波长色散估计电路、光接收装置及波长色散量估计方法与流程

本发明涉及波长色散量估计方法、波长色散估计电路及光接收装置，能够正确求出前段的波长色散补偿部未能补偿的残留色散。

背景技术：

在光通信的领域中，组合了同步检波方式和数字信号处理的传输方式受到关注。这样的传输方式也被称为数字相干(digitalcoherent)，能够飞跃性地提高频率利用效率(例如，参照非专利文献1)。

图1是示出在数字相干中使用的光接收装置的图。光接收部1将在光纤中传输的光信号通过相干检波变换为电信号。数字信号处理部2通过数字信号处理对被变换后的电信号进行解调。帧处理部3对在被解调后的信号的传输用帧中存储的客户端信号进行分离处理。

在数字信号处理部2中，首先模拟/数字(ad)变换部4将从光接收部1输出的电信号变换为数字信号。然后，波长色散补偿部5对数字信号进行数字信号处理，估计在传输路径即光纤中赋予给光信号的波长色散量，并提供补偿该波长色散量的波长色散，由此抑制基于波长色散的波形失真。然后，自适应均衡部6对波长色散补偿部5的输出信号，自适应地补偿主要由于在光纤中传输的光信号的偏振波变动而产生的高速的波形劣化。然后，解调部7根据由自适应均衡部6进行波形均衡化后的信号来估计载波相位，并进行识别再现。

作为在波长色散补偿部5使用的波长色散量估计方法，例如公开了如下的技术：从被解调后的信号中抽取时钟，设定使该时钟的抽取敏感度达到极大的补偿色散值(例如，参照专利文献1)。

自适应均衡部6由沿时间方向为n抽头(n为2以上的整数)的有限冲激响应(finiteimpulseresponse，fir)滤波器构成。通过以与光纤中的光信号的偏振波变动相比足够高速且自适应地更新自适应均衡部6的滤波系数，来补偿高速的波形失真。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012/105628号

非专利文献

非专利文献1：宮本裕、佐野明秀、吉田英二、坂野寿和、「超大容量デジタルコヒーレント光伝送技術」、ntt技術ジャーナル、vol.23、no.3、p.13-18(2011年3月)

非专利文献2：kkikuchi,“polarization-demultiplexingalgorithminthedigitalcoherentreceiver,”ieee/leossummertopicalmeetings,papermc2.2,2008

非专利文献3：andreagaltarossa,andcurtisr.menyuk,“polarizationmodedispersion,”springerscience+businessmediainc.

技术实现要素：

发明要解决的问题

在此，将由波长色散补偿部5估计出的波长色散量与实际应补偿的光纤的波长色散量之差称为“残留色散”。在存在这样的残留色散的情况下，在波长色散补偿部5中不能完全去除起因于波长色散的波形失真。因此，导致残留有起因于波长色散的波形失真的信号被输出至自适应均衡部6。

自适应均衡部6也能够补偿由于残留色散而导致的波形失真。但是，自适应均衡部6必须将用于补偿起因于偏振波模式色散的波形失真的处理能力中的一部分用于起因于该残留色散的波形失真的补偿中。因此，当在波长色散补偿部5不能充分去除残留色散的情况下，存在自适应均衡部6补偿起因于偏振波模式色散等的波形失真的能力下降的问题。

本发明正是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，提供波长色散估计电路、光接收装置及波长色散量估计方法，能够正确求出前段的波长色散补偿部未能补偿的残留色散。

用于解决问题的手段

本发明的波长色散估计电路的特征在于，该波长色散估计电路具有：傅里叶变换部，其对从自适应均衡部输出的滤波系数进行傅里叶变换，该自适应均衡部由沿时间方向为n抽头(n为2以上的整数)的有限冲激响应滤波器构成；固有值和计算部，其将利用频率对傅里叶变换后的所述滤波系数进行微分的结果、和傅里叶变换后的所述滤波系数的复共轭相乘而算出矩阵，计算所述矩阵的两个固有值之和；比例系数计算部，其根据所述两个固有值之和计算相对于频率的比例系数。

发明效果

根据本发明，能够正确求出前段的波长色散补偿部未能补偿的残留色散。

附图说明

图1是示出在数字相干中使用的光接收装置的图。

图2是用于说明本发明的原理的图。

图3是示出本发明的实施方式1的光接收装置的图。

图4是示出本发明的实施方式1的波长色散估计电路的图。

图5是示出本发明的实施方式2的波长色散估计电路的图。

图6是示出波长色散估计电路重复多次估计残留色散时的实际的残留色散的推移的图。

图7是用于说明波长色散估计电路的动作的另一例的图。

图8是用于说明波长色散估计电路的动作的另一例的图。

具体实施方式

本发明涉及波长色散量估计方法及波长色散估计电路，根据自适应均衡部的滤波系数估计前段的波长色散补偿部未能补偿的残留色散。并且，本发明涉及根据所估计出的残留色散的值进行赋予给接收信号的波长色散的补偿的光接收装置。

图2是用于说明本发明的原理的图。该图示出了非专利文献2公开的自适应均衡部的结构。自适应均衡部具有4个滤波系数相乘部8a、8b、8c、8d和2个相加部9a、9b。将在光纤中传输的信号光的两个偏振波的电场成分ex(n)及ey(n)输入自适应均衡部。电场成分中的n表示采样时间位置。

滤波系数相乘部8a、8c输出将输入信号ex(n)分别与滤波系数pxx、pyx相乘而得的结果。滤波系数相乘部8b、8d输出将输入信号ey(n)分别与滤波系数pxy、pyy相乘而得的结果。相加部9a输出将滤波系数相乘部8a、8b的输出信号相加而得的结果作为ex-out(n)。相加部9b输出将滤波系数相乘部8c、8d的输出信号相加而得的结果作为ey-out(n)。因此，自适应均衡部进行用下面的数式1表示的运算处理。

[数式1]

其中，表示自适应均衡部的琼斯矩阵(jonesmatrix)。在设自适应均衡部的抽头长度为n时，数式1能够展开成下面的数式2。

[数式2]

从自适应均衡部输出的ex-out(n)及ey-out(n)表示被去除传输路径即光纤中产生的偏振波变动后的信号光(即发送时的信号光)中的两个偏振波的电场成分。

在非专利文献3中记载了使用数式1的琼斯矩阵计算偏振波模式色散(polarizationmodedispersion，pmd)的方法。在将对琼斯矩阵进行傅里叶变换的结果表示为时，与pmd运算符相当的矩阵的两个固有值τ1(ω)、τ2(ω)之差τ1(ω)-τ2(ω)，相当于群延迟时间差(differentiagroupdelay，dgd)。并且，通过对dgd进行频率微分，求出二次的pmd。另外，j表示虚数单位，u(ω)⁺表示矩阵u(ω)的复共轭转置矩阵。

pmd运算符的两个固有值τ1(ω)、τ2(ω)用下面的数式3表示。

[数式3]

其中，τ0(ω)表示两个固有值的平均值，δτ(ω)表示pmd依存项(与pmd相当的值)。

根据数式3可知，通过将pmd运算符的两个固有值相加，能够将pmd依存项抵消。因此，通过求出下面的数式4，得到忽略了pmd的影响的群延迟2τ0(ω)。

[数式4]

τ1(ω)+τ2(ω)

其依存于与作为自适应均衡部的前段的波长色散补偿部未能去除的残留色散成比例的值s。

另外。基于波长色散的波形失真在频域中表现为与频率的平方成比例的载波的相位旋转。具体而言，用下面的数式5表述。

[数式5]

其中，当按照频率对数式5进行微分进而运算复共轭积及虚数单位积时，可知能够求出s*ω。这意味着数式4的计算结果即2τ0(ω)包括s*ω的项。

这样，发明人们着眼于pmd运算符的两个固有值之“差”与pmd成比例，得到反之两个固有值之“和”能够抵消pmd依存项，由此能够估计残留色散的认识。

对以上所述进行总结，(a)对自适应均衡部的滤波系数矩阵进行傅里叶变换，(b)对傅里叶变换后的滤波系数矩阵u(ω)按照频率进行微分，并运算矩阵u(ω)的复共轭积及虚数单位积，得到与pmd运算符相当的矩阵，根据该矩阵求出两个固有值τ1(ω)、τ2(ω)，(c)将两个固有值相加，(d)两个固有值之和与频率ω成比例，因而能够通过求出该比例系数而得到残留色散。

下面，参照附图说明本发明的实施方式的波长色散估计电路、光接收装置及波长色散量估计方法。存在对相同或者对应的构成要素标注相同的标号并省略重复说明的情况。

实施方式1

图3是示出本发明的实施方式1的光接收装置的图。光接收部1将在光纤中传输的光信号通过相干检波变换为电信号。数字信号处理部2通过数字信号处理对被变换后的电信号进行解调。帧处理部3对在被解调后的信号的传输用帧中存储的客户端信号进行分离处理。

在数字信号处理部2中，首先模拟/数字(ad)变换部4将从光接收部1输出的电信号变换为数字信号。然后，波长色散补偿部5对数字信号进行数字信号处理，估计在传输路径即光纤中赋予给光信号的波长色散量，提供补偿该波长色散量的波长色散，由此抑制基于波长色散的波形失真。然后，自适应均衡部6对波长色散补偿部5的输出信号，自适应地补偿主要由于在光纤中传输的光信号的偏振波变动而产生的高速的波形劣化。然后，解调部7对自适应均衡部6的输出信号进行解调。具体地讲，解调部7根据由自适应均衡部6进行波形均衡化后的信号估计载波相位，并进行识别再现。

自适应均衡部6由沿时间方向为n抽头(n为2以上的整数)的有限冲激响应(finiteimpulseresponse，fir)滤波器构成。各抽头使用4个滤波系数pxx(i)、pxy(i)、pyx(i)、pyy(i)进行运算处理。其中，i表示n抽头中的第i个抽头。具体地讲，自适应均衡部6进行数式6表示的运算处理。

[数式6]

在本实施方式中，与图1的结构相比，在数字信号处理部2还设有波长色散估计电路10。从自适应均衡部6向波长色散补偿部5输入与n抽头对应的滤波系数pxx(i)、pxy(i)、pyx(i)、pyy(i)(i＝1、2、…、n)。与此对应，波长色散估计电路10通过规定的运算计算波长色散补偿部5未能补偿的残留色散，并输出给波长色散补偿部5。

图4是示出本发明的实施方式1的波长色散估计电路的图。波长色散估计电路10具有傅里叶变换部11、固有值计算部12、固有值相加部13及比例系数计算部14。

将从自适应均衡部6输出的与n抽头对应的滤波系数pxx(i)、pxy(i)、pyx(i)、pyy(i)输入傅里叶变换部11。傅里叶变换部11针对i对所输入的滤波系数进行傅里叶变换，并输出给固有值计算部12(傅里叶变换步骤)。来自傅里叶变换部11的输出是上述的矩阵u(ω)的4个元素即u11(ω)、u12(ω)、u21(ω)及u22(ω)。矩阵u(ω)表示频域的滤波系数。

将傅里叶变换部11输出的矩阵u(ω)的各元素输入固有值计算部12。固有值计算部12对矩阵u(ω)按照频率进行偏微分，将其运算结果与复共轭转置矩阵u(ω)⁺相乘，再与虚数单位j相乘，计算与pmd运算符相当的矩阵其中，u(ω)是离散值，因而也可以求出例如u(ωn+1)-u(ωn)这样的差分，取代矩阵u(ω)在频率ω时的偏微分。然后，固有值计算部12根据各个频率时的矩阵u(ω)求出两个固有值τ1(ω)、τ2(ω)。该运算处理是与通常求出固有值问题的解的处理相同的处理，通过求出将矩阵u(ω)的元素u11(ω)、u12(ω)、u21(ω)、u22(ω)作为系数的两个方程式的解，能够求出该固有值。

将固有值计算部12输出的两个固有值τ1(ω)、τ2(ω)输入固有值相加部13。固有值相加部13将两个固有值相加，求出τ1(ω)+τ2(ω)，并输出给比例系数计算部14。

这样，固有值计算部12及固有值相加部13将对被傅里叶变换后的滤波系数按照频率进行微分的结果、和被傅里叶变换后的滤波系数的复共轭相乘而算出矩阵，计算该矩阵的两个固有值之和(固有值和计算步骤)。

将固有值相加部13输出的两个固有值之和τ1(ω)+τ2(ω)输入比例系数计算部14。比例系数计算部14计算两个固有值之和τ1(ω)+τ2(ω)的实数成分中相对于频率的比例系数s(比例系数计算步骤)。该比例系数s是与波长色散补偿部5未能去除的残留色散成比例的值。比例系数计算部14将该比例系数s变换为残留色散量而输出给波长色散补偿部5。

另外，在固有值计算部12求出与pmd运算符相当的矩阵时，不一定需要进行虚数单位积的运算。在固有值计算部12不进行虚数单位积的运算的情况下，在比例系数计算部14求出两个固有值之和τ1(ω)+τ2(ω)的虚数成分，并求出该虚数成分相对于频率的比例系数即可。

通过以上的运算，波长色散估计电路10根据自适应均衡部6输出的滤波系数估计残留色散，并输出给波长色散补偿部5。波长色散补偿部5在预先设定的固定的第1波长色散补偿量的基础上，叠加用于补偿仅靠第1波长色散补偿量而未能补偿的残留色散的第2波长色散补偿量而进行波长色散补偿，使得进一步降低残留色散。

根据以上所述，本实施方式的波长色散估计电路10能够正确求出前段的波长色散补偿部5未能补偿的残留色散。并且，在本实施方式的光接收装置中，使用波长色散估计电路10计算出的残留色散的值，波长色散补偿部5进行波长色散补偿，由此能够比以往降低残留色散。因此，自适应均衡部6能够最大限度地发挥自适应均衡部6本应进行的、补偿起因于偏振波模式色散等的波形失真的能力。

并且，波长色散估计电路10使用从自适应均衡部6输出的滤波系数估计残留色散，因而即使是在光接收装置的运用过程中(即光信号导通的过程中)也能够估计残留色散，而且不对接收信号产生影响。

另外，波长色散估计电路10也可以定期地重复上述的残留色散的估计。传输路径即光纤的波长色散根据例如温度和应力的变动，随着时间而变化。伴随之，在波长色散补偿部5中的残留色散也随着时间而变化。因此，通过波长色散估计电路10定期地重复残留色散的估计处理，也能够估计随着时间而变化的残留色散。这样，波长色散估计电路10定期地估计残留色散并输出给波长色散补偿部5，波长色散补偿部5按照残留色散的值进行波长色散补偿，由此能够跟踪补偿随着时间而变化的残留色散。

实施方式2

与pmd运算符相当的矩阵是埃尔米特矩阵(hermitianmatrix)。关于埃尔米特矩阵，已知的是，矩阵的对角成分之和即迹(trace)为两个固有值之和。因此，在本实施方式中，作为波长色散估计电路10，使用图5所示的结构取代实施方式1的图4所示的结构。

图5是示出本发明的实施方式2的波长色散估计电路的图。在本实施方式的波长色散估计电路10中，将实施方式1的图4的固有值计算部12及固有值相加部13置换为固有值和计算部15。

将傅里叶变换部11输出的矩阵u(ω)的各元素输入固有值和计算部15。固有值计算部12对矩阵u(ω)按照频率ω进行偏微分，将其运算结果与复共轭转置矩阵u(ω)⁺相乘，计算与pmd运算符相当的矩阵然后，固有值和计算部15计算矩阵的对角成分u11(ω)及u22(ω)之和即迹。并且，固有值计算部12将运算结果输出给比例系数计算部14。

本实施方式的波长色散估计电路10与实施方式1的波长色散估计电路10相比，能够减轻运算处理。因此，能够以比实施方式1小的电路规模或者功耗进行同等的残留色散的估计。

实施方式3

从自适应均衡部6输出的滤波系数的琼斯矩阵的矩阵元素如根据数式6所推测的那样，分别成为与fir滤波器的抽头长度量对应的长度的数组。因此，本实施方式的傅里叶变换部11在矩阵的各矩阵元素的数组的前后插入零值，将数组长度扩展。并且，傅里叶变换部11对插入了零值后的矩阵进行傅里叶变换。

由此，傅里叶变换部11能够提高傅里叶变换后的矩阵u(ω)的频率分辨率。通过提高矩阵u(ω)的频率分辨率，能够提高实施方式1的固有值计算部12或者实施方式2的固有值和计算部15的频率的微分运算的精度。并且，能够提高实施方式1、2的比例系数计算部14中相对于频率的比例系数s的估计精度。因此，能够提高残留色散的估计精度。

实施方式4

在非专利文献3中，以自适应均衡部6中的滤波系数的琼斯矩阵是酉算子为前提求出pmd。但是，与自适应均衡滤波器相当的琼斯矩阵并非在输入和输出中保持功率，因而不一定是酉算子矩阵。因此，在将与自适应均衡滤波器相当的琼斯矩阵设为酉算子矩阵求出pmd运算符，计算其固有值并运算与残留色散成比例的值s时，将导致残留色散的估计值产生误差。

因此，本实施方式的傅里叶变换部11对从自适应均衡部6输出的滤波系数的琼斯矩阵进行傅里叶变换，对其结果所得到的矩阵u(ω)，按照每个频率ω成分求出行列式det(u(ω))，利用行列式det(u(ω))将各种频率的矩阵u(ω)归一化并进行输出。由此，能够降低波长色散估计电路10运算出的与残留色散成比例的值s的误差，能够提高残留色散的估计精度。

另外，作为自适应均衡部6，往往假设2次过采样(2-overampled)等过采样的输入信号。在这种情况下，较高的频率成分成为较小的值，精度劣化。因此，在求出两个固有值之和相对于频率的比例系数时，比例系数计算部14可以无视较高的频率成分，例如限定为波特率的频率范围或者比其小的频率范围而估计比例系数。由此，能够进一步提高残留色散的估计精度。

实施方式5

在实施方式1～4中，波长色散估计电路10估计残留色散的值并输出给波长色散补偿部5，波长色散补偿部5进行波长色散补偿以使残留色散降低。但是，根据光接收装置的结构等，波长色散估计电路10估计出的残留色散的值有时与实际的残留色散(即，波长色散补偿部5未能补偿的波长色散)的值不同。然而，实际的残留色散和与所估计出的残留色散成比例的值s具有线性的关系，(实际的残留色散)＝a×(与所估计出的残留色散成比例的值s)这样的关系成立。其中，a表示根据光接收装置的结构等决定的常数。

因此，本实施方式的波长色散估计电路10计算将通过实施方式1～4的运算而算出的与残留色散成比例的值s的值除以常数a得到的值s/a，并输出给波长色散补偿部5，波长色散补偿部5进行使s/a的值接近零的波长色散补偿。具体地讲，在将波长色散补偿部5的初始的波长色散补偿量(第1波长色散补偿量)设为d0时，通过将波长色散补偿部5的波长色散补偿量设为d0+s/a，能够使残留色散接近零。

另外，即使波长色散估计电路10提供s/a的值，由于例如常数a中产生误差等原因，也有可能在波长色散补偿部5还残留有波长色散。因此，波长色散估计电路10可以重复多次估计与残留色散成比例的值s。

图6是示出波长色散估计电路重复多次估计残留色散时的实际的残留色散的推移的图。s(n)表示与通过第n次的试行而估计出的残留色散成比例的值。波长色散估计电路10开始与残留色散成比例的值s的估计之前的状态是图6的[1]。波长色散估计电路10使用通过第1次的残留色散估计处理而得到的s(1)/a进行色散补偿的结果是，实际的残留色散降低至图6的[2]。然后，波长色散估计电路10使用通过第2次的残留色散估计处理而得到的s(2)/a进行色散补偿的结果是，实际的残留色散降低至图6的[3]。波长色散估计的重复次数没有限制，例如波长色散估计电路10可以重复多次傅里叶变换步骤和固有值和计算步骤和比例系数计算步骤，一直到残留色散(所对应的比例系数s)小于规定的阈值为止。

截止到此，说明了使用将与所估计出的残留色散成比例的值s除以常数a得到的值进行波长色散补偿，但本发明不限于该实施方式。例如，使用将与波长色散估计电路10估计出的残留色散成比例的值s除以规定的值k得到的值s/k，波长色散估计电路10以计算出与残留色散成比例的值s的时刻的波长色散补偿量d0为中心，使n变化，将成为s/k间隔的多个色散值d’(＝d0±n(s/k)，n为整数)输出给波长色散补偿部5。波长色散估计电路10可以根据残留色散最小时的色散值d’判定为抑制了残留色散。或者，也可以使用规定的波长色散步骤值δd，波长色散估计电路10将计算出与残留色散成比例的值s的时刻的波长色散补偿量d0作为中心，使n变化，将成为δd间隔的多个色散值d’(＝d0±n*δd，n为整数)输出给波长色散补偿部5。波长色散估计电路10可以根据残留色散最小时的色散值d’判定为抑制了残留色散。

图7及图8是用于说明波长色散估计电路的动作的另一例的图。波长色散估计电路10也可以如图7所示，将计算出与残留色散成比例的值s的时刻的波长色散补偿量d0作为中心，在两侧均等地获取色散值d’。或者，也可以如图8所示，将最先计算出的时刻的波长色散补偿量d0作为中心，进行增加侧d0+s/k和减少侧d0-s/k的各1次的试行，然后朝向实际的残留色散减小的方向改变色散值d’而重复试行。

另外，在实施方式1～5中，如图3所示将波长色散估计电路10作为数字信号处理部2的一个功能块进行了说明，但不限于此。例如，波长色散估计电路10也可以是设置在数字信号处理部2的外部的逻辑电路。或者，也可以是在数字信号处理部2的外部通过软件处理进行运算处理的方式。

标号说明

1光接收部；3帧处理部；4模拟/数字变换部；5波长色散补偿部；6自适应均衡部；7解调部；10波长色散估计电路；11傅里叶变换部；12固有值计算部；13固有值相加部；14比例系数计算部；15固有值和计算部。