JP2594771B2 - 低損失二重モード光ファイバ補償器 - Google Patents
低損失二重モード光ファイバ補償器Info
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- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
- G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
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Description
【０００１】
【発明の分野】本発明は、光伝送システムに関し、特に
そのようなシステムで使用される分散補償器（Compensa
tor）内の損失を減少させる構成に関する。
そのようなシステムで使用される分散補償器（Compensa
tor）内の損失を減少させる構成に関する。
【０００２】
【技術背景】異なった波長の光波が光ファイバに沿って
伝播するとき、それぞれは異なった群速度で伝播する。
この材料分散、又は群速度分散といわれるものは、光フ
ァイバで伝わる情報量を制限してしまうパルス幅拡大を
生じさせる。最近、カットオフ波長に近いＬＰ11空間モ
ードで動作する二重モードファイバ（Dual-mode Fibe
r） を使用した分散補償器に関心が寄せられている。光
ファイバの高次空間モードが大きな負性の材料分散を示
すため、このような構成が、従来の単一モードファイバ
スパンの正の分散のための補償手段を提供している。例
えば、１９９３年２月９日付米国特許第５，１８５，８
２７号を参照のこと。
伝播するとき、それぞれは異なった群速度で伝播する。
この材料分散、又は群速度分散といわれるものは、光フ
ァイバで伝わる情報量を制限してしまうパルス幅拡大を
生じさせる。最近、カットオフ波長に近いＬＰ11空間モ
ードで動作する二重モードファイバ（Dual-mode Fibe
r） を使用した分散補償器に関心が寄せられている。光
ファイバの高次空間モードが大きな負性の材料分散を示
すため、このような構成が、従来の単一モードファイバ
スパンの正の分散のための補償手段を提供している。例
えば、１９９３年２月９日付米国特許第５，１８５，８
２７号を参照のこと。
【０００３】分散補償のため二重モードファイバを使う
魅力は、ＬＰ11モードのカットオフ波長近辺で動作する
ことにより大きな負性の導波路分散を達成でき、これに
より、一定の正の分散量を補償するのに必要なファイバ
量を最小にすることができることである。しかしなが
ら、カットオフに近い動作は曲がり損失に対して非常に
敏感であり、そして分散補償がどの程度実現できるかに
関して現実的な制限を与えてしまうのがこれらの欠点で
ある。
魅力は、ＬＰ11モードのカットオフ波長近辺で動作する
ことにより大きな負性の導波路分散を達成でき、これに
より、一定の正の分散量を補償するのに必要なファイバ
量を最小にすることができることである。しかしなが
ら、カットオフに近い動作は曲がり損失に対して非常に
敏感であり、そして分散補償がどの程度実現できるかに
関して現実的な制限を与えてしまうのがこれらの欠点で
ある。
【０００４】従って、本件発明は、二重モードファイバ
の分散補償器における曲がり損失を最小化することを目
的とする。
の分散補償器における曲がり損失を最小化することを目
的とする。
【０００５】
【発明の要約】本件発明は、ファイバ曲がりで誘導され
た損失がその曲がった平面に対する空間モードパターン
の方向性に強く依存するという、非対称ＬＰ11モードが
有する興味深い性質を発見したことに基づいている。特
に、最小損失は、モードヌル（mode null)が曲がった平
面にあるときに起こる。即ち、本件発明に従えば、ファ
イバ分散補償器の性能向上と大きさの縮小が実現でき
る。
た損失がその曲がった平面に対する空間モードパターン
の方向性に強く依存するという、非対称ＬＰ11モードが
有する興味深い性質を発見したことに基づいている。特
に、最小損失は、モードヌル（mode null)が曲がった平
面にあるときに起こる。即ち、本件発明に従えば、ファ
イバ分散補償器の性能向上と大きさの縮小が実現でき
る。
【０００６】以下には、ファイバが正しいモード方向性
を維持することを保証する本件発明の構成が開示され
る。
を維持することを保証する本件発明の構成が開示され
る。
【０００７】
【詳細な記述】図を参照すると、図１は本件発明が関係
する光ファイバ通信リンクを例示している。典型的に
は、リンクは光送信器１１、単一モードファイバスパン
１２及び光受信器１３を含む。完全なシステムでは、そ
の入力端でファイバに印可された短いパルスは、これに
相応じた短いパルスとして受信器が受信する。しかしな
がら、全てのファイバ、即ち単一モードファイバとマル
チモードファイバの両者は分散を有するため、パルスは
ファイバを伝播するにつれて広がってくる。広がること
によりシステムの情報量が減少するので、波長分散を低
減するさまざなの技術が提案されてきた。図１は、１次
かそれ以上のモードを導波するよう設計された補償ファ
イバ１４と、スパン１２に沿って伝播する信号のＬＰ01
空間モードを高次のＬＰ11モードへ変換するための入力
空間モード変換器、ならびに出力の単一モードファイバ
１７の基本モードへ再変換する出力モード変換器１６か
らなる分散補償技術が示されている。
する光ファイバ通信リンクを例示している。典型的に
は、リンクは光送信器１１、単一モードファイバスパン
１２及び光受信器１３を含む。完全なシステムでは、そ
の入力端でファイバに印可された短いパルスは、これに
相応じた短いパルスとして受信器が受信する。しかしな
がら、全てのファイバ、即ち単一モードファイバとマル
チモードファイバの両者は分散を有するため、パルスは
ファイバを伝播するにつれて広がってくる。広がること
によりシステムの情報量が減少するので、波長分散を低
減するさまざなの技術が提案されてきた。図１は、１次
かそれ以上のモードを導波するよう設計された補償ファ
イバ１４と、スパン１２に沿って伝播する信号のＬＰ01
空間モードを高次のＬＰ11モードへ変換するための入力
空間モード変換器、ならびに出力の単一モードファイバ
１７の基本モードへ再変換する出力モード変換器１６か
らなる分散補償技術が示されている。
【０００８】動作において、ピコ秒／ナノメータ・キロ
メータの共通単位で表現した場合、補償ファイバ１４
は、単一モードファイバ スパン１２に誘導された分散
を補償する負の分散を導入する。スパン１２で導入され
る主要な分散は、導波路成分をわずかに有する物質的な
分散である。これに対して、補償ファイバで導入される
主要な分散は導波路分散である。後者は、ファイバのカ
ットオフ波長を動作波長に近付けるファイバ設計を行う
ことにより補償ファイバで改善される。このやり方で動
作させると、波長の増大に伴って光信号がさらにクラッ
ド中に広がる。結果として、クラッドの材料はコアより
も低い屈折率を有すため、群速度は波長の増加に伴って
増加する。このように、スパン１２の物質的な分散がよ
り長い波長を減速させる傾向があるのに対し、補償ファ
イバの導波路分散はより長い波長を加速させる傾向があ
り、このことから補償効果を導入する。
メータの共通単位で表現した場合、補償ファイバ１４
は、単一モードファイバ スパン１２に誘導された分散
を補償する負の分散を導入する。スパン１２で導入され
る主要な分散は、導波路成分をわずかに有する物質的な
分散である。これに対して、補償ファイバで導入される
主要な分散は導波路分散である。後者は、ファイバのカ
ットオフ波長を動作波長に近付けるファイバ設計を行う
ことにより補償ファイバで改善される。このやり方で動
作させると、波長の増大に伴って光信号がさらにクラッ
ド中に広がる。結果として、クラッドの材料はコアより
も低い屈折率を有すため、群速度は波長の増加に伴って
増加する。このように、スパン１２の物質的な分散がよ
り長い波長を減速させる傾向があるのに対し、補償ファ
イバの導波路分散はより長い波長を加速させる傾向があ
り、このことから補償効果を導入する。
【０００９】補償ファイバが分散効果の実際的な解決で
あるためには、比較的短い長さで所望の分散が起き得る
ことが必要である。これはできるだけカットオフに接近
して動作することを意味する。加えて、ファイバを比較
的小さな半径の巻き枠に巻くことができねばならない。
しかしながら前述したように、カットオフに近接した動
作は曲がり損失に対する敏感さの多大なる増加を招く。
このことにより、巻き枠半径がどのくらい小さくできる
か、及びカットオフにどのくらい近接して動作できるか
について実際的な限界が据えられる。
あるためには、比較的短い長さで所望の分散が起き得る
ことが必要である。これはできるだけカットオフに接近
して動作することを意味する。加えて、ファイバを比較
的小さな半径の巻き枠に巻くことができねばならない。
しかしながら前述したように、カットオフに近接した動
作は曲がり損失に対する敏感さの多大なる増加を招く。
このことにより、巻き枠半径がどのくらい小さくできる
か、及びカットオフにどのくらい近接して動作できるか
について実際的な限界が据えられる。
【００１０】本件発明は、ＬＰ11モードに関して、ファ
イバの曲がりで生じた損失が、曲がり平面に対する空間
モードパターンの相対的方向性に強く依存しているとい
う発見に基づいている。この理由が図２、図３及び図４
で示されている。
イバの曲がりで生じた損失が、曲がり平面に対する空間
モードパターンの相対的方向性に強く依存しているとい
う発見に基づいている。この理由が図２、図３及び図４
で示されている。
【００１１】どのような導波路モードに関しても、モー
ドパワーが臨界半径ｄc を越えて拡大したとき、曲がり
損失が生じる。後者は、モードの曲り軌跡に起因して光
速で動くモード位相フロント（Mode phase fromt）にお
ける半径として定義される。これは、曲がったファイバ
コア２０と臨界距離ｄc を示す図２で図示されてい
る。コア外に広がった信号エネルギーがコア内の信号エ
ネルギーより高速であることは明らかである。しかしな
がら、光速以上にはなり得ないため、臨界距離を越える
信号エネルギーはファイバ外へ放射し消失する。
ドパワーが臨界半径ｄc を越えて拡大したとき、曲がり
損失が生じる。後者は、モードの曲り軌跡に起因して光
速で動くモード位相フロント（Mode phase fromt）にお
ける半径として定義される。これは、曲がったファイバ
コア２０と臨界距離ｄc を示す図２で図示されてい
る。コア外に広がった信号エネルギーがコア内の信号エ
ネルギーより高速であることは明らかである。しかしな
がら、光速以上にはなり得ないため、臨界距離を越える
信号エネルギーはファイバ外へ放射し消失する。
【００１２】ＬＰ11モードは非対称であるため、ｄc を
越えたモードパワーの量は、曲がり平面に関係したモー
ドヌル線の方向性に依存している。これについて図３と
図４で図示している。特に図３は、ＬＰ11モードヌルが
曲がり平面と直交している高損失曲がりを示している。
この場合では、ｄc を越えて広がる信号エネルギー部分
が大きい。これとは対照的に、ＬＰ11モードが曲がり平
面と平行している場合の図４では、ｄc を越えて広がる
信号エネルギーが比較的小さい。このことから、一定の
半径の巻き枠に巻いた、モードヌルが曲がり平面と平行
であり励起される補償ファイバは、モードヌルが曲がり
平面と垂直であるファイバよりもずっと低損失を示すだ
ろう。この損失の差は、例えば巻き枠半径や動作波長等
の多くの要素に依存する一方で、モードヌルの２つの方
向性の間で４０ｄｂぐらいの大きな損失値の差が実現可
能である。
越えたモードパワーの量は、曲がり平面に関係したモー
ドヌル線の方向性に依存している。これについて図３と
図４で図示している。特に図３は、ＬＰ11モードヌルが
曲がり平面と直交している高損失曲がりを示している。
この場合では、ｄc を越えて広がる信号エネルギー部分
が大きい。これとは対照的に、ＬＰ11モードが曲がり平
面と平行している場合の図４では、ｄc を越えて広がる
信号エネルギーが比較的小さい。このことから、一定の
半径の巻き枠に巻いた、モードヌルが曲がり平面と平行
であり励起される補償ファイバは、モードヌルが曲がり
平面と垂直であるファイバよりもずっと低損失を示すだ
ろう。この損失の差は、例えば巻き枠半径や動作波長等
の多くの要素に依存する一方で、モードヌルの２つの方
向性の間で４０ｄｂぐらいの大きな損失値の差が実現可
能である。
【００１３】上述から、補償ファイバにおける曲がり損
失を最小にするために、正しいモード方向性を維持する
ようこのファイバを補償ファイバ巻き枠に注意深く巻き
付ける必要があることは明らかである。図５は、二重モ
ード ファイバをそのように巻き付ける方法の例であ
る。この構成においては、送りの巻き枠５２から、ファ
イバが巻かれる際ファイバを通してＬＰ11モードの損失
を計測する巻き取りの巻き枠５３上へのファイバ５１の
方位角θを制御するために、帰還回路５０が用いられ
る。損失が、適切な検出器５５に関連したそのカットオ
フ波長に近接して動作する光源としてＬＰ11モードを用
いて計測される。ファイバ５１は、計測可能な損失を導
入するようにファイバを曲げるローラの間を通る。正弦
波の制御信号は送りの巻き枠の角度θを変化させること
により得られ、ここからファイバの方向性がでて、ファ
イバの損失が変動する。角度θは、巻き付けられたファ
イバの損失が最小になるように、フィードバック回路に
よって調整される。すなわち角度θを変化させることに
より、巻かれたファイバの曲がり平面に関係した０次モ
ードの方向性が調整され、曲がり損失を最小にする。
失を最小にするために、正しいモード方向性を維持する
ようこのファイバを補償ファイバ巻き枠に注意深く巻き
付ける必要があることは明らかである。図５は、二重モ
ード ファイバをそのように巻き付ける方法の例であ
る。この構成においては、送りの巻き枠５２から、ファ
イバが巻かれる際ファイバを通してＬＰ11モードの損失
を計測する巻き取りの巻き枠５３上へのファイバ５１の
方位角θを制御するために、帰還回路５０が用いられ
る。損失が、適切な検出器５５に関連したそのカットオ
フ波長に近接して動作する光源としてＬＰ11モードを用
いて計測される。ファイバ５１は、計測可能な損失を導
入するようにファイバを曲げるローラの間を通る。正弦
波の制御信号は送りの巻き枠の角度θを変化させること
により得られ、ここからファイバの方向性がでて、ファ
イバの損失が変動する。角度θは、巻き付けられたファ
イバの損失が最小になるように、フィードバック回路に
よって調整される。すなわち角度θを変化させることに
より、巻かれたファイバの曲がり平面に関係した０次モ
ードの方向性が調整され、曲がり損失を最小にする。
【００１４】明らかなように、拡散補償のどのような案
でも重要な要件は、より高次のモードが、他のモードと
不測のパワー結合することなく、数キロ以上のファイバ
にわたり好ましいモードでパワー伝播することである。
モード間の偶然のカップリングがあると、スプリアスモ
ードの異なった群速度が原因で生じる予測不可能なモー
ド分散が結果として生じる。そのような結合の考えられ
る原因は、局所的曲げで起きる屈折率の攪乱、あるいは
ファイバ製造工程で入り込むコアのミクロ的な幾何学的
大きさの変動をも含む。モード間でのそのような結合の
付加的結果として、パワーが出力単一モードファイバで
さらに伝送されるように主モードに再変換されるとき、
モードのコヒーレント干渉によって起こる補償ファイバ
出力のモーダルノイズ（modal noise） がある。明らか
に必要なことは、所望のモードに対しおよび曲がり平面
に関するモードパターンの好ましい方向性に対して選択
的に有利に働くファイバ構成である。これらの要件は、
図６に示すようなわずかに楕円のコア６０を有すファイ
バが合致している。
でも重要な要件は、より高次のモードが、他のモードと
不測のパワー結合することなく、数キロ以上のファイバ
にわたり好ましいモードでパワー伝播することである。
モード間の偶然のカップリングがあると、スプリアスモ
ードの異なった群速度が原因で生じる予測不可能なモー
ド分散が結果として生じる。そのような結合の考えられ
る原因は、局所的曲げで起きる屈折率の攪乱、あるいは
ファイバ製造工程で入り込むコアのミクロ的な幾何学的
大きさの変動をも含む。モード間でのそのような結合の
付加的結果として、パワーが出力単一モードファイバで
さらに伝送されるように主モードに再変換されるとき、
モードのコヒーレント干渉によって起こる補償ファイバ
出力のモーダルノイズ（modal noise） がある。明らか
に必要なことは、所望のモードに対しおよび曲がり平面
に関するモードパターンの好ましい方向性に対して選択
的に有利に働くファイバ構成である。これらの要件は、
図６に示すようなわずかに楕円のコア６０を有すファイ
バが合致している。
【００１５】楕円コアは、図７及び図８で示されている
ように、２つのＬＰ11モードパターンを支持することが
できる。しかしながら、２つのモードパターンは、コア
の楕円性により、異なったカットオフ波長を有す。特に
図８の、モードヌル線がコア８０の短軸に平行であるモ
ードパターンは高いカットオフ波長を有する。例えば、
屈折率の差が２％であり、楕円の離心率 e（ここでe=2
(a-b)/(a+b)、aとbはそれぞれコアの長径、短径であ
る）が８％であるファイバにおいては、２つのモードパ
ターンのカットオフ波長は１５００ナノメートル及び１
５７０ナノメートルであった。これら波長間で操作する
ことによって、図８のモードパターンのみが維持され
る。
ように、２つのＬＰ11モードパターンを支持することが
できる。しかしながら、２つのモードパターンは、コア
の楕円性により、異なったカットオフ波長を有す。特に
図８の、モードヌル線がコア８０の短軸に平行であるモ
ードパターンは高いカットオフ波長を有する。例えば、
屈折率の差が２％であり、楕円の離心率 e（ここでe=2
(a-b)/(a+b)、aとbはそれぞれコアの長径、短径であ
る）が８％であるファイバにおいては、２つのモードパ
ターンのカットオフ波長は１５００ナノメートル及び１
５７０ナノメートルであった。これら波長間で操作する
ことによって、図８のモードパターンのみが維持され
る。
【００１６】ファイバが巻かれているため、楕円コアに
加えて楕円クラッドも、正しいモード パターンの方向
性を維持するために都合よく採用することができる。
加えて楕円クラッドも、正しいモード パターンの方向
性を維持するために都合よく採用することができる。
【００１７】図９は、コアの長軸と短軸がクラッドの長
軸と短軸と平行である、楕円クラッド９２で囲まれた楕
円コア９１を有するファイバを示している。このファイ
バが巻かれるので、クラッドとコアの短軸が曲がり平面
に平行になるように自己整列する傾向がある。このこと
により、０次モードの線が曲がりの平面と平行になり、
これまで述べてきた所望の低損失曲げ方向性が実現でき
る。
軸と短軸と平行である、楕円クラッド９２で囲まれた楕
円コア９１を有するファイバを示している。このファイ
バが巻かれるので、クラッドとコアの短軸が曲がり平面
に平行になるように自己整列する傾向がある。このこと
により、０次モードの線が曲がりの平面と平行になり、
これまで述べてきた所望の低損失曲げ方向性が実現でき
る。
【００１８】二重モードファイバにおいてカットオフ近
辺のＬＰ11モードで曲げ損失を測定してみると、カット
オフ４０ナノメートル以内での動作が、二重モードファ
イバの分散補償器では可能であることを示している。
辺のＬＰ11モードで曲げ損失を測定してみると、カット
オフ４０ナノメートル以内での動作が、二重モードファ
イバの分散補償器では可能であることを示している。
【００１９】本件発明を分散補償器の関係状況において
記述してきたが、何らかの理由で巻く必要のある光ファ
イバのある長さおいて、曲がり損失が最小化されるとい
うどのような状況に対しても、一般的に応用可能である
ことに留意されたい。加えて、本件発明はＬＰ11モード
より高次のモードを適用しても実行できる。モードが円
対称を欠く限り、より低い曲げ損失を結果として期待で
きる、曲がり平面に関するモードパターンの好ましい方
向が一つは存在するはずである。
記述してきたが、何らかの理由で巻く必要のある光ファ
イバのある長さおいて、曲がり損失が最小化されるとい
うどのような状況に対しても、一般的に応用可能である
ことに留意されたい。加えて、本件発明はＬＰ11モード
より高次のモードを適用しても実行できる。モードが円
対称を欠く限り、より低い曲げ損失を結果として期待で
きる、曲がり平面に関するモードパターンの好ましい方
向が一つは存在するはずである。
【図１】 本件発明が関係する光ファイバ通信リンクを
示す図である。
示す図である。
【図２】 曲がったファイバと臨界距離ｄc を示す図で
ある。
ある。
【図３】 モード方向性がファイバの曲がり損失に与え
る効果を示す図である。
る効果を示す図である。
【図４】 図３と同様、モード方向性がファイバの曲が
り損失に与える効果を示す図である。
り損失に与える効果を示す図である。
【図５】 曲がり損失を最小にするために、分散補償を
するファイバを巻き取るための装置を示す図である。
するファイバを巻き取るための装置を示す図である。
【図６】 楕円コアの光ファイバを示す図である。
【図７】 楕円コアのファイバのモードパターンを示す
図である。
図である。
【図８】 図７と同様、楕円コアのファイバのモードパ
ターンを示す図である。
ターンを示す図である。
【図９】 楕円コアを有す光ファイバと最小曲がり損失
に照準をあわせた楕円クラッドを示す図である。
に照準をあわせた楕円クラッドを示す図である。
１１ 光送信器 １２ 単一モードファイバスパン １３ 光受信器 １４ 補償ファイバ １５ モード変換器 １６ モード変換器
Claims (6)
- 【請求項１】一定の長さが巻かれた光ファイバにおい
て、 該巻かれたファイバの曲がり平面に１以上のモードヌル
線を有する光信号で該ファイバを励起する手段を有する
ことを特徴とする光ファイバ。 - 【請求項２】請求項１に記載の光ファイバにおいて、該
ファイバが円形コアを有することを特徴とする光ファイ
バ。 - 【請求項３】請求項１に記載の光ファイバにおいて、該
ファイバが楕円コアを有することを特徴とする光ファイ
バ。 - 【請求項４】請求項１に記載の光ファイバにおいて、該
ファイバが楕円コア及び楕円クラッドを有し、そして該
コアの長軸と短軸がそれぞれ該クラッドの長軸と短軸に
平行であることを特徴とする光ファイバ。 - 【請求項５】請求項１に記載の光ファイバにおいて、該
ファイバがデュアルモード・ファイバであり、そして該
ファイバはＬＰ11モードで励起されることを特徴とする
光ファイバ。 - 【請求項６】請求項１に記載の光ファイバにおいて、一
定の長さが巻かれた該光ファイバが分散コンペンセータ
であることを特徴とする光ファイバ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/150,513 US5371815A (en) | 1993-11-09 | 1993-11-09 | Low-loss dual-mode optical fiber compensators |
| US150513 | 1993-11-09 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07253512A JPH07253512A (ja) | 1995-10-03 |
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