JPWO2018198511A1 - 光受信器および光通信装置 - Google Patents

Abstract

光受信器２０は、マルチモードファイバ３０を伝播した螺旋状の波面を有する光ビームを受光素子２１で受光する光受信器である。光受信器２０は、マルチモードファイバ３０と受光素子２１との間に配置された受信側ボルテックス光学素子２４を備える。

Description

本発明は、光受信器および光通信装置に関する。

近年、インターネットやクラウドの普及により、データ通信量が爆発的に増大している。一時的にデータを保管したり、インターネットへの接続を行ったりするデータセンター内でも、大容量のデータを高速でやり取りする必要がある。

データセンター内のように短距離（数十ｍ〜数百ｍ）の伝送には、電気信号による通信も行われているが、高速化の点では光通信を行った方が有利である。短距離の光通信では、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）等の面発光型光源とマルチモードファイバとを組み合わせた、伝送速度が数ＧＨｚ〜１０ＧＨｚのシステムがすでに実現されている。

マルチモードファイバは、光が通るコアがシングルモードファイバと比較して大きく設計されているため、コア内を多くのモードの光が伝送し、ＤＭＤ（Differential Modal Dispersion）が発生する可能性がある。ＤＭＤが発生すると光波形が劣化しやすくなるため伝送距離が制限される可能性がある。

マルチモードファイバのＤＭＤを改善する方法として、光渦を発生させるボルテックス位相板（Vortex Phase Plate）を用いる方法が知られている（例えば特許文献１又は２）。通常、レーザから出射される光は、中心部の強度が高い基本ガウシアン状の光強度分布を有するが、この光をボルテックス位相板に通過させると、中心部分の強度が零又は低下したリング状の光強度分布を有する光に変換することができる。ボルテックス位相板とは、例えば、連続又は階段状の螺旋形状（ボルテックス形状）が、いずれかの主面に形成された板状の光学素子である。

よく知られているように、マルチモードファイバは製造方法によってはコアの中心部分の屈折率分布が不安定となっている場合があり、これがＤＭＤを引き起こす要因となる（例えば特許文献１又は２）。そこで、レーザから出射した光を、ボルテックス位相板を透過させて、リング状の光強度分布を有する光に変換した後、マルチモードファイバに入射させる。こうすることにより、マルチモードファイバのコアの中心部分に直接入射する光が抑制されるうえ、いわゆる高次の伝播モードが主体となってファイバ内を伝播するので、ＤＭＤの発生を抑制できる。

特開２００８−４６３１２号公報 特開２０１６−９１０１４号公報

しかしながら、マルチモードファイバを伝播した光を光受信器においてフォトダイオード（ＰＤ）やアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）等の受光素子で受信する場合、マルチモードファイバから出射される光がリング状の光強度分布を有するものとなっていると、中心部の光強度が著しく低いため、受光素子での受光量は低くなり、光電変換後に得られる電気信号も小さいものとなる可能性がある。

受光素子の受光面の面積を大きくすることで受光量を高めることは可能であるが、受光素子の面積を大きくしすぎると受光素子の応答速度が遅くなり、高速な信号が読み取りにくくなるという問題がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、マルチモードファイバを伝播した螺旋状の波面を有する光ビームを効率よく受光できる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の光受信器は、マルチモードファイバを伝播した螺旋状の波面を有する光ビームを受光素子で受光する光受信器であって、マルチモードファイバと受光素子との間に配置されたボルテックス光学素子を備える。

マルチモードを伝播する光ビームは、伝播方向回りの第１方向に螺旋状に回転した波面を有する光ビームであってもよい。ボルテックス光学素子は、入射した光ビームの波面を伝播方向回りの第１方向と逆の第２方向に螺旋状に回転させるよう構成されてもよい。

マルチモードを伝播する光ビームは、伝播方向回りの第１方向に所定の位相差を与えられた波面を有する光ビームであってもよい。ボルテックス光学素子は、入射した光ビームの波面に対して、伝播方向回りの第１方向と逆の第２方向に所定の位相差を与えるよう構成されてもよい。

本発明の別の態様は、光通信装置である。この装置は、光源から出射された光ビームをマルチモードファイバを介して送信する光送信器であって、光源とマルチモードファイバとの間に配置された送信側ボルテックス光学素子を備える光送信器と、マルチモードファイバを伝播した光ビームを受光素子で受光する光受信器であって、マルチモードファイバと受光素子との間に配置された受信側ボルテックス光学素子を備える光受信器と、を備える。

送信側ボルテックス光学素子は、入射した光ビームの波面を伝播方向回りの第１方向に螺旋状に回転させるよう構成されてもよい。受信側ボルテックス光学素子は、入射した光ビームの波面を伝播方向回りの第１方向と逆の第２方向に螺旋状に回転させるよう構成されてもよい。

送信側ボルテックス光学素子は、入射した光ビームの波面に対して、伝播方向回りの第１方向に所定の位相差を与えるよう構成されてもよい。受信側ボルテックス光学素子は、入射した光ビームの波面に対して、伝播方向回りの第１方向と逆の第２方向に所定の位相差を与えるよう構成されてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、マルチモードファイバを伝播した螺旋状の波面を有する光ビームを効率よく受光できる技術を提供できる。

本発明の実施形態に係る光通信装置を説明するための概略図である。 光学シミュレーションの条件を説明するための図である。 送信側ボルテックス光学素子の位相差が２πの場合の光強度分布を示す図である。 送信側ボルテックス光学素子の位相差が２π×６の場合の光強度分布を示す図である。 図５（ａ）〜（ｃ）は、図３に示す光強度分布を有する光ビームを光受信器で受信した場合の光強度分布を示す図である。 図６（ａ）〜（ｃ）は、図４に示す光強度分布を有する光ビームを光受信器で受信した場合の光強度分布を示す図である。 本発明の実施形態に係る光通信装置の別の光学シミュレーションの結果を示す図である。 本発明の実施形態に係る光通信装置の別の光学シミュレーションの結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、本発明の実施形態に係る光通信装置１００を説明するための概略図である。図１に示すように、光通信装置１００は、光送信器１０と、光受信器２０と、光送信器１０と光受信器２０に接続されたマルチモードファイバ３０とを備える。光送信器１０から送信された光ビームは、マルチモードファイバ３０を伝播し、光受信器２０により受信される。

光送信器１０は、光源１１と、送信側第１レンズ１２と、送信側第２レンズ１３と、送信側ボルテックス光学素子１４とを備える。光送信器１０は、光源１１から出射された光ビームを送信側第１レンズ１２、送信側ボルテックス光学素子１４および送信側第２レンズ１３を介してマルチモードファイバ３０のコアに導く。

光源１１は、例えばＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）や、ＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザなどのレーザダイオードであってよい。光の波長としては、例えば８５０ｎｍ、１３１０ｎｍ、１５５０ｎｍなどが使用されてよい。光源１１から出射される光ビームの波面は、略平面状または略球面状である。光ビームの光強度分布は、中心部の強度が高い基本ガウシアン状の光強度分布となっている。

送信側第１レンズ１２は、光源１１からの光ビームをコリメート光ビームとし、該コリメート光ビームを送信側ボルテックス光学素子１４に向けて出射する。送信側ボルテックス光学素子１４は、送信側第１レンズ１２からの略平面状または略球面状の波面を有する光ビームを螺旋状の波面を有する光ビームに変換する。これにより、光ビームの光強度分布は、ガウシアン状からリング状の光強度分布となる。送信側ボルテックス光学素子１４の詳細については後述する。送信側第２レンズ１３は、送信側ボルテックス光学素子１４を通過した光ビームを集光し、マルチモードファイバ３０の入射端３０ａに入射させる。

送信側第１レンズ１２、送信側ボルテックス光学素子１４および送信側第２レンズ１３は、それらの光軸が一致するように配置される。なお、図１では、送信側第１レンズ１２、送信側ボルテックス光学素子１４および送信側第２レンズ１３は別体として示されているが、例えば送信側第１レンズ１２と送信側ボルテックス光学素子１４が一体に形成されてもよいし、送信側ボルテックス光学素子１４と送信側第２レンズ１３が一体に形成されてもよいし、送信側第１レンズ１２、送信側ボルテックス光学素子１４および送信側第２レンズ１３が一体に形成されてもよい。

光受信器２０は、受光素子２１と、受信側第１レンズ２２と、受信側第２レンズ２３と、受信側ボルテックス光学素子２４とを備える。光受信器２０は、マルチモードファイバ３０を伝播したリング状の光強度分布を有する光ビームを受信側第１レンズ２２、受信側ボルテックス光学素子２４および受信側第２レンズ２３を介して受光素子２１で受光する。

受光素子２１は、例えば、ＳｉやＩｎＧａＡｓ等のフォトダイオード（ＰＤ）やアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）であってよい。Ｓｉは近赤外用に適しており、ＩｎＧａＡｓは近赤外から赤外用に適している。一般的に、受光素子の応答速度は、受光素子の受光面積が大きくなると遅くなるため、高速な光信号を受光する際には、受光面積の小さいもの（例えば受光面の直径が１０μｍ程度）が使用される。

受信側第１レンズ２２は、マルチモードファイバ３０の出射端３０ｂから出射された光ビームをコリメート光ビームとし、受信側ボルテックス光学素子２４に向けて出射する。受信側ボルテックス光学素子２４は、受信側第１レンズ２２からの螺旋状の波面を有する光ビームを平面状または球面状の波面を有する光ビームに変換する。これにより、光ビームの光強度分布は、所定の条件下でリング状からガウシアン状の光強度分布に戻る。受信側第１レンズ２２の詳細については後述する。受信側第２レンズ２３は、受信側ボルテックス光学素子２４を通過した光ビームを集光し、受光素子２１の受光面に入射させる。

受信側第１レンズ２２、受信側ボルテックス光学素子２４および受信側第２レンズ２３は、それらの光軸が一致するように配置される。なお、図１では、受信側第１レンズ２２、受信側ボルテックス光学素子２４および受信側第２レンズ２３は別体として示されているが、例えば受信側第１レンズ２２と受信側ボルテックス光学素子２４が一体に形成されてもよいし、受信側ボルテックス光学素子２４と受信側第２レンズ２３が一体に形成されてもよいし、受信側第１レンズ２２、受信側ボルテックス光学素子２４および受信側第２レンズ２３が一体に形成されてもよい。

送信側ボルテックス光学素子１４および受信側ボルテックス光学素子２４は、連続又は階段式の螺旋形状（ボルテックス形状）を含む光学素子である。これらのボルテックス光学素子は、板状体のいずれか一方の主面にボルテックス形状が形成されたボルテックス位相板であってよい。

ボルテックス形状は、光軸の回りに連続又は階段状に形成された螺旋形状の光学要素であり、光渦の発生すなわち、円周方向に位相差を持った光ビームに変換する機能を有する。このボルテックス形状に波面が平面状または球面状の光ビームを入射させた場合、入射光は円周方向に位相差を持った光ビームに変換され、リング状の光強度分布を有する光ビームが得られる。

本明細書においては、光渦の波面の回転方向またはボルテックス形状の螺旋形状の回転方向は、光ビームの伝播方向に進むように右ねじを回す方向を正（＋）方向とし、これの逆方向を負（−）方向とする。

ボルテックス形状の位相差ΔΦは、ΔΦ＝２π×ｍ_ｃ×Δｎ×ｄ／λで表される。ここで、ｄは、ボルテックス形状の最大の段差（ボルテックス形状の最も高い所と最も低い所との差）である。ｍ_ｃは、チャージ数と呼ばれ、ボルテックス形状における一周内の段差ｄの形状の繰り返し数（サイクル数）である。λは、使用波長である。Δｎは、ボルテックス形状を構成する材料と周辺の媒質の、使用波長λにおける屈折率の差である。

ボルテックス形状としては、与えるべき位相差に応じてさまざまな種類を用いることができる。例えば、一周で２πの位相差を与えるもの（チャージ数ｍ_ｃ＝１、位相差ΔΦ＝２π）、３６０度連続して位相差を与えるもの、１８０度で２πずつ位相差を与えるもの（ｍ_ｃ＝２、ΔΦ＝２π×２）、１２０度で２πずつ位相差を与えるもの（ｍ_ｃ＝３、ΔΦ＝２π×３）などを用いることができる。また位相差ΔΦが２π×ｍ（ｍは整数）の場合に、中心軸に対し最も軸対称性の高いリング状の光強度分布を有する光ビームが得られる。ｍはボルテックス形状の次数であり、ボルテックス形状の位相差の絶対値が大きいほど、得られる光ビームのビーム径（リング径）が大きくなる。ここで、ビーム径は、光強度分布の最大値の１／ｅ^２の強度における最大の径を指し、リング状のビームの場合はリング径に対応する。

本実施形態に係る光通信装置１００において、送信側ボルテックス光学素子１４は、入射した光ビームの波面を、伝播方向回りの正方向に螺旋状に回転させるよう構成される。一方、受信側ボルテックス光学素子２４は、入射した光ビームの波面を、伝播方向回りの負方向に螺旋状に回転させるよう構成される。すなわち、送信側ボルテックス光学素子１４と受信側ボルテックス光学素子２４は、入射した光ビームの波面を互いに逆方向に螺旋状に回転させるよう構成される。これ以外にも送信側では伝搬方向回りの負方向、受信側では伝搬方向回りの正方向にビームの波面を螺旋状に回転させるような態様であってもよい。

送信側ボルテックス光学素子１４は、入射した光ビームの波面に対して、伝播方向回りの正方向に所定の位相差ΔΦを与えるよう構成される。一方、受信側ボルテックス光学素子２４は、入射した光ビームの波面に対して、伝播方向回りの負方向に所定の位相差ΔΦを与えるよう構成される。すなわち、送信側ボルテックス光学素子１４により与えられる正方向の位相差と、受信側ボルテックス光学素子２４により与えられる負方向の位相差はそれらの絶対値が同じである。これ以外にも送信側では伝搬方向回りの負方向、受信側では伝搬方向回りの正方向に所定の位相差を与えられる態様であってもよい。

次に、上記のように構成された光通信装置１００の光学シミュレーションの結果を示す。図２は、光学シミュレーションの条件を説明するための図である。

マルチモードファイバ３０から光受信器２０に向けて出射される光ビームのモードは、光送信器１０から出射されマルチモードファイバ３０に入射する光ビームのモードと、マルチモードファイバ３０内を伝播するモードに影響を受ける。マルチモードファイバ３０内を伝播するモードは、その伝播中にモードの変換等の外乱の影響を受ける可能性がある。しかしながら、ここでは簡単のために、光送信器１０から出射された光ビームのモードが、マルチモードファイバ３０内の伝播によっても保持され、光送信器１０から出射された光ビームのモードと同一のモードの光ビームが、マルチモードファイバ３０から光受信器２０に向けて出射される場合を考える。このような条件の光学系は、図２に示すように、光送信器１０により光ビームが位置Ａに集光され、それを光受信器２０が受光する光学系として等価的に表すことができる。

まず、光送信器１０から出射された光ビームが所定の位置Ａに結像する場合を考える。ここでは、光送信器１０の光源１１として、波長８５０ｎｍの基本ガウシアンビーム（ＮＡ＝０．２、出射端におけるビーム径２．６μｍ）を出射するＶＣＳＥＬを想定した。光源１１から出射される光ビームの波面は略球面状である。

図２に示すように、光源１１からの光ビームを、送信側第１レンズ１２によってビーム径０．２４ｍｍの略平行光（ビームの波面は略平面状）にし、送信側ボルテックス光学素子１４で螺旋状の波面を有する光ビームに変換して、光ビームを送信側第２レンズ１３によって所定の位置Ａに集光させた。

光源１１、送信側第１レンズ１２、送信側ボルテックス光学素子１４および送信側第２レンズ１３は、それぞれの光軸が共通となるように配置される。送信側ボルテックス光学素子１４は、コリメート光ビームを透過させた場合に最もその光学的効果が現れるので、送信側第１レンズ１２と送信側第２レンズ１３の間に配置される。

送信側第１レンズ１２および送信側第２レンズ１３は、材質の屈折率ｎ_１＝１．５１、レンズ有効径Ｄ_１＝０．２５ｍｍ、中心厚みＣＴ＝０．５ｍｍの平凸（ＰＣ：Ｐｌａｎａｒ−Ｃｏｎｖｅｘ）レンズであり、凸側の形状を近軸における曲率半径の大きさＲ＝０．２３ｍｍとし、平面側の面から光軸に平行な平行光を入射させたときに、集光点での波面収差が最小になるように形状を最適化した非球面形状とした。

送信側ボルテックス光学素子１４は、材質の屈折率ｎ_２＝１．５１、有効径Ｄ_２＝０．２５ｍｍであり、送信側ボルテックス光学素子１４を通過した光の螺旋の回転方向が正方向となり、与えられる位相差ΔΦが２πとなる場合と、２π×６となる場合を考えた。

図３は、送信側ボルテックス光学素子１４の位相差ΔΦが２πの場合の光強度分布を示す。図４は、送信側ボルテックス光学素子１４の位相差ΔΦが２π×６の場合の光強度分布を示す。これらはいずれも、図２に示す位置Ａにおける光強度分布である。図３および図４に示すように、いずれもリング状の光強度分布を有する集光スポットとなっている。

図３に示す送信側ボルテックス光学素子１４の位相差ΔΦが２πの場合のリング径は、６．６μｍである。図４に示す送信側ボルテックス光学素子１４の位相差ΔΦが２π×６の場合のリング径は、２１．７μｍである。これらから、送信側ボルテックス光学素子１４の位相差ΔΦが大きいほど、集光時のビーム径が大きくなることが分かる。

上述したように、マルチモードファイバは製造方法によってはコアの中心部分の屈折率分布が不安定となっている場合があり、これによりＤＭＤが発生する可能性がある。光送信器１０に送信側ボルテックス光学素子１４を設けて、リング状の光強度分布を有する光ビームをマルチモードファイバ３０のコアに入射させることにより、屈折率が不安定になっている可能性があるコアの中心部分に入射する光が減少するので、ＤＭＤの発生が抑制される。

マルチモードファイバのコア径は、５０μｍまたは６２．５μｍが一般的である。従って、図３に示すリング径が６．６μｍの光強度分布を有する光ビームの場合、マルチモードファイバ３０のコアの中心部分の影響を受けやすくなり、ＤＭＤを抑制することが難しい。一方、図４に示すリング径が２１．７μｍの光強度分布を有する光ビームの場合、マルチモードファイバ３０のコアの中心部分の影響を受けにくくなり、ＤＭＤの抑制効果が高い。ここで、光ビームのビーム径を大きくしすぎると、今度はマルチモードファイバのいわゆる高次の伝播モードに結合しやすくなるので、曲げ損失などが起こりやすくなることに注意が必要である。

次に、光送信器１０によって位置Ａに集光されたリング状の光強度分布を有する光ビームが光受信器２０の受光素子２１上に結像する場合を考える。受光素子２１としては、受光面の直径が１０μｍ程度のＰＤやＡＰＤを想定する。

図２に示すように、位置Ａにおけるリング状の光強度分布を有する光ビームのビーム径を受信側第１レンズ２２によって拡大する。このときの光ビームは、光送信器１０の作用により回転方向が正方向の螺旋状の波面を有する。この光ビームを受信側ボルテックス光学素子２４を透過させたのち、受信側第２レンズ２３によって受光素子２１の受光面に集光させた。

受信側第１レンズ２２、受信側ボルテックス光学素子２４、受信側第２レンズ２３および受光素子２１は、それぞれの光軸が共通となるように配置される。受信側ボルテックス光学素子２４は、コリメート光ビームを透過させた場合に最もその光学的効果が現れるので、受信側第１レンズ２２と受信側第２レンズ２３の間に配置される。受信側第１レンズ２２および受信側第２レンズ２３の諸元は送信側第１レンズ１２および送信側第２レンズ１３と同様である。

図５（ａ）〜（ｃ）は、図３に示す光強度分布を有する光ビームを光受信器２０で受信した場合の光強度分布を示す。図３は、送信側ボルテックス光学素子１４の位相差ΔΦが２πの場合の光強度分布である。

図５（ａ）は、光受信器２０に受信側ボルテックス光学素子２４を設けない場合の受光素子２１における光強度分布を示す。図５（ｂ）は、受信側ボルテックス光学素子２４の位相差ΔΦが２πの場合（すなわち、送信側ボルテックス光学素子１４と同じ正方向に２πの位相差を与えた場合）の受光素子２１における光強度分布を示す。図５（ｃ）は、受信側ボルテックス光学素子２４の位相差ΔΦが−２πの場合（すなわち、送信側ボルテックス光学素子１４と逆の負方向に２πの位相差を与えた場合）の受光素子２１における光強度分布を示す。

図５（ａ）から分かるように、受信側ボルテックス光学素子２４を設けない場合は、当然ながら受光素子２１における光強度分布は、光送信器１０から出射された光ビームの光強度分布（すなわち位置Ａにおける光強度分布）と同様にリング状である。このようなリング状の光強度分布の場合、中心部の光強度が著しく低いため、受光素子２１での受光量は非常に小さくなる。

また、図５（ｂ）から分かるように、受信側ボルテックス光学素子２４の位相差ΔΦを２πとした場合には、送信側ボルテックス光学素子１４により与えられた２πの位相差にさらに２πの位相差が上乗せされるので、リング径が９．０μｍと大きくなっている（位置Ａではリング径は６．６μｍ）。この場合も、中心部の光強度が著しく低いため、受光素子２１での受光量は非常に小さくなる。

また、図５（ｃ）から分かるように、受信側ボルテックス光学素子２４の位相差ΔΦを−２πとした場合には、送信側ボルテックス光学素子１４により与えられた２πの位相差が受信側ボルテックス光学素子２４により与えられる−２πの位相差により減退されるので、ビーム径は３．６μｍと、基本ガウシアン（光源１１の出射モード）に近似する程度に小さくなっている。この場合は、受光素子２１の受光面の直径が１０μｍ程度であることを考慮すると、光ビームを効率よく受光するのに適したビーム径であるということができる。

図６（ａ）〜（ｃ）は、図４に示す光強度分布を有する光ビームを光受信器２０で受信した場合の光強度分布を示す。図４は、送信側ボルテックス光学素子１４の位相差ΔΦが２π×６の場合の光強度分布である。

図６（ａ）は、光受信器２０に受信側ボルテックス光学素子２４を設けない場合の受光素子２１における光強度分布を示す。図６（ｂ）は、受信側ボルテックス光学素子２４の位相差ΔΦが２π×６の場合（すなわち、送信側ボルテックス光学素子１４と同じ正方向に２π×６の位相差を与えた場合）の受光素子２１における光強度分布を示す。図６（ｃ）は、受信側ボルテックス光学素子２４の位相差ΔΦが−２π×６の場合（すなわち、送信側ボルテックス光学素子１４と逆の負方向に２π×６の位相差を与えた場合）の受光素子２１における光強度分布を示す。

図６（ａ）から分かるように、受信側ボルテックス光学素子２４を設けない場合は、当然ながら受光素子２１における光強度分布は、光送信器１０から出射された光ビームの光強度分布（すなわち位置Ａにおける光強度分布）と同様にリング状である。このようなリング状の光強度分布の場合、中心部の光強度が著しく低いため、受光素子２１での受光量は非常に小さくなる。

また、図６（ｂ）から分かるように、受信側ボルテックス光学素子２４の位相差ΔΦを２π×６とした場合には、送信側ボルテックス光学素子１４により与えられた２π×６の位相差にさらに２π×６の位相差が上乗せされるので、光強度分布は散逸した状態となる。この場合も、中心部の光強度が著しく低いため、受光素子２１での受光量は非常に小さくなる。

また、図６（ｃ）から分かるように、受信側ボルテックス光学素子２４の位相差ΔΦを−２π×６とした場合には、送信側ボルテックス光学素子１４により与えられた２π×６の位相差が受信側ボルテックス光学素子２４により与えられる−２π×６の位相差により減退されるので、ビーム径は３．０μｍと、基本ガウシアン（光源１１の出射モード）に近似する程度に小さくなっている。この場合は、受光素子２１の受光面の直径が１０μｍ程度であることを考慮すると、光ビームを効率よく受光するのに適したビーム径であるということができる。

上記の光学シミュレーションの結果から、送信側ボルテックス光学素子１４の位相差を２π×６とし、受信側ボルテックス光学素子２４の位相差を−２π×６とした場合に、ＤＭＤの抑制と光ビームの受光効率の改善の両方を達成することができることが分かる。一方、送信側ボルテックス光学素子１４の位相差を２πとし、受信側ボルテックス光学素子２４の位相差を−２πとした場合は、光ビームの受光効率の改善は達成できるものの、ＤＭＤの抑制効果は限定的であることが分かる。

図７および図８は、光通信装置１００の別の光学シミュレーションの結果を示す。この光学シミュレーションの条件は図２で説明したものと同様である。この光学シミュレーションでは、送信側ボルテックス光学素子１４によって付与される位相差を段階的にかつ２πの整数倍ではない値としたうえで、０、−２πの位相差を受信側ボルテックス光学素子２４によって付与し、受光素子２１に集光される光のスポットを求めた。

送信側ボルテックス光学素子１４によって付与される位相差が２πの整数倍ではないということは、２πの整数倍の位相差を付与された光ビームが光送信器１０から出射され、マルチモードファイバ３０を伝播し、モード分散等によってその光ビームの位相差が２πの整数倍からずれたような状態を表す。このような位相差が２πの整数倍からずれた光ビームが受信側ボルテックス光学素子２４によってどのように受光素子２１に集光されるのかをシミュレーションした。

図７は、送信側ボルテックス光学素子１４によって付与される位相差が＋２π×η（η＝０．７〜１．３）の場合に、受信側ボルテックス光学素子２４が設けられていない光受信器２０の受光素子２１の受光面に形成される集光スポットと、そのリング径またはビーム径を示す。

この場合、受光素子２１の受光面に形成される集光スポットはリング状となっている。集光スポットのリング径は５．０μｍ〜７．１μｍであり、直径１０μｍ程度の受光面を有する受光素子２１に集光させることは可能であるが、比較的性能が安定している受光面の中心部の光強度が著しく低いため、受光素子２１での受光量は非常に小さくなる。

さらに、マルチモードファイバ３０の中心部を回避するようなリング径のビームを生成するために、送信側ボルテックス光学素子１４によって２π×６程度の位相差を付与した場合、受光素子２１の受光面に形成される集光スポットのリング径は、５．０μｍ〜７．１μｍの２〜３倍程度となる。この場合、直径１０μｍ程度の受光面から一部の光が逸脱するようになるので、受光素子２１での受光量はさらに小さくなると示唆される。

図８は、送信側ボルテックス光学素子１４によって付与される位相差が＋２π×η（η＝０．７〜１．３）の場合に、付与される位相差が−２πである受信側ボルテックス光学素子２４を有する光受信器２０の受光素子２１の受光面に形成される集光スポットと、そのリング径またはビーム径を示す。

この場合、受光素子２１の受光面に形成される集光スポットはリング状ではなく、中心部の光強度が高い集光スポットとなっている。また、集光スポットのビーム径は３．６μｍ〜４．０μｍであり、直径１０μｍ程度の受光面を有する受光素子２１に集光するのに適正である。

また、送信側ボルテックス光学素子１４によって２π×６程度の位相差を付与した場合、受光素子２１の受光面に形成される集光スポットのビーム径は、３．６μｍ〜４．０μｍの２〜３倍程度となるが、この場合も直径１０μｍ程度の受光面を有する受光素子２１で十分に受光可能である。

上記の光学シミュレーションの結果から、マルチモードファイバ３０のモード分散等を考慮した場合も、光送信器１０と光受信器２０にそれぞれ、互いに逆方向の位相差を付与するボルテックス光学素子を設けることにより、ＤＭＤの抑制と光ビームの受光効率の改善の両方を達成することができることが分かる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１０ 光送信器、 １１ 光源、 １２ 送信側第１レンズ、 １３ 送信側第２レンズ、 １４ 送信側ボルテックス光学素子、 ２０ 光受信器、 ２１ 受光素子、 ２２ 受信側第１レンズ、 ２３ 受信側第２レンズ、 ２４ 受信側ボルテックス光学素子、 ３０ マルチモードファイバ、 １００ 光通信装置。

本発明は、マルチモードファイバを用いた光通信装置に利用できる。

Claims (6)

1. マルチモードファイバを伝播した螺旋状の波面を有する光ビームを受光素子で受光する光受信器であって、前記マルチモードファイバと前記受光素子との間に配置されたボルテックス光学素子を備えることを特徴とする光受信器。
2. 前記マルチモードを伝播する光ビームは、伝播方向回りの第１方向に螺旋状に回転した波面を有する光ビームであり、
   前記ボルテックス光学素子は、入射した光ビームの波面を伝播方向回りの前記第１方向と逆の第２方向に螺旋状に回転させるよう構成されることを特徴とする請求項１に記載の光受信器。
3. 前記マルチモードを伝播する光ビームは、伝播方向回りの前記第１方向に所定の位相差を与えられた波面を有する光ビームであり、
   前記ボルテックス光学素子は、入射した光ビームの波面に対して、伝播方向回りの前記第２方向に前記所定の位相差を与えるよう構成されることを特徴とする請求項２に記載の光受信器。
4. 光源から出射された光ビームをマルチモードファイバを介して送信する光送信器であって、前記光源と前記マルチモードファイバとの間に配置された送信側ボルテックス光学素子を備える光送信器と、
   前記マルチモードファイバを伝播した光ビームを受光素子で受光する光受信器であって、前記マルチモードファイバと前記受光素子との間に配置された受信側ボルテックス光学素子を備える光受信器と、
   を備えることを特徴とする光通信装置。
5. 前記送信側ボルテックス光学素子は、入射した光ビームの波面を伝播方向回りの第１方向に螺旋状に回転させるよう構成され、
   前記受信側ボルテックス光学素子は、入射した光ビームの波面を伝播方向回りの前記第１方向と逆の第２方向に螺旋状に回転させるよう構成されることを特徴とする請求項４に記載の光通信装置。
6. 前記送信側ボルテックス光学素子は、入射した光ビームの波面に対して、伝播方向回りの前記第１方向に所定の位相差を与えるよう構成され、
   前記受信側ボルテックス光学素子は、入射した光ビームの波面に対して、伝播方向回りの前記第２方向に前記所定の位相差を与えるよう構成されることを特徴とする請求項５に記載の光通信装置。