Optical performance monitoring (OPM) is an important issue for proper operation of next-generation optical networks. Among various monitored parameters, the optical signal-to-noise ratio (OSNR) and fiber transmission impairments such as chromatic dispersion (CD), polarization mode dispersion (PMD), and polarization dependent loss (PDL) are paid special attention, because they serve information of the channel quality, which helps to manage the network. Several methods have been proposed for monitoring tasks, which are based on pilot tones, RF tones, asynchronous histogram, and fiber nonlinear effects. Most of them need costly devices, tap optical power from the channel, and introduce transmission overhead. On the other hand, in this research, we investigate OPM based on digital coherent receivers, which overcomes such difficulties and ensures cost-efficient, robust and reliable monitoring.

Linear channel impairments such as CD, PMD, and PDL are monitored from the transfer functions of adaptive filters. A digital coherent receiver allows polarization demultiplexing and equalization of all these impairments by using four finite-impulse-response (FIR) filters structured in a two-by-two butterfly configuration. After the filters are adapted by a suitable algorithm, we can construct a frequency-dependent two-by-two matrix with four elements, which are transfer functions of the adapted four FIR filters. The inverse of this matrix is called the monitoring matrix and can be approximated as the transfer matrix of the channel, and contains combined effects of CD, PMD and PDL. A precise algorithm is required to separate out the impairments from this matrix. We propose a simple and unified algorithm to separate out CD, differential group delay (DGD), PDL, and second-order PMD from the monitoring matrix. The components of second-order PMD, polarization-dependent chromatic dispersion (PCD) and depolarization (DEP) of principal states of polarization are obtained separately. This algorithm has an advantage that individual impairment can be estimated directly from the monitoring matrix without any matrix decomposition; thus it enables accurate estimation of the impairments, even when the transmitted signal suffers from distortion stemming from various origins. Also, no additional hardware is required for our proposed algorithm.

For filter adaptation, we use the constant-modulus algorithm (CMA), as it enables long-tap- filter adaptation efficiently even in the presence of large laser phase noise unlike the commonly used decision-directed least-mean-square (DD-LMS) algorithm. However, CMA can suffer from the singularity problem which means both the output ports of butterfly configuration converge to the same polarization tributary. Consequently, we avoid the singularity problem by introducing the training mode in CMA. In the training mode, the LMS algorithm is used to determine in which output port of the butterfly configuration each polarization tributary appears, and after such initial training the algorithm is switched to the blind CMA to enable high-order-filter adaptation. The multi-impairment monitoring algorithm and the singularity-free operation of CMA with the training mode, which we have proposed in this thesis, are verified by dual-polarization quadrature phase-shift keying (QPSK) transmission experiments.

For such an impairment-monitoring method, the delay tap length of filters should be long enough to compensate for all the impairments. However, the computational complexity of FIR filters increases with the number of taps. The frequency-domain approach can reduce this computational cost by block-by-block processing and fast implementation of discrete Fourier transform (DFT). However, the adaptive frequency-domain equalizer (FDE) has hardly been investigated for optical communication systems. We have proposed a novel adaptive FDE based on CMA, which maintains all the advantages of the adaptive TDE based on FIR filters. Even in the block processing mode of FDE, it can work on the twofold-oversampled input sequence by introducing even and odd sub-equalizers. Therefore, when we configure this filter in the butterfly structure, we can achieve adaptive equalization together with polarization demultiplexing and adjustment of the arbitrary initial sampling phase of analog-to-digital converters (ADCs) so that the best symbol-spaced sequence is produced. The equalization performance of the proposed adaptive FDE as well as multi-impairment monitoring from the equalizer is verified by dual-polarization QPSK transmission experiments.

We have proposed a novel OSNR monitoring method. This is based on the analysis of higher-order statistical moments of adaptive-equalizer output in digital coherent receivers. After equalization and clock recovery by an adaptive equalizer, symbol-spaced signal samples and noise samples have well-defined but dissimilar statistical properties. In our proposed algorithm, we measure the second- and fourth-order moments of the adaptive-equalizer output. Then, by using the known statistics of the phase-modulated signal in the QPSK format and amplified spontaneous emission (ASE) noise, we estimate the OSNR. The proposed method is simple and accurate. We also experimentally verify this monitoring algorithm with 10-Gsymbol/s QPSK transmission experiments.

本論文は,Optical Performance Monitoring in Digital Coherent Receivers(ディジタルコヒーレント受信器を用いた光パフォーマンスモニタリング)" と題し,英文で執筆されており,6 章からなる。

光パフォーマンスモニタリングは,次世代光ネットワークを構築するための重要な技術である。適切にネットワークを運用するためには,受信信号の光信号対雑音比(OSNR) や伝送路の波長分散(CD),偏波モード分散(PMD),偏波依存損失(PDL) などを観測する必要がある。本研究では,このような要求に応えるために,低コストかつ信頼性の高い,ディジタルコヒーレント受信器を用いた新しい光パフォーマンスモニタリング技術を提案・実証している。

第1 章はIntroduction" であり,光パフォーマンスモニタリングの重要性を論じ,パフォーマンスモニタリングに関する既存技術をまとめた後,本論文の目的と構成について述べる。

第2 章はBackground of Digital Coherent Receivers" と題し,コヒーレント光検出の原理とディジタル信号処理アルゴリズムの概要について述べる。

第3 章はMulti-Impairment Monitoring from Adaptive FIR Filters" と題し,CD,PMD,PDL のような線形な伝送路障害を,適応フィルタの伝達関数から求める手法について述べる。ディジタルコヒーレント受信器では,検波後にバタフライ構成の有限インパルス応答(FIR) フィルタを用いることにより,偏波多重分離および信号等化が可能である。フィルタを適切なアルゴリズムを用いて適応的に制御することにより,2 × 2 の行列を構築できる。この逆行列はモニタリング行列と呼ばれ,これからCD,PMD,PDL の情報を含む伝送路の伝達関数を推定することができる。

本論文では,モニタリング行列を用いて,CD,PMD,PDL を分離する簡易なアルゴリズムを提案した。このアルゴリズムを用いれば,様々な伝送路障害が同時に存在していようとも,行列分解することなくモニタリング行列から直接,個別の伝送路障害を求めることができる。

本論文で提案するモニタリングアルゴリズムの有効性は,偏波多重4相位相変調(QPSK)信号の伝送実験により確認された。CD,PMD,PDL の評価を行い,十分なモニタリング精度が得られることを示した。

第4 章はMulti-Impairment Monitoring from Adaptive FDE" と題し,周波数領域等化器(FDE) を用いた光パフォーマンスモニタリングについて述べる。第3 章でのべたFIRフィルタを用いた場合,伝送路障害モニタリングを正しく行うためには,フィルタタップ長は十分長くなければならない。しかし,FIR フィルタの計算コストはタップ数とともに増加する。一方で,周波数領域での処理を用いれば,ブロック処理および離散フーリエ変換(DFT) の高速実装によって計算コストを減少させることができる。本論文では,新たな適応FDE アルゴリズムを提案し,偏波多重QPSK 信号の伝送実験系に本適応等化アルゴリズムを適用して,信号等化を行った。さらに,得られた2×2 伝達関数の逆行列から,FIR フィルタと同じ精度でCD,PMD,PDL の評価が可能であることを示した。

第5 章はMonitoring of Optical Signal-to-Noise Ratio" と題し,ディジタルコヒーレント受信器を用いた新しいOSNR モニタリング技術を提案している。OSNR モニタリングは,適応等化器出力の高次の統計学的モーメントを解析することにより行われている。適応等化器による等化後,信号および雑音は異なる統計的性質を持つので,2 次および4次のモーメントを測定することにより,位相変調信号およびガウス雑音を分離し,OSNRを推定することができることを示した。本方式の有効性は,QPSK の伝送実験により確認された。

第6 章はConclusions" であり,本論文で得られた成果をまとめ,今後の展望について述べている。

以上のように本研究では,ディジタルコヒーレント受信器を用いて,伝送路の波長分散,偏波モード分散,偏波依存損失および信号の光信号対雑音比をモニタする手法を開発した。まず,適応等化器によって推定されるモニタリング行列から,波長分散,偏波モード分散,偏波依存損失を分離するアルゴリズムを開発し,その有効性をFIR フィルタおよびFDE に基づく適応等化器を用いたQPSK 伝送実験によって実証した。さらに,適応等化器出力の高次の統計学的モーメントを解析することによって光信号対雑音比を評価する方法を提案し,その有効性をQPSK 伝送実験によって示した。これらの成果は,将来の大容量光ネットワークの発展に寄与し,電子工学への貢献が多大である。

よって本論文は,博士(工学) の学位請求論文として合格と認められる。