JP5601205B2 - 光受信器および光通信システム - Google Patents

Description

本発明は、光信号を伝送する方法、光通信システム、および光受信器に係わる。

次世代の光通信においては、テラビットデータの伝送が要求されている。そして、光通信の高速化に伴い、デジタル信号処理を利用して光信号を受信する光受信器の研究および開発が行われている。

図１は、デジタル信号処理を利用して光信号を受信する光受信器の一例を示す。図１において、光伝送路を介して伝送される光信号は、光ハイブリッド回路に入力される。光ハイブリッド回路は、光信号に局発光を混合することにより、光信号のＩ成分およびＱ成分を得る。受光回路（ＰＤ）は、光ハイブリッド回路により得られるＩ成分光信号およびＱ成分光信号を、それぞれ電気信号に変換する。Ａ／Ｄ変換回路は、受光回路から出力される信号をデジタル信号に変換する。そして、デジタル信号処理部は、入力デジタル信号から送信データを再生する。

デジタル信号処理部は、信号光の周波数と局発光の周波数との差分（すなわち、オフセット周波数）を補償する機能、キャリア位相を補償する機能を提供することができる。また、デジタル信号処理部は、光伝送路の特性（例えば、波長分散）を補償する機能を提供することもできる。

なお、関連する技術として、下記の混合部、光電変換部、受信データ処理部、変調部を備えるコヒーレント光受信器が提案されている。混合部は、局部発振光および入力される受信信号光を混合する。光電変換部は、混合部にて混合された混合信号の光について光電変換する。受信データ処理部は、光電変換部で電気信号に変換された混合信号について、第１クロックに基づくデジタル信号処理を通じて受信信号光に含まれる受信データを取り出すための処理を行なう。変調部は、混合部に入力される局部発振光又は受信信号光について、受信データ処理部でのデジタル信号処理に用いる第１クロックと位相同期したクロックを用いた変調光とする。（例えば、特許文献１）
また、特許文献２〜４は、他の関連する技術を記載している。

特開２００９−４９６１３号公報 特開２０１０−４１２１０号公報 特開２００９−２１８８７号公報 特開平９−２５２２８３号公報

超高速データの伝送においては、光信号の信号帯域は、波長当たり、例えば、数十〜数百GHz以上にまで広がる。しかし、図１に示す光受信器において、アナログ受信回路（受光回路およびＡ／Ｄ変換回路）の帯域は、例えば、数十GHz程度であり、上述のような広帯域の光信号を受信することは困難である。

この問題を解決するためには、例えば、光回路を利用して入力光信号の信号帯域を複数の部分帯域に分割し、複数のアナログ受信回路がそれぞれ対応する部分帯域内の信号を受信する構成が考えられる。ただし、この構成では、複数の部分帯域を得るための複数の局発光が互いに同期している必要がある。この場合、例えば、複数の局発光の位相が互いに同期していることが好ましい。しかしながら、互いに同期する複数の局発光を生成する光回路は、構成が複雑であり、回路規模が大きくなるので、光受信器内に設けることは困難である。

本発明の課題は、光受信器に複雑な光回路を設けることなく広帯域の光信号の伝送を可能にすることである。

本発明の１つの態様の光受信器は、参照信号が挿入された光信号から第１の局発光を利用して前記参照信号を含む第１の部分帯域の信号成分を表す第１のデジタル信号を生成する第１の生成部と、前記光信号から前記第１の局発光と異なる周波数を有する第２の局発光を利用して前記参照信号を含む第２の部分帯域の信号成分を表す第２のデジタル信号を生成する第２の生成部と、前記参照信号の周波数に基づいて前記第１の部分帯域の信号成分の周波数および前記第２の部分帯域の信号成分の周波数を調整する周波数補償部と、前記周波数補償部により周波数が調整された前記第１および第２の部分帯域を結合する結合部と、を備える。

上述の態様によれば、光受信器に複雑な光回路を設けることなく広帯域の光信号の伝送が可能になる。

デジタル信号処理を利用して光信号を受信する光受信器の一例を示す図である。 実施形態の光通信システムを示す図である。 光送信器の構成を示す図である。 参照信号の挿入について説明する図である。 光送信器から送信される光信号のスペクトルを示す図である。 光受信器の構成を示す図である。 参照信号および局発光の配置、並びに部分帯域の生成について説明する図である。 部分帯域の生成および結合について説明する図である。 デジタル信号処理部の実施例を示す図である。 周波数オフセット推定部の実施例を示す図である。 周波数オフセット補償部の実施例を示す図である。 キャリア位相推定部の実施例を示す図である。 信号帯域を３以上の部分帯域に分割して処理する光受信器の構成を示す図である。 ３以上の部分帯域を結合する手順を説明する図である。

図２は、実施形態の光通信システムを示す。実施形態の光通信システム１は、光送信器２および光受信器３を備える。光送信器２は、データを伝送する光信号を生成する。光送信器２により生成される光信号は、光伝送路４を介して伝送される。光伝送路４上には、１または複数の中継局（または、光アンプ）が設けられていてもよい。光受信器３は、光伝送路４を介して伝送される光信号を受信する。光受信器３は、受信光信号からデータを再生するデジタル信号処理部５を備える。

デジタル信号処理部５は、特に限定されるものではないが、例えば、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）を利用して実現される。また、デジタル信号処理部５は、他の方法で実現してもよい。たとえば、デジタル信号処理部５は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）または専用ＬＳＩを利用して実現してもよい。或いは、デジタル信号処理部５は、汎用のプロセッサを利用して実現してもよい。

光通信システム１は、ＷＤＭ信号を伝送してもよいし、１つの波長のみを使用して光信号を伝送してもよい。また、光通信システム１は、偏波多重光信号を伝送してもよいし、単一偏波光信号を伝送してもよい。さらに、光通信システム１は、波長ごとに、周波数の異なる複数のキャリア（或いは、サブキャリア）を利用してデータを伝送することができる。すなわち、光通信システム１は、光マルチキャリア信号を伝送することができる。

図３は、光送信器２の構成を示す。ここでは、光送信器２は、偏波多重光信号を生成するものとする。また、光送信器２がＷＤＭ信号を送信する場合には、光送信器２は、各波長に対してそれぞれ図３に示す構成を備える。

光送信器２は、光源１１、ＩＱ変調器１２ｘ、１２ｙ、偏波カプラ１３を備える。光源１１は、例えばレーザ光源であり、所定の周波数の連続（ＣＷ：Continuous Wave）光を生成する。光源１１により生成される連続光は、例えば光スプリッタにより分岐され、ＩＱ変調器１２ｘ、１２ｙに入力される。

ＩＱ変調器１２ｘ、１２ｙは、それぞれ、例えば、マッハツェンダ干渉計を含むＬＮ変調器である。ＩＱ変調器１２ｘは、データ信号Ｘで入力光を変調することにより、データＸを伝送する光信号Ｘを生成する。同様に、ＩＱ変調器１２ｙは、データ信号Ｙで入力光を変調することにより、データＹを伝送する光信号Ｙを生成する。そして、偏波カプラ１３は、ＩＱ変調器１２ｘにより生成される光信号ＸおよびＩＱ変調器１２ｙにより生成される光信号Ｙを結合して偏波多重光信号を生成する。

光送信器２は、光信号に参照信号を挿入するために、参照信号挿入部１４ｘ、１４ｙを備える。参照信号挿入部１４ｘは、予め決められたビットパターンの参照信号をデータＸに挿入する。同様に、参照信号挿入部１４ｙは、予め決められたビットパターンの参照信号をデータＹに挿入する。すなわち、ＩＱ変調器１２ｘ、１２ｙに与えられるデータ信号Ｘ、Ｙには、それぞれ参照信号が挿入されている。ここで、データ信号Ｘ、Ｙに挿入される参照信号は、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。

図４は、参照信号の挿入について説明する図である。ここでは、参照信号挿入部１４ｘがデータＸに参照信号を挿入するものとする。なお、データＸは、データＸ１、データＸ２、．．．を含むものとする。

参照信号挿入部１４ｘは、特に限定されるものではないが、時間領域において、各データＸ１、データＸ２、．．．の先頭に参照信号を挿入する。図４に示す例では、データＸ１、データＸ２、．．．の先頭にそれぞれ「０１０１」が挿入されている。

図５は、光送信器２から送信される光信号のスペクトルを示す。光送信器２は、この実施例では、周波数分割多重（ＦＤＭ：Frequency Division Multiplexing）で光信号を送信する。光送信器２は、例えば、周波数の利用効率のよい直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）で光信号を送信してもよい。

光送信器２は、図５に示すように、互いに周波数の異なる複数のデータキャリアを利用してデータを送信する。例えば、データＸがデータＸ１、データＸ２、．．．を含むときは、光送信器２は、データキャリア１、２、．．．に対してそれぞれデータＸ１、データＸ２、．．．を割り当てるようにしてもよい。また、光送信器２は、参照信号に対してパイロットキャリアを割り当てる。このとき、光送信器２は、各データキャリアに割り当てられるデータ信号と比較して、パイロットキャリアに割り当てられる参照信号のパワーまたは振幅を大きくしてもよい。

パイロットキャリアの配置は、光送信器２から送信される光信号の信号帯域、および光受信器３のアナログ受信回路の最大受信帯域に基づいて決定される。１つの実施例においては、アナログ受信回路の最大受信帯域が、光信号の信号帯域の幅Ｗよりも小さく、且つＷ／２よりも大きいものとする。この場合、パイロットキャリアは、光信号の信号帯域の中央（或いは、ほぼ中央）に配置されることが好ましい。なお、光受信器３のアナログ受信回路については、後で説明する。

図５においては、光信号の信号帯域は、最も周波数の低いデータキャリアの周波数ｆ１から最も周波数の高いデータキャリアの周波数ｆ２まで広がっている。すなわち、光信号の信号帯域の幅Ｗは、ｆ２−ｆ１で表わされる。この場合、パイロットキャリアの周波数ｆｐは、「（ｆ１＋ｆ２）／２」またはその近傍であることが好ましい。

このように、光送信器２は、データ信号に参照信号を挿入し、参照信号が挿入された光信号を送信する。このとき、参照信号は、光信号の信号帯域の中央（或いは、ほぼ中央）に配置されるパイロットキャリアを利用して伝送される。

図６は、光受信器３の構成を示す。光受信器３は、光スプリッタ２１、光源２２ａ、２２ｂ、光ハイブリッド回路２３ａ、２３ｂ、受光回路２４ａ、２４ｂ、Ａ／Ｄ変換回路２５ａ、２５ｂ、デジタル信号処理部５を備える。そして、光受信器３は、光送信器２から送信される光信号を受信する。すなわち、光受信器３は、上述のようにして参照信号が挿入された光信号を受信する。

光スプリッタ２１は、入力光信号を分岐して、光ハイブリッド回路２３ａ、２３ｂに導く。光スプリッタ２１は、入力光信号を互いに均等に分岐する。よって、光ハイブリッド回路２３ａ、２３ｂには、互いにほぼ同じパワーの光信号が入力される。各光ハイブリッド回路２３ａ、２３ｂに入力する光信号は、それぞれ参照信号を含んでいる。

光源（ＬＯ：Local Oscillator）２２ａ、２２ｂは、それぞれ例えば、レーザ光源である。光源２２ａは、周波数ｆａの連続光を生成する。そして、光源２２ａから出力される局発光２６ａは、光ハイブリッド回路２３ａに導かれる。また、光源２２ｂは、周波数ｆｂの連続光を生成する。そして、光源２２ｂから出力される局発光２６ｂは、光ハイブリッド回路２３ｂに導かれる。

局発光２６ａの周波数ｆａは、図７に示すように、信号帯域の低域端周波数ｆ１とパイロットキャリアの周波数ｆｐとのほぼ中間値となるように決定される。すなわち、光源２２ａは、ｆａ≒（ｆ１＋ｆｐ）／２となるように設計される。一方、局発光２６ｂの周波数ｆｂは、信号帯域の高域端周波数ｆ２とパイロットキャリアの周波数ｆｐとのほぼ中間値となるように決定される。すなわち、光源２２ｂは、ｆｂ≒（ｆ２＋ｆｐ）／２となるように設計される。

光ハイブリッド回路２３ａには、光信号および局発光２６ａが入力される。光ハイブリッド回路２３ａは、局発光２６ａの位相を９０度だけシフトさせる移相器を備える。そして、光ハイブリッド回路２３ａは、光信号と局発光２６ａとを混合すると共に、光信号と９０度シフト局発光２６ａとを混合する。これにより、周波数ｆａを基準として周波数変換された光信号のＩ成分信号およびＱ成分信号が得られる。同様に、光ハイブリッド回路２３ｂは、周波数ｆｂを基準として周波数変換された光信号のＩ成分信号およびＱ成分信号を出力する。このように、光受信器３のフロントエンド回路は、コヒーレント受信器として動作する。

なお、図６に示す例では、光信号は偏波多重光信号である。このため、光ハイブリッド回路２３ａ、２３ｂは、それぞれ４つの信号（Ｘ偏波Ｉ成分、Ｘ偏波Ｑ成分、Ｙ偏波Ｉ成分、Ｙ偏波Ｑ成分）をする。ただし、光信号は単一偏波光信号であってもよい。この場合は、光ハイブリッド回路２３ａ、２３ｂは、それぞれ２つの信号（Ｉ成分、Ｑ成分）を出力する。以下の説明では、１つの偏波について記載する。

受光回路２４ａは、光ハイブリッド回路２３ａにより得られる光信号のＩ成分信号およびＱ成分信号をそれぞれ電気信号に変換する。受光回路２４ａは、例えば、フォトダイオードを含む。Ａ／Ｄ変換回路２５ａは、受光回路２４ａから出力される電気信号をデジタル信号２７ａに変換する。すなわち、Ａ／Ｄ変換回路２５ａは、周波数ｆａを基準として周波数変換された光信号のＩ成分信号およびＱ成分信号を表すデジタル信号２７ａを出力する。

受光回路２４ｂおよびＡ／Ｄ変換回路２５ｂの動作は、受光回路２４ａおよびＡ／Ｄ変換回路２５ａと実質的に同じである。すなわち、受光回路２４ｂは、光ハイブリッド回路２３ｂにより得られる光信号のＩ成分信号およびＱ成分信号をそれぞれ電気信号に変換する。そして、Ａ／Ｄ変換回路２５ｂは、周波数ｆｂを基準として周波数変換された光信号のＩ成分信号およびＱ成分信号を表すデジタル信号２７ｂを出力する。

なお、光ハイブリッド回路２３ａ、受光回路２４ａ、Ａ／Ｄ変換回路２５ａは、「参照信号が挿入された光信号から第１の局発光を利用して第１の部分帯域の信号成分を表す第１のデジタル信号を生成する第１の生成部」の一例である。また、光ハイブリッド回路２３ｂ、受光回路２４ｂ、Ａ／Ｄ変換回路２５ｂは、「参照信号が挿入された光信号から第２の局発光を利用して第２の部分帯域の信号成分を表す第２のデジタル信号を生成する第２の生成部」の一例である。

このように、受光回路２４ａ、２４ｂは、入力光信号をアナログ電気信号に変換する。また、Ａ／Ｄ変換回路２５ａ、２５ｂは、アナログ電気信号をデジタル信号に変換する。すなわち、受光回路２４ａ、２４ｂ、Ａ／Ｄ変換回路２５ａ、２５ｂは、アナログデバイスである。よって、以下では、受光回路２４ａおよびＡ／Ｄ変換回路２５ａを含む回路をアナログ受信回路２８ａと呼び、受光回路２４ｂおよびＡ／Ｄ変換回路２５ｂを含む回路をアナログ受信回路２８ｂと呼ぶことがある。

多くのアナログデバイスは、光デバイスまたはデジタルデバイスと比較して、処理速度が遅い。すなわち、アナログ受信回路２８ａ、２８ｂは、光デバイスまたはデジタルデバイスと比較して、最大受信帯域が狭い。このため、光信号の帯域が非常に広い場合（例えば、100GHz以上）、アナログ受信回路２８ａ、２８ｂは、その光信号のすべての信号成分を受信することができない。

この実施例では、図７に示すように、アナログ受信回路２８ａ、２８ｂの最大受信帯域は、光信号の信号帯域の幅Ｗよりも狭い。このため、周波数ｆａを基準として周波数変換された信号成分がアナログ受信回路２８ａに入力されると、周波数ｆa1よりも高い周波数領域の信号成分は実質的に遮断される。すなわち、アナログ受信回路２８ａは、図７に示す部分帯域２９ａ内の信号成分を出力する。同様に、周波数ｆｂを基準として周波数変換された信号成分がアナログ受信回路２８ｂに入力されると、周波数ｆb1よりも低い周波数領域の信号成分は実質的に遮断される。すなわち、アナログ受信回路２８ｂは、図７に示す部分帯域２９ｂ内の信号成分を出力する。

ここで、この実施例では、アナログ受信回路２８ａ、２８ｂの最大受信帯域は、それぞれ光信号の信号帯域の幅Ｗよりも小さく、且つ、Ｗ／２よりも大きいものとする。そうすると、図８（ａ）に示すように、部分帯域２９ａの信号成分は参照信号を含み、また、部分帯域２９ｂの信号成分も参照信号を含む。すなわち、参照信号は、部分帯域２９ａ、２９ｂの双方に含まれる。

光受信器３は、例えば、部分帯域２９ａから参照信号の周波数（すなわち、パイロットキャリアの周波数ｆｐ）の高域側を除去し、部分帯域２９ｂから参照信号の周波数の低域側を除去する。図８（ａ）では、部分帯域２９ａ、２９ｂからそれぞれ斜線領域が除去される。そして、光受信器３は、上述の帯域除去処理後の部分帯域２９ａ、２９ｂを結合する。これにより、光送信器２により生成された光信号の全信号帯域の信号成分が再生される。すなわち、光受信器３は、この信号成分から送信データを再生することができる。

しかしながら、光源２２ａ、２２ｂの発振周波数ｆａ、ｆｂは、それぞれ誤差を有している。ここで、光源２２ａ、２２ｂの発振周波数ｆａ、ｆｂの誤差は、例えば、それぞれ数GHz程度である。このため、光受信器３は、同じ周波数領域上で部分帯域２９ａ、２９ｂを処理できず、部分帯域２９ａ、２９ｂを結合することができない。例えば、部分帯域２９ａ内の参照信号の周波数および部分帯域２９ｂ内の参照信号の周波数は、互いに同じはずである。ところが、光源２２ａ、２２ｂの発振周波数ｆａ、ｆｂが誤差を有していると、図８（ｂ）に示すように、部分帯域２９ａ内の参照信号の周波数および部分帯域２９ｂ内の参照信号の周波数は、互いに異なるように表わされる。図８（ｂ）に示すＬＯ間誤差は、部分帯域２９ａ、２９ｂ間での参照信号の周波数差を表している。したがって、光源２２ａ、２２ｂの発振周波数ｆａ、ｆｂが誤差を有していると、光受信器３は、部分帯域２９ａ、２９ｂを結合することができず、受信光信号からデータを再生できない。

また、実施形態の光受信器３においては、光源２２ａ、２２ｂは、互いに同期することなく、それぞれ独立して局発光２６ａ、２６ｂを出力する。すなわち、局発光２６ａ、２６ｂの位相は、互いに同期していない。このため、局発光２６ａを利用して得られる部分帯域２９ａおよび局発光２６ｂを利用して得られる部分帯域２９ｂを結合すると、光源２２ａ、２２ｂの発振周波数ｆａ、ｆｂの誤差がゼロであったとしても、各シンボルを正しく再生できないことがある。すなわち、局発光２６ａ、２６ｂ間で位相同期が確立されていないと、ビット誤り率が劣化するおそれがある。

このように、光受信器３は、各アナログ受信回路２８ａ、２８ｂの最大受信帯域よりも広い帯域の光信号を受信するために、光信号の信号帯域を複数に分割し、各部分帯域２９ａ、２９ｂについて信号成分を表すデジタル信号を生成する。しかし、局発光２６ａ、２６ｂは互いに同期していない。そこで、実施形態の光受信器３は、デジタル信号処理を使用して、周波数補償および位相補償を実行する。以下、周波数補償および位相補償を実行するデジタル信号処理部５について説明する。

デジタル信号処理部５は、参照信号抽出部３１、周波数補償部３２、位相補償部３３、余剰帯域フィルタ３４、帯域結合部３５を備える。デジタル信号処理部５には、Ａ／Ｄ変換回路２５ａ、２５ｂにより生成されるデジタル信号２７ａ、２７ｂが入力される。デジタル信号２７ａは、参照信号が挿入された光信号から局発光２６ａを利用して生成される部分帯域２９ａの信号成分を表す。また、デジタル信号２７ｂは、参照信号が挿入された光信号から局発光２６ｂを利用して生成される部分帯域２９ｂの信号成分を表す。

参照信号抽出部３１は、デジタル信号２７ａ、２７ｂからそれぞれ参照信号を抽出する。参照信号抽出部３１は、例えばフーリエ変換（FFT: Fast Fourier Transform）により、デジタル信号２７ａ、２７ｂを周波数領域信号に変換する。そして、参照信号抽出部３１は、周波数領域においてパイロットキャリアを抽出することで、参照信号を抽出する。なお、この実施例では、光送信器２は、図５に示すように、パイロットキャリアのパワーを他のキャリアよりも大きくすることができる。この場合、参照信号抽出部３１は、周波数領域において、閾値レベルよりも大きいキャリアを検出することで、パイロットキャリアを抽出してもよい。

周波数補償部３２は、図８（ｂ）に示すＬＯ間誤差を補償するデジタル演算処理を実行する。具体的には、周波数補償部３２は、デジタル信号２７ａから抽出された参照信号を利用して、デジタル信号２７ａにより表わされる信号成分の周波数オフセットΔｆａを補償する。すなわち、周波数補償部３２は、部分帯域２９ａの信号成分の周波数オフセットΔｆａを補償する。周波数オフセットΔｆａは、局発光２６ａの周波数ｆａとパイロットキャリアの周波数ｆｐとの差分に相当する。同様に、周波数補償部３２は、デジタル信号２７ｂから抽出された参照信号を利用して、デジタル信号２７ｂにより表わされる信号成分の周波数オフセットΔｆｂを補償する。すなわち、周波数補償部３２は、部分帯域２９ｂの信号成分の周波数オフセットΔｆｂを補償する。周波数オフセットΔｆｂは、局発光２６ｂの周波数ｆｂとパイロットキャリアの周波数ｆｐとの差分に相当する。

このように、周波数補償部３２は、参照信号を利用して部分帯域２９ａの周波数オフセットΔｆａを補償すると共に、同じ参照信号を利用して部分帯域２９ｂの周波数オフセットΔｆｂを補償する。したがって、部分帯域２９ａ、２９ｂの信号成分は、いずれもパイロットキャリア（すなわち、参照信号）を基準として表わされる。

位相補償部３３には、周波数補償部３２によって周波数オフセットが補償された部分帯域２９ａ、２９ｂの信号成分が入力される。そして、位相補償部３３は、入力信号に対して、局発光２６ａ、２６ｂの位相誤差を補償するデジタル演算処理を実行する。

具体的には、位相補償部３３は、デジタル信号２７ａから抽出された参照信号を基準として、部分帯域２９ａの信号成分の位相を調整する。また、位相補償部３３は、デジタル信号２７ｂから抽出された参照信号を基準として、部分帯域２９ｂの信号成分の位相を調整する。したがって、部分帯域２９ａ、２９ｂの信号成分の位相は、いずれもパイロットキャリア（すなわち、参照信号）を基準として調整される。すなわち、部分帯域２９ａ、２９ｂの信号成分の位相の同期が確立される。

余剰帯域フィルタ３４には、周波数および位相が調整された部分帯域２９ａ、２９ｂの信号成分が入力される。そうすると、余剰帯域フィルタ３４は、周波数領域において、部分帯域２９ａおよび２９ｂの重複領域を削除する。このとき、余剰帯域フィルタ３４は、例えば、部分帯域２９ａから参照信号の周波数（すなわち、パイロットキャリアの周波数ｆｐ）の高域側を除去すると共に、部分帯域２９ｂから参照信号の周波数の低域側を除去する。部分帯域２９ａから参照信号の周波数の高域側を除去する処理は、例えば、デジタルフィルタにより実現される低域通過フィルタにより実行される。また、部分帯域２９ｂから参照信号の周波数の低域側を除去する処理は、例えば、デジタルフィルタにより実現される高域通過フィルタにより実行される。なお、余剰帯域フィルタ３４は、部分帯域２９ａ、２９ｂの双方からそれぞれ周波数領域を除去しなくてもよい。すなわち、余剰帯域フィルタ３４は、部分帯域２９ａ、２９ｂの少なくとも一方から重複領域を除去すればよい。

帯域結合部３５は、余剰帯域フィルタ３４から出力される部分帯域２９ａ、２９ｂを結合する。このとき、帯域結合部３５は、周波数領域において、部分帯域２９ａ、２９ｂを結合する。これにより、光送信器２により生成された光信号の全信号帯域の信号成分が再生される。すなわち、図５に示す全てのデータキャリアのデータ信号が再生される。このとき、帯域結合部３５は、参照信号を削除してもよい。そして、帯域結合部３５は、再生したデータ信号をデータ再生部４１に送信する。

データ再生部４１は、デジタル信号処理により、各データキャリアに割り当てられているデータ信号からそれぞれデータを再生する。なお、データ再生部４１は、デジタル信号処理部５の中に設けてもよいし、デジタル信号処理部５の外に設けてもよい。

このように、光受信器３は、各アナログ受信回路２８ａ、２８ｂの最大受信帯域よりも広い帯域の光信号を受信するために、光信号の信号帯域を複数に分割し、各部分帯域２９ａ、２９ｂの信号成分を表すデジタル信号を生成する。また、デジタル信号処理部５は、部分帯域２９ａ、２９ｂの双方に含まれている共通の信号（すなわち、参照信号）を基準として、部分帯域２９ａ、２９ｂの信号成分の周波数および位相を調整する。すなわち、部分帯域２９ａ、２９ｂは、互いに独立した局発光２６ａ、２６ｂを利用して生成されるが、各部分帯域２９ａ、２９ｂの周波数オフセットは補償され、局発光間の位相誤差も補償される。よって、光受信器３は、互いに独立した複数の局発光を利用してコヒーレント受信を行うにもかかわらず、互いに同期する複数の局発光を利用してコヒーレント受信を行うときと実質的に同じ信号成分が得られる。したがって、実施形態の構成によれば、複雑な光回路（ここでは、局発光の同期回路）を設けることなく、アナログ受信回路の最大受信帯域よりも広い帯域の光信号を受信できる。

図９は、デジタル信号処理部５の実施例を示す図である。デジタル信号処理部５には、部分帯域２９ａの信号成分を表すデジタル信号２７ａおよび部分帯域２９ｂの信号成分を表すデジタル信号２７ｂが入力される。なお、デジタル信号２７ａを処理する回路（参照信号抽出部３１ａ、周波数オフセット推定部５１ａ、周波数オフセット補償部５２ａ、５３ａ、キャリア位相推定部５４ａ、キャリア位相補償部５５ａ、ＦＦＴ５６ａ、参照信号検出部５７ａ）、およびデジタル信号２７ｂを処理する回路（参照信号抽出部３１ｂ、周波数オフセット推定部５１ｂ、周波数オフセット補償部５２ｂ、５３ｂ、キャリア位相推定部５４ｂ、キャリア位相補償部５５ｂ、ＦＦＴ５６ｂ、参照信号検出部５７ｂ）の動作は、実質的に同じである。よって、以下では、デジタル信号２７ａを処理する回路について説明する。

参照信号抽出部３１ａは、入力デジタル信号２７ａを周波数オフセット補償部５２ａに導くと共に、入力デジタル信号２７ａから参照信号を抽出して周波数オフセット推定部５１ａに導く。すなわち、部分領域２９ａから抽出される参照信号（パイロットキャリア信号）が周波数オフセット推定部５１ａに与えられる。また、部分領域２９ａの全ての信号成分（データキャリア信号およびパイロットキャリア信号）が周波数オフセット補償部５２ａに与えられる。

周波数オフセット推定部５１ａは、参照信号を利用して、局発光２６ａに対する部分帯域２９ａの信号成分の周波数オフセットを推定する。すなわち、周波数オフセット推定部５１ａは、パイロットキャリアの周波数ｆｐと局発光２６ａの周波数ｆａとの間の周波数オフセットΔｆａを推定する。

図１０は、周波数オフセット推定部５１ａの実施例を示す。図１０において、偏角算出部６１は、入力信号（すなわち、参照信号）のＩ成分（すなわち、実数成分）およびＱ成分（すなわち、虚数成分）に基づいて、対象シンボルの偏角を算出する。データ識別部６２は、直前のシンボルについて推定された周波数オフセットΔωＴに基づいて、対象シンボルのデータ変調値を粗く決定する。引き算器６３は、偏角算出部６１により得られる偏角値からデータ識別部６２により得られるデータ変調値を差し引くことにより、誤差データを出力する。

加算器６４は、引き算器６３によって得られる誤差データに推定された周波数オフセットΔωＴを加算する。遅延要素６５は、加算器６４の出力を１シンボル時間だけ遅延させる。引き算器６６は、偏角算出部６１により得られる偏角値から加算器６５の出力データを差し引いてデータ識別部６２に与える。

引き算器６７および遅延要素６８は、連続するシンボル間での誤差データの差分を計算する。誤差データの差分は、雑音が加算された周波数オフセットΔωＴに相当する。したがって、図１０に示す周波数オフセット推定器は、ループフィルタ６９を利用して雑音を除去または抑制する。この結果、周波数オフセットΔωＴの推定値が得られる。ただし、図１０に示す周波数オフセット推定器は、データ変調の影響を取り除くためのｍ乗法を使用しないので、誤差データの差分に対してアンビギュイティを判定するための手順を実行する。図１０に示す例では、誤差データの差分の絶対値がπ以下であるときに、その誤差データの差分がループフィルタ６９に送られる。

周波数オフセット推定部５１ａによって推定される周波数オフセットΔｆａ（図１０では、ΔωＴ）は、周波数オフセット補償部５２ａに与えられる。周波数オフセット補償部５２ａは、この周波数オフセットを利用して、部分帯域２９ａの信号成分の周波数オフセットを補償する。

図１１は、周波数オフセット補償部５２ａの実施例を示す。ここでは、周波数オフセット補償部５２ａは、位相回転器により実現される。すなわち、乗算器７１は、周波数オフセットΔωＴに対して「−１」を乗算する。加算器７２、モジュロ２π演算器７３、遅延要素７４は、シンボル入力毎に「−ΔωＴ」を累積的に加算して「−ｋΔωＴ」を得る。「ｋ」は、入力シンボルのシーケンス番号を表す。そして、回転器７５は、入力信号に対して「exp（−jｋΔωＴ）」を与えることにより、入力信号の位相を回転させる。このようにして入力信号の位相を回転させると、その回転量に応じて周波数が調整された信号が出力される。

このように、周波数オフセット補償部５２ａは、参照信号に基づいて得られる周波数オフセットを利用して、部分帯域２９ａの信号成分の周波数オフセットを補償する。なお、周波数オフセット推定部５１ａおよび周波数オフセット補償部５２ａは、図６に示す周波数補償部３２の一例である。また、周波数オフセットの推定および補償については、例えば、下記の文献に記載されている。
Wide-range, Accurate and Simple Digital Frequency Offset Compensator for Optical Coherent Receiver, Lei Li et al., OFC 2008, OWT4, 2008
周波数オフセット補償部５３ａは、参照信号に基づいて得られる周波数オフセットを利用して、参照信号の周波数オフセットを補償する。なお、周波数オフセット補償部５３ａの動作は、周波数オフセット補償部５２ａと実質的に同じである。

キャリア位相推定部５４ａには、周波数オフセット補償部５３ａにより周波数オフセットが補償された参照信号が入力される。そして、キャリア位相推定部５４ａは、その参照信号を利用して、パイロットキャリアの位相を推定する。

図１２は、キャリア位相推定部５４ａの実施例を示す。ここでは、周波数オフセット補償部５３ａにより周波数オフセットが補償された参照信号は、下式で表わされるものとする。ただし、変調方式は、ＱＰＳＫであるものとする。
I’+jQ’＝Eexp[j(θ_e+θ_s(t))]
θ_e：レーザ位相雑音等に起因する位相誤差
θ_s：信号位相（π/4、3π/4、5π/4、7π/4）
偏角算出部８１は、入力信号の偏角を算出する。入力信号の偏角は、θ_e+θ_sで表わされる。４乗演算器８２は、入力信号を４乗すると共に、その演算結果に「−１」を乗算する。「−１」は、「exp(jπ)」により実現される。総和演算器８３は、Ｎ個のシンボルについて４乗演算器８２の演算結果を加算する。Ｎは、平均化演算のためのブロックサイズであり、例えば、局発光を生成する光源のＡＳＥ雑音および位相雑音に依存して決定される。偏角算出部８４は、総和演算器８３の出力信号の偏角を算出する。除算器８５は、偏角算出部８４により得られる偏角を「４」で除算する。これにより、位相誤差θ_eが得られる。そして、π/2位相回転トラッキング部８６は、位相誤差θ_eに対してπ/2位相回転トラッキングを実行して位相誤差θ_e’を得る。

引き算器８７は、偏角算出部８１により得られる偏角θ_e+θ_sからπ/2位相回転トラッキング部８６により得られる位相誤差θ_e’を差し引く。これにより、位相雑音が除去された信号位相が得られる。さらに、モジュロ演算器８８は、引き算器８７により得られる信号位相に対してモジュロ(,2π)演算を実行し、入力信号の位相の推定値を得る。このようにして、パイロットキャリアの位相が推定される。

キャリア位相補償部５５ａには、周波数オフセット補償部５２ａにより周波数オフセットが補償された部分帯域２９ａの信号成分が入力され、また、キャリア位相推定部５４ａにより推定されたパイロットキャリアの信号位相が入力される。そして、キャリア位相補償部５５ａは、パイロットキャリアの信号位相を利用して、部分帯域２９ａの信号成分の位相を補償する。

なお、周波数オフセット補償部５３ａ、キャリア位相推定部５４ａ、キャリア位相補償部５５ａは、図６に示す位相補償部３３の一例である。また、キャリア位相の推定および補償については、例えば、下記の文献に記載されている。
Nonlinear Estimation of PSK-Modulated Carrier Phase with Application to Burst Digital Transmission, Andrew J. Viterbi et al., IEEE Transactions on Information Theory, Vol. IT-29, No.4, pp543-551, July 1983
ＦＦＴ部５６ａは、上述のようにして周波数オフセットおよびキャリア位相が補償された信号に対してＦＦＴを実行し、部分帯域２９ａについての周波数領域信号を生成する。すなわち、時間領域信号が周波数領域信号に変換される。そして、参照信号検出部５７ａは、ＦＦＴ部５６ａにより得られる周波数領域信号から参照信号を検出する。

このように、デジタル信号処理部５は、部分帯域２９ａの信号成分を表すデジタル信号２７ａが入力されると、参照信号に基づいて、その信号成分の周波数オフセットおよびキャリア位相を補償する。また、デジタル信号処理部５は、部分帯域２９ｂの信号成分を表すデジタル信号２７ｂに対しても、同様の補償処理を実行する。よって、共通の基準（すなわち、参照信号）に基づいて周波数オフセットおよびキャリア位相が補償された部分帯域２９ａ、２９ｂの信号成分が得られる。

余剰帯域フィルタ３４、帯域結合部３５、データ再生部４１の動作は、図６を参照しながら説明した通りである。すなわち、余剰帯域フィルタ３４は、参照信号検出部５７ａ、５７ｂにより検出された参照信号を利用して、部分帯域２９ａ、２９ｂから余剰帯域を除去することにより、部分帯域２９ａ’、２９ｂ’を生成する。また、帯域結合部３５は、余剰帯域フィルタ３４により生成される部分帯域２９ａ’、２９ｂ’を周波数領域において結合する。

実施形態の光受信器３においては、局発光２６ａ、２６ｂは、互いに独立して生成される。すなわち、部分帯域２９ａ、２９ｂは、互いに独立した局発光２６ａ、２６ｂを利用して得られる。このため、図８（ｂ）に示すように、部分帯域２９ａ、２９ｂは、ＬＯ間誤差を有する。

デジタル信号処理部５は、部分帯域２９ａ、２９ｂに対して、それぞれ参照信号を基準とする周波数オフセット補償を行う。この結果、図８（ａ）に示すように、部分帯域２９ａ、２９ｂの参照信号が互いに一致するように、部分帯域２９ａ、２９ｂの信号成分の周波数がそれぞれ調整される。さらに、デジタル信号処理部５は、部分帯域２９ａ、２９ｂに対して、それぞれ参照信号を基準としてキャリア位相を補償する。したがって、部分帯域２９ａ、２９ｂの位相は互いに同期する。

上述の補償処理の後、余剰帯域フィルタ３４は、部分帯域２９ａから参照信号の周波数（すなわち、パイロットキャリアの周波数ｆｐ）の高域側を除去し、部分帯域２９ｂから参照信号の周波数の低域側を除去する。図８（ａ）では、部分帯域２９ａ、２９ｂからそれぞれ斜線領域が除去される。この結果、部分帯域２９ａ’、２９ｂ’が生成される。そうすると、帯域結合部３５は、図８（ｃ）に示すように、周波数領域において、部分帯域２９ａ’、２９ｂ’を結合する。これにより、光送信器２により生成された光信号の全信号帯域の信号成分が再生される。したがって、データ再生部４１は、光信号により伝送されるデータを再生することができる。

このように、実施形態の光通信システム１においては、光送信器２において伝送信号に参照信号を挿入する。光受信器３は、各部分帯域に参照信号が含まれるように、光信号の信号帯域を分割する。そして、光受信器３は、各部分帯域に含まれる参照信号の周波数および位相を基準に、デジタル信号処理で、各部分帯域の周波数および位相を調整する。すなわち、複数の部分帯域を受信するための複数の光源間の同期を確立する機能は、デジタル信号処理により実現される。したがって、実施形態の構成によれば、光受信器のサイズを大きくすることなく、アナログ回路の最大受信帯域を超える広帯域の光信号を受信できる。換言すれば、実施形態の構成によれば、アナログ回路の最大受信帯域を超える広帯域の光信号を受信する光受信器のサイズを小さくできる。

＜他の実施形態＞
図６〜図９に示す実施形態では、光受信器３は、光信号の信号帯域を２つの部分帯域に分割しているが、本発明はこの構成に限定されるものではない。光受信器３は、光信号の信号帯域を３以上の部分帯域に分割してもよい。例えば、図１３に示す例では、光信号の信号帯域がｎ個の部分帯域に分割されて処理される。ｎは、３以上の整数である。この場合、光スプリッタ２１は、入力光信号をｎ分岐して光ハイブリッド回路２３−１〜２３−ｎに導く。光ハイブリッド回路２３−１〜２３−ｎには、それぞれ光源（ＬＯ）２２−１〜２２−ｎにより生成される局発光が入力される。光ハイブリッド回路２３−１〜２３−ｎの出力光は、受光回路２４−１〜２４−ｎにより電気信号に変換され、Ａ／Ｄ変換回路２５−１〜２５−ｎによりデジタル信号に変換されてデジタル信号処理部５に与えられる。すなわち、デジタル信号処理部５は、ｎ個の部分帯域の信号成分を受け取る。

光受信器３において光信号の信号帯域がｎ個の部分帯域に分割される場合、光送信器２は、伝送信号にｎ−１個の参照信号を挿入する。例えば、光受信器３において信号帯域が３個の部分帯域に分割される場合、光送信器２は、図１４（ａ）に示すように、伝送信号に２個の参照信号（参照信号１、２）を挿入する。

光受信器３は、図１４（ａ）に示す光信号を受信すると、図１４（ｂ）に示すように、信号帯域を３個の部分帯域２９−１〜２９−３に分割する。このとき、参照信号１は部分帯域２９−１、２９−２の双方に含まれ、参照信号２は部分帯域２９−２、２９−３の双方に含まれる。そして、デジタル信号処理部５は、部分帯域２９−１〜２９−３を表すデジタル信号を受信する。

デジタル信号処理部５は、特に限定されるものではないが、例えば、下記の手順で部分帯域２９−１〜２９−３に対して補償処理を実行した後、それらの部分帯域を結合する。すなわち、デジタル信号処理部５は、参照信号１を基準として、部分帯域２９−１、２９−２に対して上述の補償処理を実行する。そして、デジタル信号処理部５は、補償後の部分帯域２９−１、２９−２を結合する。これにより、図１４（ｃ）に示す部分帯域２９−１−２が生成される。続いて、デジタル信号処理部５は、参照信号２を基準として、部分帯域２９−１−２、２９−３に対して上述の補償処理を実行する。そして、デジタル信号処理部５は、補償後の部分帯域２９−１−２、２９−３を結合する。この結果、図１４（ｄ）に示すように、光送信器２において生成される光信号の全信号帯域が再生される。

なお、光送信器２が伝送信号に複数の参照信号を挿入する場合、参照信号の周波数の間隔を不均一にしてもよい。この構成によれば、参照信号間の干渉が抑制される。また、光送信器２が伝送信号に複数の参照信号を挿入する場合、互いに隣接する参照信号を、異なる低周波信号で変調してもよい。この構成によっても、参照信号間の干渉が抑制される。

また、デジタル信号処理部５のデジタル信号処理の一例を図６または図９に示したが、本発明はこの手順に限定されるものではない。例えば、デジタル信号処理部５は、キャリア位相を推定および補償する処理の前に、余剰帯域を除去するフィルタリング処理を実行してもよい。

さらに、図６に示す構成では、光ハイブリッド回路２３ａ、２３ｂの出力信号がアナログ受信回路（受光回路およびＡ／Ｄ変換回路）２８ａ、２８ｂを通過するときに、それぞれ信号帯域の一部がカットされる。すなわち、アナログ受信回路２８ａ、２８ｂが帯域フィルタの役割を果たしている。しかし、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、光受信器３は、光信号の信号帯域から各部分帯域を得るための帯域フィルタを備えてもよい。この場合、例えば、光ハイブリッド回路２３ａとアナログ受信回路２８ａとの間に部分帯域２９ａを抽出するための帯域フィルタを配置し、光ハイブリッド回路２３ｂとアナログ受信回路２８ｂとの間に部分帯域２９ｂを抽出するための帯域フィルタを配置することができる。

さらに、図６に示す構成では、光受信器３のフロントエンドにコヒーレント受信器を備えるが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、光受信器３は、コヒーレント受信器の代わりに、遅延干渉検波を利用する受信器を使用してもよい。

さらに、実施形態の光通信システムは、光送信器２が伝送信号に参照信号を挿入し、光受信器３がその参照信号を利用してデータを再生する。しかし、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、光受信器３において得られる複数の部分帯域は、一部の信号成分を共有する。例えば、図７に示す例では、周波数ｆa1〜ｆb1の信号成分は、部分帯域２９ａ、２９ｂにより共有されている。そして、部分領域間で共有される信号成分は、強い相関を有する。したがって、光受信器３は、部分帯域間で相関を計算し、相関の高い領域の信号成分を疑似的な参照信号として、周波数オフセット補償およびキャリア位相補償を実行してもよい。

１ 光通信システム
２ 光送信器
３ 光受信器
５ デジタル信号処理部
１４ｘ、１４ｙ 参照信号挿入部
２２ａ、２２ｂ 光源
２３ａ、２３ｂ 光ハイブリッド回路
２４ａ、２４ｂ 受光回路
２５ａ、２５ｂ Ａ／Ｄ変換回路
２８ａ、２８ｂ アナログ受信回路
３１ 参照信号抽出部
３２ 周波数補償部
３３ 位相補償部
３４ 余剰帯域フィルタ
３５ 帯域結合部
４１ データ再生部

Claims (7)

1. 参照信号が挿入された光信号から第１の局発光を利用して前記参照信号を含む第１の部分帯域の信号成分を表す第１のデジタル信号を生成する第１の生成部と、
   前記光信号から前記第１の局発光と異なる周波数を有する第２の局発光を利用して前記参照信号を含む第２の部分帯域の信号成分を表す第２のデジタル信号を生成する第２の生成部と、
   前記参照信号の周波数に基づいて前記第１の部分帯域の信号成分の周波数および前記第２の部分帯域の信号成分の周波数を調整する周波数補償部と、
   前記周波数補償部により周波数が調整された前記第１および第２の部分帯域を結合する結合部と、
   を備える光受信器。
2. 請求項１に記載の光受信器であって、
   前記周波数補償部は、前記第１の部分帯域の信号成分において前記第１の局発光と前記参照信号との間の周波数オフセットを補償すると共に、前記第２の部分帯域の信号成分において前記第２の局発光と前記参照信号との間の周波数オフセットを補償する
   ことを特徴とする光受信器。
3. 請求項１に記載の光受信器であって、
   前記第１のデジタル信号を利用して前記参照信号の位相に基づいて前記第１の部分帯域の信号成分の位相を調整するとともに、前記第２のデジタル信号を利用して前記参照信号の位相に基づいて前記第２の部分帯域の信号成分の位相を調整する位相補償部、をさらに備え、
   前記結合部は、前記周波数補償部により周波数が調整され、且つ前記位相補償部により位相が調整された前記第１および第２の部分帯域を結合する
   ことを特徴とする光受信器。
4. 請求項１に記載の光受信器であって、
   前記第１および第２の部分帯域が互いに重なり合う周波数領域を、前記周波数補償部により周波数が調整された前記第１および第２の部分帯域の少なくとも一方から除去する帯域フィルタ、をさらに備える
   ことを特徴とする光受信器。
5. 請求項１に記載の光受信器であって、
   前記結合部により得られる信号帯域の信号成分から送信データを再生するデータ再生部、をさらに備える
   ことを特徴とする光受信器。
6. 参照信号が挿入された光信号から第１の局発光を利用して前記参照信号を含む第１の部分帯域の信号成分を表す第１のデジタル信号を生成し、
   前記光信号から前記第１の局発光と異なる周波数を有する第２の局発光を利用して前記参照信号を含む第２の部分帯域の信号成分を表す第２のデジタル信号を生成し、
   前記参照信号の周波数に基づいて前記第１の部分帯域の信号成分の周波数および前記第２の部分帯域の信号成分の周波数を調整し、
   前記周波数が調整された前記第１および第２の部分帯域を結合する、
   ことを特徴とする光受信方法。
7. 光送信器および前記光送信器から送信される光信号を受信する光受信器を備える光通信システムであって、
   前記光送信器は、
   伝送信号に参照信号を挿入する参照信号挿入部と、
   前記参照信号が挿入された伝送信号で光信号を生成する変調器、を備え、
   前記光受信器は、
   前記光信号から第１の局発光を利用して前記参照信号を含む第１の部分帯域の信号成分を表す第１のデジタル信号を生成する第１の生成部と、
   前記光信号から前記第１の局発光と異なる周波数を有する第２の局発光を利用して前記参照信号を含む第２の部分帯域の信号成分を表す第２のデジタル信号を生成する第２の生成部と、
   前記参照信号の周波数に基づいて前記第１の部分帯域の信号成分の周波数および前記第２の部分帯域の信号成分の周波数を調整する周波数補償部と、
   前記周波数補償部により周波数が調整された前記第１および第２の部分帯域を結合する結合部、を備える
   ことを特徴とする光通信システム。

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