技术领域
[0001] 本公开涉及使用空分复用光纤的光传输系统。
相关背景技术
[0002] 在光纤通信系统中，传输容量受到光纤中产生的非线性效应和光纤熔丝的限制。为了缓和这些限制，正在研究使用在一根光纤中具有多个纤芯的多芯光纤的并行传输(非专利文献1)、使用在纤芯中具有多种传播模式的多模光纤的模式复用传输(非专利文献2)、以及组合多芯和模式复用的数模多芯光纤(非专利文献3)等空分复用技术。
[0003] 在多芯光纤中，为了降低纤芯之间传播的信号之间的串扰，可以将纤芯间距设置为一定值以上(例如，30μm以上)，且每个纤芯用作独立的传输路径。另一方面，在使用多模光纤的传输中，由于传输路径中的连接点或光纤的弯曲导致在传输模式之间产生串扰，因此，在接收端使用补偿模式间串扰的MIMO(Multiple‑Input Multiple‑Output，多输入多输出)均衡器。即使在多芯结构中，也提出了使用耦合型多芯光纤(纤芯间隔一般为25μm以下)的方式，该耦合型多芯光纤允许纤芯间的串扰，并与多模光纤传输同样地使用MIMO均衡器来补偿纤芯间串扰(例如非专利文献4)。
[0004] 现有技术文献
[0005] 非专利文献
[0006] 非专利文献1：H.Takara etal.，““1.01‑Pb/s(12SDM/222WDM/456Gb/s)Crosst alk‑managed Transmission with 91.4‑b/s/Hz Aggregate Spectral Efficiency",in ECOC2012,paper Th.3.C.1(2012)。
[0007] 非专利文献2：T.Sakamoto et al.，“Differential Mode Delay Managed Transmission Line for WDM‑MIMO System Using Multi‑Step Index Fiber，"J.Light wave Technol.vol.30，pp.2783‑2787(2012)。
[0008] 非专利文献3：Y.Sasakiet al.，"Large‑effective‑area uncoupled few‑mode multi‑core fiber，"ECOC2012，paper Tu.1.F.3(2012)。
[0009] 非专利文献4：T.Sakamotoet al.，"Twisting‑rate‑controlled 125μm Cladding Randomly‑coupled Single‑mode 12‑core Fiber，"J.Lightwave Technol.vol.36，Issue 2，pp.325‑330(2018)。
[0010] 非专利文献5：T.Mizunoet al.，“Mode Dependent Loss Equaliser and Impact of MDL on PDM‑16QAM Few‑mode Fibre Transmission，"ECOC2015，P5.9(2015)。
[0011] 非专利文献6：N.Hanzawa et al.，“Demonstration of mode‑division multiplexing transmission over 10km two‑mode fiber with mode coupler，"OFC2011,paper OWA4(2011)。
[0012] 非专利文献7：H.Uemura et al，“Fused Taper Type Fan‑in/Fan‑out Device for 12Core Multi‑Core Fiber，”OECC2014，pp.49‑50(2014)。
[0013] 非专利文献8：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。
[0014] 非专利文献9：S.Randelet al.，“MIMO‑based signal processing for mode‑multiplexed transmission，"Proc.IEEE Summer Topical Meeting，MC4.1 Seattle(2012)。
[0015] 非专利文献10：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)。
具体实施方式
[0060] 将参照附图对本发明的实施方式进行描述。以下描述的实施方式是本发明的实施例，本发明并不限定于以下的实施方式。此外，在本说明书以及附图中，附图标记相同的技术特征表示彼此相同的技术特征。
[0061] (实施方式1)
[0062] 图1是说明本实施方式的光传输系统的图。本光传输系统包括：
[0063] 空间模式数为L(L为2以上的整数)的光纤11；
[0064] 光合波器13，与光纤11的一端连接，使来自M个(M为小于L的自然数)发送机12的信号光入射至光纤11，分别在光纤11的所述空间模式中传播；
[0065] 光分波器14，与光纤11的另一端连接，将通过光纤11传播的传播光按光纤11的每个所述空间模式进行分波；
[0066] N个(N＝L)接收机15，接收光分波器14分波后的所述传播光；和，
[0067] N×M MIMO均衡器16，被输入接收机15输出的N个接收信号，得到M个解调信号。
[0068] 光纤11为多模光纤或多芯光纤。M个发送机12输出的M种信号光由光合波器13进行合波。合波后的信号光被入射至光纤11。此处，在光纤11是多模光纤的情况下，光合波器13是被设计为将输入信号耦合至传播模式的模式合波器(例如非专利文献6)。在光纤11是多芯光纤的情况下，光合波器13是被设计为将各信号入射各纤芯的扇入装置(例如非专利文献7)。
[0069] 光分波器14将传播光分波至N端口。N个接收机15分别接收分波后的N种信号光。接收机15包括本振光源、90°混合器、平衡接收器、模数转换器以及计算器，以获得接收信号的电场振幅以及相位信息(例如，非专利文献8)。
[0070] MIMO均衡器16补偿信号光在光纤11接收到的信号劣化。MIMO均衡器16还可以补偿模色散、波长色散和偏振色散。本光传输系统是M输入N输出的MIMO传输，能够并行传输M种信号。
[0071] 此外，在对信号光进行偏振复用的情况下，偏振复用信号在每一个端口传播。因此，在光分波器14将传播光分波为N端口的情况下，需要2M×2N MIMO均衡器。本说明书中为简单起见，以不对信号光进行偏振复用的情况进行说明。
[0072] 图2是说明MIMO均衡器16的图。此外，图2表示将发送机12之一发送的信号复原的一个均衡器(信号处理单元)，且该均衡器具有N个FIR滤波器(21‑1‑1～21‑1‑N)。也就是说，如果发送机12有M台，则均衡器也需要M台，并且MIMO均衡器16需要具有N×M个FIR滤波器21‑m‑n(1≤n≤N，1≤m≤M)。
[0073] 每个FIR滤波器21‑m‑n是用于复原发送信号之一的信号处理电路。FIR滤波器21具有与光纤11的空间模式数L相等的抽头。并且，每个抽头由具有延迟量τ的延迟元件以及具有系数w(抽头系数)的乘法器构成。在图2中，FIR滤波器21‑1‑1的各个抽头(1至L)的延迟量由τ1～τL表示，且系数由w1(1)～w1(L)表示。最后将每个FIR滤波器21‑1‑n的输出进行合成。
[0074] 通过适当地设置每个FIR滤波器21‑m‑n中的每个抽头的延迟量τ和系数w，可以补偿由于在光纤11中产生的模色散、波长色散以及偏振模色散而引起的信号恶化以及串扰。
[0075] 图3是说明作为例子用于复原M＝N＝2时的所有信号的MIMO均衡器的图。图3的MIMO均衡器是将两个发送信号全部复原而得到复原信号(u1、u2)的例子。图3的MIMO均衡器具有两个在图2中说明的信号处理单元。FIR滤波器21的数量是M×N，在本例中为2×2。
[0076] 图4是说明更新抽头系数的自适应均衡算法的图。除了数据部分以外，发送信号还被附加了已知的训练符号x(n)。比较单元41将发送信号的符号与解调后的符号进行比较，输出误差e(n)。自适应算法42控制FIR滤波器的抽头系数，以使误差e(n)变小。通过仅对训练符号数重复执行相同的步骤，使误差e(n)最小化，求出抽头系数。在使用所有训练符号确定系数之后，FIR滤波器21使用已确定的抽头系数来复原发送信号的后段的数据部分。
[0077] 此时，如果抽头系数变多，则为了获得正确的抽头系数所需的计算量增加。也就是说，如果发送/接收机的数量增加，则MIMO均衡器中的信号处理负荷增加。
[0078] 传统的使用MIMO均衡器的M模式复用传输的光传输系统，使用M台光发送机、L模式或L芯光纤、以及N台光接收机，设L＝M＝N，使用M×MMIMO均衡器。
[0079] 另一方面，在本实施方式的光传输系统中，使用将M台光发送机、L模式或L芯光纤、以及N台光接收机，设N＝L、M＜N，使用N×M MIMO均衡器。此外，在多芯光纤的情况下，当每个纤芯工作于单模式时，由于每个纤芯中都存在偏振模式，因此该光纤为L/2芯光纤。
[0080] (实施例)
[0081] 使用图5以后的图，来说明本实施方式的光传输系统可以控制MDL特性。
[0082] 图5是说明光纤11横面的图。光纤11是在包层区域52中将12个纤芯51以正方形格子状配置的多芯光纤。在图5的光纤11中进行以下计算。光纤11中，芯半径为4.8μm，纤芯的相对折射率差为0.35％，纤芯间隔为16.4μm。各纤芯为在C～L波段的单模式波导的结构。也就是说，光纤11是包括偏振模式在内共计传播24种模式的(L＝24)光纤。
[0083] 图6是说明本实施方式的光传输系统的效果的图。本图为光纤传输路径中的MDL的计算结果，该光纤传输路径中存在多个与图5中的光纤11轴偏离的连接点。折线f0是N＝M＝24的24×24MIMO系统的比较数据(传统结构)，折线f1～f3是假定M
[0084] f1是输入M＝20个发送信号，并从N＝24个接收信号复原M个信号时的MDL。
[0085] f2是输入M＝12个发送信号，并从N＝24个接收信号复原M个信号时的MDL。
[0086] f3是输入M＝4个发送信号，并从N＝24个接收信号复原M个信号时的MDL。
[0087] 此处，MDL的计算如非专利文献9中记载的那样。也就是说，可以在对传输路径的N×M信道矩阵进行奇异值分解而得到的M个奇异值λ1～λM中，使用表示最大值的λmax和表示最小值的λmin，通过
[0088] MDL(dB)＝20log10(λmax/λmin)
[0089] 求出。
[0090] 从图6可以看出，可以通过改变发送信号的数量M来控制MDL。具体地，当M小于L时，可以降低MDL。
[0091] 图7是说明本实施方式的光传输系统的效果的图。MDL0dB以分贝为单位表现了M＝N＝L时(传统的MIMO系统)的MDL的值。MDLdB以分贝为单位表现了本实施方式的光传输系统的MDL的值。纵轴为MDLdB与MDL0dB之比，横轴为k＝L‑M。k是光纤的模式数L与发送信号的数量M的差，被称为模式开销数。纵轴的MDLdB与MDL0dB的比值越小，则意味着MDL从传统的MIMO系统中得到改善。
[0092] 传输线路有10处连接点，在各连接点处使轴偏移量在1～4μm的范围内变化。在这种情况下，MDL0dB在0.6～12dB的范围内变化。图7中示出了使MDL0dB变化的各结果。由此可知，无论MDL0dB是什么值，MDL改善量都以分贝为单位相同。
[0093] 从图7可以看出，不管MDL0dB是什么值，本实施方式的光传输系统都能够改善MDL。例如，k＝L/2的本光学传输系统相比于传统的MIMO系统(M＝N＝L)，以分贝为单位，可以使MDL减半。具体地，若MDL0dB＝10dB，则k＝L/2时，MDLdB＝5dB。
[0094] 图8是说明本实施方式的光传输系统在通过实验验证MDL降低效果时的结构的图。发送机12使信号发生器12a产生偏振复用QPSK信号(1.25Gb/s)，通过功率耦合器将其分支为12个，并通过彼此长度不同的延迟线12b(例如，100m间隔)对分支信号进行延迟，以产生
12个信号光。这些信号光是彼此在信号模式下不相关的独立的信号列。发送机12通过接通/断开光开关12c来控制输入信号的数量M。
[0095] 光合波器13为扇入型，这些信号光分别入射至光纤11的12个纤芯。光合波器13的入射端口有12个，偏振复用信号在各个端口中传播。因此，尽管在本光传输系统中M为偶数，但即使是奇数结构也没有问题。图8的光纤11具有弯曲部11a，弯曲半径为6～9mm。另外，也可以不设置该弯曲部11a。
[0096] 光分波器14为扇出型，向接收机15输入从光纤11的12个纤芯输出24种传播光。接收机15为由90°混合器及平衡接收器构成的相干接收器。接收机15接收该传播光，并输入至24×M MIMO均衡器16。24×M MIMO均衡器16复原M个信号。
[0097] 图9是说明实验结果的图。纵轴为相对于传统MIMO系统(M＝N＝L)，本光传输系统(M
[0098] 通过图9，与计算相同地，可以确认：通过减少信号数量M(增大开销数k)，可以减少MDL。此外，在本实验中，使弯曲部11a的弯曲半径在6～9mm的范围内变化，以及，不设置弯曲部11a而使MDL0dB在5.4～25.3dB的范围内变化。
[0099] 图10是说明本实施方式的光传输系统的效果的图。在图中“X×Y”的记载中，X是接收机的数量N(＝传播模式的数量L)，Y是入射的信号光的数量M。例如，“14×8”是8个信号光入射至7芯光纤(模式数量为14)时的数据。
[0100] 图10中，横轴表示M变化时的传输容量，纵轴表示各信号所需的信噪比(需求SNR)的相对值。值的基准为传统M模式光纤中M×M MIMO传输系统(M＝N＝L)的SNR值。
[0101] 传输容量可以用如下的相对值表示：如上所述地，根据传输路径的信道矩阵获得奇异值λ，计算：
[0102] [数学式1]
[0103]
[0104] ，并除以传统光纤(具有1个空间模式、即具有2个偏振模式，m＝2的情况)获得的传输容量，得到相对值。此处，CMCF为传输容量，λi为第i个奇异值。需求SNR为20dB。
[0105] 根据数学式1可知，能够根据输入信号的数量M(i的数量)灵活地控制传输容量。另外，通过图10可知，由于通过降低M可以使需求SNR降低，因此提高了信号质量。
[0106] 然而，在N
[0107] 本实施例的光合波器13以及光分波器14具有可以实现M＝N＝L的用于发送机和接收机的端口数。然而，在未实现M＝N＝L且总是满足M＜L的情况下，光合波器13以及光分波器14仅需具有所需数量的端口即可。作为示例，将描述发送/接收偏振复用信号的光传输系统。该光传输系统的多芯光纤具有L/2个纤芯，以用于传输L模式。在发送信号的数量为M的情况下，光合波器13以及光分波器14不需要具有L/2个端口，只要具有比其少的M/2个端口即可。
[0108] (实施方式2)
[0109] 在实施方式1中记载的光通信系统中，光纤11是多模光纤或多芯光纤。此处，在光纤11为如非专利文献4记载的耦合型多芯光纤的情况下，具有以下优点。
[0110] 在多模光纤的情况下，尽管由于连接点和弯曲部传播的模式耦合，但若充分随机的耦合不充分，则会产生以下问题。当M模式(M
[0111] 另一方面，在耦合型多芯光纤中，随着传播，所有传播模式随机地耦合。由此，即使向L模式的多芯光纤入射M模式(M
[0112] 此处，如非专利文献4或10记载那样，耦合多芯光纤具有以下特征：纤芯间距在16μm～25μm的范围内，与传输距离对应的群延迟扩展与距离的平方根成比例地变大。
[0113] 此处，计算以什么程度的耦合量进行随机耦合，能够降低脉冲响应宽度。图11是说明多芯光纤的耦合量变化时，脉冲响应形状的计算结果的图。由于光放大器夹着的中继区间一般为40km以上，因此将传输距离设为40km。为了方便，设模式间的DMD为1ns/km。
[0114] 耦合量为‑50dB/m时，存在两端表现出大强度的脉冲，其宽度为40ns，与累积DMD(1ns/km×40km)为相同的值。耦合量为‑40dB/m时，两端的脉冲强度下降，但脉冲响应宽度与累积DMD相同。
[0115] 另一方面，耦合量为‑30dB/m时，脉冲响应形状为高斯形状。众所周知，当模式间耦合强时，脉冲响应形状为高斯形状。可知：尽管当耦合量为‑20dB/km时同样为高斯形状，但其宽度进一步地变小。
[0116] 综上所述，认为在耦合量为‑30dB/m以上的区域产生随机耦合，可以降低脉冲响应幅度。更优选地，如果耦合量为‑20dB/m，则进一步地产生随机耦合。
[0117] (实施方式3)
[0118] 图12是说明本实施方式的光传输系统的图。本光传输系统的光合波器13，其特征在于，具有能够改变入射至光纤11的信号光的数量M的功能。具体地，光合波器13在光纤11为多模光纤时为模式合波器；在光纤11为多芯光纤时，包括：扇入式的合波单元13b；和，光开关13a，向合波单元13b的N个端口中的任意M个端口入射信号光。
[0119] 如上所述，能够通过改变在光纤11中传播的信号光的数量M来控制传输容量以及信号质量。在这种情况下，难以在硬件上更换模式合波器和扇入。因此，通过使光合波器13具有能够改变入射至光纤11的信号光的数量M的功能(光开关13a)，可以不必要更换设备。例如，使用光开关13a，根据随时间变化的传输容量需求而动态改变信号光的数量M，能够在不改变光传输系统的硬件的情况下改变系统性能。
[0120] 此外，在本实施方式的光传输系统中，不仅信号光的数量M可以小于接收机的数量N，并且信号光的数量M也可以等于接收机的数量N(＝空间模式数量L)。也就是说，可以将M控制为1～N的可变参数。
[0121] 此时，优选地，还包括：控制器18，该控制器18具有信号光的数量M、信噪比以及传输容量的关系(例如，数学式1)，在光合波器13中设定满足期望的信噪比和传输容量的信号光的数量M。通过将所需的SNR和传输容量需求输入至控制器18，控制器18计算满足所需的SNR和传输容量需求的信号光的数量M，并指示开关13a切换。
[0122] 另外，可以是构成为，还包括：测量仪器17，测量所述解调信号的信号质量；和，控制器18，在光合波器13中设定信号光的数量M，以使测量仪器17测量的信号质量超过阈值。测量仪器17测量并反馈通过光纤11传输后的信号质量，控制器18计算信号光的数量M，以得到期望的信号质量，并指示开关13a切换。通过采用这种构成，根据随时间变动的信号质量而动态变更信号光的数量M，能够在不改变光传输系统的硬件的情况下维持所需的信号质量。
[0123] 产业上的应用可能性
[0124] 本发明可以应用于作光传输系统中的传输介质。
[0125] 附图标记说明
[0126] 11：光纤
[0127] 12：发送机
[0128] 12a：信号发生器
[0129] 12b：延迟线
[0130] 12c：光开关
[0131] 13：光合波器
[0132] 13a：光开关
[0133] 13b：光合波单元
[0134] 14：光分波器
[0135] 15：接收机
[0136] 16：N×M MINO均衡器
[0137] 17：测量仪器
[0138] 18：控制器
[0139] 21、21‑1‑1、…、21‑m‑n、…21‑M‑N：FIR滤波器
[0140] 41：比较单元
[0141] 42：自适应均衡算法
[0142] 51：纤芯
[0143] 52：包层
