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技術 光伝送方法および光伝送装置

出願人 国立大学法人東北大学
発明者 中沢正隆廣岡俊彦吉田真人葛西恵介
出願日 2016年11月25日 (4年1ヶ月経過) 出願番号 2016-229408
公開日 2020年1月30日 (11ヶ月経過) 公開番号 2020-017782
状態 未査定
技術分野 光通信システム
主要キーワード 復調帯域 Qチャネル 隣接パルス キャリヤ成分 伝送パルス sin成分 cos成分 EVM値
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図面 (12)

課題

TDM方式による高速伝送を、パルス光源もしくはパルス発生装置を用いない簡便な構成、且つ最小限の周波数帯域で、高速光信号を生成し、受信側で高いS/N比多重分離することのできる光伝送方法および光伝送装置を提供する。

解決手段

送信部において、周波数がΔf離れた2本の光線スペクトルから成るビート信号を準備し、そのビート信号を周波数Δfと等しいシンボルレートRでデータ変調し、ビート信号のゼロ点にシンボルレートRでデータ変調された別のビート信号を多重化することにより、シンボルレート2Rの信号を得る。一方、受信部において、周波数がΔf=R離れた2本の光線スペクトルから成るビート信号を準備し、そのビート信号を局発光として用い、伝送されたシンボルレート2RのOTDM信号と局発光とのコヒーレント検波により、シンボルレートRへの多重分離とコヒーレント信号復調とを同時に行う。

概要

背景

基幹光伝送網大容量化に向けて、1波長あたり伝送速度の高速化が精力的に進められている。そのような超高速光伝送方式として、電子回路時間多重した高速な電気信号で光を変調する電気時分割多重(ETDM:Electrical Time Division Multiplexing)、ならびに光パルスを光領域で時間多重する光時分割多重(OTDM:Optical Time Division Multiplexing)が知られている。ETDMは、その伝送速度が電子回路の動作速度および帯域で制限されるのに対し、OTDMは、光の領域で時間多重を行うため、電子回路の限界を上回る伝送速度を実現することが出来る。これまでにOTDMを用いて1波長で1 Tbit/sを超える伝送速度が実現されている(例えば、非特許文献1または2参照)。

通常のOTDMにおいては、ガウス型もしくはSech型の波形を有するRZ(Return-to-Zero)パルスが用いられるが、最近では新たに、形状がSinc関数で与えられるナイキストパルスを用いたOTDM伝送が提案されている(例えば、特許文献1、非特許文献3参照)。RZパルスの時間多重においては、隣接パルス干渉しないようシンボル間隔よりも十分狭いパルスを用いる必要がある。超短パルスは、広いスペクトル幅を有するため、周波数利用効率(伝送容量を伝送パルス周波数スペクトル幅で割った値であり、単位周波数あたり伝送可能な容量の指標)を増大させることは困難である。

それに対し、ナイキストパルスは、裾野周期的に振動しながら減衰するため、裾野がゼロ点を交差するのと同じタイミングで時間多重を行うことにより、パルスどうしが重なっても各シンボル点では隣接パルスからの干渉を受けない点が特徴である。その結果、ナイキストパルスは、RZパルスよりも広い時間幅、即ち狭い帯域で高速信号を伝送することができる。

最近では、コヒーレントなナイキストパルスにQAM(Quadrature Amplitude Modulation)と呼ばれるデジタルコヒーレント多値変調方式を導入することにより、高速化と同時に周波数利用効率も大幅に向上されている(例えば、非特許文献4参照)。ナイキストパルスの多重分離には、シンボル点の信号成分のみを抽出する「光サンプリング法」(例えば、特許文献1参照)、もしくはコヒーレントナイキストパルスの場合は、その時間領域での直交性に着目し、ナイキストTDM信号とナイキスト局発パルスとを同期させ、それらのホモダイン検波によって所望のチャネルを多重分離する「直交時間多重分離法」(例えば、特許文献2参照)が用いられる。

概要

OTDM方式による高速伝送を、パルス光源もしくはパルス発生装置を用いない簡便な構成、且つ最小限の周波数帯域で、高速な光信号を生成し、受信側で高いS/N比で多重分離することのできる光伝送方法および光伝送装置を提供する。送信部において、周波数がΔf離れた2本の光線スペクトルから成るビート信号を準備し、そのビート信号を周波数Δfと等しいシンボルレートRでデータ変調し、ビート信号のゼロ点にシンボルレートRでデータ変調された別のビート信号を多重化することにより、シンボルレート2Rの信号を得る。一方、受信部において、周波数がΔf=R離れた2本の光線スペクトルから成るビート信号を準備し、そのビート信号を局発光として用い、伝送されたシンボルレート2RのOTDM信号と局発光とのコヒーレント検波により、シンボルレートRへの多重分離とコヒーレント信号復調とを同時に行う。

目的

本発明は、このような課題を解決するためのものであり、パルス光源もしくはパルス発生装置を必要としない簡便な構成、且つ最小限の周波数帯域で、高速な光信号を生成し、受信側で高いS/N比で多重分離することのできる光伝送方法および光伝送装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

送信部において、周波数がΔf離れ、位相が同期した2本の光線スペクトルから成るビート信号を準備し、そのビート信号を周波数Δfと同一のシンボルレートRでデータ変調し、前記ビート信号のゼロ点にシンボルレートRでデータ変調された別のビート信号を多重化することにより、シンボルレート2Rの信号光を得ることを特徴とする光伝送方法

請求項2

前記ビート信号を変調するデータ信号を、フィルタ帯域を定めるパラメータであるロールオフ率がα(但し0≦α≦1)のナイキストフィルタによって、帯域を(1+α)Rに制限することを特徴とする請求項1に記載の光伝送方法。

請求項3

受信部において、周波数がΔf=R離れ、位相が同期した2本の光線スペクトルから成るビート信号を準備し、そのビート信号を局発光として用い、伝送されたシンボルレート2RのOTDM信号と前記局発光とのコヒーレント検波により、シンボルレートRへの多重分離コヒーレント信号復調とを同時に行うことを特徴とする請求項1に記載の光伝送方法。

請求項4

前記コヒーレント検波に用いる前記局発光は、伝送されたデータ信号のクロックと同期していることを特徴とする請求項3に記載の光伝送方法。

請求項5

受信部において、伝送されたシンボルレート2RのOTDM信号を、そのクロックと同期した繰り返し周波数Δf/2の正弦波振幅変調し、CW局発光とのコヒーレント検波により、シンボルレートRへの多重分離とコヒーレント信号の復調とを同時に行うことを特徴とする請求項1に記載の光伝送方法。

請求項6

前記コヒーレント検波に用いる光検出器の帯域は(3+α)Δf/2であり、α=0のときは3Δf/2ばかりでなくΔf/2にも設定可能であることを特徴とする請求項3または5に記載の光伝送方法。

請求項7

前記コヒーレント検波に用いる前記局発光は、光PLL回路注入同期、あるいはイントラダイン検波の方法により、伝送されたデータ信号の位相と同期していることを特徴とする請求項3または5に記載の光伝送方法。

請求項8

位相が同期し、周波数がΔf離れた2本の光線スペクトルから成るビート信号を発生する2トーン発生回路と、局発光の位相を、伝送されたOTDM信号と同期させるための光位相同期回路と、前記ビート信号を、伝送された前記OTDM信号のクロックと同期させるためのクロック抽出回路とを備え、受信部において、前記ビート信号のピークと中心が一致したOTDMチャネルを分離するよう構成されていることを特徴とする光伝送装置

技術分野

0001

本発明は、簡便な構成により最小限の周波数帯域高速光信号を生成し、それらを高いS/N比多重分離することのできる光伝送方法および光伝送装置に関するものである。

背景技術

0002

基幹光伝送網大容量化に向けて、1波長あたり伝送速度の高速化が精力的に進められている。そのような超高速光伝送方式として、電子回路時間多重した高速な電気信号で光を変調する電気時分割多重(ETDM:Electrical Time Division Multiplexing)、ならびに光パルスを光領域で時間多重する光時分割多重(OTDM:Optical Time Division Multiplexing)が知られている。ETDMは、その伝送速度が電子回路の動作速度および帯域で制限されるのに対し、OTDMは、光の領域で時間多重を行うため、電子回路の限界を上回る伝送速度を実現することが出来る。これまでにOTDMを用いて1波長で1 Tbit/sを超える伝送速度が実現されている(例えば、非特許文献1または2参照)。

0003

通常のOTDMにおいては、ガウス型もしくはSech型の波形を有するRZ(Return-to-Zero)パルスが用いられるが、最近では新たに、形状がSinc関数で与えられるナイキストパルスを用いたOTDM伝送が提案されている(例えば、特許文献1、非特許文献3参照)。RZパルスの時間多重においては、隣接パルス干渉しないようシンボル間隔よりも十分狭いパルスを用いる必要がある。超短パルスは、広いスペクトル幅を有するため、周波数利用効率(伝送容量を伝送パルス周波数スペクトル幅で割った値であり、単位周波数あたり伝送可能な容量の指標)を増大させることは困難である。

0004

それに対し、ナイキストパルスは、裾野周期的に振動しながら減衰するため、裾野がゼロ点を交差するのと同じタイミングで時間多重を行うことにより、パルスどうしが重なっても各シンボル点では隣接パルスからの干渉を受けない点が特徴である。その結果、ナイキストパルスは、RZパルスよりも広い時間幅、即ち狭い帯域で高速信号を伝送することができる。

0005

最近では、コヒーレントなナイキストパルスにQAM(Quadrature Amplitude Modulation)と呼ばれるデジタルコヒーレント多値変調方式を導入することにより、高速化と同時に周波数利用効率も大幅に向上されている(例えば、非特許文献4参照)。ナイキストパルスの多重分離には、シンボル点の信号成分のみを抽出する「光サンプリング法」(例えば、特許文献1参照)、もしくはコヒーレントナイキストパルスの場合は、その時間領域での直交性に着目し、ナイキストTDM信号とナイキスト局発パルスとを同期させ、それらのホモダイン検波によって所望のチャネルを多重分離する「直交時間多重分離法」(例えば、特許文献2参照)が用いられる。

0006

特開2012−175417号公報
特開2016−5158号公報

先行技術

0007

M. Nakazawa, T. Yamamoto, K. R. Tamura, “1.28 Tbit/s-70 km OTDMtransmission using third- and fourth-order simultaneous dispersion compensation with a phase modulator”, Electron., Lett., 2000, vol. 36, no. 24, pp. 2027-2029
T. Richter, E. Palushani, C. Schmidt-Langhorst, M. Nolle, R. Ludwig, and C. Schubert, “Single Wavelength Channel 10.2 Tb/s TDM-Data Capacity using 16-QAM and coherent detection”, in Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2011, paper PDPA9
M. Nakazawa, T. Hirooka, P. Ruan, and P. Guan, “Ultrahigh-speed “orthogonal” TDM transmission with an optical Nyquist pulse train”, Opt. Express , Jan. 2012, vol. 20, no. 2. pp. 1129-1140
D. O. Otuya, K. Kasai, T. Hirooka, M. Yoshida, and M. Nakazawa, “1.92 Tbit/s, 64 QAM coherent Nyquist pulse transmission over 150 km with a spectral efficiency of 7.5 bit/s/Hz”, in Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2014, W1A.4

発明が解決しようとする課題

0008

RZパルスもしくはナイキストパルスを用いたOTDM伝送において、超高速信号を生成するには、送信用光源としてモード同期レーザあるいは光コム生成器などのパルス発生装置が必要である。また、超高速信号を多重分離する場合も、受信部における多重分離用制御光パルス光源もしくは局発パルス光源として、パルス発生装置が必要である。これらパルス光源もしくはパルス発生装置の小型化および低コスト化が、OTDM伝送を実現するうえでの課題となっている。

0009

また、ナイキストパルスの多重分離における課題として、「光サンプリング法」においては、シンボル点付近以外の信号成分は除去されてしまうため、多重分離後の信号パワーが小さく、S/N比が劣化する点が課題となっている。一方、「直交時間多重分離法」では、ホモダイン検波に用いる光検出器帯域外にある信号成分は多重分離に関与しないため、光検出器の帯域が多重分離後のS/N比を劣化させる主要因となっている。

0010

本発明は、このような課題を解決するためのものであり、パルス光源もしくはパルス発生装置を必要としない簡便な構成、且つ最小限の周波数帯域で、高速な光信号を生成し、受信側で高いS/N比で多重分離することのできる光伝送方法および光伝送装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0011

かかる目的を達成するために、本発明に係る光伝送方法は、送信部において、周波数がΔf離れ、位相が同期した2本の光線スペクトルから成るビート信号を準備し、そのビート信号を周波数Δfと同一のシンボルレートRでデータ変調し、前記ビート信号のゼロ点にシンボルレートRでデータ変調された別のビート信号を多重化することにより、シンボルレート2Rの信号光を得ることを特徴とする。

0012

また、本発明に係る光伝送方法は、受信部において、周波数がΔf=R離れ、位相が同期した2本の光線スペクトルから成るビート信号を準備し、そのビート信号を局発光として用い、伝送されたシンボルレート2RのOTDM信号と前記局発光とのコヒーレント検波により、シンボルレートRへの多重分離とコヒーレント信号復調とを同時に行ってもよい。

0013

あるいは、本発明に係る光伝送方法は、受信部において、伝送されたシンボルレート2RのOTDM信号を、そのクロックと同期した繰り返し周波数Δf/2の正弦波振幅変調し、CW局発光とのコヒーレント検波により、シンボルレートRへの多重分離とコヒーレント信号の復調とを同時に行ってもよい。

0014

本発明に係る光伝送方法は、送信部において、ビート信号を変調するデータ信号を、フィルタ帯域を定めるパラメータであるロールオフ率がα(但し0≦α≦1)のナイキストフィルタによって、帯域を(1+α)Rに制限してもよい。これにより、受信部でのコヒーレント検波に用いる光検出器の帯域を、(3+α)Δf/2に狭窄化することが出来る。また、α=0のときは帯域をさらにΔf/2まで狭窄化することも可能である。

0015

本発明に係る光伝送方法で、局発光の位相は、光PLL回路注入同期、あるいはイントラダイン検波などの方法により、伝送されたデータ信号の位相と同期していることが好ましい。また、局発光パルスのクロックは、クロック抽出回路により、伝送されたデータ信号のクロックと同期していることが好ましい。

0016

本発明に係る光伝送装置は、位相が同期し、周波数がΔf離れた2本の光線スペクトルから成るビート信号を発生する2トーン発生回路と、局発光の位相を、伝送されたOTDM信号と同期させるための光位相同期回路と、前記ビート信号を、伝送された前記OTDM信号のクロックと同期させるためのクロック抽出回路とを備え、受信部において、前記ビート信号のピークと中心が一致したOTDMチャネルを分離するよう構成されていることを特徴とする。

発明の効果

0017

本発明によれば、パルス光源もしくはパルス発生装置を必要としない簡便な構成、且つ最小限の周波数帯域で、高速な光信号を生成することが可能となる。また、繰り返し周波数Δfの半分程度の帯域のコヒーレントレシーバであっても、高速信号を受信側で高いS/N比で多重分離することが可能となる。その結果、従来よりも低いコストで高性能な高速光通信を実現できる。また、高速伝送における周波数利用効率を向上することができる。

図面の簡単な説明

0018

本発明の実施の形態の光伝送装置を示すブロック構成図である。
図1に示す光伝送装置の、2トーン発生回路のブロック構成図である。
図1に示す光伝送装置の、(a)CW光源出力および(b)MZ変調器出力のスペクトル(上図)および時間波形下図)の模式図である。
図1に示す光伝送装置の、コヒーレント受信回路のブロック構成図である。
図1に示す光伝送装置の、コヒーレント受信回路の変形例のブロック構成図である。
図1に示す光伝送装置の、ロールオフ率α=0の場合におけるOTDM信号の多重分離・復調の原理を示す説明図である。
図1に示す光伝送装置の、ロールオフ率α≠0の場合におけるOTDM信号の多重分離・復調の原理を示す説明図である。
本発明に係る光伝送方法の原理を示す、40GHz間隔の光線スペクトルが(a)5本、(b)4本、(c)3本、(d)2本のときに生成されるスペクトル(左図)およびその時間(強度)波形(右図)のグラフである。
本発明の実施の形態の光伝送方法によるシミュレーション解析結果を示す、40GHz間隔の光線スペクトルから成る正弦波のビート信号を、40Gbaud、64QAM信号で変調して生成されたOTDM信号の、(a)ロールオフ率α=0、(b)α=0.5、(c)α=1のときの、アイパターン(上図)およびスペクトル(下図)である。
本発明の実施の形態の光伝送方法によるシミュレーション解析結果を示す、(a)図9(a)のOTDM信号、(b)図9(b)のOTDM信号、(c)図9(c)のOTDM信号を多重分離した後のアイパターン(左図)、スペクトル(中央図)、コンスタレーションマップ(右図)である。
本発明の実施の形態の光伝送方法によるシミュレーション解析結果を示す、図9(a)のOTDM信号を、図10(a)よりも狭い受信帯域で多重分離した後の(a)アイパターン、(b)スペクトル、(c)コンスタレーションマップである。

実施例

0019

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の実施の形態の光伝送方法および光伝送装置の一例を、図1に示す。図1に示すように、2トーン発生回路1は、クロック信号源2で与えられる周波数Δfだけ離れ、位相が同期した2本の光線スペクトル、即ち繰り返し周波数Δfの正弦波ビート信号を発生させる。

0020

2トーン発生回路1の構成の一例を、図2に示す。図2に示すように、CW光源1aから出力されるCW光(キャリア周波数f0)に対し、マッハツェンダ(MZ:Mach-Zehnder)型振幅変調器1cのバイアス点をゼロに設定しておき、クロック信号源2から出力されるクロック信号の周波数Δfを1/2に分周した信号で振幅変調する。このとき、MZ変調器1cを、ゼロバイアス点の周りに2Vπ(Vπ:変調器の片側のアームでπの位相シフトを与えるのに必要な駆動電圧)程度の振幅で駆動すると、±1次のサイドバンド2本のみが残留し、中心キャリヤおよび他の高調波成分抑圧された2トーン信号を生成できる。その結果、f0の周りに周波数がΔf離れた2本の光線スペクトルが生成される。

0021

MZ変調器1cの前後の周波数スペクトルと波形とを、図3に示す。MZ変調器1cの出力では、図3(b)に示すように、2本の光線スペクトルのビート信号u(t)=cos(Δft/2)が得られる。その強度は|u(t)|2=cos2(Δft/2)=(1/2)[1+cos(Δft)]で与えられ、強度波形は、周期T0=1/Δfの正弦波となっている。

0022

図1に示すように、こうして得られたビート信号を、50:50カプラ5で2分岐し、データ変調器6、7を用いてそれぞれをシンボルレートR=Δfのデータ信号で変調する。データ信号は、信号発生装置3、4において、予めナイキストフィルタ(ロールオフ率α)で整形し、帯域を狭窄化しておく。その後、光遅延器8で片側にΔτ=T0/2の遅延を与え、50:50カプラ9で両者を合波し、時間多重する。その結果、シンボルレートが2RのOTDM信号が得られる。このとき、それぞれのパルスのゼロ点に他方のパルスが多重化されているため、両者は符号間干渉を生じることなく、時間多重することができる。この点が本発明の重要な特徴である。また、必要に応じて偏波多重方式に拡張することも可能である。なお、本方式で実現可能なOTDMの多重度は、2倍に限定される。生成されたOTDM信号の帯域は、(2+α)Δfであり、α=0のときは帯域が2Δfまで狭窄化され、周波数利用効率を拡大できる。この点も本発明の重要な特徴である。通常のナイキストパルスを用いて2倍のOTDMを行うと、帯域は(3+α)Δf程度である。

0023

図1に示すように、この信号を光伝送路10で伝送させた後、受信側では、2トーン発生回路11、クロック抽出回路12、コヒーレント受信器13で構成される受信回路で、時間多重分離とコヒーレント検波とを同時に行う。受信回路の構成の一例を、図4に示す。図4に示すように、局発光源として、CW光源14を用いる。局発光源とデータ信号とを位相同期させる方法としては、例えば、伝送後のデータ信号からパイロットトーン信号や残留キャリヤ成分を抽出し、光PLL(Phase-Locked Loop)回路により基準信号との誤差を検出し、これを光周波数制御信号として局発光源にフィードバックする方法などを用いることが出来る。あるいは、注入同期(Injection locking)や、局発光源をフリーランニングで動作させ、コヒーレント検波後、ディジタル信号処理によって位相誤差補正しても良い。

0024

図4に示すように、OTDMデータ信号からクロック抽出回路12を用いてクロック信号を抽出し、分周器15、位相シフタ16およびMZ変調器17を用いて、図2の2トーン発生回路1と同じ原理で、局発光源から周波数Δfの2トーンのビート信号を発生させる。クロック抽出回路12としては、例えば、EA(Electro-Absorption)変調器を位相比較器として用いる電気−光PLL(Phase-Locked Loop)回路、あるいはOTDM信号を光検出器で受光し、周波数Δfの成分をフィルタで抽出する方法、などを用いることが出来る。データ信号と局発光とのタイミングは、位相シフタ16によって合わせることが出来る。

0025

こうして発生させた局発光とOTDMデータ信号とを90度ハイブリッド回路18に入力し、ホモダイン検波を行う。バランス型光検出器19および20から出力される信号を、それぞれフィルタ21および22に通すことで、局発光のビート信号のピークがその中心と一致したOTDMチャネルを多重分離するとともに、そのI,Q成分を復調することが同時に出来る。また、90度ハイブリッド回路18中に偏波ビームスプリッタを用いた偏波ダイバーシティ構成に拡張することも出来る。その場合は、偏波多重分離も同時に行うことが出来る。

0026

一方、OTDMデータ信号および局発光の一部を分岐し、局発光のタイミングを光遅延器23によってT0/2だけシフトさせ、それらを90度ハイブリッド回路24でホモダイン検波させ、バランス型光検出器25および26から出力される信号を、それぞれフィルタ27および28に通すことで、もう一方のOTDMチャネルを多重分離することが出来る。なお、コヒーレント受信回路として、ホモダイン方式の代わりにヘテロダイン方式を用いることも可能である。

0027

受信回路の構成の他の一例を、図5に示す。図5に示す構成では、OTDMデータ信号から抽出したクロック信号により、OTDM信号自身をMZ変調器17で変調する。ここで、MZ変調器17のバイアスはゼロ点に設定しておき、クロック抽出回路12で抽出したクロック信号の周波数を分周器15でΔf/2に分周し、クロック信号のピークと所望のOTDMチャネルの中心とが一致するよう、適切な位相シフトを位相シフタ16で与える。一方、局発光は、CW光のままでコヒーレント検波を行う。バランス型光検出器19および20から出力される信号を、それぞれフィルタ21および22に通すことで、局発光のビート信号と同期したタイミングのOTDMチャネルを多重分離するとともに、そのI,Q成分を復調することが同時に出来る。また、90度ハイブリッド回路として、偏波ダイバーシティ構成のものを使用することにより、偏波多重分離も同時に行うことが出来る。

0028

なお、OTDM信号を予め2分岐しておき、片側をMZ変調器17、もう片側をこれと異なるタイミングで、MZ変調器30で変調することにより、もう一方のOTDMチャネルを多重分離することが出来る。具体的には、MZ変調器30を駆動するクロック信号の位相を、位相シフタ29によりπ/2シフトさせることにより、クロック信号のピークをもう一方のOTDMチャネルの中心に一致させることが可能となる。

0029

次に、図4の構成で多重分離が実現できる原理について説明する。図3(b)に示すビート信号のスペクトルは、式(1)で表される(以下では周波数f0,Δfの代わりに角周波数ω0,Δωを用いる)。式(1)は、式(2)で表すことが出来る。式(2)は、この信号がcos(Δωt/2)を包絡線にもつ搬送波(キャリア周波数ω0)であることを示している。

0030

0031

u1(t)は、式(3)および式(4)に示す、cos成分Iチャネル)u1,I(t)とsin成分Qチャネル)u1,Q(t)とに分けることが出来る。

0032

同様に、cos(Δωt/2)をt=T0/2だけインタリーブした信号cos[(Δω/2)(t−T0/2)]=sin(Δωt/2)を包絡線にもつ搬送波のcos成分u2,I(t)とsin成分u2,Q(t)は、式(5)および式(6)で書くことができる。

0033

即ち、式(3)および式(4)に示すように、u1,I(t),u1,Q(t)はcos(Δωt/2)をQAM変調したときのI,Q成分、式(5)および式(6)に示すように、u2,I(t),u2,Q(t)はsin(Δωt/2)をQAM変調したときのI,Q成分である。

0034

これらをQAM変調し、半周期ずらして2倍に多重化したときの信号は、以下の式(7)で表される。



ここで、A1,I、A1,QはOTDMチャネル1のデータ信号のI,Q成分、A2,I、A2,QはOTDMチャネル2のデータ信号のI,Q成分をそれぞれ表す。

0035

図4において、局発光には、信号光と同じく2トーン信号ν1(t)=cos(Δωt/2)exp(jω0t)を用いる。OTDM信号u(t)と局発光ν1(t)とのミキシングをとると、cos(Δωt/2)とcos[(Δω/2)(t−T0/2)]=sin(Δωt/2)の直交性により、式(7)の第2項はゼロとなる。即ち、



となる。その結果、コヒーレント受信回路の出力では、a1のI成分とQ成分、即ちA1,I、A1,Qが得られる。

0036

一方、別の局発光として、ν2(t)=cos[(Δω/2)(t−T0/2)]exp(jω0t)=sin(Δωt/2)exp(jω0t)を用意し、OTDM信号u(t)と局発光ν2(t)とのミキシングをとると、式(7)の第1項はゼロとなる。即ち、



となる。その結果、コヒーレント受信回路の出力では、A2,I、A2,Qが得られる。

0037

以上の結果から、図4の構成により多重分離と復調とを同時に実現することができる。具体的には、90度光ハイブリッド回路18に信号光u(t)と局発光cos(Δωt/2)cos(ω0t)とを入射することで、ホモダイン検波回路の出力21、22から、1番目のOTDMチャネルのI成分A1,IおよびQ成分A1,Qがそれぞれ得られる。一方、90度光ハイブリッド回路24に信号光u(t)と局発光sin(Δωt/2)cos(ω0t)を入射することで、ホモダイン検波回路の出力27、28から、2番目のOTDMチャネルのI成分A2,IおよびQ成分A2,Qがそれぞれ得られる。

0038

次に、図5においては、OTDM信号に予めcos(Δωt/2)もしくはsin(Δωt/2)の変調を与えておき、一方で局発光はCW光のままでコヒーレント検波を行う。cos(Δωt/2)の変調を与えたOTDM信号は、(10)式で表される。

0039

このため、コヒーレント受信回路の出力21,22では、それぞれ(11)式および(12)式が得られる。

0040

一方、sin(Δωt/2)の変調を与えたOTDM信号は、(13)式で表されるので、同様にコヒーレント受信回路の出力27,28では、それぞれ(14)式および(15)式が得られる。

0041

以上の結果から、図5の構成でも多重分離と復調とを同時に実現できることがわかる。具体的には、信号光u(t)に振幅変調cos(Δωt/2)を与えた信号u(t)cos(Δωt/2)と、局発光cos(ω0t)とを90度光ハイブリッド回路18に入射することで、ホモダイン検波回路の出力21、22から、1番目のOTDMチャネルのI成分A1,IおよびQ成分A1,Qがそれぞれ得られる。一方、信号光u(t)に振幅変調sin(Δωt/2)を与えた信号u(t)sin(Δωt/2)と、局発光cos(ω0t)とを90度光ハイブリッド回路24に入射することで、ホモダイン検波回路の出力27、28から、2番目のOTDMチャネルのI成分A2,IおよびQ成分A2,Qがそれぞれ得られる。

0042

次に、図4および図5受信器構成において、コヒーレント受信回路に必要な帯域について述べる。例として、図4で示したOTDM信号の多重分離において、LOパルスとして、cos(Δωt/2)=cos(πΔft)を用いる場合を考える。データ信号には、信号発生装置3、4においてα=0のナイキストフィルタを与えているとする。図6は、OTDM信号とLOパルスcos(πΔft)とのホモダイン検波を行っている様子を示している。OTDM信号のスペクトルは、図6の上部に示すように、帯域が2Δfの矩形的な形状を有する。LOパルスcos(πΔft)のスペクトルは、2本の光線スペクトルexp(+jπΔft)およびexp(−jπΔft)の和に等しいため、このホモダイン検波は、OTDM信号と、CW−LO光exp(+jπΔft)およびexp(−jπΔft)とのヘテロダイン検波IF周波数:Δf/2および−Δf/2)を行い、それらの和を取ることと等しい。IF周波数にダウンコンバートされた信号は、負の周波数が折り返され、図6の右下に示すように、0≦f≦Δf/2およびΔf/2≦f≦3Δf/2の2つの部分で構成されるスペクトルとなっており、その最大周波数は3Δf/2である。そのため、コヒーレント受信回路は、3Δf/2の帯域を必要とする。

0043

一方、信号発生装置3、4において、データ信号にα≠0のナイキストフィルタを与えている場合のOTDM多重分離を、図7に示す。IF周波数にダウンコンバートされた信号は、0≦f≦3Δf/2+αΔf/2のスペクトル成分を有する。その結果、コヒーレント受信回路は(3+α)Δf/2(但し0≦α≦1)の帯域を必要とする。

0044

なお、図6に示したα=0の場合において、最終的に得られるIFスペクトルを見ると、IF信号は0≦f≦Δf/2の範囲内に必要十分なベースバンド成分が完全に含まれていることから、帯域をΔf/2に設定しても、正確な復調が可能である。従って、コヒーレント受信回路に必要な帯域は、3Δf/2からΔf/2に狭窄化することが可能である。このように狭い帯域でも超高速信号の多重分離・復調が可能な点が、本手法の優れた特徴である。これは、高速信号であっても低速な光・電気部品で受信できることから、装置の低コスト化につながるとともに、帯域外にある余分な雑音成分を除去できることから、受信信号のS/N比も向上することが出来る。但し、α≠0の場合においては、図7に示すように、ホモダイン検波時のスペクトルの折り返しに伴いエイリアシングが生じるため、コヒーレント受信回路の帯域を(3+α)Δf/2より狭くすることは困難である。

0045

本発明に係る光伝送方法の原理は、光ナイキストパルス伝送(例えば、特許文献2、非特許文献3参照)と密接に関係している。ナイキストパルスは、矩形且つ有限帯域幅のスペクトルを有することから、その周期的なパルス列は、有限の本数の光線スペクトルの集合で与えられるスペクトルを有する。一例として、40GHz間隔の光線スペクトル5本、4本、3本、および2本で与えられるスペクトルと、それらに対応する時間波形を、図8(a)〜(d)にそれぞれ示す。

0046

図8(a)および(b)においては、Sincパルスが25psごとに並んでおり、その間にはゼロ点が3つ存在する。そのため、これらのゼロ点にSincパルスをビットインタリーブさせることにより、4倍のTDM多重化が可能である。これらは、先行技術として知られている光ナイキストパルス伝送である。なお、図8(a)よりも図8(b)のほうが少ないスペクトルの本数、即ち狭い帯域で同じ多重度、即ち同じ伝送速度を実現できることがわかる。

0047

さらに、図8(c)のようにスペクトルが3本に減ると、1周期の中にゼロ点は1つとなる。この場合は、2倍のTDM多重化が可能である。さらに、図8(d)のようにスペクトルが2本まで減った状態が本発明に係る光伝送方法であり、この場合でも2倍のTDM多重化が可能である。このように、ナイキストパルスの最小構成は、2本の光線スペクトルで生成される正弦波の光ビート信号帰着される。その結果、本発明に係る光伝送方法は、ナイキストパルス伝送を、最も狭い帯域を実現可能な究極的なナイキストパルス(Extreme Nyquist pulse)とみなすことが出来る。

0048

本発明によるOTDM信号の生成および多重分離を、計算機シミュレーションにより解析した結果を以下に示す。Δf=40GHzに設定し、正弦波のビート信号cos(πΔft)を40Gbaud、64QAM信号でデータ変調し、80Gbaudに多重化する。図9(a)、(b)、(c)の上図に、波形(アイパターン)、下図にスペクトルを示す。ベースバンド信号シンボル長が2048で、図9(a)、(b)、(c)は、それぞれロールオフ率α=0,0.5,1のナイキストフィルタに対応している。なお、40dBのOSNRを想定したASE雑音重畳している。シンボル点である12.5psごとにアイが開いており、αの増大に伴いアイ開口が広がっていることがわかる。また、TDM信号のスペクトルは、その帯域が80GHz(α=0)、100GHz(α=0.5)、120GHz(α=1)となっており、スペクトルは(2+α)Δfの帯域に収まっている。

0049

図9(a)の80Gbaud、64QAM信号(α=0)を、Back-to-backにおいて、図4の構成で40Gbaudに多重分離した後のアイパターン、IFスペクトル、ならびにコンスタレーションを、図10(a)に示す。図10(a)左図のアイパターンを見ると、図9(a)では±12.5psの位置にあったチャネルが除去され、t=0の位置に中心を持つチャネルが正確に多重分離できていることがわかる。図10(a)中央図のIFスペクトルにおいて、その最大周波数は(3/2)Δf=60GHzであることがわかる。そこで、復調帯域は(3/2)Δf=60GHzの帯域に設定している。図10(a)右図のコンスタレーションにおいて、EVM(Error Vector Magnitude:コンスタレーションが理想的な信号点の周りにどの程度分布しているかを表す指標)は、2.03%である。

0050

同様に、図9(b)、(c)に示す80Gbaud、64QAM信号(α=0.5,1)を40Gbaudに多重分離した後のアイパターン、IFスペクトル、ならびにコンスタレーションを図10(b)、(c)にそれぞれ示す。IFスペクトルを見ると、各αに対してその最大周波数は(3+α)Δf/2=70,80GHzであることがわかる。復調帯域はこれらの値に設定している。これらの条件において、1.55〜1.67%程度のEVMで、信号が正確に多重分離・復調できていることがわかる。

0051

次に、図9(a)の80Gbaud,64QAM信号(α=0)の多重分離・復調において、フィルタにより復調帯域を(3/2)Δf=60GHzからΔf/2=20GHzに狭窄化したときの結果を、図11に示す。図11(a)、(b)、(c)はそれぞれ、40Gbaudに多重分離した後のアイパターン、IFスペクトル、ならびにコンスタレーションである。図11(a)の多重分離後のアイパターンには、図10(a)左図と比較して、±12.5psの位置にあったゼロ点が見られないことがわかる。これは、復調帯域の狭窄化によって波形が平滑化されているためである。また、結果的に、シンボル点におけるアイ開口も改善されている。このとき、EVMは2.07%であり、図10(a)右図の結果と概ね一致している。この値は、符号誤り率換算すると、10−4を下回る大きさである。また、このEVMは、帯域を3倍とした復調のEVM値2.03%(図10(a)右図)と比較して遜色がないため、1/3の狭帯域化は極めて有効な手法といえる。このように、狭い復調帯域でも良好な多重分離・復調特性が得られていることがわかる。本解析では、OTDM信号のOSNRを40dBと仮定しているが、OSNRをさらに拡大すれば、誤り率をさらに低減することが可能である。

0052

以上詳細に説明したように、本発明に係る光伝送方法および光伝送装置により、パルス発生装置を必要としない簡便な構成で、且つ最小限の周波数帯域で、高速な光信号を生成し、受信側で高いS/N比で多重分離することが可能となる。その結果、高速光伝送の高性能化と低コスト化、および周波数利用効率の向上に大きく貢献することが出来る。

0053

1 2トーン発生回路
1aCW光源
1b 1/2分周器
1cMZ変調器(マッハツェンダ型振幅変調器)
2クロック信号源
3,4信号発生装置
5 50:50カプラ
6,7データ変調器
8光遅延器
9 50:50カプラ
10光伝送路
11 2トーン発生回路
12クロック抽出回路
13コヒーレント受信器
14 CW光源
15 1/2分周器
16位相シフタ
17 MZ変調器
18 90度光ハイブリッド回路
19,20バランス型光検出器
21,22フィルタ
23 光遅延器
24 90度光ハイブリッド回路
25,26 バランス型光検出器
27,28 フィルタ
29 位相シフタ
30 MZ変調器

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