CN112425095B - 确定使用纤芯加扰的多纤芯光纤传输系统中的纤芯相关损耗的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的各个实施例提供了一种光传输系统(100)，其包括：光发射器(11)，所述光发射器(11)被配置为在包括多纤芯光纤的光纤传输信道(13)上传输数据，所述数据由光信号承载，所述光信号根据两个或更多个纤芯沿所述多纤芯光纤传播，所述多纤芯光纤与光纤参数和未对准损耗值相关联；至少一个加扰设备(133)，其布置在所述光纤传输信道(13)中，以用于根据加扰函数对所述两个或更多个纤芯进行加扰，其中，所述光纤传输信道(13)包括系统配置设备(17)，所述系统配置设备(17)被配置为依据所述光纤参数、至少一个未对准损耗值、所述至少一个加扰设备(133)的数量、以及所述加扰函数来确定纤芯相关损耗值。

Description

确定使用纤芯加扰的多纤芯光纤传输系统中的纤芯相关损耗 的方法和设备
技术领域
本发明总体上涉及光通信，并且特别涉及用于在实施纤芯加扰的多纤芯光纤中的纤芯相关损耗确定的设备和方法。
背景技术
在过去的几十年中，光纤已广泛用于光传输系统中，用于在不到一米到数千公里的距离内传递数据(例如语音、多媒体、视频)。
光纤是在光谱中引导电磁波的光波导。光纤包括由具有较低折射率的透明包层材料包围的透明纤芯。在一系列内部反射之后，光在光纤中传播。与基于有线或无线的通信系统相比，光承载数据并允许以更高的带宽进行长距离传输。
随着互联网流量的增加，光通信网络中的数据流量的量呈指数增长。由于波分复用(WDM)、相干检测和偏振分割复用(PDM)以及先进的信号处理的实际使用，提高了使用单模光纤的光通信系统的传输能力和覆盖范围(reach)。
然而，使用常规的单模光纤的WDM-PDM系统具有较小的纤芯半径，其中波沿单传播模式传播，该WDM-PDM系统几乎达到了光传输系统的非线性容量极限，并且无法满足对更高网络带宽的需求的指数增长。
使用多模光纤(MMF)或多纤芯光纤(MCF)实现的空分复用(SDM)有望克服当前光传输系统的容量限制。空分复用利用光纤中的空间作为可用于增加光纤传输上的容量的最后的自由度。空间被用作用于创建多个独立空间信道的复用维度，在所述独立空间信道上，独立数据流可以被复用并承载在同一光纤中。使用SDM，可以将容量乘以独立空间信道的数量，从而增加光纤传输链路的覆盖范围和传输容量。
多模光纤允许根据不同的空间传播模式传播光。多模光纤的纤芯被扩大以允许传播多于一个空间模式。在光穿过纤芯时产生的反射的次数增加，从而建立了在给定时隙传播更多数据的能力。
多模光纤可以提供比单模光纤更高的传输速率。然而，多模光纤会受到若干损害的影响，这主要是由于光学部件(例如，光纤、放大器、空间复用器)的不完善、空间模式之间的串扰效应、以及被称为模式相关损耗(MDL)的非单一串扰效应。
多纤芯光纤在单个光纤中并入了多个等同或不同的纤芯，每个纤芯为单模或多模。多纤芯光纤可以分类成非耦合MCF和耦合MCF。
在非耦合MCF中，必须适当地布置每个纤芯，以使纤芯间串扰保持足够小，以用于长距离传输应用，以单独地检测来自每个纤芯的信号(即，在接收器处不需要多输入多输出均衡)。已根据不同的纤芯布置设计了若干类型的非耦合多纤芯光纤。这些设计包括“同质MCF”和“具有沟槽辅助的同质MCF”，其中并入了多个等同的纤芯，而“异质MCF”并入了若干类型的多个纤芯。
在耦合MCF中，若干纤芯被放置为使它们彼此强和/或弱耦合。支持单个空间模式和多个空间模式的耦合MCF可以用于高功率光纤激光器应用中。
由于未对准损耗和串扰效应，多纤芯光纤受到若干损害的影响。串扰和未对准损耗引起纤芯相关损耗(CDL)。CDL是一种类似于影响多模光纤的MDL的损害效应。
由于在粘接处和连接器部分处的光纤的不完美，未对准损耗增加。存在三种类型的未对准损耗，包括纵向位移损耗、横向位移损耗和角位移损耗。
串扰效应是由于一个包层中存在多个纤芯而在相邻纤芯之间产生串扰。串扰随着纤芯间距离的减小而增加，并且在光信号质量和集成在多纤芯光纤内部的纤芯的数量方面代表了对容量的主要限制。此外，低串扰效应使得在光接收器处的解码复杂度降低，因为对于小串扰值不需要多输入多输出均衡。
为了减少串扰效应，可以在光纤的制造过程中应用光学解决方案。
第一种方法在于增加纤芯间距离。这种方法能够减少串扰效应，但是由于包层直径的原因，它限制了光纤内部的纤芯的数量，并且因此降低了纤芯密度和容量。
第二种方法是基于使用沟槽辅助的同质多纤芯光纤的沟槽辅助。沟槽辅助通过用低折射率沟槽层包围每个纤芯来降低耦合系数。沟槽辅助的光纤设计中的串扰依赖于纤芯间距离，并且低于没有沟槽辅助的光纤中的纤芯间串扰。
第三种解决方案使用异质MCF，其中在相邻纤芯之间引入固有折射率分布，从而减少串扰效应。
此外，近期已经提出了随机纤芯加扰技术，以减轻异质沟槽辅助的MCF中的CDL并且增强系统性能，该技术在“Asia Communications and Photonics Conference,OSATechnical Digest,2017中的A.Abouseif、G.R.Ben-Othman和Y.的Core ModeScramblers for ML-detection based Multi-Core Fibers Transmission(基于ML检测的多纤芯光纤传输中的纤芯模式加扰器)”中公开。事实证明，随机纤芯加扰可以在错误概率方面实现更好的性能。然而，随机加扰需要安装大量的随机加扰器，这在传输系统上引入了额外的实施复杂度和成本。
尽管现有解决方案能够减少多纤芯光纤中的串扰，但是它们无法实现对纤芯相关损耗的估计和对光传输系统的性能行为的预测，其依据纤芯相关损耗的值。因此，需要开发信道建模和计算技术，该技术能够确定其中使用纤芯加扰的基于多纤芯光纤的光传输系统的给定配置的纤芯相关损耗值。
发明内容
为了解决这些和其他问题，提供了一种光传输系统，其包括被配置为在由多纤芯光纤制成的光纤传输信道上传输数据的光发射器。承载数据的光信号根据两个或更多个纤芯沿着多纤芯光纤传播。多纤芯光纤与光纤参数和未对准损耗值相关联。至少一个加扰设备布置在光纤传输信道中，以用于根据加扰函数对两个或更多个纤芯进行加扰。光纤传输信道包括系统配置设备，该系统配置设备被配置为依据光纤参数、未对准损耗、至少一个加扰设备和加扰函数来确定纤芯相关损耗值。
在一些实施例中，光纤参数包括光纤长度、至少等于两个的纤芯数量、串扰系数和耦合系数，每个串扰系数表示多纤芯光纤中的两个纤芯之间的串扰，每个耦合系数表示多纤芯光纤中的两个纤芯之间的耦合。
在一些实施例中，未对准损耗值表示在包括纵向未对准、横向未对准和角未对准的组中选择的多纤芯光纤的未对准。
在一些实施例中，系统配置设备可以被配置为依据光纤参数、未对准损耗值、至少一个加扰设备和加扰函数来确定与多纤芯光纤的每个纤芯相关联的纤芯损耗值。
根据一些实施例，系统配置设备可以被配置为将每个纤芯损耗值确定为由均值和方差值定义的对数正态分布的随机变量，该均值和方差值依赖于光纤参数和未对准损耗值。
根据一些实施例，与多纤芯光纤的每个纤芯相关联的每个纤芯损耗值的均值是第一值和第二值之间的乘积，该第一值对应于代表与所述每个纤芯相关联的总未对准损耗的对数正态随机变量的均值，第二值对应于与所述每个纤芯相关联的总串扰系数，与给定纤芯相关联的总串扰系数由代表所述给定纤芯与多纤芯光纤中的与所述给定纤芯不同的纤芯之间的串扰的串扰系数确定。与多纤芯光纤的每个纤芯相关联的每个纤芯损耗值的方差值是与所述每个纤芯相关联的总串扰系数的平方值与对应于代表与所述每个纤芯相关联的总未对准损耗的对数正态随机变量的方差的第三值之间的乘积。
根据一些实施例，系统配置设备可以进一步被配置为确定目标纤芯相关损耗值，并依据关于目标纤芯相关损耗值的纤芯相关损耗值来选择多纤芯光纤的光纤参数中的至少一个。
根据一些实施例，可以在包括目标信噪比和目标比特或符号错误率的组中选择目标性能度量。
在一些实施例中，光传输系统可以包括加扰配置设备，该加扰配置设备被配置为根据确定性加扰标准来确定加扰函数。
根据一些实施例，确定性加扰标准可以依据与多纤芯光纤的纤芯相关联的纤芯参数中的一个或多个，与多纤芯光纤的每个纤芯相关联的纤芯参数是在包括纤芯类型和纤芯损耗值的组中选择的。
根据一些实施例，加扰配置设备可以被配置为根据与两个或更多个纤芯相关联的纤芯损耗值的给定顺序来对多纤芯光纤的两个或更多个纤芯进行排序，确定性加扰标准依赖于与两个或更多个纤芯相关联的纤芯损耗值的顺序。
在其中多纤芯光纤是异质多纤芯光纤的一些实施例中，加扰配置设备可以被配置为依据与两个或更多个纤芯相关联的纤芯类型来确定确定性加扰标准，根据确定性加扰标准的加扰函数对应于根据至少第一纤芯与第二纤芯的置换的两个或更多个纤芯的两两置换，第一纤芯和第二纤芯与不同的纤芯类型相关联。
在其中多纤芯光纤是异质多纤芯光纤的一些实施例中，加扰配置设备可以被配置为依据与两个或更多个纤芯相关联的纤芯类型和纤芯损耗值来确定确定性加扰标准，根据确定性加扰标准的加扰函数对应于根据至少第一纤芯与第二纤芯的置换的两个或更多个纤芯的两两置换，第一纤芯和第二纤芯与不同纤芯类型和不同纤芯损耗值相关联。
还提供了一种用于确定光纤通信系统的纤芯相关损耗值的方法，在该光纤通信系统中，数据是在由多纤芯光纤构成的光纤传输信道上传输的。承载数据的光信号根据两个或更多个纤芯沿着多纤芯光纤传播。多纤芯光纤与光纤参数和未对准损耗值相关联。该方法包括根据加扰函数对两个或更多个纤芯进行加扰，并且依据光纤参数、未对准损耗值和加扰函数来确定纤芯相关损耗值。
有利地，根据各个实施例的纤芯相关损耗值计算设备和方法能够通过针对给定的光纤传输信道配置(包括给定数量的光纤跨度和光纤未对准值)、给定光纤参数、给定数量的纤芯加扰器/加扰设备、以及给定的纤芯加扰技术(随机或确定性、相同或不同)评估纤芯相关损耗，来估计和预测多纤芯光纤传输信道的性能行为。
有利地，根据本发明的各个实施例的光信道建模技术提供了用于设计和制造多纤芯光纤传输系统的有效工具，该多纤芯光纤传输系统具有减少的纤芯相关损耗效应和减少数量的用于纤芯加扰的加扰设备(例如光复用器)。
通过查看附图和具体实施方式，本发明的其他优点对于技术人员将变得显而易见。
附图说明
并入本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的各种实施例。
图1示出了在光通信系统中的本发明的示例性应用的示意图。
图2示出了示例性多纤芯光纤的截面图；
图3描绘了根据一些实施例的多纤芯光纤的截面图，该多纤芯光纤具有12纤芯同质多纤芯光纤以及19纤芯同质光纤，12纤芯同质多纤芯光纤包括布置在围绕光纤轴的环上的十二个纤芯，19纤芯同质光纤包括布置成二维网格的包括一个中心纤芯的十九个纤芯；
图4描绘了根据一些实施例的多纤芯光纤的截面图，其中，多纤芯光纤是12纤芯同质沟槽辅助的多纤芯光纤；
图5示出了根据一些实施例的多纤芯光纤的截面图，其中，多纤芯光纤是12纤芯异质多纤芯光纤，其包括布置在围绕光纤轴的环上的十二个纤芯；
图6示出了根据一些实施例的多纤芯光纤的截面图，该多纤芯光纤具有包括七个纤芯的7纤芯异质光纤和包括三组纤芯的19纤芯异质光纤，每个不同组中的纤芯具有不同的类型；
图7示出了根据一些实施例的具有12纤芯异质沟槽辅助的多纤芯光纤和7纤芯异质沟槽辅助的多纤芯光纤的多纤芯光纤的截面图，该12纤芯异质沟槽辅助的多纤芯光纤包括布置在围绕光纤轴的环上的十二个纤芯；
图8是示出根据本发明的一些实施例的光发射器的结构的框图；
图9是示出根据本发明的一些实施例的光接收器的结构的框图；
图10是示出根据本发明的一些实施例的用于在多纤芯光纤传输系统中确定纤芯相关损耗值的方法的流程图，其中使用了纤芯加扰、单偏振、单波长、没有应用时间-空间编码的单载波未编码调制；
图11示出了根据一些实施例的多纤芯光纤的截面图，其中考虑了蜗牛加扰技术；
图12示出了根据一些实施例的多纤芯光纤的截面图，其中考虑了旋转加扰技术，以及
图13示出了根据一些实施例的多纤芯光纤的截面图，其中考虑了蛇形加扰技术。
具体实施方式
本发明的实施例提供了用于多纤芯光纤传输系统的信道建模以及针对多纤芯光纤传输系统的给定配置和给定纤芯加扰来估计纤芯相关损耗的设备和方法，纤芯相关损耗的确定使得能够有利地高效设计具有减少的纤芯相关损耗的影响和减少的纤芯加扰设备的数量的多纤芯光纤传输系统。
根据本发明的各个实施例的设备和方法可以在应用于多种应用的光纤传输系统中实施。示例性应用包括但不限于光纤通信、航空航天和航空电子、数据存储、汽车工业、成像、运输、感测和光子学。
示例性通信应用包括台式计算机、终端和全国性网络。光纤可以用于在短距离(小于一米)或长距离(例如，在经由城域网、广域网、跨洋链接的通信中，长达数百或数千公里)内传输光，并且从而传输信息/数据。这样的应用可以涉及语音(例如电话)、数据(例如，向家庭和办公室的数据供应，称为光纤到户)、图像或视频(例如、互联网流量的传递)的传递、或者网络的连接(例如，交换机或路由器的连接和高速局域网中的数据中心连接)。
在航空航天工业领域中的本发明的示例性实施方式中，基于光纤的产品可以用于军事和/或商业应用。在这种应用中设计了光纤技术和产品，以满足苛刻的环境和条件下的严格测试和认证要求。
在数据存储应用中的本发明的示例性实施方式中，光纤可以在数据存储设备中用作网络中多个设备之间的链接和/或用作存储系统的一部分。光纤连接即使在扩展的距离上也能提供很高的带宽。
在本发明对汽车工业的另一示例性应用中，光纤技术可以例如用于安全和控制设备和系统的灯光/照明、通信和感测中。
在本发明对成像应用(例如，远程医疗)的又一示例性应用中，光纤的光传输特性可以用于将目标或对象区域的图像传输到图像观察端以进行分析和/或解释。
本发明还可以用在运输系统中，其中具有智能交通灯、自动收费站和可变消息标志的智能高速公路可以使用基于光纤的遥测系统。
本发明可以进一步用于感测应用中，其中光纤传感器可以用于感测一些量，例如温度、位移、振动、压力、加速度、旋转和化学物质的浓度。光纤传感器的示例性应用包括在高电压和大功率机械或微波中的感测、建筑物中的分布式温度和应变测量以进行远程监测(例如，监测飞机的机翼、风力涡轮机、桥梁、管道)、石油勘探应用中的井下感测等
在本发明对光子学的另一应用中，光纤可以用于连接光纤设备中的部件，例如干涉仪和光纤激光器。在这样的应用中，光纤与电子设备中的电线起着相似的作用。
仅出于说明的目的，将参考通信应用进行某些实施例的以下描述。然而，技术人员将容易地理解，本发明的各种实施例可以应用于用于不同应用的其他类型的系统。
图1示出了在基于光纤传输的光传输系统100(也称为“光通信系统”)中的本发明的示例性实施方式。光传输系统100包括至少一个光发射器设备11(以下称为“光发射器”)，该光发射器设备11被配置为将输入数据序列编码到光信号中并且通过光纤传输信道13(以下称为“光纤链路”)将光信号光学地传输到至少一个光接收器设备15(在下文中称为“光接收器”)，所述光纤传输信道13被配置为在一定距离内传输光。
光通信系统100可以包括计算机和/或软件，以控制系统的可操作性。
光纤传输信道13包括多纤芯光纤，该多纤芯光纤包括多个光纤段131(也称为“光纤跨度”或“光纤切片”)的串联。光纤段131可以对准或未对准。
多纤芯光纤是由两个或更多个纤芯、包围两个或更多个纤芯的包层以及涂层组成的圆柱形非线性波导。每个纤芯具有折射率。由光发射器11发送的光信号被复用并且由于纤芯的折射率与包层的折射率之间的差而通过全内反射在多纤芯光纤的每个纤芯中被引导。
在其中多纤芯光纤是非耦合光纤的一些实施例中，多纤芯光纤的每个纤芯可以充当单独的波导，使得光信号可以被认为是独立地传播通过纤芯。
在其中多纤芯光纤是耦合光纤的一些实施例中，如果两个纤芯之间的距离太小以至于沿不同纤芯传播的光信号重叠，则在纤芯之间可能存在某种耦合。
光纤可以由玻璃(例如二氧化硅、石英玻璃、氟化物玻璃)制成，其典型地用于长距离传输。对于短距离传输，光纤可以是塑料光纤。
多纤芯光纤可以通过几何参数和光学参数来表征。几何参数可以包括包层直径、纤芯到纤芯距离和纤芯-外包层距离。光学参数可以包括波长、代表多纤芯光纤的不同纤芯之间的串扰的串扰系数、以及每个纤芯与包层之间的折射率差。
在一些实施例中，光通信系统100可以在对应于从包括以下窗口的组中选择的区域的波长区域中操作：
-适用于短距离传输的在800-900nm的范围内的波长窗口；
-例如用于长距离传输的约1.3μm的波长窗口；
-约1.5μm的波长窗口，由于二氧化硅光纤的损耗在该波长区域中最低而更多地使用。
图2描绘了六纤芯光纤的横截面，Dclad代表包层直径，dc-c指定了纤芯间距离，并且dc-Clad代表纤芯-外包层距离。
在一些实施例中，多纤芯光纤中的纤芯可以布置在围绕光纤轴的环上，例如在六边形的边缘上。在其他实施例中，纤芯可以布置在某个二维网格上。
在实施例中，多纤芯光纤可以是包括两个或更多个相同类型的纤芯的同质多纤芯光纤。
图3描绘了两个示例性同质多纤芯光纤的两个横截面，第一12纤芯光纤包括布置在围绕光纤轴的环上的相同类型的12个纤芯，并且第二19纤芯光纤包括布置在六边形的边缘上的18个纤芯和一个中心纤芯。
在实施例中，多纤芯光纤可以是同质沟槽辅助的多纤芯光纤，每个纤芯被低折射率沟槽层包围。
图4示出了包括12个相同类型的纤芯的示例性沟槽辅助的同质多纤芯光纤的横截面。
在另一实施例中，多纤芯光纤可以是包括多个纤芯的异质多纤芯光纤，在该多个纤芯中，至少两个纤芯是不同类型的。
图5示出了包括12个纤芯的示例性异质多纤芯光纤的横截面，在该12个纤芯中，编号为2i+1(其中i＝0,…,5)的纤芯是相同的，编号为2i+2(其中i＝0,…,5)的纤芯是相同的，并且对于i＝0,…,5，编号为2i+1的纤芯的纤芯类型与编号为2i+2的纤芯的纤芯类型不同。这种异质多纤芯光纤中的每个纤芯有两个相邻的纤芯，每个纤芯的纤芯类型与其相邻纤芯的纤芯类型不同。
图6示出了两个示例性7纤芯光纤和19纤芯异质光纤的两个横截面。7纤芯光纤包括在六边形的边缘上的编号为1-6的六个纤芯和编号为7的中心纤芯。该7纤芯光纤包含三种不同的纤芯类型，中心纤芯的纤芯类型不同于在六边形的边缘上的纤芯的类型，并且布置在六边形的边缘上的每个纤芯的纤芯类型不同于其相邻纤芯的纤芯类型。19纤芯光纤包括三种不同的纤芯类型，中心纤芯的纤芯类型与六边形的边缘上的纤芯的类型不同。
在实施例中，多纤芯光纤可以是沟槽辅助的异质多纤芯光纤。
图7描绘了两个示例性12纤芯和7纤芯沟槽辅助的异质多纤芯光纤的两个横截面。
在一些实施例中，多纤芯光纤的每个纤芯可以是包括一个空间传播模式的单模。
在一些实施例中，多纤芯光纤可以包括至少一个多模纤芯，该多模纤芯包括两个或更多个空间传播模式。
光纤传输信道13可以还包括一个或多个放大器132，其插入到光纤中以用于重新放大光功率并补偿光纤衰减，而无需重新生成光信号，从而可以在需要周期性放大光信号的长距离内保持足够的信号功率。
放大器132可以插入在每对光纤切片131之间。特别地，插入在光纤传输信道的末端的放大器132在光接收器15处的信号检测之前执行信号放大。
每个放大器132可以被配置为同时放大与多纤芯光纤中的多个纤芯相对应的光信号。
在一些实施例中，放大器132可以包括单芯光纤放大器的副本。
在其他实施例中，放大器132可以是光学多纤芯放大器。示例性的光放大器包括多纤芯掺铒光纤放大器(EDFA)，例如纤芯泵浦的多纤芯EDFA和包层泵浦的EDFA放大器。纤芯泵浦和包层泵浦的放大器可以使用单个或多个泵浦二极管。特别地，每个纤芯的泵浦二极管可以用于EDFA放大器中。
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。在这样的实施例中，光纤既用作传输链路又用作放大介质。
在其他实施例中，可以通过共同使用规则布置的光放大器和模拟拉曼散射效应来实现信号放大。
在其他实施例中，可以通过光/电转换(在图1中未示出)在电域中执行信号放大。在这样的实施例中，光纤传输信道13可以在每个放大阶段包括：
-用于将光信号转换回电域的光电二极管；
-用于放大转换后的电信号的电放大器；和
-用于产生与放大的电信号相对应的光信号的激光二极管。
根据一些实施例(图1中未示出)，光传输信道13可以还包括以下一项或多项：
-用于抵消色散的影响的色散补偿器，例如在光接收器15处检测到光信号之前，色散补偿器被配置为消除色散或补偿色散；
-在波分复用系统中实施的光开关和复用器，例如光分插复用器；
-一个或多个用于重新生成光信号的设备，例如电子和光学再生器。
在其中使用光学设备在光域中执行纤芯加扰的一些实施例中，光复用器可以用作纤芯加扰器。
图8示出了根据一些实施例的光发射器11的部件。光发射器11可以被配置为将输入数据序列转换为要通过光纤传输信道13传输的光信号。因此，光发射器11可以包括：
-正向错误校正码(FEC)编码器81(也称为“错误校正码编码器81”)，其被配置为通过应用至少一个正向错误校正码(FEC)(也称为“错误校正码”)将长度为k的输入数据序列(即，包括k个符号)编码成形式为长度n>k的码字向量的编码序列；
-交织器83，其被配置为将编码序列混合，以在被调制之前向编码符号添加保护层以防止突发错误；
-调制器85，其被配置为通过将调制方案应用于交织的编码序列(或在光发射器11不包括交织器的实施例中，应用于码字向量)来确定调制符号向量sc的形式的一组调制符号。可以实施不同的调制方案，例如具有2q个符号或状态的2q-QAM或2q-PSK。调制向量sc可以是复值向量，其包括具有每符号q比特的к个复值符号s1,s2,…,sк。当使用诸如2q-QAM的调制格式时，2q个符号或状态代表整数字段的子集。对应的星座图由代表不同状态或符号的2q个点组成。另外，在平方调制的情况下，信息符号的实部和虚部属于相同的有限字母表A＝[–(q-1),(q-1)]；
-空间-时间编码器87，其被配置为通过应用空间-时间码来确定在时间传输间隔(TTI)期间承载要通过光纤传输信道13发送的数据符号的码字矩阵。时间-空间编码器25可以被配置为将Q个调制符号s1,s2,…,sQ的每个接收到的序列(或块)变换成尺寸为Nt x T的码字矩阵X。码字矩阵包括布置在Nt行和T列中的复值，其中Nt表示用于传播光信号的传播纤芯的数量，T表示时间-空间码的时间长度，并且与时间信道使用的数量相对应。因此，码字矩阵的每个值对应于使用时间以及用于信号传播的传播纤芯。时间-空间编码器87可以使用线性时间-空间分组码(STBC)来生成码字矩阵。这种码的编码速率等于每信道使用个复符号，其中，在这种情况下，к是组成维度к的向量sc＝[s1,s2,…,sк]t的已编码复值符号的数量。当使用全速率码时，空间-时间编码器87对к＝NtT个复值符号进行编码。STBC的示例是完美码。完美码通过对复信息符号的数量进行编码来提供完整的编码速率，并满足非消失行列式性质。
在一些实施例中，空间-时间编码器87可以通过在不同传播纤芯上对接收到的复值信息符号进行复用来使用被称为V-BLAST方案的空间复用方案，而无需在时间维度上执行编码。
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。在这样的实施例中，FEC编码器81可以被配置为通过应用至少一个二进制FEC码来将输入的二进制序列编码成包括n个比特的二进制码字向量。
在其他实施例中，输入数据序列可以包括采取在伽罗瓦字段GF(q)中的值的符号，其中q>2代表伽罗瓦字段的阶。在这样的实施例中，FEC编码器22可以被配置为将输入数据序列编码成包括n个符号的码字向量，包括在该码字向量中的每个符号采取伽罗瓦字段GF(q)中的值。在这种情况下的编码过程可以使用GF(q)上构造的非二进制FEC码来执行，其中q>2。
通过执行编码操作，FEC编码器81将冗余比特(通常是冗余符号)添加到输入二进制序列，使得接收器可以检测和/或校正常见的传输错误。FEC码的使用提供了额外的保护和对传输错误的抵抗力，并允许相对于未编码的传输(即，没有FEC编码的调制数据的传输)在性能上有显著提高。
通过两个或更多FEC码的串联，可以实现额外的改进并减小错误概率。码的串联可以遵循串行、并行或多层体系结构。FEC编码器81可以相应地被配置为实施两个或更多FEC码。
光发射器11可以还包括多个多载波调制器88，其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生成多载波符号。此外，可以实施多载波调制，以提供对由于光纤色散和多纤芯光纤中各个纤芯之间的串扰而引起的符号间干扰的更好抵抗。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)。
然后，可以由数字光前端89处理由多载波调制器88输送的频域信号，该数字光前端89被配置为将接收到的频域信号转换到光域。数字光前端89可以使用多个给定波长的激光器和与所使用的偏振态和多纤芯光纤的纤芯中的空间传播模式相关联的多个光调制器(图8中未示出)来执行转换。激光器可以被配置为使用波分复用(WDM)技术生成相同或不同波长的激光束。然后可以借助于光调制器使用OFDM符号的不同输出(或者在使用单载波调制的实施例中使用码字矩阵的不同值)来调制不同的激光束，并根据光纤的不同偏振态使该不同的激光束偏振。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。另外，用于调制不同的光信号的各种光调制器所使用的调制方案可以是相似的或不同的。
光调制器和激光器的数量依据所使用的偏振态的数量、多纤芯光纤的每个纤芯中所使用的传播模式的数量以及光纤中的纤芯的数量。
数字光前端89可以还包括FAN-IN设备(图8中未示出)，其被配置为将所生成的光信号注入到多纤芯光纤的每个纤芯中以根据每个纤芯中的可用传播模式进行传播。光连接器可以用于连接FAN-IN设备的输出端和多纤芯光纤传输信道13的输入端。
根据前述实施例中的任何一个生成的光信号可以沿着光纤传播，直到到达光纤传输信道13的另一端，在该另一端，光信号被光接收器15处理。
图9是根据一些实施例的光接收器15的框图。光接收器15被配置为接收由光发射器11通过光纤传输信道13传输的光信号，并生成原始输入数据序列的估计。因此，光接收器15可以包括：
-光学数字前端91，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，并将其转换成数字信号。光学数字前端91可以包括FAN-OUT设备(图9中未示出)；
-多个多载波解调器92，其被配置为去除循环前缀并生成要输送给空间-时间解码器93的一组决策变量；
-空间-时间解码器93，其被配置为通过应用空间-时间解码算法从该组决策变量中生成调制数据序列的估计；
-解调器94，其被配置为通过对由空间-时间解码器93估计的调制数据序列执行解调来生成二进制序列；
-解交织器95，其被配置为重新布置由解调器94输送的二进制序列中的比特(通常为符号)的顺序，以恢复比特的原始顺序；和
-FEC解码器96(也称为“错误校正码解码器96”)，其被配置为通过将软决策或硬决策FEC解码器应用于由解交织器95输送的重新排序的二进制序列来输送由光发射器设备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。
时间-空间解码器93可以实施从由最大似然解码器、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时间-空间解码算法。
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-边界-堆栈解码器。
在使用单载波调制的实施例中，多个多载波调制器88可以由单个调制器代替。类似地，多载波解调器92可以由单个解调器代替。
在FEC编码器81实施两个或更多个正向错误校正码的串联的一些实施例中，FEC解码器96可以实施对应的结构。例如，在基于内部码和外部码的串行串联的实施例中，FEC解码器96可以包括内部码解码器、解交织器和外部码解码器(图9中未示出)。在涉及并行架构中的两个码的实施例中，FEC解码器96可以包括解复用器、解交织器和联合解码器(图9中未示出)。
仅出于说明的目的，将参考使用单偏振、单波长、单载波调制、无空间-时间编码的单错误校正码、和单模式多纤芯光纤的光通信系统100对本发明的某些实施例进行以下描述。然而，本领域技术人员将容易理解，本发明的各种实施例还可以应用于与使用两个偏振的偏振复用结合、和/或与使用多个波长的波长复用结合、和/或与使用多模光纤纤芯的模式复用结合、和/或与多载波调制格式结合、和/或与空间-时间编码结合的多纤芯光纤中。
为了便于理解本发明的一些实施例，以下使用一些符号和/或定义：
-L表示光纤传输信道13中的多纤芯光纤的总长度；
-K表示串联在多纤芯光纤中的光纤段(也称为“光纤切片”或“光纤跨度”)的数量；
–d表示相关长度；
-Rb表示弯曲半径；
-Nc≥2表示多纤芯光纤中的纤芯的总数，纤芯被编号(即，每个纤芯与在1与Nc之间变化的纤芯编号相关联)，从而将纤芯指定为core-n，其中n采取1与Nc之间的值；
-Rn表示纤芯n的半径；
-每个纤芯core-n(其中n＝1,…,Nc)与由{Tn；λn,p}表示的纤芯参数相关联，其中Tn表示core-n的纤芯类型，而λn,p表示与core-n相关联的纤芯损耗值和纤芯加扰的结果；
-XTn,m指代量化core-n与core-m之间的串扰(也称为“纤芯间串扰”)的串扰系数(也称为“纤芯间串扰系数”)，其中n≠m；
-kn,m指代量化core-n与core-m之间的耦合(也称为“纤芯间耦合”)的耦合系数(也称为“纤芯间耦合”)，其中n≠m；
-Δβnm表示core-n与core-m之间的传播常数差，其中n≠m；
-π表示用于纤芯加扰的加扰函数，并通过Nc×Nc置换矩阵以矩阵形式代表；
本发明的各种实施例提供了用于确定光传输系统100中的给定光纤传输信道13的纤芯相关损耗的高效的信道建模和计算设备。光纤传输信道13由多纤芯光纤制成，该多纤芯光纤与预定义的光纤配置和光纤参数、未对准损耗值相关联。至少一个加扰设备133布置在光纤传输信道13中，以用于根据加扰函数π对多纤芯光纤的两个或更多个纤芯进行加扰。在光纤的设计或制造期间，可以有利地使用根据本发明的信道建模和CDL确定技术来选择多纤芯光纤和/或确定光纤跨度/切片的数量和/或确定传输参数的配置，例如调制方案、错误校正编码方案、空间-时间编码方案、以及加扰设备133的数量和/或类型。
在一些实施例中，光传输系统100包括系统配置设备17，该系统配置设备17被配置为依据光纤参数根据预定义的光纤配置、至少一个未对准损耗值、至少一个加扰设备133(至少一个加扰设备133的类型(即随机的或确定性的)以及至少一个加扰设备133的数量)和加扰函数π来确定纤芯相关损耗值。
在其中两个或更多个加扰设备133布置在光纤传输信道13中的实施例中，所述两个或更多个加扰设备133可以是相同的(即，实施相同的加扰函数)或不同的(即，实施不同的加扰函数)。
根据一些实施例，光纤参数包括光纤长度L、至少等于两个的纤芯数量Nc≥2、串扰系数XTn,m(其中n,m∈{1,…,Nc})、以及耦合系数kn,m(其中n,m∈{1,…,Nc})、每个串扰系数XTn,m代表多纤芯光纤中的core-n与core-m之间的串扰，其中n≠m，每个耦合系数kn,m代表多纤芯光纤中的core-n与core-m之间的耦合，其中n≠m。
光纤参数可以还包括弯曲半径、光纤切片的数量K、包层直径、多纤芯光纤的每个纤芯的半径、以及多纤芯光纤的每个纤芯core-n的类型Tn(对于n＝1,…,Nc)。
在一些实施例中，由于光纤跨度处的光纤和连接器(例如，FAN-IN/FAN-OUT设备与光纤传输信道的输入/输出端之间的连接器)的不完善，未对准损耗可能升高。未对准可以包括从包括纵向未对准、横向未对准和角未对准的组中选择的未对准。
根据一些实施例，可以将未对准损耗建模为随机高斯变量。更具体地，可以将与core-n相关联的未对准损耗建模为零均值和标准偏差的随机高斯变量，标准偏差由根据以下等式表达的σ(x,y),n表示：
在等式(1)中，rd表示多纤芯光纤在“x”和“y”方向上的横向位移。
在光纤传输信道13经历纤芯间串扰效应和未对准效应的实施例中，光纤传输信道13可以由光学多输入多输出(MIMO)系统表示，该系统由以下关系描述：
Y＝H.X+N (2)
在等式(2)中：
-X表示长度为Nc的复值向量，其包括在光纤传输信道13上传输的Nc个符号，使得第n个符号在core-n上传输，其中n＝1,…,Nc；
-Y是长度Nc的复值向量，其表示在光接收器15处接收到的信号；
-H是尺寸Nc x Nc的复值矩阵，其表示光信道矩阵，并且代表除未对准损耗之外的在多纤芯光纤中的不同纤芯上的光信号传播期间由纤芯经历的衰减和损耗，以及
-N是长度Nc的实值向量，其表示光信道噪声。
根据一些实施例，光信道噪声可以是零均值和方差N0的白高斯噪声。
在一些实施例中，加扰函数π可以通过由P表示的置换矩阵以矩阵形式表示，该置换矩阵的项由下式给出：
多纤芯光纤由K个光纤跨度/切片的串联组成。相应地，光纤传输信道13可以包括根据由Kscr表示的加扰周期周期性地布置在光纤传输信道13中的至少一个加扰设备133，即，如果k是加扰周期的倍数，则加扰设备133可以布置在第k个光纤切片中。
在这样的实施例中，每个光纤跨度等效于串扰信道矩阵、未对准信道矩阵和置换矩阵P(k)＝P的乘积，置换矩阵是代表由第k个加扰设备133在第k个光纤跨度中施加加扰函数π的Nc×Nc矩阵，k是加扰周期的倍数。
因此，等式(2)的光学MIMO系统可以根据以下等式等价表示：
在等式(4)中：
-L表示用于补偿光纤链路损耗的归一化因子；
-HXT,k指定与第k个光纤跨度相关联的串扰信道矩阵，以及
-Mk指定与第k个光纤跨度相关联的未对准信道矩阵。
纤芯间串扰效应可以由HXT表示的串扰信道矩阵代表，HXT根据以下等式表示：
在等式(5)中，串扰信道矩阵的对角项由XTn＝1-∑n≠mXTn,m给出。串扰代表纤芯之间的交换能量，并且可以基于本领域技术人员已知的耦合功率理论来估计。
根据多纤芯光纤是同质的一些实施例，量化每个core-n和core-m之间的串扰的串扰系数XTn,m根据以下等式表示，其中n≠m：
在等式(6)中，Λ表示纤芯到纤芯距离，并且β2表示传播常数。
根据多纤芯光纤是异质的一些实施例，量化每个core-n和core-m之间的串扰的串扰系数XTn,m根据以下等式表示，其中n≠m：
根据一些实施例，系统配置设备17可以被配置为依据光纤参数、至少一个未对准损耗值、至少一个加扰设备133(即，随机的或确定性的类型以及至少一个加扰设备133的数量)以及加扰函数π来确定与每个纤芯core-n相关联的纤芯损耗值λn,p，其中n＝1,…,Nc。
根据一些实施例，系统配置设备17可以被配置为通过将奇异值分解施加于信道矩阵H来确定与每个纤芯core-n相关联的纤芯损耗值λn,p，其中n＝1,…,Nc，其中H代表光纤传输信道13，信道矩阵依据置换矩阵P。特别地，系统配置设备17可以首先被配置为根据以下等式执行光信道矩阵的QR分解：
H＝QR (8)
在等式(6)中，Q是Nc×Nc正交矩阵，并且R是Nc×Nc上三角矩阵。上三角矩阵R的对角项的值由以下等式给出：
在等式(9)中，αi,p表示与纤芯core-i相关联的总未对准损耗，并且是置换矩阵P(k)的结果，并且XTi＝1-∑i≠mXTi,m指定总串扰系数，其量化了与光纤传输信道13末端的纤芯core-i相关联的总串扰，与纤芯core-i相关联的总串扰系数依据量化所述纤芯core-i与多纤芯光纤中的其余纤芯之间的串扰的串扰系数。
使用光信道矩阵的QR分解，可以根据以下等式表示光信道矩阵的奇异值分解：
H＝U.∑.V (10)
在等式(10)中，矩阵∑是由以下等式给出的Nc×Nc对角矩阵：
通过使用光纤分解成为光纤跨度，未对准损耗系数αi,p可以由以下给出：
在等式(12)中，c表示常数乘数因子，和(对于i＝1,…,Nc)表示具有一个自由度的卡方分布随机变量，均值等于(σ(x,y),i)2，并且方差等于2(σ(x,y),i)4。
给定多纤芯光纤的纤芯类型Tn并使用多纤芯光纤中的K个切片的串联，变量Zi,p可以根据以下等式表示：
在等式(13)中：
-T表示与多纤芯光纤的纤芯相关联的不同类型的纤芯的总数量，
-Kj(对于j＝1,…,T)指定在与多纤芯光纤的纤芯相关联的不同类型的纤芯的总数量中，第j个纤芯类型的纤芯的数量，以及
-Xj(对于j＝1,…,T)指定正态分布变量，其均值和方差分别根据以下等式表示：
考虑到光纤跨度K的数量高的实施例，发明人表明，每个变量Zi,p可以被建模为具有均值和方差的正态分布变量。因此，总损耗系数αi,p可以用对数正态随机变量建模，其均值和方差值分别由以下等式给出：
根据光信道矩阵的奇异值分解的推导，等式(10)的光学MIMO系统可以根据以下等式表示：
根据等式(18)，系统配置设备17可以被配置为确定与每个纤芯core-n(对于n＝1,…,Nc)相关联的纤芯损耗值λn,p和施加加扰函数π的结果，使得纤芯损耗值λn,p是具有均值和方差的对数正态分布变量，每个纤芯损耗值的均值和方差依据涉及与所述每个纤芯相关联的总串扰系数XTn的光纤参数，依据总损耗系数αi,p的对数正态分布的均值和方差中的上升的未对准损耗和加扰函数π。更具体地，与多纤芯光纤的每个纤芯core-n相关联的每个纤芯损耗值λn,p的均值是第一值和第二值之间的乘积，第一值对应于代表与纤芯core-n相关联的总未对准损耗的对数正态随机变量αn的均值，第二值XTn对应于与所述纤芯core-n相关联的总串扰系数。与多纤芯光纤的每个纤芯core-n相关联的每个纤芯损耗值λn,p的方差值是与纤芯core-n相关联的总串扰系数XTn的平方值与第三值之间的乘积，第三值对应于代表与纤芯core-n相关联的总未对准损耗的对数正态随机变量αn的方差
在其中多纤芯光纤是异质的一些实施例中，系统配置设备17可以被配置为将由CDLheter表示的纤芯相关损耗值确定为由λmax,p表示的第一纤芯损耗值与由λmin,p表示的第二纤芯损耗值之间的比率，第一值由与多纤芯光纤的每个纤芯相关联的纤芯损耗值中的最高纤芯损耗值给出，第二值由与多纤芯光纤的每个纤芯相关联的纤芯损耗值中的最小纤芯损耗值给出。纤芯相关损耗CDLheter可以根据以下等式在对数尺度上表示：
给定与多纤芯光纤的每个纤芯相关联的确定的纤芯损耗值λn,p，系统配置设备17可以被配置为根据由μCDL表示的均值和方差σ2CDL的高斯分布以对数尺度确定纤芯相关损耗值，由μCDL表示的均值和方差σ2CDL分别由下式给出：
在等式(20)和(21)中，imax和imin分别表示分别与第一纤芯损耗值λmax,p和第二纤芯损耗值λmin,p相关联的纤芯core-imax和core-imin的编号索引。
根据多纤芯光纤是同质的其他实施例，系统配置设备17可以被配置为基于设置置信区间而不是使用由等式(15)给出的理论估计来执行对由CDLhom表示的纤芯相关损耗值的估计。实际上，同质多纤芯光纤的纤芯损耗值λn,p具有相同的对数正态分布，其具有均值和方差其中αn,total表示光纤链路末端的总未对准损耗，其是具有均值和方差的对数正态分布，均值和方差分别根据以下等式给出：
在等式(18)和(19)中，Z是具有正态分布的变量，其具有均值μZ＝-2Kb(σ(x,y))2和方差
置信区间由一系列值组成，这些值可以充当对随机参数的良好估计。期望/目标置信水平是预定义的。最常用的置信水平是68％、90％、95％和99％。高斯分布的置信区间C的临界值γ可以根据以下等式使用累积分布函数Φ的倒数获得：
在等式(20)中，θ等于
对于同质的多纤芯光纤，纤芯相关损耗值可以确定为对应于预定义的置信水平的对数正态分布的置信区间的上限和下限之间的比率。系统配置设备17可以被配置为在第一步骤确定高斯分布Z的上限和下限。在第二步骤，系统配置设备17可以被配置为通过使用指数函数转换所确定的上限和下限。
在置信水平设置为90％的一些实施例中，发明人根据以下等式确定分别由Imax,p和Imin,p表示的置信区间的上限和下限：
相应地，对数域中的纤芯相关损耗值被确定为：
在一些实施例中，系统配置设备17可以被配置为确定由CDLtarget表示的目标纤芯相关损耗值，并相对于所述目标纤芯相关损耗值依据纤芯相关损耗值来选择多纤芯光纤的至少一个光纤参数。
在一些实施例中，系统配置设备17可以进一步被配置为依据指定的一个或多个目标性能指标来确定目标纤芯相关损耗值CDLtarget。可以在包括目标信噪比和目标比特/符号错误率的组中选择目标性能指标。
根据一些实施例，系统配置设备17被配置为相对于目标纤芯相关损耗值依据纤芯相关损耗值来选择在光发射器设备11处实施的错误校正码、调制方案和时间-空间码中的一个或多个。
根据一些实施例，系统配置设备17被配置为相对于目标纤芯相关损耗值依据纤芯相关损耗值来选择在光接收器15处实施的空间-时间解码算法和错误校正码解码算法中的一个或多个。
在一些实施例中，系统配置设备17被配置为在光纤传输信道13的设计阶段期间离线地确定纤芯相关损耗值(例如，使用仿真)，从而能够使光纤参数和光纤传输信道13的设计适合于系统/应用/传输要求和目标规范。
在其他实施例中，系统配置设备17被配置为例如在光纤传输信道13的设计之后响应于纤芯相关损耗计算请求来确定纤芯相关损耗值，以用于根据一个或多个目标性能指标自适应地调整光纤参数和/或光发射器11的配置(例如，调制方案和/或错误校正码和/或空间-时间码的自适应选择)和/或光接收器15的配置(例如，空间-时间解码算法和/或错误校正码解码器的自适应选择)。
根据一些实施例，加扰函数π是随机函数，根据该加扰函数π，第一纤芯core-n与第二纤芯core-m随机地置换，第二纤芯是在多纤芯光纤的纤芯中随机选择的，其中n≠m。在这样的实施例中，例如使用随机数生成器来随机选择代表加扰函数π的置换矩阵P的条目。
在其他实施例中，包括加扰配置设备16，其被配置为根据确定性加扰标准来确定加扰函数。
在一些实施例中，确定性加扰标准依赖于与多纤芯光纤的纤芯相关联的纤芯参数中的一个或多个，与多纤芯光纤的每个纤芯相关联的纤芯参数是从包括纤芯类型和纤芯损耗值的组中选择的。
出于说明的目的，下面的描述将参考多纤芯光纤，其中每个纤芯core-n与包括纤芯类型Tn和与加扰函数π相对应的纤芯损耗值λn,p的一组纤芯参数{Tn；λn,p}相关联。
根据一些实施例，可以依据纤芯损耗值来执行纤芯加扰，以平均不同纤芯所经历的损耗，有利地使得能够减小纤芯相关损耗值。
在这样的实施例中，加扰配置设备16可以被配置为根据与所述两个或更多个纤芯相关联的纤芯损耗值的给定顺序(递增或递减)来对多纤芯光纤的两个或更多个纤芯进行排序。对于采取在1到Nc之间的值的i，可以在由表示的编号列表中相应地对纤芯core-i进行排序，使得依据对纤芯进行排序的给定顺序，编号列表中的每个纤芯corei与大于或小于与纤芯corei+1,p相关联的纤芯损耗值λi+1,p的纤芯损耗值λi,p相关联。
例如，对于纤芯损耗值的递增顺序，对于i＝1,…,Nc-1，在列表中对纤芯corei进行排序，以使与纤芯corei相关联的纤芯损耗值λi,p小于或等于与纤芯corei+1相关联的纤芯损耗值λi+1,p，即，λi,p≤λi+1,p。
在使用纤芯损耗值的递减顺序的实施例中，对于i＝1,…,Nc-1，在列表中对纤芯corei进行排序，以使与纤芯corei相关联的纤芯损耗值λi,p高于或等于与纤芯corei+1相关联的纤芯损耗值λi+1,p，即，λi,p≥λi+1,p。
对于n＝1,…,Nc，确定性加扰标准可以相应地依据与纤芯core-n相关联的纤芯损耗值λn,p的顺序。
使用编号列表的表示法，加扰配置设备16可以被配置为确定确定性加扰标准和对应的加扰函数π，以在编号列表中将纤芯corei与纤芯corej置换，其中i采取1和Nc之间的值，并且j＝Nc-i+1。因此，加扰函数π可以实现纤芯core1与纤芯coreNc置换，纤芯core2与纤芯置换，等等，以使得与第一最低纤芯损耗值相关联的纤芯和与第一最高纤芯损耗值相关联的纤芯置换，与第二最低纤芯损耗值相关联的纤芯和与第二最高纤芯损耗值相关联的纤芯置换，依此类推。
在多纤芯光纤中的纤芯的数量Nc≥2是偶数的一些实施例中，加扰配置设备16可以被配置为确定确定性加扰标准和对应的加扰函数π，以根据与第i个最高纤芯损耗值相关联的纤芯corei和与第i个最低纤芯损耗值相关联的纤芯置换来对两个或更多个纤芯进行两两置换，其中i包括在1与多纤芯光纤中的纤芯数量的一半之间，即
在多纤芯光纤中的纤芯的数量Nc≥2是奇数的其他实施例中，加扰配置设备16可以被配置为确定确定性加扰标准和对应的加扰函数π，以根据与第i个最高纤芯损耗值相关联的纤芯corei和与第i个最低纤芯损耗值相关联的纤芯置换来对两个或更多个纤芯进行两两置换，其中i包括在1与所述多纤芯光纤中的纤芯数量的一半的下限数值(floor part)之间，即运算符表示求下限运算。因此，纤芯可以不被置换。
特别地，在其中纤芯根据2D网格布置在光纤中的一些实施例中，纤芯可以对应于中心纤芯。
可以针对使用同质或异质多纤芯光纤的光传输系统执行确定性加扰标准和依据纤芯损耗值的对应加扰函数π的确定。
根据其中多纤芯光纤是异质的一些实施例，加扰配置设备16可以被配置为依据与两个或更多个纤芯相关联的纤芯类型Tn(对于n＝1,…,Nc)来确定确定性加扰标准和对应的加扰函数π，根据所述确定性加扰标准的加扰函数π对应于根据至少第一纤芯coren与第二纤芯corem置换而对所述两个或更多个纤芯进行的两两置换，其中n≠m，第一纤芯coren和第二纤芯corem与不同的纤芯类型Tn≠Tm相关联。
在其中多纤芯光纤是异质多纤芯光纤的一些实施例中，加扰配置设备16可以被配置为依据与Nc纤芯相关联的纤芯类型Tn(对于n＝1,…,Nc)和纤芯损耗值λn,p(对于n＝1,…,Nc)来确定确定性加扰标准和对应的加扰函数π，根据所述确定性加扰标准的加扰函数π对应于根据至少第一纤芯coren与第二纤芯corem置换而对所述两个或更多个纤芯进行的两两置换，其中n≠m，第一纤芯coren和第二纤芯corem与不同的纤芯类型Tn≠Tm和不同的纤芯损耗值相关联。
加扰配置设备16可以被配置为将所确定的加扰函数π传送到布置在光纤传输信道13中的至少一个加扰设备133，以通过施加加扰函数π来对多纤芯光纤中的纤芯进行加扰。
在其中光纤是K个光纤切片的串联的一些实施例中，光纤传输信道13可包括根据由Kscr表示的加扰周期而周期性地布置在光纤传输信道13中的至少一个加扰设备133。因此，如果k是加扰周期的倍数，则可以在第k个光纤切片中布置加扰设备133。
可以根据以二维形式表示加扰函数π，其中纤芯corei与不同类型的纤芯corej＝π(corei)置换。
加扰函数π可以用由P表示的置换矩阵以矩阵形式表示，该置换矩阵的项由下式给出：
根据多纤芯光纤是异质的一些实施例，加扰配置设备16可以被配置为通过施加(例如但不限于)从包括蜗牛加扰技术、旋转加扰技术和蛇形加扰技术的组中选择的加扰技术，依据与多纤芯光纤中的纤芯相关联的纤芯类型Tn(对于n＝1,…,Nc)来确定加扰函数π。
为了施加蜗牛、旋转和蛇形加扰技术中的一种，加扰配置设备16可以首先被配置为在由表示的编号组中对纤芯core-i(对于采取1与Nc之间的值的i)进行分类，使得对于i＝1,…,Nc，编号列表中的每个纤芯corei与不同的纤芯类型相关联。
使用组中的纤芯的编号并且根据蜗牛、旋转或蛇形加扰技术中的任何一种，加扰配置设备16可以确定加扰函数π，使得对于组中的每个纤芯corei(其中i＝1,…,Nc-1)，纤芯corei与纤芯π(corei)＝corei+1置换，并且纤芯与纤芯置换。因此，加扰函数π以二维形式表示为基于该加扰函数，对通过不同纤芯传播的符号进行置换，以使通过纤芯corei传播的第i个符号在施加加扰函数后通过纤芯π(corei)传播。
在第一个示例中，在包括奇数数量的纤芯的异质多纤芯光纤中，蜗牛加扰技术对应于施加加扰规则π(corei)＝corei+1(对于i＝1,…,Nc-1)和在奇数数量的纤芯中，一个纤芯为中心纤芯，其余纤芯布置在六边形的边缘。特别地，依据组中的纤芯的顺序，纤芯core1可以对应于中心纤芯。
图11是7纤芯异质多纤芯光纤的截面图，其中使用蜗牛加扰技术根据顺时针方向对七个纤芯进行加扰，以使中心纤芯与位于右侧的其相邻纤芯置换，并且剩余的每个纤芯与其左手的不同类型的相邻纤芯置换，位于中心纤芯左侧的纤芯与中心纤芯置换。在该示例中，加扰函数可以以二维形式写为以使core1对应于中心纤芯，并根据以下等式在矩阵表示中：
相应地，对符号s1,s2,…,s7进行置换，以使得在施加加扰函数后，符号s1通过纤芯core2传播，每个符号si(对于i＝2,…,6)通过纤芯corei+1传播，并且符号s7通过中心纤芯传播。
图12示出了12纤芯异质多纤芯光纤的截面图，其中，使用旋转加扰技术根据顺时针方向对十二个纤芯进行置换。纤芯以环形布置。通过使用旋转加扰技术，每个纤芯与其右手的不同类型的相邻纤芯置换，使得π(corei)＝corei+1(对于i＝1,…,11)，并且纤芯core12与纤芯core1置换。
图13示出了32纤芯异质多纤芯光纤的截面图，其中使用蛇形加扰技术根据顺时针方向对纤芯进行置换。纤芯布置在包括六层的二维网格中。第一上层包括四个纤芯，编号为core1、core2、core3、core4。位于第一层下面的第二层包括六个纤芯，编号为core5-core10。位于第二层下面的第三层包括六个纤芯，编号为core11-core16。位于第三层下面的第四层包括六个纤芯，编号为core17-core22。位于第四层下面的第五层包括六个纤芯，编号为core23-core28。并且最后，下一层包括四个纤芯，编号为core29-core32。根据蛇形加扰技术，将每一层中的每个纤芯与其右手的不同类型的相邻纤芯置换，将每一层的最后一个纤芯与位于所述每一层下方的该层的第一纤芯置换，并且纤芯core32(即下层的最后一个纤芯)与纤芯core1(即上层的第一个纤芯)置换。
图11、图12和图13展示了根据纤芯在顺时针方向上的置换施加蜗牛、旋转和蛇形加扰技术的示例。然而，应注意，还可以根据纤芯在逆时针方向上的置换来施加蜗牛、旋转和蛇形加扰技术。
使用加扰函数的矩阵符号，包括加扰设备133的光纤传输信道可以根据以下等式表示：
在等式(29)中，矩阵P(k)是Nc×Nc矩阵，其代表由第k个加扰设备在第k个光纤跨度中施加加扰函数π，k是加扰周期的倍数。
根据一些实施例，至少一个加扰设备133可以被配置为在电场中施加加扰函数π。
在其他实施例中，至少一个加扰设备133可以是被配置为在光场中施加加扰函数π的光学设备。示例性光学加扰设备包括转换器、光复用器、光复用设备和光子灯笼。
根据一些实施例，加扰配置设备16可以被配置为在安装(多个)加扰设备133之前在光纤传输信道的设计阶段期间确定加扰函数。
在其他实施例中，加扰配置设备16可以被配置为在工作的光纤传输信道13中确定一个或多个加扰设备133的配置的加扰函数。在这样的实施例中，加扰配置设备16可以被配置为向系统配置设备17传送确定的加扰函数。
还提供了一种用于确定光通信系统100的纤芯相关损耗值的方法，在光通信系统100中，数据在由多纤芯光纤制成的光纤传输信道13上传输，承载所述数据的光信号根据Nc≥2(两个或更多个)纤芯沿着多纤芯光纤传播，多纤芯光纤与光纤参数和未对准损耗值相关联，该方法包括根据加扰函数π对两个或更多个纤芯进行加扰。该方法包括依据光纤参数、未对准损耗值和加扰函数π来确定纤芯相关损耗值。
图10是描绘根据本发明的一些实施例的用于确定多纤芯光传输系统100中的纤芯相关损耗值的方法的流程图，其中使用了单偏振、单波长、没有应用时间-空间编码的单载波未编码调制，并且多纤芯光纤的每个纤芯是单模纤芯。
在步骤1001，可以接收多纤芯光纤的光纤参数和未对准损耗值。
在一些实施例中，光纤参数包括纤芯数量Nc≥2、光纤的长度L、串扰系数XTn,m(其中n,m∈{1,…,Nc})、以及耦合系数kn,m(其中n,m∈{1,…,Nc})，每个串扰系数XTn,m代表在多纤芯光纤中的core-n与core-m(其中n≠m)之间的串扰，每个耦合系数kn,m代表多纤芯光纤中的core-n与core-m(其中n≠m)之间的耦合。
在一些实施例中，光纤参数可以还包括弯曲半径Rb、包层直径、光纤切片的数量K、多纤芯光纤的每个纤芯的半径、以及多纤芯光纤的每个纤芯core-n的类型Tn，其中n＝1,…,Nc。
在一些实施例中，可以从包括纵向未对准、横向未对准和角未对准的组中选择未对准。
在一些实施例中，先前可以根据等式(1)预先确定未对准损耗值。
在步骤1003，可以接收由置换矩阵P表示的加扰函数π。
在一些实施例中，加扰函数π是随机函数，根据该加扰函数π，第一纤芯core-n与第二纤芯core-m随机地置换，第二纤芯是在多纤芯光纤的纤芯中随机选择的，其中n≠m。在这样的实施例中，例如使用随机数生成器来随机选择代表加扰函数π的置换矩阵P的条目。
在其他实施例中，加扰函数π是根据确定性加扰标准预先确定的确定性函数。
在一些实施例中，确定性加扰标准依赖于与多纤芯光纤的纤芯相关联的纤芯参数中的一个或多个，与多纤芯光纤的每个纤芯相关联的纤芯参数是从包括纤芯类型Tn和纤芯损耗值λn,p(对于n＝1,…,Nc)的组中选择的。
根据实施例，确定性加扰标准依赖于与多纤芯光纤的两个或更多个纤芯相关联的纤芯损耗值。
在一些实施例中，可以在编号列表中对纤芯进行排序，使得依据对纤芯进行排序所考虑的给定顺序，编号列表中的每个纤芯corei与大于或小于与纤芯corei+1相关联的纤芯损耗值λi+1,p的纤芯损耗值λi,p相关联。在给定纤芯损耗值的顺序的情况下，确定性加扰标准和对应的加扰函数π可以依据与两个或更多个纤芯相关联的纤芯损耗值的顺序。
在考虑经排序的纤芯的编号列表的实施例中，确定性加扰标准可以对应于与第i个最高纤芯损耗值相关联的纤芯corei和与第i个最低纤芯损耗值相关联的纤芯的置换，其中对于偶数个纤芯Nc，并且对于奇数个纤芯Nc，
依据与多纤芯光纤的纤芯相关联的纤芯损耗值的确定性加扰标准和对应的加扰函数π的确定可以在考虑同质或异质多纤芯光纤的实施例中执行。
在其中多纤芯光纤是异质的一些实施例中，可以依据与多纤芯光纤中的纤芯相关联的纤芯类型Tn(对于n＝1,…,Nc)来确定确定性加扰标准和对应的加扰函数π。在这样的实施例中，确定性加扰标准对应于根据至少第一纤芯coren与第二纤芯corem(其中n≠m)的置换的纤芯的两两置换，第一纤芯coren和第二纤芯corem与不同的纤芯类型Tn≠Tm相关联。
在一些实施例中，可以使用蜗牛、旋转或蛇形加扰技术之一依据纤芯类型来确定加扰函数。
在多纤芯光纤是异质的其他实施例中，可以依据与Nc个纤芯相关联的纤芯类型Tn(对于n＝1,…,Nc)和纤芯损耗值λn,p(对于n＝1,…,Nc)来确定确定性加扰标准和对应的加扰函数π，在这样的实施例中，确定性加扰标准对应于根据至少第一纤芯coren与第二纤芯corem(其中n≠m)的置换的Nc个纤芯的两两置换，第一纤芯coren和第二纤芯corem与不同的纤芯类型Tn≠Tm和不同的纤芯损耗值相关联。
在步骤1005，可以确定与每个纤芯core-n相关联的纤芯损耗值λn,p(对于n＝1,…,Nc)。具体地，根据等式(18)，可以依据给定的加扰函数π的串扰系数和至少一个未对准损耗值来确定与多纤芯光纤的纤芯相关联的纤芯损耗值。
根据其中多纤芯光纤是异质的一些实施例，可以在步骤1005将纤芯相关损耗值CDLheter确定为由λmax,p表示的第一纤芯损耗值与由λmin,p表示的第二纤芯损耗值之间的比率，第一值由与多纤芯光纤的每个纤芯相关联的纤芯损耗值中的最高纤芯损耗值给出，并且第二值与多纤芯光纤的每个纤芯相关联的纤芯损耗值中的最小纤芯损耗值给出。纤芯相关损耗值CDLheter可以根据等式(19)以对数尺度表示。
根据多纤芯光纤是同质的一些实施例，可以在步骤1005根据等式(27)将纤芯相关损耗值CDLhom确定为对应于预定义置信水平的对数正态分布的置信区间的上限和下限之间的比率。
根据一些实施例，所确定的纤芯相关损耗值可以被考虑用于选择和/或适配光纤参数和/或加扰函数π和/或用于相对于目标纤芯相关损耗值依据纤芯相关损耗值来执行纤芯加扰的加扰设备的数量中的至少一个。
在一些实施例中，可以依据例如从包括目标信噪比和目标比特/符号错误率的组中选择的一个或多个目标性能指标来预先确定目标纤芯相关损耗。
在一些实施例中，在设计光纤传输信道13之前离线地执行确定用于光纤传输信道13的给定配置(即，给定的光纤参数、加扰设备133的数量)的纤芯相关损耗值的方法，从而使光纤参数和光纤传输信道13的设计适配于系统/应用/传输要求和目标规范。
在其他实施例中，在设计用于执行对一个或多个光纤参数的自适应选择和/或多纤芯光纤的自适应制造和/或一个或多个传输配置参数的自适应选择的光纤传输信道14之后，执行确定用于光纤传输信道13的给定配置的纤芯相关损耗值的方法，所述传输配置参数包括：
-用于对在光纤传输信道13上传输的数据进行编码的错误校正码；
-用于将所述编码数据调制成一组调制符号的调制方案；
-用于从所述调制符号确定空间-时间码字的空间-时间码；
-用于确定所述空间-时间码字的估计的空间-时间解码算法，以及
-用于确定在光纤传输信道13上传输的数据的估计的错误校正码解码器。
尽管在使用单偏振、单波长和单载波调制的单芯多模光纤的情况下已经详细描述了各种实施例，但是应当注意，本发明也可以应用于与使用两个偏振的偏振复用结合和/或与使用若干波长的波长复用结合和/或使用多载波调制格式的多纤芯多模光纤。
此外，本发明不限于通信应用，并且可以集成在其他应用中，例如数据存储和医学成像。本发明可以用在几种光传输系统中，例如汽车工业应用、石油或天然气市场、航空航天和航空电子领域、感测应用等。
尽管已经通过各种示例的描述示出了本发明的实施例，并且尽管已经相当详细地描述了这些实施例，但是申请人并非意图将所附权利要求的范围约束或以任何方式限制于此类细节。额外的优点和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明在其更广泛的方面不限于所示出和描述的具体细节、代表性方法和说明性示例。

Claims (13)

1.一种光传输系统(100)，包括：光发射器(11)，所述光发射器(11)被配置为在包括多纤芯光纤的光纤传输信道(13)上传输数据，所述数据由光信号承载，所述光信号根据两个或更多个纤芯沿所述多纤芯光纤传播，所述多纤芯光纤与光纤参数和未对准损耗值相关联；至少一个加扰设备(133)，其布置在所述光纤传输信道(13)中，以用于根据加扰函数对所述两个或更多个纤芯进行加扰，其中，所述光纤传输信道(13)包括系统配置设备(17)，所述系统配置设备(17)被配置为依据所述光纤参数、至少一个未对准损耗值、所述至少一个加扰设备(133)的数量、以及所述加扰函数来确定纤芯相关损耗值，
其中，所述光纤参数包括光纤长度、至少等于两个的纤芯数量、串扰系数和耦合系数，每个串扰系数代表所述多纤芯光纤中的两个纤芯之间的串扰，每个耦合系数代表所述多纤芯光纤中的两个纤芯之间的耦合。
2.根据权利要求1所述的光传输系统(100)，其中，未对准损耗值代表从包括纵向未对准、横向未对准和角未对准的组中选择的所述多纤芯光纤的未对准。
3.根据权利要求1所述的光传输系统(100)，其中，所述系统配置设备(17)被配置为依据所述光纤参数、所述至少一个未对准损耗值、所述至少一个加扰设备(133)的所述数量、以及所述加扰函数来确定与所述多纤芯光纤的每个纤芯相关联的纤芯损耗值。
4.根据权利要求3所述的光传输系统(100)，其中，所述系统配置设备(17)被配置为将每个纤芯损耗值确定为由均值和方差值定义的对数正态分布的随机变量，所述均值和方差值依赖于所述光纤参数和至少一个未对准损耗值。
5.根据权利要求4所述的光传输系统(100)，其中，与所述多纤芯光纤的每个纤芯相关联的每个纤芯损耗值的均值是第一值与第二值之间的乘积，所述第一值对应于代表与所述每个纤芯相关联的总未对准损耗的对数正态随机变量的均值，所述第二值对应于与所述每个纤芯相关联的总串扰系数，与给定纤芯相关联的所述总串扰系数由代表所述给定纤芯与所述多纤芯光纤中的不同于所述给定纤芯的纤芯之间的串扰的串扰系数来确定，与所述多纤芯光纤的每个纤芯相关联的每个纤芯损耗值的方差值是与所述每个纤芯相关联的所述总串扰系数的平方值与对应于代表与所述每个纤芯相关联的所述总未对准损耗的所述对数正态随机变量的方差的第三值之间的乘积。
6.根据权利要求1所述的光传输系统(100)，其中，所述系统配置设备(17)还被配置为确定目标纤芯相关损耗值，并相对于所述目标纤芯相关损耗值、依据所述纤芯相关损耗值来选择所述多纤芯光纤的至少一个所述光纤参数。
7.根据权利要求6所述的光传输系统(100)，其中，从包括目标信噪比和目标比特或符号错误率的组中选择目标性能指标。
8.根据权利要求1所述的光传输系统(100)，其中，所述光传输系统(100)包括被配置为根据确定性加扰标准来确定加扰函数的加扰配置设备(16)。
9.根据权利要求8所述的光传输系统(100)，其中，所述确定性加扰标准依赖于与所述多纤芯光纤的纤芯相关联的纤芯参数中的一个或多个，与所述多纤芯光纤的每个纤芯相关联的纤芯参数是从包括纤芯类型和纤芯损耗值的组中选择的。
10.根据权利要求9所述的光传输系统(100)，其中，所述加扰配置设备(16)被配置为根据与两个或更多个纤芯相关联的纤芯损耗值的给定顺序来对所述多纤芯光纤的所述两个或更多个纤芯进行排序，所述确定性加扰标准依赖于与所述两个或更多个纤芯相关联的所述纤芯损耗值的顺序。
11.根据权利要求8所述的光传输系统(100)，其中，所述多纤芯光纤是异质多纤芯光纤，所述加扰配置设备(16)被配置为依据与所述两个或更多个纤芯相关联的纤芯类型来确定所述确定性加扰标准，根据所述确定性加扰标准的所述加扰函数对应于根据至少第一纤芯与第二纤芯的置换的所述两个或更多个纤芯的两两置换，所述第一纤芯和所述第二纤芯与不同的纤芯类型相关联。
12.根据权利要求9所述的光传输系统(100)，其中，所述多纤芯光纤是异质多纤芯光纤，所述加扰配置设备(16)被配置为依据与所述两个或更多个纤芯相关联的所述纤芯类型和所述纤芯损耗值来确定所述确定性加扰标准，根据所述确定性加扰标准的所述加扰函数对应于根据至少第一纤芯与第二纤芯的置换的所述两个或更多个纤芯的两两置换，所述第一纤芯和所述第二纤芯与不同的纤芯类型和不同的纤芯损耗值相关联。
13.一种光传输方法，用于在包括多纤芯光纤的光纤传输信道(13)上传输数据，所述数据由光信号承载，所述光信号根据两个或更多个纤芯沿着所述多纤芯光纤传播，所述多纤芯光纤与光纤参数和未对准损耗值相关联，其中，所述方法包括：使用布置在所述光纤传输信道(13)中的至少一个加扰设备(133)来根据加扰函数对所述两个或更多个纤芯进行加扰，其中，所述方法还包括：使用所述光纤传输信道(13)中包括的系统配置设备(17)依据所述光纤参数、至少一个未对准损耗值、所述至少一个加扰设备(133)的数量和所述加扰函数来确定纤芯相关损耗值，
其中，所述光纤参数包括光纤长度、至少等于两个的纤芯数量、串扰系数和耦合系数，每个串扰系数代表所述多纤芯光纤中的两个纤芯之间的串扰，每个耦合系数代表所述多纤芯光纤中的两个纤芯之间的耦合。
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