JP6010955B2 - コヒーレント光受信機および光受信方法 - Google Patents

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Description

本発明は、コヒーレント光受信方式を用いたコヒーレント光受信機および光受信方法に関し、特に、隣接チャネルからのクロストークを低減するコヒーレント光受信機および光受信方法に関する。
デジタルコヒーレント光受信方式は、送信側で光電場の振幅や位相に信号を印加して送信した信号光をコヒーレント光受信し、コヒーレント光受信して得られた光信号を電気信号に変換し、その電気信号をデジタル処理して元の信号を再生する技術である。デジタルコヒーレント光受信方式では、光ファイバによる長距離伝送の際に大きな問題となる波長分散補償などの波形等化処理を、デジタル信号処理により高精度に行うことができる。
コヒーレント光受信は、入力した信号光と当該信号光とほぼ同じ周波数を有するローカル光（局部発振光）を９０度光ハイブリッド回路に入力して混合し、混合により発生するダウンコンバートされた周波数の干渉光を出力として得る。９０度光ハイブリッド回路の出力は、位相が互いに９０度異なる２組の光（同相成分、直交成分）を含み、光電変換回路で光電変換されて信号光の電場エンベロープを表す電気信号として出力される。この電気信号がデジタル信号に変換されてデジタル信号処理により波形等化処理が行われる。
このようなコヒーレント光受信機が特許文献１や特許文献２に開示されている。
特許文献１は、信号光の偏波状態に依存することなく高ビットレートの信号光を受信できるコヒーレント受信方式の光受信機に関する技術を開示している。特許文献１の技術によれば、光周波数が互いに異なる直交偏波成分を有する局部発振光が受信信号光と合波され、その合波信号が光電変換部で電気信号に変換されることにより、各直交偏波成分と受信信号光とのビートによる中間周波数信号がそれぞれ発生する。この直交偏波成分間の光周波数差は、受信信号光の帯域幅の２倍よりも小さく、かつ、受信信号光を発生する光源のスペクトル線幅および局部発振光を発生する光源のスペクトル線幅よりも大きくならないように設定されている。そのため、各中間周波数信号は、各々の電気スペクトルが重なり合うようになり、後段で使用する電子回路に要求される帯域幅を信号帯域幅の２倍程度と狭くすることができる。
特許文献２は、受光素子の帯域と同程度まで信号光のビットレートを大きくすることができなかった課題を解決して、光ＦＳＫ（周波数シフトキーイング）変調された光信号を狭い帯域の信号としてコヒーレント光受信する技術を開示している。特許文献２の技術によれば、局発光信号の光位相を位相誤差信号により制御する光位相同期ループを形成し、局発光源の光周波数が光ＦＳＫ信号のマーク符号に対応する周波数とスペース符号に対応する周波数の間になるように維持している。そして、ビット判定回路は、光ＦＳＫ信号の位相が局発光信号に比べて進んでいるか遅れているかを判定して受信信号のマーク、スペースを判定する。
特開２００８−１５３８６３号公報 特開平０７−２８３７９３号公報
近年、インターネットの普及などによる急速な通信トラフィックの増大に対処するために、高密度波長多重（WDM： Wavelength Division Multiplexing）技術による基幹回線における伝送路の高密度化が行われている。しかし、伝送路の高密度化による周波数間隔の狭窄化に伴い、受信側で分波した主信号チャネルの帯域に隣接チャネルの信号帯域が混入し、伝送特性を劣化させる原因になる隣接チャネルクロストークが発生することが課題になっている。
特許文献１や特許文献２に開示された技術は、信号光のビットレートを大きくすることを主眼とした技術で、隣接チャネルクロストークについては言及していない。
そこで、本発明の目的は、隣接チャネルからのクロストークを低減するコヒーレント光受信機および光受信方法を提供することにある。
上記の目的を実現するために、本発明の一形態であるコヒーレント光受信機は、伝送路から受信した、送信側で信号が印加された主信号光とローカル光を入力して混合してコヒーレント検波を行い、前記主信号光に印加された信号を電気信号として出力し、当該電気信号に基づいて元の信号を再生出力するコヒーレント光受信手段と、前記主信号光と隣接する前記伝送路上のチャネル情報を受信し、隣接チャネルに存在する他の信号光である隣接チャネル信号光の有無に従って前記ローカル光の周波数を変化させて出力するローカル光周波数制御手段とを含むことを特徴とする。
また、本発明の他の形態である光受信方法は、送信側で信号が印加された主信号光を伝送路から受信し、前記主信号光と隣接する前記伝送路上のチャネル情報を受信して隣接チャネルに存在する他の信号光である隣接チャネル信号光の有無に従ってローカル光の周波数を変化させて出力し、前記主信号光と前記ローカル光を混合してコヒーレント検波を行って前記主信号光に印加された信号を電気信号として出力し、前記電気信号基づいて元の信号を再生出力することを特徴とする。
本発明は、伝送路の高密度化による周波数間隔の狭窄化に伴って課題となる、主信号チャネルの帯域に隣接チャネルの信号帯域が混入する隣接チャネルクロストークを低減することができる。
第１の実施形態のコヒーレント光受信機の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の光受信方法の動作を示すフロー図である。 第２の実施形態のコヒーレント光受信機の構成を示すブロック図である。 隣接チャネル信号光が存在しない場合のローカル光配置と受信信号周波数スペクトルを示す図である。 主信号光の両側に隣接チャネル信号光が存在する場合のローカル光配置と受信信号周波数スペクトルを示す図である。 主信号光の片側のみに隣接チャネル信号光が存在する場合のローカル光配置と受信信号周波数スペクトルを示す図である。 主信号光の両側に隣接チャネル信号光が存在する場合であって、いずれか片側の隣接チャネル信号光の周波数が所定の位置からずれている場合のローカル光配置と受信信号周波数スペクトルを示す図である。 第２の実施形態のコヒーレント光受信機の周波数制御回路の動作を示すフロー図である。 コヒーレント光受信機の周波数制御回路に外部からチャネル情報を与えるための構成の一例を示すブロック図である。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する
本発明の実施形態に係るコヒーレント光受信機は、コヒーレント光受信方式を用いた光受信機において、隣接チャネル信号光の状況に応じてローカル光の周波数を変化させることにより、隣接チャネルからのクロストークを低減する。
図１は、第１の実施形態のコヒーレント光受信機の構成を示すブロック図である。
第１の実施形態のコヒーレント光受信機１は、コヒーレント光受信手段１１およびローカル光周波数制御手段１２を含む構成となっている。
コヒーレント光受信手段１１は伝送路から受信した、送信側で信号が印加された信号光とローカル光を入力して混合してコヒーレント検波を行い、その主信号光に印加された信号を電気信号として出力し、この電気信号に基づいて元の信号を再生出力する。なお、コヒーレント光受信手段１１に入力する信号光を主信号光と称する。そして、ローカル光周波数制御手段１２は主信号光と隣接する伝送路上のチャネル情報を受信し、隣接チャネルに存在する他の信号光である隣接チャネル信号光の有無に従ってローカル光の周波数を変化させて出力する。
図２は、第１の実施形態の光受信方法の動作を示すフロー図である。
まず、送信側で信号が印加された主信号光を伝送路から受信する（Ｓ１０１）。そのとき、主信号光と隣接する伝送路上のチャネル情報を受信する（Ｓ１０２）。そして、隣接チャネルに存在する他の信号光である隣接チャネル信号光の有無に従ってローカル光の周波数を変化させて出力する（Ｓ１０３）。
つまり、隣接チャネル信号光が存在しない場合（Ｓ１０３、無）、主信号光に対応して規定されている周波数のローカル光を出力する（Ｓ１０４）。一方、隣接チャネル信号光が存在する場合（Ｓ１０３、有）、主信号光に対応して規定されている周波数を変化させて出力する（Ｓ１０５）。
次に、主信号光と、Ｓ１０４またはＳ１０５で出力したローカル光を混合してコヒーレント検波を行って主信号光に印加された信号を電気信号として出力し、この電気信号に基づいて元の信号を再生出力する（Ｓ１０６）。
このように、第１の実施形態は、隣接チャネル信号光の有無に従ってローカル光の周波数を変化させる。従って、隣接チャネルの信号帯域が混入しない領域に主信号チャネルの帯域をずらすことにより、隣接チャネルクロストークを低減することができる。
次に、第２の実施形態を説明する。
図３は、第２の実施形態のコヒーレント光受信機の構成を示すブロック図である。
第２の実施形態のコヒーレント光受信機１００は、９０度光ハイブリッド回路１０１、光受信器１０２、Ａ/Ｄ（アナログ/デジタル）変換器１０３、デジタル信号処理回路１０４、ローカル光源１０５および周波数制御回路１０６を含む構成となっている。
コヒーレント光受信機１００に入力した、送信側で信号が印加された主信号光は、ローカル光源１０５から出力されるローカル光と９０度光ハイブリッド回路１０１において合波される。合波により生じた干渉光の各偏波の同相成分と直交成分が９０度光ハイブリッド回路１０１の４つの出力ポートから出力される。
この干渉光は光受信器１０２で光電変換され、アナログの受信信号が出力される。この受信信号はＡ/Ｄ変換器１０３でデジタル信号に変換され、デジタル信号処理回路１０４に入力する。デジタル信号処理回路１０４に入力したデジタル信号は、分散補償、偏波分離、キャリア周波数オフセット補償、キャリア位相補償、信号識別等の処理が行われ、復調された伝送信号が出力される。
一方、コヒーレント光受信機１００には、外部からチャネル情報が与えられ、これに基づいて周波数制御回路１０６がローカル光源１０５から出力されるローカル光の周波数をシフトする周波数オフセット制御を行う。
以下、図４ないし図７を参照して第２の実施形態を説明する。
図４は、隣接チャネル信号光が存在しない場合のローカル光配置と受信信号周波数スペクトルを示す図である。
また、図５は、主信号光の両側に隣接チャネル信号光（隣接チャネル信号光ａおよび隣接チャネル信号光ｂ）が存在する場合の主信号光に対するローカル光配置と受信信号周波数スペクトルを示す図である。なお、隣接チャネル信号によるクロストークを、主信号の受信帯域の両側の三角（黒色）で示している。また、図６および図７においても隣接チャネル信号によるクロストークを同様に示す。
図４に示すように、受信しようとする主信号光の隣接チャネルに隣接チャネル信号光が存在しない場合や、図５に示すように、受信しようとする主信号光の両側の隣接チャネルに隣接チャネル信号光が存在する場合には、ローカル光の周波数は周波数グリッドの中心ｆ０に設定される。
つまり、周波数制御回路１０６は、外部から与えられたチャネル情報が、受信しようとする主信号光の隣接チャネルに隣接チャネル信号光が存在しないことや、両側の隣接チャネルに隣接チャネル信号光が存在することを示す場合には、ローカル光の周波数を変化させない。ローカル光の周波数を変化させないということは、ローカル光源１０５が出力するローカル光の周波数は、当該コヒーレント光受信機１００が受信する主信号光に対応して規定された周波数のままであることを意味する。
この場合、受信信号の周波数スペクトルは周波数ゼロを中心とする対称形のものとなり、当該コヒーレント光受信機１００が受信する主信号の受信帯域内に入ったスペクトル成分のみがデジタル信号処理回路１０４において信号処理され、伝送信号が復調される。なおコヒーレント光受信機１００の受信帯域は、光受信器１０２の帯域、Ａ/Ｄ変換器１０３の帯域、あるいはデジタル信号処理回路１０４内に設けられたフィルタ部の帯域によって決まる。
図６は、主信号光の片側のみに隣接チャネル信号光ａが存在する場合のローカル光配置と受信信号周波数スペクトルを示す図である。
外部から与えられたチャネル情報に基づいてこのような状態であることを識別した周波数制御回路１０６は、隣接チャネル信号光ａが存在しない側の隣接チャネル方向にローカル光の周波数をΔｆＬだけシフトする周波数オフセット制御を行う。つまり、周波数制御回路１０６は、ローカル光源１０５にシフトすべき周波数オフセット値を指示してローカル光の周波数を変化させる。
このようにローカル光の周波数をΔｆＬだけシフトすることにより、受信信号の周波数スペクトルの中心周波数はΔｆＬとなる。そのため、隣接チャネル信号の周波数スペクトルが重なった周辺部分が、当該コヒーレント光受信機１００の主信号の受信帯域外となり、結果として隣接チャネル信号のクロストークの影響が小さくなる。
なお、周波数制御回路１０６がシフトするローカル光の周波数オフセットの範囲は次のように設定されている。
ローカル光の周波数精度を±Δｆｅ、デジタル信号処理回路１０４が行うローカル光の周波数オフセット補償処理における許容値を±Δｆｏｆｆとすると、ΔｆＬは、ΔｆＬ＜Δｆｏｆｆ−Δｆｅの範囲内とする。
図７は、主信号光の両側に隣接チャネル信号光が存在する場合であって、いずれか片側の隣接チャネル信号光の周波数が所定の位置からずれている場合のローカル光配置と受信信号周波数スペクトルを示す図である。
このように、主信号光の両側に隣接チャネル信号光が存在する場合であっても、いずれか片方の隣接チャネル信号光の周波数が所定の位置からずれている場合には、周波数制御回路１０６はローカル光の周波数をシフトする周波数オフセット制御を行う。なお、周波数制御回路１０６が外部から与えられるチャネル情報には所定の位置からの周波数ずれの情報も含まれているものとする。
図７は、隣接チャネル信号光ａの周波数が主信号チャネルの受信帯域に近づく方向にずれている場合を示している。隣接チャネル信号光ａの周波数がΔｆｎずれているものとすると、周波数制御回路１０６はローカル光の周波数をΔｆｎ／２だけ、隣接チャネル信号光ｂの方向にシフトするように周波数オフセット制御を行う。これによって当該コヒーレント光受信機１００の主信号の受信帯域内に混入する隣接チャネル信号光ａおよび隣接チャネル信号光ｂの周波数スペクトル成分が最小限に抑えられる。
また、図示していないが、隣接チャネル信号光ａの周波数が主信号チャネルの受信帯域から離れる方向にずれている場合は、隣接チャネル信号光ａの方向にローカル光の周波数をシフトする周波数オフセット制御を行えばよい。
図８は上述したコヒーレント光受信機１００の周波数制御回路１０６の動作を示すフロー図である。
周波数制御回路１０６は、外部から与えられたチャネル情報を受信する（Ｓ２０１）。
受信したチャネル情報に基づいて隣接するチャネルにおける信号光の存在の有無の状況を識別する（Ｓ２０２）。
主信号光に隣接する両側に隣接チャネル信号光が存在しない場合（分岐１）は、ローカル光源１０５に対してローカル光の周波数変更の指示を行わない（Ｓ２０３）。これは上述した図４の場合である。
片側に隣接チャネル信号光が存在する場合（分岐２）は、隣接チャネル信号光が存在しない隣接チャネル方向にローカル光の周波数をシフトする指示をローカル光源１０５に対して出力する（Ｓ２０４）。これは上述した図６の場合である。
主信号光の両側に隣接チャネル信号光が存在する場合（分岐３）は、いずれかの隣接チャネル信号光に周波数ずれがあるかを確認する（Ｓ２０５）。どちらの隣接チャネル信号光にも周波数ずれがない場合（Ｓ２０５、無）は、ローカル光源１０５に対してローカル光の周波数変更の指示を行わない（Ｓ２０３）。これは上述した図５の場合である。
一方、両側の隣接チャネル信号光のうちの、いずれかの隣接チャネル信号光に周波数ずれがある場合（Ｓ２０５、有）は、その周波数ずれの状況に応じてローカル光の周波数をシフトする指示をローカル光源１０５に対して出力する（Ｓ２０６）。例えば、いずれかの隣接チャネル信号光の周波数が主信号チャネルの受信帯域に近づく方向にずれている場合は、その周波数がずれている隣接チャネル信号光とは反対側の方向にローカル光の周波数をシフトする指示をローカル光源１０５に対して出力する。これは上述した図７の場合である。また、いずれかの隣接チャネル信号光の周波数が主信号チャネルの受信帯域から離れる方向にずれている場合は、その周波数がずれている隣接チャネル信号光の方向にローカル光の周波数をシフトする指示をローカル光源１０５に対して出力する。
なお、図９は、コヒーレント光受信機１００の周波数制御回路１０６に外部からチャネル情報を与えるための構成の一例を示すブロック図である。
送信側ノード２０は、複数の光送信機２００を備え、信号を印加した信号光を光合波器２１０により高密度多重して光ファイバ伝送路に送信する。受信側ノード１０は、複数のコヒーレント光受信機１００を備え、高密度多重されている信号光を光分波器１１０で分波してそれぞれのコヒーレント光受信機１００で受信する。また、伝送路から受信した高密度多重されている信号光を光スプリッタ１２０で分岐して光分波器１３０に入力する。光分波器１３０で分波されたそれぞれのチャネルの信号光は光電変換素子を有する信号検出部１４０でその有無が識別される。各チャネルの信号光の有無は、各コヒーレント光受信機１００に、それぞれの主信号チャネルに隣接するチャネル情報として各コヒーレント光受信機１００に与えられる。
以上に説明したように、第２の実施形態においては、外部から与えられるチャネル情報に基づいて主信号チャネルに隣接するチャネルに存在する他の信号光の有無を識別し、その状況に応じてローカル光の周波数をシフトする制御を行う。そのため、当該コヒーレント光受信機の主信号の受信帯域において、隣接チャネル信号と周波数スペクトルが重なる周辺部分が受信帯域外となるように、受信帯域を変化させることができる。また、混入する隣接チャネル信号の周波数スペクトル成分を受信帯域から完全に排除することができなくても、その影響を最小限に抑えることができるように受信帯域を変化させることができる。その結果、第２の実施形態のコヒーレント光受信機は、伝送路の高密度化による周波数間隔の狭窄化に伴って課題となる主信号チャネルの帯域に隣接チャネルの信号帯域が混入する隣接チャネルクロストークを低減することができる。
なお、第２の実施形態のコヒーレント光受信機は、チャネル情報を外部から与えられる構成として示したが、コヒーレント光受信機の内部で識別する構成であってもよい。例えば、ノード間でのチャネル配置が予め決まっているような場合には、そのチャネル配置に基づいて受信側ノードに設置されるコヒーレント光受信機ごとに予め周波数オフセットを設定しておいてもかまわない。また、コヒーレント受信機の光受信器から出力される受信信号、デジタル信号処理回路の内部または出力された伝送信号などの任意の信号からクロストーク量や受信感度等を検出し、それを周波数制御回路に伝えて周波数オフセットを制御する構成にしてもよい。
１、１００ コヒーレント光受信機
１０ 受信側ノード
１１ コヒーレント光受信手段
１２ ローカル光周波数制御手段
２０ 送信側ノード
１０１ ９０度光ハイブリッド回路
１０２ 光受信器
１０３ Ａ／Ｄ変換器
１０４ デジタル信号処理回路
１０５ ローカル光源
１０６ 周波数制御回路
１１０、１３０ 光分波器
１２０ 光スプリッタ
１４０ 信号検出部
２００ 光送信機
２１０ 光合波器

Claims (5)

  1. 伝送路から受信した、送信側で信号が印加された主信号光とローカル光を入力して混合してコヒーレント検波を行い、前記主信号光に印加された信号を電気信号として出力し、当該電気信号に基づいて元の信号を再生出力するコヒーレント光受信手段と、
    前記主信号光と隣接する前記伝送路上のチャネル情報を受信し、隣接チャネルに存在する他の信号光である隣接チャネル信号光の有無に従って前記ローカル光の周波数を変化させて出力するローカル光周波数制御手段、とを備え、
    前記ローカル光周波数制御手段は、片側のみに前記隣接チャネル信号光が存在する場合は、前記隣接チャネル信号光が存在しない方向に前記ローカル光の周波数をシフトする周波数オフセット制御を実行することを特徴とするコヒーレント光受信機。
  2. 伝送路から受信した、送信側で信号が印加された主信号光とローカル光を入力して混合してコヒーレント検波を行い、前記主信号光に印加された信号を電気信号として出力し、当該電気信号に基づいて元の信号を再生出力するコヒーレント光受信手段と、
    前記主信号光と隣接する前記伝送路上のチャネル情報を受信し、隣接チャネルに存在する他の信号光である隣接チャネル信号光の有無に従って前記ローカル光の周波数を変化させて出力するローカル光周波数制御手段、とを備え、
    前記ローカル光周波数制御手段は、両側に隣接チャネル信号光が存在し、いずれかの隣接チャネル信号光に周波数ずれがあり、当該周波数がずれている隣接チャネル信号光の周波数が前記主信号光のチャネルに近づく方向にずれている場合は、当該周波数がずれている隣接チャネル信号光とは反対側の方向に前記ローカル光の周波数をシフトし、当該周波数がずれている隣接チャネル信号光の周波数が前記主信号光のチャネルから離れる方向にずれている場合は、当該周波数がずれている隣接チャネル信号光の方向に前記ローカル光の周波数をシフトする周波数オフセット制御を実行することを特徴とするコヒーレント光受信機。
  3. 前記コヒーレント光受信手段は、前記電気信号をデジタル信号に変換し、当該変換したデジタル信号に基づいて前記信号の波形等化処理を行って元の信号を再生出力するデジタル信号処理手段をさらに含み、
    前記ローカル光周波数制御手段は、前記デジタル信号処理手段が実行する前記ローカル光の周波数オフセット補償処理における許容値の範囲内で、前記ローカル光の周波数をシフトする周波数オフセット制御を実行することを特徴とする請求項１または２に記載のコヒーレント光受信機。
  4. 送信側で信号が印加された主信号光を伝送路から受信し、
    前記主信号光と隣接する前記伝送路上のチャネル情報を受信して隣接チャネルに存在する他の信号光である隣接チャネル信号光の有無に従ってローカル光の周波数を変化させて出力し、
    前記主信号光と前記ローカル光を混合してコヒーレント検波を行って前記主信号光に印加された信号を電気信号として出力し、
    前記電気信号に基づいて元の信号を再生出力し、
    前記隣接チャネル信号光が前記主信号光の片側のみに存在する場合は、前記隣接チャネル信号光が存在しない方向に前記ローカル光の周波数をシフトすることを特徴とする光受信方法。
  5. 送信側で信号が印加された主信号光を伝送路から受信し、
    前記主信号光と隣接する前記伝送路上のチャネル情報を受信して隣接チャネルに存在する他の信号光である隣接チャネル信号光の有無に従ってローカル光の周波数を変化させて出力し、
    前記主信号光と前記ローカル光を混合してコヒーレント検波を行って前記主信号光に印加された信号を電気信号として出力し、
    前記電気信号に基づいて元の信号を再生出力し、
    前記隣接チャネル信号光が前記主信号光の両側に存在し、いずれかの隣接チャネル信号光に周波数ずれがあり、当該周波数がずれている隣接チャネル信号光の周波数が前記主信号光のチャネルに近づく方向にずれている場合は、当該周波数がずれている隣接チャネル信号光とは反対側の方向に前記ローカル光の周波数をシフトし、
    当該周波数がずれている隣接チャネル信号光の周波数が前記主信号光のチャネルから離れる方向にずれている場合は、当該周波数がずれている隣接チャネル信号光の方向に前記ローカル光の周波数をシフトする
    ことを特徴とする光受信方法。
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