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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-10-13
(54)【発明の名称】波形等化器、波形等化方法および波形等化プログラム
(51)【国際特許分類】
H04B 3/04 20060101AFI20231005BHJP
【ＦＩ】
H04B3/04 A
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023519240
(86)(22)【出願日】2020-11-25
(85)【翻訳文提出日】2023-03-27
(86)【国際出願番号】 JP2020043803
(87)【国際公開番号】W WO2022113200
(87)【国際公開日】2022-06-02
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100098394
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 茂樹
(74)【代理人】
【識別番号】100153006
【弁理士】
【氏名又は名称】小池 勇三
(74)【代理人】
【識別番号】100064621
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
(74)【代理人】
【識別番号】100121669
【弁理士】
【氏名又は名称】本山 泰
(72)【発明者】
【氏名】ディアマドプロス ニコラオス パデレイモン
(72)【発明者】
【氏名】松尾 慎治
【テーマコード（参考）】
5K046
【Ｆターム（参考）】
5K046AA01
5K046AA07
5K046BA06
5K046EE02
5K046EE16
5K046EE47
5K046EE51
(57)【要約】
本発明の波形等化器（１０）は、入力信号に対して遅延処理を施す遅延タップ（１１）と、遅延タップ（１１）から出力される信号に対して、線形処理を施す１次のサブフィルタ（１２）と、遅延タップ（１１）から出力される信号に対して、２次のヴォルテラ級数に基づく第１の非線形処理を施す２次のサブフィルタ（１３）と、遅延タップ（１１）から出力される信号に対して、非線形多項式における３次項に基づく第２の非線形処理を施す３次のサブフィルタ（１４）と、１次のサブフィルタ（１２）から出力される信号と、２次のサブフィルタ（１３）から出力される信号と、３次のサブフィルタ（１４）から出力される信号とを合算する合算部（１５）とを備える。
これにより、本発明の波形等化器は、簡素化され信号品質に向上させる非線形等化処理を提供できる。
【選択図】 図２
これにより、本発明の波形等化器は、簡素化され信号品質に向上させる非線形等化処理を提供できる。
【選択図】 図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
入力信号に対して遅延処理を施す遅延タップと、前記遅延タップから出力される信号に対して、線形処理を施す１次のサブフィルタと、
前記遅延タップから出力される信号に対して、２次のヴォルテラ級数に基づく第１の非線形処理を施す２次のサブフィルタと、
前記遅延タップから出力される信号に対して、非線形多項式における３次項に基づく第２の非線形処理を施す３次のサブフィルタと、
前記１次のサブフィルタから出力される信号と、前記２次のサブフィルタから出力される信号と、前記３次のサブフィルタから出力される信号とを合算する合算部と
を備える波形等化器。
【請求項2】
前記線形処理が、下記式（１）を用いて施され、前記第１の非線形処理が、下記式（２）を用いて施され、
前記第２の非線形処理が、下記式（３）を用いて施されること
を特徴とする請求項１に記載の波形等化器。
【数1】
【数2】
【数3】
【請求項3】
全ての前記サブフィルタの係数を更新するトレーニング部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波形等化器。
【請求項4】
順に、直接検波部と、アナログデジタル変換部と、
時間回復部と、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の波形等化器と、
データ回復部と
を備える受信機。
【請求項5】
前記データ回復部が、高精度の時間回復アルゴリズムを実行することを特徴とする請求項４に記載の受信機。
【請求項6】
光送信機と、光伝送路と、
請求項４または請求項５に記載の受信機と
を備える光通信システム。
【請求項7】
入力信号に対して遅延処理を施すステップと、前記遅延処理が施された信号に対して、線形処理を施すステップと、
前記線形処理が施された信号に対して、２次のヴォルテラ級数に基づく第１の非線形処理を施すステップと、
前記第１の非線形処理が施された信号に対して、非線形多項式における３次項に基づく第２の非線形処理を施すステップと、
前記線形処理が施された信号と、前記第１の非線形処理が施された信号と、前記第２の非線形処理が施された信号とを合算するステップと
を備える波形等化方法。
【請求項8】
遅延タップと、１次のサブフィルタと、２次のサブフィルタと、３次のサブフィルタと、合算部とを備え、入力信号に対して等化処理を施す波形等化器において、前記遅延タップに、前記入力信号に対して遅延処理を施させるステップと、
前記１次のサブフィルタに、前記遅延処理が施された信号に対して、線形処理を施させるステップと、
前記２次のサブフィルタに、前記線形処理が施された信号に対して、２次のヴォルテラ級数に基づく第１の非線形処理を施させるステップと、
前記３次のサブフィルタに、前記第１の非線形処理が施された信号に対して、非線形多項式における３次項に基づく第２の非線形処理を施させるステップと、
前記合算部に、前記線形処理が施された信号と、前記第１の非線形処理が施された信号と、前記第２の非線形処理が施された信号とを合算させるステップと
を備える処理を実行させることを特徴とする、前記波形等化器を機能させるための波形等化プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光ファイバの非線形性などによる光信号の波形歪みを解消するための波形等化装置、波形等化方法および波形等化プログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
データセンタおよびアクセスネットワークのインターネットトラフィックの増大が見込まれており、波長多重技術および直接検波（ＤＤ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）を用いた４００Ｇｂイーサネット（登録商標）の実用化が進められている。従来、コアネットワークの大容量化においては、多値化の手段として位相変調およびコヒーレント受信が用いられてきた。一方で、短距離通信においては、低コスト化、低消費電力化の観点から、強度変調（ＩＭ：Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）／直接検波（ＤＤ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）技術が注目されている。ＩＭ／ＤＤ技術には、エネルギー効率に優れ、低コストで複雑性が低い、マルチパルス振幅変調（ＰＡＭ－Ｍ：ｍｕｌｔｉ－ｌｅｖｅｌ Ｐｕｌｓｅ－Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）が用いられる。
【0003】
これらのＰＡＭを用いたＩＭ／ＤＤシステムでは、とくに、電気・光電子デバイスの制限されたバンド幅による１００ＧＢａｕｄ（ボー）変調において、線形効果と非線形効果が信号品質を劣化させ、光リンクのビットエラーレート（ＢＥＲ、ｂｉｔ－ｅｒｒｏｒ ｒａｔｅ）特性を低下させる。これらの歪を補償するために、デジタル非線形等化器（ＮＬＥ：Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｅｑｕａｌｉｚｅｒ）が、受信機のデジタル信号処理（ＤＳＰ：ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）に用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２０－８８４９５号公報
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】J. Tsimbinos and K. V. Lever, "Computational complexity of Volterra based nonlinear compensators", Electronics Letters, vol. 32, no. 9, pp. 852-854, 1996.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ＰＡＭ－Ｍスキームは変調フォーマットであり、波形強度がＭ個の異なる強度レベルで変調される。それぞれの変調パルスにおいて、結果として生じる波形は、ｌｏｇ２（Ｍ）個のビットを搬送する。ここで、変調パルスの幅はＴ＝１／Ｒである。また、Ｒはシンボルまたはボーレート（Ｂａｕｄ ｒａｔｅ）であり、それぞれの単位はＧＨｚまたはＧＢａｕｄである。
【0007】
ＩＭ／ＤＤ伝送システムにおいて、以下の理由で、ＰＡＭ波形に非線形の歪みが生じる。
・変調と復調に関わる非線形性
・直接検波による信号／信号間のビート干渉（ｓｉｇｎａｌ－ｓｉｇｎａｌ ｂｅａｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ 、ＳＳＢＩ）
・光ファイバ非線形性
・ファイバ分散の影響
・変調と復調に関わる非線形性
・直接検波による信号／信号間のビート干渉（ｓｉｇｎａｌ－ｓｉｇｎａｌ ｂｅａｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ 、ＳＳＢＩ）
・光ファイバ非線形性
・ファイバ分散の影響
【0008】
これらの非線形歪みについて詳細を以下に説明する。
【0009】
初めに、変調と復調に関わる非線形性について説明する。変調と復調に関わる非線形性は、ＲＦ電気デバイス、光電子デバイス、例えば、信号発生器、電気増幅器、駆動器、光変調器、直接変調レーザ、フィルタ、受光器等によって生じる。とくに、この非線形性は、多数キャリアフォーマットや高レベルＰＡＭ信号のような、高いピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ：Ｐｅａｋ－ｔｏ－Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ）を有する信号や波形の場合に増強される。
【0010】
このような信号や波形における最も一般的な歪みは、非線形の入出力間の変調の関係と、強度／出力（パワー）に依存する遅延である。
【0011】
前者は、静的非線形性であり、通常は光変調器とＲＦデバイスに存在する。一方、後者は、動的非線形性であり、直接変調レーザに存在する。とくに、ＰＡＭ信号において、前者は異なる強度レベルに対して異なるアイパターンを生じさせる。一方、後者は、ＰＡＭ波形全体において強度に依存するスキューを生じさせる。図１０Ａ、１０Ｂそれぞれに、非線形歪みを有さない場合と非線形歪みを有する場合のＰＡＭ４信号のアイパターンの一例を示す。
【0012】
次に、直接検波による信号／信号間のビート干渉（ＳＳＢＩ）について説明する。ＳＳＢＩは、通常のフォトダイオードの２乗検波から生じる２次項である。ＳＳＢＩは、直接検波システムの受信構造に起因するもう１つの非線形歪みである。ＳＳＢＩには多くの関心がもたれ、いくつかの緩和技術と線形化技術が、主に単側波帯（ＳＳＢ：ｓｉｎｇｌｅ－ｓｉｄｅｂａｎｄ）変調のアプローチに基づいて提案されている。
【0013】
次に、光ファイバ非線形性について説明する。光ファイバ非線形性は、ほとんど石英ファイバの非線形効果によるもので、出射パワーと伝送距離に依存する。４００Ｇｂ／ｓイーサーネットで注目されるＩＭ／ＤＤシステムやその応用技術のほとんどが、数１０ｋｍ以内を対象としており、通常１００ｋｍまでである。ここで、非線形歪み全体の寄与は、単一チャネル伝送にとって無視できる。しかしながら、ＷＤＭ信号において、４波混合と相互／自己位相変調との複合効果は重大な歪みを生じさせる。
【0014】
最後に、ファイバ分散の影響について説明する。単一モード光ファイバの色分散は、とくにＣバンド通信ウィンドウにおいて、本来線形プロセスであるとしても、光変調パルスの非線形チャープと顕著に作用して、変調に関係する非線形歪みにメモリ効果を生じさせる。さらに、２乗検波と結合するとき、色分散は変調スペクトルにゼロを生じさせ、強いパワーフェージング効果をもたらす。
【0015】
上述の非線形歪みを補償するために、デジタル信号処理（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）による非線形等化処理として、ヴォルテラ級数が活用されている（非特許文献１）。
【0016】
従来型のＫ次のヴォルテラ級数を用いた等化処理において、波形等化装置への入力信号をｘとすると、ｍ番目の出力ｙ（ｍ）は、ｋ次におけるメモリ長をＬｋとして以下の式で表される。
【0017】
【数1】
【0018】
式（１）において、ｗｋ（ｎ１，ｎ２，・・・ｎｋ）は、等化処理のためのｋ次のタップ（ＴＡＰ）の重みである。また、メモリ長Ｌｋは、ｋ次のメモリ長であり、波形等化補正を行うために必要な入力信号データｘの格納長である。
【0019】
このヴォルテラ級数による等化技術（ＶＮＬＥ：Ｖｏｌｔｅｒｒａ－ｂａｓｅｄ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）は、多くの場合において有効であるが、演算処理量が増大するため、リアルタイム処理に課題がある。
【0020】
特許文献１には、ヴォルテラ級数を用いて、非線形性が存在する信号の等化処理が簡素化できる技術が開示されている。
【0021】
しかしながら、ヴォルテラ級数を用いた簡素化された等化処理技術において、ＢＥＲ特性をさらに向上させる必要があった。
【課題を解決するための手段】
【0022】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る波形等化器は、入力信号に対して遅延処理を施す遅延タップと、前記遅延タップから出力される信号に対して、線形処理を施す１次のサブフィルタと、前記遅延タップから出力される信号に対して、２次のヴォルテラ級数に基づく第１の非線形処理を施す２次のサブフィルタと、前記遅延タップから出力される信号に対して、非線形多項式における３次項に基づく第２の非線形処理を施す３次のサブフィルタと、前記１次のサブフィルタから出力される信号と、前記２次のサブフィルタから出力される信号と、前記３次のサブフィルタから出力される信号とを合算する合算部とを備える。
【0023】
また、本発明に係る波形等化方法は、入力信号に対して遅延処理を施すステップと、前記遅延処理が施された信号に対して、線形処理を施すステップと、前記線形処理が施された信号に対して、２次のヴォルテラ級数に基づく第１の非線形処理を施すステップと、前記第１の非線形処理が施された信号に対して、非線形多項式における３次項に基づく第２の非線形処理を施すステップと、前記線形処理が施された信号と、前記第１の非線形処理が施された信号と、前記第２の非線形処理が施された信号とを合算するステップとを備える。
【0024】
また、本発明に係る波形等化プログラムは、遅延タップと、１次のサブフィルタと、２次のサブフィルタと、３次のサブフィルタと、合算部とを備え、入力信号に対して等化処理を施す波形等化器において、前記遅延タップに、前記入力信号に対して遅延処理を施させるステップと、前記１次のサブフィルタに、前記遅延処理が施された信号に対して、線形処理を施させるステップと、前記２次のサブフィルタに、前記線形処理が施された信号に対して、２次のヴォルテラ級数に基づく第１の非線形処理を施させるステップと、前記３次のサブフィルタに、前記第１の非線形処理が施された信号に対して、非線形多項式における３次項に基づく第２の非線形処理を施させるステップと、前記合算部に、前記線形処理が施された信号と、前記第１の非線形処理が施された信号と、前記第２の非線形処理が施された信号とを合算させるステップとを備える処理を実行させることを特徴とし、前記波形等化器を機能させる。
【発明の効果】
【0025】
本発明によれば、簡素化された線形処理および非線形処理を用いて、信号品質に向上させることができる波形等化器、波形等化方法および波形等化プログラムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【発明を実施するための形態】
【0027】
【0028】
＜波形等化器の構成＞
図１は、波形等化器１０の構成を示す概要図である。波形処理部１１に、入力信号が入力され、線形処理（ＬＥ：Ｗ１）と非線形処理（ＮＬＥ：Ｗ２、ＮＬＥ：Ｗ３）が施され、出力信号を出力する。
図１は、波形等化器１０の構成を示す概要図である。波形処理部１１に、入力信号が入力され、線形処理（ＬＥ：Ｗ１）と非線形処理（ＮＬＥ：Ｗ２、ＮＬＥ：Ｗ３）が施され、出力信号を出力する。
【0029】
また、トレーニング部１２は、波形等化器１０において用いるＮＬＥの全てのフィルタの係数を、最小二乗法等の公知の適応アルゴリズムに基づき、繰り返し更新することができる。ここで、トレーニング部１２は、本実施の形態に係る波形等化処理を施すのに必ずしも必要ではない。例えば、係数が事前に決まっている場合や、波形等化器が安定に動作する場合には必要ではない。
【0030】
図２に、波形等化器１０における波形処理部１１の詳細な構成を示す。波形処理部１１は、遅延タップ１１１と１次の線形サブフィルタ１１２と２次の非線形サブフィルタ１１３と３次の非線形サブフィルタ１１４と合算部１１５とを備える。
【0031】
初めに、入力信号ｘは、遅延タップ１１１に入力する。遅延タップ１１１は、複数の遅延タップ１１１によりアレイ化されている。それぞれの遅延タップ１１１から出力する信号が、各サブフィルタ（後述）に入力する。
【0032】
遅延タップ１１１のアレイは入力信号ｘに遅延処理を施し、遅延処理された信号は３つの異なるサブフィルタ１１２、１１３、１１４に入力する。ｍ番目の等化される出力信号ｙｍに対応する遅延入力信号ｘｍは、式（２）に示すように、ベクトルによって表される。
【0033】
【数2】
【0034】
ここで、Ｔは線形転置を示す。２Ｎｍａｘ＝２ｍａｘ（Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３）であり、最大のタップ数を示す。２Ｎｉは、ｉ＝｛１、２、３｝として、３つのサブフィルタ１１２、１１３、１１４それぞれに相当するタップ数を定義する。ｘｍの長さＬｍａｘは、Ｌｍａｘ＝２Ｎｍａｘ＋１＝ｍａｘ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）であり、Ｌｉ＝２Ｎｉ＋１である。
【0035】
また、Ｌｍａｘは最大のメモリ長であり、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、それぞれ１次項、２次項、３次項のメモリ長である。
【0036】
次に、遅延入力信号ｘｍは、１次の線形サブフィルタ１１２と２次の非線形サブフィルタ１１３と３次の非線形サブフィルタ１１４に入力される。次に、それぞれのサブフィルタから出力される信号は合算部１１５で合算され、等化処理される出力信号ｙ（ｍ）が得られる。
【0037】
本実施の形態のＮＬＥのｍ番目の等化される出力信号ｙ（ｍ）は、式（３）で表される。
【0038】
【数3】
【0039】
ここで、ｙｉは、ｉ＝｛１、２、３｝として、３つのサブフィルタ１１２、１１３、１１４の出力を定義する。
【0040】
ｙ１（ｍ）は、１次の線形項である。
【0041】
ｙ２（ｍ）は、２次項であり、Ｐ－ＶＮＬＥ（Ｐｒｕｎｅｄ ＶＮＬＥ）項であり、メモリ効果を伴う。Ｐ－ＶＮＬＥ項は、計算複雑性を軽減された２次のヴォルテラ級数である（J. Tsimbinos and K. V. Lever, "Computational complexity of Volterra based nonlinear compensators", Electronics Letters, vol. 32, no. 9, pp. 852-854, 1996.）。また、ｙ２（ｍ）は、自己ビート項（ｐ＝０）と４個の相互ビート項（ｐ＝１，２，３，４）より構成される。
【0042】
ここで、自己ビート項は、同時刻における入力信号の積ｘ（ｍ）・ｘ（ｍ）である。また、相互ビート項は、異なる時刻における入力信号の積ｘ（ｍ）・ｘ（ｍ＋ｐ）である。
【0043】
ｙ３（ｍ）は、非線形多項式における３次項（以下、「多項式の３次項」という。）であり、メモリ効果を伴う。また、ｙ３（ｍ）は、自己ビート項（ｐ＝０）のみにより構成され、相互ビート項を含まない。ここで、非線形多項式は、非線形出力信号ｙを入力信号ｘの多項式で表したもので、出力信号ｙは入力信号ｘに非線形係数を乗じたものの総和で表される。
【0044】
１次の線形項ｙ１（ｍ）、２次項のＰ－ＶＮＬＥ項ｙ２（ｍ）、多項式の３次項ｙ３（ｍ）は、式（４）－（６）で表される。
【0045】
【数4】
【0046】
【数5】
【0047】
このように、２次項のサブフィルタ１１３は、自己ビート項（ｐ＝０）と４個の相互ビート項（ｐ＝１，２，３，４）より構成される。
【0048】
【数6】
【0049】
このように、３次項のサブフィルタ１１４は、自己ビート項（ｐ＝０）のみにより構成され、相互ビート項を含まない。
【0050】
また、式（２）のベクトルの表記と、式（４）－（６）とを用いて、式（３）は式（７）になる。
【0051】
【数7】
【0052】
【0053】
【数8】
【0054】
【数9】
【0055】
【数10】
【0056】
ここで、式（７）の右辺の総和における第１項は線形サブフィルタ１１２による処理を示し、第２項はＰ－ＶＮＬＥのサブフィルタ１１３による処理を示し、第３項は３次サブフィルタ１１４による処理を示す。このスキームを電子回路に実装するために、非零の係数のみを考慮する。
【0057】
計算複雑性は、コスト、消費電力、サイズなどの重要なパラメータを定義し、ＮＬＥにおいて重要なパラメータである。ＮＬＥ全体の計算複雑性は、乗算の数の観点から、式（１１）－式（１４）で表される（非特許文献１）。
【0058】
【数11】
【0059】
【数12】
【0060】
【数13】
【0061】
【数14】
【0062】
ここで、ｈ２は、Ｐ－ＶＮＬＥサブフィルタ１１３を考慮した相互ビート項の総数である。
【0063】
図３に、本実施の形態に係る波形等化器１０におけるフィルタを用いた場合の計算複雑性を、単純な線形フィルタ、非線形多項式によるフィルタ、完全なヴォルテラ級数によるフィルタそれぞれを用いた場合と比較して示す。ここで、Ｌ＝Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３＜１００とする。ここで、完全なヴォルテラ級数は式（１）で表される。
【0064】
図中、「ＬｉｎＥＱ」は単純な線形フィルタ、「ＰｏｌｙＥＱ－ｘ」はｘ次の非線形多項式によるフィルタ、「ｆｕｌｌＶＮＬＥ－ｘ」はｘ次の完全なヴォルテラ級数によるフィルタ、「ｐｒｕｎｅｄＶＮＬＥ－２」はＰ－ＶＮＬＥによるフィルタそれぞれを用いた場合を示す。
【0065】
本実施の形態に係るＮＬＥの計算複雑性は、３次項までの非線形多項式を用いた場合より５、６倍大きく、Ｐ－ＶＮＬＥより若干高い程度である。一方、本実施の形態に係るＮＬＥの計算複雑性は、２次の完全なヴォルテラ級数と３次の完全なヴォルテラ級数それぞれを用いた場合に比べて、１桁から２桁低い値を示す。これらの結果は、本実施の形態に係るＮＬＥの計算複雑性が、実装可能な範囲内にあることを示す。
【0066】
本実施の形態では、２次項ｙ２（ｍ）が自己ビート項（ｐ＝０）と４個の相互ビート項（ｐ＝１，２，３，４）より構成される例を示したが、相互ビート項の数はこれに限らない。しかしながら、４個より多数の相互ビート項を用いる場合、計算複雑性が増加する一方、ＢＥＲの低減について大きな効果はない。
【0067】
本実施の形態では、３次項ｙ３（ｍ）が相互ビート項を含まない例を示した。これは、３次項ｙ３（ｍ）が相互ビート項を含む場合には、計算複雑性が著しく増加するからである。
【0068】
本実施の形態に係る波形等化器１０によれば、ＰＡＭ信号の非線形歪みを補償するための非線形処理の計算複雑性を抑制でき、簡素化できる。
【0069】
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態について図４を参照して説明する。
本発明の第２の実施の形態について図４を参照して説明する。
【0070】
＜光通信システムの構成＞
図４に、本実施の形態に係る受信機および光通信システムの構成を示す。光通信システム２０において、光送信機２１が光信号を生成し、光伝送路２２に伝送する。本発明では、強度変調（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ－ｍｏｄｕｌａｔｅｄ、ＩＭ）ＰＡＭ信号と光チャネルに相当する光信号は、標準型単一モード光ファイバ（ＳＳＭＦ：Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）を１０ｋｍまでの範囲で伝送する。１０ｋｍは、短距離インターコネクトとデータセンタネットワークでの通常の距離である。伝送の末端で、信号は光受信機２３によって検知される。ここで、直接検波に基づくものを想定する。
図４に、本実施の形態に係る受信機および光通信システムの構成を示す。光通信システム２０において、光送信機２１が光信号を生成し、光伝送路２２に伝送する。本発明では、強度変調（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ－ｍｏｄｕｌａｔｅｄ、ＩＭ）ＰＡＭ信号と光チャネルに相当する光信号は、標準型単一モード光ファイバ（ＳＳＭＦ：Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）を１０ｋｍまでの範囲で伝送する。１０ｋｍは、短距離インターコネクトとデータセンタネットワークでの通常の距離である。伝送の末端で、信号は光受信機２３によって検知される。ここで、直接検波に基づくものを想定する。
【0071】
受信機２３において、第１の実施の形態に係る波形等化器１０を用いる。入力光信号は、直接検波部２３１で電気波形に変換される。次に、信号はアナログデジタル変換部２３２によってサンプリングされ、時間回復部２３３に入力される。次に、時間回復部２３３からの出力信号は、波形等化器１０に入力する。波形等化器１０における等化過程において、信号は１サンプル／シンボルにダウンサンプリングされ、データはデータ回復部２３４によって回復する。データ回復部２３４は、ＰＡＭ信号のシンボルの復調も行う。
【0072】
本実施の形態に係る受信機および光通信システムによれば、後述の第１の実施例に示すように、ＰＡＭ信号の非線形歪みを補償するための非線形処理の計算複雑性を抑制でき、簡素化できるとともに、ＢＥＲ特性を向上させ信号品質を向上できる。
【0073】
＜第１の実施例＞
本発明の第１の実施例について図５～図７を参照して説明する。
＜第１の実施例＞
本実施例は、本発明に係る波形等化器、受信機および光通信システムの効果を実証するための一例である。図５に、本実施例で用いる実験系３０を示す。
本発明の第１の実施例について図５～図７を参照して説明する。
＜第１の実施例＞
本実施例は、本発明に係る波形等化器、受信機および光通信システムの効果を実証するための一例である。図５に、本実施例で用いる実験系３０を示す。
【0074】
送信側では、４台のパルスパターン生成器３０１が、４個の独立するデータストリームを生成する。これらのデータストリームは、１／Ｔｓ＝６４ＧＢａｕｄ（ギガボー）のＮＲＺ（ｎｏｎ－ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ ｚｅｒｏ）により構成される。
【0075】
次に、ＰＡＭ４－ＭＵＸ（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）３０２が用いられ、２５６－Ｇｂｉｔ／ｓ（１２８－ＧＢａｕｄ）のＰＡＭシンボルを生成する。図５中挿入図（ａ）に、このＰＡＭ４信号のアイパターンを示す。２２ｄＢゲインの６０ＧＨｚバンド幅の線形ＲＦ増幅器３０３と、バイアスティー３０４と、ＲＦプローブ３０５とを用いて、直接変調レーザ（ＤＭＬ）３０６を２７．２ｍＡ直流バイアス電流、１．６Ｖｐ－ｐ変調電圧で駆動する。
【0076】
ＤＭＬ３０６は、ＳｉＣ基板上のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体のメンブレンレーザであり、２５℃のステージ制御温度で、１０８ＧＨｚまでの３ｄＢバンド幅と２７ｍＡでのファイバ結合出力で動作する（N. Kaneda, et al., "Nonlinear Equalizer for 112-Gb/s SSB-PAM4 in 80-km Dispersion Uncompensated Link", Optical Society of America, Optical Fiber Communications Conference and Exhibition, pp. 19-23, 2017.）。この動作条件でのファイバ結合出力は－２ｄＢｍであり、発振波長は１２８６ｎｍ程度である。信号は、レンズファイバを用いて、２ｋｍ標準型単一モード光ファイバ（ＳＳＭＦ）３０７に結合される。ＳＳＭＦのＯ帯での損失係数は０．３４～０．４ｄＢ／ｋｍであり、色分散係数は波長１２８６ｎｍ程度で－２．４ｐｓ／ｋｍ／ｎｍである。
【0077】
光検出には、Ｏ帯で６７ＧＨｚより大きいバンド幅を有するＵＴＣ－ＰＤモジュール３１０を用いる。ＵＴＣ－ＰＤモジュール３１０の前段での受光パワー（ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ、ＲＯＰ）は、Ｐｒドープファイバ増幅器（ｐｒａｓｅｏｄｙｍｉｕｍ－ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、ＰＤＦＡ）３０８と可変光減衰器（ｖａｒｉａｂｌｅ ｏｐｔｉｃａｌ ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ、ＶＯＡ）３０９により制御される。ＲＯＰは、２０ｄＢカプラを介してパワーメータ（ＰＭ）３１１で測定される。ＵＴＣ－ＰＤモジュール３１０により受光された信号は、１１０ＧＨｚのデジタルサンプリングオシロスコープ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ、ＤＳＯ）３１２を用いてオフライン処理で２５６ ＧＳａ／ｓで記憶される。
【0078】
受信機のデジタル信号処理ＤＳＰ３１３では、初めに、再サンプリング（３１４）と時間回復（３１５）が実行される。次に、本発明の実施の形態に係る波形等化器１０によるＮＬＥ（３１６）が、１０１個の線形項と６１個の２次項と３次項の非線形項の入力タップを用いて、２ＳｐＳ（ｓａｍｐｌｅｓ ｐｅｒ ｓｙｍｂｏｌ）で実行される。ここで、タップの数は、ボー速度（Ｂａｕｄ ｒａｔｅ）とともに増加する。本実施例の計算複雑性は式（１１）－（１４）により計算され、実際の乗算数として８７４が得られる。図５中挿入図（ｂ）、（ｃ）それぞれにＮＬＥ（３１６）前後でのＰＡＭ４信号のアイパターンを示す。
【0079】
ＮＬＥにおいて、信号は１ＳｐＳでダウンサンプリングされる。また、ＮＬＥは、判定指向型ＬＭＳ（ｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｄｉｒｅｃｔｅｄ ＬＭＳ）アルゴリズムによりトレーニングされ適応される。最後に、ビットエラーを測定して、ＢＥＲを評価する（３１７）。
【0080】
【0081】
ＢＴＢ伝送と２ｋｍ伝送において、全てのＲＯＰで、ＢＥＲ特性はどの非線形等化処理（ＮＬＥ）を用いても、線形等化（ＬｉｎＥＱ）の場合に比べて改善される。２次、３次の非線形多項式による等化処理（ＰｏｌｙＥＱ－２、ＰｏｌｙＥＱ－３）を用いると、ＢＥＲは、７％のオーバーヘッドが付与されたＨＤ－ＦＥＣ（Ｈａｒｄ Ｄｅｃｉｓｉｏｎ－Ｆｏｒｗａｒｄ Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）のしきい値以上の値を示す。
【0082】
一方、４つの２次のヴォルテラ相互ビート項を含む処理（ｐｒｕｎＶＮＬＥ－２および本実施に形態における非線形等化処理）によって、ＨＤ－ＦＥＣしきい値は、ＢＴＢ伝送と２ｋｍ伝送ともに達成される。
【0083】
本実施例における、多項式の３次項を含むＮＬＥは、多項式の３次項を含まないＮＬＥに比べて、パワーマージンをＢＴＢ伝送において０．７６程度、２ｋｍ伝送において０．３５ｄＢ程度改善する。ここで、すべての場合で、２ｋｍ伝送は、ファイバの負の分散によって、ＢＴＢ伝送に比べて若干良好なＢＥＲの値を示すと考えられる。
【0084】
本実施例に示すように、第２の実施の形態に係る受信機および光通信システムによれば、ＰＡＭ信号の非線形歪みを補償するための非線形処理の計算複雑性を抑制でき、簡素化できるとともに、ＢＥＲ特性を向上させ信号品質を向上できる。
【0085】
換言すれば、本発明に係る波形等化器を受信機、光通信システムに適用すれば、非線形処理の計算複雑性を抑制でき、簡素化できるとともに、ＢＥＲ特性を向上させ信号品質を向上できる。
【0086】
＜第２の実施例＞
本発明の第２の実施例に係る光通信システムにおける受信機は、第２の実施の形態に係る光通信システムにおける受信機と略同様である。
本発明の第２の実施例に係る光通信システムにおける受信機は、第２の実施の形態に係る光通信システムにおける受信機と略同様である。
【0087】
本実施例に係る光通信システムにおける受信機４３は、第１の実施の形態に係る波形等化器１０を用い、図８に示すように、直接検波部４３１と、アナログデジタル変換部４３２と、波形等化器１０と、データ回復部４３３とを備える。受信機４３において、データ回復部４３３が、第２の実施の形態におけるＮＬＥ後に実行される高精度の時間回復アルゴリズムを含む。
【0088】
図９に、本発明の実施の形態に係る波形等化器におけるコンピュータの構成例を示す。波形等化器１０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）５３、記憶装置（記憶部）５２およびインタフェース装置５１を備えたコンピュータ５０と、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵ５３は、記憶装置（記憶部）５２に格納された波形等化プログラムに従って本発明の実施の形態における処理を実行する。このように、波形等化プログラムは波形等化器を機能させる。
【0089】
本発明の実施の形態における記憶装置（記憶部）では、コンピュータを装置内部に備えてもよいし、コンピュータの機能の少なくとも１部を、外部コンピュータを用いて実現してもよい。また、記憶部も装置外部の記憶媒体５４を用いてもよく、記憶媒体５４に格納された信号生成プログラムを読み出して実行してもよい。記憶媒体５４には、各種磁気記録媒体、光磁気記録媒体、ＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、各種メモリを含む。また、信号生成プログラムはインターネットなどの通信回線を介してコンピュータに供給されてもよい。
【0090】
本発明の実施の形態では、波形等化器の構成、製造方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。波形等化器の機能を発揮し効果を奏するものであればよい。
【産業上の利用可能性】
【0091】
本発明は、光通信システムや、光通信システムにおける受信機、波形等化器などのデバイス等に適用することができる。
【符号の説明】
【0092】
１０ 波形等化器
１１１ 遅延タップ
１１２ １次のサブフィルタ
１１３ ２次のサブフィルタ
１１４ ３次のサブフィルタ
１１５ 合算部
１１１ 遅延タップ
１１２ １次のサブフィルタ
１１３ ２次のサブフィルタ
１１４ ３次のサブフィルタ
１１５ 合算部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【国際調査報告】