WO2022044251A1 - モード変換器及び光伝送システム - Google Patents

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WO2022044251A1
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fiber
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multimode optical
mode converter
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諒太 今田
泰志 坂本
和秀 中島
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日本電信電話株式会社
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    • 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
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical communication system for mode multiplex transmission and a mode converter provided therein.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an optical transmission system for mode multiplex transmission using a number mode fiber (FMF: Few-Mode Fiber) using a plurality of propagation modes.
  • FMF number mode fiber
  • Mode multiplex transmission is attracting attention as a large-capacity transmission method because the transmission capacity can be improved several times as many as the mode.
  • FMF frequency division multiplex
  • crosstalk between modes occurs in the transmission line, and a MIMO (multiple-input multiple-output) equivalent device is used to compensate for the crosstalk.
  • MDL Mode Dependent Loss
  • DMD Differential Mode Delivery
  • DSP Digital Signal Processing
  • LPFG Long Period Fiber Grating
  • the mode coupling of LPFG has a problem of the size of the insertion loss of LPFG. If the insertion loss is large, the transmission efficiency of the optical transmission system will be lowered as a result.
  • Patent Document 1 although studies have been made to maximize the mode coupling efficiency by LPFG, the amount of insertion loss by LPFG and the method for reducing the insertion loss have not been sufficiently clarified. That is, there is a problem in the prior art that the method for reducing the loss of LPFG is unknown, and it is difficult to combine the propagation modes with low loss by using LPFG.
  • the mode converter according to the present invention is provided with an LPFG that satisfies the following two conditions for the connected FMF.
  • LPGF can propagate in a higher-order propagation mode than FMF
  • the "radiation mode” is a propagation mode other than the propagation mode of the FMF.
  • the mode converter according to the present invention is a mode converter including a multimode optical fiber having a long-period fiber grating section.
  • the multimode optical fiber is It is possible to propagate a higher-order propagation mode than the propagation mode of the number-mode fiber connected to one end, and the highest-order propagation mode among the propagation modes of the number-mode fiber and the propagation mode of the multimode optical fiber. Of these, the phase is inconsistent with the lowest-order radiation mode excluding the propagation mode of the multimode fiber.
  • the present invention can provide a mode converter capable of coupling propagation modes with low loss using LPFG.
  • the phase mismatch amount ⁇ satisfies the number C1.
  • ⁇ i is the propagation constant difference between the two propagation modes coupled in the number mode fiber.
  • ⁇ j is the propagation constant difference between the highest-order propagation mode and the lowest-order radiation mode.
  • the multimode optical fiber of the mode converter according to the present invention is characterized by having a plurality of the long-period fiber grating sections, and the long-period fiber grating sections have different grating intervals from each other. It is possible to combine three or more propagation modes with low loss.
  • the optical transmission system according to the present invention includes the mode converter and the number mode fiber connected to the one end of the multimode optical fiber of the mode converter.
  • This optical transmission system includes the above-mentioned mode converter. Therefore, the present invention can provide an optical transmission system capable of coupling propagation modes with low loss using LPFG.
  • the present invention can provide a mode converter and an optical transmission system capable of coupling propagation modes with low loss using LPFG.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an optical transmission system of the present embodiment.
  • the optical transmission system includes a mode converter 12 and a number mode fiber 11 connected to one end of the multimode optical fiber of the mode converter 12.
  • reference numeral 10 is a connection portion.
  • the mode converter 12 is a mode converter including a multimode optical fiber having a long-period fiber grating unit 22.
  • the multimode optical fiber is It is possible to propagate a higher-order propagation mode than the propagation mode of the number-mode fiber 11 connected to one end, and the highest-order propagation mode among the propagation modes of the number-mode fiber 11 and the multimode optical fiber 22. Among the propagation modes, the phase is inconsistent with the lowest-order radiation mode excluding the propagation mode of the multimode fiber 11.
  • the multimode optical fiber of the mode converter 12 may have one long-period fiber grating unit 22, but may have a plurality of long-period fiber grating units 22 as shown in FIG.
  • the long-period fiber grating portions 22 are characterized in that the grating intervals are different from each other.
  • FIG. 2 describes a case where there are two long-period fiber grating sections (22-1 and 22-2).
  • the number of long-period fiber grating portions of the mode converter 12 may be 3 or more depending on the desired specifications.
  • the mode converter 12 is characterized in that the phase mismatch amount ⁇ satisfies the number C1.
  • ⁇ i is the propagation constant difference between the two propagation modes coupled in the number mode fiber.
  • ⁇ j is the propagation constant difference between the highest-order propagation mode and the lowest-order radiation mode.
  • An example in which LP02, LP21, LP31, and other propagation modes (referred to as “radiation mode”) higher than the mode can be propagated will be described.
  • ⁇ j is a propagation constant difference between LP11 and LP21.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a refractive index distribution in a cross section of a multimode optical fiber.
  • the horizontal axis is the radius a (m), and the vertical axis is the refractive index n eff .
  • FIG. 4 shows the core radius a (MFD: Mode Field Diameter) for satisfying the cutoff conditions of LP21, LP02 and LP31 modes of the step index type fiber, the bending loss (Macrobend loss) of LP11 mode, and the mode field diameter (MFD). It is a graph which showed the relationship between m) and the specific refractive index difference ⁇ .
  • MFD Mode Field Diameter
  • the MFD of the transmission line fiber is in the range of 8.2 ⁇ m to 9.6 ⁇ m (wavelength 1310 nm), and the bending loss is in the range of 0.1 dB or less (wavelength 1625 nm, 100 turn) as standard.
  • the region between the two broken lines, and for bending loss, the region above the alternate long and short dash line is the range of the above standard.
  • the respective propagation modes (LP21, LP02, LP31) do not propagate in the region below the curve (solid line).
  • FIG. 4 also plots the structures of fibers A and B.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a long-period fiber grating section 22.
  • the long-period fiber grating portion 22 is formed by changing the refractive index of the core 25 of the multi-core optical fiber at predetermined intervals.
  • a method of changing the refractive index of the core 25 there are a method of applying stress and bending from the outside, a method of laser irradiation, and the like.
  • the portion where the refractive index of the core 25 is changed is shown as the grating 24.
  • the grating 24 is formed periodically at an interval ⁇ . For the interval ⁇ , assume that the propagation constant difference between the propagation modes to be combined is ⁇ i . Is.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the coupling amount and the loss with respect to the phase mismatch amount ⁇ of the fibers A and B.
  • FIG. 6A describes the relationship with respect to the fiber A
  • FIG. 6B describes the relationship with respect to the fiber B.
  • the phase mismatch amount ⁇ is the phase mismatch amount between the LP11 mode and the LP21 mode.
  • the bond amount and loss are the bond amount and loss to the LP11 mode when the LP01 mode is excited and the number of bonds N is 20.
  • the coupling amount hardly depends on ⁇ .
  • the coupling amount depends on ⁇ .
  • ⁇ is in the range of the following equation.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the relationship of loss of fibers A and B with respect to the number of bonds N.
  • the fibers A and B are formed with gratings that satisfy the conditions for intermode coupling between LP01 and LP11.
  • FIG. 8 is a table comparing the power coupling rates between each mode per coupling location (grating 24). Since the purpose of the mode converter of the present embodiment is to couple LP01 to LP11, the mode of LP21 or higher becomes a radiation mode in transmission and becomes a loss. That is, in the table of FIG. 8, (1) to (4) are losses, and smaller ones are preferable.
  • the coupling ratio between the modes of LP11 and LP21 in (1) is sufficiently smaller than the coupling ratio between LP11 in (2) and other radiation modes. Therefore, in the fiber A, the dependence of the fiber A on ⁇ is negligibly small, and the loss of the fiber A is determined by (2). Therefore, in the fiber A, the loss cannot be reduced even if ⁇ is changed.
  • the coupling ratio between the modes of LP11 and LP21 in (3) is larger than that of the fiber A, and the coupling ratio and the loss greatly depend on ⁇ .
  • ⁇ 0, the phase matching condition is satisfied, so that the loss of the fiber B is (3) + (4).
  • the power coupled to the LP21 mode returns to the LP11 mode, so that the loss of the fiber B becomes almost (4). This loss is smaller than the loss (2) of the fiber A.
  • a low-loss mode converter can be realized by using a multimode optical fiber having a larger number of propagation modes than the number mode fiber 11 and appropriately controlling the phase matching conditions thereof.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between the phase mismatch amount ⁇ , the core radius a, and the specific refractive index difference ⁇ between the modes of LP11 and LP21 for the step index type multi-core optical fiber.
  • the solid line indicates the cutoff condition of the LP21 mode having a wavelength of 1530 nm, and the LP21 mode propagates in the region above this line.
  • the two broken lines represent structural conditions with MFDs of 8.2 ⁇ m and 9.6 ⁇ m, respectively.
  • the ⁇ of the fiber B satisfies the condition of low loss of Equation 2. Therefore, by forming the long-period fiber grating section 22 in the multimode optical fiber having the structure of the region surrounded by the two broken lines and the one solid line, low loss property, mode conversion efficiency, and connection with the transmission line are obtained. It is possible to realize a mode converter with excellent characteristics.
  • Embodiment 2 In the first embodiment, the structural conditions of the multimode optical fiber included in the mode converter when the number mode fiber 11 is a three-mode fiber and the structural conditions of the long-period fiber grating unit 22 have been described. In this embodiment, the structural conditions of the multimode optical fiber included in the mode converter when the number mode fiber 11 is the 6-mode fiber and the structural conditions of the long-period fiber grating unit 22 will be described.
  • the propagation modes in which the 6-mode fiber propagates are LP01, LP11a, LP11b, LP21a, LP21b and LP02.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating the relationship between the phase mismatch amount ⁇ , the core radius a, and the specific refractive index difference ⁇ between the modes of LP02 and LP31 for the step index type multi-core optical fiber.
  • the solid line indicates the cutoff condition of the LP31 mode having a wavelength of 1530 nm, and the LP31 mode propagates in the region above this line.
  • the two broken lines represent structural conditions with MFDs of 8.2 ⁇ m and 9.6 ⁇ m, respectively.
  • any mode can be combined with low loss by assigning a plurality of gratings corresponding to the difference in propagation constant between the modes to be combined. Therefore, by forming a long-period fiber grating portion on a multimode optical fiber having a structure of a region surrounded by two broken lines and one solid line, low loss property, mode conversion efficiency, and connectivity with a transmission line are formed. It is possible to realize an excellent mode converter. That is, the study method described in the first embodiment can be extended to the design of a mode converter in which the number mode fiber 11 is a number mode fiber having a higher order than the three mode fiber.
  • FIG. 11A is a diagram illustrating the relationship between the coupling amount of LP11 and the bond order N for fiber A and fiber B
  • FIG. 11B is a diagram illustrating the relationship of loss with respect to the bond order N for fiber A and fiber B.
  • the input is LP01 mode excitation. From FIG. 11B, it can be seen that the fiber B has a lower loss than the fiber A.
  • the mode converter of the present embodiment can achieve both high mode conversion efficiency and low loss.
  • the mode conversion between LP01 and LP11 has been described in the third embodiment, the mode conversion between arbitrary propagation modes can be realized by forming the long-period fiber grating section having different grating intervals. That is, the mode converter of the present embodiment can realize an arbitrary propagation mode with high conversion efficiency and low loss.
  • this mode converter performs mode conversion using a long-period fiber grating (LPFG).
  • the LPGF is obtained by giving a grating to a multimode optical fiber that propagates in a higher order m mode (m is a natural number larger than n) that does not propagate in the number mode fiber of the transmission line.
  • the LPGF is connected to the receiving end of the transmission line.
  • the grating interval ⁇ of the LPFG is Given in. Further, if the propagation constant difference between the propagation mode in the several-mode fiber and the radiation mode of the multimode optical fiber is ⁇ j , and the phase mismatch amount with the radiation mode is ⁇ , then Is established, Satisfy.
  • the mode converter of the present invention can combine the propagation modes of FMF with low loss and high efficiency.
  • Connection part 11 Number mode fiber (FMF) 12: Mode converter 22, 22-1, 22-2: Long-period fiber grating section (LPGF) 24: Grating 25: Core

Abstract

本発明は、ＬＰＦＧを用いて伝搬モード間を低損失で結合させることができるモード変換器及び光伝送システムを提供することを目的とする。　本光伝送システムは、モード変換器１２と、モード変換器１２のマルチモード光ファイバの一端に接続される数モードファイバ１１と、を備える。モード変換器１２は、長周期ファイバグレーティング部２２を有するマルチモード光ファイバを備えるモード変換器であって、前記マルチモード光ファイバは、一端に接続される数モードファイバ１１の伝搬モードより高次の伝搬モードを伝搬可能であること、及び数モードファイバ１１の伝搬モードの内の最高次の伝搬モードと、前記マルチモード光ファイバ２２の伝搬モードの内、数モードファイバ１１の伝搬モードを除いた最低次の放射モードとの間の位相が不整合であることを特徴とする。

Description

モード変換器及び光伝送システム
　本開示は、モード多重伝送の光通信システムとそれが備えるモード変換器に関する。
　図１は、複数の伝搬モードを用いた数モードファイバ（ＦＭＦ：Ｆｅｗ－Ｍｏｄｅ　Ｆｉｂｅｒ）によるモード多重伝送の光伝送システムを説明する図である。モード多重伝送は、伝送容量をモード数倍に向上させられることから、大容量伝送方式として注目されている。ＦＭＦを用いた伝送においては、伝送路中でモード間クロストークが発生し、それを補償するためにＭＩＭＯ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ｉｎｐｕｔ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ｏｕｔｐｕｔ）等価器が用いられる。
　しかし、モード間損失差（ＭＤＬ：Ｍｏｄｅ　Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　Ｌｏｓｓ）が存在する場合、ＭＩＭＯ等化器を利用したとしても伝送システムの伝送性能の向上が発揮できない場合がある。また、受信端においてモード間群遅延差（ＤＭＤ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｍｏｄｅ　Ｄｅｌａｙ）が大きい場合、ＭＩＭＯにかかわるデジタル信号処理（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）の負荷が大きくなるため、長距離伝送を実現するためにはその負荷の低減が求められる。
　そこでＭＤＬやＤＭＤの影響の低減のため、モード間の結合を生じさせるモードスクランブラの利用が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２０１９－３２４４０号公報
　モード間の結合として長周期ファイバグレーティング（ＬＰＦＧ：Ｌｏｎｇ　Ｐｅｒｉｏｄ　Ｆｉｂｅｒ　Ｇｒａｔｉｎｇ）を用いることが知られている。しかし、ＬＰＦＧのモード結合は、ＬＰＦＧの挿入損失の大きさが課題となる。挿入損失が大きいと、結果的に光伝送システムの伝送効率の低下を招くことになる。特許文献１では、ＬＰＦＧによるモード結合効率を最大化する検討はなされているが、ＬＰＦＧによる挿入損失量とその低減方法は十分に明らかにされていない。つまり、従来技術には、ＬＰＦＧの損失低減方法が不明であり、ＬＰＦＧを用いて伝搬モード間を低損失で結合させることが困難という課題があった。
　そこで、本発明は、上記課題を解決するために、ＬＰＦＧを用いて伝搬モード間を低損失で結合させることができるモード変換器及び光伝送システムを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明に係るモード変換器は、接続するＦＭＦに対して以下の２つの条件を満たすＬＰＦＧを備えることとした。
［条件１］ＬＰＧＦがＦＭＦよりも高次の伝搬モードを伝搬可能であること、かつ、
［条件２］ＦＭＦの最高次の伝搬モードとＬＰＧＦの最低次の放射モードとの間の位相が整合しないこと。なお、「放射モード」とはＦＭＦの伝搬モード以外の伝搬モードである。
　具体的には、本発明に係るモード変換器は、長周期ファイバグレーティング部を有するマルチモード光ファイバを備えるモード変換器であって、
　前記マルチモード光ファイバは、
　一端に接続される数モードファイバの伝搬モードより高次の伝搬モードを伝搬可能であること、及び
　前記数モードファイバの伝搬モードの内の最高次の伝搬モードと、前記マルチモード光ファイバの伝搬モードの内、前記数モードファイバの伝搬モードを除いた最低次の放射モードとの間の位相が不整合であること
を特徴とする。
　上記条件を満たすことで、ＦＭＦの伝搬モード間を低損失で結合させることができる。従って、本発明は、ＬＰＦＧを用いて伝搬モード間を低損失で結合させることができるモード変換器を提供することができる。
　特に、本発明に係るモード変換器は、前記位相の不整合量θが数Ｃ１を満たすことが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 Δβｉは前記数モードファイバ内で結合する２つの伝搬モード間の伝搬定数差、
Δβｊは前記最高次の伝搬モードと前記最低次の放射モードと間の伝搬定数差である。
　本発明に係るモード変換器の前記マルチモード光ファイバは、前記長周期ファイバグレーティング部を複数有し、前記長周期ファイバグレーティング部は、互いにグレーティング間隔が異なることを特徴とする。３以上の伝搬モード間を低損失で結合させることができる。
　また、本発明に係る光伝送システムは、前記モード変換器と、前記モード変換器の前記マルチモード光ファイバの前記一端に接続される前記数モードファイバと、を備える。
　本光伝送システムは、上記モード変換器を備えている。従って、本発明は、ＬＰＦＧを用いて伝搬モード間を低損失で結合させることができる光伝送システムを提供することができる。
　なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
　本発明は、ＬＰＦＧを用いて伝搬モード間を低損失で結合させることができるモード変換器及び光伝送システムを提供することができる。
複数の伝搬モードを用いたＦＭＦによるモード多重伝送の光伝送システムを説明する図である。 本発明に係る光伝送システムを説明する図である。 マルチモード光ファイバの断面における屈折率分布を説明する図である。 マルチモード光ファイバの構造パラメータと光学特性の関係を表す特性図である。 マルチモード光ファイバが有する長周期ファイバグレーティング部を説明する図である。 本発明に係るモード変換器の特性を説明する図である。 本発明に係るモード変換器の特性を説明する図である。 本発明に係るモード変換器の特性を説明する図である。 本発明に係るモード変換器の特性を説明する図である。 本発明に係るモード変換器の特性を説明する図である。 本発明に係るモード変換器の特性を説明する図である。
　添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
（概要）
　図２は、本実施形態の光伝送システムを説明する図である。本光伝送システムは、モード変換器１２と、モード変換器１２のマルチモード光ファイバの一端に接続される数モードファイバ１１と、を備える。図２において、符号１０は接続部である。
　モード変換器１２は、長周期ファイバグレーティング部２２を有するマルチモード光ファイバを備えるモード変換器であって、
　前記マルチモード光ファイバは、
　一端に接続される数モードファイバ１１の伝搬モードより高次の伝搬モードを伝搬可能であること、及び
　数モードファイバ１１の伝搬モードの内の最高次の伝搬モードと、前記マルチモード光ファイバ２２の伝搬モードの内、数モードファイバ１１の伝搬モードを除いた最低次の放射モードとの間の位相が不整合であること
を特徴とする。
　モード変換器１２の前記マルチモード光ファイバは、長周期ファイバグレーティング部２２が１つであってもよいが、図２のように長周期ファイバグレーティング部２２を複数有してもよい。この場合、長周期ファイバグレーティング部２２は、互いにグレーティング間隔が異なることを特徴とする。図２では長周期ファイバグレーティング部が２つ（２２－１と２２－２）の場合を説明している。モード変換器１２の長周期ファイバグレーティング部の数は、所望の仕様によって３以上であってもよい。
　ここで、モード変換器１２は、前記位相の不整合量θが数Ｃ１を満たすことを特徴とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 Δβｉは前記数モードファイバ内で結合する２つの伝搬モード間の伝搬定数差、
Δβｊは前記最高次の伝搬モードと前記最低次の放射モードと間の伝搬定数差である。
　以下の実施形態にて数Ｃ１について説明する。なお、以下の実施形態では、数モードファイバ１１がＬＰ０１、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの３つ（ｎ＝３）の伝搬モードを伝搬可能であり、モード変換器１２のマルチモード光ファイバが、それら３つの伝搬モードより高次のＬＰ０２、ＬＰ２１、ＬＰ３１、その他の伝搬モード（「放射モード」と記載する。）を伝搬可能な例を説明する。また、以下では、Δβｊは、ＬＰ１１とＬＰ２１との間の伝搬定数差とする。
（実施形態１）
　モード変換器１２のマルチモード光ファイバとして図３のステップインデックス型ファイバを考える。図３は、マルチモード光ファイバの断面における屈折率分布を説明する図である。横軸は半径ａ（ｍ）、縦軸は屈折率ｎｅｆｆである。
　図４は、ステップインデックス型ファイバのＬＰ２１、ＬＰ０２及びＬＰ３１モードそれぞれのカットオフ条件、ＬＰ１１モードの曲げ損失（Ｍａｃｒｏｂｅｎｄ　ｌｏｓｓ）および、モードフィールド径（ＭＦＤ：Ｍｏｄｅ　Ｆｉｅｌｄ　Ｄｉａｍｅｔｅｒ）を満たすためのコア半径ａ（ｍ）と比屈折率差Δの関係を示したグラフである。
　なお、図３は、数値計算（有限要素法を用いた光ファイバの光学特性解析）により得た特性図である。具体的には、本図は、ＭＣＦのコア半径ａと比屈折率差Δを変えながらＭＦＤ、カットオフ波長λｃ、及び曲げ損失αｂを数値計算し、同じ値（例えば、ＭＦＤ＝９．５μｍ）となる構造をグラフ内にプロットして作成する。
　ＩＴＵ－Ｔ　Ｇ．６５２．Ｄの規格によると、伝送路ファイバのＭＦＤは８．２μｍから９．６μｍの範囲（波長１３１０ｎｍ）で、曲げ損失が０．１ｄＢ以下（波長１６２５ｎｍ、１００ｔｕｒｎ）になる範囲が標準である。ＭＦＤについては２つの破線の間の領域、曲げ損失については一点鎖線より上の領域が上記規格の範囲となる。また、カットオフについては曲線（実線）より下の領域ではそれぞれの伝搬モード（ＬＰ２１、ＬＰ０２、ＬＰ３１）が伝搬しない。
　以降の説明では、長周期ファイバグレーティング部２２を有するマルチモード光ファイバとして、数モードファイバ１１と同じ３つの伝搬モードを伝搬するファイバＡ（ａ＝５．０μｍ、Δ＝０．７％）、数モードファイバ１１より高次モードを伝搬するファイバＢ（ａ＝５．５μｍ、Δ＝０．８％）の２つで比較検討する（ファイバＡは比較例、ファイバＢは実施例）。ファイバＡ、Ｂともに数モードファイバ１１との接続性を考慮してＭＦＤが上記の規格の範囲内になるよう設定している。図４には、ファイバＡとＢの構造もプロットしている。
　図５は、長周期ファイバグレーティング部２２を説明する図である。長周期ファイバグレーティング部２２は、マルチコア光ファイバのコア２５の屈折率を所定間隔で変化させて形成する。コア２５の屈折率を変化させる手法としては、応力や曲げを外部から加える手法や、レーザ照射による手法などがある。コア２５の屈折率を変化させた部分をグレーティング２４として示している。グレーティング２４は間隔Λで周期的に形成する。間隔Λは、結合させる伝搬モード間の伝搬定数差をΔβｉとすると
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 である。
　図６は、ファイバＡとＢの位相不整合量θに対する結合量と損失の関係を説明する図である。図６（Ａ）はファイバＡについての関係、図６（Ｂ）はファイバＢについての関係を説明している。ただし、位相不整合量θは、ＬＰ１１モードとＬＰ２１モードとの間の位相不整合量である。また、結合量及び損失は、ＬＰ０１モードを励振し、結合回数Ｎを２０としたときのＬＰ１１モードへの結合量及び損失である。
　図６（Ａ）より、数モードファイバ１１と同じであるファイバＡでは、結合量はほとんどθに依存しない。一方、図６（Ｂ）より、ファイバＢでは結合量はθに依存する。特にファイバＢでＬＰ１１の光強度を向上させ、かつ損失を小さくするためには、θが次式の範囲にあることが望ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　図７は、ファイバＡとＢの結合回数Ｎに対する損失の関係を説明する図である。ファイバＡとＢには、ＬＰ０１とＬＰ１１とのモード間結合の条件を満たすグレーティングが形成されている。図７（ａ）はθ＝０、図７（ｂ）はθ＝πの状態である。図７より、θ＝０であるとファイバＢの損失がファイバＡの損失より大きくなるが、θ＝πならばファイバＢの損失がファイバＡの損失より小さくなる。
　図８は、結合１か所（グレーティング２４）あたりの各モード間のパワー結合率を比較した表である。本実施形態のモード変換器は、ＬＰ０１をＬＰ１１に結合させることが目的であるため、ＬＰ２１以上のモードは伝送において放射モードになり損失となる。つまり、図８の表において、（１）～（４）は損失であり、小さい方が好ましい。
　比較例であるファイバＡは、（１）のＬＰ１１－ＬＰ２１のモード間の結合率が（２）のＬＰ１１と他の放射モードとの結合率に比べて十分小さい。そのため、ファイバＡは、（１）のθに対する依存性は無視できるほど小さく、ファイバＡの損失は（２）で決まる。そのため、ファイバＡではθを変化させても損失を低減することはできない。
　一方、実施例であるファイバＢは、（３）のＬＰ１１－ＬＰ２１のモード間の結合率がファイバＡのそれより大きく、結合率や損失がθに大きく依存する。θ＝０の場合であれば、位相整合条件が合うため、ファイバＢの損失は（３）＋（４）となる。一方、数２の場合、位相整合条件が合わないため、ＬＰ２１モードに結合したパワーはＬＰ１１モードに戻るので、ファイバＢの損失はほぼ（４）となる。この損失はファイバＡの損失（２）よりも小さい。
　以上の結果から、数モードファイバ１１よりも大きな伝搬モード数を有するマルチモード光ファイバを用い、その位相整合条件を適切に制御することで、低損失なモード変換器を実現できる。
　図９は、ステップインデックス型のマルチコア光ファイバについて、ＬＰ１１とＬＰ２１とのモード間の位相不整合量θ、コア半径ａ、及び比屈折率差Δの関係を説明する図である。実線は波長１５３０ｎｍのＬＰ２１モードのカットオフ条件を示し、この線より上側の領域においてＬＰ２１モードが伝搬する。また２つの破線は、それぞれＭＦＤが８．２μｍと９．６μｍの構造条件を表す。
　ファイバＡはθ＝５．１１、ファイバＢはθ＝１．２５である。ファイバＢのθは、数２の低損失の条件を満たしている。従って、２本の破線と１本の実線で囲まれる領域の構造を有するマルチモード光ファイバに長周期ファイバグレーティング部２２を形成することで、低損失性、モード変換効率、および伝送路との接続性に優れたモード変換器を実現できる。
（実施形態２）
　実施形態１では、数モードファイバ１１が３モードファイバであるときのモード変換器が備えるマルチモード光ファイバの構造条件と長周期ファイバグレーティング部２２の構造条件について説明した。
　本実施形態では、数モードファイバ１１が６モードファイバであるときのモード変換器が備えるマルチモード光ファイバの構造条件と長周期ファイバグレーティング部２２の構造条件について説明する。６モードファイバが伝搬する伝搬モードは、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ、ＬＰ２１ｂ及びＬＰ０２である。
　図１０は、ステップインデックス型のマルチコア光ファイバについて、ＬＰ０２とＬＰ３１とのモード間の位相不整合量θ、コア半径ａ、及び比屈折率差Δの関係を説明する図である。実線は波長１５３０ｎｍのＬＰ３１モードのカットオフ条件を示し、この線より上側の領域においてＬＰ３１モードが伝搬する。また２つの破線は、それぞれＭＦＤが８．２μｍと９．６μｍの構造条件を表す。
　図９を用いた説明と同様に、ＬＰ３１カットオフ条件以上のθが位相整合条件を満たさず、低損失条件を満たしている。このように、数モードファイバ１１が６モードファイバであるときのモード変換器が備えるマルチモード光ファイバの構造条件も３モードファイバでの検討手法と同様に拡張できることがわかる。
　また、結合させたいモード間の伝搬定数差に対応するグレーティングを複数付与することによって任意のモードを低損失で結合させることができる。従って、２本の破線と１本の実線で囲まれる領域の構造を有するマルチモード光ファイバに長周期ファイバグレーティング部を形成することで、低損失性、モード変換効率、および伝送路との接続性に優れたモード変換器を実現できる。つまり、実施形態１で説明した検討手法は、数モードファイバ１１が３モードファイバより高次の数モードファイバであるモード変換器の設計に拡張できる。
（実施形態３）
　図１１（ａ）はファイバＡとファイバＢについて結合回数Ｎに対するＬＰ１１の結合量の関係、図１１（ｂ）はファイバＡとファイバＢについて結合回数Ｎに対する損失の関係を説明する図である。ただし入力はＬＰ０１モード励振である。図１１（ｂ）からファイバＡに比べファイバＢの方が低損失であることがわかる。
　例えば、損失許容量を１ｄＢとした場合、ファイバＡでは長周期ファイバグレーティング部の実装数は約３０個であることに対し、ファイバＢでは長周期ファイバグレーティング部の実装数を約７０個まで拡張できる。従って、本実施形態のモード変換器は高いモード変換効率と低損失性を両立できる。
（他の実施形態）
　実施形態３では、ＬＰ０１とＬＰ１１とのモード変換について説明したが、グレーティング間隔を違えた長周期ファイバグレーティング部を形成することで、任意の伝搬モード間のモード変換を実現することができる。つまり、本実施形態のモード変換器は任意の伝搬モードを高い変換効率で且つ低損失で実現できる。
［付記］
　以下は、本実施形態のモード変換器を説明したものである。
　本発明は、伝搬モード数がｎ（ｎは２以上の自然数）である数モードファイバを伝送路としたモード多重伝送システムに対し、挿入損失を小さく伝搬モード間を高効率で結合させることのできるモード変換器を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本モード変換器は長周期ファイバグレーティング（ＬＰＦＧ）を用いてモード変換を行う。具体的には、前記ＬＰＧＦは、前記伝送路の数モードファイバでは伝搬しない高次のｍモード（ｍはｎより大きい自然数）も伝搬するマルチモード光ファイバにグレーティングを与えたものである。前記伝送路の受信端に前記ＬＰＧＦを接続する。
　前記ＬＰＦＧのグレーティングの間隔Λは、結合させる伝搬モード間の伝搬定数差をΔβｉとすると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 で与えられる。
　また、前記数モードファイバにおける伝搬モードと前記マルチモード光ファイバの放射モードの伝搬定数差をΔβｊ、放射モードとの位相不整合量をθとおくと、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 が成立し、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 を満たすものとする。
　本発明のモード変換器は、ＦＭＦの伝搬モードを低損失且つ高効率で結合させることができる。
１０：接続部
１１：数モードファイバ（ＦＭＦ）
１２：モード変換器
２２、２２－１、２２－２：長周期ファイバグレーティング部（ＬＰＧＦ）
２４：グレーティング
２５：コア

Claims (4)

  1. 　長周期ファイバグレーティング部を有するマルチモード光ファイバを備えるモード変換器であって、
    　前記マルチモード光ファイバは、
    　一端に接続される数モードファイバの伝搬モードより高次の伝搬モードを伝搬可能であること、及び
    　前記数モードファイバの伝搬モードの内の最高次の伝搬モードと、前記マルチモード光ファイバの伝搬モードの内、前記数モードファイバの伝搬モードを除いた最低次の放射モードとの間の位相が不整合であること
    を特徴とするモード変換器。
  2. 　前記位相の不整合量θが数Ｃ１を満たすことを特徴とする請求項１に記載のモード変換器。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     Δβｉは前記数モードファイバ内で結合する２つの伝搬モード間の伝搬定数差、
    Δβｊは前記最高次の伝搬モードと前記最低次の放射モードと間の伝搬定数差である。
  3. 　前記マルチモード光ファイバは、前記長周期ファイバグレーティング部を複数有し、
    　前記長周期ファイバグレーティング部は、互いにグレーティング間隔が異なることを特徴とする請求項１又は２に記載のモード変換器。
  4. 　請求項１から３のいずれかに記載されたモード変換器と、
    　前記モード変換器の前記マルチモード光ファイバの前記一端に接続される前記数モードファイバと、
    を備える光伝送システム。
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