(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シンボルレートＲの光信号パルス列を光時分割多重（ＯＴＤＭ）によりＮ倍のシンボルレートに高速化する超高速ＯＴＤＭ伝送において、ＯＴＤＭ多重化前の光信号パルス列は、その中心から時間軸上の正負の方向に１／ＮＲの時間間隔で強度が零となる光ナイキストパルスで構成され、その結果ＯＴＤＭ多重化後に異なるパルス間の符号間干渉が生じないことを特徴とする光ナイキストパルス伝送。
【請求項２】
光ナイキストパルスは（１＋α）ＮＲ（ただし０≦α≦１）の信号帯域を有することを特徴とする請求項１に記載の光ナイキストパルス伝送。
【請求項３】
光ナイキストパルスの振幅および位相を同時に多値で変調することを特徴とする請求項１に記載の光ナイキストパルス伝送。
【請求項４】
偏波状態が互いに直交する光ナイキストパルスを偏波多重伝送することを特徴とする請求項１に記載の光ナイキストパルス伝送。
【請求項５】
光ナイキストパルスを２ＭＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式により変調し偏波多重伝送することにより、伝送速度２×Ｍ×Ｎ×Ｒの信号を２Ｍ／（１＋α）（ただし０≦α≦１）の周波数利用効率で伝送することを特徴とする請求項１に記載の光ナイキストパルス伝送。
【請求項６】
光ナイキストパルスは、Ｇａｕｓｓ型もしくはＳｅｃｈ型等の光パルスに対し、その光スペクトルの縦モード一本ずつの振幅及び位相を独立に制御することにより発生することを特徴とする請求項１に記載の光ナイキストパルス伝送。
【請求項７】
光ナイキストパルスは、Ｇａｕｓｓ型もしくはＳｅｃｈ型等の光パルスに対し、伝達関数がナイキストパルスのスペクトル形状と前記光パルスのスペクトル形状の比で与えられる光フィルタを通過させることにより発生することを特徴とする請求項１に記載の光ナイキストパルス伝送。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光パルスを光領域で時間多重し高速伝送を行なう超高速光時分割多重（ＯＴＤＭ）伝送において、信号帯域を狭窄化し周波数利用効率を向上させるための伝送方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基幹光伝送網の大容量化に向けた取り組みとして、波長多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送システムの高密度化が近年著しく進展している。その一方で、波長制御の容易さならびに低消費電力化の点からは、１波長あたりの伝送速度を高速化することにより波長多重数をできるだけ小さくすることが重要である。特に超短光パルスを光領域で時間多重する光時分割多重（ＯＴＤＭ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）は、光の高速性を活かして、電子回路の動作速度を上回る超高速伝送を実現可能な方式として、精力的に研究されている。
【０００３】
また最近では高速化と並行して、多値変調技術の導入による周波数利用効率の拡大に高い関心が寄せられている。具体的には、光の振幅のみならず位相をも情報伝送に用いることにより、１つのシンボルで２ビット以上の情報を伝送することができるため、低いシンボルレートでも高速伝送を実現することが出来る。周波数利用効率の拡大に伴い、ＷＤＭ伝送の高密度化、すなわち限られた周波数帯域の中であっても伝送容量を拡大することが出来る。中でも直交振幅変調（ＱＡＭ：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）は、振幅と位相の両方に同時に情報を乗せるため、周波数利用効率を飛躍的に向上できる変調方式である。例えば、ＱＡＭの多値度を２５６値まで増大させることにより、光通信においても１０ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ以上の周波数利用効率を実現できることが明らかにされている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】M. Nakazawa, S. Okamoto, T. Omiya, K. Kasai, and M. Yoshida, “256-QAM (64 Gb/s) coherent optical transmission over 160 km with an optical bandwidth of 5.4 GHz,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 22, no. 3, pp. 185-187, February 2010.
【非特許文献２】C. Zhang, Y. Mori, K. Igarashi, K. Katoh, and K. Kikuchi, “Demodulation of 1.28-Tbit/s polarization-multiplexed 16-QAM signals on a single carrier with digital coherent receiver,” in Proc. Optical Fiber Communication Conf. (OFC 2009), San Diego, CA, Mar. 2009, Paper OTuG3.
【非特許文献３】C. Schmidt-Langhorst, R. Ludwig, D.-D. Grob, L. Molle, M. Seimetz, R. Freund, and C. Schubert, “Generation and coherent time-division demultiplexing of up to 5.1 Tb/s single-channel 8-PSK and 16-QAM signals,” in Proc. Optical Fiber Communication Conf. (OFC 2009), San Diego, CA, Mar. 2009, Postdeadline paper PDPC6.
【非特許文献４】K. Kasai, T. Omiya, P. Guan, M. Yoshida, T. Hirooka, and M. Nakazawa, “Single-Channel 400-Gb/s OTDM-32 RZ/QAM Coherent Transmission Over 225 km Using an Optical Phase-Locked Loop Technique,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 22, no. 8, pp. 562-564, April 2010.
【０００５】
しかし、このような超多値コヒーレント光伝送のシンボルレートは、現状では最大でも１０Ｇｓｙｍｂｏｌ／ｓ程度が限界である。その主な要因としては、超多値ＱＡＭ信号の変復調に用いるディジタル信号処理装置の処理能力、特にＡ／Ｄ変換、Ｄ／Ａ変換の動作速度の限界が挙げられる。その結果、コヒーレントＱＡＭ光伝送の多値度を２５６まで増大し且つ偏波多重を行なったとしても、その伝送速度は１０Ｇｓｙｍｂｏｌ／ｓ×８ｓｙｍｂｏｌ／ｂｉｔ×２＝１６０Ｇｓｙｍｂｏｌ／ｓが限界である。そのため、従来のコヒーレント光伝送技術では、ＱＡＭのような高い周波数利用効率を有する信号を超高速伝送させることは困難である。
【０００６】
このようなシンボルレートの限界を克服するために、従来用いられてきたＣＷ光のかわりに、ＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ−ｔｏ−Ｚｅｒｏ）光パルスの振幅と位相を多値変調し、これをＯＴＤＭで多重化することにより、コヒーレント多値伝送の超高速化を実現する方法が提案されている（非特許文献２〜４）。例えば、非特許文献４では、１０Ｇｓｙｍｂｏｌ／ｓのコヒーレントＲＺ光パルスをＯＴＤＭにより４０Ｇｓｙｍｂｏｌ／ｓに高速化し、３２ＱＡＭならびに偏波多重を用いることにより、４００Ｇｂｉｔ／ｓの伝送速度を実現している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、通常のＲＺパルス伝送に用いられるＧａｕｓｓ型やＳｅｃｈ型等のパルス形状では、そのスペクトルは一般に広い帯域を占有してしまう。その結果、従来のＲＺパルスを用いた超多値コヒーレント伝送では、高周波数利用効率というコヒーレント伝送の特徴を最大に引き出すことが難しい。
【０００８】
一例として、トランスフォームリミットなＧａｕｓｓ型パルスにおいては、その時間バンド幅積はΔτΔν＝０．４４である。例えば１６０Ｇｓｙｍｂｏｌ／ｓの伝送を想定し、パルス幅がΔτ＝２ｐｓ（１６０Ｇｓｙｍｂｏｌ／ｓ伝送時に符号間干渉が生じない程度のパルス幅）の場合、そのスペクトル幅はピークから−３ｄＢの帯域幅で２２０ＧＨｚ、ピークから−２０ｄＢでは５７０ＧＨｚに及ぶ。その結果、５７０ＧＨｚをこのパルスの帯域幅と定義すると、このパルスに２５６ＱＡＭ変調ならびに偏波多重を導入したとしても、その周波数利用効率は（１６０Ｇｓｙｍｂｏｌ／ｓ×８ｂｉｔ／ｓｙｍｂｏｌ×２）／５７０ＧＨｚ＝４．５ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚにとどまってしまう。これはＣＷ光を用いた２５６ＱＡＭ偏波多重伝送に比べて１／２以下の効率である。
【０００９】
コヒーレントＲＺパルスの周波数利用効率を拡大させるためには、パルス幅Δτを広げ信号帯域Δνを出来るだけ狭窄化することが不可欠である。しかしながら、パルス幅を広げると隣接ビットとの符号間干渉が増大し、伝送性能が著しく劣化してしまう。このように、従来のコヒーレントＲＺパルス伝送においては、高速化と周波数利用効率の拡大を同時に実現することは難しい。
【００１０】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、符号間干渉を生じることなく高速化と周波数利用効率の拡大を同時に実現可能な光パルス伝送方式を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
かかる目的を達成するために、本発明では、シンボルレートＲの光信号パルス列を光時分割多重（ＯＴＤＭ）によりＮ倍のシンボルレートに高速化する超高速ＯＴＤＭ伝送において、その中心から時間軸上の正負の方向に１／ＮＲの時間間隔で強度が零となる光ナイキストパルスを用いることにより、広いパルス幅であっても符号間干渉を最小限に抑えた高速伝送を実現することを特徴とする。今までに光通信においてナイキストパルスの概念は提案されておらず、伝送実験も実現されていない。
【００１２】
本特許において提案する光ナイキストパルスは、Ｇａｕｓｓ型もしくはＳｅｃｈ型等の光パルスに対し、その光スペクトルの縦モード一本ずつの振幅及び位相を独立に制御することにより発生させる。あるいは、Ｇａｕｓｓ型もしくはＳｅｃｈ型等の光パルスに対し、伝達関数がナイキストパルスのスペクトル形状と前記光パルスのスペクトル形状の比で与えられる光フィルタを通過させることにより、光ナイキストパルスを発生させる。
【発明の効果】
【００１３】
光ナイキストパルスを用いることにより、従来パルスでは符号間干渉により困難であった広いパルス幅であっても高速伝送を実現することが可能となる。特に、光ナイキストパルスの振幅および位相を同時に多値で変調し、さらに偏波多重を用いることにより、シンボルレートの高速化と同時に周波数利用効率の拡大を図ることが出来る。また、超高速化の障害となる波長分散や偏波分散に対する耐力が向上するため、超高速伝送の長距離化とシステムマージンの拡大にも大変有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】光ナイキストパルス伝送の構成の一例である。
【図２】α＝０，０．５，１に対するナイキストパルスの波形およびスペクトルである。同図のＦは１／Ｔに等しい。
【図３ａ】光ナイキストパルスの時間多重の一例である。（ａ）は、同位相の光ナイキストパルスを多重化した波形の電界振幅および強度である。
【図３ｂ】光ナイキストパルスの時間多重の一例である。（ｂ）は、適当な位相関係を有する光ナイキストパルスを多重化した波形の電界振幅および強度である。
【図４】図３の信号をＧａｕｓｓ型パルスで構成した波形である。
【図５】図３（ａ）の信号を多重分離する様子である。
【図６】振幅と位相を同時に変調した光ナイキストパルスの時間多重の一例である。（ａ）は、多重化後のパルスの強度である。（ｂ）は、多重化後のパルスの位相である。
【図７】図６の信号をＧａｕｓｓ型パルスで構成した波形である。（ａ）は、多重化後のパルスの強度である。（ｂ）は、多重化後のパルスの位相である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態の一例を図１に示す。光パルス光源１から出力される繰り返し周波数Ｒの光パルスを、光パルス波形整形回路２を用いて、その形状をナイキストパルスに整形する。光パルス整形回路としては、Ｇａｕｓｓ型もしくはＳｅｃｈ型等の光パルスに対し、その光スペクトルの縦モード一本ずつの振幅及び位相を独立に制御する方法、あるいは伝達関数がナイキストパルスのスペクトル形状と前記光パルスのスペクトル形状の比で与えられる光フィルタを通過させる方法などが用いられる。
【００１６】
ナイキストパルスの時間波形ｒ（ｔ）およびスペクトルＲ（ｆ）は以下の式で与えられる。
【数１】
0005634296.tif 000002
【００１７】
ここでＴは光パルスの間隔であり、ここではＯＴＤＭ多重化（多重度Ｎ）を行なった後のパルス間隔Ｔ＝１／ＮＲに設定する。またαはロールオフ率と呼ばれるパラメータであり、０≦α≦１の値をとる。α＝０，０．５，１の３通りの場合におけるナイキストパルスの波形およびスペクトルを図２に示す。ロールオフ率αが増大するとともにパルスの裾野の振動は小さくなり、且つ早くゼロに収束することがわかる。一方スペクトルにおいては、αの増大とともに帯域が広がっていることがわかる。ナイキストパルスの帯域はＢ＝（１＋α）／Ｔで与えられることが知られている。本発明のＯＴＤＭ伝送の場合はＴ＝１／ＮＲに設定しているので、その帯域はＢ＝（１＋α）ＮＲとなる。
【００１８】
以上のことから、所要帯域を狭窄化するためにはαを小さくすることが望ましいが、その一方でαが小さいと、時間ジッタなどにより信号判定時点が僅かにずれただけでも隣接する信号との符号間干渉が増大するため、信号検出に対するマージンが小さくなってしまうという問題がある。そのため、伝送システムの条件に応じて最適なαの値を設定する必要がある。
【００１９】
α＝０．５の場合において、複数のナイキストパルスにより信号パルス列を構成した例を図３（ａ）に示す。図３（ａ）の上の図はパルスの電界振幅、下はその強度を示している。また同図の波線は個別のナイキストパルスを示しており、本発明の場合はこれらがＯＴＤＭ多重化前の信号パルスに相当する。これらのパルスは、強度が１で、その中心がｔ＝−２Ｔ，−Ｔ，＋Ｔの３つの時点に位置している。実線はこれらのナイキストパルスを同相で重ね合わせたものであり、本発明の場合はＯＴＤＭ多重化後の信号パルスに相当する。同図からわかるように、ＯＴＤＭ多重化後は、点線および黒丸で示す信号判定時点（ｔ／Ｔ＝整数）以外では波形が歪んでいるものの、信号判定時点ではもとのナイキストパルスを同じ強度を維持しており、符号間干渉なく信号が多重化できていることがわかる。
【００２０】
図３（ａ）の例では、３つのナイキストパルスを同位相で重ね合わせていたが、ＯＴＤＭ多重化においては、異なるトリビュータリの信号は一般に任意の位相関係で重ね合わされる。図３（ａ）の場合と同じ３つのパルスを互いに適当な位相関係で重ね合わせた波形を図３（ｂ）に示す。ここで同図上の電界振幅は実部と虚部の両方を示している。多重化されるパルスが互いに任意の位相関係であっても、信号判定時点では符号間干渉無く信号強度が維持されていることがわかる。このようにナイキストパルスはＯＴＤＭ多重化とも整合性が高い。
【００２１】
ナイキストパルスの代わりに、同じパルス幅を有するＧａｕｓｓ型パルスを用いて図３（ａ），（ｂ）と同じ信号系列を構成したときの電界強度を図４（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。いずれの場合も、符号間干渉によりｔ＝−２Ｔおよびｔ＝−Ｔにおいて強度が正確な値をとっておらず、非ナイキストパルスでは信号を正確に検出できないことがわかる。
【００２２】
図３のようにナイキストパルスで構成したＯＴＤＭ信号を多重分離するためには、信号判定時点付近の無歪みな信号成分のみを抽出するゲート特性を用いればよい。その様子を図５に示す。同図は、図３（ａ）に示した信号において、ｔ＝−２Ｔの信号を太線で示すゲートにより多重分離する様子を模式的に示している。ゲート幅を十分狭く、且つできるだけ矩形状に近づけることにより、信号判定時点付近の無歪みな信号成分のみを抽出することができる。このようなゲート特性を実現するためには、例えば非線形ファイバループミラーのような全光スイッチにおいて、パルス幅が十分狭く且つ形状が矩形に近いパルスを制御光パルスとして用いればよい。
【００２３】
同じシンボルレートのもとで伝送速度をさらに向上させるためには、光ナイキストパルスの振幅および位相を同時に多値で変調したり、さらには偏波状態が互いに直交する光ナイキストパルスを偏波多重伝送することが大変有効である。その一例として、光ナイキストパルスを２ＭＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式により変調し偏波多重伝送する場合を考える。このとき伝送速度は２×Ｍ×Ｎ×Ｒ、信号帯域は（１＋α）ＮＲであることから、その周波数利用効率は２Ｍ／（１＋α）（ただし０≦α≦１）となる。段落０００８と同様に２５６ＱＡＭ伝送（Ｍ＝８）を考えると、周波数利用効率は最大で１６ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ（α＝０のとき）、最小でも８ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ（α＝１のとき）となる。この結果から、典型的なＧａｕｓｓ型パルスを用いた場合の周波数利用効率が４．５ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚであったのに比べて、ナイキストパルスを用いることにより少なくとも１．８倍、最大で４倍の高効率化が可能であることが判る。
【００２４】
振幅と位相を同時に多値で変調した光ナイキストパルスをＯＴＤＭにより多重化した例を図６に示す。同図は以下の４つのパルスを多重化したものである。
パルス１  中心時間位置：ｔ１＝−２Ｔ、強度：Ｉ１＝１．５、位相：φ１＝０．２５π
パルス２  中心時間位置：ｔ２＝  −Ｔ、強度：Ｉ２＝１．０、位相：φ２＝π
パルス３  中心時間位置：ｔ３＝    ０、強度：Ｉ３＝２．０、位相：φ３＝０
パルス４  中心時間位置：ｔ４＝    Ｔ、強度：Ｉ４＝０．５、位相：φ４＝０．５π
【００２５】
図６に示す多重化後のパルスにおいて各信号判定時点ｔ１〜ｔ４における強度および位相の値を見ると、多重化前の各パルスの強度および位相（同図の点線および黒丸）が保持されていることが判る。
【００２６】
図６と同じ信号をＧａｕｓｓ型パルスを用いて構成した結果を図７に示す。ナイキストパルスを用いた場合と異なり、強度・位相ともに信号判定時点で正確な値が検出できないことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
以上詳細に説明したように、光ナイキストパルスを用いることにより、広いパルス幅であっても符号間干渉を最小限に抑えた高速伝送を実現することができる。特に、光ナイキストパルスの振幅および位相を同時に多値で変調し、さらに偏波多重を用いることにより、高速化と同時に周波数利用効率の拡大を図ることが出来る。その結果、波長多重伝送の高密度化により、限られた周波数帯域であっても伝送容量を拡大することが可能となる。さらに、信号帯域の狭窄化に伴い高速伝送において問題となる波長分散・偏波分散に対する耐力が向上するため、超高速光伝送システムの長距離化ならびにシステムマージンの拡大にも有効である。また、低速な電子・光部品で超高速伝送を実現できるため、伝送システムの低消費電力化にも大きく貢献することが出来る。
【符号の説明】
【００２８】
１      光パルス光源
２      光パルス整形回路
３      変調器
４      光時分割多重回路
【図１】
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【図２】
0005634296.tif 000004
【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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