JP6140281B2 - 多値振幅シフトキーイング変調信号を送信するための光送信機 - Google Patents

Description

本発明は、光通信システム、特に多値振幅シフトキーイング（ＡＳＫ）変調スキームを用いる通信システムの技術分野に関する。

コヒーレント検波を用いる光ファイバ伝送によって、長距離にわたって、非常に高いデータレート、例えば、典型的には１つの波長チャネル当たり１００Ｇｂ／ｓを実現することが可能となる。しかし、コヒーレント検波の解決策は、一部の用途、例えば、短距離伝送にとっては高価すぎる場合がある。したがって、高いデータレートを実現し、送信先ノードで、信号強度の直接検波、すなわち２乗検波との互換性が保たれた光伝送技法が必要である。

ある実施形態において、本発明は：
多値振幅シフトキーイング変調によって光信号を変調する光変調器、および
中心周波数成分に対して変調された光信号の高周波成分を増加させるように構成されたスペクトルフィルタを備える、多値振幅シフトキーイング変調された信号を送信するための光送信機を提供する。

実施形態によると、そうした光送信機は、以下の特徴の１つまたは複数を備えることができる。

実施形態において、多値ＡＳＫ変調は、４値ＡＳＫである。

実施形態において、光変調器のシンボルレートが、４０Ｇボーを上回り、例えば約５６Ｇボーである。

実施形態において、変調された光信号の高周波成分は、ｆ_０＋０．５Ｒよりも高い周波数を含み、ここでｆ_０は光信号の中心周波数であり、Ｒは光変調器のシンボルレートである。

実施形態において、変調された光信号の高周波成分は、ｆ_０＋０．７Ｒに等しい周波数を含む。

実施形態において、スペクトルフィルタは、光変調器を駆動するベースバンドの電気的信号をフィルタするように配置されたフィードフォーワードフィルタを備える。

実施形態において、フィードフォーワードフィルタは、負の設定可能な遅延タップ係数を有する単一の遅延タップを備える。

実施形態において、フィードフォーワードフィルタは、複数の設定可能な遅延タップ係数を有する複数の遅延タップを備える。

実施形態において、スペクトルフィルタは、変調された光信号を等化するための光スペクトルイコライザを備える。

実施形態において、光送信機は、送信された光信号の品質を測定するための品質測定モジュール、および測定された品質に応じてスペクトルフィルタを再構成するためのフィードバックコントローラを含むフィードバックループをさらに備える。

実施形態において、品質測定モジュールは、送信された光信号のアイダイアグラム開口を測定するように構成される。

実施形態において、品質測定モジュールは、送信された光信号の高周波成分と送信された光信号の中心周波数成分とのパワー比を測定するように構成される。

実施形態において、フィードバックコントローラは、測定されたアイダイアグラム開口またはパワー比が目標値よりも低いことに応答して、フィードフォーワードフィルタの負の遅延タップ係数の絶対値を増加させるように構成される。

実施形態において、フィードバックコントローラは、測定されたアイダイアグラム開口またはパワー比が目標値よりも低いことに応答して、光スペクトルイコライザの高周波チャネルの利得を増加させるように構成される。

実施形態において、光送信機は、光信号を生成するためのレーザ源をさらに含む。

実施形態において、本発明は：
上記の光送信機、
光受信機、および
光学領域で光受信機を光送信機に接続する光リンクを備える、光通信システムも提供する。

実施形態によると、そうした光通信システムは、以下の特徴の１つまたは複数を備えることができる。

実施形態において、光受信機は、２乗直接検波受信機である。

実施形態において、光通信システムの範囲は、１００ｋｍよりも短く、好ましくは１０ｋｍよりも短い。

本発明の態様は、２乗直接検波受信機によって首尾よく復調することができる高レートの多値ＡＳＫ信号を生成するという考え方に基づく。本発明の態様は、パワー等化によって高レートの多値ＡＳＫ信号における符号間干渉を低減させることが可能になるという観察に由来する。本発明の態様は、スペクトルフィルタの最適な構成を維持するためにスペクトルフィルタの係数を更新するためのフィードバックループを用いるという考え方に基づく。

本発明のこれらおよび他の態様は、例として、図面を参照することによって、以下で説明される実施形態から明らかとなり、明瞭となろう。

４値ＡＳＫ変調された光信号を生成するのに適した光送信機の機能表現である。 ４値ＡＳＫ変調された光信号のパワースペクトルを示すグラフである。 ある実施形態による光送信機の機能表現である。 図３の光送信機で用いられるフィードフォーワードフィルタの機能表現である。 単一のタップ係数のある値に対する図４のフィルタの伝達関数を示すグラフである。 単一のタップ係数のある値に対する図４のフィルタの伝達関数を示すグラフである。 図３の送信機を用いて得られる４値ＡＳＫ変調された光信号のパワースペクトルを示すグラフである。 品質評価モジュールによってモニタリングされた４値ＡＳＫ変調された光信号および２つのスペクトルバンドのパワースペクトルを示すグラフである。 ある実施形態におけるフィードバックループの動作を示す流れ図である。 別の実施形態による光送信機の機能表現である。

図１は、４値振幅シフトキーイング（４−ＡＳＫ）に基づいて１００Ｇｂ／ｓの変調された光信号を生成するための光送信機１を示す。そうした４−ＡＳＫ変調された信号は、直接検波を使用する短距離伝送に使用することができる。

送信機１は、２８ＧＨｚのクロックレートで４つのＮＲＺ符号化されたバイナリストリーム３を生成するバイナリ信号発生器２を備える。２つのマルチプレクサ４が２つのバイナリストリーム３をそれぞれ受信するように配置される。両方のバイナリストリーム３を５６Ｇｂ／ｓのＮＲＺ符号化されたバイナリストリーム６にインターリーブするため、マルチプレクサ４は、５６ＧＨｚのクロック信号５によって駆動される。結果として生じる５６Ｇｂ／ｓのバイナリストリーム６は両方とも、プッシュプルモードでマッハツェンダー変調器８（ＭＺＭ）を駆動するための４値の駆動信号Ｉおよび相補的な４値の信号

を生成する２ビットのディジタルアナログ変換器７に供給される。

プッシュプルモードとは、互いに逆位相を有するバイナリ駆動信号がＭＺＭ８のデータ入力端子および反転データ入力端子に入力され、それらのバイナリ駆動信号のピーク電圧がマッハツェンダー干渉計の半波長電圧に設定されることを意味する。

ＭＺＭ８は、レーザ源９から光搬送波を受信し、シンボルレートＲ＝５６Ｇボー、すなわち、１１２のＧｂ／ｓと等価な４−ＡＳＫ変調を搬送する変調された光信号１０を出力する。

結果として生じる変調された信号１０のパワースペクトルを図２で見ることができる。そうした高いボーレートの多値の変調された信号を生成する能力は、電気的なドライバー７および光変調器８の帯域幅の組み合わせによって制限される。低電圧駆動を用いる商用の光変調器は、通常３５ＧＨｚを下回る３ｄＢ帯域幅を有する。

送信機の帯域幅制限は、高周波成分の大きなフィルタリングを引き起こし、まったく閉じた４値光アイダイアグラムをもたらす。５６Ｇボー４−ＡＳＫ信号１０に対する帯域幅制限は、図２において、搬送周波数ｆ_０から０．７ｘＲに位置するスペクトル成分の１２ｄＢの減衰によって可視化されている。これらの制限は、送信機の性能を著しく劣化させる符号間干渉（ＩＳＩ）を引き起こす。

等化は、高周波のスペクトル成分を強調することによって、そうした帯域幅制限を緩和するために用いられることがある。例えば、フィードフォワードイコライザ（ＦＦＥ）が電気的または光学的な領域のいずれかで使用され実装されることがある。

ここで、図３から図１０を参照して、符号間干渉（ＩＳＩ）により引き起こされるペナルティを緩和するために、光学的または電気的スペクトル等化が用いられる類似の光送信機の実施形態について説明する。図１の要素と同一または同様の要素は、図１と同一の数字によって指定される。

図４の実施形態では、スペクトル等化は、ディジタルアナログ変換器７と光変調器８との間に配置されたフィードフォワードイコライザ１１によって電気的な領域で実現される。また、増幅器がＤＡＣ７とフィードフォワードイコライザ１１との間に配置されてもよい。

図４に示す実施形態では、ＦＦＥ１１は、単一のタップ係数ａを有する単一遅延タップイコライザである。図４で、τは、１つの符号の遅延を示す。この単一遅延タップイコライザの伝達関数Ｈ（ｆ）は、次式のとおりである。

Ｈ（ｆ）＝（１＋ａ・ｅ^{−ｉ２πｆτ}）／２ （式１）

図５および６は、タップ係数ａの２つの異なる値に対するフィルタ利得を周波数の関数として示す。特に、タップ係数ａの負の値は、ｆ_０の中心周波数成分に対して高周波スペクトル成分を増幅する結果となる。遅延タップ係数ａの絶対値を増加させることによって、高周波成分のプリエンファシスが増加する。実際、図６のイコライザ応答は、図５のイコライザ応答よりも明白な高周波成分のプリエンファシスを有する。

遅延タップ係数ａを調整することによって、イコライザの伝達関数Ｈ（ｆ）は、電気的なドライバーによって減衰した高周波成分、例えば、
ｆ−ｆ_０＝０．７Ｒ （式２）
における高周波成分の最適な増幅を実現するように修正されうる。

図７は、図２で論じたものと同じ４−ＡＳＫ変調された信号１０のスペクトルを示し、駆動信号が、ここでは図６に示す伝達関数によってスペクトル的に等化されている。

フィルタリングによって、変調された信号の低周波成分と高周波成分との間のパワー不一致が低減される。図７でわかるように、等化されたスペクトルは、より平坦であり、その結果対応するアイダイアグラムがより開くようになる。

好ましい実施形態では、最高の性能をもたらすイコライザ１１の最適な構成は、電気的なドライバーおよび光変調器の両方の特性に応じて自動的に決定される。送信先で用いられる光受信機１５が２乗直接検波に依拠する場合、これは特に有用である。

４−ＡＳＫ送信機１の特性に応じてイコライザ応答を調整するために、図３の送信機は、フィードバックループ２０をさらに含む。１％光学スプリッタ１２に続いて広帯域のフォトダイオード１３を使用して、品質評価モジュール２１が、等化された信号の品質を評価し、測定値に応じてＦＦＥ１１を再構成する制御モジュール２２に品質測定信号２３を供給する。例えば、品質評価モジュール２１は、矢印２４によって示すように分光分析によるスペクトルの平坦性、または矢印２５によって示すように時間領域解析によるアイダイアグラムの開口を測定する。

制御モジュール２２は、フィルタ係数を調整することによって、またはルックアップテーブルに格納された所定のフィルタプロファイルを選択することによって、最高品質の４−ＡＳＫ等化信号を生成するイコライザ構成を選択する。

図８および９に示す実施形態では、品質評価モジュール２１は、異なる周波数、典型的には、搬送周波数ｆ_０に近い第１の周波数帯３３および搬送周波数ｆ_０から０．７ｘＲに位置する第２の周波数帯３４において、信号のパワースペクトル密度を測定するための１対のバンドパスフィルタ３１および３２を備える。低周波スペクトル成分と高周波スペクトル成分との間のバランスを評価するために、品質評価モジュール２１は、これらの２つの測定値から得られるｄＢを単位とするパワー比を計算し、そのデータを測定信号２３として制御モジュール２２に提供する。制御モジュール２２は、計算された比率を事前設定された目標値と比較する。目標値は、較正プロセスを使用して規定されうる。図７に示す例において、低周波成分と高周波成分との間の５ｄＢのパワー比は、適切な目標値と考えられる。

計算された比率が事前設定された目標を上回る場合、制御モジュール２２は、フィルタ１１を調整し、例えば、フィルタ１１の遅延タップ係数の絶対値ａを増加させる。

実施形態では、品質評価モジュール２１は、次式のように規定される時間領域の品質係数を計算することによって、アイダイアグラムの開口を測定する。

ここで、Ｉ_ｋは信号のｋ番目のレベルの平均値を表わし、σ_ｋはその標準偏差を表わす。

上記の実施形態では、等化はＦＦＥ１１を使用して電気的領域で行なわれる。しかし、光スペクトルイコライザ、例えば、Ｆｉｎｉｓａｒ社・米国から入手可能なＷａｖｅＳｈａｐｅｒ（Ｒ）として知られているデバイスを使用して、光学的領域で同じ等化を行なうことができる。対応する実施形態が図１０に示され、光スペクトルイコライザ３０がＭＺＭ８と光学スプリッタ１２との間に配置されている。選択された等化のタイプが図３のような電気的または図１０のような光学的のいずれであっても、同様のフィードバックループ２０が適用されうる。実施形態では、増幅器がＤＡＣ７と光変調器８との間に配置されている。

上記の送信機は、１ｋｍの光リンク１７を備えた短距離光通信システムにおいて首尾よくテストされた。しかし、当業者には理解されるように、そうしたシステムの達成可能な範囲は、いくつかのパラメータに依存する。光増幅器および電気的増幅器は、範囲を調整するためにシステムの様々な箇所に配置されうる。

品質評価および制御モジュールなどの要素は、例えば、例えばＡＳＩＣのようなハードウェア手段、またはハードウェア手段とソフトウェア手段の、例えばＡＳＩＣとＦＰＧＡの組み合わせ、あるいは少なくとも１つのマイクロプロセッサ、および内部にソフトウェアモジュールが存する少なくとも１つのメモリであってもよい。

本発明は、説明した実施形態に限定されていない。添付の特許請求の範囲は、ここで記載した基本的な教示の範囲内に正当に入る、当業者が思いつくことができる変更形態および代替構造をすべて具現化しているとして解釈されるべきである。

動詞「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」または「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、およびその活用形の使用は、特許請求の範囲で述べられたもの以外の要素またはステップの存在を排除しない。さらに、ある要素またはステップの直前の冠詞「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」の使用は、複数のそうした要素またはステップの存在を排除しない。

特許請求の範囲において、かっこ内に配置されたいかなる参照符号も、特許請求の範囲を限定すると解釈されないものとする。

Claims (14)

1. 多値振幅シフトキーイング変調によって光信号を変調するための光変調器（８）、および光変調器の帯域幅制限に起因するペナルティを緩和するために変調された光信号の高周波成分（３４）を中心周波数成分（３３）に対して増加させるように構成されたスペクトルフィルタ（１１、３０）を備え、
   送信された光信号の品質を測定するための品質測定モジュール（２１）、および測定された品質に応じてスペクトルフィルタを再構成するためのフィードバックコントローラ（２２）を含むフィードバックループ（２０）をさらに備える、多値振幅シフトキーイング変調信号を送信するための光送信機。
2. 多値ＡＳＫ変調が４値ＡＳＫである、請求項１に記載の光送信機。
3. 光変調器のシンボルレートが４０Ｇボーを上回る、請求項１または２に記載の光送信機。
4. 変調された光信号の高周波成分（３４）がｆ_０＋０．５Ｒよりも高い周波数を含み、ｆ_０が光信号の中心周波数、Ｒが光変調器のシンボルレートである、請求項１から３のいずれか一項に記載の光送信機。
5. 変調された光信号の高周波成分（３４）がｆ_０＋０．７Ｒに等しい周波数を含む、請求項４に記載の光送信機。
6. スペクトルフィルタが光変調器（８）を駆動するベースバンドの電気的信号をフィルタするように配置されたフィードフォーワードフィルタ（１１）を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の光送信機。
7. フィードフォーワードフィルタ（１１）が負の設定可能な遅延タップ係数を有する単一の遅延タップを備える、請求項６に記載の光送信機。
8. フィードフォーワードフィルタが複数の設定可能な遅延タップ係数を有する複数の遅延タップを備える、請求項６に記載の光送信機。
9. スペクトルフィルタが変調された光信号を等化するための光スペクトルイコライザ（３０）を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の光送信機。
10. 品質測定モジュール（２１）が送信された光信号のアイダイアグラム開口（２５）を測定するように構成される、請求項１に記載の光送信機。
11. 品質測定モジュール（２１）が送信された光信号の高周波成分と送信された光信号の中心周波数成分とのパワー比（２３）を測定するように構成される、請求項１に記載の光送信機。
12. フィードバックコントローラ（２２）が、測定されたアイダイアグラム開口またはパワー比が目標値よりも低いことに応答して、フィードフォーワードフィルタの負の遅延タップ係数の絶対値を増加させるように構成される、請求項６と組み合わせた請求項１０から１１のいずれか一項に記載の光送信機。
13. フィードバックコントローラ（２２）が、測定されたアイダイアグラム開口またはパワー比が目標値よりも低いことに応答して、光スペクトルイコライザ（３０）の高周波チャネルの利得を増加させるように構成される、請求項９と組み合わせた請求項１０から１１のいずれか一項に記載の光送信機。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の光送信機、光受信機（１５）、および光学領域で光受信機を光送信機に接続する光リンク（１７）を備える光通信システムであって、光受信機が２乗直接検波受信機であり、光通信システムの範囲が１００ｋｍよりも短い、光通信システム。

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