(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-12
(45)【発行日】2022-12-20
(54)【発明の名称】偏波分離回路及び偏波分離方法
(51)【国際特許分類】
H04J 14/06 20060101AFI20221213BHJP
【ＦＩ】
H04J14/06
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2021153034
(22)【出願日】2021-09-21
【審査請求日】2021-09-21
【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）国等の委託研究の成果に係る特許出願（令和２年度総務省「新たな社会インフラを担う革新的光ネットワーク技術の研究開発（技術課題ＩＩＩ「高効率光アクセスメトロ技術」）」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願）
(73)【特許権者】
【識別番号】000000295
【氏名又は名称】沖電気工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100141955
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 宏之
(74)【代理人】
【識別番号】100085419
【弁理士】
【氏名又は名称】大垣 孝
(72)【発明者】
【氏名】神田 祥宏
【審査官】浦口 幸宏
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２１－１５８６１８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｊ １４／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
入力信号から生成された、クロック周期ごとに、並列化された１つのブロックを構成するＮ（Ｎは２以上の整数）のストークスベクトルの、隣接するストークスベクトルの外積を求める外積演算器と、前記外積演算器で求められた、ｋ（ｋは１以上の整数）番目のブロックにおけるＮ－１個の外積から、長さが最大のものを仮の法線ベクトルｔｋとする外積比較器と、
ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋと、ｋ－１番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋ－１がなす角度θを求める角度比較器と、
前記角度θがπ／２より大きい場合は、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋに平行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとし、前記角度θがπ／２以下の場合は、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋの逆ベクトルに平行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとする選択回路と、
前記単位法線ベクトルの方向が、ストークス空間の所定の軸と一致する補償行列Ｕを生成する補償行列生成回路と、
前記補償行列Ｕを前記入力信号に乗じる乗算器と
を備える偏波分離回路。
【請求項2】
前記入力信号である、クロック周期ごとに並列化された１つのブロックを構成する、Ｎ個のＪｏｎｅｓベクトルを、Ｎ個のストークスベクトルに変換して、前記外積演算器に送るストークスベクトル演算器を備える請求項１に記載の偏波分離回路。
【請求項3】
前記角度比較器に代えて、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋと、ｋ－１番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋ－１がなす角度θを求め、
前記ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋの長さが、所定の閾値より小さい場合に、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋの代わりに、ｋ－１番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋ－１を使用する強度角度比較器
を備える請求項１又は２に記載の偏波分離回路。
【請求項4】
入力信号から生成された、クロック周期ごとに、並列化された１つのブロックを構成するＮ（Ｎは２以上の整数）のストークスベクトルの、隣接するストークスベクトルの外積を求める外積演算過程と、前記外積演算過程で求められた、ｋ（ｋは１以上の整数）番目のブロックにおけるＮ－１個の外積から、長さが最大のものを仮の法線ベクトルｔｋとする外積比較過程と、
ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋと、ｋ－１番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋ－１がなす角度θを求める角度比較過程と、
前記角度θがπ／２より大きい場合は、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋに平
行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとし、前記角度θがπ／２以下の場合は、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋの逆ベクトルに平行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとする選択過程と、
前記単位法線ベクトルの方向が、ストークス空間の所定の軸と一致する補償行列Ｕを生成する補償行列生成過程と、
前記補償行列Ｕを前記入力信号に乗じる乗算過程と
を備える偏波分離方法。
【請求項5】
前記外積演算過程の前に行われる、前記入力信号である、クロック周期ごとに並列化された１つのブロックを構成する、Ｎ個のＪｏｎｅｓベクトルを、Ｎ個のストークスベクトルに変換するストークスベクトル演算過程を
備える請求項４に記載の偏波分離方法。
【請求項6】
前記角度比較過程に代えて、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋと、ｋ－１番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋ－１がなす角度θを求め、
前記仮の法線ベクトルｔｋの長さが、所定の閾値より小さい場合に、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋの代わりに、ｋ－１番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋ－１を使用する強度角度比較過程
を備える請求項４又は５に記載の偏波分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、例えば偏波多重方式の通信で用いられる、偏波分離回路及び偏波分離方法に関する。
【背景技術】
【0002】
第五世代通信システム（５Ｇ）や、その次の世代の通信システム（Ｂｅｙｏｎｄ ５Ｇ）の光配線に、受動型光アクセスネットワーク（ＰＯＮ：Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）を適用するために、ＰＯＮの大容量化が不可欠である。ＰＯＮの大容量化のために、基幹ネットワークで適用されているような、ディジタルコヒーレント技術を適用した、偏波多重・多値変調の適用が考えられる。
【0003】
偏波多重方式では、受信側で偏波チャネルを特定し、光ファイバの複屈折の変動を適応的に取り除く必要がある。ＰＯＮなどの光アクセスネットワークでは、上り方向はバースト的に信号を発生する。従って、特に短時間で、トレーニング信号を用いた処理を完了し、高速に偏波チャネル分離を実現する必要がある。
【0004】
基幹ネットワークで行われる偏波チャネル分離では、ＣＭＡ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）と呼ばれるアルゴリズムが広く利用されている。これは、多重した２つの偏波チャネルのパワーが等しくなるように、ディジタルフィルタの係数を、受信側で適応的に制御する方法である。
【0005】
また、ＣＭＡと比較して高速な方法として、ストークス空間における偏波チャネル分離が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。この方法は、ストークス空間における偏波多重光信号の偏波状態の時間変化の軌跡がレンズ状となることから、このレンズ状の軌跡と最も良く一致する平面を定義し、その平面の法線ベクトルが送信時のものと等しくなるように、ディジタルフィルタを制御する方法である。非特許文献１に記載の通り、ストークス空間における偏波チャネル分離によれば、ＣＭＡと比較して高速な偏波分離が可能である。しかしながら、非特許文献１に開示されている技術には、法線ベクトルの算出の演算量が大きいという課題がある。
【0006】
この課題を解決する方法として、法線ベクトルの算出を簡略化した方法が報告されている（例えば、非特許文献２参照）。非特許文献２に開示されている方法は、受信信号のストークスベクトルをサンプルごとに外積演算して平面の法線ベクトルを算出し、ステップサイズパラメータにより重みづけをしたのちに、法線ベクトルが送信時と等しくなるようにファイバ複屈折の逆行列を更新する方法である。この非特許文献２に開示されている方法は、ＣＭＡと比較して高速な収束性能をもつので、バースト光通信にとって有力な偏波チャネル分離方法の候補である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0007】
【文献】B. Szafraniec, B. Nebendahl, and T. Marshall, “Polarization demultiplexing in Stokes space,” Opt. Exp., vol. 18, no. 17, pp. 17 928-17 939, Aug. 2010.
【文献】Nelson J. Muga, and Armando N. Pinto, “Adaptive 3-D Stokes Space-Based Polarization Demultiplexing Algorithm,” IEEE Journal of Lightwave Tech., Vol. 32, No. 19, October 1, 2014, pp. 3290-3298
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
一般に、シンボルレートが受信機のディジタル回路のクロック周波数と比較して大きい場合、受信機では並列的処理をしなければ、リアルタイム動作が可能な回路として実装できない。現実的なディジタル回路のクロック周波数は、数百ＭＨｚ程度であり、これに対し、偏波多重・１６値の多値変調を施したとしても、１００ＧＢｉｔ／ｓ級の伝送レートを得るためには、信号のシンボルレートは、１２．５ＧＳｙｍｂｏｌ／ｓと大きい。このため、例えば、ディジタル信号処理のクロック周波数が１００ＭＨｚの場合、受信機では１２５以上の並列化が必要である。この場合、並列化によって、受信機には、ディジタル回路の１つのクロック周期の経過ごとに、１２５個のサンプルが１つのブロックとして同時に入力される。
【0009】
非特許文献２には、２重偏波４値位相偏移変調（ＤＰ（Ｄｕａｌ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）－ＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ））の場合、シンボルごとの法線ベクトルの演算によって、２００サンプル程度を利用して補償行列の更新をすれば、偏波チャネルの分離が収束することが開示されている。
【0010】
上述のディジタル回路のクロック周波数が１００ＭＨｚの例では、１つのクロック周期の経過ごとに１２５個のサンプルが同時に入力される。従って、法線ベクトルの演算結果を反映できるのは、演算による遅延を無視したとしても、１２６個目以降のサンプルとなる。さらに、収束に２００サンプルの法線ベクトルが必要なことを考慮すると、例え、並列化したとしても、並列化したシンボルが時々刻々と入力されるため、収束に要するサンプル数は膨大な数となると考えられる。
【0011】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、ストークス空間における偏波分離を、ディジタル回路として実装できるように、並列化したブロックごとに法線ベクトルを算出する、偏波分離回路及び偏波分離方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上述した目的を達成するために、この発明の偏波分離回路は、外積演算器と、外積比較器と、角度比較器と、選択回路と、補償行列生成回路と、乗算器とを備えて構成される。
【0013】
外積演算器は入力信号から生成された、クロック周期ごとに、並列化された１つのブロックを構成するＮ（Ｎは２以上の整数）のストークスベクトルの、隣接するストークスベクトルの外積を求める。外積比較器は、外積演算器で求められた、ｋ（ｋは１以上の整数）番目のブロックにおけるＮ－１個の外積から、長さが最大のものを仮の法線ベクトルｔｋとする。角度比較器は、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋと、ｋ－１番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋ－１がなす角度θを求める。選択回路は、角度θがπ／２より大きい場合は、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋに平行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとし、角度θがπ／２以下の場合は、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋの逆ベクトルに平行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとする。補償行列生成回路は、単位法線ベクトルの方向が、ストークス空間の所定の軸と一致する補償行列Ｕを生成する。乗算器は、補償行列Ｕを入力信号に乗じる。
【0014】
この発明の偏波分離回路の好適実施形態によれば、入力信号である、クロック周期ごとに並列化された１つのブロックを構成する、Ｎ個のＪｏｎｅｓベクトルを、Ｎ個のストークスベクトルに変換して、外積演算器に送るストークスベクトル演算器を備える。
【0015】
また、この発明の偏波分離回路の他の好適実施形態によれば、同期式２進カウンタを備
える。この場合、角度比較器は、角度θがπ／２より大きい場合は「１」となり、角度θがπ／２以下の場合は「０」となるトリガＣを生成して、同期式２進カウンタに送り、同期式２進カウンタは、トリガＣが「１」の場合に、状態Ｑの論理を反転して、選択回路に送り、選択回路は、状態Ｑが「０」の場合に、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋに平行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとし、状態Ｑが「１」の場合に、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋの逆ベクトルに平行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとする。
える。この場合、角度比較器は、角度θがπ／２より大きい場合は「１」となり、角度θがπ／２以下の場合は「０」となるトリガＣを生成して、同期式２進カウンタに送り、同期式２進カウンタは、トリガＣが「１」の場合に、状態Ｑの論理を反転して、選択回路に送り、選択回路は、状態Ｑが「０」の場合に、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋに平行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとし、状態Ｑが「１」の場合に、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋの逆ベクトルに平行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとする。
【0016】
また、角度比較器に代えて、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋと、１つ前のｋ－１番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋ－１がなす角度θを求め、仮の法線ベクトルｔｋの長さが、所定の閾値より小さい場合に、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋの代わりに、ｋ－１番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋ－１を使用する強度角度比較器を備えてもよい。
【0017】
また、上述した目的を達成するために、この発明の偏波分離方法は、以下の過程を備えて構成される。
【0018】
外積演算過程では、入力信号から生成された、クロック周期ごとに、並列化された１つのブロックを構成するＮ（Ｎは２以上の整数）のストークスベクトルの、隣接するストークスベクトルの外積を求める。外積比較過程では、外積演算過程で求められた、ｋ（ｋは１以上の整数）番目のブロックにおけるＮ－１個の外積から、長さが最大のものを仮の法線ベクトルｔｋとする。角度比較過程では、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋと、ｋ－１番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋ－１がなす角度θを求める。
【0019】
選択過程では、角度θがπ／２より大きい場合は、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋに平行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとし、角度θがπ／２以下の場合は、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋの逆ベクトルに平行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとする。補償行列生成過程では、単位法線ベクトルの方向が、ストークス空間の所定の軸と一致する補償行列Ｕを生成する。乗算過程では、補償行列Ｕを入力信号に乗じる。
【0020】
この発明の偏波分離方法の好適実施形態によれば、外積演算過程の前に行われる、入力信号である、クロック周期ごとに並列化された１つのブロックを構成する、Ｎ個のＪｏｎｅｓベクトルを、Ｎ個のストークスベクトルに変換するストークスベクトル演算過程を備える。
【0021】
また、この発明の偏波分離方法の他の好適実施形態によれば、角度比較過程と、選択過程の間に行われる、状態維持過程を備える。角度比較過程では、角度θがπ／２より大きい場合は「１」となり、角度θがπ／２以下の場合は「０」となるトリガＣを生成し、状態維持過程では、トリガＣが「１」の場合に、状態Ｑの論理を反転し、選択回路では、状態Ｑが「０」の場合に、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋに平行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとし、状態Ｑが「１」の場合に、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋの逆ベクトルに平行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとする。
【0022】
また、角度比較過程に代えて、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋと、ｋ－１番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋ－１がなす角度θを求め、仮の法線ベクトルｔｋの長さが、所定の閾値より小さい場合に、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋの代わりに、ｋ－１番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋ－１を使用する強度角度比較過程を備えてもよい。
【発明の効果】
【0023】
この発明の偏波分離回路及び偏波分離方法によれば、ストークス空間における偏波分離を、ディジタル回路として実装できるように、並列化したブロックごとに法線ベクトルを算出することが可能となる。また、後述するように、光ファイバの複屈折によるストークス空間における回転が補償される。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】第１実施形態の偏波分離回路の模式図である。
【図2】同期式２進カウンタ５０の動作を説明するための模式図である。
【図3】第１実施形態の偏波分離回路の入力を示す図である。
【図4】第１実施形態の偏波分離回路の出力を示す図である。
【図5】第１実施形態の偏波分離回路の入力と出力を比較する図である。
【図6】４位相・４振幅のＤＰ－１６ＡＰＳＫ信号のストークスベクトル先端の配置を示す図である。
【図7】第２実施形態の偏波分離回路の入力を示す図である。
【図8】第２実施形態の偏波分離回路の出力を示す図である。
【図9】第２実施形態の偏波分離回路の入力と出力を比較する図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【0026】
【0027】
偏波分離回路は、ストークスベクトル演算器１０、外積演算器２０、外積比較器３０、角度比較器４０、同期式２進カウンタ５０、選択回路６０、補償行列生成回路７０及び乗算器８０を備えて構成される。
【0028】
偏波分離回路は、例えば、ディジタル信号処理（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）回路として構成される。偏波分離回路には、前段に配置されたアナログ－ディジタル変換器（ＡＤＣ：Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）において、Ｆｓ（Ｈｚ）の標本化周波数で離散化されたＪｏｎｅｓベクトルが入力される。
【0029】
偏波分離回路には、Ｎ個に並列化された信号の、Ｊｏｎｅｓベクトルが、１つのクロック周期ごとに入力される。ここで、Ｎ（Ｎは２以上の整数）は並列化の数であり、ｎ（１以上Ｎ以下の整数）はサンプル番号である。信号のシンボルレートがディジタル信号処理回路の動作クロックと比較して大きい場合、実際の回路実装には並列化が必要である。並列化は、より低いクロック速度で処理できるように、離散化された受信信号はいくつかの並列化モジュールに逆多重されて行われる。並列化の数がＮ個の場合、１つのクロック周期ごとにＮ個の離散化された複素光電界ベクトルが偏波分離回路へ同時に入力される。以下の説明では、クロック周期ごとに入力されるＮ個のサンプルのまとまりをブロックと呼ぶ。ここで、ｋ（ｋは１以上の整数）番目のブロックの、サンプル番号ｎのＪｏｎｅｓベクトルを ｜Ｅｋ（ｎ）＞と表す。
【0030】
偏波分離回路に入力される、Ｎ個のＪｏｎｅｓベクトル ｜Ｅｋ（１）＞～ ｜Ｅｋ（ｎ）＞は、それぞれ２分岐され、ストークスベクトル演算器１０と乗算器８０に入力される。
【0031】
ストークスベクトル演算器１０は、Ｎ個のＪｏｎｅｓベクトル ｜Ｅｋ（１）＞～ ｜Ｅｋ（ｎ）＞を以下の式（１）で表される演算によって、Ｎ個のストークスベクトルｓｋ（１）～ｓｋ（Ｎ）に同時に変換する。なお、明細書及び図面では、ベクトルを示す矢印を省略することもある。
【0032】
【数1】
【0033】
ここで、σは、パウリのスピンベクトルであり、以下の式（２ａ）で与えられる。また、σ１、σ２、σ３は、それぞれ２×２パウリスピン行列であり、以下の式（２ｂ）で定義される。
【0034】
【数2】
【0035】
これらのＮ個のストークスベクトルｓｋ（１）～ｓｋ（Ｎ）は、外積演算器２０に入力される。外積演算器２０は、以下の式（３）で与えられるように、隣接したストークスベクトルの外積を求め、１つのブロックで得られる、Ｎ－１個の外積ｓｋ（１）×ｓｋ（２）～ｓｋ（Ｎ－１）×ｓｋ（Ｎ）を出力する。外積演算器２０で得られた、Ｎ－１個の外積ｓｋ（１）×ｓｋ（２）～ｓｋ（Ｎ－１）×ｓｋ（Ｎ）は、外積比較器３０に入力される。
【0036】
【数3】
【0037】
ＤＰ－ＱＰＳＫ信号の場合、送信機から出力される信号のストークスベクトルは、データ変調によって４つの状態に不規則に切り替わる。これらの４つの状態は、ストークス空間において、互いに直交する２つのストークスベクトルが張る平面上に配置される。この平面の、原点を通る単位法線ベクトルは平面の裏側と表側の２通りある。ここで、２つの単位法線ベクトルのうち、送信時に方向がＳ１軸と等しいものを、ｎｋと定義する。ｎｋは、光ファイバの複屈折の効果により、Ｓ１軸、Ｓ２軸、Ｓ３軸を中心として不規則に回転する。偏波分離回路によって、ｎｋ が常にＳ１軸の方向と等しくなるように制御すれば、複屈折のＳ２軸、Ｓ３軸の回転の効果が補償される。残留するＳ１軸を中心とした回転の効果は、直交偏波成分に分離後に、ｘとｙの偏光チャネルのそれぞれに対して位相雑音の補償回路を適用することで同時に補償する。
【0038】
ブロック内で隣接したストークスベクトル同士の外積は、３つの種類に分けられる。一つ目は、ｎｋが回転した単位法線ベクトル、二つ目はその逆ベクトルの－ｎｋ、三つ目はゼロベクトル０である。
【0039】
ｋ番目のブロックの単位法線ベクトルｎｋを決定するために、まず隣接したストークスベクトルから求めたＮ－１個の外積からゼロベクトルを排除し、次にｎｋを決定する。
【0040】
ゼロベクトルの排除のため、外積比較器３０は、ｋ番目のブロックで得られる、Ｎ－１個の外積から、長さが最大のものを、仮の法線ベクトルｔｋとして出力する。ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋは、角度比較器４０へ入力される。この仮の法線ベクトルｔｋの単位ベクトルは、ｎｋまたは－ｎｋである。
【0041】
単位法線ベクトルｎｋの決定のため、角度比較器４０は、一つ前のブロックであるｋ－１番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋ－１と、現在のブロックであるｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋがなす角度θを求める。制御開始時のｔ０は、例えば、トレーニング信号から抽出する。
【0042】
角度比較器４０は、例えば、比較回路４２を備えて構成される。比較回路には、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋと、ｋ－１番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋ－１が入力される。比較回路４２は、以下の式（４ａ）を用いて、２つの仮の法線ベクトルｔｋ、ｔｋ－１がなす角度θを求める。比較回路４２は、さらに、以下の式（４ｂ）を用いて、角度θに応じてトリガＣを出力する。
【0043】
【数4】
【0044】
２つの仮の法線ベクトルｔｋ、ｔｋ－１がなす角度θが、π／２より大きい場合に、トリガＣは「１」となり、角度θがπ／２以下の場合に、トリガＣは「０」となる。トリガＣは、同期式２進カウンタ５０へ入力される。
【0045】
同期式２進カウンタ５０は、角度比較器４０から出力されるトリガＣが「１」の場合に
のみ、状態Ｑの論理を反転する。同期式２進カウンタ５０は、以前の状態を保持する状態機械として動作し、これまでの状態に応じて、状態Ｑとして「０」又は「１」を出力する。
のみ、状態Ｑの論理を反転する。同期式２進カウンタ５０は、以前の状態を保持する状態機械として動作し、これまでの状態に応じて、状態Ｑとして「０」又は「１」を出力する。
【0046】
図２を参照して、同期式２進カウンタ５０の動作を説明する。図２は、同期式２進カウンタ５０の動作を説明するための模式図である。ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋが、所望の単位法線ベクトルｎｋと逆の場合に、同期式２進カウンタ５０は、状態Ｑとして「１」を出力する。
【0047】
同期式２進カウンタ５０の出力は、選択回路６０へ入力される。選択回路６０へは、同期式２進カウンタ５０の出力と、外積比較器３０から出力される仮の法線ベクトルｔｋが同時に入力される。選択回路６０は、以下の式（５）に従って動作する。
【0048】
【数5】
【0049】
すなわち、同期式２進カウンタ５０の出力が「０」の場合は仮の法線ベクトルｔｋの単位ベクトルｔｋ／｜ｔｋ｜を、「１」の場合はその逆ベクトルの単位ベクトル－ｔｋ／｜ｔｋ｜を単位法線ベクトルｎｋとして出力する。選択回路６０から出力される単位法線ベクトルｎｋは、補償行列生成回路７０に入力される。
【0050】
補償行列生成回路７０は、単位法線ベクトルｎｋの方向がストークス空間の所定の軸、ここでは、Ｓ１軸と一致するように制御する補償行列として、２×２Ｊｏｎｅｓ行列Ｕを求める。この２×２Ｊｏｎｅｓ行列Ｕを、偏波分離回路に入力されるＪｏｎｅｓベクトル｜Ｅｋ（ｎ）＞に作用させれば、ファイバ伝送路の複屈折のＳ２軸、Ｓ３軸の回転の効果が補償される。
【0051】
任意の方向を指す３次元ベクトルの方向がＳ１軸と一致するように制御するためには、Ｓ２軸、Ｓ３軸を中心とした回転行列を作用させればよい。ここで、Ｓ２軸、Ｓ３軸を中心とした回転行列を、それぞれ、以下の式（６ａ）及び（６ｂ）で定義する。
【0052】
【数6】
【0053】
ここで、各行列の回転量ｒ２、ｒ３は、以下の式（７ａ）及び（７ｂ）によって決定する。
【0054】
【数7】
【0055】
補償行列Ｕは、Ｕ＝Ｕ２Ｕ３によって決定される。この補償行列Ｕは、乗算器８０に送られる。
【0056】
乗算器８０には、補償行列生成回路７０から出力される補償行列Ｕと、偏波分離回路に入力されるＮ個のＪｏｎｅｓベクトル｜Ｅｋ（１）＞～ ｜Ｅｋ（ｎ）＞が入力される。乗算器８０は、ｋ番目のブロックのＮ個のＪｏｎｅｓベクトル｜Ｅｋ（１）＞～ ｜Ｅｋ（ｎ）＞に、以下の式（８）で示されるように、補償行列Ｕを作用させることで、複屈折のＳ２軸、Ｓ３軸方向の回転の効果を補償した｜ＥＣｋ（１）＞～｜ＥＣｋ（Ｎ）＞が得られる。
【0057】
【数8】
【0058】
このように、偏波分離回路は、入力されるＪｏｎｅｓベクトルに補償行列Ｕを同時に乗じて偏波チャネルの変動を補償した信号を出力できる。
【0059】
なお、複屈折のＳ１軸方向の回転は残留する。しかしながら、Ｓ１軸方向の回転は、偏波分離回路の後段に設けられる位相雑音の補償回路によって、スカラーの回転の効果として補償できる。
【0060】
（第１実施形態の効果）
上述した第１実施形態の偏波分離回路の効果を、シミュレーションによって確かめた。ここでは、独立したデータパターンで変調したＱＰＳＫ信号を偏波多重し、ＤＰ－ＱＰＳＫ信号を数値的に発生させた。シンボルレートを、１２．５Ｇｂａｕｄとしたので、信号のデータ転送率は５０Ｇｂ／ｓである。
上述した第１実施形態の偏波分離回路の効果を、シミュレーションによって確かめた。ここでは、独立したデータパターンで変調したＱＰＳＫ信号を偏波多重し、ＤＰ－ＱＰＳＫ信号を数値的に発生させた。シンボルレートを、１２．５Ｇｂａｕｄとしたので、信号のデータ転送率は５０Ｇｂ／ｓである。
【0061】
このＤＰ－ＱＰＳＫ信号に対し、ファイバ複屈折を模擬したＪｏｎｅｓ行列を作用させた。Ｊｏｎｅｓ行列は、偏波回転軸がストークス空間内で互いに直交する３つの回転行列の積である。３つの回転行列の偏波回転軸は、入力に作用する順に、Ｓ３軸、Ｓ２軸、Ｓ１軸である。各偏波回転行列で生じる直交偏光軸間の位相差は、平均値が０、標準偏差が１０Ｍｒａｄ／ｓの正規分布によって与えた。
【0062】
ディジタル回路の水晶発振器のクロック周波数として、１００ＭＨｚを想定した．並列数は１２８とし、１つのクロック周期の経過とともに、１２８シンボルの光複素電界ベクトル（Ｊｏｎｅｓベクトル）が偏波分離回路へ入力される。また、伝送開始の最初の１２８シンボルをトレーニング信号とした。
【0063】
図３は、第１実施形態の偏波分離回路の入力を示す図である。入力は、ＤＰ－ＱＰＳＫ信号であり、偏波変動を１０Ｍｒａｄ／ｓより大きく設定した。図３（Ａ）及び（Ｂ）は
、それぞれ、Ｘ偏光チャネル及びＹ偏光チャネルのコンスタレーションである。図３（Ｃ）及び（Ｄ）は、それぞれ、Ｘ偏光チャネル及びＹ偏光チャネルの時間波形である。図３（Ｃ）及び（Ｄ）では、横軸にサンプル番号をとって示し、縦軸に振幅をとって示している。このように、このシミュレーションでは、偏波分離回路には、光ファイバの複屈折の影響を受けた信号が入力される。
、それぞれ、Ｘ偏光チャネル及びＹ偏光チャネルのコンスタレーションである。図３（Ｃ）及び（Ｄ）は、それぞれ、Ｘ偏光チャネル及びＹ偏光チャネルの時間波形である。図３（Ｃ）及び（Ｄ）では、横軸にサンプル番号をとって示し、縦軸に振幅をとって示している。このように、このシミュレーションでは、偏波分離回路には、光ファイバの複屈折の影響を受けた信号が入力される。
【0064】
図４は、第１実施形態の偏波分離回路の出力を示す図である。ここでは、Ｘ偏光チャネル及びＹ偏光チャネルのそれぞれに対し、広く知られている４乗法による位相雑音の補償を適用している。一般に、ファイバ複屈折による偏光状態は、ストークス空間において、Ｓ１軸、Ｓ２軸、Ｓ３軸を中心として不規則に回転する。偏波分離回路では、ファイバ複屈折の変動のうち、ストークス空間におけるＳ２軸、Ｓ３軸を中心とした回転が補償される。残留するＳ１軸を中心とする回転は、一般的な位相雑音の補償回路によってスカラーの回転の効果として、位相雑音と共に補償できる。
【0065】
図４（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、Ｘ偏光チャネル及びＹ偏光チャネルのコンスタレーションである。図４（Ｃ）及び（Ｄ）は、それぞれＸ偏光チャネル及びＹ偏光チャネルの時間波形である。図３に示される、ファイバ複屈折の影響を受けた信号に対して、図４の偏波分離回路の出力は、Ｘ偏光チャネル及びＹ偏光チャネルの両者ともに、ＱＰＳＫ信号のコンスタレーションが復元されている。
【0066】
図５は、第１実施形態の偏波分離回路の入力と出力とを比較する図である。図５（Ａ）は、補償前、すなわち、図３に示す偏波分離回路の入力と送信機の出力である送信信号の差である。また、図５（Ｂ）は、補償後、すなわち、図４に示す偏波分離回路の出力と送信信号の差である。図５（Ａ）に示すように、補償前の偏波分離回路の入力信号は、ファイバ複屈折の回転の効果により、送信信号と一致しない。一方、図５（Ｂ）に示すように、補償後の偏波分離回路の出力信号と送信信号の差は小さく、送信信号が復元されている。また、図５（Ｂ）では、サンプル番号の１番から出力信号と送信信号の差が回復しており、１２８のトレーニングシンボル直後から直ちに、偏波チャネルを分離した結果が得られ、バースト光通信にとって重要な高速な応答が確認できる。
【0067】
（第２実施形態）
この発明の第２実施形態に係る偏波分離回路を説明する。第２実施形態の偏波分離回路は、第１実施形態の偏波分離回路が備える角度比較器４０に代えて、強度角度比較器を備える点が第１実施形態と異なっている。他の構成は第１実施形態と同様にできるので、ここでは重複する説明及び図示を省略する。
この発明の第２実施形態に係る偏波分離回路を説明する。第２実施形態の偏波分離回路は、第１実施形態の偏波分離回路が備える角度比較器４０に代えて、強度角度比較器を備える点が第１実施形態と異なっている。他の構成は第１実施形態と同様にできるので、ここでは重複する説明及び図示を省略する。
【0068】
強度角度比較器には、外積比較器３０から、一つ前のブロックであるｋ－１番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋ－１と、現在のブロックであるｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋが入力される。ここで、仮の法線ベクトルｔｋは、ｋ番目のブロック内のＮ個のストークスベクトルから求めたＮ－１個の外積の中で、長さが最大のものである。
【0069】
強度角度比較器は、仮の法線ベクトルｔｋの長さが、閾値ｔＴＨより小さい場合のみ、ｋ番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋの代わりに、ｋ－１番目のブロックの仮の法線ベクトルｔｋ－１を使用する。ここで閾値ｔＴＨは、例えば、最も大きい振幅の２乗をＶＡとし、２番目に大きい振幅と３番目に大きい振幅の積をＶＢとしたときに、以下の式（９）で与えられる。
【0070】
【数9】
【0071】
その後、強度角度比較器は、第１実施形態の角度比較器と同様に、一つ前のブロックの仮の法線ベクトルｔｋ－１と、現ブロックの仮の法線ベクトルｔｋがなす角度θを求め、θ＞π／２の場合に「１」を、それ以外の場合に「０」にトリガＣを出力する。以降の処理は、第１実施形態の偏波分離回路と同様なので説明を省略する。
【0072】
第１実施形態では、ＤＰ－ＱＰＳＫ信号に対する偏波チャネル分離を説明した。第２実施形態では、４位相・４振幅の１６振幅位相シフトキーイング（ＡＰＳＫ）に対する偏波チャネル分離を説明する。アクセスネットワークでは、送受信機を安価に構成しなければ普及しない。このため、基幹ネットワークで使用されているような、線幅が１００ｋＨｚ程度の高価な狭線幅レーザを使用できない。そこで、強度変調方式で使用されているような、汎用的な安価な分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザを使用することが望ましい。ＤＦＢレーザは安価なものの、線幅が１０ＭＨｚ程度であり、位相変調方式にとって、位相雑音耐性への要求が厳しくなる。４位相・４振幅の１６ＡＰＳＫ方式は、振幅方向への多値数を増やす一方で、位相の多値数を４つに留めることができ、線幅１０ＭＨｚ程度のＤＦＢレーザを使用しても、位相雑音の補償が容易な特長がある．このため、４位相・４振幅の１６ＡＰＳＫ信号は、アクセスネットワークの通信方式として有力な候補である。
【0073】
（第２実施形態の効果）
図６は、４位相・４振幅のＤＰ－１６ＡＰＳＫ信号のストークスベクトル先端の配置を示す図である。光波の偏光状態は、直交偏光成分の振幅比と位相差によって決定する。このため、振幅と位相に多値変調を施すと、そのストークスベクトルは、ストークス空間上において複雑な配置となる。このＤＰ－１６ＡＰＳＫ信号のストークスベクトルの配置において、最も振幅が大きいサンプル同士の外積の方向は、ストークス空間のＳ１軸と一致する。第２実施形態の偏波分離回路では、閾値ｔＴＨを用いて、最も振幅が大きいサンプル同士の外積を抽出することで、法線ベクトルを得る。
図６は、４位相・４振幅のＤＰ－１６ＡＰＳＫ信号のストークスベクトル先端の配置を示す図である。光波の偏光状態は、直交偏光成分の振幅比と位相差によって決定する。このため、振幅と位相に多値変調を施すと、そのストークスベクトルは、ストークス空間上において複雑な配置となる。このＤＰ－１６ＡＰＳＫ信号のストークスベクトルの配置において、最も振幅が大きいサンプル同士の外積の方向は、ストークス空間のＳ１軸と一致する。第２実施形態の偏波分離回路では、閾値ｔＴＨを用いて、最も振幅が大きいサンプル同士の外積を抽出することで、法線ベクトルを得る。
【0074】
この第２実施形態の効果を、シミュレーションによって確かめた。独立したデータパターンで変調した４位相・４振幅の１６ＡＰＳＫ信号を偏波多重し、ＤＰ－１６ＡＰＳＫ信号を数値的に発生させた。シンボルレートを、１２．５Ｇｂａｕｄとしたので、信号のデータ転送率は１００Ｇｂ／ｓである。
【0075】
このＤＰ－１６ＡＰＳＫ信号に対し、ファイバ複屈折を模擬したＪｏｎｅｓ行列を作用させた。Ｊｏｎｅｓ行列は、偏波回転軸がストークス空間内で互いに直交する３つの回転行列の積である。３つの回転行列の偏波回転軸は、入力に作用する順に、Ｓ３軸、Ｓ２軸、Ｓ１軸である。各偏波回転行列で生じる直交偏光軸間の位相差は、平均値が０、標準偏差が１０Ｍｒａｄ／ｓの正規分布によって与えた。
【0076】
ディジタル回路の水晶発振器のクロック周波数は、１００ＭＨｚを想定した．並列数は１２８とし、１つのクロック周期の経過とともに、１２８シンボルの光複素電界ベクトル（Ｊｏｎｅｓベクトル）が偏波分離回路へ入力される。また、伝送開始の最初の１２８シンボルをトレーニング信号とした。
【0077】
図７は、第２実施形態の偏波分離回路の入力を示す図である。入力は、ＤＰ－１６ＡＰ
ＳＫ信号であり、偏波変動を１０Ｍｒａｄ／ｓより大きく設定した。図７（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、Ｘ偏光チャネル及びＹ偏光チャネルのコンスタレーションである。図７（Ｃ）及び（Ｄ）は、それぞれ、Ｘ偏光チャネル及びＹ偏光チャネルの時間波形である。図７（Ｃ）及び（Ｄ）では、横軸にサンプル番号をとって示し、縦軸に振幅をとって示している。このように、このシミュレーションでは、偏波分離回路には、光ファイバの複屈折の影響を受けた信号が入力される。
ＳＫ信号であり、偏波変動を１０Ｍｒａｄ／ｓより大きく設定した。図７（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、Ｘ偏光チャネル及びＹ偏光チャネルのコンスタレーションである。図７（Ｃ）及び（Ｄ）は、それぞれ、Ｘ偏光チャネル及びＹ偏光チャネルの時間波形である。図７（Ｃ）及び（Ｄ）では、横軸にサンプル番号をとって示し、縦軸に振幅をとって示している。このように、このシミュレーションでは、偏波分離回路には、光ファイバの複屈折の影響を受けた信号が入力される。
【0078】
図８は、第２実施形態の偏波分離回路の出力を示す図である。ここでは、Ｘ偏光チャネル及びＹ偏光チャネルのそれぞれに対し、広く知られている４乗法による位相雑音の補償を適用している。一般に、ファイバ複屈折による偏光状態は、ストークス空間において、Ｓ１軸、Ｓ２軸、Ｓ３軸を中心として不規則に回転する。偏波分離回路では、ファイバ複屈折の変動のうち、ストークス空間におけるＳ２軸、Ｓ３軸を中心とした回転が補償される。残留するＳ１軸を中心とする回転は、一般的な位相雑音の補償回路によってスカラーの回転の効果として、位相雑音と共に補償できる。
【0079】
図８（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、Ｘ偏光チャネル及びＹ偏光チャネルのコンスタレーションである。図８（Ｃ）及び（Ｄ）は、それぞれＸ偏光チャネル及びＹ偏光チャネルの時間波形である。図７に示される、ファイバ複屈折の影響を受けた信号に対して、図８の偏波分離回路の出力は、Ｘ偏光チャネル及びＹ偏光チャネルの両者ともに、４位相・４振幅の１６ＡＰＳＫ信号のコンスタレーションが復元されている。
【0080】
図９は、第２実施形態の偏波分離回路の入力と出力とを比較する図である。図９（Ａ）は、補償前、すなわち、図７に示す偏波チャネル補償回路の入力と送信機の出力である送信信号の差である。また、図９（Ｂ）は、補償後、すなわち、図８に示す偏波チャネル補償回路の出力と送信信号の差である。図９（Ａ）に示すように、補償前の偏波チャネル補償回路の入力信号は、ファイバ複屈折の回転の効果により、送信信号と一致しない。一方、図９（Ｂ）に示すように、補償後の偏波分離回路の出力信号と送信信号の差は小さく、送信信号が復元されている。また、図９（Ｂ）では、サンプル番号の１番から出力信号と送信信号の差が回復しており、１２８のトレーニングシンボル直後から直ちに、偏波チャネルを分離した結果が得られ、バースト光通信にとって重要な高速な応答が確認できる。
【0081】
（他の実施形態）
第１実施形態としてＤＰ－ＱＰＳＫ信号、第２実施形態として４位相・４振幅のＤＰ－１６ＡＰＳＫ信号に対する偏波分離回路及び偏波チャネル分離方法を説明した。しかしながら、例えば、スクエア型のＤＰ－１６ＱＡＭ信号のように、最も振幅が大きいストークスベクトル同士の外積が、ストークス空間におけるＳ１軸と一致するような変調方式に対しても適用できる。
第１実施形態としてＤＰ－ＱＰＳＫ信号、第２実施形態として４位相・４振幅のＤＰ－１６ＡＰＳＫ信号に対する偏波分離回路及び偏波チャネル分離方法を説明した。しかしながら、例えば、スクエア型のＤＰ－１６ＱＡＭ信号のように、最も振幅が大きいストークスベクトル同士の外積が、ストークス空間におけるＳ１軸と一致するような変調方式に対しても適用できる。
【符号の説明】
【0082】
１０ ストークスベクトル演算器
２０ 外積演算器
３０ 外積比較器
４０ 角度比較器
４２ 比較回路
５０ 同期式２進カウンタ
６０ 選択回路
７０ 補償行列生成回路
８０ 乗算器
２０ 外積演算器
３０ 外積比較器
４０ 角度比較器
４２ 比較回路
５０ 同期式２進カウンタ
６０ 選択回路
７０ 補償行列生成回路
８０ 乗算器
【要約】 （修正有）
【課題】ストークス空間における偏波分離を、ディジタル回路として実装できるように、並列化したブロックごとに法線ベクトルを算出する。
【解決手段】外積演算器２０は、クロック周期ごとに並列化された１つのブロックを構成するＮのストークスベクトルの隣接するストークスベクトルの外積を求める。外積比較器３０は、ｋ番目のブロックのＮ－１個の外積から、長さが最大のものを仮の法線ベクトルｔｋとする。角度比較器４０は、ｔｋとｔｋ－１がなす角度θを求める。選択回路６０は、角度θがπ／２より大きい場合は、ｋ番目の仮の法線ベクトルｔｋに平行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとし、それ以外の場合は、仮の法線ベクトルｔｋの逆ベクトルに平行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとする。補償行列生成回路７０は、単位法線ベクトルの方向が、ストークス空間の所定の軸と一致する補償行列Ｕを生成する。乗算器８０は、補償行列Ｕを入力信号に乗じる。
【選択図】図１
【解決手段】外積演算器２０は、クロック周期ごとに並列化された１つのブロックを構成するＮのストークスベクトルの隣接するストークスベクトルの外積を求める。外積比較器３０は、ｋ番目のブロックのＮ－１個の外積から、長さが最大のものを仮の法線ベクトルｔｋとする。角度比較器４０は、ｔｋとｔｋ－１がなす角度θを求める。選択回路６０は、角度θがπ／２より大きい場合は、ｋ番目の仮の法線ベクトルｔｋに平行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとし、それ以外の場合は、仮の法線ベクトルｔｋの逆ベクトルに平行な単位ベクトルを単位法線ベクトルとする。補償行列生成回路７０は、単位法線ベクトルの方向が、ストークス空間の所定の軸と一致する補償行列Ｕを生成する。乗算器８０は、補償行列Ｕを入力信号に乗じる。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
