交番直交コヒーレント QAM 方式を用いた 100G 級光アクセス伝送システムの研究開発と大容量化を同時に達成できるアプローチとして、海底長距離伝送で実用化されている直角位相振幅変調（QAM）信号を用いたコヒーレント変調・ホモダイン検波方式が注目されている。しかし、ホモダイン検波方式は信号成分の実数成分と虚数成分の分離においてローカル光源と 90 度光ハイブリッドから成る複雑なコヒーレント光受信器を利用するため、光受信器が高小玉 崇宏 (Takahiro Kodama, Ph. D.)

価・高電力となり光アクセスネットワークに適用する

香川大学 創造工学部 講師

上で大きな障壁となっている。

(Lecturer Kagawa University, Faculty of Engineering)

本研究では、1 台の光検出器（PD）のみ用いた直接

電子情報通信学会 他
受賞：IEEE 関西支部学生研究奨励賞 (2012 年). 丹羽保次郎懸念論文賞( 2014 年)他
研究専門分野：光通信工学 光通信ネットワーク

検波方式で受信できる交番直交パイロットキャリアを用いた M-QAM 変調信号を対象に、実用化に向けた課題に挑戦する。M-QAM 変調信号の伝送時に生じる波長分散を補償する前置・後置分散補償技術により無分あらまし散化し、100km、100Gbps 光アクセス伝送システムを視光通信における短距離・多分岐収容の役割を果たす野に入れながら伝送損失のみ考慮したシステム設計を光アクセスネットワークでは、既に実用されている IQ目指す。更に、従来コヒーレント光受信器を利用した変調信号を安価なハードウエアで受信できるように、場合と比較して、次世代低電力光アクセス NW の実現

IQ 変調信号生成および光受信器構成の簡素化に焦点性を示すことが本研究の目的である。具体的には、長が当てられている。我々はこれまでに、交番直交パイ時間安定動作に向けた偏波制御技術と延伸化および簡ロットキャリア（AQPM）を用いた M-QAM 変調信号易設計に向けた分散補償技術の 2 点の課題を設定し、を用いて 1 台の光検出器で受信できる方式を提案してシミュレーションによる検討を進める。

いる。今回の研究期間中に、交番直交パイロットキャリアを用いた M-QAM 変調信号を光アクセスシステム

２．研究の背景に適用することを想定し、（課題①）長時間安定動作に現状の光アクセスシステムでは波長分散の影響を考向けた偏波制御技術と（課題②）伝送距離の延伸化が慮し、十分なマージンをもつ形でシステム設計を行う可能な波長分散補償技術の 2 つに焦点を当てた研究に取り組んだ。課題①に対する研究成果として、20 Gbit/s、QPSK 信号に対して光受信器側に偏波ダイバーシチ受必要があるため、所望の信号品質を確保する上で冗長な送信信号パワーが必要になるといった問題がある。
また、コヒーレント変調技術は海底長距離伝送および信を適用することで、受信時の偏波状態に依らず受信陸上メトロ伝送において大容量伝送を実現する有効な可能なことを示した。②に対する研究成果として、20手段として実用化された技術として認知されているが、Gbit/s、QPSK 信号に対して前置波長分散補償を適用す

光アクセス伝送への適用に向けた検討は国外・国内問ることで、200 km の光ファイバ伝送が可能であることわず現在研究されている状況である。100km 伝送を対を明らかにした。

象として、コヒーレント変調・ホモダイン検波方式を用いてデジタル信号処理の分散補償アルゴリズム改善

１．研究の目的による低消費電力化の研究が行われている [1]。

現在、無線通信分野において 5G の検討が進む中で、一方で、コヒーレント光受信器の簡素化に焦点を当モバイルネットワークの通信トラヒックを 1 本の光フてた技術は少ない。先行研究では、データ信号とパイァイバで効率良く収容するため、光アクセスネットワ

ロットキャリアを偏波多重することで、ローカル光源ークの延伸化と大容量化を進める必要がある。延伸化を不要とする構成を提案したが、90 度光ハイブリッド
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交番直交コヒーレント QAM 方式を用いた 100G 級光アクセス伝送システムの研究開発や偏光制御が必要となるため実用化に向けた課題は残されていた [2]。最近の報告では、送信器側で別波長光源を配置し、受信器側で Kramers-Kroning 法 [3] を用いて位相情報を復元することで、コヒーレント光受信器を不要とした構成が注目されており、光通信分野の主要国際会議における発表件数が増大の傾向にある。
我々は交番直交コヒーレント変調・直接検波方式の実験的検討を進めてきており、国際会議 OECC2014 においてデータ信号とパイロットキャリアを偏波多重した交番直交パイロットキャリア方式を提案し、ローカ
図 2 理想的でない SOP 角度による IQ 信号

ル光源と 90 度光ハイブリッドを不要とする簡素な受信器構成で位相変調信号を受信できることを実験により実証した。また、主信号と交番直交パイロットキャリアに対して光送信器で波形整形を行うことで分散耐性が向上することを数値シミュレーションと実験で原理検証を行い、その結果を 2015 年の電子情報通信学会ソサイエティ大会で報告している。ただし、光受信器でデータ信号とパイロットキャリアを合成する際に、受信時の偏波状態に応じて信号品質が著しく劣化する問題と延伸化の課題が残されていた。

図 3 AQPM パイロットキャリアの不均等な分布

３．研究の方法

図40≦θ≦2πにおける SOP 角度のコンスタレーションダイアグラム

図 1 AQPM パイロットキャリアによる IQ 信号の偏波多重伝送とその自己ホモダイン検出
図50≦θ≦2πにおける SOP 角度のコンスタレーションダイアグラム

まず、長時間安定動作に向けた偏波制御技術に関して述べる。図 1 に、受信時における偏波依存性を解決

図 2 は、不完全な SOP 調整が問題となる状況を示しする AQPM-偏波多重自己ホモダイン伝送システムのている。
SOP 角度𝜃がゼロでない場合、
IQ 信号と AQPM概念を示す。受信器構成は非常に単純であるが、正しパイロットキャリアの両方が X 偏波と Y 偏波の両方い信号検出には、IQ 信号と AQPM パイロットキャリに不均等に分配され、図 3 に示すように受信信号の深アの両方を X 偏波と Y 偏波の両方に均等に分配する刻な劣化を引き起こす。図 4 に、0 から 2π までの SOPための適切な SOP 調整が必要となる。

2TELECOM FRONTIER No.114 2020 WINTER

交番直交コヒーレント QAM 方式を用いた 100G 級光アクセス伝送システムの研究開発

角度のコンスタレーションマップを π/8 のステップで次に、簡易設計に向けた分散補償技術に関して述べ示してい る 。計 算された エラーベ クトル の大き さる。光受信器時点で IQ 軸の不均衡を完全に補償する（EVM）は、各コンスタレーションマップの下に表示ために、AQPM パイロットキャリアと M-QAM 信号のしている。図 5 からわかるように、受信したすべての両方に前置分散補償を導入する。図 7 に示すように、コンステレーションマップはどの SOP 角度 θ に対し光送信器で前置周波数領域等化（Pre-FDE）を使用する。ても良好な状態であり、EVM の変動は 5％以内に抑制

図 8 に、Pre-FDE を使用した AQPM パイロットキャリされた。提案された方式の性能は、受信信号の信号対アの位相回転の概念図を示す。Pre-FDE 後に、伝送距雑音比（SNR）に依存する。図 6 に、EVM 変動と受信離に応じて位相回転量を加算することにより、IQ 不平SNR の関係を示す。提案された SOP 独立型の光受信衡 AQPM パイロットキャリアが生成される。光受信器器は、受信 SNR が 12 dB を超える場合、5％未満の EVM側では、IQ バランスのとれたパイロットキャリアが位変動で動作する。この研究成果は関連文献 [A]で発表

相回転によって回復される。したがって、M-QAM 信済みである。

号の光受信器側の DSP は、IQ コンポーネント間の直交性を持つパイロットキャリアを使用できる。

図6

受信 SNR 対 EVM の関係
図9200km の送信後における受信 QPSK 信号のアイパターン波形

図7

Pre-FDE 方式の構成

図 10

QPSK 信号のコンステレーションマップ（a）送信前、（b）200km 送信後

図 9 に、200 km-SMF 伝送後における受信時点の
図8

Pre-FDE を使用した AQPM パイロットキャリアのQPSK 信号の 2 レベル値が存在するアイパターン波形

フェーザと対応する波形を示す。これは、それぞれ I 成分と Q 成分の明確なアイ開口を示す。したがって、受信信号は正確なバイナ
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交番直交コヒーレント QAM 方式を用いた 100G 級光アクセス伝送システムの研究開発

リ信号に復元できる。図 10 に、200km の送信前後のの課題を解決できるアプローチによって有効性をシミ

QPSK 信号の IQ コンスタレーションマップを示す。4ュレーションにより示した。まず、光受信器における点が明確に分離できている。IQ コンステレーションマ

偏波間ダ イバー シチ受信 によって 、無偏 波依存 なップのエラーベクトルの大きさは 5.9％と非常に小さ

AQPM-PM 自己ホモダイン伝送システムが実現できるいことが確認できる。図 11 に、RF ドライバーの許容ことを明らかにした。次に、前置波長分散補償を適用誤差を評価するため、前置分散補償した QPSK 信号のすることで、対象とする伝送距離の地点での波長分散I コンポーネントのピーク対平均電力比（PAPR）を示の影響をなくすことができることを明らかにした。但す。PAPR は、伝送距離を変更しながら測定した。伝送し、波長分散補償量が増大するにつれて PAPR が増大

距離が 170km を超えると、PAPR の値は 2.6 に収束しするため、送信 SNR は低下する点に注意する必要があていることが確認できる。この研究成果は関連文献

る。

[B]で発表済みである。
参考文献[1] D. Lavery et al., IEEE J. Lightw. Technol., vol. 31, no. 4,

４．将来展望pp. 609-620, Feb. 2013.

本研究は、ローカル光源、90 度光ハイブリッド、バランス型 PD から成る複雑なコヒーレント光受信器は[2] T. Miyazaki et al., IEEE Photonic. Technol. Lett., vol. 18,
no. 2, pp. 388-390, Jan. 2006.

不要であり、光受信器において偏波制御を用いて主信号と交番直交パイロットキャリアを同時に PD で受信[3] A. Mecozzi et al., Optica, vol. 3, no.11, pp. 1220-1227,

する簡素な直接検波方式でコヒーレント M-QAM 信号

Nov. 2016.

を復調できる点に新規性がある。受信器側の偏波制御によって M-QAM 変調方式が長時間安定動作する点で関連文献

斬新かつ画期的な手法であり、加入者側回線終端装置[A] T. Kodama et al., “Dispersion-induced IQ imbalance（ONU）と局側回線終端装置（OLT）から成る受動型

compensation using an electrical-domain pre-FDE in

光ネットワーク（PON）へコヒーレント変調方式を安QPSK self-homodyne transmission with AQPM pilot-

価な形で導入し、将来的に長距離・大容量光アクセス

carrier,” Proc. Photonics in Switching and Computing

システムを実現する上で革新的な技術となることを確(PSC), Th3C.2, Limassol, Cyprus, Sept. 2018.
[B] M. Hanawa et al., “SOP independent self-homodyne

信している。
更に、コストと消費電力の観点で非対称構成が要求

detection of polarization multiplexed QPSK signal with

される光アクセスシステムに対して交番直交サブキャ

AQPM pilot carrier,” Proc. Opto Electronics and

リア方式を適用するため、ハードウエアだけでなくソCommunications Conference/ Photonics in Switching

フトウエアを担うデジタル信号処理の非対称化についand computing (OECC/PSC), TuP4-F4, Fukuoka,ても検討する。信号処理の中でも FIR 回路規模と消費Japan, July 2019.

電力を占める分散補償を上り回線と下り回線のいずれも基地局で行うことで、コヒーレント変調・直接検波

この研究は、平成２９年度ＳＣＡＴ研究助成の対象と方式を適用した PON システムの研究を活性化し、実して採用され、平成３０～令和元年度に実施されたも用化に結びつける研究に発展させる。のです。

おわりに以上のように今回の研究を通して、交番直交パイロットキャリアを用いた M-QAM 変調信号の光アクセスシステムへの適用に向けた 2 つの課題に取り組み、そ4

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