JP2018189691A - 光装置、通信システム及び合波／分波方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モード群多重通信システム、モード群の分波及び合波を簡単に実現する。
【解決手段】光装置は、ＳＩ−ＭＭＦ光導波路であって、モード群毎に伝搬する信号のチャネルが形成されるモード群分割多重伝送路を構成する幹線光導波路と、幹線光導波路に連続し、屈曲したＳＩ−ＭＭＦ光導波路から成るモード変換光導波路と、モード変換光導波路に連続しその屈曲方向に伸びたＳＩ−ＭＭＦ光導波路から成る第１光導波路と、ＳＩ−ＭＭＦ光導波路から成りモード変換光導波路の外周屈曲面に接合した第２光導波路とを有する。幹線光導波路における複数のモード群を高次モード群と低次モード群とに２分する時、モード変換光導波路は、低次モード群の信号は伝搬させ、高次モード群の信号は第２光導波路の側に漏洩させて、より低次のモード群の信号として第２光導波路に伝搬させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モード群分割多重通信を実現するための光装置、通信システム及び合波／分波方法に関する。

従来、非特許文献１に開示されているように、グレイディド・インデックス・マルチモード・光ファイバ（以下、「ＧＩ−ＭＭＦ」という）を用いて、コアの中心軸に近い程、低次モード群信号、中心軸から離れるに連れて高次モード群信号を伝搬させるモード群分割多重方式が知られている。

そして、ＧＩ−ＭＭＦから低次モード群信号と、高次モード群信号を分波して検出するために、ＧＩ−ＭＭＦを２分岐させ、一方のＧＩ−ＭＭＦの出力端面に、その中心軸に軸を一致させてシングルモード・ファイバ（以下、「ＳＭＦ」という）を配置して低次モード群信号を抽出している。分岐された他方のＧＩ−ＭＭＦは出力端面から光を出射させて光学レンズにより平行光線とした後、中心軸付近の光をマスクで除去した後に、集光レンズで集光させた後に、他のＧＩ−ＭＭＦに入射させることで高次モード群信号を抽出している。

一方、特許文献１、非特許文献２に開示のように、光ファイバーを屈曲させて、屈曲部の外周屈曲面から光を分岐させることは知られている。さらに、特許文献２に開示されているように、自己形成光導波路も確立した技術として知られている。

平成１０−５４９１５ 特開２０００−３４７０４３

Y.Li, J.D.Ingham, V.F.Olle, G,Gordon, R,V,Penty, and I,H,White"20 Gb/s Mode-Group-Division Multiplexing employing Hermite-Gaussian Launches over Worst-Case Multimode Fiber Links," OFC, Optical Society of America, 2014. M.Kagami, Y.Sakai and H.Okada, "Variable-ratio tao for plastic optical fiber," Applied Optics, Vol.30, No.6 pp.645-649, 1991.

しかしながら、上記非特許文献１に開示されたＧＩ−ＭＭＦを用いたモード分割多重方式では、高次モード群信号を抽出するのに、一旦、ＧＩ−ＭＭＦの端面から光を出射して光学系を用いて低次モード群信号を除去しているので、分波の構成が複雑となり、現実的ではない。また、ＧＩ−ＭＭＦの光出力端面にリング状に分布する高次モード群信号を分波するのに、光出力端面の一部にＳＭＦの端面を配設する方法も考えられるが、結合効率が小さく高次モード群の受信電力が小さいという問題がある。また、位置合わせも困難である。

また、合波する信号送信端においては、ＳＭＦを伝搬した光信号をＳＭＦの端面から、一旦、出射させて、レンズ、マスク等を用いた光学系により伝搬角を制御して高次モード群信号に変換して、ＧＩ−ＭＭＦに入射させている。そして、ビームスプリッタを用いて、他のＳＭＦを伝搬した光信号を低次モード群信号として、これに高次モード群信号を合波している。このように、光を送信する側においても、レンズ、マスク、ビームスプリッタ等の光学系を用いていることから、機構が複雑となる。結局、従来提案されているＧＩ−ＭＭＦを用いたモード群分割多重通信システムは、送信側、受信側の双方において、レンズ等の光学系が使用され、使用環境の厳しい自動車等に搭載される信号伝送路として用いる場合には実用的ではない。

一方、安価なステップインデックス・マルチモード・光ファイバ（以下、「ＳＩ−ＭＭＦ」という）の利用が望まれるが、ＳＩ−ＭＭＦを用いた多重方式は波面分割多重のみが知られているだけである。ＳＩ−ＭＭＦを用いたモード群分割多重方式は知られていないし、モード群を分波又は合波する方法も知られていない。

そこで、本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的はＳＩ−ＭＭＦを用いてモード群分割多重通信システム及びモード群の分波及び合波を簡単な構成で実現することである。

上記の課題を解決するための発明の構成は、幹線光導波路に対して合波又は分波を行う光装置において、ステップインデックス型マルチモード光導波路であって、モード群毎に伝搬する信号のチャネルが形成されるモード群分割多重伝送路を構成する幹線光導波路と、幹線光導波路に連続し、屈曲したステップインデックス型マルチモード光導波路から成るモード変換光導波路と、モード変換光導波路に連続しその屈曲方向に伸びたステップインデックス型マルチモード光導波路から成る第１光導波路と、ステップインデックス型マルチモード光導波路から成りモード変換光導波路の外周屈曲面に前記幹線光導波路の軸方向に接合した第２光導波路と、を有し、幹線光導波路における複数のモード群を高次モード群と低次モード群とに２分する時、モード変換光導波路は、低次モード群の信号はそのまま伝搬させ、高次モード群の信号は第２光導波路の側に漏洩させて、より低次のモード群の信号として第２光導波路に伝搬させ、逆に、第２光導波路をモード変換光導波路に向けて伝搬する低次のモード群の信号は、高次モード群の信号に変換してモード変換光導波路に結合させる光導波路であることを特徴とする光装置である。

モードは、幹線光導波路をある伝搬角（光導波路の中心軸と成す角）で伝搬する光の光路を表す伝搬モードを意味する。したがって、モード群は、所定範囲の伝搬角を有する光束を意味し、モードの次数は伝搬角に対応している。伝搬角が大きい程、モード次数は高くなる。したがって、高次モード群と低次モード群は、幹線光導波路における光の伝搬角範囲に対応している。
上記発明において、第２光導波路は、モード変換光導波路に至る前の幹線光導波路の中心軸の方向に、モード変換光導波路の外周屈曲面に接合している。第２光導波路と幹線光導波路とは同軸であることが最も望ましいが、多少、軸がずれていても良い。同軸である場合には、モード変換光導波路と第２光導波路との結合は概ね最大となるので望ましい。外周屈曲面の半径方向ベクトルに垂直な接面が幹線光導波路の軸に平行に近くなる領域ほど、モード変換に係わるモード群のモード変換光導波路と第２光導波路との結合が大きくなる。
本発明において、光装置は、次の場合を含んでいる。第１は、図１に示すように、幹線光導波路、モード変換光導波路、第１光導波路、及び第２光導波路で構成され、必要により、外部光導波路を接続するためのコネクタを有した分波又は合波する装置である。第２は、図５、図６に示すようにＡ端局とＢ端局とを幹線光導波路で接続した通信システムにおけるＡ端局又はＢ端局での合波又は分波を行う光コネクタを有さない上記構成を有する部分である。第３は、合波又は分波を行う部分と幹線光導波路が他の端局まで延長されている構成とする場合である。
上記の発明において、高次モード群と低次モード群とは単一チャネルとは限らない。それぞれのモード群は複数のチャネルで多重化されていても良い。すなわち、第１光導波路又は／及び第２光導波路を、幹線光導波路に見なして本発明の光装置を接続することを繰り返して、樹枝路を形成すれば、単一チャネル毎の信号に分波し、単一チャネル毎の信号を順次合波することができる。

上記の発明において、低次モード群はモード変換光導波路において導波モードが維持され、高次モード群はモード変換光導波路において漏洩モードとなるように、モード変換光導波路の外周屈曲面は曲げられていることが望ましい。
モード変換光導波路の外周屈曲面は一定の曲率であっても、光の進行方向に沿って分布した曲率であっても良い。
幹線光導波路を伝搬するある一定の伝搬角を有する一つの光線に関して、モード変換光導波路の外周屈曲面の曲率（１／曲率半径）が大きい程、コアとクラッドとの境界面（以下、単に、「屈曲面」という）に入射するその光線の入射角（屈曲面の法線に対する角）は小さくなる。この入射角が臨界角より小さくなると、その光は漏洩モードとなり外周屈曲面から外部に漏れ、モード変換光導波路を伝搬しない。
外周屈曲面に対する入射角が臨界角に等しくなる光線の幹線光導波路における伝搬角をモード分離伝搬角と定義する。すなわち、モード分離伝搬角は、モード変換光導波路を伝搬することができる光線の幹線光導波路における最大伝搬角を意味する。
上述したことにより、外周屈曲面の曲率が大きくなる程、モード分離伝搬角は小さくなる。すなわち、外周屈曲面の曲率が大きくなる程、幹線光導波路おける低次モード群の伝搬角範囲は狭くなり、高次モード群の伝搬角範囲は広くなる。したがって、モード変換光導波路の外周屈曲面の曲率が大きい程、より低次モードの光が外周屈曲面から第２光導波路の中心軸方向に漏れるようになる。光は外周屈曲面から第２光導波路の中心軸方向に漏れて第２光導波路を伝搬するので、高次モードが、より低次のモードに変換されることになる。漏れない次数モードの光は屈曲面に対する入射角が臨界角以上であり、導波モードが維持されてモード変換光導波路を伝搬する。
したがって、モード変換光導波路の導波モードと漏洩モードの次数は、モード変換光導波路の外周屈曲面の曲率により決定される。曲率が大きい程、伝搬モードの次数は少なくなり、漏洩モードの次数は多くなる。導波モードと漏洩モードの概念は、完全に伝送と漏洩とが、ある次数で分離されるだけではなく、復調が可能な混信が起こらない程度に分離している場合を含む。

また、上記発明において、第２光導波路はその先端から伸びた自己形成光導波路によりモード変換光導波路の外周屈曲面に接続するようにしても良い。自己形成光導波路は、光硬化すると屈折率が高くなる光硬化性樹脂液に直線状の光を照射することで、新たに形成された硬化部分に光を閉じ込めながら硬化部分を伸長させて形成される光導波路である。自己形成光導波路は、既に、製造技術が確立されており、形成された光導波路は自己形成であることが分析可能である。したがって、自己形成光導波路は、光導波路の性状を表し、構造特定用語として確立している。この構造を採用することで、モード変換光導波路と第２光導波路との接続構造を確実且つ容易に実現できる。外周屈曲面のうち第２光導波路が接続される部分は、クラッドがあってもなくとも良い。モード変換光導波路のコアに直接接続する場合には、第２光導波路のコアの屈折率をモード変換光導波路のコアの屈折率よりも小さくすることが必要である。

また、モード変換光導波路の外周屈曲面から伸びた自己形成光導波路と第２光導波路の先端から伸びた自己形成光導波路とが接続された状態で、第２光導波路はモード変換光導波路の外周屈曲面に接続されていても良い。モード変換光導波路の外周屈曲面のうち第２光導波路が接続される部分は、クラッドがあってもなくととも良い。モード変換光導波路のコアに、直接、自己形成光導波路が接続される場合、自己形成光導波路（コア）の屈折率はモード変換光導波路のコアの屈折率よりも小さくする。外周屈曲面にクラッドがなくとも光硬化性樹脂の屈折率がモード変換光導波路のコアの屈折率よりも小さいならば、樹脂がクラッドの作用をするので、次数の高いモードの光がより多く光硬化性樹脂に漏れる。製造過程においては、モード変換光導波路のコアの屈折率よりも光硬化性樹脂液の屈折率が小さいならば、次数の高いモードの硬化光が外周屈曲面から外部の樹脂液に漏れ、漏れた光は、低次のモードとなり幹線光導波路の中心軸方向に光硬化性樹脂液中を進行する。これにより、外周屈曲面から外部に向かって形成される自己形成光導波路は直線状となる。

外周屈曲面に接続される自己形成光導波路のコアと、モード変換光導波路のコアとは直接接合しており、モード変換光導波路の外周屈曲面に接続される自己形成光導波路のコアの屈折率は、モード変換光導波路のコアの屈折率よりも小さいことが望ましい。自己形成光導波路のコアが、自己形成光導波路との接合部においてクラッドの作用をする。

また、上記発明において、第２光導波路と幹線光導波路はステップインデックス型マルチモード光ファイバであり、第１光導波路及びモード変換光導波路は幹線光導波路の一部として構成され、第２光導波路は自己形成光導波路を介してモード変換光導波路のクラッドに接続されていても良い。
また、外周屈曲面に接続された自己形成光導波路のコアの屈折率は、モード変換光導波路のコアの屈折率よりも小さいことが望ましい。この場合、外周屈曲面から漏れ出た高次モードの光は、より低次モードに光に変換されて第２光導波路に入射することになるので望ましい。

上記発明において、第１光導波路はステップインデックス型マルチモード光ファイバであり、モード変換光導波路は第１光導波路の先端に連続し、屈曲した自己形成光導波路としても良い。
また、第１光導波路はステップインデックス型マルチモード光ファイバであり、モード変換光導波路は、第１光導波路の先端に連続した自己形成光導波路と幹線光導波路の先端に連続した自己形成光導波路との接続光導波路が屈曲した状態の自己形成光導波路としても良い。

他の発明は、上述した光装置を用いたモード群分割多重通信システムである。
すなわち、他の発明は、上記の光装置（請求項１乃至請求項９の何れか）をＡ端光装置とし、上記の光装置（請求項１乃至請求項９の何れか）をＢ端光装置とし、Ａ端光装置の幹線光導波路とＢ端光装置の幹線光導波路とが連続して幹線光導波路を構成し、Ａ端光装置の第２光導波路と、Ｂ端光装置の第２光導波路とに、モード変換光導波路により高次モード群と相互変換される、より低次のモード群の信号を伝送させ、Ａ端光装置の第１光導波路と、Ｂ端光装置の第１光導波路とに、低次モード群の信号を伝送させることにより、Ａ端光装置とＢ端光装置との間でモード群分割多重通信を行うようにした通信システムである。

また、他の発明は、ステップインデックス型マルチモード光導波路から成る幹線光導波路の一部分を屈曲させた第１屈曲部の外周屈曲面に他の第１ステップインデックス型マルチモード光導波路を接合させ、幹線光導波路の他の部分を屈曲させた第２屈曲部の外周屈曲面に他の第２ステップインデックス型マルチモード光導波路を接合させた光導波路を有し、第１屈曲部及び第２屈曲部において、幹線光導波路と第１ステップインデックス型マルチモード光導波路との間、及び、幹線光導波路と第２ステップインデックス型マルチモード光導波路との間で、モード群の次数を変化させて、分波又は合波することにより、第１屈曲部及び第２屈曲部間の幹線光導波路を伝搬する信号をモード群分割多重化して通信を行うことを特徴とするモード群分割多重通信システムである。

上記の通信システムの発明は、図５、図６に示すように、Ａ端光装置とＢ端光装置の幹線光導波路を連続させた通信システムである。この発明においては、Ａ端光装置又は一方の屈曲部において異なるチャネルの信号を合波して、Ｂ端光装置又は他方の屈曲部においてそれらのチャネルの信号を分波して通信を行うことができる。また、Ａ端光装置又は一方の屈曲部において、あるａチャネルの信号を合波し他のｂチャネルの信号を分波し、Ｂ端光装置又は他方の屈曲部において、ａチャネルの信号を分波し他のｂチャネルの信号を合波しても良い。この場合には、ａチャネルとｂチャネルとを用いて双方向全二重通信を行うことができる。

また、他の発明は、ステップインデックス型マルチモード光導波路から成る幹線光導波路の一部分を屈曲させた屈曲部の外周屈曲面に他のステップインデックス型マルチモード光導波路を接合させて、屈曲部により、幹線光導波路を伝搬するモード群分割多重信号から低次モード群の信号を幹線光導波路方向に分波する一方、高次モード群の信号を、より低次のモード群にモード変換して他のステップインデックス型マルチモード光導波路の方向に分波し、又は、屈曲部により、低次モード群の信号を幹線光導波路方向に合波する一方、他のステップインデックス型マルチモード光導波路を伝搬するより低次のモード群の信号を高次モード群にモード変換して幹線光導波路に合波させたことを特徴とするモード群分割多重通信方法における合波／分波方法である。
この方法により低次モード群と高次モード群との合波と分波とを実現できるので、安価なステップインデックス型マルチモード光導波路を用いた実用的なモード群分割多重通信方法が可能となる。

本発明によると、簡単な構成で、ステップインデックス型マルチモード光導波路を用いたモード群分割多重通信を実現することができる。

本発明の実施例１に係る光装置の構成図。 実施例１の装置における幹線光導波路に多重化されるモード群を示した説明図。 実施例１の自己形成光導波路の他の例の構成図。 実施例１の自己形成光導波路の他の例の構成図。 本発明の実施例２に係るモード群分割多重通信システムの構成図。 本発明の実施例２に係る他のモード群分割多重通信システムの構成図。 実施例２に係るモード群分割多重通信システムにおける幹線光導波路の長さを変化させたときの低次モード群幅の変化を示す測定図。 実施例２に係るモード群分割多重通信システムにおける幹線光導波路の長さを変化させたときの高次モード群幅の変化を示す測定図。 実施例３に係る通信システムにおいて、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数とモード群幅の増加の様子を示した説明図。 実施例３に係る通信システムにおいて、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数とモード群幅の増加の様子を示した説明図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照して説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

１．光装置の構成
図１は本発明の具体的な一実施例に係る光装置１の構成を示している。幹線光導波路１０と第１光導波路２０とモード変換光導波路４０とは一本のステップインデックス型マルチモードファイバ（以下、「ＳＩ−ＭＭＦ」と記す）１１で形成されている。ＳＩ−ＭＭＦ１１が屈曲され、その屈曲部がモード変換光導波路４０である。モード変換光導波路４０の外周屈曲面４１のクラッド４２に第２光導波路３０の先端から伸びた自己形成光導波路３２のコアが接合されている。第２光導波路３０はＳＩ−ＭＭ３１である。幹線光導波路１０の中心軸１５と第２光導波路３０の中心軸３５は一致している。ＳＩ−ＭＭＦ１１、３１のコア直径は２００μｍ、クラッドを含めたＳＩ−ＭＭＦ１１、３１の直径は２３０μｍである。いわゆる大口径光ファイバーである。本発明で使用できる大口径光ファイバのＮＡは、０．２〜０．６５が使用可能である。

２．光装置の製法
自己形成光導波路３２は次のように形成される。ＳＩ−ＭＭＦ１１を所定の位置で所定の曲率で曲げた状態にして、枠体５０に固定する。ＳＩ−ＭＭＦ３１の中心軸３５を幹線光導波路１０の中心軸１５に一致させ、ＳＩ−ＭＭＦ３１の先端端面がモード変換光導波路４０の外周屈曲面４１に対向するように、ＳＩ−ＭＭＦ３１を枠体５０に固定する。次に、枠体５０に光硬化性樹脂液を充填し、ＳＩ−ＭＭＦ３１の他の端面から光硬化性樹脂液を光硬化させる波長の光を入射させる。ＳＩ−ＭＭＦ３１の先端端面から硬化光が出射され、その光の光路に沿って樹脂が硬化する。硬化した樹脂は屈折率が樹脂液よりも高くなるように光硬化樹脂液が選択されている。また、光硬化樹脂液には、硬化波長や屈折率の異なる数種類の混合液を用いて、ある種類の樹脂だけ硬化させて、硬化物の屈折率を混合液の屈折率よりも高くすることも可能である。この他、自己形成光導波路の製法はいろいろ知られている。

硬化した光硬化樹脂の屈折率は、周囲の未硬化光硬化樹脂液の屈折率よりも高いので、形成された光硬化物がコア、周囲の光硬化樹脂液がクラッドの作用をして、光は光硬化物に閉じ込められて直進する。これにより、ＳＩ−ＭＭＦ３１の先端端面から光硬化物によるコアが直線状に伸びてモード変換光導波路４０の外周屈曲面４１のクラッド４２に接合する。この直線状の光硬化物が自己形成光導波路３２のコアとなる。その後、枠体５０内の光硬化樹脂液を、屈折率の低い別の光硬化性樹脂液と交換して、枠体５０の内部の光硬化性樹脂液を光硬化させる。これにより、自己形成光導波路３２のコアの周囲には、クラッドが形成されることになる。また、異なる種類の光硬化性樹脂液を混合した樹脂液を用いる場合には、混合液の硬化物の屈折率が、自己形成光導波路３２のコアの屈折率よりも小さくなるように材料を選択して、樹脂液を交換することなく、枠体５０内の樹脂液全体を硬化させるようにしても良い。また、自己形成光導波路３２のコアの周囲だけクラッドを形成するようにしても良い。

以上のように形成された幹線光導波路１０、第１光導波路２０、第２光導波路３０の先端と枠体５０との固定部に、それぞれ、光コネクタ１６、２６、３６を設ける。これにより、モード群分割多重通信を実現するための合波、分波を行う部品としての光装置を得ることができる。

３．モード変換光導波路の作用
幹線光導波路１０の端面から伝搬角約７°以下の低次モード群信号と、伝搬角約１４°以上２１°以下の高次モード群信号をモード変換光導波路４０に向けて入射させる。ここでの伝搬角の値は、空気中から光ファイバの入射端面に入射する光の入射角、又は出射端面から空気中に出射される光の出射角の値であり、この入射角又は出射角に対応する光ファイバ内での伝搬角はスネルの法則に従ってより小さな値である。伝搬角は多重反射する光の進行方向と光導波路の中心軸との成す角で定義する。２１°は、ＳＩ−ＭＭＦ１１、３１の最大伝搬角であり、最大モード次数に対応する。伝搬角７°から１４°の範囲は干渉を回避するためのバッファ空間（伝搬角範囲）である。

図２は伝搬角θとθ以下の伝搬角を有する伝搬光の光エネルギーＥＡＦ(Encircled Angular Flux)との関係を示す。図２に示すように、全次数モード群を、伝搬角１０．５°以下の低次モード群、伝搬角１０．５°以上、２１°以下の高次モード群に２分する。伝搬角１０．５°が上記したモード分離伝搬角である。外周屈曲面４１の曲率は、モード変換光導波路４０において低次モード群の屈曲面に対する入射角が臨界角以上となり、高次モード群の屈曲面に対する入射角が臨界角より小さくなる値に設定されている。したがって、低次モード群はモード変換光導波路４０において導波モードを維持し、伝搬角約７°以下の低次モード群信号はモード変換光導波路４０を伝搬する。

一方、高次モード群信号のモード変換光導波路４０における屈曲面に対する入射角は臨界角より小さくなり、モード変換光導波路４０のクラッド４２に漏れる。したがって、高次モード群信号は、第１光導波路２０側には伝搬しない。すなわち、モード変換光導波路４０において、高次モード群信号は漏洩モードとなる。

モード変換光導波路４０の外周屈曲面４１の曲率の半径方向ベクトルに直交する外周屈曲面４１の接面を想定する。この接面が幹線光導波路１０の中心軸１５と平行に近い領域、すなわち、図１における外周屈曲面４１が幹線光導波路１０に続いて曲がり始める部分（図１において、外周屈曲面４１と自己形成光導波路３２との接触面のうち中心軸１５、３５より上方向に位置する部分）に注目する。この領域において、モード変換光導波路４０のクラッド４２に漏洩した高次モード群信号は、伝搬角が小さくなり、その進行方向は第２光導波路３０の中心軸３５により平行な向きに変化する。すなわち、高次モード群信号はより低次のモード群信号にモード変換されることになる。外周屈曲面４１のこの領域において、高次モードから低次モードへの変換効率が高くなる。
第２光導波路３０からモード変換光導波路４０の外周屈曲面４１に入射する光は、幹線光導波路１０から第２光導波路３０に向かう光の光路と同一光路となる。したがって、第２光導波路３０を伝搬する低次モード群信号は、この領域においてモード変換光導波路４０に、最も効率的に高次モード群信号へと変換されて、幹線光導波路１０側に伝搬する。

図２に示される低次モード群信号と高次モード群信号の多重化信号が、幹線光導波路１０をモード変換光導波路４０に向けて伝搬している場合を考える。モード変換光導波路４０の上記した作用により、低次モード群信号だけが導波モードを維持し第１光導波路２０に向けて伝搬する。高次モード群信号はモード変換光導波路４０の外周屈曲面４１のクラッド４２に漏洩して低次モードに変換されて第２光導波路３０を伝搬する。このようにして、この光装置１は、モード群多重化された信号を、低次モード群信号と高次モード群信号とに分波することができる。

逆に、第１光導波路２０をモード変換光導波路４０に向かう低次モード群信号と、第２光導波路３０をモード変換光導波路４０に向かう低次モード群信号とを考える。第１光導波路２０を伝搬する低次モード群信号は、上記作用により、導波モードを維持しモード変換光導波路４０を通過して、幹線光導波路１０を伝搬する。一方、第２光導波路３０を伝搬する低次モード群信号は、上記作用により、モード変換光導波路４０の外周屈曲面４１により高次モード群信号に変換されて、幹線光導波路１０を伝搬する。このようにして、この光装置１は、２つのチャネルの低次モード群信号を、一方のチャネルの信号は高次モード群信号に変換して、幹線光導波路１０において低次モード群と高次モード群とに多重化することができる。すなわち、本光装置１は、モード分割多重通信において、合波装置とすることができる。

さらに、低次モード群信号が幹線光導波路１０をモード変換光導波路４０に向けて伝搬している場合を考える。この低次モード群信号は導波モードを維持しモード変換光導波路４０を通過して第１光導波路２０を伝搬する。この状態において、第２光導波路３０からモード変換光導波路４０に向けて低次モード群信号を伝搬させる。この低次モード群信号はモード変換光導波路４０において高次モード群信号に変換されて、幹線光導波路１０を伝搬する。このようにすれば、２つの端局装置の間での全二重通信を実現できる。本光装置１はこのような場合の合波／分波装置として用いることができる。

さらに、高次モード群信号が幹線光導波路１０をモード変換光導波路４０に向けて伝搬している場合を考える。この高次モード群信号はモード変換光導波路４０により低次モード群信号にモード変換されて、第２光導波路３０を伝搬する。この状態において、第１光導波路２０からモード変換光導波路４０に向けて低次モード群信号を伝搬させる。この低次モード群信号は導波モードを維持しモード変換光導波路４０を通過し、幹線光導波路１０を伝搬する。このようにすれば、同様に、２つの端局装置の間での全二重通信を実現できる。本光装置１はこのような場合の合波／分波装置として用いることができる。

モード変換光導波路４０がそのコアの屈折率より小さい屈折率を有したクラッド４２を有する限り、自己形成光導波路３２のコアの屈折率は任意である。ただし、自己形成光導波路３２のコアの屈折率はクラッド４２の屈折率と等しいか、以下にすることが望ましい。すなわち、自己形成光導波路３２のコアの屈折率は、モード変換光導波路４０のコアの屈折率よりも小さくすることが望ましい。このようにすると、モード変換光導波路４０の高次モードと、より低次のモードとの相互変換を実現することができる。屈折率の低い媒体に入力する光は、伝搬角が小さくなる方向に屈折するからである。

４．第１光導波路への漏光
モード変換光導波路４０において、高次モード群信号を完全には遮断できない。そのため、モード変換光導波路４０で低次モード群信号を分波するときに、高次モード遮断フィルタを用いることで、低次モード群信号を精度良く分波できる。

５．自己形成光導波路の他の例
図３に示すように、モード変換光導波路４０の外周屈曲面４１から自己形成光導波路３２ｂを形成し、第２光導波路３０の先端から自己形成光導波路３２ａを形成して両者を接合して、自己形成光導波路３２としても良い。幹線光導波路１０、モード変換光導波路４０、第１光導波路２０は、１本のＳＩ−ＭＭＦ１１である。この場合、自己形成光導波路３２ｂの形成は、幹線光導波路１０から高次モード群の硬化光をモード変換光導波路４０に入射させることで行う。高次モード群の硬化光はモード変換光導波路４０により低次モード群の硬化光に変換されて、硬化光は第２光導波路３０（ＳＩ−ＭＭＦ３１）の中心軸３１に沿って直線状に出射される。この硬化光により自己形成光導波路３２ｂが形成される。同時に、第２光導波路３０に低次モード群の硬化光を入射させて、第２光導波路３０の先端から直線状の自己形成光導波路３２ａを成長させる。自己形成光導波路３２ａの先端が自己形成光導波路３２ｂに接触すると、光閉じ込め効果により１本の直線状の自己形成光導波路３２が形成される。光ファイバの両端から硬化光を出射させて、自己形成光導波路を結合させる技術は既に確立されている。

６．モード変換光導波路の他の例
上述の実施例では、モード変換光導波路４０はＳＩ−ＭＭＦ１１の一部で、それを屈曲させた部分で構成されている。このモード変換光導波路４０を自己形成光導波路で構成しても良い。図４（ａ）に示すように、２本のＳＩ−ＭＭＦ１１ａとＳＩ−ＭＭＦ１１ｂとを同軸にして先端端面を対向させる。両ＳＩ−ＭＭＦ１１ａ、１１ｂの端面から硬化光を出射させて、直線状の自己形成光導波路４０ａ、４０ｂを形成して先端を結合させて１本の直線状の自己形成光導波路とする。次に、図４（ｂ）に示すように、この直線状の自己形成光導波路を屈曲させて、モード変換光導波路４０とする。
このようにモード変換光導波路４０は、自己形成光導波路で構成しても良い。この他、モード変換光導波路４０は、成形品やパターン転写で作成した光部品で構成しても良い。

このモード変換光導波路４０の外周屈曲面４１に第２光導波路３０から伸びた自己形成光導波路３２を接続するのは、上記の実施例で述べた通りである。このとき、モード変換光導波路４０はコアのみで形成され、クラッドを有していない。そのため、モード変換光導波路４０に接合される自己形成光導波路３２のコアの屈折率はモード変換光導波路４０のコアの屈折率よりも小さくする必要がある。自己形成光導波路３２のコアがモード変換光導波路４０のコアに対するクラッドの作用をする。次に、枠体５０の全体に充填されている光硬化樹脂液を光硬化させて、モード変換光導波路４０のコアの露出部と、自己形成光導波路３２の周囲にクラッドを形成する。
なお、屈曲させた自己形成光導波路でモード変換光導波路４０を形成するとき、図４（ａ）のように直線状の自己形成光導波路４０ａ、４０ｂを形成して先端を結合させた後にこの周囲にクラッドを形成しても良い。

７．幹線光導波路、第１光導波路、第２光導波路の他の例
上記実施例では、幹線光導波路、第１光導波路、第２光導波路は、ＳＩ−ＭＭＦとしたが、樹脂を硬化させた光導波路であっても良いし、枠体５０の内部に存在する全ての光導波路を自己形成光導波路として、コネクタ１６、２６、３６に接続するようにしても良い。

７．その他
枠体５０又はコネクタ１６、２６、３６が存在しない光装置も本発明に含まれる。

本実施例は、上記の光装置を用いて、モード群分割多重通信を実現した通信システムである。
図５、６は通信システムの構成を示している。実施例１の２台の光装置をＡ端光装置、Ｂ端光装置とする。そして、Ａ端光装置の幹線光導波路１０とＢ端光装置の幹線光導波路１０とを１本の共通の幹線光導波路１０とする。この通信システムにおいて、幹線光導波路１０同士を接続する光コネクタ１６はあっても良いが、なくとも良い。すなわち、Ａ端光装置の幹線光導波路１０を長い共通の幹線光導波路としてその他端をＢ端光装置としても良い。この場合には、Ａ端光装置のモード変換光導波路４０の外周屈曲面４１に第２光導波路３０を接続し、Ｂ端光装置のモード変換光導波路４０の外周屈曲面４１に第２光導波路３０を接続することになる。同様に、枠体５０、光コネクタ２６、３６はあっても良いがなくとも良い。

図５に示す通信システムは、Ａ端光装置を合波装置、Ｂ端光装置を分波装置とした例である。Ａ端光装置と、Ｂ端光装置におけるモード変換光導波路４０の作用により、次のようにモード群分割多重通信が実現できる。Ａ端光装置は送信端局、Ｂ端光装置が受信端局である。Ａ端光装置のポート＃２（第１光導波路２０）とポート＃３（第２光導波路３０）から低次モード群信号を送信する。Ａ端光装置のモード変換光導波路４０によりポート＃３の信号が高次モード群信号に変換され、ポート＃２の信号は低次モード群信号のまま、幹線光導波路１０に出力される。これにより、幹線光導波路１０では、低次モード群信号は低次モード群、高次モード群信号は高次モード群として多重化されて、Ｂ端光装置に向けて伝搬する。

Ｂ端光装置では、その光装置のモード変換光導波路４０において、低次モード群信号はそのままポート＃２（第１光導波路２０）から出力される。一方、高次モード群信号はモード変換光導波路４０により低次モード群信号に変換されて、ポート＃３（第２光導波路３０）から出力される。これにより、Ａ端光装置を送信端末、Ｂ端光装置を受信端末としたモード群分割多重通信が実現される。

図６に示す通信システムは、Ａ端光装置とＢ端光装置を共に送受信端末としたシステムである。
低次モード群信号に対しては、Ｂ端光装置は送信端末、Ａ端光装置は受信端末となる。また、高次モード群信号に対しては、Ａ端光装置は送信端末、Ｂ端光装置は受信端末となる。Ｂ端光装置のポート＃２（第１光導波路２０）から入力された低次モード群信号は、モード変換光導波路４０を通過して、幹線光導波路１０を伝搬し、Ａ端光装置のモード変換光導波路４０を通過して、ポート＃２（第１光導波路２０）から出力される。これにより、Ｂ端光装置からＡ端光装置への送信が実現される。

一方、Ａ端光装置のポート＃３（第２光導波路３０）から入力された低次モード群信号は、モード変換光導波路４０により高次モード群信号に変換されて、高次モード群信号として幹線光導波路１０を伝搬し、Ｂ端光装置のモード変換光導波路４０により低次モード群信号に変換されてポート＃３（第２光導波路３０）から出力される。これにより、Ａ端光装置からＢ端光装置への送信が実現される。すなわち、両端末間で１本のＳＩ−ＭＭＦを用いて全二重通信が可能となる。

上記の例では、２チャンネル多重であるが、これを次のように多チャンネル多重とすることも可能である。Ａ端光装置、Ｂ端光装置は、共に、光コネクタ１６、２６、３６を有する装置とする。Ａ端光装置の第１光導波路２０のポート＃２又は／及び第２光導波路３０のポート＃３に、他のＣ端光装置の幹線光導波路１０を接続する。同様に、Ｂ端光装置の第１光導波路２０のポート＃２又は／及び第２光導波路３０のポート＃３に、他のＤ端光装置の幹線光導波路１０を接続する。ただし、Ａ端光装置及びＢ端光装置と、Ｃ端光装置及びＤ端光装置のモード変換光導波路４０の外周屈曲面４１の曲率は、図２に示すような、チャネル数に応じたモード群に分割できるように、調整することが必要である。

次に、上記の図５のシステムにおいて、Ａ端光装置のポート＃２、＃３から、それぞれ、低次モード群信号を入力したときの幹線光導波路１０における多重化のモード群分離の程度を測定した。図７、図８は、幹線光導波路１０の長さを変化させたときに、低次モード群と、高次モード群との伝搬角θとＥＡＦとの関係を示す測定図である。ＳＩ−ＭＭＦのコア径は２００μｍである。幹線光導波路１０の長さが５０ｍまで、低次モード群と高次モード群とが分離できることが確認された。

１．モード群幅の変化の態様
図５のシステムにおいて、伝搬するモード群幅の変化の様子を測定した。
ＳＩ−ＭＭＦはofs 社のHPCF（Hard Plastic Cladding Fiber 、型番HPCF-M0200T)を用いた。コア径は２００μｍ、NAは０．３７である。このファイバの光軸に対する最大伝搬角（最大モード群幅）θ_MAX は、sin ^-1(NA)により、２１．７°である。

送信端末であるＡ端光装置のポート＃２から入力される低次モード群信号を考える。この低次モード群信号において、ＥＡＦが７５％となる伝搬角（モード群幅）をθ_#2と定義する。この低次モード群信号はモード変換光導波路４０に入力して、幹線光導波路１０に出力される。このとき、モード変換光導波路４０を通過するとき、光散乱などで、モード群幅は拡大する。この拡大幅をΔθ_bendとする。また、低次モード群信号が幹線光導波路１０を伝搬して、Ｂ端光装置に伝搬する間に、その経路に存在する光コネクタや光導波路での散乱により、モード群幅が拡大される。それらを総合して拡大幅をΔθ_hlowとする。Ａ端光装置のポート＃２から入力された光の低次モード群幅θ_#2は、Ｂ端光装置のポート＃２から出力されるまでの間に、図９に示すように変化する。

したがって、Ｂ端光装置のモード変換光導波路４０の入力端でのモード群幅が最大モード群幅の１／２以下であれば、低次モード群と高次モード群とで、クロストークは生じない。したがって、Ａ端光装置におけるポート＃２から送信する低次モード群信号のモード群幅θ_#2は、以下の式を満たせば良い。

次に、送信端末であるＡ端光装置のポート＃３から入力される低次モード群信号を考える。この低次モード群信号において、ＥＡＦが７５％となる伝搬角（モード群幅）をθ_#3と定義する。この低次モード群信号はモード変換光導波路４０に入力して、高次モード群信号に変換されて、幹線光導波路１０に出力される。このとき、モード変換光導波路４０によるモード変換によるモード群幅の拡大幅をΔθ_tranとする。また、幹線光導波路１０をＢ端光装置に向けて伝搬する高次モード群信号のモード群幅は、Ｂ端光装置に伝搬する間に、その経路に存在する光コネクタや光導波路での散乱により拡大される。それらを総合して拡大幅をΔθ_hhigh とする。ただし、Δθ_hhigh はＥＡＦが小さい程大きくなるので、ＥＡＦが２５％をとるときの値としている。Ｂ端光装置のポート＃３から入力された低次モード群信号のモード群幅θ_#3は、Ｂ端光装置のモード変換光導波路４０の入力端に至るまでの間に、図１０に示すように変化する。

したがって、Ｂ端光装置のモード変換光導波路４０の入力端での高次モード群のモード群幅が幹線光導波路１０の最大伝搬角（最大モード群幅）θ_MAX の１／２以下であれば、低次モード群と高次モード群とで、クロストークは生じない。したがって、Ａ端光装置におけるポート＃３から送信する低次モード群信号のモード群幅θ_#3は、以下の式を満たせば良い。

（１）、（２）式は、低次モード群幅と高次モード群幅が等しく、それらの占有モード群幅が最大伝搬角（最大モード群幅）θ_MAX の１／２以下となる条件である。しかし、低次モード群と高次モード群とを分離するモード分離伝搬角はθ_MAX ／２とする必要はない。低次モード群幅と高次モード群幅の何れか一方が、θ_MAX ／２よりも小さいならば、他方のモード群幅はθ_MAX ／２より大きくても良いことになる。そこで、Ａ端光装置のポート＃２、＃３から入力される光の低次モード群幅θ_#2、θ_#3は、（１）、（２）の両辺を加算した下記の式を満たせば良いことが分かる。

図５の幹線光導波路１０の長さを１５ｍ、コアの屈折率を１．４１とし、モード変換光導波路４０の外周屈曲面４１の曲率半径は５ｍｍ、上記のモード群幅及びその拡大幅を測定したところ、θ_#2＝θ_#3＝４．２°、Δθ_bend＝１．２°、Δθ_hlow＝１．５°、Δθ_hhigh ＝１．７°、Δθ_tran＝１．５°であった。よって、（３）式の左辺は、１４．３°となる。この値は、最大伝搬角（θ_MAX ）２１．７°以下であり、幹線光導波路１０において低次モード群信号と高次モード群信号とが混信されることはない。

本発明は、モード群分割多重通信システムに用いることができる。

１…光装置
１０…幹線光導波路
１５…中心軸
２０…第１光導波路
３０…第２光導波路
３２…自己形成光導波路
３５…中心軸
４０…モード変換光導波路
４１…外周屈曲面
４２…クラッド
５０…枠体
１６，２６，３６…光コネクタ

Claims (12)

1. 幹線光導波路に対して合波又は分波を行う光装置において、
   ステップインデックス型マルチモード光導波路であって、モード群毎に伝搬する信号のチャネルが形成されるモード群分割多重伝送路を構成する幹線光導波路と、
   前記幹線光導波路に連続し、屈曲したステップインデックス型マルチモード光導波路から成るモード変換光導波路と、
   前記モード変換光導波路に連続しその屈曲方向に伸びたステップインデックス型マルチモード光導波路から成る第１光導波路と、
   ステップインデックス型マルチモード光導波路から成り前記モード変換光導波路の外周屈曲面に前記幹線光導波路の軸方向に接合した第２光導波路と、
   を有し、
   前記幹線光導波路における複数の前記モード群を高次モード群と低次モード群とに２分する時、前記モード変換光導波路は、前記低次モード群の信号は伝搬させ、前記高次モード群の信号は前記第２光導波路の側に漏洩させて、より低次のモード群の信号として前記第２光導波路に伝搬させ、逆に、前記第２光導波路を前記モード変換光導波路に向けて伝搬する低次のモード群の信号は、前記高次モード群の信号に変換して前記モード変換光導波路に結合させる光導波路である
   ことを特徴とする光装置。
2. 前記モード変換光導波路の前記外周屈曲面は、前記低次モード群は前記モード変換光導波路において導波モードを維持し、前記高次モード群は前記モード変換光導波路において漏洩モードとなるように曲げられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光装置。
3. 前記第２光導波路はその先端から伸びた自己形成光導波路により前記モード変換光導波路の前記外周屈曲面に接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光装置。
4. 前記モード変換光導波路の前記外周屈曲面から伸びた自己形成光導波路と前記第２光導波路の先端から伸びた自己形成光導波路とが接続された状態で、前記第２光導波路は前記モード変換光導波路の前記外周屈曲面に接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光装置。
5. 前記外周屈曲面に接続される前記自己形成光導波路のコアと、前記モード変換光導波路のコアとが直接接合しており、前記モード変換光導波路の前記外周屈曲面に接続される前記自己形成光導波路のコアの屈折率は、前記モード変換光導波路のコアの屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項請求項３又は請求項４に記載の光装置。
6. 前記第２光導波路と前記幹線光導波路はステップインデックス型マルチモード光ファイバであり、第１光導波路及び前記モード変換光導波路は前記幹線光導波路の一部として構成され、前記第２光導波路は前記自己形成光導波路を介して前記モード変換光導波路のクラッドに接続されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の光装置。
7. 前記外周屈曲面に接続された前記自己形成光導波路のコアの屈折率は、前記モード変換光導波路のコアの屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項３乃至請求項６の何れか１項に記載の光装置。
8. 前記第１光導波路はステップインデックス型マルチモード光ファイバであり、前記モード変換光導波路は前記第１光導波路の先端に連続し、屈曲した自己形成光導波路であることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の光装置。
9. 前記第１光導波路はステップインデックス型マルチモード光ファイバであり、前記モード変換光導波路は、前記第１光導波路の先端に連続した自己形成光導波路と前記幹線光導波路の先端に連続した自己形成光導波路との接続光導波路が屈曲した状態の自己形成光導波路であることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の光装置。
10. 請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の光装置をＡ端光装置とし、請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の光装置をＢ端光装置とし、前記Ａ端光装置の前記幹線光導波路と前記Ｂ端光装置の前記幹線光導波路とが連続して幹線光導波路を構成し、
    前記Ａ端光装置の前記第２光導波路と、前記Ｂ端光装置の前記第２光導波路とに、前記モード変換光導波路により前記高次モード群と相互変換される、より低次のモード群の信号を伝送させ、
    前記Ａ端光装置の前記第１光導波路と、前記Ｂ端光装置の前記第１光導波路とに、前記低次モード群の信号を伝送させることにより、
    前記Ａ端光装置と前記Ｂ端光装置との間でモード群分割多重通信を行うようにした通信システム。
11. ステップインデックス型マルチモード光導波路から成る幹線光導波路の一部分を屈曲させた第１屈曲部の外周屈曲面に他の第１ステップインデックス型マルチモード光導波路を接合させ、前記幹線光導波路の他の部分を屈曲させた第２屈曲部の外周屈曲面に他の第２ステップインデックス型マルチモード光導波路を接合させた光導波路を有し、
    前記第１屈曲部及び前記第２屈曲部において、前記幹線光導波路と前記第１ステップインデックス型マルチモード光導波路との間、及び、前記幹線光導波路と前記第２ステップインデックス型マルチモード光導波路との間で、前記モード群の次数を変化させて、分波又は合波することにより、前記第１屈曲部及び前記第２屈曲部間の幹線光導波路を伝搬する信号をモード群分割多重化して通信を行うことを特徴とするモード群分割多重通信システム。
12. ステップインデックス型マルチモード光導波路から成る幹線光導波路の一部分を屈曲させた屈曲部の外周屈曲面に他のステップインデックス型マルチモード光導波路を接合させて、
    前記屈曲部により、前記幹線光導波路を伝搬するモード群分割多重信号から低次モード群の信号を前記幹線光導波路方向に分波する一方、高次モード群の信号を、より低次のモード群にモード変換して前記他のステップインデックス型マルチモード光導波路の方向に分波し、
    又は、前記屈曲部により、低次モード群の信号を前記幹線光導波路方向に合波する一方、他のステップインデックス型マルチモード光導波路を伝搬するより低次のモード群の信号を高次モード群にモード変換して前記幹線光導波路に合波させたことを特徴とするモード群分割多重通信方法における合波／分波方法。