Reconstruction of complex-modulated signals in direct-detection optical fiber communication systems

• Project/Area Number: 20K04464
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21020:Communication and network engineering-related
• Research Institution: Wakayama University
• Principal Investigator: Matsumoto Masayuki 和歌山大学, システム工学部, 教授 (10181786)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 光ファイバー通信 / コヒーレント光通信 / 直接検波 / 位相変調 / 位相再構成 / 強度輸送方程式 / Gerchberg-Saxtonアルゴリズム / Gerchberg Saxton アルゴリズム / 光ファイバ通信

Outline of Research at the Start

画像計測の分野で用いられている位相再構成手法を高速時系列直接検波光信号の位相読み取りに適用する。これにより、直接検波だけを用いて光信号の位相を検出することができる新しい種類の光ファイバ通信方式の実現を目指す。具体的な手法として、１次元分散媒質中を伝搬する光波に関する強度輸送方程式を解くことによって、受信機内の分散性ファイバを伝送させる前と後の強度波形から受信信号の位相を算出する方式を採用する。誤差が少ない位相再構成が可能であるための信号の条件を理論的に明らかにすると同時に、実験による検証を行う。

Outline of Final Research Achievements

Complex field reconstruction from direct-detection intensity waveforms of optical signals realizes simple and low-cost yet high-speed data transmission suitable for short-reach ( < hundred kilometers ) systems such as those used in inter-data-center networks. This research studies effectiveness of various algorithms for complex field reconstruction in direct detection optical receivers. Issues such as applicabilities of the algorithms to different modulation formats and tolerance to noise are discussed.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

光信号の直接検波においては受信信号の位相情報が基本として失われる。検波によって消失した位相情報を強度情報からどのようにして／どれだけ忠実に／どれだけ制約なく回復できるかを明らかにすることは、光ファイバ通信への応用に限らず工学や科学の幅広い分野における重要な課題である。光ファイバ通信において、直接検波によって取得した強度情報から受信光信号の位相を読み出すことによって、簡素な受信機構成による低コストで安定性のよいデータ伝送システムを構築でき、社会の情報通信基盤の発展に貢献できる。

Research Products

• [Journal Article] Complex field reconstruction of optical OFDM signals based on temporal transport-of-intensity equation (2021)
  • Author(s): Matsumoto Masayuki
  • Journal Title: Optics Express Volume: 29 Issue: 22 Pages: 36155-36155
  • DOI: 10.1364/oe.438149
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optical signal phase reconstruction based on temporal transport-of-intensity equation (2020)
  • Author(s): Masayuki Matsumoto
  • Journal Title: Journal of Lightwave Technology Volume: 38 Issue: 17 Pages: 4722-4729
  • DOI: 10.1109/jlt.2020.2995640
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Iterative field reconstruction using Gerchberg-Saxton and Fienup algorithms in IM/DD PAM4 signal transmission (2022)
  • Author(s): Masayuki Matsumoto
  • Organizer: 27th OptoElectronics and Communications Conference (OECC2022), TuP-B-3
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Iterative field reconstruction in direct-detection receiver using the Fienup input-output algorithm (2022)
  • Author(s): Masayuki Matsumoto
  • Organizer: 2022 IEEE Photonics Conference (IPC2022), TuF1.2
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 時間領域強度輸送方程式を用いた光OFDM信号の複素振幅再構成 (2021)
  • Author(s): 松本正行
  • Organizer: 電子情報通信学会光通信システム研究会
• [Presentation] Field reconstruction of optical OFDM signals using temporal transport-of-intensity equation (2021)
  • Author(s): Masayuki Matsumoto
  • Organizer: IEEE Photonics Society, 2021 Summer Topicals Meeting Series
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Analysis of optical OFDM signal reconstruction using temporal transport-of-intensity equation (2021)
  • Author(s): Masayuki Matsumoto
  • Organizer: The 12th International Conference on Information Optics and Photonics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] IM/DD伝送における受信光信号位相の反復計算による検出 (2021)
  • Author(s): 松本正行、高橋拓也
  • Organizer: 2021年電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Presentation] Comparison of iterative field reconstruction schemes for IM/DD PAM4 signal transmission (2021)
  • Author(s): Masayuki Matsumoto and Takuya Takahashi
  • Organizer: Asia Communications and Photonics Conference (ACP 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 局部発振光を用いないコヒーレント受信方式 (2021)
  • Author(s): 松本正行
  • Organizer: 電子情報通信学会超高速光エレクトロニクス研究会
  • Invited
• [Presentation] Field reconstruction of optical OFDM signals using temporal transport-of-intensity equation (2021)
  • Author(s): Masayuki Matsumoto
  • Organizer: IEEE Photonics Society Summer Topicals Meeting Series
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] 次世代高速通信に対応する光回路実装、デバイスの開発（第12章第8節 “光直接検波信号からの位相情報の読み取り技術”、執筆） (2022)
  • Author(s): 松本正行（分担執筆：執筆者総数62名）
  • Total Pages: 628
  • Publisher: 技術情報協会
  • ISBN: 9784861049019
• [Remarks] 和歌山大学システム工学部 松本正行のホームページ
  • URL: https://web.wakayama-u.ac.jp/~mmatsu/
• [Remarks] 松本正行のホームページ
  • URL: https://web.wakayama-u.ac.jp/~mmatsu/