JP6339894B2 - 光伝送システム及びモード合波器 - Google Patents

Description

本発明は、複数の伝搬モードが伝搬する数モード光ファイバを伝送路としたモード多重光伝送システム及び方法における光伝送システム及びモード合波器に関する。

光ファイバ通信システムでは、光ファイバ中で発生する非線形効果やファイバヒューズが問題となり、伝送の大容量化および長距離化が制限されている。これらの制限を緩和するためには、光ファイバに導波する光の密度を低減する必要がある。

非特許文献１、２に示すようにマルチコアファイバやマルチモードファイバを伝送路とした空間多重技術が検討されており、複数の伝搬モードが伝搬するマルチモードファイバを伝送路として用いたモード多重伝送は伝送容量をモード数倍に向上させられることから、新たな大容量伝送方式として注目されている。

モード多重伝送においては、伝送路であるマルチモードファイバのコアとクラッドの境界面の微細な凹凸、接続点での軸ずれ、ファイバの曲げによって比較的容易にモード結合が起こり、モード間のクロストークが発生する。

このクロストークにより信号劣化が生じるため、クロストークを補償するために受信部においてＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）技術を用いる必要がある。昨今のモード多重伝送においてはＭＩＭＯ技術を利用した報告が主となっている（例えば、非特許文献１、２参照。）。

Ｒ． Ｒｙｆ， Ｓ． Ｒａｎｄｅｌ， Ａ． Ｈ． Ｇｎａｕｃｋ， Ｃ． Ｂｏｌｌｅ， Ｒ．−Ｊ． Ｅｓｓｉａｍｂｒｅ， Ｐ． Ｊ． Ｗｉｎｚｅｒ， Ｄ． Ｗ． Ｐｅｃｋｈａｍ， Ａ． ＭｃＣｕｒｄｙ， ａｎｄ Ｒ． Ｌｉｎｇｒｅ， Ｊｒ．， "Ｓｐａｃｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｏｖｅｒ １０ ｋｍ ｏｆ ｔｈｒｅｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｕｓｉｎｇ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ６ ｘ ６ ＭＩＭＯ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，" ２０１１ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （ＯＦＣ／ＮＦＯＥＣ２０１１）， ＰＤＰＢ１０ （２０１１） Ｅｚｒａ Ｉｐ， Ｍｉｎｇ−Ｊｕｎ Ｌｉ， Ｋｅｖｉｎ Ｂｅｎｎｅｔｔ， Ｙｕｅ−Ｋａｉ Ｈｕａｎｇ， Ａｋｉｈｉｒｏ Ｔａｎａｋａ， Ａｎｄｒｅｙ Ｋｏｒｏｌｅｖ， Ｋｏｎｓｔａｎｔｉｎ Ｋｏｒｅｓｈｋｏｖ， Ｗｉｌｌｉａｍ Ｗｏｏｄ， Ｅｄｕａｒｄｏ Ｍａｔｅｏ， Ｊｕｎｑｉａｎｇ Ｈｕ， Ｙｕｔａｋａ Ｙａｎｏ， "１４６λ×６×１９−Ｇｂａｕｄ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ− ａｎｄ Ｍｏｄｅ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ １０×５０−ｋｍ Ｓｐａｎｓ ｏｆ Ｆｅｗ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ａ Ｇａｉｎ−Ｅｑｕａｌｉｚｅｄ Ｆｅｗ−Ｍｏｄｅ ＥＤＦＡ，" ２０１３ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （ＯＦＣ／ＮＦＯＥＣ２０１３）， ＰＤＰ５Ａ．２ （２０１３）

モード多重伝送の大容量・長距離化を行う上で、モード間クロストークと伝搬モードの損失差（ＭＤＬ：Ｍｏｄｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ）が課題となる。高次モードについては合分波器などモード多重伝送用デバイスの損失が基本モードに比べ大きくなることが懸念される。

ここで、すべてのモードの伝送品質を保つためには伝搬モードの損失差を低減する必要がある。これまで、関連技術ではシミュレーション検討により伝送路中のモード間結合を積極的に起こすことで伝搬モードの損失差の影響を緩和可能であることが明らかにされている。

しかしながら、関連技術では伝送路中のモード間結合をどの程度起こせばよいか不明確であり、伝送路の状況に依存する点に課題があった。

前記課題を解決するために、本発明は、前記の課題に鑑みてなされたものであり、関連技術に係る光ＭＩＭＯ技術を用いた光ファイバ伝送であって、伝送前に送信チャネルごとに伝搬モードの光強度を等分配又は許容範囲内とすることで、マルチモード光ファイバ伝送におけるモード間クロストークと伝搬モードの損失差による影響を緩和し、伝送容量および伝送距離を拡大することが可能な伝送システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、送信時に各チャネルに等パワーの伝搬モードを有するように伝搬モードを励振することで、マルチモード光ファイバ伝送路において伝搬モードの損失差がある場合においても各チャネルが同様の損失を受けることで上記課題を解決する。

具体的には、本発明に係る光伝送システムは、
信号光を送信するＮ個（Ｎは２以上の整数）の光送信機と、
予め定められたモード強度を前記複数の光送信機が送信した前記信号光ごとに割当て、前記信号光を合波するとともに光伝送路を介してモード分波器に送出するモード合波器と、
前記モード合波器が合波した前記信号光をＭ個（ＭはＮ以上の整数）の信号光に分波するモード分波器と、
前記モード分波器で分波した各信号光を受信するＭ個の光受信機と、
を備えることを特徴とする光伝送システム。

本発明に係る光伝送システムでは、
前記モード合波器は、
前記モード強度を前記複数の光送信機が送信した前記信号光ごとに等分配して割当ててもよい。

本発明に係る光伝送システムでは、
前記モード合波器は、
前記モード強度を前記複数の光送信機が送信した前記信号光ごとに予め定められた許容範囲内に分配して割当ててもよい。

本発明に係る光伝送システムでは、
前記モード合波器は、
前記光伝送路のクロストーク、モード損失差及びチャネル信号強度差に応じて前記光送信機が送信する信号光の送信チャネルに含まれる各伝搬モードの比率を可変してもよい。

本発明に係る光伝送システムでは、
前記モード合波器は、
前記伝搬モードの比率が以下の（Ｃ１）及び（Ｃ２）式を満たしてもよい。
ｒ≦−０．００２（ΔＰ）^２＋０．０６（ΔＰ）＋０．５ （Ｃ１）
ｒ≧０．００２（ΔＰ）^２−０．０６（ΔＰ）＋０．５ （Ｃ２）
ただし、ｒ：伝搬モードの比率、ΔＰ：伝送後のチャネル信号強度差

本発明に係る光伝送システムでは、
前記モード合波器は、
信号光の伝搬モードの選択的励振を行うプレーナ光波回路と、
伝搬モードの比率を可変する長周期型グレーティングと、
を組み合わせてモード強度を割当ててもよい。

本発明に係る光伝送システムでは、
前記モード合波器は、
モードカプラと、
伝搬モードの比率を可変する長周期型グレーティングと、
を組み合わせてモード強度を割当ててもよい。

本発明に係る光伝送システムでは、
前記モード合波器は、
信号光の伝搬モードの選択的励振を行うプレーナ光波回路と、
モードカプラと、を組み合わせてモード強度を割当ててもよい。

具体的には、本発明に係るモード合波器は、
予め定められたモード強度を複数の光送信機が送信した信号光ごとに割当て、前記信号光を合波するとともに光伝送路を介してモード分波器に送出する。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明によれば、伝送前に送信チャネルごとに伝搬モードの光強度を等分配又は許容範囲内とすることで、マルチモード光ファイバ伝送におけるモード間クロストークと伝搬モードの損失差による影響を緩和し、伝送容量および伝送距離を拡大することが可能な伝送システムを提供することができる。

本発明によれば、光ＭＩＭＯ技術を用いたマルチモードファイバ伝送においてチャネル間の信号品質差を低減でき、光ＭＩＭＯ技術を用いた光ファイバ伝送において伝送容量および伝送距離を拡大できる効果を奏する。

本実施形態に係るモード多重伝送システムの一例を示す。 本実施形態に係るマルチモード光ファイバ伝送路に伝搬モード損失差とモード間クロストークがある状況におけるチャネルの差を示す。 関連技術に係る伝送後の受信部のチャネル強度差を示す。 本実施形態に係るＭＤＬ＝０．２ｄＢ／ｋｍのチャネル強度差を示す。 本実施形態に係るＭＤＬ＝０．１ｄＢ／ｋｍのチャネル強度差を示す。 本実施形態に係るＭＤＬ＝０．０１ｄＢ／ｋｍのチャネル強度差を示す。 本実施形態に係るＬ＝４０ｋｍ，ＭＤＬ＝０．４ｄＢ／ｋｍのチャネル強度差を示す。 本実施形態に係るＬ＝２０ｋｍ，ＭＤＬ＝０．８ｄＢ／ｋｍのチャネル強度差を示す。 本実施形態に係る伝送路の伝搬モード損失差に対する送信チャネルのモード比率の関係を示す。 本実施形態に係る許容するチャネル強度差に対する送信チャネルのモード比率の関係を示す。 本実施形態に係るモード合波器における構成例（ＰＬＣ＋ＬＰＧ）を示す。 本実施形態に係るモード合波器における構成例（ＬＰＧ＋パワーカプラ）を示す。 本実施形態に係るモード合波器における構成例（ＰＬＣ＋パワーカプラ）を示す。 本実施形態に係るモード合波器における構成例（ＬＰＧ＋パワーカプラ）におけるチャネルに含まれる伝搬モードのパワー調整方法を示す。 本実施形態に係る等パワー合波によるＣｈ１のインパルス応答を示す。 本実施形態に係る等パワー合波によるＣｈ２のインパルス応答を示す。 等パワー合波によるによる光ＭＩＭＯ伝送実験系を示す。 本実施形態に係る伝送後の信号品質を示す。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。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は数モード光ファイバを用いたモード多重伝送システムの概略図である。本実施形態に係るモード多重伝送システムでは、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の光送信機１１と、モード合波器１２（ＭＵＸ）と、数モード光ファイバ１５と、モード分波器１６と、Ｍ個（ＭはＮ以上の整数）の光受信機１９と、デジタル信号処理器２１（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）と、ＭＩＭＯ信号処理器２２（ＭＩＭＯ−ＤＳＰ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）とで構成される。

光送信機１１は、ｎ個（ｎは２以上の整数）のコヒーレント光送信機（Ｔｘ：Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）１１―１〜１１−ｎを備え、信号光をモード合波器１２に送信する。モード合波器１２は、数モード光ファイバ１５を介してモード分波器１６に信号光を光受信機１９に送出する。光受信機１９は、コヒーレント光受信機１８（Ｒｘ：Ｒｅｃｅｉｖｅｒ）と、局部発振回路１７（ＬＯ：Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）と、を備え、入射された信号光をコヒーレント光受信機１８で受信する。

局部発振回路１７は、受信した信号光の周波数を一定の周波数に変換し、光受信機１９と接続されたデジタル信号処理器２１に当該信号光を送出する。デジタル信号処理器２１は、信号光を演算処理し、演算処理した信号光をＭＩＭＯ信号処理器２２に送出する。ＭＩＭＯ信号処理器２２は、乗算回路２３と、加算回路２４と、を備え、乗算回路２３及び加算回路２４によりデジタル信号処理器２１で演算処理した信号光をそれぞれ乗算処理及び加算処理する。以下に本実施形態に係る光伝送システムの具体例を用いて以下に説明する。

本実施形態では２つのモードの信号光を用いて２つのチャネルの信号を伝送させる例を図１に示している。モード合波器１２において２つのチャネルの信号（ｘ_１，ｘ_２）は２つのモード（基本モードＬＰ_０１と高次モードＬＰ_１１）に分配され、２モード光ファイバとして機能する数モード光ファイバ１５に入射される。

数モード光ファイバ１５中のモード結合やモード依存損失によって、各チャネルの信号が含むモードの比率は伝送前後で変化し得る。伝送後の信号光はモード分波器１６によって分離され、光受信機１９が備えるデジタルコヒーレント受信器として機能するコヒーレント光受信機１８で受信することによってデジタル信号処理器２１を介して２つの受信信号（ｙ_１，ｙ_２）の振幅・位相情報が求められる。さらにこの（ｙ_１，ｙ_２）から、ＭＩＭＯ信号処理器２２は、ＭＩＭＯ処理することによって復元信号（ｘ_ｃ１，ｘ_ｃ２）が得られる。ここで、ＭＩＭＯ信号処理器２２が有する乗算回路２３及び加算回路２４により、デジタル信号処理器２１で演算処理した信号光をそれぞれ乗算処理及び加算処理を以下の式１及び２に基づき算出してもよい。

ＭＩＭＯ信号処理部器２２は有限インパルス応答（ＦＩＲ：Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタ２５で構成される。ＦＩＲフィルタ２５は遅延回路、乗算回路２３、加算回路２４からなる複数のタップにより構成されており、数モード光ファイバ１５のＤＭＤ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｅｌａｙ）によるインパルス応答の広がりやモード結合によるクロストークを補償し信号を復元する。ここで乗算回路２３の係数（タップ係数；ｗ_１１，ｗ_１２，ｗ_２１，ｗ_２２）は、信号パターンが既知であるトレーニング信号列を用いてｘ_ｃ１＝ｘ_１，ｘ_ｃ２＝ｘ_２となるように設定しておく。

関連技術に係るモード合波器ではＣｈ１がＬＰ０１、Ｃｈ２がＬＰ１１モードとして伝送ファイバに入力される。図２はマルチモード光ファイバ伝送路１０に伝搬モード損失差とモード間クロストークがある状況におけるチャネルの差を示す。伝搬モードの損失差（ＭＤＬ：Ｍｏｄｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ）を補償するために光送信機１１におけるコヒーレント光送信機１１―１及び１１−ｎにおいてＡ−Ａ’に示すように同じパワーにしたとしても、光受信機１９におけるコヒーレント光受信機１８において、Ｂ−Ｂ’に示すようにチャネル間の強度に差（ΔＰ＝α）が出てしまう。

図３は関連技術に係る電力結合方程式を用いてチャネル間の強度差を示したものである。伝送距離８０ｋｍとし、ＭＤＬを０．０１ｄＢ／ｋｍ、０．１ｄＢ／ｋｍ、０．２ｄＢ／ｋｍとした。横軸は８０ｋｍ伝送後のクロストーク（ＸＴ）である。図３より、ＭＤＬが０．２ｄＢ／ｋｍの場合、例えば、光受信機１９のチャネル強度差ΔＰ（Ｃｈ１−Ｃｈ２）を１ｄＢ以下にする場合はＸＴを−１９ｄＢ以下に、ＭＤＬが０．１ｄＢ／ｋｍの場合はＸＴを−１２ｄＢ以下にする必要がある。

そこで、図４に示すようにチャネルごとにモードを均等に割り当てる。図４に係る数値例を表１として以下に示す。表１における（６）のようにチャネル１、チャネル２について、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モードそれぞれ５０％ずつ割り当てた場合、いかなるＸＴに対してもチャネル強度差ΔＰ（Ｃｈ１−Ｃｈ２）は０になることが分かる。なお以下に説明する図４〜８は、数値例として表１を用いることとする。

図４はファイバ長８０ｋｍ、ＭＤＬ＝０．２ｄＢ／ｋｍの場合であるが、例えば、光受信機１９のチャネル強度差ΔＰ（Ｃｈ１−Ｃｈ２）を１ｄＢ以下まで許容にする場合は必ずしもチャネルにモードを５０％ずつ割り当てる必要はなく、表１における（５）に示すＬＰ０１：ＬＰ１１＝０．６：０．４まで許容可能である。

図５はファイバ長８０ｋｍ、ＭＤＬ＝０．１ｄＢ／ｋｍの場合の送信チャネルに含まれるモード比率に対するチャネル強度の差ΔＰ（Ｃｈ１−Ｃｈ２）を示す。例えば、光受信機１９のチャネル強度差ΔＰ（Ｃｈ１−Ｃｈ２）を１ｄＢ以下にする場合は必ずしもチャネルにモードを５０％ずつ割り当てる必要はなく、表１における（４）に示すＬＰ０１：ＬＰ１１＝０．７：０．３程度まで許容可能である。

図６はファイバ長８０ｋｍ、ＭＤＬ＝０．０１ｄＢ／ｋｍの場合の送信チャネルに含まれるモード比率に対するチャネル強度の差ΔＰ（Ｃｈ１−Ｃｈ２）を示す。例えば、光受信機１９のチャネル強度差ΔＰ（Ｃｈ１−Ｃｈ２）を１ｄＢ以下にする場合は必ずしもチャネルにモードを５０％ずつ割り当てる必要はなく、表１における（１）に示すＬＰ０１：ＬＰ１１＝１：０まで許容可能である。図４，５，６より、ＭＤＬの大きさ、ＸＴに応じて、許容されるモード比率が存在することが分かる。

図７はファイバ長４０ｋｍ、ＭＤＬ＝０．４ｄＢ／ｋｍの場合、図８はファイバ長２０ｋｍ、ＭＤＬ＝０．８ｄＢ／ｋｍの場合の送信チャネルに含まれるモード比率に対するチャネル強度の差ΔＰを示す。なお以下に説明する図７，８は、数値例として表１及び２を用いることとする。図７，８より、伝送路におけるトータルのＭＤＬやクロストークが等しければ、チャネル強度差ΔＰが同じ振る舞いと成ることが分かる。

図９に横軸を伝送路全体のＭＤＬとし、許容するチャネル強度差を変えた場合の送信チャネルのモード比率を示す。許容するΔＰが大きいほど、ＭＤＬに対する許容されうる送信チャネルのモード比の範囲が大きくなることが分かる。

図１０に許容されるチャネル強度差ΔＰの絶対値を横軸にし、図９の飽和領域としてＭＤＬが１００ｄＢの時のモード比率を縦軸に示す。送信チャネルのモード比率について、近似曲線、ｙ≦−０．００２（ΔＰ）^２＋０．０６（ΔＰ）＋０．５とｙ≧０．００２（ΔＰ）^２−０．０６（ΔＰ）＋０．５に囲まれた範囲であれば、伝送路におけるいかなるＸＴ，いかなるＭＤＬに対してもチャネル強度差ΔＰ以下を満たすことが出来る。

次に、ポート＃１及び＃２をさらに備える光送信機１１における等パワー合波の実現方法について述べる。図１１に示すようなプレーナ光波回路３３（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）と長周期型グレーティング３４（ＬＰＧ：Ｌｏｎｇ Ｐｅｒｉｏｄ Ｇｒａｔｉｎｇ）を組み合わせたモード合波器にすることで、各チャネルに等パワーの伝搬モードを割り当てることが可能である。

図１１において、信号光は、ポート＃１及び＃２からＣｈ１及びＣｈ２の信号光がそれぞれ送出される。送出された信号光のＰＬＣ３３後の各伝搬モードの光強度を一例としてＣ−Ｃ’において表３に示す。

ＰＬＣ３３は関連技術で用いられるように、ポート＃１からの入力はＬＰ０１として、ポート＃２からの入力はＬＰ１１モードとする機能を有する。またＬＰＧ３４は関連技術で用いられるように、ＬＰ０１モードをＬＰ１１モードへ、ＬＰ１１モードをＬＰ０１モードへ変換する機能を有しており、グレーティングのピッチや長さを調整することで変換効率を５０％にすることが可能である。送出された信号光の各伝搬モードの光強度はＤ−Ｄ’において表４に示す。

なお、ＰＬＣ３３及びＬＰＧ３４を組み合わせたモード合波器１２は、各送信チャネルに含まれる伝搬モードが等パワーで含まれればよく、図１２や図１３に示す構成でも同様の働きを行うことが可能である。パワーカプラ３５は例えば関連技術で用いられるようにモードの比率を変えずにパワーだけをポートごとの信号をカプリングする機能を有する。また、ＰＬＣ３３は例えば関連技術で用いられるような選択的モード励振機能とモード合波機能を有する光カプラでも良い。

図１２において、信号光は、ポート＃１及び＃２からＣｈ１及びＣｈ２の信号光がそれぞれ送出される。ＬＰＧ３４を介して送出された信号光の各伝搬モードの光強度を一例としてＥ−Ｅ’において上記の表４に示し、パワーカプラ３５を介して送出された信号光の伝搬モードの光強度を一例としてＦ−Ｆ’において上記の表４に示した。このことは、等パワーで送出された信号光は、等パワーを維持したまま光受信機１９で受信することができることを示している。

図１３において、信号光は、ポート＃１及び＃２からＣｈ１の信号光がそれぞれ送出される。また、ポート＃３及び＃４からＣｈ２の信号光がそれぞれ送出される。ＰＬＣ３３を介して送出された信号光の各伝搬モードの光強度を一例としてＧ−Ｇ’において上記の表４に示し、パワーカプラ３５を介して送出された信号光の伝搬モードの光強度を一例としてＨ−Ｈ’において上記の表４に示した。このことは、等パワーで送出された信号光は、等パワーを維持したまま光受信機１９で受信することができることを示している。

図１３の構成は図１４に示すようにポート３２ごとの入力強度を調整することにより、チャネルに含まれるモードの強度を調整することが出来る。これは、高次モードであるＬＰ１１モードの損失がＬＰ０１モードの損失よりも大きい場合、損失を補償するために有効な手段である。

図１４において、信号光は、ポート＃１及び＃２から光強度の異なるＣｈ１の信号光がそれぞれ送出される。また、ポート＃３及び＃４から光強度の異なるＣｈ２の信号光がそれぞれ送出される。ＰＬＣ３３を介して送出された信号光の各伝搬モードの光強度を一例としてＩ−Ｉ’において以下の表５に示し、パワーカプラ３５を介して送出された信号光の光強度を一例としてＪ−Ｊ’において上記の表５に示した。このことは、送出する信号光の光強度を調整することでＬＰ１１モードの光強度を意図的に大きくし、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの損失差を補償した上で、光受信機１９で受信することができることを示している。

また、図１１、１２，１３，１４はＬＰ０１モードとＬＰ１１モードのみの構成例として示しているが、例えば関連技術で用いられるＬＰ２１モードやＬＰ０２モードに対応したモード合波器１２やモードの比率を調整可能なモード変換器であるＬＰＧ３４を各モード変換用（例えばＬＰ０１モードからＬＰ１１モード、ＬＰ１１モードからＬＰ２１モード）に多段に組むことで、本提案手法である等パワー合波器として機能するモード合波器１２の伝搬モード数の拡張が可能である。

図１５及び１６は、図１及び２に示す構成によるモード合波器１２を用いて、２モードファイバを４５０ｍ伝送した場合のインパルス応答である。波長は１５５０ｎｍ、上述に記載のＰＬＣ３３、７６０μｍのピッチ幅のＬＰＧ３４によりモード合波器１２は構成され、コア半径７．０μｍ、比屈折率差は０．３５％のステップインデックス２モード伝送ファイバとして用いた。

図１５及び１６より、チャネル１，チャネル２ともにＬＰ０１モード、ＬＰ１１モードに対応するインパルスの強度が等しくなっている様子が分かる。以上により、ＰＬＣ３３とＬＰＧ３４を用いたモード合波器１２により、各チャネルに含まれる伝搬モードのパワーを等しくすることが可能であることが分かる。

上記の手法を用い、図１７に示す実験系により光ＭＩＭＯ伝送実験を行った。図１７に示す光ＭＩＭＯ伝送実験では、シングルモード光送信機４１では、ＬＤ４２と、ＱＰＳＫ光変調機４３と、光合分波器４４−１及び４４−２と、光ファイバ３０−１及び３０−２と、ＰＢＳ４５（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）と、を用いる。

シングルモード光受信機４７は、ＰＬＣタイプ＿モードＭＵＸ３６と、ＬＰＧ３４と、光ファイバ３０−３と、ＰＬＣタイプ＿モードＤＥＭＵＸ３７と、２モード光ファイバ３８と、を介してシングルモード光送信機４１と接続される。シングルモード光受信機４７は、ＶＯＡ４８（ＶＯＡ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）と、光増幅回路２０と、ＬＯ１７と、光フィルタ４９と、コヒーレント光受信機１８と、リアルタイムオシロスコープ５１と、ＭＩＭＯ信号処理器２２と、を用いる。

ＬＤ４２は、ＱＰＳＫ光変調機４３を介して波長１５５０ｎｍの４０Ｇｂｐｓ＿ＱＰＳＫ偏波多重信号を生成し、図１５及び１６で実現したモード合波器１２を用いて２チャネルの信号を合波した後、４５０ｍの２モードファイバ３８を送路として伝搬した後の信号を、シングルモード光受信機４７がデジタルコヒーレント受信し、電界の振幅と位相情報を取得し、ＭＩＭＯ信号処理器２２でＭＩＭＯ＿ＤＳＰ処理により復元する。伝搬モードごとの損失差を与えるため、光ファイバ３０−３にはＲ１５ｍｍの３巻の曲げを与えた。このとき、モード間損失差は５ｄＢであった。

図１８に、ＭＩＭＯ処理により復元した信号のＱ値を縦軸として示す。なお、偏波信号は平均化している。ＬＰＧ３４を用いず、ＰＬＣ３３のみでＣｈ１にＬＰ０１モード、Ｃｈ２にＬＰ１１モードを割り当てた場合と、ＬＰＧ３４を用いて各チャネルにモードを等パワー合波した場合である。図９より、ＬＰＧ３４を用いない場合、７ｄＢ程度の信号品質差が生じたのに対し、ＬＰＧ３４を用いた場合はチャネル間の信号品質差はほぼなかった。

以上のことから、等パワー合波を行うことにより、伝送路のモード間損失の影響を緩和し、信号品質差の低減が可能であることがわかった。

本発明は、光ファイバ中の非線形現象の抑圧またはモードの利用による大容量・長距離通信を実現することが可能となるため情報通信産業に適用することができる。

１０：マルチモード光ファイバ伝送路
１１：光送信機
１１―１、１１−ｎ：コヒーレント光送信機
１２：モード合波器
１３：コア
１４：クラッド
１５：数モード光ファイバ
１６：モード分波器
１７：局部光発振機
１８：コヒーレント光受信機
１９：光受信機
２０：光増幅回路
２１：デジタル信号処理器
２２：ＭＩＭＯ信号処理器
２３：乗算回路
２４：加算回路
２５：ＦＩＲフィルタ
３０、３０−１、３０−２、３０−３：光ファイバ
３２：ポート
３３：ＰＬＣ
３４：ＬＰＧ
３５：パワーカプラ
３６：ＰＬＣタイプ＿モードＭＵＸ
３７：ＰＬＣタイプ＿モードＤＥＭＵＸ
３８：２モード光ファイバ
４１：シングルモード光送信機
４２：ＬＤ
４３：ＱＰＳＫ光変調機
４４−１、４４−２：光合分波器
４５：ＰＢＳ
４７：シングルモード光受信機
４８：可変光減衰器
４９：光フィルタ
５１：リアルタイムオシロスコープ

Claims (8)

1. 信号光を送信するＮ個（Ｎは２以上の整数）の光送信機と、
   前記Ｎ個の光送信機が送信した前記信号光ごとにモード強度を等分配して割当て、前記信号光を合波するとともに光伝送路を介してモード分波器に送出するモード合波器と、
   前記モード合波器が合波した前記信号光をＭ個（ＭはＮ以上の整数）の信号光に分波するモード分波器と、
   前記モード分波器で分波した各信号光を受信するＭ個の光受信機と、
   を備えることを特徴とする光伝送システム。
2. 信号光を送信するＮ個（Ｎは２以上の整数）の光送信機と、
   予め定められたモード強度を前記Ｎ個の光送信機が送信した前記信号光ごとに割当て、前記信号光を合波するとともに光伝送路を介してモード分波器に送出するモード合波器と、
   前記モード合波器が合波した前記信号光をＭ個（ＭはＮ以上の整数）の信号光に分波するモード分波器と、
   前記モード分波器で分波した各信号光を受信するＭ個の光受信機と、
   を備え、
   前記モード合波器は、
   前記光伝送路のクロストーク、モード損失差及びチャネル信号強度差に応じて前記光送信機が送信する信号光の送信チャネルに含まれる各伝搬モードの比率を可変する
   ことを特徴とする光伝送システム。
3. 前記モード合波器は、
   前記伝搬モードの比率が以下の（Ｃ１）及び（Ｃ２）式を満たすことを特徴とする請求項２に記載の光伝送システム。
   ｒ≦−０．００２（ΔＰ）^２＋０．０６（ΔＰ）＋０．５ （Ｃ１）
   ｒ≧０．００２（ΔＰ）^２−０．０６（ΔＰ）＋０．５ （Ｃ２）
   ただし、ｒ：伝搬モードの比率、ΔＰ：伝送後のチャネル信号強度差
4. 前記モード合波器は、
   信号光の伝搬モードの選択的励振を行うプレーナ光波回路と、
   伝搬モードの比率を可変する長周期型グレーティングと、
   を組み合わせてモード強度を割当てる
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光伝送システム。
5. 前記モード合波器は、
   モードカプラと、
   伝搬モードの比率を可変する長周期型グレーティングと、
   を組み合わせてモード強度を割当てる
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光伝送システム。
6. 前記モード合波器は、
   信号光の伝搬モードの選択的励振を行うプレーナ光波回路と、
   モードカプラと、を組み合わせてモード強度を割当てる
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光伝送システム。
7. 複数の光送信機が送信した信号光ごとにモード強度を等分配して割当て、前記信号光を合波するとともに光伝送路を介してモード分波器に送出するモード合波器。
8. 予め定められたモード強度を複数の光送信機が送信した信号光ごとに割当て、前記信号光を合波するとともに光伝送路を介してモード分波器に送出するモード合波器であって、
   前記光伝送路のクロストーク、モード損失差及びチャネル信号強度差に応じて前記光送信機が送信する信号光の送信チャネルに含まれる各伝搬モードの比率を可変する、
   モード合波器。

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