特許 6973376 光信号受信装置、光通信システム、および光信号受信装置の補償信号の生成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6973376

(24)【登録日】2021年11月8日

(45)【発行日】2021年11月24日

(54)【発明の名称】光信号受信装置、光通信システム、および光信号受信装置の補償信号の生成方法

(51)【国際特許分類】

   H04B 10/61 20130101AFI20211111BHJP

   H04L 27/00 20060101ALI20211111BHJP

   H04L 27/38 20060101ALI20211111BHJP

【ＦＩ】

   H04B10/61

   H04L27/00 Z

   H04L27/38

【請求項の数】9

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2018-508807(P2018-508807)

(86)(22)【出願日】2017年2月27日

(86)【国際出願番号】JP2017007398

(87)【国際公開番号】WO2017169424

(87)【国際公開日】20171005

【審査請求日】2020年1月10日

(31)【優先権主張番号】特願2016-68282(P2016-68282)

(32)【優先日】2016年3月30日

(33)【優先権主張国】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度、総務省「巨大データ流通を支える次世代光ネットワーク技術の研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000004237

【氏名又は名称】日本電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110928

【弁理士】

【氏名又は名称】速水 進治

(72)【発明者】

【氏名】安田 和佳子

【審査官】 後澤 瑞征

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／０５１２８９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 ZHONG, Kang Ping et al.，Linewidth-Tolerant and Low-Complexity Two-Stage Carrier Phase Estimation Based on Modified QPSK Partitioning for Dual-Polarization 16-QAM Systems，JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，2013年，Vol.31, No.1，p.50-57

【文献】 BILAL, Syed Muhammad et al.，Multistage Carrier Phase Estimation Algorithms for Phase Noise Mitigation in 64-Quadrature Amplitude Modulation Optical Systems，JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，2014年，Vol.32, No.17，p.2973-2980

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｂ １０／６１

Ｈ０４Ｌ ２７／００

Ｈ０４Ｌ ２７／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

偏波多重かつ多値変調された光信号と局所光を干渉させることにより複数の出力光を生成する光フロントエンドと、
前記複数の出力光のそれぞれを光電変換し、さらにアナログ−デジタル変換することにより複数のデジタル信号を生成する信号変換手段と、
前記複数のデジタル信号に対して前記局所光と前記光信号の周波数差を補償することによりキャリア再生信号を生成する周波数差補償手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の信号配置に従って判定する第１シンボル判定手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の多値数を減らした信号配置に従って判定する第２シンボル判定手段と、
前記周波数差補償手段における補償信号を生成する補償信号生成手段と、
を備え、
前記補償信号生成手段は、前記第２シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を仮生成した後、前記第１シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を本生成し、
前記補償信号生成手段は、前記第２シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差の差動値を用いて前記補償信号を仮生成する光信号受信装置。

【請求項2】

請求項１に記載の光信号受信装置において、
前記多値変調の信号配置は１６ＱＡＭ以上の信号配置であり、
前記多値変調の多値数を減らした信号配置はＱＰＳＫの信号配置である光信号受信装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の光信号受信装置において、
前記補償信号生成手段は、前記第１シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差の差動値を用いて前記補償信号を本生成する光信号受信装置。

【請求項4】

偏波多重かつ多値変調された光信号を送信する光信号送信装置と、
前記光信号を処理する光信号受信装置と、
を備え、
前記光信号受信装置は、
前記光信号と局所光を干渉させることにより複数の出力光を生成する光フロントエンドと、
前記複数の出力光のそれぞれを光電変換し、さらにアナログ−デジタル変換することにより複数のデジタル信号を生成する信号変換手段と、
前記複数のデジタル信号に対して前記局所光と前記光信号の周波数差を補償することによりキャリア再生信号を生成する周波数差補償手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の信号配置に従って判定する第１シンボル判定手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の多値数を減らした信号配置に従って判定する第２シンボル判定手段と、
前記周波数差補償手段における補償信号を生成する補償信号生成手段と、
を備え、
前記補償信号生成手段は、前記第２シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を仮生成した後、前記第１シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を本生成し、
前記補償信号生成手段は、前記第２シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差の差動値を用いて前記補償信号を仮生成する光通信システム。

【請求項5】

請求項４に記載の光通信システムにおいて、
前記多値変調の信号配置は１６ＱＡＭ以上の信号配置であり、
前記多値変調の多値数を減らした信号配置はＱＰＳＫの信号配置である光通信システム。

【請求項6】

請求項４又は５に記載の光通信システムにおいて、
前記補償信号生成手段は、前記第１シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差の差動値を用いて前記補償信号を本生成する光通信システム。

【請求項7】

偏波多重かつ多値変調された光信号と局所光を干渉させることにより複数の出力光を生成する光フロントエンドと、
前記複数の出力光のそれぞれを光電変換し、さらにアナログ−デジタル変換することにより複数のデジタル信号を生成する信号変換手段と、
前記複数のデジタル信号に対して前記局所光と前記光信号の周波数差を補償することによりキャリア再生信号を生成する周波数差補償手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の信号配置に従って判定する第１シンボル判定手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の多値数を減らした信号配置に従って判定する第２シンボル判定手段と、
を有する光受信装置の前記周波数差補償手段における補償信号の生成方法であって、
前記第２シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を仮生成した後、前記第１シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を本生成し、
前記第２シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差の差動値を用いて前記補償信号を仮生成する光信号受信装置の補償信号の生成方法。

【請求項8】

請求項７に記載の光信号受信装置の補償信号の生成方法において、
前記多値変調の信号配置は１６ＱＡＭ以上の信号配置であり、
前記多値変調の多値数を減らした信号配置はＱＰＳＫの信号配置である光信号受信装置の補償信号の生成方法。

【請求項9】

請求項７又は８に記載の光信号受信装置の補償信号の生成方法において、
前記第１シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差の差動値を用いて前記補償信号を本生成する光信号受信装置の補償信号の生成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光信号受信装置、光通信システム、および光信号受信装置の補償信号の生成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

インターネットの普及に伴い、通信は生活インフラの一部となっている。ユーザ一人当たりのデータ量は年々増加しており、ネットワークトラフィックも増え続けている。ネットワークインフラのうち基幹通信を担う光ファイバ伝送路としては、１チャネル当たりの容量が１００Ｇｂ／ｓの光伝送システムが実用化されている。そして、今後は４００Ｇｂ／ｓシステムまたは１Ｔｂ／ｓシステムによる伝送路の大容量化が望まれている。

【0003】

伝送路の大容量化を実現するための技術のひとつとして、信号の多値化がある。多値変調技術のうち、１６ＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号はすでに実用化されつつある。そして、１Ｔｂ／ｓを実現するためには、３２ＱＡＭ信号や６４ＱＡＭ信号といった超高多値変調信号の実用化が必須となる。

【0004】

送信器で多値変調されたＱＡＭ信号は、デジタルコヒーレント受信機で受信され、復調される。デジタルコヒーレント受信機には、局所光源およびキャリア再生部が含まれている。キャリア再生部では、受信したＱＡＭ信号と、局所光源から出力されたＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）光が光フロントエンドで干渉する際に生じる、周波数誤差を推定して補償する。周波数誤差を推定する方式には、フィードフォワード型とディシジョンフィードバック型がある。フィードフォワード型の周波数誤差推定方式の一例が、非特許文献１に記載されている。しかし、この方式では、対応する変調方式がＱＰＳＫに限られている。そして、さらに高次の変調方式に適用するには複雑な信号処理を伴う。そこで、１６ＱＡＭ以上の多値変調信号では、ディシジョンフィードバック型を用いる場合が多い。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Andreas Leven et. al, "Frequency Estimation in Intradyne Reception", PTL, vol. 19, no. 6, pp366, 2007

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ディシジョンフィードバック型の周波数誤差推定方式を用いた場合、フィードバックループが収束しなければ、周波数誤差を推定できない。ＱＰＳＫ信号の場合、周波数引き込み範囲が広いため、周波数誤差が大きくてもフィードバックループは収束する。しかし、１６ＱＡＭ信号の場合、周波数引き込み範囲がＱＰＳＫ信号に比べて狭いため、周波数誤差が大きいとフィードバックループが収束しない。このため、トレーニング信号を用いてフィードバックループを収束させる必要がある。３２ＱＡＭや６４ＱＡＭといった超高多値変調信号の場合、周波数引き込み範囲は１６ＱＡＭと比べてさらに狭くなるため、わずかな周波数誤差があるとフィードバックループが収束せず、周波数誤差を推定できない。

【0007】

本発明の目的は、周波数引き込み範囲が狭い信号処理方式において、トレーニング信号を用いなくても、周波数誤差推定のフィードバックループを収束させることにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明によれば、偏波多重かつ多値変調された光信号と局所光を干渉させることにより複数の出力光を生成する光フロントエンドと、
前記複数の出力光のそれぞれを光電変換し、さらにアナログ−デジタル変換することにより複数のデジタル信号を生成する信号変換手段と、
前記複数のデジタル信号に対して前記局所光と前記光信号の周波数差を補償することによりキャリア再生信号を生成する周波数差補償手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の信号配置に従って判定する第１シンボル判定手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の多値数を減らした信号配置に従って判定する第２シンボル判定手段と、
前記周波数差補償手段における補償信号を生成する補償信号生成手段と、
を備え、
前記補償信号生成手段は、前記第２シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を仮生成した後、前記第１シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を本生成し、
前記補償信号生成手段は、前記第２シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差の差動値を用いて前記補償信号を仮生成する光信号受信装置が提供される。

【0009】

本発明によれば、偏波多重かつ多値変調された光信号を送信する光信号送信装置と、
前記光信号を処理する光信号受信装置と、
を備え、
前記光信号受信装置は、
前記光信号と局所光を干渉させることにより複数の出力光を生成する光フロントエンドと、
前記複数の出力光のそれぞれを光電変換し、さらにアナログ−デジタル変換することにより複数のデジタル信号を生成する信号変換手段と、
前記複数のデジタル信号に対して前記局所光と前記光信号の周波数差を補償することによりキャリア再生信号を生成する周波数差補償手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の信号配置に従って判定する第１シンボル判定手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の多値数を減らした信号配置に従って判定する第２シンボル判定手段と、
前記周波数差補償手段における補償信号を生成する補償信号生成手段と、
を備え、
前記補償信号生成手段は、前記第２シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を仮生成した後、前記第１シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を本生成し、
前記補償信号生成手段は、前記第２シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差の差動値を用いて前記補償信号を仮生成する光通信システムが提供される。

【0010】

本発明によれば、偏波多重かつ多値変調された光信号と局所光を干渉させることにより複数の出力光を生成する光フロントエンドと、
前記複数の出力光のそれぞれを光電変換し、さらにアナログ−デジタル変換することにより複数のデジタル信号を生成する信号変換手段と、
前記複数のデジタル信号に対して前記局所光と前記光信号の周波数差を補償することによりキャリア再生信号を生成する周波数差補償手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の信号配置に従って判定する第１シンボル判定手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の多値数を減らした信号配置に従って判定する第２シンボル判定手段と、
を有する光受信装置の前記周波数差補償手段における補償信号の生成方法であって、
前記第２シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を仮生成した後、前記第１シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を本生成し、
前記第２シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差の差動値を用いて前記補償信号を仮生成する光信号受信装置の補償信号の生成方法が提供される。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、周波数引き込み範囲が狭い信号処理方式において、トレーニング信号を用いなくても、周波数誤差推定のフィードバックループを収束させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

【0013】

【図1】第１の実施形態に係わる光通信システムの構成を示すブロック図である。

【図2】キャリア再生部の詳細な機能構成の一例を示す図である。

【図3】ＱＡＭ判定部の動作の一例を説明するための図である。

【図4】制御部が行う制御の一例を示す図である。

【図5】ＱＰＳＫ判定部の動作の一例を説明するための図である。

【図6】ＱＰＳＫ判定部の動作の他の例を説明するための図である。

【図7】第２の実施形態に係るキャリア再生部の構成を示すブロック図である。

【図8】第３の実施形態に係るキャリア再生部の構成を示すブロック図である。

【図9】第４の実施形態に係わる光信号受信装置の構成を示すブロック図である。

【図10】第５の実施形態に係わる光信号受信装置の構成を示すブロック図である。

【図11】第１の実施形態に係る光信号受信装置の構成の一例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

【0015】

（第１の実施形態）
図１１は、本実施形態に係る光信号受信装置４０の構成の一例を示す図である。本実施形態に係る光信号受信装置４０は、光フロントエンド４２、光信号変換部４６、周波数差補償部５１０、第１シンボル判定部５２１、第２シンボル判定部５２２、及び補償信号生成部５５０を有している。

【0016】

光フロントエンド４２は、偏波多重かつ多値変調された光信号と局所光を干渉させることにより、複数の出力光を生成する。光信号変換部４６は、光フロントエンド４２が生成した複数の出力光のそれぞれを光電変換し、さらにアナログ−デジタル変換することにより複数のデジタル信号を生成する。周波数差補償部５１０は、光信号変換部４６が生成した複数のデジタル信号に対して局所光と光信号の周波数差を補償することによりキャリア再生信号を生成する。

【0017】

第１シンボル判定部５２１は、キャリア再生信号のシンボル位置を、上記した多値変調の信号配置に従って判定する。第２シンボル判定部５２２は、キャリア再生信号のシンボル位置を、多値変調の多値数を減らした信号配置に従って判定する。補償信号生成部５５０は、周波数差補償部５１０における補償信号を生成する。

【0018】

そして、補償信号生成部５５０は、第２シンボル判定部５２２の判定結果を用いて補償信号を仮生成した後、第１シンボル判定部５２１の判定結果を用いて補償信号を本生成する。上記したように、第２シンボル判定部５２２は、キャリア再生信号のシンボル位置を、多値変調の多値数を減らした信号配置に従って判定する。従って、第２シンボル判定部５２２を用いない場合と比較して、補償信号生成部５５０が生成する補償信号は収束しやすくなる。以下、詳細に説明を行う。

【0019】

図１は、光信号受信装置４０を用いた光通信システム１０の構成の一例を示すブロック図である。光通信システム１０は、光信号受信装置４０の他に、光信号送信装置２０、及び光伝送路３０を有している。本実施形態に係わる光通信システム１０は、ＱＰＳＫ信号よりもキャリア再生部５００の周波数引き込み範囲が狭い信号、具体的にはＱＡＭ信号、例えば１６ＱＡＭ以上の信号配置を有する信号を用いて通信を行うシステムである。

【0020】

光信号送信装置２０は、光源２１、シンボルマッピング２２、デジタル／アナログ変換部２３、および光変調器２４を有している。光源２１は、例えばレーザ発振器であり、搬送波となるレーザ光を発振する。シンボルマッピング２２は、入力されたバイナリ信号をQAM信号の信号配置に置き換える。デジタル／アナログ変換部２３は、シンボルマッピング２２から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換する。光変調器２４は、デジタル／アナログ変換部２３が出力したアナログ信号を用いて、光源２１が出力したレーザ光を変調することにより、光信号を生成する。この光信号は、例えば上記したＱＡＭ信号である。以下、光信号をＱＡＭ信号として説明を行う。

【0021】

光信号受信装置４０は、局所光源４１、光フロントエンド４２、光電変換部４３、アナログ／デジタル変換部（Ａ／Ｄ）４４、および信号処理装置４５を有している。信号処理装置４５は、複素信号生成部４５１、分散補償部４５２、偏波分離部４５３およびキャリア再生部５００から構成される。なお、光電変換部４３及びアナログ／デジタル変換部４４は、図１１の光信号変換部４６の一例である。

【0022】

局所光源４１は、例えばレーザ発振機であり、局所光を発振する。局所光は、光信号送信装置２０の光源２１と同一の周波数を有する。ただし、この局所光の周波数と光源２１が発信した光の周波数には誤差がある。

【0023】

光フロントエンド４２は、受信したＱＡＭ信号を局所光源４１から出力された局所光と干渉させ、直交偏波と直交位相を基底とする４成分の光信号を出力する。光電変換部４３は、光フロントエンド４２が出力した４つの光信号のそれぞれを電気信号（アナログ信号）に変換して出力する。Ａ／Ｄ変換部４４は、光電変換部４３が出力した４つのアナログ信号のそれぞれをデジタル信号に変換して出力する。

【0024】

信号処理装置４５は、例えば一つまたは複数の集積回路（ＬＳＩ）であり、アナログ／デジタル変換部４４が出力した４成分のデジタル信号に各種信号処理を施して復調信号を出力する。信号処理装置４５は、複素信号生成部４５１、分散補償部４５２、偏波分離部４５３、およびキャリア再生部５００を有している。複素信号生成部４５１は、４成分のデジタル信号から偏波ごとに２成分の複素信号を生成して出力する。分散補償部４５２は、複素信号を等化し、ＱＡＭ信号が光伝送路３０で受けた波長分散による波形歪みを補償する。偏波分離部４５３は、複素信号を適応等化し、直交偏波成分ごとに分離して等化信号を出力する。

【0025】

キャリア再生部５００は、ＱＡＭ信号と局所光の光源周波数誤差を補償してキャリア再生信号を出力する。

【0026】

図２は、キャリア再生部５００の詳細な機能構成の一例を示す図である。キャリア再生部５００は、周波数差補償部５１０、シンボル判定部５２０、誤差計算部５３０、ループフィルタ部５４０、および補償信号生成部５５０を有している。

【0027】

周波数差補償部５１０は、複数のデジタル信号における局所光と光信号の周波数差を補償することによりキャリア再生信号を生成する。シンボル判定部５２０は、第１シンボル判定部５２１および第２シンボル判定部５２２を有している。第１シンボル判定部５２１は、周波数差が補償されたキャリア再生信号のシンボル位置を、多値変調の信号配置に従って判定する。第２シンボル判定部５２２は、周波数差が補償されたキャリア再生信号のシンボル位置を、多値変調の多値数を減らした信号配置に従って判定する。ループフィルタ部５４０および補償信号生成部５５０は、周波数差補償部５１０が用いる補償信号を生成する。詳細には、ループフィルタ部５４０および補償信号生成部５５０は、第２シンボル判定部５２２の判定結果を用いて補償信号を仮生成した後、第１シンボル判定部５２１の判定結果を用いて補償信号を本生成する。以下、キャリア再生部５００について詳細に説明する。

【0028】

周波数差補償部５１０は、乗算器５１１および遅延器５１２を有している。乗算器５１１は、光源周波数誤差ωを含む等化信号ｅ（ｔ_ｎ）と、遅延器５１２から出力された補正信号ｃ（ｔ_ｎ−１）とを掛けあわせて、キャリア再生信号ｅ´（ｔ_ｎ）を出力する。なお、等化信号ｅ（ｔ_ｎ）は以下の式（１）で示され、キャリア再生信号ｅ´（ｔ_ｎ）は以下の式（２）で示される。

【0029】

【数1】

【数2】

【0030】

シンボル判定部５２０は、第１シンボル判定部５２１と第２シンボル判定部５２２を有している。第１シンボル判定部５２１は、キャリア再生信号のシンボル位置を、そのＱＡＭ信号の多値数で判定する。言い換えると、第１シンボル判定部５２１は、キャリア再生信号を、そのＱＡＭ信号の論理に従って判定する。一方、第２シンボル判定部５２２は、キャリア再生信号のシンボル位置を、そのＱＡＭ信号の多値数よりも少なくした信号配置（言い換えると、シンボル数を減らした信号配置）に従って判定する。例えばＱＡＭ信号が６４ＱＡＭ信号の場合、第１シンボル判定部５２１は、キャリア再生信号を６４ＱＡＭ信号と扱う。一方、第２シンボル判定部５２２は、キャリア再生信号を、１６ＱＡＭ信号又はＱＰＳＫ信号と仮定してシンボル位置の判定を行う。

【0031】

第１シンボル判定部５２１の動作を、例えばＱＡＭ信号が６４ＱＡＭ信号の場合について、図３を用いて説明する。第１シンボル判定部５２１に入力されたキャリア再生信号e'(t_n )はＩＱ平面上の×印で示されている。第１シンボル判定部５２１は、閾値Ｉ＝Ｉ_ｔｈおよびＱ＝Ｑ_ｔｈを境界として、キャリア再生信号ｅ´（ｔ_ｎ）から最も近いＱＡＭ信号のシンボル位置を判定し、判定信号ｄ^ＱＡＭを出力する。なお、閾値Ｉ_ｔｈおよびＱ_ｔｈは以下の（３）式で示される。また、判定信号ｄ^ＱＡＭは、以下の（４）式で示され、かつ、図３において○印で示された６４シンボルのうちのどれか一つである。第２シンボル判定部５２２については後述する。

【0032】

【数3】

【数4】

【0033】

誤差計算部５３０は、複素共役計算器５３１、乗算器５３２、および偏角計算器５３３を有している。複素共役計算器５３１は、判定信号ｄ（ｔ_ｎ）の複素共益ｄ^＊（ｔ_ｎ）を計算して出力する。乗算器５３２は、キャリア再生信号ｅ´（ｔ_ｎ）と判定信号の複素共益ｄ^＊（ｔ_ｎ）を掛けあわせて、キャリア再生信号と判定信号の誤差を出力する。この出力は、複素表現されている。偏角計算器５３３は、複素表現された誤差から偏角を計算して、この偏角を位相誤差θ_ｅｒｒ（ｔ_ｎ）をとして出力する。

【0034】

ループフィルタ部５４０は、増幅器５４１，５４２、加算器５４３，５４４、および遅延器５４５を有している。ループフィルタ部５４０は、式（５）の伝達関数LF(Z)にしたがった構成を有しており、位相誤差θ_ｅｒｒ（ｔ_ｎ）を平均化して周波数誤差ω_ｅを推定し、ω_ｅΔｔを出力する。

【0035】

【数5】

【0036】

シンボル数が少ない信号（例えばＱＰＳＫ信号）であれば、位相誤差θ_ｅｒｒ（ｔ_ｎ）の許容範囲が大きい。このため、Ｋ_１、１／Ｋ_２を大きく設定でき、その結果、周波数誤差ω_ｅの許容範囲が大きくなる。一方、位相誤差θ_ｅｒｒ（ｔ_ｎ）の許容範囲は、シンボル数が大きくなるに従って小さくなる。このため、シンボル数が多い信号（例えばＱＡＭ信号）の場合、Ｋ_１、１／Ｋ_２を小さく設定する必要があり、周波数誤差ω_ｅの許容範囲が小さくなる。一般に、各信号のＫ_１およびＫ_２の大小は、式（６）で示される。

【0037】

【数6】

【0038】

補償信号生成部５５０は、加算器５５１、遅延器５５２、および複素計算器５５３を有している。加算器５５１と遅延器５５２は、ループフィルタ部の出力ω_ｅΔｔを積算し、その積算値を推定位相ω_ｅｔ_ｎとして出力する。複素計算器５５３は、推定位相ω_ｅｔ_ｎから補正信号ｃ_ｚ（ｔ_ｎ）を計算して出力する。なお、補正信号ｃ_ｚ（ｔ_ｎ）は、以下の式（７）で示される。

【0039】

【数7】

【0040】

補償信号生成部５５０の出力は、周波数差補償部５１０に入力される。このように、キャリア再生部５００はフィードバックループを有する。そして、このフィードバックループが収束すれば、周波数誤差ω_ｅはＱＡＭ信号と局所光の光源周波数誤差ωとほぼ一致し、その結果、周波数差補償部５１０は光源２１と局所光源４１の周波数の差が精度よく補償されたキャリア再生信号を出力することができるようになる。

【0041】

その後、光通信システム１０の運用を開始する。

【0042】

キャリア再生部５００が最初の演算を開始するためには、遅延器５１２，５４５，５５２の初期値が必要である。シンボル数が少ないＱＰＳＫ信号であれば、周波数誤差ω_ｅの許容範囲が大きいため、概算した初期値でもフィードバックループは容易に収束した。しかし、ＱＡＭ信号のシンボル数が増加するにしたがって、周波数誤差ω_ｅの許容範囲が小さくなるため、遅延器５４５の初期値を許容される周波数誤差の大きさに応じて適切に設定しなければ、フィードバックループが収束しなかった。

【0043】

そこで、６４ＱＡＭ信号や３２ＱＡＭ信号の場合、任意の初期値から演算を開始してもフィードバックループが収束するように、遅延器５４５を光源周波数誤差の量に応じて適切な値に誘導する必要がある。

【0044】

そこで本実施形態に係るキャリア再生部５００は、遅延器５４５を制御するため、制御部５６０を有している。制御部５６０は、第１シンボル判定部５２１、第２シンボル判定部５２２、および増幅器５４１，５４２に接続されている。制御部５６０は、図４に示すシーケンスにしたがって、第１シンボル判定部５２１、第２シンボル判定部５２２、および増幅器５４１，５４２を制御して、遅延器５４５を光源周波数誤差の量に応じた適切な値に誘導する。

【0045】

図４に示す処理において、まず、遅延器５４５には、あらかじめ任意の初期値ω_０Δｔが設定されている（ステップＳ１）。制御部５６０は、第２シンボル判定部５２２をＯＮにし、増幅器５４１，５４２の係数Ｋ_１，Ｋ_２を設定する。制御部５６０は、増幅器５４１，５４２の係数Ｋ_１，Ｋ_２を、以下の式（８）に従って設定する（ステップＳ２）。

【0046】

【数8】

【0047】

このとき、第１シンボル判定部５２１はＯＮのままであってもよいし、ＯＦＦになっていてもよい。

【0048】

第１シンボル判定部５２１がＯＮのままである場合における、第２シンボル判定部５２２の動作の一例を、図５を用いて説明する。図５は、ＱＡＭ信号が６４ＱＡＭの場合を示している。第１シンボル判定部５２１の出力はＩＱ平面上の○印で示されている。第２シンボル判定部５２２は、閾値Ｉ＝０，Ｑ＝０を境界としてｄ^ＱＡＭから最も近いＱＰＳＫ信号のシンボル位置を判定し、以下の式（９）に示される判定信号を出力する。判定信号は△印で示された４シンボルのうちのどれか一つである。

【0049】

【数9】

【0050】

次に、制御部５６０は第１シンボル判定部５２１をＯＦＦにした場合における第２シンボル判定部５２２の動作を、図６を用いて説明する。図６も、ＱＡＭ信号が６４ＱＡＭの場合を示している。キャリア再生信号はＩＱ平面上の×印で示されている。第２シンボル判定部５２２は、閾値Ｉ＝０，Ｑ＝０を境界として、キャリア再生信号ｅ´（ｔ_ｎ）から最も近いＱＰＳＫ信号のシンボル位置を判定し、上記した式（９）に示される判定信号ｄ^ＱＰＳＫを出力する。この判定信号も、△印で示された４シンボルのうちのどれか一つである。

【0051】

そして、誤差計算部５３０は、位相誤差θ_ｅｒｒを出力する。ループフィルタ部５４０は、初期値ω_０を起点として計算を開始し、周波数誤差ω_ｅを推定してω_ｅΔｔを出力する。シンボル判定部５２０はＱＡＭ信号をＱＰＳＫ信号とみなして判定するため、ＱＡＭ信号であっても周波数誤差ω_ｅの許容範囲が大きく、任意の初期値であっても、フィードバックループが収束して周波数誤差ω_ｅの仮の値を推定することが可能となる。このとき、遅延器５４５には、ω_ｅ^ＱＰＳＫΔｔが格納されている（ステップＳ３）。

【0052】

フィードバックループが収束したら（ステップＳ４）、制御部５６０は第１シンボル判定部５２１がオフの場合はオンにする。また、第２シンボル判定部５２２をオフにし、増幅器５４１，５４２の係数Ｋ１，Ｋ２を以下の式（１０）に示す値に設定する（ステップＳ５）。

【0053】

【数10】

【0054】

増幅器の係数をＫ_１^ＰＱＳＫからＫ_１^ＱＡＭへ、Ｋ２^ＰＱＳＫからＫ_２^ＱＡＭへと切り替えるとき、係数の設定値を段階的に遷移させてもよい。また、フィードバックループの収束判断は、例えばキャリア再生信号をモニタしてＥＶＭ（Ｅｒｒｏｒ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍｇｕｎｉｔｕｄｅ）を計算したり、キャリア再生信号をバイナリデータまで復調してＢＥＲ（Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ）を計算してもよい。

【0055】

第２シンボル判定部５２２をオフにすると、第１シンボル判定部５２１は、以下の式（１１）に示す判定信号をそのまま出力する。

【0056】

【数11】

【0057】

誤差計算部５３０は、位相誤差θ_ｅｒｒを出力する。ループフィルタ部５４０は、初期値ω_ｅ^ＱＰＳＫΔｔを起点として計算を開始し、周波数誤差ω_ｅを推定してω_ｅΔｔを出力する。

【0058】

ＱＡＭ信号の場合、周波数誤差ω_ｅの許容範囲が小さいが、初期値が適切に設定されているため、フィードバックループが収束して周波数誤差ω_ｅを推定することが可能となる。このとき、遅延器５４５は、ω_ｅ^ＱＡＭΔｔを格納している（ステップＳ６）。

【0059】

フィードバックループが収束したら（ステップＳ７）、運用を開始する。

【0060】

このように、本実施形態では、例えばＱＡＭ信号においてＱＰＳＫ判定を行うなど、シンボル数を減らした信号判定を行うことにより、周波数引き込み範囲が広い周波数誤差推定を実現できる。その結果、超高多値変調信号でも周波数誤差の推定が容易になる。

【0061】

（第２実施形態）
本実施形態に係わる光通信システム１０は、キャリア再生部５００の機能構成を除いて、第１の実施形態に係わる光通信システム１０と同様の構成である。

【0062】

図７は、キャリア再生部の構成を示すブロック図である。本実施形態に係わるキャリア再生部５００は、以下の点を除いて第１の実施形態に示したキャリア再生部５００と同様の構成である。

【0063】

キャリア再生部５００は、図２に示す構成に加えて、位相補償部５７０を備えている。位相補償部５７０はｍ^ｔｈ−ｐｏｗｅｒアルゴリズムを用いてキャリア再生信号ｅ´（ｔ_ｎ）に残存する光源周波数誤差をさらに取り除き、キャリア再生信号ｅ´´（ｔ_ｎ）を出力する。なお、シンボル判定部５２０および誤差計算部５３０は、位相補償部５７０に入る前の信号を処理する。言い換えると、位相補償部５７０は、フードバックループの外に位置している。

【0064】

本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、従来よりも周波数引き込み範囲が広い周波数誤差推定を実現し、超高多値変調信号でも周波数誤差推定ができる。また、位相補償部５７０を有しているため、光源の周波数誤差をさらに減らすことができる。

【0065】

（第３実施形態）

【0066】

本実施形態に係わる光通信システム１０は、キャリア再生部５００の機能構成を除いて、第２の実施形態に係わる光通信システム１０と同様の構成である。

【0067】

図８は、キャリア再生部の構成を示すブロック図である。本実施形態に係わるキャリア再生部５００は、以下の点を除いて第２の実施形態に示したキャリア再生部５００と同様の構成である。

【0068】

キャリア再生部５００は、図７に示す構成に加えて、差動位相計算部５８０を備えている。また、図７と比較して誤差計算部５３０とループフィルタ部５４０の構成が異なっている。そして本実施形態において、補償信号生成部５５０は、キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差の差動値を用いて補償信号を生成する。

【0069】

具体的には、誤差計算部５３０は、シンボル判定部５２０を含み、さらに偏角計算器５３３、加算器５３４，５３５，５４３、増幅器５４１、および遅延器５３６を有している。誤差計算部５３０は等化信号ｅ´（ｔ_ｎ）から位相誤差θ_ｅｒｒ（ｔ_ｎ）を計算して出力する。

【0070】

詳細には、偏角計算器５３３は、乗算器５１１に入力する等化信号ｅ（ｔ_ｎ）の偏角を計算する。偏角計算器５３３の出力は、加算器５３４および加算器５３５に出力される。加算器５３４は、偏角計算器５３３の出力と遅延器５３６を加算する。シンボル判定部５２０は、加算器５３４の出力を用いてシンボル判定を行う。加算器５３５は、シンボル判定部５２０の出力と偏角計算器５３３の出力を加算する。加算器５３５の出力は、増幅器５４１および差動位相計算部５８０に入力される。

【0071】

差動位相計算部５８０は、位相誤差θ_ｅｒｒ（ｔ_ｎ）の差動値を計算して出力する。差動位相計算部５８０の出力は、ループフィルタ部５４０の増幅器５４２に入力される。

【0072】

ループフィルタ部５４０は、増幅器５４２、加算器５４３および遅延器５４５から構成される。ループフィルタ部５４０は以下の式（１２）に示す伝達関数LF(Z)にしたがった構成となっており、位相誤差を平均化して周波数誤差ω_ｅを推定し、ω_ｅΔｔを出力する。

【数12】

【0073】

なお、補償信号生成部５５０には、増幅器５４２の出力が入力される。また、増幅器５４２の出力は、第２の実施形態と同様に加算器５４３にも入力される。そして、加算器５４３の出力は、遅延器５３６を介して加算器５３４に入力される。

【0074】

本実施形態によっても、従来よりも周波数引き込み範囲が広い周波数誤差推定を実現し、超高多値変調信号でも周波数誤差推定ができる。

【0075】

（第４実施形態）
図９は、第４の実施形態に係わる光信号受信装置４０の構成を示すブロック図である。本実施の形態に係わる光信号受信装置４０は、以下の点を除いて第１から第３の実施形態に示した光信号受信装置４０のいずれかと同様の構成である。

【0076】

まず、分散補償部４５２は、周波数領域等化（ＦＤＥ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）回路から成る。ＦＤＥ回路は、複素信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）して周波数領域信号に変換し、フィルタ処理を施した後、逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ ＦＦＴ）して時間領域信号に戻す。このとき、周波数領域信号を周波数シフトすることにより、周波数領域で光源周波数誤差を補償することができる。

【0077】

そこで、キャリア再生部５００で推定した周波数誤差ω_ｅから周波数シフト量を計算し、ＦＤＥで光源周波数誤差を補償する。

【0078】

このように、本実施形態によれば、静的な光源周波数誤差は分散補償部４５２で、動的な光源周波数誤差はキャリア再生部５００で補償することにより、超高多値変調信号でも安定した周波数誤差推定ができる。

【0079】

（第５実施形態）
図１０は、第５の実施形態に係わる光信号受信装置４０の構成を示すブロック図である。本実施形態に係わる光信号受信装置４０は、以下の点を除いて第１から第３の実施形態に示した光信号受信装置４０と同様の構成である。

【0080】

光信号受信装置４０は、さらに、光源周波数誤差モニタ部４５４を有する。光源周波数誤差モニタ部４５４は、変調方式無依存な方式で、複素信号をモニタして、キャリア再生部５００よりも広範囲な周波数誤差モニタが可能である。

【0081】

そこで、光源周波数誤差モニタ部４５４でモニタした周波数誤差から周波数シフト量を計算し、この周波数シフト量を用いて、分散補償部４５２のFDEで光源周波数誤差をあらかじめ補償する。

【0082】

このようにして、静的でおおまかな光源周波数誤差は分散補償部４５２で、動的な光源周波数誤差はキャリア再生部５００で補償することにより、周波数引き込み範囲がさらに広い周波数誤差推定を実現し、超高多値変調信号でも安定した周波数誤差推定ができる。

【0083】

以下、参考形態の例を付記する。
１．偏波多重かつ多値変調された光信号と局所光を干渉させることにより複数の出力光を生成する光フロントエンドと、
前記複数の出力光のそれぞれを光電変換し、さらにアナログ−デジタル変換することにより複数のデジタル信号を生成する信号変換手段と、
前記複数のデジタル信号に対して前記局所光と前記光信号の周波数差を補償することによりキャリア再生信号を生成する周波数差補償手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の信号配置に従って判定する第１シンボル判定手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の多値数を減らした信号配置に従って判定する第２シンボル判定手段と、
前記周波数差補償手段における補償信号を生成する補償信号生成手段と、
を備え、
前記補償信号生成手段は、前記第２シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を仮生成した後、前記第１シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を本生成する光信号受信装置。
２．１に記載の光信号受信装置において、
前記多値変調の信号配置は１６ＱＡＭ以上の信号配置であり、
前記多値変調の多値数を減らした信号配置はＱＰＳＫの信号配置である光信号受信装置。
３．１又は２に記載の光信号受信装置において、
前記補償信号生成手段は、前記第２シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差を用いて前記補償信号を仮生成する光信号受信装置。
４．３に記載の光信号受信装置において、
前記補償信号生成手段は、前記第１シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差を用いて前記補償信号を本生成する光信号受信装置。
５．１又は２に記載の光信号受信装置において、
前記補償信号生成手段は、前記第２シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差の差動値を用いて前記補償信号を仮生成する光信号受信装置。
６．５に記載の光信号受信装置において、
前記補償信号生成手段は、前記第１シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差の差動値を用いて前記補償信号を本生成する光信号受信装置。
７．偏波多重かつ多値変調された光信号を送信する光信号送信装置と、
前記光信号を処理する光信号受信装置と、
を備え、
前記光信号受信装置は、
前記光信号と局所光を干渉させることにより複数の出力光を生成する光フロントエンドと、
前記複数の出力光のそれぞれを光電変換し、さらにアナログ−デジタル変換することにより複数のデジタル信号を生成する信号変換手段と、
前記複数のデジタル信号に対して前記局所光と前記光信号の周波数差を補償することによりキャリア再生信号を生成する周波数差補償手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の信号配置に従って判定する第１シンボル判定手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の多値数を減らした信号配置に従って判定する第２シンボル判定手段と、
前記周波数差補償手段における補償信号を生成する補償信号生成手段と、
を備え、
前記補償信号生成手段は、前記第２シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を仮生成した後、前記第１シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を本生成する光通信システム。
８．７に記載の光通信システムにおいて、
前記多値変調の信号配置は１６ＱＡＭ以上の信号配置であり、
前記多値変調の多値数を減らした信号配置はＱＰＳＫの信号配置である光通信システム。
９．７又は８に記載の光通信システムにおいて、
前記補償信号生成手段は、前記第２シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差を用いて前記補償信号を仮生成する光通信システム。
１０．９に記載の光通信システムにおいて、
前記補償信号生成手段は、前記第１シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差を用いて前記補償信号を本生成する光通信システム。
１１．７又は８に記載の光通信システムにおいて、
前記補償信号生成手段は、前記第２シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差の差動値を用いて前記補償信号を仮生成する光通信システム。
１２．１１に記載の光通信システムにおいて、
前記補償信号生成手段は、前記第１シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差の差動値を用いて前記補償信号を本生成する光通信システム。
１３．偏波多重かつ多値変調された光信号と局所光を干渉させることにより複数の出力光を生成する光フロントエンドと、
前記複数の出力光のそれぞれを光電変換し、さらにアナログ−デジタル変換することにより複数のデジタル信号を生成する信号変換手段と、
前記複数のデジタル信号に対して前記局所光と前記光信号の周波数差を補償することによりキャリア再生信号を生成する周波数差補償手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の信号配置に従って判定する第１シンボル判定手段と、
前記キャリア再生信号のシンボル位置を、前記多値変調の多値数を減らした信号配置に従って判定する第２シンボル判定手段と、
を有する光受信装置の前記周波数差補償手段における補償信号の生成方法であって、
前記第２シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を仮生成した後、前記第１シンボル判定手段の判定結果を用いて前記補償信号を本生成する光信号受信装置の補償信号の生成方法。
１４．１３に記載の光信号受信装置の補償信号の生成方法において、
前記多値変調の信号配置は１６ＱＡＭ以上の信号配置であり、
前記多値変調の多値数を減らした信号配置はＱＰＳＫの信号配置である光信号受信装置の補償信号の生成方法。
１５．１３又は１４に記載の光信号受信装置の補償信号の生成方法において、
前記第２シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差を用いて前記補償信号を仮生成する光信号受信装置の補償信号の生成方法。
１６．１５に記載の光信号受信装置の補償信号の生成方法において、
前記第１シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差を用いて前記補償信号を本生成する光信号受信装置の補償信号の生成方法。
１７．１３又は１４に記載の光信号受信装置の補償信号の生成方法において、
前記第２シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差の差動値を用いて前記補償信号を仮生成する光信号受信装置の補償信号の生成方法。
１８．１７に記載の光信号受信装置の補償信号の生成方法において、
前記第１シンボル判定手段の判定結果が示すシンボル位置と前記キャリア再生信号の複素表現上の偏角の差の差動値を用いて前記補償信号を本生成する光信号受信装置の補償信号の生成方法。

【0084】

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

【0085】

この出願は、２０１６年３月３０日に出願された日本出願特願２０１６−０６８２８２号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】