JP7039809B2 - 光通信システムにおける多経路干渉軽減のための回路 - Google Patents

Description

本出願は、光通信システムにおける干渉を軽減するためのシステムおよび方法に関する。

直接検出型の光通信システムにおいて、多経路干渉（ＭＰＩ）は、光インターフェース（コネクタ、受信器／送信器インターフェース）における伝送波形の反射の組み合わせから発生する。図１に示す一例において、光インターフェース１０４、１０６および１０８において接続された一連の光ケーブルを介して受信器１０２へ接続された送信器１００が図示される。送信器１００から信号ｓ（ｔ）が送信された後、インターフェース１０４、１０６および１０８における反射のために、受信器１０２において受信される信号ｕ（ｔ）は、送信信号の１組の遅延レプリカの合計である。参照符号１１０によって主に示すのは、図１のシステムの論理的に等価なバージョンであり、各減衰ａ_１、ａ_２、ａ_３およびａ_４を含む４つの遅延成分の合計を示す。

別の干渉源は、例えば、受信器中のフォトダイオードの後または送信器中のレーザー変調器の前の電気的領域中に発生する反射に起因する。各成分の遅延および振幅を推測することにより、これらの電気的反射を直接キャンセルすることができる。このような電気的反射は、典型的には極めて短距離（数十ｍｍ以下のオーダー）にわたって発生するため、主要信号からの少数のボー内に残留する。

以下、本開示の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

光学システムおよび対応する信号を多経路干渉と共に示す。 リターンロスが異なるコネクタを有する光学システムの別の例である。 図２の光学システムの多経路チャンネルモデルである。 ボーレートシステムモデルのブロック図である。 ＭＰＩ軽減回路を有する光受信器のブロック図である。 図５Ａの受信器のボーレートモデルである。 図５ＡのＲＸ１成分の例示的実行のブロック図である。 ＭＰＩ軽減回路および干渉成分推定器を有する光受信器のブロック図である。 ＭＰＩ軽減回路を有する光モジュールのブロック図である。 ＭＰＩ軽減回路を備えた、ネットワーク要素を含む光ネットワークのブロック図である。 ＭＰＩ軽減を行う方法のフローチャートである。

背景セクションにおいて述べたように、各成分の遅延および振幅を推定することにより、電気的領域内において発生する反射に起因する干渉を直接キャンセルすることができる。なぜならば、電気的反射は典型的には極めて短距離（～ｍｍ）にわたって発生するため、主要信号からのわずかなボー内に残留するからである。干渉キャンセルに対する従来のアプローチにおいては、個々に反射される項を（例えば判定帰還型等化器を用いて）明示的にキャンセルする。このアプローチの場合、例えば機械的振動およびレーザー位相変化に起因して反射が多数の１０００個のボーで遅延する可能性があり、タップのサイズおよび位置も時間の関数として変動し得るため、ＭＰＩへの適用は困難である。適合ループを充分に高速に作成することは極めて困難であり、過去の決定を保存するためには、大量のメモリが必要になる。

加えて、ＭＰＩの影響は、直接検出受信器（すなわち、光波形の出力を検出する受信器）においてはレベルに依存する。より詳細には、パルス振幅変調（ＰＡＭ）などの多レベル変調スキームにおいては、ＰＡＭレベルが低い場合よりも、ＰＡＭレベルが高い場合の方が、ＭＰＩの影響が大きくなる。

本発明の一局面によれば、パルス振幅変調（ＰＡＭ）電界を有する光信号の複数のサンプルの処理方法が提供される。方法は、各サンプルについて各ＰＡＭレベルを推定することと、各サンプルについて、各ＰＡＭレベルからサンプルを差し引いて、対応するエラーサンプルを生成することと、エラーサンプルを、ローパスフィルタを通して、多経路干渉（ＭＰＩ）の推定値を生成することと、各サンプルについて、ＭＰＩの推定値のうちの１つをサンプルと組み合わせて、干渉軽減サンプルを生成することとを含む。

本発明の別の局面によれば、パルス振幅変調（ＰＡＭ）電界を有する光信号の複数のサンプルを処理する回路が提供される。回路は、各サンプルについてサンプルの各ＰＡＭレベルを推定するスライサーと、各サンプルについて各ＰＡＭレベルからサンプルを差し引いて対応するエラーサンプルを生成する減算器と、エラーサンプルをフィルタリングして多経路干渉（ＭＰＩ）の推定値を生成するローパスフィルタと、各サンプルについてＭＰＩの推定値のうちの１つをサンプルと組み合わせて干渉軽減サンプルを生成する合成器とを含む。

光通信システムの一例を図２に示す。本例は、送信光サブアセンブリ（ＴＯＳＡ）コネクタ２３０を有する第１のトランシーバ２０１、および受信光サブアセンブリ（ＲＯＳＡ）コネクタ２３２を有する第２のトランシーバ２０４を含む。これら２つのトランシーバ２０１および２０４は、ケーブルの５つの部分２００、２０２、２０６、２０８および２１０と、コネクタ２１２、２１４、２１６、２１８、２２０、２２２、２２４および２２６とを有する光路によって接続される。典型的な光通信システムにおいては、異なる品質のコネクタが用いられる。図２において、コネクタ２１４、２１６、２２２および２２４は、その他のコネクタと比較して優れたリターンロスを有する。本システムは、図３に示すような多経路チャンネルモデルを用いてモデル化することができ、ここで、リターンロスが優れているコネクタについては、ＭＰＩにあまり寄与しないため、記載を省略している。この特定の例において、長さｌ_ｉを有するケーブル配線の５つの物理的な長さがある。本モデルは、４つの比較的リターンロスについて劣るコネクタと、ＴＯＳＡコネクタおよびＲＯＳＡコネクタとにおいて境界を含む。本アプローチは任意の数のコネクタおよびケーブルへ一般化されることが、理解されるべきである。

各コネクタは、関連付けられたリターンロスを有する。各長さのケーブルは、干渉物のリンク誘起位相ランダム化（本明細書中、干渉被害者または単に被害者と呼ぶ場合もある主要信号に対するもの）に関連する、関連付けられた位相シフトθ_ｉを有する。

図２のシステムに基づいた（ここでも、より一般的には任意の数のコネクタおよびケーブルを備えたシステムに基づいた）ボーレートシステムモデルを図４に示す。本モデルにおいて、入力サンプルｘ［ｋ］は、入力サンプルｘ［ｋ］をｙ［ｋ］へ変換する多経路チャンネルを介して送信される。ｙ［ｋ］に対する直接検出が４０２において行われて、ｗ［ｋ］が生成される。ノイズ寄与ｎ［ｋ］が４０４において付加されて、受信サンプルｒ［ｋ］が生成される。入力サンプルｘ［ｋ］の複素ベースバンドの表現は、以下のようにモデル化することができる。

ここで、Ａ［ｋ］は、入力サンプルｘ［ｋ］のＰＡＭレベルであり、ＰＡＭ変調スキームに従った１組のＰＡＭレベルのうちの１つであり、φ［ｋ］は、入力サンプルｘ［ｋ］の位相である。

加えて、ｙ［ｋ］、ｒ［ｋ］およびＭＰＩ干渉成分は、以下のようにモデル化することができる。

本モデルの目的のため、以下を前提とする：
送信信号の位相は、ランダムウォークによって変動し、ここで、
φ［ｋ］－φ［ｋ－ｌ］＝ρ［ｌ］であり、式中、ρ［ｌ］は、分散σ^２＝２πΔｖｌＴ_Ｂのゼロ平均ガウス確率変数であり、ここで、Δｖはレーザーの３－ｄＢ線幅であり、Ｔ_Ｂは信号のボー期間である。
ｄ_ｍおよびθ_ｍは、干渉経路と関連付けられた時間的遅延および位相遅延であり、機械的／熱的影響に起因して変動する。
付加ノイズｎ［ｋ］は、チャンネル中の他のノイズ源をモデル化する。
データ記号Ａ［ｋ］の独立性に起因して、被害者および干渉物の振幅も共に独立する。
γ_ｍは、反射が発生したコネクタのリターンロスに起因する反射信号の減衰をモデル化する。
ψ［ｍ］は、ａ, ｂ ∈｛１、２、３、４、５｝について一般形態

をとる。

ここで図５Ａを参照して、本発明の実施形態によって提供されるＭＰＩ軽減回路５００を含む光受信器のブロック図が図示されている。ブロックＲＸ１ ５０１は、ＭＰＩ軽減回路５００の前に実行される任意の入力信号処理を示す。特定の例を以下に示す。ブロックＲＸ２ ５１０は、ＭＰＩ軽減回路５００の後に行われる受信信号処理を示す。特定の例を以下に示す。ＭＰＩ軽減回路５００は、図１～図３に示すような光信号経路へ接続された受信器において実装される。

ＭＰＩ軽減回路５００は、エラー生成器５０６を有する。エラー生成器５０６は、ＲＸ１ ５０１から受信されたサンプルのＰＡＭレベルを推定し、対応するエラー信号を生成する。ＭＰＩの推定値を生成するため、エラー信号はローパスフィルタ５０８中においてフィルタリングされる。補償合成器５０４は、任意選択的に遅延５０２の後に、ＭＰＩの推定値と、ＲＸ１ ５０１から受信されたサンプルとを組み合わせる。この遅延５０２は、エラー生成器５０６およびフィルタ５０８中のサンプルの処理にかかる時間を考慮している。

図５Ｂは、図５ＡのＭＰＩ軽減回路５００のボーレート図である。入力サンプルｒ［ｋ］が、各サンプルについてサンプルの各ＰＡＭレベルを推定するスライサー５２２中においてスライスされる。減算器５２４（図５Ａのエラー生成器５０６の特定の例）は、各推定されたＰＡＭレベルからサンプルを差し引いて、対応するエラーサンプルを生成する。これらのエラーサンプルは、ＭＰＩの推定値を生成するためにローパスフィルタ５２６中においてフィルタリングされ、その後、これらの推定値は減算器５２８によって入力サンプルｒ［ｋ］から差し引かれる。

ローパスフィルタについては多数の選択肢がある。いくつかの実施形態において、ローパスフィルタは、連続するサンプルのブロックのエラーサンプルの平均を決定する固定ブロック平均成分である。このようにして決定された平均は、連続するサンプルのブロック中の各サンプルと組み合わされるＭＰＩの推定値として用いられる。特定の例において、ＭＰＩの推定値は、以下に従って固定の３２個のボーウィンドウを用いて決定される。

このアプローチの場合、３２ボーあたり３１個の付加が必要になる。

いくつかの実施形態において、ローパスフィルタは、各サンプルについて、移動ウィンドウによって規定されるエラーサンプルの各ブロックについてのエラーサンプルの平均を決定する移動ウィンドウ平均成分であり、ここで、平均は、サンプルと組み合わされるＭＰＩの推定値として用いられる。いくつかの実施形態において、各サンプルに対して用いられる独自のウィンドウがある。他の実施形態において、同じウィンドウが、エラーサンプルのブロックのサイズよりも小さな一組の連続するサンプルに対して用いられる。特定の例において、ＭＰＩの推定値は、以下の式に従って、８個の連続するボーにわたって共通のＭＰＩ軽減により、スライドする３２個のボーウィンドウを用いて決定される。

このアプローチの場合、３２個のボーあたり、４０個以上の付加が必要になる。

いくつかの実施形態において、（固定窓または移動窓の実施形態において）連続するサンプルのブロックのサイズは、送信器コヒーレンスの関数として設定される。

いくつかの実施形態において、補償合成器５０４は、多経路干渉の成分の推定値とサンプルとを組み合わせて、サンプルから推定値を減算して干渉軽減サンプルを生成することにより、干渉軽減サンプルを生成する減算器である。

いくつかの実施形態において、補償合成器５０４は、フィルタによるＭＰＩ出力の推定値と、サンプルから推定された電界を変調する各ＰＡＭレベルに比例する値とを掛け合わせることにより、重み付けされた推定値を生成する、レベル依存型の減算器である。この重み付けされた推定値は、その後、干渉軽減サンプルを生成するために、サンプルから差し引かれる。電界を変調するＰＡＭレベルは、直接検出の後のＰＡＭレベルが出力の関数であるために電界の振幅の二乗となる点において、直接検出器（例えば、スライサー５２２）の出力から区別されるべきである。

上記したように、ＲＸ１ブロック５０１は、フィードフォワード型ＭＰＩ軽減回路５００の前に行われる任意の入力信号処理を表す。図６を参照して、特定の例において、これは、少なくとも、フォトダイオード（ＰＤ）６００などの直接検出受信器と、直接検出出力を増幅するトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）６０１と、ＴＩＡの出力に対してアナログ／デジタル変換を行って未加工のサンプルを生成するアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）６０２と、未加工のサンプルを等化して複数のサンプルを生成する等化器６０４とを含む。異なるかまたはさらなる機能がＲＸ１ブロック５０１中に設けられ得る。

上記したように、ＲＸ２ブロック５１０は、フィードフォワード型ＭＰＩ軽減回路５００の後に行われる任意の入力信号処理を示す。いくつかの実施形態において、これは、各干渉軽減サンプルに対してＰＡＭ決定スライシングを行うＰＡＭ決定スライサーを含む。さらなる機能がＲＸ２ブロック５１０中に設けられ得る。

以下、本発明の実施形態によって提供される別の干渉軽減回路について、図７を参照して説明する。図７は、図５Ａと共通する多くの構成要素を含む。この回路は、干渉成分推定器７０２と、ＭＰＩ推定器５００の出力および干渉成分推定器７０２の１つ以上の出力を受信する合成器７０４とをさらに含む。

干渉成分推定器７０２は、各干渉成分について各遅延および各振幅を推定することにより、少なくとも１つの干渉成分を推定する。典型的には、干渉成分推定器は、電気的反射に起因する成分を推定する。電気的反射は典型的には（数十ｍｍ以下のオーダーの）極めて短距離において発生するため、主要信号からの少数のボーに残留する。合成器７０５は、ＭＰＩの推定値および推定された少なくとも１つの電気的干渉成分７０２とサンプルとを組み合わせて、干渉軽減サンプルを生成する。これらの干渉軽減サンプルは、ＲＸ２ブロック５１０へと送られる。

図８を参照して、本発明の別の実施形態は、光モジュールを提供する。光モジュールは、光学的ＩＯ（入力／出力）８０２および電気的ＩＯ８０４を有する。光学的Ｉ／Ｏにおいて受信された光信号については、直接検出を行って直接検出出力を生成するフォトダイオード（ＰＤ）８１０がある。直接検出出力は、ＴＩＡ８１２において増幅される。ＴＩＡ８１２の出力に対してＰＡＭ復調を行って電気的ＩＯ８０４において信号を生成するように構成されたＰＡＭ ＡＳＩＣ８０６がある。ＰＡＭ ＡＳＩＣは、本明細書中に記載される実施形態の１つに従ってＭＰＩ軽減を実行するＭＰＩ軽減回路８０４を含む。ＰＡＭ ＡＳＩＣは、例えば図６の回路を含む。

電気的ＩＯ８０４において受信された信号について、ＰＡＭＡＳＩＣは、入来電気信号に基づいてＰＡＭ変調を行うようにさらに構成される。光モジュールは、ＰＡＭ変調電界を有する光学的ＩＯにおいてＰＡＭ変調の出力に基づいて光信号を出力するレーザープラス変調器８０８も有する。

ここで図９を参照して、本発明の実施形態によって提供される光通信システムのブロック図が図示される。本システムは、複数のネットワーク要素９００および９０２を含む（２つのみを図示しているが、典型的にはより多数のネットワーク要素が存在する）。ネットワーク要素９０２および９０４は、例えばスイッチ、ルータ、サーバなどであり得る。ネットワーク要素９０２および９０４は、光ファイバおよび光インターフェースを含む光路によって相互接続される。図示の特定の例において、ネットワーク要素９０２および９０４は、光ファイバ９０８、インターフェース９１４、光ファイバ９１０、インターフェース９１６および光ファイバ９１２を含む光路によって相互接続される。ファイバおよびインターフェースの数は、実装時固有である。さらに、ネットワーク要素のうち少なくとも１つは、本明細書中に記載される実施形態の１つによるＭＰＩ軽減回路を有する光モジュールを含む。図示の例において、ネットワーク要素９００および９０２は、各ＭＰＩ軽減回路９０６および９２６を含む各光モジュール９０４および９２４を含む。いくつかの実施形態において、光モジュールは、図８の例に従う。

入来信号のボーレートの点から、特定の動作周波数と、ローパスフィルタの通過帯域とは、実装時固有である。いくつかの実施形態において、本明細書中記載されるシステムおよび方法は、２５Ｇボーよりも高いボーレートを有する光信号について適用され、ＭＰＩ軽減回路は、ローパスフィルタリングを行って、いくつかの実施形態において周波数が１００ＭＨｚを下回るＭＰＩを除去し、他の実施形態において１０ＭＨｚを下回るＭＰＩを除去する。

図１０は、パルス振幅変調（ＰＡＭ）電界を有する光信号の複数のサンプルの処理方法のフローチャートである。ブロック１０－１において、各サンプルについて、各ＰＡＭレベルが推定される。ブロック１０－２において、各サンプルについて、サンプルを各ＰＡＭレベルから差し引いて、対応するエラーサンプルを生成する。ブロック１０－３において、エラーサンプルをローパスフィルタリングして、多経路干渉（ＭＰＩ）の推定値を生成する。ブロック１０－４において、各サンプルについて、ＭＰＩの推定値のうちの１つをサンプルと組み合わせて、干渉軽減サンプルを生成する。これらのステップがどのように実行され得るかについての多様な例が上述された。

上記教示に鑑みれば、本開示の多数の改変例および変更例が可能である。よって、添付の特許請求の範囲内において、本開示は、本明細書中に具体的に記載された様態以外の様態で実行され得ることが理解されるべきである。

Claims (2)

1. パルス振幅変調（ＰＡＭ）電界を有する光信号の複数のサンプルを処理する回路であって、
   各サンプルについて前記サンプルの各ＰＡＭレベルを推定するスライサーと、
   各サンプルについて前記各ＰＡＭレベルから前記サンプルを差し引いて対応するエラーサンプルを生成する減算器と、
   前記エラーサンプルをフィルタリングして多経路干渉（ＭＰＩ）の推定値を生成するローパスフィルタと、
   各サンプルについてＭＰＩの前記推定値のうちの１つを前記サンプルと組み合わせて干渉軽減サンプルを生成する合成器と、
   を含み、
   前記合成器は、ＭＰＩの前記推定値のうちの前記１つと、前記サンプルから推定される前記電界を変調する各ＰＡＭレベルに比例する値とを掛け合わせることで、重み付けされた推定値を生成し、前記サンプルから前記重み付けされた推定値を差し引いて前記ＭＰＩ軽減サンプルを生成することにより、所与のサンプルについてＭＰＩの前記推定値のうちの１つを前記サンプルと組み合わせて干渉軽減サンプルを生成するレベル依存型の減算器である、
   回路。
2. パルス振幅変調（ＰＡＭ）電界を有する光信号の複数のサンプルの処理方法であって、
   各サンプルについて各ＰＡＭレベルを推定することと、
   各サンプルについて、前記各ＰＡＭレベルから前記サンプルを差し引いて、対応するエラーサンプルを生成することと、
   前記エラーサンプルを、ローパスフィルタリングして、多経路干渉（ＭＰＩ）の推定値を生成することと、
   各サンプルについてＭＰＩの前記推定値のうちの１つを前記サンプルと組み合わせて、干渉軽減サンプルを生成することと、
   を含み、
   所与のサンプルについてＭＰＩの前記推定値のうちの１つを前記サンプルと組み合わせて干渉軽減サンプルを生成することは、
   ＭＰＩの前記推定値のうちの前記１つと前記サンプルから推定された前記電界を変調する各ＰＡＭレベルに比例する値とを掛け合わせることにより、重み付けされた推定値を生成することと、
   前記サンプルから前記重み付けされた推定値を差し引いて前記ＭＰＩ軽減サンプルを生成することと、
   を含む、方法。

Images