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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-08-23
(45)【発行日】2024-09-02
(54)【発明の名称】マルチモード伝送システム
(51)【国際特許分類】
H04J 14/04 20060101AFI20240826BHJP
H04B 10/2581 20130101ALI20240826BHJP
G02F 3/00 20060101ALN20240826BHJP
【ＦＩ】
H04J14/04
H04B10/2581
G02F3/00 501
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2021132361
(22)【出願日】2021-08-16
(65)【公開番号】P2023026914
(43)【公開日】2023-03-01
【審査請求日】2023-09-27
(73)【特許権者】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】504173471
【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学
(74)【代理人】
【識別番号】100119677
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 賢治
(74)【代理人】
【識別番号】100160495
【弁理士】
【氏名又は名称】畑 雅明
(74)【代理人】
【識別番号】100115794
【弁理士】
【氏名又は名称】今下 勝博
(72)【発明者】
【氏名】森 崇嘉
(72)【発明者】
【氏名】坂本 泰志
(72)【発明者】
【氏名】山下 陽子
(72)【発明者】
【氏名】今田 諒太
(72)【発明者】
【氏名】中島 和秀
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 孝憲
(72)【発明者】
【氏名】藤澤 剛
(72)【発明者】
【氏名】齊藤 晋聖
【審査官】赤穂 美香
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３５３２４２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２１／１６６１１２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－１９１１８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／１２２６６７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１１／０８３０１８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－１５６３０８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｊ １４／０４
Ｈ０４Ｂ １０／２５８１
Ｇ０２Ｆ ３／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
コヒーレント変調信号光を送信するＮ個（Ｎは２以上の整数）の光送信機と、伝搬モードの数がＬ（Ｌは２以上の整数）であるマルチモード光ファイバと、
Ｍ個の前記コヒーレント変調信号光を受信するＭ個の光受信機と、
入力される複数の信号光をＬモードのマルチモードに変換して前記マルチモード光ファイバに入力するモード合波器と、
前記マルチモード光ファイバのマルチモードの信号光を複数の信号光に分波するモード分波器と、
を備えるマルチモード伝送システムであって、
前記モード合波器の前段、及び前記モード分波器の後段の少なくとも一方に光線形変換器を備えており、
前記モード合波器から前記モード分波器までの間における伝達行列の逆行列に複素定数を乗じた行列で、
前記モード合波器の前段の前記光線形変換器は、Ｎ個の前記コヒーレント変調信号光をＮ０個（Ｎ０はＮ以上の整数）のコヒーレントな中間信号光に変換し、前記モード合波器に入力し、
前記モード分波器の後段の前記光線形変換器は、前記モード分波器が分波したＭ０個のコヒーレントな中間信号をＭ個のコヒーレント変調信号光に変換し、前記光受信機に入力する
ことを特徴とするマルチモード伝送システム。
【請求項2】
前記光線形変換器は、光ユニタリ変換器及び光利得変換器で構成され、前記伝達行列に応じて前記光利得変換器における光増幅量／光減衰量を設定されることを特徴とする請求項１に記載のマルチモード伝送システム。
【請求項3】
前記モード合波器及び前記モード分波器の少なくとも一方が非選択的であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチモード伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、モ－ド分割多重技術を用いたマルチモード光ファイバ伝送技術に関する。
【背景技術】
【0002】
光ファイバ通信システムにおいて、モ－ド分割多重技術を用いたマルチモード光ファイバ伝送を行う場合、光送信機から送出される光信号を光ファイバの高次モードに変換する必要があり、非特許文献１に開示されるようなモード合分波器が検討されている。
モード合分波器とマルチモードファイバを用いた伝送システムでは、デバイスごとの挿入損失のほか、モード依存損失を低減するようなモード合分波器が検討されている（例えば、非特許文献２を参照。）。
モード合分波器とマルチモードファイバを用いた伝送システムでは、デバイスごとの挿入損失のほか、モード依存損失を低減するようなモード合分波器が検討されている（例えば、非特許文献２を参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【文献】Ｋ． Ｓａｉｔｏｈ， Ｎ． Ｈａｎｚａｗａ， Ｔ． Ｓａｋａｍｏｔｏ， Ｔ． Ｆｕｊｉｓａｗａ， Ｙ． Ｙａｍａｓｈｉｔａ， Ｔ． Ｍａｔｓｕｉ， Ｋ． Ｔｓｕｊｉｋａｗａ， ａｎｄ Ｋ． Ｎａｋａｊｉｍａ， “ＰＬＣ－ｂａｓｅｄ ｍｏｄｅ ｍｕｌｔｉ／ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒｓ ｆｏｒ ｍｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，” Ｏｐｔ． Ｆｉｂｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ． ３５， ｐｐ． ８０－９２， Ｆｅｂ． ２０１７．
【文献】Ｍ． Ｓｈｉｒａｔａ， Ｔ． Ｆｕｊｉｓａｗａ， Ｔ． Ｓａｋａｍｏｔｏ， Ｔ． Ｍａｔｓｕｉ， Ｋ． Ｎａｋａｊｉｍａ， ａｎｄ Ｋ． Ｓａｉｔｏｈ， “Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｍｏｄｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ－ｌｏｓｓ ｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ－ｔｙｐｅ ｍｏｄｅ （ｄｅ）ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ，” Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ， ｖｏｌ． ２８， ｎｏ． ７， ｐｐ． ９６５３－９６６５， Ｍａｒ． ２０２０．
【文献】Ｍ． Ｒｅｃｋ， Ａ． Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ， Ｈ． Ｊ． Ｂｅｒｎｓｔｅｉｎ， ａｎｄ Ｐ． Ｂｅｒｔａｎｉ， “Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎｙ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｕｎｉｔａｒｙ ｏｐｅｒａｔｏｒ，” Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ． ７３， ｎｏ． １， ｐｐ． ５８－６１， Ｊｕｌ． １９９４．
【文献】Ｗ． Ｒ． Ｃｌｅｍｅｎｔｓ， Ｐ． Ｃ． Ｈｕｍｐｈｒｅｙｓ， Ｂ． Ｊ． Ｍｅｔｃａｌｆ， Ｗ． Ｓ． Ｋｏｌｔｈａｍｍｅｒ， ａｎｄ Ｉ． Ａ． Ｗａｌｓｍｌｅｙ， “Ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｍｕｌｔｉｐｏｒｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ，” Ｏｐｔｉｃａ， ｖｏｌ． ３， ｎｏ． １２， ｐｐ． １４６０－１４６５， Ｄｅｃ． ２０１６．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
マルチモード光ファイバ伝送を行う場合、光送信機から送出される光信号を光ファイバの高次モードに変換するモード合分波器が必要である。マルチモード光ファイバ伝送には、モード合分波器の挿入損失やモード依存損失により光信号を受信機側で正しく復元することが困難になる。
【0005】
また、マルチモード光ファイバ伝送を行う場合、モード合波器として非特許文献２のような非選択的なモード合分波器を配置することもある。この場合、モード合分波器で励振されるモードと光ファイバ中のモードとが異なると大きな伝送損失が発生する。このため、マルチモード光ファイバ伝送で非選択的なモード合分波器を配置した場合、モード合波器で励振されるモードと光ファイバ中のモードとを一致させなければならない。
【0006】
つまり、従来のマルチモード伝送システムには、モード合分波器の存在により光信号伝送性能が劣化するという課題があった。そこで、本発明は、前記課題を解決するために、モード合分波器による光信号伝送性能の劣化を防止できマルチモード伝送システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するために、本発明に係るマルチモード伝送システムは、送信側のモード合波器の前段、受信側のモード分波器の後段の少なくとも一方において光信号に適切な干渉及び損失を与えることとした。
【0008】
具体的には、本発明に係るマルチモード伝送システムは、
コヒーレント変調信号光を送信するＮ個（Ｎは２以上の整数）の光送信機と、
伝搬モードの数がＬ（Ｌは２以上の整数）であるマルチモード光ファイバと、
Ｍ個の前記コヒーレント変調信号光を受信するＭ個の光受信機と、
入力される複数の信号光をＬモードのマルチモードに変換して前記マルチモード光ファイバに入力するモード合波器と、
前記マルチモード光ファイバのマルチモードの信号光を複数の信号光に分波するモード分波器と、
を備えるマルチモード伝送システムであって、
前記モード合波器の前段、及び前記モード分波器の後段の少なくとも一方に光線形変換器を備えており、
前記モード合波器から前記モード分波器までの間における伝達行列の逆行列に複素定数を乗じた行列で、
前記モード合波器の前段の前記光線形変換器は、Ｎ個の前記コヒーレント変調信号をＮ０個（Ｎ０はＮ以上の整数）のコヒーレントな中間信号光に変換し、前記モード合波器に入力し、
前記モード分波器の後段の前記光線形変換器は、前記モード分波器が分波したＭ０個のコヒーレントな中間信号をＭ個のコヒーレント変調信号光に変換し、前記光受信機に入力することを特徴とする。
コヒーレント変調信号光を送信するＮ個（Ｎは２以上の整数）の光送信機と、
伝搬モードの数がＬ（Ｌは２以上の整数）であるマルチモード光ファイバと、
Ｍ個の前記コヒーレント変調信号光を受信するＭ個の光受信機と、
入力される複数の信号光をＬモードのマルチモードに変換して前記マルチモード光ファイバに入力するモード合波器と、
前記マルチモード光ファイバのマルチモードの信号光を複数の信号光に分波するモード分波器と、
を備えるマルチモード伝送システムであって、
前記モード合波器の前段、及び前記モード分波器の後段の少なくとも一方に光線形変換器を備えており、
前記モード合波器から前記モード分波器までの間における伝達行列の逆行列に複素定数を乗じた行列で、
前記モード合波器の前段の前記光線形変換器は、Ｎ個の前記コヒーレント変調信号をＮ０個（Ｎ０はＮ以上の整数）のコヒーレントな中間信号光に変換し、前記モード合波器に入力し、
前記モード分波器の後段の前記光線形変換器は、前記モード分波器が分波したＭ０個のコヒーレントな中間信号をＭ個のコヒーレント変調信号光に変換し、前記光受信機に入力することを特徴とする。
【0009】
本マルチモード伝送システムは、光線形変換器により、モード合分波器や伝送路の特性に合わせ、複数の光信号に対して干渉及び損失を与えておく。光線形変換器の設定を変えることで任意のモード合分波器に対応することができる。従って、本発明は、モード合分波器による光信号伝送性能の劣化を防止できマルチモード伝送システムを提供することができる。
【0010】
前記光線形変換器は、光ユニタリ変換器及び光利得変換器で構成され、前記伝達行列に応じて前記光利得変換器における光増幅量／光減衰量を設定されることを特徴とする。
【0011】
本マルチモード伝送システムは、任意のモード合分波器に対応することができるため、、前記モード合波器及び前記モード分波器の少なくとも一方が非選択的であることを特徴とする。
【0012】
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。
【発明の効果】
【0013】
本発明は、モード合分波器による光信号伝送性能の劣化を防止できマルチモード伝送システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明に係るマルチモード伝送システムを説明する図である。
【図2】本発明に係るマルチモード伝送システムを説明する図である。
【図3】本発明に係るマルチモード伝送システムが備えるｂ×ａ光線形変換器の構成を説明する図である。本図では、ａ＝ｂ＝３である。
【図4】本発明に係るマルチモード伝送システムが備えるｂ×ａ光線形変換器の構成を説明する図である。本図では、ａ＝ｂ＝４である。
【図5】本発明に係るマルチモード伝送システムが備えるｂ×ａ光線形変換器の構成を説明する図である。本図では、ａ＝３、ｂ＝４である。
【図6】本発明に係るマルチモード伝送システムが備えるｂ×ａ光線形変換器の構成を説明する図である。本図では、ａ＝３、ｂ＝４である。
【図7】本発明に係るマルチモード伝送システムが備える光利得変換器の構成を説明する図である。
【図8】本発明に係るマルチモード伝送システムが備えるｂ×ａ光線形変換器の構成を説明する図である。本図では、ａ＝３、ｂ＝４である。
【図9】本発明に係るマルチモード伝送システムが備えるｂ×ａ光線形変換器の構成を説明する図である。本図では、ａ＝３、ｂ＝４である。
【図10】ユニタリ変換器の構成を説明する図である。
【図11】ユニタリ変換器の構成を説明する図である。
【図12】本発明に係るマルチモード伝送システムを説明する図である。
【図13】本発明に係るマルチモード伝送システムが備えるｂ×ａ光線形変換器の構成を説明する図である。本図では、ａ＝ｂ＝３である。
【図14】本発明に係るマルチモード伝送システムを説明する図である。
【図15】本発明に係るマルチモード伝送システムを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
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。
【0016】
本発明は、送信側のモード合波器の前段部に、入力光信号の干渉および損失を適切に与える光線形変換器を配置してモード合波器におけるモード励振比を制御し、モード依存損失を均一化することを特徴とする。また、本発明は、受信側のモード分波器の後段部にも出力光信号の干渉および損失を適切に与える光線形変換器を配置してモード間クロストークを補償し、モード依存損失を均一化することを特徴とする。
【0017】
（実施形態１）
図１は、本実施形態のマルチモード伝送システムを説明する図である。本システムは、Ｎ（Ｎ≧２）モードの光送信機１０と、Ｍ（Ｍ≧２）モードの光受信機２０と、Ｌ（Ｌ≧２）モードのマルチモード光ファイバ３０と、を備える。具体的には、本システムは、
コヒーレント変調信号光を送信するＮ個（Ｎは２以上の整数）の光送信機１０と、
伝搬モードの数がＬ（Ｌは２以上の整数）であるマルチモード光ファイバ３０と、
Ｍ個の前記コヒーレント変調信号光を受信するＭ個の光受信機２０と、
入力される複数の信号光をＬモードのマルチモードに変換してマルチモード光ファイバ３０に入力するモード合波器４０と、
マルチモード光ファイバ３０のマルチモードの信号光を複数の信号光に分波するモード分波器５０と、
を備える。
図１は、本実施形態のマルチモード伝送システムを説明する図である。本システムは、Ｎ（Ｎ≧２）モードの光送信機１０と、Ｍ（Ｍ≧２）モードの光受信機２０と、Ｌ（Ｌ≧２）モードのマルチモード光ファイバ３０と、を備える。具体的には、本システムは、
コヒーレント変調信号光を送信するＮ個（Ｎは２以上の整数）の光送信機１０と、
伝搬モードの数がＬ（Ｌは２以上の整数）であるマルチモード光ファイバ３０と、
Ｍ個の前記コヒーレント変調信号光を受信するＭ個の光受信機２０と、
入力される複数の信号光をＬモードのマルチモードに変換してマルチモード光ファイバ３０に入力するモード合波器４０と、
マルチモード光ファイバ３０のマルチモードの信号光を複数の信号光に分波するモード分波器５０と、
を備える。
【0018】
本システムは、さらに、モード合波器４０の前段に光線形変換器６０、及びモード分波器５０の後段に光線形変換器７０を備えており、
モード合波器４０からモード分波器５０までの間における伝達行列の逆行列に複素定数を乗じた行列で、
光線形変換器６０は、Ｎ個の前記コヒーレント変調信号をＮ０個（Ｎ０はＮ以上の整数）のコヒーレントな中間信号光に変換し、モード合波器４０に入力し、
光線形変換器７０は、モード分波器５０が分波したＭ０個の中間信号をＭ個のコヒーレント変調信号光に変換し、光受信機２０に入力する
ことを特徴とする。
モード合波器４０からモード分波器５０までの間における伝達行列の逆行列に複素定数を乗じた行列で、
光線形変換器６０は、Ｎ個の前記コヒーレント変調信号をＮ０個（Ｎ０はＮ以上の整数）のコヒーレントな中間信号光に変換し、モード合波器４０に入力し、
光線形変換器７０は、モード分波器５０が分波したＭ０個の中間信号をＭ個のコヒーレント変調信号光に変換し、光受信機２０に入力する
ことを特徴とする。
【0019】
本実施形態では、送信側の機能について説明する。図２は、本システムの送信側の構造を説明する図である。本システムの送信側は、
コヒーレント変調信号光をシングルモード光ファイバ１５に出射するＮ個（図２ではＮ＝３）の光送信機１０と、
ｃ本（図２ではｃ＝４）のシングルモード光ファイバ１６からｄ個（図２ではｄ＝Ｌ＝３）のマルチモードに変換するモード合波器４０と、
モード合波器４０の前段でａ個（図２ではａ＝Ｎ＝３）のコヒーレント変調信号光に対して適切な干渉および損失を与えてｂ個（図２ではｂ＝ｃ＝Ｎ０＝４）のコヒーレント変調信号光を得るｂ×ａ光線形変換器６０で構成される。
なお、図２は一例であるので、Ｎ、Ｎ０、Ｌ、ａ、ｂ、ｃ、ｄの数は図２の値に限定されない。
コヒーレント変調信号光をシングルモード光ファイバ１５に出射するＮ個（図２ではＮ＝３）の光送信機１０と、
ｃ本（図２ではｃ＝４）のシングルモード光ファイバ１６からｄ個（図２ではｄ＝Ｌ＝３）のマルチモードに変換するモード合波器４０と、
モード合波器４０の前段でａ個（図２ではａ＝Ｎ＝３）のコヒーレント変調信号光に対して適切な干渉および損失を与えてｂ個（図２ではｂ＝ｃ＝Ｎ０＝４）のコヒーレント変調信号光を得るｂ×ａ光線形変換器６０で構成される。
なお、図２は一例であるので、Ｎ、Ｎ０、Ｌ、ａ、ｂ、ｃ、ｄの数は図２の値に限定されない。
【0020】
図３は、光線形変換器６０の構成を説明する図である。光線形変換器６０は、光ユニタリ変換器（６１、６３）及び光利得変換器６２で構成され、前記伝達行列に応じて光利得変換器６２における光増幅量／光減衰量を設定されることを特徴とする。
【0021】
光の入力複素振幅列｛ｘ｝＝（ｘ１，ｘ２，．．．，ｘａ）Ｔ、
複素複素振幅列｛ｙ｝＝（ｙ１，ｙ２，．．．，ｙｂ）Ｔと
の対応を伝達行列Ｔで表すとき、｛ｙ｝＝Ｔ｛ｘ｝で表すことができる。
伝達行列Ｔを特異値分解すると、ユニタリ行列Ｕ、Ｖと特異値を対角成分に持つ行列Ｓを用いて
と表すことができる。なお、行列Ｖの肩についている「＋」は随伴行列を意味する。つまり、伝達行列Ｔの光線形変換器６０は、図３のような構成（ａ×ａユニタリ変換器６１、光利得変換器６２、及びｂ×ｂユニタリ変換器６３）とすることができる。ここで、ユニタリ行列Ｕ及びＶの変換は非特許文献３及び４に示されるようなユニタリ変換器、行列Ｓは利得変換器である光増幅器または減衰器を用いることができる。
複素複素振幅列｛ｙ｝＝（ｙ１，ｙ２，．．．，ｙｂ）Ｔと
の対応を伝達行列Ｔで表すとき、｛ｙ｝＝Ｔ｛ｘ｝で表すことができる。
伝達行列Ｔを特異値分解すると、ユニタリ行列Ｕ、Ｖと特異値を対角成分に持つ行列Ｓを用いて
【数1】
【0022】
図４は、光線形変換器６０の具体的な干渉計の配置を説明するダイアグラムである。ダイアグラムの記法は非特許文献３に開示されている手法である。図４では、光線形変換器６０がａ＝ｂ＝４の場合の４×４光線形変換器の場合である。ａ＝３、ｂ＝４のように、正方行列ではない場合は、図５に示すように入力ポートを１つ用いない、または図６のように３×３ユニタリ変換器と４×４ユニタリ変換器を組み合わせることにより構成可能である。
【0023】
通常、チャネル利用効率の観点から、
Ｎ＝Ｌ，
ａ≧Ｌ，
ｂ≧Ｌ，
ｃ≧Ｌ，
ｄ≧Ｌ，
ｄ≧ａ
とする。
Ｎ＝Ｌ，
ａ≧Ｌ，
ｂ≧Ｌ，
ｃ≧Ｌ，
ｄ≧Ｌ，
ｄ≧ａ
とする。
【0024】
例えば、図２のように、送信機１０の数Ｎが３、マルチモード光ファイバのモード数Ｌが３、モード合波器４０と光線形変換器６０が４モードスクランブラである場合を考える。この場合、４モードスクランブラの３モードを使うので、Ｎ＝Ｌ＝３、ａ＝ｂ＝４（光線形変換器６０）、ｃ＝ｄ＝４（モード合波器４０）の変換行列Ｍ＝ＵＳＶ＋を有するが、送信機の数Ｎは３なので、図６のように線形変換器６０の入力４つのうち３つの入力ポートを使う。
【0025】
光線形変換器６０（ｂ×ａ光線形変換器）において、ｂ行ａ列の変換行列の特異値のうち、１より大きい特異値の個数ｐ、１より小さい特異値の個数ｑとする。このとき、図３から図６で示したように、ｂ×ａ光線形変換器は、ｐ個の光増幅器（光パワーの増幅率は特異値の２乗に一致させる）とｑ個の光減衰器（光パワーの減衰率は特異値の２乗に一致させる）を有する光利得変換器６２、ａ×ａユニタリ変換器６１、及びｂ×ｂユニタリ変換器６３で構成される。例えば、特異値が１．１，１，０．９の場合、図７に示すように、１．１に対応する導波路はパワーが１．１２＝１．２１倍になるように光増幅器を配置し、０．９に対応する導波路はパワーが０．９２＝０．８１倍になるように光減衰器を配置する。
【0026】
なお、光線形変換器６０（ｂ×ａ光線形変換器）において、ａ×ａユニタリ変換器６１またはｂ×ｂユニタリ変換器６３の変換行列が単位行列となる場合は、そのユニタリ変換器を配置しなくても良い。具体的には、図６において［Ｕ］のｂ×ｂユニタリ変換器６３が単位行列である場合、図８のようにｂ×ｂユニタリ変換器６３が不要である。また、図６において［Ｖ＋］のａ×ａユニタリ変換器６１が単位行列である場合、図９のようにａ×ａユニタリ変換器６１が不要である。
【0027】
なお、光線形変換器６０（ｂ×ａ光線形変換器）において、ａ＞Ｎの場合は、ａ×ａユニタリ変換器の入力導波路のうちＮ本を選択するものとする。
【0028】
前述した光ユニタリ変換器（６１、６３）は、ｎ×ｎ行列の変換において、ｎ本の入出力導波路８１と、ｎ×（ｎ－１）／２個の２×２光分配器と、ｎ×（ｎ＋１）／２個の位相シフタで構成される。図１０は３×３光ユニタリ変換器の構成例である。また、図１１は４×４光ユニタリ変換器の構成例である。図１０及び図１１のように、１つの２×２光分配ユニット８２は、２つの２×２光等分配器と２つの位相シフタを用いたマッハツェンダ干渉計で構成することができる。光ユニタリ変換器（６１、６３）は、２×２光分配ユニット８２を非特許文献３のように多段に接続することで構成される。
【0029】
光ユニタリ変換器（６１、６３）の構成方法は、非特許文献３や４のように任意性がある。このため、光ユニタリ変換器（６１、６３）の構成や光利得変換器６２の設定を変更することで、次のような光線形変換器６０を設計することができる。
【0030】
（１）モード合波器の特性を補償
モード合波器４０の伝達行列をＴｓとする。この場合、モード合波器４０の前段に、当該伝達行列の逆行列Ｔｓ －１に複素定数α倍を乗じたαＴｓ －１の変換を行う光線形変換器６０を配置する。上述したように、光線形変換器６０の伝達行列ＵＳＶ＋を、光ユニタリ変換器（６１、６３）の構成や光利得変換器６２の構成を調整してαＴｓ －１とする。光線形変換器６０の配置によりモード合波器４０のモード選択性を高め、モード依存損失を均一化することができる。
モード合波器４０の伝達行列をＴｓとする。この場合、モード合波器４０の前段に、当該伝達行列の逆行列Ｔｓ －１に複素定数α倍を乗じたαＴｓ －１の変換を行う光線形変換器６０を配置する。上述したように、光線形変換器６０の伝達行列ＵＳＶ＋を、光ユニタリ変換器（６１、６３）の構成や光利得変換器６２の構成を調整してαＴｓ －１とする。光線形変換器６０の配置によりモード合波器４０のモード選択性を高め、モード依存損失を均一化することができる。
【0031】
（２）モード合波器からマルチモードファイバへの結合までの特性を補償
モード合波器４０からマルチモード光ファイバ３０への結合を表す伝達行列をＴｃとする。この場合、モード合波器４０の前段に、モード合波器４０の伝達行列Ｔｓとマルチモード光ファイバ３０への結合の伝達行列Ｔｃとの積Ｔｃｓ＝ＴｃＴｓの逆行列Ｔｃｓ －１に複素定数α倍を乗じたαＴｃｓ －１の変換を行う光線形変換器６０を配置する。上述したように、光線形変換器６０の伝達行列ＵＳＶ＋を、光ユニタリ変換器（６１、６３）の構成や光利得変換器６２の構成を調整してαＴｃｓ －１とする。光線形変換器６０の配置により、モード合波器４０のモード選択性を高め、且つ送信機側のモード依存損失を均一化することができる。
モード合波器４０からマルチモード光ファイバ３０への結合を表す伝達行列をＴｃとする。この場合、モード合波器４０の前段に、モード合波器４０の伝達行列Ｔｓとマルチモード光ファイバ３０への結合の伝達行列Ｔｃとの積Ｔｃｓ＝ＴｃＴｓの逆行列Ｔｃｓ －１に複素定数α倍を乗じたαＴｃｓ －１の変換を行う光線形変換器６０を配置する。上述したように、光線形変換器６０の伝達行列ＵＳＶ＋を、光ユニタリ変換器（６１、６３）の構成や光利得変換器６２の構成を調整してαＴｃｓ －１とする。光線形変換器６０の配置により、モード合波器４０のモード選択性を高め、且つ送信機側のモード依存損失を均一化することができる。
【0032】
（３）通信システム全体の特性を補償
マルチモード光ファイバ３０のモード間クロストークおよびモード依存損失、すなわち、マルチモード光ファイバ３０の伝達行列をＴｆとする。伝達行列Ｔｆが既知である場合、モード合波器４０の前段に、前述の伝達行列Ｔｃｓ＝ＴｃＴｓとの積Ｔｆｃｓ＝ＴｆＴｃＴｓの逆行列Ｔｆｃｓ －１に複素定数α倍を乗じたαＴｆｃｓ －１の変換を行う光線形変換器６０を配置する。上述したように、光線形変換器６０の伝達行列ＵＳＶ＋を、光ユニタリ変換器（６１、６３）の構成や光利得変換器６２の構成を調整してαＴｆｃｓ －１とする。光線形変換器６０の配置により、モード合波器４０のモード選択性を高め、送信機側のモード依存損失を均一化することができ、さらに、マルチモード光ファイバ３０のモード間クロストークおよびモード依存損失を送信機側で補償することが可能となる。
マルチモード光ファイバ３０のモード間クロストークおよびモード依存損失、すなわち、マルチモード光ファイバ３０の伝達行列をＴｆとする。伝達行列Ｔｆが既知である場合、モード合波器４０の前段に、前述の伝達行列Ｔｃｓ＝ＴｃＴｓとの積Ｔｆｃｓ＝ＴｆＴｃＴｓの逆行列Ｔｆｃｓ －１に複素定数α倍を乗じたαＴｆｃｓ －１の変換を行う光線形変換器６０を配置する。上述したように、光線形変換器６０の伝達行列ＵＳＶ＋を、光ユニタリ変換器（６１、６３）の構成や光利得変換器６２の構成を調整してαＴｆｃｓ －１とする。光線形変換器６０の配置により、モード合波器４０のモード選択性を高め、送信機側のモード依存損失を均一化することができ、さらに、マルチモード光ファイバ３０のモード間クロストークおよびモード依存損失を送信機側で補償することが可能となる。
【0033】
（実施形態２）
実施形態１では、図１のマルチモード伝送システムのうち、送信側の機能について説明した。本実施形態では受信側の機能について説明する。図１２は、本システムの受信側の構造を説明する図である。本システムの受信側は、
シングルモード光ファイバ２５中を伝搬するコヒーレント変調信号光を受光するＭ個（図１２ではＭ＝３）の光受信機２０と、
ｄ個（図１２ではｄ＝Ｌ＝３）のマルチモードからｃ個（図１２ではｃ＝Ｍ０＝４）のシングルモードに変換してシングルモード光ファイバ２６に出射するモード分波器５０と、
モード分波器５０の後段でｂ個（図１２ではｂ＝ｃ＝Ｍ０＝４）のコヒーレント変調信号光に対して適切な干渉および損失を適切に与えてａ個（図１２ではａ＝Ｍ＝３）のコヒーレント変調信号光を得るａ×ｂ光線形変換器７０で構成される。
なお、図１２は一例であるので、Ｍ、Ｍ０、Ｌ、ａ、ｂ、ｃ、ｄの数は図１２の値に限定されない。
実施形態１では、図１のマルチモード伝送システムのうち、送信側の機能について説明した。本実施形態では受信側の機能について説明する。図１２は、本システムの受信側の構造を説明する図である。本システムの受信側は、
シングルモード光ファイバ２５中を伝搬するコヒーレント変調信号光を受光するＭ個（図１２ではＭ＝３）の光受信機２０と、
ｄ個（図１２ではｄ＝Ｌ＝３）のマルチモードからｃ個（図１２ではｃ＝Ｍ０＝４）のシングルモードに変換してシングルモード光ファイバ２６に出射するモード分波器５０と、
モード分波器５０の後段でｂ個（図１２ではｂ＝ｃ＝Ｍ０＝４）のコヒーレント変調信号光に対して適切な干渉および損失を適切に与えてａ個（図１２ではａ＝Ｍ＝３）のコヒーレント変調信号光を得るａ×ｂ光線形変換器７０で構成される。
なお、図１２は一例であるので、Ｍ、Ｍ０、Ｌ、ａ、ｂ、ｃ、ｄの数は図１２の値に限定されない。
【0034】
図１３は、光線形変換器７０の構成を説明する図である。光線形変換器７０は、光ユニタリ変換器（７１、７３）及び光利得変換器７２で構成され、前記伝達行列に応じて光利得変換器７２における光増幅量／光減衰量を設定されることを特徴とする。
【0035】
図３と図１３とを比較するとわかるように、光線形変換器７０は図３の光線形変換器６０の構成の左右を逆転した構成である。従って、光線形変換器７０についても実施形態１での説明と同様に、光ユニタリ変換器（７１、７３）の構成や光利得変換器７２の設定を変更することで、次のような光線形変換器を設計することができる。
なお、以下の説明では、送信機側で説明した伝達行列Ｕ、Ｓ及びＶ＋で説明しているが、送信機側の光線形変換器と受信機側の光線形変換器との伝達行列を一致させる必要は無い。系に応じた伝達行列を用いればよい。
なお、以下の説明では、送信機側で説明した伝達行列Ｕ、Ｓ及びＶ＋で説明しているが、送信機側の光線形変換器と受信機側の光線形変換器との伝達行列を一致させる必要は無い。系に応じた伝達行列を用いればよい。
【0036】
（１）モード分波器の特性を補償
モード分波器５０の伝達行列をＴｓとする。この場合、モード分波器５０の後段に、当該伝達行列の逆行列Ｔｓ －１に複素定数α倍を乗じたαＴｓ －１の変換を行う光線形変換器７０を配置する。上述したように、光線形変換器７０の伝達行列Ｖ＋ＳＵを、光ユニタリ変換器（７１、７３）の構成や光利得変換器７２の構成を調整してαＴｓ －１とする。光線形変換器７０の配置によりモード分波器５０のモード選択性を高め、モード依存損失を均一化することができる。
モード分波器５０の伝達行列をＴｓとする。この場合、モード分波器５０の後段に、当該伝達行列の逆行列Ｔｓ －１に複素定数α倍を乗じたαＴｓ －１の変換を行う光線形変換器７０を配置する。上述したように、光線形変換器７０の伝達行列Ｖ＋ＳＵを、光ユニタリ変換器（７１、７３）の構成や光利得変換器７２の構成を調整してαＴｓ －１とする。光線形変換器７０の配置によりモード分波器５０のモード選択性を高め、モード依存損失を均一化することができる。
【0037】
（２）マルチモードファイバからモード分波器への結合までの特性を補償
モード分波器５０からマルチモード光ファイバ３０への結合を表す伝達行列をＴｃとする。この場合、モード分波器５０の後段に、モード分波器５０の伝達行列Ｔｓとマルチモード光ファイバ３０からの結合の伝達行列Ｔｃとの積Ｔｓｃ＝ＴｓＴｃの逆行列Ｔｓｃ －１に複素定数α倍を乗じたαＴｓｃ －１の変換を行う光線形変換器７０を配置する。上述したように、光線形変換器７０の伝達行列Ｖ＋ＳＵを、光ユニタリ変換器（７１、７３）の構成や光利得変換器７２の構成を調整してαＴｓｃ －１とする。光線形変換器７０の配置により、モード分波器５０のモード選択性を高め、且つ受信機側のモード依存損失を均一化することができる。
モード分波器５０からマルチモード光ファイバ３０への結合を表す伝達行列をＴｃとする。この場合、モード分波器５０の後段に、モード分波器５０の伝達行列Ｔｓとマルチモード光ファイバ３０からの結合の伝達行列Ｔｃとの積Ｔｓｃ＝ＴｓＴｃの逆行列Ｔｓｃ －１に複素定数α倍を乗じたαＴｓｃ －１の変換を行う光線形変換器７０を配置する。上述したように、光線形変換器７０の伝達行列Ｖ＋ＳＵを、光ユニタリ変換器（７１、７３）の構成や光利得変換器７２の構成を調整してαＴｓｃ －１とする。光線形変換器７０の配置により、モード分波器５０のモード選択性を高め、且つ受信機側のモード依存損失を均一化することができる。
【0038】
（３）通信システム全体の特性を補償
マルチモード光ファイバ３０のモード間クロストークおよびモード依存損失、すなわち、マルチモード光ファイバ３０の伝達行列をＴｆをとする。伝達行列Ｔｆが既知である場合、モード分波器５０の後段に、前述の伝達行列Ｔｓｃ＝ＴｓＴｃとの積Ｔｓｃｆ＝ＴｓＴｃＴｆの逆行列Ｔｓｃｆ －１に複素定数α倍を乗じたαＴｓｃｆ －１の変換を行う光線形変換器７０を配置する。上述したように、光線形変換器７０の伝達行列Ｖ＋ＳＵを、光ユニタリ変換器（７１、７３）の構成や光利得変換器７２の構成を調整してαＴｓｃｆ －１とする。光線形変換器７０の配置により、モード分波器５０のモード選択性を高め、受信機側のモード依存損失を均一化することができ、さらに、マルチモード光ファイバ３０のモード間クロストークおよびモード依存損失を受信機側で補償することが可能となる。
マルチモード光ファイバ３０のモード間クロストークおよびモード依存損失、すなわち、マルチモード光ファイバ３０の伝達行列をＴｆをとする。伝達行列Ｔｆが既知である場合、モード分波器５０の後段に、前述の伝達行列Ｔｓｃ＝ＴｓＴｃとの積Ｔｓｃｆ＝ＴｓＴｃＴｆの逆行列Ｔｓｃｆ －１に複素定数α倍を乗じたαＴｓｃｆ －１の変換を行う光線形変換器７０を配置する。上述したように、光線形変換器７０の伝達行列Ｖ＋ＳＵを、光ユニタリ変換器（７１、７３）の構成や光利得変換器７２の構成を調整してαＴｓｃｆ －１とする。光線形変換器７０の配置により、モード分波器５０のモード選択性を高め、受信機側のモード依存損失を均一化することができ、さらに、マルチモード光ファイバ３０のモード間クロストークおよびモード依存損失を受信機側で補償することが可能となる。
【0039】
（実施形態３）
図１のように、マルチモード光ファイバ３０中を伝搬するモード数Ｌ、モード合波器４０の入力モード数Ｎ０、モード分波器５０の出力モード数Ｍ０の全てが一致している場合（ａ＝ｂ＝ｃ＝ｄ）、次のシステム構成とすることができる。
（１）送信側又は受信側に１つの光線形変換器
当該場合においては、図４または図５で説明した構成の光線形変換器を送信側と受信側のいずれかに配置すればよい。つまり、光線形変換器６０と光線形変換器７０のいずれか一方でよい。
（２）送信側と受信側の双方に光線形変換器
図８または図９の構成を送信部および受信部の両方に配置して、伝達行列を対角行列にする。例えば、モード合波器からモード分波器までを考えた伝達行列Ｔｓｃｓ＝Ｔｓ ＋ＴｃＴｓを特異値分解した伝達行列ＵＳＶ＋に対して、光線形変換器６０ではＶ＋の逆行列、光線形変換器７０ではＵの逆行列の変換を行う。Ｓに対応する部分は、送信機１０または受信機２０で対応する。
図１のように、マルチモード光ファイバ３０中を伝搬するモード数Ｌ、モード合波器４０の入力モード数Ｎ０、モード分波器５０の出力モード数Ｍ０の全てが一致している場合（ａ＝ｂ＝ｃ＝ｄ）、次のシステム構成とすることができる。
（１）送信側又は受信側に１つの光線形変換器
当該場合においては、図４または図５で説明した構成の光線形変換器を送信側と受信側のいずれかに配置すればよい。つまり、光線形変換器６０と光線形変換器７０のいずれか一方でよい。
（２）送信側と受信側の双方に光線形変換器
図８または図９の構成を送信部および受信部の両方に配置して、伝達行列を対角行列にする。例えば、モード合波器からモード分波器までを考えた伝達行列Ｔｓｃｓ＝Ｔｓ ＋ＴｃＴｓを特異値分解した伝達行列ＵＳＶ＋に対して、光線形変換器６０ではＶ＋の逆行列、光線形変換器７０ではＵの逆行列の変換を行う。Ｓに対応する部分は、送信機１０または受信機２０で対応する。
【0040】
なお、マルチモード光ファイバ３０中を伝搬するモード数Ｌ、モード合波器４０の入力モード数Ｎ０、モード分波器５０の出力モード数Ｍ０のいずれかが一致しない場合、送信側と受信側の双方に光線形変換器が必要である。この場合、どちらの光線形変換器をどこの伝達行列に対応させるかを予め決めておく必要がある。例えば、光線形変換器６０は、モード合波器４０及びモード合波器４０からマルチモード光ファイバ３０への結合までの特性を補償し、光線形変換器７０は、マルチモード光ファイバ３０、マルチモード光ファイバ３０からモード分波器５０への結合、及びモード分波器５０の特性を補償してもよい。また、光線形変換器６０は、モード合波器４０、モード合波器４０からマルチモード光ファイバ３０への結合、マルチモード光ファイバ３０、及びマルチモード光ファイバ３０からモード分波器５０への結合までの特性を補償し、光線形変換器７０は、モード分波器５０のみの特性を補償してもよい。
【0041】
（実施形態４）
図１４は、マルチモード光ファイバ３０として２ＬＰモードファイバ（Ｌ＝３）を採用し、モード合波器４０として非特許文献２の２＋２＝４非選択的モード合波器（ｃ＝ｄ＝４）を用いる例を説明する図である。非選択的モード合波器は、図１４に示すように、３つのＹ分岐導波路を組み合わせた構造であり、光線形変換器６０からの基本モードの光を合波して３つのモード（ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ）をマルチモード光ファイバ３０に励振する。
図１４は、マルチモード光ファイバ３０として２ＬＰモードファイバ（Ｌ＝３）を採用し、モード合波器４０として非特許文献２の２＋２＝４非選択的モード合波器（ｃ＝ｄ＝４）を用いる例を説明する図である。非選択的モード合波器は、図１４に示すように、３つのＹ分岐導波路を組み合わせた構造であり、光線形変換器６０からの基本モードの光を合波して３つのモード（ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ）をマルチモード光ファイバ３０に励振する。
【0042】
ｂ×ａ光線形変換器６０の変換行列をモード合波器４０の伝達行列の逆行列（ａ＝ｂ＝４）とすれば、光線形変換器６０の入力ポートとモード合波器４０における励振モードを１：１で対応させることができる。したがって、Ｎ＝３個の送信機１０によって送出されたコヒーレント変調信号光を、光線形変換器６０のａ＝４つの入力ポートのうち３つに入力することで、マルチモード光ファイバ３０を伝搬可能なＬ＝３モードを励振することができる。また、光線形変換器６０は、実施形態１で説明したように、モード合波器４０自体や、モード合波器４０からマルチモード光ファイバ３０に入射するときに生じるモード依存損失も補償することができる。
【0043】
図１５は、受信側を説明する図である。モード分波器５０として非特許文献２の２＋２＝４非選択的モード分波器（ｃ＝ｄ＝４）を用いる例である。非選択的モード分波器は、図１５に示すように、３つのＹ分岐導波路を組み合わせた構造であり、マルチモード光ファイバ３０からの３つのモード（ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ）を分波して４つの基本モードの信号として出力する。
【0044】
光線形変換器７０は、モード分波器５０を通過した後に得られる４つのコヒーレント変調信号光について、基本モードの３つのコヒーレント変調信号光に復元することができる。
【0045】
なお、本実施形態では３つのモードで例示したが、３つより大きいモードでも有効である。
【0046】
（発明のポイント）
本発明に係るマルチモード伝送システムは、モード合波器の前処理、またはモード分波器の後処理として、光線形変換器を導入することで、システム全体の伝達行列を自在に変化させ、伝送品質を制御する。
例えば、光線形変換器は、マルチモード光ファイバのクロストーク、モード損失差および伝送後に求められるモード依存損失差に応じ、マルチモード光ファイバ中を伝搬する複数の伝搬モードの励振比率を調整できる。
本発明に係るマルチモード伝送システムは、モード合波器の前処理、またはモード分波器の後処理として、光線形変換器を導入することで、システム全体の伝達行列を自在に変化させ、伝送品質を制御する。
例えば、光線形変換器は、マルチモード光ファイバのクロストーク、モード損失差および伝送後に求められるモード依存損失差に応じ、マルチモード光ファイバ中を伝搬する複数の伝搬モードの励振比率を調整できる。
【0047】
（発明の効果）
本発明により、モ－ド分割多重技術を用いたマルチモード光ファイバ伝送において、光線形変換器のパラメータ（ユニタリ変換器の構成、光増幅／減衰器の利得、及び位相シフタのシフト量）を変更することで、モード合分波器とマルチモード光ファイバの励振モード数を制御できるようになり、モード合分波におけるモード依存損失も補償可能となる。
本発明により、モ－ド分割多重技術を用いたマルチモード光ファイバ伝送において、光線形変換器のパラメータ（ユニタリ変換器の構成、光増幅／減衰器の利得、及び位相シフタのシフト量）を変更することで、モード合分波器とマルチモード光ファイバの励振モード数を制御できるようになり、モード合分波におけるモード依存損失も補償可能となる。
【符号の説明】
【0048】
１０：送信機
１５、１６：シングルモード光ファイバ
２０：受信機
２５、２６：シングルモード光ファイバ
３０：マルチモード光ファイバ
４０：モード合波器
５０：モード分波器
６０、７０：光線形変換器
６１、６３、７１、７３：ユニタリ変換器
６２、７２：光利得変換器（増幅器／減衰器）
８１：入出力導波路
８２：２×２光分配ユニット
１５、１６：シングルモード光ファイバ
２０：受信機
２５、２６：シングルモード光ファイバ
３０：マルチモード光ファイバ
４０：モード合波器
５０：モード分波器
６０、７０：光線形変換器
６１、６３、７１、７３：ユニタリ変換器
６２、７２：光利得変換器（増幅器／減衰器）
８１：入出力導波路
８２：２×２光分配ユニット
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】