JP6445038B2 - マルチモード光ファイバへの光信号ストリームの空間モード多重化 - Google Patents

Description

本願は、２０１４年３月１０日に出願した米国特許仮出願第６１／９５０，８０３号の利益を主張するものである。

本発明は、光空間モード・マルチプレクサと、光空間モード・マルチプレクサを使用する方法および装置とに関する。

このセクションでは、本発明のよりよい理解を容易にするのに役立ち得る諸態様を紹介する。したがって、このセクションの記載は、この観点から読まれるべきであり、何が従来技術であり何が従来技術ではないのかに関する自認として理解されるべきものではない。

いくつかの光通信システムでは、光通信信号は、マルチモード光ファイバを介して伝送される。そのようなマルチモード光ファイバは、光通信システムが光空間モード多重化を使用する場合に、高いデータ伝送レートをサポートし得る。光空間モード多重化では、異なる横空間強度分布を有する伝搬モードは、たとえば、マルチモード光ファイバの総伝送容量がシングルモード光ファイバの伝送容量より多くなるように、光データ信号ストリームを搬送し得る。そのような光通信システムでは、光受信器は、多入力多出力（ＭＩＭＯ：ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｉｎｐｕｔ ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｏｕｔｐｕｔ）技法とデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）とを使用して、光受信器で受信される光データ・ストリームからデータを復調し得る。

米国特許出願公開第２０１４／００５５８４３号 米国特許出願公開第２０１３／００６８９３７号 米国特許出願公開第２０１２／０１７７３８４号 米国特許出願公開第２０１１／０２４３５７４号 米国特許出願公開第２０１１／０２４３４９０号 米国特許出願公開第２０１０／０３２９６７０号 米国特許出願第１３／７８６８４号

残念ながら、一部のマルチモード光ファイバは、空間伝搬モードの異なるグループの間で強い分散を生じさせる。本明細書では、様々な例示的な装置、システム、および方法が、マルチモード光ファイバの伝搬モードの一部を選択的に励起する一方で、他の伝搬モードを励起しないように構成される。具体的には、例示的な装置は、その位相速度が事前に設定された範囲内にある伝搬モードの真部分集合、たとえば、事前に設定された範囲内の位相速度を有するすべての伝搬モードを励起し得る。伝搬モードのそのような選択的励起は、マルチモード光ファイバ・リンクのより高いデータ・レートおよび／またはより長いスパンの使用を可能にし得る。いくつかのそのような装置、システム、および方法は、励起される伝搬モードの個数に対する調整機能をも提供し得る。

第１の実施形態は、光出力と複数の光入力とを有する光空間モード・マルチプレクサと、光空間モード・マルチプレクサの光出力に一端が接続された（ｅｎｄ−ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）光空間モード・フィルタとを含む装置を提供する。光空間モード・フィルタは、光伝搬モードのセットを有するマルチモード光ファイバに一端が接続されるように構成され、マルチモード光ファイバ内でのその速度が選択された範囲内にある、上記セットの光モードを通過させ、上記セットの光モードのうちの残りの光モードをブロックするように構成される。

装置のいくつかの第１の実施形態では、光空間モード・フィルタは、その両端にテーパー付きのセグメントを有する、マルチモード光ファイバのセグメントを含むことができる。いくつかのそのような実施形態では、マルチモード光ファイバのセグメントの中央セグメントは、マルチモード光ファイバのセグメントの両端のセグメントより小さい直径の光コアを有する。

装置の第１の実施形態のいずれも、光空間モード多重化を介してマルチモード光ファイバに光信号ストリームを並行して送信することができる光送信器をさらに含むことができる。光送信器は、光データ変調器のアレイを含む。アレイの各光データ変調器は、複数の光入力のうちの１つに光学的に接続される。いくつかのそのような実施形態は、マルチモード光ファイバと、マルチモード光ファイバを介して光送信器から光信号ストリームを受信するように接続された光データ受信器とをさらに含む。

装置のいくつかの第１の実施形態では、光空間モード・フィルタは、バック・ツー・バック構成で接続された、光空間モード・デマルチプレクサと光空間モード・マルチプレクサとを含み得る。

装置のいくつかの第１の実施形態では、光空間モード・フィルタは、第２のセットの光モードだけを通過させるように電気的に再構成可能とされ得、第２のセットは、第１のセットの真部分集合である。

第１の実施形態のいずれにおいても、光空間モード・フィルタは、上記セットの光モードの残りの光モードの光を、マルチモード光ファイバ内でのその速度が選択された範囲内であるセットの光モードの光より少なくとも１０デシベルだけより減衰させるように構成され得る。

第２の実施形態は、光送信器と、少なくとも１つのスパンのマルチモード光ファイバとを含むシステムを提供する。光送信器は、光空間モード多重化を介して光信号を送信するように構成される。少なくとも１つのスパンのマルチモード光ファイバは、光送信器から送信された光信号を受信するように接続された近端を有し、光伝搬光モードのセットを有する。このシステムは、伝搬光モードのセットの真部分集合外の光伝搬モードの光信号を実質的に励起することなく、真部分集合を介してマルチモード光ファイバを介して光信号を送信するように構成される。真部分集合は、選択されたインターバル内の光速度を有する、上記セットの光伝搬モードを含む。

システムの第２の実施形態のいずれにおいても、光送信器は、真部分集合外の光伝搬モード上の光を、真部分集合内の光伝搬モード上の光より少なくとも１０デシベルだけ減衰させるように構成された光空間モード・フィルタを含み得る。

システムの第２の実施形態のいずれにおいても、光データ送信器は、真部分集合外の光伝搬モード上の光をブロックするように構成された光空間モード・フィルタを含み得る。

第２の実施形態のいずれにおいても、少なくとも１つのスパンのマルチモード光ファイバは、真部分集合内の光伝搬モード上の光より、真部分集合外の光伝搬モード上の光を選択的に減衰させる全光プロセッサに光ファイバ中の光を送信するために接続された遠端を有し得る。

システムの第２の実施形態のいずれにおいても、光データ送信器は、光空間モード・フィルタに直列に接続された光空間モード・マルチプレクサを含み得る。

第２の実施形態のいずれにおいても、システムは、マルチモード光ファイバを介して送信された光信号を受信し、真部分集合内の空間光モードの光だけに基づいて、マルチモード光ファイバから受信される光の多入力多出力処理または等化を実行するように接続された光データ受信器をさらに含むことができる。

第３の実施形態は、光データ搬送ビームを作るために複数のデータ変調された光搬送波を並行して光空間モード多重化するステップを含む方法を提供する。この方法は、マルチモード光ファイバの端面で、事前に設定された範囲外の速度を有する光伝搬モードを励起することのできる光を除去するために光データ搬送ビームを光空間モード・フィルタリングするステップも含む。この方法は、事前に設定された範囲内の速度を有するマルチモード光ファイバの光伝搬モードを励起するために、光空間モード・フィルタリングされたデータ搬送ビームを端面へ送信するステップを含む。

第３の実施形態のいずれにおいても、方法は、送信された光空間モード・フィルタリングされたデータ搬送ビームがマルチモード光ファイバの１つまたは複数のスパンをトラバースし終えた後に、送信された光空間モード・フィルタリングされたデータ搬送ビームの光空間モード・フィルタリングを実行するステップをさらに含み得る。この実行するステップは、事前に設定された範囲外の速度を有する光伝搬モードによって搬送される光を除去するように構成され得る。

第３の実施形態のいずれにおいても、方法は、送信された光空間モード・フィルタリングされたデータ搬送光ビームを光空間モード多重分離するステップと、光空間モード多重分離によって作られる光ビームの等化またはＭＩＭＯ処理を実行するステップとをさらに含み得る。

光空間モード多重化を実行するための光学装置を示すブロック図である。 図１の光学装置のいくつかの実施形態が空間モード多重化された光を送信し得る光ファイバの断面の屈折率分布を示すグラフである。 図１の光学装置のいくつかの実施形態が空間モード多重化された光を送信し得るマルチモード光ファイバの一例のインパルス応答を示すグラフである。 図１の光空間モード・フィルタの一実施形態内で使用され得る二重テーパー付き光ファイバの縦断面を示す図である。 図１の光空間モード・フィルタの別の実施形態を示すブロック図である。 図１の光空間モード・フィルタのモード再構成可能実施形態を示すブロック図である。 たとえば、データ変調された光搬送波の光空間モード多重化を実行するために、図１の光学装置を使用する光送信器を示すブロック図である。 たとえば、図５の光送信器を使用して、データ変調された光搬送波の光空間モード多重化を実行する光通信システムを示すブロック図である。 たとえば、図５の光送信器および／または図６の光通信システムを用いて、データ変調された光搬送波の光空間モード多重化を実行する方法を示す流れ図である。

図面および本文では、同様の符号は、同様のまたは同一の機能および／または構造を有する要素を示す。

図面の一部では、いくつかの特徴の相対的な寸法が、その中の構造のうちの１つまたは複数をより明瞭に示すために強調されている場合がある。

本明細書では、様々な実施形態が、「課題を解決するための手段」、図面、および「発明を実施するための形態」によってより十分に説明される。それでも、本発明は、様々な形で実施され得、「課題を解決するための手段」、図面、および「発明を実施するための形態」で説明される実施形態に限定されない。

本明細書では、光空間モード・マルチプレクサは、マルチモード光ファイバの端面がマルチプレクサの光出力に関して適切に配置されるならば、その光入力のうちの１つでの光の受信に応答して、マルチモード光ファイバの光伝搬モードの組合せを励起することができる。光が、光空間モード・マルチプレクサの光入力のうちの異なる光入力で受信される時には、異なる励起された組合せは、一定の係数より大きく異なる、マルチモード光ファイバの軸に横向きの位相分布および／または振幅分布を有する。各そのような励起された組合せは、主にそのようなモードの正規直交系の単一の光伝搬モードである場合があり、あるいは、そのような正規直交モードの重畳である場合がある。異なる励起された組合せは、ほぼ直交である場合とそうでない場合とがある。

本明細書では、光空間モード・デマルチプレクサは、光空間モード・マルチプレクサであるが、光伝搬方向を反転されて動作するものとして議論される。

本明細書では、マルチモード光ファイバは、偏光回転より大きく異なる少なくとも２つのそのようなモードを含む光伝搬モードの完全な正規直交系を有する。

様々な実施形態は、少なくとも、従来の光遠隔通信のＣ、Ｌ、およびＳ波長帯のうちの１つまたは複数内の波長で光を処理するように構成された装置、システム、および方法を含む。

図１に、光出力ＯＯを介してマルチモード光ファイバ６の隣接し面する端面２にＮ個の光信号ストリームを並行して光学的に送信することのできる光学装置１０を示す。整数Ｎは、２以上である。光学装置１０は、光空間モード・マルチプレクサ１２と光空間モード・フィルタ１４とを含む。光空間モード・マルチプレクサ１２は、Ｎ個の個々の光信号ストリームを受信するためのＮ個の光入力Ｉ_１，…，Ｉ_Ｎのアレイと、光出力Ｏすなわち、Ｎ個の受信された個々の光信号ストリームがこれに送信される光出力とを有する。光空間モード・フィルタ１４は、光空間モード・マルチプレクサ１２の隣接する光出力Ｏに一端が接続され、光学装置１０の光出力ＯＯに一端が接続される。光学装置１０は、光空間モード・マルチプレクサ１２の光出力Ｏと光空間モード・フィルタ１４の光入力との間および／または光空間モード・フィルタ１４の光出力ＯＯとマルチモード光ファイバ６の端面２との間に配置された、視準し、集光し、かつ／または拡大する光学系、たとえばバルク型レンズおよび／または鏡をオプションで含むことができる。

光空間モード・マルチプレクサ１２は、Ｎ個の光入力Ｉ_１〜Ｉ_Ｎの個々の光入力で受信されるＮ個の光信号ストリームのそれぞれを、その端面２でマルチモード光ファイバ６の光伝搬モードのうちの１つまたは複数の対応する組合せを励起する光パターンとして送信するように構成される。異なる組合せは、マルチモード光ファイバ６の軸に横向きの平面上で異なる位相分布および／または振幅分布を有する、すなわち、軸に横向きの線形独立な位相分布および／または振幅分布を有する。異なる組合せは、ほぼ直交である場合とそうでない場合とがある。

光空間モード・マルチプレクサ１２は、従来の自由空間光カプラもしくはマルチプレクサ、フォトニック・ランタン・カプラもしくはマルチプレクサ、または３Ｄ光導波路カプラもしくはマルチプレクサとすることができる。そのような従来の光カプラまたはマルチプレクサの例は、米国特許出願公開第２０１４／００５５８４３号、米国特許出願公開第２０１３／００６８９３７号、米国特許出願公開第２０１２／０１７７３８４号、米国特許出願公開第２０１１／０２４３５７４号、米国特許出願公開第２０１１／０２４３４９０号、および米国特許出願公開第２０１０／０３２９６７０号、ならびに／または米国特許出願第１３／７８６８４号に記載され得る。光空間モード・マルチプレクサ１２の様々な実施形態は、本願の教示と上記に列挙した米国特許出願公開および／または上記に列挙した米国特許出願のうちの１つまたは複数の教示と組み合わせることによって構成され得る。上にリストした米国特許出願公開および上に引用した米国特許出願は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれている。

製造および／またはアライメントの不完全さに起因して、従来のＮ×１光空間モード・マルチプレクサは、通常、Ｎ×１光空間モード・マルチプレクサのＮ個の光入力のうちの１つへの光の入力に応答して、そのマルチプレクサに一端が接続されたマルチモード光ファイバの複数の光伝搬モードを励起するはずである。マルチモード光ファイバが、多数の直交光伝搬モードを有する場合には、そのような励起された光伝搬モードのセットの一部は、しばしば、そのようなＮ×１光空間モード・マルチプレクサによって主に励起される光伝搬モードとは大きく異なる位相速度を有する。光信号の送信が、非常に異なる速度を有する光伝搬モードの励起を引き起こす時に、送信された光は、大きい範囲の相対遅延を伴って、マルチモード光ファイバの第２の端面に到着し得る。そのような大きい範囲の相対到着遅延は、マルチモード光ファイバの遠端面での、たとえば従来の等化および／または多入力多出力（ＭＩＭＯ：ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｉｎｐｕｔ−ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｏｕｔｐｕｔ）技法を介する、受信された光信号を復調する能力に干渉し得る。実際に、大きく異なる速度を有する光伝搬モードの並列励起は、光データ伝送に関するマルチモード光ファイバの使用可能な長さに厳しい上限を課すことがあり、かつ／またはマルチモード光ファイバ内の光データ伝送レートに厳しい上限を課すことがある。

様々な実施形態では、光空間モード・フィルタ１４は、光空間モード・マルチプレクサ１２による、マルチモード光ファイバ６内で非常に異なる位相速度を有する光伝搬モードの励起を低減するように構成される。具体的には、光空間モード・フィルタ１４は、望まれない横分布を有する光すなわち、マルチモード光ファイバ６の望まれない光伝搬モードに結合した光を除去しまたは強く減衰させ、望まれる横分布を有する光すなわち、マルチモード光ファイバ６の望まれる光伝搬モードのみに結合した光を通過させる。望まれる光は、通常、光空間モード・フィルタ１４の光入力および光出力の断面にわたるおよび／またはマルチモード光ファイバ６の端面にわたる、望まれない光に関する消滅する重なり積分を有する。望まれる光は、マルチモード光ファイバ６内の速度が事前に設定された範囲内であるマルチモード光ファイバ６の光伝搬モードを励起する。望まれない光は、マルチモード光ファイバ６内の速度が同一の事前に設定された範囲外であるマルチモード光ファイバ６の光伝搬モードのうちの１つまたは複数を励起する。

光空間モード・フィルタ１４は、たとえばマルチモード光通信リンクとして、マルチモード光ファイバ６の使用を妨げないのに十分に小さい位相速度の事前に設定された範囲を作るように構成され得る。たとえば、光空間モード・フィルタ１４は、光空間モード・フィルタ１４が光を減衰させるのよりも少なくとも１０ｄＢ、好ましくは少なくとも１５ｄＢ、または少なくとも２０ｄＢだけより強く光を減衰させることによって、そのような望まれない光を除去するように構成され得、これによって、マルチモード光ファイバ６の望まれる光伝搬モードだけを励起する。そのような望まれない光の強い減衰は、従来の少数モード光ファイバより多数の伝搬モードを有するタイプのマルチモード光ファイバ６の使用を可能にし、なおかつ、結果の光リンクがかなりの長さを有することを可能にすることができる。望まれない光伝搬モードのそのようなモード選択的な強い減衰の可用性は、その光伝搬モードのうちのより多数またはより少数の上で光データ・ストリームを搬送するための同一のマルチモード光ファイバ６の将来の再構成をも可能にすることができる、すなわち、これによって、空間モード多重化におけるスケーラビリティを提供する。

図２に、図１のマルチモード光ファイバ６として使用することのできる、例の光ファイバの断面の屈折率分布を示す。例の光ファイバは、約５０マイクロメートル（μｍ）の直径を有するグレーデッドインデックス光コアを有する。図示の屈折率分布は、例の光ファイバの軸からの距離（Ｄ）の関数としての、光コアの屈折率と光クラッディングの屈折率との間のパーセンテージ差（Δ）を示す。

一例として、米国ニューヨーク州イサカのコーニング（Ｃｏｒｎｉｎｇ）社（ｗｗｗ．ｃｏｒｎｉｎｇ．ｃｏｍ）によって販売され、商標ＣＬＥＡＲ ＣＵＲＶＥ（登録商標）の下で広告されるＯＭ３＋ＯＭ４シリカ・マルチモード光ファイバを、たとえば図１のマルチモード光ファイバ６に関して、使用することができる。

代替案では、マルチモード光ファイバ６は、コーニング社によって販売されるＯＭ３＋ＯＭ４シリカ・マルチモード光ファイバに類似するがこれとは異なる半径方向屈折率分布を有することができる。具体的には、半径方向屈折率分布は、望ましい光通信波長、たとえば１５５０ナノメートルでマルチモード光ファイバ６の様々な伝搬モードの間の微分群遅延を減らすか最小化するように変更され得る。

図３は、図１のマルチモード光ファイバ６の一例のインパルス応答を示すプロットである。このプロットは、光がマルチモード光ファイバ６の例をトラバースするための出力光強度および相対遅延を示す。このプロットは、マルチモード光ファイバ６の例のＬＰ_０１、ＬＰ_１１、ＬＰ_０２、ＬＰ_２１、およびより高次のＬＰモード（ＨＯＭ）に対応するピークのラベルをも含む。特筆すべきことに、ＬＰ_０１モードとＬＰ_１１モードとの間の相対到着遅延は短い、すなわち、約１．５ナノ秒（ｎｓ）であり、ＬＰ_０１モードとＬＰ_０２モードおよびＬＰ_２１モードとの間の相対到着遅延はより長い、すなわち、約２ｎｓであり、ＬＰ_０１モードとＨＯＭとの間の相対到着遅延は最長である、すなわち、２ｎｓより長い。したがって、マルチモード光ファイバ６のこのグレーデッドインデックス例では、相対到着遅延は、おおむね、ＬＰモード番号が増加するにつれて増加する。

マルチモード光ファイバ６のこの例に関して、図１の光学装置１０は、異なる実施形態を有することができる。第１の実施形態では、光空間モード・マルチプレクサ１２は、マルチモード光ファイバ６の例のＬＰ_０１モードおよびＬＰ_１１モードに光を透過させ、マルチモード光ファイバのより高いＬＰモードに光を実質的に透過させないことが可能である。この第１の実施形態では、光空間モード・フィルタ１４は、ＬＰ_０１モードおよびＬＰ_１１モードに結合する光を通過させ、他のＬＰモードすなわちＬＰ_０２モードおよびＬＰ_２１モードと図３のＨＯＭとに結合する光を除去するように構成される。したがって、マルチモード光ファイバ６内の望まれる光伝搬モードの速度の事前に設定された範囲は、マルチモード光ファイバ６の例の遠端面で１．５ｎｓの、事前に設定された範囲内の相対到着遅延をもたらすはずである。代替の第２の実施形態では、光空間モード・マルチプレクサ１２は、マルチモード光ファイバ６の例のＬＰ_０１モード、ＬＰ_１１モード、ＬＰ_０２モード、およびＬＰ_２１モードに光を透過させることができる。この第２の実施形態では、光空間モード・フィルタ１４は、ＬＰ_０１モード、ＬＰ_１１モード、ＬＰ_０２モード、およびＬＰ_２１モードに結合する光を通過させ、図３のＨＯＭに結合する光を除去するように構成される。したがって、マルチモード光ファイバ６の例の望まれる伝搬モードの速度の事前に設定された範囲は、第２の実施形態より長くなるはずであり、２ｎｓまでの相対到着遅延を引き起こすことができる。

図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃは、図１の光空間モード・フィルタ１４の様々な実施形態１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを示す。

図４Ａを参照すると、光空間モード・フィルタ１４Ａは、光クラッディング２４によって囲まれた光コア２２を有するマルチモード光ファイバのセグメント２０を含む。マルチモード光ファイバのセグメント２０は、セグメント２０の端面から離れて光コア２２の直径を徐々に縮小させるテーパーを有する端セグメント２６、２８を有する。セグメント２０は、２つの端セグメント２６、２８を接続する中央サブセグメント３０をも有する。中央サブセグメント３０内では、光コア２２および光クラッディング２４は、端セグメント２６、２８内より薄く、その中でほぼ一定の直径を有する。

セグメント２０の第１の端面では、端セグメント２６は、たとえば、図１のマルチモード光ファイバ６と同一の屈折率分布を有することができる。

セグメント２０の第２の端面では、第２の端セグメント２８は、図１の光空間モード・マルチプレクサ１２の光出力Ｏに一端が接続されるのに適切な屈折率分布を有することができる。たとえば、この分布は、光出力Ｏにおいて、伝搬する光空間モードの望まれないひずみまたは混合を全く引き起こさないものとすることができる。

第１および第２の端セグメント２６、２８は、セグメント２０の中央の前後で反射対称とすることができる。たとえば、そのような構成は、図１の光空間モード・マルチプレクサ１２の光出力Ｏが、図１のマルチモード光ファイバ６と同一タイプのマルチモード光ファイバのセグメントである時に使用され得る。

セグメント２０内では、中央サブセグメント３０は、そうでなければ図１のマルチモード光ファイバ６の望まれない光伝搬モードに結合するはずの伝搬する光を減衰させるように構成される。具体的には、中央サブセグメント３０内で、光コア２２は、光コア２２が端セグメント２６、２８または図１のマルチモード光ファイバ６のいずれかより少ない光伝搬モードを案内するようにするために、より狭くなるように構成される。中央サブセグメント３０内で、そのような案内されない光伝搬モードによって搬送される光は、光コア２２から光クラッディング２４に漏れ、その後、中央サブセグメント３０の側面から漏れることができ、これによってそのような望まれない光伝搬モードを減衰させる。中央サブセグメント３０内では、光クラッディング２４も、端セグメント２６、２８内より薄くされ得、光クラッディング２４は、中央サブセグメント３０内で一致する屈折率または相対的により高い屈折率の第２のクラッディング材料３２によって囲まれることも可能である。両方のそのような特徴は、通常、そのような案内されない光伝搬モードからの光に光クラッディング２４、３２から漏れさせ、これによって、光空間モード・フィルタ１４Ａの側面から失われることを引き起こす。中央サブセグメント３０は、そのような案内されない光伝搬モードの事前に選択された望まれる量の減衰を作るのに十分に長くなるように構成され、その結果、そのようなモードの光は、図１のマルチモード光ファイバ６の望まれない光伝搬モードをその後に励起するために大きく残ることがなくなる。

第１および第２の例では、中央サブセグメント３０は、異なる形を有し、その結果、光空間モード・フィルタ１４Ａは、図３に関して上ですでに説明された、光空間モード・フィルタ１４の第１および第２の実施形態として機能するようになる。第１の実施形態では、中央サブセグメント３０の光コア２２は、図３のマルチモード光ファイバ６の上の例のＬＰ_０１モードおよびＬＰ_１１モードだけに結合する光伝搬モードだけを案内する直径を有する。次に、図３のより高いＬＰモードを励起することができる光伝搬モードすなわち、ＬＰ_０２モードおよびＬＰ_２１モードとＨＯＭとは、中央サブセグメント３０内で強く減衰される。第２の実施形態では、中央サブセグメント３０の光コア２２は、図３のマルチモード光ファイバ６の例のＬＰ_０１モード、ＬＰ_１１モード、ＬＰ_０２モード、およびＬＰ_２１モードだけに結合する光伝搬モードだけを案内する異なる直径を有する。その後、図３のＨＯＭモードを励起することができる光伝搬モードだけが、中央サブセグメント３０内で強く減衰される。

いくつかのグレーデッドインデックス・マルチモード光ファイバに関して、本発明人は、ＬＰモードが、定性的に規則的な形でモード番号と共に増加する、位相速度およびファイバの軸からの平均距離を有すると考える。そのようなグレーデッドインデックス・マルチモード光ファイバに関して、本発明人は、そうでなければそのようなグレーデッドインデックス・マルチモード光ファイバ内で望まれる次数を超えるＬＰモードを端部励起する（ｅｎｄ−ｅｘｃｉｔｅ）はずの光伝搬モードを案内しないのに十分に小さい直径をその光コア２２が有する光空間モード・フィルタ１４Ａの中央サブセグメント３０を設計し、構成することが、通常は可能であると考える。

図４Ｂを参照すると、光空間モード・フィルタ１４Ｂは、バック・ツー・バックの形で接続された、１×Ｍ光空間モード・デマルチプレクサ４０とＭ×１光空間モード・マルチプレクサ４２とを含む。１×Ｍ光空間モード・デマルチプレクサ４０は、１×Ｍ光空間モード・マルチプレクサ４２のＭ個の光入力４８_１，…，４８_Ｍのうちの対応する１つにＭ個の光導波路４６_１，…，４６_Ｍによって接続されたＭ個の光出力４４_１，…，４４_Ｍを有する。光空間モード・フィルタ１４Ｂの光入力５０は、１×Ｍ光空間モード・デマルチプレクサ４０の光入力である。光空間モード・フィルタ１４Ｂの光出力５２は、Ｍ×１光空間モード・マルチプレクサ４２の光出力である。

１×Ｍ光空間モード・デマルチプレクサ４０およびＭ×１光空間モード・マルチプレクサ４２は、図１の光空間モード・デマルチプレクサ１２に関してすでに議論した、自由空間光デバイス、フォトニック・ランタン、または３Ｄ光導波路デバイスとして作られ得る。

光多重分離のために操作される時に、光空間モード・デマルチプレクサ４０および光空間モード・マルチプレクサ４２は、たとえば、機能的に同一の光デバイスとすることができる。したがって、図１のマルチモード光ファイバ６の端面２が、光入力５０または光出力５２に隣接し、これに面して配置される場合に、光空間モード・デマルチプレクサ４０または光空間モード・マルチプレクサ４２は、適宜、端面２から受信される光をほぼ同一のパターンに、すなわち光出力４４_１〜４４_Ｍ上または光入力４８_１〜４８_Ｍ上で分割する。しかし、図１のマルチモード光ファイバ６の端面２が、その中で前に論じた望まれない光伝搬モードの光を出力する場合には、光空間モード・デマルチプレクサ４０または光空間モード・マルチプレクサ４２は、光出力４４_１〜４４_Ｍ上または光入力４８_１〜４８_Ｍ上に光をほとんどまたは全く透過させないように構成される。この理由から、１×Ｍ光空間モード・デマルチプレクサ４０および光空間モード・マルチプレクサ４２のバック・ツー・バック組合せは、図１のマルチモード光ファイバ６の望まれない伝搬モードから受信される光を選択的に除去し、図１のマルチモード光ファイバ６の望まれる光伝搬モードから受信される光を通過させる光フィルタである。

Ｍ個の光導波路４６_１，…，４６_Ｍは、マルチモード光ファイバ６の光伝搬モードのうちの異なる１つによって搬送される光の間の相対到着遅延を事前に補償し、かつ／または事後に補償することができる。一例として、光導波路４６_１，…，４６_Ｍのうちの異なる１つは、マルチモード光ファイバ６の相対的に直交する伝搬モードに結合する光を搬送するように接続され得る。そのような実施形態では、光導波路４６_１，…，４６_Ｍは、光がマルチモード光ファイバ６を介して伝搬する時に作られるそのような相対到着遅延を事前に補償しかつ／または事後に補償するために、適切に異なる長さを有することができる。

図４Ｃに、再構成可能な光空間モード・フィルタ１４Ｃを示す。再構成可能な光空間モード・フィルタ１４Ｃおよび光空間モード・フィルタ１４Ｂは、両方が個々の光出力４４_１〜４４_Ｍが個々の光入力４８_１〜４８_Ｍのそれぞれの１つに接続されるバック・ツー・バック構成の光空間モード・デマルチプレクサ４０と光空間モード・マルチプレクサ４２とを含むので、類似する。両方のデバイス１４Ｂ、１４Ｃにおいて、１×Ｍ光空間モード・デマルチプレクサ４０のＭ個の光出力４４_１〜４４_Ｍは、光入力５０が、図１のマルチモード光ファイバ６の隣接し、面する端面２を介して光伝搬モードの第１のセットの光を受信するように構成される時に、光を透過させる。光空間モード・フィルタ１４では、１×Ｍ光空間モード・デマルチプレクサ４０のＫ個の光出力４４_１〜４４_Ｋだけが、光入力５０が図１のマルチモード光ファイバ６の隣接し、面する端面２を介してその光伝搬モードの第２のセットからの光を受信する時に、光を透過させる。光空間モード・フィルタ１４Ｃでは、Ｋ個の光出力４４_１〜４４_Ｋは、光導波路４６_１〜４６_Ｋを介して対応するＫ個の光入力４８_１〜４８_Ｋに接続され、残りの（Ｍ−Ｋ）個の光出力４４_Ｋ＋１〜４４_Ｍは、（Ｍ−Ｋ）個の光導波路４６_Ｋ＋１〜４６_Ｍを介して対応する（Ｍ−Ｋ）個の光入力４８_Ｋ＋１〜４８_Ｍに接続される。ここで、第２のセットは、第１のセットの真部分集合である。

光空間モード・フィルタ１４Ｃは、１つまたは複数の光ブロッカ５４、たとえば可変光減衰器と、光ブロッカ５４を操作するように接続された電子コントローラ・コネクタ５６とをも含む。１つまたは複数の光ブロッカ５４は、（Ｍ−Ｋ）個の光導波路４６_Ｋ＋１〜４６_Ｍのセグメントに沿って配置され、（Ｍ−Ｋ）個の光導波路４６_Ｋ＋１〜４６_Ｍは、光空間モード・デマルチプレクサ４０の最後の（Ｍ−Ｋ）個の光出力４４_Ｋ＋１〜４４_Ｍに接続される。光出力４４_Ｋ＋１〜４４_Ｍは、その端面２が光入力５０に隣接してこれに面して配置される時に、マルチモード光ファイバ６の光伝搬モードの第２のセットから光を受信しない。

電子コントローラ３０は、「通過状態」または「ブロック状態」に選択的になるように１つまたは複数の光ブロッカ５４を動作させる。「通過状態」では、光ブロッカ５４は、光モード・フィルタ１４Ｃの光導波路４６_１〜４６_ＭのＭ個すべてが光空間モード・デマルチプレクサ４０と光空間モード・マルチプレクサ４２との間で光を透過させることができるようにするために、光が対応するＭ−Ｋ個の光導波路４６_Ｋ＋１〜４６_Ｍを通過することを可能にする。「ブロック状態」では、光ブロッカ５４は、Ｋ個の光導波路４６_１〜４６_Ｋだけが光空間モード・デマルチプレクサ４０と光空間モード・マルチプレクサ４２との間で光を透過させることができるようにするために、（Ｍ−Ｋ）個の光導波路４６_Ｋ＋１〜４６_Ｍ内の光を強く減衰させまたはブロックする。

「通過状態」および「ブロック状態」は、図１のマルチモード光ファイバ６の光伝搬モードの異なるセットを除去する、光空間モード・フィルタ１４Ｃのフィルタリング構成である。一例として、１×Ｍ光空間モード・デマルチプレクサ４０は、図３の例のマルチモード光ファイバ６のＬＰ_０１モードおよびＬＰ_１１モードから受信された光だけをその最初のＫ個の光出力４４_１〜４４_Ｋに透過させ、図３の例のマルチモード光ファイバ６のＬＰ_０２モードおよびＬＰ_２１モードから受信された光だけをその最後の（Ｍ−Ｋ）個の光出力４４_Ｋ＋１〜４４_Ｍに透過させるように構成され得る。次に、「通過状態」では、光空間モード・フィルタ１４Ｃは、図３の例のマルチモード光ファイバ６のＬＰ_０１モード、ＬＰ_１１モード、ＬＰ_０２モード、およびＬＰ_２１モードから受信された光を通過させ、図３の例のマルチモード光ファイバ６の他のＬＰモードから受信された光を除去する。対照的に、「ブロック状態」では、光空間モード・フィルタ１４Ｃは、図３の例のマルチモード光ファイバ６のＬＰ_０１モードおよびＬＰ_１１モードから受信された光だけを通過させ、図３の例のマルチモード光ファイバ６の他のＬＰモードから受信された光を除去する。「ブロック状態」では、Ｎ個の光入力Ｉ_１〜Ｉ_Ｎのサブセットからの光データ・ストリーム、たとえば、図３の例のマルチモード光ファイバ６の光伝搬モードのより小さい第２のセットに結合された光入力Ｉ_１〜Ｉ_Ｎの光データ・ストリームからの光データ・ストリームだけを透過させるようにも構成される。

図５に、空間モード多重化を使用するように構成された光送信器６０を示す。光送信器６０は、図１の光学装置１０を含み、Ｎ個の光データ変調器６２_１〜６２_ＮおよびＮ個の対応する光ソース６４_１〜６４_Ｎの並列アレイをも含む。各光データ変調器６２_１〜６２_Ｎは、光空間モード・マルチプレクサ１２のＮ個の光入力Ｉ_１〜Ｉ_Ｎのうちの対応する１つに光学的に接続される。各個々の光変調器６２_１〜６２_Ｎは、対応する受信されたデジタル・データ・ストリームＤＡＴＡ_１，…，ＤＡＴＡ_Ｎによって、光ソース６４_１〜６４_Ｎのうちの対応する１つから受信された光搬送波を変調する。

各光データ変調器６２_１〜６２_Ｎは、たとえば、任意の既知の光変調フォーマットに従って光搬送波を変調するように構成された任意の従来の外部光変調器とすることができる。適切な光変調フォーマットの例は、オン−オフ・キーイング、二相位相偏移変調（ＰＳＫ）、四相ＰＳＫ、および直角位相振幅変調（ＱＡＭ）、たとえば４ＱＡＭ、８ＱＡＭ、１６ＱＡＭ、３２ＱＡＭ、または６４ＱＡＭを含む。

光ソース６４_１〜６４_Ｎのアレイは、Ｎ個の異なる光レーザを含むことができ、あるいはその代わりに、単一の光レーザからの出力光が、Ｎ個の光データ変調器６２_１〜６２_ＮにＮ個の別々の光搬送波を提供するために分割され、たとえば強度分割される場合に、単一の光レーザだけを含むことができる。Ｎ個の光ソース６４_１〜６４_Ｎは、光学装置１０が、Ｎ個の異なる波長の光搬送波ではなく、Ｎ個の並列光データ・ストリームを搬送するのにマルチモード光ファイバ６のＮ個の光伝搬モードを使用するので、同一のまたはほぼ同一の光波長を有することができる。

いくつかの実施形態では、光送信器６０は、Ｎ個の光ソース６４_１〜６４_ＮのアレイのうちのＱ個、Ｎ個の光データ変調器６２_１〜６２_ＮのうちのＱ個、およびＱ個の光学装置１０（図示せず）の並列アレイをも含むことができる。Ｑ個のそのようなアレイの並列構造は、波長分割多重化（ＷＤＭ）を提供することができる。たとえば、この実施形態は、偏光分割多重化を用いるＱ／２個の光搬送波波長、または、偏光分割多重化ならびに図５の光送信器６０内にすでに示された光空間モード多重化を用いないＱ個の搬送波波長をサポートすることができる。

図６に、光空間モード多重化を介してデータを送信する光通信システム７０を示す。この光通信システムは、光送信器６０、光受信器７０、およびマルチモード光ファイバのＰ個のスパン６_１、６_２、…、６_Ｐの全光系列を含む。ここで、Ｐは、１以上の整数である。

光送信器６０は、図５に関してすでに説明されている。

マルチモード光ファイバのＰ個のスパン６_１、６_２、…、６_Ｐは、従来のマルチモード光ファイバ、たとえば、図１のマルチモード光ファイバ６の上の例のうちのいずれかである。必ずではないがしばしば、各スパンのマルチモード光ファイバ６_１〜６_Ｐは、ほぼ同一の屈折率分布を有することができ、したがって、Ｐ個のスパンの系列は、光伝搬モードの同一のセットを有する。スパンのうちの隣接するスパンは、受信された光信号を光学的に再生成する（Ｐ−１）個の全光プロセッサ６４_１、６４_２、…、６４_Ｐ−１に接続される。そのような光再生成は、光増幅、光分散補償、およびスパンの望まれない光伝搬モード上で伝搬する光を除去するための光空間モード・フィルタリングのうちのいずれかまたはすべてを含むことができる。そのようなスパン間光空間モード・フィルタリングは、少数モード光ファイバを使用する光増幅器または分散補償器内で実行され得る。たとえば、そのような少数モード光ファイバは、望まれない光伝搬モードを案内しないように構成され得る。代替案では、そのようなスパン間光空間モード・フィルタリングが、図１の光空間モード・フィルタ１４に類似するかこれと同一のデバイス内で実行され得る。

光受信器６２は、最後のまたはＰ番目のスパンのマルチモード光ファイバ６_Ｐの端面からＮ個の光信号ストリームを受信するように構成される。光受信器６２は、光空間モード・デマルチプレクサ６６と、電子プロセッサおよび／または光プロセッサ６８と、オプションで光空間モード・フィルタ７０とを含む。

光空間モード・デマルチプレクサ６６は、光送信器６０の光空間モード・マルチプレクサ１２に類似する構成を有することができる。光空間モード・デマルチプレクサ６６は、各光出力Ｏ_１、…、Ｏ_Ｎがマルチモード光ファイバ６_ＰのＮ個の望まれる光伝搬モードのうちの１つから受信される光を受信するようにするために、受信される光を空間モード分割する。プロセッサ６８は、たとえば、光等化および／もしくは電子等化を実行することができ、かつ／または異なるデータ・ストリームの間の混合を除去するために、結果のＮ個の光信号ストリームに対して電子ＭＩＭＯ処理を実行することができる。たとえば、光受信器６２は、マルチモード光ファイバ６_１、６_２、…、６_ＰのＰ個のスパンでの不完全さ、温度変化、または機械的変化によって引き起こされた望まれない光空間モード混合を除去するように構成され得る。

光空間モード・フィルタ７０は、光送信器６０内の光空間モード・フィルタ１４に類似する構成を有することができる。光空間モード・フィルタ７０は、マルチモード光ファイバ６_Ｐの望まれない光伝搬モードから受信された光を除去しまたは強く減衰させるように構成される。そのような光空間モード・フィルタは、マルチモード光ファイバ６_Ｐの望まれない光伝搬モードから受信された光の、光空間モード・デマルチプレクサ６６および／またはプロセッサ６８による処理をさらに単純化することができる。

図７に、光空間モード多重化を介して、たとえば図５の光送信器６０および／または図６の光通信システム７０とデータを光学的に通信する方法８０を示す。

方法８０は、光データ搬送ビームを作るために複数のデータ変調された光搬送波を並行して光空間モード多重化するステップ（ステップ８２）を含む。たとえば、ステップ８２を、図６の光空間モード・マルチプレクサ１２によって実行することができる。

方法８０は、マルチモード光ファイバの端面で、事前に設定された範囲外の速度を有するその中の光伝搬モードを励起することのできるその中の光を除去するために光データ搬送ビームを光空間モード・フィルタリングするステップ（ステップ８４）を含む。たとえば、ステップ８４を、図６の光空間モード・フィルタ１４によって実行することができる。

方法８０は、同一の事前に設定された範囲内の速度を有するマルチモード光ファイバの光伝搬モードを励起するために、マルチモード光ファイバの端面に光空間モード・フィルタリングされたデータ搬送ビームすなわちステップ８４で作られたビームを送信するステップ（ステップ８６）を含む。たとえば、送信するステップ８６は、光送信器６０の光出力ＯＯに最も近く、これに面し、これに横に位置合せされた、図６のマルチモード光ファイバ６_１の端面に、光空間モード・フィルタリングされた、データ搬送ビームを送ることができる。

様々な実施形態では、方法８０は、マルチモード光ファイバの１つまたは複数のスパン、たとえば図６のマルチモード光ファイバ６_１〜６_Ｐのスパンのサブセットをトラバースした後に、送信された光空間モード・フィルタリングされたデータ搬送光ビームの光空間モード・フィルタリングを実行するステップをも含むことができる。実行するステップは、事前に設定された範囲外の速度を有する光伝搬モードによって搬送される光を除去するように構成され得る。光空間モード・フィルタリングは、たとえば、全光プロセッサ６４_１、６４_２、…、６４_Ｐ−１のいずれかおよび／または図６の光データ受信器６２の光空間モード・フィルタ７０内で実行され得る。

様々な実施形態では、この方法は、送信された光空間モード・フィルタリングされたデータ搬送光ビームの光空間モード多重分離のステップと、マルチモード光ファイバ内のデータ変調された光搬送波に対して引き起こされたモード混合を除去するための、多重分離によって作られる光ビームの等化またはＭＩＭＯ処理を実行するステップとを含むこともできる。多重分離および処理は、たとえば、図６の光データ受信器６２のそれぞれの光空間モード・デマルチプレクサ６６およびプロセッサ６８内で実行され得る。

いくつかの実施形態では、上で説明された装置および方法は、マルチモード光ファイバ、たとえば、図１の光ファイバ６または図６の光ファイバ６_１の、事前に選択されたＬＰモード番号までのすべてのＬＰモードを励起することを含むことができる。

本発明は、この説明、図面、および特許請求の範囲に鑑みて当業者に明白となる他の実施形態も含むことが意図されている。

Claims (9)

1. 光出力と複数の光入力とを有する光空間モード・マルチプレクサと、
   前記光空間モード・マルチプレクサの前記光出力に一端が接続された光空間モード・フィルタと
   を備え、
   前記光空間モード・フィルタは、光伝搬モードを有するマルチモード光ファイバに一端が接続されるように構成され、また、前記マルチモード光ファイバ内での速度が選択された範囲内にある前記マルチモード光ファイバのそれら光伝搬モードを通過させ、前記マルチモード光ファイバのうち残りの光伝搬モードをブロックするように構成される、
   装置。
2. 光空間モード多重化を介して前記マルチモード光ファイバに光信号ストリームを並行して送信することができる光送信器であって、前記光送信器は、光データ変調器のアレイを含み、前記アレイの各変調器は、前記複数の光入力のうちの１つに光学的に接続される、光送信器
   をさらに備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記マルチモード光ファイバと、前記マルチモード光ファイバを介して前記光送信器から前記光信号ストリームを受信するように接続された光データ受信器とをさらに備える、請求項２に記載の装置。
4. 光空間モード多重化を介して光信号を送信するように構成された光送信器と、
   前記光送信器から前記送信された光信号を受信するように接続された近端を有し、光伝搬モードのセットを有する、少なくとも１つのスパンのマルチモード光ファイバと、
   前記光信号をフィルタリングするように接続された光空間モード・フィルタと
   を備えるシステムであって、
   前記システムは、前記光伝搬モードのセットの真部分集合外の前記光伝搬モードの前記光信号を前記マルチモード光ファイバを介して実質的に送信することなく、前記光伝搬モードのセットの前記真部分集合の前記光伝搬モードの前記光信号を、前記マルチモード光ファイバを介して送信するように構成され、前記真部分集合は、選択されたインターバル内の光速度を有する、前記少なくとも１つのスパンのマルチモード光ファイバの光伝搬モードを含む、
   システム。
5. 前記光空間モード・フィルタは、前記真部分集合外の前記光伝搬モード上の光を、前記真部分集合内の前記光伝搬モード上の光より少なくとも１０デシベルだけ減衰させるように構成されている、請求項４に記載のシステム。
6. 前記マルチモード光ファイバを介して前記送信された光信号を受信し、前記真部分集合内の前記光伝搬モードの前記光信号だけに基づいて、前記マルチモード光ファイバから受信される光の多入力多出力処理または等化を実行するように接続された光データ受信器をさらに備える、請求項４に記載のシステム。
7. 光データ搬送ビームを作るために複数のデータ変調された光搬送波を並行して光空間モード多重化するステップと、
   マルチモード光ファイバの端面で、事前に設定された範囲外の速度を有する光伝搬モードを励起することのできる光を除去するために前記光データ搬送ビームを光空間モード・フィルタリングするステップであって、バック・ツー・バック構成で接続された光空間モード・デマルチプレクサと光空間モード・マルチプレクサとを含む光空間モード・フィルタへ前記光データ搬送ビームを送信するステップを含む、光空間モード・フィルタリングするステップと、
   前記事前に設定された範囲内の速度を有する前記マルチモード光ファイバの全ての光伝搬モードを励起するために、前記光空間モード・フィルタリングされたデータ搬送ビームを前記端面へ送信するステップと
   を含む方法。
8. 前記送信された光空間モード・フィルタリングされたデータ搬送ビームが前記マルチモード光ファイバの１つまたは複数のスパンをトラバースし終えた後に、前記送信された光空間モード・フィルタリングされたデータ搬送ビームの光空間モード・フィルタリングを実行するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記実行するステップは、前記事前に設定された範囲外の速度を有する前記光伝搬モードによって搬送される光を除去するように構成される、請求項８に記載の方法。

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