JP6288143B2 - コヒーレント光受信装置 - Google Patents

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Description

本発明は、コヒーレント光受信装置に関する。
2010年ごろより商用導入が始まったコヒーレント光データ伝送方式は、いまや長距離光通信を支える主要技術となっており、近年では、メトロ・アクセスネットワークへの適用も検討されるなど、ますます重要性を増している。当初、コヒーレント光データ伝送方式は、100Gbit/sの容量の光チャネルを偏波多重QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)変調することにより実現されていた。ここで、偏波多重とは、光が有する2つの直交するX偏波成分とY偏波成分の各々に、別々のデータを割り当てる多重方式のことをいう。例えば、図14は、非特許文献1の図1に示されるコヒーレント光データ伝送を行う光送信機と光受信機とによる伝送システムの一例を引用した図である。当該伝送システムでは、X偏波とY偏波のそれぞれを異なる50Gbit/sQPSK(4値位相変調)符号で変調した後、偏波多重し、1波長あたり100Gbit/sの偏波多重QPSK信号とした長距離伝送を行う。
更なる容量当たりのコスト低減のため、200Gbit/s以上の大容量光チャネルを16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)などの多値変調を用いたコヒーレント光データ伝送方式により実現することが試みられつつある。このような偏波多重QPSK、16QAM、64QAMなどの多値変調を用いる場合に顕在化する問題として、コンスタレーション歪がある。多値変調信号は、電気段においては4レーンの電気信号として扱われる。すなわち、送信側において、4レーンの電気信号として信号は生成され、光変調器により多値変調光信号に変換される。
光変調器としては、例えば、マッハツェンダー干渉計型の変調器が適用される。このような光変調器では、バイアス電圧の誤差や、干渉計の消光比が無限大でないことなどによる不完全性があり、このような不完全性によりコンスタレーションの歪が生じる。コンスタレーション歪が生じると、正確に送信された情報を復号することができず、ビット誤り率の増大等を発生させることになる。ここで、コンスタレーションとは、信号空間ダイヤグラムとも呼ばれ、デジタル変調によるデータ信号点を2次元の複素平面状に表したものである(例えば、図14に示される「コンスタレーション」や非特許文献2の図2等を参照)。
QPSKは、4値位相変調であり、同相位相成分と直交位相成分のそれぞれに対し独立に2値の振幅変調を行ったものとみなすことができ、コンスタレーションは、同一円周上に配置され、互いに90度離れた形となる。これに対し、16QAM、64QAMは、それぞれ16点、64点からなるコンスタレーションを有する変調方式であり、信号空間上に、16点、64点が正方的に配置されるものが一般的である。16QAMは、同相位相成分と直交位相成分のそれぞれに、互いに独立な4値の振幅変調を行ったものとみなすことができ、64QAMは、同相位相成分と直交位相成分のそれぞれに、互いに独立な8値の振幅変調を行ったものとみなすことができる。
コンスタレーション歪の1つとしてDC(Direct Current)オフセットがある。通常、光変調器に対して、光出力がnull点となるようにバイアス電圧が印加されるが、このバイアス電圧がnull点からシフトしてしまった場合に、DCオフセットが発生する。また、光変調器を構成するマッハツェンダー干渉計は、消光比(オン/オフ比)が無限大、すなわち、オフのときに光出力が完全に0であることが理想であるが、オフのときに完全に0にならない場合、消光比は無限大ではなくなり、DCオフセットが発生する。光信号では、DCオフセットは、残存キャリアの形で現れるため、光信号のスペクトルを観察することで確認することができる。
DCオフセットと、これによるキャリアの残存は、局部発振レーザを用いるコヒーレント検波方式ではない直接検波方式(例えば、1010のオンオフ信号の強度を受光素子で直接検波する方式、強度変調直接検波などともいう)でも生じる。直接検波方式では、残存キャリアは、受信側の電気段で再びDCオフセットとして現れるため、コンデンサ等によるアナログ的なDCブロック回路で容易に除去することができる。これに対して、コヒーレント検波方式で、かつ送信レーザと、受信側の局部発振レーザの周波数が正確に一致していない場合、残存キャリアは、受信側の電気段では直流に変換されず、DCブロック回路で除去することができない。
また、コンスタレーション歪として知られているものに、IQ(In-phase Quadrature)クロストークがある。IQクロストークは、光変調器のバイアス電圧誤差により、同相位相(In-phase)成分と、直交位相(Quadrature)成分の位相差が正確に90度にならない場合に発生する。
これらのコンスタレーション歪の問題に対応するため、光送信装置に適用される光変調器の特性を予め計測しておき、送信装置内のデジタル信号処理装置により光変調器の特性を補償する技術が開示されている(例えば、非特許文献2参照)。
鈴木扇太他、「光通信ネットワークの大容量化に向けたディジタルコヒーレント信号処理技術の研究開発」電子情報通信学会誌 95(12), 2012-12-01, pp.1100-1116 杉原隆嗣、「高速光通信における予等化技術の現状と展望」、電子情報通信学会、信学技報、IEICE Technical Report、OCS2011 - 41 (2011-7)、p. 83-88
しかしながら、光変調器の特性を予め計測できない場合や、時間が経過するにつれて特性が変化する場合には、非特許文献2に記載の技術を利用することができないという問題がある。
特に、光変調器に印加するバイアス電圧を制御するオートバイアスコントロール回路の変動ドリフトや、オートバイアスコントロール回路が印加する誤差信号に起因して発生する光変調器の不完全性を、送信装置側のデジタル信号処理装置で補償することは困難であるという問題がある。
上記事情に鑑み、本発明は、送信側の光変調器の特性や不完全性等の送信装置の特性に基づかず、受信側だけでコンスタレーション歪を補償することができる技術の提供を目的としている。
本発明の一態様は、レーザ光を供給する局部発振レーザと、多値変調された光信号を受信して、前記レーザ光に基づいて、前記光信号を復調して電気のアナログ信号に変換するコヒーレント光受信フロントエンド部と、前記アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、前記光信号の波長や偏波による分散の影響を補償してキャリア位相を再生する補償部と、前記デジタル信号に含まれる、前記多値変調によるコンスタレーション歪を補償するコンスタレーション歪補償部と、前記コンスタレーション歪が補償された前記デジタル信号の誤り訂正を行う誤り訂正復号部と、を備え、前記コンスタレーション歪補償部は、前記コンスタレーション歪としてのDCオフセットを前記デジタル信号に対して補償するDCオフセット補償部を備え、前記DCオフセット補償部は、前記デジタル信号から変調データ成分を低減し、平均化によりランダムノイズを除去して、前記デジタル信号に含まれる前記DCオフセットを抽出する平均化部と、前記平均化部が抽出する前記DCオフセットを、前記デジタル信号から減算する第1の減算回路と、を備え、前記平均化部は、前記デジタル信号から前記変調データ成分を抽出する仮判定回路と、前記仮判定回路が抽出する前記変調データ成分を前記デジタル信号から減算する第2の減算回路と、前記デジタル信号から前記変調データ成分を減算した減算結果を平均化するフィルタ回路と、を備えるコヒーレント光受信装置である。
本発明の一態様は、レーザ光を供給する局部発振レーザと、多値変調された光信号を受信して、前記レーザ光に基づいて、前記光信号を復調して電気のアナログ信号に変換するコヒーレント光受信フロントエンド部と、前記アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、前記光信号の波長や偏波による分散の影響を補償して前記デジタル信号のキャリア位相を再生する補償部と、前記補償部により分散の影響が補償された前記デジタル信号に含まれる前記多値変調のコンスタレーション歪を補償するコンスタレーション歪補償部と、前記コンスタレーション歪が補償された前記デジタル信号の誤り訂正を行う誤り訂正復号部と、を備え、前記コンスタレーション歪補償部は、前記コンスタレーション歪としてのDCオフセットを前記デジタル信号に対して補償するDCオフセット補償部を備え、前記DCオフセット補償部は、前記デジタル信号から変調データ成分を低減し、平均化によりランダムノイズを除去して、前記デジタル信号に含まれる前記DCオフセットを抽出する平均化部と、前記平均化部が抽出する前記DCオフセットを、前記デジタル信号から減算する第1の減算回路と、を備え、前記DCオフセット補償部は、前記デジタル信号の同相位相成分信号に含まれる前記DCオフセットを補償する場合、前記デジタル信号の直交位相成分信号の振幅に応じた重み係数を前記平均化部が抽出する前記DCオフセットに乗算し、前記デジタル信号の前記直交位相成分信号に含まれる前記DCオフセットを補償する場合、前記デジタル信号の前記同相位相成分信号の振幅に応じた重み係数を前記平均化部が抽出する前記DCオフセットに乗算し、前記重み係数が乗算された前記DCオフセットを前記第1の減算回路に出力するオフセット値調整部をさらに備え、前記第1の減算回路は、前記オフセット値調整部から出力された前記重み係数が乗算された前記DCオフセットを、前記デジタル信号から減算するコヒーレント光受信装置である。また、本発明の一態様は、上記のコヒーレント光受信装置であって、前記平均化部は、前記デジタル信号から前記変調データ成分を抽出する仮判定回路と、前記仮判定回路が抽出する前記変調データ成分を前記デジタル信号から減算する第2の減算回路と、前記デジタル信号から前記変調データ成分を減算した減算結果を平均化するフィルタ回路と、を備える。
本発明の一態様は、上記のコヒーレント光受信装置であって、前記オフセット値調整部は、前記デジタル信号の前記同相位相成分信号に含まれる前記DCオフセットを補償する場合において前記デジタル信号の前記直交位相成分信号の振幅が所定の閾値より小さいとき、又は、前記デジタル信号の前記直交位相成分の信号に含まれる前記DCオフセットを補償する場合において前記デジタル信号の前記同相位相成分の信号の振幅が所定の閾値より小さいとき、前記重み係数を1より大きい値とする。
本発明の一態様は、上記のコヒーレント光受信装置であって、前記オフセット値調整部は、前記デジタル信号の前記同相位相成分信号に含まれる前記DCオフセットを補償する場合において前記デジタル信号の前記直交位相成分信号の振幅が所定の閾値以上であるとき、又は、前記デジタル信号の前記直交位相成分の信号に含まれる前記DCオフセットを補償する場合において前記デジタル信号の前記同相位相成分の信号の振幅が前記閾値以上であるとき、前記重み係数を1より小さい値とする。
本発明の一態様は、レーザ光を供給する局部発振レーザと、多値変調された光信号を受信して、前記レーザ光に基づいて、前記光信号を復調して電気のアナログ信号に変換するコヒーレント光受信フロントエンド部と、前記アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、前記光信号の波長や偏波による分散の影響を補償して前記デジタル信号のキャリア位相を再生する補償部と、前記補償部により分散の影響が補償された前記デジタル信号に含まれる前記多値変調のコンスタレーション歪を補償するコンスタレーション歪補償部と、前記コンスタレーション歪が補償された前記デジタル信号の誤り訂正を行う誤り訂正復号部と、を備え、前記コンスタレーション歪補償部は、前記コンスタレーション歪みとしてのIQクロストークを前記デジタル信号の同相位相成分及び直交位相成分の信号に対して補償するIQクロストーク補償部を備え、前記IQクロストーク補償部は、前記デジタル信号の前記同相位相成分信号を仮判定して、同相位相変調データ成分を抽出する第1の仮判定回路と、前記デジタル信号における前記同相位相成分の前記直交位相成分の信号への漏れ込み分を、前記同相位相変調データ成分に基づいて算出する第1の係数乗算回路と、前記デジタル信号の前記直交位相成分信号を仮判定して、直交位相変調データ成分を抽出する第2の仮判定回路と、前記デジタル信号における前記直交位相成分の前記同相位相成分の信号への漏れ込み分を、前記直交位相変調データ成分に基づいて算出する第2の係数乗算回路と、前記デジタル信号の前記同相位相成分の信号から前記第2の係数乗算回路の出力値を減算する第1の減算回路と、前記デジタル信号の前記直交位相成分の信号から前記第1の係数乗算回路の出力値を減算する第2の減算回路と、を備えるコヒーレント光受信装置である。
本発明の一態様は、上記のコヒーレント光受信装置であって、前記IQクロストーク補償部は、前記デジタル信号の前記直交位相成分の信号に含まれる前記同相位相成分と前記同相位相成分の信号との相関を示す第1の相関係数を算出する第1の相関係数算出部と、前記デジタル信号の同相位相成分の信号に含まれる前記直交位相成分と前記直交位相成分の信号との相関を示す第2の相関係数を算出する第2の相関係数算出部と、を備え、前記第1の係数乗算回路は、前記同相位相変調データ成分に、前記第1の相関係数を乗じて出力し、前記第2の係数乗算回路は、前記直交位相変調データ成分に、前記第2の相関係数を乗じて出力する。
本発明の一態様は、上記のコヒーレント光受信装置であって、前記第1の相関係数算出部は、前記直交位相変調データ分を前記直交位相変調データ成分のノルムの二乗で除算して出力する第1の信号規格化回路と、前記第1の信号規格化回路の出力値と、前記同相位相成分の信号との内積を算出する第1の内積算出回路と、前記第1の内積算出回路が算出する内積値を平均化して前記第1の相関係数を出力する第1の平均化回路と、を備え、前記第2の相関係数算出部は、前記直交位相変調データ成分を前記直交位相変調データ成分のノルムの二乗で除算して出力する第2の信号規格化回路と、前記第2の信号規格化回路の出力値と、前記直交位相成分の信号との内積を算出する第2の内積算出回路と、前記第2の内積算出回路が算出する内積値を平均化して第2の相関係数を出力する第2の平均化回路と、を備える。
この発明によれば、送信側の光変調器の特性や不完全性等の送信装置の特性に基づかず、受信側だけでコンスタレーション歪を補償することが可能となる。
本実施形態によるコヒーレント光データ伝送システム100の構成を示すブロック図である。 本実施形態によるデジタル信号処理部の構成を示すブロック図である。 本実施形態によるDCオフセット補償部の構成を示すブロック図である。 本実施形態によるIQクロストーク補償部の構成を示すブロック図である。 本実施形態に基づくシミュレーションによるDCオフセットの補償効果を示すグラフである。 光信号が偏波多重16QAM信号の場合のコンスタレーション歪みの例を示す図である。 DCオフセット補償部40に入力されるX偏波又はY偏波の同相位相成分(I成分)の信号を模式的に示した図である。 DCオフセット補償部40に入力されるX偏波又はY偏波の直交位相成分(Q成分)の信号を模式的に示した図である。 変形例によるDCオフセット補償部40の構成を示すブロック図である。 オフセット値調整部49の構成例を示す図である。 オフセット値調整部49の処理の流れを説明するフローチャートである。 DCオフセット補償部40にオフセット値調整部49を設けた場合の効果を検証するために行った計算機シミュレーションの結果を示す図である。 オフセット値調整部49の別の構成例を示す図である。 従来のコヒーレント光データ伝送システムの構成を示す図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態によるコヒーレント光データ伝送システム100の構成を示すブロック図である。コヒーレント光データ伝送システム100は、コヒーレント光送信装置1と、コヒーレント光受信装置3とを備える。コヒーレント光送信装置1と、コヒーレント光受信装置3とは、光ファイバ2を介して接続されている。
コヒーレント光送信装置1は、例えば、送信データを、多値変調信号である偏波多重16QAM信号などにマッピングし、送信用レーザが出力するレーザ光に基づいて、偏波多重IQ光変調器により変調を行って、光信号を生成し、光ファイバ2に光信号を出力する。
コヒーレント光受信装置3は、コヒーレント光受信フロントエンド部10、局部発振レーザ11、アナログデジタル変換器12及びデジタル信号処理部13を備える。
局部発振レーザ11は、復調用の発振レーザ光をコヒーレント光受信フロントエンド部10に供給する。ここで、局部発振レーザ11は、上記のコヒーレント光送信装置1に適用される送信用レーザとは独立に動作しており、送信用レーザと周波数同期されていないものとする。
コヒーレント光受信フロントエンド部10は、例えば、図14に示す光受信機の光受信フロントエンドモジュールが適用される。コヒーレント光受信フロントエンド部10は、受信した光信号を、X偏波とY偏波とに偏波分離を行った後、局部発振レーザ11から供給されるレーザ光に基づいて復調を行い、X偏波の同相位相成分(I成分)と直交位相成分(Q成分)、Y偏波の同相位相成分と直交位相成分からなる4レーンの電気的なアナログ信号を出力する。
アナログデジタル変換器12は、4レーンのアナログ信号をデジタル信号に変換する。
デジタル信号処理部13は、アナログデジタル変換器12によって変換された変換後のデジタル信号に対して信号処理を行う。
図2は、デジタル信号処理部13の内部構成を示すブロック図である。デジタル信号処理部13は、補償部20、コンスタレーション歪補償部30及び誤り訂正復号部90を備える。
補償部20は、波長、偏波による影響を補償してキャリア(搬送波)位相を再生する。
コンスタレーション歪補償部30は、コンスタレーション歪を補償する。
誤り訂正復号部90は、補償部20、コンスタレーション歪補償部30によって、補償処理がされたデジタル信号の誤り訂正復号処理を行って出力する。誤り訂正復号部90の出力先となる後段の回路としては、例えば、SerDes(SeRialize/DESerialize)などが適用される。
次に、補償部20及びコンスタレーション歪補償部30の具体的な構成について説明する。まず、補償部20について説明する。
補償部20は、波長分散補償部21、偏波分離・偏波モード分散補償部22、周波数オフセット補償部23及びキャリア位相再生部24を備える。
波長分散補償部21は、波長分散によって受信した主信号に発生した歪を、例えば、デジタルフィルタによって補償する。ここで、主信号とは、伝送されるデータを構成する時系列の信号のことをいい、本実施形態では、上述したように4レーンの主信号、すなわちX偏波の同相位相成分と直交位相成分、及びY偏波の同相位相成分と直交位相成分の主信号を、アナログデジタル変換器12がデジタル信号処理部13に出力する。
偏波分離・偏波モード分散補償部22は、光ファイバ中の高速な偏波状態の変動をトラッキング、すなわち変動に追随しつつX偏波とY偏波に分離し、分離した各々の偏波モード間に生じている分散を補償する。
周波数オフセット補償部23は、局部発振レーザ11が供給するレーザ光の周波数と、送信用レーザが供給するレーザ光の周波数のズレによって生じる歪を補償する。
キャリア位相再生部24は、光増幅器から生じる自然放出光雑音やレーザ位相雑音を除去し、正しい搬送波の位相、すなわちキャリア位相を抽出する。なお、補償部20の各機能部については、例えば、非特許文献1に示されるものが適用される。
次に、コンスタレーション歪補償部30について説明する。
コンスタレーション歪補償部30は、DCオフセット補償部40及びIQクロストーク補償部50を備える。
DCオフセット補償部40は、図3に示すように、4つのレーンに対応する4つのDCオフセット補償部40−1、40−2、40−3及び40−4を備えている。4つのDCオフセット補償部40−1、40−2、40−3及び40−4の各々は、X偏波の同相位相成分、X偏波の直交位相成分、Y偏波の同相位相成分、Y偏波の直交位相成分の各々の主信号に対して独立してDCオフセットの補償を行う。DCオフセット補償部40−1、40−2、40−3及び40−4は、供給される信号が異なることを除けば構成は同一である。そのため、以下、図3に示す、X偏波の同相位相成分のDCオフセット補償を行うDCオフセット補償部40−1を一例として内部構成を説明する。
DCオフセット補償部40−1は、サンプリング回路41−1、分岐回路42−1、減算回路43−1及び平均化部48−1を備える。
サンプリング回路41−1は、主信号から時系列の一部をサンプリングする。
分岐回路42−1は、サンプリング回路41−1が出力する信号を分岐して出力する。
減算回路43−1は、分岐回路42−1が出力する信号から、平均化部48−1が出力するDCオフセットを減算して出力する。
平均化部48−1は、分岐された主信号から変調データ成分を無視できるレベルまで低減した信号を平均化してランダムノイズを除去してDCオフセットを抽出する。平均化部48−1は、変調データ成分除去部44−1及びフィルタ回路47−1を備える。
変調データ成分除去部44−1は、仮判定回路45−1及び減算回路46−1を備える。
仮判定回路45−1は、主信号の仮判定を行って、変調データ成分を抽出する。ここで、仮判定の処理とは、例えば、主信号の位相や振幅に基づいて判定を行い、主信号に含まれる変調データ成分を抽出する処理である。
減算回路46−1は、仮判定により抽出された変調データ成分を減算してエラー信号を出力する。
フィルタ回路47−1は、例えば、FIR(Finite Impulse Response:有限長インパルス応答)フィルタ、IIR(Infinite Impulse Response:無限インパルス応答)フィルタ(IIRフィルタを、指数重み付けフィルタともいう)などである。フィルタ回路47−1は、エラー信号の平均化を行い、エラー信号に含まれるエラー信号波のランダムノイズを平均化により除去して、DCオフセットを抽出する。
図2に戻り、デジタル信号処理部13の説明を続ける。
IQクロストーク補償部50は、2つのIQクロストーク補償部50Xと、IQクロストーク補償部50Yとを備える。IQクロストーク補償部50Xは、X偏波の同相位相と直交位相の主信号のIQクロストーク補償を行う。IQクロストーク補償部50Yは、Y偏波の同相位相と直交位相の主信号のIQクロストーク補償を行う。図4は、IQクロストーク補償部50Xの内部構成を示すブロック図である。なお、IQクロストーク補償部50Yの構成は、IQクロストーク補償部50Yに対してY偏波の同相位相と直交位相の主信号が供給されることを除けば、IQクロストーク補償部50Xと同一の内部構成を有する。以下、図4に示す、IQクロストーク補償部50Xを例として内部構成を説明する。
IQクロストーク補償部50Xは、分岐回路51X−1、分岐回路51X−2、仮判定回路53X−1、仮判定回路53X−2、係数乗算回路54X−1、係数乗算回路54X−2、減算回路52X−1、減算回路52X−2、相関係数算出部60X−1及び相関係数算出部60X−2を備える。
分岐回路51X−1は、DCオフセット補償部40−1が出力するX偏波の同相成分の信号を分岐して出力する。
分岐回路51X−2は、DCオフセット補償部40−2が出力するX偏波の直交成分の信号を分岐して出力する。
仮判定回路53X−1(第1の仮判定回路)は、分岐回路51X−1が出力する同相位相の主信号の仮判定を行い、同相位相の変調データ成分を抽出する。
仮判定回路53X−2(第2の仮判定回路)は、分岐回路51X−2が出力する直交位相の主信号の仮判定を行い、直交位相の変調データ成分を抽出する。
係数乗算回路54X−1(第1の係数乗算回路)は、相関係数算出部60X−1が出力する同相位相レーンから直交位相レーンへの漏れ込み、すなわち直交位相成分側に含まれる同相成分の相関を示す相関係数(以下、δiqともいう)と、仮判定回路53X−1が出力する同相位相の変調データ成分とを乗算し、乗算した結果を出力する。
係数乗算回路54X−2(第2の係数乗算回路)は、相関係数算出部60X−2が出力する直交位相レーンから同相位相レーンへの漏れ込み、すなわち同相位相成分側に含まれる直交成分の相関を示す相関係数(以下、δqiともいう)と、仮判定回路53X−2が出力する直交位相の変調データ成分とを乗算し、乗算した結果を出力する。
減算回路52X−1(第1の減算回路)は、同相位相成分の主信号から係数乗算回路54X−2が出力する乗算値を減算して出力する。
減算回路52X−2(第2の減算回路)は、直交位相成分の主信号から係数乗算回路54X−1が出力する乗算値を減算して出力する。
相関係数算出部60X−1(第1の相関係数算出部)は、信号規格化回路61X−1、内積算出回路63X−1及び平均化回路64X−1を備える。
信号規格化回路61X−1(第1の信号規格化回路)は、仮判定回路53X−1から出力される同相位相の仮判定信号を規格化した値、すなわち、同相位相の仮判定信号の大きさの二乗で除算した値を出力する。
内積算出回路63X−1(第1の内積算出回路)は、信号規格化回路61X−1から出力された出力値と分岐回路51X−2から出力された出力値との内積を算出して出力する。
平均化回路64X−1(第1の平均化回路)は、内積算出回路63X−1が出力する値の統計平均を算出し、係数乗算回路54X−1に出力する。
相関係数算出部60X−2(第2の相関係数算出部)は、信号規格化回路61X−2、内積算出回路63X−2及び平均化回路64X−2を備える。
信号規格化回路61X−2(第2の信号規格化回路)は、仮判定回路53X−2から出力される直交位相の信号を規格化した値、すなわち、直交位相の信号の大きさの二乗で除算した値を出力する。
内積算出回路63X−2(第2の内積算出回路)は、信号規格化回路61X−2から出力された出力値と分岐回路51X−1から出力された出力値との内積を算出して出力する。
平均化回路64X−2(第2の平均化回路)は、内積算出回路63X−2が出力する値の統計平均を算出し、係数乗算回路54X−2に出力する。
(DCオフセットの補償処理について)
次に、図3に示すDCオフセット補償部40−1において行われるDCオフセット補償の処理について説明する。DCオフセット補償部40−1に対してキャリア位相再生部24からX偏波の同相位相成分の主信号Srが供給される。サンプリング回路41−1は、主信号Srから時系列の一部をサンプリングした信号を出力する。ここで、信号Srは、次式(1)で表される信号である。
Figure 0006288143
式(1)において、kは、サンプリングされた時系列離散信号の時間を表す。信号Srは、k番目の受信信号データ成分を示し、信号Stは、k番目の送信信号を示す。dは、k番目の信号に対するDCオフセットであり、nは、k番目の信号に対応するランダムノイズである。仮判定回路45−1は、分岐回路42−1によって分岐された信号を仮判定して、仮判定された信号^S(^(ヘッド)はSの上)を出力する。
^Sは、FEC(Forward Error Correction:前方誤り訂正)前のBER(Bit Error Rate)を、Pとした場合、Pは概ね10−2程度となるため、1−P程度、すなわち約99%程度の高い確率で、次式(2)を満たすことが期待できる。
Figure 0006288143
したがって、信号Srから信号^Sを減算すると、式(1)及び式(2)よりDCオフセットとノイズを抽出することができる。すなわち、減算回路46−1により、信号Srから、仮判定回路45−1が出力する信号^Sを減算すると、次式(3)となり、k番目のDCオフセットとランダムノイズが求められる。
Figure 0006288143
ここで、ノイズnはランダムノイズであるため、統計平均を算出することで除去することができるため、フィルタ回路47−1により、統計平均を算出すると、次式(4)に示すようにDCオフセットdを抽出することができる。
Figure 0006288143
最後に、減算回路43−1により、分岐回路42−1が出力する信号SrからDCオフセットdを減算することでDCオフセットを除去した信号を得ることができる。実際には、DCオフセットdは、完全に不変量ではなく、時間に対してゆっくりと変動することが想定され、上述した補償部20における位相サイクルスリップが生じた場合、瞬時的に不連続に変化する。そのため、フィルタ回路47−1によって行う統計平均の処理は、信号全体ではなく、FIRフィルタやIIRフィルタにより動的に、すなわち変化に追従するように行う必要がある。なお、フィルタ回路47−1として、IIRフィルタを1TAPとした、いわゆるLPF(Low Pass Filter)が適用されてもよい。
上記のDCオフセット補償部40−1が、X偏波の同相位相成分の主信号に対して行ったDCオフセットの補償処理と同様に、DCオフセット補償部40−2、40−3及び40−4の各々が、X偏波の直交位相成分の主信号、Y偏波の同相位相成分の主信号及びY偏波直交位相成分の主信号に対してもDCオフセットの補償処理を行う。これにより4つのレーンにおいて、各々のレーン内でのDCオフセットの変化に追従した、DCオフセット補償が行われることになる。
(IQクロストークの補償処理について)
次に、図4に示すIQクロストーク補償部50XによるIQクロストークの補償処理について説明する。IQクロストーク補償部50Xに供給されるX偏波の信号の同相位相成分と直交位相成分をSri、Srqとすると、これらは、次式(5)、次式(6)として表される。
Figure 0006288143
Figure 0006288143
式(5)及び式(6)において、Sti、Stqは、それぞれ同相位相レーンと、直交位相レーンの送信信号である。δqiは、上述したように、直交位相レーンから同相位相レーンへの漏れ込み、すなわち同相位相成分側に含まれる直交成分の相関を示す相関係数である。また、δiqも、上述したように、同相位相レーンから直交位相レーンへの漏れ込み、すなわち直交位相成分側に含まれる同相成分の相関を示す相関係数である。nは、ランダムノイズである。
分岐回路51X−1は、同相位相信号Sriを分岐して出力する。仮判定回路53X−1は、分岐回路51X−1が出力する同相位相信号Sriの仮判定を行い同相位相の変調データ成分^Siを抽出する。仮判定回路53X−1は、抽出した^Siを相関係数算出部60X−1の信号規格化回路61X−1と、係数乗算回路54X−1とに出力する。
分岐回路51X−2は、直交位相信号Srqを分岐して出力する。仮判定回路53X−2は、分岐回路51X−2が出力する直交位相信号Srqの仮判定を行い直交位相の変調データ成分^Sqを抽出する。仮判定回路53X−2は、抽出した^Sqを相関係数算出部60X−2の信号規格化回路61X−2と、係数乗算回路54X−2とに出力する。上述したように、^Siと^Sqは、(1−BER)程度の高い確率で送信信号であるSti、Stqに等しいことから、Sriと^Sq(^(ヘッド)はSqの上)とを乗算し、そのノルムの二乗、すなわち|^Sq(^(ヘッド)はSqの上)で除算して、統計平均を算出すると、次式(7)となる。
Figure 0006288143
式(7)において、上述したように、式(8)が成り立つ。
Figure 0006288143
また、StiとStqは互いに無相関であるため、式(9)が成り立つ。
Figure 0006288143
また、nは、ランダムノイズであることから、式(10)が成り立つ。
Figure 0006288143
式(8)、(9)、(10)を、式(7)に適用すると、次式(11)が成立する。
Figure 0006288143
したがって、Sriと、^Sq(^(ヘッド)はSqの上)に基づいて、相関係数δqiを算出することができる。すなわち、相関係数算出部60X−2の信号規格化回路61X−2は、仮判定回路53X−2が出力する^Sq(^(ヘッド)はSqの上)に基づいて、^Sq/|^Sq(^(ヘッド)はSqの上)を算出し、内積算出回路63X−2は、Sri×^Sq/|^Sqを算出して、平均化回路64X−2に出力する。平均化回路64X−2は、式(11)の左辺の式を演算し、相関係数δqiを算出する。
このようにして相関係数算出部60X−2によって算出された相関係数δqiが、係数乗算回路54X−2に供給され、係数乗算回路54X−2は、仮判定回路53X−2が出力する^Sq(^(ヘッド)はSqの上)と相関係数δqiを乗算し、乗算した結果を減算回路52X−1に出力する。減算回路52X−1は、分岐回路51X−1が出力するSriから^Sq×δqi(^(ヘッド)はSqの上)を減算することでIQクロストークによる影響を補償したX偏波の同相位相成分の信号を出力する。
相関係数算出部60X−1についても同様に、信号規格化回路61X−1は、仮判定回路53X−1が出力する^Si(^(ヘッド)はSiの上)に基づいて、^Si/|^Si(^(ヘッド)はSiの上)を算出し、内積算出回路63X−1は、Srq×^Si/|^Si(^(ヘッド)はSiの上)を算出して、平均化回路64X−1に出力する。平均化回路64X−1は、次式(12)の左辺の式を演算し、相関係数δiqを算出して係数乗算回路54X−1に出力する。
Figure 0006288143
係数乗算回路54X−1は、仮判定回路53X−1が出力する^Si(^(ヘッド)はSiの上)と相関係数δiqを乗算し、乗算した結果を減算回路52X−2に出力する。減算回路52X−2は、分岐回路51X−2が出力するSrqから^Si×δiq(^(ヘッド)はSiの上)を減算することでIQクロストークによる影響を補償したX偏波の直交位相成分の信号を出力する。
上記のIQクロストーク補償部50Xが、X偏波の主信号に対して行ったIQクロストークの補償処理と同様に、IQクロストーク補償部50Yが、Y偏波の主信号に対してもIQクロストークの補償処理を行う。これにより4つのレーン全てにおけるIQクロストークの補償処理が行われることになる。
図5は、本実施形態によるDCオフセット補償部40による、DCオフセット補償の効果をモンテカルロシミュレーションにより評価したものである。コヒーレント光送信装置1の光変調器のバイアス電圧が時間的にドリフトした場合を想定して、動的に変化するDCオフセットを与えた。図5において、横軸は、DCオフセットのドリフト周波数を示し、縦軸は、受信信号の品質を表すQ値と呼ばれる値を示す。動的なDCオフセットにより、受信Q値が3dB程度低下するが、本実施形態によるDCオフセット補償の適用により、ほとんどのドリフト周波数において、DCオフセットによるペナルティ(Q値の低下)のほとんどを回避できている。DCオフセットが動的に変動した場合、変動の周波数が10MHz(0.01GHz)程度までであればDCオフセット補償部40により追従が可能である。
上記の実施形態の構成により、X偏波の同相位相の主信号に対して、DCオフセット補償部40−1は、仮判定回路45−1により、送信信号にほぼ等しい変調データ成分の^Sの信号を抽出し、減算回路46−1により、主信号Sriから^Sを減算し、減算した値をフィルタ回路47−1により平均化することでDCオフセットを抽出することが可能となる。そして、減算回路43−1により、主信号SriからDCオフセットを減算することで、DCオフセットを除去してDCオフセット補償を行うことが可能となる。X偏波の直交位相、Y偏波の同相位相と直交位相に対してもDCオフセット補償部40−1と同様にDCオフセット補償部40−2、40−3及び40−4がDCオフセット補償を行う。これにより、送信側の光変調器の特性や不完全性等の送信装置の特性に基づかず、受信側だけでDCオフセットによるコンスタレーション歪を補償することが可能となる。コヒーレント検波方式では、アナログの電気段でDCブロック回路によりDCオフセット補償することができないという問題があったが、本実施形態の構成により、コヒーレント光受信装置3においても直接検波方式の受信装置と同様に、DCオフセットの補償が可能となる。
また、上記の実施形態の構成により、X偏波の同相位相と直交位相の主信号に対して、IQクロストーク補償部50Xは、仮判定回路53X−1及び53X−2により、送信信号にほぼ等しい変調データ成分の^Si、^Sqを抽出する。相関係数算出部60X−1は、変調データ成分の^Si、^Sqに基づいて、同相位相レーンから直交位相レーンへの漏れ込み、すなわち直交位相成分側に含まれる同相成分の相関を示す相関係数であるδiqを算出して係数乗算回路54X−1に出力する。また、相関係数算出部60X−2は、直交位相レーンから同相位相レーンへの漏れ込み、すなわち同相位相成分側に含まれる直交成分の相関を示す相関係数δqiを算出して係数乗算回路54X−2に出力する。係数乗算回路54X−1は、同相位相の変調データ成分の^Siに相関係数δiqを乗算して減算回路52X−2に出力し、係数乗算回路54X−2は、直交位相の変調データ成分の^Sqに相関係数δqiを乗算して減算回路52X−1に出力する。減算回路52X−1は、分岐回路51X−1が出力する同相位相の主信号Sriから係数乗算回路54X−2が出力する乗算値を減算して同相位相成分のクロストーク補償を行うことができる。また、減算回路52X−2は、分岐回路51X−2が出力する直交位相の主信号Srqから係数乗算回路54X−1が出力する乗算値を減算して直交位相成分のクロストーク補償を行うことができる。X偏波と同様に、Y偏波に対してもIQクロストーク補償部50Yは、IQクロストーク補償部50Xと同様のIQクロストークの補償処理を行うことにより、IQクロストークの補償を行うことができる。これにより、送信側の光変調器の特性や不完全性等の送信装置の特性に基づかず、受信側だけでIQクロストークによるコンスタレーション歪を補償することが可能となる。
適用される多値変調方式が、偏波多重のQPSKから、16QAM、64QAMと多値度が大きくなるにつれて、信号点間距離が小さくなり、わずかな信号点配置の歪であってもシンボルエラーの原因となる。そのため、多値度が大きくなるにつれて、DCオフセットやIQクロストークによるコンスタレーション歪の影響も大きくなり、ビット誤り率に無視できない影響を与えることが知られている。上記の本実施形態の構成では、上述したように、これらの多値変調方式を適用した場合であっても、コンスタレーション歪の補償を行うことができ、それにより、伝送されたデータのビット誤り率を低減することが可能となる。
また、上記の実施形態の構成では、コヒーレント光受信装置3において受信した主信号に基づいて、適応的にDCオフセット補償処理やIQクロストーク補償処理を行うため、コヒーレント光送信装置1の光変調器の特性を予め測定する必要がなく、コンスタレーション歪が時間的に変化した場合であっても、シンボルレートに対してゆるやかな変動であれば補償することが可能である。また、本実施形態の構成は、16QAM以上の多値変調方式において、特に優れた効果を奏する。
また、コヒーレント検波方式の受信装置として、波長分散補償部21と偏波分離・偏波モード分散補償部22の間にDCオフセット補償部40を備える構成の装置もあるが、当該装置では、局部発振レーザ11とコヒーレント光受信フロントエンド部10とが接続するミキシング部からアナログデジタル変換器12までの区間で生じるDCオフセットのみの補償しか行えない。これに対し、上記の実施形態では、キャリア位相再生部24の後にDCオフセット補償部40を備えるようにしていることから、局部発振レーザ11とコヒーレント光受信フロントエンド部10とが接続するミキシング部からアナログデジタル変換器12までの区間で生じるDCオフセットのみならず、コヒーレント光送信装置1の光変調器の消光比の影響で生じるDCオフセットの補償も行うことが可能となる。
コヒーレント光送信装置1に備わる偏波多重IQ光変調器の不完全性により発生するDCオフセットに起因して、コヒーレント光受信装置3で受信した光信号のコンスタレーションは歪む。コヒーレント光送信装置1から送信された光信号が偏波多重16QAM信号の場合のコンスタレーション歪みの例を、図6を用いて説明する。DCオフセットが発生していない理想的な16QAM信号では、受信信号のコンスタレーションは、図6(a)に示すように、IQ平面上にて正方格子状に表示される。しかし、偏波多重IQ光変調器の消光比が無限大でないことに起因して発生するDCオフセットの影響を受けた16QAM信号では、受信信号のコンスタレーションは、図6(b)に示すように歪みが発生する。すなわち、I軸の近傍に位置する信号(図6(b)における符号5〜12の各信号)は、同相位相成分の振幅が正側(図中右方)に引き寄せられるように歪み、Q軸の近傍に位置する信号(図6(b)における符号2、3、6、7、10、11、14、15の各信号)は、直交位相成分の振幅が負側(図中下方)に引き寄せられるように歪む。ここで、図6(b)は、偏波多重IQ光変調器の消光比が15dBであると仮定して計算機シミュレーションした結果である。
図7は、DCオフセット補償部40に入力されるX偏波又はY偏波の同相位相成分(I成分)の信号を模式的に示した図である。
図7において横軸は時刻を表し、縦軸は振幅を表す。図7に示される符号1〜16が付された信号はそれぞれ、図6(b)のコンスタレーションにおいて同じ符号が付された信号に対応する。以下、符号1、5、9、13が付された各信号の関係について説明する。なお、他の信号群(符号2、6、10、14と、符号3、7、11、15と、符号4、8、12、16)のそれぞれについては、符号1、5、9、13が付された各信号の関係と同様の関係が成り立つ。
符号5、9が付された各信号は、符号1、13が付された各信号と同じ振幅になるべきところ、実際には符号5、9が付された各信号の振幅は符号1、13の各信号の振幅に比べて大きくなっている。ここで、図7中の一点鎖線は、コンスタレーション歪みが生じていない場合(すなわち、図6(a)のコンスタレーション)における同相位相成分の信号の振幅を示している。あるいは、上記の式(1)における信号Stの振幅を示しているとも言える。図7から、符号5、9が付された各信号には、符号1、13が付された各信号に比べて相対的に大きなDCオフセットdが重畳されていることが分かる。なお、上記の式(4)で導出されるDCオフセットd(≒<d>)は、符号1、5、9、13が付された各信号に重畳されたそれぞれのDCオフセットdの平均値である。図3に示されたDCオフセット補償部40では、平均化して導出したDCオフセットd(≒<d>)を用いて符号1、5、9、13が付された各信号を補償している。しかし、コンスタレーション歪みを考慮するならば、符号5、9が付された各信号に対してはDCオフセットdよりも大きな値で補償し、符号1、13が付された各信号に対してはDCオフセットdよりも小さな値で補償することが望ましい。
ここで、図6(b)を参照すると、同相位相成分の信号のうち相対的に大きなDCオフセットdが重畳された符号5〜12が付された各信号は、コンスタレーションのI軸の近傍に位置する信号であることが分かる。I軸の近傍に位置する信号とは、その直交位相成分(Q成分)が、4値の振幅変調のうち絶対値が小さい振幅が与えられた信号である。それに対して、相対的に小さいDCオフセットdが重畳された符号1〜4及び13〜16が付された各信号は、対応する直交位相成分が、4値の振幅変調のうち絶対値が大きい振幅が与えられた信号である。そこで、同相位相成分の信号に対しては、対応する直交位相成分の振幅に応じて、補償に用いるDCオフセット値を調整するようにすればよい。
直交位相成分の信号に対しても、上述した説明と同様の関係が成り立つ。図8は、DCオフセット補償部40に入力されるX偏波又はY偏波の直交位相成分(Q成分)の信号を模式的に示した図である。
図8において横軸は時刻を表し、縦軸は振幅を表す。図8に示される符号1〜16が付された信号はそれぞれ、図6(b)のコンスタレーションにおいて同じ符号が付された信号に対応する。図8中の一点鎖線は、コンスタレーション歪みが生じていない場合(すなわち、図6(a)のコンスタレーション)における直交位相成分の信号の振幅を示している。図8からは、直交位相成分の信号のそれぞれには、負の値のDCオフセットdが重畳されていることが分かる。例えば、符号2、3、6、7、10、11、14、15が付された各信号には、その絶対値が相対的に大きなDCオフセットdが重畳されていることが分かる。そこで、直交位相成分の信号に対しては、対応する同相位相成分の振幅に応じて、補償に用いるDCオフセット値を調整するようにすればよい。
以上説明したような、補償に用いるDCオフセット値を調整する構成について図9を用いて説明する。
図9は、変形例によるDCオフセット補償部40の構成を示すブロック図である。図3に記載のDCオフセット補償部40と比較して異なる点は、DCオフセット補償部40−1、40−2、40−3及び40−4のそれぞれに、オフセット値調整部49が備えられる点である。以下、図3に記載のDCオフセット補償部40と異なる点についてのみ説明する。
DCオフセット補償部40−1が備える分岐回路42−1は、サンプリング回路41−1が出力するX偏波の同相位相成分の主信号を分岐して出力する。例えば、分岐回路42−1は、X偏波の同相位相成分の主信号をDCオフセット補償部40−2が備えるオフセット値調整部49に出力する。DCオフセット補償部40−3が備える分岐回路は、分岐回路42−1と同様に、DCオフセット補償部40−3が備えるサンプリング回路が出力するY偏波の同相位相成分の主信号を分岐して出力する。例えば、DCオフセット補償部40−3が備える分岐回路は、Y偏波の同相位相成分の主信号をDCオフセット補償部40−4が備えるオフセット値調整部49に出力する。
DCオフセット補償部40−2が備える分岐回路は、DCオフセット補償部40−2が備えるサンプリング回路が出力するX偏波の直交位相成分の主信号を分岐して出力する。例えば、DCオフセット補償部40−2が備える分岐回路は、X偏波の直交位相成分の主信号をDCオフセット補償部40−1が備えるオフセット値調整部49に出力する。DCオフセット補償部40−4が備える分岐回路は、DCオフセット補償部40−2が備える分岐回路と同様に、DCオフセット補償部40−4が備えるサンプリング回路が出力するY偏波の直交位相成分の主信号を分岐して出力する。例えば、DCオフセット補償部40−4が備える分岐回路は、Y偏波の直交位相成分の主信号をDCオフセット補償部40−3が備えるオフセット値調整部49に出力する。
オフセット値調整部49は、X偏波及び/又はY偏波の同相位相成分の信号に与える(減算する)DCオフセットdの値を、対応する直交位相成分の振幅に応じて調整する。また、オフセット値調整部49は、X偏波及び/又はY偏波の直交位相成分の信号に与える(減算する)DCオフセットdの値を、対応する同相位相成分の振幅に応じて調整する。より具体的には、DCオフセット補償部40−1には、X偏波の同相位相成分の信号に与える(減算する)DCオフセットdの値を、対応する直交位相成分の振幅に応じて調整するオフセット値調整部49が備えられる。DCオフセット補償部40−2には、X偏波の直交位相成分の信号に与える(減算する)DCオフセットdの値を、対応する同相位相成分の振幅に応じて調整するオフセット値調整部49が備えられる。DCオフセット補償部40−3には、Y偏波の同相位相成分の信号に与える(減算する)DCオフセットdの値を、対応する直交位相成分の振幅に応じて調整するオフセット値調整部49が備えられる。DCオフセット補償部40−4には、Y偏波の直交位相成分の信号に与える(減算する)DCオフセットdの値を、対応する同相位相成分の振幅に応じて調整するオフセット値調整部49が備えられる。なお、X偏波とY偏波の間では、信号はそれぞれ独立である。
X偏波の同相位相成分に対応するDCオフセット補償部40−1に備えられるオフセット値調整部49は、DCオフセット補償部40−2の分岐回路から出力されたX偏波の直交位相成分の主信号Srと、フィルタ回路47−1によって導出された同相位相成分に係るDCオフセットdとを入力とする。DCオフセット補償部40−1に備えられるオフセット値調整部49は、入力されたDCオフセットdに対して以下の処理を行う。オフセット値調整部49は、対応する直交位相成分の主信号Srの振幅の絶対値が所定の閾値未満である場合には、DCオフセットdに1よりも大きい所定の重み係数wl(第1の重み係数)を積算した値(以下、「wl積算値」という。)(第1の積算値)を減算回路43−1に出力する。一方、対応する直交位相成分の主信号Srの振幅の絶対値が所定の閾値以上である場合には、オフセット値調整部49は、DCオフセットdに1よりも小さい所定の重み係数ws(第2の重み係数)を積算した値(以下、「ws積算値」という。)(第2の積算値)を減算回路43−1に出力する。ここで、重み係数はwl>1>ws>0の関係を満たす係数である。
Y偏波の同相位相成分に対応するDCオフセット補償部40−3に備えられるオフセット値調整部49も、DCオフセット補償部40−1に備えられるオフセット値調整部49と同様である。具体的には、DCオフセット補償部40−3に備えられるオフセット値調整部49には、DCオフセット補償部40−4から出力されたY偏波の直交位相成分の主信号と、DCオフセット補償部40−3が備えるフィルタ回路によって導出された同相位相成分に係るDCオフセットdとが入力される。DCオフセット補償部40−3に備えられるオフセット値調整部49は、入力されたDCオフセットdに対してDCオフセット補償部40−1と同様の処理を行う。
X偏波の直交位相成分に対応するDCオフセット補償部40−2に備えられるオフセット値調整部49は、DCオフセット補償部40−1の分岐回路42−1から出力されたX偏波の同相位相成分の主信号Srと、フィルタ回路によって導出された直交位相成分に係るDCオフセットdとを入力とする。DCオフセット補償部40−2に備えられるオフセット値調整部49は、入力されたDCオフセットdに対して以下の処理を行う。オフセット値調整部49は、対応する同相位相成分の主信号Srの振幅の絶対値が所定の閾値未満である場合には、DCオフセットdに1よりも大きい所定の重み係数wlを積算したwl積算値を減算回路に出力する。一方、対応する同相位相成分の主信号Srの振幅の絶対値が所定の閾値以上である場合には、オフセット値調整部49は、DCオフセットdに1よりも小さい所定の重み係数wsを積算したws積算値を減算回路に出力する。
Y偏波の直交位相成分に対応するDCオフセット補償部40−4に備えられるオフセット値調整部49も、DCオフセット補償部40−2に備えられるオフセット値調整部49と同様である。具体的には、DCオフセット補償部40−4に備えられるオフセット値調整部49には、DCオフセット補償部40−3から出力されたY偏波の同相位相成分の主信号と、DCオフセット補償部40−4が備えるフィルタ回路によって導出された直交位相成分に係るDCオフセットdとが入力される。DCオフセット補償部40−4に備えられるオフセット値調整部49は、入力されたDCオフセットdに対してDCオフセット補償部40−2と同様の処理を行う。
上記のような構成により、コヒーレント光受信装置3は、受信信号の各シンボルに応じた適切なDCオフセット補償を行うことができるようになる。
図10は、オフセット値調整部49の構成例を示す図である。
オフセット値調整部49は、分岐部491、重み係数wl積算部492、重み係数ws積算部493、振幅判定部494及び選択部495を備える。図10では、DCオフセット補償部40−1が備えるオフセット値調整部49を例に説明する。なお、DCオフセット補償部40−2、40−3及び40−4が備えるオフセット値調整部49も、DCオフセット補償部40−1が備えるオフセット値調整部49と同様の処理を行う。
分岐部491は、フィルタ回路47−1が出力するDCオフセットdを2つに分岐し、それぞれ重み係数wl積算部492及び重み係数ws積算部493に出力する。重み係数wl積算部492は、入力されたDCオフセットdに対して重み係数wlを積算することによってwl積算値を算出する。重み係数wl積算部492は、wl積算値を選択部495に出力する。重み係数ws積算部493は、入力されたDCオフセットdに対して重み係数wsを積算することによってws積算値を算出する。重み係数ws積算部493は、ws積算値を選択部495に出力する。振幅判定部494は、DCオフセット補償部40−2の分岐回路から出力されたX偏波の直交位相成分の主信号Srの振幅の絶対値(|E|)と、所定の閾値(Eth)との大小関係を判定する。振幅判定部494は、判定結果を示す信号を選択部495に出力する。
選択部495は、振幅判定部494が出力した信号に基づいて、DCオフセット補償部40−2の分岐回路から出力されたX偏波の直交位相成分の主信号Srの振幅の絶対値(|E|)が所定の閾値(Eth)より小さければ重み係数wl積算部492の出力であるwl積算値をそのまま出力する。一方、選択部495は、振幅判定部494が出力した信号に基づいて、DCオフセット補償部40−2の分岐回路から出力されたX偏波の直交位相成分の主信号Srの振幅の絶対値(|E|)が所定の閾値(Eth)より大きければ重み係数ws積算部493の出力であるws積算値をそのまま出力する。なお、図10には、オフセット値調整部49が、重み係数wl積算部492と、重み係数ws積算部493の双方を実装する態様を記載しているが、コンスタレーション歪みの状態によっては、これらのうちいずれか一方のみを実装する態様であってもよい。例えば、対向する信号の振幅の絶対値(|E|)が所定の閾値(Eth)より大きい場合はDCオフセットdの調整が不要である。このような場合には、オフセット値調整部49は、重み係数ws積算部493を実装せず、分岐部491の2つの出力のうち重み係数wl積算部492に入力されていない方の出力を直接、選択部495に接続するようにしてもよい。この場合、重み係数wsはws=1と見なせばよい。上記の説明で、“対向する”との表現を用いたが、これは、X偏波の同相位相成分についてはX偏波の直交位相成分、Y偏波の同相位相成分についてはY偏波の直交位相成分を指すことを意味する。
図11は、オフセット値調整部49の処理の流れを説明するフローチャートである。図11では、DCオフセット補償部40−1が備えるオフセット値調整部49の処理を例に説明する。
分岐部491は、フィルタ回路47−1から出力されたDCオフセットdを、重み係数wl積算部492及び重み係数ws積算部493に出力する。重み係数wl積算部492は、分岐部491から出力されたDCオフセットdに対して重み係数wlを積算することによってwl積算値を算出する(ステップS101)。重み係数wl積算部492は、算出したwl積算値を選択部495に出力する。重み係数ws積算部493は、分岐部491から出力されたDCオフセットdに対して重み係数wsを積算することによってws積算値を算出する(ステップS102)。重み係数ws積算部493は、算出したws積算値を選択部495に出力する。ここで、重み係数wl及びwsは、図6(b)の歪んだコンスタレーションを正方格子状に補償するに足る係数であればよい。コンスタレーション歪みは、コヒーレント光送信装置1に用いられる偏波多重IQ光変調器の特性や、信号光の伝搬路である光ファイバ2の特性などによって異なる。予め適切な数値の重み係数wl及びwsをオフセット値調整部49に設定しておけばよい。
フィルタ回路47−1よりDCオフセットdが入力されると、振幅判定部494は対向するX偏波の直交位相成分の主信号Srの振幅の絶対値|E|を取得する(ステップS103)。振幅判定部494は、取得した主信号Srの振幅の絶対値|E|と、所定の閾値Ethとの大小関係を比較して、絶対値|E|<所定の閾値Ethを満たすか否か判定する(ステップS104)。所定の閾値Ethは、対向する信号の振幅が、4値の振幅変調のうちどの振幅であるかを判別するための閾値である。例えば、あるレーンの信号の振幅Eが、−E2、−E1、E1、E2(0<E1<E2)の4値で振幅変調されているとする。閾値Ethは、E1とE2の中間付近の値であって、E1とE2、−E1と−E2を適切に判別することができる値であればよい。絶対値|E|<所定の閾値Ethを満たす場合(ステップS104−YES)、選択部495は重み係数wl積算部492から出力されたwl積算値を減算回路43−1に出力する(ステップS105)。一方、絶対値|E|<所定の閾値Ethを満たさない場合(ステップS104−NO)、選択部495は重み係数ws積算部493から出力されたws積算値を減算回路43−1に出力する(ステップS106)。
図12は、DCオフセット補償部40にオフセット値調整部49を設けた場合の効果を検証するために行った計算機シミュレーションの結果を示す図である。横軸は、コヒーレント光送信装置1から出力される信号光の強度と、光ファイバ2及びコヒーレント光受信フロントエンド部10で付与される雑音の強度との信号対雑音比(OSNR:Optical Signal-to-Noise Ratio)を示している。縦軸は、コヒーレント光受信装置3で受信した信号の品質であるQ値を示している。OSNRを変化させながら、受信信号のQ値をプロットした。送信信号は16QAMである。Q値は、受信信号のすべてのシンボルに対するQ値を平均して導出し、さらに、異なる4種類の偏波状態に対するQ値を平均して導出した。図12に示す四角70は、DCオフセット補償部40にオフセット値調整部49が備えられていない場合の計算結果を示している。図12に示すひし形71は、オフセット値調整部49が備えられている場合の計算結果を示している。図12から、DCオフセット補償部40にオフセット値調整部49を設けることで、Q値が0.4〜0.5dB程度改善したことが分かる。図12は、受信信号のシンボルに応じた適切な重み係数が積算されたDCオフセットdを用いてDCオフセット補償を行うことで、受信特性がさらに改善できることを明確に示している。
以上のとおり、X偏波及び/又はY偏波の同相位相成分のDCオフセット補償を行うDCオフセット補償部40に、X偏波及び/又はY偏波の同相位相成分の信号に与える(減算する)DCオフセットdを、対応する直交位相成分の振幅に応じて調整するオフセット値調整部49を備えるようにしたことで、コンスタレーションの歪みをさらに補償することができ、16QAMのような直交位相振幅変調のいずれのシンボルに対しても、同程度に優れた復調性能を提供することができるようになる。
図10に示す例では、オフセット値調整部49が、wl積算値及びws積算値を算出して、判定結果に応じていずれかの積算値を出力する構成を示したが、オフセット値調整部49は判定結果に応じていずれかの積算値を算出して出力するように構成されてもよい。このように構成される場合のオフセット値調整部49の構成を図13に示す。図13は、オフセット値調整部49の別の構成例を示す図である。図13に示すオフセット値調整部49aは、振幅判定部494、選択部495a及び積算部496を備える。図13では、DCオフセット補償部40−1が備えるオフセット値調整部49aを例に説明する。なお、DCオフセット補償部40−2、40−3及び40−4が備えるオフセット値調整部49aも、DCオフセット補償部40−1が備えるオフセット値調整部49aと同様の処理を行う。
選択部495aは、振幅判定部494が出力した信号と、フィルタ回路47−1が出力するDCオフセットdとを入力とする。また、選択部495aには、予め重み係数wl及びwsが設定されている。選択部495aは、振幅判定部494から入力された信号に基づいて、重み係数wl又はwsのいずれかと、DCオフセットdとを積算部496に出力する。具体的には、入力された信号が|E|<所定の閾値Ethを示す場合、選択部495aは重み係数wlと、DCオフセットdとを積算部496に出力する。一方、入力された信号が|E|>所定の閾値Ethを示す場合、選択部495aは重み係数wsと、DCオフセットdとを積算部496に出力する。
積算部496は、選択部495aから出力された重み係数wl又はwsのいずれかと、DCオフセットdとを入力とする。積算部496は、入力されたDCオフセットdに対して重み係数を積算することによって積算値を算出する。具体的には、積算部496は、重み係数wlと、DCオフセットdとが入力された場合、入力されたDCオフセットdに対して重み係数wlを積算することによってwl積算値を算出する。また、積算部496は、重み係数wsと、DCオフセットdとが入力された場合、入力されたDCオフセットdに対して重み係数wsを積算することによってws積算値を算出する。積算部496は、算出した積算値を減算回路43−1に出力する。
以上のように構成されることによって、オフセット値調整部49は、必ずしもwl積算値及びws積算値を算出する必要がない。そのため、処理負荷を低減することができる。
なお、上記の実施形態において、DCオフセット補償部40の後に、IQクロストーク補償部50を備えるようにしているが、本発明は、当該実施の形態に限られない。IQクロストーク補償部50を補償部20に接続し、その後にDCオフセット補償部40を接続するようにしてもよい。この場合、DCオフセット補償部40が備えるサンプリング回路41−1等に代えて、IQクロストーク補償部50X、50Yとキャリア位相再生部24との間の4レーンの各々にサンプリング回路が備えられることになる。このサンプリング回路は、例えば、IQクロストーク補償部50Xの分岐回路51X−1、51X−2の前段、及びこれに対応するIQクロストーク補償部50Yの分岐回路の前段に接続されることになる。
また、上記の実施形態において、コンスタレーション歪補償部30は、DCオフセット補償部40と、IQクロストーク補償部50の両方を備えるようにしているが、いずれか一方を備えるようにしてもよい。
また、上記の実施形態において、局部発振レーザ11は、コヒーレント光送信装置1に適用される送信用レーザとは独立に動作しており、送信用レーザと周波数同期されていないものとするとしているが、同期がされているものに、本実施形態の構成を適用してもよい。
また、上記の実施形態では、相関係数算出部60X−1、60X−2が、動的に仮判定が行われた同相位相変調データ成分と、直交位相変調データ成分とに基づいて、相関係数を算出するようにしているが、本発明の構成は、当該実施の形態に限られない。相関係数の時間的な変化が大きくない場合、相関係数算出部60X−1、60X−2に予め相関係数を算出させておき、算出された相関係数を係数乗算回路54X−1、54X−2に予め設定しておくような構成であってもよい。この場合、相関係数算出部60X−1、60X−2は、IQクロストーク補償部50Xに必ずしも備えられている必要はなく、外部の演算装置により相関係数を算出するという構成であってもよい。
上述した実施形態におけるデジタル信号処理部13をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、FPGA(Field Programmable Gate Array)等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
1…コヒーレント光送信装置,2…光ファイバ,3…コヒーレント光受信装置,10…コヒーレント光受信フロントエンド部,11…局部発振レーザ,12…アナログデジタル変換器,13…デジタル信号処理部,20…補償部,21…波長分散補償部,22…偏波分離・偏波モード分散補償部,23…周波数オフセット補償部,24…キャリア位相再生部,30…コンスタレーション歪補償部,40(40−1〜40−4)…DCオフセット補償部,41−1…サンプリング回路,42−1…分岐回路,43−1…減算回路,44−1…変調データ成分除去部,45−1…仮判定回路,46−1…減算回路,47−1…フィルタ回路,48−1…平均化部,49、49a…オフセット値調整部,491…分岐部,492…重み係数wl積算部,493…重み係数ws積算部,494…振幅判定部,495、495a…選択部,496…積算部,50…IQクロストーク補償部,50X…IQクロストーク補償部,50Y…IQクロストーク補償部,51X−1、51X−2…分岐回路,52X−1、52X−2…減算回路,53X−1、53X−2…仮判定回路,54X−1、54X−2…係数乗算回路,60X−1、60X−2…相関係数算出部,61X−1、61X−2…信号規格化回路,63X−1、63X−2…内積算出回路,64X−1、64X−2…平均化回路,90…誤り訂正復号部,100…コヒーレント光データ伝送システム

Claims (8)

  1. レーザ光を供給する局部発振レーザと、
    多値変調された光信号を受信して、前記レーザ光に基づいて、前記光信号を復調して電気のアナログ信号に変換するコヒーレント光受信フロントエンド部と、
    前記アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、
    前記光信号の波長や偏波による分散の影響を補償して前記デジタル信号のキャリア位相を再生する補償部と、
    前記補償部により分散の影響が補償された前記デジタル信号に含まれる前記多値変調コンスタレーション歪を補償するコンスタレーション歪補償部と、
    前記コンスタレーション歪が補償された前記デジタル信号の誤り訂正を行う誤り訂正復号部と、
    を備え
    前記コンスタレーション歪補償部は、
    前記コンスタレーション歪としてのDCオフセットを前記デジタル信号に対して補償するDCオフセット補償部を備え、
    前記DCオフセット補償部は、
    前記デジタル信号から変調データ成分を低減し、平均化によりランダムノイズを除去して、前記デジタル信号に含まれる前記DCオフセットを抽出する平均化部と、
    前記平均化部が抽出する前記DCオフセットを、前記デジタル信号から減算する第1の減算回路と、
    を備え、
    前記平均化部は、
    前記デジタル信号から前記変調データ成分を抽出する仮判定回路と、
    前記仮判定回路が抽出する前記変調データ成分を前記デジタル信号から減算する第2の減算回路と、
    前記デジタル信号から前記変調データ成分を減算した減算結果を平均化するフィルタ回路と、
    を備えるコヒーレント光受信装置。
  2. レーザ光を供給する局部発振レーザと、
    多値変調された光信号を受信して、前記レーザ光に基づいて、前記光信号を復調して電気のアナログ信号に変換するコヒーレント光受信フロントエンド部と、
    前記アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、
    前記光信号の波長や偏波による分散の影響を補償して前記デジタル信号のキャリア位相を再生する補償部と、
    前記補償部により分散の影響が補償された前記デジタル信号に含まれる前記多値変調コンスタレーション歪を補償するコンスタレーション歪補償部と、
    前記コンスタレーション歪が補償された前記デジタル信号の誤り訂正を行う誤り訂正復号部と、
    を備え
    前記コンスタレーション歪補償部は、
    前記コンスタレーション歪としてのDCオフセットを前記デジタル信号に対して補償するDCオフセット補償部を備え、
    前記DCオフセット補償部は、
    前記デジタル信号から変調データ成分を低減し、平均化によりランダムノイズを除去して、前記デジタル信号に含まれる前記DCオフセットを抽出する平均化部と、
    前記平均化部が抽出する前記DCオフセットを、前記デジタル信号から減算する第1の減算回路と、
    を備え、
    前記DCオフセット補償部は、
    前記デジタル信号の同相位相成分の信号に含まれる前記DCオフセットを補償する場合、前記デジタル信号の直交位相成分の信号の振幅に応じた重み係数を前記平均化部が抽出する前記DCオフセットに乗算し、前記デジタル信号の前記直交位相成分の信号に含まれる前記DCオフセットを補償する場合、前記デジタル信号の前記同相位相成分の信号の振幅に応じた重み係数を前記平均化部が抽出する前記DCオフセットに乗算し、前記重み係数が乗算された前記DCオフセットを前記第1の減算回路に出力するオフセット値調整部をさらに備え、
    前記第1の減算回路は、前記オフセット値調整部から出力された前記重み係数が乗算された前記DCオフセットを、前記デジタル信号から減算するコヒーレント光受信装置。
  3. 前記平均化部は、
    前記デジタル信号から前記変調データ成分を抽出する仮判定回路と、
    前記仮判定回路が抽出する前記変調データ成分を前記デジタル信号から減算する第2の減算回路と、
    前記デジタル信号から前記変調データ成分を減算した減算結果を平均化するフィルタ回路と、
    を備える、請求項2に記載のコヒーレント光受信装置。
  4. 前記オフセット値調整部は、前記デジタル信号の前記同相位相成分信号に含まれる前記DCオフセットを補償する場合において前記デジタル信号の前記直交位相成分信号の振幅が所定の閾値より小さいとき、又は、前記デジタル信号の前記直交位相成分の信号に含まれる前記DCオフセットを補償する場合において前記デジタル信号の前記同相位相成分の信号の振幅が所定の閾値より小さいとき、前記重み係数を1より大きい値とする、請求項2又は3に記載のコヒーレント光受信装置。
  5. 前記オフセット値調整部は、前記デジタル信号の前記同相位相成分信号に含まれる前記DCオフセットを補償する場合において前記デジタル信号の前記直交位相成分信号の振幅が所定の閾値以上であるとき、又は、前記デジタル信号の前記直交位相成分の信号に含まれる前記DCオフセットを補償する場合において前記デジタル信号の前記同相位相成分の信号の振幅が前記閾値以上であるとき、前記重み係数を1より小さい値とする、請求項2から4のいずれか一項に記載のコヒーレント光受信装置。
  6. レーザ光を供給する局部発振レーザと、
    多値変調された光信号を受信して、前記レーザ光に基づいて、前記光信号を復調して電気のアナログ信号に変換するコヒーレント光受信フロントエンド部と、
    前記アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、
    前記光信号の波長や偏波による分散の影響を補償して前記デジタル信号のキャリア位相を再生する補償部と、
    前記補償部により分散の影響が補償された前記デジタル信号に含まれる前記多値変調コンスタレーション歪を補償するコンスタレーション歪補償部と、
    前記コンスタレーション歪が補償された前記デジタル信号の誤り訂正を行う誤り訂正復号部と、
    を備え
    前記コンスタレーション歪補償部は、
    前記コンスタレーション歪みとしてのIQクロストークを前記デジタル信号の同相位相成分及び直交位相成分の信号に対して補償するIQクロストーク補償部を備え、
    前記IQクロストーク補償部は、
    前記デジタル信号の前記同相位相成分の信号を仮判定して、同相位相変調データ成分を抽出する第1の仮判定回路と、
    前記デジタル信号における前記同相位相成分の前記直交位相成分の信号への漏れ込み分を、前記同相位相変調データ成分に基づいて算出する第1の係数乗算回路と、
    前記デジタル信号の前記直交位相成分の信号を仮判定して、直交位相変調データ成分を抽出する第2の仮判定回路と、
    前記デジタル信号における前記直交位相成分の前記同相位相成分の信号への漏れ込み分を、前記直交位相変調データ成分に基づいて算出する第2の係数乗算回路と、
    前記デジタル信号の前記同相位相成分の信号から前記第2の係数乗算回路の出力値を減算する第1の減算回路と、
    前記デジタル信号の前記直交位相成分の信号から前記第1の係数乗算回路の出力値を減算する第2の減算回路と、
    を備えるコヒーレント光受信装置。
  7. 前記IQクロストーク補償部は、
    前記デジタル信号の前記直交位相成分の信号に含まれる前記同相位相成分と前記同相位相成分の信号との相関を示す第1の相関係数を算出する第1の相関係数算出部と、
    前記デジタル信号の同相位相成分の信号に含まれる前記直交位相成分と前記直交位相成分の信号との相関を示す第2の相関係数を算出する第2の相関係数算出部と、
    を備え、
    前記第1の係数乗算回路は、
    前記同相位相変調データ成分に、前記第1の相関係数を乗じて出力し、
    前記第2の係数乗算回路は、
    前記直交位相変調データ成分に、前記第2の相関係数を乗じて出力する、請求項に記載のコヒーレント光受信装置。
  8. 前記第1の相関係数算出部は、
    前記直交位相変調データ分を前記直交位相変調データ成分のノルムの二乗で除算して出力する第1の信号規格化回路と、
    前記第1の信号規格化回路の出力値と、前記同相位相成分の信号との内積を算出する第1の内積算出回路と、
    前記第1の内積算出回路が算出する内積値を平均化して前記第1の相関係数を出力する第1の平均化回路と、
    を備え、
    前記第2の相関係数算出部は、
    前記直交位相変調データ成分を前記直交位相変調データ成分のノルムの二乗で除算して出力する第2の信号規格化回路と、
    前記第2の信号規格化回路の出力値と、前記直交位相成分の信号との内積を算出する第2の内積算出回路と、
    前記第2の内積算出回路が算出する内積値を平均化して第2の相関係数を出力する第2の平均化回路と、
    を備える、請求項に記載のコヒーレント光受信装置。
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