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特許7164092偏光分割多重化強度変調システムおよび該システムを使用する方法
(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】
(24)【登録日】2022-10-24
(45)【発行日】2022-11-01
(54)【発明の名称】偏光分割多重化強度変調システムおよび該システムを使用する方法
(51)【国際特許分類】
H04J 14/06 20060101AFI20221025BHJP
H04B 10/516 20130101ALI20221025BHJP
H04B 10/66 20130101ALI20221025BHJP
【ＦＩ】
H04J14/06
H04B10/516
H04B10/66
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2020541614
(86)(22)【出願日】2018-01-31
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-06-24
(86)【国際出願番号】 JP2018003280
(87)【国際公開番号】W WO2019150509
(87)【国際公開日】2019-08-08
【審査請求日】2020-12-22
(73)【特許権者】
【識別番号】301022471
【氏名又は名称】国立研究開発法人情報通信研究機構
(74)【代理人】
【識別番号】100116850
【弁理士】
【氏名又は名称】廣瀬 隆行
(74)【代理人】
【識別番号】100165847
【弁理士】
【氏名又は名称】関 大祐
(74)【代理人】
【識別番号】100220696
【弁理士】
【氏名又は名称】廣瀬 一郎
(72)【発明者】
【氏名】ソアレス ルイス ルーベン
(72)【発明者】
【氏名】ラーデマッハ ゲオルグ フレデリック
(72)【発明者】
【氏名】パットナム ベン
(72)【発明者】
【氏名】品田 聡
(72)【発明者】
【氏名】和田 尚也
【審査官】前田 典之
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３６９６９８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／００７６５０７（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｊ １４／０６
Ｈ０４Ｂ １０／５１６
Ｈ０４Ｂ １０／６６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
送信機（３）および受信機（５）を備えるデータ伝送システム（１）であって、前記送信機（３）は、第１の信号プロセッサ（１１）および光信号発生器（１３）を備え、
前記光信号発生器（１３）は、Ｘ偏光成分ｅｘ（ｔ）およびＹ偏光成分ｅｙ（ｔ）を有する光信号を出力し、
前記第１の信号プロセッサ（１１）は、第１のデータストリームＳｘおよび第２のデータストリームＳｙを受信し、前記第１のデータストリームおよび前記第２のデータストリームをそれぞれ反映するように前記Ｘ偏光成分および前記Ｙ偏光成分を制御し、
前記受信機（５）は、前記Ｘ偏光成分ｅｘ（ｔ）および前記Ｙ偏光成分ｅｙ（ｔ）を有する前記光信号を受信するただ１つの光検出器（２１）および第２の信号プロセッサ（２３）を備える、
データ伝送システム（１）であって、
前記第１の信号プロセッサ（１１）は、発振器（２５）を備え、前記第１の信号プロセッサ（１１）は、以下の式（Ｉ）を使用して前記Ｘ偏光成分および前記Ｙ偏光成分を制御し、
データ伝送システム（１）。
【請求項2】
前記第１の信号プロセッサ（１１）は、前記Ｘ偏光成分ｅｘ（ｔ）および前記Ｙ偏光成分ｅｙ（ｔ）をそれぞれ（Ｒｅ（ｅ（ｔ）））２および（Ｉｍ（ｅ（ｔ）））２になるように制御し、ｅ（ｔ）は、前記式（Ｉ）で定義され、Ｒｅ（ｅ（ｔ））は、ｅ（ｔ）の実部であり、Ｉｍ（ｅ（ｔ））は、ｅ（ｔ）の虚部である、
請求項１に記載のデータ伝送システム（１）。
【請求項3】
前記第１の信号プロセッサ（１１）は、前記Ｘ偏光成分ｅｘ（ｔ）および前記Ｙ偏光成分ｅｙ（ｔ）をそれぞれＲｅ（ｅ（ｔ））およびＩｍ（ｅ（ｔ））になるように制御し、ｅ（ｔ）は、前記式（Ｉ）で定義され、Ｒｅ（ｅ（ｔ））は、ｅ（ｔ）の実部であり、Ｉｍ（ｅ（ｔ））は、ｅ（ｔ）の虚部であり、前記受信機（５）は、リニアライザを備える、請求項１に記載のデータ伝送システム（１）。
【請求項4】
第１の信号プロセッサ（１１）によって第１のデータストリームＳｘおよび第２のデータストリームＳｙを受信するステップと、光信号発生器（１３）から出力された出力信号のＸ偏光成分ｅｘ（ｌ）およびＹ偏光成分ｅｙ（ｔ）がそれぞれ前記第１のデータストリームおよび前記第２のデータストリームを反映するように、前記第１の信号プロセッサ（１１）によって前記出力信号を制御するステップと、
ただ１つの光検出器（２１）によって前記Ｘ偏光成分ｅｘ（ｌ）および前記Ｙ偏光成分ｅｙ（ｔ）を有する前記出力信号を受信し、前記出力信号を使用して第２の信号プロセッサ（２３）によって前記第１のデータストリームＳｘおよび前記第２のデータストリームＳｙを再構成するステップと
を含む、
データを送信するための方法であって、
前記第１の信号プロセッサ（１１）は、発振器（２５）を備え、前記第１の信号プロセッサ（１１）は、以下の式（Ｉ）を使用して前記Ｘ偏光成分および前記Ｙ偏光成分を制御し、
方法。。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、偏光分割多重化強度変調システムおよび該システムを使用する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
データセンタ内ネットワークおよびアクセスネットワーク一般の低コストトランシーバの現在の技術は、強度変調および直接検出に基づいている。この方式のいくつかの可能な実施形態は、図１に示されているものであり、以下のように簡潔に説明される。図１－ａ）は、直接変調レーザ（ＤＭＬ：ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｌａｓｅｒ）送信の場合を示している。そこでは、エンコードされた情報を含む電気信号が直接レーザに送られる。結果として、レーザによって生成された光の強度は、その情報パターンで変調され、ファイバを介して送信される。一般的な送信光波長は、シングルモードファイバの場合、約１．３マイクロメートルである。情報パターンには２つの強度レベルがある。その場合、それは、オン／オフキーイング、またはシンボルごとに１ビットの容量を有する２パルス振幅変調（２－ＰＡＭ：２－ｐｕｌｓｅ－ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）と呼ばれる。あるいは、情報パターンにはより多くのレベルの情報があり、現在、４レベルの振幅を有する４－ＰＡＭを実現するための標準化の取り組みが進行中である。この場合、シンボル間の距離が短くなり、性能が低下するが、シンボルごとに２ビットの容量が得られる。送信後の光波の検出は、光検出器（ＰＤ：ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔ）で行われる。このデバイスは、入射光の強度を電流に変換する。電流は、光波の瞬時電力に比例する。したがって、それは、レーザを駆動する元の電気信号の近似となる。図１－ｂは、一定の振幅の光波を生成する代替の方式であって、レーザが連続的に供給される方式を示している。このとき、この光波は、外部変調器によって変調される。一般的な低コストトランシーバは、複数のレベルの強度を有するシンボルを生成するために電界吸収変調器（ＥＡＭ：ｅｌｅｃｔｒｏ－ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を使用する。この方式は、チャープ（動的周波数変動）を低減することにより、図１－ａ）に示したＤＭＬよりも高品質の信号を生成する。
【0003】
図１に示した従来のアプローチには、主に２つの問題がある。
【0004】
問題１．ＰＤは、その入力で光信号の強度のみを検出することができ、生成される電流は、
ｒ（ｔ）＝｜ｅ（ｔ）｜２（１）
に比例し、ただし、ｅ（ｔ）は、受信電界の複素包絡線であり、単一偏光であると仮定し、ｔは、時間である。そのため、受信機には光場の位相に関する情報がない。このため、分散などのファイバ伝送路歪みの補償が妨げられる。これにより、データレートを上げると、伝送距離が大幅に制限される。
ｒ（ｔ）＝｜ｅ（ｔ）｜２（１）
に比例し、ただし、ｅ（ｔ）は、受信電界の複素包絡線であり、単一偏光であると仮定し、ｔは、時間である。そのため、受信機には光場の位相に関する情報がない。このため、分散などのファイバ伝送路歪みの補償が妨げられる。これにより、データレートを上げると、伝送距離が大幅に制限される。
【0005】
問題２．送信信号は、単一偏光である。これは、２つの偏光モードを用いることができる伝送ファイバの容量を浪費するファイバ伝送路を活用していない。
理論的には二重偏光（ＤＰ：ｄｕａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）信号を生成できるが、これらの信号の検出にはコヒーレント受信機が必要であり、図１に示した簡単なＰＤよりもはるかに複雑でコストがかかる。したがって、短距離ネットワークに対して実用的な解決策ではない。
理論的には二重偏光（ＤＰ：ｄｕａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）信号を生成できるが、これらの信号の検出にはコヒーレント受信機が必要であり、図１に示した簡単なＰＤよりもはるかに複雑でコストがかかる。したがって、短距離ネットワークに対して実用的な解決策ではない。
【0006】
問題１に対する従来技術の解決策は、単側波帯（ＳＳＢ：ｓｉｎｇｌｅ－ｓｉｄｅ ｂａｎｄ）信号の使用である。特に、クラマース・クローニッヒの関係式によってサポートされるＳＳＢ信号の使用である。これらの関係式は、送信される光場包絡線が以下の形式で変換されることを示している。
【0007】
数式１
【0008】
ただし、ｓ（ｔ）は、元の情報信号であり、Ｅ０は、定数値であり、Ｂは、ｓ（ｔ）のスペクトルが－Ｂ／２とＢ／２の間に含まれるような周波数である。これは、ＳＳＢ信号の標準的な定義である。ただし、Ｅ０およびＢの値が適切に選択される場合、これは、最小位相信号となる［１］。その場合、その位相ｐｈｉ（ｔ）＝ａｒｇ［ｅ（ｔ）］と振幅｜ｅ（ｔ）｜は、［１］のようにヒルベルト変換によって一意に関連付けられる。
【0009】
数式２
【0010】
これは、［１］のようにその強度のみを検出することにより、光場包絡線に関する情報全体を復元できることを含意する。
【0011】
数式３
【0012】
ただし、ｒ（ｔ）は、ＰＤの検出電流であり、式（１）によって定義されており、ここでは以下のように表される。
【0013】
数式４
【0014】
この原理は、現在一般にクラマース・クローニッヒ（ＫＫ：Ｋｒａｍｅｒｓ－Ｋｒｏｎｉｇ）受信機として知られている［１］。この受信機の可能な実施態様が、図２に示されている。図２－ａ）の場合、トーンは、ＭＺＭ変調器（デルタｆ）を使用して送信機側で生成され、信号とともにファイバで伝送される。このアプローチは、［２］で提案されている。このアプローチには、光場をその強度だけでなく変調する必要があるという意味で、１つの大きな制限がある。このため、トーンを生成するために、マッハ・ツェンダー変調器などの、何らかの形の干渉計変調器を使用する必要がある。あるいは、図２－ｂ）に示すように、トーンは、局部発振器により受信機側に挿入される［３］。この場合、トーンと信号との相対的な偏光に関して制限がある。この方式では、トーンの偏光と入力信号の偏光を調整するために、何らかの偏光トラッキングおよび調整メカニズムが必要である。さらに、受信機側に追加のレーザが必要になるため、トランシーバの全体的なコストが増加する。あるいは、図３－ｂ）に示す、受信機の偏光ダイバーシティのバージョンがあり、これも問題２に対処する。
【0015】
問題２の解決策として、２つの従来技術がある。１つ目は、ストークス受信機と呼ばれるものであり［４］、２つ目は、クラマー・クローニッヒ受信機に基づいている［３］。ストークス受信機から始める。図３－ａ）に示すように、偏光多重化強度変調信号の生成を想定する。レーザ源からの光は、ｅｘおよびｅｙの２つの部分に分割され、それぞれは、強度変調器によって個別に変調される。変調後、２つの成分は、偏光合成器で合成される。この場合、偏光合成器の出力における電界包絡線は、以下の形式の列ベクトルとして表されなければならない。
【0016】
数式５
【0017】
ただし、上付き文字Ｔは、転置を表す。この信号のストークス検出は、図３－ａ）に示す方式で実行される。この方式では、入力信号の偏光は分割され、一組の検出器およびハイブリッドに進む。この方式は、コヒーレントおよび直接検出受信機の組み合わせであり、デジタル信号処理（ＤＳＰ：ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）を使用して２つの偏光を逆多重化できる。しかしながら、それは非常に複雑な構造となる。実際、それは、従来のコヒーレント受信機とほぼ同じくらい複雑であり、６つのＰＤを必要とする。なお、これらは、代替のハイブリッド構造を使用して５つのＰＤに削減される（ちなみに、コヒーレント受信機は８つのＰＤを必要とする）。
【0018】
偏光逆多重化の２番目の選択肢では、図３－ｂ）に示す方式が使用される。この場合、入力信号は、その偏光成分に分割され、局部発振器と混合されて、ＫＫ受信機の最小位相条件を満足する［３］。その後、２つのＰＤが、各偏光の電界を受信するために使用される。検波の後、ＤＳＰが、偏光逆多重化に使用される。この方式には、問題１を解決するために説明したＫＫ受信機と同じ制限がある。さらに、受信機における２つの光検出器および偏光ビームスプリッタの使用を必要とする。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0019】
【文献】Ａ． Ｍｅｃｏｚｚｉ，Ｃ Ａｎｔｏｎｅｌｌｉ，ａｎｄ Ｍ Ｓｈｔａｉｆ，“Ｋｒａｍｅｒｓ Ｋｒｏｎｉｇ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｒｅｃｅｉｖｅｒ，” Ｏｐｔｉｃａ，ｖｏｌ． ３，ｎｏ． １１，ｐ． １２２０，Ｎｏｖ ２０１６．
【文献】Ｘ． Ｃｈｅｎ ｅｔ ａｌ．，“２ｌ８－Ｇｂ／ｓ ｓｉｎｇｌｅ－ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ，ｓｉｎｇｌｅ－ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ，ｓｉｎｇｌｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ ｌ２５－ｋｍ ｏｆ ｓｔａｎｄａｒｄ ｓｉｎｇｌｅｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｕｓｉｎｇ Ｋｒａｍｅｒｓ－Ｋｒｏｎｉｇ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，” ｉｎ ＯＦＣ，２０１７，ｐ． Ｔｈ５Ｂ－６．
【文献】Ｘ． Ｃｈｅｎ ｅｔ ａｌ．，“４ｘ２４０Ｇｂ／ｓ Ｄｅｎｓｅ ＷＤＭ ａｎｄ ＰＤＭ Ｋｒａｍｅｒｓ－Ｋｒｏｎｉｇ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｌ２５－ｋｍ ＳＳＭＦ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，” ｉｎ ＥＣＯＣ，２０１７．
【文献】Ｍ． Ｍｏｒｓｙ－Ｏｓｍａｎ ｅｔ ａｌ．，“１ ｒａｍｄａ ｘ ２２４ Ｇｂ／ｓ １０ ｋｍ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ＰＡＭ－４ ｓｉｇｎａｌｓ ｕｓｉｎｇ １．３ ｍｉｃｏｒ ｍｅｔｅｒ ＳｉＰ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ａｎｄ ａ ｄｉｒｅｃｔ－ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ＭＩＭＯ－ｂａｓｅｄ ｒｅｃｅｉｖｅｒ，” ｉｎ ＥＣＯＣ，２０１４，ｐｐ． １－３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0020】
従来技術を確立した後で、低コストのアクセスネットワークトランシーバの望ましい条件は、
１．ＤＭＬまたはＥＡＭのいずれかを使用する集積送信機
２．単一のＰＤを使用する簡単な受信機
として列挙できることは明らかである。
１．ＤＭＬまたはＥＡＭのいずれかを使用する集積送信機
２．単一のＰＤを使用する簡単な受信機
として列挙できることは明らかである。
【0021】
偏光多重化を用いて容量を増加させるために、複合的な干渉計送信機、集積が難しいハイブリッドを有する複合的な受信機、および／または受信機における多数のＰＤを必要とする、従来技術に列挙されたすべての場合は、これらの条件を達成することができない。
【0022】
したがって、本文書の開示の目的は、ＤＭＬまたはＥＡＭのいずれかを使用して偏光多重化を実施する簡単な送信機と、ただ１つのＰＤを有する受信機とを有するデータ伝送システムを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【0023】
本明細書で提案される方式は、送信機側でＤＭＬまたはＥＡＭのいずれかを使用し、受信機側で単一のＰＤを使用して偏光多重化を実現することを可能にする。提案されるシステムは、送信機構の電子的および光学的機能ならびに受信機のＤＳＰからなる。
【0024】
本文書の開示の第１の態様は、データ伝送システムに関する。
データ伝送システム１は、送信機３および受信機５を備える。
送信機３は、第１の信号プロセッサ１１および光信号発生器１３を備える。
光信号発生器１３は、Ｘ偏光成分ｅｘ（ｔ）およびＹ偏光成分ｅｙ（ｔ）を含む光信号を出力する。
第１の信号プロセッサ１１は、第１のデータストリームＳｘおよび第２のデータストリームＳｙを受信し、第１のデータストリームＳｘおよび第２のデータストリームＳｙに応じて光信号のＸ偏光成分およびＹ偏光成分を制御する。
受信機５は、ただ１つの光検出器２１および第２の信号プロセッサ２３を備える。
データ伝送システム１は、送信機３および受信機５を備える。
送信機３は、第１の信号プロセッサ１１および光信号発生器１３を備える。
光信号発生器１３は、Ｘ偏光成分ｅｘ（ｔ）およびＹ偏光成分ｅｙ（ｔ）を含む光信号を出力する。
第１の信号プロセッサ１１は、第１のデータストリームＳｘおよび第２のデータストリームＳｙを受信し、第１のデータストリームＳｘおよび第２のデータストリームＳｙに応じて光信号のＸ偏光成分およびＹ偏光成分を制御する。
受信機５は、ただ１つの光検出器２１および第２の信号プロセッサ２３を備える。
【0025】
データ伝送システム１の好ましい実施形態は、第１の信号プロセッサ１１が発振器２５を備えることである。さらに、第１の信号プロセッサ１１は、以下の式（Ｉ）を使用してＸ偏光成分およびＹ偏光成分を制御する。
【0026】
数式６
【0027】
式（Ｉ）において、ｅ（ｔ）は、光信号を表し、Ｅ０は、光信号の一定レベルの成分であり、ｓｘ（ｔ）は、Ｘ偏光成分で伝送される第１のデータストリームの信号であり、ｓｙ（ｔ）は、Ｙ偏光成分で伝送される第２のデータストリームの信号であり、Ｂは、発振器２５の周波数であり、ｊは、（－１）１／２である。
【0028】
データ伝送システム１の好ましい実施形態は、第１の信号プロセッサ１１がＸ偏光成分ｅｘ（ｔ）およびＹ偏光成分ｅｙ（ｔ）をそれぞれ（Ｒｅ（ｅ（ｔ）））２および（Ｉｍ（ｅ（ｔ）））２になるように制御することである。ｅ（ｔ）は、式（Ｉ）で定義され、Ｒｅ（ｅ（ｔ））は、ｅ（ｔ）の実部であり、Ｉｍ（ｅ（ｔ））は、ｅ（ｔ）の虚部である。
【0029】
データ伝送システム１の好ましい実施形態は、第１の信号プロセッサ１１がＸ偏光成分ｅｘ（ｔ）およびＹ偏光成分ｅｙ（ｔ）をそれぞれＲｅ（ｅ（ｔ））およびＩｍ（ｅ（ｔ））になるように制御することである。ｅ（ｔ）は、式（Ｉ）で定義され、Ｒｅ（ｅ（ｔ））は、ｅ（ｔ）の実部であり、Ｉｍ（ｅ（ｔ））は、ｅ（ｔ）の虚部である。受信機５は、リニアライザを備える。
【0030】
本文書の開示の第２の態様は、
第１の信号プロセッサ１１によって第１のデータストリームＳｘおよび第２のデータストリームＳｙを受信するステップと、
光信号発生器１３から出力された出力信号のＸ偏光成分ｅｘ（ｔ）およびＹ偏光成分ｅｙ（ｔ）がそれぞれ第１のデータストリームおよび第２のデータストリームに応じて、第１の信号プロセッサ１１によって出力信号を制御するステップと、
ただ１つの光検出器２１によって出力信号を受信するステップと、
出力信号を使用して第２の信号プロセッサ２３によって第１のデータストリームＳｘおよび第２のデータストリームＳｙを再構成するステップと
を含む、データを送信するための方法に関する。
第１の信号プロセッサ１１によって第１のデータストリームＳｘおよび第２のデータストリームＳｙを受信するステップと、
光信号発生器１３から出力された出力信号のＸ偏光成分ｅｘ（ｔ）およびＹ偏光成分ｅｙ（ｔ）がそれぞれ第１のデータストリームおよび第２のデータストリームに応じて、第１の信号プロセッサ１１によって出力信号を制御するステップと、
ただ１つの光検出器２１によって出力信号を受信するステップと、
出力信号を使用して第２の信号プロセッサ２３によって第１のデータストリームＳｘおよび第２のデータストリームＳｙを再構成するステップと
を含む、データを送信するための方法に関する。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】（ａ）直接変調レーザ（ＤＭＬ）、および（ｂ）連続波形レーザに続いて電界吸収変調器（ＥＡＭ）を使用する強度変調・直接検出（ＩＭ－ＤＤ：ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ－ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）の一般的な伝送方式を示している。
【図2】（ａ）送信機に挿入されるトーンおよび（ｂ）受信機に局部発振器として導入されるトーンを伴うクラマース・クローニッヒコヒーレント受信機の単一偏光の実施態様を示している。
【図3】（ａ）ストークス受信機および（ｂ）クラマー・クローニッヒ受信機に基づく直接検出をサポートする偏光多重化方式を示している。
【図4】データ伝送システムの概略図を示している。
【図5】第１の信号プロセッサの例を示している。
【図6】第２の信号プロセッサの例を示している。
【図7】（ａ）電気的線形化および（ｂ）光学的線形化によるアップコンバージョンを使用する理想的なＰＤＭ－ＩＭ－ＤＤ受信機の方式。副図（ｃ）は、線形化された信号を使用する受信機の方式を示している。線形化された信号を使用しない場合、（ｄ）に示す受信機は、歪みを小さくすることができる。
【図8】（ａ）線形化ありおよび（ｂ）線形化なしで、アップコンバートされた信号を使用する単純化されたＰＤＭ－ＩＭ－ＤＤ受信機の方式を示している。
【発明を実施するための形態】
【0032】
本文書の開示の第１の態様は、データ伝送システムに関する。本システムは、偏光分割多重化強度変調システムに関し得る。本システムの送信機は、光偏光分割多重化強度変調信号を送信する。
【0033】
ＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ（受動光ネットワーク））、ＧＰＯＮ（Ｇｉｇａｂｉｔ ｃａｐａｂｌｅ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ（ギガビット対応受動光ネットワーク））、およびＥＰＯＮ（Ｅｔｈｅｎｅｔ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ（イーサネット受動光ネットワーク））の制約は、以下のように列挙される。
ＯＬＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ（光回線終端装置））の場合、構成要素のコストが、ユーザ数で分けることができ、次世代１００Ｇ ＥＰＯＮでは、光増幅器の使用が見込まれており、
２５Ｇｂ／ｓの信号に、データセンタの２５ＧＨｚハードウェアまたは既存の１０ＧＨｚ用ハードウェアが使用でき、外部変調レーザ（ＥＭＬ：Ｅｘｔｅｒｎａｌｌｙ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｌａｓｅｒ）が許容できる。
ＯＮＵ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ（光回線終端装置））の場合、構成要素のコストが深刻であり、光増幅の使用は見込まれていない。ただし、ＯＬＴは、前置増幅器を有してもよく、２５Ｇｂ／ｓの信号に、データセンタのための２５ＧＨｚハードウェアが使用され、直接変調レーザが好ましい。
ＯＬＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ（光回線終端装置））の場合、構成要素のコストが、ユーザ数で分けることができ、次世代１００Ｇ ＥＰＯＮでは、光増幅器の使用が見込まれており、
２５Ｇｂ／ｓの信号に、データセンタの２５ＧＨｚハードウェアまたは既存の１０ＧＨｚ用ハードウェアが使用でき、外部変調レーザ（ＥＭＬ：Ｅｘｔｅｒｎａｌｌｙ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｌａｓｅｒ）が許容できる。
ＯＮＵ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ（光回線終端装置））の場合、構成要素のコストが深刻であり、光増幅の使用は見込まれていない。ただし、ＯＬＴは、前置増幅器を有してもよく、２５Ｇｂ／ｓの信号に、データセンタのための２５ＧＨｚハードウェアが使用され、直接変調レーザが好ましい。
【0034】
図４は、データ伝送システムの概略図を示している。図４に示すように、データ伝送システム１は、送信機３および受信機５を備える。送信機３は、第１の信号プロセッサ１１および光信号発生器１３を備える。光信号発生器１３は、Ｘ偏光成分ｅｘ（ｔ）およびＹ偏光成分ｅｙ（ｔ）を含む光信号を出力する。第１の信号プロセッサ１１は、第１のデータストリームＳｘおよび第２のデータストリームＳｙを入力し、第１のデータストリームＳｘおよび第２のデータストリームＳｙに応じて、それぞれ、光信号のＸ偏光成分およびＹ偏光成分を制御する。送信機は、変調器として１つもしくは複数の直接変調レーザ（ＤＭＬ）または１つもしくは複数の電界吸収変調器（ＥＡＭ）のみを備えることが好ましい。ＤＭＬまたはＥＡＭは、強度変調を実行し、信号プロセッサは、偏光分割多重化を制御できる。
【0035】
図５は、第１の信号プロセッサの例を示している。図５（ａ）は、リニアライザを含む信号プロセッサを示している。回路は、ハードウェア資源、およびソフトウェア資源とハードウェア資源の組み合わせによって実装され得る。送信機が、ソフトウェア資源とハードウェア資源を用いて実装される場合、各要素の役割は、コンピュータプログラムによって実現され得る。リニアライザは、図では（）２として示されている。リニアライザの例は、日本特許第５５０５０８２号明細書および日本特許第５８３４８０４号明細書に開示されている。図では、ｐｉ／２回路が、位相差を提供する。信号発生器１３は、変調器として１つもしくは複数の直接変調レーザ（ＤＭＬ）または１つもしくは複数の電界吸収変調器（ＥＡＭ）のみを備える。Ｂは、発振器の周波数を表す。図５（ａ）および図５（ｂ）に示されている回路の役割は、記号を辿ることで容易に理解される。
【0036】
送信機から出力される光信号は、以下によって表される。
【0037】
数式７
【0038】
ただし、ｅｘおよびｅｙは、それぞれ光信号のＸ偏光成分およびＹ偏光成分を表す。
【0039】
受信機５は、ただ１つの光検出器２１および第２の信号プロセッサ２３を備える。図６は、第２の信号プロセッサの例を示している。図６（ａ）は、平方根演算回路、ｌｏｇ演算回路、ＨＴ（ヒルベルト変換）回路、およびｅｐｈａｉ回路を含む信号プロセッサを示している。図６（ｂ）は、リニアライザをさらに含む信号プロセッサを示している。回路は、ハードウェア資源、およびソフトウェア資源とハードウェア資源の組み合わせによって実装され得る。
【0040】
第２の信号プロセッサは、以下の式を実現する従来のＫＫ受信機の構成要素から成る。
【0041】
数式８
【0042】
第２の信号プロセッサは、式（Ｉ）を適用することによって、ＰＤから出力された出力電気信号を分析し、第１のデータストリームＳｘおよび第２のデータストリームＳｙの情報を復元する。
【0043】
データ伝送システム１の好ましい実施形態は、第１の信号プロセッサ１１が発振器２５またはリニアライザを備えることである。さらに、第１の信号プロセッサ１１は、以下の式（Ｉ）を使用してＸ偏光成分およびＹ偏光成分を制御する。
【0044】
数式９
【0045】
（式（Ｉ）において、ｅ（ｔ）は、光信号を表し、Ｅ０は、光信号の定数成分であり、ｓｘ（ｔ）は、Ｘ偏光成分で伝送される第１のデータストリームの信号、ｓｙ（ｔ）は、Ｙ偏光成分で伝送される第２のデータストリームの信号であり、Ｂは、発振器２５の周波数であり、ｊは、（－１）１／２である。）上記は、図５に示した信号プロセッサを用いて実行される。
【0046】
データ伝送システム１の好ましい実施形態は、第１の信号プロセッサ１１がＸ偏光成分ｅｘ（ｔ）およびＹ偏光成分ｅｙ（ｔ）をそれぞれ（Ｒｅ（ｅ（ｔ）））２および（Ｉｍ（ｅ（ｔ）））２になるように制御することである。ｅ（ｔ）は、式（Ｉ）で定義され、Ｒｅ（ｅ（ｔ））は、ｅ（ｔ）の実部であり、Ｉｍ（ｅ（ｔ））は、ｅ（ｔ）の虚部である。
【0047】
データ伝送システム１の好ましい実施形態は、第１の信号プロセッサ１１がＸ偏光成分ｅｘ（ｔ）およびＹ偏光成分ｅｙ（ｔ）をそれぞれＲｅ（ｅ（ｔ））およびＩｍ（ｅ（ｔ））になるように制御することである。ｅ（ｔ）は、式（Ｉ）で定義され、Ｒｅ（ｅ（ｔ））は、ｅ（ｔ）の実部であり、Ｉｍ（ｅ（ｔ））は、ｅ（ｔ）の虚部である。受信機５は、リニアライザを備える。
【0048】
本文書の開示の第２の態様は、データを送信するための方法に関する。送信機３の第１の信号プロセッサ１１は、第１のデータストリームＳｘおよび第２のデータストリームＳｙを受信する。第１の信号プロセッサ１１は、光信号発生器１３から出力される出力信号が、第１のデータストリームおよび第２のデータストリームに応じて、それぞれＸ偏光成分ｅｘ（ｔ）およびＹ偏光成ｅｙ（ｔ）を有するように、光信号に適用されるデータを制御する。次に、出力信号は、例えば光ファイバを介して受信機５に送信される。出力信号は、ＳＳＢ（単側波帯）信号などの変調信号である。単一の光検出器２１は、光信号発生器１３から出力された出力信号を受信する。第２の信号プロセッサ２３は、光検出器２１から出力された電気信号を使用して第１のデータストリームＳｘおよび第２のデータストリームＳｙを再構成する。
【0049】
詳細なシステム
これは、これまでに提案された強度変調直接検波システムの偏光多重化の潜在的に最も低コストの構造である。図７は、ＥＡＭを使用する光学方式の概略図を示している。構成要素の総数は、以前のどの従来技術よりも大幅に少なく、それは、ＤＭＬまたはＥＡＭおよび受信機側で1つのＰＤを使用することにより、実現する。
これは、これまでに提案された強度変調直接検波システムの偏光多重化の潜在的に最も低コストの構造である。図７は、ＥＡＭを使用する光学方式の概略図を示している。構成要素の総数は、以前のどの従来技術よりも大幅に少なく、それは、ＤＭＬまたはＥＡＭおよび受信機側で1つのＰＤを使用することにより、実現する。
【0050】
図７において、光信号発生器１３は、光源として単一のＬＤ（レーザダイオード）を備え、２つのＥＡＭ（電界吸収変調器）を備える。これらを２つのＤＭＬに置き換えることが可能である。バイアス電圧は、ＥＡＭに印加される。信号発生器１１から出力された２つの信号は、２つのＥＡＭに加えられる。２つのＥＡＭから出力された信号は、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）に入力される。ＰＢＳは、受信機側に送信される信号を出力する。
【0051】
本発明を説明するために、２つの偏光成分を有する信号の場合の単一偏光信号において、（１）によって表される二乗検波則を書くことから始める。
【0052】
数式１０
【0053】
ただし、ｅｘおよびｅｙは、受信される二重偏光信号の複素包絡線である。
式（７）は、よく知られている結果であるが、これを新しい方法で書くことができる。
式（７）は、よく知られている結果であるが、これを新しい方法で書くことができる。
【0054】
数式１１
【0055】
ただし、ｅ’（ｔ）は、以下のような複素量の絶対値である。
【0056】
数式１２
【0057】
したがって、ｅ’（ｔ）が式（２）と同じ形式を有すると想定すると、ＫＫ受信機を実装するための条件が整う。しかしながら、ＫＫ受信機が受信信号の実部および虚部を検出するように動作すると想定する代わりに、我々の発明は、Ｘ偏光成分およびＹ偏光成分を検出すると想定する。実際、実部および虚部を表すために使用される手段を、複素領域から偏光領域に変更した。これは、本発明の最初の革新的なステップであり、直交の代わりに偏光で、ＫＫの基本原理を特性付けることである。ここで、ｅ’（ｔ）が最小位相信号の条件に従うと想定した上で、ＫＫ受信機の原理を利用してこの信号を検出することが可能となる。
【0058】
信号ｅ’（ｔ）を生成するために、以下の形式を想定する。
１．アップコンバートされた信号。この信号は以下の形式を取る。
１．アップコンバートされた信号。この信号は以下の形式を取る。
【0059】
数式１３
【0060】
この形式は、信号がＸ偏光およびＹ偏光でそれぞれ伝送されるｓｘおよびｓｙを有するが、式（２）と同様である。この信号を生成するために、図７－ａ）に示す方式を検討する。これは、Ｘ偏光およびＹ偏光で伝送される光信号の成分の計算を実行する。変調器を駆動する信号の最小帯域幅はＢであることに留意されたい。しかしながら、光変調器は、駆動電圧に対して線形の光強度を有するようにバイアスされる。我々のシステムでは、光場を駆動電圧に対して線形にすることが望ましい。したがって、駆動信号の電気的な線形化が必要となる。この場合、駆動信号をその二乗値に変換する必要がある。これにより、必要な帯域幅が２Ｂに増加する。この問題を防ぐために、図７－ｂ）に示すように、生成された光場が既に非線形性を含むように、変調器をその特性の非線形部にバイアスし得る。図７－ｃ）は、ヒルベルト変換（ＨＴ：Ｈｉｌｂｅｒｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）およびダウンコンバージョンを含む受信機を示している。あるいは、非線形化信号を使用する。これにより、送信機および受信機の実現が簡素になる。しかしながら、非線形化によって生じる歪みにより、信号は劣化し得る。この歪みを処理するために、図７－ｄ）に示すように、受信機には線形化モジュールを含める。
【0061】
２．簡素化されたアップコンバートされた信号
この場合、以下の形式の信号を想定することで、形式１のアップコンバージョンプロセスを簡素化する。
この場合、以下の形式の信号を想定することで、形式１のアップコンバージョンプロセスを簡素化する。
【0062】
数式１４
【0063】
これにより、Ｘ偏光信号およびＹ偏光信号を生成するために必要なアップコンバージョンの数は減少するが、多少の歪みが生じる。機構を簡素化する利点を考えると、この歪みは許容可能であり得る。図８－ａ）および図８－ｂ）は、線形化ありまたはなしの可能な方式を示している。これらの方式は、それぞれ図７－ｃ）および図７－ｄ）で示されている受信機を使用しなければならない。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】