Duo-binary encoder and optical duo-binary transmission apparatus using the same

本発明は、光(optical)デュオバイナリ(duobinary)送信技術を用いた光デュオバイナリ伝送装置に関し、特に、パラレルプロセシング(parallel processing)を遂行するデュオバイナリエンコーダ及びこれを用いた光デュオバイナリ伝送装置に関する。

一般に、高密度波長分割多重方式(Dense Wavelength Division Multiplexing:以下、ＤＷＤＭ)の光伝送システムは、単一の光ファイバー内に相異なる波長を有する複数のチャネルで構成された光信号を伝送することによって、伝送効率を高めることができ、伝送速度とは無関係に光信号を伝送することができるので、最近のように伝送量が増加している超高速インターネット・ネットワークに有用に使われているシステムである。 現在、ＤＷＤＭを利用して１００個以上のチャンネルを一つの光ファイバーを通じて伝送するシステムが常用化されており、また、単一の光ファイバーに２００個以上の４０Gbpsチャンネルを同時に伝送して１０Tbps以上の伝送速度を有するシステムについての研究も活発に行われている。

しかしながら、急激なデータトラフィックの増加と４０Gbps以上の高速データ伝送要求によって、既存のＮＲＺ(Non Return to Zero:以下、ＮＲＺ)法を用いて光強度を変調するとき、チャンネル間隔が５０GHz以下になると、急激なチャンネル間の干渉と歪曲により、伝送容量の拡張に限界が生じる。 そして、既存のバイナリ(binary)ＮＲＺ伝送信号のＤＣ周波数成分と変調のときに拡散された高周波成分は、光ファイバー媒質での伝播のとき、非線形と分散をもたらして、１０Gbps以上の高速伝送においては伝送距離に限界を有する。

近年、色分散(chromatic dispersion)による伝送距離制限を克服することができる光伝送技術として、光デュオバイナリ技術が注目を浴びている。 デュオバイナリ伝送の主要な長所は、伝送スペクトラムが一般的なバイナリ伝送に比べて減るということである。 分散制御システムにおいて、伝達距離は伝送スペクトラム帯域幅の二乗に反比例する。 これは、伝送スペクトラムが１/２に減れば、伝達距離は４倍になるということを意味する。 さらに、搬送波周波数がデュオバイナリ伝送スペクトラム内で抑圧されるので、光ファイバー内で刺激されたブリュアン散乱(Brillouin Scattering)による出力光電力に対する制限を緩和させることができる。

図１は従来の光デュオバイナリ伝送装置の一構成例を示したブロック図である。 該図に示すように、従来の光デュオバイナリ伝送装置１００は、Ｎ個のチャンネルのデータ入力信号を多重化して出力する多重化器１０１と、該多重化された信号を符号化するプリコーダ１０２と、プリコーダ１０２から出力される２-レベルのＮＲＺ電気信号を３-レベルの電気信号に変換し、信号の帯域幅を減らす低域通過フィルター１０３と、上記３-レベル電気信号を増幅して光変調器駆動信号を出力する変調器駆動増幅器１０４と、搬送波を出力するレーザー光源(laser source)１０５と、マッハ-ツェンダータイプの光強度変調器(Mach-Zehnder interferometer type optical intensity modulator)１０６と、を備えた構成とされる。

上記構成を有する従来の光デュオバイナリ伝送装置の動作は、次の通りである。

再び図１を参照すると、Ｎ個のチャンネルの各入力信号は、多重化器１０１で多重化された後にプリコーダ１０２で符号化される。 プリコーダ１０２から出力された２-レベルのバイナリ信号は、低域通過フィルター１０３にそれぞれ入力される。 また、低域通過フィルター１０３は、上記２-レベルバイナリ信号のクロック周波数(clock frequency)の約１/４に該当する帯域幅を有する。 このような帯域幅の過度の制限により、コード間の干渉が発生し、コード間の干渉により上記２-レベルバイナリ信号は、３-レベルのデュオバイナリ信号(３-level Duo-binary signal)に変換される。 そして、３-レベルデュオバイナリ信号は、変調器駆動増幅器１０４により増幅された後に、マッハ-ツェンダータイプの光強度変調器１０６の駆動信号として使用され、レーザー光源１０５から出力された搬送波は、マッハ-ツェンダータイプの光強度変調器１０６の駆動信号に応じて位相及び光強度変調され、２-レベルの光デュオバイナリ信号として出力される。

図２は図１の光デュオバイナリ伝送装置を用いて'１１０１１０００１００１１００１１１０１'の信号を伝送した場合の、出力光信号のパターンの例と位相変換(phase shift)を示した図である。 該図に示すように、データ入力信号が'０'になる度に、位相が'π'だけシフトされることが分かる。

しかしながら、上記従来技術では、電気的低帯域通過フィルターを用いて３-レベルデータ信号を形成するときに、入力信号のパターンに応じて伝送特性が低下する現象が発生する、という問題点があった。

また、上記従来技術は、ｎ個の入力光信号を多重化器を通じて時分割多重化した後にプリコーダを通じてコーディングするため、データの伝送速度が多重化前に比べてｎ倍増加するようになる。 これはデータ伝送速度に相応する高速度のプリコーダを必要とすることを意味する。 しかしながら、一般的なプリコーダの場合、排他的論理和(ＸＯＲ:Exclusive OR)ゲート(以下、ＸＯＲゲートと言う。)と該ゲートからの出力信号を１データビットだけ時間遅延させてフィードバック(feedback)させる構造を用いることになる。 そのため、高速のデータ信号の場合、ＸＯＲゲート自体の速度の限界と時間遅延により、高速のプリコーダの実現は困難であった。

また、上記従来技術は、'０'になる度に位相がシフトする特徴を有しており、この場合、連続する'０'の個数が偶数である場合には、連続する'０'のデータとそれに隣接する'１'のデータ間には位相変換（シフト）が発生しない問題点がある。

図３は従来の光デュオバイナリ伝送装置の他の構成例を示したブロック図であり、図４は図３の光デュオバイナリ伝送装置を用いて'１１０１１０００１００１１００１１１０１'の信号を伝送した場合の、(1)，(2)，(3)，(4)，(5)（図中は丸付数字、以下同様）の各地点での出力信号を示したものである。

図３に示すように、従来の光デュオバイナリ伝送装置２００は、Ｎ個のチャンネルのデータ入力信号を多重化して出力する多重化器２０１と、該多重化された信号を位相情報を含むように符号化するエンコーダ２０２と、該符号化された信号を３-レベルの電気信号に変換する結合器(または加算器)２０３と、上記３-レベル電気信号を増幅して光変調器駆動信号を出力する変調器駆動増幅器２０４と、搬送波を出力するレーザー光源(laser source)２０５と、マッハ-ツェンダータイプの光強度変調器(Mach-Zehnder interferometer type optical intensity modulator)２０６と、を備えた構成とされる。

かかる従来の光デュオバイナリ伝送装置２００の場合には、低帯域通過フィルターを使用しないだけでなく、プリコーダをも必要としない。 その代わりに、光デュオバイナリ信号の重要特性である位相シフトを有するようにするために、エンコーダ２０２では、多重化器２０１から多重化され出力されるデータ信号1)の中で、位相を変換させないデータ(2)と位相変換が必要なデータ(3)をそれぞれ出力するようにする。 エンコーダ２０２の出力信号(2)，(3)は、結合器(または加算器)２０３により３-レベル信号(4)に変換され、光強度変調器２０６を経て位相シフトを有する光デュオバイナリ信号(5)として出力される。

しかしながら、上述した図３の光デュオバイナリ伝送装置も、図１の装置と同様に、Ｎ個のチャンネルの入力信号を多重化した後にエンコーディングするために、高速のエンコーダが要求され、エンコーダを構成する電気的素子が有する速度の限界により、高速のエンコーダの実現は困難であった。

したがって、本発明の目的は、既存の低速の電気的素子を使用しながら高速のデュオバイナリエンコーダを実現できるデュオバイナリエンコーダ及びこれを用いた光デュオバイナリ伝送装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、入力データ信号の連続された'０'の個数が偶数である場合にも、これに隣接する少なくとも一つの'１'のデータ間に１８０゜の位相シフトを与えることにより、入力信号のデータパターンの影響を最小化するデュオバイナリエンコーダ及びこれを用いた光デュオバイナリ伝送装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、既存のフィードバック形態のプリコーダと電気的低帯域通過フィルターを使用せず、波長分散に強い特性を有する光デュオバイナリ伝送装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明のデュオバイナリエンコーダは、ｎ番目に入力されるＮ個のチャンネルのデータ入力信号が'０'から'１'、または'１'から'０'にレベル変化されることを検知するレベル変化検知部と、前記レベル変化検知部によって検知されたレベル変化の個数が奇数個であるか偶数個であるかを判別する判別部と、前記レベル変化の個数が奇数個である場合に、前記判別部の出力信号をトグルするトグル部と、前記Ｎ個のチャンネルの内の所定のチャンネルに基づくデータ入力信号によって、残りのチャンネルの位相を変換させるか否かを決定する中間信号生成部と、前記中間信号生成部の出力信号と前記データ入力信号によって、位相を変換させないデータグループと位相変換(phase shift)が必要なデータグループとに分離して出力する位相分離部と、を備える。

上記目的を達成するために本発明の光デュオバイナリ伝送装置は、Ｎ個のデータ入力信号をパラレルプロセシング(parallel processing)により位相を変換させないデータグループと位相変換(phase shift)が必要なデータグループとに分離して出力するエンコーダと、前記位相を変換させないデータグループと位相変換が必要なデータグループをそれぞれ多重化する第１及び第２の多重化器と、前記第１及び第２の多重化器によりそれぞれ多重化された信号を結合して３-レベル信号を出力する結合器と、光搬送波を出力する光源と、前記３-レベル信号により前記光搬送波を光デュオバイナリ信号に変調させて出力する光変調器と、を含み、前記エンコーダは、ｎ番目に入力されるＮ個のチャンネルのデータ入力信号が'０'から'１'、または'１'から'０'に変化されることを検知するレベル変化検知部と、前記レベル変化検知部によって検知されたレベル変化の個数が奇数個であるか偶数個であるかを判別する判別部と、前記レベル変化の個数が奇数個である場合に、前記判別部の出力信号をトグルするトグル部と、前記Ｎ個のチャンネルの内の所定のチャンネルに基づくデータ入力信号によって、残りのチャンネルの位相を変換させるか否かを決定する中間信号生成部と、前記中間信号生成部の出力信号と前記データ入力信号によって、位相を変換させないデータグループと位相変換(phase shift)が必要なデータグループとに分離して出力する位相分離部と、を備える。

望ましくは、前記光デュオバイナリ伝送装置は、前記３-レベル信号を増幅して前記光変調器の駆動信号として供給する駆動増幅器をさらに含む構成とする。

また、本発明の他の側面としてのデュオバイナリエンコーディング方法は、ｎ番目に入力されるＮ個のチャンネルのデータ入力信号が'０'から'１'、または'１'から'０'にレベル変化されることを検知する過程と、検知されたレベル変化の個数が奇数個であるか偶数個であるかを判別する過程と、判別出力信号を供給する過程と、前記レベル変化の個数が奇数個である場合に、前記判別出力信号をトグルする過程と、前記Ｎ個のチャンネルの内の所定のチャンネルに基づくデータ入力信号によって、残りのチャンネルの位相を変換させるか否かを決定する過程と、決定出力信号を供給する過程と、前記決定出力信号と前記データ入力信号によって、位相を変換させないデータグループと位相変換が必要なデータグループとに分離する過程と、前記分離された第１及び第２のデータグループを出力する過程と、を含む。

以下、本発明に従う好適な一実施形態について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

明瞭性と簡明性の観点より、下記の説明において、関連した公知機能又は構成についての具体的な説明は、本発明の要旨を不明瞭にする虞があると判断される場合には省略する。

図５は本発明の実施形態による光デュオバイナリ伝送装置の構成を示したブロック図である。 図５で、本実施形態の光デュオバイナリ伝送装置３００は、Ｎ個のデータ入力信号を符号化するエンコーダ４００と、該符号化された信号を多重化する第１及び第２の多重化器３０１，３０２と、該第１及び第２の多重化器３０１，３０２の出力信号を結合する結合器(または加算器)３０３と、該結合器３０３の出力信号を増幅する駆動増幅器３０４と、搬送波を出力する光源(light source)３０５と、マッハ-ツェンダータイプの光強度変調器(Mach-Zehnder interferometer type optical intensity modulator)３０６と、を含んで構成される。

エンコーダ４００は、Ｎ個のチャンネルの入力信号をパラレルプロセシング(parallel processing)により符号化する役割を遂行する。

図６はパラレルプロセシングを遂行するデュオバイナリエンコーダ４００の一実施形態の構成を示した図であり、本実施形態はフィード-フォワード(feed-forward)方式を使用して構成した例であり、入力信号の個数(Ｎ)が４である場合を示した図である。 なお、図６は図５の構成でエンコーダ４００により符号化された信号を多重化する第１及び第２の多重化器３０１，３０２も共に示した図であり、図７は図６の入出力信号の例を示した図である。

図６を参照すると、デュオバイナリエンコーダ４００は、レベル変化検知部４１０と、判別部４２０と、トグル部４３０と、中間信号生成部４４０と、位相分離部４５０と、を含んでいる。

図６を参照すると、レベル変化検知部４１０は、入力信号が'０'から'１'、または'１'から'０'にレベルが変化されることを検知するユニットであり、これは最終変調された信号で'０'から'１'に変化するか、'１'から'０'に変化するときに、位相シフト(phase shift)を与えるためのものである。 レベル変化検知部４１０は、１ビット遅延器(１bit-delay)と４個のＡＮＤゲート(ＡＮＤ１乃至ＡＮＤ４)で構成される。 それぞれのＡＮＤゲート(ＡＮＤ１乃至ＡＮＤ４)の二つの入力の内、上側の入力(入力１)にはインバータ(図６では「ｏ」で表示される)が接続され、したがって、ＡＮＤゲートの二つの入力がそれぞれ'０'と'１'である場合には、'１'が出力される。 本実施形態でそれぞれの入力１にインバータがあるＡＮＤゲート(ＡＮＤ１乃至ＡＮＤ４)は、入力信号が'０'から'１'に変化されることを検知するようにするための構成である。 これとは逆に、すなわち前記それぞれのＡＮＤゲート(ＡＮＤ１乃至ＡＮＤ４)の入力にあるインバータの位置を入力１の代わりに、入力２の部分に接続させれば、最終変調された信号で'１'から'０'に変わるときに、位相シフトが発生するようにすることができる。

判別部４２０は、レベル変化検知部４１０で発生した'１'の個数が奇数個であるか偶数個であるかを判別する。 すなわち、'０'から'１'に変化されることの個数が奇数個であるか偶数個であるかを知らせる。 例えば、判別部４２０は、'１'の総個数が奇数であるか、偶数であるかによって、それぞれ'１'と'０'を出力する(図７参照)。 判別部４２０は、ピラミッド形態(pyramid configuration)で接続された３個のＸＯＲゲート(ＸＯＲ１乃至ＸＯＲ３)で構成される。

トグル部４３０は、判別部４２０の出力信号が'１'である場合、すなわち、入力信号の“１“の個数が奇数である場合に、判別部４２０の出力信号をトグルさせる。 トグル部４３０は、ＡＮＤゲート(ＡＮＤ５)とＴ-フリップフロップ(Toggle Flip-Flop:以下、Ｔ−ＦＦと言う。)とが接続された構成とされ、判別部４２０の出力信号とクロック(ＣＬＫ)信号をＡＮＤ演算して、該演算後の信号(ANDed signal)をＴ−ＦＦを通過させながら、ｎ番目の出力信号ｂ _４ｎ+４を生成する。 判別部４２０の出力信号とクロック信号(ＣＬＫ)のＡＮＤ演算(ＡＮＤ５)を通して得た信号は、Ｔ−ＦＦに入力され、その結果、信号が増加する部分(rising edge:図７に矢印で図示)ごとにＴ−ＦＦで信号のトグルが発生する。

中間信号生成部４４０は、Ｎ個のチャンネルのうち、ｎ番目の出力信号ｂ _４ｎ+４に基づく入力信号ａ _ｎによって、トグルするか否かを決定するユニットであり、３個のＸＯＲゲート(ＸＯＲ４乃至ＸＯＲ６)で構成される。

位相分離部４５０は、中間信号生成部４４０で生成された中間信号(ｂ _４ｎ+１ 、ｂ _４ｎ+２ 、ｂ _４ｎ+３ 、ｂ _４ｎ+４ )と入力信号を光デュオバイナリ信号に変換するときに、位相を変換(shift)させない信号（データグループ）と１８０゜位相を変換させる信号（データグループ）とに分離する。 位相分離部４５０は、８個のＡＮＤゲート(ＡＮＤ６乃至ＡＮＤ１３)及び４個のインバータ(図６では「ｏ」で表示)で構成される。 すなわち、ｂ _４ｎ+ｋ (ここで、ｋ=１，２，３，４)信号と入力信号ａ _４ｎ+ｋをＡＮＤ演算することにより、最終的なｃ _４ｎ+ｋ信号とｄ _４ｎ+ｋ信号とを得ることができる。 本実施形態では、ＸＯＲゲートを通過することによって発生する時間遅延を補償するために、一つの入力に'０'が印加されるＸＯＲゲートをエンコーダ４００に挿入することができる。

また、ＡＮＤゲートでの時間遅延を補償するために、一つの入力に'１'が印加されるＡＮＤゲートをエンコーダ４００に挿入することができ、さらに、Ｔ−ＦＦによる時間遅延を補償するためにＤ−ＦＦを使用することができる。

上記構成を有する本発明による光デュオバイナリ伝送装置３００の動作は、次の通りである。 なお、参照する図８は、図５の(6)，(7)，(8)，(9)（図中は丸付数字。以下同様であり、他の図についても同様である。）の各地点での出力信号の例を示したものである。

図５及び図８を参照すると、エンコーダ４００を通じてエンコーディングされた信号(ｃ _ｎ及びｄ _ｎ )を多重化器３０１，３０２を用いてそれぞれ時分割多重化すると(図８で、Mux１ Output，Mux２ Output)、信号(6)，(7)を得ることができ、これは図４の出力信号(Signal2)，Signal3))と同一である（なお、図４と図８とでは少し違う信号波形となっているが、これは相異なるデータを例に挙げたからである。すなわち、図８の信号(6)，(7)の値は、図２の単チャンネルのデータではなく、図７のａ _４ｎ+１ 〜ａ _４ｎ+４の４つのデータを並列入力させたとき、ＴＤＭへＭＵＸされ出力される値である。）。

多重化器３０１，３０２の出力信号(6)，(7)は、結合器(または加算器)３０３により３-レベルのデュオバイナリ信号(8)に変換され、変調器駆動増幅器３０４により増幅された後に、マッハ-ツェンダータイプの光強度変調器３０６の駆動信号として使用される。 レーザー光源３０５により出力された搬送波は、マッハ-ツェンダータイプの光強度変調器３０６の駆動信号によって位相シフトを有する２-レベルの光デュオバイナリ信号に出力される(信号(9))。

上述したように、本発明によるデュオバイナリエンコーダは、時分割多重化が行われる前にパラレルプロセシングを通じてエンコーディングすることにより、高速のデータによる隘路（bottleneck）現象を、既存の低速の電気素子を使用しながらも防止することができる。 また、既存のフィードバック形態のエンコーダが使用されないので、従来装置のような入力信号の個数の制限が無くなる。

したがって、本発明によるデュオバイナリエンコーダを用いて光デュオバイナリ伝送装置を構築する場合には、高速のプリコーダを使用しなくてもよい。

また、電気的な低帯域通過フィルターを使用することなく、デュオバイナリ信号が交差される位相特性を有するようにすることによって、擬似雑音ビットシーケンス(PRBS)に対する影響をなくすことができる。

さらに、本発明によれば、光デュオバイナリ信号の位相シフトを連続した'１'で有するように調整することができ、これによって、既存の'０'が偶数個であるときに位相シフトが無い従来の短所を改善することができる。

従来の光デュオバイナリ伝送装置の一構成例を示したブロック図である。

図１の光デュオバイナリ伝送装置を用いた出力信号の例を示した図である。

従来の光デュオバイナリ伝送装置の他の構成例を示したブロック図である。

図３の(1)，(2)，(3)，(4)，(5)の各地点での出力信号の例を示した図である。

本発明の一実施形態による光デュオバイナリ伝送装置の構成を示したブロック図である。

本発明によるパラレルプロセシングを遂行するデュオバイナリエンコーダの構成例を示した図である。

図６の入出力信号の例を示した図である。

図５の(6)，(7)，(8)，(9)の各地点での出力信号の例を示した図である。

符号の説明

３００ 光デュオバイナリ伝送装置 ４００ エンコーダ（デュオバイナリエンコーダ）
４１０ レベル変化検知部 ４２０ 判別部 ４３０ トグル部
４４０ 中間信号生成部
４５０ 位相分離部 ３０１ 第１の多重化器 ３０２ 第２の多重化器 ３０３ 結合器 ３０４ 駆動増幅器 ３０５ 光源 ３０６ 光強度変調器