JP6846024B2

JP6846024B2 - モード多重光信号の測定装置、光受信装置及びプログラム

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Publication number: JP6846024B2
Application number: JP2017181458A
Authority: JP
Inventors: 大樹相馬; 多賀　秀徳; 秀徳多賀; 釣谷　剛宏; 剛宏釣谷
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2037-09-21
Also published as: JP2019057839A

Description

本発明は、モード多重光通信システムの伝送特性の監視・測定技術に関する。

伝送容量の拡大のため、モード多重技術を使用するモード多重光通信システムが提案されている。モード多重光通信システムの光送信装置は、例えば、複数の基本モードの光信号のうちの１つ以外をモード変換器で異なる高次モードの光信号に変換し、１つの基本モード及び複数の高次モードの光信号をモード多重してマルチモード光ファイバ（以下、単に光ファイバと呼ぶ。）に出力する。また、モード多重光通信システムの光受信装置は、光ファイバから受信するモード多重光信号のモード分離を行い、モード変換により総ての光信号を基本モードにした後、光電変換を行って復調・復号を行う。

モード多重光通信システムでは、所謂、モード間クロストーク（以下、ＭＸＴと表示）つまり、あるモードで送信されるべき光信号から、他のモードの光信号が生成されることが生じ得る。また、モード多重光通信システムにおけるモード多重光信号の損失はモード毎に異なる。これは、モード依存損失（以下、ＭＤＬと表示）と呼ばれる。さらに、モード多重光通信システムにおけるモード多重光信号の伝搬遅延もモード毎に異なる。これは、モード間遅延差（以下、ＤＭＤと表示）と呼ばれる。

ＭＸＴ、ＭＤＬ及びＤＭＤは、モード多重光信号の品質や、光受信装置における信号処理の処理負荷に影響を与えるため、モード多重光通信システムにおいては、ＭＸＴ、ＭＤＬ及びＤＭＤといった伝送特性の監視・測定を行うことが重要になる。ここで、特許文献１はＭＸＴの測定方法を開示し、非特許文献１は、ＭＤＬの測定方法を開示し、特許文献２は、ＤＭＤの測定方法を開示している。

特開２０１６−１６７７６２号公報特開２０１７−０３６９６７号公報

Ｇ．Ｌａｂｒｏｉｌｌｅ，ｅｔａｌ．，"Ｍｏｄｅｓｅｌｅｃｔｉｖｅ１０−ｍｏｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｔｉ−ｐｌａｎｅｌｉｇｈｔｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ"，ＯＦＣ，Ｔｈ３Ｅ．５，２０１６年

しかしながら、上記先行技術文献の構成は、いずれも、アウトオブサービスで測定を行うものであり、サービス提供中、つまり、インサービスで測定を行うことはできない。つまり、ＭＸＴ、ＭＤＬ及びＤＭＤといったモード多重光通信システムの伝送特性をリアルタイムで監視・測定することができない。

本発明は、モード多重光通信システムの伝送特性をインサービスで測定できる測定装置、光受信装置及びプログラムを提供するものである。

本発明の一態様によると、モード多重光通信システムの伝送特性を測定する測定装置は、前記モード多重光通信システムの光受信装置から、前記光受信装置が各モードで受信した信号から各モードで送信された信号を生成する処理で使用する複数の行列を受信する受信手段と、前記複数の行列の各要素に基づき前記モード多重光通信システムの伝送特性を測定する測定手段と、を備え、前記複数の行列の数は、前記処理のタップ数に等しく、前記複数の行列の各行列は異なる時刻に対応し、前記処理において前記光受信装置が対応する時刻に受信した信号を変換するために使用され、前記測定手段は、前記複数の行列の各行列の同じ行の複数の要素のうちの対角要素を除く要素の合計値に基づき、第１モードから前記第１モード以外のモードへのモード間クロストークを測定することを特徴とする。

本発明によると、モード多重光通信システムの伝送特性をインサービスで測定することができる。

一実施形態によるモード多重光通信システムの構成図。一実施形態による測定装置の構成図。

以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態は例示であり、本発明を実施形態の内容に限定するものではない。また、以下の各図においては、実施形態の説明に必要ではない構成要素については図から省略する。

図１は、モード多重光通信システムの構成図である。光送信装置の変換部５０は、多重数と同じ数だけ設けられており、基本モードの光信号をそれぞれ所定の伝搬モード（以下、単にモードと呼ぶ。）に変換する。なお、基本モードのまま伝送する光信号が入力される変換部５０は、実質的にはモード変換を行わない。多重部５１は、各モードの光信号をモード多重して、マルチモード光ファイバを含む光伝送路６０に送信する。光受信装置の分離部５２は、光伝送路６０から受信するモード多重光信号のモード分離を行い、各モードの光信号を対応する変換部５３に出力する。変換部５３は、入力される光信号のモードを基本モードに変換する。なお、基本モードのまま伝送された光信号が入力される変換部５３は、実質的にはモード変換を行わない。光受信部５４は、対応する変換部５３からの光信号の光電変換を行い、処理部５５に出力する。

上述したＭＸＴにより、ある光受信部５４が受信する光信号には、対応する変換部５０に入力された光信号とは異なる光信号の成分が含まれている。したがって、光受信部５４が出力する電気信号は、対応する変換部５０に入力された光信号に対応する成分のみならず、他の変換部５０に入力された光信号に対応する成分も含まれる。このため、処理部５５は、所謂、ＭＩＭＯ（多入力多出力）処理を行い、各変換部５０に入力された光信号により搬送されている情報を取り出す。具体的には、処理部５５は、モード多重光通信システムのチャネル行列を求め、さらに、この逆行列を求める。この逆行列を使用することで、処理部５５は、光送信装置に入力された個々の光信号により搬送されている情報を取り出す。なお、この逆行列は、例えば、光送信装置が各光信号に含めて繰り返し送信する、それぞれが光受信装置において既知のデータ列に基づき処理部５５が推定・判定する。

例えば、処理部５５が３タップのＭＩＭＯ処理を行う場合について説明する。なお、以下では、説明の簡略化のため、２つの光信号がモード多重されているものとする。時刻ｔにおいて、光送信装置が送信した１番目の光信号に対応する電気信号をＴ_１（ｔ）とし、２番目の光信号に対応する電気信号をＴ_２（ｔ）とし、時刻ｔ、（ｔ−１）及び（ｔ−２）において、１番目の光信号に対応する光受信部５４が出力する電気信号をそれぞれＲ_１（ｔ）、Ｒ_１（ｔ−１）、Ｒ_１（ｔ−２）とし、２番目の光信号に対応する光受信部５４が出力する電気信号をそれぞれＲ_２（ｔ）、Ｒ_２（ｔ−１）、Ｒ_２（ｔ−２）とすると、Ｔ_１（ｔ）及びＴ_２（ｔ）は以下の式（１）により求められる。

ここで、Ｈ_１、Ｈ_２及びＨ_３は、それぞれ、以下の様に表される。

要素ａ_１〜ａ_３、要素ｂ_１〜ｂ_３、要素ｃ_１〜ｃ_３、要素ｄ_１〜ｄ_３は、タップ係数とも呼ばれ、それぞれ、上述した様に、光信号に含められる既知のデータ列に基づき処理部５５がその値を判定する。なお、以下の説明では、当該技術分野で使用される表現と同様に、逆行列Ｈ_１、Ｈ_２及びＨ_３を纏めて、以下の逆行列Ｈで表現する。

ここで、要素ａ〜ｄは、それぞれ、ａ＝｛ａ_１，ａ_２，ａ_３｝、要素ｂ＝｛ｂ_１，ｂ_２，ｂ_３｝、ｃ＝｛ｃ_１，ｃ_２，ｃ_３｝、ｄ＝｛ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３｝で示されるベクトルである。また、式（１）を、当該技術分野で使用される表現と同様に、逆行列Ｈを使用して以下の式（２）の様に表現するものとする。

ここで、要素Ｒ_１及びＲ_２は、それぞれ、Ｒ_１＝｛Ｒ_１（ｔ）、Ｒ_１（ｔ−１）、Ｒ_１（ｔ−２）｝、Ｒ_２＝｛Ｒ_２（ｔ）、Ｒ_２（ｔ−１）、Ｒ_２（ｔ−２）｝で示されるベクトルである。

図１に戻り、処理部５５は、復調・復号に使用するこの逆行列Ｈを測定装置（監視装置）６に出力する。測定装置６は、この逆行列ＨからＭＸＴ、ＭＤＬ及びＤＭＤを監視・測定する。図２は、測定装置６の構成図である、受信部６１は、光受信装置が出力する逆行列Ｈを受信して保存する。ＭＸＴ測定部６２、ＭＤＬ測定部６３及びＤＭＤ測定部６４は、それぞれ、受信部６１が保存している逆行列Ｈに基づきＭＸＴ、ＭＤＬ及びＤＭＤを測定し、測定結果を保存部６５に保存する。なお、光受信装置は、例えば、受信する光信号に含まれる既知データ列に基づき逆行列Ｈを更新する度に更新後の逆行列Ｈを測定装置６に出力し、ＭＸＴ測定部６２、ＭＤＬ測定部６３及びＤＭＤ測定部６４は、それぞれ、受信部６１が保存している逆行列Ｈが更新されると、ＭＸＴ、ＭＤＬ及びＤＭＤを測定し、測定結果を保存部６５に保存する。

以下では、ＭＸＴ測定部６２、ＭＤＬ測定部６３及びＤＭＤ測定部６４での処理についてそれぞれ説明する。なお、以下の説明では、ＬＰ_０１モード、ＬＰ_１１ａモード、ＬＰ_１１ｂモードの３つの光信号がモード多重されている場合について説明する。この場合、行列Ｈは、以下の様に３×３行列となる。

なお、タップ数が３であるものとすると、要素ａ＝｛ａ_１，ａ_２，ａ_３｝である。要素ｂ〜ｉについても同様である。また、光送信装置が送信したＬＰ_０１モードの光信号に対応する電気信号をＴ_０１とし、ＬＰ_１１ａモードの光信号に対応する電気信号をＴ_１１ａとし、ＬＰ_１１ｂモードの光信号に対応する電気信号をＴ_１１ｂとし、ＬＰ_０１モードの光信号に対応する光受信部５４が出力する電気信号をＲ_０１とし、ＬＰ_１１ａモードの光信号に対応する光受信部５４が出力する電気信号をＲ_１１ａとし、ＬＰ_１１ｂモードの光信号に対応する光受信部５４が出力する電気信号をＲ_１１ｂとすると、式（２）と同様に、Ｔ_０１、Ｔ_１１ａ及びＴ_１１ｂは、式（４）に基づき求めることができる。

＜ＭＸＴ測定＞
式（４）から、要素ｂ及びｃは、それぞれ、ＬＰ_０１モードの光信号からＬＰ_１１ａモード及びＬＰ_１１ｂモードの光信号に変換された成分を示している。したがって、要素ｂとｃの合計、つまり、要素ｂ_１〜ｂ_３と要素ｃ_１〜ｃ_３の合計値は、ＬＰ_０１モードから他の伝搬モードに変換された成分の強さを示すことになり、ＭＸＴが測定される。同様に、式（４）から要素ｄ及びｇは、それぞれ、ＬＰ_１１ａモード及びＬＰ_１１ｂモードの光信号からＬＰ_０１モードの光信号に変換された成分を示している。したがって、要素ｄと要素ｇの合計、つまり、要素ｄ_１〜ｄ_３と要素ｇ_１〜ｇ_３の合計値は、他のモードからＬＰ_０１モードに変換された成分の強さを示すことになり、ＭＸＴが測定される。他のモードについても同様である。

この様に、ＭＸＴ測定部６２は、逆行列Ｈの１つの行の対角要素以外の要素に基づき、ＭＸＴを測定することができる。また、ＭＸＴ測定部６２は、逆行列Ｈの１つの列の対角要素以外の要素に基づき、ＭＸＴを測定することができる。

＜ＭＤＬ測定＞
式（４）から、要素ａ、ｂ及びｃは、それぞれ、光送信装置がＬＰ_０１モードとして送信する様に処理した光信号のうち、ＬＰ_０１モードとして光受信装置において受信された光信号の成分、ＬＰ_１１ａモードとして光受信装置において受信された光信号の成分、及び、ＬＰ_１１ｂモードとして光受信装置において受信された光信号の成分を示している。したがって、要素ａ、ｂ及びｃの合計、つまり、要素ａ_１〜ａ_３と、要素ｂ_１〜ｂ_３と、要素ｃ_１〜ｃ_３の合計値は、光送信装置がＬＰ_０１モードとして送信する様に処理した光信号の光受信装置における受信電力の合計に対応する値となる。同様に、要素ｄ、ｅ及びｆの合計値は、光送信装置がＬＰ_１１ａモードとして送信する様に処理した光信号の光受信装置における受信電力の合計に対応する値となり、要素ｇ、ｈ及びｉの合計値は、光送信装置がＬＰ_１１ｂモードとして送信する様に処理した光信号の光受信装置における受信電力の合計に対応する値となる。一般的に、光送信装置においては各光信号の送信電力が等しいため、各行成分の合計値の差により、ＭＤＬを測定することができる。

この様に、ＭＤＬ測定部６３は、逆行列Ｈの各行の要素を合計し、各行の合計値を比較することでＭＤＬを測定することができる。

＜ＤＭＤ測定＞
上述した様に、式（３）の逆行列Ｈの各要素は、タップ数に応じたベクトルであり、例えば、タップ数を３とすると、要素ａ＝｛ａ_１，ａ_２，ａ_３｝である。なお、より一般的にタップ数をｎ（ｎは２以上の整数）とすると、ａ＝｛ａ_１，ａ_２，ａ_３，・・・、ａ_ｎ｝であり、ｅ＝｛ｅ_１，ｅ_２，ｅ_３，・・・，ｅ_ｎ｝である。ここで、要素ａは、ＬＰ_０１モードとして送信され、ＬＰ_０１モードとして受信された光信号のインパルス応答に対応する。つまり、モード多重光通信システムにＬＰ_０１モードの光信号を入力したときの、ＬＰ_０１モードとして出力される光信号のインパルス応答を示している。同様に、要素ｅは、ＬＰ_１１ａモードとして送信され、ＬＰ_１１ａモードとして受信された光信号のインパルス応答に対応する。したがって、要素ａ_１〜ａ_ｎのうちの最も大きい値（ピーク）がａ_ｋ（ｋは１〜ｎの整数）であり、要素ｅ_１〜ｅ_ｎのうちのの最も大きい値（ピーク）がｅ_ｍ（ｍは１〜ｎの整数）とすると、ｋとｍとの差がＬＰ_０１モードとＬＰ_１１ａモードとのＤＭＤに対応するものとなる。他の伝搬モード間のＤＭＤについても同様である。

この様に、ＤＭＤ測定部６４は、逆行列Ｈの２つの対角要素の比較によりモード間遅延差を測定することができる。

なお、保存部６５に保存された各測定値は、ユーザ操作により任意の記録媒体へコピーされたり、図示しない通信インタフェースを介して出力されたり、図示しないディスプレイに表示されたりする。本実施形態による測定装置６が測定するＭＸＴ、ＭＤＬ及びＤＭＤは、アウトオブサービスで測定した場合より精度的には低くなるが、インサービスで、ＭＸＴ、ＭＤＬ及びＤＭＤの傾向を測定することができる。さらに、測定に使用する逆行列Ｈは、通常、光受信装置がその復調・復号処理で使用するものであり、光受信装置に逆行列Ｈを出力させる様にする、簡易な変更のみでインサービスでの測定が可能になる。

また、本実施形態の測定装置６を図１に示す光受信装置に組み込むことができる。つまり、光受信装置が、モード多重光通信システムの伝送特性の監視を行う構成とすることができる。

なお、本発明による測定装置６は、プロセッサ及び記憶部を含むコンピュータを上記測定装置６として動作させるプログラムにより実現することができる。これらコンピュータプログラムは、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記憶されて、又は、ネットワーク経由で配布が可能なものである。プログラムは、記憶部に記憶され、プロセッサが当該プログラムを実行することで、図２の各部の機能が実現される。

６１：受信部、６２：ＭＸＴ測定部、６３：ＭＤＬ測定部、６４：ＤＭＤ測定部

Claims

モード多重光通信システムの伝送特性を測定する測定装置であって、
前記モード多重光通信システムの光受信装置から、前記光受信装置が各モードで受信した信号から各モードで送信された信号を生成する処理で使用する複数の行列を受信する受信手段と、
前記複数の行列の各要素に基づき前記モード多重光通信システムの伝送特性を測定する測定手段と、
を備え、
前記複数の行列の数は、前記処理のタップ数に等しく、
前記複数の行列の各行列は異なる時刻に対応し、前記処理において前記光受信装置が対応する時刻に受信した信号を変換するために使用され、
前記測定手段は、前記複数の行列の各行列の同じ行の複数の要素のうちの対角要素を除く要素の合計値に基づき、第１モードから前記第１モード以外のモードへのモード間クロストークを測定することを特徴とする測定装置。
モード多重光通信システムの伝送特性を測定する測定装置であって、
前記モード多重光通信システムの光受信装置から、前記光受信装置が各モードで受信した信号から各モードで送信された信号を生成する処理で使用する複数の行列を受信する受信手段と、
前記複数の行列の各要素に基づき前記モード多重光通信システムの伝送特性を測定する測定手段と、
を備え、
前記複数の行列の数は、前記処理のタップ数に等しく、
前記複数の行列の各行列は異なる時刻に対応し、前記処理において前記光受信装置が対応する時刻に受信した信号を変換するために使用され、
前記測定手段は、前記複数の行列の各行列の同じ列の複数の要素のうちの対角要素を除く要素の合計値に基づき、第１モード以外のモードから前記第１モードへのモード間クロストークを測定することを特徴とする測定装置。
モード多重光通信システムの伝送特性を測定する測定装置であって、
前記モード多重光通信システムの光受信装置から、前記光受信装置が各モードで受信した信号から各モードで送信された信号を生成する処理で使用する複数の行列を受信する受信手段と、
前記複数の行列の各要素に基づき前記モード多重光通信システムの伝送特性を測定する測定手段と、
を備え、
前記複数の行列の数は、前記処理のタップ数に等しく、
前記複数の行列の各行列は異なる時刻に対応し、前記処理において前記光受信装置が対応する時刻に受信した信号を変換するために使用され、
前記測定手段は、前記光受信装置に対向する光送信装置が各モードの光信号を同じ送信電力で送信しているときの前記複数の行列の各行列の同じ行の複数の要素の合計値を求め、各行の合計値の比較によりモード依存損失を測定することを特徴とする測定装置。
モード多重光通信システムの伝送特性を測定する測定装置であって、
前記モード多重光通信システムの光受信装置から、前記光受信装置が各モードで受信した信号から各モードで送信された信号を生成する処理で使用する複数の行列を受信する受信手段と、
前記複数の行列の各要素に基づき前記モード多重光通信システムの伝送特性を測定する測定手段と、
を備え、
前記複数の行列の数は、前記処理のタップ数に等しく、
前記複数の行列の各行列は異なる時刻に対応し、前記処理において前記光受信装置が対応する時刻に受信した信号を変換するために使用され、
前記測定手段は、前記複数の行列の内、第１行の対角要素が最大である第１行列と、前記複数の行列の内、第２行の対角要素が最大である第２行列と、を判定し、前記第１行列に対応する時刻と、前記第２行列に対応する時刻と、の差に基づき、モード間遅延差を測定することを特徴とする測定装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の測定装置としてコンピュータを機能させることを特徴とするプログラム。
モード多重光通信システムの光受信装置であって、
受信するモード多重光信号に含まれる既知データ列に基づき、前記光受信装置が各モードで受信した信号から各モードで送信された信号を生成する処理で使用する複数の行列を求める行列判定手段と、
前記複数の行列の各要素に基づき前記モード多重光通信システムの伝送特性を測定する測定手段と、
を備え、
前記複数の行列の数は、前記処理のタップ数に等しく、
前記複数の行列の各行列は異なる時刻に対応し、前記処理において前記光受信装置が対応する時刻に受信した信号を変換するために使用され、
前記測定手段は、前記複数の行列の各行列の同じ行の複数の要素のうちの対角要素を除く要素の合計値に基づき、第１モードから前記第１モード以外のモードへのモード間クロストークを測定することを特徴とする光受信装置。
モード多重光通信システムの光受信装置であって、
受信するモード多重光信号に含まれる既知データ列に基づき、前記光受信装置が各モードで受信した信号から各モードで送信された信号を生成する処理で使用する複数の行列を求める行列判定手段と、
前記複数の行列の各要素に基づき前記モード多重光通信システムの伝送特性を測定する測定手段と、
を備え、
前記複数の行列の数は、前記処理のタップ数に等しく、
前記複数の行列の各行列は異なる時刻に対応し、前記処理において前記光受信装置が対応する時刻に受信した信号を変換するために使用され、
前記測定手段は、前記複数の行列の各行列の同じ列の複数の要素のうちの対角要素を除く要素の合計値に基づき、第１モード以外のモードから前記第１モードへのモード間クロストークを測定することを特徴とする光受信装置。
モード多重光通信システムの光受信装置であって、
受信するモード多重光信号に含まれる既知データ列に基づき、前記光受信装置が各モードで受信した信号から各モードで送信された信号を生成する処理で使用する複数の行列を求める行列判定手段と、
前記複数の行列の各要素に基づき前記モード多重光通信システムの伝送特性を測定する測定手段と、
を備え、
前記複数の行列の数は、前記処理のタップ数に等しく、
前記複数の行列の各行列は異なる時刻に対応し、前記処理において前記光受信装置が対応する時刻に受信した信号を変換するために使用され、
前記測定手段は、前記光受信装置に対向する光送信装置が各モードの光信号を同じ送信電力で送信しているときの前記複数の行列の各行列の同じ行の複数の要素の合計値を求め、各行の合計値の比較によりモード依存損失を測定することを特徴とする光受信装置。
モード多重光通信システムの光受信装置であって、
受信するモード多重光信号に含まれる既知データ列に基づき、前記光受信装置が各モードで受信した信号から各モードで送信された信号を生成する処理で使用する複数の行列を求める行列判定手段と、
前記複数の行列の各要素に基づき前記モード多重光通信システムの伝送特性を測定する測定手段と、
を備え、
前記複数の行列の数は、前記処理のタップ数に等しく、
前記複数の行列の各行列は異なる時刻に対応し、前記処理において前記光受信装置が対応する時刻に受信した信号を変換するために使用され、
前記測定手段は、前記複数の行列の内、第１行の対角要素が最大である第１行列と、前記複数の行列の内、第２行の対角要素が最大である第２行列と、を判定し、前記第１行列に対応する時刻と、前記第２行列に対応する時刻と、の差に基づき、モード間遅延差を測定することを特徴とする光受信装置。