モード合分波器、光送受信装置及び光通信システム
【課題】本発明は、モードの合波の精度を良くし、合波時の損失を低減し、既存のファイバデバイスを用いてモード多重伝送を実現することを目的とする。
【解決手段】本発明は、第ｎ１次モード（ｎ１は正の整数）を有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モード（ｍは正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第１導波路１１と、第１導波路１１の第（ｎ１＋ｍ）次モードと結合可能である第ｎ２次モード（ｎ２は正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第２導波路１２と、第２導波路１２が伝搬する第ｎ２次モードを有する光信号を、第１導波路１１の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号に変換し、第１導波路１１が伝搬する第ｎ１次モードを有する光信号に、変換後の第１導波路１１の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を合波するモード合波部と、を備えることを特徴とするモード合波器である。
【解決手段】本発明は、第ｎ１次モード（ｎ１は正の整数）を有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モード（ｍは正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第１導波路１１と、第１導波路１１の第（ｎ１＋ｍ）次モードと結合可能である第ｎ２次モード（ｎ２は正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第２導波路１２と、第２導波路１２が伝搬する第ｎ２次モードを有する光信号を、第１導波路１１の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号に変換し、第１導波路１１が伝搬する第ｎ１次モードを有する光信号に、変換後の第１導波路１１の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を合波するモード合波部と、を備えることを特徴とするモード合波器である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチモード光ファイバを利用する光通信システムにおいて、複数のモードを有する光信号の生成又は分波を行なう技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光ファイバネットワークにおけるトラフィックは増大しており、伝送高速度化や多値変調技術や波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）など、様々な手法を用いて伝送容量の拡大を図ってきた。しかしながら、既設の伝送路や従来の伝送方式を用いた伝送容量の拡大が将来的に困難になると予想されるため、波長領域の拡大、新たな伝送ファイバや伝送方式が検討されている。
【０００３】
波長領域を拡大する方法として、現在利用されていない波長帯を利用して、広波長域のＷＤＭを実現して、伝送容量を拡大する検討もなされている。しかしながら、伝送損失が波長帯により異なるため、使用できる波長帯は限定されると考えられる。さらに、広波長域にわたり増幅が可能な光増幅器も実現が困難であるため、広波長域のＷＤＭを実現するためには多くの課題がある。
【０００４】
新たな伝送ファイバに関しては、非特許文献１では、ファイバ非線形による波形歪を抑圧するために、実効断面積（Ａｅｆｆ）を拡大できるファイバ構造が提案されている。ファイバ非線形の抑圧は、ファイバへ入力できる入力パワーの増加につながり、伝送高速度化や更なる多値化を可能にするなど、優位性を得られる。しかし、Ａｅｆｆの拡大は単一モード動作を前提としており、曲げ損失と単一モード動作がトレードオフの関係にあるため、Ａｅｆｆの大幅な拡大が困難という課題がある。
【０００５】
新たな伝送方式に関しては、非特許文献２では、無線の伝送方式において周波数利用効率を向上させるために利用されている直交した周波数成分を利用するＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）が、非特許文献３では、マルチモード光ファイバを適用するＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）が、検討されている。しかし、送受信器において複雑な信号処理を必要とするため、演算処理の高速化などの課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２８８９１１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｔ．Ｍａｔｓｕｉ，Ｔ．Ｓａｋａｍｏｔｏ，Ｋ．Ｔｓｕｊｉｋａｗａ ａｎｄ Ｓ．Ｔｏｍｏｔａ，“Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｂｅｎｄｉｎｇ ｌｏｓｓ ａｎｄ Ａｅｆｆ ｏｆ ＞ ２００μｍ２ ｆｏｒ ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ＷＤＭ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，” ＯＦＣ２０１０，ＰＤＰＡ２ （２０１０）．
【非特許文献２】Ｂｅｎｎ Ｃ．Ｔｈｏｍｓｅｎ，“ＭＩＭＯ ｅｎａｂｌｅｄ ４０Ｇｂ／ｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｍｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｉｎ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ，” ＯＦＣ２０１０，ＯＴｈＭ６ （２０１０）．
【非特許文献３】Ｃ．Ｐ．Ｔｓｅｋｒｅｋｏｓ ａｎｄ Ａ．Ｍ．Ｊ．Ｋｏｏｎｅｎ，“Ｍｏｄｅ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｓｐａｔｉａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ｉｎ ａ ｍｏｄｅ ｇｒｏｕｐ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｌｉｎｋ，” Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．３２，１０４１−１０４３ （２００７）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１では、光ファイバの伝搬モードを利用した多重方法が提案されている。しかし、所望の高次モードを励振する方法が提案されておらず、単一波長で利用することを前提としているため、大容量化の実現が困難という課題がある。
【０００９】
非特許文献３では、光ファイバの伝搬モードを利用するためのモード合分波器が提案されている。ここで、光ファイバでの励振位置をモードごとに異ならせることによりモード結合を行ない、光ファイバでの受信位置をモードごとに異ならせることによりモード分離を行なう。つまり、精度の良いモードの合分波方法及び多数のモードの多重・分離方法が提案されていないため、多重信号間の損失やクロストークが存在することから、構成が複雑になり長距離大容量伝送の実現が困難という課題がある。
【００１０】
特許文献１及び非特許文献３では、伝搬モードが複数存在する光ファイバを利用して、光ファイバの伝搬モードそれぞれをキャリアとして利用するモード多重伝送において、既存のファイバデバイスは基本モードでの動作が前提であるため、既存のファイバデバイスをそのまま用いてモード多重伝送を実現することは困難である。
【００１１】
そこで、前記課題を解決するために、本発明は、モードの合波や分波の精度を良くし、合波時の損失や分波時のクロストークを低減し、既存のファイバデバイスを用いてモード多重伝送を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、モード合分波器において、第１導波路は、第ｎ１次モードを有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モード（ｎ１及びｍは正の整数）を有する光信号を伝搬可能であり、第２導波路は、第ｎ２次モード（ｎ２は正の整数）を有する光信号を伝搬可能であり、第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モード及び第２導波路の第ｎ２次モードが結合可能であるようにした。
【００１３】
モード合波時には、第１導波路が第ｎ１次モードを有する光信号を入力され、第２導波路が第ｎ２次モードを有する光信号を入力され、第１導波路が第ｎ１次モード及び第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を出力するようにした。
【００１４】
モード分波時には、第１導波路が第ｎ１次モード及び第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を入力され、第２導波路が第ｎ２次モードを有する光信号を出力し、第１導波路が第ｎ１次モードを有する光信号を出力するようにした。
【００１５】
具体的には、本発明は、第ｎ１次モード（ｎ１は正の整数）を有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モード（ｍは正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第１導波路と、前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードと結合可能である第ｎ２次モード（ｎ２は正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第２導波路と、前記第２導波路が伝搬する第ｎ２次モードを有する光信号を、前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号に変換し、前記第１導波路が伝搬する第ｎ１次モードを有する光信号に、変換後の前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を合波するモード合波部と、を備えることを特徴とするモード合波器である。
【００１６】
この構成によれば、モードの合波の精度を良くし、合波時の損失を低減するモード合波器を提供することができる。
【００１７】
また、本発明は、ｎ１＝ｎ２であることを特徴とするモード合波器である。
【００１８】
また、本発明は、ｎ１＝ｎ２＝１であり、第ｎ１次モード及び第ｎ２次モードは基本モードであることを特徴とするモード合波器である。
【００１９】
この構成によれば、第１導波路及び第２導波路は共通して同一モード例えば基本モードを有する光信号を入力するため、同一モード例えば基本モードを有する光信号を出力する既存の送信機を用いてモード多重伝送を実現することができる。
【００２０】
また、本発明は、第ｎ１次モード（ｎ１は正の整数）を有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モード（ｍは正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第１導波路と、前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードと結合可能である第ｎ２次モード（ｎ２は正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第２導波路と、前記第１導波路が伝搬する第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を、前記第２導波路の第ｎ２次モードを有する光信号に変換し、前記第１導波路が伝搬する第ｎ１次モードを有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号から、変換後の前記第２導波路の第ｎ２次モードを有する光信号を分波するモード分波部と、を備えることを特徴とするモード分波器である。
【００２１】
この構成によれば、モードの分波の精度を良くし、分波時のクロストークを低減するモード分波器を提供することができる。
【００２２】
また、本発明は、ｎ１＝ｎ２であることを特徴とするモード分波器である。
【００２３】
また、本発明は、ｎ１＝ｎ２＝１であり、第ｎ１次モード及び第ｎ２次モードは基本モードであることを特徴とするモード分波器である。
【００２４】
この構成によれば、第１導波路及び第２導波路は共通して同一モード例えば基本モードを有する光信号を出力するため、同一モード例えば基本モードを有する光信号を入力する既存の受信機を用いてモード多重伝送を実現することができる。
【００２５】
また、本発明は、モード合波器と、前記第１導波路に第ｎ１次モードを有する光信号を出力する第１送信機と、前記第２導波路に第ｎ２次モードを有する光信号を出力する第２送信機と、を備えることを特徴とする光送信装置である。
【００２６】
この構成によれば、モードの合波の精度を良くし、合波時の損失を低減し、同一モード例えば基本モードを有する光信号を出力する既存の送信機を用いてモード多重伝送を実現する光送信装置を提供することができる。
【００２７】
また、本発明は、モード分波器と、前記第１導波路から第ｎ１次モードを有する光信号を入力される第１受信機と、前記第２導波路から第ｎ２次モードを有する光信号を入力される第２受信機と、を備えることを特徴とする光受信装置である。
【００２８】
この構成によれば、モードの分波の精度を良くし、分波時のクロストークを低減し、同一モード例えば基本モードを有する光信号を入力する既存の受信機を用いてモード多重伝送を実現する光受信装置を提供することができる。
【００２９】
また、本発明は、光送信装置と、光受信装置と、前記光送信装置及び前記光受信装置を接続し、前記第１導波路の第ｎ１次モードを有する光信号及び前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を伝送するマルチモード光ファイバと、を備えることを特徴とする光通信システムである。
【００３０】
この構成によれば、モードの合波や分波の精度を良くし、合波時の損失や分波時のクロストークを低減し、同一モード例えば基本モードを有する光信号を入出力する既存の送受信機を用いてモード多重伝送を実現する光通信システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明は、モードの合波や分波の精度を良くし、合波時の損失や分波時のクロストークを低減し、既存のファイバデバイスを用いてモード多重伝送を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施形態１のモード合分波器の構成を示す図である。
【図２】実施形態２のモード合分波器の構成を示す図である。
【図３】実施形態２における比屈折率差及び導波路幅の関係を示す図である。
【図４】実施形態２における比屈折率差及び相互作用長の関係を示す図である。
【図５】実施形態２における使用波長及び規格化透過率の関係を示す図である。
【図６】実施形態２のモード合分波器の設計方法を示す図である。
【図７】実施形態３のモード合分波器の構成を示す図である。
【図８】実施形態４の光通信システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００３４】
（実施形態１）
実施形態１のモード合分波器の構成を図１に示す。モード合分波器１は、第１導波路１１及び第２導波路１２から構成される。第１導波路１１は、第ｎ１次モード（ｎ１は正の整数）を有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モード（ｍは正の整数）を有する光信号を伝搬可能である。第２導波路１２は、第ｎ２次モード（ｎ２は正の整数）を有する光信号を伝搬可能である。第１導波路１１の第（ｎ１＋ｍ）次モード及び第２導波路１２の第ｎ２次モードは、結合可能であり、このことについて説明する。
【００３５】
図１の下側は、第１導波路１１及び第２導波路１２において、実際の屈折率を実線で示し、各モードの実効屈折率を破線で示す。実際の屈折率は、第１導波路１１及び第２導波路１２のコア部分で大きくなり、第１導波路１１及び第２導波路１２のクラッド部分で小さくなる。第１導波路１１の第（ｎ１＋ｍ）次モードの実効屈折率は、第２導波路１２の第ｎ２次モードの実効屈折率とほぼ一致し、第１導波路１１の第ｎ１次モードの実効屈折率より小さい。よって、第１導波路１１の第（ｎ１＋ｍ）次モード及び第２導波路１２の第ｎ２次モードは、位相整合が図られて結合可能である。
【００３６】
モード合分波器１がモード合波器として機能する場合について説明する。図１の左側が入力側であり、図１の右側が出力側である。第１導波路１１は、第ｎ１次モードを有する光信号を入力される。第２導波路１２は、第ｎ２次モードを有する光信号を入力される。第１導波路１１及び第２導波路１２が並行するモード合波部では、第２導波路１２が伝搬する第ｎ２次モードを有する光信号を、第１導波路１１の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号に変換し、第１導波路１１が伝搬する第ｎ１次モードを有する光信号に、変換後の第１導波路１１の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を合波する。このように、第ｎ１次モード及び第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号が、モード合波されている。
【００３７】
本発明では、非特許文献３と異なり、光ファイバでの励振位置をモードごとに異ならせてモード結合を行なうことはなく、第１導波路１１及び第２導波路１２の相互間で、異なるモード間の結合を図ることによりモード合波を行なう。よって、モードの合波の精度を良くし、合波時の損失を低減するモード合波器を提供することができる。
【００３８】
モード合波時において、ｎ１＝ｎ２であってもよく、ｎ１＝ｎ２＝１であり、第ｎ１次モード及び第ｎ２次モードは基本モードであってもよい。このときには、第１導波路１１及び第２導波路１２は共通して同一モード例えば基本モードを有する光信号を入力するため、同一モード例えば基本モードを有する光信号を出力する既存の送信機を用いてモード多重伝送を実現することができる。実施形態２−４では、ｎ１＝ｎ２＝１であり、第ｎ１次モード及び第ｎ２次モードは基本モードであるとして、説明を行なう。
【００３９】
モード合分波器１がモード分波器として機能する場合について説明する。図１の右側が入力側であり、図１の左側が出力側である。第１導波路１１は、第ｎ１次モード及び第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を入力される。第１導波路１１及び第２導波路１２が並行するモード分波部では、第１導波路１１が伝搬する第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を、第２導波路１２の第ｎ２次モードを有する光信号に変換し、第１導波路１１が伝搬する第ｎ１次モードを有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号から、変換後の第２導波路１２の第ｎ２次モードを有する光信号を分波する。このように、第ｎ１次モード及び第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号が、モード分波されている。
【００４０】
本発明では、非特許文献３と異なり、光ファイバでの受信位置をモードごとに異ならせてモード分離を行なうことはなく、第１導波路１１及び第２導波路１２の相互間で、異なるモード間の結合を図ることによりモード分波を行なう。よって、モードの分波の精度を良くし、分波時のクロストークを低減するモード分波器を提供することができる。
【００４１】
モード分波時において、ｎ１＝ｎ２であってもよく、ｎ１＝ｎ２＝１であり、第ｎ１次モード及び第ｎ２次モードは基本モードであってもよい。このときには、第１導波路１１及び第２導波路１２は共通して同一モード例えば基本モードを有する光信号を出力するため、同一モード例えば基本モードを有する光信号を入力する既存の受信機を用いてモード多重伝送を実現することができる。実施形態２−４では、ｎ１＝ｎ２＝１であり、第ｎ１次モード及び第ｎ２次モードは基本モードであるとして、説明を行なう。
【００４２】
（実施形態２）
実施形態２のモード合分波器の構成を図２に示す。モード合分波器１は、第１導波路１１及び第２導波路１２から構成される。第１導波路１１の第１高次モード及び第２導波路１２の基本モードは、結合可能である。モード合波時には、実施形態１と同様に、第１導波路１１及び第２導波路１２に基本モードを有する光信号が入力され、第１導波路１１から基本モード及び第１高次モードを有する光信号が出力される。モード分波時には、実施形態１と同様に、第１導波路１１に基本モード及び第１高次モードを有する光信号が入力され、第１導波路１１及び第２導波路１２から基本モードを有する光信号が出力される。
【００４３】
図２の下側は、第１導波路１１及び第２導波路１２において、実際の屈折率の分布を示す。第１導波路１１及び第２導波路１２のコア部分の屈折率はｎ１であり、第１導波路１１及び第２導波路１２のクラッド部分の屈折率はｎ０であり、比屈折率差はΔ＝（ｎ１２−ｎ０２）／（２ｎ１２）である。伝搬の方向に垂直な面内で、第１導波路１１の断面形状は、幅がｗ１であり高さがｈ（＝ｗ２）である矩形形状であり、第２導波路１２の断面形状は、幅がｗ２であり高さがｈ（＝ｗ２）である矩形形状である。伝搬の方向に垂直な面内で、第１導波路１１及び第２導波路１２の相互間の導波路間隔はｇであり、伝搬の方向で、第１導波路１１及び第２導波路１２が並行する相互作用長はＬである。
【００４４】
第２導波路１２についてのｗ２、ｈ、Δは、使用波長帯において基本モードのみが存在するように設定される。第１導波路１１についてのｗ１、ｈ、Δは、使用波長帯において基本モード及び第１高次モードが存在し、第１導波路１１の第１高次モード及び第２導波路１２の基本モードが結合するように設定される。ｇは結合効率が高くなるように狭めに設定されて、Ｌは結合効率が高くなるように長めに設定される。
【００４５】
実施形態２における比屈折率差及び導波路幅の関係を図３に示す。使用波長帯は、１４５０ｎｍ以上を想定している。図３に示した比屈折率差の範囲内では、第１導波路１１の幅は第２導波路１２の幅のおよそ２．６倍とすればよいことが分かる。
【００４６】
実施形態２における比屈折率差及び相互作用長の関係を図４に示す。相互作用長は、導波路間隔が２μｍと３μｍであるときに、結合効率が所望効率になるよう計算した。相互作用長は、ｘ偏波及びｙ偏波を有する光信号が入射されるときについて計算した。第１導波路１１及び第２導波路１２の断面形状は矩形形状であるが、相互作用長の偏波依存性はほとんど認められず、モード合分波器１は偏波多重と併用して使用できることが分かる。
【００４７】
実施形態２における使用波長及び規格化透過率の関係を図５に示す。使用波長帯は、１４５０ｎｍから１６５０ｎｍまでを想定している。基本モードについての規格化透過率は、第１導波路１１に入力される基本モードを有する光信号の強度に対する、第１導波路１１から出力される基本モードを有する光信号の強度の比率である。第１高次モードについての規格化透過率は、第２導波路１２に入力される基本モードを有する光信号の強度に対する、第１導波路１１から出力される第１高次モードを有する光信号の強度の比率である。図５の上段、中段、下段では、Δ＝０．３５％、０．４５％、０．６０％である。ｇは２μｍであり、Ｌは上記のΔ及びｇに対して図４に基づき計算したものである。
【００４８】
図５のいずれの場合でも、基本モードについての規格化透過率は、全使用波長帯において１００％に近くなり、第１高次モードについての規格化透過率は、全使用波長帯において９０％を超えている。図５のいずれの場合でも、基本モード及び第１高次モードについての規格化透過率は、全使用波長帯において偏波依存性はほとんど認められない。
【００４９】
実施形態２のモード合分波器の設計方法を図６に示す。第２導波路１２について、Δ及びｗ２を決定する（ステップＳ１）。第２導波路１２において、使用波長帯で単一モードのみが存在するかどうかを確認する（ステップＳ２）。ステップＳ２においてＹＥＳであれば、ステップＳ３に進む。ステップＳ２においてＮＯであれば、ステップＳ１に戻り、第２導波路１２について、Δ及びｗ２を再度決定する。ステップＳ１、Ｓ２において、有限要素法などの導波路解析を適用することができる。
【００５０】
第１導波路１について、ｗ１を決定する（ステップＳ３）。第１導波路１１の第１高次モードと第２導波路１２の基本モードが結合可能であるかどうかを確認する（ステップＳ４）。ステップＳ４においてＹＥＳであれば、ステップＳ５に進む。ステップＳ４においてＮＯであれば、ステップＳ３に戻り、第１導波路１について、ｗ１を再度決定する。ステップＳ３、Ｓ４において、有限要素法などの導波路解析を適用することができる。
【００５１】
ｇとＬを決定する（ステップＳ５）。所望の結合効率が得られるかどうかを確認する（ステップＳ６）。ステップＳ６においてＹＥＳであれば、設計を終了する。ステップＳ６においてＮＯであれば、ステップＳ５に戻り、ｇとＬを再度決定する。ステップＳ５、Ｓ６において、ビーム伝搬法などの伝搬解析を適用することができる。
【００５２】
第２導波路１２の屈折率分布及び断面形状は、使用波長において基本モードのみが存在するならば、図２の下側に示した屈折率分布及び断面形状に限られない。第１導波路１１の屈折率分布及び断面形状は、使用波長において基本モード及び第１高次モードが存在し、第１導波路１１の第１高次モード及び第２導波路１２の基本モードが結合するならば、図２の下側に示した屈折率分布及び断面形状に限られない。
【００５３】
（実施形態３）
実施形態３のモード合分波器の構成を図７に示す。モード合分波器１は、モード合分波器１−１及びモード合分波器１−２を縦列に配置する。モード合分波器１−１は、第１導波路１１−１及び第２導波路１２−１から構成される。モード合分波器１−２は、第１導波路１１−２及び第２導波路１２−２から構成される。第１導波路１１−１及び第１導波路１１−２は、相互に接続されている。第１導波路１１−１の第１高次モード及び第２導波路１２−１の基本モードは、結合可能である。第１導波路１１−２の第２高次モード及び第２導波路１２−２の基本モードは、結合可能である。
【００５４】
モード合波時について説明する。まずモード合分波器１−１において、第１導波路１１−１及び第２導波路１２−１に基本モードを有する光信号が入力され、第１導波路１１−１から基本モード及び第１高次モードを有する光信号が出力される。次にモード合分波器１−２において、第１導波路１１−２に基本モード及び第１高次モードを有する光信号が入力され、第２導波路１２−２に基本モードを有する光信号が入力され、第１導波路１１−２から基本モード、第１高次モード及び第２高次モードを有する光信号が出力される。
【００５５】
モード分波時について説明する。まずモード合分波器１−２において、第１導波路１１−２に基本モード、第１高次モード及び第２高次モードを有する光信号が入力され、第２導波路１２−２から基本モードを有する光信号が出力され、第１導波路１１−２から基本モード及び第１高次モードを有する光信号が出力される。次にモード合分波器１−１において、第１導波路１１−１に基本モード及び第１高次モードを有する光信号が入力され、第２導波路１２−１から基本モードを有する光信号が出力され、第１導波路１１−１から基本モードを有する光信号が出力される。
【００５６】
図７の左下は、第１導波路１１−１及び第２導波路１２−１において、実際の屈折率の分布を示す。第１導波路１１−１及び第２導波路１２−１のコア部分の屈折率はｎ１であり、第１導波路１１−１及び第２導波路１２−１のクラッド部分の屈折率はｎ０である。伝搬の方向に垂直な面内で、第１導波路１１−１の断面形状は、幅がｗ１であり高さがｈ（＝ｗ２）である矩形形状であり、第２導波路１２−１の断面形状は、幅がｗ２であり高さがｈ（＝ｗ２）である矩形形状である。伝搬の方向に垂直な面内で、第１導波路１１−１及び第２導波路１２−１の相互間の導波路間隔はｇ１であり、伝搬の方向で、第１導波路１１−１及び第２導波路１２−１が並行する相互作用長はＬ１である。
【００５７】
図７の右下は、第１導波路１１−２及び第２導波路１２−２において、実際の屈折率の分布を示す。第１導波路１１−２及び第２導波路１２−２のコア部分の屈折率はｎ１であり、第１導波路１１−２及び第２導波路１２−２のクラッド部分の屈折率はｎ０である。伝搬の方向に垂直な面内で、第１導波路１１−２の断面形状は、幅がｗ１であり高さがｈ（＝ｗ２）である矩形形状であり、第２導波路１２−２の断面形状は、幅がｗ３であり高さがｈ（＝ｗ２）である矩形形状である。伝搬の方向に垂直な面内で、第１導波路１１−２及び第２導波路１２−２の相互間の導波路間隔はｇ２であり、伝搬の方向で、第１導波路１１−２及び第２導波路１２−２が並行する相互作用長はＬ２である。
【００５８】
実施形態３における第１導波路１１−１、第２導波路１２−１、第１導波路１１−２及び第２導波路１２−２の屈折率分布及び断面形状は、実施形態２における第１導波路１１及び第２導波路１２の屈折率分布及び断面形状と同様に、設定すればよい。
【００５９】
（実施形態４）
実施形態４の光通信システムの構成を図８に示す。光通信システムは、光送信装置Ｔ、マルチモード光ファイバＦ及び光受信装置Ｒから構成される。光送信装置Ｔは、モード合波器１Ｍ及び以下に説明する第１送信機及び第２送信機から構成される。光受信装置Ｒは、モード分波器１Ｄ及び以下に説明する第１受信機及び第２受信機から構成される。
【００６０】
モード合波器１Ｍとして、実施形態２のモード合分波器１を適用する。第１送信機は、第１導波路１１に基本モードを有する光信号を出力する。第２送信機は、第２導波路１２に基本モードを有する光信号を出力する。送信機が３個配置されるときには、モード合波器１Ｍとして、実施形態３のモード合分波器１を適用すればよく、送信機がＮ個配置されるときには、モード合波器１Ｍとして、実施形態２のモード合分波器１を（Ｎ−１）個縦列に配置したものを適用すればよい。
【００６１】
モード分波器１Ｄとして、実施形態２のモード合分波器１を適用する。第１受信機は、第１導波路１１から基本モードを有する光信号を入力する。第２受信機は、第２導波路１２から基本モードを有する光信号を入力する。受信機が３個配置されるときには、モード分波器１Ｄとして、実施形態３のモード合分波器１を適用すればよく、受信機がＮ個配置されるときには、モード分波器１Ｄとして、実施形態２のモード合分波器１を（Ｎ−１）個縦列に配置したものを適用すればよい。
【００６２】
第１送信機及び第２送信機は、使用波長λ１〜λＮを利用する波長多重方式及びｘ、ｙ偏波を利用する偏波多重方式を併用する。ただし、第１送信機及び第２送信機は、多重方式を適用しなくてもよく、モード多重方式以外のどのような多重方式を適用してもよい。
【００６３】
第１（２）送信機は、光源２１−１、・・・、２１−Ｎ（２２−１、・・・、２２−Ｎ）、及び波長合波器７１（７２）を利用して、使用波長λ１〜λＮを利用する波長多重方式を適用する。第１（２）送信機は、光分波器３１−１、・・・、３１−Ｎ（３２−１、・・・、３２−Ｎ）、偏波コントローラ５１Ｘ−１、５１Ｙ−１、・・・、５１Ｘ−Ｎ、５１Ｙ−Ｎ（５２Ｘ−１、５２Ｙ−１、・・・、５２Ｘ−Ｎ、５２Ｙ−Ｎ）、及び光合波器６１−１、・・・、６１−Ｎ（６２−１、・・・、６２−Ｎ）を利用して、ｘ、ｙ偏波を利用する偏波多重方式を適用する。第１（２）送信機は、光変調器４１Ｘ−１、４１Ｙ−１、・・・、４１Ｘ−Ｎ、４１Ｙ−Ｎ（４２Ｘ−１、４２Ｙ−１、・・・、４２Ｘ−Ｎ、４２Ｙ−Ｎ）を利用して、各波長及び各偏波を有する光信号の変調処理を実行する。
【００６４】
第１受信機及び第２受信機は、使用波長λ１〜λＮを利用する波長多重方式及びｘ、ｙ偏波を利用する偏波多重方式を併用する。ただし、第１受信機及び第２受信機は、多重方式を適用しなくてもよく、モード多重方式以外のどのような多重方式を適用してもよい。
【００６５】
第１（２）受信機は、波長分波器８１（８２）を利用して、使用波長λ１〜λＮを利用する波長多重方式を適用する。第１（２）受信機は、偏波分波器９１−１、・・・、９１−Ｎ（９２−１、・・・、９２−Ｎ）を利用して、ｘ、ｙ偏波を利用する偏波多重方式を適用する。第１（２）受信機は、受光回路１０１Ｘ−１、１０１Ｙ−１、・・・、１０１Ｘ−Ｎ、１０１Ｙ−Ｎ（１０２Ｘ−１、１０２Ｙ−１、・・・、１０２Ｘ−Ｎ、１０２Ｙ−Ｎ）を利用して、各波長及び各偏波を有する光信号の受光・復調処理を実行する。
【００６６】
第１送信機及び第２送信機は、基本モードを有する光信号を処理するのみでよく、高次モードを有する光信号を処理しなくてもよい。第１受信機及び第２受信機も、基本モードを有する光信号を処理するのみでよく、高次モードを有する光信号を処理しなくてもよい。モード合波器１Ｍ、マルチモード光ファイバＦ及びモード分波器１Ｄのみが、基本モード及び高次モードを有する光信号を処理する。よって、基本モードを有する光信号を入出力する既存の送受信機を用いて、モード多重伝送を実現することができる。
【００６７】
なお、マルチモード光ファイバＦの伝送経路中で光増幅を実行するときには、本発明のモード分波器を利用して高次モードを基本モードに変換し、基本モードを有する光信号を増幅し、本発明のモード合波器を利用して基本モードを高次モードに変換する。よって、基本モードを有する光信号を増幅する既存の光増幅器を用いて、モード多重伝送を実現することができ、長距離伝送を可能とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明に係るモード合分波器、光送受信装置及び光通信システムは、モード多重方法に適用することができるのみならず、モード多重方法及び他の多重方法（ＷＤＭ及び偏波多重など）を併用する方法に適用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１、１−１、１−２：モード合分波器
１Ｍ：モード合波器
１Ｄ：モード分波器
１１、１１−１、１１−２：第１導波路
１２、１２−１、１２−２：第２導波路
Ｔ：光送信装置
Ｒ：光受信装置
Ｆ：マルチモード光ファイバ
２１、２２：光源
３１、３２：光分波器
４１、４２：光変調器
５１、５２：偏波コントローラ
６１、６２：光合波器
７１、７２：波長合波器
８１、８２：波長分波器
９１、９２：偏波分波器
１０１、１０２：受光回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチモード光ファイバを利用する光通信システムにおいて、複数のモードを有する光信号の生成又は分波を行なう技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光ファイバネットワークにおけるトラフィックは増大しており、伝送高速度化や多値変調技術や波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）など、様々な手法を用いて伝送容量の拡大を図ってきた。しかしながら、既設の伝送路や従来の伝送方式を用いた伝送容量の拡大が将来的に困難になると予想されるため、波長領域の拡大、新たな伝送ファイバや伝送方式が検討されている。
【０００３】
波長領域を拡大する方法として、現在利用されていない波長帯を利用して、広波長域のＷＤＭを実現して、伝送容量を拡大する検討もなされている。しかしながら、伝送損失が波長帯により異なるため、使用できる波長帯は限定されると考えられる。さらに、広波長域にわたり増幅が可能な光増幅器も実現が困難であるため、広波長域のＷＤＭを実現するためには多くの課題がある。
【０００４】
新たな伝送ファイバに関しては、非特許文献１では、ファイバ非線形による波形歪を抑圧するために、実効断面積（Ａｅｆｆ）を拡大できるファイバ構造が提案されている。ファイバ非線形の抑圧は、ファイバへ入力できる入力パワーの増加につながり、伝送高速度化や更なる多値化を可能にするなど、優位性を得られる。しかし、Ａｅｆｆの拡大は単一モード動作を前提としており、曲げ損失と単一モード動作がトレードオフの関係にあるため、Ａｅｆｆの大幅な拡大が困難という課題がある。
【０００５】
新たな伝送方式に関しては、非特許文献２では、無線の伝送方式において周波数利用効率を向上させるために利用されている直交した周波数成分を利用するＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）が、非特許文献３では、マルチモード光ファイバを適用するＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）が、検討されている。しかし、送受信器において複雑な信号処理を必要とするため、演算処理の高速化などの課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２８８９１１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｔ．Ｍａｔｓｕｉ，Ｔ．Ｓａｋａｍｏｔｏ，Ｋ．Ｔｓｕｊｉｋａｗａ ａｎｄ Ｓ．Ｔｏｍｏｔａ，“Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｂｅｎｄｉｎｇ ｌｏｓｓ ａｎｄ Ａｅｆｆ ｏｆ ＞ ２００μｍ２ ｆｏｒ ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ＷＤＭ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，” ＯＦＣ２０１０，ＰＤＰＡ２ （２０１０）．
【非特許文献２】Ｂｅｎｎ Ｃ．Ｔｈｏｍｓｅｎ，“ＭＩＭＯ ｅｎａｂｌｅｄ ４０Ｇｂ／ｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｍｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｉｎ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ，” ＯＦＣ２０１０，ＯＴｈＭ６ （２０１０）．
【非特許文献３】Ｃ．Ｐ．Ｔｓｅｋｒｅｋｏｓ ａｎｄ Ａ．Ｍ．Ｊ．Ｋｏｏｎｅｎ，“Ｍｏｄｅ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｓｐａｔｉａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ｉｎ ａ ｍｏｄｅ ｇｒｏｕｐ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｌｉｎｋ，” Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．３２，１０４１−１０４３ （２００７）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１では、光ファイバの伝搬モードを利用した多重方法が提案されている。しかし、所望の高次モードを励振する方法が提案されておらず、単一波長で利用することを前提としているため、大容量化の実現が困難という課題がある。
【０００９】
非特許文献３では、光ファイバの伝搬モードを利用するためのモード合分波器が提案されている。ここで、光ファイバでの励振位置をモードごとに異ならせることによりモード結合を行ない、光ファイバでの受信位置をモードごとに異ならせることによりモード分離を行なう。つまり、精度の良いモードの合分波方法及び多数のモードの多重・分離方法が提案されていないため、多重信号間の損失やクロストークが存在することから、構成が複雑になり長距離大容量伝送の実現が困難という課題がある。
【００１０】
特許文献１及び非特許文献３では、伝搬モードが複数存在する光ファイバを利用して、光ファイバの伝搬モードそれぞれをキャリアとして利用するモード多重伝送において、既存のファイバデバイスは基本モードでの動作が前提であるため、既存のファイバデバイスをそのまま用いてモード多重伝送を実現することは困難である。
【００１１】
そこで、前記課題を解決するために、本発明は、モードの合波や分波の精度を良くし、合波時の損失や分波時のクロストークを低減し、既存のファイバデバイスを用いてモード多重伝送を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、モード合分波器において、第１導波路は、第ｎ１次モードを有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モード（ｎ１及びｍは正の整数）を有する光信号を伝搬可能であり、第２導波路は、第ｎ２次モード（ｎ２は正の整数）を有する光信号を伝搬可能であり、第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モード及び第２導波路の第ｎ２次モードが結合可能であるようにした。
【００１３】
モード合波時には、第１導波路が第ｎ１次モードを有する光信号を入力され、第２導波路が第ｎ２次モードを有する光信号を入力され、第１導波路が第ｎ１次モード及び第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を出力するようにした。
【００１４】
モード分波時には、第１導波路が第ｎ１次モード及び第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を入力され、第２導波路が第ｎ２次モードを有する光信号を出力し、第１導波路が第ｎ１次モードを有する光信号を出力するようにした。
【００１５】
具体的には、本発明は、第ｎ１次モード（ｎ１は正の整数）を有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モード（ｍは正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第１導波路と、前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードと結合可能である第ｎ２次モード（ｎ２は正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第２導波路と、前記第２導波路が伝搬する第ｎ２次モードを有する光信号を、前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号に変換し、前記第１導波路が伝搬する第ｎ１次モードを有する光信号に、変換後の前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を合波するモード合波部と、を備えることを特徴とするモード合波器である。
【００１６】
この構成によれば、モードの合波の精度を良くし、合波時の損失を低減するモード合波器を提供することができる。
【００１７】
また、本発明は、ｎ１＝ｎ２であることを特徴とするモード合波器である。
【００１８】
また、本発明は、ｎ１＝ｎ２＝１であり、第ｎ１次モード及び第ｎ２次モードは基本モードであることを特徴とするモード合波器である。
【００１９】
この構成によれば、第１導波路及び第２導波路は共通して同一モード例えば基本モードを有する光信号を入力するため、同一モード例えば基本モードを有する光信号を出力する既存の送信機を用いてモード多重伝送を実現することができる。
【００２０】
また、本発明は、第ｎ１次モード（ｎ１は正の整数）を有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モード（ｍは正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第１導波路と、前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードと結合可能である第ｎ２次モード（ｎ２は正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第２導波路と、前記第１導波路が伝搬する第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を、前記第２導波路の第ｎ２次モードを有する光信号に変換し、前記第１導波路が伝搬する第ｎ１次モードを有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号から、変換後の前記第２導波路の第ｎ２次モードを有する光信号を分波するモード分波部と、を備えることを特徴とするモード分波器である。
【００２１】
この構成によれば、モードの分波の精度を良くし、分波時のクロストークを低減するモード分波器を提供することができる。
【００２２】
また、本発明は、ｎ１＝ｎ２であることを特徴とするモード分波器である。
【００２３】
また、本発明は、ｎ１＝ｎ２＝１であり、第ｎ１次モード及び第ｎ２次モードは基本モードであることを特徴とするモード分波器である。
【００２４】
この構成によれば、第１導波路及び第２導波路は共通して同一モード例えば基本モードを有する光信号を出力するため、同一モード例えば基本モードを有する光信号を入力する既存の受信機を用いてモード多重伝送を実現することができる。
【００２５】
また、本発明は、モード合波器と、前記第１導波路に第ｎ１次モードを有する光信号を出力する第１送信機と、前記第２導波路に第ｎ２次モードを有する光信号を出力する第２送信機と、を備えることを特徴とする光送信装置である。
【００２６】
この構成によれば、モードの合波の精度を良くし、合波時の損失を低減し、同一モード例えば基本モードを有する光信号を出力する既存の送信機を用いてモード多重伝送を実現する光送信装置を提供することができる。
【００２７】
また、本発明は、モード分波器と、前記第１導波路から第ｎ１次モードを有する光信号を入力される第１受信機と、前記第２導波路から第ｎ２次モードを有する光信号を入力される第２受信機と、を備えることを特徴とする光受信装置である。
【００２８】
この構成によれば、モードの分波の精度を良くし、分波時のクロストークを低減し、同一モード例えば基本モードを有する光信号を入力する既存の受信機を用いてモード多重伝送を実現する光受信装置を提供することができる。
【００２９】
また、本発明は、光送信装置と、光受信装置と、前記光送信装置及び前記光受信装置を接続し、前記第１導波路の第ｎ１次モードを有する光信号及び前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を伝送するマルチモード光ファイバと、を備えることを特徴とする光通信システムである。
【００３０】
この構成によれば、モードの合波や分波の精度を良くし、合波時の損失や分波時のクロストークを低減し、同一モード例えば基本モードを有する光信号を入出力する既存の送受信機を用いてモード多重伝送を実現する光通信システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明は、モードの合波や分波の精度を良くし、合波時の損失や分波時のクロストークを低減し、既存のファイバデバイスを用いてモード多重伝送を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施形態１のモード合分波器の構成を示す図である。
【図２】実施形態２のモード合分波器の構成を示す図である。
【図３】実施形態２における比屈折率差及び導波路幅の関係を示す図である。
【図４】実施形態２における比屈折率差及び相互作用長の関係を示す図である。
【図５】実施形態２における使用波長及び規格化透過率の関係を示す図である。
【図６】実施形態２のモード合分波器の設計方法を示す図である。
【図７】実施形態３のモード合分波器の構成を示す図である。
【図８】実施形態４の光通信システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００３４】
（実施形態１）
実施形態１のモード合分波器の構成を図１に示す。モード合分波器１は、第１導波路１１及び第２導波路１２から構成される。第１導波路１１は、第ｎ１次モード（ｎ１は正の整数）を有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モード（ｍは正の整数）を有する光信号を伝搬可能である。第２導波路１２は、第ｎ２次モード（ｎ２は正の整数）を有する光信号を伝搬可能である。第１導波路１１の第（ｎ１＋ｍ）次モード及び第２導波路１２の第ｎ２次モードは、結合可能であり、このことについて説明する。
【００３５】
図１の下側は、第１導波路１１及び第２導波路１２において、実際の屈折率を実線で示し、各モードの実効屈折率を破線で示す。実際の屈折率は、第１導波路１１及び第２導波路１２のコア部分で大きくなり、第１導波路１１及び第２導波路１２のクラッド部分で小さくなる。第１導波路１１の第（ｎ１＋ｍ）次モードの実効屈折率は、第２導波路１２の第ｎ２次モードの実効屈折率とほぼ一致し、第１導波路１１の第ｎ１次モードの実効屈折率より小さい。よって、第１導波路１１の第（ｎ１＋ｍ）次モード及び第２導波路１２の第ｎ２次モードは、位相整合が図られて結合可能である。
【００３６】
モード合分波器１がモード合波器として機能する場合について説明する。図１の左側が入力側であり、図１の右側が出力側である。第１導波路１１は、第ｎ１次モードを有する光信号を入力される。第２導波路１２は、第ｎ２次モードを有する光信号を入力される。第１導波路１１及び第２導波路１２が並行するモード合波部では、第２導波路１２が伝搬する第ｎ２次モードを有する光信号を、第１導波路１１の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号に変換し、第１導波路１１が伝搬する第ｎ１次モードを有する光信号に、変換後の第１導波路１１の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を合波する。このように、第ｎ１次モード及び第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号が、モード合波されている。
【００３７】
本発明では、非特許文献３と異なり、光ファイバでの励振位置をモードごとに異ならせてモード結合を行なうことはなく、第１導波路１１及び第２導波路１２の相互間で、異なるモード間の結合を図ることによりモード合波を行なう。よって、モードの合波の精度を良くし、合波時の損失を低減するモード合波器を提供することができる。
【００３８】
モード合波時において、ｎ１＝ｎ２であってもよく、ｎ１＝ｎ２＝１であり、第ｎ１次モード及び第ｎ２次モードは基本モードであってもよい。このときには、第１導波路１１及び第２導波路１２は共通して同一モード例えば基本モードを有する光信号を入力するため、同一モード例えば基本モードを有する光信号を出力する既存の送信機を用いてモード多重伝送を実現することができる。実施形態２−４では、ｎ１＝ｎ２＝１であり、第ｎ１次モード及び第ｎ２次モードは基本モードであるとして、説明を行なう。
【００３９】
モード合分波器１がモード分波器として機能する場合について説明する。図１の右側が入力側であり、図１の左側が出力側である。第１導波路１１は、第ｎ１次モード及び第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を入力される。第１導波路１１及び第２導波路１２が並行するモード分波部では、第１導波路１１が伝搬する第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を、第２導波路１２の第ｎ２次モードを有する光信号に変換し、第１導波路１１が伝搬する第ｎ１次モードを有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号から、変換後の第２導波路１２の第ｎ２次モードを有する光信号を分波する。このように、第ｎ１次モード及び第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号が、モード分波されている。
【００４０】
本発明では、非特許文献３と異なり、光ファイバでの受信位置をモードごとに異ならせてモード分離を行なうことはなく、第１導波路１１及び第２導波路１２の相互間で、異なるモード間の結合を図ることによりモード分波を行なう。よって、モードの分波の精度を良くし、分波時のクロストークを低減するモード分波器を提供することができる。
【００４１】
モード分波時において、ｎ１＝ｎ２であってもよく、ｎ１＝ｎ２＝１であり、第ｎ１次モード及び第ｎ２次モードは基本モードであってもよい。このときには、第１導波路１１及び第２導波路１２は共通して同一モード例えば基本モードを有する光信号を出力するため、同一モード例えば基本モードを有する光信号を入力する既存の受信機を用いてモード多重伝送を実現することができる。実施形態２−４では、ｎ１＝ｎ２＝１であり、第ｎ１次モード及び第ｎ２次モードは基本モードであるとして、説明を行なう。
【００４２】
（実施形態２）
実施形態２のモード合分波器の構成を図２に示す。モード合分波器１は、第１導波路１１及び第２導波路１２から構成される。第１導波路１１の第１高次モード及び第２導波路１２の基本モードは、結合可能である。モード合波時には、実施形態１と同様に、第１導波路１１及び第２導波路１２に基本モードを有する光信号が入力され、第１導波路１１から基本モード及び第１高次モードを有する光信号が出力される。モード分波時には、実施形態１と同様に、第１導波路１１に基本モード及び第１高次モードを有する光信号が入力され、第１導波路１１及び第２導波路１２から基本モードを有する光信号が出力される。
【００４３】
図２の下側は、第１導波路１１及び第２導波路１２において、実際の屈折率の分布を示す。第１導波路１１及び第２導波路１２のコア部分の屈折率はｎ１であり、第１導波路１１及び第２導波路１２のクラッド部分の屈折率はｎ０であり、比屈折率差はΔ＝（ｎ１２−ｎ０２）／（２ｎ１２）である。伝搬の方向に垂直な面内で、第１導波路１１の断面形状は、幅がｗ１であり高さがｈ（＝ｗ２）である矩形形状であり、第２導波路１２の断面形状は、幅がｗ２であり高さがｈ（＝ｗ２）である矩形形状である。伝搬の方向に垂直な面内で、第１導波路１１及び第２導波路１２の相互間の導波路間隔はｇであり、伝搬の方向で、第１導波路１１及び第２導波路１２が並行する相互作用長はＬである。
【００４４】
第２導波路１２についてのｗ２、ｈ、Δは、使用波長帯において基本モードのみが存在するように設定される。第１導波路１１についてのｗ１、ｈ、Δは、使用波長帯において基本モード及び第１高次モードが存在し、第１導波路１１の第１高次モード及び第２導波路１２の基本モードが結合するように設定される。ｇは結合効率が高くなるように狭めに設定されて、Ｌは結合効率が高くなるように長めに設定される。
【００４５】
実施形態２における比屈折率差及び導波路幅の関係を図３に示す。使用波長帯は、１４５０ｎｍ以上を想定している。図３に示した比屈折率差の範囲内では、第１導波路１１の幅は第２導波路１２の幅のおよそ２．６倍とすればよいことが分かる。
【００４６】
実施形態２における比屈折率差及び相互作用長の関係を図４に示す。相互作用長は、導波路間隔が２μｍと３μｍであるときに、結合効率が所望効率になるよう計算した。相互作用長は、ｘ偏波及びｙ偏波を有する光信号が入射されるときについて計算した。第１導波路１１及び第２導波路１２の断面形状は矩形形状であるが、相互作用長の偏波依存性はほとんど認められず、モード合分波器１は偏波多重と併用して使用できることが分かる。
【００４７】
実施形態２における使用波長及び規格化透過率の関係を図５に示す。使用波長帯は、１４５０ｎｍから１６５０ｎｍまでを想定している。基本モードについての規格化透過率は、第１導波路１１に入力される基本モードを有する光信号の強度に対する、第１導波路１１から出力される基本モードを有する光信号の強度の比率である。第１高次モードについての規格化透過率は、第２導波路１２に入力される基本モードを有する光信号の強度に対する、第１導波路１１から出力される第１高次モードを有する光信号の強度の比率である。図５の上段、中段、下段では、Δ＝０．３５％、０．４５％、０．６０％である。ｇは２μｍであり、Ｌは上記のΔ及びｇに対して図４に基づき計算したものである。
【００４８】
図５のいずれの場合でも、基本モードについての規格化透過率は、全使用波長帯において１００％に近くなり、第１高次モードについての規格化透過率は、全使用波長帯において９０％を超えている。図５のいずれの場合でも、基本モード及び第１高次モードについての規格化透過率は、全使用波長帯において偏波依存性はほとんど認められない。
【００４９】
実施形態２のモード合分波器の設計方法を図６に示す。第２導波路１２について、Δ及びｗ２を決定する（ステップＳ１）。第２導波路１２において、使用波長帯で単一モードのみが存在するかどうかを確認する（ステップＳ２）。ステップＳ２においてＹＥＳであれば、ステップＳ３に進む。ステップＳ２においてＮＯであれば、ステップＳ１に戻り、第２導波路１２について、Δ及びｗ２を再度決定する。ステップＳ１、Ｓ２において、有限要素法などの導波路解析を適用することができる。
【００５０】
第１導波路１について、ｗ１を決定する（ステップＳ３）。第１導波路１１の第１高次モードと第２導波路１２の基本モードが結合可能であるかどうかを確認する（ステップＳ４）。ステップＳ４においてＹＥＳであれば、ステップＳ５に進む。ステップＳ４においてＮＯであれば、ステップＳ３に戻り、第１導波路１について、ｗ１を再度決定する。ステップＳ３、Ｓ４において、有限要素法などの導波路解析を適用することができる。
【００５１】
ｇとＬを決定する（ステップＳ５）。所望の結合効率が得られるかどうかを確認する（ステップＳ６）。ステップＳ６においてＹＥＳであれば、設計を終了する。ステップＳ６においてＮＯであれば、ステップＳ５に戻り、ｇとＬを再度決定する。ステップＳ５、Ｓ６において、ビーム伝搬法などの伝搬解析を適用することができる。
【００５２】
第２導波路１２の屈折率分布及び断面形状は、使用波長において基本モードのみが存在するならば、図２の下側に示した屈折率分布及び断面形状に限られない。第１導波路１１の屈折率分布及び断面形状は、使用波長において基本モード及び第１高次モードが存在し、第１導波路１１の第１高次モード及び第２導波路１２の基本モードが結合するならば、図２の下側に示した屈折率分布及び断面形状に限られない。
【００５３】
（実施形態３）
実施形態３のモード合分波器の構成を図７に示す。モード合分波器１は、モード合分波器１−１及びモード合分波器１−２を縦列に配置する。モード合分波器１−１は、第１導波路１１−１及び第２導波路１２−１から構成される。モード合分波器１−２は、第１導波路１１−２及び第２導波路１２−２から構成される。第１導波路１１−１及び第１導波路１１−２は、相互に接続されている。第１導波路１１−１の第１高次モード及び第２導波路１２−１の基本モードは、結合可能である。第１導波路１１−２の第２高次モード及び第２導波路１２−２の基本モードは、結合可能である。
【００５４】
モード合波時について説明する。まずモード合分波器１−１において、第１導波路１１−１及び第２導波路１２−１に基本モードを有する光信号が入力され、第１導波路１１−１から基本モード及び第１高次モードを有する光信号が出力される。次にモード合分波器１−２において、第１導波路１１−２に基本モード及び第１高次モードを有する光信号が入力され、第２導波路１２−２に基本モードを有する光信号が入力され、第１導波路１１−２から基本モード、第１高次モード及び第２高次モードを有する光信号が出力される。
【００５５】
モード分波時について説明する。まずモード合分波器１−２において、第１導波路１１−２に基本モード、第１高次モード及び第２高次モードを有する光信号が入力され、第２導波路１２−２から基本モードを有する光信号が出力され、第１導波路１１−２から基本モード及び第１高次モードを有する光信号が出力される。次にモード合分波器１−１において、第１導波路１１−１に基本モード及び第１高次モードを有する光信号が入力され、第２導波路１２−１から基本モードを有する光信号が出力され、第１導波路１１−１から基本モードを有する光信号が出力される。
【００５６】
図７の左下は、第１導波路１１−１及び第２導波路１２−１において、実際の屈折率の分布を示す。第１導波路１１−１及び第２導波路１２−１のコア部分の屈折率はｎ１であり、第１導波路１１−１及び第２導波路１２−１のクラッド部分の屈折率はｎ０である。伝搬の方向に垂直な面内で、第１導波路１１−１の断面形状は、幅がｗ１であり高さがｈ（＝ｗ２）である矩形形状であり、第２導波路１２−１の断面形状は、幅がｗ２であり高さがｈ（＝ｗ２）である矩形形状である。伝搬の方向に垂直な面内で、第１導波路１１−１及び第２導波路１２−１の相互間の導波路間隔はｇ１であり、伝搬の方向で、第１導波路１１−１及び第２導波路１２−１が並行する相互作用長はＬ１である。
【００５７】
図７の右下は、第１導波路１１−２及び第２導波路１２−２において、実際の屈折率の分布を示す。第１導波路１１−２及び第２導波路１２−２のコア部分の屈折率はｎ１であり、第１導波路１１−２及び第２導波路１２−２のクラッド部分の屈折率はｎ０である。伝搬の方向に垂直な面内で、第１導波路１１−２の断面形状は、幅がｗ１であり高さがｈ（＝ｗ２）である矩形形状であり、第２導波路１２−２の断面形状は、幅がｗ３であり高さがｈ（＝ｗ２）である矩形形状である。伝搬の方向に垂直な面内で、第１導波路１１−２及び第２導波路１２−２の相互間の導波路間隔はｇ２であり、伝搬の方向で、第１導波路１１−２及び第２導波路１２−２が並行する相互作用長はＬ２である。
【００５８】
実施形態３における第１導波路１１−１、第２導波路１２−１、第１導波路１１−２及び第２導波路１２−２の屈折率分布及び断面形状は、実施形態２における第１導波路１１及び第２導波路１２の屈折率分布及び断面形状と同様に、設定すればよい。
【００５９】
（実施形態４）
実施形態４の光通信システムの構成を図８に示す。光通信システムは、光送信装置Ｔ、マルチモード光ファイバＦ及び光受信装置Ｒから構成される。光送信装置Ｔは、モード合波器１Ｍ及び以下に説明する第１送信機及び第２送信機から構成される。光受信装置Ｒは、モード分波器１Ｄ及び以下に説明する第１受信機及び第２受信機から構成される。
【００６０】
モード合波器１Ｍとして、実施形態２のモード合分波器１を適用する。第１送信機は、第１導波路１１に基本モードを有する光信号を出力する。第２送信機は、第２導波路１２に基本モードを有する光信号を出力する。送信機が３個配置されるときには、モード合波器１Ｍとして、実施形態３のモード合分波器１を適用すればよく、送信機がＮ個配置されるときには、モード合波器１Ｍとして、実施形態２のモード合分波器１を（Ｎ−１）個縦列に配置したものを適用すればよい。
【００６１】
モード分波器１Ｄとして、実施形態２のモード合分波器１を適用する。第１受信機は、第１導波路１１から基本モードを有する光信号を入力する。第２受信機は、第２導波路１２から基本モードを有する光信号を入力する。受信機が３個配置されるときには、モード分波器１Ｄとして、実施形態３のモード合分波器１を適用すればよく、受信機がＮ個配置されるときには、モード分波器１Ｄとして、実施形態２のモード合分波器１を（Ｎ−１）個縦列に配置したものを適用すればよい。
【００６２】
第１送信機及び第２送信機は、使用波長λ１〜λＮを利用する波長多重方式及びｘ、ｙ偏波を利用する偏波多重方式を併用する。ただし、第１送信機及び第２送信機は、多重方式を適用しなくてもよく、モード多重方式以外のどのような多重方式を適用してもよい。
【００６３】
第１（２）送信機は、光源２１−１、・・・、２１−Ｎ（２２−１、・・・、２２−Ｎ）、及び波長合波器７１（７２）を利用して、使用波長λ１〜λＮを利用する波長多重方式を適用する。第１（２）送信機は、光分波器３１−１、・・・、３１−Ｎ（３２−１、・・・、３２−Ｎ）、偏波コントローラ５１Ｘ−１、５１Ｙ−１、・・・、５１Ｘ−Ｎ、５１Ｙ−Ｎ（５２Ｘ−１、５２Ｙ−１、・・・、５２Ｘ−Ｎ、５２Ｙ−Ｎ）、及び光合波器６１−１、・・・、６１−Ｎ（６２−１、・・・、６２−Ｎ）を利用して、ｘ、ｙ偏波を利用する偏波多重方式を適用する。第１（２）送信機は、光変調器４１Ｘ−１、４１Ｙ−１、・・・、４１Ｘ−Ｎ、４１Ｙ−Ｎ（４２Ｘ−１、４２Ｙ−１、・・・、４２Ｘ−Ｎ、４２Ｙ−Ｎ）を利用して、各波長及び各偏波を有する光信号の変調処理を実行する。
【００６４】
第１受信機及び第２受信機は、使用波長λ１〜λＮを利用する波長多重方式及びｘ、ｙ偏波を利用する偏波多重方式を併用する。ただし、第１受信機及び第２受信機は、多重方式を適用しなくてもよく、モード多重方式以外のどのような多重方式を適用してもよい。
【００６５】
第１（２）受信機は、波長分波器８１（８２）を利用して、使用波長λ１〜λＮを利用する波長多重方式を適用する。第１（２）受信機は、偏波分波器９１−１、・・・、９１−Ｎ（９２−１、・・・、９２−Ｎ）を利用して、ｘ、ｙ偏波を利用する偏波多重方式を適用する。第１（２）受信機は、受光回路１０１Ｘ−１、１０１Ｙ−１、・・・、１０１Ｘ−Ｎ、１０１Ｙ−Ｎ（１０２Ｘ−１、１０２Ｙ−１、・・・、１０２Ｘ−Ｎ、１０２Ｙ−Ｎ）を利用して、各波長及び各偏波を有する光信号の受光・復調処理を実行する。
【００６６】
第１送信機及び第２送信機は、基本モードを有する光信号を処理するのみでよく、高次モードを有する光信号を処理しなくてもよい。第１受信機及び第２受信機も、基本モードを有する光信号を処理するのみでよく、高次モードを有する光信号を処理しなくてもよい。モード合波器１Ｍ、マルチモード光ファイバＦ及びモード分波器１Ｄのみが、基本モード及び高次モードを有する光信号を処理する。よって、基本モードを有する光信号を入出力する既存の送受信機を用いて、モード多重伝送を実現することができる。
【００６７】
なお、マルチモード光ファイバＦの伝送経路中で光増幅を実行するときには、本発明のモード分波器を利用して高次モードを基本モードに変換し、基本モードを有する光信号を増幅し、本発明のモード合波器を利用して基本モードを高次モードに変換する。よって、基本モードを有する光信号を増幅する既存の光増幅器を用いて、モード多重伝送を実現することができ、長距離伝送を可能とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明に係るモード合分波器、光送受信装置及び光通信システムは、モード多重方法に適用することができるのみならず、モード多重方法及び他の多重方法（ＷＤＭ及び偏波多重など）を併用する方法に適用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１、１−１、１−２：モード合分波器
１Ｍ：モード合波器
１Ｄ：モード分波器
１１、１１−１、１１−２：第１導波路
１２、１２−１、１２−２：第２導波路
Ｔ：光送信装置
Ｒ：光受信装置
Ｆ：マルチモード光ファイバ
２１、２２：光源
３１、３２：光分波器
４１、４２：光変調器
５１、５２：偏波コントローラ
６１、６２：光合波器
７１、７２：波長合波器
８１、８２：波長分波器
９１、９２：偏波分波器
１０１、１０２：受光回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第ｎ１次モード（ｎ１は正の整数）を有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モード（ｍは正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第１導波路と、
前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードと結合可能である第ｎ２次モード（ｎ２は正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第２導波路と、
前記第２導波路が伝搬する第ｎ２次モードを有する光信号を、前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号に変換し、前記第１導波路が伝搬する第ｎ１次モードを有する光信号に、変換後の前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を合波するモード合波部と、
を備えることを特徴とするモード合波器。
【請求項２】
ｎ１＝ｎ２であることを特徴とする、請求項１に記載のモード合波器。
【請求項３】
ｎ１＝ｎ２＝１であり、第ｎ１次モード及び第ｎ２次モードは基本モードであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のモード合波器。
【請求項４】
第ｎ１次モード（ｎ１は正の整数）を有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モード（ｍは正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第１導波路と、
前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードと結合可能である第ｎ２次モード（ｎ２は正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第２導波路と、
前記第１導波路が伝搬する第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を、前記第２導波路の第ｎ２次モードを有する光信号に変換し、前記第１導波路が伝搬する第ｎ１次モードを有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号から、変換後の前記第２導波路の第ｎ２次モードを有する光信号を分波するモード分波部と、
を備えることを特徴とするモード分波器。
【請求項５】
ｎ１＝ｎ２であることを特徴とする、請求項４に記載のモード分波器。
【請求項６】
ｎ１＝ｎ２＝１であり、第ｎ１次モード及び第ｎ２次モードは基本モードであることを特徴とする、請求項４又は５に記載のモード分波器。
【請求項７】
請求項１から３のいずれかに記載のモード合波器と、
前記第１導波路に第ｎ１次モードを有する光信号を出力する第１送信機と、
前記第２導波路に第ｎ２次モードを有する光信号を出力する第２送信機と、
を備えることを特徴とする光送信装置。
【請求項８】
請求項４から６のいずれかに記載のモード分波器と、
前記第１導波路から第ｎ１次モードを有する光信号を入力される第１受信機と、
前記第２導波路から第ｎ２次モードを有する光信号を入力される第２受信機と、
を備えることを特徴とする光受信装置。
【請求項９】
請求項７に記載の光送信装置と、
請求項８に記載の光受信装置と、
前記光送信装置及び前記光受信装置を接続し、前記第１導波路の第ｎ１次モードを有する光信号及び前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を伝送するマルチモード光ファイバと、
を備えることを特徴とする光通信システム。
【請求項１】
第ｎ１次モード（ｎ１は正の整数）を有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モード（ｍは正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第１導波路と、
前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードと結合可能である第ｎ２次モード（ｎ２は正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第２導波路と、
前記第２導波路が伝搬する第ｎ２次モードを有する光信号を、前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号に変換し、前記第１導波路が伝搬する第ｎ１次モードを有する光信号に、変換後の前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を合波するモード合波部と、
を備えることを特徴とするモード合波器。
【請求項２】
ｎ１＝ｎ２であることを特徴とする、請求項１に記載のモード合波器。
【請求項３】
ｎ１＝ｎ２＝１であり、第ｎ１次モード及び第ｎ２次モードは基本モードであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のモード合波器。
【請求項４】
第ｎ１次モード（ｎ１は正の整数）を有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モード（ｍは正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第１導波路と、
前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードと結合可能である第ｎ２次モード（ｎ２は正の整数）を有する光信号を伝搬可能である第２導波路と、
前記第１導波路が伝搬する第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を、前記第２導波路の第ｎ２次モードを有する光信号に変換し、前記第１導波路が伝搬する第ｎ１次モードを有する光信号及び第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号から、変換後の前記第２導波路の第ｎ２次モードを有する光信号を分波するモード分波部と、
を備えることを特徴とするモード分波器。
【請求項５】
ｎ１＝ｎ２であることを特徴とする、請求項４に記載のモード分波器。
【請求項６】
ｎ１＝ｎ２＝１であり、第ｎ１次モード及び第ｎ２次モードは基本モードであることを特徴とする、請求項４又は５に記載のモード分波器。
【請求項７】
請求項１から３のいずれかに記載のモード合波器と、
前記第１導波路に第ｎ１次モードを有する光信号を出力する第１送信機と、
前記第２導波路に第ｎ２次モードを有する光信号を出力する第２送信機と、
を備えることを特徴とする光送信装置。
【請求項８】
請求項４から６のいずれかに記載のモード分波器と、
前記第１導波路から第ｎ１次モードを有する光信号を入力される第１受信機と、
前記第２導波路から第ｎ２次モードを有する光信号を入力される第２受信機と、
を備えることを特徴とする光受信装置。
【請求項９】
請求項７に記載の光送信装置と、
請求項８に記載の光受信装置と、
前記光送信装置及び前記光受信装置を接続し、前記第１導波路の第ｎ１次モードを有する光信号及び前記第１導波路の第（ｎ１＋ｍ）次モードを有する光信号を伝送するマルチモード光ファイバと、
を備えることを特徴とする光通信システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−３７０１７（Ｐ２０１３−３７０１７Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７０１４２（Ｐ２０１１−１７０１４２）
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人北海道大学 (971)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人北海道大学 (971)
【Ｆターム（参考）】
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