CN107634799A - 用于多模光纤的加扰器和使用这种加扰器的光传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例提供了布置在多模光纤(130)中用于对光进行加扰的确定性加扰器(1)，所述光包括根据一组传播模在所述多模光纤中传播的一组光信号，每个传播模与功率值相关联，其中加扰器被配置为根据与所述传播模相关联的功率值来确定所述传播模的置换，所述加扰器被配置为根据传播模的所述置换来重新分配光信号。
Description
技术领域
本发明总体上涉及光通信，且尤其涉及布置在多模光纤中用于对光进行加扰的加扰器。
背景技术
基于光纤的光传输系统用于在很多应用例如远程通信和数据网络中传输相对大量的信息。随着对更快的宽带和更可靠的网络的不断增长的需求，基于光纤的光通信系统面临重要的挑战。
光纤代表引导光谱中的电磁波的光波导。波沿着光纤的传播取决于与光纤有关的几个参数，例如它的几何结构、它的模结构、折射率的分布、制造它的材料等。光纤一般包括由具有较低折射率的透明包层材料围绕的透明核心。包层使得发射到核心中的光保持在核心中。充当波导的光纤引导发射到光纤核心中的光。当发射到核心中的光撞击包层时，其经历很多内反射。
存在两种类型的光纤：多模光纤和单模光纤。这两种类型的光纤之间的差异在于被允许在光纤的核心中传播的模的数量。如在本文中使用的，“模”是指光沿着光纤行进的可允许的路径(光传播路径)。
多模光纤允许几个模，而单模光纤只允许一个模。
在多模光纤中，光通过光纤行进所花费的时间对于每个模是不同的，这导致在光纤的输出处的脉冲的扩展(这被称为“模间色散”)。
在模之间的时间延迟的差异被称为差模延迟(DMD)。模间色散限制多模光纤带宽。光纤的带宽确定光纤的信息承载能力，其包括传输系统能够在特定的比特误码率下操作得多远以及信息能够可靠地在光传输信道上进行传输的速率的上限。通过限制光纤带宽，模间色散减小能够以任意小的误差概率实现的信息率。
单模光纤不呈现模间色散，并具有比多模光纤更高的带宽。与多模光纤可实现的相比单模光纤允许在长得多的距离上的更高数据速率。
虽然单模光纤具有较高带宽，但多模光纤支持短距离的高数据速率。因此，特别在较短距离和成本敏感的LAN应用中使用多模光纤。多模光纤允许很多模在单核心或多核心光纤中传播，其中每个核心可以是单模或多模。各种传播模形成一组正交信道，独立的数据符号可以在所述正交信道上被复用。空分复用(SDM)技术例如模分复用(MDM)可以用于执行这样的复用，这导致链路容量增加了对应于传播模的数量的倍数。由于波分复用(WDM)系统接近非线性香农极限，因此空分复用(SDM)有希望增加光传输链路的容量。
多模光纤可以提供比其单模对应物更高的传输速率。然而，利用多模的存在以复用和传输更大数量的数据符号需要管理几个模的不利损害。这些损害主要是由于光学部件(例如光纤、放大器和复用器)的缺陷和各个传播模之间的串扰效应。这样的缺陷导致非单一损害，即引起不同信道之间的正交性损失和/或能量损失的损害，独立的数据符号在不同信道上被复用。这样的损害可以明显地减小光链路的容量并使传输系统的性能恶化，特别是在长距离应用中。
多模光纤的带宽通常高于单模光纤的带宽，每个模被单独地调制，并且待传输的信号在不同的模上被复用。这个带宽在传播期间由模之间的耦合限制(“模间串扰”)。
另外，对于长距离而言，在光纤节段之间需要放大器。由于放大器增益的模色散，而使模不经历相同的衰减。其他部件(例如，光复用器或解复用器)以及在光纤中的缺陷可能进一步影响衰减。也被称为MDL(“模分复用”的首字母缩略词)的模之间的微分损耗导致对噪声源的敏感性的增加，从而限制这些系统的范围。
多核心光纤包括在公共包层内的多个核心(通常2到7个核心)。核心的小尺寸只允许在它们的每个中的单模传播。与多模光纤不同，多核心光纤不呈现模色散。相反，衰逝波产生在不同核心之间的耦合(核心间串扰)，串扰的水平甚至更高，因为核心的数量高且核心间距离低。影响通过多模光纤传播模的这种串扰也被称为模相关损失(MDL)。MDL效应需要光学或数字信号处理解决方案被减少。
MDL效应的影响对信道容量是有害的，如在很多研究中公开的，例如：
-P.Winzer等人的“MIMO capacities and outage probabilities in spatiallymultiplexed optical transport systems”，Opt.Express，2011；
-C.Antonelli等人的“modeling and performance metrics of MIMO-SDMsystems with different amplification schemes in the presence of mode-dependent loss”，Opt.Express 23，2203-2219 2015；
-A.Lobato等人的“On the mode-dependent loss compensation for mode-division multiplexed systems”(ICTON)，2013年6月23-27日。
在K.Ho等人的“Mode-dependent loss and gain:statistics and effect onmode-division multiplexing”(Opt.Express 19，16612-16635(2011))中已经描述了为减轻MDL效应所提出的解决方案。根据这种方法，强的模耦合用于减小MDL和模色散。
在其他方法中，已知使用模加扰来耦合在局部点处的模。现有的模加扰器设计成解决在多模光纤中的带宽测量再现性的问题。具体而言，提出一些模加扰器(也被称为“模混合器”或“模耦合器”)以提供均匀的输入模功率分配。
可以使用模加扰器的机械感生实现，如在以下文献中公开的：
-“T.Tokuda、S.Seikai、K.Yoshida、N.Uchida的Measurement of BasebandFrequency Reponse of Multimode Fibre By Using a New Type of Mode Scrambler,Electronics Letters，第13卷，第5期，1977年3月”，以及
-“A.Li,A.Al Amin,X.Chen和W.Shieh的Transmission of 107-Gb/s mode andpolarization multiplexed CO-OFDM singal over a two-mode fiber，Optics Express，第19卷，第9期，第8808-8814页，2011年”。
机械感生加扰设计基于经由不同方式(例如，正弦蛇状弯管、光栅和具有不同剖面的接合光纤)的采用光纤形式的机械扰动。
实施模加扰的另一方式基于光学部件例如模转换器的使用。
在一些常规实施方式中处理基于机械感生模加扰的MDL减轻。例如，在S.Warm等人的“Splic loss requirements in multi-mode fiber mode-division-multiplexedtransmission links”(Opt.Express 21(19)，2013)中，在特定数量的光纤片之后加入随机模置换，以便减小模耦合的相关性。在FR3023436中，已经提出配备有随机加扰器的光纤传输系统以切换传播模或核心。这种系统包括空间-时间编码器和分别与光纤的单独的传播模或核心相关联的多个调制器，每个调制器对激光束进行调制。光纤包括多个节段、设置在光纤的任意两个连续节段之间的放大器和与每个放大器相关联的模开关，以便在至少两个连续节段之间切换模。模加扰器与每个放大器相关联，用于在至少两个连续节段之间随机地置换模。然而，模的随机置换不足以平均化由所有传播模经历的MDL效应。更一般而言，基于加扰器的使用的现有方法需要大量的模加扰器(对每个放大器有一个加扰器)并提供有限的性能。
因此，存在对改进的加扰器的需求。
发明内容
为了解决这些和其他问题，提供了布置在多模光纤中用于对光进行加扰的加扰器，所述光包括根据一组传播模在多模光纤中传播的一组光信号，每个传播模与功率值相关联。所述加扰器被配置为根据与传播模相关联的功率值来确定传播模的置换，所述加扰器被配置为根据传播模的置换来重新分配光信号。
在一个实施例中，加扰器可以包括用于两个两个地置换模的置换单元，所述置换单元被配置为用与第i个较低功率值相关联的模置换与第i个较高功率值相关联的模，对于每个指数i，其包括在1和由加扰器使用的模的数量的一半的底部分之间。
在某些实施例中，与传播模相关联的功率值可以代表在接收机处通过经由传播模传播光信号而接收的平均能量的估计。
可以在发射机侧通过具有单位能量的模来传播光信号。
还提供了包括多模光纤的光纤传输链路，所述光纤包括光纤片。所述光纤传输链路包括至少一个根据任何前述特征的加扰器，每个加扰器插置在两个光纤片之间。
光纤传输链路可以包括至少两个根据预定周期布置在光纤中的加扰器，加扰器的数量严格地低于光纤片的数量。
加扰器的数量可以根据目标模相关损耗和/或光纤的长度和/或放大器的数量来确定。
光纤片可以在一个或两个方向上未对准。
还提供了包括光发射机的光通信系统，所述光发射机被配置为通过根据任何前述实施例的光传输链路在至少两个空间传播模上传输数据序列。
光通信系统可以包括：
-前向纠错码编码器，其被配置为通过应用至少一个纠错码来将数据序列编码为码字矢量；
-调制器，其被配置为通过将调制方案应用于码字矢量来确定一组经调制的符号；以及
-空间-时间编码器，其被配置为通过将空间-时间码应用于一组经调制的符号来确定码字矩阵。光通信系统可以包括光接收机，所述光接收机用于对包括从光传输链路接收的数据序列的信号进行解码。
在某些实施例中，接收机可以包括：
-空间-时间解码器，其被配置为在低于或等于至少两个空间传播模的一组传播模上对信号进行解码，这提供一组经调制的符号；
-解调器，其被配置为通过应用解调方案来从一组经调制的符号的估计确定码字矢量的估计；以及
-前向纠错码解码器，其被配置为通过将至少一个纠错码解码器应用于码字矢量来产生数据序列的估计。
通过使用根据与模相关联的功率值置换模的至少一个确定性加扰器，本发明的各种实施例减轻MDL的影响。所提出的多模光纤传输系统在线路中只需要少量的模加扰器，同时相对于常规加扰器提高了性能。
在检查附图和具体实施方式时，本发明的另外的优点将对技术人员变得清楚。旨在将任何额外的优点并入本文中。
附图说明
被并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出本发明的各种实施例，并且连同上面给出的本发明的一般描述和下面给出的实施例的详细描述示出本发明的一些实施例。
图1示出在基于光纤传输的通信系统100中的本发明的示例性应用；
图2示出光纤片；
图3示出根据某些实施例的光发射机11的架构；
图4示出根据某些实施例的数字光学前端的方框图；
图5是根据某些实施例的光接收机的示意性架构；
图6示出根据某些实施例的加扰器的架构；
图7是示出根据某些实施例的由光模加扰器实施的加扰方法的流程图；
图8是示出根据特定实施例的加扰方法的流程图；
图9示出示例性光传输信道；
图10是表示每传播模平均接收能量的概率分布函数(PDF)的示图；
图11示出表示模相关损耗的概率分布函数(PDF)的示图；
图12示出表示6模光纤对于不同的未对准得到的比特误码率(BER)性能的两个示图；以及
图13是示出在平均链路MDL与加扰器的数量之间的相关性的示图。
具体实施方式
本发明的实施例提供布置在多模光纤中用于对光进行加扰的改进的加扰器(在下文中也被称为“确定性加扰器”或“模加扰器”)。可以在光纤传输系统中使用根据本发明的实施例的一个或多个加扰器。光包括根据一组波导模在多模光纤中传播的一组光信号。多模光纤受模色散(被称为MDL，模相关损耗的首字母缩略词)影响。根据本发明的实施例的加扰器根据与波导模相关联的功率值通过对光进行加扰而在比特误码率方面有效地减小MDL的影响。
特别地，模加扰器可以被配置为基于与所述波导模相关联的功率值来确定波导模的置换，加扰器被配置为根据波导模的所述置换来重新分配光信号。
根据本发明的各种实施例的设备、方法和计算机程序产品可以在应用于各种应用的光纤传输系统中实施。示例性应用没有限制地包括远程通信、航天和航空电子、数据存储、汽车工业、成像和运输。
远程通信应用可以在桌上型计算机或终端到全国性网络中实施。这样的应用可以涉及在范围从不到1米到高达数百或数千公里的距离上的数据传输(例如语音、数据或视频的传输)或使用网络部件连接(例如在局域网中的交换机或路由器的连接)。
仅为了说明目的，将参考远程通信系统对某些实施例进行下面的描述。然而，技术人员将容易理解，对于使用光纤的不同应用，本发明的各种实施例可以应用于其他类型的系统，例如：
-在航天和航空电子应用(例如军事和/或商业应用)中；在这样的应用中，光纤技术和产品设计成在苛刻的环境和条件下满足严格的测试和验证要求；
-在数据存储应用中，光纤例如在数据存储设备中用作网络中的多个设备之间的链路和/或存储系统的部分。在数据存储应用中，光纤连接性甚至在延长的距离上提供非常高的带宽；
-在汽车工业应用中，对于安全和控制设备和系统，光纤例如用于照明、通信和感测中；
-在成像应用(例如远程医疗)中，光纤用于将目标或受验区域的图像传输到图像视图端，用于分析和/或解释；
-在运输应用中，光纤用于遥测系统中，用于诸如具有智能交通灯、自动收费站和可变消息的智能高速公路的应用中。
图1示出在基于光纤传输的通信系统100中的本发明的示例性应用。通信系统100包括至少一个光发射机设备11(在下文中被称为“发射机”)，其被配置为将输入数据序列编码为光信号并通过光纤传输信道13(在下文中也被称为“光纤传输链路”)将其传输到至少一个光接收机设备15(在下文中被称为“接收机”)。
光纤传输信道13包括光纤130。光纤130包括一个或多个光纤片131，其可以对准或未对准。光学部件可以插置在片之间。特别地，光纤传输信道13可以包括插置在光纤中的一个或多个放大器132。放大器可以规则地插置在光纤中。特别地，每个放大器可以沿着光纤链路插置在一对光纤片之间以补偿光纤衰减并在长距离上传送信号而不需要重新产生光信号。示例性光放大器包括掺铒光纤放大器(EDFA)。这种放大器可以在长距离光传输中实施。可以每40到120公里插置放大器以根据光纤的类型、光学链路的长度和应用来增强信号功率。
在使用多模光纤的一些实施例中，放大器132可以被配置为同时放大对应于多个传播模的光信号。这种实施例中的示例性放大器包括少模放大器，例如少模掺铒光纤放大器。
在一些实施例中，可以使用非线性模拟拉曼散射效应以分布式方式执行光信号放大。在这种实施例中，光纤可以用作传输链路和放大介质二者。
在其他实施例中，可以通过规则布置的光放大器(例如EDFA，“掺铒光纤放大器”的首字母缩略词)和模拟拉曼散射效应的联合使用来实现信号放大。
在另一些其他实施例中，可以通过光/电转换(未在图1中示出)在电域中执行信号放大。在这种实施例中，光纤传输信道13可以在每个放大级包括：
-用于将光信号转换回到电域的光电二极管；
-用于对所转换的电信号进行放大的电放大器；以及
-用于产生对应于放大的电信号的光信号的激光二极管。
参考图2，示出了光纤片131。如所示，光纤130形成包括核心2、包层3和涂层4的圆柱形非线性波导。由于核心2(nco)的折射率nco与包层3的折射率ncl之间的差异，使得由光发射机11发送的光信号通过全内反射被限制在核心2中。根据核心2的半径rco，折射率差D＝(nco-ncl)/nco和光载波的波长λo，光波在不同的传播模中传播。如在本文使用的，“传播模”表示穿过光纤节段的光波的能量的分布。
可以从由光纤130的光学和几何特性定义的无量纲参数(也被称为“归一化频率”)确定传播模的数量。例如，对于阶跃折射率光纤，无量纲参数V被如下定义：
其中表示光纤的数值孔径。
技术人员将容易理解，本发明不限于阶跃折射率光纤，并应用于不同类型的多模光纤，例如渐变折射率光纤。
回到图1，光信号沿着光纤片131的传播因此由传播模的数量限定，传播模的数量可以取决于几个参数，例如光纤核心的半径、光载波的波长以及核心和包层的折射率之间的差。
根据本发明的某些实施例，光纤传输信道13包括至少一个模加扰器1(在下文中也被简称为“加扰器”)以减小串扰效应，并平均化由传播模经历的损耗。每个加扰器1可以与光放大器132相关联。加扰器1可以根据不同的布置插置在光纤中。在一些实施例中，加扰器的数量可以严格地低于放大器132的数量。
在利用支持数量N≥2的传播模的多模光纤在光纤传输信道实施空分复用的实施例中，根据本发明的加扰器1的使用有效地减轻串扰和符号间干扰的效应，而加扰器的数量减少。串扰和符号间干扰效应是由模之间的能量传输而导致的传播模的重叠造成的，所述模之间的能量传输引起沿着光纤的每个传播模的耦合。大核心光纤是支持大量传播模的多模光纤的例子。少模光纤支持包括在二(2)和十(10)之间的多个传播模。每个传播模可以与不同的群速度相关联。
图3示出根据某些实施例的光发射机11的部件。光发射机11可以被配置为将输入数据序列转换为光信号以通过光传输信道13进行传输。发射机11可以使用前向纠错(FEC)模块对输入数据序列进行编码，并接着通过使用电光调制器将所编码的数据序列转换到光域。由发射机11提供的光信号可以在由光纤传输信道13形成的光纤链路中传输。布置在光纤传输信道13中的光放大器131可以接着补偿光纤衰减并在数千公里上传送信号。在一些实施例中，如图3所示，光发射机11可以包括：
-FEC编码器22，其被配置为通过应用至少一个前向纠错码(FEC)来将长度k的输入数据序列(即包括k个符号)编码为采用长度n＞k的码字矢量形式的编码序列；
-交织器23，其被配置为混合编码符号以在被调制之前将保护层添加到符号以防范突发错误；
-调制器24，其被配置为通过应用调制方案(例如正交振幅调制(QAM))来调制交织的编码序列并输送一组经调制的符号；
-空间-时间编码器25，其被配置为产生携带数据符号的码字矩阵，所述数据符号将在时间传输间隔(TTI)期间通过光传输信道13进行发送。
空间-时间编码器25可以被配置为将每个所接收的由Q个经调制的符号s1，s2，...，sQ构成的序列(或块)转换为维数为NtxT的码字矩阵X。码字矩阵包括布置在Nt个行和T个列中的复值，其中Nt表示由发射机11使用的传播模的数量，并且T表示ST码的时间长度。T因此也对应于用于传输的时间信道的数量。码字矩阵的每一项相应地对应于使用的时间和所使用的传播模。
根据一些实施例，输入数据序列可以是包括k个比特的二进制序列。在这种实施例中，FEC编码器22可以被配置为通过应用至少一个二进制FEC码来将输入二进制序列编码为包括n个比特的二进制码字矢量。将k个比特的序列编码为n个比特的序列的前向纠错码CFEC具有等于的编码率(在下文中被称为“前向纠错编码率”)。
在一些其他实施例中，输入数据序列可以包括采用在伽罗瓦域GF(q)中的值的符号，其中q＞2表示伽罗瓦域的阶。在这种实施例中，FEC编码器22可以被配置为将输入数据序列编码为包括n个符号的码字矢量。包括在码字矢量中的每个符号采用在伽罗瓦域GF(q)中的值。可以使用在GF(q)上构成的非二进制FEC码来执行编码过程，其中q＞2。
技术人员将容易理解，本发明的实施例也适用于非二进制FEC编码。应注意，二进制FEC码可以被看作在阶等于q＝2的伽罗瓦域GF(q)上构造的码。
由c表示的编码序列或码字矢量属于被称为“字母表”或“码本”(被称为AFEC)的一组码字矢量。码本AFEC包括码字矢量的所有可能值的集合。
将由Q个经调制的符号构成的序列编码为维数为NtxT的码字矩阵X的空间-时间码CST具有等于每信道使用个符号的空间-时间编码率(“每信道使用的符号”将在下文中被记为“s/c.u”)。T表示空间-时间码CST的时间维度，以及Nt表示等于在发射机侧在多模光纤中使用的空间传播模的数量的空间维度。码字矩阵X可以写成如下形式：
在等式(3)中，码字矩阵X的每个值xij对应于第i个传播模，i＝1，...，Nt，和第j次使用，j＝1，...，T。每个码字矩阵X属于一组码字矩阵AST(也被称为“码本”或“字母表”)。码本AST包括码字矩阵的所有可能值的集合。Card(AST)表示在字母表AST中的码字矩阵的数量。
示例性纠错码包括例如汉明码、里德-所罗门码、卷积码、BCH码、Turbo码、二进制低密度奇偶校验(LDPC)码和非二进制LDPC码。
示例性空间-时间码包括例如正交码、准正交码、完备码和TAST(纹状代数空时的首字母缩略词)码。示例性正交码包括Alamouti码。
在一些实施例中，光发射机11可以被配置为使用所有可用的传播模来传输光信号。在这种实施例中，所使用的传播模的数量Nt可以等于所有传播模N。
在某些实施例中，发射机11可以包括传播模选择器(未示出)以根据一个或多个选择标准(例如空分复用系统的容量的最大化和/或平均接收能量的优化)来选择用于沿着光纤传播光信号的传播模。这允许补偿波导的缺陷和/或插置在光传输信道13中的光学部件的缺陷，这样的缺陷导致由传播模经历的不同损耗并导致不同的模损耗差异。在使用模选择的实施例中，光发射机11可以被配置为使用先前在可用传播模当中选择的一组传播模来传输光信号。用于传播光信号的传播模的数量Nt于是严格地低于可用模的数量N(Nt＜N)。
光发射机11还以可包括输送频域信号的一个或多个多载波调制器26。多载波调制器26可以被配置为通过在涉及大量正交子载波的每个光载波内实施多载波调制技术来产生多载波符号。可以实施多载波调制以使不同的传播模解耦并提供对由光纤色散和各个摸之间的串扰造成的符号间干扰的更好的抵抗性。示例性多载波调制格式包括正交频分复用(OFDM)和滤波器组多载波(FBMC)。
由多载波调制器26输送的频域信号可以由被配置为将所接收的频域信号转换为光域的数字光学前端27处理。数字光学前端27可以使用给定波长的若干激光器以及与所使用的偏振状态和所使用的传播模相关联的多个光调制器(在图2中未示出)来执行转换。激光器可以被配置为产生相同或不同波长的激光束。于是，可以借助于光调制器使用OFDM符号的不同输出(或在使用单载波调制的实施例中，码字矩阵的不同值)来对不同的激光束进行调制，并且根据光纤的不同偏振态对其进行偏振。示例性调制器包括马赫-曾德尔调制器。可以使用相位和/或幅度调制器。另外，由各种光调制器使用以调制不同的光信号的调制方案可以是类似的或不同的。
光调制器和激光器的数量可以取决于光纤中的核心的数量和/或偏振态的数量和/或用于光信号的传输的传播模的数量。可以将如此产生的光信号注入到光纤130中以在其中根据所选择的传播模来传播。
图4是根据某些实施例的数字光学前端27的方框图，其中使用单核心多模光纤和单偏振态。在这种示例性实施例中，所使用的传播模的数量小于或等于可用传播模的数量N，Nt≤N。数字光学前端27可以包括：
-相同波长λn的Nt个激光器51-i，i＝1，...，Nt。每个激光器51-n被配置为产生激光束；
-与Nt个传播模相关联的Nt个光调制器，i＝1，...，Nt。每个调制器52-i可以被配置为使用多载波符号的分量或单载波实施例中的码字矩阵在信道使用的时间内调制激光束。经调制的光束可以接着被注入到多模光纤中以根据单独的模来传播每一个。
在使用波分复用的另一实施例中，每个激光器51-n可以使用多个波长。波长可以是类似的或不同的。在这种实施例中，多个(Nt)偏振模可以与多个(W)波长组合，每个模与W个波长相关联。相应地，数字光学前端27可以包括不同波长的W个激光器，由每个激光器产生的光束由Nt个光调制器(在图5中未示出)调制。
在使用偏振复用的另一些其他实施例中，可以在光场的两个偏振态上传输光信号。在这种实施例(在附图中未示出)中，数字光学前端27可以包括Nt个激光器、被配置为提供两个正交偏振的Nt个偏振分离器和2Nt个光调制器。每对调制器可以与激光器相关联，并且可以被配置为对被正交偏振的信号进行调制。示例性偏振分离器包括例如沃拉斯顿棱镜和偏振分离光纤耦合器。另外，光纤传输链路13还可以包括被配置为补偿偏振相关损耗的偏振加扰器(在图1中未示出)。
根据任一前述实施例产生的光信号可以沿着光纤传播，直到其到达光传输链路13的另一端为止。在光传输链路13的末端，光信号可以由光接收机15处理。
在光接收机15处，信号由一个或多个光电二极管检测并转换到电域。然后，执行模数转换，并且施加数字信号处理以补偿传输损害。使用适当的解码器来估计信息比特。接收机15的架构与发射机11的架构相对应。
图5示出根据某些实施例的对应于图4的发射机的光接收机15的示意性架构。
光接收机15被配置为接收由光发射机11传输的光信号，并产生原始输入数据序列的估计。如图5所示，光接收机15可以包括：
-光学数字前端61，其被配置为使用例如一个或多个光电二极管来检测光信号并将其转换为数字信号；
-多个多载波解调器63，其被配置为移除循环前缀并产生一组决策变量以输送到空间-时间解码器65；
-空间-时间解码器65，其被配置为通过应用空间-时间解码算法从这组决策变量产生经调制的数据序列的估计；
-解调器67，其被配置为通过执行对由空间-时间解码器65估计的经调制数据序列的解调来产生二进制序列；
-解交织器68，其被配置为重新排列由解调器67输送的二进制序列中的比特(通常符号)的顺序以恢复比特的原始顺序；以及
-FEC解码器69，其被配置为通过将软或硬决策FEC解码器应用于由解交织器68输送的重新排序的二进制序列来输送由光发射机设备11处理的输入数据序列的估计。示例性软决策FEC解码器包括维特比算法。
空间-时间解码器65可以实施空间-时间解码算法，例如在由最大似然解码器、迫零解码器、迫零决策反馈均衡器和最小均方误差解码器组成的组中选择的解码算法。
示例性最大似然解码器包括球形解码器、Schnorr-Euchner解码器、堆栈解码器、球形绑定堆栈解码器。
在使用单载波调制的某些实施例中，多个多载波调制器26可以由单个调制器代替。类似地，多载波解调器63可以由单个解调器代替。
在某些实施例中，可以在发射机11处使用由FEC编码器22对两个或多个前向纠错码进行级联，并且可以在接收器15处由FEC解码器69实施相对应的结构。例如，可以在发射机侧在FEC编码器22处使用内码和外码的串联级联，在接收机侧的FEC解码器69于是包括内码解码器、解交织器和外码解码器(在图4中未示出)。在另一例子中，并联架构中的两个码可以在发射机侧由FEC编码器22使用，在接收机侧的FEC解码器69于是包括解复用器、解交织器和联合解码器(在图4中未示出)。
根据在发射机处执行模选择的某些实施例，光接收机15可以被配置为通过操作传播模选择而只处理在由发射机11使用的传播模当中所选择的传播模。或者，光接收机15可以处理所有可用的传播模。
本发明的实施例提供被配置为在光纤传输信道13中应用将沿着下游光纤片131传播的传播模的确定性置换的模加扰器1，加扰器的输出连接到所述下游光纤片。置换有利地根据与由发射机11使用的传播模相关联的功率值来确定。
对于一个偏振态，光传输系统100可以由以下关系所描述的光学多输入多输出系统表示：
Y＝H.X+Z (3)
在等式(4)中：
-X表示属于码本AST的码字矩阵，
-Y是表示所接收的信号的维数为NtxT的复值矩阵，
-H是表示光信道矩阵(对应于k个光纤片的级联)的维数为NtxNt的复值矩阵，并表示在光信号传播期间在不同的传播模上的所经历的衰减，以及
-Z是表示光信道噪声的维数为NtxT的复值矩阵。
码字矩阵X可被记为X＝[x1，....，xM]T，其中M＝Nt表示所发射的符号矢量。矩阵Y＝[y1，....，yM]T表示所接收的符号矢量。
信道矩阵相应地满足(HH*)＝Nt，其中Tr(A)表示给定矩阵A的迹，并且运算符(.)*表示厄米共轭运算。
等式(3)可以被重写为：
在等式4中：
-指数k对应于第k个光纤片，并且K对应于片的总数；
-Tk表示与第k个片131相关联的对角矩阵，其用随机相位项exp(iφm)解释模噪声，其中φm∈[0:2π]；
-Ck表示传输信道13的第k个片131处的非单一模耦合，并且可以使用电场分布的重叠积分来计算(如例如在S.Warm等人的“Splice loss requirements in multi-modefiber mode-division-multiplexed transmission links”(Opt.Express 21(19),2013)中所述的)；
-Pk是与由布置在第k个光纤片131的上游的加扰器(k-1)应用的置换相对应的维数为NtxNt的置换矩阵，如果k是加扰周期Kscr的倍数的话(k＝p.Kscr，其中p是大于1的整数值，Kscr表示沿着光纤130分离两个加扰器的距离)；否则，置换矩阵被设置为单位矩阵。
-L表示所有模共有的损耗。
-Z表示具有每符号和每模光谱密度Z0的加性高斯白噪声矢量；信道噪声可以由每复维度2σ2方差的白高斯变量建模。
模色散损耗(MDL)被定义为HH*的本征值的最大值与最小值的以分贝为单位的比，运算符(.)*表示厄米共轭运算。
差模群延迟(DMGD)不被考虑，因为其不影响系统的容量，并且可以使用时域滤波器或具有适当的循环前缀的OFDM格式对其进行均衡。
假设在方向x和y上的具有零平均值(根据在图2中表示的坐标空间X、Y、Z)和标准偏差(std)σx，y的独立高斯分布的光纤未对准。
每个置换矩阵Pk包括与对应于第k个光纤片131的加扰器(k-1)相关联的(NtxNt)个分量分量可以具有第一值或第二值。在一个实施例中，分量具有二进制值(例如“0”或“1”)。每个置换矩阵Pk可以被写为：
仅为了说明目的，将参考具有二进制值的分量对某些实施例进行下面的描述。
根据某些实施例，每个第(k-1)个加扰器(1)可以被配置为置换传播模Ml。特别地，第(k-1)个加扰器(1)可以被配置为两个两个地、依序地或并行地置换传播模。在一个实施例中，第(k-1)个确定性加扰器1被配置为在模当中用具有第i个较低功率的模置换具有第i个较高功率的模。相应地，每个加扰器1被配置为在模当中用具有第i个较低功率值的模置换具有第i个较高功率值的模其中i＝1到[Nt/2]。方括号[]表示地板函数。
相应地：
-在模当中用具有第一较低功率值的模置换具有第一较高功率值的模
-在模当中用具有第二较低功率值的模置换具有第二较高功率值的模等等。
-在模当中用具有第[Nt/2]较低功率值的模置换具有第[Nt/2]较高功率值的模
应注意，如果Nt成对，则[Nt/2]＝Nt/2。如果Nt/2不成对，则具有第[Nt/2]较高功率值的模不被置换，[Nt/2]对应于大于或等于Nt/2的最小整数。仅为了说明目的，将参考成对数字Nt对某些实施例进行下面的描述。
在上面的例子中，对于Nt成对，与模相关联的功率值相应地满足：
然后，可以通过切换如此置换的模由加扰器对光信号进行重新分配。
通过使用以最小衰减的模置换最大衰减的模的至少一个确定性加扰器1，本发明的各种实施例减轻MDL的影响。
在一些实施例中，每个第(k-1)个模加扰器(1)可以被配置为确定对应于置换πk的置换矩阵Pk的分量。置换πk使由发射机11使用的Nt个传播模Mi中的每一个与另一模Mj相关联：
根据上面的表示法，用Mi置换的模被表示为πk(Mi)。
第(k-1)个加扰器以如下记录的初始顺序接收传播模：
为了应用置换πk，可以首先按照预定的排序规则根据与每个传播模相关联的功率值对初始模矢量的模进行排序。在一个实施例中，按照与传播模相关联的功率值的增加值或减小值来对传播模进行排序。将参考与传播模相关联的功率值的降序来进行下面的描述以便于对本发明的理解，虽然技术人员将容易理解，本发明对升序将同样适用，或者可以以不同的方式实施以根据其功率值置换传播模。
在这种实施例中，传播模可以保持在排序列表(在此，按照与模相关联的功率的减小值而排序的列表)中。第一模是在重新排序之后的列表，因此对应于具有较高功率值的传播模，而最后一个模对应于具有较低功率值的传播模。
然后，可以置换模，使得：
在公式(9)中，i＝1到[Nt/2]，方括号[]表示地板函数。
在一个实施例中，置换矩阵在指数(i,j)处的分量可以被如下定义：
加扰器可以将如此定义的置换矩阵Pk应用于以其初始顺序存储传播模的传播模矢量并接着沿着第k个光纤片(131)传输所置换的模。
图6示出根据某些实施例的加扰器1的架构。
每个加扰器1可以包括被配置为提供与每个模相关联的功率值的功率值确定单元10以及用于根据与每个模相关联的功率值来置换传播模的置换单元11。加扰器还可以被配置为根据如由置换单元11确定的模的置换来重新分配光信号。
在一些实施例中，与每个模相关联的功率值可以是每模平均接收能量。可以在光传输系统13的使用之前离线地确定每模平均接收能量。在这个阶段，光传输系统可以被剥夺加扰器1。可以通过在传输信道中针对多个信道实现(例如105)发送具有单位能量Es＝1的光信号并计算在信道实现上在接收机15处接收的并由每个模传播的平均能量来估计每模功率值，这提供每模平均接收能量。平均接收能量可以存储在与每个模相关联的数据结构中。
每个加扰器1的功率值确定单元11可以通过从数据结构取回对应于每个模的功率值来确定与每个模相关联的功率值。
图7是示出根据某些实施例的由光模加扰器实施的加扰方法的流程图。
在步骤701中，由加扰器接收光信号。
在步骤703中，确定与每个模相关联的功率值。
在步骤705中，根据与模相关联的功率值来置换模。
在步骤707中，根据传播模的置换来重新分配光信号。
在一个实施例中，置换模的步骤可以包括两个两个地置换模：用与第i个较低功率值相关联的模置换与第i个较高功率值相关联的模，其中i包括在1和[Nt/2]之间。
图8是示出根据这种实施例的由光模加扰器实施的加扰方法的流程图。
在步骤801中，由加扰器接收光信号。
在步骤803中，确定与每个模相关联的功率值。
在步骤805中，按照减小的功率值对模进行排序并根据该顺序将模存储在排序的列表中。
然后，两个两个地置换列表中的模(块807)。
更特别地，在步骤809中，用列表的第(Nt-i+1)个模(即具有第i个较低功率值)置换列表中的第i个模Mi(即具有第i个较高功率值)，其中i＝1到[Nt/2]。
可以在步骤813中在与模Mi和模有关的项中将置换信息添加在列表中(在与Mi有关的项中以及在与有关的项中以使Mi与相关联)。
因此，所有模被两个两个地置换([Nt/2]置换)。
在步骤815中，根据传播模的置换来重新分配光信号。
应注意，可以对将被置换的所有模并行地执行步骤809的置换(并行置换)。
图9示出具有固定到λ＝1550mm的波长并包括等于K＝300的数量K的未对准的光纤片131的示例性光传输信道13。K个未对准的光纤节段以零平均值和标准偏差σx，y＝3％的随机高斯未对准Δx，Δy级联。在发射机11处，以单位能量Es＝1发射传播模。可以在接收机侧15离线地计算每模平均接收能量。
图10示出对于具有核心半径rc＝8.7μm和数值孔径NA＝0.203的抛物线轮廓的6模梯度折射率光纤的每传播模平均接收能量的概率分布函数(PDF)。在图10中，传播模被记为LP01。如图10所示，具有较高功率值(在这个实施例中对应于在接收机15处的每传播模平均接收能量的模的功率值)的传播模是模LP01、LP11a、LP11b，以及具有较低功率值的模是LP02、LP21a、LP21b。在这个例子中，加扰器11将用LP02置换模LP01(πk(LP01)＝LP02)，用LP21a置换模LP11a(πk(LP11a)＝LP21a)，以及用LP21b置换模LP21a(πk(LP21a)＝LP21b)。置换将被写为：
置换矩阵是：
已经通过模拟6模光纤的105个信道实现来比较根据本发明的某些实施例的确定性加扰器1与常规随机模加扰。根据这种实施例的两个确定性加扰器1之间的加扰周期Kscr被设置为Kscr＝50(在光纤中每50个片布置确定性加扰器1)。因而，利用本发明可以只使用少量的加扰器1(在这个例子中加扰器的数量等于K/50)，而常规随机加扰器在两个光纤片之间的每个连接处需要加扰器。
图11示出表示对于下列链路的MDL的概率分布函数(PDF)的示图：
-被剥夺加扰器的常规光传输链路(图(a)和(d))；
-包括随机加扰器的常规光传输链路(图(b)和(c))；以及
-包括根据本发明的某些实施例的确定性加扰器的光传输链路，其中Kscr＝50(图(c)和(f))。
上部图(a)、(b)和(c)对应于标准偏差σx，y＝3％。下部图(d)、(e)和(f)对应于标准偏差σx，y＝4％。
这些图示出随机和确定性模加扰减小MDL的影响，但根据本发明的实施例的确定性模加扰在关于MDL减小的效率方面胜过随机模加扰。
特别地，如图11所示，对于未对准σx，y＝3％：
-在传输线路13中没有加扰器(图(a))的情况下的平均MDL是15dB，
-在具有随机加扰(图(b))的情况下，平均MDL减小到9dB，
-对于根据本发明的实施例的确定性加扰(图(c))，平均MDL是5dB。
对于未对准σx，y＝4％：
-没有加扰(图(d))的情况下的平均MDL是24dB；
-在具有随机加扰(图(e))的情况下，平均MDL减小到16dB；以及
-对于根据本发明的实施例的确定性加扰(图(f))，平均MDL是9dB。
图12示出表示6模光纤对于未对准σx，y＝3％(图(a))和对于未对准σx，y＝4％(图(b))得到的比特误码率(BER)性能的两个示图。BER表示MDL的效应。
通过使用与针对图11中的示图相同的模拟参数模拟如由等式(4)定义的6模复用空分复用系统100来得到图12中的示图。相对于信噪比＝Es/2Z0依据比特误码率(BER)曲线对性能进行了比较。在发射机11处，经调制的符号属于4-QAM级联。在接收机15处，最大似然(ML)解码器搜索使与所接收的符号的二次距离最小化的符号。
在图12的图(a)和图(b)中，曲线C1对应于根据本发明的某些实施例的确定性模加扰器(曲线C1)，曲线C2对应于常规随机模加扰器，曲线C3对应于没有加扰器的常规光传输，并且曲线C4对应于参考高斯信道(MDL＝0dB)。
如图10的图(a)所示，在BER＝10-3和未对准σx，y＝3％处：
-根据某些实施例的确定性模加扰器(曲线C1)相对于无MDL信道(高斯信道)仅具有0.6dB SNR的损失，
-常规随机模加扰器(曲线C2)具有2.1dB的损失。
如图12的图(b)所示，在BER＝10-3处，对于未对准σx，y＝4％：
-根据某些实施例的模加扰器(曲线C1)相对于无MDL信道(高斯信道)仅具有2.2dBSNR的损失，
-常规随机模加扰器(曲线C2)性对于高斯信道具有4.2dB的损失。
根据本发明的各种实施例的确定性模加扰器1在模之间更有效地分配功率。相应地，在光传输链路13的末端，所有传播模趋于具有相同量的功率，从而导致MDL的量显著减小。
应注意，在上面的模拟例子中，为总数K＝300的未对准的光纤片131考虑加扰周期Kscr＝50，因此使用6个加扰器1。在实际的传输系统中，将在光传输信道13中使用的加扰器的数量形成空分复用器系统的设计中的重要参数。模加扰器1可以放置在光学部件例如模复用器之后或在少模放大器之后。
图13是示出平均链路MDL与加扰器1的数量之间的相关性的示图。在图13中，曲线C1对应于根据本发明的某些实施例的确定性模加扰器，而曲线C2对应于常规随机模加扰器。如所示，平均链路MDL是加扰器的数量的函数。在这两种加扰方法中，MDL随着加扰器数量的增加而减小。然而，对于根据本发明的实施例的确定性加扰而言，与针对常规随机加扰得到的平均链路MDL相比MDL明显较低。此外，为了实现给定的平均链路MDL值，需要较少的确定性模加扰器，而不是在常规方法中需要的大量随机模加扰器。例如，为了实现4dB的平均链路MDL，只需要8个确定性模加扰器，而不是对于常规随机模加扰器而言的60个随机模加扰器。
在某些实施例中，加扰器的数量可以严格地低于光纤片的数量的一半。
在另一些其他实施例中，可以从光纤的长度和/或放大器的数量确定加扰器的数量。
根据本发明的实施例的模加扰有效且明显地减小光传输系统100中的模相关损耗的影响。通过混合具有更多功率的模与具有更少功率的模，性能明显增加，同时在光传输信道中需要少量的加扰器。加扰器1的数量可以严格地低于K-1，其中K表示光纤片的数量，并优选地严格地低于[K/10]。在一个实施例中，加扰器的数量可以严格地低于[K/30]，例如以达到等于3dB的MDL。
在某些实施例中，可以通过目标MDL值或间隔和/或光纤的长度和/或放大器的数量来确定将在传输信道13中使用的加扰器的数量。
虽然已经主要关于单核心多模光纤(其中使用单偏振、单波长和单载波调制)描述了各种实施例，但应注意，本发明也可以与使用两个偏振的偏振复用结合和/或与使用几个波长和/或使用多载波调制格式的波长复用的使用结合而应用在多核心多模光纤中。本发明在这种光纤系统中的应用可以基于从由等式(3)定义的系统的概括得到的系统模型。此外，本发明不限于使用空间-时间编码和FEC编码器二者的发射机10。本发明也可以应用于只使用空间-时间编码或仅仅进行FEC编码的发射机(且类似地在接收机侧仅仅进行空间-时间解码或FEC解码)。
此外，本发明不限于在通信中使用的光通信设备，并且可以集成在各种光学设备(例如数据存储设备和医学成像设备)中。可以例如在汽车工业的应用中、在石油或天然气市场中、在航天和航空电子部门中、在传感应用中等等，使用本发明。
虽然已经通过各种例子的描述示出了本发明的实施例，并且虽然已经相当详细地描述了这些实施例，但申请人的意图不是将所附权利要求的范围约束或以任何方式限制到这样的细节。特别地，模的置换可以取决于与传播模相关联的功率值的特定函数。此外，功率值可以由不同类型的功率参数表示，并且可以使用不同的技术来确定或预先确定。此外，在一些实施例中，可以根据特定的标准或参数来预先计算价扰器的数量。额外的优点或修改将对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，本发明在其较宽方面不限于所示出和所描述的特定细节、代表性方法和说明性例子。
Claims (12)
1.一种布置在多模光纤(130)中用于对光进行加扰的加扰器(1)，所述光包括根据一组传播模在所述多模光纤中传播的一组光信号，每个传播模与功率值相关联，其中所述加扰器被配置为根据与所述传播模相关联的所述功率值来确定所述传播模的置换，所述加扰器被配置为根据所述传播模的所述置换来重新分配所述光信号。
2.根据权利要求1所述的加扰器，其中所述加扰器包括用于两个两个地置换所述模的置换单元，所述置换单元被配置为用与第i个较低功率值相关联的模置换与第i个较高功率值相关联的模，其中i包括在1和由所述加扰器使用的模的数量的一半的底部分之间。
3.根据任一前述权利要求所述的加扰器，其中与传播模相关联的所述功率值代表在接收机处通过经由所述传播模传播光信号而接收的平均能量的估计。
4.根据权利要求3所述的加扰器，其中在发射机侧通过具有单位能量的所述模来传播所述光信号。
5.一种包括多模光纤(130)的光纤传输链路(13)，所述光纤包括光纤片(131)，其中所述光纤传输链路包括至少一个根据前述权利要求1至4中的任一项所述的加扰器，每个加扰器(1)插置在两个光纤片之间。
6.根据权利要求5所述的光纤传输链路(13)，其中所述光纤传输链路包括至少两个根据预定周期布置在所述光纤(130)中的加扰器，加扰器的数量严格地低于光纤片的数量。
7.根据权利要求5所述的光纤传输链路(13)，其中加扰器的数量根据目标模相关损耗和/或所述光纤的长度和/或放大器的数量来确定。
8.根据前述权利要求5至7中的任一项所述的光纤传输链路(13)，其中所述光纤片在一个或两个方向上未对准。
9.一种包括光发射机(11)的光通信系统，所述光发射机被配置为通过根据前述权利要求5至8中的任一项所述的光传输链路在至少两个空间传播模上传输数据序列。
10.根据权利要求9所述的光通信系统，其中所述光通信系统包括：
-前向纠错码编码器(22)，其被配置为通过应用至少一个纠错码来将所述数据序列编码为码字矢量；
-调制器(23)，其被配置为通过将调制方案应用于所述码字矢量来确定一组经调制的符号；以及
-空间-时间编码器(24)，其被配置为通过将空间-时间码应用于所述一组经调制的符号来确定码字矩阵。
11.根据前述权利要求9和10中的任一项所述的光通信系统，其中所述光通信系统包括光接收机，所述光接收机用于对包括从所述光传输链路(13)接收的数据序列的信号进行解码。
12.根据权利要求10和11中的任一项所述的光通信系统，其中所述接收机包括：
-空间-时间解码器，其被配置为在低于或等于所述至少两个空间传播模的一组传播模上对所述信号进行解码，这提供一组经调制的符号；
-解调器，其被配置为通过应用解调方案来从所述一组经调制的符号的所述估计确定所述码字矢量的估计；以及
-前向纠错码解码器，其被配置为通过将至少一个纠错码解码器应用于所述码字矢量来产生所述数据序列的估计。
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