阅读说明：本技术 用于多纤芯光纤中的纤芯选择的光传输系统和方法 (Optical transmission system and method for core selection in multi-core optical fibers ) 是由 G·雷卡亚 A·阿布赛义夫 Y·雅欧恩 于 2019-04-10 设计创作，主要内容包括：本发明的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,所述数据由根据多个纤芯沿着所述多纤芯光纤传播的一个或多个光信号承载,所述多个纤芯中的每个纤芯与一个或多个纤芯参数相关联,其中,所述光传输系统(100)包括纤芯选择设备(17),所述纤芯选择设备(17)被配置为根据发射纤芯选择标准在所述多个纤芯中选择包括至少一个发射纤芯的一组发射纤芯,所述发射纤芯选择标准与所述一个或多个纤芯参数有关,所述光发射器(11)被配置为在所述一组发射纤芯上传输数据。(Embodiments of the present invention provide an optical transmission system (100) comprising an optical transmitter (11), the optical transmitter (11) is configured to transmit data over an optical fiber transmission channel (13) comprising a multi-core optical fiber, the data is carried by one or more optical signals propagating along the multi-core optical fiber according to a plurality of cores, each core of the plurality of cores being associated with one or more core parameters, wherein the optical transmission system (100) comprises a core selection device (17), the core selection device (17) being configured to select a group of emission cores comprising at least one emission core among the plurality of cores according to an emission core selection criterion, the emission core selection criterion is related to the one or more core parameters, the light emitter (11) being configured to transmit data on the set of emission cores.)

用于多纤芯光纤中的纤芯选择的光传输系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及光通信，并且特别涉及用于多纤芯光纤中的纤芯选择的设备和方法。

背景技术

在过去的几十年中，对网络带宽的需求急剧增长。光通信网络中的通信量主要是由用户和应用程序数量增加所产生的互联网通信量增加引起的。

已经利用频率、时间、相位和极化来满足用户对带宽的需求。此外，波分复用(WDM)、相干检测和偏振分复用(PDM)以及先进的信号处理的实际使用实现了传输容量和使用单模光纤的光通信系统的覆盖范围(reach)的提高。

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。空间仍然是可用于光传输系统中以增加覆盖范围和容量的最后自由度。空间被用作用于创建多个独立空间信道的复用维度，在该信道上独立数据流可以被复用并被承载在同一光纤中。使用空分复用(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。

可以通过多模光纤(MMF)或多纤芯光纤(MCF)实现SDM。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。多纤芯光纤在单个光纤中并入了多个相同或不同的纤芯，每个纤芯为单模或多模。

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，存在若干光学解决方案，并且可以在光纤的制造过程中应用这些解决方案。

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与纤芯间距离无关。

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差，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。在这种文章中，指明了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。

尽管现有的解决方案可以减少多纤芯光纤中的串扰效应，但是它们不是最佳的，并且不允许完全消除串扰。因此，需要开发能够使多纤芯光纤中的串扰效应最小化的传输技术。

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，其包括被配置为在包括多纤芯光纤的光纤传输信道上传输数据的光发射器。数据由根据多个纤芯沿着多纤芯光纤传播的一个或多个光信号承载，多个纤芯中的每个纤芯与一个或多个纤芯参数相关联。光传输系统包括纤芯选择设备，该纤芯选择设备被配置为根据发射纤芯选择标准在包括至少一个发射纤芯的多个纤芯中选择一组发射纤芯，该发射纤芯选择标准与一个或多个纤芯参数有关，所述光发射器被配置为在所述一组发射纤芯上传输数据。

根据一些实施例，可以在包括纤芯类型、纤芯损耗值、平均接收能量和相邻纤芯的数量的组中选择纤芯参数。

根据一些实施例，纤芯选择设备可以被配置为应用包含选择与最高平均接收能量相关联的多个纤芯的发射纤芯选择标准。

在其中多纤芯光纤是同质的一些实施例中，与多个纤芯中的每个纤芯相关联的纤芯类型是相同的，纤芯选择设备可以被配置为应用包含选择与最小数量的相邻纤芯相关联的多个纤芯的发射纤芯选择标准。

根据其中多纤芯光纤是同质的并且包括偶数个纤芯的一些实施例，纤芯选择设备可以被配置为将多个纤芯分组为成对的纤芯，每对纤芯包括两个相邻纤芯。在这样的实施例中，纤芯选择设备可以被配置为应用包含在每对纤芯中选择一个纤芯的发射纤芯选择标准。

根据其中多纤芯光纤是异质的一些实施例，纤芯选择设备可以被配置为应用包含选择与预定义的纤芯类型相关联的多个纤芯的发射纤芯选择标准。

根据其中多纤芯光纤是异质的一些实施例，纤芯选择设备可以被配置为应用包含选择与最高纤芯损耗值相关联的多个纤芯的发射纤芯选择标准。

根据一些实施例，多纤芯光纤可以与光纤参数和未对准损耗值相关联，纤芯选择设备被配置为依据光纤参数和未对准损耗值来确定与多纤芯光纤的每个纤芯相关联的每个纤芯损耗值。

根据一些实施例，光纤参数可以包括光纤长度、至少等于两个的纤芯数量、串扰系数和耦合系数，每个串扰系数代表多纤芯光纤中的两个纤芯之间的串扰，每个耦合系数代表多纤芯光纤中的两个纤芯之间的耦合。

根据一些实施例，未对准损耗值可以代表在包括纵向未对准、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。

根据一些实施例，纤芯选择设备可以被配置为将与多纤芯光纤的每个纤芯相关联的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，均质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可以是第一值和第二值之间的乘积，该第一值对应于代表与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来确定，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与第三值之间的乘积，该第三值对应于代表与所述每个纤芯相关联的总未对准损耗的所述对数正态随机变量的方差。

根据一些实施例，光传输系统还包括光接收器，该光接收器被配置为接收和解码承载通过该组发射纤芯传输的数据的光信号，纤芯选择设备还被配置为根据接收纤芯选择标准在多个纤芯中选择一组接收纤芯，光接收器被配置为使用该组接收纤芯来接收和解码光信号。

根据一些实施例，纤芯选择设备可以被配置为通过考虑到光传输系统的光学部件的任何替换来自适应地或周期性地选择一组发射纤芯和/或一组接收纤芯来执行纤芯选择。

还提供了一种用于光传输系统中的纤芯选择的方法，在该光传输系统中，数据在包括多纤芯光纤的光纤传输信道上传输，数据由根据多个纤芯沿着多纤芯光纤传播的一个或多个光信号承载，多个纤芯中的每个纤芯与一个或多个纤芯参数相关联。该方法包括根据发射纤芯选择标准在多个纤芯中选择包括至少一个发射纤芯的一组发射纤芯，该发射纤芯选择标准与一个或多个纤芯参数有关，该方法包括在该组发射纤芯上传输数据。

有利地，根据本发明的各个实施例的纤芯选择技术使得能够优化选择和使用多纤芯光纤中的可用纤芯来传输数据，同时在串扰效应方面减少光信道损害。

有利地，根据本发明的各个实施例的纤芯选择技术提供了高效的工具，以用于利用与最大平均接收能量相关联的纤芯来改善光传输信道上的传输。

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横截面图；

图3描绘了根据实施例的具有12纤芯同质多纤芯光纤和19纤芯同质光纤的两个多纤芯光纤的横截面图，12纤芯同质多纤芯光纤包括围绕纤维轴布置在环上的十二个纤芯；

图4描绘了根据实施例的12纤芯同质沟槽辅助的多纤芯光纤的截面图；

图5示出了根据实施例的包括围绕纤维轴布置在环上的十二个纤芯的12纤芯异质多纤芯光纤的横截面图；

图6示出了根据另一实施例的包括7纤芯异质光纤和19纤芯异质光纤的两个多纤芯光纤的截面图，7纤芯异质光纤包括七个纤芯，19纤芯异质光纤包括三组纤芯，其中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光纤的两个多纤芯光纤的两个横截面图，该12纤芯异质沟槽辅助的多纤芯光纤包括围绕光纤轴布置在环上的十二个纤芯；

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示出了根据本发明的一些实施例的其中应用示例性纤芯选择方法的19纤芯同质光纤的横截面图；

图11示出了根据本发明的另一实施例的其中应用示例性纤芯选择方法的12纤芯同质光纤的横截面图，以及

图12是示出根据本发明的一些实施例的光传输系统中的纤芯选择方法的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例提供了多纤芯光纤传输系统中的纤芯选择设备和方法，其使得能够在多纤芯光纤传输系统上进行有效传输，同时减小了纤芯到纤芯串扰和纤芯相关损耗的影响。

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。

在本发明在成像应用(例如，远程医疗)方面的又一示例性实施方式中，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。多纤芯光纤引导光谱中的电磁波。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。与基于有线和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。

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，光纤通信系统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图，D_clad代表包层直径，d_c-c指定了纤芯间距离，并且d_c-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横截面图，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图。

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图，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纤芯异质光纤的横截面图。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横截面图。

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，并且可以在恒定功率下操作以将光信号的功率提升到其在发射器处的初始值。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光复用器，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。

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s_c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可以是复值向量，其包括具有每符号q比特的к个复值符号s₁,s₂,…,s_к。当使用诸如2^q-QAM的调制格式时，2^q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2^q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,…,s_Q的每个接收到的序列(或块)变换成尺寸为N_t x T的码字矩阵X。码字矩阵包括布置在N_t行和T列中的复值，其中N_t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s_c＝[s₁,s₂,…,s_к]^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＝N_tT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(T＝N_t)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88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赖于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88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；

-R_b表示弯曲半径；

-N_c≥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N_c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N_c之间的值；

-R_n表示纤芯n的半径；

-每个纤芯core-n(其中n＝1,…,N_c)与由{T_n；λ_n；E_n；N_neigh,n}表示的纤芯参数相关联，其中T_n表示core-n的纤芯类型，而λ_n表示与core-n相关联的纤芯损耗值，E_n表示与core-n相关联的平均接收能量，并且N_neigh,n表示core-n的相邻纤芯的数量；

-XT_n,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；

-k_n,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；

-Δβ_nm表示core-n与core-m之间的传播常数差，其中n≠m；

-N_TX,sel表示在传输侧选择的纤芯的数量；

-N_RX,sel表示在接收侧选择的纤芯的数量。

本发明的各个实施例提供了用于在发射器和/或接收器处执行纤芯选择的高效的纤芯选择设备，使得多纤芯光纤中的可用纤芯中的仅选定纤芯子集用于在光传输系统100中传输数据，和/或使用光接收器15处的可用纤芯中的选定纤芯子集在光传输系统100中接收并解码数据。

因此，参考图1，光传输系统100包括纤芯选择设备17，该纤芯选择设备17被配置为根据发射纤芯选择标准在多纤芯光纤中包括的多个纤芯中选择一组N_TX,sel个发射纤芯，发射纤芯选择标准与一个或多个纤芯参数有关。光发射器11被配置为仅在所确定的一组发射纤芯上传输数据。

在一些实施例中，可以从包括纤芯类型T_n、纤芯损耗值λ_n、平均接收能量E_n以及相邻纤芯N_neigh,n的数量的组中选择与core-n相关联的纤芯参数。

根据一些实施例，发射纤芯选择标准对应于在多个纤芯core-n(对于n＝1,…,N_c)中选择与最大平均接收能量相关联的给定数量N_TX,sel的纤芯。在这样的实施例中，纤芯选择设备17可以被配置为应用包含选择具有最高平均接收能量的多个纤芯的发射纤芯选择标准，使得由表示的所选择的纤芯满足根据以下等式的最大化问题：

纤芯选择设备17可以被配置为通过用单位能量激励所有纤芯并计算在光接收器15处每个纤芯的平均接收能量来预先离线地确定与多纤芯光纤中包括的多个纤芯的每个纤芯相关联的平均接收能量。

根据其中多纤芯光纤是同质的一些实施例，即与包括在多纤芯光纤中的多个纤芯中的每个纤芯相关联的纤芯类型是相同的(对于每个i≠j，i＝1,…,N_c并且j＝1,…,N_c，T_i＝T_j)，纤芯选择设备17可以被配置为应用包含在多个、N_c个纤芯中选择与最低数量的相邻纤芯相关联的数量N_TX,sel个纤芯的发射纤芯选择标准，使得由表示的所选择的纤芯满足根据以下等式的最小化问题：

图11示出了19纤芯同质光纤中的纤芯选择的示例，其中，发射纤芯选择标准基于与多纤芯光纤的纤芯相关联的相邻纤芯的数量。因此，空圆圈对应于未选择纤芯，并且实心圆圈对应于一组传输选定纤芯，与和未选择纤芯相关联的相邻纤芯的数量相比，每个选定纤芯与最小数量的相邻纤芯相关联。

根据多纤芯光纤是同质的并且包括偶数数量的N_c个纤芯的一些实施例，纤芯选择设备17可以被配置为将多个纤芯组合成由表示的成对的纤芯，每对纤芯{core_i,core_i+1}(对于i＝1,3,5,…,N_c-1)包括两个相邻的纤芯core_i和core_i+1。在这样的实施例中，纤芯选择设备17可以被配置为通过应用包含在每对纤芯{core_i,core_i+1}(对于i＝1,3,5,…,N_c-1)中选择纤芯core_i或core_i+1的发射纤芯选择标准来选择一组N_TX,sel个发射纤芯。

图11示出了在12纤芯同质光纤中的示例性纤芯选择，其中选择了两个纤芯中的一个纤芯。

根据多纤芯光纤是异质的其他实施例，纤芯选择设备17可以被配置为通过应用包含在多个、N_c个纤芯中选择与预定义的纤芯类型T_pred相关联的数量N_TX,sel个纤芯的发射纤芯选择标准来选择一组N_TX,sel个发射纤芯。如果与包括在多纤芯光纤中的纤芯core_n(对于n＝1,…,N_c)相关联的纤芯类型T_n与预定义的纤芯类型T_pred相同，则相应地选择纤芯core_n。

根据多纤芯光纤是异质的一些实施例，纤芯选择设备17可以被配置为通过应用包含在多个、N_c个纤芯中选择与最高纤芯损耗值相关联的数量N_TX,sel个纤芯的发射纤芯选择标准来选择一组N_TX,sel个发射纤芯。因此，由表示的选定纤芯满足表示为以下等式的最大化问题：

根据一些实施例，纤芯选择设备17可以被配置为依据光纤参数和与多纤芯光纤相关联的未对准损耗值来预先确定与多纤芯光纤的每个core_n相关联的每个纤芯损耗值λ_n。

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N_c≥2、串扰系数XT_n,m(其中n,m∈{1,…,N_c})、以及耦合系数k_n,m(其中n,m∈{1,…,N_c})、每个串扰系数XT_n,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k_n,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的类型。

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(4)中，r_d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 (5)

在等式(5)中：

-X表示长度为N_c的复值向量，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，其中n＝1,…,N_c；

-Y是长度N_c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N_c x N_c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N_c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。

纤芯间串扰效应可以由H_XT表示的串扰信道矩阵代表，H_XT根据以下等式表示：

在等式(6)中，串扰信道矩阵的对角项由XT_n＝1-∑_n≠mXT_n,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XT_n,m根据以下等式表示，其中n≠m：

在等式(7)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XT_n,m根据以下等式表示，其中n≠m：

根据一些实施例，纤芯选择设备17可以被配置为通过对代表光纤传输信道13的光信道矩阵H施加奇异值分解，来确定与每个纤芯core-n(对于n＝1,…,N_c)相关联的纤芯损耗值λ_n。

光信道矩阵的奇异值分解可以根据以下等式表示：

H＝U.∑.V (9)

在等式(9)中，矩阵∑是由以下等式给出的N_c×N_c对角矩阵：

在等式(10)中，α_i表示与纤芯core-i相关联的总未对准损耗，并且XT_i＝1-∑_{i≠ m}XT_i,m指定总串扰系数，其量化了与光传输信道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赖于量化所述纤芯core-i与多纤芯光纤中的其余纤芯之间的串扰的串扰系数。

多纤芯光纤由K个光纤跨度串联而成，每个跨度等价于串扰信道矩阵和未对准信道矩阵的乘积。因此，等式(5)的光学MIMO系统可以根据以下等式表示：

在等式(11)中：

-L表示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。

通过使用光纤分解成为光纤跨度，未对准损耗系数α_i可以由下式给出：

在等式(12)中，和(对于i＝1,…,N_c)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。

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Z_i可以被建模为具有均值μ_Zi＝-2Kb(σ_(x,y),i)²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(5)的光学MIMO系统可以根据以下等式表示：

根据等式(15)，纤芯选择设备17可以被配置为确定与每个纤芯core-n(对于n＝1,…,N_c)相关联的纤芯损耗值λ_n，使得纤芯损耗值λ_n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赖于涉及与所述每个纤芯相关联的总串扰系数XT_n的光纤参数，并且依赖于未对准损耗系数α_i的对数正态分布的均值和方差中的上升的未对准损耗。

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λ_n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α_n的均值，第二值XT_n ²对应于与所述纤芯core-n相关联的总串扰系数的平方。与多纤芯光纤的每个纤芯core-n相关联的每个纤芯损耗值λ_n的方差值是与纤芯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α_n的方差

根据一些实施例，还可以在接收器侧执行纤芯选择，以使用接收器侧可用的纤芯的子集在一组N_TX,sel个发射纤芯上接收和解码由光发射器11传输的传输光信号。因此，纤芯选择设备17可以进一步被配置为根据接收纤芯选择标准来确定多个、N_c个纤芯中的一组N_RX,sel个接收纤芯，光接收器15被配置为使用该一组N_RX,sel个接收纤芯来接收和解码光信号。

根据一些实施例，纤芯选择设备17可以被配置为确定一组N_RX,sel≥N_TX,sel个接收纤芯，接收纤芯的数量大于或等于发射纤芯的数量。因此，光接收器15可以使用与已经在其使通过光发射器11传输数据的选定发射纤芯相对应的接收纤芯，或者使用全部可用纤芯的子集来接收和解码数据。纤芯选择设备17可以被配置为根据性能和复杂度之间的折衷标准来确定该组N_RX,sel个接收纤芯。

根据一些实施例，纤芯选择设备17可以被配置为在光传输系统100的安装和光发射器11的配置和/或光接收器15的配置期间执行纤芯选择(即，在光发射器11处选择用于纤芯选择的一组N_TX,sel个发射纤芯和/或在光接收器15处选择一组用于纤芯选择的一组N_RX,sel个接收纤芯)。

在其他实施例中，纤芯选择设备17可以被配置为在安装光传输系统100之后离线地执行纤芯选择。特别地，纤芯选择设备17可以被配置为通过考虑到光传输系统100的部件(例如放大器)的任何替换而自适应地或周期性地选择一组发射纤芯和/或一组接收纤芯来执行纤芯选择。在这样的实施例中，纤芯选择设备17可以被配置为将选定的一组N_TX,sel个发射纤芯(相应地，选定的一组N_RX,sel个接收纤芯)传输到光发射器11(相应地，到光接收器15)。

还提供了一种用于光传输系统100中的纤芯选择的方法，在光传输系统100中，数据在由多纤芯光纤制成的光纤传输信道13上传输，承载数据的光信号根据多个、N_c个纤芯沿着多纤芯光纤传播，多个纤芯中的每个纤芯core-n与一个或多个纤芯参数相关联。该方法包括根据发射纤芯选择标准来确定多个纤芯中的一组发射纤芯，该发射纤芯选择标准依赖于与多纤芯光纤的纤芯相关联的一个或多个纤芯参数，该方法包括在确定的一组发射纤芯上传输数据。

图12是示出了根据本发明的一些实施例的在光传输系统100中的传输处的纤芯选择的方法的流程图，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1201，可以接收与多纤芯光纤的每个纤芯相关联的至少一个纤芯参数。

在一些实施例中，可以在包括纤芯类型T_n、纤芯损耗值λ_n、平均接收能量E_n、以及相邻纤芯的数量N_neigh,n的组中选择与core-n相关联的纤芯参数。

在一些实施例中，与多纤芯光纤的每个core-n相关联的每个纤芯损耗值λ_n可以依据光纤参数和与多纤芯光纤相关联的未对准损耗值来预先确定。特别地，可以根据等式(17)，依据串扰系数和未对准损耗系数来确定与多纤芯光纤的纤芯相关联的纤芯损耗值。

在一些实施例中，光纤参数包括纤芯的数量N_c≥2、光纤的长度L、串扰系数XT_n,m(其中n,m∈{1,…,N_c})、以及耦合系数k_n,m(其中n,m∈{1,…,N_c})，每个串扰系数XT_n,m代表多纤芯光纤中的core-n与core-m(其中n≠m)之间的串扰，每个耦合系数k_n,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R_b、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T_n，其中n＝1,…,N_c。

在一些实施例中，未对准损耗包括纵向未对准、横向未对准和角未对准。

在一些实施例中，可以根据等式(4)预先确定未对准损耗值。

在步骤1203，可以根据与和多纤芯光纤的纤芯相关联的一个或多个纤芯参数有关的发射纤芯选择标准来确定多纤芯光纤的N_c个纤芯中的一组N_TX,sel个发射纤芯。

根据一些实施例，发射纤芯选择标准可以包含根据等式(1)的优化问题在多个纤芯core-n(对于n＝1,…,N_c)中选择与最高平均接收能量相关联的数量N_TX,sel个纤芯。

在多纤芯光纤是同质的一些实施例中，发射纤芯选择标准可以包含根据等式(2)的优化问题在多个、N_c个纤芯中选择与最低数量的相邻纤芯相关联的数量N_TX,sel个纤芯。

根据其中多纤芯光纤是同质的其他实施例，发射纤芯选择标准可以包含在组成成对的相邻纤芯的两个相邻纤芯中选择一个纤芯。

根据其中多纤芯光纤是异质的一些实施例，发射纤芯选择标准可以包含选择与等同于预定纤芯类型的纤芯类型相关联的纤芯。

根据其中多纤芯光纤是异质的一些实施例，发射纤芯选择标准可以包含根据等式(3)的优化问题在多个、N_c个纤芯中选择与最高纤芯损耗值相关联的数量N_TX,sel个纤芯。

在步骤1205，可以在光传输系统100中在所确定的一组发射纤芯上传输数据。

根据一些实施例，该方法可以还包括在光传输系统100中传播的数据的接收处的纤芯选择。在这样的实施例中，该方法可以包括根据接收纤芯选择标准在多个、N_c个纤芯中选择一组N_RX,sel个接收纤芯，使用该N_RX,sel个接收纤芯来接收和解码承载在光传输系统中传播的数据的光信号。

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。