光横モード多重化信号のための受信機
本発明の代表的な光受信機は、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを通じて光横モード多重化（ＴＭＭ）信号を受信する。光受信機は、ＴＭＭ信号を処理してそれのモード組成を決定するように構成されるデジタルシグナルプロセッサに動作可能に結合される複数の光検出器を有する。決定されたモード組成に基づいて、光受信機は、ＴＭＭ信号の別々に変調された成分の各々を復調して、遠隔送信機でＴＭＭ信号に符号化されたデータを回復する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の主題は、本出願と同じ日に出願された、「Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ−Ｍｏｄｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題する、Ｒ．−Ｊ．Ｅｓｓｉａｍｂｒｅ、Ｒ．Ｒｙｆ、およびＰ．Ｗｉｎｚｅｒによる、代理人整理番号Ｅｓｓｉａｍｂｒｅ２２−３６の米国特許出願第１２／４９２，３９９号のそれに関連し、その出願は、参照によりそれの全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、光通信機器に関し、より具体的にはしかし排他的ではなく、光通信システムで横モード多重化（ＴＭＭ）を可能にする機器に関する。
【背景技術】
【０００３】
この節は、本発明（複数可）のより良い理解を容易にするのを助けることもある態様を紹介する。それに応じて、この節の説明は、この観点から読まれるべきであり、何が従来技術でありまたは何が従来技術でないかについての承認として理解されるべきでない。
【０００４】
多重入出力（ＭＩＭＯ）能力を備える無線通信システムは、無線チャネルでマルチパス遅延拡散を（軽減しようとする代わりに）利用することによって全伝送容量を増加させる。より具体的には、無線ＭＩＭＯは、送信機および受信機での多重アンテナの使用を通じて効率および信頼性を改善する。結果として生じる平均処理量の増加は、信号処理およびハードウェア実装でのより多大な複雑さを犠牲にするが、しかし追加のスペクトル帯域幅またはより高い信号出力を犠牲にせずに実現される。
【０００５】
光通信システムでは、伝送容量を増加させるためのＭＩＭＯ手法は、例えばマルチモードファイバーでのモード分散が無線伝送媒体でのマルチパス遅延に類似しているので、実現可能である。その結果、光ＭＩＭＯは、マルチモードファイバーの本質的に高い伝送容量を利用するために活用されてもよい。しかしながら、光ＭＩＭＯを実装するためのハードウェアは、まだ十分に開発されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，２６８，８５２号明細書
【特許文献２】米国特許第６，９４０，５７７号明細書
【特許文献３】米国特許第６，７９７，９８３号明細書
【特許文献４】米国特許第７，４１６，８１８号明細書
【特許文献５】米国特許第７，３２３，２７５号明細書
【特許文献６】米国特許第６，９０９，５２８号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００７／０２９７８０６号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ＬＣＤ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ」、Ｍ．Ｇ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ、Ｊ．Ｃｈｅｎ、Ｇ．Ｄ．Ｓｈａｒｐ、Ｗｉｌｅｙ、Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ（Ｅｎｇｌａｎｄ）、２００５年、第１１章、２５７−２７５頁
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書で開示されるのは、光横モード多重化（ＴＭＭ）信号のための光受信機のさまざまな実施形態である。本発明の代表的な光受信機は、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを通じてＴＭＭ信号を受信する。光受信機は、ＴＭＭ信号を処理してそれのモード組成を決定するように構成されるデジタルシグナルプロセッサに動作可能に結合される複数の光検出器を有する。決定されたモード組成に基づいて、光受信機は、ＴＭＭ信号の別々に変調された成分の各々を復調して、遠隔送信機でＴＭＭ信号に符号化されたデータを回復する。
【０００９】
一実施形態によれば、提供されるのは、次のものを有する光受信機である：（Ａ）Ｎ個の別々に変調された成分を有する光ＴＭＭ信号をサンプリングして信号間隔当たりＫ個の光サンプルを作成するように構成され、ＮおよびＫが、１よりも大きい正の整数であり、Ｋ≧Ｎである、タップモジュール、（Ｂ）光ＬＯ信号を発生させるように構成される局部発振器（ＬＯ）源、および（Ｃ）各々がタップモジュールおよびＬＯ源に光学的に結合される、Ｋ個のコヒーレント検出器。Ｋ個のコヒーレント検出器の各々は、（ｉ）それぞれの光サンプルおよびＬＯ信号を混合して１つまたは複数の光干渉信号を生成し、かつ（ｉｉ）前記１つまたは複数の光干渉信号を光サンプルの同相成分および直角位相成分を示す１つまたは複数の電気信号に変換するように構成される。光受信機はさらに、Ｋ個のコヒーレント検出器に動作可能に結合され、コヒーレント検出器によって作成された電気信号を処理してＴＭＭ信号のＮ個の別々に変調された成分の各々によって運ばれるデータを回復するように構成されるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を有する。光受信機は、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを介してＴＭＭ信号を受信する。マルチモードファイバーの遠隔終端では、ＴＭＭ信号の別々に変調された各成分は、マルチモードファイバーのそれぞれの単一横モードに対応する。
【００１０】
別の実施形態によれば、提供されるのは、Ｎ個の別々に変調された成分を有する光ＴＭＭ信号をサンプリングして信号間隔当たりＫ個の光サンプルを作成するように構成され、ＮおよびＫが、１よりも大きい正の整数であり、Ｋ≧Ｎである、タップモジュールを有する光受信機である。タップモジュールは、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを介してＴＭＭ信号を受信する。光受信機はさらに、（ｉ）光ＬＯ信号を発生させるように構成される局部発振器（ＬＯ）源および（ｉｉ）各々がタップモジュールおよびＬＯ源に光学的に結合される、Ｋ個のコヒーレント検出器を有する。Ｋ個のコヒーレント検出器の各々は、次のように構成される：（ａ）ＬＯ信号を位相フィルター処理してマルチモードファイバーのそれぞれの選択された横モードの位相／場強度（ＰＦＳ）パターンに対応するＰＦＳパターンを有するそれぞれの位相フィルター処理されたビームを作成し、（ｂ）それぞれの光サンプルおよび位相フィルター処理されたビームを混合して１つまたは複数の光干渉信号を生成し、かつ（ｉｉｉ）前記１つまたは複数の光干渉信号を光サンプルの同相成分および直角位相成分を示す１つまたは複数の電気信号に変換する。光受信機はさらに、Ｋ個のコヒーレント検出器に動作可能に結合され、コヒーレント検出器によって作成された電気信号を処理してＴＭＭ信号のＮ個の別々に変調された成分の各々によって運ばれるデータを回復するように構成されるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を有する。
【００１１】
なお別の実施形態によれば、提供されるのは、次のように構成される複数のビームスプリッターを有する光受信機である：（ｉ）光ＴＭＭ信号に対応する光ビームを第１の複数のサブビームに分割し、ここでＴＭＭ信号は、複数の別々に変調された成分を有し、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを介して受信され、（ｉｉ）局部発振器（ＬＯ）信号に対応する光ビームを第２の複数のサブビームに分割し、かつ（ｉｉｉ）第１および第２の複数のサブビームを混合して２つ以上の混合光ビームを生成する。光受信機はさらに：（ａ）２つ以上の混合光ビームの第１のものに対応する第１の干渉パターンを検出するように構成される第１のアレイ状検出器、（ｂ）２つ以上の混合光ビームの第２のものに対応する第２の干渉パターンを検出するように構成される第２のアレイ状検出器、および（ｃ）第１および第２のアレイ状検出器に動作可能に結合され、第１および第２の干渉パターンを処理してＴＭＭ信号のモード組成を決定し、前記モード組成に基づいて、ＴＭＭ信号の別々に変調された成分によって運ばれるデータを回復するように構成されるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、を有する。
【００１２】
なお別の実施形態によれば、提供されるのは、Ｎ個の別々に変調された成分を有する光横モード多重化（ＴＭＭ）信号をサンプリングして信号間隔当たりＫ個の光サンプルを作成するように構成され、ＮおよびＫが、１よりも大きい正の整数であり、Ｋ≧Ｎである、タップモジュールを有する光受信機である。光受信機はさらに、（ｉ）光ＬＯ信号を発生させるように構成される局部発振器（ＬＯ）源および（ｉｉ）各々がタップモジュールおよびＬＯ源に光学的に結合される、Ｋ個のコヒーレント検出器を有する。Ｋ個のコヒーレント検出器の各々は、（ａ）それぞれの光サンプルおよびＬＯ信号を混合して１つまたは複数の光干渉信号を生成し、かつ（ｂ）前記１つまたは複数の光干渉信号を光サンプルの同相成分および直角位相成分を示す１つまたは複数の電気信号に変換するように構成される。光受信機はさらに、Ｋ個のコヒーレント検出器に動作可能に結合され、コヒーレント検出器によって作成された電気信号を処理してＴＭＭ信号のＮ個の別々に変調された成分の各々によって運ばれるデータを回復するように構成されるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を有する。光受信機は、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを介してＴＭＭ信号を受信する。タップモジュールは：（Ａ）各々が光パワーをマルチモードファイバーから単一モードファイバーに取り出してＴＭＭ信号の対応する光サンプルを作成する、Ｋ個のマルチモードファイバー（ＭＭＦ）カプラー、および（Ｂ）各々が２つの隣接ＭＭＦカプラー間に配置される、Ｋ−１個のモードスクランブラー、を有する。
【００１３】
特許または出願ファイルは、カラーで作成された少なくとも１つの図面を含有する。カラー図面（複数可）を備えるこの特許または特許出願公開のコピーは、依頼および必要な料金の納付に応じて米国特許商標庁によって提供されることになる。
【００１４】
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、例として次の詳細な記述および付随する図面からより完全に明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のさまざまな実施形態が実施されてもよい、光通信システムのブロック図を示す図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態による図１のシステムで使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態による図１のシステムで使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す図である。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態による図１のシステムで使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す図である。
【図２Ｄ】本発明の一実施形態による図１のシステムで使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す図である。
【図２Ｅ】本発明の一実施形態による図１のシステムで使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す図である。
【図２Ｆ】本発明の一実施形態による図１のシステムで使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す図である。
【図２Ｇ】本発明の一実施形態による図１のシステムで使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す図である。
【図２Ｈ】本発明の一実施形態による図１のシステムで使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による図１で示されるシステムのノードで使用されてもよい光送信機を例示する図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による図１で示されるシステムのノードで使用されてもよい光送信機を例示する図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による図３の送信機で使用されてもよい光モード結合（ＯＭＣ）モジュールを例示する図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による図３の送信機で使用されてもよい光モード結合（ＯＭＣ）モジュールを例示する図である。
【図５】本発明の別の実施形態による図３の送信機で使用されてもよいＯＭＣモジュールのブロック図を示す図である。
【図６】本発明のなお別の実施形態による図３の送信機で使用されてもよいＯＭＣモジュールのブロック図を示す図である。
【図７】本発明の別の実施形態による図１で示されるシステムのノードで使用されてもよい光送信機のブロック図を示す図である。
【図８】本発明のなお別の実施形態による図１で示されるシステムのノードで使用されてもよい光送信機のブロック図を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態による図１で示されるシステムのノードで使用されてもよい光受信機のブロック図を示す図である。
【図１０Ａ】本発明の一実施形態による図９で示される光受信機で使用されてもよいタップモジュールを示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の一実施形態による図９で示される光受信機で使用されてもよいコヒーレント検出器を示す図である。
【図１１】本発明の別の実施形態による図９で示される光受信機で使用されてもよいタップモジュールを示す図である。
【図１２】本発明の別の実施形態による図１で示されるシステムのノードで使用されてもよい光受信機のブロック図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
光通信システム
図１は、本発明のさまざまな実施形態が実施されてもよい、光通信システム１００のブロック図を示す。システム１００は、光通信リンク１２０のネットワークを介して相互接続される複数の通信ノード１１０を有する。システム１００はさらに、光アド／ドロップマルチプレクサー（ＡＤＭ）１３０、光増幅器１４０、および光クロスコネクト１５０を有し、すべてがノード１１０間にさまざまに挿入される。
【００１７】
各ノード１１０は、横モード多重化（ＴＭＭ）の使用を通じて達成される光多重入出力（ＭＩＭＯ）能力を有する。ノード１１０は一般に、システム１００のさまざまなノード間の双方向通信を可能にするために光送信機および光受信機（どちらも図１では明確に示されない）を含む。ＴＭＭ多重化に加えて、個々のノード１１０はまた、波長分割多重化（ＷＤＭ）および／もしくは偏光多重化（ＰＭ）、または両方を使用することもある。個々のノード１１０で使用されてもよい光送信機および受信機の代表的な実施形態は、以下でこの明細書の対応する小節でより詳細に述べられる。
【００１８】
各光通信リンク１２０は、次の１つまたは複数を使用して実装される：（ｉ）単一モードファイバー、（ｉｉ）マルチモードファイバー、（ｉｉｉ）マルチコアファイバー、および（ｉｖ）単一モードファイバーの束。一実施形態では、リンク１２０で使用されるマルチモードファイバーは、２から約１００の横モードを支援する。代替実施形態では、マルチモードファイバーは、１００個よりも多い横モードを支援する。一実施形態では、リンク１２０で使用されるマルチコアファイバーの各コアは、単一横モードを支援する。代替実施形態では、マルチコアファイバーのいくつかのまたはすべてのコアは、多重横モード、ならびに全体として受け取られるマルチコアファイバーのスーパーモードを支援する。
【００１９】
本明細書で使用されるように、術語「横モード」は、伝搬方向に垂直な（すなわち横方向の）平面内で、伝搬距離に実質的に依存しない電場または磁場分布（これから後は光場分布と呼ばれる）を有する誘導電磁波のことである。より具体的には、もしファイバーでの光パワーの損失または利得が取り除かれるならば、そのときファイバーに沿って２つの異なる場所で測定されるモードの光場分布は、それらの２つの場所間でモードによって得られる全位相変化を反映する因子だけ異なることになるだけである。各横モードは、ファイバーの固有モードであり、異なる横モードは、互いに直交する。一般に、光ファイバーは、その光場分布および伝搬定数が導波構造、材料特性、および光周波数（波長）によって明白に決定される、固定数の横モードを支援することができる。横モードの概念は、マルチコアファイバーを含む、さまざまな種類のファイバーに適用できることに留意されたい。例えば、マルチコアファイバーでの個々のコアの横モードはまた、全体として捉えるそのマルチコアファイバーの横モードでもある。
【００２０】
一実施形態では、光アド／ドロップマルチプレクサー１３０は、再構成可能なアド／ドロップマルチプレクサーである。リンク１２０は典型的には、比較的高度なモード間混合で特徴付けられるので、ノード１１０は一般に、ＴＭＭ信号を適切に処理し、その信号によって運ばれるデータを回復するために同じ光周波数（波長）を有するすべての横モードを受信する必要がある。その結果、マルチプレクサー１３０は、（ｉ）入ってくるリンク１２０から同じ光周波数を有するすべての横モードをドロップしかつ／または（ｉｉ）出ていくリンク１２０に同じ光周波数を有するすべてのポピュレートされた横モードを加えるように設計される。言い換えれば、マルチプレクサー１３０は、従来のＷＤＭアド／ドロップ機能性を実装するが、しかし全体として各特定の波長のＴＭＭ多重化信号に作用する。
【００２１】
目的とする機能を支援するために、マルチプレクサー１３０は、すべての横モードについて実質的に同一の伝送特性を有する狭帯域のインターリーバー型光フィルターを用いる。加えて、マルチプレクサー１３０は、比較的低レベルのＷＤＭクロストーク（すなわち、ＷＤＭ多重化信号の異なる光周波数間のクロストーク）を有する。後者の特性は、例えば次のことによって達成されてもよい：（ｉ）モード結合モジュールより前に単一モード領域で必要な光フィルター処理を行うこと（例えば図８を参照）、（ｉｉ）正弦型波形整形を使用すること、および／または（ｉｉｉ）直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）を使用すること。
【００２２】
もしシステム１００が、リンク１２０でマルチコアファイバーを用いるならば、そのときマルチプレクサー１３０は、選択された組のコア（それは、マルチコアファイバーのすべてのコアまたはそれの任意のサブセットとすることができる）を単一実体として扱うように設計されてもよく、それによって同時に波長チャネルを全体の組に加えかつ／または波長チャネルを全体の組からドロップする。もしリンク１２０が、異なるコア間で比較的低レベルのクロストークを有するならば、そのときマルチプレクサー１３０は、コア間クロストークをノイズ／障害として扱いながら、通信信号をそれぞれの個々のコアに加えかつ／または通信信号をそれぞれの個々のコアからドロップするように設計されてもよい。
【００２３】
さまざまな実施形態では、光増幅器１４０は、集中増幅器または分布増幅器とすることができる。一般に、システム１００は、２つの通信ノード１１０間の全リンクにわたってモード混合マトリクスのユニタリー性を保つように設計されてもよい。その結果、光増幅器１４０は、リンク１２０のすべての横モードについて実質的に同じ利得を示すように設計される。
【００２４】
一実施形態では、光増幅器１４０は、（ｉ）複数のアクティブ区分および（ｉｉ）アクティブ区分間に挿入された複数のモードスクランブラーを有する比較的長い（例えば、約１００ｍよりも長い）ファイバー増幅器である。各アクティブ区分は、適度な利得（例えば、約１ｄＢから約５ｄＢの間）を提供する。モードスクランブラー（モード混合器としても知られている）は、異なる横モード間の比較的大きなモード結合を引き起こす光学デバイスである。理想的には、モードスクランブラーは、出力で統計的に均一なモード混合を生成し、そのモード混合は、入力でモードスクランブラーによって受信されるモード分布に実質的に依存しない。各アクティブ区分での適度な利得および比較的頻繁なモードスクランブリングの組合せは、増幅器１４０に印加されるすべての横モードが実質的に同じ量の増幅を受けることを確実にすることが当業者には理解されよう。
【００２５】
一実施形態では、光クロスコネクト１５０は、異なるノード１１０間での光信号の所望のルーティングを可能にするように再構成可能である。すでに上で述べられたように、ＴＭＭ多重化信号の個々の、別々に変調された成分を適切に復号するためには、ノード１１０は一般に、全ＴＭＭ多重化信号を受信する必要がある。それに応じて、クロスコネクト１５０は、それのＷＤＭルーティング機能を果たしながら、全体として各波長に対応するＴＭＭ多重化信号に作用するように設計される。クロスコネクト１５０は一般に、マルチプレクサー１３０と同じ構成要素の多くを実装されてもよいことが当業者には理解されよう。
【００２６】
説明に役立つように、システム１００は、４つのノード１１０、１つの光アド／ドロップマルチプレクサー１３０、１つの光増幅器１４０、および１つの光クロスコネクト１５０を有するように図１で示される。他の実施形態では、システム１００は、異なる数のノード１１０、光アド／ドロップマルチプレクサー１３０、光増幅器１４０、および／または光クロスコネクト１５０を有してもよいことが当業者には理解されよう。これらの要素は一般に、図１で示されるそれとは異なる方法で配置され、相互接続されてもよいことが当業者にはさらに理解されよう。
【００２７】
光ファイバー
図２Ａ−Ｈは、本発明のさまざまな実施形態によるシステム１００で使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す（一定の縮尺でなく）。より具体的には、図２Ａ−Ｈで示されるさまざまなファイバーは、ノード１１０、光通信リンク１２０、光アド／ドロップマルチプレクサー１３０、光増幅器１４０、および／または光クロスコネクト１５０で使用されてもよい。
【００２８】
図２Ａは、単一モードファイバー２１０の横断面図を示す。ファイバー２１０は、クラッド２１２およびコア２１６を有する。コア２１６は、比較的小さな直径を有し、それは、ファイバー２１０がシステム１００で用いられる波長の範囲からの各波長について単一横モードを支援する結果をもたらす。
【００２９】
図２Ｂは、マルチモードファイバー２２０の横断面図を示す。ファイバー２２０は、クラッド２２２およびコア２２６を有する。ファイバー２２０は、コア２２６がコア２１６よりも大きい直径を有する点でファイバー２１０とは異なる。さまざまな実施形態では、コア２２６の直径は、ファイバー２２０が２から約百個の間の範囲から選択される所望の数の横モードを支援することを可能にするように選択される。
【００３０】
図２Ｃは、マルチモードファイバー２３０の横断面図を示す。ファイバー２３０は、クラッド２３２およびコア２３６を有する。コア２３６は、コア２２６よりもさらに大きい直径を有し、それは、ファイバー２３０が約百個よりも多くの横モードを支援することを可能にする。
【００３１】
図２Ｄは、マルチコアファイバー２４０の横断面図を示す。ファイバー２４０は、第１の（外側の）クラッド２４２および第２の（内側の）クラッド２４４を有する。ファイバー２４０はさらに、内側クラッド２４４内に封入される複数のコア２４６を有する。各コア２４６の直径は、コアが単一横モードかまたは多重横モードを支援する結果をもたらすように選択されてもよい。
【００３２】
一実施形態では、ファイバー２４０は、光増幅器１４０での使用のために設計される。より具体的には、内側クラッド２４４および／またはコア２４６は、ドープされて（例えば、エルビウムイオンを）光学アクティブ媒体を提供する。増幅器１４０の光ポンプ（図１では明確に示されない）は、光ポンプ波を内側クラッド２４４に注入し、それは、外側クラッド２４２とのそれの屈折率差異に起因して、それらの光ポンプ波をファイバー２４０の長手軸に沿って誘導することができる。誘導される光ポンプ波は、内側クラッド２４４から個々のコア２４６に結合し、それによってコアによって誘導される光信号の増幅のためのエネルギー源を提供する。内側クラッド２４４は、このクラッドが光ポンプ波のためのマルチモードコアとして機能する結果をもたらす直径を有し、それは、ポンプエネルギーがコア２４６の間で実質的に均一に分配されることを確実にする。
【００３３】
図２Ｅは、マルチコアファイバー２５０の横断面図を示す。ファイバー２５０は、クラッド２５２および複数のコア２５６を有する。コア２５６は、コア間に比較的大きな隔たりがあるようにクラッド２５２内に分配される。比較的大きな隔たりに起因して、ファイバー２５０でのコア間クロストークの量は、比較的小さく、それは、個々のコア２５６が光通信信号のための別個の独立した導管として機能することを可能にする。さまざまな実施形態では、個々の各コア２５６は、単一横モードかまたは多重横モードを支援するように設計されてもよい。
【００３４】
図２Ｆは、マルチコアファイバー２６０の横断面図を示す。ファイバー２６０は、クラッド２６２および複数のコア２６６を有する。コア２６６は、コア間の隔たりが次の通りであるようにクラッド２６２内に分配される：（ｉ）コア間の適度な量の線形結合を生じさせるために十分に小さくかつ（ｉｉ）コア間の比較的小さな量の非線形結合を生じさせるためになお十分に大きい。もしコア２６６の各々が、それぞれの単一横モードを支援するならば、そのときファイバー２６０のこれらの特性は、全体としてファイバーについて比較的少数の明確に定義され、空間的に分離された横モードを生成するために使用されてもよい。
【００３５】
図２Ｇは、マルチコアファイバー２７０の横断面図を示す。ファイバー２７０は、クラッド２７２、第１の複数のコア２７６、および第２の複数のコア２７８を有する。コア２７６は、コア２７８よりも小さい直径を有する。ファイバー２７０でのさまざまなコア間の隔たりは、ファイバー２６０（図２Ｆ）で使用される隔たりに似ている。
【００３６】
ファイバー２７０で２つの異なるコア種を有する１つの理由は、異なる伝搬定数で特徴付けられる２つの種類の横モードを生成するためである。伝搬定数の不一致は、結果的に群速度差をもたらし、それは一般に、ファイバー非線形性の有害な影響を低減するために有益である。例えば、交差位相変調の有害な影響は、異なるＷＤＭチャネルからの信号についてそれらのチャネルが比較的大きな群速度不一致を有するとき著しく低減される可能性がある。一実施形態では、コア２７６および２７８は、同じ種類のコア間で最大の空間的隔たりを達成するようにクラッド２７２全体にわたって分配される。
【００３７】
図２Ｈは、マルチコアファイバー２８０の横断面図を示す。ファイバー２８０は、クラッド２８２、第１の複数のコア２８６、および第２の複数のコア２８８を有する。コア２８６および２８８は、同じ直径を有するけれども、それらは、異なる屈折率を有する材料で作られている。屈折率差は、コア２８６および２８８が異なる伝搬定数を有する結果をもたらし、それは、ファイバー２８０がファイバー２７０（図２Ｇ）で効果的なメカニズムに定性的に似ているメカニズムを介してファイバー非線形性の有害な影響を低減することを可能にする。
【００３８】
図２Ａ−Ｈで示されるファイバーに加えて、他の種類のファイバーもまた可能であることが当業者には理解されよう。例えば、２つ以上の異なる材料で作られている、２つ以上の異なるサイズのコアを有するマルチコアファイバーは、図２Ｇおよび２Ｈの両方で示される特徴を実装するように製作されてもよい。
【００３９】
本明細書で使用されるように、術語「マルチパスファイバー」は、マルチモードファイバー（例えば、ファイバー２２０および２３０、図２Ｂ−Ｃ）ならびにマルチコアファイバー（例えば、ファイバー２４０−２８０、図２Ｄ−Ｈ）の両方を包含する。
【００４０】
光送信機
図３Ａ−Ｂは、本発明の一実施形態によるノード１１０（図１）で使用されてもよい光送信機３００を例示する。より具体的には、図３Ａは、送信機３００のブロック図を示す。図３Ｂは、送信機３００で使用される光モード結合（ＯＭＣ）モジュール３４０の動作を図式的に例示する。
【００４１】
図３Ａは、出力ファイバー３５０を介して通信リンク１２０に結合されるように送信機３００を例示的に示す。ファイバー３５０は一般に、通信リンク１２０の直接隣接した区分で使用されるファイバーと同じ種類である。すでに上で説明されたように、通信リンク１２０は、図２で示されるそれらなどの、任意の適切な種類のファイバーを使用して実装されてもよい。次に来る記述は、例となるものであり、出力ファイバー３５０がファイバー２２０（図２Ｂを参照）に似ている実施形態に対応する。この記述に基づいて、光通信信号を他の種類のファイバーに結合するのに適している送信機３００の他の実施形態を設計する方法が、当業者には理解されよう。
【００４２】
送信機３００は、指定波長の出力光ビームを発生させるように構成されるレーザー３１０を有する。ビームスプリッター３２０は、レーザー３１０によって生成されたビームをＮ個の方向に分割し、結果として生じるＮ個のビームをＮ本の単一モードファイバー３２２に結合し、ただしＮが、１よりも大きい整数である。各ファイバー３２２は、それのそれぞれのビームを対応する光変調器３３０に向け、そこでそのビームは、制御信号３２８を介して変調器に供給されるデータで変調される。異なる変調器３３０または適切な変調器配置は、制御信号３２８から導出された異なる独立したまたは相関したデータの流れを使用してそれらのそれぞれの光ビームを変調することができることに留意されたい。代表的な構成では、各変調器３３０は、送信機３００から遠隔受信機への伝送を目的とする対応する独立したデータの流れに基づいてそれの光ビームを変調する。変調器３３０によって作成された変調光信号は最終的に、ＯＭＣモジュール３４０によってファイバー３５０に印加されるＴＭＭ信号の別々に変調された成分としての役割を果たす。
【００４３】
代替実施形態では、レーザー３１０は、変調器３３０に直接結合されるまたはファイバーを通じてではなく、自由空間を通じて変調器に結合されてもよい。
【００４４】
ＯＭＣモジュール３４０の１つの機能は、Ｎ本の単一モードファイバー３３２を介して受信されたＮ個の変調光信号をファイバー３５０に適切に結合することである。より具体的には、ＯＭＣモジュール３４０によって受信された各変調光信号は、実質的にファイバー３５０の選択された単一横モードに結合され、異なる変調光信号は、異なる横モードに結合される。本明細書で使用されるように、語句「信号を実質的に単一横モードに結合すること」は、２つの可能だが、しかし相互排他的でない意味を有することができる。第１の意味によれば、この語句は、信号の全エネルギーの少なくとも約５０％（およびおそらくは約８０％または９０％よりも多く）が１つの選択された横モードに結合することを意味する。第２の意味によれば、この語句は、マルチモードファイバーに結合される信号の全エネルギーの一部分について、その部分の少なくとも約５０％（およびおそらくは約８０％または９０％よりも多く）が１つの選択された横モードに入り、一方その部分の残りが他の横モードに入ることを意味する。個々の光信号が、実質的にマルチモードファイバー（例えば、ファイバー３５０）の単一横モードにそのファイバーの近接終端で結合され（例えば、ＯＭＣモジュール３４０によって）、それによってマルチモードファイバーに送り出されるＴＭＭ信号の光成分に変換されるとき、ＴＭＭ信号のその光成分は、「マルチモードファイバーの近接終端でのマルチモードファイバーの単一横モードに対応する」と言われる。
【００４５】
送信機３００の一実施形態では、数Ｎは、ファイバー３５０によって支援される横モードの総数と同じであるように選択される。言い換えれば、送信機３００のこの実施形態は、マルチモードファイバー３５０の横モードの各々およびすべてにそれぞれの別々に変調された光信号をポピュレートさせる能力があるＯＭＣモジュール３４０を用いる。
【００４６】
図３Ｂは、ＯＭＣモジュール３４０によって行われる光ビーム成形を図式的に示す。より具体的には、図３Ｂの異なるパネルは、ファイバー３５０の終端３４８でＯＭＣモジュール３４０によって作成されてもよいさまざまな位相／場強度（ＰＦＳ）パターンを示し、異なるパネルは、ＯＭＣモジュールの異なる光チャネルに対応する。各ＰＦＳパターンは、次の色彩体系を使用して図３Ｂで表される：（ｉ）色の飽和度は、光場強度を表し、（ｉｉ）色それ自体は、光場の位相を表す。例えば、明るい赤色は、暗い赤色よりも低い光場強度に対応する。青から赤への虹のような色の変化は、−πから＋πへの位相の連続的な変化を表す。
【００４７】
ＯＭＣモジュール３４０の各光チャネルについて、ファイバー３５０の終端３４８でそのチャネルによって作成されるＰＦＳパターンは、そのチャネルに割り当てられる横モードのＰＦＳパターンに実質的に一致する。上で示されたモード結合損失が、これらのＰＦＳパターン間の不一致によって引き起こされることもあることが当業者には理解されよう。モード結合損失に対応する光エネルギーは、ファイバー３５０の他の横モードに寄生的に結合されかつ／またはファイバーによって完全に排斥されることもある。
【００４８】
本明細書で使用されるように、術語「実質的に一致する」は、光チャネルによって生成されるＰＦＳパターンと対応する横モードのＰＦＳパターンとの間の差が、比較的小さく、２つの可能だが、しかし相互排他的でない基準の少なくとも１つを満たすことを意味する。第１の基準によれば、その差は、光チャネルによって生成されるＰＦＳパターンの全エネルギーの少なくとも約５０％（およびおそらくは約８０％または９０％よりも多く）が対応する横モードに結合するほど小さい。第２の基準によれば、その差は、マルチモードファイバーに結合される光チャネルによって生成されるＰＦＳパターンの全エネルギーの一部分について、その部分の少なくとも約５０％（およびおそらくは約８０％または９０％よりも多く）が対応する横モードに入り、一方その部分の残りが他の横モードに入るほど小さい。
【００４９】
図３Ｂの異なるＰＦＳパターンに対応する異なる横モードは、次の表記法を使用してラベルを付けられる。文字「ＬＰ」は、「直線偏光した」を表す。ラベルで「ＬＰ」に続く数字は、指定された順序で、２つの量子化パラメーターの値を与える。各横モードについて、第１の量子化パラメーターは、ファイバー軸周りの１方位角回転当たり２πの大きさの位相増分の数を与え、第２の量子化パラメーターは、ファイバー半径にわたるπの大きさの位相増分の数を与える。例えば、ＬＰ０１と表される横モードは、（ｉ）方位角位相増分を有さず、（ｉｉ）１つの半径方向位相増分を有する。同様に、ＬＰ３２と表される横モードは、（ｉ）３つの方位角位相増分および（ｉｉ）２つの半径方向位相増分を有する。
【００５０】
もしＯＭＣモジュール３４０が８つの光チャネルを有するならば、そのとき次の代表的なモード割り当てが、使用されてもよい：（Ｃｈ．１）−ＬＰ０１、（Ｃｈ．２）−ＬＰ１１、（Ｃｈ．３）−ＬＰ２１、（Ｃｈ．４）−ＬＰ０２、（Ｃｈ．５）−ＬＰ３１、（Ｃｈ．６）−ＬＰ１２、（Ｃｈ．７）−ＬＰ４１、および（Ｃｈ．８）−ＬＰ２２。他のモード割り当てが、本発明の範囲および原理から逸脱することなく同様に使用されてもよく、そのモード割り当てによればＯＭＣモジュール３４０の各光チャネルは、ファイバー３５０の割り当てられた横モードのＰＦＳパターンに実質的に一致するＰＦＳパターンを作成するように構成されることが当業者には理解されよう。
【００５１】
図３Ｂは、１つの可能な横モード基底系に対応し、各々が複数の相互に直交する横モードを備える他の基底系が、ＯＭＣモジュール３４０を実装するために同様に使用されてもよいことが当業者には理解されよう。
【００５２】
図４Ａ−Ｂは、本発明の一実施形態によるＯＭＣモジュール３４０（図３）として使用されてもよいＯＭＣモジュール４００を例示する。より具体的には、図４Ａは、ＯＭＣモジュール４００のブロック図を示す。図４Ｂは、ＯＭＣモジュール４００で使用されてもよい位相マスク４２０を示す。
【００５３】
ＯＭＣモジュール４００は、２つの光チャネルを有し、そのため、２本の入力ファイバー３３２に結合されるように示される（図３Ａもまた参照）。ＯＭＣモジュール４００は、３つ以上の光チャネルを有するように直接的に変更されてもよいことが当業者には理解されよう。より具体的には、新しい光チャネルは、ＯＭＣモジュール４００でチャネル２を形成するために使用されるそれに似た光学素子の組を追加することによって作成されてもよい。
【００５４】
ＯＭＣモジュール４００は、２つのレンズ４１０を有し、その各々は、ファイバー３３２のそれぞれの１本によってＯＭＣモジュールに印加されるそれぞれの発散光ビームを平行にする。結果として生じる平行ビームの各々は、位相マスク４２０のそれぞれの１つを通り抜けて、対応する位相フィルター処理されたビーム４２２を生成する。複数のミラー４３０は次いで、２つの位相フィルター処理されたビーム４２２を空間的に重ね合わせ、結果として生じる「重ね合わされた」ビーム４３２をファイバー３５０の方へ向ける。ミラー４３０４は、半透明ミラーであり、一方ミラー４３０１−４３０３は、通常の不透明ミラーである。２つのレンズ４４２および４４６ならびに開口４４４は、ビーム４３２を圧縮し（すなわち、そのサイズを低減し）、空間的にフィルター処理して出力ビーム４５２を作成するために使用され、その出力ビームは、ファイバー３５０の終端３４８に当たり、図３Ｂで示されるＰＦＳパターンの目的とする重ね合わせを生成する。
【００５５】
ＯＭＣモジュール４００の２つの光チャネルに割り当てられる横モードに応じて、位相マスク４２０１および４２０２は、例えば図４Ｂで示される位相マスクの取り合わせから適切に選択される。例えば、もしＯＭＣモジュール４００の特定の光チャネルが、ファイバー３５０のＬＰ１１モードを割り当てられるならば、そのとき図４ＢでＬＰ１１のラベルを付けられた位相マスクが、その光チャネルでの位相マスク４２０として使用される。同様に、もしＯＭＣモジュール４００の特定の光チャネルが、ファイバー３５０のＬＰ２１モードを割り当てられるならば、そのとき図４ＢでＬＰ２１のラベルを付けられた位相マスクが、その光チャネルでの位相マスク４２０として使用されるなどである。位相マスク４２０によって課せられる位相フィルター処理および開口４４４によって課せられる空間フィルター処理の複合効果は、光チャネルが、ファイバー３５０の終端３４８で図３Ｂで示されるＰＦＳパターンの目的とする１つを生成し、それによって光チャネルからの光信号をファイバーの対応する横モードに効果的に結合することである。
【００５６】
図４Ｂで示される位相マスクのいくつかは、二値位相マスク（すなわち、２つの可能な位相シフト、例えば０かまたはπの１つだけを局所的に課すことができる位相マスク）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マスクは、二値位相マスクである。図４Ｂで示される残りの位相マスクは、位相マスクの異なる部分が連続的な位相シフト範囲から選択される位相シフトを課すことができるので、「アナログ」位相マスクである。アナログ位相マスクは、次の色彩体系を使用して図４Ｂで示される：（ｉ）異なる色は、連続的な２π間隔で異なる位相シフトを表し、（ｉｉ）同じ色の異なるバンドは、２πの整数倍だけ互いに異なる位相シフトを表すこともある。
【００５７】
一実施形態では、ＯＭＣモジュール４００は、２つの別個の位相マスク４２０１および４２０２の代わりに単一の比較的大きな連続的な位相マスクを用いてもよい。この比較的大きな連続的な位相マスクは、これから後は「多重区分位相マスク」と呼ばれ、それの異なる区分（部分）では、図４Ｂから２つ以上の位相マスクを含有してもよい。多重区分位相マスクのこれらの区分は、１つの区分が位相マスク４２０１としての役割を果たし、別の区分が位相マスク４２０２としての役割を果たすように配置される。
【００５８】
図５は、本発明の別の実施形態によるＯＭＣモジュール３４０（図３）として使用されてもよいＯＭＣモジュール５００のブロック図を示す。ＯＭＣモジュール５００は一般に、ＯＭＣモジュール４００（図４）に類似しており、レンズ４１０、４４２、および４４６、ミラー４３０、ならびに開口４４４などの同じ要素の多くを使用する。これらの要素の記述は、ここでは繰り返されない。代わりに、次に来るＯＭＣモジュール５００の記述は、ＯＭＣモジュール４００と５００との間の差に焦点を合わせる。
【００５９】
ＯＭＣモジュール４００と５００との間の１つの差は、後者が位相マスク４２０の代わりに空間光変調器（ＳＬＭ）５２０を用いることである。一実施形態では、ＳＬＭ５２０は、液晶オンシリコン型（ＬＣＯＳ）ＳＬＭである。ＳＬＭ５２０として使用されてもよい代表的なＬＣＯＳ ＳＬＭは、例えばＭ．Ｇ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ、Ｊ．Ｃｈｅｎ、Ｇ．Ｄ．Ｓｈａｒｐ、Ｗｉｌｅｙ、Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ（Ｅｎｇｌａｎｄ）、２００５年、第１１章、２５７−２７５頁による「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ＬＣＤ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ」で述べられ、それの教示は、参照によりそれの全体が本明細書に組み込まれる。ＳＬＭ５２０としての使用に適している可能性があるＬＣＯＳ ＳＬＭはまた、例えば米国特許第７，２６８，８５２号、第６，９４０，５７７号、および第６，７９７，９８３号で開示され、それはすべて、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。ＳＬＭ５２０として使用されてもよい適切なＬＣＯＳ ＳＬＭは、ＪＶＣ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造され、ＪＶＣプロジェクターモデルＤＬＡ−ＨＤ２Ｋの一部として市販されている。
【００６０】
ＳＬＭ５２０は、ＯＭＣモジュール５００のそれぞれチャネル１およびチャネル２について必要な位相フィルター処理を行うように構成される２つのエリア５２４１および５２４２を有する。より具体的には、エリア５２４１は、位相マスク４２０１（図４Ａを参照）のそれに似た位相フィルター処理をもたらす空間変調パターンを表示するように構成される。同様に、エリア５２４２は、位相マスク４２０２（また図４Ａを参照）のそれに似た位相フィルター処理をもたらす空間変調パターンを表示するように構成される。
【００６１】
ＳＬＭ５２０は、再構成可能なデバイスであるので、それは、それのさまざまなエリア、例えばエリア５２４１および５２４２で表示されるパターンを動的に変えるまたは調節するために使用されてもよい。この特徴は、例えばマルチモードファイバー３５０の関連する特性の対応する変化を引き起こすこともある変化する動作条件の下で、ＯＭＣモジュール５００の異なる光チャネルについて横モード割り当ての比較的容易な変更を可能にし、かつ／またはＯＭＣモジュールの異なる光チャネルについて最適光結合を維持するのに有用である可能性がある。
【００６２】
ＯＭＣモジュール５００は、２つの偏光ビームスプリッター５２８を使用して、レンズ４１０によって作成された平行ビームをＳＬＭ５２０の方へかつＳＬＭによって作成された位相フィルター処理されたビームをミラー４３０の方へ適切に向ける。一実施形態では、４分の１波長板（図５では明確に示されない）が、偏光ビームスプリッター５２８とＳＬＭ５００との間に挿入されてもよく、その板を通って伝送されるビームの偏光を適切に回転させて偏光ビームスプリッターが平行ビームをＳＬＭの方へ向け、一方位相フィルター処理されたビームをミラー４３０の方へ向けることを可能にする。代替実施形態では、ＳＬＭ５００は、反射光の偏光を回転させて偏光ビームスプリッター５２８が同じビームルーティングをすることを可能にするように設計されてもよい。
【００６３】
一実施形態では、ＯＭＣモジュール５００は、また偏光多重化もされるＴＭＭ信号を作成するために使用されてもよい。特に、もしＳＬＭ５２０それ自体が、実質的に偏光非感受性であるならば、そのとき同じＳＬＭは、偏光多重化に使用される両方の偏光を処理するために使用されてもよい。
【００６４】
図６は、本発明のなお別の実施形態によるＯＭＣモジュール３４０（図３）として使用されてもよいＯＭＣモジュール６００のブロック図を示す。ＯＭＣモジュール６００は一般に、ＯＭＣモジュール４００および５００（図４および５）に機能的に類似している。しかしながら、ＯＭＣモジュール６００は、それが体積ホログラム６２０を用いるという点でＯＭＣモジュール４００および５００とは異なり、その体積ホログラムは一般に、三次元位相マスクと見なされてもよい。体積ホログラム６２０と対照的に、位相マスク４２０およびＳＬＭ５２０は一般に、薄膜または二次元位相マスクと見なされてもよいことに留意されたい。
【００６５】
ＯＭＣモジュール６００では、体積ホログラム６２０は、少なくとも２つの異なる機能を果たす。これらの機能の第１のものは、ＯＭＣモジュール４００での位相マスク４２０およびＯＭＣモジュール５００でのＳＬＭ５２０のそれに似た位相フィルター処理機能である。これらの機能の第２のものは、ミラー４３０のそれに似たビーム結合機能である。体積ホログラム６２０は、対応する光ビームが体積ホログラムの異なるサブ体積部を横断するので、必要な異なる位相フィルター処理をファイバー３３２から受信された異なる光信号に適用する能力がある。またこの理由のため、体積ホログラム６２０は、異なる光信号について伝搬方向を異なる量だけ変える能力もある。体積ホログラムは、当技術分野で知られており、例えば米国特許第７，４１６，８１８号、第７，３２３，２７５号、および第６，９０９，５２８号でより詳細に述べられ、それらはすべて、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
【００６６】
ＯＭＣモジュール６００は、３つの光チャネルを有するように例示的に示される。ＯＭＣモジュール６００は、異なる数の光チャネルを有するように直接的に変更されてもよいことが当業者には理解されよう。
【００６７】
図７は、本発明の別の実施形態によるノード１１０（図１）で使用されてもよい光送信機７００のブロック図を示す。送信機３００（図３）と同様に、送信機７００は、別々に変調された光信号を出力ファイバー（すなわち、ファイバー７５０）のそれぞれの横モードに選択的に結合する能力を有する。しかしながら、加えて、送信機７００は、送信機の変調および偏光多重化（ＭＰＭ）モジュール７１２での、偏光ビームスプリッター７１４および偏光コンバイナー７３４の使用によって可能になる偏光多重化（ＰＭ）能力を有する。送信機７００は、偏光当たり３つの光チャネルを有するように例示的に示される。送信機７００は、偏光当たり異なる数のチャネル（例えば、２または３よりも多く）を有するように直接的に変更されてもよいことが当業者には理解されよう。
【００６８】
送信機７００は、指定波長の出力光ビームを発生させるように構成されるレーザー７１０を有する。レーザー７１０は、ＭＰＭモジュール７１２に供給し、そこでは偏光ビームスプリッター７１４が、レーザーによって生成されたビームを相互に直交する偏光を有するビーム７１６１および７１６２に分割する。ＭＰＭモジュール７１２はさらに、２つのパワースプリッター７２０を有し、それの各々は、偏光ビームスプリッター７１４から受信されたそれぞれの偏光ビームを３方向に分割し、結果として生じる３つのビームを３本の単一モードファイバー７２２に結合する。各ファイバー７２２は、それのそれぞれのビームを対応する光変調器７３０に向け、そこでそのビームは、制御信号７２８を介して変調器に供給されるデータで変調される。変調器７３０によって作成された変調光信号は、単一モードファイバー７３２に結合され、対応する偏光コンバイナー７３４に向けられる。各偏光コンバイナー７３４は、２つの受信された直交偏光の信号を結合させて対応するＰＭ信号にし、次いでそのＰＭ信号を、それぞれの単一モードファイバー７３６を介して、ＯＭＣモジュール７４０に向ける。
【００６９】
代替実施形態では、送信機７００は、図７で示されるファイバー結合の少なくともいくつかの代わりにまたはそれに加えて、直接光結合または自由空間を通じての光結合を使用することができる。
【００７０】
送信機７００のＯＭＣモジュール７４０は一般に、送信機３００（図３）のＯＭＣモジュール３４０に類似しており、３つの受信ＰＭ信号をファイバー７５０に適切に結合する役割を果たす。より具体的には、ＯＭＣモジュール７４０によって受信された各ＰＭ信号は、ファイバー７５０の選択された横モードに結合され、異なるＰＭ信号は、異なる横モードに結合される。個々のＰＭ信号（それは２つの直交偏光成分を有する）について、それの偏光成分の各々は、ＯＭＣモジュール７４０で実質的に同じ位相フィルター処理を受ける。さまざまな実施形態では、ＯＭＣモジュール７４０は、ＯＭＣモジュール４００、５００、および６００（図４−６を参照）と同様に実装されてもよい。しかしながら、ＯＭＣモジュール７４０を設計する場合には、前記ＯＭＣモジュールが実質的に偏光非感受性であることを可能にするために、特別な注意が、それの偏光取扱い特性に払われる。
【００７１】
図８は、本発明のなお別の実施形態によるノード１１０（図１）で使用されてもよい光送信機８００のブロック図を示す。送信機３００および７００（図３および７を参照）の各々と同様に、送信機８００は、光通信信号を出力ファイバー（すなわち、ファイバー８５０）のさまざまな横モードに選択的に結合する能力を有する。送信機７００と同様に、送信機８００は、３つのＭＰＭモジュール８１２の使用によって可能になる偏光多重化能力を有し、それの各々は、ＭＰＭモジュール７１２（図７を参照）に類似している。しかしながら、加えて、送信機８００は、ＷＤＭ能力を有する。それ故に、送信機８００は、３つの異なる種類の多重化：横モード多重化（ＴＭＭ）、偏光多重化（ＰＭ）、および波長分割多重化（ＷＤＭ）を使用する。
【００７２】
送信機８００は、３つのＴＭＭチャネル、３つのＷＤＭチャネル、および２つのＰＭチャネルを有し、それは、送信機が１８個の別々に変調された光通信信号に至るまで（励起横モード当たり６個に至るまで）を有するＴＭＭ信号を生成することを可能にする。送信機８００は、任意の所望の方法で異なる数の別々に変調された成分を生成し、それらをファイバー８５０の選択された横モードに結合することが可能であるように比較的直接的に変更されてもよいことが当業者には理解されよう。
【００７３】
送信機８００の各ＷＤＭチャネルは、指定波長を発生させ、それをそれぞれのＭＰＭモジュール８１２に印加するそれぞれのレーザー８１０を有する。ＭＰＭモジュール８１２の３つの出力は、異なるＷＤＭチャネルに対応する光信号間のクロストークを低減することを目的とする比較的狭い帯域通過フィルター処理を行う光フィルター（ＯＦ）８１８に印加される。フィルター処理された信号は、マルチプレクサー８２６でＷＤＭ多重化され、結果として生じるＷＤＭ信号は、単一モードまたは統合ファイバー８３６を介して、ＯＭＣモジュール８４０に向けられる。
【００７４】
送信機８００のＯＭＣモジュール８４０は一般に、送信機３００（図３）のＯＭＣモジュール３４０に類似しており、３つの受信ＷＤＭ信号をファイバー８５０に適切に結合する役割を果たす。より具体的には、ＯＭＣモジュール８４０によって受信された各ＷＤＭ信号は、ファイバー８５０の選択された横モードに結合され、異なるＷＤＭ信号は、異なる横モードに結合される。マルチモードファイバーの横モードに対応するＰＦＳパターンは、波長に依存するけれども、ＷＤＭシステムで使用される典型的なスペクトル帯域は、比較的狭く、それは実際には、すべてのＷＤＭチャネルについて同じ位相マスクの使用を可能にする。例えば、約１５５０ｎｍに中心があり、約１００ｎｍの全幅を有するスペクトル帯域は、全スペクトル帯域にわたって搬送周波数で約６％の分散を有するだけである。この比較的小さな分散に起因して、スペクトル帯域の中間近くに位置する波長について設計された位相マスクは、その帯域でのすべての波長について十分に有効に働くことになる。その結果、さまざまな実施形態では、ＯＭＣモジュール８４０は、ＯＭＣモジュール４００、５００、および６００（図４−６を参照）と同様に実装されてもよい。
【００７５】
光受信機
マルチパスファイバーの横モードは、それらがファイバーの長さに沿って伝搬するときモード間混合を受けることが当技術分野で知られている。一般に、モード間混合の影響は、マルチモードファイバーでより強い。しかしながら、比較的密接した間隔のコアを有するマルチコアファイバーはまた、比較的強いモード間混合（例えば、コア間クロストーク）を示すこともある。結果として、たとえ通信信号が、マルチパスファイバーの前方端部で特定の単一横モードに結合されても、他の横モードが、ファイバーの遠隔端部でその通信信号からの寄与を有することになる。それ故に、かなりの量の信号処理が、ＴＭＭ信号の異なる別々に変調された成分によって運ばれるデータを完全に回復するために受信機で行われる必要がある。一般に、ＴＭＭ信号のＮ個の別々に変調された成分を復号するためには、受信機は、信号の少なくともＮ個の独立したサンプルを得る必要がある。これらのサンプルに適用される信号処理は一般に、マルチパスファイバーでのモード間混合の影響を逆転させることを目的とするマトリクス対角化アルゴリズムに基づいている。
【００７６】
図９は、本発明の一実施形態によるノード１１０（図１）で使用されてもよい光受信機９００のブロック図を示す。受信機９００は、例えばリンク１２０から入力ＴＭＭ信号９０２を受信するように構成されてもよい。ＴＭＭ信号９０２は、そのＴＭＭ信号のＫ個のサンプル９１２を作成するタップモジュール９１０に印加され、ただしＫが、１よりも大きい正の整数である。各サンプル９１２は、ＬＯ源９２０によって供給される局部発振器（ＬＯ）信号９２２を使用して対応するコヒーレント検出器９３０によってコヒーレントに検出される。サンプル９１２からコヒーレント検出器９３０によって生成された検出結果、例えばサンプルの同相成分Ｉおよび直角位相成分Ｑは、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）９４０に印加される。各信号間隔（例えば、ビット周期）にわたって、ＤＳＰ９４０は、コヒーレント検出器９３０１−９３０Ｋによって生成された検出結果のフルセットを適切に処理して、出力データの流れ９４２を生成する。タップモジュール９１０が、ＴＭＭ信号９０２の十分なサンプルを作成するならば、ＤＳＰ９４０は、ＴＭＭ信号９０２として受信機９００によって受信されるＴＭＭ信号に遠隔送信機によって最初に符号化されたすべてのデータを回復し、流れ９４２を介して出力することが可能である。
【００７７】
ＤＳＰ９４０の１つの機能は、リンク１２０に対応するモード混合マトリクスを反転させることであると当業者には理解されよう。一般に、リンク状態は、時間とともに変化し、それによって通常ミリ秒の時間スケールでまたはより遅く、モード混合マトリクスが同様に変化する結果をもたらす。一実施形態では、ＤＳＰ９４０は、リンク状態変動に適応して追随するように構成される。例えば、ＤＳＰ９４０は、当技術分野で知られているように、リンク状態を学習し、それらに適応するためにブラインド適応アルゴリズムを用いることができる。別法としてまたは加えて、時々、ＤＳＰ９４０に結合されたコントローラ９５０は、遠隔送信機が、ＤＳＰが現在のモード混合マトリクスを得るためのトレーニングシーケンスを受信機９００に送ることを要求してもよい。遠隔送信機によってリンク１２０に印加される代表的なトレーニングシーケンスは、異なる横モードが知られた順序で連続して励起され、その結果１つの横モードだけが任意の所与の時間に励起されるＴＭＭ信号を有してもよい。ＤＳＰ９４０で実装される信号処理はまた、自己モードおよび交差モードファイバー非線形性によって引き起こされる位相シフトなどの、ある非線形障害を補償してもよい。
【００７８】
図１０Ａ−Ｂは、本発明の一実施形態による受信機９００（図９）で使用されてもよい代表的なモジュールを示す。より具体的には、図１０Ａは、タップモジュール９１０として使用されてもよいタップモジュール１０１０のブロック図を示す。図１０Ｂは、コヒーレント検出器９３０として使用されてもよいコヒーレント検出器１０３０のブロック図を示す。
【００７９】
図１０Ａを参照すると、タップモジュール１０１０は、マルチモードファイバー１００２を介してＴＭＭ信号９０２を受信する。平行化レンズ１００４は、ファイバー１００２によって作成された発散光ビームを平行にし、結果として生じる平行ビームをＫ−１個の半透明ミラー１００６１−１００６Ｋ−１および末端不透明ミラー１００６Ｋの方へ向ける。一実装形態では、異なるミラー１００６は、ミラーから反射されたビーム１０１２１−１０１２Ｋがほぼ同じ強度を有する結果をもたらす反射率を有する。
【００８０】
図１０Ｂを参照すると、検出器１０３０は、単一モードファイバー１０１６を介してＬＯ源９２０からＬＯ信号９２２を受信する。平行化レンズ１０１８は、ファイバー１０１６によって作成された発散光ビームを平行にし、結果として生じる平行ビームを位相マスク１０２０の方へ向ける。位相マスク１０２０は一般に、位相マスク４２０（図４Ａ−Ｂを参照）に類似している。より具体的には、位相マスク１０２０は、マルチモードファイバー１００２（図１０Ａ）の選択された横モードに対応するＰＦＳパターンの拡大（拡張）バージョンであるＰＦＳパターンを有する位相フィルター処理されたビーム１０２２を作成する。すでに上で示されたように、図４Ｂは、位相マスクの取り合わせを示し、それの各々は、位相マスク１０２０としての使用に適している。受信機９００での各検出器９３０が、検出器１０３０を使用して実装されるとき、受信機での検出器１０３０の異なる事例は一般に、異なる位相マスク１０２０（例えば、図４Ｂで示される取り合わせから選択された異なる位相マスク）を有する。さまざまな実施形態では、これらの異なる位相マスク１０２０は、多重区分位相マスクの異なる区分としてまたはＳＬＭ５２０（図５）に似たＳＬＭの異なる部分を使用して実装されてもよい。
【００８１】
位相フィルター処理されたビーム１０２２およびビーム１０１２（それはＴＭＭサンプル９１２を運び、図９および１０Ａを参照）は、２×４光ハイブリッド１０２６に印加され、そこでそれらは、互いにぶつかって４つの干渉信号１０３２１−１０３２４を生成する。干渉信号１０３２１−１０３２４の各々は、それを対応する電気信号に変換する対応する光検出器（例えば、フォトダイオード）１０３４に印加される。光検出器１０３４によって生成された電気信号は、ＤＳＰ９４０でのさらなる処理のためにデジタル化され、向けられる。検出器１０３０でハイブリッド１０２６として使用されてもよい２×４光ハイブリッドは、当技術分野で知られており、代表的な例は、例えば（ｉ）米国特許出願公開第２００７／０２９７８０６号および（ｉｉ）２００８年１２月１８日に出願された米国特許出願第１２／３３８，４９２号で開示され、それらの両方は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
【００８２】
干渉信号１０３２１−１０３２４の電場Ｅ１−Ｅ４はそれぞれ、式（１）によって与えられる：
【数１】
ただしＥＳおよびＥＬＯは、それぞれ光信号１０１２および１０２２の電場である。式（１）は、ビーム１０３２の横断面のすべての点について成り立つことに留意されたい。これは、検出器１０３０が、どのくらいビーム１０１２および１０２２が時間内で互いにぶつかるかだけでなく、どのくらいそれらが空間内で互いにぶつかるかをも測定することを意味する。その上、ファイバー１０１６の異なる横モードの相互直交性に起因して、異なる位相マスク１０２０を有する検出器１０３０の異なる事例は、ＴＭＭ信号９０２の異なる横モードに対応する電場を効果的に測定する。もしＫ≧Ｎならば、そのときコヒーレント検出器９３０（または１０３０）は、十分なサンプリングデータを生成して、ＤＳＰ９４０が通信リンク１２０に対応するモード混合マトリクスを適切に反転させ、遠隔送信機（例えば、送信機３００）から受信機９００にそれを通じて伝送されるＴＭＭ信号の別々に変調された成分によって運ばれるデータを回復することを可能にすることが当業者には理解されよう。
【００８３】
図１１は、本発明の別の実施形態によるタップモジュール９１０として使用されてもよいタップモジュール１１１０のブロック図を示す。タップモジュール１１１０は、それを通じてＴＭＭ信号９０２を受信するマルチモードファイバー１１０２を有する。ファイバー１１０２の長さに沿って、タップモジュール１１１０は、Ｋ個のマルチモードファイバー（ＭＭＦ）カプラー１１０６１−１１０６ＫおよびＫ−１個のモードスクランブラー１１０８２−１１０８Ｋを有する。各ＭＭＦカプラー１１０６は、ＴＭＭ信号９０２の一部分を分岐し、その部分を対応する単一モードファイバー１１１０に結合するファイバータップである。ファイバー１１１０１−１１１０Ｋによって運ばれる信号１１１２１−１１１２Ｋは、受信機９００でそれぞれサンプル９１２１−９１２Ｋとしての役割を果たす。
【００８４】
各信号１１１２は、対応するＭＭＦカプラー１１０６の場所でマルチモードファイバー１１０２に存在する横モードの線形結合を示す。モードスクランブラー１１０８２−１１０８Ｋは、ＭＭＦカプラー１１０６１−１１０６Ｋ間の横モードをよく混合するので、信号１１１２１−１１１２Ｋの各々は、マルチモードファイバー１１０２での横モードの異なる線形結合を示す。もしＫ≧Ｎならば、そのときコヒーレント検出器９３０は、十分なサンプリングデータを生成して、ＤＳＰ９４０が通信リンク１２０に対応するモード混合マトリクスを適切に反転させ、遠隔送信機（例えば、送信機３００）から受信機９００にそれを通じて伝送されるＴＭＭ信号の別々に変調された成分によって運ばれるデータを回復することを可能にすることが当業者には理解されよう。
【００８５】
一実施形態では、タップモジュール１１１０を有する受信機９００は、コヒーレント検出器９３０として、ＰＭ信号の検出のために設計されたコヒーレント検出器を使用することができる。ＰＭ信号の検出のためのコヒーレント検出器は、当技術分野で知られており、例えば上記の米国特許出願公開第２００７／０２９７８０６号および米国特許出願第１２／３３８，４９２号で開示される。タップモジュール１１１０およびＰＭ信号の検出のための複数のコヒーレント検出器を用いる受信機９００は、ＴＭＭおよびＰＭ多重化の両方を使用して作成される光信号を適切に検出する能力があることが当業者には理解されよう。上述の多重化の種類の３つすべて（すなわち、ＴＭＭ、ＰＭ、およびＷＤＭ）を使用して作成される光信号を適切に検出する能力があるＷＤＭ受信機は、ＷＤＭ受信機の各ＷＤＭチャネルについてＴＭＭおよびＰＭ能力を両方とも有する１つの受信機９００を配備することによって構築されてもよいことが当業者にはさらに理解されよう。
【００８６】
図１２は、本発明の別の実施形態によるノード１１０（図１）で使用されてもよい光受信機１２００のブロック図を示す。受信機１２００は、マルチモードファイバー１２０２を介してＴＭＭ信号１２０１を（例えば、リンク１２０から）受信する。平行化レンズ１２０４１は、ファイバー１２０２によって作成された発散光ビームを平行にし、結果として生じる平行ビーム１２０５をビームスプリッター１２０６１−１２０６４の方へ向ける。一実施形態では、各ビームスプリッター１２０６は、半透明ミラーである。
【００８７】
受信機１２００はまた、それの出力を平行化レンズ１２０４２を通過させて平行ＬＯビーム１２２１を形成するＬＯ源１２２０も有する。ビーム１２０５と同様に、ＬＯビーム１２２１もまた、ビームスプリッター１２０６１−１２０６４の方へ向けられる。ビームスプリッター１２０６１と１２０６２との間に位置する９０度位相シフター１２０８は、それを通じて伝送されるビームに９０度位相シフトを導入する。
【００８８】
ビームスプリッター１２０６１−１２０６４は、ビーム１２０５および１２２１を複数のサブビームに適切に分割し、次いでこれらのサブビームのいくつかを再結合させて、４つのアレイ状検出器（例えば、ＣＣＤ）１２３０１−１２３０４の画素化受光面にぶつかる４つの混合光ビームを生成し、そこで混合光ビームは、対応する干渉パターンを作成する。各アレイ状検出器１２３０は、ＴＭＭ信号１２０１の信号間隔（例えば、シンボル周期）当たり少なくとも１つの干渉パターンに対応するデータを取得し、出力することを可能にする十分に高い速度で動作する。各干渉パターンは、ＬＯ源１２２０によって生成される参照場およびＴＭＭ信号１２０１の光場を互いにぶつけることによってアレイ状検出器１２３０の画素化受光面に生成される。アレイ状検出器１２３０は、アレイ状検出器のさまざまな画素でパターンの光強度を測定することによって干渉パターンを取得し、それによって混合ビームの二次元断面強度プロファイルを生成する。
【００８９】
アレイ状検出器１２３０１−１２３０４によって検出された４つの干渉パターンに対応するデータは、処理のためにＤＳＰ１２４０に供給される。もしアレイ状検出器１２３０１−１２３０４が、十分に高い解像度（例えば、十分に多数の比較的小さな画素）を有するならば、そのときＤＳＰ１２４０は、十分なデータを受信して４つの干渉パターンからＴＭＭ信号１２０１のモード組成を決定する。本明細書では、術語「モード組成」は、マルチモードファイバー１２０２の横モードの観点からのＴＭＭ信号１２０１の表現のことである。典型的には、そのような表現は、適切に重みを付けられた横モードの線形結合である。モード組成の知識はその結果、ＤＳＰが通信リンク１２０に対応するモード混合マトリクスを適切に反転させ、遠隔送信機（例えば、送信機３００）から受信機１２００にそれを通じて伝送されるＴＭＭ信号の別々に変調された成分によって運ばれるデータを回復することを可能にする。ＤＳＰ１２４０は、データの流れ１２４２を介して回復されたデータを出力する。
【００９０】
アレイ状検出器１２３０２および１２３０４は、オプションであり、検出器１０３０で実装されたそれに似た平衡検出方式を実装するために受信機１２００で使用されることが当業者には理解されよう。より具体的には、アレイ状検出器１２３０１−１２３０４によって検出された４つの干渉パターンは、ＤＳＰ１２４０によって処理されてＴＭＭ信号１２０１の２つの断面マップを生成する。第１の断面マップは、ＴＭＭ信号１２０１の同相マップであり、第２の断面マップは、ＴＭＭ信号の直角位相マップである。ＴＭＭ信号１２０１の同相および直角位相マップを有することは、ＤＳＰ１２４０がこれらのマップを使用してＴＭＭ信号のモード組成の決定をより速く、より正確に、かつ／またはより効果的にできるので、有利なこともある。
【００９１】
さまざまな実施形態では、受信機１２００は、４つ未満の別個のアレイ状検出器の使用を可能にするために追加の光学部品を含んでもよい。例えば、一実施形態では、受信機１２００は、２つの比較的大きなアレイ状検出器を有してもよく：（ｉ）第１の検出器は、第１の検出器の１つの部分がアレイ状検出器１２３０１としての役割を果たし、一方第１の検出器の別の部分がアレイ状検出器１２３０２としての役割を果たすように分割され、（ｉｉ）第２の検出器は同様に、第２の検出器の１つの部分がアレイ状検出器１２３０３としての役割を果たし、一方第２の検出器の別の部分がアレイ状検出器１２３０４としての役割を果たすように分割される。代替実施形態では、受信機１２００は、４つの部分に分割される１つの非常に大きなアレイ状検出器を有してもよく、各々は、検出器１２３０１−１２３０４の対応する１つとしての役割を果たす。
【００９２】
この発明は、説明に役立つ実施形態を参照して述べられたが、この記述は、制限する意味で解釈されることを意図されていない。述べられた実施形態のさまざまな変更形態、ならびに本発明が関連する当業者には明らかな本発明の他の実施形態は、次の特許請求の範囲で表されるような本発明の原理および範囲内にあると見なされる。
【００９３】
明確にそうでないと述べられない限り、各数値および範囲は、あたかも単語「約」または「近似的に」がその値または範囲の値の前に来るかのように近似的であると解釈されるべきである。
【００９４】
この発明の性質を説明するために述べられ、例示された部品の詳細、材料、および配置のさまざまな変更は、次の特許請求の範囲で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なされてもよいことがさらに理解されよう。
【００９５】
次の方法の特許請求の範囲での要素は、もしあれば、対応するラベル付けを使って特定の順序で列挙されるけれども、特許請求の範囲での列挙がそれらの要素のいくつかまたはすべてを実施するための特定の順序を別の方法で示唆しない限り、それらの要素は、その特定の順序で実施されることに限定されることを必ずしも意図されていない。
【００９６】
本明細書での「一実施形態」または「１つの実施形態」への言及は、その実施形態に関連して述べられる特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも一実施形態に含まれてもよいことを意味する。本明細書のさまざまな場所での語句「一実施形態では」の表現は、必ずしもすべてが同じ実施形態への言及ではなく、必ずしも他の実施形態について相互排他的な別個のまたは代替実施形態でもない。同じことは、術語「実装形態」にも当てはまる。
【００９７】
またこの記述の目的のためにも、術語「結合する」、「結合している」、「結合した」、「接続する」、「接続している」、または「接続した」は、エネルギーが２つ以上の要素間で移送されることを許され、１つまたは複数の追加の要素の介在が要求されないけれども、想到される、当技術分野で知られているまたは後に開発された任意の方法のことである。反対に、術語「直接結合した」、「直接接続した」、その他は、そのような追加の要素がないことを示唆する。
【００９８】
本発明は、他の特定の装置および／または方法で具体化されてもよい。述べられた実施形態は、すべての点で説明に役立つだけであり、制限するものではないと考えられるべきである。特に、本発明の範囲は、本明細書の記述および図によってよりもむしろ添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の等価の意味および範囲内に来るすべての変更は、それらの範囲内に包含されるべきである。
【００９９】
記述および図面は、単に本発明の原理を例示するだけである。それ故に、当業者は、本明細書で明確に述べられないまたは示されないけれども、本発明の原理を具体化し、それの精神および範囲内に含まれるさまざまな配置を考案することが可能になると理解されよう。その上、本明細書で列挙されたすべての例は主に、本発明の原理および本発明者（複数可）によって当技術分野の推進に貢献される概念を読者が理解するのに役立つ教育上の目的のためだけであることを明確に意図されており、そのような具体的に列挙された例および条件への制限がないと解釈されるべきである。さらに、本明細書で本発明の原理、態様および実施形態、ならびにそれらの具体例を列挙するすべての説明は、それらの等価物を包含することを意図されている。
【０１００】
本明細書の任意のブロック図は、本発明の原理を具体化する例示的回路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、任意のフローチャート、任意のフローダイヤグラム、状態遷移図、疑似コード、および同様のものは、コンピュータ可読媒体で実質的に表され、それで、そのようなコンピュータまたはプロセッサが明確に図示されるかどうかにかかわらず、コンピュータまたはプロセッサによって実行されてもよいさまざまなプロセスを表すことが理解されよう。
【技術分野】
【０００１】
この出願の主題は、本出願と同じ日に出願された、「Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ−Ｍｏｄｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題する、Ｒ．−Ｊ．Ｅｓｓｉａｍｂｒｅ、Ｒ．Ｒｙｆ、およびＰ．Ｗｉｎｚｅｒによる、代理人整理番号Ｅｓｓｉａｍｂｒｅ２２−３６の米国特許出願第１２／４９２，３９９号のそれに関連し、その出願は、参照によりそれの全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、光通信機器に関し、より具体的にはしかし排他的ではなく、光通信システムで横モード多重化（ＴＭＭ）を可能にする機器に関する。
【背景技術】
【０００３】
この節は、本発明（複数可）のより良い理解を容易にするのを助けることもある態様を紹介する。それに応じて、この節の説明は、この観点から読まれるべきであり、何が従来技術でありまたは何が従来技術でないかについての承認として理解されるべきでない。
【０００４】
多重入出力（ＭＩＭＯ）能力を備える無線通信システムは、無線チャネルでマルチパス遅延拡散を（軽減しようとする代わりに）利用することによって全伝送容量を増加させる。より具体的には、無線ＭＩＭＯは、送信機および受信機での多重アンテナの使用を通じて効率および信頼性を改善する。結果として生じる平均処理量の増加は、信号処理およびハードウェア実装でのより多大な複雑さを犠牲にするが、しかし追加のスペクトル帯域幅またはより高い信号出力を犠牲にせずに実現される。
【０００５】
光通信システムでは、伝送容量を増加させるためのＭＩＭＯ手法は、例えばマルチモードファイバーでのモード分散が無線伝送媒体でのマルチパス遅延に類似しているので、実現可能である。その結果、光ＭＩＭＯは、マルチモードファイバーの本質的に高い伝送容量を利用するために活用されてもよい。しかしながら、光ＭＩＭＯを実装するためのハードウェアは、まだ十分に開発されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，２６８，８５２号明細書
【特許文献２】米国特許第６，９４０，５７７号明細書
【特許文献３】米国特許第６，７９７，９８３号明細書
【特許文献４】米国特許第７，４１６，８１８号明細書
【特許文献５】米国特許第７，３２３，２７５号明細書
【特許文献６】米国特許第６，９０９，５２８号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００７／０２９７８０６号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ＬＣＤ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ」、Ｍ．Ｇ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ、Ｊ．Ｃｈｅｎ、Ｇ．Ｄ．Ｓｈａｒｐ、Ｗｉｌｅｙ、Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ（Ｅｎｇｌａｎｄ）、２００５年、第１１章、２５７−２７５頁
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書で開示されるのは、光横モード多重化（ＴＭＭ）信号のための光受信機のさまざまな実施形態である。本発明の代表的な光受信機は、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを通じてＴＭＭ信号を受信する。光受信機は、ＴＭＭ信号を処理してそれのモード組成を決定するように構成されるデジタルシグナルプロセッサに動作可能に結合される複数の光検出器を有する。決定されたモード組成に基づいて、光受信機は、ＴＭＭ信号の別々に変調された成分の各々を復調して、遠隔送信機でＴＭＭ信号に符号化されたデータを回復する。
【０００９】
一実施形態によれば、提供されるのは、次のものを有する光受信機である：（Ａ）Ｎ個の別々に変調された成分を有する光ＴＭＭ信号をサンプリングして信号間隔当たりＫ個の光サンプルを作成するように構成され、ＮおよびＫが、１よりも大きい正の整数であり、Ｋ≧Ｎである、タップモジュール、（Ｂ）光ＬＯ信号を発生させるように構成される局部発振器（ＬＯ）源、および（Ｃ）各々がタップモジュールおよびＬＯ源に光学的に結合される、Ｋ個のコヒーレント検出器。Ｋ個のコヒーレント検出器の各々は、（ｉ）それぞれの光サンプルおよびＬＯ信号を混合して１つまたは複数の光干渉信号を生成し、かつ（ｉｉ）前記１つまたは複数の光干渉信号を光サンプルの同相成分および直角位相成分を示す１つまたは複数の電気信号に変換するように構成される。光受信機はさらに、Ｋ個のコヒーレント検出器に動作可能に結合され、コヒーレント検出器によって作成された電気信号を処理してＴＭＭ信号のＮ個の別々に変調された成分の各々によって運ばれるデータを回復するように構成されるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を有する。光受信機は、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを介してＴＭＭ信号を受信する。マルチモードファイバーの遠隔終端では、ＴＭＭ信号の別々に変調された各成分は、マルチモードファイバーのそれぞれの単一横モードに対応する。
【００１０】
別の実施形態によれば、提供されるのは、Ｎ個の別々に変調された成分を有する光ＴＭＭ信号をサンプリングして信号間隔当たりＫ個の光サンプルを作成するように構成され、ＮおよびＫが、１よりも大きい正の整数であり、Ｋ≧Ｎである、タップモジュールを有する光受信機である。タップモジュールは、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを介してＴＭＭ信号を受信する。光受信機はさらに、（ｉ）光ＬＯ信号を発生させるように構成される局部発振器（ＬＯ）源および（ｉｉ）各々がタップモジュールおよびＬＯ源に光学的に結合される、Ｋ個のコヒーレント検出器を有する。Ｋ個のコヒーレント検出器の各々は、次のように構成される：（ａ）ＬＯ信号を位相フィルター処理してマルチモードファイバーのそれぞれの選択された横モードの位相／場強度（ＰＦＳ）パターンに対応するＰＦＳパターンを有するそれぞれの位相フィルター処理されたビームを作成し、（ｂ）それぞれの光サンプルおよび位相フィルター処理されたビームを混合して１つまたは複数の光干渉信号を生成し、かつ（ｉｉｉ）前記１つまたは複数の光干渉信号を光サンプルの同相成分および直角位相成分を示す１つまたは複数の電気信号に変換する。光受信機はさらに、Ｋ個のコヒーレント検出器に動作可能に結合され、コヒーレント検出器によって作成された電気信号を処理してＴＭＭ信号のＮ個の別々に変調された成分の各々によって運ばれるデータを回復するように構成されるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を有する。
【００１１】
なお別の実施形態によれば、提供されるのは、次のように構成される複数のビームスプリッターを有する光受信機である：（ｉ）光ＴＭＭ信号に対応する光ビームを第１の複数のサブビームに分割し、ここでＴＭＭ信号は、複数の別々に変調された成分を有し、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを介して受信され、（ｉｉ）局部発振器（ＬＯ）信号に対応する光ビームを第２の複数のサブビームに分割し、かつ（ｉｉｉ）第１および第２の複数のサブビームを混合して２つ以上の混合光ビームを生成する。光受信機はさらに：（ａ）２つ以上の混合光ビームの第１のものに対応する第１の干渉パターンを検出するように構成される第１のアレイ状検出器、（ｂ）２つ以上の混合光ビームの第２のものに対応する第２の干渉パターンを検出するように構成される第２のアレイ状検出器、および（ｃ）第１および第２のアレイ状検出器に動作可能に結合され、第１および第２の干渉パターンを処理してＴＭＭ信号のモード組成を決定し、前記モード組成に基づいて、ＴＭＭ信号の別々に変調された成分によって運ばれるデータを回復するように構成されるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、を有する。
【００１２】
なお別の実施形態によれば、提供されるのは、Ｎ個の別々に変調された成分を有する光横モード多重化（ＴＭＭ）信号をサンプリングして信号間隔当たりＫ個の光サンプルを作成するように構成され、ＮおよびＫが、１よりも大きい正の整数であり、Ｋ≧Ｎである、タップモジュールを有する光受信機である。光受信機はさらに、（ｉ）光ＬＯ信号を発生させるように構成される局部発振器（ＬＯ）源および（ｉｉ）各々がタップモジュールおよびＬＯ源に光学的に結合される、Ｋ個のコヒーレント検出器を有する。Ｋ個のコヒーレント検出器の各々は、（ａ）それぞれの光サンプルおよびＬＯ信号を混合して１つまたは複数の光干渉信号を生成し、かつ（ｂ）前記１つまたは複数の光干渉信号を光サンプルの同相成分および直角位相成分を示す１つまたは複数の電気信号に変換するように構成される。光受信機はさらに、Ｋ個のコヒーレント検出器に動作可能に結合され、コヒーレント検出器によって作成された電気信号を処理してＴＭＭ信号のＮ個の別々に変調された成分の各々によって運ばれるデータを回復するように構成されるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を有する。光受信機は、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを介してＴＭＭ信号を受信する。タップモジュールは：（Ａ）各々が光パワーをマルチモードファイバーから単一モードファイバーに取り出してＴＭＭ信号の対応する光サンプルを作成する、Ｋ個のマルチモードファイバー（ＭＭＦ）カプラー、および（Ｂ）各々が２つの隣接ＭＭＦカプラー間に配置される、Ｋ−１個のモードスクランブラー、を有する。
【００１３】
特許または出願ファイルは、カラーで作成された少なくとも１つの図面を含有する。カラー図面（複数可）を備えるこの特許または特許出願公開のコピーは、依頼および必要な料金の納付に応じて米国特許商標庁によって提供されることになる。
【００１４】
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、例として次の詳細な記述および付随する図面からより完全に明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のさまざまな実施形態が実施されてもよい、光通信システムのブロック図を示す図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態による図１のシステムで使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態による図１のシステムで使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す図である。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態による図１のシステムで使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す図である。
【図２Ｄ】本発明の一実施形態による図１のシステムで使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す図である。
【図２Ｅ】本発明の一実施形態による図１のシステムで使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す図である。
【図２Ｆ】本発明の一実施形態による図１のシステムで使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す図である。
【図２Ｇ】本発明の一実施形態による図１のシステムで使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す図である。
【図２Ｈ】本発明の一実施形態による図１のシステムで使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による図１で示されるシステムのノードで使用されてもよい光送信機を例示する図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による図１で示されるシステムのノードで使用されてもよい光送信機を例示する図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による図３の送信機で使用されてもよい光モード結合（ＯＭＣ）モジュールを例示する図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による図３の送信機で使用されてもよい光モード結合（ＯＭＣ）モジュールを例示する図である。
【図５】本発明の別の実施形態による図３の送信機で使用されてもよいＯＭＣモジュールのブロック図を示す図である。
【図６】本発明のなお別の実施形態による図３の送信機で使用されてもよいＯＭＣモジュールのブロック図を示す図である。
【図７】本発明の別の実施形態による図１で示されるシステムのノードで使用されてもよい光送信機のブロック図を示す図である。
【図８】本発明のなお別の実施形態による図１で示されるシステムのノードで使用されてもよい光送信機のブロック図を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態による図１で示されるシステムのノードで使用されてもよい光受信機のブロック図を示す図である。
【図１０Ａ】本発明の一実施形態による図９で示される光受信機で使用されてもよいタップモジュールを示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の一実施形態による図９で示される光受信機で使用されてもよいコヒーレント検出器を示す図である。
【図１１】本発明の別の実施形態による図９で示される光受信機で使用されてもよいタップモジュールを示す図である。
【図１２】本発明の別の実施形態による図１で示されるシステムのノードで使用されてもよい光受信機のブロック図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
光通信システム
図１は、本発明のさまざまな実施形態が実施されてもよい、光通信システム１００のブロック図を示す。システム１００は、光通信リンク１２０のネットワークを介して相互接続される複数の通信ノード１１０を有する。システム１００はさらに、光アド／ドロップマルチプレクサー（ＡＤＭ）１３０、光増幅器１４０、および光クロスコネクト１５０を有し、すべてがノード１１０間にさまざまに挿入される。
【００１７】
各ノード１１０は、横モード多重化（ＴＭＭ）の使用を通じて達成される光多重入出力（ＭＩＭＯ）能力を有する。ノード１１０は一般に、システム１００のさまざまなノード間の双方向通信を可能にするために光送信機および光受信機（どちらも図１では明確に示されない）を含む。ＴＭＭ多重化に加えて、個々のノード１１０はまた、波長分割多重化（ＷＤＭ）および／もしくは偏光多重化（ＰＭ）、または両方を使用することもある。個々のノード１１０で使用されてもよい光送信機および受信機の代表的な実施形態は、以下でこの明細書の対応する小節でより詳細に述べられる。
【００１８】
各光通信リンク１２０は、次の１つまたは複数を使用して実装される：（ｉ）単一モードファイバー、（ｉｉ）マルチモードファイバー、（ｉｉｉ）マルチコアファイバー、および（ｉｖ）単一モードファイバーの束。一実施形態では、リンク１２０で使用されるマルチモードファイバーは、２から約１００の横モードを支援する。代替実施形態では、マルチモードファイバーは、１００個よりも多い横モードを支援する。一実施形態では、リンク１２０で使用されるマルチコアファイバーの各コアは、単一横モードを支援する。代替実施形態では、マルチコアファイバーのいくつかのまたはすべてのコアは、多重横モード、ならびに全体として受け取られるマルチコアファイバーのスーパーモードを支援する。
【００１９】
本明細書で使用されるように、術語「横モード」は、伝搬方向に垂直な（すなわち横方向の）平面内で、伝搬距離に実質的に依存しない電場または磁場分布（これから後は光場分布と呼ばれる）を有する誘導電磁波のことである。より具体的には、もしファイバーでの光パワーの損失または利得が取り除かれるならば、そのときファイバーに沿って２つの異なる場所で測定されるモードの光場分布は、それらの２つの場所間でモードによって得られる全位相変化を反映する因子だけ異なることになるだけである。各横モードは、ファイバーの固有モードであり、異なる横モードは、互いに直交する。一般に、光ファイバーは、その光場分布および伝搬定数が導波構造、材料特性、および光周波数（波長）によって明白に決定される、固定数の横モードを支援することができる。横モードの概念は、マルチコアファイバーを含む、さまざまな種類のファイバーに適用できることに留意されたい。例えば、マルチコアファイバーでの個々のコアの横モードはまた、全体として捉えるそのマルチコアファイバーの横モードでもある。
【００２０】
一実施形態では、光アド／ドロップマルチプレクサー１３０は、再構成可能なアド／ドロップマルチプレクサーである。リンク１２０は典型的には、比較的高度なモード間混合で特徴付けられるので、ノード１１０は一般に、ＴＭＭ信号を適切に処理し、その信号によって運ばれるデータを回復するために同じ光周波数（波長）を有するすべての横モードを受信する必要がある。その結果、マルチプレクサー１３０は、（ｉ）入ってくるリンク１２０から同じ光周波数を有するすべての横モードをドロップしかつ／または（ｉｉ）出ていくリンク１２０に同じ光周波数を有するすべてのポピュレートされた横モードを加えるように設計される。言い換えれば、マルチプレクサー１３０は、従来のＷＤＭアド／ドロップ機能性を実装するが、しかし全体として各特定の波長のＴＭＭ多重化信号に作用する。
【００２１】
目的とする機能を支援するために、マルチプレクサー１３０は、すべての横モードについて実質的に同一の伝送特性を有する狭帯域のインターリーバー型光フィルターを用いる。加えて、マルチプレクサー１３０は、比較的低レベルのＷＤＭクロストーク（すなわち、ＷＤＭ多重化信号の異なる光周波数間のクロストーク）を有する。後者の特性は、例えば次のことによって達成されてもよい：（ｉ）モード結合モジュールより前に単一モード領域で必要な光フィルター処理を行うこと（例えば図８を参照）、（ｉｉ）正弦型波形整形を使用すること、および／または（ｉｉｉ）直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）を使用すること。
【００２２】
もしシステム１００が、リンク１２０でマルチコアファイバーを用いるならば、そのときマルチプレクサー１３０は、選択された組のコア（それは、マルチコアファイバーのすべてのコアまたはそれの任意のサブセットとすることができる）を単一実体として扱うように設計されてもよく、それによって同時に波長チャネルを全体の組に加えかつ／または波長チャネルを全体の組からドロップする。もしリンク１２０が、異なるコア間で比較的低レベルのクロストークを有するならば、そのときマルチプレクサー１３０は、コア間クロストークをノイズ／障害として扱いながら、通信信号をそれぞれの個々のコアに加えかつ／または通信信号をそれぞれの個々のコアからドロップするように設計されてもよい。
【００２３】
さまざまな実施形態では、光増幅器１４０は、集中増幅器または分布増幅器とすることができる。一般に、システム１００は、２つの通信ノード１１０間の全リンクにわたってモード混合マトリクスのユニタリー性を保つように設計されてもよい。その結果、光増幅器１４０は、リンク１２０のすべての横モードについて実質的に同じ利得を示すように設計される。
【００２４】
一実施形態では、光増幅器１４０は、（ｉ）複数のアクティブ区分および（ｉｉ）アクティブ区分間に挿入された複数のモードスクランブラーを有する比較的長い（例えば、約１００ｍよりも長い）ファイバー増幅器である。各アクティブ区分は、適度な利得（例えば、約１ｄＢから約５ｄＢの間）を提供する。モードスクランブラー（モード混合器としても知られている）は、異なる横モード間の比較的大きなモード結合を引き起こす光学デバイスである。理想的には、モードスクランブラーは、出力で統計的に均一なモード混合を生成し、そのモード混合は、入力でモードスクランブラーによって受信されるモード分布に実質的に依存しない。各アクティブ区分での適度な利得および比較的頻繁なモードスクランブリングの組合せは、増幅器１４０に印加されるすべての横モードが実質的に同じ量の増幅を受けることを確実にすることが当業者には理解されよう。
【００２５】
一実施形態では、光クロスコネクト１５０は、異なるノード１１０間での光信号の所望のルーティングを可能にするように再構成可能である。すでに上で述べられたように、ＴＭＭ多重化信号の個々の、別々に変調された成分を適切に復号するためには、ノード１１０は一般に、全ＴＭＭ多重化信号を受信する必要がある。それに応じて、クロスコネクト１５０は、それのＷＤＭルーティング機能を果たしながら、全体として各波長に対応するＴＭＭ多重化信号に作用するように設計される。クロスコネクト１５０は一般に、マルチプレクサー１３０と同じ構成要素の多くを実装されてもよいことが当業者には理解されよう。
【００２６】
説明に役立つように、システム１００は、４つのノード１１０、１つの光アド／ドロップマルチプレクサー１３０、１つの光増幅器１４０、および１つの光クロスコネクト１５０を有するように図１で示される。他の実施形態では、システム１００は、異なる数のノード１１０、光アド／ドロップマルチプレクサー１３０、光増幅器１４０、および／または光クロスコネクト１５０を有してもよいことが当業者には理解されよう。これらの要素は一般に、図１で示されるそれとは異なる方法で配置され、相互接続されてもよいことが当業者にはさらに理解されよう。
【００２７】
光ファイバー
図２Ａ−Ｈは、本発明のさまざまな実施形態によるシステム１００で使用されてもよい光ファイバーの横断面図を示す（一定の縮尺でなく）。より具体的には、図２Ａ−Ｈで示されるさまざまなファイバーは、ノード１１０、光通信リンク１２０、光アド／ドロップマルチプレクサー１３０、光増幅器１４０、および／または光クロスコネクト１５０で使用されてもよい。
【００２８】
図２Ａは、単一モードファイバー２１０の横断面図を示す。ファイバー２１０は、クラッド２１２およびコア２１６を有する。コア２１６は、比較的小さな直径を有し、それは、ファイバー２１０がシステム１００で用いられる波長の範囲からの各波長について単一横モードを支援する結果をもたらす。
【００２９】
図２Ｂは、マルチモードファイバー２２０の横断面図を示す。ファイバー２２０は、クラッド２２２およびコア２２６を有する。ファイバー２２０は、コア２２６がコア２１６よりも大きい直径を有する点でファイバー２１０とは異なる。さまざまな実施形態では、コア２２６の直径は、ファイバー２２０が２から約百個の間の範囲から選択される所望の数の横モードを支援することを可能にするように選択される。
【００３０】
図２Ｃは、マルチモードファイバー２３０の横断面図を示す。ファイバー２３０は、クラッド２３２およびコア２３６を有する。コア２３６は、コア２２６よりもさらに大きい直径を有し、それは、ファイバー２３０が約百個よりも多くの横モードを支援することを可能にする。
【００３１】
図２Ｄは、マルチコアファイバー２４０の横断面図を示す。ファイバー２４０は、第１の（外側の）クラッド２４２および第２の（内側の）クラッド２４４を有する。ファイバー２４０はさらに、内側クラッド２４４内に封入される複数のコア２４６を有する。各コア２４６の直径は、コアが単一横モードかまたは多重横モードを支援する結果をもたらすように選択されてもよい。
【００３２】
一実施形態では、ファイバー２４０は、光増幅器１４０での使用のために設計される。より具体的には、内側クラッド２４４および／またはコア２４６は、ドープされて（例えば、エルビウムイオンを）光学アクティブ媒体を提供する。増幅器１４０の光ポンプ（図１では明確に示されない）は、光ポンプ波を内側クラッド２４４に注入し、それは、外側クラッド２４２とのそれの屈折率差異に起因して、それらの光ポンプ波をファイバー２４０の長手軸に沿って誘導することができる。誘導される光ポンプ波は、内側クラッド２４４から個々のコア２４６に結合し、それによってコアによって誘導される光信号の増幅のためのエネルギー源を提供する。内側クラッド２４４は、このクラッドが光ポンプ波のためのマルチモードコアとして機能する結果をもたらす直径を有し、それは、ポンプエネルギーがコア２４６の間で実質的に均一に分配されることを確実にする。
【００３３】
図２Ｅは、マルチコアファイバー２５０の横断面図を示す。ファイバー２５０は、クラッド２５２および複数のコア２５６を有する。コア２５６は、コア間に比較的大きな隔たりがあるようにクラッド２５２内に分配される。比較的大きな隔たりに起因して、ファイバー２５０でのコア間クロストークの量は、比較的小さく、それは、個々のコア２５６が光通信信号のための別個の独立した導管として機能することを可能にする。さまざまな実施形態では、個々の各コア２５６は、単一横モードかまたは多重横モードを支援するように設計されてもよい。
【００３４】
図２Ｆは、マルチコアファイバー２６０の横断面図を示す。ファイバー２６０は、クラッド２６２および複数のコア２６６を有する。コア２６６は、コア間の隔たりが次の通りであるようにクラッド２６２内に分配される：（ｉ）コア間の適度な量の線形結合を生じさせるために十分に小さくかつ（ｉｉ）コア間の比較的小さな量の非線形結合を生じさせるためになお十分に大きい。もしコア２６６の各々が、それぞれの単一横モードを支援するならば、そのときファイバー２６０のこれらの特性は、全体としてファイバーについて比較的少数の明確に定義され、空間的に分離された横モードを生成するために使用されてもよい。
【００３５】
図２Ｇは、マルチコアファイバー２７０の横断面図を示す。ファイバー２７０は、クラッド２７２、第１の複数のコア２７６、および第２の複数のコア２７８を有する。コア２７６は、コア２７８よりも小さい直径を有する。ファイバー２７０でのさまざまなコア間の隔たりは、ファイバー２６０（図２Ｆ）で使用される隔たりに似ている。
【００３６】
ファイバー２７０で２つの異なるコア種を有する１つの理由は、異なる伝搬定数で特徴付けられる２つの種類の横モードを生成するためである。伝搬定数の不一致は、結果的に群速度差をもたらし、それは一般に、ファイバー非線形性の有害な影響を低減するために有益である。例えば、交差位相変調の有害な影響は、異なるＷＤＭチャネルからの信号についてそれらのチャネルが比較的大きな群速度不一致を有するとき著しく低減される可能性がある。一実施形態では、コア２７６および２７８は、同じ種類のコア間で最大の空間的隔たりを達成するようにクラッド２７２全体にわたって分配される。
【００３７】
図２Ｈは、マルチコアファイバー２８０の横断面図を示す。ファイバー２８０は、クラッド２８２、第１の複数のコア２８６、および第２の複数のコア２８８を有する。コア２８６および２８８は、同じ直径を有するけれども、それらは、異なる屈折率を有する材料で作られている。屈折率差は、コア２８６および２８８が異なる伝搬定数を有する結果をもたらし、それは、ファイバー２８０がファイバー２７０（図２Ｇ）で効果的なメカニズムに定性的に似ているメカニズムを介してファイバー非線形性の有害な影響を低減することを可能にする。
【００３８】
図２Ａ−Ｈで示されるファイバーに加えて、他の種類のファイバーもまた可能であることが当業者には理解されよう。例えば、２つ以上の異なる材料で作られている、２つ以上の異なるサイズのコアを有するマルチコアファイバーは、図２Ｇおよび２Ｈの両方で示される特徴を実装するように製作されてもよい。
【００３９】
本明細書で使用されるように、術語「マルチパスファイバー」は、マルチモードファイバー（例えば、ファイバー２２０および２３０、図２Ｂ−Ｃ）ならびにマルチコアファイバー（例えば、ファイバー２４０−２８０、図２Ｄ−Ｈ）の両方を包含する。
【００４０】
光送信機
図３Ａ−Ｂは、本発明の一実施形態によるノード１１０（図１）で使用されてもよい光送信機３００を例示する。より具体的には、図３Ａは、送信機３００のブロック図を示す。図３Ｂは、送信機３００で使用される光モード結合（ＯＭＣ）モジュール３４０の動作を図式的に例示する。
【００４１】
図３Ａは、出力ファイバー３５０を介して通信リンク１２０に結合されるように送信機３００を例示的に示す。ファイバー３５０は一般に、通信リンク１２０の直接隣接した区分で使用されるファイバーと同じ種類である。すでに上で説明されたように、通信リンク１２０は、図２で示されるそれらなどの、任意の適切な種類のファイバーを使用して実装されてもよい。次に来る記述は、例となるものであり、出力ファイバー３５０がファイバー２２０（図２Ｂを参照）に似ている実施形態に対応する。この記述に基づいて、光通信信号を他の種類のファイバーに結合するのに適している送信機３００の他の実施形態を設計する方法が、当業者には理解されよう。
【００４２】
送信機３００は、指定波長の出力光ビームを発生させるように構成されるレーザー３１０を有する。ビームスプリッター３２０は、レーザー３１０によって生成されたビームをＮ個の方向に分割し、結果として生じるＮ個のビームをＮ本の単一モードファイバー３２２に結合し、ただしＮが、１よりも大きい整数である。各ファイバー３２２は、それのそれぞれのビームを対応する光変調器３３０に向け、そこでそのビームは、制御信号３２８を介して変調器に供給されるデータで変調される。異なる変調器３３０または適切な変調器配置は、制御信号３２８から導出された異なる独立したまたは相関したデータの流れを使用してそれらのそれぞれの光ビームを変調することができることに留意されたい。代表的な構成では、各変調器３３０は、送信機３００から遠隔受信機への伝送を目的とする対応する独立したデータの流れに基づいてそれの光ビームを変調する。変調器３３０によって作成された変調光信号は最終的に、ＯＭＣモジュール３４０によってファイバー３５０に印加されるＴＭＭ信号の別々に変調された成分としての役割を果たす。
【００４３】
代替実施形態では、レーザー３１０は、変調器３３０に直接結合されるまたはファイバーを通じてではなく、自由空間を通じて変調器に結合されてもよい。
【００４４】
ＯＭＣモジュール３４０の１つの機能は、Ｎ本の単一モードファイバー３３２を介して受信されたＮ個の変調光信号をファイバー３５０に適切に結合することである。より具体的には、ＯＭＣモジュール３４０によって受信された各変調光信号は、実質的にファイバー３５０の選択された単一横モードに結合され、異なる変調光信号は、異なる横モードに結合される。本明細書で使用されるように、語句「信号を実質的に単一横モードに結合すること」は、２つの可能だが、しかし相互排他的でない意味を有することができる。第１の意味によれば、この語句は、信号の全エネルギーの少なくとも約５０％（およびおそらくは約８０％または９０％よりも多く）が１つの選択された横モードに結合することを意味する。第２の意味によれば、この語句は、マルチモードファイバーに結合される信号の全エネルギーの一部分について、その部分の少なくとも約５０％（およびおそらくは約８０％または９０％よりも多く）が１つの選択された横モードに入り、一方その部分の残りが他の横モードに入ることを意味する。個々の光信号が、実質的にマルチモードファイバー（例えば、ファイバー３５０）の単一横モードにそのファイバーの近接終端で結合され（例えば、ＯＭＣモジュール３４０によって）、それによってマルチモードファイバーに送り出されるＴＭＭ信号の光成分に変換されるとき、ＴＭＭ信号のその光成分は、「マルチモードファイバーの近接終端でのマルチモードファイバーの単一横モードに対応する」と言われる。
【００４５】
送信機３００の一実施形態では、数Ｎは、ファイバー３５０によって支援される横モードの総数と同じであるように選択される。言い換えれば、送信機３００のこの実施形態は、マルチモードファイバー３５０の横モードの各々およびすべてにそれぞれの別々に変調された光信号をポピュレートさせる能力があるＯＭＣモジュール３４０を用いる。
【００４６】
図３Ｂは、ＯＭＣモジュール３４０によって行われる光ビーム成形を図式的に示す。より具体的には、図３Ｂの異なるパネルは、ファイバー３５０の終端３４８でＯＭＣモジュール３４０によって作成されてもよいさまざまな位相／場強度（ＰＦＳ）パターンを示し、異なるパネルは、ＯＭＣモジュールの異なる光チャネルに対応する。各ＰＦＳパターンは、次の色彩体系を使用して図３Ｂで表される：（ｉ）色の飽和度は、光場強度を表し、（ｉｉ）色それ自体は、光場の位相を表す。例えば、明るい赤色は、暗い赤色よりも低い光場強度に対応する。青から赤への虹のような色の変化は、−πから＋πへの位相の連続的な変化を表す。
【００４７】
ＯＭＣモジュール３４０の各光チャネルについて、ファイバー３５０の終端３４８でそのチャネルによって作成されるＰＦＳパターンは、そのチャネルに割り当てられる横モードのＰＦＳパターンに実質的に一致する。上で示されたモード結合損失が、これらのＰＦＳパターン間の不一致によって引き起こされることもあることが当業者には理解されよう。モード結合損失に対応する光エネルギーは、ファイバー３５０の他の横モードに寄生的に結合されかつ／またはファイバーによって完全に排斥されることもある。
【００４８】
本明細書で使用されるように、術語「実質的に一致する」は、光チャネルによって生成されるＰＦＳパターンと対応する横モードのＰＦＳパターンとの間の差が、比較的小さく、２つの可能だが、しかし相互排他的でない基準の少なくとも１つを満たすことを意味する。第１の基準によれば、その差は、光チャネルによって生成されるＰＦＳパターンの全エネルギーの少なくとも約５０％（およびおそらくは約８０％または９０％よりも多く）が対応する横モードに結合するほど小さい。第２の基準によれば、その差は、マルチモードファイバーに結合される光チャネルによって生成されるＰＦＳパターンの全エネルギーの一部分について、その部分の少なくとも約５０％（およびおそらくは約８０％または９０％よりも多く）が対応する横モードに入り、一方その部分の残りが他の横モードに入るほど小さい。
【００４９】
図３Ｂの異なるＰＦＳパターンに対応する異なる横モードは、次の表記法を使用してラベルを付けられる。文字「ＬＰ」は、「直線偏光した」を表す。ラベルで「ＬＰ」に続く数字は、指定された順序で、２つの量子化パラメーターの値を与える。各横モードについて、第１の量子化パラメーターは、ファイバー軸周りの１方位角回転当たり２πの大きさの位相増分の数を与え、第２の量子化パラメーターは、ファイバー半径にわたるπの大きさの位相増分の数を与える。例えば、ＬＰ０１と表される横モードは、（ｉ）方位角位相増分を有さず、（ｉｉ）１つの半径方向位相増分を有する。同様に、ＬＰ３２と表される横モードは、（ｉ）３つの方位角位相増分および（ｉｉ）２つの半径方向位相増分を有する。
【００５０】
もしＯＭＣモジュール３４０が８つの光チャネルを有するならば、そのとき次の代表的なモード割り当てが、使用されてもよい：（Ｃｈ．１）−ＬＰ０１、（Ｃｈ．２）−ＬＰ１１、（Ｃｈ．３）−ＬＰ２１、（Ｃｈ．４）−ＬＰ０２、（Ｃｈ．５）−ＬＰ３１、（Ｃｈ．６）−ＬＰ１２、（Ｃｈ．７）−ＬＰ４１、および（Ｃｈ．８）−ＬＰ２２。他のモード割り当てが、本発明の範囲および原理から逸脱することなく同様に使用されてもよく、そのモード割り当てによればＯＭＣモジュール３４０の各光チャネルは、ファイバー３５０の割り当てられた横モードのＰＦＳパターンに実質的に一致するＰＦＳパターンを作成するように構成されることが当業者には理解されよう。
【００５１】
図３Ｂは、１つの可能な横モード基底系に対応し、各々が複数の相互に直交する横モードを備える他の基底系が、ＯＭＣモジュール３４０を実装するために同様に使用されてもよいことが当業者には理解されよう。
【００５２】
図４Ａ−Ｂは、本発明の一実施形態によるＯＭＣモジュール３４０（図３）として使用されてもよいＯＭＣモジュール４００を例示する。より具体的には、図４Ａは、ＯＭＣモジュール４００のブロック図を示す。図４Ｂは、ＯＭＣモジュール４００で使用されてもよい位相マスク４２０を示す。
【００５３】
ＯＭＣモジュール４００は、２つの光チャネルを有し、そのため、２本の入力ファイバー３３２に結合されるように示される（図３Ａもまた参照）。ＯＭＣモジュール４００は、３つ以上の光チャネルを有するように直接的に変更されてもよいことが当業者には理解されよう。より具体的には、新しい光チャネルは、ＯＭＣモジュール４００でチャネル２を形成するために使用されるそれに似た光学素子の組を追加することによって作成されてもよい。
【００５４】
ＯＭＣモジュール４００は、２つのレンズ４１０を有し、その各々は、ファイバー３３２のそれぞれの１本によってＯＭＣモジュールに印加されるそれぞれの発散光ビームを平行にする。結果として生じる平行ビームの各々は、位相マスク４２０のそれぞれの１つを通り抜けて、対応する位相フィルター処理されたビーム４２２を生成する。複数のミラー４３０は次いで、２つの位相フィルター処理されたビーム４２２を空間的に重ね合わせ、結果として生じる「重ね合わされた」ビーム４３２をファイバー３５０の方へ向ける。ミラー４３０４は、半透明ミラーであり、一方ミラー４３０１−４３０３は、通常の不透明ミラーである。２つのレンズ４４２および４４６ならびに開口４４４は、ビーム４３２を圧縮し（すなわち、そのサイズを低減し）、空間的にフィルター処理して出力ビーム４５２を作成するために使用され、その出力ビームは、ファイバー３５０の終端３４８に当たり、図３Ｂで示されるＰＦＳパターンの目的とする重ね合わせを生成する。
【００５５】
ＯＭＣモジュール４００の２つの光チャネルに割り当てられる横モードに応じて、位相マスク４２０１および４２０２は、例えば図４Ｂで示される位相マスクの取り合わせから適切に選択される。例えば、もしＯＭＣモジュール４００の特定の光チャネルが、ファイバー３５０のＬＰ１１モードを割り当てられるならば、そのとき図４ＢでＬＰ１１のラベルを付けられた位相マスクが、その光チャネルでの位相マスク４２０として使用される。同様に、もしＯＭＣモジュール４００の特定の光チャネルが、ファイバー３５０のＬＰ２１モードを割り当てられるならば、そのとき図４ＢでＬＰ２１のラベルを付けられた位相マスクが、その光チャネルでの位相マスク４２０として使用されるなどである。位相マスク４２０によって課せられる位相フィルター処理および開口４４４によって課せられる空間フィルター処理の複合効果は、光チャネルが、ファイバー３５０の終端３４８で図３Ｂで示されるＰＦＳパターンの目的とする１つを生成し、それによって光チャネルからの光信号をファイバーの対応する横モードに効果的に結合することである。
【００５６】
図４Ｂで示される位相マスクのいくつかは、二値位相マスク（すなわち、２つの可能な位相シフト、例えば０かまたはπの１つだけを局所的に課すことができる位相マスク）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マスクは、二値位相マスクである。図４Ｂで示される残りの位相マスクは、位相マスクの異なる部分が連続的な位相シフト範囲から選択される位相シフトを課すことができるので、「アナログ」位相マスクである。アナログ位相マスクは、次の色彩体系を使用して図４Ｂで示される：（ｉ）異なる色は、連続的な２π間隔で異なる位相シフトを表し、（ｉｉ）同じ色の異なるバンドは、２πの整数倍だけ互いに異なる位相シフトを表すこともある。
【００５７】
一実施形態では、ＯＭＣモジュール４００は、２つの別個の位相マスク４２０１および４２０２の代わりに単一の比較的大きな連続的な位相マスクを用いてもよい。この比較的大きな連続的な位相マスクは、これから後は「多重区分位相マスク」と呼ばれ、それの異なる区分（部分）では、図４Ｂから２つ以上の位相マスクを含有してもよい。多重区分位相マスクのこれらの区分は、１つの区分が位相マスク４２０１としての役割を果たし、別の区分が位相マスク４２０２としての役割を果たすように配置される。
【００５８】
図５は、本発明の別の実施形態によるＯＭＣモジュール３４０（図３）として使用されてもよいＯＭＣモジュール５００のブロック図を示す。ＯＭＣモジュール５００は一般に、ＯＭＣモジュール４００（図４）に類似しており、レンズ４１０、４４２、および４４６、ミラー４３０、ならびに開口４４４などの同じ要素の多くを使用する。これらの要素の記述は、ここでは繰り返されない。代わりに、次に来るＯＭＣモジュール５００の記述は、ＯＭＣモジュール４００と５００との間の差に焦点を合わせる。
【００５９】
ＯＭＣモジュール４００と５００との間の１つの差は、後者が位相マスク４２０の代わりに空間光変調器（ＳＬＭ）５２０を用いることである。一実施形態では、ＳＬＭ５２０は、液晶オンシリコン型（ＬＣＯＳ）ＳＬＭである。ＳＬＭ５２０として使用されてもよい代表的なＬＣＯＳ ＳＬＭは、例えばＭ．Ｇ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ、Ｊ．Ｃｈｅｎ、Ｇ．Ｄ．Ｓｈａｒｐ、Ｗｉｌｅｙ、Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ（Ｅｎｇｌａｎｄ）、２００５年、第１１章、２５７−２７５頁による「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ＬＣＤ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ」で述べられ、それの教示は、参照によりそれの全体が本明細書に組み込まれる。ＳＬＭ５２０としての使用に適している可能性があるＬＣＯＳ ＳＬＭはまた、例えば米国特許第７，２６８，８５２号、第６，９４０，５７７号、および第６，７９７，９８３号で開示され、それはすべて、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。ＳＬＭ５２０として使用されてもよい適切なＬＣＯＳ ＳＬＭは、ＪＶＣ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造され、ＪＶＣプロジェクターモデルＤＬＡ−ＨＤ２Ｋの一部として市販されている。
【００６０】
ＳＬＭ５２０は、ＯＭＣモジュール５００のそれぞれチャネル１およびチャネル２について必要な位相フィルター処理を行うように構成される２つのエリア５２４１および５２４２を有する。より具体的には、エリア５２４１は、位相マスク４２０１（図４Ａを参照）のそれに似た位相フィルター処理をもたらす空間変調パターンを表示するように構成される。同様に、エリア５２４２は、位相マスク４２０２（また図４Ａを参照）のそれに似た位相フィルター処理をもたらす空間変調パターンを表示するように構成される。
【００６１】
ＳＬＭ５２０は、再構成可能なデバイスであるので、それは、それのさまざまなエリア、例えばエリア５２４１および５２４２で表示されるパターンを動的に変えるまたは調節するために使用されてもよい。この特徴は、例えばマルチモードファイバー３５０の関連する特性の対応する変化を引き起こすこともある変化する動作条件の下で、ＯＭＣモジュール５００の異なる光チャネルについて横モード割り当ての比較的容易な変更を可能にし、かつ／またはＯＭＣモジュールの異なる光チャネルについて最適光結合を維持するのに有用である可能性がある。
【００６２】
ＯＭＣモジュール５００は、２つの偏光ビームスプリッター５２８を使用して、レンズ４１０によって作成された平行ビームをＳＬＭ５２０の方へかつＳＬＭによって作成された位相フィルター処理されたビームをミラー４３０の方へ適切に向ける。一実施形態では、４分の１波長板（図５では明確に示されない）が、偏光ビームスプリッター５２８とＳＬＭ５００との間に挿入されてもよく、その板を通って伝送されるビームの偏光を適切に回転させて偏光ビームスプリッターが平行ビームをＳＬＭの方へ向け、一方位相フィルター処理されたビームをミラー４３０の方へ向けることを可能にする。代替実施形態では、ＳＬＭ５００は、反射光の偏光を回転させて偏光ビームスプリッター５２８が同じビームルーティングをすることを可能にするように設計されてもよい。
【００６３】
一実施形態では、ＯＭＣモジュール５００は、また偏光多重化もされるＴＭＭ信号を作成するために使用されてもよい。特に、もしＳＬＭ５２０それ自体が、実質的に偏光非感受性であるならば、そのとき同じＳＬＭは、偏光多重化に使用される両方の偏光を処理するために使用されてもよい。
【００６４】
図６は、本発明のなお別の実施形態によるＯＭＣモジュール３４０（図３）として使用されてもよいＯＭＣモジュール６００のブロック図を示す。ＯＭＣモジュール６００は一般に、ＯＭＣモジュール４００および５００（図４および５）に機能的に類似している。しかしながら、ＯＭＣモジュール６００は、それが体積ホログラム６２０を用いるという点でＯＭＣモジュール４００および５００とは異なり、その体積ホログラムは一般に、三次元位相マスクと見なされてもよい。体積ホログラム６２０と対照的に、位相マスク４２０およびＳＬＭ５２０は一般に、薄膜または二次元位相マスクと見なされてもよいことに留意されたい。
【００６５】
ＯＭＣモジュール６００では、体積ホログラム６２０は、少なくとも２つの異なる機能を果たす。これらの機能の第１のものは、ＯＭＣモジュール４００での位相マスク４２０およびＯＭＣモジュール５００でのＳＬＭ５２０のそれに似た位相フィルター処理機能である。これらの機能の第２のものは、ミラー４３０のそれに似たビーム結合機能である。体積ホログラム６２０は、対応する光ビームが体積ホログラムの異なるサブ体積部を横断するので、必要な異なる位相フィルター処理をファイバー３３２から受信された異なる光信号に適用する能力がある。またこの理由のため、体積ホログラム６２０は、異なる光信号について伝搬方向を異なる量だけ変える能力もある。体積ホログラムは、当技術分野で知られており、例えば米国特許第７，４１６，８１８号、第７，３２３，２７５号、および第６，９０９，５２８号でより詳細に述べられ、それらはすべて、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
【００６６】
ＯＭＣモジュール６００は、３つの光チャネルを有するように例示的に示される。ＯＭＣモジュール６００は、異なる数の光チャネルを有するように直接的に変更されてもよいことが当業者には理解されよう。
【００６７】
図７は、本発明の別の実施形態によるノード１１０（図１）で使用されてもよい光送信機７００のブロック図を示す。送信機３００（図３）と同様に、送信機７００は、別々に変調された光信号を出力ファイバー（すなわち、ファイバー７５０）のそれぞれの横モードに選択的に結合する能力を有する。しかしながら、加えて、送信機７００は、送信機の変調および偏光多重化（ＭＰＭ）モジュール７１２での、偏光ビームスプリッター７１４および偏光コンバイナー７３４の使用によって可能になる偏光多重化（ＰＭ）能力を有する。送信機７００は、偏光当たり３つの光チャネルを有するように例示的に示される。送信機７００は、偏光当たり異なる数のチャネル（例えば、２または３よりも多く）を有するように直接的に変更されてもよいことが当業者には理解されよう。
【００６８】
送信機７００は、指定波長の出力光ビームを発生させるように構成されるレーザー７１０を有する。レーザー７１０は、ＭＰＭモジュール７１２に供給し、そこでは偏光ビームスプリッター７１４が、レーザーによって生成されたビームを相互に直交する偏光を有するビーム７１６１および７１６２に分割する。ＭＰＭモジュール７１２はさらに、２つのパワースプリッター７２０を有し、それの各々は、偏光ビームスプリッター７１４から受信されたそれぞれの偏光ビームを３方向に分割し、結果として生じる３つのビームを３本の単一モードファイバー７２２に結合する。各ファイバー７２２は、それのそれぞれのビームを対応する光変調器７３０に向け、そこでそのビームは、制御信号７２８を介して変調器に供給されるデータで変調される。変調器７３０によって作成された変調光信号は、単一モードファイバー７３２に結合され、対応する偏光コンバイナー７３４に向けられる。各偏光コンバイナー７３４は、２つの受信された直交偏光の信号を結合させて対応するＰＭ信号にし、次いでそのＰＭ信号を、それぞれの単一モードファイバー７３６を介して、ＯＭＣモジュール７４０に向ける。
【００６９】
代替実施形態では、送信機７００は、図７で示されるファイバー結合の少なくともいくつかの代わりにまたはそれに加えて、直接光結合または自由空間を通じての光結合を使用することができる。
【００７０】
送信機７００のＯＭＣモジュール７４０は一般に、送信機３００（図３）のＯＭＣモジュール３４０に類似しており、３つの受信ＰＭ信号をファイバー７５０に適切に結合する役割を果たす。より具体的には、ＯＭＣモジュール７４０によって受信された各ＰＭ信号は、ファイバー７５０の選択された横モードに結合され、異なるＰＭ信号は、異なる横モードに結合される。個々のＰＭ信号（それは２つの直交偏光成分を有する）について、それの偏光成分の各々は、ＯＭＣモジュール７４０で実質的に同じ位相フィルター処理を受ける。さまざまな実施形態では、ＯＭＣモジュール７４０は、ＯＭＣモジュール４００、５００、および６００（図４−６を参照）と同様に実装されてもよい。しかしながら、ＯＭＣモジュール７４０を設計する場合には、前記ＯＭＣモジュールが実質的に偏光非感受性であることを可能にするために、特別な注意が、それの偏光取扱い特性に払われる。
【００７１】
図８は、本発明のなお別の実施形態によるノード１１０（図１）で使用されてもよい光送信機８００のブロック図を示す。送信機３００および７００（図３および７を参照）の各々と同様に、送信機８００は、光通信信号を出力ファイバー（すなわち、ファイバー８５０）のさまざまな横モードに選択的に結合する能力を有する。送信機７００と同様に、送信機８００は、３つのＭＰＭモジュール８１２の使用によって可能になる偏光多重化能力を有し、それの各々は、ＭＰＭモジュール７１２（図７を参照）に類似している。しかしながら、加えて、送信機８００は、ＷＤＭ能力を有する。それ故に、送信機８００は、３つの異なる種類の多重化：横モード多重化（ＴＭＭ）、偏光多重化（ＰＭ）、および波長分割多重化（ＷＤＭ）を使用する。
【００７２】
送信機８００は、３つのＴＭＭチャネル、３つのＷＤＭチャネル、および２つのＰＭチャネルを有し、それは、送信機が１８個の別々に変調された光通信信号に至るまで（励起横モード当たり６個に至るまで）を有するＴＭＭ信号を生成することを可能にする。送信機８００は、任意の所望の方法で異なる数の別々に変調された成分を生成し、それらをファイバー８５０の選択された横モードに結合することが可能であるように比較的直接的に変更されてもよいことが当業者には理解されよう。
【００７３】
送信機８００の各ＷＤＭチャネルは、指定波長を発生させ、それをそれぞれのＭＰＭモジュール８１２に印加するそれぞれのレーザー８１０を有する。ＭＰＭモジュール８１２の３つの出力は、異なるＷＤＭチャネルに対応する光信号間のクロストークを低減することを目的とする比較的狭い帯域通過フィルター処理を行う光フィルター（ＯＦ）８１８に印加される。フィルター処理された信号は、マルチプレクサー８２６でＷＤＭ多重化され、結果として生じるＷＤＭ信号は、単一モードまたは統合ファイバー８３６を介して、ＯＭＣモジュール８４０に向けられる。
【００７４】
送信機８００のＯＭＣモジュール８４０は一般に、送信機３００（図３）のＯＭＣモジュール３４０に類似しており、３つの受信ＷＤＭ信号をファイバー８５０に適切に結合する役割を果たす。より具体的には、ＯＭＣモジュール８４０によって受信された各ＷＤＭ信号は、ファイバー８５０の選択された横モードに結合され、異なるＷＤＭ信号は、異なる横モードに結合される。マルチモードファイバーの横モードに対応するＰＦＳパターンは、波長に依存するけれども、ＷＤＭシステムで使用される典型的なスペクトル帯域は、比較的狭く、それは実際には、すべてのＷＤＭチャネルについて同じ位相マスクの使用を可能にする。例えば、約１５５０ｎｍに中心があり、約１００ｎｍの全幅を有するスペクトル帯域は、全スペクトル帯域にわたって搬送周波数で約６％の分散を有するだけである。この比較的小さな分散に起因して、スペクトル帯域の中間近くに位置する波長について設計された位相マスクは、その帯域でのすべての波長について十分に有効に働くことになる。その結果、さまざまな実施形態では、ＯＭＣモジュール８４０は、ＯＭＣモジュール４００、５００、および６００（図４−６を参照）と同様に実装されてもよい。
【００７５】
光受信機
マルチパスファイバーの横モードは、それらがファイバーの長さに沿って伝搬するときモード間混合を受けることが当技術分野で知られている。一般に、モード間混合の影響は、マルチモードファイバーでより強い。しかしながら、比較的密接した間隔のコアを有するマルチコアファイバーはまた、比較的強いモード間混合（例えば、コア間クロストーク）を示すこともある。結果として、たとえ通信信号が、マルチパスファイバーの前方端部で特定の単一横モードに結合されても、他の横モードが、ファイバーの遠隔端部でその通信信号からの寄与を有することになる。それ故に、かなりの量の信号処理が、ＴＭＭ信号の異なる別々に変調された成分によって運ばれるデータを完全に回復するために受信機で行われる必要がある。一般に、ＴＭＭ信号のＮ個の別々に変調された成分を復号するためには、受信機は、信号の少なくともＮ個の独立したサンプルを得る必要がある。これらのサンプルに適用される信号処理は一般に、マルチパスファイバーでのモード間混合の影響を逆転させることを目的とするマトリクス対角化アルゴリズムに基づいている。
【００７６】
図９は、本発明の一実施形態によるノード１１０（図１）で使用されてもよい光受信機９００のブロック図を示す。受信機９００は、例えばリンク１２０から入力ＴＭＭ信号９０２を受信するように構成されてもよい。ＴＭＭ信号９０２は、そのＴＭＭ信号のＫ個のサンプル９１２を作成するタップモジュール９１０に印加され、ただしＫが、１よりも大きい正の整数である。各サンプル９１２は、ＬＯ源９２０によって供給される局部発振器（ＬＯ）信号９２２を使用して対応するコヒーレント検出器９３０によってコヒーレントに検出される。サンプル９１２からコヒーレント検出器９３０によって生成された検出結果、例えばサンプルの同相成分Ｉおよび直角位相成分Ｑは、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）９４０に印加される。各信号間隔（例えば、ビット周期）にわたって、ＤＳＰ９４０は、コヒーレント検出器９３０１−９３０Ｋによって生成された検出結果のフルセットを適切に処理して、出力データの流れ９４２を生成する。タップモジュール９１０が、ＴＭＭ信号９０２の十分なサンプルを作成するならば、ＤＳＰ９４０は、ＴＭＭ信号９０２として受信機９００によって受信されるＴＭＭ信号に遠隔送信機によって最初に符号化されたすべてのデータを回復し、流れ９４２を介して出力することが可能である。
【００７７】
ＤＳＰ９４０の１つの機能は、リンク１２０に対応するモード混合マトリクスを反転させることであると当業者には理解されよう。一般に、リンク状態は、時間とともに変化し、それによって通常ミリ秒の時間スケールでまたはより遅く、モード混合マトリクスが同様に変化する結果をもたらす。一実施形態では、ＤＳＰ９４０は、リンク状態変動に適応して追随するように構成される。例えば、ＤＳＰ９４０は、当技術分野で知られているように、リンク状態を学習し、それらに適応するためにブラインド適応アルゴリズムを用いることができる。別法としてまたは加えて、時々、ＤＳＰ９４０に結合されたコントローラ９５０は、遠隔送信機が、ＤＳＰが現在のモード混合マトリクスを得るためのトレーニングシーケンスを受信機９００に送ることを要求してもよい。遠隔送信機によってリンク１２０に印加される代表的なトレーニングシーケンスは、異なる横モードが知られた順序で連続して励起され、その結果１つの横モードだけが任意の所与の時間に励起されるＴＭＭ信号を有してもよい。ＤＳＰ９４０で実装される信号処理はまた、自己モードおよび交差モードファイバー非線形性によって引き起こされる位相シフトなどの、ある非線形障害を補償してもよい。
【００７８】
図１０Ａ−Ｂは、本発明の一実施形態による受信機９００（図９）で使用されてもよい代表的なモジュールを示す。より具体的には、図１０Ａは、タップモジュール９１０として使用されてもよいタップモジュール１０１０のブロック図を示す。図１０Ｂは、コヒーレント検出器９３０として使用されてもよいコヒーレント検出器１０３０のブロック図を示す。
【００７９】
図１０Ａを参照すると、タップモジュール１０１０は、マルチモードファイバー１００２を介してＴＭＭ信号９０２を受信する。平行化レンズ１００４は、ファイバー１００２によって作成された発散光ビームを平行にし、結果として生じる平行ビームをＫ−１個の半透明ミラー１００６１−１００６Ｋ−１および末端不透明ミラー１００６Ｋの方へ向ける。一実装形態では、異なるミラー１００６は、ミラーから反射されたビーム１０１２１−１０１２Ｋがほぼ同じ強度を有する結果をもたらす反射率を有する。
【００８０】
図１０Ｂを参照すると、検出器１０３０は、単一モードファイバー１０１６を介してＬＯ源９２０からＬＯ信号９２２を受信する。平行化レンズ１０１８は、ファイバー１０１６によって作成された発散光ビームを平行にし、結果として生じる平行ビームを位相マスク１０２０の方へ向ける。位相マスク１０２０は一般に、位相マスク４２０（図４Ａ−Ｂを参照）に類似している。より具体的には、位相マスク１０２０は、マルチモードファイバー１００２（図１０Ａ）の選択された横モードに対応するＰＦＳパターンの拡大（拡張）バージョンであるＰＦＳパターンを有する位相フィルター処理されたビーム１０２２を作成する。すでに上で示されたように、図４Ｂは、位相マスクの取り合わせを示し、それの各々は、位相マスク１０２０としての使用に適している。受信機９００での各検出器９３０が、検出器１０３０を使用して実装されるとき、受信機での検出器１０３０の異なる事例は一般に、異なる位相マスク１０２０（例えば、図４Ｂで示される取り合わせから選択された異なる位相マスク）を有する。さまざまな実施形態では、これらの異なる位相マスク１０２０は、多重区分位相マスクの異なる区分としてまたはＳＬＭ５２０（図５）に似たＳＬＭの異なる部分を使用して実装されてもよい。
【００８１】
位相フィルター処理されたビーム１０２２およびビーム１０１２（それはＴＭＭサンプル９１２を運び、図９および１０Ａを参照）は、２×４光ハイブリッド１０２６に印加され、そこでそれらは、互いにぶつかって４つの干渉信号１０３２１−１０３２４を生成する。干渉信号１０３２１−１０３２４の各々は、それを対応する電気信号に変換する対応する光検出器（例えば、フォトダイオード）１０３４に印加される。光検出器１０３４によって生成された電気信号は、ＤＳＰ９４０でのさらなる処理のためにデジタル化され、向けられる。検出器１０３０でハイブリッド１０２６として使用されてもよい２×４光ハイブリッドは、当技術分野で知られており、代表的な例は、例えば（ｉ）米国特許出願公開第２００７／０２９７８０６号および（ｉｉ）２００８年１２月１８日に出願された米国特許出願第１２／３３８，４９２号で開示され、それらの両方は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
【００８２】
干渉信号１０３２１−１０３２４の電場Ｅ１−Ｅ４はそれぞれ、式（１）によって与えられる：
【数１】
ただしＥＳおよびＥＬＯは、それぞれ光信号１０１２および１０２２の電場である。式（１）は、ビーム１０３２の横断面のすべての点について成り立つことに留意されたい。これは、検出器１０３０が、どのくらいビーム１０１２および１０２２が時間内で互いにぶつかるかだけでなく、どのくらいそれらが空間内で互いにぶつかるかをも測定することを意味する。その上、ファイバー１０１６の異なる横モードの相互直交性に起因して、異なる位相マスク１０２０を有する検出器１０３０の異なる事例は、ＴＭＭ信号９０２の異なる横モードに対応する電場を効果的に測定する。もしＫ≧Ｎならば、そのときコヒーレント検出器９３０（または１０３０）は、十分なサンプリングデータを生成して、ＤＳＰ９４０が通信リンク１２０に対応するモード混合マトリクスを適切に反転させ、遠隔送信機（例えば、送信機３００）から受信機９００にそれを通じて伝送されるＴＭＭ信号の別々に変調された成分によって運ばれるデータを回復することを可能にすることが当業者には理解されよう。
【００８３】
図１１は、本発明の別の実施形態によるタップモジュール９１０として使用されてもよいタップモジュール１１１０のブロック図を示す。タップモジュール１１１０は、それを通じてＴＭＭ信号９０２を受信するマルチモードファイバー１１０２を有する。ファイバー１１０２の長さに沿って、タップモジュール１１１０は、Ｋ個のマルチモードファイバー（ＭＭＦ）カプラー１１０６１−１１０６ＫおよびＫ−１個のモードスクランブラー１１０８２−１１０８Ｋを有する。各ＭＭＦカプラー１１０６は、ＴＭＭ信号９０２の一部分を分岐し、その部分を対応する単一モードファイバー１１１０に結合するファイバータップである。ファイバー１１１０１−１１１０Ｋによって運ばれる信号１１１２１−１１１２Ｋは、受信機９００でそれぞれサンプル９１２１−９１２Ｋとしての役割を果たす。
【００８４】
各信号１１１２は、対応するＭＭＦカプラー１１０６の場所でマルチモードファイバー１１０２に存在する横モードの線形結合を示す。モードスクランブラー１１０８２−１１０８Ｋは、ＭＭＦカプラー１１０６１−１１０６Ｋ間の横モードをよく混合するので、信号１１１２１−１１１２Ｋの各々は、マルチモードファイバー１１０２での横モードの異なる線形結合を示す。もしＫ≧Ｎならば、そのときコヒーレント検出器９３０は、十分なサンプリングデータを生成して、ＤＳＰ９４０が通信リンク１２０に対応するモード混合マトリクスを適切に反転させ、遠隔送信機（例えば、送信機３００）から受信機９００にそれを通じて伝送されるＴＭＭ信号の別々に変調された成分によって運ばれるデータを回復することを可能にすることが当業者には理解されよう。
【００８５】
一実施形態では、タップモジュール１１１０を有する受信機９００は、コヒーレント検出器９３０として、ＰＭ信号の検出のために設計されたコヒーレント検出器を使用することができる。ＰＭ信号の検出のためのコヒーレント検出器は、当技術分野で知られており、例えば上記の米国特許出願公開第２００７／０２９７８０６号および米国特許出願第１２／３３８，４９２号で開示される。タップモジュール１１１０およびＰＭ信号の検出のための複数のコヒーレント検出器を用いる受信機９００は、ＴＭＭおよびＰＭ多重化の両方を使用して作成される光信号を適切に検出する能力があることが当業者には理解されよう。上述の多重化の種類の３つすべて（すなわち、ＴＭＭ、ＰＭ、およびＷＤＭ）を使用して作成される光信号を適切に検出する能力があるＷＤＭ受信機は、ＷＤＭ受信機の各ＷＤＭチャネルについてＴＭＭおよびＰＭ能力を両方とも有する１つの受信機９００を配備することによって構築されてもよいことが当業者にはさらに理解されよう。
【００８６】
図１２は、本発明の別の実施形態によるノード１１０（図１）で使用されてもよい光受信機１２００のブロック図を示す。受信機１２００は、マルチモードファイバー１２０２を介してＴＭＭ信号１２０１を（例えば、リンク１２０から）受信する。平行化レンズ１２０４１は、ファイバー１２０２によって作成された発散光ビームを平行にし、結果として生じる平行ビーム１２０５をビームスプリッター１２０６１−１２０６４の方へ向ける。一実施形態では、各ビームスプリッター１２０６は、半透明ミラーである。
【００８７】
受信機１２００はまた、それの出力を平行化レンズ１２０４２を通過させて平行ＬＯビーム１２２１を形成するＬＯ源１２２０も有する。ビーム１２０５と同様に、ＬＯビーム１２２１もまた、ビームスプリッター１２０６１−１２０６４の方へ向けられる。ビームスプリッター１２０６１と１２０６２との間に位置する９０度位相シフター１２０８は、それを通じて伝送されるビームに９０度位相シフトを導入する。
【００８８】
ビームスプリッター１２０６１−１２０６４は、ビーム１２０５および１２２１を複数のサブビームに適切に分割し、次いでこれらのサブビームのいくつかを再結合させて、４つのアレイ状検出器（例えば、ＣＣＤ）１２３０１−１２３０４の画素化受光面にぶつかる４つの混合光ビームを生成し、そこで混合光ビームは、対応する干渉パターンを作成する。各アレイ状検出器１２３０は、ＴＭＭ信号１２０１の信号間隔（例えば、シンボル周期）当たり少なくとも１つの干渉パターンに対応するデータを取得し、出力することを可能にする十分に高い速度で動作する。各干渉パターンは、ＬＯ源１２２０によって生成される参照場およびＴＭＭ信号１２０１の光場を互いにぶつけることによってアレイ状検出器１２３０の画素化受光面に生成される。アレイ状検出器１２３０は、アレイ状検出器のさまざまな画素でパターンの光強度を測定することによって干渉パターンを取得し、それによって混合ビームの二次元断面強度プロファイルを生成する。
【００８９】
アレイ状検出器１２３０１−１２３０４によって検出された４つの干渉パターンに対応するデータは、処理のためにＤＳＰ１２４０に供給される。もしアレイ状検出器１２３０１−１２３０４が、十分に高い解像度（例えば、十分に多数の比較的小さな画素）を有するならば、そのときＤＳＰ１２４０は、十分なデータを受信して４つの干渉パターンからＴＭＭ信号１２０１のモード組成を決定する。本明細書では、術語「モード組成」は、マルチモードファイバー１２０２の横モードの観点からのＴＭＭ信号１２０１の表現のことである。典型的には、そのような表現は、適切に重みを付けられた横モードの線形結合である。モード組成の知識はその結果、ＤＳＰが通信リンク１２０に対応するモード混合マトリクスを適切に反転させ、遠隔送信機（例えば、送信機３００）から受信機１２００にそれを通じて伝送されるＴＭＭ信号の別々に変調された成分によって運ばれるデータを回復することを可能にする。ＤＳＰ１２４０は、データの流れ１２４２を介して回復されたデータを出力する。
【００９０】
アレイ状検出器１２３０２および１２３０４は、オプションであり、検出器１０３０で実装されたそれに似た平衡検出方式を実装するために受信機１２００で使用されることが当業者には理解されよう。より具体的には、アレイ状検出器１２３０１−１２３０４によって検出された４つの干渉パターンは、ＤＳＰ１２４０によって処理されてＴＭＭ信号１２０１の２つの断面マップを生成する。第１の断面マップは、ＴＭＭ信号１２０１の同相マップであり、第２の断面マップは、ＴＭＭ信号の直角位相マップである。ＴＭＭ信号１２０１の同相および直角位相マップを有することは、ＤＳＰ１２４０がこれらのマップを使用してＴＭＭ信号のモード組成の決定をより速く、より正確に、かつ／またはより効果的にできるので、有利なこともある。
【００９１】
さまざまな実施形態では、受信機１２００は、４つ未満の別個のアレイ状検出器の使用を可能にするために追加の光学部品を含んでもよい。例えば、一実施形態では、受信機１２００は、２つの比較的大きなアレイ状検出器を有してもよく：（ｉ）第１の検出器は、第１の検出器の１つの部分がアレイ状検出器１２３０１としての役割を果たし、一方第１の検出器の別の部分がアレイ状検出器１２３０２としての役割を果たすように分割され、（ｉｉ）第２の検出器は同様に、第２の検出器の１つの部分がアレイ状検出器１２３０３としての役割を果たし、一方第２の検出器の別の部分がアレイ状検出器１２３０４としての役割を果たすように分割される。代替実施形態では、受信機１２００は、４つの部分に分割される１つの非常に大きなアレイ状検出器を有してもよく、各々は、検出器１２３０１−１２３０４の対応する１つとしての役割を果たす。
【００９２】
この発明は、説明に役立つ実施形態を参照して述べられたが、この記述は、制限する意味で解釈されることを意図されていない。述べられた実施形態のさまざまな変更形態、ならびに本発明が関連する当業者には明らかな本発明の他の実施形態は、次の特許請求の範囲で表されるような本発明の原理および範囲内にあると見なされる。
【００９３】
明確にそうでないと述べられない限り、各数値および範囲は、あたかも単語「約」または「近似的に」がその値または範囲の値の前に来るかのように近似的であると解釈されるべきである。
【００９４】
この発明の性質を説明するために述べられ、例示された部品の詳細、材料、および配置のさまざまな変更は、次の特許請求の範囲で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なされてもよいことがさらに理解されよう。
【００９５】
次の方法の特許請求の範囲での要素は、もしあれば、対応するラベル付けを使って特定の順序で列挙されるけれども、特許請求の範囲での列挙がそれらの要素のいくつかまたはすべてを実施するための特定の順序を別の方法で示唆しない限り、それらの要素は、その特定の順序で実施されることに限定されることを必ずしも意図されていない。
【００９６】
本明細書での「一実施形態」または「１つの実施形態」への言及は、その実施形態に関連して述べられる特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも一実施形態に含まれてもよいことを意味する。本明細書のさまざまな場所での語句「一実施形態では」の表現は、必ずしもすべてが同じ実施形態への言及ではなく、必ずしも他の実施形態について相互排他的な別個のまたは代替実施形態でもない。同じことは、術語「実装形態」にも当てはまる。
【００９７】
またこの記述の目的のためにも、術語「結合する」、「結合している」、「結合した」、「接続する」、「接続している」、または「接続した」は、エネルギーが２つ以上の要素間で移送されることを許され、１つまたは複数の追加の要素の介在が要求されないけれども、想到される、当技術分野で知られているまたは後に開発された任意の方法のことである。反対に、術語「直接結合した」、「直接接続した」、その他は、そのような追加の要素がないことを示唆する。
【００９８】
本発明は、他の特定の装置および／または方法で具体化されてもよい。述べられた実施形態は、すべての点で説明に役立つだけであり、制限するものではないと考えられるべきである。特に、本発明の範囲は、本明細書の記述および図によってよりもむしろ添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の等価の意味および範囲内に来るすべての変更は、それらの範囲内に包含されるべきである。
【００９９】
記述および図面は、単に本発明の原理を例示するだけである。それ故に、当業者は、本明細書で明確に述べられないまたは示されないけれども、本発明の原理を具体化し、それの精神および範囲内に含まれるさまざまな配置を考案することが可能になると理解されよう。その上、本明細書で列挙されたすべての例は主に、本発明の原理および本発明者（複数可）によって当技術分野の推進に貢献される概念を読者が理解するのに役立つ教育上の目的のためだけであることを明確に意図されており、そのような具体的に列挙された例および条件への制限がないと解釈されるべきである。さらに、本明細書で本発明の原理、態様および実施形態、ならびにそれらの具体例を列挙するすべての説明は、それらの等価物を包含することを意図されている。
【０１００】
本明細書の任意のブロック図は、本発明の原理を具体化する例示的回路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、任意のフローチャート、任意のフローダイヤグラム、状態遷移図、疑似コード、および同様のものは、コンピュータ可読媒体で実質的に表され、それで、そのようなコンピュータまたはプロセッサが明確に図示されるかどうかにかかわらず、コンピュータまたはプロセッサによって実行されてもよいさまざまなプロセスを表すことが理解されよう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ個の別々に変調された成分を有する光横モード多重化（ＴＭＭ）信号をサンプリングして、信号間隔当たりＫ個の光サンプルを作成するように構成され、ＮおよびＫが、１よりも大きい正の整数であり、Ｋ≧Ｎである、タップモジュールと、
光ＬＯ信号を発生させるように構成される局部発振器（ＬＯ）源と、
Ｋ個のコヒーレント検出器であって、各々は、タップモジュールおよびＬＯ源に光学的に結合され、
それぞれの光サンプルおよびＬＯ信号を混合して１つまたは複数の光干渉信号を生成し、かつ
前記１つまたは複数の光干渉信号を光サンプルの同相成分および直角位相成分を示す１つまたは複数の電気信号に変換するように構成される、Ｋ個のコヒーレント検出器と、
Ｋ個のコヒーレント検出器に動作可能に結合され、コヒーレント検出器によって作成された電気信号を処理してＴＭＭ信号のＮ個の別々に変調された成分の各々によって運ばれるデータを回復するように構成されるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）とを備える光受信機であって、
光受信機は、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを介してＴＭＭ信号を受信し、
マルチモードファイバーの遠隔終端では、ＴＭＭ信号の別々に変調された各成分は、マルチモードファイバーのそれぞれの単一横モードに対応する、光受信機。
【請求項２】
ＴＭＭ信号が、光受信機によって受信されるより前にマルチモードファイバーでモード間混合を受けており、
ＤＳＰが、モード間混合の影響を逆転させてデータを回復するように構成される、請求項１に記載の発明。
【請求項３】
ＤＳＰに動作可能に結合され、要求を遠隔送信機に送って光受信機に光トレーニング信号を送るように構成されるコントローラをさらに備え、ＤＳＰが、前記トレーニング信号に基づいてマルチモードファイバーに対応するモード混合マトリクスを導出するように構成される、請求項１に記載の発明。
【請求項４】
Ｎ個の別々に変調された成分を有する光横モード多重化（ＴＭＭ）信号をサンプリングして、信号間隔当たりＫ個の光サンプルを作成するように構成され、ＮおよびＫが、１よりも大きい正の整数であり、Ｋ≧Ｎであり、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを介してＴＭＭ信号を受信するタップモジュールと、
光ＬＯ信号を発生させるように構成される局部発振器（ＬＯ）源と、
Ｋ個のコヒーレント検出器であって、各々は、タップモジュールおよびＬＯ源に光学的に結合され、
ＬＯ信号を位相フィルター処理して、マルチモードファイバーのそれぞれの選択された横モードの位相／場強度（ＰＦＳ）パターンに対応するＰＦＳパターンを有するそれぞれの位相フィルター処理されたビームを作成し、
それぞれの光サンプルおよび位相フィルター処理されたビームを混合して１つまたは複数の光干渉信号を生成し、かつ
前記１つまたは複数の光干渉信号を光サンプルの同相成分および直角位相成分を示す１つまたは複数の電気信号に変換するように構成される、Ｋ個のコヒーレント検出器と、
Ｋ個のコヒーレント検出器に動作可能に結合され、コヒーレント検出器によって作成された電気信号を処理してＴＭＭ信号のＮ個の別々に変調された成分の各々によって運ばれるデータを回復するように構成されるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）とを備える、光受信機。
【請求項５】
Ｋ個のコヒーレント検出器の少なくとも１つが、
ＬＯ信号を位相フィルター処理してそれぞれの位相フィルター処理されたビームを作成するように構成される位相マスクと、
位相フィルター処理されたビームおよびそれぞれの光サンプルに対応する光ビームを混合して１つまたは複数の光干渉信号を生成するように構成される光ハイブリッドと、
１つまたは複数の光干渉信号を１つまたは複数の電気信号に変換する複数の光検出器とを備える、請求項４に記載の発明。
【請求項６】
複数のビームスプリッターであって、
（ｉ）光横モード多重化（ＴＭＭ）信号に対応する光ビームを第１の複数のサブビームに分割し、ここでＴＭＭ信号は、複数の別々に変調された成分を有し、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを介して受信され、
（ｉｉ）局部発振器（ＬＯ）信号に対応する光ビームを第２の複数のサブビームに分割し、かつ
（ｉｉｉ）第１および第２の複数のサブビームを混合して２つ以上の混合光ビームを生成するように構成される、複数のビームスプリッターと、
２つ以上の混合光ビームの第１のものに対応する第１の干渉パターンを検出するように構成される第１のアレイ状検出器と、
２つ以上の混合光ビームの第２のものに対応する第２の干渉パターンを検出するように構成される第２のアレイ状検出器と、
第１および第２のアレイ状検出器に動作可能に結合され、第１および第２の干渉パターンを処理してＴＭＭ信号のモード組成を決定し、前記モード組成に基づいて、ＴＭＭ信号の別々に変調された成分によって運ばれるデータを回復するように構成されるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）とを備える、光受信機。
【請求項７】
第１および第２のアレイ状検出器の各々が、ＴＭＭ信号の信号間隔当たり少なくとも１回は第１および第２の干渉パターンの対応する１つを取得するように構成され、
光受信機が、第２の複数のサブビームからの第１のサブビームが第２の複数のサブビームからの第２のサブビームに関して指定位相シフトを有する結果をもたらす位相シフターをさらに備え、ここで複数のビームスプリッターが、
（ｉ）第１の複数のサブビームからの第１のサブビームおよび第２の複数のサブビームからの第１のサブビームを混合して第１の混合光ビームを生成し、かつ
（ｉｉ）第１の複数のサブビームからの第２のサブビームおよび第２の複数のサブビームからの第２のサブビームを混合して第２の混合光ビームを生成し、
指定位相シフトが、約９０度である、請求項６に記載の発明。
【請求項８】
第３の混合光ビームに対応する第３の干渉パターンを検出するように構成される第３のアレイ状検出器と、
第４の混合光ビームに対応する第４の干渉パターンを検出するように構成される第４のアレイ状検出器とをさらに備え、
位相シフターが、第２の複数のサブビームからの第３のサブビームが第２の複数のサブビームからの第２のサブビームおよび第４のサブビームの各々に関して指定位相シフトを有する結果をもたらし、
複数のビームスプリッターが、
（ｉｉｉ）第１の複数のサブビームからの第３のサブビームおよび第２の複数のサブビームからの第３のサブビームを混合して第３の混合光ビームを生成し、かつ
（ｉｖ）第１の複数のサブビームからの第４のサブビームおよび第２の複数のサブビームからの第４のサブビームを混合して第４の混合光ビームを生成し、
ＤＳＰが、第３および第４のアレイ状検出器に動作可能に結合され、第３および第４の干渉パターンを処理してＴＭＭ信号のモード組成を決定するように構成される、請求項７に記載の発明。
【請求項９】
アレイ状検出器およびＤＳＰが、平衡検出方式を実装し、それでは、
第１および第３の干渉パターンが、ＴＭＭ信号の同相マップを生成するように処理され、
第３および第４の干渉パターンが、ＴＭＭ信号の直角位相マップを生成するように処理され、
前記同相および直角位相マップが、ＴＭＭ信号のモード組成を決定するように処理される、請求項８に記載の発明。
【請求項１０】
Ｎ個の別々に変調された成分を有する光横モード多重化（ＴＭＭ）信号をサンプリングして、信号間隔当たりＫ個の光サンプルを作成するように構成され、ＮおよびＫが、１よりも大きい正の整数であり、Ｋ≧Ｎである、タップモジュールと、
光ＬＯ信号を発生させるように構成される局部発振器（ＬＯ）源と、
Ｋ個のコヒーレント検出器であって、各々は、タップモジュールおよびＬＯ源に光学的に結合され、
それぞれの光サンプルおよびＬＯ信号を混合して１つまたは複数の光干渉信号を生成し、かつ
前記１つまたは複数の光干渉信号を光サンプルの同相成分および直角位相成分を示す１つまたは複数の電気信号に変換するように構成される、Ｋ個のコヒーレント検出器と、
Ｋ個のコヒーレント検出器に動作可能に結合され、コヒーレント検出器によって作成された電気信号を処理してＴＭＭ信号のＮ個の別々に変調された成分の各々によって運ばれるデータを回復するように構成されるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）とを備える光受信機であって、
光受信機は、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを介してＴＭＭ信号を受信し、
タップモジュールは、
各々が光パワーをマルチモードファイバーから単一モードファイバーに取り出してＴＭＭ信号の対応する光サンプルを作成する、Ｋ個のマルチモードファイバー（ＭＭＦ）カプラーと、
各々が２つの隣接ＭＭＦカプラー間に配置される、Ｋ−１個のモードスクランブラーとを備える、光受信機。
【請求項１】
Ｎ個の別々に変調された成分を有する光横モード多重化（ＴＭＭ）信号をサンプリングして、信号間隔当たりＫ個の光サンプルを作成するように構成され、ＮおよびＫが、１よりも大きい正の整数であり、Ｋ≧Ｎである、タップモジュールと、
光ＬＯ信号を発生させるように構成される局部発振器（ＬＯ）源と、
Ｋ個のコヒーレント検出器であって、各々は、タップモジュールおよびＬＯ源に光学的に結合され、
それぞれの光サンプルおよびＬＯ信号を混合して１つまたは複数の光干渉信号を生成し、かつ
前記１つまたは複数の光干渉信号を光サンプルの同相成分および直角位相成分を示す１つまたは複数の電気信号に変換するように構成される、Ｋ個のコヒーレント検出器と、
Ｋ個のコヒーレント検出器に動作可能に結合され、コヒーレント検出器によって作成された電気信号を処理してＴＭＭ信号のＮ個の別々に変調された成分の各々によって運ばれるデータを回復するように構成されるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）とを備える光受信機であって、
光受信機は、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを介してＴＭＭ信号を受信し、
マルチモードファイバーの遠隔終端では、ＴＭＭ信号の別々に変調された各成分は、マルチモードファイバーのそれぞれの単一横モードに対応する、光受信機。
【請求項２】
ＴＭＭ信号が、光受信機によって受信されるより前にマルチモードファイバーでモード間混合を受けており、
ＤＳＰが、モード間混合の影響を逆転させてデータを回復するように構成される、請求項１に記載の発明。
【請求項３】
ＤＳＰに動作可能に結合され、要求を遠隔送信機に送って光受信機に光トレーニング信号を送るように構成されるコントローラをさらに備え、ＤＳＰが、前記トレーニング信号に基づいてマルチモードファイバーに対応するモード混合マトリクスを導出するように構成される、請求項１に記載の発明。
【請求項４】
Ｎ個の別々に変調された成分を有する光横モード多重化（ＴＭＭ）信号をサンプリングして、信号間隔当たりＫ個の光サンプルを作成するように構成され、ＮおよびＫが、１よりも大きい正の整数であり、Ｋ≧Ｎであり、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを介してＴＭＭ信号を受信するタップモジュールと、
光ＬＯ信号を発生させるように構成される局部発振器（ＬＯ）源と、
Ｋ個のコヒーレント検出器であって、各々は、タップモジュールおよびＬＯ源に光学的に結合され、
ＬＯ信号を位相フィルター処理して、マルチモードファイバーのそれぞれの選択された横モードの位相／場強度（ＰＦＳ）パターンに対応するＰＦＳパターンを有するそれぞれの位相フィルター処理されたビームを作成し、
それぞれの光サンプルおよび位相フィルター処理されたビームを混合して１つまたは複数の光干渉信号を生成し、かつ
前記１つまたは複数の光干渉信号を光サンプルの同相成分および直角位相成分を示す１つまたは複数の電気信号に変換するように構成される、Ｋ個のコヒーレント検出器と、
Ｋ個のコヒーレント検出器に動作可能に結合され、コヒーレント検出器によって作成された電気信号を処理してＴＭＭ信号のＮ個の別々に変調された成分の各々によって運ばれるデータを回復するように構成されるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）とを備える、光受信機。
【請求項５】
Ｋ個のコヒーレント検出器の少なくとも１つが、
ＬＯ信号を位相フィルター処理してそれぞれの位相フィルター処理されたビームを作成するように構成される位相マスクと、
位相フィルター処理されたビームおよびそれぞれの光サンプルに対応する光ビームを混合して１つまたは複数の光干渉信号を生成するように構成される光ハイブリッドと、
１つまたは複数の光干渉信号を１つまたは複数の電気信号に変換する複数の光検出器とを備える、請求項４に記載の発明。
【請求項６】
複数のビームスプリッターであって、
（ｉ）光横モード多重化（ＴＭＭ）信号に対応する光ビームを第１の複数のサブビームに分割し、ここでＴＭＭ信号は、複数の別々に変調された成分を有し、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを介して受信され、
（ｉｉ）局部発振器（ＬＯ）信号に対応する光ビームを第２の複数のサブビームに分割し、かつ
（ｉｉｉ）第１および第２の複数のサブビームを混合して２つ以上の混合光ビームを生成するように構成される、複数のビームスプリッターと、
２つ以上の混合光ビームの第１のものに対応する第１の干渉パターンを検出するように構成される第１のアレイ状検出器と、
２つ以上の混合光ビームの第２のものに対応する第２の干渉パターンを検出するように構成される第２のアレイ状検出器と、
第１および第２のアレイ状検出器に動作可能に結合され、第１および第２の干渉パターンを処理してＴＭＭ信号のモード組成を決定し、前記モード組成に基づいて、ＴＭＭ信号の別々に変調された成分によって運ばれるデータを回復するように構成されるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）とを備える、光受信機。
【請求項７】
第１および第２のアレイ状検出器の各々が、ＴＭＭ信号の信号間隔当たり少なくとも１回は第１および第２の干渉パターンの対応する１つを取得するように構成され、
光受信機が、第２の複数のサブビームからの第１のサブビームが第２の複数のサブビームからの第２のサブビームに関して指定位相シフトを有する結果をもたらす位相シフターをさらに備え、ここで複数のビームスプリッターが、
（ｉ）第１の複数のサブビームからの第１のサブビームおよび第２の複数のサブビームからの第１のサブビームを混合して第１の混合光ビームを生成し、かつ
（ｉｉ）第１の複数のサブビームからの第２のサブビームおよび第２の複数のサブビームからの第２のサブビームを混合して第２の混合光ビームを生成し、
指定位相シフトが、約９０度である、請求項６に記載の発明。
【請求項８】
第３の混合光ビームに対応する第３の干渉パターンを検出するように構成される第３のアレイ状検出器と、
第４の混合光ビームに対応する第４の干渉パターンを検出するように構成される第４のアレイ状検出器とをさらに備え、
位相シフターが、第２の複数のサブビームからの第３のサブビームが第２の複数のサブビームからの第２のサブビームおよび第４のサブビームの各々に関して指定位相シフトを有する結果をもたらし、
複数のビームスプリッターが、
（ｉｉｉ）第１の複数のサブビームからの第３のサブビームおよび第２の複数のサブビームからの第３のサブビームを混合して第３の混合光ビームを生成し、かつ
（ｉｖ）第１の複数のサブビームからの第４のサブビームおよび第２の複数のサブビームからの第４のサブビームを混合して第４の混合光ビームを生成し、
ＤＳＰが、第３および第４のアレイ状検出器に動作可能に結合され、第３および第４の干渉パターンを処理してＴＭＭ信号のモード組成を決定するように構成される、請求項７に記載の発明。
【請求項９】
アレイ状検出器およびＤＳＰが、平衡検出方式を実装し、それでは、
第１および第３の干渉パターンが、ＴＭＭ信号の同相マップを生成するように処理され、
第３および第４の干渉パターンが、ＴＭＭ信号の直角位相マップを生成するように処理され、
前記同相および直角位相マップが、ＴＭＭ信号のモード組成を決定するように処理される、請求項８に記載の発明。
【請求項１０】
Ｎ個の別々に変調された成分を有する光横モード多重化（ＴＭＭ）信号をサンプリングして、信号間隔当たりＫ個の光サンプルを作成するように構成され、ＮおよびＫが、１よりも大きい正の整数であり、Ｋ≧Ｎである、タップモジュールと、
光ＬＯ信号を発生させるように構成される局部発振器（ＬＯ）源と、
Ｋ個のコヒーレント検出器であって、各々は、タップモジュールおよびＬＯ源に光学的に結合され、
それぞれの光サンプルおよびＬＯ信号を混合して１つまたは複数の光干渉信号を生成し、かつ
前記１つまたは複数の光干渉信号を光サンプルの同相成分および直角位相成分を示す１つまたは複数の電気信号に変換するように構成される、Ｋ個のコヒーレント検出器と、
Ｋ個のコヒーレント検出器に動作可能に結合され、コヒーレント検出器によって作成された電気信号を処理してＴＭＭ信号のＮ個の別々に変調された成分の各々によって運ばれるデータを回復するように構成されるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）とを備える光受信機であって、
光受信機は、複数の横モードを支援するマルチモードファイバーを介してＴＭＭ信号を受信し、
タップモジュールは、
各々が光パワーをマルチモードファイバーから単一モードファイバーに取り出してＴＭＭ信号の対応する光サンプルを作成する、Ｋ個のマルチモードファイバー（ＭＭＦ）カプラーと、
各々が２つの隣接ＭＭＦカプラー間に配置される、Ｋ−１個のモードスクランブラーとを備える、光受信機。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図２Ｆ】
【図２Ｇ】
【図２Ｈ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図２Ｆ】
【図２Ｇ】
【図２Ｈ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【公表番号】特表２０１２−５３３９１５（Ｐ２０１２−５３３９１５Ａ）
【公表日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１７５９０（Ｐ２０１２−５１７５９０）
【出願日】平成２２年６月１８日（２０１０．６．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３９１０１
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１５１４８４
【国際公開日】平成２２年１２月２９日（２０１０．１２．２９）
【出願人】（３９１０３０３３２）アルカテル−ルーセント (1,149)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１８日（２０１０．６．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３９１０１
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１５１４８４
【国際公開日】平成２２年１２月２９日（２０１０．１２．２９）
【出願人】（３９１０３０３３２）アルカテル−ルーセント (1,149)
【Ｆターム（参考）】
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