JP6251269B2 - 400gの信号生成およびコヒーレント検出のためのシステムおよび方法 - Google Patents

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Description

本発明は、通信システムに関し、特に、400Gの信号生成およびコヒーレント検出のためのシステムおよび方法に関する。
PM−QPSKに基づく100Gのコヒーレント伝送の急速な商用化に伴い、チャネル当たり400Gの伝送が次のステップの容量拡張の後継候補の一つとなっている(参考文献1参照)。400G伝送のための技術の選択肢は、産業研究のコミュニティにおいて鋭意研究されており、それはシンボルレートの増加、結合されたチャネルの数の増加、変調のレベルの数の増加、またはそれらの組み合わせにより理解される(参考文献2〜4参照)。波長あたり56GボーのシングルキャリアPM−16QAMを用いる方法は、電気的マルチプレクサー、光変調器、およびアナログ・デジタル変換器等の末端から末端までの一群の装置の不十分な帯域幅によって主に制限される(参考文献5参照)。28GボーのデュアルキャリアPM−16QAMや32ボーの5キャリアPM−32QAMのような減少されたまたは低い帯域幅を要求する方法は、8b/sHzまでの周波数利用効率(SE:spectral efficiency)を示しているが、残念ながら、実現された最大伝送距離の範囲である800〜1200kmは、減少した非線形のトレランスおよび高いOSNR要求を扱うための特別な超広域ファイバー(ULAF)およびラマン増幅なしでは達成できない。一方、ナイキスト波長分割多重化(N−WDM)の方法により確立された多数のPM−QPSKチャネルをパッキングすることは、現実的な100Gを超えるソリューションとして考えられる。N−WDMの技術は、SEとチャネル間干渉(ICI)およびシンボル間干渉(ISI)により引き起こされる減損との間のトレードオフを最適化するためのスペクトラルフィルタリングによるパルス成形に依存し、シンボルレートに対するチャネル間隔の推奨される割合は、約1.1である。高いSEを実現するために、その割合をさらに減少させるためには、不要なノイズおよび線形クロストーク線形等化処理を抑制するために受信側におけるDSPアルゴリズムのイノベーションが必要となる(参考文献6)。
本明細書において、合計のチャネルラインレートが512Gb/sのクアッドキャリアPM−QPSKに基づく400Gの生成および伝送ソリューションが示される。まず、チャネル/シンボルレートに対するキャリア間隔の割合は0.78まで下げられ、ネットのSEは4b/sHzまで下げられている。間に保護帯域のない2つの400G信号が、SMF−28ファイバーのスパン、EDFA、およびカスケードされたインラインのROADMの結果としての帯域幅を狭くする効果をエミュレートするための100GHz幅の波長選択スイッチ(WSS)を有する再循環ループ上を送信される。その結果は、WWSの通過帯域のエッジのチャネルについても、軟判定のプレFECリミットの2×10−2を下回るBERにおいて、2400kmを超える距離が達成された。
本発明の態様は、通信システムにおいて信号を生成および検出するシステムおよび方法を含み、一つの態様は、400Gの信号の生成およびコヒーレント検出のためのシステムおよび方法である。
他の態様において、マルチモジュラスのブラインド等化(MMBE)に基づく直交デュオバイナリー(QDB)スペクトラム形状の偏波多重直交位相シフトキーイング(PM−QPSK)のための新規なデジタル信号処理スキーム(DSP)が、シミュレーションおよび実験結果として示される。この新規なデジタル信号処理スキームのキーとなるアルゴリズムは、ブラインド偏波分離、マルチモジュラスQPSK分割周波数オフセット評価(FOE)および最大見込みフェーズ評価を伴う二つのステージのキャリアフェーズリカバリー(CPR)のためのカスケードされたマルチモジュラスアルゴリズム(CMMA)を含む。最後の信号は、データBER計測のための最大見込みシーケンス検出(MLSD)によって検出される。提案されるデジタル信号処理の実現可能性は、ナイキストWDMチャネルのための25GHzの帯域幅の波形形成を伴う112Gb/sのQDBスペクトラム形状のPM−QPSK信号の実験によって示される。
[請求項1]
複数のマルチキャリア光信号を伝送する方法であって、
少なくとも一つのモジュレーターによって、前記複数のマルチキャリア光信号の各偏波コンポーネントを変調された偏波コンポーネントに変調するステップと、
少なくとも一つのコンバイナーによって、前記複数の光信号の変調された前記各偏波コンポーネントを複素平面において3値ASKベクトルを重ね合わせて9QAM信号を形成する複数の変調された光信号に統合するステップと、
少なくとも一つの光カプラーによって、前記複数の変調された光信号を統合および変調された一つの光信号に結合するステップと、
を有する方法。
[請求項2]
光増幅器によって、前記統合および変調された光信号を増幅するステップをさらに有する請求項1に記載の方法。
[請求項3]
光ファイバー上において、前記統合および変調された光信号を伝送するステップをさらに有する請求項2に記載の方法。
[請求項8]
複数のマルチキャリア光信号を伝送するためのトランスミッターであって、
前記複数のマルチキャリア光信号の各偏波コンポーネントを変調された偏波コンポーネントに変調するように構成される少なくとも一つのモジュレーターと、
前記複数の光信号の変調された前記各偏波コンポーネントを複素平面において3値ASKベクトルを重ね合わせて9QAM信号を形成する複数の変調された光信号に統合するように構成される少なくとも一つのコンバイナーと、
前記複数の変調された光信号を統合および変調された一つの光信号に結合するように構成される少なくとも一つの光カプラーと、
を有するトランスミッター。
[請求項9]
前記統合および変調された光信号を増幅するように構成される光増幅器をさらに有する請求項8に記載のトランスミッター。
[請求項14]
内部に指示が記憶されたコンピューター読み取り可能な媒体を含む製品であって、
少なくとも一つのモジュレーターによって、複数のマルチキャリア光信号の各偏波コンポーネントを変調された偏波コンポーネントに変調するための指示と、
少なくとも一つのコンバイナーによって、前記複数の光信号の変調された前記各偏波コンポーネントを複素平面において3値ASKベクトルを重ね合わせて9QAM信号を形成する複数の変調された光信号に統合するための指示と、
少なくとも一つの光カプラーによって、前記複数の変調された光信号を統合および変調された一つの光信号に結合するための指示と、
を含む製品。
[請求項15]
光増幅器によって、前記統合および変調された光信号を増幅するための指示をさらに有する請求項14に記載の製品。
[請求項16]
光ファイバー上において、前記統合および変調された光信号を伝送するための指示をさらに有する請求項15に記載の製品。
[請求項21]
前記光信号は、512Gb/sおよび400Gb/sのグループから選択されるビットレートを有する請求項1に記載の方法。
[請求項23]
前記光信号は、512Gb/sおよび400Gb/sのグループから選択されるビットレートを有する請求項8に記載のトランスミッター。
[請求項25]
前記光信号は、512Gb/sおよび400Gb/sのグループから選択されるビットレートを有する請求項14に記載の製品。
ネットのSEが4b/sHzのクアッドキャリアPM−QPSKに基づく400G伝送のための実験構成を示す図である。 デジタルT−DAFによる9−QAM信号生成を示す図である。 連続的なBERの曲線を示す図である。 波長のオフセットの関数として計測されたQ2要素およびOSNRの低下を示す図である。 伝送距離に対するBERのパフォーマンスを示す図である。 400Gのトランスミッターとレシーバーの構成図である。 図6に示される400Gのトランスミッターとレシーバー構成101を示す図である。
図1は、4b/sHzのクアッドキャリアPM−QPSKに基づく400G伝送のための実験構成を示し、当該構成は、最大伝送距離において研究するために再循環ループにおいて100GHzのインラインのWSSを含み、また、ROADMの最大の数は、可能性として達成され超過されうる。8つの外部キャビティレーザー(ECL)が、CW光源アレイとして用いられ、それらは25GHzにおいて配置された偶数および奇数のチャネルにグループ化される。それらのそれぞれは、100kHzより少ない線幅と14.5dBmのトータル出力を有する。偶数/奇数の光源は、50:50の偏波保持光カプラー(OCPM)を用いて統合される。チャネル変調は、同相/直交相変調器(IQMod)および偏波マルチプレクサーを有する。各IQModは、211−1のワード長の32Gb/sにおいて、2つのセットの相関のない擬似乱数ビットシーケンス(PRBS)によって駆動される。その後、各QPSKチャネルのラインレートは、P−MUXを用いることによって2倍になる。128Gb/sにおいて、全てのPM−QPSKチャネルは、24%のSD−FECおよび4%のプロトコルオーバーヘッドという両方の仮定のもと、スペクトル領域において積極的に形成され、25GHzの波長選択スイッチ(WSS)を介して同時に統合される。集められたチャネルは、チャネル当たり1dBmの出力のエルビウムドープ光ファイバー増幅器によりブーストされる。そして、25GHzのグリッドにおいて生成された8×128Gb/sのチャネルが存在する。これは、図1の挿入図に示すように、間に保護帯域がなく、それぞれ100GHzのスペクトル幅を占有する2つの独立した400G(512Gb/sのクワッドキャリアPM−QPSK)のチャネルとして観察される。
再循環ループは、平均のスパンロスが17.5dBで、波長分散係数が17ps/km/nmである5つのスパンの80kmのSMF−28と、ループコントロールスイッチと、デュアルステージのCバンドEDFAから構成される。インラインの分散補償モジュールがないことに留意されたい。より重要な点としては、伝送経路に沿ったカスケードの狭くするフィルターの効果に対する512Gb/sのクワッドキャリアPM−QPSK信号のトレランスを研究するために、100GHzのアッド/ドロップフィルターとなるようにプログラムされた他のWSSがループに配置された。2つの512Gb/s信号は、WSSの共通ポートにフィードされ、それらはフィルターされてポート1およびポート2にそれぞれルーティングされる。両方の信号は、相関除去のために一方が遅延された50:50のOCを用いて再結合される。
コヒーレントレシーバー(Co.Rx)よりも先に、PM−QPSKチャネルの重要度を選択するために、3dBの0.4nmの帯域幅の調整可能な光学バンドパスフィルター(OBPF)が採用される。Co.Rxの光学的なフロントエンドは、線幅が100kHzよりも小さいファイバーレーザーローカルオシレーター(LO)と、偏波および位相ダイバーシティのための90度のハイブリッドと、4つのバランスされた光検出器から構成される。出力波形は、50GSa/sおよび18GHzにおいてオペレートされるアナログデジタルコンバーター(ADC)を備えたリアルタイムスコープを使用してキャプチャーされる。デジタル信号処理のために、第1に、「スクエアアンドフィルター」の方法を使用することによりクロックが取り出され、デジタル化された信号は、再生されたクロックに基づいて、シンボルレートの2倍において再びサンプリングされる。第2に、電子分散補償(EDC)のために、T/2でスペースされた時間領域の有限インパルス応答(FIR)のフィルターが、使用された。第3に、従来の定数モジュラスアルゴリズム(CMA)を使用することによる偏波回復および残留波長分散補償が、23タップで、T/2でスペースされた順応性のFIRフィルターを用いて行われた。最後に、高速フーリエ変換手法による周波数オフセット評価および第4のパワーのビタビア−ビタビアアルゴリズムによるキャリアフェーズ回復を含むキャリア回復が実行された。
PM−QPSK復調のためのこれらの従来のアルゴリズムに加えて、この特定の調査ワークにおいて、我々は、積極的なチャネルフィルタリングにおいて線形等化器を使用することによる不要なノイズおよび線形クロストークの増加を抑制するために、キャリアフェーズ評価段階の後のDSPフローに線形のTにスペースされたディレイ−アッドフィルター(T−DAF)を追加的に含めた(参考文献6)。また、このようなT−DAFは、レングスが1しかない短いメモリーによるMLSEの採用を可能にし、さらに伝送損失の補償を可能にした。集合の観点からは、このT−DAFデジタルフィルターの効果は、オリジナルの回復された4点のQPSKを、9点の直交デュオバイナリー信号に変換できる。この伝送の進化は、図2に示される。ディレイ−アッドの効果の結果として、2値ASKの同相および直交の構成が消え、独立して2つの3値ASKのシンボル群に変化した。9QAM信号の生成メカニズムは、複素平面における2つの3値ASKベクトルの重ね合わせと考えられ、集合のポイントのサイズはT−DAFデジタルフィルタリングの後に生成されるポイントの相対数を示す。図3は、32Gボーにおける近接したチャネルがある場合とない場合のBTB−BER曲線を示す。BERが2×10−2の場合、要求されるOSNRは単一チャネルおよびN−WDMの場合についてそれぞれ14.9および15.8dBである。挿入図は、N−WDMの場合において、OSNRが19.2dBのときのオリジナルのQPSKおよびデュオバイナリーに形成されたQPSKの受信された集合をそれぞれ示す。提案されたN−WDMの伝送において、シンボルレートに対するチャネル間隔の割合は、0.78と低いため、システムのパフォーマンスにおける各PM−QPSKチャネルおよびWSSの対応する通過帯域のウィンドウ間における波長オフセットの影響を知ることは重要である。図4は、BTBシングルチャネル計測における波長オフセット(マイナスのオフセットは対照的な影響を示す)の結果としてのQ要素およびOSNRの減少示す。3GHzよりも小さい波長オフセットにおいて、Q要素は平均0.5dB/GHz減少し、3GHzを超えると、1.1dB/GHzまで悪化する。挿入図は、波長オフセットがある場合とない場合の128Gb/sにおけるフィルターされたPM−QPSKチャネルの計測された光スペクトル示す。図5は、異なるチャネルに関して複数の距離計測ポイントにおいて計測されたBERを示す。BERが2×10−2より小さい場合、Ch#2は2800kmを超えて送信され、一方Ch#4については、最大距離は400km短くなる。これは、Ch#4がWSSの通過帯域のエッジにあり、本質的に帯域幅が狭くなる不利益を被るためである。しかし、クワッドキャリアのPM−QPSK手法を用いた400G伝送は、明らかに、ネットの周波数利用効率が4b/sHzで100GHzのグリッドにおいて、少なくとも2400kmに到達している。挿入図は、OSNRが20.4dBで2400km伝送された後に受信された光スペクトルを示す。
400Gのトランスミッターおよびレシーバーの構成が図6に示され、101、102、103、104、105および106として識別される構成を有する。図6の構成101は、図7においてより詳細に示される。各構成のさらに詳細な説明は以下の通りである。
図7に示される101について、レーザーは、分布フィードバックレーザー、10MHzよりも小さい線幅を有する外部キャビティレーザーのようないかなるレーザーでもよい。I/Qモジュレーターは、IおよびQの電子信号により駆動される。IまたはQのビットレートは、25〜34Gb/sのバイナリーのオン/オフ変調データである。偏波ビームコンバイナーは、2つの偏波信号を統合するために使用される。隣り合うレーザーの間隔は、400Gb/s信号のために100GHzを占有するように、25GHzである。
102は、つなぎ合わせられた光学カプラー、光学インターリーバー、アレイ導波路回折格子または他の光学カプラーでもよい。
103は、光増幅器であり、エルビウムドープ光ファイバー増幅器、ラマン増幅器または他の光増幅器でもよい。
104は、光ファイバーであり、標準的なシングルモードのファイバーまたは他の特別なファイバーでもよい。
105は、光フィルターであり、調整可能な光ファイバー、WDMカプラー、アレイ導波路回折格子または他の光学フィルターである。システムは、光学フィルターがなくても動作する。
106は、コヒーレント検出器であり、特別なデジタル信号処理による通常のコヒーレント検出の詳細は、「デジタルフィルター、パーシャルレスポンスイコライザー、デジタルコヒーレントレシーバー装置および方法」というタイトルで2011年12月30日に出願された米国仮特許出願61/581,946に記載され、その全てが本明細書に包含される。
結論
マルチモジュラスのブラインド等化(MMBE)に基づく直交デュオバイナリー(QDB)スペクトラム形状の偏波多重直交位相シフトキーイング(PM−QPSK)のための新規なデジタル信号処理スキーム(DSP)が、シミュレーションおよび実験結果として示される。この新規なデジタル信号処理スキームのキーとなるアルゴリズムは、ブラインド偏波分離、マルチモジュラスQPSK分割周波数オフセット評価(FOE)および最大尤度フェーズ評価を伴う二つのステージのキャリアフェーズリカバリー(CPR)のためのカスケードされたマルチモジュラスアルゴリズム(CMMA)を含む。最後の信号は、データBER計測のための最大尤度シーケンス検出(MLSD)によって検出される。提案されるデジタル信号処理の実現可能性は、ナイキストWDMチャネルのための25GHzの帯域幅の波形形成を伴う112Gb/sのQDBスペクトラム形状のPM−QPSK信号の実験によって示される。
他の側面において、ネットの周波数利用効率が4b/sHzのナイキストクワッドキャリアPM−QPSK技術を使用した長距離の400G伝送のための実験的なデモンストレーションがなされた。コヒーレントレシーバーにおけるDSPフローに付加されるTでスペースされたディレイ−アッドフィルター(T−DAF)および1ビットのMLSEによって、シンボルレートに対するチャネル間隔が0.78%と小さい場合でも、増強されるノイズおよび線形クロストークが効果的に抑止される。この結果は、帯域幅を狭くする効果があっても、プレFECリミットの2×10−2を下回るBERにおいて、512Gb/sのクワッドキャリアPM−QPSK信号の2400kmのSMF−28伝送が実現された。
本発明の方法および装置は、単純および複合したコンピューターを含む機器および装置を採用して実行されてもよいものと理解されるべきである。さらに、上記のアーキテクチュアおよび方法は、一部または全部が、機械可読媒体の形状において記憶される。たとえば、本発明の機能は、たとえば、ディスクドライブ(またはコンピューター読み取り可能な媒体のドライブ)を介してアクセス可能な磁気ディスクまたは光学ディスクなどの機械可読媒体に記憶される。あるいは、上述の機能を実行するためのロジックは、追加のコンピューターおよび/または機械可読媒体、たとえば、大規模集積回路(LSI)としての個々のハードウェアコンポーネント、特定用途向け集積回路(ASIC)、電気的に消去可能なプログラマブル読み出し専用メモリ(EEPROM)等のファームウェアにおいて実装されてもよい。ある実施形態の実施は、機械に実装される形式、ウェブ実装形式、コンピューターソフトウェアの形式を含む。
本発明の態様は示され記載されたが、本発明の思想から外れることなく多くのさらなる修正が可能であることは当業者にとって明らかである。したがって、本発明は下記の請求の範囲の思想以外によって制限されない。
謝辞
本調査研究は、中国の国家先端技術研究開発プログラム(No.2012AA011303)により支援されている。
参考文献
[1]X.Zhou等、Proc.ECOC’11,We.8.B.2,(2011年)
[2]V.A.J.M.Sleiffer等、Proc.OFC’12,OW4C.3,(2012年)
[3]F.Buchali等、Proc.OFC’12,OW4C.4,(2012年)
[4]X.Liu等、Proc.OFC’11,JThA37(2011年)
[5]P.J.Winzer等、Proc.ECOC’10,PDP2.2,(2010年)
[6]J.Li等、Proc.OFC’12,OM3H.2,(2012年)

Claims (15)

  1. 受信したマルチキャリアのパーシャルレスポンス光信号をパーシャルレスポンスデジタル信号に変換するフロントエンドのレシーバーであって、
    プレフィルタリングされたフルレスポンスのデジタル信号を等化するための等化装置と、
    前記等化装置によって等化された前記信号のキャリアリカバリーを行うためのフルレスポンスキャリアリカバリー装置と、
    前記フルレスポンスキャリアリカバリー装置によってキャリアリカバリーが行われた前記信号をポストフィルタリングするためのポストフィルターと、
    を有し、
    前記フロントエンドは、カスケードされたマルチモジュラスアルゴリズム、マルチモジュラスQPSK分割周波数オフセット評価、および最大見込みフェーズ評価を伴う二つのステージのキャリアフェーズリカバリーによって、受信した前記光信号においてブラインド偏波分離を実行するように動作可能なレシーバー。
  2. ポストフィルタリングされた前記信号を検出するパーシャルレスポンスデータ検出装置をさらに有する請求項1に記載のレシーバー。
  3. 前記パーシャルレスポンスデータ検出装置は、シンボルごとの検出を行う検出装置である請求項2に記載のレシーバー。
  4. 前記パーシャルレスポンスデータ検出装置は、最大尤度シーケンスによる検出を行う装置である請求項2に記載のレシーバー。
  5. 光通信システムにおいてマルチキャリア信号を受信するための方法であって、
    受信したマルチキャリアのパーシャルレスポンス光信号をパーシャルレスポンスデジタル信号に変換するステップと、
    プレフィルタリングされたフルレスポンスのデジタル信号を等化するステップと、
    等化装置によって等化された前記信号のキャリアリカバリーを行うステップと、
    フルレスポンスキャリアリカバリー装置によってキャリアリカバリーが行われた前記信号をポストフィルタリングするステップと、
    を含み、
    カスケードされたマルチモジュラスアルゴリズム、マルチモジュラスQPSK分割周波数オフセット評価、および最大見込みフェーズ評価を伴う二つのステージのキャリアフェーズリカバリーによって、受信した前記光信号においてブラインド偏波分離を実行するステップをさらに含む方法。
  6. ポストフィルタリングされた前記信号を検出するステップをさらに有する請求項5に記載の方法。
  7. 前記検出するステップは、シンボルごとの検出を含む請求項6に記載の方法。
  8. 前記検出するステップは、最大尤度シーケンスによる検出を含む請求項6に記載の方法。
  9. 信したパーシャルレスポンスマルチキャリア光信号をパーシャルレスポンスデジタル信号に変換するための指示と、
    プレフィルタリングされたフルレスポンスのデジタル信号を等化するための指示と、
    等化装置によって等化された前記信号のキャリアリカバリーを行うための指示と、
    フルレスポンスキャリアリカバリー装置によってキャリアリカバリーが行われた前記信号をポストフィルタリングするための指示と、
    コンピューターに実行させるためのコンピュータープログラムであって
    カスケードされたマルチモジュラスアルゴリズム、マルチモジュラスQPSK分割周波数オフセット評価、および最大見込みフェーズ評価を伴う二つのステージのキャリアフェーズリカバリーによって、受信した前記光信号においてブラインド偏波分離を実行するための指示をさらに含むコンピュータープログラム
  10. ポストフィルタリングされた前記信号を検出するための指示をさらに有する請求項9に記載のコンピュータープログラム
  11. 前記検出は、シンボルごとの検出を含む請求項10に記載のコンピュータープログラム
  12. 前記検出は、最大尤度シーケンスによる検出を含む請求項10に記載のコンピュータープログラム
  13. 前記光信号は、512Gb/sおよび400Gb/sのグループから選択されるビットレートを有する請求項1に記載のレシーバー。
  14. 前記光信号は、512Gb/sおよび400Gb/sのグループから選択されるビットレートを有する請求項5に記載の方法。
  15. 前記光信号は、512Gb/sおよび400Gb/sのグループから選択されるビットレートを有する請求項9に記載のコンピュータープログラム
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