JP2012160782A - Multimode light transmission system and method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize simplification of a configuration and a high speed in a multimode light receiving device.SOLUTION: A multimode light receiving device has: mode convergence devices 22to 22to which coherent modulation signal light transmitted in a multimode fiber 100 is input and which converges a plurality of modes in the transmitted coherent modulation signal light to a basic mode; and coherent optical receivers 23to 23receiving the coherent modulation signal light converged to the basic mode by the mode convergence devices 22to 22.

Description

本発明は、通信用マルチモードファイバによる高次モードを利用したマルチモード光伝送システム及び方法に関するものである。   The present invention relates to a multimode optical transmission system and method using a higher-order mode using a communication multimode fiber.

近年、通信容量の拡大への需要の高まりから、デジタルコヒーレント技術を用いた光伝送システムが注目されている。この技術により、デジタル信号処理技術を用いて光伝送システムの信号劣化として考えられる波長分散や偏波モード分散を抑制することが出来る。一方、デジタル信号技術によっても補償出来ない問題として、非線形効果やファイバヒューズがある。この問題を解決する一つの手段として光ファイバのコア径の拡大がある。   In recent years, an optical transmission system using a digital coherent technology has attracted attention due to an increase in demand for expansion of communication capacity. With this technology, it is possible to suppress chromatic dispersion and polarization mode dispersion, which are considered as signal degradation of an optical transmission system, using digital signal processing technology. On the other hand, problems that cannot be compensated for by digital signal technology include nonlinear effects and fiber fuses. One means for solving this problem is to increase the core diameter of the optical fiber.

しかし、コア径をある値以上に拡大すると、シングルモード動作条件を満たすことが出来ず、高次モードが発生する。この高次モードの発生は従来信号劣化をもたらすものであったが、無線技術であるMIMO(Multiple Input Multiple Output)技術を光ファイバ通信に適用することにより、この高次モードを積極的に利用して伝送容量増大を実現できる。   However, if the core diameter is increased beyond a certain value, the single mode operation condition cannot be satisfied and a higher mode is generated. The occurrence of this higher-order mode has caused signal degradation in the past, but this higher-order mode can be actively utilized by applying MIMO (Multiple Input Multiple Output) technology to optical fiber communications. As a result, transmission capacity can be increased.

既にMIMO技術を光ファイバ通信に適用し、周波数利用効率を増大した報告があり、800Mbps、2.8kmの伝送距離を実現している(例えば、非特許文献1参照。)。   There has already been a report that the MIMO technology has been applied to optical fiber communication to increase the frequency utilization efficiency, and a transmission distance of 800 Mbps and 2.8 km has been realized (for example, see Non-Patent Document 1).

光MIMO通信を実現する上で、マルチモード光を受光するために、図11に示すように、受信系において90度光ミキサを利用する方法が提案されている(例えば、非特許文献1)。このような受信系において利用可能な空間系90度光ミキサも提案されている(例えば、非特許文献2参照)。図12に、非特許文献2の空間系90度光ミキサの具体例を示す。   In realizing optical MIMO communication, a method of using a 90-degree optical mixer in a receiving system as shown in FIG. 11 to receive multimode light has been proposed (for example, Non-Patent Document 1). A spatial 90-degree optical mixer that can be used in such a receiving system has also been proposed (see, for example, Non-Patent Document 2). FIG. 12 shows a specific example of the spatial 90-degree optical mixer of Non-Patent Document 2.

また、図11に示す受信系では、モード依存型のマルチモードカプラ21が必要である。マルチモードファイバを用いた方向性結合器はモードごとに伝搬定数が異なるため、モードに依存した分岐比が発生し、その結果モード依存型のマルチモードカプラ21を実現できる。このモード依存型のマルチモードカプラ21を用いてモード多重伝送が実現されている(例えば、非特許文献3参照)。   Further, in the reception system shown in FIG. 11, a mode-dependent multimode coupler 21 is necessary. Since directional couplers using multimode fibers have different propagation constants for each mode, a mode-dependent branching ratio is generated, and as a result, a mode-dependent multimode coupler 21 can be realized. Mode multiplex transmission is realized using the mode-dependent multimode coupler 21 (see, for example, Non-Patent Document 3).

R.C.J.Hsu,A.Shah,and B.Jalali,“Coherent Optical Multiple−Input Multiple−Output communication,”IEICE Electron.Express,Vol.1,No.13,pp.392−397,(2004)R. C. J. et al. Hsu, A .; Shah, and B.A. Jalali, “Coherent Optical Multiple-Input Multiple-Output Communication,” IEICE Electron. Express, Vol. 1, No. 1 13, pp. 392-397, (2004) Akhil R. Shah,Rick C. J. Hsu, Alireza Tarighat,Ali H. Sayed,and Bahram Jalali,“Coherent Optical MIMO (COMIMO),”JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.23,NO.8,pp.2410−2419(2005)Akhil R.D. Shah, Rick C.I. J. et al. Hsu, Alireza Tarihat, Ali H. et al. Sayed, and Bahr Jalali, “Coherent Optical MIMO (COMIMO),” JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 23, NO. 8, pp. 2410-2419 (2005) 木村秀明、“1.3μSMFを用いたモード多重伝送方式実験”、1998年電子情報通信学会総合大会、B―10―210(1998)Hideaki Kimura, “Mode Multiplex Transmission Experiment Using 1.3μ SMF”, 1998 IEICE General Conference, B-10-210 (1998) Simon Haykin,“Adaptive Filter Theory,” Prentice Hall 4 edition,pp.442−444(2001)Simon Haykin, “Adaptive Filter Theory,” Prentice Hall 4 edition, pp. 442-444 (2001)

非特許文献2のマルチモードの空間系90度光ミキサは、多数の光学素子を配置するため、サイズの拡大や光学調整が煩雑になるという課題がある。一方で、シングルモード用の受光器であれば石英系PLC型90度光ミキサを用いることができるため、空間系90度光ミキサよりも構成が容易になる。しかし、シングルモード用の受光器は高次モードを受光することが出来ないため、光MIMO通信を実現することができない。   The multi-mode spatial 90-degree optical mixer of Non-Patent Document 2 has a problem that the enlargement of the size and the optical adjustment become complicated because a large number of optical elements are arranged. On the other hand, since a silica-based PLC type 90 degree optical mixer can be used for a single mode light receiver, the configuration is easier than a spatial 90 degree optical mixer. However, the optical receiver for single mode cannot receive the higher-order mode, so that optical MIMO communication cannot be realized.

また、マルチモードの信号光を伝送する場合、マルチモード用の受光器は受光面積が大きいため、受信速度が遅い。しかし、シングルモード用の受光器は高次モードを受光することが出来ないため、光MIMO通信を実現することができない。   Also, when transmitting multimode signal light, the multimode light receiver has a large light receiving area, and therefore the reception speed is low. However, the optical receiver for single mode cannot receive the higher-order mode, so that optical MIMO communication cannot be realized.

このように、MIMO技術を光ファイバ通信に適用し、高次モードを積極的に利用した伝送技術を用いる場合、シングルモード用の受光器を用いることができないため、構成の簡素化及び高速化が困難であった。   In this way, when MIMO technology is applied to optical fiber communication and transmission technology that actively uses higher-order modes is used, a single-mode light receiver cannot be used. It was difficult.

本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、マルチモード光受信装置において構成の簡素化かつ高速化を実現することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to realize a simplified configuration and higher speed in a multimode optical receiver.

上記目的を達成するために、本願発明のマルチモード光受信装置及びマルチモード光伝送システムは、マルチモードファイバを伝送された信号光に対して、伝送後のマルチモード信号光における複数のモードを基本モードに収束させることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the multimode optical receiver and multimode optical transmission system of the present invention are based on a plurality of modes in the transmitted multimode signal light with respect to the signal light transmitted through the multimode fiber. It is characterized by convergence to a mode.

具体的には、本願発明のマルチモード光受信装置は、マルチモードファイバを伝送されたコヒーレント変調信号光が入力され、前記コヒーレント変調信号光に含まれる複数のモードを基本モードに収束させてシングルモードファイバに出力するモード収束手段と、前記モード収束手段によって基本モードに収束された前記コヒーレント変調信号光を受信するコヒーレント受光手段と、を具備する。   Specifically, in the multimode optical receiver of the present invention, a coherent modulated signal light transmitted through a multimode fiber is input, and a plurality of modes included in the coherent modulated signal light are converged to a basic mode. Mode converging means for outputting to the fiber, and coherent light receiving means for receiving the coherent modulated signal light converged to the fundamental mode by the mode converging means.

モード収束手段を備えるため、高次モードの光を伝送路外へ除去することなく、基本モードに変換することができる。これにより、本願発明のマルチモード光受信装置は、高次モードの情報を落とすことなく、コヒーレント受光手段にシングルモード用の受光器を用いることができる。また、シングルモード用の光デバイスを用いて増幅することができる。したがって、マルチモード光受信装置において構成の簡素化かつ高速化を実現することができる。   Since the mode converging means is provided, it is possible to convert the fundamental mode light without removing the higher order mode light out of the transmission path. As a result, the multimode optical receiver of the present invention can use a single-mode light receiver for the coherent light-receiving means without dropping high-order mode information. Moreover, it can amplify using the optical device for single modes. Therefore, it is possible to achieve a simplified configuration and higher speed in the multimode optical receiver.

本願発明のマルチモード光受信装置では、前記モード収束手段は、前記マルチモードファイバを伝送された前記コヒーレント変調信号光を平行光にするコリメートレンズと、前記コリメートレンズからの平行光を前記シングルモードファイバの入射端に集光する集光レンズと、を備えていてもよい。   In the multimode optical receiver according to the present invention, the mode converging means includes a collimator lens that converts the coherent modulation signal light transmitted through the multimode fiber into parallel light, and parallel light from the collimator lens as the single mode fiber. And a condensing lens for condensing light at the incident end.

本願発明のマルチモード光受信装置では、前記モード収束手段は、一端から他端に向けてモードフィールド径が縮小しているテーパ型光ファイバであり、前記一端が前記マルチモードファイバに接続され、前記他端が前記シングルモードファイバに接続されていてもよい。   In the multimode optical receiver of the present invention, the mode converging means is a tapered optical fiber having a mode field diameter decreasing from one end to the other end, the one end being connected to the multimode fiber, The other end may be connected to the single mode fiber.

具体的には、本願発明のマルチモード光伝送システムは、各モードへの分散状態がチャネル毎に異なるマルチモードのコヒーレント変調信号光をマルチモードファイバに送信するマルチモード光送信装置と、前記マルチモードファイバを伝送された前記コヒーレント変調信号光を受信する本願発明に係るマルチモード光受信装置と、を備える。   Specifically, the multimode optical transmission system of the present invention includes a multimode optical transmission apparatus that transmits multimode coherent modulated signal light having different dispersion states for each mode to a multimode fiber, and the multimode. A multimode optical receiver according to the present invention for receiving the coherent modulated signal light transmitted through the fiber.

本願発明のマルチモード光伝送システムは、本願発明に係るマルチモード光受信装置を備えるため、マルチモード光受信装置において構成の簡素化かつ高速化を実現することができる。   Since the multimode optical transmission system of the present invention includes the multimode optical receiver according to the present invention, the configuration of the multimode optical receiver can be simplified and the speed thereof can be increased.

具体的には、本願発明のマルチモード光受信方法は、マルチモードファイバを伝送されたコヒーレント変調信号光が入力され、前記コヒーレント変調信号光に含まれる複数のモードを基本モードに収束させてシングルモードファイバに出力するモード収束手順と、前記モード収束手順において基本モードに収束された前記コヒーレント変調信号光を受信するコヒーレント受光手順と、を順に有する。   Specifically, in the multimode optical reception method of the present invention, a coherent modulated signal light transmitted through a multimode fiber is input, and a plurality of modes included in the coherent modulated signal light are converged to a basic mode to obtain a single mode. A mode convergence procedure for outputting to the fiber and a coherent light reception procedure for receiving the coherent modulated signal light converged to the fundamental mode in the mode convergence procedure are sequentially provided.

モード収束手順を有するため、高次モードの光を伝送路外へ除去することなく、基本モードに変換することができる。これにより、本願発明のマルチモード光受信方法は、高次モードの情報を落とすことなく、コヒーレント受光手順においてシングルモード用の受光器を用いることができる。また、シングルモード用の光デバイスを用いて増幅することができる。したがって、マルチモード光受信装置において構成の簡素化かつ高速化を実現することができる。   Since it has a mode convergence procedure, it is possible to convert to a fundamental mode without removing light in a higher-order mode outside the transmission path. As a result, the multimode optical receiving method of the present invention can use a single-mode optical receiver in a coherent light receiving procedure without dropping high-order mode information. Moreover, it can amplify using the optical device for single modes. Therefore, it is possible to achieve a simplified configuration and higher speed in the multimode optical receiver.

具体的には、本願発明のマルチモード光伝送方法は、各モードへの分散状態がチャネル毎に異なるマルチモードのコヒーレント変調信号光をマルチモードファイバに送信するマルチモード光送信手順と、前記マルチモード光送信手順で送信した前記コヒーレント変調信号光を受信する本願発明に係るマルチモード光受信方法と、を順に有する。   Specifically, the multimode optical transmission method of the present invention includes a multimode optical transmission procedure for transmitting a multimode coherent modulated signal light having different dispersion states for each mode to a multimode fiber, and the multimode. And a multimode optical receiving method according to the present invention for receiving the coherent modulated signal light transmitted in the optical transmission procedure.

本願発明のマルチモード光伝送方法は、本願発明に係るマルチモード光受信方法を実行するため、マルチモード光受信装置において構成の簡素化かつ高速化を実現することができる。   Since the multimode optical transmission method of the present invention executes the multimode optical reception method according to the present invention, the configuration of the multimode optical receiver can be simplified and the speed thereof can be increased.

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、基本モードに変換することで、高次モードの情報を落とすことなくシングルモード用の受光器を利用することが出来る。さらにマルチモードでは困難であった光増幅を可能にし、高効率かつ高速なマルチモード光伝送の実現を可能とする。   According to the present invention, it is possible to use a single-mode light receiver without dropping high-order mode information by converting high-order mode light to the basic mode without removing it out of the transmission path. . Furthermore, optical amplification, which was difficult in multimode, is enabled, and high-efficiency and high-speed multimode optical transmission can be realized.

実施形態1に係るマルチモード光伝送システムの一例を示す。1 illustrates an example of a multimode optical transmission system according to a first embodiment. マルチモード光受信装置20の具体例を示す。A specific example of the multimode optical receiver 20 will be shown. 実施形態1に係るモード収束器の一例である。2 is an example of a mode converging device according to the first embodiment. モード収束器22〜22の特性を検証する実験系の構成を表すブロック図である。Is a block diagram showing the configuration of the experimental system for verifying the characteristics of the mode concentrator 22 2-22 5. モード収束器54の特性の検証結果の一例を示す。An example of the verification result of the characteristics of the mode converging device 54 is shown. 図1のシミュレーション系で得られた送信信号のコンスタレーションマップを示す。The constellation map of the transmission signal obtained by the simulation system of FIG. 1 is shown. 図1のシミュレーション系で得られたコヒーレント受光器後の受信信号のコンスタレーションマップを示す。The constellation map of the received signal after the coherent light receiver obtained by the simulation system of FIG. 1 is shown. MIMO適応等化処理によるトレーニング信号とエラー(x−xc)の関係を示す。The relationship between the training signal by a MIMO adaptive equalization process and an error (x-xc) is shown. 図1のシミュレーション系で得られたMIMO適応等化処理後の受信信号のコンスタレーションマップを示す。The constellation map of the received signal after the MIMO adaptive equalization process obtained by the simulation system of FIG. 1 is shown. 実施形態2に係るモード収束器の一例である。It is an example of the mode converging device which concerns on Embodiment 2. FIG. 従来のマルチモード光受信系の一例を示す。An example of a conventional multimode optical receiving system is shown. マルチモード光受信系に利用可能な90度光ミキサの具体例を示す。A specific example of a 90-degree optical mixer that can be used in a multimode optical reception system will be described.

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.

(実施形態1)
図1に、実施形態1に係るマルチモード光伝送システムの一例を示す。図1に示すマルチモード光伝送システムは、マルチモード光送信装置10とマルチモード光受信装置20がマルチモードファイバ100で接続されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows an example of a multimode optical transmission system according to the first embodiment. In the multimode optical transmission system shown in FIG. 1, a multimode optical transmitter 10 and a multimode optical receiver 20 are connected by a multimode fiber 100.

実施形態1に係るマルチモード光伝送方法は、マルチモード光送信装置10がマルチモードのコヒーレント変調信号光をマルチモードファイバ100に送信するマルチモード光送信手順と、マルチモード光受信装置20がマルチモード光送信手順で送信したコヒーレント変調信号光を受信するマルチモード光受信方法と、を順に有する。マルチモード光受信方法は、モード収束手順と、コヒーレント受光手順と、を順に有する。コヒーレント変調信号光は、例えば、BPSK(Binary Phase Shift Keying)信号光である。本実施形態では、一例として、図1に示す構成の4入力、5出力の光MIMO伝送について記載する。   The multimode optical transmission method according to the first embodiment includes a multimode optical transmission procedure in which the multimode optical transmitter 10 transmits multimode coherent modulated signal light to the multimode fiber 100, and the multimode optical receiver 20 is in multimode. And a multi-mode optical receiving method for receiving coherent modulated signal light transmitted in the optical transmission procedure. The multimode optical reception method has a mode convergence procedure and a coherent light reception procedure in this order. The coherent modulation signal light is, for example, BPSK (Binary Phase Shift Keying) signal light. In the present embodiment, as an example, a 4-input, 5-output optical MIMO transmission having the configuration shown in FIG. 1 will be described.

マルチモード光送信装置10は、レーザ光源11と、シングルモードカプラ12と、光変調器13〜13と、モード励振器14〜14と、マルチモードカプラ15と、を備える。レーザ光源11からの光をシングルモードカプラ12により4分岐し、4分岐したそれぞれの光を光変調器13〜13により個別に変調を行い、4チャネルの信号を発生させる。光変調器13〜13の信号フォーマットはBPSKである。それぞれのチャネルの信号をモード励振器14〜14に入射し高次モード励振させた後、4入力1出力のマルチモードカプラ15により合波する。 Multimode optical transmission device 10 includes a laser light source 11, a single-mode coupler 12, an optical modulator 131-134, a mode exciter 14 1-14 4, a multi-mode coupler 15, a. The light from the laser light source 11 and 4 branches by single mode coupler 12, carried out individually modulate the respective light 4 branched by the optical modulator 131-134, to generate a signal of 4 channels. Signal format of an optical modulator 131-134 is BPSK. After the signal of each channel mode exciter 14 1 enters the -14 4 is excited higher order modes are multiplexed by the multi-mode coupler 15 having four inputs and one output.

ここで、各モード励振器14〜14は、励振するモード比率が異なる。例えば、モード励振器14は1番目の高次モードのモード比率が高くなるように励振し、モード励振器14は2番目の高次モードのモード比率が高くなるように励振し、モード励振器14は3番目の高次モードのモード比率が高くなるように励振し、モード励振器14は4番目の高次モードのモード比率が高くなるように励振する。このように、各々のチャネルのコヒーレント変調信号光は、全てのモードを含んでいるが、そのモード比率はチャネルごとに異なる。そのようなモード分布状態でマルチモードファイバ100に送信する。 Here, the mode exciters 14 1 to 14 4 have different mode ratios for excitation. For example, the mode exciter 14 1 is excited as the mode ratio of the first higher-order mode is high, the mode exciter 14 2 is excited as mode ratio of the second order mode is high, mode excitation vessel 14 3 is excited as the mode ratio of the third order mode is high, the mode exciter 14 4 excites as mode ratio of the fourth order mode increases. As described above, the coherent modulated signal light of each channel includes all modes, but the mode ratio is different for each channel. It transmits to the multimode fiber 100 in such a mode distribution state.

また、マルチモードカプラ15は、入力ポート毎、且つモード毎に分岐比の異なるモード依存型であることが好ましい。例えば、マルチモードカプラ15は、各モード励振器14〜14の励振するモード比率に適合するように、各モード励振器14〜14からのマルチモード光を結合する。すなわち、1番目の高次モードはモード励振器14からのマルチモード光の結合比が高く、2番目の高次モードはモード励振器14からのマルチモード光の結合比が高く、3番目の高次モードはモード励振器14からのマルチモード光の結合比が高く、4番目の高次モードはモード励振器14からのマルチモード光の結合比が高い。 The multimode coupler 15 is preferably a mode-dependent type having a different branching ratio for each input port and for each mode. For example, the multi-mode coupler 15, to match the mode ratio of excitation of each mode exciter 14 1-14 4, to couple the multimode light from each mode exciter 14 1-14 4. That is, the first higher order mode has a high coupling ratio of the multi-mode light from the mode exciter 14 1, the second higher order mode has a high coupling ratio of the multi-mode light from the mode exciter 14 2, third order mode has a high multimode optical coupling ratio from the mode exciter 14 3, 4-th order mode has a high coupling ratio of the multi-mode light from the mode exciter 14 4.

合波後の4チャネル信号光を伝送用マルチモードファイバ100に入射する。マルチモードファイバは一般に伝送中に数百の高次モードが存在するが、今回は第4番目までの高次モードを考慮した。伝送用マルチモードファイバ中において、ファイバ中の伝搬速度が異なるため、高次モードは基本モードに対し、遅延を受ける。   The combined 4-channel signal light is incident on the transmission multimode fiber 100. A multimode fiber generally has several hundred higher-order modes during transmission, but this time, up to fourth higher-order modes are considered. In the transmission multimode fiber, the propagation speed in the fiber is different, so the higher-order mode is delayed with respect to the fundamental mode.

なお、伝送用マルチモードファイバ中の各高次モードについて、基本モードに対し、第1番目の高次モードは1ビット、第2番目の高次モードは3ビット、第3番目の高次モードは7ビット、第4番目の高次モードは13ビットの遅延を与えた。また伝送中の各モード間におけるエネルギーのやりとり(モード変換)およびモードに依存する損失は考慮していない。   For each higher-order mode in the transmission multimode fiber, the first higher-order mode is 1 bit, the second higher-order mode is 3 bits, and the third higher-order mode is The 7-bit, fourth higher-order mode gave a 13-bit delay. In addition, energy exchange (mode conversion) between modes during transmission and loss depending on the mode are not considered.

マルチモード光受信装置20は、マルチモードカプラ21と、モード収束器22〜22と、コヒーレント受光器23〜23と、MIMO適応等化器25と、を備える。マルチモードファイバ100を伝送された後の信号を1入力5出力のマルチモードカプラ21により分岐する。 The multimode optical receiver 20 includes a multimode coupler 21, mode converging devices 22 1 to 22 5 , coherent light receivers 23 1 to 23 5, and a MIMO adaptive equalizer 25. A signal after being transmitted through the multimode fiber 100 is branched by a multimode coupler 21 having one input and five outputs.

ここで、マルチモードカプラ21は、出力ポート毎、且つモード毎に分岐比の異なるモード依存型であることが好ましい。例えば、マルチモードカプラ21は、各コヒーレント受光器23〜23の受光するモード比率に適合するように、各モード収束器22〜22にマルチモード光を分岐する。すなわち、1番目の高次モードはモード収束器22への分岐比が高く、2番目の高次モードはモード収束器22への分岐比が高く、3番目の高次モードはモード収束器22への分岐比が高く、4番目の高次モードはモード収束器22への分岐比が高い。 Here, the multimode coupler 21 is preferably a mode-dependent type having a different branching ratio for each output port and for each mode. For example, the multi-mode coupler 21, to match the mode ratio for receiving the respective coherent light receiver 23 1-23 5 branches the multi-mode light to each mode concentrator 22 1-22 5. That is, the first higher order mode has a high branching ratio to the mode concentrator 22 1, the second higher order mode has a high branching ratio to the mode concentrator 22 2, third-order modes of the mode concentrator high branching ratio to 22 3, 4-th order mode has a high branching ratio of the mode concentrator 22 4.

モード収束器22〜22は、マルチモードファイバ100を伝送されたコヒーレント変調信号光が入力され、コヒーレント変調信号光に含まれる複数のモードを基本モードに収束させてシングルモードファイバに出力する。例えば、モード収束器22〜22は、マルチモードファイバ100から入力されたマルチモード光を空間レンズ系に通すことによってモードフィールド径を縮小し、シングルモードファイバに入射して出力する。このモード収束器22〜22によって、高次モードの光が有する振幅、位相の情報を保ったまま基本モード成分に低損失で変換することが可能となる。 Mode concentrator 22 1-22 5 is coherent modulated signal light is transmitted through the multimode fiber 100 is input, a plurality of modes included in the coherent modulated signal light is converged to the fundamental mode and outputs a single mode fiber. For example, the mode concentrator 22 1-22 5, the multi-mode light input from the multi-mode fiber 100 to reduce the mode field diameter by passing through a space lens system, and outputs the incident single-mode fiber. The mode converging units 22 1 to 22 5 can convert the fundamental mode component with low loss while maintaining the amplitude and phase information of the higher-order mode light.

ここでは、モード収束器22〜22における各モードの損失を、基本モード5dB、第1番目の高次モードは7dB、第2番目の高次モードは11dB、第3番目の高次モードは13dB、第4番目の高次モードは17dBとした。 Here, the loss of each mode in the mode concentrator 22 1-22 5, the fundamental mode 5 dB, the first higher-order mode is 7 dB, the second-order mode is 11 dB, the third higher order modes 13 dB and the fourth higher-order mode were 17 dB.

一方、図1において、モード収束器22〜22を介さない場合、シングルモードファイバへの結合が困難になり、特に高次モードにおける接続損失が大きくなる。この場合の各モードの損失を、基本モードは10dB、第1番目の高次モードは70dB、第2番目の高次モードは110dB、第3番目の高次モードは130dB、第4番目の高次モードは170dBとした。 On the other hand, in FIG. 1, if not through the mode concentrator 22 1-22 5, it becomes difficult to bond to the single mode fiber, in particular splice loss at higher modes becomes large. In this case, the loss of each mode is 10 dB for the fundamental mode, 70 dB for the first higher-order mode, 110 dB for the second higher-order mode, 130 dB for the third higher-order mode, and the fourth higher-order mode. The mode was 170 dB.

コヒーレント受光器23〜23は、それぞれ、モード収束器22〜22によって基本モードに収束されたコヒーレント変調信号光を受信する。MIMO適応等化器25は、コヒーレント受光器23〜23の受光信号が入力され、デジタル信号処理により信号復元を行う。 The coherent light receivers 23 1 to 23 5 receive the coherent modulated signal light converged to the fundamental mode by the mode converging units 22 1 to 22 5 , respectively. The MIMO adaptive equalizer 25 receives light reception signals from the coherent light receivers 23 1 to 23 5 and performs signal restoration by digital signal processing.

図2に、マルチモード光受信装置20の具体例を示す。ここでは、理解の容易のため、モード収束器22〜22のうちのモード収束器22と、コヒーレント受光器23〜23のうちのコヒーレント受光器23の場合について説明する。コヒーレント受光器23は、局発光源24と、90度光ミキサ31と、バランスドレシーバ32I及び32Qと、を備える。 FIG. 2 shows a specific example of the multimode optical receiver 20. Here, for easy understanding, a mode converger 22 1 of the modes concentrator 22 1-22 5, the case of the coherent light receiver 23 one of the coherent light receiver 23 1-23 5 will be described. The coherent light receiver 23 1 includes a local light source 24 1 , a 90-degree optical mixer 31 1 , and balanced receivers 32 1 I and 32 1 Q.

モード収束器22によってシングルモードファイバに結合された光信号は、局発光源24からの局発光と共に90度光ミキサ31において掛け合わされ、バランスドレシーバ32I及び32Qに出力される。バランスドレシーバ32I及び32Qは、それぞれの光信号を、ベースバンド電気信号の同相成分(I成分)および直交成分(Q成分)に変換する。続いて、MIMO適応等化器25がデジタルシグナルプロセッシングによりサンプリングおよび量子化を行うことにより信号を復元する。 The optical signal coupled to the single mode fiber by the mode converging unit 22 1 is multiplied in the 90-degree optical mixer 31 1 together with the local light from the local light source 24 1 and is output to the balanced receivers 32 1 I and 32 1 Q. The The balanced receivers 32 1 I and 32 1 Q convert the respective optical signals into in-phase components (I components) and quadrature components (Q components) of the baseband electrical signal. Subsequently, the MIMO adaptive equalizer 25 performs sampling and quantization by digital signal processing to restore the signal.

ここで、シングルモード用に設計された90度光ミキサ31にマルチモードを入射した場合、高次モード成分が欠落してしまう。このため、高次モード成分を欠落させないように、本実施形態ではモード収束器22を用いている。モード収束器22を用いているため、高次モードの情報を有したままシングルモード用光増幅器26を用いて光増幅を実現することが可能となる。なお、コヒーレント受光器23〜23におけるモード依存損失は考慮していない。 Here, if the incident multimode 90-degree optical mixer 31 1 designed for single mode, the high-order mode component will be missing. Therefore, so as not to lack the high-order mode component, it is used in this embodiment mode concentrator 22 1. Due to the use of mode concentrator 22 1, it is possible to realize an optical amplifier using a single mode optical amplifier 26 1 while retaining the information in higher order modes. Note that the mode-dependent loss in the coherent light receivers 23 1 to 23 5 is not taken into consideration.

MIMO適応等化器25において、FIRフィルタのタップ係数の推定法はRLS(Recursive Least Square:再帰最小2乗)アルゴリズムを利用することができる(例えば、非特許文献4参照。)。また、タップ数は15、トレーニング信号数は100、忘却係数λは1.0×10−3、ステップサイズσは10とした。送信信号をx1、x2、x3、x4、コヒーレント受光器23〜23後の受信信号をy1、y2、y3、y4、y5、MIMO適応等化器25後の復元された信号をxc1、xc2、xc3、xc4とする。 In the MIMO adaptive equalizer 25, a tap coefficient of the FIR filter can use an RLS (Recursive Least Square) algorithm (see, for example, Non-Patent Document 4). The number of taps was 15, the number of training signals was 100, the forgetting factor λ was 1.0 × 10 −3 , and the step size σ was 10. The transmission signal is x1, x2, x3, x4, the reception signal after the coherent optical receivers 23 1 to 23 5 is y1, y2, y3, y4, y5, and the restored signal after the MIMO adaptive equalizer 25 is xc1, xc2. , Xc3, and xc4.

ここで本発明に係るモード収束器の動作について、図3、図4、図5を用いて具体的に述べる。
図3は空間レンズ系を用いたモード収束器22〜22の構成を示す図である。マルチモードファイバ41からのマルチモード信号光をコリメートレンズ42により平行ビームにし、集光レンズ43によりシングルモードファイバ44に入射し、シングルモードファイバ44に結合する。
Here, the operation of the mode converging device according to the present invention will be specifically described with reference to FIGS. 3, 4, and 5.
Figure 3 is a diagram showing the mode structure of the concentrator 22 1-22 5 using spatial lens system. The multimode signal light from the multimode fiber 41 is converted into a parallel beam by the collimator lens 42, is incident on the single mode fiber 44 by the condenser lens 43, and is coupled to the single mode fiber 44.

図4はモード収束器22〜22の特性を検証する実験系の構成を表すブロック図である。この実験系では、波長1550nmのレーザ光源51から照射されるレーザ光を光変調器53に入射してパルスジェネレータ52で発生されるパルス信号によって変調し、その変調出力をモード励振器54によりモードを励振し、ファイバ長3kmのマルチモードファイバ55に入射し、モード収束器56により高次モード成分を基本モードに収束し、ファイバ長2mのシングルモードファイバ57に入射し、その伝送後の波形観測を光オシロスコープ58を用いて行った。 Figure 4 is a block diagram showing the configuration of the experimental system for verifying the characteristics of the mode concentrator 22 1-22 5. In this experimental system, laser light emitted from a laser light source 51 having a wavelength of 1550 nm is incident on an optical modulator 53 and modulated by a pulse signal generated by a pulse generator 52, and the mode output is changed by a mode exciter 54. Excited and incident on a multi-mode fiber 55 having a fiber length of 3 km, a higher-order mode component is converged to a fundamental mode by a mode converging unit 56, and incident on a single-mode fiber 57 having a fiber length of 2 m. An optical oscilloscope 58 was used.

図5にモード収束器56の特性の検証結果の一例を示す。図5(a)はモード励振器54前のパルス時間波形を示し、図5(b)はモード励振しマルチモードファイバ55伝送後の時間波形を示し、図5(c)はモード収束器56を使用しないときのシングルモードファイバ57伝送後の時間波形を示し、図5(d)はモード収束器56を使用した場合の伝送後の時間波形を示す。
伝送前のパルス幅は100psである。図5(b)に示すように、モード励振しマルチモードファイバを伝送後は、1つ目のパルス(横軸目盛り‘1’に存在するパルス)から600ps後、及び1.3ns後にパルスが存在することにより、高次モードが存在していることが分かる。
FIG. 5 shows an example of the verification result of the characteristics of the mode converging device 56. 5A shows a pulse time waveform before the mode exciter 54, FIG. 5B shows a time waveform after mode excitation and transmission through the multimode fiber 55, and FIG. The time waveform after transmission of the single mode fiber 57 when not used is shown, and FIG. 5D shows the time waveform after transmission when the mode converging device 56 is used.
The pulse width before transmission is 100 ps. As shown in FIG. 5 (b), after mode excitation and transmission through a multimode fiber, a pulse is present after 600 ps and 1.3 ns after the first pulse (pulse on the horizontal scale '1'). By doing so, it can be seen that a higher-order mode exists.

図5(b)に示す時間波形と図5(c)に示す時間波形を比較すると、モード収束器を使用しない場合、1つ目のパルスから600ps後、及び1.3ns後の時点にパルスは存在せず、シングルモードファイバ伝送後に高次モード成分が失われている様子が分かる。一方、図5(b)に示す時間波形と図5(d)に示す時間波形を比較すると、モード収束器を使用した場合、1つ目のパルスから600ps後、及び1.3ns後の時点にパルスは存在シングルモード伝送後も高次モード成分は失われていない様子が分かる。以上より、本モード収束器は高次モード成分を基本モードに収束するモード収束としての機能を有していることが分かる。   Comparing the time waveform shown in FIG. 5 (b) with the time waveform shown in FIG. 5 (c), when the mode converging device is not used, the pulse is detected at 600 ps and 1.3 ns after the first pulse. It can be seen that the higher order mode components are lost after the single mode fiber transmission. On the other hand, when the time waveform shown in FIG. 5B is compared with the time waveform shown in FIG. 5D, when the mode converging device is used, the time is 600 ps after the first pulse and 1.3 ns later. It can be seen that the higher order mode components are not lost after the single mode transmission of the pulses. From the above, it can be seen that this mode converging device has a function as mode convergence for converging higher-order mode components to the fundamental mode.

図6に図4のシミュレーション系で得られた送信信号のコンスタレーションマップを示す。図6(a)は送信信号x1を示し、図6(b)は送信信号x2を示し、図6(c)は送信信号x3を示し、図6(d)は送信信号x4を示す。
図7に図4のシミュレーション系で得られたコヒーレント受光器後の受信信号のコンスタレーションマップを示す。図7(a)〜図7(e)はそれぞれモード収束器がない場合の受信信号y1、y2、y3、y4、y5を示し、図7(f)〜図7(j)はそれぞれモード収束器がある場合の受信信号y1、y2、y3、y4、y5を示す。
図8にMIMO適応等化処理によるトレーニング信号とエラー(x−xc)の関係を示す。図8(a)〜図8(d)はそれぞれモード収束器がない場合を示し、図8(e)〜図8(h)はそれぞれモード収束器がある場合を示す。
図9に図4のシミュレーション系で得られたMIMO適応等化処理後の受信信号のコンスタレーションマップを示す。図9(a)〜図9(d)はそれぞれモード収束器がない場合を示し、図9(e)〜図9(h)はそれぞれモード収束器がある場合を示す。
FIG. 6 shows a constellation map of transmission signals obtained by the simulation system of FIG. 6 (a) shows the transmission signal x1, FIG. 6 (b) shows the transmission signal x2, FIG. 6 (c) shows the transmission signal x3, and FIG. 6 (d) shows the transmission signal x4.
FIG. 7 shows a constellation map of the received signal after the coherent light receiver obtained by the simulation system of FIG. FIGS. 7 (a) to 7 (e) show received signals y1, y2, y3, y4, and y5 when there is no mode converging unit. FIGS. 7 (f) to 7 (j) respectively show mode converging units. The received signals y1, y2, y3, y4, and y5 are shown.
FIG. 8 shows the relationship between the training signal by the MIMO adaptive equalization process and the error (x-xc). FIGS. 8A to 8D show cases where there is no mode converging device, and FIGS. 8E to 8H show cases where there is a mode converging device, respectively.
FIG. 9 shows a constellation map of the received signal after the MIMO adaptive equalization processing obtained by the simulation system of FIG. FIGS. 9A to 9D each show a case where there is no mode converging device, and FIGS. 9E to 9H each show a case where there is a mode converging device.

図9により、モード収束器を利用しない場合、図6に示す送信信号のコンスタレーションマップへの復号が出来ていない様子が分かる。つまり、モード収束器を利用しない場合、高次モード成分が欠落してしまうため、MIMO適応等化器による信号復元が不可能となる。一方、モード収束器を利用した場合、図6に示す送信信号のコンスタレーションマップへの復号が出来ている様子が分かる。つまり、高次モード成分を基本モード成分に変換することで、必要な強度や位相情報の欠落なく、MIMO適応等化器による信号復元が可能であることが示された。   FIG. 9 shows that when the mode converging unit is not used, the transmission signal shown in FIG. 6 cannot be decoded into the constellation map. That is, when the mode converging unit is not used, higher-order mode components are lost, so that signal restoration by the MIMO adaptive equalizer becomes impossible. On the other hand, when the mode converging device is used, it can be seen that the transmission signal shown in FIG. 6 is decoded into the constellation map. That is, it was shown that the signal can be restored by the MIMO adaptive equalizer without missing necessary intensity and phase information by converting the higher order mode component into the fundamental mode component.

以上より、高次モード成分を基本モードに収束するモード収束器22〜22がコヒーレントマルチモード光受信装置20としての機能を有していることが本実施形態により分かる。さらに、本実施形態によって、高次モードの情報を有したままシングルモード用光増幅器(図2に示す符号26及び26)を用いて光増幅を実現することが可能となる。 From the above, it mode concentrator 22 1-22 5 for converging higher mode components in the fundamental mode has a function as a coherent multi-mode optical receiver 20 seen by the embodiment. Furthermore, according to the present embodiment, it is possible to realize optical amplification using the single-mode optical amplifier (reference numerals 26 1 and 26 2 shown in FIG. 2 ) while having high-order mode information.

なお、本実施例における信号フォーマットはBPSKとしたが、BPSKに代えて任意のコヒーレント変調を用いることができる。コヒーレント変調は、例えば、QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)やQAM(quadrature amplitude modulation)など変調フォーマットは問わない。   Although the signal format in this embodiment is BPSK, any coherent modulation can be used instead of BPSK. Coherent modulation is not limited to a modulation format such as QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) or QAM (Quadrature Amplitude Modulation).

(実施形態2)
本発明に係るモード収束手段の第2の実施形態について説明する。
本実施形態においては、実施形態1において、図3に示した空間レンズ系モード収束器ではなく、図10に示すようなテーパ型光ファイバをモード収束器として用いる。
(Embodiment 2)
A second embodiment of mode convergence means according to the present invention will be described.
In the present embodiment, a tapered optical fiber as shown in FIG. 10 is used as a mode converging device instead of the spatial lens system mode converging device shown in FIG. 3 in the first embodiment.

一端から他端に向けてモードフィールド径が縮小しているテーパ型光ファイバ45の場合、一端がマルチモードファイバ41に接続され、他端がシングルモードファイバ44に接続される。マルチモードファイバ41から入力されたマルチモード光をテーパ型光ファイバ45に通すことによってモードフィールド径を縮小し、シングルモードファイバ44に入射して出力する。このモード収束器によって、高次モードの光が有する振幅、位相の情報を保ったまま基本モード成分に低損失で変換することが可能となる。テーパ型光ファイバ45によるモード収束器は、空間レンズ系モード収束器と同様の特性が得られる。   In the case of the tapered optical fiber 45 whose mode field diameter decreases from one end to the other end, one end is connected to the multimode fiber 41 and the other end is connected to the single mode fiber 44. The mode field diameter is reduced by passing the multimode light input from the multimode fiber 41 through the tapered optical fiber 45, and enters and outputs the single mode fiber 44. With this mode converging device, it is possible to convert the fundamental mode component with low loss while maintaining the amplitude and phase information of the higher-order mode light. The mode converging device using the tapered optical fiber 45 can obtain the same characteristics as the spatial lens system mode converging device.

以上、本発明に係るマルチモード光受信装置及びモード収束器の好適な実施例を例示して説明したが、本発明の実施形態は上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内に置いて、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更、設計パラメータの変更等を行うことは、全て本発明の範囲に含まれるものである。   The preferred embodiments of the multimode optical receiver and the mode converging device according to the present invention have been described above. However, the embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and the scope of the present invention is not limited thereto. It is all within the scope of the present invention to replace, change, add, increase / decrease the number of components, change the design of the shape, change the design parameter, etc.

本発明は、マルチモード光伝送システムにおいて、モード毎に異なる電界分布を持つ信号光に対して高速且つ高効率なマルチモード伝送を実現するマルチモード光受信装置に適用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applicable to a multimode optical receiver that realizes high-speed and high-efficiency multimode transmission for signal light having different electric field distributions for each mode in a multimode optical transmission system.

10:マルチモード光送信装置
11:レーザ光源
12:シングルモードカプラ
13、13、13、13、53:光変調器
14、14、14、14、54:モード励振器
15、21:マルチモードカプラ
20:マルチモード光受信装置
22、22、22、22、22、56:モード収束器
23、23、23、23、23:コヒーレント受光器
24、24:局発光源
25:MIMO適応等化器
26、26:光増幅器
31、31:90度光ミキサ
32I、32Q、32I、32Q、:バランスドレシーバ
41:マルチモードファイバ
42:コリメートレンズ
43:集光レンズ
44、57:シングルモードファイバ
51:レーザ光源
52:パルスジェネレータ
55、100:マルチモードファイバ
58:光オシロスコープ
10: Multi-mode optical transmitter 11: Laser light source 12: Single mode coupler 13 1 , 13 2 , 13 3 , 13 4 , 53: Optical modulator 14 1 , 14 2 , 14 3 , 14 4 , 54: Mode exciter 15, 21: Multi-mode coupler 20: Multi-mode optical receivers 22 1 , 22 2 , 22 3 , 22 4 , 22 5 , 56: Mode converging devices 23 1 , 23 2 , 23 3 , 23 4 , 23 5 : Coherent Light receivers 24 1 and 24 2 : Local light source 25: MIMO adaptive equalizers 26 1 and 26 2 : Optical amplifiers 31 1 and 31 2 : 90 degree optical mixers 32 1 I, 32 1 Q, 32 2 I, and 32 2 Q ,: balanced receiver 41: multimode fiber 42: collimating lens 43: condenser lens 44, 57: single mode fiber 51: laser light source 52: pulse Enereta 55,100: multi-mode fiber 58: light oscilloscope

Claims (6)

マルチモードファイバを伝送されたコヒーレント変調信号光が入力され、前記コヒーレント変調信号光に含まれる複数のモードを基本モードに収束させてシングルモードファイバに出力するモード収束手段と、
前記モード収束手段によって基本モードに収束された前記コヒーレント変調信号光を受信するコヒーレント受光手段と、
を具備することを特徴とするマルチモード光受信装置。
Mode converging means for receiving coherent modulated signal light transmitted through a multimode fiber, converging a plurality of modes included in the coherent modulated signal light into a fundamental mode, and outputting to a single mode fiber;
Coherent light receiving means for receiving the coherent modulated signal light converged to the fundamental mode by the mode convergence means;
A multi-mode optical receiver characterized by comprising:
前記モード収束手段は、
前記マルチモードファイバを伝送された前記コヒーレント変調信号光を平行光にするコリメートレンズと、
前記コリメートレンズからの平行光を前記シングルモードファイバの入射端に集光する集光レンズと、
を備えることを特徴とする請求項1に記載のマルチモード光受信装置。
The mode convergence means includes:
A collimating lens that collimates the coherent modulated signal light transmitted through the multimode fiber; and
A condensing lens that condenses the parallel light from the collimating lens at the incident end of the single mode fiber;
The multimode optical receiver according to claim 1, further comprising:
前記モード収束手段は、一端から他端に向けてモードフィールド径が縮小しているテーパ型光ファイバであり、前記一端が前記マルチモードファイバに接続され、前記他端が前記シングルモードファイバに接続されている
ことを特徴とする請求項1に記載のマルチモード光受信装置。
The mode converging means is a tapered optical fiber whose mode field diameter decreases from one end to the other end, the one end is connected to the multimode fiber, and the other end is connected to the single mode fiber. The multimode optical receiver according to claim 1, wherein:
各モードへの分散状態がチャネル毎に異なるマルチモードのコヒーレント変調信号光をマルチモードファイバに送信するマルチモード光送信装置と、
前記マルチモードファイバを伝送された前記コヒーレント変調信号光を受信する請求項1から3のいずれかに記載のマルチモード光受信装置と、
を備えるマルチモード光伝送システム。
A multi-mode optical transmitter that transmits multi-mode coherent modulated signal light having different dispersion states for each mode to a multi-mode fiber;
The multimode optical receiver according to any one of claims 1 to 3, which receives the coherent modulated signal light transmitted through the multimode fiber;
A multimode optical transmission system.
マルチモードファイバを伝送されたコヒーレント変調信号光が入力され、前記コヒーレント変調信号光に含まれる複数のモードを基本モードに収束させてシングルモードファイバに出力するモード収束手順と、
前記モード収束手順において基本モードに収束された前記コヒーレント変調信号光を受信するコヒーレント受光手順と、
を順に有することを特徴とするマルチモード光受信方法。
A mode convergence procedure in which coherent modulated signal light transmitted through a multimode fiber is input, and a plurality of modes included in the coherent modulated signal light are converged to a fundamental mode and output to a single mode fiber;
A coherent light receiving procedure for receiving the coherent modulated signal light converged to the fundamental mode in the mode convergence procedure;
In order.
各モードへの分散状態がチャネル毎に異なるマルチモードのコヒーレント変調信号光をマルチモードファイバに送信するマルチモード光送信手順と、
前記マルチモード光送信手順で送信した前記コヒーレント変調信号光を受信する請求項5に記載のマルチモード光受信方法と、
を順に有するマルチモード光伝送方法。
A multi-mode optical transmission procedure for transmitting multi-mode coherent modulated signal light having different dispersion states for each mode to the multi-mode fiber for each channel;
The multimode optical reception method according to claim 5, wherein the coherent modulated signal light transmitted in the multimode optical transmission procedure is received;
A multimode optical transmission method comprising:
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