JP6115185B2

JP6115185B2 - 光受信機、ｏｓｎｒ演算方法及びプログラム

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Publication number: JP6115185B2
Application number: JP2013038177A
Authority: JP
Inventors: 正古賀
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: JP2014165895A

Description

本発明は、光受信機、ＯＳＮＲ演算及びプログラムに関する。

光通信システムにおいて、光送信器が送信した光信号は、伝送路である光ファイバを伝搬し、光受信器が該光信号を受信する。光信号が各伝送路を通過するとき、損失が生じて光信号は減衰する。そのため、各伝送路の途中に光増幅器を設け、該損失を補償する。該光増幅器は、信号光が入ってこない状態でもエネルギーを少しずつ放出している。これを自然放出光という。自然放出光は光増幅器自身によって増幅され、出力される。この増幅した自然放出光をＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）といい、このＡＳＥによる雑音をＡＳＥ雑音という。

しかし、このＡＳＥは、常に発生するわけではなく、ランダムに発生して信号光と干渉を起こす。そして、このＡＳＥの発生が光通信システムにおける雑音成分となる。光受信器はこの雑音成分が受信性能を左右する。そのため、光受信器の性能向上のためには、この雑音成分を精密に測定することが重要である。この雑音成分に対する光受信器の性能を表す指標は、光信号成分とＡＳＥ雑音成分の比をとった光信号対雑音比ＯＳＮＲ(Optical Signal to Noise Ratio)を用いる。長距離光伝送でどのような変復調方式を用いても、その受信特性に最も影響を与えるパラメータはＯＳＮＲである

ＯＳＮＲ測定の関連する技術は、光受信機に入力する光信号をまず分岐する。そして、光スペクトラムアナライザのような波長分光機能を有する測定器もしくは同等機能を有するデバイスを用いてＯＳＮＲを測定する。図６は関連する技術である光受信機のＯＳＮＲ測定装置である。入力する信号光を光分岐３０１し、光分光器３０２を用いてＯＳＮＲを測定するものである。
また、特許文献１は、等化電界データに基づいて光信号のＯＳＮＲを算出する手段を提示している。また、特許文献２は、信号光を受光し、アナログ電気信号に変換し、それをデジタル信号に変換し、そのデジタル信号処理により得られる情報から受信信号品質をモニタする手段を提示している。

特開２００９−１９８３６４号公報特開２０１０−２４５７７２号公報

上記の図６の方式によると、分岐によって主信号光パワーが減少し、また、高価な測定器や特殊な専用デバイスが必要となる。
また、特許文献１、２の方法によると、測定したパラメータからＯＳＮＲの算出をするために、予め光受信器を実際に測定し、あるいはシミュレーション等で既知の関係式を求める必要がある。この方式によると、光通信システムの各種変復調方式に対してそれぞれの関係式が用いられ、その都度測定やシミュレーションが必要となるという課題がある。
本発明は、主信号光に影響を与えること無く、かつ高価な測定器を必要とせず、また、事前に測定やシミュレーションが不要なＯＳＮＲ測定機能を有する光受信機、ＯＳＮＲ演算方法及びプログラムを提供することを目的とする。

一態様にかかる光受信器は、信号光を受信し、電気信号に変換して出力する光受信部と、前記光受信部の信号対雑音比（ＳＮＲ）の計算に必要なパラメータを前記光受信部より受信し、ＳＮＲを計算し、前記ＳＮＲと光信号対雑音比（ＯＳＮＲ）との関係式に基づいてＯＳＮＲを演算する演算処理部と、を備える。

一態様にかかる光受信器のＯＳＮＲ演算方法は、信号光を受信し、電気信号に変換して出力し、前記光受信部の信号対雑音比（ＳＮＲ）の計算に必要なパラメータを前記光受信部より受信し、ＳＮＲを計算し、前記ＳＮＲと光信号対雑音比（ＯＳＮＲ）との関係式に基づいてＯＳＮＲを演算する。

一態様にかかるプログラムは、信号光を受信し、電気信号に変換して出力し、前記光受信部の信号対雑音比（ＳＮＲ）の計算に必要なパラメータを前記光受信部より受信し、ＳＮＲを計算し、前記ＳＮＲと光信号対雑音比（ＯＳＮＲ）との関係式に基づいてＯＳＮＲを演算する処理を光受信器に実行させる。

本発明によると、主信号光に影響を与えること無く、かつ高価な測定器を必要とせず、また、事前に測定やシミュレーションが不要なＯＳＮＲ測定機能を有する光受信機、及び光受信方法を提供することができる。

本発明の実施の形態における光受信器１の図である。本発明の実施の形態における光受信器１の内部構成の図である。本発明の実施の形態における演算処理部２１１の機能ブロック図である。ＯＳＮＲ演算結果とＯＳＮＲ実測値との比較グラフである。本発明の実施の形態における、ＯＳＮＲ演算方法のフローチャートである。関連する技術のＯＳＮＲ測定方式である。

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。
図1は、本発明の一実施の形態としての光受信器１の構成を示している。光受信器１は、光受信部２００と、演算処理部２１１を備える。光受信部２００は、例えば、4値位相変調方式デジタルコヒーレント光受信機である。演算処理部２１１は、光受信部２００が出力したパラメータ２０８、２０９、２１０をモニタし、その値に基づいてＯＳＮＲを出力する。

図２において、光受信部２００は、局発光部(ＬＯ：Local Oscillator)２０３と、信号光の同相位相(In phase)信号光および直交位相(Quadrature phase)信号光を検出する９０度光ハイブリッド(90 Degree Optical Hybrid)部２０４と、高速光電変換部(ＨＳ−ＰＤ：High Speed Photodiode) ２０５と、アナログデジタル変換部(ＡＤＣ：Analog to Digital Converter)２０６と、信号処理部(ＤＳＰ：Digital Signal Processing)２０７とを備える。

図３は、演算処理部２１１の機能ブロック図である。演算処理部２１１は、受信部２２０と、記憶部２２１と、演算部２２２と、出力部２２３とを備える。演算処理部２１１は、光受信部２００が出力した局発光パワーと、光信号パワーと、ＰＤ受光感度と、増幅器の温度と、増幅器の負荷及びＢＥＲ（Ｑ値）との各種パラメータをモニタし、その値に基づいて信号光の光電変換後のＳＮＲを計算し、その値に基づいてＯＳＮＲを出力する。上記演算処理部２１１の構成は1例であり、ＯＳＮＲの演算結果を出力可能であればどのような構成を用いてもよい。

実施の形態の処理の説明
まず、図２の光受信部２００の処理を下記に示す。
図２において、光受信部２００が受信した光信号は、９０度光ハイブリッド部２０４において、同相位相(In phase)信号光および直交位相(Quadrature phase)信号光に分離される。そして、光受信部２００は、各信号光を検波して複調するために局発光２０３と干渉させる。その後、干渉された信号光は、高速光電変換部２０５において中間周波数帯の電気信号に変換される。局発光部２０３は、局発光パワー（Ｐ_ＬＯ）２０８を内部でモニタし、演算処理部２１１に出力する。

高速光電変換部２０５から出力された電気信号はアナログデジタル変換部(ＡＤＣ：Analog to Digital Converter)２０６においてデジタル信号にサンプリングされ、信号処理部(Digital Signal Processing, ＤＳＰ)２０７においてデジタルコヒーレント復調信号処理を行い、送信信号が復調される。この時、高速光電変換部２０５は、高速光電変換部パラメータ２０９（光信号パワー、ＰＤ受光感度、増幅器の温度、増幅器の負荷）をモニタし演算処理部２１１に出力する。信号処理部２０７において、誤り訂正によるＢＥＲ(Bit Error Rate)のモニタ、あるいは４値位相変調信号のコンスタレーションの分布からＱ値がモニタされる。信号処理部２０７は、ＢＥＲ、Ｑ値を演算処理部２１１に出力する。

次に演算処理部の処理を説明する。モニタ部２２０は、光受信部２００が出力した各パラメータ即ち、局発光パワー２０８と、高速光電変換部パラメータ２０９（光信号パワー、ＰＤ受光感度、増幅器の温度、増幅器の負荷）と、ＢＥＲ（Ｑ値）とを受信する。記憶部２２１は、ＯＳＮＲの演算式を記憶しており、また、光受信部２００が出力した各パラメータを記憶する。演算部２２２は、記憶部から以下に示す演算式と、各パラメータとを読み出し、各パラメータを用いてＯＳＮＲ演算を行う。出力部２２３は、演算部２２２が演算したＯＳＮＲを出力する。

パラメータの説明
次に、光受信部２００が出力する、ＯＳＮＲの演算に必要な各パラメータについて説明する。以下、特に記載がない限り、それぞれの量はＳＩ単位系で表されているものとする。
局発光部２０３は、局発光パワー２０８Ｐ_ＬＯ［ｄＢｍ］を出力する。局発光は、信号光との干渉に用いられる光なので、局発光パワー２０８を監視しても信号光には影響を与えない。高速光電変換部２０５は、信号光パワーＰ_ｓｉｇ、ＰＤ（Photodiode）受光感度Ｒ、増幅器の温度Ｔ、負荷Ｒ_Ｌを出力する。

ここで、信号光パワー２０８Ｐ_ｓｉｇは、高速光電変換部２０５が信号光を電気信号に変換した後の電力を計測し、出力しているので、信号光に影響を与えない。ＰＤ受光感度Ｒは、入力光のパワーと生成する光電流の比であり、出力電流［Ａ］、入射光量［Ｗ］として、Ａ／Ｗの単位で表される。増幅器の温度Ｔは、増幅器にかかる負荷と環境温度に依存するパラメータである。従って、光受信部２００の使用状況、周囲の温度によってＴは変化する。増幅器の負荷Ｒ_Ｌは、高速光電変換部２０５が備える増幅器の抵抗値である。

ＯＳＮＲの演算方法
次に光受信器１の、ＯＳＮＲの演算手法について以下に示す。
ＯＳＮＲは信号対雑音比（ＳＮＲ）と関係式が成り立つ。ここで、ＯＳＮＲは光信号対雑音比であるのに対し、ＳＮＲは光受信器１の電気回路部分のＳＮＲである。まず、受信機に入力するＳＮＲを演算する。本実施の形態に用いるＳＮＲは、光受信部１の電気回路部分のＳＮＲを演算する。光受信部１に入力する信号光パワーをＰ_ｓｉｇ、局発（ＬＯ）光パワーをＰ_ＬＯ、とし、ＰＤの受光感度をＲとすると、信号光とＬＯ光によりコヒーレント検波されたときに流れるＰＤ電流Ｉ_ｓｉｇの電力［ｄＢｍ］は、

と表わされる。
同様に、受信機に入力するＡＳＥ雑音光パワーをＰ_ａｓｅとすると、ＡＳＥ雑音光とＬＯ光のビート雑音電流Ｉ_{ａｓｅ−ＬＯ}の電力［ｄＢｍ／Ｈｚ］は、

と表わされる。
ＡＳＥ雑音光同士のビート雑音電流Ｉ_{ａｓｅ−ａｓｅ}の電力［ｄＢｍ／Ｈｚ］は、

と表わされる。

受信機のショット雑音に関する項を求める。ショット雑音とは、信号に現れる雑音の時間的ゆらぎである。電子電荷をｑとすると、ＰＤに流れるショット雑音電流Ｉ_ｓｈｏｔの電力［ｄＢｍ／Ｈｚ］は、

と表わされる。
受信機の増幅器の熱雑音電流Ｉ_{ｔｈｅｒｍａｌ}［ｄＢｍ／Ｈｚ］は、ボルツマン定数ｋ、増幅器の温度Ｔ、増幅器の負荷Ｒ_Ｌとすると、

と表わされる。
受信機に入力する信号対雑音比（ＳＮＲ）は、入力する信号と雑音成分の比であるので、

と表わされる。次に、光信号対雑音比ＯＳＮＲを演算する。ＯＳＮＲは、光信号成分とＡＳＥ雑音成分の比であるから、

と表わされる。また、

として、（７）、（８）、（９）、（１０）を（６）に代入すると、

というＳＮＲとＯＳＮＲの関係式が成り立つ。また、４値位相変調信号における受信Ｑ値とＳＮＲとの関係式、およびＱ値とＢＥＲの関係式は、

と、相補誤差関数erfc(complementary error function)を用いたＢＥＲとＱ値との一般的な関係式より、

と表わされる。この式（１２）、（１３）を上記のＳＮＲとＯＳＮＲの関係式（１１）に代入し、ＯＳＮＲについてまとめると、

のＯＳＮＲについての関係式が求まる。

上記式はＯＳＮＲについての２次方程式であり、この解を求めればＯＳＮＲが計算できる。このように、光受信器を構成する各部の各種パラメータ（Ｐ_ＬＯ、Ｐ_sig、Ｒ、Ｔ、Ｒ_Ｌ、ＢＥＲ）をモニタし、これらを用いてＯＳＮＲを計算できる。その結果、上記方法によると、専用の測定器や分光デバイスを用いないでＯＳＮＲを計算で求めることが可能になる。上記演算例は1例であり、ＯＳＮＲが演算可能な関係式であればどのようなものを用いてもよい。また、演算に用いる、モニタした各種パラメータも演算式に適合させるために適宜他のパラメータを用いてもよい。

ＯＳＮＲ演算処理の説明
次に光受信器１のＯＳＮＲ演算処理方法について下記に示す。図５は、光受信器１のＯＳＮＲ演算処理のフローチャートを示している。まず、ＯＳＮＲの演算に必要なパラメータである、光受信器１の局発光部２０３から局発光パワー２０８Ｐ_ＬＯの出力と、高速光電変換部２０５から高速光電変換部パラメータ２０９（信号光パワーＰ_sig、ＰＤ受光感度Ｒ、増幅器の温度Ｔ、増幅器の負荷Ｒ_Ｌ）を、信号処理部２０７からＢＥＲ（Ｑ値）２１０とを出力する（Ｓ１００）。

モニタ部２２０は、各パラメータ（局発光パワー２０８Ｐ_ＬＯ、高速光電変換部パラメータ２０９、ＢＥＲ（Ｑ値）２１０）を受信し、モニタする（Ｓ１０１）。モニタ部２２０は、上記各パラメータを出力し、記憶部２２１は、各パラメータを記憶する（Ｓ１０２）。演算部２２２は、記憶部より各パラメータと演算式を読み出し、ＯＳＮＲを演算する（ＳＳ１０３）。出力部２２３は、演算部２２２が演算したＯＳＮＲを出力する（Ｓ１０４）。

本実施の形態の効果
次に、本実施の形態で計算したＯＳＮＲが実測値と比した検証を以下に示す。図３は、実際に入力信号光パワーとＯＳＮＲを変化させたときの実測したＱ値から、ＯＳＮＲを未知パラメータとして計算した結果を示している。横軸に実測したＯＳＮＲ値、縦軸に計算より求めた推定したＯＳＮＲ値を示す。図３によると、入力信号光パワーを０ｄＢｍ、−１０ｄＢｍ、−１８ｄＢｍと変化させた各場合において、ＯＳＮＲが１０〜３０ｄＢの範囲で誤差約１ｄＢ以内の精度により推定したＯＳＮＲが実測したＯＳＮＲと一致していることがわかる。

本実施の形態は、ＯＳＮＲの計算に必要なパラメータである、光受信器に入力する信号光パワー、局発光パワー、増幅器の負荷、温度、ビット誤り率(ＢＥＲ：Bit Error Ratio)などを測定し、ＳＮＲを求め、ＳＮＲとＯＳＮＲの関係式からＯＳＮＲを計算により求めることを可能としている。このように、本実施の形態によると、関連する技術で必要とされていた、ＯＳＮＲをモニタするために追加の測定器や、主信号光の特性劣化に繋がるデバイスなどは不要であるため、主信号特性に影響を与えることなく、価格上昇なしでＯＳＮＲモニタが実現できる。また、本実施の形態は、パラメータからＯＳＮＲの算出をするために、予め光受信器を実際に測定し、あるいは、シミュレーション等で既知の関係式を求める必要がない。

上記の実施の形態によりＯＳＮＲを測定する場合、情報電気信号速度が４０Ｇｂｉｔ／ｓであっても、１００Ｇｂｉｔ／ｓであっても、上記制御処理には影響しないため、ＯＳＮＲの計算結果はBitRateの差異による依存性は生じない。そして、上記実施の形態は、変調方式が４値位相変調でなく、２値や８値の位相変調、あるいは従来のＮＲＺ(Non-Return-to-Zero)信号やＲＺ(Return-to-Zero)信号などの強度変調、さらにはｍ−ＱＡＭ(m値 Quadrature Amplitude Modulation)などの位相変調と強度変調を組み合わせた変調方式にも適用でき、変復調方式に依存せずＯＳＮＲを測定できるという効果がある。

その他の実施の形態
上記の実施の形態で説明したＯＳＮＲ測定方法は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を含む半導体処理装置を用いて実現されてもよい。また、これらの処理は、少なくとも１つのプロセッサ（e.g. マイクロプロセッサ、ＭＰＵ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor））を含むコンピュータシステムにプログラムを実行させることによって実現されてもよい。具体的には、これらの送信信号処理又は受信信号処理に関するアルゴリズムをコンピュータシステムに行わせるための命令群を含む１又は複数のプログラムを作成し、当該プログラムをコンピュータに供給すればよい。

これらのプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。

また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。上記の実施の形態は、４値位相変調方式(ＱＰＳＫ)を用いたが、例えば、４値位相変調信号を直交する２偏波で多重した偏波多重４値位相変調信号(ＰＭ−ＱＰＳＫ：Polarization Multiplexing - Quadrature Phase Shift Keying)や、８ＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ、２５６ＱＡＭ、又はそれ以上の多値変調方式に用いてもよい。

さらに、上述した実施の形態は本件発明者により得られた技術思想の適用に関する例に過ぎない。すなわち、当該技術思想は、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、種々の変更が可能であることは勿論である。

１光受信器
２００光受信部
２０３局発光部
２０４９０度光ハイブリッド部
２０５高速光電変換部
２０６アナログデジタル変換部
２０７信号処理部
２０８局発光パワー
２０９高速光電変換部パラメータ
２１０ＢＥＲ（Ｑ値）
２１１演算処理部
２２０受信部
２２１記憶部
２２２演算部
２２３出力部
３０１光分岐
３０２光分光器

Claims

信号光を受信し、電気信号に変換して出力する光受信部と、
前記光受信部から出力される各種パラメータをモニタし、当該各種パラメータを用いて光信号対雑音比（ＯＳＮＲ）を演算する演算処理部と、
を備え、
前記各種パラメータは、局発光パワーと、信号光パワーと、ＰＤ受光感度と、増幅器の温度と、増幅器の負荷と、ＢＥＲ値とである、
光受信器。
光受信器のＯＳＮＲ演算方法であって、
前記光受信器は、信号光を受信し、電気信号に変換して出力する光受信部を備え、
前記光受信部から出力される各種パラメータをモニタし、当該各種パラメータを用いて光信号対雑音比（ＯＳＮＲ）を演算し、
前記各種パラメータは、局発光パワーと、信号光パワーと、ＰＤ受光感度と、増幅器の温度と、増幅器の負荷と、ＢＥＲ値とである、
光受信器のＯＳＮＲ演算方法。
光受信器に実行させるプログラムであって、
前記光受信器は、信号光を受信し、電気信号に変換して出力する光受信部を備え、
前記光受信部から出力される各種パラメータをモニタし、当該各種パラメータを用いて光信号対雑音比（ＯＳＮＲ）を演算し、
前記各種パラメータは、局発光パワーと、信号光パワーと、ＰＤ受光感度と、増幅器の温度と、増幅器の負荷と、ＢＥＲ値とである、
処理を光受信器に実行させるプログラム。