(57)【要約】  ＭＤＭの潜在的な能力を引き出す。光通信システムは、ＭＭＦ（２）によって伝送される信号光の各空間モードに対応してホログラムが多重記録されるホログラム媒質（１）を備えており、上記ホログラム媒質（１）における信号光の入射側に、各空間モードの位相を変調し、各空間モードの空間的な重なりを小さくする位相板（４）が配置されている。
2017094369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の空間モードの信号光を伝送できる光ファイバによって通信を行う光通信システムであって、
上記光ファイバによって伝送される信号光の各空間モードに対応してホログラムが多重記録される多重ホログラム記録部と、
上記多重ホログラム記録部における信号光の入射側に配置され、且つ、当該信号光の各空間モードの位相を変調し、当該各空間モードの空間的な重なりを小さくする位相板と、を備えていることを特徴とする光通信システム。
【請求項２】
上記位相板の位相変調量分布は、当該位相板を透過する信号光における、透過後の各空間モードの空間的な重なりが透過前の各空間モードの空間的な重なりよりも小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
【請求項３】
上記位相板の位相変調量分布は、当該位相板を透過する信号光の各空間モードに応じて設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光通信システム。
【請求項４】
複数の空間モードの信号光を伝送できる光ファイバによって通信を行う光通信方法であって、
上記光ファイバによって伝送される信号光の各空間モードの位相を位相板により変調して多重ホログラム記録部に多重記録する記録ステップを含み、
上記位相板は、上記各空間モードの空間的な重なりを小さくするように当該空間モードの位相を変調することを特徴とする光通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝送用光導波路として複数の空間モードの信号光を伝送できる光ファイバ（マルチモードファイバ等）を用いた光通信システム及び光通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットの普及により情報トラフィックは、急激に増加しており、モバイルデータ通信やＭ２Ｍ（Machine to Machine）通信などの普及により今後も増加し続けることが予想されている。このため、これらの通信を支える光ファイバ通信網においてさらなる大容量化の実現が急務となっている。これまで、複数の異なる波長を同時に利用する波長分割多重（ＷＤＭ: Wavelength-Division Multiplexing）（非特許文献１参照）や偏光の違いを利用した偏光分割多重(ＰＤＭ: Polarization-Division Multiplexing)（非特許文献２参照）などを組み合わせることにより、通信容量の拡大が試みられてきた。【０００３】
しかしながら、現行の光ファイバ通信網を支えるシングルモードファイバ（ＳＭＦ: Single-Mode Fiber）では、多重数の増加に伴う入力パワー密度の増加に伴い信号のパルスが歪む非線形効果（非特許文献３参照）や光ファイバの熱破壊（非特許文献４参照）が生じ、伝送容量拡大の限界が指摘されている（非特許文献５参照）。【０００４】
そこで、さらなる光ファイバ通信の大容量化に向けて次世代光通信技術が注目されている。有力な次世代光通信技術の一つとして、マルチモードファイバ（ＭＭＦ: Multi-ModeFiber）を利用したモード分割多重通信（ＭＤＭ: Mode-Division Multiplexing）（非特許文献６参照）が挙げられる。ＭＤＭは、ＳＭＦに比べてコア径が広いＭＭＦを用い、そのＭＭＦ中を伝搬する複数の空間モードの光に対して独立に信号変調する。よって、利用する空間モードの数に比例して光の伝送容量の拡大が可能であるため、伝送容量の拡大が期待できる。【０００５】
また、上記したようにＭＤＭで用いられるＭＭＦは、ＳＭＦに比べてコア径が広いため、入力パワー密度の増加を防ぐことが出来る。したがって、非線形効果や熱破壊の影響を受けにくい。【０００６】
また、ＭＤＭは、ＷＤＭなどの既存の多重技術との組み合わせが可能であり、最終的な光の伝送容量は現在の通信容量と用いる空間モード数を乗じたものとなり飛躍的な向上となる。【０００７】
以上から、ＭＤＭは非常に注目されている技術であると言える。一方で、実際にＭＤＭを用いた場合、ＭＭＦ中の複数の空間モードを独立したチャネルとして扱うため送受信側においてそれぞれに空間モードの多重分離技術が必要不可欠となる。【０００８】
従来の空間モードの多重分離技術としては、位相板を用いる手法（非特許文献７参照）や平面光波回路を用いる手法（非特許文献８参照）が提案されている。位相板を用いる手法では、各空間モードがお互いに空間的重なりを持つ場合においても分離が可能であるという特長を持つ。また、平面光波回路を用いる手法では、多重分離において損失が少なく、装置が小型化できるという特長がある。しかしながら、位相板を用いる手法においては、利用するモードの数に応じて位相板を用意する必要があり、かつビームスプリッタによって信号光を合波または分岐する必要があるためシステムが大型化及び複雑化する問題点がある。また、平面光波回路を用いる手法においては、現状の技術において高次の空間モードを扱うことが非常に困難であるため利用するモード数が制限されてしまうという問題点があげられる。【０００９】
これらの課題を解決しうる技術としてホログラム媒質を用いた動的多重ホログラムによる全光学的モードマルチ／デマルチプレクサ（特許文献１，非特許文献９参照）が提案されている。本技術では、事前にホログラム媒質に、空間モードと異なる角度で伝搬する参照光との干渉縞を媒質内に記録し、この記録を空間モードと参照光の角度を変化させ多重記録することで体積ホログラムとし、この体積ホログラムから複数の空間モードの分離を全光学的に実現する。これにより、単一のデバイスで一度に複数の空間モードを扱うことが可能であり、またホログラム媒質に空間モードを記録することで分離を行うため高次の空間モードであっても分離が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開特許公報「ＷＯ２００１１／０５２４０５（２０１１年５月５日国際公開）」
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】C. A. Brackett, “Dense wavelength division multiplexing networks: principles and applications,” IEEE JSAC 8(6), 948-964 (1990).
【非特許文献２】B. Zhu, T. Taunay, M. Fishteyn, X. Liu, S. Chandrasekhar, M. Yan, J. Fini, E. Monberg, and F. Dimarcello, “Space-, Wavelength-, Polarization-Division Multiplexed Transmission of 56-Tb/s over a 76.8-km Seven-Core Fiber,” OFC/NFOEC PDPB7 (2011).
【非特許文献３】A.R.Chraplyvy, “Limitations on Lightwave Communications Imposed by Optical Fiber Nonlinearities,” J. Lightwave Tech. 8(10), 1548-1552 (1990).
【非特許文献４】Y. Shuto, S. Yanagi, S. Asakawa, M. Kobayashi, and R. Nagase, “Fiber fuse phenomenon in step-index single-mode optical fibers,” IEEE J. Quantum Electron. 40(8), 1113-1121 (2004).
【非特許文献５】R. -J. Essiambre, and Robert W. Tkach., “Capacity Trends and Limits of Optical Communication Networks,”Proc. IEEE, 100(5), 1035-1055 (2012).
【非特許文献６】S. Berdague, and P. Facq, “Mode division multiplexing in optical fibers,” Appl. Opt. 21(11), 1950-1955 (1982).
【非特許文献７】C. Koebele, M. Salsi, L. Milord, R. Ryf, C. Bolle, P. Sillard, S. Bigo, and G. Charlet, “40km Transmission of Five Mode Division Multiplexed Data Streams at 100Gb/s with low MIMO-DSP Complexity,” ECOC Th.13.C.3 1-3 (2011).
【非特許文献８】N. Hanzawa, K. Saitoh, T. Sakamoto, T. Matsui, K. Tsujikawa, M. Koshiba, and F Yamamoto, “Mode multi/demultiplexing with parallel waveguidefor mode division multiplexed transmission,” Opt. Express 22(24), 29321-29330 (2014).
【非特許文献９】Y. Wakayama, A. Okamoto, K. Kawabata , A. Tomita, and K. Sato, “Mode demultiplexer using angularly multiplexed volume holograms,” Opt. Express 21(10), 12920-12933 (2013).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１，非特許文献９において開示された技術（以下、従来技術と称する）においても多重記録したホログラムを用いているため、信号光としてホログラム媒質に入射する各空間モード間で空間的な重なりが大きい場合、空間モードの分離特性が著しく低下するという問題が生じる。特に、ＭＤＭでは信号処理によってクロストークの補償を行うため、次数が近い空間モードの組み合わせを用いるのが一般的な通信方式であるため問題である。つまり、ＭＤＭで用いるような空間モード、例えばＬＰ０１，ＬＰ１１，ＬＰ２１のような次数が低くかつ近い空間モードの分離においてはＳＮＲが低くなる。よって、特許文献１，非特許文献９において開示された技術ではＭＤＭの潜在的な能力を引き出すことが出来ないという問題が生じる。【００１３】
本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、次数が低くかつ近い空間モードの分離特性を向上させて、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）を利用したモード分割多重通信（ＭＤＭ）の潜在的な能力を引き出すことのできる光通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明の光通信システムは、複数の空間モードの信号光を伝送できる光ファイバによって通信を行う光通信システムであって、上記光ファイバによって伝送される信号光の各空間モードに対応してホログラムが多重記録される多重ホログラム記録部と、上記多重ホログラム記録部における信号光の入射側に配置され、且つ、当該信号光の各空間モードの位相を変調し、当該各空間モードの空間的な重なりを小さくする位相板と、を備えていることを特徴としている。【００１５】
また、本発明の光通信方法は、複数の空間モードの信号光を伝送できる光ファイバによって通信を行う光通信方法であって、上記光ファイバによって伝送される信号光の各空間モードの位相を位相板により変調して多重ホログラム記録部に多重記録する記録ステップを含み、上記位相板は、上記各空間モードの空間的な重なりを小さくするように当該空間モードの位相を変調することを特徴としている。【００１６】
上記の構成によれば、多重ホログラム記録部における信号光の入射側に配置され、且つ、当該信号光の各空間モードの位相を変調し、当該各空間モードの空間的な重なりを小さくする位相板を備えていることで、信号光のそれぞれの空間モードは空間的な重なりの小さい強度分布となるため多重ホログラム記録部での空間モードの分離特性が向上する。【００１７】
これにより、次数が近い空間モードの組み合わせであっても、それぞれの空間モードは空間的に重なりの小さい強度分布となり、多重ホログラム記録部での空間モードの分離特性が向上する。このため、本発明は、信号処理によってクロストークの補償を行うために次数が近いモードの組み合わせを用いるのが一般的であるモード多重分割通信（ＭＤＭ）に好適である。【００１８】
従って、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）を利用したモード分割多重通信（ＭＤＭ）の潜在的な能力を引き出すことが可能となる。【００１９】
各空間モードの位相を変調し、各空間モードの空間的な重なりを小さくするには、以下のようにすればよい。【００２０】
上記位相板の位相変調量分布を、当該位相板を透過する信号光における、透過後の各空間モードの空間的な重なりが透過前の各空間モードの空間的な重なりよりも小さくなるように設定すればよい。【００２１】
また、上記位相板の位相変調量分布を、当該位相板を透過する信号光の各空間モードに応じて設定すればよい。【００２２】
上記の構成によれば、信号光の各空間モードにおける強度分布の重なりを確実に小さくできるような位相板を用いることが可能となるため、より、モード多重分割通信（ＭＤＭ）に好適である。【００２３】
上記多重ホログラム記録部は、フォトリフラクティブ媒質であることが好ましい。【００２４】
上記の構成によれば、多重ホログラム記録部にフォトリフラクティブ媒質を用いることで、多重ホログラム記録部に容易に動的ホログラム（書き換え可能なホログラム）を形成することができる。これによって、光ファイバを伝送する空間モードが外部の環境(ファイバの曲がりや温度変化など)によって、時間的に変動したり歪を受けたりした場合に対しても、ホログラムの書き換えを動的に行うことで、通信を維持・継続することが可能になる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）を利用したモード分割多重通信（ＭＤＭ）において、次数が低くかつ近い空間モードの分離特性を向上させて、ＭＤＭの潜在的な能力を引き出すことできるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態１に係る光通信システムの概略構成を示し、当該光通信システムにおけるホログラム記録過程の動作を示す図である。
【図２】図１に示す光通信システムにおけるホログラム再生過程の動作を示す図である。
【図３】比較のための光通信システムの概略構成を示し、当該光通信システムにおけるホログラム記録過程の動作を示す図である。
【図４】図３に示す光通信システムにおけるホログラム再生過程の動作を示す図である。
【図５】図１に示す光通信システムにおける信号光の位相変調前後における強度分布を示す図である。
【図６】本発明の光通信システムの動作実験を行うにために用いた光学系を示す図である。
【図７】図６に示す光通信システムにおけるホログラム記録過程の数値解析モデルを示す図である。
【図８】図６に示す光通信システムにおけるホログラム再生過程の数値解析モデルを示す図である。
【図９】図６に示す光通信システムにおける信号光の位相変調前後における強度分布の一例を示す図である。
【図１０】図６に示す光通信システムにおける信号光の位相変調前後における強度分布の他の例を示す図である。
【図１１】図９に示す各空間モードにおける回折角と規格化パワーとの関係示す棒グラフであり、（ａ）は位相板による位相変調を行わない場合を示し、（ｂ）は図９に示す位相変調量分布の位相板による位相変調を行った場合を示す。
【図１２】図１０に示す各モードにおける回折角と規格化パワーとの関係示す棒グラフであり、（ａ）は位相板による位相変調を行わない場合を示し、（ｂ）は図１０に示す位相変調量分布の位相板による位相変調を行った場合を示す。
【図１３】本発明の実施形態２に係る光通信システムの概略構成を示し、当該光通信システムにおけるホログラム記録過程の動作を示す図である。
【図１４】図１３に示す光通信システムにおけるホログラム再生過程の動作を示す図である。
【図１５】本発明の光通信システムの動作実験を行うにために用いた他の光学系を示す図である。
【図１６】図１５に示す光学系において得られた各空間モードにおける強度分布を示す図である。
【図１７】図１５に示す光学系において、各空間モードの入射によって再構築された回折光を示す図である。
【図１８】従来の方法と本実施例とにおける、光学系におけるピンホールの直径と、空間モードＬＰ０１，ＬＰ１１，ＬＰ２１のＳＮＲの平均値との関係を示すグラフである。
【図１９】従来の方法と本実施例とにおける、光学系におけるピンホールの直径と、空間モードＬＰ０１のＳＮＲとの関係を示すグラフである。
【図２０】従来の方法と本実施例とにおける、光学系におけるピンホールの直径と、空間モードＬＰ１１のＳＮＲとの関係を示すグラフである。
【図２１】従来の方法と本実施例とにおける、光学系におけるピンホールの直径と、空間モードＬＰ２１のＳＮＲとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１について、詳細に説明する。
【００２８】
（光通信システムの概要：位相板無し）
本発明の光通信システムを説明する前に、本発明の前提となる光通信システムについて図３及び図４を参照しながら説明する。ここでは、光通信システムとして、多重ホログラム記録部にホログラム媒質を用いた動的多重ホログラムによる全光学的モードマルチ/デマルチプレクサについて説明する。
【００２９】
図３は、ホログラム記録過程を示し、図４は、ホログラム再生過程を示す。
【００３０】
前提となる光通信システムは、多重ホログラム記録部としてのホログラム媒質１、複数の空間モードの光を伝送するＭＭＦ（マルチモードファイバ）２、ＭＭＦ２からホログラム媒質１までの経路上に配され、ＭＭＦ２から出射された光を集光する集光レンズ３を含んでいる。
【００３１】
すなわち、光通信システムは、空間モード毎にホログラムがホログラム媒質１に記録されるマルチプレクサとして機能し、ホログラム媒質１に記録された多重のホログラムを空間モード（ｉ＝１，ｉ＝２，ｉ＝３）毎に分離して再生するデマルチプレクサとして機能する。ここで、「ｉ」は、空間モードを区別するためのモード番号である。
【００３２】
ホログラム記録過程（光通信システムのマルチプレクサとしての機能）では、図３に示すように、ＭＭＦ２中に励起された複数のＬＰモード（空間モード）の複素振幅を持ち、集光レンズ３により集光された記録光Ｗｉ（ｉ＝１，ｉ＝２，ｉ＝３）と、異なる角度で伝搬する参照光Ｒｉ（ｉ＝１，ｉ＝２，ｉ＝３）が同時にホログラム媒質１に入射する。このとき、記録光Ｗｉと参照光Ｒｉの干渉によってホログラム媒質１内に干渉縞が記録される。この記録を記録光ＷｉのＬＰモードと参照光Ｒｉの角度を変化させながら複数回（本実施形態では３回）行うことで、分離対象となるＬＰモード数分だけホログラム媒質１内にホログラムを角度多重記録する。参照光Ｒｉ（ｉ＝１，ｉ＝２，ｉ＝３）の入射角θＲｉはＬＰモード毎（ｉ＝１，ｉ＝２，ｉ＝３）に異なる角度となるように設定する。従って、ｍ番目のホログラム記録において、記録光Ｗｍおよび参照光Ｒｍは、以下の数式（１）（２）で表すことができる。
【００３３】
【数１】
2017094369.tif 000003
【００３４】
【数２】
2017094369.tif 000004
ここで、Ａｍ（ｘ、ｙ、ｚ）とＡＲは振幅、θＲｍは入射角、φｍ（ｘ、ｙ、ｚ）はファイバのモードを決める位相である。信号光の分離に直接寄与する振幅透過率Ｔは、以下の数式（３）で表すことができる。
【００３５】
【数３】
2017094369.tif 000005
ホログラム再生過程（光通信システムのデマルチプレクサとして機能）では、図４に示すように、ＭＭＦ２中に励起されたＬＰモード（ｉ＝１，ｉ＝２，ｉ＝３）の複素振幅を持ち、集光レンズ３により集光されたＭＤＭ信号Ｓがホログラム媒質１の体積ホログラムに入射する。このＭＤＭ信号Ｓが体積ホログラムに入射されることで、体積ホログラムとして記録されたホログラムが分離再生される。
【００３６】
上記ＭＤＭ信号Ｓは、モード分布Ｇｍに異なる時系列信号ａｎ（ｔ）を付与することで、以下の数式（４）で表すことができる。
【００３７】
【数４】
2017094369.tif 000006
このＭＤＭ信号Ｓは、上記のように記録された体積ホログラムに入射することで参照光の入射角度にしたがって回折する。この回折光ＤＩは、以下の数式（５）で表すことができる。
【００３８】
【数５】
2017094369.tif 000007
ここで、ｄはホログラムの幅、Ｌはホログラムの厚さ、ηは回折効率、θＤｌは回折角である。数式（５）より、ｍ＝ｎでφｍ＝φｎのとき、入射光は、θＤｌ＝θＲｍの方向へ強く回折することがわかる。この場合、回折光波Ｄｌは、以下の数式（６）で表すことができる。
【００３９】
【数６】
2017094369.tif 000008
この原理から本デマルチプレクサは、ＭＤＭ信号をＬＰモード毎に空間的に異なる角度に分離することができ、また複数のＬＰモードで多重化されたＭＤＭ信号であっても一度に分離することが可能である。
【００４０】
上述した体積ホログラムによるモードデマルチプレクサでは、ＬＰモードがＬＰ０１、ＬＰ５１、ＬＰ１０，１のように次数が離れた３つのＬＰモードの分離においては高いＳＮＲ（信号／ノイズ）が得られるのに対し、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１のように次数の近い３つのＬＰモードの分離においてはＳＮＲが低くなる。次数が近いモードの組み合わせにおいてＳＮＲが低下する要因としてはそれぞれのＬＰモードの強度分布における空間的な重なりがある。ＭＭＦ中のＬＰモードは高次になるにつれて強度がコアの外側に存在するようになる性質があり、実際に高いＳＮＲが得られるＬＰモードがＬＰ０１、ＬＰ５１、ＬＰ１０，１のようなモードの組み合わせでは、低次のＬＰモードはコアの中心に、高次のＬＰモードはコアの外側に強度を持つため、ＬＰモードの空間的な重なりが小さい。また、ＳＮＲが低いＬＰモードがＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１のような組み合わせではいずれもコアの中心付近に強度が存在するため、ＬＰモードの空間的な重なりが大きい。
【００４１】
モードデマルチプレクサにおいては空間モードの空間的な重なりが生じた場合でも、それぞれの参照光の角度を大きくしてそれぞれの空間モードに対応した干渉縞の位相差を大きくすることで分離は可能となる。その一方で参照光の角度を大きくすると回折効率が低下する問題が生じることから、参照光の角度差は小さくするほうが望ましい。参照光の角度を小さくした場合では、ホログラム媒質に記録するそれぞれの干渉縞の位相差が小さくなるため、空間モードの空間的な重なりが大きくなり空間モードの分離特性が低下するという問題が発生する。
【００４２】
このため、一般的なホログラム媒質に多重記録を行う際、複数の信号光（ここでは空間モード）同士が空間的に重なっている場合、所望の信号光以外の信号光が不要な回折光として現れないように信号光毎に参照光に対して異なる位相変調を施す位相コード多重方式が提案されている。しかし、参照光自体が回折され、分離後の信号光となる本手法の特性上、この位相コード多重方式を用いることは不可能である。
【００４３】
一方、上述したとおり、ＭＤＭでは信号処理によるクロストークの補償を行う関係上、次数が近い空間モードの組み合わせで通信を行うのが一般的である。このため、空間モードの分離を行う上では次数が低い空間モードの組み合わせで高いＳＮＲを得ることが重要となる。よって実際の運用を考えた場合、上述した体積ホログラムによるモードデマルチプレクサではすべての空間モード（特に次数が低いかつ近いもの）に対応することが困難であり、ＭＤＭの潜在能力を引き出すことは不可能である。
【００４４】
そこで、本発明ではＭＤＭで一般的に用いられる次数が近い空間モードとして、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１（以下、グループＡとする）とＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ（以下、グループＢとする）の２つの組み合わせに注目し、これらの空間モードの分離特性の向上を図るために、以下のような光通信システムを提案する。
【００４５】
本発明では、ホログラム媒質の光入射側に位相板を配置し、ホログラム記録時に記録光が位相板を透過して位相変調されてホログラム媒質に入射され、ホログラム再生時にＭＤＭ信号が位相板を透過して位相変調されてホログラム媒質に入射されるようにする。ここで、位相板の位相変調量分布は、当該位相板を透過する信号光における、透過後の各空間モードの空間的な重なりが透過前の各空間モードの空間的な重なりよりも小さくなるように設定されている。
【００４６】
具体的には、グループＡとグループＢの組み合わせに応じ、これらを空間的重なりが減少するように空間的な位相変調量分布が設計された位相板に信号光（記録光またはＭＤＭ信号）を入射させる。このとき利用する位相板の空間的な位相変調量分布は空間モードの組み合わせに依存する。そして、通常の動的多重ホログラムによるモードマルチ／デマルチプレクサと同様にホログラム媒質での記録・分離を行う。この時、位相板を透過した各空間モードは位相板のプロファイルによって空間的に重なりの小さい強度分布へとそれぞれ変換される。この変換により次数の近い空間モードにおける分離特性の向上が可能である。従って、本発明ではデシベル換算でおよそ５〜１０ｄＢの分離特性の向上が可能である。
【００４７】
以下に、本発明の光通信システム（光通信方法）の一例について説明する。
【００４８】
（光通信システムの特徴部分）
図１及び図２は、本発明の光通信システムの概念図を示し、前述の図３及び図４に示す前提となる光通信システムと比較して、ホログラム媒質１の入射側、すなわちホログラム媒質１とＭＭＦ２との間の経路上に位相板４が配置されている点で異なる。従って、本発明の光通信システムでは、ホログラム記録過程における記録光、ホログラム再生過程におけるＭＤＭ信号の何れも位相板にて位相変調された後、ホログラム媒質１に入射されるようになっている。
【００４９】
以下では、図１及び図２を参照しながら、本発明の基本動作についてホログラム記録過程、ホログラム再生過程に分けて説明する。なお、ホログラムの記録と再生の詳細な動作原理について、図３及び図４に示す光通信システムと同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００５０】
（ホログラム記録過程：ホログラム記録ステップ）
図１は、本発明の光通信システムにおけるホログラム記録過程を示す図である。
【００５１】
図１に示すように、まず、ＭＭＦ２から出射した信号光である記録光Ｗｉがその経路上に配置された位相板４の効果によって空間的に位相変調される。この位相板４の空間的な位相変調量分布は空間モードの組み合わせによって決定される。なお、この時の位相板４による位相変調の詳細を図５に示す。図５に示すように、位相板４による位相変調によって記録光Ｗｉの各空間モードはそれぞれ空間的な重なりが小さい強度分布へと変換される。
【００５２】
次に、この変換後の記録光Ｗｉと異なる角度で伝搬する参照光Ｒｉの干渉により干渉縞が空間モード数分だけホログラム媒質１内に記録される。この時、参照光Ｒｉの入射角度θを空間モード毎に変位させることで角度多重記録がされる。これにより、ホログラム媒質１には記録光Ｗｉに対応する体積ホログラムが記録される。
【００５３】
（ホログラム再生過程）
図２は、本発明の光通信システムにおけるホログラム再生過程を示す図である。
【００５４】
図２に示すように、まず、ＭＭＦ２から出射したＭＤＭ信号Ｓ（ホログラム記録過程と同一の空間モードの組み合わせ）がその経路上に配置された位相板４の効果によって、上述したホログラム記録過程と同様に変換される。これによってホログラム記録過程と同様に各空間モードはそれぞれ空間的な重なりが小さい強度分布へと変換される。
【００５５】
そして、変換後のＭＤＭ信号Ｓがホログラム媒質１に記録された体積ホログラムに入射することによりホログラム記録時に使用した参照光Ｒｉと同一の角度θに回折した回折光を得る。つまり、この回折によりそれぞれの空間モードを、異なる角度に分離された回折光として得る。
【００５６】
（実現例）
本発明を実際に運用する際の様態について以下に説明する。
【００５７】
図６は、光通信システムの動作実験を行うにために用いた光学系を示す。図６に示す光学系においても、図１及び図２と同様に、信号光（記録光Ｗｉ，ＭＤＭ信号Ｓ）の経路中に位相板ＰＰが配置されている。
【００５８】
まず、レーザーからの出射光は、アイソレータ、ニュートラルフィルター、対物レンズＯＬ、検光子Ａ、レンズＬ４を経て偏光ビームスプリッタＰＢＳに入射され、当該偏光ビームスプリッタＰＢＳによって直進光と反射光に分けられる。
【００５９】
次に、ホログラム記録過程では、上記の直進光は空間光変調器により空間モードの分布へと変調され記録光Ｗｉとなり、位相板ＰＰによって変調され空間的な重なりの小さい強度分布へと変換された後、ホログラム媒質へと入射する。一方、上記の反射光は参照光Ｒｉとして記録光Ｗｉと異なる角度でホログラム媒質に入射される。このとき記録光Ｗｉと参照光Ｒｉの干渉縞がホログラム媒質に記録され、この記録を空間モードと参照光Ｒｉの入射角度を変化させながら空間モード数分だけ行う。これにより、ホログラム媒質には、体積ホログラムが記録される。
【００６０】
続いて、ホログラム再生過程（モード分離過程）では、上記の信号光（ＭＤＭ信号Ｓ）のみがホログラム媒質に入射される。空間光変調器により空間モード分布へと変調された後、記録過程において用いた位相板ＰＰを用いて変調され同様に変換され干渉縞（体積ホログラム）が記録されたホログラム媒質に入射される。これにより信号光はホログラム記録過程において入射した参照光Ｒｉの角度へと回折した回折光を得る。この場合、空間モード毎に回折する角度が異なるため空間モードの分離が可能となる。
【００６１】
（効果）
本発明の光学系では、上述のように付加的に配置した位相板により信号光（次数が低いかつ近い複数の空間モード）の空間分布を変換する。この位相板は空間モードの組み合わせに応じて選択される。これによりそれぞれのモードは空間的に重なりの小さい強度分布となるためホログラム媒質での空間モードのモード分離特性の向上を可能にする。結果として、デシベル換算でおよそ５〜１０ｄＢのモード分離特性の向上が可能である。本手法は重なりの大きい空間モードの組み合わせを分離するときにのみ効果を発揮することから、次数の近い空間モードの組み合わせにおける空間モードの分離に好適である。
【００６２】
信号処理によってクロストークの補償を行うため、次数が近いモードの組み合わせを用いるのが一般的であるＭＤＭに本発明は好適である。このように、本発明はＭＤＭにおいて絶大な効果を奏し、次世代光通信における技術向上に大きく寄与できる。
【００６３】
なお、ここまでの説明では、図１〜４に記載のホログラム媒質１としてフォトリフラクティブ媒質を用いた例を挙げている。つまり、本説明では、ホログラム媒質１としてフォトリフラクティブ媒質を用いることでホログラムの書き換えを可能としているが、ホログラムの書き換えを行わない場合には、フォトポリマーなどのフォトリフラクティブ性のない通常のホログラム媒質であっても動作は可能である。ただし、フォトリフラクティブ媒質以外の多くの媒質は、ホログラム形成後のホログラムの書き換えが不可能である。このため、光ファイバを伝送するモードの時間的な変動や歪に対して、フォトリフラクティブ媒質のようにホログラムを書き換えることで信号の分離を維持・継続することができないといった欠点があるため、フォトリフラクティブ媒質を用いることが有利となる。
（実施例１）
本発明の一実施例について図７〜図１２に基づいて説明すれば以下のとおりである。
【００６４】
本実施例では、数値解析によって本発明の効果を確認し、その結果を示している。
【００６５】
すなわち、本数値解析では、まず、グループＡ（空間モードＬＰ０１，ＬＰ１１，ＬＰ２１）またはグループＢ（空間モードＬＰ０１，ＬＰ１１ａ，ＬＰ１１ｂ）の分離特性の向上に向けて設計した位相板によってそれぞれの空間モードが重なりの少ない強度分布へと変換されることを確認する。また、その変換後のグループＡまたはグループＢを用いて、実際にホログラムの記録とモードの分離を行い、分離特性が向上することを確認する。本数値解析ではホログラム媒質としてフォトポリマーを使用する。
【００６６】
図７は、ホログラム記録過程の数値解析モデルを示し、図８は、ホログラム再生過程の数値解析モデルを示す。ここで、利用する記録光Ｇｉの波長は５３２ｎｍ、ホログラム記録時に用いられる参照光Ｃｉの角度θを６°、８°、１０°と設定し、記録光Ｇｉと参照光Ｃｉの強度比は１：１００とした。コリメートレンズ（マルチモードファイバ（ＭＭＦ）より出射した光波を平行光にするためのもの）の焦点距離ｄ１は１０μｍ、ホログラム媒質の手前の集光レンズの焦点距離ｆは１．５ｍｍ、ホログラム媒質の厚さＬは１５０μｍとした。図７及び図８に示すように、ホログラム記録過程またはホログラム再生過程においては信号光が位相板により変換された後、ホログラム媒質に入射される。
【００６７】
まず、空間モードＬＰ０１，ＬＰ１１，ＬＰ２１をグループＡ、空間モードＬＰ０１，ＬＰ１１ａ，ＬＰ１１ｂをグループＢとして、グループＡ，Ｂのモードの組み合わせが位相板によって空間的な重なりが小さい分布へと変換されていることを確認する。
【００６８】
図９は、グループＡの位相変調前後の強度分布、図１０は、グループＢの位相変調前後の強度分布を示す。具体的には、グループＡにはＬＰ２１ａの位相変調量分布を有する位相板を用い、グループＢにはＬＰ２１ｂの位相変調量分布を有する位相板を用いて変調を行った。
【００６９】
図９に示す結果から、配置した位相板の効果によってグループＡにおいてＬＰ０１はＬＰ２１ａに、ＬＰ２１はＬＰ０１に変換され、ＬＰ１１はそれらの強度ピークに重ならない別の強度分布へと変換されていることが分かる。したがって、３つのモードの間における空間的な重なりの減少が確認できる。
【００７０】
また、図１０に示す結果から、配置した位相板の効果によってグループＢにおいてもＬＰ０１はＬＰ２１ｂに変換され、ＬＰ１１ａはＬＰ１１ｂへ、ＬＰ１１ｂはＬＰ１１ａへ変換されるため、グループＡと同様の結果が確認できる。
【００７１】
次に、この変換後の位相変調量分布を用いてホログラムの記録とモードの分離（ホログラムの再生）を行い、モードの分離効率が向上していることを確認する。
【００７２】
図１１の（ａ）（ｂ）は、グループＡにおけるモード分離過程（ホログラム再生過程）における各回折角と規格化パワーとの関係及び各回折角とＳＮＲとの関係を示す。
【００７３】
図１２の（ａ）（ｂ）は、グループＢにおけるモード分離過程（ホログラム再生過程）における各回折角と規格化パワーとの関係及び各回折角とＳＮＲとの関係を示す。
【００７４】
なお、各図の（ａ）は位相板による変換を行わない場合（従来法）、（ｂ）は位相板による変換を行う場合（本発明）を示している。
【００７５】
図１１から、グループＡではいずれの回折角においても本発明のノイズ成分は、従来法と比較して１／２以下となっており、またＳＮＲは約７ｄＢ改善した。
【００７６】
図１２から、グループＢにおいてもグループＡと同様に本発明ではノイズ成分が従来法に比べておおよそ１／２以下となり、またＳＮＲも５〜１０ｄＢ改善した。
【００７７】
以上より、空間モードの組み合わせに対して適切な位相板を用いることでそれぞれの空間モードで空間的な重なりを小さくすることが可能であることを示し、またこれにより空間モードの分離特性の向上できることが分かった。
【００７８】
（実施形態２）
以下、本発明の実施形態２について、詳細に説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態１と同一機能を有する部材には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００７９】
（光通信システムの特徴部分）
図１３及び図１４は、本実施形態に係る光通信システムの概念図を示し、前述の実施形態１の図１及び図２に示す光通信システムと比較して、ＭＭＦ２と位相板４の間に集光レンズ５が配置されている点で異なる。これにより、前記の実施形態１に係る光通信システムとは異なり、本実施形態に係る光通信システムでは、ＭＭＦ２から出射される、ホログラム記録過程における記録光、ホログラム再生過程におけるＭＤＭ信号の何れも集光レンズ５にて集光され、位相板４に入射され、当該位相板４にて位相変調された後、集光レンズ３を通してホログラム媒質１に入射されるようになっている。
【００８０】
以下では、図１３及び図１４を参照しながら、ホログラム記録過程、ホログラム再生過程に分けて説明する。なお、ホログラムの記録と再生の詳細な動作原理について、前記実施形態１の図３及び図４に示す光通信システムと同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００８１】
（ホログラム記録過程：ホログラム記録ステップ）
図１３は、本実施形態に係る光通信システムにおけるホログラム記録過程を示す図である。
【００８２】
図１３に示すように、まず、ＭＭＦ２から出射した信号光である記録光Ｗｉがその経路上に配置された集光レンズ５にて集光されて位相板４に入射され、当該位相板４の効果によって空間的に位相変調される。この位相板４の空間的な位相変調量分布は空間モードの組み合わせによって決定される。その後、位相変調後の記録光Ｗｉは、集光レンズ３を通してホログラム媒質１に入射される。
【００８３】
記録光Ｗｉがホログラム媒質１に入射されるとき、この変換後の記録光Ｗｉと異なる角度で伝搬する参照光Ｒｉの干渉により干渉縞が空間モード数分だけホログラム媒質１内に記録される。この時、参照光Ｒｉの入射角度θを空間モード毎に変位させることで角度多重記録がされる。これにより、ホログラム媒質１には記録光Ｗｉに対応する体積ホログラムが記録される。
【００８４】
（ホログラム再生過程）
図１４は、本発明の光通信システムにおけるホログラム再生過程を示す図である。
【００８５】
図１４に示すように、まず、ＭＭＦ２から出射したＭＤＭ信号Ｓ（ホログラム記録過程と同一の空間モードの組み合わせ）がその経路上に配置された集光レンズ５にて集光されて位相板４に入射され、当該位相板４の効果によって、上述したホログラム記録過程と同様に変換される。これによってホログラム記録過程と同様に各空間モードはそれぞれ空間的な重なりが小さい強度分布へと変換される。
【００８６】
そして、変換後のＭＤＭ信号Ｓが集光レンズ３を通してホログラム媒質１に記録された体積ホログラムに入射することによりホログラム記録時に使用した参照光Ｒｉと同一の角度θに回折した回折光を得る。つまり、この回折によりそれぞれの空間モードを、異なる角度に分離された回折光として得る。この回折光は、それぞれＳＭＦ（シングルモードファイバ）６に入力される。
【００８７】
（実現例）
本発明を実際に運用する際の様態について以下に説明する。
【００８８】
図１５は、光通信システムの動作実験を行うにために用いた光学系を示す。図１５に示す光学系において、図１３及び図１４で示した位相板４は、ＰＳＬＭ（位相型ＳＬＭ）として、信号光（記録光Ｗｉ，ＭＤＭ信号Ｓ）の経路中にビームスプリッタＢＳを介して配置されている。
【００８９】
まず、レーザーからの出射光は、ニュートラルフィルター、アイソレータ、対物レンズＯＬ、ピンホールＰ１、色消しレンズＡＬ、半波長板ＨＷＰ１を経て偏光ビームスプリッタＰＢＳ１に入射され、当該偏光ビームスプリッタＰＢＳ１によって直進光と反射光に分けられる。
【００９０】
次に、ホログラム記録過程では、上記の直進光は空間光変調器により空間モードの分布へと変調され記録光Ｗｉとなり、ＰＳＬＭ（位相型ＳＬＭ）によって変調され空間的な重なりの小さい強度分布へと変換された後、ホログラム媒質へと入射する。一方、上記の反射光は参照光Ｒｉとして記録光Ｗｉと異なる角度でホログラム媒質に入射される。このとき記録光Ｗｉと参照光Ｒｉの干渉縞がホログラム媒質に記録され、この記録を空間モードと参照光Ｒｉの入射角度を変化させながら空間モード数分だけ行う。これにより、ホログラム媒質には、体積ホログラムが記録される。
【００９１】
続いて、ホログラム再生過程（モード分離過程）では、上記の信号光（ＭＤＭ信号Ｓ）のみがホログラム媒質に入射される。空間光変調器により空間モード分布へと変調された後、記録過程において用いたＰＳＬＭ（位相型ＳＬＭ）を用いて変調され同様に変換され干渉縞（体積ホログラム）が記録されたホログラム媒質に入射される。これにより信号光はホログラム記録過程において入射した参照光Ｒｉの角度へと回折した回折光を得る。この場合、空間モード毎に回折する角度が異なるため空間モードの分離が可能となる。
【００９２】
（効果）
本発明の光学系では、上述のように付加的に配置したＰＳＬＭ（位相型ＳＬＭ）により信号光（次数が低いかつ近い複数の空間モード）の空間分布を変換する。このＰＳＬＭ（位相型ＳＬＭ）は空間モードの組み合わせに応じて選択される。これによりそれぞれのモードは空間的に重なりの小さい強度分布となるためホログラム媒質での空間モードのモード分離特性の向上を可能にする。結果として、デシベル換算でおよそ５〜１０ｄＢのモード分離特性の向上が可能である。本手法は重なりの大きい空間モードの組み合わせを分離するときほど効果を発揮することから、次数の近い空間モードの組み合わせにおける空間モードの分離に好適である。
【００９３】
信号処理によってクロストークの補償を行うため、次数が近いモードの組み合わせを用いるのが一般的であるＭＤＭに本発明は好適である。このように、本発明はＭＤＭにおいて絶大な効果を奏し、次世代光通信における技術向上に大きく寄与できる。
【００９４】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００９５】
なお、ここまでの説明では、前記実施形態１と同様に、図１３、図１４に記載のホログラム媒質１としてフォトリフラクティブ媒質を用いた例を挙げている。つまり、本説明では、ホログラム媒質１としてフォトリフラクティブ媒質を用いることでホログラムの書き換えを可能としているが、ホログラムの書き換えを行わない場合には、フォトポリマーなどのフォトリフラクティブ性のない通常のホログラム媒質であっても動作は可能である。ただし、フォトリフラクティブ媒質以外の多くの媒質は、ホログラム形成後のホログラムの書き換えが不可能である。このため、光ファイバを伝送するモードの時間的な変動や歪に対して、フォトリフラクティブ媒質のようにホログラムを書き換えることで信号の分離を維持・継続することができないといった欠点があるため、フォトリフラクティブ媒質を用いることが有利となる。
（実施例２）
本発明の一実施例について図１５に示す光学系及び図１６〜図２１に示す結果に基づいて説明すれば以下のとおりである。なお、本実施例では、空間モードＬＰ０１，ＬＰ１１，ＬＰ２１で構成される空間モードグループを使用し、以下の条件にて図１６〜図２１に示す結果を得る。また、本実施例において、位相板の特徴は、これら空間モード間で強度の重なりを少なくするために、空間モードＬＰ２１の位相共役とする。
【００９６】
また、図１５に示す光学系において、ホログラム媒質として、厚さ４００μｍのフォトポリマーを使用し、光源として、フォトポリマーの検出範囲内の波長５３2ｎｍのレーザーを使用する。それぞれの空間モードは、ＩＳＬＭ（intensity-type spatial light modulator：強度型ＳＬＭ（例えばsantec株式会社のLC-R 1080等））によって生成される。そして、ＰＳＬＭ（phase-type spatial light modulator：位相型ＳＬＭ（例えばHOLOEYE社のSLM-100-01-0002-01等））を位相板として使用する。さらに、参照光Ｒｉの入射角を３９°、４０°、４１°とする。
【００９７】
図１６は、図１５に示す光学系において得られた各空間モードにおける強度分布を示す図である。図１６において、ｗ／ｏは、実際に得られた位相変調無しの強度分布を示し、ｗは、実際に得られた位相変調有りの強度分布を示し、シミュレーションは、位相変調有りを数値シミュレーションしたときの強度分布を示している。
【００９８】
図１７は、図１５に示す光学系において、各空間モードの入射によって再構築された回折光を示す図である。図１７では、各空間モードにおける回折角を３９°、４０°、４１°として、従来の方法と、本実施例の方法とにおける回折光の強度分布を示している。これは、各々の空間モードの構成要素が参照光に従った角度で平面波として強く回折さていることを示している。
【００９９】
図１８〜２１のグラフは、コンピュータ上の仮想光学系を用いて、各々の回折光を直径１０μｍの仮想ピンホールを通過させた結果である。
【０１００】
図１８〜図２１は、従来の方法と本実施例とにおける、上記ピンホールの直径と上記ＳＮＲとの関係を示すグラフである。図１８は、空間モードＬＰ０１，ＬＰ１１，ＬＰ２１の平均値を示すグラフであり、図１９は、空間モードＬＰ０１の場合のピンホールの直径とＳＮＲとの関係を示すグラフであり、図２０は、空間モードＬＰ１１の場合のピンホールの直径とＳＮＲとの関係を示すグラフであり、図２１は、空間モードＬＰ２１の場合のピンホールの直径とＳＮＲとの関係を示すグラフである。これらのグラフから、何れの空間モードにおいても、また、ピンホール直径が何れの値であっても、従来の方法よりも本実施例のほうがＳＮＲは高い傾向にあることが分かった。
【符号の説明】
【０１０１】
１  ホログラム媒質（多重ホログラム記録部）
２  ＭＭＦ（光ファイバ）
３  集光レンズ
４  位相板
５  集光レンズ
６  ＳＭＦ（光ファイバ）
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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