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 1
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 2
デジタルコヒーレント光通信技術 1980-1990 コヒーレント光技術 ~2000- 現在 超高速デジタル技術 2005- 現在 デジタルコヒーレント技術 >100 Gbit/s イーサー伝送 3
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 変調フォーマット 多値変調 多重化方式 Polarization-division multiplexingwdm Q Q Vertical polarization I I Wavelength QPSK 16-QAM Horizontal polarization 検波方式 Signal コヒーレント受信 Photo detector 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 Local oscillator 4
本研究の目的 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 位相雑音 Transmitter Fiber Amplifier N Coherent receiver Digital signal processing ASE 雑音 Local oscillator 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 5
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 6
コヒーレント光受信器の構成 Polarization Signal controller E s p/2 I I (cos) Signal E s 90 optical hybrid I xi I xq Local oscillator E LO 90 degree optical hybrid I Q (sin) Local oscillator E LO Polarization beam splitters 90 optical hybrid I yi I yq 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 7
デジタル信号処理回路 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 X-pol. Y -pol. 4-Ch ADC E X E Y WDM channel selection Fixed equalizer Pol. demux Adaptive & equalizer PMD compensator E x, in E y, in Carrier-phase estimation 等化器との協調動作 Decoder x-pol. y-pol. Symbol 8
9 バタフライ構成の FIR フィルタ E x p xx p xy p yx E y p yy - E X E Y - d x Decision Decision タップ更新のための判定指向型 LMS(DD-LMS) アルゴリズム p p p p xx xy yx yy * n 1 p xx n d x n EX n E x n * n 1 p xy n d x n EX n E y n * n 1 p yx n d y n EY n E x n * n 1 p n d n E n E n yy y Y y d y 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 9
FIR フィルタの構成 Input x n T / m T / m T / m T / m c0 c1 ck 2 c k 1 X X X X m 1: single sampling/symbol m 2: double sampling/symbol Output y n 10
FIR フィルタによるクロック抽出 非同期 2 倍オーバサンプリング t 連続的時間遅延 t 同期シンボルレートサンプリング 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). 11
-log 10 (BER) -log 10 (BER) -log 10 (BER) -log 10 (BER) -log 10 (BER) BER のサンプリング位相依存性 0-1 -1-1 (a) -1 (a) (b) -0.5 (b) (b) (c) (c) -1.5-1.5-1.5-1.5-1 -2-1.5-2 -2-2 6 8 10 /N 0 [db] -2-2.5-3 -3.5-4 -2.5-3 -3.5-4 4 4 6 6 8 8 10 10 E b /NE 0 b /N [db] 0 [db] -2.5-3 -3.5-4 -2.5-3 -3.5-4 4 6 8 10 4 6 8 10 E E b /N b /N 0 [db] 0 [db] -2.5-3 -3.5-4 4 6 E b /N 0 [ Double sampling Nyquist filter α=0.2 number of taps=1 Double sampling Nyquist filter α=0.2 number of taps=5 12
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 13
DD-LMS の問題点と解決法 従来型 E LMS p - Decision d x 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 LMS - Phase & frequency estimation cf. /(.) E p Y. Mori and K. Kikuchi, OECC 2011 Decision d x 14
DD-LMS アルゴリズムの動作不安定性 位相雑音による動作不安定化 Without phase noise With phase noise and frequency offset E t exp j 2pf t t t offset signal n Frequency offset Phase noise 15
DD-LMS アルゴリズムを用いた新しい構成の FIR フィルタ E x LMS p xx -. /(.) LMS. /(.) f x - LMS s x - Decision d x p xy p yx p yy f y s y Decision d y E y LMS -. /(.) LMS. /(.) LMS - - Slow 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 Fast キャリア位相推定 Slow オフセット周波数推定 16
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 17
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 18
伝送システム実験系 Transmitter Linewidth: 150 [khz] Modulation : 10Gsymbol/s 16-QAM SSMF Span length: 100 [km] Dispersion parameter: 17 [ps/nm/km] Nonlinear coefficient: 1.5 [/W/km] Loss coefficient: 0.2 [db/km] Transmitter 8-10 spans EDFA Noise figure: 4 [db] DSP circuit Polarization phase diversity receiver Local oscillator Local oscillator Linewidth: 150 [khz] 19
Log(BER) Log(BER) 伝送実験結果 -0.5-1 -1.5-2 -2.5-3 -3.5-14 -12-10 -8-6 -4-2 0 2 Launched power [dbm] -0.5-1 -1.5-2 -2.5-3 -3.5-4 -15-10 -5 0 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 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 20
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 21
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 22