WO2011052405A1 - 光通信システム - Google Patents

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WO2011052405A1
WO2011052405A1 PCT/JP2010/068158 JP2010068158W WO2011052405A1 WO 2011052405 A1 WO2011052405 A1 WO 2011052405A1 JP 2010068158 W JP2010068158 W JP 2010068158W WO 2011052405 A1 WO2011052405 A1 WO 2011052405A1
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WO
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light
recording unit
hologram recording
spatial mode
control light
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PCT/JP2010/068158
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English (en)
French (fr)
Inventor
岡本　淳
一行 森田
Original Assignee
国立大学法人北海道大学
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    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/25—Arrangements specific to fibre transmission
    • H04B10/2581—Multimode transmission
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/32—Holograms used as optical elements
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/14—Mode converters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/34—Optical coupling means utilising prism or grating
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2/00—Demodulating light; Transferring the modulation of modulated light; Frequency-changing of light

Definitions

  • the present invention relates to an optical communication system using an optical fiber (multimode fiber or the like) capable of transmitting a plurality of spatial mode signal lights as a transmission optical waveguide.
  • an optical fiber multimode fiber or the like
  • single-mode fibers are used as optical waveguides for transmission.
  • the main reason is that a multimode fiber propagates a plurality of modes in one optical fiber, and each mode has a different propagation delay time. Therefore, a so-called mode dispersion effect causes a signal input pulse at the output end. This is because there is a problem of spreading (see FIG. 11B).
  • the number of spatial modes propagating in the fiber is limited to one, and mode dispersion does not occur in principle (see FIG. 11A). Therefore, with a single mode fiber, it is possible to transmit very short pulsed light far away without waveform deterioration, and high-speed and large-capacity communication is realized.
  • the optical fiber communication network that supports the modern IT society realizes a communication capacity of Tb / s per fiber by using single mode transmission. This is achieved by a WDM (Wavelength-Division-Multiplexing) transmission technique in which signals of a plurality of wavelengths are transmitted through a single fiber.
  • WDM Widelength-Division-Multiplexing
  • ⁇ (number of wavelength multiplexing 100) about 10 Tb / s is the technical limit of this method, and considering the increase in communication demand, the backbone communication network will be saturated in the near future The possibility to do is suggested.
  • Non-Patent Document 1 polarization multiplexing (for each polarization) is implemented by a method of expanding transmission capacity per wavelength by using MIMO (Multiple Input, Multiple Output) processing technology that has been put into practical use mainly in the field of wireless communication. It has succeeded in doubling the communication capacity using modulation / demodulation of independent signals.
  • MIMO Multiple Input, Multiple Output
  • Non-Patent Document 2 a mode division multiplex communication using a multimode fiber is also proposed.
  • Non-Patent Document 1 since the polarization mode has only two degrees of freedom, vertical and horizontal, the multiplicity is limited to 2 in principle in the polarization multiplexing system.
  • Non-Patent Document 2 a plurality of detectors are spatially arranged on the output side of the fiber, and the optical detection signal from each detector is electrically processed, so that the mode division multiplexed signal Demodulating.
  • the spatial phase information of light cannot be used, the accuracy is low, and the demodulation of the mode-division multiplexed signal requires complicated electric processing, so that a practical processing speed cannot be obtained.
  • the present invention establishes and provides an all-optical demultiplexing technique capable of separating a specific spatial mode from a multiplexed spatial mode as light.
  • the present invention provides an optical fiber that transmits signal light having a plurality of spatial modes, a multiple hologram recording unit in which holograms are multiplexed and recorded corresponding to each spatial mode of the signal light, and The signal light emitted from the end of the optical fiber is collected, and the control light applied to the multiple hologram recording unit is irradiated at a different angle for each spatial mode with the lens incident on the multiple hologram recording unit
  • An optical communication system that performs communication comprising a control light irradiation unit, wherein the multiple hologram recording unit irradiates guide light having the same wavefront as the signal light and the control light during multiple hologram recording Multiple holograms are recorded, and multiplexed signals that are input to the multiple hologram recording unit when the signal light is separated by the multiple hologram recording unit.
  • Signal light of each spatial mode is characterized to be separated in the path of the control light irradiation unit in each of the irradiation direction of the control
  • the present invention provides an optical fiber that transmits signal light having a plurality of spatial modes, a multiple hologram recording unit in which holograms are multiplexed and recorded corresponding to each spatial mode of the signal light, and emitted from the end of the optical fiber.
  • the control light irradiating unit for condensing the signal light to be incident on the multiplex hologram recording unit and irradiating the multiple hologram recording unit with the control light applied at different angles for each spatial mode.
  • An optical communication system that performs communication using a multiple hologram recording unit in which a hologram is written by irradiating guide light having the same wavefront as signal light having a certain spatial mode and the control light, and for each spatial mode Multiple holograms are recorded by the control light irradiating unit that irradiates the control light applied to the multiple hologram recording unit at different angles.
  • the guide light having the same wavefront as the signal light having a certain spatial mode and the control light are irradiated and input to the recording unit of the multiple hologram
  • the multiplexed signal light of each spatial mode is separated by the path of the control light irradiation unit in the respective irradiation directions of the control light.
  • the present invention provides an optical fiber that transmits signal light having a plurality of spatial modes, a multiple hologram recording unit in which holograms are multiplexed and recorded corresponding to each spatial mode of the signal light, and emitted from the end of the optical fiber.
  • the control light irradiating unit for condensing the signal light to be applied and irradiating the multiplex hologram recording unit with the lens incident on the multiple hologram recording unit and at an angle different for each spatial mode;
  • a phase conjugator that amplifies the light that has passed through the multiple hologram recording unit and returns the amplified light to the multiple hologram recording unit.
  • An optical communication system that performs communication, wherein the phase has the same wavefront as signal light having a certain spatial mode
  • the multi-angle recording is performed at different angles for each spatial mode.
  • the multi-hologram recording unit irradiates the multi-hologram by irradiating the guide light having the same wavefront as the signal light and the control light irradiated at different angles for each spatial mode at the time of multi-hologram recording. Is recorded.
  • the signal light of each spatial mode multiplexed to the multiplex hologram recording unit is input, the signal light of each spatial mode is separated in each angular direction of the control light irradiated at the time of multiplex hologram recording. That is, the optical signal emitted from the optical fiber is in a state where optical signals in a plurality of spatial modes are mixed, but it can be separated into each mode as it is.
  • the present invention aims to establish a mode-division multiplex communication technique that can dramatically improve the communication capacity per fiber by transmitting and receiving data by combining many spatial modes in the fiber.
  • the mode that propagates through the fiber is not distinguished, the same data is modulated for all modes, and all mode light is detected by the same photodetector at the output end. Was. For this reason, the above-described mode dispersion cannot be avoided and is not suitable for high-speed communication.
  • data independent of each mode propagating through the multimode fiber is modulated, and separation is performed for each mode at the output end, and a signal is detected by an independent photodetector.
  • one data is modulated / demodulated into one mode in the multimode fiber, so that the above-described problem of mode dispersion does not occur.
  • the theoretical communication capacity is (limit of the transmission speed of the single mode fiber) ⁇ (the number of modes of the multimode fiber), and the expansion of the communication capacity by about 10 to 100 times is expected.
  • the optical signal emitted from the optical fiber is in a state where optical signals in a plurality of spatial modes are mixed. Allows separation into modes. Even when an independent signal is modulated into a plurality of spatial modes transmitted through an optical fiber, an optical signal separated for each mode can be easily converted into an electric signal by a conventional photodetector. Therefore, this technique can be said to be a technique in which one fiber can be used as several tens to several hundreds of fibers. Since it is possible to transmit wavelength-multiplexed optical signals for each spatial mode, it is possible to realize an increase in communication capacity while maintaining high compatibility with the current WDM technology.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an optical communication system.
  • FIG. (A) is a figure which shows the operation
  • (b) is a figure which shows the operation
  • (A) is a figure which shows spatial mode A, B, C which overlapped spatially used in order to perform the said simulation
  • (b) is the phase of each spatial mode A, B, C derived
  • the simulation model of the above simulation (a) is an analysis model of the hologram recording process, and (b) is an analysis model of the spatial mode separation process. It is a graph which shows the simulation result at the time of omitting a random phase plate and a lens in the system shown in FIG. It is a graph which shows the simulation result at the time of using a random phase plate and a lens in the system shown in FIG. It is a figure which shows the system used in order to perform the operation
  • Example 1 shows a conventional optical communication system, where (a) shows a case where a single mode fiber is used as a transmission optical waveguide, and (b) shows a case where a multimode fiber is used as a transmission optical waveguide. It is a figure which shows an example of the input method of the multimode signal light in the optical communication system of this invention. It is a figure which shows another example of the input method of the multimode signal light in the optical communication system of this invention. In Example 2, it is a figure which shows LP mode light which is the spatial mode light to record. It is a graph which shows the relationship between the diffracted light of the signal component obtained at the time of mode separation at the time of using LP mode light, and crosstalk.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of the optical communication system according to the present embodiment.
  • spatial mode light emitted from an optical fiber 11 that is a multimode fiber is passed through a random phase plate 12 and a lens 19, and guide light 14 (having the same wavefront as signal light during communication). ) Is generated.
  • the distance of the lens 19 from the optical fiber 11 is adjusted to a position where the guide light 14 is Fourier transformed at the position of the photorefractive medium 13.
  • the optical fiber 11 is not limited to a conventional multimode fiber as long as it is an optical waveguide capable of transmitting optical signals in a plurality of modes.
  • a nick crystal fiber, a multi-core fiber, or the like is also applicable in the present invention as an optical waveguide capable of transmitting a plurality of modes.
  • the guide light generating means does not necessarily have to be emitted from the fiber 11, and a distribution equivalent to the spatial mode emitted from the fiber 11 may be given by a spatial light modulator or the like.
  • the spatial mode light corresponding to the mode number j flowing through the optical fiber 11 is guided light 14 after passing through the random phase plate 12 and the lens 19 (one component constituting the guide light 14).
  • a j represents the intensity of the light beam, and exp ( ⁇ j ⁇ j ) represents the phase distribution of the spatial mode.
  • the random phase plate 12 has a random phase distribution in the cross-sectional direction of the guide light 14, and the phase distribution has a finer spatial change than the phase distribution of the guide light 14.
  • the guide light (and signal light) 14 before entering the random phase plate 12 shows only a spatially slow phase change with respect to the difference in spatial mode
  • the guide light (or signal light) 14 is randomized.
  • the phase distribution can be changed very finely spatially. That is, even with a slight difference in spatial mode, it is possible to greatly improve the accuracy of signal separation by generating guide light 14 (having the same wavefront as signal light) 14 having a significantly different phase distribution.
  • the random phase plate 12 greatly contributes to the performance improvement of the optical communication system.
  • the random phase plate 12 is not an essential configuration, and can operate without the random phase plate 12 depending on the type of optical fiber used. That is, the random phase plate 12 can be omitted if the guide light (or signal light) 14 shows a spatially sufficiently small phase change without passing through the random phase plate 12.
  • the random phase plate 12 and the lens 19 diffuse the intensity distribution in the spatial mode over the entire beam cross section and make it almost uniform.
  • the guide light 14 passes through the photorefractive medium 13 and enters the phase conjugator 17.
  • the amplification factor of the phase conjugator 17 is M
  • the optically amplified phase conjugate wave 18 is A j Mexp (j ⁇ j ) (2) It becomes.
  • the difference in the sign of the phase distribution is due to the property of the phase conjugator 17 (the property of inverting the phase) [Junichi Sakai, “Phase Conjugation Optics”, Asakura Shoten, pages 6-7].
  • This amplified phase conjugate light 18 is used as hologram recording light, and as another light, control light 15 incident at different angles for each spatial mode is used to create a dynamic hologram (content writing) in the photorefractive medium 13.
  • a hologram that can be changed is recorded (see FIG. 2A).
  • the control light 15 is a simple plane wave.
  • the amplitude of the dynamic hologram to be recorded is represented by the intensity of the control light 15 as R j .
  • q j A j R j Mexp (j ⁇ j ) (3)
  • N is the number of spatial mode signals to be multiplexed and is equal to the multiplicity of the hologram.
  • the angle of the object light which is information to be recorded, remains fixed, and multiple recording is performed by changing the angle of light (control light) that determines which multiplexed hologram to reproduce.
  • control light the angle of light that determines which multiplexed hologram to reproduce.
  • the method shown in FIG. 12 or FIG. 13 can be considered as a method for inputting multimode signal light.
  • the signal lights emitted from the lasers 1 to 3 pass through the CGHs 1 to 3, respectively, and become signal lights having different spatial modes.
  • CGHs 1 to 3 are computer-generated Fourier holograms for generating different spatial modes, and Fourier transform images of different spatial modes are recorded on each CGH.
  • the signal light of each spatial mode generated by the CGHs 1 to 3 is superimposed through the reflection / transmission mirrors 20 and 21 and is incident on the lens L1 at the same incident angle.
  • the optical path lengths of the CGHs 1 to 3 and the lens L1 are arranged to have the same length.
  • ⁇ is about 25 ⁇ 5 ⁇ 5 ⁇ 5. It can be realized with a simple optical system that is sufficiently small and uses L1 as a common lens.
  • Diffracted light O generated when the multiplexed signal light of formula (5) is irradiated to the dynamic multiplex hologram of formula (4) is:
  • L is the thickness of the multiplexed hologram, and the coordinate in the thickness direction is z.
  • the observed diffracted light is the total (integrated value) of the components diffracted at any position in the thickness direction in the photorefractive medium 13. Since the change of the amplitude term is moderated by the random phase plate 12 and the lens 19,
  • the diffracted light is very weak. That is, when the signal light incident on the photorefractive medium 13 satisfies the phase matching with the hologram recorded in the photorefractive medium 13, diffracted light in which the diffraction components from the respective holograms are strengthened to each other is obtained (FIG. 2 (b)). On the other hand, when the signal light incident on the photorefractive medium 13 does not satisfy the phase matching with the hologram recorded in the photorefractive medium 13, the diffracted light from each hologram is canceled (FIG. 2). (See (c)).
  • the diffracted light 16 actually observed is
  • Control light R 1, R 2 in the writing of a hologram ..., by using light of different angles to R N, a respective signal components A 1 (t), A 2 (t), ..., A N (t) Is diffracted from the dynamic multi-volume hologram in the photorefractive medium 13 as diffracted light with different angles, and can be separated into signal components of each spatial mode before converting the multiplexed spatial mode signal light into an electrical signal.
  • a multiple hologram for signal separation is recorded in a multiple hologram recording unit (for example, a photorefractive medium).
  • the multiplex hologram is recorded in the multiplex hologram recording unit by irradiating guide light having the same wavefront as the signal light and control light irradiated at different angles for each spatial mode.
  • the control light irradiated at the time of multiplex hologram recording is applied to each spatial mode signal light.
  • the light is separated in each angular direction.
  • the process of writing a dynamic multi-volume hologram using phase conjugate light and the subsequent process of separating the spatial mode multiplexed signal are described separately, but in practice they can be performed simultaneously.
  • the dynamic hologram deteriorates with time due to the separation of the spatial mode multiplexed signal, but by recording the wavefront information of all the spatial mode light in the phase conjugator 17 in advance, the spatial mode multiplexed signal is recorded. It is also possible to rewrite or rewrite the dynamic hologram while performing the above separation (that is, while continuing communication).
  • the photorefractive medium 13 is used as the multiplex hologram recording unit, but the present invention is not limited to this. That is, in the above description, the hologram can be rewritten by using the photorefractive medium 13. However, when the hologram is not rewritten, even a normal hologram medium having no photorefractive property such as a photopolymer can be used. Operation is possible. However, since many media other than the photorefractive medium cannot rewrite the hologram after the hologram is formed, a hologram like a photorefractive medium can be used against temporal variations and distortions in the mode of transmitting an optical fiber. Therefore, it is advantageous to use the photorefractive medium 13 because it is impossible to maintain and continue signal separation by rewriting.
  • the spatial mode flowing through the communication fiber will fluctuate in time, but for this, the dynamic hologram in the photorefractive medium is adapted to the changed spatial mode at a certain time interval.
  • phase conjugator having an amplification function is realized by a technique such as four-wave mixing [Junichi Sakai, “Phase Conjugation Optics”, Asakura Shoten, Chapter 6].
  • this optical amplification only needs to invert the phase distribution of the spatial mode light to increase only the light intensity, and does not require a response of the modulation speed of the signal flowing through the fiber.
  • the phase conjugator 17 greatly contributes to the performance improvement of the optical communication system, but is not an essential configuration.
  • the phase conjugator first, when the medium is not a photorefractive medium but a normal hologram medium, the optical signal separation performance can be improved by shortening the hologram writing time and improving the quality of the hologram to be written. .
  • the medium is a photorefractive medium, in addition to the above, an effect of preventing deterioration of the hologram due to irradiation of the optical signal to the formed multiple hologram can be obtained.
  • the optical communication system of the present invention has the following features.
  • A) This technology realizes a spatial mode all-optical separation technology that is necessary for transmitting independent signals independent of a plurality of spatial modes flowing in an optical fiber. There is no limit to the number of spatial modes that can be separated, which contributes to a dramatic improvement in communication capacity.
  • B) This technology is effective in separating not only the polarization mode but also all spatial modes in the optical waveguide as an optical signal, and is a method for separating multiplexed signals after performing photoelectric conversion. Compared to speed and accuracy, it has a significant advantage.
  • C) A conventional multimode fiber can be used for the optical transmission line used in the present technology.
  • Multi-mode fibers are cheaper than single-mode fibers used in many current optical communication systems, and connections between fibers are easy.
  • the waveguide is not limited to a multimode fiber as long as it is a waveguide that transmits a plurality of spatial modes, and various optical waveguides including the latest photonic crystal waveguide can be used.
  • D) By using a photorefractive medium as a dynamic multi-volume hologram recording unit, even if the mode flowing in the fiber fluctuates with time, the hologram is rewritten in response to the mode fluctuation (dynamic reconstruction function). It becomes possible.
  • a general photosensitive material can be used as the hologram recording medium, but the hologram formed in that case is static (fixed) and does not correspond to the variation of the spatial mode of the optical fiber.
  • the beam divergence angle ⁇ 0 is
  • FIG. 4B shows the phase distribution of each spatial mode derived from the above.
  • Table 1 shows other parameters used in the analysis, and Table 2 shows physical parameters.
  • the analysis model is shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b).
  • FIG. 5A is an analysis model of the hologram recording process
  • FIG. 5B is an analysis model of the spatial mode separation process.
  • FIG. 6 shows a simulation result when the random phase plate and the lens are omitted in the system shown in FIG. 3, and FIG. 7 shows a simulation result when the random phase plate and the lens are used.
  • the hologram to be recorded passes through the random phase plate and is recorded on the Fourier plane in the medium through the lens. Thereby, the intensity surface of the spatial mode is made constant, and the control ratio of the phase surface is increased.
  • the random phase plate used is 128 ⁇ 128 pixels, the pixel size is 40 ⁇ 40 ( ⁇ m), and the [0, ⁇ ] phase.
  • FIGS. 6 and 7 show the intensity of diffracted light to each angle component when signal information including all spatial modes is incident on the medium after recording each spatial mode information on the hologram recording medium. It is. Comparing FIGS. 6 and 7, it can be seen that the spatial mode separation is clearly not performed in the system to which the random phase plate and the lens are not applied in the separation of the spatial modes. On the other hand, in the system using the random phase plate and the lens, it can be seen that the required spatial mode diffracted light is sufficient for the mode information (crosstalk) that is not required (about 90%). Ensuring separation degree).
  • the diffraction efficiency itself at this time is about 0.048%, which is improved by increasing the thickness of the medium and increasing the intensity of the phase conjugate light for writing the hologram in the system of FIG.
  • This numerical simulation approach is a very effective technique for separating overlapping spatial modes.
  • FIG. 8 shows an experimental system used in this operation experiment.
  • dynamic multi-volume hologram recording was performed using guide light and control light, without using a phase conjugator mounted in an actual system. Due to the multiple hologram formed in the photorefractive crystal, the signal light including the spatial mode is emitted as the diffracted light from the opposite end surface of the recording medium on which the control light is incident. The separation of each spatial mode was confirmed by observing the diffracted light component at each angle.
  • the spatial modes to be recorded are those shown in FIG. 4 by a spatial light modulator (SLM), and by adjusting the polarizer and the analyzer, spatial modes having different radii of curvature are generated.
  • SLM spatial light modulator
  • the phase distribution shown in FIG. 9 is given as three spatial modes A, B, and C.
  • FIG. 10 shows a plot of the diffracted light intensity at each angle component. It can be seen that the diffracted light component necessary for spatial mode separation is strong (achieving a degree of separation of about 70%). The diffraction efficiency in this result was 3.67%.
  • Example 2 Although the actual spatial mode propagating through the fiber varies depending on the type and shape of the fiber used, it is known that the most standard spatial mode propagating through the multimode fiber is the LP mode. Details of the LP mode are described in “Bahaa EA Saleh, Malvin Carl Teich,“ Fundamentals of Photonics ”, Chapter 8 (Fiber Optics), John Wiley & Sons, Inc. 1991”.
  • the LP 01 , LP 11 , LP 21 , LP 52 , and LP 93 modes shown in FIG. 14 were used.
  • the distribution of each spatial mode was given with an accuracy of vertical ⁇ horizontal 100 ⁇ 130 pixels in the SLM.
  • three spatial modes LP 01 , LP 11 , LP 21 which are combinations of spatial modes with relatively high similarity, were recorded in multiples to measure the signal separation.
  • three spatial modes LP 01 , LP 52 , and LP 93 which are combinations of spatial modes with relatively low similarity, were recorded in multiples to measure the signal separation.
  • FIG. 15 shows the relationship between the diffracted light of the signal component obtained at the time of mode separation and the crosstalk. From this result, it can be seen that a higher separation rate is realized when LP modes with low similarity are multiplexed. The diffraction efficiency in this experiment was about 1.8%. In this experiment, a random phase plate is not used, and using this may improve the separation rate.
  • the optical communication system of the present invention includes an optical fiber that transmits signal light having a plurality of spatial modes, a multiple hologram recording unit in which holograms are multiplexed and recorded corresponding to each spatial mode of the signal light, and The signal light emitted from the end of the optical fiber is collected, and the control light applied to the multiple hologram recording unit is irradiated at a different angle for each spatial mode with the lens incident on the multiple hologram recording unit
  • An optical communication system that performs communication comprising a control light irradiation unit, wherein the multiple hologram recording unit irradiates guide light having the same wavefront as the signal light and the control light during multiple hologram recording Multiple holograms are recorded, and multiplexed signals that are input to the multiple hologram recording unit when the signal light is separated by the multiple hologram recording unit.
  • the signal light of each spatial mode is separated at the path of the control light irradiation unit in each of the irradiation direction of the control light.
  • the present invention provides an optical fiber that transmits signal light having a plurality of spatial modes, a multiple hologram recording unit in which holograms are multiplexed and recorded corresponding to each spatial mode of the signal light, and emitted from the end of the optical fiber.
  • the control light irradiating unit for condensing the signal light to be incident on the multiplex hologram recording unit and irradiating the multiple hologram recording unit with the control light applied at different angles for each spatial mode.
  • An optical communication system that performs communication using a multiple hologram recording unit in which a hologram is written by irradiating guide light having the same wavefront as signal light having a certain spatial mode and the control light, and for each spatial mode Multiple holograms are recorded by the control light irradiating unit that irradiates the control light applied to the multiple hologram recording unit at different angles.
  • the guide light having the same wavefront as the signal light having a certain spatial mode and the control light are irradiated and input to the recording unit of the multiple hologram
  • the multiplexed signal light in each spatial mode is separated along the path of the control light irradiation unit in the respective irradiation directions of the control light.
  • the present invention provides an optical fiber that transmits signal light having a plurality of spatial modes, a multiple hologram recording unit in which holograms are multiplexed and recorded corresponding to each spatial mode of the signal light, and emitted from the end of the optical fiber.
  • the control light irradiating unit for condensing the signal light to be applied and irradiating the multiplex hologram recording unit with the lens incident on the multiple hologram recording unit and at an angle different for each spatial mode;
  • a phase conjugator that amplifies the light that has passed through the multiple hologram recording unit and returns the amplified light to the multiple hologram recording unit.
  • An optical communication system that performs communication, wherein the phase has the same wavefront as signal light having a certain spatial mode
  • the multi-angle recording is performed at different angles for each spatial mode.
  • the direction is separated from the direction by the path of the control light irradiation unit.
  • the multiplex hologram recording unit records the multiplex hologram by irradiating the guide light having the same wavefront as the signal light and the control light irradiated at different angles for each spatial mode at the time of multiplex hologram recording. Yes.
  • the signal light of each spatial mode multiplexed to the multiplex hologram recording unit is input, the signal light of each spatial mode is separated in each angular direction of the control light irradiated at the time of multiplex hologram recording. That is, the optical signal emitted from the optical fiber is in a state where optical signals in a plurality of spatial modes are mixed, but it can be separated into each mode as it is.
  • a random phase plate is arranged on the signal light incident side in the multiple hologram recording unit.
  • the signal light before entering the random phase plate shows only a spatially slow phase change with respect to the difference in the spatial mode
  • the signal light is allowed to pass through the random phase plate.
  • the phase distribution can be changed very finely spatially. In other words, even if there is a slight difference in spatial mode, the signal separation accuracy can be greatly improved by generating signal light having a significantly different phase distribution.
  • the optical communication system preferably includes a phase conjugator that amplifies the light that has passed through the multiple hologram recording unit and returns the amplified light to the multiple hologram recording unit.
  • the signal separation hologram is generated by irradiating the control light with the guide light having the same wavefront as the signal light having a certain spatial mode.
  • the phase conjugator it is possible to improve the optical signal separation performance by shortening the hologram writing time and improving the quality of the hologram to be written.
  • the hologram medium is a photorefractive medium, in addition to the above, an effect of preventing the deterioration of the hologram due to the irradiation of the optical signal to the formed multiple hologram can be obtained.
  • the multiple hologram recording unit is preferably a photorefractive medium.
  • a dynamic hologram (rewritable hologram) can be easily formed in the multiple hologram recording unit by using a photorefractive medium in the multiple hologram recording unit. This makes it possible to dynamically rewrite holograms even when the spatial mode transmitted through the optical fiber fluctuates in time or is distorted by the external environment (such as fiber bending or temperature change). Thus, communication can be maintained and continued.

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Abstract

　マルチモードファイバである光ファイバ(11)から出射した空間モード光をフォトリフラクティブ媒質(13)に通過させる。フォトリフラクティブ媒質(13)には、ある空間モードを有する信号光と同じ波面を有するガイド光と、上記制御光とを照射することで信号分離用のホログラムが書き込まれ、空間モード毎に入射角度の異なる制御光をもちいることでホログラムが多重記録されている。信号分離時には、フォトリフラクティブ媒質(13)にある角度の制御光(15)を照射することで、その制御光(15)の入射角度に対応する空間モードの信号光の分離を行う。

Description

光通信システム
　本発明は、伝送用光導波路として複数の空間モードの信号光を伝送できる光ファイバ（マルチモードファイバ等）を用いた光通信システムに関する。
　現在の光通信、とくに高速大容量の光通信システムでは、伝送用光導波路としてシングルモードファイバが用いられている。その主要な理由は、マルチモードファイバでは１本の光ファイバ中を複数のモードが伝搬し、各々のモードで伝搬遅延時間が異なるため、いわゆるモード分散効果により、信号である入力パルスが出力端において広がってしまう問題があるためである（図１１（ｂ）参照）。シングルモードファイバを用いることでファイバ中を伝搬する空間モードは一つに制限され、モード分散は原理的に生じない（図１１（ａ）参照）。従って、シングルモードファイバでは、非常に短いパルス光を遠方まで波形の劣化なく伝送することが可能になり、高速大容量な通信が実現される。
　現代のＩＴ社会を支えている光ファイバ通信網は、シングルモード伝送を用いることで１本のファイバあたりＴｂ／ｓの通信容量を実現している。これは、複数の波長の信号を１本のファイバで伝送するＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）伝送技術によって達成されている。しかし、（波長あたり１００Ｇｂ／ｓ程度の信号）×（波長多重数１００個）＝１０Ｔｂ／ｓ程度がこの方式の技術的限界とされ、通信需要の伸びを考えると近い将来に基幹通信網が飽和する可能性が示唆されている。
　このような状況に対し、最近、ＷＤＭにおける通信容量の限界を打破することを目的とした以下の研究が進められている。
　非特許文献１では、主に無線通信の分野で実用化されてきたＭＩＭＯ（Multiple Input, Multiple Output）処理技術を用いて波長あたりの伝送容量を拡大する方策により、偏波多重（偏波ごとに独立した信号を変復調）を用いて通信容量を２倍化することに成功している。
　また、非特許文献２においては、マルチモードファイバを用いたモード分割多重通信の提案もなされている。
「光ＯＦＤＭ　伝送用ＭＩＭＯ　処理技術の開発」、(http://www.kddilabs.jp/press/img/75_1.pdf) H.R.Stuart, "Dispersive Multiplexing in Multimode Optical Fiber", SCIENCE, 289, pp.281-283(2000)
　しかし、非特許文献１では、偏波モードは縦と横の２つの自由度しかないため、偏波多重方式では原理的に多重度＝２に制限されてしまう。
　また、非特許文献２では、ファイバの出射側で、空間的に複数の検出器を配置し、各々の検出器からの光検波信号に対して電気的処理を行うことによって、モード分割多重信号の復調を行っている。この方式では、光の空間位相情報を用いることができないため精度が低いことと、モード分割多重信号の復調には複雑な電気処理が必要であるため実用的な処理速度は得られていない。
　以上を踏まえ、モード分割伝送を偏波だけでなく、ファイバ中を伝送するすべての空間モードに拡張し、すなわち、異なる空間モードに対して、異なるデータ（情報）を伝送することを実現するためには、ファイバ出射端においてはすべての空間モードの情報が混ざり合った状態にある光信号を、電気信号に変換する以前の段階で、独立した空間モードの光信号に分離する技術が必要である。また、光信号の分離においては、光ファイバを伝送される空間モードが外部の環境（ファイバの曲がりや温度変化など）によって、時間的に変動したり歪を受けることに対応する技術が必要である。
　本発明は、多重化された空間モードから特定の空間モードを光のまま分離できる全光学的デマルチプレクス技術を確立・提供するものである。
　上記の課題を解決するために、本発明は、複数の空間モードを有する信号光を伝送する光ファイバと、前記信号光の各空間モードに対応してホログラムが多重記録された多重ホログラム記録部と、前記光ファイバ端から出射される前記信号光を集光して、前記多重ホログラム記録部へ入射するレンズと各空間モード毎に異なる角度で前記多重ホログラム記録部に照射される制御光を照射する制御光照射部と、からなる通信を行う光通信システムであって、前記多重ホログラム記録部は、多重ホログラム記録時に、前記信号光と同じ波面を有するガイド光と前記制御光とを照射することによって多重ホログラムが記録されるものであり、前記多重ホログラム記録部による信号光の分離時に前記多重ホログラムの記録部に入力される多重化された各空間モードの信号光は、制御光のそれぞれの照射方向に前記制御光照射部の経路で分離されることを特徴としている。
　あるいは、本発明は、複数の空間モードを有する信号光を伝送する光ファイバと、前記信号光の各空間モードに対応してホログラムが多重記録された多重ホログラム記録部と、前記光ファイバ端から出射される前記信号光を集光して、前記多重ホログラム記録部へ入射するレンズと各空間モード毎に異なる角度で前記多重ホログラム記録部に照射される制御光を照射する制御光照射部と、からなる通信を行う光通信システムであって、ある空間モードを有する信号光と同じ波面を有するガイド光と前記制御光とを照射することでホログラムが書き込まれる多重ホログラム記録部を用い、各空間モード毎に異なる角度で前記多重ホログラム記録部に照射される制御光を照射する制御光照射部によってホログラムを多重記録させてから、信号通信時において、前記多重ホログラム記録部による信号光を分離する時に、ある空間モードを有する信号光と同じ波面を有するガイド光と前記制御光とを照射させて、前記多重ホログラムの記録部に入力される多重化された各空間モードの信号光を、制御光のそれぞれの照射方向に前記制御光照射部の経路で分離させたことを特徴としている。
　あるいは、本発明は、複数の空間モードを有する信号光を伝送する光ファイバと、前記信号光の各空間モードに対応してホログラムが多重記録された多重ホログラム記録部と、前記光ファイバ端から出射される前記信号光を集光して、前記多重ホログラム記録部へ入射するレンズと各空間モード毎に異なる角度で前記多重ホログラム記録部に照射される制御光を照射する制御光照射部と、前記多重ホログラム記録部を通過した光を増幅して上記多重ホログラム記録部へ戻す位相共役器と、からなる通信を行う光通信システムであって、ある空間モードを有する信号光と同じ波面を有する前記位相共役器からの光と前記制御光とを照射することでホログラムが書き込まれる多重ホログラム記録部を用い、各空間モード毎に異なる角度で前記多重ホログラム記録部に照射される制御光を照射する制御光照射部によってホログラムを多重記録させてから、信号通信時において、前記多重ホログラム記録部による信号光を分離する時に、ある空間モードを有する信号光と同じ波面を有する前記位相共役器からの光と前記制御光とを照射させて、前記多重ホログラムの記録部に入力される多重化された各空間モードの信号光を、制御光のそれぞれの照射方向と反対方向に前記制御光照射部の経路で分離させたことを特徴としている。
　上記の構成によれば、前記多重ホログラム記録部は、多重ホログラム記録時に、信号光と同じ波面を有するガイド光と、空間モード毎に異なる角度で照射される制御光とを照射することによって多重ホログラムが記録されている。前記多重ホログラム記録部に多重化された各空間モードの信号光が入力されると、各空間モードの信号光は、多重ホログラム記録時に照射された制御光のそれぞれの角度方向に分離される。すなわち、光ファイバから出射した光信号は、複数の空間モードの光信号が混ざり合った状態になっているが、これを光のまま、各々のモードに分離することが可能となる。
　本発明では、ファイバ中の多くの空間モードを組み合わせてデータの送受信を行うことにより、ファイバあたりの通信容量をさらに飛躍的に向上するモード分割多重通信技術の確立を狙っている。
　従来のマルチモードファイバを用いた光通信では、ファイバを伝搬するモードを区別せず、すべてのモードに対して同一のデータを変調し、出力端ではすべてのモード光を同一の光検出器で検波していた。このため、前述したモード分散を免れることができず高速通信には適していなかった。これに対し、本発明では、マルチモードファイバを伝搬する各々のモードに独立したデータを変調し、出力端ではモード毎に分離を行って独立した光検出器で信号を検波する。この方法だと、一つのデータは、マルチモードファイバ中の一つのモードに変復調されるので、前述したモード分散の問題が生じない。理論的な通信容量は、（単一モードファイバの伝送速度の限界）×（マルチモードファイバのモード数）となり、１０倍から１００倍程度の通信容量の拡大が見込まれる。
　本発明で提案する全光学的デマルチプレクス技術においては、光ファイバから出射した光信号は、複数の空間モードの光信号が混ざり合った状態になっているが、これを光のまま、各々のモードに分離することを可能にする。光ファイバ中を伝送する複数の空間モードに独立した信号を変調した場合でも、モード毎に分離された光信号は従来の光検出器で容易に電気信号に変換することが可能である。従って、この技術は１本のファイバを数１０本～数１００本のファイバとして用いることのできる技術と言える。各々の空間モードに対して、波長多重された光信号を伝送可能であるから、現状のＷＤＭ技術と高い互換性を維持した上で、通信容量の拡大を実現することが可能になる。
本発明の一実施形態を示すものであり、光通信システムの概略構成を示す図である。 （ａ）は上記光通信システムにおける記録時の動作を示す図であり、（ｂ），（ｃ）は上記光通信システムにおける信号分離時の動作を示す図である。 本発明の光通信システムのシミュレーションを行うにために用いた系を示す図である。 （ａ）は上記シミュレーションを行うにために用いた空間的に重なり合った空間モードＡ，Ｂ，Ｃを示す図であり、（ｂ）は上記シミュレーションより導出した各空間モードＡ，Ｂ，Ｃの位相分布を示す図である。 上記シミュレーションの解析モデルであり、（ａ）はホログラム記録過程の解析モデルであり、（ｂ）は空間モード分離過程の解析モデルである。 図３に示した系においてランダム位相板およびレンズを省略した場合のシミュレーション結果を示すグラフである。 図３に示した系においてランダム位相板およびレンズを用いた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の光通信システムの動作実験を行うにために用いた系を示す図である。 上記動作実験を行うにために用いた３つの空間モードＡ，Ｂ，Ｃの位相分布を示す図である。 上記動作実験によって得られた各角度成分における回折光強度を示すグラフである。 従来の光通信システムを示すものであり、（ａ）は伝送用光導波路としてシングルモードファイバを用いた場合、（ｂ）は伝送用光導波路としてマルチモードファイバを用いた場合を示す図である。 本発明の光通信システムにおける多モードの信号光の入力方法の一例を示す図である。 本発明の光通信システムにおける多モードの信号光の入力方法の他の一例を示す図である。 実施例２において、記録する空間モード光であるＬＰモード光を示す図である。 ＬＰモード光を用いた場合のモード分離時に得られた信号成分の回折光とクロストークの関係を示すグラフである。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。先ずは、本実施の形態に係る光通信システムの概略構成を図１に示す。
　図１の光通信システムにおいては、マルチモードファイバである光ファイバ１１から出射した空間モード光をランダム位相板１２とレンズ１９とに通過させ、ガイド光１４(通信時における信号光と同じ波面を有する)を生成する。光ファイバ１１からのレンズ１９の距離は、ガイド光１４がフォトリフラクティブ媒質１３の位置でフーリエ変換される位置に調整する。
　尚、本発明において、光ファイバ１１は、複数のモードで光信号を伝送できる光導波路であれば、従来からのマルチモードファイバに限定されるものではなく、最近、開発の進められている、フォトニック結晶ファイバやマルチコアファイバ等も、複数のモードを伝送できる光導波路として、本発明において適用可能である。また、ガイド光の生成手段は、必ずしもファイバ１１から出射したものでなくても良く、ファイバ１１から出射した空間モードと等価な分布を空間光変調器などで与えても良い。
　ここで、光ファイバ１１を流れるモード番号ｊに対する空間モード光が、ランダム位相板１２とレンズ１９とを透過した後のガイド光１４（を構成する一つの成分）を、
　　Ａｊｅｘｐ（－ｊφｊ）　　　…(1)
と表す。Ａｊは光ビームの強度を表わし、ｅｘｐ（－ｊφｊ）は空間モードの位相分布を表わす。
　ここでランダム位相板１２はガイド光１４の断面方向にランダムな位相分布を持ち、その位相分布はガイド光１４の位相分布よりも空間的に細かな変化を有するものである。ランダム位相板１２に入射する前のガイド光（信号光も同様）１４が、空間モードの相違に対して空間的にゆっくりとした位相変化しか示さない場合、ガイド光（または信号光）１４をランダム位相板１２に通過させることで、位相分布を空間的に非常に細かく変化させることができる。つまり、空間モードのわずかな相違でも、大幅に位相分布の異なるガイド光（信号光と同じ波面を有する）１４を生成することによって、信号分離の精度を大幅に高めることが可能になる。
　尚、本発明において、ランダム位相板１２は、光通信システムの性能向上に大きく寄与するが必須の構成ではなく、用いる光ファイバの種類によってはランダム位相板１２が無くても動作可能である。すなわち、ガイド光（または信号光）１４が、ランダム位相板１２を通過させなくても空間的に十分に細かい位相変化を示す場合には、ランダム位相板１２は省略可能である。
　また、ランダム位相板１２とレンズ１９によって、空間モードによる強度分布はビーム断面全体に拡散し、ほぼ均一化される。このガイド光１４がフォトリフラクティブ媒質１３を通過し、位相共役器１７に入射する。位相共役器１７の増幅率をＭとすると、光増幅された位相共役波１８は、
　　ＡｊＭｅｘｐ（ｊφｊ）　　　…(2)
となる。位相分布の符号が異なるのは、位相共役器１７の性質（位相を反転する性質）によるものである［左貝潤一著、「位相共役光学」、朝倉書店、６～７頁］。
　この増幅された位相共役光１８をホログラム記録光として用い、もう１つの光として、空間モード毎に異なる角度で入射する制御光１５を用いて、フォトリフラクティブ媒質１３中に動的ホログラム（内容の書き替えが可能なホログラム）を記録する（図２（ａ）参照）。（フォトリフラクティブ効果については、「Pochi Yeh著、富田康生、北山研一　訳、「フォトリフラクティブ非線形光学」、丸善］）。本方式において、制御光１５は単なる平面波である。
　記録される動的ホログラムの振幅は、制御光１５の強度をＲｊとして表すと、
　　ｑｊ＝ＡｊＲｊＭｅｘｐ（ｊφｊ）　　　…(3)
に比例したものになる。実際には、通信用ファイバを流れる光電力は微弱であり、ホログラムの書き込みに十分な光強度が得られない場合が想定されるが、位相共役器１７による増幅効果によってこの問題点は解決される。また、ガイド光１４によってフォトリフラクティブ媒質１３に動的ホログラムを書き込む際には一定時間通信が遮断されるが、その時間を短縮するためにも動的ホログラムの書き込み光の増強は効果的である。さらに、フォトリフラクティブ媒質１３の前後から空間モード情報を有するガイド光１４を照射することで、媒質内に空間的に均一なホログラムを記録でき、回折効率の向上が見込まれる。
　同様の動的ホログラム記録動作を、モード番号ｊ＝１，２，…，Ｎに対して、入射角度の異なる制御光１５を用いて行うと、多重化された動的ホログラムの振幅Ｑは
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 となる。ここで、Ｎは多重化する空間モード信号の数であり、ホログラムの多重度に等しい。
　従来の角度多重技術では、記録する情報である物体光の角度は固定したままで、多重化されたどのホログラムを再生するのかを決定する光（制御光）の角度を変化させて多重記録を行う［志村努監修「ホログラフィックメモリのシステムと材料」第２章、ＣＭＣ出版］。従って、再生時には、すべての物体光は同じ方向に生じることになる。それに対し、本方式では、どのホログラムを再生するのかを決定する光（本方式においては位相共役光１８）の入射角度は固定したままで、従来の物体光に相当する光（本方式における制御光１５）の角度を変化させて多重記録を行う。
　尚、本発明において、多モードの信号光の入力方法としては、例えば、図１２または図１３に示す方法が考えられる。図１２に示す方法では、レーザ１～３から出射される信号光は、それぞれ、ＣＧＨ１～３を通過することで異なる空間モードを有する信号光となる。ここで、ＣＧＨ１～３は、異なる空間モードを生成するためのコンピュータ生成フーリエホログラムであり、各ＣＧＨには異なる空間モードのフーリエ変換像が各々記録されている。ＣＧＨ１～３によって生成される各空間モードの信号光は、反射／透過ミラー２０・２１を介して重ね合わされ、レンズＬ１に対して同じ入射角度で入射される。この時、ＣＧＨ１～３とレンズＬ１との光路長は同じ長さとなるように配置される。尚、図１２に示したものと類似の方法によって、１つの空間モードを励起することが「F. Dubois, Ph. Emplit, and O. Hugon, “Selective mode excitation in graded-index multimode fiber by a computer-generated optical mask”, Optics Letters, Vol.19, No. 7, pp, 433-435(1994)」の文献に開示されている。上記文献では、多重化は行われていないが、マルチモードファイバにおいて特定のモードを励起することが可能であることが示されている。
　また、図１３に示す方法では、独立したＣＧＨ１～３を３枚並べているが、実際には一枚のＣＧＨの中に回折角の異なる複数のホログラム領域を作成することで、角度ずれΘを大幅に小さくすることが可能であり、ファイバへの斜め入射による空間モードの歪みや結合損失を低減できる。また、多重化は紙面の前後方向にも二次元的に行うことができるので、大多重度に対応できる。図１３における３枚のレンズからなるレンズＬ１の焦点距離は光路長に合わせて設定する必要があるが、前記したＣＧＨの一体化により、Θが近軸領域であれば、レンズＬ１も１枚で済ませることができる（図１３に図示されているレンズＬ３も不要）。図１３の例では、ＣＧＨがｄ＝３ｍｍの一体化されたＣＧＨであり、ＣＧＨとレンズＬ１との光路長ｆ１がｆ１＝２０ｍｍ程度とすると、縦横５×５の２５多重程度であればΘは十分に小さく、Ｌ１を共通のレンズとした簡易な光学系で実現できる。
　また、従来は上記物体光に記録する情報を載せているが、本方式では制御光１５において何ら情報を載せることはなく、単なる平面波で良い。本方式では、信号の進む方向が、信号自身の持つ空間位相情報によって変化するような回折格子をフォトリフラクティブ媒質１３中に形成することを目的としている。このようにして作成した動的多重ホログラムに対して、空間モードで多重化された信号光Ｓを入射する。信号光Ｓは、下記(5)式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ここで、各々の空間モードに変調される信号はＡｉ（ｔ）ｅｘｐ（－ｊφｉ）であり、等しいモード番号ｉ＝ｊにおいて(1)式のガイド光と同じ空間位相分布を有している。(4)式の動的多重ホログラムに対して(5)式の多重化された信号光を照射した場合に生ずる回折光Ｏは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 に比例する。ここでＬは多重ホログラムの厚さであり、この厚さ方向の座標をｚとしている。観測される回折光は、フォトリフラクティブ媒質１３内で厚さ方向のいずれかの位置で回折される成分の合計（積分値）になる。ランダム位相板１２とレンズ１９とによって振幅項の変化は緩やかとなるため、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 と近似できる。上式の積分値は、ホログラムの厚さＬが十分に大きい場合、図２に示す体積ホログラム中（厚さが十分大きくないと効果を発揮できないため、以降は体積ホログラムと呼ぶ）での位相整合の特性によって、
　　φｉ＝φｊ　すなわち　ｉ＝ｊ　　　…(8)
において非常に大きな値となり、これを満たさない場合の回折光は微弱となる。すなわち、フォトリフラクティブ媒質１３に入射する信号光がフォトリフラクティブ媒質１３中に記録されたホログラムとの位相整合を満たす場合には、各ホログラムからの回折成分が互いに強めあった回折光が得られる（図２（ｂ）参照）。一方、フォトリフラクティブ媒質１３に入射する信号光がフォトリフラクティブ媒質１３中に記録されたホログラムとの位相整合を満たさない場合には、各ホログラムからの回折成分が打ち消しあった回折光となる（図２（ｃ）参照）。
　実際に観測される回折光１６は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 となり、動的多重体積ホログラム記録時に用いた制御光１５と反対の方向に生じる。ホログラムの書き込みにおいて制御光Ｒ１，Ｒ２，…，ＲＮに角度の異なる光を用いることによって、各信号成分であるＡ１（ｔ），Ａ２（ｔ），…，ＡＮ（ｔ）は各々角度の異なる回折光としてフォトリフラクティブ媒質１３中の動的多重体積ホログラムから回折し、多重化された空間モード信号光を電気信号に変換する前に、各空間モードの信号成分に分離できることになる。
　すなわち、本発明の光通信システムでは、多重ホログラム記録部（例えば、フォトリフラクティブ媒質）に信号分離用の多重ホログラムを記録しておく。この、多重ホログラムは、信号光と同じ波面を有するガイド光と、空間モード毎に異なる角度で照射される制御光とを照射することによって多重ホログラム記録部に記録される。
　そして、上記のように多重ホログラムが記録された多重ホログラム記録部に、多重化された各空間モードの信号光が入力されると、各空間モードの信号光は、多重ホログラム記録時に照射された制御光のそれぞれの角度方向に分離される。信号の分離を行う際には、制御光の照射は基本的には無くてもよいが、制御光もしくは制御光と位相共役光を入射することで、信号分離性能の維持・向上を行うことも期待できる。
　ここまでの説明では、位相共役光による動的多重体積ホログラムの書き込みと、その後の空間モード多重信号の分離のプロセスを分けて説明したが、実際には同時に行うことも可能である。例えば、空間モード多重信号の分離によって時間とともに動的ホログラムが劣化することが想定されるが、あらかじめすべての空間モード光の波面情報を位相共役器１７に記録しておくことで、空間モード多重信号の分離を行いながら（すなわち通信を継続したままで）、動的ホログラムの再書き込みや書き換えを行うことも可能である。
　また、上記説明においては、多重ホログラム記録部としてフォトリフラクティブ媒質１３を用いているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、上記説明では、フォトリフラクティブ媒質１３を用いることでホログラムの書き換えを可能としているが、ホログラムの書き換えを行わない場合には、フォトポリマーなどのフォトリフラクティブ性のない通常のホログラム媒質であっても動作は可能である。ただし、フォトリフラクティブ媒質以外の多くの媒質は、ホログラム形成後のホログラムの書き換えが不可能であるため、光ファイバを伝送するモードの時間的な変動や歪に対して、フォトリフラクティブ媒質のようにホログラムを書き換えることで信号の分離を維持・継続することができないといった欠点があるため、フォトリフラクティブ媒質１３を用いることが有利となる。
　また、通信用ファイバを流れる空間モードは時間的に変動することも予測されるが、これに対しては、ある程度の時間間隔で、フォトリフラクティブ媒質中の動的ホログラムを変化した空間モードに適合するように再構築すれば良い。そのためには、(1)～(9)式の動作を繰り返し行う必要があるが、位相共役器に蓄積されていない新しい空間モード情報に基づいてホログラムを書き込む際には一定時間通信が遮断されるため、その時間を短縮するためにも位相共役器によるガイド光の増強が効果的である（ホログラム記録に要する時間は、記録光の強度が大きいほど短くできる）。
　ここで増幅機能を有する位相共役器は、４光波混合等の技術によって実現される［左貝潤一著、「位相共役光学」、朝倉書店、第６章］。また、この光増幅は空間モード光の位相分布を反転させて光強度のみを大きくするだけでよく、ファイバを流れる信号の変調速度のレスポンスが要求されるわけではないので、現存の技術で容易に実現できる利点がある。
　尚、本発明において、位相共役器１７は、光通信システムの性能向上に大きく寄与するが必須の構成ではない。位相共役器の効果としては、まず、媒質が、フォトリフラクティブ媒質ではなく通常のホログラム媒質の場合には、ホログラム書き込み時間の短縮と書き込まれるホログラムの品質の向上による光信号分離性能の向上が得られる。次に、媒質がフォトリフラクティブ媒質の場合には、前記に加えて、形成後の多重ホログラムへの光信号の照射によるホログラムの劣化を防止する効果が得られる。
　以上説明したように、本発明の光通信システムは以下の特徴を有する。
A) 本技術は、光ファイバ中を流れる複数の空間モードに独立した別々の信号を伝送するために必要となる、空間モードの全光学的分離技術を実現するものである。分離できる空間モードの数に制限はなく、通信容量の飛躍的な向上に寄与するものである。
B) 本技術は、偏波モードだけでなく、光導波路におけるあらゆる空間モードを光信号のまま分離することに有効であり、光電気変換を行ってから多重化された信号の分離を行う方式に比べて、速度や精度の面で大きな優位性がある。
C) 本技術に用いる光伝送路は、従来型のマルチモードファイバを用いることができる。マルチモードファイバは、現在の多くの光通信システムに用いられるシングルモードファイバに比べると安価であり、ファイバ間の接続も容易である。また、複数の空間モードを伝送する導波路であれば、マルチモードファイバに限定されるものではなく、最新のフォトニック結晶導波路を含む様々な光導波路を用いることができる。
D) 動的多重体積ホログラム記録部としてフォトリフラクティブ媒質を用いることで、ファイバ中を流れるモードが時間的に変動した場合にも、モードの変動に対応してホログラムを書き換える（動的再構成機能）ことが可能になる。ホログラム記録媒質としては一般的な感光材料を用いることができるが、その場合に形成されるホログラムは静的（固定的）であり、光ファイバの空間モードの変動に対応しない。
E) 空間モード多重信号の分離によって時間とともに動的ホログラムが劣化することが想定されるが、あらかじめすべての空間モード光の波面情報を位相共役器に記録しておくことで、空間モード多重信号の分離を行いながら（すなわち通信を継続したままで）、動的ホログラムの再書き込みや書き換えを行うことも可能である。
F) 動的ホログラムの記録・書き換えにおいて、特定の空間モードと制御光の入射角度の組み合わせを変更することで、どの空間モードの光信号がどの出力ポートに接続されるかを、必要に応じて切り替えることができるルータの機能を付加することが可能である。
G) 増幅を伴った位相共役器を用いることで、空間的に均一でホログラム振幅の大きな動的多重体積ホログラムの形成が可能であり、モードの分離を正確に行うためのホログラム書き込み速度の向上と、分離された回折信号光の強度を改善することができる。また、前記D)におけるホログラムを書き換え速度の向上により、モードの変動に対応したホログラムの書き換えに伴う光信号の遮断を短縮することができる。
　〔実施例１〕
　(1) 数値シミュレーション
　本シミュレーションを行うにために用いた解析手法として、高速フーリエ変換ビーム伝搬法（ＦＦＴ－ＢＰＭ）［L. Thylen, Opt. Quant. Elect. 15, pp. 433 - 439 (1990)］を用いた。
　まず、図３に示す系を用い、図４（ａ）に示すような空間的に重なり合った空間モードＡ，Ｂ，Ｃを想定し３多重された光を分離する場合のシミュレーションを行った。尚、空間モードＡ，Ｂ，Ｃに対して、制御光の記録媒質への入射角θをそれぞれ６°，８°，１０°としてホログラムを多重記録し、各空間モードのファイバ出射端における出射角の違いから生じる曲率半径の違いをガウスビームの複素振幅項により表現し、それぞれ８．７×１０－５，８．６×１０－５，８．５×１０－５（ｍ）と仮定した。具体的には各空間モードの位相項は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 とした。ここで、波長をλ、伝搬座標ｚとすると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 であり、これに対するビームの広がり角θ０は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 により決まる。仮に直径５０μｍ、ＮＡ０．２２のマルチモードファイバを想定するとファイバ内での伝搬許容角θは、３．９°≦θ≦８．７°となる。これを踏まえ、今回のシミュレーションにおいては、モードＡが３．９００°、モードＢ，Ｃはそれぞれ３．９０３°，３．９０６°の角度でファイバから出射したと仮定した。以上より導出した各空間モードの位相分布を図４（ｂ）に示す。解析に用いた他のパラメータについては表１に、物理的なパラメータを表２に示す。また解析モデルについては図５（ａ），（ｂ）に示す。図５（ａ）はホログラム記録過程の解析モデルであり、図５（ｂ）は空間モード分離過程の解析モデルである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
 　図３に示した系においてランダム位相板およびレンズを省略した場合のシミュレーション結果を図６に示し、ランダム位相板およびレンズを用いた時のシミュレーション結果を図７に示す。記録されるホログラムは、ランダム位相板を通過した後、レンズを通して媒質内においてフーリエ面での記録がなされる。これにより、空間モードの強度面を一定にし、位相面の支配率を高めている。尚、用いたランダム位相板は１２８×１２８ピクセル、ピクセルサイズは４０×４０（μｍ）、［０，π］位相のものである。
　図６，７の結果は、各空間モード情報をホログラム記録媒質に記録した後、その媒質へ全ての空間モードを含む信号光を入射した際の各角度成分への回折光の強度を示したものである。図６，７を比較すると、それぞれの空間モードの分離において、ランダム位相板、レンズを適用していない系では明らかに空間モードの分離がなされていないことがわかる。対して、ランダム位相板、レンズを適用した系の方は必要となる空間モードの回折光が要求していないモード情報（クロストーク）に対して十分に出ていることがわかる（９０％程度の分離度を確保）。この時の回折効率自体は０．０４８％程度となっているが、これは図３の系において、媒質の厚さを厚くする、またホログラムを書き込む位相共役光の強度を増加することで改善される。この数値シミュレーションによるアプローチにより、このシステムが重なり合った空間モードを分離する上で非常に有効な技術であるといえる。
　(2) 動作実験
　次に、本技術の動作確認を実験により行ったので、その実験系及び実験結果について示す。
　図８は本動作実験に用いた実験系である。この系では実際のシステムに搭載する位相共役器は用いず、ガイド光と制御光とによって動的多重体積ホログラム記録を行った。フォトリフラクティブ結晶中に形成された多重ホログラムにより、空間モードを含んだ信号光が回折光として制御光を入射した記録媒質の逆端面から出射する。このそれぞれの角度への回折光成分を観測することで各空間モードの分離を確認した。記録する空間モードは、図４に示すものを空間光変調器(SLM: Spatial Light Modulator)により与え、偏光子と検光子を調整することでそれぞれの曲率半径の異なる空間モードを生成し、結果的に３つの空間モードＡ，Ｂ，Ｃとして図９に示す位相分布を与えた。また、ランダム位相板は１２８×１２８ピクセル、［０、π］のものを使用した。尚、記録する際は制御光の角度をミラーの回転により変化させ、空間モードＡ，Ｂ，Ｃをそれぞれ制御光の角度θ１，θ２，θ３で３多重記録を行った。図１０に各角度成分における回折光強度をプロットしたものを示す。空間モード分離に必要な回折光成分が強く出ていることが見て取れる（７０％程度の分離度を達成）。この結果における回折効率は３．６７％を示した。本動作実験では記録媒質に光誘起屈折率媒質であるＬｉＮｂＯ３（Ｆｅドープ，厚さＬ＝５ｍｍ）を用いたので、回折効率においては厚さＬ＝１ｍｍとしたシミュレーションの結果（０．０４８％）と比較して大きく上昇を見た。しかし、位相共役器を用いなかったことなどにより空間モードの分離性能においては数値シミュレーション結果（図７）より劣る結果となっている。
　〔実施例２〕
　実際のファイバを伝搬する空間モードは、用いるファイバの種類や形状によって異なるが、最も標準的なマルチモードファイバを伝搬する空間モードはＬＰモードであることが知られている。ＬＰモードの詳細は、「Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich, “Fundamentals of Photonics”, Chapter 8(Fiber Optics), John Wiley & Sons, Inc. 1991」に記載されている。
　本実験では、図８と同じ実験系を用いて、より実際的な空間モードとしてＳＬＭを用いてＬＰモードを発生させた場合の空間モード分離実験を行った。
　記録する空間モード光として図１４に示すＬＰ０１，ＬＰ１１，ＬＰ２１，ＬＰ５２，ＬＰ９３の各モードを用いた。各空間モードの分布は、ＳＬＭにおいて縦×横　１００×１３０ピクセルの精度で与えた。１回目の実験では比較的類似度の高い空間モード同士の組み合わせであるＬＰ０１，ＬＰ１１，ＬＰ２１の３つの空間モードを多重記録して信号の分離度を測定した。２回目の実験では比較的類似度の低い空間モード同士の組み合わせであるＬＰ０１，ＬＰ５２，ＬＰ９３の３つの空間モードを多重記録して信号の分離度を測定した。これら３つの空間モード記録時の参照光角度θ１，θ２，θ３は、各々１５°，２０°，２５°とした。モード分離時に得られた信号成分の回折光とクロストークの関係を図１５に示す。この結果では、類似度の低いＬＰモードを多重化した場合において、より高い分離率が実現されていることがわかる。本実験における回折効率は１．８％程度であった。尚、本実験ではランダム位相板は用いておらず、これを用いることによって分離率が向上する可能性がある。
　以上のように、本発明の光通信システムは、複数の空間モードを有する信号光を伝送する光ファイバと、前記信号光の各空間モードに対応してホログラムが多重記録された多重ホログラム記録部と、前記光ファイバ端から出射される前記信号光を集光して、前記多重ホログラム記録部へ入射するレンズと各空間モード毎に異なる角度で前記多重ホログラム記録部に照射される制御光を照射する制御光照射部と、からなる通信を行う光通信システムであって、前記多重ホログラム記録部は、多重ホログラム記録時に、前記信号光と同じ波面を有するガイド光と前記制御光とを照射することによって多重ホログラムが記録されるものであり、前記多重ホログラム記録部による信号光の分離時に前記多重ホログラムの記録部に入力される多重化された各空間モードの信号光は、制御光のそれぞれの照射方向に前記制御光照射部の経路で分離される。
　あるいは、本発明は、複数の空間モードを有する信号光を伝送する光ファイバと、前記信号光の各空間モードに対応してホログラムが多重記録された多重ホログラム記録部と、前記光ファイバ端から出射される前記信号光を集光して、前記多重ホログラム記録部へ入射するレンズと各空間モード毎に異なる角度で前記多重ホログラム記録部に照射される制御光を照射する制御光照射部と、からなる通信を行う光通信システムであって、ある空間モードを有する信号光と同じ波面を有するガイド光と前記制御光とを照射することでホログラムが書き込まれる多重ホログラム記録部を用い、各空間モード毎に異なる角度で前記多重ホログラム記録部に照射される制御光を照射する制御光照射部によってホログラムを多重記録させてから、信号通信時において、前記多重ホログラム記録部による信号光を分離する時に、ある空間モードを有する信号光と同じ波面を有するガイド光と前記制御光とを照射させて、前記多重ホログラムの記録部に入力される多重化された各空間モードの信号光を、制御光のそれぞれの照射方向に前記制御光照射部の経路で分離させる。
　あるいは、本発明は、複数の空間モードを有する信号光を伝送する光ファイバと、前記信号光の各空間モードに対応してホログラムが多重記録された多重ホログラム記録部と、前記光ファイバ端から出射される前記信号光を集光して、前記多重ホログラム記録部へ入射するレンズと各空間モード毎に異なる角度で前記多重ホログラム記録部に照射される制御光を照射する制御光照射部と、前記多重ホログラム記録部を通過した光を増幅して上記多重ホログラム記録部へ戻す位相共役器と、からなる通信を行う光通信システムであって、ある空間モードを有する信号光と同じ波面を有する前記位相共役器からの光と前記制御光とを照射することでホログラムが書き込まれる多重ホログラム記録部を用い、各空間モード毎に異なる角度で前記多重ホログラム記録部に照射される制御光を照射する制御光照射部によってホログラムを多重記録させてから、信号通信時において、前記多重ホログラム記録部による信号光を分離する時に、ある空間モードを有する信号光と同じ波面を有する前記位相共役器からの光と前記制御光とを照射させて、前記多重ホログラムの記録部に入力される多重化された各空間モードの信号光を、制御光のそれぞれの照射方向と反対方向に前記制御光照射部の経路で分離させる。
　それゆえ、前記多重ホログラム記録部は、多重ホログラム記録時に、信号光と同じ波面を有するガイド光と、空間モード毎に異なる角度で照射される制御光とを照射することによって多重ホログラムが記録されている。前記多重ホログラム記録部に多重化された各空間モードの信号光が入力されると、各空間モードの信号光は、多重ホログラム記録時に照射された制御光のそれぞれの角度方向に分離される。すなわち、光ファイバから出射した光信号は、複数の空間モードの光信号が混ざり合った状態になっているが、これを光のまま、各々のモードに分離することが可能となる。
　また、上記光通信システムでは、上記多重ホログラム記録部における信号光の入射側に、ランダム位相板を配置している構成としていることが好ましい。
　上記の構成によれば、ランダム位相板に入射する前の信号光が、空間モードの相違に対して空間的にゆっくりとした位相変化しか示さない場合、該信号光をランダム位相板に通過させることで位相分布を空間的に非常に細かく変化させることができる。つまり、空間モードのわずかな相違でも、大幅に位相分布の異なる信号光を生成することによって、信号分離の精度を大幅に高めることができる。
　また、上記光通信システムでは、上記多重ホログラム記録部を通過した光を増幅して上記多重ホログラム記録部へ戻す位相共役器を備えていることが好ましい。
　上記の構成によれば、ホログラムの書き込み速度や品質の改善と、通信用ファイバを流れる微弱な光電力によっても、多重ホログラム記録部に対してホログラムの書き込みが可能となる。すなわち、本発明の多重ホログラム記録部として用いられるホログラム媒質では、先に、ある空間モードを有する信号光と同じ波面を有するガイド光と、上記制御光とを照射することで信号分離用のホログラムが書き込まれる。ここで、位相共役器を用いることで、ホログラム書き込み時間の短縮と書き込まれるホログラムの品質の向上による光信号分離性能の向上が可能になる。また、上記ガイド光の光電力が微弱であり、ホログラムの書き込みに十分な光強度が得られない場合であっても、位相共役器による増幅効果によってホログラム媒質に多重ホログラムを書き込むことが可能となる。さらに、ホログラム媒質がフォトリフラクティブ媒質の場合には、前記に加えて、形成後の多重ホログラムへの光信号の照射によるホログラムの劣化を防止する効果が得られる。
　また、上記光通信システムでは、上記多重ホログラム記録部は、フォトリフラクティブ媒質であることが好ましい。
　上記の構成によれば、多重ホログラム記録部にフォトリフラクティブ媒質を用いることで、多重ホログラム記録部に容易に動的ホログラム（書き換え可能なホログラム）を形成することができる。これによって、光ファイバを伝送する空間モードが外部の環境(ファイバの曲がりや温度変化など)によって、時間的に変動したり歪を受けた場合に対しても、ホログラムの書き換えを動的に行うことで、通信を維持・継続することが可能になる。
　本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
１１　　光ファイバ
１２　　ランダム位相板
１３　　フォトリフラクティブ媒質
１４　　ガイド光
１５　　制御光
１６　　回折光
１７　　位相共役器
１８　　位相共役波
１９　　レンズ

Claims (8)

  1. 　複数の空間モードを有する信号光を伝送する光ファイバと、前記信号光の各空間モードに対応してホログラムが多重記録された多重ホログラム記録部と、前記光ファイバ端から出射される前記信号光を集光して、前記多重ホログラム記録部へ入射するレンズと各空間モード毎に異なる角度で前記多重ホログラム記録部に照射される制御光を照射する制御光照射部と、からなる通信を行う光通信システムであって、
    　前記多重ホログラム記録部は、多重ホログラム記録時に、前記信号光と同じ波面を有するガイド光と前記制御光とを照射することによって多重ホログラムが記録されるものであり、
    　前記多重ホログラム記録部による信号光の分離時に前記多重ホログラムの記録部に入力される多重化された各空間モードの信号光は、制御光のそれぞれの照射方向に前記制御光照射部の経路で分離されることを特徴とする光通信システム。
  2. 　前記多重ホログラム記録部における信号光の入射側に、ランダム位相板を配置していることを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
  3. 　前記多重ホログラム記録部を通過した光を増幅して上記多重ホログラム記録部へ戻す位相共役器を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の光通信システム。
  4. 　前記多重ホログラム記録部は、フォトリフラクティブ媒質であることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の光通信システム。
  5. 　複数の空間モードを有する信号光を伝送する光ファイバと、前記信号光の各空間モードに対応してホログラムが多重記録された多重ホログラム記録部と、前記光ファイバ端から出射される前記信号光を集光して、前記多重ホログラム記録部へ入射するレンズと各空間モード毎に異なる角度で前記多重ホログラム記録部に照射される制御光を照射する制御光照射部と、からなる通信を行う光通信システムであって、
    　ある空間モードを有する信号光と同じ波面を有するガイド光と前記制御光とを照射することでホログラムが書き込まれる多重ホログラム記録部を用い、各空間モード毎に異なる角度で前記多重ホログラム記録部に照射される制御光を照射する制御光照射部によってホログラムを多重記録させてから、
    　信号通信時において、前記多重ホログラム記録部による信号光を分離する時に、ある空間モードを有する信号光と同じ波面を有するガイド光と前記制御光とを照射させて、前記多重ホログラムの記録部に入力される多重化された各空間モードの信号光を、制御光のそれぞれの照射方向に前記制御光照射部の経路で分離させたことを特徴とする光通信システム。
  6. 　複数の空間モードを有する信号光を伝送する光ファイバと、前記信号光の各空間モードに対応してホログラムが多重記録された多重ホログラム記録部と、前記光ファイバ端から出射される前記信号光を集光して、前記多重ホログラム記録部へ入射するレンズと各空間モード毎に異なる角度で前記多重ホログラム記録部に照射される制御光を照射する制御光照射部と、前記多重ホログラム記録部を通過した光を増幅して上記多重ホログラム記録部へ戻す位相共役器と、からなる通信を行う光通信システムであって、
    　ある空間モードを有する信号光と同じ波面を有する前記位相共役器からの光と前記制御光とを照射することでホログラムが書き込まれる多重ホログラム記録部を用い、各空間モード毎に異なる角度で前記多重ホログラム記録部に照射される制御光を照射する制御光照射部によってホログラムを多重記録させてから、
    　信号通信時において、前記多重ホログラム記録部による信号光を分離する時に、ある空間モードを有する信号光と同じ波面を有する前記位相共役器からの光と前記制御光とを照射させて、前記多重ホログラムの記録部に入力される多重化された各空間モードの信号光を、制御光のそれぞれの照射方向と反対方向に前記制御光照射部の経路で分離させたことを特徴とする光通信システム。
  7. 　信号通信時において、前記多重ホログラム記録部による信号光を分離する時に、ある空間モードを有する信号光と同じ波面を有するガイド光と前記制御光とを照射させて、前記多重ホログラムの記録部に入力される多重化された各空間モードの信号光を、制御光のそれぞれの照射方向に前記制御光照射部の経路で分離させた後、前記空間モードと異なる空間モードを有する信号光と同じ波面を有するガイド光と前記制御光とを照射させて、前記多重ホログラムの記録部に入力される多重化された各空間モードの信号光を、制御光のそれぞれの照射方向に前記制御光照射部の経路で分離させたことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の光通信システム。
  8. 　ある空間モードを有する信号光と同じ波面を有するガイド光の波面を前記位相共役器に記録した後に、前記制御光と前記位相共役器に記録された波面を照射することでホログラムが書き込まれる多重ホログラム記録部を用い、各空間モード毎に異なる角度で前記多重ホログラム記録部に照射される制御光を照射する制御光照射部によってホログラムを多重記録させてから、信号通信時において、前記多重ホログラム記録部による信号光を分離する時に、前記多重ホログラムの記録部に入力される多重化された各空間モードの信号光を、制御光のそれぞれの照射方向と反対方向に前記制御光照射部の経路で分離させたことを特徴とする請求項６に記載の光通信システム。
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