(57)【要約】【課題】低非線形、低ＤＭＤ、高効率ラマン増幅なマルチモードが伝搬するよう最適化され、モード間クロストークを補償する受信端のＤＳＰ負荷を低減しつつ、伝送容量および伝送距離を拡大することが可能な光伝送路を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る光伝送路は、少なくとも２種類以上の大Ａｅｆｆファイバと小Ａｅｆｆファイバにより構成されており、前半４０ｋｍまでＤＭＤが５０ｐｓ以上であり、少なくとも後半２０ｋｍ以上が小Ａｅｆｆファイバであり、前記光ファイバでラマン増幅させるための励起光を、１つの伝搬モードに変換して前記光ファイバに入射するモード変換器と、２以上の送信機からの信号光を互いに異なる伝搬モードとして合波して前記光ファイバの一端に結合しており、前記信号光の伝搬モードを分波するモード合波器と、を備える。【選択図】図１
2019036880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝搬モードがｍ（ｍは２以上の整数）以上伝搬可能な少なくとも２種類以上の光ファイバを直列に接続した光伝送路であって、
前記光ファイバの内、信号光が入射される前方光ファイバは前記信号光を出力する後方光ファイバより基本モードの実効断面積が大きく、前記前方光ファイバと前記後方光ファイバとは互いにモード間群遅延差の符号が異なることを特徴とする光伝送路。
【請求項２】
隣り合う前記光ファイバは、基本モードの実効断面積の差が±３０μｍ２以下であることを特徴とする請求項１に記載の光伝送路。
【請求項３】
前記信号光が入射される入射端から４０ｋｍ以内の光ファイバは、モード間群遅延差の絶対値が５０ｐｓ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光伝送路。
【請求項４】
前記後方光ファイバは２０ｋｍ以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光伝送路。
【請求項５】
隣り合う前記光ファイバは、それぞれの基本モードの実効断面積に応じてコアがテーパ状であるテーパファイバで接続されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光伝送路。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の光伝送路と、
光源からの光を前記光伝送路を伝搬する伝搬モードの１つに変換して前記光伝送路に入射し、前記光伝送路の前記光ファイバでラマン増幅させるモード変換器と、
２以上の送信機からの信号光を互いに異なる伝搬モードとして合波して前記光伝送路の前記前方光ファイバに結合するモード合波器と、
前記光伝送路の前記後方光ファイバから出力する前記信号光を伝搬モード毎に分波するモード分波器と、
を備える光伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、モード多重伝送でラマン光増幅を可能とする光伝送路及びこれを備える光伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書で記載される「シングルモード光ファイバ」及び「マルチモード（数モード）光ファイバ」とは、それぞれ、伝送する光信号の波長においてシングルモードで伝搬する光ファイバ及びマルチモードで伝搬する光ファイバを意味する。
【０００３】
伝送容量を拡大する技術として複数の伝搬モードを用いる数モード光ファイバが提案されている。特に複数の伝搬モードを用いたモード多重伝送は、伝送容量をモード数倍に向上させられることから、新たな大容量伝送方式として注目されている。
【０００４】
この数モード光ファイバ用いた伝送においては、伝送路中でモード間クロストークが発生することから、その補償手段として、受信端においてＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）等化器が用いられる。しかしながら、受信端においてモード間の群遅延差（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｍｏｄｅ  Ｄｅｌａｙ：以下、ＤＭＤ）が大きいと、ＭＩＭＯに関わるデジタル処理（ＤＳＰ）の負荷が大きくなり、長距離伝送を実現する為にはＤＳＰ負荷の低減が課題となる（例えば、非特許文献１を参照。）。そこで、ＤＭＤの影響を緩和するために、ＤＭＤの小さい光ファイバを伝送路とした光伝送システムが提案されている（例えば、非特許文献２を参照。）。
【０００５】
モード多重伝送においても伝送路の信号対雑音比を補償するために、シングルモード伝送路と同様に分布ラマン増幅を用いる手法が検討されており実験および計算検討が行われている（例えば非特許文献３、４を参照。）。モード多重伝送における光増幅技術を検討する上でモード間利得差（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｍｏｄａｌ  Ｇａｉｎ：ＤＭＧ）を低減することが重要となる。しかし、マルチモードファイバを伝搬する信号光はモード毎に異なる電界分布を有しており、モード毎に励起光の電界分布との重なりの大きさが異なるためにＤＭＧが発生する。屈折率分布がグレーデッドインデックス形状である伝送路（ＧＩ型ファイバ）を用いたラマン増幅の検討が行われており、励起光の伝搬モードをＬＰ２１モードとし、ＤＭＧを１．０ｄＢまで低減可能であることが報告されている（例えば非特許文献５を参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｓ．Ｏ．  Ａｒｉｋ，  Ｄ．  Ａｓｋａｒｏｖ，  Ｊ．Ｍ．  Ｋａｈｎ，  “Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｍｏｄｅ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｏｎ  ｓｉｇｎａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ  ｉｎ  ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ”，  Ｊ．  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  ３１  （３）  （２０１３）  ４２３−４３１．
【非特許文献２】Ｔ．  Ｍｏｒｉ，  Ｔ．  Ｓａｋａｍｏｔｏ，  Ｍ．  Ｗａｄａ，  Ｔ．  Ｙａｍａｍｏｔｏ，  ａｎｄ  Ｆ．  Ｙａｍａｍｏｔｏ，  “Ｆｅｗ−ｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒｓ  ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ  ｍｏｒｅ  ｔｈａｎ  ｔｗｏ  ＬＰ  ｍｏｄｅｓ  ｆｏｒ  ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ−ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ＭＩＭＯ  ＤＳＰ”，  Ｊ．  Ｌｉｇｈｔｗ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，  ｖｏｌ．  ３２，  ｐｐ．  ２４６８−２４７９  ２０１４．
【非特許文献３】Ｒ．  Ｒｙｆ，  Ａ．  Ｓｉｅｒｒａ，  Ｒ−Ｊ．  Ｅｓｓｉａｍｂｒｅ，  ａｎｄ  Ｓ．  Ｒａｎｄｅｌ，  Ａ．  Ｈ．  Ｇｎａｕｃｋ，  Ｃ．  Ｂｏｌｌｅ，  Ｍ．  Ｅｓｍａｅｅｌｐｏｕｒ，  Ｐ．  Ｊ．  Ｗｉｎｚｅｒ，  Ｒ．  Ｄｅｌｂｕｅ，  Ｐ．  Ｐｕｐａｌａｉｋｉｓｅ，  Ａ．  Ｓｕｒｅｋａ，  Ｄ．  Ｗ．  Ｐｅｃｋｈａｍ，  Ａ．  ＭｃＣｕｒｄｙ，  ａｎｄ  Ｒ．  Ｌｉｎｇｌｅ，  Ｊｒ  “Ｍｏｄｅ−Ｅｑｕａｌｉｚｅｄ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ａｍｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｉｎ  １３７−ｋｍ  Ｆｅｗ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ”，  ＥＣＯＣ，  ｐａｐｅｒ  Ｔｈ．１３．Ｋ．５．  ２０１１．
【非特許文献４】Ｒ．  Ｒｙｆ，  Ｒ．  Ｅｓｓｉａｍｂｒｅ，  Ｊ．  Ｈｏｙｎｉｎｇｅｎ−Ｈｕｅｎｅ，  ａｎｄ  Ｐ．  Ｗｉｎｚｅｒ，  “Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｍｏｄｅ−Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｇａｉｎ  ｉｎ  Ｒａｍａｎ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｆｅｗ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ”，  ｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  ＯＳＡ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ，  ｐａｐｅｒ  ＯＷ１Ｄ．２．  ２０１２．
【非特許文献５】Ｍ．  Ｗａｄａ，  Ｔ．  Ｓａｋａｍｏｔｏ，  Ｔ．  Ｍｏｒｉ，  Ｔ．  Ｙａｍａｍｏｔｏ  ａｎｄ  Ｋ．  Ｎａｋａｊｉｍａ，  “４−ＬＰ  ｍｏｄｅ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｒａｍａｎ  ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ  ｗｉｔｈ  ｇｒａｄｅｄ−ｉｎｄｅｘ  ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｌｉｎｅ”， ２０１６  ２１ｓｔ  ＯｐｔｏＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  （ＯＥＣＣ）  ｈｅｌｄ  ｊｏｉｎｔｌｙ  ｗｉｔｈ  ２０１６  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  ｉｎ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  （ＰＳ），  Ｎｉｉｇａｔａ，  Ｊａｐａｎ，  ２０１６，  ｐｐ．  １−３．
【非特許文献６】Ｃ．  Ｋｏｅｂｅｌｅ，  Ｍ．  Ｓａｌｓｉ，  Ｇ．  Ｃｈａｒｌｅｔ  ａｎｄ  Ｓ．  Ｂｉｇｏ，  “Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｉｎ  Ｍｏｄｅ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ−Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｏｖｅｒ  Ｆｅｗ−Ｍｏｄｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ，“ｉｎ ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ”，  ｖｏｌ．  ２３，  ｎｏ．  １８，  ｐｐ．  １３１６−１３１８，  Ｓｅｐｔ．１５，  ２０１１．
【非特許文献７】Ｐ．  Ｇｅｎｅｖａｕｘ  ｅｔ  ａｌ．，  “６−ｍｏｄｅ  Ｓｐａｔｉａｌ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｌｏｗ  Ｌｏｓｓ  ａｎｄ  Ｈｉｇｈ  Ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ  ｆｏｒ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｏｖｅｒ  Ｆｅｗ  Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ”，  Ｐｒｏｃ．  ＯＦＣ，  Ｗ１Ａ．５，  Ｌｏｓ  Ａｎｇｅｌｅｓ  （２０１５）．
【非特許文献８】Ｓ．  Ｒａｎｄｅｌ，  Ｃ．  Ｓｃｈｍｉｄｔ，  Ｒ．  Ｒｙｆ，  Ｒ．−Ｊ．  Ｅｓｓｉａｍｂｒｅ，  Ｐ．Ｊ．  Ｗｉｎｚｅｒ，  “ＭＩＭＯ−ｂａｓｅｄ  ｓｉｇｎａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｆｏｒ  ｍｏｄｅ−ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”，  ｉｎ：  Ｐｒｏｃ．  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｓｕｍｍｅｒ  Ｔｏｐｉｃａｌ  Ｍｅｅｔｉｎｇ  Ｓｅｒｉｅｓ，  ２０１２，  ｐａｐｅｒ  ＭＣ４．１，２０１２．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
無中継伝送の長延化を実現するためには、非線形現象による影響を低減する必要がある。非線形現象を抑制しようとする場合、光ファイバを伝搬するモードの実効断面積を大きくすればよいが、その反面、実効断面積を大きくするとラマン増幅効率が小さくなる。つまり、光ファイバを伝搬するモードの実効断面積には非線形現象の抑制とラマン増幅効率との間にトレードオフの関係があり、両立が困難という課題がある。また、モード多重伝送の場合、ＤＭＤが小さいとモード間非線形効果により信号品質が劣化してしまう課題が報告されている（例えば非特許文献６を参照。）。
【０００８】
そこで本発明は、上記課題を解決するために、非線形現象による信号劣化を抑制しつつラマン増幅効率の低下を防止し、モード多重伝送時の信号品質低下を防止できる光伝送路及び光伝送システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る光伝送路は、光ファイバ伝送路の前半では実効断面積の大きい光ファイバを後半では実効断面積の小さい光ファイバを用い、前半と後半でＤＭＤの符号を変えることとした。
【００１０】
具体的には、本発明に係る光伝送路は、伝搬モードがｍ（ｍは２以上の整数）以上伝搬可能な少なくとも２種類以上の光ファイバを直列に接続した光伝送路であって、
前記光ファイバの内、信号光が入射される前方光ファイバは前記信号光を出力する後方光ファイバより基本モードの実効断面積が大きく、前記前方光ファイバと前記後方光ファイバとは互いにモード間群遅延差の符号が異なることを特徴とする。
【００１１】
本光伝送路は、前方光ファイバについて非線形現象を抑制し、ＤＭＧを低減できる程度まで基本モードの実効断面積を大きくし、後方光ファイバについてラマン増幅効率を高められる程度まで基本モードの実効断面積を小さくして、非線形現象の抑制とラマン増幅効率とを両立させている。さらに、本光伝送路は、前方光ファイバと後方光ファイバのＤＭＤの符号を違え、光伝送路全体としてＤＭＤをゼロに近づけ、モード多重伝送時の信号品質低下を防止している。
【００１２】
従って、本発明は、非線形現象による信号劣化を抑制しつつラマン増幅効率の低下を防止し、モード多重伝送時の信号品質低下を防止できる光伝送路を提供することができる。
【００１３】
本発明に係る光伝送路の隣り合う前記光ファイバは、基本モードの実効断面積の差が±３０μｍ２以下であることを特徴とする。光ファイバ間の接続点で発生する損失を低減できる。
【００１４】
伝搬距離が４０ｋｍ以内の場合、伝搬損失より非線形現象の影響が大きい。従って、本発明に係る光伝送路において、前記信号光が入射される入射端から４０ｋｍ以内の光ファイバは、モード間群遅延差の絶対値が５０ｐｓ以上であることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る光伝送路の前記後方光ファイバは２０ｋｍ以上であることを特徴とする。後方光ファイバの長さが２０ｋｍ以上の領域では、ラマン利得係数に関わらず光強度（利得）を飽和強度の５０％とすることができる。
【００１６】
本発明に係る光伝送路の隣り合う前記光ファイバは、それぞれの基本モードの実効断面積に応じてコアがテーパ状であるテーパファイバで接続されることを特徴とする。光ファイバ間の接続点で発生する損失を低減できる。
【００１７】
本発明に係る光伝送システムは、
前記光伝送路と、
光源からの光を前記光伝送路を伝搬する伝搬モードの１つに変換して前記光伝送路に入射し、前記光伝送路の前記光ファイバでラマン増幅させるモード変換器と、
２以上の送信機からの信号光を互いに異なる伝搬モードとして合波して前記光伝送路の前記前方光ファイバに結合するモード合波器と、
前記光伝送路の前記後方光ファイバから出力する前記信号光を伝搬モード毎に分波するモード分波器と、
を備える。
本光伝送システムは、前記光伝送路を用いているため、非線形現象による信号劣化を抑制しつつラマン増幅効率の低下を防止し、モード多重伝送時の信号品質低下を防止できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、非線形現象による信号劣化を抑制しつつラマン増幅効率の低下を防止し、モード多重伝送時の信号品質低下を防止できる光伝送路及び光伝送システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る光伝送システムを説明する図である。
【図２】本発明に係る光伝送路の構成の一例を説明する図である。
【図３】本発明に係る光伝送路を伝搬するモードの電界分布を説明する図である。
【図４】本発明に係る光伝送路の光ファイバ間の接続点での実効断面積差と損失との関係を説明する図である。
【図５】本発明に係る光伝送路の光ファイバにおける伝送距離と最大位相シフト量との関係を説明する図である。
【図６】ラマン増幅に伴う伝送路長手方向の光強度変化を説明する図である。
【図７】本発明に係る光ファイバの屈折率の例を説明する図である。
【図８】本発明に係る光伝送路の光ファイバ構成を説明する図である。
【図９】本発明に係る光伝送路における伝送距離と基本モードの実効断面積の関係を説明する図である。
【図１０】本発明に係る光伝送路における伝送距離とＤＭＤの関係を説明する図である。
【図１１】本発明に係る光伝送路のインパルス応答を説明する図である。
【図１２】本発明に係る光伝送システムで行う後方ラマン増幅を用いた光ファイバ伝送実験系を説明する図である。
【図１３】本発明に係る光伝送システムで行った後方ラマン増幅を用いた光ファイバ伝送実験結果を説明する図である。
【図１４】本発明に係る光伝送路の構成の一例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
【００２１】
（実施形態１）
図１は、本実施形態の光伝送システム３０１を説明する図である。光伝送システム３０１は、
マルチモード光ファイバの光伝送路１１と、
光源１０からの光を光伝送路１１を伝搬する伝搬モードの１つに変換して光伝送路１１に入射し、光伝送路１１の光ファイバでラマン増幅させるモード変換器１２と、
２以上の送信機１３からの信号光を互いに異なる伝搬モードとして合波して光伝送路１１の前方光ファイバに結合するモード合波器１４と、
光伝送路１１の後方光ファイバから出力する前記信号光を伝搬モード毎に分波するモード分波器１５と、
を備える。
【００２２】
光伝送路１１のマルチモード光ファイバは、伝搬モードが２以上伝搬可能なコア屈折率プロファイルがＧＩ型の光ファイバである（詳細は後述する。）。モード変換器１２は、当該光ファイバでラマン増幅させるための励起光を、モード群Ｍに含まれる１つの伝搬モードに変換して光ファイバに入射する。モード合波器１４は、２以上の送信機１３からの信号光を互いに異なる伝搬モードとして合波して光ファイバの一端に結合している。そして、前記信号光の伝搬モードのうち少なくとも２つがモードグループＭに含まれる伝搬モードである。ただし、モードグループＭは、伝搬モードをＬＰｌｐと表したときＭ＝２ｐ＋ｌ−１且つ３以上である伝搬モードのグループである。例えば、マルチモード光ファイバが、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２モードが伝搬する４ＬＰモードＧＩファイバの場合モード群の数は３である。
【００２３】
Ｎ個の送信機１３から発せられるＮ種の信号はモード合波器１４にて合波される。合波された信号光は光伝送路１１の光ファイバに入射され、出射側に設置されたモード分波器１５においてＭポートに分波される。ここで用いる光ファイバの屈折率分布は少なくともコアの形状がグレーデッドインデックス型のものを用いる（例えば非特許文献２を参照。）。また分布ラマン増幅用励起光の光源１０を有しており、必要に応じてモード変換器１２にて所望のモードへ変換された後、光伝送路１１の光ファイバへ入射される。図１の光伝送システム３０１では励起光を受信機側より入射する例を示しているが、送信機側から入射、もしくは両方向から入射しても同様の効果を得られる。
【００２４】
図２は、光伝送路１１の構成を説明する図である。光伝送路１１は、伝搬モードがｍ（ｍは２以上の整数）以上伝搬可能な少なくとも２種類以上の光ファイバを直列に接続した光伝送路であって、
前記光ファイバの内、信号光が入射される前方光ファイバ２１は前記信号光を出力する後方光ファイバ２９より基本モードの実効断面積が大きく、前方光ファイバ２１と後方光ファイバ２９とは互いにモード間群遅延差の符号が異なることを特徴とする。
【００２５】
図２の光伝送路１１は、２種類の光ファイバにより構成されており、入力に対し、実効断面積（ｅｆｆｅｖｔｉｖｅ  ａｒｅａ：Ａｅｆｆ）が大きい光ファイバ（前方光ファイバ２１）に光が入射され、Ａｅｆｆが小さい光ファイバ（後方光ファイバ２９）から信号光が出射される（図２（Ｂ））。
【００２６】
また、受信端でのＭＩＭＯ信号処理負荷を低減するために、ＤＭＤは補償される。光伝送路１１は、ＤＭＤを補償するために、前方光ファイバ２１と後方光ファイバ２９のＤＭＤの符号が異なることを特徴とする（図２（Ｃ））。
【００２７】
［実効断面積の検討］
図３に４ＬＰモードＧＩファイバを伝搬するモードの電界分布を示す。ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２モードの４つのＬＰモードが伝搬する。ここで、Ａｅｆｆの異なるファイバが接続される場合、接続点での損失が発生する。図４に実効断面積差と損失の関係を示す。このとき、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２モードについて電界分布を有限要素法により求め、重なり積分により結合効率ηを求め、損失（１−η）を算出した。
【数１】
2019036880.tif 000003
Ｅｉは入力ファイバ側の電界分布、Ｅｏは出力ファイバ側の電界分布である。
【００２８】
非特許文献２に記載の４ＬＰモードＧＩファイバを用いてコア半径を±５μｍ変化させた場合、図４より１箇所の接続点について０．１ｄＢ以下の損失にするためには、実効断面積差を３０μｍ２以下にする必要があることが分かる。つまり、光伝送路１１の隣り合う前記光ファイバは、基本モードの実効断面積の差が±３０μｍ２以下であることを特徴とする。
【００２９】
［モード間群遅延差の検討］
次に、実効断面積の大きさと非線形劣化との関係を調べた。非線形現象の１つである独立したモードで発生する自己位相変調による最大位相シフト量φｍａｘは以下の式により算出される。
【数２】
2019036880.tif 000004
Ｐ０は入力強度、Ａｅｆｆは実効断面積、αは伝搬損失、Ｌはファイバ長、ｎ２は非線形屈折率、ｃは光速度（定数：２９９７９２４５８ｍ／ｓ）、ω０は各周波数である。
【００３０】
図５にφｍａｘと伝送距離の関係を示す。入力強度Ｐ０を２０ｄＢｍ、伝搬損失αを０．２ｄＢ／ｋｍ、非線形屈折率ｎ２を２．６６×１０−２０ｍ２／Ｗ、波長を１５５０ｎｍとした。ω０は波長から算出した。
【００３１】
図５より、３５ｋｍ以上では最大位相シフト量φｍａｘが飽和値の８０％程度になっていることが分かる。つまり伝送距離が延びるほど伝搬損失が増大し、光強度が低下するため自己位相変調による影響が見えなくなる。今回は損失０．２ｄＢ／ｋｍとしたが、損失や入力強度により最大位相シフト量φｍａｘの大きさは変化する。損失が０．２３ｄＢ／ｋｍだと飽和する値の８０％になる伝送距離は３０ｋｍ程度であり、損失が０．１７ｄＢ／ｋｍの場合、飽和する値の８０％になる伝送距離は４０ｋｍ程度である。例えば、非特許文献２に記載されているＧＩファイバの伝送損失は０．２３ｄＢ／ｋｍ程度である。伝送損失が０．１７ｄＢ／ｋｍ以下のマルチモードＧＩファイバはこれまで報告がないため、４０ｋｍ程度見ておけば、飽和する値の８０％になる。つまり、伝送距離４０ｋｍ以上では非線形現象が大きく影響しないと考えられる。
【００３２】
またモード間非線形効果（相互位相変調）については、ＤＭＤが５０ｐｓ以下だと影響が現れる（非特許文献６を参照。）。そこで、ＤＭＤは４０ｋｍを超えるまでは５０ｐｓ以上となるようにする。つまり、光伝送路１１は、前記信号光が入射される入射端から４０ｋｍ以内の光ファイバが、モード間群遅延差の絶対値が５０ｐｓ以上であることを特徴とする。
【００３３】
［ラマン増幅の検討］
図６に入射端の光強度を１とした際の、ラマン増幅に伴う伝送路長手方向の光強度変化を示す。分布ラマン利得を計算するためのパラメータとして信号光波長１５５０ｎｍの伝搬損失αｓ＝０．２ｄＢ／ｋｍ、励起光波長１４５０ｎｍの伝搬損失αｓ＝０．２５ｄＢ／ｋｍ、励起光強度５０ｍＷとし、、ラマン利得係数は３．０×１０−１４〜１５．０×１０−１４ｍ／Ｗまで可変した。図６より、ラマン利得係数に依らず、６０ｋｍ程度を境に分布ラマン増幅に伴う光強度が飽和していることが確認できる。
【００３４】
後方光ファイバ２９にて必要となる光強度（利得）を飽和強度の５０％としたときの結果を図６中に点線で示す。２０ｋｍ以上の領域においては少なくともラマン利得係数に依らず上記の特性を満たすことが確認できる。つまり、光伝送路１１の後方光ファイバ２９は２０ｋｍ以上であることを特徴とする。
【００３５】
（実施形態２）
本実施形態では、具体的な光伝送システム３０２について説明する。
図７にＡｅｆｆが大きい（１２０μｍ２）光ファイバ（図７（Ａ））とＡｅｆｆが小さい（８０μｍ２）光ファイバ（図７（Ｂ））の屈折率分布例を示す。屈折率分布は、以下の式により表現される。
【数３】
2019036880.tif 000005
構造パラメータは図７中に示すとおりである。ａ１〜ａ３は光ファイバ断面の半径方向の距離である。ｎ１〜ｎ３は屈折率である。Δ１とΔ２はクラッド（ｎ３）に対する比屈折率である。αはアルファパラメータである。図７（Ａ）の大ＡｅｆｆファイバはＬＰ０１モードのＡｅｆｆが１２０μｍ２、図７（Ｂ）の小ＡｅｆｆファイバはＬＰ０１モードのＡｅｆｆが８０μｍ２である。４つのＬＰモードが伝搬可能である。そして、αパラメータを調整することにより、ＤＭＤの値および符号が調整可能である。
【００３６】
図８は、光伝送システム３０２の光伝送路１１のファイバ構成である。合計９種類の光ファイバ（２１〜２９）により構成される。図９は、それぞれの光ファイバ（２１〜２９）のＬＰ０１モードのＡｅｆｆであって、伝送距離に対するＬＰ０１モードのＡｅｆｆを示している。例えば、前方光ファイバ２１は、Ａｅｆｆが１２８μｍ２で長さが５．４ｋｍであり、後方光ファイバ２９は、Ａｅｆｆが８１μｍ２で長さが４４．４ｋｍである。なお、各光ファイバ（２１〜２９）は、実効断面積差２０μｍ２以下で接続されている。
【００３７】
図１０は、光伝送路１１の伝送距離に対するＤＭＤである。図５にて説明したように、伝送距離４０ｋｍ以上の領域では非線形効果の影響が小さくなるため、非特許文献６で示されているようなモード間非線形効果の影響についても十分に抑制できると予想される。当該予想に基づき、本実施形態の光伝送路１１は４０ｋｍ地点まではモード間非線形効果を抑制するためＤＭＤ差が１ｎｓ以上となるように設計されている。
【００３８】
図１１は、光伝送路１１（光ファイバ２１〜２９のトータルファイバ長１０３．４ｋｍ）のインパルス応答である。ＤＭＤの補償によりインパルス応答は４ｎｓ以下（３７ｐｓ／ｋｍ）である。このような光伝送路１１を使用することで受信端のＤＳＰ１７が行うＭＩＭＯ信号処理の負荷低減が可能である。
【００３９】
図１２は、１２×１２光ＭＩＭＯ伝送実験系である光伝送システム３０２の構成を説明する図である。光送信器１３が出力する信号光として、１．２５Ｇｂ／ｓのＱＰＳＫ信号を用い、遅延線により独立した偏波多重信号及びモード多重信号チャネルを作成した。モード合分波器（１４、１５）は空間型のデバイス（非特許文献７）を用いた。光伝送路１１の後段からはラマン増幅用励起光源１０からの励起光をモード変換器１２によりモード変換された信号を入力する。光伝送路１１を通過した信号光はモード分波器１５により分波されコヒーレント受信機１６により光信号を電気信号へ変換し、ＤＳＰ１７でＭＩＭＯ信号処理が施される。
【００４０】
図１３は、図１２の伝送実験系での伝送実験結果を説明する各信号のコンスタレーションマップである。図１３（Ａ）がラマン増幅無、図１３（Ｂ）がラマン増幅有の結果である。モード依存損失（ＭＤＬ）は非特許文献８に記載の式により算出した。図１３より、信号品質Ｑ値はラマン増幅を用いることにより２ｄＢ程度改善した。また、ＭＤＬは０．１ｄＢ程度しか劣化せず、低ＤＭＧを実現している。
【００４１】
（実施形態３）
図１４は、光伝送路１１の光ファイバ間の接続を説明する図である。本実施形態の光伝送路１１の隣り合う前記光ファイバは、それぞれの基本モードの実効断面積に応じてコアがテーパ状であるテーパファイバ３１で接続されることを特徴とする。大Ａｅｆｆファイバ（例えば前方光ファイバ２１）と小Ａｅｆｆファイバ（例えば前方光ファイバ２９）とをテーパファイバ３１で接続することで、接続損失を低減することができる。
【００４２】
（発明の効果）
本発明は、光伝送路の実効断面積およびモード群遅延差（ＤＭＤ）を最適に設計することで、低非線形、高効率ラマン増幅を実現し、かつモード多重伝送のＭＩＭＯ処理におけるＤＳＰ負荷の増大を緩和し、伝送距離を拡大することが可能な伝送システムを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、ファイバ中の高次モードの利用により光ファイバ伝送の大容量化及び長距離化を実現することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１０：光源
１１：光伝送路
１２：モード変換器
１３：光送信機
１４：モード合波器
１５：モード分波器
１６：光受信機
１７：ＤＳＰ
２１：前方光ファイバ
２２〜２８：光ファイバ
２９：後方光ファイバ
３１：テーパファイバ
３０１、３０２：光伝送システム
【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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