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2011年10月4日，SCOPE第7回成果発表会，幕張メッセ
デジタルコヒーレント光通信技術の研究開発
Research on Digital Coherent Optical Communication
Systems
菊池 和朗Kazuro Kikuchi
東京大学 大学院工学系研究科 電気系工学専攻Department of Electrical Engineering and Information Systems
The University of Tokyo
2
発表内容
1.はじめに
2.コヒーレント光受信器におけるデジタル信号処理(1)適応等化器の機能
(2)新しい適応等化器の提案と実験
3.コヒーレント多値光伝送実験
4.むすび
3
コヒーレント光技術
超高速デジタル技術
デジタルコヒーレント技術
>100 Gbit/s イーサー伝送
1980-1990
2005-現在
デジタルコヒーレント光通信技術
~2000-現在
4
Polarization-division multiplexing+WDM
将来の光伝送システムで用いられる基本的コヒーレント技術
このようなコヒーレント伝送システムは，極限的な性能を持つ。
しかし，各種の伝送障害に対して耐性が小さい。
コヒーレント受信
多重化方式
検波方式
変調フォーマット
多値変調
Wavelength
Verticalpolarization
Horizontalpolarization
I
Q
I
Q
QPSK 16-QAM
Signal
Local oscillator
Photo detector
5
本研究の目的
Transmitter
Localoscillator
Coherentreceiver
Digital signalprocessing
Fiber Amplifier
×N
•位相雑音
•波長分散•偏波変動•偏波分散•非線形効果•タイミングジッタ
•ASE雑音 •位相雑音•周波数オフセット
これらの障害をデジタル領域で補償する方式を検討。
伝送実験による実証。
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発表内容
1.はじめに
2.コヒーレント光受信器におけるデジタル信号処理(1)適応等化器の機能
(2)新しい適応等化器の提案と実験
3.コヒーレント多値光伝送実験
4.むすび
7
SignalEs
p/2
Local oscillatorELO
Polarizationcontroller
90°degreeoptical hybrid
II (cos)
IQ (sin)
90°optical hybrid
90°optical hybrid
Polarizationbeam splitters
SignalEs
Local oscillatorELO
IxI
IxQ
IyI
IyQ
コヒーレント光受信器の構成
位相ダイバーシティホモダイン受信器 位相・偏波ダイバーシティホモダイン受信器
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デジタル信号処理回路
Symbol
WDM
channel
selection
4-Ch
ADC
Carrier-phase
estimation
Fixed
equalizer
Decoder
-pol.X
-pol.Y
XE
YE
Pol. demux&
PMD compensator
,x inE
,y inE
-pol.x
-pol.y
Adaptive
equalizer
偏波多重分離偏波分散補償残留波長分散補償クロック抽出
等化器との協調動作
9
9
バタフライ構成のFIRフィルタ
pxx
pxy
pyx
pyy
Ex
Ey+
+
+
+
－
EX
EY
nnEndnn
nnEndnn
nnEndnn
nnEndnn
yYyyyyy
xYyyxyx
yXxxyxy
xXxxxxx
*
*
*
*
1
1
1
1
Epp
Epp
Epp
Epp
Decision
Decision
+
+
－
dx
dy
タップ更新のための判定指向型LMS(DD-LMS)アルゴリズム
偏波多重分離偏波分散補償残留波長分散補償クロック抽出
10
FIRフィルタの構成
1:m single sampling/symbol
2:m double sampling/symbol
/T m/T m /T m /T m
Ｘ× Ｘ× Ｘ× Ｘ×
x n
Input
Output
0c1c
2kc 1kc
y n
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t
t
非同期２倍オーバサンプリング
連続的時間遅延
同期シンボルレートサンプリング
FIRフィルタによるクロック 抽出
クロック抽出
K. Kikuchi, “Clock recovering characteristics of adaptive finite-impulse-response
filters in digital coherent optical receivers,” Optics Express 19, 5611-5619 (2011).
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Double samplingNyquist filter α=0.2 number of taps=1
BERのサンプリング位相依存性
4 6 8 10-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
Eb/N
0 [dB]
-lo
g10(B
ER
)
4 6 8 10-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
Eb/N
0 [dB]
-lo
g10(B
ER
)4 6 8 10
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
Eb/N
0 [dB]
-lo
g10(B
ER
)
(a) (b) (c)
Double samplingNyquist filter α=0.2 number of taps=5
4 6 8 10-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
Eb/N
0 [dB]
-lo
g10(B
ER
)
4 6 8 10-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
Eb/N
0 [dB]
-lo
g10(B
ER
)
4 6 8 10-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
Eb/N
0 [dB]
-lo
g10(B
ER
)
(a) (b) (c)(b)
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発表内容
1.はじめに
2.コヒーレント光受信器におけるデジタル信号処理(1)適応等化器の機能
(2)新しい適応等化器の提案と実験
3.多値光伝送実験
4.むすび
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Decision dx
LMS
pE
+
－
|.|/(.)Phase & frequency
estimation
cf
DD-LMSの問題点と解決法
Decision dx
LMS
pE
+
－
従来型
欠点: 変動の速い位相雑音
や周波数オフセットを追尾するために，長いFIRフィルタ段数を使えない。
新提案
Y. Mori and K. Kikuchi, OECC 2011
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DD-LMSアルゴリズムの動作不安定性
tttfjtE nsignaloffset p 2exp
Phase noiseFrequency offset
Without phase noise With phase noise and frequency offset
位相雑音による動作不安定化
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fy
Decision
Decision
dx
dy
LMS
LMS
LMS
|.|/(.) LMS LMS
LMS
sy
pxx
pxy
pyx
pyy
Ex
Ey+
+
++ fx sx
+
+
－
－+
+
－
－
+
+
－
－
|.|/(.)
|.|/(.) |.|/(.)
偏波多重分離偏波分散補償
残留波長分散補償クロック抽出
キャリア位相推定オフセット周波数推定
FastSlow Slow
DD-LMSアルゴリズムを用いた新しい構成のFIRフィルタ
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測定されたConstellation map
Beforebutterfly-structured
FIR filters
Afterbutterfly-structured
FIR filters
Afterfirst-stageestimator
Aftersecond-stage
estimator
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発表内容
1.はじめに
2.コヒーレント光受信器におけるデジタル信号処理(1)適応等化器の機能
(2)新しい適応等化器の提案と実験
3.多値光伝送実験
4.むすび
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Transmitter
DSP
circuit
Polarization
phase diversity
receiver
TransmitterLinewidth: 150 [kHz]Modulation : 10Gsymbol/s 16-QAM
Localoscillator
Local oscillatorLinewidth: 150 [kHz]
EDFANoise figure: 4 [dB]
SSMFSpan length: 100 [km]Dispersion parameter: 17 [ps/nm/km]Nonlinear coefficient: 1.5 [/W/km]Loss coefficient: 0.2 [dB/km]
8-10 spans
伝送システム実験系
20
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2
Log(
BER
)
Launched power [dBm]
1,000kmSMF伝送路を用いた10Gsymbol/s
16QAM信号WDM伝送特性。チャンネル間隔25GHz。●；1ch，×:3ch，
■:3ch偏波多重。
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
-15 -10 -5 0Log(
BER
)Launched power [dBm]
800kmSMF伝送路を用いた10Gsymbol/s
16QAM信号WDM伝送特性。チャンネル間隔25GHz。●；1ch，×:3ch，
■:3ch偏波多重。
伝送実験結果
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発表内容
1.はじめに
2.コヒーレント光受信器におけるデジタル信号処理(1)適応等化器の機能
(2)新しい適応等化器の提案と実験
3.多値光伝送実験
4.むすび
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むすび
1.デジタルコヒーレント光受信器において，信号等化およびキャリア位相推定を行う新しい構成のFIRフィルタを提案した。
2.開発された受信器を用いて，16QAM，長距離実験を行った。80Gbit/s WDM信号の800km伝送に成功した。スペクトル効率は3.2bit/s/Hzである。
3. ファイバの非線形効果は，等化によっても除去することが困難であり，伝送距離を強く制限している。
