JP6925894B2 - 光装置、通信システム及び合波/分波方法 - Google Patents
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Description
また、他の第2の発明は、幹線光導波路に対して合波又は分波を行う光装置において、グレーデッドインデックス型マルチモード光導波路であって、モード群毎に伝搬する信号のチャネルが形成されるモード群分割多重伝送路を構成する幹線光導波路と、幹線光導波路に連続し、屈曲したマルチモード光導波路から成るモード変換光導波路と、モード変換光導波路に連続しその屈曲方向に伸びたグレーデッドインデックス型マルチモード光導波路から成る第1光導波路と、マルチモード光導波路から成りモード変換光導波路の外周屈曲面に幹線光導波路の軸方向に接合した接続光導波路と、接続光導波路に連続したグレーデッドインデックス型マルチモード光導波路から成る第2光導波路と、を有し、幹線光導波路における複数のモード群を高次モード群と低次モード群とに2分する時、モード変換光導波路は、低次モード群の信号は伝搬させ、高次モード群の信号は接続光導波路の側に漏洩させて、より低次のモード群の信号として接続光導波路とこれに続く第2光導波路に伝搬させ、逆に、接続光導波路を第2光導波路からモード変換光導波路に向けて伝搬する低次のモード群の信号は、高次モード群の信号に変換してモード変換光導波路に結合させる光導波路であり、接続光導波路のコアの直径は、幹線光導波路の軸に垂直な断面における低次モード群の信号が伝搬する領域の直径に等しく、第2光導波路と幹線光導波路はグレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバであり、第1光導波路及びモード変換光導波路は幹線光導波路の一部として構成され、接続光導波路のコアはモード変換光導波路のクラッドに接続されており、接続光導波路のコアの中心軸のモード変換光導波路の外周屈曲面のクラッドに対する接続位置は、幹線光導波路のコア半径をr c 、接続光導波路のコア半径をr1 とする時、r c −r1 よりも小さい範囲で、幹線光導波路の中心軸から屈曲の外側方向に変位していることを特徴とする光装置である。
幹線光導波路を伝搬するある一定の伝搬角を有する一つの光線に関して、モード変換光導波路の外周屈曲面の曲率(1/曲率半径)が大きい程、コアとクラッドとの境界面(以下、単に、「屈曲面」という)に入射するその光線の入射角(屈曲面の法線に対する角)は小さくなる。この入射角が臨界角より小さくなると、その光は漏洩モードとなり外周屈曲面から外部に漏れ、モード変換光導波路を伝搬しない。
また、外周屈曲面に接続された接続光導波路のコアの屈折率は、モード変換光導波路のコアの屈折率よりも小さいことが望ましい。この場合、外周屈曲面から漏れ出た高次モードの光は、より低次モードの光に変換されて接続光導波路に入射することになるので望ましい。
または、モード変換光導波路は、第1光導波路の先端に連続した自己形成光導波路と幹線光導波路の先端に連続した自己形成光導波路とが接続されて屈曲した状態の自己形成光導波路としている。
すなわち、他の発明は、上記の光装置(請求項1乃至請求項9の何れか)をA端光装置とし、上記の光装置(請求項1乃至請求項9の何れか)をB端光装置とし、A端光装置の幹線光導波路とB端光装置の幹線光導波路とが連続して幹線光導波路を構成し、A端光装置の第2光導波路と、B端光装置の第2光導波路とに、モード変換光導波路により高次モード群と相互変換され幹線光導波路に結合する、より低次のモード群の信号を伝送させ、A端光装置の第1光導波路と、B端光装置の第1光導波路とに、低次モード群の信号を伝送させることにより、A端光装置とB端光装置との間でモード群分割多重通信を行うようにした通信システムである。
この方法により低次モード群と高次モード群との合波と分波とを実現できるので、安価なグレーデッドインデックス型マルチモード光導波路を用いた実用的なモード群分割多重通信方法が可能となる。
図1は本発明の具体的な一実施例に係る光装置1の構成を示している。幹線光導波路10と第1光導波路20とモード変換光導波路40とは一本のグレーデッドインデックス型マルチモードファイバ(以下、「GI−MMF」と記す)11で形成されている。GI−MMF11が屈曲され、その屈曲部がモード変換光導波路40である。モード変換光導波路40の外周屈曲面41のクラッド42に第2光導波路30の先端から伸びた接続光導波路である自己形成光導波路32のコアが接合されている。第2光導波路30はGI−MM31である。幹線光導波路10の中心軸15と第2光導波路30の中心軸35は一致している。GI−MMF11、31のコア直径は50〜80μm、クラッドを含めたGI−MMF11、31の直径は125〜500μmである。いわゆる大口径光ファイバーである。本発明で使用できる大口径光ファイバのNAは、0.15〜0.35が使用可能である。
自己形成光導波路32は次のように形成される。GI−MMF11を所定の位置で所定の曲率で曲げた状態にして、枠体50に固定する。GI−MMF31の中心軸35を幹線光導波路10の中心軸15に一致させ、GI−MMF31の先端端面がモード変換光導波路40の外周屈曲面41に対向するように、GI−MMF31を枠体50に固定する。次に、枠体50に光硬化性樹脂液を充填し、GI−MMF31の他の端面から光硬化性樹脂液を光硬化させる波長の光を入射させる。GI−MMF31の先端端面から硬化光が出射され、その光の光路に沿って樹脂が硬化する。硬化した樹脂は屈折率が樹脂液よりも高くなるように光硬化樹脂液が選択されている。また、光硬化樹脂液には、硬化波長や屈折率の異なる数種類の混合液を用いて、ある種類の樹脂だけ硬化させて、硬化物の屈折率を混合液の屈折率よりも高くすることも可能である。この他、自己形成光導波路の製法はいろいろ知られている。
GI−MMF11とGI−MMF31にNA=0.2のGI−MMFを用いた場合について説明する。幹線光導波路10の端面から伝搬角約4.0°以下の低次モード群信号と、伝搬角約7.5°以上11.5°以下の高次モード群信号をモード変換光導波路40に向けて入射させる。ここでの伝搬角の値は、空気中から光ファイバの入射端面に入射する光の入射角、又は出射端面から空気中に出射される光の出射角の値であり、この入射角又は出射角に対応する光ファイバ内での伝搬角はスネルの法則に従ってより小さな値である。伝搬角は多重反射する光の進行方向と光導波路の中心軸との成す角で定義する。11.5°は、GI−MMF11、31の最大伝搬角であり、最大モード次数に対応する。伝搬角4.0°から7.5°の範囲は干渉を回避するためのバッファ空間(伝搬角範囲)である。
モード変換光導波路40において、高次モード群信号を完全には遮断できない。そのため、モード変換光導波路40で低次モード群信号を分波するときに、高次モード遮断フィルタを用いることで、低次モード群信号を精度良く分波できる。
図3に示すように、モード変換光導波路40の外周屈曲面41から自己形成光導波路32bを形成し、第2光導波路30の先端から自己形成光導波路32aを形成して両者を接合して、接続光導波路である自己形成光導波路32としても良い。幹線光導波路10、モード変換光導波路40、第1光導波路20は、1本のGI−MMF11である。この場合、自己形成光導波路32bの形成は、幹線光導波路10から高次モード群の硬化光をモード変換光導波路40に入射させることで行う。高次モード群の硬化光はモード変換光導波路40により低次モード群の硬化光に変換されて、硬化光は第2光導波路30(GI−MMF31)の中心軸31に沿って直線状に出射される。この硬化光により自己形成光導波路32bが形成される。同時に、第2光導波路30に上述したように全次数モード群の硬化光を入射させて、第2光導波路30の先端から直線状の自己形成光導波路32aを成長させる。自己形成光導波路32aの先端が自己形成光導波路32bに接触すると、光閉じ込め効果により1本の直線状の自己形成光導波路32が形成される。これにより、幹線光導波路10及び第2光導波路30のコア径と同一のコア径を有した自己形成光導波路32を得ることができる。光ファイバの両端から硬化光を出射させて、自己形成光導波路を結合させる技術は既に確立されている。
上述の実施例では、モード変換光導波路40はGI−MMF11の一部で、それを屈曲させた部分で構成されている。このモード変換光導波路40を自己形成光導波路で構成しても良い。図4(a)に示すように、2本のGI−MMF11aとGI−MMF11bとを同軸にして先端端面を対向させる。両GI−MMF11a、11bの端面から全次数モード群の硬化光を出射させて、直線状の自己形成光導波路40a、40bを形成して先端を結合させて1本の直線状の自己形成光導波路とする。次に、図4(b)に示すように、この直線状の自己形成光導波路を屈曲させて、モード変換光導波路40とする。
なお、モード変換光導波路40を自己形成光導波路で構成する場合に、GI−MMF11a、11bの一方の端面からのみ硬化光を光硬化性樹脂液に放射させて直線状の自己形成導波路を成長させ、その先端を他方のGI−MMFの端面に接合するようにしても良い。
このようにモード変換光導波路40は、自己形成光導波路で構成しても良い。この他、モード変換光導波路40は、成形品やパターン転写で作成した光部品で構成しても良い。
なお、屈曲させた自己形成光導波路でモード変換光導波路40を形成するとき、図4(a)のように直線状の自己形成光導波路40a、40bを形成して先端を結合させた後にこの周囲にクラッドを形成しても良い。
GI−MMFの半径方向の屈折率分布は図5に示すように分布している。コアの中心軸では最大屈折率n0 、クラッドでは最小屈折率nd である。コアの半径をrc とすると、半径rc の全領域Aが高次モード群の伝搬領域である。そして、半径rc より小さい半径r1 以下の領域Bが低次モード群の伝搬領域である。半径r1 は図2の5.8°のモード分離伝搬角で伝搬する光の光路の最大振幅を与える。半径r1 の位置でのコアの屈折率をn1 とする。nd <n1 <n0 である。
モード変換光導波路40のコア径と接続光導波路である自己形成光導波路32のコア径との関係は、以下の場合がある。
(1)モード変換光導波路のコア径と接続光導波路のコア径と幹線光導波路のコア径とが共に等しい場合
上述した図1、3、4の場合である。
モード変換光導波路40のコアと接続光導波路32のコアとは図6に示す関係にある。モード変換光導波路40の半径r1 のコアを形成するには、図4で示した方法を用いることができる。この場合にGI−MMF11a、11bの一方又は両方に入射させる硬化光は低次モード群の光とする。これによりGI−MMFの端面から出射する硬化光束は半径r1 以下の領域に拘束されて、自己形成光導波路のコアの半径はr1 となる。この時に形成されるモード変換光導波路40のコアの屈折率は屈折率n0 とn1 との平均値とする。半径rc の接続光導波路は、第2光導波路30のGI−MMFの先端から硬化光を光効果性樹脂液に出射させて形成される自己形成光導波路32により形成される。この場合にはGI−MMFに入射させる硬化光はGI−MMFを伝搬可能な全次数モード群(広次数モード群)の光とする。この接続光導波路である自己形成光導波路32の屈折率はn1 とnd との平均値とする。モード変換光導波路40のコアの外周にはクラッドが形成されていても良い。
図8に示すようにモード変換光導波路40は図1と同様に幹線光導波路10、第1光導波路20と一体的に連続してGI−MMFで構成されている。接続光導波路である自己形成光導波路32のコア径は低次モード群の伝搬領域のコア径r1 である。この自己形成光導波路32の製造は図1に示した方法と同様である。ただし、硬化光を第2光導波路30のGI−MMFの端面に入射させる時、低次モード群の光束とする。そして、第2光導波路30の光出射端面から半径r1 のコアを有した直線状の自己形成光導波路32の最外周(幹線光導波路10の中心軸との距離が最大の位置)をモード変換光導波路40の外周屈曲面の高変換領域に接合させる。すなわち、幹線光導波路10の中心軸と自己形成光導波路32及び第2光導波路30の中心軸は、(rc −r1 )だけオフセットしている。自己形成光導波路32のコアの屈折率はn1 とnd の平均値とする。この構成の場合にはモード変換光導波路40により高次モード群と低次モード群の相互変換が実行される。上記の(2)の図6の構成とは異なり、幹線光導波路10から高次モード群の光が接続光導波路の自己形成光導波路32の側に高次モード群のまま漏れ出ることはない。また、(2)の場合よりもモード変換の効率は高い。この構成においてもモード変換光導波路40を自己形成光導波路で構成してクラッドがない構成でも良い。
なお、自己形成光導波路32の先端は幹線光導波路10の中心軸の位置に接合させても良いし、中心軸から図8の高変換領域との間の任意の位置に接合させても良い。すなわち、幹線光導波路10の中心軸と自己形成光導波路32及び第2光導波路30の中心軸のオフセット量は(rc −r1 )以下の範囲で任意である。図8の場合に比べてモード変換の効率が低下するが、モード変換の機能は実現される。
図9に示すようにモード変換光導波路40のコア径はr1 であり、接続光導波路である自己形成光導波路32のコア径もr1 である。この場合には幹線光導波路10の中心軸と自己形成光導波路32及び第2光導波路30の中心軸は一致している。モード変換光導波路40のコアの形成方法と屈折率は(2)で、自己形成光導波路32の形成方法と屈折率は(3)で述べた通りである。幹線光導波路10と接続光導波路の自己形成光導波路32との間において高次モード群が直接、相互に伝搬することはない。この場合のモード変換の効率は(3)の場合と同一である。また、モード変換光導波路40のコアの外周にクラッドが存在しても良い。
上記実施例では、幹線光導波路、第1光導波路、第2光導波路は、GI−MMFとしたが、樹脂を硬化させたグレーディッドインデックス型光導波路であっても良いし、枠体50の内部に存在する全ての光導波路をグレーディッドインデックス型自己形成光導波路として、コネクタ16、26、36に接続するようにしても良い。
枠体50又はコネクタ16、26、36が存在しない光装置も本発明に含まれる。
図10、11は通信システムの構成を示している。実施例1の図1に示す構成の2台の光装置をA端光装置、B端光装置とする。そして、A端光装置の幹線光導波路10とB端光装置の幹線光導波路10とを1本の共通の幹線光導波路10とする。この通信システムにおいて、幹線光導波路10同士を接続する光コネクタ16はあっても良いが、なくとも良い。すなわち、A端光装置の幹線光導波路10を長い共通の幹線光導波路としてその他端をB端光装置としても良い。この場合には、A端光装置のモード変換光導波路40の外周屈曲面41に第2光導波路30を接続し、B端光装置のモード変換光導波路40の外周屈曲面41に第2光導波路30を接続することになる。同様に、枠体50、光コネクタ26、36はあっても良いがなくとも良い。
低次モード群信号に対しては、B端光装置は送信端末、A端光装置は受信端末となる。また、高次モード群信号に対しては、A端光装置は送信端末、B端光装置は受信端末となる。B端光装置のポート#2(第1光導波路20)から入力された低次モード群信号は、モード変換光導波路40を通過して、幹線光導波路10を伝搬し、A端光装置のモード変換光導波路40を通過して、ポート#2(第1光導波路20)から出力される。これにより、B端光装置からA端光装置への送信が実現される。
図10のシステムにおいて、伝搬するモード群幅の変化の様子を測定した。
GI−MMFはOM−3を用いた。コア径は50μm、NAは0.2である。このファイバの光軸に対する最大伝搬角(最大モード群幅)θMAX は、sin -1(NA)により、11.5°である。
10…幹線光導波路
15…中心軸
20…第1光導波路
30…第2光導波路
32…自己形成光導波路(接続光導波路)
35…中心軸
40…モード変換光導波路
41…外周屈曲面
42…クラッド
50…枠体
16,26,36…光コネクタ
Claims (12)
- 幹線光導波路に対して合波又は分波を行う光装置において、
グレーデッドインデックス型マルチモード光導波路であって、モード群毎に伝搬する信号のチャネルが形成されるモード群分割多重伝送路を構成する幹線光導波路と、
前記幹線光導波路に連続し、屈曲したマルチモード光導波路から成るモード変換光導波路と、
前記モード変換光導波路に連続しその屈曲方向に伸びたグレーデッドインデックス型マルチモード光導波路から成る第1光導波路と、
マルチモード光導波路から成り前記モード変換光導波路の外周屈曲面に前記幹線光導波路の軸方向に接合した接続光導波路と、
前記接続光導波路に連続したグレーデッドインデックス型マルチモード光導波路から成る第2光導波路と、
を有し、
前記幹線光導波路における複数の前記モード群を高次モード群と低次モード群とに2分する時、前記モード変換光導波路は、前記低次モード群の信号は伝搬させ、前記高次モード群の信号は前記接続光導波路の側に漏洩させて、より低次のモード群の信号として前記接続光導波路とこれに続く前記第2光導波路に伝搬させ、逆に、前記接続光導波路を前記第2光導波路から前記モード変換光導波路に向けて伝搬する低次のモード群の信号は、前記高次モード群の信号に変換して前記モード変換光導波路に結合させる光導波路であり、 前記モード変換光導波路のコアは前記幹線光導波路の軸に垂直な断面における前記低次モード群の信号が伝搬する領域に接続され、前記モード変換光導波路のコアの直径は前記領域の直径に等しく、
前記第1光導波路はグレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバであり、前記モード変換光導波路は、前記第1光導波路の先端から連続して前記幹線光導波路の先端に接合して屈曲した自己形成光導波路、又は、前記幹線光導波路の先端から連続して前記第1光導波路の先端に接合して屈曲した自己形成光導波路、又は、前記第1光導波路の先端に連続した自己形成光導波路と前記幹線光導波路の先端に連続した自己形成光導波路とが接続されて屈曲した状態の自己形成光導波路である
ことを特徴とする光装置。 - 幹線光導波路に対して合波又は分波を行う光装置において、
グレーデッドインデックス型マルチモード光導波路であって、モード群毎に伝搬する信号のチャネルが形成されるモード群分割多重伝送路を構成する幹線光導波路と、
前記幹線光導波路に連続し、屈曲したマルチモード光導波路から成るモード変換光導波路と、
前記モード変換光導波路に連続しその屈曲方向に伸びたグレーデッドインデックス型マルチモード光導波路から成る第1光導波路と、
マルチモード光導波路から成り前記モード変換光導波路の外周屈曲面に前記幹線光導波路の軸方向に接合した接続光導波路と、
前記接続光導波路に連続したグレーデッドインデックス型マルチモード光導波路から成る第2光導波路と、
を有し、
前記幹線光導波路における複数の前記モード群を高次モード群と低次モード群とに2分する時、前記モード変換光導波路は、前記低次モード群の信号は伝搬させ、前記高次モード群の信号は前記接続光導波路の側に漏洩させて、より低次のモード群の信号として前記接続光導波路とこれに続く前記第2光導波路に伝搬させ、逆に、前記接続光導波路を前記第2光導波路から前記モード変換光導波路に向けて伝搬する低次のモード群の信号は、前記高次モード群の信号に変換して前記モード変換光導波路に結合させる光導波路であり、 前記接続光導波路のコアの直径は、前記幹線光導波路の軸に垂直な断面における前記低次モード群の信号が伝搬する領域の直径に等しく、
前記第2光導波路と前記幹線光導波路はグレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバであり、前記第1光導波路及び前記モード変換光導波路は前記幹線光導波路の一部として構成され、前記接続光導波路のコアは前記モード変換光導波路のクラッドに接続されており、
前記接続光導波路のコアの中心軸の前記モード変換光導波路の前記外周屈曲面の前記クラッドに対する接続位置は、前記幹線光導波路のコア半径をr c 、前記接続光導波路のコア半径をr1 とする時、r c −r1 よりも小さい範囲で、前記幹線光導波路の中心軸から屈曲の外側方向に変位している
ことを特徴とする光装置。 - 前記接続光導波路のコアの直径は前記幹線光導波路のコアの直径に等しく、前記接続光導波路は前記モード変換光導波路の外周屈曲面及び前記幹線光導波路の前記高次モード群の信号が伝搬する領域に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の光装置。
- 前記モード変換光導波路の前記外周屈曲面は、前記低次モード群は前記モード変換光導波路において導波モードを維持し、前記高次モード群は前記モード変換光導波路において漏洩モードとなるように曲げられている
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の光装置。 - 前記接続光導波路は前記第2光導波路の先端から伸びて前記モード変換光導波路の前記外周屈曲面に接続された自己形成光導波路であることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の光装置。
- 前記接続光導波路は前記モード変換光導波路の前記外周屈曲面から伸びた自己形成光導波路と前記第2光導波路の先端から伸びた自己形成光導波路とが接続された自己形成光導波路であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光装置。
- 前記接続光導波路は、前記第2光導波路の先端部の一部分であることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の光装置。
- 前記接続光導波路のコアの屈折率は、前記モード変換光導波路のコアの屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載の光装置。
- 前記接続光導波路のコアの屈折率は、前記モード変換光導波路のコアの屈折率よりも小さく、前記接続光導波路のコアと前記モード変換光導波路のコアとが、直接、接合していることを特徴とする請求項1又は請求項3に記載の光装置。
- 請求項1乃至請求項9の何れか1項に記載の光装置をA端光装置とし、請求項1乃至請求項9の何れか1項に記載の光装置をB端光装置とし、前記A端光装置の前記幹線光導波路と前記B端光装置の前記幹線光導波路とが連続して幹線光導波路を構成し、
前記A端光装置の前記第2光導波路と、前記B端光装置の前記第2光導波路とに、前記モード変換光導波路により前記高次モード群と相互変換され前記幹線光導波路に結合する、より低次のモード群の信号を伝送させ、
前記A端光装置の前記第1光導波路と、前記B端光装置の前記第1光導波路とに、前記低次モード群の信号を伝送させることにより、
前記A端光装置と前記B端光装置との間でモード群分割多重通信を行うようにした通信システム。 - グレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバから成る幹線光導波路の一部分を屈曲させた第1屈曲部の外周屈曲面に他の第1グレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバを直接接合させ、又は、前記第1屈曲部の前記外周屈曲面に前記第1グレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバを前記第1グレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバに連続したマルチモード光導波路から成る第1接続光導波路を介して接合させ、前記幹線光導波路の他の部分を屈曲させた第2屈曲部の外周屈曲面に他の第2グレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバを直接接合させ、又は、前記第2屈曲部の前記外周屈曲面に前記第2グレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバを前記第2グレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバに連続したマルチモード光導波路から成る第2接続光導波路を介して接合させた光導波路を有し、
前記第1屈曲部及び前記第2屈曲部において、前記幹線光導波路と前記第1グレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバ又は前記第1接続光導波路との間、及び、前記幹線光導波路と前記第2グレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバ又は前記第2接続光導波路との間で、モード群の次数を変化させて、分波又は合波することにより、前記第1屈曲部及び前記第2屈曲部間の幹線光導波路を伝搬する信号をモード群分割多重化して通信を行うことを特徴とするモード群分割多重通信システム。 - グレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバから成る幹線光導波路の一部分を屈曲させた屈曲部の外周屈曲面に他のグレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバを直接接合させ、又は、前記屈曲部の前記外周屈曲面に前記他のグレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバを前記他のグレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバに連続したマルチモード光導波路から成る接続光導波路を介して接続させて、
前記屈曲部により、前記幹線光導波路を伝搬するモード群分割多重信号から低次モード群の信号を前記幹線光導波路方向に分波する一方、高次モード群の信号を、より低次のモード群にモード変換して前記他のグレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバの方向に分波し、
又は、前記屈曲部により、低次モード群の信号を前記幹線光導波路方向に合波する一方、他のグレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバを伝搬するより低次のモード群の信号を高次モード群にモード変換して前記幹線光導波路に合波させたことを特徴とするモード群分割多重通信方法における合波/分波方法。
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