JP6659847B2 - モード間損失差補償器及び光増幅器 - Google Patents

Description

本開示は、モード多重伝送におけるモード間の損失差を補償するモード間損失差補償器及びこれを搭載する光増幅器に関する。
本願は、２０１６年０８月０３日に、日本に出願された特願２０１６−１５３１６９号及び２０１６年０８月０４日に、日本に出願された特願２０１６−１５３９９６号及びに基づき優先権を主張し、それの内容をここに援用する。

近年、サービスの多様化によりインターネットトラヒックは未だ増加し続けており、伝送速度の高速化や波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）技術による波長多重数の増加により飛躍的に伝送容量を伸ばしてきた。また近年、検討が盛んに行われているデジタルコヒーレント技術によって更なる伝送容量の拡大が予想されている。デジタルコヒーレント伝送システムでは多値位相変調信号を用いることにより周波数利用効率を向上させてきたが、より高い信号雑音比が必要となってくる。しかし従来のシングルモードファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ：ＳＭＦ）を用いた伝送システムでは、理論的な限界に加え非線形効果に起因する入力パワー制限のため伝送容量は１００Ｔｂｉｔ／ｓｅｃを境に飽和することが予想されており、更なる大容量化は困難となってきている。

今後さらに伝送容量を増やしていくためには革新的な伝送容量拡大を実現する媒体が必要とされている。そこで、光ファイバ中の複数の伝搬モードをチャネルとして用いることで信号雑音比と空間利用効率の向上が期待できるマルチモードファイバ（Ｍｕｌｔｉ ｍ ｏｄｅ ｆｉｂｅｒ：ＭＭＦ）を用いたモード多重伝送が注目を集めている。これまでファイバ中を伝搬する高次のモードは信号劣化の要因であったが、デジタル信号処理や合分波技術などの発展で積極的な利用が検討されている（例えば、非特許文献１、２を参照。）。

また、伝送容量の拡大に加えモード多重伝送の長距離化に向けた検討も行われており、３モード伝搬可能な非結合型の１２コアファイバを用いた５２７ｋｍ伝送の報告がなされている（例えば、非特許文献３を参照。）。

モード多重伝送の長距離化を行う上で、長距離伝送を行うためには伝送路にて発生するモード間損失差（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｍｏｄａｌ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ：ＤＭＡ）や光増幅器にて発生するモード間利得差（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｍｏｄａｌｇａｉｎ：ＤＭＧ）が重要となってくる。非特許文献３においても長距離伝送を実現するためにＤＭＡ及びＤＭＧを含めたモード間損失差（Ｍｏｄｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｌｏｓｓ：ＭＤＬ）を１スパンの中で０．２ｄＢ以下になるように調整を行っている。非特許文献３においては空間フィルタ型のモード間損失差補償器を用いてＬＰ０１モードにＬＰ１１モードに比べ３ｄＢ程度大きい損失を与えることでＭＤＬの低減に寄与している。

Ｎ．Ｈａｎｚａｗａ ｅｔ ａｌ．， "Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏ ｎ ｏｆ Ｍｏｄｅ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉ ｓｓｉｏｎ Ｏｖｅｒ １０ ｋｍ Ｔｗｏ−ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ Ｍ ｏｄｅ Ｃｏｕｐｌｅｒ" ＯＦＣ２０１１， ｐａｐｅｒ ＯＷＡ４ Ｔ．Ｓａｋａｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．， "Ｍｏｄａｌ Ｄｉｓｐｅｒ ｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｌｏｎｇ−ｈａｕｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏ ｎ ｏｖｅｒ Ｆｅｗ−ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ＳＩＭＯ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａ ｔｉｏｎ" ＥＣＯＣ２０１１， Ｗｅ．１０．Ｐ１．８２ Ｋ． Ｓｈｉｂａｈａｒａ ｅｔ ａｌ． "Ｄｅｎｓｅ ＳＤＭ（１２−Ｃｏｒｅ × ３−Ｍｏｄｅ） Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｏｖｅｒ ５２７ ｋｍ Ｗｉｔｈ ３３．２−ｎｓ Ｍｏｄｅ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｅｍ ｐｌｏｙｉｎｇ Ｌｏｗ−Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ Ｐａｒａｌｌｅｌ ＭＩＭＯ Ｆ ｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｄｏｍａｉｎ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ"， Ｊ． Ｌｉｇｈ ｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ．３４， ｎｏ．１ （２０１６）． 長瀬他、"ＳＣ形光固定減衰器の諸特性"、信学会総合大会Ｃ−５ ９９，１９８９．

しかし、非特許文献３の空間型の利得等化器は、ファイバだけでなく、レンズや、特定のモードに損失を与えるためのフィルタ等の複雑な構成が必要であり、伝搬モード間でクロストークを発生させないための精密なアライメント作業も必要という課題がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決すべく、構成が簡易であり、精密なアライメント作業が不要であるモード間損失差補償器及び光増幅器を提供することを目的とする。

なお、１．３μｍもしくは１．５μｍ帯にて用いられる、簡易な構造を用いた減衰器として、ファイバ間に金属薄膜を挟むことやコア部分にコバルト等の金属を添加することで任意の損失を発生させる手法が提案されている（例えば、非特許文献４を参照。）。しかしながら、非特許文献４に記載の手法はシングルモード領域を対象としており、モード毎に任意の損失を与えるという本発明の目的は達成できていない。

具体的には、本発明に係るモード間損失差補償器は、伝搬する光信号の波長において複数の伝搬モードが伝搬する第１のマルチモード光ファイバ及び前記第１のマルチモード光ファイバと同種の第３のマルチモード光ファイバと、コア及びクラッドを有し、前記第１のマルチモード光ファイバと前記第３のマルチモード光ファイバとの間に中心軸を揃えて配置された、前記第１のマルチモード光ファイバとは異なる種類の第２マルチモード光ファイバとを備え、前記第１のマルチモード光ファイバから前記第２のマルチモード光ファイバを経由して前記第３のマルチモード光ファイバに至るまでの損失が、モードごとに異なり、前記第２のマルチモード光ファイバの種類が前記第１のマルチモード光ファイバ及び前記第３のマルチモード光ファイバとは異なっていることで、モード間損失差を調整する。

第１マルチモード光ファイバ及び第３のマルチモード光ファイバの屈折率分布と第２マルチモード光ファイバの屈折率分布とが異なっていてもよい。

屈折率分布が異なる光ファイバを縦続した場合、一方の光ファイバの屈折率分布の状態を変化させるとその接続点での損失量がモード毎に変化する。このため、本モード間損失差補償器は次のような手順でＭＤＬを低減することができる。
まず、光信号をマルチモード伝送する光伝送システム全体の各モードにおける損失量を把握する。そして、第２マルチモード光ファイバの屈折率分布を、当該損失量が大きいモードについては接続点での損失量を小さくし、当該損失量が小さいモードについては接続点での損失量を大きくするような分布とする。このような屈折率分布を持つ第２マルチモード光ファイバを有するモード間損失差補償器を前記光伝送システムに挿入することで、トータル的に各モードにおける損失量が均等化し、ＭＤＬを低減することができる。
本モード間損失差補償器は、２種類の光ファイバの中心軸を合わせて縦続させるだけなので、構成が簡易であり、精密なアライメント作業も不要である。

従って、本発明は、構成が簡易であり、精密なアライメント作業が不要であるモード間損失差補償器を提供することができる。

第１のマルチモード光ファイバ及び第３のマルチモード光ファイバを伝搬する複数の伝搬モードの数が５以下であってもよい。
第２のマルチモード光ファイバを伝搬する伝搬モード数が５以上であり、
第２のマルチモード光ファイバの屈折率分布がステップ型であってもよい。

本発明に係るモード間損失差補償器の前記第２マルチモード光ファイバは、伝搬する光信号の波長において伝搬モード数が５以上であり、屈折率分布がステップ型であることを特徴とする。第２マルチモード光ファイバの屈折率分布をステップ状にすると基本モードに比べ高次モードにおける損失量を大きくすることができる。

第２のマルチモード光ファイバを伝搬する伝搬モード数が５以上であり、第２のマルチモード光ファイバのコアは、リング状の屈折率分布を有するリング状コア部を備えていてもよい。
第２マルチモード光ファイバの屈折率分布をリング状にすると基本モードに比べ高次モードにおける損失量を小さくすることができる。

第２のマルチモード光ファイバは、リング状コア部の内環径と外環径の比が０．１以上であってもよい。

第２のマルチモード光ファイバのコアは、遷移元素が添加された領域を有していてもよい。
前記領域を調整するだけなので、構成が簡易であり、精密なアライメント作業も不要である。従って、本発明は、構成が簡易であり、精密なアライメント作業が不要で、モード毎に任意の損失を与える光ファイバを提供することができる。

前記領域がリング状であってもよい。
第２のマルチモード光ファイバのコアの径をａ５、領域の内環径をａ６、領域の外環径をａ７としたとき、２．５−５．０×（ａ７−ａ６）／ａ５≦ａ６／ａ５≦４．５−３．９×（ａ７−ａ６）／ａ５を満たしていてもよい。

前記領域を調整することで光における損失量がモード毎に変化する。このため、本発明に係る光増幅器は次のような手順でＭＤＬを低減することができる。
まず、光信号をマルチモード伝送する光伝送システム全体の各モードにおける損失量を把握する。そして、本発明に係る光ファイバの前記領域を、当該損失量が大きいモードについては損失量を小さくし、当該損失量が小さいモードについては損失量を大きくするような領域に設定する。このような領域を持つ光ファイバを光増幅部の後段に挿入することで、トータル的に各モードにおける損失量が均等化し、ＭＤＬを低減することができる。
本光増幅器は、前記領域を調整した光ファイバの中心軸を合わせて縦続させるだけなので、構成が簡易であり、精密なアライメント作業も不要である。

光増幅器は、複数の伝搬モードで伝搬する光信号を増幅する光増幅部と、前記光信号の伝搬方向において前記光増幅部の後段に配置された上記いずれかに記載のモード間損失差補償器と、を備える。
本光増幅器は、光増幅部の後段に前記モード間損失差補償器を配置しており、ＭＤＬの低減とともに雑音指数低下の防止をすることができる。

本発明は、構成が簡易であり、精密なアライメント作業が不要で、モード毎に任意の損失を与えるモード間損失差補償器及び光増幅器を提供することができる。

本発明に係るモード間損失差補償器を説明する概略図である。 本発明に係るモード間損失差補償器の第１，第３マルチモード光ファイバの屈折率プロファイルを説明する図である。 本発明に係るモード間損失差補償器の第２マルチモード光ファイバの屈折率プロファイルを説明する図である。 第１マルチモード光ファイバと第２マルチモード光ファイバのＭＦＤ差（ＬＰ０１モード）とＭＤＬとの関係を説明する図である。 本発明に係るモード間損失差補償器のＭＤＬと波長の関係を説明する図である。 本発明に係るモード間損失差補償器の第２マルチモード光ファイバの屈折率プロファイルを説明する図である。 第２マルチモード光ファイバの外環径ａ４に対する内環径ａ３の比とＭＤＬの関係を説明する図である。 本発明に係る光増幅器を説明する構成図である。 本発明に係る光ファイバを伝送路中に配置する例を説明する図である。 本発明に係る光ファイバの構造を説明する図である。 本発明に係る光ファイバにおいて（ａ７−ａ６）／ａ５＝０．５／９．０での各伝搬モードにおける損失とａ６／ａ５の関係を説明する図である。 本発明に係る光ファイバにおいて（ａ７−ａ６）／ａ５＝１．０／９．０での各伝搬モードにおける損失とａ６／ａ５の関係を説明する図である。 本発明に係る光ファイバにおいて（ａ７−ａ６）／ａ５＝２．０／９．０での各伝搬モードにおける損失とａ６／ａ５の関係を説明する図である。 本発明に係る光ファイバにおいて（ａ７−ａ６）／ａ５＝３．０／９．０での各伝搬モードにおける損失とａ６／ａ５の関係を説明する図である。 本発明に係る光ファイバにおいて基本モードにおける損失が高次モードにおける損失より大きくなる領域を説明する図である。 本発明に係る光増幅器を説明する図である。 本発明に係る光増幅器のＤＭＧを説明する図である。 本発明に係る光ファイバを設計する手順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、相互に同一の構成要素を示すものとする。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態のモード間損失差補償器１０１の概略図である。モード間損失差補償器１０１は、コア１３及びクラッド１４を有し、伝搬する光信号の波長において複数の伝搬モードが伝搬する第１マルチモード光ファイバ１１Ａ（以下、光ファイバ１１Ａと称す）及び第３マルチモード光ファイバ１１Ｂ（以下、光ファイバ１１Ｂと称す）と、コア１５及びクラッド１６を有し、第１マルチモード光ファイバ１１Ａと第３マルチモード光ファイバ１１Ｂとの間に中心軸を揃えて配置された第２マルチモード光ファイバ１２（以下、光ファイバ１２と称す）と、を備えている。
また、複数の伝搬モードにおける各損失が、光ファイバ１１Ａと、光ファイバ１１Ｂとの間で互いに異なる。言い換えると、光ファイバ１１Ａを伝搬する伝搬モードにおける損失と、光ファイバ１１Ａから光ファイバ１２を通過し光ファイバ１１Ｂを伝搬する伝搬モードにおける損失とが異なる。
なお、本実施形態では、光ファイバ１１Ａ及び光ファイバ１１Ｂの伝搬モード数が５以下である光ファイバを用いて説明するがこれに限らない。

モード間損失差補償器１０１は、２種類のマルチモードファイバ、光ファイバ１１Ａと光ファイバ１２と光ファイバ１１Ｂとがこの順に縦続されることで構成されている。図２に光ファイバ１１Ａ，１１Ｂの屈折率プロファイルを示し、図３に光ファイバ１２の屈折率プロファイルを示す。図２及び図３に示すように、光ファイバ１１Ａ，１１Ｂと光ファイバ１２との屈折率分布は異なっている。光ファイバ１１Ａ及び光ファイバ１１Ｂは同種の光ファイバであり、同じ屈折率分布を有している。光ファイバ１１Ａ及び光ファイバ１１Ｂのコア半径はａ１であり、比屈折率差ΔはΔ１である。光ファイバ１２のコア半径はａ２であり、比屈折率差はΔ２である。
ここではステップ形状とした実施形態を示すが、効果については他の屈折率形状についても同様に考えることができる。

モード間損失差補償器１０１は、光ファイバ１１Ａ，１１Ｂ及び光ファイバ１２を伝搬する各伝搬モードの電界分布が異なることを利用してＭＤＬ低減を実現する。ここで用いる光ファイバ１２は、光伝送システムの伝搬モード数がＮである場合、伝搬モード数をＭ以下（Ｍ＜Ｎ）としてしまうと伝搬モードの一部がカットオフされて伝送されなくなるため、伝搬モード数がＮ以上であることが望ましい。

また、２種の異なる光ファイバを縦続する手法では伝搬モード間のクロストークが懸念される。ＬＰｌｍモード（ｌは周方向、ｍは径方向のモードを規定する）を考えると、周方向モード次数が同じで径方向モード次数が同じモードについては接続点にて軸ずれが無い場合においても理論的にモード間クロストークが存在し得る。

ここではモード間クロストークの影響を避けるため、検討するモードはＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ，ＬＰ２１ｂモードの５モードとする。ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂ、およびＬＰ２１ａとＬＰ２１ｂは縮退モードを表している。縮退モードは電界分布の形状から接続点において軸ずれが無い場合、接続損失は同様の値をとる。そこで、以下では、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂ、およびＬＰ２１ａとＬＰ２１ｂについてまとめてＬＰ１１およびＬＰ２１モードと記載する。

モード間損失差補償器１０１のＭＤＬの計算検討を行う。ここでは、光ファイバ１１Ａ，１１Ｂのコア半径は７μｍであり、比屈折率差Δは０．７％である。このときの光ファイバ１１Ａ，１１ＢのＬＰ０１モードと光ファイバ１２のＬＰ０１モードのモードフィールド径（ＭＦＤ）の差が、ＬＰ１１モードとＬＰ２１モードのＭＤＬに与える影響について計算を行った。結果を図４に示す。ここでは光ファイバ１２はステップ形状とし比屈折率差Δを０．４５％に固定した際の例である。図４に示すＭＤＬは、ＬＰ０１モードに対するＬＰ１１、ＬＰ２１モードにおける損失差を表している。

図４の通り、ＭＦＤ差を調整することによりＭＤＬの値を調整できることが確認できる。また、このように２種のステップ形状を用いた接続では高次モードの電界分布の不整合が大きくなるため、基本モードに比べ高次モードにおける損失が高くなることがわかる。ＬＰ０１モードのＭＦＤはコア半径で調整することができるから、図４は光ファイバ１１Ａ，１１Ｂと光ファイバ１２の屈折率分布を調整することでモード間における損失差を任意に設定できることを示している。

次に実際に作製したモード間損失差補償器のＭＤＬと波長の関係を図５に示す。光ファイバ１１Ａ，１１Ｂのコア１３の半径が７μｍであり、比屈折率差Δが０．７％のステップファイバであり、光ファイバ１２のコア１５の半径は１０．５μｍであり、比屈折率差Δが０．４５％のステップファイバである。図５よりＬＰ２１モードに２ｄＢ、ＬＰ１１モードに対し１ｄＢ程度のＭＤＬが発生している。また電界分布の変化は波長依存性が小さいため、ＭＤＬの波長依存性も小さくなっていることが確認できる。

本実施形態では、５モードによる例を示したが、同様にＭＦＤ差とＭＤＬの関係を見積もることによって５モード以下を伝搬する光ファイバにおいても所望のＭＤＬを得るモード間損失差補償器を形成することができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、高次のモード（ＬＰ１１、ＬＰ２１モード）に比べ基本モード（ＬＰ０１モード）に大きな損失を与える手法について示す。本実施形態では図１のモード間損失差補償器１０１の光ファイバ１２に、高次モードに比べＬＰ０１モードに大きな接続損失を与えるリング形状の屈折率形状を有する光ファイバを適用する。本実施形態の光ファイバ１２は、伝搬する光信号の波長において伝搬モード数が５以上であり、屈折率分布をリング状としたリング状コアを有する。

図６に、光ファイバ１２の屈折率プロファイルを示す。図６に示すように、光ファイバ１２は、コア１７及びクラッド１９を有している。コア１７は、リング状の屈折率分布を有するリング状コア部１９を備えている。コア１７は、屈折率がクラッド１８と同じ半径ａ３の内環部と、ａ３〜ａ４の領域において比屈折率差Δ４である外環部とを有している。なお、本実施形態の光ファイバ１１Ａ，１１Ｂは、ステップ型の屈折率プロファイルであり、コア半径が７μｍであり、比屈折率差Δ４は０．７％である。

図７は、光ファイバ１１Ａ、１１Ｂと図６のプロファイルを有する光ファイバ１２を備えるモード間損失差補償器１０１において、ａ３／ａ４とＭＤＬとの関係を説明する図である。ここで内環径ａ３を変数にしており、ａ４は９μｍに固定としている。第１実施形態の光ファイバ１２を備える場合とは異なり、ａ３／ａ４≧０．１の領域において、ａ３／ａ４が大きくなるにつれて、ＬＰ１１およびＬＰ２１モードがＬＰ０１モードに対する接続損失が大きくなっていることが分かる。

本実施形態では、５モードによる例を示したが、同様にａ３／ａ４とＭＤＬの関係を見積もることによって５モード以下を伝搬する光ファイバにおいても所望のＭＤＬを得るモード間損失差補償器を形成することができる。

第１実施形態及び第２実施形態で説明したように光ファイバ１１Ａ，１１Ｂと光ファイバ１２の屈折率プロファイルを最適に設計することでファイバ間の電界分布の不整合に応じたＭＤＬを発生させることができ、モード間損失差補償器１０１を光伝送システムに配置することでトータルのＭＤＬを低減することができる。

（第３実施形態）
図８は、本実施形態の光増幅器３０１を説明する構成図である。光増幅器３０１は、複数の伝搬モードで伝搬する光信号を増幅する光増幅部１０２と、前記光信号の伝搬方向において光増幅部１０２の後段に配置されたモード間損失差補償器１０１と、を備える。

本実施形態では、第１実施形態及び第２実施形態で説明したモード間損失差補償器１０１を、Ｎモード伝搬可能であり、モード毎に利得差を有している光増幅部１０２とともに使用する。光増幅部１０２は、増幅用ファイバ２１、励起用光源２２、及び信号光励起光合波器２３を有する。一般的に光増幅部１０２の前段にモード間損失差補償器１０１を設置すると雑音指数が低下するので、光増幅部１０２の後段又は複数の光増幅部１０２間に設置することが好ましい。

光増幅部１０２において大きな利得を与えているモードに大きな損失を与えるように光ファイバ１２の屈折率プロファイルを設計することで光増幅器３０１のモード間利得差を低減することができる。

（効果）
本発明によれば、空間光学素子を用いないため、構成の簡易化が期待でき、また接続は従来の融着接続もしくは突合せ接続でよいため簡易にモード間損失差を補償することが可能になる。このようにモード多重伝送においてモード間損失差の低減を実現することで伝送距離の長延化に寄与する。

［付記］
以下は、モード多重伝送を行う光伝送システムにおいてＭＤＬを低減する方法である。
（１）：光信号の伝搬モード数が２以上且つ５以下である光伝送システムでモード間損失差を低減するモード間損失差補償方法であって、
各伝搬モードにおける損失量を測定する測定手順と、
伝搬する光信号の波長において伝搬モード数が５以下である第１マルチモード光ファイバと、前記第１マルチモード光ファイバ間に中心軸を揃えて挿入された、屈折率分布が前記第１マルチモード光ファイバと異なる第２マルチモード光ファイバと、を備えるモード間損失差補償器での各伝搬モードにおける損失量が、前記測定手順で測定した各伝搬モードにおける損失量に反比例するように前記第２マルチモード光ファイバの屈折率分布を決定する構造決定手順と、
前記構造決定手順で決定した屈折率分布を持つ前記第２マルチモード光ファイバを備える前記モード間損失差補償器を、前記光信号の伝搬方向において前記光伝送システムの光増幅部の後段に配置する設置手順と、
を行うことを特徴とするモード間損失差補償方法。

（２）：前記モード間損失差補償器の前記第２マルチモード光ファイバについて、伝搬する光信号の波長において伝搬モード数が５以上とし、前記構造決定手順で前記第２マルチモード光ファイバの屈折率分布をステップ型とすることを特徴とする上記（１）に記載のモード間損失差補償方法。

（３）：前記モード間損失差補償器の前記第２マルチモード光ファイバについて、伝搬する光信号の波長において伝搬モード数が５以上とし、前記構造決定手順で前記第２マルチモード光ファイバの屈折率分布をリング状としてリング状コアとすることを特徴とする上記（１）に記載のモード間損失差補償方法。

（４）：前記第２マルチモード光ファイバの前記リング状コアの内環径と外環径の比が０．１以上であることを特徴とする上記（３）記載のモード間損失差補償方法。

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、相互に同一の構成要素を示す。

（第４実施形態）
図９は、本実施形態のモード間損失差補償器２００の概略図である。モード間損失差補償器２００は、光ファイバ（第１マルチモード光ファイバ）５５Ａと光ファイバ（第３マルチモード光ファイバ）５５Ｂとの間に中心軸を揃えて光ファイバ（第２マルチモード光ファイバ）５０が挿入されている。
図１０は、本実施形態の光ファイバ５０の遷移元素プロファイルを説明する図である。光ファイバ５０は、クラッド５１とコア５２とから構成され、伝搬する光の波長において伝搬モード数が複数である光ファイバである。コア領域（コア）５２は、一部に遷移元素が添加された領域５３を有し、各伝搬モードにおける任意の損失を発生させることが可能である。そして、領域５３がリング状である。

コア領域５２の半径がａ５であり、比屈折率差ΔがΔ５である。ここではステップ形状とした例を示すが、効果については他の屈折率形状についても同様に考えることができる。併せて図１０にコア領域５２の一部に遷移元素を添加する領域５３について図示する。領域５３はコア領域５２のうち、半径ａ６〜ａ７（０≦ａ６≦ａ７≦ａ５）の範囲とする。

領域５３に添加される遷移元素はコバルト、鉄、ニッケル、鉛などの金属元素である。必要に応じて遷移元素の添加濃度を変えることにより、光ファイバ５０を伝搬する伝搬モードの単位長さ辺りの伝搬損失を調整することができる。

続いて、このようにコア領域５２の一部にのみ金属を添加することによって光ファイバを伝搬する特定のモードに大きな伝搬損失を発生させることが可能となることを説明する。ここでは領域５３と各伝搬モードの伝搬損失の関係について計算を行う。伝搬損失の計算にはビーム伝搬法（ＢＰＭ）を用いており、領域５３には伝搬中に吸収を受けて減衰されるよう吸収係数κを設定した。本例においては伝搬するモードはＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２モードとする。これ以上のモードが伝搬する光ファイバにおいても同様に計算することが可能である。

図１１、図１２、図１３、図１４は、（ａ７−ａ６）／ａ５がそれぞれ０．５／９．０、１／９、２／９、３／９である時の各伝搬モードにおける損失とａ６／ａ５の関係を示す図である。ここでａ５＝９μｍおよびκ＝０．５×１０−５、伝搬長を１０ｍｍとしている。光ファイバ５０による伝搬損失はκおよび伝搬長により決められておりモード間の特性差はκの値には大きく依存しないと考えられる。本計算では、吸収量のみ定義しており、特定の金属における計算においては、金属添加ファイバに添加される金属の種類、添加濃度および添加領域から同様に算出することができる。

ａ６／ａ５の値によりモード毎に光ファイバ５０により発生する損失の値が異なることが確認できる。例えば、（ａ７−ａ６）／ａ５が０．５／９．０においてａ６／ａ５を０．３８から０．４８程度の領域では基本モードからモード次数が上がるにつれて小さな損失を与える設計が可能となる。

一般的にマルチモード光ファイバにおいては、高次モードに比べ基本モードは閉じ込めが強くなり曲げ損失を含む伝搬損失が小さくなる傾向がある。そこでモード多重の光伝送システムにおいてＭＤＬを小さくするためには、光ファイバ５０にて基本モードに対して高次モードより大きな過剰損失を与えるようにしておくことが好ましい。そのような光ファイバ５０の領域５３の範囲について図１１から図１４の結果から確認を行う。

図１５は、ＬＰ０１モードにおける損失がＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２モードに比べ大きくなる領域に関して横軸に（ａ７−ａ６）／ａ５を、縦軸にａ６／ａ５をプロットした結果である。リング幅（ａ７−ａ６）／ａ５の値によって基本モードにおける損失が高次モードにおける損失より大きくなるａ６／ａ５の範囲が定まることが確認できる。具体的には、
２．５−５．０×（ａ７−ａ６）／ａ５≦ａ６／ａ５
≦４．５−３．９×（ａ７−ａ６）／ａ５
を満たす領域５３に金属の添加を行うことで基本モードにおける損失が高次モードにおける損失より大きくなる。

本実施形態では遷移元素を添加する領域５３をリング形状にした際の例について示したが、添加濃度を階段型に変化させるなど添加分布の工夫によって任意の損失を与えることも可能である。

（第５実施形態）
図１６は、本実施形態の光増幅器３０１を説明する図である。光増幅器３０１は、複数の伝搬モードで伝搬する光信号を増幅する光増幅部１０２と、前記光信号の伝搬方向において光増幅部１０２の後段に配置された光ファイバ５０と、を備える。

本実施形態では、第４実施形態で説明した光ファイバ５０を、Ｎモード伝搬可能であり、モード毎に利得差を有している光増幅部１０２とともに使用する。光増幅部１０２は、増幅用ファイバ２１、励起用光源２２、及び信号光励起光合波器２３を有する。一般的に光増幅部１０２の前段に光ファイバ５０を設置すると雑音指数が低下するので、光増幅部１０２の後段又は複数の光増幅部１０２間に設置することが好ましい。

光増幅部１０２において大きな利得を与えているモードに大きな損失を与えるように光ファイバ５０の領域５３を設計することで光増幅器３０１のモード間利得差を低減することができる。

次に、増幅用ファイバ２１と光ファイバ５０を縦続する際に光ファイバ５０で発生する損失量の設計方法について述べる。ここでは、光伝送路を伝搬してきたＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２モードを増幅可能な光増幅器を例に述べる。

増幅用ファイバ２１はエルビウムを添加したエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）とする。ＥＤＦの屈折率分布はコア半径７μｍ、比屈折率差０．７％のステップ型とし、添加するエルビウムの添加量は均一に３００ｐｐｍ、条長を１０ｍとする。

信号光の波長を１５５０ｎｍ、励起光の波長を９８０ｎｍ、励起光のモードをＬＰ１１モードとして利得計算を行うと、各伝搬モードの利得は、ＬＰ０１が２０．０ｄＢ、ＬＰ１１が２０．０ｄＢ、ＬＰ２１が１６．９ｄＢ、ＬＰ０２が１０．６ｄＢとなる。

光ファイバ５０は（ａ７−ａ６）／ａ５＝１μｍであり、条長が３０ｍｍである時、図１１から図１４に示したように光ファイバ５０で発生する各モードにおける損失は、ａ６／ａ５の値により周期的に異なる値を有する。光増幅器３０１の利得は光増幅部１０２で発生する利得と光ファイバ５０で発生する損失のａ６／ａ５依存性から求めることができる。

図１７は、光増幅器３０１の利得と光ファイバ５０のａ６／ａ５との関係を説明する図である。光増幅器３０１全体の各伝搬モードの利得の絶対値は、励起強度やＥＤＦの条長を調整することにより所望の値に設定することが可能となる。そして、図１７よりａ６／ａ５が０．４４程度のときＤＭＧが最も小さくなることが確認できる。

図１８は、光増幅器３０１に適用する光ファイバ５０の設計方法を説明する図である。図１８の設計方法は、光信号の伝搬モード数が複数である光増幅器３０１でモード間損失差を低減する方法であって、光増幅部１０２で発生する各伝搬モードの利得を測定する測定手順Ｓ０１と、光ファイバ５０におけるコア領域５２の一部に遷移元素が添加された領域５３の構造と各伝搬モードにおける損失量との依存性を算出する算出手順Ｓ０２と、測定手順Ｓ０１で測定した利得と算出手順Ｓ０２で算出した損失を伝搬モード毎に加算し、ＤＭＧが最小となる領域５３の構造を決定する決定手順Ｓ０３と、を行う。

なお、光伝送システムの伝送路中に光ファイバ５０を配置する場合も同様に設計できる。

（効果）
本発明によれば、空間光学素子を用いないため、構成の簡易化が期待でき、また接続は従来の融着接続もしくは突合せ接続でよいため簡易にモード間損失差を補償することが可能になる。このようにモード多重伝送においてモード間損失差の低減を実現することで伝送距離の長延化に寄与する。

［付記］
以下は、モード多重伝送を行う光伝送システムにおいてＭＤＬを低減する方法を説明したものである。
（１）：光信号の伝搬モード数が複数である光伝送システムでモード間損失差を低減するモード間損失差補償方法であって、
各伝搬モードにおける損失量を測定する測定手順と、
コアの一部に遷移元素が添加された領域を有する光ファイバについて各伝搬モードにおける損失量と前記領域の構造との関係を算出する算出手順と、
前記測定手順で測定した損失と前記算出手順で算出した損失を伝搬モード毎に加算し、
ＭＤＬが最小となる前記領域の構造を決定する決定手順と、を行うことを特徴とするモード間損失差補償方法。

（２）：前記光ファイバの前記領域の構造がリング状であることを特徴とする上記（１）に記載のモード間損失差補償方法。

（３）：前記決定手順で決定する前記領域の構造が、前記コアの径をａ５、前記領域の内環径をａ６、前記領域の外環径をａ７とした時、２．５−５．０×（ａ７−ａ６）／ａ５≦ａ６／ａ５
≦４．５−３．９×（ａ７−ａ６）／ａ５を満たすことを特徴とする上記（２）に記載のモード間損失差補償方法。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態及びその変形例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
また、本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。

本発明は、構成が簡易であり、精密なアライメント作業が不要で、モード毎に任意の損失を与えるモード間損失差補償器及び光増幅器を提供することができる。

ａ５：コア径
ａ６：内環径
ａ７：外環径
１１Ａ，５５Ａ：光ファイバ（第１マルチモード光ファイバ）
１１Ｂ，５５Ｂ：光ファイバ（第３マルチモード光ファイバ）
１２，５０：光ファイバ（第２マルチモード光ファイバ）
２１：増幅用ファイバ
２２：励起光源
２３：信号光励起光合波器
１０１，２００：モード間損失差補償器
１０２：光増幅部
３０１：光増幅器

Claims (10)

1. 伝搬する光信号の波長において複数の伝搬モードが伝搬する第１のマルチモード光ファイバ及び前記第１のマルチモード光ファイバと同種の第３のマルチモード光ファイバと、
   コア及びクラッドを有し、前記第１のマルチモード光ファイバと前記第３のマルチモード光ファイバとの間に中心軸を揃えて配置された、前記第１のマルチモード光ファイバとは異なる種類の第２のマルチモード光ファイバとを備え、
   前記第１のマルチモード光ファイバから前記第２のマルチモード光ファイバを経由して前記第３のマルチモード光ファイバに至るまでの損失が、モードごとに異なり、
   前記第２のマルチモード光ファイバの種類が前記第１のマルチモード光ファイバ及び前記第３のマルチモード光ファイバとは異なっていることで、モード間損失差を調整する
   ことを特徴とするモード間損失差補償器。
2. 前記第１のマルチモード光ファイバ及び前記第３のマルチモード光ファイバの屈折率分布と前記第２のマルチモード光ファイバの屈折率分布とが異なる
   ことを特徴とする請求項１に記載のモード間損失差補償器。
3. 前記第１のマルチモード光ファイバ及び前記第３のマルチモード光ファイバを伝搬する前記複数の伝搬モードの数が５以下であることを特徴とする請求項２に記載のモード間損失差補償器。
4. 前記第２のマルチモード光ファイバを伝搬する伝搬モード数が５以上であり、
   前記第２のマルチモード光ファイバの屈折率分布がステップ型である
   ことを特徴とする請求項３に記載のモード間損失差補償器。
5. 前記第２のマルチモード光ファイバを伝搬する伝搬モード数が５以上であり、
   前記第２のマルチモード光ファイバの前記コアは、リング状の屈折率分布を有するリング状コア部を備える
   ことを特徴とする請求項３に記載のモード間損失差補償器。
6. 前記第２のマルチモード光ファイバは、前記リング状コア部の内環径と外環径の比が０．１以上であることを特徴とする請求項５に記載のモード間損失差補償器。
7. 前記第２のマルチモード光ファイバの前記コアは、遷移元素が添加された領域を有することを特徴とする請求項１に記載のモード間損失差補償器。
8. 前記領域がリング状であることを特徴とする請求項７に記載のモード間損失差補償器。
9. 前記第２のマルチモード光ファイバの前記コアの径をａ５、前記領域の内環径をａ６、前記領域の外環径をａ７としたとき、
   ２．５−５．０×（ａ７−ａ６）／ａ５≦ａ６／ａ５
   ≦４．５−３．９×（ａ７−ａ６）／ａ５
   を満たすことを特徴とする請求項８に記載のモード間損失差補償器。
10. 複数の伝搬モードで伝搬する光信号を増幅する光増幅部と、
    前記光信号の伝搬方向において前記光増幅部の後段に配置された請求項１から９のいずれかに記載のモード間損失差補償器と、
    を備える光増幅器。

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