JP6551782B2

JP6551782B2 - モード変換装置

Info

Publication number: JP6551782B2
Application number: JP2015165127A
Authority: JP
Inventors: 雄太若山; 釣谷　剛宏; 剛宏釣谷; 岡本　淳; 淳岡本
Original assignee: Hokkaido University NUC; KDDI Corp
Current assignee: Hokkaido University NUC; KDDI Corp
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2015-08-24
Publication date: 2019-07-31
Anticipated expiration: 2035-08-24
Also published as: JP2017044754A

Description

本発明は、モード多重光通信システム等に用いられる、伝搬モードのモード変換装置に関する。

現在、光ファイバでの伝送容量をさらに拡大させるため、同一波長の光信号を異なる伝搬モードに変換して多重伝送するモード多重光通信システムが提案されている。モード多重光通信システムにおいては、基本モードの各光信号を、それぞれ、異なる伝搬モードの光信号に変換するためのモード変換装置が使用される。非特許文献１は、位相板を利用したモード変換装置を開示している。図１（Ａ）は、非特許文献１が開示するモード変換装置を、光信号の伝搬方向から見た図である。モード変換装置は、厚みの異なるガラス板で構成され、光信号の内、図１（Ａ）の"０"と示す領域を通過した光信号に与えられる位相遅延と、"π"と示す領域を通過した光信号に与えられる位相遅延は１８０度だけ異なる。つまり、"０"と示す領域を通過した光信号と"π"と示す領域を通過した光信号の位相差は１８０度である。したがって、図１（Ｂ）に示す基本モードの光信号をモード変換装置に入力すると、"０"と示す領域と"π"と示す領域の境界を通過した光は互いに相殺され、図１（Ｃ）に示す１次モードの光信号が出力される。なお、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、光信号の伝搬方向に対して垂直な平面内における光信号の強度分布を示している。

Ｋ．Ｉｇａｒａｓｈｉｅｔａｌ．，"Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｓｅｌｅｃｔｉｖｅｍｏｄｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｐｈａｓｅｐｌａｔｅｓｆｏr ａ１０−ｍｏｄｅｆｉｂｅｒ"，ＯＰＴＩＣＳＥＸＰＲＥＳＳ２０８８１，２０１４年８月２１日

例えば、モード多重光通信システムにおいて柔軟なパス設定を可能にするためには、高次モードの光信号を他の高次モードの光信号に変換する必要がある。しかしながら、非特許文献１が開示するモード変換装置では、基本モードの光信号を高次モードの光信号に変換することはできるが、高次モードの光信号を他の高次モードの光信号に変換することは難しい。これは、位相板により高次モードの光信号のある空間領域の位相を他の部分よりずらしたとしても、目的とする伝搬モードの光強度及び位相の理想的な空間分布とすることが困難であり、目的とする伝搬モード以外の伝搬モードを含む光信号となるからである。つまり、伝搬モード間のクロストークが大きくなるからである。

本発明は、高次モード間での変換が可能なモード変換装置を提供するものである。

本発明の一側面によると、第１モードの光信号を第２モードの光信号に変換するモード変換装置は、前記第１モードの光信号を拡散する拡散手段であって、前記拡散手段より拡散された光信号の光強度の空間的な変化は、前記第１モードの光信号の光強度の空間的な変化より小さい、前記拡散手段と、前記拡散手段により拡散された光信号が通過し、通過する光信号に通過した位置に基づく位相遅延を与えることで前記第２モードの光信号を出力する位相調整手段と、を備え、前記位相調整手段が前記第１位置を通過する光信号に与える位相遅延は、前記拡散手段が第１モードの光信号に与えた前記第１位置での光信号の位相遅延を相殺するための位相遅延と、前記相殺するための位相遅延を与えた後の前記第１位置での光信号の位相を前記第２モードの光信号の前記第１位置での位相とするための位相遅延の和であることを特徴とする。

高次モード間での光信号の変換が可能になる。

非特許文献１のモード変換装置の説明図。一実施形態によるモード変換装置の構成図。一実施形態によるモード変換装置によるモード変換の説明図。一実施形態によるモード変換装置の構成図。一実施形態によるモード変換装置の構成図。

本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態は例示であり、本発明を実施形態の内容に限定するものではない。また、以下の各図においては、実施形態の説明に必要ではない構成要素については図から省略する。

図２は、本実施形態によるモード変換装置の構成図である。あるモードの光信号は、まず、拡散板１０に入射される。拡散板１０は、入力される光信号を拡散する。例えば、図３（Ａ）に示す、１次モードの光信号を拡散板１０に入射すると、拡散板１０は、図３（Ｂ）に示す様に、光信号の伝搬方向に垂直な断面において、空間的に大きく広がった光信号を出力する。拡散板１０を通過した光信号は、レンズ３０により平行光に変換されて位相板２０に入射される。位相板２０は、その通過位置に応じて伝搬速度又は出力されるまでの伝搬時間が異なる様に設計されており、よって、位相板２０に入射した光には、その通過位置に応じた位相遅延が与えられる。つまり、位相板２０は、光信号の伝搬方向に垂直な断面の各位置において、各位置に応じた位相遅延を与える位相調整部として機能する。

ここで、位相板２０のある位置を通過する光信号に与える位相遅延は、当該位置の光信号に拡散板１０が与えた位相遅延を相殺するための位相遅延（以下、第１位相遅延と呼ぶ。）と、第１位相遅延を与えた光信号の位相を、さらに、目的とする伝搬モードの当該位置での位相にし、かつ、目的とする伝搬モードの強度分布とするための位相遅延（以下、第２位相遅延と呼ぶ。）を合わせたものとして決定されている。なお、強度は、他の位置との相対的な強度であり、例えば、目的とする伝搬モードにおいて強度が低い領域においては、干渉により光信号が相殺される様にすることを意味する。また、例えば、第１位相遅延のみを与えると、拡散板１０に入射した光信号の伝搬モードと同じ伝搬モードの光信号が位相板２０から出力される。位相板２０は、更に第２位相遅延も与えるため、例えば、図３（Ｂ）に示す２次モードの光信号が位相板２０から出力される。なお、レンズ４０は、光ファイバに信号光を入射させるためのものである。

従来技術においては、信号光を、直接、位相板に入射させていた。しかしながら、高次モード間の変換においては、変換前の伝搬モードの光強度の弱い領域が、変換後の伝搬モードの光強度の強い領域であることが多く、変換後の光信号は、目的とする伝搬モードの理想的な位相及び強度分布から大きくずれてしまう。本実施形態のモード変換装置は、図３（Ｂ）に示す様に、拡散板１０により、光信号の伝搬方向と垂直な断面における光強度の空間分布を一旦拡大させ、かつ、拡大された範囲内においての強度変化が少ない様にする。したがって、後段の位相板２０により目的とする伝搬モードの光信号に変換することが可能になる。

なお、位相板２０は、例えば、ガラス板といった光学部材により構成することでき、位相板２０がある位置を通過する光信号に与える位相遅延の量は、その位置における厚みにより調整することができる。つまり、位相板２０の各位置の厚みは、その位置において与える位相遅延に応じたものとすることで実現できる。なお、ここでの厚みとは、位相板２０の光信号の伝搬方向における長さのことであり、位置とは、光信号の伝搬方向とは垂直な断面内における各位置を意味する。なお、位置とは点である必要はなく、光信号の伝搬方向とは垂直な断面を複数の小領域に分割した各領域であっても良い。つまり、位相板２０は、光信号の伝搬方向とは垂直な断面において複数の領域を有し、複数の領域のそれぞれにおいて、所定の位相遅延を与えるものであっても良い。

また、位相板２０は、位置又は領域を通過する光信号に与える位相遅延に応じた屈折率を有する光学部材で実現することも可能である。なお、厚みにより位相遅延を与える場合、位相板２０は、変換前後の伝搬モードの組み合わせ毎に異なる位相板とする必要がある。このため、例えば、図４に示す様に、位相板２０を空間位相変調器により実現することができる。図４において位相板２０は、空間位相変調器であり、各位置又は各領域を通過する光信号に与える位相遅延は、駆動装置５０が各位置又は各領域に印加する電圧により制御される。つまり、駆動装置５０は、各位置又は各領域に与える位相遅延を示す情報を保持しており、この情報に基づき空間位相変調器２０の各位置又は各領域に電圧を印加する。したがって、駆動装置５０に保持させる情報を変更することで、任意の伝搬モード間の変換が可能になる。

また、位相板２０として空間位相変調器を使用することで、インサービス中におけるモード制御が可能になる。図５は、位相板２０として空間位相変調器を使用した場合においてフィードバック制御を行うモード変換装置の構成図である。なお、図の簡略化のためレンズ等は省略している。図５の構成において検出部６０は、空間位相変調器２０が出力する所定の伝搬モードの光信号の各位置又は各領域における強度及び位相を検出する。なお、位置又は領域とは、光信号の伝搬方向に垂直な断面内における位置又は領域を意味する。検出部６０は、例えば、マイクロレンズアレイを有し、マイクロレンズアレイにより光信号を、その位置又は領域毎に分割して、各位置又は各領域の強度及び位相を検出する構成とすることができる。さらには、光信号の空間的な強度分布を２次元フーリエ変換して各位置又は各領域の強度及び位相を検出する構成とすることができる。

検出部６０は、空間位相変調器２０が出力すべき伝搬モードの理想的な強度分布及び位相分布の情報を保持しており、理想的な強度分布及び位相分布と、検出した強度分布及び位相分布とを比較し、空間位相変調器２０が与える各位置又は各領域の位相遅延の調整量を算出して駆動装置５０に出力する。駆動装置５０は、検出部５０から受け取る各位置又は各領域の調整量だけ、光信号に与える位相遅延を調整する様に、空間位相変調器２０に出力する電圧を制御する。この構成により、サービス中において空間位相変調器２０が出力するモードを制御でき、よって、クロストークを抑えたモード多重光通信システムが実現できる。

なお、図５の構成は、インサービス中のモード制御のみならず、サービス開始前や、部品交換時のキャリブレーションにも使用できる。また、キャリブレーションにおいては、フィードバック制御でなくとも良い。具体的には、例えば、空間位相変調器２０が各位置又は各領域に与える位相遅延を駆動装置５０が所定のパターンに従って変更し、検出部６０において、理想的な強度分布及び位相分布と、検出した強度分布及び位相分布とを比較し、誤差が最小となるときの各位置又は各領域の位相遅延を判定する。そして、誤差が最小となるときの各位置又は各領域に与える位相遅延を示す情報を駆動装置５０に保存する構成とすることができる。

１０：拡散板、２０：位相板

Claims

第１モードの光信号を第２モードの光信号に変換するモード変換装置であって、
前記第１モードの光信号を拡散する拡散手段であって、前記拡散手段より拡散された光信号の光強度の空間的な変化は、前記第１モードの光信号の光強度の空間的な変化より小さい、前記拡散手段と、
前記拡散手段により拡散された光信号が通過し、通過する光信号に通過した位置に基づく位相遅延を与えることで前記第２モードの光信号を出力する位相調整手段と、
を備え、
前記位相調整手段が第１位置を通過する光信号に与える位相遅延は、前記拡散手段が前記第１モードの光信号に与えた前記第１位置での光信号の位相遅延を相殺するための位相遅延と、前記相殺するための位相遅延を与えた後の前記第１位置での光信号の位相を前記第２モードの光信号の前記第１位置での位相とするための位相遅延の和であることを特徴とするモード変換装置。
前記位相調整手段は、与える位相遅延に応じた厚みを有するガラスであることを特徴とする請求項１に記載のモード変換装置。
前記位相調整手段は、与える位相遅延に応じた屈折率を有するガラスであることを特徴とする請求項１に記載のモード変換装置。
前記位相調整手段は、空間位相変調器であることを特徴とする請求項１に記載のモード変換装置。
前記空間位相変調器を駆動する駆動手段と、
前記空間位相変調器が出力する前記第２モードの光信号の強度及び位相分布を検出し、前記空間位相変調器が出力する前記第２モードの光信号の強度及び位相分布を理想的な強度及び位相分布に近づけるための、前記空間位相変調器が与える位相遅延の調整量を判定する検出手段と、
をさらに備えており、
前記駆動手段は、前記調整量に基づき前記空間位相変調器が各位置を通過する光信号に与える位相遅延を調整することを特徴とする請求項４に記載のモード変換装置。