JP3681938B2 - ポリマファイバ光伝送システム - Google Patents

Description

【０００１】
【本発明の技術分野】
本発明は光波伝送システムの容量を増すための方法及び装置、より具体的にはポリマ光ファイバを基本とする光波システムの複雑さ及び費用を減らすための方法及び装置に係る。
【０００２】
【本発明の背景】
コンピュータを他のコンピュータ、周辺装置、ローカルエリア回路網、インターネット等に接続するための通信回線は、たえず発展してきた。これらの通信回線は典型的な場合、伝送媒体として、銅ケーブル、光ファイバ又は無線を用いる。帯域、価格及び干渉の点から、光ファイバは選択される好ましい媒体の１つとなった。接続費用が低く、丈夫であるため、マルチモードガラスファイバはシングルモードガラスファイバより、望ましかった。そのようなマルチモード光通信回路の例は、１９９５年５月１６日にハース（Ｈａａｓ）らに承認された“選択された光モードを用いた光波伝送”と題する米国特許第５，４１６，８６２号に述べられている光波伝送システムである。図１には、この特許に述べられているものと同様のマルチモード光ファイバシステムの例が示されている。マルチモード光ファイバシステムの容量を増すため、カプラ１０５を通して、シングルモードファイバ１０４がマルチモードファイバ１０７に接続されている。カプラ１０５は高次モードのみをマルチモードファイバ１０７に選択的に伝搬させるために用いられる。他の構成では、低次モードのみをマルチモードファイバ１０７に送り出すのを容易にするため、シングルモードファイバ１０４をマルチモードファイバ１０７に継ぎ合わせる。
【０００３】
更に費用を下げるため、ポリマ（プラスチック）光ファイバ（以後ＰＯＦと呼ぶ）が光通信システム中で用いるために開発されてきた。直径が大きいため、ポリマファイバはまたマルチモード伝送を促進してきた。しかし、その比較的高い伝送損失特性と約６５０ｎｍというあまり望ましくない伝送波長のため、ポリマファイバは典型的な場合、短距離用にのみ用いられてきた。最近ＰＯＦは光通信システムでも使用することが提案されている。システムの例は、１９９７年９月２２日に発表された第７回国際プラスチック光ファイバコンファレンス・プロシーディングズ（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｓｅｖｅｎｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｌａｓｔｉｃｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、２９−３０頁のエイチ・イマイ（Ｈ．Ｉｍａｉ）による“過フルオルポリマファイバの光通信への応用”と題する論文に述べられている。図１はイマイ（Ｉｍａｉ）の論文に述べられているＰＦファイバを基本とする光システムを、簡略化して示す。やはり、シングルモードファイバ１０４がＰＯＦ１０７の前面に接続され、マルチモードＰＯＦに低次モード伝送のみを選択的に行うために用いられている。
【０００４】
上述の論文は光伝送システム中でＰＯＦを使用することに関し、著しい改善がなされたことを示しているが、そのようなシステムを簡単化し、それらをより価格的に効率よくする必要性がひき続き存在する。
【０００５】
【本発明の要旨】
本発明によれば、ポリマファイバ（ＰＯＦ）は、シリカファイバとは異なり、「スイートスポット」と呼ばれる広い低分散領域を有する遅延特性を示し、その低分散領域においては、その範囲が空間的に限定されている光パルスの伝播遅延を注入位置の関数として比較的一定の値に保つことが可能である。上記のスイートスポットは、光ファイバコアの中心軸の周囲にその中心がある。送信した光パルスを上記の低分散領域に入射させることにより、直列的に接続されて形成されたシングルモードファイバの使用を伴う従来技術に係る方法を使用することなく、ＰＯＦを使用して光パルスの分散を著しく低減することが可能である。さらに、ポリマファイバを使用する光送信システムは、分散を低減し、帯域幅と長さとの積の値を増加させつつ、光源とポリマファイバとの間の整列許容度を緩和するという利点を提供する。
【０００６】
より具体的には、本発明の光伝送装置は受信した光信号を、中心領域を通してほぼ平坦な遅延特性をもつポリマファイバのコア領域のあらかじめ規定された中心領域に結合させるための光信号制限デバイスを含む。
【０００７】
本発明の方法に従うと、光信号をあらかじめ規定された直径のスポットに焦点を合わせ、光信号スポットを中心領域を通してほぼ平坦な遅延特性を示すポリマファイバのコア領域のあらかじめ決められた中心領域に結合させることにより、光信号はポリマファイバ上を伝送される。
【０００８】
【詳細な記述】
以下の説明において、各図の各項目又は枠はそれらに付随した参照数字をもち、最初の数字はその項目が最初に述べられた図をさす。（たとえば１０１は最初図１中で示されたことを意味する。）
【０００９】
図１はポリマファイバ１０７を用いる従来技術の光伝送システムのブロックダイヤグラムの例を示す。傾斜屈折率を有するポリマファイバは、１．３μｍの望ましいレーザ波長で低波長損失を示す。たとえば、ポリマファイバ１０７は本発明の図２のシステムで用いるのと同じ型、すなわち傾斜屈折率過フルオルプラスチック光ファイバでよい。
【００１０】
図１に示されるように、ファブリー・ぺローレーザダイオードのような変調光源１０１が送出制限デバイス１０２を通して、シングルモードガラス（ＳＭ）光ファイバ１０４に結合される。たとえば、ここでの議論では、光源１０１は１．３μｍファブリー・ペローレーザダイオードで、送出制限デバイス１０２はボールレンズであることを仮定する。ＳＭファイバ１０４がポリマファイバ１０７に結合又は継がれる。シングルモードファイバ１０４により低次モードをポリマファイバ１０７に選択的に送り出すことが容易になる。ポリマファイバ１０７の出力はレンズ１０８を通して、別のＳＭファイバ部分１０９に結合される。シングルモードファイバ１０９は所望の低次モードから、あらゆる望ましくない高次モードを濾波し除去する。検出器１０８はＳＭファイバ１０９から受けた低次モードを基本とする光信号を受け、復調する。レンズ１０８は半球端レンズでよく、検出器１０８はなだれフォトダイオード（ＡＰＤ）でよい。
【００１１】
動作中、源１０１からのレーザ信号はボールレンズ１０２により、ＳＭファイバ１０４のコア径１０４ａより小さいかほぼ同じあらかじめ規定された直径のスポット１０３に焦点をあわされる。ＳＭファイバ１０４及びポリマファイバ１０７は同じ外径をもつから、ＳＭファイバ１０４のコア１０４ａがポリマファイバ１０７のコア１０７ａの中心と位置合わせされるよう、それらを継ぐことが比較的容易である。典型的な場合、ＳＭファイバ１０４のコア径１０４ａは約５０μｍで、ポリマファイバ１０７のコア１０７ａは約１２０μｍないし１ｍｍである。ＳＭファイバ１０４及びポリマファイバ１０７間で約１ｄＢの著しい接続損又は結合損がありうるのは不利である。
【００１２】
ポリマファイバ１０７のようなマルチモードファイバには、“モード分散”として知られる現像がある。このモード分散は源からの入力光信号パルスがポリマファイバ１０７を励起する時生じる。これらの多モードはポリマファイバ１０７中を異なる速度で伝搬し、パルスがファイバを下流に伝搬するにつれ、分散又は広がりを起す。パルスのこの広がりにより、どれほど近接してパルスをポリマファイバ上に送れるかが制限され、従ってポリマファイバで送ることのできる最大データ速度が減少する。パルス分散は距離とともに増加するから、具体的な伝送システムが具体的な用途に適するか否かを決めるために、“帯域幅・距離”積が用いられる。
【００１３】
ＳＭファイバ１０４は光信号を小さな領域に閉じ込めるから、低次モードをポリマファイバ１０７中に送り出すのを容易にするため、それを用いてもよい。“低次”モードという用語は、光エネルギーのほとんどがファイバコアの中心領域中に局在されることを意味する。“高次”モードという用語は、光エネルギーのほとんどがファイバコアの中心領域の外側にあることを意味する。
【００１４】
図３の上部を参照すると、典型的なポリマファイバのコア領域３０４の断面が示されている。図３の下部はポリマファイバが示したコア領域３０４に渡る遅延特性３０１の典型的な変化を示す。すべての傾斜屈折率ファイバは名目上放物状の屈折率プロフィルを有するが、それらの遅延特性は典型的な場合放物状ではないことに、注意すべきである。遅延特性はプロフィルの非理想さとモード結合に依存する。図示されるように、遅延はコア３０４の中心から半径方向に外向きに動くにつれ変化する。遅延はコア領域３０４に渡って大きく変化するから、中心領域３０３中を伝搬する低次モードと中心領域３０３の外側を伝搬する高次モード間に、著しいパルス分散が生じる。図１の従来技術の構成において、シングルモードファイバ１０４により高次モードを除去することにより、（低次モードのみが残るから）伝搬パルス中の分散広がりが減少する。従って、伝搬中のモード範囲を減らすことにより、伝搬パルス中の分散が減少する。このように分散が減少することにより、システムのデータ伝送速度が増す。
【００１５】
本発明に従うと、シリカファイバと異なり、ポリマファイバは１．３μｍの光波長で動作する時、広くかつ比較的平坦な領域又は“スイートスポット”３０３をもつ遅延特性３０２を示すことを発見した。このスイートスポット（低分散領域とも呼ばれる）３０３は、ファイバコア３０４の縦軸のまわりに中心をもつ領域である。低分散領域３０３の“直径”は典型的な場合、コア３０４の直径の主要な部分（たとえば約半分）であることに気づいた。伝送される光パルスをこの領域３０３に向けることにより、低次モードの生じる分散は、ポリマファイバ特性３０１のそれより著しく減少することを確認した。その結果、受信した光パルスの広がりは最小になる。このように、この方式を用いると、高次モードを濾波して除去するために、図１のシングルモードファイバ部分１０４が必要でなくなる。図３の測定に１．３μｍ波長のレーザ信号を用いたが、ポリマファイバのスイートスポットに結合される限り、ポリマファイバの動作範囲である０．５ないし１．３μｍ内の他の波長も用いることができる。
【００１６】
図２を参照すると、本発明に従い改善されたＰＯＦファイバを基本とする光伝送システムの例のブロックダイヤグラムが示されている。図示されているように、システムはＳＭファイバ部分１０４が用いられていないことを除いて、図１のすべての要素を含む。光信号源１０１はレンズ２０２を通して、ポリマファイバ１０７のコア１０７ａのスイートスポット２０３に結合される。直径２５０μｍのコアを有するポリマファイバのスイートスポットは、１２０μｍ程度であるから、ＳＭファイバ１０４の５０μｍのコア径より、著しく大きい。従って、レンズ２０２はＰＦファイバ１０７との位置合わせと焦点合わせが緩和される。１２０μｍのスイートスポットはコア径の半分に渡るから、光信号が中心から幾分（約５０μｍ）ずれていても、伝送容量は高いままである。このように、多レンズシステムのような他の型の焦点合わせデバイス２０２を用いてもよい。たとえば受信機２１０において、埋め込みレンズを有するなだれフォトダイオード検出器（ＡＰＤ）を、図２のレンズ２０９及び検出器２１１として用いてもよい。明らかに、他の型の光検出器を受信機２１０として用いることができる。更に、ＡＰＤはスイートスポットの直径と同程度の直径をもつから、レンズ２０９を除き、スイートスポットすなわちコア３０４の中心に、直接ＡＰＤを置くことが可能である。
【００１７】
図２の光伝送システム構成を用いて、図１の構成においてプラスチックファイバを用いた従来技術より、帯域幅・距離積が著しく増加した。加えて、本発明のＰＦファイバを基本とする伝送システムはＳＭファイバ１０４のいずれの部分も必要としないため、構成は従来技術のＰＯＦを基本とする伝送システムに比べ、複雑さと費用が減少した。更に、本発明の構成を用いたポリマファイバを基本とする光伝送システムでは、光源とポリマファイバ間の位置合わせ許容度が緩和され、一方分散が減少し、帯域幅・距離積が増加した。マルチモードガラスファイバ中にもスイートスポットが存在することに気付いたが、それは寸法がはるかに小さく、そのためマルチモードガラスファイバを基本とするシステム中で、本発明の技術を実用的に用いる可能性は小さくなる。
【００１８】
ここで述べてきたのは、単に本発明の原理の応用例にすぎない。従って、光源１０１はファブリー・ペローレーザダイオードでなく、発光ダイオード（ＬＥＤ）でもよいことを理解すべきである。加えて、送出制限デバイス１０２はボールレンズ以外のものでよい。更に、ボールレンズ１０２はレーザダイオード１０１の一部としてマウント又はパッケージしてもよい。このように、本発明の精神及び視野を離れることなく、当業者には他の構成が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のマルチモードファイバを基本とする光伝送システムを示すブロックダイヤグラムの図。
【図２】本発明に従う改善されたポリマファイバを基本とする光伝送システムを示すブロックダイヤグラムの図。
【図３】ポリマファイバのコア領域中の遅延特性を示すダイヤグラムの図。
【符号の説明】
１０１ 光源、源、信号源
１０２ 送出制限デバイス、ボールレンズ
１０３ スポット
１０４ シングルモードファイバ、光ファイバ、ＳＭファイバ
１０４ａ コア径
１０５ カプラ
１０６ （本文中になし）
１０７ マルチモードファイバ、ＰＯＦ、ポリマファイバ
１０７ａ コア
１０８ レンズ、検出器
１０９ シングルモードファイバ
１１０ （本文中になし）
２０２ レンズ、デバイス
２０３ スイートスポット
２０９ レンズ
２１０ 受信機
２１１ 検出器
３０１ 遅延特性
３０２ 遅延特性
３０３ 中心領域、スイートスポット
３０４ コア領域、コア

Claims (12)

1. 光伝送装置であって、
   一定の長さのポリマファイバと、
   受信した光信号を該ポリマファイバのコアの予め規定された中心領域に結合する光信号制限デバイスとを含み、該予め規定された中心領域は、該ポリマファイバの該コアの直径の概ね半分の範囲内に存在し、該ポリマファイバの該コアの長さ方向の軸のまわりに中心を持ち、該中心領域にわたって概ね平坦な遅延特性を有する光伝送装置。
2. 請求項１に記載の装置において、ポリマファイバは過フルオルポリマファイバである装置。
3. 請求項１に記載の装置において、光信号制限デバイスはボールレンズである装置。
4. 請求項１に記載の装置において、光信号制限デバイスはポリマファイバの縦軸と位置合わせされる装置。
5. 請求項１に記載の装置において、受信光信号を発生させるための光信号源を更に含み、光信号制限デバイスは光信号源にマウントされる装置。
6. 請求項１に記載の装置において、該あらかじめ規定された中心領域の直径は、コア直径の主要な割合を占める装置。
7. 請求項１に記載の装置において、コアのあらかじめ規定された領域中で受けた光信号を選択的に検出するための受信機を更に含む装置。
8. 請求項６に記載の装置において、受信機はコアの中心領域に隣接するなだれフォトダイオードを含む装置。
9. 請求項１に記載の装置において、光信号を発生させるための光レーザ又はＬＥＤ源を更に含む装置。
10. ポリマ光ファイバを介して光信号を送信する方法であって、
    あらかじめ規定された直径上の点に光信号の焦点を合わせるステップと、
    該予め規定された直径上の光信号の焦点を該ポリマ光ファイバのコア領域の予め定められた中心領域に結合するステップとを含み、該予め定められた中心領域は、該ポリマファイバの該コアの直径の概ね半分の範囲内に存在し、該ポリマファイバの該コアの長さ方向の軸のまわりに中心を持ち、該中心領域にわたって概ね平坦な遅延特性を有する方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、該コアのあらかじめ定められた中心領域中で受信した光信号を受信位置において選択的に検知するステップを更に含む方法。
12. 請求項１０に記載の方法において、該ポリマファイバは、過フルオルポリマファイバである方法。

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