(57)【要約】【課題】短波長帯での光ファイバ伝送において、高次モードを除去せずに基底モードに変換するモード変換器を提供する。【解決手段】光ファイバ１２とファイバテーパ１３とを接合し、ファイバテーパ１３中の基底モード光１７の伝搬定数が光ファイバ１２中の高次モード光１６の伝搬定数と等しくなる箇所がテーパ部１４の終端となるようにファイバテーパ１３を作製する。この終端においてテーパ部１４と標準のファイバ部１５とを接続すると、ファイバ中の高次モード光１６は伝搬定数の等しいテーパ中の基底モード光１５へと効率よく結合する。ファイバテーパ１３が断熱条件を保って作製されていれば、テーパ部１４中の基底モード光１７はモード変換することなくファイバ部１５の基底モードへと導かれ、高次モード光１６のみが基底モード光１７に変換される。これにより、基底モードでの伝送を行なうことが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高次モード光と基底モード光とを入射し伝送する光ファイバと、
前記光ファイバの光出射端面に接合され、テーパ部が、正規化周波数、比屈折率差が変化して基底モード、高次モード共に伝搬定数が伝送方向に変化する形状の導波路構造を有するファイバテーパとを具備し、
前記ファイバテーパは、前記光ファイバ中の高次モードの伝搬定数と前記ファイバテーパ中の基底モードの伝搬定数が等しくなる箇所をテーパ部の終端とすることを特徴とするモード変換器。
【請求項２】
前記ファイバテーパは、断熱条件を保つ構造であることを特徴とする請求項１記載のモード変換器。
【請求項３】
前記ファイバテーパは、前記テーパ部の終端に標準のファイバ部を結合してなることを特徴とする請求項１記載のモード変換器。
【請求項４】
伝送路中の接続部または入射部の下部に挿入され、前記伝送路中の高次モード光及び基底モード光を前記光ファイバから入射して前記ファイバテーパで高次モード光を基底モード光にモード変換して前記伝送路に再入射することを特徴とする請求項１記載のモード変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は通信用光ファイバによる信号光伝送システムに用いられ、伝送中の信号光から高次モードを除去するモード変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、短波長帯における光通信が注目されているが、従来の通信用シングルモード光ファイバには、カットオフ波長以下の短波長帯に複数モードの伝搬光が存在しうるため、そのまま利用するとモード分散が発生する。モード分散は信号光の品質を劣化させるので、カットオフ波長以上の長波長帯での通信帯域に比べて短波長帯では帯域が小さくなる。この問題を回避するために、MoonらとDonlagicはそれぞれファイバテーパを利用して高次モードを除去するモードフィルタを提案している（非特許文献１，２参照）。また、Sorinらはファイバカプラを利用したモード分離器を提案している（非特許文献３参照）。さらに、Loveらはファイバテーパの特性をコアの比屈折率差が一定のまま、屈折率分布が分布形状を保ったままファイバ外径の縮小率Ｒに応じて断面方向に縮小するとして計算している（非特許文献４参照）。
【０００３】
【非特許文献１】S. Moon and D.Y. Kim, “Effective Single-Mode Transmission at Wavelengths Shorter Than the Cutoff Wavelength of an Optical Fiber” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 17, No.12, pp. 2604-2606，2005.
【０００４】
【非特許文献２】D. Donlagic, ”In-Line Higher Order Mode Filters Based on Long Highly Uniform Fiber Tapers”, Ｊ. Lightw. Technol., vol.24, No.9, pp. 3532-3539, 2006.
【０００５】
【非特許文献３】W. V. Sorin, B. Y. Kim, and H. J. Shaw, “Highly selective evanescent modal filter for two-mode optical fibers” Opt. Lett., vol. 11, No. 9, pp. 581-583, 1986.
【０００６】
【非特許文献４】J. D. Love, W. M. Henry, W. J. Stewart, R. J. Black, S. Lacroix, and F. Gonthier, “Tapered single-mode fibers and devices, part 1 : Adiabaticity criteria” IEEP roc. -J, vol. 138, No. 5, 1991.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来のモードフィルタでは、高次モードを除去してしまうため、挿入損失が大きくなるという欠点がある。また、モード分離器では、取り出した高次モードを基底モードに変換したとしても、これを元の伝送路に基底モードと同じ遅延時間で挿入するのは困難であり、また大掛かりな仕組みとなるので、コスト面でも不利となる。
【０００８】
この発明は、上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、高次モードの光を伝送路外へ除去することなく、下部側の伝送路から高次モードを無くすことができ、これによってモード分散を低減することのできるモード変換器を提供することにある。
【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この発明に係わるモード変換器は、高次モード光と基底モード光とを入射し伝送する光ファイバと、前記光ファイバの光出射端面に接合され、テーパ部が、正規化周波数、比屈折率差が変化して基底モード、高次モード共に伝搬定数が伝送方向に変化する形状の導波路構造を有するファイバテーパとを具備し、前記ファイバテーパは、前記光ファイバ中の高次モードの伝搬定数と前記ファイバテーパ中の基底モードの伝搬定数が等しくなる箇所をテーパ部の終端とする。
【００１０】
このように構成することで高次モードの光を伝送路外へ除去せずに下部側の伝送路から高次モードを無くすことができ、モード分散を低減することが可能となる。
上記構成において、さらに、前記ファイバテーパは、断熱条件を保つ構造とするとよい。
また、前記ファイバテーパは、前記テーパ部の終端に標準のファイバ部を結合した構成とするとよい。
【００１１】
特に、伝送路中の接続部または入射部の下部に挿入し、前記伝送路中の高次モード光及び基底モード光を前記光ファイバから入射して前記ファイバテーパで高次モード光を基底モード光にモード変換して前記伝送路に再入射する構成とするとよい。
【発明の効果】
【００１２】
要するに本発明によれば、高次モードの光を伝送路外へ除去することなく、下部側の伝送路から高次モードを無くすことができ、これによってモード分散を低減することのできるモード変換器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。
図１は本発明に係るモード変換器の概略構成を示す図である。このモード変換器１１は、図示しない光伝送路中に挿入されるもので、その光伝送路から伝送光を取り込む光ファイバ１２と、この光ファイバ１２の端面に接合されて当該端面から出射される光から高次モードを無くして光伝送路に出射するファイバテーパ１３とを有する。ファイバテーパ１３は、テーパ部１４とファイバ部１５とが結合された形状である。
【００１４】
光ファイバ１２には、高次モード光１６及び基底モード光１７が入射され、接続部１８からファイバテーパ１３のテーパ部１４に出射される。テーパ部１４は、接続部１８から所定の割合で広がりを持つ部分であり、導波路構造の変化により正規化周波数、比屈折率差が変化する。テーパ部１４で調整を受けたモード光はファイバ部１５を介して光伝送路に送出される。
【００１５】
すなわち、本発明に係るモード変換器では、高次モードから基底モードへの変換にファイバテーパの性質を利用する。図１の例では、テーパ部１４において、導波路構造の変化により正規化周波数、比屈折率差が変化する。これらの変化に伴って基底モード、高次モード共に伝搬定数が伝送方向に変化していくが、ファイバテーパ１３中の基底モード光１７の伝搬定数が光ファイバ１２中の高次モード光１６の伝搬定数と等しくなる箇所がテーパ部１４の終端となるようにファイバテーパ１３を作製する。この終端においてテーパ部１４と標準のファイバ部１５とを接続すると、ファイバ中の高次モード光１６は伝搬定数の等しいテーパ中の基底モード光１５へと効率よく結合する。ファイバテーパ１３が断熱条件を保って作製されていれば、テーパ部１４中の基底モード光１７はモード変換することなくファイバ部１５の基底モードへと導かれる。
【００１６】
一方、光ファイバ１２中の基底モード光１７は、ファイバテーパ１３中に伝搬定数が一致するモードが存在しない状態であるので、もっとも伝搬定数が近いテーパ部１４中の基底モード光に最も多く変換される。テーパ部１４においてコア、クラッド径が十分に小さければ、高次モード光は安定的に存在することが難しくなるので、より多くの光ファイバ１２中の基底モード光がテーパ部１４の基底モード光に変換されることになる。
【００１７】
以上のことから、上記構成によるモード変換器１１では、光ファイバ１２側より高次モード光１６、基底モード光１７が伝搬してくると、上記の働きにより、高次モード光１６のみが基底モード光１７に変換される。特に、接続部や入射部に比べて、伝送中ではモード変換が生じにくいので、接続部、入射部の下部にこのモード変換器１１を挿入することで、実効的に基底モードでの伝送を行なうことが可能となり、広帯域な伝送が可能となる。また、従来のモードフィルタやモード分離器に比べて高次モードで伝搬してきた光を伝送路上から除去しないことから、伝送損失を小さくすることが可能である。
【００１８】
（実施例）
以下に本発明の具体的な実施例を説明する。但し、この実施例により本発明の範囲が制限されるものではない。
図２は本発明に係るモード変換器の実施例を表す概略構成図、図３はファイバテーパ断面の縮小率と伝搬定数、規格化周波数の関係を表す特性図、図４は本実施例の特性を検証する実験系の構成を表すブロック図、図５は本実施例の特性の検証結果である。本実施例では、標準の1.31μm零分散シングルモードファイバをテーパ作製及び伝送用ファイバの双方に利用した場合について記載する。使用したファイバは850mmにおいてLP01モードとLP11モードの２つの伝搬モードを持つ。
【００１９】
図２において、本実施例に用いるモード変換器２１は、光ファイバ２２とファイバテーパ２３とを備え、ファイバテーパ２３はテーパ部２４とファイバ部２５で構成される。光ファイバ２２には、LP11モード光２６、LP01モード光２７が入射される。尚、テーパ部２４のテーパ長をｌで表し、テーパ部２４の接続部テーパ外径からファイバ部２５のファイバ外径をｄで表すものとする。
【００２０】
上記構成において、光ファイバ２２側のLP11モードとファイバテーパ２３側のLP01モードの持つ伝播定数が等しい必要がある。テーパ接続部でのLP01モードの伝搬定数をβT とおく。βT は規格化周波数と比屈折率差によって定まる値である。非特許文献４において、Loveらはファイバテーパの特性をコアの比屈折率差が一定のまま、屈折率分布が分布形状を保ったままファイバ外径の縮小率Ｒに応じて断面方向に縮小するとして計算している。この計算法を利用すると、本実施例で使用するファイバの伝搬定数βT ３１と縮小率Ｒとの関係は図３に示すようになる。また、図３に示すように、本実施例で使用するファイバ中のLP11モードの伝搬定数３２は1.0745×107 であり、これと伝搬定数βT が等しくなる縮小率Ｒは約50％、規格化周波数νは約1.75である。光がコア、クラッド構造により伝播されるためには、規格化周波数が１以上であることが下記非特許文献４においてLoveらによって報告されている。また、テーパ部２４のコアに高次モードが存在しない方が高次モードの発生を抑えられるが、このためには規格化周波数νが2.4以下である必要がある。
【００２１】
上記実施例において、算出された規格化周波数νはこれらの条件を満たしている。なお、製作するテーパの全長ｌは約10mmとし、次式（１）で表される断熱条件（非特許文献４参照）を満たすようにした。  
ｌ＝２πｄ（ｌ−Ｒ）／（β01とβ11）      …（１）  
ここでｌはテーパ長、ｄはファイバ外径、β01とβ11はそれぞれファイバ中のLP01モード、LP11モードの伝搬定数である。
【００２２】
図４は本実施例の特性検証に使用した実験系の構成図である。図４において、４１が上記構成によるモード変換器であり、このモード変換器４１は、入力側ＳＭＦ（200ｍ）４２と出力側ＳＭＦ（100m）４３との間に介在される。この実験系では、850nmレーザ光源４４から照射されるレーザ光をＬＮ変調器４６に入射してパルスジェネレータ４５で発生されるパルス信号によって変調し、その変調出力をオフセット入射部４８に入射してオフセットを設定し、上記ＳＭＦ４２を介してモード変換器４１に入射し、その出力光をＳＭＦ４３に通して光オシロスコープ４７に入射し、その伝送後の波形観察を行う。
【００２３】
図４の実験系では幅100psのパルス波形を伝送している。この実験系ではオフセット入射によりLP01とLP11の２つのモードで伝送を行っている。この検証で使用しているSMFのLP01モードとLP11モードの遅延時間差は0.982ps/mと算出でき、図４の実験系ではモード変換器４１の前の200mのＳＭＦ４２で約200psの遅延時間差が、モード変換器４１の下部の100mのＳＭＦ４３では約100psの遅延時間差が生じる。この実験系を利用して伝送後の波形を観察した。モード変換器４１に用いるテーパの縮小率は前述のように計算誤差も考慮して50％と60％とした。
【００２４】
図５は実験結果である。６１は伝送前のパルス波形、６２はモード変換器を使用しない時の伝送後波形、６３はモード変換器を伝送路中に挿入した場合の伝送後波形である。伝送ブァイバの全長300mにおいてLP01モードとLP11モードがモード変換せずに伝送された場合、両モードの間に約300psの遅延時間差が生じる。６２の波形の６５のピークと６６のピークとの間の遅延時間差が約300psであることから、それぞれ、LP01モード、LP11モードで伝搬された信号光のピークであることが分かり、オフセット入射により２つのモードが励振されていることが分かる。一方、200m伝送した時点でLP11モードからLP01モードに変換された場合、その後の100mの伝送では遅延時間差を生じないので、全体で約200psの遅延時間差を生じることになる。
【００２５】
すなわち、本実施例を挿入した場合の伝送後波形である６３，６４の波形において、６７の位置のピークがLP11モードからLP01モードに変換された信号光のピークであることが分かる。Ｒ＝60％の伝送後波形６４では明らかにモード変換された信号光のピークが表れており、Ｒ＝50％の伝送後波形６３にもわずかながらモード変換された信号光のピークが見受けられる。以上より、本実施例がLP11モードをLP01モードに変換するモード変換器としての機能を有していることが分かる。
【００２６】
このモード変換器を例えば、レーザに接続されたファイバ入射端の直後や光ファイバ伝送路の接続点直後に挿入することで、ファイバの入射端や接続点で発生する高次モードを基底モードに変換することが可能である。これにより、ファイバ中の伝送におけるモード分散を抑制し、帯域を広帯域化することが可能となる。さらに、高次モードを基底モードへ効率的に変換できるので、高次モードを除去する必要が無くなり、伝送損失の低損失化にも寄与することができる。
【００２７】
尚、この発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲でその構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態で開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係るモード変換器の概略構成を示す図。
【図２】本発明に係るモード変換器の実施例を表す概略構成図。
【図３】図２の実施例のファイバテーパ断面の縮小率と伝搬定数、規格化周波数の関係を表す特性図。
【図４】図２の実施例の特性を検証する実験系の構成を表すブロック図。
【図５】図２の実施例の特性の検証結果図。
【符号の説明】
【００２９】
１１…モード変換器、１２…光ファイバ、１３…ファイバテーパ、１４…テーパ部、１５…ファイバ部、１６…高次モード光、１７…基底モード光、１８…接続部、２１…モード変換器、２２…光ファイバ、２３…ファイバテーパ、２４…テーパ部、２５…ファイバ部、２６…LP11モード光、２７…LP01モード光、３１…ファイバ伝搬定数、３２…LP11モード伝搬定数、４１…モード変換器、４２…入力側ＳＭＦ（200ｍ）、４３…出力側ＳＭＦ（100m）、４４…850nmレーザ光源、４６…ＬＮ変調器、４５…パルスジェネレータ、４８…オフセット入射部、４７…光オシロスコープ。
【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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