JP2007133172A

JP2007133172A - 定常モード励振装置

Info

Publication number: JP2007133172A
Application number: JP2005326520A
Authority: JP
Inventors: Ikutake Yagi; 生剛八木; Takashi Kurihara; 栗原　　隆; Shinji Koike; 真司小池
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2007-05-31

Abstract

【課題】マルチモードファイバーを用いた光通信に適した定常モード励振装置を提供する。
【解決手段】本発明によれば定常モード励振装置は、マルチモードファイバーに入射される光を全モード励振状態にする定常モード励振装置であって、法線が前記マルチモードファイバーの光軸に平行となる面の一方に前記光の波長の２倍以下の高低差を持つ凹凸分布を持ち、該凹凸分布がマルチモードファイバーの開口数と前記光の波数との積以下の空間周波数を持つシートを備る。
【選択図】図５

Description

本発明は、マルチモードファイバーを用いた光通信に関し、より詳細には、マルチモードファイバーを用いた光通信に適した定常モード励振装置に関する。

従来、マルチモードファイバーおよびシングルモードファイバーが光通信に用いられている。マルチモードファイバーは、シングルモードファイバーに比べて安価であり、かつファイバー同士の接続が容易であるといった利点を有する。

「ブロードバンド時代の光ファイバThe POF」、エヌ・ティー・エス、２００４年１２月、ｐｐ．１６−１７ Amnon Yariv, "Optical Electronics" 4th 版， Harcourt School, １９９１年１月、ｐｐ．８１−８７

しかしながら、マルチモードファイバーにおいては、ファイバー中の伝搬モード毎に伝搬速度が異なるため、長距離伝送では信号の伝送速度が遅くなると言う欠点を有する。また、伝送距離が短すぎると、マルチモードファイバー中のすべてのモードが一様に励振されておらず、ファイバーの伝搬距離や曲げなどファイバー敷設状態によって、出射端の発光パターンが変化する（例えば、非特許文献１参照）。したがって、光回路を用いて分岐を行う際、分岐比がファイバー敷設状況によって変化するために、光ネットワークを構築することが困難である。従来は、８の字状に繰り返し曲げられたモードスクランブラーを経由させることによって、全モード励振状態を実現していた。しかしながら、モードスクランブラーは、場所をとること、および伝送距離が長くなることから、光強度が減衰し、かつ通信速度が低く抑えられるという欠点を有する。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、マルチモードファイバーを用いた光通信に適した定常モード励振装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、マルチモードファイバーに入射される光を全モード励振状態にする定常モード励振装置であって、法線が前記マルチモードファイバーの光軸に平行となる面の一方に前記光の波長の２倍以下の高低差を持つ凹凸分布を持ち、該凹凸分布がマルチモードファイバーの開口数と前記光の波数との積以下の空間周波数を持つシート状の位相板を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の定常モード励振装置であって、前記シート状の位相板は、複屈折性を持つ材料からなり、直線偏光を略円偏波光に変換できる厚みを持つことを特徴とする。

本発明によれば、レーザー光をマルチモードファイバーに入射する際に、光強度の減衰や伝送速度の低下をもたらすことなく全モード励振状態に近い状態を実現できる定常モード励振装置を提供することができる。また、ファイバー敷設環境の変化に耐性が高いネットワークを構築する際に、伝送距離や伝送速度を向上することができる定常モード励振装置を提供することができる。

本発明に係る定常モード励振装置は、複数のモードが存在しうるマルチモードファイバーに入射する光の電場分布を、該ファイバーの入射端面において全モード励振状態の電場分布に近づける。すなわち、本発明に係る定常モード励振装置は、マルチモードファイバーに入射する光の電場分布を、該ファイバー中に存在しうるすべてのモードが励振された状態の電場分布に近づけることができる。

図１を参照して本発明の基本概念を説明する。図１において、半導体レーザー１０１から出射された光は、本発明に係る定常モード励振装置１０２を介して、マルチモードファイバー１０４へ入射される。

図２に、半導体レーザー１０１から出射される光の発光パターンを示す。図２に示すように半導体レーザー１０１から出射される光の発光パターンは、滑らかな分布を有する。

定常モード励振装置１０２は、入射光に対して不規則な位相ゆらぎを与える位相変調機能を有する。これにより定常モード励振装置１０２を透過した光は、マルチモードファイバー１０４の入射端において全モード励振状態となり、マルチモードファイバー１０４へ入射される。以下に、本発明に係る定常モード励振装置の実施形態を説明する。

［実施形態１］
定常モード励振装置１０２は、例えば、法線がマルチモードファイバー１０４の光軸に平行となる面の一方に図３に示すような凹凸分布が形成されたシート状の位相板（キノフォーム）を備え、入射光に対して不規則な位相ゆらぎを与える位相変調機能を有する。

位相板を構成する材料の屈折率を約１．５とすると、位相板において入射光に対して０から２πの位相変調を与えるためには、位相板に形成される凹凸分布は、凹凸の高低差＝入射光の波長／（材料の屈折率 − 空気の屈折率）を満たす必要がある。すなわち、凹凸の高低差は入射光の波長の２倍以下である必要がある。

また、以下に説明するように、定常モード励振装置１０２のキノフォームの凹凸の高低差は、マルチモードファイバー１０４の入射端における入射光の光強度パターンが図４に示すような全モード励振状態の光強度パターンに近いパターンとなるように、設計される。

キノフォーム面およびファイバー１０４の入射端面の座標（２次元ベクトル）をそれぞれ

、キノフォームのパターン（２次元面での位相マップ）を

、キノフォームとファイバー入射端の距離をＬ，光の波数を

とすると、ファイバー１０４の入射端での入射光の電場分布

は、

で表される。これは、

の２次元フーリエ変換である。したがって、キノフォームを通過した光がファイバーに結合されるため、すなわち広がり角が開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）以下であるためには、

が半径

の内側に集中していることが必要であり、

を

とフーリエ変換したときに、空間周波数がｑである成分の振幅Ｃ_ｑは

の時に値をもち、それ以外は０であることが要求される。換言すると、凹凸分布がマルチモードファイバーの開口数ＮＡと入射光の波数との積以下の空間周波数を持つ場合に、キノフォームを通過した光がファイバーに結合される。したがって、定常モード励振装置１０２の凹凸分布は、マルチモードファイバー１０４の開口数ＮＡと入射光の波数との積以下の空間周波数を持つように設計される。

［実施形態２］
キノフォームのみを用いる上記例では偏光方向を制御できないので、すべての入射光に対して全モード励振状態を実現できるわけではない。例えば、半導体レーザーとしてファブリペロー形半導体レーザーを用いると、光は直線偏光しているので、位相板を通過させただけでは、マルチモードファイバー中の伝搬モード、すなわちＴＥ_０ｍモード、ＴＭ_ｌｍモード、ＥＨ_ｌｍモードおよびＨＥ_ｌｍモードのうちｌ＝１であるＥＨ_１ｍモードおよびＨＥ_１ｍモードしか励起できない（例えば、非特許文献２参照）。なお、上記例であっても、ｍに自由度が残されているので、ファイバーからの放射角は全モード励振のそれと同じであり、ファイバーの敷設状態による光回路への影響は大幅に軽減することができる。

より均一な全モード励振状態を実現するためには、定常モード励振装置１０２は、入射光の偏光を円偏光やランダム偏光にする機能をさらに備えることが望ましい。

その為には、位相板として、複屈折性を持つ材料、例えば、ノルボルネンやポリイミド樹脂を延伸させたフィルムを使うことが望ましい。例えば、ポリイミドフィルムを延伸し、延伸方向とその垂直方向で屈折率差を０．０５持たせせることにより、波長８５０ｎｍの光に対して、４．２５μｍの厚みで４分の１波長板が構成可能であり、直線偏光を円偏光に変換することが可能である。

さらに、ノルボルネンやポリイミド樹脂の屈折率は概ね１．５であるから、この位相板に１．７μｍの高低差を持つ凹凸を形成すれば、８５０ｎｍの波長に対して最大２πの変調可能なキノフォームとすることができる。この１．７μｍは全体厚みの４．２５μｍに比べて十分小さいとは言えず、円偏光の真円度に悪影響を及ぼすが、様々な偏光方向を持つ光を得るという目的においては問題とならない。

キノフォームとして機能する凹凸は、例えば、ポリイミド樹脂を延伸させたフィルム（位相板）に、凹凸が形成された別のフィルムを重ねて構成することができる。あるいは、ポリイミド樹脂を延伸させたフィルムに、凹凸のついた金型を押し当てて温度を上昇させることによって作製することができる。

以下に本発明の一実施例を示す。図１において、マルチモードファイバー１０４として、ファイバー径＝５００μｍ、コア径＝１２０μｍ、開口数ＮＡ＝０．１８５のＧＩ（グレーテッドインデックス）ファイバーとする。

また、半導体レーザー１０１は、発振波長８５０ｎｍ、広がり角２θ＝６．６°のＣＡＮ封入（ＴＯ−ＣＡＮパッケージ）タイプの面発光型半導体レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）をとする。

本発明に係る定常モード励振装置１０２は、延伸方向とその垂直方向との屈折率差０．０５、厚み４μｍの延伸ポリイミドフィルムを用いる。

ＶＣＳＥＬの出射端から１ｍｍの位置に定常モード励振装置１０２を配置し、固着する。さらに、定常モード励振装置１０２であるフィルムにファイバー１０４を密着、若しくは、０．５ｍｍ以内の距離に配置する。

図１の定常モード励振装置１０２を図５にて詳細に説明する。図５に示すように、定常モード励振装置１０２は１ｍｍ×１ｍｍの面積を有する。図５の拡大図５０２に示すように、定常モード励振装置１０２の当該面積内には、５μｍ×５μｍを１単位とする領域が、２００×２００のメッシュ状に配列されている。また、図５の拡大図５０３に示すように、個々の領域には、中心高さが、最低高さ（＝０）を基準として、０μｍ〜１．７μｍとなるような凹凸がランダムに与えられ、最終的には、図５の５０４に示すように、エッチングなどにより凹凸の角がとられ、高周波成分が無い構造となっている。

本発明の基本概念を説明するための図である。図１の半導体レーザー１０１から出射される光の発光パターを示す図である。本発明に係る定常モード励振装置が備えるキノフォームとして動作する凹凸分布の例を示す図である。本発明に係る定常モード励振装置を透過した入射光のマルチモードファイバー１０４の入射端における光強度パターンを示す図である。本発明に係る定常モード励振装置の構成を説明するための図である。

符号の説明

１０１半導体レーザー
１０２定常モード励振装置
１０４マルチモードファイバー

Claims

マルチモードファイバーに入射される光を全モード励振状態にする定常モード励振装置であって、
法線が前記マルチモードファイバーの光軸に平行となる面の一方に前記光の波長の２倍以下の高低差を持つ凹凸分布を持ち、該凹凸分布がマルチモードファイバーの開口数と前記光の波数との積以下の空間周波数を持つシート状の位相板を備えたことを特徴とする定常モード励振装置。
前記シート状の位相板は、複屈折性を持つ材料からなり、直線偏光を略円偏波光に変換できる厚みを持つことを特徴とする請求項１に記載の定常モード励振装置。