JP5553270B2

JP5553270B2 - 光通信システム、光送信機、光受信機、及び光通信方法

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Publication number: JP5553270B2
Application number: JP2011029061A
Authority: JP
Inventors: 信智半澤; 泰志坂本; 隆松井; 茂冨田; 晋聖齊藤; 正則小柴
Original assignee: Hokkaido University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: Hokkaido University NUC; NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2031-02-14
Also published as: JP2012169857A

Description

本発明は、周波数利用効率を向上した多重光伝送技術に関するものである。

現在、光ファイバネットワークにおけるトラフィックは増大しており、伝送速度の高速化や波長分割多重（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）技術による波長多重数の増加、多値変調など様々な手法を用いて伝送容量の拡大を図ってきた。しかし、将来的に既設の伝送路、従来の伝送方式を用いての伝送容量の拡大が困難になると予想されるため、波長領域の拡大、新たな伝送ファイバ、及び新たな伝送方式が検討されている。

波長領域を拡大する方法として、現在利用されていない波長帯を利用して、広波長域のＷＤＭを実現し伝送容量を増大させる検討もなされている。しかし、伝送損失が波長帯により異なるため、使用できる波長帯は限定されると考えられ、さらに、広波長域にわたり増幅が可能な光増幅器も実現が困難なため、広波長域のＷＤＭが実用に至るためには多くの課題がある。

新たな伝送ファイバに関しては、ファイバ非線形による波形歪を抑圧するために実効断面積（Ａ_ｅｆｆ）が拡大できるファイバ構造が提案されている。ファイバ非線形の抑圧はファイバへ入力できる入力パワーの増加につながり、入力パワーの増加が可能になれば伝送速度の高速化、更なる多値化が可能になるなどの優位性が得られる。しかし、非特許文献１に示されるようにＡ_ｅｆｆの拡大は単一モード動作を前提としているため、曲げ損失と単一モード動作がトレードオフの関係にあることからＡ_ｅｆｆの大幅な拡大が困難という課題がある。

新たな伝送方式に関しては、非特許文献２に示されている無線の伝送方式において周波数利用効率を向上させるために利用されている直交した周波数成分を利用するＯＦＤＭ（ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）や非特許文献３に示されているようにＭＩＭＯ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ）をマルチモード光ファイバに適用することが検討されているが、送受信機において複雑な信号処理を必要とするため、演算処理の高速化などの課題がある。

また、新たな伝送方式に関しては、特許文献１に光ファイバの伝搬モードを利用した多重方法も提案されているが、所望の高次モードを励振する方法が提案されておらず、単一波長で利用することを前提としているため、大容量化の実現が困難という課題がある。

特開平８−２８８９１１号公報

松井他、"Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｅｒｗｉｔｈｌｏｗｂｅｎｄｉｎｇｌｏｓｓａｎｄＡｅｆｆｏｆ＞２００μｍ２ｆｏｒｕｌｔｒａｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄＷＤＭｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"、ＯＦＣ２０１０、ＰＤＰＡ２．Ｓ．Ｌ．Ｊａｎｓｅｎ他、 "１０ｘ１２１．９−Ｇｂ／ｓＰＤＭ−ＯＦＤＭＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｗｉｔｈ２−ｂ／ｓ／ＨｚＳｐｅｃｔｒａｌＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｖｅｒ１，０００ｋｍｏｆＳＳＭＦ" ＢｅｎｎＣ．Ｔｈｏｍｓｅｎ、"ＭＩＭＯｅｎａｂｌｅｄ４０Ｇｂ／ｓｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｕｓｉｎｇｍｏｄｅｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇｉｎｍｕｌｔｉｍｏｄｅｆｉｂｅｒ"、ＯＦＣ２０１０、ＯＴｈＭ６．Ｓ．Ｓａｖｉｎ他、 "Ｔｕｎａｂｌｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙｉｎｄｕｃｅｄｌｏｎｇ−ｐｅｒｉｏｄｆｉｂｅｒｇｒａｔｉｎｇｓ" ＰＯＴＩＣＣＳＬＥＴＴＥＲＳ／Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．１０／Ｍａｙ１５，２０００

そこで、前記課題を解決するために、本発明は、周波数利用効率を向上させ、既設の伝送路及び従来の伝送方式で伝送容量を拡大することができる光通信システム、光送信機、光受信機、及び光通信方法を提供することを目的とする。なお、対象とする伝送路は既設の伝送路に限るものではなく、今後新設される伝送路においても伝送容量を拡大することができる光通信システム、光送信機、光受信機、及び光通信方法を提供することも目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る光通信システム、光送信機、光受信機、及び光通信方法は、マルチモード光ファイバケーブルにおいて伝搬モードそれぞれをキャリアとして利用する多重方法を採用することとした。

具体的には、本発明に係る光通信システムは、光通信信号を送信する光送信機と、前記光通信信号を受信する光受信機と、前記光送信機と前記光受信機との間を接続し、所定波長の光を複数のモードで伝搬するマルチモード伝送路と、を備える光通信システムであって、
前記光送信機は、前記マルチモード伝送路で伝搬可能な前記所定波長のうちの１波長の光を、前記マルチモード伝送路における基本モードで生成する光源と、前記光源からの光を複数に分岐する光分波器と、前記光分波器で分岐された光のそれぞれを変調して光信号として出力する光変調器と、前記光変調器が出力する前記光信号を互いにモードが異なるようにモード変換するモード変換器と、前記モード変換器又は前記光変調器が出力する前記光信号を合波するモード合波器と、をモード多重ユニットとして有し、前記モード合波器が合波した前記光信号を前記光通信信号としており、
前記光受信機は、受信した前記光通信信号をモード毎の前記光信号に分波するモード分波器と、前記モード分波器が出力する前記光信号を受光する受光回路と、をモード分割ユニットとして有することを特徴とする。

また、本発明に係る光通信方法は、前記光送信機で、前記マルチモード伝送路で伝搬可能な前記所定波長のうちの１波長の光を、前記マルチモード伝送路における基本モードで生成する光生成手順と、前記光生成手順で生成された光を複数に分岐する光分波手順と、前記光分波手順で分岐された光のそれぞれを変調して光信号として出力する光変調手順と、前記光変調手順で出力された前記光信号を互いにモードが異なるようにモード変換するモード変換手順と、前記モード変換手順又は前記光変調手順で出力された前記光信号を合波するモード合波手順と、をモード多重ステップとして実行し、前記モード合波手順で合波した前記光信号を前記光通信信号としており、
前記光受信機で、受信した前記光通信信号をモード毎の前記光信号に分波するモード分波手順と、前記モード分波手順で出力された前記光信号を受光する受光手順と、をモード分割ステップとして実行することを特徴とする。

本発明に係る光通信システム及び光通信方法は、マルチモード伝送路に存在する複数の伝搬モードそれぞれをキャリアとして利用する。このため、１の波長であっても複数のキャリアを形成することができる。従って、周波数利用効率を向上させ、既設の伝送路及び従来の伝送方式で伝送容量を拡大することができる光通信システム及び光通信方法を提供することができる。

本発明に係る光通信システムの前記光送信機は、前記光源の波長が互いに異なる複数の前記モード多重ユニットを有し、それぞれの前記モード多重ユニットが出力する波長の異なる前記光通信信号を合波して出力する伝搬モード保持波長合波器をさらに有し、
前記光受信機は、複数の前記モード分割ユニットを有し、受信した前記光通信信号を波長毎に分波し、それぞれを前記モード分割ユニットの前記モード分波器へ結合する伝搬モード保持波長分波器をさらに有することを特徴とする。

また、本発明に係る光通信方法は、前記光送信機で、前記光源の波長が互いに異なる複数の前記モード多重ステップを行い、それぞれの前記モード多重ステップで出力される波長の異なる前記光通信信号を合波して出力する伝搬モード保持波長合波手順をさらに行い、
前記光受信機で、受信した前記光通信信号を波長毎に分波する伝搬モード保持波長分波手順を行い、前記伝搬モード保持波長分波手順で分波された前記光通信信号をそれぞれ複数の前記モード分割ステップで処理することを特徴とする。

本発明に係る光通信システムの前記光送信機の前記モード多重ユニットは、前記モード合波器を２つ持ち、前記光信号を直交する偏波に調整し、前記偏波毎に前記モード合波器に結合する偏波コントローラをさらに持ち、
前記光送信機は、前記モード多重ユニットが出力する偏波の異なる前記光通信信号を前記偏波を保持した状態で合波して出力する伝搬モード保持偏波合波器をさらに有し、
前記光受信機の前記モード分割ユニットは、前記モード分波器を２つ持ち、
前記光受信機は、受信した前記光通信信号を前記偏波毎に分離してそれぞれを前記モード分割ユニットの前記モード分波器に結合する伝搬モード保持偏波分波器をさらに有することを特徴とする。

また、本発明に係る光通信方法は、前記光送信機で、前記モード多重ステップにおいて、前記モード合波手順前に前記光信号を直交する偏波に調整する偏波コントロール手順を行い、前記モード合波手順で前記偏波毎に前記光信号を合波して前記光通信信号とし、
前記モード多重ステップの後に、前記モード多重ステップで出力される偏波の異なる前記光通信信号を前記偏波を保持した状態で合波して出力する伝搬モード保持偏波合波手順をさらに行い、
前記光受信機で、受信した前記光通信信号を前記偏波毎に分離する伝搬モード保持偏波分波手順を行い、前記伝搬モード保持偏波分波手順で分離した前記光通信信号を前記モード分割ステップで処理することを特徴とする。

本発明に係る光通信システムの前記光送信機の前記モード多重ユニットは、前記モード合波器を２つ持ち、前記光信号を直交する偏波に調整し、前記偏波毎に前記モード合波器に結合する偏波コントローラをさらに持ち、
前記光送信機は、前記光源の波長が互いに異なる複数の前記モード多重ユニットを有し、それぞれの前記モード多重ユニットが出力する波長と偏波の異なる前記光通信信号を偏波を保持した状態で合波して出力する伝搬モード保持波長合波器をさらに有し、
前記光受信機の前記モード分割ユニットは、前記モード分波器を２つ持ち、
前記光受信機は、複数の前記モード分割ユニットを有し、受信した前記光通信信号を波長毎に分波する伝搬モード保持波長分波器と、前記伝搬モード保持波長分波器で分波された前記光通信信号を前記偏波毎に分離してそれぞれを前記モード分割ユニットの前記モード分波器に結合する伝搬モード保持偏波分波器と、をさらに有することを特徴とする。

また、本発明に係る光通信方法は、前記光送信機で、前記光源の波長が互いに異なる複数の前記モード多重ステップを行い、
前記モード多重ステップにおいて、前記モード合波手順前に前記光信号を直交する偏波に調整する偏波コントロール手順を行い、前記モード合波手順で前記偏波毎に前記光信号を合波して前記光通信信号とし、前記モード多重ステップの後に、それぞれの前記モード多重ステップで出力される波長と偏波の異なる前記光通信信号を偏波を保持した状態で合波して出力する伝搬モード保持波長合波手順をさらに行い、
前記光受信機で、受信した前記光通信信号を波長毎に分波する伝搬モード保持波長分波手順を行い、前記伝搬モード保持波長分波手順で分波された前記光通信信号をそれぞれ前記偏波毎に分離する伝搬モード保持偏波分波手順を行い、前記伝搬モード保持偏波分波手順で分離した前記光通信信号を前記モード分割ステップで処理することを特徴とする。

本発明に係る光通信システム及び光通信方法は、従来の多重技術である波長の異なる複数の信号光を用いるＷＤＭ技術と、異なる偏波に信号を重畳する偏波分割多重（ＰＤＭ：ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘ）技術と組み合わせることが可能である。本発明は、これらの従来の技術とを組み合わせることで周波数利用効率をさらに向上させることができ、既設の伝送路及び従来の伝送方式で伝送容量をさらに拡大することができる光通信システム及び光通信方法を提供することができる。

本発明に係る光送信機は、前記光通信システムが備える光送信機である。

本発明に係る光受信機は、前記光通信システムが備える光受信機である。

本発明は、周波数利用効率を向上させ、既設の伝送路及び従来の伝送方式で伝送容量を拡大することができる光通信システム、光送信機、光受信機、及び光通信方法を提供することができる。

本発明に係る光通信システムを説明する図である。ファイバブラッググレーティングにおいて基本モードを第１高次モードに変換するためのグレーティングの間隔を計算した結果を示す図である。モード合波器及びモード分波器の原理を示す図である。平行導波路における基本モードと第１高次モードの透過率を示す図である。本発明に係る光通信システムを説明する図である。本発明に係る光通信システムを説明する図である。本発明に係る光通信システムを説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
図１は、本実施形態の光通信システム１００を説明する図である。光通信システム１００は、光通信信号を送信する光送信機１１１と、光通信信号を受信する光受信機１１８と、光送信機１１１と前記光受信機１１８との間を接続し、所定波長の光を複数のモードで伝搬するマルチモード伝送路１１７と、を備える。光送信機１１１は、マルチモード伝送路１１７で伝搬可能な所定波長のうちの１波長の光を、マルチモード伝送路１１７における基本モードで生成する光源１１２と、光源１１２からの光を複数に分岐する光分波器１１３と、光分波器１１３で分岐された光のそれぞれを変調して光信号として出力する光変調器１１４と、光変調器１１４が出力する光信号を互いにモードが異なるようにモード変換するモード変換器１１５と、モード変換器１１５又は光変調器１１４が出力する光信号を合波するモード合波器１１６と、をモード多重ユニット１５１として有し、モード合波器１１６が合波した光信号を光通信信号としている。光受信機１１８は、受信した光通信信号をモード毎の光信号に分波するモード分波器１１９と、モード分波器１１９が出力する光信号を受光する受光回路１２０と、をモード分割ユニット１６１として有する。

光送信機１１１は、モード多重ユニット１５１を有する。モード多重ユニット１５１は、光源１１２、光分波器１１３、光変調器１１４、モード変換器１１５及びモード合波器１１６を持つ。光受信機１１８は、モード分割ユニット１６１を有する。モード分割ユニット１６１は、モード分波器１１９及び受光回路１２０を持つ。

図１に示すように、光通信システム１００における光送信機１１１は、波長λの光源１１２と波長λの光をＮ個に等分岐する光分波器１１３と波長λの光を変調する光変調器１１４と波長λの基本伝搬モードを所望の高次モードに変換するモード変換器１１５と発生させたＮ個の伝搬モードを合波するモード合波器１１６とにより構成されている。また、光受信機１１８は合波されたＮ個の伝搬モードをそれぞれのモードに分離するモード分波器１１９と分波されたＮ個の信号光を受光して電気信号に変換する受光回路１２０とにより構成されている。

光送信機１１１のモード合波器１１６と光受信機１１８のモード分波器１１９とは、マルチモード伝送路１１７により接続されている。光送信機１１１の光源１１２から出力された光は光分波器１１３で等分岐され、等分岐された光はそれぞれのポートで光変調器１１４により変調される。変調された基本伝搬モードはそれぞれのポートでモード変換器１１５により異なる高次の伝搬モードに変換される。基本モードを含むＮ個の伝搬モードはモード合波器１１６により合波され、この合波された信号光はマルチモード伝送路１１７により伝搬され、光受信機１１８のモード分波器１１９によりそれぞれの伝搬モードに分離され、受光回路１２０で受光されて電気信号に変換される。光送信機１１１においてモード変換器１１５より前段では、基本モードで伝搬しているため従来の光デバイスを用いて装置が構成できる。

モード変換器１１５は長周期ファイバブラッググレーティングにより構成される。非特許文献４に示されるように波長λにおいて基本モードを高次モードに変換するためのグレーティングの間隔Λは式（１）で与えられる。式（１）のｎ_ｅｆｆとｎ_ｃｌ ^ｍはそれぞれ波長λ_ｍにおける基本モードの実効屈折率、ｍ番目の高次モードの実効屈折率を示している。ファイバグレーティングの間隔は使用するファイバの構造パラメータ、波長、変換するモード次数によって決定される。使用する波長を決定後、ファイバの構造パラメータから数値解析を行い、基本モードの実効屈折率と所望の高次モードの実効屈折率を算出する。これらの計算結果と式（１）を用いて必要なグレーティング周期を決定する。

コアとクラッドの比屈折率差Δを０．３５％、コア半径を４．５μｍのステップ型の屈折率分布のファイバを仮定して式（１）を用いて基本モードを第１高次モードに変換するためのグレーティングの間隔を計算した結果を図２に示す。図２は横軸を波長λ、縦軸を基本モードを第１高次モードに変換するグレーティングの間隔Λを示している。この結果からグレーティングの間隔をおよそ４８０μｍに設定することで波長１０００ｎｍの基本モードを第１高次モードに変換できる。

次にモード合波器１１６、モード分波器１１９は対称平行導波路によって実現できる。図３にモード合波器、モード分波器の原理図を示す。２つの導波路間の距離を変化させることによって、モード間の結合長の差を利用して、各モードを平行ポートと対角ポートへの分離を実現する。図４に横軸を平行導波路のコア間距離、縦軸に平行ポートの基本モードと第１高次モードの透過率を示す。平行導波路の導波路パラメータは図２の計算で用いた屈折率分布のファイバを仮定している。コア間距離を変化させると基本モードと第１高次モードの透過率が変化し、モード間の透過率が異なっており平行ポートと対角ポートに分離できることがわかる。図４の計算においては、２つの導波路が平行で導波路間で光の相互作用が発生する長さを相互作用長とし、その相互作用長は２０ｃｍとしており今回用いたファイバパラメータではコア間距離を１５μｍとすることで、基本モードの透過率が１、第１高次モードの透過率が０となるので、基本モードが平行ポートに出力され、第１高次モードが対角ポートに出力されることがわかり、それぞれのモードに分離できる。この方法はさらに高次のモードへも適用が可能であり、コア間距離と相互作用長を適切に設定することで所望の高次モードが分離できる平行導波路を設計し、多重したモード数Ｎに応じて平行導波路を直列に接続することで複数のモードの分離が可能になる。

光通信システム１００は、伝搬モードごとに重畳する光信号を基本モードにおいて生成し、基本モードの光信号を長周期ファイバブラッググレーティングを用いて、基本モードで生成された信号光を高次モードへ変換し、基本モードを含むＮ個のモードそれぞれに信号を重畳し、それらを合波して多重する。このため、光通信システム１００は、基本モードのみの光通信システムと比べて伝送容量をＮ＋１倍とすることができる。

（実施形態２）
図５は、本実施形態の光通信システム２００を説明する図である。光通信システム２００は、図１の光通信システム１００とＷＤＭとを組み合わせている。光通信システム２００は、光送信機２１１が、光源１１２の波長が互いに異なる複数のモード多重ユニット１５１を有し、それぞれのモード多重ユニット１５１が出力する波長の異なる光通信信号を合波して出力する伝搬モード保持波長合波器２１７をさらに有していること、及び光受信機２１９が、複数のモード分割ユニット１６１を有し、受信した光通信信号を波長毎に分波し、それぞれをモード分割ユニット１６１のモード分波器１１９へ結合する伝搬モード保持波長分波器２２０をさらに有すること、が光通信システム１００と異なる点である。

光送信機２１１は、モード多重ユニット１５１を波長毎にＮ個並列する。光受信機１１８は、モード分割ユニット１６１を波長毎にＮ個並列する。

光送信機２１１は、λ_１からλ_ＮのＮ個の光源１１２とＮ個の波長それぞれの光を等分岐する光分波器１１３とＮ個の波長それぞれの光を変調する光変調器１１４とそれぞれの波長の基本伝搬モードを所望の高次モードに変換するモード変換器１１５とそれぞれの波長において発生させたＮ個の伝搬モードを合波するモード合波器１１６とそれぞれの波長の伝搬モードを保持した状態でＮ個の波長を合波する伝搬モード保持波長合波器２１７とにより構成されている。

また、光受信機２１９は合波されたＮ個の波長を伝搬モードを保持したまま波長分離を行う伝搬モード保持波長分波器２２０と伝搬モード波長分波器により分波されたそれぞれの波長においてＮ個の伝搬モードを分離するモード分波器１１９とモード分波器１１９により分波されたＮ個の信号光を受光して電気信号に変換する受光回路１２０とにより構成されている。

光送信機２１１の伝搬モード保持波長合波器２１７と光受信機２１９の伝搬モード保持波長分波器２２０とは、マルチモード伝送路１１７により接続されている。光送信機２１１の光源１１２から出力されたＮ個の光は光分波器１１３で等分岐され、等分岐された光はそれぞれのポートで光変調器１１４により変調される。変調された基本伝搬モードはそれぞれのポートでモード変換器１１５により異なる高次の伝搬モードに変換される。基本モードを含むＮ個の伝搬モードはモード合波器１１６により合波され、この合波された信号光はさらに伝搬モード保持波長合波器２１７により合波され、マルチモード伝送路１１７により伝搬され、光受信機２１９の伝搬モード保持波長分波器２２０によりＮ個の波長それぞれに分離され、モード分波器１１９によりＮ個の伝搬モードに分離され、受光回路１２０で受光されて電気信号に変換される。

光通信システム２００は、モード分割多重と波長分割多重の２つの多重方法を簡易なファイバデバイスを用いることで構成し、基本モードのみの光通信システムと比べて伝送可能な容量を飛躍的に増加させることができる。

（実施形態３）
図６は、本実施形態の光通信システム３００を説明する図である。光通信システム３００は、図１の光通信システム１００とＰＤＭとを組み合わせている。光通信システム３００は、モード多重ユニット１５２が、モード合波器１１６を２つ持ち、光信号を直交する偏波に調整し、偏波毎にモード合波器１１６に結合する偏波コントローラ３１７をさらに持つこと、光送信機が、モード多重ユニット１５２が出力する偏波の異なる光通信信号を偏波を保持した状態で合波して出力する伝搬モード保持偏波合波器３１９をさらに有すること、モード分割ユニット１６２が、モード分波器１１９を２つ持つこと、及び前記光受信機が、受信した光通信信号を偏波毎に分離してそれぞれをモード分割ユニット１６２のモード分波器１１９に結合する伝搬モード保持偏波分波器３２２をさらに有すること、が光通信システム１００と異なる点である。

光送信機３１１は、モード多重ユニット１５２を有する。モード多重ユニット１５２は、光源１１２、光分波器３１３、光分波器１１３、光変調器１１４、モード変換器１１５及びモード合波器１１６を持つ。そして、モード多重ユニット１５２は、光分波器１１３からモード合波器１１６までの間を偏波毎に２つの系としている。光受信機３２１は、モード分割ユニット１６２を有する。モード分割ユニット１６２は、モード分波器１１９及び受光回路１２０を持ち、偏波毎に２つの系としている。

光送信機３１１は、波長λの光源１１２と波長λの光を２分岐する光分波器３１３、光分波器３１３により分岐された波長λの光をＮ個に分岐する光分波器１１３と、波長λの基本モードを変調する光変調器１１４と、波長λの基本伝搬モードを所望の高次モードに変換するモード変換器１１５と発生させたＮ個の伝搬モードそれぞれの偏波を調節する偏波コントローラ３１７とＮ個の伝搬モードを合波するモード合波器１１６とそれぞれの伝搬モードを保持した状態で２つの偏波を合波する伝搬モード保持偏波合波器３１９とにより構成されている。

また、光受信機３２１は合波されたＮ個の伝搬モードを保持した状態で偏波分離する伝搬モード保持偏波分波器３２２とＮ個の伝搬モードそれぞれに分離するモード分波器１１９とモード分波器１１９により分波されたＮ個の信号光を受光して電気信号に変換する受光回路１２０とにより構成されている。

光送信機３１１の伝搬モード保持偏波合波器３１９と光受信機３２１の伝搬モード保持偏波分波器３２２とは、マルチモード伝送路１１７により接続されている。光送信機３１１の光源１１２から出力された波長λの光は光分波器３１３で２分岐され、２分岐された光を光分波器１１３によりさらにＮ個に等分岐する。Ｎ個に等分岐された光はそれぞれのポートで光変調器１１４により変調される。変調された基本伝搬モードはそれぞれのポートでモード変換器１１５により異なる高次の伝搬モードに変換される。波長λの光を２分岐した内の一方をＸ偏波、もう一方をＹ偏波となるようにモード変換器１１５の後段に接続されている偏波コントローラ３１７を調節し、基本モードを含むＮ個の伝搬モードをＸ偏波とＹ偏波それぞれにＮモード数多重し、伝搬モード保持偏波合波器３１９により合波する。この合波された信号光はマルチモード伝送路１１７により伝搬され、光受信機３２１の伝搬モード保持偏波分波器３２２によりＸ偏波、Ｙ偏波に分離された後、モード分波器１１９によりＮ個の伝搬モードそれぞれに分離され、受光回路１２０で受光されて電気信号に変換される。

光通信システム３００は、モード分割多重と偏波分割多重の２つの多重方法を簡易なファイバデバイスを用いることで構成し、基本モードのみの光通信システムと比べて伝送可能な容量を飛躍的に増加させることができる。

（実施形態４）
図７は、本実施形態の光通信システム４００を説明する図である。光通信システム４００は、図１の光通信システム１００とＷＤＭとＰＤＭとを組み合わせている。光通信システム４００は、モード多重ユニット１５２が、モード合波器１１６を２つ持ち、光信号を直交する偏波に調整し、偏波毎にモード合波器１１６に結合する偏波コントローラ３１７をさらに持つこと、光送信機４１１が、光源１１２の波長が互いに異なる複数のモード多重ユニット１５２を有し、それぞれのモード多重ユニット１５２が出力する波長と偏波の異なる光通信信号を偏波を保持した状態で合波して出力する伝搬モード保持波長合波器４１９をさらに有すること、モード分割ユニット１６１が、モード分波器１１９を２つ持つこと、及び光受信機４２１が、複数のモード分割ユニット１６１を有し、受信した光通信信号を波長毎に分波する伝搬モード保持波長分波器４２２と、伝搬モード保持波長分波器４２２で分波された光通信信号を偏波毎に分離してそれぞれをモード分割ユニット１６１のモード分波器１１９に結合する伝搬モード保持偏波分波器３２２と、をさらに有すること、が光通信システム１００と異なる点である。

光送信機４１１は、モード多重ユニット１５２を波長毎にＮ個並列する。光受信機４２１は、モード分割ユニット１６１を波長毎にＮ個並列する。

光送信機４１１は、λ_１からλ_ＮのＮ個の光源１１２とＮ個の波長それぞれの光を２分岐する光分波器３１３と、２分岐した光をさらにＮ個に等分岐するための光分波器１１３とＮ個の波長の基本モードそれぞれを変調する光変調器１１４とそれぞれの波長の基本伝搬モードを所望の高次モードに変換するモード変換器１１５とＮ個の波長それぞれに対応し、それぞれの波長において発生させたＮ個の高次モードそれぞれの偏波を調節する偏波コントローラ３１７とそれぞれの波長において発生させたＮ個の伝搬モードを合波するモード合波器１１６とそれぞれの波長の伝搬モードを保持した状態でＮ個の波長を合波する伝搬モード保持波長合波器４１９とにより構成されている。

また、光受信機４２１は合波されたＮ個の波長を伝搬モードを保持した状態で波長分離を行う伝搬モード保持波長分波器４２２と伝搬モード波長分波器４２２により分波されたそれぞれの波長において、Ｎ個の伝搬モードを保持した状態で偏波を分離するための伝搬モード保持偏波分波器３２２とＮ個の伝搬モードを分離するモード分波器１１９とモード分波器１１９により分波されたＮ個の信号光を受光して電気信号に変換する受光回路１２０とにより構成されている。

光送信機４１１の伝搬モード保持波長合波器４１９と光受信機４２１の伝搬モード保持波長分波器４２２とは、マルチモード伝送路１１７により接続されている。光送信機４１１の光源１１２から出力されたＮ個の光は光分波器３１３で２分岐され、２分岐された光は光分波器１１３によりさらにＮ個に等分岐する。Ｎ個に等分岐された光はそれぞれのポートで光変調器１１４により変調される。変調された基本伝搬モードはそれぞれのポートでモード変換器１１５により異なる高次の伝搬モードに変換される。Ｎ個の波長λのそれぞれの光を２分岐した内の一方をＸ偏波、もう一方をＹ偏波となるようにモード変換器１１５の後段に接続されている偏波コントローラ３１７を調節し、基本モードを含むＮ個の伝搬モードをＸ偏波とＹ偏波それぞれにＮモード数多重し、モード合波器１１６により合波する。それぞれの波長において合波されたＸ偏波、Ｙ偏波それぞれに調節されたＮ個の伝搬モードは、さらに伝搬モードを保持した状態で波長を合波する伝搬モード保持波長合波器４１９によりＮ個の波長を合波する。この偏波、波長、伝搬モードすべてが合波された信号光はマルチモード伝送路１１７により伝搬され、光受信機４２１の伝搬モード保持波長分波器４２２によりＮ個の波長それぞれに分離され、Ｎ個の波長それぞれにおいてさらに伝搬モード保持偏波分波器３２２によりＸ偏波とＹ偏波に分離される。偏波分離の後にモード分波器１１９によりＮ個の伝搬モードそれぞれに分離され、受光回路１２０で受光されて電気信号に変換される。

光通信システム４００は、モード分割多重、偏波分割多重及び波長分割多重の３つの多重方法を簡易なファイバデバイスを用いることで構成し、基本モードのみの光通信システムと比べて伝送可能な容量を飛躍的に増加させることができる。

本発明の光通信システムは、既設の伝送路の容量を拡大することに限らない。新規に敷設される伝送路や新たに開発された光ファイバで構成する伝送路であっても本発明の光通信システムを適用することができる。

１００、２００、３００、４００：光通信システム
１１１、２１１、３１１、４１１：光送信機
１１８、２１９、３２１、４２１：光受信機
１１２：光源
１１３：光分波器
１１４：光変調器
１１５：モード変換器
１１６：モード合波器
１１７：マルチモード伝送路
１１９：モード分波器
１２０：受光回路
１５１、１５２：モード多重ユニット
１６１、１６２：モード分割ユニット
２１７：伝搬モード保持波長合波器
２２０：伝搬モード保持波長分波器
３１３：光分波器
３１７：偏波コントローラ
３１９：伝搬モード保持偏波合波器
３２２：伝搬モード保持偏波分波器
４１９：伝搬モード保持偏波合波器
４２２：伝搬モード保持波長分波器

Claims

光通信信号を送信する光送信機と、
前記光通信信号を受信する光受信機と、
前記光送信機と前記光受信機との間を接続し、所定波長の光を複数のモードで伝搬するマルチモード伝送路と、
を備える光通信システムであって、
前記光送信機は、
前記マルチモード伝送路で伝搬可能な前記所定波長のうちの１波長の光を、前記マルチモード伝送路における基本モードで生成する光源と、
Ｎを２以上の整数として、前記光源からの光をＮ個に等分岐する光分波器と、
前記光分波器で等分岐されたＮ個の光のそれぞれを変調して光信号として出力するＮ個の光変調器と、
前記光変調器のうちＮ−１個がそれぞれ出力するＮ−１個の前記光信号を互いにモードが異なるように基本モードから高次モードへモード変換するＮ−１個のモード変換器と、
前記モード変換器が出力するＮ−１個の前記光信号と前記光変調器のうち残りの１個が出力する前記光信号を合波するモード合波器と、
をモード多重ユニットとして有し、前記モード合波器が合波した前記光信号を前記光通信信号としており、
前記光受信機は、
受信した前記光通信信号をモード毎のＮ個の前記光信号に分波するモード分波器と、
前記モード分波器が出力する前記光信号を受光する受光回路と、
をモード分割ユニットとして有し、
前記モード変換器は、変換する高次モードに応じてグレーティング間隔を設定した長周期ファイバブラッグクレーティングであり、
前記モード合波器及び前記モード分波器は、コア間距離が異なる複数の対称平行導波路を直列に接続したファイバデバイスであること
を特徴とする光通信システム。
前記光送信機は、
前記光源の波長が互いに異なる複数の前記モード多重ユニットを有し、
それぞれの前記モード多重ユニットが出力する波長の異なる前記光通信信号を合波して出力する伝搬モード保持波長合波器をさらに有し、
前記光受信機は、
複数の前記モード分割ユニットを有し、
受信した前記光通信信号を波長毎に分波し、それぞれを前記モード分割ユニットの前記モード分波器へ結合する伝搬モード保持波長分波器をさらに有すること
を特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
前記光送信機の前記モード多重ユニットは、
前記モード合波器を２つ持ち、
前記光信号を直交する偏波に調整し、前記偏波毎に前記モード合波器に結合する偏波コントローラをさらに持ち、
前記光送信機は、
前記モード多重ユニットが出力する偏波の異なる前記光通信信号を前記偏波を保持した状態で合波して出力する伝搬モード保持偏波合波器をさらに有し、
前記光受信機の前記モード分割ユニットは、
前記モード分波器を２つ持ち、
前記光受信機は、
受信した前記光通信信号を前記偏波毎に分離してそれぞれを前記モード分割ユニットの前記モード分波器に結合する伝搬モード保持偏波分波器をさらに有すること
を特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
前記光送信機の前記モード多重ユニットは、
前記モード合波器を２つ持ち、
前記光信号を直交する偏波に調整し、前記偏波毎に前記モード合波器に結合する偏波コントローラをさらに持ち、
前記光送信機は、
前記光源の波長が互いに異なる複数の前記モード多重ユニットを有し、
それぞれの前記モード多重ユニットが出力する波長と偏波の異なる前記光通信信号を偏波を保持した状態で合波して出力する伝搬モード保持波長合波器をさらに有し、
前記光受信機の前記モード分割ユニットは、
前記モード分波器を２つ持ち、
前記光受信機は、
複数の前記モード分割ユニットを有し、
受信した前記光通信信号を波長毎に分波する伝搬モード保持波長分波器と、
前記伝搬モード保持波長分波器で分波された前記光通信信号を前記偏波毎に分離してそれぞれを前記モード分割ユニットの前記モード分波器に結合する伝搬モード保持偏波分波器と、
をさらに有すること
を特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
請求項１から４のいずれかに記載する光通信システムが備える光送信機。
請求項１から４のいずれかに記載する光通信システムが備える光受信機。
光通信信号を送信する光送信機と、
前記光通信信号を受信する光受信機と、
前記光送信器と前記光受信器との間を接続し、所定波長の光を複数のモードで伝搬するマルチモード伝送路と、
を備える光通信システムの光通信方法であって、
前記光送信機で、
前記マルチモード伝送路で伝搬可能な前記所定波長のうちの１波長の光を、前記マルチモード伝送路における基本モードで生成する光生成手順と、
Ｎを２以上の整数として、前記光生成手順で生成された光をＮ個に等分岐する光分波手順と、
前記光分波手順で等分岐されたＮ個の光のそれぞれを変調してＮ個の光信号として出力する光変調手順と、
前記光変調手順で出力された前記光信号のうちＮ−１個を互いにモードが異なるように基本モードから高次モードへモード変換するモード変換手順と、
前記モード変換手順で出力されたＮ−１個の前記光信号と前記光変調手順で出力された残りの１個の前記光信号を合波するモード合波手順と、
をモード多重ステップとして実行し、前記モード合波手順で合波した前記光信号を前記光通信信号としており、
前記光受信機で、
受信した前記光通信信号をモード毎のＮ個の前記光信号に分波するモード分波手順と、
前記モード分波手順で出力された前記光信号を受光する受光手順と、
をモード分割ステップとして実行し、
前記モード変換手順では、変換する高次モードに応じてグレーティング間隔を設定した長周期ファイバブラッグクレーティングでモード変換を行い、
前記モード合波手順及び前記モード分波手順では、コア間距離が異なる複数の対称平行導波路を直列に接続したファイバデバイスで合波及び分波すること
を特徴とする光通信方法。
前記光送信機で、
前記光源の波長が互いに異なる複数の前記モード多重ステップを行い、
それぞれの前記モード多重ステップで出力される波長の異なる前記光通信信号を合波して出力する伝搬モード保持波長合波手順をさらに行い、
前記光受信機で、
受信した前記光通信信号を波長毎に分波する伝搬モード保持波長分波手順を行い、
前記伝搬モード保持波長分波手順で分波された前記光通信信号をそれぞれ複数の前記モード分割ステップで処理すること
を特徴とする請求項７に記載の光通信方法。
前記光送信機で、
前記モード多重ステップにおいて、
前記モード合波手順前に前記光信号を直交する偏波に調整する偏波コントロール手順を行い、
前記モード合波手順で前記偏波毎に前記光信号を合波して前記光通信信号とし、
前記モード多重ステップの後に、
前記モード多重ステップで出力される偏波の異なる前記光通信信号を前記偏波を保持した状態で合波して出力する伝搬モード保持偏波合波手順をさらに行い、
前記光受信機で、
受信した前記光通信信号を前記偏波毎に分離する伝搬モード保持偏波分波手順を行い、
前記伝搬モード保持偏波分波手順で分離した前記光通信信号を前記モード分割ステップで処理すること
を特徴とする請求項７に記載の光通信方法。
前記光送信機で、
前記光源の波長が互いに異なる複数の前記モード多重ステップを行い、
前記モード多重ステップにおいて、
前記モード合波手順前に前記光信号を直交する偏波に調整する偏波コントロール手順を行い、
前記モード合波手順で前記偏波毎に前記光信号を合波して前記光通信信号とし、
前記モード多重ステップの後に、
それぞれの前記モード多重ステップで出力される波長と偏波の異なる前記光通信信号を偏波を保持した状態で合波して出力する伝搬モード保持波長合波手順をさらに行い、
前記光受信機で、
受信した前記光通信信号を波長毎に分波する伝搬モード保持波長分波手順を行い、
前記伝搬モード保持波長分波手順で分波された前記光通信信号をそれぞれ前記偏波毎に分離する伝搬モード保持偏波分波手順を行い、
前記伝搬モード保持偏波分波手順で分離した前記光通信信号を前記モード分割ステップで処理すること
を特徴とする請求項７に記載の光通信方法。