JP4971331B2 - マルチモードファイバによる高ビットレート伝送 - Google Patents

Description

（関連出願）
本願は、２００５年９月２１日出願の米国仮出願６０／７１９，１０７号に基づく優先権を主張し、その開示内容全体を本願に引用して援用する。

本発明は、受信機に使用するモードカプラの分野に関する。特に、本発明により、簡易な外部パッチコードを使用してガラスマルチモードファイバやプラスチックマルチモードファイバにおいて１０Ｇ以上のビットレートを実現することができる。

２００ないし３００ｍを超える長距離ファイバリンクの多くは、１２００ｎｍを超える波長、具体的には１３１０ｎｍ，１４９０ｎｍ，１５１０ないし１５７０ｎｍ，１６２０ｎｍ付近の波長のレーザを使用する。これらのリンクでは、コア径が約８μｍのシングルモードファイバも使用される。一方、２００ｍ未満の短距離通信用ファイバリンクでは、８５０ｎｍ付近の波長が広く用いられ、コア径が５０μｍないし１２０μｍのマルチモードファイバが使用される。標準的なシングルモードファイバを１２００ないし１６００ｎｍの範囲で使用すると、８５０ｎｍ送信用のデュアルモードファイバになる。

８５０ｎｍの波長で標準的なファイバ（１２００ないし１６００ｎｍの領域でシングルモードになるように設計されているもの）を使用すると、両方のモード（励振状態やファイバ内における欠陥や湾曲などの要因によって振幅が変化する）の励起を行うことができる。これらのモードはそれぞれ進行速度が異なるため、ファイバ内をある程度の距離進行するとデータパルスが重畳して高速送信が難しくなる。

一方、マルチモードガラス／プラスチックファイバは、数百のモードをサポートする５０／６２．５μｍの典型的なコア径で使用される。これらの各モードでは進行速度が異なり、発生するモード分散により帯域距離積が制限される。最近では、例えばレーザビームを励振して一部のモード（主により高次のモード）を励起するなどの制限モード励振（restricted mode launch）が多く用いられるようになり、この励振では、マルチモードファイバコアにアンダーフィルを著しく発生させ、励起されるモードが少なくなったりモードの群速度が同じになりやすくなったりすることで実効帯域距離積を増大させる。

本発明の１態様により、マルチモードファイバシステムを提供する。このシステムは、光信号を送信する送信機と、光信号を受信する受信機とを備える。受信機と送信機の間には少なくとも１つのモードフィルタが結合され、このモードフィルタは、送信機から送信される特定のセットのファイバモードのみを通して受信機に受信させる。この少なくとも１つのモードフィルタは、幅が最も狭い領域で接続されているダブルテーパ部構成を有するテーパ状コア部を備え、テーパ状コア部では、２つのテーパ部の各端の寸法がそれら各端に対応するファイバに適合している。

また、本発明の１態様により、マルチモードファイバシステムの操作を実行する方法を提供する。この方法では、送信機から光信号を送信し、受信機で光信号を受信する。また、この方法では、受信機と送信機の間に少なくとも１つのモードフィルタが結合され、このモードフィルタは、送信機から送信される特定のセットのファイバモードのみを通して受信機に受信させる。この少なくとも１つのモードフィルタは、幅が最も狭い領域で接続されているダブルテーパ部構成を有するテーパ状コア部を備え、テーパ状コア部では、２つのテーパ部の各端の寸法がそれら各端に対応するファイバに適合している。

本発明により、マルチモードファイバの実効帯域幅が増大し、これによってモード分散を発生させることなく高速データ送信が可能な距離を長くすることができる。

本発明では、（ｉ）送信機からの特別な形式の制限モード励振と、（ｉｉ）特定のセットのファイバモードのみを通して不要なモードを除去してから光信号をフォトダイオードに検出させる、出力側に設けられた光学フィルタとを同時に使用することで、ＭＭファイバの実効帯域幅（ＥＢ）を増大させる。出力側に設けられた光学フィルタは、送信機では励起用に、また受信機では検出前のフィルタリング用にファイバモードの任意の線形結合を選択することができる複素線形フィルタ（complex linear filter）の一例である。

上述した概念を実装する最も簡易な方法は、従来ＬＰ０１として指定されているファイバの基本モードのみを励起することである。これは線形偏光モードであり、適合するガウスビームを使用してファイバ内で支配的に励起することができる。ガウスビームは、次の式でウェストｗを定義して使用する。

ウェストｗは、主にファイバの基本モードを励起するレンズやその他の適合する光学素子を選択して決めることができる。例えば、ステップインデックスファイバでは、ｗは光の９０％超がＭＭファイバの基本モードに結合されるように決めることができる。結像光学素子を使用して、ＳＭファイバ（「ＬＰ₀₁」でもある）の基本モードをＭＭファイバの基本モードに簡単に変更することができる。両者の位置や角度にずれが生じると、（不要な）より高次のモードが励起されることがある。また、ファイバの長さ方向における散乱、湾曲、およびその他の欠陥により、「信号」モード（この例では「ＬＰ₀₁」になるように選択）からその他の干渉モードへと信号が移行することがある。このファイバシステムの複素インパルス応答は、次の式で表すことができる。

ここでη_lm，τ_lm，β_lm，ｍ_lm（ｒ）は、下記の図中で２つの表記で示される各モードを考慮した、ファイバにおける振幅、モード群遅延、伝搬定数、正規化されたモード電界分布をそれぞれ表す。

モード励起スペクトルη_lmは、特定の信号励振技術に依存する。ファイバ内の伝搬路に沿って発生するモード混合が原因で入力が変化していることがあるため、式２で出力側の振幅η_lmを同じ値にしてもよい。モード混合の度合いが強いと、データは複数の論理経路を進行し、各経路では経路に対応する信号遅延が発生するために、計算されるモード遅延や励起振幅と計測されるモード遅延や励起との間に関連性がほとんどない場合がある。実際には、短距離伝送では、次のことが確認ないし仮定されている。（ａ）出力モード励起スペクトルは入力モード励起と関連があり、このためＲＭＬも機能する。（ｂ）電界特性が似ていて伝搬定数が非常に近いモードは伝搬によって混合する傾向がある。これらのモードは、基本モード番号ｖ＝２ｍ＋ｌでより簡易に分類される。ここで、ｍは半径方向の指数であり、ｌは方位角の指数である。（ｃ）最低次のモードでは、ファイバの中心で指数特性に誤差が最も生じやすい。

図１のファイバのテーパ部２は、ほとんどのエネルギをマルチモードファイバの基本モードに励振する技術を示す。

入力８側のマルチモードファイバは出力６側のシングルモード状態に合わせて先細りし、その後テーパ部４は出力６側のシングルモードファイバのモードに適合するように広がっていく。テーパ部の最小コア径は、選択されるマルチモードファイバにおけるシングルモード状態から決まる。典型的なガラスマルチモードファイバでは、テーパ部４の最小コア半径は２ないし５μｍとすることができる。実際の最小コア半径は、クラッドとコアの所定の屈折率においてシングルモード状態を実現できるように計算される。よって、このテーパ部４の出力からは、マルチモードファイバの基本モードのみが送信される。テーパ部でのモード変換を防止するために、テーパ部４は断熱性を有する必要がある。

モードサイズを拡大してシングルモードファイバに適合するための第２のテーパ部が存在しないシングルテーパ部（single taper）を、モードフィルタとして使用することができる。このテーパ部は、レンズ系にもオンチップカプラ（on-chip coupler）にも使用することができる。本発明では、他端でシングルモードファイバのモードに適合するようにコア半径が最小値から再び大きくなっていくダブルテーパ部（double taper）を使用する。これによって、高速送受信機システムへの適合性が保証され、高速光データ経路にモードフィルタを容易に挿入することができる。なお、このモードフィルタは双方向装置であり、このため送信機付近でも受信機付近でも使用することができる。シングルモードファイバだけでなく、コア径が同じまたは異なる別のマルチモードファイバに適合するように、他端を広げることも可能であることは明らかである。このような装置をファイバの中間に挿入して、「リンク上の任意の地点で」不要なモードを除去することもできる。

図２Ａは、マルチモードファイバシステム１２の帯域幅を広げるための上述のモードフィルタの使用例を示す。入力モードフィルタ１８は、送信機１４から励振ファイバ（launch fiber）２４を経由してシングルモード入力を受信し、長距離マルチモードファイバ２２の基本モードに適合させる。長距離マルチモードファイバ２２の他端では、モードフィルタ２０が長距離マルチモードファイバ２２から信号を受信してフィルタリングを行い、その信号を励振ファイバ２６経由で受信機１６に処理させる。

長距離マルチモードファイバ２２と、モードフィルタ１８，２０を構成する励振ファイバ２４，２６とが同一であれば、基本モードは完全に適合する。同一でない場合、モードフィルタ１８，２０の基本モードは、励振ファイバ２４，２６の基本モードと若干異なる。これが原因で長距離マルチモードファイバ２２の他のモードが励起されることがある。フィルタ１８，２０の基本モードが長距離マルチモードファイバ２２と適合しても、何らかのずれが原因で他のモードが励起されてしまう。

このことは、長距離マルチモードファイバ２２に使用するコネクタにおいて、ファイバの断面が異なることによるずれが原因で他のモードが発生する場合に、特に当てはまる。いずれにしても、ガウシアン状基本モード（Gaussian like fundamental mode）では、フィルタ１８，２０の基本モードから発生するエネルギのほとんどが、長距離マルチモードファイバ２２のガウシアン状基本モードを励起する。これによって、ほぼ理想的なシングルモード励振状態が実現される。１ｋｍ未満の典型的な長さのマルチモードファイバにおいては、モード変換を無視することができる。典型的なシステムでは、ファイバの経路に使用するコネクタのずれが原因でモード変換が発生することがある。ここでもまた、わずかなずれがあると、基本モードに限定されている励振力の大半によって、他のモードがわずかに励起される。

コネクタの適合不良、ずれ、またはファイバの種類の混在が原因で励起されるその他の干渉モードは、受信機側で同じモードフィルタを逆に使用して除去することができる。この場合、（ファイバの基本モードとの重畳が最大となる）基本モードのみが受信機のシングルモード側に送信される。

なお、これらのモードフィルタの目的は、経路上で発生する他のモードからの干渉を最小限に抑えることである。モードフィルタは、これら他のより高次のモードに移行するエネルギを簡易に減衰し、これらのモードに従って異なる速度で進行する情報が目的の基本モードの情報に干渉しないように防止する。

これらの断熱性フィルタは、内蔵光学素子に使用することができるオンチップカプラに直接使用することができる。このカプラは、マルチモードファイバではなく標準のシングルモードファイバに典型的な小さいモードを結合するように設計されている。これは図２Ｂに示し、モードフィルタ１８，２０に対応付けられる入力モードファイバが存在しない。これらのファイバ１８，２０の断熱部が、送信機１４または受信機１６のいずれかに直接接続されている。この送受信機は、チップ上にシングルモードカプラを備える。

図３では、２本のマルチモードファイバ２２の間にモードフィルタ３０が挿入されている。この場合、図１に示すようなモードフィルタ３０は対称性を有し、両端がマルチモードファイバに接続される。

マルチモードフィルタ３０を挿入すると、確実に基本モードのみを送信することができる。一般に、コネクタでのモード適合不良やずれが原因で、受信するモードが実質的に混合したり、出力ファイバで他のより高次のモードが発生したりする。モードフィルタ３０を配置することで、この混合や不要なモードの発生が最小限に抑えられる。

図４は、本発明により形成されるモードフィルタ３０を実現するための別の技術を示す。この技術では、厚膜ポリマベースの導波路を使用した平面基板３６上にデュアルまたはシングルテーパ部４０が設けられている。モードフィルタ３０は、マルチモードコア３２と、シングルモードコア３８（マルチモードコアでもよい）と、シングルモード状態を達成する断熱性テーパ部４０とを備え、マルチモードファイバをマルチモード部３２にシングルモードファイバをシングルモード部３８にそれぞれ結合する。２つの断熱性テーパ部は４０で接続され、この接続部において最小コア径が設定されてシングルモード状態が確実に達成される。モードフィルタ３０は、クラッド層３４上に形成され、かつクラッド層３４で覆われている。

この種のモードフィルタ３０は、打ち抜き加工が可能なさまざまな透明ポリマを使用して構成することができる。テーパ部３２，３８からなる断熱性テーパ部のコアを打ち抜いた後、コアの周囲を低屈折率のクラッド３４で埋めることができる。クラッド３４とコア３８の屈折率は、断熱性ダブルテーパ部の寸法が最小になる部分で達成されるべきシングルモード状態と、入力ファイバと出力ファイバのモードの適合とから選択される。

これはより小規模に構成でき、ファイバベースのフィルタをコネクタアセンブリの一部とすることができる。これらの種類のモードフィルタ３０も、マルチモードファイバに直接接続できる送受信機アセンブリの設計に組み込むことができる。マルチモード入力４２の高さは、マルチモードファイバ３２の基本モードのエネルギの大半を結合するように設計される。よって、典型的なガラスまたはプラスチックマルチモードファイバでは、マルチモード端の高さを３０ないし２００μｍの範囲とすることができる。なお、モードフィルタ全体は、屈折率差を適切に選択したクラッド層３４で覆われている。屈折率差を選択することによって、モードフィルタの長さが決まり、シングルモード状態が達成される寸法が制御される。寸法が小さくなると、オンチップモードカプラへの結合に特に好適である。

このことを拡張して、「両端」でマルチモードファイバを使用し、特定のセットのモードを一端から他端へ送信することができることは明らかである。

したがって一般には、各端に接続されるファイバの光学モード特性と適合するようにダブルテーパ部構成の２つの側面が設計されていると言える。設計の適合性に対しては特定のテストがあり、これによってファイバとモードフィルタとの接続部で実質的なモード混合が発生しないことが保証される。これは、マルチモードファイバ同士を接続する際に特に当てはまる。一例として、ダブルテーパ部が基本モードのみを通すように設計され、モードフィルタを使用して一端に設けられるシングルモード（ＳＭ）ファイバ（ＳＭＦ）を他端に設けられるマルチモードファイバに結合する場合を想定する。さらに、光がマルチモードファイバから入射して、その光に多数のモードが含まれているとする。

このマルチモードファイバの目的は、マルチモードファイバの基本モードのエネルギのみをＳＭ側に送信することである。マルチモードファイバ側の光学モードと、マルチモードファイバと向かい合うモードフィルタ側の光学モードとが適合しないようなモードフィルタ設計を行うと、マルチモードファイバからモードフィルタに移る際にマルチモードファイバのモードが実質的に混合する。これは、マルチモードファイバの他のモードが実質的に混合しているためにＳＭＦへ送信される信号にそれら他のモードからのエネルギが含まれていることを意味し、このためモードフィルタを挿入してチャネルの実効帯域幅を拡張させる目的を達成することができない。実際には、モード混合が避けられない場合もあるが、目的のモード（モードフィルタによって送信されるモード）の情報が保護されるようにモード混合を最小限に抑える必要がある。

別の方法でモードフィルタを説明すると、モードフィルタによって、所望のモード（送信対象のモード）のみをチャネル内で支配的に存在させることができる。他のすべてのモード（チャネル内で発生するモードや他のコネクタでずれなどが原因で発生するモード）は、モードフィルタを通過する際に抑制または除去される。よって、モードフィルタはチャネルのモード品質を保護するためのものと言える。このことは、長距離マルチモードファイバの中間にモードフィルタを挿入する場合に、特に当てはまる。所望のモードを送信機で励振しても、光がファイバ内を進行するうちに、励振されたモードのエネルギが（異なる群速度で進行している）他の不要なモードに拡散してしまう。

この過程は、必然的に発生する湾曲、ファイバの欠陥、コネクタ、振動などが原因で起こる。また、この過程では、エネルギが不要なモードから目的のモードに変換し戻されたりもする。したがって、一旦十分なエネルギが他のモードに拡散すると、チャネル長さに沿って不要なモードと所望のモードとの間で多数の情報が交換されているため、送信された元のモードに印加された情報を復元することが困難になる。モードフィルタを配置すると、エネルギが不要なモードに実質的に蓄積する「前に」、この情報の交換が防止され、チャネルのモード品質が保護される。これによって、マルチモードファイバで高速データ送信が可能な距離が長くなる。

このようなモードフィルタは、ファイバ端に接続する典型的なファイバ光学コネクタの一部として実装するのが最も容易であるかもしれない。よって、このように強化されたコネクタを使用すると、チャネル内でのモード混合による影響を確実に抑制することもできる。

本発明をいくつかの実施形態に基づき図示および説明したが、それらの形式や詳細に対して、本発明の要旨や範囲を超えない種々の変更、除外、追加を行うことができるものとする。

ファイバ内モードフィルタ（in-fiber mode filter）の概略図である。 通信システムにおけるモードフィルタの使用を示す概略図である。 通信システムにおけるモードフィルタの使用を示す概略図である。 ２つのマルチモードファイバリンク間のモードフィルタを示す概略図である。 ポリマまたは厚膜技術を使用した平面モードフィルタ（planar mode filter）を示す図である。

Claims (23)

1. マルチモードファイバシステムであって、
   光信号を送信する送信機と、
   前記光信号を受信する受信機と、
   前記受信機と前記送信機との間に設置された第１のモードフィルタ及び第２のモードフィルタと、を備え、
   前記第１のモードフィルタ及び前記第２のモードフィルタは、幅が最も狭い領域で接続される２つのテーパ部構成を有するテーパ状コア部をそれぞれ備え、
   前記幅が最も狭い領域は、シングルモード状態を実現する最小コア半径を有し、
   前記テーパ状コア部の一方の端部が、マルチモードファイバの端部に結合されており、前記テーパ状コア部は、前記シングルモード状態に合わせるように前記一方の端部から前記幅が最も狭い領域に向けて先細り状に形成され、他方の端部においてシングルモードファイバの端部に適合するように前記幅が最も狭い領域から前記他方の端部に向けて広がっており、
   前記送信機に最も近い位置に配置されたファイバが、送信側シングルモードファイバであり、前記第１のモードフィルタの前記テーパ状コア部の前記他方の端部が、前記送信側シングルモードファイバに結合され、
   前記受信機に最も近い位置に配置されたファイバが、受信側シングルモードファイバであり、前記第２のモードフィルタの前記テーパ状コア部の前記他方の端部が、前記受信側シングルモードファイバに結合されている、
   マルチモードファイバシステム。
2. 請求項１に記載のマルチモードファイバシステムにおいて、前記送信機が、シングルモードを構成する前記光信号を送信する、マルチモードファイバシステム。
3. 請求項１に記載のマルチモードファイバシステムにおいて、前記受信機が、シングルモードを構成する前記光信号を受信する、マルチモードファイバシステム。
4. 請求項１に記載のマルチモードファイバシステムにおいて、前記送信機が、前記送信側シングルモードファイバを介して前記第１のモードフィルタに結合される、マルチモードファイバシステム。
5. 請求項１に記載のマルチモードファイバシステムにおいて、前記受信機が、前記受信側シングルモードファイバを介して前記第２のモードフィルタに結合される、マルチモードファイバシステム。
6. 請求項５に記載のマルチモードファイバシステムにおいて、前記送信機が、前記送信側シングルモードファイバを介して前記第１のモードフィルタに結合される、マルチモードファイバシステム。
7. 請求項１に記載のマルチモードファイバシステムにおいて、前記最小コア半径は２乃至５μｍである、マルチモードファイバシステム。
8. 請求項１に記載のマルチモードファイバシステムにおいて、前記第１のモードフィルタと前記第２のモードフィルタとを使用してマルチモードファイバシステムの帯域幅を拡張する、マルチモードファイバシステム。
9. 請求項１に記載のマルチモードファイバシステムにおいて、前記第１のモードフィルタは前記送信機端に前記送信側シングルモードファイバを介して結合され、前記第２のモードフィルタは前記受信機端に前記受信側シングルモードファイバを介して結合されている、
   マルチモードファイバシステム。
10. マルチモードファイバシステムの操作を実行する方法であって、
    送信機から光信号を送信し、
    受信機で前記光信号を受信し、
    前記受信機と前記送信機との間に第１のモードフィルタ及び第２のモードフィルタを設け、
    前記第１のモードフィルタ及び前記第２のモードフィルタは、幅が最も狭い領域で接続される２つのテーパ部構成を有するテーパ状コア部をそれぞれ備え、
    前記幅が最も狭い領域は、シングルモード状態を実現する最小コア半径を有し、
    前記テーパ状コア部の一方の端部が、マルチモードファイバの端部に結合されており、前記テーパ状コア部は、前記シングルモード状態に合わせるように前記一方の端部から前記幅が最も狭い領域に向けて先細り状に形成され、他方の端部においてシングルモードファイバの端部に適合するように前記幅が最も狭い領域から前記他方の端部に向けて広がっており、
    前記送信機に最も近い位置に配置されたファイバが、送信側シングルモードファイバであり、前記第１のモードフィルタの前記テーパ状コア部の前記他方の端部が、前記送信側シングルモードファイバに結合され、
    前記受信機に最も近い位置に配置されたファイバが、受信側シングルモードファイバであり、前記第２のモードフィルタの前記テーパ状コア部の前記他方の端部が、前記受信側シングルモードファイバに結合されている、
    方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、前記送信機が、シングルモードを構成する前記光信号を送信する、方法。
12. 請求項１０に記載の方法において、前記受信機が、シングルモードを構成する前記光信号を受信する、方法。
13. 請求項１０に記載の方法において、前記送信機が、前記送信側シングルモードファイバを介して前記第１のモードフィルタに結合される、方法。
14. 請求項１０に記載の方法において、前記受信機が、前記受信側シングルモードファイバを介して前記第２のモードフィルタに結合される、方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、前記送信機が、前記送信側シングルモードファイバを介して前記第１のモードフィルタに結合される、方法。
16. 請求項１０に記載の方法において、前記最小コア半径は２乃至５μｍである、方法。
17. 請求項１０に記載の方法において、前記第１のモードフィルタと前記第２のモードフィルタとを使用してマルチモードファイバシステムの帯域幅を拡張する、方法。
18. 請求項１０に記載の方法において、前記第１のモードフィルタは前記送信機端に前記送信側シングルモードファイバを介して結合され、前記第２のモードフィルタは前記受信機端に前記受信側シングルモードファイバを介して結合されている、
    方法。
19. 請求項１に記載のマルチモードファイバシステムにおいて、前記シングルモード状態は基本モードである、マルチモードファイバシステム。
20. 請求項１０に記載の方法において、前記シングルモード状態は基本モードである、方法。
21. モードフィルタであって、
    幅が最も狭くなる領域で接続される２つのテーパ部構成を有するテーパ状コア部、を備え、
    前記幅が最も狭い領域は、シングルモード状態を実現する最小コア半径を有し、
    前記テーパ状コア部の一方の端部の寸法が、マルチモードファイバの端部に適合しており、
    前記テーパ状コア部の他方の端部の寸法が、シングルモードファイバの端部に適合しており、
    前記テーパ状コア部は、前記シングルモード状態に合わせるように前記一方の端部から前記幅が最も狭い領域に向けて先細り状に形成され、前記他方の端部において前記シングルモードファイバの端部に適合するように前記幅が最も狭い領域から前記他方の端部に向けて広がっている、
    モードフィルタ。
22. 請求項２１に記載のモードフィルタにおいて、前記最小コア半径は２乃至５μｍである、モードフィルタ。
23. 請求項２１に記載のモードフィルタにおいて、前記シングルモード状態は基本モードである、モードフィルタ。

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