長距離光ファイバ伝送用高光非線形耐力符号化変調方式に関する研究
Research on high-nonlinearity-tolerant coded modulation for long distance optical fiber transmission

今宿 亙 (Wataru Imajuku, Ph. D.)

離の制限は、大幅に緩和されている。そのため、ディ

近畿大学 産業理工学部 教授

ジタルコヒーレント光伝送システムは、光ファイバ伝(Professor, Humanity-Oriented-Science and Technology, KindaiUniversity)

送路の非線形光学効果が主な伝送制限要因となっており、その中でも波長多重チャネル間で発生する相互位

電子情報通信学会 米国電気電子学会 米国光学会
電子情報通信学会学術奨励賞(2000 年) OECC2007 Best Paper Award( 2007 年) APNOMS 2014 Best Paper Award (2014 年) 他
研究専門分野：光通信工学、情報ネットワーク

相変調効果が、最大の制限要因となっている。
本研究は、相互位相変調を抑制できる符号化変調方式の探索を進める。その過程で、相互位相変調の発生する手段と して、 ①光符 号の ピーク 対平均 電力比(Peak-to-Average Power Ratio: PAPR)を抑制して相あらまし
光ファイバ伝送システムの長距離化には、光ファイ互位相変調の発生を抑制する符号化変調方式、②光ピバ伝送路で発生する非線形光学効果による光信号品質ーク電力を一定にして相互位相変調の発生を抑制するの劣化を抑制する必要がある。特に、直交位相変調方符号化変調方式に注目し、伝送性能比較を行う。本研式などを採用した偏波／波長多重コヒーレント光伝送

究は、①の設計思想に従った符号化変調方式として定システムは、相互位相変調を起因とする光信号品質劣包絡線連続位相 MPSK 変調、②の方式として、位相化が伝送可能距離を制約する最大の要因となっている平面上で二重信号点配置構造を有する Dual Mode-[A]。本研究は、偏波／波長多重コヒーレント光伝送シ

RZ-8PSK/QPSK 変調に注目して伝送性能の優位性をステムにおける相互位相変調を抑制できる符号化変調評価する。

方式の探索を進めてきた。その過程で、相互位相変調
２．研究の背景の抑制手段として、①光符号のピーク対平均電力比(Peak-to-Average Power Ratio: PAPR)を抑制して相現代の伝送システムにおいて、複数ビットの符号を互位相変調の発生を抑制する符号化変調、②光ピーク一つのシンボルにマッピングする伝送路符号化と各シ電力を一定にして相互位相変調の発生を抑制する符号

ンボルを複素振幅にマッピングさせる変調は、実質的化変調に注目し、伝送性能比較を行う。①の伝送路符に一体となっていることが多く、符号化変調と呼ばれ号として定包絡線連続位相 MPSK 符号化変調、②のる。光ファイバ伝送システムにおいても、四値位相シ伝送路符号として両偏波全体でのピーク電力を一定にフトキーイング(QPSK)方式を皮切りに社会実装され、保つ Dual Mode- RZ-8PSK/QPSK 符号化変調の検討

最新の研究では M 値直交位相振幅変調(MQAM)を用を進めた。

いた 4096QAM[1]や 16384QAM [2]符号化変調方式の実証が進んでいる。
しかしながら、このような光信号を並列伝送する波

１．研究の目的
これまでに社会実装されている偏波／波長多重コヒ長多重伝送システムは、様々な振幅を有する光信号がーレント光伝送システムは、M 値直交位相振幅符号化混在することにより波長チャネル間の相互位相変調が変調方式で光シンボルを生成し、ディジタル信号処理より大きな信号品質劣化要因となる。この相互位相変回路を用いたイントラダイン光検波方式により受信光調による信号品質劣化については、付加的ガウス雑音シンボルを復号するいわゆるディジタルコヒーレントでモデル化した理論研究が存在し、変調方式が相互位光伝送技術で実現されている[1]。

相変調に及ぼす影響度が定式化されている[3]。また、ディジタルコヒーレント光伝送システムにおける光実験研究でも位相共役光伝送方式の研究[4]、機械学習ファイバ伝送路の分散、偏波分散、偏波依存損失は、による相互位相変調信号の信号品質劣化補償[5]など前述のディジタル信号処理回路に組み込まれた分散補の研究が存在する。さらに、本研究と同様の観点で、償器により補償され、これらの要因による伝送可能距伝送路符号の工夫によって相互位相変調を抑制しようとする研究[6]など数多く存在する。
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３．研究の方法
本研究は、50GHz 間隔で配置された偏波多重 8 波
長多重信号について、図１に示す構成を前提とした多中継光ファイバ伝送システムの光信号伝送品質を評価した。このシステムは、送信器の出力に後置光増幅器、受信器の入力に前置光増幅器、光ファイバ伝送線路の

図１

システム構成表１

計算条件

光損失を補償する光増幅中継器を 80km 間隔で配備した多中継光増幅中継構成となっている。光ファイバ伝送線路は、偏波／波長多重光伝送信号の伝搬波形分析が可能となるようマナコフ方程式でモデル化し、表１の条件を適用してビーム伝搬法により数値解析した。
従来の研究では、光伝送信号品質は、品質指標値として Error Vector Magnitude(EVM)や信号対雑音比(SNR)を用いて評価されてきている。しかし、近年、軟判定誤り訂正器が標準的に採用されている。この軟判定誤り訂正器において、ビット単位で尤度判定を行うビットメトリック復号システムでは一般化相互情報量(Generalized Mutual Information: GMI)が、シンボル単位で尤度判定を行うシンボルメトリック復号シス
テムでは相互情報量（Mutual Information: MI）が、誤り訂正後のシステム性能を推定する上で、汎用的な評価指標となる点が指摘されている[7]。本研究は、一連のビーム伝搬法によるマナコフ方程式の数値計算ツール、GMI/MI 評価ツールを C 言語で開発し、次節以降の符号化変調方式に対する光信号品質評価を行った。
3.1 CP-QPSK 符号化変調信号
本研究は、波長チャネル間の相互位相変調効果による信号波形劣化を抑圧することを目的に、各波長チャネルの振幅を一定にする定包絡線連続位相(CP)-MPSK 符号化変調の光伝送品質特性を評価した。

(a) CP-QPSK
図２(b) RZ-QPSK

変調時の信号点間軌跡評価の際は、比較対象として、RZ 符号の PSK 符号化変調信号を選定した。図２(a)に示すように、定包絡線
連続位相 QPSK 符号化変調信号は、Minimum Shift

図３に、1200km 伝送時の CP-QPSK 符号化変調信Keying と同様に複素平面上に定義された信号点間を号と RZ-QPSK 符号化変調信号の GMI と各光増幅器結ぶ円周上に軌跡を残しながら変調される。一方、比出力端における波長チャネルあたりの平均光信号電力

較対象とした RZ-QPSK 符号化変調信号は、各信号点の関係を示す。CP-QPSK 符号化変調信号は定電力でと原点を通過する軌跡を残しながら変調される。

あることから、相互位相変調を抑制できより高い平均送信光電力での伝送が可能となり、より高い GMI が

2

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多段復号器構造で復号させる必要がある。その場合、性能指標は、シンボルメトリック復号システムの性能評価指標がふさわしいいとされていることから、本評
価では、GMI ではなく MI で性能比較を行った。図５に各符号化変調方式の MI と信号対雑音比の関係を示す。四次元 Dual Mode 8PSK/QPSK 符号化変調方式
は、誤り訂正限界を与える条件（規格化 MI0.9 に相当）の 5.3 bit/4DSymbol で、8PSK 符号化変調方式に対して信号対雑音比で 0.8 dB の余裕度を与えることが分かった。
図 ６ に 、 2000km 伝 送 時 の 四 次 元 Dual Mode
図３RZ-8PSK/QPSK 符号化変調、四次元 2A8PSK 符号化

GMI と平均光信号電力の関係（L=1500 ㎞）変調、RZ-16QAM 符号化変調の各方式の性能比較を示す。 RZ-16QAM 符号化変調方式以外は、両偏波面の得られることを期待したが、結果的には期待動作が得合計ピーク電力が一定となる。両偏波面全体の光ピーられない。むしろ、CP-QPSK 符号化変調信号は、位ク電力は一定となるように設計された効果もあり、正相変化の不連続性によりスペクトル広がりが発生する。

常分散条件のβ2 = 3 ps 2 /km では、規格化 MI が最大

RZ-QPSK 符号化変調信号は、位相変化の発生時に光となる平均光信号電力は、RZ-16QAM 符号化変調信号電力を消去するためスペクトル広がりを抑える効果がのものよりも、四次元 Dual Mode RZ-8PSK/QPSK 符ある。さらに、より高い光ピーク電力が得られる分、号化変調信号、四次元 2A8PSK 符号化変調信号の方がそのタイミングのサンプル値で軟判定した方が高い

高 い 値 に な っ て い る 。 特 に 、 四 次 元 Dual Mode

GMI が得られることが分かった。

RZ-8PSK/QPSK 符号化変調方式は、誤り訂正限界を
与 え る 条 件 （ 規 格 化 MI 0.9 に 相 当 ） の 5.3
bit/4DSymbol よりも高い規格化 MI を達成している

3.2 四次元 Dual Mode-RZ-MPSK/NPSK 変調信号
前節の結論を踏まえ、RZ 符号をベースに多値化のことがわかる。

検討を進めた。多値化にあたっては、相互位相変調による光信号品質劣化を抑制するために、両偏波面全体の四次元空間において光信号電力を一定値とする四次元空間定ピーク電力符号化変調方式に注目する。その一つである四次元 2A-8PSK 符号化変調方式 [6]を参考にしつつ、本研究は、Dual Mode RZ-MPSK/NPSK符号化変調方式[8]に注目した。
図４に四次元 Dual Mode 8PSK/QPSK 符号化変調方式の信号点を示す。本方式は、外郭リングの各信号(a) 8PSK点間と内郭リングの各信号点間のユーグリッド距離に

図４(b) DM-8PSK/QPSK[8]検討する符号化変調方式の信号点大きな差が出ないように工夫された信号点シェーピン
グ設計がされている。同時に、同一平均信号電力において、外郭リング上の信号点間距離は、8PSK のものと比較して 26％拡大できる。
四次元 Dual Mode 8PSK/QPSK 符号化変調方式は、
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図５

検討する符号化変調方式の相互情報量

図７

MI と伝送距離の関係(β2 = −3 ps 2 /km)

図７は、の四次元 Dual Mode RZ-8PSK/QPSK 符号化変調、四次元 2A8PSK 符号化変調、RZ-16QAM符号化変調の各方式の MI と伝送距離の関係を示す。
図７に示すように、誤り訂正限界条件を加味すると1040 km までは RZ-16QAM 符号化変調方式が、1200㎞までは四次元 2A8PSK 符号化変調方式がより大きな通信容量を提供できるが、それ以上の伝送距離では、四次元 Dual Mode RZ-8PSK/QPSK 符号化変調方式が有利になっている。

四次元 Dual Mode RZ-8PSK/QPSK 符号化変調方式の相互情報量は、8PSK 符号化(a) DSF S 帯伝送時変調方式のものと比較すると、図５で示す結果程の優位性は示されず、偏波分散の影響を受けて若干劣化する条件も見られるものの、ほぼ同等の性能を示している。このように、ピーク電力を一定とする四次元空間
定ピーク電力符号化変調方式は、同じくピーク電力が一定である 8PSK 符号化変調方式などの MPSK とほぼ同レベルの相互位相変調抑圧効果を発揮できることが再確認できたと言える。
４．将来展望図６(b) DSF L 帯伝送時

今後、MQAM 変調信号のさらなる多値化を通じて規格化 MI と平均光信号電力の関係光ファイバ伝送システムの大容量化が進展すると考えられる。多値化にあたっては、原則として既存システ
ムで実現されている伝送可能距離の維持確保が引き続き求められるものの、伝送可能距離について全ての要求を満足できなくなる場合も発生すると想定される。
そのような場合、システム利用条件や伝送路状態に合4TELECOM FRONTIER No.115 2022 SPRING

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わせフレキシブルに設備の構築と運用を行うことも選“Simultaneous nonlinearity mitigation in 92 ×択肢の一つとなる。文献[6]で初めて提案され、本研究

180-Gbit/s PDM-16QAM transmission over 3840の四次元 Dual Mode RZ-8PSK/QPSK 符号化変調方式

km using PPLN-based guard-band-less opticalの評価でも追認できた四次元空間定ピーク電力符号化

phase conjugation,” Opt. Exp., vol. 24, No. 15, pp.

変調方式は、システム仕様のフレキシブル化に対する16945-16951, July 2016.

解決策として一つの有力な選択肢となると考えている。

[5] M. Nakamura, N. Sumimoto, Y. Takanashi, andR.

Nakagawa,“XPMandphase-noisecompensation using a polarization-multiplexed

おわりに
本研究は、①光符号のピーク対平均電力比

and intensity-modulated pilot carrier,” IEICE(Peak-to-Average Power Ratio: PAPR)を抑制して相Com. Exp., vol. 10, No. 1, pp. 18-23, Jan. 2021.

光ピー[6] K. Kojima, T. Yoshidam T. K. Akino, D. AS.

ク電力を一定にして相互位相変調の発生を抑制する伝Millar, K. Parsons, M. Pajovic and V. Arlunno,

送路符号に注目した。具体的には、①CP-MPSK 符号“Nonlinearity-Tolerant化変調符号、②Dual Mode RZ-8PSK/QPSK 符号化変2A8PSK Family for 5–7 Bits/Symbol Spectral

調に注目して伝送性能の優位性を明確化した。

Efficiency,” J. Lightwave Technol., vol. 35, No. 8,

CP-MPSK 符号化変調符号の採用による相互位相変調

pp. 1383-1391, Aug. (2017).

互位相変調の発生を抑制する伝送路符号、②Four-Dimensionalの抑圧効果と比較して、RZ 符号ではピーク電力が増[7] G. Liga, A. Alvarado, E. Agrell, and P. Bayvel,

加する分高い SNR が得られることを明らかにした。

“Information rates of nextgeneration long-haul

その上で、相互位相変調の発生を抑制する RZ 符号とoptical fiber systems using coded modulation,” J.

して四次元 Dual Mode RZ-8PSK/QPSK 符号化変調方

Lightwave Technol., vol. 35, No. 1, pp. 113-123,式の通信容量評価を初めて実施し、四次元空間定ピー

Jan. (2017).
[8] M. Nakao, T. Ishihara, and S. Sugiura,

ク電力光信号伝送方式の有用性を示した。

“Dual-mode time-domain index modulation for
参考文献

Nyquist-criterion[1] M. Terayama, S. Okamoto, K. Kasai, M. Yoshida,

single-carrier transmissions,” IEEE Access., vol.

and M. Nakazawa, “4096 QAM (72 Gbit/s)

andfaster-than-Nyquist

5, No. 12, pp. 27659-27667, Dec. (2017).

Single-Carrier Coherent Optical Transmission
witha Potential

SEof

15.8 bit/s/Hz in

関連文献

All-Raman Amplified 160 km Fiber Link,” Proc.

[A] W. Imajuku, “Eigenvalue equation of optical

Of Optical Fiber Communication Conferencetransmission fiber considering cross-phase2018, Th1F, March, 2018.

modulation （XPM） induced instability,[2] Xi Chen, et al., Proc. of 45th European
Conferenceon

Optical“ Reports of Humanity Oriented Science andCommunication

Engineering, Kindai University, pp. 11-20, May.

(ECOC'2019), Sep. (2019).

2017.

[3] R. Dar, M. Feder, A. Mecozzi, and M. Shtaif,“Propertiesofnonlinear

dispersion-uncompensatednoisefiberinlong,links,”

Opt.

この研究は、平成３０年度ＳＣＡＴ研究費助成の対象

Exp., vol. 21, pp. 25685–25699, (2013).

として採用され、令和元年度～令和２年度に実施され[4] T. Umeki, T. Kazama, A. Sano, K. Shibahara, K.

たものです。

Suzuki, M. Abe, H. Takenouchi, and Y. Miyamoto,5TELECOM FRONTIER No.115 2022 SPRING