(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の長さを有し、第１のモード及び前記第１のモードとは異なる第２のモードを含む多モード（Ｎモード）を支持する第１の光ファイバ、
前記第１のモードを前記第２のモードに変換し、前記第２のモードを前記第１のモードに変換する第１のモードコンバータ、
前記第１の長さに略等しい第２の長さを有し、前記多モード（Ｎモード）を支持する第２の光ファイバ、及び
それぞれのモードに関連する全体としての利得又は損失、或いは群遅延又は分散を、実質的に同一にするように、前記第２のモードから前記第１のモードへ戻す変換、及び前記第１のモードから前記第２のモードへ戻す変換をする第２のモードコンバータを備えたことを特徴とする光ファイバデバイス。
【請求項２】
前記第１のモードコンバータが第１の長周期回折格子（ＬＰＧ）であり、
前記第２のモードコンバータが第２の長周期回折格子（ＬＰＧ）であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバデバイス。
【請求項３】
前記第１のモードコンバータが、前記第１のモードから前記第２のモードへの変換と、前記第２のモードから前記第１のモードへの変換とを、同時に行い、
前記第２のモードコンバータが、前記第２のモードから前記第１のモードへ戻す変換と、前記第１のモードから前記第２のモードへ戻す変換とを、同時に行うことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバデバイス。
【請求項４】
前記第１の光ファイバ、前記第１のモードコンバータ、前記第２の光ファイバ、及び前記第２のモードコンバータが直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバデバイス。
【請求項５】
前記第１のモードが基底モードＬＰ０１であり、前記第２のモードが高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ１１であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバデバイス。
【請求項６】
前記多モード（Ｎモード）が、更に前記第１のモード及び前記第２のモードとは異なる第３のモードを含み、
前記光ファイバデバイスが更に、
第３の長さを有し、前記多モード（Ｎモード）を支持する第３の光ファイバ、
前記第３のモードを前記第１のモードに変換し、前記第１のモードを前記第３のモードに変換する第３のモードコンバータ、
前記第３の長さに略等しい第４の長さを有し、前記多モード（Ｎモード）を支持する第４の光ファイバ、
前記第１のモードから前記第３のモードへ戻す変換、及び前記第３のモードから前記第１のモードへ戻す変換をする第４のモードコンバータ、
前記第５の長さを有し、前記多モード（Ｎモード）を支持する第５の光ファイバ、
前記第２のモードから前記第３のモードへ変換し、及び前記第３のモードから前記第２のモードへ変換する第５のモードコンバータ、
前記第５の長さに略等しい前記第６の長さを有し、前記多モード（Ｎモード）を支持する第６の光ファイバ、及び
前記第３のモードから前記第２のモードへ戻す変換、及び前記第２のモードから前記第３のモードへ戻す変換をする第６のモードコンバータを備えたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバデバイス。
【請求項７】
前記第１のモードコンバータが第１の長周期回折格子（ＬＰＧ）であり、
前記第２のモードコンバータが第１の長周期回折格子（ＬＰＧ）に実質的に等しい第２の長周期回折格子（ＬＰＧ）であり、
前記第３のモードコンバータが第３の長周期回折格子（ＬＰＧ）であり、
前記第４のモードコンバータが第３の長周期回折格子（ＬＰＧ）に実質的に等しい第４の長周期回折格子（ＬＰＧ）であり、
前記第５のモードコンバータが第５の長周期回折格子（ＬＰＧ）であり、
前記第６のモードコンバータが第５の長周期回折格子（ＬＰＧ）に実質的に等しい第６の長周期回折格子（ＬＰＧ）であることを特徴とする請求項６に記載の光ファイバデバイス。
【請求項８】
前記第１のモードコンバータが、前記第１のモードから前記第２のモードへの変換と、前記第２のモードから前記第１のモードへの変換とを、同時に行い、
前記第２のモードコンバータが、前記第２のモードから前記第１のモードへ戻す変換と、前記第１のモードから前記第２のモードへ戻す変換とを、同時に行い、
前記第３のモードコンバータが、前記第３のモードから前記第１のモードへの変換と、前記第１のモードから前記第３のモードへの変換とを、同時に行い、
前記第４のモードコンバータが、前記第１のモードから前記第３のモードへ戻す変換と、前記第３のモードから前記第１のモードへ戻す変換とを、同時に行い、
前記第５のモードコンバータが、前記第２のモードから前記第３のモードへの変換と、前記第３のモードから前記第２のモードへの変換とを、同時に行い、及び
前記第６のモードコンバータが、前記第３のモードから前記第２のモードへ戻す変換と、前記第２のモードから前記第３のモードへ戻す変換とを、同時に行うことを特徴とする請求項６に記載の光ファイバデバイス。
【請求項９】
前記第１の光ファイバ、前記第１のモードコンバータ、前記第２の光ファイバ、前記第２のモードコンバータ、前記第３の光ファイバ、前記第３のモードコンバータ、前記第４の光ファイバ、前記第４のモードコンバータ、前記第５の光ファイバ、前記第５のモードコンバータ、前記第６の光ファイバ、前記第６のモードコンバータが直列に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の光ファイバデバイス。
【請求項１０】
前記第１のモードが基底モードＬＰ０１であり、前記第２のモードが高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ１１であり、前記第３のモードが高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ０２であることを特徴とする請求項６に記載の光ファイバデバイス。
【請求項１１】
前記第１のモードコンバータが第１の長周期回折格子（ＬＰＧ）であり、前記基底モードＬＰ０１から前記高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ１１の変換と、前記高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ１１から前記基底モードＬＰ０１への変換とを、同時に行い、
前記第２のモードコンバータが第２の長周期回折格子（ＬＰＧ）であり、前記高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ１１から前記基底モードＬＰ０１へ戻す変換と、前記基底モードＬＰ０１から前記高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ１１へ戻す変換とを、同時に行い、
前記第３のモードコンバータが第３の長周期回折格子（ＬＰＧ）であり、前記高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ１１から前記高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ０２への変換と、前記高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ０２から前記高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ１１への変換とを、同時に行い、
前記第４のモードコンバータが第４の長周期回折格子（ＬＰＧ）であり、前記高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ０２から前記高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ１１へ戻す変換と、前記高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ１１から前記高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ０２へ戻す変換とを、同時に行い、
前記第５のモードコンバータが第５の長周期回折格子（ＬＰＧ）であり、前記基底モードＬＰ０１から前記高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ０２への変換と、前記高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ０２から前記基底モードＬＰ０１への変換とを、同時に行い、及び
前記第６のモードコンバータが第６の長周期回折格子（ＬＰＧ）であり、前記高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ０２から前記基底モードＬＰ０１へ戻す変換と、前記基底モードＬＰ０１から前記高次モード（ＨＯＭ）ＬＰ０２へ戻す変換とを、同時に行うことを特徴とする請求項１０に記載の光ファイバデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモード変換を用いる少モード化ファイバデバイスに関する。
この出願は、２０１１年８月１０日に出願された表題「モード変換を用いる少モード化ファイバデバイス」と題される米国仮出願特許Ｎｏ．６１／５２１，９０２の利益を主張し、その全てが参照のため、ここに引用される。
【背景技術】
【０００２】
伝送の帯域幅を高めるためにデータを多重化するための光ファイバの高次モードを用いることに大きな関心が以前からある。いろいろなモードが、ファイバ断面の面内でいろいろな形状を見せるので、通常このことは空間分割多重化（ＳＤＭ）、あるいはモード分割多重化として知られる。ファイバのリンクにおける損失を補償するために、関心のあるすべてのモードを増幅することが可能なファイバ増幅器が必要とされる。高次モードに基づくＳＤＭ伝送リンクは多入力、多出力（ＭＩＭＯ）信号処理に依存し、それはリンクの少モード分散を必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
希土類をドープした、あるいは非線形（ラマン）ファイバは、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ０２、ＬＰ２１などのいろいろなモードに対応するために十分な大きさのコアサイズで作ることが出来る。これらのモードの半径方向の場の分布は異なっているので、利得領域を有する個々のモードの電場の重なり係数Γは著しく異なる場合がある。重なり係数は以下の式で定義され：
【数１】
0006046717.tif 000002
ここで、Ｒ１、およびＲ２はいろいろな信号モードが増幅を経験する円形領域の半径である。円筒形のドープされた領域を有する典型的な増幅器において、Ｒ１は一般にゼロである。
【０００４】
Γは信号波の横モードに依存するので、異なるモードによって少モード増幅器（希土類、およびラマン／ブリリュアン増幅器の両方）で経験される利得は異なるものとなる。空間分割多重化（ＳＤＭ）伝送システムで少モード化ファイバにより搬送されるいろいろなモードを増幅するために用いられるとき、利得のこの差は問題となり得る。それらが分離したＣ−、Ｌ−帯域増幅器（Ｃ＋Ｌ帯域信号増幅器で用いられるものに類似する方式）によって増幅されるために著しい損失を生じることなく、いろいろなファイバモードを分割、および／あるいは結合することはいまだ可能となっていない。少モード化ファイバリンクを含むＳＤＭ伝送システムに関連する他の問題は、それぞれのモードの群屈折率ｎｇ、および群遅延が著しく異なり得るということである。
【０００５】
したがって、ファイバのすべてのモードに対して等しい利得を保証する少モードファイバ増幅器、あるいは増幅デバイスについての必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施例は、Ｎが２より大きい、あるいは等しい整数であるＮ個のモードを含む入力光信号を処理するための少モード化光ファイバデバイスを描き、入力信号を受信可能にされた入力少モード化ファイバ、Ｎ個のモードコンバータの第一のモードコンバータが入力少モード化ファイバに結合され、それぞれのモードコンバータがＮ個のモード状態のうちの一つのモード状態を異なるモードに変換する、あらかじめ定められた順に配列された少なくともＮ個のモードコンバータ、Ｎ個のモードコンバータのそれぞれの間の少モード化接続ファイバ、および光出力信号のＮ個のモードのそれぞれが、利得、損失、群遅延、および／あるいは分散など、入力信号の対応するＮ個のモードに関する実質的に等しい伝送パラメータによって特徴付けられるＮ個のモード状態を含む出力光信号を提供するためにＮ個のモードコンバータの最後のモードコンバータに結合された出力少モード化ファイバを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ステップ屈折率ファイバの低次モードの強度分布図である。
【図２】ステップ屈折率ファイバの低次モードの強度分布図である。
【図３】ステップ屈折率ファイバのあるモードの半径方向の電場の分布図である。
【図４】ステップ屈折率ファイバのあるモードの半径方向の電場の分布図である。
【図５】ステップ屈折率ファイバのあるモードの半径方向の電場の分布図である。
【図６】ファイバの半径方向の位置の外側の微小部分の光パワーを示す。
【図７】ファイバの半径方向の位置の外側の微小部分の光パワーを示す。
【図８】ファイバの半径方向の位置の外側の微小部分の光パワーを示す。
【図９】利得を均一にした少モード化ファイバデバイスである。
【図１０】利得を均一にした少モード化ファイバデバイスである。
【図１１】周期的な屈折率の揺らぎを示すである。
【図１２】微小曲げを用いるモード間の変換を示す。
【図１３】モード変換に関連するＬＰＧ／微小曲げの周期性を示す。
【図１４】波長の関数としてＬＰＧ／微小曲げを示す。
【図１５】波長の関数としてＬＰＧ／微小曲げを示す。
【図１６】モード変換の順序を示す。
【図１７】周期的なモード変換を示す。
【図１８】周期的なモード変換を示す。
【図１９】利得ファイバ部分の増大する長さを示す。
【図２０】多ポンプ源を用いる例を示す。
【図２１】マルチモード信号、およびポンプコンバイナを示す。
【図２２】クラッドポンプを有するマルチモードポンプコンバイナを示す。
【図２３】マルチモード化されたファイバレーザを示す。
【図２４】マルチモード化されたファイバレーザを示す。
【図２５】マルチチャンネルモード分割多重化光伝送システムである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
これら、および他の問題に対処するために、少モード化ファイバデバイス、あるいはファイバの長さに沿う多モード変換プロセスを含むリンクの新規のアークテクチャが提供される。これは、すべての関連する入力モードに対して同一の光学特性（例えば、利得、吸収、群遅延、あるいは分散）を保証する。
【０００９】
ここに提供される少モード化ファイバデバイスは、別々のモードコンバータ、および光信号が一つのファイバ部分から次に進むにしたがってモードがあるものから他に変換されるように交互に配される（受動的、および能動的な）少モード化ファイバ部分を組み入れる。このことは、あるモードに射出された信号波が同じ量だけ増幅（あるいは、ポンプがないときは吸収）される、あるいは同じ量の群遅延、あるいは分散を経験する形で達成される。この利用において、モードコンバータは一つの導波路、あるいはファイバのモードを変換する（例えば、ＬＰｍｎからＬＰｘｙへ、およびその逆）目的を担う。
【００１０】
より具体的には、ファイバデバイスは、モードコンバータによって分離される少モード化ファイバのいくつかの別々の部分を備え、それぞれのモードコンバータは一つ以上の対のモードの間でモード変換を果たす。このモード変換は、以下のことを生じさせる周期的な、あるいは循環して生じる連続した事象のような、一連の事象を用いることによって果たされる：（１）一回以上他のモードとなるべくあるモードで信号波が射出される；（２）信号があるモード状態に留まる回数は同じである；かつ（３）入力信号の正味の信号の利得、あるいは損失、あるいは群遅延、あるいは分散は、入力モードの状態に関わらず同じである。モード変換に含まれるモードの数は等しいか、あるいは少モードファイバによって支持されるモードよりも少ないことがあり得、かつ少なくとも関係ある入力信号のすべてのモード状態を含まねばならない。実際的に言えば、遅延、利得、および損失は入力モードと完全に無関係ではあり得ないなど、著しい製造上の不完全さ、意図しないゆらぎなどがあるかもしれない。開示される方式は、他の方法で達成されるよりも統計的により大きなモードの混合、および、したがって統計的により大きな入力射出との無関係性を提供する。この少モード化ファイバデバイスの設計上の特徴の詳細がここに提供される。
【００１１】
本発明のいろいろな観点により、以下のデバイス、ファイバ、およびファイバの特性が提供される。
【００１２】
ａ）少モード化ファイバデバイスであって、少なくとも二つ以上の別々のモードコンバータが好ましい順に配列され、かつある長さの（一つあるいは複数の）少モード化ファイバ（受動的、あるいは能動的利得ファイバ）によって分離され、それぞれのファイバは多数の高次モードを支持可能であるモードコンバータを組み込む少モード化ファイバデバイス。
【００１３】
ｂ）先に述べられた少モード化ファイバデバイスにおいて、モード変換の並びは、ｉ）それぞれのモードコンバータにおいて（所与の位置において）、一つ以上のモードが一つ（あるいは以上）のモードの対の間で入れ替えられる、ii）それぞれのモード変換処理の後、すべてのモードがお互いに異なるままである、iii）並びの最後において、モードは最初の状態（すなわち、実質的に入力と同一）に戻される、かつiv）それぞれの射出モードに関連する全体としての利得、あるいは損失、あるいは群遅延、あるいは分散は、実質的に同一である。
【００１４】
ｃ）モードコンバータを分離する利得ファイバの長さは、それぞれの利得部分における任意の特定のモード（例えば、ＬＰ０１）によって生じる利得（あるいは、損失）が実質的に同一であるようになる。
【００１５】
ｄ）モードコンバータを分離する受動的ファイバの長さは、それぞれの利得部分における任意の特定のモード（例えば、ＬＰ０１）によって生じる群遅延が実質的に同一であるようになるべきである。
【００１６】
ｅ）さらに、項目（ｃ）は、利得が飽和しないとき（例えば、単位長さあたりの利得が実質的に同一であるとき）、利得部分の長さは数値的に等しいであろうことを意味する。利得ファイバに沿って生じる著しい利得の飽和があるとき、任意の所与のモードが、利得部分のそれぞれにおいて実質的に同じ量だけ増幅されるように、連続する増幅部分の径間は、異なって作る（例えば、だんだんと長く）ことが出来る。
【００１７】
ｆ）更に、項目（ｄ）は、コンバータの間に位置する少モードファイバが、単位長さあたり実質的に同一の群遅延を備えるとき、部分の長さは数値的に等しいであろうことを意味する。
【００１８】
ｇ）異なるモード（例えば、ＬＰ０１、ＬＰ１１、およびＬＰ０２）の間のモード変換は、長周期回折格子（ＬＰＧ）を用いて、あるいは周期的な微小曲げ、あるいはバルクの空間位相変調器（bulk spatial phase modulator）、あるいは体積位相格子（volume phase grating）、あるいはフォトニック格子（photonic lattice）（例えば、ｌＤ）を加えることによって、実行される。半径方向に対称なモード（例えば、ＬＰ０１←→ＬＰ０２）の間での変換のために、ＬＰＧが好ましい。半径方向に非対称なモード（例えば、ＬＰ０１←→ＬＰ１１、あるいはＬＰ０２←→ＬＰ１１）を含む変換のために、周期的な微小曲げを用いる周期的な屈折率変化は他の変換手段よりも好ましい。
【００１９】
ｈ）本発明の一実施例において、それぞれの利得部分は、前方に、あるいは後方に、あるいは両方の方向に射出された通常のポンプ波を用いてポンプされる。交互にそれぞれの利得部分は、ポンプの枯渇を抑制するために個々のポンプ波によってポンプされる。
【００２０】
ｊ）本発明の一実施例における利得部分は、（希土類増幅器用に）一つ以上の希土類成分でドープされる、あるいは（ラマン、あるいはブリリュアン増幅器用に）非線形性を高めるためにゲルマニウムなどの他の成分でドープされる部分である。
【００２１】
ｋ）本発明の一実施例において、モードコンバータを結合するファイバ部分は利得ファイバの代わりに受動的ファイバである。このことは、正味のモード分散がゼロとなることを保証するであろう。
【００２２】
ｌ）本発明の一実施例において、利得ファイバは、後方への反射を抑制し、かつ増幅された自然放出（ＡＳＥ）ノイズを抑制するためにアイソレータによって分離される。
【００２３】
ｍ）本発明の一実施例において、少モード増幅器は、異なる空間モードで同時に振動するレーザとして動作するようにブラッグ回折格子、あるいは反射器によって終端される。
【００２４】
少モード化された、あるいは少モード（高次モードファイバ、あるいはＨＯＭとしても知られる）ファイバは、図1に円形コア１０１、図２に楕円形コア２０１についてステップ屈折率ファイバにおけるある低次モードに対する強度分布の概略図をそれぞれ図で提供する図１、および２に図解されるように、異なる半径方向／横断面方向のパワー分布を有するファイバモードを支持するとして知られる。
【００２５】
ＬＰ０１、およびＬＰ０２は半径方向に対称で、かつ中心で最高になる一方、ＬＰ１１は多数の極大部分を備える。基底モードＬＰ０１のように、高次モードは二つの直交する偏向を有して存在し得る。
【００２６】
さらに、ＬＰ１１のように半径方向に非対称なモードは異なる方向の極大部分のパターンを備え得る。円形のコアを有するファイバにおいては、そのような極大部分の二つの異なる方向が存在し得る。しかし、図２に示されるような楕円形のコアを用いることにより、これらのモードの間での不測の結合が劇的に低減されるように、ＬＰ１１モードを非縮退とすることが可能である。
【００２７】
図３、４、および５に、一般的なステップ屈折率ファイバに対するＬＰ０１、ＬＰ０２、ＬＰ１１、およびＬＰ１２モードの電場（e-field）分布が、三つの異なる波長、すなわち1550ｎｍ（図３）、1480ｎｍ（図４）、および980ｎｍ（図５）において図解される。ステップ屈折率ファイバは屈折率差0.0175（632ｎｍで測定）、およびコア直径10ミクロンを備える。多数の極大部分を備えるＬＰ１１、およびＬＰ２１モードに対して、 グラフは半径方向の場を示し、その方向に沿って場の強度が異なる波長で最大となる。
【００２８】
図６、７、および８に、半径Ｒの外側にあるわずかな光パワーが、1550ｎｍ（図６）、1480ｎｍ（図７）、および980ｎｍのそれぞれに対してプロットされる。屈折率プロファイルが、1550ｎｍに対して図６、1480ｎｍに対して図７、および980ｎｍに対して図８で右側の縦座標によって示される。
【００２９】
一般にコアの一部、あるいは全体にドーパントを備える光増幅、あるいは利得ファイバにおいて、重なり係数Γ、したがって、コア領域を有するいろいろなファイバモードの利得は異なったものとなる。希土類をドープされた光増幅器の単位長さあたりの利得は、ｇ＝Γ（Ｎ２σｅ−Ｎ１σａ）によって与えられ、ここでΓは重なり係数、Ｎ１、２はそれぞれ下位（lower state population）、および上位状態の母集団（upper state population）、かつσｅ、ａはそれぞれ放射、および吸収断面積である。
【００３０】
図６、７、および８から、ΔＮ＝0.0175を有する半径5ミクロンのコアの外側に位置する異なるモードのわずかなパワー（＝１−Γ）を識別することができる。コアの内側に残るわずかなパワーに等しい重なり係数、Γ、は、1550ｎｍにおいて、ＬＰ０１に対して95.9％、ＬＰ０２に対して59.5％、ＬＰ１１に対して88.4％、ＬＰ２１に対して74.3％である。980ｎｍ、および1480ｎｍについて対応する値が表1に示される。
【表１】
0006046717.tif 000003
【００３１】
表１は、異なる波長について計算されたステップ屈折率コアのいろいろなモードのパワーの量を示す。
【００３２】
（ラマン、およびブリリュアンなどの）非線形効果に基づくファイバ増幅器はＧｅＯ２以外に何も希土類ドーパントを、あるいはラマン、あるいはブリリュアン利得係数を高める他の成分を備えない。ラマン増幅器において、利得はｇＲ＝ＧＲＰΓ／Ａｅｆｆとして表せる。ここでＧRはラマン利得係数であり、Ｐはポンプパワーであり、Ａｅｆｆはポンプ波の有効モードフィールド断面積であり、Γはポンプ、および信号の場の間の正規化された重なりの積分である。
【００３３】
信号波のモードの型へのΓの依存性により、異なるモードによって生じる利得は、少モード化増幅器（希土類、およびラマン／ブリリュアン増幅器の両方）において異なり得る。したがって、モードが実質的に同じ量で増幅されるであろう少モード化ファイバに対する必要性が存在する。
【００３４】
この問題は、それぞれ射出されたモードによって生じる全体としての利得が実質的に同一となるように、ファイバ増幅器に沿って他のモードの一つの中に射出されたモードのそれぞれのモード変換を管理することにより、本発明の少なくとも一つの観点により解決されている。このことが、図９、および１０に示される二つの例を用いてさらに説明され、図解される。
【００３５】
図９、および１０は図に示される順に三つの入力モード（ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ０２）を変換するために六つのモードコンバータを含む増幅器を示す。図９は最後のコンバータの後の一条のファイバを示し、図１０は第一のコンバータの前の一条のファイバを示す。これらのモードコンバータは公称同じ長さの利得ファイバ、ｌによって分離される。この並びの中に配されるモードコンバータは、それぞれの射出されたモードが、実質的に等しい量の利得を確かなものにする増幅器内の伝播の進行の間に他のモードを担うことを確実にする。したがって、モードコンバータＬＰａｂ←→ＬＰｃｄは二重の機能を備える。それは、モードが失われないように、モードＬＰａｂをＬＰｃｄに変換し、かつ、またモードＬＰｃｄをモードＬＰａｂに変換する。それぞれのモードに対する全体としての飛躍的な利得は２ｌ（ｇ０１＋ｇ１１＋ｇ０２）となり、ここでｌもまたモードコンバータの間の公称間隔を表し、かつｇｘ、ｙはそれぞれのモードのメータあたりの利得を表す。他の特徴は、長さが実質的に等しいとき、それぞれのモードに関連する群遅延、あるいは分散が実質的に同一であるということである。
【００３６】
二つのモードだけ（例えば、ＬＰ０１、およびＬＰ１１）が含まれるとき、増幅器の出口でモードが元に戻されるためには少なくとも二つのコンバータが必要である。入力モードＬＰ０１、およびＬＰ１１は、増幅器のいくぶんか中央に配される第一のコンバータによってそれぞれＬＰ１１、およびＬＰ０１に変換される。次いで、新たに生成されたＬＰ１１、およびＬＰ０１は、第二のコンバータによってそれぞれＬＰ０１、およびＬＰ１１へと元に戻される。
【００３７】
周期的な屈折率のゆらぎ（図１１に示されるような）を加えることにより、一つのモードを同様の偏光を有する他のモードに変換することが可能である。例えば、モードＬＰ０１、およびＬＰ０２が、それぞれｎ０１、およびｎ０２の有効屈折率を備えるならば、屈折率の揺らぎの周期はΛ０１⇔０２＝λ／（ｎ０１−ｎ０２）で与えられることが要求される。図１１は、モードコンバータはコア、あるいはコアの近傍のクラッド領域に長周期の回折格子を刻み込むことによっても作ることが出来ることを図解する。
【００３８】
図１２は、対称なＬＰ０１と非対称なＬＰ１１モードとの間でモードを入れ替えるモードコンバータの模式図を示す。具体的には、図１２は、微小曲げを用いてＬＰ０１とＬＰ１１との間の変換を図解する模式図である。偏光状態が保存されることに注目のこと。
【００３９】
図１３は、四つの導かれたモードの間のモード変換に必要とされる位相の揺らぎの周期を図解する。コア直径が１０ミクロン、かつ屈折率差が0.0175であるステップ屈折率のコアを有するファイバについて周期が計算される。異なるモードの間でモード変換を達成する周期的な揺らぎは波長の広い範囲にわたって異なり、それはモード変換がモードの特定の対の間だけで起こり、したがってクロストークを回避することを意味することがわかる。したがって、図１３は、モードの異なる対の間でモード変換を達成するＬＰＧ／微小曲げの周期性を図解する。波長の関数としてＬＰＧ／微小曲げの周期依存性が、図１４、および１５のグラフにさらに詳細に示され、波長の関数としてプロットされるモードの異なる対に対するＬＰＧ／微小曲げの周期性を図解する。
【００４０】
この単純なステップ屈折率プロファイルにおいて、四つの導かれたモードの中の六つのモードコンバータは異なるＬＰＧ周期、Λを備える。以下の表２に示されるように、必要とされるＬＰＧの周期性の多くは、１２０−３５０ミクロンの間である。マルチモードファイバの屈折率プロファイルを調整することにより、必要とされるＬＰＧの周期を合わせることは可能である。多波長、あるいは広帯域での運用に対して、回折格子の周期が信号の波長から相対的に独立したままであることが重要である。このことは、ｄΛ／ｄλが出来るだけ小さく保たれることを必要とし、それは屈折率プロファイルの最適化によって実現可能である。
【００４１】
対称なモード（例えば、ＬＰ０１、ＬＰ０２）、および非対称なモード（例えば、ＬＰ１１）の間の変換のために、対称的でない周期的な揺らぎ（例えば、横方向の応力を有する）をモード変換を達成するために加えることが出来る。このことは、例えば、図１２に示されるように曲げ方向を適切に選択した周期的な微小曲げを用いることにより、効率的に行うことが出来る。
【表２】
0006046717.tif 000004
【００４２】
表２は、ＬＰＧの周期性、および周期の勾配対共振波長を示す。
【００４３】
四つのモード（Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤとして一般化）が存在するとき、モード変換は図１６に図解されるような順序で開始することが出来る。それぞれのモードは終端部で元に戻り、かつそれぞれのモードは全長の１／４進行することが、図１６から容易にわかる。モードコンバータは、射出されたモードＡに対してＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄの周期的な順に選択されるが、モード（例えば、Ａ→Ｃ→Ｄ→Ｂ、Ａ→Ｄ→Ｂ→Ｃなど）の順列によって達成される他の並びが同様に用いられる。
【００４４】
それぞれのモードが経なければならないモード変換の数は、Ｎ（Ｎ−１）として表すことができ、それはＮが大きくなるにしたがって急激に増大する。例えば、モード変換の数は、Ｎ＝２に対して２、Ｎ＝３に対して６、かつＮ＝４に対して１２である。
【００４５】
以下に、モード変換の他の実施例が示され、それはそれぞれのモードが経験するモード変換の数を著しく低減する。
【００４６】
本発明の一実施例による変換方式が図１７に図解され、それぞれのモードコンバータは、モードの二つ以上の対の間でモード変換を行う。四つのモードＡ、Ｂ、Ｃ、およびＤを考える。図１７はＮ＝４について示される繰り返しのモード変換を示す。モードコンバータのそれぞれのセットは二つ（＝Ｎ／２）の異なるコンバータからなる。それぞれのモードが受ける変換の全数は４（＝Ｎ）である。二セットの複合モードコンバータが形成され、セットI、およびセットIIは、それぞれ（Ａ←→Ｂ、Ｃ←→Ｄ）、および（Ｂ←→Ｃ、Ｄ←→Ａ）の間でモード変換を行う。これら二つのセットが交互に配置されるとき、Ｎ個のそのようなセットのすべてがそれぞれのモードを他のモードに変換し、最終的に信号をその最初の状態に戻すであろう。ここで、それぞれの射出されたモードが受けるであろうモード変換の数は、より多いモード数への拡大を可能にするＮである。この仕組みにおいて、モードの一つのセットはあ一つの方向（時計回り：Ａ、およびＣ）に繰り返しのモード変換を経る一方、他のセットは他の方向（反時計回り：Ｂ、およびＤ）にそのような変換を経るということにも注目のこと。個々のモードコンバータの全数はＮ２／２となる。この仕組みは、偶数のモードが存在するときは常に当てはまるということが理解されるべきである。
【００４７】
六つのモードに適用されるときのこの仕組みが図１８に示される。それぞれのモードは、繰り返しの形で六回だけ変換されるということが理解されるべきである。図１８は、Ｎ＝６に対する繰り返しのモード変換を示す。モードコンバータのそれぞれのセットは、三つの（＝Ｎ／２）異なるコンバータからなる。この構成についてそれぞれのモードが受ける変換の全数は六（＝Ｎ）である。
【００４８】
利得の飽和がないときには、異なる利得部分の長さは同一であってよい。しかし、ポンプの枯渇によって利得が使い尽くされるときは、ますますより長い連続部分が選択できる。図１９に示されるように、利得が飽和すると、利得ファイバの連続部分の長さはますます長くなる。分離したポンプ源により個々にそれぞれの利得部分をポンプすることも可能である。図２０は、多ポンプ源を採用して利得を均一にした少モード化ファイバ増幅器の例を示す。
【００４９】
コアは信号波に対してマルチモード化されているので、ポンプ波も、それがどのように射出されるかによっていろいろなモードに分割されてもよい。個々のモードの相対的な強度は、それがコアの内部に均一に吸収されるように調整することが出来る。これらの増幅器に適する少モードファイバは単一のクラッド内に一つ以上のコアを備えてよく、その場合、コアはドープされる、あるいはドープされない、かつ、ドープされるなら、エルビウム、イッテルビウム、および類似のものなどの希土類ドーパントでドープ、あるいは、例えばゲルマニウムなどの非希土類成分でドープされてよい。また、二重クラッド構造を有する希土類をドープしたファイバを用いることも出来、それは内側のクラッド領域にマルチモードファイバによってポンプされ、かつ少モード化された信号がコアによって搬送されるであろう。二重クラッドの希土類をドープされた利得ファイバはドープされたコアにポンプの均一な吸収を可能にする。コア内部のポンプの強度は以下に等しいであろう：
（Local_Pump_Power)×(Rcore/Rinner_cladding)2
【００５０】
ポンプ、および信号は、図２１、および２２に示されるように、台座ファイバ、あるいはバルク、あるいは勾配屈折率（ＧＲＩＮ）レンズを用いるビームコリメーションを用いる先細のファイバカプラに結合できる。図２１は、マルチモード信号、およびポンプコンバイナを図解し、図２２は、マルチモード信号、およびクラッドポンピングのためのマルチモードポンプコンバイナを図解する。多重化されたポート内の少モード化されたコアは、希土類成分でドープされてよい。ドープされないなら、後で希土類をドープされたコアに接合することが出来る。図２１、および２２のデバイスは、信号、およびポンプを分けるために反対の方向に用いることが出来る。ＧＲＩＮレンズは、ピッチの長さの４分の１に公称等しい長さを備える。ポンプ波はマルチモードポンプのポートを通して射出され、結合された出力ポートにおいて二重クラッドファイバの内側クラッドの中に結合される。
【００５１】
例はマルチモード化された増幅器に対して示されるが、これは、フィードバック、あるいはループの形での結合を提供するために反射器を組み入れることにより、マルチモードレーザを作るために使用できる。リニアな空洞を有するマルチ（横方向）モード化されたファイバレーザの模式図が図２３に、かつ、環状の空洞を有するものが図２４に図解される。
【００５２】
ここに提供され、かつ本発明の態様による方法、ファイバ、およびデバイスが、図２５に図解される多チャンネルモード分割多重化光伝送システム２５００に適用される。デジタル光信号であってよい多数の独立した信号が、ここに開示されるようにモードコンバータ、および少モード化されたファイバを実装するシステム２５０２の入力２５０４、２５０６、２５０８、および２５２０に提供される。四つの入力が示されるが、もっと少なくてよく、あるいはもっと多くの独立した入力、あるいはチャンネルがあってよい。それぞれのチャンネルは、すべてのチャンネルが取り出され、かつモードの状態にしたがって分離されて出力に伝送される光信号のモード状態で変調される。それぞれのチャンネルは、出力に伝送される光信号のモード状態として表される。復調された信号は、出力２５０５、２５０７、２５０９、および２５２１に提供される。一実施例により、それぞれのチャンネルは、その最初の光入力２５１４において備えたモード状態と同じ光信号のモード状態でシステム２５１５の光出力に示される。
【００５３】
箱２５１６は、ここに開示されるファイバ、およびコンバータを表す。一実施例により、すべてのコンバータ、およびファイバは、入力（部）において存在したすべての関連するモード状態が、出力２５１５にも存在し、かつすべてのモード状態が、利得、損失、群遅延、分散などを含む同一の、あるいは実質的に同一の伝送特性を経ている方法で寸法が決められる。一実施例において、入力（部）における関連する差と比較して出力（部）におけるモード状態の間の関連する差は、好ましくは１０％より少なく、より好ましくは５％より少ない。したがって、図２５は、多チャンネルモード分割多重化光伝送システムを図解する。
【００５４】
本発明の基本的で今までにない特徴が、その好ましい実施例に適用されて示され、説明され、かつ指摘されているが、その形態、および方法の詳細、および図解されるシステムにおいて、かつその運用において、いろいろな省略、および置き換え、および変更が、本発明の精神から逸脱することなく当業者によってなされてよいことが理解されるであろう。したがって、請求の範囲によって示されることのみに限定されるということが意図するところである。
【符号の説明】
【００５５】
１０１            円形コア
２０１            楕円形コア
２５００          多チャンネルモード分割多重化光伝送システム
２５０２          システム
２５０４、２５０６、２５０８、２５２０          入力
２５０５、２５０７、２５０９、２５２１          出力
２５１４          最初の入力
２５１５          システムの光出力
【図１】
0006046717.tif 000005
【図２】
0006046717.tif 000006
【図３】
0006046717.tif 000007
【図４】
0006046717.tif 000008
【図１０】
0006046717.tif 000009
【図１１】
0006046717.tif 000010
【図１２】
0006046717.tif 000011
【図１３】
0006046717.tif 000012
【図１４】
0006046717.tif 000013
【図１５】
0006046717.tif 000014
【図１６】
0006046717.tif 000015
【図１７】
0006046717.tif 000016
【図１８】
0006046717.tif 000017
【図１９】
0006046717.tif 000018
【図２０】
0006046717.tif 000019
【図２１】
0006046717.tif 000020
【図２２】
0006046717.tif 000021
【図２３】
0006046717.tif 000022
【図２４】
0006046717.tif 000023
【図２５】
0006046717.tif 000024
【図５】
0006046717.tif 000025
【図６】
0006046717.tif 000026
【図７】
0006046717.tif 000027
【図８】
0006046717.tif 000028
【図９】
0006046717.tif 000029