JP6981926B2 - 光受信機 - Google Patents

Description

本発明は、ストークスベクトル検波方式の光受信機に関する。

非特許文献１は、ストークスベクトル検波方式の光受信機を用いた短中距離向けの大容量光通信システムを開示している。この光通信システムにおいて、光送信機は、例えば、互いに直交する２つの偏波のうちの一方の偏波で変調光を送信し、他方の偏波で無変調の連続光を送信している。そして、光受信機は、受信する光信号のストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２及びＳ_３を求め、Ｓ_２及びＳ_３の値から光送信機が送信した情報を復調している。また、非特許文献１は、この光通信システムにおいて、偏波依存損失（ＰＤＬ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｌｏｓｓ）が生じると光受信機における復号結果に大きな影響を与えることも開示している。このＰＤＬを補償するため、非特許文献１は、所定のトレーニング信号を使用する構成を開示している。

Ｑｉａｎ Ｈｕ，ｅｔ ａｌ．，"Ａｄｖａｎｃｅｄ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒｍａｔｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｓｈｏｒｔ ｒｅａｃｈ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ"，ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．３，ｐｐ．３２４５−３２５９，２０１５年

非特許文献１は、ＰＤＬが時間と共に変化しないことを前提にしている。つまり、光送信機がトレーニング信号を送信し、これにより、光受信機が光伝送路のＰＤＬを測定した際の状態が継続することを前提にＰＤＬの補償を行っている。しかしながら、光伝送路の状態は、通常、時間と共に変動する。したがって、非特許文献１の構成では、時間の経過により光受信機はＰＤＬを精度良く補償できなくなる。

本発明は、時間の経過による光伝送路の状態の変動に追随して、受信する信号光の補償を行う光受信機を提供するものである。

本発明の一態様によると、光受信機は、光送信機から光伝送路を介して受信する信号光に対応するストークス空間における第１ベクトルを検出する検出手段と、前記信号光が前記光伝送路において与えられた偏波回転及びオフセットを補償するためのパラメータを保持し、前記パラメータと前記第１ベクトルに基づき第２ベクトルを求める演算手段と、前記第２ベクトルと第３ベクトルとの差に基づき前記パラメータを更新する更新手段と、前記第２ベクトルに基づき前記信号光に対応するデータを判定する判定手段と、を備え、前記光送信機が前記光伝送路を介して既知のデータを送信するモードにおいて、前記第３ベクトルは、前記光送信機が送信する、前記既知のデータに対応する信号光の前記ストークス空間におけるベクトルであり、前記光送信機が前記光伝送路を介して任意のデータを送信するモードにおいて、前記第３ベクトルは、前記判定手段が判定したデータに対応する信号光の前記ストークス空間におけるベクトルであることを特徴とする。

本発明によると、時間の経過による光伝送路の状態の変動に追随して受信する信号光の補償を行うことができる。

一実施形態による光送信機の構成図。 一実施形態による光受信機の構成図。 一実施形態による光受信機のストークスパラメータ検出部の構成図。 一実施形態による光受信機の補償部の構成図。

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。

＜第一実施形態＞
図１は、本実施形態による光送信機の構成図である。光源１１は連続光を生成する。光源１１が生成した連続光は、偏波分離器１２で、第１偏波の第１連続光と、第１偏波とは直交する第２偏波の第２連続光と、に分離される。なお、第１連続光と第２連続光の振幅が等しくなる様に、偏波分離器１２は、入力される連続光を分離するものとする。偏波分離器１２が出力する第１連続光は、偏波多重器１４に出力される。一方、偏波分離器１２が出力する第２連続光は、変調器１３に出力される。変調器１３は、送信するデータで第２連続光を変調し、変調光を偏波多重器１４に出力する。偏波多重器１４は、第１偏波の第１連続光と、第２偏波の変調光と、を偏波多重した信号光を光伝送路に出力する。

本実施形態による光受信機は、ストークスベクトル検波方式の光受信機であり、光伝送路を介して受信する信号光のストークスパラメータＳ_２及びＳ_３により、光送信機が送信したデータを判定する。なお、信号光をストークス空間におけるベクトルで表すと、光受信機が受信する信号光に対応するベクトルは、光送信機が送信した信号光に対応するベクトルを、ストークス空間において回転させ、かつ、オフセットを与えたものとなる。したがって、光受信機は、まず、光伝送路において信号光に与えられた偏波回転とオフセットを推定して、これらを補償し、光送信機が送信した信号光に対応するベクトルを判定する必要がある。なお、ストークス空間とは、ストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２及びＳ_３を、互いに直交する座標軸とする座標系で示される空間である。

図２は、本実施形態による光受信機の構成図である。ストークスパラメータ検出部２は、受信した信号光に対応する第１ベクトルを判定する。第１ベクトルの要素は、受信した信号光のストークスパラメータＳ_１ｏｕｔ、Ｓ_２ｏｕｔ及びＳ_３ｏｕｔである。補償部３は、光伝送路において信号光に与えられた偏波回転とオフセットを推定し、これらを補償する様に第１ベクトルを変換することで、光送信機が送信した信号光に対応する第２ベクトルを求める。なお、第２ベクトルの要素を、ストークスパラメータＳ_１ｅｓｔ、Ｓ_２ｅｓｔ及びＳ_３ｅｓｔとする。補償部３は、第２ベクトルの３つの要素のうち、信号光の復調に必要なストークスパラメータＳ_２ｅｓｔ及びＳ_３ｅｓｔを、判定部４に出力する。判定部４は、ストークスパラメータＳ_２ｅｓｔ及びＳ_３ｅｓｔに基づき光送信機が送信したデータｄを判定して出力する。なお、判定したデータｄは、補償部３にも出力される。

図３は、ストークスパラメータ検出部２の構成図である。偏波分離器２１は、受信した信号光をＸ偏波の信号Ｘ_ｏｕｔと、Ｘ偏波と直交するＹ偏波の信号Ｙ_ｏｕｔに分離する。信号Ｘ_ｏｕｔは、スプリッタ２２で２分岐され、一方の信号は、バランスドフォトディテクタ（ＢＤ）２７に入力され、他方の信号は、９０度光ハイブリッド２４に入力される。同様に、信号Ｙ_ｏｕｔは、スプリッタ２３で２分岐され、一方の信号は、バランスドフォトディテクタ（ＢＤ）２７に入力され、他方の信号は、９０度光ハイブリッド２４に入力される。ＢＤ２７は、入力される２つの信号Ｘ_ｏｕｔ及びＹ_ｏｕｔの２乗の絶対値の差に対応する信号を出力する。これは、ストークスパラメータＳ_１ｏｕｔに対応する。

９０度光ハイブリッド２４は、信号Ｘ_ｏｕｔ及びＹ_ｏｕｔそれぞれの４５度成分を混合してＢＤ２５に出力する。なお、４５度成分とは、Ｘ偏波及びＹ偏波それぞれとの角度が４５度となる偏波面の成分である。したがって、ＢＤ２５は、２×Ｒｅ｛Ｘ_ｏｕｔＹ_ｏｕｔ ^＊｝に対応する信号を出力する。ＢＤ２５が出力する信号は、ストークスパラメータＳ_２ｏｕｔに対応する。なお、Ｙ_ｏｕｔ ^＊はＹ_ｏｕｔの共役複素数であり、Ｒｅは実数部分を取り出すことを意味している。また、９０度光ハイブリッド２４は、信号Ｘ_ｏｕｔの４５度成分と、信号Ｙ_ｏｕｔの位相をπ／２だけ遅らせた信号の４５度成分を混合してＢＤ２６に出力する。したがって、ＢＤ２６は、２×Ｉｍ｛Ｘ_ｏｕｔＹ_ｏｕｔ ^＊｝に対応する信号を出力する。ＢＤ２６が出力する信号は、ストークスパラメータＳ_３ｏｕｔに対応する。なお、Ｉｍは虚数部分を取り出すことを意味している。ストークスパラメータ検出部２が出力するストークスパラメータＳ_１ｏｕｔ、Ｓ_２ｏｕｔ及びＳ_３ｏｕｔは、補償部３に入力される。

なお、受信した信号光のストークスパラメータＳ_１ｏｕｔ、Ｓ_２ｏｕｔ及びＳ_３ｏｕｔを出力するストークスパラメータ検出部２には様々な構成があり、本発明は図２の構成に限定されず、受信した信号光のストークスパラメータＳ_１ｏｕｔ、Ｓ_２ｏｕｔ及びＳ_３ｏｕｔを検出する任意の構成を本発明に適用することができる。

図４は、補償部３の構成図である。演算部３１は、パラメータ更新部３２からのパラメータに基づき第１ベクトルを第２ベクトルに変換する。なお、このパラメータは、信号光が光伝送路で受けた偏波回転及びオフセットを相殺するためのパラメータである。つまり、パラメータは、光伝送路が信号光に与える偏波変動の状態を示すパラメータである。以下、補償部３におけるベクトルの変換処理について説明する。

まず、ロドリゲスの回転公式により、偏波回転は、以下の行列Ｒで表される。

なお、ｎ_ｘ、ｎ_ｙ、ｎ_ｚは、それぞれ、ストークス空間の単位ベクトルｎの軸Ｓ_１、軸Ｓ_２、及び軸Ｓ_３方向の成分を表す。単位ベクトルｎの方向は、偏波回転の回転軸と平行であり、θは、単位ベクトルｎの方向を回転軸とする偏波回転の回転量である。

また、オフセットは、以下の行列Ｖで表される。

したがって、演算部３１が出力するストークスパラメータＳ_１ｅｓｔ、Ｓ_２ｅｓｔ、Ｓ_３ｅｓｔを要素とする第２ベクトルは、以下の式（１）により求められる。

演算部３１は、式（１）により、第２ベクトルを求める。なお、式（１）の計算で使用するｎ_ｘ、ｎ_ｙ、ｎ_ｚ、θ、Ｖ_ｘ、Ｖ_ｙ及びＶ_ｚの値は、パラメータ更新部３２から取得する。

パラメータ更新部３２は、トレーニングモードと、判定指向モードの２つのモードを有する。トレーニングモードとは、光送信機が、トレーニング信号、つまり、光受信機において既知のデータを送信しているときのモードである。一方、判定指向モードとは、光送信機が、実際の通信のためのデータを送信しているときのモードである。まず、トレーニングモードにおけるパラメータ更新部３２における処理について説明する。なお、パラメータ更新部３２には、トレーニング信号として送信されるデータの値が予め格納されている。

パラメータ更新部３２は、上記式（１）で得られる第２ベクトルと、トレーニング信号として光送信機が送信したデータに対応する信号光のベクトル（以下、第３ベクトルと呼ぶ。）との差を誤差関数とし、確率的勾配法を用いた適応アルゴリズムによりｎ_ｘ、ｎ_ｙ、ｎ_ｚ、θ、Ｖ_ｘ、Ｖ_ｙ及びＶ_ｚを更新し、更新後のｎ_ｘ、ｎ_ｙ、ｎ_ｚ、θ、Ｖ_ｘ、Ｖ_ｙ及びＶ_ｚを、演算部３１に通知する。具体的には、パラメータ更新部３２は、ｋ番目のｎ_ｘ、ｎ_ｙ、ｎ_ｚの値であるｎ_ｉ（ｋ）（ｉは、ｘ、ｙ、ｚ）に基づき以下の式（２）により、ｋ＋１番目のｎ_ｘ、ｎ_ｙ、ｎ_ｚの値であるｎ_ｉ（ｋ＋１）を演算部３１に出力する。

なお、式（２）においてμは所定の乗数である。また、行列Ｒ（ｋ）は、ｋ番目の４つのパラメータによる行列Ｒである。さらに、ベクトルＳ_ｏｕｔ（ｋ）は、ｋ番目に受信した信号光に対応する第１ベクトルである。さらに、ベクトルｅ（ｋ）は、ｋ番目の誤差ベクトルであり、ｋ番目の第２ベクトルとｋ番目の第３ベクトルとの差分である。具体的には、ｋ番目の第２ベクトルの要素を、Ｓ_１ｅｓｔ（ｋ）、Ｓ_２ｅｓｔ（ｋ）、Ｓ_３ｅｓｔ（ｋ）とし、ｋ番目の第３ベクトルの要素を、ｄ_１（ｋ）、ｄ_２（ｋ）、ｄ_３（ｋ）とすると、誤差ベクトルｅ（ｋ）の要素ｅ_ｘ（ｋ）、ｅ_ｙ（ｋ）及びｅ_ｚ（ｋ）は、以下の式（３）で求められる。

同様に、パラメータ更新部３２は、ｋ番目のθの値であるθ（ｋ）に基づき以下の式（４）により、ｋ＋１番目のθの値であるθ（ｋ＋１）を演算部３１に出力する。

同様に、パラメータ更新部３２は、ｋ番目のＶ_ｉの値であるＶ_ｉ（ｋ）（ｉは、ｘ、ｙ、ｚ）に基づき以下の式（５）により、ｋ＋１番目のＶ_ｉの値であるＶ_ｉ（ｋ＋１）を演算部３１に出力する。

続いて、判定指向モードについて説明する。判定指向モードにおいては、トレーニングモードとは異なり、光送信機は任意のデータを光受信機に送信する。したがって、パラメータ更新部３２は、判定部４が判定したデータｄに対応するベクトルを第３ベクトルとしてパラメータを更新する。その他の処理は、トレーニングモードと同様である。

トレーニングモードにより、光受信機は、そのときの光伝送路の偏波変動の状態に適合するパラメータの値を判定することができる。さらに、判定指向モードにおいても、光受信機は、判定したデータに基づき、パラメータの値を光伝送路の偏波変動の変化に追随させる。この構成により、時間の経過による光伝送路の状態の変動に追随して受信する信号光の補償を行うことができる。

２：ストークスパラメータ検出部、３：補償部、４：判定部

Claims (3)

1. 光送信機から光伝送路を介して受信する信号光に対応するストークス空間における第１ベクトルを検出する検出手段と、
   前記信号光が前記光伝送路において与えられた偏波回転及びオフセットを補償するためのパラメータを保持し、前記パラメータと前記第１ベクトルに基づき第２ベクトルを求める演算手段と、
   前記第２ベクトルと第３ベクトルとの差に基づき前記パラメータを更新する更新手段と、
   前記第２ベクトルに基づき前記信号光に対応するデータを判定する判定手段と、
   を備え、
   前記光送信機が前記光伝送路を介して既知のデータを送信するモードにおいて、前記第３ベクトルは、前記光送信機が送信する、前記既知のデータに対応する信号光の前記ストークス空間におけるベクトルであり、
   前記光送信機が前記光伝送路を介して任意のデータを送信するモードにおいて、前記第３ベクトルは、前記判定手段が判定したデータに対応する信号光の前記ストークス空間におけるベクトルであることを特徴とする光受信機。
2. 前記パラメータは、前記ストークス空間における偏波回転を示す第１パラメータと、オフセット量を示す第２パラメータと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の光受信機。
3. 前記第１パラメータは、前記偏波回転の回転軸の方向を示すパラメータと、前記回転軸における回転量を示すパラメータと、を含むことを特徴とする請求項２に記載の光受信機。

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