JP6026069B1 - 光受信装置および受信方法 - Google Patents

Abstract

偏波多重された光信号を受信する光受信装置は、光信号を電気信号に変換するコヒーレント光受信器（１１）と、電気信号を偏波多重された状態のアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログデジタルコンバータ（１２）と、偏波多重された状態のデジタル信号を２つのデジタル信号に分離する偏波分離部（１３）と、２つのデジタル信号が光伝送路上で受けた偏波回転を、ストークス空間における、２つ以上の異なる方向で補償する偏波補償処理部（１４）と、を備える。

Description

本発明は、デジタルコヒーレント方式に対応した光受信装置および受信方法に関する。

長距離光通信におけるデジタルコヒーレント方式では、直交する２偏波が多重されており、受信器のＤＳＰ（Digital Signal Processor）において偏波分離が行われる。波長多重伝送する場合には非線形光学効果により、他波長の偏波の状態の影響を受けて、自波長の偏波状態が変動する。この現象はＸＰｏｌＭ（Cross Polarization Modulation）と呼ばれ、数十シンボル程度の自己相関を持つ高速な変動を生じ、ＤＳＰで偏波分離を行う際に誤差を生じさせ、伝送特性を劣化させる。

この課題を解決するために、特許文献１では、偏波多重ＭＰＳＫ（Multi Phase Shift Keying）信号の受信シンボルがストークス空間で一平面上に並ぶことを利用して、高速な偏波変動に追従する方法が開示されている。また、特許文献２では、摂動近似により上記誤差を補償する方法が開示されている。

米国特許出願公開第２０１５／００３０３３１号明細書 米国特許第８８４９１３１号明細書

特許文献１に記載の方法は変調方式が偏波多重ＭＰＳＫ方式に限られており、例えば偏波多重１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）方式には適用できないという問題があった。また、特許文献２に記載の方法で求めているのは近似解であるため、補償後にも誤差が残留してしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、伝送特性を向上させることが可能な光受信装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、光受信装置は、偏波多重された光信号を電気信号に変換するコヒーレント光受信器と、電気信号を偏波多重された状態のアナログ信号から偏波多重された状態のデジタル信号に変換するアナログデジタルコンバータと、を備える。また、光受信装置は、偏波多重された状態のデジタル信号を２つのデジタル信号に分離する偏波分離部と、２つのデジタル信号が光伝送路上で受けた偏波回転を、ストークス空間における、２つ以上の異なる方向で補償する偏波補償処理部と、を備える。

本発明にかかる光受信装置は、光信号の伝送特性を向上させることができる、という効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる光受信装置の構成例を示す図 実施の形態１にかかる偏波補償部の構成例を示す図 実施の形態１にかかる偏波補償部で実行する偏波変換処理を表す図 信号の偏波状態を説明するための図 ４９ＱＡＭ信号のコンスタレーションを示す図 偏波状態の変動を説明するための図 ＸＰｏｌＭによる偏波状態の変動の等価回路を示す図 光伝送された信号のコンスタレーションの一例を示す図 実施の形態１にかかる光受信装置を光伝送システムに適用した場合のシミュレーション結果を示す図 実施の形態２にかかる光受信装置を構成する偏波補償部の構成例を示す図 実施の形態３にかかる光受信装置の構成例を示す図 実施の形態３にかかる偏波補償部の構成例を示す図 実施の形態３にかかる偏波補償部で実行する偏波変換処理を表す図 実施の形態３にかかる位相差推定部の構成例を示す図 光受信装置のハードウェア構成図 光受信装置のハードウェア構成図

以下に、本発明の実施の形態にかかる光受信装置および受信方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる光受信装置の構成例を示す図である。図１に示したように、実施の形態１にかかる光受信装置１は、コヒーレント光受信器１１、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ：Analog to Digital Convertor）１２、偏波分離部１３、直列に接続された偏波補償部１４−１から１４−Ｎで構成された偏波補償処理部１４および復調部１５を備える。Ｎは２以上の整数である。偏波補償部１４−１から１４−Ｎの内部構成は同一である。ただし、後述するように、各偏波補償部が実行する処理はそれぞれ異なる。以下、アナログデジタルコンバータをＡＤＣと記載する。光受信装置１は、デジタルコヒーレント方式が適用された光伝送システムを構成する光受信装置である。

本実施の形態では、偏波多重１６ＱＡＭ方式で送信された光信号を受信する光受信装置１について説明を行う。

ここで、偏波多重される光信号すなわち２つの偏波をＥ_xおよびＥ_yとすると、偏波多重された光信号の複素振幅は式（１）で表される。光受信装置１が受信する光信号の送信元の光送信装置は式（１）で表された光信号を送信するものとする。式（１）のＸＩ，ＸＱ，ＹＩ，ＹＱは、｛−３，−１，＋１，＋３｝の定数倍のいずれかの値をとる。

式（１）で示した複素振幅の光信号は、光伝送路である光ファイバを伝送する間に偏波回転を受ける。そのため、光受信装置１は偏波回転を受けた状態の光信号を受信する。偏波回転を受けた光信号は、式（２）で表される、線形変換Ｍを受けた状態の光信号である。すなわち、光受信装置１は、式（２）で表される光信号を受信する。

以下、光受信装置１が光信号を受信する動作について説明する。光受信装置１のコヒーレント光受信器１１には、対向する光送信装置から送信された光信号が、光伝送路を介して、上記の式（２）で表される光信号として入力される。また、コヒーレント光受信器１１には、光受信装置１が備えている、図１では記載を省略した光源から発光された局発光が入力される。

コヒーレント光受信器１１は、光源から入力された局発光と光伝送路から入力された受信光とを干渉させ、受信光の２つの直交偏波の電界振幅の同位相（Ｉ：In-phase）成分と直交位相（Ｑ：Quadrature-phase）成分とを電気信号として出力する。すなわち、コヒーレント光受信器１１は、対向する光送信装置から受信した光信号を電気信号に変換して出力する（第１の変換ステップ）。ＡＤＣ１２は、コヒーレント光受信器１１から出力された電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、偏波多重された状態のデジタル信号を出力する（第２の変換ステップ）。偏波分離部１３は、ＡＤＣ１２から出力されたデジタル信号を２つのデジタル信号に分離する（信号分離ステップ）。この処理は式（３）で表される。偏波分離部１３は、Ｌｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅアルゴリズム、またはＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ アルゴリズム等を用いて、偏波多重された状態の２つのデジタル信号を分離する。

偏波分離部１３において分離された２つの偏波の信号は、Ｎ段の偏波補償部１４−１から１４−Ｎで構成された偏波補償処理部１４に入力され、偏波補償処理部１４は、入力された２つの信号の偏波および位相を後述する手順で補償する。偏波および位相が補償された後の信号は復調部１５に入力され、復調部１５は、入力された信号の判定および復号を行う。

続いて、偏波補償処理部１４が入力信号の偏波および位相を補償する動作について説明する。一例として、Ｎ＝４すなわち４段の偏波補償部が偏波補償処理部１４を構成している場合の動作について説明する。Ｎ＝４とする理由については後述する。Ｎ＝４の場合の偏波補償処理部１４すなわち偏波補償部１４−１から１４−４を図２に示す。

図２は、偏波補償部１４−１から１４−４の構成例を示す図である。図２に示したように、偏波補償部１４−ｉ（ｉ＝１，２，３，４、実施の形態１において同様）は、第１の変換部である偏波変換部２１−ｉ、位相補償部２２−ｉおよび第２の変換部である偏波変換部２３−ｉを備える。偏波変換部２１−１から２１−４および２３−１から２３−４の各々が実行する偏波変換処理を表す行列式を図３に示す。偏波変換部２１−１から２１−４で実行する処理が偏波変換Ｒ₁からＲ₄、偏波変換部２３−１から２３−４で実行する処理が偏波変換Ｒ₁ ^-1からＲ₄ ^-1である。

動作の詳細については後述するが、偏波補償部１４−ｉの偏波変換部２１−ｉは、入力された２つの信号をジョーンズ空間で互いに直交する状態の２つの信号に変換する。位相補償部２２−ｉは、入力された２つの信号の位相を補償する。具体的には、位相補償部２２−ｉは、入力された２つの信号により示される、複素平面であるＩＱ平面上の点が理想的な信号点と一致するよう、入力された２つの信号の位相を補償する。理想的な信号点とは、偏波回転を受ける前の信号、すなわち対向する光送信装置から光伝送路へ出力される前の信号が示すＩＱ平面上の点である。偏波変換部２３−ｉは、入力された２つの信号に対して、偏波変換部２１−ｉが行う変換と逆の変換を行う。

偏波分離部１３において分離された２つの信号すなわち第１段目の偏波補償部１４−１に入力される２つの信号の偏波状態をポアンカレ球上の点として表すと、それぞれ、図４に示したポアンカレ球のｈ₁およびｖ₁に対応する。

第１段目の偏波補償部１４−１では、まず、偏波変換部２１−１が入力信号Ｅ_0xおよびＥ_0yに対して、図３に示した偏波変換式Ｒ₁を用いた恒等変換を行い、偏波状態がそれぞれｈ₁およびｖ₁の２つの信号を切り出して出力する。

次に、位相補償部２２−１が、偏波変換部２１−１から出力された２つの信号に対して位相補償を行う。具体的には、２つの信号が、光伝送路において偏波回転を受ける前の信号点である理想的な信号点と一致するよう、各信号の位相を調整する。偏波変換部２１−１から出力された２つの信号のコンスタレーションは１６ＱＡＭである。そのため、位相補償部２２−１は、例えば文献「M.Seimetz, ”Laser Linewidth Limitations for Optical Systems with High-Order Modulation Employing Feed Forward Digital Carrier Phase Estimation,” Proc. OFC/NFOEC 2008, OTuM2(2008)」（以下、参考文献１）、または、文献「I.Fatadin et al., “Laser Linewidth Tolerance for 16-QAM Coherent Optical Systems Using QPSK Partitioning,” IEEE PTL, Vol.22, No.9,(2010).」（以下、参考文献２）に記載されたアルゴリズム（以下、ＱＡＭ信号に対する位相補償アルゴリズムと称する）を使用して位相補償を行う。

次に、偏波変換部２３−１が、位相補償部２２−１において位相が補償された後の信号に対して、図３に示した偏波変換式Ｒ₁ ^-1を用いた直交変換を行い、変換後の２つの信号をＥ_1xおよびＥ_1yとして出力する。

第２段目の偏波補償部１４−２では、まず、偏波変換部２１−２が、入力された２つの信号Ｅ_1xおよびＥ_1yを式（４）に従って直交変換し、直交変換後の信号をＥ_1x'およびＥ_1y'として切り出して出力する。信号Ｅ_1x'およびＥ_1y'の偏波状態は、図４に示したポアンカレ球上のｈ₂およびｖ₂にそれぞれ対応する。式（４）におけるＲ₂は図３に示したＲ₂である。

ここで、ｈ₁，ｖ₁，ｈ₂，ｖ₂の各偏波状態に対応するジョーンズベクトルをＨ₁，Ｖ₁，Ｈ₂，Ｖ₂とすると式（５）の関係が成り立つ。

次に、位相補償部２２−２が、偏波変換部２１−２から出力された信号Ｅ_1x'およびＥ_1y'に対して位相補償を行う。偏波状態がそれぞれｈ₂およびｖ₂の２つの信号Ｅ_1x'およびＥ_1y'のコンスタレーションは、図５に示す４９ＱＡＭである。そのため、位相補償部２２−２は、上記の参考文献１，２に記載されたＱＡＭ信号に対する位相補償アルゴリズムを用いて位相補償を行う。位相補償部２２−２において位相が補償された後の信号をＥ_1x',CPRおよびＥ_1y',CPRとする。

次に、偏波変換部２３−２が、位相補償部２２−２から入力された信号Ｅ_1x',CPRおよびＥ_1y',CPRを式（６）に従って直交変換し、直交変換後の信号をＥ_2xおよびＥ_2yとして出力する。信号Ｅ_2xおよびＥ_2yの偏波状態は、図４に示したポアンカレ球上のｈ₁およびｖ₁にそれぞれ対応する。式（６）におけるＲ₂ ^-1は図３に示したＲ₂ ^-1である。

第３段目の偏波補償部１４−３では、まず、偏波変換部２１−３が入力された２偏波の信号Ｅ_2xおよびＥ_2yを式（７）に従って直交変換し、直交変換後の信号を、Ｅ_2x"およびＥ_2y"として切り出して出力する。信号Ｅ_2x"およびＥ_2y"の偏波状態は、図４に示したポアンカレ球上のｈ₃およびｖ₃にそれぞれ対応する。式（７）におけるＲ₃は図３に示したＲ₃である。

ここでｈ₃，ｖ₃の各偏波状態に対応するジョーンズベクトルをＨ₃，Ｖ₃とすると式（８）の関係が成り立つ。

次に、位相補償部２２−３が、偏波変換部２１−３から出力された信号Ｅ_2x"およびＥ_2y"に対して位相補償を行う。偏波状態がそれぞれｈ₃およびｖ₃の２つの信号Ｅ_2x"およびＥ_2y"'のコンスタレーションは図５に示す４９ＱＡＭである。そのため、位相補償部２２−３は、上記の参考文献１，２に記載されたＱＡＭ信号に対する位相補償アルゴリズムを用いて位相補償を行う。位相補償部２２−３において位相を補償された後の信号をＥ_2x",CPRおよびＥ_2y",CPRとする。

次に、偏波変換部２３−３が、位相補償部２２−３から入力された信号Ｅ_1x",CPRおよびＥ_1y",CPRを式（９）に従って直交変換し、直交変換後の信号をＥ_3xおよびＥ_3yとして出力する。信号Ｅ_3xおよびＥ_3yの偏波状態は、図４に示したポアンカレ球上のｈ₁およびｖ₁にそれぞれ対応する。式（９）におけるＲ₃ ^-1は図３に示したＲ₃ ^-1である。

第４段目の偏波補償部１４−４では、まず、偏波変換部２１−４が入力信号Ｅ_3xおよびＥ_3yに対して、図３に示した偏波変換式Ｒ₄を用いた恒等変換を行い、偏波状態がそれぞれｈ₁およびｖ₁の２つの信号を切り出して出力する。

次に、位相補償部２２−４が、偏波変換部２１−４から出力された２つの信号に対して位相補償を行う。偏波変換部２１−４から出力された２つの信号のコンスタレーションは１６ＱＡＭである。そのため、位相補償部２２−４は、上記の参考文献１，２に記載されたＱＡＭ信号に対する位相補償アルゴリズムを用いて位相補償を行う。

次に、偏波変換部２３−４が、位相補償部２２−４において位相が補償された後の信号に対して、図３に示した偏波変換式Ｒ₄ ^-1を用いた直交変換し、直交変換後の信号をＥ_4xおよびＥ_4yとして出力する。信号Ｅ_4xおよびＥ_4yの偏波状態は、図４に示したポアンカレ球上のｈ₁およびｖ₁にそれぞれ対応する。

光信号が光ファイバを伝送する際にＸＰｏｌＭにより生じる偏波状態の変動はポアンカレ球上の各点が球の３次元回転に沿って変動することに相当する。例えば、図６に示すポアンカレ球でＳ₂軸周りの２θ₂の回転は図７に示すように偏波ビームスプリッター（ＰＢＳ：Polarization Beam Splitter）６１において偏波状態がそれぞれｈ₂およびｖ₂の２つの光信号を切り出し、位相シフタ（Phase Shifter）６２および６３によりそれぞれに＋θ₂および−θ₂の位相シフトを与えて偏波間の位相差を２θ₂とし、位相シフトが与えられた後の２つの光信号を偏波ビームコンバイナ（ＰＢＣ：Polarization Beam Combiner）６４で合波することと等価である。これは、ポアンカレ球のＳ₂軸周りの２θ₂の回転で示される偏波状態の変動を、位相シフタ６２および６３と逆の操作を行うことにより、すなわち逆方向の位相シフトを与えることにより補償可能であることを示している。したがって、Ｓ₁軸周り、Ｓ₂軸周りおよびＳ₃軸周りのそれぞれについて、直交している２つの偏波の組を切り出して位相補償を行うことで、ポアンカレ球上の複数の軸周りの回転が補償でき、任意の３次元の回転が補償できる。すなわちＸＰｏｌＭにより生じた偏波状態の変動を補償できる。

図２に示す構成では、第１段目の偏波補償部１４−１が図４のＳ₁軸周りでポアンカレ球上の回転を補償し、第２段目の偏波補償部１４−２が図４のＳ₂軸周りでポアンカレ球上の回転を補償する。また、第３段目の偏波補償部１４−３が図４のＳ₃軸周りでポアンカレ球上の回転を補償し、第４段目の偏波補償部１４−４が図４のＳ₁軸周りでポアンカレ球上の回転を補償する。第１段目の偏波補償部１４−１による補償はＳ₂軸周りおよびＳ₃軸周りの回転を未補償の状態で行うため、補償の誤差を生じる要因となる。そのため、第４段目の偏波補償部１４−４が再びＳ₁軸周りの回転を補償する。このように、同一の偏波の組において２回以上の位相補償を行うことも効果がある。

なお、図２に示す構成では、第１段目の偏波補償部１４−１が図４のＳ₁軸周り、第２段目の偏波補償部１４−２が図４のＳ₂軸周り、第３段目の偏波補償部１４−３が図４のＳ₃軸周り、第４段目の偏波補償部１４−４が図４のＳ₁軸周りでポアンカレ球上の回転を補償したが、ポアンカレ球上の３次元の回転を補償するため、ストークス空間における直交３軸、すなわち図４のＳ₁軸周り、Ｓ₂軸周り、およびＳ₃軸周りで１回ずつ補償を行うことが最小限の補償である。したがって、第１段目の偏波補償部１４−１が図４のＳ₁軸周り、第２段目の偏波補償部１４−２が図４のＳ₂軸周り、第３段目の偏波補償部１４−３が図４のＳ₃軸周りでポアンカレ球上の回転を補償する構成が最小の構成となる。すなわち、偏波補償部１４−ｉの段数は３以上とすればよい。偏波補償部１４−１から１４−３が実行する処理は偏波補償ステップに相当する。

図２に示す構成では、いずれの偏波補償部１４−ｉの偏波変換部２１−ｉにより切りだされた偏波においても、コンスタレーションは信号点が格子状に並んだが、変調方式または偏波の組み合わせによっては格子状のコンスタレーションとはならない。例えば、変調方式が８ＰＳＫ（Phase Shift Keying）および８ＱＡＭのような場合にはコンスタレーションが格子状ではない。また、偏波変換が式（１０）の直交変換で表される場合には、変調方式が格子状のコンスタレーションを持つ１６ＱＡＭであっても切りだされた偏波におけるコンスタレーションは図８に示したものとなり、格子状にはならない。しかし、コンスタレーションが格子状にならない場合でも文献「X.Zhou, “An Improved Feed-Forward Carrier Recovery Algorithm for Coherent Receivers With-QAM Modulation Format” IEEE PTL, Vol.22, No.14,(2010).」（以下、参考文献３）、文献「T.Pfau et al., “Hardware-Efficient Coherent Digital Receiver Concept With Feedforward Carrier Recovery for M-QAM Constellations”, JLT, Vol.27, No.8,(2009).」（以下、参考文献４）等に記載されている位相補償アルゴリズムを適用すれば位相補償を行うことが可能である。

図９に実施の形態１にかかる光受信装置１を光伝送システムに適用した場合のシミュレーション結果を示す。比較のため、偏波補償部を１段のみとした場合のシミュレーション結果を合わせて示している。図９の横軸は偏波変動の２乗平均平方根であり、縦軸はグレイコードで符号化された偏波多重１６ＱＡＭ信号を判定および復号した際のビットエラー率から計算したＱ値である。また、シミュレーションでは、光伝送路を伝送される光信号に対して自己相関の長さが１００シンボルのランダムな偏波変動を与えた。偏波補償部が１段のみの場合には、偏波分離されたそれぞれの偏波において位相を補償するだけであり偏波変動は補償できない。４段の偏波補償部を備えた本実施の形態にかかる光受信装置１では、偏波変動が補償できているため偏波変動の２乗平均平方根が０．０７５ｒａｄの条件でＱ値が０．５ｄＢ改善している。

このように、本実施の形態の光受信装置は、偏波分離された後の信号を対象として、ストークス空間における第１の軸を回転軸として各信号を回転させてストークス空間における第１方向の偏波回転を補償する偏波補償部１４−１と、第１の軸と直交する第２の軸を回転軸として各信号を回転させてストークス空間における第２方向の偏波回転を補償する偏波補償部１４−２と、第１の軸および第２の軸の双方に直交する第３の軸を回転軸として各信号に回転させてストークス空間における第３方向の偏波回転を補償する偏波補償部１４−３と、第１の軸を中心に各信号を回転させてストークス空間における第１方向の偏波回転を補償する偏波補償部１４−４と、を備えることとした。これにより偏波回転の補償性能を改善することができ、光信号の伝送特性を向上させることができる。

なお、上述したように、第１段目の偏波補償部１４−１における偏波変換部２１−１および２３−１は恒等変換を行う。同様に、第４段目の偏波補償部１４−４における偏波変換部２１−４および２３−４も恒等変換を行う。そのため、第１段目の偏波補償部１４−１は偏波変換部２１−１および２３−１を備えない構成としてもよく、また、第４段目の偏波補償部１４−４は偏波変換部２１−４および２３−４を備えない構成としてもよい。すなわち、第１段目の偏波補償部１４−１を位相補償部２２−１のみで構成し、第４段目の偏波補償部１４−４を位相補償部２２−４のみで構成してもよい。

また、本実施の形態では、偏波補償部を４段とした構成の光受信装置１を説明したが、偏波補償部を少なくとも２段備えた構成とすれば、偏波補償部が１段のみの従来の構成と比較して偏波回転の補償性能を向上させることが可能である。また、各偏波補償部が偏波回転を補償する方向は互いに直交していることが望ましいが、直交していることは必須ではない。２段以上の偏波補償部の各々は、互いに異なる方向を対象として偏波回転を補償すればよい。すなわち、光受信装置は、２段以上の偏波補償部を備え、各偏波補償部が、ストークス空間において互いに異なる２つ以上の方向の偏波回転を補償することにより、偏波回転の補償性能を従来よりも向上させることができる。

実施の形態２．
図１０は、実施の形態２にかかる光受信装置を構成する偏波補償部の構成例を示す図である。

実施の形態２にかかる光受信装置は、実施の形態１の光受信装置１が備えていた偏波補償部１４−ｉ（ｉ＝１，２，３，…，Ｎ、実施の形態２において同様）を図１０に示した構成の偏波補償部１４ａ−ｉに置き換えたものである。偏波補償部１４ａ−ｉ以外の構成は実施の形態１と同一であるため説明を省略し、偏波補償部１４ａ−ｉについてのみ説明を行う。

偏波補償部１４ａ−ｉは、実施の形態１の偏波補償部１４−ｉに対してサイクルスリップ補償部３１−ｉを追加した構成である。サイクルスリップ補償部３１−ｉは位相補償部２２−ｉと偏波変換部２３−ｉとの間に配置されている。偏波変換部２１−ｉ、位相補償部２２−ｉおよび偏波変換部２３−ｉは実施の形態１の偏波変換部２１−ｉ、位相補償部２２−ｉおよび偏波変換部２３−ｉと同様であるため、説明を省略する。

位相補償部２２−ｉが実施の形態１に示した参考文献１から４に記載されているアルゴリズムを使用して位相補償を行う場合、サイクルスリップを生じる可能性がある。これは位相補償を実施するコンスタレーションが２πｎ／ｍ（ｎ，ｍは整数）回転に対して対称であると、絶対位相は不確定性を持ち、たとえ一時的に絶対位相が正しく補償されていたとしても雑音によって２πｎ／ｍの誤差が生じた場合に、回転対称であるために誤差を補償できないことに依る。例えば、偏波状態がｈ₂およびｖ₂の２つの信号においてそれぞれπ／２、−π／２の誤差が生じると、ポアンカレ球上でＳ₂軸周りにπの回転が生じることになり、ｈ₁とｖ₁とが入れ替わってしまう。そのため、本実施の形態にかかる光受信装置の偏波補償部１４−ｉは、位相補償部２２−ｉの後段にサイクルスリップ補償部３１−ｉを備えた構成としている。偏波補償部１４−ｉにおいては、位相補償部２２−ｉが実行した位相補償で発生したサイクルスリップをサイクルスリップ補償部３１−ｉが補償する。

サイクルスリップ補償部３１−ｉがサイクルスリップを補償するためには位相補償部２２−ｉから入力される信号の絶対位相を検出する必要がある。そのため、本実施の形態では、光送信装置が光受信装置に対して、既知信号が挿入された信号を送信することとする。サイクルスリップ補償部３１−ｉは、例えば、位相補償部２２−ｉから入力された既知信号と内部で生成した既知系列とを比較することによりサイクルスリップの発生の有無を判別し、サイクルスリップが発生している場合には、サイクルスリップが発生しているＳ₁軸、Ｓ₂軸またはＳ₃軸の周りにπの回転を与えてサイクルスリップを補償する。

このように、本実施の形態の光受信装置は、複数の偏波補償部のそれぞれにおいて、位相補償を行った後にサイクルスリップの検出および補償を行うこととしたので、伝送特性をさらに改善することができる。

実施の形態３．
図１１は、実施の形態３にかかる光受信装置の構成例を示す図である。実施の形態３にかかる光受信装置１ａは、実施の形態１にかかる光受信装置１の偏波補償処理部１４を位相補償部１６および偏波補償処理部１７に置き換えたものである。光受信装置１ａは、位相補償部１６および偏波補償処理部１７以外は実施の形態１にかかる光受信装置１と同様であるため、他の構成要素については実施の形態１と同じ符号を付して説明を省略する。

偏波補償処理部１７は、直列に接続された偏波補償部１７−１から１７−Ｎを備える。Ｎは２以上の整数である。偏波補償部１７−１から１７−Ｎの内部構成は同一である。ただし、後述するように、各偏波補償部が実行する処理はそれぞれ異なる。

偏波補償部１７−ｉ（ｉ＝１，２，３，４）は、仮判定部４１−ｉ、偏波変換部４２−ｉ、偏波変換部４３−ｉ、位相差推定部４４−ｉ、位相補償部４５−ｉおよび偏波変換部４６−ｉを備える。

位相補償部１６は、偏波分離部１３から出力される２つの信号に対して位相補償を行う。位相補償部１６は、実施の形態１で示した参考文献１から４に記載されているＱＡＭ信号に対する位相補償アルゴリズムを使用して位相補償を行い、位相補償が行われた後の信号を偏波補償処理部１７へ出力する。

偏波補償処理部１７は、Ｎ段の偏波補償部１７−１から１７−Ｎにおいて、位相補償部１６から入力された２つの信号の偏波および位相を後述する手順で補償し、復調部１５へ出力する。

続いて、偏波補償処理部１７が入力信号の偏波および位相を補償する動作について説明する。一例として、Ｎ＝２すなわち２段の偏波補償部が偏波補償処理部１７を構成している場合の動作について説明する。Ｎ＝２の場合の偏波補償処理部１７すなわち偏波補償部１７−１および１７−２を図１２に示す。また、偏波変換部４３−１、４６−１、４３−２および４６−２の各々が実行する偏波変換処理を表す行列式を図１３に示す。偏波変換部４２−１および４３−１で実行する処理が偏波変換Ｒ₁、偏波変換部４６−１で実行する処理がＲ₁ ^-1である。また、偏波変換部４２−２および４３−２で実行する処理が偏波変換Ｒ₂、偏波変換部４６−２で実行する処理が偏波変換Ｒ₂ ^-1である。なお、偏波変換部４２−１，４２−２が第１の変換部、偏波変換部４３−１，４３−２が第２の変換部、偏波変換部４６−１，４６−２が第３の変換部である。

位相補償部１６から偏波補償処理部１７に入力された２つの信号Ｅ_0xおよびＥ_0yは、第１段目の偏波補償部１７−１の偏波変換部４３−１および仮判定部４１−１に入力される。仮判定部４１−１は、位相補償部１６から入力された信号Ｅ_0xおよびＥ_0yそれぞれの１６ＱＡＭのシンボルのうち最もユークリッド距離の近いシンボルＤ_0xおよびＤ_0yを仮判定シンボルとして出力する。次に、偏波変換部４２−１が、仮判定部４１−１から入力された仮判定シンボルＤ_0xおよびＤ_0yを式（１１）に従って直交変換して偏波状態がそれぞれｈ₂およびｖ₂の２つの信号Ｄ_0x'およびＤ_0y'を切り出す。また、偏波変換部４３−１は、位相補償部１６から入力された信号Ｅ_0xおよびＥ_0yを式（１１）に従って直交変換して偏波状態がそれぞれｈ₂およびｖ₂の２つの信号Ｅ_0x'およびＥ_0y'を切り出す。式（１１）におけるＲ₁は図１３に示したＲ₁である。

次に、位相差推定部４４−１が、偏波変換部４２−１から入力されたＤ_0x'と偏波変換部４３−１から入力されたＥ_0x'との位相差φ_0x'、偏波変換部４２−１から入力されたＤ_0y'と偏波変換部４３−１から入力されたＥ_0y'との位相差φ_0y'をそれぞれ求める。図１４は、位相差推定部４４−１の構成例を示す図である。位相差推定部４４−１は、位相差検出部７１および８１と、低域通過フィルタ７２および８２とを備える。位相差推定部４４−１では、まず、位相差検出部７１および８１が、式（１２）に従って各位相差φ_0x'およびφ_0y'を計算し、次に、低域通過フィルタ７２および８２が、各位相差φ_0x'およびφ_0y'に含まれている雑音成分を除去し、雑音成分除去後の各位相差を位相差の推定値φ_0x',LPFおよびφ_0y',LPFとして出力する。

次に、位相補償部４５−１が、位相推定部４４−１から出力された位相差の推定値φ_0x',LPFおよびφ_0y',LPFに基づいて、偏波変換部４３−１から出力された信号Ｅ_0x'およびＥ_0y'の位相を補償する。具体的には、位相補償部４５−１は、式（１３）に従って信号Ｅ_0x'およびＥ_0y'の位相を補償する。位相補償部４５−１において位相が補償された後の信号をＥ_0x',CPRおよびＥ_0y',CPRとする。

次に、偏波変換部４６−１が、位相補償部４５−１から入力された信号Ｅ_0x',CPRおよびＥ_0y',CPRを式（１４）に従って直交変換し、直交変換後の信号をＥ_1xおよびＥ_1yとして出力する。信号Ｅ_1xおよびＥ_1yの偏波状態は、図４に示したポアンカレ球上のｈ₁およびｖ₁にそれぞれ対応する。式（１４）におけるＲ₁ ^-1は図１３に示したＲ₁ ^-1である。

第２段目の偏波補償部１７−２では、まず、仮判定部４１−２が、入力された信号Ｅ_1xおよびＥ_1yそれぞれの１６ＱＡＭのシンボルのうち最もユークリッド距離の近いシンボルＤ_1xおよびＤ_1yを仮判定シンボルとして出力する。次に、偏波変換部４２−２が、仮判定部４１−２から入力された仮判定シンボルＤ_1xおよびＤ_1yを式（１５）に従って直交変換して偏波状態がそれぞれｈ₃およびｖ₃の２つの信号Ｄ_1x'およびＤ_1y'を切り出す。また、偏波変換部４３−２は、偏波補償部１７−１から入力された信号Ｅ_1xおよびＥ_1yを式（１５）に従って直交変換して偏波状態がそれぞれｈ₃およびｖ₃の２つの信号Ｅ_1x'およびＥ_1y'を切り出す。式（１５）におけるＲ₂は図１３に示したＲ₂である。

次に、位相推定部４４−２が、上述した位相推定部４４−１と同様に、偏波変換部４２−２から入力されたＤ_1x'と偏波変換部４３−２から入力されたＥ_1x'との位相差の推定値φ_1x',LPF、および偏波変換部４２−２から入力されたＤ_1y'と偏波変換部４３−２から入力されたＥ_1y'との位相差の推定値φ_1y',LPFをそれぞれ求める。

次に、位相補償部４５−２が、位相推定部４４−２から出力された位相差の推定値φ_1x',LPFおよびφ_1y',LPFに基づいて、偏波変換部４３−２から出力された信号Ｅ_1x'およびＥ_1y'の位相を補償する。具体的には、位相補償部４５−２は、式（１６）に従って信号Ｅ_1x'およびＥ_1y'の位相を補償する。位相補償部４５−２において位相が補償された後の信号をＥ_1x",CPRおよびＥ_1y",CPRとする。

次に、偏波変換部４６−２が、位相補償部４５−２から入力された信号Ｅ_1x",CPRおよびＥ_1y",CPRを式（１７）に従って直交変換し、直交変換後の信号をＥ_2xおよびＥ_2yとして出力する。信号Ｅ_2xおよびＥ_2yの偏波状態は、図４に示したポアンカレ球上のｈ₁およびｖ₁にそれぞれ対応する。式（１７）におけるＲ₂ ^-1は図１３に示したＲ₂ ^-1である。

以上のように、本実施の形態の光受信装置１ａでは、位相補償部１６において、偏波状態がそれぞれｈ₁およびｖ₁の２つの信号の位相を補償し、１段目の偏波補償部１７−１において、偏波状態がそれぞれｈ₂およびｖ₂の２つの信号の位相を補償し、２段目の偏波補償部１７−２において、偏波状態がそれぞれｈ₃およびｖ₃の２つの信号の位相を補償する。これにより、図４のＳ₁軸、Ｓ₂軸およびＳ₃軸周りのポアンカレ球上の回転すなわちＸＰｏｌＭによる偏波変動が補償できる。

ここで、各実施の形態にかかる光受信装置のハードウェア構成について説明する。各実施の形態にかかる光受信装置は、図１５に示したハードウェア１００、すなわちコヒーレント光受信器１０１および処理回路１０２で実現できる。具体的には、実施の形態１から３で説明した光受信装置におけるアナログデジタルコンバータ１２、偏波分離部１３、各偏波補償部（偏波補償部１４−１から１４−Ｎ、または、偏波補償部１７−１から１７−Ｎ）および復調部１５は、処理回路１０２により実現される。すなわち、各実施の形態にかかる光受信装置は、偏波分離を実施し、偏波変換および位相補償を実施することで偏波変動を補償し、信号の判定および復号を行うための処理回路１０２を備える。また、コヒーレント光受信器１１は、受信光と局発光を干渉させて電気信号を生成する。

また、処理回路１０２は、専用のハードウェアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰともいう）であってもよい。

処理回路１０２が専用のハードウェアである場合、処理回路１０２は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。偏波分離部１３、偏波補償部１４−１から１４−Ｎ，１７−１から１７−Ｎおよび復調部１５は、それぞれを処理回路で実現してもよいし、各部の機能をまとめて１つの処理回路で実現してもよい。

処理回路１０２がＣＰＵの場合、光受信装置は、図１６に示したハードウェア１００ａ、すなわちコヒーレント光受信器１０１、プロセッサ１０３およびメモリ１０４で実現できる。この場合、偏波分離部１３、偏波補償部１４−１から１４−Ｎ，１７−１から１７−Ｎおよび復調部１５は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ１０４に格納される。プロセッサ１０３は、メモリ１０４に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわち、コヒーレント光受信装置は、処理回路により実行されるときに、偏波を分離するステップ、偏波変動を補償するステップ、判定および復号を行うステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリを備える。また、これらのプログラムは、偏波分離部１３、偏波補償部１４−１から１４−Ｎ，１７−１から１７−Ｎおよび復調部１５の手順および方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリとは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリや、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等が該当する。

なお、偏波分離部１３、偏波補償部１４−１から１４−Ｎ，１７−１から１７−Ｎおよび復調部１５の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。例えば、偏波分離部１３については専用のハードウェアとしての処理回路でその機能を実現し、偏波補償部１４−１から１４−Ｎ，１７−１から１７−Ｎおよび復調部１５についてはプロセッサ１０３がメモリ１０４に格納されたプログラムを読み出して実行することによってその機能を実現することが可能である。

このように、処理回路１０２は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，１ａ 光受信装置、１１ コヒーレント光受信器、１２ アナログデジタルコンバータ、１３ 偏波分離部、１４，１７ 偏波補償処理部、１４−１から１４−Ｎ，１４ａ−ｉ，１７−１から１７−Ｎ 偏波補償部、１５ 復調部、２１−１から２１−４，２１−ｉ，２３−１から２３−４，２３−ｉ，４２−１，４２−２，４３−１，４３−２，４６−１，４６−２ 偏波変換部、１６，２２−１から２２−４，２２−ｉ，４５−１，４５−２ 位相補償部、３１−ｉ サイクルスリップ補償部、４１−１，４１−２ 仮判定部、４４−１，４４−２ 位相差推定部、６１ 偏波ビームスプリッター、６２，６３ 位相シフタ、６４ 偏波ビームコンバイナ、７１，８１ 位相差検出部、７２，８２ 低域通過フィルタ。

Claims (13)

1. 偏波多重された光信号を受信する光受信装置であって、
   前記光信号を電気信号に変換するコヒーレント光受信器と、
   前記電気信号を偏波多重された状態のアナログ信号から偏波多重された状態のデジタル信号に変換するアナログデジタルコンバータと、
   前記偏波多重された状態のデジタル信号を２つのデジタル信号に分離する偏波分離部と、
   前記２つのデジタル信号が光伝送路上で受けた偏波回転を、ストークス空間における、２つ以上の異なる方向の偏波回転の補償に分けて順次補償する偏波補償処理部と、
   を備えることを特徴とする光受信装置。
2. 前記偏波補償処理部は、
   前記２つのデジタル信号が光伝送路上で受けた偏波回転のうち、ストークス空間における第１方向の偏波回転を補償する第１の偏波補償部と、
   前記第１方向の偏波回転が補償された後の前記２つのデジタル信号に残留する前記偏波回転のうち、ストークス空間において前記第１方向とは異なる第２方向の偏波回転を補償する第２の偏波補償部と、
   前記第２方向の偏波回転が補償された後の前記２つのデジタル信号に残留する前記偏波回転のうち、ストークス空間において前記第１方向および前記第２方向のいずれとも異なる第３方向の偏波回転を補償する第３の偏波補償部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
3. 前記第１方向、前記第２方向および前記第３方向が互いに直交していることを特徴とする請求項２に記載の光受信装置。
4. 前記第１の偏波補償部、前記第２の偏波補償部および前記第３の偏波補償部は、それぞれ、
   入力された２つのデジタル信号をジョーンズ空間で互いに直交する状態の２つの信号に変換する第１の変換部と、
   前記第１の変換部で変換された後の前記２つの信号を、複素平面上で理想的な信号点と一致するように位相を補償する位相補償部と、
   前記位相補償部で位相が補償された後の前記２つの信号に対して、前記第１の変換部が行う変換と逆の変換を行う第２の変換部と、
   を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の光受信装置。
5. 前記第１の偏波補償部、前記第２の偏波補償部および前記第３の偏波補償部は、それぞれ、
   入力された２つのデジタル信号をジョーンズ空間で互いに直交する状態の２つの信号に変換する第１の変換部と、
   前記第１の変換部で変換された後の前記２つの信号を、複素平面上で理想的な信号点と一致するように位相を補償する位相補償部と、
   前記位相補償部で位相が補償された後の前記２つの信号のサイクルスリップを補償するサイクルスリップ補償部と、
   前記サイクルスリップ補償部でサイクルスリップが補償された後の前記２つの信号に対して、前記第１の変換部が行う変換と逆の変換を行う第２の変換部と、
   を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の光受信装置。
6. 前記第３方向の偏波回転が補償された後の前記２つのデジタル信号に残留する前記偏波回転のうち、前記第１方向の偏波回転を補償する第４の偏波補償部、
   をさらに備えることを特徴とする請求項２から５のいずれか一つに記載の光受信装置。
7. 前記第４の偏波補償部は、
   入力された２つのデジタル信号をジョーンズ空間で互いに直交する状態の２つの信号に変換する第１の変換部と、
   前記第１の変換部で変換された後の前記２つの信号を、複素平面上で理想的な信号点と一致するように位相を補償する位相補償部と、
   前記位相補償部で位相が補償された後の前記２つの信号に対して、前記第１の変換部が行う変換と逆の変換を行う第２の変換部と、
   を備えることを特徴とする請求項６に記載の光受信装置。
8. 前記第４の偏波補償部は、
   入力された２つのデジタル信号をジョーンズ空間で互いに直交する状態の２つの信号に変換する第１の変換部と、
   前記第１の変換部で変換された後の前記２つの信号を、複素平面上で理想的な信号点と一致するように位相を補償する位相補償部と、
   前記位相補償部で位相が補償された後の前記２つの信号のサイクルスリップを補償するサイクルスリップ補償部と、
   前記サイクルスリップ補償部でサイクルスリップが補償された後の前記２つの信号に対して、前記第１の変換部が行う変換と逆の変換を行う第２の変換部と、
   を備えることを特徴とする請求項６に記載の光受信装置。
9. 偏波多重された光信号を受信する光受信装置であって、
   前記光信号を電気信号に変換するコヒーレント光受信器と、
   前記電気信号を偏波多重された状態のアナログ信号から偏波多重された状態のデジタル信号に変換するアナログデジタルコンバータと、
   前記偏波多重された状態のデジタル信号を２つのデジタル信号に分離する偏波分離部と、
   前記２つのデジタル信号が光伝送路上で受けた偏波回転のうち、ストークス空間における第１方向の偏波回転を補償する位相補償部と、
   前記第１方向の偏波回転が補償された後の前記２つのデジタル信号に残留する前記偏波回転を、ストークス空間における前記第１方向とは異なる方向で補償する偏波補償処理部と、
   を備えることを特徴とする光受信装置。
10. 前記偏波補償処理部は、
    前記第１方向の偏波回転が補償された後の前記２つのデジタル信号に残留する前記偏波回転のうち、ストークス空間において前記第１方向とは異なる第２方向の偏波回転を補償する第１の偏波補償部と、
    前記第２方向の偏波回転が補償された後の前記２つのデジタル信号に残留する前記偏波回転のうち、ストークス空間において前記第１方向および前記第２方向のいずれとも異なる第３方向の偏波回転を補償する第２の偏波補償部と、
    を備えることを特徴とする請求項９に記載の光受信装置。
11. 前記第１方向、前記第２方向および前記第３方向が互いに直交していることを特徴とする請求項１０に記載の光受信装置。
12. 前記第１の偏波補償部および前記第２の偏波補償部は、それぞれ、
    入力された２つのデジタル信号を仮判定する仮判定部と、
    入力された２つのデジタル信号をジョーンズ空間で互いに直交する状態の２つの信号に変換する第１の変換部と、
    前記仮判定部での仮判定結果をジョーンズ空間で互いに直交する状態の２つの信号に変換する第２の変換部と、
    前記第１の変換部で変換された後の信号と前記第２の変換部で変換された後の信号の位相差を推定する位相差推定部と、
    前記位相差推定部での推定結果に基づいて、前記入力された２つのデジタル信号に残留する偏波回転を補償する位相補償部と、
    前記位相補償部で位相が補償された後の前記２つのデジタル信号に対して、前記第１の偏波変換部が行う変換と逆の変換を行う第３の変換部と、
    を備えることを特徴とする請求項１０または１１に記載の光受信装置。
13. 偏波多重された光信号を受信する光受信装置が実行する受信方法であって、
    前記光信号を電気信号に変換する第１の変換ステップと、
    前記電気信号を偏波多重された状態のアナログ信号から偏波多重された状態のデジタル信号に変換する第２の変換ステップと、
    前記偏波多重された状態のデジタル信号を２つのデジタル信号に分離する信号分離ステップと、
    前記２つのデジタル信号が光伝送路上で受けた偏波回転を、ストークス空間における、２つ以上の異なる方向の偏波回転の補償に分けて順次補償する偏波補償ステップと、
    を含むことを特徴とする受信方法。

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