(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝搬モード数が２以上の光ファイバを含む光ファイバ伝送路と、
少なくとも１組の前記伝搬モード間のモード結合を起こす複数のモード変換器と、を備え、
前記複数のモード変換器の設置間隔のばらつきが前記光ファイバ伝送路の伝送路長で定められる閾値以下であり、
前記光ファイバ伝送路の伝送路長がＬｔであり、前記モード変換器の変換器長がＬｇであり、
前記モード変換器の数はｎであり、
前記伝送路長Ｌｔに前記変換器長Ｌｇを含み、
前記モード変換器の設置間隔の標準偏差が次式（Ｃ１）で表される値以下であり、
前記モード変換器を設けていないときの前記光ファイバ伝送路そのものの群遅延広がりに対して前記モード変換器を設けたときの前記光ファイバ伝送路の群遅延広がりの相対値が０．５以下である、
光伝送システム。
【数１】
0006568659.tif 000011
【請求項２】
伝搬モード数が２以上の光ファイバを含む光ファイバ伝送路と、
少なくとも１組の前記伝搬モード間のモード結合を起こす複数のモード変換器と、を備え、
前記複数のモード変換器の設置間隔のばらつきが前記光ファイバ伝送路の伝送路長で定められる閾値以下であり、
前記光ファイバ伝送路の伝送路長がＬｔであり、前記モード変換器の変換器長がＬｇであり、
前記モード変換器の数はｎであり、
前記伝送路長Ｌｔに前記変換器長Ｌｇを含まず、
前記モード変換器の設置間隔の標準偏差が次式（Ｃ２）で表される値以下であり、
前記モード変換器を設けていないときの前記光ファイバ伝送路そのものの群遅延広がりに対して前記モード変換器を設けたときの前記光ファイバ伝送路の群遅延広がりの相対値が０．５以下である、
光伝送システム。
【数２】
0006568659.tif 000012
【請求項３】
伝搬モード数が２以上の光ファイバを含む光ファイバ伝送路と、
少なくとも１組の前記伝搬モード間のモード結合を起こす複数のモード変換器と、を備え、
前記複数のモード変換器の設置間隔のばらつきが前記光ファイバ伝送路の伝送路長で定められる閾値以下であり、
前記複数のモード変換器のモード結合の結合量の合計が、前記光ファイバ伝送路の前記伝搬モード間の群遅延差で定められる閾値よりも大きい、
光伝送システム。
【請求項４】
前記モード変換器に、長手方向に前記伝搬モード間の伝搬定数差に相当するグレーティングピッチを有する光ファイバを用いる、
請求項１から３のいずれかに記載の光伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、複数の伝搬モードが伝搬する数モードファイバを用いた光伝送システムに関する。
本願は、２０１６年０８月２９日に、日本に出願された特願２０１６−１６７３５９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
この数モード光ファイバを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。【０００４】
しかしながら、モード間の損失差（Ｍｏｄｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ：以下、ＭＤＬ）が存在する場合、ＭＩＭＯ等化器を利用したとしても伝送システムのパフォーマンス低下が課題となる（例えば、非特許文献１を参照。）。また、受信端にＭＩＭＯ信号処理に係るパルスの広がりである群遅延広がり(Ｇｒｏｕｐ ｄｅｌａｙ ｓｐｒｅａｄ:以下、ＧＤＳ)が大きいと、ＭＩＭＯに関わるデジタル処理（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）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２を参照。）。【０００５】
そこで、ＭＤＬやＤＭＤの影響を緩和するために、モード間の結合を生じさせるモードスクランブラの利用が提案されている（例えば、非特許文献３を参照。）。また、モード間の結合を光ファイバ伝送路中で積極的に起こすために、リングコア型ファイバが提案されている（例えば、非特許文献４を参照。）。さらに、モード合分波器を用いて２ｋｍの６モードファイバの中間でモード結合を起こしＤＭＤ低減効果が実験的に確認されている（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】Ｐ． Ｊ． Ｗｉｎｚｅｒ， ｅｔ ａｌ．， “Ｍｏｄｅ−ｄｅ ｐｅｎｄｅｎｔ ｌｏｓｓ， ｇａｉｎ， ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｉｎ ＭＩＭＯ− ＳＤＭ ｓｙｓｔｅｍｓ，” ｉｎ Ｐｒｏｃ． ＥＣＯＣ ２０１４， ｐａｐｅ ｒ Ｍｏ．３．３．２， ２０１４．
【非特許文献２】Ｓ．Ｏ． Ａｒｉｋ， Ｄ． Ａｓｋａｒｏｖ， Ｊ．Ｍ． Ｋａ ｈｎ， “Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍｏｄｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｉｎ ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏ ｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，” Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．３１ （３） （２０１３） ４２３−４３１．
【非特許文献３】Ｌｏｂａｔｏ， Ａ．； Ｆｅｒｒｅｉｒａ， Ｆ．； Ｒａｂｅ， Ｊ．； Ｋｕｓｃｈｎｅｒｏｖ， Ｍ．； Ｓｐｉｎｎｌｅｒ， Ｂ．； Ｌａ ｎｋｌ， Ｂ．， “Ｍｏｄｅ ｓｃｒａｍｂｌｅｒｓ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｄ− ｓｅａｒｃｈ ｍａｘｉｍｕｍ−ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｆｏ ｒ ｍｏｄｅ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ−ｌｏｓｓ−ｉｍｐａｉｒｅｄ ｔｒａｎｓｍｉ ｓｓｉｏｎ，” ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ （ＥＣＯＣ２０１３）， ３９ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅ ｘｈｉｂｉｔｉｏｎ， Ｔｈ．２．Ｃ．３， ２２−２６ Ｓｅｐｔ． ２０１３．
【非特許文献４】Ｎ． Ｆｏｎｔａｉｎｅ， Ｒ． Ｒｙｆ， Ｍ． Ｈｉｒａｎｏ， ａｎｄ Ｔ． Ｓａｓａｋｉ， “Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｉ ｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒｏｓｓｔａｌｋ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｒｉｎｇ−ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ，” ｉｎ Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ． Ｓｏｃ． Ｓｕｍｍｅｒ Ｔｏｐ． Ｍｅｅｔｉｎｇ Ｓｅｒｉｅｓ， ２０１ ３， ｐｐ． １１１−１１２．
【非特許文献５】Ｙ． Ｗａｋａｙａｍａ， Ｄ． Ｓｏｍａ， Ｋ． Ｉｇａｒａｓｈｉ， Ｈ．Ｔａｇａ， ａｎｄ Ｔ． Ｔｓｕｒｉｔａｎｉ， “Ｉｎｔｅｒｍ ｅｄｉａｔｅ Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅ ｆｏｒ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄｅ−Ｇｒｏｕｐ Ｄｅｌａｙ ｉｎ Ｗｅ ａｋｌｙ−Ｃｏｕｐｌｅｄ ６−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＬｉｎｅ，” ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， ＯＳＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ （ｏｎｌ ｉｎｅ） （Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ， ２０１６）， ｐａｐｅｒ Ｍ３Ｅ．６．
【非特許文献６】Ｉ． Ｇｉｌｅｓ， Ａ． Ｏｂｅｙｓｅｋａｒａ， Ｒ． Ｃｈ ｅｎ， Ｄ． Ｇｉｌｅｓ， Ｆ． Ｐｏｌｅｔｔｉ， ａｎｄ Ｄ． Ｒｉｃｈａ ｒｄｓｏｎ， “Ｆｉｂｅｒ ＬＰＧ Ｍｏｄｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ａｎｄ Ｍｏｄｅ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ＭｕｌｔｉｍｏｄｅＳＤＭ，” ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅ ｒｓ， ２４（２１），（２０１２），ｐｐ．１９２２−１９２５．
【非特許文献７】Ｊ． Ｎ． Ｂｌａｋｅ， Ｂ． Ｙ． Ｋｉｍ， ａｎｄ Ｈ． Ｊ． Ｓｈａｗ， “Ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ｍｏｄａｌ ｃｏｕｐｌｅｒ ｕｓｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｍｉｃｒｏｂｅｎｄｉｎｇ，” Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅ ｔｔｅｒｓ， １１（３）， （１９８６），ｐｐ．１７７−１７９．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献４においては、光ファイバの伝搬モード間の伝搬定数差Δβをできるだけ小さくすることで、少しの外乱でモード結合を起こしやすくしているが、高次モードにおいてΔβが大きくなる傾向にあり、モード数が増えた場合にも十分なモード結合を起こすことが難しい。非特許文献５においては、伝送路中に１箇所だけモード変換器が設置されており、モード結合量が入力パワーにより決定されるが、縮退モード間のパワーは外乱によって容易に変化するため、モード結合が不十分かつ外乱によってモード結合量が小さくなりやすいという課題がある。【０００８】
そこで、本開示は、複数の伝搬モードが伝搬する数モード光ファイバを伝送路としたモード多重光伝送システムに対し、光ファイバ伝送路においてモード変換器を適切に設置することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
具体的には、本開示に係る光伝送システムは、伝搬モード数が２ 以上の光ファイバを含む光ファイバ伝送路と、少なくとも１ 組の前記伝搬モード間のモード結合を起こす複数のモード変換器と、を備え、前記複数のモード変換器の設置間隔のばらつきが前記光ファイバ伝送路の伝送路長で定められる閾値以下であり、前記光ファイバ伝送路の伝送路長がＬｔであり、前記モード変換器の変換器長がＬｇであり、前記モード変換器の数はｎであり、前記伝送路長Ｌｔに前記変換器長Ｌｇを含み、前記モード変換器の設置間隔の標準偏差が後述する式（４）で表される値以下であり、前記モード変換器を設けていないときの前記光ファイバ伝送路そのものの群遅延広がりに対して前記モード変換器を設けたときの前記光ファイバ伝送路の群遅延広がりの相対値が０．５以下である。
また、本開示に係る光伝送システムは、伝搬モード数が２以上の光ファイバを含む光ファイバ伝送路と、少なくとも１組の前記伝搬モード間のモード結合を起こす複数のモード変換器と、を備え、前記複数のモード変換器の設置間隔のばらつきが前記光ファイバ伝送路の伝送路長で定められる閾値以下であり、前記光ファイバ伝送路の伝送路長がＬｔであり、前記モード変換器の変換器長がＬｇであり、前記モード変換器の数はｎであり、前記伝送路長Ｌｔに前記変換器長Ｌｇを含まず、前記モード変換器の設置間隔の標準偏差が後述する式（５）で表される値以下であり、前記モード変換器を設けていないときの前記光ファイバ伝送路そのものの群遅延広がりに対して前記モード変換器を設けたときの前記光ファイバ伝送路の群遅延広がりの相対値が０．５以下である。
【００１０】
伝搬モード数が２以上の光ファイバを含む光ファイバ伝送路と、少なくとも１組の前記伝搬モード間のモード結合を起こす複数のモード変換器と、を備え、前記複数のモード変換器の設置間隔のばらつきが前記光ファイバ伝送路の伝送路長で定められる閾値以下であり、前記複数のモード変換器のモード結合の結合量の合計が、前記光ファイバ伝送路の前記伝搬モード間の群遅延差で定められる閾値よりも大きくてもよい。
【００１１】
また、前記モード変換器に、長手方向に前記伝搬モード間の伝搬定数差に相当するグレーティングピッチを有する光ファイバを用いてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本開示は、複数の伝搬モードが伝搬する数モード光ファイバを伝送路としたモード多重光伝送システムに対し、光ファイバ伝送路においてモード変換器を適切に設置するため、効率の良いモード結合が生じる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】
【００１３】
【図１】実施形態１に係る伝送システムの第１の構成例を説明する図である。
【図２】実施形態１に係る伝送システムの第２の構成例を説明する図である。
【図３】光ファイバ伝送路中の変換器数及び１箇所あたりの結合量とその際のＧＤＳ低減効果を説明した図である。
【図４】外乱による縮退モード間のパワー変動を考慮した場合の変換器数とＧＤＳの低減効果のゆらぎの関係を説明する図である。
【図５】モード変換器の設置間隔のばらつきとＧＤＳ低減効果の関係を説明する図である。
【図６】２モードステップインデックスファイバのＬＰ０１−ＬＰ１１間の結合ピッチを表す図である。
【図７】光ファイバ伝送路中の変換器数及び１箇所あたりの結合量とその際のＭＤＬ低減効果を説明した図である。
【図８】光ファイバ伝送路中の変換器数及び１箇所あたりの結合量とその際のΔＱ低減効果を説明した図である。
【図９】５０個の凹凸をもつＬＰＧにおいてグレーティングの１凹凸あたりの結合量に対する伝搬モードのパワー変動を表す図である。
【図１０】ＬＰＧの凹凸数に対する必要な１凹凸あたりの結合量の計算結果を表す図である。
【図１１】光ファイバに周期的な曲げが付与されている様子を説明する図である。
【図１２Ａ】被覆に凹凸をつけた光ファイバに応力を加えることで光ファイバのコアに周期的な曲げを付与する様子を説明する図である。
【図１２Ｂ】被覆に凹凸をつけた光ファイバに応力を加えることで光ファイバのコアに周期的な曲げを付与する様子を説明する図である。
【図１３】光ファイバにグレーティング板を押し当てることにより光ファイバのコアに周期的な曲げを付与する様子を説明する図である。
【図１４】光ファイバのＬＰ０１−ＬＰ１１モード間の伝搬定数差とＬＰ１１−ＬＰ２１モード間の伝搬定数差の波長依存性を説明する図である。
【図１５】光ファイバのＬＰ０１−ＬＰ１１モード間の結合ピッチとＬＰ１１−ＬＰ２１モード間の結合ピッチの波長依存性を説明する図である。
【図１６】モード結合に必要な結合ピッチの波長依存性をＬＰ０１−ＬＰ１１間とＬＰ１１−ＬＰ２１間で表す表である。
【図１７】光ファイバの構造変化長Ｌに対するモード結合の強さφのグレーティングピッチずれとの関係を表す図である。
【図１８】光ファイバの構造変化長Ｌに対して理想的なモード結合の強さφが得られると近似できる最大のグレーティングピッチのずれ量との関係を表す図である。
【図１９】各モードの実効屈折率のＳＩファイバとＧＩファイバの比較を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本開示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、本開示は、以下に示す実施形態に限定されない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示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。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一の構成要素を示す。
【００１５】
（第１実施形態）
図１及び図２に、本実施形態のモード変換器を用いた光伝送システムの構成例を示す。本実施形態に係る光伝送システムは、複数の送信機８１から信号を送信し、モード合波器（ＭＵＸ）８４で各モードを合波し光ファイバ伝送路８３に伝搬させ、モード分波器（ＤＥＭＵＸ）８５でモードを分波しＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）等化器８２によって信号復元を行う仕組みである。光ファイバ伝送路８３は複数モードが伝搬可能な光ファイバを含む。
【００１６】
光ファイバ伝送路８３の伝送路長をＬｔ、光ファイバ伝送路８３全体でのモード変換器９１の設置数をｎ、各モード変換器９１の長さをＬｇｉ、各モード変換器９１での結合量をＣｉとする。ただし、結合量は１を最大値とする結合度合いを表す指標であり、相手のモードに１００％パワーが移る場合を１とし、５０％移る場合を０．５とする。
【００１７】
図１は光ファイバ伝送路８３上でモード変換器９１を設置する光ファイバ伝送路８３がモード変換器９１を兼ねるような伝送路を想定しているのに対し、図２のように光ファイバ伝送路８３の途中でモード変換器９１を挿入する場合も考えられる。図１では伝送路長Ｌｔに変換器長Ｌｇが含まれているのに対し、図２では伝送路長Ｌｔに変換器長Ｌｇが含まれていない。このことから設置間隔の標準偏差の条件の表記は図１と図２とで異なる。
【００１８】
図３に、光ファイバ伝送路８３全体におけるモード変換器９１を用いた変換器数ｎと結合量ＣにおけるＧＤＳの相対値とを等高線で表す。ここでは各結合箇所における結合量Ｃはすべて等しく、設置間隔は常に一定であるとした。図３においては伝送路長Ｌｔと変換器長Ｌｇは考慮に入れず任意の長さとしている。ＧＤＳの相対値は光ファイバそのものが持つモード間の伝搬時間差に対する相対値としており、相対値が１のときＧＤＳが低減されておらず、０．５のときは半減されている状況を表す。この図から結合回数、結合量が増えるとＧＤＳの相対値を減らすことができる。例えば変換器数ｎが１００、結合量Ｃが０．３のとき、ＧＤＳの相対値を０．５に抑えることができる。すなわち、ＤＳＰ負荷も０．５倍に抑えることが可能である。
【００１９】
しかしながら、各モード変換器９１でパワーが１００％移るとしても光ファイバ伝送路８３中で外乱が生じると、縮退モード間の位相変化及びパワー変化が起こり、各モード変換器９１では結合するモードが決まっていることからＧＤＳ値が変動しうる。そこで、光ファイバ伝送路８３中での変換器数ｎに対してＧＤＳ相対値が外乱によりどの程度変動するのかを計算した。
【００２０】
設置間隔はすべて一定とし、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂモードが伝搬する場合を想定した。外乱によりＬＰ１１モードの電界分布では、ＬＰ１１ａモードがＬＰ１１ｂモードに移ることがあるため、モード変換器９１から次のモード変換器９１までにＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂモードのパワー比率がランダムに変化するよう計算した。
【００２１】
モード変換器９１ではＬＰ０１モードとＬＰ１１ａモードかＬＰ１１ｂモードのどちらかのみモード結合が生じることからＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂモード間のパワー比率が変化することで結合量も変化する。同様の計算を５０回計算しＧＤＳ相対値の平均値と標準偏差の計算結果を図４に表す。図４の計算結果から変換器数ｎを増やすとＧＤＳの相対値の変動幅と平均値両方が低減できることが分かる。また、外乱による特性の変動が生じてもＧＤＳ相対値を０．５以下に抑えるためには変換器数は３０以上必要である。このように外乱の影響を考慮すると変換器数ｎは３０必要であるが、図３に示すようにＧＤＳは各結合箇所での結合量Ｃにも依存するため、変換器数ｎが３０、結合量が１を最低基準とし、各結合箇所での結合量の和が３０以上になれば、ＧＤＳを半分に抑制できる、とした。すなわち、式（１）が必要である。
【００２２】
【数１】
0006568659.tif 000002
【００２３】
次に、設置間隔が一定でない状況を考えた。モード変換器９１は等間隔に配置されていることが望ましいが、設置間隔が等間隔からずれた場合でもモード間伝搬時間差の低減効果を得ることは可能である。モード間の伝搬遅延差が広がる領域は光ファイバ伝送路８３中でモード変換器９１が設置されていない部分と考えられるため、このトータル長は式（２）と表される。
【００２４】
【数２】
0006568659.tif 000003
【００２５】
このトータル長を一定とし、変換器数ｎを最小値である３０とし、各設置間隔にゆらぎが生じた場合、ゆらぎがどこまで許容できるかを図５で求めた。この際、設置間隔の平均値は式（３）と表される。
【００２６】
【数３】
0006568659.tif 000004
【００２７】
横軸は、設置間隔のゆらぎの標準偏差を平均値で割った値である。特定の標準偏差の値においてＧＤＳの相対値が一意に決まるわけではないが、おおむね標準偏差／平均値が０．４以下の時、ＧＤＳの相対値は０．５以下に収まることが分かった。よって、伝送路長Ｌｔに変換器長Ｌｇを含む場合は、設置間隔の標準偏差を式（４）以下に抑えることで、ＧＤＳの相対値を半減させる効果が期待できる。
【００２８】
【数４】
0006568659.tif 000005
【００２９】
なお、図２のように光ファイバ伝送路８３中にモード変換器９１を挿入する、伝送路長Ｌｔに変換器長Ｌｇを含まない場合は、標準偏差を式（５）以下に抑えることでＧＤＳの相対値を半減させることが可能である。
【００３０】
【数５】
0006568659.tif 000006
【００３１】
上述したモード変調器９１に、長手方向に伝搬モード間の伝搬定数差に相当するグレーティングピッチを有する光ファイバを用いてもよい。具体的には、本開示は、モード変換器に長周期光ファイバグレーティング（Ｌｏｎｇ Ｐｅｒｉｏｄ Ｇｒａｔｉｎｇ：ＬＰＧ）を用いる。具体的なＬＰＧの構造に関しては、図１１〜図１３を用いて後述する。
理想的に２つのモードを変換させるためには、２つのモード間の伝搬定数差Δβに相当する２π／Δβの凹凸間隔を有するＬＰＧを用いる必要がある。しかし、実際に用いるＬＰＧの凹凸間隔は２π／Δβからずれる場合も存在する。そこで、本発明では、２π／Δβに相当する長さを結合ピッチ、実際に設置するＬＰＧの凹凸間隔をグレーティングピッチと定義する。高次の伝搬定数差が大きいモードに関しては、それらの伝搬定数差に対応した狭いグレーティングピッチ幅のＬＰＧを設置する。
【００３２】
なお、光ファイバの屈折率プロファイルはステップインデックス型、グレーデッドインデックス型、マルチステップ型、リング型等、複数モードを伝搬可能であればどれでも選択してよい。
【００３３】
図６に一般的な２モードステップインデックスファイバ（コア半径ｒ、比屈折率差Δ）のＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード間の伝搬定数差から求めた結合ピッチを示す。非特許文献６に記載されているように、ＬＰＧのグレーティングピッチは結合ピッチ幅である光ファイバの伝搬モード間の伝搬定数差Δβに相当する２π／Δβと一致させることで、モード間でモード結合を起こすことができる。
【００３４】
非特許文献６の記載にあるように一般的にモード変換器として用いられているＬＰＧの凹凸数は５０程度であるからここではＬＰＧ凹凸数の最大値を５０とする。ただし、ＬＰＧの凹凸数が５０より長く続くモード変換器９１も本開示に係る光伝送システムに設置することを可能とする。この場合、凹凸数を５０で割った数の変換器数ｎが置かれているとみなす。また、光ファイバ伝送路８３全体に渡りＬＰＧが押し当てられている状況も含める。  
【００３５】
また、モード変調器９１にＬＰＧを用いることにより、ＧＤＳ以外にもモード依存損失（ＭＤＬ:Ｍｏｄｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ）や信号間品質差ΔＱを低減することが可能である。
図７は、外乱によるＬＰ１１モードの変化を考慮に入れ、各変換器数、結合量におけるＭＤＬの平均値を変換器のない伝送路におけるＭＤＬの値に対する相対値として計算を行い、等高線で表した図である。図８は、外乱によるＬＰ１１モードの変化を考慮に入れ、各変換器数、結合量におけるΔＱの平均値を変換器のない伝送路におけるΔＱの値に対する相対値として計算を行い、等高線で表した図である。
図７に示すように、変換器数または一箇所あたりの結合量を増加させることでＭＤＬを低減可能であり、図８に示すように、変換器数または一箇所あたりの結合量を増加させることでΔＱを低減可能である。図７及び図８の傾向は各モードの損失の値によらず常に成り立つため、いかなる伝送路においても十分な変換器数、結合量を設定することによりＭＤＬ、ΔＱを低減することが可能である。
【００３６】
（第２実施形態）
本実施形態では、モード変換器９１にＬＰＧを用いた場合における、凹凸数と各凹凸における結合量の好ましい例について説明する。例として５０個の凹凸をもつＬＰＧについて１凹凸あたりに必要な結合量を示す。
【００３７】
ＬＰＧの凹凸数と入力信号の電界振幅ｕ０、ｖ０に対するＬＰＧ通過後の電界振幅ｕｎ、ｖｎは非特許文献７に習い数式（６）の関係で表される。
【００３８】
【数６】
0006568659.tif 000007
【００３９】
ただしκは１凹凸あたりの結合量（０＜κ＜１）、ｎｃｃ（ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｃｏｎ ｃａｖｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｘｉｔｙ）は凹凸数である。
【００４０】
ｎを５０とし、κの値に対するｕｎ、ｖｎの計算結果を図９に示す。ただし図９の横軸はκをパワーの次元に換算した値であるκ２を表しており、縦軸はｕｎ、ｖｎをパワー換算したｕ２、ｖ２を表している。はじめｕ０＝１、ｖ０＝０のとき、結合が生じκが増加するとｕｏのパワーがｖ０に移り始める。κが−３０ｄＢのとき、ｕｎのパワーが完全にｖｎに移り、１となる。κの値を−３０ｄＢより増加させると、よりパワーのやり取りが起こるようになり、結合は頻繁に生じる。この時、最大の結合量を得るのに必要な１凹凸あたりの結合量は約−３０ｄＢである。凹凸数が５０の場合、結合ピッチに係らず１凹凸あたりの結合量は約−３０ｄＢで良く、凹凸数が減ると１凹凸あたりに必要な結合量は増える。
【００４１】
図１０に示すように凹凸数に応じて押し当て力を変えることで、様々な凹凸数のＬＰＧで高い変換効率を得ることができる。
【００４２】
（第３実施形態）
第３実施形態における光ファイバ伝送路８３は、低ＧＤＳファイバや結合が生じやすいリングコアファイバ、張力付与ファイバ、ＧＤＳ補償伝送路等と併用することも可能である。この場合、ＬＰＧの押し当てにより更なるモード間の伝搬時間差の低減効果が期待でき、非常に少ない信号処理負荷で伝送可能な光伝送システムを提供できる。
【００４３】
なお、本実施形態における光ファイバ伝送路８３においても、モード変換器９１にＬＰＧを用い、第２実施形態で説明した凹凸数と各凹凸における結合量を適用することが好ましい。
【００４４】
（第４実施形態）
前述の実施形態において、モード変換器９１にＬＰＧを用いた場合に、光ファイバに押し当てるＬＰＧの凹凸は、矩形、台形、三角、正弦波状、円弧状等、どのような形状でもよい。ＬＰＧの凹凸は周期的であれば、第１実施形態及び第２実施形態で説明した作用・効果を得ることができる。
【００４５】
（第５実施形態）
前述の実施形態において、モード変換器９１が長周期グレーティングである例を示したが、モード変換器９１におけるモード結合は押し当て式のグレーティングに限定されない。例えば、ＣＯ２レーザやＵＶレーザ等で光ファイバに屈折率変化を与えたものや、光ファイバに周期的な曲げを付与したものであってもよい。
【００４６】
光ファイバへの曲げの付与は任意である。例えば、図１１のように光ファイバ８３１自体に曲げを加え、コア８３２をグレーティングピッチＷＰで曲げたものが例示できる。また、図１２Ａのように光ファイバの被覆８３３に凹凸８３４をつけた後に応力を与えると、図１２Ｂのようにコア８３２を曲げた光ファイバが例示できる。また、図１３のように、光ファイバ８３１にグレーティング板８３５を押し当てることで、曲げを付与した光ファイバが例示できる。
【００４７】
（第６実施形態）
光ファイバ伝送路８３の伝搬モード数をＮとおくと、ＧＤＳ低減のためには例えば光ファイバの最もＧＤＳが大きいモード間を結合させることでＧＤＳを低減させる方法がある。更に他のモードを結合することによってより大きなＧＤＳ低減効果を得るためには、必要に応じて複数のグレーティングピッチのグレーティングが必要である。また、波長を多重化して伝送する場合にも同様に複数のグレーティングピッチのグレーティングを付与することでより高いＧＤＳ低減効果が期待できる。
【００４８】
図１４及び図１５は、それぞれ、伝搬定数差Δβ及び結合ピッチＷＰの波長依存性の一例を示す。図中において、Ｇ１はＬＰ０１−ＬＰ１１間を、Ｇ２はＬＰ１１−ＬＰ２１間を示す。例えば、コア半径１２μｍ、Δ０．４％のステップインデックスファイバの場合、図１４に示すように、ＬＰ０１−ＬＰ１１間の伝搬定数差ΔβとＬＰ１１−ＬＰ２１間のΔβとは異なり、またそれぞれ波長依存性を持つ。このため、モード結合が生じるＬＰＧの結合ピッチである２π／Δβも図１５のようにモードの組によって異なり、波長によっても異なる。そこで、伝送させるモード、波長に応じたグレーティングを光ファイバ伝送路８３に付与することが好ましい。
【００４９】
コア半径１２μｍ、Δ０．４％のステップインデックスファイバの例を図１６に示す。例えばＬＰ０１−ＬＰ１１間のモード結合のみ生じさせる場合、Ｃ帯であれば１６２０〜１６５０μｍの３０μｍの範囲のグレーティングピッチがあれば良い。また、Ｃ〜Ｌ帯を網羅するためには１５８０〜１６５０μｍ、Ｏ〜Ｌ帯を網羅するためには１５８０〜１９００μｍの範囲のグレーティングピッチを設ける必要がある。さらにＬＰ１１−２１モード間のモード結合を起こすには図１６に示す細いグレーティングピッチを設ける必要がある。
【００５０】
（第７実施形態）
光ファイバ伝送路８３に付与するＬＰＧの周期は、必ずしも光ファイバを伝搬するモード間の伝搬定数差Δβを用いた２π／Δβに相当する長さである必要はなく、結合条件がもう少し緩和される。一般に、モード結合の強さφは式（７）で表される。
【００５１】
【数７】
0006568659.tif 000008
【００５２】
ただし、モードｌ、モードｍの伝搬定数差をβｌ、βｍとし、理想的な構造変化のグレーティングピッチを結合ピッチである２π／（βｌ−βｍ）とした場合に、光ファイバに与えた構造変化の周期を２π／Ωとし、構造変化のトータル長をＬとする。コア半径１２μｍ、Δ０．４％のステップインデックスファイバで波長１５５０ｎｍの時のＬＰ０１モードのβをβｌ、ＬＰ１１モードのβをβｍとした場合、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード間の結合の強さφは図１７のように表される。図に示すプロットＧ０，Ｇ１０，Ｇ２０，Ｇ３０は、それぞれ、次式で表されるΔｐｉｔｃｈが０μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍであるときのφを示す。
【００５３】
実際に付与するＬＰＧの構造周期とＬＰ０１−ＬＰ１１モード間のΔβに相当する結合ピッチを用いて、グレーティングピッチのずれΔｐｉｔｃｈは式（８）で表される。
【００５４】
【数８】
0006568659.tif 000009
【００５５】
Δｐｉｔｃｈが０のときのプロットＧ０は、伝搬モード間のΔβに相当する結合ピッチと光ファイバに与えたＬＰＧの周期が合致するため、ＬＰＧ長Ｌを長くすればするほどモード結合の強さφも大きくなる。理想的なグレーティングピッチは１６３３μｍであるが、ここで、グレーティングピッチに１０μｍのずれを与えると、プロットＧ１０に示すように、ＬＰＧ長が短い時のφはΔｐｉｔｃｈ＝０のプロットＧ０に近似できるが、ＬＰＧ長が長くなるとφの値は小さくなる。同様に２０μｍのずれを与えたプロットＧ２０、３０μｍのずれを与えたプロットＧ３０もＬが小さい時のみ近似できる。ここからＬが短いほどグレーティングピッチずれに対し理想的なφが得られ、またグレーティングピッチずれが大きくなればなるほど、Ｌを短くする必要があることが分かる。これらの曲線がΔｐｉｔｃｈ＝０のプロットとほぼ等しいとみなせる範囲は式（９）で表される。
【００５６】
【数９】
0006568659.tif 000010
【００５７】
この関係式からＬＰＧ長Ｌと許容されるグレーティングピッチのずれ量を求めた結果を図１８に示す。Ｌが短いほど許容されるずれ量が大きい。このことから、Ｌが短い場合はＬＰＧのグレーティングピッチが一定でも広い範囲の波長帯域でモード結合を生じさせることが可能である。例えば、１．４１ｃｍの構造変化長では許容されるずれは１００μｍであるため、所望の結合ピッチ±１００μｍの範囲であればモード結合が生じると言える。
【００５８】
図１６に示すように波長によって変換される帯域は異なるが、帯域を網羅するような結合変化長Ｌを定めることで、少ないグレーティングピッチの種類で広帯域を網羅することが可能である。
【００５９】
（第８実施形態）
光ファイバ伝送路８３としてグレーデッドインデックス（ＧＩ）ファイバを用いると１種類のグレーティングピッチで複数のモードのモード間結合を発生させることが可能である。ＧＩファイバは図１９に示すようにモード群間の伝搬定数差Δβが等しいという特徴があり、モード群間の実効屈折率差が異なるためそれぞれの対応するグレーティングピッチを持つグレーティングが必要となるステップインデックスファイバと比べ簡易に複数モードのモード結合を起こすことが出来る。
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態及びその変形例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
また、本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本開示は、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】
【００６１】
８１：送信機
８２：ＦＩＲ等化器
８３：光ファイバ伝送路
８３１：光ファイバ
８３２：コア
８３３：光ファイバの被覆
８３４：凹凸
８３５：グレーティング板
８４：モード合波器
８５：モード分波器
９１：モード変換器
【図１】
0006568659.tif 000013
【図２】
0006568659.tif 000014
【図３】
0006568659.tif 000015
【図４】
0006568659.tif 000016
【図５】
0006568659.tif 000017
【図６】
0006568659.tif 000018
【図７】
0006568659.tif 000019
【図８】
0006568659.tif 000020
【図９】
0006568659.tif 000021
【図１０】
0006568659.tif 000022
【図１１】
0006568659.tif 000023
【図１２Ａ】
0006568659.tif 000024
【図１２Ｂ】
0006568659.tif 000025
【図１３】
0006568659.tif 000026
【図１４】
0006568659.tif 000027
【図１５】
0006568659.tif 000028
【図１６】
0006568659.tif 000029
【図１７】
0006568659.tif 000030
【図１８】
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【図１９】
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