(57)【要約】      （修正有）【課題】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を提供する。【解決手段】モード等価フィルタは、フューモードファイバ１ａ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２ａ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４を有する部分ＮＤフィルタ３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１ｂに集光する集光レンズ２ｂ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。【選択図】図１
2020013031.tif 000002
【特許請求の範囲】
【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。
【発明の詳細な説明】
【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、ＬＰ01、ＬＰ11o、ＬＰ11e、ＬＰ21o、ＬＰ21e、ＬＰ02、ＬＰ31o、ＬＰ31e、ＬＰ12o、およびＬＰ12eの各モードに対応している。
【図３】ＬＰ31oモードとＬＰ31e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ＬＰ31oモードについて、（ｂ）は偶モードＬＰ31eモードについて、（ｃ）はそれらが縮退したＬＰ31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（ＳｉＯ2）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、ＬＰ01、ＬＰ11o、ＬＰ11e、ＬＰ21o、ＬＰ21e、ＬＰ02、ＬＰ31o、ＬＰ31e、ＬＰ12o、およびＬＰ12e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、ＬＰ11OモードとＬＰ11eモード、ＬＰ21oモードとＬＰ21eモード、ＬＰ31oモードとＬＰ31eモード、およびＬＰ12oモードとＬＰ12e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ＬＰ11、ＬＰ21、ＬＰ31、ＬＰ12となる。
【００２２】
図３は、ＬＰ31oモードとＬＰ31e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ＬＰ31oモードについて、図３（ｂ）は偶モードＬＰ31eモードについて、図３（ｃ）はそれらが縮退したＬＰ31モードについての光パワー分布図である。
【００２３】
さらに、ＬＰ21とＬＰ02モード、およびＬＰ31とＬＰ12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ＬＰ21とＬＰ02モードとの間、およびＬＰ31とＬＰ12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、ＬＰ21＋ＬＰ02、ＬＰ31＋ＬＰ12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、ＬＰ01について７．０ｄＢ、ＬＰ11について４．６、ＬＰ21＋ＬＰ02について３．１ｄＢ、ＬＰ31＋ＬＰ12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、ＬＰ01とＬＰ11との間では２．６ｄＢ、ＬＰ01とＬＰ21＋ＬＰ02との間では４．１ｄＢ、ＬＰ01とＬＰ31＋ＬＰ12との間では５．１ｄＢ、ＬＰ11とＬＰ21＋ＬＰ02との間では１．５ｄＢ、ＬＰ11とＬＰ31＋ＬＰ12との間では２．５ｄＢ、ＬＰ21＋ＬＰ02とＬＰ31＋ＬＰ12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ＬＰ01では、８．９ｄＢ、ＬＰ11では、６．８ｄＢ、ＬＰ21＋ＬＰ02では、４．４ｄＢ、およびＬＰ31＋ＬＰ12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  
【図１】
2020013031.tif 000003
【図２】
2020013031.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2020013031.tif 000007
【図６】
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【図７】
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