(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間モードの第１のサブセットにアドレスするための第１の光モード結合（ＯＭＣ）デバイスであって、前記第１のサブセットが第１の光リンクの空間モードのサブセットである、第１のＯＭＣデバイスと、
空間モードの第２のサブセットにアドレスするための第２のＯＭＣデバイスであって、前記第２のサブセットが第２の光リンクの空間モードのサブセットである、第２のＯＭＣデバイスと、
第１のＯＭＣデバイスと第２のＯＭＣデバイスの間に配置されており、第１のＯＭＣデバイスを介して第１のサブセットの異なる空間モードから受信した光を混合し、かつ、混合光を第２のサブセットの異なる空間モードに結合するために、得られた混合光を第２のＯＭＣデバイスに送るように構成された光混合サブシステムと、
光混合サブシステムに操作可能に結合され、光混合サブシステムに、そこで実施される第１のサブセットの異なる空間モードからの光の混合を制御可能に経時的に変更させるように構成された制御装置と
を備える、光学システム。
【請求項２】
光学システムが、第１の光リンクから受信した光を、第１のＯＭＣデバイス、次いで相互に連結した光混合器のアレイ、次いで第２のＯＭＣデバイスを経て第２の光リンク内に導けるようにする形で、光混合サブシステムが、前記第１のＯＭＣデバイスと前記第２のＯＭＣデバイスの間に配置される相互に連結した光混合器の前記アレイを備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
制御装置が、アレイ内の相互に連結した光混合器のうちの１つまたは複数の状態を制御可能に経時的に変更するように構成された、請求項２に記載の光学システム。
【請求項４】
制御装置が、第１のＯＭＣデバイスに第１のサブセットを変更させるように構成され、かつ
制御装置が、第２のＯＭＣデバイスに第２のサブセットを変更させるようにさらに構成された、請求項１に記載の光学システム。
【請求項５】
第１のＯＭＣデバイスが、第２のＯＭＣデバイスとは異なる数の空間モードにアドレスするように構成された、請求項１に記載の光学システム。
【請求項６】
第１の光リンクを介して第１のＯＭＣデバイスに光学的に結合された光送信機と、
第２の光リンクを介して第２のＯＭＣデバイスに光学的に結合された光受信機とをさらに備え、
第１および第２の光リンクのそれぞれが、それぞれのマルチモードファイバ、マルチコアファイバ、または光ファイバケーブルを含み、かつ
第１および第２のＯＭＣデバイスのそれぞれが、それぞれのマルチモードファイバ、マルチコアファイバ、または光ファイバケーブルの空間モードのサブセットにアドレスするように構成された、請求項１に記載の光学システム。
【請求項７】
第１の光リンクと第２の光リンクの間に配置されるように構成された光モード混合器であって、第１の光リンクの異なる空間モードに対応する光を混合し、得られた混合光を第２の光リンクの異なる空間モードに結合するように構成された光モード混合器と、
データを搬送する変調された光信号の光モード混合器内の伝送中に、光モード混合器にその光混合特性を制御可能に変化させるように構成された制御装置であって、前記変調された光信号が、前記第１の光リンクから、前記光モード混合器を介して前記第２の光リンクに導かれる、制御装置と
を備える、光学システム。
【請求項８】
光モード混合器が、
空間モードの第１のサブセットにアドレスするように構成可能な第１の光モード結合（ＯＭＣ）デバイスであって、前記第１のサブセットが第１の光リンクの空間モードのサブセットである、第１のＯＭＣデバイスと、
空間モードの第２のサブセットにアドレスするように構成可能な第２のＯＭＣデバイスであって、前記第２のサブセットが第２の光リンクの空間モードのサブセットである、第２のＯＭＣデバイスと、
第１のＯＭＣデバイスと第２のＯＭＣデバイスの間に配置されており、第１のＯＭＣデバイスを介して第１のサブセットの異なる空間モードから受信した光を混合し、かつ、混合光を第２のサブセットの異なる空間モードに結合するために、得られた混合光を第２のＯＭＣデバイスに送るように構成された光混合サブシステムとを備え、
光学システムが、第１の光リンクから受信した光を、第１のＯＭＣデバイス、次いで相互に連結した光混合器のアレイ、次いで第２のＯＭＣデバイスを経て第２の光リンク内に導けるようにする形で、光混合サブシステムが、前記第１のＯＭＣデバイスと前記第２のＯＭＣデバイスの間に配置される相互に連結した光混合器のアレイを備える、請求項７に記載の光学システム。
【請求項９】
第１の光リンクおよび第２の光リンクを含む光チャネルが、チャネルコヒーレンス時間によって特徴付けられ、かつ
制御装置が、光モード混合器に、チャネルコヒーレンス時間よりも速い時間スケールでその光混合特性を制御可能に変更させるように構成された、請求項７に記載の光学システム。
【請求項１０】
光モード混合器が、
平らでない表面を有する第１のプレートと、
平らでない表面を有する第２のプレートと、
第１と第２のプレートのそれぞれの平らでない表面に挟まれた光ファイバの一部であって、第１と第２の光リンクの間で結合されるように構成された光ファイバの一部と、
機械的な力を第１および第２の光学プレートに加えて、平らでない表面を光ファイバの前記部分に対して押し付けるように構成されたアクチュエータとを備え、
制御装置が、アクチュエータに操作可能に結合され、機械的な力の大きさを変更するように構成された、請求項７に記載の光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１１年３月４日に出願された米国仮特許出願第６１／４４９，２４６号の優先権を主張するものである。この仮出願は「ＳＰＡＴＩＡＬ−ＭＯＤＥ  ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ  ＩＮ  ＵＮＤＥＲ−ＡＤＤＲＥＳＳＥＤ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＭＩＭＯ  ＳＹＳＴＥＭＳ」と題され、その全体が引用により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願の主題は、Ｐｅｔｅｒ  Ｊ．ＷｉｎｚｅｒおよびＧｅｒａｒｄ  Ｊ．Ｆｏｓｃｈｉｎｉによる、本出願と同日に出願された米国特許出願第１３／３３２，５８８号（整理番号８０８６３９−ＵＳ−ＮＰ）の主題に関するものである。この出願は、「ＤＹＮＡＭＩＣ  ＳＰＡＴＩＡＬ−ＭＯＤＥ  ＡＬＬＯＣＡＴＩＯＮ  ＩＮ  ＡＮ  ＵＮＤＥＲ−ＡＤＤＲＥＳＳＥＤ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＭＩＭＯ  ＳＹＳＴＥＭ」と題され、その全体が引用により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
本発明は光通信機器に関し、より詳細には、マルチモードファイバまたはマルチコアファイバを介して多入力／多出力（ＭＩＭＯ）の光トランスポートチャネルを確立し、運用するための機器に関するが、これに限定されるものではない。
【背景技術】
【０００４】
本項では、本発明の１つまたは複数の態様の理解を深めることを容易にするのに役立つ可能性がある側面を紹介する。したがって、本項の記述はその観点から読まれるべきであり、従来技術にあるものまたは従来技術にないものを認めるものとして理解されるべきではない。
【０００５】
ＭＩＭＯ方法は、マルチモード光ファイバおよびマルチコア光ファイバの本質的に大きい伝送容量を利用するために積極的に開発が進んでいる。光ＭＩＭＯシステムの送信機において、複数の光信号がデータとともに独立に変調され、遠隔地の受信機への伝送のためにマルチモードファイバまたはマルチコアファイバの対応する複数の空間モードに結合される。受信機において、複数の空間モードによって搬送された受信光信号が、元の光信号上に符号化されているデータを受信機で復元するために、個々に分離され、復調／復号される。
【０００６】
光ＭＩＭＯシステムで使用される代表的なマルチモードファイバまたはマルチコアファイバは、比較的多数の（たとえば１００を超える）空間モードを有していてもよい。ある種のハードウェア上の制限のために、従来の送信機は、典型的なマルチモードファイバまたはマルチコアファイバがサポートする空間モードのすべてに個別にアドレスすることができないことがある。同様のハードウェア上の理由で、従来の受信機もまた、それらのサポートされる空間モードのすべてに個別にアドレスすることができないことがある。その結果、そのような送信機は、対応する変調された光信号をサポートされる空間モードのすべてに同時に結合することができない可能性があり、そのような受信機は、対応する変調された光信号をサポートされる空間モードのすべてから同時に取り出すことができない可能性がある。さらに、送信機でアドレスされた空間モードのサブセットが、受信機でアドレスされた空間モードのサブセットとは異なっている場合がある。不都合なことに、光ファイバリンクによって生じる光学雑音およびモード依存性の損失によって、そのようなアンダーアドレッシングの光ＭＩＭＯシステムの停止確率が比較的高くなる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０３２９６７０号
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０／０３２９６７１号
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１０／０１５８５２１号
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１１／００３８６３１号
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１１／０２４３４９０号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  １２００−ｋｍ  ６ｘ６  ＭＩＭＯ  Ｍｏｄｅ−Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｏｖｅｒ  ３−ｃｏｒｅ  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｆｉｂｅｒ」、Ｒ．Ｒｙｆ、Ａ．Ｓｉｅｒｒａ、Ｒ．−Ｊ．Ｅｓｓｉａｍｂｒｅら、２０１１  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＥＣＯＣ）の会報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来技術におけるこれらの問題およびある種の他の問題は、本明細書において開示された光ＭＩＭＯシステムの種々の実施形態によって対処される。本開示の革新的な態様には、（ｉ）送信機および／または受信機における光空間分割多重化（ＳＤＭ）信号の空間モード選択／割り当てを動的かつインテリジェントに管理するように設計され、構成された光ＭＩＭＯシステムと、（ｉｉ）光リンクの空間モード混合特性を制御可能に変更するように設計され、構成された、リンク内の光モード混合器と、（ｉｉｉ）大きい伝送容量および／または動作の高い信頼性を実現するために、システム全体、ならびに送信機、受信機、およびモード混合器のそれぞれを個別に動作させる方法とが挙げられるが、これらに限定はされない。本開示の種々の実施形態によってもたらされるある種の利益および利点は、システム仕様が比較的厳しいビット誤り率（ＢＥＲ）要件を課しているときに、特に際立ったものとなり得る。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の一態様によれば、アンダーアドレッシングの光ＭＩＭＯシステムの停止確率は、チャネルコヒーレンス時間よりも速い時間スケールで、リンクの空間モード混合特性を動的に変化させるようにリンク内の光モード混合器を構成することによって減少させることができる。ＭＩＭＯシステムが、ＭＩＭＯチャネルの平均的な状態に対応する量の誤りを訂正するのに十分な誤り訂正容量を有するＦＥＣ（前方誤り訂正）符号を使用する場合は、この比較的速い動的変化によって、ＦＥＣ符号化されたデータブロック単位の誤りの数がＦＥＣ符号の誤り訂正容量を超える事象の頻度が減少することになりやすい。
【００１１】
一実施形態によれば、空間モードの第１のサブセットにアドレスするように構成された第１の光モード結合（ＯＭＣ）デバイス（たとえば、５１０ａ）であって、前記第１のサブセットが第１の光リンクの空間モードのサブセットである、第１のＯＭＣデバイスと、空間モードの第２のサブセットにアドレスするように構成された第２のＯＭＣデバイス（たとえば、５１０ｂ）であって、前記第２のサブセットが第２の光リンクの空間モードのサブセットである、第２のＯＭＣデバイスとを備える光学システムが提供される。光学システムは、第１のＯＭＣデバイスと第２のＯＭＣデバイスの間に配置されており、第１のＯＭＣデバイスを介して第１のサブセットの異なる空間モードから受信した光を混合し、かつ、混合光を第２のサブセットの異なる空間モードに結合するために、得られた混合光を第２のＯＭＣデバイスに送るように構成された光混合サブシステム（たとえば、５３０）も備える。
【００１２】
上記光学システムのいくつかの実施形態において、光学システムが、第１の光リンクから受信した光を、第１のＯＭＣデバイス、次いで相互に連結した光混合器のアレイ、次いで第２のＯＭＣデバイスを経て第２の光リンク内に導けるようにする形で、光混合サブシステムは、前記第１のＯＭＣデバイスと前記第２のＯＭＣデバイスの間に配置される相互に連結した光混合器の前記アレイを備える。
【００１３】
上記の光学システムのいずれかのいくつかの実施形態において、アレイは１つまたは複数の２×２光交換機を有する。
【００１４】
上記の光学システムのいずれかのいくつかの実施形態において、アレイは１つまたは複数のマッハツェンダー干渉計を有する。
【００１５】
上記の光学システムのいずれかのいくつかの実施形態において、光学システムは、光混合サブシステムに操作可能に結合され、前記光混合サブシステムにおける光の混合を制御するように構成された制御装置をさらに備える。
【００１６】
上記の光学システムのいずれかのいくつかの実施形態において、第１のＯＭＣデバイスは、第１のサブセットを変更するように構成可能であり、第２のＯＭＣデバイスは、第２のサブセットを変更するように構成可能である。
【００１７】
上記の光学システムのいずれかのいくつかの実施形態において、第１のＯＭＣデバイスは、第２のＯＭＣデバイスとは異なる数の空間モードにアドレスするように構成可能である。
【００１８】
上記の光学システムのいずれかのいくつかの実施形態において、光学システムは、第１の光リンクを介して第１のＯＭＣデバイスに光学的に結合された光送信機と、第２の光リンクを介して第２のＯＭＣデバイスに光学的に結合された光受信機とをさらに備え、第１および第２の光リンクのそれぞれは、それぞれのマルチモードファイバ、マルチコアファイバ、または光ファイバケーブルを含み、かつ第１のおよび第２のＯＭＣデバイスのそれぞれは、それぞれのマルチモードファイバ、マルチコアファイバ、または光ファイバケーブルの空間モードのサブセットにアドレスするように構成されている。
【００１９】
別の実施形態によれば、第１の光リンクと第２の光リンクの間に配置されるように構成された光モード混合器であって、第１の光リンクの異なる空間モードに対応する光を混合し、得られた混合光を第２の光リンクの異なる空間モードに結合するように構成された光モード混合器を備える光学システムが提供される。光学システムは、データを搬送する変調された光信号の光モード混合器を介した伝送中に、光モード混合器にその光混合特性を変化させるように構成された制御装置であって、前記変調された光信号が、前記第１の光リンクから、前記光モード混合器を介して前記第２の光リンクに導かれる、制御装置をさらに備える。
【００２０】
上記光学システムのいくつかの実施形態では、データはＦＥＣ符号化されたデータブロックまたはパイロットデータ列を含む。
【００２１】
上記の光学システムのいずれかのいくつかの実施形態において、光モード混合器は、空間モードの第１のサブセットにアドレスするように構成可能な第１の光モード結合（ＯＭＣ）デバイスであって、前記第１のサブセットが第１の光リンクの空間モードのサブセットである、第１のＯＭＣデバイスと、空間モードの第２のサブセットにアドレスするように構成可能な第２のＯＭＣデバイスであって、前記第２のサブセットが第２の光リンクの空間モードのサブセットである、第２のＯＭＣデバイスと、第１のＯＭＣデバイスと第２のＯＭＣデバイスの間に配置されており、第１のＯＭＣデバイスを介して第１のサブセットの異なる空間モードから受信した光を混合し、かつ、混合光を第２のサブセットの異なる空間モードに結合するために、得られた混合光を第２のＯＭＣデバイスに送るように構成された光混合サブシステムとを備える。
【００２２】
上記の光学システムのいずれかのいくつかの実施形態において、光学システムが、第１の光リンクから受信した光を、第１のＯＭＣデバイス、次いで相互に連結した光混合器のアレイ、次いで第２のＯＭＣデバイスを経て第２の光リンク内に導けるようにする形で、光混合サブシステムは、前記第１のＯＭＣデバイスと前記第２のＯＭＣデバイスの間に配置される相互に連結した光混合器の前記アレイを備える。
【００２３】
上記の光学システムのいずれかのいくつかの実施形態において、アレイは１つまたは複数の２×２光交換機を有する。
【００２４】
上記の光学システムのいずれかのいくつかの実施形態において、アレイは１つまたは複数のマッハツェンダー干渉計を有する。
【００２５】
上記の光学システムのいずれかのいくつかの実施形態において、制御装置は、アレイの光混合器のうちの少なくともいくつかに操作可能に結合され、かつ、前記光混合器のうちの少なくともいくつかにおける光の混合を制御するように構成されている。
【００２６】
上記の光学システムのいずれかのいくつかの実施形態において、第１のＯＭＣデバイスは、第２のＯＭＣデバイスとは異なる数の空間モードにアドレスするように構成されている。
【００２７】
上記の光学システムのいずれかのいくつかの実施形態において、第１のＯＭＣデバイスは、第１のサブセットを変更するように構成可能であり、または第２のＯＭＣデバイスは、第２のサブセットを変更するように構成可能であり、または第１のＯＭＣデバイスは、第１のサブセットを変更するように構成可能であり、かつ第２のＯＭＣデバイスは、第２のサブセットを変更するように構成可能である。
【００２８】
上記の光学システムのいずれかのいくつかの実施形態において、光学システムは、第１の光リンクを介して第１のＯＭＣデバイスに光学的に結合された光送信機と、第２の光リンクを介して第２のＯＭＣデバイスに光学的に結合された光受信機とをさらに備える。
【００２９】
上記の光学システムのいずれかのいくつかの実施形態において、光モード混合器は、平らでない表面を有する第１のプレートと、平らでない表面を有する第２のプレートと、第１と第２のプレートのそれぞれの平らでない表面に挟まれた光ファイバの一部であって、第１と第２の光リンクの間で結合されるように構成された光ファイバの一部と、機械的な力を第１および第２の光学プレートに加えて、平らでない表面を前記光ファイバの一部に対して押し付けるように構成されたアクチュエータとを備え、制御装置は、アクチュエータに操作可能に結合され、機械的な力の大きさを変更するように構成されている。
【００３０】
さらに別の実施形態によれば、光信号を処理する方法が提供される。方法は、混合光を生成するために第１の光リンクの異なる空間モードに対応する光を混合するステップであって、前記第１の光リンクと第２の光リンクの間に配置された光モード混合器において実行される混合するステップと、混合光を第２の光リンクに結合するステップと、データを搬送する変調された光信号の光モード混合器内の伝送中に、光モード混合器の光混合特性を変化させるステップであって、前記変調された光信号が、前記第１の光リンクから、前記光モード混合器を介して前記第２の光リンクに導かれる、変化させるステップとを含む。
【００３１】
本発明のさまざまな実施形態の他の態様、特徴、および利益は、例として、以下の詳細な説明および添付の図面からより明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本開示の一実施形態による、光ＭＩＭＯシステムの構成図である。
【図２】本開示の一実施形態による、図１のシステムで使用することができるマルチモードファイバの３つの最低次（ｌｏｗｅｓｔ）直線偏光（ＬＰ）モードでの代表的な強度分布および偏光を示すグラフである。
【図３】本開示の別の実施形態による、図１のシステムで使用することができるマルチモードファイバのいくつかのＬＰモードに対する代表的な位相／電界強度（ＰＦＳ）パターンを示すグラフである。
【図４Ａ】本開示の一実施形態による、図１のシステムで使用できる光モード結合（ＯＭＣ）デバイスを示す図である。
【図４Ｂ】ＯＭＣデバイスの空間位相フィルタ内で使用できる空間位相パターンを示すグラフである。
【図５Ａ】本開示の一実施形態による、図１のシステムで使用できる光モード混合器を示す図である。
【図５Ｂ】モード混合器で複数使用される２×２光混合器の概略図である。
【図６】本開示の別の実施形態による、図１のシステムで使用できる光モード混合器の断面側面図である。
【図７】本開示の一実施形態による、図１のシステムを動作させる方法のフローチャートである。
【図８】本開示の別の実施形態による、図１のシステムを動作させる方法のフローチャートである。
【図９】本開示のさらに別の実施形態による、図１のシステムを動作させる方法のフローチャートである。
【図１０】本開示のさらに別の実施形態による、図１のシステムを動作させる方法のフローチャートである。
【図１１】本開示のさらに別の実施形態による、図１のシステムを動作させる方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
マルチモードファイバは、たとえば空間分割多重化（ＳＤＭ）によって、シングルモードファイバよりも大きい伝送容量を実現することができる。より具体的には、マルチモードファイバの異なる導波モードでは、変調された異なる光信号または所与の組の独立に変調された光信号の異なる一次結合に属することができる。次いで、受信機において、得られる受信光ＳＤＭ信号を適切に逆多重およびデコンボリューションすることによって、元のデータが復元され得る。同様の概念がマルチコアファイバにも適用可能である。有利には、時分割多重化、波長分割多重化、直交周波数分割多重化、偏光分割多重化などの他の多重化技術を補完するために空間分割多重化を使用することができ、それによって、対応する光トランスポートリンクのアクセス可能な伝送容量がさらに増加する。
【００３４】
当技術分野で知られているように、マルチモードファイバは、その中を通って送信される光信号を確率論的な振幅フェージングにさらす可能性がある。振幅フェージングの有害な効果は、少なくともある程度まではＦＥＣ（前方誤り訂正）符号化の使用によって緩和され得る。ＦＥＣ符号は、系統的に生成された冗長データを使用して、受信機でのビット誤り率（ＢＥＲ）を低下させる。この低下のコストは、要求される順方向チャネル帯域幅が付随的に増加することであり、このチャネル帯域幅はＦＥＣ符号の「レート」によって特徴付けられる。一般に、より低レートのＦＥＣ符号ほど、より雑音の多いチャネルに使用される。チャネル状態が経時的に変動するとき、レートおよび／またはＦＥＣ符号は、許容可能なＢＥＲを維持するために順応的に変化され得る。しかしながら、チャネルの変動が速すぎる、かつ／または符号のレートを動的に変更することが所与のシステムにとって複雑すぎるときは、固定された符号レートおよび固定されたＦＥＣ符号が使用され、これは、たいていの光チャネルの具体例で確実に機能することにつながる。しかしながら、ＦＥＣ符号によって許容される最小ＭＩＭＯ容量よりも最大ＭＩＭＯ容量が小さいそれらの光チャネルの具体例では、受信ＳＤＭ信号は復号不能となることがあり、これは、光チャネルがそのような「悪い」具体例である時間にわたって、不都合なことに誤りを生成し、システム停止を招くことになり得る。
【００３５】
本明細書では、用語「停止」は、受信機が、受信した光信号から、指定された閾値ＢＥＲよりも小さいＢＥＲでデータを復元するその機能を失っている事象を指す。一般に、どの時点でも、光ファイバリンクの信号伝搬状態は異なる空間モードでは均一でなく、さらに、異なる空間モードごとにそれらの状態は経時的に変化する可能性がある。アンダーアドレッシングの光ＭＩＭＯシステムにおいて、たとえば、信号伝搬状態が、送信機および／または受信機によってアドレスされる空間モードのサブセット（複数可）に対して特に好ましくないときに停止は起こり得る。
【００３６】
本開示のさまざまな実施形態は、アンダーアドレッシングの光ＭＩＭＯシステムに適用されるような、ＦＥＣ符号化のもつ上記の制限の少なくとも一部を緩和することを対象とする。たとえば、開示された性能強化技術の１つまたは複数は、（ｉ）送信機によってアドレスされる空間モードのサブセット、（ｉｉ）受信機によってアドレスされる空間モードのサブセット、および（ｉｉｉ）光ファイバリンクの空間モード混合特性の１つまたは複数を時々変更することで、停止確率を下げることが可能な場合がある。この変更は、実際のＢＥＲを、対応する静的構成において認められるＢＥＲよりも低くすることにつながる制御可能な方法で実施されてもよい。有利には、ＢＥＲが低いほど、通常、固定されたＭＩＭＯデータ伝送容量に対する停止確率が低くなるか、または固定された特定の停止確率に対する実現可能なＭＩＭＯデータ伝送容量が大きくなる。
【００３７】
通信プロバイダは、有利には、本開示のいくつかの実施形態を使用して、「将来の」光信号トランスポート技術に対応することが可能な光ファイバまたは光ファイバケーブルを配備することもできる。たとえば、現在、光トランスポンダ技術は、すべての空間モードをアドレス可能にする点にはまだ到達できていない。この制約は、部分的には、結合光学装置の技術的限界および／またはＭＩＭＯ処理用ＡＳＩＣの機能の限界に起因し得る。しかしながら、本明細書において開示されたいくつかの実施形態は、そのような通信プロバイダが、「将来にわたって使用可能な」光ファイバまたは光ファイバケーブルを配備できるようにする一方で、対応する通信システムが依然として「アンダーアドレッシングの」構成の中に光ファイバまたは光ファイバケーブルを備えて運用されているときは、前記通信プロバイダに停止確率を最小限に抑える手段を与える。
【００３８】
図１は、本開示の一実施形態による、光ＭＩＭＯシステム１００の構成図を示す。システム１００は、光ファイバリンク１４０を介して互いに結合された光送信機１１０と光受信機１６０を有する。光ファイバリンク１４０は、２つの光ファイバセクション１４６ａ−ｂおよびそれらの２つのセクションの間に配置された光モード混合器１５０を有する。システム１００は、たとえば図１に示したように、送信機１１０、受信機１６０、およびモード混合器１５０のうちの１つまたは複数に操作可能に接続された制御装置１３０をさらに有する。
【００３９】
動作中に、制御装置１３０は、以下でさらに説明するように、（ｉ）送信機１１０内の空間モード（ＳＭ）結合器１２０、（ｉｉ）受信機１６０内のＳＭ分離器１６４、および（ｉｉｉ）光モード混合器１５０、のうちの１つまたは複数の構成を制御する。さまざまな実施形態において、制御装置１３０は、１つまたは複数の個々のモジュールを備えていてもよい。これらの個々のモジュールは（それがあれば）、そのいくつかは、送信機１１０と同じ場所に配置されていてもよい。他のいくつかのモジュールは（それがあれば）、受信機１６０と同じ場所に配置されていてもよい。さらに他のいくつかのモジュールは（それがあれば）、光ファイバリンク１４０に沿った１つまたは複数の専用の位置、たとえば、光モード混合器１５０の近くに配置されていてもよい。
【００４０】
システム１００の以下の代替実施形態も考えられる。いくつかの代替実施形態において、ＳＭ結合器１２０およびＳＭ分離器１６４の少なくとも一方は、動的に（再）構成可能な光モード結合（ＯＭＣ）デバイスであり、モード混合器１５０は、静的な光モード混合器であるか、または存在しない。他の代替実施形態において、モード混合器１５０は動的に（再）構成可能なデバイスであり、ＳＭ結合器１２０およびＳＭ分離器１６４の一方または両方は、静的なＯＭＣデバイスである。さらに、光ファイバリンク１４０は、隣接する各光ファイバセクション１４６の間で光モード混合器１５０の対応例が結合された、３つ以上の光ファイバセクション１４６を有していてもよい。たとえば、リンク１４０が３つの光ファイバセクション１４６を有する場合、リンクは２つの光モード混合器１５０を有する。これらの２つの光モード混合器の一方は、リンクの第１と第２の光ファイバセクションの間で結合され、これらの２つの光モード混合器の他方は、リンクの第２と第３の光ファイバセクションの間で結合される。
【００４１】
動作中に、送信機１１０は、入力データストリーム１０２を受信し、入力データストリームによって供給されるデータを搬送する光ＳＤＭ出力信号１２４を生成する。入力データストリーム１０２は、たとえば適切なＦＥＣ符号を使用して冗長性をデータに付加するＦＥＣエンコーダ１１２に入力される。ＦＥＣ符号によって生成される冗長データの各ブロックは、Ｋ個の平行データストリーム１１４１−１１４Ｋを生成するために、任意選択でインタリーブされ、かつ／または多重化解除される。ここで、Ｋは１より大きい整数である。次いで、ＦＥＣエンコーダ１１２は、データストリーム１１４１−１１４Ｋを電気−光（Ｅ／Ｏ）コンバータ１１６に入力する。
【００４２】
Ｅ／Ｏコンバータ１１６は、Ｋ個の光変調器（図１には明示していない）を有し、そのそれぞれは、変調された光信号１１８１−１１８Ｋのうちの対応する１つを生成するように構成されている。一実施形態において、変調された光信号１１８１−１１８Ｋは、同じ（共通する）搬送周波数を有し、これらの光信号のそれぞれは、データストリーム１１４１−１１４Ｋの対応する１つによって供給されるデータを搬送する。たとえば、変調された光信号１１８１は、データストリーム１１４１によって供給されるデータを搬送し、変調された光信号１１８２は、データストリーム１１４２によって供給されるデータを搬送する。
【００４３】
一実施形態において、ＳＭ結合器１２０は、光信号１１８１−１１８Ｋを、Ｅ／Ｏコンバータ１１６からＫ本のそれぞれのシングルモードファイバを介して受信し、空間位相フィルタリングをこれらの光信号１１８のそれぞれに施して、それらを、光ファイバセクション１４６ａの異なるそれぞれの空間モードに選択的に結合するように適切に調整する。空間位相フィルタリングされた信号（図１には明示していない）は、たとえば図２−４に関連して以下でさらに説明するように、ＳＭ結合器１２０内で重ね合わされ、光ファイバセクション１４６ａの入力末端１４４で光ＳＤＭ信号１２４を生成する。
【００４４】
ＳＭ結合器１２０内で光信号１１８１−１１８Ｋのそれぞれに施される空間位相フィルタリングは、これらの光信号のそれぞれが、光ファイバセクション１４６ａの単一の選択された空間モードに実質的に結合し、複数の異なる信号１１８がそれぞれ対応する異なる空間モードに結合されるようにするものである。システム１００の特定の実施形態によっては、複数の異なる光信号１１８の、光ファイバセクション１４６ａの異なる空間モードへのマッピングは、静的（すなわち、固定されており、時間が経過しても変化しない）であっても動的（すなわち、経時的に変化する）であってもよい。ＳＭ結合器１２０が（再）構成可能なＳＭ結合器であるとき、制御装置１３０は、制御信号１３２を介して、ＳＭ結合器の空間モード構成および経時的なその変化を制御する。
【００４５】
入力末端１４４において、個々の光信号がＳＭ結合器１２０によって、実質的に光ファイバセクション１４６ａの単一の空間モードに選択的に結合され、それによって、その光ファイバセクションに送り出されるＳＤＭ信号１２４の光成分に変換されるとき、その空間モードが送信機１１０によって「アドレスされる」と言われる。
【００４６】
さまざまな実施形態において、光ファイバセクション１４６ａ−ｂのそれぞれは、たとえば、（制限はされないが）以下の（ｉ）から（ｉｖ）のうちの１つまたは複数を使用して実装することができる：（ｉ）マルチモードファイバ、（ｉｉ）マルチコアファイバ、（ｉｉｉ）シングルモードファイバの束、および（ｉｖ）光ファイバケーブル。マルチコアファイバが使用される場合、そのファイバの各コアは、それぞれの単一の空間モードまたはそれぞれの複数の空間モードをサポートするように設計されていてもよい。光ファイバセクション１４６ａ−ｂのあり得る実装形態についてのさらなる詳細が、たとえば、米国特許出願公開第２０１０／０３２９６７０号および同第２０１０／０３２９６７１号ならびに米国特許出願第１３／０１８，５１１号の中に見られ、これらのすべては、引用により全体が本明細書に組み込まれる。
【００４７】
いくつかの実施形態において、光ファイバセクション１４６ａ−ｂのそれぞれは、Ｎ＞ＫであるＮ個の空間モードをサポートする。言い換えれば、これらの実施形態において、送信機１１０がアドレスする光ファイバリンク１４０内の空間モードの数は、その中に入る最大数の空間モードの数よりも少ない。その結果、光ファイバリンク１４０は、アンダーアドレッシングのＳＤＭリンクとして機能する。ある代替実施形態では、Ｎ＝Ｋである。他の代替実施形態では、光ファイバセクション１４６ａがＮａ個の空間モードをサポートし、光ファイバセクション１４６ｂがＮｂ個の空間モードをサポートする。ここで、Ｎａ≠Ｎｂであり、ＮａおよびＮｂのそれぞれはＫ以上である。
【００４８】
マルチモードファイバまたはマルチコアファイバの空間モードは、ファイバの長さに沿って伝搬するとき、モード間混合を受ける可能性があることが当技術分野で知られている。その結果、たとえファイバの入力末端において通信信号が完全に単一の特定空間モードに制限されているとしても、他の空間モードが、ファイバの出力末端、たとえば光ファイバセクション１４６ａの出力末端１４８においてその通信信号からの寄与を受けることになる。
【００４９】
光モード混合器１５０は、光ファイバリンク１４０の空間モード混合特性を制御可能に変更する能力を備える。数学的に、光モード混合器１５０の、その中を通るＳＤＭ信号への効果は、以下の等式（１）によって記述される。
【００５０】
【数１】
0005755760.tif 000002
式中、
【００５１】
【数２】
0005755760.tif 000003
は、Ｎａ個の成分を有する入力信号ベクトルであり、各成分は、光ファイバセクション１４６ａの出力末端１４８において光モード混合器１５０によってアドレスされる対応する空間モードに属する光信号を表し、
【００５２】
【数３】
0005755760.tif 000004
は、Ｎｂ個の成分を有する出力信号ベクトルであり、各成分は、光ファイバセクション１４６ｂの入力末端１５２において光モード混合器１５０によってアドレスされる対応する空間モードに属する光信号を表し、Ｍは、光モード混合器の空間モード混合特性を記述するＮｂ×Ｎａ行列である。一般に、
【００５３】
【数４】
0005755760.tif 000005
およびＭのそれぞれは複素数値のエンティティである。静的構成では、モード混合行列Ｍは時間に依存せず、定数の行列要素を有する。動的構成では、モード混合行列Ｍは時間に依存し、経時的に変化する少なくとも１つの行列要素を有する。光モード混合器１５０が（再）構成可能なモード混合器であるとき、制御装置１３０は、制御信号１３４を介して、光モード混合器の構成および経時的なその変化を制御する。
【００５４】
受信機１６０は、光ＳＤＭ信号１５６を光ファイバセクション１４６ｂの出力末端１５４から受信し、このＳＤＭ信号を、たとえば以下でさらに説明するように処理して、データストリーム１０２のオリジナルデータを復元し、復元されたデータを、出力データストリーム１７８を介して出力する。ＳＤＭ信号１５６はＳＭ分離器１６４に入力され、この分離器はＳＤＭ信号１５６をＬ個の光信号成分１６６１−１６６Ｌに分割し、次いでこれらの成分は光−電気（Ｏ／Ｅ）コンバータ１６８に入力される。さまざまな実施形態において、ＬはＫに等しくても、等しくなくてもよいことに留意されたい。代表的な実施形態において、ＬはＮｂより小さくてもよく、さらにはＮａより小さくてもよい。
【００５５】
一実施形態において、ＳＭ分離器１６４は、ＳＭ結合器１２０に類似したＯＭＣデバイスであるが、反対方向に作用するように構成されている。たとえば、ＳＭ分離器１６４は、Ｏ／Ｅコンバータ１６８に供給するために、光信号１６６１−１６６ＬをＬ本のそれぞれのシングルモードファイバに結合するように設計されていてもよい。前記結合を実施するために、ＳＭ分離器１６４はＳＤＭ信号１５６をＬ個の（たとえば減衰された）複製に分割し、適切な空間位相フィルタリングを施して、前記複製のそれぞれを、シングルモードファイバの対応する１つに結合するために適切に調整する。ＳＭ分離器１６４においてＳＤＭ信号１５６の複製に施される空間位相フィルタリングは、シングルモードファイバのそれぞれが、実質的に光ファイバセクション１４６ｂの単一の選択された空間モードから光エネルギーを受信し、異なるシングルモードファイバが、それぞれ対応する異なる空間モードから光エネルギーを受信するようにするものである。システム１００の特定の実施形態によっては、複数の異なる光信号１６６の、光ファイバセクション１４６ｂの異なる空間モードへのマッピングは、静的（すなわち、固定されており、時間が経過しても変化しない）であっても動的（すなわち、経時的に変化する）であってもよい。ＳＭ分離器１６４が（再）構成可能なＳＭ分離器であるとき、制御装置１３０は、制御信号１３６を介して、ＳＭ分離器の構成および経時的なその変化を制御する。
【００５６】
出力末端１５４において、ＳＭ分離器１６４に結合されたシングルモードファイバが、実質的に光ファイバセクション１４６ｂの対応する単一の選択された空間モードから光エネルギーを受信し、それによって、信号１６６１−１６６Ｌの対応する１つを生成するとき、その空間モードが受信機１６０によって「アドレスされる」と言われる。
【００５７】
光信号１１８と光信号１６６の関係は、等式（２）を使用して概ね表すことができる。
【００５８】
【数５】
0005755760.tif 000006
式中、
【００５９】
【数６】
0005755760.tif 000007
は、Ｋ個の成分を有するベクトルであり、各成分は光信号１１８１−１１８Ｋのうちの１つに対応しており、
【００６０】
【数７】
0005755760.tif 000008
は、Ｌ個の成分を有するベクトルであり、各成分は光信号１６６１−１６６Ｌのうちの１つに対応しており、Ｈは、Ｌ×Ｋのチャネル行列である。チャネル行列Ｈは、とりわけ、ＳＭ結合器１２０の構成、ＳＭ分離器１６４の構成、および光モード混合器１５０の構成（等式（１）も参照）に依存することに留意されたい。チャネル行列Ｈを表す異なる組の値は、その行列の異なる具体例と称される。
【００６１】
一実施形態において、Ｏ／Ｅコンバータ１６８は、光信号１６６１−１６６Ｌのそれぞれのコヒーレント（ホモダインまたはイントラダイン）検波を行い、デジタル電気信号１７０１−１７０Ｌの対応する１つを生成する。各タイムスロットにおいて、信号１７０１−１７０Ｌのそれぞれが２つの値を搬送することができ、その値の一方は、光信号１６６１−１６６Ｌの対応する１つの同相（I ）成分に相当し、他方は、その光信号の直角位相（Ｑ）成分に相当する。Ｏ／Ｅコンバータ１６８を実装するために使用できる種々の光検波器は、たとえば米国特許出願公開第２０１０／０１５８５２１号および同第２０１１／００３８６３１号、ならびに国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０９／３７７４６（２００９年３月２０日出願）に開示されており、これらはすべて引用によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００６２】
デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１７２は、デジタル電気信号１７０１−１７０Ｌを処理し、かつ前記処理に基づいて、出力データストリーム１７８を生成する。処理には、（ｉ）データストリーム１１４１−１１４Ｋのうちの１つに対応するデータをそれぞれが搬送する復元されたデータストリームの組（図１には明示していない）を生成するために、信号１７０１−１７０Ｌをデコンボリューションすることと、（ｉｉ）送信機１００内のＦＥＣエンコーダ１１２が、データストリーム１１４１−１１４Ｋを生成する処理において、ＦＥＣ符号化されたデータをインタリーブするように構成されている場合に、復元されたデータストリームによって搬送されるデータブロックをデインタリーブ処理することと、（ｉｉｉ）推定データストリーム（図１には明示していない）を生成するために、デインタリーブ処理されたデータを多重化すること、またはデインタリーブ処理の実行が不要な場合は、復元されたデータストリームによって搬送されるデータブロックを直接的に多重化することと、（ｉｖ）出力データストリーム１７８を生成するために、推定データストリームをＦＥＣ復号することとが含まれるが、これらに限定はされない。ＦＥＣ符号がリンク１４０の特定の伝送特性／条件に対して十分にロバストであれば、伝送／復号誤りの（すべてでなければ）ほとんどが訂正され、出力データストリーム１７８は、システム１００について指定される許容可能な最大ＢＥＲ値よりも小さいＢＥＲで、入力データストリーム１０２に（一致しなければ）近似する。
【００６３】
一般に、上記の信号処理のデコンボリューションステップを適切に実施するために、ＤＳＰ１７２は、信号１７０１−１７０Ｌを介して、十分な数の信号サンプルを受信する必要がある。たとえば、ＳＤＭ信号１５６によって搬送されるＱ個の光シンボルを復号するためには、ＤＳＰ１７２は、その信号の少なくともＱ個の独立したサンプルを取得する必要がある。これらのサンプルに施される信号処理は一般に、光ファイバリンク１４０における空間モード混合の効果を逆にするための行列対角化アルゴリズムに基づいており、この効果には、光モード混合器１５０（等式（１）も参照）によって行われる空間モード混合の効果も含まれる。
【００６４】
例示目的で、下記の代表的な実施形態は、光ファイバセクション１４６ａおよび１４６ｂのそれぞれがマルチモードファイバである、システム１００の一実施形態に対応する。記載された説明から、当業者は、説明した実施形態を修正して、それらを、たとえば（ｉ）光ファイバセクション１４６ａおよび１４６ｂのそれぞれがマルチコアファイバであるか、または（ｉｉ）光ファイバセクション１４６ａおよび１４６ｂの一方がマルチコアファイバであり、他方の光ファイバセクションがマルチモードファイバである、システム１００の一実施形態に適合させることができるようになる。
【００６５】
一般に、マルチモードファイバには、放射モードおよび導波モードという、空間モードの２つの大雑把な分類がある。放射モードでは、エネルギーはファイバコアの外に運ばれ、すぐに散逸させられる。放射モードは本開示の関心対象ではないため、ここでは論じない。導波モードは主としてファイバコアの中に限られ、ファイバに沿ってエネルギーを伝搬し、それによって、光ファイバリンク１４０を伝って情報および電力を運搬する。各導波モードはそれ自体の別個の速度を有し、２つの直交偏光成分にさらに分解され得る。光ファイバ内のいずれの電磁（ＥＭ）界分布も、一般に導波モードの組み合わせで表すことができる。
【００６６】
所与の波長λでは、正規化された周波数パラメータＶ（Ｖの数とも呼ばれる）が２．４０５を超える場合、ファイバセクション１４６のマルチモードファイバは、複数の導波モードをサポートすることができる。等式（３）はＶを表す式である。
【００６７】
【数８】
0005755760.tif 000009
式中、ａはファイバコアの半径であり、ＮＡは開口数である。ステップインデックスファイバでは、開口数は等式（４）によって与えられる。
【００６８】
【数９】
0005755760.tif 000010
式中、ｎ１はファイバコアの屈折率であり、ｎ２はファイバクラッドの屈折率である。
【００６９】
導波モードは一般に、（ｉ）電界の軸成分がゼロのＴＥ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ）モード、（ｉｉ）磁界の軸成分がゼロのＴＭ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃ）モード、および（ｉｉｉ）電界の軸成分も磁界の軸成分もゼロでないＨＥまたはＥＨモードに分類することができる。ＨＥまたはＥＨの指定は、電（Ｅ）界成分と磁（Ｈ）界成分のいずれが優勢であるかによって決まる。
【００７０】
マルチモードファイバの導波モードは、（ｉ）横断面における強度ローブの数、（ｉｉ）群速度、および（ｉｉｉ）長手方向の波動ベクトルの大きさの１つまたは複数に基づいて順位付けすることができる。最低次の（基礎とも呼ぶ）モードは通常、単一の強度ローブ、最高の群速度、および最大の長手方向の波動ベクトルを有する。残りの（より高次の）モードは通常、それらの長手方向の波動ベクトルの大きさに基づいて順位付けされる。導波管断面やＶの数によっては、ある導波モードの相対的な順位を決定するために、長手方向の波動ベクトルの大きさだけでなく、残りの２つの基準のうちの一方の使用が必要になることがある。
【００７１】
光ファイバリンク１４０などの通信リンクで使用されるほとんどのステップインデックス光ファイバの屈折率プロフィールは、比較的小さな（たとえば約０．０５未満の）コントラスト（ｃｏｎｔｒａｓｔ）Δを有し、これは、これらのファイバを弱導波のものにする。等式（５）は、ステップインデックスファイバでのΔの定義を示す。
【００７２】
【数１０】
0005755760.tif 000011
全体的に円筒形のファイバでの弱導波の近似において、ＴＥ、ＴＭ、ＨＥ、およびＥＨ導波モードは、直線偏光（ＬＰ）モードと呼ばれるモードになる。
【００７３】
ＬＰモードの説明では、通常は以下の表記法に従う。各ＬＰモードは、たとえばＬＰｊｋのような下付き文字の形態で、２つの整数インデックスを使用して指定される。第１の整数インデックス（ｊ）は、ファイバ軸（たとえば、Ｚ座標軸）周りの１方位角回転当たりの、電界における２πの大きさの位相増分の数を示す。第２の整数インデックス（ｋ）は、電界分布の外縁でのゼロ電界を半径方向のノードとみなし、半径方向寸法における電界ノードの数を示す。ＬＰモードのうちのいくつかには、指示文字、たとえばａ、ｂも与えられる。この文字は、２つの整数インデックスの後に続き、ある種の縮退モードを区別するために使用される。また、各ＬＰモードは、２つの異なる偏光、たとえば、Ｘ偏光およびＹ偏光を有することができ、ここで、ＸおよびＹは２つの横断する（すなわち、ファイバ軸に直交する）座標軸である。
【００７４】
図２は、本開示の一実施形態による、リンク１０４で使用することができるマルチモードファイバの３つの最低次ＬＰモードに対する代表的な強度分布および偏光を示すグラフである。強度分布は、（ｉ）濃青（外側）色がゼロ強度に対応し、（ｉｉ）暗赤（内側）色が最高強度に対応し、（ｉｉｉ）間の色が青から赤への虹色様の変化で中間強度に対応するように色分けされている。ドット状の矢印は、異なるモードに対するそれぞれの電界偏光を示す。図示されたＬＰモードのそれぞれは、同じ強度分布が２つの直交する（たとえば、ＸおよびＹ）偏光のそれぞれに対応して、２重に縮退している。
【００７５】
基礎モード（ＬＰ０１）は、ガウスビームのものに類似した強度プロフィールを有する。ＬＰ０１モードは、強導波ファイバのＨＥ１１モードに対応する。
【００７６】
２番目に低次のモード（ＬＰ１１）は、対応する電界間の１８０度の位相差を特徴とする２つの強度ピークをもつ強度プロフィールを有する。ＬＰ１１ａモードにおいて、強度ピークは、Ｘ軸に沿って並んでいる。ＬＰ１１ｂモードにおいて、強度ピークは同様に、Ｙ軸に沿って並んでいる。ＬＰ１１ａモードおよびＬＰ１１ｂモードの異なる縮退状態は、強導波ファイバのＴＥ０１、ＴＭ０１、およびＨＥ２１モードの異なる一次結合に対応する。Ｖの数（等式（３）参照）が約２．４０５から約３．９の範囲内にある場合、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、およびＬＰ１１ｂモードは通常、ファイバによってサポートされる導波モードのみである。
【００７７】
図３は、本開示の別の実施形態による、光ファイバリンク１４０で使用することができるマルチモードファイバのいくつかのＬＰモードに対する代表的な位相／電界強度（ＰＦＳ）パターンを示すグラフである。各ＰＦＳパターンは次の（ｉ）、（ｉｉ）の配色を使用して色分けされる：（ｉ）色飽和度が光場強度を表し、（ｉｉ）色自体が電界の位相を表す。たとえば、薄赤色は、暗赤色よりも低い光場強度に対応する。青から赤への虹色様の色変化は、−πから＋πへの相対的位相の連続的な変化を表す。
【００７８】
縮退ＬＰモードの異なる状態に対するＰＦＳパターンは、図３に示されたＰＦＳパターンを適切に回転させることによって得ることができる。たとえば、ＬＰ１１ｂモード（図２参照）に対するＰＦＳパターンは、図３の最上段の列の左から２番目のパネルに示されたＰＦＳパターンを９０度回転させることで得ることができる。ＬＰモードに対する強度分布は、対応するＰＦＳパターンの絶対値の２乗を算出することによって得ることができる。たとえば、図２の左端のパネルに示されたＬＰ０１モードに対する強度分布は、図３の最上段の列の左端のパネルに示されたＰＦＳパターンの絶対値の２乗を算出することによって得ることができる。同様に、図２の左から３番目のパネルに示されたＬＰ１１ａモードに対する強度分布は、図３の最上段の列の左から２番目のパネルに示されたＰＦＳパターンの絶対値の２乗を算出することによって得ることができる。
【００７９】
効率的かつ選択的に光をマルチモードファイバの特定のＬＰモードに結合するためには、ファイバの端面にある光源によって作り出されたＰＦＳパターンおよび偏光は、そのＬＰモードのＰＦＳパターンおよび偏光に極めて近似しているべきである。特に、適切なＰＦＳパターンおよび偏光に一致しない光は、異なるＬＰモードに結合され、放射モードに結合され、かつ／またはマルチモードファイバの端面から反射して戻ってくる可能性がある。たとえば、効率的かつ選択的に光をＸ偏光のＬＰ１１ａモードに結合するためには、対応する光源は、図３の最上段の列の左から２番目のパネルに示されたＰＦＳパターンおよび図２の左から３番目のパネルに示された偏光に極めて近似するＰＦＳパターンを作り出すように構成されるべきである。
【００８０】
簡潔さおよび明瞭さのため、以下の説明は低次のＬＰモードについてのものである。しかしながら、本明細書において開示された本開示内容の実施形態はそれに限定されない。たとえば、図示の本発明の概念は、導波モードが図２および図３に示されたＬＰモードではなく、対応するＴＥ、ＴＭ、ＨＥ、およびＥＨモードである強導波マルチモードファイバにも同様に適用可能である。図示の本発明の概念は、結合マルチコアファイバの「スーパーモード（ｓｕｐｅｒｍｏｄｅｓ）」にも適用可能であり、その代表的な記述は、たとえば、２０１１  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＥＣＯＣ）の会報に発表された、Ｒ．Ｒｙｆ、Ａ．Ｓｉｅｒｒａ、Ｒ．−Ｊ．Ｅｓｓｉａｍｂｒｅらによる、「Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  １２００−ｋｍ  ６ｘ６  ＭＩＭＯ  Ｍｏｄｅ−Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｏｖｅｒ  ３−ｃｏｒｅ  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｆｉｂｅｒ」と題され、その全体が引用により本明細書に組み込まれるＰＤ（ｐｏｓｔ−ｄｅａｄｌｉｎｅ）論文の中に見ることができる。
【００８１】
図４Ａ−４Ｂは、システム１００（図１も参照）の一実施形態による、送信機１１０内のＳＭ結合器１２０および／または受信機１６０内のＳＭ分離器１６４として使用できるＯＭＣデバイス４００を示す。具体的には、図４Ａは、ＯＭＣデバイス４００の構成図を示す。図４Ｂは、ＯＭＣデバイス４００の空間位相フィルタ４２０内で使用できる空間位相パターンを示す。図示を分かりやすくするために、ＯＭＣデバイス４００は２つの空間モードチャネルを備えて図示されている。しかしながら、記載される説明から、システム１００で使用するための任意の適切な数のチャネルを有するＯＭＣデバイスの設計の仕方が当業者には理解されよう。たとえば、ＯＭＣデバイス４００内のチャネル１にチャネル２を追加するために使用したものに類似する光学素子一式を追加することによって、新規の光チャネルを作り出すことができる。
【００８２】
さまざまな実施形態において、空間位相フィルタ４２０は、静的位相マスクであるか、または外部の制御下にある、たとえば、制御信号１３２または１３６（図１参照）の影響を受ける表示された空間位相パターンを変更することが可能な、動的に（再）構成可能なデバイスであり得る。
【００８３】
ＯＭＣデバイス４００は、その左側がシングルモードファイバ４０２１−４０２２に結合され、その右側がマルチモードファイバ４０６に結合されたものとして図４Ａに示されている。ＯＭＣデバイス４００が送信機１１０内のＳＭ結合器１２０（図１参照）として使用されるとき、シングルモードファイバ４０２１−４０２２のそれぞれは、変調された光信号１１８の対応する１つを受信するように構成されており、マルチモードファイバ４０６はファイバセクション１４６ａの一部である。ＯＭＣデバイス４００が受信機１６０内のＳＭ分離器１６４（図１参照）として使用されるとき、シングルモードファイバ４０２１−４０２２のそれぞれは、光信号成分１６６の対応する１つを搬送するように構成されており、マルチモードファイバ４０６はファイバセクション１４６ｂの一部である。
【００８４】
例示目的で、ＯＭＣデバイス４００の以下に記載される説明は、たとえばＳＭ結合器１２０（図１）に対応する構成のように、光がシングルモードファイバ４０２１−４０２２からマルチモードファイバ４０６に導かれているものと仮定している。この説明から、たとえばＳＭ分離器１６４（図１）に対応する構成のように、光がマルチモードファイバ４０６からシングルモードファイバ４０２１−４０２２に導かれているとき、ＯＭＣデバイス４００の動作の仕方が当業者には理解されよう。
【００８５】
ＯＭＣデバイス４００は２つのレンズ４１０を備え、そのそれぞれが、ファイバ４０２のそれぞれによってＯＭＣデバイスに照射される各発散光ビームを平行化する。得られる平行ビームのそれぞれは、空間位相フィルタ４２０のそれぞれを通過して、対応する位相フィルタリングされたビーム４２２を作り出す。次いで、複数のミラー４３０は、２つの位相フィルタリングされたビーム４２２を空間的に重畳し、得られた「重畳された」ビーム４３２をファイバ４０６に導く。ミラー４３０４は部分的に透過性のミラーであるが、ミラー４３０１−４３０３のそれぞれは、通常の不透過性のミラーであることに留意されたい。２つのレンズ４４２および４４６ならびに開口４４４は、ビーム４３２を圧縮（たとえば、サイズダウン）し、空間的にフィルタリングして、出力ビーム４５２を生成するために使用され、この出力ビームはマルチモードファイバ４０６の入力末端４５４に作用し、マルチモードファイバの選択された空間モード（図２−３も参照）に対応するＰＦＳパターンの意図された重畳を作り出す。
【００８６】
ＯＭＣデバイス４００の２つの空間モードチャネルに割り当てられた空間モードに応じて、空間位相フィルタ４２０１および４２０２によって表示される空間位相パターンが、たとえば図４Ｂに示された空間位相パターンの組から適切に選択される。たとえば、ＯＭＣデバイス４００の特定の空間モードチャネルがファイバ４０６のＬＰ１１ａモードに割り当てられる場合、図４ＢにおいてＬＰ１１を付してある適切に配向された空間位相パターンが、その空間モードチャネル内の対応する空間位相フィルタ４２０によって表示される。同様に、ＯＭＣデバイス４００の特定の空間モードチャネルがファイバ４０６のＬＰ２１ｂモードに割り当てられる場合、図４ＢにおいてＬＰ２１を付してある適切に配向された空間位相パターンが、その空間モードチャネル内の対応する空間位相フィルタ４２０によって表示され、その他も同様である。対応するフィルタ４２０によって加えられる空間位相フィルタリングと、開口４４４によって加えられる空間フィルタリングとの複合効果は、光チャネルが、ファイバ４０６の入力末端４５４で、選択された空間モードに対応する意図したＰＦＳパターンを作り出し、それによって、対応するシングルモードファイバ４０２を介して受信した光信号をマルチモードファイバ４０６のその空間モードに効率的に結合するというものである。
【００８７】
図４Ｂに示された空間位相パターンのいくつかは、２値の位相パターン（すなわち、２つの可能な位相ずれの一方のみ、たとえば０またはπのいずれかを局所的に加えることができる位相パターン）であることに留意されたい。特に、ＬＰ０１、ＬＰ０２、およびＬＰ０３モードに対応する位相パターンは、２値の位相パターンである。図４Ｂに示された残りの位相パターンは、そのパターンの異なる部分が、連続的な位相ずれ範囲から選択される位相ずれを加えることができるので、「アナログ」位相パターンである。アナログ位相パターンは次の（ｉ）、（ｉｉ）の配色を使用して図４Ｂに示されている：（ｉ）異なる色が、連続的な２πの間隔で異なる位相ずれを表し、（ｉｉ）いくつかの位相パターンについて、同じ色の異なる帯が２πの整数倍だけ互いに異なる位相ずれを表す。
【００８８】
一実施形態において、ＯＭＣデバイス４００は、２つの別個のフィルタ４２０１および４２０２に代えて、比較的大きい連続的な単一空間位相フィルタを使用してもよい。この比較的大きい連続的なフィルタは、その異なるセクション（部分）に、図４Ｂからの２つ以上の空間位相パターンを表示するように構成されていてもよい。これらの異なるセクションは、あるセクションが空間位相フィルタ４２０１として機能し、別のセクションが空間位相フィルタ４２０２として機能するように配置構成されていてもよい。
【００８９】
ＳＭ結合器１２０および／またはＳＭ分離器１６４（図１参照）を実装するために使用できる各種追加のＯＭＣデバイスが、たとえば、上記の米国特許出願公開第２０１０／０３２９６７０号および同第２０１０／０３２９６７１号、さらには米国特許出願公開第２０１１／０２４３４９０号および米国特許出願第１２／９８６，４６８号にも開示されており、そのいずれも引用によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００９０】
図５Ａ−５Ｂは、システム１００の一実施形態による、光モード混合器１５０（図１）として使用できる光モード混合器５００を示す。具体的には、図５Ａはモード混合器５００の全体的な構成図を示す。図５Ｂは、複数がモード混合器５００で使用される２×２光混合器５２０の概略図を示す。
【００９１】
図５Ａを参照すると、モード混合器５００は、マルチモードファイバ５４６ａと５４６ｂの間で結合されている。代表的な構成において、マルチモードファイバ５４６ａは、光ファイバセクション１４６ａを実装するために使用されてもよく、マルチモードファイバ５４６ｂは、光ファイバセクション１４６ｂを実装するために使用されてもよい（図１参照）。光モード混合器５００は、（ｉ）マルチモードファイバ５４６ａおよび５４６ｂにそれぞれ結合されたＯＭＣデバイス５１０ａおよび５１０ｂと、（ｉｉ）図５Ａに示すように、これらのＯＭＣデバイス間で結合された２×２光混合器５２０の相互に連結したアレイ５３０とを含む。一実施形態において、シングルモードファイバ４０２を２つだけでなく４つ実装する場合は、ＯＭＣデバイス５１０ａおよび５１０ｂのそれぞれは、ＯＭＣデバイス４００（図４）に類似していてもよい。
【００９２】
混合器アレイ５３０は、（ｉ）ＯＭＣデバイス５１０ａによって生成される光信号５１２１−５１２４を受信し、（ｉｉ）受信信号を光学的に混合して光信号５３２１−５３２４を生成し、（ｉｉｉ）得られた信号をＯＭＣデバイス５１０ｂに入力するように構成されている。その結果、混合器アレイ５３０は、（４×４）行列Ｍで等式（１）を実施するために使用され得る。行列Ｍの個々の行列要素は混合器５２０の状態に依存し、混合器５２０は混合器制御装置５４０が生成する制御信号５４２１−５４２６によって制御されている。したがって、行列Ｍは、混合器制御装置５４０を、１つまたは複数の混合器５２０の状態（複数可）を変更するように構成することによって、時間に応じて変化させることができる。混合器制御装置５４０は、制御信号１３４（図１）などの外部の制御信号に基づいて制御信号５４２１−５４２６を生成するように構成されていてもよい。あるいは、混合器制御装置５４０は、制御装置１３０の一部であると言われていてもよく、その場合、制御信号１３４は制御信号５４２１−５４２６を含むと言われていてもよい。
【００９３】
図５Ｂを参照すると、個々の光混合器５２０は、第１のアーム５２６ａおよび第２のアーム５２６ｂを有するマッハツェンダー干渉計を備え、両アームは２つの（たとえば、３ｄＢの）光結合器５２２の間で結合されている。アーム５２６ｂは、対応する制御信号５４２を制御装置５４０から受信する移相器（ＰＳ）５２４を備える。混合器５２０によって生成される出力信号Ｓ３およびＳ４のそれぞれは、混合器に入力される入力信号Ｓ１とＳ２の一次結合を表し、一次結合の係数は、（ｉ）信号Ｓ１およびＳ２の波長と、（ｉｉ）アーム５２６ａと５２６ｂに長さの差がある場合は、その差と、（ｉｉｉ）移相器５２４によって加えられる位相ずれの値とによって決まる。係数は、移相器５２２によって加えられる位相ずれの値を変えることによって、適宜または必要に応じて変更することができる。
【００９４】
アレイ５３０は、図５Ａに示したような形で相互に連結した６つの混合器５２０を備えて例示的に示されているが、その他のアレイも同様に使用できる。具体的には、アレイ５３０のトポロジおよび／またはサイズは、たとえば、システム１００について指定されたＮａ、Ｎｂ、Ｌ、およびＫの値に基づいて選択されてもよい。たとえば、Ｎａ＞Ｎｂの場合、出力線５３２ｉに類似する出力線のいくつかは、ＯＭＣデバイス５１０ｂに類似した対応するＯＭＣデバイスに接続していなくてもよい。Ｎａ＜Ｎｂの場合、出力線５３２ｉに類似する出力線のいくつかは、結合前に、ＯＭＣデバイス５１０ｂに類似するＯＭＣデバイスの対応するポートに分割される必要があり得る。
【００９５】
光モード混合器５００の例示的な実施形態がマッハツェンダータイプの光混合器５２０に基づくものとして説明されてきたが、その他のタイプの光混合器または交換機も同様に使用できる。たとえば、１つまたは３つ以上の入力ポートを有する構成可能な交換機／混合器が、アレイ５３０に類似する対応する交換機／混合器アレイを形成するために使用され得る。同様に、１つまたは３つ以上の出力ポートを有する構成可能な交換機／混合器も使用できる。ＯＭＣデバイス５１０ａ−ｂの一方または両方が、たとえば、ＳＭ結合器１２０および／またはＳＭ分離器１６４（図１）に類似するように、任意選択で構成可能であってもよい。対応する制御信号は破線を使用して図５Ａに示されており、５３４ａおよび５３４ｂが付されている。代替実施形態において、対応するマルチモードファイバまたは光ファイバケーブルの４つより多いかまたは少ない空間モードにアドレスするように設計されたＯＭＣデバイスが、ＯＭＣデバイス５１０ａ−ｂの代わりに使用されてもよい。光モード混合器５００の入口（左）側に位置するＯＭＣデバイスは、光モード混合器の出口（右）側に位置するＯＭＣデバイスとは異なる数の空間モードにアドレスするように構成されていてもよい。
【００９６】
図６は、システム１００の別の実施形態による、光モード混合器１５０として使用できる光モード混合器６００の断面側面図を示す。光モード混合器６００は、マルチモードファイバセクション６４６ａと６４６ｂの間で結合されている。代表的な構成において、マルチモードファイバセクション６４６ａは、光ファイバセクション１４６ａを実装するために使用されてもよく、マルチモードファイバセクション６４６ｂは、光ファイバセクション１４６ｂを実装するために使用されてもよい（図１参照）。
【００９７】
光モード混合器６００は、プレート６２０ａ−ｂを、その間に挟まれているファイバのセクション６１０に対して押し付けるように配置構成された機械式（たとえば、圧電）アクチュエータ６３０を有する。アクチュエータ６３０がプレート６２０ａ−ｂを押す力は、制御信号１３４（図１参照）などの外部の制御信号によって制御される。プレート６２０ａ−ｂのそれぞれは、ファイバセクション６１０に物理的に直接接触している平らでない各表面６１２を有する。一実施形態において、表面６１２は、波形がつけられていてもよく、かつ／または比較的粗い表面仕上げであってもよい。アクチュエータ６３０が２つの平らでない表面をファイバセクション６１０に対して押し付けるとき、ファイバは僅かに変形され、これによって、そのファイバセクションに比較的強い空間モードクロストークおよび／またはスクランブリングが生じる。この空間モードクロストークおよび／またはスクランブリングのタイプおよび／または程度は、アクチュエータ６３０によって加えられる機械的な力の大きさによって決まる。一般に、ファイバのさまざまな機械的変形によって、ファイバセクション６１０に異なるタイプおよび／または程度の空間モードクロストーク／スクランブリングが生じる。次いでこの現象は、たとえば等式（１）の異なる行列Ｍによって数学的に表されるような、モード混合器６００に対する異なる空間モード混合特性として現れる。したがって、アクチュエータ６３０を、それがプレート６２０ａ−６２０ｂに加える機械的な力を変化させるように構成することによって、行列Ｍは時間に応じて変化させることができる。
【００９８】
一実施形態において、光モード混合器６００は、ＣａｌｉｆｏｒｎｉａのＩｒｖｉｎｅ所在のＮｅｗｐｏｒｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから、たとえば型番ＦＭ−１として市販されているファイバモードスクランブラの自動化版を使用して実装することができる。
【００９９】
図１に戻ると、システム１００の動作は、少なくとも３つの異なる時定数：ｔｓ、ＴＦＥＣ、およびτｃによって特徴づけることができる。具体的には、時定数ｔｓは信号間隔の継続時間、たとえば個々の光信号１１８における１つのコンスタレーションシンボルに割り当てられた時間間隔である。間隔ｔｓは、ビットレートに反比例する。時定数ＴＦＥＣは、機能するＦＥＣ符号を誤り訂正可能としたまま、誤りのバーストが生じ得る可能な最大継続時間を表す。ＦＥＣ符号が訂正できる誤りの最大量は、符号の誤り訂正容量とも呼ばれる。符号の誤り訂正容量は、ＦＥＣブロックのサイズ、符号化後のＦＥＣスクランブリングの深さ、および基礎のアルゴリズム（複数可）の性質によって決まる。時定数τｃはチャネルコヒーレンス時間であり、これは、光ファイバリンク１４０内でマルチパスフェージングによって誘起される光信号１５６の大きさの変化が、それの前の値（ＳＭ結合器１２０および光モード混合器１５０の構成が静的であるとき）と無相関になるのに必要な最小の時間の尺度である。
【０１００】
システム１００の停止は、たとえば光信号１５６の１つまたは複数の信号成分の「深いフェード」によって生じることがあり、これによって、ＤＳＰ１７２が実行するＦＥＣ復号処理の一時的な中断により、光信号１６６は一時的に復号不能になることがある。信号成分の深いフェードは、たとえば、チャネル行列Ｈ（等式（２）参照）の好ましくない具体例により、その信号成分が受信機１６０で受ける強い相殺的干渉によって生じることがある。ＦＥＣ符号化されたデータブロックの伝送中に生じる１つまたは複数の深いフェードが累積した効果として、光信号１６６内の十分に多い数のシンボルで光信号対雑音比（ＳＮＲ）が正確な復号に不十分となるとき、ＦＥＣ復号処理は中断し、それによって停止が生じる。そのような中断は、たとえば、深いフェードが比較的長い時間続いて、その結果、対応する誤りが符号の誤り訂正容量を超えるときに生じ得る。これは、たとえばτｃ＞ＴＦＥＣの場合に生じ得る。
【０１０１】
数学的に、フェージングは通常、時間とともに変化するランダムなプロセスとしてモデル化することができる。深いフェードの典型的な（たとえば平均的な）継続時間は、チャネルコヒーレンス時間τｃを使用して表すことができ、光信号１５６の異なるモード成分は、全体がそれぞれの深いフェードを統計的にランダムに受ける。フェージングのランダムな性質によって、ある時間間隔では深いフェード内に信号成分が比較的多くなったり、ある他の時間間隔では深いフェード内に信号成分が比較的少なくなったりする。システムの停止は、後者の時間間隔よりも前者の時間間隔で生じる可能性が高いことが当業者には理解されよう。
【０１０２】
本明細書において以下に開示される動作システム１００の方法は、たとえば、深いフェード内に信号成分を比較的多く含む時間間隔の数を減らすことによって、ＦＥＣ復号処理の一時的な中断の頻度を減少させることを対象としている。各種実施形態において、この減少は、（ｉ）深いフェード内に信号成分が比較的少ない時間間隔の数を減らすこと、および／または（ｉｉ）ペイロードデータを送信するためではなく、深いフェードの発生を監視するための帯域幅の一部を使用することと引き換えに実現される。一実施形態による動作システム１００の代表的な方法は、（ｉ）ＳＭ結合器１２０の構成を変更すること、（ｉｉ）ＳＭ分離器１６４の構成を変更すること、および（ｉｉｉ）光モード混合器１５０の構成を変更することのうちの１つまたは複数を含むことができる。
【０１０３】
図７は、本開示の一実施形態による、動作システム１００の方法７００のフローチャートを示す。方法７００は、送信機１１０または受信機１６０を使用して実施することができる。方法７００の例示的なステップは、図１および図７の両方を参照して以下で説明される。
【０１０４】
方法７００のステップ７０２において、制御装置１３０は、対象となるＯＭＣデバイス（たとえば、ＳＭ結合器１２０またはＳＭ分離器１６４）によってアドレスされるべき空間モードのサブセットを選択する。たとえば、送信機１１０を使用して方法７００が実施される場合、選択されたサブセットは、ファイバ１４６ａのＫ個の空間モードからなり、このサブセットを選ぶことができる
【０１０５】
【数１１】
0005755760.tif 000012
個の可能な異なるサブセットが存在する。ここで、！は階乗の表記を示す。受信機１６０を使用して方法７００が実施される場合、選択されたサブセットは、ファイバ１４６ｂのＬ個の空間モードからなり、このサブセットを選ぶことができる
【０１０６】
【数１２】
0005755760.tif 000013
個の可能な異なるサブセットが存在する。制御装置１３０は、空間モードのサブセットを複数の可能な異なるサブセットから選択するための任意の適切なアルゴリズムを使用することができる。たとえば、方法７００の一実装形態では、制御装置１３０は、空間モードのサブセットを複数の可能な異なるサブセットからランダムに選択するように構成されていてもよい。別の実装形態では、制御装置１３０は、可能性のある複数の異なる組から、順繰りに空間モードの組を選択するように構成されていてもよい。さらに別の実装形態において、制御装置１３０は、採用されるファイバ設計（複数可）の仕様により、光リンク内のフェージングが少なくなることが知られているある種のモードを優先することによって、空間モードの組を複数の可能な異なる組から選択するように構成されていてもよい。さらに別の実装形態において、制御装置１３０は、採用されるファイバ設計（複数可）に応じて、互いに弱くまたは強く結合されたモードを選ぶことによって、空間モードの組を複数の可能な異なる組から選択するように構成されていてもよい。
【０１０７】
ステップ７０４において、制御装置１３０は、ステップ７０２において選択された空間モードのサブセットに対応する位相フィルタ（たとえば、図４Ａの位相フィルタ４２０１−４２０２に類似）の組を使用するために、適切な制御信号を生成して、対象のＯＭＣデバイスを構成する。たとえば、機能する空間モードがＬＰモードである場合、ＯＭＣデバイスにおいて使用される位相フィルタは、図４Ｂに示された位相パターンから適切に選択された位相パターンを有することがある。
【０１０８】
送信機１１０を使用して方法７００が実施される場合、制御装置１３０は制御信号１３２を生成し、これがステップ７０４においてＳＭ結合器１２０を適切に構成する。受信機１６０を使用して方法７００が実施される場合、制御装置１３０は制御信号１３６を生成し、これがステップ７０４においてＳＭ分離器１６４を適切に構成する。
【０１０９】
制御信号（１３２または１３６）は、対象のＯＭＣデバイスの構成を、指定時間（ｔｈｏｌｄ）の間、その制御信号が静的に維持するように生成される。代表的な実施形態において、時間ｔｈｏｌｄは、チャネルコヒーレンス時間τｃを大幅に下回り、かつ時間ＴＦＥＣも大幅に下回るように選択される。時間ｔｈｏｌｄが経過した後、方法７００の処理は、ステップ７０４からステップ７０２に戻される。
【０１１０】
方法７００のさまざまな実施形態において、ステップ７０２および７０４は、ＦＥＣ符号化されたデータブロックの伝送に対して非同期で実行されてもよいし、同期して実行されてもよい。ＤＳＰ１７２によって実行されるデータ復元アルゴリズムは、ステップ７０２および７０４のタイミングを認識し、それに従って対応するデータ処理を実行する。
【０１１１】
代表的な実施形態において、方法７００は、たとえばＦＥＣ符号化された１つのデータブロックを伝送している間に比較的多くのサイクルが実行され、比較的大きい繰り返し速度でステップ７０２および７０４を循環するように実施される。ステップ７０２および７０４をこうして比較的速く循環することによって、前記伝送中に受信機１６０を、チャネル行列Ｈ（等式（２）参照）の好ましい具体例および好ましくない具体例の両方にさらすことが可能になる。機能するＦＥＣ符号が、チャネル行列Ｈの対応する平均的な具体例に対して十分な誤り訂正容量を有するのならば、ＤＳＰ１７２で実施されるＦＥＣ復号処理は通常、チャネル行列Ｈの好ましくない具体例によって引き起こされるバースト誤りを訂正することが可能であり、その具体例は、ステップ７０２−７０４の循環が比較的速いことにより、比較的すぐに消える傾向がある。対照的に、方法７００によって課されるチャネル行列Ｈの比較的速い変更がなければ、チャネル行列Ｈの好ましくない具体例が比較的長い時間継続することがあり、これによって、ＦＥＣ符号の十分でない誤り訂正容量のために、対応するデータブロックのＦＥＣ復号処理が中断する可能性がある。
【０１１２】
図８は、本開示の別の実施形態による、動作システム１００の方法８００のフローチャートを示す。方法７００（図７）と同様に、方法８００は、送信機１１０または受信機１６０のＯＭＣデバイスを使用して実施することができる。方法８００の例示的なステップは、図１、図７、および図８に関連して以下で説明される。
【０１１３】
ステップ８０２において、制御装置１３０は、トレーニングモードに入るように送信機１１０および受信機１６０を構成する。トレーニングモード中は、送信機１１０は、１つまたは複数のパイロットデータ列を搬送する光信号を送信するように構成されており、受信機１６０は、この伝送に対応するＢＥＲまたは他の適切な性能測定基準を監視するように構成されている。
【０１１４】
ステップ８０４において、制御装置１３０は、方法７００（図７）を実行するように送信機１１０または受信機１６０を構成し、その間、送信機１１０はパイロットデータ列を送信し、受信機１６０はこの伝送に対応する性能測定基準（たとえば、ＢＥＲ）を監視している。
【０１１５】
ステップ８０６において、ＤＳＰ１７２は、ステップ８０４の中で認められた好ましい性能測定基準値（たとえば、最小ＢＥＲ値）に対応する１つまたは複数の時間間隔を特定する。次いでＤＳＰ１７２は、フィードバック信号１７４を使用して、この情報を制御装置１３０に通知する。受信した情報に基づいて、制御装置１３０は、対象のＯＭＣデバイス（において使用される１つまたは複数の組の位相フィルタなど）の対応する１つまたは複数の空間モード構成を特定する。たとえば、ＳＭ結合器１２０を使用して方法８００が実施される場合、制御装置１３０は、ステップ８０４の中で認められた好ましい性能測定基準値の前記１つまたは複数の時間間隔に対応するＳＭ結合器の１つまたは複数の空間モード構成を特定する。あるいは、ＳＭ分離器１６０を使用して方法８００が実施される場合、制御装置１３０は、ステップ８０４において認められた好ましい性能測定基準値の前記１つまたは複数の時間間隔に対応するＳＭ分離器の１つまたは複数の空間モード構成を特定する。
【０１１６】
ステップ８０８において、制御装置１３０は、ステップ８０６において特定された１つまたは複数の空間モード構成から、１つの構成を選択する。次いで制御装置１３０は、適切な制御信号（たとえば、制御信号１３２または１３６）を使用して、選択された空間モード構成を、前記構成がステップ８１０の継続時間全体にわたって静的に保持される形で使用するように対象のＯＭＣデバイスを構成する。既に示したように、適したＯＭＣデバイスはＳＭ結合器１２０またはＳＭ分離器１６４であり得る。
【０１１７】
ステップ８１０において、制御装置１３０は、送信機１１０および受信機１６０を指定時間ペイロード伝送モードで動作するように構成する。ペイロード伝送モードの間、送信機１１０は、ペイロードデータを搬送する光信号を送信するように構成されており、受信機１６０は、受信した対応する信号を復調および復号して、前記ペイロードデータを復元するように構成されている。ステップ８０８において選択された構成がチャネル行列Ｈの好ましい具体例に対応するので、ＤＳＰ１７２内のＦＥＣ復号処理は、ステップ８１０の間可能性のある誤りを訂正し、システム停止を避けるために十分な誤り訂正容量を有する見込みが大きい。
【０１１８】
代表的な実装形態において、ステップ８１０の継続時間は、チャネルコヒーレンス時間τｃと大体同じかまたはそれより僅かに短くなるように選択される。この継続時間では、比較的好ましいチャネル状態が、ステップ８１０の継続時間全体にわたって確実に持続できるようになる見込みが大きいことが当業者には理解されよう。ステップ８１０に割り当てられた時間間隔が経過した後、方法８００の処理はステップ８１０からステップ８０２に戻される。
【０１１９】
方法８００は、たとえば光ファイバリンク１４０が比較的大きい値のチャネルコヒーレンス時間τｃをもつとき、システム１００において有利に使用され得ることが当業者には理解されよう。その特性は、有利には、システム１００がトレーニングモードに置かれる時間の割合を比較的短くすることができ、同時にステップ８１０の毎回の実行の間、比較的多いＦＥＣ符号化されたペイロードデータブロックの送信ができる。
【０１２０】
図９は、本開示のさらに別の実施形態による、動作システム１００の方法９００のフローチャートを示す。方法９００は、光モード混合器１５０（図１）を使用して実施することができる。方法９００の例示的なステップは、図１、図５、図６、および図９を参照して以下に記載される。
【０１２１】
方法９００のステップ９０２において、制御装置１３０は、モード混合行列Ｍ（等式（１）参照）の各行列要素にそれぞれが対応する値の実施可能な組を選択する。制御装置１３０は、値のこの実施可能な組を選択するための任意の適切なアルゴリズムを使用することができる。たとえば、方法９００の一実装形態では、制御装置１３０はこの組を、メモリに格納された事前計算された組のリストからランダムに選択するように構成されていてもよい。
【０１２２】
ステップ９０４において、ステップ９０２において選択された値に基づいて、制御装置１３０は、前記選択された値に対応する空間モード混合を実施する構成を採用するように光モード混合器１５０を構成する制御信号１３４を生成する。たとえば、一実施形態において、制御信号１３４は、混合器アレイ５３０（図５参照）用に適切な組の制御信号５４２を生成するように混合器制御装置５４０を構成するために、使用され得る。別の実施形態において、制御信号１３４は、アクチュエータ６３０がプレート６２０ａ−ｂ（図６参照）に加える力を指定するために使用され得る。
【０１２３】
制御信号１３４は、光モード混合器１５０の構成を、指定時間（ｔｈｏｌｄ）の間、その制御信号が静的に維持するように生成される。代表的な実施形態において、時間ｔｈｏｌｄは、チャネルコヒーレンス時間τｃを大幅に下回り、かつ時間ＴＦＥＣも大幅に下回るように選択される。時間ｔｈｏｌｄが経過した後、方法９００の処理は、ステップ９０４からステップ９０２に戻される。
【０１２４】
方法９００のさまざまな実施形態において、ステップ９０２および９０４は、ＦＥＣ符号化されたデータブロックの伝送に対して非同期で実行されてもよいし、同期して実行されてもよい。ＤＳＰ１７２によって実行されるデータ復元アルゴリズムは、ステップ９０２および９０４のタイミングを認識し、それに従って対応するデータ処理を実行する。
【０１２５】
代表的な実施形態において、方法９００は、たとえば、ＦＥＣ符号化された１つのデータブロックを伝送している間に比較的多くのサイクルを実行させる、比較的大きい繰り返し速度でステップ９０２および９０４を循環するように実施される。ステップ９０２および９０４をこうして比較的速く循環することによって、方法７００（図７）に関して既に示したものと似た理由で、停止確率を下げられる。
【０１２６】
図１０は、本開示のさらに別の実施形態による、動作システム１００の方法１０００のフローチャートを示す。方法１０００は、光モード混合器１５０を使用して実施することができる。方法１０００の例示的なステップは、図１、図９、および図１０を参照して以下で説明される。
【０１２７】
ステップ１００２において、制御装置１３０は、トレーニングモードに入るように送信機１１０および受信機１６０を構成する。トレーニングモード中は、送信機１１０は、１つまたは複数のパイロットデータ列を搬送する光信号を送信するように構成されており、受信機１６０は、この伝送に対応する適切な性能測定基準（たとえば、ＢＥＲ）を監視するように構成されている。
【０１２８】
ステップ１００４において、制御装置１３０は、方法９００（図９）を実行するように光モード混合器１５０を構成し、その間、送信機１１０はパイロットデータ列を送信し、受信機１６０はこの伝送に対応する性能測定基準を監視している。
【０１２９】
ステップ１００６において、ＤＳＰ１７２は、ステップ１００４の中で認められた好ましい性能測定基準値（たとえば、最小ＢＥＲ値）に対応する１つまたは複数の時間間隔を特定する。次いでＤＳＰ１７２は、フィードバック信号１７４を使用して、この情報を制御装置１３０に通知する。受信した情報に基づいて、制御装置１３０は、光モード混合器１５０（によって実施されるべきモード混合行列Ｍの、１つまたは複数の組の実施可能な値など）の対応する１つまたは複数の空間モード混合構成を特定する。
【０１３０】
ステップ１００８において、制御装置１３０は、ステップ１００６において特定された１つまたは複数の空間モード混合構成から、１つの構成を選択する。次いで制御装置１３０は、制御信号１３４を使用して、選択された構成を、前記構成がステップ１０１０の継続時間全体にわたって静的に保持される形で採用するように光モード混合器１５０を構成する。
【０１３１】
ステップ１０１０において、制御装置１３０は、送信機１１０および受信機１６０を指定時間ペイロード伝送モードで動作するように構成する。ペイロード伝送モードの間、送信機１１０は、ペイロードデータを搬送する光信号を送信するように構成されており、受信機１６０は、受信した対応する信号を復調および復号して、前記ペイロードデータを復元するように構成されている。ステップ１００８において選択された構成がチャネル行列Ｈの好ましい具体例に対応するので、ＤＳＰ１７２内のＦＥＣ復号処理は、ステップ１０１０の間可能性のある誤りを訂正し、システム停止を避けるために十分な誤り訂正容量を有する見込みが大きい。
【０１３２】
代表的な実装形態において、ステップ１０１０の継続時間は、チャネルコヒーレンス時間τｃと大体同じかまたはそれより僅かに短くなるように選択される。この継続時間では、比較的好ましいチャネル状態が、ステップ１０１０の継続時間全体にわたって確実に持続できるようになる見込みが大きいことが当業者には理解されよう。ステップ１０１０に割り当てられた時間間隔が経過した後、方法１０００の処理はステップ１０１０からステップ１００２に戻される。
【０１３３】
方法１０００は、たとえば方法８００（図８）に関連して既に示したものに類似する条件下で、システム１００において有利に使用され得ることが当業者には理解されよう。
【０１３４】
図１１は、本開示のさらに別の実施形態による、動作システム１００の方法１１００のフローチャートを示す。方法１１００は、受信機１６０を使用して実施することができる。方法１１００の例示的なステップは、図１および図１１を参照して以下で説明される。
【０１３５】
方法１１００のステップ１１０２において、受信機１６０は、そのＬ個の空間モードチャネルのうちの（Ｌ−Ｒ）個をデータ復元用に使用し、かつそのＬ個の空間モードチャネルのうちの残りのＲ個をリンク１４０における信号伝搬状態の試験用に使用するように構成されている。本明細書では、用語「ｉ番目の空間モードチャネル」は、光信号１６６ｉおよび電気信号１７０ｉを生成するように構成された受信機１６０内のハードウェアを指す。一般に、受信機１６０におけるＬ個の空間モードチャネルのうちのいずれかは、トレーニング用チャネルまたはデータ復元用チャネルであり得る。したがって、いずれの時点でも、Ｒ個の試験用チャネルの現在の組を表すインデックス「ｉ」の組は、１からＬの範囲から選択されたＲ個の任意の異なるインデックス値を含み得る。次いで、この範囲の残りの（Ｌ−Ｒ）個のインデックス値は、データ復元用チャネルを表す。一般に、受信機１６０は、試験用チャネルが、データ復元用チャネルによってアドレスされる空間モードとは異なるファイバ１４６ｂの空間モードにアドレスするように構成される。
【０１３６】
ステップ１１０４において、受信機１６０は、そのＬ個の空間モードチャネルのそれぞれに対応する適切な性能測定基準（たとえば、信号対雑音比、ＳＮＲ）を計測するように構成されている。次いでＤＳＰ１７２は、測定結果に基づいて空間モードチャネルを２つのグループに分類する。たとえば、最も高いＳＮＲを有する（Ｌ−Ｒ）個のチャネルは、第１のグループに配置され得る。Ｒ個の残りの空間モードチャネルは第２のグループに配置される。
【０１３７】
ステップ１１０６において、受信機１６０は、空間モードチャネルの第１のグループをデータ復元用チャネルとして、また空間モードチャネルの第２のグループを試験用チャネルとして使用するように構成される。
【０１３８】
ステップ１１０８において、受信機１６０は、データ復元用チャネルによってアドレスされる空間モードは変更せずに、試験用チャネルによってアドレスされる空間モードを変更するようにＳＭ分離器１６４を再構成する。受信機１３０は、試験用チャネルのための新規の空間モードのサブセットを選択するための任意の適切なアルゴリズムを使用することができる。たとえば、方法１１００の一実装形態において、新規のサブセット用の空間モードは、現在アドレスされていない空間モード（たとえば、第１のグループにも第２のグループにも属していない空間モード）から、ランダムに選択されてもよい。次いで、方法１１００の処理は、ステップ１１０８からステップ１１０４に戻される。
【０１３９】
ステップ１１０４−１１０８を循環することによって、受信機１６０は、データ復元用チャネルによってアドレスされる空間モードを、これらの空間モードが光ファイバリンクの最適性能の空間モードのうちの少なくともいくつかを含むように適応的に変更することができる。その結果、停止確率は、静的構成において実現される停止確率と比較して有利に低減される。この低減のコストは、受信機１６０の試験用チャネルに対応する帯域幅が、データを送信するためではなく、アドレスされていない空間モードを探索するために使用されていることである。
【０１４０】
本開示内容を例示の実施形態を参照しながら説明してきたが、この説明は限定的な意味に解釈されることは意図されていない。
【０１４１】
本開示の各種実施形態をマルチモードファイバに関して説明してきたが、同様の原理がマルチコアファイバおよび／または光ファイバケーブルにも適用可能である。
【０１４２】
通信システムは、（たとえば、プロセッサがＮ×ＮのＭＩＭＯを処理することができるとき）Ｍ個のモードを有する光リンクを使用することができ、このときＮ（＜Ｍ）個のモードがデータの伝送に使用されている。残りのＭ−Ｎ個のモードは探索用に使用することができる。この構成において、Ｎ個のモードの第１のサブセットが情報を搬送するために使用され、かつＭ−Ｎ個のモードの第２のサブセットが監視のために使用されている状態で、送信機および／受信機はすべてのファイバモードにアドレスする。一実施形態において、本明細書において開示された方法の１つは、たとえば、モード指定を「データ搬送」から「探索」に、またはその逆に変更することによって、第１および第２のサブセットの内容を動的に変更するように構成されていてもよい。
【０１４３】
本明細書では、用語「性能測定基準」は、ＢＥＲ、ＳＮＲ、コンスタレーション品質測定などであるが、これらに限定されない任意の適切なシステム性能パラメータを包含するものとして解釈されるべきである。
【０１４４】
記載した実施形態のさまざまな変更形態に加えて、本発明が関係する技術分野の当業者には明らかな本発明の他の実施形態が、添付の特許請求の範囲に表されるような本発明の原理および範囲に含まれると考えられる。
【０１４５】
明示的に別段の定めがある場合を除き、各数値および範囲は、「約」または「およそ」といった単語が数値または範囲の値の前に付いている場合のように、おおよそのものとして解釈されるべきである。
【０１４６】
本発明の性質を説明するために記述し、図示してきた要素の細部、材料、および配置構成が、添付の特許請求の範囲に表されるような本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によってさまざまに変更され得ることがさらに理解されよう。
【０１４７】
図面番号および／または図面の参照符号の特許請求の範囲での使用は、特許請求の範囲の解釈を容易にするために、クレームされる主題の１つまたは複数の可能性のある実施形態を特定することが意図されている。そのような使用は、それらの請求項の範囲を、必ずしも対応する図面に示された実施形態に限定するものとして解釈されるべきではない。
【０１４８】
本明細書における「一実施形態」または「ある実施形態」という表現は、その実施形態とともに記載された特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれ得ることを意味する。本明細書のさまざまな箇所に現れる「一実施形態において」という語句は、必ずしもすべてが同一の実施形態を指しているわけではなく、別個のまたは代替の実施形態が、他の実施形態に対して必ずしも相互排他的であるわけではない。同じことが、用語「実装形態」にも当てはまる。
【０１４９】
また、本説明のために、用語「結合する」、「結合している」、「結合された」、「接続する」、「接続している」、または「接続された」は、エネルギーが２つ以上の要素間で伝達可能であり、必須ではないが、１つまたは複数の追加要素の介入が企図される、当技術分野で知られているかまたは今後開発される任意の様式を指す。反対に、用語「直接的に結合された」や「直接的に接続された」などは、そのような追加要素がないことを含意している。
【０１５０】
本発明は、他の具体的な装置および／または方法で具現化されてもよい。記載された実施形態は、あらゆる点で例示でしかなく、非限定的なものとみなされるべきである。特に、本発明の範囲は、本明細書の説明および図面ではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の均等の意味および範囲に属する変更はすべてその範囲に含まれることになる。
【０１５１】
説明および図面は、本発明の原理を示すものでしかない。したがって、本明細書では明示的に説明または図示されていないが、本発明の原理を具現化し、かつ本発明の趣旨および範囲に含まれる種々の構成を考案することが当業者には可能になることが理解されよう。さらに、本明細書において挙げられたすべての例は、主として、本発明の原理および本発明者（ら）が当技術分野の発展のために提供した概念についての読者の理解を助ける教示目的のものに過ぎないことが明白に意図されており、そのような具体的に挙げられた例および条件には限定されないものと解釈されるべきである。さらに、本発明の原理、態様、および実施形態、ならびにその具体的な実施例を挙げた本明細書におけるすべての記述は、その均等物を包含することが意図されている。
【０１５２】
「制御装置」または「プロセッサ」と記載された任意の機能ブロックを含む、図面に示された種々の要素の機能は、専用のハードウェアならびに適切なソフトウェアと関連付けてソフトウェアを実行することが可能なハードウェアを使用することによって提供され得る。プロセッサによって提供されるとき、機能は、単一の専用プロセッサ、単一の共有プロセッサ、または一部が共有されていてもよい複数の個々のプロセッサによって提供されてもよい。さらに、用語「プロセッサ」または「制御装置」の明示的な使用は、ソフトウェアを実行することが可能なハードウェアのみを指していると解釈されるべきではなく、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、ネットワークプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ソフトウェアを格納するための読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、および不揮発性記憶装置も暗に含み得るが、これらに限定されるわけではない。従来の、かつ／または特注の他のハードウェアも含まれ得る。同様に、図面に示されたいずれの交換機も概念的なものでしかない。それらの機能は、プログラム論理の動作、専用論理、プログラム制御と専用論理の相互作用によって実施することができ、または手動でもよく、より具体的には文脈から理解される、実施者が選択可能な特定の技術によって実施することができる。
【０１５３】
本明細書における任意の構成図は、本発明の原理を具体化する例示の回路構成の概念図を表すことが当業者には理解されるはずである。同様に、フローチャート、流れ図、状態遷移図、擬似コードなどはいずれも、コンピュータ可読媒体の中に実質的に表され、したがって、コンピュータまたはプロセッサが明示的に示されているかどうかにかかわらず、そのようなコンピュータまたはプロセッサによって実行され得る種々の処理を表すことが理解されよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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