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1. WO2020017447 - FILTRE D'ÉGALISATION DE MODE

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明 細 書

発明の名称 モード等化フィルタ

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

非特許文献

0004  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0005  

課題を解決するための手段

0006   0007  

発明の効果

0008  

図面の簡単な説明

0009  

発明を実施するための形態

0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038  

符号の説明

0039  

請求の範囲

1   2   3  

図面

1   2   3   4   5   6   7  

明 細 書

発明の名称 : モード等化フィルタ

技術分野

[0001]
 本発明は、モード等化フィルタに関し、より詳細には、マルチモード光ファイバにおけるモード間における伝送損失差を低減させるモード等価フィルタに関する。

背景技術

[0002]
 通信サービスの高速化・大容量化と共に、幹線系光伝送システムで伝送されるトラフィックが爆発的に増大している。基幹系システムにおけるトラフィック増大ヘ対処するために、光伝送システムの伝送容量を飛躍的に増大する技術検討が進められている。様々な伝送方式の中で、モード分割多重(Mode-Division Multiplexing、以下MDMという)光伝送に関する技術開発が近年急速に進んでいる。このMDM光伝送方式は、光信号の複数の異なるモードに対してそれぞれ異なる信号を重畳させることができ、なおかつ重畳された信号を長距離伝送できることが知られている(非特許文献1)。また、MDM伝送方式において、光信号が光ファイバ内を伝搬する際にモード変換が発生しても元の信号は保持されるため、受信機においてmultiple-input and multiple-output(MIMO)技術を用いた信号処理により複数の異なるモードの信号を識別受信できることも知られている。
[0003]
 このMDM光伝送方式において、光信号を伝送させるために使用される光ファイバは、光信号の所定のモードだけが伝搬を許容されるモードとなるように設計されたフューモードファイバ(Few Mode Fiber、以下FMFという)である。

先行技術文献

非特許文献

[0004]
非特許文献1 : K. Shibahara et al., “Dense SDM (12-core × 3-mode) transmission over 527 km with 33.2-ns mode-dispersion employing low-complexity parallel MIMO frequency-domain equalization”, Journal of Lightwave Technology, January 1, 2016, vol. 34, No. 1, p.196-204

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0005]
 FMFの内部を伝搬する光信号の伝送距離に対する伝送損失は、光信号のモード毎に異なる(モード依存損失)。また、MDM光伝送において使用される光増幅器は、FMFが伝搬を許容するモードと同じであるかそれよりも高次のモードを光増幅できる光増幅器であって、モード毎に利得値が異なる。そのため、長距離MDM光伝送方式により、光信号を長距離伝送させると光信号の各モード間における光パワー差が伝送距離と共に増大して、さらにそれら光パワーを光増幅した場合には光信号の各モード間において更に大きな光パワーの差を生じ、ひいては光信号の伝送特性においてモード間におけるばらつきが生じてしまう。その結果、光信号の伝送距離が制限されてしまう(非特許文献1)という課題があった。

課題を解決するための手段

[0006]
 本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、その目的は、FMFの内部を伝搬する光信号の各モード間における光パワー差を低減させるためのモード等化フィルタを提供することにある。
[0007]
 本発明の一実施形態は、フューモードファイバのコアを伝搬した信号光の複数のモード間の光強度差を低減させるモード等価フィルタであって、フューモードファイバから出射した信号光をコリメートするコリメートレンズと、コリメートした信号光に対して小さな透過率を有する小点を有する部分NDフィルタと、部分NDフィルタを透過した信号光をフューモードファイバに集光する集光レンズと、を含み、小さな透過率を有する小点は、部分NDフィルタの一部に配置され、部分NDフィルタは、コリメートした信号光が透過する際に、コリメートした信号光の一部が小さな透過率を有する小点と重なるように配置されている、モード等価フィルタを提供する。

発明の効果

[0008]
 本発明は、MDM光伝送方式において伝搬モード間に生じる光パワーの差を低減させることにより、伝搬モード間の光パワーの差に起因して光信号の伝送距離が制限されなくなる効果を奏する。

図面の簡単な説明

[0009]
[図1] 本願発明の第1の実施形態のモード等化フィルタの構成を示す模式図の斜視図である。
[図2] 6-LPモードファイバを伝搬するモードのFMFコア断面内における光パワー分布図である。(a)乃至(j)は、それぞれ、LP 01、LP 11o、LP 11e、LP 21o、LP 21e、LP 02、LP 31o、LP 31e、LP 12o、およびLP 12eの各モードに対応している。
[図3] LP 31oモードとLP 31eモードの縮退の様子を示すFMFコア断面内における光パワー分布図である。(a)は奇モードLP 31oモードについて、(b)は偶モードLP 31eモードについて、(c)はそれらが縮退したLP 31モードについての光パワー分布図である。
[図4] モード等化フィルタにより与えられる伝送損失の小点半径依存性を表すグラフである(小点の透過率を0.5、シフト量を0μmとしたとき)。
[図5] モード等化フィルタにより与えられる伝送損失の小点透過率依存性を表すグラフである(小点の半径を500μm、シフト量を0μmとしたとき)。
[図6] モード等化フィルタにより与えられる伝送損失の小点シフト量依存性を表すグラフである(小点の半径を500μm、透過率を0.5としたとき)。
[図7] 本願発明の第2の実施形態のモード等化フィルタの構成を示す模式図の斜視図である。

発明を実施するための形態

[0010]
 以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。また、本発明の実施形態は、本発明の要旨の範囲を逸脱しない限り、以下の例示に何ら限定されることはない。
[0011]
 以下の実施形態では、伝搬モード数が6個のモード(以下、6-LPモード(10モード)という)の場合について説明しているが、本発明の実施形態は、伝搬モード数に制限をされることなく適用可能であり、6-LPモード(10モード)と異なる数の伝搬モード数の場合にも適用可能である。
[0012]
(第1の実施形態)
 図1は、本願発明の第1の実施形態のモード等化フィルタの構成を示す模式図の斜視図である。本実施形態のモード等化フィルタは、コリメートレンズ2a、集光レンズ2b、部分NDフィルタ3、部分NDフィルタ3上に設けられた小さな透過率を有する小点4を含んで構成されている。
[0013]
 ここで、小さな透過率を有する小点4における「小点」は、「小さな部分」または「小部分」を意味するものであって、その形状が円形や丸形であることを特定するものではない。
[0014]
 このモード等化フィルタに含まれる各要素の配置について説明する。図1において、一点鎖線は信号光の進行方向を示す光軸101である。また、二点鎖線は光軸に垂直な軸102である。FMF1a,1b、コリメートレンズ2a、集光レンズ2b、部分NDフィルタ3、および小さな透過率を有する小点4は、それぞれ、光軸101上に沿って配置している。そして、FMF1aと1bとの間にコリメートレンズ2aおよび集光レンズ2bが位置し、コリメートレンズ2aと集光レンズ2bとの間に部分NDフィルタ3および小さな透過率を有する小点4が位置するように並んでいる。
[0015]
 FMF1a,1bは、それら各コアの主軸と光軸とが一致するように配置されている。FMF1a,1bは、コアとコアよりも屈折率の低いクラッドから構成されており、信号光はコアの内部を伝搬する。本実施形態では、FMF1a,1bとして、伝搬モード数が6個となる光ファイバ(以下、6-LPモード(10モード)ファイバという)を用いるため、FMF1a,1bのコアの内部を伝搬する伝搬モードは、6個(偶モードと奇モードとを区別すると10個)である。すなわち、FMF1a,1bの一方の端部より入力された光信号は、6個の伝搬モードで伝搬し、それら伝搬モードを維持しながら他方の端部より出力される。
[0016]
 コリメートレンズ2aは、そのレンズ面がFMF1aの端部に対向するように配置されている。コリメートレンズ2aは、FMF1aの端部から出力された信号光を集光しコリメートし光信号を透過させる。
[0017]
 部分NDフィルタ3は、平板形状でありその平面の法線が光軸101と平行となるように配置している。そして、コリメートレンズ2aを透過した信号光が、部分NDフィルタ3上に設けられた小さな透過率を有する小点4の一部を通過するように配置している。すなわち、コリメートレンズ2aを透過した信号光の内、部分NDフィルタ3の平面と平行な断面の一部と部分NDフィルタ3上に設けられた小さな透過率を有する小点4の一部とが重なるように、部分NDフィルタ3および小さな透過率を有する小点4が配置されている。信号光のうち、小さな透過率を有する小点4の一部を通過する信号光は、部分NDフィルタ3のうち小さな透過率を有する小点4が設けられていない部分を通過する信号光と比較して光パワーが小さくなる。
[0018]
 集光レンズ2bは、その一方のレンズ面が部分NDフィルタ3および小さな透過率を有する小点4に対向するように配置され、他方のレンズ面がFMF1bの端部に対向するように配置している。部分NDフィルタ3および小さな透過率を有する小点4を透過した信号光のうち、光軸101に平行な方向の信号光が集光レンズ2bによりFMF1bの端部に集光する。
[0019]
 ここで、部分NDフィルタ3は、信号光が部分NDフィルタ3を通過するときに、その信号の光パワーが低下しない限り、部分NDフィルタ3の材質は特に制限が無く、例えば、石英ガラス(SiO 2)その他の信号光が通過する際にその光パワーを低下させない材質を採用することができる。部分NDフィルタ3上に設けられる小さな透過率を有する小点4は、部分NDフィルタ3上に平面的かつ平滑に設けられることが好ましく、例えば、公知の薄膜製造方法により部分NDフィルタ3上に設けることができる。また、小さな透過率を有する小点4の形状は、コリメートされた信号光の断面の一部と重なって光信号がその部分を通過した後に通過する前よりも光パワーが小さくなる限り、特に制限は無く、円形、楕円形、多角形その他の形状を自由に採用することができる。
[0020]
 図2は、6-LPモードファイバを伝搬するモードの光ファイバ断面内における光パワー分布図である。図2において、黒色が濃い程光パワーが大きく、黒色から白色(または紙面の色)に近づくに従って光パワーは小さくなることを意味している。図2中の(a)乃至(j)は、それぞれ、FMF1a,1bのコア内部を伝搬する10個の伝搬モードの光パワー分布図を示しており、図2(a)乃至(j)は、それぞれ、LP 01、LP 11o、LP 11e、LP 21o、LP 21e、LP 02、LP 31o、LP 31e、LP 12o、およびLP 12eの各モードに対応している。ここで、LPの添え字のうち数字は伝搬モードの態様を示すものであり、oは奇モードを、およびeは偶モードを示すものである。
[0021]
 ここで、LP 11OモードとLP 11eモード、LP 21oモードとLP 21eモード、LP 31oモードとLP 31eモード、およびLP 12oモードとLP 12eモードは、それぞれ6-LPモードで伝搬中にモード変換によりそれぞれの奇モードoと偶モードeとが縮退し、それぞれ縮退したモードとしてLP 11、LP 21、LP 31、LP 12となる。
[0022]
 図3は、LP 31oモードとLP 31eモードの縮退の様子を示す光パワー分布図である。図3(a)は奇モードLP 31oモードについて、図3(b)は偶モードLP 31eモードについて、図3(c)はそれらが縮退したLP 31モードについての光パワー分布図である。
[0023]
 さらに、LP 21とLP 02モード、およびLP 31とLP 12モードは、それぞれ伝搬定数の値が非常に近いためにFMF1a,1bのコア内を伝搬中に頻繁にモード変換を生じる。その結果、それぞれ2つのモード間、すなわちLP 21とLP 02モードとの間、およびLP 31とLP 12モードとの間において光学特性上の区別がつかなくなる。したがって、フィルタの損失や光増幅器の利得などの光学特性の評価では、LP 21+LP 02、LP 31+LP 12のように、それぞれ1つの伝搬モードとして扱うこととする。
[0024]
 本実施形態のモード等化フィルタにおいて、信号光の各伝搬モードの部分NDフィルタ3に対する伝送損失は、部分NDフィルタ3上に設けられた小さな透過率を有する小点4の半径、小さな透過率を有する小点4に対する透過率、および小さな透過率を有する小点4の光軸101からのシフト量に依存する。
[0025]
 信号光として、波長1550nmの光を用いた場合のそれらに対する伝送損失について図4乃至図6に示す。
[0026]
 図4は、部分NDフィルタ3により与えられる伝送損失の小さな透過率を有する小点4の半径に対する依存性を表すグラフである。このとき、信号光の小さな透過率を有する小点4に対する透過率は0.5、シフト量は0μmである。横軸は小さな透過率を有する小点4の半径であり、縦軸はそれに対する信号光の伝送損失を示す。
[0027]
 図5は、部分NDフィルタ3により与えられる伝送損失の小さな透過率を有する小点4の透過率に対する依存性を表すグラフである。このとき、小点の半径を500μm、シフト量は0μmである。横軸は信号光の小さな透過率を有する小点4に対する透過率であり、縦軸はそれに対する信号光の伝送損失を示す。
[0028]
 図6は、部分NDフィルタ3により与えられる伝送損失の小さな透過率を有する小点4の光軸101からのシフト量に対する依存性を表すグラフである。このとき、小さな透過率を有する小点4の半径は500μm、信号光の小さな透過率を有する小点4に対する透過率は0.5である。横軸は小さな透過率を有する小点4の光軸101からのシフト量であり、縦軸はそれに対する信号光の伝送損失を示す。ここで、小さな透過率を有する小点4の光軸101からのシフト量は、部分NDフィルタ3上の小さな透過率を有する小点4の中心を光軸が通るように部分NDフィルタ3を配置した位置を基準として、部分NDフィルタ3を光軸に垂直な軸102に沿って移動させたときの部分NDフィルタ3の移動距離を指す。
[0029]
 これらの図4乃至図6から分かるとおり、部分NDフィルタ3により与えられる伝送損失は、小さな透過率を有する小点4の半径、信号光の小さな透過率を有する小点4に対する透過率、小さな透過率を有する小点4の光軸101からのシフト量のそれぞれに依存し、さらに伝送損失の依存の度合いは、各伝搬モードにより異なることが示されている。したがって、小さな透過率を有する小点4の半径、信号光の小さな透過率を有する小点4に対する透過率、小さな透過率を有する小点4の光軸101からのシフト量のそれぞれを所定に設定することにより、信号光の伝搬モード毎に所定の伝送損失を得ることができる。
[0030]
 すなわち、これらを所定の設定とすることにより、信号光の伝搬モード毎に異なる伝送損失の程度を低減させる効果を得ることが可能である。
[0031]
 本実施形態による、さらに具体的な例を示す。本実施形態のモード等化フィルタでは、小さな透過率を有する小点4の半径を650μmに、信号光の小さな透過率を有する小点4に対する透過率を0.11に、小さな透過率を有する小点4の光軸101からのシフト量を300μmに、それぞれ設定することにより、各伝搬モードの伝送損失をそれぞれ、LP 01について7.0dB、LP 11について4.6、LP 21+LP 02について3.1dB、LP 31+LP 12について2.3dBに設定することができる。
[0032]
 従来のFMFを用いた光増幅器の構成によれば、光信号の伝搬モード間の利得差は、LP 01とLP 11との間では2.6dB、LP 01とLP 21+LP 02との間では4.1dB、LP 01とLP 31+LP 12との間では5.1dB、LP 11とLP 21+LP 02との間では1.5dB、LP 11とLP 31+LP 12との間では2.5dB、LP 21+LP 02とLP 31+LP 12との間では1.0dBであり、主に光信号の各伝搬モードにより異なる伝送損失の差に起因して、光信号の伝搬モード間の利得差が生じる。そこで、上記FMFを用いた光増幅器の構成に本実施形態によるモード等価フィルタを適用することにより、光信号の伝搬モード間の利得差は、それぞれ0.2dB、0.2dB、0.4dB、0.0dB、0.2dB、および0.2dBヘと低減する。
[0033]
 つまり、本実施形態のモード等化フィルタは、FMFを用いた光増幅器の構成に適用することにより、光信号の伝搬モード間の利得差を低減させることも可能である。
[0034]
 またさらに、本実施形態のモード等化フィルタは、部分NDフィルタ3にスライド機構5(図示せず)接続して部分NDフィルタ3を光軸に垂直な軸102の方向に沿って変位させることも可能である。このスライド機構5は、例えば、光軸に垂直な軸102に平行なガイド部材により構成することができる。例えば、ガイド部材に滑合されている係止部材に部分NDフィルタ3を固定し、部分NDフィルタ3の一方をバネなどの弾性部材で弾設し、部分NDフィルタ3の他方をマイクロメータヘッドに当設し押止する機構とし、マイクロメータヘッドを変位させることにより部分NDフィルタの位置を変位させる機構が好ましい。また、スライド機構5の構成および機構は、コリメートレンズ2aでコリメートされた光を遮らずに部分NDフィルタ3へと到達させることが可能であって、部分NDフィルタ3の変位により、部分NDフィルタ3の平面と平行なコリメートされた光の断面の一部と部分NDフィルタ3上に設けられた小さな透過率を有する小点4の一部とが重なる位置が変化する構成および機構であれば、特に制限がなく採用をすることが可能である。
[0035]
 例えば、本実施形態のモード等化フィルタにおいて、上記スライド機構5をさらに備えて、部分NDフィルタ3を変位させ、小さな透過率を有する小点4の光軸101からのシフト量を0μmとしたときは、各伝搬モードの伝送損失がLP 01では、8.9dB、LP 11では、6.8dB、LP 21+LP 02では、4.4dB、およびLP 31+LP 12では2.4dBとなる。すなわち、上記の小さな透過率を有する小点4の光軸101からのシフト量が300μmのときと比較すると、各伝搬モードにおいて異なる伝送損失を得ることができる。
[0036]
(第2の実施形態)
 図7は、本願発明の第2の実施形態のモード等化フィルタの構成を示す模式図の斜視図である。本実施形態のモード等化フィルタは、第1の実施形態のモード等化フィルタと、構成および各要素の配置は同じである。部分NDフィルタ3に接続され、部分NDフィルタ3を光軸に垂直な軸102に加え、光軸に垂直で且つ光軸に垂直な軸102と直交する軸103および光軸101の、互いに直交する3方向に移動可能なように、3軸スライド機構6(図示せず)を設置した点が異なっている。
[0037]
 3軸スライド機構5をさらに備えることにより、FMF1a,1b、コリメートレンズ2a、集光レンズ2b、部分NDフィルタ3、および小さな透過率を有する小点4は、光軸方向および光軸に垂直な面内におけるそれら要素の配置におけるマージン確保することができる。本実施形態のモード等化フィルタによれば、モード等価フィルタの動作中にこれら要素の相対位置が変動を生じても3軸スライド機構6を用いて部分NDフィルタ3の位置を適宜変位することにより、所望の損失特性が得られる。
[0038]
 例えば、コリメートレンズ2aの設置位置が第1の実施形態のモード等化フィルタの配置よりも、光軸101方向に沿ってFMF1aの方向へ1.5μm変動した場合に、3軸スライド機構6を用いて部分NDフィルタ3の位置をFMF1aの方向へ光軸101方向に沿って約1μm変位させることにより、第1の実施形態と同様の信号光の伝搬モード間における伝送損失を得ることができ、さらに、小さな透過率を有する小点4の半径、信号光の小さな透過率を有する小点4に対する透過率、小さな透過率を有する小点4の光軸101からのシフト量のそれぞれを所定に設定することにより、信号光の伝搬モード毎に異なる伝送損失の程度を低減させる効果(モード等化特性)を得ることができた。

符号の説明

[0039]
1a,1b FMF
2a    コリメートレンズ
2b    集光レンズ
3     部分NDフィルタ
4     小さな透過率を有する小点
5     スライド機構
6     3軸スライド機構 

請求の範囲

[請求項1]
 フューモードファイバのコアを伝搬した信号光の複数のモード間の光強度差を低減させるモード等価フィルタであって、
 フューモードファイバから出射した信号光をコリメートするコリメートレンズと、
 前記コリメートした信号光に対して小さな透過率を有する小点を有する部分NDフィルタと、
 前記部分NDフィルタを透過した信号光をフューモードファイバに集光する集光レンズと、を含み、
 前記小さな透過率を有する小点は、前記部分NDフィルタの一部に配置され、
 前記部分NDフィルタは、前記コリメートした信号光が透過する際に、前記コリメートした信号光の一部が前記小さな透過率を有する小点と重なるように配置されている、
 モード等価フィルタ。
[請求項2]
 前記小さな透過率を有する小点を通過した前記部分NDフィルタを透過した信号光の強度は、前記部分NDフィルタを通過した前記部分NDフィルタを透過した信号光の強度よりも小さい、
 請求項1に記載のモード等価フィルタ。
[請求項3]
 前記部分NDフィルタを、前記コリメートした信号光が進行する光軸に平行な第一の方向、前記光軸に垂直な第二の方向、および前記第一の方向と第二の方向と直交する第三の方向の内、少なくともいずれか1つの方向に変位させるスライド機構であって、
 前記変位により、前記部分NDフィルタの平面と平行な前記コリメートした信号光の断面の一部と前記小さな透過率を有する小点の一部とが重なる位置が変位する、
スライド機構をさらに備える、
 請求項2に記載のモード等価フィルタ。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]