JP6510438B2

JP6510438B2 - 光伝送システム

Info

Publication number: JP6510438B2
Application number: JP2016028250A
Authority: JP
Inventors: 光貴河原; 光師福徳; 山本　秀人; 秀人山本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-02-17
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2019-05-08
Anticipated expiration: 2036-02-17
Also published as: JP2017147617A

Description

本発明は、光伝送システムに関する。

近年、インターネットトラフィックの増大に伴う光ネットワークの大容量化及び長距離化に向け、コヒーレント伝送技術とデジタル信号処理技術とを組み合わせたデジタルコヒーレントＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）伝送システムの研究開発が進められている。

また、ＷＤＭ伝送システムの更なる性能向上に向け、主な制限要因であるチャネル間の非線形効果を補償する方式が検討されている。チャネル間の非線形効果とは、相互位相変調（Cross-Phase Modulation:ＸＰＭ）や四光波混合（Four Wave Mixing:ＦＷＭ）といった、複数チャネル間で相互作用した結果生じる信号劣化要因である。ＸＰＭは、所望チャネル以外の他チャネルの光強度に応じて信号光の位相が変調される現象である。ＦＷＭは、所望チャネル以外の他の複数チャネル間の相互作用により新たな周波数光が発生し、所望チャネルと干渉する現象である。両者は、波長分散のように光信号の強度波形を変化させ波形歪を引き起こす要素と共存する場合には、複雑な複合的効果をもたらす。これらを効率よく補償するために、様々な補償方式が提案されている。

図１６は、従来の光伝送システムの第１の構成を示す図である。例えば、図１６に示すように、従来の光伝送システムは、受信端デジタル信号処理において、スプリットステップフーリエ法に基づき、伝搬路を微小区間に分割する。従来の光伝送システムは、波長分散による波形歪を周波数領域で、非線形効果による位相回転等を時間領域で、各区間において逆伝搬方向に補正する、といった線形補償と非線形補償を交互に繰り返すデジタル後方伝搬法（Digital Back Propagation：ＤＢＰ）が提案されている。

複数チャネル伝送システムにおいて隣接チャネルも同時受信することでＸＰＭ等のチャネル間の非線形効果を補償する方式が、報告されている（非特許文献１参照）。このような補償方式では、波長分散を補償する逆伝搬計算において分散パラメータの情報が必要になり、非線形効果を補償する逆伝搬計算において非線形係数や信号光パワの情報が必要になる等、リンクパラメータに関する情報が事前に必要となる。たとえ事前に情報を得ていた場合でも、光信号の動的な経路変更や信号光パワの変動等でリンクパラメータが変化した場合、補償性能の劣化を避けるため、リンクパラメータに関する情報の取得がその都度必要になるといった運用上の課題がある。

図１７は、従来の光伝送システムの第２の構成を示す図である。上記の課題に対して、図１７に示すように非線形効果によって劣化した信号を等化する機能をもつ適応ボルテラフィルタ（adaptive Volterra filter）を受信デジタル信号処理に適用する方式も、検討されている。適応ボルテラフィルタとは、時間領域でのボルテラ級数展開において、１次、２次、…のインパルス応答（ボルテラ核という）に一致するタップ係数をもつフィルタである。

通常、タップ係数が有限長である有限インパルス応答（Finite Impulse Response：ＦＩＲ）フィルタで実現する。このとき、１次のＦＩＲフィルタ、２次のＦＩＲフィルタ、…を並列接続した構成をとり、１次、２次、…のタップ係数を適応アルゴリズムにより更新する。高次のＦＩＲフィルタは必要なタップ係数の個数が膨大となり回路規模が増大するため、有限インパルス応答フィルタを光伝送システムに適用する場合、３次のＦＩＲフィルタまでが想定される。さらに、光ファイバの等方性に基づき２次の非線形効果は生じないことから、２次のＦＩＲフィルタは適用しない。このとき、１次のＦＩＲフィルタのタップ長をＬ（Ｌは自然数）とすると、１次及び３次のＦＩＲフィルタを含めたボルテラフィルタ全体のタップ長は、Ｌ＋Ｌ・（Ｌ＋１）・（Ｌ＋２）／６で表される。

適応ボルテラフィルタを用いて、伝送路の伝達関数に対する逆関数をタップ係数で生成し、受信信号を等化し、非線形効果を補償する。例えば、単一チャネル伝送システムにおいて受信端に適応ボルテラフィルタを適用し、自己位相変調（Self-Phase Modulation：ＳＰＭ）を補償する方式が報告されている（非特許文献２参照）。

Optics Express vol.19, no.2, 2011, pp.570-583, E.Mateo et al., "Improved digital backward propagation for the compensation of inter-channel nonlinear effects in polarization-multiplexed WDM systems" OFC2011, JTh.A.40, Z. Pan, et al., "Volterra filtering for nonlinearity impairment mitigation in DP-16QAM and DP-QPSK fiber optic communication systems"

図１７に示す光伝送システムは、デジタルコヒーレントＷＤＭ伝送システムである。図１７に示す光伝送システムの送信部は、第１波長の光信号を送信する光送信機と、第２波長の光信号を送信する光送信機と、第Ｎ波長（Ｎは自然数）の光信号を送信する光送信機とを備える。伝送路は、複数スパンから構成され（図１７ではスパン数Ｍ）、伝送路の各スパンは、光ファイバと、光増幅器とを備える。

図１７に示す光伝送システムの受信部は、チャネル内非線形効果による信号品質劣化を適応ボルテラフィルタによって補償する。受信部は、光信号を波長ごとに分波する分波部と、第１波長の光信号を受信する光受信機と、第２波長の光信号を受信する光受信機と、第Ｎ波長の光信号を受信する光受信機とを備える。受信部は、ＳＰＭといったチャネル内非線形効果を補償する機能を提供する非線形等化部と、復調部とを、チャネルごとに更に備える。

非線形等化部は、チャネルごとの適応ボルテラフィルタにより伝送路の伝達関数に対する逆関数をタップ係数で生成し、ＳＰＭを補償する。しかしながら、ＸＰＭ、ＦＷＭ等のチャネル間の非線形効果が補償されずに残留するため、補償効果は限定的である。また、複数スパンで構成される伝送路の場合、各スパンのファイバ入力端において信号のもつ波長分散の累積量が異なる伝搬波形は、維持されない。そのため、非線形効果と波長分散が相互に作用する伝送路の伝達関数は、各スパンでそれぞれ異なる。その際、全スパン分の伝送路に対する逆関数を１次及び３次のＦＩＲフィルタ１段の並列構成では生成できず、十分な等化性能を得ることができない。さらに、等化性能を最大化するために必要なタップ数は、全スパンにわたって累積された波長分散量で決まるタップ長が必要となるが、３次のＦＩＲフィルタに必要となるタップ係数の個数がおよそタップ長の３乗に比例するため、送信部及び受信部の回路規模は大きくなる。

しかしながら、チャネル間の非線形効果の影響を受けた信号を等化して、チャネル間の非線形効果による信号品質劣化を補償するには、複数チャネルを並列に受信部に入力する必要がある。このため、必要タップ数は、サンプリング帯域に応じて増大する。したがって、光伝送システムは、回路規模を大きくしなければ、チャネル内の波長分散による波形歪とチャネル間の非線形効果による信号品質劣化とを補償することができないという問題がある。

上記事情に鑑み、本発明は、回路規模を必要以上に大きくすることなく、チャネル内の波長分散による波形歪とチャネル間の非線形効果による信号品質劣化とを補償することが可能である光伝送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、異なる波長の光信号をチャネルごとに送信する複数の光送信機と、複数の前記チャネルの前記光信号を単一の前記チャネルの前記光信号に合成する合波部と、合成された前記光信号の波形に波長分散によって生じた波形歪を補償する光中継ノードと、前記波形歪が補償された前記光信号を前記チャネルごとに分ける分波部と、異なる前記チャネルの間の非線形効果によって前記光信号の波形に生じた非線形劣化を、異なる前記チャネルの前記光信号に基づいて補償する非線形等化部と、を備える光伝送システムである。

本発明の一態様は、上記の光伝送システムであって、前記非線形等化部は、異なる前記チャネルの間の非線形効果によって前記光信号の波形に生じた非線形劣化を適応ボルテラフィルタによって補償する。

本発明の一態様は、上記の光伝送システムであって、前記光中継ノードは、前記光信号の伝送路に定められたスパンごとに前記光信号の波形が一定となるよう前記波形歪を補償する。

本発明の一態様は、上記の光伝送システムであって、前記光送信機は、伝送の途中で前記光信号に生じる前記波形歪と前記光信号の波形に生じる非線形劣化とをキャンセルするように前記光信号を変調するである。

本発明の一態様は、上記の光伝送システムであって、
前記非線形等化部は、前記チャネルごとの前記光信号に応じた電気信号の時間差と前記電気信号に割り当てる周波数とを調整し、調整された前記電気信号を前記光信号の偏波ごとに合成し、合成された前記電気信号ごとに前記光信号の波形に生じた劣化を補償する。

本発明により、回路規模を必要以上に大きくすることなく、チャネル内の波長分散による波形歪とチャネル間の非線形効果による信号品質劣化とを補償することが可能となる。

実施形態における、光伝送システムの構成の第１例を示す図である。実施形態における、光伝送システムの動作の例を示す図である。実施形態における、受信部の構成の例を示す図である。実施形態における、非線形等化部の構成の例を示す図である。実施形態における、周波数調整部及び電気信号合成部の処理手順の例を示す図である。実施形態における、適応等化部の構成の例を示す図である。実施形態における、光伝送システムにおける単一スパンの伝送路のモデルを示す図である。実施形態における、光伝送システムにおける複数スパンの伝送路のモデルを示す図である。実施形態における、光学分散補償を適用しない場合の伝送路及び適応ボルテラフィルタのモデルを示す図である。実施形態における、１００％光学分散補償を適用する場合の伝送路及び適応ボルテラフィルタのモデルを示す図である。実施形態における、シミュレーションにより得られたファイバ入力パワ依存性を示す図である。実施形態における、シミュレーションにより得られたタップ長依存性を示す図である。実施形態における、光伝送システムの構成の第２例を示す図である。実施形態における、光伝送システムの構成の第３例を示す図である。実施形態における、光伝送システムの構成の第４例を示す図である。従来の光伝送システムの第１の構成を示す図である。従来の光伝送システムの第２の構成を示す図である。

本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、光伝送システムの構成の第１例（以下、「光伝送システム１ａ」という。）を示す図である。光伝送システム１ａは、デジタルコヒーレントＷＤＭ伝送システムである。光伝送システム１ａは、送信部１０ａと、伝送路２０と、受信部３０とを備える。

送信部１０ａは、光送信機１１−１〜１１−Ｎ（Ｎは、２以上の自然数）と、合波部１２とを備える。光送信機１１−ｉ（ｉは、１からＮまでのいずれかの自然数）は、第ｉ波長の光信号を送信する。合波部１２は、光送信機１１−１〜１１−Ｎが出力する各光信号を、単一のチャネルの光信号に合成する。

伝送路２０は、複数のスパンから構成される。図１では、スパン数は、一例として、Ｍ（Ｍは１以上の自然数）である。伝送路２０は、光ファイバ２１及び光中継ノード２２を、スパンごとに備える。光ファイバ２１は、光信号を伝送する。光中継ノード２２は、光学分散補償や光増幅などの機能を有する。

光中継ノード２２は、光学分散補償機能を有する。光中継ノード２２は、スパンごとに分散補償することで、光信号の波形における波形歪を光学的に補償する。各光中継ノード２２は、光パワの大きい光ファイバ２１の入力端における波形を、各スパンにおいて一定に維持する。すなわち、光中継ノード２２は、光信号の伝送路に定められたスパンごとに光信号の波形が一定となるよう波形歪を補償する。

受信部３０は、分波部３１と、光受信機３２−１〜３２−Ｎと、非線形等化部３３と、復調部３４−１〜３４−Ｎとを備える。光受信機３２−ｉ（ｉは、１からＮまでのいずれか自然数）は、第ｉ波長の光信号を受信する。分波部３１と、伝送路２０から取得した光信号を波長ごとに分ける。

非線形等化部３３は、光受信機３２−１〜３２−Ｎから複数の波長チャネルの受信信号を取得することによって、チャネル間の非線形効果による信号品質劣化を補償する。すなわち、非線形等化部３３は、異なるチャネルの間の非線形効果によって光信号の波形に生じた非線形劣化を、適応ボルテラフィルタによって補償する。非線形等化部３３は、チャネル内非線形効果による信号品質劣化を補償してもよい。

図２は、光伝送システム１ａの動作の例を示す図である。図２において、光学分散補償の有無の違いにおける、光強度と分散の変化のグラフ、及び伝送距離を得ることによる波形の進展を模式的に表している。

各スパンの光ファイバの入力端において光信号のもつ波長分散の累積量が異なる伝搬波形は、光学分散補償をしない場合には、維持されない。そのため、非線形効果と波長分散が相互に作用する伝送路２０の応答は、各スパンでそれぞれ異なる。その際、伝送路２０の全スパンの伝達関数の逆関数が１次及び３次のＦＩＲフィルタ１段の構成では生成できないので、光伝送システムは、光学分散補償をしない場合、十分な等化性能を得ることができない。また、等化性能を最大化するために必要なタップ数も、伝送路２０の全スパンにわたって累積された波長分散量で決まるタップ長が必要となるので、送信部１０ａ及び受信部３０の回路規模は増大する。

図１に示すように、光伝送システム１ａは、１００％の光学分散補償を行う場合、スパンごとに分散補償する。光伝送システム１ａは、光ファイバ２１の入力端における伝搬波形を、各スパンにおいて一定に維持できる。そのため、非線形効果と波長分散が相互に作用する伝送路２０の伝達関数が各スパンで同一となる。そのため、伝送路２０の全スパンの伝達関数の逆関数が１次及び３次のＦＩＲフィルタ１段の構成で容易に生成することができるので、光伝送システム１ａは、等化性能を向上させることができる。光伝送システム１ａは、単一スパンで累積された波長分散量で決まるタップ長で十分に補償可能である。光伝送システム１ａは、送信部１０ａ及び受信部３０の回路規模を必要以上に大きくすることを防ぐことができる。

図３は、受信部３０の構成の例を示す図である。図３では、測定対象チャネルは、第１波長から第Ｎ波長までのチャネルである。受信部３０は、Ｏ／Ｅ変換部３２０と、Ａ／Ｄ変換部３２１と、トリガ信号生成部３２２と、非線形等化部３３と、復調部３４とを備える。

Ｏ／Ｅ変換部３２０−ｉは、第ｉ波長のチャネルの光信号を、アナログの電気信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部３２１は、アナログの電気信号をデジタルの電気信号に変換する。トリガ信号生成部３２２は、Ａ／Ｄ変換の標本化時刻を合わせる。非線形等化部３３は、各波長チャネルの電気信号を取得する。復調部３４は、復調信号を送信する。

受信ＷＤＭ信号（第１波長、第２波長、…第Ｎ波長を含む）は、Ｏ／Ｅ変換部３２０及びＡ／Ｄ変換部３２１を通過し、デジタルの電気信号にそれぞれ変換される。デジタルの電気信号は、非線形等化部３３において１次及び３次のＦＩＲフィルタにより非線形効果が補償される。復調部３４は、データ識別を実行する。

図４は、非線形等化部３３の構成の例を示す図である。非線形等化部３３は、チャネルごとの光信号に応じた電気信号の時間差と電気信号に割り当てる周波数とを調整する。非線形等化部３３は、調整された電気信号を光信号の偏波ごとに合成する。非線形等化部３３は、合成された電気信号ごとに光信号の波形に生じた劣化を補償する。

非線形等化部３３は、スキュー調整部３３０と、周波数調整部３３１と、Ｘ偏波の電気信号合成部３３２−１と、Ｙ偏波の電気信号合成部３３２−２と、適応等化部３３３とを備える。

スキュー調整部３３０は、図３におけるＡ／Ｄ変換部３２１の内部の変換遅延を補償する。図３に示すＡ／Ｄ変換部３２１では、各ＷＤＭ信号に対しＡ／Ｄ変換を開始する時刻を合わせるため、共通のトリガ信号を基準にしている。一方で、Ａ／Ｄ変換部３２１の内部で変換に要する時間は、使用するＡ／Ｄ変換器の製造個体差のために異なる。Ａ／Ｄ変換部３２１によって変換された各ＷＤＭデジタル信号間で、時間差が生じる。例えば、数百ピコ秒程度の時間差が生じることがある。スキュー調整部３３０は、これらの時間差を解消する。チャネル間の非線形効果のＸＰＭは、光ファイバ２１の中の光信号のうち、時刻が揃った各波長の光信号パワが互いに影響を与える。従って、測定対象チャネルの特定時刻の光信号を、他チャネルの異なる時刻の光信号パワを用いて計算されたＦＩＲフィルタのタップ係数で等化することになり、チャネル間の非線形効果に対する等化性能が劣化する可能性がある。スキュー調整部３３０は、等化性能を高めるために動作時刻を揃える。

図５は、周波数調整部３３１ａ及び電気信号合成部３３２ａの処理手順の例を示す図である。周波数調整部３３１ａは、図４に示す周波数調整部３３１−１から周波数調整部３３１−（Ｎ＋１）である。電気信号合成部３３２ａは、図４に示すＸ偏波の電気信号合成部３３２−１と、図４に示すＹ偏波の電気信号合成部３３２−２とである。

図５に示す処理手順は、個別に受信された各波長チャネルの電気信号をベースバンド上で合成する処理方法である。図５では、測定対象チャネルは、第１波長から第Ｎ波長までのチャネルである。電気信号合成部３３２は、測定対象チャネルの電気信号スペクトルの中心を直流成分とし、測定対象チャネルを中心として他チャネルの電気信号を特定の周波数間隔で配置されるよう、電気信号を合成する。

つまり、周波数調整部３３１ａは、非測定対象チャネルである第ｋ波長（１≦ｋ≦Ｎ、ｋ≠ｉ）のチャネルの電気信号に対して、ｅｘｐ（ｊθ_ｉｋ）（ただし、θ_ｉｋ＝−２π（ｉ−ｋ）Δｆｔ／ｆｓ）を乗じることで、第ｋ波長のチャネルの電気信号に周波数シフトを与える。ここで、Δｆは、各チャネルの周波数間隔である。ｆｓは、サンプリング周波数である。電気信号合成部３３２ａは、全ての波長チャネルの電気信号を偏波ごとに合成する。電気信号合成部３３２ａは、合成後の電気信号を適応等化部３３３に送信する。

図６は、適応等化部３３３の構成の例を示す図である。１次適応等化部３３３０と、３次適応等化部３３３１と、識別部３３３２と、等化器係数更新部３３３３とを備える。１次適応等化部３３３０及び３次適応等化部３３３１は、Ｘ及びＹ偏波間での相互作用による線形効果及び非線形効果を考慮して、Ｘ及びＹ偏波成分を入力としたバタフライ型の構成である。ここで、入力信号をｘ、１次適応等化部のタップ係数をｈ_１、３次適応等化部のタップ係数をｈ_３、タップ長をＮとすると、１次適応等化部３３３０の出力信号は、式（１）によって表される。

３次適応等化部３３３１の出力信号は、式（２）によって表される。

識別部３３３２は、１次適応等化部３３３０及び３次適応等化部３３３１の出力を加算した信号と基準信号との差分から、誤差信号を偏波ごとに算出する。基準信号とは、波形歪（信号歪）及び雑音がない条件での信号レベルをもつ信号のことである。等化器係数更新部３３３３では、誤差信号を基に特定の適応アルゴリズムに従いタップ係数を更新する。例えば、タップ係数を更新する適応アルゴリズムとして、判定指向型最小二乗平均アルゴリズム（ＤＤ−ＬＭＳ：Decision Directed−Least Mean Square）が用いられる。誤差信号の大きさがある基準以下となるまで、適応等化出力の計算とタップ係数の更新を繰り返し反復させることによりタップ係数を収束させ、得られたタップ係数を用いて等化器出力を得ることができる。

図７は、光伝送システム１ａにおける単一スパンの伝送路２０のモデルを示す図である。すなわち、図７は、光伝送システム１ａにおいて、単一スパンの伝送路２０をボルテラ級数表現によりモデル化した図である。単一スパンは、光ファイバ２１と光中継ノード２２とを備える。ここでは、ｌ（＝Ｌの小文字）スパン目の伝送路を想定し、光ファイバ２１への入力信号をＡ_ｌ−１（ω）と、ファイバ伝搬後の信号をＡ_ｌ（ω）と表記する。また、光ファイバ２１の１次ボルテラ核をＨ_１ ^（ｌ）（ω）と、３次ボルテラ核をＨ_３ ^（ｌ）（ω）と、光中継ノード２２の伝達関数をＨ_ｃ（ω）と表記する。このとき、光ファイバ損失をαと、分散パラメータをβ_２と、非線形係数をγとすると、１次ボルテラ核は、式（３）によって表される。

３次ボルテラ核は、式（４）によって表される。

このとき、ファイバ伝搬後の信号Ａ_ｌ（ω）は、式（５）及び式（６）によって表される。

図８は、光伝送システム１ａにおける複数スパンの伝送路のモデルを示す図である。すなわち、図８は、図７に示す単一スパン伝送路のブロックを縦続接続することで、複数スパン（スパン数Ｍ）から成る伝送路２０をボルテラ級数表現によりモデル化した図である。ファイバ入力信号をＡ_０（ω）、Ｍスパン伝搬後の信号をＡ_Ｍ（ω）とすると、式（７）が成立する。

式（７）において、最大３Ｍ次の非線形成分が現れるが、３次を超える次数の非線形成分を無視する近似を行った。このモデルを用いて、受信端での適応ボルテラフィルタ出力の信号を数式で表記する。

図９は、光学分散補償を適用しない場合の伝送路及び適応ボルテラフィルタのモデルを示す図である。すなわち、図９は、光中継ノードでの光学分散補償を適用しない場合の伝送路及び受信端での適応ボルテラフィルタをモデル化した際のブロック図を示す。図９に示す伝送路２０のブロック図は、３次を超える次数の非線形成分を無視する近似により、図８に示す伝送路のモデルのブロック図を修正したものである。図９に示す伝送路２０のブロック図は、線形項とＭ個の異なる３次の非線形成分項とが並列接続したブロック構成で記載される。このとき、光学分散補償を適用しないため、Ｈ_ｃ（ω）＝１としている。

適応ボルテラフィルタにおける１次のＦＩＲフィルタの伝達関数をＨ_１ ^ｅｑ（ω）と、３次のＦＩＲフィルタの伝達関数をＨ_３ ^ｅｑ（ω）と、適応ボルテラフィルタ出力をＡ_０’（ω）とすると、適応ボルテラフィルタ出力Ａ_０’（ω）は、式（８）によって表される。式（８）を展開すると、式（９）が得られる。

ここで、式（８）から式（９）への展開において、式（８）では最大で９次の非線形成分が現れるが、３次を超える次数をもつ非線形成分を無視する近似が行なわれている。このとき、Ａ_０’（ω）−Ａ_０（ω）が最小となるようＨ_１ ^ｅｑ（ω）、Ｈ_３ ^ｅｑ（ω）がそれぞれ独立に決まるとすると、Ｈ_１ ^ｅｑ（ω）≒Ｈ_１ ^−Ｍ（ω）が成立する。

一方、Ｈ_３ ^ｅｑ（ω）は、式（９）において非線形成分である第二項と第三項の和を最小とするよう定められる。Ｈ_３ ^ｅｑ（ω）の応答に依らず非線形成分が残留するので、光伝送システムは、非線形効果による信号品質劣化を、完全には補償できない。さらに、式（９）における第三項は、全スパンにわたって累積された波長分散をもつ信号成分が含まれるため、膨大なタップ長が必要となり回路規模が増大する。

図１０は、１００％光学分散補償を適用する場合の伝送路２０及び適応ボルテラフィルタのモデルを示す図である。すなわち、図１０は、光中継ノード２２での１００％の光学分散補償を適用した場合の伝送路２０及び分波部３１（受信端）での適応ボルテラフィルタをモデル化した際のブロック図を示す。

図１０に示す伝送路２０のブロック図は、３次を超える次数の非線形成分を無視する近似により、図８に示す伝送路のブロック図を修正したものであり、入力信号とＭ個の同一の３次非線形成分項が並列接続したブロック構成で記載される。このとき、光中継ノードでのスパンごとに光学分散補償を適用するため、Ｈ_ｃ（ω）＝Ｈ_１ ^−１（ω）とした。ファイバ入力信号をＡ_０（ω）、Ｍスパン伝搬後の信号をＡ_Ｍ（ω）とすると、Ｍスパン伝搬後の信号をＡ_Ｍ（ω）は、式（１０）によって表される。

適応ボルテラフィルタにおける１次のＦＩＲフィルタの伝達関数をＨ_１ ^ｅｑ（ω）、３次のＦＩＲフィルタの伝達関数をＨ_３ ^ｅｑ（ω）、適応ボルテラフィルタ出力をＡ_０’（ω）とすると、適応ボルテラフィルタ出力Ａ_０’（ω）は、式（１１）によって表される。式（１１）を展開すると、式（１２）が得られる。

ここで、式（１１）から式（１２）への展開において、式（１１）では最大で９次の非線形成分が現れるが、３次を超える次数をもつ非線形成分の項は無視する近似を行っている。このとき、Ａ_０’（ω）−Ａ_０（ω）が最小となるようＨ_１ ^ｅｑ（ω）、Ｈ_３ ^ｅｑ（ω）がそれぞれ独立に決まるとすると、Ｈ_１ ^ｅｑ（ω）≒１となる。

一方、Ｈ_３ ^ｅｑ（ω）は、式（８）において非線形成分である第二項と第三項の和を最小とするよう定められる。光伝送システム１ａは、Ｈ_３ ^ｅｑ（ω）≒−Ｍ・Ｈ_３（ω）の場合、非線形成分を相殺することができるので、非線形効果による信号品質劣化を補償することができる。

式（１２）における第三項は、高々、単一スパンで累積された波長分散をもつ信号成分しか含まれないため、単一スパンで累積される波長分散量で決まるタップ数で十分補償可能であり、回路規模の削減が可能である。

以上、光伝送システム１ａは、スパンごとの光学分散補償により、適応ボルテラフィルタにおける等化性能を向上させ、回路規模を削減することができる。

第１実施形態の光伝送システム１ａの効果を確認する計算結果（シミュレーション結果）について説明する。

３波の１２８Ｇｂｐｓ偏波多重ＱＰＳＫ信号を５０ＧＨｚ間隔に配置したＷＤＭ信号を生成し、５０ｋｍノンゼロ分散シフトファイバ及び光中継ノード２２を模擬した光学分散補償器を備える伝送路２０を１１周回させた。受信信号の光ＳＮＲ（ＯＳＮＲ：Optical signal-to-noise ratio）が１４ｄＢになるように、受信端の直前の信号にＡＳＥノイズを付加した。受信端で波長ごとにコヒーレント受信し、複数チャネルに対して並列にデジタル信号処理を施したのち、中心波長の測定チャネルを復調した。

図１１は、シミュレーションにより得られたファイバ入力パワ依存性を示す図である。すなわち、図１１は、ファイバ入力パワを変化させた際の受信信号品質（Ｑ値）を示している。図１１には、従来の光伝送システム（凡例：ひし形。ＣＭＡ。）の場合と、第１実施形態による光伝送システム１ａ（凡例：正方形。ボルテラフィルタ＋１００％光学分散補償。）の場合とを記載している。ここで、従来の光伝送システムとは、光中継ノードにおける光学分散補償は適用しておらず、受信端では定包絡線アルゴリズム（ＣＭＡ：Constant Modulus Algorithm）を用いた１次の適応等化器を適用し線形劣化のみを補償する光伝送システムである。このとき、どちらのシステムにおいても適応等化器のタップ長を２９とした。従来の光伝送システムに対して、第１実施形態の光伝送システム１ａのＱ値は、最適ファイバ入力パワ５ｄＢｍ／ｃｈの時３．８ｄＢ改善することを示している。

図１２は、シミュレーションにより得られたタップ長依存性を示す図である。すなわち、図１２は、１次のＦＩＲフィルタのタップ長（図１２では「１次タップ長」と表記）を変化させた際のＱ値を示している。光学分散補償による効果を確認するため、光学分散補償を適用しない場合（凡例：ひし形。ボルテラフィルタのみ。）と、１００％光学分散補償を適用した場合（凡例：正方形。ボルテラフィルタ＋１００％光学分散補償。）を記載している。このとき、ファイバ入力パワは６ｄＢｍ／ｃｈとした。

光学分散補償を適用しない場合、１次タップ長が４１（ボルテラフィルタ全体のタップ数は１２３８２）である場合に、Ｑ値が飽和している。光学分散補償を適用した場合、１次タップ長が２９（ボルテラフィルタ全体のタップ数は４５２４）である場合に、Ｑ値が飽和している。これは、スパンごとの光学分散補償により、１スパン分の波長分散で決まるタップ長で十分な補償効果が得られることを示している。全体のタップ数は、およそ１／３に削減できる。また、光学分散補償を適用した場合のＱ値は、タップ長が２９の場合、光学分散補償を適用しない場合に対して２．２ｄＢ改善する。以上の結果によって、第１実施形態の光伝送システム１ａの有効性が実証されている。

以上のように、第１実施形態の光伝送システム１ａは、複数の光送信機１１と、合波部１２と、光中継ノード２２と、分波部３１と、非線形等化部３３とを備える。光送信機１１は、異なる波長の光信号をチャネルごとに送信する。合波部１２は、複数のチャネルの光信号を単一のチャネルの光信号に合成する。光中継ノード２２は、合成された光信号の波形に波長分散によって生じた波形歪を補償する。分波部３１は、波形歪が補償された光信号をチャネルごとに分ける。非線形等化部３３は、異なるチャネルの間の非線形効果によって光信号の波形に生じた非線形劣化を、異なるチャネルの光信号に基づいて補償する。

これによって、第１実施形態の光伝送システム１ａは、回路規模を必要以上に大きくすることなく、チャネル内の波長分散による波形歪とチャネル間の非線形効果による信号品質劣化とを補償することが可能である。

第１実施形態の光伝送システム１ａは、光中継ノード２２によるスパンごとの光学分散補償と、受信部３０の適応的な非線形等化とを併用する。第１実施形態の光伝送システム１ａは、光信号に応じた電気信号をチャネルごとに（並列に）適応ボルテラフィルタに入力し、複数のチャネルの光信号を等化することで、ＸＰＭ等のチャネル間の非線形効果による信号品質劣化を補償することができる。

第１実施形態の光伝送システム１ａは、複数チャネルを並列に入力する非線形劣化等化機能により、チャネル内非線形効果のみならず、チャネル間の非線形効果を補償できる。第１実施形態の光伝送システム１ａは、単一チャネルのみを入力する従来の非線形劣化等化機能と比較して、補償性能が高いシステムである。

第１実施形態の光伝送システム１ａは、光中継ノードでのスパンごとの光学分散補償を併用することにより、チャネル内及びチャネル間の非線形効果に対する補償性能をさらに向上させ、かつ、回路規模も削減できるという効果が得られる。

（第２実施形態）
第２実施形態では、送信部１０ｂが光信号を予等化する点が第１実施形態と相違する。第２実施形態では、第１実施形態との相違点についてのみ説明する。

図１３は、光伝送システムの構成の第２例（以下、「光伝送システム１ｂ」という。）を示す図である。第１実施形態では、受信部３０（受信端）は、チャネル内非線形効果の補償及びチャネル間の非線形効果の補償を行っている。第２実施形態では送信部１０ｂが予等化する点が、第１実施形態と異なる。

送信部１０ｂは、光送信機１１−１〜１１−Ｎと、デジタル信号処理部１３とを備える。光送信機１１は、デジタル信号処理部１３を含んでもよい。デジタル信号処理部１３は、ベクトル変調器である。デジタル信号処理部１３は、光信号の振幅及び位相成分を制御する。デジタル信号処理部１３は、伝送の途中で受けるチャネル内非線形効果及びチャネル内非線形効果をキャンセルするように、光信号を変調する。すなわち、デジタル信号処理部１３又は光送信機１１は、伝送の途中で光信号に生じる波形歪と光信号の波形に生じる非線形劣化とをキャンセルするように、光信号を変調する。

受信端にてデジタル信号処理を行う場合には、取得した光信号にはＡＳＥノイズが含まれている。このため、取得した光信号は、チャネル内非線形効果及びチャネル間の非線形効果以外の影響を受けている。一方、送信部１０ｂが光信号を予等化する場合には、受信部３０は、チャネル内非線形効果及びチャネル間の非線形効果以外の影響を受けていない無歪かつ無雑音の光信号に処理を施す。

これによって、光伝送システム１ｂは、光伝送システム１ａと比較して、チャネル内非線形効果及びチャネル間の非線形効果に対する補償性能がさらに向上させることができる。

第２実施形態に示す光伝送システム１ｂは、伝送路２０で生じる波長分散や非線形効果の影響が既知である場合に適している光伝送システムである。第２実施形態に示す光伝送システム１ｂは、波長分散や非線形効果の影響が未知であっても受信端で計測した非線形効果を送信部１０ｂにフィードバックできる場合に適している光伝送システムである。

（第３実施形態）
第３実施形態では、光ノード２３が光クロスコネクト（Optical Cross Connect：ＯＸＣ）やマルチディグリーＲＯＡＤＭ（reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexing）システムに相当する点が、第１実施形態と相違する。第３実施形態では、第１実施形態との相違点についてのみ説明する。

図１４は、光伝送システムの構成の第３例（以下、「光伝送システム１ｃ」という。）を示す図である。第１実施形態に示す光伝送システム１ａの光中継ノード２２は、ポイントートゥーポイント（point to point）の光伝送システムであった。図１４では、光伝送システム１ｃの伝送路２０の光ノード２３は、多方路を有する。例えば、光伝送システム１ｃの光ノード２３−１は、複数の入力経路に接続されている。例えば、光伝送システム１ｃの光ノード２３−２は、複数の出力経路に接続されている。光ノード２３は、光クロスコネクトやマルチディグリーＲＯＡＤＭシステムに相当する。

図１４において、光ノード２３は、特定の経路の光送信機１１から入力される光信号を他経路の光受信機３２に出力する。光ノード２３は、波長チャネルにより出力経路が異なる場合、伝送経路に応じた光学分散補償を波長チャネルごとに行う。

光ノード２３は、スパンごとの光学的分散補償と、複数チャネルを並列に取得した受信部３０の適応ボルテラフィルタによるチャネル間の非線形効果の補償とを、第１実施形態と同様に行う。第１波長の光信号及び第２波長の光信号は、光送信機１１−１及び光送信機１１−Ｎから光受信機３２−１及び光受信機３２−Ｎまで同一の伝送経路を通る。このため、第１波長の光信号と第２波長の光信号の間で相互作用するチャネル間の非線形効果は、補償可能である。

複数の方路から信号が入力される光ノード２３においては、経路に応じて、分散補償量を変える必要がある。このため、光ノード２３は、スパンごとに分散補償を行うために、波長チャネルによって経路が異なる場合には、伝送経路に応じた分散補償を行う。第３実施形態では、光伝送システム１ｃの途中の経路で波長チャネル数が増減した場合、チャネル間の非線形効果に対する補償性能が低減することがある。

図１５は、光伝送システムの構成の第４例（以下、「光伝送システム１ｄ」という。）を示す図である。光送信機１１から光受信機３２にかけて同一の伝送経路を通る元々の第１波長の光信号及び第２波長の光信号と、途中で合流する第３波長の光信号とは、通過ノード数すなわちスパン数が異なる。このとき、第１波長の光信号及び第２波長の光信号のスパン数と、第３波長の光信号のスパン数とが異なるため、第３波長の光信号から受けるチャネル間の非線形効果に対する補償性能は低減する。

一方で、異なる波長の複数のチャネルを単一のチャネルとみなして伝送容量の拡大を図るスーパーチャネル伝送方式では、単一のチャネルを構成する異なる波長の複数の光信号は、光送信機１１から光受信機３２にかけて必ず同一の伝送経路を通過する。このため、光伝送システム１ｄは、チャネル間の非線形効果に対して高い補償性能を有する。

上述した実施形態における光伝送システムの少なくとも一部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。

１ａ…光伝送システム、１ｂ…光伝送システム、１ｃ…光伝送システム、１ｄ…光伝送システム、１０ａ…送信部、１０ｂ…送信部、１１…光送信機、１２…合波部、１３…デジタル信号処理部、２０…伝送路、２１…光ファイバ、２２…光中継ノード、２３…光ノード、３０…受信部、３１…分波部、３２…光受信機、３３…非線形等化部、３４…復調部、３２０…Ｏ／Ｅ変換部、３２１…Ａ／Ｄ変換部、３２２…トリガ信号生成部、３３１…周波数調整部、３３１ａ…周波数調整部、３３２…電気信号合成部、３３２ａ…電気信号合成部、３３３…適応等化部、３３３０…１次適応等化部、３３３１…３次適応等化部、３３３２…識別部、３３３３…等化器係数更新部

Claims

異なる波長の光信号をチャネルごとに送信する複数の光送信機と、
複数の前記チャネルの前記光信号を単一の前記チャネルの前記光信号に合成する合波部と、
合成された前記光信号の波形に波長分散によって生じた波形歪を補償する光中継ノードと、
前記波形歪が補償された前記光信号を前記チャネルごとに分ける分波部と、
異なる前記チャネルの間の非線形効果によって前記光信号の波形に生じた非線形劣化を、異なる前記チャネルの前記光信号に基づいて補償する非線形等化部と、
を備え、
前記非線形等化部は、前記光信号の波形に対する１次適応等化及び３次適応等化の結果と基準信号との誤差に基づく判定指向型最小二乗平均アルゴリズムで、前記１次適応等化及び前記３次適応等化のフィルタのタップ係数を更新する、
光伝送システム。
異なる波長の光信号をチャネルごとに送信する複数の光送信機と、
複数の前記チャネルの前記光信号を単一の前記チャネルの前記光信号に合成する合波部と、
合成された前記光信号の波形に波長分散によって生じた波形歪を補償する光中継ノードと、
前記波形歪が補償された前記光信号を前記チャネルごとに分ける分波部と、
異なる前記チャネルの間の非線形効果によって前記光信号の波形に生じた非線形劣化を、異なる前記チャネルの前記光信号に基づいて補償する非線形等化部と、
を備え、
前記非線形等化部は、前記チャネルごとの前記光信号に応じた電気信号の時間差と前記電気信号に割り当てる周波数とを調整し、調整された前記電気信号を前記光信号の偏波ごとに合成し、合成された前記電気信号ごとに前記光信号の波形に生じた劣化を補償する、
光伝送システム。
前記非線形等化部は、異なる前記チャネルの間の非線形効果によって前記光信号の波形に生じた非線形劣化を適応ボルテラフィルタによって補償する、請求項１又は請求項２に記載の光伝送システム。
前記光中継ノードは、前記光信号の伝送路に定められたスパンごとに前記光信号の波形が一定となるよう前記波形歪を補償する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光伝送システム。
前記光送信機は、伝送の途中で前記光信号の波形に生じる非線形劣化をキャンセルするように前記光信号を変調する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光伝送システム。