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2019 年度 実施状況報告書

直接検波器アレーの空間的冗長性を用いた位相回復型光コヒーレントレシーバ

研究課題

研究課題/領域番号 19K04384
研究機関国立研究開発法人情報通信研究機構

研究代表者

吉田 悠来  国立研究開発法人情報通信研究機構, ネットワークシステム研究所ネットワーク基盤研究室, 主任研究員 (50573036)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワード光コヒーレント伝送方式 / 位相回復 / 光検出器アレー / 光空間多重伝送
研究実績の概要

位相回復問題は、X線回折イメージングなど広範な分野で知られているが、光コヒーレント伝送方式への応用においては、特に高速の時系列に対する位相回復が求められる。この場合、観測モデルは線形畳み込みシステムとなり、既存の位相回復アルゴリズムの多くが不安定になってしまう。そこで、変調信号の振幅・位相が一般に離散的な値をとることに着目し、信号の離散性を正則化項として取り入れた頑強かつ低要求演算量の位相回復アルゴリズムDiscreteness-aware Reweighted Amplitude Flow (DRAF)を新たに提案した。さらに、位相回復に基づき、強度情報から通信路応答を推定する手法についても提案した。
これらアルゴリズムと当研究室で別途開発した広帯域高集積光検出器アレー(PDA)を用いることで、10Gbaud 光QPSK信号、16QAM信号、及びOFDM信号の位相回復型コヒーレント受信の実証実験に成功した。提案手法では、従来コヒーレント受信に必要とされた局発光あるいは参照光、また光ハイブリッド回路なしに、150um角のPDAのみで多様な光位相変調信号の受信が可能である。また、実証実験においては、偏波分離回路なしに、光偏波多重QPSK信号の受信に成功しており、この結果は、ランダムで空間的に冗長な観測に基づく提案方式が、空間多重方式に依らない、ユニバーサルな光空間多重伝送向けコヒーレント受信機として応用可能であることを示唆している。
以上、初年度においては、本研究課題のコアとなる、PDAの空間的冗長性を用いた局発光なしのコヒーレント受信という基本コンセプトの原理検証までを完了した。また、実証実験結果をフィードバックした数値解析を行い、位相回復受信に必要なPDA素子数や光散乱体に求められる要件など、次年度以降の最適化に向けた知見を得た。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

概要に示した通り、2019年度においては、既存の位相回復アルゴリズムを光コヒーレント受信応用の観点で比較検討し、検討結果をもとに、新たに頑強かつ高速な位相回復アルゴリズムDRAFを提案した。また、実装に際して必要となる、強度情報のみを用いた通信路推定、タイミング同期、DCバイアス補正などの信号処理についても、現実的なアルゴリズムを導出した。これらを用いることで、PDAのみを用いた光位相変調信号のコヒーレント受信の原理検証実験に成功し、本研究課題の基本コンセプトの実証を完了した。一方、提案手法でランダム観測に用いる光スクランブラについては、当初計画の通り、本年度はマルチモードファイバを用いたスクランブラについて検討を進め、オフセットスプライシングによるモード間分散の強調とその位相回復受信特性への影響を実験データをもとに評価し、スクランブラでの遅延広がりが十分であれば、従来のコヒーレント受信機と同等の、1空間チャネルあたり4PD程度で光QPSK信号の位相回復受信が可能であることを示した。
以上により、研究開発はおおむね順調に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

2020年度においては、当初計画の通り、位相回復に基づく信号検出や通信路推定アルゴリズムの特性改善に取り組む。一方、光スクランブラについては、空間光変調器、ディヒューザー、光共振器などを用いた再現性のあるスクランブラを実装し、スクランブラの応答と位相回復受信性能の定量的評価を行い、最適なスクランブラ設計につなげる。
なお、本年度は、新型コロナウィルスの感染拡大の影響で、実験実施や機材の調達に困難が生じる恐れがある。遅滞ない研究推進のため、上記テーマについては適宜、数値・理論解析による実施を検討する。

次年度使用額が生じた理由

PDアレー用精密ステージ(集光モジュールやモード合分波器など複数機材で構成される)が想定よりも多少安価であったため。次年度使用額については、翌年度分と合わせて光空間変調の購入に充て、効率的に使用する。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 3件、 招待講演 3件) 備考 (1件) 産業財産権 (2件)

  • [雑誌論文] A Phase-Retrieving Coherent Receiver Based on Two-Dimensional Photodetector Array2020

    • 著者名/発表者名
      Yoshida Yuki、Umezawa Toshimasa、Kanno Atsushi、Yamamoto Naokatsu
    • 雑誌名

      Journal of Lightwave Technology

      巻: 38 ページ: 90~100

    • DOI

      10.1109/JLT.2019.2947305

    • 査読あり
  • [学会発表] 位相回復信号処理を用いたキャリアレス光コヒーレント受信技術2020

    • 著者名/発表者名
      吉田悠来
    • 学会等名
      レーザー学会第40回年次大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Carrierless coherent receivers based on phase retrieval2020

    • 著者名/発表者名
      Yoshida Yuki
    • 学会等名
      Photonics West
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] On the Sample Complexity of Phase-Retrieval Receiver Based on 2-D Arrayed Photodetectors2020

    • 著者名/発表者名
      Yoshida Yuki、Umezawa Toshimasa、Kanno Atsushi、Inagaki Keizo, Yamamoto Naokatsu, Kawanishi Tetsuya
    • 学会等名
      Optical Fiber Communication Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] 高速光検出器アレーを用いた位相回復型コヒーレント受信方式2019

    • 著者名/発表者名
      吉田悠来, 梅沢俊匡, 菅野敦史, 山本直克
    • 学会等名
      電子情報通信学会 LQE/ OCS/ OPE研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Experimental demonstration of nural network based demodulation for on-off encoded eigenvalue modulation," in proc. ECOC2019

    • 著者名/発表者名
      Yoshida Yuki、Umezawa Toshimasa、Kanno Atsushi、Yamamoto Naokatsu
    • 学会等名
      The 45th European Conference on Optical Communication
    • 国際学会
  • [備考] 世界初、光コヒーレント伝送方式のための新しい受信方式を開発

    • URL

      https://www.nict.go.jp/press/2019/04/25-1.html

  • [産業財産権] 位相回復に基づく光変調器評価技術2020

    • 発明者名
      吉田 悠来、山本 直克
    • 権利者名
      吉田 悠来、山本 直克
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      20-036P
  • [産業財産権] 位相再生型光同期検波器2019

    • 発明者名
      吉田 悠来、梅沢 俊匡、菅野 敦史、山本 直克
    • 権利者名
      吉田 悠来、梅沢 俊匡、菅野 敦史、山本 直克
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      19-030P

URL: 

公開日: 2021-01-27  

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