(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチモードステップインデックス型光ファイバの入射端から光を入射させ出射端から光を出射させる信号伝送において、出射光を出射光軸となす角度毎の複数の成分に分け、各成分をそれぞれ異なる受光器にて受光して電気信号に変換し、角度が小さい成分の信号をそれぞれ所定の時間遅らせる遅延処理した後、角度が大きい成分の信号と加算することを特徴とする伝達情報量の増加方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマルチモードステップインデックス型（以下単に「ＳＩ型」と略す）光ファイバを用いた信号伝送において、伝送可能な情報量を増加させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＩ型光ファイバは光信号伝達の媒体として使用される。その際、ＳＩ型光ファイバを伝わる光には多数の伝搬モードが存在し、モードによって伝搬速度が異なるため、伝達される信号パルスの形状が崩れるという現象を生じる。すなわちファイバへの入射角とファイバからの出射角が大きい高次モードの光は、ファイバへの入射角とファイバからの出射角が小さい低次モードの光より伝播速度が遅い。従ってこれらを合成して得られる信号パルスの形状が劣化するので、ＳＩ型光ファイバでは高い周波数の信号を伝送することができないという問題がある。
【０００３】
伝達可能な信号の周波数範囲を伝送帯域といい、一般に伝送可能な上限周波数で表される。伝送帯域が広いということは一定時間に伝達可能な情報量が多いということである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＳＩ型光ファイバは、既に述べたごとくモード分散による信号劣化が原因で伝送帯域が限られ、例えば100ｍ伝送に於ける典型的な伝送帯域値は数十MHz〜百数十MHzと低い。
【０００５】
本発明の目的は、通常の使用法では伝送帯域が狭いＳＩ型光ファイバの伝送帯域を大幅に改善し伝達可能な情報量を増すことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題は以下の発明によって解決される。即ち、マルチモードステップインデックス型光ファイバの入射端から光を入射させ出射端から光を出射させる信号伝送において、出射光を出射光軸となす角度毎の複数の成分に分け、各成分をそれぞれ異なる受光器にて受光して電気信号に変換し、角度が小さい成分の信号をそれぞれ所定の時間遅らせる遅延処理した後、角度が大きい成分の信号と加算することを特徴とする伝達情報量の増加方法である。
【００１１】
この発明は、出射角が小さい成分の信号をそれぞれ所定の時間遅らせる遅延処理した後、出射角が大きい成分と加算する方法である。尚、本発明において出射光が出射光軸となす角度を出射角という。
【００１２】
【発明の実施の形態】
既に説明したように、ＳＩ型光ファイバにおいては光パルスを入力すると出射光パルスは時間軸方向に広がる（図１）。これは伝搬モードによって光路長が変わり，これらの光の到達時間にずれを生じるためである。このことを図２を用いて説明する。
【００１３】
図２の中間的な光路長を有するモードの光(２)に対し，このモードよりも伝搬角が大きい(１)のようなモードでは同じファイバ長を伝搬する光路長が長くなり，逆に(２)よりも伝搬角が小さい(３)のようなモードでは光路長が短くなる。一つの光パルスに含まれるこれらのモードの光はファイバを伝わる伝搬速度が違うため，図２の右側に示すようにそれぞれの場合で到達時間に違いを生じ，(２)のモードの光は(１)のモードの光よりt1時間だけ速く到達し，(３)のモードの光は(１)のモードよりt2時間だけ速く到達する。これらが加え合わされた結果時間幅の広いパルスとなるわけである。
【００１４】
ここでそれぞれの各伝搬モードの信号の広がり幅は、合成されるパルス光（信  号）の広がり幅に比べて狭い。各モードの伝搬速度は伝搬角で決まり、出射面がファイバ軸に垂直な平面であれば伝搬角は出射角に対応する。それゆえ受光する光を所定の出射角以下の範囲に限定することによって受光する伝搬モードを所定の範囲内に限定できる。
【００１５】
伝搬角と伝搬速度の関係は、伝播角度が小さい場合は角度変化に対する速度変化の差が小さく、伝播角度が大きくなると角度変化に対する速度変化の差が大きくなる。従って所定の角度より小さい伝搬角、即ち所定の角度より小さい出射角の光のみを受光器に導く方法が効率が良い。そしてこの方法は図１０に示すような絞りとレンズからなる単純な光学系で実施できるため特に実用性が高い。図１０（ａ）はこの目的を実施する最も簡単な光学系である。尚、レンズの径を小さくすれば、絞りを省略することも可能である。また図１０（ｂ）のようにファイバ出射端に凸レンズを追加して、よりコンパクトな光学系にすることもできる。
【００１６】
本発明は、更に積極的に広帯域化をねらうもので、上記各伝搬モードをそれぞれ別の受光器で受光した後、得られた各モードの電気信号を演算処理してパルス波形を整形するものである。図４は本発明の一例であるが、各モードの受信パルスのうち時間の早いものをそれぞれ遅延素子を用いて所定の時間だけ遅らせ、時間補正をした後に加算するもので、全てのモードのパルスを加算できるため効率が良く、Ｓ／Ｎ比の劣化をまねかずに広帯域化を図ることができる。
【００１７】
図５は反転増幅器を利用した減算回路によりパルス波形を整形するもので、遅延素子を用いない分だけシンプルである。特に伝搬速度の早いモードと、逆に遅いモードの信号を他のモードの信号から減算してパルス幅を狭めるものであるが、減算により信号強度が弱まるため、伝搬光が弱い長距離の通信には適さない。
【００１８】
前記の実施形態では伝送光を三つのモード群に分けた例を説明したが、実際には二つ或いは四つ以上に分けることもできる。原理的には多数に分ける程大きな効果が期待できるが、実際の光ファイバでは各伝搬モードは相互に混じり合うため、分割数が一定以上になると伝送帯域の拡大効果は飽和する。逆に装置構成が複雑になるというデメリットが生じる。適切な分割数は光ファイバの種類と使用条件によって異なるが、例えば開口数０．５のプラスチック光ファイバを使って５０〜１００ｍの伝送では二分割ないし三分割程度である。
【００１９】
ファイバ端からの出射角を利用して伝搬モードを分割受光するためには、例えば図３のように同心円状に分割された広い受光面を有するＰＤ（フォトダイオード）を使う方法が考えられる。しかしながらこのような特殊な受光面を持ち、且つ応答速度が速い（数ｎｓｅｃ）ＰＤを制作するのは容易でない。そこで以下に述べるような通常のＰＤを使ってモード分割する方法が採用される。
【００２０】
光ファイバの出射光を凸レンズを使ってＰＤに導く際、図７のごとく凸レンズの光軸をファイバの出射軸からずらすことによって出射光の集束位置も移動する。この集束位置の移動距離Ｄはレンズの光軸のずれをｄ、投影倍率をｍとすると、Ｄ＝（１＋ｍ）ｄである。そこで図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のごとく、軸をずらした凸レンズをファイバ軸を中心として同心円状に切り取り、これらを合成した形状の特殊レンズＳＬを使って、図６のごとく配置すれば、出射角によって区別された各モード群の光は異なる位置に集束され、それぞれのＰＤで受光される。
【００２１】
【実施例】
以下実施例により本発明を説明する。
【００２２】
参照例１
直径１ｍｍ、開口数０．５のＳＩ型プラスチック光ファイバを使い、図８に示す装置で伝送パルスの波形を観察した。光源にはパルス駆動できるＬＤ（レーザーダイオード）を用い、レンズで入射端に集光させた。受光側には光を円形状にカットするために図９の円形スリットを設けたマスクを用意し、光ファイバの光出射端の後方にこの光ファイバの軸と円形スリットの中心が同一線上に並ぶように置いた。
【００２３】
光ファイバから出射した光は、一定の出射角の成分のみが円形スリットを通過し，レンズでＰＤ（フォトダイオード）に導かれた。円形スリットのスリット幅は１ｍｍとし，光ファイバの端面から約５ｍｍのところに置かれ、ファイバ光軸となす角が０度（直径１ｍｍのピンホール），約10度，15度，20度の方向の光のみ通過できる４通りのものを用意した。これらのマスクを通して測定した時間軸に対するパルス幅を，マスクを用いない場合のパルス幅と比較した。
【００２４】
パルス幅100psec未満の光パルスを入射し光ファイバを50ｍ通過してきたパルスを比較すると，マスクを用いない場合にパルス幅が3.26nsであったものが，0度，10度，15度，20度のマスクによって，それぞれ，1.48ns，1.53ns，1.80ns，2.58nsとなった。この結果は、マスクを用いない場合と比較して伝送帯域がそれぞれ2.2倍，2.1倍，1.8倍，1.3倍であることを意味する。
【００２５】
ここで0〜15度までのパルスのピーク位置は比較的接近しているので、0〜15度までを通す円形窓のマスクを図１０のように用いた。その結果、通常の使用法の２倍弱の伝送帯域が実現できた。
【００２６】
実施例１
直径１ｍｍ、長さ５０ｍ、開口数０．５のコアが屈折率1.49のポリメチルメタクリレートからなるＳＩ型プラスチック光ファイバを使い、図８に示す装置で伝送パルスの波形を観察した。光源にはパルス駆動できるＬＤ（レーザーダイオード）を用い、レンズで入射端に集光させた。
光ファイバの長さをＬ，内部を伝搬する光線がファイバー軸となす角度をθとすると，この光線が伝搬する距離はＬ／cosθで表される。ファイバー中を光が進む速さをｖとすると，この光線が光ファイバを通って出射端に達するのにかかる時間τは，Ｌ／（ｖ・cosθ）である。この光ファイバの0度，10度，15度，20度の出射光はそれぞれθ＝0度，6.7度，10.0度，13.3度であり、0度を基準としたτの遅れは0nsec，1.7nsec，3.8nsec，7.8nsecである。
【００２７】
実験結果から分かるように出射角が20度程度になるとパルスの広がりが著しく大きくなるため、この成分は利用せず、例えば図６ないし図３に示した方法を利用して（分割数は図と異なる）出射角が0〜10度，10〜15度の二成分に分けて受光し、0〜10度の信号に約2nsecの遅延を施した後、10〜15度の信号に加えた。その結果伝送帯域は約２．５倍に向上した。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、ＳＩ型ファイバを使う光信号伝送において、受光側の光学系あるいは光学系と電気回路によりパルス信号の劣化を抑制することができ、伝送帯域を増すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光伝送におけるパルス波形の劣化を説明する図である。
【図２】伝搬モードによる伝送パルスの違いを説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態である光学系を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態である信号処理回路図である。
【図５】本発明の一実施形態である信号処理回路図である。
【図６】本発明の一実施形態である光学系を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態である光学系の原理を説明する図である。
【図８】実施例１における光学系の配置図である。
【図９】図８の円形スリットの平面図である。
【図１０】実施例１で使用した円形窓を有するマスクを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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