JP6989793B2

JP6989793B2 - 光伝送システム

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Publication number: JP6989793B2
Application number: JP2019534531A
Authority: JP
Inventors: 梓漆原; 泰志坂本; 雅樹和田; 貴司山本; 和秀中島; 崇嘉森
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-08-01
Filing date: 2018-07-31
Publication date: 2022-02-03
Anticipated expiration: 2038-07-31
Also published as: JPWO2019026906A1; US11156767B2; WO2019026906A1; EP3644101A4; EP3644101A1; CN110892300B; CN110892300A; EP3644101B1; US20200225407A1

Description

本発明は、内部で複数の伝搬モードが伝搬する光ファイバ、及び該光ファイバを伝送路として用いた光伝送システムに関する。本願は、２０１７年８月１日に、日本に出願された特願２０１７－１４９４９４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、通信ネットワークの伝送容量を拡大する技術として、複数の伝搬モードを用いる数モードファイバが提案されている。以下、伝搬モードを単にモードという場合がある。複数の伝搬モードを用いたモード多重伝送は、伝送容量を伝搬モードの数に応じて増大させることができるので、新たな大容量伝送方式として注目されている。

数モードファイバ用いた伝送では、伝送路中でモード間のクロストークが発生する。モード間のクロストークを補償する方法としては、例えば、受信端でＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）を用いる方法が知られている。しかしながら、受信端のモード間の群遅延差（Differential Mode Delay：ＤＭＤ）が大きくなると、ＭＩＭＯに関わるデジタル処理（Digital Signal Processing：ＤＳＰ）の負荷が大きくなる。例えば非特許文献１に開示されているように、長距離伝送を実現するためには、ＤＳＰの負荷の低減が求められる。

ＤＳＰに対するＤＭＤの影響を緩和するために、例えば非特許文献２，３には、モード消光比の高いモード合波器及びモード分波器と、モード間の結合を極力抑制した光ファイバ伝送路と、を備えた光伝送システムが提案されている。例えば、後述する参考文献１には、モード間の結合を抑制するためのステップインデックス型の光ファイバが提案されている。モード消光比の高いモード合波器及びモード分波器と、モード結合を抑制した光ファイバ伝送路とを用いることによって、受信端のＭＩＭＯのＤＳＰによるモード間クロストークの補償を抑えることができる。モード消光比の高いモード合波器及びモード分波器と、モード結合を抑制した光ファイバ伝送路とを用いることによって、従来のシングルモードファイバを伝送路として備えた光伝送システムと同程度のＤＳＰの負荷で信号を復元することができる。

本明細書で記載する「シングルモードファイバ」は、光伝送システムで使用する波長を有する光が、内部を、シングルモードで伝搬する光ファイバを表す。本明細書で記載する「マルチモードファイバ」及び「数モードファイバ」は、光伝送システムで使用する波長を有する光が、内部を、マルチモード及び数モードで伝搬する光ファイバを表す。

非特許文献２に記載されている光伝送システムは、ＬＰ_０１，ＬＰ_１１，ＬＰ_２１の各伝搬モードの光に信号をのせて、信号光の伝送を行っている。非特許文献３に記載されている光伝送システムは、ＬＰ_０１，ＬＰ_１１，ＬＰ_２１，ＬＰ_０２の各伝搬モードの光に信号をのせて、信号光の伝送を行っている。非特許文献２，３に記載されている光伝送システムにおけるＭＩＭＯのＤＳＰの負荷は、シングルモードファイバを伝送路として備えた従来の光伝送システムと同程度である。しかしながら、非特許文献２，３に記載されている光伝送システムでの信号光の伝搬距離は、４０ｋｍ程度である。

伝送距離を増加させるためには、モード間のクロストークのさらなる低減が求められる。例えば、非特許文献４には、光伝送システムの伝送路として、モード消光比の高い光ファイバを用いると、信号光の損失は０．２１８ｄＢ／ｋｍ程度になり、従来のシングルモードファイバと比べて大きいことが示されている。モード消光比の高い光ファイバにはＧｅＯ_２がハイドープされているので、モード消光比の高い光ファイバの比屈折率差は０．６７％である。従来のシングルモードファイバの比屈折率差は０．３５％程度である。モード消光比の高い光ファイバの比屈折率差は従来のシングルモードファイバの比屈折率差より高いので、モード消光比の高い光ファイバのレイリー散乱損失は増加する。レイリー散乱損失が増加することによって、モード消光比の高い光ファイバでの信号光の損失は、従来のシングルモードファイバより大きくなる。

光伝送システムの伝送距離を増加させるためには、受信端で十分な信号対雑音比を得ることが重要である。受信端で十分な信号対雑音比を得るためには、伝送路としての光ファイバへの入力強度を高くする必要がある。一方で、光強度の増加に伴って発生する非線形効果による信号劣化を抑制するために、コアでの各伝搬モードの実効断面積の拡大が望まれる。例えば、非特許文献４に記載されている光ファイバでは、基本モードであるＬＰ_０１モードの実効断面積Ａ_ｅｆｆは、１２４μｍ^２である。

S. O. Arik, D. Askarov, J. M. Kahn, "Effect of mode coupling on signal processing complexity in mode-division multiplexing," J. LightwaveTechnol. Vol.31 (3), (2013), pp.423-431. P. Genevaux, C. Simonneau, G. Labroille, B. Denolle, O. Pinel, P. Jian, J. F. Morizur, G. Charlet, "6-mode Spatial Multiplexer with Low Loss and High Selectivity for Transmission over Few Mode Fiber,"OFC 2015, paper W1A.5. C. Simonneau, P. Genevaux, G. L. Cocq, Y. Quiquempois, L. Bigot, A. Boutin, M. Bigot-Astruc, P. Sillard, G. Charlet, "5-mode Amplifier with Low Modal Crosstalk for Spatial Mode Multiplexing Transmission with Low Signal Processing Complexity,"ECOC 2015, paper We.2.4.2. P. Sillard, M. B. Astruc, D. Boivin, H. Maerten, L.Provost, "Few-Mode Fiber for Uncoupled Mode-Division Multiplexing Transmissions," ECOC 2011, paper Tu.5.LeCervin.7.

中継器を介さずに信号光を伝送可能な伝送距離を長くするためには、伝送路としての光ファイバの低クロストーク化、低損失化、低非線形化が求められている。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものである。本発明では、低クロストーク化、低損失化、低非線形化に優れ、かつ特定の伝搬モードの光のみを伝搬させる光ファイバ、及びその光ファイバを備えた光伝送システムが提供される。

本発明の光ファイバは、例えばクラッドにフッ素がドープされ、比屈折率差が低減されて石英からなるコアを有する光ファイバである。既に、石英からなるコアを有することで、０．１４６ｄＢ／ｋｍ、０．１４１９ｄＢ／ｋｍ程度の低損失なシングルモードファイバが提案されている。このような低損失なシングルモードファイバについては、例えば、参考文献１（S. Makovejs, et. al. “Record-Low (0.1460dB/km) Attenuation Ultra-Large Aeff Optical Fiber for Submarine Applications,”OFC 2015, Post Deadline Papers, paper Th5A.2）や、参考文献２（Y. Tamura, et. al.“Lowest-Ever 0.1419-dB/km Loss Optical Fiber,” OFC 2017, paper Th5D.1）等を参照することができる。しかしながら、参考文献１に記載されている光ファイバの実効断面積は１４８μｍ^２であり、参考文献２に記載されている光ファイバの実効断面積は１４７μｍ^２である。

ＬＰ_０１モードとＬＰ_１１モードが伝搬可能な光ファイバを備えた伝送路で、第１高次モードであるＬＰ_１１モードのみを伝搬させる光伝送システムが報告されている。ＬＰ_１１モードのみを伝搬させる光伝送システムについては、例えば、参考文献３（A. A. Amin, et. al. “Dual-LP₁₁ mode 4×4 MIMO-OFDM transmission over a two－mode fiber,”Opt. Exp. Vol.19 (17), (2011), pp.16672-16679）を参照することができる。

本発明者は、低クロストーク化、低損失化、低非線形化に優れ、かつ特定の伝搬モード（特に、ＬＰ_０２モード）の光のみを伝搬させるという目的を達成するために、実効的な遮断波長を考慮した光ファイバの構造について検討した。数モードファイバを設計する場合、伝送する信号光の波長域において特定のモードの光が伝搬することを保証することが重要である。想定される波長域において伝搬させないモードの光の遮断波長は、数モードファイバの構造に関わる基本的なパラメータとなる。以下、想定される波長域において伝搬させないモードを、不要なモードという場合がある。

実際の光ファイバでは、遮断波長の近傍で、不要なモードの損失が大きくなる。このことによって、理論的には高次モードの光の導波が可能な遮断波長より短波長側の波長域において、事実上、特定のモードの光しか導波されないという現象が生じる。この現象については、例えば、参考文献４（Y. Kato, et.al. “Effective Cutoff Wavelength of the LP₁₁ Mode in Single-Mode Fiber Cables,” J. Lightwave Tech. QE-17 (1), (1981), pp.35-39）を参照することができる。

本発明者は、上記目的を達成するために、鋭意検討し、＜１＞送信器、＜２＞複数のモードの光が伝搬する光ファイバを有する伝送路、＜３＞特定のモード（特に、ＬＰ_０２モード）のみを励振及び合波するモード合波器、＜４＞特定のモードのみを分波し、基本モード（即ち、ＬＰ_０１モード）に変換するモード分波器、＜５＞受信器、を備える光伝送システムを新たに見出し、本発明を完成させた。これらの構成を備えた光伝送システムによって、モード間のクロストークが抑制されるので、ＤＳＰの負荷を低減することができる。本発明では、実効的遮断波長を考慮し、伝搬損失を低減する。本発明では、実効断面積を拡大した光ファイバを備えた伝送路で、特定のモード（即ち、ＬＰ_０２モード）の光のみを伝搬させる。このことによって、モード間のクロストークを抑制したうえで、伝送容量の拡大及び伝送距離の長延化を実現可能、かつＤＳＰの負荷を低減可能な光伝送システムが提供される。

本発明の光ファイバは、コアと、前記コアの外周部に設けられ、前記コアよりも低い屈折率を有するクラッドと、を有し、ＬＰ_０２モードの正規化周波数を表すＶの値が４．８以上６．４以下である。本明細書では、ＬＰ_０２モードとは、直線偏光モード（Linearly Polarized mode）がＬＰ_０２であることを表す。

また、本発明の光ファイバでは、ＬＰ_０２モードの正規化周波数を表すＶの値が５．３以上６．４以下であり、実効断面積が１５０μｍ^２以上であり、前記コアの半径が８．０μｍ以上１３．４μｍ以下であり、比屈折率差が０．３３％以上０．５５％以下であってもよい。

本発明の光伝送システムは、上述の光ファイバを有する伝送路と、信号光を出力する送信器と、前記送信器から出力された前記信号光の直線偏光モードをＬＰ_０２モードに励振し、前記伝送路に入力するモード励振器と、ＬＰ_０２モードに励振され、かつ前記伝送路から出力された前記信号光の直線偏光モードを基本モードに変換するモード変換器と、基本モードに変換された前記信号光を受信する受信器と、を備える。前記光ファイバは、ＬＰ_０２モードに励振された前記信号光を伝搬する。

本発明の光伝送システムでは、ＬＰ_０２モードに励振された前記信号光を増幅する増幅器を備えていてもよい。
また、本発明の光伝送システムでは、前記モード励振器と前記モード変換器との間に、ＬＰ_０２モード以外のモードを除去する不要モード除去デバイスとして、ＬＰ_０２モードの前記信号光を基本モードの前記信号光に変換する第６のモード変換器と、基本モードの前記信号光をＬＰ_０２モードの前記信号光に変換する第７のモード変換器と、前記第６のモード変換器と前記第７のモード変換器とを接続し、かつ曲げが付与された光ファイバ、又は前記第６のモード変換器と前記第７のモード変換器とを接続するシングルモードファイバをさらに備えていてもよい。

本発明の光伝送システムは、上述の光ファイバを有する伝送路と、信号光を出力する送信器と、前記送信器から出力された前記信号光の直線偏光モードをＬＰ_０２モードに励振し、前記伝送路に入力するモード励振器と、ＬＰ_０２モードに励振され、かつ前記伝送路から出力された前記信号光の直線偏光モードを基本モードに変換する第１のモード変換器と、基本モードに変換され、前記第１のモード変換器から出力された前記信号光を増幅する第２の増幅器と、前記第２の増幅器によって増幅された基本モードの前記信号光の直線偏光モードをＬＰ_０２モードに励振する第２のモード変換器と、前記第２のモード変換器によって励振されたＬＰ_０２モードの前記信号光の直線偏光モードを基本モードに変換する第３のモード変換器と、前記第３のモード変換器によって変換された基本モードの前記信号光を受信する受信器と、を備える。前記光ファイバは、ＬＰ_０２モードに励振された前記信号光を伝搬する。

本発明の光伝送システムは、上述の光ファイバを有する伝送路と、信号光を出力する送信器と、前記送信器から出力された前記信号光の直線偏光モードをＬＰ_０２モードに励振し、前記伝送路に入力するモード励振器と、ラマン増幅用励起光源と、前記ラマン増幅用励起光源から出力された励起光の直線偏光モードをＬＰ_０２モードに変換する第４のモード変換器と、前記第４のモード変換器によって変換された前記励起光を前記伝送路に合波するための励起光合波器と、前記伝送路から出力された前記信号光の直線偏光モードを基本モードに変換する第５のモード変換器と、第５のモード変換器によって基本モードに変換された前記信号光を受信する受信器と、を備える。前記光ファイバは、ＬＰ_０２モードに励振された前記信号光を伝搬する。

本発明の光伝送システムは、上述の光ファイバを有する伝送路と、信号光を出力する送信器と、前記送信器から出力された前記信号光の直線偏光モードをＬＰ_０２モードに励振し、前記伝送路に入力するモード励振器と、励起光源と、前記励起光源から出力された励起光の直線偏光モードをＬＰ_０２モードに変換する第４のモード変換器と、前記第４のモード変換器によって変換された前記励起光を前記伝送路に合波するための励起光合波器と、前記伝送路に設けられ、前記励起光によって前記モード励振器で励起された前記信号光を増幅する増幅ファイバと、前記伝送路から出力された前記信号光の直線偏光モードを基本モードに変換する第５のモード変換器と、第５のモード変換器によって基本モードに変換された前記信号光を受信する受信器と、を備える。前記光ファイバは、ＬＰ_０２モードに励振された前記信号光を伝搬する。

本発明の光伝送システムでは、前記励起光合波器と前記第５のモード変換器との間に第３の増幅器が設けられていてもよい。

本発明によれば、実効的遮断波長を考慮した光ファイバを伝送路として用いた場合に、特定のモード（即ち、ＬＰ_０２モード）の光のみを伝搬させることで、低クロストーク、低損失、低非線形化を実現すると共に、モード多重伝送におけるＭＩＭＯのＤＳＰの負荷の増大を緩和し、伝送距離を長くすることができる。

本発明の光ファイバの径方向に沿った断面図である。本発明の光ファイバの屈折率分布を示す図である。本発明の光ファイバを伝搬するモードの強度分布を説明する図である。本発明の光ファイバのコア半径と比屈折率差との関係を示すグラフである。コア半径と比屈折率差の実効カットオフの係数を１．１３とした場合の本発明の光ファイバのコア半径と比屈折率差との関係を示すグラフである。コア半径と比屈折率差の実効カットオフの係数を１．２５とした場合の本発明の光ファイバのコア半径と比屈折率差との関係を示すグラフである。本発明の光ファイバのＬＰ_０２モードの実効断面積を変えた場合のコア半径と比屈折率差との関係を示すグラフである。光ファイバの曲げについて説明する図である。光ファイバの曲率に対するモード結合を説明するグラフである。本発明の光ファイバの曲率とモード間クロストークとの関係を示すグラフである。本発明の光ファイバにおけるＬＰ_０１モードのインパルス応答を示すグラフである。本発明の光ファイバにおけるＬＰ_１１モードのインパルス応答を示すグラフである。本発明の光ファイバにおけるＬＰ_２１モードのインパルス応答を示すグラフである。本発明の光ファイバにおけるＬＰ_０２モードのインパルス応答を示すグラフである。本発明の光伝送システムを示す図である。本発明の光伝送システムを示す図である。本発明の光伝送システムを示す図である。試作した本発明の光ファイバにＬＰ_０１モード、ＬＰ_１１モード、ＬＰ_２１モード、ＬＰ_０２モードを入力した場合の伝送距離とＱ値との関係を示すグラフである。試作した本発明の光ファイバにＬＰ_０２モードを入力した場合の入力強度とＱ値との関係を示すグラフである。ＬＰ_０２モードで最適設計した本発明の光ファイバを伝送路として備えた光伝送システムを示す図である。ＬＰ_０２モードで最適設計した本発明の光ファイバを伝送路として備えた光伝送システムを示す図である。ＬＰ_０２モードで最適設計した本発明の光ファイバを伝送路として備えた光伝送システムを示す図である。本発明の光伝送システムであって、ＬＰ_０２モードの光に信号をのせた場合のモード変換器及び増幅器を有する光伝送システムを示す図である。本発明の光伝送システムであって、ＬＰ_０２モードの光に信号をのせてラマン増幅させる光伝送システムを示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の一例であり、本発明は以下に説明する実施形態に限定されない。なお、本明細書及び図面において、同一の機能を有する構成には同一の符号が付され、それらの構成の重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１Ａに示すように、本発明の第１実施形態の光ファイバ２０１は、コア２０２と、コア２０２の外周部に設けられ、コア２０２よりも低い屈折率を有するクラッド２０３と、を有する。
図１Ｂに示すように、光ファイバ２０１は、ステップインデックス型の屈折率分布を有する。ステップインデックス型の屈折率分布を有することで、光ファイバ２０１の設計及び製造は容易である。コア２０２は、純度が９９．９９９９９９％以上かつ不純物の割合が１０^－６％質量以下の石英で構成されている。本発明では、従来に比べて、コア２０２のコア半径（半径）ｒを拡大し、クラッド２０３に対する比屈折率差Δを低減している。また、本発明では、ＬＰ_３１モードとＬＰ_１２モードの実効屈折率が理論的には存在する。光ファイバ２０１では、後述するように曲げ損失及びカットオフ条件を満たしているので、ＬＰ_３１モードとＬＰ_１２モードの光が伝搬しない。

モード多重伝送で用いる数モードファイバ（光ファイバ）は、信号をのせた高次のモードの光を伝送する。コア２０２を拡大していくと、図２に示すＬＰ_０１、ＬＰ_１１、ＬＰ_２１、ＬＰ_０２、ＬＰ_３１、ＬＰ_１２、ＬＰ_４１、ＬＰ_２２、ＬＰ_０３の各モードの光が順次、伝搬可能になる。通常のシングルモードファイバでは、基本モードであるＬＰ_０１モードのみが伝搬可能である。そのため、シングルモードファイバのコアの半径は４．５μｍ程度であり、シングルモードファイバの比屈折率差は０．３５％程度である。実効断面積の拡大及び低クロストークが期待できることから、本発明では、特定のモードとして、ＬＰ_０２モードを採用した。

数モードファイバの設計では、伝送する信号光の波長域において所望のモードの光が確実に伝搬することが求められる。ＬＰ_０２モードがＣバンド（１５３０ｎｍ以上１５６５ｎｍ以下の波長域）で伝搬する光ファイバでは、不要なモードの最低次のモードであるＬＰ_３１モードの１５６５ｎｍにおけるカットオフ条件、及び、ＬＰ_０２モードの１５６５ｎｍにおける曲げ損失を考慮する必要がある。ステップインデックス型の光ファイバでは、最も曲げ損失が大きくなる長波長側において、所望の最高次のモードの曲げ損失を考慮する。既に、７つのＬＰモードの光を伝搬可能なステップインデックス型の光ファイバの設計が知られている。しかしながら、７つのＬＰモードの光を伝搬可能な従来の光ファイバでは、伝搬するモードの数の増大と共に、伝搬損失の増大が示唆されている。

光ファイバにおける正規化周波数を表すＶ値は、（１）式で表される。

（１）式のλは光の波長を表し、ｎ_ｃｏｒｅはコア２０２の屈折率を表し、ｎ_ｃｌａｄはクラッド２０３の屈折率を表す。

光ファイバ２０１がシングルモードを伝搬可能である場合、Ｖ値＜２．４である。光ファイバ２０１が２つのＬＰモードを伝搬可能である場合、２．４＜Ｖ値＜３．８である。光ファイバ２０１が４つのＬＰモードを伝搬可能である場合、３．８＜Ｖ値＜５．１である。光ファイバ２０１が５つのＬＰモードを伝搬可能である場合、５．１＜Ｖ値＜５．５である。光ファイバ２０１が６つのＬＰモードを伝搬可能である場合、５．５＜Ｖ値＜６．４である。光ファイバ２０１が７つのＬＰモードを伝搬可能である場合、６．４＜Ｖ値＜７．０である。さらに、光ファイバ２０１の設計時には、Ｖ値の他に所望のモードの曲げ損失を考慮する必要がある。

図３に示すように、光ファイバ２０１の曲げ損失については、ＩＴＵ－ＴＧ．６５２を参照し、所望のモードの光の損失が最も大きくなる波長１５６５ｎｍにおいて、曲げ半径Ｒ＝３０ｍｍで０．１ｄＢ／１００ｔｕｒｎ以下となる条件に注目した。比屈折率差が大きい程、モードの閉じ込めの効果が大きくなるため、図３の点線より上側が前述の曲げ損失を満たす設計領域である。また、光ファイバ２０１のカットオフ条件については、不要なモードのうち最も低次のＬＰ_３１モードの短波長１５３０ｎｍに注目した。比屈折率差が小さいほど閉じ込めの効果が弱まる、コア半径が小さいほど閉じ込めの効果が弱くなる。そのため、図３の実線よりも下側が、ＬＰ_３１モードが伝搬しない領域である。つまり、点線より上側、かつ実線より下側の領域が、ＬＰ_０２モードを伝搬可能とする設計領域となる。

理論遮断波長（λ_ｃ）と実効遮断波長（λ_ｃｅ）については、λ_ｃ＝Ｋ_λ×λ_ｃｅの関係が成り立つ。前述の関係式から、係数Ｋ_λは１．１３以上１．２５以下になることが知られている。図４は、係数Ｋ_λが１．１３である場合のコア２０２のコア半径ｒと光ファイバ２０１の比屈折率差Δとの関係を表している。図５は、係数Ｋ_λが１．２である場合のコア２０２のコア半径ｒと光ファイバ２０１の比屈折率差Δとの関係を表している。光ファイバ２０１の比屈折率差Δは、（２）式で表される。

不要なモードのカットオフ条件と所望のモードの光の曲げ損失を満たす設計領域において、実効断面積の拡大及び低損失化を行うためには、コア半径ｒが大きく、かつ比屈折率差Δが小さくなればよい。つまり、不要なモードのカットオフ条件と所望のモードの光の曲げ損失を満たす設計領域は、不要なモードのカットオフ条件を表す曲線と所望のモードの光の曲げ損失を表す曲線の交点より求まる。例えば、係数Ｋ_λを１．２５とした場合、Ｖ値は４．８以上６．４以下となる。

実効カットオフを考慮した場合、理論カットオフを考慮した場合よりもコア半径ｒを拡大することができ、比屈折率差Δを低減することができる。比屈折率差Δは、０．３５％以下にすることができる。このことは、理論的なカットオフ条件を考慮して設計した光ファイバよりも実効カットオフ条件を考慮した光ファイバの方が、実効断面積の拡大及び低損失化が可能であることを示している。

図６に示すように、実効カットオフが考慮された光ファイバの場合、３００μｍ^２以上の実効断面積が実現可能であることがわかる。シングルモード条件により設計されたファイバ（例えば、参考文献１，２）の基本モードの実効断面積は１５０μｍ^２以下であるので、実効カットオフが考慮された光ファイバの２倍の実効断面積が実現可能である。

図５に示すように実効カットオフを考慮した最適な設計領域において、実効断面積を１５０μｍ^２以上確保するためには、光ファイバ２０１のＶ値が５．３以上６．４以下であることが好ましい。伝搬損失の増大を防ぐために、比屈折率差Δは小さいほうが好ましい。つまり、１５０μｍ^２以上の実効断面積かつ低損失なＬＰ_０２モードの伝搬を実現するためには、コア半径は８．０μｍ以上１３．４μｍ以下であることが好ましく、比屈折率差は０．３３％以上０．５５％以下であることが好ましい。

Ｖ値が５．３以上６．４以下であれば、ステップインデックス型の屈折率分布だけでなく、リング型や多段の階段型、グレーデッドインデックス型等の任意の屈折率分布を有する光ファイバで光ファイバ２０１と同様の効果が得られる。また、コア２０２を構成する石英には、ゲルマニウム、フッ素、塩素等の添加物が１０^－６％質量以下程度でドープされていてもよい。

光ファイバ２０１のモード間クロストークは、図７及び図８に示すように光ファイバ２０１の長手方向に対してコア２０２の曲率が変化した場合に発生する。図９は、コア半径ｒが１０．５μｍであり、比屈折率差Δが０．４５％である場合のモード間クロスロークの計算結果を示している。図９に示すモード間クロストークの算出は、コア２０２を曲げたときの各モードの電界の重なり積分による結合効率を用いて行った。

図９のモード間クロストークηは、（３）式のように表される。

（３）式において、Ｅ_ｉｎは変曲点に入射するモードの電界、Ｅ_ｏｕｔは変曲点から出射するモードの電界である。図９におけるＬＰ_{１１－０１}は、ＬＰ_１１モードとＬＰ_０１モードとの間のクロストークηを示している。

例えば、ＬＰ_０１モードとＬＰ_１１モードのモード間クロストークは、（４）式のように表される。

（４）式において、η_{０１－１１}はＬＰ_０１モードからＬＰ_１１モードへの結合量、η_{０１－０１}はＬＰ_０１モードからＬＰ_０１モードへの結合量を示す。

図９に示すように、ＬＰ_１１モードと他のモード（ＬＰ_０１モード、ＬＰ_２１モード、ＬＰ_０２モード）との間のクロストークは、曲率１／Ｒの絶対値が０．０２ｍｍ^－１以上になると－３０ｄＢ以上になる。ＬＰ_０１モードとＬＰ_０２モードとのモード間クロストークηは、曲率１／Ｒが０近傍である場合を除き、他のモード間クロストークηと比べて最も小さい。曲率１／Ｒの絶対値が０．０２ｍｍ^－１以下であれば、ＬＰ_１１モードとＬＰ_０２モードとのクロストークが低減する。曲率１／Ｒが０．０２ｍｍ^－１以下であるとは、曲げ半径が５０ｍｍ以上であることに相当する。

しかしながら、通常の光ファイバの許容曲げ半径は、３０ｍｍで規定されている。たとえばスロット型の光ファイバケーブルやルースチューブ型の光ファイバケーブルの標準外径は、１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。また、許容曲げ半径は、光ファイバの外径の１０倍以上２０倍以下（即ち、１００ｍｍ以上４００ｍｍ以下）である。さらに、マイクロベンド等の微小な曲げの発生により、曲げ半径が５００ｍｍ以下になり得る。

以上説明したように、第１実施形態の光ファイバ２０１は、実効断面積を従来のシングルモードファイバよりも拡大し、ＬＰ_０２モードの光を伝搬しつつ、他のモードよりも最も低いクロストークを達成することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の光ファイバ及び光伝送システムについて説明する。ＬＰ_０２モードは他のモードと比べ、クロストークを低減できる。ＬＰ_０３モードまで考慮した場合、ＬＰ_３１モード、ＬＰ_１２モード、ＬＰ_４１モード、ＬＰ_２２モードの各モード間のクロストークが発生する可能性がある。そのため、クロストークの低減を実現するために、第２実施形態ではＬＰ_０２モードを採用した。

コア半径ｒを１０．５μｍ、比屈折率差Δを０．４５％とした場合の８つの試作ファイバ（Ｓｐｏｏｌ１～８）の光学特性を表１に示す。

非特許文献４に記載のファイバの基本モードの損失は０.２１８ｄＢ／ｋｍである。表１に示す８つの試作ファイバの基本モードの平均損失が０.１６４ｄＢ／ｋｍであり、低損失化が実現されている。また，図６のコア半径と比屈折率差に対するＬＰ_０２モードの実効断面積の計算結果で示したとおり、ＬＰ_０２モードの実効断面積は２００μｍ^２以上になっている。

光の波長を１５５０ｎｍとすると、図１０及び図１１に示すように、ＬＰ_０１モード、ＬＰ_１１モードについては、分布クロストークが大きく、パルスが広がっている。一方、図１２及び図１３に示すように、ＬＰ_２１モード、ＬＰ_０２モードについては、パルスの広がりが小さい。特に、ＬＰ_０２モードについては、他のモードと比較してクロストーク成分が小さく、消光比が２５ｄＢ程度得られていることがわかる。

図１４Ａ～１４Ｃに、ＬＰ_０２モードの光を良好に伝送可能な光伝送システム３０１の構成を示す。図１４Ａに示すように、光伝送システム３０１は、少なくとも伝送路３０２と、送信器３０３と、モード変換器（モード励振器）３０４と、モード変換器３０５と、受信器３０６と、を備えている。伝送路３０２は、本発明の光ファイバを有する。送信器３０３は、信号光を出力する。モード変換器３０４は、送信器３０３から出力された信号光の直線偏光モードをＬＰ_０２モードに励振し、伝送路３０２に入力する。モード変換器３０５は、ＬＰ_０２モードに励振され、かつ伝送路３０２から出力された信号光の直線偏光モードを基本モードに変換する。受信器３０６は、基本モードに変換された信号光を受信する。伝送路３０２を構成する光ファイバは、ＬＰ_０２モードに励振された信号光を伝搬する。

モード変換器３０４ではＬＰ_０２モード以外のモードが僅かに発生する可能性がある。その場合には、ＬＰ_０２モード以外のモードが伝送路３０２で長距離に渡り蓄積されることで受信器３０６における信号処理が複雑になる。光伝送システム３０１は、モード変換器３０４，３０５の間に、ＬＰ_０２モード以外のモードを除去する不要モード除去デバイス４０６を備えていることが好ましい。図１４Ｂ，１４Ｃに示すように、不要モード除去デバイス４０６としては、モード変換器（第６のモード変換器）４０７と、曲げが付与された数モードファイバ３２２、又はシングルモードファイバ３３０と、モード変換器（第７のモード変換器）４０８の組み合わせが挙げられる。モード変換器４０７は、ＬＰ_０２モードの信号光を基本モードの信号光に変換する。モード変換器４０８は、基本モードの信号光をＬＰ_０２モードの信号光に変換する。モード変換器４０７，４０８は、例えば長周期グレーティングである。数モードファイバ３２２又はシングルモードファイバ３３０は、モード変換器４０７，４０８を接続し、モード変換器４０７，４０８の間に設けられている。曲げが付与された数モードファイバ３２２とは、ＬＰ_０１モード以外のモードの光がコアの外部に漏れてコアから除去されるように、適切な曲げ半径で1周分曲げられた曲げ部３２４を有する数モードファイバを意味する。適切な曲げ半径は、光伝送システム３０１におけるＬＰ_０１モードの光の波長に応じて決まり、例えば３～６ｍｍである。不要モード除去デバイス４０６を備えた光伝送システム３０１Ｂ，３０１Ｃによって、モード変換器３０４から伝送路３０２にＬＰ_０２モード以外のモードの光が送られても不要モード除去デバイス４０６で除去される。このことによって、伝送路３０２でのＬＰ_０２モードとＬＰ_０２モード以外のモードとの間のクロストークが抑えられ、受信器３０６における信号処理が簡易になる。

光伝送システム３０１では、ＬＰ_０２モードを励振するためのモード変換器３０４を用いて、チャネルをＬＰ_０２モードにのせる。伝送路３０２での伝送後には、モード変換器３０５を用いて、ＬＰ_０２モードを基本モードであるＬＰ_０１モードに変換し、シングルモードデバイスである受信器３０６へ入力する。デジタル信号処理では、１つの受信信号（ｙ_１）を用いて、１つの信号（ｘ_１）を復元する。

図１５は、４つのＬＰモードの光を良好に伝搬可能な本発明の光ファイバにＬＰ_０１モード、ＬＰ_１１モード、ＬＰ_２１モード、ＬＰ_０２モードを入力した場合の伝送距離と信号品質（Ｑ値）との関係を示す。送信器３０３では、４０Ｇｂｐｓの四位相偏移変調（ＱＰＳＫ）を行い、空間型のモード合波器を用いて各モードを選択的に励振した。伝送路３０２は、試作し、かつ４つのＬＰモードを良好に伝搬可能な光ファイバで構成した。モード変換器３０５は空間型のモード分波器である。モード変換器３０５では、各モードを基本モードに変換し、分波する。受信器３０６は、デジタルコヒーレント受信機である。受信器３０６では、リアルタイムオシロスコープにより取得されたデジタルデータをパソコンに取り込み、オフライン上においてＦＩＲフィルタにより構成されるＤＳＰにより信号を復調した。モード消光比の高い分波を行うことで、モード間クロストークを補償するＤＳＰの負荷を低減することができる。ＤＳＰを構成するＦＩＲフィルタのタップ数は４０とし、従来のシングルモードファイバで構成された光伝送システムと同程度に設定した。

４つのＬＰモードを良好に伝搬可能な光ファイバのＬＰ_０２モードは、他のモードよりも伝送距離に対してＱ値の劣化が小さい。これは、モード間クロストークが低減されているためである。図１６に示すように、伝送路の長さが１３５ｋｍである場合、入力強度が１６ｄＢｍ以上になると信号品質が劣化する。一方、伝送路の長さが２０５ｋｍである場合、入力強度が１９ｄＢｍ以上になると信号品質が劣化した。しかしながら、入力強度を変化させても他モードに比べＬＰ_０２モードのＱ値が良好であることは明らかである。

以上説明したように、第２実施形態では、ＬＰ_０２モードの光を良好に伝搬可能な光ファイバを設計した。第２実施形態では、選択的にモードを励振可能なモード合波器を用いて、その伝搬モードの光に信号を載せ、伝搬させた。このことによって、入力強度を増大させることができ、伝送距離を長くすることができる。上述の説明における信号品質やＱ値等の数値は、波長１５５０ｎｍにおける実験結果である。ただし、１５５０ｎｍ以外の波長の光を用いた場合でも上述と同様の効果が得られる。この点をふまえ、光伝送システム３０１において、波長分割多重技術を採用してもよい。

（第３実施形態）
図１７Ａに示す光伝送システム４０１は、複数の受信器が並列に接続された受信部を備えている。図１７では、先に説明した光伝送システム３０１の構成要素と同様の光伝送システム４０１の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。光伝送システム４０１は、光伝送システム３０１の構成に加えて、ＬＰ_０２モードに励振された信号光を増幅する光増幅器（第１の増幅器）４０５を、さらに備えている。

光伝送システム４０１では、ＬＰ_０２モードのためのモード励振器を用いて信号をＬＰ_０２モードの光にのせる。ＬＰ_０２モードの光を増幅可能な光増幅器を用いて、ＬＰ_０２モードの光の強度を増幅する。光増幅器からは、ＬＰ_０２モード以外のモードのＡＳＥノイズが発生する。そのため、光増幅器４０５の後段において、ＬＰ_０２モード以外の不要なモードの光を除去する不要モード除去デバイス４０６によって、ＬＰ_０２モード以外のモードを除去する。図１７Ｂ，１７Ｃに示すように、不要モード除去デバイス４０６としては、第２実施形態で説明したように、モード変換器４０７と、曲げが付与された数モードファイバ３２２、又はシングルモードファイバ３３０と、モード変換器４０８の組み合わせが挙げられる。受信器３０６は、モード変換器とシングルモードデバイスで構成されている。デジタル信号処理では、受信信号（ｙ_１）を用いて、１つの信号（ｘ_１）を復元することができる。不要モード除去デバイス４０６を備えた光伝送システム４０１，４０１Ｂ，４０１Ｃによれば、伝送路３０２でのＬＰ_０２モードとＬＰ_０２モード以外のモードとの間のクロストークが抑えられ、受信器３０６における信号処理が簡易になる。

図１８に示す光伝送システム５０１は、光中継に際し、ＬＰ_０２モードをモード変換器３０５によって、基本モードであるＬＰ_０１モードへ変換する。その後、光伝送システム５０１は、ＬＰ_０１モード用光増幅器により増幅した後にまたＬＰ_０２モードへ変換する。１８では、光伝送システム３０１や光伝送システム４０１の構成要素と同様の光伝送システム５０１の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１８に示すように、光伝送システム５０１は、伝送路３０２と、送信器３０３と、モード変換器３０４と、モード変換器（第１のモード変換器）５０６と、光増幅器（第２の増幅器）５０５と、モード変換器（第２のモード変換器）５０７と、モード変換器（第３のモード変換器）５０８と、受信器３０６と、を備えている。モード変換器５０６は、ＬＰ_０２モードに励振され、かつ伝送路３０２から出力された信号光の直線偏光モードを基本モードに変換する。光増幅器５０５は、基本モードに変換され、モード変換器５０６から出力された信号光を増幅する。モード変換器５０７は、光増幅器５０５によって増幅された基本モードの信号光の直線偏光モードをＬＰ_０２モードに励振する。モード変換器５０８は、モード変換器５０７によって励振されたＬＰ_０２モードの信号光の直線偏光モードを基本モードに変換する。受信器３０６は、モード変換器５０８によって変換された基本モードの信号光を受信する。

光伝送システム５０１では、ＬＰ_０１モード用の既存の増幅器を使用できる。そのため、安価な光伝送システム５０１が提供される。光伝送システム５０１では、ＬＰ_０２モードだけがＬＰ_０１モードへ変換されるため、例えばＬＰ_１１モードやＬＰ_２１モード等の変換前の不要なモードを除去することができる。

図１９は、ＬＰ_０２モードに信号をのせた場合のラマン増幅を利用した光伝送システム６０１を示す。光伝送システム６０１は、伝送路３０２と、送信器３０３と、モード変換器３０４と、ラマン増幅用励起光源６０２と、モード変換器（第４のモード変換器）６０３と、ＷＤＭカプラ（励起光合波器）６０５と、モード変換器（第５のモード変換器）６０９と、受信器３０６と、を備えている。モード変換器６０３は、ラマン増幅用励起光源６０２から出力された励起光の直線偏光モードをＬＰ_０２モードに変換する。ＷＤＭカプラ（励起光合波器）６０５は、モード変換器６０３によって変換された励起光を伝送路３０２に合波する。モード変換器６０９は、伝送路３０２から出力されたＬＰ_０２モードの信号光の直線偏光モードを基本モードに変換する。

図１９に示す光伝送システム６０１では、伝送路３０２の途中にエルビウム添加光ファイバ６０７（即ち、ＬＰ_０２モード用の増幅ファイバ）を設け、ラマン増幅用励起光源６０２をエルビウム添加光ファイバ用の励起光源に替えてもよい。また、ＷＤＭカプラ（励起光合波器）６０５とモード変換器３０５との間に、光増幅器（第３の増幅器）６０８を設けてもよい。

送信器３０３と受信器３０６との間に、遠隔励起用の増幅器が設置されている。遠隔励起用の増幅器には、ラマン増幅用励起光源６０２やエルビウム添加光ファイバ、光増幅器６０８、これらに関連するデバイス等が該当する。光伝送システム６０１に遠隔励起光増幅技術を適用することで、無給電伝送システムの長距離化を実現することができるので、遠隔励起用の増幅器を設置することが好ましい。なお、遠隔励起用の増幅器は、必ずしも設置しなくてもよい。ここで送信端、もしくは受信端から入射される励起光のモードはＬＰ_０２モードを選択的に用いる。励起光のモードはＬＰ_０２モードであることが好ましいが、その他のモードとして、例えばＬＰ_０１、ＬＰ_１１、ＬＰ_２１モードであってもよい。図１９には、後段より励起光を入射した例を示す。このように遠隔励起光増幅技術と併用することにより更なる長延化を実現できる。なお、ＬＰ_０２モード増幅器、モード変換器、シングルモード増幅器は、伝送路後に設置してもよい。

以上説明したように、本発明の光伝送システムでは、伝送路をＬＰ_０２モードが伝搬するよう最適化したステップインデックス型の光ファイバ、モード消光比の高いモード合分波器を用いて、低損失、低非線形、低クロストークのモードに信号を載せる。このことによって、長距離・大容量伝送を実現することができる。

本発明は、ファイバ中の高次モードの利用により光ファイバ伝送の大容量化及び長距離化を実現することができる。

２０１光ファイバ
２０２コア
２０３クラッド
３０１，３０１Ｂ，３０１Ｃ，４０１，４０１Ｂ，４０１Ｃ，５０１，６０１光伝送システム
３０２伝送路
３０３送信器
３０４モード変換器（モード励振器）
３０５モード変換器
３０６受信器

Claims

光ファイバを有する伝送路と、
信号光を出力する送信器と、
前記送信器から出力された前記信号光の直線偏光モードをＬＰ_０２モードに励振し、前記伝送路に入力するモード励振器と、
ＬＰ_０２モードに励振され、かつ前記伝送路から出力された前記信号光の直線偏光モードを基本モードに変換する第１のモード変換器と、
基本モードに変換された前記信号光を受信する受光器と、
を備え、
前記光ファイバは、
コアと、前記コアの外周部に設けられ、前記コアよりも低い屈折率を有するクラッドと、を有し、
前記光ファイバでは、
ＬＰ_０２モードの正規化周波数を表すＶ値が４．８以上６．４以下であり、
ＬＰ_０２モードに励振された前記信号光を伝搬し、
前記モード励振器と前記第１のモード変換器との間に、ＬＰ_０２モード以外のモードを除去する不要モードデバイスとして、
ＬＰ_０２モードの前記信号光を基本モードの前記信号光に変換する第２のモード変換器と、
基本モードの前記信号光をＬＰ_０２モードの前記信号光に変換する第３のモード変換器と、
前記第２のモード変換器と前記第３のモード変換器とを接続しかつ曲げが付与された光ファイバ、又は、前記第２のモード変換器と前記第３のモード変換器とを接続するシングルモードファイバと、
をさらに備え_、
前記光ファイバは、
断面視において径方向で均一な屈折率を有するコアと、前記径方向で均一な屈折率を有するクラッドと、を有し、
ステップインデックス型の屈折率分布を有し、
前記光ファイバでは、
ＬＰ_０２モードの実効断面積が２００μｍ^２以上であり、
ＬＰ_１１モードとＬＰ_０１モード、ＬＰ_２１モード及びＬＰ_０２モードの各々のモードとの間のクロストークは、曲率の絶対値が０．０２ｍｍ^－１以上であるときに－３０ｄＢ以上であり、
前記コアの半径は１０．５μｍであり、
前記コアと前記クラッドとの比屈折率差は０．４５％である、
光伝送システム。
光ファイバを有する伝送路と、
信号光を出力する送信器と、
前記送信器から出力された前記信号光の直線偏光モードをＬＰ_０２モードに励振し、前記伝送路に入力するモード励振器と、
ＬＰ_０２モードに励振され、かつ前記伝送路から出力された前記信号光の直線偏光モードを基本モードに変換する第１のモード変換器と、
基本モードに変換され、前記第１のモード変換器から出力された前記信号光を増幅する増幅器と、
前記増幅器によって増幅された基本モードの前記信号光の直線偏光モードをＬＰ_０２モードに励振する第２のモード変換器と、
前記第２のモード変換器によって励振されたＬＰ_０２モードの前記信号光の直線偏光モードを基本モードに変換する第３のモード変換器と、
前記第３のモード変換器によって変換された基本モードの前記信号光を受信する受信器と、
を備え、
前記光ファイバは、
コアと、前記コアの外周部に設けられ、前記コアよりも低い屈折率を有するクラッドと、を有し、
前記光ファイバでは、
ＬＰ_０２モードの正規化周波数を表すＶ値が４．８以上６．４以下であり、
ＬＰ_０２モードに励振された前記信号光を伝搬し、
前記光ファイバは、
断面視において径方向で均一な屈折率を有するコアと、前記径方向で均一な屈折率を有するクラッドと、を有し、
ステップインデックス型の屈折率分布を有し、
前記光ファイバでは、
ＬＰ_０２モードの実効断面積が２００μｍ^２以上であり、
ＬＰ_１１モードとＬＰ_０１モード、ＬＰ_２１モード及びＬＰ_０２モードの各々のモードとの間のクロストークは、曲率の絶対値が０．０２ｍｍ^－１以上であるときに－３０ｄＢ以上であり、
前記コアの半径は１０．５μｍであり、
前記コアと前記クラッドとの比屈折率差は０．４５％である、
光伝送システム。