JP6470198B2 - 光送受信システム - Google Patents

Description

本発明は、光送受信システムに関する。

データ通信需要の増大に伴い、大容量トラヒックの伝送を可能とする光信号変調技術や、光信号多重技術を用いた光伝送ネットワークが普及しつつある。特に、１波当たりの伝送速度が１００Ｇｂ／ｓ（ギガビット毎秒）以上の超高速光送受信システムにおいて、コヒーレント検波とデジタル信号処理技術を組み合わせた、デジタルコヒーレント技術が広く用いられるようになってきた。一方、ＬＴＥ（Long Term Evolution）に代表されるような、モバイル端末による大容量データ通信が普及している。この普及により、より安価に、すなわち、より簡易な送受信器構成によって、１００Ｇｂ／ｓ級の超高速光伝送を実現することが求められている。

簡易な構成で１００Ｇｂ／ｓ級の超高速光伝送を実現する方式として、光信号の強度情報をもとにデータ信号の復調を行う直接検波方式が注目されている。特に、４値強度変調方式（ＰＡＭ４：4-level Pulse Amplitude Modulation）を用いた超高速光伝送方式の検討が進められている。４値強度変調方式は、２値の強度変調信号であるＮＲＺ（Non Return-to-Zero）方式に比べて高い周波数利用効率を有する。

デジタルコヒーレント技術を用いた１００Ｇｂ／ｓ級光伝送では、一般に偏波多重ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）変調方式（ＰＤＭ−ＱＰＳＫ）が用いられておいる。ＰＤＭ−ＱＰＳＫの変調速度は、２５Ｇｂａｕｄ（ギガボー）程度である。一方、ＰＡＭ４を用いて１００Ｇｂ／ｓ級の超高速光伝送を実施する場合の変調速度は５０Ｇｂａｕｄ程度である。そのため、ＰＡＭ４を用いた場合の信号スペクトルは、ＰＤＭ−ＱＰＳＫよりも広い周波数を占有する。これは、１００Ｇｂ／ｓ級のＰＡＭ４方式は、ＰＤＭ−ＱＰＳＫ方式に比べてフィルタリングによる波形劣化の影響を大きく受けることを意味する。より簡易な構成で１００Ｇｂ／ｓ級超高速光伝送を実現するためには、より狭帯域な電気フィルタを適用することが重要となるため、伝送信号に対するフィルタ耐力の向上技術が検討されている。ＰＡＭ４信号に対するフィルタ耐力の向上技術として、デュオバイナリＰＡＭ４方式が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。デュオバイナリＰＡＭ４方式では、ＰＡＭ４信号で用いる光強度の４値信号をデュオバイナリ符号化し、光強度の７値信号に変換することで、フィルタ耐力ならびに伝送路の波長分散に対する耐力の向上を実現する。

N. Stojanovic, et. al., "Performance and DSP Complexity Evaluation of a 112-Gbit/s PAM-4 Transceiver Employing a 25-GHz TOSA and ROSA," ECOC 2015 Tu.3.4.5

簡易な構成で１００Ｇｂ／ｓ級超高速光伝送を実現する方式としてＰＡＭ４方式が検討されており、このＰＡＭ４方式にデュオバイナリ符号化を適用することで、フィルタ耐力、波長分散耐力の向上を実現するデュオバイナリＰＡＭ４方式が提案されている。しかし、このデュオバイナリＰＡＭ４方式では光強度が７値をとり、ＰＡＭ４信号と比較してシンボル間距離が短くなるため、雑音に対する耐力が低減してしまう。また、光送信器においてデュオバイナリ符号化が適用されているため、復調の際に光受信器において最尤系列推定（ＭＬＳＥ：Maximum likelihood sequence estimation）を用いる必要があり、光受信器機能の複雑化を招いてしまうという課題がある。

上記事情に鑑み、本発明は、光受信器において複雑な復調処理を用いることなく、フィルタ耐力のある高速伝送を実現する光送受信システムを提供することを目的としている。

本発明の一態様は、光送信器と光受信器を有する光送受信システムであって、前記光送信器は、０から３までの４値のデータ情報の列からなる４値データ信号を、前記データ情報の値に、データ情報の値に０が出現する度に正負が反転する符号を付与した値のシンボルの列からなる７値データ信号に変換する符号化部と、前記７値データ信号から７値の電気信号を生成する信号生成部と、信号光源から出力されるレーザ光に、前記電気信号を印加して４値光強度に相当する７値の光振幅変調を施した光信号を生成する光変調部と、を備え、前記光受信器は、前記光送信器から送信された前記光信号を直接検波し、前記光信号の強度情報を電気信号に変換する受光部と、前記受光部によって変換された電気信号から４値のデータ信号を復調する復調部と、を備える。

また、本発明の一態様は、上述の光送受信システムであって、前記光送信器は、前記７値データ信号をデジタルフィルタ処理によって狭帯域化するデジタルフィルタ機能部を更に備え、前記信号生成部は、デジタルフィルタ処理された前記７値データ信号から７値の電気信号を生成する。

また、本発明の一態様は、上述の光送受信システムであって、前記信号生成部は、７値データ信号におけるシンボル値がｉ（ｉ＝１，２，３）のときの出力光信号の光強度とシンボル値が−ｉのときの出力光信号の光強度とが等しく、かつ、シンボル値がｉのときに出力光信号の光位相が０であり、シンボル値が−ｉのときに出力光信号の光位相がπであり、シンボル値が０のときに出力光信号の光強度が最小となるように前記レーザ光に変調電圧を印加するための電気信号を生成する。

また、本発明の一態様は、上述の光送受信システムであって、前記信号生成部は、Ｖ_πが前記光変調部からの出力光パワーを最小値から最大値まで変化させるために必要な電圧値、Ｖ_ｂｉａｓが前記光変調部からの出力光パワーが最小値となる電圧値である場合に、７値データ信号における−３から３の７つのシンボル値それぞれを、Ｖ_ｂｉａｓ−Ｖ_πからＶ_ｂｉａｓ＋Ｖ_πを等間隔に分ける７つの電圧値それぞれに対応させた印加電圧により前記光変調部を駆動させる電気信号を生成する。

本発明の一態様は、光送信器と光受信器を有する光送受信システムであって、前記光送信器は、０からＮ−１（Ｎは３以上の整数）までのＮ値のデータ情報の列からなるＮ値データ信号を、前記データ情報の値に、データ情報の値に０が出現する度に正負が反転する符号を付与した値のシンボルの列からなる２Ｎ−１値データ信号に変換する符号化部と、前記２Ｎ−１値データ信号から２Ｎ−１値の電気信号を生成する信号生成部と、信号光源から出力されるレーザ光に、前記電気信号を印加してＮ値光強度に相当する２Ｎ−１値の光振幅変調を施した光信号を生成する光変調部と、を備え、前記光受信器は、前記光送信器から送信された前記光信号を直接検波し、前記光信号の強度情報を電気信号に変換する受光部と、前記受光部によって変換された電気信号からＮ値のデータ信号を復調する復調部と、を備える。

また、本発明の一態様は、上述の光送受信システムであって、前記光送信器は、前記２Ｎ−１値データ信号をデジタルフィルタ処理によって狭帯域化するデジタルフィルタ機能部を更に備え、前記信号生成部は、デジタルフィルタ処理された前記２Ｎ−１値データ信号から２Ｎ−１値の電気信号を生成する。

また、本発明の一態様は、上述の光送受信システムであって、前記信号生成部は、２Ｎ−１値データ信号におけるシンボル値がｉ（ｉは１以上Ｎ−１以下の整数）のときの出力光信号の光強度とシンボル値が−ｉのときの出力光信号の光強度とが等しく、かつ、シンボル値がｉのときに出力光信号の光位相が０であり、シンボル値が−ｉのときに出力光信号の光位相がπであり、シンボル値が０のときに出力光信号の光強度が最小となるように前記レーザ光に変調電圧を印加するための電気信号を生成する。

また、本発明の一態様は、上述の光送受信システムであって、前記信号生成部は、Ｖ_πが前記光変調部からの出力光パワーを最小値から最大値まで変化させるために必要な電圧値、Ｖ_ｂｉａｓが前記光変調部からの出力光パワーが最小値となる電圧値である場合に、２Ｎ−１値データ信号における−Ｎ＋１からＮ−１の２Ｎ−１個のシンボル値それぞれを、Ｖ_ｂｉａｓ−Ｖ_πからＶ_ｂｉａｓ＋Ｖ_πを等間隔に分ける２Ｎ−１個の電圧値それぞれに対応させた印加電圧により前記光変調部を駆動させる電気信号を生成する。

本発明により、光受信器において複雑な復調処理を用いることなく、フィルタ耐力のある高速伝送を実現することが可能となる。

本発明の実施形態による光送信器の構成を示すブロック図である。 同実施形態による７値電気信号と送信光信号の光強度の関係を示す図である。 従来のＰＡＭ４方式における４値電気信号と送信光信号の光強度の関係を示す図である。 従来のデュオバイナリＰＡＭ４方式における７値電気信号と送信光信号の光強度の関係を示す図である。 同実施形態による光受信器の構成を示すブロック図である。 同実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式と従来のＰＡＭ４方式のそれぞれにおける、符号化前の４値データ信号と符号化後の光信号波形の関係を示す図である。 同実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式と従来のＰＡＭ４方式のそれぞれにおける送信光信号スペクトルを示す図である。 同実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式と従来のＰＡＭ４方式のそれぞれに対するＯＳＮＲ（Optical Signal-to-Noise Ratio）特性評価の結果を示す図である。 同実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式と従来のＰＡＭ４方式のそれぞれの波形が、波長分散によってどのように劣化するのかを示す図である。 同実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式と従来のＰＡＭ４方式のそれぞれに対する波長分散耐力の評価結果を示す図である。 第１の実施形態における光送信器の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態における７値電気信号と送信光信号の光強度の関係を示す図である。 第１の実施形態における光受信器の構成を示すブロック図である。 第２の実施形態における光送信器の構成を示すブロック図である。 第３の実施形態における光送信器の構成を示すブロック図である。 第３の実施形態における光受信器の構成を示すブロック図である。 第４の実施形態における光送信器の構成を示すブロック図である。

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。
従来のＰＡＭ４方式（４値強度変調方式）は、２ビットのデータ情報を０，１，２，３の４値の光強度に割り当てることで、２ｂｉｔ／ｓｙｍｂｏｌ（１シンボルあたり２ビット）の伝送を実現する。デュオバイナリＰＡＭ４方式では、２ビットのデータ情報を４値の光強度に割り当てたのち、その４値の光強度を０，１，２，３，４，５，６の７値の光強度に割り当てることで、高いフィルタ耐力、高い波長分散耐力を有する２ｂｉｔ／ｓｙｍｂｏｌの伝送を実現する。しかし、光受信器では復調の際に７値の光強度を識別しなければならないため、従来のＰＡＭ４方式と比べ雑音に対する耐力が低減する。また、送信データ情報を復元するために、復調の際にＭＬＳＥ（最尤系列推定：maximum likelihood sequence estimation）等を用いたデュオバイナリ復号化を行わなければならないため、光受信器に複雑なデジタル信号処理の機能が必要となる。

本実施形態は、２ビットのデータ情報を４値の光強度に割り当てたのち、その４値の光強度を−３，−２，−１，０，１，２，３の７値の光振幅に割り当てる。これは、４値／７値符号化に相当する。符号化前の４値信号をＳ（Ｓ＝０，１，２，３）、符号化後の７値信号をＣ（Ｃ＝−３，−２,−１，０，１，２，３）、管理符号をＰ（Ｐ＝−１，１）とした場合、符号化は以下の（式１）及び（式２）に従い実行される。

ただし、Ｓ＝０のときは、Ｐの符号を反転させることとする。このとき、Ｐの初期値は１と−１のどちらでもよい。（式１）及び（式２）に示された規則に従って４値／７値符号化を実施すると、例えば、Ｓ＝［１ ０ ３ ２ １ ０ ２ ０ ０ ３ ２ ０ ２］という４値信号のシーケンスに対しては、Ｃ＝[１ ０ −３ −２ −１ ０ ２ ０ ０ ３ ２ ０ −２］という７値信号のシーケンスが割り当てられることとなる。ここでは、管理符号Ｐの初期値を１としており、管理符号のシーケンスは、Ｐ＝［１ −１ −１ −１ −１ １ １ −１ １ １ １ −１ −１］となる。

本実施形態による光送受信システムは、図１に示す光送信器１と、図５に示す光受信器３を備える。光送信器１と光受信器３とは、光ファイバ伝送路を介して接続される。光ファイバ伝送路は、光送信器１と光受信器３との間の信号光を伝送する。送信側と受信側の一方又は両方が、光送信器１及び光受信器３を備える光送受信器であってもよい。

図１は、光送信器１の構成を示すブロック図である。光送信器１は、４値／７値符号化部１１と、信号生成部１２と、信号光源１３と、マッハツェンダー型光強度変調器（以下、「ＭＺ変調器」と記載する。）１４とを備える。４値／７値符号化部１１は、送信するべき４値のデータ信号である４値データ信号（Ｓ）を、（式１）及び（式２）に示す規則に従って７値のデータ信号である７値データ信号（Ｃ）に変換する。信号生成部１２は、７値データ信号（Ｃ）を、７値の電気信号である７値電気信号に変換する。信号生成部１２は、７値電気信号を印加電圧としてＭＺ変調器１４に付与する。これにより、ＭＺ変調器１４は、信号光源１３から出力されるレーザ光に、印加電圧により７値の光振幅変調を施した送信光信号（７値振幅変調光信号）を生成する。光送信器１は、ＭＺ変調器１４により生成された送信光信号を光ファイバ伝送路に出力する。送信光信号は、光ファイバ伝送路により光受信器３へ伝送される。

図２は、本実施形態による７値電気信号と送信光信号の光強度の関係を示す図である。
光送信器１は、光変調部（例えば、ＭＺ変調器１４）に付与するバイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓを光強度のヌル点に設定し、７値電気信号の最大振幅（つまり、−３と３）が光変調部の波長電圧Ｖ_πの２倍の値（つまり２Ｖ_π）と等しくなるように、振幅を調整する。光信号のヌル点を境として、光位相が反転するため、変調された光信号は７値の光振幅変調が施された光信号となる。このとき、７値データの「３と−３」、「２と−２」、「１と−１」における光強度がそれぞれ等しい値となるように印加電圧を調整する。これより、光振幅で見ると７値、光強度で見ると４値となる光信号を生成することが可能となる。

図３は、従来のＰＡＭ４方式における４値電気信号と送信光信号の光強度の関係を示す図であり、図４は、従来のデュオバイナリＰＡＭ４方式における７値電気信号と送信光信号の光強度の関係を示す図である。
図３に示す従来のＰＡＭ４方式や、図４に示す従来のデュオバイナリＰＡＭ４方式では、データ信号が光強度の形で重畳される。これに対し、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式では、図３に示すように、データ信号が光振幅の形で重畳される。

図５は、本実施形態による光受信器３の構成を示すブロック図である。光受信器３は、受光部３１を備える。受光部３１は、光送信器１から出力され、光ファイバ伝送路により伝送された７値振幅変調光信号を直接検波によって受信し、受信した光信号の強度情報を電気信号に変換する。ここで、送信光信号として７値の光振幅変調が施された光信号は、４値の振幅を持つ電気信号である４値電気信号に変換される。具体的には、光振幅として−３又は３が割り当てられた光信号に対応する電気信号の振幅値は３、光振幅として−２又は２が割り当てられた光信号に対応する電気信号の振幅値は２、光振幅として−１又は１が割り当てられた光信号に対応する電気信号の振幅値は１、光振幅として０が割り当てられた光信号に対応する電気信号の振幅値は０となる。受光部３１による直接検波後の４値電気信号をＲ(Ｒ＝０，１，２，３）とすると、この４値電気信号（Ｒ）はまさしく符号化前の４値データ信号（Ｓ）に対応しており、以下の（式３）により表すことができる。

このように、本実施形態ではデュオバイナリＰＡＭ４方式のようなＭＬＳＥ等を用いた復号化処理を用いることなく送信データを復調することが可能である。従って、光受信器に複雑なデジタル信号処理機能を具備する必要がない。これは、簡易な光受信器構成によって信号が復調可能であることを意味する。

図６は、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式と従来のＰＡＭ４方式のそれぞれにおける、符号化前の４値データ信号（Ｓ）と符号化後の光信号波形の関係を示す図である。図６（ａ）は、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式について、図６（ｂ）は従来のＰＡＭ４方式について示している。

本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式と従来のＰＡＭ４方式のいずれも、符号化前の４値データ信号（Ｓ）は、［３ ０ ３ ２ ０ １ ０ ３］である。図６（ｂ）に示す通り、従来のＰＡＭ４方式では［３ ０ ３］のようなデータシーケンスでは、変調周波数相当の高い周波数で大きな光振幅の変化が生じる。一方、図６（ａ）に示すように、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式では、［３ ０ ３］のようなデータシーケンスは４値／７値符号化により［３ ０ −３］となるため、変調周波数の半分程度の低い周波数で光振幅の変化が生じるのみである。これは、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式では、高い周波数でかつ大きな光振幅の変化が発生しないということを意味している。

図７は、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式と従来のＰＡＭ４方式のそれぞれにおける送信光信号スペクトルを示す図である。図７（ａ）は、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式について、図７（ｂ）は従来のＰＡＭ４方式について示している。ここでは、いずれも、変調速度を５６Ｇｂａｕｄとしている。

図７（ａ）に示すように、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式では信号パワーが低周波領域に集中しており、図７（ｂ）に示す従来のＰＡＭ４方式に比べて高周波領域のパワーが小さいことが確認できる。これは、４値／７値符号化ＰＡＭ４方式では高周波変動が抑圧されていることを意味している。

図８は、伝送シミュレーションによる、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式と従来のＰＡＭ４方式のそれぞれに対するＯＳＮＲ（光信号対雑音比：Optical Signal-to-Noise Ratio）特性評価の結果を示す図である。ここでは、それぞれの信号の変調速度を５６Ｇｂａｕｄとしており、光送信器の電気帯域を２６ＧＨｚに制限した場合、２８ＧＨｚに制限した場合、制限を与えなかった場合のそれぞれに対して、ＯＳＮＲとＢＥＲ（ビット誤り率）の関係を示している。

帯域制限を与えなかった場合における４値／７値符号化ＰＡＭ４方式のＯＳＮＲ特性は、従来のＰＡＭ４方式のＯＳＮＲ特性とほぼ同等であることが確認できる。一方、帯域制限を与えた場合における本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式のＯＳＮＲ特性は、従来のＰＡＭ４と比較して良好な特性を示していることが確認できる。特に、光送信器の電気帯域を２６ＧＨｚに制限した場合に注目すると、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式が１Ｅ−３のＢＥＲを満足するために必要なＯＳＮＲがおよそ３３ｄＢであるのに対し、従来のＰＡＭ４方式が１Ｅ−３のＢＥＲを満足するために必要なＯＳＮＲはおよそ３５ｄＢである。これは、帯域制限環境下において、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式を適用することで、ＯＳＮＲ換算で約２ｄＢの特性改善効果が得られることを意味している。

図９は、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式と従来のＰＡＭ４方式のそれぞれの波形が、波長分散によってどのように劣化するのかを示す図である。図９（ａ）は、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式の波形の劣化を示す図であり、図９（ｂ）が従来のＰＡＭ４方式の波形の劣化を示す図である。ここでは、符号化前の４値データ信号（Ｓ）は、［３ ０ ３］である。図９（ｂ）に示すように、従来のＰＡＭ４方式では「３」に相当する光信号が波長分散により波形広がりを生じ、隣の「０」に相当するシンボルとの間でシンボル間干渉（ＩＳＩ：Inter-Symbol Interference）が発生してしまう。一方、図９（ａ）に示すように、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式では、［３ ０ ３］のようなデータシーケンスは４値／７値符号化により［３ ０ −３］となる。そのため、「３」に相当するシンボルと隣の「０」に相当するシンボルとの間のＩＳＩは、「−３」に相当するシンボルと隣の「０」に相当するシンボルとの間のＩＳＩによって打ち消し合う。したがって、「３」「０」「−３」の間でＩＳＩが発生することがない。これは、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式は、従来のＰＡＭ４方式と比べて波長分散による信号品質劣化の影響が小さい、すなわち、高い波長分散耐力を有する方式であることを意味している。

図１０は、伝送シミュレーションによる、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式と従来のＰＡＭ４方式のそれぞれに対する波長分散耐力の評価結果を示す図である。ここでは、それぞれの信号の変調速度を５６Ｇｂａｕｄとしており、ＯＳＮＲが３４ｄＢのときにおける伝送路波長分散とＢＥＲの関係を示している。１Ｅ−３のＢＥＲを満足する波長分散値に注目すると、従来のＰＡＭ４方式では、±１７．５ｐｓ／ｎｍを超過するとＢＥＲが１Ｅ−３以上になってしまうのに対し、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式は、±２７．５ｐｓ／ｎｍまでであればＢＥＲが１Ｅ−３を超過しないことが確認できる。これは、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式が従来のＰＡＭ４方式に比べておよそ１．４倍の波長分散耐力を有していることを意味している。

なお、本実施形態の４値／７値符号化ＰＡＭ４方式は、任意のＮ値の強度変調信号（ＰＡＭ−Ｎ方式）に対する符号化方式として拡張可能である。具体的には、Ｎ値のデータ信号を（式１）及び（式２）に示す方法で符号化することにより、２Ｎ−１値のデータ信号に変換し、Ｎ値／２Ｎ−１値符号化ＰＡＭ−Ｎ方式を実現する。ここで、Ｓは符号化前のＮ値のデータ信号（Ｓ＝０，１．…，Ｎ−１)、Ｃは符号化後の２Ｎ−１値のデータ信号（Ｃ＝−Ｎ＋１，…，−１，０，１，…，Ｎ−１)、Ｐは管理符号（Ｐ＝−１，１）である。

続いて、上述した実施形態を適用した第１の実施形態〜第４の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１１に、第１の実施形態における光送信器１１０の構成を示すブロック図である。光送信器１１０は、４値／７値符号化部１１１と、信号生成部１１２と、電気アンプ１１３と、信号光源１１４と、ＭＺ変調器１１５とを備える。４値／７値符号化部１１１は、送信するべき４値データ信号（Ｓ）を、（式１）及び（式２）に示された規則に従って７値データ信号（Ｃ）に変換し、信号生成部１１２に出力する。信号生成部１１２は、４値／７値符号化部１１１から入力した７値データ信号（Ｃ）を、７値電気信号に変換し、電気アンプ１１３に出力する。電気アンプ１１３は、信号生成部１１２から入力した７値電気信号を増幅し、ＭＺ変調器１１５に電圧として印加する。ＭＺ変調器１１５は、信号光源１１４から出力されるレーザ光に、印加電圧により７値の光振幅変調を施した送信光信号（７値振幅変調光信号）を生成する。光送信器１１０は、ＭＺ変調器１１５により生成された送信光信号を光ファイバ伝送路に出力する。送信光信号は、光ファイバ伝送路により図１３に示す光受信器１３０へ伝送される。

ＭＺ変調器１１５に印加されるバイアス電圧は、ＭＺ変調器１１５からの出力光のパワーが最小になる値（ヌル点）に合わせる。バイアス電圧をＶ_ｂｉａｓとすると、−３，−２，−１，０，１，２，３の各シンボルに対応する印加電圧値はそれぞれ以下の（式４）〜（式１０）の通りとなる。なお、シンボルｉは、値がｉ（ｉは−３以上３以下の整数）のシンボルである。

図１２は、７値電気信号と送信光信号の光強度の関係を示す図である。上記の式におけるＶ_πは、図１２に示す通り、ＭＺ変調器１１５からの出力光パワーが最小から最大になる電圧値である。このように印加電圧を設定することで、ＭＺ変調器１１５からの出力光パワーが各シンボル間で等間隔に配置された７値の光振幅変調信号を生成することが可能となる。

図１３は、第１の実施形態における光受信器１３０の構成を示すブロック図である。光送信器１１０と光ファイバ伝送路を介して接続される。光受信器１３０は、受光器（ＰＤ）１３１と、識別回路１３２とを備える。受光器１３１は、光送信器１１０から出力され、光ファイバ伝送路により伝送された７値振幅変調光信号を受信し、受信した光信号を直接検波によって受信する。受光器１３１は、受信した光信号の強度情報を４値の電気信号である４値電気信号（Ｒ）に変換し、識別回路１３２に出力する。識別回路１３２は、信号のクロックを抽出するとともに、光信号の強度情報に相当する４値電気信号（Ｒ）が表す強度の値に応じて０，１，２，３を識別することで、送信データを復調する。

（第２の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態よりも狭い帯域の送信光信号を生成する。本実施形態の光受信器の構成は、第１の実施形態の光受信器１３０と同様である。

図１４は、第２の実施形態における光送信器２１０の構成を示すブロック図である。光送信器２１０は、４値／７値符号化部２１１と、デジタルフィルタ機能部２１２と、信号生成部２１３と、電気アンプ２１４と、信号光源２１５と、ＭＺ変調器２１６とを備える。このように、光送信器２１０は、第１の実施形態の光送信器１１０に、デジタルフィルタ機能部をさらに加えた構成である。

４値／７値符号化部２１１は、送信するべき４値データ信号（Ｓ）を７値データ信号（Ｃ）に変換し、デジタルフィルタ機能部２１２に出力する。デジタルフィルタ機能部２１２は、４値／７値符号化部２１１から入力した７値データ信号（Ｃ）に対してデジタルフィルタ処理を施し、信号生成部２１３に出力する。信号生成部２１３は、デジタルフィルタ処理が施されたデ７値データ信号を、７値電気信号に変換し、電気アンプ２１４に出力する。これにより、電気アンプ２１４へ入力される７値電気信号の狭帯域化を行うことが可能となる。特に、デジタルフィルタ処理として、伝達関数が以下の（式１１）、（式１２）及び（式１３）で示されるレイズドコサインフィルタ（ＲＣＦ）処理を施した信号を信号生成部２１３から出力することにより、より信号帯域が狭い送信光信号の生成が可能となる。電気アンプ２１４は、信号生成部２１３から入力した７値電気信号を増幅し、ＭＺ変調器２１６に電圧として印加する。ＭＺ変調器２１６は、信号光源２１５から出力されるレーザ光に、７値の光振幅変調を施した送信光信号を生成する。

ここで、Ｗは変調速度、αはロールオフ係数であり、０≦α≦１である。

第１の実施形態では、信号生成部１１２には７値の電気信号を生成するために必要な解像度を有するデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）機能が備わっていればよい。第２の実施形態では、ＲＣＦ処理に伴いより高い解像度を有するＤＡＣ機能が信号生成部２１３に必要となる一方で、４値／７値符号化ＰＡＭ４方式の特徴を備え、かつ第１の実施形態に比べてより信号帯域の狭い送信光信号を生成することが可能となる。

（第３の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態をＮ値（Ｎは１以上の整数）の強度変調信号に拡張した場合に相当する。
図１５は、第３の実施形態における光送信器３１０の構成を示すブロック図である。光送信器３１０は、Ｎ値／２Ｎ−１値符号化部３１１と、信号生成部３１２と、電気アンプ３１３と、信号光源３１４と、ＭＺ変調器３１５とを備える。Ｎ値／２Ｎ−１値符号化部３１１は、送信するべきＮ値のデータ信号であるＮ値データ信号（Ｓ）を、（式１）及び（式２）に示された規則に従って２Ｎ−１値のデータ信号である２Ｎ−１データ信号（Ｃ）に変換し、信号生成部３１２に出力する。信号生成部３１２は、Ｎ値／２Ｎ−１値符号化部３１１から入力した２Ｎ−１値データ信号（Ｃ）を、２Ｎ−１値の電気信号である２Ｎ−１値電気信号に変換し、電気アンプ３１３に出力する。電気アンプ３１３は、信号生成部３１２から入力した２Ｎ−１値電気信号を増幅し、ＭＺ変調器３１５に電圧として印加する。ＭＺ変調器３１５は、信号光源３１４から出力されるレーザ光に、印加電圧により２Ｎ−１値の光振幅変調を施した送信光信号（２Ｎ−１値振幅変調光信号）を生成する。

ＭＺ変調器３１５に印加されるバイアス電圧は、ＭＺ変調器３１５からの出力光のパワーが最小になる値（ヌル点）に合わせる。バイアス電圧をＶ_ｂｉａｓとすると、各シンボル−Ｎ＋１，…，−１，０，１，…，Ｎ−１に対応する印加電圧値はそれぞれ以下の（式１４）〜（式１６）の通りとなる。なお、シンボルｊは、値がｊ（ｊは−Ｎ＋１以上Ｎ−１以下の整数）のシンボルである。

ここでＶ_πは、図１２に示す通り、ＭＺ変調器３１５からの出力光パワーが最小から最大になる電圧値である。このように印加電圧を設定することで、ＭＺ変調器３１５からの出力光パワーが各シンボル間で等間隔に配置されたＮ−１値の光振幅変調信号を生成することが可能となる。

図１６は、第３の実施形態における光受信器３３０の構成を示すブロック図である。光受信器３３０は、光送信器３１０と光ファイバ伝送路を介して接続される。光受信器３３０は、受光器３３１と、識別回路３３２とを備える。受光器３３１は、光送信器３１０から出力され、光ファイバ伝送路により伝送された２Ｎ−１値振幅変調光信号を直接検波によって受信する。受光器３３１は、受信した光信号の強度情報をＮ値の電気信号であるＮ値電気信号（Ｒ）に変換し、識別回路３３２に出力する。識別回路３３２は、信号のクロックを抽出するとともに、光信号の強度情報に相当するＮ値電気信号（Ｒ）が表す強度の値に応じて０，１，…，Ｎ−１を識別することで、送信データを復調する。

（第４の実施形態）
本実施形態は、第３の実施形態よりも狭い帯域の送信光信号を生成する。本実施形態による光受信器の構成は、第３の実施形態による光受信器３３０と同様である。

図１７は、第４の実施形態における光送信器４１０の構成を示すブロック図である。光送信器４１０は、Ｎ値／２Ｎ−１値符号化部４１１と、デジタルフィルタ機能部４１２と、信号生成部４１３と、電気アンプ４１４と、信号光源４１５と、ＭＺ変調器４１６とを備える。このように、光送信器４１０は、第３の実施形態の光送信器３１０に、デジタルフィルタ機能部をさらに加えた構成である。

Ｎ値／２Ｎ−１値符号化部４１１は、送信するべきＮ値データ信号（Ｓ）を２Ｎ−１値データ信号（Ｃ）に変換し、デジタルフィルタ機能部４１２に出力する。デジタルフィルタ機能部４１２は、Ｎ値／２Ｎ−１値符号化部４１１から入力した２Ｎ−１値データ信号（Ｃ）に対してデジタルフィルタ処理を施し、信号生成部４１３に出力する。信号生成部４１３は、デジタルフィルタ処理が施された２Ｎ−１値データ信号を、２Ｎ−１値電気信号に変換し、電気アンプ４１４に出力する。これにより、電気アンプ４１４へ入力される２Ｎ−１値電気信号の狭帯域化を行うことが可能となる。特に、デジタルフィルタ処理として、伝達関数が（式１１）、（式１２）及び（式１３）で示されるＲＣＦ処理を施した信号を信号生成部４１３から出力することにより、より信号帯域が狭い送信光信号を生成することが可能となる。電気アンプ４１４は、信号生成部４１３から入力した２Ｎ−１値電気信号を増幅し、ＭＺ変調器４１６に電圧として印加する。ＭＺ変調器４１６は、信号光源４１５から出力されるレーザ光に、印加電圧により２Ｎ−１値の光振幅変調を施した送信光信号を生成する。

第３の実施形態では、信号生成部３１２には２Ｎ−１値の電気信号を生成するために必要な解像度を有するデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）機能が備わっていればよい。第４の実施形態では、ＲＣＦ処理に伴い、より高い解像度を有するＤＡＣ機能が信号生成部４１３に必要となる一方で、Ｎ値／２Ｎ−１値符号化ＰＡＭ４方式の特徴を備え、かつ第３の実施形態に比べてより信号帯域の狭い送信光信号を生成することが可能となる。

以上説明した実施形態によれば、光送受信システムは、光送信器及び光受信器を有する。光送信器は、符号化部と、信号生成部と、信号光源と、光変調部（例えば、ＭＺ変調器）とを備え、光受信器は、受光部と、復調部（例えば、識別回路）とを備える。
光送信器において、符号化部（例えば、４値／７値符号化部）は、０から３までの４値のデータ情報の列からなる４値データ信号を入力する。符号化部は、４値データ信号を、データ情報の値に、値が０のデータ情報が出現する度に正負が反転する符号を付与した値のシンボルの列からなる７値データ信号に変換する。信号生成部は、７値データ信号から７値の電気信号を生成する。光変調部は、信号光源から出力されるレーザ光に、７値の電気信号を印加して４値光強度に相当する７値の光振幅変調を施した光信号を生成する。光受信器において、受光部は、光送信器から送信された光信号を直接検波し、光信号の強度情報を電気信号に変換する。復調部は、受光部によって変換された電気信号から４値のデータ信号を復調する。
なお、光送信器は、７値データ信号をデジタルフィルタ処理によって狭帯域化するデジタルフィルタ機能部を更に備えてもよい。信号生成部は、デジタルフィルタ処理された７値データ信号から７値の電気信号を生成する。
また、信号生成部は、７値データ信号におけるシンボル値がｉ（ｉ＝１，２，３）のときの出力光信号の光強度とシンボル値が−ｉのときの出力光信号の光強度とが等しく、かつ、シンボル値がｉのときに出力光信号の光位相が０であり、シンボル値が−ｉのときに出力光信号の光位相がπであり、シンボル値が０のときに出力光信号の光強度が最小となるようにレーザ光に変調電圧を印加するための電気信号を生成する。
また、信号生成部は、Ｖ_πが光変調部からの出力光パワーを最小値から最大値まで変化させるために必要な電圧値、Ｖ_ｂｉａｓが光変調部からの出力光パワーが最小値となる電圧値である場合に、７値データ信号における−３から３の７つのシンボル値それぞれを、Ｖ_ｂｉａｓ−Ｖ_πからＶ_ｂｉａｓ＋Ｖ_πを等間隔に分ける７つの電圧値それぞれに対応させた印加電圧により光変調部を駆動させる電気信号を生成する。

あるいは、光送信器において、符号化部（例えば、Ｎ値／２Ｎ−１値符号化部）は、０からＮ−１（Ｎは１以上の整数）までのＮ値のデータ情報の列からなるＮ値データ信号を入力する。符号化部は、Ｎ値データ信号を、データ情報の値に、値が０のデータ情報が出現する度に正負が反転する符号を付与した値のシンボルの列からなる２Ｎ−１値データ信号に変換する。信号生成部は、２Ｎ−１値データ信号から２Ｎ−１値の電気信号を生成する。光変調部は、信号光源から出力されるレーザ光に、電気信号を印加してＮ値光強度に相当する２Ｎ−１値の光振幅変調を施した光信号を生成する。光受信器において受光部は、光送信器から送信された光信号を直接検波し、光信号の強度情報を電気信号に変換する。復調部は、受光部によって変換された電気信号からＮ値のデータ信号を復調する。
なお、光送信器は、２Ｎ−１値データ信号をデジタルフィルタ処理によって狭帯域化するデジタルフィルタ機能部を更に備えてもよい。信号生成部は、デジタルフィルタ処理された２Ｎ−１値データ信号から２Ｎ−１値の電気信号を生成する。
また、信号生成部は、２Ｎ−１値データ信号におけるシンボル値がｉ（ｉは１以上Ｎ−１以下の整数）のときの出力光信号の光強度とシンボル値が−ｉのときの出力光信号の光強度とが等しく、かつ、シンボルの値がｉのときに出力光信号の光位相が０であり、シンボル値が−ｉのときに出力光信号の光位相がπであり、シンボル値が０のときに出力光信号の光強度が最小となるようにレーザ光に変調電圧を印加するための電気信号を生成する。
また、信号生成部は、２Ｎ−１値データ信号における−Ｎ＋１からＮ−１の２Ｎ−１個のシンボル値それぞれを、Ｖ_ｂｉａｓ−Ｖ_πからＶ_ｂｉａｓ＋Ｖ_πを等間隔に分ける２Ｎ−１個の電圧値それぞれに対応させた印加電圧により光変調部を駆動させる電気信号を生成する。

以上説明した実施形態によれば、光送信器は、光強度を７値化又は２Ｎ−１値化するのではなく、光振幅を７値化又は２Ｎ−１値化して送信光信号を生成する。これにより、本実施形態は、従来のＰＡＭ４方式と比較して、ＰＡＭ４信号のフィルタ耐力向上、波長分散耐力向上を実現することができる。また、本実施形態は、従来のデュオバイナリＰＡＭ４と比較して、高い雑音耐力を有し、光受信器においてＭＬＳＥ等の複雑な復調処理を用いる必要もない。

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。

伝送された光信号を直接受信することで、光信号の強度情報をもとにデータ信号の復調を行う直接検波方式を用いた光送受信システムに適用可能である。

１、１１０、２１０、３１０、４１０…光送信器
３、１３０、３３０…光受信器
１１、１１１、２１１…４値／７値符号化部
１２、１１２、２１３、３１２、４１３…信号生成部
１３、１１４、２１５、３１４、４１５…信号光源
１４、１１５、２１６、３１５、４１６…ＭＺ変調器
３１…受光部
１１３、２１４、３１３、４１４…電気アンプ
１３１、３３１…受光器
１３２、３３２…識別回路
２１２、４１２…デジタルフィルタ機能部
３１１、４１１…Ｎ値／２Ｎ−１値符号化部

Claims (8)

1. 光送信器と光受信器を有する光送受信システムであって、
   前記光送信器は、
   ０から３までの４値のデータ情報の列からなる４値データ信号を、前記データ情報の値に、データ情報の値に０が出現する度に正負が反転する符号を付与した値のシンボルの列からなる７値データ信号に変換する符号化部と、
   前記７値データ信号から７値の電気信号を生成する信号生成部と、
   信号光源から出力されるレーザ光に、前記電気信号を印加して４値光強度に相当する７値の光振幅変調を施した光信号を生成する光変調部と、
   を備え、
   前記光受信器は、
   前記光送信器から送信された前記光信号を直接検波し、前記光信号の強度情報を電気信号に変換する受光部と、
   前記受光部によって変換された電気信号から４値のデータ信号を復調する復調部と、
   を備える、
   ことを特徴とする光送受信システム。
2. 前記光送信器は、前記７値データ信号をデジタルフィルタ処理によって狭帯域化するデジタルフィルタ機能部を更に備え、
   前記信号生成部は、デジタルフィルタ処理された前記７値データ信号から７値の電気信号を生成する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光送受信システム。
3. 前記信号生成部は、７値データ信号におけるシンボル値がｉ（ｉ＝１，２，３）のときの出力光信号の光強度とシンボル値が−ｉのときの出力光信号の光強度とが等しく、かつ、シンボル値がｉのときに出力光信号の光位相が０であり、シンボル値が−ｉのときに出力光信号の光位相がπであり、シンボル値が０のときに出力光信号の光強度が最小となるように前記レーザ光に変調電圧を印加するための電気信号を生成する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光送受信システム。
4. 前記信号生成部は、Ｖ_πが前記光変調部からの出力光パワーを最小値から最大値まで変化させるために必要な電圧値、Ｖ_ｂｉａｓが前記光変調部からの出力光パワーが最小値となる電圧値である場合に、７値データ信号における−３から３の７つのシンボル値それぞれを、Ｖ_ｂｉａｓ−Ｖ_πからＶ_ｂｉａｓ＋Ｖ_πを等間隔に分ける７つの電圧値それぞれに対応させた印加電圧により前記光変調部を駆動させる電気信号を生成する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光送受信システム。
5. 光送信器と光受信器を有する光送受信システムであって、
   前記光送信器は、
   ０からＮ−１（Ｎは３以上の整数）までのＮ値のデータ情報の列からなるＮ値データ信号を、前記データ情報の値に、データ情報の値に０が出現する度に正負が反転する符号を付与した値のシンボルの列からなる２Ｎ−１値データ信号に変換する符号化部と、
   前記２Ｎ−１値データ信号から２Ｎ−１値の電気信号を生成する信号生成部と、
   信号光源から出力されるレーザ光に、前記電気信号を印加してＮ値光強度に相当する２Ｎ−１値の光振幅変調を施した光信号を生成する光変調部と、
   を備え、
   前記光受信器は、
   前記光送信器から送信された前記光信号を直接検波し、前記光信号の強度情報を電気信号に変換する受光部と、
   前記受光部によって変換された電気信号からＮ値のデータ信号を復調する復調部と、
   を備える、
   ことを特徴とする光送受信システム。
6. 前記光送信器は、前記２Ｎ−１値データ信号をデジタルフィルタ処理によって狭帯域化するデジタルフィルタ機能部を更に備え、
   前記信号生成部は、デジタルフィルタ処理された前記２Ｎ−１値データ信号から２Ｎ−１値の電気信号を生成する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の光送受信システム。
7. 前記信号生成部は、２Ｎ−１値データ信号におけるシンボル値がｉ（ｉは１以上Ｎ−１以下の整数）のときの出力光信号の光強度とシンボル値が−ｉのときの出力光信号の光強度とが等しく、かつ、シンボル値がｉのときに出力光信号の光位相が０であり、シンボル値が−ｉのときに出力光信号の光位相がπであり、シンボル値が０のときに出力光信号の光強度が最小となるように前記レーザ光に変調電圧を印加するための電気信号を生成する、
   ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の光送受信システム。
8. 前記信号生成部は、Ｖ_πが前記光変調部からの出力光パワーを最小値から最大値まで変化させるために必要な電圧値、Ｖ_ｂｉａｓが前記光変調部からの出力光パワーが最小値となる電圧値である場合に、２Ｎ−１値データ信号における−Ｎ＋１からＮ−１の２Ｎ−１個のシンボル値それぞれを、Ｖ_ｂｉａｓ−Ｖ_πからＶ_ｂｉａｓ＋Ｖ_πを等間隔に分ける２Ｎ−１個の電圧値それぞれに対応させた印加電圧により前記光変調部を駆動させる電気信号を生成する、
   ことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の光送受信システム。

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