JP4586546B2

JP4586546B2 - マルチモード波長多重光トランシーバ

Info

Publication number: JP4586546B2
Application number: JP2005013924A
Authority: JP
Inventors: 龍太高橋; 光樹平野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2025-01-21
Also published as: US20060083461A1; JP2006201555A

Description

本発明は、伝送路にＭＭＦを使用できる波長多重光トランシーバに係り、モードコンニショニングパッチコードを用いることなく低次モード成分を低減できるマルチモード波長多重光トランシーバに関する。

波長多重された光を送受信する波長多重光トランシーバに対しては、一般に、送信側出力端子にシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）を接続し、受信側入力端子にはシングルモード光ファイバ又はマルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）を接続するようになっている。送信側出力端子にＳＭＦを接続するのは、送信側出力端子からシングルモード光が出射されるからである。伝送路にＭＭＦを使用したい場合には、そのＭＭＦの伝送路と送信側出力端子との間にモードコンニショニングパッチコードを設ける。

モードコンニショニングパッチコードは、ＳＭＦからのシングルモード光をＭＭＦに導く際に生じる低次モード成分を低減するものである。低次モード成分を低減する理由は、相手側の波長多重光トランシーバがＭＭＦの伝送路を介してマルチモード光を受光したとき、低次モード成分によるディファレンシャルモードディレイが生じ、この光に担持されたデジタル信号を復元する際にビットエラーレートが上昇するからである。

図４に、背景技術における波長多重光トランシーバと伝送路の接続部分を示す。

図示のように、波長多重光トランシーバ４１の送信側出力端子４２にモードコンニショニングパッチコード４６を接続し、そのモードコンニショニングパッチコード４６にコネクタ４７を介してＭＭＦからなる伝送路４３を接続してある。受信側入力端子４４にはＳＭＦでもＭＭＦでもよいがここではＭＭＦからなる伝送路４５を接続してある。

特開２００３−０１４９９４号公報

既に述べたように、伝送路にＧＩＦを使用したい場合には、送信側出力端子にモードコンニショニングパッチコードを接続する必要がある。この結果、モードコンニショニングパッチコードを接続する作業に手間がかかること、モードコンニショニングパッチコードやそのためのコネクタを何かの部材により固定支持する必要があること、光ファイバによる光結合箇所が増えて伝送損失に影響することなどの問題が生じる。つまり、低次モード成分を除去するためにモードコンニショニングパッチコードを設けたことが他の問題を生みだすことになる。

ここで、低次モード成分によるディファレンシャルモードディレイについて詳しく説明する。

波長多重光トランシーバ内の発光素子から出力される光はシングルモード光である。これに対して伝送路にグレーデッド型マルチモード光ファイバ（ＧＩＦ）が用いられたとする。ＧＩＦのコア断面における理想的な屈折率分布は図５（ａ）に示されるように、コアの中心位置を中心軸とした２次曲線となる。しかし、現実的にはＧＩＦのコア断面における屈折率分布は図５（ｂ）あるいは図５（ｃ）に示されるように、２次曲線の一部分が凸にあるいは凹に変形したものとなる。この変形が起きることを屈折率がずれ（又は屈折率分布がずれる）ると言う。

図５（ｂ）のようにコアの中心における屈折率が理想特性より大きい方へずれた屈折率分布を持つＧＩＦにシングルモード光を入射させると、ＧＩＦのコアの中心あたりを伝搬する低次モードの光は、コアの中心あたりの屈折率が図５（ａ）の理想特性よりも大きいため、コアの中心より離れたコアの端部を伝搬する高次モードの光より遅い速度で伝搬するようになる。このため波長多重光における低次モードと高次モードでの伝搬速度が異なり、この波長多重光に担持されたデジタル信号を復元する際にビットエラーレートが上昇する。

図５（ｃ）のようにコアの中心における屈折率が理想特性より小さい方へずれた屈折率分布を持つＧＩＦにシングルモード光を入射させると、図５（ｂ）の場合とは逆にＧＩＦのコアの中心あたりを伝搬する低次モードの光は、コアの中心あたりの屈折率が図５（ａ）の理想特性よりも小さいため、コアの中心より離れたコアの端部を伝搬する高次モードの光より速い速度で伝搬するようになる。

このようなモード間の伝搬速度の相違のために信号波形が乱れる様子を説明すると、図６（ａ）に示されるように、光エネルギが時間的に単調に増加した後極大値から単調に減少する光信号がＧＩＦに入射されたとする。コアが図５（ａ）のような理想的な屈折率分布をしていると、ＧＩＦから出射される光信号は図６（ｂ）に示されるように、時間的に単調に増加した後極大値から単調に減少する。つまり信号波形は保存される。

図５（ｂ）あるいは図５（ｃ）のように屈折率分布がずれていると、図６（ａ）と同じ図６（ｃ）のような光信号がＧＩＦに入射されると、低次モードによる光エネルギと高次モードによる光エネルギは時間がずれて伝搬するので、ＧＩＦから出射される光信号は図６（ｄ）に示されるように、極大値が２つ現れ、光エネルギの増加開始から減少終了までの時間幅も間延びする。このような信号波形の乱れがビットエラーレートの上昇につながる。

このようにＧＩＦを用いた伝送路における信号波形の乱れがビットエラーレートの上昇につながるので、従来は図４のようにモードコンニショニングパッチコードを設けたのである。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、モードコンニショニングパッチコードを用いることなく低次モード成分を低減できるマルチモード波長多重光トランシーバを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、伝送路としてグレーデッド型マルチモード光ファイバが接続されるマルチモード波長多重光トランシーバであって、互いに異なる波長のシングルモード光を出射する複数の発光素子と、上記シングルモード光を多重化しかつマルチモード光とする機能を有するマルチモード導波路モジュールとを備え、上記マルチモード導波路モジュールは、ステップインデックス型マルチモード導波路モジュールからなり、上記ステップインデックス型マルチモード導波路モジュールは、上記複数の発光素子の各発光素子から出射された上記シングルモード光がそれぞれ入射される複数の入射側コアと、上記グレーデッド型マルチモード光ファイバと光結合される出射側コアと、上記複数の入射側コアを合流して上記出射側コアに接続するコア結合部と、を備え、上記入射側コアから上記コア結合部を経て上記出射側コアに至るコアの一部に、マルチモード光の低次モード成分を低減するとともに高次モード成分を発生させ、該高次モードの伝送損失は無視できるレベルであるコア曲がり部、コアずれ部又はコアテーパ部を形成した、マルチモード波長多重光トランシーバである。

上記マルチモード導波路モジュールから出射されたマルチモード光を伝送するグレーデッド型マルチモード光ファイバを接続するためのレセプタクルを備えてもよい。

上記発光素子をレンズ付きパッケージ内に封止し、このパッケージを上記導波路モジュールの端面に取り付けてもよい。

また、別の発明は、伝送路としてグレーデッド型マルチモード光ファイバが接続されるマルチモード波長多重光トランシーバであって、互いに異なる波長のシングルモード光を出射する複数の発光素子と、各発光素子からのシングルモード光を多重化する光ファイバカプラと、この光ファイバカプラからの多重化されたシングルモード光をマルチモード光とする機能を有するマルチモード導波路モジュールとを備え、上記マルチモード導波路モジュールは、ステップインデックス型マルチモード導波路モジュールからなり、上記ステップインデックス型マルチモード導波路モジュールは、上記光ファイバカプラからの光を導波し、上記グレーデッド型マルチモード光ファイバと光結合されるコアを備え、上記コアの一部に、マルチモード光の低次モード成分を低減するとともに高次モード成分を発生させ、該高次モードの伝送損失は無視できるレベルであるコア曲がり部、コアずれ部又はコアテーパ部を形成した、マルチモード波長多重光トランシーバである。

上記発光素子をそれぞれシングルモード光ファイバ付きのパッケージ内に収容し、これらパッケージの光ファイバを上記光ファイバカプラに連結してもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）モードコンニショニングパッチコードを用いることなく低次モード成分を低減できる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本発明のポイントは、複数の発光素子から出射されるそれぞれのシングルモード光を合波（多重化）してかつマルチモード光化するマルチモード波長多重光トランシーバに、ステップインデックス型マルチモード導波路モジュールを用いたことにある。ステップインデックス型マルチモード導波路モジュールによってシングルモード光をマルチモード光に変換すると、低次モード（最小は１次の基本モード）の成分は減少し、代わって高次モード（基本モード以外のモード）の成分が増加する。シングルモード光の合波は、ステップインデックス型マルチモード導波路モジュールで行うか又は光ファイバカプラで行うことができる。

これにより、前述したＧＩＦの屈折率分布による伝搬速度の変化の影響を受ける低次モードの成分は減少し、ＧＩＦの屈折率分布による伝搬速度の変化の影響を受けない高次モードの成分が増加するため、全体としてＧＩＦの屈折率分布による伝搬速度の変化の影響を受けにくくなる。

なお、シングルモード光の合波は、ステップインデックス型マルチモード導波路モジュールで行うか又は光ファイバカプラで行うことができるので、以下、それぞれの実施形態を説明する。

図１に示されるように、本発明に係るマルチモード波長多重光トランシーバ（以下、トランシーバという）１は、互いに異なる波長のシングルモード光を出射する発光素子をレンズ付きパッケージ内に封止してなる複数の発光モジュール２と、各発光モジュールからの光を多重化しつつ導くと共にその際に生じるマルチモード光の低次モード成分を低減することができるステップインデックス型マルチモード導波路モジュール（以下、単に導波路モジュールという）３と、この導波路モジュール３から多重化されたマルチモード光を出射する出射端に配置された光ファイバコネクタレセプタクル（以下、レセプタクル）４とを備える。

トランシーバ１は受信に関する部材も備えているが、ここでは省略する。また、トランシーバ１は各発光モジュール２の発光素子を送信するデジタル信号に基づいて駆動する部材も備えているが、ここでは省略する。

導波路モジュール３は、ベース材にコア及びクラッドを積層して直方体状に形成される。一般にはその直方体状の外形全体の呼称を導波路とするが、実質的な導波路はコアである。混乱を避けるため、ここでは、導波路モジュールという呼称を用いる。

導波路モジュール３は、発光モジュール２が整列している側の端面３ａに適宜間隔で設けられた複数の入射側コア５ａと、レセプタクル４が取り付けられている側の端面３ｂに設けられた出射側コア５ｂと、この出射側コア５ｂに対してほぼ直交する方向から接近する各入射側コア５ａが０°に近い角度で合流するように適宜な曲げ半径で入射側コア５ａを曲げて形成したコア結合部５ｃとを有する。この合流角度は、伝送損失を低減するためには２°以下が望ましく、製造の容易性、歩留まりの点からは０．５°以上が望ましい。本実施の形態では、以上の知見により０．７°にした。入射側コア５ａは各発光モジュール２からの光をコア結合部へ導くものであり、コア結合部５ｃは入射側コアからの光を合波することによって多重化するものであり、出射側コア５ｂは多重化された光を端面３ｂのレセプタクル４内に位置する出射側コア５ｂの端部（出射端）へ導くものである。これらのコア５ａ，５ｂ，５ｃは、マルチモード光を導波可能なコアであり、コア径は２５μｍ角である。

発光モジュール２は、円柱又は角柱状のパッケージ６の頭部にレンズ７を付けたものである。発光モジュール２は、導波路モジュール３の端面３ａから直角に突き出して設けた固定具８に取り付けられ、レンズ７を入射側コア５ａの端面に臨ませている。

レセプタクル４は、導波路モジュール３の端面３ｂから直角に突き出して設けた円筒状の部材であり、光ファイバコネクタ９のフェルール１０を挿入することができる。光ファイバコネクタ９は伝送路を構成しているＧＩＦ１１の端部に取り付けられ、フェルール１０の中心にＧＩＦ１１が挿入されている。この光ファイバコネクタ９のフェルール１０をレセプタクル４に挿入すると、ＧＩＦ１１と導波路モジュール３の出射側コア５ｂとを光結合させることができる。レセプタクル４は、導波路モジュール３を固定する部材（図示せず）に固定されている。

図２に、本発明のトランシーバと伝送路の接続部分を示す。

図示のように、トランシーバ１の送信側出力端子２２にＧＩＦからなる伝送路２３を接続してある。この送信側出力端子２２は図１のレセプタクル４に他ならない。受信側入力端子２４にはＧＩＦからなる伝送路２５を接続してある。

本発明の作用効果を説明する。

図１のトランシーバ１において、各発光モジュール２から出射された波長の異なるシングルモード光は、導波路モジュール３の各入射側コア５ａに入射する。各入射側コア５ａに導かれた光は、各コア結合部５ｃで順次合波され、波長多重光として出射側コア５ｂに導かれ、フェルール１０中のＧＩＦ１１へと出射される。この間、導波路モジュール３のコア５ａ，５ｂ，５ｃがマルチモード光を導波することから、シングルモード光はマルチモード光に変化する。その際、導波路モジュール３がステップインデックス型であること及び導波路モジュール３内部にＹ分岐があることから、１／６程度にまで、マルチモード光に生じる低次モード成分は減衰される。従って、出射側コア５ｂからＭＭＦ１１に出射される波長多重光は、低次モード成分の少ないマルチモード光である。

図２において、トランシーバ１の送信側出力端子２２からＧＩＦよりなる伝送路２３に入射される光は、低次モード成分の少ないマルチモード光である。よって、図示しない相手側トランシーバでこの光を受光し、この光に担持されたデジタル信号を再生したとき、低次モード成分に起因するビットエラーレートの上昇は見られなくなる。

以上のように、本発明では、送信側出力端子にモードコンニショニングパッチコードのような余分な部材を接続する必要がない。これにより、接続作業が簡単になり、部材点数も少なくなり、伝送路における伝送損失も小さくすることができる。

本発明の他の実施形態を図３に基づいて詳述する。

図３に示されるように、本発明に係るトランシーバ３１は、互いに異なる波長のシングルモード光を出射する発光素子を光ファイバ付きパッケージ内に収容してなる複数の発光モジュール３２と、各発光モジュールからのシングルモード光を多重化するシングルモード光ファイバカプラ（以下、光ファイバカプラという）３６と、その光ファイバカプラ３６からの光をレセプタクル３４へ導くと共にその際にマルチモード光の低次モード成分を低減することができるコア径２５μｍ角のコア３５を有する導波路モジュール３３と、この導波路モジュール３３からの多重化されたマルチモード光を出射するレセプタクル３４とを備える。

発光モジュール３２は、いわゆるピッグテール型のものであり、予め内部の発光素子に光軸を合わせたシングルモード光ファイバ３７が付属している。これらの光ファイバ３７を光ファイバカプラ３６に接続してある。光ファイバカプラ３６の出力側もシングルモード光ファイバ３８になっており、そのシングルモード光ファイバ３８の端部には光コネクタ３９が設けられている。

導波路モジュール３３の端面３３ｃには、光コネクタ３９を接続する内部レセプタクル４０が設けられている。外部との接続に用いるレセプタクル３４は、端面３３ｃに対向する端面３３ｂに設けられている。

光ファイバコネクタ９、フェルール１０及びＧＩＦ１１については図１と同じである。

この形態では、各発光モジュール３２から出射された波長の異なるシングルモード光は、光ファイバカプラ３６で合波されて波長多重光となり、導波路モジュール３３のコア３５に入射される。導波路モジュール３３のコア３５がマルチモード光を導波することから、シングルモード光はマルチモード光に変化する。その際、導波路モジュール３３がステップインデックス型であること及び導波路モジュール３３内部に曲げ部があることから、１／１０程度にまでマルチモード光に生じる低次モード成分は減少する。従って、コア３５からＧＩＦ１１に出射される波長多重光は、低次モード成分の少ないマルチモード光である。

このトランシーバ３１と伝送路との接続は、既に説明した図２のとおりであり、その作用効果も同じであり、低次モード成分の少ないマルチモード光が送信されるので、相手側トランシーバでこの光に担持されたデジタル信号を再生したとき、低次モード成分に起因するビットエラーレートの上昇は見られなくなる。

次に、導波路モジュールの細部について説明する。

ステップインデックス型マルチモード導波路モジュールは、コアの一部にコア曲がり部、コアずれ部、コアテーパ部のいずれかを形成することで実現される。

図１のトランシーバ１は導波路モジュール３が基板上にコア５ａ，５ｂ，５ｃとクラッド（符号なし）を形成した平板型光導波路素子で構成されている。この導波路モジュール３には、入射側コア５ａからコア結合部５ｃを経て出射側コア５ｂに至る途中にコア曲がり部が存在する。

また、図３に示したトランシーバ３１は導波路モジュール３３が基板上にコア３５とクラッド（符号なし）を形成した平板型光導波路素子で構成されている。この導波路モジュール３３には、以下に詳述する曲げ径でコア３５を曲げたコア曲がり部（符号なし）が複数箇所設けられている。

この曲がり部の曲げ半径は導波路モジュール３３を小型にするためには小さいほうが望ましいが、あまり小さくすると高次モード成分が減衰を受け伝搬損失が大きくなる。そこで、本実施の形態では曲げ半径を２〜４ｍｍにし高次モードの伝送損失が無視できるレベルにした。なお、導波路モジュール３３の比屈折率差Δは３．２％である。比屈折率差Δに応じて曲げ半径を決定するとよい。

図７に示した導波路モジュール８１は、直線的に伸ばされたコア８２の長手方向の一部にコア８２が幅方向に膨らんだコアテーパ部８３を有する。このコアテーパ部８３の存在により、マルチモード光の高次モード成分を発生させることができる。また、コアテーパ部８３を形成するには図３のコア曲がり部を形成するより狭い面積があればよい。よって、導波路モジュール８１のサイズを小さくすることができる。

本発明の一実施形態を示すトランシーバの送信に関する部分の構造図である。本発明のトランシーバと伝送路の接続部分を示す図である。本発明の一実施形態を示すトランシーバの送信に関する部分の構造図である。背景技術のトランシーバと伝送路の接続部分を示す図である。伝送路のコア径方向の屈折率分布図であり、（ａ）は理想的な分布、（ｂ）と（ｃ）はそれぞれずれた分布を表す。伝送路の入出力の時間波形図であり、（ａ）は入力、（ｂ）は理想的な出力、（ｃ）は（ａ）と同じ入力、（ｄ）は波形が乱れた出力を表す。本発明の一実施形態を示す導波路モジュールの平面図である。

符号の説明

１，３１マルチモード波長多重光トランシーバ（トランシーバ）
２，３２発光モジュール
３，３３ステップインデックス型マルチモード導波路モジュール（導波路モジュール）
４，３４光ファイバコネクタレセプタクル（レセプタクル）
５ａ入射側コア
５ｂ出射側コア
５ｃコア結合部
３５コア
３６光ファイバカプラ

Claims

伝送路としてグレーデッド型マルチモード光ファイバが接続されるマルチモード波長多重光トランシーバであって、
互いに異なる波長のシングルモード光を出射する複数の発光素子と、
上記シングルモード光を多重化しかつマルチモード光とする機能を有するマルチモード導波路モジュールと
を備え、
上記マルチモード導波路モジュールは、ステップインデックス型マルチモード導波路モジュールからなり、
上記ステップインデックス型マルチモード導波路モジュールは、
上記複数の発光素子の各発光素子から出射された上記シングルモード光がそれぞれ入射される複数の入射側コアと、
上記グレーデッド型マルチモード光ファイバと光結合される出射側コアと、
上記複数の入射側コアを合流して上記出射側コアに接続するコア結合部と、を備え、
上記入射側コアから上記コア結合部を経て上記出射側コアに至るコアの一部に、マルチモード光の低次モード成分を低減するとともに高次モード成分を発生させ、該高次モードの伝送損失は無視できるレベルであるコア曲がり部、コアずれ部又はコアテーパ部を形成した、
マルチモード波長多重光トランシーバ。
上記マルチモード導波路モジュールから出射されたマルチモード光を伝送する上記グレーデッド型マルチモード光ファイバを接続するためのレセプタクルを備えたことを特徴とする請求項１記載のマルチモード波長多重光トランシーバ。
上記発光素子をレンズ付きパッケージ内に封止し、このパッケージを上記マルチモード導波路モジュールの端面に取り付けたことを特徴とする請求項１又は２記載のマルチモード波長多重光トランシーバ。
伝送路としてグレーデッド型マルチモード光ファイバが接続されるマルチモード波長多重光トランシーバであって、
互いに異なる波長のシングルモード光を出射する複数の発光素子と、
各発光素子からのシングルモード光を多重化する光ファイバカプラと、
この光ファイバカプラからの多重化されたシングルモード光をマルチモード光とする機能を有するマルチモード導波路モジュールと
を備え、
上記マルチモード導波路モジュールは、ステップインデックス型マルチモード導波路モジュールからなり、
上記ステップインデックス型マルチモード導波路モジュールは、上記光ファイバカプラからの光を導波し、上記グレーデッド型マルチモード光ファイバと光結合されるコアを備え、
上記コアの一部に、マルチモード光の低次モード成分を低減するとともに高次モード成分を発生させ、該高次モードの伝送損失は無視できるレベルであるコア曲がり部、コアずれ部又はコアテーパ部を形成した、
マルチモード波長多重光トランシーバ。
上記発光素子をそれぞれシングルモード光ファイバ付きのパッケージ内に収容し、これらパッケージの光ファイバを上記光ファイバカプラに連結したことを特徴とする請求項４記載のマルチモード波長多重光トランシーバ。