本公開(kāi)內(nèi)容涉及光學(xué)通信系統(tǒng)，并且更具體地說(shuō)，涉及功率受限的光學(xué)通信系統(tǒng)中的空分復(fù)用。

背景技術(shù)：

在波分復(fù)用(WDM)光學(xué)通信系統(tǒng)中，單根光纖可用來(lái)攜帶多個(gè)光學(xué)信號(hào)。多個(gè)光學(xué)信號(hào)被復(fù)用以形成復(fù)用信號(hào)或WDM信號(hào)，其中多個(gè)信號(hào)的每個(gè)信號(hào)被調(diào)制在單獨(dú)信道上。每個(gè)信道可處在關(guān)聯(lián)波長(zhǎng)，其與鄰近信道分隔例如根據(jù)由國(guó)際電信聯(lián)盟(TIU)確立的信道規(guī)劃的定義的信道間距?？稍谙到y(tǒng)上傳送的波長(zhǎng)的范圍稱(chēng)為系統(tǒng)帶寬。系統(tǒng)可利用其系統(tǒng)帶寬來(lái)攜帶以預(yù)期調(diào)制格式和比特率的預(yù)期數(shù)量的信道。

為滿足光學(xué)傳送系統(tǒng)中對(duì)傳送容量的增大需求，使用了多種技術(shù)來(lái)增大譜效率。多級(jí)調(diào)制技術(shù)和相干接收器例如已用來(lái)允許增大的傳送速率和減小的信道間距，由此提高了WDM系統(tǒng)中每個(gè)信道的譜效率(SE)。在諸如正交幅度調(diào)制(QAM)格式的多級(jí)調(diào)制格式中，在單個(gè)傳送的符號(hào)上編碼多個(gè)數(shù)據(jù)比特。

雖然使用多級(jí)調(diào)制格式可增大譜效率和傳送容量，但此類(lèi)格式可要求增大的信噪比(SNR)。以高SNR操作要求高光學(xué)信道輸出功率和高放大器泵浦功率，尤其是用于寬的系統(tǒng)帶寬。輸送要求的高功率級(jí)能夠帶來(lái)顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)，特別是在其中用于整個(gè)纜線的電功率必須沿纜線傳輸?shù)暮５紫到y(tǒng)中。在此情形中，用來(lái)實(shí)現(xiàn)增大性能的能力可受到有限的可用功率量阻礙。

用來(lái)增大譜效率的一個(gè)可能途徑是要實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用(SDM)。在SDM系統(tǒng)中，可使用例如多芯或多模式光纖的多維光纖，并且可將WDM信號(hào)分隔到光纖的每個(gè)維度上。例如，在SDM系統(tǒng)中，可分隔并在多芯光纖的每個(gè)芯上傳送信號(hào)，而不是在單芯光纖上傳送WDM信號(hào)。

不幸地，在長(zhǎng)距離SDM系統(tǒng)中，必須放大傳送光纖的每個(gè)維度，例如，每個(gè)芯。用來(lái)泵浦(pump)多維光纖的每個(gè)維度所要求的光學(xué)泵浦功率可在功率受限的系統(tǒng)中是不可用的。

附圖說(shuō)明

應(yīng)參考下面詳細(xì)描述，該描述應(yīng)結(jié)合下面附圖閱讀，附圖中相似的數(shù)字表示相似的部分：

圖1圖示與本公開(kāi)一致的示例空分復(fù)用(SDM)光學(xué)傳送系統(tǒng)；

圖2是衰減對(duì)帶寬的繪圖,其圖示與本公開(kāi)一致的在與增益平坦濾波器(GFF)關(guān)聯(lián)的衰減與帶寬之間的示例關(guān)系的；

圖3包含百分比容量和空間維度增大對(duì)系統(tǒng)帶寬的繪圖，其圖示在與本公開(kāi)一致的SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)中降低系統(tǒng)帶寬如何增大容量的示例；

圖4包含總SNR對(duì)摻雜鉺光纖放大器(EDFA)功率的繪圖，其圖示在與本公開(kāi)一致的SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)中減小光學(xué)放大器間距如何減小功率消耗的示例；

圖5包含容量紅利(capacity bonus)對(duì)跨越長(zhǎng)度的繪圖，其圖示在與本公開(kāi)一致的SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)中減小光學(xué)放大器間距如何增大容量的示例；

圖6A包含總SNR對(duì)在功率與最佳功率之間差別(P-Popt)的繪圖，其圖示與最佳系統(tǒng)功率相比，在與本公開(kāi)一致的SDM系統(tǒng)中可如何降低每空間維度的功率以提供功率節(jié)約以支持空間維度的示例；

圖6B包含非線性懲罰對(duì)在功率與最佳功率之間差別(P-Popt)的繪圖，其圖示在與本公開(kāi)一致的SDM系統(tǒng)中可如何降低非線性懲罰以提供功率節(jié)約以支持空間維度的示例；

圖7A和7B包含分別用于線性和非線性傳送的總譜效率對(duì)在功率與最佳功率之間差別(P-Popt)的繪圖，其圖示在與本公開(kāi)一致的SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)中通過(guò)為具有不同數(shù)量的維度的光纖從與非SDM系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的最佳功率降低每維度的功率而實(shí)現(xiàn)的譜效率增大；

圖8A和8B包含分別用于線性和非線性傳送的容量紅利對(duì)在功率與最佳功率之間差別(P-Popt)的繪圖，其圖示在與本公開(kāi)一致的SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)中通過(guò)為具有不同數(shù)量的維度的光纖從與非SDM系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的最佳功率降低每維度的功率而實(shí)現(xiàn)的容量增大；以及

圖9圖示與本公開(kāi)一致的用于具有增大容量的受限的功率的光學(xué)通信系統(tǒng)的示例操作。

雖然下面具體實(shí)施方式將參照說(shuō)明性實(shí)施例進(jìn)行，但其許多備選、修改和變化將對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。

具體實(shí)施方式

本公開(kāi)涉及在功率受限的光學(xué)通信系統(tǒng)中的空分復(fù)用(SDM)。通常，與本公開(kāi)一致的方法包含配置SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)以提供與非SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容量相比增大的傳送容量，同時(shí)保持功率消耗在非SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)的功率消耗或低于該功率消耗的方法。

圖1圖示與本公開(kāi)一致的示例SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)。起初，重要的是區(qū)分與如圖1中所闡述的SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)相比，在本文中稱(chēng)為非SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)是什么。如本文中引用的“非SDM”光學(xué)傳送系統(tǒng)意味著配置用于在包含只具有一個(gè)芯的一根或更多根單模式光纖(SMF)的光纜上傳送光學(xué)信號(hào)的系統(tǒng)。非SDM系統(tǒng)可以是配置用于在5000 km或更遠(yuǎn)距離將信道從傳送器傳送到接收器的長(zhǎng)距離海底系統(tǒng)，并且可受功率限制。如本文所使用的術(shù)語(yǔ)“功率受限”指其中輸送到光纜的功率導(dǎo)體的功率受纜線的配置（例如，成分、直徑、長(zhǎng)度等）限制。在不危及功率導(dǎo)體和/或功率源的完整性的情況下，增大輸送到功率受限的系統(tǒng)的總功率以支持實(shí)質(zhì)上增大的總SNR可以是不可能的。

圖示的SDM系統(tǒng)100包含光纜101、空間復(fù)用器104、光學(xué)放大器108A…108n及空間去復(fù)用器110。系統(tǒng)用于通過(guò)光纜101在從空間復(fù)用器104到空間去復(fù)用器110的方向上傳送光學(xué)信號(hào)。示范系統(tǒng)100可以是配置用于在5000 km或更遠(yuǎn)距離內(nèi)傳送信道的長(zhǎng)距離海底系統(tǒng)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，為便于解釋?zhuān)到y(tǒng)100已描繪為高度簡(jiǎn)化的點(diǎn)到點(diǎn)系統(tǒng)。例如，系統(tǒng)100圖示為在從空間復(fù)用器104到空間去復(fù)用器110的單個(gè)方向上傳送。系統(tǒng)當(dāng)然可配置用于雙向通信，和/或可配置為分支的網(wǎng)絡(luò)。要理解的是，與本公開(kāi)一致的系統(tǒng)和方法可合并到多種多樣的網(wǎng)絡(luò)配置中。本文中圖示的示范實(shí)施例只作為解釋而不是限制來(lái)提供。

光纜101包含至少一根光纖102，并且包含多個(gè)維度。如本文中所使用的術(shù)語(yǔ)“維度”指可區(qū)分的光學(xué)數(shù)據(jù)路徑。例如，單模式和單芯光纖只具有一個(gè)維度。多芯光纖具有等于光纖中芯的數(shù)量的多個(gè)維度，因?yàn)槊總€(gè)芯能夠支持關(guān)聯(lián)的維度。多模式光纖或少模式光纖具有等于由光纖支持的模式的多個(gè)維度。而且，單模式、單芯光纖束也具有多個(gè)維度，每個(gè)維度由光纖中的完全不同的光纖支持。與本公開(kāi)一致的SDM系統(tǒng)可包含任何類(lèi)型的任何數(shù)量的多維光纖。為便于解釋?zhuān)瑘D示的實(shí)施例示為包含具有三個(gè)芯的單根多芯光纖102。

光纜101包含設(shè)計(jì)成輸送電功率到耦合到光纜101的光學(xué)放大器108A…108n、光學(xué)分插復(fù)用器（等）等的功率導(dǎo)體106。功率導(dǎo)體102的配置在海底光學(xué)傳送系統(tǒng)中可以是常見(jiàn)的，其中功率必須沿光纜101的行程(run)運(yùn)送，其中功率從光纜101的任一端或兩端供應(yīng)。系統(tǒng)100是功率受限的系統(tǒng)。

空間復(fù)用器104可配置成接收調(diào)制的光學(xué)信號(hào)TX1、TX2和TX3，并且將信號(hào)TX1、TX2和TX3復(fù)用到光纖102的單獨(dú)空間維度上。例如，對(duì)于多芯光纖，空間復(fù)用器104可將光學(xué)信號(hào)TX1、TX2和TX3組合到光纖的單獨(dú)芯上，并且對(duì)于多模式或少模式光纖，空間復(fù)用器104可配置成以在光纖的不同模式上提供信號(hào)的方式組合信號(hào)。

光學(xué)放大器108A…108n可以以設(shè)定的間距耦合到光纜101。光學(xué)放大器108A的示例是摻雜鉺光纖放大器(EDFA)，其可包括例如激光二極管的多個(gè)泵109和將泵耦合到摻雜鉺光纖的關(guān)聯(lián)區(qū)段111-1、111-2、111-3的泵總管(pump manifold)。摻雜鉺光纖的單獨(dú)區(qū)段111-1、111-2、111-3分別可耦合到多芯光纖的光學(xué)芯的不同的光學(xué)芯，例如，區(qū)段111-1、111-2、111-3的數(shù)量可等于芯的數(shù)量，或者可耦合到多模式或少模式光纖中的模式。在摻雜鉺光纖的單獨(dú)區(qū)段111-1、111-2、111-3由其關(guān)聯(lián)泵109泵浦時(shí)，在光纖102的不同空間維度中傳播的信號(hào)經(jīng)由受激輻射來(lái)放大。

放大的信號(hào)隨后可繼續(xù)在光纖102內(nèi)傳播，沿路線定期放大，直至由空間去復(fù)用器110接收?？臻g去復(fù)用器110可反轉(zhuǎn)原來(lái)由空間復(fù)用器102應(yīng)用的復(fù)用，以提供分別對(duì)應(yīng)于原始信號(hào)TX1、TX2和TX3的接收的信號(hào)RX1、RX2和RX3。

在系統(tǒng)100中，用來(lái)在每個(gè)放大器108A…108n中泵浦不同空間維度所要求的功率顯著高于用來(lái)在非SDM系統(tǒng)中泵浦單模式、單芯光纖所要求的功率，但系統(tǒng)100可與非SDM系統(tǒng)具有相同的功率限制。相應(yīng)地，使用常規(guī)非SDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用來(lái)在系統(tǒng)100中泵浦不同空間維度的功率可能是不可用的。因此，與本公開(kāi)一致的是，與常規(guī)非SDM系統(tǒng)配置相比，修改了SDM系統(tǒng)以提供用于支持（例如，泵浦）不同空間維度的功率，同時(shí)保持功率消耗在非SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)的功率消耗或低于該功率消耗，并且提供與非SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)的容量相比增大的傳送容量。

例如，在與本公開(kāi)一致的系統(tǒng)中，與非SDM系統(tǒng)相比，通過(guò)降低系統(tǒng)帶寬，可獲得用于支持（例如，泵浦）在SDM系統(tǒng)中空間維度的功率。非SDM功率受限的光學(xué)傳送系統(tǒng)可基于系統(tǒng)帶寬越大，傳送容量越大的原理來(lái)操作。為支持大的帶寬傳送，泵浦光學(xué)放大器以跨整個(gè)系統(tǒng)帶寬提供放大。然而，不幸的是，由EDFA跨大的帶寬給予的增益是不均勻的，并且在連續(xù)放大后，帶寬內(nèi)的一些信號(hào)可由于與放大器關(guān)聯(lián)的噪聲而丟失。為避免此情況，增益平坦濾波器(GFF)可在每個(gè)光纖放大器內(nèi)用來(lái)跨系統(tǒng)帶寬使增益平坦。然而，每個(gè)GFF衰減在系統(tǒng)帶寬的至少某部分中的信號(hào)。

圖2包含與GFF關(guān)聯(lián)的衰減對(duì)系統(tǒng)帶寬的繪圖202。系統(tǒng)帶寬是囊括在系統(tǒng)中在其上可傳遞數(shù)據(jù)的所有波長(zhǎng)的帶寬。繪圖202展示了在系統(tǒng)帶寬變得更寬時(shí)，由GFF給予增大的衰減以均衡鉺增益。在某些帶寬，GFF是不必要的，并且有在與GFF的去除關(guān)聯(lián)的20 nm的~0.8 dB的衰減中的下降。此趨勢(shì)通常對(duì)于任何類(lèi)型的光學(xué)放大器108A…108n是真的。

因此，與本公開(kāi)一致，與典型的非SDM系統(tǒng)相比，可降低系統(tǒng)100可設(shè)計(jì)成操作所在的系統(tǒng)帶寬。此系統(tǒng)帶寬的降低允許由GFF給予的衰減的對(duì)應(yīng)降低或去除。降低或去除由GFF給予的衰減降低了在系統(tǒng)100中的總體功率消耗。節(jié)省的功率隨后可用來(lái)泵浦SDM系統(tǒng)的多個(gè)空間維度。

在與非SDM系統(tǒng)相比，系統(tǒng)帶寬得以降低時(shí)，SDM系統(tǒng)中維度的數(shù)量可按比例增大以補(bǔ)償與降低的帶寬關(guān)聯(lián)的容量減小。然而，為基于有限的可用功率來(lái)增大總?cè)萘?，只可與節(jié)約的功率成正比增大維度的數(shù)量。通常，與非SDM系統(tǒng)相比，SDM系統(tǒng)的總?cè)萘吭龃螃與通過(guò)降低帶寬和GFF衰減實(shí)現(xiàn)的功率節(jié)約成正比，其與GFF的衰減αGFF成反比：

其中B₀是與非SDM系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的起始（例如，更寬的）系統(tǒng)帶寬，并且B₁是與SDM系統(tǒng)100關(guān)聯(lián)的預(yù)期（例如，更窄的）系統(tǒng)帶寬。隨后，基于以下關(guān)系，可增大SDM系統(tǒng)中空間維度的要求的數(shù)量Δn：

圖3包含容量增大ΔC和空間維度增大Δn對(duì)系統(tǒng)帶寬的繪圖302、304，其圖示與非SDM系統(tǒng)相比，如圖2所示，降低系統(tǒng)帶寬和在光學(xué)放大器中由GFF給予的衰減在與本公開(kāi)一致的SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)中如何增大容量。具體而言，繪圖302是容量增大ΔC對(duì)系統(tǒng)帶寬的繪圖，并且繪圖304是空間維度增大Δn對(duì)系統(tǒng)帶寬的繪圖。繪圖302和304分別將容量的變化ΔC和空間維度的變化Δn圖示為相對(duì)于B₀=41 nm的百分比。帶寬軸線對(duì)應(yīng)于等式(2)中的B₁。

如所示，在41 nm，容量和空間維度均為100%。參照繪圖302，在帶寬B₁減小時(shí)，與由跨帶寬使增益平坦所需要的GFF給予的降低的衰減關(guān)聯(lián)的節(jié)省的功率允許容量在19~20 nm的帶寬B₁一直增長(zhǎng)到200%。繪圖304示出降低帶寬以實(shí)現(xiàn)200%容量增大要求空間維度數(shù)量中的~400%增大（四倍）。因此，對(duì)于由繪圖302和304表示的示范系統(tǒng)，與非SDM系統(tǒng)相比，在SDM系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)200%的容量增大，同時(shí)通過(guò)將系統(tǒng)帶寬從41 nm降低到19~20 nm來(lái)保持總功率消耗恒定，在SDM系統(tǒng)中提供與非SDM系統(tǒng)相比四倍的維度的數(shù)量，并且修改光學(xué)放大器中的GFF以提供降低的系統(tǒng)帶寬的平坦，以便由此例如，如圖2所示地那樣降低由GFF給予的衰減。而且，通過(guò)在SDM系統(tǒng)中將系統(tǒng)帶寬設(shè)置成30 nm或更小，并且使用兩個(gè)維度，能夠?qū)崿F(xiàn)150%或更多的容量增大。

重要的是注意雖然圖3中的繪圖302和304基于例如在圖2中繪圖202圖示的GFF衰減對(duì)帶寬的特定關(guān)系，但典型的形狀將類(lèi)似于相同的總體趨勢(shì)：從降低系統(tǒng)帶寬和GFF給予的衰減的功率節(jié)約可用來(lái)在SDM系統(tǒng)中泵浦附加的空間維度以便由此實(shí)現(xiàn)在固定的功率消耗下增大的系統(tǒng)容量。雖然通常簡(jiǎn)單的線性依賴(lài)性可被認(rèn)為在放大器輸出功率與泵浦功率之間存在，但激勵(lì)態(tài)吸收可降低用于高功率放大器的泵浦功率轉(zhuǎn)換的效率。因此，降低系統(tǒng)帶寬及因此降低光學(xué)放大器108A…108n的輸出功率的益處可導(dǎo)致大于線性功率節(jié)約。

由與非SDM系統(tǒng)中GFF的帶寬和形狀相比，降低系統(tǒng)帶寬和去除或改變放大器108A…108n中GFF的形狀產(chǎn)生的任何殘余增益形狀變化可采用例如大約光纜101的每十個(gè)跨越的沿光纜101定期放置的增益校正濾波器校正。即使GFF在每個(gè)光學(xué)放大器108A…108n中存在，增益校正濾波器通常也在非SDM系統(tǒng)中使用。因此，在系統(tǒng)100的總功率使用中已經(jīng)計(jì)及增益校正濾波器。

與本公開(kāi)一致，用于與常規(guī)非SDM系統(tǒng)相比，修改SDM系統(tǒng)100以節(jié)約功率以便在SDM系統(tǒng)中支持（例如，泵浦）不同空間維度的附加或備選途徑涉及與非SDM系統(tǒng)相比，降低在SDM系統(tǒng)100中的放大器間距。例如，圖4包含總SNR (SNR_tot)對(duì)EDFA功率的繪圖402、404，其圖示減小光學(xué)放大器間距可如何在SDM系統(tǒng)中節(jié)約功率的示例，節(jié)約的功率可用來(lái)泵浦不同空間維度。在下面的公開(kāi)中，術(shù)語(yǔ)“轉(zhuǎn)發(fā)器”(repeater)可用于指如上陳述的“光學(xué)放大器108A…108n”。

在定期放大的同質(zhì)鏈路末端的放大自發(fā)輻射(ASE)噪聲可通過(guò)以下關(guān)系近似：

其中，nf是放大器噪聲，N_s是重復(fù)的跨越數(shù)量，h是普朗克常數(shù)，ν是頻率，以及dν是其中測(cè)量噪聲的頻帶。增益g可通過(guò)以下等式表述：

其中，Ls是以km為單位的跨越長(zhǎng)度，并且α是以dB/km為單位的衰減。組合等式(3)和(4)，并且假設(shè)大的增益，導(dǎo)致ASE功率近似變成跨越長(zhǎng)度Ls的增函數(shù)：

為在鏈路的末端保持相同的SNR_tot，必須與放大自發(fā)輻射(ASE)功率成正比保持信號(hào)功率，使得如下面關(guān)系中陳述的一樣，放大器功率將具有與P_ASE對(duì)L_s相同依賴(lài)性：

P_放大器~ 　　(6)

上述關(guān)系指示降低跨越長(zhǎng)度可提供功率節(jié)約。節(jié)約的功率隨后可用來(lái)為數(shù)據(jù)傳送支持（例如，泵浦）附加空間維度，增大總系統(tǒng)容量。例如，考慮具有100 km轉(zhuǎn)發(fā)器間距（例如，100 km跨越），采用具有下面參數(shù)的光纜101的10000 km系統(tǒng)：光纖有效面積= 130 μm2，衰減0.16 dB/km。假設(shè)尼奎斯特信令（即，信道間距=符號(hào)速率，矩形信道）和以大約1 dB的固定(built in)信噪降級(jí)來(lái)表示可行硬件性能的接收器，可利用高斯噪聲(GN)方法評(píng)估性能?？傂旁氡?SNR_tot)可用作性能的量度，其中，SNR_tot可通過(guò)下面關(guān)系定義：

SNR_tot = P_信號(hào) / (P_ASE + P_NLI )，　　(7)

其中，P_信號(hào)是信號(hào)功率，P_ASE是ASE功率，以及P_NLI是非線性干擾噪聲功率。

圖4中的繪圖402是基于等式(7)，用于示例系統(tǒng)的SNR_tot對(duì)EDFA功率的繪圖。示例系統(tǒng)設(shè)計(jì)成具有以100 km跨越和~20 dBm的放大器功率的最佳性能。為進(jìn)行比較，圖4中的繪圖404是用于具有相同傳送距離，但使用50 km轉(zhuǎn)發(fā)器間距（例如，50 km跨越）的系統(tǒng)的SNR_tot對(duì)EDFA功率的繪圖。通過(guò)將間距從100km降低到50km實(shí)現(xiàn)的每轉(zhuǎn)發(fā)器的功率節(jié)約是~6dBm。由于基于轉(zhuǎn)發(fā)器間距的減小，在50 km跨越示例中轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量翻倍，因此，系統(tǒng)中的總光學(xué)功率節(jié)約為~3 dB，其直接轉(zhuǎn)換為附加光纖容量,如果該功率用來(lái)支持(例如泵浦)附加空間維度的話。

圖5圖示包含容量紅利對(duì)跨越長(zhǎng)度的繪圖502，其圖示與非SDM系統(tǒng)相比，減小光學(xué)放大器間距在與本公開(kāi)一致的SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)中如何增大容量。繪圖502示出來(lái)自將轉(zhuǎn)發(fā)器間距從在非SDM系統(tǒng)中使用的100 km跨越縮短到供在SDM系統(tǒng)中使用的50 km跨越的總?cè)萘恳嫣?。如所示，通過(guò)與常規(guī)非SDM系統(tǒng)相比，縮短SDM系統(tǒng)的接收器間距實(shí)現(xiàn)的功率節(jié)約可用來(lái)在SDM系統(tǒng)中泵浦附加的空間維度，以便由此實(shí)現(xiàn)增大的系統(tǒng)容量。

與本公開(kāi)一致，用于與常規(guī)非SDM系統(tǒng)相比，修改SDM系統(tǒng)100以節(jié)約功率以便在SDM系統(tǒng)中支持（例如，泵浦）不同空間維度的附加或備選途徑涉及配置SDM系統(tǒng)在低于峰值性能操作。典型的傳送系統(tǒng)可設(shè)計(jì)成在性能的峰值或在其附近操作，其可基于在ASE噪聲累積與非線性干擾噪聲之間的相互作用來(lái)確定。圖6A包含SNR_tot對(duì)相對(duì)于最佳信號(hào)功率(Popt)的信號(hào)功率(P)（即，P-Popt）的繪圖602和604。繪圖602是用于仿真非SDM系統(tǒng)的典型性能曲線，并且繪圖604是圖示非SDM系統(tǒng)的仿真線性性能（即，系統(tǒng)的性能如果系統(tǒng)未產(chǎn)生非線性干擾(NLI)噪聲的話）的繪圖。在繪圖602中，SNR_tot用作性能的量度，包含在下面等式中的ASE和NLI噪聲：

其中，P_sig是信號(hào)功率，P_ASE是在ASE噪聲中的功率，并且PNLI是在NLI噪聲中的功率，η是指示在系統(tǒng)中非線性的影響的參數(shù)。在繪圖602中，設(shè)置了固定的P_ASE和η，其對(duì)應(yīng)于具有固定的設(shè)置參數(shù)的特定系統(tǒng)，其中，隨后改變信號(hào)功率P_sig以查找最佳SNR_tot。在繪圖602中，在P₀實(shí)現(xiàn)指示為SNR₀的最佳SNR_tot。在P₀的在繪圖604（線性性能）與繪圖602之間的差別是由于在P₀操作系統(tǒng)而在系統(tǒng)中給予的非線性懲罰。

在與本公開(kāi)一致的至少一個(gè)實(shí)施例中，可降低每空間維度的操作功率，以便遠(yuǎn)離性能曲線（繪圖602）的非線性部分朝向線性部分移動(dòng)。例如，如圖6A中圖示的，每空間維度的操作功率可從實(shí)現(xiàn)最佳SNR_tot，即，SNR₀的最佳功率P₀移到實(shí)現(xiàn)次最佳SNR_tot，即SNR₁的P₁。圖6B包含非線性懲罰對(duì)與圖6A中繪圖602關(guān)聯(lián)的P-P_opt的繪圖606。如所示，將P-P_opt設(shè)置在小于大約-3db導(dǎo)致可忽略的非線性懲罰，并且產(chǎn)生系統(tǒng)功率中的節(jié)約。

節(jié)約的功率隨后可用來(lái)支持在附加空間維度的傳送，每個(gè)空間維度具有比非SDM系統(tǒng)的最佳功率P₀和譜效率更低的功率和更低的譜效率。更低的譜效率根據(jù)用于無(wú)誤差傳送的Shannon理論，由SNR_tot的降低產(chǎn)生?？傊?，可根據(jù)下面等式，觀察與具有最佳性能的非SDM系統(tǒng)相比，用于SDM系統(tǒng)的容量增大κ：

其中，N_dim是在SDM系統(tǒng)中空間維度的數(shù)量，P₀是用于非SDM系統(tǒng)的功率設(shè)置，P₁是SDM系統(tǒng)中每維度的功率，SE₁是SDM系統(tǒng)的譜效率，S₀是非SDM系統(tǒng)的譜效率，SNR₁是用于SDM系統(tǒng)的SNR_tot，以及SNR₀是用于非SDM系統(tǒng)的SNR_tot。

圖7A包含總譜效率對(duì)與在線性傳送模式中操作的仿真SDM系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的P-P_opt的繪圖702，例如，與圖6A中的繪圖604一致。圖7B包含總譜效率對(duì)與在非線性傳送模式中操作的仿真SDM系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的P-P_opt的繪圖704，例如，與圖6A中的繪圖602一致。繪圖702和704包含如與圖7A和7B關(guān)聯(lián)的圖例中所指示的，與SDM系統(tǒng)中不同數(shù)量的空間維度關(guān)聯(lián)的繪圖。

在繪圖702中，來(lái)自增大數(shù)量的空間維度的益處在上面通過(guò)等式(9)根據(jù)只包含ASE噪聲（在等式8中η=0）的SNR_tot來(lái)描述。如在繪圖704中所示，由于在等式8中η≠0，系統(tǒng)中的非線性阻止譜效率隨功率的增長(zhǎng)。然而，在維度的數(shù)量增大時(shí)，繪圖704中的曲線變得更類(lèi)似于在繪圖702中的對(duì)應(yīng)曲線。此收斂實(shí)際上表示通過(guò)具有所指示的數(shù)量的空間維度的SDM，減輕了非線性效應(yīng)。

圖8A包含SDM容量紅利對(duì)與在線性傳送模式中操作的仿真SDM系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的P-P_opt的繪圖802，例如，與圖6A中的繪圖604一致。圖8B包含SDM容量紅利對(duì)與在非線性傳送模式中操作的仿真SDM系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的P-P_opt的繪圖804，例如，與圖6A中的繪圖602一致。繪圖802和804包含如與圖8A和8B關(guān)聯(lián)的圖例中所指示的，與SDM系統(tǒng)中不同數(shù)量的空間維度關(guān)聯(lián)的繪圖。

在繪圖802中，來(lái)自增大數(shù)量的空間維度的容量紅利在上面通過(guò)等式(9)根據(jù)只包含ASE噪聲（在等式8中η=0）的SNR_tot來(lái)描述。如在繪圖804中所示，由于在等式8中η≠0，系統(tǒng)中的非線性阻止譜效率隨功率的增長(zhǎng)。重要的是注意，在非線性情形中采用更高數(shù)量的維度（繪圖804），容量紅利的值接近與理想線性傳送關(guān)聯(lián)的級(jí)別（繪圖802）。這指示通過(guò)在SDM系統(tǒng)中使用足夠大數(shù)量的維度，可減輕非線性的效應(yīng)。

雖然功率受限的系統(tǒng)在本文中用作示例，但在每個(gè)特定使用情況中存在可能的折衷，并且這些結(jié)果用作關(guān)于可預(yù)期情況的準(zhǔn)則。由于非線性的SDM減輕，原則上通過(guò)使用如果可用的更高功率，能夠?qū)崿F(xiàn)更高容量，這在單維中基本上不能進(jìn)行。另一重要點(diǎn)是參照?qǐng)D7A-B和/或8A-B描述的可用功率的增大可等效地視為系統(tǒng)非線性級(jí)別的增大，這也可通過(guò)諸如有效面積、非線性索引和彌散的光纖有關(guān)參數(shù)來(lái)表征。因此，圖8中的結(jié)果可根據(jù)有利于降低對(duì)那些關(guān)鍵參數(shù)的要求的光纖設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)解釋?zhuān)@可導(dǎo)致光纖成本降低或者可制造性中的改進(jìn)。

圖9圖示與本公開(kāi)一致，用于具有增大的容量的受限的功率光學(xué)通信的示例操作。在操作900中，可提供SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)。SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)可例如包括光纜、空間復(fù)用器、多個(gè)光學(xué)放大器及空間去復(fù)用器。在操作902中，可構(gòu)建SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)的構(gòu)造可包括耦合到光纜的空間復(fù)用器、多個(gè)光學(xué)放大器和空間去復(fù)用器。

隨后，在操作904中，可配置SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)。操作904A到904C提供不同特性的示例，這些特性可在SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)中配置以釋放可用功率（例如，其可在諸如海底光學(xué)通信的使用情況中受到限制）供在支持可增大容量的附加空間維度中使用。在操作904A中，可配置（例如，降低）SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)的系統(tǒng)帶寬。在操作904B中，可配置（例如，降低）SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)中多個(gè)光學(xué)放大器的間距。在操作904C中，可配置（例如，降低）多個(gè)光學(xué)放大器操作所處的功率級(jí)。在操作906中，可操作SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)，其中，可至少將功率供應(yīng)到多個(gè)光學(xué)放大器，并且可生成至少一個(gè)SDM光學(xué)傳送（例如，用于在SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)中的傳送）。

雖然圖9示出根據(jù)實(shí)施例的各種操作，但要理解的是，對(duì)于其它實(shí)施例，圖9所描繪的所有操作并非是必需的。實(shí)際上，本文中完全考慮了在本公開(kāi)的其它實(shí)施例中，圖9所描繪的操作和/或本文中描述的其它操作可以以任何圖形中未明確示出的方式組合，但仍與本公開(kāi)完全一致。因此，涉及在一個(gè)圖形中未確切示出的特征和/或操作的權(quán)利要求被認(rèn)為是在本公開(kāi)的范圍和內(nèi)容內(nèi)。

如本申請(qǐng)中和權(quán)利要求中所使用的，通過(guò)術(shù)語(yǔ)“和/或”結(jié)合的項(xiàng)目列表能夠意味著所列項(xiàng)目的任何組合。例如，短語(yǔ)“A、B和/或C”能夠意味著A;B;C;A和B;A和C;B和C或A、B和C。如本申請(qǐng)中和權(quán)利要求中所使用的，通過(guò)術(shù)語(yǔ)“至少一個(gè)”結(jié)合的項(xiàng)目列表可意味著所列項(xiàng)目的任何組合。例如，短語(yǔ)“A、B或C中的至少一個(gè)”能夠意味著A;B;C;A和B;A和C;B和C或A、B和C。

如本文中所使用的術(shù)語(yǔ)“耦合”指任何連接、耦合、鏈接或諸如此類(lèi)，通過(guò)其將由一個(gè)系統(tǒng)元素?cái)y帶的信號(hào)給予到“耦合的”元素。此類(lèi)“耦合”裝置或信號(hào)和裝置不一定直接相互連接，并且可由可操縱或修改此類(lèi)信號(hào)的中間組件或裝置分隔。同樣地，關(guān)于機(jī)械或物理連接或耦合而如本文中所使用的術(shù)語(yǔ)“連接”或“耦合”是相對(duì)術(shù)語(yǔ)，并且不要求直接物理連接。

本文中所述任何操作可在包含一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)媒介（例如，非暫時(shí)性存儲(chǔ)媒介）的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，存儲(chǔ),經(jīng)上個(gè)別或組合存儲(chǔ)在由一個(gè)或更多個(gè)處理器運(yùn)行時(shí)執(zhí)行方法的指令。此處，處理器例如可包括服務(wù)器CPU、移動(dòng)裝置CPU和/或其它可編程電路系統(tǒng)。而且，預(yù)期本文中所述操作可跨諸如在多于一個(gè)不同物理位置處的處理結(jié)構(gòu)的多個(gè)物理裝置分布。存儲(chǔ)媒介可包含任何類(lèi)型的有形媒介，例如任何類(lèi)型的盤(pán)，包含硬盤(pán)、軟盤(pán)、光盤(pán)、壓縮盤(pán)只讀存儲(chǔ)器(CD-ROM)、可重寫(xiě)壓縮盤(pán)(CD-RW)及磁光盤(pán)、半導(dǎo)體裝置例如只讀存儲(chǔ)器(ROM)、諸如動(dòng)態(tài)和靜態(tài)RAM的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、可擦除編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)、電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)、閃速存儲(chǔ)器、固態(tài)磁盤(pán)(SSD)、嵌入式多媒體卡(eMMC)、安全數(shù)字輸入/輸出(SDIO)卡、磁卡或光學(xué)卡或適用于存儲(chǔ)電子指令的任何類(lèi)型的媒體。其它實(shí)施例可實(shí)現(xiàn)為由可編程控制裝置運(yùn)行的軟件模塊。

因此，本公開(kāi)涉及具有增大的容量的受限的功率的光學(xué)通信。通常，SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)可重新配置成增大數(shù)據(jù)容量超過(guò)現(xiàn)有非SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容量，同時(shí)保持功率消耗在現(xiàn)有非SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)的功率消耗或低于該功率消耗。為實(shí)現(xiàn)性能的此種改進(jìn)而不增大功率消耗，示例SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)可利用包含多芯光纖的光纜，總傳送負(fù)擔(dān)可在多芯光纖內(nèi)細(xì)分，其中每個(gè)光芯可視為 “維度”。多維度SDM有利于進(jìn)行修改例如降低系統(tǒng)帶寬，降低和/或變更用于濾波的設(shè)備，降低光學(xué)放大器間距，降低操作放大器功率消耗等所需要的附加范圍(latitude)。以這種方式，甚至在可嚴(yán)格限制可用功率的情況下，可實(shí)現(xiàn)增大的數(shù)據(jù)傳送性能。

根據(jù)一方面，提供了一種用于構(gòu)建空分復(fù)用(SDM)光學(xué)傳送系統(tǒng)的方法，該SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)具有與非SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)相同的可用功率量，但具有更高的每光纖的傳送容量，方法包含：提供具有多個(gè)空間維度的光纜；提供配置成在多個(gè)空間維度上復(fù)用調(diào)制的光學(xué)信號(hào)的空間復(fù)用器；提供多個(gè)光學(xué)放大器，每個(gè)光學(xué)放大器配置用于放大多個(gè)空間維度；提供空間去復(fù)用器；將空間復(fù)用器、多個(gè)光學(xué)放大器和空間去復(fù)用器耦合到光纜；以及配置SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)以基于與非SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)相同的可用功率量將SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)的傳送容量增大超出非SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)的傳送容量。

根據(jù)另一方面，提供了一種用于操作空分復(fù)用(SDM)光學(xué)傳送系統(tǒng)的方法，該SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)具有與非SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)相同的可用功率量，但具有更高的每光纖的傳送容量，方法包含：提供包括具有多個(gè)空間維度的光纜的SDM光學(xué)系統(tǒng)，而耦合到光纜的是配置成在多個(gè)空間維度上復(fù)用調(diào)制的光學(xué)信號(hào)的空間復(fù)用器、多個(gè)光學(xué)放大器(每個(gè)光學(xué)放大器配置用于放大多個(gè)空間維度)及空間去復(fù)用器；供應(yīng)功率到SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)中的多個(gè)光學(xué)放大器，供應(yīng)的功率基于與在非SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)中可用的可用功率量相同的在SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)中的可用功率量；以及在光纖中生成至少一個(gè)SDM光學(xué)傳送，該至少一個(gè)SDM光學(xué)傳送與在非SDM光學(xué)傳送系統(tǒng)中的光學(xué)傳送相比具有更高的每光纖的傳送容量。

根據(jù)另一方面，提供了一種構(gòu)建功率受限的空分復(fù)用(SDM)光學(xué)傳送系統(tǒng)的方法，包含：通過(guò)下列來(lái)節(jié)約功率用于泵浦用于放大在SDM系統(tǒng)中的多個(gè)空間維度的多個(gè)光學(xué)放大器：將用于SDM系統(tǒng)的系統(tǒng)帶寬設(shè)置成30 nm或更小，或者將用于多個(gè)光學(xué)放大器的功率級(jí)設(shè)置成小于實(shí)現(xiàn)最佳信噪比所處的最佳功率級(jí)。

雖然本發(fā)明的原理已在本文中描述，但由本領(lǐng)域技術(shù)人員要理解，此描述只是作為示例，并且不是作為有關(guān)本發(fā)明的范圍的限制來(lái)進(jìn)行。除本文中所示和所述的示范實(shí)施例外，其它實(shí)施例也考慮在本發(fā)明的范圍內(nèi)。由本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)行的修改和替代被視為在只由下面權(quán)利要求書(shū)限制的本發(fā)明的范圍內(nèi)。