JP4351508B2 - パルス振幅変調技法を使用する光伝送システム用のデュオバイナリ・パルス整形 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、光通信システムに関し、より具体的には、デュオバイナリ多重レベル・パルス振幅変調技法を使用する光通信システムに関する。

本出願は、２００２年９月２３日出願された米国仮出願第６０／４１２，８７０号の利益を主張する。

デジタル通信技術の爆発的な成長により、データ、音声、および／またはビデオの情報などのデジタル情報を伝達するための帯域幅に対する需要がさらに増大した。帯域幅に対する需要の増大と歩調を合わせるために、増大するデータ転送速度において有効に機能する新しいまたは改良されたネットワーク構成要素および技術を絶えず開発しなければならない。しかし、光通信システムでは、改良された光学構成要素を配備するコストは、そのようなより高いデータ転送速度では法外に高くなる。たとえば、４０Ｇｂｐｓの光通信システムを配備するコストは、既存の１０Ｇｂｐｓ光通信システムのコストの１０倍を超えると推定される。一方、達成可能なスループットは、４倍にしか増大しない。

したがって、光通信の分野における研究の多くは、既存の光技術からより高いスループットを獲得することを試みた。従来の光伝送システムでは、分散補償は、通常、高価な光補償装置を必要とする。分散補償モジュール（ＤＣＭ）の必要性を軽減するために、デュオバイナリ・パルス整形技法が光チャネルについて考慮された。デュオバイナリ・パルス整形技法は、２進データ信号を３レベル信号にマッピングすることによって、必要な信号帯域幅を２分の１に低減した。

通常、デュオバイナリ変調フォーマットは、２つの信号レベル（＋１および−１）を使用して１の２進値を表し、１つの信号レベル（０）を使用して２進値のゼロを表す。分散感度を最小限に抑え、かつ高密度波長分割多重化技術を可能にするために、従来の非ゼロ復帰（ＮＲＺ）２進信号と比較して、狭いスペクトル幅のデュオバイナリ信号が開発された。標準的な非ゼロ復帰（ＭＲＺ）信号とは対照的に、デュオバイナリ電気信号で光信号を変調することにより、光スペクトルが２分の１に低減されることが観測されている。
米国仮出願第６０／４１２，８７０号 Ｋａｚｕｓｈｉｇｅ ＹｏｎｅｎａｇａおよびＳｈｉｇｅｒｕ Ｋｕｗａｎｏ、「Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−Ｔｏｌｅｒａｎｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ Ｄｕｏｂｉｎａｒｙ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ａｎｄ Ｂｉｎａｒｙ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ」Ｊ．ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．１５、Ｎｏ．８、１５３０〜１５３７頁（１９９７年８月）

スペクトル効率をさらに改善するために、デュオバイナリ・パルス整形技法を使用する光通信システムが必要である。利点の中でも、スペクトル効率の改善により、分散に対するより広範な許容性と、包括的かつ利用可能な光技術の使用とが可能になる。たとえば、スペクトル効率を４倍に改善することにより、既存の１０Ｇｂｐｓ光通信システムを使用して、４０Ｇｂｐｓ光通信システムが提供される。

全般的に、パルス振幅変調（ＰＡＭ）技法を使用してスペクトル効率をさらに改善する、デュオバイナリ光通信システムを開示する。開示するＰＡＭデュオバイナリ光送信器は、ＰＡＭ技法を使用して、複数の入力ビットをＮレベル信号に変換し、現行Ｎレベル信号を先行Ｎレベル信号に追加して２Ｎ−１レベル信号を生成し、受信器に送信するために２Ｎ−１レベル信号を光信号に変換する。複数の入力ビットは、現行複数の入力ビットを先行複数の出力ビットに追加することによって、Ｎレベル信号に変換することができる。

同様に、開示するＰＡＭデュオバイナリ光受信器は、受信光信号（複数のビットを符号化するために、パルス振幅変調技法とデュオバイナリ符号化技法を使用して符号化されている）のパワー・レベルを検出し、検出したパワー・レベルを複数のビットにマッピングして、送信情報に戻す。受信光信号のパワー・レベルを検出することにより、光信号を電気信号に変換することもできる。二乗演算を実施して、光信号を電気信号に変換することができる。二乗演算により、受信した２Ｎ−１レベル信号はＮレベル信号に自動的に変換される。

一例示的な実施態様では、ＰＡＭ−４変調技法をデュオバイナリ・パルス整形技法と組み合わせて、光信号の帯域幅を低減することによって、スペクトル効率を全体で４倍に改善する。この方式では、同じ帯域幅の範囲内において、たとえば、２．５Ｇｂｐｓ光通信システムを改良して、１０Ｇｂｐｓ光通信システムを提供することができ、また１０Ｇｂｐｓ光通信システムを改良して、４０Ｇｂｐｓ光信号システムを提供することができる。
本発明のより完全な理解と、ならびに本発明の他の特徴および利点とは、以下の詳細な記述および図面を参照することによって獲得されるであろう。

図１は、３つのレベルを使用して各ビットを符号化する例示的な従来のデュオバイナリ光通信システム１００の概略的なブロック図である。図１に示すように、入力ビットは、排他的論理和（ＸＯＲ）ゲート１１０の一端子に加えられ、先行ビットは、ＸＯＲゲート１１０の第２端子に加えられる。先行ビットは、遅延要素１５０を含んでいるフィードバック・ループによって獲得される。ＸＯＲゲート１１０および遅延要素１５０は、プリコーダ１１５を備え、このプリコーダは、先行出力ビットを現行入力ビットに追加することによって、相関を送信信号に導入する。したがって、プリコーダ１１５は、１／（１＋Ｄ）｛ｍｏｄ２｝演算を実施すると言われる。Ｄは、１つのビット間隔によってビットのシーケンスを遅延させる遅延演算である。

プリコーダ１１５の出力は、２レベル値（０または１）であり、この値は、エンコーダ１２０に加えられ、このエンコーダは、２レベル値を３レベル値にマッピングする。具体的には、所与のビット間隔において、エンコーダ１２０は、以下の表に従って、先行および現行のビット・レベルを共に追加して、３レベル値（０，１，２）を生成する。

エンコーダ１２０によって生成された３レベル値は、マッハ・ツェンダー変調器１３０に加えられる。このマッハ・ツェンダー変調器は、既知の方式で、３レベル（０，１，２）のそれぞれを対応する電圧レベル（−Ｖ，０，＋Ｖ）にマッピングする。次いで、生成された電圧レベルは、光信号（−ｅ，０，＋ｅ）に変換されて、光ファイバ１３５に加えられる。

図１に示すように、受信器は、受信光信号を復号するパワー検出器１４０を含む。通常、パワー検出器１４０は、受信信号に関する二乗演算を実施することによって、光電気変換を実施する。受信信号は、３つの光学値（−ｅ，０，＋ｅ）の１つを有することができるので、二乗演算により、信号は＋ｅ^２または０に戻る。その後、パワー検出器１４０によって生成された２つのレベルは、対応する１ビット２進値にマッピングされる。この方式では、受信器におけるＭｏｄ２演算は、マッピング表を進行することによって、および光領域から電気領域に自動的に獲得される（強度を測定するとき、−Ｖは＋Ｖと等価である）。したがって、デュオバイナリ光通信システム１００の出力におけるビットは、入力ビットに等しい。

デュオバイナリ光通信システム１００は、光スペクトルの帯域幅を２分の１に低減し、したがって、分散が存在する場合の性能を向上させる。デュオバイナリ光通信システム１００の全体的な変換関数は、以下のように表される。
１／（１＋Ｄ）×（１＋Ｄ）｛ｍｏｄ２｝＝１｛ｍｏｄ２｝

適切な従来のデュオバイナリ光通信システム１００のより詳細な議論については、たとえば、参照によって本明細書に組み込まれている、Ｋａｚｕｓｈｉｇｅ ＹｏｎｅｎａｇａおよびＳｈｉｇｅｒｕ Ｋｕｗａｎｏ、「Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−Ｔｏｌｅｒａｎｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ Ｄｕｏｂｉｎａｒｙ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ａｎｄ Ｂｉｎａｒｙ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ」Ｊ．ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．１５、Ｎｏ．８、１５３０〜１５３７頁（１９９７年８月）を参照されたい。

本発明の一態様によれば、デュオバイナリ・パルス整形技法は、パルス振幅変調（ＰＡＭ）技法と併用される。したがって、本発明は、デュオバイナリ・パルス整形技法を使用して獲得されるスペクトル効率の改善を、ＰＡＭ変調を利用することによってさらに改善することができることを認識する。一例示的な実施態様では、ＰＡＭ−４変調技法をデュオバイナリ・パルス整形技法と組み合わせて、光信号の帯域幅を低減することによって、スペクトル効率を全体で４倍に改善する。この方式では、たとえば、同じ帯域幅の範囲内において、２．５Ｇｂｐｓ光通信システムを改良して、１０Ｇｂｐｓ光通信システムを提供することができ、また１０Ｇｂｐｓ光通信システムを改良して、４０Ｇｂｐｓ光通信システムを提供することができる。

図２は、本発明の特徴を組み込んでいる例示的なＰＡＭ−４デュオバイナリ光通信システム２００の概略的なブロック図である。図２に示すように、例示的なＰＡＭ−４実施態様では、４つのレベルを備える２つの入力ビットは、モジュロ４加算器２１０の一端子に加えられ、先行する４レベル値は、加算器２１０の第２端子に加えられる。先行４レベル値は、遅延要素２５０を含んでいるフィードバック・ループによって獲得される。加算器２１０および遅延要素２５０は、プリコーダ２１５を備え、このプリコーダは、先行４レベル出力値を現行４レベル入力値に追加することによって、相関を送信信号に導入する。したがって、プリコーダ２１５は、１／（１＋Ｄ）｛ｍｏｄ４｝演算を実施すると言われ、出力は、４レベル値である。

プリコーダ２１５の４レベル出力は、エンコーダ２２０に加えられ、このエンコーダは、４つのレベルを７レベル値（０，１，２，３，４，５，６）にマッピングする。具体的には、所与のビット間隔において、エンコーダ２２０は、以下の表に従って、先行および現行の４レベル値を一緒に追加して、７レベル値を生成する。

エンコーダ２２０によって生成された７レベル値は、デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）２２５に加えられ、この変換器は、７レベル値を対応する電圧にマッピングする。たとえば、デジタル・アナログ変換器２２５は、以下の例示的なマッピングを使用することが考えられる。

それぞれ（０，１，２，３，６，５，４）→（−３Ｖ，−２Ｖ，−Ｖ，０，Ｖ，２Ｖ，３Ｖ）
デジタル・アナログ変換器２２５による他のマッピングも可能であることに留意されたい。次いで、マッハ・ツェンダー変調器２３０が、７電圧レベル（−３Ｖ，−２Ｖ，−Ｖ，０，Ｖ，２Ｖ，３Ｖ）のそれぞれを対応する光信号（−３ｅ，−２ｅ，−ｅ，０，ｅ，２ｅ，３ｅ）にマッピングし、光信号は、光ファイバ２３５に加えられる。

図２に示すように、受信器は、受信光信号を復号するパワー検出器２４０を含む。通常、パワー検出器２４０は、受信信号に関する二乗演算を実施することによって、光電気変換を実施する。受信信号は、７つの光学値（−３ｅ，−２ｅ，−ｅ，０，ｅ，２ｅ，３ｅ）の１つを有することができるので、二乗演算により、信号は、＋９ｅ^２、＋４ｅ^２、＋ｅ^２、または０に戻る。その後、スライサ２６０が、パワー検出器２４０によって生成された４つのレベルを対応する２ビット２進値にマッピングする。この方式では、受信器におけるＭｏｄ４演算は、スライサ２６０のマッピング表を進行することによって、および光領域から電気領域に自動的に獲得される（強度を測定するとき、−Ｖは＋Ｖと等価である）。したがって、ＰＡＭ−４デュオバイナリ光通信システム２２０の出力における２ビットは、入力ビットに等しい。

ＰＡＭ−４デュオバイナリ光通信システム２００は、光スペクトルの帯域幅を４分の１に低減し、したがって、分散が存在する場合の性能を改善する。デュオバイナリ光通信システム２００の全体的な変換関数は、以下のように表される。
１／（１＋Ｄ）×（１＋Ｄ）｛ｍｏｄ４｝＝１｛ｍｏｄ４｝

本明細書において示し、記述した実施形態および変形形態は、単に本発明の原理の例示であり、かつ、当業者によって、本発明の範囲および精神から逸脱せずに、様々な修正を実施することが可能であることを理解されたい。

例示的な従来のデュオバイナリ光通信システムの概略的なブロック図である。 本発明の特徴を組み込んでいる例示的なＰＡＭ−４デュオバイナリ光通信システムの概略的なブロック図である。

Claims (10)

1. 情報を送信する方法であって、
   複数の入力ビットをＮレベル信号に変換するステップと、
   現行のＮレベル信号を先行のＮレベル信号に追加して、２Ｎ−１レベル信号を生成するステップであって、受信器で二乗演算を実施した後受信された信号がモジュロＮ演算として表わされるように、前記２Ｎ−１レベル信号は前記２Ｎ−１レベルの並べ換えられたセットを使用して対応する電圧値にマッピングされる生成するステップと、
   前記受信器に送信するために、前記２Ｎ−１レベル信号を光信号に変換するステップとを含む方法。
2. 前記複数の入力ビットをＮレベル信号に変換するステップが、現行複数の入力ビットを先行複数の出力ビットに追加して、前記Ｎレベル信号を生成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記追加ステップが、以下のように、
   それぞれ（０，１，２，３，６，５，４）→（−３Ｖ，−２Ｖ，−Ｖ，０，Ｖ，２Ｖ，３Ｖ）のように、７レベル値を対応する電圧値にマッピングするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 情報を受信する方法であって、
   複数のビットを符号化するために、パルス振幅変調技法とデュオバイナリ符号化技法を使用して符号化された光信号を受信するステップと、
   前記受信された光信号のパワー・レベルを検出するステップと、
   前記検出されたパワー・レベルを複数のビットにマッピングするステップであって、二乗演算を実施した後前記受信された信号がモジュロＮ演算として表わされるように、２Ｎ−１レベル信号は前記２Ｎ−１レベルの並べ換えられたセットを使用して対応する電圧値にマッピングされるマッピングするステップとを含む方法。
5. 光信号に関する二乗演算を使用して、前記光信号を電気信号に変換するステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 情報を送信するシステムであって、
   複数の入力ビットをＮレベル信号に変換するプリコーダと、
   現行のＮレベル信号を先行のＮレベル信号に追加して、２Ｎ−１レベル信号を生成する加算器であって、受信器で二乗演算を実施した後受信された信号がモジュロＮ演算として表わされるように、前記２Ｎ−１レベル信号は前記２Ｎ−１レベルの並べ換えられたセットを使用して対応する電圧値にマッピングされる加算器と、
   前記受信器に伝送するために、前記の２Ｎ−１レベル信号を光信号に変換するデジタル・アナログ変換器とを備えるシステム。
7. 前記プリコーダが、現行複数の入力ビットを先行複数の出力ビットに追加して、前記Ｎレベル信号を生成する加算器を備える、請求項６に記載のシステム。
8. 情報を受信するシステムであって、
   複数のビットを符号化するために、パルス振幅変調技法とデュオバイナリ符号化技法を使用して符号化された光信号を受信するための入力ポートと、
   前記受信された光信号のパワー・レベルを検出するパワー検出器と、
   前記検出されたパワー・レベルを複数のビットにマッピングするスライサであって、二乗演算を実施した後前記受信された信号がモジュロＮ演算として表わされるように、２Ｎ−１レベル信号は前記２Ｎ−１レベルの並べ換えられたセットを使用して対応する電圧値にマッピングされるスライサとを備えるシステム。
9. 前記パワー検出器が、前記光信号を電気信号に変換する、請求項８に記載のシステム。
10. 前記光電気変換が、光信号に関する二乗演算を実施する、請求項９に記載のシステム。

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