JP7720517B2 - 光伝送システム、ネットワークコントローラ、および光伝送方法 - Google Patents

光伝送システム、ネットワークコントローラ、および光伝送方法

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Description

特許法第３０条第２項適用 １． ウェブサイトの掲載日：２０２１年６月６日 ウェブサイトのＵＲＬ：ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｏｆｃｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．ｏｒｇ／ｅｎ－ｕｓ／ｈｏｍｅ／ｓｃｈｅｄｕｌｅ／？ｄａｙ＝Ｍｏｎｄａｙ＃Ｍ３Ｉ ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｏｓａｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ．ｏｒｇ／ａｂｓｔｒａｃｔ．ｃｆｍ？ｕｒｉ＝ＯＦＣ－２０２１－Ｍ３Ｉ．５
本発明は、光伝送システム、ネットワークコントローラ、および光伝送方法に関する。
従来、光伝送システムでは、伝送路（光ファイバ）での光信号の損失を補償するために、ＥＤＦＡ（Erbiullldoped Fiber Amplifier）や前方／後方ラマン増幅器等の光増幅器（以下「光アンプ」ともいう。）を備える中継ノードが伝送路の途中に挿入される（例えば非特許文献１参照）。このような光アンプには、ゲイン(増幅量)やチルト(ゲインの周波数特性、ゲインスペクトル)などの特性が存在し、その特性の測定にはＯＳＡ（Optical Spectrum Analyzer）等の専用機を使用することが多い（例えば非特許文献２参照）。また、上記に関連し、非特許文献３には、受信機側に配置されたコヒーレント受信機によって取得された信号波形を使用して、マルチスパンリンク全体にわたる距離ごとの光パワーを視覚化することが記載されている。光アンプは、一旦伝送システム内に組み込まれて運用が開始されると、中継ノードにおいてＯＳＡの役割を果たすＯＣＭ（Optical Channel Monitor）等によって監視される。
国際公開第２０２１／１２４４１５号
T. Sasai, et al., "Simultaneous Detection of Anomaly Points and Fiber types in Multi-span Transmission Links Only by Receiver-side Digital Signal Processing", OFC2020, Paper Th1F.1. T. Sasai, et al., "Physics-oriented learning of nonlinear Schrodinger equation: optical fiber loss and dispersion profile identification", arXiv:2104.05890. T. Tanimura, et al., "Fiber-Longitudinal Anomaly Position Identification Over Multi-Span Transmission Link Out of Receiver-end Signals", J. Lightw. Technol., 38(9), 2020.
しかしながら、従来の監視方法では、信号を伝送路から分岐して測定する必要があるので、その分の信号パワーが損失となり、信号品質の劣化につながる可能性があった。
上記事情に鑑み、本発明は、光伝送システムにおいて信号品質の劣化を抑制しつつ中継ノードを監視することができる技術の提供を目的としている。
本発明の一態様は、１以上の光送信機と、１以上の光受信機とが光伝送路を介して通信する光伝送システムであって、前記光伝送路は、光信号を増幅する光増幅器を備える複数の中継ノードを備え、前記１以上の光送信機が複数のチャネル周波数で光信号を送信し、前記１以上の光受信機が前記複数のチャネル周波数ごとに前記光伝送路上における光信号の強度の変動を推定し、前記１以上の光受信機から前記変動の推定結果を示す推定情報を取得するとともに、取得した複数の前記推定情報に基づいて前記光伝送路における光増幅器のゲインスペクトルを取得するネットワークコントローラを備える光伝送システムである。
本発明の一態様は、１以上の光送信機と、１以上の光受信機とが光伝送路を介して通信する光伝送システムのネットワークコントローラであって、前記光伝送路は、光信号を増幅する光増幅器を備える複数の中継ノードを備え、前記１以上の光送信機が複数のチャネル周波数で光信号を送信し、前記１以上の光受信機が前記複数のチャネル周波数ごとに前記光伝送路上における光信号の強度の変動を推定し、前記ネットワークコントローラは、前記１以上の光受信機から前記変動の推定結果を示す推定情報を取得するとともに、取得した複数の前記推定情報に基づいて前記光伝送路における光増幅器のゲインスペクトルを取得するネットワークコントローラである。
本発明の一態様は、１以上の光送信機と、１以上の光受信機とが光伝送路を介して通信する光伝送システムにおいて、前記光伝送路が、複数の中継ノードにおける光増幅器により光信号を増幅して中継し、前記１以上の光送信機が複数のチャネル周波数で光信号を送信し、前記１以上の光受信機が前記複数のチャネル周波数ごとに前記光伝送路上における光信号の強度の変動を推定し、ネットワークコントローラが、前記１以上の光受信機から前記変動の推定結果を示す推定情報を取得するとともに、取得した複数の前記推定情報に基づいて前記光伝送路における光増幅器のゲインスペクトルを取得する光伝送方法である。
本発明により、光伝送システムにおいて信号品質の劣化を抑制しつつ中継ノードを監視することが可能となる。
第１実施形態における光伝送システムのシステム構成を示す図である。 デジタル信号処理部の機能構成の一例を示す図である。 非線形光学補償部の機能構成を表す概略ブロック図である。 光受信機による伝送特性推定処理の流れを示すフローチャートである。 損失分布推定の実現方法を説明する図である。 分散分布推定の実現方法を説明する図である。 信号パワープロファイルの具体例を示す図である。 各光受信機の信号パワープロファイルを周波数チャネルの順に並べた様子を示す図である。 対象ノードについて、各光受信機の信号パワープロファイルから抽出された信号パワーの推定値群を光受信機のチャネル周波数に対応させてプロットした図である。 第１実施形態の光伝送システムによる効果の一例を示す図である。 第１実施形態の光伝送システムによる効果の一例を示す図である。 第２実施形態における光伝送システムの構成例を示す図である。 実施形態の光伝送システムの変形例を示す図である。 デジタル信号処理部の変形例を示す図である。
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における光伝送システム１００Ａの構成例を示す図である。光伝送システム１００Ａは、複数の光送信機１Ａと、複数の光受信機２Ａと、光伝送路３と、合波器４と、分波器５と、ネットワークコントローラ６Ａとを備える。複数の光送信機１Ａと、複数の光受信機２Ａとは、光伝送路３を介して通信可能に接続される。光伝送路３は光ファイバＦで構成される。光伝送路３には、伝搬中に減衰する光信号を増幅する光増幅器（以下「光アンプ」ともいう。）を備える中継ノード３１Ａが伝送路の途中に挿入される。
具体的には、光伝送システム１００Ａは、複数の光送信機１Ａと複数の光受信機２Ａとを用いた波長分割多重方式（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）により通信する。複数の光送信機１Ａは、それぞれ、外部の情報源から与えられる送信情報を符号化して電気信号を生成し、生成した電気信号を光信号に変換して光伝送路３を介して光受信機２Ａに送信する。複数の光送信機１Ａは、それぞれ異なるチャネル周波数の光信号を生成する。合波器４は、複数の光送信機１Ａが出力した光信号を合波して光伝送路３に送出する。分波器５は、光伝送路３により伝搬された光信号をチャネル周波数ごとの光信号に分波し、各光信号をチャネル周波数に応じた光受信機２Ａに出力する。
複数の光受信機２Ａは、それぞれ、コヒーレント受信器２１と、デジタル信号処理部２２とを備える。コヒーレント受信器２１は、ベースバンド光信号を偏波面が直交する２つの光信号に分離する。これらの光信号と局発光源（不図示）の局発光が９０°ハイブリッド回路（不図示）に入力され、両光を互いに同相及び逆相で干渉させた１組の出力光、直交（９０°）及び逆直交（－９０°）で干渉させた１組の出力光の計４つの出力光が得られる。これらの出力光はフォトダイオード（不図示）によりそれぞれアナログ信号に変換される。コヒーレント受信器２１は、これらのアナログ信号をデジタル信号に変換する。
光伝送路３を光信号が伝搬する際に、信号の光パワーに比例して信号の位相が回転する非線形光学効果によって信号波形が歪む。デジタル信号処理部２２は、コヒーレント受信器２１が出力するデジタル信号を受信信号として取り込み、取り込んだ受信信号に対して非線形光学補償を行う。
また、デジタル信号処理部２２は、受信された光信号をもとに光伝送路３の伝送特性を推定してネットワークコントローラ６Ａに通知する。具体的には、デジタル信号処理部２２は、光伝送路３の伝送特性を示す情報として、伝搬方向における光信号の強度分布を示す信号パワープロファイルを生成する。複数のデジタル信号処理部２２は、それぞれ生成した信号パワープロファイルをネットワークコントローラ６Ａに供給する。
ネットワークコントローラ６Ａは、複数の光受信機２Ａから信号パワープロファイルを収集し、収集した複数の信号パワープロファイルに基づいて、光伝送路３の複数の観測地点について、伝搬する光信号を増幅する増幅器のゲインスペクトルを取得する。ここで、光増幅器には、ＥＤＦＡ等の集中増幅だけでなくラマン増幅器等の分布増幅器を含む。ゲインスペクトルは、光増幅器のゲインの周波数特性を表す情報である。ネットワークコントローラ６Ａが光伝送路３の複数の観測地点でゲインスペクトルを取得できることにより、光伝送システム１００Ａは光伝送路３に配置された中継ノード３１Ａの状態を監視することができる。
図２は、デジタル信号処理部２２の機能構成の一例を示す図である。デジタル信号処理部２２は、非線形光学補償部２３、適応等化部２４、周波数オフセット補償部２５、キャリア位相雑音補償部２６、係数更新部２７、および伝送特性推定部２８を備える。
図３は、非線形光学補償部２３の機能構成を表す概略ブロック図である。非線形光学補償部２３は、複数の線形補償部２３１－１～２３１－Ｎ及び複数の非線形補償部２３２－１～２３２－Ｎを備える。１つの線形補償部２３１及び１つの非線形補償部２３２が線形補償及び非線形補償を行う１つのセットであり、非線形光学補償部２３はこのセットによる処理をＮステップ行うためにＮ個のセットを備えている。
線形補償部２３１－１は、フーリエ変換部２３３－１、波長分散補償部２３４－１及び逆フーリエ変換部２３５－１を備える。フーリエ変換部２３３－１は、時間領域の受信信号に対してＦＦＴを行うことによって、時間領域の受信信号から周波数領域の受信信号に変換する。
波長分散補償部２３４－１は、周波数領域の受信信号に対して、所定の値（例えば、ｅｘｐ＾（－ｊβｋω２））を乗算することによって波長分散補償を行う。なお、“＾”の記号は、“＾”以降の値がｅｘｐの上付きであることを意味する。例えば、ｅｘｐ＾（－ｊβｋω２）の場合には、（－ｊβｋω２）がｅｘｐの上付きであることを意味する。“＾”については以降の説明においても同様である。波長分散補償部２３４－１は、処理開始時には初期値として設定された分散係数βｋを用いて波長分散補償を行い、係数更新部２７から分散係数βｋが更新される度に更新後の分散係数βｋを用いて波長分散補償を行う。
逆フーリエ変換部２３５－１は、波長分散補償部２３４－１から出力された信号に対してＩＦＦＴを行うことによって、波長分散補償された受信信号を時間領域の受信信号に変換する。
非線形光学補償部２３は、逆フーリエ変換部２３５から出力された信号系列に対して、所定の値（例えば、ｅｘｐ＾（－ｊφｋ））を乗算することによって非線形光学効果の補償を行う。具体的には、非線形光学補償部２３は、処理開始時には初期値として設定された位相回転量φｋを用いて非線形光学効果の補償を行い、係数更新部２７から位相回転量φｋが更新される度に更新後の位相回転量φｋを用いて非線形光学効果の補償を行う。
線形補償部２３１－Ｎは、線形補償部２３１－１と同様の処理を行う。また、非線形補償部２３２－Ｎは、非線形補償部２３２－１と同様の処理を行う。
図２に戻って、光受信機２Ａの説明を続ける。適応等化部２４は、光伝送路３において光信号の波形に生じた歪みを補償する機能部である。すなわち、適応等化部２４は、光伝送路３において符号間干渉（シンボル間干渉）によって光信号に生じた符号誤りを訂正する機能部である。適応等化部２４は、設定されたタップ係数に応じて、ＦＩＲフィルタ（有限インパルス応答フィルタ）によって適応等化処理を実行する。
周波数オフセット補償部２５は、適応等化処理が実行された４つのデジタル信号に対して、周波数オフセットを補償する処理を実行する。
キャリア位相雑音補償部２６は、周波数オフセットが補償された４つのデジタル信号に対して、位相オフセットを補償する処理を実行する。
係数更新部２７は、非線形光学補償部２３において使用される全係数（例えば、分散係数βｋ、位相回転量φｋ等）を全ステップにおいて更新する。第１実施形態では、例えば係数更新部２７は、キャリア位相雑音補償部２６からの出力信号と、トレーニング信号とに基づいて、非線形光学補償部２３において使用される全係数（例えば、分散係数βｋ、位相回転量φｋ等）を全ステップにおいて更新する。係数更新部２７は、更新した係数を、非線形光学補償部２３の各機能部に設定する。第１実施形態において出力信号と比較されるトレーニング信号は、電気信号に変換された送信信号である。
伝送特性推定部２８は、光伝送路３の伝送特性を推定する。例えば、伝送特性推定部２８は、最適化された位相回転量φｋを用いて損失分布を推定する。また、例えば、伝送特性推定部２８は、最適化された分散係数βｋを用いて分散分布を推定する。伝送特性推定部２８は、推定した損失分布及び分散分布を示す情報を信号パワープロファイルとしてネットワークコントローラ６Ａに供給する。
図４は、第１実施形態における光受信機２Ａによる伝送特性推定処理の流れを示すフローチャートである。まず、図４の処理を開始する前の初期設定について説明する。デジタル信号処理部２２が備える非線形光学補償部２３以外の機能部、例えば適応等化部２４、周波数オフセット補償部２５及びキャリア位相雑音補償部２６が用いる補償係数を予め推定し、推定した補償係数を設定する。なお、推定の方法は従来の技術が用いられてもよい。次に、非線形光学補償部２３において使用される全係数（例えば、分散係数βｋ、位相回転量φｋ等）に適当な初期値を設定する。なお、非線形光学補償部２３において使用される全係数の初期値は任意である。例えば、初期値を０としてもよいし、入力パワーなど、判明している位相回転量φｋ(分散係数βｋ)はその値を使用しても良い。以上が初期設定である。
初期設定が完了すると、光受信機２Ａのコヒーレント受信器２１は、光送信機１Ａから送信された光信号を受信する（ステップＳ１０１）。コヒーレント受信器２１は、受信した光信号をデジタル信号に変換してデジタル信号処理部２２に出力する。非線形光学補償部２３は、コヒーレント受信器２１から出力されたデジタル信号それぞれに対して非線形光学補償を行う（ステップＳ１０２）。具体的には、フーリエ変換部２３３－１は、時間領域の受信信号に対してＦＦＴを行うことによって、時間領域の受信信号から周波数領域の受信信号に変換する。フーリエ変換部２３３－１は、周波数領域に変換された受信信号を波長分散補償部２３４－１に出力する。
波長分散補償部２３４－１は、周波数領域の受信信号に対して波長分散補償を行う。この際、波長分散補償部２３４－１は、初期値として設定された分散係数βｋを用いる。波長分散補償部２３４－１は、波長分散補償された受信信号を逆フーリエ変換部２３５－１に出力する。逆フーリエ変換部２３５－１は、波長分散補償部２３４－１から出力された信号に対してＩＦＦＴを行うことによって、波長分散補償された受信信号を時間領域の受信信号に変換する。逆フーリエ変換部２３５－１は、時間領域に変換された受信信号を非線形補償部２３２－１に出力する。非線形補償部２３２－１は、時間領域に変換された受信信号に対して非線形光学効果の補償を行う。この際、非線形補償部２３２－１は、初期値として設定された位相回転量φｋを用いる。非線形補償部２３２－１は、非線形光学効果が補償された受信信号を後段のフーリエ変換部２３３に出力する。
上記のステップ１０２の処理がＮステップ分実行されると、適応等化部２４は、非線形光学補償部２３から出力された出力信号の波形に生じた歪みを補償する適応等化処理を行う（ステップＳ１０３）。なお、適応等化処理の方法は、従来と同じであるため説明を省略する。適応等化部２４は、適応等化処理後の信号を周波数オフセット補償部２５に出力する。
周波数オフセット補償部２５は、適応等化部２４から出力された信号に対して、周波数オフセットを補償する周波数オフセット補償処理を実行する（ステップＳ１０４）。なお、周波数オフセット補償処理の方法は、従来と同じであるため説明を省略する。周波数オフセット補償部２５は、周波数オフセット補償処理後の信号をキャリア位相雑音補償部２６に出力する。
キャリア位相雑音補償部２６は、周波数オフセットが補償されたデジタル信号に対して、位相オフセットを補償するキャリア位相補償処理を実行する（ステップＳ１０５）。なお、キャリア位相補償処理の方法は、従来と同じであるため説明を省略する。キャリア位相雑音補償部２６は、キャリア位相補償処理後の信号を係数更新部２７に出力する。
係数更新部２７は、キャリア位相雑音補償部２６から出力された出力信号と、予め取得したトレーニング信号とを比較し、所定の評価関数を作成する（ステップＳ１０６）。評価関数は、どのような評価関数が用いられてもよい。例えば、評価関数として、下記の式（１）に示す残差平方和や、下記の式（２）に示す残差平方和に正則化項を付けた式が用いられてもよい。
式（１）においてＪは評価関数を表し、ｘｉはｉ（ｉは１以上の整数）サンプル目の受信信号を表し、ｔｉはｉサンプル目の正解信号を表す。また、式（２）において右辺の２項目が正則化項である。正則化項におけるφｋはｋステップ目の非線形位相回転量を表す。正則化項をつけることによって、損失(推定)分布の推定精度を高めることができる。なお、損失分布の推定精度を高めることができれば正則化項は任意の関数で良い。
次に、係数更新部２７は、作成した評価関数を最小化するように、最適化アルゴリズムを用いて、非線形光学補償部２３において使用される全係数（例えば、分散係数βｋ、位相回転量φｋ等）を更新する（ステップＳ１０７）。最適化アルゴリズムとしては、分散係数βｋ及び位相回転量φｋを１点ずつ最適化する方法や、誤差逆伝搬法や最急降下法等の機械学習分野に存在する既存の手法が用いられてもよい。
分散係数βｋ及び位相回転量φｋを１点ずつ最適化する方法を用いる場合、係数更新部２７は以下の（１）から（３）に示す処理を行う。
（１）評価関数が最小になるようにφ１を最適化（他のφｋは固定）
（２）同様に、φ２からφＮを１点ずつ最適化
（３）再度φ２から最適化を行い、φ１からφＮの全係数が収束するまで繰り返す
なお、最適化するφｋの順番は任意で良い。また、位相回転量φｋにおいても上記の（１）から（３）に示す処理が実行される。
最急降下法を用いる場合、係数更新部２７は以下の式（３）に基づいて、非線形光学補償部２３において使用される全係数（例えば、分散係数βｋ及び位相回転量φｋ等）を更新する。最急降下法を用いることにより、係数更新部２７は全ての分散係数βｋ及び位相回転量φｋの更新を同時に実行することができるため、推定時間を短縮することができる。さらに、推定精度の改善の可能性がある。
式（３）において、μはステップサイズを表す。式（３）のように、評価関数Ｊのβｋやφｋによる微分が必要となる。この微分の求め方は様々想定されるが、どのような方法が用いられてもよい。例えば、この微分は、機械学習分野でよく使用される誤差逆伝搬法（例えば、参考文献１参照）や数値微分等を用いて算出される。
（参考文献１： R. P. Lippmann., “An introduction to computing with neural nets,” IEEE ASSP Mag., 4(2)1987.）
係数更新部２７は、更新後の係数を非線形光学補償部２３に設定する。その後、光受信機２Ａは、新たに設定された係数を用いて、ステップＳ１０２～Ｓ１０７の処理を係数が収束するまで繰り返し実行する（ステップＳ１０８）。
伝送特性推定部２８は、最適化された全係数（例えば、分散係数βｋ、位相回転量φｋ等）を取得する。例えば、伝送特性推定部２８は、最適化された全係数（例えば、分散係数βｋ、位相回転量φｋ等）を、非線形光学補償部２３から取得してもよいし、係数更新部２７から直接取得してもよい。伝送特性推定部２８は、取得した最適化された全係数（例えば、分散係数βｋ、位相回転量φｋ等）を用いて、伝送特性を推定する（ステップＳ１０９）。具体的には、伝送特性推定部２８は、最適化された全ての位相回転量φｋ（φ１からφＮ）を、図５に示すようにプロットすることによって損失分布を推定する。また、伝送特性推定部２８は、最適化された全ての分散係数βｋ（β１からβＮ）を、図６に示すようにプロットすることによって分散分布を推定する。なお、図５及び図６において横軸Ｚは距離を表す。伝送特性推定部２８は、推定結果（損失分布及び分散分布）を示す信号パワープロファイルをネットワークコントローラ６Ａに供給する。
なお、以上説明した信号パワープロファイルの生成方法は一例であり、上記説明した方法に限定されない。信号パワープロファイルは、デジタル信号処理によって生成する方法であれば、他の同様な方法で生成されてもよい（例えば、特許文献１、非特許文献１、２および３等参照）。
図７は、信号パワープロファイルの具体例を示す図である。図７において、横軸は光送信機１Ａからの伝送距離を表し、縦軸はＮＬＰＲ（Non-Linear Phase Rotation：非線形位相回転量）の推定値を表す。また、グラフ上部の光伝送路３は、横軸の伝送距離に対応して、光伝送路３における中継ノード３１Ａ（光アンプ）および減衰器３２の配置例を示す。ここで、減衰器３２は、光信号の意図的な減衰を検出できるか否かを見るために伝送路途中に意図的に配置したものである。ここでは、光伝送路３として、標準的なシングルモードファイバ（ＳＳＭＦ：Standard Single Mode Fiber）による７０ｋｍ×４スパンの伝送路を想定している。グラフの実線は、異なる減衰レベルでのＮＬＰＲの推定値を表し、破線はＯＴＤＲによって得られた、参照用の信号パワープロファイル（正常時）を表すものである。
図７に示されるように、上述のデジタル信号処理によって生成された信号パワープロファイルにより、光アンプによる光信号の増幅と、光ファイバおよび減衰器３２による光信号の減衰とを精度良く検出可能であることが分かる。より具体的には、ピークの始まりが光増幅器３１Ａの位置に対応していることが分かる。ネットワークコントローラ６Ａは、このように取得される信号パワープロファイルをチャネル周波数の異なる複数の光受信機２Ａから収集し、収集した複数の信号パワープロファイルに基づいて、光伝送路３のゲインスペクトルを推定するものである。
より具体的には、ネットワークコントローラ６Ａは、各光受信機２Ａの信号パワープロファイルから各中継ノード３１Ａ（光アンプ）の位置を推定し、各中継ノード３１Ａの位置における光信号強度の推定値（すなわちゲイン）を周波数方向にプロットする。
図８は、各光受信機２Ａの信号パワープロファイルを周波数チャネルの順に並べた様子を示す図である。例えば、中継ノード３１Ａ（光アンプ）を対象とする場合、ネットワークコントローラ６Ａは、それぞれの信号パワープロファイルから対象の中継ノード３１Ａ（以下「対象ノード」という。）の位置に対応する推定値群Ｖ１を抽出する。
図９は、対象ノード３１Ａについて、各光受信機２Ａの信号パワープロファイルから抽出された信号パワーの推定値群をＫ個の光受信機２Ａのチャネル周波数（ｆ１，ｆ２，…，ｆｋ，…ｆＫ）に対応させてプロットした図である。以下、このようにして取得される信号パワーとチャネル周波数との関係性を示す情報を「ゲインスペクトル」という。ネットワークコントローラ６Ａは、光伝送路３に配置された全ての中継ノード３１Ａを対象ノードとして推定値群の抽出およびプロットを行うことにより、光伝送路３に配置された全ての中継ノード３１Ａについてゲインスペクトルを取得することができる。
図１０および図１１は、実施形態の光伝送システム１００Ａによる効果の一例を示す図である。具体的には、図１０および図１１は、光伝送路３が１スパン当たりの距離が５０ｋｍである光伝送システム１００Ａの第１スパンおよび第２スパンについて、本実施形態の方法で信号パワープロファイルおよびゲインスペクトルを取得する実験を行った結果を示すものである。この実験において、中継ノード３１Ａ－１および３１Ａ－２には、後方励起による分布ラマン増幅を行うラマン増幅器を用いた。
また、この実験では、比較のため、中継ノード３１Ａ－１および３１Ａ－２には、励起光の出力ゲインに関し、それぞれ異なるゲインスペクトルを設定した。具体的には、中継ノード３１Ａ－１には、波長１４５５ｎｍの励起光が出力されるように設定し、中継ノード３１Ａ－２には、中継ノード３１Ａ－１よりも短い波長１４４０ｎｍの励起光が出力されるように設定した。これにより、中継ノード３１Ａ－１と中継ノード３１Ａ－２は異なるゲインスペクトルを示す。図１０は、このような条件で観測されたチャネル周波数ごとの信号パワープロファイルを１つのグラフに表したものである。
図１１は、図１０のように推定された信号パワープロファイルに基づいて、例えば、４０ｋｍ地点と、９０ｋｍ地点とにおけるゲインスペクトルを推定した結果を示すものである。図１１において、曲線はＯＳＡで参照用に測定したラマン増幅器のゲインスペクトルを表し、点群は伝送特性推定部２８によって推定されたゲインスペクトルを表すものである。図１１の推定結果から、ネットワークコントローラ６Ａによるゲインスペクトルの推定結果が、ＯＳＡによる実測値がおおよそ一致していることが分かる。
以上のように構成された光伝送システム１００Ａは、異なるチャネル周波数で光信号を送信する複数の光送信機１Ａと、光送信機１Ａから受信した光信号のデジタル信号処理によりチャネル周波数ごとの信号パワープロファイルを生成する複数の光受信機２Ａと、複数の光受信機２Ａからチャネル周波数が異なる光信号の信号パワープロファイルを収集し、収集した信号パワープロファイルに基づいて各中継ノード３１Ａの光増幅器のゲインスペクトルを取得するネットワークコントローラ６Ａとを備える。
このような構成によれば、実施形態の光伝送システム１００Ａは、光信号を光伝送路３から分岐して測定する必要がないので、信号品質の劣化を抑制しつつ中継ノードを監視することができる。また、このような構成によれば、光信号を光伝送路３から分岐して測定するためのＯＳＡやＯＣＭ等の測定器を必要としないため、コスト増を抑制しつつ、中継ノードを監視することができる。また、このような構成によれば、光信号のデジタル信号処理によって中継ノードを監視することができるため、中継ノードを遠隔地から自動で監視することができる。また、このような構成によれば、光伝送システム１００Ａの複数の中継ノード３１Ａ（光増幅器）の個々の特性を一括でモニタリングすることができる。また、このような構成によれば、任意に送受信される光信号のデジタル信号処理により、運用中においても中継ノード３１Ａの特性をモニタリングすることができる。
（第２実施形態）
図１２は、第２実施形態の光伝送システム１００Ｂの構成例を示す図である。光伝送システム１００Ｂは、ネットワークコントローラ６Ａに代えてネットワークコントローラ６Ｂを備える点、中継ノード３１Ａに代えて中継ノード３１Ｂを備える点において第１実施形態の光伝送システム１００Ａと異なる。光伝送システム１００Ｂのその他の構成は光伝送システム１００Ａと同様である。図１２では、第１実施形態と同様の機能部には図１と同じ符号を付すことにより説明を省略する。
ネットワークコントローラ６Ｂは、ネットワークコントローラ６Ａと同様の、各中継ノード３１Ｂの位置におけるゲインスペクトルを取得する機能に加え、取得した各ゲインスペクトルに基づいて、対応する各位置の中継ノード３１Ｂに対してフィードバック制御を実施する機能を有する。ここで、ネットワークコントローラ６は、図示しない制御通信ネットワークを介して各中継ノード３１Ｂと通信可能に接続されているものとする。
中継ノード３１Ｂは、光増幅器３１１（光アンプ）と、光フィルタ３１２とを備える。光アンプ３１１は、中継ノード３１Ａが備える光アンプと同様である。光フィルタ３１２は、光信号を入力し、入力された光信号のうち所定の条件を満たす光信号を出力するものである。
具体的には、ネットワークコントローラ６Ｂは、中継ノード３１Ｂの各位置に対応したゲインスペクトルをモニタリングしながら、各中継ノード３１Ｂのゲインチルトを補償するためのフィードバック制御を実施する。例えば、ネットワークコントローラ６は、各中継ノード３１Ｂについて、ゲインスペクトルが所望の形となるように、光アンプ３１１のポンプ波長またはポンプパワーを制御する。例えば、ネットワークコントローラ６は、推定結果として得られるゲインスペクトルが、予め設定されたゲインスペクトルに近くなるように各光アンプ３１１のポンプ波長またはポンプパワーを制御するように構成されてもよい。
また、光フィルタ３１２がＷＳＳ（Wavelength Selective Switch）等の波長選択機能を備える場合、ネットワークコントローラ６は、得られたゲインスペクトルの逆関数を光フィルタ３１２の出力ゲインに作用させることにより、出力光が周波数フラットなＷＤＭ信号となるように光フィルタ３１２を制御するように構成されてもよい。
以上のように構成された光伝送システム１００Ｂでは、ネットワークコントローラ６Ｂが、各中継ノード３１Ｂについて取得した光増幅器のゲインスペクトルに基づくフィードバック制御により、各中継ノード３１Ｂを制御する。このような構成により、第２実施形態の光伝送システム１００Ｂは、信号品質の劣化を抑制しながら中継ノードを監視するとともに、観測されたゲインスペクトルに基づいて各中継ノード３１Ｂの出力を調整することができる。
＜第１実施形態および第２実施形態に共通の変形例＞
以下、第１実施形態および第２実施形態に共通の変形例について説明する。以下では、特に区別しない場合、符号のアルファベットを省略して記載する。例えば、第１実施形態の光伝送システム１００Ａと第２実施形態の光伝送システム１００Ｂとを特に区別しない場合、両者を総称して『光伝送システム１００』と記載する。
［第１の変形例］
図１３は、実施形態の光伝送システム１００の第１の変形例を示す図である。上記実施形態の光伝送システム１００は、複数の光送信機１がそれぞれ異なるチャネル周波数で光信号を送信する構成であったのに対し、第１の変形例の光伝送システム１００Ｃは、１つの光送信機１Ｃと、１つの光受信機２Ｃと、ネットワークコントローラ６Ｃとを備え、光送信機１Ｃが自身のチャネル周波数について周波数掃引しながら光信号を送信する点で実施形態の光伝送システム１００と異なる。なお、第１の変形例におけるネットワークコントローラ６Ｃは、実施形態のネットワークコントローラ６Ａと同様である。
この場合、光受信機２Ｃにおいて、デジタル信号処理部２２は、周波数掃引により、順次受信されるチャネル周波数の異なる光信号に基づいて順次信号パワープロファイルを生成することにより、複数のチャネル周波数のそれぞれについて信号パワープロファイルを取得する。光受信機２Ｃは、生成した複数のチャネル周波数ごとの信号パワープロファイルをネットワークコントローラ６Ｃに供給する。ネットワークコントローラ６Ｃは、光受信機２Ｃから供給された複数のチャネル周波数ごとの信号パワープロファイルに基づいて、実施形態のネットワークコントローラ６と同様の方法で、各中継ノード３１のゲインスペクトルを取得する。
このような構成によれば、光送信機と光受信機の組を必ずしもチャネル周波数の数だけ用意する必要がなくなるので、実施形態のゲインスペクトルの推定方法を規模の小さい光伝送システムにも適用することができる。
なお、光送信機１Ｃと光受信機２Ｃの組が複数存在する場合、いずれか１つの組を用いてゲインスペクトルの推定を行ってもよいし、掃引する周波数帯域を分割することにより複数の組を用いてゲインスペクトルの推定を行ってもよい。
［第２の変形例］
第１の変形例では、１つのチャネルだけを用いて光増幅器のゲインを推定する。この場合、他のチャネルが存在しないため、中継ノード３１（光アンプ）のゲインが、波長多重を行う運用時とは異なるゲインになり得る。これを回避するため、光送信機１Ｃおよび光受信機２Ｃは、別の光送信機を用いて他波長にダミー光や別の信号を用意し伝送しておきながら、ゲインスペクトルを推定するように構成されてもよい。
［第３の変形例］
上記実施形態では、光受信機２が信号パワープロファイルを生成し、ネットワークコントローラ６が信号パワープロファイルに基づいてゲインスペクトルを取得する場合について説明したが、信号パワープロファイルの生成機能は、ネットワークコントローラ６に実装されてもよい。具体的には、光受信機２のデジタル信号処理部２２はネットワークコントローラ６に備えられてもよい。この場合、光受信機２は、コヒーレント受信器２１によって受信された光信号をネットワークコントローラ６に供給するように構成されればよい。
［第４の変形例］
図１４は、デジタル信号処理部２２の変形例を示す図である。デジタル信号処理部２２は、図１４に示すデジタル信号処理２２ａのように構成されてもよい。デジタル信号処理部２２ａは、波長分散補償部２９、適応等化部２４、周波数オフセット補償部２５、キャリア位相雑音補償部２６、波長分散付加部３０、非線形光学補償部２３、係数更新部２７、及び伝送特性推定部２８を備える。デジタル信号処理部２２ａは、デジタル信号処理部２２の構成に、波長分散補償部２９及び波長分散付加部３０をさらに備える。
非線形光学補償部２３、適応等化部２４、周波数オフセット補償部２５、キャリア位相雑音補償部２６、係数更新部２７、及び伝送特性推定部２８の機能は、図２と同じであるため説明を省略する。波長分散補償部２９は、光伝送路３で生じた波長分散による歪みを補償する。具体的には、波長分散補償部２９は、周波数領域の受信信号に対して、所定の値（例えば、ｅｘｐ＾（－ｊβｋω２））を乗算することによって波長分散補償を行う。波長分散付加部３０は、波長分散補償部２９で補償した波長分散を再度、信号に付加する機能部である。具体的には、波長分散付加部３０は、周波数領域の受信信号に対して、波長分散補償部２９で乗算した値の逆数（例えば、ｅｘｐ＾（+ｊβｋω２））を乗算することによって波長分散の付加を行う。
［その他の変形例］
係数更新部２７は、出力信号と、トレーニング信号との比較を他の場所で行ってもよい。具体的には、光受信機２は、出力信号と、トレーニング信号との比較を、適応等化部２４と周波数オフセット補償部２５の間で行ってもよいし、周波数オフセット補償部２５とキャリア位相雑音補償部２６の間で行ってもよいし、キャリア位相雑音補償部２６と係数更新部２７の間で行ってもよい。なお、実施形態においてキャリア位相雑音補償部２６と係数更新部２７の間で出力信号と、トレーニング信号との比較を行う場合には、デジタル信号処理部２２は復調部（図示せず）を新たに備える必要がある。
伝送特性推定部２８は、伝送特性の推定を他の場所で行ってもよい。具体的には、伝送特性推定部２８は、伝送特性の推定を適応等化部２４の処理の後に行ってもよいし、周波数オフセット補償部２５の処理の後に行ってもよいし、キャリア位相雑音補償部２６の処理の後に行ってもよい。
伝送特性の推定は、光受信機２のデジタル信号処理部２２を構成するチップ内においてオンライン処理で行われても良いし、光受信機２から受信信号を取り出してオフライン処理で行われても良い。オフライン処理で行われる場合、デジタル信号処理部２２が備える全ての機能部が外部のコンピュータ等の外部装置に設けられる。外部装置は、非線形光学補償部２３に入る直前の信号を取得し、上記の各実施形態で示した処理と同様の処理を行う。
実施形態では、受信信号と、トレーニング信号との比較を、適応等化処理、周波数オフセットの補償及び位相オフセットの補償後に行っていたが、受信信号と、トレーニング信号との比較は、非線形光学補償部２３と、適応等化部２４との間で行われてもよい（例えば特許文献１参照）。
上述した光送信機１、光受信機２、中継ノード３１、およびネットワークコントローラ６の一部または全部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、波長分割多重方式（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）により通信する光伝送システムに適用可能である。
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…光伝送システム、１，１Ａ，１Ｃ…光送信機、２，２Ａ，２Ｃ…光受信機、２１…コヒーレント受信器、２２…デジタル信号処理部、２３…非線形光学補償部、２３１…線形補償部、２３２…非線形補償部、２３３…フーリエ変換部、２３４…波長分散補償部、２３５…逆フーリエ変換部、２４…適応等化部、２５…周波数オフセット補償部、２６…キャリア位相雑音補償部、２７…係数更新部、２８…伝送特性推定部、３…光伝送路、３１，３１Ａ，３１Ｂ…中継ノード、３１１…光増幅器（光アンプ）、３１２…光フィルタ、３２…減衰器、４…合波器（ＭＵＸ）、５…分波器（ＤＥＭＵＸ）、６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ…ネットワークコントローラ

Claims (8)

  1. 複数のチャネル周波数に対応する複数の光送信機と、前記複数の光送信機に対応する複数の光受信機とが光伝送路を介して通信する光伝送システムであって、
    前記光伝送路は、光信号を増幅する光増幅器を備える複数の中継ノードを備え、
    前記複数の光送信機のそれぞれが、前記複数のチャネル周波数のうち対応するチャネル周波数で光信号を送信し、
    前記複数の光受信機のそれぞれが、前記複数のチャネル周波数のうち対応するチャネル周波数の光信号を受信し、前記光伝送路上における前記光信号の伝送方向における強度の変動を推定し、
    前記複数の光受信機から前記変動の推定結果を示す複数の推定情報を取得するとともに、取得した前記複数の推定情報に基づいて前記光伝送路上の任意の位置における光増幅器のゲインスペクトルを取得するネットワークコントローラ
    を備える光伝送システム。
  2. 前記複数の光送信機のそれぞれは、互いに異なるチャネル周波数で光信号を送信し、
    前記複数の光受信機のそれぞれは、自身に対応づけられた光送信機が送信した光信号を受信し、受信した前記光信号について前記光伝送路上における強度の変動を推定する、
    請求項１に記載の光伝送システム。
  3. 前記複数の光送信機のそれぞれは、自身のチャネル周波数について他の光送信機と異なる周波数帯を掃引しながら光信号を送信し、
    前記複数の光受信機のそれぞれは、自身に対応づけられた光送信機が送信した光信号を受信し、受信した前記光信号について、前記周波数帯で掃引されたチャネル周波数ごとに前記光伝送路上における強度の変動を推定する、
    請求項１に記載の光伝送システム。
  4. 前記ネットワークコントローラは、前記複数の光受信機から取得した前記複数の推定情報に基づいて、前記光伝送路上の前記中継ノードの位置に応じた位置について前記ゲインスペクトルを取得する、
    請求項１から３のいずれか一項に記載の光伝送システム。
  5. 前記ネットワークコントローラは、取得した前記ゲインスペクトルに基づくフィードバック制御により、各中継ノードのゲインチルトを補償する、
    請求項１から４のいずれか一項に記載の光伝送システム。
  6. 前記ネットワークコントローラは、前記フィードバック制御により、前記中継ノードのゲインスペクトルが所定の形になるように、前記中継ノードが有する光増幅器のポンプ波長またはポンプパワーを調節する、又は、前記中継ノードが有する波長選択機能に対してゲインスペクトルの逆関数を作用させることにより、各チャンネル周波数の光信号の強度を平準化する、
    請求項５に記載の光伝送システム。
  7. 複数のチャネル周波数に対応する複数の光送信機と、前記複数の光送信機に対応する複数の光受信機とが光伝送路を介して通信する光伝送システムのネットワークコントローラであって、
    前記光伝送路は、光信号を増幅する光増幅器を備える複数の中継ノードを備え、
    前記複数の光送信機のそれぞれが、前記複数のチャネル周波数のうち対応するチャネル周波数で光信号を送信し、
    前記複数の光受信機のそれぞれが、前記複数のチャネル周波数のうち対応するチャネル周波数の光信号を受信し、前記光伝送路上における前記光信号の伝送方向における強度の変動を推定し、
    前記ネットワークコントローラは、
    前記複数の光受信機から前記変動の推定結果を示す複数の推定情報を取得するとともに、取得した前記複数の推定情報に基づいて前記光伝送路上の任意の位置における光増幅器のゲインスペクトルを取得する、
    ネットワークコントローラ。
  8. 複数のチャネル周波数に対応する複数の光送信機と、前記複数の光送信機に対応する複数の光受信機とが光伝送路を介して通信する光伝送システムにおいて、
    前記光伝送路が、複数の中継ノードにおける光増幅器により光信号を増幅して中継し、
    前記複数の光送信機のそれぞれが、前記複数のチャネル周波数のうち対応するチャネル周波数で光信号を送信し、
    前記複数の光受信機のそれぞれが、前記複数のチャネル周波数のうち対応するチャネル周波数の光信号を受信し、前記光伝送路上における前記光信号の伝送方向における強度の変動を推定し、
    ネットワークコントローラが、前記複数の光受信機から前記変動の推定結果を示す複数の推定情報を取得するとともに、取得した前記複数の推定情報に基づいて前記光伝送路上の任意の位置における光増幅器のゲインスペクトルを取得する、
    光伝送方法。
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