JP6426677B2 - 光伝送システム及び光伝送方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplex：波長分割多重通信）デジタルコヒーレント光伝送システムにおける信号品質劣化を補償する機能を有する光伝送システム及び光伝送方法に関する。

近年、コヒーレント伝送方式にデジタル信号処理技術を適用したデジタルコヒーレントファイバ伝送システムの研究開発が進み、一部導入が始まっている。デジタルコヒーレント伝送においては、受信端において、波長分散をデジタル信号処理によって一括して補償できるため、従来の光伝送システムの中継装置毎に設置されていた分散補償ファイバが必須でなくなった（例えば特許文献１参照）。

またデジタルコヒーレント伝送においても、自己位相変調（Self Phase Modulation：ＳＰＭ）および相互位相変調（Cross Phase Modulation：ＸＰＭ）等のファイバ非線形光学効果が伝送品質に及ぼす影響についても検討が進められている。これらは対象チャネルおよび他チャネルの光強度に応じて位相が変調される現象であり、波長分散のように光信号の強度波形を変化させ波形歪を引き起こす要素と共存する場合には、複雑な複合的効果をもたらす。これらをすべて効率よく補償するためには、非線形効果と線形効果を同時に補償する必要がある。これを近似的に行うために、デジタルコヒーレント伝送における受信端デジタル信号処理により、波長分散を少し補償したのち、非線形効果を少し補償する、という構成を複数回繰り返す補償方式が提案されている。例えば特許文献２ではＳＰＭ補償が可能であることが分かっている。

このような回路では、性能の観点からは光増幅中継スパン数と同等程度以上の繰り返し数とすることが望ましいことが報告されている。しかしながら、上記波形歪補償と位相回転補償を複数回受信機で行うことは受信回路規模が大きくなるという課題を生じる。デジタル信号処理による分散補償は、フーリエ変換により信号を周波数領域に変換し、分散補償用の伝達関数を乗算した後、逆フーリエ変換により時間領域に戻すという手順が必要となる。Ｍ（Ｍは自然数）スパンの伝送路の分散補償と非線形補償を行うためには、２Ｍ個以上のリアルタイム高速フーリエ変換・逆変換（ＦＦＴ／ＩＦＦＴ）回路が必要になるため、回路が非現実的な規模になるという課題が生じる。中継装置で分散補償を行わないシステムにおける非線形光学効果を補償する方法の模式図を図５８に示す。図５８に示すように、Ｍスパンの伝送路の場合、Ｍステップの線形等化と非線形等化処理を行う必要がある。これは、Ｍ回のリアルタイム高速フーリエ変換・逆変換（ＦＦＴ／ＩＦＦＴ）を行うことに相当する。また、非特許文献１では、非線形効果の発生を抑えるためには、中継装で分散補償を行わないシステムの方が有利であるという報告がある。

ＸＰＭを受信端でデジタル信号処理により補償する方法も検討されているが、受信信号と無相関な隣接チャネルからの影響によるものであるため、測定対象チャネルのみを受信するだけではデジタル信号処理により完全に補償するのは困難である。隣接チャネルも同時に受信しデジタル信号処理により補償する方法が検討されているが、波形歪補償と位相回転補償の計算量がＳＰＭのみを補償する場合に比べて増加するという報告があり、やはり受信回路規模を現実的な規模に収めることが困難である（例えば非特許文献２参照）。
一方、スパン毎の光学的分散補償とチャネル間の時間差付与により、ＸＰＭ発生を抑圧する方法が提案されている（例えば特許文献３参照）。

特許第４８７２００３号公報 特許第４７５９６２５号公報 特許第４８７９１５５号公報

Journal of Lightwave Technology vol.26, no.20, 2008, pp.3416-3425, E.Ip et al., "Compensation of dispersion and nonlinear impairments usingdigital backpropagation" Optics Express vol.19, no.2, 2011, pp.570-583, E.Mateo et al., "Improved digital backward propagation for the compensation of inter-channelnonlinear effects in polarization-multiplexed WDM systems"

上記のようにデジタル信号処理のみで、波長分散と全ての非線形光学効果補償をすると装置規模が大きくなるという問題が生じる。また、ＷＤＭ伝送で、ＸＰＭがある場合には、ＳＰＭによる位相回転と隣接チャネルからのＸＰＭによる位相回転の寄与を切り分けることが困難であり、ＸＰＭを受信信号のデジタル信号処理のみで完全に補償するのは困難であるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、光学的補償とデジタル信号処理を併用することにより、送受信装置規模を過大に大きくすることなく、光伝送における信号品質劣化を補償することができる光伝送システム及び光伝送方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、光伝送信号のスパン毎の損失を補償する光増幅器と、スパン毎の分散を補償する分散補償機能部とを備える複数の光ノードと、複数の光送信機と、複数の光受信機とを備えるデジタルコヒーレント光伝送システムであって、前記光送信機は、信号の位相成分を制御できるベクトル変調器を用いることによって、伝送路における非線形光学効果をキャンセルするように、複数波長チャネルを変調することによって、伝送路における非線形光学効果を補償するデジタルコヒーレント光伝送システムである。また、本発明の一態様は、光伝送信号のスパン毎の損失を補償する光増幅器と、スパン毎の分散を補償する分散補償機能部とを備える複数の光ノードと、複数の光送信機と、複数の光受信機とを備えるデジタルコヒーレント光伝送システムであって、前記光受信機は、複数の光受信機同士で時刻同期して複数波長チャネルの信号に生じるスキューを無くすように調整し、調整後の信号に対して１スパン分の位相回転をＭ（Ｍは自然数）倍した位相回転を１回行うことによってＭスパン分の非線形光学効果を補償する光伝送システムである。

本発明の一態様は、前記デジタルコヒーレント光伝送システムであって、前記光ノードは、波長チャネル間の時間差を付与する機能部、偏波間の時間差を付与する機能部、波長チャネル間と偏波間の両方に時間差を付与する機能部のうち、少なくとも１つを備える。

本発明の一態様は、前記デジタルコヒーレント光伝送システムであって、スキューを調整するスキュー調整部と、位相を回転する位相回転部とをさらに備え、前記非線形光学効果の補償は、スキュー調整と位相回転によって行う。

本発明の一態様は、前記デジタルコヒーレント光伝送システムであって、前記位相回転部の前後に波長分散を調整する波長分散調整部をさらに備える。

本発明の一態様は、光伝送信号のスパン毎の損失を補償する光増幅器と、スパン毎の分散を補償する分散補償機能部とを備える複数の光ノードと、複数の光送信機と、複数の光受信機とを備えるデジタルコヒーレント光伝送システムが行う光伝送方法であって、前記光送信機が、信号の位相成分を制御できるベクトル変調器を用いることによって、伝送路における非線形光学効果をキャンセルするように、複数波長チャネルを変調することによって、伝送路における非線形光学効果を補償する光伝送方法である。また、本発明の一態様は、光伝送信号のスパン毎の損失を補償する光増幅器と、スパン毎の分散を補償する分散補償機能部とを備える複数の光ノードと、複数の光送信機と、複数の光受信機とを備えるデジタルコヒーレント光伝送システムが行う光伝送方法であって、前記光受信機が、複数の光受信機同士で時刻同期して複数波長チャネルの信号に生じるスキューを無くすように調整し、調整後の信号に対して１スパン分の位相回転をＭ（Ｍは自然数）倍した位相回転を１回行うことによってＭスパン分の非線形光学効果を補償する光伝送方法である。

本発明によれば、デジタル信号処理のみによる非線形光学効果補償の場合よりも、光学的補償を併用することにより、単純な構成によるＳＰＭおよびＸＰＭ補償で信号品質を改善することが可能となり、かつ装置規模も小さくすることができるという効果が得られる。

本発明の第１実施形態による光伝送システムの構成を示すブロック図である。 図１に示す光伝送システムの動作を示す説明図である。 図１に示す光受信機６１の構成を示すブロック図である。 図３に示す非線形等化部６１４の構成を示す図である。 図３に示す非線形等化部６１４の変形例を示す図である。 非線形等化部の変形構成の意図を示す説明図である。 非線形等化部の変形構成の意図を示す説明図である。 実験系の構成を示す図である。 非線形効果補償の計算手順を示す図である。 図８に示す実験系によって得られた本実施形態の効果を示す実験結果を示す図である。 本発明の第２実施形態による光伝送システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態による光伝送システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態による光伝送システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第４実施形態による光伝送システムの構成を示すブロック図である。 図１４に示す光伝送システムの動作を示す説明図である。 本発明の第５実施形態による光伝送システムの構成を示すブロック図である。 図１６に示す光伝送システムの動作を示す説明図である。 本発明の第６実施形態による光伝送システムの構成を示すブロック図である。 図１７に示す光伝送システムの動作を示す説明図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 光ノード４の構成を示すブロック図である。 偏波間遅延付与機能部４３の構成を示す図である。 偏波間遅延付与機能部４３の構成を示す図である。 偏波間遅延付与機能部４３の構成を示す図である。 波長間遅延付与機能部４４の構成を示す図である。 波長間遅延付与機能部４４の構成を示す図である。 波長間遅延付与機能部４４の構成を示す図である。 偏波間遅延付与＋波長間遅延付与機能部４５の構成を示す図である。 偏波間遅延付与＋波長間遅延付与機能部４５の構成を示す図である。 偏波間遅延付与＋波長間遅延付与機能部４５の構成を示す図である。 偏波間遅延付与＋波長間遅延付与機能部４５の構成を示す図である。 偏波間遅延付与＋波長間遅延付与機能部４５の構成を示す図である。 偏波間遅延付与＋波長間遅延付与機能部４５の構成を示す図である。 中継装置で分散補償を行わないシステムにおける非線形光学効果を補償する方法を示す模式図である。

＜第１実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態による光伝送システムを説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、符号１１は、波長１を使用する光送信機である。符号１２は、波長２を使用する光送信機である。符号１３は、波長Ｎ（Ｎは自然数）を使用する光送信機である。符号２は、光送信機１１、１２、１３が出力する光信号を合波する合波部である。符号３は、光ファイバである。符号４は、光ファイバ３を介して伝送される光信号を中継するために光学分散補償機能を有する光ノードである。符号５は、光信号を分波する分波部である。

符号６１、６２、６３は、複数の波長チャネルを同時処理して非線形劣化を補償する非線形劣化補償機能を有する光受信機である。図１に示す光伝送システムは、複数の送受信機と複数の中継器（光ノード）からなるデジタルコヒーレントＷＤＭ伝送システムである。複数の送受信機は、デジタル信号処理により非線形光学効果（ＳＰＭおよびＸＰＭ）を補償する機能を有し、中継器（光ノード）においてはスパン毎に分散補償することで、信号歪を光学的に補償し、光パワーの強いファイバ入力端における波形がどのスパンにおいても一定にできる。従って、例えばＭスパン分の非線形光学補償を、１スパン分の位相回転をＭ倍した位相回転を１回行うことで実現できる。「同時処理」とは、複数の光送信機同士又は複数の光受信機同士の少なくともいずれか一方が、複数波長チャネル（自波長チャネルおよび他波長チャネルを含む）の光パワーを、同時に処理することである。

図２は、図１に示す光伝送システムの動作を示す説明図である。図２において、光強度と分散の変化のグラフ、及び伝送距離を経ることによる波形の進展を２波長を例に模式的に表している。スパン毎に分散補償されるため、ファイバ入力波形はスパン毎に一定となり、その結果光受信機において１回の位相回転で非線形補償を実現することができる。

次に、図３を参照して、図１に示す光受信機６１の構成を説明する。図３は、図１に示す光受信機６１の構成を示すブロック図である。光受信機６１、６２、６３の構成は、同じ構成であるため、ここでは、光受信機６１を例にして説明する。図３に示す構成は、１回の位相回転で非線形補償を実現する光受信機６１の構成である。光受信機６１は、光信号を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換部６１１、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部６１２、Ａ／Ｄ変換の標本化時刻を合わせるトリガ信号生成部６１３、非線形等化部６１４及び復調部６１５から構成される。受信ＷＤＭ光信号（波長１、波長２、・・・、波長Ｎを含む）は、Ｏ／Ｅ変換部６１１およびＡ／Ｄ変換部６１２を通過しそれぞれ電気デジタル信号に変換され、非線形等化部６１４において１回の位相回転が施され非線形効果が補償され、復調部６１５において信号データ識別が行われる。

次に、図４を参照して、図３に示す非線形等化部６１４の構成を説明する。図４は、図３に示す非線形等化部６１４の構成を示す図である。非線形等化部６１４は、スキュー調整部６１４１および位相回転部６１４２から構成される。スキュー調整部６１４１は、図３におけるＡ／Ｄ変換部６１２内部の変換遅延を補償するためのものである。図３に示すＡ／Ｄ変換部６１２では、各ＷＤＭ光信号に対しＡ／Ｄ変換を開始する時刻を合わせるため、共通のトリガ信号を基準にしている。一方でＡ／Ｄ変換部６１２内部で変換に要する時間は、使用するＡ／Ｄ変換器の製造個体差のため異なり、変換された各ＷＤＭデジタル信号間で時間差が生じる。例えば数百ピコ秒程度の時間差が生じることがある。スキュー調整部６１４１はこれらの時間差を解消するためのものである。

非線形効果のＸＰＭは、光ファイバ中の光信号のうち、時刻が揃った各波長の光信号パワーが互いに影響を与える。従って異なる時刻の光信号を受信すると、異なる時刻の光信号パワーを用いて計算することになり、ＸＰＭ補償効果が低減する可能性がある。ＸＰＭ補償効果を高めるためには時刻を揃える必要があり、スキュー調整部６１４１によってこれを施す。従来の方法（例えば参考文献：Photonics Journal vol.2, no.5, 2010, pp.816-832, "Nonlinear impairment compensation for polarization-division multiplexedWDM transmission using digital backward propagation"）では、１つの受信機で受信した信号の周波数成分をフィルタを用いて分割し、それぞれを別の波長チャネルとみなして処理を施していた。そのためスキュー調整は不要であった。

しかし、参考文献の例では、受信できる波長帯域は光受信機の帯域で制限され、５０ＧＨｚ間隔の波長分割多重伝送における１波長チャネル相当分の帯域しかなく、複数波長チャネルを扱うことができない。従って、複数波長チャネルを扱うためには、本実施形態のように、複数の光受信機を用いて時刻同期した処理を施す必要がある。「同期」とは、サンプリング周波数が同じであり、波長チャネル間のデータにスキュー（時間差）がある場合は、信号処理でスキューを無くすように、複数の光送信機同士又は複数の光受信機同士の少なくともいずれか一方が「時刻同期」することである。

なお、スキュー調整部６１４１の代わりに、図３におけるＡ／Ｄ変換の標本化時刻を合わせるトリガ信号を入力する時間を調整しても同様の効果がある。位相回転部６１４２は、複数波長の信号を処理し非線形効果を補償する。この処理は後述する。このように、各波長のデジタル信号は、スキュー調整部６１４１、位相回転部６１４２を通り、非線形効果が補償された信号となる。

次に、図５に図３に示す非線形等化部６１４の変形例を説明する。図５は、図３に示す非線形等化部６１４の変形例を示す図である。図５に示す構成では、スキュー調整部６１４１と位相回転部６１４２の後にそれぞれ波長分散調整部６１４３を追加している。本変形構成を用いる意図を図６、図７を参照して説明する。分散係数が比較的大きいファイバ（例えばシングルモードファイバ）の場合、波長分散により伝搬途中の波形歪が大きくなりビットの境界のピークパワーが、ファイバ入射端時のパワーより大きくなる場合がある。ＳＰＭおよびＸＰＭは、伝送信号のピークパワーに比例するので、ＳＰＭ・ＸＰＭ補償は、ファイバ入射端の波形情報を用いるのではなく、ピークパワーが最大となる伝搬途中の波形情報を用いるほうが、より補償効果が得られることになる。

図７は、図６に基づく非線形等化処理の動作フローを示す図である。まず、伝搬途中のピークパワーが最大となる波形になるように分散補償（波長分散調整）を行う（ステップＳ１）。そして、ピークパワー最大時の情報を利用して１回の位相回転を行う（ステップＳ２）。ただし、信号パワーは、ファイバ入射端のパワーではなくて、ステップＳ１で得られた波形のピークパワーを用いる。続いて、波長分散調整を行って、ステップＳ１の分散補償をキャンセルする（ステップＳ３）。

分散補償を行うため、デジタル信号処理の負荷が大きくなるが、システム全体が分散補償されているため、スパン数分の分散補償を行う必要はなく、位相回転の前後に１回ずつ分散補償をすればよいだけであるので、デジタル信号処理回路規模は、あまり大きくならない。以上のようにファイバの分散係数が大きい場合には、伝搬途中のピークパワーに基づくＳＰＭ・ＸＰＭ補償を行うことにより、より補償効果を向上させることが可能となる。調整する波長分散量の最適値は、システムの最小・最大積算分散量の間で、例えば局所探索法を用いて予め何度か測定を繰り返すことで見積もることができる。

第１実施形態の効果を確認する実験結果について説明する。図８は実験系の構成を示す図である。１８８．５ＴＨｚ、１８８．５５ＴＨｚのレーザ光源（Laser Diode：ＬＤ）を、それぞれ光変調器（I/Q Modulator：ＩＱ Ｍｏｄ．）を通すことで、５０ＧＨｚ間隔の２チャネル３２Ｇｂａｕｄ（１１ビット疑似ランダムパターン（ＰＮ１１））の偏波多重（Polarization division multiplexing：ＰＤＭ）ＱＰＳＫ信号で変調する。減衰器（Attenuator：Ａｔｔ．）を通した後、これらを５０／１００ＧＨｚのインターリーブフィルタ（ＩＬＦ）により合波する。エルビウム添加ファイバ増幅器（Erbium doped fiber amplifier：ＥＤＦＡ）で増幅し、音響光学変調器（Acoust-optic modulator：ＡＯＭ）をスイッチとして周回伝送系に挿入して伝送する。

信号光源および局発光（ＬＤ）は、線幅＜１００ｋＨｚ以下の外部共振器型のレーザである。偏波多重部（ＰＤＭ）では、カプラで信号を２分岐した後、一方のみ３２０シンボル分の遅延を加えて、偏波ビームカプラで合波することにより偏波多重信号が得られる。
伝送路は、分散シフトファイバ（Dispersion shifted fiber：ＤＳＦ）２０ｋｍと光ノード部から成る。実験に用いたＤＳＦの零分散波長は、１５７３ｎｍであった。光ノード部は、伝送路の損失を補償する光アンプとマルチチャネル可変光学分散補償器（Tunable optical dispersion compensator：ＴＯＤＣ）を集積化したＬｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ（ＬＣＯＳ）技術を用いた波長選択スイッチ（Wavelength selective switch：ＷＳＳ，Ｆｉｎｉｓａｒ社ＷａｖｅＳｈａｐｅｒ利用）からなる。

ＤＳＦでの波長分散は光ノード部で完全に補償される。またＷＳＳ部分で利得等化も行う。１６周回後の受信信号の光ＳＮ（Optical signal-to-noise ratio：ＯＳＮＲ）が１８ｄＢ一定になるように、ＡＳＥノイズ付加部を調整した。周波数１８８．５ＴＨｚ、１８８．５５ＴＨｚの各信号は、光フロントエンドで電気信号に変換され、サンプリングオシロスコープで同期受信し、オフラインで非線形効果補償を行った後、信号処理で復調される。本実験では、１シンボル時間の１０分の１程度の時間差以内で同期受信することで、後述の非線形補償効果がより明確に得られた。

図９は、非線形効果補償の計算手順を示す図である。波長１８８．５ＴＨｚ（Ｃｈ．１）、１８８．５５ＴＨｚ（Ｃｈ．２）の各信号に対し、偏波毎に遅延時間τ_１ｘ、τ_１ｙ、τ_２ｘ、τ_２ｙに相当するスキュー調整を行い、Ｄ１_ｃｈ１およびＤ１_ｃｈ２で表される波長分散量を調整する（Ｆはフーリエ変換、Ｆ^−１は逆フーリエ変換を表す）。次に、以下の（１）式で表される位相回転を、各偏波成分に対して複素指数関数で１回施す。
Δθ＝（α_ＳＰＭＰ_ｃｈ１＋α_ＸＰＭＰ_ｃｈ２）γ_ｍＬ_ｅｆｆＭ ・・・（１）
ただし、α_ＳＰＭ，α_ＸＰＭはそれぞれＳＰＭ補償係数、ＸＰＭ補償係数であり、Ｐ_ｃｈ１，Ｐ_ｃｈ２はＣｈ．１およびＣｈ．２の各偏波成分の絶対値２乗を計算することで得られるファイバ入力パワーであり、γ_ｍ，Ｌ_ｅｆｆ，Ｍはそれぞれ非線形係数、有効長、スパン数である。

その後Ｄ１^−１ _ｃｈ１を施すことで元の波長分散量に戻し、復調処理する。本実験の測定対象波長が１８８．５ＴＨｚ（Ｃｈ．１）であるため、この波長のみ復調しているが、もう一方の波長についても同様の処理で復調することができる。遅延時間τ_１ｘ、τ_１ｙ、τ_２ｘ、τ_２ｙの具体的な値は、複数の受信機間の処理時間の違いを既知の情報パターンの信号を受信するなどの手段で予め測定し、それを補償するように設定する。復調処理では、デジタルコヒーレントシステムで通常用いられる偏波分離、周波数オフセット補償、位相推定、硬判定処理を行い信号データが識別される。図９に示す例では２チャネルの例のみ示しているが、チャネル数が増加した場合は（１）式の第２項がチャネル数分に増やすことで計算できる。

図１０は、図８に示す実験系によって得られた本実施形態の効果を示す実験結果である。図１０（ａ）は、ファイバ入力パワーを変化させて、非線形効果による受信信号品質（Ｑ値）を示している。非線形効果を補償しない場合（凡例● Ｎｏ ｃｏｍｐ．）と、ＳＰＭ補償する場合（凡例□ ＳＰＭ ｃｏｍｐ．）、ＸＰＭ補償する場合（凡例◇ ＸＰＭ ｃｏｍｐ．）、ＳＰＭ及びＸＰＭの両方を補償する場合（凡例△ ＳＰＭ＋ＸＰＭ）を併せて示している。ファイバ入力パワーが高くなると受信信号品質が低くなり、非線形効果を補償するほど受信信号品質が高くなる様子が分かる。図１０（ｂ）は、非線形効果補償によって得られた同図（ａ）における受信信号品質の改善量を示している。ファイバ入力パワーが１ｄＢｍ／ｃｈの場合、ＳＰＭとＸＰＭの両方を補償した場合、受信信号品質はＱ値で約２．４ｄＢ程度改善している。また図１０（ｂ）には受信信号の位相配置コンスタレーションも併せて示しており、非線形効果の補償により位相分布が収束しており、受信信号品質が改善している様子が分かる。

よって、本実施形態の光学的分散補償と、デジタル信号処理によるＳＰＭおよびＸＰＭ補償を組み合わせることで、非線形光学効果を補償できることが分かる。更に、ＳＰＭおよびＸＰＭの補償は、単純な位相回転を１回施すのみで良いので、受信端での信号処理が軽減されて、受信回路規模を抑えることができることになる。例えば非特許文献１から換算すると従来の手法における計算回数はおよそ１６０回であるのに対し、本実施形態ではそれを１回に低減できる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態による光伝送システムを説明する。図１１は、本発明の第２実施形態の構成を示す図である。図１に示す第１実施形態の場合は、ポイントートゥーポイントの伝送システムであったが、図１１は、光ノードが多方路を有する、光クロスコネクト（Optical Cross Connect：ＯＸＣ）やマルチディグリーＲＯＡＤＭ（reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexing）システムに相当する。図１１において、図１に示す構成（第１実施形態）と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図１１において、符号１１〜１４は、光送信機である。符号２は、合波部である。符号３は、光ファイバである。符号４は、光ノードである。符号５は、分波部である。符号６１〜６５は、光受信機である。

第１実施形態と同じく、各光ノードにおいてスパン毎の光学的分散補償と、受信機においてデジタル信号処理によるＳＰＭおよびＸＰＭ補償を１回施す。波長１と波長２は、光送信機１１、１２から光受信機６１、６２まで同一の経路を通るため、デジタル信号処理でＳＰＭ、ＸＰＭを１回で補償することができる。複数の方路から信号が入力される光ノードにおいては、経路に応じて、分散補償量を変える必要がある。このため、光ノード４は、スパン毎に分散補償を行うために、波長チャネルによって経路が異なる場合には伝送経路に応じた分散補償を行う。本実施形態においては、光伝送システムの途中の経路で波長チャネル数が増減した場合、ＸＰＭ補償効果が低減することがある。

例えば図１２を参照して説明すると、送信機から受信機にかけて同一の経路を通る元々の波長１・波長２と、途中で合流する波長３とは、通過ノード数すなわちスパン数が異なる。このとき、（１）式のように波長１・波長２のスパン数から位相回転量を計算すると、波長３に対してのスパン数とは異なるため、波長３から受けるＸＰＭの補償効果が低減する。一方で、複数波長を１つのチャネルとみなし伝送容量拡大を図るスーパーチャネル伝送方式では、１つのチャネルを構成する複数波長は、送信機から受信機にかけて必ず同一の経路を通過するため、この光伝送システムにおいてもＸＰＭ補償効果がある。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態による光伝送システムを説明する。図１３は、第３実施形態による光伝送システムの構成を示す図である。図１３において、図１に示す構成（第１実施形態）と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。第１実施形態では受信端でＳＰＭおよびＸＰＭ補償を行なっていたものを、第３実施形態では、光送信機１１〜１３で予等化する点が異なる。信号の位相成分を制御できるベクトル変調器を用いれば、伝送途中でうけるＳＰＭ・ＸＰＭによる非線形効果をキャンセルするように、変調することが可能である。受信信号を用いてデジタル信号処理にてＳＰＭ・ＸＰＭ補償する場合には、受信信号にはＡＳＥノイズが含まれているため、ＳＰＭ・ＸＰＭ以外の影響を受けていることになる。一方送信機で予等化する場合には、無歪、無雑音の信号を処理するため、よりＳＰＭ・ＸＰＭ補償の効果が期待できる。本実施形態は、伝送路で生じる波長分散や非線形効果の影響が既知である場合、もしくは未知であっても受信端で計測した非線形効果を送信端にフィードバックできる場合に適している。

さらに、デジタル信号処理によるＳＰＭ・ＸＰＭ補償を、送信・受信における位相回転量の和が（１）式を満足すれば、送信機における予等化と、受信機における処理に分けて両方で行うことでも構わない。このとき、時刻同期は複数の送信機間、もしくは複数の受信機間で必要であり、送信機と受信機の間の同期は必要でない。

なお、ここでは、受信端で計測した影響を送信端にフィードバックする構成自体の説明は省略したが、同一経路の逆方向の通信路その他の通信路を用いてフィードバックすればよい。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態による光伝送システムを説明する。図１４は、本発明の第４実施形態による光伝送システムの構成を示す図である。図１４において、図１に示す構成（第１実施形態）と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。第４実施形態による光伝送システムと第１実施形態による光伝送システムとの違いは、各光ノード４においてスパン毎に光学分散補償するのに加え、偏波間の遅延を光学的に付与することである。この結果、チャネル間非線形効果の１つである相互偏波偏重（Cross polarization modulation：ＸＰｏｌＭ）の発生を抑圧することができる。偏波間の遅延を光学的に付与する手段としては、偏波保持光ファイバ、偏波合分波器と遅延線の組み合わせ、ＬＣＯＳ技術を用いたＷＳＳデバイスなどがある。本実施形態では、デジタル信号処理によるＳＰＭ・ＸＰＭ補償に加え、光学的にＸＰｏｌＭが抑圧できるため、非線形効果の影響がより低減され更なる受信信号品質の改善が実現できる。本実施形態は、非線形効果のうちＸＰｏｌＭの影響が大きい伝送路に適している。

図１５は、図１４に示す光伝送システムの動作を示す説明図である。図１５において、光強度と分散の変化のグラフ、及び伝送距離を経ることによる波形の進展を２波長を例に模式的に表している。スパン毎に分散補償されるため、ファイバ入力波形はスパン毎に一定となり、その結果光受信機において１回の位相回転で非線形補償を実現することができる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態による光伝送システムを説明する。図１６は、第５実施形態による光伝送システムの構成を示す図である。図１６において、図１に示す構成（第１実施形態）と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。第５実施形態による光伝送システムと第１実施形態による光伝送システムとの違いは、各光ノード４においてスパン毎に光学分散補償するのに加え、波長間の遅延を光学的に付与することである。
この結果ＸＰＭの発生を抑圧することができる。波長間の遅延を光学的に付与する手段としては、波長合分波器と遅延線の組み合わせ、ＬＣＯＳ技術を用いたＷＳＳデバイスなどがある。本実施形態では、各光ノードでＸＰＭの発生を抑圧するのに加えて、受信機での補償を組み合わせることで、よりＸＰＭ補償効果が期待できる。また各光ノードでＸＰＭの発生が十分抑圧されれば、受信機におけるＸＰＭ補償の必要がなくなり、デジタル信号処理の処理軽減と回路規模の削減が実現できる。

図１７は、図１６に示す光伝送システムの動作を示す説明図である。図１７において、光強度と分散の変化のグラフ、及び伝送距離を経ることによる波形の進展を２波長を例に模式的に表している。スパン毎に分散補償されるため、ファイバ入力波形はスパン毎に一定となり、その結果光受信機において１回の位相回転で非線形補償を実現することができる。

＜第６実施形態＞
次に、本発明の第６実施形態による光伝送システムを説明する。図１８は、本発明の第６実施形態による光伝送システムの構成を示す図である。図１８において、図１に示す構成（第１実施形態）と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図１８に示す光ノード４は、第４実施形態による光ノード４と第５実施形態に光ノード４とを組み合わせたものである。これにより、各光ノード４においてスパン毎に光学分散補償するのに加え、偏波間ならびに波長間の遅延を光学的に付与することで、ＸＰｏｌＭならびにＸＰＭの発生を抑圧することができる。

図１９は、図１７に示す光伝送システムの動作を示す説明図である。図１９において、光強度と分散の変化のグラフ、及び伝送距離を経ることによる波形の進展を２波長を例に模式的に表している。スパン毎に分散補償されるため、ファイバ入力波形はスパン毎に一定となり、その結果光受信機において１回の位相回転で非線形補償を実現することができる。

なお、第４、第５、第６実施形態は、それぞれ第２実施形態のように光ノードが多方路を有するＯＸＣやＲＯＡＤＭシステムにも適用できる。更に第３実施形態のように送信機におけるデジタル信号処理、並びに送信機・受信機の両方におけるデジタル信号処理でＳＰＭ・ＸＰＭ補償する実施形態にも適用できる。

次に、前述した光ノード４の構成を説明する。図２０〜図４５は、前述した光ノード４の構成を示す図である。前述した第１〜第６実施形態において、光ノード４の必須機能は、スパン毎の分散補償を行う分散補償機能部４１とスパン毎の損失を補償する光増幅器４２である。これらの２つの機能はどの順番でも構わない。図２０は、分散補償機能部４１、光増幅器４２の順で構成した例である。図２１は、光増幅器４２、分散補償機能部４１の順で構成した例である。

図２２〜図２５は第４実施形態による光ノード４の構成を示す図である。第４実施形態による光ノード４は、必須である分散補償機能部４１と光増幅器４２に加えて偏波間遅延付与機能部４３を追加している。図２２は、分散補償機能部４１、偏波間遅延付与機能部４３、光増幅器４２の順で構成した例である。図２３は、偏波間遅延付与機能部４３、分散補償機能部４１、光増幅器４２の順で構成した例である。図２４は、光増幅器４２、分散補償機能部４１、偏波間遅延付与機能部４３の順で構成した例である。図２５は、光増幅器４２、偏波間遅延付与機能部４３、分散補償機能部４１の順で構成した例である。

図２６〜図２９は第５実施形態による光ノード４の構成を示す図である。第５実施形態による光ノード４は、必須である分散補償機能部４１と光増幅器４２に加えて波長間遅延付与機能部４４を追加している。図２６は、分散補償機能部４１、波長間遅延付与機能部４４、光増幅器４２の順で構成した例である。図２７は、波長間遅延付与機能部４４、分散補償機能部４１、光増幅器４２の順で構成した例である。図２８は、光増幅器４２、分散補償機能部４１、波長間遅延付与機能部４４の順で構成した例である。図２９は、光増幅器４２、波長間遅延付与機能部４４、分散補償機能部４１の順で構成した例である。

図３０〜図４１は、第６実施形態による光ノード４の構成を示す図である。第６実施形態による光ノード４は、必須である分散補償機能部４１と光増幅器４２に加えて、偏波間遅延付与機能部４３と波長間遅延付与機能部４４とを追加している。図３０は、分散補償機能部４１、波長間遅延付与機能部４４、偏波間遅延付与機能部４３、光増幅器４２の順で構成した例である。図３１は、分散補償機能部４１、偏波間遅延付与機能部４３、波長間遅延付与機能部４４、光増幅器４２の順で構成した例である。図３２は、波長間遅延付与機能部４４、分散補償機能部４１、偏波間遅延付与機能部４３、偏波間遅延付与機能部４３の順で構成した例である。図３３は、偏波間遅延付与機能部４３、分散補償機能部４１、波長間遅延付与機能部４４、光増幅器４２の順で構成した例である。図３４は、波長間遅延付与機能部４４、偏波間遅延付与機能部４３、分散補償機能部４１、光増幅器４２の順で構成した例である。図３５は、偏波間遅延付与機能部４３、波長間遅延付与機能部４４、分散補償機能部４１、光増幅器４２の順で構成した例である。

図３６は、光増幅器４２、分散補償機能部４１、分散補償機能部４１、偏波間遅延付与機能部４３の順で構成した例である。図３７は、光増幅器４２、分散補償機能部４１、偏波間遅延付与機能部４３、波長間遅延付与機能部４４の順で構成した例である。図３８は、光増幅器４２、波長間遅延付与機能部４４、分散補償機能部４１、偏波間遅延付与機能部４３の順で構成した例である。図３９は、光増幅器４２、偏波間遅延付与機能部４３、分散補償機能部４１、波長間遅延付与機能部４４の順で構成した例である。図４０は、光増幅器４２、波長間遅延付与機能部４４、偏波間遅延付与機能部４３、分散補償機能部４１の順で構成した例である。図４１は、光増幅器４２、偏波間遅延付与機能部４３、波長間遅延付与機能部４４、分散補償機能部４１の順で構成した例である。

図４２〜図４５は、必須である分散補償機能部４１と光増幅器４２に加えて、偏波間遅延と波長間遅延とを付与する偏波間遅延付与＋波長間遅延付与機能部４５を備える光ノード４の構成を示す図である。図４２は、分散補償機能部４１、偏波間遅延付与＋波長間遅延付与機能部４５、光増幅器４２の順で構成した例である。図４３は、偏波間遅延付与＋波長間遅延付与機能部４５、分散補償機能部４１、光増幅器４２の順で構成した例である。図４４は、光増幅器４２、分散補償機能部４１、偏波間遅延付与＋波長間遅延付与機能部４５の順で構成した例である。図４５は、光増幅器４２、偏波間遅延付与＋波長間遅延付与機能部４５、分散補償機能部４１の順で構成した例である。

図２０〜図４５に示す光ノード４において分散補償機能部４１を分散補償ファイバ（Dispersion Compensation Fiber：ＤＣＦ）を用いて行う場合には、ＤＣＦのコア径が、通常の伝送路ファイバよりも小さく、ＤＣＦ内での非線形発生が問題となるため、光信号パワーが小さいところで用いるのが通常である。そのためＤＣＦは光増幅機能の前で用いる構成にするのがよい。一方、分散補償機能部４１を第１実施形態に示すＬＣＯＳ ＷＳＳのＴＯＤＣ機能により実現する場合には、光信号パワーに依存しないため、どの構成でも構わない。

次に、偏波間遅延付与機能部４３の構成を説明する。図４６〜図４８は、前述した偏波間遅延付与機能部４３の構成を示す図である。図４６は、波長分波機能部４３１によって３波長に分波して、偏波間遅延付与部４３２により波長毎に異なる偏波間遅延量を付加してから、波長合波機能部４３３により合波する構成を示している。ここで、波長分波機能部４３１に周回性を有するＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）を用いると、３波長周期で、同一ポートに信号がルーチングされるので、広い波長範囲での動作が可能になる。

図４７は、波長分波機能部４３１と波長合波機能部４３３にＩＬＦを用いた場合の構成である。奇数番目と偶数番目の波長チャネルがそれぞれ別の経路で、偏波間遅延付与部４３２より異なる偏波間遅延量を付与されることになる。図４８は、ＬＣＯＳ ＷＳＳ（例えばＦｉｎｉｓａｒ社ＷａｖｅＳｈａｐｅｒ）を用いた波長毎偏波間遅延付与部４３４の構成を示している。ＬＣＯＳ ＷＳＳの内部で波長チャネル毎に異なる偏波間遅延量を付与することが可能であるので、一つのデバイスでシンプルな構成が可能である。なお、図４６および図４７での偏波間遅延付与部４３２は、その遅延量が可変である必要はなく、波長毎に異なる固定の遅延量でも構わない。

次に、波長間遅延付与機能部４４の構成を説明する。図４９〜図５１は、波長間遅延付与機能部４４の構成を示す図である。図４９は、波長分波機能部４４１によって３波長に分波して、遅延付与部４４２により波長毎に異なる遅延量を付与してから、波長合波機能部４４３により合波する構成を示している。ここで、波長分波機能部４４１に周回性を有するＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）を用いると、３波長周期で、同一ポートに信号がルーチングされるので、広い波長範囲での動作が可能になる。

図５０は、波長分波機能部４４１と波長合波機能部４４３にＩＬＦを用いた場合の構成である。奇数番目と偶数番目の波長チャネルがそれぞれ別の経路で、遅延付与部４４２より異なる遅延量を付与されることになる。図５１は、ＬＣＯＳ ＷＳＳ（例えばＦｉｎｉｓａｒ社ＷａｖｅＳｈａｐｅｒ）を用いた波長毎遅延付与部４４４の構成を示している。
ＬＣＯＳ ＷＳＳの内部で波長チャネル毎に異なる偏波間遅延量を付与することが可能であるので、一つのデバイスでシンプルな構成が可能である。なお、図４９および図５０での遅延付与部４４２は、その遅延量が可変である必要はなく、波長毎に異なる固定の遅延量でも構わない。

次に、偏波間遅延付与＋波長間遅延付与機能部４５の構成を説明する。図５２〜図５７は、偏波間遅延付与＋波長間遅延付与機能部４５の構成を示す図である。図５２は、波長分波機能部４５１によって３波長に分波して、偏波間遅延付与部４５２、遅延付与部４５３により波長毎に異なる遅延量を付与してから、波長合波機能部４５４により合波する構成を示している。図５３は、波長分波機能部４５１によって３波長に分波して、遅延付与部４５３、偏波間遅延付与部４５２により波長毎に異なる遅延量を付与してから、波長合波機能部４５４により合波する構成を示している。ここで、波長分波機能部４５１に周回性を有するＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）を用いると、３波長周期で、同一ポートに信号がルーチングされるので、広い波長範囲での動作が可能になる。

図５４は、波長分波機能部４５１と波長合波機能部４５４にＩＬＦを用いた場合の構成である。奇数番目と偶数番目の波長チャネルがそれぞれ別の経路で、偏波間遅延付与部４５２、遅延付与部４５３により異なる遅延量を付与されることになる。図５５は、波長分波機能部４５１と波長合波機能部４５４にＩＬＦを用いた場合の構成である。奇数番目と偶数番目の波長チャネルがそれぞれ別の経路で、遅延付与部４５３、偏波間遅延付与部４５２により異なる遅延量を付与されることになる。

図５６は、ＬＣＯＳ ＷＳＳ（例えばＦｉｎｉｓａｒ社ＷａｖｅＳｈａｐｅｒ）を用いた波長毎偏波間遅延付与部４５５、波長毎遅延付与部４５６の構成を示している。図５７は、ＬＣＯＳ ＷＳＳ（例えばＦｉｎｉｓａｒ社ＷａｖｅＳｈａｐｅｒ）を用いた波長毎遅延付与部４５６、波長毎偏波間遅延付与部４５５の構成を示している。ＬＣＯＳ ＷＳＳの内部で波長チャネル毎に異なる偏波間遅延量を付与することが可能であるので、一つのデバイスでシンプルな構成が可能である。

なお、前述した説明において、１スパン分の位相回転をＮ倍した位相回転を１回行うことで非線形補償する例を説明したが、位相回転を複数回に分割してもよく、１スパン分の位相回転に伝播距離を乗じて１スパン分の距離を除した位相回転することで非線形補償してもよい。

以上説明したように、光学的分散補償機能を備えることでＤＳＰ（Digital Signal Processor）での等化処理を軽減することができる光伝送システムを提供することが可能となる。特に、波長分散によりピークパワーが最大となる伝搬途中の波形情報を用いて位相回転を補償すること、又は自チャネル強度によるＳＰＭのみならず隣接チャネル強度によるＸＰＭによる位相回転を補償することの少なくともいずれか一つを行うようにした。これにより、デジタル信号処理のみによる非線形光学効果補償の場合よりも、光学的補償を併用することにより、単純な構成によるＳＰＭおよびＸＰＭ補償で信号品質を改善することが可能となり、かつ装置規模も小さくすることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明してきたが、上記実施の形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記実施の形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行っても良い。

ＷＤＭデジタルコヒーレント伝送システムにおいて、非線形光学効果補償の効率改善とデジタル信号処理部の負荷を低減するのに有用である。

１１〜１４・・・光送信機、２・・・合波部、３・・・光ファイバ、４・・・光ノード、５・・・分波部、６１〜６４・・・光受信機、４１・・・分散補償機能部、４２・・・光増幅器、４３・・・偏波間遅延付与機能部、４４・・・波長間遅延付与機能部、４５・・・偏波間遅延付与＋波長間遅延付与機能部

Claims (1)

1. 光伝送信号のスパン毎の損失を補償する光増幅器と、スパン毎の分散を補償する分散補償機能部とを備える複数の光ノードと、複数の光送信機と、複数の光受信機とを備えるデジタルコヒーレント光伝送システムであって、
   前記光送信機は、信号の位相成分を制御できるベクトル変調器を用いることによって、伝送路における非線形光学効果をキャンセルするように、複数波長チャネルを変調することによって、伝送路における非線形光学効果を補償し、
   前記光ノードは、前記スパン毎の波長分散量と波長チャネル間の時間差とを独立に制御する機能部、前記スパン毎の波長分散量と偏波間の時間差とを独立に制御する機能部、前記スパン毎の波長分散量と波長チャネル間及び偏波間の両方の時間差とを独立に制御する機能部のうち、少なくとも１つを備える光伝送システム。

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