光传输系统的制作方法

本公开涉及使用了传播多个传播模式的多模光纤的光传输系统。

本申请基于在2016年08月29日向日本申请的日本特愿2016-167359号要求优先权，并将其内容引用于此。

背景技术：

提出了使用多个传播模式的多模光纤来作为扩大传输容量的技术。特别地，使用了多个传播模式的模式复用传输能使传输容量提高到模式数量倍，因此，作为新的大容量传输方式而被注目。

在使用了该多模光纤的传输中，在传输路径中发生模式间串扰，因此，作为其补偿手段，在接收端使用了mimo（multiple-inputmultiple-output，多输入多输出）均衡器。

然而，在存在模式间的损失差（modedependentloss：以下mdl）的情况下，即使利用了mimo均衡器，传输系统的性能（performance）降低也成为课题（例如，参照非专利文献1。）。此外，当在接收端作为mimo信号处理所涉及的脉冲的扩展的群延迟扩展(groupdelayspread：以下gds)较大时，关于mimo的数字处理（dsp：digitalsignalprocessing，数字信号处理）的负荷变大，为了实现长距离传输，dsp负荷的减少成为课题（例如，参照非专利文献2。）。

因此，为了缓和mdl或dmd的影响，提出了使模式间的耦合发生的搅模器（modescrambler）的利用（例如，参照非专利文献3。）。此外，为了在光纤传输路径中积极地引起模式间的耦合，提出了环形芯型光纤（例如，参照非专利文献4。）。进而，使用模式合分波器在2km的6个模式光纤的中间引起模式耦合而在实验上确认了dmd减少效果（例如，参照非专利文献5。）。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：p.j.winzer,etal.,“mode-dependentloss,gain,andnoiseinmimo-sdmsystems,”inproc.ecoc2014,papermo.3.3.2,2014；

非专利文献2：s.o.arik,d.askarov,j.m.kahn,“effectofmodecouplingonsignalprocessingcomplexityinmode-divisionmultiplexing,”j.lightwavetechnol.31（3）（2013）423-431；

非专利文献3：lobato,a.;ferreira,f.;rabe,j.;kuschnerov,m.;spinnler,b.;lankl,b.,“modescramblersandreduced-searchmaximum-likelihooddetectionformode-dependent-loss-impairedtransmission,”inopticalcommunication（ecoc2013）,39theuropeanconferenceandexhibition,th.2.c.3,22-26sept.2013；

非专利文献4：n.fontaine,r.ryf,m.hirano,andt.sasaki,“experimentalinvestigationofcrosstalkaccumulationinaring-corefiber,”inproc.ieeephoton.soc.summertop.meetingseries,2013,pp.111-112；

非专利文献5：y.wakayama,d.soma,k.igarashi,h.taga,andt.tsuritani,“intermediatemodeinterchangeforreductionofdifferentialmode-groupdelayinweakly-coupled6-modefibertransmissionline,”inopticalfibercommunicationconference,osatechnicaldigest（online）（opticalsocietyofamerica,2016）,paperm3e.6；

非专利文献6：i.giles,a.obeysekara,r.chen,d.giles,f.poletti,andd.richardson,“fiberlpgmodeconvertersandmodeselectiontechniqueformultimodesdm,”ieeephotonicstechnologyletters,24（21）,（2012）,pp.1922-1925；

非专利文献7：j.n.blake,b.y.kim,andh.j.shaw,“fiber-opticmodalcouplerusingperiodicmicrobending,”opticsletters,11（3）,（1986）,pp.177-179。

技术实现要素：

发明要解决的课题

然而，在非专利文献4中，通过使光纤的传播模式间的传播常数差δβ尽可能小，从而在少许干扰的情况下容易引起模式耦合，但是，在高次模式下处于δβ变大的趋势，即使在模式数量增加的情况下也难以引起充分的模式耦合。在非专利文献5中，在传输路径中仅在1处设置模式变换器，模式耦合量由输入功率决定，但是，简并模间的功率容易由于干扰而变化，因此，存在模式耦合不充分并且模式耦合量容易由于干扰而变小这样的课题。

因此，本公开的目的在于针对将传播多个传播模式的多模光纤作为传输路径的模式复用光传输系统而在光纤传输路径中适当地设置模式变换器。

用于解决课题的方案

具体地，本公开的光传输系统具备：光纤传输路径，包括传播模式数量为2以上的光纤；以及多个模式变换器，引起至少1组的所述传播模式间的模式耦合，所述多个模式变换器的设置间隔的偏差为由所述光纤传输路径的传输路径长度确定的阈值以下。

所述多个模式变换器的模式耦合的耦合量的合计比由所述光纤传输路径的所述传播模式间的群延迟差确定的阈值大也可。

此外，所述模式变换器使用在长尺寸方向上具有光栅间距的光纤也可，所述光栅间距相当于所述传播模式间的传播常数差。

发明效果

在本公开中，针对将传播多个传播模式的多模光纤作为传输路径的模式复用光传输系统，在光纤传输路径中适当地设置模式变换器，因此，能够提供发生效率良好的模式耦合的光传输系统。

附图说明

图1是对实施方式1的传输系统的第1结构例进行说明的图。

图2是对实施方式1的传输系统的第2结构例进行说明的图。

图3是对光纤传输路径中的变换器数量和每1处的耦合量以及那时的gds减少效果进行了说明的图。

图4是对考虑了由干扰造成的简并模（degeneratemode）间的功率（power）变动的情况下的变换器数量与gds的减少效果的波动的关系进行说明的图。

图5是对模式变换器的设置间隔的偏差与gds减少效果的关系进行说明的图。

图6是表示2个模式阶跃折射率光纤（step-indexfiber）的lp01-lp11间的耦合间距的图。

图7是对光纤传输路径中的变换器数量和每1处的耦合量以及那时的mdl减少效果进行了说明的图。

图8是对光纤传输路径中的变换器数量和每1处的耦合量以及那时的δq减少效果进行了说明的图。

图9是表示在具有50个凹凸的lpg中相对于光栅（grating）的每1个凹凸的耦合量的、传播模式的功率变动的图。

图10是表示相对于lpg的凹凸数量的、需要的每1个凹凸的耦合量的计算结果的图。

图11是对向光纤赋予了周期性的弯曲的情况进行说明的图。

图12a是说明通过对在包覆附上凹凸后的光纤施加应力来向光纤的芯赋予周期性的弯曲的情况的图。

图12b是说明通过对在包覆附上凹凸后的光纤施加应力来向光纤的芯赋予周期性的弯曲的情况的图。

图13是说明通过将光栅板与光纤接触来向光纤的芯赋予周期性的弯曲的情况的图。

图14是说明光纤的lp01-lp11模式间的传播常数差和lp11-lp21模式间的传播常数差的波长依赖性的图。

图15是说明光纤的lp01-lp11模式间的耦合间距和lp11-lp21模式间的耦合间距的波长依赖性的图。

图16是在lp01-lp11间和lp11-lp21间表示模式耦合所需要的耦合间距的波长依赖性的表。

图17是表示模式耦合的强度φ的光栅间距偏离与光纤的构造变化长度l的关系的图。

图18是表示当得到理想的模式耦合的强度φ时能够近似的最大的光栅间距的偏离量与光纤的构造变化长度l的关系的图。

图19是对各模式的有效折射率的si光纤与gi光纤的比较进行说明的图。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边对本公开的实施方式详细地进行说明。再有，本公开并不限定于以下所示的实施方式。这些实施的例子只不过是例示，本公开能够以基于本领域技术人员的知识而施行各种变更、改良后的方式进行实施。再有，在本说明书和附图中附图标记相同的结构要素示出彼此相同的结构要素。

（第1实施方式）

在图1和图2中示出本实施方式的使用了模式变换器的光传输系统的结构例。本实施方式的光传输系统是从多个发送机81发送信号、使用模式合波器（mux）84对各模式进行合波并使其在光纤传输路径83中传播、使用模式分波器（demux）85对模式进行分波并利用fir（finiteimpulseresponse，有限脉冲响应）均衡器82进行信号恢复的构造。光纤传输路径83包括能够传播多个模式的光纤。

将光纤传输路径83的传输路径长度设为lt，将光纤传输路径83整体中的模式变换器91的设置数量设为n，将各模式变换器91的长度设为lgi，将各模式变换器91中的耦合量设为ci。其中，耦合量是表示以1为最大值的耦合程度的指标，将功率转移100%到对方的模式的情况设为1，将转移50%的情况设为0.5。

在图1中设想了在光纤传输路径83上设置模式变换器91的光纤传输路径83兼作模式变换器91那样的传输路径，相对于此，也考虑如图2那样在光纤传输路径83的中途插入模式变换器91的情况。在图1中在传输路径长度lt中包括变换器长度lg，相对于此，在图2中在传输路径长度lt中不包括变换器长度lg。据此，设置间隔的标准偏差的条件的记载在图1和图2中不同。

在图3中，以等高线表示光纤传输路径83整体中的使用了模式变换器91的变换器数量n和耦合量c处的gds的相对值。在此，假设了在各耦合处的耦合量c全部相等，设置间隔总是为固定。在图3中，传输路径长度lt和变换器长度lg未加以考虑而为任意的长度。gds的相对值为相对于光纤本身具有的模式间的传播时间差的相对值，表示在相对值为1时gds不被减少而在为0.5时被减半的状况。根据该图，当耦合次数、耦合量增加时，能够减少gds的相对值。在例如变换器数量n为100、耦合量c为0.3时，能够将gds的相对值抑制为0.5。即，dsp负荷也能够抑制为0.5倍。

然而，当即使在各模式变换器91中功率转移100%也在光纤传输路径83中产生干扰时，发生简并模间的相位变化和功率变化，在各模式变换器91中耦合的模式决定，因此，gds值能发生变动。因此，计算了gds相对值相对于在光纤传输路径83中的变换器数量n而由于干扰变动哪种程度。

设想了设置间隔全部为固定并且传播lp01、lp11a、lp11b模式的情况。由于干扰，在lp11模式的电场分布中，存在lp11a模式转移到lp11b模式的情况，因此，以从模式变换器91到下一个模式变换器91、lp11a、lp11b模式的功率比率随机地发生变化的方式进行了计算。

在模式变换器91中仅lp01模式与lp11a模式或lp11b模式任一个发生模式耦合，因此，lp11a、lp11b模式间的功率比率发生变化，由此，耦合量也发生变化。计算50次同样的计算，在图4中表示gds相对值的平均值和标准偏差的计算结果。从图4的计算结果可知：当增加变换器数量n时，能够减少gds的相对值的变动幅度和平均值双方。此外，变换器数量需要为30以上，以便即使产生由干扰造成的特性的变动也将gds相对值抑制为0.5以下。当像这样考虑干扰的影响时变换器数量n需要为30，但是，如图3所示那样，gds还依赖于在各耦合处的耦合量c，因此，假设：只要变换器数量n为30、耦合量以1为最低基准，在各耦合处的耦合量的和为30以上，则能够将gds抑制为一半。即，需要式（1）。

[数式1]

。

接着，考虑了设置间隔不为固定的状况。优选等间隔地配置模式变换器91，但是，即使在设置间隔从等间隔偏离的情况下，也能够得到模式间传播时间差的减少效果。模式间的传播延迟差扩大的区域被认为是在光纤传输路径83中未设置模式变换器91的部分，因此，其总长度被表示为式（2）。

[数式2]

。

在图5中求取了在使其总长度为固定并且使变换器数量n为作为最小值的30而在各设置间隔产生了波动的情况下能够容许波动到哪种程度。此时，设置间隔的平均值被表示为式（3）。

[数式3]

。

横轴是将设置间隔的波动的标准偏差除以平均值后的值。在特定的标准偏差的值中gds的相对值并不唯一决定，但是，已知大体上在标准偏差/平均值为0.4以下时gds的相对值收敛于0.5以下。因此，在传输路径长度lt中包括变换器长度lg的情况下，将设置间隔的标准偏差抑制为式（4）以下，由此，能够期待使gds的相对值减半的效果。

[数式4]

。

再有，在如图2那样在光纤传输路径83中插入模式变换器91的、在传输路径长度lt中不包括变换器长度lg的情况下，将标准偏差抑制为式（5）以下，由此，能够使gds的相对值减半。

[数式5]

。

上述的模式调制器91也可以使用在长尺寸方向上具有光栅间距的光纤，所述光栅间距相当于传播模式间的传播常数差。具体而言，在本公开中，模式变换器使用长周期光纤光栅（longperiodgrating：lpg）。关于具体的lpg的构造，使用图11~图13进行后述。

为了理想地使2个模式变换，需要使用lpg，所述lpg具有相当于2个模式间的传播常数差δβ的、2π/δβ的凹凸间隔。但是，也存在实际上使用的lpg的凹凸间隔从2π/δβ偏离的情况。因此，在本发明中，将相当于2π/δβ的长度定义为耦合间距，将实际上设置的lpg的凹凸间隔定义为光栅间距。关于高次的传播常数差较大的模式，设置与那些传播常数差对应的窄的光栅间距宽度的lpg。

再有，关于光纤的折射率分布，只要能够传播多个模式，则选择阶跃折射率型、渐变折射率型、多级（multistep）型、环形型等哪一个都可以。

在图6中示出根据通常的2个模式阶跃折射率光纤（芯半径r、相对折射率差δ）的lp01模式、lp11模式间的传播常数差求取的耦合间距。如非专利文献6所记载那样，通过使lpg的光栅间距与耦合间距宽度即相当于光纤的传播模式间的传播常数差δβ的2π/δβ一致，从而能够在模式间引起模式耦合。

如存在于非专利文献6的记载那样，通常，用作模式变换器的lpg的凹凸数量为50左右，因此，在此使lpg凹凸数量的最大值为50。但是，lpg的凹凸数量持续比50长的模式变换器91也能够设置于本公开的光传输系统。在该情况下，看作设置了将凹凸数量除以50后的数量的变换器数量n。此外，还包括遍及光纤传输路径83整体接触lpg的状况。

此外，模式调制器91使用lpg，由此，除了gds以外还能够减少模式依赖损失（mdl：modedependentloss）或信号间品质差δq。

图7是将由干扰造成的lp11模式的变化加以考虑而使各变换器数量、耦合量处的mdl的平均值为相对于没有变换器的传输路径中的mdl的值的、相对值来进行计算并以等高线表示的图。图8是将由干扰造成的lp11模式的变化加以考虑而使各变换器数量、耦合量处的δq的平均值为相对于没有变换器的传输路径中的δq的值的、相对值来进行计算并以等高线表示的图。

如图7所示那样，能够通过使变换器数量或每一处的耦合量增加来减少mdl，如图8所示那样，能够通过使变换器数量或每一处的耦合量增加来减少δq。图7和图8的趋势不取决于各模式的损失的值而总是成立，因此，在怎样的传输路径中都能够通过设定充分的变换器数量、耦合量来减少mdl、δq。

（第2实施方式）

在本实施方式中，说明模式变换器91使用了lpg的情况下的、凹凸数量和各凹凸中的耦合量的优选的例子。作为例子，示出关于具有50个凹凸的lpg而每1个凹凸所需要的耦合量。

相对于lpg的凹凸数量和输入信号的电场振幅u0、v0的、lpg通过后的电场振幅un、vn由跟非专利文献7学习的数式（6）的关系表示。

[数式6]

。

其中，κ为每1个凹凸的耦合量（0＜κ＜1），ncc（numberofconcavityandconvexity）为凹凸数量。

在图9中示出使n为50而un、vn相对于κ的值的计算结果。其中，图9的横轴表示将κ换算为功率的维后的值即κ2，纵轴表示对un、vn进行功率换算后的u2、v2。首先，在u0=1、v0=0时发生耦合而当κ增加时uo的功率开始转移到v0。在κ为-30db时，un的功率完全转移到vn而成为1。当使κ的值从-30db增加时，功率的交换进一步发生，耦合频繁地发生。此时，得到最大的耦合量所需要的每1个凹凸的耦合量为约-30db。在凹凸数量为50的情况下，不论耦合间距，每1个凹凸的耦合量都为约-30db也可，当凹凸数量减少时，每1个凹凸所需要的耦合量增加。

如图10所示那样，根据凹凸数量来改变接触力，由此，能够在各种凹凸数量的lpg中得到高的变换效率。

（第3实施方式）

第3实施方式中的光纤传输路径83也能够与低gds光纤或容易发生耦合的环形芯光纤、张力赋予光纤、gds补偿传输路径等并用。在该情况下，能够提供利用lpg的接触来能够期待进一步的模式间的传播时间差的减少效果并且能够以非常少的信号处理负载进行传输的光传输系统。

再有，在本实施方式中的光纤传输路径83中，模式变换器91也使用lpg，优选应用在第2实施方式中说明的凹凸数量和各凹凸处的耦合量。

（第4实施方式）

在前述的实施方式中模式变换器91使用了lpg的情况下，与光纤接触的lpg的凹凸为矩形、梯形、三角形、正弦波状、圆弧状等怎样的形状都可以。如果lpg的凹凸是周期性的，则能够得到在第1实施方式和第2实施方式中说明的作用·效果。

（第5实施方式）

在前述的实施方式中示出了模式变换器91为长周期光栅的例子，但是，模式变换器91中的模式耦合并不限定于接触式的光栅。例如，也可以使用co2激光或uv激光等向光纤提供了折射率变化的方式、或向光纤赋予了周期性的弯曲的方式。

向光纤的弯曲的赋予是任意的。例如，能够例示如图11那样向光纤831自身施加弯曲并且以光栅间距wp将芯832弯曲后的光纤。此外，能够例示当如图12a那样在光纤的包覆833附上凹凸834后提供应力时如图12b那样将芯832弯曲后的光纤。此外，能够例示如图13那样通过将光栅板835与光纤831接触而赋予弯曲后的光纤。

（第6实施方式）

当将光纤传输路径83的传播模式数量设置为n时，为了减少gds，存在通过使例如光纤的gds最大的模式间耦合来减少gds的方法。进而，为了通过耦合其他的模式来得到更大的gds减少效果，根据需要，需要多个光栅间距的光栅。此外，即使在将波长复用来传输的情况下，也能够同样地通过赋予多个光栅间距的光栅来期待更高的gds减少效果。

图14和图15分别示出传播常数差δβ和耦合间距wp的波长依赖性的一个例子。在图中，g1示出lp01-lp11间，g2示出lp11-lp21间。例如，在芯半径12μm、δ0.4%的阶跃折射率光纤的情况下，如图14所示那样，lp01-lp11间的传播常数差δβ与lp11-lp21间的δβ不同，此外，分别具有波长依赖性。因此，发生模式耦合的lpg的耦合间距即2π/δβ也如图15那样根据模式的组而不同，根据波长也不同。因此，优选向光纤传输路径83赋予与传输的模式、波长对应的光栅。

在图16中示出芯半径12μm、δ0.4%的阶跃折射率光纤的例子。在仅发生例如lp01-lp11间的模式耦合的情况下，如果是c带，则只要具有1620~1650μm的30μm的范围的光栅间距即可。此外，为了包罗c~l带，需要设置1580~1650μm的范围的光栅间距，为了包罗o~l带，需要设置1580~1900μm的范围的光栅间距。进而，为了引起lp11-21模式间的模式耦合，需要设置图16所示的细的光栅间距。

（第7实施方式）

向光纤传输路径83赋予的lpg的周期未必需要是使用了在光纤中传播的模式间的传播常数差δβ的、相当于2π/δβ的长度，耦合条件再稍微被缓和。通常地，模式耦合的强度φ由式（7）表示。

[数式7]

。

其中，在使模式l、模式m的传播常数差为βl、βm而使理想的构造变化的光栅间距为作为耦合间距的2π/（βl-βm）的情况下，使向光纤提供的构造变化的周期为2π/ω，使构造变化的总长度为l。在使芯半径12μm、δ0.4%的阶跃折射率光纤且波长1550nm时的lp01模式的β为βl并且使lp11模式的β为βm的情况下，如图17那样表示lp01模式、lp11模式间的耦合的强度φ。图所示的曲线g0、g10、g20、g30分别示出由下式表示的δpitch为0μm、10μm、20μm、30μm时的φ。

使用实际赋予的lpg的构造周期和相当于lp01-lp11模式间的δβ的耦合间距，光栅间距的偏离δpitch由式（8）表示。

[数式8]

。

在δpitch为0时的曲线g0中，相当于传播模式间的δβ的耦合间距与向光纤提供的lpg的周期一致，因此，使lpg长度l越长，则模式耦合的强度φ也越大。理想的光栅间距为1633μm，但是，在此，当向光栅间距提供10μm的偏离时，如曲线g10所示那样，lpg长度较短时的φ能够近似于δpitch=0的曲线g0，但是，当lpg长度变长时，φ的值变小。同样地，提供了20μm的偏离的曲线g20、提供了30μm的偏离的曲线g30也仅在l较小时能够近似。由此可知：l越短，越是相对于光栅间距偏离得到理想的φ，此外，光栅间距偏离越大，则需要使l越短。这些曲线看作与δpitch=0的曲线大致相等的范围由式（9）表示。

[数式9]

。

在图18中示出根据该关系式求取lpg长度l和容许的光栅间距的偏离量后的结果。l越短，则容许的偏离量越大。据此，在l较短的情况下，即使lpg的光栅间距为固定，也能够在较广的范围的波段（wavelengthband）中发生模式耦合。例如，在1.41cm的构造变化长度的情况下容许的偏离为100μm，因此，只要是期望的耦合间距±100μm的范围，则可以说发生模式耦合。

如图16所示那样根据波长变换的频带不同，但是，通过确定包罗频带那样的耦合变化长度l，从而能够以较少的光栅间距的种类包罗宽带。

（第8实施方式）

当使用渐变折射率（gi）光纤来作为光纤传输路径83时，能够以1种光栅间距使多个模式的模式间耦合发生。gi光纤具有如图19所示那样模式组间的传播常数差δβ相等这样的特征，模式组间的有效折射率差不同，因此，与需要光栅的阶跃折射率光纤相比，能够简易地引起多个模式的模式耦合，所述光栅具有各个对应的光栅间距。

以上，说明了本发明的优选的实施方式，但是，本发明并不限定于这些实施方式及其变形例。能够在不偏离本发明的主旨的范围内进行结构的附加、省略、替换和其他的变更。

此外，本发明不被前述的说明限定，仅被附加的权利要求书限定。

产业上的可利用性

本公开能够通过光纤中的高次模式的利用来实现光纤传输的大容量化和长距离化。

附图标记的说明

81：发送机

82：fir均衡器

83：光纤传输路径

831：光纤

832：芯

833：光纤的包覆

834：凹凸

835：光栅板

84：模式合波器

85：模式分波器

91：模式变换器。