JP2019040002A

JP2019040002A - ファイバ型光モードフィルタ

Info

Publication number: JP2019040002A
Application number: JP2017160851A
Authority: JP
Inventors: 久保田　寛和; Hirokazu Kubota; 寛和久保田; 悠司三好; Yuji Miyoshi; 大橋　正治; Masaharu Ohashi; 正治大橋; 将明垂野; Masaaki Taruno
Original assignee: Osaka University NUC; Osaka Prefecture University
Current assignee: Osaka University NUC; Osaka Prefecture University
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2019-03-14

Abstract

【課題】減衰させるモードをとその減衰量を可変できる光モードフィルタを構成する
【解決手段】可動円柱によりモードフィルタの効果を切り替えることができる
【選択図】図１

Description

本発明は、光信号の測定に用い光信号の一部を減衰させる光フィルタに関し、さらに詳細には光ファイバ型の光モードフィルタであって、２ないし数個の伝送モードをもつ数モードファイバのうちいくつかの伝送モードの光電力を減衰させるファイバ型光モードフィルタに関する。

今日、通信容量の増加は衰えを知らず、単一モードファイバ(SMF)を用いた通信システムでは伝送容量の増加に対応できなくなることが予想され、SMFの伝送容量限界を打ち破るための空間多重(SDM)伝送技術が研究されており、SDM技術の一つとしてモード多重伝送(MDM)技術の研究が進んでいる。
従来の伝送技術では光ファイバは１つの伝送モードをもつように設計されたSMFを用いるがMDM伝送では複数の伝送モードを持つようにした数モードファイバ(FMF)を用い、各モードに異なった信号を伝送させる。そのため、モードの分離、モードごとのパワー調整などにモードごとに電力を調整する必要があり、そのひとつの技術が光モードフィルタである。

高次モードフィルタ WO 2014050230 A1

ITU-T G.650 単一モードファイバ T. Mizuno 他, "Mode dependent loss equaliser and impact of MDL on PDM-16QAM few-mode fibre transmission" ECOC2015, Valencia, P5.9 (2015年9月). ニューポート社カタログ http://www.newport-japan.jp/pdf/technical/1516.pdf H. Kubota 他 "Technique for measuring mode power of two-mode fiber II; Experiment," IEICE ELEX, vol. 11, no. 15, p. 20140611, 2014. ITU-T Recommendation G.652 "Characteristics of a single-mode optical fibre and cable," Sep. 2005.

[特許文献1]、[非特許文献1]などは、常時光モードフィルタを使用するために考案されたものであり、光モードフィルタの有無を切り替えるためには部品の挿抜が必要となる。繰り返し挿抜した場合、0.1 μm程度が必要とされる位置の精度の確保のためには高精度の部品を使う必要がある。また、挿抜が不要な光モードフィルタとしては[非特許文献2]など、空間光学系を用いたMDL補償器がある。これは数dBのMDLを補償可能であるが、あるモードを20 dB（1/100）以上減衰させることは難しい。また、マイクロベンディングを用いた光モードフィルタが市販されているが、ファイバの被覆を除去する必要があり[非特許文献3]、繰り返し時の信頼性に問題があった。

またマクロベンディングを用いた光モードフィルタも実験では用いられている[非特許文献4]。これは図１のように滑らかな円柱棒に光ファイバを巻きつけるだけの簡単な構造であるが、光モードフィルタの強度を変えるためには、巻きつける回数を変える、巻きつける円柱の直径を変えるなどの操作が必要であり、簡単にフィルタ効果の有無を切り替えることはできない。
そこで、本発明は、フィルタ効果の有無、強弱を可変でき、高次モードを最大20ｄＢ以上減衰させるファイバ型光モードフィルタを実現することを課題とする。

光ファイバを曲げると光ファイバ中を伝搬する光は減衰し、特に、ある直径より小さく曲げると直径の逆数に対して指数関数的に減衰する。そして、光ファイバの伝搬モードごとに大きく減衰し始める曲げ直径が異なり、高次のモードほど大きく減衰し始める曲げ直径が大きい。すなわち、屈曲の曲げ直径を適切に選択することにより、任意のモードより高次のモードを選択的に減衰させ除去する光モードフィルタとすることができる。このとき、曲げ直径を動的に変化させることができれば、部品の抜き差しなしに光モードフィルタ効果の有無を切り替えることができる。

光ファイバ、とくにガラス製の光ファイバは弾性があり、直径数ｃｍないし１０ｃｍので束取ると概略円形になる。図１（ａ）のごとくこの束の内側に2本の円柱棒を入れ図１（ｂ）のごとく円柱棒の間隔を広げると、光ファイバは円柱棒の外周にそって曲げられる。円柱棒の間隔を狭めると、光ファイバは弾性によりふたたび概略円形に復元する。復元時の曲げ直径を高次モードも大きく減衰しない直径とすることで、フィルタ効果が生じないようにすることができる。
このような直径として単一モード光ファイバの国際標準(非特許文献5)では直径60 mmで大きな曲げ損失が生じないことが規定されているため、直径60 mm以上とすることは妥当である。

このとき、概略円形とするために形状復元を補助する機構を具備しても良い。
またここで、本モードフィルタを実現するためにファイバに与える曲がりはファイバの複数箇所に加えても良い。複数箇所に曲がりを与えた場合、その効果は個別の曲がりによる効果の和となる。
本発明の円柱の代わりに半円等円柱の一部を用いても良い。ただし、ファイバには円柱の半径よりも小さな屈曲が加わらないようにする必要がある。円柱の一部にのみファイバが接触している場合、接触する合計角度の大小によってモードフィルタの効果の強弱を調整することができる。
また、複数箇所の曲がりにを与えるために直径の異なる複数の円柱を用いても良い。このときは、最も直径の小さい円柱による特性が支配的となる。直径の異なる円柱の代わりに円錐型ないし、階段状の円柱を使用しても良い。
円柱の移動は直線にかぎらず、任意の経路にそって移動させてよい。
複数の円柱を移動させても良い。

本発明のモードフィルタは可動円柱によりフィルタ効果の有無、強弱を可変できる。その結果、本発明のモードフィルタによって、装置の構成を変化させることなく、光ファイバ中の高次モードの強度を減衰させることが可能となる。

本発明の光モードフィルタの第１の実施形態ならびに原理図本発明の光モードフィルタの一実施形態本発明の光モードフィルタの一実施形態２モード光ファイバを円柱棒に巻きつけた場合の光減衰特性の例

実施形態の一つは
図1の原理図ごとく２本の円柱棒2,3を配し、その片方または両方を可動とすることで円柱棒の間隔を可変できるようにする。円柱棒の間隔を最大にし、複数の円柱棒にまたがって光ファイバ1を巻きつけ、高次モードが十分に減衰するように巻きつける回数を決める。この円柱棒はマンドレルと呼称されることもある。
その後、円柱の間隔を狭め、光ファイバ1にたるみをもたせると、光ファイバ1は自身の弾性により概略円形になる。このときの直径がファイバの伝搬モードに影響を与えない曲げ直径になるように設計する。
なお、円柱棒2,3にファイバ1の脱落を防止する鍔をつけるのは設計上の自由である。
図中の入力・出力は実際には区別がなく任意の側を入力とすることができる。
ここで用いる光ファイバ１は光モードフィルタ用に新たに準備してもよく、また、各種装置に使用中の光ファイバの一部をそのまま用いてもよい。

本明細書中で円柱棒と記載しているものは光ファイバが接触する部分が概略円形であれば他の部分の形状は問わない。

他の実施形態の一つとして図2のごとく直径の異なる複数の可動円柱棒を具備するものがある。
固定円柱棒2２の直径は可動円柱棒23〜25よりも大きい。
図では可動円柱棒23〜25のうち24が移動する例を示している。可動円柱棒24の側面にそって光ファイバ21が曲がり、光モードフィルタの効果を生じる。固定円柱棒2２の直径は可動円柱棒24よりも大きいため、固定円柱棒2２によって生じるフィルタ効果は可動円柱棒24によって生じるフィルタ効果にくらべて小さく、可動円柱棒24の効果が支配的となる。
可動円柱棒24の移動経路は、光ファイバ21に適切な曲がりを与えることができればここに示したものに限らない。また可動円柱棒23〜25の本数は例として３本を示しているが３本に限らない。また、複数の円柱棒が同じ直径を持っていても構わない。
異なる直径の円柱棒を複数もちいることで様々な光ファイバに適用が可能であり、また、複数の伝搬モードの弁別に用いることが可能となる。

他の実施形態の一つとして図3のごとく円柱棒は、階段状あるいは円錐型であってもよい。
光ファイバ31は円柱棒の上下方向に移動する、あるいは円柱棒32,33が上下に移動することで光ファイバ31を巻き付ける円柱棒の直径を変化させることができる。
円柱棒33は光ファイバ31が側面に密着するように横方向にも移動することができる。
また、これらの階段は光ファイバ31の脱落を防ぐために糸巻き状であってもよく、また、各段に鍔をつけることは設計上の自由である。
また、円柱棒に光ファイバを押し付ける際、外側から光ファイバ３１を押す機構をそなえてもよい。

円柱棒に光ファイバをｎ回巻き付けると光ファイバが曲がる角度は３６０×ｎ度である。光ファイバが曲がる角度を３６０度で割ったものを巻数ｎと定義すれば、ｎは整数でなくてもよい。
同じ直径の複数の円柱棒を用いた場合、各々の円柱棒が光ファイバに与える角度を合計する。異なる直径の円柱棒にまたがって光ファイバを巻き付けた場合、最も直径の小さい円柱棒の効果が最も強くなるため、最小直径をもつ円柱棒への巻き付け回数を考慮すれば十分である。

図4（ａ）は２モード光ファイバに概略基本モードが７５％、高次モードが２５％に設定した光を入射し、ファイバを巻き付ける円柱の直径ならびに巻き付け回数を変化させた場合の受光電力の変化を測定したグラフである。
直径１６ｍｍないし１８ｍｍの円柱を用いた場合、巻き付け回数が６回以上で入力光パワーの約７５％の値のほぼ一定の受光電力となっている。これは曲げにより高次モードが選択的に除去され、基本モードのみが残留していることをしめしている。直径１０ｍｍ、および１２ｍｍの場合は巻き付ける回数を増やすにつれて単調に受光パワーが低下している。これは基本モードにも損失が発生していることを示しており、モードを選択的に除去するモードフィルタとしてはふさわしくない。基本モードに影響を与えない直径の場合、円柱棒への巻き付け数１回あたりの高次モードは1/2ないし1/３程度に減衰する。すなわち減衰量は３ｄBないし４．７ｄBである。20ｄBの減衰量はを得るためには６回以上巻き付ける必要がある。光ファイバの長さに余裕がある場合は、さらに巻き付ける回数を増やしてもよい。

図4（ｂ）はこの図を円柱の直径に対する受光電力の変化で描きなおしたものである。
巻き付け回数が６回では円柱の直径が１６ mmから１８ｍｍでパワーの変化がほとんどなく、グラフが平たんになっている。
この範囲の直径が、モードフィルタとして適した直径となる。この２モード光ファイバを用いてモードフィルタを作成する場合、図１の実施形態では直径１６ｍｍないし１８ｍｍの円柱棒を用い、６回以上巻き付ければよいことがわかる。
使用する光ファイバ、および除去したいモードによりモードフィルタとして適した直径が異なるが、ここに示したように異なる直径で受光電力を測定することで適切な直径を選択することができる。図３の実施形態では直径を徐々に小さくしつつ受光電力を測定し、受光電力が一定となったあと再び減少を始める直前の直径を選べばよい。

光部品、光システムなどにおいて、高次モード光を除去する必要がある場合、本モードフィルタと光通信用測定器、光計測機器などを組み合わせることで測定精度の向上が期待される。

１光ファイバ
２固定円柱棒
３可動円柱棒
21 光ファイバ
22 直径の大きい円柱棒(固定）
23〜25 直径の異なる円柱棒(可動）
31 光ファイバ
32 階段状円柱棒
33 階段状可動円柱棒

Claims

数モードファイバの曲げ損失のモード依存性を利用した空間モードフィルタであって、複数の円筒状のマンドレルによってファイバに曲げを加えること
を特徴とする、ファイバ型モードフィルタ
請求項１記載のモードフィルタであて、マンドレルの位置を移動させることによりファイバに加える曲がりの半径を可変とすること
を特徴とするファイバ型モードフィルタ
請求項２記載のモードフィルタであって、マンドレルの直径が2種類以上であること
を特徴とするファイバ型モードフィルタ
請求項１ないし３記載のモードフィルタであって、円柱棒として直径が長さ方向に階段状に変化する円柱棒、あるいは円錐型の棒を用いること
を特徴とするファイバ型モードフィルタ