(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を生成して、マルチモードファイバに向けて出射する送信ユニットであって、
光信号を生成する発光素子と、
前記発光素子で生成された光信号を収束して、焦点を結ばせる少なくとも１つのレンズとを含み、
前記レンズにより収束された光信号は、前記マルチモードファイバの入射面に入射され、
前記レンズの光軸は、前記マルチモードファイバのファイバ軸と同軸上に整列し、
前記レンズは、前記レンズの頂点から前記レンズの焦点までの距離とは異なる所定距離だけ、前記レンズの頂点が前記マルチモードファイバの入射面から離れるように配置され、
前記レンズの頂点から前記所定距離だけ離れた位置で前記光軸と直交する平面による前記光信号の断面を、入射光伝搬面と規定すると、前記レンズの焦点と前記入射面との距離は、前記入射光伝搬面の面積が、前記入射面における前記マルチモードファイバのコアの面積より大きくなるように設定される、送信ユニット。
【請求項２】
前記マルチモードファイバが接続され、前記入射面を前記焦点以外の位置に固定するレセプタクルを更に備える、請求項１に記載の送信ユニット。
【請求項３】
前記所定距離は、光信号の出力パワーとアイ開口率とに基づき、設計要件として決定されることを特徴とする、請求項１に記載の送信ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送システムに関し、より特定的には、マルチモードファイバを通じて、送信ユニットから受信ユニットへと光信号を伝送するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の技術進展により、光ファイバは、広帯域・低損失を満足できるものとなってきたため、インターネットに代表されるネットワークにおいて、交換局同士を結ぶ基幹系への導入が進みつつある。今後は、交換局から各家庭を結ぶアクセス系、さらには、ホームネットワークへの適用が、光ファイバには期待されている。
【０００３】
光ファイバは、その特性に基づいて２種類に大別される。１つはシングルモードファイバ（以下、ＳＭＦ(Single Mode Fiber )と称する）である。ＳＭＦにおいて、コアおよびクラッド双方の材質はシリカ(SiO2)である。ＳＭＦは、そのコア径が１０μｍ程度と極めて小さい。さらに、ＳＭＦでは特定のモードのみが伝播するため、広い伝送帯域を有するという特徴がある。それゆえ、ＳＭＦは、主として、基幹系における長距離伝送・大容量伝送用に開発が進められ、広く普及してきた。
【０００４】
もう１つはマルチモードファイバ（以下、ＭＭＦ(Multi Mode Fiber)と称する）である。ＭＭＦのコア径は、ＳＭＦのそれに比べて、５０μｍ〜１ｍｍと大きい。ＭＭＦは、コアまたはクラッドの材質に基づいて、幾種類かに分けられる。コアおよびクラッド双方の材質がシリカであるものは、ＧＯＦ(Glass Optical Fiber )と呼ばれる。また、コアの材質のみがシリカで、クラッドの材質がポリマーであるものは、ＰＣＦ(Polymer Clad Fiber)と呼ばれる。さらに、コアおよびクラッドすべての材質がプラスチックであるものは、ＰＯＦ(Plastic Optical Fiber )と呼ばれる。
【０００５】
以上のＭＭＦでは、光の道筋である伝播モードが複数存在する。ここで、図１２は、複数の伝播モードを示す模式図である。図１２には、コア７１およびクラッド７２とから構成されるＭＭＦ７３が示されている。光は、コア７１およびクラッド７２の境界面Ｆbdで反射を繰り返しながら、当該コア７１内を進んでいく。したがって、境界面Ｆbdに対して平行なモードほど、１回の反射から次の反射までに、ファイバ軸上で到達できる距離が長くなる。このようなモード（一点鎖線参照）を低次モードＭLOと称する。逆に、１回の反射から次の反射までに、ファイバ軸上で到達できる距離が短いモード（二点鎖線参照）を高次モードＭHIと称する。高次モードＭHIは、ファイバ軸に対して大きな角度を有しているので、同じ長さのＭＭＦ７３で考えた場合、低次モードＭLOに比べて境界面Ｆbdでの反射回数が多く、当該低次モードＭLOとの光路差が生じる。このような光路差によって、各モード毎でＭＭＦ７３の入射面から出射面に到達する時間に差異が生じる。
【０００６】
以上のように、各モードは固有の伝播速度を持つので、伝播時間の短い低次モードＭLOに含まれるパルス列（信号はパルス列として伝送される）と、それが長い高次モードＭHIに含まれるパルス列とは、同じ情報であるにも関わらず、当該情報の受信端には時間的なずれをもって到達してしまい、その結果、当該受信端は、正確に信号を受信できなくなる場合がある。このような現象はモード分散として知られており、ＳＭＦの伝送帯域に比べて、ＭＭＦのそれを大きく制限する要因となっている。
【０００７】
ところで、光ファイバの伝送帯域は、通常、光信号の伝送速度と伝送距離との積（例えば、Ｍｂｐｓ×ｋｍ）で表され、伝送速度が高いほど、伝送距離は短くなり、また、伝送距離を長くするためには、伝送速度を遅くしなければならない。モード分散の影響も、伝送速度が高いほど、または伝送距離が長いほど大きくなる。以上のことから、ＭＭＦを使った従来の光伝送システムでは、必要な伝送速度を得るためには、伝送距離を短くしなければならないという問題点があった。
【０００８】
しかしながら、ＭＭＦはＳＭＦに比べて安価であるため、単純に比較すると、当該ＭＭＦを使った光伝送システムは、ＳＭＦを使ったものと比べて、安価に構築できる。さらには、ＭＭＦのコア径はＳＭＦのそれよりも大きいため、ＭＭＦ同士の軸合わせが容易となり、ＭＭＦ同士を接続するコネクタの実装精度が緩和される。以上のことから、ＭＭＦは、低コストの光伝送システムの構築に大きく貢献できる。そのため、モード分散の影響がそれほど問題にならない距離での光伝送にはＭＭＦが好んで使用される。
【０００９】
このような利点を生かすために、ＭＭＦにおけるモード分散の影響を低減し、かつ光伝送システムの伝送帯域を向上させる技術が多数提案されている。以下には、その一例として、特開平１０−２２７９３５号公報に開示された技術を、図１３および図１４を参照して説明する。図１３は、従来の光伝送システムＳcvの全体構成を示すブロック図である。図１３において、光伝送システムＳcvは、レンズ８１を有する発光源８２と、ＭＭＦ８３と、モード分離器８４と、受信部８５とを備える。また、図１４は、図１３に示すレンズ８１およびＭＭＦ８３の光結合関係を示す模式図である。図１４に示すように、レンズ８１とＭＭＦ８３とは、結合効率が最大になるように配置される。より具体的には、レンズ８１の光軸Ａlz（一点鎖線参照）とＭＭＦ８３のファイバ軸Ａfr（二点鎖線参照）とが一直線になるように、かつ入射面（ＭＭＦ８３の一方端面）Ｆinと当該ファイバ軸Ａfrとの交点が、レンズ８１の焦点Ｚfpに一致するように、ＭＭＦ８３は固定される。
【００１０】
以上の光伝送システムＳcvにおいて、レンズ８１からの光信号は、ＭＭＦ８３の入射面Ｆin上で焦点を結ぶので、少ない結合損失で効率的にＭＭＦ８３へと入射される。その後、光信号は、当該ＭＭＦ８３のコアを伝播するに従って、モード分散の影響を強く受ける。その結果、互いに伝播遅延量が異なる複数のモードを有する光信号がＭＭＦ８３の出射面（ＭＭＦ８３の他方端面）Ｆout から出射される。ＭＭＦ８３からの出射光信号は、モード分離器８４に入射し、当該モード分離器８４によって必要なモードのみが選択される。その後、受信部８５は、モード分離器８４で選択された光信号を受信する。これによって、受信部８５は、モード分散の影響が低減された光信号を受信できるので、ＭＭＦ８３の伝送帯域を向上させることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、モード分離器８４は、主として、複数のレンズおよびミラーを含む光学系で構成されるため高価である。このような光学系により、光伝送システムＳcvは複雑な構成になってしまう。さらに、モード分離器８４の構成要素同士の光軸合わせの精度が厳しい。そのため、従来の光伝送システムＳcvの構築および保守が高コストになるという問題点があった。
【００１２】
さらに、モード分離器８４におけるモード選択効率を上げることが難しいという問題もある。ここで、モード選択効率とは、１モード当たりのモード分離器８４の入出力パワーの比である。上記モード選択効率が悪いと、受信部８５への入力パワーが小さくなってしまうので、発光源８２からの光信号のパワーを上げたり、受信部８５の受光感度をあげたり、モード分離器８４の後段に光増幅器を配置したりする必要も生じ、さらなるコストアップを招く。
【００１３】
それゆえに、本発明の目的は、モード分散の影響を低減しかつ低コストの、マルチモードファイバを使用した光伝送システムを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
以上の目的は、以下の各発明により達成される。また、各発明は、以下のような技術的効果を奏する。
第１の発明は、光信号を生成して、マルチモードファイバに向けて出射する送信ユニットであって、光信号を生成する発光素子と、発光素子で生成された光信号を収束して、焦点を結ばせる少なくとも１つのレンズとを含む。レンズにより収束された光信号は、マルチモードファイバの入射面に入射される。また、レンズの光軸は、マルチモードファイバのファイバ軸と同軸上に整列し、レンズは、レンズの頂点からレンズの焦点までの距離とは異なる所定距離だけ、レンズの頂点がマルチモードファイバの入射面から離れるように配置される。更に、レンズの頂点から所定距離だけ離れた位置で光軸と直交する平面による光信号の断面を、入射光伝搬面と規定すると、レンズの焦点と入射面との距離は、入射光伝搬面の面積が、入射面におけるマルチモードファイバのコアの面積より大きくなるように設定される。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明の構成において、マルチモードファイバが接続され、前記入射面を前記焦点以外の位置に固定するレセプタクルを更に備える。
【００１６】
第３の発明は、第１の発明の構成において、所定距離は、光信号の出力パワーとアイ開口率とに基づき、設計要件として決定されることを特徴とする。
【００１７】
第１〜第３の発明によれば、マルチモードファイバの入射面は焦点以外の位置に配置されるので、出射面からの光信号におけるモード分散の影響は低減される。これによって、マルチモードファイバの伝送帯域を向上させることができる。さらに、従来のようにモード分離器を付加する必要が無くなるので、低コストの光伝送システムを実現することが可能となる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光伝送システムＳa の全体構成を示すブロック図である。また、図２は、図１の光伝送システムＳa における光結合を示す模式図である。以上の光伝送システムＳa は、送信ユニット１１と、マルチモードファイバ（以下、ＭＭＦと称す）１２と、受信ユニット１３とを備えている。
【００２９】
図１に示すように、送信ユニット１１は、発光素子１１１と、少なくとも１つのレンズ１１２と、レセプタクル１１３とを含んでいる。発光素子１１１は、典型的には、半導体レーザまたは発光ダイオードからなり、入力電気信号ＥＳinにより駆動され、それによって、光信号ＯＳinを出射する。また、レンズ１１２は、発光素子１１１と光軸合わせされた状態で配置され、当該発光素子１１１の出射光信号ＯＳinを通過させる。ここで、本実施形態において、レンズ１１２の頂点Ｚ0 は、図２に示すように、当該レンズ１１２の光軸Ａlzおよび表面Ｆlzの２交点の内、発光素子１１１から遠い方を意味する。また、焦点Ｚfpは、光軸Ａlz上において、レンズ１１２の通過光信号ＯＳinが焦点を結ぶ位置を意味する。なお、図１に示すレセプタクル１１３については後述する。
【００３０】
また、図１において、ＭＭＦ１２は、グレーディッドインデックス型のガラスファイバ、ポリマークラッドファイバまたはプラスチック光ファイバである。また、図２に示すように、ＭＭＦ１２は、コア１２１およびクラッド１２２から構成されており、その一方端の外周にはコネクタプラグ１２３が取り付けられている。コネクタプラグ１２３は、送信ユニット１１のレセプタクル１１３に填り込む。その結果、図２に示すように、ＭＭＦ１２のファイバ軸Ａfrと、レンズ１１２の光軸Ａlzとが光軸合わせされ、同時に、コア１２１の一方側の端面（以下、入射面と称す）Ｆinは、レンズ１１２の頂点Ｚ0 に対して、ファイバ軸Ａfrに沿って予め定められた距離Ｚ1 だけ離れて位置する。距離Ｚ1 は、頂点Ｚ0 から焦点Ｚfpまでの値以外に設定され、より好ましくは、焦点Ｚfpまでの値よりも大きい値に設定される。
【００３１】
また、図２に示すように、コア１２１の他方端の外周にはコネクタプラグ１２４が取り付けられる。以上のようなＭＭＦ１２において、レンズ１１２の通過光信号ＯＳinは、入射面Ｆinに入射される。詳細は後述するが、入射光信号ＯＳinは、入射面Ｆinが頂点Ｚ0 から距離Ｚ1 だけ離されることで、モード分散の影響を実質的に受けることなく、コア１２１を伝播し、その他方側の端面（以下、出射面と称する）Ｆout から光信号ＯＳout1として出射される。
【００３２】
また、図１において、受信ユニット１３は、レセプタクル１３１と受光素子１３２とを含んでいる。レセプタクル１３１には、ＭＭＦ１２に取り付けられたコネクタプラグ１２４が填り込む。これによって、受信ユニット１３とＭＭＦ１２とが接続される。受光素子１３２は、好ましくは、Ｓｉ  ＰＩＮ  フォトダイオード（以下、Ｓｉ  ＰＩＮ  ＰＤと称す）からなり、ＭＭＦ１２の出射光信号ＯＳout1を受光する面（以下、受光面と称す）ＦPD1 を有する。受光面ＦPD1 は、出射面Ｆout と実質的に同じ面積を有する。なお、受光面ＦPD1 は、出射面Ｆout よりも大きな面積を有していてもよい。さらに、受光面ＦPD1 は、受信ユニット１３およびＭＭＦ１２の接続の結果、ＭＭＦ４２の出射面Ｆout と平行に向かい合う。以上の受光素子１３２は、受光面ＦPD1 の受光光信号ＯＳout1を、前述の電気信号ＥＳinと同じ情報を表す電気信号ＥＳout1に変換する。
【００３３】
なお、受光素子１３２としてＳｉ ＰＩＮ  ＰＤが好しいのは、当該Ｓｉ  ＰＩＮ  ＰＤは一般的に大きな受光面ＦPD1 を有するからである。しかし、受光面ＦPD1 の大きさは本実施形態の本質に関係ないので、受光素子１３２は、Ｓｉ ＰＩＮ  ＰＤ以外の種類のフォトダイオードから構成されてもよい。
【００３４】
次に、本実施形態の特徴である距離Ｚ1 について説明する。本出願人は、距離Ｚ1 を決めるために、上述の光伝送システムＳa を使って、以下のような実験を行った。本実験の環境は下記の通りである。発光素子１１１は、３０ｍＡの直流電流注入時に１．８ｍＷの光を発する。ＭＭＦ１２として、短距離伝送および長距離伝送の実験を行えるように、互いに長さが異なる２本のＰＣＦ(Polymer Clad Fiber)が準備される。より具体的には、短距離伝送用のＭＭＦ１２の長さＬfrは２ｍであり、長距離伝送用のＭＭＦ１２の長さＬfrは１００ｍである。また、各ＭＭＦ１２のコア１２１はシリカ(SiO2)からなり、当該コア１２１の直径（以下、コア径と称する）φcr（図２参照）は２００μｍである。また、クラッド１２２はメタクリル樹脂(PMMA)に代表されるポリマーからなり、その直径は２３０μｍである。
【００３５】
次に、本実験の測定対象となるアイ開口率Ｒおよび出力パワーＰを説明する。ここで、図３は、ＭＭＦ１２の出射光信号ＯＳout1のアイパターンを示す模式図である。アイ開口率Ｒは、図３に示すようなアイパターンにおける振幅の最小値Ｖpp1 と最大値Ｖpp2 との比であり、Ｖpp1 ／Ｖpp2 で表される。以上のアイ開口率Ｒから、光伝送システムＳa における伝送帯域を調べることができる。また、出力パワーＰは、ＭＭＦ１２の出射光信号ＯＳout1の光パワーである。
【００３６】
以上の実験環境で、本出願人は、入射面Ｆinの位置Ｚ1 に対するアイ開口率Ｒおよび出力パワーＰの特性を、パワーメータ等の測定機器を用いて測定した。その結果、本出願人は、図４のような測定結果を得た。図４において、横軸Ｚ1 は、上述の光軸Ａlzに等しく、レンズ１１２の頂点Ｚ0 の位置をＺ1 ＝０として、そこから入射面Ｆinまでの距離を表している。すなわち、図４は、ＭＭＦ１２の入射面Ｆinを頂点Ｚ0 から光軸Ａlz（Ｚ1 軸）に沿って離していったときの、アイ開口率Ｒおよび出力パワーＰを示している。
【００３７】
より具体的には、図４には、ＭＭＦ１２の長さＬfrが２ｍの時（つまり、短距離光伝送時）における光信号ＯＳout1のアイ開口率Ｒ（以下、アイ開口率Ｒsdと称す）および出力パワーＰ（以下、出力パワーＰsdと称す）が、●および○を使って示されている。さらに、図４には、長さＬfrが１００ｍの時（つまり、長距離伝送時）における、アイ開口率Ｒ（以下、アイ開口率Ｒldと称す）および出力パワーＰ（以下、出力パワーＰldと称す）が、▲および△を使って示されている。
【００３８】
以上の出力パワーＰsdおよびＰldの双方の最大値は、Ｚ1 が１．０ｍｍから１．５ｍｍまでの範囲内で観測されることから、この範囲内で、レンズ１１２の通過光信号ＯＳinが焦点Ｚfpを結ぶことが分かる。この意味で、Ｚ1 が１．０ｍｍから１．５ｍｍまでの範囲を焦点範囲Ｄfp（図４中のドットのハッチング領域を参照）と称する。しかしながら、焦点範囲Ｄfpにおいて、アイ開口率Ｒldは著しく劣化している。このようなアイ開口率Ｒldが劣化した光信号ＯＳout1のアイパターン（図３参照）を観測すると、振幅の最小値Ｖpp1 および最大値Ｖpp2 が大きく異なる。以上のことから、ＭＭＦ１２の入射面Ｆinが焦点範囲Ｄfpに設定された場合、光信号ＯＳinを長距離伝送（１００ｍ伝送）することは困難であることが分かる。
【００３９】
一方、図４において、アイ開口率Ｒsdは、アイ開口率Ｒldと異なり、Ｚ1 の値に関わらず、ほぼ一定である。このようなアイ開口率Ｒの相違は、Ｚ1 の値に応じてモード分散の影響に違いがあり、当該光信号ＯＳinの伝送距離が長くなる程モード分散の影響が顕著に現れるということを示している。
【００４０】
ここで、再度、図１４を参照する。従来の光伝送システムＳcvでは、ＭＭＦ８３への結合効率が最大になるように（つまり、光信号が結合損失なく効率的にＭＭＦ８３と入射するように）、焦点ＺfpにＭＭＦ８３の入射面Ｆinが配置されていた。しかしながら、図４の各特性曲線からは、入射面Ｆinが焦点Ｚfpに配置された時、ＭＭＦ１２が長くなるほど、光信号ＯＳinは、より大きくモード分散の影響を受けることが明らかになった。つまり、モード分散の影響で、従来の光伝送システムＳcvでは伝送帯域が制限されていたことが分かる。
【００４１】
以上のことは、理論的に以下のように説明することができる。まず、以下の説明で必要となる３つのパラメータ、上述の送信ユニット１１の開口数（以下、ＮＡs と称す）、ＭＭＦ１２の開口数（以下、ＮＡf と称す）およびＭＭＦ１２への入射開口数（以下、ＮＡinと称す）について説明する。
【００４２】
ここで、図５は、図１に示す送信ユニット１１のＮＡs を説明するための模式図である。図５に示すように、位置Ｚfpで焦点を結んだ光信号ＯＳinは、光軸Ａlzに対してある角度αで広がりながら当該光軸Ａlz上を伝播していく。ＮＡs は、このような広がりの度合いであり、次式（１）で表される。
【００４３】
【数１】
0003830376.tif 000002
【００４４】
焦点を結んだ光信号ＯＳinが広がれば広がるほど、以上のＮＡs は大きくなり、ＮＡs は、０＜ＮＡs ≦１の値をとる。
【００４５】
また、ＭＭＦ１２への入射光において出射面Ｆout まで伝播するのは、ある範囲内の角度（以下、ＭＭＦ１２の伝播角度と称する）を有する成分だけである。このようなＭＭＦ１２への伝播角度の内、最大のものをβmax とすると、ＮＡf は、次式（２）で表される。
【００４６】
【数２】
0003830376.tif 000003
【００４７】
通常、以上のＮＡf は、コア１２１およびクラッド１２２の屈折率によって決まり、さらに言えば、上述のＮＡs には依存しないパラメータである。もし、ＮＡf より大きな開口数の光が入射面Ｆinに入射したとしても、上述のＭＭＦ１２の伝播角度の範囲外の成分は、ＭＭＦ１２の外に透過する。また、上述のように、入射光信号ＯＳinがＮＡf よりも小さな開口数を有する場合、入射面Ｆinに入射した全ての光成分がコア１２１内を伝播する。しかも、この場合、入射光信号ＯＳinがＮＡf よりも小さな開口数を有するので、入射光信号ＯＳinにおける高次モードが少なくなり、モード分散が抑制される利点も得られる。
【００４８】
また、光伝送システムＳa では、入射面Ｆinの位置Ｚ1 が決まれば、ＮＡs の光信号ＯＳinの内、ある範囲内の角度（以下、本実施形態において、ＭＭＦ１２への到達角度と称する）を有するものしか当該入射面Ｆinに到達できない。つまり、上述の到達角度の範囲外の光成分は、入射面Ｆinから外れるため、コア１２１を伝播されない。さらに、ＭＭＦ１２のＮＡf により、たとえ入射面Ｆinに入射しても、入射光信号ＯＳinは出射面Ｆout まで伝播されるとは限らない。ここで、入射面Ｆinへの入射光信号ＯＳinの内、ＭＭＦ１２により出射面Ｆout まで伝播する成分の最大入射角度をβthとする場合、上述のＮＡinは、次式（３）で表される。
【００４９】
【数３】
0003830376.tif 000004
【００５０】
一般的に、上式（３）で表されるＮＡinが小さいほど、モード分散が抑制される。
【００５１】
ここで、図６は、上述のＮＡinを詳細に説明するために必要な入射光伝播面Ｆipr を説明するための図である。以下の説明では、図６において斜線のハッチングで表される入射面Ｆinの面積をＳf とする。また、入射面Ｆinつまりコア径を、図２に示したのと同様、φcrとする。さらに、図６においてドットのハッチングで表される入射光伝播面Ｆipr の面積をＳ（Ｚ1 ）とする。ここで、入射光伝播面Ｆipr を幾何学的に定義する。まず、レンズ１１２（図示せず）の通過光信号ＯＳinは、焦点Ｚfpまでは集束し、その後、円錐状に広がる。また、頂点Ｚ0 から距離Ｚ1 だけ離れた位置に、光軸Ａlzに対する垂直面を仮想的に作る。入射光伝播面Ｆipr は、以上のような通過光信号ＯＳinを仮想垂直面で切った時の切断面を意味する。また、図６から明らかなように、入射面Ｆinの位置Ｚ1 を変更することで、面積Ｓf と面積Ｓ（Ｚ1 ）との比が変化し、さらには、ＮＡinを調整することができる。すなわち、ＮＡinは、Ｚ1 の関数となるので、ＮＡin（Ｚ1 ）と表すことができる。つまり、入射面Ｆinの位置Ｚ1 を変更することで、光信号ＯＳinの伝送可能な距離や速度に影響を与えるモード分散を抑制することができるのである。
【００５２】
まず、ＮＡs がＮＡf 以下である場合について考える。この場合には、レンズ１１２の通過光信号ＯＳinの内、コア１２１に入射した成分は全て、出射面Ｆout まで伝播される。さらに、Ｓ（Ｚ1 ）がＳf 以上である場合には、ＮＡin（Ｚ1 ）は、Ｚ1 が大きくなるにつれて小さくなり、次式（４）で表される。
【００５３】
【数４】
0003830376.tif 000005
【００５４】
一方、Ｓ（Ｚ1 ）がＳf よりも小さい場合には、通過光信号ＯＳinは全て、入射面Ｆinに入射し、さらに出射面Ｆout まで伝播する。この場合、ＮＡinは、次式（５）で表される。
【００５５】
【数５】
0003830376.tif 000006
【００５６】
次に、ＮＡs がＮＡf よりも大きい場合について考える。この場合には、仮に、通過光信号ＯＳinが入射面Ｆinに全て入射したとしても、ＮＡf を超える成分（モード）はコア１２１を伝播しない。そのため、ＮＡin（Ｚ1 ）＝ＮＡf で固定される。しかし、Ｚ1 が大きくなり、ＮＡin（Ｚ1 ）＜ＮＡf が満たされると、ＮＡin（Ｚ1 ）はＺ1 の増加につれて小さくなり、次式（６）で表される。
【００５７】
【数６】
0003830376.tif 000007
【００５８】
以上のように、位置Ｚ1 を調整することで、ＮＡin（ＮＡin（Ｚ1 ））を小さくすることが可能となる。これによって、光信号ＯＳinを長距離伝送する場合に問題となるモード分散の影響を抑制することができる。
【００５９】
実際の光伝送システムＳa において、以上の位置Ｚ1 を決定するには、設計要件であるＭＭＦ１２からの出力パワーＰおよびアイ開口率Ｒの双方を考慮する必要がある。なぜなら、Ｚ1 の値を大きくしてモード分散の影響を抑制すればするほど、送信ユニット１１およびＭＭＦ１２の間の結合損失が大きくなり、要求される出力パワーＰを得ることが難しくなるからである。
【００６０】
例えば、図１に示す光伝送システムＳa において、ＭＭＦ１２の長さＬfrが１００ｍ、出力パワーＰが０．１ｍＷ以上、アイ開口率Ｒが５０％以上という３つの設計要件が定められていると仮定する。この仮定下では、図４のアイ開口率Ｒldの特性（▲を参照）および出力パワーＰldの特性（△を参照）から、Ｚ1 の値は、好ましくは、２．０ｍｍから２．５ｍｍであれば良いことが分かる（図４中の斜線のハッチング領域を参照）。なお、単にモード分散の影響を低減するのであれば、Ｚ1 の値は、少なくとも２．０ｍｍ以上であれば良い。以上のように、本光伝送システムＳa によれば、位置Ｚ1 の調整により、ＭＭＦ１２におけるモード分散の影響を低減でき、それによって、ＭＭＦ１２の伝送帯域を広げることができる。以上のことから、光伝送システムＳa には従来のようなモード分離器８４（図１３参照）が必要なくなる。これによって、低コストの光伝送システムＳa を提供することが可能となる。
【００６１】
なお、Ｚ1 の値は、常に上述の２．０ｍｍ以上に限られるわけではなく、上述のＭＭＦ１２の長さＬfr、出力パワーＰおよびアイ開口率Ｒに代表される設計要件に応じて変わりうる点には注意を要する。一般的に、伝送距離（長さＬfr）が長くなるほど、モード分散の影響は顕著になる。したがって、逆に、伝送距離が短くなると、Ｚ1 の値は小さくなる。
【００６２】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る光伝送システムＳb の全体構成を示すブロック図である。図８は、図７の光伝送システムＳb における光結合を示す模式図である。以上の光伝送システムＳb は、光伝送システムＳa と比較すると、送信ユニット１１および受信ユニット１３が、送信ユニット２１および受信ユニット２２に代わる点で相違する。それ以外に両光伝送システムＳb およびＳa の間に相違点は無い。それゆえ、光伝送システムＳb において、光伝送システムＳa の構成に相当するものには、同じ参照符号を付けて、それらの説明を省略する。
【００６３】
図７において、送信ユニット２１は、図１の送信ユニット１１と比較すると、レセプタクル１１３がレセプタクル２１１に代わる点で相違する。それ以外に両送信ユニット２１および１１の間に相違点は無い。それゆえ、送信ユニット２１において、送信ユニット１１の構成に相当するものには、同じ参照符号を付けてその説明を省略する。レセプタクル２１１には、ＭＭＦ１２の入射面Ｆin側に取り付けられているコネクタプラグ１２３が填り込む。その結果、図８に示すように、ＭＭＦ１２のファイバ軸Ａfrと、レンズ１１２の光軸Ａlzとが光軸合わせされ、同時に、入射面Ｆinの位置は、レンズ１１２とＭＭＦ１２との結合効率が最大になるように、実質的に焦点Ｚfpに合わされる。この点で、送信ユニット２１は、図１の送信ユニット１１と顕著に相違する。そのため、入射面Ｆinへの入射光信号ＯＳinは、モード分散の影響を受けながら、コア１２１内を伝播し、その出射面Ｆout から光信号ＯＳout2として出射される。
【００６４】
また、図７において、受信ユニット２２は、レセプタクル２２１と受光素子２２２とを含んでいる。レセプタクル２２１には、ＭＭＦ１２に取り付けられたコネクタプラグ１２４が填り込む。受光素子２２２は、好ましくは、Ｓｉ  ＰＩＮＰＤからなり、ＭＭＦ１２の出射光信号ＯＳout2を受光する面（以下、受光面と称す）ＦPD2 を有する。本実施形態では、説明の便宜上、受光面ＦPD2 は、円形と仮定する。以上の受光面ＦPD2 は、図８に示すように、受信ユニット２２およびＭＭＦ１２の接続の結果、ＭＭＦ１２の出射面Ｆout と距離Ｚ2 だけ離れた状態で平行に向かい合う。さらに、受光面ＦPD2 の中心軸ＡPDはファイバ軸Ａfrと軸合わせされる。以上の受光素子２２２は、図７に示すように、受光面ＦPD2 の受光光信号ＯＳout2を、電気信号ＥＳinと同じ情報を表す電気信号ＥＳout2に変換する。
【００６５】
上述のように、本実施形態では、入射面Ｆinが焦点Ｚfpに位置合わせされるので、入射光信号ＯＳinは、第１の実施形態のそれよりも、大きなモード分散の影響を受ける。したがって、入射面Ｆinに同時に入射される光信号ＯＳinの各モードは、互いに異なる時間に出射面Ｆout に到着する。そのため、出射光信号ＯＳout2のアイ開口は塞がっている。このような出射光信号ＯＳout2の全モードが受光面ＦPD2 に到達した場合、受信ユニット２２は、電気信号ＥＳinが表す情報を正しく受信できない。
【００６６】
ここで、図９は、図８に示す光信号ＯＳout2に含まれる高次モードＭHIの高次出射角度γHIと低次モードＭLOの低次出射角度γLOとを示す模式図である。図９に示すように、高次モードＭHIおよび低次モードＭLOは、ファイバ軸Ａfrに対して互いに異なる高次出射角度γHIおよび低次出射角度γLOで出射される。ここで、低次出射角度γLOの方が、高次出射角度γHIよりも小さい。したがって、Ｚ2 の値が大きくなるほど、高次モードＭHIは、ファイバ軸Ａfrから離れていく。以上のことから、Ｚ2 の値を調整することで、高次モードＭHIが受光面ＦPDから外れるので、受光素子２２２は、低次モードＭLOのみを限定的に受光することができるようになる。
【００６７】
以上のような限定受光は、以下のように説明することができる。まず、以下の説明で必要となるパラメータ、ＭＭＦ１２の出射開口数（以下、ＮＡout と称す）、および受光面ＦPD2の受光開口数（以下、ＮＡPDと称す）について説明する。
【００６８】
上述から明らかなように、ＭＭＦ１２の出射面Ｆout からは、様々な出射角度を有するモードが出射される。このような出射角度の内、最大のものをγmax とする場合、ＮＡout は、次式（７）で表される。
【００６９】
【数７】
0003830376.tif 000008
【００７０】
なお、本実施形態では、入射面Ｆinが焦点Ｚfpに位置合わせされるので、以上のＮＡout は、前式（４）〜（６）から求められるＮＡin（Ｚfp）と実質的に同じ値である。
【００７１】
また、光伝送システムＳb では、距離Ｚ2 が決まれば、ＮＡout を有する出射光信号ＯＳout2 において、ある範囲内の角度（以下、本実施形態において受光面ＦPD2 への到達角度と称する）を有するモードしか、受光面ＦPD2 に到達しない。ここで、出射面Ｆout からの出射光信号ＯＳout2の内、受光面ＦPD2 に到達する各モードが有する出射角度の内、最大のものをγthとする場合、ＮＡPDは、次式（８）で表される。
【００７２】
【数８】
0003830376.tif 000009
【００７３】
ここで、図１０は、上述のＮＡPDを詳細に説明するために必要な出射光伝播面Ｆopr を説明するための図である。以下の説明では、図１０において格子状のハッチングで表される出射面Ｆout の面積をＳf とする。また、出射面Ｆout つまりコア径をφcrとする。さらに、図１０において斜線のハッチングで表される受光面ＦPD2 の面積をＳPDとする。また、本実施形態では、受光面ＦPD2 は円形であると仮定する。この仮定下において、受光面ＦPD2 の直径をφPDとする。さらに、図１０においてドットのハッチングで表される出射光伝播面Ｆopr の面積をＳ（Ｚ2 ）とする。ここで、出射光伝播面Ｆopr を幾何学的に定義する。まず、ＭＭＦ１２の出射光信号ＯＳout2は、放射状に広がる。また、出射面Ｆout から距離Ｚ2 だけ離れた位置に、ファイバ軸Ａfrに対する垂直面を仮想的に作る。出射光伝播面Ｆopr は、以上のような出射光信号ＯＳout2を仮想垂直面で切った時の切断面を意味する。また、出射面Ｆout の距離Ｚ2 を変更することで、最大出射角度γthが変化し、さらには、ＮＡPDを調整することができる。すなわち、ＮＡPDは、Ｚ2 の関数としてＮＡPD（Ｚ2 ）と表すことができる。つまり、出射面Ｆout を原点とした受光面ＦPDの距離Ｚ2 を変更することで、受光素子２２２は、出射光信号ＯＳout2のアイ開口が塞がる原因となる高次モードＭHIを避けて、低次モードＭLO（図９参照）のみを限定受光することができる。これによって、受光素子２２２は、電気信号ＥＳinと同じ情報を表す電気信号ＥＳout2を生成することができるようになる。
【００７４】
上述のＮＡPD（Ｚ2 ）をさらに詳しく説明する。まず、Ｓ（Ｚ2 ）がＳPD以上の場合について考える。この場合、ＮＡPD（Ｚ2 ）は、Ｚ2 の値が大きくなるにつれて小さくなり、次式（９）で表される。
【００７５】
【数９】
0003830376.tif 000010
【００７６】
ＭＭＦ１２からの出射光信号ＯＳout2の内、出射角度が小さくなるほど、モードの次数が低くなるので、ファイバ軸Ａfr上で、受光面ＦPD2 を出射面Ｆout から距離Ｚ2 だけ離すことにより、受光素子２２２は、高次モードＭHIを避けて、低次モードＭLOのみを限定受光できることが分かる。以上のことから、本実施形態によれば、図１３に示すようなモード分離器８４が必要とすることなく、位置Ｚ2 の調整だけで、ＭＭＦ１２におけるモード分散の影響を低減でき、さらに、ＭＭＦ１２の伝送帯域を広げることができる。これによって、低コストで高伝送帯域の光伝送システムＳb を提供することが可能となる。
【００７７】
一方、Ｓ（Ｚ2 ）がＳPDよりも小さな場合、受光面ＦDP2 には、ＭＭＦ１２の出射光信号ＯＳout2に含まれる全てのモードが到達する。つまり、ＮＡPD（Ｚ2 ）は、ＮＡout と同じ値になり、次式（１０）で表される。
【００７８】
【数１０】
0003830376.tif 000011
【００７９】
ここで、Ｓ（Ｚ2 ）がＳPDよりも小さいということは、φcrがφPDよりも小さく、かつ受光面ＦPD2 が出射面Ｆout に近接していることを意味する。さらに、この場合には、受光素子２２２は低次モードＭLOのみを限定受光することができない。以上のことからも、受光面ＦPD2 を出射面Ｆout から離すことの必要性が分かる。
【００８０】
実際の光伝送システムＳb において、以上の距離Ｚ2 を決定するには、設計要件である受光面ＦPD2 への入力パワーと、当該受光面ＦPD2 の受光光信号Ｆout のアイ開口率の双方を考慮する必要がある。なぜなら、Ｚ2 の値を大きくしてモード分散の影響を抑制すればするほど、ＭＭＦ１２および受信ユニット２２の間の結合損失が大きくなり、要求される入力パワーを得ることが難しくなるからである。さらに、距離Ｚ2 を決定するには、光伝送システムＳb の設計要件であるＭＭＦ１２の長さＬfr、および光信号ＯＳinの伝送速度も考慮する必要がある。つまり、モード分散の影響は、長さＬfrおよび伝送速度が大きくなる程、顕著になるので、Ｚ2 の値は大きくする必要がある。
【００８１】
（第３の実施形態）
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る光伝送システムＳc の全体構成を示すブロック図である。 簡単に説明すると、図１１の光伝送システムＳc は、第１および第２の実施形態の特徴的な部分を組み合わせであり、送信ユニット１１、ＭＭＦ１２および受信ユニット２２とを備えている。そのため、図１１において、図１または図７の構成に相当するものには、同じ参照符号を付けて、その説明を簡素化する。
【００８２】
図１１において、コネクタプラグ１２３は、送信ユニット１１のレセプタクル１１３に填り込む。その結果、図２を参照して説明したように、ＭＭＦ１２のファイバ軸Ａfrと、レンズ１１２の光軸Ａlzとが光軸合わせされ、同時に、コア１２１の入射面Ｆinは、レンズ１１２の頂点Ｚ0 に対して、予め定められた距離Ｚ1 だけ離れて位置する。距離Ｚ1 は、頂点Ｚ0 から焦点Ｚfpまでの値以外に設定され、より好ましくは、焦点Ｚfpまでの値よりも大きい値に設定される。
【００８３】
また、ＭＭＦ１２に取り付けられたコネクタプラグ１２４はレセプタクル２２１に填り込む。その結果、図８を参照して説明したように、受光面ＦPD2 は、ＭＭＦ１２の出射面Ｆout と距離Ｚ2 だけ離れて対向する。さらに、受光面ＦPD2 の中心軸ＡPDはファイバ軸Ａfrと軸合わせされる。
【００８４】
以上の光伝送システムＳc では、ＭＭＦ１２からの光信号ＯＳout2は、入射面Ｆinが頂点Ｚ0 から距離Ｚ1 だけ離れているため、モード分散の影響を実質的に受けない。また、たとえ、モード分散の影響があったとしても、受光面ＦPD2 が出射面Ｆout から距離Ｚ2 だけ離れているため、光信号ＯＳout2の低次モードＭLOのみを限定受光する。したがって、光伝送システムＳc は、光伝送システムＳa およびＳb よりも、ＭＭＦ１２におけるモード分散の低減することができる。さらに、モード分離器８４（図１３参照）も不要となる。以上のことから、さらに低コストで広帯域の光伝送システムＳc を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光伝送システムＳa の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す光伝送システムＳa の光結合を示す模式図である。
【図３】図１に示す光信号ＯＳout1のアイパターンを示す模式図である。
【図４】図２に示す距離Ｚ1 に対する光信号ＯＳout1のアイ開口率Ｒおよび出力パワーＰの変化を示すグラフである。
【図５】図１に示す送信ユニット１１の開口数（＝ｓｉｎα）を説明するための模式図である。
【図６】入射光伝播面Ｆipr を説明するための模式図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る光伝送システムＳb の全体構成を示すブロック図である。
【図８】図７に示す光伝送システムＳb の光結合を示す模式図である。
【図９】高次出射角度γHIおよび低次出射角度γLOを説明するための模式図である。
【図１０】出射光伝播面Ｆopr を説明するための模式図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る光伝送システムＳc の全体構成を示すブロック図である。
【図１２】一般的な高次モードＭHIおよび低次モードＭLOを示す模式図である。
【図１３】従来の光伝送システムＳcvの全体構成を示すブロック図である。
【図１４】図１３に示す発光源８２およびマルチモードファイバ８３の光結合を示す模式図である。
【符号の説明】
１１，２１…送信ユニット
１１１…発光素子
１１２…レンズ
１１３，２１１…レセプタクル
１２…マルチモードファイバ
１３，２２…受信ユニット
１３１，２２１…レセプタクル
１３２，２２２…受光素子
【図１】
0003830376.tif 000012
【図２】
0003830376.tif 000013
【図３】
0003830376.tif 000014
【図４】
0003830376.tif 000015
【図５】
0003830376.tif 000016
【図６】
0003830376.tif 000017
【図７】
0003830376.tif 000018
【図８】
0003830376.tif 000019
【図９】
0003830376.tif 000020
【図１０】
0003830376.tif 000021
【図１１】
0003830376.tif 000022
【図１２】
0003830376.tif 000023
【図１３】
0003830376.tif 000024
【図１４】
0003830376.tif 000025