ（ＤＤ−ＭＺＭ）変調器２１、デュアルパラレルマッハツェンダ（ＤＰ−ＭＺＭ）変調器２２、および制御器２３を備える。本発明の送信装置は、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、８ＱＡＭ、および１６ＱＡＭ信号を生成可能な柔軟な光送信装置である。

光位相変調部２は、レーザ光源１からの連続光を、２値入力電気信号のデータ１（Ａ_１ｖ_１（ｔ））、データ２（Ａ_２ｖ_２（ｔ））、データ３（Ａ_３ｖ_３（ｔ））、データ４（Ａ_４ｖ_４（ｔ））により光位相変調を行い、位相変調光信号を光伝送路に出力する。

ＤＤ−ＭＺＭ２１の各アームは、２つの独立した２値データ、データ１（Ａ_１ｖ_１（ｔ））、データ２（Ａ_２ｖ_２（ｔ））で駆動される。駆動信号の振幅（つまりＡ_１、Ａ_２）を調整することによって光信号のチャープを制御することができるため、光信号の振幅と位相を任意に操作することができる。ＭＺＭの分岐／合成比を同じであると仮定すると、ＤＤ−ＭＺＭ２１の伝達関数Ｈ（ｔ）は、

と表される。ここで、ｖ_ｂとＶ_πは、それぞれＤＤ−ＭＺＭ２１のバイアス電圧とスイッチング電圧である。この式から、ＤＤ−ＭＺＭ２１は光信号の振幅と位相を任意に操作することができる。

同様に、ＤＰ−ＭＺＭ２２の個々のＭＺＭは、２つの独立した２値データ、データ３（Ａ_３ｖ_３（ｔ））、データ４（Ａ_４ｖ_４（ｔ））で駆動される。しかしながら、ＤＰ−ＭＺＭ２２は、チャープがない、つまりこの変調器は２つのｘ−ｃｕｔＬＮ変調器を集積することによって実装されているため、２Ｖ_πの振幅を有する２値データを１つのＭＺＭ（両方のＭＺＭに２つの独立したデータ）に与えると、理想的なＢＰＳＫ（ＱＰＳＫ）信号を生成することができる。

制御器２３は、外部から生成する信号のフォーマット／レートの要求を受け付け、この要求に基づきデータ信号の変調条件を決定し、ＤＤ−ＭＺＭ２１とＤＰ−ＭＺＭ２２に設定する。ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、８ＱＡＭ、および１６ＱＡＭ信号を生成するための変調条件は以下で示される。

次に、本発明の送信装置の変調柔軟性の例を示し、変調条件の情報を提供する。ここで、ＤＰ−ＭＺＭ２２の上側のＭＺＭをＭＺＭ_Ａとし、下側のＭＺＭをＭＺＭ_Ｂとし、主ＭＺ干渉系をＭＺＭ_Ｃとする。

１）ＢＰＳＫ
ＢＰＳＫは、ＤＤ−ＭＺＭ２１を電源オフにすること、つまり、レーザ光をそのまま透過されることで生成することができる。ＤＰ−ＭＺＭ２２のＭＺＭ_Ｂは、表１に示すように２Ｖ_πの振幅を有する電気の２値信号により駆動される。なお、本明細書で、ＤＰ−ＭＺＭ２２のバイアス位置は、ｖ_ｂを除いてピーク／ヌル／直交（それぞれ、ＭＺＭの典型的な伝達曲線の最大／最小／半分の位置）で表す。

また、ＢＰＳＫは、ＤＰ−ＭＺＭ２２を電源オフにすることでも、生成することができる。ＤＤ−ＭＺＭ２１の各ＭＺＭは、表２に示すようにＶ_πの振幅を有する電気の２値信号により駆動される。なお、表２の＃１では、データ２は、データ１の反転データであり、＃２では、データ２は、データ１のデータである。

２）ＱＰＳＫ
ＱＰＳＫは、ＤＤ−ＭＺＭ２１を電源オフにすること、つまり、レーザ光をそのまま透過されることで生成することができる。ＤＰ−ＭＺＭ２２は、表３に示したようにＱＰＳＫを作成するために動作する。ＭＺＭ_ＡとＭＺＭ_Ｂは、ＢＰＳＫ信号を生成し、２つのＢＰＳＫ信号が、ＭＺＭ_Ｃの中で９０°位相シフトされ、加えられ、ＱＰＳＫ信号が生成される。

また、ＱＰＳＫは、ＤＤ−ＭＺＭ２１とＤＰ−ＭＺＭ２２を使用することでも、生成することができる。ＤＰ−ＭＺＭ２２のＭＺＭ_Ｂは、表４に示すように２Ｖ_πの振幅を有する電気の２値信号により駆動される。ＤＤ−ＭＺＭ２１の各ＭＺＭは、表４に示すように、Ｖ_π、０または０．５Ｖ_πの振幅を有する電気の２値信号により駆動される。なお、表２の＃２では、データ２は、データ１のデータである。

３）８ＱＡＭ
８ＱＡＭの最適なコンスタレーションは、図２（ｂ）に示されたように（１＋√３）：√２の２つの係数を有する。最適な８ＱＡＭ生成のため、光信号の振幅と位相は、最初に、ＤＤ−ＭＺＭ２１の駆動信号のバイアス電圧と振幅を制御することによって、変調され、図２（ａ）に示すコンスタレーションが生成される。表５に示すようにＤＤ−ＭＺＭ２１のデータ２はヌル（つまり、Ａ_２＝０）で、その後、ＤＰ−ＭＺＭ２２は、ＱＰＳＫ変調を行い、最終的に図２（ｂ）で示される８ＱＡＭのコンスタレーションが生成される。

また、８ＱＡＭは、以下の表６に示す変調条件で、ＤＤ−ＭＺＭ２１とＤＰ−ＭＺＭ２２を駆動することでも生成することができる。表２の＃１では、データ２は、データ１の反転データであり、＃２では、データ２は、データ１のデータである。

４）１６ＱＡＭ
表７は１６ＱＡＭ生成のための変調条件を示す。１６ＱＡＭは、ＤＰ−ＭＺＭ２２がＱＰＳＫ出力を生成し、ＤＤ−ＭＺＭ２１に加える駆動信号のバイアス電圧と振幅を調節することによって、生成される。Ａ_１＝Ａ_２＝０．３Ｖ_π、ｖ_ｂ＝０．５Ｖ_πのとき、図３（ａ）に示される１６ＱＡＭコンスタレーションの四分円に置かれた４つのシンボルを作ることができる。ＤＰ−ＭＺＭ２２のＱＰＳＫ変調によって最終的に図３（ｂ）に示されるように１６ＱＡＭが生成される。

また、１６ＱＡＭは表８のように、Ａ_１＝Ａ_２＝０．７Ｖ_π、ｖ_ｂ＝０．５Ｖ_πにすることでも生成できる。

次に、本発明の送信装置の信号のフォーマット／レートを動的に割り当てるアルゴリズムを示す。再構成可能な光ネットワークにおいて、ファイバ断、ファイバ損失の増加、または光信号雑音比（ＯＳＮＲ）の低下のような予期せぬ機能障害／欠陥が、あるファイバリンクで発生した場合、信号経路は動的に経路変更される。しかしながら、新しい経路は、元の経路と異なった距離とＯＳＮＲを有しているため、光信号の変調フォーマット／レートを適切に割り当てる必要がある。このため、光信号のフォーマット／レートを割り当てるアルゴリズムを提案する。

図４は、光信号のフォーマット／レートを割り当てのフローチャートを示す。以下、本フローチャートに基づき、マルチフォーマットおよびマルチレートの光信号を柔軟に割り当てる方法を説明する。ここでは、ファイバリンク内の機能障害がファイバ損失の増加であり、この損失が変化することを仮定する。

ステップ１：ＢＥＲ閾値の上限と下限を設定する。高いスペクトル利用効率のため、最初は１６ＱＡＭを変調フォーマットとして設定する。
ステップ２：ここで、ファイバリンク内の損失が変化したとする。
ステップ３：光信号のビットエラーレート（ＢＥＲ）を測定することによって、信号品質情報を得る。
ステップ４：ＢＥＲが最初に定めたＢＥＲ閾値の上限と下限内であるか確認する。上限と下限内である場合、ステップ２に戻る。上限外または下限外である場合、ステップ５に進む。
ステップ５：ＢＥＲが最初に定めたＢＥＲ閾値の上限を超えた場合、ステップ６に進み、下限より小さい場合、ステップ７に進む。
ステップ６：ＢＥＲが最初に定めたＢＥＲ閾値より劣化した場合、ＯＳＮＲマージンを向上させるため、現在の変調フォーマットより低いオーダの変調フォーマットを選択する。例えば、もし、現在の光信号の変調フォーマットが１６ＱＡＭであり、信号ＢＥＲがＢＥＲ閾値の上限より劣化した場合、８ＱＡＭに変更される。
ステップ７：ＢＥＲがＢＥＲ閾値の下限より低くなった場合、より高いオーダの変調フォーマットが高いスペクトル利用効率を得るために選択される。

図５は、本発明の送信装置の実験に用いた通信システムの構成を示す。本構成では光減衰器が挿入損失を与え、送信装置がこの損失により光信号のフォーマットを変化させる。送信装置は、１２．５ギガボーのＱＰＳＫ、８ＱＡＭ、または１６ＱＡＭ（つまり２５Ｇｂ／ｓＱＰＳＫ、３７．５Ｇｂ／ｓ８ＱＡＭ、５０Ｇｂ／ｓ１６ＱＡＭ）を利用し、送信装置と光減衰器がＧＰＩＢインタフェースを用いることによってコンピュータ（ＰＣ）に接続される。さらにＢＥＲ閾値の上限と下限をそれぞれ２×１０^−３と２×１０^−４に設定する。

図６は、本発明の送信装置の実験結果を示す。挿入損失を１１ｄＢから１３ｄＢに増加させたとき、１６ＱＡＭでのＢＥＲは劣化する。しかしながら、まだ上限２×１０^−３を超えないため、１６ＱＡＭのままである。挿入損失が１５ｄＢになると、１６ＱＡＭのＢＥＲはＢＥＲ閾値の外に出る。このため、変調フォーマットの変換（１６ＱＡＭから８ＱＡＭ）が行われ、８ＱＡＭのＢＥＲは、ＢＥＲ閾値内に戻る。同様に挿入損失が２１ｄＢに変化したとき、８ＱＡＭのＢＥＲはＢＥＲ閾値の外に出て、変調フォーマットがＱＰＳＫに変換される。しかしながら、挿入ロスを１１ｄＢに減少されると、ＢＥＲが下限よりも良くなるため、再度８ＱＡＭおよび１６ＱＡＭに変換される。

また、以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様および変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲およびその均等範囲によってのみ規定されるものである。

１レーザ光源
２光位相変調部
２１デュアルドライブマッハツェンダ（ＤＤ−ＭＺＭ）変調器
２２デュアルパラレルマッハツェンダ(ＤＰ−ＭＺＭ)変調器
２３制御器

Claims

駆動信号の振幅およびバイアス電圧を調整することによって、光信号のチャープを制御することができ、光信号の振幅と位相を操作することができて、８ＱＡＭまたは１６ＱＡＭの一部のシンボルで光信号を変調するデュアルドライブマッハツェンダ変調器と、
駆動信号の振幅およびバイアス電圧を調整することによって、チャープがないＢＰＳＫまたはＱＰＳＫを生成することができ、該ＢＰＳＫまたはＱＰＳＫで光信号を変調するデュアルパラレルマッハツェンダ変調器と、
種々の変調形式の内の１つの変調形式が要求されたとき、前記デュアルドライブマッハツェンダ変調器および前記デュアルパラレルマッハツェンダ変調器を駆動するため駆動信号を、前記要求された変調形式に合わせて選択的に生成する制御手段と、
を備えることを特徴とするマルチフォーマットおよびマルチレートの光信号を生成する送信装置。
前記デュアルドライブマッハツェンダ変調器の２つのアーム、および前記デュアルパラレルマッハツェンダ変調器の２つのマッハツェンダ変調器は、それぞれ２値駆動信号によって、独立して駆動されることを特徴とする請求項１に記載の送信装置。
前記デュアルドライブマッハツェンダ変調器の駆動信号のバイアス電圧（ｖ_ｂ）および振幅（Ａ_１、Ａ_２）は、ＢＰＳＫおよびＱＰＳＫ生成の際、全て０であることを特徴とする請求項１または２に記載の送信装置。
ＢＰＳＫ生成のため、前記デュアルパラレルマッハツェンダ変調器の２つのアームの駆動信号のバイアス位置および振幅（Ａ_３、Ａ_４）は、バイアス位置＝ヌル、Ａ_３＝０、Ａ_４＝２Ｖ_πであることを特徴とする請求項３に記載の送信装置。
ＱＰＳＫ生成のため、前記デュアルパラレルマッハツェンダ変調器の２つのアームの駆動信号のバイアス位置および振幅（Ａ_３、Ａ_４）は、バイアス位置＝ヌル、Ａ_３＝２Ｖ_π、Ａ_４＝２Ｖ_πであることを特徴とする請求項３に記載の送信装置。
前記デュアルドライブマッハツェンダ変調器の駆動信号のバイアス電圧（ｖ_ｂ）および振幅（Ａ_１、Ａ_２）は、８ＱＡＭおよび１６ＱＡＭ生成の際、光信号の振幅と位相を操作するために調整されることを特徴とする請求項１または２に記載の送信装置。
８ＱＡＭ生成のため、前記デュアルドライブマッハツェンダ変調器の変調条件は、Ａ_１＝０．５Ｖ_π、Ａ_２＝０、ｖ_ｂ＝０．４Ｖ_πであることを特徴とする請求項６に記載の送信装置。
１６ＱＡＭ生成のため、前記デュアルドライブマッハツェンダ変調器の変調条件は、Ａ_１＝Ａ_２＝０．３Ｖ_π、ｖ_ｂ＝０．５Ｖ_πであることを特徴とする請求項６に記載の送信装置。
駆動信号の振幅およびバイアス電圧を調整することによって、光信号のチャープを制御することができ、光信号の振幅と位相を操作することができるデュアルドライブマッハツェンダ変調器が、８ＱＡＭまたは１６ＱＡＭの一部のシンボルで光信号を変調するステップと、
駆動信号の振幅およびバイアス電圧を調整することによって、チャープがないＢＰＳＫまたはＱＰＳＫを生成することができるデュアルパラレルマッハツェンダ変調器が、前記ＢＰＳＫまたはＱＰＳＫで光信号を変調するステップと、
種々の変調形式の内の１つの変調形式が要求されたとき、前記デュアルドライブマッハツェンダ変調器および前記デュアルパラレルマッハツェンダ変調器を駆動するため駆動信号を、前記要求された変調形式に合わせて選択的に生成するステップと、を含むことを特徴するマルチフォーマットおよびマルチレートの光信号を生成するための方法。
請求項１から８に記載の送信装置を備える光通信システムにおいて、
信号品質に基づいて、光信号の変調フォーマットおよびレートを柔軟に割り当てることを特徴するマルチフォーマットおよびマルチレートの光信号を柔軟に割り当てる方法。
信号品質を測定するステップと、
前記信号品質があらかじめ定められた上限を超えた場合、現在の変調フォーマットより低いオーダの変調フォーマットを選択するステップと、
前記信号品質があらかじめ定められた下限より低くなった場合、現在の変調フォーマットより高いオーダの変調フォーマットを選択するステップと、
を備えることを特徴とする請求項１０に記載のマルチフォーマットおよびマルチレートの光信号を柔軟に割り当てる方法。