JP6911109B2 - 光ファイバ通信に対する方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は一般に、通信システムに関し、より具体的には、多値パルス振幅変調ＰＡＭ−Ｍを用いて強度変調（ＩＭ）またはパワー変調されたチャネルの送信速度及びスペクトル効率を改善することを助ける方法、システム、及びデバイスに関する。

インターネットトラフィックの指数関数的成長が、データセンタにおける送信データレートの増加を促進している。２０２０年までに、５０Ｇｂｐｓ／レーン以上の速度で動作する送受信装置が大量に利用されることが予測される。データセンタで用いられる主流の光媒体タイプはマルチモード及びシングルモードの光ファイバである。両方のファイバタイプにおいて２５Ｇｂｐｓを上回るデータレートを実現するために必要な送受信装置にとって好ましい変調形式は、パルス振幅変調（ＰＡＭ）、詳細にはＰＡＭ−４である。直接変調された垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）ベースの送受信装置にとって、５０Ｇｂｐｓを超えるデータレートにおけるＰＡＭ−４の実装は、レーザ応答が遅くて非線形であるため困難である。この遅くて非線形な応答の結果、信号劣化が生じる。これは、アイダイアグラムにおける非一様で及び／または歪んだアイによって示すことができる。

この結果、高データレート（たとえば、５０Ｇｂｐｓ以上）における光信号送信を最適化して、チャネル障害（たとえば、とりわけレーザジッタ、レーザアイ傾斜、光学分散、及び歪み）によって生じる光学ペナルティを低減する方法、システム、及びデバイスのさらなる発展が求められている。

したがって、チャネル障害（たとえば、とりわけレーザジッタ、レーザアイ傾斜、光学分散、及び歪み）によって生じる光学ペナルティを減らすことを試みるデバイス、システム、及び方法のさらなる発展が求められている。

したがって、本明細書で開示するのは、チャネル障害（たとえば、とりわけレーザジッタ、レーザアイ傾斜、光学分散、及び歪み）によって生じる光学ペナルティを減らすことを試みるデバイス、システム、及び方法の実施形態である。

一実施形態では、本発明によって、信号の電力または強度のみが変調できる光チャネルを介したデータ送信を最適化／チューニングするための方法及び装置が提供される。

別の実施形態では、本発明は、アイダイアグラムスキューに対する予歪及び補正の最適化を繰り返す方法である。

さらに他の実施形態では、本発明は、反復アルゴリズムを用いて比較的少ない数のステップでアイダイアグラムのアイを開くことを目的としている。アルゴリズムは、チャネルの以前の特性評価を必要としなくてもよく、疑似ランダムシーケンス（たとえば、ＰＳＢＳ１５またはＰＲＱＳ１０）及び適応型非線形等化器を用いて、予歪タップを最適化する。

さらにまた別の実施形態では、本発明は通信信号を送信するための光通信システムである。光通信システムは、第１の送受信装置と、第２の送受信装置と、第１の送受信装置と第２の送受信装置との間で通信信号を送信するための光媒体と、第１の送受信装置が通信信号を送信する前に通信信号を調整するための予歪回路であって、通信信号の線形補正を行う予歪回路と、第２の送受信装置が通信信号を受信した後に通信信号を調整するための後等化回路であって、後等化回路は通信信号の線形補正を行い、予歪回路及び後等化回路の少なくとも一方はさらに、通信信号の非線形補正を行う、後等化回路と、後等化回路から予歪回路へ少なくとも一部の情報を送るフィードバック回路と、を含む。

さらにまた別の実施形態では、本発明は、光ファイバ通信システムをチューニングする方法である。本方法は、（ａ）源信号Ｘを発生させるステップと、（ｂ）源信号Ｘに少なくとも１つの予歪等化器を適用することによって源信号Ｘを予歪して、予歪信号Ｘ^ｉ _Ｐを発生させるステップと、（ｃ）予歪信号Ｘ^ｉ _Ｐを光チャネルを介して送信して送信信号Ｙ^ｉを発生させるステップと、（ｄ）送信信号Ｙ^ｉに少なくとも１つの後等化等化器を適用することによって送信信号Ｙ^ｉを後等化して、後等化信号Ｚ^ｉを発生させるステップと、（ｅ）後等化信号Ｚ^ｉを評価して、光ファイバ通信システムの性能を判定するステップと、（ｆ）光ファイバ通信システムの性能が所定の閾値を満足しないときは、少なくとも１つの予歪等化器を更新して、ステップ（ｂ）〜（ｆ）を繰り返すステップと、を含み、ｉは、ステップ（ｂ）〜（ｆ）を行う各サイクルを追跡する指標を表す。

さらにまた別の実施形態では、本発明は、通信信号の送信及び受信の少なくとも一方を行うように構成されている光送受信装置である。光送受信装置は、光送受信装置が通信信号を送信する前に通信信号を調整するための予歪回路であって、通信信号の線形補正をもたらす予歪回路と、光送受信装置が通信信号を受信した後に通信信号を調整するための後等化回路であって、後等化回路は通信信号の線形補正を行い、予歪回路及び後等化回路の少なくとも一方はさらに、通信信号の非線形補正を行う、後等化回路と、後等化回路から副光送受信装置の副予歪回路に少なくとも一部の情報を与えるためのフィードバック回路と、を含む。

さらにまた別の実施形態では、本発明は光通信システムである。この光通信システムは、（ａ）源信号Ｘを発生させるための手段と、（ｂ）前記源信号Ｘに少なくとも１つの予歪等化器を適用することによって前記源信号Ｘを予歪して、予歪信号Ｘ^ｉ _Ｐを発生させるための手段と、（ｃ）前記予歪信号Ｘ^ｉ _Ｐを光チャネルを介して送信して、送信信号Ｙ^ｉを発生させるための手段と、（ｄ）前記送信信号Ｙ^ｉに少なくとも１つの後等化等化器を適用することによって前記送信信号Ｙ^ｉを後等化して、後等化信号Ｚ^ｉを発生させるための手段と、（ｅ）前記後等化信号Ｚ^ｉを評価して、前記光ファイバ通信システムの性能を判定するための手段と、（ｆ）前記光ファイバ通信システムの前記性能が所定の閾値を満足しないときに、前記少なくとも１つの予歪等化器を更新して、手段（ｂ）〜（ｆ）を再び呼び出すための手段と、を含み、ｉは、手段（ｂ）〜（ｆ）を呼び出す各サイクルを追跡する指標を表す。

さらにまた別の実施形態では、本発明は、送受信装置であって、少なくとも１つのプロセッサ（計算することと、線形及び非線形予歪ならびに後等化を適用することとが可能）と、ＡＤＣ及びＤＡＣ機能を行う回路と、クロック再生と、レーザドライバと、アナログフィルタ及び増幅器と、バンド幅が１６ＧＨｚ以上であるレーザ及び光検出器を含む送信器及び受信器光学サブアセンブリと、を含む送受信装置である。この実施形態の変形では、送信器及び受信器信号のコード化及びデコードに割り当てられたプロセッサは、等化器タップ係数を更新するために、送信及び受信信号を同期し、数学的に変換し、及び比較することができる。さらに別の変形では、プロセッサは、内部温度センサに接続され、レーザに印加されるバイアス電流または電圧を推定する手段を有する。さらに別の変形では、プロセッサ（複数可）を、所与の温度範囲に対して最適な等化方式を推定するために、動作条件（たとえば温度）を調節する外部コントローラに接続することができる。さらにまた別の変形では、プロセッサ（複数可）は、所与の動作条件セット（たとえば、温度またはバイアス電流）にとって最適な線形及び非線形等化構成に関する情報を記憶することができる。さらにまた別の変形では、プロセッサ（複数可）は、所与の動作条件セットに対して最適な線形及び非線形等化構成に関する記憶情報を取り出して、等化方式を徐々に変更しながら、ＢＥＲを最小限にすることができる。さらにまた別の変形では、送信器におけるプロセッサは、ｓｉｎｃ、二乗余弦、ガウシアン、またはｅｒｆパルスであって振幅レベルが当初のＰＡＭ信号レベルと一致しないものを用いて、レーザの前にまたは受信器において後等化を行う前にアイダイアグラムが閉じている歪み信号を生成する。さらにまた別の変形では、送信器におけるプロセッサは多項式関数を用いる。ここでは、それらの関数の独立変数は当初の信号のレベルであり、ｓｉｎｃ、二乗余弦、ガウシアン、またはｅｒｆパルスのタイミングを変えるために、レーザの時間変化応答によって生成されるジッターを補償するデータ依存性ジッターを生成する。さらにまた別の変形では、送信器におけるプロセッサは、信号依存性の等化器を用いる。タップは、レーザに送られる前の信号を予歪するために当初の信号レベルに依存する。さらにまた別の変形では、受信器におけるプロセッサは、信号依存性の等化器を用いる。タップは、デコードする前の信号を後歪するために、ＡＤＣ後に再生された信号に依存する。

本発明の優位な実施形態は、レーザの非線形な時間変化応答に起因するチャネルを補正するときに、レーザ応答（すなわち、Ｓパラメータ）を特性評価する現行の方法は不正確であるという発明者の認識に基づいている。発明者は、アイダイアグラムのアイを開くこと及び／または線形及び非線形等化の組み合わせを用いて送信ビット誤り率（ＢＥＲ）を最小限に／低減することを行う反復アプローチを開示する。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の図面、説明、及び続き得る任意の請求項に関してより良く理解される。

本発明の実施形態による送信チャネルのブロック図を例示する。 スキュー／傾斜を示す典型的なアイダイアグラムを例示する。 スキュー／傾斜に対して補正された典型的なアイダイアグラムを例示する。 本発明の実施形態により光透過システムを最適化する方法のフロー図を例示する。 本発明の実施形態により非線形等化器の計算で用いる典型的なアイダイアグラムを例示する。 本発明の実施形態により非線形等化器の計算で用いる典型的なアイダイアグラムを例示する。 図４Ａ及び４Ｂに示すアイのプロファイルを例示する。 図４Ｃに示す信号パルスの形状を表す典型的なプロットを例示する。 アイダイアグラムスキュー／傾斜補正を得る典型的な手順を例示する。 アイダイアグラムスキュー／傾斜補正を得る典型的な手順を例示する。 アイダイアグラムスキュー／傾斜補正を得る典型的な手順を例示する。 本発明の実施形態により光透過システムを最適化する方法のフロー図を例示する。 高バイアス電圧を用いて５６Ｇｂ／ｓで動作するＶＣＳＥＬに対する本発明の実施形態によるシステムチューニングの典型的な実施態様を例示する。 低バイアス電圧を伴って５６Ｇｂ／ｓで動作するＶＣＳＥＬに対する本発明の実施形態によるシステムチューニングの典型的な実施態様を例示する。 高バイアス電圧を用いて６４Ｇｂ／ｓで動作するＶＣＳＥＬに対して本発明の実施形態によるシステムチューニングの典型的な実施態様を例示する。 高バイアス電圧を用いて７０Ｇｂ／ｓで動作するＶＣＳＥＬに対する本発明の実施形態によるシステムチューニングの典型的な実施態様を例示する。

以下の説明は、光源としてＶＣＳＥＬ及び変調形式としてＰＡＭ−４に関して示す。しかし、当然のことながら、これらの言及は典型的であり、本明細書で説明する本発明は、他の変調形式に適用可能であってもよく、他の（レーザ及び非レーザ）光源とともに用いてもよい。

次に図１を参照して、前述の図は、本発明の実施形態によるファイバ送信チャネルの主コンポーネントのブロック図を例示している。入力１００のデータを、２値または多値の電気信号形式でプロセッサ１０２に送信する。プロセッサ１０２は、入力シーケンスビットを用いて必要なＰＡＭ信号を形成する。たとえば、入力が２値信号で、必要な送信信号形式がＰＡＭ−４である場合、プロセッサは各ＰＡＭ−４レベルに対して２ビットを割り当てる。プロセッサ１０２は、グレイコード化を用いて信号検出時の誤差を減らすことができ、また補間を用いて信号をオーバーサンプリングして、シンボル時間の分数に比例する時間における信号値を推定することができる。シンボル時間（Ｔ）を、以下を用いてボーレートから推定する。
Ｔ＝Ｂａｕｄ＿Ｒａｔｅ^−１ （１）
プロセッサ１０２はさらに信号を予歪して、レーザの線形及び非線形障害に適応する。予歪に対して用いるパラメータの計算について、本明細書でさらに説明する。

プロセッサ１０２が発生する信号をデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）１０４の回路に供給して、デジタルビットをアナログ信号に変換する。次にアナログ信号を、レーザドライバと、増幅器と、アナログ電気信号をきれいにするために用いるフィルタ１０６とに送信する。その後、ＶＣＳＥＬ１０８を用いてアナログ電気信号を光信号に変換し、光信号をレンズまたは回折光学デバイスを用いてマルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）１１０に結合する。ファイバを通して伝搬する間に、光信号は、モード及び色分散ならびに減衰によってもたらされる。ファイバの反対端に到着したら、光検出器１１２によって光信号を検出する。光検出器１１２は光信号を電気信号に変換する。電気信号を次に、トランスインピーダンス増幅器によって増幅する。次に、連続時間線形等化器（ＣＴＬＥ）とゲイン制御増幅器とからなるアナログフロントエンド１１４を用いて、電気信号を補正及び増幅して必要な電圧にし、量子化ノイズを低減または最小限にする。最後に、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）１１６によって、アナログ電気信号をデジタル電気信号に変換する。プロセッサ１１８がデジタル信号を用いて当初の入力情報１００を再生する。

信号送信の品質を改善するために用いる本明細書で説明する補正方法は、プロセッサ１０２（送信器内に配置される）、プロセッサ１１８（受信器内に配置される）を用いて、及び／またはレーザの予歪または受信信号の後等化を最適化することに専用の外部プロセッサを用いて行ってもよい。実際には、現在の光通信デバイスの多くにおいて、送信器及び受信器の両方が単一デバイス（送受信装置）に一緒にパッケージされていることは注目に値する。したがって、プロセッサ１０２及び１１８は、同じ送受信装置に配置される可能性があり、同じ回路に対応する可能性がある。したがって、プロセッサ１０２及び１１８間が分離されているのは、主に、等化器を最適化する間または送受信装置が動作する間に異なる機能を行うことを強調するためになされている。

好ましい結果を得るために、本明細書で説明する補正技術によって、線形及び非線形障害のうちの少なくとも一方を補正する。線形成分に対しては、シンボル間隔または分数間隔のタップによる最小平均２乗等化器を用いてもよい。等化は典型的に受信器または送信器に適用されて、符号間干渉（ＩＳＩ）を補正する。しかし、マルチモードレーザの非線形及び時間変化応答が原因で、この線形アプローチは効率的ではない。この不完全性は、送信器及び受信器の間で線形等化負荷を分配することによって処理することができる。このような分配は、受信器において推定される信号アイダイアグラムまたはＢＥＲに従って線形等化器の係数を徐々に変えることによって実現される。各ステップにおいて、線形等化器を、本明細書で説明するルール及び等式のセットに従って更新する。ここで実施する線形等化器は、開示した方法を用いて、信号アイダイアグラム及びＢＥＲにおいて著しい改善をもたらし得る。しかし、線形等化単独では、ＶＣＳＥＬの非線形応答（たとえば、非一様な信号レベル分離またはアイダイアグラム傾斜）によって生じる他の障害を補正することに対して限界がある。

アイダイアグラム傾斜の例を図２Ａに示す。図２Ａは、何らのスキュー補償も行なわずに受信器で得たアイダイアグラムを例示する。この説明図から明らかなように、上部、中央部、及び下部のアイ２０１、２０３、２０５はそれぞれ、互いに対するスキュー（垂直軸に対するシフト）を示す。このような障害の補正を助けるために、補正アプローチの一部として非線形等化器を加える。これは、パルスの形状を変えて時間サンプリングを歪める所定の関数を用いて計算され、図２Ｂに示す位置合わせされたアイダイアグラムが生成される。ここでは、上部、中央部、及び下部のアイ２０７、２０９、２１１が実質的に位置合わせされている。

図３に例示するのは、本発明の実施形態による信号補正（「トレーニング」とも言われる）の方法を具体化するアルゴリズムを表すフローチャートである。アルゴリズムの各サイクルまたは繰り返しを、変数ｉで表される指標によって追跡する。

実施形態１：

ステップ３０１おいて、疑似ランダムシーケンスに基づく歪められていない多値信号Ｘを発生させる。次にステップ３０３において、以下を用いて予歪信号Ｘ^ｉ _Ｐを計算する。

ここで、ｃ^ｉ _Ｌ、ｃ^ｉ _ＮＬは、線形及び非線形等化器をそれぞれ表すベクトルであり、第２の畳み込みは、レーザによって生成される非線形性（たとえば、非一様な信号レベル分離またはアイダイアグラムスキュー）を補正する。最適化プロセスの始まり（すなわち、ｉ＝０）において、線形及び非線形等化器の中央タップを１に設定し、他のすべてのタップをゼロに設定する。

予歪信号を発生させたら、ステップ３０５において、この信号Ｘ^ｉ _Ｐをチャネルを通して送る。一実施形態では、チャネルは、プロセッサ１０２及び１１８間のすべてのコンポーネント（図１参照）を含むことができる。たとえば、このチャネルには、ＤＡＣ１０４、レーザドライバ１０６、ＶＣＳＥＬ１０８、ファイバ１１０、光検出器１１２、アナログフロントエンド１１４、及びＡＤＣ１１６が含まれる。プロセッサ１１８に到着するデジタル化された信号をＹ^ｉと標示する。トレーニングの間、Ｘ及びＹ^ｉは両方とも受信器において分かっている。

チャネルを横断した後で、信号を評価し、ステップ３０７において、線形等化器タップを計算する。一実施形態では、最小平均２乗誤差（ＭＭＳＥ）を用いて線形等化器タップを、以下により計算する。
ｂ^ｉ _Ｌ＝（Ｒ_ｘｘ ^−１＋Ｈ^ｈＲ_ｎｎ ^−１Ｈ）^−１Ｈ^ｈＲ_ｎｎ ^−１） （３）
ここで、Ｒ_ｘｘ＝Ｅ｛ＸＸ^ｈ｝であり、Ｅ｛｝は集合平均値オペレータを表し、Ｒ_ｎｎはノイズの相関行列であり、Ｈはチャネル応答を表す行列である。計算したタップを次に、以下によって与えられる線形応答の補正に対して用いる。

また、ステップ３０７において、非線形等化器を計算する。一実施形態では、非線形等化器の計算を、サイクルの始まり（ｉ＝０であるとき）に一度だけ行う。別の実施形態では、非線形等化器の計算をアルゴリズムのすべての繰り返しにおいて行う。さらに他の実施形態では、非線形等化器を２回以上計算するが、必ずしもアルゴリズムのすべてのサイクルの間ではない（たとえば、１つおきのサイクルで、２つおきのサイクルで、３つおきのサイクルで、または任意の所望のシーケンスで）。

非線形等化器計算の例を、５６Ｇｂｐｓのレートで送信したＰＡＭ−４信号に関して示し、図４Ａ−４Ｃに表す。図４Ａに例示するのは、チャネルを介して送信したＰＡＭ−４信号Ｙ^ｉから得た最初のアイダイアグラムである。この図では、上部、中央部、及び下部のアイを、参照数字５０１、５０３、及び５０５によりそれぞれ示す。アイダイアグラムを行列に記憶して、ピーク値に対して規格化する。次に、そのすべての要素から１を差し引くことによって反転する。反転した行列を、反転した上部、中央部、及び下部のアイ（５０７、５０９、及び５１１とそれぞれ参照される）とともに、図４Ｂに示す。反転行列を用いて、これらの反転したアイの振幅プロファイルを計算する。上部、中央部、及び下部のアイに対するプロファイルを、５１３、５１５、及び５１７トレースによって図４Ｃに表す。プロファイルが利用可能となったら、各プロファイルの幅を以下を用いて計算する。

ここで、ｊは、上部、中央部、または下部のアイに対する指標変数である。ＰＡＭ−Ｍ信号のレベルを、幅変化に依存する関数を用いて補正する。たとえば、ＰＡＭ−４を用いて、以下を用いることができる。
Ｌｅｖｅｌｓ＝［０，０．３３３，０．６６６，１］−Δ（［０，Ｗｉｄｔｈ_１，Ｗｉｄｔｈ_２，Ｗｉｄｔｈ_３］−ｍｉｎ（Ｗｉｄｔｈ_１，Ｗｉｄｔｈ_２，Ｗｉｄｔｈ_３））（６）

さらに、ステップ３０７において、アイダイアグラムスキューを補正するためのパラメータも、以下を用いて計算する。
ｂ^ｉ _ＮＬ（Ｙ^ｉ）＝ｆ（ｇ（Ｙ^ｉ）） （６）
ここで、ｆ（．）は、信号パルス形状を推定する関数配列であり、ｇ（．）は、アイダイアグラムスキューを推定する関数配列を表す。本開示で考えられるｆ（．）に対する典型的な関数は、ｓｉｎｃ関数、二乗余弦関数、ならびにガウスパルス形状及び誤差関数（ｅｒｆ）パルスである。たとえば、二乗余弦関数を用いるとき、ｆ（．）は以下で与えられる。

ここで、ａは関数引数であり、βは、０〜１のフィルタの過剰帯域幅を表すロールオフ係数である。３つの典型的なｆ（ａ）関数を用いて信号パルス形状を推定する典型的な結果を、図５Ａのプロットに示す。

関数ｇ（．）に関しては、これらの関数は、図４Ｂに示す反転したアイ５０７、５０９、及び５１１から得ることができる。図５Ｂ〜５Ｄに、アイ傾斜／スキューを推定するために図４Ｂのアイダイアグラムに異なる関数を適用した場合を示す。たとえば、図５Ｂでは、上部、中央部、及び下部の反転したアイの重心を計算して、線形多項式あてはめ関数を得ている。したがって、ｇ（．）を以下によって規定することができる。

図５Ｂの例を用いて続ける。この例では、アイダイアグラムスキューに対する線形推定量を以下のように示している。
ｇ（ａ）＝ｈ_１ａ＋ｈ_０ （９）
ｈ_０＝０を用いて中央部のアイにおける補正を回避し、２タップを伴う非線形等化器を想定して、等化係数は以下によって与えられる。
ｂ^ｉ _ＮＬ（Ｙ^ｉ）＝［ｆ（１−ｈ_１Ｙ^ｉ／Ｔ），ｆ（Ｙ^ｉ／Ｔ）］（１０）
図５Ｃ及び５Ｄでは、線形多項式あてはめ関数を得る代わりに同様のアプローチを適用する。図５Ｃの関数は、二次多項式あてはめ関数であり、図５Ｄの関数は切頭三次多項式あてはめ関数である。

図３を再び参照して、後等化が完了したら、ステップ３０８において、システムの性能を推定する。一実施形態では、これは、アイダイアグラムに基づくことができるＢＥＲを計算することによってか、または信号Ｘ及びＺ^ｉのビット間比較によって行う。計算したＢＥＲが予め設定した閾値内にあるか、または計算したＢＥＲが以前の繰り返し（アルゴリズムの２番目以降のサイクルに対して考える）ＢＥＲよりも悪い場合、アルゴリズムサイクルは終了し、そしてシステムは通信に対して準備ができていると考えられる。他方では、計算したＢＥＲが以前の繰り返しで得たＢＥＲよりも低い場合、フィルタタップを更新する（ステップ３１０）。線形成分に対しては、ベクトル更新を以下を用いて得ることができる。

ここで、Ａは、０〜１の値を取って等化器の更新速度を調節する重み係数であり、またｂ^ｉ _Ｌは、以前に計算した線形等化器を表すベクトルである。同様に、非線形成分に対しては、ベクトル更新を以下によって得ることができる。
ｃ^ｉ _ＮＬ（Ｘ）＝ｆ（ｇ（Ｘ）） （１２）
等化器タップ及び関数が更新されたら新しい予歪信号を発生させる（ステップ３０３）。サイクルは、ＢＥＲフロアに達するまでかまたは目標ＢＥＲが実現されるまで続く。いくつかの実施形態では、最適化に必要な繰り返しは１０未満である。

実施形態２：

本発明の代替的な実施形態では、開示した方法を以下のように変更する。便宜上、図３のステップに再び言及する。しかし、これらのステップの中身は、以前に説明した実施形態に対して少なくとも部分的に変更している。

ステップ３０１において、疑似ランダムシーケンスに基づく歪められていない多値信号Ｘを発生させる。次にステップ３０３において、予歪信号Ｘ^ｉ _ｐを以下を用いて計算する。

ここで、ｃ^ｉ _Ｌは、線形等化器を表すベクトルである。最適化プロセスの始まり（すなわち、ｉ＝０）において、線形等化器の中央タップを１に設定し、他のすべてのタップをゼロに設定する。予歪信号を発生させたら、ステップ３０５において、この信号Ｘ^ｉ _Ｐをチャネルを通して送る。信号はプロセッサ１１８に信号Ｙ^ｉとして到着する。トレーニングの間、Ｘ及びＹ^ｉは両方とも受信器において分かっている。

チャネルを横断した後で、信号を評価し、ステップ３０７において線形及び非線形等化器を計算して、ｂ^ｉ _Ｌ及びｂ^ｉ _ＮＬ（Ｙ^ｉ）ベクトルが得られる。一実施形態では、線形及び非線形等化器を、実施形態１で詳述したものと同じ計算に従って計算する。同様に、実施形態１の場合と同様に、非線形等化器の計算を、アルゴリズムを繰り返すたびに、サイクルの始まり（すなわち、ｉ＝０のとき）に一度だけ、または２回以上、しかし必ずしもアルゴリズムのすべてのサイクルの間ではなく（たとえば、１つおきのサイクルで、２つおきのサイクルで、３つおきのサイクルで、または任意の所望のシーケンスで）行ってもよい。

計算したタップを次に、以下によって与えられる線形応答の補正に対して用いる。

図３を再び参照して、後等化が完了したら、ステップ３０８においてシステムの性能を推定する。一実施形態では、これは、アイダイアグラムに基づくことができるＢＥＲを計算することによってか、または信号Ｘ及びＺ^ｉのビット間比較によって行う。計算したＢＥＲが予め設定した閾値内にあるか、または計算したＢＥＲが以前の繰り返し（アルゴリズムの２番目以降のサイクルに対して考える）ＢＥＲよりも悪い場合、アルゴリズムサイクルは終了し、そしてシステムは通信に対して準備ができていると考えられる。他方で、計算したＢＥＲが、以前の繰り返しで得たＢＥＲよりも低い場合、等式（１１）を用いて線形フィルタタップを更新する（ステップ３１０）。等化器タップが更新されたら、新しい予歪信号を発生させる（ステップ３０３）。サイクルは、ＢＥＲフロアに達するまでかまたは目標ＢＥＲが実現されるまで続く。いくつかの実施形態では、最適化に必要な繰り返しは１０未満である。

実施形態３：

本発明のさらに他の実施形態では、開示した方法を以下のように変更する。以前と同様に、便宜上、図３のステップに再び言及する。しかし、これらのステップの中身は、以前に説明した実施形態に対して少なくとも部分的に変更している。

ステップ３０１において、疑似ランダムシーケンスに基づく歪められていない多値信号Ｘを発生させる。次にステップ３０３において、予歪信号Ｘ^ｉ _Ｐを等式（２）を用いて計算する。最適化プロセスの始まり（すなわち、ｉ＝０）において、線形及び非線形等化器の中央タップを１に設定し、他のすべてのタップをゼロに設定する。予歪信号を発生させたら、ステップ３０５において、この信号Ｘ^ｉ _Ｐをチャネルを通して送る。信号はプロセッサ１１８に信号Ｙ^ｉとして到着する。トレーニングの間、Ｘ及びＹ^ｉは両方とも受信器において分かっている。

チャネルを横断した後で、信号を評価し、ステップ３０７において線形及び非線形等化器を計算して、ｂ^ｉ _Ｌ及びｂ^ｉ _ＮＬ（Ｙ^ｉ）ベクトルが得られる。一実施形態では、線形及び非線形等化器を、実施形態１で詳述したものと同じ計算に従って計算する。同様に、実施形態１の場合と同様に、非線形等化器の計算を、アルゴリズムを繰り返すたびに、サイクルの始まり（すなわち、ｉ＝０のとき）に一度だけ、または２回以上、しかし必ずしもアルゴリズムのすべてのサイクルの間ではなく（たとえば、１つおきのサイクルで、２つおきのサイクルで、３つおきのサイクルで、または任意の所望のシーケンスで）行ってもよい。計算したタップを次に、等式（１４）に従う線形応答の補正に対して用いる。結果的に、信号Ｚ^ｉになる。

図３を再び参照して、後等化が完了したら、ステップ３０８において、システムの性能を推定する。一実施形態では、これは、アイダイアグラムに基づくことができるＢＥＲを計算することによってか、または信号Ｘ及びＺ^ｉのビット間比較によって行う。計算したＢＥＲが予め設定した閾値内にあるか、または計算したＢＥＲが以前の繰り返し（アルゴリズムの２番目以降のサイクルに対して考える）ＢＥＲよりも悪い場合、アルゴリズムサイクルは終了し、そしてシステムは通信に対して準備ができていると考えられる。他方で、計算したＢＥＲが、以前の繰り返しで得たＢＥＲよりも低い場合、等式（１１）及び（１２）を用いて線形フィルタタップを更新する（ステップ３１０）。等化器タップ及び関数が更新されたら、新しい予歪信号を発生させる（ステップ３０３）。サイクルは、ＢＥＲフロアに達するまでかまたは目標ＢＥＲが実現されるまで続く。いくつかの実施形態では、最適化に必要な繰り返しは１０未満である。

レーザ光源の動作は温度またはバイアス電流変化の影響をある程度まで受け得るため、動作条件の範囲（たとえば、データセンタにおける温度の範囲）に対する最適な等化器パラメータを推定及び記憶することは好都合であり得る。図６に示すのは、必要な動作条件範囲にとって好ましいかまたは最適である等化パラメータを評価及び記憶するために以前に開示した等化器最適化アルゴリズムに基づく方法を表すフローチャートである。

この方法では、いくつかの環境条件（たとえば、温度及びまたはバイアス電流）にとって最適な等化パラメータを、作製したバッチを表すレーザのセットに対して測定する。マルチモードファイバの短いリンク（たとえば、１ｍ）は、予歪等化器最適化を、ファイバ及び受信器に起因するチャネル応答に対する予歪等化器最適化を分離するために用いることができる。短いファイバリンクを用いる利点は、予歪を主に典型的なレーザのレーザ応答の補正に専用に使うことができる一方で、ファイバのモード色分散及び他のレーザ障害であって通常のレーザ製造プロセスに起因するもの（受信器における後等化器によって補正することができる）を無視できることである。この方法を用いて、レーザ補正（特に、非線形補正成分）を動作中に行って、環境条件により急に変えることができ、一方で、後等化器は異なる長さのファイバまたはバッチ変化に適応することができる。

図６を参照して、手順はステップ７０１から始まる。ここでは、温度管理環境において、指定されたバイアス電圧によりレーザまたは送受信装置をターンオンする。ステップ７０３において、最適な線形及び非線形等化器を見出すために、図３に表したアルゴリズムを行う。次にステップ７０５において、最適な等化パラメータを記憶する。その後、動作条件（たとえば、温度及び／またはバイアス電流）を所定の範囲内で変える。サイクルを、指定範囲内のすべての所望の動作条件をテストするまで繰り返す。テストを終えたら、記憶した最適な等化パラメータを送受信装置プロセッサ（１０２及び１０８）内のメモリに送信して、動作中に用いる。

本明細書で説明する方法の実施態様は、１００ＧＳａ／ｓが可能な任意の波形発生器（ＡＷＧ）及びリアルタイムスコープ（ＲＴＳ）を用いて実現した。外部コンピュータ上で実行するプログラムによって、ＡＷＧ及びＲＴＳならびに電圧源、レーザ、及び光検出器を制御した。動作波長が８５０ｎｍ及び９８０ｎｍであるいくつかのＶＣＳＥＬとＰＡＭ−４変調形式とを用いて、データレートが５０Ｇｂｐｓ超え及びＢＥＲ＜１ｅ−４において送信した。この値は、ＲＳ（５４４、５１４）またはより良好なＦＥＣを用いているときに、ポスト前方誤り訂正（ＦＥＣ）ＢＥＲ＜１ｅ−１５を生成するのに十分に低い。図７〜１０は、アルゴリズム実施態様のいくつかの段階を例示する働きをする。図７及び８に示すのは、２つのバイアス電圧、２．５Ｖ及び２．３Ｖを用いた５６Ｇｂ／ｓに対するＰＡＭ−４送信アイである。図９及び１０に示すのは、２つのデータレート６４Ｇｂｐｓ及び７０Ｇｂｐｓにおいて２．５Ｖバイアス電圧を用いたＰＡＭ−４送信である。

典型的な目的に対して、実験におけるタップの数を１３に固定して、分数間隔のサンプリングを用いた。加えて、すべての例において、１００ｍの高帯域幅モード色分散補償ＯＭ４ファイバを含んだ同じ物理的な光リンクを用いている。

図７〜１０はそれぞれ、４つの垂直列を示しており、信号｛Ｘ，Ｘ^ｉ _Ｐ，Ｙ^ｉ，Ｚ^ｉ｝のアイダイアグラムを比べている。予歪なしで送信した信号Ｘを第１の列に示し、予歪ありで送信した信号Ｘ^ｉ _Ｐを第２の列に示し、後等化なしの受信信号Ｙ^ｉは第３の列であり、後等化信号Ｚ^ｉは第４の列である。行は、いくつかの段階において図３に表した処理プロセスによる結果としてのアイダイアグラムを表す。第１の行（ｉ＝０）は、第１の繰り返しの間のアイダイアグラムを示す。第２の行は、等化器の非線形成分をターンオフしたときの最後の繰り返しである。第３の行は、非線形補正を実施したときの最終の繰り返しに対するアイダイアグラムを示す。

各図において、線形後等化のみ、予歪のみ、または両方に起因する各段階における改善を見ることができる。たとえば、図７の画像（８０５）は、２．５バイアス電圧を用いた５６Ｇｂｐｓに対する予歪なしで後等化なしのアイダイアグラムを示す。このアイダイアグラムに対するＢＥＲは２ｅ−２よりも大きい。画像（８０７）は、線形後等化のみが適用されたときのアイダイアグラムを示す。この画像は、アイダイアグラムを改善して、ＢＥＲ約４．５ｅ−５を生成することができることを示している。画像（８１５）は、アイスキュー補正をターンオフしたときの提案したアルゴリズムの最終の繰り返しを示す。この場合、等化が送信器及び受信器によって共有されているため、ＢＥＲは約２．１ｅ−５まで下がる。画像（８２３）は、本発明で開示したようなアイダイアグラムスキュー補正をターンオンしたときの最終結果を示す。この場合、ＢＥＲは約７．８ｅ−６までさがる。

図８では、同じレーザを、より低いバイアス電圧（２．３Ｖ）で動作させて用いている。その結果、バンド幅が効果的に減り、アイダイアグラム傾斜が増加する。画像（９０５）は、５６Ｇｂ／ｓに対して予歪なしで後等化なしのアイダイアグラムを示しており、ＢＥＲとして約７．９ｅ−２が生成されている。画像（９０７）は、線形後等化のみが適用されたときのアイダイアグラムを示しており、ＢＥＲとして約３．２ｅ−３が生成されている。画像（９１５）は、アイスキュー補正をターンオフしたときの提案したアルゴリズムの最終の繰り返しを示す。この場合、等化が送信器及び受信器によって共有されているため、ＢＥＲは約４．１ｅ−４まで下がる。画像（９２３）は、本発明で開示したアイダイアグラムスキュー補正をターンオンしたときの最終結果を示す。この場合、ＢＥＲは約８．６ｅ−５まで下がる。

図９の画像（１００５）は、２．５バイアス電圧を用いた６４Ｇｂｐｓに対する予歪なしで後等化なしのアイダイアグラムを示す。このアイダイアグラムでは、ＢＥＲとして約３ｅ−２が生成されている。画像（１００７）は、線形後等化のみが適用されたときのアイダイアグラムを示しており、ＢＥＲとして約４．５ｅ−４が生成されている。画像（１０１５）は、アイスキュー補正をターンオフしたときの提案したアルゴリズムの最終の繰り返しを示しており、生成されるＢＥＲは約３．５ｅ−５である。画像（１０２３）は、本発明で開示したアイダイアグラムスキュー補正がターンオンされたときの結果を示しており、生成されるＢＥＲは約１．３ｅ−５まで下がる。

最後に、図１０の画像（１１０５）は、２．５バイアス電圧を用いた７０Ｇｂｐｓに対する予歪なしで後等化なしのアイダイアグラムを示す。このアイダイアグラムでは、ＢＥＲとして約１ｅ−３が生成されている。画像（１１０７）は、線形後等化のみが適用されたときのアイダイアグラムを示しており、ＢＥＲは約９ｅ−４まで下がっている。画像（１１１５）はアイスキュー補正をターンオフしたときの提案したアルゴリズムの最終の繰り返しを示しており、生成されるＢＥＲは約６．６ｅ−５である。アイダイアグラムスキュー補正をターンオンすることによって、ＢＥＲは約３．２ｅ−５まで下がる。

なお、本発明をいくつかの実施形態に関して説明してきたが、これらの実施形態は非限定的であり（それらが典型的であると標示されているか否かに関係なく）、本発明の範囲に含まれる修正、置換、及び均等物が存在する。さらに、説明した実施形態は、互いに排他的であると解釈してはならず、その代わりに、このような組み合わせが許容される場合、潜在的に結合可能であると理解すべきである。また、本発明の方法及び装置を実施する多くの代替的な方法が存在することにも注意されたい。したがって、以下に続き得る請求項には、本発明の真の趣旨及び範囲に含まれるこのような修正、置換、及び均等物がすべて含まれていると解釈すべきであることが意図されている。

１００ 入力
１０２ プロセッサ
１０４ デジタルアナログ変換機（ＤＡＣ）
１０６ レーザドライバ
１０８ ＶＣＳＥＬ
１１０ マルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）
１１２ 光検出器
１１４ アナログフロントエンド
１１６ アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）
１１８ プロセッサ
２０１、２０３、２０５、２０７、２０９、２１１ アイ
５０１、５０３、５０５、５０７、５０９、５１１ アイ
５１３、５１５、５１７ トレース

Claims (16)

1. 光ファイバ通信システムをチューニングする方法であって、
   （ａ）源信号Ｘを発生させるステップと、
   （ｂ）前記源信号Ｘに少なくとも１つの予歪等化器を適用することによって前記源信号Ｘを予歪して、予歪信号Ｘ^ｉ _Ｐを発生させるステップと、
   （ｃ）前記予歪信号Ｘ^ｉ _Ｐを光チャネルを介して送信して、送信信号Ｙ^ｉを発生させるステップと、
   （ｄ）前記送信信号Ｙ^ｉに少なくとも１つの後等化等化器を適用することによって前記送信信号Ｙ^ｉを後等化して、後等化信号Ｚ^ｉを発生させるステップと
   （ｅ）前記後等化信号Ｚ^ｉを評価して、前記光ファイバ通信システムの性能を判定するステップと、
   （ｆ）前記光ファイバ通信システムの前記性能が所定の閾値を満足しないときは、前記少なくとも１つの予歪等化器を更新して、ステップ（ｂ）〜（ｆ）を繰り返すステップと、を含み、
   ｉは、前記ステップ（ｂ）〜（ｆ）を行う各サイクルを追跡する指標を表し、
   最初の前記サイクルの間に、前記少なくとも１つの予歪等化器の中央タップを１に設定し、前記少なくとも１つの予歪等化器のすべての非中央タップを０に設定する、前記方法。
2. 前記ステップ（ｂ）は、線形予歪等化器ｃ^ｉ _Ｌを用いて前記源信号Ｘを畳み込んで、
   

   

   となるようにすることを含む請求項１に記載の方法。
3. さらに、
   線形後等化等化器ｂ^ｉ _Ｌを計算するステップと、
   前記ステップ（ｄ）において、前記送信信号Ｙ^ｉを用いて前記線形後等化等化器ｂ^ｉ _Ｌを畳み込んで、
   

   

   となるようにするステップと、を含む請求項２に記載の方法。
4. 前記線形後等化等化器ｂ^ｉ _Ｌを最小平均２乗誤差によって計算する請求項３に記載の方法。
5. 前記ステップ（ｃ）の後に、前記方法はさらに、非線形後等化等化器ｂ^ｉ _ＮＬ（Ｙ^ｉ）を計算するステップを含む請求項３に記載の方法。
6. 前記ステップ（ｄ）はさらに、前記非線形後等化等化器ｂ^ｉ _ＮＬ（Ｙ^ｉ）を用いて前記送信信号Ｙ^ｉを畳み込んで、
   

   

   となるようにすることを含む請求項５に記載の方法。
7. ｂ^ｉ _ＮＬ（Ｙ^ｉ）＝ｆ（ｇ（Ｙ^ｉ））であり、ここでｆ（．）は、前記送信信号Ｙ^ｉの形状を推定する関数配列であり、ｇ（．）は、前記送信信号Ｙ^ｉのアイダイアグラムのスキューを推定する関数配列である請求項５に記載の方法。
8. 前記非線形後等化等化器ｂ^ｉ _ＮＬ（Ｙ^ｉ）を計算するステップを、（ｉ）最初の前記サイクルの間のみ、（ｉｉ）１つおきの前記サイクルの間、または（ｉｉｉ）２つ以上の前記サイクルの間のうちの１つにおいて行う請求項５に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つの予歪等化器を更新する前記ステップは、前記線形予歪等化器ｃ^ｉ _Ｌを更新して、
   

   

   となるようにすることを含み、ここでＡは０〜１の重み係数である請求項５に記載の方法。
10. 前記ステップ（ｂ）はさらに、非線形予歪等化器ｃ^ｉ _ＮＬ（Ｘ）を用いて前記源信号Ｘを畳み込んで、
    

    

    となるようにすることを含む請求項５に記載の方法。
11. 前記ステップ（ｄ）はさらに、前記非線形後等化等化器ｂ^ｉ _ＮＬ（Ｙ^ｉ）を用いて前記送信信号Ｙ^ｉを畳み込んで、
    

    

    となるようにすることを含む請求項１０に記載の方法。
12. 前記非線形後等化等化器ｂ^ｉ _ＮＬ（Ｙ^ｉ）を計算するステップを、（ｉ）最初の前記サイクルの間のみ、（ｉｉ）１つおきの前記サイクルの間、または（ｉｉｉ）２つ以上の前記サイクルの間のうちの１つにおいて行う請求項１０に記載の方法。
13. ｂ^ｉ _ＮＬ（Ｙ^ｉ）＝ｆ（ｇ（Ｙ^ｉ））であり、ここでｆ（．）は、前記送信信号Ｙ^ｉの形状を推定する関数配列であり、ｇ（．）は、前記送信信号Ｙ^ｉのアイダイアグラムのスキューを推定する関数配列である請求項１０に記載の方法。
14. 前記少なくとも１つの予歪等化器を更新する前記ステップは、
    

    

    となるように前記線形予歪等化器ｃ^ｉ _Ｌを更新することであって、ここでＡは０〜１の重み係数である、前記更新することと、
    ｃ^ｉ _ＮＬ（Ｘ）＝ｆ（ｇ（Ｘ））となるように前記非線形予歪等化器ｃ^ｉ _ＮＬ（Ｘ）を更新することと、を含む請求項１２に記載の方法。
15. 前記光ファイバ通信システムは、パルス振幅変調（ＰＡＭ）を用いて動作するように構成されている請求項１に記載の方法。
16. 前記ＰＡＭはＰＡＭ−４である請求項１５に記載の方法。

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