JP7279827B1 - 光変調装置、光変調プログラム、及び光変調方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気／光変換過程の非線形性の影響が少ない光変調装置を提供する。【解決手段】 本発明は、ｎ系統のビット列を発生させる第１手段と、ビット列のビット情報を用いて排他的論理和の演算を行う第２手段と、光信号を分岐する第３手段と、分岐された光信号を変調する第４手段と、変調された各光信号及び分岐された光信号を結合する第５手段を有し、第２手段は、第１ビット及び第２ビットの排他的論理和を演算する第１演算部と、第２～第ｎ－１演算部を備え、第２～第ｎ－１演算部は、自身より１段前の演算部の演算結果及び第３～第ｎビットのいずれかとの排他的論理和を演算し、第４手段は、第１ビットに従って分岐された光信号を変調する第１の変調部と、第２～第ｎの変調部を備え、第２～第ｎの変調部については、第１～第ｎ－１の演算部のそれぞれの演算結果に従って分岐された各光信号を変調する。【選択図】 図１

Description

本発明は、光変調装置、光変調プログラム、及び光変調方法に関する。

近年、スマートフォン等のモバイルアプリケーションの発達、ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）技術の出現により通信需要が急速に増大しており、加入者系光ネットワークの光伝送装置に大容量化が要求されている。そこで、従来基幹系光ネットワークに適用されていたコヒーレント光伝送装置を、加入者系光ネットワークに応用する研究が進められている。

コヒーレント光伝送は、信号光の振幅と位相の両方を情報の送受に利用するため、既存の加入者系光ネットワークで用いられてきた強度変調直接検波方式の光伝送に比べて単位時間当りに運ぶ情報量が多く、大容量通信に適した方式である。以下、一般的なコヒーレント光伝送系の構成および動作について説明を行う。

図２は、従来のコヒーレント光伝送系の一般的な構成を示す全体構成図である。図２において、光伝送システム１０は、送信側伝送装置１００、伝送路１０４、及び受信側伝送装置２００を有する。

送信側伝送装置１００は、受信側伝送装置２００に送信する情報に従って光変調し、その変調光を伝送路１０４に送出する。図２に示すように、送信側伝送装置１００は、送信手段１０１、第１の光源１０２、光変調手段１０３を有する。さらに、送信手段１０１は、ビット列発生手段１１０と、シンボル変換手段１１１とを有する。

送信手段１０１は、通報情報を含む電気信号を光変調手段１０３に与えるものである。ここで、電気信号とは、電流、電圧等の電気的な量の時間変化のことであり、その時間変化の仕方が情報を表す。加入者系光通信ネットワークでは、送信側伝送装置１００と受信側伝送装置２００との間で授受される通報情報は、２値（ビット）系列で表される。

ビット列発生手段１１０は、通報情報としてのビット系列を発生して、ビット系列をシンボル変換手段１１１に与える。

シンボル変換手段１１１は、ビット列発生手段１１０から出力されるビット系列を電気信号に変換して出力する。

第１の光源１０２は、連続光を発生して、光変調手段１０３に与える。

光変調手段１０３は、送信手段１０１から出力される電気信号に従って、第１の光源１０２から出力される連続光を変調する。このとき、光変調手段１０３から出力される出力光の振幅および位相の両方若しくはいずれか一方に、通報情報が含まれるよう、電気信号は光信号に変換される。その変調光は伝送路１０４に送出される。変調方式として、例えば、位相偏移変調（ＰＳＫ；ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）は信号の位相を、直交振幅偏移変調（ＱＡＭ； ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）は信号の振幅および位相を情報の送受に用いる。

受信側伝送装置２００は、送信側伝送装置１００から送出された信号光を、伝送路１０４を介して受光し、受光した信号光を逆変換（光復調）して情報を取得する。

図２に示すように、受信側伝送装置２００は、光コヒーレント検波手段１０６、第２の光源１０５、受信手段１０７を有する。さらに、受信手段１０７は、シンボル逆変換手段１１２と、ビット受信手段１１３とを有する。

第２の光源１０５は、連続光を発生して、光コヒーレント検波手段１０６に与える。

光コヒーレント検波手段１０６は、伝送路１０４から出力される信号光と、第２の光源１０５から出力される連続光とのビート成分を電気信号として出力する。このとき、入力された信号光の振幅および位相に関する情報が電気信号に変換される。

受信手段１０７は、光コヒーレント検波手段１０６から出力された電気信号から通報情報を復元する。

シンボル逆変換手段１１２は、光コヒーレント検波手段１０６からの電気信号をビット列に変換してビット受信手段１１３に与える。

ビット受信手段１１３は、通報情報の届け先であり、シンボル逆変換手段１１２からのビット系列（通報情報）を受信する。

次に、上述のシンボル変換手段１１１での動作について補足説明を行う。入力ビット系列は複数ビットを１単位として処理される。この単位に含まれるビット数は多値数と呼ばれる。例えば、１６ＱＡＭフォーマットでは、多値数は４である。

続いて、シンボル変換手段１１１は、入力ビット系列を複数種類の値のいずれかに対応させる。例えば１６ＱＡＭフォーマットでは、４ビットを１単位（多値数を４）として、入力ビット系列を１６（＝２の４乗）種類の値のいずれか一つに対応させる。その１６種類の中のいずれかの値を保持するものがシンボルであり、シンボルを時系列であらわしたものがシンボル系列である。シンボル変換手段１１１をＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、等のデジタル装置で実現する場合、シンボル系列は複数のビット系列を一組としたもので表現される。この組の系列数は桁数と呼ばれる。

後段の光変調手段１０３への入力は、アナログ信号であるので、デジタル－アナログ変換器（ｄｉｇｉｔａｌ－ｔｏ－ａｎａｌｏｇ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＤＡＣ）を用いて前記シンボル系列をアナログ信号に変換する。例えば非特許文献１では、オフライン処理ではあるが１６ＱＡＭフォーマットでシンボル系列を発生させ、６桁のＤＡＣを用いてそのシンボル系列をアナログ信号に変換して光変調を実現している。

既存の加入者系光ネットワークで用いられてきた強度変調直接検波方式の光伝送では光信号強度が２種類（発光又は消光）のいずれかをとるのに対し、コヒーレント光伝送系では２種類以上の振幅のいずれかをとり、転送効率を向上させようとするほどより多種類の振幅のいずれかをとる。それらの振幅の違いは受信側で区別されなければならない。設計の簡素化等を考慮すると、通常、電気領域で十分区別ができる振幅差のシンボル系列を発生し、その間隔を保って光信号に変換する。即ち、コヒーレント光伝送系では光変調手段１０３での電気／光変換の過程で線形性が求められる。

この点、非特許文献２では、以下のようにして光変調手段の非線形性の影響を緩和している。

非特許文献２の図８では、従来の６４ＱＡＭ光変調手段の一例（６４ＱＡＭ変調器）が示されている。まず、光源から出力された連続光は、３つに等分岐されそれぞれマッハツェンダー型のＩＱ（ｉｎ－ｐｈａｓｅ ａｎｄ ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）変調器を用いてＱＰＳＫ（ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ ＰＳＫ）変調される。ＱＰＳＫが多値数２のフォーマットなので、２つのビット系列を入力することでその変調器から変調光が得られる。そのため、多値数が６である６４ＱＡＭ変調の入力ビット系列を処理するには、単位の６ビットを２ビットずつそれら３つのＱＰＳＫ変調器の入力に割り当てることができる。得られた３系統のＱＰＳＫ変調光は振幅比が１対２対４、つまりパワー比が１対４対１６になるようにパワー調整を行う。パワー比の比率が２の累乗なので等分岐光方向性結合器を用いて容易にパワー調整できる。それら３系統のＱＰＳＫ変調光をコヒーレントに結合することにより、６４ＱＡＭ変調光が得られる。

ＱＰＳＫ変調光は２相のＢＰＳＫ（ｂｉｎａｒｙ ＰＳＫ）変調光を結合したものなので、電気／光変換の過程はＢＰＳＫ変調と同等である。

非特許文献３の図２・３には、ＢＰＳＫ光変調の原理が示さている。入力印加電圧と出力光振幅との関係は正弦波状である。例えば、入力ビット値が１の場合印加電圧を正弦波の山に、入力ビット値が０の場合印加電圧を正弦波の谷になるように動作点を設定することで、連続光をＢＰＳＫフォーマットに変調することができる。ここで、ＢＰＳＫフォーマットの光信号はπラジアン位相が異なる２種類の光パルスの時系列である。それら位相を便宜上０ラジアンおよびπラジアンとする。又は振幅の大きさと位相をひとまとめにしてそれぞれプラス（＋）の振幅、マイナス（－）の振幅と表現する場合もある。動作点付近での入出力特性はビット１，０いずれに対しても、印加電圧が少々異なってもほぼ同じ振幅の変調光が得られる。

２つのＢＰＳＫ変調器出力光をπ／２ラジアンの位相差をつけてコヒーレント結合することでＱＰＳＫ信号が得られる。

図３は、６４ＱＡＭ光変調手段における６４ＱＡＭ光変調の片相当りの入出力関係を示す説明図である。図３では、最左３列の入力ビット（ＱＰＳＫ１入力ビット～ＱＰＳＫ３入力ビット）に中央３列の入力電気信号振幅（ＱＰＳＫ１入力振幅～ＱＰＳＫ３入力振幅）を対応させるとする。ＱＰＳＫ１、ＱＰＳＫ２、ＱＰＳＫ３は、非特許文献２の図８に対応し、数値はそれらの振幅を表す。出力光の振幅は、最右一列（６４ＱＡＭ光出力振幅）の数値で示されている。

電気信号振幅および光信号振幅は任意スケールであり、”プラス”、”マイナス”の表記である。得られる光振幅は片相で－７，－５，－３，－１，＋１，＋３，＋５，＋７の８値である。両相の位相差をπ／２ラジアンとすると、非特許文献２の図８の光変調手段全体の出力に描かれているように、シンボル時間毎に一つの点が描け、十分長い時間では複素平面状で６４（＝８ｘ８）値の点が描ける。なお、前述例の一点を信号点と呼び、十分長い時間での信号点の集合として表した図は、コンスタレーションと呼ばれている。

６４ＱＡＭは多値数６のフォーマットであり、出力光信号のコンスタレーションは６４個の信号点が正方形格子状に並んだ形をしている。このコンスタレーション図の中で、同相成分軸の非負部分の半直線（同相成分振幅が正で直交成分振幅が０である部分）と、一つの信号点と複素平面の原点とを結んだ線分とのなす角は、その信号点に対応する光信号の位相に一致する。そのため前記なす角を位相とも呼ぶ。

以上のように電気／光変換を直接処理する部分をＱＰＳＫ変調器とすることで、従来の強度変調直接検波方式と同等の線形性を光変調器に要求すればよい。また、シンボル変換手段入力のビット系列を直接ＮＲＺ（ｎｏｎ－ｒｅｔｕｒｎ－ｔｏ－ｚｅｒｏ）化した電気アナログ信号を光変調器への電気入力としているのでＤＡＣが不要となる。

F. Pittala, et al., " 400-Gbit/s DP-16-QAM Transmission Over 40-km Unamplified SSMF With Low-Cost PON Lasers," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 31, no. 15, pp. 1229-1232, 2019. 美野真司，他，「ＰＬＣ－ＬＮ ハイブリッド集積技術を用いた高速多値光変調器」，ＮＴＴ技術ジャーナル，２０１１年３月． 電子情報通信学会「知識ベース」，９群，６編，３章．

ところで、非特許文献２に記載の光変調手段で、入力ビットと出力光コンスタレーションとの対応が図４（Ａ）に示すように得られる。図４において、横軸は出力光同相成分の振幅を、縦軸は出力光直交成分の振幅を示す。格子状のマスは信号点を表す。横軸に関して、最左マスは振幅－７、その一つ右のマスは振幅－５、以下同様に最右マスは振幅＋７を表す。縦軸に関して、最下マスは振幅－７、その一つ上のマスは振幅－５、以下同様に最上マスは振幅＋７を表す。ビットの並びは（ＱＰＳＫ１同相成分、ＱＰＳＫ２同相成分、ＱＰＳＫ３同相成分、ＱＰＳＫ１直交成分、ＱＰＳＫ２直交成分、ＱＰＳＫ３直交成分）である。

ここで、変調された光信号点が受信側で正しく復元できるかというのが、伝送性能を評価する上で一つの重要な要素である。正しく認識できない場合、誤って認識される可能性の高い信号点は本来認識されるべき信号点に隣接する信号点である。図４（Ａ）の対応では隣接信号点間で６ビットのうち２ビットが異なる場合がある。例えば、（同相成分振幅、直交成分振幅）の組が（＋３，＋１）と（＋５，＋１）の隣接信号点である。このように一つの信号点の受信誤りが２ビットの受信ビット誤りとなる。

また、非特許文献２に記載の光変調手段で、ＱＰＳＫ１の光変調器を使用せずＱＰＳＫ２およびＱＰＳＫ３の光変調器を使用した場合、１６ＱＡＭフォーマットの出力光信号が得られる。１６ＱＡＭの場合の入力ビットと出力光コンスタレーションとの対応は図４（Ｂ）に示されている。例えば、（同相成分振幅、直交成分振幅）の組が（＋１，＋１）と（－１，＋１）の隣接信号点間で４ビットのうち２ビットが異なる場合がある。

伝送品質を向上させるには、信号点の認識が隣接信号点に誤る場合１ビットの受信ビット誤りとなるようにビットと信号点を対応付けることが望ましい。

また、光伝送性能を評価する上で重要なパラメータのもう一つとして位相オフセットが存在する。位相オフセットとは受信側での信号光と局部発振光の位相の差のことである。加入者系光ネットワークでは光源として主に半導体レーザーが使用される。半導体レーザーから発生する光の位相は、ランダムな揺らぎをもつ確率過程である。信号光は送信装置で、局部発振光は送信装置と独立に動作する受信装置で発生するため、それらの位相の差、つまり位相オフセットもまた確率過程となる。ＰＳＫやＱＡＭと呼ばれる変調方式を用いた光伝送では、信号の位相を情報の送受に用いるため、この位相オフセットが伝送品質に影響を及ぼす。

非特許文献１で実施の１６ＱＡＭ、非特許文献２で実施の６４ＱＡＭフォーマットでは、位相が異なる信号点間の隣接の位相差が信号点毎に異なっている。設定できる位相の範囲は０乃至２πラジアンに限定されており、その範囲で割り当てられた信号点間の位相差には大小が生じる。その中で隣接の位相差が小さい信号点ほど前記位相オフセットの影響を受けやすく、その隣接位相差が最小の信号点の伝送品質によって伝送全体の品質が左右される。

そのため、ＤＡＣが不要、かつ電気／光変換過程の非線形性の影響が少ない光変調装置、光変調プログラム、及び光変調方法が望まれている。

第１の本発明は、振幅に関する多値数ｎ（ｎは３以上の整数）に従い光変調を行う光変調装置であって、（１）ｎ系統の情報ビット列を発生させる情報ビット列発生手段と、（２）前記情報ビット列のビット情報を用いて排他的論理和の演算を行う排他的論理和手段と、（３）光源から入力された光信号を分岐する分岐手段と、（４）前記分岐手段で分岐された光信号を各々振幅変調する振幅変調手段と、（５）前記振幅変調手段で変調された各光信号及び前記分岐手段で分岐された光信号の１つをコヒーレント結合する結合手段とを有し、（６）前記排他的論理和手段は、前記情報ビット列の第１ビット及び第２ビットの排他的論理和を演算する第１の排他的論理和部と、第２～第ｎ－１の排他的論理和部を備え、前記第２～第ｎ－１の排他的論理和部については、自身より１段前の排他的論理和部の演算結果及び前記情報ビット列の第３～第ｎビットのいずれかとの排他的論理和を演算し、（７）前記振幅変調手段は、前記情報ビット列の第１ビットに従って分岐された光信号の１つを振幅変調する第１の振幅変調部と、第２～第ｎの振幅変調部を備え、前記第２～第ｎの振幅変調部については、前記第１～第ｎ－１の排他的論理和部のそれぞれの演算結果に従って分岐された各光信号を振幅変調することを特徴とする。

第２の本発明の光変調プログラムは、振幅に関する多値数ｎ（ｎは３以上の整数）に従い光変調を行う光変調装置に搭載されるコンピュータを、（１）ｎ系統の情報ビット列を発生させる情報ビット列発生手段と、（２）前記情報ビット列のビット情報を用いて排他的論理和の演算を行う排他的論理和手段と、（３）光源から入力された光信号を分岐する分岐手段と、（４）前記分岐手段で分岐された光信号を各々振幅変調する振幅変調手段と、（５）前記振幅変調手段で変調された各光信号及び前記分岐手段で分岐された光信号の１つをコヒーレント結合する結合手段として機能させ、（６）前記排他的論理和手段は、前記情報ビット列の第１ビット及び第２ビットの排他的論理和を演算する第１の排他的論理和部と、第２～第ｎ－１の排他的論理和部を備え、前記第２～第ｎ－１の排他的論理和部については、自身より１段前の排他的論理和部の演算結果及び前記情報ビット列の第３～第ｎビットのいずれかとの排他的論理和を演算し、（７）前記振幅変調手段は、前記情報ビット列の第１ビットに従って分岐された光信号の１つを振幅変調する第１の振幅変調部と、第２～第ｎの振幅変調部を備え、前記第２～第ｎの振幅変調部については、前記第１～第ｎ－１の排他的論理和部のそれぞれの演算結果に従って分岐された各光信号を振幅変調することを特徴とする。

第３の本発明は、振幅に関する多値数ｎ（ｎは３以上の整数）に従い光変調を行う光変調装置に使用する光変調方法であって、（１）情報ビット列発生手段は、ｎ系統の情報ビット列を発生させ、（２）排他的論理和手段は、前記情報ビット列のビット情報を用いて排他的論理和の演算を行い、（３）分岐手段は、光源から入力された光信号を分岐し、（４）振幅変調手段は、前記分岐手段で分岐された光信号を各々振幅変調し、（５）結合手段は、前記振幅変調手段で変調された各光信号及び前記分岐手段で分岐された光信号の１つをコヒーレント結合し、（６）前記排他的論理和手段は、前記情報ビット列の第１ビット及び第２ビットの排他的論理和を演算する第１の排他的論理和部と、第２～第ｎ－１の排他的論理和部を備え、前記第２～第ｎ－１の排他的論理和部については、自身より１段前の排他的論理和部の演算結果及び前記情報ビット列の第３～第ｎビットのいずれかとの排他的論理和を演算し、（７）前記振幅変調手段は、前記情報ビット列の第１ビットに従って分岐された光信号の１つを振幅変調する第１の振幅変調部と、第２～第ｎの振幅変調部を備え、前記第２～第ｎの振幅変調部については、前記第１～第ｎ－１の排他的論理和部のそれぞれの演算結果に従って分岐された各光信号を振幅変調することを特徴とする。

本発明によれば、ＤＡＣが不要、かつ電気／光変換過程の非線形性の影響が少ない光変調装置、光変調プログラム、及び光変調方法を提供できる。

第１の実施形態に係る光変調装置の構成を示すブロック図である。 従来のコヒーレント光伝送系の一般的な構成を示す全体構成図である。 従来の光変調手段における６４ＱＡＭ光変調の片相当りの入出力関係を示す説明図である。 従来の光変調手段における入力ビットと出力光の対応付けを示す説明図である。 第１の実施形態に係る光変調装置の動作を示すタイムチャート（その１）である。 第１の実施形態に係る光変調装置の動作を示すタイムチャート（その２）である。 第１の実施形態に係る光変調装置の処理結果（図５及び図６で示される時間波形）をコンスタレーション表記した説明図である。 第２の実施形態に係る多振幅化の一例を示す説明図（その１）である。 第２の実施形態に係る多振幅化の一例を示す説明図（その２）である。 第２の実施形態に係る光変調装置の構成を示すブロック図（その１）である。 第２の実施形態に係る光変調装置の構成を示すブロック図（その２）である。

（Ａ）第１の実施形態
以下では、本発明に係る光変調装置、光変調プログラム、及び光変調方法の第１の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。第１の実施形態では、光伝送装置に本発明の光変調装置を適用する場合を例示する。

（Ａ－１）第１の実施形態の構成
図１は、第１の実施形態に係る光変調装置の構成を示すブロック図である。

図１において、光変調装置１は、連続光源１１、分岐手段１２、第１の振幅変調手段１３、第２の振幅変調手段１４、結合手段１５、第１の位相変調手段１６、第２の位相変調手段１７、情報ビット列発生手段１８、第１の排他的論理和手段１９、及び第２の排他的論理和手段２０を有する。

光変調装置１は、図１に例示する構成要素を搭載した専用のＩＣチップ等をハードウェアとして適用してもよいし、又は、ＣＰＵと、ＣＰＵが実行するプログラムを中心としてソフトウェア的に構成しても良いが、機能的には、図１で表すことができる。

連続光源１１は、連続光を発生して、分岐手段１２に出力する手段である。

分岐手段１２は、連続光源１１から入力（入射）された連続光を、３つに分岐する手段である。分岐手段１２は、連続光を３つに分岐した１つの光を第１の振幅変調手段１３に出力し、分岐したもう１つの光を第２の振幅変調手段１４に出力し、分岐した残りの光を結合手段１５に出力する。

第１の振幅変調手段１３は、分岐手段１２からの光（分岐手段１２の出力ポートの１つの光）を入力し、後述の情報ビット列発生手段１８の第１のビット１８Ｂ－１の値に従って、振幅変調して出力する手段である。第１の振幅変調手段１３は、振幅変調した光を結合手段１５に出力する。

第２の振幅変調手段１４は、分岐手段１２からの光（分岐手段１２の上記とは別の出力ポートの１つの光）を入力し、後述の第１の排他的論理和手段１９の出力ビットの値に従って振幅変調して出力する手段である。第２の振幅変調手段１４は、振幅変調した光を結合手段１５に出力する。

結合手段１５は、第１の振幅変調手段１３の出力光と、第２の振幅変調手段１４の出力光と、分岐手段１２の上記２つとは別の出力ポートの出力光とを結合して出力する手段である。結合手段１５は、結合した光を第１の位相変調手段１６に出力する。

第１の位相変調手段１６は、結合手段１５の出力光を入力し、後述の情報ビット列発生手段１８の第３のビット１８Ｂ－３の値に従って位相変調して出力する手段である。第１の位相変調手段１６は、位相変調した光を第２の位相変調手段１７に出力する。

第２の位相変調手段１７は、第１の位相変調手段１６の出力光を入力し、後述の第２の排他的論理和手段２０の出力ビットの値に従って位相変調して出力する手段である。第２の位相変調手段１７は、位相変調した光を、出力信号２５として外部に出力する。

情報ビット列発生手段１８は、送受信する時系列の２値情報を発生する手段である。情報ビット列発生手段１８では、４系統の２値情報が並列に発生し、４系統のそれぞれを第１のビット１８Ｂ－１、第２のビット１８Ｂ－２、第３のビット１８Ｂ－３、及び第４のビット１８Ｂ－４とする。なお、送受信する２値情報時系列が直列等、４系統の並列になっていない場合、予め並列数の変換をした出力が本手段であるとする。

第１の排他的論理和手段１９は、情報ビット列発生手段１８から出力される２値情報時系列の第１のビット１８Ｂ－１及び第２のビット１８Ｂ－２の排他的論理和を演算し、その演算結果の２値情報時系列を上述の第２の振幅変調手段１４に出力する手段である。

第２の排他的論理和手段２０は、情報ビット列発生手段１８から出力される２値情報時系列の第３のビット１８Ｂ－３及び第４のビット１８Ｂ－４の排他的論理和を演算し、その演算結果の２値情報時系列を上述の第２の位相変調手段１７に出力する手段である。

上述の情報ビット列発生手段１８、第１の排他的論理和手段１９、及び第２の排他的論理和手段２０は、２値情報系列を処理・演算する手段であるので、例えば、ＡＳＩＣやＦＰＧＡ等のデジタル信号処理装置で実現することができる。

（Ａ－２）第１の実施形態の動作
次に、以上のような構成を有する第１の実施形態に係る光変調装置１の動作を説明する。

図５及び図６は、第１の実施形態に係る光変調装置１の動作を示すタイムチャートである。

図５（Ａ）（図６（Ａ））では、情報ビット列発生手段１８から発生するビット系列が示されている。ビット系列は、左から順に発生するとし、また、発生する４ビットは図に示すように同期しているとする。図５（Ｂ）～図５（Ｅ）は、結合手段１５の入出力光信号波形を示している。

第１の振幅変調手段１３では、上述のＢＰＳＫ変調方式で情報ビット列の第１のビット１８Ｂ－１に従って変調されるので、ビット１を振幅＋２、ビット０を振幅－２に対応させると、その出力波形は図５（Ｂ）のようになる。この波形をもつ光信号が結合手段１５に入力される。

一方、第２の振幅変調手段１４では、上述のＢＰＳＫ変調方式で情報ビット列の第１のビット１８Ｂ－１及び第２のビット１８Ｂ－２の排他的論理和に従って変調されるので、第１の排他的論理和手段１９の出力ビットのビット１を振幅＋１、ビット０を振幅－１に対応させると、その出力波形は図５（Ｃ）のようになる。この波形をもつ光信号が結合手段１５に入力される。

また、結合手段１５の一つの入力は、分岐手段１２の出力が直接接続されているので、図５（Ｄ）の波形で示す連続光が結合手段１５に入力される。この連続光の振幅を＋４とする。

以上説明した３系統の光を結合手段１５に入力しコヒーレントに結合することにより図５（Ｅ）に示す波形の光信号が得られる。

図６（Ｆ）では、第１の位相変調手段１６の出力光信号の波形が示されている。図６（Ｆ）において、線は、波形振幅の変化を表し、数字は位相を表しその時間での結合手段１５の出力光信号からの位相差を示す。波形振幅は、図５（Ｅ）と同一である。

位相変調手段の入出力特性は、上述の非特許文献の図２・３に示す通りであり、所望の位相シフトを与えるよう電圧を印加することで、入力光の位相を変調することができる。第１の位相変調手段１６では、情報ビット列の第３のビット１８Ｂ－３に従って変調されるので、ビット１を位相＋π／２ラジアン、ビット０を位相－π／２ラジアンに対応させることにより、図６（Ｆ）に示す位相変化をもつ光信号が得られる。

図６（Ｇ）では、第２の位相変調手段１７の出力光信号の波形が示されている。線は波形振幅の変化を表し、数字は位相を表しその時間での結合手段１５の出力光信号からの位相差を示す。波形振幅は、図５（Ｅ）と同一である。

第２の位相変調手段１７では、情報ビット列の第３のビット１８Ｂ－３及び第４のビット１８Ｂ－４の排他的論理和に従って変調されるので、第２の排他的論理和手段２０の出力ビットのビット１を位相＋π／４ラジアン、ビット０を位相－π／４ラジアンに対応させると、図６（Ｇ）に示す位相変化をもつ光信号が得られる。

図７は、第１の実施形態に係る光変調装置の処理結果（図５及び図６で示される時間波形）をコンスタレーション表記した説明図である。

図７（Ａ）は結合手段１５の出力光信号のコンスタレーション表記、図７（Ｂ）は第１の位相変調手段１６の出力光信号のコンスタレーション表記、図８（ｃ）は第２の位相変調手段１７の出力光信号（即ち、目的とする出力信号２５）のコンスタレーション表記を示している。

各図において、信号点のそばに記載した「０」，「１」の数字は対応する情報ビットであり、ビットの並びは左から順に第１のビット１８Ｂ－１、第２のビット１８Ｂ－２、第３のビット１８Ｂ－３、及び第４のビット１８Ｂ－４である。対応する情報ビットは、隣接する信号点間で１ビットの違いしかない。

（Ａ－３）第１の実施形態の効果
第１の本実施形態によれば、以下の効果を奏する。

光変調装置１は、送信するビット系列を直接アナログ化した２値の電気信号で光変調手段を駆動することで電気／光変換が実現できる。よってビット系列をシンボル系列に変換するシンボルマッパやＤＡＣといった手段が不要になり、簡素な構成で装置化することが可能となる。

また、個々の光振幅変調手段は、２値の電気信号で駆動され、その出力光シンボルは２種類であり、互いに位相がπラジアン異なるが、共に振幅が同じである。よって、電気／光変換過程の非線形性の影響が緩和され、良好な波形の光を送信することで受信信号の品質が向上する。

さらに、隣接信号点間で、割り当てられている４ビットのパターンが１ビットしか異ならない。よって、１つのシンボル誤りが複数のビット誤りに変換されないビット／シンボル変換であり、良好な誤り特性をもつ伝送が達成できる。

そして、同じ多値数４の変調方式である１６ＱＡＭでは隣接信号点間の位相差が最小で（ｔａｎ^－１３－π／４）≒０．４６４ラジアンである。一方、光変調装置１では、信号点間位相差の最小値はπ／２≒１．５７ラジアンである。よって本実施形態の方が光源の位相雑音に対する耐性が高い。そのため、光源として使用される半導体レーザーは、従来に比べれば高い精度が求められない。言い換えれば、光源については、従来よりもコストダウンを図る余地が有る。

（Ｂ）第２の実施形態
以下では、本発明に係る光変調装置、光変調プログラム、及び光変調方法の第２の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。第２の実施形態では、光伝送装置に本発明の光変調装置を適用する場合を例示する。

（Ｂ－１）第２の実施形態の構成
上述した第１実施形態の変調方式は、多値数４（振幅に関して２、位相に関して２）であった。ここで、多値数ｎ（ｎは２以上の整数）の変調が実現ができるか考察する。

図８、図９は、第２の実施形態に係る多振幅化の一例を示す説明図である。図８（Ａ）では、多値数２の場合の光振幅の割り当てを示している（第１の実施形態の振幅に関する割り当てと同様）。図８（Ａ）中の振幅は、最上位桁をｂ１、最下位桁をＣ１とした２進数を１０進数表記したものである。この振幅に０．５を加え、続いて２倍したものが、上述の結合手段１５の出力振幅（任意スケール）となる。また、図８（Ｂ）では、多値数３の場合の光振幅を割り当てを示している。図８（Ｂ）中の振幅は、最上位桁をｂ１、次の上位桁をＣ１、最下位桁をＣ２とした２進数を１０進数表記したものである。この振幅に０．５を加え、続いて２倍したものが上述の結合手段１５の出力振幅（任意スケール）となる。図９では、多値数４の場合の光振幅を割り当てを示している。図９中の振幅は、最上位桁をｂ１、次の上位桁をｃ１、次の上位桁をｃ２、最下位桁をｃ３とした２進数を１０進数表記したものである。この振幅に０．５を加え、続いて２倍したものが上述の結合手段１５の出力振幅（任意スケール）となる。

これ以降（多値数５以上の場合）も、図８、図９で示した演算と同様の方法により、振幅が決定できる。多振幅化と多位相化とは同じ原理で動作するので、位相についても、上記同様の演算により位相が決定できる。次に、上記手法による光変調装置の構成を示す。

図１０、図１１は、第２の実施形態に係る光変調装置の構成を示すブロック図である。第２の実施形態では、振幅方向に関する多値数を示す「ｎ」と、位相方向に関する多値数を示す「ｍ」の合計数「ｍ+ｎ」が光変調装置の多値数となる。

図１０、図１１において、光変調装置３は、連続光源３１、分岐手段３２、振幅変調手段３３（３３－１～３３－ｎ）、結合手段３４、情報ビット列発生手段３５、排他的論理和手段３６（３６－１～３６－ｎ＋ｍ－２）、及び位相変調手段３７（３７－１～３３－ｍ）を有する。

光変調装置３は、図１０、図１１に例示する構成要素を搭載した専用のＩＣチップ等をハードウェアとして適用してもよいし、又は、ＣＰＵと、ＣＰＵが実行するプログラムを中心としてソフトウェア的に構成しても良いが、機能的には、図１で表すことができる。

連続光源３１は、上述の連続光源１１と同様である。

分岐手段３２は、連続光を、分岐する数以外は、上述の分岐手段１２と基本的に同様である。分岐手段３２は、ｎ＋１個に連続光を分岐して出力する。

振幅変調手段３３（３３－１～３３－ｎ）は、基本的には、第１の実施形態の第１の振幅変調手段１３及び第２の振幅変調手段１４と同様の機能を備える。即ち、振幅変調手段３３－１は、第１の振幅変調手段１３と同様の処理を行い、振幅変調手段３３－２は、第２の振幅変調手段１４と同様の処理を行う（これ以降も同様である）。最終的に、振幅変調手段３３－ｎは、分岐手段３２からの光を入力し、後述の排他的論理和手段３６－ｎ－１の出力ビットの値に従って振幅変調して結合手段３４に出力する。

結合手段３４は、各振幅変調手段３３の出力光と、分岐手段３２からの出力光とを結合して出力する手段である。結合手段３４は、結合した光を位相変調手段３７－１（第１の位相変調手段３７－１）に出力する。

位相変調手段３７（３７－１～３７－ｍ）は、基本的には、第１の実施形態の第１の位相変調手段１６及び第２の位相変調手段１７と同様の機能を備える。即ち、位相変調手段３７－１は、第１の位相変調手段１６と同様の処理を行い、位相変調手段３７－２は、第２の位相変調手段１７と同様の処理を行う（これ以降も同様である）。最終的に、位相変調手段３７－ｍは、位相変調手段３７－ｍ－１の出力光を入力し、後述の排他的論理和手段３６－ｎ+ｍ－２の出力ビットの値に従って位相変調して出力する（位相変調した光を、出力信号４０として外部に出力する）。

情報ビット列発生手段３５は、第１の実施形態の情報ビット列発生手段１８と同様に、送受信する時系列の２値情報を発生する手段である。情報ビット列発生手段３５では、ｎ＋ｍ系統の２値情報が並列に発生する。即ち、情報ビット列発生手段３５は、第１のビット３５Ｂ－１～第ｎ＋ｍのビット３５Ｂ－ｎ＋ｍを発生させる。

排他的論理和手段３６（３６－１～３６－ｎ＋ｍ－２）は、基本的には、第１の排他的論理和手段１９及び第２の排他的論理和手段２０と同様の機能を備える。即ち、排他的論理和手段３６－１は、第１の排他的論理和手段１９と同様の処理を行い、排他的論理和手段３６－ｎは、第２の排他的論理和手段２０と同様の処理を行う。

上述の情報ビット列発生手段３５、排他的論理和手段３６（３６－１～３６－ｎ＋ｍ－２）は、２値情報系列を処理・演算する手段であるので、例えば、ＡＳＩＣやＦＰＧＡ等のデジタル信号処理装置で実現することができる。

（Ｂ－２）第２の実施形態の動作
次に、以上のような構成を有する第２の実施形態に係る光変調装置３の動作を説明する。第２の実施形態の光変調装置３は、第１の実形形態の光変調装置１の発展形（一般化した構成）であるので、以下、異なる点のみを補足して説明を行う。

まず、第１の実施形態の光変調装置１は、言い換えれば、ｎが２、ｍが２の多値数４の光変調装置３の構成であるので、ｎが２、ｍが２までの光変調装置３の動作は、第１の実施形態と同様である。

ｎが３以上の処理（振幅方向の処理）について、第３の振幅変調手段３３－３では、上述のＢＰＳＫ変調方式で排他的論理和手段３６－２の出力ビット及び第３のビット３５Ｂ－３の排他的論理和に従って変調される（第４以降も同様）。最終的に、第ｎの振幅変調手段３３－ｎでは、排他的論理和手段３６－ｎ－２の出力ビット及び第ｎのビット３５Ｂ－ｎの排他的論理和に従って変調される。

一方、ｍが３以上の処理（位相方向の処理）について、第３の位相変調手段３７－３では、排他的論理和手段３６－ｎの出力ビット及び第ｎ＋３のビット３５Ｂ－ｎ＋３の排他的論理和に従って、第２の位相変調手段３７－２の出力光が変調される（第４以降も同様）。最終的に、第ｍの位相変調手段３７－ｍでは、排他的論理和手段３６－ｎ＋ｍ－３の出力ビット及び第ｎ＋ｍのビット３５Ｂ－ｎ＋ｍの排他的論理和に従って、変調される。

（Ｂ－３）第２の実施形態の効果
第２の実施形態によれば、振幅方向に関する多値数が３以上で、位相方向に関する多値数が３以上の場合の光変調でも、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

（Ｃ）他の実施形態
上述した各実施形態においても種々の変形実施形態を言及したが、本発明は、以下の変形実施形態にも適用できる。

（Ｃ－１）上述した第１の実施形態の光信号の変調方式は１６相振幅位相偏移変調（１６ＡＰＳＫ）であり、多値数４のビット／シンボル変換である。その光変調過程で、多値数２の４相パルス振幅変調（４ＰＡＭ）（図７（Ａ））や多値数３の８ＡＰＳＫ（図７（Ｃ））の光信号が生成される。それらの変調方式に対してもビットと信号点の対応関係は、隣接信号点間で１ビットしかビットパターンが異ならないようになっている。したがって、上述した第１の実施形態で、結合手段１５の出力を装置全体の出力光信号とすることで４ＰＡＭの光信号を、第１の位相変調手段１６の出力を装置全体の出力光信号とすることで８ＡＰＳＫの光信号を発生できる。そして、これらの変形例は、上述した実施形態と同等の効果を有する。また、結合手段１５の出力光、第１の位相変調手段１６の出力光、および第２の位相変調手段１７の出力光をスイッチ手段で選択するような構成をとることにより、変調方式を可変できる光変調装置を実現することができる。

（Ｃ－２）上述した第２の実施形態では、光変調装置３で、多値数ｎ（振幅方向）と多値数ｍ（位相方向）の光変調を行う一例を示していたが、変形例として、振幅又は位相のいずれかのみ変調を行っても良い。振幅のみの変調を行う場合、結合手段３４の出力光を装置全体の出力光信号とすれば良い。また、位相のみの変調を行う場合、振幅の変調を行わず、光源からの光信号に対して位相のみ変調処理を行った信号を装置全体の出力光信号とすれば良い。

１、３…光変調装置、１１…連続光源、１２…分岐手段、１３…第１の振幅変調手段、１４…第２の振幅変調手段、１５…結合手段、１６…第１の位相変調手段、１７…第２の位相変調手段、１８…情報ビット列発生手段、１８Ｂ－１～１８Ｂ－１４…第１のビット～第４のビット、１９…第１の排他的論理和手段、２０…第２の排他的論理和手段、２５…出力信号、３１…連続光源、３２…分岐手段、３３（３３－１～３３－ｎ）…振幅変調手段、３４…結合手段、３５…情報ビット列発生手段、３５Ｂ－１～３５Ｂ－ｎ＋ｍ…第１のビット～第ｎ＋ｍのビット、３６（３６－１～３６－ｎ＋ｍ－２）…排他的論理和手段、３７（３７－１～３７－ｍ）…位相変調手段、４０…出力信号。

Claims (3)

1. 振幅に関する多値数ｎ（ｎは３以上の整数）に従い光変調を行う光変調装置であって、
   ｎ系統の情報ビット列を発生させる情報ビット列発生手段と、
   前記情報ビット列のビット情報を用いて排他的論理和の演算を行う排他的論理和手段と、
   光源から入力された光信号を分岐する分岐手段と、
   前記分岐手段で分岐された光信号を各々振幅変調する振幅変調手段と、
   前記振幅変調手段で変調された各光信号及び前記分岐手段で分岐された光信号の１つをコヒーレント結合する結合手段とを有し、
   前記排他的論理和手段は、前記情報ビット列の第１ビット及び第２ビットの排他的論理和を演算する第１の排他的論理和部と、第２～第ｎ－１の排他的論理和部を備え、前記第２～第ｎ－１の排他的論理和部については、自身より１段前の排他的論理和部の演算結果及び前記情報ビット列の第３～第ｎビットのいずれかとの排他的論理和を演算し、
   前記振幅変調手段は、前記情報ビット列の第１ビットに従って分岐された光信号の１つを振幅変調する第１の振幅変調部と、第２～第ｎの振幅変調部を備え、前記第２～第ｎの振幅変調部については、前記第１～第ｎ－１の排他的論理和部のそれぞれの演算結果に従って分岐された各光信号を振幅変調する
   ことを特徴とする光変調装置。
2. 振幅に関する多値数ｎ（ｎは３以上の整数）に従い光変調を行う光変調装置に搭載されるコンピュータを、
   ｎ系統の情報ビット列を発生させる情報ビット列発生手段と、
   前記情報ビット列のビット情報を用いて排他的論理和の演算を行う排他的論理和手段と、
   光源から入力された光信号を分岐する分岐手段と、
   前記分岐手段で分岐された光信号を各々振幅変調する振幅変調手段と、
   前記振幅変調手段で変調された各光信号及び前記分岐手段で分岐された光信号の１つをコヒーレント結合する結合手段として機能させ、
   前記排他的論理和手段は、前記情報ビット列の第１ビット及び第２ビットの排他的論理和を演算する第１の排他的論理和部と、第２～第ｎ－１の排他的論理和部を備え、前記第２～第ｎ－１の排他的論理和部については、自身より１段前の排他的論理和部の演算結果及び前記情報ビット列の第３～第ｎビットのいずれかとの排他的論理和を演算し、
   前記振幅変調手段は、前記情報ビット列の第１ビットに従って分岐された光信号の１つを振幅変調する第１の振幅変調部と、第２～第ｎの振幅変調部を備え、前記第２～第ｎの振幅変調部については、前記第１～第ｎ－１の排他的論理和部のそれぞれの演算結果に従って分岐された各光信号を振幅変調する
   ことを特徴とする光変調プログラム。
3. 振幅に関する多値数ｎ（ｎは３以上の整数）に従い光変調を行う光変調装置に使用する光変調方法であって、
   情報ビット列発生手段は、ｎ系統の情報ビット列を発生させ、
   排他的論理和手段は、前記情報ビット列のビット情報を用いて排他的論理和の演算を行い、
   分岐手段は、光源から入力された光信号を分岐し、
   振幅変調手段は、前記分岐手段で分岐された光信号を各々振幅変調し、
   結合手段は、前記振幅変調手段で変調された各光信号及び前記分岐手段で分岐された光信号の１つをコヒーレント結合し、
   前記排他的論理和手段は、前記情報ビット列の第１ビット及び第２ビットの排他的論理和を演算する第１の排他的論理和部と、第２～第ｎ－１の排他的論理和部を備え、前記第２～第ｎ－１の排他的論理和部については、自身より１段前の排他的論理和部の演算結果及び前記情報ビット列の第３～第ｎビットのいずれかとの排他的論理和を演算し、
   前記振幅変調手段は、前記情報ビット列の第１ビットに従って分岐された光信号の１つを振幅変調する第１の振幅変調部と、第２～第ｎの振幅変調部を備え、前記第２～第ｎの振幅変調部については、前記第１～第ｎ－１の排他的論理和部のそれぞれの演算結果に従って分岐された各光信号を振幅変調する
   ことを特徴とする光変調方法。

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