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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

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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

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

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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

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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。