JP6107807B2 - 光送信器、光通信システム、および光通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、光送信器、光通信システム、および光通信方法に関し、特に、偏光多重分離方式を用いた光送信器、光通信システム、および光通信方法に関する。

インターネットの普及により基幹ネットワークのトラフィック量が急増していることから、１００Ｇｂｓといった超高速長距離光通信システムが望まれている。このような超高速長距離光通信システムを実現する技術として、ディジタル信号処理技術を活用した光位相変調方式と偏光多重分離技術が注目されている。

光位相変調方式は、従来から用いられている光強度変調方式のように送信レーザ光の光強度に対してデータ変調を行うのではなく、送信レーザ光の光位相に対してデータ変調を行う方式である。光位相変調方式としては、ＢＰＳＫ（２位相偏移変調：Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式、ＱＰＳＫ（４位相偏移変調：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式、８ＰＳＫ（８位相偏移変調：８−Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式、およびＱＡＭ（直交振幅変調：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式などが知られている。

ＢＰＳＫ方式を用いる場合、２種の光位相（例えば、９０度、２７０度)に対して、それぞれ１ビット（例えば、「０」「１」）を割り当てる。図７に、ＢＰＳＫ方式によって変調された光信号のコンスタレーション図の一例を示す。また、ＱＰＳＫ方式を用いる場合、４種の光位相（例えば、４５度、１３５度、２２５度、３１５度)に対して、それぞれ２ビット（例えば、「００」、「０１」、「１１」、「１０」）を割り当てる。このとき、１種の光位相に対して２ビットを割り当てることができるため、ＱＰＳＫ方式におけるシンボルレートは光強度変調方式におけるシンボルレート（すなわちビットレート）の１／２に低減することが可能である。

このように、多値の光位相変調方式では、１シンボルに対して複数のビットを割り当てることにより、シンボルレート（ボーレート）を低下させることが可能である。それによって、電気デバイスの動作速度を低減することができるので、通信装置の製造コストの削減が期待できる。なお、ＢＰＳＫ方式を用いる場合は、１種の光位相に１ビットを割り当てるため、シンボルレートを低下させる効果は得られない。しかしながら、シンボル間距離が大きいので、光アンプの自然放出光や非線形光学効果による位相雑音に対して大きな耐力が得られる。そのため、大陸間伝送のような超長距離光伝送に適している。

光位相変調された信号光を受信するために、光コヒーレント方式が用いられる。光コヒーレント方式では、信号光と、信号光とほぼ同一の光周波数を有するレーザ光（局所発振光と呼ばれる）を９０度ハイブリッドと呼ばれる光学素子により結合し、その出力を光検出器により受光する。ここでは簡単のため、信号光と局所発振光の偏波状態は同一の直線偏光であると仮定する。光コヒーレント方式を用いた場合、光検出器から出力される電気信号の交流成分は信号光と局所発振光のビート信号となる。このビート信号の振幅は信号光と局所発振光の光強度に比例する。またビート信号の位相は、信号光の搬送波周波数と局所発振光の光周波数が同一であれば、信号光と局所発振光の光位相の差となる。さらに局所発振光の光位相が送信端の光変調器に入力されるレーザ光の光位相と同一であれば、ビート信号の位相は送信端でレーザ光に付与された光位相となる。そのため、シンボルマッピングを用いてビート信号の位相をビット列に変換することにより、送信データを復調することができる。

しかし、実際の通信装置においては、信号光の搬送波周波数と局所発振光の光周波数の値は完全には一致しない。さらに光受信器における局所発振光の光位相と、光送信器において光変調器に入力されるレーザ光の光位相も必ずしも一致しない。従って、光送信器において光変調器に入力される信号光と局所発振光の光位相差である光位相偏差、及び信号光の搬送波周波数と局所光の光周波数の差である光搬送波周波数偏差による影響を補償する必要がある。光位相偏差及び光搬送波周波数偏差を補償する処理は、ディジタル信号処理技術を用いて行うことが可能である。

また、超高速光通信システムを実現する別の技術として、偏光多重分離技術が注目されている。偏光多重分離技術では、光送信器において、搬送波が同一の周波数帯に配備され、かつ、偏光状態が互いに直交する２個の独立した光信号を多重する。そして光受信器において、受信信号から前述の２個の独立した光信号を分離する。これにより、２倍の伝送速度を実現することができる。この場合、光信号のシンボルレート（ボーレート）は逆に１／２になるため、電気デバイスの動作速度を低減することができる。そのため、偏光多重分離技術によれば、通信装置の製造コストを削減することが可能である。

上述した光位相変調方式と偏光多重分離技術を組み合わせることにより、１００Ｇｂｓの伝送が可能な超高速長距離光通信システムを実現することができる。光搬送波周波数偏差及び光位相偏差を補償する処理、及び、２個の独立した光信号に分離する処理（偏光分離処理）をディジタル信号処理技術により実施し、高精度に復調する技術が提案されている。このような方式は、光ディジタルコヒーレント通信方式と呼ばれている（例えば、特許文献１参照）。なお、上述したディジタル信号処理はＬＳＩ（大規模集積回路：Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などに実装されたディジタル信号処理回路で実現することができる。

次に、光ディジタルコヒーレント通信方式を用いた超高速光通信システムにおける送受信処理について詳細に説明する。図４に、光ディジタルコヒーレント通信方式を用いた偏光多重光通信システムにおける関連する光送信器３００のブロック図を示す。レーザ発振器３１０は所定の光周波数の連続光を送出する。連続光は偏光保持光スプリッタ３２０において２分岐され、２個の光直交変調器３３１、３３２にそれぞれ入力される。駆動信号生成器３４１、３４２は送信ビット列から駆動信号を生成する。光直交変調器３３１、３３２は連続光を駆動信号によって位相変調する。偏光多重部３６０は光直交変調器３３２の出力信号と光直交変調器３３１の出力信号を、互いの偏光状態が直交する状態で多重し、偏光多重送信光として光伝送路に出力する。関連する光送信器３００の構成は光直交変調器と呼ばれ、任意の光位相変調方式に対応可能である。これに限らず、光直交変調以外の各光位相変調方式に特化した光送信器の構成を採用することもできる。

図５に、光ディジタルコヒーレント通信方式を用いた偏光多重光通信システムにおける関連する光受信器４００のブロック図を示す。関連する光受信器４００は光伝送路を通して受信光信号を受信する。受信光信号の搬送波周波数とほぼ同一の光周波数を有する局所発振光が、受信光信号とともに９０度ハイブリッド４１０に入力される。９０度ハイブリッド４１０は、受信光信号を直交する二つの偏光軸のそれぞれに対して平行な偏光状態を有する光信号成分に分離し、各光信号成分の実部成分と虚部成分からなる合計４個の光信号を出力する。これら４個の光信号は４個の光ディテクタ４２１〜４２４によりアナログ電気信号に変換された後、アナログ−ディジタル変換器（Ａｎａｌｏｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＡＤＣ）４３１〜４３４によりディジタル電気信号に変換される。アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）４３１〜４３４から出力されるディジタル電気信号は、リサンプリング部（図示せず）により受信光信号のシンボルレートで標本化されたディジタル電気信号に変換された後に、偏光分離処理部４４０に入力される。偏光分離処理部４４０は、入力された４個のディジタル電気信号に基づいて、偏光多重された２個の独立した光信号を抽出する。抽出された光信号はそれぞれ、光搬送波周波数偏差・光位相偏差補償部４５１、４５２によって、受信光信号と局所発振光との間の光搬送波周波数偏差と光位相偏差による光位相回転が補償される。最後にシンボル識別部４６１、４６２によって、それぞれ元の送信ビット列に復調される。

上述した光ディジタルコヒーレント通信方式を用いた偏光多重光通信システムによれば、１００Ｇｂｓの伝送が可能な超高速長距離光通信システムを実現することができる。

特開２０１１−１５５５７９号公報（段落「００４９」〜「００５２」、「００７０」〜「００７５」、図７、図１０）

まず、関連する光受信器４００に用いられる偏光分離処理部４４０の動作について説明する。図６に、関連する偏光分離処理部４４０の構成を示す。偏光分離処理部４４０はフィルタ部４４１〜４４４、フィルタ係数更新部４４５、４４６を備える。偏光分離処理部４４０の入力信号１は、９０度ハイブリッド４１０において直交する２つの偏光軸の一方に平行な偏光状態を有する光信号に基づく信号である。すなわち、図５に示したＡＤＣ４３１から出力されるディジタル電気信号を実部成分とし、ＡＤＣ４３２から出力されるディジタル電気信号を虚部成分とする複素数によって表されるディジタル電気信号である。同様に、偏光分離処理部４４０の入力信号２は、９０度ハイブリッド４１０において直交する２つの偏光軸の他方に平行な偏光状態を有する光信号に基づく信号である。すなわち、図５に示したＡＤＣ４３３から出力されるディジタル電気信号を実部成分とし、ＡＤＣ４３４から出力されるディジタル電気信号を虚部成分とする複素数によって表されるディジタル電気信号である。

図６に示した偏光分離処理部４４０出力信号１および出力信号２はそれぞれ、光送信器３００において偏光多重された２個の独立した光信号に基づくディジタル電気信号である。

偏光分離処理部４４０が備えるフィルタ部４４１〜４４４は各フィルタ部に独立に設定されたフィルタ係数を用いて、入力信号１および入力信号２に対してそれぞれフィルタリング処理を実施する。その後、フィルタ部４４１とフィルタ部４４３の出力の和を出力信号１とし、フィルタ部４４２とフィルタ部４４４の出力の和を出力信号２として出力する。なおフィルタ部４４１〜４４４には、一般的なＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ：有限インパルス応答）フィルタを用いることができる。これに限らず、周波数領域において等化する周波数領域等化（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ：ＦＤＥ）技術を用いることもできる。

フィルタ係数更新部４４５は所定のアルゴリズムに従ってフィルタ部４４１およびフィルタ部４４３のフィルタ係数を更新する。同様に、フィルタ係数更新部４４６はフィルタ部４４２およびフィルタ部４４４のフィルタ係数を更新する。フィルタ係数更新部４４５、４４６によるフィルタ部４４１〜４４４のフィルタ係数を更新するためのアルゴリズムとして、ＣＭＡ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）が広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。ＣＭＡでは、抽出された光信号の包絡線が一定、すなわち光強度が一定となるようにフィルタ部４４１〜４４４のフィルタ係数を適応的に制御することにより偏光分離を行う。

次に、ＣＭＡを用いてフィルタ係数を更新する場合について説明する。次式（１）に、ＣＭＡで定義される誤差関数を示す。

Ｊ_ｘ（Ｗ，Ｗ^Ｈ）は出力信号１に対する誤差関数であり、Ｊ_ｙ（Ｗ，Ｗ^Ｈ）は出力信号２に対する誤差関数である。ここでＷは大きさが２×２の正方行列であり、行列Ｗの１行１列成分（ｗ_ｘｘ）、１行２列成分（ｗ_ｘｙ）、２行１列成分（ｗ_ｙｘ）、２行２列成分（ｗ_ｙｙ）はそれぞれフィルタ部４４１〜４４４のフィルタ係数を表す。行列Ｗはジョーンズ（Ｊｏｎｅｓ）行列と呼ばれる光伝送路の特性を表す行列である。なお、行列Ｗ^Ｈは行列Ｗのエルミート共役である。

上記説明では、簡単のためフィルタ部のタップ数は１としたが、タップ数が２以上であってもよい。また式（１）において、ｒ_ｘとｒ_ｙはそれぞれ出力信号１と出力信号２の振幅の目標値を、Ｅ_ｘ’とＥ_ｙ’はそれぞれ出力信号１および出力信号２を示す。また、Ｅ［ｘ］はｘの期待値を表す。

フィルタ係数更新部４４５は、出力信号１に対する誤差関数Ｊ_ｘが最小となるようにフィルタ部４４１とフィルタ部４４３のフィルタ係数を逐次更新する。またフィルタ係数更新部４４６は、出力信号２に対する誤差関数Ｊ_ｙが最小となるようにフィルタ部４４２とフィルタ部４４４のフィルタ係数を逐次更新する。

次式（２）〜（４）に、式（１）で示したＣＭＡの誤差関数に基づいて、フィルタ係数更新部４４５、４４６が各フィルタ係数を更新するための数式を示す。

上式（２）〜（４）から、ＣＭＡにおいては、フィルタ部４４１〜４４４のフィルタ係数を以下のように更新することが分かる。すなわち、偏光分離処理部４４０の出力信号を示すコンスタレーション図上のシンボル点が、原点に向かう方向（または、その逆方向）に沿って半径ｒ_ｘまたはｒ_ｙの円周上に移動するように、フィルタ部４４１〜４４４のフィルタ係数を更新する。ここで、式（２）中の「μ」は、フィルタ係数の更新量を調整することによりフィードバック制御を安定化させるパラメータである。すなわち「μ」は偏光分離処理の処理速度を決めるパラメータである。なお、フィルタ係数の更新量の算出には期待値を瞬時値で代用するのが一般的である。

以上に述べたように、偏光分離処理部４４０が備えるフィルタ部４４１〜４４４およびＣＭＡを用いたフィルタ係数更新部４４５、４４６の動作により、受信光信号から２個の独立した光信号に基づくディジタル電気信号を分離・抽出することが可能となる。

しかし、上述した関連する偏光分離技術においては、以下に述べるような問題がある。ＣＭＡを用いたフィルタ係数の更新処理は、ＱＰＳＫ方式や８ＰＳＫ方式などのように、シンボル点が４個以上存在し、かつ、各シンボル点が同一の円周上に存在する光位相変調方式を用いた偏光多重光信号の偏光分離には有効である。しかしながら、シンボル点が２個である光位相変調方式、または、各シンボル点が同一の円周上に存在しない光位相変調方式を用いた偏光多重光信号を偏光分離することができず、そのため元の送信ビット列を再生できない、という問題があった。このような光位相変調方式としては、ＢＰＳＫ方式や１６ＱＡＭ方式などがある。

以下に、ＣＭＡを用いた関連する偏光分離処理技術の問題について、さらに説明する。上述したようにＣＭＡでは、偏光分離処理部４４０の出力信号がコンスタレーション図上に示すシンボル点が、原点に向かう方向（またはその逆方向）に沿って、所定の半径の円周上に移動するようにフィルタ部４４１〜４４４のフィルタ係数を更新する。しかしながら、２個の独立した光信号に固定の光位相差があった場合、ＣＭＡでは光信号間の光位相差がゼロ「０」となるようにはフィルタ係数を更新しない。したがって、図７に示したＢＰＳＫ方式の理想的なコンスタレーションに見られるような２個のシンボル点は得られない。つまり、２個の独立した光信号に固定の光位相差があった場合にＢＰＳＫ方式を用いると、図８に示したコンスタレーションに見られるような４個のシンボル点に収束してしまう。そのため、シンボル識別を行う際に誤ったビット列が再生されてしまうことになる。

以上述べたように、関連する光ディジタルコヒーレント通信方式を用いた偏光多重光通信システムにおいては、光位相変調の変調方式によって、送信信号の再生が困難になる場合が生じるという問題があった。

本発明の目的は、上述した課題である、光ディジタルコヒーレント通信方式を用いた偏光多重光通信システムにおいては、光位相変調の変調方式によって、送信信号の再生が困難になる場合が生じる、という課題を解決する光送信器、光通信システム、および光通信方法を提供することにある。

本発明の光送信器は、第１の連続光に位相変調を施して第１の送信光を出力する第１の光直交変調器と、第１の連続光と同一の周波数帯に属する第２の連続光に位相変調を施して第２の送信光を出力する第２の光直交変調器と、第１の送信光と第２の送信光との間に、時間的に変動する光位相差を生じさせる光位相差付与部と、第１の送信光と第２の送信光を、互いの偏光を直交させた状態で偏光多重して偏光多重送信光を出力する偏光多重部、を備える。

本発明の光通信システムは、光送信器と、光受信器を有し、光送信器は、第１の連続光に位相変調を施して第１の送信光を出力する第１の光直交変調器と、第１の連続光と同一の周波数帯に属する第２の連続光に位相変調を施して第２の送信光を出力する第２の光直交変調器と、第１の送信光と第２の送信光との間に、時間的に変動する光位相差を生じさせる光位相差付与部と、第１の送信光と第２の送信光を、互いの偏光を直交させた状態で偏光多重して偏光多重送信光を出力する偏光多重部、を備え、光受信器は、偏光多重送信光と、第１の連続光および第２の連続光と略同一の光周波数を有する局所発振光とを入力し、第１の受信光と、第１の受信光の偏光方向と直交する偏光方向を有する第２の受信光を出力する９０度光ハイブリッドと、第１の受信光と第２の受信光を光電変換して第１の受信信号と第２の受信信号をそれぞれ出力する光電変換部と、第１の受信信号と第２の受信信号を信号処理することにより復調する信号処理部とを備える。

本発明の光通信方法は、第１の連続光に位相変調を施して第１の送信光を出力し、第１の連続光と同一の周波数帯に属する第２の連続光に位相変調を施して第２の送信光を出力し、第１の送信光と第２の送信光との間に、時間的に変動する光位相差を生じさせ、第１の送信光と第２の送信光を、互いの偏光を直交させた状態で偏光多重して偏光多重送信光を出力し、偏光多重送信光と、第１の連続光および第２の連続光と略同一の光周波数を有する局所発振光とを入力し、第１の受信光と、第１の受信光の偏光方向と直交する偏光方向を有する第２の受信光を出力し、第１の受信光と第２の受信光を光電変換して第１の受信信号と第２の受信信号をそれぞれ出力し、第１の受信信号と第２の受信信号を信号処理することにより復調する。

本発明の光送信器、光通信システム、および光通信方法によれば、光ディジタルコヒーレント通信方式を用いた偏光多重光通信システムにおいて、光位相変調の変調方式によらず、送信信号の再生が可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る光送信器の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る光通信システムが備える光送信器の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る光通信システムが備える光受信器の構成を示すブロック図である。 光ディジタルコヒーレント通信方式を用いた偏光多重光通信システムにおける関連する光送信器の構成を示すブロック図である。 光ディジタルコヒーレント通信方式を用いた偏光多重光通信システムにおける関連する光受信器の構成を示すブロック図である。 関連する光受信器に用いられる関連する偏光分離処理部の構成を示すブロック図である。 ＢＰＳＫ方式によって変調された光信号のコンスタレーションの一例を示す図である。 ＢＰＳＫ方式によって変調された光信号のコンスタレーションの別の例を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光送信器１００の構成を示すブロック図である。光送信器１００は光ディジタルコヒーレント通信方式を用いた偏光多重光通信システムにおいて用いられる。図１に示すように、光送信器１００は、光源１１０、偏光保持光スプリッタ１２０、光位相差付与部１３０、第１の光直交変調器１４１、第２の光直交変調器１４２、および偏光多重部１５０を備える。

偏光保持光スプリッタ１２０は、光源１００が送出する連続光を第１の連続光と第２の連続光に２分岐する。光位相差付与部１３０は、同一の周波数帯に属する第１の連続光と第２の連続光との間に、時間的に変動する光位相差を付与する。第１の光直交変調器１４１は、第１の連続光に位相変調を施して第１の位相変調送信光（第１の送信光）を出力し、第２の光直交変調器１４２は、第２の連続光に位相変調を施して第２の位相変調送信光（第２の送信光）を出力する。偏光多重部１５０は、第１の位相変調送信光と第２の位相変調送信光を互いの偏光状態が直交となるように偏光多重して偏光多重送信光を出力する。

光位相差付与部１３０として、光位相変調器を用いることができる。このとき、光位相変調器に第２の連続光を入力し、光位相変調器の駆動電気信号を時間変化させることによって、第２の連続光の光位相を時間的に変動させることが可能である。

図１では、光位相差付与部は第１の連続光の経路と第２の連続光の経路のいずれか一方に配置している構成を示した。しかし、これに限らず、光位相差付与部１３０は第１の光位相差付与部と第２の光位相差付与部を含む構成とし、第１の光位相差付与部は第１の連続光の経路上、例えば第１の光直交変調器１４１の直前または直後などに配置し、第２の光位相差付与部は第２の連続光の経路に配置することとしてもよい。

第１の光直交変調器１４１および第２の光直交変調器１４２として、ＢＰＳＫ方式のみの生成に特化した光変調器を用いることができる。

上述したように、本実施形態の光送信器１００においては、第１の連続光と第２の連続光との間に時間的に変動する光位相差が付与されている。そのため、第１の位相変調送信光および第２の位相変調送信光のいずれか一方を基準とした場合、他方の位相変調送信光の光位相は固定されず一定の速度で変化することになる。その結果、ＢＰＳＫ方式によって位相変調された送信光であっても、受信側においてＣＭＡを用いた偏光分離処理を行うことができる。以上より、本実施形態の光送信器１００によれば、光ディジタルコヒーレント通信方式を用いた偏光多重光通信システムにおいて、光位相変調の変調方式によらず、送信信号の再生が可能となる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、本実施形態による光通信システムが備える光送信器１１００の構成を示すブロック図である。また図３は、本実施形態による光通信システムが備える光受信器１２００の構成を示すブロック図である。本実施形態による光通信システムは、光ディジタルコヒーレント通信方式を用いた偏光多重光通信システムであり、光送信器１１００は偏光多重送信光を送出し、光受信器１２００は偏光多重送信光を受信してコヒーレント検波し、ディジタル信号処理により復調する。

図２に示すように、光送信器１１００は、光源としてのレーザ発振器１１１、偏光保持光スプリッタ１２０、光位相差付与部としての周波数シフタ１３１、第１の光直交変調器１４１、第２の光直交変調器１４２、および偏光多重部１５０を備える。

レーザ発振器１１１から送出される連続光は偏光保持光スプリッタ１２０において２分岐される。２分岐された連続光の一方は第１の光直交変調器１４１に入力され、他方は周波数シフタ１３１を通った後に第２の光直交変調器１４２に入力される。第１の光直交変調器１４１および第２の光直交変調器１４２は、駆動信号生成器１６１、１６２によって生成された駆動信号によって連続光に位相変調を施す。ここで駆動信号生成器１６１、１６２は送信ビット列から駆動信号を生成する。

本実施形態では、光送信器１１００は光直交変調器１４１、１４２を備える構成とした。そして、偏光多重部１５０は第１の光直交変調器１４１の出力信号と第２の光直交変調器１４２の出力信号を、互いの偏光状態が直交する状態で多重し、偏光多重送信光として光伝送路に出力する。

本実施形態の光送信器１１００は、さらに、周波数シフタ１３１が付与する光位相差の時間的な変動量を制御する光位相差制御部としての周波数シフタ制御器１８０と、光受信器情報入力インタフェース１９０を備える構成とした。光受信器情報入力インタフェース１９０は、光受信器１２００における信号処理速度を含む光受信器情報を取得し、周波数シフタ制御器１８０に通知する。周波数シフタ制御器１８０は信号処理速度に基づいて、周波数シフタ１３１が付与する光位相差の時間的な変動量を制御する。

次に、本実施形態による光送信器１１００の動作について説明する。レーザ発振器１１１は連続光を出力し、偏光保持光スプリッタ１２０はこの連続光を２分岐する。周波数シフタ１３１は２分岐された連続光の一方の光周波数をシフトさせる。このとき周波数シフタ１３１は、周波数シフタ制御器１８０に指示された値だけ光周波数をシフトさせる。第１の光直交変調器１４１および第２の光直交変調器１４２は、連続光をＢＰＳＫ方式によりそれぞれ光位相変調する。偏光多重部１５０において他の位相変調送信光と偏光多重することにより偏光多重送信光を生成する。

周波数シフタ１３１は、光直交変調器に線形に時間変化する駆動信号を入力することなどにより実現することができる。これに限らず、光信号の光位相を時間的に変動させることが可能なデバイスであれば、周波数シフタ１３１として用いることができる。なお、図２では、周波数シフタ１３１が偏光保持光スプリッタ１２０と第２の光直交変調器１４２の間に配置している構成を示したが、これに限らず、周波数シフタ１３１が第２の光直交変調器１４２と偏光多重部１５０との間の経路上に配置した構成としてもよい。また、図２では、一方の連続光の経路に周波数シフタ１３１を配置して光周波数をシフトさせる構成を示したが、これに限らず、連続光の両方の経路に周波数シフタ１３１を配置し、それぞれの光周波数を異なる値だけシフトさせる構成としてもよい。

次に、本実施形態による光通信システムが備える光受信器１２００について説明する。図３に光受信器１２００の構成を示す。光受信器１２００は、９０度光ハイブリッド２１０、光電変換部２２０、および信号処理部２３０を備える。９０度光ハイブリッド２１０は、光送信器１１００における連続光と略同一の光周波数を有する局所発振光と偏光多重送信光とを入力し、第１の受信光と、第１の受信光の偏光方向と直交する偏光方向を有する第２の受信光を出力する。なお、第１の受信光および第２の受信光はそれぞれ実部成分と虚部成分を含むので、９０度光ハイブリッド２１０は合計４個の光信号を出力する。

光電変換部２２０は、第１の受信光と第２の受信光を光電変換して第１の受信信号と第２の受信信号をそれぞれ出力する。光電変換部２２０は、光ディテクタ２２１とアナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）２２２を含む構成とすることができる。信号処理部２３０は、第１の受信信号と第２の受信信号を信号処理することにより復調する。

ここで、光受信器１２００には、関連する光受信器４００と同様の構成を採用することができる。すなわち信号処理部２３０は、偏光分離処理部２３１、光搬送波周波数偏差・光位相偏差補償部２３２、およびシンボル識別部２３３を含む構成とすることができる。偏光分離処理部２３１は、入力された４個のディジタル電気信号に基づいて、偏光多重された２個の独立した光信号を抽出する。光搬送波周波数偏差・光位相偏差補償部２３２は、抽出された光信号における、受信光信号と局所発振光との間の光搬送波周波数偏差と光位相偏差による光位相回転を補償する。シンボル識別部２３３によって、それぞれ元の送信ビット列に復調される。

次に、光送信器１１００における、連続光の光周波数のシフト量について説明する。連続光の光周波数のシフト量が、光受信器１２００の信号処理部２３０における信号処理速度に基づいて制御される構成とすることができる。具体的には、信号処理部２３０が備える偏光分離処理部２３１および光搬送波周波数偏差・光位相偏差補償部２３２の処理速度を含む光受信器情報に基づいて決定することが望ましい。それは以下の理由からである。

偏光分離処理部２３１における処理速度（具体的には式（２）中のμの値）が速すぎる場合、光周波数シフトによる光位相の時間的変動の影響が相対的に小さくなる。そのため、光周波数をシフトさせない場合と同様の偏光分離処理が行われることになり、結果的にＢＰＳＫ方式を用いた偏光多重光信号の偏光分離処理が不可能となるからである。

逆に、光周波数のシフト量が大きすぎる場合、光搬送波周波数偏差・光位相偏差補償部２３２が補償可能な周波数偏差量の範囲を超えてしまうため、復調できなくなるからである。

それに対して本実施形態による光通信システムにおいては、光送信器１１００が備える光受信器情報入力インタフェース１９０を通して、周波数シフタ制御器１８０に光受信器１２００の光受信器情報を通知する構成としている。光受信器１２００から光送信器１１００への光受信器情報の通知には、例えば光通信システムのコントロールプレーンを用いることができる。ここで、光受信器情報には偏光分離処理部２３１と光搬送波周波数偏差・光位相偏差補償部２３２の処理速度が含まれる。そして周波数シフタ制御器１８０が、これらの光受信器情報に基づいて適切な光周波数シフト量を決定した上で、周波数シフタ１３１における連続光の光周波数のシフト量を設定する構成とした。

次に、本実施形態による光通信システムにおける偏光分離処理について、さらに詳細に説明する。光送信器１１００において、２個の独立した光信号の一方の光周波数をシフトさせると、一方の光信号の光位相を基準に取った場合、他方の光信号の光位相は固定されず一定の速度で変化する。そのため、光受信器１２００の偏光分離処理部２３１を構成するフィルタ部のフィルタ係数の更新量のベクトルの向きは、本来は固定されているにも関わらず、時間的に変動することになる。その結果、２個の独立した光信号間の光位相差がＣＭＡによって補償されるため、偏光分離処理が可能となる。しかし、偏光分離処理部２３１の処理速度が速すぎる場合、または光周波数のシフト量が小さすぎる場合には、光信号間の光位相差が補償される前にコンスタレーション上のシンボル点が単位円周上に移動し、式（１）の誤差関数の値がゼロ「０」となってしまう。そのため、偏光分離処理が不可能となる。したがって、光周波数のシフト量または光信号間の光周波数の偏差は、偏光分離処理部２３１の処理速度に基づいて決定する必要がある。

具体的には、偏光分離処理部２３１における処理速度は、式（２）中のμの値に依存する。μの値としては、例えば、１×１０^−３程度の値を用いることができる。また、光搬送波周波数偏差・光位相偏差補償部２３２の処理速度は、変調方式、シンボルレート、アルゴリズム等に依存する。アルゴリズムとしては、例えば、１００Ｇｂｐｓの偏光多重ＱＰＳＫ信号に対して約３ＧＨｚまでの周波数シフトに対応できるアルゴリズムを用いることができる。そして光周波数のシフト量は、偏光分離処理部２３１の処理速度よりも高速であり、光搬送波周波数偏差・位相偏差補償部２３２の処理速度よりも低速に設定することが望ましい。なお、光周波数のシフト量の大きさは、典型的には数１００ＭＨｚのオーダーとすることができる。

以上に説明したように、本実施形態の光通信システムによれば、ＢＰＳＫ方式を用いた偏光多重光信号であっても、受信側においてＣＭＡを用いた偏光分離処理を行うことができる。そのため、光ディジタルコヒーレント通信方式を用いた偏光多重光通信システムにおいて、光位相変調の変調方式によらず、送信信号の再生が可能となる。

なお、上記実施形態においては、光送信器は光受信器から光受信器情報を取得する場合について説明した。しかし、これに限らず、あらかじめ光受信器情報を記憶した記憶部を光送信器が備え、この記憶部に記憶された光受信器情報に基づいて光位相差の時間的な変動量を制御する構成としてもよい。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

この出願は、２０１２年２月２１日に出願された日本出願特願２０１２−０３５４００を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００、１１００ 光送信器
１１０ 光源
１１１ レーザ発振器
１２０ 偏光保持光スプリッタ
１３０ 光位相差付与部
１３１ 周波数シフタ
１４１ 第１の光直交変調器
１４２ 第２の光直交変調器
１５０ 偏光多重部
１６１、１６２ 駆動信号生成器
１８０ 周波数シフタ制御器
１９０ 光受信器情報入力インタフェース
１２００ 光受信器
２１０ ９０度光ハイブリッド
２２０ 光電変換部
２２１ 光ディテクタ
２２２ アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）
２３０ 信号処理部
２３１ 偏光分離処理部
２３２ 光搬送波周波数偏差・光位相偏差補償部
２３３ シンボル識別部
３００ 関連する光送信器
３１０ レーザ発振器
３２０ 偏光保持光スプリッタ
３３１、３３２ 光直交変調器
３４１、３４２ 駆動信号生成器
３６０ 偏光多重部
４００ 関連する光受信器
４１０ ９０度ハイブリッド
４２１〜４２４ 光ディテクタ
４３１〜４３４ アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）
４４０ 偏光分離処理部
４４１〜４４４ フィルタ部
４４５、４４６ フィルタ係数更新部
４５１、４５２ 光搬送波周波数偏差・光位相偏差補償部
４６１、４６２ シンボル識別部

Claims (12)

1. 第１の連続光に位相変調を施して第１の送信光を出力する第１の光直交変調手段と、
   前記第１の連続光と同一の周波数帯に属する第２の連続光に位相変調を施して第２の送信光を出力する第２の光直交変調手段と、
   前記第１の送信光と前記第２の送信光との間に、時間的に変動する光位相差を生じさせる光位相差付与手段と、
   前記第１の送信光と前記第２の送信光を、互いの偏光を直交させた状態で偏光多重して偏光多重送信光を出力する偏光多重手段、を備える
   光送信器。
2. 請求項１に記載した光送信器において、
   前記光位相差付与手段は、前記第１の送信光と前記第２の送信光との間に、周波数偏差を生じさせる周波数偏差付与手段を含む、
   光送信器。
3. 請求項１または２に記載した光送信器において、
   前記第１の光直交変調手段および前記第２の光直交変調手段は、ＢＰＳＫ方式により前記位相変調を施す
   光送信器。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載した光送信器において、
   前記光位相差の時間的な変動量を制御する光位相差制御手段を備える
   光送信器。
5. 請求項４に記載した光送信器において、
   前記光位相差制御手段は、前記偏光多重送信光を受信する光受信器の信号処理速度に基づいて、前記光位相差の時間的な変動量を制御する
   光送信器。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載した光送信器において、
   前記光位相差付与手段は、前記第１の連続光の経路と前記第２の連続光の経路のいずれか一方に配置しており、前記第１の連続光と前記第２の連続光との間に、時間的に変動する光位相差を付与する
   光送信器。
7. 光送信器と、光受信器を有し、
   前記光送信器は、
   第１の連続光に位相変調を施して第１の送信光を出力する第１の光直交変調手段と、
   前記第１の連続光と同一の周波数帯に属する第２の連続光に位相変調を施して第２の送信光を出力する第２の光直交変調手段と、
   前記第１の送信光と前記第２の送信光との間に、時間的に変動する光位相差を生じさせる光位相差付与手段と、
   前記第１の送信光と前記第２の送信光を、互いの偏光を直交させた状態で偏光多重して偏光多重送信光を出力する偏光多重手段、を備え、
   前記光受信器は、
   前記偏光多重送信光と、前記第１の連続光および前記第２の連続光と略同一の光周波数を有する局所発振光とを入力し、第１の受信光と、前記第１の受信光の偏光方向と直交する偏光方向を有する第２の受信光を出力する９０度光ハイブリッドと、
   前記第１の受信光と前記第２の受信光を光電変換して第１の受信信号と第２の受信信号をそれぞれ出力する光電変換手段と、
   前記第１の受信信号と前記第２の受信信号を信号処理することにより復調する信号処理手段
   とを備える
   光通信システム。
8. 請求項７に記載した光通信システムにおいて、
   前記光送信器は、前記光位相差の時間的な変動量を制御する光位相差制御手段をさらに備え、
   前記光位相差制御手段は、前記信号処理手段における信号処理速度に基づいて、前記光位相差の時間的な変動量を制御する
   光通信システム。
9. 請求項７または８に記載の光通信システムにおいて、
   前記信号処理手段は、ＣＭＡアルゴリズムにより更新される係数に基づいて前記偏光多重送信光を偏光分離する
   光通信システム。
10. 第１の連続光に位相変調を施して第１の送信光を出力し、
    前記第１の連続光と同一の周波数帯に属する第２の連続光に位相変調を施して第２の送信光を出力し、
    前記第１の送信光と前記第２の送信光との間に、時間的に変動する光位相差を生じさせ、
    前記第１の送信光と前記第２の送信光を、互いの偏光を直交させた状態で偏光多重して偏光多重送信光を出力し、
    前記偏光多重送信光と、前記第１の連続光および前記第２の連続光と略同一の光周波数を有する局所発振光とを入力し、第１の受信光と、前記第１の受信光の偏光方向と直交する偏光方向を有する第２の受信光を出力し、
    前記第１の受信光と前記第２の受信光を光電変換して第１の受信信号と第２の受信信号をそれぞれ出力し、
    前記第１の受信信号と前記第２の受信信号を信号処理することにより復調する
    光通信方法。
11. 請求項１０に記載した光通信方法において、
    前記信号処理するときの信号処理速度に基づいて、前記光位相差の時間的な変動量を制御する
    光通信方法。
12. 請求項１０または請求項１１に記載した光通信方法において、
    前記信号処理は、ＣＭＡアルゴリズムにより更新される係数に基づいて前記偏光多重送信光を偏光分離する処理を含む
    光通信方法。

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