JP7259975B2 - 光伝送システム - Google Patents

Description

本開示は、空間多重光ファイバを用いた光伝送システムに関する。

光ファイバ通信システムでは、光ファイバ中で発生する非線形効果やファイバヒューズにより伝送容量が制限される。これらの制限を緩和するために１本の光ファイバ中に複数のコアを有するマルチコアファイバを用いた並列伝送（非特許文献１）や、コア内に複数の伝搬モードが存在するマルチモードファイバを用いたモード多重伝送（非特許文献２）、及びマルチコアとモード多重を組み合わせた数モードマルチコアファイバ（非特許文献３）といった空間多重技術が検討されている。

マルチコアファイバにおいては、コア間を伝搬する信号間のクロストークを低減するために、コア間距離を一定以上（例えば３０μｍ以上）として、それぞれのコアを独立した伝送路として用いることができる。一方で、マルチモードファイバを用いた伝送においては、伝送路中の接続点やファイバの曲げにより伝搬モード間でクロストークが発生するため、受信端でモード間クロストークを補償するＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ）等化器が用いられる。マルチコア構造においても、コア間のクロストークを許容し、マルチモードファイバ伝送と同様にＭＩＭＯ等化器を用いてコア間クロストークを補償する結合型マルチコアファイバ（コア間隔は一般に２５μｍ以下）を用いる方式も提案されている（例えば非特許文献４）。

Ｈ． Ｔａｋａｒａ ｅｔ ａｌ．， "１．０１－Ｐｂ／ｓ （１２ ＳＤＭ／２２２ ＷＤＭ／４５６ Ｇｂ／ｓ） Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ－ｍａｎａｇｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｗｉｔｈ ９１．４－ｂ／ｓ／Ｈｚ Ａｇｇｒｅｇａｔｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，" ｉｎ ＥＣＯＣ２０１２， ｐａｐｅｒ Ｔｈ．３．Ｃ．１ （２０１２） Ｔ． Ｓａｋａｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．， "Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｅｌａｙ Ｍａｎａｇｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ ｆｏｒ ＷＤＭ－ＭＩＭＯ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉ－Ｓｔｅｐ Ｉｎｄｅｘ Ｆｉｂｅｒ，" Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ． ｖｏｌ． ３０， ｐｐ． ２７８３－２７８７ （２０１２）． Ｙ． Ｓａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ．， "Ｌａｒｇｅ－ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ－ａｒｅａ ｕｎｃｏｕｐｌｅｄ ｆｅｗ－ｍｏｄｅ ｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ，" ＥＣＯＣ２０１２， ｐａｐｅｒ Ｔｕ．１．Ｆ．３ （２０１２）． Ｔ． Ｓａｋａｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．， "Ｔｗｉｓｔｉｎｇ－ｒａｔｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ １２５ μｍ Ｃｌａｄｄｉｎｇ Ｒａｎｄｏｍｌｙ－ｃｏｕｐｌｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ １２－ｃｏｒｅ Ｆｉｂｅｒ，" Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ． ｖｏｌ．３６， Ｉｓｓｕｅ ２， ｐｐ．３２５－３３０ （２０１８）． Ｎ． Ｈａｎｚａｗａ ｅｔ ａｌ．， "Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｅ－ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ １０ ｋｍ ｔｗｏ－ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅ ｃｏｕｐｌｅｒ，" ＯＦＣ２０１１， ｐａｐｅｒ ＯＷＡ４ （２０１１） Ｈ． Ｕｅｍｕｒａ ｅｔ ａｌ， "Ｆｕｓｅｄ Ｔａｐｅｒ Ｔｙｐｅ Ｆａｎ－ｉｎ／Ｆａｎ－ｏｕｔ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ１２ Ｃｏｒｅ Ｍｕｌｔｉ－Ｃｏｒｅ Ｆｉｂｅｒ，" ＯＥＣＣ２０１４， ｐｐ．４９－５０ （２０１４）． Ｍ． Ｔａｙｌｏｒ， "Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｕｓｉｎｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，" ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ／Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ （ＣＤ） （Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ， ２００６）， ｐａｐｅｒ ＣＴｈＢ１． Ｓ． Ｒａｎｄｅｌ ｅｔ ａｌ．， "ＭＩＭＯ－ｂａｓｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｍｏｄｅ－ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，" Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ Ｓｕｍｍｅｒ Ｔｏｐｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ， ＭＣ４．１ Ｓｅａｔｔｌｅ （２０１２）． Ｔ． Ｓａｋａｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．， "Ｓｔｒｏｎｇｌｙ－ｃｏｕｐｌｅｄ ｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｆｏｒ ＭＩＭＯ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ，" Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ３５， Ｐａｇｅｓ ８－１８ （２０１７）

従来、Ｌモードファイバを用いたＭＩＭＯ伝送システムにおいては、Ｌ個の送受信器を用いてＬ×Ｌ ＭＩＭＯ等化器を用いた伝送システムが用いられる。

ここで、一つの送受信器が偏波多重信号を送受信する装置である場合は、光ファイバはＬ個の空間モードを伝搬するよう設計され（すなわち偏波と空間モードを合わせて２Ｌ個のモードを伝搬するよう設計され）、受信側では２Ｌ×２Ｌ ＭＩＭＯ等化器が用いられる。本明細書内では、特別指定しない限り、信号光は偏波多重信号であり、モード数は偏波と空間モードを合わせた数のことを指すこととする。

マルチモードファイバもしくは、結合型マルチコアファイバを用いた伝送においては、ＭＩＭＯ等化器が必須であり、設置する光ファイバの伝搬モード数により、構築する伝送システムの伝送容量、信号品質、及びＭＩＭＯ信号処理負荷などが決まる。すなわち、Ｌモードを伝搬する光ファイバにおいては、Ｌ×Ｌ ＭＩＭＯ等化器を用いてＬ個の信号を並列伝送するシステムを構築する。

ここで、ＭＩＭＯ等化器を使用する伝送システムの課題を説明する。
広波長で低損失特性のシングルモードファイバを用いている波長多重伝送システムであれば、容量需要に対して多重波長数を制御することで段階的に容量増加が可能であり、それに応じて必要な送受信器を準備することで装置側の負荷も段階的にアップグレードすることができた。

一方、ＭＩＭＯ等化器を使用する伝送システムは、将来的な容量需要の増加を見込んで、より多くの伝搬モードを有する光ファイバを用いてシステムを構築すると、モード数に応じたＭＩＭＯ等化器を用いる必要がある。ＭＩＭＯ等化器は、モード数の２乗に比例して信号処理負荷が増大することが知られている。つまり、ＭＩＭＯ等化器を使用する伝送システムには、光ファイバの伝搬モード数で伝送容量とＭＩＭＯ等化器の信号処理負荷が決定してしまい、伝送容量や要求品質の変動に対応することが困難という課題があった。

そこで、本発明は、上記課題を解決するために、光ファイバの伝搬モード数に限定されず、伝送容量及びＭＩＭＯ等化器の信号処理負荷を制御できる光伝送システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る光伝送システムは、空間多重伝送が可能な光ファイバへの信号光の入出力数を可変パラメータとして調整し、受信側で適切な信号生成を行うことで光伝送システムの伝送容量及び信号品質を制御することとした。

具体的には、本発明に係る光伝送システムは、
空間モード数がＬ（Ｌは２以上の整数）である光ファイバと、
前記光ファイバの一端に接続され、Ｍ個（ＭはＬ以下の自然数）の送信機からの信号光を前記光ファイバに入射し、前記光ファイバの前記空間モードのそれぞれで伝搬させる光合波器と、
前記光ファイバの他端に接続され、前記光ファイバを伝搬した伝搬光を前記光ファイバの前記空間モード毎に分波する光分波器と、
前記光分波器が分波した前記伝搬光を受信するＮ個（Ｎ＝Ｌ）の受信機と、
前記受信機が出力するＮ個の受信信号が入力され、前記Ｎ個の受信信号からＰ個（ＰはＭ以上Ｌ以下の整数）の合成信号を生成する信号生成装置と、
前記信号生成装置が出力するＰ個の前記合成信号が入力され、Ｍ個の復調信号を得るＰ×Ｍ ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ）等化器と、
を備える。

本光伝送システムは、Ｐ×Ｍ ＭＩＭＯ等化器を備えており、光ファイバの空間多重数Ｌと同じ数の受信機（Ｎ台）を用意し、光ファイバを伝送させる信号光の数Ｍを空間多重数Ｌ以下の範囲で可変する。信号光の数Ｍを調整することで事後的に光伝送システムの伝送容量及び信号品質を調整し、システム構成を変更することなくパフォーマンスを変更できる。さらに、本光伝送システムは、受信機からのＬ個の受信信号からＰ個の合成信号を生成する。合成信号の生成方法や数Ｐを変化させることでもシステム構成を変更することなくパフォーマンスを変更できる。

従って、本発明は、光ファイバの伝搬モード数に限定されず、伝送容量及びＭＩＭＯ等化器の信号処理負荷を制御できる光伝送システムを提供することができる。

本発明に係る光伝送システムは、
前記光合波器に対して、前記光ファイバに入射する前記信号光の数Ｍ又は前記合成信号の数Ｐを変更する指示を行う制御器と、
前記復調信号の信号品質を測定し、前記信号品質が閾値を超えるように前記信号光の数Ｍ又は前記合成信号の数Ｐを前記制御器に通知する測定器と、
をさらに備える。
本光伝送システムは、信号品質をモニタしておき、信号品質の変動を信号光の数Ｍや合成信号の数Ｐにフィードバックすることで、所望の信号品質を維持することができる。

本発明に係る光伝送システムの前記信号生成装置は、前記Ｎ個の受信信号から任意の信号を選択するスイッチ、前記Ｎ個の受信信号に任意の位相回転を付与して加算する位相合成器、又は前記Ｎ個の受信信号の強度を任意に変化して加算する振幅合成器であることを特徴とする。

この場合、
前記信号生成装置の構成に応じ、前記スイッチにおいて選択する前記受信信号、前記位相合成器で付与する前記位相回転量、又は前記振幅合成器で変化させる前記受信信号の強度を前記信号生成装置に対して指示する制御器と、
前記復調信号の信号品質を測定し、前記信号品質が閾値を超えるように選択する前記受信信号、付与する前記位相回転量、又は前記受信信号の強度を前記制御器に通知する測定器と、
をさらに備えることを特徴とする。
本光伝送システムは、信号品質をモニタしておき、信号品質の変動を構成信号の演算内容にフィードバックすることで、所望の信号品質を維持することができる。

本発明に係る光伝送システムの前記光ファイバは、モード間クロストークが－３０ｄＢ／ｍ以上の結合型マルチコアファイバとすることができる。当該光ファイバは、全ての伝搬モードをランダム結合でき、ＭＤＬの低減効果を得ることができる。

本発明は、光ファイバの伝搬モード数に限定されず、伝送容量及びＭＩＭＯ等化器の信号処理負荷を制御できる光伝送システムを提供することができる。

本発明に係る光伝送システムを説明する図である。 本発明に係る光伝送システムが備えるＭＩＭＯ等化器を説明する図である。 ２×２ＭＩＭＯ等化器の図である。 適用等化を説明する図である。 本発明に係る光伝送システムを説明する図である。 マルチコアファイバの断面図である。 本発明に係る光伝送システムを説明する図である。 本発明に係る光伝送システムの効果を説明する図である。 本発明に係る光伝送システムの効果を説明する図である。 本発明に係る光伝送システムの効果を説明する図である。 本発明に係る光伝送システムの信号生成装置を説明する図である。 本発明に係る光伝送システムの信号生成装置を説明する図である。 モード間クロストークとインパルス応答波形の計算結果を示したものである。 本発明に係る光伝送システムを説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
図１は、本実施形態の光伝送システムを説明する図である。本光伝送システムは、
空間モード数がＬ（Ｌは２以上の整数）である光ファイバ１１と、
光ファイバ１１の一端に接続され、Ｍ個（ＭはＬ以下の自然数）の送信機１２からの信号光を光ファイバ１１に入射し、光ファイバ１１の前記空間モードのそれぞれで伝搬させる光合波器１３と、
光ファイバ１１の他端に接続され、光ファイバ１１を伝搬した伝搬光を光ファイバ１１の前記空間モード毎に分波する光分波器１４と、
光分波器１４が分波した前記伝搬光を受信するＮ個（Ｎ＝Ｌ）の受信機１５と、
受信機１５が出力するＮ個の受信信号が入力され、前記Ｎ個の受信信号からＰ個（ＰはＭ以上Ｌ以下の整数）の合成信号を生成する信号生成装置１７と、
信号生成装置１７が出力するＰ個の前記合成信号が入力され、Ｍ個の復調信号を得るＰ×Ｍ ＭＩＭＯ等化器１６と、
を備える。

光ファイバ１１は、マルチモードファイバもしくはマルチコアファイバである。Ｍ個の送信機１２が出力するＭ種の信号光は光合波器１３で合波される。合波された信号光は光ファイバ１１の各モード又は各コアに入射される。ここで、光ファイバ１１がマルチモードファイバの場合、光合波器１３は伝搬するモードに入力信号が結合するよう設計したモード合波器（例えば非特許文献５）である。光ファイバ１１がマルチコアファイバの場合、光合波器１３は各信号が各コアに入射されるように設計されたファンイン装置（例えば非特許文献６）である。

光分波器１４は、各モード又は各コアで伝搬された信号光をＮポートに分波する（Ｎ＝Ｌである）。Ｎ個の受信機１５は、分波されたＮ種の信号光をそれぞれ受信する。信号生成装置１７は、受信機１５が受信したＬ個の受信信号からＰ個の合成信号を生成する。ＭＩＭＯ等化器１６は、光ファイバ１１で受けた信号劣化を補償し、Ｍ個の復元信号を得る。ＭＩＭＯ等化器１６では、モード分散、波長分散、偏波分散の補償も可能である。本光伝送システムは、Ｍ入力Ｍ出力のＭＩＭＯ伝送であり、Ｍ種の信号の並列伝送が可能である。

なお、送信信号に偏波多重信号を用いる場合は、１ポートあたりに偏波多重信号が伝搬することになり、受信側でＭ個の信号を得るためには、２Ｍ×２Ｍ ＭＩＭＯ等化器が必要となる。本実施形態では説明を容易化するため、偏波多重信号ではない場合を説明する。

受信する信号光の電界振幅や位相情報を取得するためには、受信機１５として、局発光源、９０°ハイブリッド、バランスレシーバ、アナログデジタルコンバータ、及び計算器で構成される受信機を用いればよい（例えば、非特許文献７）。

図２は、ＭＩＭＯ等化器１６を説明する図である。なお、図２は、送信機１２の一つが送信した信号を復元する１つの等化器（信号処理部）を表しており、当該等化器はＮ個のＦＩＲフィルタ（２１－１－１～２１－１－Ｎ）を有する。つまり、送信機１２がＭ台あれば等化器もＭ台必要であり、ＭＩＭＯ等化器１６はＮ×Ｍ個のＦＩＲフィルタ２１－ｍ－ｎを有する必要がある（１≦ｎ≦Ｎ、１≦ｍ≦Ｍ）。

各ＦＩＲフィルタ２１－ｍ－ｎは、送信信号の一つを復元するための信号処理回路である。ＦＩＲフィルタ２１は、光ファイバ１１の空間モード数Ｌに等しいタップを有する。そして、各タップは、遅延量τの遅延素子及び係数ｗ（タップ係数）の乗算器で構成される。図２では、ＦＩＲフィルタ２１－１－１のタップ（１～Ｌ）それぞれの遅延量をτ_１～τ_Ｌで、係数をｗ_１（１）～ｗ_１（Ｌ）で表している。各ＦＩＲフィルタ２１－１－ｎの出力は最後に合成される。

各ＦＩＲフィルタ２１－ｍ－ｎの各タップの遅延量τ及び係数ｗが適切に設定されることで、光ファイバ１１中で発生するモード分散、波長分散、及び偏波モード分散による信号劣化、及びクロストークを補償できる。

図３は、例としてＭ＝Ｎ＝２の場合の全ての信号を復元するためのＭＩＭＯ等化器を説明する図である。図３のＭＩＭＯ等化器は、２つの送信信号全てを復元して復元信号（ｕ_１、ｕ_２）を得る例である。図３のＭＩＭＯ等化器は、図２で説明した信号処理部が２個有する。ＦＩＲフィルタ２１の数はＭ×Ｎであり、本例では２×２となる。

図４は、タップ係数を更新する適応等化アルゴリズムを説明する図である。送信信号には、データ部に加えて既知のトレーニングシンボルｘ（ｎ）が付加されている。比較部４１は、送信信号のシンボルと復調後のシンボルとを比較して誤差ｅ（ｎ）を出力する。適応化アルゴリズム４２は、誤差ｅ（ｎ）が小さくなるようにＦＩＲフィルタのタップ係数を制御する。同じ手順をトレーニングシンボル数だけ繰り返すことで、誤差ｅ（ｎ）を最小化し、タップ係数を求める。トレーニングシンボルをすべて用いて係数を決定した後は、ＦＩＲフィルタ２１が決定したタップ係数を用いて送信信号の後段のデータ部を復元する。

この時、タップ係数が多くなると正しいタップ係数を求めるために必要となる計算量が増加する。つまり、ＭＩＭＯ等化器に入力する信号数が多くなると、その分ＭＩＭＯ等化器における信号処理負荷が増大する。

従来のＭＩＭＯ等化器を用いたＭモード多重伝の光送システムは、Ｍ台の光送信機、ＬモードもしくはＬコアの光ファイバ、及びＮ台の光受信機を、Ｌ＝Ｍ＝Ｎとし、Ｍ×Ｍ ＭＩＭＯ等化器を用いていた。

一方、本実施形態の光伝送システムは、Ｍ台の光送信機、ＬモードもしくはＬコアの光ファイバ、及びＮ台の光受信機を、Ｎ＝Ｌ、Ｍ≦Ｎとし、さらに光受信機で受信したＬ個の受信信号を合成してＰ個（Ｍ≦Ｐ≦Ｌ）まで低減するので、Ｐ×Ｍ ＭＩＭＯ等化器を使用する。このため、本実施形態の光伝送システムは、伝送容量に応じたＭＩＭＯ信号処理負荷を実現できる。

（実施例）
図５以降を用いて、本実施形態の光伝送システムの信号品質を制御できることについて説明する。本光伝送システムは、信号生成装置１７がＬ個の受信信号からＰ個の受信信号を選択し、Ｐ×Ｍ ＭＩＭＯ等化器１６へ入力する例である。

図５は、本光伝送システムの構成を説明する図である。本光伝送システムでは、Ｍ個の送信信号を空間モード数Ｌの光ファイバ１１に入力するために、光合波器１３と光分波器１４がＬモード合分波器もしくはコア数に応じたファンインファンナウト装置である構成を記載している。光合波器１３は、光ファイバ１１のＬポートの入力端に対してＭ個の送信信号を選択的に接続する。光合波器１３と光分波器１４が、Ｍ個のポートを有する合分波器もしくはファンインファンナウトであり、それらＭ個のそれぞれのポートが光ファイバ１１のＬ個のポートのいずれかに接続する構成（光ファイバ１１のポートが余る構成）でもよい。

また、光合波器１３がＭ個の送信信号を光ファイバ１１のＬ個のポートに分散して（Ｍ個の信号をＬ個に増やして）入射してもよい。

信号生成装置１７は、受信機１５が受信したＬ個の受信信号からＰ個の合成信号を生成する。本例では、信号生成装置１７がＬ個の受信信号から任意のＰ個の受信信号を選択して合成信号とする。Ｐ×Ｍ ＭＩＭＯ等化器１６はＰ個の合成信号からＭ個の送信信号を復元する。

信号生成部が無く、Ｌモードが伝搬する光ファイバとＭ×Ｍ ＭＩＭＯ等化器を有する光伝送システムの場合、Ｍ＜Ｌならば、Ｍ×Ｍ ＭＩＭＯ等化器で送信信号を復元することは必ずしも保障されておらず、復元信号の品質が変動する。これは、Ｍ＜Ｌの構成では、伝搬してきた光信号のうち、受信機で受光されない光が存在し、損失又はモード依存損失の増加につながり、システムパフォーマンスが低下するためである。本光伝送システムは、信号生成部により適切な受信信号を抽出し、復元信号の品質を向上させることができる。

次に、本光伝送システムの効果について説明する。
図６は、光ファイバ１１の断面を説明する図である。光フィアバ１１は、１２個のコアが正方格子状に配置されたマルチコアファイバである。コア半径は４．８ μｍ、コアの比屈折率差は０．３５％、コア間隔は１６．４ μｍである。各コアはＣ～Ｌ帯でシングルモード導波する構造である。つまり、光ファイバ１１は、偏波モードを含めて計２４モードが伝搬する（Ｌ＝２４）ファイバである。

図７は、本実施形態の光伝送システムであって、実験的にＭＤＬ低減効果を検証した時の構成を説明する図である。送信機１２は、信号発生器１２ａで偏波多重のＱＰＳＫ信号（１．２５Ｇｂ／ｓ）を発生させ、これをパワーカプラで１２分岐し、互いに異なる長さの遅延線１２ｂ（例えば１００ｍ間隔）で分岐信号を遅延して１２個の信号光を生成する。これらの信号光は、互いに信号パターンで相関の無い独立した信号列である。送信機１２は、光スイッチ１２ｃをＯＮ／ＯＦＦすることで入力信号数Ｍを制御する。

光合波器１３は、ファンインであり、これらの信号光を光ファイバ１１の１２個のコアにそれぞれ入射する。光合波器１３の入射ポートは１２個あり、それぞれのポートで偏波多重信号が伝搬することになる。このため、本光伝送システムは、Ｍが偶数となるが、奇数となるような構成でも問題はない。図７の光ファイバ１１には、曲げ部１１ａがあり、曲げ半径は、６～９ｍｍである。なお、この曲げ部１１ａを設けなくてもよい。

光分波器１４は、ファンナウトであり、光フィアバ１１の１２個のコアから出力される２４種の伝搬光を受信機１５に入力する。受信機１５は、９０°ハイブリッド及びバランスレシーバーで構成されるコヒーレント受信機である。受信機１５が伝搬光を受光し、信号生成装置１７が受光信号からＰ個の信号を生成し、Ｐ×Ｍ ＭＩＭＯ等化器１６がＭ個の信号を復元する。

図８は、Ｍ＝４とし、ＰとＭＤＬとの関係を評価する実験の結果を説明する図である。図８の横軸は、図７の構成でＰを変化させた時のＭＤＬと従来構成である２４×２４ＭＩＭＯシステムでのＭＤＬとの差（これを「相対ＭＤＬ値」とする）である。横軸は、２４×２４ＭＩＭＯシステムでのＭＤＬを基準（０ｄＢ）とし、相対ＭＤＬ値をデシベル単位で示している。ＭＤＬ差が大きいほど従来構成に対してＭＤＬが悪化していることになる。

ここで、ＭＤＬの算出については、非特許文献８に記載の通り、伝送路のＭ×Ｍチャネル行列を特異値分解して得られるＭ個の特異値λ１～λＭにおいて、最大値を示すλｍａｘと最小値を示すλｍｉｎを用いて
ＭＤＬ（ｄＢ）＝２０ｌｏｇ１０（λｍａｘ／λｍｉｎ）
から求めることができる。

図８の縦軸は「累積頻度」を示している。「累積頻度」は次を意味する。Ｐ＜２４の場合、_２４Ｃ_Ｐの受信信号の選択の組み合わせ数（これを「全組み合わせ数」とする）が存在する。例えば、受信信号の組み合わせのうち、ＭＤＬ差が－３ｄＢより小さい組み合わせ数と全組み合わせ数との比率が縦軸である。具体的には、図８のＡ点は、Ｐ＝２０の場合で、相対ＭＤＬ値が－３ｄＢより小さい受信信号の組み合わせ数が全組み合わせ数の１０％であることを意味する。

図８より次のことがわかる。Ｐを大きくすることで受信信号の組み合わせによるＭＤＬの変動幅が小さくなる。例えば、Ｐ＝２０の場合、いずれの受信信号の組み合わせでもＭＤＬは－３．５ｄＢ～－１．５ｄＢ（変動幅２ｄＢ）であるが、Ｐ＝６の場合、－０．２ｄＢを達成する受信信号の組み合わせもあれば、９ｄＢとなる受信信号の組み合わせもあり、変動幅は９．２ｄＢと大きくなる。つまり、Ｐが小さいと受信信号の組み合わせでＭＤＬが大きく変動してしまうことを意味する。

一方で、Ｐが小さい場合（例えばＰ＝Ｍ＝４）の場合においても、特定の受信信号を組み合わせて復元することで、従来構成と同等のＭＤＬ特性を得ることができる。なお、Ｐ＝Ｍ＝４の場合でも、相対ＭＤＬ値が大きく劣化しない（例えば相対ＭＤＬ劣化量が１ｄＢ以下）受信信号の組み合わせはわずかに存在している。

図９は、Ｍ＝４、Ｐ＝６とし、光ファイバ１１の長さとＭＤＬとの関係を評価する実験の結果を説明する図である。図９の縦軸と横軸は図８の縦軸と横軸と同じである。光ファイバ１１の長さは数ｍから６０ｋｍまで変化させた。なお、図中の“Ｂ２Ｂ”とは、光ファイバ１１の長さが数ｍである時の評価結果である。図９より光ファイバの長さが変化しても累積頻度はほとんど変化せず、ＭＤＬは光ファイバ１１の長さで影響され難いといえる。

図８及び図９の結果から、信号生成装置１７でＭＩＭＯ等化器１６へ入力する信号数をＬからＰへ減じたとしても、信号処理に用いる受信信号を適切に選択することで、品質の低下を避けつつ信号を復調できることがわかる。

ここで、Ｐの設計は、信号を復元可能な最大ＭＤＬ設計値（所望のＭＤＬ値）に基づき、十分復元の確率が担保された領域とすることが望ましい。例えば、図８において、４×４ＭＩＭＯ構成において相対ＭＤＬ値が０となる頻度（受信信号の組み合わせ）はわずかに存在するものの、累積頻度については光伝送路に付与される外部変動（振動や温度変化等）で多少変動し、相対ＭＤＬ値が０となる受信信号の組み合わせが無くなることが予想される。このため、例えば所望のＭＤＬ値に対して累積頻度が１０％程度の領域でＰを設計することが望ましい。具体的には、図８において、相対ＭＤＬ値を０と設計すれば、累積頻度が１０％程度であるＰ＝８とすればよい。

また、累積頻度が高い領域（例えば９０％や、９９％等）であれば、ほぼ全ての受信信号の組み合わせで所望のＭＤＬ値を達成できるため、受信信号を選択する必要がなく信号生成装置１７を不要にして受信機側の構成を簡易化することができる。具体的には、図８において、所望のＭＤＬ値が相対ＭＤＬ＝０であるとき、Ｐ＝２０ならば累積頻度はほぼ１００％なので、信号生成装置１７を不要とできる（ＭＩＭＯ等化器１６に入力する信号を光ファイバ１１の所定の出力ポートから出力されたものと固定しておく）。

図１０は、Ｍ＝Ｐ＝４とし、時間に対するＭＤＬ変化を確認した実験の結果を説明する図である。図１０の横軸は時間、縦軸は相対ＭＤＬ値である。本実験は、ＭＤＬが最も小さくなる受信信号の組み合わせとしている。図１０より、ＭＤＬが小さくなる特定の受信信号の組み合わせでは、ＭＤＬは時間に対して数百μ秒のオーダーで安定していることがわかる。

つまり、ＭＤＬがある程度の時間安定しているので、信号生成装置１７を用いずに、ＭＩＭＯ等化器１６が備える適用等化アルゴリズム４２で選択する受信信号を制御することでも、所望のＭＤＬ値を得る受信信号の組み合わせを実現することができる。

図１１（ａ）は、図５から図１０で説明した信号生成装置１７の構成を説明する図である。信号生成装置１７は、上述したＮ個の受信信号からＰ個の信号を選択する複数のスイッチ３１を有する。

（実施例２）
図１１（ｂ）は、信号生成装置１７の構成を説明する図である。信号生成装置１７は、Ｎ個（Ｌ個）の受信信号に位相回転を付与する位相回転部３２と、位相を回転した信号を合成する加算部３３を有する。実施例１では、信号生成装置１７が単純に受信信号を取捨していたが、本実施例では、信号生成装置１７がＬ個の受信信号それぞれに位相回転を付与した後に合成してＰ個の合成信号を出力する。各位相回転部３２の回転量を制御することでも実施形態１で説明した効果を得ることができる。つまり、本光伝送システムは、信号生成装置１７でＭＩＭＯ等化器１６へ入力する信号数をＬからＰへ減じたとしても、信号処理に用いる受信信号を適切に位相回転して合成することで、品質の低下を避けつつ信号を復調できる。

（実施例３）
図１１（ｃ）は、信号生成装置１７の構成を説明する図である。信号生成装置１７は、Ｎ個（Ｌ個）の受信信号の振幅を調整する乗算器３４と、振幅を調整した信号を合成する加算部３３を有する。実施例１では、信号生成装置１７が単純に受信信号を取捨していたが、本実施例では、信号生成装置１７がＬ個の受信信号それぞれの振幅を調整した後に合成してＰ個の合成信号を出力する。図１２は、図１１（ｃ）の構成の信号生成装置１７を説明する図である。各乗算器３４の乗算係数を制御することでも実施形態１で説明した効果を得ることができる。つまり、本光伝送システムは、信号生成装置１７でＭＩＭＯ等化器１６へ入力する信号数をＬからＰへ減じたとしても、信号処理に用いる受信信号を適切に振幅調整して合成することで、品質の低下を避けつつ信号を復調できる。

（実施例４）
図１１では、２つの入力信号のいずれかを選択もしくは２つの入力信号を合成する構成を説明したが、３つ以上の信号のいずれかを選択もしくは３つ以上の信号を合成する構成でもよい。

（実施例５）
上述の実施例では、光ファイバ１１への入出力デバイス（光合波器１３と光分波器１４）のポート数を、Ｍ＝Ｎ＝Ｌを構成できる数としている。しかし、Ｍ＜Ｌの構成であれば、入出力デバイスは必要な分だけのポート数を有せばよい。例えば、偏波多重信号を送受信する光伝送システムであれば、Ｌモードのマルチコアの光ファイバ１１は、Ｌ／２個のコアを有しており、送信信号数がＭならばＭ／２のポートを有する入出力デバイスであればよい。たとえば、光合波器１３としてＭ／２個のコアにのみ送信信号を入射するファンインが挙げられる。

（実施形態２）
実施形態１に記載の光通信システムは、光ファイバ１１がマルチモードファイバやマルチコアファイバである。ここで、光ファイバ１１が非特許文献４に記載のような結合型マルチコアファイバである場合、次のような利点がある。

マルチモードファイバの場合、接続点や曲げにより伝搬するモードが結合するが、十分ランダムな結合が不十分であると次のような課題が生じる。ＬモードのマルチモードファイバにＭモード分（Ｍ＜Ｌ）の信号光を入射した場合、光ファイバ内でのモード分布に偏りが生じることがある。光ファイバ内の高次モードは、一般に基本モードより光学特性が劣る。このため、入射した信号光が高次モードに分配されると実施形態１で説明したＭＤＬの改善効果が低下することがある。

一方、結合型マルチコアファイバでは、伝搬に伴って全ての伝搬モードがランダムに結合する。このため、ＬモードのマルチコアファイバにＭモード分（Ｍ＜Ｌ）の信号光を入射した場合でも、光ファイバ内で十分に結合し、偏りのないモード分布となる。従って、図１で説明した光伝送システムの光ファイバ１１に結合型マルチコアファイバを使用することで、ＭＤＬの改善効果を低下することなく得られる。

結合型マルチコアファイバは、非特許文献４又は９に記載の通り、コア間隔が１６μｍ～２５μｍの範囲であり、伝送距離に対して群遅延広がりが距離の平方根に比例して大きくなるという特性を有している。

ここで、どの程度の結合量でランダム結合となり、インパルス応答幅が低減できるかを計算する。図１３は、マルチコアファイバの結合量を変化させた時のインパルス応答形状を計算した結果を説明する図である。光増幅器で挟まれた中継区間が一般に４０ｋｍ以上であることから伝送距離を４０ｋｍとしている。モード間のＤＭＤは便宜上１ｎｓ／ｋｍとしている。

結合量が－５０ｄＢ／ｍでは、両端に大きな強度を示すパルスが存在し、その幅は４０ｎｓと、累積ＤＭＤ（１ｎｓ／ｋｍ×４０ｋｍ）と同じ値となっている。結合量が－４０ｄＢ／ｍでは、両端のパルス強度が低下しているものの、インパルス応答幅は累積ＤＭＤと同じである。

一方で、結合量が－３０ｄＢ／ｍでは、インパルス応答形状がガウシアン形状となっている。モード間結合が強い場合はインパルス応答形状がガウス形状となることはよく知られている。結合量が－２０ｄＢ／ｋｍの場合は同様にガウス形状であるが、その幅がさらに小さくなっていることわかる。

以上より、インパルス応答幅を低減できる、結合量が－３０ｄＢ／ｍ以上の領域でランダム結合が生じると考えられる。結合量が－２０ｄＢ／ｍであればさらにランダムな結合が生じ、より望ましい。

（実施形態３）
図１４は、本実施形態の光伝送システムを説明する図である。本光伝送システムは、図１や図５の光伝送システムに、制御器１９と測定器１８をさらに備える。

例えば、制御器１９は、光合波器１３に対して、光ファイバ１１に入射する前記信号光の数Ｍを変更する指示を行う。測定器１８は、前記復調信号の信号品質を測定し、前記信号品質が閾値を超えるように前記信号光の数Ｍを制御器１９に通知する。

具体的には、光合波器１３は、光ファイバ１１がマルチモードファイバであればモード合波器、光ファイバ１１がマルチコアファイバであればファンインである合波部１３ｂと、合波部１３ｂのＮ個のポートの内、任意のＭ個のポートに信号光を入射する光スイッチ１３ａと、を有する。

光ファイバ１１を伝搬させる信号光の数Ｍを変更することで伝送容量及び信号品質を制御することができる。この場合、ハード的にモード合波器やファンインを交換することは困難である。そこで、光合波器１３に、光ファイバ１１に入射する信号光の数Ｍを可変できる機能（光スイッチ１３ａ）を持たせることで、デバイスの交換を不要とすることができる。例えば、光スイッチ１３ａを用いて、時間的に変動する伝送容量需要に応じて信号光の数Ｍを動的に変更することで、光伝送路システムのハードウェアを変更することなくシステムパフォーマンスを変化させることができる。

例えば、制御器１９は、信号生成装置１７に対して、前記合成信号の数Ｐを変更する指示を行う。測定器１８は、前記復調信号の信号品質を測定し、前記信号品質が閾値を超えるように前記合成信号の数Ｐを制御器１９に通知する。

実施形態１の実施例１で説明したように合成信号の数Ｐを変更することでＭＤＬ値を制御することができる。この場合、ハード的にモード分波器やファンアウトを交換することは困難である。そこで、測定器１８の測定結果に基づいて、信号生成装置１７のスイッチ３１で、所望のＭＤＬ値を得られるように動的に受信信号を選択すれば、デバイスの交換を不要とすることができる。つまり、光伝送路システムのハードウェアを変更することなくシステムパフォーマンスを変化させることができる。

例えば、制御器１９は、位相回転部３２で付与する前記位相回転量、又は乗算器３４で変化させる前記受信信号の強度を信号生成装置１７に対して指示する。測定器１８は、前記復調信号の信号品質を測定し、前記信号品質が閾値を超えるように付与する前記位相回転量、又は前記受信信号の強度を制御器１９に通知する。

実施形態１の実施例２及び３で説明したように受信信号の位相回転量や強度を変更することでＭＤＬ値を制御することができる。この場合、ハード的に回路やデバイスを交換することは困難である。そこで、測定器１８の測定結果に基づいて、信号生成装置１７の位相回転部３２や乗算器３４で、所望のＭＤＬ値を得られるように動的に受信信号の位相や強度を調整すれば、デバイスの交換を不要とすることができる。つまり、光伝送路システムのハードウェアを変更することなくシステムパフォーマンスを変化させることができる。

［付記］
以下は、本実施形態の光伝送システムを説明したものである。

（１）：本光伝送システムは、
Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の送信機と、Ｌ個（ＬはＭ以上の整数）の受信機と、前記送信機・受信機の間に接続されるＬの空間モードを伝搬可能な光ファイバ（例えば数モードファイバやマルチコアファイバ、数モードマルチコアファイバなど）と、
光ファイバの入出力端に接続されるモード合分波器（マルチコアファイバの場合はファンインファンナウト）を具備し、
モード合波器は、Ｍ個（Ｍは整数）の送信機からの信号光を光ファイバ内のモードに結合させる機能を有し、
モード分波器は、Ｌ個の出射ポートとして光ファイバの伝搬モード光を分波し、
Ｌ個の受信信号からＰ個（ＰはＭ以上Ｌ以下の整数）の信号を生成する信号生成装置を備え、
得られたＰ個の信号をＰ×Ｍ ＭＩＭＯ等化器に入力してＭ個の復調信号を得る前記ＭＩＭＯ受信機を有し、
Ｍが２以上Ｌ以下、ＰがＭ以上Ｌ以下の範囲の値で設定される、
ことを特徴とする。

（２）：上記（１）に記載の光伝送システムは、前記信号生成装置において、Ｌ個の出力信号から、加算器・乗算器を用いて任意の係数で信号を乗算・加算し、Ｐ個の信号を作成し、Ｐ×Ｍ ＭＩＭＯ等化器に入力してＭ個の復調信号を得ることを特徴とする。

（３）：上記（２）に記載の光伝送システムは、復調信号の品質が所望の値以上となるよう加算器・乗算器の係数が動的に変化することを特徴とする。
（４）：上記（２）～（３）に記載の光伝送システムは、復調信号の品質が所望の値以上となるようＭとＰが制御されることを特徴とする。
（５）：上記（１）～（４）に記載の光伝送システムは、光ファイバが２個以上のコアを有するマルチコアファイバであることを特徴とする。
（６）：上記（５）に記載の光伝送システムは、光ファイバのインパルス応答幅が距離の平方根に比例して増加する結合型マルチコアファイバである、すなわちモード間クロストークが－３０ｄＢ／ｍ以上であることを特徴とする。

［効果］
本発明の光伝送システムは、光ファイバの伝搬モード数に限定されず、伝送容量及びＭＩＭＯ等化器の信号処理負荷を制御することができる。また、本発明の光伝送システムは、光伝送路を変更することなく、伝送容量需要や品質に合わせて動的にパフォーマンスを最適化することができ、システム性能の最大化が可能である。つまり、本発明の光伝送システムは、所望のＭＤＬを維持できる程度までＭＩＭＯ等化器へ入力する信号数を光ファイバの空間モード数から低減させることでＭＩＭＯ処理負荷を低減することができる。

本発明は、光伝送システムにおける伝送媒体として利用できる。

１１：光ファイバ
１２：送信機
１２ａ：信号発生器
１２ｂ：遅延線
１２ｃ：光スイッチ
１３：光合波器
１３ａ：光スイッチ
１３ｂ：光合波部
１４：光分波器
１５：受信機
１６：Ｐ×Ｍ ＭＩＮＯ等化器
１７：信号生成装置
１８：測定器
１９：制御器
２１、２１－１－１、・・・、２１－ｍ－ｎ、・・・２１－Ｍ－Ｎ：ＦＩＲフィルタ
３１：スイッチ
３２：位相回転部
３３：加算器
３４：乗算器
４１：比較部
４２：適応等化アルゴリズム
５１：コア
５２：クラッド

Claims (6)

1. 空間モード数がＬ（Ｌは２以上の整数）である光ファイバと、
   前記光ファイバの一端に接続され、Ｍ個（ＭはＬ以下の自然数）の送信機からの信号光を前記光ファイバに入射し、前記光ファイバの前記空間モードのそれぞれで伝搬させる光合波器と、
   前記光ファイバの他端に接続され、前記光ファイバを伝搬した伝搬光を前記光ファイバの前記空間モード毎に分波する光分波器と、
   前記光分波器が分波した前記伝搬光を受信するＮ個（Ｎ＝Ｌ）の受信機と、
   前記受信機が出力するＮ個の受信信号が入力され、前記Ｎ個の受信信号からＰ個（ＰはＭ以上Ｌ以下の整数）の合成信号を生成する信号生成装置と、
   前記信号生成装置が出力するＰ個の前記合成信号が入力され、Ｍ個の復調信号を得るＰ×Ｍ ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ）等化器と、
   を備える光伝送システム。
2. 前記光合波器に対して、前記光ファイバに入射する前記信号光の数Ｍを変更する指示を行う制御器と、
   前記復調信号の信号品質を測定し、前記信号品質が閾値を超えるように前記信号光の数Ｍを前記制御器に通知する測定器と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光伝送システム。
3. 前記信号生成装置に対して、前記合成信号の数Ｐを変更する指示を行う制御器と、
   前記復調信号の信号品質を測定し、前記信号品質が閾値を超えるように前記合成信号の数Ｐを前記制御器に通知する測定器と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光伝送システム。
4. 前記信号生成装置は、前記Ｎ個の受信信号から任意の信号を選択するスイッチ、前記Ｎ個の受信信号に任意の位相回転を付与して加算する位相合成器、又は前記Ｎ個の受信信号の強度を任意に変化して加算する振幅合成器であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光伝送システム。
5. 前記信号生成装置の構成に応じ、前記スイッチにおいて選択する前記受信信号、前記位相合成器で付与する位相回転量、又は前記振幅合成器で変化させる前記受信信号の強度を前記信号生成装置に対して指示する制御器と、
   前記復調信号の信号品質を測定し、前記信号品質が閾値を超えるように選択する前記受信信号、付与する前記位相回転量、又は前記受信信号の強度を前記制御器に通知する測定器と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の光伝送システム。
6. 前記光ファイバは、モード間クロストークが－３０ｄＢ／ｍ以上の結合型マルチコアファイバであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光伝送システム。

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