光mimo处理的制作方法
【专利摘要】本发明涉及光通信系统。特别地，本发明涉及一种用于在多模光纤(MMF)处的多输入多输出(MIMO)处理的光信号处理器。光多输入多输出处理系统(500、520、600、1040、1101、1403、1503、1702)被描述。该光处理系统包括：在该光处理系统的第一端处的通向多模光纤的接口；M个第一单模波导(505)，M＞2，耦合到该接口；其中，这些第一波导被布置为分别运载M个第一光信号；N个第二单模波导(506)，N＞1，位于该光处理系统中的第二端处；其中该第二波导被布置为分别运载N个第二光信号；其中该N个第二光信号与由该多模光纤所运载的N个模式相关联；以及光处理核心(503、504)，被布置为：使用用于将该M个第一光信号中的每个光信号相互耦合的多个光耦合器，以将这些第一光信号变换为这些第二光信号，以使得这些第二光信号之间的相关性相比这些第一光信号之间的相关性而减小，从而该N个第二光信号中的每个光信号是该M个第一光信号中的所有光信号的线性组合。
【专利说明】光MI MO处理
【技术领域】
[0001]本文件涉及光通信系统。特别地，本文件涉及一种用于在多模光纤(MMF)处的多输入多输出(MIMO)处理的光信号处理器。
【背景技术】
[0002]多吉比特/秒的光传输系统已经提出，其借助于移动到多模光纤(MMF)和借助于通过该MMF的不同空间模式(可能以及不同的偏振模式)来传送不同的数据信道，以倍增通过光纤(在给定的频谱内)所传送的容量(比特/秒)。换句话说，通过多模光纤(MMF)的模分复用(MDM)作为克服标准单模光纤(SMF)的容量限制的选项之一而被研究。
[0003]为了实现通过MMF的MDM，必须提供光传输系统的各种子系统，诸如光MMF放大器和空间模式复用器/解复用器(SM DE/MUX)以及MMO处理器。本文件描述了各种架构，这些架构可以被用来提供有效率的光信号处理器，以实施通过MMF通信系统的光MDM的所要求的子系统中的一些子系统或者所有子系统。
【发明内容】
[0004]根据一个方面,描述了一种光处理系统，例如光多输入多输出(MIMO)处理系统。该光处理系统可以与被适配为运载多个光(空间和/或偏振)模式的多模光纤结合使用。为了这个目的，该光处理系统可以包括在该光处理系统的第一端处的通向多模光纤的接口。此外，该光处理系统可以包括在该光处理系统的第一端处的M个第一单模波导，M>2(例如，M>3或4或5或6或7或8或9)。该M个第一波导可以被耦合到通向该多模光纤的该接口。这些第一波导分别被适配为运载M个第一光信号。此外，该光处理系统包括在该光处理系统的第二端处的N个第二单模波导，N>1 (例如，N>2或3或4或5或6或7或8或9)。这些第二波导分别被适配为运载N个第二光信号，其中该N个第二光信号关联于由该多模光纤所运载的N个(空间和/或偏振)模式。M可以大于或等于N。
[0005]此外，该光处理系统包括被适配为将这些第一光信号变换为这些第二光信号的光处理核心。为了这个目的，该光处理核心可以包括多个光处理组件(也被称为光处理单元)，它们被适配为操控在该光处理核心内由一个或多个波导所运载的光信号。特别地，该光处理核心可以包括用于将该M个第一光信号中的一些光信号或所有光信号(例如，每个光信号)相互耦合的多个光耦合器，从而该N个第二光信号中的至少一个光信号(例如，所有光信号)包括来自该M个第一光信号中的一些光信号或所有光信号的贡献，例如该N个第二光信号中的至少一个光信号或所有光信号是该M个第一光信号中的所有光信号的线性组合。为了这个目的，光耦合器可以由两个光波导穿过并且该光耦合器可以使用定义了两个光波导之间的耦合程度的旋转值Θ。该光处理核心可以包括足够的光耦合器来实施传递矩阵。
[0006]总体上，该光处理核心可以被适配为或者已经被设计为，例如使用传递矩阵H，相比该M个第一光信号之间的相关性，而减小该N个第二光信号之间的相关性。该相关性可以涉及沿着时间线在至少两个光信号之间的相关性。该M个第一光信号和该N个第二光信号可以分别可表示为M个第一数字信号和N个第二数字信号。变换矩阵H，即该光处理核心，可以确保该N个第二数字信号中的所有对之间的相关性相比该M个第一数字信号中的所有对之间的相关性更低。在这种背景下，相关性可以被确定为在预定时间段上的两个数字信号的相乘样本的(移动)平均。
[0007]该光处理核心可以包括一个或多个光处理级。该一个或多个光处理级由多个单模级波导穿过。该多个级波导耦合到在该光处理级的第一端处的M个第一波导中的至少三个波导。在一个优选的实施例中，该多个级波导(间接)耦合到在该光处理级的第一端处的该M个第一波导中的所有波导。这意味着光处理级可以处理从该M个第一光信号中的所有光信号所得出的一个或多个光信号。
[0008]此外，该多个级波导耦合到在该光处理级的第二端处的N个第二波导中的至少一个波导。这意味着光处理级提供了对该N个第二光信号中的至少一个光信号有贡献的光信号。
[0009]该光处理级可以包括移相器和光耦合器中的一个或多个。移相器通常被应用到该多个级波导中的至少一个级波导，并且该移相器被适配为:将该多个级波导中的一个级波导上的光信号的相位移动相位值φ (在本文件中也称为φ)。光耦合器通常被应用到该多个级波导中的两个级波导。该光耦合器被适配为:在该耦合器的第一端处使用旋转值θ来混合该多个级波导中的两个级波导上的两个输入光信号，以在该耦合器的第二端处提供该多个级波导中的两个级波导上的两个耦合的光信号。该光耦合器的功能可以被描述为如下:如果该两个输入光信号和该两个耦合的光信号被考虑为形成笛卡尔坐标系的X和y轴，则该光稱合器被适配为执行将该两个输入光信号旋转该旋转值θ，以产生该两个稱合的光信号。
[0010]在一个实施例中，处理级包括一个或多个光耦合器，该一个或多个光耦合器处理这些级波导中的一个或多个不同的对(其中这些级波导中的每个级波导至多被包括在一对中)。为了确保该M个第一光信号中的所有光信号可以对该N个第二光信号中的每个光信号有贡献，该光处理核心可以包括依次的处理级序列，其中在第一光处理级的第二端处的多个级波导以重排列的方式耦合到在第二光处理级的第一端处的多个级波导。如此，不同对的级波导可以由第二处理级中的光耦合器而不是第一处理级中的光耦合器来处理。可以示出，对于N>2，如果光处理核心包括N-1个或者更少的处理级，则该M个第一光信号中的每个光信号可以对该N个第二光信号中的每个光信号有贡献。然而，一般而言，它也能够由多于N-1级来实现。每个处理级可以包括M/2个或者更少的耦合器。
[0011]该M个第一光信号可以与在该多模光纤的端面上的M个不同空间位置处的光场分布的对应的M个样本相关联。换句话说，该M个第一光信号可以通过在M个不同位置处在多模光纤的端面处采样光场分布来获得。该M个不同位置通常取决于将被采样的N个空间模式的对称性而被选择。特别地，该M个不同位置通常被选择以使用该M个空间样本来允许在该多模光纤的N个空间模式之间的区别。换句话说，该M个不同位置应当被选择使得该N个不同空间模式的场分布导致M个空间样本的不同集合。
[0012]该光处理核心的传递矩阵H可以被设计使得该N个第二光信号表示由该多模光纤所运载的N个模式。换句话说，传递矩阵H可以被设计使得该M个空间样本被变换为该N个模式。
[0013]通过示例的方式，通过选择该光处理核心使得:在该M个样本与由该多模光纤所运载的N个空间模式中的单个空间模式的光场分布相关联的条件下，该光处理核心被适配为将该M个第一光信号组合到该N个第二光信号中的单个光信号，可以实现这一点。鉴于光系统的可逆性，逆条件通常也适用，即在该M个样本与由该多模光纤所运载的N个空间模式中的单个空间模式的光场分布相关联的条件下，该光处理核心被适配为从该N个第二光信号中的单个光信号来生成该M个第一光信号。
[0014]如此，该光处理核心可以以这样的方式将该M个第一波导与该N个第二波导互连，该方式是多模光纤的N个模式之一的采样场能量被集中到该N个第二波导中的恰好一个波导上。对于所有的N个模式并且对于所有的N个第二波导，可以满足这个条件。即对于该N个空间模式中的每个单个空间模式，该光处理核心可以被适配为将该M个第一光信号组合到该N个第二光信号中的不同的单个光信号；和/或逆向地从该N个第二光信号中的不同的单个光信号来生成该M个第一光信号。
[0015]因此，光(空间)模式复用器/解复用器可以被描述。该模式复用器/解复用器被适配为:将来自N个第二单模波导的N个第二光信号耦合到多模光纤的N个空间模式，和/或反之亦然，N>1。为了这个目的，该空间模式复用器/解复用器可以包括(例如以该光处理系统的接口的形式)空间采样器，该空间采样器被适配为:从在M个第一单模波导内所运载的M个第一光信号，来生成在多模光纤的端面上的M个不同空间位置处的光场分布的M个样本，M>2(复用器)，和/或反之亦然(解复用器)。此外，该模式复用器/解复用器包括如本文件中所描述的光处理系统。该光处理系统被适配为:从该N个第二光信号来生成该M个第一光信号(复用器)，和/或反之亦然(解复用器)。
[0016]该一个或多个移相器的该一个或多个相位值φ和/或该一个或多个耦合器的该一个或多个旋转值Θ(被称为该光处理核心的一个或多个参数)可以是可调整的。在这种情况下，该光处理系统可以被用于适应性光信号处理(例如，用于信道均衡)。通过示例的方式，该光处理系统可以包括控制单元，该控制单元被适配为确定该光处理核心的该一个或多个参数。该一个或多个参数可以基于该N个第二光信号来确定。特别地，该一个或多个参数可以基于该N个第二光信号的已知的或者所期望的特性(或者性质)(例如，该N个第二光信号之间的去相关性)来确定。通过示例的方式，该N个第二光信号可以与经由由多模光纤的N个模式所提供的通信信道而被传输的训练序列相关联。在这样的情况下，控制单元可以被适配为基于这些训练序列并且基于该N个第二光信号来确定该一个或多个参数。
[0017]如此，被适配用于接收经由多模光纤的N个空间模式所传输的N个光信号的光接收器(Ν>1)可以被描述。该光接收器可以包括(例如以该光处理系统的接口的形式)多模光纤耦合器，该多模光纤耦合器被适配为:将M个第一光信号从多模光纤提取到M个单模波导中，M SN。用于这样的多模光纤耦合器的一个示例是例如耦合的波导结构。此外，该光接收器包括如本文件中所描述的光处理系统。该光处理系统被适配为:处理该M个第一光信号以提供N个第二光信号。这个处理受制于被包括在该光处理系统内的一个或多个移相器和/或耦合器的一个或多个参数而被执行。此外，该光接收器可以包括N个光到电转换器，该N个光到电转换器被适配为:将该N个第二光信号转换为N个对应的所接收的(电或数字)信号。该光处理系统的该一个或多个参数可以基于该N个所接收的信号来确定。[0018]应当注意，该光处理系统与偏振复用可以是兼容的，即该光处理系统可以不仅处理空间模式而且处理偏振模式。为了这个目的，该光处理系统可以进一步包括M/2个偏振分束器，该M/2个偏振分束器被适配为:从M/2个偏振复用的信号来生成该M个第一光信号，和/或反之亦然(在这样的情况下，M通常是配对)。
[0019]应当注意，包括如本文件中所概述的其优选实施例的各方法和系统，可以独立地或者与本文件中所公开的其他方法和系统组合地被使用。此外，在本文件中所概述的各方法和系统的所有方面可以任意组合。特别地，权利要求的各特征可以相互以任意的方式组
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【专利附图】
【附图说明】
[0020]参考附图以示例性的方式在下面解释本发明，在附图中:
[0021]图1示出了用于使用模式转换器的示例模式分离器/组合器布置的框图；
[0022]图2示出了使用耦合的波导结构的示例模式分离器/组合器布置的示意性视图；
[0023]图3a和b图示了使用对接耦合的示例空间采样器；
[0024]图4图示了使用多个光栅的示例空间采样器；
[0025]图5图示了包括光信号处理的示例全通滤波器；
[0026]图6图示了利用光信号处理的另一个示例全通滤波器；
[0027]图7a和b示出了示例光信号处理单元；
[0028]图8示出了用于偏振复用的光信号的示例模式分离器/组合器的框图；
[0029]图9示出了用于偏振复用的光信号的另一个示例模式分离器/组合器的框图；
[0030]图10图示了另一个示例全通滤波器，其被适配为将多个光模式的各种空间样本的光功率集中到对应的多个单模波导并且反之亦然；
[0031]图1la和b图示了包括示例光全通滤波器和不同的示例空间采样器的示例模式分
离器/组合器；
[0032]图12示出了示例空间模式分插(add-drop)复用器的框图；
[0033]图13不出了用于多模式传输的不例光传输系统的不意图；
[0034]图14示出了被用于光信道均衡的示例光全通滤波器；
[0035]图15示出了被用于光信道均衡的另一个示例光全通滤波器；
[0036]图16图示了示例熔融(fused)光纤耦合器；以及
[0037]图17示出了包括用于信道均衡的适应性光全通滤波器的示例光接收器的框图。【具体实施方式】
[0038]如在引言部分中所概述的，模式分离器(以及逆向地，模式组合器)是用于基于空分复用(SDM)(或模分复用)来实现MMF传输的重要组件。
[0039]模式分离器/组合器被放置在MMF传输光纤的发射侧和接收侧,并且将多模式发射器的不同抽头(Pigtail)复用到MMF的不同MMF模场(LP模式)或者将不同的MMF模场(LP模式)解复用到接收器的不同抽头。
[0040]现今所使用的模式分离器/组合器通常基于在各输出中的每个输出处的多模式功分器和不同模式变换器(相位全息图)。图1中示出了示例模式分离器/组合器100，其包括大容量(bulk)光学功分器和模式转换器。模式分配器/组合器100将两个SMF模式(LPOl)分别复用到MMF模式LPlla和LPllb。这样的模式分离器/组合器的缺点是相对高的损耗(1/N)，该损耗归因于功分器的使用和相对昂贵的大容量光学实现方式。
[0041]模式分离器/组合器200的可替换实现方式基于具有绝热变化折射率分布的耦合的波导结构(例如光子晶体光纤)(参见图2)。波导结构200由四个耦合的单模波导形成，这些单模波导将MMF的LP (线性偏振)模式变换为SMF输出抽头的基本模式。模式分离器/组合器200原理上是无损的，然而，实现复杂的波导结构可能是昂贵的。此外，模式分离器/组合器200到更高模式数目(N)的可扩展性可能是具有挑战性的。
[0042]在本文件中，描述了利用光信号处理的模式分离器/模式组合器的架构。所描述的模式分离器/组合器允许使用光子集成电路(PIC)(例如硅PIC)的成本效益实现方式。此外，所描述的模式分离器/组合器表现出相对低的功耗。另外，所描述的模式分离器/组合器可扩展到更高模式数目N的模式。
[0043]模式分离器(模式组合器)可以通过对MMF场的不同区域光空间采样来实施，SP通过对MMF的端面的不同区域采样。对MMF场的不同区域的采样可以通过使用多个接线(patch) PU……、PM来实 施，M是接线的总数目。这些所谓的接线收集一个区域内的光场并且将它变换为单模波导或光纤的场。实现方式的可能性是透镜或透镜系统，该透镜或透镜系统将一个区域的光集中到单模式波导或渐变波导(waveguide taper)的基本模式中，该渐变波导的多模部分的基本模式绝热地变换为光纤的基本模式(参阅图3中的波导管)。
[0044]通常，基于MMF内所运载的模式的数目N来选择接线M的数目。为了允许N个模式的隔离(或耦合)，M应当大于或等于N。图3a、b和4图示了示例空间采样器300、400。图3a和b的空间采样器300包括M = 4个SMF302，其采样在四个不同的位置或区域处的MMF301的端面处的光，由此提供M = 4个接线，P1、……、P4。图4的空间采样器400使用具有垂直光栅耦合器402的硅光子集成电路(PIC)而提供了 M = 7个接线。图4的技术平台用于不同应用的演不能够在 C.R.Doerr 和 T.F.Taunay,“Silicon Photonics Core-, Wavelength-, andPolarization-Diversity Receiver，，，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，卷 23，第 9期，2011年5月I日，597页中找到，其通过引用而并入。
[0045]空间采样器300、400提供M个接线或者MMF场的样本，并且提议了将进一步的光处理应用到该M个空间样本，以便隔离该N个模式。可以在提供具有传递函数H的MMO滤波器的单模波导滤波器结构中执行该进一步的处理。
[0046]在偏振分集操作中执行该进一步的处理可能是有益的，因为在接收器处的光信号的偏振在许多应用中通常是未知的。在这种情况下，空间采样器300可以包括如图3b中所示出的偏振分束器(PBS)303。这些PBS303为m= 1、……、M个空间样本中的每个空间样本提供两个空间样本Pmx和Pmy。随后，分离的MMO滤波器(Hx和Hy)可以个别地处理X和Y偏振光。
[0047]如此，MMF信号的不同区域的光可以由空间采样器300、400的M个接线302、402来采集。空间采样器300、400可以将空间采样光变换到M个单模波导(或光纤)的基本模式中。接线的光，即M个单模波导的光在光MMO滤波器(提供NXM传递矩阵H)中被处理。N个LP模式的信号Am (i = 01、11a、Ilb等)被分离并且在光MMO滤波器的输出处的N个单模输出波导处出现。[0048]分别用于X、Y偏振光的示例光MMO滤波器500、520在图5中被示出。M = 4个空间样本501经由各自的M个单模输入波导505从空间采样器300、400进入光MMO滤波器500、520。光MMO滤波器500、520包括多个光处理单元503、504，多个光处理单元503、504被配置为修改M个单模输入波导505中的一个或多个单模输入波导的光信号。不例光处理单元503、504是可调谐移相器503(相位参数φ )和可调谐耦合器504 (旋转参数Θ )。在光MMO滤波器500、520的输出处，在MMF301内所运载的N个LP模式的N = 3个光信号ALPi (i = 01、lla、llb等)被提供在N个单模输出波导506内。通过示例的方式，接线信号501Ρ1χ、Ρ2χ、Ρ3χ、Ρ4χ被光处理使得该N个单模式输出波导506运载在MMF301内所运载的N个LP模式的光信号Am (i = 01、I la、Ilb等)。可以针对Y偏振光执行类似的处理。
[0049]光处理单元503、504的参数可以基于与由MMF所运载的空间模式有关的理论考虑来设计。这将在下面以进一步的细节来概述。备选地或另外地，光处理单元503、504的参数可以在初始训练阶段的背景中被调谐。在这样的训练阶段中，已知的光信号可以通过全体的光传输路径来传输，并且光处理单兀503、504的参数可以被适配使得在接收器处(光MIMO滤波器500、520的下游)的误差或失真准则被最小化。备选地或另外地，这些参数可以不断地针对整个光传输路径的变化而被适配(例如使用恒定模算法，CMA，连同适当的误差或失真准则)。
[0050]从理论的视角，在实施例中与光MMO滤波器500、520组合的空间采样器300、400的使用依赖于下列的各方面:空间采样器300、400在其输出(即图3b中的PBS303的输入)处提供基本(LPOl)模式。随着增加的接线数目M，耦合的接线波导的M个特征矢量中的N个最低的特征矢量收敛到该MMF的N个空间模式。换句话说:光纤的每个LP模式主要仅耦合到这些耦合的接线的其对应模式中。此外，MIMO滤波器H(Hx和Hy)500、520是具有M个输入，但是具有(相等或减少的)数目N个输出的MMO全通。滤波器H(Hx和Hy) 500、520 ( “内部地”)被配置为JfMMF的N个模式中的每个模式变换到输出波导506中的特定的一个输出波导，该MM F的空间米样光信号在该M个接线波导505中被运载。然而，因为仅与该MMF的LP模式具有相同模式分布的那些模式在接线处被激发，所以仅N个输出被使用。另外，内部传递矩阵H是由K个处理级507的级联所形成的么正(无损)旋转矩阵，K个处理级507由K个传递函数Ti (i = I……L)(图5中L = 3)来描述。L个传送级507中的每个传送级通过分发功率或相位来执行旋转。为了这个目的，传送级507包括一个或多个光处理单元503、504。如上面所指出的，光处理单元503、504可以是具有分数(功率)耦合比(tan( Θ ))2的稱合器504或者施加相位Φ的相移的移相器503。总的MIMO滤波器传递函数H通过将L级的传递函数级联来获得，即H = IY TL_JL_2...T10级联的级507的数目L应当足以执行所需要的么正变换并且通常能够数值地确定。对处理单元的精细调谐(例如使用热光移相器)可能允许对接线的有限数目的调整以及对N个输出端口 506之间的最大消光的调整。
[0051]在下文中，以进一步的细节分析了本文件中所描述的空间模式复用器(或逆向地，空间模式解复用器)。空间模式复用器(SMMux)的基本功能是将2N个单偏振输入信号Chlx, Chly, CH2x、CH2y、……、ChNx、ChNy的集合(它们的幅度总结在2N维复幅度矢
量 a = (Achlx,
y …，An1Nx ,八ChNy )T中)耦合到多模光纤(MMF)的2Ν个模式的模式集合中。类似于2N个单模和单偏振信号的幅度矢量，MMF的2N个模式的幅度可以由幅度矢星 z - (Zcfalx，Zchly，…，ZchNx,ZchNy )T来表不。在下文中，假定MMF的模式集合是弱导光纤的
LP(线性偏振)模式。在这个背景下，每个幅度Za.的下标中的X和y指示N个空间LP模式(Za..)中的每个空间LP模式分别存在于两个正交偏振的X和y中。理想的SMMux将每个输入信号没有任何损耗地耦合到仅一种专用模式中。这意味着理想SMMux的传递函数能够通过大小2N的单位矩阵I2n来描述。N个空间LP模式(在X和Y偏振中)和MMF的2N个模式的幅度矢量3和5然后分别由相联系，即2 = Ι2Να ο
[0052]在下文中，假定MMF中的模式由相控阵类型空间场合成器激发，该相控阵类型空间场合成器包括跨MMF的截面积(或端面)的M个光接线Pp……、ΡΜ。每个接线将在两个正交偏振态(SOP)x和y中的一对的两个输入信号(Blx，Bly)、……、(BMx，BMy)转换为在每个接线的输出面处的发射场e1、……、eM。在下面的分析中，假定ei(i = 1、……、M)的场分布A是具有接线输出的纤芯直径2r的LPtll模式的高斯函数。每个接线生成具有在X和y偏振ei = (Bix fi, Biy fi) (i = 1......M)中的分量的矢量场ei = (eix, eiy)。为了方便，对所
有接线的输入信号总结在激发幅度的矢量E5 = (Bu,Bb.,Bfily ^中。根据对接耦合积分dZ,,,pol = J(e*i,Po,.β^^ρυ1)?Α，每个接线i = I……M激发模式LPj;p()1的模式幅度dZji;p()1,其中
e^i和euj，#分别是接线和MMF模式的归一化复合场,其运载单位功率，(i = 1......M, j =
I……N，并且pol = X，y)，并且其中dA表示跨多模光纤的端面面积的积分。由所有接线所形
成的总体场是e = Σ ei。总体场激发具有幅度Z^1的LP^1模式，并且Z_ = HdZji'一。
[0053]接线的激发幅度?与模式幅度i之间的传递函数可以由大小2N.2M的耦合矩阵K: !=巧总结。对于理想SMMux的设计，任务是:找到用于具有传递函数H的无源处理系统的解决方案(该传递函数H将由2N维幅度矢量3所表示的发射器信号转换为接线输入信号^ ,即“瓜)，使得输入幅度5与模式幅度?之间的总传递矩阵表现出低损耗和对其他俣忒的低串扰，即使得K.H接近I2n。
[0054]随着增长的接线数目Μ，总的接线场能够更好地近似于LP模场eM，p()1，并且因此，耦合损耗以及对其他模式的交叉耦合原理上能够减少到零。因为耦合矩阵K中的每一列被考虑为是在MMF的横截面上的LP模场的样本的矢量，所以增长的接线数目M的意味着耦合矩阵K的不同列矢量KiQ = 1、……、2N)表示不同的LP模式，并且因此，不同的Ki变得越来越正交，即对于i幸j随着增长的M，Ki.00*收敛到O。
[0055]鉴于上面的情况，适当SMMux的设计将被分为两个任务。在第一步骤中，将会有动机的是，存在如下的波导结构:该波导结构允许使用传递矩阵H将具有幅度Achix，Achiy，…，AchNx, AchNy 的2N个输入信号，即2N个矢量(Achlx, O,…，0，0)τ、(O, Achly,…，0，O)τ、(0，0，…，ACMx，0)t、(0，0，…，0，Α_)Τ，在理论上无损地转换为2N个正交矢量?。在第二步骤中，接线计数M与模式计数N之间的权衡通过对接线的一些几何布置的仔细查看而被讨论，这些接线允许以有限数目M的接线来发射的低串扰模式。
[0056]在下文中，描述了不例光多输入多输出(MIMO)波导滤波器500、520 (具有传递函数H)的架构，其将三个输入信号502变换为相控阵接线刺激的三个不同集合&，该三个集合?分别针对每个输入信号激发少模MMF的N = 3(三个)不同的空间LP模式(LP01、LPlla、LPllb)。然而，为了方便，在下文中，解决了对逆向问题的解决方案，即用于解复用器的MIMO滤波器设计，其将三个LP模式的M = 4个空间样本的三个集合ξ变换到三个不同的输出波
导506。由于无源光系统的互易性，解复用器问题对应于复用器问题。对图3a的空间采样器300做出参考。在图3a的左手侧，三个模场分布310eLPQ1、eLPlla和θ?Ρ11?3被示出。LPlla场的右边和左边区域以及LPllb场的上方和下方区域分别对应于正和负的场幅度。粗糙空间采样由四个准直器302所形成的M = 4个接线PI……Ρ4来执行。这四个准直器302将它们的LPOl模式(由MMF的LP模式激活)变换到四个单模波导。每个接线Pi分别为χ和y偏振提供了一对复幅度B。和Bi，y。为了简单，y偏振将被省略并且将假定用于所有模式的偏振态(SOP)是线性X偏振。因此，空间样本能够被描写为具有M = 4个复元素的列矢量
[0057]S = Um)'
[0058]图6中所示出的示例解复用滤波器600的设计由如下的思想指导:至少如果跨模场区域的空间采样的粒度足够精细，即如果M是足够大的，则不同的正交LP模式的空
间采样S =)τ再次正交。换句话说，LPtll模式的第一空间矢量S1应当与LPlla模
式的第二空间矢量I正交，并且应当与LPllb模式的第三空间矢量S3正交。这在图6中由
用于三种模式LPQ1、LPlla和LPllb的三个空间矢量&，Il= 1、……、N = 3，(参考标号分别是601、602、603)图不出。对于理想的解复用器，目标是为每个LP模式提供仅一个输出端口 506，其对应 于三个输出信号Ap这意味着被描写为复矢量5 = W1,...,Am)t的用于这三种模式UV、LPlla和LPllh的输出矢量5η (η = 1、……、3)，是正交的基矢量，例如，S1=Cl O O 0)T, S2 =(0 I O O)1和53=(0 O I O)1,如果这三种模式的幅度被假定为是
单位幅度。因此，将空间矢量G1, ( Π=1、......、3)与输出矢量5η (η = 1、......、3)相联
系的MIMO滤波器600的传递函数G = H—1，是应用空间输入矢量Sn的复旋转同时保持空间矢量的正交性的幺正矩阵。这意味着MMO滤波器G = F1能够被实施为由光处理单元503、504所提供的复旋转的序列。
[0059]在下文中，具有幺正传输特性的MMO滤波器波导结构600将通过使用实值2X2耦合器700与由角度Θ所定义的耦合比来得到，如图7a、b中所示出的。图7a描绘了实值耦合器700。实值耦合器700具有作为传递函数的实值旋转矩阵R ( Θ )，并且包括± /2的光移相器701和具有(sin Θ )2/(cos θ )2 = (tan Θ )2功率耦合比的定向耦合器702。波导
f cos(60 -./sin(i?)、
率禹合器702由复传递函数..来描述，并且对于移相器701和稱合器702
/sin(^) cos(^) J
的级联，实值2D旋转矩阵获得如下:
【权利要求】
1.一种光处理系统(500、520、600、1040、1101、1403、1503、1702)，所述光处理系统包括: -在所述光处理系统的第一端处的通向多模光纤的接口； -M个第一单模波导(505)，M>2，耦合到所述接口 ； 其中所述第一波导被布置为分别运载M个第一光信号； -N个第二单模波导(506)，N>1，位于所述光处理系统的第二端处；其中所述第二波导被布置为分别运载N个第二光信号；其中所述N个第二光信号与由所述多模光纤所运载的N个模式相关联；以及 一光处理核心(503、504),用于将所述第一光信号变换为所述第二光信号，以使得所述第二光信号之间的相关性相比所述第一光信号之间的相关性而减小；其中所述光处理核心(503,504)包括依次的两个或更多光处理级，每个光处理级包括被布置用于分别处理一对或多对单模波导的一个或多个光耦合器，由此将所述M个第一光信号中的一些光信号或者所有光信号相互耦合，以使得所述N个第二光信号中的至少一个光信号是所述M个第一光信号中的所述一些 光信号或者所有光信号的线性组合。
2.根据权利要求1所述的光处理系统，其中所述两个或更多光处理级中的光处理级由多个单模级波导穿过；其中所述多个级波导在所述光处理级的第一端处耦合到所述M个第一波导中的至少三个波导，并且在所述光处理级的第二端处耦合到所述N个第二波导中的至少一个波导；其中所述一个或多个耦合器被布置为:使用旋转值Θ在所述耦合器的第一端处混合所述多个级波导中的两个级波导上的两个输入光信号，以在所述耦合器的第二端处提供所述多个级波导中的所述两个级波导上的两个耦合的光信号。
3.根据权利要求2所述的光处理系统，其中如果所述两个输入光信号和所述两个耦合的光信号被考虑为形成笛卡尔坐标系的X和I轴，则所述一个或多个光耦合器被布置为:以所述旋转值Θ来执行对所述两个输入光信号的旋转，以产生所述两个耦合的光信号。
4.根据权利要求2所述的光处理系统，其中所述第一光处理级包括在所述多个级波导中的一个级波导上的移相器，所述移相器被布置为:将所述多个级波导中的所述一个级波导上的光信号的相位移动相位值φ。
5.根据任一前述权利要求所述的光处理系统，其中 —Ν>2 ； 一所述光处理核心包括N-1个光处理级；并且 一每个光处理级包括Μ/2个或者更少的耦合器。
6.根据权利要求1所述的光处理系统，其中 一 M大于或等于N;和/或 —N大于3或4或5或6或7或8或9或10。
7.根据权利要求1所述的光处理系统，其中 一所述M个第一光信号与在所述多模光纤的端面上的M个不同空间位置处的光场分布的对应M个样本相关联；并且 一所述N个第二光信号表示由所述多模光纤所运载的所述N个模式。
8.根据权利要求7所述的光处理系统，其中在所述M个样本与由所述多模光纤所运载的所述N个空间模式中的单个空间模式的光场分布相关联的条件下，所述光处理核心被布置为: 一将所述M个第一光信号组合为所述N个第二光信号中的单个光信号，和/或 一从所述N个第二光信号中的单个光信号生成所述M个第一光信号。
9.根据权利要求8所述的光处理系统，其中，对于所述N个空间模式中的每个单个空间模式，所述光处理核心被布置为: 一将所述M个第一光信号组合为所述N个第二光信号中的不同的单个光信号；和/或 一从所述N个第二光信号中的不同的单个光信号生成所述M个第一光信号。
10.根据权利要求4中的任一项所述的光处理系统,其中被称为所述光处理核心的一个或多个参数的所述一个或多个移相器的所述一个或多个相位值φ和/或所述一个或多个耦合器的所述一个或多个旋转值θ是可调整的。
11.根据权利要求10所述的光处理系统，进一步包括控制单元(1703)，所述控制单元被布置为确定所述光处理核心的所述一个或多个参数；其中基于所述N个第二光信号来确定所述一个或多个参数。
12.根据权利要求11所述的光处理系统，其中 一所述N个第二光信号与经由由所述多模光纤的所述N个模式所提供的通信信道所传输的训练序列相关联；并 且 一所述控制单元(1703)被布置为基于所述训练序列和所述N个第二光信号来确定所述一个或多个参数。
13.根据权利要求1所述的光处理系统，其中 一M是对；并且 一所述光处理系统进一步包括Μ/2个偏振分束器，所述Μ/2个偏振分束器被布置为:从Μ/2个偏振复用的信号生成所述M个第一光信号,和/或反之亦然。
14.一种光接收器(1700)，被布置用于接收经由多模光纤的N个空间模式所传输的N个光信号，Ν>1，所述光接收器(1700)包括: 一根据权利要求11所述的光处理系统(1702、1703)，被布置为处理M个第一光信号以提供N个第二光信号；其中所述处理受制于被包括在所述光处理系统内的一个或多个移相器和/或耦合器的一个或多个参数而被执行；其中所述光处理系统的所述接口包括多模光纤耦合器(1701)，所述多模光纤耦合器(1701)被布置为将所述M个第一光信号从所述多模光纤提取到M个单模波导中，M > N ;以及 -N个光到电转换器(1404)，被布置为将所述N个第二光信号转换为N个对应的所接收的信号；其中基于所述N个所接收的信号来确定所述一个或多个参数。
15.一种光空间模式复用器/解复用器，被布置为将来自N个第二单模波导的N个第二光信号耦合到多模光纤的N个空间模式，和/或反之亦然，N>1，所述空间模式复用器/解复用器包括: 一根据权利要求7所述的光处理系统，被布置为从所述N个第二光信号生成M个第一光信号，和/或反之亦然；其中所述光处理系统的所述接口包括空间采样器(302、1102)，所述空间米样器(302、1102)被布置为:从在M个第一单模波导内所运载的所述M个第一光信号，生成在所述多模光纤的端面上的M个不同空间位置处的光场分布的M个样本，M>1,和/或 反之亦然。
【文档编号】G02B6/28GK103959115SQ201280058293
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年11月6日 优先权日:2011年11月28日
【发明者】H·比洛 申请人:阿尔卡特朗讯