具体实施方式

本发明的实施例提供了用于多芯光纤传输系统的信道建模以及对于多芯光纤传输系统的给定配置的芯相关损耗的估计、芯相关损耗的确定的设备和方法，使得能够有利地实现具有减少的芯相关损耗的效应的多芯光纤传输系统的有效设计。

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现。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。光纤可用于在短距离(小于一米)或长距离(例如，在城域网、广域网、跨洋链路中进行通信的长达数百或数千公里)上传输光，并从而传输信息/数据。这样的应用可能涉及语音(例如电话)、数据(例如，向家庭和办公室的数据供应，称为光纤到家)、图像或视频(例如，互联网流量的传递)的传递或网络连接(例如，交换机或路由器的连接以及高速局域网中的数据中心连接性)。

本发明在航空航天和航空电子工业领域中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。在此类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。

本发明在数据存储应用中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路和/或作为存储系统的一部分。光纤连接性即使在延长的距离上也能提供很高的带宽。

在本发明对汽车工业应用的另一示例性应用中，光纤技术可以例如为安全和控制设备和系统而用于点亮/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，光纤的光学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。

本发明也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，诸如温度、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，建筑物中分布式温度和应变测量以进行远程监视(例如，监视飞机的机翼、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种应用中，光纤可用于连接光纤设备中的部件，诸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类似的作用。

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示出了本发明在基于光纤传输的光传输系统100(也称为“光通信系统”)中的示例性实施方式。光传输系统100包括至少一个光发送器设备11(以下称为“光发送器”)，该光发送器设备11被配置为将输入数据序列编码为光信号并且通过光纤传输信道13(以下称为“光纤链路”)将光信号光学地发送到至少一个光接收器设备15(在下文中称为“光接收器”)，光纤传输信道13被配置成在一定距离上传输光。

光通信系统100可以包括计算机和/或软件，以控制系统可操作性。

光纤传输信道13包括多芯光纤，该多芯光纤包括多个光纤段131的级联(也称为“光纤跨度(span)”或“光纤切片”)。光纤段131可以对准或未对准。

多芯光纤是由两个或更多个芯、围绕两个或更多个芯的包层、以及涂层组成的圆柱形非线性波导。每一个芯具有折射率。由光发送器11发送的光信号被复用并且由于芯的折射率和包层的折射率之间的差异而通过全内反射在多芯光纤的每一个芯中被引导。

在其中多芯光纤是非耦合光纤的一些实施例中，多芯光纤的每一个芯可以充当单独的波导，使得光信号可以被视为独立地传播通过芯。

在其中多芯光纤是耦合光纤的一些实施例中，如果两个芯之间的距离太小以致于沿不同芯传播的光信号重叠，则在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，通常用于长距离传输。对于短距离传输，光纤可以是塑料光纤。

多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、芯到芯的距离和芯-外包层的距离。光学参数可以包括波长，表示多芯光纤的不同芯之间的串扰的串扰系数，以及每一个芯与包层之间的折射率差已。

在一些实施例中，光纤通信系统100可以在与在包括以下的组中选择的区域相对应的波长区域中操作：

-适用于短距离传输的在800-900nm之间的范围的波长窗口；

-约为1.3μm的波长窗口，例如用于长拖曳距离传输；

-约为1.5μm的波长窗口，由于石英光纤的损耗在该波长范围内最低，因此该窗口更常使用。

图2描绘了六芯光纤的横截面，D_clad表示包层直径，d_c-c指定芯间距离，并且d_c-Clad表示core-外包层距离。

在一些实施例中，多芯光纤中的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，芯可以布置在某个二维网格上。

在实施例中，多芯光纤可以是包括两个或更多个相同类型的芯的同质多芯光纤。

图3描绘了两个示例性同质多芯光纤的两个横截面，第一12芯光纤包括布置在围绕光纤轴的环上的相同类型的12个芯，且第二19芯光纤包括布置在六角形的边缘上的18个芯和中央芯。

在实施例中，多芯光纤可以是同质沟槽辅助多芯光纤，每一个芯被低折射率沟槽层围绕。

图4示出了包括12个相同类型的芯的示例性沟槽辅助同质多芯光纤的横截面。

在另一个实施例中，多芯光纤可以是包括多个芯的异质多芯光纤，其中至少两个芯是不同类型的。

图5示出了包括12个芯的示例性异质多芯光纤的横截面，该多芯光纤中编号为2i+1(i＝0,……,5)的芯是相同的，编号为2i+2(i＝0,……,5)的芯是相同的，并且对于i＝0,……,5编号为2i+1的芯的芯类型与编号为2i+2的芯的芯类型不同。这种异质多芯光纤中的每一个芯都有两个邻居，每一个芯的芯类型与其相邻的芯的芯类型不同。

图6示出了两个示例性的7芯光纤和19芯异质光纤的两个横截面。7芯光纤包括在六边形的边缘上的编号为1-6的6个芯和编号为7的中央芯。该7芯光纤涉及三种不同的芯类型，中央芯的芯类型与六边形的边缘上的芯的类型不同，并且布置在六边形的边缘上的每一个芯具有不同于其相邻芯的芯类型的芯类型。19芯光纤包括三种不同的芯类型，中央芯具有与六边形的边缘上的芯的类型不同的芯类型。

在实施例中，多芯光纤可以是沟槽辅助异质多芯光纤。

图7描绘了两个示例性的12芯和7芯沟槽辅助异质多芯光纤的横截面。

在一些实施例中，多芯光纤的每一个芯可以是包括一个空间传播模的单模。

在一些实施例中，多芯光纤可以包括至少一个多模芯，该多模芯包括两个或更多个空间传播模。

光纤传输信道13可以进一步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，而无需再生光信号，从而可以在较大的距离上保持足够的信号功率，其中需要定期放大光信号。

放大器132可以插入在每对光纤片131之间。特别地，插入在光纤传输信道的末端的放大器132在接收器15处的信号检测之前执行信号放大。

每一个放大器132可以被配置为同时放大与多芯光纤中的多个芯相对应的光信号。

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可以是光学多芯放大器。示例性光放大器包括多芯掺铒光纤放大器(EDFA)，诸如芯泵浦多芯EDFA和包层泵浦EDFA放大器。芯泵浦和包层泵浦放大器可以使用单个或多个泵浦二极管。特别地，每一个芯的泵浦二极管可用于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，可以通过规则地布置的光放大器和模拟拉曼散射效应的联合使用来实现信号放大。

在又一其他实施例中，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可以在每一个放大级包括：

-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，色散补偿器被配置为例如，在接收器15处检测到光信号之前，消除色散或补偿色散；

-在波分复用系统中实现的光开关和复用器，诸如光分插复用器；

-用于再生光信号的一个或多个设备，诸如电子和光学再生器。

图8示出了根据一些实施例的光发送器11的部件。光发送器11可以被配置为将输入数据序列转换为要通过光学传输信道13发送的光信号。因此，光学发送器11可以包括：

-前向纠错码(FEC)编码器81(也称为“纠错码编码器81”)，被配置为通过应用至少一个前向纠错码(FEC)(也称为“纠错码”)来将长度k(即，包括k个符号)的输入数据序列编码成长度n>k的码字向量形式的编码序列。

-交织器83，被配置为混合编码序列，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，被配置为通过向交织的编码序列(或在发送器11不包括交织器的实施例中向码字向量)应用调制方案来以调制符号向量s_c的形式确定一组调制符号。可以实现不同的调制方案，诸如带有2^q个符号或状态的2^q-QAM或2^q-PSK。调制向量s_c可以是复数值向量，其包括К个复数值符号s₁、s₂、……、s_К，每一个符号具有q比特。当使用诸如2^q-QAM的调制格式时，2^q个符号或状态表示整数域的子集相应的星座由表示不同状态或符号的2^q个点构成。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A＝[-(q-1)，(q-1)]；

-空间-时间编码器87，被配置为通过应用空间-时间码来确定承载要在时间传输间隔(TTI)期间通过光传输信道13发送的数据符号的码字矩阵。空间-时间编码器25可以被配置为将每一个接收到的Q个调制符号s₁、s₂、……、s_Q的序列(或块)变换为维度为N_t×T的码字矩阵X。码字矩阵包括按N_t行和T列布置的复数值，其中N_t指定用于传播光信号的传播芯的数量，而T指定空间-时间码的时间长度并对应于时间信道使用的次数。因此，码字矩阵的每一个值对应于使用时间以及用于信号传播的传播芯。空间-时间编码器87可以使用线性空间-时间分组码(Space-Time Block Code，STBC)来生成码字矩阵。这样的代码的编码率等于每信道使用的复数符号，其中，在这种情况下，к是组成维数к的向量s_c＝[s₁，s₂，...，s_к]^t的编码复数值符号的数量。当使用全速率代码时，空间-时间编码器87对к＝N_tT的复数值符号进行编码。STBC的示例是“完美代码”。完美代码通过对数量的复数信息符号进行编码来提供全编码速率，并满足不消失的行列式属性。

在一些实施例中，空间-时间编码器87可以通过在不同传播芯上对接收到的复数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为包括n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用Galois域GF(q)中的值的符号，q>2表示Galois域的阶。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，该码字向量中包括的每一个符号取Galois域GF(q)中的值。可使用构建在GF(q)上的非二进制FEC码来进行这种情况下的编码过程，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，并允许对未编码传输(即，没有FEC编码的情况下调制数据的传输)，使性能得到显著改善。

通过两个或更多FEC码的级联，可以实现其他改进并减小错误的可能性。码的级联可以遵循串行、并行或多层架构。FEC编码器81可以相应地被配置为实现两个或更多个FEC码。

光发送器11可以进一步包括多个多载波调制器88，多载波调制器88被配置为通过在包含大量正交子载波的每一个光载波内实施多载波调制技术来生成多载波符号。此外，可以实现多载波调制，以提供对由于光纤色散和多芯光纤中各个芯之间的串扰而引起的符号间干扰的更好的抵抗。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，可以由数字光学前端89处理由多载波调制器88传递的频域信号，该数字光学前端89被配置为将接收到的频域信号转换到光域。数字光学前端88可以使用给定波长的多个激光器和与使用的偏振态和多芯光纤的芯中的空间传播模相关联的多个光学调制器(图8中未示出)来执行转换。可以将激光器配置为使用波分复用(WDM)技术来产生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，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对激光束进行偏振。示例性调制器包括马赫曾德尔(Mach-Zehnder)调制器。可以使用相位和/或幅度调制。另外，各种光调制器用于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取决于所使用的偏振态的数量、多芯光纤的每一个芯中所使用的传播模的数量、以及光纤中的芯的数量。

数字光学前端88可以进一步包括扇入(FAN-IN)设备(图8中未示出)，其被配置为将所产生的光信号注入到多芯光纤的每一个芯中，以根据每一个芯中的可用传播模进行传播。光学连接器可用于连接扇入设备的输出端和多芯光传输信道13的输入端。

根据前述实施例中的任何一个产生的光信号可以沿着光纤传播，直到到达光传输信道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送器11通过传输信道13发送的光信号，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，并将他们转换为数字信号。光学数字前端91可包括扇出(FAN-OUT)设备(图9中未示出)；

-多个多载波解调器92，被配置为去除循环前缀并产生一组要传递给空间-时间解码器93的判决变量；

-空间-时间解码器93，被配置为通过应用空间-时间解码算法从该组判决变量产生调制数据序列的估计；

-解调器94，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产生二进制序列；

-解交织器95，被配置为重新布置由解调器94传递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“纠错码解码器96”)，被配置为通过将软判决或硬判决FEC解码器应用于由解交织器95传递的重新排序的二进制序列来传递由光发送器设备11处理的输入数据序列的估计。示例性软判决FEC解码器包括维特比(Viterbi)算法。

空间-时间解码器93可以实现在由最大似然解码器、迫零解码器、迫零判决反馈均衡器、和最小均方误差解码器组成的组中选择的空间-时间解码算法。

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、球形绑定堆栈解码器。

在使用单载波调制的实施例中，多个多载波调制器92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实现两个或更多个前向纠错码的级联的一些实施例中，FEC解码器96可以实现对应的结构。例如，在基于内部码和外部码的串行级联的实施例中，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)。在并行架构中包含两个码的实施例中，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)。

将参考使用单偏振、单波长、单载波调制、无空间-时间编码的单纠错码、和单模多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，仅用于说明目的。但是，本领域技术人员将容易理解，本发明的各种实施例还可以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/或与使用多模光芯的模复用结合、和/或与多载波调制格式结合、和/或与空间-时间编码结合应用在多芯光纤中。

为了便于理解本发明的一些实施例，以下是于此使用的标记和/或定义：

-L指定光纤传输信道13中多芯光纤的总长度；

-K指定级联在多芯光纤中的光纤段的数量(也称为“光纤切片”或“光纤跨度”)；

-d指定相关长度；

-R_b指定弯曲半径；

-N_c≥2指定多芯光纤中的芯的总数量，芯被编号(即，每一个芯与在1与N_c之间变化的芯编号相关联)，从而将芯指定为core-n，n取1与N_c之间的值；

-R_n指定core-n的半径；

-core-n(n＝1,……,Nc)与由{T_n；λ_n}标记的芯参数相关联{T_n；λ_n}，T_n指定core-n的芯类型，而λ_n指定与core-n相关联的芯损耗值；

-XT_n,m指量化core-n与core-m之间的串扰(也称为“芯间串扰”)的串扰系数(也称为“芯间串扰系数”)，n≠m；

-k_n，m指量化core-n与core-m之间的耦合(也称为“芯间耦合”)的耦合系数(也称为“芯间耦合”)，n≠m；

-Δβ_nm表示core-n与core-m之间的传播常数差，n≠m。

本发明的各种实施例提供了有效的信道建模和计算设备，用于信道建模以及确定对由多芯光纤制成的给定多芯光纤传输信道的与预定光纤配置和光纤参数以及未对准损耗值相关联的芯相关损耗。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，诸如调制方案、纠错编码方案或空间-时间编码方案。

在一些实施例中，光学传输系统100可以包括系统管理设备17，该系统管理设备17被配置为根据按照预定义的光纤配置的光纤参数和未对准损耗值来确定芯相关损耗值。

根据一些实施例，光纤参数包括光纤长度L、至少等于两个的芯的数量N_c≥2、串扰系数XT_n，m(n，m∈{1，...，N_c})和耦合系数k_n，m(n，m∈{1，...，N_c})，每一个串扰系数XT_n，m表示多芯光纤中的core-n和core-m(n≠m)之间的串扰，每一个耦合系数k_n，m表示多芯光纤中的core-n和core-m(n≠m)之间的耦合。

光纤参数还可包括弯曲半径、光纤切片的数量K、包层直径、多芯光纤的每一个芯的半径、以及多芯光纤的每一个芯的类型。

在一些实施例中，由于连接器(例如，扇入/扇出设备与光纤传输信道的输入/输出端之间的连接器)和光纤跨度处的光纤的不完美，可能引起未对准损耗。未对准损耗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由σ_(x，y)，n标记的标准偏差的随机高斯变量，σ_(x，y)，n如下表示：

在等式(1)中，r_d指定多芯光纤在“x”和“y”方向上的横向位移。

在光纤传输信道13经历芯间串扰效应和未对准效应的实施例中，光传输信道13可以由以下关系描述的光学多输入多输出(MIMO)系统表示：

Y＝H.X+N (2)

在等式(2)中：

-X指定长度为N_c的复数值向量，其包括在光传输信道13上传输的N_c个符号，使得第n个符号在core-n上传输，n＝1,……,N_c；

-Y是长度为N_c的复数值向量，其指定光接收器15处的接收的信号，

-H是维度为N_c×N_c的复数值矩阵，其指定光信道矩阵，并表示除了未对准损耗之外，在光信号在多芯光纤中的不同芯上传播期间，芯经历的损耗和承受的衰减，以及

-N是长度为N_c的实数值向量，指定光信道噪声。

根据一些实施例，光信道噪声可以是零均值和方差的白高斯噪声N₀。

芯间串扰效应可以由串扰信道矩阵表示，该串扰信道矩阵由H_XT标记，H_XT如下表示：

在等式(3)中，串扰信道矩阵的对角线项(diagonal entry)由XT_n＝1-∑_n≠mXT_n，m给出。串扰表示在芯之间交换能量，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。

根据其中多芯光纤是同质多芯光纤的一些实施例，量化每一个core-n与core-m之间的串扰的串扰系数XT_n,m(n≠m)如下表示：

在等式(4)中，指定芯到芯的距离并且β²是传播常数。

根据其中多芯光纤是异质多芯光纤的一些实施例，量化每一个core-n与芯-m之间的串扰的串扰系数XT_n,m(n≠m)如下表示：

根据一些实施例，系统管理设备17可以被配置为根据光纤参数和未对准损耗值来确定与每一个芯core-n(n＝1，...，N_c)相关联的芯损耗值λ_n。

根据一些实施例，系统管理设备17可以被配置为通过将奇异值分解应用于表示光纤传输信道13的光信道矩阵H来确定与每一个芯core-n相关的芯损耗值λ_n。特别地，系统管理设备17可以被配置为首先如下来执行光信道矩阵的QR分解：

H＝QR (6)

在等式(6)中，Q是N_c×N_c正交矩阵并且R是N_c×N_c上三角矩阵。上三角矩阵R的对角线项的值如下给出：

在等式(7)中，α_i指定与芯core-i相关联的总未对准损耗，并且XT_i＝1-∑_i≠mXT_i，m指定量化在光传输信道13的末端，与芯core-i相关联的总串扰的总串扰系数，与芯core-i相关联的总串扰系数取决于量化所述芯core-i与多芯光纤中其余芯之间的串扰的串扰系数。

使用光信道矩阵的QR分解，可以如下表示光信道矩阵的奇异值分解：

H＝U.∑.V (8)

在等式(8)中，矩阵∑是如下给出的N_c×N_c对角矩阵：

多芯光纤由K个光纤跨度的级联组成，每一个跨度等效于串扰信道矩阵和未对准信道矩阵的乘积。因此，等式(1)的光学MIMO系统可以如下等效地表示：

在等式(10)中：

-L指定用于补偿光纤链路损耗的归一化因子；

-H_XT，k指定与第k个光纤跨度相关联的串扰信道矩阵，以及

-M_k指定与第k个光纤跨度相关联的未对准信道矩阵。

使用到光纤跨度的光纤分解，未对准损耗系数α_i可以如下给出：

在等式(11)中，和(i＝1，...，N_c)指定具有一个自由度、均值等于并且方差等于的卡方分布随机变量。

考虑到光纤跨度的数量K高的实施例，发明人表明每一个变量Z_i可以被建模为均值和方差的正态分布变量。因此，未对准损耗系数α_i可以用对数正态随机变量来建模，均值和方差值分别如下给出：

根据光信道矩阵的奇异值分解的推导，等式(1)的光学MIMO系统可以如下表示：

根据等式(14)，系统管理设备17可以被配置为确定与每一个芯core-n(n＝1，...，N_c)相关联的芯损耗值λ_n，使得芯损耗值λ_n是具有均值和方差的对数正态分布变量，每一个芯损耗值的均值和方差取决于涉及与所述每一个芯相关联的总串扰系数XT_n的光纤参数，并取决于未对准损耗系数α_i的对数正态分布的均值和方差中引起的未对准损耗。更具体地，与多芯光纤的每一个芯core-n相关联的每一个芯损耗值λ_n的均值是第一值和第二值之间的乘积，第一值对应于表示与芯core-n相关联的总未对准损耗的对数正态随机变量α_n的均值，第二值XT_n ²对应于与所述芯core-n相关联的总串扰系数。与多芯光纤的每一个芯core-n相关联的每一个芯损耗值λ_n的方差值是与芯core-n相关联的总串扰系数XT_n与第三值之间的乘积，第三值对应于表示与芯core-n相关联的总未对准损耗的对数正态随机变量α_n的方差

在其中多芯光纤是异质多芯光纤的一些实施例中，系统管理设备17可以被配置为将由CDL_heter表示的芯相关损耗值确定为由λ_max表示的第一芯损耗值与由λ_min表示的第二芯损耗值之间的比率，第一值由与多芯光纤的每一个芯相关联的芯损耗值中的最高芯损耗值给出，而第二值由与多芯光纤的每一个芯相关联的芯损耗值中的最小芯损耗值给出。芯相关损耗CDL_heter可以如下以对数尺度表示：

给定与多芯光纤的每一个芯相关联的确定的芯损耗值λ_n，系统管理设备17可以被配置为根据由μ_CDL表示的均值和方差的高斯分布以对数尺度确定芯相关损耗值，μ_CDL和分别如下给出：

在等式(16)和(17)中，imax和imin分别指定分别与第一芯损耗值λ_max和第二芯损耗值λ_min相关联的芯core-imax和core-imin的编号索引。

根据其中多芯光纤是同质多芯光纤的其他实施例，系统管理设备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CDL_hom表示的芯相关损耗值的估计。实际上，同质多芯光纤的芯损耗值λ_n具有相同的对数正态分布，其具有均值和方差其中α_n，total指定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，均值和方差分别如下给出：

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可以使用累积分布函数Φ的倒数如下获得：

在等式(20)中，θ等于

对于同质的多芯光纤，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。系统管理设备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，系统管理设备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，发明人如下确定分别由I_max和I_min表示的置信区间的上限和下限：

相应地，对数域中的芯相关损耗值被确定为：

系统管理设备17可以被配置为确定由CDL_target表示的目标芯相关损耗值，并根据芯相关损耗值相对于所述目标芯相关损耗值来选择多芯光纤的至少一个光纤参数。

在一些实施例中，系统管理设备17可以被配置为根据指定的一个或多个目标性能指标来确定目标芯相关损耗值CDL_target。可以在包括目标信噪比和目标比特/符号误码率的组中选择目标性能指标。

根据一些实施例，系统管理设备17被配置为根据芯相关损耗值相对于目标芯相关损耗值来选择在发送器设备11处实施的纠错码、调制方案和空间-时间码中的一个或更多个。

根据一些实施例，系统管理设备17被配置为根据芯相关损耗值相对于目标芯相关损耗值来选择在光接收器15处实施的空间-时间解码算法和纠错码解码算法中的一个或更多个。

在一些实施例中，系统管理设备17被配置为在光传输信道13的设计阶段期间离线地确定芯相关损耗值(例如，使用仿真)，使得能够使光纤参数和光传输信道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，系统管理设备17被配置为例如响应于系统管理设备17投递的芯相关损耗计算请求来在光传输信道13的设计之后确定芯相关损耗值，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/或光发送器11的配置(例如，调制方案和/或纠错码和/或空间-时间码的自适应选择)和/或光接收器13的配置(例如，空间-时间解码算法和/或纠错码解码器的自适应选择)。

还提供了一种用于确定光纤通信系统100的芯相关损耗值的方法，在光纤通信系统100中，数据通过由多芯光纤制成的光纤传输信道13传输，承载所述数据的光信号根据N_c≥2个(两个或更多个)芯沿着多芯光纤传播，多芯光纤与光纤参数和未对准损耗值相关联。该方法包括根据光纤参数和未对准损耗值来确定芯相关损耗值。

图10是描绘根据本发明的一些实施例的用于确定多芯光纤传输系统100中的芯相关损耗值的方法的流程图，其中使用了单偏振、单波长、没有应用空间-时间编码的单载波未编码调制，并且多芯光纤的每一个芯是单模芯。

在步骤1001，可以接收多芯光纤的光纤参数和未对准损耗值。

在一些实施例中，光纤参数包括芯数量N_c≥2、光纤的长度L、串扰系数XT_n，m(n，m∈{1，...，N_c})、以及耦合系数k_n，m(n，m∈{1，...，N_c})，每一个串扰系数XT_n，m表示在多芯光纤中的core-n与core-m(n≠m)之间的串扰，每一个耦合系数k_n，m表示多芯光纤中的core-n与core-m(n≠m)之间的耦合。

在一些实施例中，光纤参数还可以包括弯曲半径R_b、包层直径、光纤切片的数量K、多芯光纤的每一个芯的半径、以及多芯光纤的每一个芯core-n的类型T_n，其中n＝1，...，N_c。

在一些实施例中，未对准损耗可以包括纵向未对准、横向未对准和角未对准。

在一些实施例中，可以根据等式(1)预先确定未对准损耗值。

在步骤1003，可以确定与每一个芯core-n相关联的芯损耗值λ_n(n＝1，...，N_c)。具体地，根据等式(14)，可以根据至少一个串扰系数和至少一个未对准损耗值(也称为“未对准损耗系数”)来确定与多芯光纤的芯相关联的芯损耗值。

根据其中多芯光纤是异质多芯光纤的一些实施例，可以在步骤1005将芯相关损耗值CDL确定为由λ_max表示的第一芯损耗值与由λ_min表示的第二芯损耗值之间的比率，第一值由与多芯光纤的每一个芯相关联的芯损耗值中的最高芯损耗值给出，并且第二值由与多芯光纤的每一个芯相关联的芯损耗值中的最小芯损耗值给出。芯相关损耗CDL可以根据等式(15)以对数尺度表示。

根据其中多芯光纤是同质多芯光纤的一些实施例，可以在步骤1005通过使用置信区间的上限和下限根据等式(23)确定芯相关损耗值。

根据一些实施例，所确定的芯相关损耗值可以被考虑用于例如根据芯相关损耗值相对于目标芯相关损耗值来选择和/或适配光纤参数中的至少一个。

在一些实施例中，可以根据例如从包括目标信噪比和目标比特/符号误码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对于光纤传输信道13的给定配置(即，给定的光纤参数)的芯相关损耗值的方法，使得能够将光纤参数和光传输信道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，执行确定对于光纤传输信道13的给定配置的芯相关损耗值的方法，所述传输配置参数包括：

-用于对通过光传输信道13传输的数据进行编码的纠错码；

-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

-用于确定通过光传输信道13传输的数据的估计的纠错码解码器。

图11示出了通过对7芯和19芯同质多芯光纤应用根据等式(23)的精确和提出的理论模型而获得的作为以分贝为单位的芯相关损耗的函数的概率密度函数。描绘的结果表明，对于7芯和19芯同质多芯光纤，所提出的理论模型分别以CDL_hom＝2.8dB和CDL_hom＝3.9dB与精确模型拟合。

尽管已经在使用单偏振、单波长和单载波调制的单芯多模光纤的情况下详细描述了各种实施例，但是应当注意，本发明也可以与使用两个偏振的偏振复用结合和/或与使用多载波调制格式和/或使用数个波长的波长复用的使用结合应用于多芯多模光纤中。

此外，本发明不限于通信应用，并且可以集成在其他应用中，诸如数据存储和医学成像。本发明可以用在数种光传输系统中，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。