JP4152813B2

JP4152813B2 - モード変換器用ファイバ、モード変換器、光伝送路

Info

Publication number: JP4152813B2
Application number: JP2003179847A
Authority: JP
Inventors: 和彦愛川; 寧官; 邦治姫野
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2023-06-24
Also published as: JP2005017517A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、伝送光の基本モードと高次モードとの間で互いにモード変換することのできるモード変換器およびこれを備えた光伝送路と、このモード変換器に用いられるモード変換器用ファイバに関し、モード変換を高効率でかつ広帯域にわたって行えるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
光伝送路における累積波長分散を補償する方法として、従来より図１５に示すように、シングルモード光ファイバ１からなる光伝送路Ａに、分散補償光ファイバ２を挿入し、光伝送路Ａの累積波長分散を打ち消すようにしたものが知られている。
【０００３】
しかし、この方法では、光伝送路Ａの距離が長くなると、分散補償光ファイバ２として長いものを使用する必要が生じる。この分散補償光ファイバは、伝送用光ファイバに比べて実効断面積も小さく、条長が長くなると、非線形効果が起こりやすくなり、伝送特性が劣化する。また、分散補償光ファイバは、通常伝送損失が必ずしも小さいものではなく、結果的に光伝送路Ａ全体としての伝送損失が大きくなるなどの不都合もある。
【０００４】
このような不都合を解決する方法の１つに、図１６に示すように、分散補償光ファイバとして高次モードを用いた分散補償光ファイバ３を使用する方法がある。このものは、光伝送路Ａをなすシングルモード光ファイバ１には基本モードであるＬＰ_０１モードで光信号を伝送し、これを第１のモード変換器４でＬＰ_０２モードなどの高次モードに変換して、高次モードを用いる分散補償光ファイバ３に送り込み、さらに高次モードを用いる分散補償ファイバ３を伝送した高次モードを第２のモード変換器５で再び基本モードであるＬＰ_０１モードに変換してシングルモード光ファイバ１に送るものである。
【０００５】
高次モードを用いる分散補償光ファイバ３は、補償のための分散値の絶対値が基本モードを用いる分散補償光ファイバに比べて、２〜５倍程度大きく、補償に要する分散補償光ファイバの長さを大幅に短縮することができ、伝送損失の増大が抑えられ、また、波長分散の絶対値も大きく使用するファイバ長が短くなり、さらに高次モードでの実効断面積（Ａｅｆｆ）が大きいことから、非線形効果をも抑制することができるなどの利点がある。
【０００６】
そして、上述の第１および第２のモード変換器４、５としては、空間モード変換器（特許文献１）や、長周期グレーティングを形成したファイバグレーティング（非特許文献１、２）などが用いられている。
ところで、このようなモード変換器には、当然のことながら、高変換効率、広帯域が求められる。高変換効率とは、いかに低損失でモード変換を行えることができるかである。また、変換効率には波長依存性があり、できるだけ広い波長域で高効率でモード変換できるものが望ましい。
【０００７】
上述の長周期グレーティングを形成したファイバグレーティングからなるモード変換器（非特許文献２）では、１５５０ｎｍ帯において、４３ｎｍの帯域が得られるとされている。
しかし、この帯域では、現状の波長分割多重伝送に対しては不十分であり、また製造が困難で高価になるなどの問題点がある。
【０００８】
【特許文献１】
特表２００２−５０７７７８号公報
【非特許文献１】
Ｓ．Ｒａｍａｃｈａｎｄｒａｎｅｔ．ａｌ “１７００−ｋｍＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｔ４０−Ｇｂ／ｓｗｉｔｈ１００ｋｍＡｍｐｌｉｆｉｅｒ−ＳｐａｃｉｎｇＥｎａｂｌｅｄｂｙＨｉｇｈ−Ｏｒｄｅｒ−ＭｏｄｅＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ”，ＥＣＯＣ，２００１
【非特許文献２】
Ｓ．Ｒａｍａｃｈａｎｄｒａｎｅｔ．ａｌ “Ａｌｌ−ＦｉｂｅｒＧｒａｔｉｎｇ−ＢａｓｅｄＨｉｇｈｅｒＯｒｄｅｒＭｏｄｅＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ＣｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｆｏｒＢｒｏａｄ−ＢａｎｄＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｎｄ１０００−ｋｍＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｔ４０Ｇｂ／ｓ”，ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．６，Ｊｕｎｅ２００１
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
よって、本発明における課題は、変換効率が高く、広帯域であり、製造が容易で安価に製造できるモード変換器およびこれを備えた光伝送路、並びに、このモード変換器に用いられるモード変換器用ファイバを得ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、コア・クラッド構造を有し、コアとクラッドとの間に比屈折率差がゼロ以下の層を有するファイバであって、
少なくとも１つの高次モードを伝搬し、１５２５〜１６２５ｎｍの波長範囲から選択された波長において、下記（Ｉ）式を満足し、高次モードの波長分散の絶対値が２００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、
前記高次モードはＬＰ_０２モードであり、
中心コア部と、中間コア部と、ディプレストコア部と、クラッドの各層を有し、
前記中心コア部の比屈折率差（Ｄ１）が０．４〜２．０％で、半径（ｒ１）が３〜６μｍであり、
前記中間コア部の比屈折率差（Ｄ２）が−０．２〜＋０．２％で、その半径（ｒ２）と前記中心コア部の半径（ｒ２）との比（ｒ２／ｒ１）が１．５〜２．５であり、
前記ディプレストコア部の比屈折率差（Ｄ３）が−０．５〜−０．２％で、その半径（ｒ３）が１０〜２０μｍであり、
前記クラッドの比屈折率差が０±０．１％であり、
前記各層の比屈折率差が純粋シリカの屈折率を基準とすることを特徴とするモード変換器用ファイバ。
【数２】

ここで、λは波長、β_０１とβ_０２は、ＬＰ_０１モードとＬＰ_０２モードの位相定数である。
【００１１】
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のモード変換器用ファイバに長周期グレーティングを形成してなることを特徴とするモード変換器である。
請求項３にかかる発明は、請求項２に記載のモード変換器を備えた光伝送路である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明のモード変換器用ファイバは、コア・クラッド構造を有し、コアとクラッドとの間に比屈折率差がゼロ以下である層を有するファイバであって、少なくとも１つのＬＰ_０２モードなどの高次モードを伝搬し、１５２５〜１６２５ｎｍの波長範囲から選択された波長に対して、上記（Ｉ）式を満たし、その高次モードでの波長分散の絶対値が２００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下のものである。
【００１５】
長周期ファイバグレーティングの変換効率を高くした状態で、モード変換器を広帯域化するには、位相定数β０１とβ０２との差分が変化しないようにする必要がある。上記（Ｉ）式はモード変換器を広帯域化するための条件である。そして、この場合、得られる帯域は（ＩＩ）式で示される。
【数３】

ここで、Ｐは許容変換効率、ｃは光速、λ_０は中心波長、｜Ｄ_１２｜はＬＰ_０１モードとＬＰ_０２モードの波長分散の差、Ｌはグレーティング長さである。
変換効率９０％以上の帯域が６０ｎｍ以上となるようにするためには、この｜Ｄ_１２｜の値は２００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下にする必要がある。さらに、Ｌを小さくするためには、紫外線照射による感受性のある部分を小さく抑えなければならない。そのために、本発明でのモード変換器用光ファイバは、中心コア以外の部分で比屈折率を０以下に下げている。紫外線照射で感受性のあるのは、ゲルマニウムを添加した部分だけなので、このプロファイルにより高変換効率の帯域を広くすることができる。
このような特性を有する光ファイバを用いて長周期ファイバグレーティングを形成してモード変換器を作製することにより、高効率でしかも広帯域となる。
【００１６】
このような特性を有するファイバの具体的なものとしては、例えば図１に示す屈折率プロファイルを有するものが挙げられる。
このファイバは、中心コア部１１と、中間コア部１２と、ディプレストコア部１３と、クラッド１４とから構成されている。
中心コア部１１は、比屈折率差（Ｄ１）が０．４〜２．０％であり、半径（ｒ１）が３〜６μｍのものであり、ゲルマニウムドープシリカなどからなる部分である。この中心コア部１１の外周には、中間コア部１２が設けられている。
この中間コア部１２は、比屈折率差（Ｄ２）が−０．２〜＋０．２％であり、その半径（ｒ２）が４．５〜２１μｍとされ、この半径（ｒ２）と中心コア部１１の半径（ｒ１）との比（ｒ２／ｒ１）が１．５〜３．５となっている。この中間コア部１２は、ゲルマニウムドープシリカ、シリカ、フッ素ドープシリカなどからなる部分である。
【００１７】
中間コア部１２の外周にはディプレストコア部１３が設けられている。このディプレストコア部１３は、比屈折率差（Ｄ２）が０％以下のもので、好ましくは−０．５〜−０．２％となっており、その半径（ｒ３）が１０〜２０μｍとなっている。このディプレストコア部１３は、フッ素ドープシリカなどのガラスから構成された部分である。このディプレストコア部１３が、請求項１における「比屈折率差がゼロ以下の層」となる。
【００１８】
ディプレストコア部１３の外周には、クラッド１４が設けられている。このクラッド１４は、比屈折率差が０±０．１％であり、外径は通常１２５μｍとなっているが、これに限定されるものではない。このクラッド１４は、シリカ、微量フッ素ドープシリカ、微量塩素ドープシリカ、微量ゲルマニウムドープシリカもしくはこれらの元素を同時に微量ドープしたガラスなどからなるものである。
【００１９】
このような構造のファイバは、例えばＭＣＶＤ法などによって製造することができる。
また、溶融紡糸して得られたファイバのクラッド１４上に紫外線硬化型樹脂などからなる被覆層を設けて、ファイバ素線とされる。
【００２０】
このような構造を有するファイバに長周期グレーティングを形成してなるファイバグレーティングが本発明のモード変換器となる。
ここでのグレーティングの形成は、常法によって行われ、位相マスクを介して紫外光を上記ファイバに照射し、ホトリフラクティブ効果によって、中心コア部に周期的な屈折率変動部分を形成する方法などによって行われる。
【００２１】
長周期グレーティングのグレーティングピッチは、６０〜１００μｍ、好ましくは７０〜９０μｍの範囲とされ、６０μｍ未満および１００μｍを越えると、広帯域のモード変換器が作製できなくなる。また、グレーティング長さは５〜１１ｍｍ、好ましくは６〜１０ｍｍの範囲とされ、５ｍｍ未満および１０ｍｍを越えると、同様に広帯域のモード変換器が作製できなくなる。
【００２２】
このようにして得られたモード変換器では、その一端からＬＰ_０１モードの基本モードの信号光を入力すると、モード変換されて、ＬＰ_０２モードなどの高次モードの信号光が他端から出力される。逆に、一端からＬＰ_０２モードなどの高次モードの信号光を入力すれば、モード変換されて、他端からＬＰ_０１モードなどの基本モードの信号光が出力される。
【００２３】
そして、このようなモード変換器にあっては、後述する具体例からも明らかなように、例えばＬＰ_０１モードとＬＰ_０２モードとのモード変換を９０％以上の高い変換効率で行うことができ、しかもこの高変換効率を示す波長帯域は６０ｎｍ以上となり、広帯域となる。
また、その製造が単に長周期グレーティングを形成するものであるので、簡単に行え、安価に提供できる。
【００２４】
本発明の光伝送路は、このようなモード変換器を備えたもので、例えば図１６に示すような光伝送路における第１および第２のモード変換器４、５として、このモード変換器を用いたものである。
この光伝送路では、したがって各モード変換器４、５でのモード変換が低損失で行うことができ、光伝送路全体の伝送損失を小さいものとすることが可能となる。さらに、高変換効率で変換できる波長帯域が広いので、近時の波長分割多重伝送にも十分対応できるものとなる。
【００２５】
以下具体例を示す。
（例１）
ＭＣＶＤ法を用いて、図１に示すようなプロファイルを有するモード変換器用ファイバ（Ｎｏ．１）を作製した。作製したモード変換器用ファイバの屈折率分布構造パラメータを表１に示す。また、その光学特性を表２に示す。さらに、上記（Ｉ）式の左辺の値を図２に示す。波長１．６μｍ付近でこの値がゼロになっていることがわかる。また、このモード変換器用ファイバのＬＰ_０２モードの波長分散を図３に示す。図３から波長１．５５μｍ以下で波長分散の絶対値が１００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることがわかる。なお、表における「ＭＦＤ」は、モードフィールド径を、「Ａｅｆｆ」は、実効断面積を表す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【表２】

【００２８】
このモード変換器用ファイバにグレーティングピッチ８３μｍ、グレーティング長６．６２ｍｍとなる条件で紫外線を照射し、長周期グレーティングを形成してモード変換器とした。このファイバグレーティングからなるモード変換器のモード変換率を図４に示す。
この図４から、このモード変換器は、変換効率が９０％以上の帯域が９０ｎｍ以上であり、高変換効率で広帯域であることがわかる。
【００２９】
（例２）
ＭＣＶＤ法を用いて、図１に示すようなプロファイルを有するモード変換器用ファイバを３種（Ｎｏ．２〜４）作製した。作製した３種のモード変換器用ファイバの屈折率分布構造パラメータを表３に示す。また、その光学特性を表４に示す。さらに、上記（Ｉ）式の左辺の値を図５に示す。いずれのファイバでも、波長１．５６μｍ付近でこの値がゼロになっていることがわかる。また、この３種のモード変換器用ファイバのＬＰ_０２モードの波長分散を図６に示す。波長１．６μｍ以下で波長分散の絶対値が２００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることがわかる。
【００３０】
【表３】

【００３１】
【表４】

【００３２】
これらの３種のモード変換器用ファイバ（Ｎｏ．２〜４）にグレーティングピッチ８３μｍ、グレーティング長６．６４ｍｍ（Ｎｏ．２）、６．６９ｍｍ（Ｎｏ．３）、６．６６ｍｍ（Ｎｏ．４）となる条件で紫外線を照射し、長周期グレーティングを形成してモード変換器とした。このファイバグレーティングからなるモード変換器のモード変換率を図７〜図９に示す。
これらの図から、このモード変換器は、変換効率が９０％以上の帯域が９０ｎｍ以上であり、高変換効率で広帯域であることがわかる。
【００３３】
（例３）
ＭＣＶＤ法を用いて、図１０に示すようなプロファイルを有するモード変換器用ファイバを３種（Ｎｏ．５、６）作製した。作製したモード変換器用ファイバの屈折率分布構造パラメータを表５に示す。また、その光学特性を表６に示す。さらに、上記（Ｉ）式の左辺の値を図１１に示す。それぞれのファイバでも、波長１．５４〜１．５５μｍ、１．５６μｍ付近でこの値がゼロになっていることがわかる。また、この２種のモード変換器用ファイバのＬＰ_０２モードの波長分散を図１２に示す。波長分散の絶対値が大きいことがわかる。
【００３４】
【表５】

【００３５】
【表６】

【００３６】
Ｎｏ．５とＮｏ．６のモード変換器用ファイバにグレーティングピッチ７７μｍ、８１μｍ、グレーティング長８．５７ｍｍ、９．９６ｍｍとなる条件で紫外線を照射し、長周期グレーティングを形成してモード変換器とした。このファイバグレーティングからなるモード変換器のモード変換率を図１３〜図１４に示す。
【００３７】
図１３から、Ｎｏ．５のファイバを用いた場合のモード変換器は、変換効率９０％以上の帯域が４９ｎｍであり、図１４から、Ｎｏ．６のファイバを用いたモード変換器は、非常に狭い帯域であり、ともに広帯域になっていないことがわかる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のモード変換器用ファイバは、コア・クラッド構造を有し、コアとクラッドとの間に比屈折率差がゼロ以下になる層を有するファイバであって、少なくとも１つの高次モードを伝搬し、１５２５〜１６２５ｎｍの波長範囲から選択された波長において、（Ｉ）式を満足し、高次モードの波長分散の絶対値が２００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下のものであるので、このモード変換器用ファイバに長周期グレーティングを形成して得られるファイバグレーティングは、６０ｎｍ以上の広帯域な波長範囲でＬＰ_０１モードとＬＰ_０２モードとのモード変換を９０％以上の変換効率を有する優れたモード変換器用となる。
また、製造が簡単で安価に供給することができる。
【００３９】
また、上記モード変換器用ファイバは、具体的には、中心コア部と、中間コア部と、ディプレストコア部と、クラッドを有し、中心コア部の比屈折率差（Ｄ１）が０．４〜２．０％で、半径（ｒ１）が３〜６μｍであり、中間コア部の比屈折率差（Ｄ２）が−０．２〜＋０．２％で、その半径（ｒ２）と中心コア部の半径（ｒ２）との比（ｒ２／ｒ１）が１．５〜２．５であり、ディプレストコア部の比屈折率差（Ｄ３）が−０．５〜−０．２％で、その半径（ｒ３）が１０〜２０μｍであるものであり、これにより１以上の高次モードを伝搬し、１５２５〜１６２５ｎｍの波長範囲から選択された波長において、（Ｉ）式を満足し、高次モードの波長分散の絶対値が２００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下のファイバを得ることができる。
【００４０】
また、この発明の光伝送路は、上記モード変換器用ファイバを備えたものであるので、モード変換器でのモード変換が低損失で行うことができ、光伝送路全体の伝送損失を小さいものとすることが可能となる。さらに、高変換効率で変換できる波長帯域が広いので、近時の波長分割多重伝送にも十分対応できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモード変換器用ファイバの屈折率プロファイルの一例を示す概略図である。
【図２】具体例１におけるモード変換器用ファイバの（Ｉ）式の左辺の値の波長特性を示す図表である。
【図３】具体例１におけるモード変換器用ファイバの波長分散の波長特性を示す図表である。
【図４】具体例１におけるモード変換器の変換率の波長特性を示す図表である。
【図５】具体例２におけるモード変換器用ファイバの（Ｉ）式の左辺の値の波長特性を示す図表である。
【図６】具体例２におけるモード変換器用ファイバの波長分散の波長特性を示す図表である。
【図７】具体例２におけるモード変換器の変換率の波長特性を示す図表である。
【図８】具体例２におけるモード変換器の変換率の波長特性を示す図表である。
【図９】具体例２におけるモード変換器の変換率の波長特性を示す図表である。
【図１０】具体例３におけるモード変換器用ファイバの屈折率プロファイルのを示す概略図である。
【図１１】具体例３におけるモード変換器用ファイバの（Ｉ）式の左辺の値の波長特性を示す図表である。
【図１２】具体例３におけるモード変換器用ファイバの波長分散の波長特性を示す図表である
【図１３】具体例３におけるモード変換器の変換率の波長特性を示す図表である。
【図１４】具体例３におけるモード変換器の変換率の波長特性を示す図表である。
【図１５】分散補償ファイバを用いて分散補償した光伝送路を示す概略構成図である。
【図１６】高次モードを用いる分散補償ファイバを用いて分散補償した光伝送路を示す概略構成図である。
【符号の説明】
４・・・第１のモード変換器、５・・・第２のモード変換器

Claims

コア・クラッド構造を有し、コアとクラッドとの間に比屈折率差がゼロ以下の層を有するファイバであって、
少なくとも１つの高次モードを伝搬し、１５２５〜１６２５ｎｍの波長範囲から選択された波長において、下記（Ｉ）式を満足し、高次モードの波長分散の絶対値が２００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、
前記高次モードはＬＰ_０２モードであり、
中心コア部と、中間コア部と、ディプレストコア部と、クラッドの各層を有し、
前記中心コア部の比屈折率差（Ｄ１）が０．４〜２．０％で、半径（ｒ１）が３〜６μｍであり、
前記中間コア部の比屈折率差（Ｄ２）が−０．２〜＋０．２％で、その半径（ｒ２）と前記中心コア部の半径（ｒ２）との比（ｒ２／ｒ１）が１．５〜２．５であり、
前記ディプレストコア部の比屈折率差（Ｄ３）が−０．５〜−０．２％で、その半径（ｒ３）が１０〜２０μｍであり、
前記クラッドの比屈折率差が０±０．１％であり、
前記各層の比屈折率差が純粋シリカの屈折率を基準とすることを特徴とするモード変換器用ファイバ。

ここで、λは波長、β_０１とβ_０２は、ＬＰ_０１モードとＬＰ_０２モードの位相定数である。
請求項１に記載のモード変換器用ファイバに長周期グレーティングを形成してなることを特徴とするモード変換器。
請求項２に記載のモード変換器を備えたことを特徴とする光伝送路。