CN103959115B - 光mimo处理 - Google Patents

光mimo处理 Download PDF

Info

Publication number
CN103959115B
CN103959115B CN201280058293.8A CN201280058293A CN103959115B CN 103959115 B CN103959115 B CN 103959115B CN 201280058293 A CN201280058293 A CN 201280058293A CN 103959115 B CN103959115 B CN 103959115B
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical
optical signal
light
waveguide
processing system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201280058293.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103959115A (zh
Inventor
H·比洛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alcatel Optical Networks Israel Ltd
Original Assignee
Alcatel Optical Networks Israel Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alcatel Optical Networks Israel Ltd filed Critical Alcatel Optical Networks Israel Ltd
Publication of CN103959115A publication Critical patent/CN103959115A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103959115B publication Critical patent/CN103959115B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/25—Arrangements specific to fibre transmission
    • H04B10/2581—Multimode transmission
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2808—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using a mixing element which evenly distributes an input signal over a number of outputs

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)

Abstract

本文件涉及光通信系统。特别地，本文件涉及一种用于在多模光纤(MMF)处的多输入多输出(MIMO)处理的光信号处理器。光多输入多输出处理系统(500、520、600、1040、1101、1403、1503、1702)被描述。该光处理系统包括：在该光处理系统的第一端处的通向多模光纤的接口；M个第一单模波导(505)，M>2，耦合到该接口；其中，这些第一波导被布置为分别运载M个第一光信号；N个第二单模波导(506)，N>1，位于该光处理系统中的第二端处；其中该第二波导被布置为分别运载N个第二光信号；其中该N个第二光信号与由该多模光纤所运载的N个模式相关联；以及光处理核心(503、504)，被布置为：使用用于将该M个第一光信号中的每个光信号相互耦合的多个光耦合器，以将这些第一光信号变换为这些第二光信号，以使得这些第二光信号之间的相关性相比这些第一光信号之间的相关性而减小，从而该N个第二光信号中的每个光信号是该M个第一光信号中的所有光信号的线性组合。

Description

光MIMO处理
技术领域
本文件涉及光通信系统。特别地，本文件涉及一种用于在多模光纤(MMF)处的多输入多输出(MIMO)处理的光信号处理器。
背景技术
多吉比特/秒的光传输系统已经提出，其借助于移动到多模光纤(MMF)和借助于通过该MMF的不同空间模式(可能以及不同的偏振模式)来传送不同的数据信道，以倍增通过光纤(在给定的频谱内)所传送的容量(比特/秒)。换句话说，通过多模光纤(MMF)的模分复用(MDM)作为克服标准单模光纤(SMF)的容量限制的选项之一而被研究。
为了实现通过MMF的MDM，必须提供光传输系统的各种子系统，诸如光MMF放大器和空间模式复用器/解复用器(SM DE/MUX)以及MIMO处理器。本文件描述了各种架构，这些架构可以被用来提供有效率的光信号处理器，以实施通过MMF通信系统的光MDM的所要求的子系统中的一些子系统或者所有子系统。
发明内容
根据一个方面，描述了一种光处理系统，例如光多输入多输出(MIMO)处理系统。该光处理系统可以与被适配为运载多个光(空间和/或偏振)模式的多模光纤结合使用。为了这个目的，该光处理系统可以包括在该光处理系统的第一端处的通向多模光纤的接口。此外，该光处理系统可以包括在该光处理系统的第一端处的M个第一单模波导，M>2(例如，M>3或4或5或6或7或8或9)。该M个第一波导可以被耦合到通向该多模光纤的该接口。这些第一波导分别被适配为运载M个第一光信号。此外，该光处理系统包括在该光处理系统的第二端处的N个第二单模波导，N>1(例如，N>2或3或4或5或6或7或8或9)。这些第二波导分别被适配为运载N个第二光信号，其中该N个第二光信号关联于由该多模光纤所运载的N个(空间和/或偏振)模式。M可以大于或等于N。
此外，该光处理系统包括被适配为将这些第一光信号变换为这些第二光信号的光处理核心。为了这个目的，该光处理核心可以包括多个光处理组件(也被称为光处理单元)，它们被适配为操控在该光处理核心内由一个或多个波导所运载的光信号。特别地，该光处理核心可以包括用于将该M个第一光信号中的一些光信号或所有光信号(例如，每个光信号)相互耦合的多个光耦合器，从而该N个第二光信号中的至少一个光信号(例如，所有光信号)包括来自该M个第一光信号中的一些光信号或所有光信号的贡献，例如该N个第二光信号中的至少一个光信号或所有光信号是该M个第一光信号中的所有光信号的线性组合。为了这个目的，光耦合器可以由两个光波导穿过并且该光耦合器可以使用定义了两个光波导之间的耦合程度的旋转值θ。该光处理核心可以包括足够的光耦合器来实施传递矩阵。
总体上，该光处理核心可以被适配为或者已经被设计为，例如使用传递矩阵H，相比该M个第一光信号之间的相关性，而减小该N个第二光信号之间的相关性。该相关性可以涉及沿着时间线在至少两个光信号之间的相关性。该M个第一光信号和该N个第二光信号可以分别可表示为M个第一数字信号和N个第二数字信号。变换矩阵H，即该光处理核心，可以确保该N个第二数字信号中的所有对之间的相关性相比该M个第一数字信号中的所有对之间的相关性更低。在这种背景下，相关性可以被确定为在预定时间段上的两个数字信号的相乘样本的(移动)平均。
该光处理核心可以包括一个或多个光处理级。该一个或多个光处理级由多个单模级波导穿过。该多个级波导耦合到在该光处理级的第一端处的M个第一波导中的至少三个波导。在一个优选的实施例中，该多个级波导(间接)耦合到在该光处理级的第一端处的该M个第一波导中的所有波导。这意味着光处理级可以处理从该M个第一光信号中的所有光信号所得出的一个或多个光信号。
此外，该多个级波导耦合到在该光处理级的第二端处的N个第二波导中的至少一个波导。这意味着光处理级提供了对该N个第二光信号中的至少一个光信号有贡献的光信号。
该光处理级可以包括移相器和光耦合器中的一个或多个。移相器通常被应用到该多个级波导中的至少一个级波导，并且该移相器被适配为：将该多个级波导中的一个级波导上的光信号的相位移动相位值(在本文件中也称为Φ)。光耦合器通常被应用到该多个级波导中的两个级波导。该光耦合器被适配为：在该耦合器的第一端处使用旋转值θ来混合该多个级波导中的两个级波导上的两个输入光信号，以在该耦合器的第二端处提供该多个级波导中的两个级波导上的两个耦合的光信号。该光耦合器的功能可以被描述为如下：如果该两个输入光信号和该两个耦合的光信号被考虑为形成笛卡尔坐标系的x和y轴，则该光耦合器被适配为执行将该两个输入光信号旋转该旋转值θ，以产生该两个耦合的光信号。
在一个实施例中，处理级包括一个或多个光耦合器，该一个或多个光耦合器处理这些级波导中的一个或多个不同的对(其中这些级波导中的每个级波导至多被包括在一对中)。为了确保该M个第一光信号中的所有光信号可以对该N个第二光信号中的每个光信号有贡献，该光处理核心可以包括依次的处理级序列，其中在第一光处理级的第二端处的多个级波导以重排列的方式耦合到在第二光处理级的第一端处的多个级波导。如此，不同对的级波导可以由第二处理级中的光耦合器而不是第一处理级中的光耦合器来处理。可以示出，对于N>2，如果光处理核心包括N-1个或者更少的处理级，则该M个第一光信号中的每个光信号可以对该N个第二光信号中的每个光信号有贡献。然而，一般而言，它也能够由多于N-1级来实现。每个处理级可以包括M/2个或者更少的耦合器。
该M个第一光信号可以与在该多模光纤的端面上的M个不同空间位置处的光场分布的对应的M个样本相关联。换句话说，该M个第一光信号可以通过在M个不同位置处在多模光纤的端面处采样光场分布来获得。该M个不同位置通常取决于将被采样的N个空间模式的对称性而被选择。特别地，该M个不同位置通常被选择以使用该M个空间样本来允许在该多模光纤的N个空间模式之间的区别。换句话说，该M个不同位置应当被选择使得该N个不同空间模式的场分布导致M个空间样本的不同集合。
该光处理核心的传递矩阵H可以被设计使得该N个第二光信号表示由该多模光纤所运载的N个模式。换句话说，传递矩阵H可以被设计使得该M个空间样本被变换为该N个模式。
通过示例的方式，通过选择该光处理核心使得：在该M个样本与由该多模光纤所运载的N个空间模式中的单个空间模式的光场分布相关联的条件下，该光处理核心被适配为将该M个第一光信号组合到该N个第二光信号中的单个光信号，可以实现这一点。鉴于光系统的可逆性，逆条件通常也适用，即在该M个样本与由该多模光纤所运载的N个空间模式中的单个空间模式的光场分布相关联的条件下，该光处理核心被适配为从该N个第二光信号中的单个光信号来生成该M个第一光信号。
如此，该光处理核心可以以这样的方式将该M个第一波导与该N个第二波导互连，该方式是多模光纤的N个模式之一的采样场能量被集中到该N个第二波导中的恰好一个波导上。对于所有的N个模式并且对于所有的N个第二波导，可以满足这个条件。即对于该N个空间模式中的每个单个空间模式，该光处理核心可以被适配为将该M个第一光信号组合到该N个第二光信号中的不同的单个光信号；和/或逆向地从该N个第二光信号中的不同的单个光信号来生成该M个第一光信号。
因此，光(空间)模式复用器/解复用器可以被描述。该模式复用器/解复用器被适配为：将来自N个第二单模波导的N个第二光信号耦合到多模光纤的N个空间模式，和/或反之亦然，N>1。为了这个目的，该空间模式复用器/解复用器可以包括(例如以该光处理系统的接口的形式)空间采样器，该空间采样器被适配为：从在M个第一单模波导内所运载的M个第一光信号，来生成在多模光纤的端面上的M个不同空间位置处的光场分布的M个样本，M>2(复用器)，和/或反之亦然(解复用器)。此外，该模式复用器/解复用器包括如本文件中所描述的光处理系统。该光处理系统被适配为：从该N个第二光信号来生成该M个第一光信号(复用器)，和/或反之亦然(解复用器)。
该一个或多个移相器的该一个或多个相位值和/或该一个或多个耦合器的该一个或多个旋转值θ(被称为该光处理核心的一个或多个参数)可以是可调整的。在这种情况下，该光处理系统可以被用于适应性光信号处理(例如，用于信道均衡)。通过示例的方式，该光处理系统可以包括控制单元，该控制单元被适配为确定该光处理核心的该一个或多个参数。该一个或多个参数可以基于该N个第二光信号来确定。特别地，该一个或多个参数可以基于该N个第二光信号的已知的或者所期望的特性(或者性质)(例如，该N个第二光信号之间的去相关性)来确定。通过示例的方式，该N个第二光信号可以与经由由多模光纤的N个模式所提供的通信信道而被传输的训练序列相关联。在这样的情况下，控制单元可以被适配为基于这些训练序列并且基于该N个第二光信号来确定该一个或多个参数。
如此，被适配用于接收经由多模光纤的N个空间模式所传输的N个光信号的光接收器(N>1)可以被描述。该光接收器可以包括(例如以该光处理系统的接口的形式)多模光纤耦合器，该多模光纤耦合器被适配为：将M个第一光信号从多模光纤提取到M个单模波导中，M≥N。用于这样的多模光纤耦合器的一个示例是例如耦合的波导结构。此外，该光接收器包括如本文件中所描述的光处理系统。该光处理系统被适配为：处理该M个第一光信号以提供N个第二光信号。这个处理受制于被包括在该光处理系统内的一个或多个移相器和/或耦合器的一个或多个参数而被执行。此外，该光接收器可以包括N个光到电转换器，该N个光到电转换器被适配为：将该N个第二光信号转换为N个对应的所接收的(电或数字)信号。该光处理系统的该一个或多个参数可以基于该N个所接收的信号来确定。
应当注意，该光处理系统与偏振复用可以是兼容的，即该光处理系统可以不仅处理空间模式而且处理偏振模式。为了这个目的，该光处理系统可以进一步包括M/2个偏振分束器，该M/2个偏振分束器被适配为：从M/2个偏振复用的信号来生成该M个第一光信号，和/或反之亦然(在这样的情况下，M通常是配对)。
应当注意，包括如本文件中所概述的其优选实施例的各方法和系统，可以独立地或者与本文件中所公开的其他方法和系统组合地被使用。此外，在本文件中所概述的各方法和系统的所有方面可以任意组合。特别地，权利要求的各特征可以相互以任意的方式组合。
附图说明
参考附图以示例性的方式在下面解释本发明，在附图中：
图1示出了用于使用模式转换器的示例模式分离器/组合器布置的框图；
图2示出了使用耦合的波导结构的示例模式分离器/组合器布置的示意性视图；
图3a和3b图示了使用对接耦合的示例空间采样器；
图4图示了使用多个光栅的示例空间采样器；
图5图示了包括光信号处理的示例全通滤波器；
图6图示了利用光信号处理的另一个示例全通滤波器；
图7a和b示出了示例光信号处理单元；
图8示出了用于偏振复用的光信号的示例模式分离器/组合器的框图；
图9示出了用于偏振复用的光信号的另一个示例模式分离器/组合器的框图；
图10图示了另一个示例全通滤波器，其被适配为将多个光模式的各种空间样本的光功率集中到对应的多个单模波导并且反之亦然；
图11a和b图示了包括示例光全通滤波器和不同的示例空间采样器的示例模式分离器/组合器；
图12示出了示例空间模式分插(add-drop)复用器的框图；
图13示出了用于多模式传输的示例光传输系统的示意图；
图14示出了被用于光信道均衡的示例光全通滤波器；
图15示出了被用于光信道均衡的另一个示例光全通滤波器；
图16图示了示例熔融(fused)光纤耦合器；以及
图17示出了包括用于信道均衡的适应性光全通滤波器的示例光接收器的框图。
具体实施方式
如在引言部分中所概述的，模式分离器(以及逆向地，模式组合器)是用于基于空分复用(SDM)(或模分复用)来实现MMF传输的重要组件。
模式分离器/组合器被放置在MMF传输光纤的发射侧和接收侧，并且将多模式发射器的不同抽头(pigtail)复用到MMF的不同MMF模场(LP模式)或者将不同的MMF模场(LP模式)解复用到接收器的不同抽头。
现今所使用的模式分离器/组合器通常基于在各输出中的每个输出处的多模式功分器和不同模式变换器(相位全息图)。图1中示出了示例模式分离器/组合器100，其包括大容量(bulk)光学功分器和模式转换器。模式分配器/组合器100将两个SMF模式(LP01)分别复用到MMF模式LP11a和LP11b。这样的模式分离器/组合器的缺点是相对高的损耗(1/N)，该损耗归因于功分器的使用和相对昂贵的大容量光学实现方式。
模式分离器/组合器200的可替换实现方式基于具有绝热变化折射率分布的耦合的波导结构(例如光子晶体光纤)(参见图2)。波导结构200由四个耦合的单模波导形成，这些单模波导将MMF的LP(线性偏振)模式变换为SMF输出抽头的基本模式。模式分离器/组合器200原理上是无损的，然而，实现复杂的波导结构可能是昂贵的。此外，模式分离器/组合器200到更高模式数目(N)的可扩展性可能是具有挑战性的。
在本文件中，描述了利用光信号处理的模式分离器/模式组合器的架构。所描述的模式分离器/组合器允许使用光子集成电路(PIC)(例如硅PIC)的成本效益实现方式。此外，所描述的模式分离器/组合器表现出相对低的功耗。另外，所描述的模式分离器/组合器可扩展到更高模式数目N的模式。
模式分离器(模式组合器)可以通过对MMF场的不同区域光空间采样来实施，即通过对MMF的端面的不同区域采样。对MMF场的不同区域的采样可以通过使用多个接线(patch)P1、……、PM来实施，M是接线的总数目。这些所谓的接线收集一个区域内的光场并且将它变换为单模波导或光纤的场。实现方式的可能性是透镜或透镜系统，该透镜或透镜系统将一个区域的光集中到单模式波导或渐变波导(waveguide taper)的基本模式中，该渐变波导的多模部分的基本模式绝热地变换为光纤的基本模式(参阅图3中的波导管)。
通常，基于MMF内所运载的模式的数目N来选择接线M的数目。为了允许N个模式的隔离(或耦合)，M应当大于或等于N。图3a、b和4图示了示例空间采样器300、400。图3a和b的空间采样器300包括M＝4个SMF302，其采样在四个不同的位置或区域处的MMF301的端面处的光，由此提供M＝4个接线，P1、……、P4。图4的空间采样器400使用具有垂直光栅耦合器402的硅光子集成电路(PIC)而提供了M＝7个接线。图4的技术平台用于不同应用的演示能够在C.R.Doerr和T.F.Taunay，“Silicon Photonics Core-,Wavelength-,andPolarization-Diversity Receiver”，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，卷23，第9期，2011年5月1日，597页中找到，其通过引用而并入。
空间采样器300、400提供M个接线或者MMF场的样本，并且提议了将进一步的光处理应用到该M个空间样本，以便隔离该N个模式。可以在提供具有传递函数H的MIMO滤波器的单模波导滤波器结构中执行该进一步的处理。
在偏振分集操作中执行该进一步的处理可能是有益的，因为在接收器处的光信号的偏振在许多应用中通常是未知的。在这种情况下，空间采样器300可以包括如图3b中所示出的偏振分束器(PBS)303。这些PBS303为m＝1、……、M个空间样本中的每个空间样本提供两个空间样本Pmx和Pmy。随后，分离的MIMO滤波器(Hx和Hy)可以个别地处理X和Y偏振光。
如此，MMF信号的不同区域的光可以由空间采样器300、400的M个接线302、402来采集。空间采样器300、400可以将空间采样光变换到M个单模波导(或光纤)的基本模式中。接线的光，即M个单模波导的光在光MIMO滤波器(提供N×M传递矩阵H)中被处理。N个LP模式的信号ALPi(i＝01、11a、11b等)被分离并且在光MIMO滤波器的输出处的N个单模输出波导处出现。
分别用于X、Y偏振光的示例光MIMO滤波器500、520在图5中被示出。M＝4个空间样本501经由各自的M个单模输入波导505从空间采样器300、400进入光MIMO滤波器500、520。光MIMO滤波器500、520包括多个光处理单元503、504，多个光处理单元503、504被配置为修改M个单模输入波导505中的一个或多个单模输入波导的光信号。示例光处理单元503、504是可调谐移相器503(相位参数)和可调谐耦合器504(旋转参数θ)。在光MIMO滤波器500、520的输出处，在MMF301内所运载的N个LP模式的N＝3个光信号ALPi(i＝01、11a、11b等)被提供在N个单模输出波导506内。通过示例的方式，接线信号501P1x、P2x、P3x、P4x被光处理使得该N个单模式输出波导506运载在MMF301内所运载的N个LP模式的光信号ALPi(i＝01、11a、11b等)。可以针对Y偏振光执行类似的处理。
光处理单元503、504的参数可以基于与由MMF所运载的空间模式有关的理论考虑来设计。这将在下面以进一步的细节来概述。备选地或另外地，光处理单元503、504的参数可以在初始训练阶段的背景中被调谐。在这样的训练阶段中，已知的光信号可以通过全体的光传输路径来传输，并且光处理单元503、504的参数可以被适配使得在接收器处(光MIMO滤波器500、520的下游)的误差或失真准则被最小化。备选地或另外地，这些参数可以不断地针对整个光传输路径的变化而被适配(例如使用恒定模算法，CMA，连同适当的误差或失真准则)。
从理论的视角，在实施例中与光MIMO滤波器500、520组合的空间采样器300、400的使用依赖于下列的各方面：空间采样器300、400在其输出(即图3b中的PBS303的输入)处提供基本(LP01)模式。随着增加的接线数目M，耦合的接线波导的M个特征矢量中的N个最低的特征矢量收敛到该MMF的N个空间模式。换句话说：光纤的每个LP模式主要仅耦合到这些耦合的接线的其对应模式中。此外，MIMO滤波器H(Hx和Hy)500、520是具有M个输入，但是具有(相等或减少的)数目N个输出的MIMO全通。滤波器H(Hx和Hy)500、520(“内部地”)被配置为：将MMF的N个模式中的每个模式变换到输出波导506中的特定的一个输出波导，该MMF的空间采样光信号在该M个接线波导505中被运载。然而，因为仅与该MMF的LP模式具有相同模式分布的那些模式在接线处被激发，所以仅N个输出被使用。另外，内部传递矩阵H是由K个处理级507的级联所形成的幺正(无损)旋转矩阵，K个处理级507由K个传递函数Ti(i＝1……L)(图5中L＝3)来描述。L个传送级507中的每个传送级通过分发功率或相位来执行旋转。为了这个目的，传送级507包括一个或多个光处理单元503、504。如上面所指出的，光处理单元503、504可以是具有分数(功率)耦合比(tan(θ))2的耦合器504或者施加相位φ的相移的移相器503。总的MIMO滤波器传递函数H通过将L级的传递函数级联来获得，即H＝TL TL- 1TL-2...T1。级联的级507的数目L应当足以执行所需要的幺正变换并且通常能够数值地确定。对处理单元的精细调谐(例如使用热光移相器)可能允许对接线的有限数目的调整以及对N个输出端口506之间的最大消光的调整。
在下文中，以进一步的细节分析了本文件中所描述的空间模式复用器(或逆向地，空间模式解复用器)。空间模式复用器(SMMux)的基本功能是将2N个单偏振输入信号Chlx、Chly、CH2x、CH2y、……、ChNx、ChNy的集合(它们的幅度总结在2N维复幅度矢量中)耦合到多模光纤(MMF)的2N个模式的模式集合中。类似于2N个单模和单偏振信号的幅度矢量，MMF的2N个模式的幅度可以由幅度矢量来表示。在下文中，假定MMF的模式集合是弱导光纤的LP(线性偏振)模式。在这个背景下，每个幅度ZCh.的下标中的x和y指示N个空间LP模式(ZCh..)中的每个空间LP模式分别存在于两个正交偏振的x和y中。理想的SMMux将每个输入信号没有任何损耗地耦合到仅一种专用模式中。这意味着理想SMMux的传递函数能够通过大小2N的单位矩阵I2N来描述。N个空间LP模式(在X和Y偏振中)和MMF的2N个模式的幅度矢量和然后分别由I2N相联系，即。
在下文中，假定MMF中的模式由相控阵类型空间场合成器激发，该相控阵类型空间场合成器包括跨MMF的截面积(或端面)的M个光接线P1、……、PM。每个接线将在两个正交偏振态(SOP)x和y中的一对的两个输入信号(B1x,B1y)、……、(BMx,BMy)转换为在每个接线的输出面处的发射场e1、……、eM。在下面的分析中，假定ei(i＝1、……、M)的场分布fi是具有接线输出的纤芯直径2r的LP01模式的高斯函数。每个接线生成具有在x和y偏振ei＝(Bix fi,Biyfi)(i＝1……M)中的分量的矢量场ei＝(eix,eiy)。为了方便，对所有接线的输入信号总结在激发幅度的矢量中。根据对接耦合积分每个接线i＝1……M激发模式LPj,pol的模式幅度dZji,pol，其中ei,pol和eLPj,pol分别是接线和MMF模式的归一化复合场，其运载单位功率，(i＝1……M，j＝1……N，并且pol＝x，y)，并且其中dA表示跨多模光纤的端面面积的积分。由所有接线所形成的总体场是e＝Σei。总体场激发具有幅度Zj,pol的LPj,pol模式，并且
接线的激发幅度与模式幅度之间的传递函数可以由大小2N·2M的耦合矩阵总结。对于理想SMMux的设计，任务是：找到用于具有传递函数H的无源处理系统的解决方案(该传递函数H将由2N维幅度矢量所表示的发射器信号转换为接线输入信号即使得输入幅度与模式幅度之间的总传递矩阵表现出低损耗和对其他模式的低串扰，即使得K·H接近I2N。
随着增长的接线数目M，总的接线场能够更好地近似于LP模场eLPN,pol，并且因此，耦合损耗以及对其他模式的交叉耦合原理上能够减少到零。因为耦合矩阵K中的每一列被考虑为是在MMF的横截面上的LP模场的样本的矢量，所以增长的接线数目M的意味着耦合矩阵K的不同列矢量Ki(i＝1、……、2N)表示不同的LP模式，并且因此，不同的Ki变得越来越正交，即对于i≠j随着增长的M，Ki·(Kj)*收敛到0。
鉴于上面的情况，适当SMMux的设计将被分为两个任务。在第一步骤中，将会有动机的是，存在如下的波导结构：该波导结构允许使用传递矩阵H将具有幅度ACh1x,ACh1y,…,AChNx,AChNy的2N个输入信号，即2N个矢量(ACh1x,0,…,0,0)T、(0,ACh1y,…,0,0)T、(0,0,…,AChNx,0)T、(0,0,…,0,AChNy)T，在理论上无损地转换为2N个正交矢量。在第二步骤中，接线计数M与模式计数N之间的权衡通过对接线的一些几何布置的仔细查看而被讨论，这些接线允许以有限数目M的接线来发射的低串扰模式。
在下文中，描述了示例光多输入多输出(MIMO)波导滤波器500、520(具有传递函数H)的架构，其将三个输入信号502变换为相控阵接线刺激的三个不同集合该三个集合分别针对每个输入信号激发少模MMF的N＝3(三个)不同的空间LP模式(LP01、LP11a、LP11b)。然而，为了方便，在下文中，解决了对逆向问题的解决方案，即用于解复用器的MIMO滤波器设计，其将三个LP模式的M＝4个空间样本的三个集合变换到三个不同的输出波导506。由于无源光系统的互易性，解复用器问题对应于复用器问题。对图3a的空间采样器300做出参考。在图3a的左手侧，三个模场分布310eLP01、eLP11a和eLP11b被示出。LP11a场的右边和左边区域以及LP11b场的上方和下方区域分别对应于正和负的场幅度。粗糙空间采样由四个准直器302所形成的M＝4个接线PI……P4来执行。这四个准直器302将它们的LP01模式(由MMF的LP模式激活)变换到四个单模波导。每个接线Pi分别为x和y偏振提供了一对复幅度Bi,x和Bi,y。为了简单，y偏振将被省略并且将假定用于所有模式的偏振态(SOP)是线性X偏振。因此，空间样本能够被描写为具有M＝4个复元素的列矢量
图6中所示出的示例解复用滤波器600的设计由如下的思想指导：至少如果跨模场区域的空间采样的粒度足够精细，即如果M是足够大的，则不同的正交LP模式的空间采样再次正交。换句话说，LP01模式的第一空间矢量应当与LP11a模式的第二空间矢量正交，并且应当与LP11b模式的第三空间矢量正交。这在图6中由用于三种模式LP01、LP11a和LP11b的三个空间矢量N＝3，(参考标号分别是601、602、603)图示出。对于理想的解复用器，目标是为每个LP模式提供仅一个输出端口506，其对应于三个输出信号Ai。这意味着被描写为复矢量的用于这三种模式LP01、LP11a和LP11b的输出矢量(n＝1、……、3)，是正交的基矢量，例如，和如果这三种模式的幅度被假定为是单位幅度。因此，将空间矢量3)与输出矢量(n＝1、……、3)相联系的MIMO滤波器600的传递函数G＝H-1，是应用空间输入矢量的复旋转同时保持空间矢量的正交性的幺正矩阵。这意味着MIMO滤波器G＝H-1能够被实施为由光处理单元503、504所提供的复旋转的序列。
在下文中，具有幺正传输特性的MIMO滤波器波导结构600将通过使用实值2×2耦合器700与由角度θ所定义的耦合比来得到，如图7a、b中所示出的。图7a描绘了实值耦合器700。实值耦合器700具有作为传递函数的实值旋转矩阵R(θ)，并且包括±π/2的光移相器701和具有(sinθ)2/(cosθ)2＝(tanθ)2功率耦合比的定向耦合器702。波导耦合器702由复传递函数来描述，并且对于移相器701和耦合器702的级联，实值2D旋转矩阵获得如下：
在上面的等式中θ＝π/4导致实值1:1-耦合器(3-dB耦合器)。图7b描绘了实值耦合器700的可替换波导结构。图7b的波导结构700是可能更适合于实际实现的解决方案。具有可调谐耦合比702的实值耦合器700(参见图7a)被替换为两个固定1:1耦合器710、在应用+θ和-θ角度的推挽式操作中的两个可调谐移相器711、以及固定移相器712和波导交叉(waveguide crossing)713的级联。
每个耦合器处理两个相邻的输入信号。在四个输入的情况下，两个耦合器能够并行操作，如由图6中所使用的两个耦合器605的堆叠所图示的。两个耦合器605的堆叠导致4×4大小的传递矩阵，其取决于两个相位值θ1和θ2：
并且02表示2x2零子矩阵。此外，置换矩阵S(i-j)描述了一对波导i和j的交叉606。在图6中的结构的中间部分中，波导2和3被交叉，导致置换矩阵S(i-j)：
可以被使用的进一步的处理元件或处理单元是移相器503，其在该M＝4个波导中的一些波导或者所有波导处应用(i＝1……4)的相移。将(i＝1……M)的相移应用到该M个波导的移相器的对应传递函数是：
一般而言，导致幺正M×M矩阵G的MIMO滤波器600(其可以被称为M×M MIMO全通滤波器)由波导交叉(S(m,n))、移相器和耦合器(C(θi))的级联而形成。这三个基本处理元件的级联可以被定义为具有总传递函数T＝C·F·S的处理段。上至M-1个这样处理段的级联通常需要确保最外的波导(1和M)可以干涉。因此G成为M-1个(或者更少的，如由以下具有M＝4和M＝9的示例所展示的)处理段的左乘的乘积：
为了确定由角度、θ和置换对(i-j)所给定的波导参数，人们可以从LP模式的N个检测矢量n＝1、……、N(N＝3)开始(如图6的三列601、602、603所图示的)。全通滤波器设计的目标是将连续旋转应用到复平面上中或者一对波导之间，使得在每个旋转步骤之后输入信号分别变为实值或者仅出现在耦合器的一个输出波导中。最后，在经过所有段之后，每个LP模式的信号应当出现在不同的输出波导处。
这个系统过程将针对N＝3LP模式的示例来举例说明，如图6中所示出的。
·在对第一处理段T1(参考标号611)的输入处，每种模式激发在每个接线中的波，即三个矢量中没有一个具有零元素。因此，不需要波导交叉。即S1＝IN，4x4单位矩阵。
·矢量的所有元素是实数；因此，没有移相器必须将复平面中的旋转应用到实值，即F1＝IN。
·左边两个耦合器的上方耦合器应当收集其上方输出端口中的LP01信号，下方耦合器应当收集其下方输出端口处的LP11b信号。两个各自的LP模式信号的两个输入幅度的比率是1和-1，导致θ1＝θ2＝π/4的旋转角，即耦合器成为1:1耦合器(实值3-dB耦合器)。
·在处理段T2(参考标号612)中，期望允许样本矢量的上半部和下半部的信号相干涉。因此，置换S2＝S(2-3)被应用，其将LP11b信号从上方的两个样本(在上方左手边的耦合器的下方输出端口处)传送到下方部分，并且其将LP11a信号从下半部分(在下方左手边的耦合器的上方输出端口处)传送到上半部分。
·对于所有三个输入激励的T1的输出信号是实值，因此，现在需要相位旋转，并且F2是单位阵I4。
·处理段T2的两个耦合器平行操作，如在图6的MIMO全通滤波器的右手边部分上所示出的。模式LP01在上方右手边的耦合器的输入端口处以相同幅度并且无相位差地出现。θ1＝π/4导致这些输入信号在上方输出端口621处的相长干涉，以及在这个耦合器的下方输出端口622处的0干涉。以这个角度，LP11a模式的信号被完全传送到上方耦合器的下方输出端口622，因为对应的输入幅度表现出π的相位差。
·对于下方右手边的耦合器的任务是传送表现出π的相位差的LP11b模式的两个相等幅度信号。再次地，这个θ2＝π/4由1:1耦合器来实现，该1:1耦合器收集在下方输出端口624处的光。在上方输出端口623处没有光被提供。
图6的MIMO全通波导结构适应于针对单偏振处理的从M＝4个接线到L＝3个LP模式的变换(并且反之亦然)。在图8中，针对LP模式的两个偏振x和y被利用作为传输信道的情况，图示了SMMux800。这意味着，单个偏振发射器信号Chlx……CH3x将分别激发具有x偏振的模式，LP0lx、LP11ax和LP11bx，并且发射器信号Chly……CH3y将由同一集合的接线映射到具有y偏振的模式LP01y、LP11ay和LP11by。两个(相同的)光MIMO全通滤波器801、802生成用于x和y偏振的两个独立激励信号。这两个全通输出信号矢量和叠加在具有正交偏振态的M＝4个偏振复用器(偏振组合器)303中，然后发射到空间采样器300的M＝4个接线P1……P4中。
用于处理900两个偏振x和y的可替换方案由图9所图示，其中MIMO全通滤波器901执行相同的信号处理，即针对x和y偏振表现出相同的传递函数H。这允许首先通过偏振复用器PolM1……PolM4303来偏振复用单偏振发射器信号，并且随后应用全通滤波器901。
在下文中，描述了用于五个LP模式的光MIMO全通滤波器的进一步示例。在5LP模式的情况下，五个最低阶空间LP模式是三个前述模式LP01、LP11a和LP11b外加LP12a和LP12b。对应的模场eLPpq在图10的顶部部分中被示出。由图3a的空间采样器300的M＝4个接线所提供的空间样本不包含足够的信息来无损耗地解复用LP12a和LP12b模式。因此，在如图10的左边部分中所示出的几何布置1030中，接线的数目从M＝4增加到M＝9。相比M＝9更小数目的接线应当允许解复用N＝5个模式。然而，在外圈处的8个接线(P2……P9)表现出与LP模式相同的方位角对称性。这简化了MIMO全通滤波器结构。如此，可能有益的是，空间采样器的(即空间采样器的接线的)几何形状与要被采样的模式的空间场的几何形状对齐。五个空间样本列矢量(n=1、……、N＝5)在图10的中间部分(参考标号1021、1022、1023、1024、1025)中被示出。这5个M-元素矢量是正交的并且被假定为是由接线所提供的空间样本。空间矢量(n＝1、……、N＝5)反映了由该N＝5个LP模式中对应的一个LP模式在P1、……、P9处所生成的场的幅度。换句话说，空间矢量描述了在由对应模式n所生成的接线位置P1、……、P9处的幅度。如上面所指出的，通常存在接线结构、模场结构、取样矢量的正交性、以及空间模式复用器(SPMux)或者空间模式解复用器(SPDeMux)的性能之间的相依性。
在图10的右手部分中，示出了对应的MIMO全通滤波器的波导结构。这个MIMO滤波器1040包括四个(N-1)处理段1011、1012、1013、1014，它们将N＝5个正交样本矢量旋转到9个已有正交基矢量[1,0,...,0]T到[0,...,0,1]T中的N＝5个基矢量。接下来，在图6的背景中详细描述指导方针，归因于所有LP模式样本B1……B9(即F＝I9)的实值并且归因于应用实平面旋转的实值耦合器，不需要相位矩阵F在复数域中的回退平面旋转(back planerotation)。此外，圆接线的样本B2……B9的方位角对称性导致许多样本对(Bi,Bj)的相同幅度。再次地，当它已经是用于图6的3LP模式示例的情况时，样本的相同幅度导致atan(Bi/Bj)＝atan(1)＝π/4的回旋转角θ，其由1:1耦合器执行。因此，仅处理圆接线P2……P9的样本的、图10中的MIMO全通滤波器1040的所有段1011、1012、1013、1014包括1:1耦合器。仅最右边的顶部耦合器必须应用出现在其下方输入端口处的由接线P2至P9所收集的LP01模式功率、与在其上方的输入端口处由中心接线P1所收集的功率的相长干涉。对应的幅度比0.1/0.552使得θ＝0.986弧度的旋转角成为必要。这个旋转由具有0.31:0.70的功分比的在图10的顶部耦合器来提供。
在下文中，描述了与被用于MIMO全通滤波器设计和接线优化的模场样本有关的各方面。在上面的示例中，对于无损光MIMO全通滤波器的设计已经假定了N个空间模式的样本是正交的。如上面所指出的，具有大数目的接线M>>N，即具有空间样本B1……BM的精细粒度，矢量乘积收敛至两个模场的重叠积分，该两个模场针对不同模式(i≠j)变为0。另一方面，这通常不是用于有限数目M的接线的情况。
因此，对于MIMO滤波器设计，模式样本B1……BM可以被使用，它们是耦合的波导结构的模式(通常被称为超模)的特征矢量，该耦合的波导结构包括并行运行的M个相同的单模波导并且具有与这些接线的布置相对应的几何定向。因此，在图6的布置中的样本矢量到可以是具有最高的特征值(超模的相位常数)的下列耦合的模式等式的四个特征矢量中的三个：
c和k分别是两个最接近的相邻波导与对角波导之间的虚数耦合系数。归因于到对角波导的更弱的耦合，k的大小小于c的大小。与4×4耦合的波导结构有关的进一步细节在David B.Mortimore，“Theory and fabrication of4×4single-mode fused opticalfiber couplers”，应用光学，第9卷，第3号，1990年1月20日，第371-374页中被描述，其通过引用而并入。
相应地针对M＝9个接线的情况来遵循这个过程，到是M＝9个相同波导的耦合的模式等式的特征矢量，这些相同波导具有在圆接线波导P2至P9(参见图10)之间对它的两个相邻邻居的强耦合，以及对在P1位置处的中心波导的较弱耦合。对于M＝9个接线的情况和对于N＝5个模式，中心接线的直径的独立变化和圆接线的直径示出了，发射器信号与MMF模式之间的耦合损耗能够通过适当地选择中心接线的直径和圆接线的直径而被最小化。此外，作为接线结构的对称性的结果，不同模式之间的串扰，即非寻址的LP模式的剩余激励，对于接线直径的大变化保持为零。
图11a和b图示了MIMO全通滤波器与不同类型空间采样器的组合。在图11a中，MIMO全通滤波器1101与空间采样器1102组合地被示出，空间采样器1102利用垂直光栅，以用于将来自滤波器1101的光耦合到MMF301中，或者用于采样来自MMF301的光并且将所采样的光传递到滤波器1101。图11b图示了与图3a的空间采样器302组合的滤波器1101。
应当注意到，光MIMO全通滤波器还可以与熔融光纤或熔融波导的布置组合(如例如图2和图16中所示出的)，以便将光耦合到MMF中或者从MMF提取光。如果耦合矩阵K是已知的，则光MIMO全通滤波器的传递矩阵H能够被确定使得K·H近似于I2N。通过示例的方式，熔融光纤耦合器的耦合矩阵K可以如在H.Bülow等人，“Coherent Multimode-Fiber MIMOTransmission with Spatial Constellation Modulation”，ECOC的会议记录，欧洲光通信会议和展览(2011)中所描述的而得出，其通过引用而并入。
如此，可以提供MIMO全通滤波器，其将MMF的一个或多个光模式的多个空间样本的光功率集中到对应的一个或多个单模波导(一个单模波导每光模式)中，并且反之亦然。光MIMO全通滤波器能够与空间采样器相结合地被用来形成模式分离器/组合器。模式分离器/组合器(并且特别是MIMO全通滤波器)适合用于PIC集成。此外，所描述的模式分离器/组合器容易地可扩展到更大数目N的光模式，如由图6和10已经图示的。另外，所描述的模式分离器/组合器不表现出功率分离损耗，并且总处理损耗能够随着增加的接线计数，即随着该空间采样器的增加的分辨率，而被最小化。鉴于由MIMO全通滤波器所执行的光信号处理，相比基于使用电子DSP MIMO处理的模式复用的解决方案，该模式分离器/组合器表现出低功耗。
上面所描述的模式分离器/组合器能够被用来构建空间模式分插复用器。示例空间模式分插复用器1200被图示在图12中。模式分离器/组合器1201、1202被用在分插复用器(ADM)1200的输入/输出处，使得不同的空间模式被提供在ADM1200内的单模波导上。如此，各个模式能够在对应的单模波导上被操控(例如，使用光开关1202来丢弃或添加)。
在上面所描述的模式分离器/组合器的背景中，光MIMO全通滤波器主要包括固定的或预设的光处理组件，以便将这些空间样本的功率集中到特定的单模波导，或者反之亦然。在下文中，描述了使用可变的光处理参数的示例光MIMO滤波器。这样的适应性光MIMO滤波器可以被用来执行模式解复用和/或光域中的光多模传输系统的信道均衡。
如在引言部分已经概述的，通过光纤(在给定的光谱内)所传送的容量(比特/秒)，能够借助使用多模光纤(MMF)和借助通过MMF的不同空间模式(和偏振模式)来传送不同的数据信道而被增加。类似于无线或有线系统中的MIMO传输，原始数据信道能够由所有接收器信号的联合数字信号处理(DSP)从由N个相干接收器(例如，单载波或光OFDM)所检测到的所有信号的混合中被分离(参见例如A.Tarighat等人，“Fundamentals and Challenges ofOptical Multiple-Input Multiple-Output Multimode Fiber Links”，IEEE通信杂志，2007年5月，第1-8页，其通过引用而并入)。在上面所提到的参考文献中所示出的系统设置表现出如下的缺点：由于不同空间MMF模式的相位漂移以及归因于光纤弯曲的模式之间的耦合，传输质量(即给定特定的OSNR能够通过所有信道来传送的比特率)可能统计地变化。在接收器侧，所传输的信道的稳定解复用通常仅在沿着光纤和输入/输出耦合器的模式耦合由电子MIMO处理还原时才是可能的。
图13图示了示例相干光传输系统1300，其通过MMF302来传输的相同波长的多个数据信道。接收器中的MIMO信号处理1301实现了被发射到光纤中的不同数据信号的分离。这些光MMF传输系统1300通常基于在数字信号处理(DSP)单元中的所有信道的信号样本的同时处理，该数字信号处理单元在图13中被称为MIMO信号处理单元1301。通常，高维蝴蝶FIR滤波器被实现在DSP单元中。这导致了在DSP中的每个数字化信号样本的复功率消耗处理。对于中等复杂系统(例如少模光纤，FMF)，处理工作量的减少能够通过使用模式分离器作为输入和输出耦合器(例如，在图1和2中所描述的模式分离器/组合器)来实现。这些模式分离器将每个发射器或接收器抽头与MMF301的一种模式相连接。如上面所指出的，图1的模式分离器基于在每个输出处的多模功分器和不同的模式变换器(例如相位全息图)，并且表现出相对高的损耗。另一方面，图2和图16中所示出的熔融光纤单模到多模耦合器表现出低损耗，但是表现出强模式耦合，这可能需要DSP处理(如例如在上面所提到的参考文献，H.Bülow等人，“Coherent Multimode-Fiber MIMO Transmission with SpatialConstellation Modulation”，ECOC的会议记录，欧洲光通信会议和展览(2011)中所指出的。
不是对MIMO处理DSP中的所有相干接收器样本应用数字处理(如图13所示)，所提议的是：在由相干接收器1404检测之前，在集成光学波导结构中的模式分离器或模式耦合器输出处，处理光信号，该集成光学波导结构形成了MIMO全通滤波器1403。这由图14中的布置1400图示出。在MMF301输出处的空间模式分离器1401和偏振模式分离器1402的输出处，可调谐移相器503和可调谐耦合器504的级联形成了光MIMO全通滤波器1403。可调耦合器504可以包括可调谐移相器和1:1耦合器(如图7a和b中所图示的)。MIMO全通滤波器1403被设计使得总的光输入功率和总的输出功率是相等的。此外，MIMO全通滤波器1403的传递矩阵H通常是幺正的。
如在图6和10中所图示的预先设置的MIMO全通滤波器的背景中已经概述的，集成光学结构的移相器的调谐(即参数和θ的调谐)可以被用来将来自模式分离器1401的光的不同组合定向到不同的接收器1404。特别地，每个发射器信号可以被传送到另一个接收器1404。X和Y发射器偏振可以被解复用到各自的输出端口。在光全通滤波器1403的输出处，接收器组1404(Rx)可以检测模式解复用的信号和偏振解复用的信号。
全通滤波器的参数(和θ)的数目通常是最小的，因为全通滤波器1403的传递矩阵是幺正的。因此相比电子(或光)MIMO蝴蝶FIR，更少的参数必须被适配。
这些参数可以由控制单元(未示出)适配于实际传输路径条件。在第一步骤中，这些滤波器参数的预先设置可通过训练序列来实现。对变化的信道条件的进一步适配或跟踪可以通过使信道之间的相关性最小化来执行。通过示例的方式，误差准则可以被定义，其中该误差准则指示在接收器1404处的信道之间的相关性。使用例如梯度下降法，这些滤波器参数可以被调整，以便减小误差准则，即以便减少在接收器1404处的信道之间的相关性。
换句话说，控制单元可以从(例如受制于训练序列的)所测量的信道传递矩阵开始，并且可以通过数值地计算(尽可能接近于)信道传递矩阵的逆的全通传递矩阵来调整全通传递矩阵。精细调谐和跟踪可以可选地通过使得使用已有的信号样本所计算的相关性最小化来执行。用于传递矩阵的更新速率可以(显著地，例如以幅度的量级)低于信号的符号率。
在图14的示例全通滤波器1403中，涉及多于一个空间模式的光处理被限制于通常遭受沿着MMF301的交叉耦合的空间模式(例如LP11a和LP11b模式，它们是具有相同相位常数的简并模式)。图15示出了光MIMO全通滤波器1503，其允许在空间模式的所有可能组合之间的光处理。换句话说，光MIMO全通滤波器1503是光MIMO全通滤波器的通用示例，它允许在N＝3个空间模式中的所有空间模式之间的相互作用。在图15的示例布置中，熔融光纤耦合器1501被用来将光从MMF301定向到MIMO全通滤波器1503(或反之亦然)。熔融光纤模式分离器1501是无损的，但是通常引入了非简并模式之间的耦合。因此，在滤波器1503中的光处理延伸到该光纤的所有模式。MIMO全通滤波器1503然后能够被用来解复用N＝3个空间模式，并且在同一时间减少信道之间的相关性，由此接近于光传输系统的信道传递矩阵的逆。这意味着，可适配的MIMO全通滤波器1503能够被用于如在图6和10的背景中所概述的模式分离/组合，以及用于信道均衡。
图16图示了用于7种模式的示例熔融光纤耦合器1600(侧视图和前视图)。这样的示例熔融光纤耦合器1600在Noordegraaf等人，光学快讯，第17卷，第3期，第1988-1994页，2009年中被描述，其通过引用而并入，并且在上面所提到的参考文献H.Bülow等人，“Coherent Multimode-Fiber MIMO Transmission with Spatial ConstellationModulation”，ECOC的会议记录，欧洲光通信会议和展览(2011)中被描述。
应当注意，在差模延迟情况中可能需要光延迟级(大约一半符号周期或更短)，PMD(偏振模色散)或GVD(群速度色散)变为不可忽略或者不能在相干接收器中被独立补偿。可替换地，对于更强的失真，光片滤波器(optical slice filter)能够将信号分解为多于一个光谱片(spectral slice)。信号的这些片然后能够由光MIMO全通滤波器独立地处理，并且随后在相反方向上的第二片滤波器操作允许从独立处理的片来重建均衡的信号。
图17示出了光接收器1700的示例框图，光接收器1700包括用于偏振解复用和/或信道均衡的适应性光全通滤波器1702。MMF连接到空间模式解复用器/复用器1701。这样的空间模式解复用器/复用器1701可以被实施为熔融光纤(参见例如图16)，被实施为例如图1和2中所示出的模式分离器/组合器，或者被实施为包括图11a和b所示出的(固定的)光全通滤波器的模式分离器/组合器。空间模式解复用器/复用器1701提供了在对应的多个单模波导上的多个单模光信号。假设N个信道对应于MMF的N个空间模式，则空间模式解复用器/复用器1701应当提供在对应的N个单模波导上的N个光信号。
N个光信号在适应性光滤波器1702内被处理，以便从该N个光信号解复用原始传输的N个输入信号。为了这个目的，适应性光滤波器1702应当模拟光多模传输系统的传递函数的逆。这意味着，光滤波器1702的参数(即移相器和耦合器的角度和θ)应当相应地被设置。这可以由控制单元1703来完成，控制单元1703基于该N个所接收的信号来确定光滤波器1702的适当参数。特别地，滤波器1702的N个输出波导可以连接至N个对应的光接收器，由此提供N个所接收的信号(在电域中并且可能在数字域中)。这些所接收的信号可以被处理，以便确定光滤波器1702的适当参数。通过示例的方式，该N个所接收的信号可以与响应于已知训练序列所接收的信号相对应，由此允许控制单元1703确定光滤波器1702的参数，这些参数减小了该N个光信号之间的相关性。备选地或另外地，这些参数可以受制于对根据该N个(在电域和/或数字域中)所接收的信号所确定的误差准则的连续跟踪而连续地被适配。这意味着，尽管该N个光信号在光域中被处理(即，尽管解复用和/或信道均衡在光域中被执行)，用于进行该处理的适当参数根据(在电域/数字域中)所接收的信号来确定。
在本文件中，已经描述了光MIMO滤波器，其能够被用于光处理以便实现通过MMF的MDM。特别是，光MIMO滤波器能够被用来实施有效率的空间模式分离器/组合器。此外，光MIMO滤波器能够被用来直接在光域中执行信道均衡。作为结果，MIMO处理能够以功率有效率的方式来执行。换句话说，对光MIMO滤波器的使用导致了功率消耗电子DSP处理的显著减少。此外，对光MIMO滤波器的使用允许避免模式分离器的光路径损耗，而不增加DSP处理工作量。
应当注意，本描述和附图仅举例说明了所提出的方法和系统的原理。因此，将意识到，本领域的技术人员将能够设计出尽管本文没有明确描述或示出，但是体现了本发明的原理并且被包括在其精神和范围之内的各种布置。此外，本文所记载的所有实施例主要明确地意图为仅用于教导目的，以帮助读者理解所提出的方法和系统的原理以及由发明人为了促进本领域而贡献的概念，并且将被解释为不限于这样具体记载的示例和条件。此外，记载了本发明的原理、各方面和各实施例的本文中的所有陈述，以及它们具体的示例，意图为涵盖它们的等价物。

Claims (15)

1.一种光处理系统(500、520、600、1040、1101、1403、1503、1702)，所述光处理系统包括：
—在所述光处理系统的第一端处的通向多模光纤的接口；
—M个第一单模波导(505)，M>2，耦合到所述接口；其中所述第一波导被布置为分别运载M个第一光信号；所述M个第一单模波导(505)中的每个第一单模波导在基础模式中运载其相应的第一光信号；
—N个第二单模波导(506)，N>1，位于所述光处理系统的第二端处；其中所述第二波导被布置为分别运载N个第二光信号；其中所述N个第二单模波导(506)中的每个第二单模波导在基础模式中运载其相应的第二光信号；其中所述N个第二光信号分别与由所述多模光纤所运载的N个模式相关联；以及
—光处理核心(503、504)，用于将所述第一光信号变换为所述第二光信号，以使得所述第二光信号之间的相关性相比所述第一光信号之间的相关性而减小；其中所述光处理核心(503、504)包括依次的两个或更多光处理级，每个光处理级包括被布置用于分别处理一对或多对单模波导的一个或多个光耦合器，由此将所述M个第一光信号中的一些光信号或者所有光信号相互耦合，以使得所述N个第二光信号中的至少一个光信号是所述M个第一光信号中的所述一些光信号或者所有光信号的线性组合。
2.根据权利要求1所述的光处理系统，其中所述两个或更多光处理级中的光处理级由多个单模级波导穿过；其中所述多个级波导在所述光处理级的第一端处耦合到所述M个第一波导中的至少三个波导，并且在所述光处理级的第二端处耦合到所述N个第二波导中的至少一个波导；其中所述一个或多个耦合器被布置为：使用旋转值θ在所述耦合器的第一端处混合所述多个级波导中的两个级波导上的两个输入光信号，以在所述耦合器的第二端处提供所述多个级波导中的所述两个级波导上的两个耦合的光信号。
3.根据权利要求2所述的光处理系统，其中如果所述两个输入光信号和所述两个耦合的光信号被考虑为形成笛卡尔坐标系的x和y轴，则所述一个或多个光耦合器被布置为：以所述旋转值θ来执行对所述两个输入光信号的旋转，以产生所述两个耦合的光信号。
4.根据权利要求2所述的光处理系统，其中所述第一光处理级包括在所述多个级波导中的一个级波导上的移相器，所述移相器被布置为：将所述多个级波导中的所述一个级波导上的光信号的相位移动相位值
5.根据任一前述权利要求所述的光处理系统，其中
—N>2；
—所述光处理核心包括N-1个光处理级；并且
—每个光处理级包括M/2个或者更少的耦合器。
6.根据权利要求1所述的光处理系统，其中
—M大于或等于N；和/或
—N大于3或4或5或6或7或8或9或10。
7.根据权利要求1所述的光处理系统，其中
—所述M个第一光信号分别与在所述多模光纤的端面上的M个不同空间位置处的光场分布的对应M个样本相关联；并且
—所述N个第二光信号表示由所述多模光纤所运载的所述N个模式。
8.根据权利要求7所述的光处理系统，其中在所述M个样本与由所述多模光纤所运载的所述N个空间模式中的单个空间模式的光场分布相关联的条件下，所述光处理核心被布置为：
—将所述M个第一光信号组合为所述N个第二光信号中的单个光信号，和/或
—从所述N个第二光信号中的单个光信号生成所述M个第一光信号。
9.根据权利要求8所述的光处理系统，其中，对于所述N个空间模式中的每个单个空间模式，所述光处理核心被布置为：
—将所述M个第一光信号组合为所述N个第二光信号中的不同的单个光信号；和/或
—从所述N个第二光信号中的不同的单个光信号生成所述M个第一光信号。
10.根据权利要求4中的任一项所述的光处理系统，其中被称为所述光处理核心的一个或多个参数的所述一个或多个移相器的所述一个或多个相位值和/或所述一个或多个耦合器的所述一个或多个旋转值θ是可调整的。
11.根据权利要求10所述的光处理系统，进一步包括控制单元(1703)，所述控制单元被布置为确定所述光处理核心的所述一个或多个参数；其中基于所述N个第二光信号来确定所述一个或多个参数。
12.根据权利要求11所述的光处理系统，其中
—所述N个第二光信号与经由由所述多模光纤的所述N个模式所提供的通信信道所传输的训练序列相关联；并且
—所述控制单元(1703)被布置为基于所述训练序列和所述N个第二光信号来确定所述一个或多个参数。
13.根据权利要求1所述的光处理系统，其中
—M是偶数；并且
—所述光处理系统进一步包括M/2个偏振分束器，所述M/2个偏振分束器被布置为：从M/2个偏振复用的信号生成所述M个第一光信号，和/或反之亦然。
14.一种光接收器(1700)，被布置用于接收经由多模光纤的N个空间模式所传输的N个光信号，N>1，所述光接收器(1700)包括：
—根据权利要求11所述的光处理系统(1702、1703)，被布置为处理M个第一光信号以提供N个第二光信号；其中所述处理受制于被包括在所述光处理系统内的一个或多个移相器和/或耦合器的一个或多个参数而被执行；其中所述光处理系统的所述接口包括多模光纤耦合器(1701)，所述多模光纤耦合器(1701)被布置为将所述M个第一光信号从所述多模光纤提取到M个单模波导中，M≥N；以及
—N个光到电转换器(1404)，被布置为将所述N个第二光信号转换为N个对应的所接收的信号；其中基于所述N个所接收的信号来确定所述一个或多个参数。
15.一种光空间模式复用器/解复用器，被布置为将来自N个第二单模波导的N个第二光信号耦合到多模光纤的N个空间模式，和/或反之亦然，N>1，所述空间模式复用器/解复用器包括：
—根据权利要求7所述的光处理系统，被布置为从所述N个第二光信号生成M个第一光信号，和/或反之亦然；其中所述光处理系统的所述接口包括空间采样器(302、1102)，所述空间采样器(302、1102)被布置为：从在M个第一单模波导内所运载的所述M个第一光信号，生成在所述多模光纤的端面上的M个不同空间位置处的光场分布的M个样本，M>1，和/或反之亦然。
CN201280058293.8A 2011-11-28 2012-11-06 光mimo处理 Expired - Fee Related CN103959115B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP11290543.5A EP2597792B1 (en) 2011-11-28 2011-11-28 Optical MIMO processing
EP11290543.5 2011-11-28
PCT/EP2012/071903 WO2013079281A1 (en) 2011-11-28 2012-11-06 Optical mimo processing

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103959115A CN103959115A (zh) 2014-07-30
CN103959115B true CN103959115B (zh) 2017-04-05

Family

ID=47137726

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201280058293.8A Expired - Fee Related CN103959115B (zh) 2011-11-28 2012-11-06 光mimo处理

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9231702B2 (zh)
EP (1) EP2597792B1 (zh)
JP (1) JP5878985B2 (zh)
KR (1) KR101620879B1 (zh)
CN (1) CN103959115B (zh)
WO (1) WO2013079281A1 (zh)

Families Citing this family (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2977099B1 (fr) * 2011-06-23 2014-02-21 Telecom Paris Tech Methode et systeme de transmission sur fibre optique multi-mode et/ou multi-coeur
EP2860927A4 (en) * 2012-06-11 2015-09-23 Huawei Tech Co Ltd DECODER PROCESS AND DECORER FOR RECEIVING A SIGNAL IN A MICROWAVE MIMO SYSTEM
US9091827B2 (en) 2012-07-09 2015-07-28 Luxtera, Inc. Method and system for grating couplers incorporating perturbed waveguides
EP2693672A1 (en) * 2012-07-30 2014-02-05 Xieon Networks S.à.r.l. Optical network and optical network element
US8965217B2 (en) * 2012-12-10 2015-02-24 Corning Incorporated Superimposing optical transmission modes
US10782479B2 (en) 2013-07-08 2020-09-22 Luxtera Llc Method and system for mode converters for grating couplers
JP6276936B2 (ja) * 2013-07-25 2018-02-07 株式会社 オプトクエスト 反転位相差板を用いたモード合分波器
US9411100B2 (en) * 2013-09-20 2016-08-09 Alcatel Lucent Photonic lantern spatial multiplexers with mode selectivity
FR3023436B1 (fr) * 2014-07-01 2016-08-19 Telecom Paris Tech Methode et systeme de transmission sur fibre optique a brassage de modes et/ou de cœurs
US10027416B2 (en) * 2014-07-29 2018-07-17 Corning Incorporated All-optical mode division demultiplexing
GB2534917B (en) 2015-02-05 2017-09-27 Toshiba Res Europe Ltd A quantum communication system and a quantum communication method
GB2542109A (en) * 2015-06-26 2017-03-15 Univ Aston Mode division multiplexed passive optical network
CN107615683A (zh) * 2015-08-17 2018-01-19 华为技术有限公司 一种信号传输的方法、装置和系统
CN106656878B (zh) * 2015-10-29 2019-12-06 华为技术有限公司 处理光信号的装置和方法
CN106656320B (zh) 2015-10-29 2019-04-12 阿里巴巴集团控股有限公司 用于光量子通信业务的光纤信道损耗测量系统、方法及装置
CN105490769B (zh) * 2015-12-09 2017-11-10 武汉邮电科学研究院 偏振无关自相干正交频分复用光纤传输系统以及传输方法
US10439282B2 (en) * 2016-01-19 2019-10-08 Phase Sensitive Innovations, Inc. Beam steering antenna transmitter, multi-user antenna MIMO transmitter and related methods of communication
US10901240B2 (en) * 2016-02-04 2021-01-26 Massachusetts Institute Of Technology Electro-Optic beam controller and method
DE102016006085A1 (de) * 2016-05-20 2017-11-23 Eisenmann Se Rotationszerstäuber
US10476587B2 (en) 2016-05-31 2019-11-12 Alibaba Group Holding Limited System and method for enhancing reliability in a transport network
WO2017214807A1 (zh) * 2016-06-13 2017-12-21 华为技术有限公司 一种空分复用系统串扰均衡方法及设备
US20190222309A1 (en) * 2016-08-09 2019-07-18 Macquarie University System and a method for detecting the installation of an optical tap and a method of securing an optical signal in an optical fiber
CN106100741B (zh) * 2016-08-22 2018-09-11 北京邮电大学 一种信号均衡方法及装置
US10484094B2 (en) 2016-08-30 2019-11-19 Macquarie University Optical signal transmission system, a method for transmitting a plurality of optical signals, and a method for making a photonic device
US10345192B2 (en) * 2017-03-14 2019-07-09 Nokia Of America Corporation Single-end optical fiber transfer matrix measurement using spatial pilot
CN108631875A (zh) 2017-03-24 2018-10-09 阿里巴巴集团控股有限公司 双通道小型化可插拔模块、外壳和通信系统
US10162119B1 (en) * 2017-09-15 2018-12-25 Northrop Grumman Systems Corporation Micro-beam shaping optics (MBSO)
CN107800483B (zh) * 2017-11-01 2020-01-03 上海交通大学 基于阵列波导光栅的多芯多波短距互连网络
US11005178B2 (en) 2017-11-21 2021-05-11 Phase Sensitive Innovations, Inc. Antenna and antenna array configurations, antenna systems and related methods of operation
CN108092719B (zh) * 2017-12-29 2020-08-04 江苏世杰光电有限公司 一种基于信号附加相位的多灯珠可见光通信方法
CN107942443B (zh) * 2018-01-03 2019-12-24 聊城大学 一种低损耗低串扰渐变折射率分布三模式模分复用器
US10277354B1 (en) * 2018-02-15 2019-04-30 Futurewei Technologies, Inc. Efficient mode coupling using ladder fibers
CN113632392A (zh) * 2018-12-28 2021-11-09 洛克利光子有限公司 Wdm接收器及其操作方法
US11888522B2 (en) * 2020-02-19 2024-01-30 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Optical transmission system and optical transmission method
CN111399123B (zh) * 2020-03-27 2022-03-15 南京信息工程大学 一种正交模式复用光信号的产生方法及装置
US11394814B2 (en) 2020-05-20 2022-07-19 Alibaba Group Holding Limited Path control by end hosts in networks
US11057113B1 (en) 2020-06-02 2021-07-06 Alibaba Group Holding Limited High-speed silicon photonics optical transceivers
US11668590B2 (en) 2020-11-11 2023-06-06 Alibaba Group Holding Limited System and method for fiber sensing
US11336376B1 (en) 2021-01-29 2022-05-17 Alibaba Group Holding Limited Flexible switch solution based on co-packaged optics
US11630261B2 (en) 2021-04-29 2023-04-18 Alibaba Singapore Holding Private Limited Co-packaged optics switch solution based on analog optical engines
TWI806092B (zh) * 2021-07-12 2023-06-21 國立清華大學 多通道發射器
JP2023111427A (ja) * 2022-01-31 2023-08-10 国立研究開発法人情報通信研究機構 モード分散補償用情報の取得方法及び装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1287280A (zh) * 1999-09-02 2001-03-14 国际商业机器公司 阵列波导光栅通带响应的加宽
WO2005101075A1 (ja) * 2004-04-12 2005-10-27 Hitachi Chemical Company, Ltd. 光導波路構造
CN101617254A (zh) * 2006-11-29 2009-12-30 卡斯卡德技术有限公司 多模光纤干扰器
EP2372420A1 (en) * 2010-04-01 2011-10-05 Alcatel-Lucent Deutschland AG Optical mode splitter for MIMO transmission over multimode fiber

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9709627D0 (en) * 1997-05-13 1997-07-02 Hewlett Packard Co Multimode communications systems
US6810167B2 (en) * 2001-10-29 2004-10-26 Fujitsu Limited Wavelength division demultiplexing apparatus
JP4550630B2 (ja) * 2005-03-11 2010-09-22 古河電気工業株式会社 可変分散補償器
US8805205B2 (en) * 2007-07-07 2014-08-12 National Institute Of Information And Communications Technology Optical multiport spectral phase encoder
DE102009025232A1 (de) * 2009-06-13 2010-12-16 Technische Universität Dortmund Verfahren und Vorrichtung zur Übertragung optischer Informationen zwischen Senderstation und Empfängerstation über einen Mehrmoden-Lichtwellenleiter
US8320769B2 (en) * 2009-06-26 2012-11-27 Alcatel Lucent Transverse-mode multiplexing for optical communication systems
EP2333990B1 (en) * 2009-12-10 2013-11-06 Alcatel Lucent Stable optical MIMO transmission system over multimode fiber

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1287280A (zh) * 1999-09-02 2001-03-14 国际商业机器公司 阵列波导光栅通带响应的加宽
WO2005101075A1 (ja) * 2004-04-12 2005-10-27 Hitachi Chemical Company, Ltd. 光導波路構造
CN101617254A (zh) * 2006-11-29 2009-12-30 卡斯卡德技术有限公司 多模光纤干扰器
EP2372420A1 (en) * 2010-04-01 2011-10-05 Alcatel-Lucent Deutschland AG Optical mode splitter for MIMO transmission over multimode fiber

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140097479A (ko) 2014-08-06
EP2597792A1 (en) 2013-05-29
WO2013079281A1 (en) 2013-06-06
EP2597792B1 (en) 2016-04-20
JP5878985B2 (ja) 2016-03-08
KR101620879B1 (ko) 2016-05-13
US9231702B2 (en) 2016-01-05
CN103959115A (zh) 2014-07-30
US20140286648A1 (en) 2014-09-25
JP2015506125A (ja) 2015-02-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103959115B (zh) 光mimo处理
JP2015506125A5 (zh)
Annoni et al. Unscrambling light—automatically undoing strong mixing between modes
EP2248284B1 (en) Optical transmitters and receivers for quantum key distribution
Driscoll et al. A 60 Gb/s MDM-WDM Si photonic link with< 0.7 dB power penalty per channel
US20150098697A1 (en) System and method for mode division multiplexing
Fontaine et al. Efficient multiplexing and demultiplexing of free-space orbital angular momentum using photonic integrated circuits
Boffi et al. Mode-division multiplexing in fibre-optic communications based on orbital angular momentum
JP2012531812A (ja) 光通信システムのための横モード多重化
US10735124B2 (en) Polarization independent optical device
CN108463958A (zh) 用于空分复用系统的偏振不敏感自零差探测接收器
US9140854B2 (en) Spatial division multiplexing optical mode converter
Bulow Optical-mode demultiplexing by optical MIMO filtering of spatial samples
Watanabe et al. Coherent few mode demultiplexer realized as a 2D grating coupler array in silicon
Zhang et al. Scalable and low crosstalk silicon mode exchanger for mode division multiplexing system enabled by inverse design
WO2019171953A1 (ja) 光伝送システム及び光伝送方法
EP2522088A1 (en) Optical signal receiver
JP2017156444A (ja) 波長選択スイッチ、及び光ノード装置
WO2015054825A1 (zh) 一种波分复用wdm接收机装置和无源光网络系统
WO2016174876A1 (ja) 光信号処理装置
US20170078040A1 (en) Use of wavelength selective switch for a few-mode fiber
Chen et al. Integrated mode group division multiplexer and demultiplexer based on 2-dimensional vertical grating couplers
EP4325744A1 (en) Optical power adjustment system and optical power adjustment device
Kubota et al. Few-mode fibers for mode division multiplexing transmission
Baumann et al. On-chip mode-division-multiplexing extends single-fiber communications capacity

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20170405

Termination date: 20171106

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee