(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
−光学的処理システムの第１の端部のマルチモードファイバへのインターフェースと、
−インターフェースに結合されたＭ個の第１の単一モード導波路（５０５）であって、Ｍ＞２であり、第１の導波路は、それぞれＭ個の第１の光信号を搬送するように配置され、Ｍ個の第１の単一モード導波路（５０５）のそれぞれは、基本モードでそれぞれの第１の光信号を搬送する、Ｍ個の第１の単一モード導波路（５０５）と、
−光学的処理システムの第２の端部のＮ個の第２の単一モード導波路（５０６）であって、Ｎ＞１であり、第２の導波路は、それぞれＮ個の第２の光信号を搬送するように配置され、Ｎ個の第２の単一モード導波路（５０６）のそれぞれは、基本モードでそれぞれの第２の光信号を搬送し、Ｎ個の第２の光信号は、それぞれ、マルチモードファイバによって搬送されるＮ個のモードに関連する、Ｎ個の第２の単一モード導波路（５０６）と、
−第２の光信号の間の相関が第１の光信号の間の相関と比較して減らされるように、第１の光信号を第２の光信号に変換する光学的処理コア（５０３、５０４）であって、光学的処理コア（５０３、５０４）は、順番に複数の光学的処理ステージを含み、それぞれの光学的処理ステージが単一モード導波路の１つまたは複数の対をそれぞれ処理するために配置された１つまたは複数の光カプラを含み、これによって、Ｎ個の第２の光信号のうちの少なくとも１つが、Ｍ個の第１の光信号の一部またはすべての線形結合になるように、Ｍ個の第１の光信号の一部またはすべてをお互いに結合する、光学的処理コア（５０３、５０４）と
を含む、光学的処理システム（５００、５２０、６００、１０４０、１１０１、１４０３、１５０３、１７０２）。
【請求項２】
複数の光学的処理ステージのうちの光学的処理ステージは、複数の単一モードステージ導波路によって形成され、複数のステージ導波路は、光学的処理ステージの第１の端部でＭ個の第１の導波路のうちの少なくとも３つにおよび光学的処理ステージの第２の端部でＮ個の第２の導波路のうちの少なくとも１つに結合され、１つまたは複数のカプラは、カプラの第２の端部で複数のステージ導波路のうちの２つの上の２つの結合された光信号を提供するために、回転値θを使用してカプラの第１の端部で複数のステージ導波路のうちの２つの上の２つの入力光信号を混合するように配置される、請求項１に記載の光学的処理システム。
【請求項３】
２つの入力光信号および２つの結合された光信号が、デカルト座標系のｘ軸およびｙ軸を形成すると考えられる場合に、１つまたは複数の光カプラは、２つの結合された光信号を作るために回転値θだけ２つの入力光信号の回転を実行するように配置される、請求項２に記載の光学的処理システム。
【請求項４】
第１の光学的処理ステージは、位相値φだけ複数のステージ導波路のうちの１つの上の光信号の位相をシフトするように配置された複数のステージ導波路のうちの１つの上の移相器を含む、請求項２に記載の光学的処理システム。
【請求項５】
−Ｎ＞２であり、
−光学的処理コアは、Ｎ−１個の光学的処理ステージを含み、
−各光学的処理ステージは、Ｍ／２個以下のカプラを含む
請求項１から４のいずれかに記載の光学的処理システム。
【請求項６】
−Ｍは、Ｎ以上であり、および／または
−Ｎは、３または４または５または６または７または８または９または１０より大きい
請求項１に記載の光学的処理システム。
【請求項７】
−Ｍ個の第１の光信号は、それぞれ、マルチモードファイバの端面上のＭ個の異なる空間的位置での光学場分布の対応するＭ個のサンプルに関連し、
−Ｎ個の第２の光信号は、マルチモードファイバによって搬送されるＮ個のモードを表す
請求項１に記載の光学的処理システム。
【請求項８】
Ｍ個のサンプルが、マルチモードファイバによって搬送されるＮ個の空間モードのうちの単一の１つの光学場分布に関連するという条件の下で、光学的処理コアは、
−Ｍ個の第１の光信号をＮ個の第２の光信号のうちの単一の１つに組み合わせ、および／または
−Ｎ個の第２の光信号のうちの単一の１つからＭ個の第１の光信号を生成する
ように配置される、請求項７に記載の光学的処理システム。
【請求項９】
Ｎ個の空間モードの単一の１つごとに、光学的処理コアは、
−Ｍ個の第１の光信号をＮ個の第２の光信号の異なる単一の１つに組み合わせ、および／または
−Ｎ個の第２の光信号の異なる単一の１つからＭ個の第１の光信号を生成する
ように配置される、請求項８に記載の光学的処理システム。
【請求項１０】
光学的処理コアの１つもしくは複数のパラメータと呼ばれる、１つもしくは複数の移相器の１つもしくは複数の位相値φおよび／または１つもしくは複数のカプラの１つもしくは複数の回転値θは、調整可能である、請求項４のいずれかに記載の光学的処理システム。
【請求項１１】
光学的処理コアの１つまたは複数のパラメータを決定するように配置された制御ユニット（１７０３）をさらに含み、１つまたは複数のパラメータは、Ｎ個の第２の光信号に基づいて決定される、請求項１０に記載の光学的処理システム。
【請求項１２】
−Ｎ個の第２の光信号は、マルチモードファイバのＮ個のモードによって提供される通信チャネルを介して送信されるトレーニングシーケンスに関連し、
−制御ユニット（１７０３）は、トレーニングシーケンスおよびＮ個の第２の光信号に基づいて１つまたは複数のパラメータを決定するように配置される
請求項１１に記載の光学的処理システム。
【請求項１３】
−Ｍは、対であり、
−Ｍ／２個の偏光多重化された信号からＭ個の第１の光信号をおよび／またはその逆を生成するように配置されたＭ／２個の偏光ビームスプリッタをさらに含む
請求項１に記載の光学的処理システム。
【請求項１４】
マルチモードファイバのＮ個の空間モードを介して送信されたＮ個の光信号を受信するように配置された光受信器（１７００）であって、Ｎ＞１であり、光受信器（１７００）は、
−Ｎ個の第２の光信号を提供するためにＭ個の第１の光信号を処理するように配置された請求項１１に記載の光学的処理システム（１７０２、１７０３）であって、処理は、光学的処理システム内に含まれる１つまたは複数の移相器および／またはカプラの１つまたは複数のパラメータに従って実行され、光学的処理システムのインターフェースは、マルチモードファイバからＭ個の単一モード導波路へＭ個の第１の光信号を抽出するように配置されたマルチモードファイバカプラ（１７０１）を含み、Ｍ≧Ｎである、光学的処理システム（１７０２、１７０３）と、
−Ｎ個の第２の光信号をＮ個の対応する受信された信号に変換するように配置されたＮ個の光電変換器（１４０４）であって、１つまたは複数のパラメータは、Ｎ個の受信された信号に基づいて決定される、Ｎ個の光電変換器（１４０４）と
を含む、光受信器（１７００）。
【請求項１５】
Ｎ個の第２の単一モード導波路からのＮ個の第２の光信号をマルチモードファイバのＮ個の空間モードに、および／またはその逆に結合するように配置された光空間モードマルチプレクサ／デマルチプレクサであって、Ｎ＞１であり、
−Ｎ個の第２の光信号からＭ個の第１の光信号をおよび／またはその逆を生成するように配置された請求項７に記載の光学的処理システムであって、光学的処理システムのインターフェースは、Ｍ個の第１の単一モード導波路内で搬送されるＭ個の第１の光信号からマルチモードファイバの端面のＭ個の異なる空間的位置で光学場分布のＭ個のサンプルをおよび／またはその逆を生成するように配置された空間サンプラ（３０２、１１０２）を含み、Ｍ＞２である、光学的処理システム
を含む、光空間モードマルチプレクサ／デマルチプレクサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本文書は、光通信システムに関する。詳細には、本文書は、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）におけるｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｉｎｐｕｔ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｏｕｔｐｕｔ（ＭＩＭＯ）処理用の光信号プロセッサに関する。
【背景技術】
【０００２】
マルチモードファイバ（ＭＭＦ）に移ることと、ＭＭＦの異なる空間モード（およびおそらくは異なる偏光モード）を介して異なるデータチャネルをトランスポートすることとによって（所与のスペクトル内で）光ファイバを介してトランスポートされる容量（ビット毎秒）を増やす、多ギガビット毎秒光伝送システムが提案されてきた。言い替えると、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）上のモード分割多重化（ＭＤＭ）が、標準的な単一モードファイバ（ＳＭＦ）の容量制限を克服するためのオプションの１つとして調査されている。
【０００３】
ＭＭＦ上のＭＤＭを使用可能にするために、光ＭＭＦ増幅器および空間モードマルチプレクサ／デマルチプレクサ（ＳＭ  ＤＥ／ＭＵＸ）ならびにＭＩＭＯプロセッサなどの光伝送システムのさまざまなサブシステムが、提供されなければならない。本文書は、ＭＭＦ通信システム上の光ＭＤＭの要求されるサブシステムの一部またはすべてを実現するために効率的な光信号プロセッサを提供するのに使用できるさまざまなアーキテクチャを説明するものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｃ．Ｒ．ＤｏｅｒｒおよびＴ．Ｆ．Ｔａｕｎａｙ、「Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｃｏｒｅ−，Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−，ａｎｄ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｒｅｃｅｉｖｅｒ」、ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ、ＶＯＬ．２３、ＮＯ．９、２０１１年５月１日、５９７頁
【非特許文献２】Ｄａｖｉｄ  Ｂ．Ｍｏｒｔｉｍｏｒｅ、「Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ４  Ｘ  ４  ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ  ｆｕｓｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒ  ｃｏｕｐｌｅｒｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．９、Ｎｏ．３、１９９０年１月２０日、３７１−３７４頁
【非特許文献３】Ｈ．Ｂｕｅｌｏｗ他、「Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ−Ｆｉｂｅｒ  ＭＩＭＯ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｗｉｔｈ  Ｓｐａｔｉａｌ  Ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＥＣＯＣ、Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（２０１１年）
【非特許文献４】Ａ．Ｔａｒｉｇｈａｔ他、「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ａｎｄ  Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ  Ｌｉｎｋｓ」、ＩＥＥＥ  Ｃｏｍｍｕｎ．Ｍａｇ．、２００７年５月、１−８頁
【非特許文献５】Ｎｏｏｒｄｅｇｒａａｆ他、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１７、Ｉｓｓｕｅ  ３、１９８８−１９９４頁、２００９年
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様によれば、光学的処理システム、たとえば、光ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｉｎｐｕｔ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｏｕｔｐｕｔ（ＭＩＭＯ）処理システムを説明する。光学的処理システムは、複数の光（空間および／または偏光）モードを搬送するように構成されたマルチモードファイバに関連して使用されてもよい。このために、光学的処理システムは、光学的処理システムの第１の端部のマルチモードファイバへのインターフェースを含むことができる。さらに、光学的処理システムは、光学的処理システムの第１の端部のＭ個の第１の単一モード導波路を含むことができ、Ｍ＞２である（たとえば、Ｍ＞３または４または５または６または７または８または９）。Ｍ個の第１の導波路は、マルチモードファイバへのインターフェースに結合されてもよい。第１の導波路は、それぞれＭ個の第１の光信号を搬送するように構成される。さらに、光学的処理システムは、光学的処理システムの第２の端部のＮ個の第２の単一モード導波路を含み、Ｎ＞１である（たとえば、Ｎ＞２または３または４または５または６または７または８または９）。第２の導波路は、それぞれＮ個の第２の光信号を搬送するように構成され、Ｎ個の第２の光信号は、マルチモードファイバによって搬送されるＮ個の（空間および／または偏光）モードに関連する。Ｍは、Ｎ以上とすることができる。
【０００６】
さらに、光学的処理システムは、第１の光信号を第２の光信号に変換するように構成された光学的処理コアを含む。このために、光学的処理コアは、光学的処理コア内で１つまたは複数の導波路によって搬送される光信号を操作するように構成された複数の光学的処理コンポーネント（光学的処理ユニットとも呼ばれる）を含むことができる。具体的には、光学的処理コアは、Ｎ個の第２の光信号の少なくとも１つ（たとえばすべて）がＭ個の第１の光信号のうちの一部またはすべてからの寄与を含む、たとえばＮ個の第２の光信号の少なくとも１つまたはすべてがＭ個の第１の光信号のすべての線形結合になるように、Ｍ個の第１の光信号の一部またはすべて（たとえば、それぞれ）をお互いに結合する複数の光カプラを含むことができる。このために、光カプラは、２つの光導波路によってトラバースされてもよく、光カプラは、２つの光導波路の間の結合の度合を定義する回転値θを使用することができる。光学的処理コアは、伝達行列を実施するのに十分な光カプラを含むことができる。
【０００７】
全体的に、光学的処理コアは、たとえば伝達行列Ｈを使用して、Ｍ個の第１の光信号の間の相関と比較して、Ｎ個の第２の光信号の間の相関を減らすように構成され、または既に設計されているものとすることができる。相関は、タイムラインに沿った少なくとも２つの光信号の間の相関に関するものとすることができる。Ｍ個の第１の光信号およびＮ個の第２の光信号は、それぞれＭ個の第１のディジタル信号およびＮ個の第２のディジタル信号として表現可能であり得る。変換行列Ｈすなわち光学的処理コアは、Ｎ個の第２のディジタル信号のすべての対の間の相関が、Ｍ個の第１のディジタル信号のすべての対の間の相関より少なくなることを保証することができる。この文脈では、相関は、所定の時間期間にわたる２つのディジタル信号の乗算されたサンプルの（移動）平均として決定されてもよい。
【０００８】
光学的処理コアは、１つまたは複数の光学的処理ステージを含むことができる。１つまたは複数の光学的処理ステージは、複数の単一モードステージ導波路によってトラバースされる。複数のステージ導波路は、光学的処理ステージの第１の端部でＭ個の第１の導波路のうちの少なくとも３つに結合される。好ましい実施形態では、複数のステージ導波路は、光学的処理ステージの第１の端部でＭ個の第１の導波路のすべてに（間接的に）結合される。これは、光学的処理ステージが、Ｍ個の第１の光信号のすべてから導出される１つまたは複数の光信号を処理できることを意味する。
【０００９】
さらに、複数のステージ導波路は、光学的処理ステージの第２の端部でＮ個の第２の導波路のうちの少なくとも１つに結合される。これは、光学的処理ステージが、Ｎ個の第２の光信号のうちの少なくとも１つに寄与する光信号を提供することを意味する。
【００１０】
光学的処理ステージは、移相器および光カプラのうちの１つまたは複数を含むことができる。移相器は、通常、複数のステージ導波路のうちの少なくとも１つに適用され、移相器は、位相値φ（本文書ではΦとも呼ばれる）によって複数のステージ導波路のうちの１つの上の光信号の位相をシフトするように構成される。光カプラは、通常は複数のステージ導波路のうちの２つに適用される。光カプラは、カプラの第２の端部で複数のステージ導波路のうちの２つの上の２つの結合された光信号を提供するために、回転値θを使用してカプラの第１の端部で複数のステージ導波路のうちの２つの上の２つの入力光信号を混合するように構成される。光カプラの機能は、２つの入力光信号および２つの結合された光信号が、デカルト座標系のｘ軸およびｙ軸を形成すると考えられる場合に、光カプラは、２つの結合された光信号を作るために回転値θによる２つの入力光信号の回転を実行するように構成されると説明することができる。
【００１１】
一実施形態では、処理ステージは、ステージ導波路の１つまたは複数の異なる対（ステージ導波路のそれぞれは、多くとも１つの対に含まれる）を処理する１つまたは複数の光カプラを含む。光学的処理コアは、Ｍ個の第１の光信号のすべてがＮ個の第２の光信号のそれぞれに寄与できることを保証するために、順番の処理ステージのシーケンスを含むことができ、第１の光学的処理ステージの第２の端部の複数のステージ導波路は、入れ換えられた形で第２の光学的処理ステージの第１の端部の複数のステージ導波路に結合される。したがって、ステージ導波路の異なる対が、第１の処理ステージではなく第２の処理ステージ内の光カプラによって処理されてもよい。Ｎ＞２について、光学的処理コアがＮ−１個以下の処理ステージを含む場合に、Ｍ個の第１の光信号のそれぞれが、Ｎ個の第２の光信号のそれぞれに寄与できることを示すことができる。しかし、一般に、Ｎ−１個を超えるステージによってこれを実現することもできる。各処理ステージは、Ｍ／２個以下のカプラを含むことができる。
【００１２】
Ｍ個の第１の光信号は、マルチモードファイバの端面上のＭ個の異なる空間的位置での光学場分布の対応するＭ個のサンプルに関連することができる。言い替えると、Ｍ個の第１の光信号は、マルチモードファイバの端面のＭ個の異なる位置で光学場分布をサンプリングすることによって入手され得る。Ｍ個の異なる位置は、通常、サンプリングされるＮ個の空間モードの対称性に依存して選択される。具体的には、Ｍ個の異なる位置は、通常、Ｍ個の空間サンプルを使用してマルチモードファイバのＮ個の空間モードの間の区別を可能にするように選択される。言い替えると、Ｍ個の異なる位置は、Ｎ個の異なる空間モードの場の分布がＭ個の空間サンプルの異なるセットにつながるように選択されなければならない。
【００１３】
光学的処理コアの伝達行列Ｈは、Ｎ個の第２の光信号がマルチモードファイバによって搬送されるＮ個のモードを表すように設計されてもよい。言い替えると、伝達行列Ｈは、Ｍ個の空間サンプルがＮ個のモードに変換されるように設計されてもよい。
【００１４】
たとえば、これは、Ｍ個のサンプルが、マルチモードファイバによって搬送されるＮ個の空間モードのうちの単一の１つの光学場分布に関連するという条件の下で、光学的処理コアが、Ｍ個の第１の光信号をＮ個の第２の光信号のうちの単一の１つに組み合わせるように構成されるように光学的処理コアを選択することによって達成され得る。光システムの可逆性を考慮すると、逆の条件も通常はあてはまる、すなわち、Ｍ個のサンプルが、マルチモードファイバによって搬送されるＮ個の空間モードのうちの単一の１つの光学場分布に関連するという条件の下で、光学的処理コアは、Ｎ個の第２の光信号のうちの単一の１つからＭ個の第１の光信号を生成するように構成される。
【００１５】
したがって、光学的処理システムは、マルチモードファイバのＮ個のモードのうちの１つのサンプリングされた場のエネルギが、Ｎ個の第２の導波路のうちの正確に１つに集中される形で、Ｍ個の第１の導波路とＮ個の第２の導波路とを連結することができる。この条件は、Ｎ個のモードのすべておよびＮ個の第２の導波路のすべてについて満たされてもよい。すなわち、Ｎ個の空間モードの各単一の１つについて、光学的処理コアは、Ｍ個の第１の光信号をＮ個の第２の光信号の異なる単一の１つに組み合わせ、かつ／または逆に、Ｎ個の第２の光信号の異なる単一の１つからＭ個の第１の光信号を生成するように構成されてもよい。
【００１６】
その結果、光（空間）モードマルチプレクサ／デマルチプレクサについて説明され得る。モードマルチプレクサ／デマルチプレクサは、Ｎ個の第２の単一モード導波路からのＮ個の第２の光信号をマルチモードファイバのＮ個の空間モードに、および／またはその逆に結合するように構成され、Ｎ＞１である。このために、空間モードマルチプレクサ／デマルチプレクサは、たとえば光学的処理システムのインターフェースの形で、Ｍ個の第１の単一モード導波路内で搬送されるＭ個の第１の光信号からマルチモードファイバの端面のＭ個の異なる空間的位置で光学場分布のＭ個のサンプルを（Ｍ＞２）を生成する（マルチプレクサ）および／またはその逆を生成する（デマルチプレクサ）ように構成された空間サンプラを含むことができる。さらに、モードマルチプレクサ／デマルチプレクサは、本文書で説明される光学的処理システムを含むことができる。光学的処理システムは、Ｎ個の第２の光信号からＭ個の第１の光信号を生成する（マルチプレクサ）および／またはその逆を生成する（デマルチプレクサ）ように構成される。
【００１７】
光学的処理コアの１つもしくは複数のパラメータと呼ばれる、１つもしくは複数の移相器の１つもしくは複数の位相値φおよび／または１つもしくは複数のカプラの１つもしくは複数の回転値θは、調整可能とすることができる。この場合に、光学的処理システムは、適応光信号処理（たとえば、チャネル等化）に使用されてもよい。たとえば、光学的処理システムは、光学的処理コアの１つまたは複数のパラメータを決定するように構成された制御ユニットを含むことができる。１つまたは複数のパラメータは、Ｎ個の第２の光信号に基づいて決定され得る。具体的には、１つまたは複数のパラメータは、Ｎ個の第２の光信号の知られているまたは所望の特性（または性質）（たとえば、Ｎ個の第２の光信号の間の無相関性）に基づいて決定されてもよい。たとえば、Ｎ個の第２の光信号を、マルチモードファイバのＮ個のモードによって提供される通信チャネルを介して送信されるトレーニングシーケンスに関連付けることができる。その場合に、制御ユニットは、トレーニングシーケンスおよびＮ個の第２の光信号に基づいて１つまたは複数のパラメータを決定するように構成され得る。
【００１８】
したがって、マルチモードファイバのＮ個の空間モードを介して送信されたＮ個の光信号を受信するように構成された光受信器であって、Ｎ＞１である、光受信器について説明され得る。光受信器は、たとえば、光学的処理システムのインターフェースの形で、マルチモードファイバからＭ個の単一モード導波路にＭ個の第１の光信号を抽出するように構成されたマルチモード光ファイバカプラ（Ｍ≧Ｎ）を含むことができる。そのようなマルチモードファイバカプラの例は、たとえば、結合された導波路構造である。さらに、光受信器は、本文書で説明される光学的処理システムを含む。光学的処理システムは、Ｎ個の第２の光信号を提供するためにＭ個の第１の光信号を処理するように構成される。この処理は、光学的処理システム内に含まれる１つまたは複数の移相器および／またはカプラの１つまたは複数のパラメータに従って実行される。さらに、光受信器は、Ｎ個の第２の光信号をＮ個の対応する受信された（電気またはディジタル）信号に変換するように構成されたＮ個の光電変換器を含むことができる。光学的処理システムの１つまたは複数のパラメータは、Ｎ個の受信された信号に基づいて決定され得る。
【００１９】
光学的処理システムは、偏波多重化と互換にされてもよく、すなわち、光学的処理システムは、空間モードだけではなく、偏光モードをも扱うことができることに留意されたい。このために、光学的処理システムは、Ｍ／２個の偏光多重化された信号からＭ個の第１の光信号を生成し、かつ／またはその逆を行う（その場合に、Ｍは通常は対である）ように構成されたＭ／２個の偏光ビームスプリッタをさらに含むことができる。
【００２０】
本文書で概要を示される好ましい実施形態を含む方法およびシステムを、単独でまたは本文書で開示される他の方法およびシステムと組み合わせて使用できることに留意されたい。さらに、本文書で概要を示される方法およびシステムのすべての態様を、任意に組み合わせることができる。具体的には、特許請求の範囲の特徴を、任意の形でお互いと組み合わせることができる。
【００２１】
本発明を、下で添付図面を参照して例示的な形で説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】モード変換器を使用するモードスプリッタ／コンバイナ配置例を示すブロック図である。
【図２】結合された導波路構造を使用するモードスプリッタ／コンバイナ配置例を示す概略図である。
【図３ａ】突き合わせ結合（ｂｕｔｔ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を使用する空間サンプラ例を示す図である。
【図３ｂ】突き合わせ結合を使用する空間サンプラ例を示す図である。
【図４】複数の格子を使用する空間サンプラ例を示す図である。
【図５】光信号処理を含む全域通過フィルタ例を示す図である。
【図６】光信号処理を利用するもう１つの全域通過フィルタ例を示す図である。
【図７ａ】光信号処理ユニット例を示す図である。
【図７ｂ】光信号処理ユニット例を示す図である。
【図８】偏光多重化された光信号のモードスプリッタ／コンバイナ例を示すブロック図である。
【図９】偏光多重化された光信号のもう１つのモードスプリッタ／コンバイナ例を示すブロック図である。
【図１０】複数の光モードのさまざまな空間サンプルの光パワーを対応する複数の単一モード導波路に集中し、その逆を行うように構成されたもう１つの全域通過フィルタ例を示す図である。
【図１１ａ】例の光全域通過フィルタおよび異なる空間サンプラ例を含む例のモードスプリッタ／コンバイナを示す図である。
【図１１ｂ】光全域通過フィルタ例および空間サンプラの異なる例を含むモードスプリッタ／コンバイナ例を示す図である。
【図１２】空間モードアドドロップマルチプレクサ（ａｄｄ−ｄｒｏｐ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）例を示すブロック図である。
【図１３】マルチモード伝送用の光伝送システム例を示す概略図である。
【図１４】光チャネル等化に使用される光全域通過フィルタ例を示す図である。
【図１５】光チャネル等化に使用されるもう１つの光全域通過フィルタ例を示す図である。
【図１６】融着ファイバカプラ（ｆｕｓｅｄ  ｆｉｂｅｒ  ｃｏｕｐｌｅｒ）例を示す図である。
【図１７】チャネル等化用の適応光全域通過フィルタを含む光受信器例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
導入セクションで概要を示したように、モードスプリッタ（および逆にモードコンバイナ）は、空間分割多重化（ＳＤＭ）（またはモード分割多重化）に基づくＭＭＦ伝送を実現するために重要なコンポーネントである。
【００２４】
モードスプリッタ／コンバイナは、ＭＭＦ伝送ファイバの送信側および受信側に配置され、マルチモード送信器の異なるピグテールをＭＭＦの異なるＭＭＦモード場（ＬＰモード）に多重化し、あるいは、異なるＭＭＦモード場（ＬＰモード）を受信器の異なるピグテールに多重分離する。
【００２５】
現在使用されているモードスプリッタ／コンバイナは、通常、出力のそれぞれにあるマルチモードパワーディバイダおよび異なるモード変換器（位相ホログラム）に基づく。バルク光パワーディバイダおよびモード変換器を含むモードスプリッタ／コンバイナ１００の例を、図１に示す。モードスプリッタ／コンバイナ１００は、２つのＳＭＦモード（ＬＰ０１）を、それぞれＭＭＦモードＬＰ１１ａおよびＬＰ１１ｂに多重化する。そのようなモードスプリッタ／コンバイナの欠点は、パワーディバイダの使用に起因する比較的多い損失（１／Ｎ）および比較的高コストのバルク光実現である。
【００２６】
モードスプリッタ／コンバイナ２００の代替実現は、断熱変化する屈折率分布を有する結合された導波路構造（たとえば、フォトニック結晶ファイバ）に基づく（図２を参照されたい）。導波路構造２００は、ＭＭＦのＬＰ（直線偏光）モードをＳＭＦ出力ピグテールの基本モードに変換する４つの結合された単一モード導波路によって形成される。モードスプリッタ／コンバイナ２００は、原理的には無損失であるが、複雑な導波路構造の実現は、高コストになる可能性がある。さらに、より大きいモード数（Ｎ）へのモードスプリッタ／コンバイナ２００のスケーラビリティは、挑戦的課題になる可能性がある。
【００２７】
本文書では、光信号処理を利用するモードスプリッタ／モードコンバイナアーキテクチャを説明する。説明されるモードスプリッタ／コンバイナは、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）、たとえばシリコンＰＩＣを使用するコスト効率のよい実現を可能にする。さらに、説明されるモードスプリッタ／コンバイナは、相対的に少ない電力消費を示す。さらに、説明されるモードスプリッタ／コンバイナは、モードのより大きいモード数Ｎまでスケーラブルである。
【００２８】
モードスプリッタ（モードコンバイナ）は、ＭＭＦ場の異なる区域を光学的に空間サンプリングすることによって、すなわち、ＭＭＦの端面の異なる区域をサンプリングすることによって、実現されてもよい。ＭＭＦ場の異なる区域のサンプリングは、複数のパッチＰ１，…，ＰＭを使用して実施することができ、Ｍは、パッチの総数である。いわゆるパッチは、１区域内の光学場を収集し、これを単一モード導波路または単一モードファイバの場に変換する。ある区域の光を、単一モード導波路またはそのマルチモード部分の基本モードがファイバの基本モード（図３の導波路チューブを参照されたい）に断熱変換される導波路テーパーの基本モードに集中させるレンズまたはレンズ系で実現し得る。通常、パッチの個数Ｍは、ＭＭＦ内で搬送されるモードの個数Ｎに基づいて選択される。Ｎ個のモードの分離（または結合）を可能にするために、Ｍは、Ｎ以上でなければならない。図３ａ、ｂおよび４に、空間サンプラ３００、４００の例を示す。図３ａおよびｂの空間サンプラ３００は、ＭＭＦ  ３０１の端面の４つの異なる位置または区域で光をサンプリングし、これによってＭ＝４のパッチＰ１，…，Ｐ４を提供するＭ＝４のＳＭＦ  ３０２を含む。図４の空間サンプラ４００は、垂直格子カプラ４０２を有するシリコンフォトニック集積回路（ＰＩＣ）を使用してＭ＝７のパッチを提供する。異なる応用例に関する図４の技術プラットフォームの実例による説明は、引用により組み込まれているＣ．Ｒ．ＤｏｅｒｒおよびＴ．Ｆ．Ｔａｕｎａｙ、「Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｃｏｒｅ−，Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−，ａｎｄ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｒｅｃｅｉｖｅｒ」、ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ、ＶＯＬ．２３、ＮＯ．９、２０１１年５月１日、５９７頁に見出すことができる。
【００２９】
空間サンプラ３００、４００は、ＭＭＦ場のＭ個のパッチまたはサンプルを提供し、Ｎ個のモードを分離するために、Ｍ個の空間サンプルにさらなる光学的処理を適用することが提案される。さらなる処理が、伝達関数Ｈを有するＭＩＭＯフィルタを提供する単一モード導波路フィルタ構造で実行されてもよい。
【００３０】
受信器での光信号の偏光が、通常、多くの応用例で知られていないので、偏波ダイバーシティ動作でさらなる処理を実行することが有益である可能性がある。この場合に、空間サンプラ３００は、図３ｂに示されているように、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３０３を含むことができる。ＰＢＳ  ３０３は、ｍ＝１，…，Ｍ個の空間サンプルのそれぞれについて、２つの空間サンプルＰｍｘおよびＰｍｙを提供する。その後、別々のＭＩＭＯフィルタ（ＨｘおよびＨｙ）が、ＸおよびＹの偏光を個別に処理することができる。
【００３１】
したがって、ＭＭＦ信号の異なる区域の光を、空間サンプラ３００、４００のＭ個のパッチ３０２、４０２によって取り込むことができる。空間サンプラ３００、４００は、空間サンプリングされた光を、Ｍ個の単一モード導波路（またはファイバ）の基本モードに変換することができる。パッチの光すなわち、Ｍ個の単一モード導波路の光は、光ＭＩＭＯフィルタ（ＮｘＭ伝達行列Ｈを提供する）内で処理される。Ｎ個のＬＰモードの、ｉ＝０１、１１ａ、１１ｂなどである信号ＡＬＰｉは、分離され、光ＭＩＭＯフィルタの出力のＮ個の単一モード出力導波路に現れる。
【００３２】
それぞれＸおよびＹの偏光に関する光ＭＩＭＯフィルタ５００、５２０の例を、図５に示す。Ｍ＝４の空間サンプル５０１が、空間サンプラ３００、４００からそれぞれのＭ個の単一モード入力導波路５０５を介して光ＭＩＭＯフィルタ５００、５２０に入る。光ＭＩＭＯフィルタ５００、５２０は、Ｍ個の単一モード入力導波路５０５のうちの１つまたは複数の光信号を変更するように構成された複数の光学的処理ユニット５０３、５０４を含む。光学的処理ユニット５０３、５０４の例は、調整可能な移相器５０３（位相パラメータφ）および調整可能なカプラ５０４（回転パラメータθ）である。光ＭＩＭＯフィルタ５００、５２０の出力では、ＭＭＦ  ３０１内で搬送されるＮ個のＬＰモードの、ｉ＝０１、１１ａ、１１ｂなどであるＮ＝３個の光信号ＡＬＰｉが、Ｎ個の単一モード出力導波路５０６内で供給される。たとえば、パッチ信号５０１  Ｐ１ｘ、Ｐ２ｘ、Ｐ３ｘ、Ｐ４ｘが、Ｎ個の単一モード出力導波路５０６がＭＭＦ  ３０１内で搬送されるＮ個のＬＰモードの、ｉ＝０１、１１ａ、１１ｂなどである光信号ＡＬＰｉを搬送するように、光学的に処理される。同様の処理が、Ｙ偏光について実行されてもよい。
【００３３】
光学的処理ユニット５０３、５０４のパラメータは、ＭＭＦによって搬送される空間モードに関する理論的考慮事項に基づいて設計されてもよい。この概要が、下でさらに詳細に示される。その代わりにまたはそれに加えて、光学的処理ユニット５０３、５０４のパラメータは、初期トレーニングフェーズの文脈で調整され得る。そのようなトレーニングフェーズ中に、知られている光信号を、光伝送経路全体を介して伝送することができ、光学的処理ユニット５０３、５０４のパラメータを、受信器（光ＭＩＭＯフィルタ５００、５２０の下流）での誤り基準またはひずみ基準が最小にされるように適合させることができる。その代わりにまたはそれに加えて、パラメータを、光伝送経路全体の変化に連続的に適合させる（たとえば、適当な誤り基準またはひずみ基準に関連する定数剰余アルゴリズム（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｍｏｄｕｌｏ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ、ＣＭＡ）を使用して）ことができる。
【００３４】
理論的な観点から、諸実施形態では、光ＭＩＭＯフィルタ５００、５２０と組み合わされた空間サンプラ３００、４００の使用は、次の態様に頼る。空間サンプラ３００、４００は、その出力（すなわち、図３ｂのＰＢＳ  ３０３の入力）で基本（ＬＰ０１）モードを提供する。増加するパッチ数Ｍに伴って、結合されたパッチ導波路のＭ個の固有ベクトルの最小のＮ個は、ＭＭＦのＮ個の空間モードに収束する。言い替えると、ファイバの各ＬＰモードは、支配的に、結合されたパッチの対応するモードにのみ結合する。さらに、ＭＩＭＯフィルタＨ（ＨｘおよびＨｙ）５００、５２０は、Ｍ個の入力を有するが出力の（等しいまたは減らされた）個数Ｎを有するＭＩＭＯ全域通過である。フィルタＨ（ＨｘおよびＨｙ）５００、５２０は、その空間的にサンプリングされた光信号がＭ個のパッチ導波路５０５内で搬送されるＭＭＦのＮ個のモードの各モードを出力導波路５０６のうちの特定の１つに変換するように（「内部的に」）構成される。しかし、ＭＭＦのＬＰモードと同一のモードプロファイルを有するモードだけが、パッチで励起されるので、Ｎ個の出力だけが使用される。さらに、内部伝達行列Ｈは、Ｋ個の伝達関数Ｔｉ、ｉ＝１…Ｌ（図５ではＬ＝３）によって記述されるＫ個の処理ステージ５０７のカスケードによって形成されるユニタリ（無損失）回転行列である。Ｌ個の伝達ステージ５０７のそれぞれは、パワーまたは位相を分散させることによって回転を実行する。このために、伝達ステージ５０７は、１つまたは複数の光学的処理ユニット５０３、５０４を含む。上で示したように、光学的処理ユニット５０３、５０４は、分数（パワー）結合比（ｔａｎ（θ））２を有するカプラ５０４または位相φの位相シフトを施す移相器５０３とすることができる。全ＭＩＭＯフィルタ伝達関数Ｈは、Ｌ個のステージの伝達関数をカスケードすることによって入手される、すなわち、Ｈ＝ＴＬ  ＴＬ−１  ＴＬ−２…Ｔ１である。カスケードされたステージ５０７の個数Ｌは、要求されるユニタリ変換を実行するのに十分でなければならず、通常は数値的に決定され得る。処理ユニットの微調整（たとえば、熱光学移相器を使用する）は、限られた個数のパッチへおよびＮ個の出力ポート５０６の間の最大消衰への調節を可能にすることができる。
【００３５】
次では、本文書で説明される空間モードマルチプレクサ（または、逆に空間モードデマルチプレクサ）を、さらに詳細に分析する。空間モードマルチプレクサ（ＳＭＭｕｘ）の基本的な機能性は、その振幅が２Ｎ次元複素振幅ベクトル
【００３６】
【数１】
0005878985.tif 000002
にまとめられる２Ｎ個の単一偏光入力信号Ｃｈ１ｘ，Ｃｈ１ｙ，Ｃｈ２ｘ，Ｃｈ２ｙ，…，ＣｈＮｘ，ＣｈＮｙのセットを、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）の２Ｎ個のモードのモードセットに結合することである。２Ｎ個の単一モードおよび単一偏光信号の振幅ベクトルに類似して、ＭＭＦの２Ｎ個のモードの振幅を、振幅ベクトル
【００３７】
【数２】
0005878985.tif 000003
によって表すことができる。次では、ＭＭＦのモードセットが、弱導波ファイバのＬＰ（直線偏光）モードであると仮定する。この文脈では、各振幅ＺＣｈの下付きのｘおよびｙは、Ｎ個の空間ＬＰモードのそれぞれ（ＺＣｈ．．）が、それぞれ２つの直交偏光ｘおよびｙに存在することを示す。理想的なＳＭＭｕｘは、各入力信号を、損失なしで１つのみの専用のモードに結合する。これは、理想的なＳＭＭｕｘの伝達関数を、サイズ２Ｎの単位行列Ｉ２Ｎによって記述できることを意味する。それぞれＮ個の空間ＬＰモード（Ｘ偏光およびＹ偏光内の）のおよびＭＭＦの２Ｎ個のモードの振幅ベクトル
【００３８】
【数３】
0005878985.tif 000004
および
【００３９】
【数４】
0005878985.tif 000005
は、
【００４０】
【数５】
0005878985.tif 000006
によって結びついている。
【００４１】
以下では、ＭＭＦのモードが、ＭＭＦの断面（または端面）にまたがるＭ個の光パッチＰ１，…，ＰＭによって構成されるフェーズアレイ（ｐｈａｓｅ−ａｒｒａｙ）タイプの空間場シンセサイザ（ｓｐａｔｉａｌ  ｆｉｅｌｄ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ）によって励起されると仮定する。各パッチは、２つの直交偏光状態（ＳＯＰ）ｘおよびｙにある２つの入力信号の対（Ｂ１ｘ，Ｂ１ｙ），…，（ＢＭｘ，ＢＭｙ）を、各パッチの出力ファセットの励振場ｅ１，…，ｅＭに変換する。以下の分析では、ｅｉの場分布ｆｉ（ｉ＝１，…，Ｍ）は、パッチ出力のコア直径２ｒを有するＬＰ０１モードのガウス関数であると仮定する。各パッチは、ｘ偏光およびｙ偏光の成分ｅｉ＝（Ｂｉｘｆｉ，Ｂｉｙｆｉ）（ｉ＝１…Ｍ）を有するベクトル場ｅｉ＝（ｅｉｘ，ｅｉｙ）を生成する。便宜上、すべてのパッチへの入力信号を、励起振幅ベクトル
【００４２】
【数６】
0005878985.tif 000007
とまとめる。各パッチｉ＝１…Ｍは、突き合わせ結合積分ｄＺｊｉ，ｐｏｌ＝∫（ｅ＊ｉ，ｐｏｌ・ｅＬＰｊ，ｐｏｌ）ｄＡに従ってモードＬＰｊ，ｐｏｌのモード振幅ｄＺｊ，ｐｏｌを励起し、ここで、ｅｉ，ｐｏｌおよびｅＬＰｊ，ｐｏｌは、それぞれ、単位パワーを搬送するパッチおよびＭＭＦモードの正規化された複素場であり（ｉ＝１…Ｍ，ｊ＝１…Ｎ，およびｐｏｌ＝ｘ，ｙ）、ｄＡは、マルチモードファイバの端面の面積にわたる積分を示す。すべてのパッチによって形成される全体的な場は、ｅ＝Σｅｉである。場全体は、振幅Ｚｊ，ｐｏｌでＬＰｊ，ｐｏｌモードを励起し、
【００４３】
【数７】
0005878985.tif 000008
である。
【００４４】
パッチの励起振幅
【００４５】
【数８】
0005878985.tif 000009
とモード振幅
【００４６】
【数９】
0005878985.tif 000010
との間の伝達関数は、サイズ
【００４７】
【数１０】
0005878985.tif 000011
の結合行列Ｋによってまとめ得る。理想的なＳＭＭｕｘの設計について、課題は、入力振幅
【００４８】
【数１１】
0005878985.tif 000012
とモード振幅
【００４９】
【数１２】
0005878985.tif 000013
との間の全伝達行列が、低い損失および他のモードへの低い漏話を示すようになる、すなわち、Ｋ・ＨがＩ２Ｎを近似するようになる、２Ｎ次元振幅ベクトル
【００５０】
【数１３】
0005878985.tif 000014
によって表される送信器信号をパッチ入力信号
【００５１】
【数１４】
0005878985.tif 000015
に変換する伝達関数Ｈを有する受動処理システムに関する解を見つけることである。
【００５２】
パッチの個数Ｍの増加に伴って、全パッチ場は、ＬＰモード場ｅＬＰＮ，ｐｏｌをよりよく近似することができ、その結果として、結合損失ならびに他のモードへのクロスカップリングを、原理的には０まで減らすことができる。結合行列Ｋの各列を、ＭＭＦの断面にわたるＬＰモード場のサンプルのベクトルと考えることができるので、パッチの増加する個数Ｍは、結合行列Ｋの異なる列ベクトルＫｉ（ｉ＝１，…，２Ｎ）が、異なるＬＰモードを表し、したがって、異なるＫｉが、ますます直交になる、すなわち、Ｋｉ・（Ｋｊ）＊が、Ｍの増加に伴ってｉ≠ｊについて０に収束することを暗示する。
【００５３】
上記を考慮すると、適当なＳＭＭｕｘの設計は、２つの課題に分割される。第１のステップでは、振幅ＡＣｈ１ｘ，ＡＣｈ１ｙ，…，ＡＣｈＮｘ，ＡＣｈＮｙを有する２Ｎ個の信号すなわち２Ｎ個のベクトル（ＡＣｈ１ｘ，０，…，０，０）Ｔ，（０，ＡＣｈ１ｙ，…，０，０）Ｔ，（０，０，…，ＡＣｈＮｘ，０）Ｔ，（０，０，…，０，ＡＣｈＮｙ）Ｔを、伝達行列Ｈを使用して理論的には損失なしで２Ｎ個の直交ベクトル
【００５４】
【数１５】
0005878985.tif 000016
への変換を可能にする導波路構造が存在することが動機を与える。第２のステップでは、パッチ数Ｍとモード数Ｎとの間のトレードオフを、パッチの制限された個数Ｍを有する低漏話励振を可能にするパッチのある幾何学的配置をより詳細に調べることによって議論する。
【００５５】
以下では、３つの入力信号５０２を、それぞれ各入力信号についてｆｅｗ−ｍｏｄｅ  ＭＭＦのＮ＝３個の異なる空間ＬＰモード（ＬＰ０１，ＬＰ１１ａ，ＬＰ１１ｂ）を励起するフェーズドアレイパッチ刺激の３つの異なるセット
【００５６】
【数１６】
0005878985.tif 000017
に変換する、光ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｉｎｐｕｔ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｏｕｔｐｕｔ（ＭＩＭＯ）導波路フィルタ５００、５２０（伝達関数Ｈを有する）の例を説明する。しかし、便宜上、以下では、逆問題すなわち、３つのＬＰモードのＭ＝４個の空間サンプルの３つのセット
【００５７】
【数１７】
0005878985.tif 000018
を３つの異なる出力導波路５０６に変換するデマルチプレクサのＭＩＭＯフィルタ設計への解に対処する。受動光システムの相反性に起因して、デマルチプレクサ問題は、マルチプレクサ問題に対応する。図３ａの空間サンプラ３００を参照する。図３ａの左側に、３つモード場分布３１０  ｅＬＰ０１、ｅＬＰ１１ａ、およびｅＬＰ１１ｂが示されている。ＬＰ１１ａ場の左右の区域およびＬＰ１１ｂ場の上下区域は、それぞれ、正負の場振幅に対応する。粗い空間サンプリングが、４つのコリメータ３０２によって形成されるＭ＝４個のパッチＰ１…Ｐ４によって実行される。４つのコリメータ３０２は、ＭＭＦのＬＰモードによって励起されたそのＬＰ０１モードを４つの単一モード導波路に変換する。各パッチＰｉは、それぞれｘ偏光およびｙ偏光に関する複素振幅Ｂｉ，ｘおよびＢｉ，ｙの対を提供する。単純さのために、ｙ偏光を省略し、すべてのモードの偏光状態（ＳＯＰ）が、直線Ｘ偏光であると仮定する。したがって、空間サンプルを、Ｍ＝４個の複素要素を有する列ベクトル
【００５８】
【数１８】
0005878985.tif 000019
として書くことができる。
【００５９】
図６に示された多重分離フィルタ６００の例の設計は、少なくともモード場区域にわたる空間サンプリングの粒度が十分に微細である場合すなわち、Ｍが十分に大きい場合に、異なる直交ＬＰモードの空間サンプル
【００６０】
【数１９】
0005878985.tif 000020
が、やはり直交であるというアイデアにより導かれるものである。言い替えると、ＬＰ０１モードの第１の空間ベクトル
【００６１】
【数２０】
0005878985.tif 000021
は、ＬＰ１１ａモードの第２の空間ベクトル
【００６２】
【数２１】
0005878985.tif 000022
と直交でなければならず、ＬＰ１１ｂモードの第３の空間ベクトル
【００６３】
【数２２】
0005878985.tif 000023
と直交でなければならない。これは、図６では、３つのモードＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、およびＬＰ１１ｂの３つの空間ベクトル
【００６４】
【数２３】
0005878985.tif 000024
（それぞれ、符号６０１、６０２、および６０３）によって示される。理想的なデマルチプレクサについて、ＬＰモードごとに１つのみの出力ポート５０６（３つの出力信号Ａｉに対応する）を提供することを目標にする。これは、複素ベクトル
【００６５】
【数２４】
0005878985.tif 000025
として記述される３つのモードＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、およびＬＰ１１ｂの出力ベクトル
【００６６】
【数２５】
0005878985.tif 000026
が、３つのモードの振幅が単位振幅であると仮定される場合に、直交基底ベクトル、たとえば
【００６７】
【数２６】
0005878985.tif 000027
、
【００６８】
【数２７】
0005878985.tif 000028
、および
【００６９】
【数２８】
0005878985.tif 000029
であることを意味する。したがって、空間ベクトル
【００７０】
【数２９】
0005878985.tif 000030
を出力ベクトル
【００７１】
【数３０】
0005878985.tif 000031
と結びつける、すなわち、
【００７２】
【数３１】
0005878985.tif 000032
であるＭＩＭＯフィルタ６００の伝達関数Ｇ＝Ｈ−１は、空間ベクトルの直交性を維持しながら、空間入力ベクトル
【００７３】
【数３２】
0005878985.tif 000033
の複素回転を施すユニタリ行列である。これは、ＭＩＭＯフィルタＧ＝Ｈ−１を、光学的処理ユニット５０３、５０４によって提供される複素回転のシーケンスとして実現できることを意味する。
【００７４】
以下では、ユニタリ伝達特性を有するＭＩＭＯフィルタ導波路構造６００は、図７ａ、図７ｂに示されているように、角度θによって定義される結合比を有する実数値の２ｘ２カプラ７００を使用することによって導出される。図７ａに、実数値のカプラ７００を示す。実数値のカプラ７００は、伝達関数として実数値の回転行列Ｒ（θ）を有し、±π／２の光移相器７０１と（ｓｉｎθ）２／（ｃｏｓθ）２＝（ｔａｎθ）２のパワー結合比（ｐｏｗｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｒａｔｉｏ）を有する方向性カプラ７０２とからなるものとすることができる。導波カプラ７０２は、複素伝達行列
【００７５】
【数３３】
0005878985.tif 000034
によって記述され、移相器７０１およびカプラ７０２の連結について、実数値の２Ｄ回転行列が、
【００７６】
【数３４】
0005878985.tif 000035
として得られる。上の式では、θ＝π／４は、実数値の１：１−カプラ（３−ｄｂカプラ）を導く。図７ｂに、実数値のカプラ７００の代替の導波路構造を示す。図７ｂの導波路構造７００は、実用的実現にとって、より適切であり得る解である。調整可能な結合比７０２（図７ａを参照されたい）を有する実数値のカプラ７００は、２つの固定された１：１カプラ７１０、＋θおよび−θの角度を適用するプッシュプル動作の２つの調整可能な移相器７１１、固定された移相器７１２、および導波路交差７１３のカスケードによって置換される。
【００７７】
各カプラは、２つの隣接する入力信号を処理する。４入力の場合には、図６で使用されている２つのカプラのスタック６０５によって示されるように、２つのカプラが並列に動作することができる。２つのカプラのスタック６０５は、２つの位相値θ１およびθ２に依存する、サイズ４ｘ４の伝達行列
【００７８】
【数３５】
0005878985.tif 000036
を導き、θ２は、０の２ｘ２部分行列を表す。さらに、置換行列Ｓ（ｉ−ｊ）は、導波路ｉおよびｊの対の交差６０６を記述する。図６の構造の中央部分で、導波路２および３が、交差され、置換行列Ｓ（ｉ−ｊ）につながる。
【００７９】
【数３６】
0005878985.tif 000037
使用できるさらなる処理要素または処理ユニットは、Ｍ＝４個の導波路の一部またはすべてでφｉ（ｉ＝１…４）の位相シフトを施す移相器５０３である。Ｍ個の導波路にφｉ（ｉ＝１…Ｍ）の位相シフトを施す移相器の対応する伝達関数は、
【００８０】
【数３７】
0005878985.tif 000038
である。
【００８１】
一般に、ユニタリＭｘＭ行列ＧにつながるＭＩＭＯフィルタ６００は、ＭｘＭ  ＭＩＭＯ全域通過フィルタと呼ばれる場合があるが、導波路交差（Ｓ（ｍ，ｎ））、移相器（Ｆ（φｉ））、およびカプラ（Ｃ（θｉ））の連結によって形成される。この３つの基本的な処理要素の連結は、全伝達関数Ｔ＝Ｃ・Ｆ・Ｓを有する処理セグメントと定義され得る。そのような処理セグメントのＭ−１個までの連結が、通常、最も外側の導波路（１およびＭ）が干渉する可能性があることを保証するのに必要である。したがって、Ｇは、Ｍ−１個（または、Ｍ＝４およびＭ＝９を有する次の例によって実証されるように、Ｍ−１個未満）の処理セグメントの左乗法の積になる。
【００８２】
【数３８】
0005878985.tif 000039
角度φ、θによって与えられる導波路パラメータおよび置換対（ｉ−ｊ）を決定するために、ＬＰモードのＮ個の検出ベクトル
【００８３】
【数３９】
0005878985.tif 000040
（図６の３つの列６０１、６０２、および６０３によって示される）から開始することができる。全域通過フィルタ設計の目標は、各回転ステップの後に、入力信号が、それぞれ、実数値になるか、カプラの一方の出力導波路だけに現れるように、複素平面内または導波路の対の間のいずれかで連続する回転を施すことである。最後に、すべてのセグメントを通過した後に、各ＬＰモードの信号は、異なる出力導波路に現れなければならない。
【００８４】
この組織的手順を、図６に示されているように、Ｎ＝３個のＬＰモードの例について示す。
【００８５】
・第１の処理セグメントＴ１（符号６１１）への入力で、各モードは、各パッチ内の波を励起する、すなわち、３つのベクトル
【００８６】
【数４０】
0005878985.tif 000041
のいずれもが、０要素を有しない。したがって、導波路交差は不要である。すなわち、Ｓ１＝ＩＮであり、これは、４ｘ４単位行列である。
【００８７】
・ベクトル
【００８８】
【数４１】
0005878985.tif 000042
のすべての要素が、実数である。したがって、移相器が、実数値に複素平面内の回転を施す必要はない、すなわち、Ｆ１＝ＩＮである。
【００８９】
・左の２つのカプラの上側カプラは、その上側出力ポートにＬＰ０１信号を集めなければならず、下側カプラは、その下側出力ポートにＬＰ１１ｂ信号を集めなければならない。２つのそれぞれのＬＰモード信号の２つの入力振幅の比率は、１および−１であり、回転角度はθ１＝θ２＝π／４となる、すなわち、カプラは、１：１カプラ（実数値の３−ｄＢカプラ）になる。
【００９０】
・処理セグメントＴ２（符号６１２）では、サンプルベクトル
【００９１】
【数４２】
0005878985.tif 000043
の上半分の信号および下半分の信号が干渉することを可能にすることが望まれる。したがって、上側の２サンプル（左上カプラの下側出力ポートの）から下側部分にＬＰ１１ｂ信号をトランスポートし、下半分（左下カプラの上側出力ポートの）から上半分にＬＰ１１ａ信号をトランスポートする置換Ｓ２＝Ｓ（２−３）が、適用される。
【００９２】
・３つすべての入力刺激に関するＴ１の出力信号は、実数値で、したがって、位相回転が必要であり、Ｆ２は単位行列Ｉ４である。
【００９３】
・処理セグメントＴ２の２つのカプラは、図６のＭＩＭＯ全域通過フィルタの右側部分に示されているように、並列に動作する。モードＬＰ０１が、右上カプラの入力ポートに、同一の振幅を伴い、位相差なしで現れる。θ１＝π／４なので、上側出力ポート６２１でのこれらの入力信号の建設的干渉およびこのカプラの下側出力ポート６２２では０干渉となる。この角度では、対応する入力振幅がπの位相差を示すので、ＬＰ１１ａモードの信号は、上側カプラの下側出力ポート６２２に完全に転送される。
【００９４】
・右下カプラの仕事は、πの位相差を示すＬＰ１１ｂモードの２つの等しい振幅の信号を転送することである。やはり、このθ２＝π／４は、下側出力ポート６２４で光を集める１：１カプラによって達成される。光は、上側出力ポート６２３に供給されない。
【００９５】
図６のＭＩＭＯ全域通過導波路構造は、単一の偏光処理についてＭ＝４個のパッチからＬ＝３個のＬＰモードへの（およびその逆の）変換に合わせて調整される。図８では、ＬＰモードの両方の偏光ｘおよびｙが伝送チャネルとして活用されるＳＭＭｕｘ  ８００が示されている。これは、単一偏光送信器信号Ｃｈ１ｘ…Ｃｈ３ｘが、それぞれｘ偏光を有するモードＬＰ０１ｘ、ＬＰ１１ａｘ、およびＬＰ１１ｂｘを励起しなければならず、送信器信号Ｃｈ１ｙ…Ｃｈ３ｙが、パッチの同一のセットによってｙ偏光を有するモードＬＰ０１ｙ、ＬＰ１１ａｙ、およびＬＰ１１ｂｙにマッピングされなければならないことを意味する。２つの（同一の）光ＭＩＭＯ全域通過フィルタ８０１、８０２は、ｘ偏光およびｙ偏光のための２つの独立の励起信号を生成する。この２つの全域通過出力信号ベクトル
【００９６】
【数４３】
0005878985.tif 000044
および
【００９７】
【数４４】
0005878985.tif 000045
は、直交偏光状態を有するＭ＝４個の偏光マルチプレクサ（偏光コンバイナ）３０３内で重畳され、その後、空間サンプラ３００のＭ＝４個のパッチＰ１…Ｐ４に励振される。
【００９８】
２つの偏光ｘおよびｙを処理する代替案９００を、図９に示し、ここで、ＭＩＭＯ全域通過フィルタ９０１は、ｘ偏光およびｙ偏光について、同一の信号処理を実行する、すなわち、同一の伝達関数Ｈを示す。これは、偏光マルチプレクサＰｏｌＭ１…ＰｏｌＭ４  ３０３によって単一の偏光送信器信号を第１の偏光多重化することと、その後に全域通過フィルタ９０１を適用することとを可能にする。
【００９９】
以下では、５つのＬＰモードに関する光ＭＩＭＯ全域通過フィルタのさらなる例を説明する。５つのＬＰモードの場合に、５つの最低次の空間ＬＰモードは、３つの前述のモードＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、およびＬＰ１１ｂと、ＬＰ１２ａおよびＬＰ１２ｂとである。対応するモード場ｅＬＰｐｑを、図１０の最上部に示す。図３ａの空間サンプラ３００のＭ＝４個のパッチによって提供される空間サンプルは、損失なしにＬＰ１２ａモードおよびＬＰ１２ｂモードを多重分離するのに十分な情報を含まない。したがって、パッチの個数は、図１０の左部分に示された幾何学的配置１０３０で、Ｍ＝４からＭ＝９に増やされる。Ｍ＝９個より少数のパッチは、Ｎ＝５個のノードの多重分離を可能にしなければならない。しかし、外側の円の８個のパッチ（Ｐ２…Ｐ９）は、ＬＰモードと同一の方位対称を示す。これが、ＭＩＭＯ全域通過フィルタ構造を単純化する。したがって、空間サンプラの（すなわち、空間サンプラのパッチの）幾何形状が、サンプリングされるモードの空間場の幾何形状に整列されることが有益である可能性がある。５つの空間サンプル列ベクトル
【０１００】
【数４５】
0005878985.tif 000046
が、図１０の中央部分に示されている（符号１０２１、１０２２、１０２３、１０２４、および１０２５）。この５つのＭ要素ベクトルは、直交であり、パッチによって提供される空間サンプルであると仮定される。空間ベクトル
【０１０１】
【数４６】
0005878985.tif 000047
は、Ｎ＝５個のＬＰモードのうちの対応する１つによってパッチＰ１、…、Ｐ９で生成される場の振幅を反映する。言い替えると、空間ベクトル
【０１０２】
【数４７】
0005878985.tif 000048
は、対応するモードｎによって生成されるパッチ位置Ｐ１、…、Ｐ９での振幅を記述する。上で示したように、通常は、パッチ構造、モード場構造、サンプリングベクトル
【０１０３】
【数４８】
0005878985.tif 000049
の直交性、および空間モードマルチプレクサ（ＳＰＭｕｘ）または空間モードデマルチプレクサ（ＳＰＤｅＭｕｘ）の性能の間に依存性がある。
【０１０４】
図１０の右側部分には、対応するＭＩＭＯ全域通過フィルタの導波路構造が示されている。このＭＩＭＯフィルタ１０４０は、Ｎ＝５個の直交サンプルベクトル
【０１０５】
【数４９】
0005878985.tif 000050
を９個の存在する直交基底ベクトル［１，０，…，０］Ｔから［０，…，０，１］ＴのＮ＝５に回転する４つの（Ｎ−１）処理セグメント１０１１、１０１２、１０１３、および１０１４を含む。図６の文脈で詳細に示されたガイドラインに従って、位相行列Ｆによる複素領域でのバックプレーン回転（ｂａｃｋ  ｐｌａｎｅ  ｒｏｔａｔｉｏｎ）は、すべてのＬＰモードサンプルＢ１…Ｂ９の実数値（すなわち、Ｆ＝Ｉ９）に起因し、また、実平面回転を施す実数値のカプラに起因して、不要である。さらに、円形パッチＢ２…Ｂ９のサンプルの方位対称性により、サンプルの多数の対（Ｂｉ，Ｂｊ）は同一の大きさとなる。やはり、図６の３ＬＰモードの例についてそうであったように、サンプルが同一の大きさなので、１：１カプラによって実行されるバック回転角度θはａｔａｎ（Ｂｉ／Ｂｊ）＝ａｔａｎ（１）＝π／４となる。したがって、円形パッチＰ２…Ｐ９のサンプルだけを処理する図１０のＭＩＭＯ全域通過フィルタ１０４０のすべてのセグメント１０１１、１０１２、１０１３、および１０１４は、１：１カプラを含む。右最上部のカプラだけは、その下側入力ポートに現れる、パッチＰ２からＰ９によって集められたＬＰ０１モードパワーおよびその上側入力ポートの中央パッチＰ１によって集められたパワーの建設的干渉を適用しなければならない。対応する振幅比０．１／０．５５２は、θ＝０．９８６ラジアンの回転角度を必要とする。この回転は、図１０の最上部のカプラによって、０．３１：０．７０のパワー分割比で提供される。
【０１０６】
以下では、ＭＩＭＯ全域通過フィルタ設計およびパッチ最適化に使用されるモード場サンプルに関する態様を説明する。上の例では、無損失光ＭＩＭＯ全域通過フィルタの設計に関して、Ｎ個の空間モードのサンプル
【０１０７】
【数５０】
0005878985.tif 000051
が直交であると仮定した。上で示したように、多数のパッチＭ＞＞Ｎすなわち、空間サンプルＢ１…ＢＭの微細な粒度を用いると、ベクトル積
【０１０８】
【数５１】
0005878985.tif 000052
は、異なるモード（ｉ≠ｊ）について０になる２つのモード場のオーバーラップ積分に収束する。その一方で、これは、通常は、制限された個数Ｍ個のパッチについては成り立たない。
【０１０９】
したがって、ＭＩＭＯフィルタ設計に関して、並列に動作するＭ個の同一の単一モード導波路を含み、パッチの配置に対応する幾何学的方位を有する結合された導波路構造の、しばしばスーパーモードと呼ばれる、モードの固有ベクトルであるモードサンプルＢ１…ＢＭを使用することができる。したがって、図６の配置のサンプルベクトル
【０１１０】
【数５２】
0005878985.tif 000053
から
【０１１１】
【数５３】
0005878985.tif 000054
を、最大の固有値（スーパーモードの位相定数）を有する結合されたモード方程式
【０１１２】
【数５４】
0005878985.tif 000055
の４つの固有ベクトルのうちの３つとすることができる。ｃおよびｋは、それぞれ、２つの最も近い隣接する導波路と対角導波路との間の虚数結合係数である。対角導波路へのより弱い結合に起因して、ｋの大きさは、ｃの大きさより小さい。４ｘ４結合された導波路構造のさらなる詳細は、引用により組み込まれているＤａｖｉｄ  Ｂ．Ｍｏｒｔｉｍｏｒｅ、「Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ４  Ｘ  ４  ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ  ｆｕｓｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒ  ｃｏｕｐｌｅｒｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．９、Ｎｏ．３、１９９０年１月２０日、３７１−３７４頁に記載されている。
【０１１３】
Ｍ＝９個のパッチの場合についてこの手順にしかるべく従うと、
【０１１４】
【数５５】
0005878985.tif 000056
から
【０１１５】
【数５６】
0005878985.tif 000057
は、その２つの隣接する隣接物への円形パッチ導波路Ｐ２からＰ９（図１０を参照されたい）の間の強い結合およびＰ１位置での中央導波路へのより弱い結合を有する、Ｍ＝９個の同一の導波路の結合されたモード方程式の固有ベクトルである。Ｍ＝９個のパッチおよびＮ＝５個のモードの場合について、中央パッチの直径および円形パッチの直径は独立に変化するので、送信器信号とＭＭＦモードとの間の結合損失を、中央パッチの直径および円形パッチの直径を適当に選択することによって最小化できることを示す。さらに、パッチ構造の対称性の結果として、異なるモードの間の漏話すなわちノンアドレスドＬＰモード（ｎｏｎ−ａｄｄｒｅｓｓｅｄ  ＬＰ  ｍｏｄｅ）の残留励起は、パッチ直径が大きく変化しても０のままである。
【０１１６】
図１１ａおよび図１１ｂに、異なるタイプの空間サンプラとのＭＩＭＯ全域通過フィルタの組合せを示す。図１１ａでは、ＭＩＭＯ全域通過フィルタ１１０１が、フィルタ１１０１から来る光をＭＭＦ  ３０１に結合するのに、またはＭＭＦ  ３０１から来る光をサンプリングし、サンプリングされた光をフィルタ１１０１に渡すのに、垂直格子を利用する空間サンプラ１１０２と組み合わせて図示されている。図１１ｂは、図３ａの空間サンプラ３０２と組み合わせてフィルタ１１０１を示す。
【０１１７】
光ＭＩＭＯ全域通過フィルタを、ＭＭＦに光を結合するかＭＭＦから光を抽出するために、融着ファイバまたは融着導波路（たとえば図２および図１６に示された）の配置と組み合わせることもできることに留意されたい。結合行列Ｋが知られている場合には、光ＭＩＭＯ全域通過フィルタの伝達行列Ｈは、Ｋ・ＨがＩ２Ｎを近似するように決定されてもよい。たとえば、融着ファイバカプラの結合行列Ｋを、引用により組み込まれているＨ．Ｂｕｅｌｏｗ他、「Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ−Ｆｉｂｅｒ  ＭＩＭＯ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｗｉｔｈ  Ｓｐａｔｉａｌ  Ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＥＣＯＣ、Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（２０１１年）に記載されているように導出されてもよい。
【０１１８】
したがって、ＭＭＦの１つまたは複数の光モードの複数の空間サンプルの光パワーを、対応する１つまたは複数の単一モード導波路（光モードごとに１つの単一モード導波路）へおよびその逆に集中させるＭＩＭＯ全域通過フィルタが提供され得る。光ＭＩＭＯ全域通過フィルタは、モードスプリッタ／コンバイナを形成するために空間サンプラに関連して使用されてもよい。モードスプリッタ／コンバイナ（および、特にＭＩＭＯ全域通過フィルタ）は、ＰＩＣ集積に適する。さらに、説明されるモードスプリッタ／コンバイナは、図６および図１０によって示されるように、より多数Ｎ個の光モードに簡単にスケーリング可能である。さらに、説明されるモードスプリッタ／コンバイナは、パワー分割損失を示さず、全処理損失を、増加するパッチ数を用いて、すなわち、空間サンプラの増加する分解能を用いて、最小化することができる。ＭＩＭＯ全域通過フィルタによって実行される光信号処理を考慮すると、モードスプリッタ／コンバイナは、電子ＤＳＰ  ＭＩＭＯ処理を使用するモード多重分離に基づく解決策と比較して、より少ない電力消費を示す。
【０１１９】
上で説明したモードスプリッタ／コンバイナは、空間モードアドドロップマルチプレクサを作るために使用され得る。空間モードアドドロップマルチプレクサ１２００の例を、図１２に示す。モードスプリッタ／コンバイナ１２０１、１２０２は、異なる空間モードがアドドロップマルチプレクサ（ＡＤＭ）１２００内の単一モード導波路上で提供されるように、ＡＤＭ  １２００の入力／出力で使用される。したがって、個々のモードを、対応する単一モード導波路上で操作する（たとえば、光スイッチ１２０２を使用してドロップまたは追加する）ことができる。
【０１２０】
上で説明したモードスプリッタ／コンバイナの文脈では、光ＭＩＭＯ全域通過フィルタは、空間サンプルのパワーを特定の単一モード導波路にまたはその逆に集中させるために、主に、固定されたまたはプリセットされた光学的処理コンポーネントを含んだ。以下では、可変光学的処理パラメータを使用する光ＭＩＭＯフィルタの例を説明する。そのような適応光ＭＩＭＯフィルタが、光領域で光マルチモード伝送システムのモード多重分離および／またはチャネル等化を実行するために使用されてもよい。
【０１２１】
導入セクションで既に概要を示したように、光ファイバを介して（所与のスペクトル内で）トランスポートされる容量（ビット毎秒）は、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）を使用することと、ＭＭＦの異なる空間モード（および偏光モード）を介して異なるデータチャネルをトランスポートすることとによって高めることができる。無線システムまたは有線システムのＭＩＭＯ伝送に似て、オリジナルデータチャネルが、すべての受信器信号の合同ディジタル信号処理（ＤＳＰ）によって、Ｎ個のコヒーレントな受信器（たとえば、単一搬送波または光ＯＦＤＭ）によって検出されたすべての信号の混合物から分離され得る（たとえば、引用により組み込まれている、Ａ．Ｔａｒｉｇｈａｔ他、「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ａｎｄ  Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ  Ｌｉｎｋｓ」、ＩＥＥＥ  Ｃｏｍｍｕｎ．Ｍａｇ．、２００７年５月、１−８頁を参照されたい）。上で言及した参考文献に示されたシステムセットアップは、伝送品質すなわち、特定のＯＳＮＲを条件としてすべてのチャネルを介してトランスポートできるビットレートが、ファイバの曲げに起因するモードの間の結合と共に、異なる空間ＭＭＦモードの位相ドリフトに起因して統計的に変化する可能性があるという短所を示す。受信器側では、送信されたチャネルの安定した多重分離は、通常、ファイバおよび入出力カプラに沿ったモード結合が電子ＭＩＭＯ処理によって取り消される場合に限って可能である。
【０１２２】
図１３に、ＭＭＦ  ３０２を介して同一波長の複数のデータチャネルを伝送するコヒーレント光伝送システム１３００の例を示す。受信器内のＭＩＭＯ信号処理１３０１は、ファイバに励振される異なるデータ信号の分離を可能にする。これらの光ＭＭＦ伝送システム１３００は、通常、図１３ではＭＩＭＯ信号処理ユニット１３０１として参照されるディジタル信号処理（ＤＳＰ）ユニット内でのすべてのチャネルの信号サンプルの同時処理に基づく。一般に、より高次元のバタフライＦＩＲフィルタが、ＤＳＰユニット内で実現される。これは、ＤＳＰ内の各ディジタル化された信号サンプルの複雑で電力を消費する処理をもたらす。適度に複雑なシステム（たとえば、ｆｅｗ  ｍｏｄｅファイバすなわちＦＭＦ）について、処理労力の削減は、入力カプラおよび出力カプラとしてのモードスプリッタ（たとえば、モードスプリッタ／コンバイナが、図１および２に記載されている）の使用によって達成され得る。モードスプリッタは、各送信器ピグテールまたは各受信器ピグテールをＭＭＦ  ３０１の１つのモードに接続する。上で示したように、図１のモードスプリッタは、出力のそれぞれの、比較的多い損失を示すマルチモードパワーディバイダおよびさまざまなモード変換器（たとえば、位相ホログラム）に基づく。その一方で、図２および１６に示された融着ファイバ単一モード−マルチモードカプラは、少ない損失を示すが、ＤＳＰ処理を必要とする可能性がある強いモード結合を示す（たとえば、上で言及した参考文献、Ｈ．Ｂｕｅｌｏｗ他、「Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ−Ｆｉｂｅｒ  ＭＩＭＯ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｗｉｔｈ  Ｓｐａｔｉａｌ  Ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＥＣＯＣ、Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（２０１１年）で示されるように。
【０１２３】
ＭＩＭＯ処理ＤＳＰ内ですべてのコヒーレント受信器サンプルのディジタル処理を適用する（図１３に示されているように）のではなく、ＭＩＭＯ全域通過フィルタ１４０３を形成する一体化された光導波路構造内で、コヒーレント受信器１４０４による検出の前に、モードスプリッタまたはモードカプラの出力で光信号を処理することを提案する。これを、図１４の配置１４００によって示す。ＭＭＦ  ３０１出力の空間モードスプリッタ１４０１および偏光モードスプリッタ１４０２の出力で、調整可能な移相器５０３および調整可能なカプラ５０４のカスケードが、光ＭＩＭＯ全域通過フィルタ１４０３を形成する。調整可能なカプラ５０４は、調整可能な移相器および１：１カプラを含むことができる（図７ａおよび図７ｂに示されているように）。ＭＩＭＯ全域通過フィルタ１４０３は、全光入力パワーおよび全光出力パワーが等しくなるように設計される。さらに、ＭＩＭＯ全域通過フィルタ１４０３の伝達行列Ｈは、通常はユニタリである。
【０１２４】
図６および１０に示されたプリセットされたＭＩＭＯ全域通過フィルタの文脈で既に概要を示したように、移相器の調整すなわち一体化された光構造のパラメータφおよびθの調整が、モードスプリッタ１４０１から来る光の異なる組合せを異なる受信器１４０４に向けるために使用され得る。具体的には、各送信器信号が、別の受信器１４０４にトランスポートされてもよい。ＸおよびＹの送信器偏光は、それぞれの出力ポートに多重分離されてもよい。光全域通過フィルタ１４０３の出力では、受信器バンク１４０４（Ｒｘ）が、モード多重分離され偏光多重分離された信号を検出することができる。
【０１２５】
全域通過フィルタパラメータ（φおよびθ）の個数は、全域通過フィルタ１４０３の伝達行列がユニタリなので、通常は最小限である。したがって、電子（または光）ＭＩＭＯバタフライＦＩＲと比較して、適合させなければいけないパラメタはより少ない。
【０１２６】
パラメータは、制御ユニット（図示せず）によって実際の伝送経路条件に適合され得る。第１のステップでは、フィルタパラメータのプリセッティングが、トレーニングシーケンスによって達成され得る。変化するチャネル条件へのさらなる適合またはトラッキングが、チャネルの間の相関を最小にすることによって実行され得る。たとえば、誤り基準を定義することができ、誤り基準は、受信器１４０４でのチャネルの間の相関を示す。たとえば勾配降下法を使用して、フィルタパラメータは、誤り基準を減らすために、すなわち、受信器１４０４でのチャネルの間の相関を減らすために調整され得る。
【０１２７】
言い替えると、制御ユニットは、測定されたチャネル伝達行列（たとえば、トレーニングシーケンスに依存する）から開始することができ、チャネル伝達行列の逆行列である（できる限り近い）全域通過伝達行列を数値計算することによって、全域通過伝達行列を調整することができる。微調整およびトラッキングが、オプションで、存在する信号サンプルを使用して計算される相関を最小にすることによって、実行され得る。伝達行列の更新レートは、信号のシンボルーレートよりも（大幅に、たとえば１桁）小さくすることができる。
【０１２８】
図１４の例の全域通過フィルタ１４０３では、複数の空間モードを含む光学的処理は、通常はＭＭＦ  ３０１に沿ったクロスカップリングから損害を受ける空間モードに制限される（たとえば、同一の位相定数を有する縮退モードであるＬＰ１１ａおよびＬＰ１１ｂ）。図１５に、空間モードのすべての可能な組合せの間の光学的処理を可能にする光ＭＩＭＯ全域通過フィルタ１５０３を示す。言い替えると、光ＭＩＭＯ全域通過フィルタ１５０３は、Ｎ＝３個の空間モードのすべての間の相互作用を可能にする光ＭＩＭＯ全域通過フィルタの包括的な例である。図１５の配置例では、融着ファイバカプラ１５０１が、ＭＭＦ  ３０１からＭＩＭＯ全域通過フィルタ１５０３へ（またはその逆）光を向けるのに使用される。融着ファイバモードスプリッタ１５０１は、無損失であるが、通常は、非縮退モードの間の結合を導入する。したがって、フィルタ１５０３での光学的処理は、ファイバのすべてのモードに拡張される。ＭＩＭＯ全域通過フィルタ１５０３は、Ｎ＝３個の空間モードを多重分離すると同時にチャネルの間の相関を減らし、これによって、光伝送システムのチャネル伝達行列の逆行列を近似するために使用され得る。これは、適応可能なＭＩＭＯ全域通過フィルタ１５０３を、図６および図１０の文脈で概要を示したモード分割／組合せならびにチャネル等化に使用できることを意味する。
【０１２９】
図１６に、７つのモード用の例の融着ファイバカプラ１６００を示す（側面図および正面図）。そのような例の融着ファイバカプラ１６００は、引用により組み込まれているＮｏｏｒｄｅｇｒａａｆ他、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１７、Ｉｓｓｕｅ  ３、１９８８−１９９４頁、２００９年および上で言及した参考文献、Ｈ．Ｂｕｅｌｏｗ他、「Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ−Ｆｉｂｅｒ  ＭＩＭＯ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｗｉｔｈ  Ｓｐａｔｉａｌ  Ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＥＣＯＣ、Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（２０１１年）に記載されている。
【０１３０】
差動モード遅延、ＰＭＤ（偏波モード分散、またはＧＶＤ（群速度分散）が無視できなくなるか、コヒーレント受信器内で独立に補償することができない場合に、光遅延ステージ（シンボル期間の約半分以下）が必要になる場合があることに留意されたい。その代わりに、より強いひずみについて、光スライスフィルタが、信号を複数のスペクトルスライスに分解することができる。次に、信号のこれらのスライスを、光ＭＩＭＯ全域通過フィルタによって独立に処理することができ、その後、反対方向で動作する第２のスライスフィルタが、独立に処理されたスライスから等化された信号を再構成することを可能にする。
【０１３１】
図１７に、偏光多重分離および／またはチャネル等化用の適応光全域通過フィルタ１７０２を含む光受信器１７００のブロック図の例を示す。ＭＭＦは、空間モードデマルチプレクサ／マルチプレクサ１７０１にリンクされる。そのような空間モードデマルチプレクサ／マルチプレクサ１７０１は、融着ファイバとして（たとえば、図１６を参照されたい）、たとえば図１および２に示されたモードスプリッタ／コンバイナとして、またはたとえば図１１ａおよび図１１ｂに示された（固定された）光全域通過フィルタを含むモードスプリッタ／コンバイナとして、実現され得る。空間モードデマルチプレクサ／マルチプレクサ１７０１は、対応する複数の単一モード導波路上の複数の単一モード光信号を提供する。ＭＭＦのＮ個の空間モードに対応するＮ個のチャネルの場合に、空間モードデマルチプレクサ／マルチプレクサ１７０１は、対応するＮ個の単一モード導波路上にＮ個の光信号を提供しなければならない。
【０１３２】
Ｎ個の光信号は、最初に送信されたＮ個の入力信号をＮ個の光信号から多重分離するために、適応光学フィルタ１７０２内で処理される。このために、適応光学フィルタ１７０２は、光マルチモード伝送システムの伝達関数の逆関数をモデル化しなければならない。これは、光学フィルタ１７０２のパラメータ（すなわち、移相器およびカプラの角度φおよびθ）が、それに従ってセットされなければならないことを意味する。これは、Ｎ個の受信された信号に基づいて光学フィルタ１７０２の適当なパラメータを決定する制御ユニット１７０３によって行われ得る。具体的には、フィルタ１７０２のＮ個の出力導波路は、Ｎ個の対応する光受信器にリンクされ、これによって、Ｎ個の受信された信号（電気領域、おそらくはディジタル領域の）を提供することができる。これらの受信された信号は、光学フィルタ１７０２の適当なパラメータを決定するために処理され得る。たとえば、Ｎ個の受信された信号は、知られているトレーニングシーケンスに応答して受信された信号に対応することができ、これによって、制御ユニット１７０３がＮ個の光信号の間の相関を減らす光学フィルタ１７０２のパラメータを決定することを可能にする。その代わりにまたはそれに加えて、パラメータは、Ｎ個の受信された信号（電気領域および／またはディジタル領域の）から決定された誤り基準の連続的なトラッキングに従って連続的に適合され得る。これは、Ｎ個の光信号が光領域で処理される（すなわち、多重分離および／またはチャネル等化が光領域で実行される）が、その処理を行うための適当なパラメータは、受信された信号（電気／ディジタル領域の）から決定されることを意味する。
【０１３３】
本文書では、ＭＭＦ上のＭＤＭを可能にするために光学的処理に使用できる光ＭＩＭＯフィルタを説明した。具体的には、光ＭＩＭＯフィルタは、効率的な空間モードスプリッタ／コンバイナを実現するために使用され得る。さらに、光ＭＩＭＯフィルタは、チャネル等化を光領域で直接に実行するために使用され得る。その結果、ＭＩＭＯ処理が、電力効率のよい形で実行され得る。言い替えると、光ＭＩＭＯフィルタの使用は、電力を消費する電子ＤＳＰ処理の大幅な削減につながる。さらに、光ＭＩＭＯフィルタの使用は、ＤＳＰ処理労力を増やさずに、モードスプリッタの光学経路損を回避することを可能にする。
【０１３４】
この説明および図面が、単に提案される方法およびシステムの原理を例示するものであることに留意されたい。したがって、当業者が、本明細書で明示的に説明されずまたは図示されないが、本発明の原理を実施し、本発明の趣旨および範囲に含まれるさまざまな配置を考案できることを了解されたい。さらに、本明細書で列挙されたすべての例は、主に、当技術を促進するために本発明人によって貢献される提案される方法およびシステムならびに概念の原理を読者が理解するのを助ける教育的目的のみのためのものであることが特に意図され、そのような具体的に列挙された例および条件への限定を伴わないものとして解釈されなければならない。さらに、本発明の原理、態様、および実施形態ならびに本発明の特定の例を列挙する本明細書のすべての言説は、その同等物を包含することが意図されている。
【図１】
0005878985.tif 000058
【図２】
0005878985.tif 000059
【図３ａ】
0005878985.tif 000060
【図３ｂ】
0005878985.tif 000061
【図４】
0005878985.tif 000062
【図５】
0005878985.tif 000063
【図６】
0005878985.tif 000064
【図７ａ】
0005878985.tif 000065
【図７ｂ】
0005878985.tif 000066
【図８】
0005878985.tif 000067
【図９】
0005878985.tif 000068
【図１０】
0005878985.tif 000069
【図１１ａ】
0005878985.tif 000070
【図１１ｂ】
0005878985.tif 000071
【図１２】
0005878985.tif 000072
【図１３】
0005878985.tif 000073
【図１４】
0005878985.tif 000074
【図１５】
0005878985.tif 000075
【図１６】
0005878985.tif 000076
【図１７】
0005878985.tif 000077