JP6733395B2 - 光送信器、光受信器、および光伝送方法 - Google Patents

Description

本発明は、光送信器、光受信器、および光伝送方法に係わる。

近年、通信要件の異なる様々なアプリケーションを収容可能な光ネットワークシステムが要求されている。このため、異なる通信技術により送信および受信される光信号を多重化する通信技術が検討されている。例えば、大容量のデータを伝送するアプリケーションに対しては、多値度の高い変調方式で生成される変調光信号が使用される。この場合、デジタル信号処理技術を利用して、変調光信号の生成および復調が実現される。また、レイテンシ（又は、伝送遅延）の小さいデータ伝送を要求するアプリケーションに対しては、通信路中の光―電気―光変換の数を最小化する伝送技術（たとえば、強度変調／直接検波（ＩＭ／ＤＤ））が使用される。

関連技術として、単一の光ファイバネットワークに異種変調信号の伝送システムを追加できる光通信システムが提案されている（例えば、特許文献１）。また、情報を高密度に多重化して伝送する光多重化装置が提案されている（例えば、特許文献２）。さらに、データセンタ内の通信およびデータセンタ間の通信を行う光ネットワークが提案されている（例えば、非特許文献１、２）。

特開２０１１−２４４４３６号公報 特開２０１３−５１５４１号公報

Payman Samadi et al., Virtual Machine Migration over Optical Circuit Switching Network in a Converged Inter/Intra Data Center Architecture, OSA Optical Fiber Communication Conference 2015, Th4G.6 Payman Samadi et al., Experimental Demonstration of Converged Inter/Intra Data Center Network Architecture, In 17th International Conference on Transparent Optical Networks, IEEE, We.B.3.3

上述したように、大容量のデータを効率よく伝送するためには、多値度の高い変調方式で光信号が生成される。ここで、多値度の高い変調方式によるデータ伝送は、一般に、伝送可能距離が短いので、送信局と受信局との間に多数の中継装置を必要とする。また、多くのケースにおいて、処理遅延の大きいデジタル信号処理を利用して実現される。したがって、多値度の高い変調方式によるデータ伝送のレイテンシを小さくすることは困難である。特に、強度変調光信号をいったん電気信号に変換した後にデジタル信号処理を利用して多値度の高い変調光信号を生成する構成では、レイテンシが大きくなってしまう。

レイテンシの小さいデータ伝送を実現するためには、例えば、強度変調／直接検波（ＩＭ／ＤＤ）技術が使用される。この場合、強度変調で生成される光信号がそのまま宛先まで伝送されるので、レイテンシは小さい。ところが、強度変調によるデータ伝送では、１つのシンボルで伝送できるビット数が少ないため、通信資源の利用効率が低い。

本発明の１つの側面に係わる目的は、複数の異なる通信要件を満足する光通信において通信資源の利用効率を改善することである。

本発明の１つの態様の光送信器は、連続光を生成する光源と、入力データに基づいて駆動信号を生成する駆動信号生成部と、前記連続光を前記駆動信号で変調して第１の光信号を生成する光変調器と、前記第１の光信号および前記光源とは別の光源を使用して生成される第２の光信号を合波する合波器と、前記連続光の周波数と前記第２の光信号の中心周波数との差分を検出する周波数差検出部と、を備える。前記駆動信号生成部は、前記入力データに基づいて電界情報信号を生成するマッパと、前記周波数差検出部により検出される差分に基づいて、前記連続光の周波数と前記第２の光信号の中心周波数とが一致するように前記電界情報信号を補正する周波数補正部と、を備える。

上述の態様によれば、複数の異なる通信要件を満足する光通信において通信資源の利用効率が改善する。

光ネットワークシステムの一例を示す図である。 エクスプレスパスによる通信の一例を示す図である。 光送信回路の実施例を示す図である。 光受信回路の実施例を示す図である。 通常通信パスによる通信の一例を示す図である。 データセンタ間通信の光スペクトラムを模式的に示す図である。 周波数補正部の一例を示す図である。 マッパの一例を示す図である。 分離部の一例を示す図である。 データセンタ間通信の実施例を示す図である。 データセンタ間通信の一例を示すフローチャート（その１）である。 データセンタ間通信の一例を示すフローチャート（その２）である。

図１は、本発明の実施形態に係わる光ネットワークシステムの一例を示す。図１に示す例では、異なる地点に設けられるデータセンタ１００（１００Ａ、１００Ｂ）が光ファイバリンク２００より接続されている。

各データセンタには、複数のサーバ１１０が収容されている。図１に示す例では、データセンタ１００Ａは、サーバ１１０ａ〜１１０ｃを収容している。また、データセンタ１００Ｂは、サーバ１１０ｄ〜１１０ｆを収容している。なお、各サーバ１１０ａ〜１１０ｆは、それぞれ複数のサーバエレメントから構成される。

ユーザは、所望のサーバ１１０にアクセスすることができる。このとき、このアクセスに応じて、サーバ間でデータが伝送されることがある。例えば、１つのデータセンタ内に収容されているサーバ間でデータ通信が行われることがある。或いは、データセンタ間でデータ通信が行われることもある。例えば、サーバ１１０ｄは、サーバ１１０ａのバックアップデータを格納するものとする。この場合、サーバ１１０ａに格納されているデータが更新されると、サーバ１１０ａ、１１０ｄ間で通信が行われ、サーバ１１０ｄのデータも同様に更新される。或いは、ユーザは、有るサーバに格納されているデータを他のサーバへ移動させることもできる。

このように、光ネットワークシステムは、ユーザからの要求に応じてサーバ間でデータを伝送する。ただし、アプリケーションによって要求される通信要件は異なる。例えば、大容量のデータを効率よく伝送できる通信が要求されることがある。また、レイテンシの小さい通信が要求されることもある。したがって、光ネットワークシステムは、様々な通信要件を満足することが求められる。

各サーバ１１０は、サーバラック１４０に収容される。サーバラック１４０は、サーバ１１０に加えて、Top-of-Rack電気スイッチ１２０および光トランシーバ１３０を収容する。Top-of-Rack電気スイッチ１２０は、複数のサーバエレメントから送信される信号を統合する機能、および受信信号を複数のサーバエレメントに分配する機能を備える。光トランシーバ１３０は、Top-of-Rack電気スイッチ１２０の出力信号から光信号を生成して信号処理装置１５０へ導く。また、光トランシーバ１３０は、信号処理装置１５０から受信する光信号を電気信号に変換してTop-of-Rack電気スイッチ１２０へ導く。

信号処理装置１５０は、スイッチ回路１５１およびトランシーバ回路１５２を備える。スイッチ回路１５１は、ユーザから要求される通信に応じて光パスを提供する。例えば、サーバ１１０ａに格納されているデータをサーバ１１０ｂへ移動する要求が与えられたときは、スイッチ回路１５１は、サーバ１１０ａを収容するサーバラックから送信される光信号を、サーバ１１０ｂを収容するサーバラックへ導く。また、サーバ１１０ａに格納されているデータをサーバ１１０ｄへ移動する要求が与えられたときは、スイッチ回路１５１は、サーバ１１０ａを収容するサーバラックから送信される光信号を、データセンタ１００Ｂへ導く。

トランシーバ回路１５２は、データセンタ１００Ａ、１００Ｂ間で伝送される変調光信号を処理する。ここで、トランシーバ回路１５２は、変調光信号を送信する光送信器および変調光信号を受信する光受信器を備える。変調光信号は、この実施例では、多値度の高い変調方式（すなわち、１シンボルで２ビット以上のデータを伝送する変調方式）で生成される。

一例として、サーバ１１０ａに格納されているデータをサーバ１１０ｄへ移動する要求が与えられたときは、データセン１００Ａのトランシーバ回路１５２は、サーバ１１０ａを収容するサーバラックから送信される光信号をいったん電気信号に変換する。そして、トランシーバ回路１５２は、デジタル信号処理により、この電気信号から変調光信号を生成してデータセンタ１００Ｂへ送信する。そうすると、データセンタ１００Ｂにおいて、トランシーバ回路１５２は、受信する変調光信号を復調してデータを再生する。さらに、トランシーバ回路１５２は、再生したデータを伝送する光信号を生成して、サーバ１１０ｂを収容するサーバラックへ導く。

上記構成の光ネットワークシステムにおいて、光ファイバリンク２００の通信資源を効率的に使用することが要求される。したがって、データセンタ１００Ａ、１００Ｂ間の通信は、トランシーバ回路１５２を利用して実現される。すなわち、多値度の高い変調方式で生成される光信号がデータセンタ１００Ａ、１００Ｂ間で伝送される。

ただし、トランシーバ回路１５２を利用する通信は、光トランシーバ１３０から出力される光信号を電気信号に変換する工程、デジタル信号処理でその電気信号から駆動信号を生成する工程、コヒーレント受信で変調光信号を復調する工程、復調されたデータを光信号に変換して光トランシーバ１３０へ送信する工程を含む。このため、レイテンシの小さい通信を行うことは困難である。そこで、データセンタ１００Ａ、１００Ｂ間でレイテンシの小さい通信が要求されたときは、光ネットワークシステムは、トランシーバ回路１５２を使用することなく、スイッチ回路１５１を介して光トランシーバ１３０、１３０間で光信号を伝送する。

なお、以下の記載では、トランシーバ回路１５２を利用してデータセンタ１００Ａ、１００Ｂ間で変調光信号を伝送する光パスを「通常通信パス」と呼ぶことがある。また、トランシーバ回路１５２を利用することなくデータセンタ１００Ａ、１００Ｂ間で光信号を伝送する光パスを「エクスプレスパス」と呼ぶことがある。

図２は、エクスプレスパスによる通信の一例を示す。図２に示す例では、地点Ａに設けられているデータセンタ１００Ａから地点Ｂに設けられているデータセンタ１００Ｂへデータが伝送されるものとする。エクスプレスパスは、例えば、強度変調（ＩＭ）／直接検波（ＤＤ）により実現される。

各光トランシーバ１３０は、光送信回路１３１および光受信回路１３２を備える。光トランシーバ１３０は、図１に示すように、各サーバラック１４０内に設けられる。なお、図２では、データセンタ１００Ａの光トランシーバ１３０の光受信回路１３２は省略されており、また、データセンタ１００Ｂの光トランシーバ１３０の光送信回路１３１は省略されている。

データセンタ１００Ａにおいて、光送信回路１３１にはデータＹが与えられる。データＹは、サーバラック１４０に収容されているサーバ１１０から出力される。光送信回路１３１は、光源（ＬＤ）１３１ａを備える。そして、光送信回路１３１は、光源１３１ａを使用してデータＹを伝送する光信号を生成する。この例では、光送信回路１３１は、強度変調方式（または、オン／オフキーイング）でデータＹから強度変調光信号（光信号Ｙ）を生成する。この場合、例えば、直接変調方式で光源１３１ａが駆動される。ここで、光源１３１ａは、周波数可変レーザ光源であってもよい。なお、以下の記載では、強度変調光信号を「ＩＭ光信号」と呼ぶことがある。

光送信回路１３１により生成されるＩＭ光信号Ｙは、スイッチ回路１５１によりデータセンタ１００Ｂへ送信される。データセンタ１００Ｂにおいて、スイッチ回路１５１は、受信したＩＭ光信号Ｙを光受信回路１３２に導く。光受信回路１３２は、受光器（ＰＤ）１３２ａを備える。そして、光受信回路１３２は、受光器１３２ａを使用してＩＭ光信号Ｙを電気信号に変換する。ここで、受光器１３２ａの出力信号の電力または振幅は、データＹの各ビットの値を表す。したがって、ＩＭ光信号Ｙを電気信号に変換することによりデータＹが再生される。

図３は、ＩＭ光信号を生成する光送信回路の実施例を示す。光送信回路１３１は、図３（ａ）に示すように、光源１３１ａを備える。光源１３１ａは、例えば、周波数可変レーザ光源である。この構成では、直接変調でＩＭ光信号が生成される。すなわち、入力データにより光源１３１ａが駆動される。光源１３１ａから出力されるＩＭ光信号は、光アンテナ１３１ｃを利用して、空間伝送により所望の光ポートへ導かれるようにしてもよい。光アンテナ１３１ｃは、例えば、ミラーおよびレンズを含む光学系により実現される。

光送信回路１３１は、図３（ｂ）に示すように、光源１３１ａおよび光変調器１３１ｂを含む構成であってもよい。この場合、光源１３１ａは、連続光を生成する。そして、光変調器１３１ｂは、入力データで連続光を変調してＩＭ光信号を生成する。光変調器１３１ｂは、例えば、強度変調方式（オン／オフキーイング）で入力データからＩＭ光信号を生成する。

このように、光送信回路１３１は、入力データに基づいてＩＭ光信号を生成する。ただし、本発明の実施形態は、この構成に限定されるものではない。例えば、光送信回路１３１が図３（ｂ）に示す構成で実現される場合は、光変調器１３１ｂは、位相変調（ｍＰＳＫ）または直交強度変調（ｍＱＡＭ）で変調光信号を生成してもよい。

図４は、光受信回路１３２の実施例を示す。光受信回路１３２は、図３に示す光送信回路１３１から送信される光信号を受信する。光受信回路１３２は、図４（ａ）に示すように、受光器（ＰＤ）１３２ａを備える。受信光信号が強度変調信号である場合、その受信光信号を電気信号に変換することによりデータが再生される。なお、入力光ポートに到着する光信号は、光アンテナ１３２ｂを利用して受光器１３２ａへ導かれるようにしてもよい。

光受信回路１３２は、図４（ｂ）に示すように、コヒーレント受信回路１３２ｃおよびデジタル信号処理器（ＤＳＰ）１３２ｄを備える構成であってもよい。位相変調または直交強度変調で変調光信号が生成されるケースでは、光受信回路１３２は、コヒーレント受信でデータＹを再生する構成が好ましい。

図５は、通常通信パスによる通信の一例を示す。通常通信パスは、図１に示すトランシーバ回路１５１により設定される。そして、トランシーバ回路１５１は、エッジ送信器１０およびエッジ受信器６０を備える。なお、図５では、データセンタ１００Ａのエッジ受信器６０は省略されており、また、データセンタ１００Ｂのエッジ送信器１０は省略されている。

エッジ送信器１０は、Ｏ／Ｅ回路１１、光スイッチ１２、マッパ１３、歪補正部１４、周波数補正部１５、Ｄ／Ａ変換器（ＤＡＣ）１６、光源（ＬＤ）１７、ＩＱ変調器（ＩＱＭ）１８を備える。なお、マッパ１３、歪補正部１４、周波数補正部１５は、例えば、デジタル信号処理器で実現される。この場合、マッパ１３、歪補正部１４、周波数補正部１５は、１個のプロセッサで実現してもよいし、２個以上のプロセッサで実現してもよい。

Ｏ／Ｅ回路１１は、データセンタ１００Ａ内のサーバラック１４０から送信される光信号を電気信号に変換する。サーバラック１４０から強度変調光信号が送信されるケースでは、Ｏ／Ｅ回路１１は、受光器により実現される。光スイッチ１２は、Ｏ／Ｅ回路１１から出力される電気信号をマッパ１３に導く。光スイッチ１２は、アグリゲーション機能を備えていてもよい。すなわち、光スイッチ１２は、複数の電気信号を統合してマッパ１３に導くこともできる。以下の記載では、マッパ１３に与えられるデータを「データＸ」と呼ぶことがある。

マッパ１３は、指定された変調方式に応じて、データＸから電界情報信号を生成する。電界情報信号は、ＩＱ変調器１８から出力される変調光信号の位相および振幅を表す。したがって、この電界情報信号は、Ｉ成分信号およびＱ成分信号から構成される。歪補正部１４は、光ファイバリンク２００の波長分散を補償するように、マッパ１３により生成される電界情報信号を補正する。すなわち、歪補正部１４は、光ファイバリンク２００の波長分散を補償するための予等化または予補償を行う。

周波数補正部１５は、波長チャネル内に通常通信パスおよびエクスプレスパスが多重化されるときに起動される。よって、周波数補正部１５については後述する。

Ｄ／Ａ変換器１６は、電界情報信号をアナログ信号に変換して駆動信号を生成する。つまり、マッパ１３、歪補正部１４、周波数補正部１５、Ｄ／Ａ変換器（ＤＡＣ）１６により駆動信号が生成される。換言すれば、マッパ１３、歪補正部１４、周波数補正部１５、Ｄ／Ａ変換器１６は、駆動信号を生成する駆動信号生成部として動作する。光源１７は、この実施例では、周波数可変レーザ光源により実現される。すなわち、光源１７は、指定された周波数の連続光を出力する。ＩＱ変調器１８は、光源１７から出力される連続光を駆動信号で変調して変調光信号を生成する。そして、ＩＱ変調器１８により生成される変調光信号は、光ファイバリンク２００を介してデータセンタ１００Ｂへ伝送される。

なお、マッパ１３は、１個のシンボルで２ビット以上のデータを伝送する変調方式でデータＸから電界情報信号を生成する。すなわち、ＩＱ変調器１８から出力される変調光信号は、１個のシンボルで２ビット以上のデータを伝送する。よって、以下の記載では、ＩＱ変調器１８から出力される変調光信号を「多値光信号」と呼ぶことがある。

図６（ａ）は、エッジ送信器１０によって生成される多値光信号Ｘのスペクトラムを示す。光周波数ｆｘは、光源１７から出力される連続光の周波数に相当する。即ち、光周波数ｆｘは、多値光信号Ｘの中心周波数を表す。スペクトラムの幅（すなわち、変調光信号の帯域幅）は、多値光信号Ｘのボーレートおよび変調方式等に依存する。

上述の通常通信パスが設定されているときに、レイテンシの小さいデータ伝送が要求されるものとする。即ち、エッジ送信器１０により生成される多値光信号Ｘが伝送されているときに、図２に示す光送信回路１３１からＩＭ光信号Ｙが送信されるものとする。

この場合、光ファイバリンク２００の通信資源を節約するために、多値光信号Ｘを伝送する通常通信パスおよびＩＭ光信号Ｙを伝送するエクスプレスパスが１つの波長チャネル中に多重化される。なお、図５に示す構成では、多値光信号ＸおよびＩＭ光信号Ｙは、光カプラ１９により合波されて光ファイバリンク２００に導かれる。

図６（ｂ）は、光送信回路１３１によって生成されるＩＭ光信号Ｙのスペクトラムを示す。光周波数ｆｙは、図２または図３に示す光源１３１ａの出力光信号の中心周波数に相当する。すなわち、光周波数ｆｙは、ＩＭ光信号Ｙの中心周波数を表す。スペクトラムの幅（即ち、変調光信号の帯域幅）は、ＩＭ光信号Ｙのボーレート等に依存する。

ここで、通常通信パスおよびエクスプレスパスを１つの波長チャネル中に多重化するためには、多値光信号Ｘの中心光周波数ｆｘとＩＭ光信号Ｙの中心光周波数ｆｙとが互いに同じである必要がある。よって、例えば、ｆｘとｆｙとが互いに同じになるように、光源１７の出力光の周波数が制御される。ただし、レーザの発振周波数は誤差を有する。一般的なレーザ光源の最大周波数誤差は、1.5GHz程度である。このため、ｆｘとｆｙとが完全に一致することは稀である。例えば、図６（ａ）〜図６（ｂ）に示す例では、多値光信号Ｘの中心光周波数ｆｘよりもＩＭ光信号Ｙの中心光周波数ｆｙの方が少しだけ高くなっている。

そこで、エッジ送信器１０は、光周波数ｆｘと光周波数ｆｙとを一致させるための機能を備える。すなわち、エッジ送信器１０は、上述した回路要素に加えて、光スプリッタ２１、光カプラ２２、周波数差検出部２３を備える。

光スプリッタ２１は、サーバラック１４０の光送信回路１３１から送信されるＩＭ光信号Ｙを分岐して光カプラ２２に導く。光カプラ２２は、光源１７から出力される連続光および光スプリッタ２１により分岐されたＩＭ光信号Ｙを合波する。周波数差検出部２３は、光カプラ２２の出力光を電気信号に変換する受光器を備える。そして、周波数差検出部２３は、この受光器から出力される電気信号に基づいて、光カプラ２２の出力光のビート成分の周波数を検出する。光カプラ２２の出力光のビート成分の周波数は、多値光信号Ｘの中心光周波数ｆｘとＩＭ光信号Ｙの中心光周波数ｆｙとの差分に相当する。

周波数補正部１５は、周波数差検出部２３により検出される周波数差に基づいて、電界情報信号を補正する。周波数補正部１５の一例を図７示す。なお、図７に示す例では、周波数補正部１５は、デジタル信号処理器により実現される。

周波数補正部１５は、積算回路３１および回転演算回路３２を備える。そして、周波数補正部１５には、関数ｆ(t)および電界情報信号が与えられる。関数ｆ(t)は、周波数差検出部２３により検出される光周波数差Δｆである。電界情報信号は、マッパ１３により生成され、Ｉ成分信号およびＱ成分信号から構成される。

積算回路３１は、光周波数差Δｆを時間で積分する。そして、積算回路３１は、積分結果として、下記の位相情報θ(t)を出力する。
θ(t)＝∫2πf(t)dt
なお、積算回路３１は、ｍｏｄ２π回路を備えていてもよい。この場合、積算回路３１の出力値は、０〜２πの範囲内の値に変換される。

回転演算回路３２は、下記の演算により、位相情報θ(t)を利用してＩ成分信号およびＱ成分信号を補正させる。即ち、回転演算回路３２は、周波数差検出部２３により検出される光周波数差Δｆに基づいて、Ｉ成分信号およびＱ成分信号により表される位相を制御する。なお、ＩおよびＱは、回転演算回路３２の入力信号を表す。Ｉ’およびＱ’は、回転演算回路３２の出力信号を表す。
Ｉ’＝Ｉcosθ(t)−Ｑsinθ(t)
Ｑ’＝Ｉsinθ(t)＋Ｑcosθ(t)

周波数補正部１５の出力信号は、Ｄ／Ａ変換器１６によりアナログ信号に変換されてＩＱ変調器１８に与えられる。そして、ＩＱ変調器１８は、光源１７から出力される連続光を回転演算回路３２の出力信号で変調することにより多値光信号Ｘを生成する。

このように、電界情報信号は、光周波数差Δｆに基づいて補正される。よって、ＩＱ変調器１８により生成される多値光信号Ｘの中心周波数は、ｆｘ＋Δｆである。ｆｘは、光源１７から出力される連続光の周波数を表す。ここで、光周波数差Δｆは、光源１７から出力される連続光の周波数ｆｘとＩＭ光信号Ｙの中心光周波数ｆｙとの差分に相当する。したがって、電界情報信号が周波数補正部１５により補正されると、ＩＱ変調器１８により生成される多値光信号Ｘの中心周波数は、図６（ｃ）に示すように、ＩＭ光信号Ｙの中心光周波数ｆｙと一致することになる。

しかし、図６（ｂ）に示すＩＭ光信号Ｙの信号帯および図６（ｃ）に示す多値光信号Ｘの信号帯は、周波数領域において互いに重複する。このため、ＩＭ光信号Ｙおよび多値光信号Ｘが多重化されると、光受信器は、それらを互いに分離することは困難である。そこで、エッジ送信器１０は、通常通信パスに加えてエクスプレスパスが設定されるときは、エクスプレスパスの信号帯と通常通信パスの信号帯とが重複しないように、通常通信パスを介して伝送される変調光信号の電界情報信号を生成する。

図８は、マッパ１３の一例を示す。この実施例では、マッパ１３は、スイッチ４１、マッパ４２、分配器４３、マッパ４４−１、４４−２、周波数補正部４５−１、４５−２、加算器４６、セレクタ４７を備える。そして、マッパ１３には、エクスプレスパスを設定するか否かを表すエクスプレスパス指示が与えられる。

エクスプレスパスを設定する指示が無いときは、スイッチ４１は、入力データをマッパ４２に導く。一方、エクスプレスパスを設定する指示が与えられたときは、スイッチ４１は、入力データを分配器４３に導く。分配器４３は、入力データをマッパ４４−１、４４−２に分配する。このとき、分配器４３は、例えば、入力データをＮビット毎に交互にマッパ４４−１、４４−２に分配する。

マッパ４２は、指定された変調方式に従って入力データから電界情報信号を生成する。各マッパ４４−１、４４−２は、マッパ４２の変調方式に応じて決まる変調方式で、入力データから電界情報信号を生成する。ここで、マッパ４２が２ｋビット／シンボルの変調方式でマッピングを行うときは、各マッパ４４−１、４４−２は、ｋビット／シンボルの変調方式でマッピングを行う。例えば、マッパ４２が１６ＱＡＭでマッピングを行うときは、各マッパ４４−１、４４−２はＱＰＳＫでマッピングを行う。また、マッパ４２が２５６ＱＡＭでマッピングを行うときは、各マッパ４４−１、４４−２は１６ＱＡＭでマッピングを行う。

周波数補正部４５−１は、マッパ４４−１の出力信号に基づいて生成される変調光信号の中心周波数がΔｆ１だけ高くなるように、マッパ４４−１の出力信号を補正する。これに対して、周波数補正部４５−２は、マッパ４４−２の出力信号に基づいて生成される変調光信号の中心周波数がΔｆ１だけ低くなるように、マッパ４４−２の出力信号を補正する。周波数補正部４５−１および４５−２の構成および動作は、それぞれ図７に示す周波数補正部１５と実質的に同じである。ただし、周波数補正部４５−１、４５−２には、関数ｆ(t)として、それぞれ＋Δｆ１、−Δｆ１が与えられる。Δｆ１は、多値光信号Ｘの中心光周波数とＩＭ光信号Ｙの中心周波数が互いに同じであるときに、多値光信号ＸのスペクトラムとＩＭ光信号Ｙのスペクトラムとが互いに重複しないように決定される。Δｆ１は、例えば、5GHz程度である。

加算器４６は、周波数補正部４５−１の出力信号および周波数補正部４５−２の出力信号を足し合わせる。セレクタ４７は、エクスプレスパスを設定する指示が無いときは、マッパ４２の出力信号を選択する。一方、エクスプレスパスを設定する指示が与えられたときは、セレクタ４７は、加算器４６の出力信号を選択する。そして、マッパ１３は、セレクタ４７により選択された信号を電界情報信号として出力する。

図６（ｄ）は、エクスプレスパスが設定されるときにＩＱ変調器１８により生成される多値光信号Ｘのスペクトラムを示す。Ｘ１は、マッパ４４−１から出力される電界情報信号に基づいて生成される光信号を表し、Ｘ２は、マッパ４４−２から出力される電界情報信号に基づいて生成される光信号を表す。Ｘ１の中心周波数はｆｙ＋Δｆ１であり、Ｘ２の中心周波数はｆｙ−Δｆ１である。

図６（ｅ）は、通常通信パスおよびエクスプレスパスが多重化されたときの、エッジ送信器１０の出力光信号のスペクトラムを示す。このように、通常通信パスおよびエクスプレスパスが多重化されても、エクスプレスパスの信号帯と通常通信パスの信号帯とは重複しない。換言すれば、周波数シフト量Δｆ１は、エクスプレスパスの信号帯と通常通信パスの信号帯とが重複しないように決定される。ここで、変調光信号の信号帯域幅は、その変調光信号のボーレートおよび変調方式等に基づいて推定される。したがって、マッパ１３は、エクスプレスパスの信号帯と通常通信パスの信号帯とが重複しないように、入力データから電界情報信号を生成することができる。

上述のように、エクスプレスパスが設定されないときには、データセンタ１００Ａのエッジ送信器１０は、図６（ａ）に示す多値光信号Ｘをデータセンタ１００Ｂへ送信する。一方、エクスプレスパスが設定されるときは、エッジ送信器１０は、図６（ｅ）に示すように、多値光信号Ｘ（Ｘ１、Ｘ２）およびＩＭ光信号Ｙをデータセンタ１００Ｂへ送信する。

データセンタ１００Ａから光ファイバリンク２００を介して伝送される光信号は、データセンタ１００Ｂにおいて、光スプリッタ５１により分岐され、光スイッチ５２およびエッジ受信器６０へ導かれる。光スイッチ５２は、受信光信号を、宛先サーバを収容するサーバラックの光受信回路１３２へ導く。

光受信回路１３２は、例えば、図２に示すように、受光器１３２ａを用いて受信光信号を電気信号に変換する。ここで、光受信回路１３２は、図６（ｅ）に示すように、ＩＱ変調器１８により生成される多値光信号Ｘ（Ｘ１、Ｘ２）および光送信回路１３１から送信されるＩＭ光信号Ｙを受信するものとする。この場合、ＩＭ光信号Ｙは、電気領域では、実質的にベースバンド信号である。したがって、ＩＭ光信号Ｙが受光器１３２ａにより電気信号に変換されると、データＹが再生される。一方、多値光信号Ｘ（Ｘ１、Ｘ２）の中心周波数は、電気領域において、ベースバンドに対してΔｆ１だけシフトしている。このため、受光器１３２ａの帯域がΔｆ１よりも低いものとすると、多値光信号Ｘの信号成分は、受光器１３２ａにより検出されない。換言すれば、光受信回路１３２が備える受光器１３２ａの帯域をΔｆ１よりも低く構成すれば、光受信回路１３２は、図６（ｅ）に示す光信号からＩＭ光信号Ｙにより伝送されるデータＹを再生することができる。なお、多値光信号Ｘを精度よく除去するためには、受光器１３２ａの出力側にローパスフィルタを設けるようにしてもよい。

エッジ受信器６０は、図５に示すように、コヒーレント受信器６１、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）６２、ＦＦＴ演算器６３、分離部６４、復調器６５、電気スイッチ６６、Ｅ／Ｏ回路６７を備える。なお、ＦＦＴ演算器６３、分離部６４、復調器６５は、例えば、デジタル信号処理器で実現される。この場合、ＦＦＴ演算器６３、分離部６４、復調器６５は、１個のプロセッサで実現してもよいし、２個以上のプロセッサで実現してもよい。

コヒーレント受信器６１は、局発光源を用いて受信光信号を表す電界情報信号を生成する。コヒーレント受信器６１が図６（ａ）に示す多値光信号Ｘを受信するときは、局発光源の周波数はｆｘに制御される。また、コヒーレント受信器６１が図６（ｅ）に示す多値光信号ＸおよびＩＭ光信号Ｙを受信するときは、局発光源の周波数はｆｙに制御されるようにしてもよい。Ａ／Ｄ変換器６２は、コヒーレント受信器６１により生成される電界情報信号をデジタル信号に変換する。ＦＦＴ演算器６３は、Ａ／Ｄ変換器６２の出力信号を周波数領域信号に変換する。

分離部６４は、図９に示すように、周波数分離部６４ａ、判定部６４ｂ、干渉計算部６４ｃ、干渉除去部６４ｄを備える。そして、分離部６４は、多値光信号Ｘにより伝送された信号成分（データＸ信号成分）およびＩＭ光信号Ｙにより伝送された信号成分（データＹ信号成分）を含む入力信号から、データＸ信号成分を抽出する。

周波数分離部６４ａは、ＦＦＴ演算器６３から出力される周波数領域信号からデータＸ信号成分およびデータＹ信号成分を抽出する。データＸ信号成分は干渉除去部６４ｄに導かれ、データＹ信号成分は判定部６４ｂに導かれる。判定部６４ｂは、データＹ信号成分に基づいて、シンボル毎に値を判定する。ここで、データＹは、図３に示す光送信回路１３１により強度変調（または、オン／オフキーイング）により伝送される。したがって、判定部６４ｂは、シンボル毎に「１」または「０」を検出する。

干渉計算部６４ｃは、多値光信号ＸとＩＭ光信号Ｙとの間の干渉成分を計算する。具体的には、干渉計算部６４ｃは、ＩＭ光信号Ｙに起因する多値光信号Ｘの位相変動を計算する。ここで、ＩＭ光信号Ｙがオフ状態であるときは、ＩＭ光信号Ｙに起因する多値光信号Ｘの位相変動はほぼゼロである。一方、ＩＭ光信号Ｙがオン状態であるときは、ＩＭ光信号Ｙに起因して多値光信号Ｘの位相が変動する。この位相変動の量は、光ファイバリンク２００の特性および長さなどに基づいて算出可能である。よって、干渉計算部６４ｃは、ＩＭ光信号Ｙの状態に応じて、ＩＭ光信号Ｙに起因する多値光信号Ｘの位相変動を計算する。

干渉除去部６４ｄは、データＸ信号成分から干渉成分を除去する。干渉成分の除去は、例えば、引き算により実現される。すなわち、分離部６４は、多値光信号Ｘを表す電界情報信号を抽出し、さらにその電界情報信号から干渉成分を除去する。

なお、分離部６４は、干渉成分の除去を行わなくてもよい。この場合、分離部６４は、判定部６４ｂ、干渉計算部６４ｃ、干渉除去部６４ｄを備える必要はない。そして、分離部６４は、周波数分離部６４ａを用いて、入力信号から多値光信号Ｘを表す電界情報信号を抽出して出力する。この場合、周波数分離部６４は、周波数フィルタとして動作する。

図５に戻る。復調器６５は、分離部６４から出力される電界情報信号に基づいて各シンボルを復調する。このとき、復調器６５は、データセンタ１００Ａのマッパ１３によるマッピングに対応するデマッピングを行う。この結果、データＸが再生される。スイッチ６６は、データＸを宛先サーバに対応するＥ／Ｏ回路６７に導く。すなわち、スイッチ６６は、ルータとして動作する。Ｅ／Ｏ回路６７は、データＸを光信号に変換する。なお、Ｅ／Ｏ回路６７は、例えば、図３に示す構成で実現される。そして、データＸを伝送する光信号は、データＸの宛先サーバを収容するサーバラックへ送信される。

このように、データセンタ間のデータ通信は、光ファイバリンク２００の通信資源を節約するために、通常通信パスを介して実現される。ここで、通常通信パスは、多値度の高い変調方式で生成される変調光信号を伝送する。これに加えて、データセンタ間でレイテンシの小さいデータ通信を行うときには、１つの波長チャネル内に通常通信パスおよびエクスプレスパスが多重化される。エクスプレスパスは、例えば、ＩＭ／ＤＤにより実現される。このとき、通常通信パスの中心波長およびエクスプレスパスの中心波長が互いに一致し、且つ、通常通信パスの信号帯およびエクスプレスパスの信号帯が互いに重複しないように、通常通信パスの電界情報がデジタル信号処理により補正される。したがって、データセンタ間の通信資源を節約しながら、必要に応じてレイテンシの小さいデータ通信を実現できる。

また、エッジ受信器６０は、多重化光信号から目的光信号の電界情報信号を抽出するときに、隣接光信号に起因する位相変動を抑制できる。したがって、１つの波長チャネル内に通常通信パスおよびエクスプレスパスが多重化される場合であっても、通常通信パスを介して伝送されるデータを精度よく再生できる。

＜実施例＞
図１０は、データセンタ間通信の実施例を示す。図１０に示すデータセンタ１００は、図１に示すデータセンタ１００Ａまたは１００Ｂに相当する。よって、データセンタ１００は、複数のサーバラック１４０を備える。そして、各サーバラック１４０には、サーバ１１０、Top-of-Rack電気スイッチ１２０、光トランシーバ１３０が収容される。なお、この実施例では、データセンタ間の通信においてＷＤＭ信号が伝送される。

データセンタ１００は、光周波数検出器７１、エッジトランシーバ７２、光スイッチ８１、光トランシーバ８２、電気スイッチ８３を備える。なお、光周波数検出器７１およびエッジトランシーバ７２は、図１に示すトランシーバ回路１５２に相当する。また、光スイッチ８１、光トランシーバ８２、電気スイッチ８３は、図１に示すスイッチ回路１５１に相当する。

光周波数検出器７１は、図５に示す例では、周波数差検出部２３に相当する。即ち、光周波数検出器７１は、通常通信パスを介して伝送される光信号の中心周波数とエクスプレスパスを介して伝送される光信号の中心周波数との差分を検出する。エッジトランシーバ７２は、図５に示すエッジ送信器１０およびエッジ受信器６０を備える。なお、光周波数検出器７１は、エッジトランシーバ７２に内蔵されていてもよい。

チャネル割り当て制御部９１は、ユーザからデータセンタ間の通信が要求されたときに、未使用の波長チャネルを選択する。そして、チャネル割り当て制御部９１は、選択した波長チャネルが設定されるように、チャネル割当て指示を使用してエッジトランシーバ７２、光スイッチ８１、光トランシーバ８２、電気スイッチ８３、光トランシーバ１３０を制御する。

各光トランシーバ１３０は、ＩＭ／ＤＤで光信号を送信および受信することができる。光トランシーバ１３０から送信される光信号の中心周波数は、チャネル割当て指示により制御される。なお、データセンタ内通信は、光スイッチ８１により実現される。例えば、サーバ１１０ａからサーバ１１０ｃへのデータ伝送は、光トランシーバ１３０ａ、光スイッチ８１、光トランシーバ１３０ｃにより実現される。

各光トランシーバ８２も、ＩＭ／ＤＤで光信号を送信および受信することができる。すなわち、光トランシーバ１３０および光トランシーバ８２は、光スイッチ８１を介してＩＭ／ＤＤで光信号を送信および受信することができる。

データセンタ間通信は、アプリケーションによって、通常通信パスまたはエクスプレスパスにより実現される。例えば、小さいレイテンシが要求されないときは、データセンタ間の通信資源を節約するために、通常通信パスが設定される。この場合、エッジトランシーバ７２を利用して多値光信号の送信および受信が行われる。例えば、サーバ１１０ａに格納されているデータＸを他のデータセンタへ送信するケースでは、データＸは、光トランシーバ１３０ａ、光スイッチ８１、光トランシーバ８２、電気スイッチ８３を介してエッジトランシーバ７２に導かれる。そうすると、エッジトランシーバ７２は、エッジ送信器１０（図５では、マッパ１３、歪補正部１４、ＩＱ変調器１８など）を利用して多値光信号Ｘを生成し、光ファイバリンク２００を介して指定されたデータセンタへ送信する。

通常通信パスを介して受信する光信号は、光スイッチ８１によりエッジトランシーバ７２に導かれる。そうすると、エッジトランシーバ７２は、エッジ受信器６０（図５では、コヒーレント受信器６１、ＦＦＴ演算器６３、分離部６４、復調器６５など）を利用してデータを再生する。再生されたデータは、電気スイッチ８３、光トランシーバ８２、光スイッチ８１を介して目的サーバへ転送される。

小さいレイテンシが要求されるときは、エクスプレスパスが設定される。この場合、光トランシーバ１３０から送信されるＩＭ光信号は、光スイッチ８１により光ファイバリンク２００に導かれる。また、エクスプレスパスを介して受信するＩＭ光信号は、光スイッチ８１により目的サーバに導かれる。すなわち、ＩＭ光信号は、エッジトランシーバ７２を経由することなく、光トランシーバ１３０、１３０間で伝送される。

１つの波長チャネルに通常通信パスおよびエクスプレスパスが多重化されるときには、光周波数検出器７１は、通常通信パスを介して伝送される多値光信号の中心周波数とエクスプレスパスを介して伝送されるＩＭ光信号の中心周波数との差分を検出する。エッジ送信器１０は、検出された周波数差に基づいて電界情報信号を補正する。このとき、マッパ１３において図６（ｄ）に示すマッピング補正が行われ、また、周波数補正部１５において図６（ｃ）に示す中心周波数の補正が行われる。そして、エッジ送信器１０は、補正された電界情報信号に基づいて多値光信号を生成する。

図１１〜図１２は、データセンタ間通信の一例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、例えば、ユーザからデータセンタ間の通信が要求されたときに実行される。この実施例では、あるデータセンタに収容されているサーバ（送信元サーバ）から他のデータセンタに収容されているサーバ（宛先サーバ）へのデータ伝送が要求されるものとする。なお、以下の記載では、送信元サーバを収容するデータセンタを「送信元データセンタ」と呼ぶことがある。また、宛先サーバを収容するデータセンタを「宛先データセンタ」と呼ぶことがある。

Ｓ１において、チャネル割り当て制御部９１は、光ファイバリンク２００において利用可能な波長チャネルを選択する。以下の記載では、選択された波長チャネルの中心周波数を「ｆｚ」と呼ぶことがある。Ｓ２において、チャネル割り当て制御部９１は、選択した波長チャネルに応じてエッジトランシーバ７２の光周波数を制御する。すなわち、送信元データセンタにおいては、エッジ送信器１０の光源１７の周波数がｆｚに制御される。宛先データセンタにおいては、エッジ受信器６０のコヒーレント受信器６１が使用する局発光源の周波数がｆｚに制御される。

Ｓ３において、チャネル割り当て制御部９１は、光スイッチ８１、光トランシーバ８２、電気スイッチ８３を制御して通常通信パスのセットアップを行う。すなわち、送信元データセンタにおいては、送信元サーバから読み出されるデータがエッジトランシーバ７２に導かれるように、光スイッチ８１、光トランシーバ８２、電気スイッチ８３が制御される。宛先データセンタにおいては、受信光信号から再生されるデータが宛先サーバに導かれるように、光スイッチ８１、光トランシーバ８２、電気スイッチ８３が制御される。そして、Ｓ４において、通常通信パスを使用するデータセンタ間通信が開始される。

Ｓ５において、チャネル割り当て制御部９１は、データセンタ間での低レイテンシ通信の要求を待ち受ける。そして、この要求を受信すると、チャネル割り当て制御部９１は、Ｓ６において、光スイッチ８１を制御してエクスプレスパスのセットアップを行う。

Ｓ７において、チャネル割り当て制御部９１は、Ｓ１で選択した波長チャネルに応じて対応する光トランシーバ１３０の光周波数を制御する。すなわち、低レイテンシ通信の送信元サーバに対応する光トランシーバ１３０において、光源１３１ａの光周波数がｆｚに制御される。これにより、先に設定されている通常通信パスの中心周波数および新たに設定されるエクスプレスパスの中心周波数がいずれもｆｚに制御される。ただし、レーザ光源の発振周波数誤差が存在するので、通常通信パスの中心周波数とエクスプレスパスの中心周波数とは完全には一致していない。

Ｓ８において、光周波数差検出器７１は、通常通信パスの中心周波数とエクスプレスパスの中心周波数との差分Δｆを検出する。そして、エッジ送信器１０の周波数補正部１５は、通常通信パスの中心周波数とエクスプレスパスの中心周波数とが一致するように、光周波数差検出器７１による検出結果に基づいて電界情報信号を補正する。このとき、周波数補正部１５は、ＩＱ変調器１８の出力光信号の中心周波数をΔｆだけシフトさせるように、電界情報信号を補正する。

Ｓ９において、エッジ送信器１０のマッパ１３は、通常通信パスおよびエクスプレスパスの光スペクトラムが互いに重複しないように、通常通信パスを介して伝送される多値光信号の電界情報信号を補正する。このとき、マッパ１３は、たとえば、図６（ｄ）に示すように、通常通信パスを介して伝送される多値光信号のスペクトラムが２つに分離されるように、電界情報信号を補正する。換言すれば、マッパ１３は、図８に示すマッパ４４−１、４４−２を使用して入力データから電界情報信号を生成する。なお、Ｓ８およびＳ９は、並列に実行されるようにしてもよい。また、Ｓ９は、Ｓ８よりも前に実行されるようにしてもよい。そして、Ｓ１０において、データセンタ間で通常通信パスおよびエクスプレスパスが多重化された通信が開始される。

Ｓ１１において、チャネル割り当て制御部９１は、低レイテンシ通信の停止要求を待ち受ける。そして、この要求を受信すると、Ｓ１２において、データセンタ１００は、エクスプレスパスによるデータ伝送を停止する。

Ｓ１３において、周波数補正部１５は、電界情報信号の補正を停止する。この結果、通常通信パスの中心周波数は、エクスプレスパスが設定される前の状態に戻ることになる。Ｓ１４において、マッパ１３は、電界情報信号を生成するためのマッピングパターンを、エクスプレスパスが設定される前の状態に戻す。すなわち、マッパ１３は、図８に示すマッパ４２を使用して入力データから電界情報信号を生成する。

このように、本発明の実施形態に係わる光ネットワークシステムによれば、多値光信号を伝送する通常通信パスおよび小さいレイテンシを実現するエクスプレスパスが多重化される。したがって、複数の異なる通信要件を満足する光通信において通信資源の利用効率が改善する。

１０ エッジ送信器
１３ マッパ
１５ 周波数補正部
１７ 光源（ＬＤ）
１８ ＩＱ変調器
４４−１、４４−２ マッパ
４５−１、４５−２ 周波数補正部
４６ 加算器
６０ エッジ受信器
６４ 分離部
６４ａ 周波数分離部
６４ｂ 判定部
６４ｃ 干渉計算部
６４ｄ 干渉除去部
１００Ａ、１００Ｂ データセンタ
１３０ 光トランシーバ
１３１ 光送信器
１３１ａ 光源（ＬＤ）
１３２ 光受信器
１３２ａ 受光器（ＰＤ）
２００ 光ファイバリンク

Claims (6)

1. 連続光を生成する光源と、
   入力データに基づいて駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
   前記連続光を前記駆動信号で変調して第１の光信号を生成する光変調器と、
   前記第１の光信号および前記光源とは別の光源を使用して生成される第２の光信号を合波する合波器と、
   前記連続光の周波数と前記第２の光信号の中心周波数との差分を検出する周波数差検出部と、を備え、
   前記駆動信号生成部は、
   前記入力データに基づいて、前記第１の光信号の光スペクトラムと前記第２の光信号の光スペクトラムとが互いに重複しないように電界情報信号を生成するマッパと、
   前記周波数差検出部により検出される差分に基づいて、前記連続光の周波数と前記第２の光信号の中心周波数とが一致するように前記電界情報信号を補正する周波数補正部と、を備える
   ことを特徴とする光送信器。
2. 前記周波数補正部は、前記周波数差検出部により検出される差分に基づいて前記電界情報信号により表される位相を制御することにより、前記第１の光信号の中心周波数をシフトさせる
   ことを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
3. 前記マッパは、
   前記入力データの一部のビットから第１の電界情報信号を生成する第１のマッパと、
   前記入力データの残りのビットから第２の電界情報信号を生成する第２のマッパと、
   前記第１の電界情報信号に基づいて前記光変調器により生成される光信号の中心周波数を所定量だけ高くするように、前記第１の電界情報信号を補正する第１の周波数補正部と、
   前記第２の電界情報信号に基づいて前記光変調器により生成される光信号の中心周波数を前記所定量だけ低くするように、前記第２の電界情報信号を補正する第２の周波数補正部と、
   補正された第１の電界情報信号および補正された第２の電界情報信号を足し合わせて前記電界情報信号を生成する加算器と、を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
4. 前記第１の光信号は、１シンボルで２ビット以上のデータを伝送する変調方式で生成され、
   前記第２の光信号は、強度変調またはオン／オフキーイングにより生成される
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光送信器。
5. 中心周波数が互いに一致し、且つ、光スペクトラムが互いに重複していない第１の光信号および第２の光信号を受信する光受信器であって、
   前記第１の光信号および前記第２の光信号を含む入力光の電界情報を表す電界情報信号を生成するコヒーレント受信器と、
   前記電界情報信号から前記第１の光信号に対応する第１の電界情報信号と前記第２の光信号に対応する第２の電界情報信号を抽出する周波数分離部と、
   前記第２の電界情報信号により表される前記第２の光信号の強度に基づいて、前記第１の光信号と前記第２の光信号との間の干渉成分を計算する干渉計算部と、
   前記第１の電界情報信号から前記干渉成分を除去する干渉除去部と、
   前記干渉成分が除去された前記第１の電界情報信号を復調する復調器と、
   を備える光受信器。
6. 入力データに基づいて電界情報信号を生成し、
   前記電界情報信号から駆動信号を生成し、
   前記駆動信号で連続光を変調して第１の光信号を生成し、
   前記第１の光信号および前記連続光を使用せずに生成される第２の光信号を合波する光伝送方法であって、
   前記連続光の周波数と前記第２の光信号の中心周波数との差分を検出する処理を含み、
   前記電界情報信号を生成する処理は、前記入力データに基づいて、前記第１の光信号の光スペクトラムと前記第２の光信号の光スペクトラムとが互いに重複しないように電界情報信号を生成する工程を含み、
   前記駆動信号を生成する処理は、検出される差分に基づいて、前記連続光の周波数と前記第２の光信号の中心周波数とが一致するように前記電界情報信号を補正する工程を含む
   ことを特徴とする光伝送方法。

Images