(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非空間分割多重化（非ＳＤＭ）光伝送システムと同じ量の利用可能な電力を有するが光ファイバー毎により大きな伝送容量を有する空間分割多重化（ＳＤＭ）光伝送システムを構築する方法であって、
複数の空間次元を有する光ケーブルを準備することと、
変調された光信号を前記複数の空間次元上で多重化するように構成された空間多重化器を準備することと、
複数の光増幅器を準備することであって、該複数の光増幅器のそれぞれは、前記複数の空間次元を増幅するように構成されていることと、
空間多重分離器を準備することと、
前記空間多重化器と、前記複数の光増幅器と、前記空間多重分離器とを前記光ケーブルに結合することと、
前記非ＳＤＭ光伝送システムと同じ量の利用可能な電力に基づいて、前記ＳＤＭ光伝送システムの前記伝送容量を、前記非ＳＤＭ光伝送システムの前記伝送容量よりも増加させるように前記ＳＤＭ光伝送システムを構成することと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記ＳＤＭ光伝送システムを構成することは、３０ｎｍ以下のシステム帯域幅を利用するように前記ＳＤＭ光伝送システムを設定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＳＤＭ光伝送システムを構成することは、前記非ＳＤＭ光伝送システムにおいて用いられるシステム帯域幅よりも狭い低減されたシステム帯域幅を利用するように前記ＳＤＭ光伝送システムを設定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ＳＤＭ光伝送システムを構成することは、前記光ケーブルに沿った前記複数の光増幅器の間隔を前記非ＳＤＭ光伝送システムにおいて用いられる間隔よりも小さく設定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ＳＤＭ光伝送システムを構成することは、最適な総信号対雑音比を達成するのに必要とされる最適な信号パワーレベルよりも低い信号パワーレベルで動作するように前記複数の光増幅器を構成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記複数の光増幅器の信号パワーレベルは、前記最適な信号パワーレベルよりも少なくとも３ｄＢ低く設定される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記光ケーブルは、前記複数の空間次元を有する少なくとも１つの光ファイバーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記光ケーブルは、複数の光ファイバーを含み、該複数の光ファイバーのそれぞれは、前記複数の空間次元のうちの関連付けられた１つを提供する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
非空間分割多重化（非ＳＤＭ）光伝送システムと同じ量の利用可能な電力を有するが光ファイバー毎により大きな伝送容量を有する空間分割多重化（ＳＤＭ）光伝送システムを動作させる方法であって、
複数の空間次元を有する光ケーブルを備えるＳＤＭ光システムを準備することであって、該光ケーブルには、変調された光信号を前記複数の空間次元上で多重化するように構成された空間多重化器と、複数の光増幅器であって、該複数の光増幅器のそれぞれは、前記複数の空間次元を増幅するように構成されている、複数の光増幅器と、空間多重分離器とが結合されていることと、
前記ＳＤＭ光伝送システムにおける前記複数の光増幅器に電力を供給することであって、該供給される電力は、前記非ＳＤＭ光伝送システムにおける利用可能な電力の量と同じである、前記ＳＤＭ光伝送システムにおける利用可能な電力の量に基づいていることと、
前記光ケーブルにおいて少なくとも１つのＳＤＭ光伝送を行うことであって、該少なくとも１つのＳＤＭ光伝送は、光ファイバー当たり、前記非ＳＤＭ光伝送システムにおける光伝送よりも高い伝送容量を有することと、
を含む、方法。
【請求項１０】
前記ＳＤＭ光伝送システムは、３０ｎｍ以下のシステム帯域幅を利用する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ＳＤＭ光伝送システムは、前記非ＳＤＭ光伝送システムにおいて用いられるシステム帯域幅よりも狭い低減されたシステム帯域幅を利用する、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記光ケーブルに沿った前記複数の光増幅器の間隔は、前記非ＳＤＭ光伝送システムにおいて用いられる間隔よりも小さい、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数の光増幅器は、最適な総信号対雑音比を達成するのに必要とされる最適な信号パワーレベルよりも低い信号パワーレベルで動作するように構成される、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記光ケーブルは、前記複数の空間次元を有する少なくとも１つの光ファイバーを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記光ケーブルは、複数の光ファイバーを含み、該複数の光ファイバーのそれぞれは、前記複数の空間次元のうちの関連付けられた１つを提供する、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光通信システムに関し、より具体的には、パワー制限した光通信システムにおける空間分割多重化に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長分割多重化（ＷＤＭ）光通信システムでは、単一の光ファイバーを用いて複数の光信号を搬送することができる。複数の光信号は多重化され、これらの複数の信号のそれぞれが個々のチャネル上で変調されている多重化信号又はＷＤＭ信号を形成する。各チャネルは、関連付けられた波長に存在することができ、この波長は、例えば、国際電気通信連合（ＩＴＵ）によって制定されたチャネル計画に従って規定されたチャネル間隔だけ隣接するチャネルから隔てられている。システム上で送信することができる波長の範囲は、システム帯域幅として知られている。システムは、自身のシステム帯域幅を利用して、所望の数のチャネルを所望の変調フォーマット及びビットレートを用いて搬送することができる。
【０００３】
光伝送システムにおける伝送容量の増加する需要を満たすために、スペクトル効率が、幾つかの技法を用いて高められてきた。例えば、伝送レートの増加及びチャネル間隔の減少を可能にし、それによって、ＷＤＭシステムにおける各チャネルのスペクトル効率（ＳＥ）を高めるために、マルチレベル変調技法及びコヒーレント受信機が用いられてきた。直交振幅変調（ＱＡＭ）フォーマット等のマルチレベル変調フォーマットでは、複数のデータビットが単一の送信シンボル上に符号化される。
【０００４】
マルチレベル変調フォーマットの使用は、スペクトル効率を高め、伝送容量を増加させることができるが、そのようなフォーマットは、信号対雑音比（ＳＮＲ）の向上を必要とする場合がある。高いＳＮＲで動作するには、特に、広いシステム帯域幅については、高い光チャネル出力パワー及び高い増幅器ポンプパワーが必要となる。特に、ケーブル全体の電力（electrical power）をケーブルに沿って移送しなければならない海中システムでは、必要とされる高いパワーレベルを送達することによって、大きな技術的経済的課題が持ち上がる可能性がある。このシナリオでは、性能向上を実現する能力が、利用可能なパワーの量が限られていることによって妨げられるおそれがある。
【０００５】
スペクトル効率を高める１つの可能性のある手法は、空間分割多重化（ＳＤＭ）を実施することである。ＳＤＭシステムでは、多次元ファイバー、例えば、マルチコアファイバー又はマルチモードファイバーを用いることができ、ＷＤＭ信号をファイバーの次元のそれぞれに分離することができる。例えば、ＳＤＭシステムでは、シングルコアファイバーにおいてＷＤＭ信号を送信するのではなく、信号を分離して、マルチコアファイバーのコアのそれぞれにおいて伝送することができる。
【０００６】
不都合なことに、長距離ＳＤＭシステムでは、伝送ファイバーの次元、例えばコアのそれぞれを増幅しなければならない。多次元ファイバーの次元のそれぞれをポンピングするのに必要とされる光ポンプパワーは、パワー制限（power-limited）システムでは利用可能でない場合がある。
【０００７】
以下の詳細な説明を参照するものとする。この説明は、添付の図とともに読まれるべきものである。これらの図において、同様の参照符号は同様の部分を表している。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示に即した一例示の空間分割多重化（ＳＤＭ）光伝送システムを示す図である。
【図２】本開示に即した利得平坦化フィルター（ＧＦＦ）に関連した減衰と帯域幅との間の一例示の関係を示す減衰対帯域幅のプロットである。
【図３】本開示に即したＳＤＭ光伝送システムにおいてシステム帯域幅の低減が容量をどのように増加させるのかの一例を示すパーセンテージによる容量及び空間次元の増加対システム帯域幅のプロットである。
【図４】本開示に即したＳＤＭ光伝送システムにおいて光増幅器の間隔の減少がパワー消費をどのように減少させるのかの一例を示す総ＳＮＲ対エルビウム添加ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）パワーのプロットである。
【図５】本開示に即したＳＤＭ光伝送システムにおいて光増幅器の間隔の減少が容量をどのように増加させるのかの一例を示す容量ボーナス対スパン長のプロットである。
【図６Ａ】空間次元をサポートするパワー節約を提供するために、最適なシステムパワーと比較して本開示に即したＳＤＭシステムにおいて空間次元当たりのパワーをどのように低減することができるのかの一例を示す、総ＳＮＲ対パワーと最適パワーとの差（Ｐ−Ｐｏｐｔ）のプロットである。
【図６Ｂ】空間次元をサポートするパワー節約を提供するために、本開示に即したＳＤＭシステムにおいて非線形ペナルティをどのように低減することができるのかの一例を示す、非線形ペナルティ対パワーと最適パワーとの差（Ｐ−Ｐｏｐｔ）のプロットである。
【図７Ａ】本開示に即したＳＤＭ光伝送システムにおける異なる数の次元を有する光ファイバーについて、非ＳＤＭシステムに関連した最適パワーから次元当たりのパワーを低減することによって達成されるスペクトル効率の増加を示す、線形伝送の総スペクトル効率対パワーと最適パワーとの差（Ｐ−Ｐｏｐｔ）のプロットである。
【図７Ｂ】本開示に即したＳＤＭ光伝送システムにおける異なる数の次元を有する光ファイバーについて、非ＳＤＭシステムに関連した最適パワーから次元当たりのパワーを低減することによって達成されるスペクトル効率の増加を示す、非線形伝送の総スペクトル効率対パワーと最適パワーとの差（Ｐ−Ｐｏｐｔ）のプロットである。
【図８Ａ】本開示に即したＳＤＭ光伝送システムにおける異なる数の次元を有する光ファイバーについて、非ＳＤＭシステムに関連した最適パワーから次元当たりのパワーを低減することによって達成される容量の増加を示す、線形伝送の容量ボーナス対パワーと最適パワーとの差（Ｐ−Ｐｏｐｔ）のプロットである。
【図８Ｂ】本開示に即したＳＤＭ光伝送システムにおける異なる数の次元を有する光ファイバーについて、非ＳＤＭシステムに関連した最適パワーから次元当たりのパワーを低減することによって達成される容量の増加を示す、非線形伝送の容量ボーナス対パワーと最適パワーとの差（Ｐ−Ｐｏｐｔ）のプロットである。
【図９】本開示に即した、増加した容量を有するパワー制限光通信システムの例示の動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の詳細な説明は、例示の実施形態を参照することで進められるが、これらの実施形態の多くの代替形態、変更形態及び変形形態が当業者に明らかであろう。
【００１０】
この開示は、パワー制限光通信システムにおける空間分割多重化（ＳＤＭ）を対象としている。一般に、本開示に即した方法は、非ＳＤＭ光伝送システムのパワー消費以下のパワー消費を維持しつつ、非ＳＤＭ光伝送システムのデータ容量と比較して増加した伝送容量を提供するようにＳＤＭ光伝送システムを構成する方法を含む。
【００１１】
図１は、本開示に即した一例示のＳＤＭ光伝送システムを示している。最初に、本明細書において非ＳＤＭ光伝送システムと呼ばれてきたものを、図１において説明されるようなＳＤＭ光伝送システムと比較して区別することが重要である。本明細書において「非ＳＤＭ」光伝送システムと呼ばれるものは、１つのコアのみを有する１つ又は複数のシングルモード光ファイバー（ＳＭＦ）を含む光ケーブル上で光信号を伝送するように構成されたシステムを意味する。非ＳＤＭシステムは、送信機から５０００ｋｍ以上の距離にある受信機に信号を伝送するように構成された長距離海底システムとすることができ、パワー制限されたものとすることができる。「パワー制限」という用語は、本明細書において用いられるとき、光ケーブルのパワー導体に送達されるパワーがケーブルの構成（例えば、組成、直径、長さ等）によって制限されているシステムを指す。パワー制限システムに送達される総パワーを増加させて、大幅に増加した総ＳＮＲをサポートすることは、パワー導体及び／又はパワー源の完全性を危険にさらすことなく可能にすることはできない。
【００１２】
図示したＳＤＭシステム１００は、光ケーブル１０１、空間多重化器（multiplexer：マルチプレクサー）１０４、光増幅器１０８Ａ．．．１０８ｎ及び空間多重分離器（demultiplexer：デマルチプレクサー）１１０を備える。このシステムは、空間多重化器１０４から空間多重分離器１１０への方向に光ケーブル１０１を通じて光信号を送信する役割を果たす。この例示的なシステム１００は、５０００ｋｍ以上の距離にわたってチャネルを伝送するように構成された長距離海底システムとすることができる。
【００１３】
当業者であれば、説明を簡単にするために、システム１００が、非常に単純化されたポイントツーポイントシステムとして示されていることを認識するであろう。例えば、システム１００は、空間多重化器１０４から空間多重分離器１１０への単一方向に送信するように示されている。このシステムは、もちろん、双方向通信用に構成することができ、及び／又は分岐ネットワークとして構成することができる。本開示に即したシステム及び方法は、多種多様なネットワーク構成に組み込むことができることが理解されるべきである。本明細書における図示した例示的な実施形態は、限定ではなく説明としてのみ提供される。
【００１４】
光ケーブル１０１は、少なくとも１つの光ファイバー１０２を含み、複数の次元を含む。「次元」という用語は、本明細書において用いられるとき、区別可能な光データ経路を指す。例えば、シングルモード光ファイバー及びシングルコア光ファイバーは、１つの次元のみを有する。マルチコアファイバーは、各コアが、関連付けられた次元をサポートすることができるので、ファイバー内のコアの数に等しい数の次元を有する。マルチモードファイバー又はフューモードファイバーは、当該ファイバーによってサポートされるモードに等しい数の次元を有する。また、シングルモードファイバーのバンドル、シングルコアファイバーのバンドルも複数の次元を有し、これらの次元のそれぞれは、それらのファイバーの個別の１つによってサポートされる。本開示に即したＳＤＭシステムは、任意のタイプの任意の数の多次元光ファイバーを備えることができる。説明を簡単にするために、図示した実施形態は、３つのコアを有する単一のマルチコア光ファイバー１０２を備えるものとして示されている。
【００１５】
光ケーブル１０１は、電力を、光ケーブル１０１に結合された光増幅器１０８Ａ．．．１０８ｎ、光アドドロップ多重化器（等）等に運ぶように設計されたパワー導体１０６を備える。パワー導体１０２の構成は、一続きの光ケーブル１０１に沿ってパワーを搬送しなければならない海中光伝送システムにおいて共通のものとすることができる。このパワーは、光ケーブル１０１の一方又は双方の端部から供給される。システム１００はパワー制限システムである。
【００１６】
空間多重化器１０４は、変調された光信号ＴＸ１、ＴＸ２及びＴＸ３を受信し、信号ＴＸ１、ＴＸ２及びＴＸ３を光ファイバー１０２の個々の空間次元上に多重化するように構成することができる。マルチコアファイバーの場合、例えば、空間多重化器１０４は、光信号ＴＸ１、ＴＸ２及びＴＸ３をファイバーの個々のコア上に組み合わせることができ、マルチモードファイバー又はフューモードファイバーの場合、空間多重化器１０４は、光ファイバーの異なるモードで信号を提供するように信号を組み合わせるように構成することができる。
【００１７】
光増幅器１０８Ａ．．．１０８ｎは、設定された間隔で光ケーブル１０１に結合することができる。光増幅器１０８Ａの一例は、エルビウム添加ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）であり、この増幅器は、複数のポンプ１０９、例えばレーザーダイオードと、これらのポンプをエルビウム添加ファイバーの関連付けられたセクション１１１−１、１１１−２、１１１−３に結合するポンプマニホールドとを備えることができる。エルビウム添加ファイバーの個々のセクション１１１−１、１１１−２、１１１−３を、それぞれ、マルチコアファイバーにおける光コアの異なるものに結合させることができ、例えば、セクション１１１−１、１１１−２、１１１−３の数をコアの数に等しくすることができ、又は、マルチモードファイバー若しくはフューモードファイバーにおけるモードに結合することができる。エルビウム添加ファイバー１１１−１、１１１−２、１１１−３の個々のセクションが、それらに関連付けられたポンプ１０９によってポンピングされるとき、光ファイバー１０２の種々の空間次元を伝播する信号は、誘導放出を介して増幅される。
【００１８】
増幅された信号は、その後、空間多重分離器１１０によって受信されるまで、光ファイバー１０２内で伝播し続け、途中で周期的に増幅を受け続けることができる。空間多重分離器１１０は、空間多重化器１０２によって当初適用された多重化の逆を行い、元の信号ＴＸ１、ＴＸ２及びＴＸ３にそれぞれ対応する受信信号ＲＸ１、ＲＸ２及びＲＸ３を提供することができる。
【００１９】
システム１００では、増幅器１０８Ａ．．．１０８ｎのそれぞれにおいて異なる空間次元をポンピングするのに必要とされるパワーは、非ＳＤＭシステムにおいてシングルモードファイバー、シングルコアファイバーをポンピングするのに必要とされるパワーよりも大幅に大きいが、システム１００は、非ＳＤＭシステムと同じパワー制限を有する場合がある。したがって、システム１００において種々の空間次元をポンピングするパワーは、従来の非ＳＤＭシステム設計を用いると、利用可能でない場合がある。したがって、本開示に即して、ＳＤＭシステム１００は、パワー消費を非ＳＤＭ光伝送システムのパワー消費以下に維持するとともに非ＳＤＭ光伝送システムの容量と比較して増加した伝送容量を提供すると同時に、種々の空間次元をサポートする、例えばポンピングする、パワーを提供するように、従来の非ＳＤＭシステム構成と比較して変更される。
【００２０】
例えば、本開示に即したシステムでは、ＳＤＭシステムにおける空間次元をサポートする、例えばポンピングする、パワーは、非ＳＤＭシステムと比較してシステム帯域幅を低減することによって取得することができる。非ＳＤＭパワー制限光伝送システムは、システム帯域幅が大きいほど、伝送容量もより大きくなるという原理に基づいて動作する場合がある。大きな帯域幅伝送をサポートするために、光増幅器は、システム帯域幅全体にわたって増幅を提供するようにポンピングされる。しかしながら、不都合なことに、大きな帯域幅にわたってＥＤＦＡによって与えられる利得は不均一であり、連続する増幅の後、帯域幅内の幾つかの信号は、増幅器に伴う雑音に起因して失われる場合がある。これを回避するために、利得平坦化フィルター（ＧＦＦ）が各光増幅器内で用いられ、システム帯域幅にわたって利得が平坦化される場合がある。しかしながら、各ＧＦＦは、システム帯域幅の少なくとも或る部分において信号を減衰させる。
【００２１】
図２は、ＧＦＦに関連した減衰対システム帯域幅のプロット２０２を含む。システム帯域幅は、システムにおいてデータを通信することができる波長の全てを包含する帯域幅である。プロット２０２は、システム帯域幅が広くなるにつれて、エルビウム利得を等化するためにＧＦＦによって与えられる減衰が増加していることを実証している。幾つかの特定の帯域幅では、ＧＦＦは不要であり、ＧＦＦの除去に伴って、２０ｎｍでは約０．８ｄＢの減衰の低下がある。この傾向は、どのタイプの光増幅器１０８Ａ．．．１０８ｎにも一般に当てはまる。
【００２２】
したがって、本開示に即すると、システム１００を、動作するように設計することができるシステム帯域幅は、通常の非ＳＤＭシステムと比較して低減することができる。このシステム帯域幅の低減によって、ＧＦＦによって与えられる減衰の対応する低減又は除去が可能になる。ＧＦＦによって与えられる減衰の低減又は除去によって、システム１００における全体のパワー消費が低減される。保存されたパワーは、その後、ＳＤＭシステムの複数の空間次元をポンピングするのに利用することができる。
【００２３】
システム帯域幅が、非ＳＤＭシステムと比較して低減されるので、帯域幅の低減に伴う容量減少を補うために、これに比例して、ＳＤＭシステムにおける次元の数を増加させることができる。しかしながら、制限された利用可能なパワーに基づいて総容量を増加させるには、次元の数は、節約されたパワーに比例してしか増加させることができない。一般に、非ＳＤＭシステムと比較したＳＤＭシステムの総容量増加ΔＣは、帯域幅及びＧＦＦ減衰を低減することによって達成されるパワー節約に比例し、これは、ＧＦＦの減衰αＧＦＦに反比例する。すなわち、
【数１】
0006445146.tif 000002
ここで、Ｂ０は、非ＳＤＭシステムに関連付けられた開始（例えば、より広い）システム帯域幅であり、Ｂ１は、ＳＤＭシステム１００に関連付けられた所望の（例えば、より狭い）システム帯域幅である。ＳＤＭシステムにおいて必要とされる空間次元の数Δｎは、その場合、以下の関係に基づいて増加させることができる。
【数２】
0006445146.tif 000003
【００２４】
図３は、システム帯域幅と、図２に示すような光増幅器内のＧＦＦによって与えられる減衰とを低減することが、非ＳＤＭシステムと比較して本開示に即したＳＤＭ光伝送システムでは容量をどのように増加させるのかを示している、容量増加ΔＣ及び空間次元増加Δｎ対システム帯域幅のプロット３０２、３０４を含む。特に、プロット３０２は、容量増加ΔＣ対システム帯域幅のプロットであり、プロット３０４は、空間次元増加Δｎ対システム帯域幅のプロットである。プロット３０２及び３０４はそれぞれ、容量の変化ΔＣ及び空間次元の変化Δｎを、Ｂ０＝４１ｎｍを基準としたパーセンテージとして示している。帯域幅軸は、式（２）におけるＢ１に対応する。
【００２５】
図示するように、４１ｎｍにおいて、容量及び空間次元はともに１００％である。プロット３０２を参照すると、帯域幅Ｂ１が低減されるにつれて、帯域幅にわたって利得を平坦化させるのに必要とされる、ＧＦＦによって与えられる減衰の低減に伴う保存されたパワーによって、容量が１９ｎｍ〜２０ｎｍの帯域幅Ｂ１において２００％まで増大することが可能になる。プロット３０４は、帯域幅を低減して２００％の容量増加を達成するには、空間次元の数の約４００％の増加（４倍）が必要であることを示している。したがって、プロット３０２及び３０４によって表される例示的なシステムの場合、４１ｎｍから１９ｎｍ〜２０ｎｍにシステム帯域幅を低減することによって総パワー消費を一定に保ち、非ＳＤＭシステムと比較してＳＤＭシステムに４倍の数の次元を設け、低減されたシステム帯域幅の平坦化を提供するように光増幅器内のＧＦＦを変更し、それによって、例えば、図２に示すように、ＧＦＦによって与えられる減衰を低減すると同時に、非ＳＤＭシステムと比較して２００％の容量増加をＳＤＭシステムにおいて達成することができる。また、ＳＤＭシステムにおいてシステム帯域幅を３０ｎｍ以下に設定し、２つの次元を用いることによって、１５０％以上の容量増加を達成することができる。
【００２６】
図３におけるプロット３０２及び３０４は、図２におけるプロット２０２に示すようなＧＦＦ減衰対帯域幅の特定の関係に基づいているが、通常の形状は同じ全体の傾向と類似していることに留意することが重要である。すなわち、システム帯域幅と、ＧＦＦによって与えられる減衰とを低減することから得られるパワー節約を用いてＳＤＭシステムにおける追加の空間次元をポンピングし、それによって、固定されたパワー消費の下でシステム容量の増加を達成することができる。一般に、増幅器出力パワーとポンプパワーとの間に単純な線形依存関係が存在するとみなすことができるが、励起状態吸収は、高パワー増幅器のポンプパワー変換の効率を低減させる場合がある。したがって、システム帯域幅、ひいては光増幅器１０８Ａ．．．１０８ｎの出力パワーを低減することの利益は、結果的に、線形パワー節約よりも大きくすることができる。
【００２７】
システム帯域幅の低減と、非ＳＤＭシステムにおけるＧＦＦの帯域幅及び形状と比較した増幅器１０８Ａ．．．１０８ｎ内のＧＦＦの形状の除去又は変更とに起因するどの残余利得形状（residual gain shape）変化も、光ケーブル１０１に沿って、例えば、光ケーブル１０１のほぼ１０スパンごとに周期的に配置された利得補正フィルターを用いて補正することができる。非ＳＤＭシステムでは、ＧＦＦがあらゆる光増幅器１０８Ａ．．．１０８ｎに存在する場合であっても、利得補正フィルターは通常用いられる。利得補正フィルターは、このように、システム１００の総パワーの使用において既に考慮されている。
【００２８】
本開示に即すると、ＳＤＭシステムにおいて種々の空間次元をサポートする、例えばポンピングする、パワーを節約するように、ＳＤＭシステム１００を従来の非ＳＤＭシステムと比較して変更する追加の手法又は代替の手法は、ＳＤＭシステム１００における増幅器間隔を非ＳＤＭシステムと比較して低減することを含む。図４は、例えば、光増幅器の間隔を減少させることが、ＳＤＭシステムにおいて種々の空間次元をポンピングするのに用いることができるパワーをどのように節約するのかの一例を示す総ＳＮＲ（ＳＮＲｔｏｔ）対ＥＤＦＡパワーのプロット４０２、４０４を含む。以下の開示において、「リピーター（repeater）」という用語は、上記で説明したような「光増幅器１０８Ａ．．．１０８ｎ」を指すのに用いられる場合がある。
【００２９】
周期的に増幅される均一なリンクの端部における増幅自然放出（ＡＳＥ）雑音は、以下の関係によって近似することができる。
【数３】
0006445146.tif 000004
ここで、ｎｆは増幅器雑音であり、Ｎｓは繰り返されるスパンの数であり、ｈはプランク定数であり、νは周波数であり、ｄνは、雑音が測定される周波数帯域である。利得ｇは、以下の式によって表すことができる。
【数４】
0006445146.tif 000005
ここで、Ｌｓは、ｋｍを単位とするスパン長であり、αは、ｄＢ／ｋｍを単位とする減衰である。式（３）及び式（４）を組み合わせ、大きな利得を前提とすると、その結果、ＡＳＥパワーは、スパン長Ｌｓの増加関数となり、近似的に以下の式となる。
【数５】
0006445146.tif 000006
【００３０】
リンクの端部において同じＳＮＲｔｏｔを維持するには、以下の関係で規定されるように、増幅器パワーがＬＳに対してＰＡＳＥと同じ依存関係を有するように、増幅自然放出（ＡＳＥ）パワーに比例する信号パワーを維持しなければならない。
【数６】
0006445146.tif 000007
【００３１】
上記関係は、スパン長を低減することによって、パワー節約を提供することができることを示している。節約されたパワーは、その後、データ伝送の追加の空間次元をサポートする、例えばポンピングする、のに用いることができ、総システム容量を増加させる。例えば、次のパラメーター、すなわち、ファイバー有効面積＝１３０μｍ２、減衰０．１６ｄＢ／ｋｍを有する光ケーブル１０１を用いた１００ｋｍのリピーター間隔（例えば、１００ｋｍスパン）を有する１００００ｋｍのシステムを考える。ナイキスト信号方式（すなわち、チャネル間隔＝シンボルレート、矩形チャネル）と、実際的なハードウェア性能を表す約１ｄＢの固有の信号対雑音劣化を有する受信機とを前提とすると、ガウス雑音（ＧＮ）法を利用して性能を評価することができる。全体的な信号対雑音比（ＳＮＲｔｏｔ）を性能の尺度として利用することができ、この場合、ＳＮＲｔｏｔは、以下の関係によって定義することができる。
【数７】
0006445146.tif 000008
ここで、Ｐｓｉｇｎａｌは信号パワーであり、ＰＡＳＥはＡＳＥパワーであり、ＰＮＬＩは非線形干渉雑音パワーである。
【００３２】
図４におけるプロット４０２は、式（７）に基づく上記一例示のシステムのＳＮＲｔｏｔ対ＥＤＦＡパワーのプロットである。上記一例示のシステムは、１００ｋｍスパン及び約２０ｄＢｍの増幅器パワーを有する最適性能を有するように設計されたものである。比較用に、図４におけるプロット４０４は、同じ総伝送距離を有するが、５０ｋｍのリピーター間隔（例えば、５０ｋｍスパン）を用いたシステムのＳＮＲｔｏｔ対ＥＤＦＡパワーのプロットである。間隔を１００ｋｍから５０ｋｍに低減することによって達成されるリピーターごとのパワー節約は、約６ｄＢｍである。５０ｋｍスパンの例におけるリピーターの数は、リピーター間隔の減少に基づいて２倍になっていたので、システムにおける総光パワー節約は、約３ｄＢである。これは、このパワーが追加の空間次元をサポート（例えば、ポンピング）するのに用いられる場合、追加のファイバー容量に直接変わる。
【００３３】
図５は、光増幅器間隔を非ＳＤＭシステムと比較して減少させることが、本開示に即したＳＤＭ光伝送システムにおいて容量をどのように増加させるのかを示す容量ボーナス対スパン長のプロット５０２を含む。プロット５０２は、リピーター間隔を、非ＳＤＭシステムにおいて用いられる１００ｋｍスパンからＳＤＭシステムにおいて用いられる５０ｋｍスパンに短縮することから得られる総容量の利点を示している。図示するように、ＳＤＭシステムにおける受信機間隔を従来の非ＳＤＭシステムと比較して短縮することによって実現されるパワー節約は、ＳＤＭシステムにおいて追加の空間次元をポンピングするのに用い、それによって、システム容量の増加を達成することができる。
【００３４】
本開示に即すると、ＳＤＭシステムにおいて種々の空間次元をサポートする、例えばポンピングする、パワーを節約するように、ＳＤＭシステム１００を従来の非ＳＤＭシステムと比較して変更する追加の手法又は代替の手法は、ピーク性能よりも低い性能で動作するようにＳＤＭシステムを構成することを含む。通常の伝送システムは、性能のピークにおいて又はピークの近くで動作するように設計される場合があり、このピークは、ＡＳＥ雑音累積と非線形干渉雑音との相互作用に基づいて求めることができる。図６Ａは、ＳＮＲｔｏｔ対最適信号パワー（Ｐｏｐｔ）に対する信号パワー（Ｐ）、すなわちＰ−Ｐｏｐｔのプロット６０２及び６０４を含む。プロット６０２は、シミュレーションされた非ＳＤＭシステムの通常の性能曲線であり、プロット６０４は、非ＳＤＭシステムのシミュレーションされた線形性能、すなわち、システムが非線形干渉（ＮＬＩ）雑音を生成しなかった場合のシステムの性能を示すプロットである。プロット６０２において、ＳＮＲｔｏｔは、以下の式に記述されるように、ＡＳＥ雑音及びＮＬＩ雑音の双方を含む性能の尺度として利用される。
【数８】
0006445146.tif 000009
ここで、Ｐｓｉｇは信号パワーであり、ＰＡＳＥはＡＳＥ雑音のパワーであり、ＰＮＬＩはＮＬＩ雑音のパワーであり、ηは、システムにおける非線形性の影響を示すパラメーターである。プロット６０２では、固定されたＰＡＳＥ及びηが設定されている。これは、固定された一組のパラメーターを有する特定のシステムに対応する。その場合、信号パワーＰｓｉｇを変化させて、最適なＳＮＲｔｏｔが見つけられる。プロット６０２では、ＳＮＲ０として示される最適なＳＮＲｔｏｔがＰ０において達成される。Ｐ０におけるプロット６０４（線形性能）とプロット６０２との間の差は、システムをＰ０において動作させる結果、システムにおいて与えられる非線形ペナルティである。
【００３５】
本開示に即した少なくとも１つの実施形態では、性能曲線（プロット６０２）の非線形部分から離れて線形部分に向けて移動するように空間次元ごとの動作パワーを低減することができる。例えば、図６Ａに示すように、空間次元ごとの動作パワーを、最適なＳＮＲｔｏｔ、すなわちＳＮＲ０が達成される最適パワーＰ０から、準最適なＳＮＲｔｏｔ、すなわちＳＮＲ１が達成されるＰ１に移動させることができる。図６Ｂは、図６Ａにおけるプロット６０２に関連した非線形ペナルティ対Ｐ−Ｐｏｐｔのプロット６０６を含む。図示するように、Ｐ−Ｐｏｐｔを約−３ｄｂ未満に設定することによって、その結果、非線形ペナルティを無視することができ、システムパワーの節約が得られる。
【００３６】
節約されたパワーは、その後、追加の空間次元を通じた伝送をサポートするのに用いることができる。空間次元のそれぞれは、最適パワーＰ０よりも低いパワーと、非ＳＤＭシステムのスペクトル効率よりも低いスペクトル効率とを有する。より低いスペクトル効率は、エラーのない伝送のシャノンの理論によるＳＮＲｔｏｔの低減に起因している。全体として、最適性能を有する非ＳＤＭシステムと比較したＳＤＭシステムの容量増加κは、以下の式によって観測することができる。
【数９】
0006445146.tif 000010
ここで、ＮｄｉｍはＳＤＭシステムにおける空間次元の数であり、Ｐ０は非ＳＤＭシステムのパワー設定であり、Ｐ１はＳＤＭシステムにおける次元ごとのパワーであり、ＳＥ１はＳＤＭシステムのスペクトル効率であり、Ｓ０は非ＳＤＭシステムのスペクトル効率であり、ＳＮＲ１はＳＤＭシステムのＳＮＲｔｏｔであり、ＳＮＲ０は非ＳＤＭシステムのＳＮＲｔｏｔである。
【００３７】
図７Ａは、例えば、図６Ａにおけるプロット６０４に即した線形伝送モードで動作するシミュレーションされたＳＤＭシステムに関連した総スペクトル効率対Ｐ−Ｐｏｐｔのプロット７０２を含む。図７Ｂは、例えば、図６Ａにおけるプロット６０２に即した非線形伝送モードで動作するシミュレーションされたＳＤＭシステムに関連した総スペクトル効率対Ｐ−Ｐｏｐｔのプロット７０４を含む。プロット７０２及び７０４は、図７Ａ及び図７Ｂに付随した記号の説明に示されるように、ＳＤＭシステムにおける異なる数の空間次元に関連したプロットを含む。
【００３８】
プロット７０２において、増加した数の空間次元から得られる利点は、ＡＳＥ雑音のみを含むＳＮＲｔｏｔ（式（８）におけるη＝０）に関する式（９）によって上記で説明されている。プロット７０４に図示するように、システムにおける非線形性は、式（８）におけるη≠０に起因してパワーとともにスペクトル効率の増大を防止する。しかしながら、次元の数が増加するにつれて、プロット７０４における曲線は、プロット７０２における対応する曲線に類似してくる。この収束は、示された数の空間次元を有するＳＤＭによる非線形性の効果の緩和を実質上表している。
【００３９】
図８Ａは、例えば、図６Ａにおけるプロット６０４に即した線形伝送モードで動作するシミュレーションされたＳＤＭシステムに関連したＳＤＭ容量ボーナス対Ｐ−Ｐｏｐｔのプロット８０２を含む。図８Ｂは、例えば、図６Ａにおけるプロット６０２に即した非線形伝送モードで動作するシミュレーションされたＳＤＭシステムに関連したＳＤＭ容量ボーナス対Ｐ−Ｐｏｐｔのプロット８０４を含む。プロット８０２及び８０４は、図８Ａ及び図８Ｂに付随した記号の説明に示されるように、ＳＤＭシステムにおける異なる数の空間次元に関連したプロットを含む。
【００４０】
プロット８０２において、増加した数の空間次元から得られる容量ボーナスは、ＡＳＥ雑音のみを含むＳＮＲｔｏｔ（式（８）におけるη＝０）に関する式（９）によって上記で説明されている。プロット８０４に図示するように、システムにおける非線形性は、式（８）におけるη≠０に起因してパワーとともにスペクトル効率の増大を防止する。非線形シナリオ（プロット８０４）では、次元の数が多くなるとともに、容量ボーナスの値は、理想的な線形伝送（プロット８０２）に関連したレベルに接近することに留意することが重要である。これは、ＳＤＭシステムにおいて十分多くの数の次元を用いることによって非線形性の効果を緩和することができることを示している。
【００４１】
本明細書では、パワー制限システムが例として利用されているが、特定の各使用量のケースにおいて可能なトレードオフが存在し、これらの結果は、予想することができるものについてのガイドラインとして機能する。ＳＤＭの非線形性の緩和を用いると、より高いパワーが利用可能である場合にはそのパワーを用いることによって、原理的にはより高い容量を達成することができ、これは、単一次元では根本的に行うことができない。もう１つの重要なポイントは、図７Ａ及び図７Ｂ及び／又は図８Ａ及び図８Ｂを参照して説明した利用可能なパワーの増加を、有効面積、非線形指数（nonlinear index）及び分散等のファイバーに関連したパラメーターによっても特徴付けることができるシステム非線形レベルの増加と等価的にみなすことができるということである。このように、図８における結果は、それらの重要なパラメーターの要件の低減を優先したファイバー設計プロセスの観点から解釈することができ、その結果、ファイバーコストの低減又は製造性の改善を得ることができる。
【００４２】
図９は、本開示に即した増加した容量を有するパワー制限光通信の例示の動作を示している。動作９００において、ＳＤＭ光伝送システムを準備することができる。ＳＤＭ光伝送システムは、例えば、光ケーブル、空間多重化器、複数の光増幅器、及び空間多重分離器を備えることができる。ＳＤＭ光伝送システムは、動作９０２において構築することができる。少なくとも１つの実施形態では、ＳＤＭ光伝送システムの構築は、空間多重化器、複数の光増幅器、及び空間多重分離器が光ケーブルに結合されることを含むことができる。
【００４３】
次に、動作９０４において、ＳＤＭ光伝送システムを構成することができる。動作９０４Ａ〜９０４Ｃは、容量を増加させることができる追加の空間次元をサポートすることに用いられる（例えば、海底光通信等の使用のケースに制限される場合がある）利用可能なパワーを解放するようにＳＤＭ光伝送システムにおいて構成することができる異なる特徴の例を提供する。動作９０４Ａにおいて、ＳＤＭ光伝送システムのシステム帯域幅を構成（例えば、低減）することができる。動作９０４Ｂにおいて、ＳＤＭ光伝送システムにおける複数の光増幅器の間隔を構成（例えば、低減）することができる。動作９０４Ｃにおいて、複数の光増幅器が動作するパワーレベルを構成（例えば、低減）することができる。動作９０６において、ＳＤＭ光伝送システムを動作させることができ、パワーは、複数の光増幅器に少なくとも供給することができ、少なくとも１つのＳＤＭ光伝送を（例えば、ＳＤＭ光伝送システムにおける伝送用に）行うことができる。
【００４４】
図９は、一実施形態による様々な動作を示しているが、図９に示す動作の全てが他の実施形態に必要であるとは限らないことが理解されるべきである。実際には、本開示の他の実施形態では、図面のいずれにも具体的に示されていないが、それでも本開示に完全に即した方法で、図９に示す動作及び／又は本明細書において説明した他の動作を組み合わせることができることが本明細書では十分意図されている。このため、或る図面に正確に示されているとは限らない特徴及び／又は動作を対象とした請求項も、本開示の範囲及び内容に含まれるものとみなされる。
【００４５】
「及び／又は」という用語によって結合される項目の列挙は、本出願及び特許請求の範囲において用いられるとき、列挙された項目の任意の組み合わせを意味することができる。例えば、「Ａ、Ｂ及び／又はＣ」という語句は、Ａ；Ｂ；Ｃ；Ａ及びＢ；Ａ及びＣ；Ｂ及びＣ；又はＡ、Ｂ及びＣを意味することができる。「〜のうちの少なくとも１つ」という用語によって結合される項目の列挙は、本出願及び特許請求の範囲において用いられるとき、列挙された用語の任意の組み合わせを意味することができる。例えば、「Ａ、Ｂ又はＣのうちの少なくとも１つ」という語句は、Ａ；Ｂ；Ｃ；Ａ及びＢ；Ａ及びＣ；Ｂ及びＣ；又はＡ、Ｂ及びＣを意味することができる。
【００４６】
「結合される／結合された（coupled）」という用語は、本明細書において用いられるとき、１つのシステム要素によって搬送される信号が「結合された」要素に与えられる任意の接続、結合、リンク又は同様のものを指す。そのような「結合された」デバイス、又は信号及びデバイスは、必ずしも互いに直接接続されておらず、そのような信号を操作又は変更することができる中間構成要素又は中間デバイスによって分離されている場合がある。同様に、「接続される／接続された（connected）」又は「結合される／結合された」という用語は、機械的接続若しくは物理的接続又は機械的結合若しくは物理的結合に関して本明細書において用いられるとき、相対語であり、直接の物理的接続を必要としない。
【００４７】
本明細書において説明した動作のいずれも、１つ又は複数のプロセッサによって実行されると上記方法を実行する命令が、個別に又は組み合わせて記憶された１つ又は複数の記憶媒体（例えば、非一時的記憶媒体）を備えるシステムにおいて実施することができる。ここで、プロセッサは、例えば、サーバーＣＰＵ、モバイルデバイスＣＰＵ、及び／又は他のプログラマブル回路機構を含むことができる。また、本明細書において説明した動作は、２つ以上の異なる物理ロケーションにある処理構造体等の複数の物理デバイスにわたって分散される場合があることが意図されている。記憶媒体は、任意のタイプの有形媒体、例えば、ハードディスク、フロッピーディスク、光ディスク、コンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、コンパクトディスクリライタブル（ＣＤ−ＲＷ）、及び光磁気ディスクを含む任意のタイプのディスク、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ダイナミックＲＡＭ及びスタティックＲＡＭ等のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、ソリッドステートディスク（ＳＳＤ）、組み込み型マルチメディアカード（ｅＭＭＣ）、セキュアデジタル入出力（ＳＤＩＯ）カード等の半導体デバイス、磁気カード若しくは光カード、又は電子命令を記憶するのに適した任意のタイプの媒体を含むことができる。他の実施形態は、プログラマブル制御デバイスによって実行されるソフトウェアモジュールとして実施することができる。
【００４８】
このように、本開示は、増加した容量を有するパワー制限光通信を対象としている。一般に、ＳＤＭ光伝送システムは、既存の非ＳＤＭ光伝送システムのパワー消費以下にパワー消費を維持しつつ、データ容量を既存の非ＳＤＭ光伝送システムのデータ容量よりも増加させるように再構成することができる。パワー消費を増加させることなくそのような性能の改善を実現するために、一例示のＳＤＭ光伝送システムは、全伝送負担を細分することができるマルチコア光ファイバーを含む光ケーブルを利用することができる。各光コアは、「次元」とみなすことができる。多次元ＳＤＭは、システム帯域幅の低減、フィルタリングする機器の削減及び／又は変更、光増幅器間隔の低減、光増幅器のパワー消費の低減等の変更を行うのに必要とされる追加の自由裁量を容易にする。このように、利用可能なパワーが厳密に制限され得る場合であっても、データ伝送性能の向上を実現することができる。
【００４９】
１つの態様によれば、非空間分割多重化（非ＳＤＭ）光伝送システムと同じ量の利用可能なパワーを有するが光ファイバー毎により大きな伝送容量を有する空間分割多重化（ＳＤＭ）光伝送システムを構築する方法であって、複数の空間次元を有する光ケーブルを準備することと、変調された光信号を上記複数の空間次元上で多重化するように構成された空間多重化器を準備することと、複数の光増幅器を準備することであって、該光増幅器のそれぞれは、上記複数の空間次元を増幅するように構成されていることと、空間多重分離器を準備することと、上記空間多重化器と、上記複数の光増幅器と、上記空間多重分離器とを上記光ケーブルに結合することと、上記非ＳＤＭ光伝送システムと同じ量の利用可能なパワーに基づいて、上記ＳＤＭ光伝送システムの上記伝送容量を、上記非ＳＤＭ光伝送システムの上記伝送容量よりも増加させるように上記ＳＤＭ光伝送システムを構成することとを含む、方法が提供される。
【００５０】
別の態様によれば、非空間分割多重化（非ＳＤＭ）光伝送システムと同じ量の利用可能なパワーを有するが光ファイバー毎により大きな伝送容量を有する空間分割多重化（ＳＤＭ）光伝送システムを動作させる方法であって、複数の空間次元を有する光ケーブルを備えるＳＤＭ光システムを準備することであって、該光ケーブルには、変調された光信号を上記複数の空間次元上で多重化するように構成された空間多重化器と、複数の光増幅器であって、該光増幅器のそれぞれは、上記複数の空間次元を増幅するように構成されている、複数の光増幅器と、空間多重分離器とが結合されていることと、上記ＳＤＭ光伝送システムにおける上記複数の光増幅器にパワーを供給することであって、該供給されるパワーは、上記非ＳＤＭ光伝送システムにおける利用可能なパワーの量と同じである、上記ＳＤＭ光伝送システムにおける利用可能なパワーの量に基づいていることと、上記光ファイバーにおいて少なくとも１つのＳＤＭ光伝送を行うことであって、該少なくとも１つのＳＤＭ光伝送は、光ファイバー当たり、上記非ＳＤＭ光伝送システムにおける光伝送よりも高い伝送容量を有することとを含む、方法が提供される。
【００５１】
別の態様によれば、パワー制限空間分割多重化（ＳＤＭ）光伝送システムを構築する方法であって、上記ＳＤＭシステムにおける複数の空間次元を増幅する複数の光増幅器をポンピングするパワーを、上記ＳＤＭシステムのシステム帯域幅を３０ｎｍ以下に設定することによって、又は最適な信号対雑音比が達成される最適なパワーレベルよりも低いパワーレベルに上記複数の光増幅器のパワーレベルを設定することによって節約することを含む、方法が提供される。
【００５２】
本明細書において本発明の原理を説明してきたが、この説明は、本発明の範囲に関して限定ではなく例としてのみ行われていることが当業者によって理解されるであろう。本明細書に図示及び説明された例示的な実施形態に加えて、本発明の範囲内にある他の実施形態が意図されている。当業者による変更及び代用は、本発明の範囲内にあるとみなされ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によるものを除いて、限定されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
0006445146.tif 000017
【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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