长周期光纤光栅以及光传输系统

技术领域

本公开涉及能够耦合多个传播模式的长周期光纤光栅以及包括该长周期光纤光栅的光传输系统。

背景技术

图1是对基于使用多个传播模式的少模光纤(FMF，Few-Mode Fiber)的模式复用传输的光传输系统进行说明的图。模式复用传输由于可将传输容量提高到模式数倍而作为大容量传输方式备受关注。在使用FMF的传输中，在传输路径中发生模式间串扰，MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)均衡器被用于补偿该模式间串扰。

但是，在存在模式相关损耗(MDL，Mode Dependent Loss)的情况下，即使利用MIMO均衡器，传输系统的性能降低也成为问题。此外，在接收端的差分模式时延(DMD，Differential Mode Delay)大的情况下，由于涉及MIMO的数字处理(DSP，Digital SignalProcessing)的负荷变大，因此，为了实现长距离传输而降低其负荷成为问题。因此，为了降低MDL或DMD的影响，已经提出了利用模式扰频器，以在长周期光纤光栅(LPFG，Long PeriodFiber Grating)中产生模式之间的耦合(例如，参照专利文献1。)。

现有技术文献

专利文献

专利文献：日本特开2019-32440号公报

发明内容

发明要解决的问题

作为LPFG的实现方法，有从外部施加应力和弯曲的方法，以及激光照射的方法等。这些方法只能向光纤截面内的一个方向施加折射率变化，其LPFG存在模式变换量依赖于偏振波状态和传播模式的电场分布，难以避免模式变换量的该依赖性的问题。

因此，为解决上述问题，本发明的目的在于提供模式变换量不依赖于偏振波状态和电场分布的LPFG以及光传输系统。

解决问题所采用的手段

为了实现上述目的，本发明的LPFG在偏离光纤中心轴的位置形成有周期性的空腔。

具体地，本发明的LPFG是能够传播n(n为2以上的整数)个传播模式的少模光纤中形成的长周期光纤光栅，其特征在于，

为在所述少模光纤的纤芯区域，在离开所述纤芯区域的中心轴的位置，与所述中心轴平行且周期性地排列的空腔列；

所述空腔列为多个；

各个所述空腔列位于所述少模光纤的长度方向上的不同的位置；

相互的所述空腔列位于以所述纤芯区域的截面的中心为原点时在所述截面上偏移90°的位置。

此外，本发明的光传输系统包括：

多模光纤，能够传播n(n为2以上的整数)个传输模式；和，

所述少模光纤，连接到所述多模光纤，形成有所述长周期光纤光栅。

通过空腔列的配置偏移90°，可以进行不依赖于偏振波状态和电场分布的模式变换。因此，本发明能够提供模式变换量不依赖于偏振波状态和电场分布的LPFG以及光传输系统。

此外，本发明的LPFG的相互的所述空腔列优选地为空腔间隔以及空腔数量相等。

进一步地，本发明的LPFG中，

所述少模光纤的传播模式为3；

所述空腔列位于以所述纤芯区域的截面的中心为原点时所述截面上相对于所述纤芯区域的半径的比率为0.2以上且0.4以下的位置；

构成所述空腔列的各空腔的直径相对于所述纤芯区域的半径的比率优选地为0.3以上且0.43以下。

另外，上述各发明能够尽可能地组合。

发明效果

本发明能够提供模式变换量不依赖于偏振波状态和电场分布的LPFG以及光传输系统。

附图说明

图1是说明在模式间进行耦合的光传输系统的图。

图2是说明本发明的LPFG的图。

图3是说明本发明的光传输系统的图。

图4是说明本发明的LPFG的效果的图。

图5是说明本发明的LPFG的效果的图。

具体实施方式

参照附图说明本发明的实施方式。以下说明的实施方式为本发明的实施例，本发明不限于以下的实施方式。另外，在本说明书以及附图中，附图标记相同的结构要素表示彼此相同的结构要素。

(实施方式一)

图2是说明本实施方式的LPFG的图。本LPFG是在能够传输n(n是2以上整数)个传输模式的少模光纤10中形成的长周期光纤光栅。并且，本LPFG是在少模光纤10的纤芯区域11中，在离开纤芯区域11的中心轴z的位置，与中心轴z平行且周期性地排列的空腔15的空腔列(25-1、25-2)。各个空腔列(25-1、25-2)位于少模光纤10的长度方向上的不同的位置(z方向的位置不同)，

相互的空腔列(25-1、25-2)位于以纤芯区域11的截面的中心(x轴和y轴的交点)为原点时在截面上偏移90°的位置。

图2(A)是少模光纤10的剖视图。图2(B)是对少模光纤10进行斜视且透视的图。另外，符号12是包层区域。

本LPFG的目的是通过在少模光纤10内的传输方向上周期性地配置空腔15，来实现不依赖于偏振波和电场分布的模式变换。为了实现该目的，在少模光纤10的纤芯区域11内部，通过使用了飞秒激光的外部加工而周期性地配置空腔15。将多个空腔15周期性排列而成的称为空腔列。空腔列25-1是空腔15的中心坐标在x轴上(y坐标为0)的列，空腔列25-2是空腔15的中心坐标在y轴上(x坐标为0)的列。空腔列25-1和空腔列25-2串联连接。也就是说，通过将空腔列以z轴为中心偏移90°配置，能够实现不依赖于偏振波状态和电场分布的模式变换。

此处，设耦合的传播模式之间的传播常数差为Δβ，则空腔15在z轴方向上的间隔Λ由数学式1给出。

[数学式1]

因此，可以创建用于调整Λ以耦合所期望的2个模式的LPFG(如图2中所示地使2个空腔列以z轴为中心偏移90°)。并且，如果连接多个Λ相互不同的LPFG，则也能够使多个模式之间耦合。

因此，本实施方式的LPFG能够实现不依赖于偏振波状态和电场分布的模式变换。然而，必须满足以下条件。

(A)空腔列25-1的空腔间隔Λ与空腔列25-2的空腔间隔Λ相等。这是为了耦合期望的模式。

(B)空腔列25-1空腔数量与空腔列25-2的空腔数量相等。这是为了消除偏振波间耦合量的偏差。

(C)在z轴方向配置的空腔列25-1和空腔列25-2的顺序无关。

(D)空腔列25-1和空腔列25-2不一定要连续配置。

(实施方式二)

图3是说明本实施方式的光传输系统301的图。光传输系统301包括：多模光纤50，能够传播n(n为2以上的整数)个传输模式；和，少模光纤10，连接到多模光纤50，形成有实施方式一说明的LPFG。此外，符号30是将多个光信号入射到多模光纤50传播的任一传播模式的模式合波器。符号40是将多模光纤50传播的多个模式分波的模式分波器。此外，符号60是连接部。

光传输系统301是将n模式传输的多模光纤50作为传输路径的多模复用传输系统。光传输系统301连接多个具有适当的LPFG的少模光纤10，适当的LPFG用于在传输路径中将期望的2个模式之间耦合。如上所述，由于LPFG的空腔的间隔Λ由数学式1给出，因此，通过在传输路径中插入多个具有Λ以便耦合期望的2个模式的LPFG，使得作为整体的光传输系统301能够将多个模式之间耦合。此外，还可以通过在传输路径的中间部插入多个LPFG，进一步提高MDL和DMD的降低效果。

(实施方式三)

在本实施方式中，对在少模光纤10的纤芯区域11中形成的空腔15的效果进行说明。在本实施方式中，以多模光纤50以及少模光纤10以3个传播模式进行模式复用传输的3模光纤(2LP模光纤)的例子进行说明。少模光纤10的LPFG将LP01模式和LP11模式耦合。

在本实施方式中，设空腔15形成在距纤芯区域11的中心d1＝4μm的x轴上。另外，设空腔15的位置为空腔的中心位置。少模光纤10为阶跃型，纤芯区域11半径设为7μm，纤芯区域11相对于包层区域12的相对折射率差设为0.4％。此外，将空腔15直径设为2μm。

图4是对如图2(A)所示地在x轴上赋予了一个空腔15的情况下的模式变换率进行说明的表。x偏振波和y偏振波都有大约4.5％的LP01模式耦合到11b模式(见图4的粗体字)。也就是说，可以通过使空腔15位于x轴上从纤芯区域11的中心偏移的位置，能够将LP01模式耦合到LP11b模式。同样地，可以通过使空腔15位于y轴上从纤芯区域11的中心偏移的位置，能够将LP01模式耦合到LP11a模式。

因此，通过在纤芯区域11中将空腔15周期性地配置在x轴上的空腔列25-1和周期性地配置在y轴上的空腔列25-2串联连接，能够进行不依赖于退化模式的模式变换。

(实施方式四)

在本实施方式中，关于模式变换率，说明了空腔15距纤芯区域11的中心的距离依赖性和空腔15的直径依赖性。

图5(A)是示出了使空腔15距纤芯区域11的中心的距离d1变化时，从LP01模式向LP11a模式的变换率的图。另外，设空腔15的位置为空腔的中心位置。此外，空腔15直径为2μm。纵轴是模式变换率，横轴是以纤芯区域11的半径将距离d1标准化后的值。

空腔15位于中心的情况下(横轴为零)，不进行模式变换。空腔15从中心偏移约2μm时，显示出了最大的模式变换率。另一方面，如果使空腔15进一步离开中心并靠近包层区域12，则模式变换率降低。也就是说，在使LP01模式和LP11模式耦合的情况下，空腔15位于距纤芯中心的距离d1相对于纤芯区域11的半径的比率为0.2以上且0.4以下的位置，优选地为0.29的位置。

图5(B)是示出了使空腔15的直径变化时，从LP01模式向LP11a模式的变换率的图。此处，距空腔15中心的距离d1为2μm。另外，设空腔15的位置为空腔的中心位置。第一纵轴是模式变换率，第二纵轴是空腔15造成的损耗，横轴是以纤芯区域11的半径将空腔15的直径标准化后的值。

空腔15的直径为零的情况下(没有空腔的情况下)，不进行模式变换。空腔15的直径约为3μm时显示出最大的模式变换率。另一方面，如果进一步增大空腔15的直径，则损耗超过1dB，变换率降低。也就是说，在使LP01模式和LP11模式耦合的情况下，空腔15直径相对于纤芯区域11的半径的比率为0.3以上且0.55以下，优选地为使损耗为1dB以下的0.43以下。

[附记]

本发明的目的是提供一种LPFG，能够降低模式变换量对偏振波状态和传播模式的电场分布的依赖性。

具体地说，本LPFG是在能够传播多个n(n为2以上的整数)个传播模式的少模光纤(FMF)中形成的、可耦合多个所述传播模式的长周期光纤光栅，其特征在于，

该LPFG包括：

第一空腔列，沿着z轴以等间隔(Λ)配置有多个n个从截面的中心向x轴方向偏移而形成的空腔；和，

第二空腔列，沿着z轴以等间隔(Λ)配置有多个m个从截面的中心向y轴方向偏移而形成的空腔。

其中，x/y/z轴的定义如下。

x轴：贯通截面中心且与截面平行的轴

y轴：贯通截面中心、与截面平行且与所述第1轴正交的轴

z轴：贯通截面的中心且与LPFG中的光的波导方向平行的轴

附图标记说明

10：少模光纤

11：纤芯区域

12：包层区域

15：空腔

25-1、25-2：空腔列

30：模式合波器

40：模式分波器

50：多模光纤

60：连接部

301：光传输系统。