JP5665967B2 - マルチモード光通信 - Google Patents

Description

本発明は光通信システムに関する。

本項は、本発明をよりよく理解することを容易にするのに役立ち得る側面を紹介する。したがって、本項の記述はそのように読まれるべきであり、従来技術にあるものまたは従来技術にないものを承認するものとして理解されるべきではない。

種々の通信システムにおいて、重要な考慮事項はデータの伝送速度である。光通信の話では、データの伝送速度を上昇させるためにいくつかの技術が考えられる。これらの技術には、位相偏移変調方式、偏光多重方式、および光伝搬モード多重方式が含まれる。

米国特許仮出願第６１／３２１，０１３号 米国特許仮出願第６１／３２０，９３４号 米国特許出願第＿＿／＿＿＿，＿＿＿号（整理番号８０７２５７−ＵＳ−ＮＰ） 米国特許出願第１１／２０４，６０７号 米国特許出願第１１／２３６，２４６号 米国特許出願第１１／６４４，５３６号

装置の一実施形態は光送信機を備える。光送信機は、光導波路の組ならびに第１、第２、および第３の光変調器を備える。この組の光導波路の出力端は、２次元（Ｄ）側方入力アレイがマルチモード光導波路の一端に光学的に対向するように位置したのに応答して、この組の光導波路をマルチモード光ファイバに終端結合することが可能な２Ｄ側方入力アレイを形成する。第１の光変調器は、この組の光導波路のうちの第１のものに光学的に接続され、第２および第３の光変調器のそれぞれは、この組の光導波路のうちの第２および第３のものに光学的に接続されている。光導波路の組は、光変調器とマルチモード光ファイバにおける光伝搬モードの間に、階数３以上の結合マトリックスを実現するように構成される。

上記装置のいくつかの実施形態において、この組は、第１および第２の光ファイバ・バンドルを含む。この組の第２および第３の光導波路は、それぞれ第１および第２の光ファイバ・バンドルの光ファイバである。

上記装置のいくつかの実施形態において、この組は、第１および第２の多芯光ファイバを含む。この組の第１および第２の光導波路は、それぞれ第１および第２の多芯光ファイバの光ファイバである。

上記装置のいくつかの実施形態において、光導波路の組は、この組の光導波路をマルチモード光ファイバに終端結合することが可能な２Ｄ側方出力アレイを出力端が形成する、少なくとも５つの光導波路を含む。

上記装置のいくつかの実施形態において、光送信機は、第２の光導波路の組ならびに第１、第２、および第３の追加の光変調器をさらに備える。第２の組の光導波路の出力端は、第２の２Ｄ側方入力アレイがマルチモード光導波路の一端に光学的に対向するように位置したのに応答して、第２の組の光導波路をマルチモード光ファイバに終端結合することが可能な第２の２Ｄ側方入力アレイを形成する。第１の追加の光変調器は、第２の組の光導波路のうちの第１のものに光学的に接続され、第２および第３の追加の光変調器のそれぞれは、第２の組の光導波路のうちの第２および第３のものに光学的に接続されている。そのようないくつかの実施形態において、２つのアレイは、両方の組の光導波路の出力部をもつ単一の物理的なアレイを形成することができる。そのようないくつかの実施形態において、第２の光導波路の組は、追加の光変調器とマルチモード光ファイバにおける光伝搬モードの間に階数３以上の結合マトリックスを実現するように構成されていてもよい。そのようないくつかの実施形態において、第１の組およびそこに接続された光変調器は、第２の組および追加の光変調器がそこに出力するように構成されている光の偏光とほぼ直交する偏光で、マルチモード光ファイバに光を出力するように構成されていてもよい。

装置の別の実施形態は、光受信機を備える。光受信機は、光導波路の組ならびに第１、第２、および第３の光データ復調器を含む。この組の光導波路の入力端は、２Ｄ側方入力アレイがマルチモード光導波路の一端に光学的に対向するように位置したのに応答して、この組の光導波路をマルチモード光ファイバに終端結合するための２Ｄ側方入力アレイを形成する。第１の光データ復調器は、この組の光導波路のうちの第１のものに光学的に接続され、第２および第３の光データ復調器のそれぞれは、この組の光導波路のうちの第２および第３のものに光学的に接続されている。光導波路の組は、光データ復調器とマルチモード光ファイバにおける光伝搬モードの間に、階数３以上の結合マトリックスを実現するように構成される。

上記装置のいくつかの実施形態において、この組は、第１および第２の光ファイバ・バンドルを含む。この組の第２および第３の光導波路は、それぞれ第１および第２の光ファイバ・バンドルの光ファイバである。

上記装置のいくつかの実施形態において、この組は、第１および第２の多芯光ファイバを含む。この組の第１および第２の光導波路は、それぞれ第１および第２の多芯光ファイバの光ファイバである。

上記装置のいくつかの実施形態において、光導波路の組は、この組の光導波路をマルチモード光ファイバに終端結合することが可能な２Ｄ側方入力アレイを入力端が形成する、少なくとも５つの光導波路を含む。

上記装置のいくつかの実施形態において、光受信機は、第２の光導波路の組ならびに第１、第２、および第３の追加の光データ復調器をさらに備える。第２の組の光導波路の入力端は、第２の２Ｄ側方入力アレイがマルチモード光導波路の一端に光学的に対向するように位置したのに応答して、第２の組の光導波路をマルチモード光ファイバに終端結合することが可能な第２の２Ｄ側方入力アレイを形成する。第１の追加の光データ復調器は、第２の組の光導波路のうちの第１のものに光学的に接続されている。第２および第３の追加の光データ復調器のそれぞれは、第２の組の光導波路のうちの第２および第３のものに光学的に接続されている。そのようないくつかの実施形態において、２つのアレイは、両方の組の光導波路の入力部をもつ単一の物理的なアレイを形成する。そのようないくつかの実施形態において、第２の光導波路の組は、追加の光データ復調器とマルチモード光ファイバにおける光伝搬モードの間に階数３以上の結合マトリックスを実現するように構成されている。そのようないくつかの実施形態において、第１の組およびそこに接続された光データ復調器は、第２の組および追加の光変調器がマルチモード光ファイバから受け取るように構成されている光の偏光とほぼ直交する偏光で、マルチモード光ファイバから光を受け取るように構成されている。

別の実施形態は、デジタルデータを光学的に送信する方法を提供する。この方法は、第１の変調された光搬送波が、マルチモード光ファイバの第１の伝搬モードに優先的に送られるように、第１のデータ変調された光搬送波を、マルチモード光ファイバに終端結合された第１の光導波路に送るステップを含む。この方法は、第２の変調された光搬送波が、マルチモード光ファイバの第２の伝搬モードに優先的に送られ、第３の変調された光搬送波が、マルチモード光ファイバの第３の伝搬モードに優先的に送られるように、第２および第３の変調された光搬送波を、マルチモード光導波路に終端結合された第２および第３の光導波路の両方に送るステップを含む。第１、第２および第３の伝搬モードは、マルチモード光ファイバにおける直交伝搬モードである。

この方法のいくつかの実施形態において、第２の伝搬モードは、マルチモード光ファイバの軸周りの円がある方向に横断されるにつれて増加する位相を有し、第３の伝搬モードは、この円が反対方向に横断されるにつれて増加する位相を有する。

別の実施形態は、デジタルデータを光学的に受信する方法を提供する。この方法は、受け取る光が優先的にはマルチモード光導波路の第１の伝搬モードからのものとなるように、マルチモード光導波路からの、そこに終端結合された第１の光導波路を介して受け取った光からデータを復調するステップを含む。この方法は、他の光が優先的にはマルチモード光導波路の第２の伝搬モードからのものとなるように、マルチモード光導波路からの、そこに終端結合された第２および第３の光導波路の両方を介して受け取った他の光からデータを復調するステップを含む。この方法は、さらに他の光が優先的にはマルチモード光導波路の第３の伝搬モードからのものとなるように、マルチモード光導波路からの、第２および第３の光導波路の両方を介して受け取ったさらに他の光からデータを復調するステップを含む。第１、第２および第３の伝搬モードは、マルチモード光ファイバにおける直交伝搬モードである。

この方法のいくつかの実施形態において、第２の伝搬モードは、マルチモード光ファイバの軸周りの円がある形で押し出されるにつれて円上で増加する位相を有し、第３の伝搬モードは、円が別の形で押し出されるにつれて、マルチモード光ファイバの軸周りの円上で増加する位相を有する。

光伝搬モード多重方式（ＯＰＭＭ）に従ってデータを通信するための光通信システムを概略的に示す図である。 たとえば図１の光通信システム内のＯＰＭＭを実施するためのモードなどの、例示的なマルチモード光ファイバにおける、光伝搬モードの３つの例の放射状光強度を概略的に示す図である。 図２Ａに示した光伝搬モードの位相の角度依存性を概略的に示す図である。 たとえば図１の光通信システムなどの、ＯＰＭＭを実施する光通信システムで使用するための光送信機の一実施形態を概略的に示す図である。 たとえば図１の光通信システムなどの、ＯＰＭＭを実施する光通信システムで使用するための光送信機の別の実施形態を概略的に示す図である。 たとえば図１の光通信システムで使用するための偏光モード多重方式も実施する、図３Ａの光送信機の特定の実施形態を概略的に示す図である。 たとえば図１の光通信システムで使用するためのＯＰＭＭおよび偏光モード多重方式も実施する光送信機の別の実施形態を概略的に示す図である。 たとえば図３Ｄの光送信機で使用するための受動光エミッタの２Ｄ側方出力アレイ（ＬＯＡ）の一例を示す、端部の図である。 たとえば図３Ｃの光送信機で使用するための受動光エミッタの組の平面的な実施形態を示す上面断面図である。 たとえば図１の光通信システムで使用するための、ＯＰＭＭに従って変調された光搬送波からデータを復調する光受信機の一実施形態を概略的に示す図である。 たとえば図１の光通信システムで使用するための、ＯＰＭＭ、偏光多重方式、および４位相偏移変調に従って変調されたデータを復調する光受信機の別の実施形態を概略的に示す図である。 たとえば図１の光通信システムで使用するための、ＯＰＰＭおよび偏光多重に従って変調されたデータを復調する光受信機の別の実施形態を概略的に示す図である。 たとえば図３Ａ〜３Ｄの光送信機で使用するための、デジタルデータストリームを光送信する方法を示すフローチャートである。 たとえば、図４Ａ〜４Ｃの光受信機における使用のために、デジタルデータストリームを光学的に受信する方法を示すフローチャートである。

図面および文章において、同様の参照符号は、類似のまたは同じ機能および／もしくは構造をもつ要素を示す。

図面において、いくつかの機能部の相対的な寸法は、機能部および／またはその中にある他の機能部との関係をより明確に示すために、誇張されていることがある。

本明細書において、種々の実施形態は、図面および例示の実施形態の詳細な説明によってより十分に説明される。それでも、本発明は、さまざまな形で実現することができ、図面および例示の実施形態の詳細な説明に記載した実施形態には限定されない。

２０１０年４月５日に出願された米国特許仮出願第６１／３２１，０１３号および第６１／３２０，９３４号、ならびにＲｏｌａｎｄ Ｒｙｆによって２０１０年６月３０日に出願された、「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＣＯＵＰＬＥＲ ＦＯＲ ＯＰＴＩＣＡＬ ＴＲＡＮＳＶＥＲＳＥ−ＭＯＤＥ ＭＵＬＴＩＰＬＥＸＩＮＧ」という名称の米国特許出願第＿＿／＿＿＿，＿＿＿号（整理番号８０７２５７−ＵＳ−ＮＰ）はすべて、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。

図１は、光伝搬モード多重方式（ＯＰＭＭ）に従ってデジタルデータを送信するための光通信システム１０を示す。光通信システム１０は、光送信機１２、光受信機１４、および全光学式的に光送信機１２を光受信機１４に接続するマルチモード光送信ファイバのＮ個の送信ファイバ・スパンＳＰ_１、ＳＰ_２、……、ＳＰ_Ｎを含む。ここで、Ｎは正の整数、たとえば、１、２、３、４などであり、マルチモード光送信ファイバの送信ファイバ・スパンＳＰ_１〜ＳＰ_Ｎ−１のそれぞれは、受動のまたは稼働中の全光学式接続デバイス（ＡＣＤ）によって、マルチモード光送信ファイバの、隣のスパンＳＰ_２〜ＳＰ_Ｎに接続される。全光学式接続デバイスの例には、光増幅器、光分散補償器、光ファイバ・カプラ、光アイソレータ、および／またはそれらの一連の組合せが含まれる。

全光学式接続デバイスＡＣＤのそれぞれは、入力および出力送信ファイバ・スパンＳＰ_１〜ＳＰ_Ｎを、光結合マトリックスを介して事実上結合する。光通信システム１０において、全光学式接続デバイスＡＣＤは、独立したデータを送信ファイバ・スパンＳＰ_１〜ＳＰ_Ｎにおいて搬送するために使用される光伝搬モードの数と少なくとも同じ大きさの階数をもつ、光結合マトリックスを実現する。光結合マトリックスの階数は、対応する光学デバイスを介して一定の波長で結合され得る、独立して変調される光搬送波の数を固定する。全光学式接続デバイスＡＣＤは、それぞれ個別のデータストリームを搬送する光伝搬モードの形を実質的に保存するために、たとえば、データ搬送用の光伝搬モード間に、ほぼ斜交または非斜交の結合マトリックスを実現することができる。

光通信システム１０の各実施形態は、たとえば図２Ａ〜２Ｂに示したように、異なる放射状光強度プロファイルおよび異なる角位相プロファイルで光伝搬用モードを使用する。

図２Ａは、マルチモード光ファイバ、たとえば図１におけるスパンＳＰ_１〜ＳＰ_Ｎのマルチモード光送信ファイバに存在し得るいくつかの光伝搬モードＡ、Ｂ、Ｃの放射状の光の強度を概略的に示す。モードＡは、たとえば、典型的な基礎光伝搬モードのように、マルチモード光ファイバの中心において、大きい光強度を有する。モードＢおよびＣは、マルチモード光ファイバの中心において、小さいまたは消失光の強度を有し、またたとえば高次伝搬モードのように、マルチモード光ファイバの中心から半径距離Ｒのところで、１つまたは複数の高いまたは最大の強度の領域を有する。たとえば、ＢモードおよびＣモードは、マルチモード光ファイバの中心軸の周りおよびそこから離れた環状領域のすべてまたは一部において、大きい強度を有することがある。

図２Ｂは、マルチモード光ファイバの中心軸周りの角度の関数として、Ａ〜Ｃの伝搬モードの大きい強度の領域の相対的な位相を概略的に示す。Ａの伝搬モードは、たとえば、マルチモード光ファイバの中心軸近くなどの、大きい強度領域のさまざまな箇所にわたって位相が比較的一定である構成を有する。Ｂの伝搬モードは、このモードの大きい強度の環状領域における中心軸周りの角度に対して、位相がおよそ直線的に増加する構成を有する。すなわち、位相はマルチモード光ファイバの軸を反時計回りに囲む経路にわたって２πＭだけ増加し、Ｍは正の整数、たとえば、１、２、３などである。Ｃの伝搬モードは、このモードの大きい強度の環状領域における角度に対して、位相がおよそ直線的に減少する構成を有する。すなわち、位相は、マルチモード光ファイバの軸を反時計回りに囲む経路にわたって−２πＭ’だけ減少し、Ｍ’は正の整数、たとえば、１、２、３などである。本明細書において、ＭおよびＭ’は、同じ正の整数であっても、異なる正の整数であってもよい。

各実施形態を、図２Ａ〜２Ｂに示した光伝搬モードについて説明する。ただし、本開示に基づいて、光通信システム１０の種々の実施形態は、図１における送信ファイバ・スパンＳＰ_１〜ＳＰ_Ｎにおいてデータを搬送するために、他の光伝搬モード、たとえば高次モードを使用できることが当業者には理解されるはずである。

図１の光送信機１２の種々の実施形態は、複数の光源を含んでいてもよく、各光源は、図１における送信ファイバ・スパンＳＰ_１〜ＳＰ_Ｎのマルチモード光送信ファイバの光伝搬モードＡ、Ｂ、およびＣのうちの選択された１つのものに、振幅および位相プロファイルが個別により強く結合するように適合された光を生成する。そのため、光送信機１２は、異なるデータストリームを、光伝搬モードＡ、Ｂ、およびＣのそれぞれに同時に送信することが可能であってもよく、異なるデータストリームは、同じかまたは異なるデジタルデータ変調プロトコルで送信される。いくつかの実施形態において、光送信機１２は４つ以上の光源を有し、各光源は図１における送信ファイバ・スパンＳＰ_１〜ＳＰ_Ｎのマルチモード光送信ファイバの光伝搬モードのうちの対応する異なる１つに、優先的、光学的に結合することが可能である。

図３Ａは、図１に示した光送信機１２の一実施形態１２Ａを概略的に示す。光送信機１２Ａは、少なくとも３つの光変調器２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃおよび、少なくとも３つの受動光エミッタ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃを備える。

光変調器２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃのそれぞれは、対応する振幅変調および／または位相偏移変調プロトコルに従って、対応するデータストリーム、すなわち、ＤＡＴＡ−Ａ、ＤＡＴＡ−Ｂ、またはＤＡＴＡ−Ｃを光搬送波上に変調する。データストリームＤＡＴＡ−Ａ、ＤＡＴＡ−Ｂ、ＤＡＴＡ−Ｃは、たとえば互いに区別でき、そのようなデータストリームの各対は、同じデジタルデータ変調プロトコルまたは異なるデジタルデータ変調プロトコルによって、光搬送波上に変調されてもよい。光変調器２０Ａ〜２０Ｃのそれぞれは、デジタル、アナログ、または拡張変調フォーマットのデータを光搬送波上に変調し、変調された光搬送波を、たとえば、１つまたは複数の光導波路が取り付けられていることがある光出力部に出力するための従来のデバイスのいずれかであってもよい。

受動光エミッタ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃのそれぞれは、対応する数の光変調器２０Ａ〜２０Ｃを、受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃの単一の出力光導波路ＯＯＷに光学的に接続するための１つまたは複数の入力光導波路ＩＯＷを含む光導波路構造を有する。いくつかの実施形態において、光導波路構造は、たとえば、単一モードの光ファイバなどの１つまたは複数の入力光ファイバ、および単一モードの光ファイバなどの出力光ファイバを備えたファイバ・バンドルである。そのようなファイバ・バンドルでは、各入力光ファイバのそれぞれの偏光は、出力光ファイバのあるモードに光学的に結合する。各代替実施形態において、光導波路構造は、たとえば、１つまたは複数の入力光ファイバコアおよび単一モードまたはマルチモードの出力光ファイバを備えた多芯光ファイバであってもよい。そのような多芯光ファイバでは、各入力光ファイバコアが、出力光ファイバに光学的に結合する。別法として、受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃの組全体および／またはその単一の受動光エミッタは、（１つまたは複数の）一体化された光学デバイスとして製作してもよい。

受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃのそれぞれは、溶融構造として種々の方法で製作してもよい。ある例においては、バンドルを形成するために、複数の光ファイバをガラス毛細管の中に収めてもよい。次いで、バンドルの一端を、部分溶融状態になるように加熱し、出力光ファイバＯＯＷを作り出すためにバンドルの部分溶融状態の一端を引っ張ることによって、前記ファイバを作り出す。そのような実施形態において、最初の光ファイバの残りの自由端が、出力光ファイバＯＯＷに光学的に結合された受動光エミッタの入力光導波路ＩＯＷを形成する。別の実施形態において、受動光エミッタの光導波路構造を形成するために、複数の光ファイバを溶着する、すなわち、複数の入力光ファイバＩＯＷに固定され、かつ光学的に結合された出力光ファイバＯＯＷを備えるようにする。実際、個々の受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃを溶着した光ファイバ・バンドルを作り出すために、そのような引出しまたは溶融方法を複数回行って、図３Ａの受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃの組全体を形成することができる。

受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃのそれぞれについて、出力光導波路ＯＯＷの出力端は、マルチモード光ファイバ２４、たとえば、図１における第１の送信ファイバ・スパンＳＰ_１のマルチモード光送信ファイバの入力端に対向している。したがって、受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃの出力部は、マルチモード光ファイバ２４の入力端に光学的に対向する２Ｄ側方出力アレイＬＯＡを形成する。側方出力アレイＬＯＡによって、部分的には、受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃのそれぞれは、マルチモード光ファイバ２４における選択された１つまたは複数の光伝搬モードに優先的に光を送るように構成される。受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃの組は、たとえば、光伝搬モードのうちの３つ以上に結合することができる。受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃの側方出力アレイＬＯＡは、マルチモード光ファイバ２４の入力端に接合された溶融体であってもよく、またはオプションのイメージング・システム２６を介して、その入力端に光学的に結合されていてもよい。オプションのイメージング・システム２６は、コリメーティング・レンズまたはマイクロレンズアレイまたは反射鏡および／もしくは光アイソレータと組み合わされたレンズシステムであってもよい。別法として、オプションのイメージング・システム２６は、個々の光ファイバが断熱的にマルチモード光ファイバに変形する溶融光ファイバの部分であってもよい。

光変調器２０Ａ〜２０Ｃは、光送信機１２ＡがＯＰＭＭをサポートできるように、受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃに、異なる形でそれぞれ光学的に結合する。特に、任意選択でイメージング・システム２６と組み合わされる受動光エミッタ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの組は、光変調器２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの組と送信ファイバ・スパンＳＰ_１の間に光結合マトリックスを実現する。光結合マトリックスの階数は、光変調器２０Ａ〜２０Ｃの組が一緒になって、送信ファイバ・スパンＳＰ_１光伝搬モードを介して、少なくとも３つの独立したデータストリームを同時に送信することができるように、典型的には少なくとも３である。

光変調器２０Ａは、受動光エミッタ２２Ａの対応する入力光導波路または導波管コアＩＯＷに光学的に接続する。この受動光エミッタ２２Ａの出力光導波路ＯＯＷの出力端は、マルチモード光ファイバ２４の中心軸領域に優先的に光を送るように配置および配向がなされている。側方出力アレイＬＯＡのこの出力部は、たとえば、マルチモード光ファイバ２４の入力端の中心部に直接的に対向していてもよい。このため、光変調器２０Ａは、図２Ａ〜２ＢのＡの光伝搬モードに、優先的に光を光学的に結合する。

光変調器２０Ｂは、残りの２つの受動光エミッタ２２Ｂ、２２Ｃの、対応する入力光導波路または導波管コアＩＯＷに光学的に接続する。これらの残りの受動光エミッタ２２Ｂ、２２Ｃの出力光導波路ＯＯＷの出力端は、マルチモード光ファイバ２４の軸領域と同心であり、そこから離れて位置する環状領域に優先的に光を送るように、すなわち、図２Ａ〜２ＢのＢの光伝搬モードにおける大きい強度領域に優先的に光を送るように配置および配向がなされている。側方出力アレイＬＯＡのこれらの出力部は、たとえば、マルチモード光ファイバ２４の入力端の、軸からずれた領域に直接的に対向していてもよい。これらの残りの受動光エミッタ２２Ｂ、２２Ｃは、光変調器２０Ｂがその中の図２Ａ〜２ＢのＢの光伝搬モードに優先的に光を送るために、０でない適切な相対的位相の光をマルチモード光ファイバ２４の入力端の中に送達するように接続および構成されていてもよい。たとえば、マルチモード光ファイバ２４は、他の残りの受動光エミッタ２２Ｃから受け取った光に対してある相対的位相で、光を第１の残りの受動光エミッタ２２Ｂから受け取ることができ、ここで、相対的位相は［π／４、３π／４］の間隔にあり、たとえば、約＋π／２の相対的位相である。

光変調器２０Ｂは、マルチモード光ファイバ２４の中心領域に光学的に強く結合する他の受動光エミッタ２２Ａにオプションで接続してもよい。そのような接続は、マルチモード光導波路２４の入力端の中心領域において残りの受動光エミッタ２２Ｂおよび２２Ｃから受け取った光に対して、実質的に破壊的な干渉を行うのに適した位相および振幅を光にもたらすことができる。そのようなオプションの構成は、光変調器２０Ｂの、図２Ａ〜２ＢのＡの中心の光伝搬モードへの光学的結合を減少させることができる。

光変調器２０Ｃはまた、残りの同じ２つの受動光エミッタ２２Ｂ、２２Ｃの、対応する入力光導波路または導波管コアＩＯＷに光学的に接続する。既に論じたように、これらの残りの受動光エミッタ２２Ｂ、２２Ｃの出力光導波路の出力端は、マルチモード光ファイバ２４の中心軸領域と同心であり、そこから離れて位置する環状領域に優先的に光を送るように配置および配向がなされている。特に、側方出力アレイＬＯＡのこれらの出力部はまた、図２Ａ〜２ＢのＣの光伝搬モードにおける、軸からずれた大きい強度領域に光を強く結合する。これらの残りの受動光エミッタ２２Ｂ、２２Ｃはまた、光変調器２０Ｃがその中の図２Ａ〜２ＢのＣの光伝搬モードに前記光を優先的に結合するために、光変調器２０Ｃからの０でない適切な相対的位相をもつ光を、マルチモード光ファイバ２４の入力端の中に送達するように接続および構成されていてもよい。たとえば、マルチモード光ファイバ２４は、第１の残りの受動光エミッタ２２Ｂからのそのような光を第２の残りの受動光エミッタ２２Ｃから受け取ったそのような光に対してある相対的位相で受け取り、ここで、相対的位相は［−π／４、−３π／４］の間隔にあり、たとえば、約−π／２の相対的位相である。

光変調器２０Ｃはまた、マルチモード光ファイバ２４の入力端の中心領域に強く結合する受動光エミッタ２２Ａにオプションで接続してもよい。この接続は、残りの２つの受動光エミッタ２２Ｂ、２２Ｃが、光変調器２０Ｃからマルチモード光ファイバ２４の入力端の中心領域に送信する光に対して破壊的な干渉を行うのに適した位相および振幅をそのような光にもたらすように構成されてもよい。そのようなオプションの接続は、光変調器２０Ｃの、図２Ａ〜２ＢのＡの中心の光伝搬モードへの光学的結合を減少させることができる。

図３Ｂは、図３Ａの光送信機１２の別の実施形態１２Ｂを概略的に示す。光送信機１２Ｂは、３つの光変調器２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃおよび４つの受動光エミッタ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｅの組を備える。

光変調器２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃのそれぞれは、対応する振幅変調および／または位相偏移変調プロトコルに従って、対応するデータストリーム、すなわち、ＤＡＴＡ−Ａ、ＤＡＴＡ−Ｂ、またはＤＡＴＡ−Ｃを光搬送波上に変調することができる。データストリームＤＡＴＡ−Ａ、ＤＡＴＡ−Ｂ、ＤＡＴＡ−Ｃは、たとえば互いに区別でき、そのようなデータストリームの各対は、たとえば同じデジタルデータ変調プロトコルまたは異なるデジタルデータ変調プロトコルによって、光搬送波上に変調されてもよい。光変調器２０Ａ〜２０Ｃのそれぞれは、デジタルデータを光搬送波上に変調し、変調された光搬送波を、たとえば、１つまたは複数の光導波路に出力するための従来のデバイスのいずれかであってもよい。

受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｅのそれぞれは、光変調器２０Ａ〜２０Ｃのうちの対応する１つまたは複数を、受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｅの単一の出力光導波路ＯＯＷに光学的に接続するための１つまたは複数の入力光導波路ＩＯＷを含む光導波路構造を有する。受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｅは、図３Ａの受動光エミッタについて既に記載した構造のタイプを有していてもよい。

受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｅのそれぞれは、出力端が、マルチモード光ファイバ２４、たとえば、図１における第１のスパンＳＰ_１のマルチモード光送信ファイバの入力端に光学的に対向する出力光導波路を有する。すなわち、受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｅの出力部は、マルチモード光ファイバ２４の入力端に光学的に対向する２Ｄ側方出力アレイＬＯＡを形成する。部分的には、側方出力アレイＬＯＡによって、受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｅのそれぞれは、マルチモード光ファイバ２４における光伝搬モードのうちの１つまたは複数に優先的に光を送る。受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｅの組は、３つ以上の異なる変調された搬送波を、これらの光伝搬モードによって形成された組によって同時に搬送できるように、たとえば、光伝搬モードのうちの３つ以上に結合することができる。受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｅは、マルチモード光ファイバ２４の入力端に接合された溶融体であってもよく、あるいは、たとえばコリメーティング・レンズまたはマイクロレンズアレイまたは反射鏡および／もしくは光アイソレータと組み合わされたレンズシステムなどのオプションのイメージング・システム２６を介して、その入力端に光学的に結合されていてもよい。

図３Ｂにおいて、光変調器２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃのそれぞれは、ＯＰＭＭを実現するために、受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｅに異なる形で光学的に接続する。

光変調器２０Ａは、マルチモード光ファイバ２４の入力端の中心領域に光を強く送るように配置および配向がなされている導波管の一端を有する受動光エミッタ２２Ａに光学的に接続する。そのため、光変調器２０Ａは、図２Ａ〜２ＢのＡの光伝搬モードの中心に優先的に光を送る。

光変調器２０Ｂおよび２０Ｃは、マルチモード光ファイバの軸２４と同心であり、そこから離れて位置する環状領域に優先的に光を送るように配置および配向がなされている出力部を有する残りの４つの受動光エミッタ２２Ｂ〜２２Ｅに光学的に接続する。これらの出力部は、図２Ａ〜２ＢのＢおよびＣ光伝搬モードにおける大きい強度領域に優先的に光を送る。

異なる受動光エミッタ２２Ｂ〜２２Ｅは、０または０でない相対的位相を有する光を、マルチモード光ファイバ２４の入力端に送達する。光変調器２０Ｂ（２０Ｃ）は、受動光エミッタ２２Ｂ〜２２Ｅの２Ｄ側方出力アレイＬＯＡの出力部から送達される光の位相が反時計回りに増加（時計回り減少）するように接続されている。たとえば、連続して隣り合った出力端同士の間の受動光エミッタ２２Ｂ〜２２Ｅに対する相対的位相の連続的な増加（減少）は、たとえば約π／２（−π／２）の連続的増加（減少）などの間隔［π／４、３π／４］（［−π／４、−３π／４］）にあることがある。これらの理由で、光変調器２０Ｂおよび２０Ｃは、マルチモード光ファイバ２４のＢおよびＣの各光伝搬モードに優先的に結合する。

光変調器２０Ｂおよび２０Ｃは、マルチモード光導波路２４の入力端の中心領域において受動光エミッタ２２Ｂ〜２２Ｅから受け取った光に対して、実質的に破壊的な干渉を行うのに適した位相および振幅を光が有するように、受動光エミッタ２２Ａに光を送るためにオプションで接続されていてもよい。そのような破壊的な干渉は、光変調器２０Ｂおよび２０Ｃの、図２Ａ〜２ＢのＡの光伝搬モードへの結合を減少させることができる。

図３Ｃは、ＯＰＭＭと併せて偏光モード多重方式も実施する、図３Ａの光送信機１２の実施形態１２Ｃを概略的に示す。光送信機１２Ｃは、図３Ａまたは図３Ｂと同様に構築されるが、本実施形態は、第１の光変調器２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃおよびそれらに接続された第１の受動光エミッタ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃと、第２の光変調器２０Ａ’、２０Ｂ’、２０Ｃ’およびそれらに接続された第２の受動光エミッタ２２Ａ’、２２Ｂ’、２２Ｃ’とを両方備える点が異なっている。

第１および第２の受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃおよび２２Ａ’〜２２Ｃ’の組は、直交する直線偏光を偏光結合器２８の２つの入力ポートに送信する。そのため、第１の受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃの組および第２の受動光エミッタ２２Ａ’〜２２Ｃ’の組にそれぞれ対応する２Ｄ側方出力アレイＬＯＡは、直交する直線偏光でマルチモード光ファイバ２４に光を送る。適切な偏光を作り出すため、光送信機１２Ｃは、偏光結合器３０と、受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃ、２２Ａ’〜２２Ｃ’の組の片方または両方との間に（１つまたは複数の）偏光回転子を備えていてもよく、かつ／または受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃ、２２Ａ’〜２２Ｃ’の光導波路は、偏光を維持する光導波路であってもよい。関連付けられたローカル出力アレイＬＯＡは、マルチモード光ファイバ２４の入力端に「光学的に」対向するが、これは、これらのアレイが、偏光結合器２８の動作によってマルチモード光ファイバ２４の入力端に事実上対向するためである。偏光結合器２８は、複屈折結晶デバイスまたは従来の別の偏光結合器であってもよい。

光送信機１２Ｃは、偏光多重化およびＯＰＭＭを両方とも実施することができる。特に、光送信機１２Ｃは、独立したデジタルデータストリームＤＡＴＡ−Ａ、ＤＡＴＡ−Ｂ、およびＤＡＴＡ−Ｃをそれぞれ第１、第２、および第３の光伝搬モードに第１の直線偏光で送信することができ、かつ独立したデジタルデータストリームＤＡＴＡ−Ａ’、ＤＡＴＡ−Ｂ’、およびＤＡＴＡ−Ｃ’を別々に、それぞれ第１、第２、および第３の光伝搬モードに、直交する直線偏光で同時に送信することができる。

いくつかの代替実施形態において、受動光エミッタ２２Ａ’〜２２Ｃ’の第２の組および対応する光変調器２０Ａ’〜２０Ｃ’は、光送信機１２Ｃには存在しない。その場合には、偏光結合器２８は、受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃの第１の組からの光の偏光を構成するように機能する。

図３Ｄは、直接偏光させられる変調光搬送波の偏光多重化およびＯＰＭＭを実施する、図１の光送信機１２の第３の実施形態１２Ｄを概略的に示す。光送信機は、図３Ｃと同様に構築されるが、受動光エミッタ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃおよび受動光エミッタ２２Ａ’、２２Ｂ’、２２Ｃ’が単一の２Ｄ側方出力アレイＬＯＡを生み出し、受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃ、２２Ａ’〜２２Ｃ’が、同じ直線偏光の光を直線出力アレイＬＯＡに送達する点が異なっている。たとえば、受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃおよび２２Ａ’〜２２Ｃ’の２つの組は、受け取った光の偏光が維持される単一のファイバ・バンドルまたは単一の多芯光ファイバであってもよい。第１の光変調器２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは、第１の３つの受動光エミッタ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに接続し、第２の光変調器２０Ａ’、２０Ｂ’、２０Ｃ’は、残りの３つの受動光エミッタ２２Ａ’、２２Ｂ’、２２Ｃ’に接続する。そのようないくつかの実施形態において、受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃおよび２２Ａ’〜２２Ｃ’は、ローカル出力アレイＬＯＡにおいて同じ直線偏光状態の光を発する。そのような実施形態において、光送信機１２Ｄは、第１の受動光エミッタ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃから出力された光と、残りの受動光エミッタ２２Ａ’、２２Ｂ’、２２Ｃ’から出力された光との間に約９０度の相対的な偏光回転を生み出す光学素子３０も備える。そのような偏光回転を生み出すために、光学素子３０は、第２の受動光エミッタ２２Ａ’、２２Ｂ’、２２Ｃ’の組のみから光を受け取り、かつ前記光の偏光を回転させるように配置された複屈折１／２波長板または等価な偏光回転子であってもよい。光送信機１２Ｄは、偏光多重化およびＯＰＭＭの両方を実施し、それによって６つの個別のデジタルデータストリーム、すなわち、ＤＡＴＡ−Ａ、ＤＡＴＡ−Ｂ、ＤＡＴＡ−Ｃ、ＤＡＴＡ−Ａ’、ＤＡＴＡ−Ｂ’、およびＤＡＴＡ−Ｃ’の同時送信を可能にする。

図３Ｅは、図３Ｄの光送信機１２Ｄの受動光エミッタ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ａ’、２２Ｂ’、２２Ｃ’用のローカル出力アレイＬＯＡの一例を示す正面図である。この例示的なローカル出力アレイＬＯＡにおいて、受動光エミッタ２２Ａおよび２２Ａ’の出力部はアレイの中心に位置するが、これはすなわち、マルチモード光ファイバ２４において、図２Ａ〜２ＢのＡの中心の光伝搬モードによりよく結合するためである。この例示的なローカル出力アレイＬＯＡにおいて、受動光エミッタ２２Ｃ、２２Ｃ、２２Ｂ’、および２２Ｃ’の出力部は、アレイの中心の周囲であり、そこから離れた環状領域に位置するが、これはすなわち、マルチモード光ファイバ２４において、図２Ａ〜２ＢのＢおよびＣの光伝搬モードによりよく結合するためである。ローカル出力アレイＬＯＡにおける受動光エミッタの２つの組、すなわち、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃおよび２２Ａ’、２２Ｂ’、２２Ｃ’の出力部が水平方向に物理的に分離していることで、受動光エミッタ２２Ａ’〜２２Ｃ’の第２の組のみの出力部からの光を偏光回転させるように光学素子３０を配置することが可能になる。他の実施形態において、前記相対的な回転は、第１の受動光エミッタの組自体、すなわち２２Ａ〜２２Ｃで、たとえば、その中の光ファイバがそれらの光軸の周りを回るように適切に実施することができる。

図３Ｆは、図３Ｃの光送信機１２Ｃの一実施形態において受動光エミッタ２２Ａ’〜２２Ｃ’を実現する平面デバイスの端部の上面図である。本実施形態において、光学素子３０は、受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃのみからの光の面を２点で遮断する複屈折１／２波長層であり、オプションのイメージング・システム２６は、光学スペーサ層３２およびコリメーティングマイクロレンズ３４のアレイを含む。マイクロレンズ３４は、受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃおよび２２Ａ’〜２２Ｃ’からの出力光を実質的に平行にするか、または集束させるように位置している。そのため、出力された光ビームは、マルチモード光ファイバ２４における種々の光伝搬モードと実質的にサイズが一致することができ、それによってマルチモード光ファイバ２４への光結合を向上させる。

第２の平面デバイス（図示せず）は、図３Ａ〜３Ｄの受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃの第１の組を実現することができる。第２の平面デバイスは、複屈折波長層３０が存在しないことを除けば、図３Ｆの平面デバイスと同じ構造を有していてもよい。第１および第２の平面デバイスは、単一の統合された光学的構造または別個の統合された光学的構造に配置することができる。

図３Ａ〜３Ｄの光送信機１２Ａ〜１２Ｄの種々の実施形態は、プロセッサ８を備えてもよい。プロセッサ８は、種々の光変調器、たとえば光変調器２０Ａ〜２０Ｃおよび／または光変調器２０Ａ’〜２０Ｃ’にデータを送る前に、そのデータを処理することができる。前処理は、たとえば、独立したデータストリームの、光チャネルにおける光伝搬モードの異なるデータストリームへの混合および／または受信機１４の光検波器における前記光伝搬モード検出の混合を事前に補償することができる。そのような事前補償によって、光受信機１４は、送信された異なるデジタルデータストリームの混合が実質的に存在しない変調光搬送波を受け取るように接続することができる。プロセッサ８はまた、受動光エミッタ２０Ａ〜２０Ｅ、２０Ａ’〜２０Ｃ’の１つまたは複数の入力導波管ＯＯＷの（１つまたは複数の）セグメントを電気的に制御して、種々の光変調器２０Ａ〜２０Ｃからローカル出力アレイＬＯＡに送達される光の相対的位相の動的制御を可能にすることができる。各セグメントは、たとえば、プロセッサ８によってセグメントに隣接する電極全体に印加された電圧により屈折率が制御可能な、電気光学的にまたは熱的に活性な導波管コアを有していてもよい。

図４Ａは、図１に示した光受信機１４の一実施形態１４Ａを概略的に示す。光受信機１４Ａは、３つの光データ復調器３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃの組、受動光受信機４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄ、４０Ｅの組３８、およびオプションの電子プロセッサ４２を備える。光データ復調器３６Ａ〜３６Ｃのそれぞれは、受け取った変調光搬送波からデジタルデータストリーム、すなわちＤＡＴＡ−Ａ’’、ＤＡＴＡ−Ｂ’’、またはＤＡＴＡ−Ｃ’’を光学的に復調する。受動光受信機４０Ａ〜４０Ｅのそれぞれは、マルチモード光ファイバ２４の光伝搬モードのうちの１つまたは複数、たとえば、図２Ａ〜２ＢのＡ〜Ｃのモードからの光を、光データ復調器３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃのうちの１つまたは複数に優先的に結合する。オプションのプロセッサ４２は、光学デジタルデータ復調器３６Ａ〜３６Ｃからの復調されたデジタルデータストリームをさらに処理して、たとえば、別個のデータストリームの不要な混合を除去し、かつ／またはたとえば物理的な光チャネルに生じる不要な信号ひずみを除去することができる。

光搬送波がＯＰＭＭ方式に従って変調されたとき、受動光受信機４０Ａ〜４０Ｅの組は、データ復調器３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃのそれぞれが、マルチモード光ファイバ２４の光伝搬モードのうちの１つまたは複数によって搬送されたデータを受信および復調することができるように、事実上、３×３の光カプラとして機能する。マルチモード光ファイバ２４および３つの光データ復調器３６Ａ〜３６Ｃの３つのデジタルデータ搬送用光伝搬モードの間で、受動光受信機４０Ａ〜４０Ｅの組は、事実上、階数３以上の光結合マトリックス、たとえば、ほぼ斜交の光結合マトリックスとして機能する。光データ復調器３６Ａ〜３６Ｃのそれぞれは、振幅変調および／または位相変調された光搬送波からデジタルデータを光学的に復調するための、従来の形のいずれかを有していてもよい。

受動光受信機４０Ａ〜４０Ｅのそれぞれは、図３Ａ〜３Ｅに示した受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｅのいずれかの、向きを反対にした形と同じように形成することができる。特に、受動光受信機４０Ａ〜４０Ｅのそれぞれは、単一の入力光導波路ＩＯＷ、および光復調器３６Ａ〜３６Ｃのうちの対応する１つのものを入力光導波路ＩＯＷに光学的に接続する１つまたは複数の出力光導波路ＯＯＷを備えた光導波路構造である。いくつかの実施形態において、光導波路構造は、たとえば、単一モードの光ファイバなどの単一の入力光ファイバＩＯＷおよび単一モードの光ファイバなどの１つまたは複数の出力光ファイバＯＯＷを備えた光ファイバ・バンドルである。そのようなファイバ・バンドルにおいて、各出力光ファイバＯＯＷは、光復調器３６Ａ〜３６Ｃのうちの対応する１つのものを入力光ファイバＩＯＷに光学的に接続する。他の実施形態において、光導波路構造は、たとえば、単一の入力光ファイバＩＯＷおよび１つまたは複数の出力光ファイバコアＯＯＷを含む多芯光ファイバである。各出力光ファイバコアＯＯＷは、光復調器３６Ａ〜３６Ｃのうちの対応する１つのものを多芯光ファイバの単一の入力光ファイバＩＯＷに光学的に接続する。

受動光受信機エミッタ４０Ａ〜４０Ｅのそれぞれは、溶融構造として種々の方法で製作してもよい。ある例においては、バンドルを形成するために、複数の光ファイバをガラス毛細管の中に収めてもよい。次いで、バンドルの一端を、部分溶融状態になるように加熱し、部分溶融状態になったバンドルの一端からファイバを引き出すことによって、入力光ファイバＩＯＷを作り出す。そのような実施形態において、最初の光ファイバの自由端が、入力光ファイバＩＯＷに結合された受動光受信機の出力光導波路ＯＯＷを形成する。別の実施形態において、受動光受信機の光導波路構造を形成するために、複数の光ファイバを溶着、すなわち、１つの入力光ファイバＩＯＷを１つまたは複数の出力光ファイバＯＯＷに固定し、かつ光学的に結合した状態にする。実際、光ファイバ・バンドルを作成するためのそのような引出しまたは溶融方法の１つまたは複数のステップを実行して、それにより個々の受動光受信機４０Ａ〜４０Ｅを溶着することによって、図４Ａの受動光受信機４０Ａ〜４０Ｅの組全体を形成することができる。

受動光受信機４０Ａ〜４０Ｅのそれぞれについて、入力光導波路ＩＯＷの入力端は、マルチモード光ファイバ２４、たとえば、図１における最後のスパンＳＰ_Ｎのマルチモード光送信ファイバの出力端に光学的に対向している。したがって、受動光受信機４０Ａ〜４０Ｅの出力部は、マルチモード光ファイバ２４の出力端に光学的に対向する２Ｄ側方入力アレイＬＩＡを形成する。側方入力アレイＬＩＡにおいて、受動光受信機４０Ａ〜４０Ｅのそれぞれは、典型的には、マルチモード光ファイバ２４における光伝搬モードのうちの選択された１つまたは複数から優先的に光を受け取るように構成かつ／または配置される。受動光受信機４０Ａ〜４０Ｅの出力部は、図２Ａ〜２ＢのＡ、Ｂ、およびＣ光伝搬モードの光を、それぞれ光データ復調器３６Ａ、３６Ｂ、および３６Ｃに優先的に送るために、たとえば光データ復調器３６Ａ〜３６Ｃで組み合わされてもよい。側方入力アレイＬＩＡは、マルチモード光ファイバ２４の出力端に接合された溶融体であってもよく、あるいは、たとえばコリメーティング・レンズまたはマイクロレンズアレイまたは反射鏡および／もしくは光アイソレータと組み合わされたレンズシステムであるオプションのイメージング・システム２６を介して、その出力端に光学的に結合されていてもよい。

光データ復調器３６Ａ〜３６Ｃのそれぞれは、ＯＰＭＭを実現するために、受動光受信機４０Ａ〜４０Ｅの組に異なる形で光学的に接続する。

光データ復調器３６Ａは、受動光受信機４０Ａの対応する出力光導波路ＯＯＷに光学的に接続する。この受動光受信機４０Ａの入力光導波路ＩＯＷの入力端は、マルチモード光ファイバ２４の中心領域から優先的に光を受け取るように配置および配向がなされている。そのため、この受動光受信機４０Ａは、図２Ａ〜２ＢのＡの中心の光伝搬モードから優先的に光を受け取ることができる。側方入力アレイＬＩＡのこの入力部は、たとえば、マルチモード光ファイバ２４の出力端の中心部に直接的に対向していてもよい。そのため、光データ復調器３６Ａは、図２Ａ〜２ＢのＡの光伝搬モードに強く結合されていてもよい。

光データ復調器３６Ｂ〜３６Ｃはそれぞれ、残りの受動光受信機４０Ｂ〜４０Ｅのうちのいくつかまたはすべての、対応する出力光導波路ＯＯＷに光学的に接続する。これらの受動光受信機４０Ｂ〜４０Ｅの入力光導波路ＩＯＷの入力部は、マルチモード光ファイバ２４の出力端の環状領域から光を優先的に受け取るように、側方入力アレイＬＩＡ上に位置する。環状領域は、たとえば、図２Ａ〜２ＢのＢおよびＣの光伝搬モードＢにおける大きい強度の領域であり得る。ＢおよびＣの光伝搬モードは、種々の受動光受信機４０Ｂ〜４０Ｅに０でない相対的位相の光を送るので、そこで受け取られた光は、光データ復調器３６Ｂでの再結合の前に、０でない相対的位相の組で遅延されていてもよく、また光データ復調器３６Ｃでの再結合の前に、０でない相対的位相の異なる組で遅延されていてもよい。相対的位相は、光データ復調器３６ＢがＢの光伝搬モードから優先的に光を受け取るように、また光データ復調器３６ＣがＣの光伝搬モードから優先的に光を受け取るように選択され得る。光データ復調器３６Ｃにおいて、受動光受信機４０Ｂ〜４０Ｅのうちの１つからの光に対する加えられた位相は、側方入力アレイＬＩＡ上の時計回りの隣接する入力端をもつ受動光受信機４０Ｂ〜４０Ｅからの光に対して、［π／４、３π／４］の間隔にあってもよく、たとえば約π／２である。光データ復調器３６Ｂにおいて、受動光受信機４０Ｂ〜４０Ｅのうちの１つからの光に対する加えられた位相は、側方入力アレイＬＩＡ上の時計回りの隣接する入力端をもつ受動光受信機４０Ｂ〜４０Ｅからの光に対して、［−π／４、−３π／４］の間隔にあってもよく、たとえば約−π／２である。典型的には、受動光受信機４０Ｂ〜４０Ｅによって導入される相対的位相は、ＢおよびＣの光伝搬モードを介して送られる光が、それぞれ光データ復調器３６Ａおよび３６Ｂにおいて建設的に干渉するように、実質的に最適化される。

いくつかの実施形態において、光データ復調器３６Ａ〜３６Ｃは、マルチモード光ファイバ２４から受け取った光を、ローカル光発振器から受け取った光と混合させるコヒーレント光検波器を含む。たとえば、そのような混合は、フォトダイオードの対応ペアを前記混合された光の光検波器として使用する１つまたは複数の光混成物において行われてもよい。そのようなコヒーレント検波器に適している可能性があるいくつかの構造は、２００５年８月１５日に出願された米国特許出願第１１／２０４，６０７号、２００５年９月２７日に出願された米国特許出願第１１／２３６，２４６号、および／または２００６年１２月２２日に出願された米国特許出願第１１／６４４，５３６号に記載されていることがある。上記３つの米国特許出願は、その全体を本明細書に参照として組み込む。

いくつかのそのような実施形態において、ローカル発振器は、ローカル発振器の光を、直接的に光データ変調器３６Ａ〜３６Ｃに送信するために接続されていてもよい。すなわち、光は、ローカル発振器から光データ変調器３６Ａ〜３６Ｃに、受動光受信機４０Ａ〜４０Ｅを迂回する方法で直接的に送られる。

そのような代替的実施形態において、ローカル発振器は、受動光受信機４０Ａ〜４０Ｅがローカル発振器およびマルチモード光ファイバ２４から受け取った光を運ぶために、側方入力アレイＬＩＡの入力部に光を送ることができる。これらの実施形態において、ローカル発振器は、側方入力アレイＬＩＡに光を送り、その位相および振幅プロファイルは、マルチモード光ファイバ２４のＡ、Ｂ、およびＣの伝搬モードによってそこに送られる光のものと重複する。次いで、個々の受動光受信機４０Ａ〜４０Ｅは、ローカル発振器からの光およびマルチモード光ファイバ２４からの光に同じ相対的位相偏移を生じさせる。そのため、受動光受信機４０Ａ〜４０Ｅのうちの別々のものからの光は、光データ変調器３６Ａ〜３６Ｃで組み合わされたとき、コヒーレント光検出をサポートする方法でさらに加算することができる。

代替実施形態（図示せず）において、図４Ａの光受信機１４Ａは、受動光受信機４０Ａ〜４０Ｃだけを備えていてもよい。すなわち、そのような代替実施形態において、受動光受信機４０Ｄ〜４０Ｅは存在しない。

他のそのような代替実施形態において、受動光受信機４０Ｂ〜４０Ｃまたは４０Ｂ〜４０Ｅの入力部は、側方入力アレイＬＩＡにおける受動光受信機４０Ａの入力部の位置に対して、相対的な異なる角度位置に配置してもよい。そのような実施形態において、受動光受信機４０Ｂ〜４０Ｃまたは４０Ｂ〜４０Ｅは、その中に搬送された光に異なる相対的位相を生じさせることができ、その結果、光データ復調器３６Ｂおよび３６Ｃは、前記組み合わされた光をさらに使用してＢおよびＣの各光伝搬モード上に変調されたデータを検出することができる。

図４Ｂは、図１の光受信機１４の別の実施形態１４Ｂを概略的に示す。光受信機１４Ｂは、光伝搬モード多重化、偏光多重化、および４位相偏移変調プロトコルによる変調を受けた受信光信号からのデータストリームを復調するように構成されている。光受信機１４Ｂは、受動光受信機の第１、第２、第３、および第４の組３８、３８’、３８’’、３８’’’、受動光受信機の対応する第１、第２、第３、および第４の組４４、４４’、４４’’、４４’’’、偏光ビームスプリッタ２８、ローカル光発振器４６、光学位相プレート４８ならびに２つのオプションのコリメーティング光学システム２６、２６’を備える。

組３８〜３８’’’のそれぞれは、図４Ａに関して説明したように構築および／または構成された、３つ以上の受動光受信機、たとえば、４つ、５つ、６つまたはそれ以上の受動光受信機を含む。受動光受信機の組３８〜３８’’’のそれぞれは、マルチモード光ファイバ２４からデータが変調された光を受け取り、かつローカル光源４６から参照光を受け取る。

組４４〜４４’’’のそれぞれは、上記のコヒーレント光検波器として、たとえば上記で組み込んでいる米国特許出願に記載された構造を使用して構築および構成された３つの光データ復調器を含む。組４４〜４４’’’のそれぞれにおいて、第１、第２、および第３の光データ復調器は、マルチモード光ファイバ２４のＡ、Ｂ、およびＣの各光伝搬モードからの光を優先的に受け取るように構成されている。

位相プレート４８は、第１の組３８と第２の組３８’の線形入力アレイＬＩＡに送られる参照光の間に約１／４周期の相対的位相遅延を導入し、かつ第３の組３８’’と第４の組３８’’’の線形入力アレイＬＩＡに送られる参照光の間に約１／４周期の相対的位相遅延を導入する。そのため、光データ復調器の第１および第３の組４４、４４’’は、受け取った光の同相の成分上で搬送されたデータを復調することができ、また光データ復調器の第２および第４の組４４’、４４’’’は、受け取った光の直角位相成分上で搬送されたデータを復調することができる。

偏光ビームスプリッタ２８は、マルチモード光ファイバ２４およびローカル光発振器４４からの光の１つの偏光を、受動光受信機の第１および第２の組３８、３８’に向けるように構成されており、また前記光の比較的直交する偏光成分を受動光受信機の第３および第４の組３８’’、３３’’’に向けるように構成されている。このため、光データ復調器の第１および第２の組４４、４４’は、１つの偏光成分によって搬送されるデータストリームを復調し、光データ復調器の第３および第４の組４４’’、４４’’’は、比較的直交する偏光成分によって搬送されたデータストリームを復調する。

最終的に、受動光受信機の組３８〜３８’’’のそれぞれは、１つの入力部が、マルチモード光導波路２４の中心に光学的に対向し、２つ以上の周辺の入力部が、マルチモード光導波路２４の中心から外れた領域に光学的に対向した状態で、２Ｄ側方入力アレイを形成する。そのため、各組３８〜３８’’’のうちの１つの受動光受信機は、マルチモード光ファイバ２４のＡの中心の光伝搬モードから優先的に光を受け取り、各組３８〜３８’’’の残りの受動光受信機は、マルチモード光ファイバ２４のＢおよびＣの光伝搬モードから優先的に光を受け取る。組３８〜３８’’’のそれぞれにおいて、受動光受信機は、搬送されてきた光の間に適切な相対的遅延を生じさせ、その結果、組４４〜４４’のそれぞれの光復調器に送達された光の組合せによって、その第１、第２、および第３の光復調器が、図２Ａ〜２ＢのＡ、Ｂ、およびＣの各光伝搬モードによって搬送されたデータを復調できるようになる。

図４Ｃは、偏光モード多重方式での光伝搬モード多重方式によって変調されたデータを復調するように構成された、図１の光受信機１４の別の実施形態１４Ｃを概略的に示す。光受信機１４Ｃは、図４Ａおよび４Ｂの光受信機１４Ａ、１４Ｂに類似する構造を有する。しかし、光受信機１４Ｃは、光データ復調器３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃの第１の組および受動光受信機４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃの対応する第１の組を備え、かつ光データ復調器３６Ａ’、３６Ｂ’、３６Ｃ’の第２の組および受動光受信機４０Ａ’、４０Ｂ’、４０Ｃ’の対応する第２の組を有する。第１の組の光データ復調器３６Ａ〜３６Ｃは、第１の組の受動光受信機４０Ａ〜４０Ｃに光学的に接続し、第２の組の光データ復調器３６Ａ’〜３６Ｃ’は、第２の組の受動光受信機４０Ａ’〜４０Ｃ’に光学的に接続する。

また、光受信機１４Ｃは、複屈折光１／２波長板３０および直線偏光子５０を含む。光１／２波長板３０および直線偏光子５０は両方とも、マルチモード光ファイバ２４の出力端と、受動光受信機４０Ａ〜４０Ｃ、４０Ａ’〜４０Ｃ’の入力部によって形成された、光学的に対向する２Ｄ側方入力アレイＬＩＡとの間に位置する。１／２波長板３０は、受動光受信機４０Ａ〜４０Ｃの入力部とマルチモード光ファイバ２４の出力部の間に位置するが、受動光受信機４０Ａ’〜４０Ｃの入力部とマルチモード光ファイバ２４の出力部の間には位置しない。このため、光データ復調器３６Ａ、３６Ｂ、および３６Ｃの第１の組ならびに光復調器３６Ａ’、３６Ｂ’、および３６Ｃ’の第２の組は、比較的直交する偏光のＡ、Ｂ、およびＣの光伝搬モードのそれぞれからのデータストリームＤＡＴＡ−Ａ、ＤＡＴＡ−Ｂ、ＤＡＴＡ−ＣおよびＤＡＴＡ−Ａ’、ＤＡＴＡ−Ｂ’、ＤＡＴＡ−Ｃ’のそれぞれを復調する。

いくつかの実施形態において、受動光受信機４０Ａ〜４０Ｃおよび４０Ａ’〜４０Ｃ’は、図４Ａまたは４Ｂについて説明した構造を有するか、または図３Ｅおよび／または図３Ｆに示した受動光エミッタ２２Ａ〜２２Ｃおよび２２Ａ’〜２２Ｃ’の構造の、方向を反対にした状態である構造を有する。

図５は、たとえば図３Ａ〜３Ｄの光送信機のいずれかでデジタルデータを光学的に送信する方法５０を示す。方法５０は、異なるデジタルデータで変調された第１、第２、および第３の光搬送波を作り出すことを含む（ステップ５２）。方法５０は、第１の変調された光搬送波がマルチモード光ファイバの第１の伝搬モードに優先的に送られるように、データが変調された第１の光搬送波を、マルチモード光ファイバに終端結合された第１の光導波路に送ることを含む（ステップ５４）。この方法は、第２の変調された光搬送波がマルチモード光ファイバの第２の伝搬モードに優先的に送られ、第３の変調された光搬送波がマルチモード光ファイバの第３の伝搬モードに優先的に送られるように、第２および第３の変調された光搬送波を、マルチモード光ファイバに終端結合された第２および第３の光導波路の両方に送ることを含む（ステップ５６）。第１、第２および第３の光伝搬モードは、マルチモード光ファイバにおける直交伝搬モードである。

方法５０のいくつかの実施形態において、送信ステップ５４および５６は、光伝搬モード多重を作り出すのと時間的に並行して実行することができる。

方法５０のいくつかの実施形態において、第２の伝搬モードは、マルチモード光ファイバの軸周りの円に沿ってある方向に増加する位相を有し、第３の伝搬モードは、その円に沿って反対方向に増加する位相を有する。

図６は、たとえば、図４Ａ〜４Ｃの光受信機のいずれかを使用してデジタルデータを光学的に受信する方法６０を示す。方法６０は、第１、第２および第３の光導波路の入力部によって形成された側方入力アレイＬＩＡにおいて、変調された光信号をマルチモード光送信ファイバの出力端から受信することを含んでもよい（ステップ６２）。方法６０は、受け取る光が優先的にはマルチモード光導波路の第１の伝搬モードからのものとなるように、マルチモード光導波路からの、そこに終端結合された第１の光導波路を介して受け取った光からデータを復調することを含む（ステップ６４）。方法６０は、他の光が優先的にはマルチモード光導波路の第２の伝搬モードからのものとなるように、マルチモード光導波路からの、そこに終端結合された第２および第３の光導波路の両方を介して受け取った他の光からデータを復調することを含む（ステップ６４）。方法ｔｏは、さらに他の光が優先的にはマルチモード光導波路の第３の伝搬モードからのものとなるように、マルチモード光導波路からの、第２および第３の光導波路の両方を介して受け取ったさらに他の光からデータを復調することを含む（ステップ６６）。第１、第２および第３の伝搬モードは、マルチモード光ファイバにおける直交伝搬モードである。

方法６０のいくつかの実施形態において、復調ステップ６２、６４、および６６は、光伝搬モード多重を作り出すのと時間的に並行して実行することができる。

方法６０のいくつかの実施形態において、第２の伝搬モードは、マルチモード光ファイバの軸周りの円がある方向に横断されるにつれて増加する位相を有し、第３の伝搬モードは、その円が反対方向に横断されるにつれて増加する位相を有する。

図３Ａ〜３Ｄおよび／または４Ａ〜４Ｃに記載したシステムに対する代替実施形態の光通信システムにおいて、マルチモード光送信ファイバのより多くの光伝搬モードおよび／または異なる光伝搬モードが、データを搬送してもよい。たとえば、これらの実施形態は、４つ以上の独立したデータストリームの同時送信を可能にするために、４、５、６、またはそれ以上のかかる光伝搬モードを使用することができ、かつ／または異なるおよび／もしくはより高次のモードを使用することができる。そのような代替実施形態において、ＬＯＡにおける受動光エミッタの（１つもしくは複数の）組の出力部の、かつ／またはＬＩＡにおける受動光受信機の（１つまたは複数の）組の入力部の横方向の配置は、データを搬送するために選択される光伝搬モードの大きい光強度の領域により良好に光学的に結合するために異なっていてもよい。

開示内容、図面、および特許請求の範囲から、本発明の他の実施形態は当業者に明らかであろう。

Claims (10)

1. 光導波路の組ならびに第１、第２、および第３の光変調器を含む光送信機を備える装置であって、
   前記組の前記光導波路の出力端は、側方出力アレイがマルチモード光ファイバの一端に光学的に対向するように位置したのに応答して、前記組の前記光導波路を前記マルチモード光ファイバに終端結合するための前記側方出力アレイを形成し、
   前記第１の光変調器が、前記組の前記光導波路のうちの第１のものに光学的に接続され、前記第２および第３の光変調器のそれぞれが、前記組の前記光導波路のうちの前記第２および第３のものに光学的に接続されており、
   前記光導波路の組が、前記光変調器と前記マルチモード光ファイバにおける光伝搬モードの間に、階数３以上の結合マトリックスを実現するように構成されている、装置。
2. 前記組が、第１および第２の多芯光ファイバを含み、前記組の前記第１および第２の光導波路が、それぞれ前記第１および第２の多芯光ファイバの光ファイバである、請求項１に記載の装置。
3. 前記光送信機が、光導波路の第２の組ならびに第１、第２、および第３の追加の光変調器をさらに備え、
   前記第２の組の前記光導波路の出力端は、第２の側方出力アレイが前記マルチモード光ファイバの一端に光学的に対向するように位置したのに応答して、前記第２の組の前記光導波路をマルチモード光ファイバに終端結合することが可能な前記第２の側方出力アレイを形成し、
   前記第１の追加の光変調器が、前記第２の組の前記光導波路のうちの第１のものに光学的に接続されており、
   前記第２および第３の追加の光変調器のそれぞれが、前記第２の組の前記光導波路のうちの前記第２および第３のものに光学的に接続されている、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記第１の組およびそれに接続された前記光変調器が、前記マルチモード光ファイバに、前記第２の組および前記追加の光変調器が前記マルチモード光ファイバに出力するように構成されている光の偏光にほぼ直交する偏光で、光を出力するように構成されている、請求項３に記載の装置。
5. 光導波路の組ならびに第１、第２、および第３の光データ復調器を含む光受信機を備える装置であって、
   前記組の前記光導波路の入力端は、側方入力アレイが前記マルチモード光ファイバの一端に光学的に対向するように位置したのに応答して、前記組の前記光導波路をマルチモード光ファイバに終端結合するための前記側方出力アレイを形成し、
   前記第１の光データ復調器が、前記組の前記光導波路のうちの第１のものに光学的に接続され、前記第２および第３の光データ復調器のそれぞれが、前記組の前記光導波路のうちの前記第２および第３のものに光学的に接続されており、
   前記光導波路の組が、前記光データ復調器と前記マルチモード光ファイバにおける光伝搬モードの間に、階数３以上の結合マトリックスを実現するように構成されている、装置。
6. 前記光受信機が、光導波路の第２の組ならびに第１、第２、および第３の追加の光データ復調器をさらに備え、
   前記第２の組の前記光導波路の入力端は、第２の側方入力アレイが前記マルチモード光ファイバの一端に光学的に対向するように位置したのに応答して、前記第２の組の前記光導波路をマルチモード光ファイバに終端結合することが可能な前記第２の側方入力アレイを形成し、
   前記第１の追加の光データ復調器が、前記第２の組の前記光導波路のうちの第１のものに光学的に接続されており、
   前記第２および第３の追加の光データ復調器のそれぞれが、前記第２の組の前記光導波路のうちの前記第２および第３のものに光学的に接続されている、請求項５に記載の装置。
7. デジタルデータを光学的に送信する方法であって、
   第１の変調された光搬送波がマルチモード光ファイバの第１の伝搬モードに優先的に送られるように、前記第１のデータ変調された光搬送波を、前記マルチモード光ファイバに終端結合された第１の光導波路に送るステップと、
   第２の変調された光搬送波が前記マルチモード光ファイバの第２の伝搬モードに優先的に送られ、第３の変調された光搬送波が前記マルチモード光ファイバの第３の伝搬モードに優先的に送られるように、前記第２および第３の変調された光搬送波のそれぞれを、前記マルチモード光ファイバに終端結合された第２および第３の光導波路の両方に送るステップとを含み、
   前記第１、第２および第３の伝搬モードが、前記マルチモード光ファイバにおける直交伝搬モードである、方法。
8. 前記第２の伝搬モードが、前記マルチモード光ファイバの軸周りの円がある方向に横断されるにつれて増加する位相を有し、前記第３の伝搬モードが、前記円が反対方向に横断されるにつれて増加する位相を有する、請求項７に記載の方法。
9. デジタルデータを光学的に受信する方法であって、
   受け取る光が優先的にはマルチモード光ファイバの第１の伝搬モードからのものとなるように、前記マルチモード光ファイバから、そこに終端結合された第１の光導波路を介して受け取った前記光からデータを復調するステップと、
   他の光が優先的には前記マルチモード光ファイバの第２の伝搬モードからのものとなるように、前記マルチモード光ファイバから、そこに終端結合された第２および第３の光導波路の両方を介して受け取った前記他の光からデータを復調するステップと、
   さらに他の光が優先的には前記マルチモード光ファイバの第３の伝搬モードからのものとなるように、前記マルチモード光ファイバから、前記第２および第３の光導波路の両方を介して受け取った前記さらに他の光からデータを復調するステップとを含み、
   前記第１、第２および第３の伝搬モードが、前記マルチモード光ファイバにおける直交伝搬モードである、方法。
10. 前記第２の伝搬モードが、前記マルチモード光ファイバの軸周りの円がある形で押し出されるにつれて円上で増加する位相を有し、前記第３の伝搬モードが、円が別の形で押し出されるにつれて、前記マルチモード光ファイバの軸周りの前記円上で増加する位相を有する、請求項９に記載の方法。

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