| 研究課題/領域番号 |
20K04636
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| 研究機関 | 国立研究開発法人情報通信研究機構 |
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研究代表者 |
品田 聡 国立研究開発法人情報通信研究機構, ネットワーク研究所フォトニックICT研究センター, 研究マネージャー (00392720)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 空間分割多重 / モード多重 / ホログラム / レーザアレイ / ファイバアレイ / 数モードファイバ |
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| 研究実績の概要 |
本研究開発は，エルビウム添加数モードファイバ（Er:FMF）を利得媒体とする光増幅器のモード間利得差を補償するための励起光源として，レーザアレイと角度多重体積ホログラムを組み合わせた簡易な空間モード多重光源を検討している．
昨年度は，空間位相変調器（LCOS）上に位相分布をもつ回折格子を表示させることにより，単一モードファイバアレイ（3×1）からの3ビームを個別にモード変換し，数モードファイバ（FMF）への低損失な結合を実証した．今年度は，LCOSを体積ホログラムに置き換えることにより，3ビームの一括モード変換およびFMFへの同時結合を試みた．
体積ホログラム媒質として，高い変換効率をもつポリマー材料の入手が困難だったため，鉄添加ニオブ酸リチウム（Fe:LiNbO3）を用いることとした．波長980 nmにおいてモード多重（再生）を実現するため，記録時と再生時に異なる波長光源を用いる異波長記録再生法に基づき，波長532 nmの可視光レーザを用いて波長980 nm用の角度多重体積ホログラムを生成（記録）した．
ファイバアレイから出力された3ビームは，直後に置かれた1つのレンズによりコリメートされ，それぞれ異なる角度で，角度多重体積ホログラムに入射する．その後，各ビームはそれぞれ異なる空間モード（LP01，LP11a，LP11b）に一括変換され，同一方向へ回折する．この回折光をFMFに同時結合させたとき，各モードの結合損失はそれぞれ-0.95 dB，-1.32 dB，-3.11 dBとなり，FMFへの低損失な同時結合を実証した．角度多重体積ホログラムにおけるモード変換効率の向上の課題は残るが，レンズやモード径の最適化やアライメント調整軸の改善により，FMF結合のさらなる低損失化は期待される．本成果は，国際会議OECC/PSC 2022（2022年7月3日～6日開催）に採択されている．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
今年度は，3モード用の角度多重体積ホログラムを生成することにより，ファイバアレイから出力された3ビームの一括モード変換，およびFMFへの低損失な同時結合を初めて実証しており，予定通り進捗しているといえる．異波長記録再生法に基づき，波長532 nmの可視光レーザを用いて波長980 nm用の角度多重体積ホログラムを生成（記録）したが，FMFへの低損失結合を3モード同時に実現していることから，記録時に与える角度パラメータが最適に設計され，また記録系に正確に反映できていることが確認される．今回，媒質の入出射面における角度変化も考慮して角度設計したことが，より正確な回折角を与えている．また，従来の記録光と参照光を独立した2ラインに分け，相対入射角を変えて干渉させる角度多重方式から，1ラインのまま相対入射角を変える新方式を提案し採用したことが，記録時の角度精度の向上に貢献している．計画通り，赤外における異波長記録再生法を実験的に確立しており，この成果は，可視域が主流であった体積ホログラム技術の光通信帯への拡大につながるものと期待される．
今回作成した体積ホログラムのモード変換効率（回折効率）は非常に低く，より高効率なモード変換が課題として残るが，今回ホログラム媒質として用いたFe:LiNbO3よりもポリマー材料の方が，高い変換効率が期待されるため，今後はポリマー材料の供給を検討し，これに合わせた異波長記録再生に基づく設計を進める．また，高効率化が実現できた後，Er:FMFに結合し，光増幅後のモード形状や励起パワーに依存した受信信号の特性評価等を進める．
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| 今後の研究の推進方策 |
当初より，モード変換効率（回折効率）が比較的高いポリマー材料を用いて角度多重体積ホログラムを生成する予定であったが，コロナ禍により，材料メーカーからの材料供給が滞っており，赤外における回折効率が低いFe:LiNbO3を代替材料としたため，モード一括変換および同時FMF結合の原理検証までに留まっている．次年度は，材料メーカーと協議を続け，ポリマー材料を用いたより高効率なモード変換の実証を目指す．高効率なモード多重光源を実現した後，Er:FMFの励起用光源として採用し，光増幅後のモード形状や励起パワーに依存した受信信号の特性評価等を進める．
また，本課題は，小型のモード多重光源を目指すものであり，ファイバアレイ出力をレーザアレイからの直接出力に置き換えての実証も進める．既に，面発光レーザ（VCSEL）を用いた3モードの一括変換テストを開始しているが，1次元（1軸方向の）アレイだけでなく．2次元のVCSELアレイを用いることにより，例えば3×3の9モード多重光源のような拡張性の高いモード一括変換の実証も検討する．さらに，Er:FMF用のモード多重励起用光源のみならず，空間光通信用のモード多重光源としての応用も提案しており，これを用いた自由空間における空間モード多重伝送実験も検討する予定である．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
コロナ禍や半導体供給不足の影響により，調達物品の納期遅れが生じ，また国内外の会議の無料オンライン開催により，旅費の使用がなかった．次年度以降に，遅れている物品の調達を進め，また旅費は，会議参加費や論文投稿費として使用する予定である．
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