JP7388569B2 - 長周期ファイバグレーティング及び光伝送システム - Google Patents

Description

本開示は、複数の伝搬モードを結合可能な長周期ファイバグレーティング及びそれを備える光伝送システムに関する。

図１は、複数の伝搬モードを用いた数モードファイバ（ＦＭＦ：Ｆｅｗ－Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）によるモード多重伝送の光伝送システムを説明する図である。モード多重伝送は、伝送容量をモード数倍に向上させられることから、大容量伝送方式として注目されている。ＦＭＦを用いた伝送においては、伝送路中でモード間クロストークが発生し、それを補償するためにＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ）等価器が用いられる。

しかしモード間損失差（ＭＤＬ：Ｍｏｄｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ）が存在する場合、ＭＩＭＯ等化器を利用したとしても伝送システムのパフォーマンス低下が課題となる。また受信端においてモード間群遅延差（ＤＭＤ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｅｌａｙ）が大きい場合、ＭＩＭＯにかかわるデジタル処理（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）の負荷が大きくなるため、長距離伝送を実現するためにはその負荷の低減が課題となる。そこでＭＤＬやＤＭＤの影響の低減のため、長周期ファイバグレーティング（ＬＰＦＧ：Ｌｏｎｇ Ｐｅｒｉｏｄ Ｆｉｂｅｒ Ｇｒａｔｉｎｇ）でモード間の結合を生じさせるモードスクランブラの利用が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２０１９－３２４４０号公報

ＬＰＦＧの実現方法としては、応力や曲げを外部から加える手法や、レーザ照射による手法などがある。これらの手法では、屈折率変化を光ファイバ断面内の一方向にしか与えることができず、そのＬＰＦＧは、モード変換量が偏波状態や伝搬モードの電界分布に依存し、モード変換量の当該依存性を回避することが困難という課題があった。

そこで本発明は、上記課題を解決するために、モード変換量が偏波状態や電界分布に依存しないＬＰＦＧ及び光伝送システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のＬＰＦＧは、光ファイバの中心軸からずれた位置に周期的な空洞を形成することとした。

具体的には、本発明に係るＬＰＦＧは、ｎ（ｎは２以上の整数）の伝搬モードを伝搬可能な数モードファイバに形成される長周期ファイバグレーティングであって、
前記数モードファイバのコア領域に、前記コア領域の中心軸から離れた位置に、前記中心軸に平行に、且つ周期的に配列された空洞列であり、
前記空洞列は複数であり、
それぞれの前記空洞列は、前記数モードファイバの長手方向に異なる位置にあり、
互いの前記空洞列は、前記コア領域の断面の中心を原点としたときに前記断面上で９０°ずれた位置にあることを特徴とする。

また、本発明に係る光伝送システムは、
ｎ（ｎは２以上の整数）の伝搬モードを伝搬可能なマルチモードファイバと、
前記マルチモードファイバに接続され、前記長周期ファイバグレーティングが形成された前記数モードファイバと、
を備える。

空洞列の配置が９０°ずれていることで偏波状態や電界分布に依存しないモード変換が可能である。従って、本発明は、モード変換量が偏波状態や電界分布に依存しないＬＰＦＧ及び光伝送システムを提供することができる。

また、本発明に係るＬＰＦＧの互いの前記空洞列は、空洞間隔及び空洞数が等しいことが好ましい。

さらに、本発明に係るＬＰＦＧは、
前記数モードファイバの伝搬モードは３であり、
前記空洞列は、前記コア領域の断面の中心を原点としたときに前記断面上で前記コア領域の半径に対する比率が０．２以上０．４以下となる位置にあり、
前記空洞列を構成する各空洞の直径は、前記コア領域の半径に対する比率が０．３以上０．４３以下であることが好ましい。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明は、モード変換量が偏波状態や電界分布に依存しないＬＰＦＧ及び光伝送システムを提供することができる。

モード間結合がなされる光伝送システムを説明する図である。 本発明に係るＬＰＦＧを説明する図である。 本発明に係る光伝送システムを説明する図である。 本発明に係るＬＰＦＧの効果を説明する図である。 本発明に係るＬＰＦＧの効果を説明する図である。

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。

（実施形態１）
図２は、本実施形態のＬＰＦＧを説明する図である。本ＬＰＦＧは、ｎ（ｎは２以上の整数）の伝搬モードを伝搬可能な数モードファイバ１０に形成される長周期ファイバグレーティングである。そして、本ＬＰＦＧは、数モードファイバ１０のコア領域１１に、コア領域１１の中心軸ｚから離れた位置に、中心軸ｚに平行に、且つ周期的に配列された空洞１５の空洞列（２５－１、２５－２）である。それぞれの空洞列（２５－１、２５－２）は、数モードファイバ１０の長手方向に異なる位置（ｚ方向の位置が異なる）にあり、
互いの空洞列（２５－１、２５－２）は、コア領域１１の断面の中心（ｘ軸とｙ軸の交点）を原点としたときに断面上で９０°ずれた位置にある。

図２（Ａ）は数モードファイバ１０の断面図である。図２（Ｂ）は数モードファイバ１０を斜視且つ透視した図である。なお、符号１２はクラッド領域である。

本ＬＰＦＧは、数モードファイバ１０内の伝搬方向に周期的に空洞１５を配置することで、偏波や電界分布に依存しないモード変換を実現することを目的とする。この目的を達成するため、数モードファイバ１０のコア領域１１内部に、フェムト秒レーザを用いた外部加工によって空洞１５を周期的に配置する。複数の空洞１５を周期的に並べたものを空洞列と呼ぶ。空洞列２５－１は、空洞１５の中心座標がｘ軸上に（ｙ座標がゼロで）あるものであり、空洞列２５－２は、空洞１５の中心座標がｙ軸上に（ｘ座標がゼロで）あるものである。空洞列２５－１と空洞列２５－２は直列に接続される。つまり、空洞列をｚ軸を中心に９０°ずらして配置することで偏波状態や電界分布に依存しないモード変換を実現できる。

ここで、空洞１５のｚ軸方向の間隔Λは、結合させる伝搬モード間の伝搬定数差をΔβとすると、

で与えられる。そのため、Λを調整して所望の２モードを結合させるためのＬＰＦＧ（図２のように２つの空洞列をｚ軸を中心として９０°ずらしたもの）を作成することができる。そして、互いにΛの異なるＬＰＦＧを複数個接続すれば、複数のモード間を結合させることもできる。

従って、本実施形態のＬＰＦＧは偏波状態や電界分布に依存しないモード変換を実現できる。ただし、次の要件を満たす必要がある。
（Ａ）空洞列２５－１の空洞間隔Λと空洞列２５－２の空洞間隔Λとは等しくする。これは所望のモードを結合させるためである。
（Ｂ）空洞列２５－１の空洞数と空洞列２５－２の空洞数とは等しくする。これは、偏波間での結合量の偏差をなくすためである。
（Ｃ）ｚ軸方向へ配置する空洞列２５－１と空洞列２５－２との順序関係はない。
（Ｄ）空洞列２５－１と空洞列２５－２とは必ずしも連続して配置する必要はない。

（実施形態２）
図３は、本実施形態の光伝送システム３０１を説明する図である。光伝送システム３０１は、ｎ（ｎは２以上の整数）の伝搬モードを伝搬可能なマルチモードファイバ５０と、マルチモードファイバ５０に接続され、実施形態１で説明したＬＰＦＧが形成された数モードファイバ１０と、を備える。また、符号３０は、複数の光信号をマルチモードファイバ５０が伝搬するいずれかの伝搬モードに入射するモード合波器である。符号４０は、マルチモードファイバ５０が伝搬する複数のモードを分波するモード分波器である。また、符号６０は接続部である。

光伝送システム３０１は、ｎモードが伝搬するマルチモードファイバ５０を伝送路としたモード多重伝送システムである。光伝送システム３０１は、伝送路の途中に所望の２モード間を結合させる適当なＬＰＦＧを有する数モードファイバ１０を複数個接続する。前述のように、ＬＰＦＧの空洞の間隔Λは数１で与えられるため、所望の２モードを結合させるためにのΛを有するＬＰＦＧを伝送路中に複数個挿入することによって、光伝送システム３０１全体として複数のモード間を結合させることができる。また、ＬＰＦＧを伝送路の中間部に複数個挿入することによって、ＭＤＬやＤＭＤの低減効果をより高めることもできる。

（実施形態３）
本実施形態では、数モードファイバ１０のコア領域１１に形成した空洞１５の効果について説明する。本実施形態では、マルチモードファイバ５０及び数モードファイバ１０が３つの伝搬モードでモード多重伝送を行う３モードファイバ（２ＬＰモードファイバ）である例で説明する。数モードファイバ１０のＬＰＦＧはＬＰ０１モードとＬＰ１１モードを結合する。

本実施形態では、空洞１５がコア領域１１の中心からｄ１＝４μｍのｘ軸上に形成されているとする。なお、空洞１５の位置とは、空洞の中心位置とする。数モードファイバ１０はステップインデックス型であり、コア領域１１の半径が７μｍ，クラッド領域１２に対するコア領域１１の比屈折率差が０．４％とする。また空洞１５の直径を２μｍとする。

図４は、図２（Ａ）に示すように、空洞１５をｘ軸上に一つ付与した場合の、モード変換率を説明する表である。ｘ偏波とｙ偏波ともに、ＬＰ０１モードのおよそ４．５％が１１ｂモードに結合している（図４の太字参照）。つまり、空洞１５をコア領域１１の中心からｘ軸上にずらした位置とすることで、ＬＰ０１モードをＬＰ１１ｂモードへ結合することができる。同様に、空洞１５をコア領域１１の中心からｙ軸上にずらした位置とすることで、ＬＰ０１モードをＬＰ１１ａモードへ結合することができる。

従って、コア領域１１に空洞１５をｘ軸上に周期的に配置した空洞列２５－１と、ｙ軸上に周期的に配置した空洞列２５－２とを直列に接続することで、縮退モードに依存しないモード変換を行える。

（実施形態４）
本実施形態では、モード変換率について、空洞１５のコア領域１１の中心からの距離依存性と空洞１５の直径依存性を説明する。

図５（Ａ）は、空洞１５のコア領域１１の中心からの距離ｄ１を変化させたときのＬＰ０１モードからＬＰ１１ａモードへの変換率を示した図である。なお、空洞１５の位置とは、空洞の中心位置とする。また、空洞１５の直径は２μｍである。縦軸はモード変換率、横軸は距離ｄ１をコア領域１１の半径で規格化した値である。

空洞１５が中心（横軸がゼロ）にある場合、モード変換はされない。空洞１５が中心からおよそ２μｍずらしたときに最大のモード変換効率を示した。一方、そこからさらに空洞１５を中心から離してクラッド領域１２へ近づけると、モード変換効率は低下する。つまり、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードを結合させる場合、空洞１５は、コア中心からの距離ｄ１のコア領域１１の半径に対する比率で０．２以上０．４以下、好ましくは０．２９となる位置とする。

図５（Ｂ）は、空洞１５の直径を変化させたときのＬＰ０１モードからＬＰ１１ａモードへの変換率を示した図である。ここで、空洞１５の中心からの距離ｄ１は２μｍである。なお、空洞１５の位置とは、空洞の中心位置とする。第１縦軸はモード変換率、第２縦軸は空洞１５による損失、横軸は空洞１５の直径をコア領域１１の半径で規格化した値である。

空洞１５の直径がゼロである場合（空洞がない場合）、モード変換はされない。空洞１５の直径がおよそ３μｍのときに最大のモード変換効率を示した。一方、そこからさらに空洞１５の直径を大きくすると、損失が１ｄＢを超えて変換効率が低下する。つまり、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードを結合させる場合、空洞１５直径は、コア領域１１の半径に対する比率で０．３以上０．５５以下、好ましくは損失が１ｄＢ以下となる０．４３以下とする。

［付記］
本発明は、偏波状態や伝搬モードの電界分布に対するモード変換量の依存性を低減することができるＬＰＦＧを提供することを目的とする。

具体的には、本ＬＰＦＧは、複数ｎ（ｎは２以上の整数）の伝搬モードを伝搬可能な数モードファイバ（ＦＭＦ）に形成され、複数の前記伝搬モードを結合しうる長周期ファイバグレーティングであって、
当該ＬＰＦＧは、
断面の中心からｘ軸方向にオフセットして形成された空洞がｚ軸に沿って等間隔（Λ）に複数ｎ個配置されている第１空洞列と、
断面の中心からｙ軸方向にオフセットして形成された空洞がｚ軸に沿って等間隔（Λ）に複数ｍ個配置されている第２空洞列と
を備えることを特徴とする。

ここで、ｘ／ｙ／ｚ軸の定義は以下のとおりである。
ｘ軸：断面の中心を貫通し、断面に平行な軸
ｙ軸：断面の中心を貫通し、断面に平行かつ前記第１軸に直交する軸
ｚ軸：断面の中心を貫通し、ＬＰＦＧにおける光の導波方向に平行な軸

１０：数モードファイバ
１１：コア領域
１２：クラッド領域
１５：空洞
２５－１、２５－２：空洞列
３０：モード合波器
４０：モード分波器
５０：マルチモードファイバ
６０：接続部
３０１：光伝送システム

Claims (4)

1. ｎ（ｎは２以上の整数）の伝搬モードを伝搬可能な数モードファイバに形成される長周期ファイバグレーティングであって、
   前記数モードファイバのコア領域に、前記コア領域の中心軸から離れた位置に、前記中心軸に平行に、且つ周期的に配列された空洞列であり、
   前記空洞列は複数であり、
   それぞれの前記空洞列は、前記数モードファイバの長手方向に異なる位置にあり、
   互いの前記空洞列は、前記コア領域の断面の中心を原点としたときに前記断面上で９０°ずれた位置にあることを特徴とする長周期ファイバグレーティング。
2. 互いの前記空洞列は、空洞間隔及び空洞数が等しいことを特徴とする請求項１に記載の長周期ファイバグレーティング。
3. 前記数モードファイバの伝搬モードは３であり、
   前記空洞列は、前記コア領域の断面の中心を原点としたときに前記断面上で前記コア領域の半径に対する比率が０．２以上０．４以下となる位置にあり、
   前記空洞列を構成する各空洞の直径は、前記コア領域の半径に対する比率が０．３以上０．４３以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の長周期ファイバグレーティング。
4. ｎ（ｎは２以上の整数）の伝搬モードを伝搬可能なマルチモードファイバと、
   前記マルチモードファイバに接続され、請求項１から３のいずれかに記載の長周期ファイバグレーティングが形成された前記数モードファイバと、
   を備える光伝送システム。

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