CN109313307B - 光纤和光传输系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种光纤，所述光纤是可传播Z（Z为2以上的整数）以上的传播模式的芯折射率分布为渐变折射率型的光纤，α参数为在模式群组M（M为在将传播模式表示为LPIp时M=2p+I‑1且3以上。）的传播模式组中彼此的传播常数差为1000rad/m以下的值。

Description

光纤和光传输系统
技术领域
本公开涉及能够使用模式复用传输进行拉曼光放大的光纤和具备其的光传输系统。
本申请基于在2016年6月16日向日本申请的日本特愿2016-119474号要求优先权，并将这些内容引用于此。
背景技术
近年来，由于服务的多样化，因特网业务量（traffic）还在继续增加。为了应对该增加，通过传输速度的高速化或使利用波分复用（Wavelength Division Multiplexing：WDM）技术的波分复用数增加，从而光纤的传输容量飞跃性地扩大。此外，近年来，由于讨论繁荣进行的数字相干技术，预想了进一步的传输容量的扩大。在数字相干传输系统中，能够通过使用多值相位调制信号来提高频率利用效率，但是，需要更高的信噪比。可是，在以往的使用了单模光纤（Single mode fiber：SMF）的传输系统中，除了理论上的极限之外，由于起因于非线性效果的输入功率限制，预想传输容量以100Tbit/sec为界限饱和，进一步的大容量化变得困难。
今后，为了进一步增加传输容量，需要实现革新的传输容量扩大的介质。于是，使用了多模光纤（Multi mode fiber：MMF）的模式复用传输引起了注目，所述多模光纤通过将光纤中的多个传播模式用作信道而能够期待空间利用效率的提高。至今为止，在光纤中传播的高阶的模式是信号劣化的主要原因，但是，在数字信号处理或合分波技术等的发展中讨论了积极的利用（例如参照非专利文献1、2。）。
为了在模式复用传输中也补偿传输路径的信噪比，讨论了与单模传输路径同样地使用分布拉曼放大的手法，进行了实验和计算讨论（例如参照非专利文献1、2。）。
在讨论模式复用传输中的光放大技术时减少模式间增益差（Differential modalGain：DMG）是重要的。可是，传播MMF的信号光按每个模式具有不同的电场分布，信号光的电场分布与泵浦光的电场分布的重叠的大小按每个模式而不同，因此，产生DMG。
例如，进行了通过在使用了3个模式的分布拉曼放大的传输路径中使泵浦光的传播模式为LP11模式来减少DMG而能够进行超过1000km的传输的例子的报告（例如参照非专利文献2。）。
此外，报告了：进行使用了折射率分布为阶跃形状的传输路径（Step-Index （SI）型光纤）的拉曼放大的讨论，使泵浦光的传播模式为LP21模式和LP02模式，通过计算，使它们的功率比为7∶3，由此，能够使DMG减少到0.13dB（例如参照非专利文献3。）。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：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-EqualizedDistributed Raman Amplification in 137-km Few-Mode Fiber”, ECOC, paperTh.13.K.5. 2011；
非专利文献2：R. Ryf, M. Esmaeelpour, N.K. Fontaine, H. Chen, A.H.Gnauck, R.-J. Essiambre, J. Toulouse, Y. Sun, and R. Lingle, Jr.,“Distributed Raman Amplification based Transmission over 1050-km Few-ModeFiber”, ECOC, Tu.3.2.3, 2015；
非专利文献3：R. Ryf, R.-J. Essiambre, J. Hoyningen-Huene, and P. J.Winzer, “Analysis of Mode-Dependent Gain in Raman Amplified Few-Mode Fiber”,in Optical Fiber Communication Conference, OSA Technical Digest, paperOW1D.2. 2012；
非专利文献4：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, No. 14, pp. 2468-2479, 2014；
非专利文献5：T. Mori, T. Sakamoto, M. Wada, T. Yamamoto, and K.Nakajima, “Strongly-coupled Two-LP-mode Ring-core Fiber with Optimized IndexProfile Considering S-bend Model”, OFC., W1F. 6, 2016。
发明内容
发明要解决的课题
然而，在传输的信号的模式数增加的情况下，在DMG的减少中需要精密的泵浦光的模式比率的控制。在该情况下，需要精密地控制模式比率的设备，牵涉到设备构造的复杂化或成本的增大。因此，本发明为了解决上述课题，提供了即使泵浦光的模式为单一也能够减少在拉曼放大时产生的DMG的光纤和光传输系统。
用于解决课题的方案
为了达成上述目的，作为本发明的光纤，采用了对在期望的模式群组内包括的传播模式间的传播常数差进行减少的构造。
本发明的第1方式是，一种光纤，所述光纤是可传播Z以上的传播模式的芯折射率分布为渐变折射率型的光纤，其中，Z为2以上的整数，其中，α参数为在模式群组M的传播模式组中彼此的传播常数差为1000rad/m以下的值，其中，M为在将传播模式表示为LPIp时M=2p+I-1且3以上。
本发明的第2方式是，在上述第1方式所记载的光纤中，优选的是，所述α参数的值α满足1.67-0.31exp（-（M-3）/1.80）≤α≤2.37+0.63exp（-（M-3）/1.25）。
在此，能够按照想要减少传播常数差的每个模式群组M设定α参数。
通过使GI光纤的α参数为上述的值，从而减少在GI光纤内模式群组M所包括的传播模式间的传播常数差，在该传播模式间产生耦合。因此，关于模式群组M所包括的1个传播模式的泵浦光，能够使耦合的传播模式为1个组来进行拉曼放大，能够减少DMG。因此，能够提供即使泵浦光的模式为单一也能够减少在拉曼放大时产生的DMG的光纤。
本发明的第3方式是，在上述第1或第2方式所记载的光纤中，具备：具有由式（1）表示的α次幂折射率分布的芯、以及在所述芯的外侧设置的包覆层。
[数式1]
Figure 629757DEST_PATH_IMAGE002
。
在式（1）中，n（r）表示离中心半径方向的位置r处的折射率，n1表示芯中心的折射率，α表示指数常数。
在上述结构中，也能够提供即使泵浦光的模式为单一也能够减少在拉曼放大时产生的DMG的光纤。
此外，作为本发明的光传输系统，采用具备上述光纤并且使泵浦光的传播模式为模式群组M内的1个传播模式来进行拉曼放大的构造。
本发明的第4方式是，一种光传输系统，其中，具备：上述第1~第3方式的任一个方式所记载的光纤；模式变换器，将用于在所述光纤中拉曼放大的泵浦光变换为所述模式群组M所包括的单一的传播模式并向所述光纤入射；以及模式合波器，使来自2以上Z以下的发送机的信号光为彼此不同的传播模式来进行合波并耦合到所述光纤的一端，所述信号光的传播模式之中的至少2个是所述模式群组M所包括的传播模式。
如上述那样，模式群组M内的传播模式的信号光为1个组而由模式群组M内的1个传播模式的泵浦光同样地放大，能够减少DMG。此外，即使存在未包括在模式群组M中的传播模式的信号光，也能够使该信号光的增益与所述组的信号光的增益接近，能够减少DMG。因此，能够提供即使泵浦光的模式为单一也能够减少在拉曼放大时产生的DMG的光传输系统。
本发明的第5方式是，在上述第4方式所记载的光传输系统中，还具备：2以上Z以下的接收机；以及远程泵浦用光放大器，被设置在所述接收机与所述发送机之间，具有所述模式变换器和光源。
根据上述结构，能够通过与远程泵浦光放大技术并用来实现光传输系统的进一步的延长化。
发明效果
根据上述本发明的方式，能够提供即使泵浦光的模式为单一也能够减少在拉曼放大时产生的DMG的光纤和光传输系统。
附图说明
图1是说明本发明的拉曼（Raman）传输系统的图。
图2是说明本发明的光纤的折射率分布的图。
图3是说明阶跃型光纤（step type fiber）和渐变折射率光纤（graded-indexfiber）中的LP21模式和LP02模式的传播常数差Δβ02-21与波长的关系的图。
图4是说明假定为在传输路径传播中没有模式间耦合时的DMG与泵浦光所包括的模式的比率（LP11模式和LP21模式）的关系的图。
图5是说明假定为在传输路径传播中存在模式间耦合时的DMG与泵浦光所包括的模式的比率（LP11模式组和LP21模式）的关系的图。
图6是说明分布拉曼增益的测定系统的图。
图7是说明模式变换器后的各传播模式的近场图案（Near-field pattern）的图。
图8是说明使泵浦光为LP01模式入射时的各传播模式的增益谱的图。
图9是说明使泵浦光为LP11模式入射时的各传播模式的增益谱的图。
图10是说明使泵浦光为LP21模式入射时的各传播模式的增益谱的图。
图11是说明泵浦模式与信号光波长1550nm中的DMG的关系的图。
图12是说明在本发明的光传输系统中应用了远程泵浦放大技术（remotelypumped amplified technique）的构造的图。
图13是说明在本发明的光纤中Δβ与GI光纤的α参数的关系的图。
图14是说明在本发明的光纤中M值与在模式组内Δβ为1000以下的α值的关系的图。
图15是说明在本发明的光纤中信号光LP01、LP11、LP21、LP02模式的波长1550nm中的有效截面积Aeff的图。
图16是按每个模式说明在本发明的光纤中信号光与泵浦光的重叠的大小fn, m的图。
具体实施方式
参照附图来说明本发明的实施方式。在以下说明的实施方式是本发明的实施例，本发明不被限制于以下的实施方式。再有，在本说明书和附图中附图标记相同的结构要素示出彼此相同的结构要素。
（实施方式1）
图1是说明本实施方式的光传输系统301的图。光传输系统301具备：可传播Z（Z为2以上的整数）以上的传播模式的芯折射率分布（profile）为渐变折射率（GI）型的光纤51；将用于在光纤51中拉曼放大的泵浦光变换为模式群组M所包括的1个传播模式并向光纤51入射的模式变换器52；以及使来自2以上Z以下的发送机的信号光为彼此不同的传播模式来进行合波并耦合到光纤51的一端并且前述信号光的传播模式之中的至少2个为模式群组M所包括的传播模式的模式合波器53。其中，模式群组M为在将传播模式表示为LPIp时M=2p+I-1且3以上的传播模式的群组。
从N个发送机54发出的N种信号被模式合波器53合波。将合波后的信号光入射到光纤51中，在设置于出射侧的模式分波器55中分波到Z个端口。在此使用的光纤51的折射率分布使用至少芯部分的形状为GI型的折射率分布。此外，具有分布拉曼放大用泵浦光的光源56，在根据需要使用模式变换器52向期望的模式变换之后，向光纤51入射。在光传输系统301中示出了从接收机侧入射泵浦光的例子，但是，也能够从发送机侧入射。
图2是说明光传输系统301所具备的光纤51的折射率分布的图。使用图2的折射率分布来进行后述的拉曼增益的计算。再有，光纤51为图2那样的沟槽构造的折射率分布以外也能够得到同样的效果。本构造是被设计为传播期望的传播模式数并且模式间的群延迟差变小的、GI型的构造。
图2由具有以下述式（1）表示的α次幂折射率分布的芯和芯的外侧的包覆层（clad）构成。在此，n（r）表示离中心半径方向的位置r处的折射率，n1表示芯中心的折射率，α表示指数常数。图2所示的多模光纤的折射率分布在半径r比a1小的区域中按照α次幂折射率分布。再有，指数常数α为示出渐变型分布的无量纲参数（nondimensional parameter），有时也称为阿尔法参数。此外，在图2中，由于限制传播模式数，所以在包覆层区域中具有降低折射率的沟槽部。在非专利文献4中报告了设计的细节。
[数式2]
Figure 953422DEST_PATH_IMAGE004
。
作为具有图2的折射率分布的光纤，不仅模式间的群延迟差变小，而且在模式群组M（M为由满足M=2p+I-1的LPIp模式构成的模式组）为3以上的模式群组中，传播常数非常近且在群组内容易发生强的耦合。已知：通常只要模式间的传播常数差为1000以下，则由于传输路径的弯曲或扭曲等效果而发生模式耦合（例如，参照非专利文献5）。
也就是说，光纤51为可传播Z（Z为2以上的整数）以上的传播模式的芯折射率分布为渐变折射率型的光纤，α参数是在模式群组M（M为在将传播模式表示为LPIp时M=2p+I-1且3以上）的传播模式组中彼此的传播常数差为1000rad/m以下的值。
再有，在非专利文献1或非专利文献2的讨论中均使用GI形状的传输路径。可是，这些非专利文献议论了减少传输路径的模式间群延迟差，未记载谋求在本实施方式中议论的传播模式间的传播常数差的减少。
在此，作为一例，使用可传播信号光LP01、LP11、LP21、LP02模式的光纤进行说明。在图15中示出在具有图2的折射率分布的光纤中传播的信号光LP01、LP11、LP21、LP02模式的波长1550nm中的有效截面积Aeff。
图3是说明折射率分布为阶跃形状的光纤和具有图2的折射率分布的光纤中的LP21模式和LP02模式的传播常数差Δβ02-21与波长的关系的图。作为比较例的阶跃形状的SI光纤的芯半径为7μm，芯的相对折射率差为0.7％。
从计算的结果能够确认：在SI光纤中进行了计算的总频带中，Δβ02-21产生了2500rad/m左右。另一方面，在具有图2的折射率分布的GI光纤中，Δβ02-21小到50rad/m左右，能够期待在传输中充分耦合LP21模式与LP02模式。
接着，进行分布拉曼放大中的增益的计算，所述分布拉曼放大使用了具有图2的折射率分布的光纤。如以下那样进行按每个模式产生的拉曼增益的计算。
第m模式的信号强度Sm由下述式（2）的传播方程式表示。
[数式3]
Figure 202001DEST_PATH_IMAGE006
。
从光纤51的后方（接收机侧）入射的第n模式的泵浦光强度P-由下述式（3）的传播方程式表示。再有，从光纤51的前方（发送机侧）入射泵浦光的情况也是同样的。
[数式4]
Figure 469647DEST_PATH_IMAGE008
。
在此，αs和αp表示信号光和泵浦光的传播损失，γR表示拉曼增益系数，λs和λp表示信号光和泵浦光的波长。而且，fn, m表示信号光与泵浦光的重叠的大小，由下述式（4）表示。
[数式5]
Figure 424964DEST_PATH_IMAGE010
。
从上述的式子能够确认：多模拉曼放大中的各传播模式的增益能够由fn, m控制。fn, m由于相对于信号光的传播模式来改变入射的泵浦光的传播模式而发生变化。
在图16中示出在具有图2的折射率分布的光纤中相对于信号光的传播模式而泵浦光的模式为LP01、LP11、LP21、LP02模式时的fn, m的大小。在此，信号光的波长为1550nm而泵浦光的波长为1450nm来进行了计算。此外，在此未考虑LP21模式与LP02模式的耦合的效果。
从图16的表能够确认：在光纤中传播的模式间耦合充分小的情况下（在SI光纤的情况下），在泵浦光模式单一时根据信号光的模式而与泵浦光分布的重叠的大小不同。再有，“耦合充分小”是指意味着如在图3中说明的那样传播常数差β为1000rad/m以上。
首先，假定为在SI光纤中在传输路径中没有模式间的耦合来进行拉曼增益的计算。图4是改变各传播模式的增益与泵浦模式的激励比率时的计算结果。横轴是泵浦光所包括的LP11与LP21模式的强度比。纵轴表示相对于泵浦光的强度比的、各传播模式的增益。自图3，为了使4个LP模式的增益差最小，需要使LP21模式与LP02模式的泵浦光的强度比（泵浦光比率、LP21∶LP02）为64∶36并入射到传输路径中。
接着，进行假定为在GI光纤（Δβ02-21充分小）中在传输路径中发生LP21模式与LP02模式的耦合时的拉曼增益的计算。图5是改变各传播模式的增益与泵浦模式的激励比率时的计算结果。横轴是泵浦光所包括的LP11与LP21模式的强度比。左纵轴是相对于泵浦光的强度比的、各传播模式的增益。右纵轴是相对于泵浦光的强度比的、全部传播模式的DMG。在GI光纤的计算中，LP21模式和LP02模式的增益为1个组而进行计算，其结果与LP21模式和LP02模式等强度地进行传播的结果相等。
从图5能够确认：在使泵浦光为LP21模式单一时的泵浦（泵浦光比率1.0的点）中在5dB的接通关断增益时将DMG抑制为0.3dB以下。也就是说，使用Δβ02-21充分小的GI光纤来促进LP21模式与LP02模式的耦合，由此，能够使各传播模式（LP21模式和LP02模式为1个组）的增益在泵浦光的泵浦光比率1.0的点为同等（在图4中，在泵浦光比率为64∶36时在图5中泵浦光比率为100∶0。）。在图5中为泵浦光为LP21模式的情况，但是，即使泵浦光为LP02模式也是同样的。
接着，在实验上进行是否能够进行DMG的减少化的确认。在图6中示出分布拉曼增益的测定系统。作为信号光的光源而使用超辐射发光二极管（Super luminescent diode（SLD）），在为了减少偏振依赖性而进行偏振扰频之后进行向定比测定模式（ratiomeasurement mode）的变换之后，向传输路径入射。此次，在测定中使用的传输路径为图1所示那样的沟槽型的GI光纤，将可传播6LP模式和4LP模式的光纤级联连接而为合计71km的条长度。所连接的GI光纤的α参数为1.85-2.10的范围。
在图7中合并示出向模式变换器后的传输路径入射的近场图案。分别能够确认LP01、LP11、LP21、LP02模式的强度分布。此外，采用分布拉曼放大用的泵浦光（波长1450nm）从传输路径后级入射的结构，泵浦光的模式在从泵浦光源出射后通过相位滤波型的模式变换器变换为LP01、LP11或LP21模式之后，向传输路径入射。
在图8中示出使泵浦光为LP01模式入射时的增益谱的结果。在本实验中，进行了泵浦光强度的调整，以使LP01模式的最大接通关断增益为5dB左右。如根据计算也能够确认的那样，信号光LP01模式得到最大的增益，接着LP11得到大的增益。另一方面，LP21和LP02模式为大致相同程度的增益。预想：如果LP21模式未与LP02模式耦合，则如图16所示那样与LP21模式相比LP02模式得到大的增益。然而，如图8那样LP21模式和LP02模式为大致相等的增益，因此，认为在测定中使用的传输路径中发生了图5的计算所示那样的LP21模式与LP02模式的耦合。
在图9、图10中分别示出使泵浦光为LP11模式、LP21模式时的各传播模式的增益谱。能够确认：随着使泵浦光为图8的LP01、图9的LP11、图10的LP21，各个传播模式的增益接近，DMG变小。此外，能够与LP01模式泵浦时同样地确认：LP21模式和LP02模式的增益不依赖于泵浦光的传播模式而取相同程度的值。
在图11中示出泵浦光的传播模式与信号光的各传播模式的DMG的关系。信号光的波长为1550nm。确认了：在泵浦光为LP01模式的情况下为1.9dB的DMG（LP01与LP21的DMG），但是，在泵浦光为LP21模式的情况下能够使DMG（LP01与LP02的DMG）改善到0.8dB。
即，在本实施方式中，为了解决课题而采用拉曼放大用的光纤，使用GI光纤（可传播Z（Z为2以上的整数）以上的传播模式），在所述GI光纤中α参数是在模式群组M（M为在将传播模式表示为LPIp时M=2p+I-1且3以上。）的传播模式组中彼此的传播常数差为1000rad/m以下的值。通过使用这样的光纤，从而促进模式群组M所包括的传播模式的信号光的耦合，因此，在拉曼放大时模式群组M所包括的传播模式的信号光为1个模式组而得到增益。进而，当促进传播模式的信号光的耦合时，存在以下情况：在拉曼放大时该模式组的增益与未包括于模式群组M的其他的传播模式的增益变为同等的点的泵浦光比率为1.0或0.0（泵浦光的传播模式为1个）。因此，即使泵浦光的传播模式为1个，本实施方式的光传输系统301也能够减少DMG。此外，优选使用模式群组M之中的1个传播模式的泵浦光来作为泵浦光。
（实施方式2）
本实施方式涉及配合面向光传输系统的延长化的远程泵浦光放大技术（remotelypumped optical amplified technique）的光传输系统。图12是说明本实施方式的光传输系统302的图。光传输系统302具备发送机54、光纤51、泵浦光合波器58、接收机57和远程泵浦用光放大器。远程泵浦用光放大器具有模式变换器52和光源56。
光纤51是图2所示那样的GI形状的光纤，通过在发送机54、接收机57的中间部设置远程泵浦用光放大器来实现。关于入射到光纤51中的泵浦光的模式，有选择地使用在光纤51中传播的模式群组M（M为由满足M=2p+I-1的LPIp模式构成的模式组）为3以上的群组内的一个模式。图12是从接收机57侧入射泵浦光的例子。像这样，通过并用远程泵浦光放大技术，从而能够实现进一步的延长化。
（实施方式3）
在本实施方式中，说明了模式群组超过3的情况下的α参数。图13是针对模式群组M为3以上的Δβ与GI光纤的α参数的关系进行了计算的结果。针对M=3而为LP21与LP02模式间的Δβ的结果，针对M=4而为LP31与LP12模式间的Δβ的结果，针对M=5而为Δβ最大的LP41与LP03模式间的Δβ的结果，针对M=8而为LP14与LP71模式间的Δβ的结果。
接着，在图14中示出分别针对M值而对在模式组内Δβ为1000rad/m以下的α参数的区域进行绘制后的图形。当对计算的结果进行拟合（fitting）时，使用为1.67-0.31exp（-（M-3）/1.80）≤α≤2.37+0.63exp（-（M-3）/1.25）的α参数的区域，由此，能够促进模式组M内的耦合，能够减少DMG。
产业上的可利用性
在本说明书中说明的实施方式是本发明的实施例，本申请发明不被限制于上述实施方式。这些实施方式只不过是例示，本发明能够基于本领域技术人员的知识以施行了各种变更、改良的方式进行实施。
附图标记的说明
51：光纤
52：模式变换器
53：模式合波器
54：发送机
55：模式分波器
56：光源
57：接收机
58：泵浦光合波器
301、302：光传输系统。

Claims (5)

1.一种光纤，所述光纤是可传播Z以上的传播模式的芯折射率分布为渐变折射率型的光纤，其中，
α参数为示出渐变型分布的无量纲参数，其为在模式群组M的传播模式组中多个信号光的彼此的传播常数差为1000rad/m以下的值，并且在所述传播模式组中多个泵浦光的彼此的传播常数差为1000rad/m以下的值，
其中，Z为2以上的整数，M为在将传播模式表示为LPIp时M=2p+I-1且3以上。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述α参数的值α满足1.67-0.31exp（-（M-3）/1.80）≤α≤2.37+0.63exp（-（M-3）/1.25）。
3.根据权利要求1或2所述的光纤，其中，具备：具有由式（1）表示的α次幂折射率分布的芯、以及在所述芯的外侧设置的包覆层，
[数式1]
Figure 363629DEST_PATH_IMAGE001
在式（1）中，n（r）表示离中心半径方向的位置r处的折射率，n1表示芯中心的折射率，α表示指数常数，Δ1表示渐变折射率型的光纤中的峰值折射率变化。
4.一种光传输系统，其中，具备：
根据权利要求1~3的任一项所述的光纤；
模式变换器，将用于在所述光纤中拉曼放大的泵浦光变换为所述模式群组M所包括的单一的传播模式并向所述光纤入射；以及
模式合波器，使来自2以上Z以下的发送机的信号光为彼此不同的传播模式来进行合波并耦合到所述光纤的一端，所述信号光的传播模式之中的至少2个是所述模式群组M所包括的传播模式。
5.根据权利要求4所述的光传输系统，其中，还具备：
2以上Z以下的接收机；以及
远程泵浦用光放大器，被设置在所述接收机与所述发送机之间，具有所述模式变换器和光源。
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