JP6052361B1

JP6052361B1 - 受信器及び受信方法

Info

Publication number: JP6052361B1
Application number: JP2015178338A
Authority: JP
Inventors: 秀幸小林
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2035-09-10
Also published as: JP2017055283A

Abstract

【課題】送信光源あるいはＬＯ光源の発振周波数の揺らぎによる受信特性の劣化を抑制する。【解決手段】発振周波数が互いに異なる発振光を生成する複数の光源８２と、複数の光源からの出力を合波して参照光を生成する合波器８４と、信号光と参照光を干渉させ電気信号を生成するコヒーレント受信部７６とを備えて構成される。【選択図】図２

Description

この発明は、光ネットワークでコヒーレント受信を行うのに好適な受信器と受信方法に関する。

近年、インターネットの普及等により通信需要が急速に増大している。それに対応して光ファイバ等を用いた高速かつ大容量の光アクセスネットワークが整備されつつある。このような光アクセスネットワークにおいて、高速かつ大容量化を実現するには、多重伝送技術が不可欠である。多重伝送技術としては、光時分割多重（ＯＴＤＭ：ＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術及び波長分割多重（ＷＤＭ：ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術が、実用されつつあり、さらに光符号分割多重（ＯＣＤＭ：ＯｐｔｉｃａｌＣｏｄｅＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術の研究も盛んに行われている。

光アクセスネットワークの整備・拡大に呼応してサービスも多様化してきている。サービスごとに光アクセスネットワークに要求される条件が異なることから、サービスごとに光アクセスネットワークが構築される場合も多い。このため、異なるサービスを提供する既設及び新設の光アクセスネットワークが混在している。この結果、増加したサービスに対応するための光アクセスネットワークの導入コストや、管理コストが増加する。

このような事情から、サービスの追加や削除を容易に行うことができ、かつ、サービスごとに異なる、光アクセスネットワークへの要求を効率よく集約できる光アクセスネットワークが求められている。

このような光アクセスネットワークを実現する技術として、無線通信において普及している直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を光ファイバ伝送に適用させた、コヒーレント光ＯＦＤＭ（ＣＯ−ＯＦＤＭ：ＣｏｈｅｒｅｎｔＯｐｔｉｃａｌ−ＯＦＤＭ）が注目されている。

ＯＦＤＭは、互いに直交した複数の搬送波をそれぞれデジタル変調して多重する、マルチキャリア伝送技術である。デジタル変調の方法として、例えば、４値位相シフトキーイング（ＱＰＳＫ：ＱｕａｄｒａｔｕｒｅＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）や直交振幅変調（ＱＡＭ：ＱｕａｄｒａｔｕｒｅＡｍｐｌｉｔｕｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）などの多値変調技術と組み合わせることで、限られた帯域幅を最大限に利用することができる。言い換えると、同じ情報量を伝送するのに必要な帯域幅を、最小限に抑えることができるので、サービスの追加や削除を容易に行うことができる。さらに、サービスごとに伝送容量や帯域幅を割り当てることができるので、異なるサービスを効率よく集約することもできる。

ここで、図６を参照して、ＣＯ−ＯＦＤＭシステムで用いられる、従来の送信器及び受信器を説明する。図６（Ａ）及び（Ｂ）は、従来の送信器及び受信器を説明するための模式図であり、図６（Ａ）は、従来の送信器を示し、図６（Ｂ）は、従来の受信器を示している。

送信器１５０では、送信信号Ｓ４９は、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ：ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）５２でデジタル変調された後、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ：Ｄｉｇｉｔａｌ−ｔｏ−ＡｎａｌｏｇＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）５４でアナログ信号に変換される。送信光源６０であるレーザダイオード（ＬＤ：ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）で生成される送信光が、このアナログ信号に基づいて変調器５６において変調され、ＯＦＤＭ信号光Ｓ６３として、伝送路に送出される。受信器１７０で受信されたＯＦＤＭ信号光Ｓ６９は、コヒーレント受信部７６において、局部発振（ＬＯ：ＬｏｃａｌＯｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）光源８０からの局部発振（ＬＯ）光と干渉した後、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ：Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）７４でデジタル信号に変換される。このデジタル信号をＤＳＰ７２で復調することにより受信信号Ｓ７３が得られる。

なお、送信器１５０が備えるＤＳＰ５２及び受信器１７０が備えるＤＳＰ７２には、それぞれ制御信号Ｓ５１及びＳ７１が入力される。

このとき、受信器１７０のＬＯ光の波長、振幅及び位相が、送信光の、波長、振幅及び位相と等しい場合、すなわち、ＬＯ光と送信光がコヒーレントな場合、コヒーレント受信部７６でのＬＯ光と受信信号との干渉が強くなるので、より高い受信性能を得ることができる。さらに、ＣＯ−ＯＦＤＭシステムでは、伝送路となる光ファイバの波長分散（ＣＤ：ＣｈｒｏｍａｔｉｃＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）や偏波モード分散（ＰＭＤ：ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＭｏｄｅＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）に対して優れた耐性を持つことが示されている。

このとき、受信器１７０において受信したＯＦＤＭ信号光Ｓ６９と、受信器１７０のＬＯ光とがコヒーレントであることが高い受信性能を実現するために必要である。ＯＦＤＭ信号光Ｓ６９とＬＯ光とがコヒーレントであるためには、それぞれの発振周波数が一致していることが必須であるが、一般的に送信光源やＬＯ光源として用いられるＬＤ光源の発振周波数安定性は、概ね±１．０〜１．５ＧＨｚ程度である（例えば、非特許文献１参照）。

例えば送信光源の発振周波数が、仕様書に記載されている発振周波数安定性と同程度に揺らいだ場合の受信特性への影響をシミュレーションから求めた結果を、図７に示す。

図７は、受信特性を示す図であり、横軸に送信光源の発振周波数の変化量Δｆ［ＧＨｚ］を取って示し、縦軸に受信データのエラーベクトル振幅（ＥＶＭ：ＥｒｒｏｒＶｅｃｔｏｒＭａｇｎｉｔｕｄｅ）を取って示している。送信光源の発振周波数とＬＯ光源の発振周波数は、互いに独立に変動するが、ここでは、ＬＯ光源の発振周波数を一定としている。すなわち、横軸の発振周波数の変化量Δｆは、送信光源の発振周波数と、ＬＯ光源の発振周波数の差を表している。

送信光源の発振周波数が変化しない（Δｆ＝０）場合、すなわち、送信光源の発振周波数とＬＯ光源の発振周波数とが一致する場合、ＥＶＭは１４％程度である。これを、ビットエラー率（ＢＥＲ：ＢｉｔＥｒｒｏｒＲａｔｅ）に換算すると、概ね１×１０^−１２程度である。

一方、送信光源の発振周波数が変化した（Δｆ≠０）場合、すなわち、送信光源の発振周波数とＬＯ光源の発振周波数とが不一致の場合、ＥＶＭは４５％以上である。これを、ＢＥＲに換算すると、概ね１×１０^−２以上となりほぼ受信できない状況となる。

このような課題を解決する手段として、受信信号から光搬送波を抽出して参照光として用いる受信方法がある（例えば、特許文献１参照）。この受信方法では、受信信号を光分割素子で２分割し、一方は受信した光ＯＦＤＭ信号として、他方は狭帯域光フィルタによって光搬送波成分が抽出され、それぞれコヒーレント受信装置に入力される。

この受信方法では、参照光を発生させるためのＬＯ光源が不要であるため、装置コストを抑制することができる利点がある。

特開２００９−９５０１９号公報

ＮｅｏＰｈｏｔｏｎｉｃｓ社製品仕様書Ｄ００７８２

しかしながら、上述の特許文献１に開示されている受信方法の場合、光分割素子で受信信号を２分割することで、受信信号、及び、抽出する光搬送波ともに光パワーが半減してしまう。この結果、当該ネットワークにおける伝送距離が制限されてしまう。あるいは、伝送に伴う損失や位相変動などによって受信信号が劣化し、光搬送波が抽出できなくなることで信号が受信できなくなるなどの不具合が生じてしまう。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、伝送に伴う損失や位相変動などによる受信信号の劣化に影響されずにデジタルコヒーレント受信するための参照光として、受信器にＬＯ光源を備えつつ、送信光源あるいはＬＯ光源の発振周波数の揺らぎによる受信特性の劣化を抑制するための、受信器と、受信方法を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の信号光を送信する送信器と、前記信号光をコヒーレント受信する受信器を備える光ネットワークで用いられる受信器は、発振周波数が互いに異なる発振光を生成する複数の光源と、複数の光源からの出力を合波して参照光を生成する合波器と、信号光と参照光を干渉させ電気信号を生成するコヒーレント受信部とを備えて構成される。
ここで、複数の光源として３つの光源を備え、それぞれの光源で生成される発振光の発振周波数が等間隔であり、中央の発振周波数が、送信器が備える送信光源の発振周波数と等しい。
また、この発明の他の実施形態では、複数の光源として２つの光源を備え、それぞれの光源で生成される発振光の発振周波数の平均値が、送信器が備える送信光源の発振周波数と等しい。

また、この発明の受信方法は、上記の受信器で行われ、発振周波数が互いに異なる局部発振光を生成する過程と、複数の光源からの出力を合波して参照光を生成する過程と、信号光と参照光を干渉させ電気信号を生成する過程とを備える。

この発明の受信器及び受信方法によれば、後述のシミュレーション結果に示されるように、光源の周波数安定性の範囲で、十分な受信特性が得られている。

光アクセスネットワークを説明するための模式図である。ＣＯ−ＯＦＤＭシステムの送信器及び受信器を説明するための模式図である。シミュレーション結果を示す図（１）である。シミュレーション結果を示す図（２）である。シミュレーション結果を示す図（３）である。ＣＯ−ＯＦＤＭシステムで用いられる、従来の送信器及び受信器を説明するための模式図である。従来の受信器の受信特性を示す図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（光ネットワーク）
図１を参照して、光ネットワークについて説明する。図１に示す例では、光ネットワーク１０は、Ｍ（Ｍは１以上の整数）個の局舎端末（ＯＬＴ：ＯｐｔｉｃａｌＬｉｎｅＴｅｒｍｉｎａｌ）２０−１〜Ｍと、Ｎ（Ｎは１以上の整数）個の加入者端末（ＯＮＵ：ＯｐｔｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋＵｎｉｔ）３０−１〜Ｎで構成される、いわゆる、光アクセスネットワークである。ＯＬＴ２０およびＯＮＵ３０は、それぞれ送信器と受信器で構成される。ＯＬＴ２０及びＯＮＵ３０は、同様に構成されるが、ＯＬＴは、さらに上層のネットワークと接続される点で、ＯＮＵと異なる。以下の説明において、ＯＬＴ２０からＯＮＵ３０への伝送を下り伝送（ＤＳ：ＤｏｗｎＳｔｒｅａｍ）と称し、ＯＮＵ３０からＯＬＴ２０への伝送を上り伝送（ＵＳ：ＵｐＳｔｒｅａｍ）と称することもある。

（送信器及び受信器）
図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、ＣＯ−ＯＦＤＭシステムの送信器及び受信器について説明する。図２（Ａ）は、送信器の模式図であり、図２（Ｂ）は受信器の模式図である。通常、ＯＬＴ２０及びＯＮＵ３０には、送信器５０及び受信器７０の両者が設けられる。

送信器５０は、ＤＳＰ５２、ＤＡＣ５４、送信光源６０及び変調器５６を備えて構成される。送信信号Ｓ４９は、ＤＳＰ５２でデジタル変調された後、ＤＡＣ５４でアナログ信号に変換される。送信光源６０で生成される送信光が、変調器５６に送られる。変調器５６は、アナログ信号に基づいて送信光を変調して、ＯＦＤＭ信号光（以下、単に信号光とも称する。）Ｓ６３として、伝送路に創出する。送信器５０は、図６を参照して説明した従来の送信器と同様に構成される。

受信器７０は、ＤＳＰ７２、ＡＤＣ７４、局部発振光源８０及びコヒーレント受信部７６を備えて構成される。局部発振光源８０は、複数の発振光源８２と、合波器８４を備えている。ここでは、複数の光源として、３つの光源８２−１〜３を備える例を説明する。

第１〜３の光源８２−１〜３で生成される発振光が、合波部８４で合波されて参照光（局部発振光（ＬＯ光）とも称する。）としてコヒーレント受信部７６に送られる。

ここで、３つの光源８２−１〜３が生成する発振光は、その発振周波数が互いに異なっている。例えば、３つの光源８２−１〜３で生成される発振光の発振周波数が等間隔であり、中央の発振周波数が、送信器が備える送信光源と同じ発振周波数であるように構成できる。

（シミュレーション）
この受信器の動作について、シミュレーションを行った。ここでは、第１〜第３の光源８２−１〜３の周波数を１．５ＧＨｚ間隔に固定している。第１の光源の周波数ｆ１は、第２の光源の周波数ｆ２に対して、−１．５ＧＨｚとし、第３の光源の周波数ｆ３を第２の光源の周波数ｆ２に対して、＋１．５ＧＨｚとしている。送信光源の周波数ｆ０を、第２の光源の周波数ｆ２に対して、変化させる。

図３（Ａ）及び（Ｂ）は、シミュレーション結果を示す図である。図３（Ａ）では、横軸に、送信光源の周波数ｆ０と、第２の光源の周波数ｆ２の差を、送信光源の発振周波数の変化量Δｆ（＝ｆ０−ｆ２）として取り、縦軸にＥＶＭを取って示している。また、図３（Ｂ）では、横軸に、送信光源の発振周波数の変化量Δｆを取り、縦軸にＢＥＲを取って示している。

図３（Ａ）及び（Ｂ）では、この受信器についてのシミュレーション結果を黒塗りの三角で示している。また、比較のため、従来の受信器についてのシミュレーション結果を×印で示している。

送信光源の発振周波数が揺らいでいない（Δｆ＝０）では、従来の受信器よりもＥＶＭ及びＢＥＲが大きくなっており、受信特性の最良値は若干劣る。しかし、信号光の周波数が光源の発振周波数安定性である±１．０〜１．５ＧＨｚ程度に変動したとしても、ＥＶＭに大きな変化は見られず２０〜２２％程度である。また、この時のＢＥＲは１×１０^−７〜３×１０^−６程度である。従来の受信器がΔf≠０のときに、顕著に受信特性が劣化するのに対し、この受信器では、±１．５ＧＨｚ程度の発振周波数に対して十分な受信特性が得られる。

ここでは、受信器の第１〜第３の光源の周波数を固定しているが、これらの光源も発振周波数安定性である±１．０〜１．５ＧＨｚ程度に変動する可能性がある。

仮に、第１〜３の光源の周波数が、全て＋側に１．５ＧＨｚ変動し、送信光源が−側に１．５ＧＨｚ変動した場合、Δｆ＝−３ＧＨｚとなる。Δｆが±３ＧＨｚでは、−１．５ＧＨｚ〜＋１．５ＧＨｚに比べて、ＥＶＭやＢＥＲがやや大きくなるものの、従来の受信器に比べると小さい値となっており、受信可能である。

次に、第１の光源が＋側に変動し、かつ、第３の光源が−側に変動、あるいは、第１の光源が−側に変動し、かつ、第３の光源が＋側に変動した場合、すなわち、第２の光源に対して、第１の光源と第３の光源が、異なる方向に変動した場合について検討する。第１の光源と第３の光源の変動の大きさが等しいとすると、第１〜３の光源の周波数間隔が変化する。第１〜３の光源の周波数間隔を変えたときのシミュレーション結果を図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す。

図４（Ａ）では、横軸に送信光源の発振周波数の変化量Δｆを取り、縦軸にＥＶＭを取って示している。また、図４（Ｂ）では、横軸に送信光源の発振周波数の変化量Δｆを取り、縦軸にＢＥＲを取って示している。

図４（Ａ）及び（Ｂ）では、第１〜３の光源の周波数間隔が１．０ＧＨｚとしたときの結果を黒塗りの四角で示し、１．５ＧＨｚとしたときの結果を黒塗りの三角で示し、２．０ＧＨｚとしたときの結果を黒塗りのひし形で示し、３．０ＧＨｚとしたときの結果を黒塗りの丸で示している。

周波数間隔が１．０ＧＨｚの場合、発振周波数の変化量Δｆが４．０ＧＨｚ以上となると、ＥＶＭ及びＢＥＲの値が大きくなり、受信不可となる。しかし、発振周波数の変化量Δｆが−３．０ＧＨｚ≦Δｆ≦＋３．０ＧＨｚの範囲では、周波数間隔が１．０ＧＨｚから３．０ＧＨｚのいずれの場合であっても、十分な受信特性が得られている。

次に、受信器の光源が２つの場合について説明する。第１の光源と第２の光源の周波数間隔を１．５ＧＨｚとし、送信光源の周波数ｆ０と、第１の光源の周波数ｆ１、及び、第２の光源の周波数ｆ２の平均値との差を、送信光源の発振周波数の変化量Δｆ（＝ｆ０−（ｆ１＋ｆ２）／２）とする。

このときのシミュレーション結果を図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す。

図５（Ａ）では、横軸に送信光源の発振周波数の変化量Δｆを取り、縦軸にＥＶＭを取って示している。また、図５（Ｂ）では、横軸に送信光源の発振周波数の変化量Δｆを取り、縦軸にＢＥＲを取って示している。

光源が２つの場合のシミュレーション結果を白抜きの三角で示している。また、比較のため、光源が３つの受信器についてのシミュレーション結果を黒塗りの三角で示し、従来の受信器についてのシミュレーション結果を×印で示している。なお、光源が３つの受信器及び従来の受信器については、発振周波数の変化量Δｆは、図３と同じように設定している。

発振周波数の変化量Δｆが−３．０ＧＨｚ≦Δｆ≦＋３．０ＧＨｚの範囲では、光源が２つであっても、３つであっても、ともに、十分な受信特性が得られている。しかし、光源が２つの場合、発振周波数の変化量Δｆが４．０ＧＨｚ以上となると、ＥＶＭ及びＢＥＲの値が大きくなり、受信不可となる。

以上のシミュレーションの結果に示されるように、受信器の光源の数は２つの場合は、変化量Δｆが大きい場合に、受信不可となるが、光源の周波数安定性の範囲では、光源の数が２つであっても３つであっても十分な受信特性が得られる。

また、光源の数が３つの場合に、周波数間隔が１．０ＧＨｚでは、変化量Δｆが大きい場合に受信不可となる。しかし、周波数間隔が１．０ＧＨｚから３．０ＧＨｚのいずれの場合であっても、光源の周波数安定性の範囲では、十分な受信特性が得られている。

１０光アクセスネットワーク
２０ＯＬＴ
３０ＯＮＵ
５０、１５０送信器
５２、７２デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）
５４デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）
５６変調器
５８、７８光スイッチ
６０送信光源（ＬＤ）
７０、１７０受信器
７４アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）
７６コヒーレント受信部
８０局部発振光源（ＬＯ）
８２発振光源
８４合波器

Claims

信号光を送信する送信器と、前記信号光をコヒーレント受信する受信器を備える光ネットワークで用いられる受信器であって、
発振周波数が互いに異なる発振光を生成する複数の光源と、
前記複数の光源からの出力を合波して参照光を生成する合波器と、
前記信号光と前記参照光を干渉させ電気信号を生成するコヒーレント受信部と
を備え、
前記複数の光源として３つの光源を備え、
それぞれの光源で生成される発振光の発振周波数が等間隔であり、中央の発振周波数が、前記送信器が備える送信光源の発振周波数と等しい
ことを特徴とする受信器。
信号光を送信する送信器と、前記信号光をコヒーレント受信する受信器を備える光ネットワークで用いられる受信器であって、
発振周波数が互いに異なる発振光を生成する複数の光源と、
前記複数の光源からの出力を合波して参照光を生成する合波器と、
前記信号光と前記参照光を干渉させ電気信号を生成するコヒーレント受信部と
を備え、
前記複数の光源として２つの光源を備え、
それぞれの光源で生成される発振光の発振周波数の平均値が、前記送信器が備える送信光源の発振周波数と等しい
ことを特徴とする受信器。
前記発振周波数の間隔が、前記送信光源、又は、前記発振光を生成する複数の光源の発振周波数の安定度に相当する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の受信器。
請求項１又は２に記載の受信器で行われる受信方法であって、
発振周波数が互いに異なる発振光を生成する過程と、
前記複数の光源からの出力を合波して参照光を生成する過程と、
前記信号光と前記参照光を干渉させ電気信号を生成する過程と
を備え、
予め、前記発振周波数の間隔を、前記送信光源、又は、前記発振光を生成する複数の光源の発振周波数の安定度に相当する間隔に設定しておく
ことを特徴とする受信方法。