パルス振幅変調による光差分可変マルチレベル位相シフトキーイング（ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ）信号の生成及び検出のための方法及び装置
【課題】振幅及び差分位相で符号化された光信号を生成及び受信方法及び装置を提供する。
【解決手段】本発明による振幅及び差分位相で符号化された光信号を生成及び受信方法及び装置は、所与の振幅レベルおける位相状態数が常に、それよりも高い振幅レベルにおける位相状態数以下であり、少なくとも２つの振幅レベルが異なる位相状態数を有する。
【解決手段】本発明による振幅及び差分位相で符号化された光信号を生成及び受信方法及び装置は、所与の振幅レベルおける位相状態数が常に、それよりも高い振幅レベルにおける位相状態数以下であり、少なくとも２つの振幅レベルが異なる位相状態数を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高速光通信の分野に関し、より具体的には、振幅及び差分位相で符号化された信号を生成及び検出するためのスペクトル及びパワー効率の高い方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
感度の高い受信機によるスペクトル効率の高い光通信のニーズに対応する光変調フォーマットは将来の自由空間及び地上光通信にとって魅力的である。光差分マルチレベル位相シフトキーイング（ＯＤＭＰＳＫ）は高い位相効率を達成した変調フォーマットタイプである。３ビット／シンボルの光差分８レベル位相シフトキーイング（ＯＤ８ＰＳＫ）フォーマットが提案されてきた（例えば、C．Kim他、「Direct-detection optical differential 8-level phase shift keying (OD8PSK) for spectrally efficient transmission」 Optics Express、２００４年、第１２巻、３４１５−３４１２ページ参照）。高いスペクトル効率を得るためにＯＤＭＰＳＫとパルス振幅変調（ＰＡＭ）を組み合わせた使用も提案されてきた。差分直交位相シフトキーイング（ＤＱＰＳＫ）及び４レベルパルス振幅変調フォーマット（ＰＡＭ）に基づく４ビット／シンボル（即ち１６状態）変調フォーマットが実証されてきた（K. Sekine他、「Proposal And Demonstration Of 10-G symbol/sec, 16-ary (40Gb/s) Optical Modulation/Demodulation Scheme」 Proceedings of European Conference on Optical Communication (ECOC’04)、２００４年、論文We3.4.5参照）。しかしながら、これらの変調フォーマットタイプは多くの欠点に苛まされる。
【０００３】
より具体的には、これらの変調フォーマットタイプの大きな欠点は、それらの不十分なシンボルコンステレーションに起因して受信機感度が低いことである。一般的なこととして、変調フォーマットのコンステレーション図におけるシンボル間の最小距離は、所与の平均信号パワーについて、信号が高いノイズ耐性を持つように最大化されるのが望ましい。さらに、ＯＤＭＰＳＫ及びＯＤＭＰＳＫ／ＰＡＭの検出は非常に複雑である。ＯＤＭＰＳＫについては、相当に安定化された光復調器が必要である。各復調器が、雰囲気温度の変化又は信号キャリア周波数のドリフトに起因する干渉アーム間での相対位相の変化を補償できなくてはならない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
優れたコンステレーションを有し、公知のアプローチに関連する欠点に影響されないマルチレベル位相及び振幅変調される信号が本発明の原理による方法及び装置によって生成される。ここでは、信号に対して可能な複数の振幅レベルの各々が複数の位相状態を有し、位相状態の数は振幅レベルの上昇とともに増加する。本発明の実施例において、所与の振幅レベルに割り当てられた位相状態数が振幅の大きさに略比例する、即ち、より大きい振幅レベルにはより多くの位相状態が割り当てられるような、パワー効率の良いマルチレベル位相及び振幅変調された信号が実現される。以下、この変調フォーマットをパルス振幅変調による光差分可変マルチレベル位相シフトキーイング（Optical Differential Varied-Multilevel Phase-Shift Keying with Pulse Amplitude Modulation）（ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ）という
【０００５】
本発明の更なる側面において、汎用性があり、かつ簡単な方法で実施できるＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号を受信するための手法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１ＡからＣは、信号平均パワーが正規化されてまとめられた、それぞれＯＤ３２ＰＳＫ、ＯＤＱＰＳＫ／ＰＡＭ８、及び４０状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ４信号変調フォーマットのコンステレーション図である。
【図２】図２は、信号平均パワーが正規化されてまとめられた本発明による１４４状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ８信号変調フォーマットのコンステレーション図である。
【図３】図３は本発明によるＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号を変調するための変調装置の実施例のブロック図である。
【図４】図４は本発明によるＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号を受信するための受信装置の実施例のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下の記載は本発明の原理を説明することを意図するものである。従って、当業者であれば、本発明の精神と範囲内に含まれる発明の原理を具現化する種々の構成を、ここに明示的に記載又は図示されていなくても案出できるはずである。また、ここに記載される全ての例及び条件付き文言は、発明者によって寄与された発明の原理及び概念を理解して技術を促進するにあたり読者を助けるために、特別に教育的目的のみのために主に意図され、そのような具体的に記載される例及び条件に対する限定なしに解釈されるべきである。さらに、具体的な例示と同様に、本発明の原理、側面及び実施例を記載する全ての文言は、その構造的及び機能的な均等物を包含することが意図されている。またさらに、そのような均等物は、将来開発される均等物だけでなく現に知られている均等物の両方、即ち、構造にかかわらず同じ機能を実行するあらゆる開発される要素を含むことが意図されている。
【０００８】
明示的に指定しない限り、図面は寸法通りではない。説明において、異なる図面内で同一の符号を付けられた部材は同じ部材を意味する。
【０００９】
図１Ａ及び１Ｂは２つの例示的な光差分マルチレベル位相シフトキーイング（ＯＤＭＰＳＫ）変調フォーマット、即ち、それぞれ、ＯＤ３２ＰＳＫ（即ち、３２レベルのＯＤＭＰＳＫ）、及びＯＤＱＰＳＫ／ＰＡＭ８（即ち、８レベルのパルス振幅変調による４レベルのＯＤＭＰＳＫ）のコンステレーション図である。各信号変調フォーマットは３２個の可能な状態又はシンボルを有する。３２シンボルは５ビットの情報を表すことができる。信号平均パワーは正規化されてまとめられてある。周知のように、このようなコンステレーション図は複素平面におけるデジタル光変調手法を表すものである。習慣上、一般的に実数軸と虚数軸はそれぞれ同相、即ちＩ軸、及び直交、即ちＱ軸と言われる。
【００１０】
図１Ｃは、本発明による代表的な４レベルパルス増幅変調での４０状態光差分可変マルチレベル位相シフトキーイング変調フォーマットＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ４のコンステレーション図である。４０状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ４フォーマットのシンボル配置は以下の通りである。
第１の振幅レベル：
【数１】
第２の振幅レベル：
【数２】
第３の振幅レベル：
【数３】
第４の振幅レベル：
【数４】
ここで、［ａ１、ａ２、ａ３、ａ４］はＰＡＭの振幅レベルの大きさである。
【００１１】
ＰＡＭ−ｍフォーマットについての好適な相対振幅は、
Ｃ・（０.９＋［０、１、２、・・・ｍ］） （１）
となり、ここで、Ｃは正規化ファクタであり、ｍはＰＡＭの振幅レベル数である。この流れで使用されるように、用語「振幅」とは光領域における振幅を意味し、これは光強度の平方根である。実施例では、最低振幅レベルに対する０.９Ｃの値が、光領域におけるランダムガウスノイズを推定する信号のビットエラーレート（ＢＥＲ）を最小にすることによって決定される。
【００１２】
例示の４０状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭフォーマットにおいて、ａ１、ａ２、ａ３及びａ４振幅レベルにおける位相状態の数はそれぞれ４、８、１２及び１６である。ここから分かるように、各振幅レベルにおける位相状態数は振幅の大きさに比例する。即ち、振幅が大きいほど、その振幅レベルに対する位相状態数は大きくなる。
【００１３】
実施例では、ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号はｍ個の振幅レベルを有し、各振幅レベルにおける位相状態数は以下のように、
Ｐ(ｉ)＝４・ｉ、 ｉ＝１、２、３・・・ｍ （２）
となる。
シンボル状態数Ｎは、
【数５】
となる。
【００１４】
光ノイズの存在下において、信号コンステレーション図における各シンボルの実際の位置は時間によって変動し、ノイズ領域の強度によって決まる同一の標準偏差で元の位置からずれる。差分検出受信機について、受信機において相互に比較される任意の２つのシンボル間の位相差の間での離隔は受信機の性能に影響を与える。差分位相における離隔が大きいほど受信機性能は良くなる。所与の時刻において、２つの比較シンボルがともに可能な位相状態ｐ(ｉ、ｔ)でｉ番目の振幅レベルにあるとすると、以下の位相品質ファクタＱΦ(ｔ)が使用されて、全ての可能なシンボルの組合せについての受信機性能を示す。
【数６】
ここで、σはノイズ領域の標準偏差である。なお、上述のように、異なる振幅レベル各々の位相状態数は、信号コンステレーションが信号の性能が全体的に最良になるように最適化されるように選択される。
【００１５】
所与の時刻において、第１の（先行する）比較シンボルが、可能な位相状態ｐ(ｊ、ｔ)でｊ番目の振幅レベルａ(ｊ、ｔ)にあり、第２の（現在の）比較シンボルが、可能な位相状態ｐ(ｉ、ｔ)でｉ番目の振幅レベルａ(ｉ、ｔ)にあるとすると、以下の位相品質ファクタＱΦ(ｔ)が使用されて、全ての可能なシンボルの組合せについての受信機性能を示す。
【数７】
【００１６】
式（４）と（５）を比較すると、先行するシンボルが現在のシンボルよりも小さい振幅を持つときに、そうでない場合よりも受信機性能が悪くなることが分かる。従って、ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号の高い感度の差分検出を得るために、先行するシンボルの振幅レベルに従って、所与のシンボルについて位相状態のいくつかの選択肢を除外することが有効である。現在のシンボルの振幅がその先行シンボルの振幅よりも大きい場合、現在のシンボルに許される位相状態数は先行シンボルのものと等しくなる。従って、ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号のシンボル状態の有効数Ｎeffはそのシンボル状態の合計数Ｎよりも小さくなる。従って、各振幅レベルで許される有効な位相状態数は、
【数８】
となる。ここで、第１の加算は、現在のシンボルよりも小さい振幅の先行シンボルに許される位相状態数を表し、第２の加算は、現在のシンボルよりも小さくない振幅の先行シンボルに許される位相状態数を表す。有効状態数Ｎeffは以下のように表される。
【数９】
【００１７】
図１Ｃに示す４０状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭフォーマットについて、有効状態数は３４であり、これはシンボル当りの有効ビット数（ｂｐｓ）５.０９に相当する。
【００１８】
３つの変調フォーマットについてシンボル間の最小距離を比較することによって、４０状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ４フォーマット（図１Ｃ）の受信機感度はＯＤ３２ＰＳＫ（図１Ａ）及びＯＤＱＰＳＫ／ＰＡＭ４（図１Ｂ）フォーマットよりも約５ｄＢ良くなることが期待できる。４０状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ４によって与えられる、３２状態ＯＤ３２ＰＳＫ及びＯＤＱＰＳＫ／ＰＡＭ４フォーマットよりも多くなった分の状態数は、所定のオーバーヘッドを必要とする強力な前方誤り修正（ＦＥＣ）を可能とするために、より良い受信機性能を可能とするために、又は伝送性能を改善する符号化された変調を実行するために、使用できる。
【００１９】
ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭはさらに多くのビット／シンボルを搬送できる。図２は本発明による１４４状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ８変調フォーマットのコンステレーション図である。式（７）によると、このフォーマットの有効状態数は１２０となり、これは実質的に約７ｂｐｓに相当する。
【００２０】
なお、ビット／シンボルが大きいほど、ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭフォーマットは従来のＯＤＭＰＳＫフォーマット及びＯＤＭＰＳＫ／ＰＡＭフォーマットよりも受信機感度の利点が大きくなる。７ｂｐｓにおいて、ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ８フォーマットは、受信機感度の点で、ＯＤ１２８ＰＳＫ及びＤＱＰＳＫ／ＰＡＭ３２よりもそれぞれ１２ｄＢまで及び１０ｄＢまで性能が高くなる。
【００２１】
図２に示すＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭにおいて、相対的大きさＣ・［.９、１.９、２.９、３.９、４.９、５.９、６.９、７.９］の８個の振幅レベルがある。なお、Ｃは正規化ファクタである。振幅レベルに対する位相レベル数はそれぞれ［４、８、１２、１６、２０、２４、２８、３２］である。例示の変調フォーマットにおいて、各振幅レベルにおける位相状態数は振幅レベルの大きさが上昇するにつれて増加する。即ち、振幅が大きいほど、その振幅レベルに対して構成される位相状態数は大きい。しかし、各振幅レベルにおける位相状態数は振幅レベルの大きさに厳密に比例する必要はない。例えば、ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ８フォーマットにおいて、８振幅レベルにおける位相状態数は４、４、８、８、１６、１６、１６及び１６とすることができ、８８状態変調フォーマットとなる。当業者には分かるように、このような８８状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ８フォーマットは上述の１４０状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ８フォーマットよりもスペクトル効率が低い。しかし、８８状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ８フォーマットは１４０状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ８フォーマットよりも線形及び非線形位相ノイズに対する耐性が高い。偏波多重を用いれば、８ビット／シンボルを超える信号が合理的な受信機感度で実現できる。
【００２２】
図３に、本発明によるＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ送信機３００の実施例のブロック図を示す。送信機３００において、レーザ３０１の出力が、光ＤＱＰＳＫ変調器３０２に供給され、その出力が光分波器３０３によって分波される。パワー分波器３０３はｌｏｇ２(ｍ)＋１個の出力アームを含む。なお、ｍはＰＡＭの振幅レベル数である。２００５年９月２５日に出願された発明の名称「Multilevel Amplitude And Phase Encoded Signal Generation」の米国特許出願番号第１１／１６２８３０号（その全体が参照としてここに取り込まれる）に記載されるように、所望の相対分波のパワー分布はそれぞれ（０.４＋ｍ／２）、(ｍ／４)、(ｍ／８)・・・（１）、及び（１／２）である。
【００２３】
相対パワー（０.４＋ｍ／２）の分波器３０３の第１の出力が位相制御部３０４に供給されるが、いかなるデータによっても変調はされない。その一方、残りの分波信号出力はＰＡＭに関連するデータ流によって変調される。位相変調アレイ３０５はＰＡＭ変調に関連するｌｏｇ２(ｍ)個のデータ流によって分波信号を変調する。データ流はデータソース３０８によって供給される。
【００２４】
実施例では、位相変調アレイ３０５は全てヌルでバイアスされたマッハツェンダ変調器のアレイ等であればよく、データソース３０８によって供給されたデータに基づいてｌｏｇ２(ｍ)個の分波信号各々で「０」か「π」の位相シフトを生成するように位相変調器として動作する。
【００２５】
更なる光分波器３０６は変調された分波信号全てを合波する。分波器３０６は光分波器３０３の反転的なものであり、光分波器３０３と同一の分波分布を持つのが好ましい。信号光パワーが信号光領域の振幅の二乗に比例するので、光分波器３０３及び３０６のカスケード配置は同じ分波比を有し、所望の信号パワーレベルを生成する。位相制御部３０４は、第１の分波信号の光領域が変調分波信号と同相に配列されることを確実にするように使用される。実際に、ｍレベルＰＡＭコンステレーションＣ・（０.９＋[０、１、２、・・・ｍ］）振幅レベルの全てが、平均化された項Ｃ・（０.４＋ｍ／２）に加えられる以下のｌｏｇ２(ｍ)の項、即ち、Ｃ・（ｍ／４）、Ｃ・（ｍ／８）、・・・、Ｃ（１／２）の間での加算及び減算によって得られることが分かる。例えば、８レベルＰＡＭフォーマット０.９＋［０、１、２、３、４、５、６、７］の振幅レベルが、４.４±２±１±０.５によって得られる。より具体的には、第１のデータ流が（±２）の成分を供給する最上位の変調アームによって符号化され、第２のデータ流が（±１）の成分を供給する２番目に上位の変調アームによって符号化され、最後のデータ流が（±０.５）の成分を供給する最下位の変調アームによって符号化される。
【００２６】
光分波器３０６からの信号出力は有効にＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号となり、追加の位相変調器３０７へ供給される。実際に、位相変調器３０７は、データソース３０８によって供給されたデータに基づいて、高い振幅レベルでの余剰の（４より大きい）位相状態を搬送するＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号を生成するために、各シンボル期間についてＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭコンステレーションを適切に「回転」する。例えば、ＤＰＱＳＫ変調とともに、０と３π／８の間の範囲における粒度π／８での４状態の追加位相変調は、ＰＡＭの所与の振幅レベルについて合計１６個の位相状態を生成することになる。これは、４レベル信号の単一状態位相変調器、又はｌｏｇ２(４)個、即ち、２個のデータ流によって駆動される複数段位相変調器によって実現できる。
【００２７】
当業者には分かるように、線形的な性質により、ＤＱＰＳＫ（ブロック３０２）、ＰＡＭ（ブロック３０３−３０６）及び追加の変調（ブロック３０７）が実行される順序は変更可能であり、即ち、ブロック３０２、３０３−３０６及び３０７は、図３に示すような順序からその並びを変えてもよい。
【００２８】
更なる実施例では、ＤＱＰＳＫ変調（ブロック３０２）が追加の位相変調（ブロック３０７）と組み合わされる。このような実施例では、ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号の可能な位相状態全てを達成するために複数のネスト状及びカスケード状の位相変調器を使用できる。位相変調処理は、現在のシンボルの振幅が先行シンボルのものよりも大きい場合には現在のシンボルの許される位相状態数が先行シンボルのものと等しくなるという上記の条件を満足するのが好ましい。
【００２９】
実施例では、光変調器はＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号をリターントゥゼロ（ＲＺ）パルスフォーマットでフォーマットするように使用され、これによってシンボル間干渉に対する信号の許容度を向上する。ＲＺパルスフォーマット化は電気領域で行われてもよい。
【００３０】
ノイズに対する耐性を向上するために、本発明の変調手法は最下位のデータ流の１以上を変調しないという選択肢を許容する。生成されたマルチレベル信号のデータレート全体は低下するが、信号はノイズに対して耐性を増す。これによって、信号データレート全体が送信リンクの品質に従って変化する、例えば、リンク品質が悪いほどデータレートが低いといったデータレート迅速送信の柔軟性が与えられ、許容できる送信性能を確実なものとする。そのようなデータレート迅速送信は本発明によって容易に実現できる。
【００３１】
ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号を検出するために、振幅変調に関連するデータ流は、K. Sekine他、「Proposal And Demonstration Of 10-G symbol/sec, 16-ary (40Gb/s) Optical Modulation/Demodulation Scheme」ECOC’04、論文We3.4.5に記載されるようなマルチレベル強度検出を用いて回復される。差分位相符号化に関連する他方のデータ流は異なる技術を用いて回復される。固定の位相状態のＯＤＭＰＳＫ信号は、例えば、各々が自身の２つのアーム間の予め決められた位相オフセットを有するような複数の光遅延干渉計（ＯＤＩ）、及びC．Kim他、「Direct-detection optical differential 8-level phase shift keying (OD8PSK) for spectrally efficient transmission」 Optics Express、２００４年、第１２巻、３４１５−３４１２ページに記載されるような、バイナリ判定回路の前にある複数の差動検出器を備える受信機によって復調及び検出される。そのような受信機に必要なＯＤＩの数は位相状態数の半分に等しい。例えば、ＯＤ１６ＰＳＫには８個のＯＤＩが必要である。このような実装は複雑かつ高価なものとなる。
【００３２】
代替手段として、２つのＯＤＩ、及びマルチレベル判定回路の前にある２つの差動検出器がＯＤＭＰＳＫ信号を受信するように用いることができるが、受信機感度が低下する。H. Yoon他、「Performance comparison of optical 8-ray differential phase-shift keying systems with different electrical decision schemes」Optics Express ２００５年、13, 371-376が参照される。
【００３３】
可変であり振幅に依存する位相状態数を持つＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号について、異なる振幅に対応する異なるマルチレベルの場合を網羅し、回復された振幅データに基づいて有用なデータを選択するために、ブルートフォース検出手法によってＯＤＩ及び差動検出器を複製する。
【００３４】
図４はＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号を受信するための受信機装置４００の実施例のブロック図である。入着ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号が１×３結合器４０１によって３つの光経路に分離される。第１の光経路は差動検出器４０４の前の位相オフセットΦ０のＯＤＩ４０２を含む。第２の光経路は差動検出器４０５の前の位相オフセットΦ０−π／２のＯＤＩ４０３を含む。ＯＤＩ４０２及び４０３各々における２つのアーム間の遅延はΔＴであり、これはほぼ１シンボル期間となる。
【００３５】
結合器４０１から出る第３の光経路はフォト検出器４０６に向けられる。検出器４０４、４０５及び４０６からの信号は「軟判定」ブロック４１０に送られる。軟判定ブロック４１０は、各検出信号について１つのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）４１４、４１５及び４１６を備える。自動利得制御（ＡＧＣ）要素４１１−４１３はＡＤＣ４１４−４１６の各々の前に光学的に設けられる。
【００３６】
ＡＤＣ４１４−４１６によって出力されるデジタル化された信号は、必要な判定変数全てを計算するとともにＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号に含まれるＮ個のデータ流全てをｃ１、ｃ２、・・・、ｃＮとして出力するデータ回復部４１７に供給される。
【００３７】
差動検出器４０４及び４０５によって検出された、それぞれｕＩ及びｕＱで表される２つの信号は以下のように表現できる。
【数１０】
なお、ｙ(ｔ)は受信機に入る正規化された信号の領域であり、Ｒｅ{ｘ}及びＩｍ{ｘ}はそれぞれ複素変数ｘの実部及び虚部である。
【００３８】
ＯＤＭＰＳＫ信号の位相状態に関連するデータ流を回復するために、所与の時刻に２つの比較シンボルの振幅レベルに従って複数の判定変数を得ることが望ましい。例えば、ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号はｍ個の振幅レベルを有し、最も高い振幅レベルは位相状態Ｍ＝Ｐ(ｍ)の最大数を有する。必要な判定変数の最大数はＭ／２であり、π／Ｍ、３π／Ｍ、・・・、(２Ｍ−１)π／Ｍの位相オフセット（ΔΦ）を有するＭ個のＯＤＩによって得られる。以下に示すように、Ｍ／２個の判定変数の各々は、たった２個のＯＤＩからの検出信号ｕＩ及びｕＱから導出される。より具体的には、所与のオフセットΔΦを持つＯＤＩに関連する判定変数は、
【数１１】
で表され、これは検出信号ｕＩ及びｕＱの関数として以下のように表現できる。
【数１２】
【００３９】
Ｍ＝２ｎ（ｎは２よりも大きい整数）の場合、Ｍ／２個の判定変数は、以下のように、位相状態に関連するｎ個のデータ流を回復するために使用できる。
【数１３】
なお、○の中に＋の記号は、排他即ち（ＸＯＲ）論理演算子を示す。
【００４０】
なお、復号されたデータ流が元のものであることを確実にするために、送信機での光変調前の元データ流の適切な事前符号化を使用してもよい。事前符号化関数は光変調手法並びに使用される光復調及び復号手法に基づいて決定される。
【００４１】
ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭの検出において、所与の時刻における判定変数は現在のシンボル及び直前のシンボルの強度レベルＩ(ｎ)及びＩ(ｎ−１)にそれぞれ依存する。検出器４０６によって供給されるＩ(ｎ)及びＩ(ｎ−１)を用いて、データ回復部４１７は式（８）−（１０）に従って位相変調に関連する必要な判定変数を計算できる。実際に、位相変調に関連する元のデータ流は、判定変数のシンボル毎の強度に依存する導出に基づいて回復される。なお、ＰＡＭに関連する判定変数はフォト検出器４０６で測定された信号強度プロファイルＩ(ｔ)を用いて簡単に得られる。最後に、データコンテンツが判定変数から直接的に、あるいは（送信機で符号化された変調が適用される場合には）更なる復号の後に、抽出される。
【００４２】
実施例では、データ回復部４１７は、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）において実施されるデジタル信号処理（ＤＳＰ）を用いて実装される。
【００４３】
上述の実施例は本発明のアプリケーションを表す可能な特定の実施例のうちのいくつか開示したにすぎないことが分かる。多数の及び種々の他の構成が発明の精神と範囲を離れることなく当業者によって実施され得る。
【技術分野】
【０００１】
本発明は高速光通信の分野に関し、より具体的には、振幅及び差分位相で符号化された信号を生成及び検出するためのスペクトル及びパワー効率の高い方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
感度の高い受信機によるスペクトル効率の高い光通信のニーズに対応する光変調フォーマットは将来の自由空間及び地上光通信にとって魅力的である。光差分マルチレベル位相シフトキーイング（ＯＤＭＰＳＫ）は高い位相効率を達成した変調フォーマットタイプである。３ビット／シンボルの光差分８レベル位相シフトキーイング（ＯＤ８ＰＳＫ）フォーマットが提案されてきた（例えば、C．Kim他、「Direct-detection optical differential 8-level phase shift keying (OD8PSK) for spectrally efficient transmission」 Optics Express、２００４年、第１２巻、３４１５−３４１２ページ参照）。高いスペクトル効率を得るためにＯＤＭＰＳＫとパルス振幅変調（ＰＡＭ）を組み合わせた使用も提案されてきた。差分直交位相シフトキーイング（ＤＱＰＳＫ）及び４レベルパルス振幅変調フォーマット（ＰＡＭ）に基づく４ビット／シンボル（即ち１６状態）変調フォーマットが実証されてきた（K. Sekine他、「Proposal And Demonstration Of 10-G symbol/sec, 16-ary (40Gb/s) Optical Modulation/Demodulation Scheme」 Proceedings of European Conference on Optical Communication (ECOC’04)、２００４年、論文We3.4.5参照）。しかしながら、これらの変調フォーマットタイプは多くの欠点に苛まされる。
【０００３】
より具体的には、これらの変調フォーマットタイプの大きな欠点は、それらの不十分なシンボルコンステレーションに起因して受信機感度が低いことである。一般的なこととして、変調フォーマットのコンステレーション図におけるシンボル間の最小距離は、所与の平均信号パワーについて、信号が高いノイズ耐性を持つように最大化されるのが望ましい。さらに、ＯＤＭＰＳＫ及びＯＤＭＰＳＫ／ＰＡＭの検出は非常に複雑である。ＯＤＭＰＳＫについては、相当に安定化された光復調器が必要である。各復調器が、雰囲気温度の変化又は信号キャリア周波数のドリフトに起因する干渉アーム間での相対位相の変化を補償できなくてはならない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
優れたコンステレーションを有し、公知のアプローチに関連する欠点に影響されないマルチレベル位相及び振幅変調される信号が本発明の原理による方法及び装置によって生成される。ここでは、信号に対して可能な複数の振幅レベルの各々が複数の位相状態を有し、位相状態の数は振幅レベルの上昇とともに増加する。本発明の実施例において、所与の振幅レベルに割り当てられた位相状態数が振幅の大きさに略比例する、即ち、より大きい振幅レベルにはより多くの位相状態が割り当てられるような、パワー効率の良いマルチレベル位相及び振幅変調された信号が実現される。以下、この変調フォーマットをパルス振幅変調による光差分可変マルチレベル位相シフトキーイング（Optical Differential Varied-Multilevel Phase-Shift Keying with Pulse Amplitude Modulation）（ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ）という
【０００５】
本発明の更なる側面において、汎用性があり、かつ簡単な方法で実施できるＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号を受信するための手法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１ＡからＣは、信号平均パワーが正規化されてまとめられた、それぞれＯＤ３２ＰＳＫ、ＯＤＱＰＳＫ／ＰＡＭ８、及び４０状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ４信号変調フォーマットのコンステレーション図である。
【図２】図２は、信号平均パワーが正規化されてまとめられた本発明による１４４状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ８信号変調フォーマットのコンステレーション図である。
【図３】図３は本発明によるＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号を変調するための変調装置の実施例のブロック図である。
【図４】図４は本発明によるＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号を受信するための受信装置の実施例のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下の記載は本発明の原理を説明することを意図するものである。従って、当業者であれば、本発明の精神と範囲内に含まれる発明の原理を具現化する種々の構成を、ここに明示的に記載又は図示されていなくても案出できるはずである。また、ここに記載される全ての例及び条件付き文言は、発明者によって寄与された発明の原理及び概念を理解して技術を促進するにあたり読者を助けるために、特別に教育的目的のみのために主に意図され、そのような具体的に記載される例及び条件に対する限定なしに解釈されるべきである。さらに、具体的な例示と同様に、本発明の原理、側面及び実施例を記載する全ての文言は、その構造的及び機能的な均等物を包含することが意図されている。またさらに、そのような均等物は、将来開発される均等物だけでなく現に知られている均等物の両方、即ち、構造にかかわらず同じ機能を実行するあらゆる開発される要素を含むことが意図されている。
【０００８】
明示的に指定しない限り、図面は寸法通りではない。説明において、異なる図面内で同一の符号を付けられた部材は同じ部材を意味する。
【０００９】
図１Ａ及び１Ｂは２つの例示的な光差分マルチレベル位相シフトキーイング（ＯＤＭＰＳＫ）変調フォーマット、即ち、それぞれ、ＯＤ３２ＰＳＫ（即ち、３２レベルのＯＤＭＰＳＫ）、及びＯＤＱＰＳＫ／ＰＡＭ８（即ち、８レベルのパルス振幅変調による４レベルのＯＤＭＰＳＫ）のコンステレーション図である。各信号変調フォーマットは３２個の可能な状態又はシンボルを有する。３２シンボルは５ビットの情報を表すことができる。信号平均パワーは正規化されてまとめられてある。周知のように、このようなコンステレーション図は複素平面におけるデジタル光変調手法を表すものである。習慣上、一般的に実数軸と虚数軸はそれぞれ同相、即ちＩ軸、及び直交、即ちＱ軸と言われる。
【００１０】
図１Ｃは、本発明による代表的な４レベルパルス増幅変調での４０状態光差分可変マルチレベル位相シフトキーイング変調フォーマットＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ４のコンステレーション図である。４０状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ４フォーマットのシンボル配置は以下の通りである。
第１の振幅レベル：
【数１】
第２の振幅レベル：
【数２】
第３の振幅レベル：
【数３】
第４の振幅レベル：
【数４】
ここで、［ａ１、ａ２、ａ３、ａ４］はＰＡＭの振幅レベルの大きさである。
【００１１】
ＰＡＭ−ｍフォーマットについての好適な相対振幅は、
Ｃ・（０.９＋［０、１、２、・・・ｍ］） （１）
となり、ここで、Ｃは正規化ファクタであり、ｍはＰＡＭの振幅レベル数である。この流れで使用されるように、用語「振幅」とは光領域における振幅を意味し、これは光強度の平方根である。実施例では、最低振幅レベルに対する０.９Ｃの値が、光領域におけるランダムガウスノイズを推定する信号のビットエラーレート（ＢＥＲ）を最小にすることによって決定される。
【００１２】
例示の４０状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭフォーマットにおいて、ａ１、ａ２、ａ３及びａ４振幅レベルにおける位相状態の数はそれぞれ４、８、１２及び１６である。ここから分かるように、各振幅レベルにおける位相状態数は振幅の大きさに比例する。即ち、振幅が大きいほど、その振幅レベルに対する位相状態数は大きくなる。
【００１３】
実施例では、ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号はｍ個の振幅レベルを有し、各振幅レベルにおける位相状態数は以下のように、
Ｐ(ｉ)＝４・ｉ、 ｉ＝１、２、３・・・ｍ （２）
となる。
シンボル状態数Ｎは、
【数５】
となる。
【００１４】
光ノイズの存在下において、信号コンステレーション図における各シンボルの実際の位置は時間によって変動し、ノイズ領域の強度によって決まる同一の標準偏差で元の位置からずれる。差分検出受信機について、受信機において相互に比較される任意の２つのシンボル間の位相差の間での離隔は受信機の性能に影響を与える。差分位相における離隔が大きいほど受信機性能は良くなる。所与の時刻において、２つの比較シンボルがともに可能な位相状態ｐ(ｉ、ｔ)でｉ番目の振幅レベルにあるとすると、以下の位相品質ファクタＱΦ(ｔ)が使用されて、全ての可能なシンボルの組合せについての受信機性能を示す。
【数６】
ここで、σはノイズ領域の標準偏差である。なお、上述のように、異なる振幅レベル各々の位相状態数は、信号コンステレーションが信号の性能が全体的に最良になるように最適化されるように選択される。
【００１５】
所与の時刻において、第１の（先行する）比較シンボルが、可能な位相状態ｐ(ｊ、ｔ)でｊ番目の振幅レベルａ(ｊ、ｔ)にあり、第２の（現在の）比較シンボルが、可能な位相状態ｐ(ｉ、ｔ)でｉ番目の振幅レベルａ(ｉ、ｔ)にあるとすると、以下の位相品質ファクタＱΦ(ｔ)が使用されて、全ての可能なシンボルの組合せについての受信機性能を示す。
【数７】
【００１６】
式（４）と（５）を比較すると、先行するシンボルが現在のシンボルよりも小さい振幅を持つときに、そうでない場合よりも受信機性能が悪くなることが分かる。従って、ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号の高い感度の差分検出を得るために、先行するシンボルの振幅レベルに従って、所与のシンボルについて位相状態のいくつかの選択肢を除外することが有効である。現在のシンボルの振幅がその先行シンボルの振幅よりも大きい場合、現在のシンボルに許される位相状態数は先行シンボルのものと等しくなる。従って、ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号のシンボル状態の有効数Ｎeffはそのシンボル状態の合計数Ｎよりも小さくなる。従って、各振幅レベルで許される有効な位相状態数は、
【数８】
となる。ここで、第１の加算は、現在のシンボルよりも小さい振幅の先行シンボルに許される位相状態数を表し、第２の加算は、現在のシンボルよりも小さくない振幅の先行シンボルに許される位相状態数を表す。有効状態数Ｎeffは以下のように表される。
【数９】
【００１７】
図１Ｃに示す４０状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭフォーマットについて、有効状態数は３４であり、これはシンボル当りの有効ビット数（ｂｐｓ）５.０９に相当する。
【００１８】
３つの変調フォーマットについてシンボル間の最小距離を比較することによって、４０状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ４フォーマット（図１Ｃ）の受信機感度はＯＤ３２ＰＳＫ（図１Ａ）及びＯＤＱＰＳＫ／ＰＡＭ４（図１Ｂ）フォーマットよりも約５ｄＢ良くなることが期待できる。４０状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ４によって与えられる、３２状態ＯＤ３２ＰＳＫ及びＯＤＱＰＳＫ／ＰＡＭ４フォーマットよりも多くなった分の状態数は、所定のオーバーヘッドを必要とする強力な前方誤り修正（ＦＥＣ）を可能とするために、より良い受信機性能を可能とするために、又は伝送性能を改善する符号化された変調を実行するために、使用できる。
【００１９】
ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭはさらに多くのビット／シンボルを搬送できる。図２は本発明による１４４状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ８変調フォーマットのコンステレーション図である。式（７）によると、このフォーマットの有効状態数は１２０となり、これは実質的に約７ｂｐｓに相当する。
【００２０】
なお、ビット／シンボルが大きいほど、ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭフォーマットは従来のＯＤＭＰＳＫフォーマット及びＯＤＭＰＳＫ／ＰＡＭフォーマットよりも受信機感度の利点が大きくなる。７ｂｐｓにおいて、ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ８フォーマットは、受信機感度の点で、ＯＤ１２８ＰＳＫ及びＤＱＰＳＫ／ＰＡＭ３２よりもそれぞれ１２ｄＢまで及び１０ｄＢまで性能が高くなる。
【００２１】
図２に示すＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭにおいて、相対的大きさＣ・［.９、１.９、２.９、３.９、４.９、５.９、６.９、７.９］の８個の振幅レベルがある。なお、Ｃは正規化ファクタである。振幅レベルに対する位相レベル数はそれぞれ［４、８、１２、１６、２０、２４、２８、３２］である。例示の変調フォーマットにおいて、各振幅レベルにおける位相状態数は振幅レベルの大きさが上昇するにつれて増加する。即ち、振幅が大きいほど、その振幅レベルに対して構成される位相状態数は大きい。しかし、各振幅レベルにおける位相状態数は振幅レベルの大きさに厳密に比例する必要はない。例えば、ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ８フォーマットにおいて、８振幅レベルにおける位相状態数は４、４、８、８、１６、１６、１６及び１６とすることができ、８８状態変調フォーマットとなる。当業者には分かるように、このような８８状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ８フォーマットは上述の１４０状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ８フォーマットよりもスペクトル効率が低い。しかし、８８状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ８フォーマットは１４０状態ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ８フォーマットよりも線形及び非線形位相ノイズに対する耐性が高い。偏波多重を用いれば、８ビット／シンボルを超える信号が合理的な受信機感度で実現できる。
【００２２】
図３に、本発明によるＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ送信機３００の実施例のブロック図を示す。送信機３００において、レーザ３０１の出力が、光ＤＱＰＳＫ変調器３０２に供給され、その出力が光分波器３０３によって分波される。パワー分波器３０３はｌｏｇ２(ｍ)＋１個の出力アームを含む。なお、ｍはＰＡＭの振幅レベル数である。２００５年９月２５日に出願された発明の名称「Multilevel Amplitude And Phase Encoded Signal Generation」の米国特許出願番号第１１／１６２８３０号（その全体が参照としてここに取り込まれる）に記載されるように、所望の相対分波のパワー分布はそれぞれ（０.４＋ｍ／２）、(ｍ／４)、(ｍ／８)・・・（１）、及び（１／２）である。
【００２３】
相対パワー（０.４＋ｍ／２）の分波器３０３の第１の出力が位相制御部３０４に供給されるが、いかなるデータによっても変調はされない。その一方、残りの分波信号出力はＰＡＭに関連するデータ流によって変調される。位相変調アレイ３０５はＰＡＭ変調に関連するｌｏｇ２(ｍ)個のデータ流によって分波信号を変調する。データ流はデータソース３０８によって供給される。
【００２４】
実施例では、位相変調アレイ３０５は全てヌルでバイアスされたマッハツェンダ変調器のアレイ等であればよく、データソース３０８によって供給されたデータに基づいてｌｏｇ２(ｍ)個の分波信号各々で「０」か「π」の位相シフトを生成するように位相変調器として動作する。
【００２５】
更なる光分波器３０６は変調された分波信号全てを合波する。分波器３０６は光分波器３０３の反転的なものであり、光分波器３０３と同一の分波分布を持つのが好ましい。信号光パワーが信号光領域の振幅の二乗に比例するので、光分波器３０３及び３０６のカスケード配置は同じ分波比を有し、所望の信号パワーレベルを生成する。位相制御部３０４は、第１の分波信号の光領域が変調分波信号と同相に配列されることを確実にするように使用される。実際に、ｍレベルＰＡＭコンステレーションＣ・（０.９＋[０、１、２、・・・ｍ］）振幅レベルの全てが、平均化された項Ｃ・（０.４＋ｍ／２）に加えられる以下のｌｏｇ２(ｍ)の項、即ち、Ｃ・（ｍ／４）、Ｃ・（ｍ／８）、・・・、Ｃ（１／２）の間での加算及び減算によって得られることが分かる。例えば、８レベルＰＡＭフォーマット０.９＋［０、１、２、３、４、５、６、７］の振幅レベルが、４.４±２±１±０.５によって得られる。より具体的には、第１のデータ流が（±２）の成分を供給する最上位の変調アームによって符号化され、第２のデータ流が（±１）の成分を供給する２番目に上位の変調アームによって符号化され、最後のデータ流が（±０.５）の成分を供給する最下位の変調アームによって符号化される。
【００２６】
光分波器３０６からの信号出力は有効にＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号となり、追加の位相変調器３０７へ供給される。実際に、位相変調器３０７は、データソース３０８によって供給されたデータに基づいて、高い振幅レベルでの余剰の（４より大きい）位相状態を搬送するＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号を生成するために、各シンボル期間についてＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭコンステレーションを適切に「回転」する。例えば、ＤＰＱＳＫ変調とともに、０と３π／８の間の範囲における粒度π／８での４状態の追加位相変調は、ＰＡＭの所与の振幅レベルについて合計１６個の位相状態を生成することになる。これは、４レベル信号の単一状態位相変調器、又はｌｏｇ２(４)個、即ち、２個のデータ流によって駆動される複数段位相変調器によって実現できる。
【００２７】
当業者には分かるように、線形的な性質により、ＤＱＰＳＫ（ブロック３０２）、ＰＡＭ（ブロック３０３−３０６）及び追加の変調（ブロック３０７）が実行される順序は変更可能であり、即ち、ブロック３０２、３０３−３０６及び３０７は、図３に示すような順序からその並びを変えてもよい。
【００２８】
更なる実施例では、ＤＱＰＳＫ変調（ブロック３０２）が追加の位相変調（ブロック３０７）と組み合わされる。このような実施例では、ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号の可能な位相状態全てを達成するために複数のネスト状及びカスケード状の位相変調器を使用できる。位相変調処理は、現在のシンボルの振幅が先行シンボルのものよりも大きい場合には現在のシンボルの許される位相状態数が先行シンボルのものと等しくなるという上記の条件を満足するのが好ましい。
【００２９】
実施例では、光変調器はＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号をリターントゥゼロ（ＲＺ）パルスフォーマットでフォーマットするように使用され、これによってシンボル間干渉に対する信号の許容度を向上する。ＲＺパルスフォーマット化は電気領域で行われてもよい。
【００３０】
ノイズに対する耐性を向上するために、本発明の変調手法は最下位のデータ流の１以上を変調しないという選択肢を許容する。生成されたマルチレベル信号のデータレート全体は低下するが、信号はノイズに対して耐性を増す。これによって、信号データレート全体が送信リンクの品質に従って変化する、例えば、リンク品質が悪いほどデータレートが低いといったデータレート迅速送信の柔軟性が与えられ、許容できる送信性能を確実なものとする。そのようなデータレート迅速送信は本発明によって容易に実現できる。
【００３１】
ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号を検出するために、振幅変調に関連するデータ流は、K. Sekine他、「Proposal And Demonstration Of 10-G symbol/sec, 16-ary (40Gb/s) Optical Modulation/Demodulation Scheme」ECOC’04、論文We3.4.5に記載されるようなマルチレベル強度検出を用いて回復される。差分位相符号化に関連する他方のデータ流は異なる技術を用いて回復される。固定の位相状態のＯＤＭＰＳＫ信号は、例えば、各々が自身の２つのアーム間の予め決められた位相オフセットを有するような複数の光遅延干渉計（ＯＤＩ）、及びC．Kim他、「Direct-detection optical differential 8-level phase shift keying (OD8PSK) for spectrally efficient transmission」 Optics Express、２００４年、第１２巻、３４１５−３４１２ページに記載されるような、バイナリ判定回路の前にある複数の差動検出器を備える受信機によって復調及び検出される。そのような受信機に必要なＯＤＩの数は位相状態数の半分に等しい。例えば、ＯＤ１６ＰＳＫには８個のＯＤＩが必要である。このような実装は複雑かつ高価なものとなる。
【００３２】
代替手段として、２つのＯＤＩ、及びマルチレベル判定回路の前にある２つの差動検出器がＯＤＭＰＳＫ信号を受信するように用いることができるが、受信機感度が低下する。H. Yoon他、「Performance comparison of optical 8-ray differential phase-shift keying systems with different electrical decision schemes」Optics Express ２００５年、13, 371-376が参照される。
【００３３】
可変であり振幅に依存する位相状態数を持つＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号について、異なる振幅に対応する異なるマルチレベルの場合を網羅し、回復された振幅データに基づいて有用なデータを選択するために、ブルートフォース検出手法によってＯＤＩ及び差動検出器を複製する。
【００３４】
図４はＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号を受信するための受信機装置４００の実施例のブロック図である。入着ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号が１×３結合器４０１によって３つの光経路に分離される。第１の光経路は差動検出器４０４の前の位相オフセットΦ０のＯＤＩ４０２を含む。第２の光経路は差動検出器４０５の前の位相オフセットΦ０−π／２のＯＤＩ４０３を含む。ＯＤＩ４０２及び４０３各々における２つのアーム間の遅延はΔＴであり、これはほぼ１シンボル期間となる。
【００３５】
結合器４０１から出る第３の光経路はフォト検出器４０６に向けられる。検出器４０４、４０５及び４０６からの信号は「軟判定」ブロック４１０に送られる。軟判定ブロック４１０は、各検出信号について１つのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）４１４、４１５及び４１６を備える。自動利得制御（ＡＧＣ）要素４１１−４１３はＡＤＣ４１４−４１６の各々の前に光学的に設けられる。
【００３６】
ＡＤＣ４１４−４１６によって出力されるデジタル化された信号は、必要な判定変数全てを計算するとともにＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号に含まれるＮ個のデータ流全てをｃ１、ｃ２、・・・、ｃＮとして出力するデータ回復部４１７に供給される。
【００３７】
差動検出器４０４及び４０５によって検出された、それぞれｕＩ及びｕＱで表される２つの信号は以下のように表現できる。
【数１０】
なお、ｙ(ｔ)は受信機に入る正規化された信号の領域であり、Ｒｅ{ｘ}及びＩｍ{ｘ}はそれぞれ複素変数ｘの実部及び虚部である。
【００３８】
ＯＤＭＰＳＫ信号の位相状態に関連するデータ流を回復するために、所与の時刻に２つの比較シンボルの振幅レベルに従って複数の判定変数を得ることが望ましい。例えば、ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号はｍ個の振幅レベルを有し、最も高い振幅レベルは位相状態Ｍ＝Ｐ(ｍ)の最大数を有する。必要な判定変数の最大数はＭ／２であり、π／Ｍ、３π／Ｍ、・・・、(２Ｍ−１)π／Ｍの位相オフセット（ΔΦ）を有するＭ個のＯＤＩによって得られる。以下に示すように、Ｍ／２個の判定変数の各々は、たった２個のＯＤＩからの検出信号ｕＩ及びｕＱから導出される。より具体的には、所与のオフセットΔΦを持つＯＤＩに関連する判定変数は、
【数１１】
で表され、これは検出信号ｕＩ及びｕＱの関数として以下のように表現できる。
【数１２】
【００３９】
Ｍ＝２ｎ（ｎは２よりも大きい整数）の場合、Ｍ／２個の判定変数は、以下のように、位相状態に関連するｎ個のデータ流を回復するために使用できる。
【数１３】
なお、○の中に＋の記号は、排他即ち（ＸＯＲ）論理演算子を示す。
【００４０】
なお、復号されたデータ流が元のものであることを確実にするために、送信機での光変調前の元データ流の適切な事前符号化を使用してもよい。事前符号化関数は光変調手法並びに使用される光復調及び復号手法に基づいて決定される。
【００４１】
ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭの検出において、所与の時刻における判定変数は現在のシンボル及び直前のシンボルの強度レベルＩ(ｎ)及びＩ(ｎ−１)にそれぞれ依存する。検出器４０６によって供給されるＩ(ｎ)及びＩ(ｎ−１)を用いて、データ回復部４１７は式（８）−（１０）に従って位相変調に関連する必要な判定変数を計算できる。実際に、位相変調に関連する元のデータ流は、判定変数のシンボル毎の強度に依存する導出に基づいて回復される。なお、ＰＡＭに関連する判定変数はフォト検出器４０６で測定された信号強度プロファイルＩ(ｔ)を用いて簡単に得られる。最後に、データコンテンツが判定変数から直接的に、あるいは（送信機で符号化された変調が適用される場合には）更なる復号の後に、抽出される。
【００４２】
実施例では、データ回復部４１７は、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）において実施されるデジタル信号処理（ＤＳＰ）を用いて実装される。
【００４３】
上述の実施例は本発明のアプリケーションを表す可能な特定の実施例のうちのいくつか開示したにすぎないことが分かる。多数の及び種々の他の構成が発明の精神と範囲を離れることなく当業者によって実施され得る。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振幅及び差分位相で符号化された光信号を生成する方法であって、
光キャリアから、複数の増幅レベルを有するパルス振幅変調（ＰＡＭ）フォーマット光信号を生成するステップ、及び
位相状態数が振幅レベルに依存するとともに、所与の振幅レベルにおける位相状態数が、それより高い振幅レベルにおける位相状態数以下であり、少なくとも２つの振幅レベルが異なる位相状態数を有する、パルス振幅変調による光差分可変マルチレベル位相シフトキーイング（ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ）信号を生成するために、前記ＰＡＭフォーマット光信号を振幅変調するステップ及び位相変調するステップ
からなり、該位相変調するステップが、光キャリアを現在のシンボル及び先行シンボルの振幅レベルに従って位相変調するステップであって、該現在のシンボルの振幅が該先行シンボルの振幅よりも大きい場合に該現在のシンボルに許される位相状態数が該先行シンボルに許される位相状態数に等しくなるように位相変調するステップを含む、方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、該生成するステップが、
該光キャリアを、各々が異なる光パワーを有している多数の光信号に分波するステップ、
該多数の光信号の少なくとも１つを位相変調するステップ、及び
該多数の光信号を合波するステップ
を含む方法。
【請求項３】
請求項２の方法において、該光キャリアが、それぞれのパワー分波の分布（０．４＋ｍ／２）、（ｍ／４）、（ｍ／８）、・・・、（１）、（０.５）を有するｌｏｇ２（ｍ）＋１個の光信号に分波される方法。
【請求項４】
請求項１の方法において、該ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号の各振幅レベルにおける位相状態数が、振幅レベルが昇順で並べられた状態で振幅レベルの順序に略比例する方法。
【請求項５】
振幅及び差分位相で符号化された光信号を生成する装置であって、
光キャリアから、複数の増幅レベルを有するパルス振幅変調（ＰＡＭ）フォーマット光信号を生成するための手段、及び
位相変調器
からなり、該位相変調器が該ＰＡＭフォーマット光信号を位相変調して、位相状態数が振幅レベルに依存するとともに、所与の振幅レベルにおける位相状態数が、それよりも高い振幅レベルにおける位相状態数以下であり、少なくとも２つの振幅レベルが異なる位相状態数を有する、パルス振幅変調による光差分可変マルチレベル位相シフトキーイング（ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ）信号を生成し、該位相変調することが、光キャリアを現在のシンボル及び先行シンボルの振幅レベルに依存して位相変調し、該現在のシンボルの振幅が該先行シンボルの振幅よりも大きい場合に該現在のシンボルに許される位相状態数が該先行シンボルに許される位相状態数に等しくなるように位相変調することを含む、装置。
【請求項６】
請求項５の装置において、該ＰＡＭフォーマット光信号を生成するための手段が、
該光キャリアを、各々が異なる光パワーを有している多数の光信号に分波するための分波器、
該多数の光信号の少なくとも１つを位相変調する位相変調器、及び
該多数の光信号を合波する合波器
を含む装置。
【請求項７】
請求項６の装置において、該光キャリアが、それぞれのパワー分波の分布（０．４＋ｍ／２）、（ｍ／４）、（ｍ／８）、・・・、（１）、（０.５）を有するｌｏｇ２（ｍ）＋１個の光信号に分波される装置。
【請求項８】
請求項５の装置において、該ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号の各振幅レベルにおける位相状態数が、振幅レベルが昇順で並べられた状態で振幅レベルの順序に略比例する装置。
【請求項１】
振幅及び差分位相で符号化された光信号を生成する方法であって、
光キャリアから、複数の増幅レベルを有するパルス振幅変調（ＰＡＭ）フォーマット光信号を生成するステップ、及び
位相状態数が振幅レベルに依存するとともに、所与の振幅レベルにおける位相状態数が、それより高い振幅レベルにおける位相状態数以下であり、少なくとも２つの振幅レベルが異なる位相状態数を有する、パルス振幅変調による光差分可変マルチレベル位相シフトキーイング（ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ）信号を生成するために、前記ＰＡＭフォーマット光信号を振幅変調するステップ及び位相変調するステップ
からなり、該位相変調するステップが、光キャリアを現在のシンボル及び先行シンボルの振幅レベルに従って位相変調するステップであって、該現在のシンボルの振幅が該先行シンボルの振幅よりも大きい場合に該現在のシンボルに許される位相状態数が該先行シンボルに許される位相状態数に等しくなるように位相変調するステップを含む、方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、該生成するステップが、
該光キャリアを、各々が異なる光パワーを有している多数の光信号に分波するステップ、
該多数の光信号の少なくとも１つを位相変調するステップ、及び
該多数の光信号を合波するステップ
を含む方法。
【請求項３】
請求項２の方法において、該光キャリアが、それぞれのパワー分波の分布（０．４＋ｍ／２）、（ｍ／４）、（ｍ／８）、・・・、（１）、（０.５）を有するｌｏｇ２（ｍ）＋１個の光信号に分波される方法。
【請求項４】
請求項１の方法において、該ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号の各振幅レベルにおける位相状態数が、振幅レベルが昇順で並べられた状態で振幅レベルの順序に略比例する方法。
【請求項５】
振幅及び差分位相で符号化された光信号を生成する装置であって、
光キャリアから、複数の増幅レベルを有するパルス振幅変調（ＰＡＭ）フォーマット光信号を生成するための手段、及び
位相変調器
からなり、該位相変調器が該ＰＡＭフォーマット光信号を位相変調して、位相状態数が振幅レベルに依存するとともに、所与の振幅レベルにおける位相状態数が、それよりも高い振幅レベルにおける位相状態数以下であり、少なくとも２つの振幅レベルが異なる位相状態数を有する、パルス振幅変調による光差分可変マルチレベル位相シフトキーイング（ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ）信号を生成し、該位相変調することが、光キャリアを現在のシンボル及び先行シンボルの振幅レベルに依存して位相変調し、該現在のシンボルの振幅が該先行シンボルの振幅よりも大きい場合に該現在のシンボルに許される位相状態数が該先行シンボルに許される位相状態数に等しくなるように位相変調することを含む、装置。
【請求項６】
請求項５の装置において、該ＰＡＭフォーマット光信号を生成するための手段が、
該光キャリアを、各々が異なる光パワーを有している多数の光信号に分波するための分波器、
該多数の光信号の少なくとも１つを位相変調する位相変調器、及び
該多数の光信号を合波する合波器
を含む装置。
【請求項７】
請求項６の装置において、該光キャリアが、それぞれのパワー分波の分布（０．４＋ｍ／２）、（ｍ／４）、（ｍ／８）、・・・、（１）、（０.５）を有するｌｏｇ２（ｍ）＋１個の光信号に分波される装置。
【請求項８】
請求項５の装置において、該ＯＤＶＭＰＳＫ／ＰＡＭ信号の各振幅レベルにおける位相状態数が、振幅レベルが昇順で並べられた状態で振幅レベルの順序に略比例する装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１６０４７８（Ｐ２０１１−１６０４７８Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０５７６５（Ｐ２０１１−１０５７６５）
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【分割の表示】特願２００９−５２０７６６（Ｐ２００９−５２０７６６）の分割
【原出願日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【出願人】（５９６０９２６９８）アルカテル−ルーセント ユーエスエー インコーポレーテッド (965)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【分割の表示】特願２００９−５２０７６６（Ｐ２００９−５２０７６６）の分割
【原出願日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【出願人】（５９６０９２６９８）アルカテル−ルーセント ユーエスエー インコーポレーテッド (965)
【Ｆターム（参考）】
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