JP3830376B2 - 送信ユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送システムに関し、より特定的には、マルチモードファイバを通じて、送信ユニットから受信ユニットへと光信号を伝送するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の技術進展により、光ファイバは、広帯域・低損失を満足できるものとなってきたため、インターネットに代表されるネットワークにおいて、交換局同士を結ぶ基幹系への導入が進みつつある。今後は、交換局から各家庭を結ぶアクセス系、さらには、ホームネットワークへの適用が、光ファイバには期待されている。
【０００３】
光ファイバは、その特性に基づいて２種類に大別される。１つはシングルモードファイバ（以下、ＳＭＦ(Single Mode Fiber )と称する）である。ＳＭＦにおいて、コアおよびクラッド双方の材質はシリカ(SiO₂)である。ＳＭＦは、そのコア径が１０μｍ程度と極めて小さい。さらに、ＳＭＦでは特定のモードのみが伝播するため、広い伝送帯域を有するという特徴がある。それゆえ、ＳＭＦは、主として、基幹系における長距離伝送・大容量伝送用に開発が進められ、広く普及してきた。
【０００４】
もう１つはマルチモードファイバ（以下、ＭＭＦ(Multi Mode Fiber)と称する）である。ＭＭＦのコア径は、ＳＭＦのそれに比べて、５０μｍ〜１ｍｍと大きい。ＭＭＦは、コアまたはクラッドの材質に基づいて、幾種類かに分けられる。コアおよびクラッド双方の材質がシリカであるものは、ＧＯＦ(Glass Optical Fiber )と呼ばれる。また、コアの材質のみがシリカで、クラッドの材質がポリマーであるものは、ＰＣＦ(Polymer Clad Fiber)と呼ばれる。さらに、コアおよびクラッドすべての材質がプラスチックであるものは、ＰＯＦ(Plastic Optical Fiber )と呼ばれる。
【０００５】
以上のＭＭＦでは、光の道筋である伝播モードが複数存在する。ここで、図１２は、複数の伝播モードを示す模式図である。図１２には、コア７１およびクラッド７２とから構成されるＭＭＦ７３が示されている。光は、コア７１およびクラッド７２の境界面Ｆ_bdで反射を繰り返しながら、当該コア７１内を進んでいく。したがって、境界面Ｆ_bdに対して平行なモードほど、１回の反射から次の反射までに、ファイバ軸上で到達できる距離が長くなる。このようなモード（一点鎖線参照）を低次モードＭ_LOと称する。逆に、１回の反射から次の反射までに、ファイバ軸上で到達できる距離が短いモード（二点鎖線参照）を高次モードＭ_HIと称する。高次モードＭ_HIは、ファイバ軸に対して大きな角度を有しているので、同じ長さのＭＭＦ７３で考えた場合、低次モードＭ_LOに比べて境界面Ｆ_bdでの反射回数が多く、当該低次モードＭ_LOとの光路差が生じる。このような光路差によって、各モード毎でＭＭＦ７３の入射面から出射面に到達する時間に差異が生じる。
【０００６】
以上のように、各モードは固有の伝播速度を持つので、伝播時間の短い低次モードＭ_LOに含まれるパルス列（信号はパルス列として伝送される）と、それが長い高次モードＭ_HIに含まれるパルス列とは、同じ情報であるにも関わらず、当該情報の受信端には時間的なずれをもって到達してしまい、その結果、当該受信端は、正確に信号を受信できなくなる場合がある。このような現象はモード分散として知られており、ＳＭＦの伝送帯域に比べて、ＭＭＦのそれを大きく制限する要因となっている。
【０００７】
ところで、光ファイバの伝送帯域は、通常、光信号の伝送速度と伝送距離との積（例えば、Ｍｂｐｓ×ｋｍ）で表され、伝送速度が高いほど、伝送距離は短くなり、また、伝送距離を長くするためには、伝送速度を遅くしなければならない。モード分散の影響も、伝送速度が高いほど、または伝送距離が長いほど大きくなる。以上のことから、ＭＭＦを使った従来の光伝送システムでは、必要な伝送速度を得るためには、伝送距離を短くしなければならないという問題点があった。
【０００８】
しかしながら、ＭＭＦはＳＭＦに比べて安価であるため、単純に比較すると、当該ＭＭＦを使った光伝送システムは、ＳＭＦを使ったものと比べて、安価に構築できる。さらには、ＭＭＦのコア径はＳＭＦのそれよりも大きいため、ＭＭＦ同士の軸合わせが容易となり、ＭＭＦ同士を接続するコネクタの実装精度が緩和される。以上のことから、ＭＭＦは、低コストの光伝送システムの構築に大きく貢献できる。そのため、モード分散の影響がそれほど問題にならない距離での光伝送にはＭＭＦが好んで使用される。
【０００９】
このような利点を生かすために、ＭＭＦにおけるモード分散の影響を低減し、かつ光伝送システムの伝送帯域を向上させる技術が多数提案されている。以下には、その一例として、特開平１０−２２７９３５号公報に開示された技術を、図１３および図１４を参照して説明する。図１３は、従来の光伝送システムＳ_cvの全体構成を示すブロック図である。図１３において、光伝送システムＳ_cvは、レンズ８１を有する発光源８２と、ＭＭＦ８３と、モード分離器８４と、受信部８５とを備える。また、図１４は、図１３に示すレンズ８１およびＭＭＦ８３の光結合関係を示す模式図である。図１４に示すように、レンズ８１とＭＭＦ８３とは、結合効率が最大になるように配置される。より具体的には、レンズ８１の光軸Ａ_lz（一点鎖線参照）とＭＭＦ８３のファイバ軸Ａ_fr（二点鎖線参照）とが一直線になるように、かつ入射面（ＭＭＦ８３の一方端面）Ｆ_inと当該ファイバ軸Ａ_frとの交点が、レンズ８１の焦点Ｚ_fpに一致するように、ＭＭＦ８３は固定される。
【００１０】
以上の光伝送システムＳ_cvにおいて、レンズ８１からの光信号は、ＭＭＦ８３の入射面Ｆ_in上で焦点を結ぶので、少ない結合損失で効率的にＭＭＦ８３へと入射される。その後、光信号は、当該ＭＭＦ８３のコアを伝播するに従って、モード分散の影響を強く受ける。その結果、互いに伝播遅延量が異なる複数のモードを有する光信号がＭＭＦ８３の出射面（ＭＭＦ８３の他方端面）Ｆ_out から出射される。ＭＭＦ８３からの出射光信号は、モード分離器８４に入射し、当該モード分離器８４によって必要なモードのみが選択される。その後、受信部８５は、モード分離器８４で選択された光信号を受信する。これによって、受信部８５は、モード分散の影響が低減された光信号を受信できるので、ＭＭＦ８３の伝送帯域を向上させることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、モード分離器８４は、主として、複数のレンズおよびミラーを含む光学系で構成されるため高価である。このような光学系により、光伝送システムＳ_cvは複雑な構成になってしまう。さらに、モード分離器８４の構成要素同士の光軸合わせの精度が厳しい。そのため、従来の光伝送システムＳ_cvの構築および保守が高コストになるという問題点があった。
【００１２】
さらに、モード分離器８４におけるモード選択効率を上げることが難しいという問題もある。ここで、モード選択効率とは、１モード当たりのモード分離器８４の入出力パワーの比である。上記モード選択効率が悪いと、受信部８５への入力パワーが小さくなってしまうので、発光源８２からの光信号のパワーを上げたり、受信部８５の受光感度をあげたり、モード分離器８４の後段に光増幅器を配置したりする必要も生じ、さらなるコストアップを招く。
【００１３】
それゆえに、本発明の目的は、モード分散の影響を低減しかつ低コストの、マルチモードファイバを使用した光伝送システムを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
以上の目的は、以下の各発明により達成される。また、各発明は、以下のような技術的効果を奏する。
第１の発明は、光信号を生成して、マルチモードファイバに向けて出射する送信ユニットであって、光信号を生成する発光素子と、発光素子で生成された光信号を収束して、焦点を結ばせる少なくとも１つのレンズとを含む。レンズにより収束された光信号は、マルチモードファイバの入射面に入射される。また、レンズの光軸は、マルチモードファイバのファイバ軸と同軸上に整列し、レンズは、レンズの頂点からレンズの焦点までの距離とは異なる所定距離だけ、レンズの頂点がマルチモードファイバの入射面から離れるように配置される。更に、レンズの頂点から所定距離だけ離れた位置で光軸と直交する平面による光信号の断面を、入射光伝搬面と規定すると、レンズの焦点と入射面との距離は、入射光伝搬面の面積が、入射面におけるマルチモードファイバのコアの面積より大きくなるように設定される。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明の構成において、マルチモードファイバが接続され、前記入射面を前記焦点以外の位置に固定するレセプタクルを更に備える。
【００１６】
第３の発明は、第１の発明の構成において、所定距離は、光信号の出力パワーとアイ開口率とに基づき、設計要件として決定されることを特徴とする。
【００１７】
第１〜第３の発明によれば、マルチモードファイバの入射面は焦点以外の位置に配置されるので、出射面からの光信号におけるモード分散の影響は低減される。これによって、マルチモードファイバの伝送帯域を向上させることができる。さらに、従来のようにモード分離器を付加する必要が無くなるので、低コストの光伝送システムを実現することが可能となる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光伝送システムＳ_a の全体構成を示すブロック図である。また、図２は、図１の光伝送システムＳ_a における光結合を示す模式図である。以上の光伝送システムＳ_a は、送信ユニット１１と、マルチモードファイバ（以下、ＭＭＦと称す）１２と、受信ユニット１３とを備えている。
【００２９】
図１に示すように、送信ユニット１１は、発光素子１１１と、少なくとも１つのレンズ１１２と、レセプタクル１１３とを含んでいる。発光素子１１１は、典型的には、半導体レーザまたは発光ダイオードからなり、入力電気信号ＥＳ_inにより駆動され、それによって、光信号ＯＳ_inを出射する。また、レンズ１１２は、発光素子１１１と光軸合わせされた状態で配置され、当該発光素子１１１の出射光信号ＯＳ_inを通過させる。ここで、本実施形態において、レンズ１１２の頂点Ｚ₀ は、図２に示すように、当該レンズ１１２の光軸Ａ_lzおよび表面Ｆ_lzの２交点の内、発光素子１１１から遠い方を意味する。また、焦点Ｚ_fpは、光軸Ａ_lz上において、レンズ１１２の通過光信号ＯＳ_inが焦点を結ぶ位置を意味する。なお、図１に示すレセプタクル１１３については後述する。
【００３０】
また、図１において、ＭＭＦ１２は、グレーディッドインデックス型のガラスファイバ、ポリマークラッドファイバまたはプラスチック光ファイバである。また、図２に示すように、ＭＭＦ１２は、コア１２１およびクラッド１２２から構成されており、その一方端の外周にはコネクタプラグ１２３が取り付けられている。コネクタプラグ１２３は、送信ユニット１１のレセプタクル１１３に填り込む。その結果、図２に示すように、ＭＭＦ１２のファイバ軸Ａ_frと、レンズ１１２の光軸Ａ_lzとが光軸合わせされ、同時に、コア１２１の一方側の端面（以下、入射面と称す）Ｆ_inは、レンズ１１２の頂点Ｚ₀ に対して、ファイバ軸Ａ_frに沿って予め定められた距離Ｚ₁ だけ離れて位置する。距離Ｚ₁ は、頂点Ｚ₀ から焦点Ｚ_fpまでの値以外に設定され、より好ましくは、焦点Ｚ_fpまでの値よりも大きい値に設定される。
【００３１】
また、図２に示すように、コア１２１の他方端の外周にはコネクタプラグ１２４が取り付けられる。以上のようなＭＭＦ１２において、レンズ１１２の通過光信号ＯＳ_inは、入射面Ｆ_inに入射される。詳細は後述するが、入射光信号ＯＳ_inは、入射面Ｆ_inが頂点Ｚ₀ から距離Ｚ₁ だけ離されることで、モード分散の影響を実質的に受けることなく、コア１２１を伝播し、その他方側の端面（以下、出射面と称する）Ｆ_out から光信号ＯＳ_out1として出射される。
【００３２】
また、図１において、受信ユニット１３は、レセプタクル１３１と受光素子１３２とを含んでいる。レセプタクル１３１には、ＭＭＦ１２に取り付けられたコネクタプラグ１２４が填り込む。これによって、受信ユニット１３とＭＭＦ１２とが接続される。受光素子１３２は、好ましくは、Ｓｉ ＰＩＮ フォトダイオード（以下、Ｓｉ ＰＩＮ ＰＤと称す）からなり、ＭＭＦ１２の出射光信号ＯＳ_out1を受光する面（以下、受光面と称す）Ｆ_PD1 を有する。受光面Ｆ_PD1 は、出射面Ｆ_out と実質的に同じ面積を有する。なお、受光面Ｆ_PD1 は、出射面Ｆ_out よりも大きな面積を有していてもよい。さらに、受光面Ｆ_PD1 は、受信ユニット１３およびＭＭＦ１２の接続の結果、ＭＭＦ４２の出射面Ｆ_out と平行に向かい合う。以上の受光素子１３２は、受光面Ｆ_PD1 の受光光信号ＯＳ_out1を、前述の電気信号ＥＳ_inと同じ情報を表す電気信号ＥＳ_out1に変換する。
【００３３】
なお、受光素子１３２としてＳｉ ＰＩＮ ＰＤが好しいのは、当該Ｓｉ ＰＩＮ ＰＤは一般的に大きな受光面Ｆ_PD1 を有するからである。しかし、受光面Ｆ_PD1 の大きさは本実施形態の本質に関係ないので、受光素子１３２は、Ｓｉ ＰＩＮ ＰＤ以外の種類のフォトダイオードから構成されてもよい。
【００３４】
次に、本実施形態の特徴である距離Ｚ₁ について説明する。本出願人は、距離Ｚ₁ を決めるために、上述の光伝送システムＳ_a を使って、以下のような実験を行った。本実験の環境は下記の通りである。発光素子１１１は、３０ｍＡの直流電流注入時に１．８ｍＷの光を発する。ＭＭＦ１２として、短距離伝送および長距離伝送の実験を行えるように、互いに長さが異なる２本のＰＣＦ(Polymer Clad Fiber)が準備される。より具体的には、短距離伝送用のＭＭＦ１２の長さＬ_frは２ｍであり、長距離伝送用のＭＭＦ１２の長さＬ_frは１００ｍである。また、各ＭＭＦ１２のコア１２１はシリカ(SiO₂)からなり、当該コア１２１の直径（以下、コア径と称する）φ_cr（図２参照）は２００μｍである。また、クラッド１２２はメタクリル樹脂(PMMA)に代表されるポリマーからなり、その直径は２３０μｍである。
【００３５】
次に、本実験の測定対象となるアイ開口率Ｒおよび出力パワーＰを説明する。ここで、図３は、ＭＭＦ１２の出射光信号ＯＳ_out1のアイパターンを示す模式図である。アイ開口率Ｒは、図３に示すようなアイパターンにおける振幅の最小値Ｖ_pp1 と最大値Ｖ_pp2 との比であり、Ｖ_pp1 ／Ｖ_pp2 で表される。以上のアイ開口率Ｒから、光伝送システムＳ_a における伝送帯域を調べることができる。また、出力パワーＰは、ＭＭＦ１２の出射光信号ＯＳ_out1の光パワーである。
【００３６】
以上の実験環境で、本出願人は、入射面Ｆ_inの位置Ｚ₁ に対するアイ開口率Ｒおよび出力パワーＰの特性を、パワーメータ等の測定機器を用いて測定した。その結果、本出願人は、図４のような測定結果を得た。図４において、横軸Ｚ₁ は、上述の光軸Ａ_lzに等しく、レンズ１１２の頂点Ｚ₀ の位置をＺ₁ ＝０として、そこから入射面Ｆ_inまでの距離を表している。すなわち、図４は、ＭＭＦ１２の入射面Ｆ_inを頂点Ｚ₀ から光軸Ａ_lz（Ｚ₁ 軸）に沿って離していったときの、アイ開口率Ｒおよび出力パワーＰを示している。
【００３７】
より具体的には、図４には、ＭＭＦ１２の長さＬ_frが２ｍの時（つまり、短距離光伝送時）における光信号ＯＳ_out1のアイ開口率Ｒ（以下、アイ開口率Ｒ_sdと称す）および出力パワーＰ（以下、出力パワーＰ_sdと称す）が、●および○を使って示されている。さらに、図４には、長さＬ_frが１００ｍの時（つまり、長距離伝送時）における、アイ開口率Ｒ（以下、アイ開口率Ｒ_ldと称す）および出力パワーＰ（以下、出力パワーＰ_ldと称す）が、▲および△を使って示されている。
【００３８】
以上の出力パワーＰ_sdおよびＰ_ldの双方の最大値は、Ｚ₁ が１．０ｍｍから１．５ｍｍまでの範囲内で観測されることから、この範囲内で、レンズ１１２の通過光信号ＯＳ_inが焦点Ｚ_fpを結ぶことが分かる。この意味で、Ｚ₁ が１．０ｍｍから１．５ｍｍまでの範囲を焦点範囲Ｄ_fp（図４中のドットのハッチング領域を参照）と称する。しかしながら、焦点範囲Ｄ_fpにおいて、アイ開口率Ｒ_ldは著しく劣化している。このようなアイ開口率Ｒ_ldが劣化した光信号ＯＳ_out1のアイパターン（図３参照）を観測すると、振幅の最小値Ｖ_pp1 および最大値Ｖ_pp2 が大きく異なる。以上のことから、ＭＭＦ１２の入射面Ｆ_inが焦点範囲Ｄ_fpに設定された場合、光信号ＯＳ_inを長距離伝送（１００ｍ伝送）することは困難であることが分かる。
【００３９】
一方、図４において、アイ開口率Ｒ_sdは、アイ開口率Ｒ_ldと異なり、Ｚ₁ の値に関わらず、ほぼ一定である。このようなアイ開口率Ｒの相違は、Ｚ₁ の値に応じてモード分散の影響に違いがあり、当該光信号ＯＳ_inの伝送距離が長くなる程モード分散の影響が顕著に現れるということを示している。
【００４０】
ここで、再度、図１４を参照する。従来の光伝送システムＳ_cvでは、ＭＭＦ８３への結合効率が最大になるように（つまり、光信号が結合損失なく効率的にＭＭＦ８３と入射するように）、焦点Ｚ_fpにＭＭＦ８３の入射面Ｆ_inが配置されていた。しかしながら、図４の各特性曲線からは、入射面Ｆ_inが焦点Ｚ_fpに配置された時、ＭＭＦ１２が長くなるほど、光信号ＯＳ_inは、より大きくモード分散の影響を受けることが明らかになった。つまり、モード分散の影響で、従来の光伝送システムＳ_cvでは伝送帯域が制限されていたことが分かる。
【００４１】
以上のことは、理論的に以下のように説明することができる。まず、以下の説明で必要となる３つのパラメータ、上述の送信ユニット１１の開口数（以下、ＮＡ_s と称す）、ＭＭＦ１２の開口数（以下、ＮＡ_f と称す）およびＭＭＦ１２への入射開口数（以下、ＮＡ_inと称す）について説明する。
【００４２】
ここで、図５は、図１に示す送信ユニット１１のＮＡ_s を説明するための模式図である。図５に示すように、位置Ｚ_fpで焦点を結んだ光信号ＯＳ_inは、光軸Ａ_lzに対してある角度αで広がりながら当該光軸Ａ_lz上を伝播していく。ＮＡ_s は、このような広がりの度合いであり、次式（１）で表される。
【００４３】
【数１】

【００４４】
焦点を結んだ光信号ＯＳ_inが広がれば広がるほど、以上のＮＡ_s は大きくなり、ＮＡ_s は、０＜ＮＡ_s ≦１の値をとる。
【００４５】
また、ＭＭＦ１２への入射光において出射面Ｆ_out まで伝播するのは、ある範囲内の角度（以下、ＭＭＦ１２の伝播角度と称する）を有する成分だけである。このようなＭＭＦ１２への伝播角度の内、最大のものをβ_max とすると、ＮＡ_f は、次式（２）で表される。
【００４６】
【数２】

【００４７】
通常、以上のＮＡ_f は、コア１２１およびクラッド１２２の屈折率によって決まり、さらに言えば、上述のＮＡ_s には依存しないパラメータである。もし、ＮＡ_f より大きな開口数の光が入射面Ｆ_inに入射したとしても、上述のＭＭＦ１２の伝播角度の範囲外の成分は、ＭＭＦ１２の外に透過する。また、上述のように、入射光信号ＯＳ_inがＮＡ_f よりも小さな開口数を有する場合、入射面Ｆ_inに入射した全ての光成分がコア１２１内を伝播する。しかも、この場合、入射光信号ＯＳ_inがＮＡ_f よりも小さな開口数を有するので、入射光信号ＯＳ_inにおける高次モードが少なくなり、モード分散が抑制される利点も得られる。
【００４８】
また、光伝送システムＳ_a では、入射面Ｆ_inの位置Ｚ₁ が決まれば、ＮＡ_s の光信号ＯＳ_inの内、ある範囲内の角度（以下、本実施形態において、ＭＭＦ１２への到達角度と称する）を有するものしか当該入射面Ｆ_inに到達できない。つまり、上述の到達角度の範囲外の光成分は、入射面Ｆ_inから外れるため、コア１２１を伝播されない。さらに、ＭＭＦ１２のＮＡ_f により、たとえ入射面Ｆ_inに入射しても、入射光信号ＯＳ_inは出射面Ｆ_out まで伝播されるとは限らない。ここで、入射面Ｆ_inへの入射光信号ＯＳ_inの内、ＭＭＦ１２により出射面Ｆ_out まで伝播する成分の最大入射角度をβ_thとする場合、上述のＮＡ_inは、次式（３）で表される。
【００４９】
【数３】

【００５０】
一般的に、上式（３）で表されるＮＡ_inが小さいほど、モード分散が抑制される。
【００５１】
ここで、図６は、上述のＮＡ_inを詳細に説明するために必要な入射光伝播面Ｆ_ipr を説明するための図である。以下の説明では、図６において斜線のハッチングで表される入射面Ｆ_inの面積をＳ_f とする。また、入射面Ｆ_inつまりコア径を、図２に示したのと同様、φ_crとする。さらに、図６においてドットのハッチングで表される入射光伝播面Ｆ_ipr の面積をＳ（Ｚ₁ ）とする。ここで、入射光伝播面Ｆ_ipr を幾何学的に定義する。まず、レンズ１１２（図示せず）の通過光信号ＯＳ_inは、焦点Ｚ_fpまでは集束し、その後、円錐状に広がる。また、頂点Ｚ₀ から距離Ｚ₁ だけ離れた位置に、光軸Ａ_lzに対する垂直面を仮想的に作る。入射光伝播面Ｆ_ipr は、以上のような通過光信号ＯＳ_inを仮想垂直面で切った時の切断面を意味する。また、図６から明らかなように、入射面Ｆ_inの位置Ｚ₁ を変更することで、面積Ｓ_f と面積Ｓ（Ｚ₁ ）との比が変化し、さらには、ＮＡ_inを調整することができる。すなわち、ＮＡ_inは、Ｚ₁ の関数となるので、ＮＡ_in（Ｚ₁ ）と表すことができる。つまり、入射面Ｆ_inの位置Ｚ₁ を変更することで、光信号ＯＳ_inの伝送可能な距離や速度に影響を与えるモード分散を抑制することができるのである。
【００５２】
まず、ＮＡ_s がＮＡ_f 以下である場合について考える。この場合には、レンズ１１２の通過光信号ＯＳ_inの内、コア１２１に入射した成分は全て、出射面Ｆ_out まで伝播される。さらに、Ｓ（Ｚ₁ ）がＳ_f 以上である場合には、ＮＡ_in（Ｚ₁ ）は、Ｚ₁ が大きくなるにつれて小さくなり、次式（４）で表される。
【００５３】
【数４】

【００５４】
一方、Ｓ（Ｚ₁ ）がＳ_f よりも小さい場合には、通過光信号ＯＳ_inは全て、入射面Ｆ_inに入射し、さらに出射面Ｆ_out まで伝播する。この場合、ＮＡ_inは、次式（５）で表される。
【００５５】
【数５】

【００５６】
次に、ＮＡ_s がＮＡ_f よりも大きい場合について考える。この場合には、仮に、通過光信号ＯＳ_inが入射面Ｆ_inに全て入射したとしても、ＮＡ_f を超える成分（モード）はコア１２１を伝播しない。そのため、ＮＡ_in（Ｚ₁ ）＝ＮＡ_f で固定される。しかし、Ｚ₁ が大きくなり、ＮＡ_in（Ｚ₁ ）＜ＮＡ_f が満たされると、ＮＡ_in（Ｚ₁ ）はＺ₁ の増加につれて小さくなり、次式（６）で表される。
【００５７】
【数６】

【００５８】
以上のように、位置Ｚ₁ を調整することで、ＮＡ_in（ＮＡ_in（Ｚ₁ ））を小さくすることが可能となる。これによって、光信号ＯＳ_inを長距離伝送する場合に問題となるモード分散の影響を抑制することができる。
【００５９】
実際の光伝送システムＳ_a において、以上の位置Ｚ₁ を決定するには、設計要件であるＭＭＦ１２からの出力パワーＰおよびアイ開口率Ｒの双方を考慮する必要がある。なぜなら、Ｚ₁ の値を大きくしてモード分散の影響を抑制すればするほど、送信ユニット１１およびＭＭＦ１２の間の結合損失が大きくなり、要求される出力パワーＰを得ることが難しくなるからである。
【００６０】
例えば、図１に示す光伝送システムＳ_a において、ＭＭＦ１２の長さＬ_frが１００ｍ、出力パワーＰが０．１ｍＷ以上、アイ開口率Ｒが５０％以上という３つの設計要件が定められていると仮定する。この仮定下では、図４のアイ開口率Ｒ_ldの特性（▲を参照）および出力パワーＰ_ldの特性（△を参照）から、Ｚ₁ の値は、好ましくは、２．０ｍｍから２．５ｍｍであれば良いことが分かる（図４中の斜線のハッチング領域を参照）。なお、単にモード分散の影響を低減するのであれば、Ｚ₁ の値は、少なくとも２．０ｍｍ以上であれば良い。以上のように、本光伝送システムＳ_a によれば、位置Ｚ₁ の調整により、ＭＭＦ１２におけるモード分散の影響を低減でき、それによって、ＭＭＦ１２の伝送帯域を広げることができる。以上のことから、光伝送システムＳ_a には従来のようなモード分離器８４（図１３参照）が必要なくなる。これによって、低コストの光伝送システムＳ_a を提供することが可能となる。
【００６１】
なお、Ｚ₁ の値は、常に上述の２．０ｍｍ以上に限られるわけではなく、上述のＭＭＦ１２の長さＬ_fr、出力パワーＰおよびアイ開口率Ｒに代表される設計要件に応じて変わりうる点には注意を要する。一般的に、伝送距離（長さＬ_fr）が長くなるほど、モード分散の影響は顕著になる。したがって、逆に、伝送距離が短くなると、Ｚ₁ の値は小さくなる。
【００６２】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る光伝送システムＳ_b の全体構成を示すブロック図である。図８は、図７の光伝送システムＳ_b における光結合を示す模式図である。以上の光伝送システムＳ_b は、光伝送システムＳ_a と比較すると、送信ユニット１１および受信ユニット１３が、送信ユニット２１および受信ユニット２２に代わる点で相違する。それ以外に両光伝送システムＳ_b およびＳ_a の間に相違点は無い。それゆえ、光伝送システムＳ_b において、光伝送システムＳ_a の構成に相当するものには、同じ参照符号を付けて、それらの説明を省略する。
【００６３】
図７において、送信ユニット２１は、図１の送信ユニット１１と比較すると、レセプタクル１１３がレセプタクル２１１に代わる点で相違する。それ以外に両送信ユニット２１および１１の間に相違点は無い。それゆえ、送信ユニット２１において、送信ユニット１１の構成に相当するものには、同じ参照符号を付けてその説明を省略する。レセプタクル２１１には、ＭＭＦ１２の入射面Ｆ_in側に取り付けられているコネクタプラグ１２３が填り込む。その結果、図８に示すように、ＭＭＦ１２のファイバ軸Ａ_frと、レンズ１１２の光軸Ａ_lzとが光軸合わせされ、同時に、入射面Ｆ_inの位置は、レンズ１１２とＭＭＦ１２との結合効率が最大になるように、実質的に焦点Ｚ_fpに合わされる。この点で、送信ユニット２１は、図１の送信ユニット１１と顕著に相違する。そのため、入射面Ｆ_inへの入射光信号ＯＳ_inは、モード分散の影響を受けながら、コア１２１内を伝播し、その出射面Ｆ_out から光信号ＯＳ_out2として出射される。
【００６４】
また、図７において、受信ユニット２２は、レセプタクル２２１と受光素子２２２とを含んでいる。レセプタクル２２１には、ＭＭＦ１２に取り付けられたコネクタプラグ１２４が填り込む。受光素子２２２は、好ましくは、Ｓｉ ＰＩＮＰＤからなり、ＭＭＦ１２の出射光信号ＯＳ_out2を受光する面（以下、受光面と称す）Ｆ_PD2 を有する。本実施形態では、説明の便宜上、受光面Ｆ_PD2 は、円形と仮定する。以上の受光面Ｆ_PD2 は、図８に示すように、受信ユニット２２およびＭＭＦ１２の接続の結果、ＭＭＦ１２の出射面Ｆ_out と距離Ｚ₂ だけ離れた状態で平行に向かい合う。さらに、受光面Ｆ_PD2 の中心軸Ａ_PDはファイバ軸Ａ_frと軸合わせされる。以上の受光素子２２２は、図７に示すように、受光面Ｆ_PD2 の受光光信号ＯＳ_out2を、電気信号ＥＳ_inと同じ情報を表す電気信号ＥＳ_out2に変換する。
【００６５】
上述のように、本実施形態では、入射面Ｆ_inが焦点Ｚ_fpに位置合わせされるので、入射光信号ＯＳ_inは、第１の実施形態のそれよりも、大きなモード分散の影響を受ける。したがって、入射面Ｆ_inに同時に入射される光信号ＯＳ_inの各モードは、互いに異なる時間に出射面Ｆ_out に到着する。そのため、出射光信号ＯＳ_out2のアイ開口は塞がっている。このような出射光信号ＯＳ_out2の全モードが受光面Ｆ_PD2 に到達した場合、受信ユニット２２は、電気信号ＥＳ_inが表す情報を正しく受信できない。
【００６６】
ここで、図９は、図８に示す光信号ＯＳ_out2に含まれる高次モードＭ_HIの高次出射角度γ_HIと低次モードＭ_LOの低次出射角度γ_LOとを示す模式図である。図９に示すように、高次モードＭ_HIおよび低次モードＭ_LOは、ファイバ軸Ａ_frに対して互いに異なる高次出射角度γ_HIおよび低次出射角度γ_LOで出射される。ここで、低次出射角度γ_LOの方が、高次出射角度γ_HIよりも小さい。したがって、Ｚ₂ の値が大きくなるほど、高次モードＭ_HIは、ファイバ軸Ａ_frから離れていく。以上のことから、Ｚ₂ の値を調整することで、高次モードＭ_HIが受光面Ｆ_PDから外れるので、受光素子２２２は、低次モードＭ_LOのみを限定的に受光することができるようになる。
【００６７】
以上のような限定受光は、以下のように説明することができる。まず、以下の説明で必要となるパラメータ、ＭＭＦ１２の出射開口数（以下、ＮＡ_out と称す）、および受光面Ｆ_PD2の受光開口数（以下、ＮＡ_PDと称す）について説明する。
【００６８】
上述から明らかなように、ＭＭＦ１２の出射面Ｆ_out からは、様々な出射角度を有するモードが出射される。このような出射角度の内、最大のものをγ_max とする場合、ＮＡ_out は、次式（７）で表される。
【００６９】
【数７】

【００７０】
なお、本実施形態では、入射面Ｆ_inが焦点Ｚ_fpに位置合わせされるので、以上のＮＡ_out は、前式（４）〜（６）から求められるＮＡ_in（Ｚ_fp）と実質的に同じ値である。
【００７１】
また、光伝送システムＳ_b では、距離Ｚ₂ が決まれば、ＮＡ_out を有する出射光信号ＯＳ_out2 において、ある範囲内の角度（以下、本実施形態において受光面Ｆ_PD2 への到達角度と称する）を有するモードしか、受光面Ｆ_PD2 に到達しない。ここで、出射面Ｆ_out からの出射光信号ＯＳ_out2の内、受光面Ｆ_PD2 に到達する各モードが有する出射角度の内、最大のものをγ_thとする場合、ＮＡ_PDは、次式（８）で表される。
【００７２】
【数８】

【００７３】
ここで、図１０は、上述のＮＡ_PDを詳細に説明するために必要な出射光伝播面Ｆ_opr を説明するための図である。以下の説明では、図１０において格子状のハッチングで表される出射面Ｆ_out の面積をＳ_f とする。また、出射面Ｆ_out つまりコア径をφ_crとする。さらに、図１０において斜線のハッチングで表される受光面Ｆ_PD2 の面積をＳ_PDとする。また、本実施形態では、受光面Ｆ_PD2 は円形であると仮定する。この仮定下において、受光面Ｆ_PD2 の直径をφ_PDとする。さらに、図１０においてドットのハッチングで表される出射光伝播面Ｆ_opr の面積をＳ（Ｚ₂ ）とする。ここで、出射光伝播面Ｆ_opr を幾何学的に定義する。まず、ＭＭＦ１２の出射光信号ＯＳ_out2は、放射状に広がる。また、出射面Ｆ_out から距離Ｚ₂ だけ離れた位置に、ファイバ軸Ａ_frに対する垂直面を仮想的に作る。出射光伝播面Ｆ_opr は、以上のような出射光信号ＯＳ_out2を仮想垂直面で切った時の切断面を意味する。また、出射面Ｆ_out の距離Ｚ₂ を変更することで、最大出射角度γ_thが変化し、さらには、ＮＡ_PDを調整することができる。すなわち、ＮＡ_PDは、Ｚ₂ の関数としてＮＡ_PD（Ｚ₂ ）と表すことができる。つまり、出射面Ｆ_out を原点とした受光面Ｆ_PDの距離Ｚ₂ を変更することで、受光素子２２２は、出射光信号ＯＳ_out2のアイ開口が塞がる原因となる高次モードＭ_HIを避けて、低次モードＭ_LO（図９参照）のみを限定受光することができる。これによって、受光素子２２２は、電気信号ＥＳ_inと同じ情報を表す電気信号ＥＳ_out2を生成することができるようになる。
【００７４】
上述のＮＡ_PD（Ｚ₂ ）をさらに詳しく説明する。まず、Ｓ（Ｚ₂ ）がＳ_PD以上の場合について考える。この場合、ＮＡ_PD（Ｚ₂ ）は、Ｚ₂ の値が大きくなるにつれて小さくなり、次式（９）で表される。
【００７５】
【数９】

【００７６】
ＭＭＦ１２からの出射光信号ＯＳ_out2の内、出射角度が小さくなるほど、モードの次数が低くなるので、ファイバ軸Ａ_fr上で、受光面Ｆ_PD2 を出射面Ｆ_out から距離Ｚ₂ だけ離すことにより、受光素子２２２は、高次モードＭ_HIを避けて、低次モードＭ_LOのみを限定受光できることが分かる。以上のことから、本実施形態によれば、図１３に示すようなモード分離器８４が必要とすることなく、位置Ｚ₂ の調整だけで、ＭＭＦ１２におけるモード分散の影響を低減でき、さらに、ＭＭＦ１２の伝送帯域を広げることができる。これによって、低コストで高伝送帯域の光伝送システムＳ_b を提供することが可能となる。
【００７７】
一方、Ｓ（Ｚ₂ ）がＳ_PDよりも小さな場合、受光面Ｆ_DP2 には、ＭＭＦ１２の出射光信号ＯＳ_out2に含まれる全てのモードが到達する。つまり、ＮＡ_PD（Ｚ₂ ）は、ＮＡ_out と同じ値になり、次式（１０）で表される。
【００７８】
【数１０】

【００７９】
ここで、Ｓ（Ｚ₂ ）がＳ_PDよりも小さいということは、φ_crがφ_PDよりも小さく、かつ受光面Ｆ_PD2 が出射面Ｆ_out に近接していることを意味する。さらに、この場合には、受光素子２２２は低次モードＭ_LOのみを限定受光することができない。以上のことからも、受光面Ｆ_PD2 を出射面Ｆ_out から離すことの必要性が分かる。
【００８０】
実際の光伝送システムＳ_b において、以上の距離Ｚ₂ を決定するには、設計要件である受光面Ｆ_PD2 への入力パワーと、当該受光面Ｆ_PD2 の受光光信号Ｆ_out のアイ開口率の双方を考慮する必要がある。なぜなら、Ｚ₂ の値を大きくしてモード分散の影響を抑制すればするほど、ＭＭＦ１２および受信ユニット２２の間の結合損失が大きくなり、要求される入力パワーを得ることが難しくなるからである。さらに、距離Ｚ₂ を決定するには、光伝送システムＳ_b の設計要件であるＭＭＦ１２の長さＬ_fr、および光信号ＯＳ_inの伝送速度も考慮する必要がある。つまり、モード分散の影響は、長さＬ_frおよび伝送速度が大きくなる程、顕著になるので、Ｚ₂ の値は大きくする必要がある。
【００８１】
（第３の実施形態）
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る光伝送システムＳ_c の全体構成を示すブロック図である。 簡単に説明すると、図１１の光伝送システムＳ_c は、第１および第２の実施形態の特徴的な部分を組み合わせであり、送信ユニット１１、ＭＭＦ１２および受信ユニット２２とを備えている。そのため、図１１において、図１または図７の構成に相当するものには、同じ参照符号を付けて、その説明を簡素化する。
【００８２】
図１１において、コネクタプラグ１２３は、送信ユニット１１のレセプタクル１１３に填り込む。その結果、図２を参照して説明したように、ＭＭＦ１２のファイバ軸Ａ_frと、レンズ１１２の光軸Ａ_lzとが光軸合わせされ、同時に、コア１２１の入射面Ｆ_inは、レンズ１１２の頂点Ｚ₀ に対して、予め定められた距離Ｚ₁ だけ離れて位置する。距離Ｚ₁ は、頂点Ｚ₀ から焦点Ｚ_fpまでの値以外に設定され、より好ましくは、焦点Ｚ_fpまでの値よりも大きい値に設定される。
【００８３】
また、ＭＭＦ１２に取り付けられたコネクタプラグ１２４はレセプタクル２２１に填り込む。その結果、図８を参照して説明したように、受光面Ｆ_PD2 は、ＭＭＦ１２の出射面Ｆ_out と距離Ｚ₂ だけ離れて対向する。さらに、受光面Ｆ_PD2 の中心軸Ａ_PDはファイバ軸Ａ_frと軸合わせされる。
【００８４】
以上の光伝送システムＳ_c では、ＭＭＦ１２からの光信号ＯＳ_out2は、入射面Ｆ_inが頂点Ｚ₀ から距離Ｚ₁ だけ離れているため、モード分散の影響を実質的に受けない。また、たとえ、モード分散の影響があったとしても、受光面Ｆ_PD2 が出射面Ｆ_out から距離Ｚ₂ だけ離れているため、光信号ＯＳ_out2の低次モードＭ_LOのみを限定受光する。したがって、光伝送システムＳ_c は、光伝送システムＳ_a およびＳ_b よりも、ＭＭＦ１２におけるモード分散の低減することができる。さらに、モード分離器８４（図１３参照）も不要となる。以上のことから、さらに低コストで広帯域の光伝送システムＳ_c を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光伝送システムＳ_a の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す光伝送システムＳ_a の光結合を示す模式図である。
【図３】図１に示す光信号ＯＳ_out1のアイパターンを示す模式図である。
【図４】図２に示す距離Ｚ₁ に対する光信号ＯＳ_out1のアイ開口率Ｒおよび出力パワーＰの変化を示すグラフである。
【図５】図１に示す送信ユニット１１の開口数（＝ｓｉｎα）を説明するための模式図である。
【図６】入射光伝播面Ｆ_ipr を説明するための模式図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る光伝送システムＳ_b の全体構成を示すブロック図である。
【図８】図７に示す光伝送システムＳ_b の光結合を示す模式図である。
【図９】高次出射角度γ_HIおよび低次出射角度γ_LOを説明するための模式図である。
【図１０】出射光伝播面Ｆ_opr を説明するための模式図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る光伝送システムＳ_c の全体構成を示すブロック図である。
【図１２】一般的な高次モードＭ_HIおよび低次モードＭ_LOを示す模式図である。
【図１３】従来の光伝送システムＳ_cvの全体構成を示すブロック図である。
【図１４】図１３に示す発光源８２およびマルチモードファイバ８３の光結合を示す模式図である。
【符号の説明】
１１，２１…送信ユニット
１１１…発光素子
１１２…レンズ
１１３，２１１…レセプタクル
１２…マルチモードファイバ
１３，２２…受信ユニット
１３１，２２１…レセプタクル
１３２，２２２…受光素子

Claims (3)

1. 光信号を生成して、マルチモードファイバに向けて出射する送信ユニットであって、
   光信号を生成する発光素子と、
   前記発光素子で生成された光信号を収束して、焦点を結ばせる少なくとも１つのレンズとを含み、
   前記レンズにより収束された光信号は、前記マルチモードファイバの入射面に入射され、
   前記レンズの光軸は、前記マルチモードファイバのファイバ軸と同軸上に整列し、
   前記レンズは、前記レンズの頂点から前記レンズの焦点までの距離とは異なる所定距離だけ、前記レンズの頂点が前記マルチモードファイバの入射面から離れるように配置され、
   前記レンズの頂点から前記所定距離だけ離れた位置で前記光軸と直交する平面による前記光信号の断面を、入射光伝搬面と規定すると、前記レンズの焦点と前記入射面との距離は、前記入射光伝搬面の面積が、前記入射面における前記マルチモードファイバのコアの面積より大きくなるように設定される、送信ユニット。
2. 前記マルチモードファイバが接続され、前記入射面を前記焦点以外の位置に固定するレセプタクルを更に備える、請求項１に記載の送信ユニット。
3. 前記所定距離は、光信号の出力パワーとアイ開口率とに基づき、設計要件として決定されることを特徴とする、請求項１に記載の送信ユニット。

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