JP6626206B2 - 光送信機、光受信機、光データ伝送システム、光送信方法及び光受信方法 - Google Patents

Description

本発明は、光通信の技術に関する。
本願は、２０１６年７月２８日に、日本に出願された特願２０１６−１４８４６０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年のデジタルコヒーレント光伝送技術の進展により、波長チャネルあたり１００Ｇｂｉｔ／ｓの容量を有する高速長距離光データ伝送が商用化されている。しかしながら、増大を続けるネットワークトラフィック転送需要に対応する目的で、さらなる大容量の光データ伝送システムの研究開発が盛んに行われており、多値化や高ボーレート化による伝送容量の拡大が提案されている。

光データ伝送では光ファイバを介してデータ通信を行う。光ファイバ中で生じる非線形光学効果による信号歪を避ける必要性から、光ファイバに入力可能な信号電力は１０ｄＢｍ以下程度に抑える必要がある。多値化や高ボーレート化による伝送容量の拡大を行うと、ビットあたりに分配されるエネルギーが低下する。そのため、ビット誤りが発生しやすくなり、伝送可能距離が低下する傾向にある。近年では、複数の変調方式をサポートし、変調方式を切り替えて運用可能な通信システムも提案されている。

複数の変調方式を切り替えて運用する通信システムでは、端局間で変調方式等を設定する必要がある。このような変調方式の設定は自動的に行われることが運用性を改善する点からは望ましい。
また、別の課題として、１００Ｇｂｉｔ／ｓを超えるような大容量光伝送チャネルでは、伝送路周波数特性を予め等化するなど、送信側で信号処理を実施する場合がある。送信側で適切な信号処理を実施するためには、受信側で得られる伝送路情報や受信信号品質などのパラメータを送信側へフィードバックする必要がある。

上述のような変調方式の自動設定や、送信側信号処理のためのパラメータフィードバックを実現するためには、制御チャネルを端局間に用意する必要がある。変調方式の自動設定を実現するため、制御チャネルは、主信号の導通に先立って通信を確立される必要がある。また、送信側信号処理のためのパラメータフィードバックを実現するため、制御チャネルは、主信号で誤りが頻発し安定した通信を確立できない場合でも、高い信頼性を提供する必要がある。

このような要件を満たす制御チャネルの既存の技術例としては、特許文献１に示すものがあげられる。特許文献１の技術では、周波数領域でエネルギーの局在した波形を制御信号の伝送に使用し、主信号に時間多重している。

特開２０１４−１８７５２５号公報

しかしながら、特許文献１に示されるように、主信号と大きく異なる信号波形の制御信号を主信号に時間多重すると、隣接する波長チャネルの信号に光ファイバの非線形性を介して悪影響を与える可能性がある。将来の１Ｔｂｉｔ／ｓ級の超大容量光データ伝送においては、この悪影響が無視できない可能性がある。そのため、主信号に近い特性を持つ波形を利用して制御用チャネルを構築することが望ましい。

上記事情に鑑み、本発明は、主信号への悪影響を抑制するとともに、高い信頼性で主信号に制御用の信号を多重化できる技術の提供を目的としている。

本発明の第１の実施態様における光送信機は、光ファイバ伝送路を介してデータを伝送する光データ伝送システムの光送信機であって、第１の送信データを所定の信号フォーマットに変換して第１の信号を生成する主信号生成部と、第２の送信データをＤＣＳＫ（Differential Code Shift Keying）変調して第２の信号を生成するＤＣＳＫ変調部と、前記第１の信号と前記第２の信号とを時分割多重する信号多重部と、前記信号多重部による時分割多重で得られた多重信号を電気信号から光信号に変換し、前記光信号を前記光ファイバ伝送路へ出力する電気光変換部と、を備える。

本発明の第２の実施態様によれば、上記第１の実施態様の光送信機において、信号空間ダイアグラム上の点に前記第２の送信データをマッピングしてシンボルを生成するマッピング部、をさらに備え、前記ＤＣＳＫ変調部は、参照用疑似ランダム系列を生成する参照用疑似ランダム系列生成回路と、信号用疑似ランダム系列を生成する信号用疑似ランダム系列生成回路と、前記参照用疑似ランダム系列と前記信号用疑似ランダム系列とを時分割多重した単一の時系列信号を前記第２の信号として生成する時系列信号生成部と、を備え、前記信号用疑似ランダム系列は、前記参照用疑似ランダム系列と前記シンボルとの積に一致する。

本発明の第３の実施態様によれば、上記第１の実施態様の光送信機において、信号空間ダイアグラム上の点に前記第２の送信データをマッピングしてシンボルを生成するマッピング部、をさらに備え、前記ＤＣＳＫ変調部は、疑似ランダム系列を生成する疑似ランダム系列生成部と、前記疑似ランダム系列と前記シンボルとを乗算し、乗算結果を信号用疑似ランダム系列として出力する乗算器と、前記疑似ランダム系列と前記信号用疑似ランダム系列とを時分割多重した単一の時系列信号を前記第２の信号として生成する時系列信号生成部と、を備える。

本発明の第４の実施態様における光受信機は、光ファイバ伝送路を介してデータを伝送する光データ伝送システムの光受信機であって、前記光ファイバ伝送路を介して受信した光信号を電気信号に変換する光電気変換部と、前記電気信号から時分割多重された第１の信号と第２の信号とを分離する信号分離部と、前記信号分離部で分離された前記第１の信号を復調して第１の送信データを再生する主信号復調部と、前記信号分離部で分離された前記第２の信号をＤＣＳＫ（Differential Code Shift Keying）復調して第２の送信データを再生するＤＣＳＫ復調部と、を備える。

本発明の第５の実施態様によれば、上記第４の実施態様の光受信機において、前記ＤＣＳＫ復調部は、前記第２の信号から参照用疑似ランダム系列と信号用疑似ランダム系列とを同定して抽出する信号系列抽出部と、前記参照用疑似ランダム系列と前記信号用疑似ランダム系列との内積を算出し、前記内積を前記第２の送信データとして出力する内積算出部と、を備える。

本発明の第６の実施態様における光データ伝送システムは、上記の第１から第３の実施態様のいずれかの光送信機と、上記の第４又は第５の実施態様の光受信機とを備える。

本発明の第７の実施態様における送信方法は、光ファイバ伝送路を介してデータを伝送する光データ伝送システムの光送信機が行う光送信方法であって、第１の送信データを所定の信号フォーマットに変換して第１の信号を生成する主信号生成ステップと、第２の送信データをＤＣＳＫ（Differential Code Shift Keying）変調して第２の信号を生成するＤＣＳＫ変調ステップと、前記第１の信号と前記第２の信号とを時分割多重する信号多重ステップと、前記信号多重ステップにおける時分割多重で得られた多重信号を電気信号から光信号に変換し、前記光信号を前記光ファイバ伝送路へ出力する電気光変換ステップと、を有する。

本発明の第８の実施態様における受信方法は、光ファイバ伝送路を介してデータを伝送する光データ伝送システムの光受信機が行う光受信方法であって、前記光ファイバ伝送路を介して受信した光信号を電気信号に変換する光電気変換ステップと、前記電気信号から時分割多重された第１の信号と第２の信号とを分離する信号分離ステップと、前記信号分離ステップにおいて分離された前記第１の信号を復調して第１の送信データを再生する主信号復調ステップと、前記信号分離ステップにおいて分離された前記第２の信号をＤＣＳＫ（Differential Code Shift Keying）復調して第２の送信データを再生するＤＣＳＫ復調ステップと、を有する。

本発明により、主信号への悪影響を抑制するとともに、高い信頼性で主信号に制御用の信号を多重化することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る光データ伝送システムの全体構成を示すブロック図である。 第１の実施形態におけるＤＣＳＫ変調部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主／副信号多重部で時間多重された信号の構造を示す図である。 第１の実施形態におけるＤＣＳＫ復調部の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光データ伝送システムにおける２シンボル一括型ＤＣＳＫ変調部の構成を示す図である。 第２の実施形態において時間多重された信号の構造を示す図である。 第２の実施形態における２シンボル一括型ＤＣＳＫ復調部の構成を示す図である。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光データ伝送システム１の全体構成を示すブロック図である。光データ伝送システム１は、光送信機１０と、光受信機３０と、光送信機１０と光受信機３０とを接続する光ファイバ伝送路１３とを備えている。光送信機１０は、送信側信号処理装置１１と、電気光変換装置１２とを備えている。送信側信号処理装置１１は、電気段において送信対象の信号を生成する。送信側信号処理装置１１は、主信号生成部２１と、誤り訂正／検出符号化部２２と、同期パタン挿入部２３と、ＢＰＳＫ（ Binary Phase Shift Keying）マッピング部２４と、差動エンコード部２５と、ＤＣＳＫ（Differential Code Shift Keying）変調部２６と、主／副信号多重部２７とを有している。

主信号生成部２１は、主信号データを光伝送に適した形式の信号にマッピングする。誤り訂正／検出符号化部２２、同期パタン挿入部２３、ＢＰＳＫマッピング部２４、及び差動エンコード部２５は、副信号データに対して、誤り訂正符号化、同期パタン挿入、ＢＰＳＫシンボルマッピング、及び差動符号化を順に行う。ＤＣＳＫ変調部２６は、副信号データの差動符号化されたシンボルに対して、ＤＣＳＫ変調を行う。主／副信号多重部２７は、主信号データをマッピングした主信号（第１の信号）と、副信号データの差動符号化されたシンボルをＤＣＳＫ変調して得られた副信号（第２の信号）とを時分割多重する。電気光変換装置１２は、主／副信号多重部２７による時分割多重で得られた多重信号を電気信号から光信号に変換して、光ファイバ伝送路１３を介して、光信号を光受信機３０に送信する。

光受信機３０は、光電気変換装置３１と、受信側信号処理装置３２とを備えている。光電気変換装置３１は、光ファイバ伝送路１３を介して受信した光信号を電気信号に変換する。受信側信号処理装置３２は、電気段において電気信号から主信号データ及び副信号データを再生する。受信側信号処理装置３２は、主／副信号分離部４１と、主信号復調部４２と、ＤＣＳＫ復調部４３と、位相オフセット補償部４４と、差動デコード部４５と、ＢＰＳＫデマッピング部４６と、同期パタン検出・フレーム同期部４７と、誤り訂正復号部４８とを有している。

主／副信号分離部４１は、光信号から変換された電気信号から、時分割多重された主信号（第１の信号）と副信号（第２の信号）とを分離する。主信号復調部４２は、主信号を復調して主信号データを再生する。ＤＣＳＫ復調部４３は、主／副信号分離部４１で分離された副信号に対して、ＤＣＳＫ復調を行い、副信号データのシンボルを復調する。位相オフセット補償部４４、差動デコード部４５、ＢＰＳＫデマッピング部４６、同期パタン検出・フレーム同期部４７、及び誤り訂正復号部４８は、副信号データの復調されたシンボルに対して、位相オフセット補償、差動デコード、ＢＰＳＫデマッピング、フレーム同期、及び誤り訂正処理を順に行って、副信号データを再生する。

光送信機１０が行う処理について説明する。図１において、主信号データは主信号生成部２１に送られる。主信号生成部２１は、光伝送に適した形式（所定の信号フォーマット）で主信号データを信号空間ダイアグラム上にマッピングし、マッピングにより得られた主信号を主／副信号多重部２７に送る。

主信号データ（第１の送信データ）は、ペイロードデータを想定している。第１の実施形態において、主信号は、偏波多重ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）変調の信号形式を想定しているが、符号可変長やハイブリッド変調等、他の信号形式であっても良い。また、主信号生成部２１は、主信号データに対して誤り訂正符号を用いることもできる。

副信号データ（第２の送信データ）は、光データ伝送システム１全体の制御用データを想定している。誤り訂正／検出符号化部２２は、副信号データを誤り訂正符号化する。同期パタン挿入部２３は、誤り訂正符号化された副信号データに同期パタンを挿入する。ＢＰＳＫマッピング部２４は、同期パタンが挿入された副信号データを、信号空間ダイアグラム上のシンボルにマッピングする。差動エンコード部２５は、副信号データのシンボルに対して差動エンコードを行う。

誤り訂正／検出符号化部２２での誤り訂正符号化は特に規定していないが、信頼性の観点では実装することが望ましい。同期パタン挿入部２３で挿入する同期パタンは、後述するように、受信側信号処理装置３２において誤り訂正ブロックの検出等に必要である。また、第１の実施形態では、受信側の回路に位相オフセット補償部４４が含まれており、位相サイクルスリップが受信側で生じうる。そのため、差動符号化を実施する必要があり、差動エンコード部２５で差動エンコードを行っている。また、第１の実施形態では、副信号データに対する変調方式としてＢＰＳＫを用いているが、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）や、ＰＳＫあるいはＱＡＭなどを用いることもできる。副信号データに対する変調速度は、主信号データに対する変調速度より遅くてもよい。

差動エンコード部２５により得られる副信号データの差動符号化されたシンボルは、ＤＣＳＫ変調部２６に入力される。ＤＣＳＫ変調部２６は、副信号データの差動符号化されたシンボルに対して、ＤＣＳＫ変調を行う。ＤＣＳＫ変調は、参照用疑似ランダム系列と信号用疑似ランダム系列との一対の疑似ランダム系列の内積に信号を乗せる変調方式である。ＤＣＳＫ変調部２６は、副信号データの差動符号化されたシンボルに対するＤＣＳＫ変調により得られるシンボル列を副信号として出力する。第１の実施形態では、水平偏波の疑似ランダム系列で副信号データの差動符号化されたシンボルをＤＣＳＫ変調した信号と、垂直偏波の疑似ランダム系列で副信号データの差動符号化されたシンボルをＤＣＳＫ変調した信号とを偏波多重して、偏波ダイバーシティを行うことを前提にしている。

ＤＣＳＫ変調部２６は、ＤＣＳＫ変調により得られた副信号を主／副信号多重部２７に送る。主／副信号多重部２７は、主信号と副信号とを時分割多重する。主／副信号多重部２７は、時分割多重により得られた多重信号を電気光変換装置１２に送る。電気光変換装置１２は、多重信号を電気信号から光信号に変換し、光信号を光ファイバ伝送路１３へ出力する。光信号は、光ファイバ伝送路１３を介して光受信機３０へ送信される。

電気光変換装置１２は、直交する２つの偏波方向で偏波多重ダイバーシティに対応できるように、ＣＷ（Continuous Wave）光とＸ偏波側電気信号とＹ偏波側電気信号とを入力し、偏波多重された光信号を生成する。主信号をＱＡＭ変調して伝送する場合、電気光変換装置１２は、Ｘ偏波側ＱＡＭ変調器とＹ偏波側ＱＡＭ変調器とを備えている。

図２は、ＤＣＳＫ変調部２６の構成を示すブロック図である。ＤＣＳＫ変調部２６は、疑似ランダム系列生成部５１及び５２と、乗算器５３及び５４と、Ｘ側時系列信号生成部５５及びＹ側時系列信号生成部５６とを有する。疑似ランダム系列生成部５１及び５２は、参照用疑似ランダム系列生成回路の一例である。乗算器５３及び５４は、信号用疑似ランダム系列生成回路の一例である。

疑似ランダム系列生成部５１及び５２は、Ｘ偏波側とＹ偏波側とのそれぞれについて、疑似ランダム系列を出力する。疑似ランダム系列生成部５１及び５２により生成される疑似ランダム系列の見かけ上のボーレートは、主信号のボーレートと一致させておく。例えば、疑似ランダム系列生成部５１及び５２は、主信号生成部２１が主信号データから主信号を生成する際の変調レートと同じレートで疑似ランダムのシンボルを生成することにより、疑似ランダム系列を生成する。光信号の偏波のランダム性を確保するため、疑似ランダム系列生成部５１及び５２は、互いに無相関な疑似ランダム系列をＸ偏波側及びＹ偏波側の疑似ランダム系列として生成する。

疑似ランダム系列生成部５１からのＸ偏波側の疑似ランダム系列は、参照用疑似ランダム系列Ｐ０と信号用疑似ランダム系列Ｐ１用の系列とに２分岐される。参照用疑似ランダム系列Ｐ０はＸ側時系列信号生成部５５に送られる。信号用疑似ランダム系列Ｐ１用の系列は乗算器５３に送られる。乗算器５３には、差動エンコード部２５から副信号データの差動符号化されたシンボルが送られる。乗算器５３は、副信号データの差動符号化されたシンボルと信号用疑似ランダム系列Ｐ１用の系列とを乗算する。乗算器５３は、乗算結果を信号用疑似ランダム系列Ｐ１としてＸ側時系列信号生成部５５に送る。Ｘ側時系列信号生成部５５は、Ｘ偏波側の参照用疑似ランダム系列Ｐ０と、Ｘ偏波側の信号用疑似ランダム系列Ｐ１とを時分割多重し、単一の時系列信号をＸ偏波側のＤＣＳＫ変調信号として生成する。

疑似ランダム系列生成部５２からのＹ偏波側の疑似ランダム系列は、参照用疑似ランダム系列Ｐ０と信号用疑似ランダム系列Ｐ１用の系列に２分岐される。参照用疑似ランダム系列Ｐ０はＹ側時系列信号生成部５６に送られる。信号用疑似ランダム系列Ｐ１用の系列は乗算器５４に送られる。乗算器５４には、差動エンコード部２５から副信号データの差動符号化されたシンボルが送られる。乗算器５４は、副信号データの差動符号化されたシンボルと、Ｙ偏波側の信号用疑似ランダム系列Ｐ１用の系列とを乗算する。乗算器５４は、乗算結果を信号用疑似ランダム系列Ｐ１としてＹ側時系列信号生成部５６に送る。Ｙ側時系列信号生成部５６は、Ｙ偏波側の参照用疑似ランダム系列Ｐ０と、Ｙ偏波側の信号用疑似ランダム系列Ｐ１とを時間多重し、単一の時系列信号をＹ偏波側のＤＣＳＫ変調信号として生成する。

Ｘ側時系列信号生成部５５で生成されたＤＣＳＫ変調信号と、Ｙ側時系列信号生成部５６で生成されたＤＣＳＫ変調信号は、副信号として主／副信号多重部２７に送られる。主／副信号多重部２７で、主信号と副信号とが時分割多重され、時分割多重により多重信号が生成される。

図３は、主／副信号多重部２７で生成される多重信号の構造を示す。主／副信号多重部２７から出力される多重信号は、主信号の期間と副信号の期間とに分けられ、それぞれの期間に主信号と副信号とが時分割で多重化される。副信号の期間には、ＤＣＳＫ変調信号が割り当てられる。副信号に割り当てられた部分には、参照用疑似ランダム系列Ｐ０と、信号用疑似ランダム系列Ｐ１とが時分割多重で割り当てられる。参照用疑似ランダム系列Ｐ０と信号用疑似ランダム系列Ｐ１との間や、参照用疑似ランダム系列Ｐ０と信号用疑似ランダム系列Ｐ１との前後に、バッファ系列が挿入されてもよい。

光受信機３０での処理について説明する。光ファイバ伝送路１３には、主信号と副信号とを多重した光信号が伝送される。光受信機３０において、光ファイバ伝送路１３を介して受信された光信号は光電気変換装置３１により電気信号に変換され、電気信号は受信側信号処理装置３２に入力される。

光電気変換装置３１は、偏波ダイバーシティコヒーレント光電変換装置を想定している。そのため、光信号は、光電気変換装置３１により水平偏波・垂直偏波に対応する少なくとも２系統の電気信号に変換される。その際、水平偏波及び垂直偏波の偏波軸は、送信側におけるＸ偏波及びＹ偏波とは必ずしも一致しない。光電気変換装置３１は、主信号をＱＡＭ変調して伝送する場合、Ｘ偏波側ＱＡＭ復調器とＹ偏波側ＱＡＭ復調器とを備えている。

受信側信号処理装置３２に入力された電気信号を、主／副信号分離部４１は主信号と副信号とに分離する。主信号復調部４２は、主信号に対して復調処理を行う。ＤＣＳＫ復調部４３は、副信号を入力する。主／副信号分離部４１は、主信号又は副信号に含まれるヘッダの情報を利用して、主信号と副信号とを分離してもよい。光送信機１０と光受信機３０とが同期して動作し、多重信号における主信号及び副信号のフレーム長が予め定められている場合、主／副信号分離部４１は予め定められているフレーム長に応じたタイミングにて主信号と副信号とを分離してもよい。

ＤＣＳＫ復調部４３は、副信号に対してＤＣＳＫ復調を行う。前述したように、送信側では、副信号データに対して、ＢＰＳＫマッピング、差動エンコード、ＤＣＳＫ変調を順に行って得られた副信号と、主信号との時分割多重が行われている。したがって、主／副信号分離部４１で分離された副信号をＤＣＳＫ復調部４３が復調することで、ＤＣＳＫ復調部４３は、副信号データの差動エンコードされたシンボルを取得する。

図４は、ＤＣＳＫ復調部４３の構成を示す。ＤＣＳＫ復調部４３は、信号系列抽出部６１及び６２と、内積算出部６３及び６４と、加算器６５とを有する。

主／副信号分離部４１で分離された副信号のうち、水平偏波の副信号は信号系列抽出部６１に送られ、垂直偏波の副信号は信号系列抽出部６２に送られる。信号系列抽出部６１は、水平偏波の副信号から、参照用疑似ランダム系列Ｐ０と、信号用疑似ランダム系列Ｐ１とに対応する系列を同定して抽出する。信号系列抽出部６２は、垂直偏波の副信号から、参照用疑似ランダム系列Ｐ０と、信号用疑似ランダム系列Ｐ１とに対応する系列を同定して抽出する。信号系列抽出部６１は、副信号に含まれるヘッダの情報を利用して、疑似ランダム系列Ｐ０、Ｐ１を抽出してもよい。光送信機１０と光受信機３０とが同期して動作し、多重信号における主信号及び副信号のフレーム長が予め定められている場合、信号系列抽出部６１は、予め定められているフレーム長に応じたタイミングにて疑似ランダム系列Ｐ０、Ｐ１を抽出してもよい。

信号系列抽出部６１は、抽出した参照用疑似ランダム系列Ｐ０及び信号用疑似ランダム系列Ｐ１を内積算出部６３に送る。信号系列抽出部６２は、抽出した参照用疑似ランダム系列Ｐ０及び信号用疑似ランダム系列Ｐ１を内積算出部６４に送る。

内積算出部６３は、信号系列抽出部６１で抽出された参照用疑似ランダム系列Ｐ０と信号用疑似ランダム系列Ｐ１との内積を算出する。内積を算出することにより、水平偏波の副信号から、副信号データのシンボルが取得される。

内積算出部６４は、信号系列抽出部６２で抽出された参照用疑似ランダム系列Ｐ０と信号用疑似ランダム系列Ｐ１との内積を算出する。内積を算出することにより、垂直偏波の副信号から、副信号データのシンボルが取得される。
加算器６５は、内積算出部６３の出力信号と内積算出部６４の出力信号とを加算する。加算により水平偏波及び垂直偏波のシンボルが合成され、シンボルの信頼性が向上する。なお、加算は、シンボルを合成する一例であり、他の演算を用いてシンボルを合成してもよい。

ＤＣＳＫ復調部４３は、ＤＣＳＫ復調により得られた副信号データのシンボルを位相オフセット補償部４４に送る。ＤＣＳＫ復調部４３の復調出力は、差動エンコードされたＢＰＳＫシンボルで構成されているが、位相オフセットが乗っている場合がある。位相オフセット補償部４４は、このような位相オフセットを補償する。位相オフセット補償部４４は、図４に示すように、ＣＰＲ（Carrier Phase Recovery）部７１と乗算器７２とを備える。ＣＰＲ部７１は、入力される各シンボルを２乗した結果の平均を算出し、平均化されたシンボルの位相を算出する。算出された位相の２分の１の値が位相オフセットの推定値である。ＣＰＲ部７１は、推定した位相オフセットを打ち消す回転を与える複素数を出力する。乗算器７２は、ＣＰＲ部７１から出力される複素数と、副信号データのシンボルとを乗算することにより、副信号データのシンボルにおける位相オフセットを補償する。

位相オフセット補償部４４が出力するシンボルは、差動デコード部４５で差動デコードされ、ＢＰＳＫデマッピング部４６でバイナリデータ系列に復調される。さらに、同期パタン検出・フレーム同期部４７で、バイナリデータ系列における同期パタンを基に誤り訂正符号ブロックが検出される。誤り訂正復号部４８で、バイナリデータ系列に対する誤り訂正符号の復号が実施され、副信号データが再生される。

以上説明したように、本発明の第１の実施形態に係る光データ伝送システム１では、主信号データを変調して得られる主信号に、副信号データをＤＣＳＫ変調して得られる副信号が時分割多重された光信号が送信されている。副信号データには、光データ伝送システム１全体の制御用データが含まれる。すなわち、光データ伝送システム１は、制御用データとしての副信号データを伝送する制御チャネルを提供するために、コヒーレント光差動符号化変調方式（Coherent Optical differential Code Shift Keying：ＣＯ−ＤＣＳＫ）を用いて変調された副信号データと主信号データとを時分割多重して伝送している。ＣＯ−ＤＣＳＫ方式は、ＤＣＳＫ方式を光伝送に拡張した方式である。
ＤＣＳＫ変調信号は、参照用疑似ランダム系列と信号用疑似ランダム系列との組から構成され、一組で一つのシンボルをコードする。光ファイバ中を伝搬する光は、水平偏光と垂直偏光との二つの直交する偏波状態を有するため、光データ伝送ではこれらに対し偏波ダイバーシティ又は偏波多重を行うことで、受信信号品質の改善や伝送容量の拡大を行うことができる。なお、ＤＣＳＫ変調については、例えば、特許第３９９５６０１号公報に記載されている。第１の実施形態では、光信号の偏波状態をランダム化する必要性から、直交する二つの偏波状態に対しては、異なる疑似ランダム系列を適用し、光信号の偏波状態をランダム化している。光受信機３０は、任意の偏波状態の光信号を、コヒーレント検波により二つの直交する偏波状態に分離して電気信号に変換している。

第１の実施形態では、ＤＣＳＫ変調信号に含まれる参照及び信号用疑似ランダム系列の見かけ上のボーレートは、主信号のボーレートと一致している。これにより、制御信号のＤＣＳＫ変調信号のスペクトルと主信号のスペクトルとは、同一となる。ＤＣＳＫ変調信号における副信号データの実質的なボーレートは、主信号のボーレートと比べて低いため、本質的にノイズ耐力が主信号と比べて高い。したがって、主信号が導通しない状況でも、副信号を利用する制御チャネルの通信を確立することができる。言い換えれば、主信号に先立って通信を確立するのに十分な信頼性を制御チャネルに持たせることができる。

このように、第１の実施形態において、副信号を利用して実現される制御チャネルは、主信号と比べて雑音耐力が高いため、あらゆる状況下で主信号に先立って通信を確立し、主信号の通信確立に必要な情報を伝送することができる。制御チャネルは、主信号の光パワースペクトルと同一の光パワースペクトルを有し、また偏波状態のランダム性も有する。非線形性を介した隣接チャネルへの制御チャネルのクロストークは、主信号のクロストークと同様である。したがって、光データ伝送システム１は、制御チャネルを主信号に時分割多重する場合においても光伝送路の設計を見直す必要がないため、既存の光データ伝送システムの改善に好適である。光データ伝送システム１は、主信号への影響を抑えつつ、主信号に副信号を多重化できる。

＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態に係る光データ伝送システムについて説明する。本発明の第２の実施形態に係る光データ伝送システムは、全体の構成としては、図１に示した第１の実施形態に係る光データ伝送システム１と同様であるが、ＤＣＳＫ変調部２６及びＤＣＳＫ復調部４３の構成が異なる。第１の実施形態に係る光データ伝送システム１では、ＤＣＳＫ変調部２６及びＤＣＳＫ復調部４３は、１シンボルずつ変調及び復調を行う。これに対して、この第２の実施形態に係る光データ伝送システムでは、Ｎ（Ｎは整数）シンボル一括型ＤＣＳＫ変調部及びＮシンボル一括型ＤＣＳＫ復調部を用いて、Ｎシンボルの変調及び復調を一括して行う。なお、第２の実施形態ではＮ＝２の場合を記載する。

図５は、第２の実施形態に係る光データ伝送システムにおける２シンボル一括型ＤＣＳＫ変調部２６ａの構成を示している。２シンボル一括型ＤＣＳＫ変調部２６ａは、疑似ランダム系列生成部１５１及び１５２と、乗算器１５３ａ及び１５３ｂ、１５４ａ及び１５４ｂと、Ｘ側時系列信号生成部１５５及びＹ側時系列信号生成部１５６とを有する。

疑似ランダム系列生成部１５１から出力されるＸ偏波側の疑似ランダム系列は、参照用疑似ランダム系列Ｐ０用の系列と、信号用疑似ランダム系列Ｐ１用の系列と、信号用疑似ランダム系列Ｐ２用の系列とに分岐される。参照用疑似ランダム系列Ｐ０はＸ側時系列信号生成部１５５に送られる。信号用疑似ランダム系列Ｐ１用の系列は乗算器１５３ａに送られる。信号用疑似ランダム系列Ｐ２用の系列は乗算器１５３ｂに送られる。乗算器１５３ａには、差動エンコード部２５から出力される副信号データの差動符号化されたシンボル（第１のシンボル）が送られる。乗算器１５３ｂには、遅延部１５８から１シンボル分の遅延が加えられた副信号データの差動符号化されたシンボル（第２のシンボル）が送られる。乗算器１５３ａは、第１のシンボルと信号用疑似ランダム系列Ｐ１用の系列とを乗算し、乗算結果を信号用疑似ランダム系列Ｐ１としてＸ側時系列信号生成部１５５に送る。乗算器１５３ｂは、第２のシンボルと信号用疑似ランダム系列Ｐ２用の系列とを乗算し、乗算結果を信号用疑似ランダム系列Ｐ２としてＸ側時系列信号生成部１５５へ送る。

疑似ランダム系列生成部１５２から出力されるＹ偏波側の疑似ランダム系列は、参照用疑似ランダム系列Ｐ０と、信号用疑似ランダム系列Ｐ１用の系列と、信号用疑似ランダム系列Ｐ２用の系列とに分岐される。参照用疑似ランダム系列Ｐ０はＹ側時系列信号生成部１５６に送られる。信号用疑似ランダム系列Ｐ１用の系列は乗算器１５４ａに送られる。信号用疑似ランダム系列Ｐ２用の系列は乗算器１５４ｂに送られる。乗算器１５４ａには、差動エンコード部２５から出力される副信号データのシンボル（第１のシンボル）が送られる。乗算器１５４ｂには、遅延部１５８から１シンボル分の遅延が加えられた副信号データのシンボル（第２のシンボル）が送られる。乗算器１５４ａは、第１のシンボルと信号用疑似ランダム系列Ｐ１用の系列とを乗算し、乗算結果を信号用疑似ランダム系列Ｐ１としてＹ側時系列信号生成部１５６に送る。乗算器１５４ｂは、第２のシンボルと信号用疑似ランダム系列Ｐ２用の系列とを乗算し、乗算結果を信号用疑似ランダム系列Ｐ２としてＹ側時系列信号生成部１５６へ送る。

第２の実施形態においては、副信号データのシンボル列における連続する２つのシンボルが単一の副信号フレームに格納されて送信される。疑似ランダム系列生成部１５１、乗算器１５３ａ及び乗算器１５３ｂにより、Ｘ偏波側の疑似ランダム系列Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２が生成される。疑似ランダム系列生成部１５２、乗算器１５４ａ及び乗算器１５４ｂにより、Ｙ偏波側の疑似ランダム系列Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２が生成される。そのうち、疑似ランダム系列Ｐ０は参照用疑似ランダム系列であり、疑似ランダム系列Ｐ１は、参照用疑似ランダム系列Ｐ０に第１のシンボルを掛けたものと一致する。疑似ランダム系列Ｐ２は、参照用疑似ランダム系列Ｐ０に第２のシンボルを掛けたものと一致する。すなわち、第１のシンボルは参照用疑似ランダム系列Ｐ０と信号用疑似ランダム系列Ｐ１との差動情報にコードされる。第２のシンボルは参照用疑似ランダム系列Ｐ０と信号用疑似ランダム系列Ｐ２との差動情報にコードされる。
Ｘ側時系列信号生成部１５５は、Ｘ偏波側の参照用疑似ランダム系列Ｐ０、信号用疑似ランダム系列Ｐ１及び信号用疑似ランダム系列Ｐ２を時分割多重し、単一の時系列信号をＸ偏波側のＤＣＳＫ変調信号として生成する。同様に、Ｙ側時系列信号生成部１５６は、Ｙ偏波側の参照用疑似ランダム系列Ｐ０、信号用疑似ランダム系列Ｐ１及び信号用疑似ランダム系列Ｐ２を時分割多重し、単一の時系列信号をＹ偏波側のＤＣＳＫ変調信号として生成する。Ｘ偏波側及びＹ偏波側のＤＣＳＫ変調信号は、副信号として主／副信号多重部２７へ送られる。

図６は、第２の実施形態において主／副信号多重部２７で生成される多重信号の構造を示す。主／副信号多重部２７から出力される多重信号は、主信号の期間と副信号の期間とに分けられ、それぞれの期間に主信号と副信号とが時分割で多重化される。副信号に割り当てられた部分には、参照用疑似ランダム系列Ｐ０と、信号用疑似ランダム系列Ｐ１と、信号用疑似ランダム系列Ｐ２とが時分割多重で割り当てられる。参照用疑似ランダム系列Ｐ０、信号用疑似ランダム系列Ｐ１及びＰ２の間や、参照用疑似ランダム系列Ｐ０、信号用疑似ランダム系列Ｐ１及びＰ２それぞれの前後に、バッファ系列が挿入されてもよい。

図７は、第２の実施形態に係る光データ伝送システムにおける２シンボル一括型ＤＣＳＫ復調部４３ａの構成を示す。２シンボル一括型ＤＣＳＫ復調部４３ａは、信号系列抽出回路１６１及び１６２と、内積算出回路１６３ａ、１６３ｂ、１６４ａ及び１６４ｂと、加算器１６５ａ及び１６５ｂとを有する。

信号系列抽出回路１６１は、水平偏波の副信号から、参照用疑似ランダム系列Ｐ０と、信号用疑似ランダム系列Ｐ１及びＰ２とに対応する系列を抽出する。信号系列抽出回路１６２は、垂直偏波の副信号から、参照用疑似ランダム系列Ｐ０と、信号用疑似ランダム系列Ｐ１及びＰ２とに対応する系列を抽出する。

内積算出回路１６３ａは、水平偏波の信号から抽出された参照用疑似ランダム系列Ｐ０と信号用疑似ランダム系列Ｐ１との内積を算出することで、第１のシンボルを再生する。内積算出回路１６３ｂは、水平偏波の信号から抽出された参照用疑似ランダム系列Ｐ０と信号用疑似ランダム系列Ｐ２との内積を算出することで、第２のシンボルを再生する。同様に、内積算出回路１６４ａは、垂直偏波の信号から抽出された参照用疑似ランダム系列Ｐ０と信号用疑似ランダム系列Ｐ１との内積を計算することで、第１のシンボルを再生する。内積算出回路１６４ｂは、垂直偏波の信号から抽出された参照用疑似ランダム系列Ｐ０と信号用疑似ランダム系列Ｐ２との内積を算出することで、第２のシンボルを再生する。

加算器１６５ａは、水平偏波の副信号に含まれる疑似ランダム系列Ｐ０，Ｐ１の内積から求められた第１のシンボルと、垂直偏波の副信号に含まれる疑似ランダム系列Ｐ０，Ｐ１の内積から求められた第１のシンボルとを加算する。加算器１６５ｂは、水平偏波の副信号に含まれる疑似ランダム系列Ｐ０，Ｐ２の内積から求められた第２のシンボルと、垂直偏波の副信号に含まれる疑似ランダム系列Ｐ０，Ｐ２の内積から求められた第２のシンボルとを加算する。それぞれの加算により、第１及び第２のシンボルがそれぞれ合成され、第１及び第２のシンボルの信頼性が向上する。

第２の実施形態では、参照用疑似ランダム系列Ｐ０と信号用疑似ランダム系列Ｐ１との内積を算出することで、第１のシンボルが再生され、参照用疑似ランダム系列Ｐ０と信号用疑似ランダム系列Ｐ２との内積を算出することで、第２のシンボルが再生される。加算器１６５ａからは、第１のシンボルの再生信号が出力され、加算器１６５ｂからは、第２のシンボルの再生信号が出力される。

第２の実施形態における位相オフセット補償部４４は、図７に示すように、第１のシンボルと第２のシンボルとに対する位相オフセット補償回路１４４ａ及び１４４ｂを独立に備える。位相オフセット補償回路１４４ａ及び１４４ｂは、第１の実施形態における位相オフセット補償部と同様に動作する。位相オフセット補償部４４は、第１のシンボルと第２のシンボルとで協調して動作するように位相オフセット補償を行うようにしても良い。

上述した実施形態における光送信機１０又は光受信機３０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。

本発明は、主信号への悪影響を抑制するとともに、高い信頼性で主信号に制御用の信号を多重化することが必要な用途に適用できる。

１０…光送信機，１１…送信側信号処理装置，１２…電気光変換装置，１３…光ファイバ伝送路，２１…主信号生成部，２６…ＤＣＳＫ変調部，２７…主／副信号多重部，３０…光受信機，３１…光電気変換装置，３２…受信側信号処理装置，４１…主／副信号分離部，４２…主信号復調部，４３…ＤＣＳＫ復調部，４４…位相オフセット補償部，５１，５２…疑似ランダム系列生成部，５３，５４…乗算器，５５…Ｘ側時系列信号生成部，５６…Ｙ側時系列信号生成部，６１，６２…信号系列抽出部，６３，６４…内積算出部，６５…加算器

Claims (8)

1. 光ファイバ伝送路を介してデータを伝送する光データ伝送システムの光送信機であって、
   第１の送信データを所定の信号フォーマットに変換して第１の信号を生成する主信号生成部と、
   前記第１の信号を生成した際の第１のボーレートより低いボーレートで変調された第２の送信データを、前記第１のボーレートの疑似ランダム系列を用いたＤＣＳＫ（Differential Code Shift Keying）変調により前記第１の信号と同様のパワースペクトルを有する第２の信号を生成するＤＣＳＫ変調部と、
   前記第１の信号と前記第２の信号とを時分割多重する信号多重部と、
   前記信号多重部による時分割多重で得られた多重信号を電気信号から光信号に変換し、前記光信号を前記光ファイバ伝送路へ出力する電気光変換部と、
   を備える光送信機。
2. 信号空間ダイアグラム上の点に前記第２の送信データをマッピングしてシンボルを生成するマッピング部、をさらに備え、
   前記ＤＣＳＫ変調部は、
   参照用疑似ランダム系列を生成する参照用疑似ランダム系列生成回路と、
   信号用疑似ランダム系列を生成する信号用疑似ランダム系列生成回路と、
   前記参照用疑似ランダム系列と前記信号用疑似ランダム系列とを時分割多重した単一の時系列信号を前記第２の信号として生成する時系列信号生成部と、
   を備え、
   前記信号用疑似ランダム系列は、前記参照用疑似ランダム系列と前記シンボルとの積に一致する、
   請求項１に記載の光送信機。
3. 信号空間ダイアグラム上の点に前記第２の送信データをマッピングしてシンボルを生成するマッピング部、をさらに備え、
   前記ＤＣＳＫ変調部は、
   疑似ランダム系列を生成する疑似ランダム系列生成部と、
   前記疑似ランダム系列と前記シンボルとを乗算し、乗算結果を信号用疑似ランダム系列として出力する乗算器と、
   前記疑似ランダム系列と前記信号用疑似ランダム系列とを時分割多重した単一の時系列信号を前記第２の信号として生成する時系列信号生成部と、
   を備える請求項１に記載の光送信機。
4. 光ファイバ伝送路を介してデータを伝送する光データ伝送システムの光受信機であって、
   前記光ファイバ伝送路を介して受信した光信号を電気信号に変換する光電気変換部と、
   前記電気信号から時分割多重された第１の信号と第２の信号とを分離する信号分離部と、
   前記信号分離部で分離された前記第１の信号を復調して第１の送信データを再生する主信号復調部と、
   前記信号分離部で分離された前記第２の信号に含まれ前記第１の信号を生成した際の第１のボーレートと同じボーレートの疑似ランダム系列を用いた前記第２の信号に対するＤＣＳＫ（Differential Code Shift Keying）復調により、前記第１のボーレートより低いボーレートで変調された第２の送信データを再生するＤＣＳＫ復調部と、
   を備える光受信機。
5. 前記ＤＣＳＫ復調部は、
   前記第２の信号から参照用疑似ランダム系列と信号用疑似ランダム系列とを同定して抽出する信号系列抽出部と、
   前記参照用疑似ランダム系列と前記信号用疑似ランダム系列との内積を算出し、前記内積を前記第２の送信データとして出力する内積算出部と、
   を備える請求項４に記載の光受信機。
6. 請求項１から３のいずれか一項に記載の光送信機と、
   請求項４又は５に記載の光受信機と、
   を備える光データ伝送システム。
7. 光ファイバ伝送路を介してデータを伝送する光データ伝送システムの光送信機が行う光送信方法であって、
   第１の送信データを所定の信号フォーマットに変換して第１の信号を生成する主信号生成ステップと、
   前記第１の信号を生成した際の第１のボーレートより低いボーレートで変調された第２の送信データを、前記第１のボーレートの疑似ランダム系列を用いたＤＣＳＫ（Differential Code Shift Keying）変調により前記第１の信号と同様のパワースペクトルを有する第２の信号を生成するＤＣＳＫ変調ステップと、
   前記第１の信号と前記第２の信号とを時分割多重する信号多重ステップと、
   前記信号多重ステップにおける時分割多重で得られた多重信号を電気信号から光信号に変換し、前記光信号を前記光ファイバ伝送路へ出力する電気光変換ステップと、
   を有する光送信方法。
8. 光ファイバ伝送路を介してデータを伝送する光データ伝送システムの光受信機が行う光受信方法であって、
   前記光ファイバ伝送路を介して受信した光信号を電気信号に変換する光電気変換ステップと、
   前記電気信号から時分割多重された第１の信号と第２の信号とを分離する信号分離ステップと、
   前記信号分離ステップにおいて分離された前記第１の信号を復調して第１の送信データを再生する主信号復調ステップと、
   前記信号分離ステップにおいて分離された前記第２の信号に含まれ前記第１の信号を生成した際の第１のボーレートと同じボーレートの疑似ランダム系列を用いた前記第２の信号に対するＤＣＳＫ（Differential Code Shift Keying）復調により、前記第１のボーレートより低いボーレートで変調された第２の送信データを再生するＤＣＳＫ復調ステップと、
   を有する光受信方法。

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