スライド 1

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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

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

_{デジタル技術}

超高速

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

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 Vertical polarization Horizontal polarization I Q I Q QPSK 16-QAM Signal Photo detector

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本研究の目的

Transmitter Local oscillator Coherent receiver Digital signal processing 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。

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 Signal E_s p/2 Local oscillator E_LO Polarization controller 90°degree optical hybrid I_I (cos) I_Q (sin) 90° optical hybrid 90° optical hybrid Polarization beam splitters Signal E_s Local oscillator E_LO I_xI I_xQ I_yI I_yQ

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

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 X

E

Y

E

Pol. demux & PMD compensator , x in

E

, y in

E

-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

p_xx p_xy p_yx p_yy E_x E_y + + + + － E_X E_Y





 



 

 

  





 



 

 

  





 



 

 



 



n



 

n



d

 

n E

 

n



 

n n n E n d n n n n E n d n n n n E n d n n y Y y yy yy x Y y yx yx y X x xy xy x X x xx xx * * * * 1 1 1 1 E p p E p p E p p E p p                     Decision Decision + + － d_x d_y 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

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 0

c

c

₁

_c

_k2

_c

_k1

 

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).

Double sampling Nyquist 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 E b/N0 [dB] -lo g 10 (B E R ) 4 6 8 10 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 E b/N0 [dB] -lo g 10 (B E R ) 4 6 8 10 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 E b/N0 [dB] -lo g 10 (B E R )

(a)

_(b)

_(c)

Double sampling Nyquist 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 E b/N0 [dB] -lo g 10 (B E R ) 4 6 8 10 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 E b/N0 [dB] -lo g 10 (B E R ) 4 6 8 10 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 E b/N0 [dB] -lo g 10 (B E R )

(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

Decision

d

_x

LMS

p

E

+

－

|.|/(.)

Phase & frequency

estimation

cf

DD-LMSの問題点と解決法

Decision

d

_x

LMS

p

E

+

－

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

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DD-LMSアルゴリズムの動作不安定性

 

t



j



f t

 

t

 

t





E exp 2p _offset _signal _n

Phase noise Frequency offset

Without phase noise With phase noise and frequency offset 位相雑音による

f_y Decision Decision d_x d_y LMS LMS LMS |.|/(.) LMS LMS LMS s_y p_xx p_xy p_yx p_yy E_x E_y + + + + _f x sx + + － － + + － － + + － － |.|/(.) |.|/(.) |.|/(.) 偏波多重分離 偏波分散補償 キャリア位相推定 Fast Slow 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

Before butterfly-structured FIR filters After butterfly-structured FIR filters After first-stage estimator After second-stage estimator

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

19 Transmitter DSP circuit Polarization phase diversity receiver Transmitter Linewidth: 150 [kHz]

Modulation : 10Gsymbol/s 16-QAM

Local oscillator Local oscillator Linewidth: 150 [kHz] EDFA Noise figure: 4 [dB] SSMF Span 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

-3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 Lo g( BE R ) Launched power [dBm] 1,000kmSMF伝送路を用いた10Gsymbol/s 16QAM信号WDM伝送特性。 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 -15 -10 -5 0 Lo g( BE R ) Launched power [dBm] 800kmSMF伝送路を用いた10Gsymbol/s 16QAM信号WDM伝送特性。

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

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。