JP6611250B2 - マルチコア光ファイバ及びマルチコア光ファイバの設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、マルチコア光ファイバとその設計方法に関する。

光ファイバ通信システムでは、光ファイバ中で発生する非線形効果やファイバヒューズにより伝送容量が制限される。これらの制限を緩和するために１本の光ファイバ中に複数のコアを有するマルチコア光ファイバを用いた並列伝送や、コア内に複数の伝搬モードが存在するマルチモードファイバを用いたモード多重伝送といった空間多重技術が検討されている（例えば、非特許文献１〜３を参照。）。

Ｈ． Ｔａｋａｒａ ｅｔ ａｌ．， "１．０１−Ｐｂ／ｓ （１２ ＳＤＭ／２２２ ＷＤＭ／４５６ Ｇｂ／ｓ） Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ−ｍａｎａｇｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｗｉｔｈ ９１．４−ｂ／ｓ／Ｈｚ Ａｇｇｒｅｇａｔｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ"， ｉｎ ＥＣＯＣ２０１２， ｐａｐｅｒ Ｔｈ．３．Ｃ．１ （２０１２） Ｔ． Ｓａｋａｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．， "Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｅｌａｙ Ｍａｎａｇｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ ｆｏｒ ＷＤＭ−ＭＩＭＯ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉ−Ｓｔｅｐ Ｉｎｄｅｘ Ｆｉｂｅｒ"， Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ． ｖｏｌ． ３０， ｐｐ． ２７８３−２７８７ （２０１２）． Ｙ． Ｓａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ．， "Ｌａｒｇｅ−ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ−ａｒｅａ ｕｎｃｏｕｐｌｅｄ ｆｅｗ−ｍｏｄｅ ｍｕｌｔｉ−ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ"， ＥＣＯＣ２０１２， ｐａｐｅｒ Ｔｕ．１．Ｆ．３ （２０１２）． Ｔ． Ｏｈａｒａ ｅｔ ａｌ．， "Ｏｖｅｒ−１０００−Ｃｈａｎｎｅｌ Ｕｌｔｒａｄｅｎｓｅ ＷＤＭ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｗｉｔｈ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ Ｍｕｌｔｉｃａｒｒｉｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ"， ＩＥＥＥ Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ． ２４， ｐｐ．２３１１−２３１７ （２００６） Ｔ． Ｓａｋａｍｏｔｏ， Ｔ． Ｍｏｒｉ， Ｍ． Ｗａｄａ， Ｔ． Ｙａｍａｍｏｔｏ， Ｆ． Ｙａｍａｍｏｔｏ， "Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｍｕｌｔｉｃｏｒｅ Ｆｉｂｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ Ｗｉｔｈ Ｌｏｗ Ｉｎｔｅｒｃｏｒｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｅｌａｙ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ−Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｓｐａｃｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ"， Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ．３３， ｎｏ．６， ｐｐ．１１７５，１１８１， （２０１５） Ｔ． Ｓａｋａｍｏｔｏ， Ｔ． Ｍｏｒｉ， Ｍ． Ｗａｄａ， Ｔ． Ｙａｍａｍｏｔｏ， ａｎｄ Ｆ． Ｙａｍａｍｏｔｏ， "Ｆｉｂｅｒ ｔｗｉｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｂｅｎｄｉｎｇ ｉｎｄｕｃｅｄ ｍｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｃｏｕｐｌｅｄ ｍｕｌｔｉ−ｃｏｒｅ ｆｉｂｒｅ"， ＥＣＯＣ， ｐａｐｅｒ Ｐ．１．０２ （２０１５）． Ｔ．ｍａｔｓｕｉ ｅｔ ａｌ．， "Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ １２５ ｕｍ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｍｕｌｔｉ−ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｆｕｌｌｂａｎｄ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ"，ＥＣＯＣ ｐａｐｅｒ Ｗｅ．１．４．５ （２０１５） ＩＴＵ−Ｔ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ Ｇ．６５２ ＩＴＵ−Ｔ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ Ｇ．６５４ Ｙ． Ｋａｔｓｕｙａｍａ， Ｍ． Ｔｏｋｕｄａ， Ｎ． Ｕｃｈｉｄａ， ａｎｄ Ｍ． Ｎａｋａｈａｒａ， "Ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｖ−ｖａｌｕｅ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ"， Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ． １２， ｐｐ． ６６９−６７０， Ｄｅｃ． １９７６． Ｈ． Ｃｈｅｎ Ｎ．Ｋ． Ｆｏｎｔａｉｎｅ， Ｒ． Ｒｙｆ，Ｒ．−Ｊ． Ｅｓｓｉａｍｂｒｅ， Ｌ． Ｗａｎｇ， Ｙ． Ｍｅｓｓａｄｄｅｑ， Ｓ． ＬａＲｏｃｈｅｌｌｅ， Ｔ． Ｈａｙａｓｈｉ， Ｔ．Ｎａｇａｓｈｉｍａ， Ｔ．Ｓａｓａｋｉ "Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ ｃｏｕｐｌｅｄ ｓｉｘ−ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｔｗｏ ｉｎ−ｌｉｎｅ ｃｌａｄｄｉｎｇ−ｐｕｍｐｅｄ ｓｉｘ−ｃｏｒｅ ＥＤＦＡｓ"， ＥＣＯＣ２０１５， ｐａｐｅｒ Ｗｅ．１．４．２ （２０１５） Ｌ． Ｃｈｅｒｂｉ ａｎｄ Ｂ． Ａｂｄｅｒｒａｈｍａｎｅ， "Ｓｐｕｎ Ｆｉｂｒｅｓ ｆｏｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＭＤ： Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ"， ＩＮＴＥＣＨ Ｏｐｅｎ Ａｃｃｅｓｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ， ２０１２． 佐藤他、"単心分岐型テープ心線を用いたＳＺケーブルの低ＰＭ特性"信学技報 ＯＦＴ２００６−４５ （２００６）

マルチコア光ファイバを用いた伝送においては、コア間のクロストークが生じると信号品質が劣化するため、クロストークを抑圧するためにコア間を一定以上離さなければならない。一般には、光通信システムで十分な伝送品質を担保するためには、パワーペナルティを１ｄＢ以下にすることが望ましく、そのためには文献１または４に記載の通りクロストークは−２６ｄＢ以下としなければならない。

一方で、ＭＩＭＯ技術を用いると受信端においてクロストークを補償することが可能であり、コア間距離を小さくし、クロストークが−２６ｄＢ以上であっても信号処理によりパワーペナルティを１ｄＢ未満とすることができ、空間利用効率を向上させることができる。しかしながら、ＭＩＭＯ技術を適用する場合、伝送路中で発生する複数の信号光間の群遅延差（ＤＭＤ）が大きいと、伝送路のインパルス応答幅が大きくなり、信号処理の増大を招く。

一般に、非特許文献２に記載の通り、同一コアを伝搬する複数のモード間のＤＭＤは光ファイバの屈折率分布を制御することで低減することが可能である。

一方で、マルチコア光ファイバにおいても、異なるコアを伝搬するモードを異なるモードとしてとらえることができ、同様にＤＭＤを定義することができる。コア間のクロストーク量とＤＭＤの関係については、非特許文献５により明らかになっており、コア間距離の減少によりＤＭＤが増加することがわかっている。つまり、コア間クロストークを許容したとしても、ＤＭＤを増加させないようにするためにはコア間距離の下限が存在し、空間利用効率の向上には限界があることがわかっている。

一方、非特許文献５において述べられているとおり、マルチコア光ファイバでは、光ファイバのインパルス応答幅がＤＭＤより小さくなる場合がある。これは、伝搬するモード間が伝搬方向に分布的に結合し、群速度の平均化効果が得られたためである。

このように、モード間が強く結合することで、受信端における信号処理負荷を低減することができることは非特許文献６で述べられており、ファイバの曲りとねじれが結合に大きく影響することがわかっている。

通信用の空間多重用マルチコア光ファイバとしてはコア数が４以上のものが多く（例えば非特許文献１，３，７）、限られた光ファイバ断面積により多数のコアを配置することが望ましい。しかし、非特許文献６はコア数が２である場合の例であって、コア数やコア配置によってモード間結合量が変化するため、現在のところ通信用ファイバとしてどのように結合型マルチコア光ファイバを設計してよいかが不明という課題がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決すべく、コア数やコア配置に応じた捻じれを有し、モード間結合を積極的に発生させるマルチコア光ファイバ及びその設計方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のマルチコア光ファイバは、次のような構造を備えることとした。

本発明に係るマルチコア光ファイバは、伝搬する光の波長帯において単一の伝搬モードとなるコアを複数備えるマルチコア光ファイバであって、
各コアからの漏洩損失が１０^−３ｄＢ／ｋｍ以下となるコア間隔、及び
全てのコア間での結合量が−１０ｄＢ／ｋｍ以上となる長手方向の軸を中心とする捻じれを有することを特徴とする。

非特許文献１，３で述べられているマルチコア光ファイバは、クラッド外径が現在の標準的な光ファイバの外径である１２５μｍ以上であるため、好ましくない。そこで、クラッド外径を１２５μｍとしたときのコア配置、コア間隔及び捻じれの具体例を述べる。

本発明に係るマルチコア光ファイバは、クラッドの直径が１２５μｍであり、断面において７個のコアが三角格子状に配置されるコア配置を持ち、前記コア間隔が２６μｍ以下、及び前記捻じれが０．５πｒａｄ／ｍ以上であることを特徴とする。

本発明に係るマルチコア光ファイバは、クラッドの直径が１２５μｍであり、断面において８個のコアが同心円状に配置されるコア配置を持ち、前記コア間隔が２０μｍ以下、及び前記捻じれが０．５πｒａｄ／ｍ以上であることを特徴とする。

本発明に係るマルチコア光ファイバは、クラッドの直径が１２５μｍであり、断面において１０個のコアが同心円状に配置されるコア配置を持ち、前記コア間隔が１６μｍ以下、及び前記捻じれが１０πｒａｄ／ｍ以上であることを特徴とする。

本発明に係るマルチコア光ファイバは、クラッドの直径が１２５μｍであり、断面において１２個のコアが正方格子状に配置されるコア配置を持ち、前記コア間隔が１６．４μｍ以下、及び前記捻じれが３πｒａｄ／ｍ以上であることを特徴とする。

本発明に係るマルチコア光ファイバは、遮断波長が１５３０ｎｍ以下となるコア半径を有することを特徴とする。Ｃ帯波長の光信号でＤＭＤ低減でき、受信端における信号処理負荷を低減させることができる。

一方、上記マルチコア光ファイバは、次のように設計される。つまり、本発明に係るマルチコア光ファイバの設計方法は、伝搬する光の波長帯において単一の伝搬モードとなるコアを複数備えるマルチコア光ファイバの設計方法であって、
前記マルチコア光ファイバのコア数、コア配置及びクラッド直径のファイバ構造を仮決定する構造仮決定手順と、
前記構造仮決定手順で仮決定した前記ファイバ構造で定まるコア間隔上限値以下のコア間隔を仮決定するコア間隔仮決定手順と、
前記構造仮決定手順で仮決定した前記ファイバ構造及び前記コア間隔仮決定手順で仮決定したコア間隔において、各コアからの漏洩損失と所定損失値とを比較し、前記漏洩損失が前記所定損失値より大きい場合に前記構造仮決定手順又は前記コア間隔仮決定手順を再度行う漏洩損失比較手順と、
前記漏洩損失比較手順で前記漏洩損失が前記所定損失値以下の場合にファイバ捻じれ速度を仮決定する捻じれ速度仮決定手順と、
前記構造仮決定手順で仮決定した前記ファイバ構造、前記コア間隔仮決定手順で仮決定したコア間隔、及び前記捻じれ速度仮決定手順で仮決定した前記ファイバ捻じれ速度における全てのコア間での結合量と所定結合値とを比較し、前記結合量が前記所定結合値未満である場合に前記構造仮決定手順、前記コア間隔仮決定手順、又は前記捻じれ速度仮決定手順を再度行う結合量比較手順と、
前記結合量比較手順で前記結合量が前記所定結合以上である場合に前記構造仮決定手順で仮決定したファイバ構造、前記コア間隔仮決定手順で決定したコア間隔、及び前記捻じれ速度仮決定手順で仮決定した捻じれ速度を前記マルチコア光ファイバの設計値として確定する設計値確定手順と、
を行うことを特徴とする。

ここで、本発明に係るマルチコア光ファイバの設計方法は、前記所定損失値が１０^−３ｄＢ／ｋｍ以下、且つ前記所定結合値が−１０ｄＢ／ｋｍ以上であることが好ましい。

本発明は、コア数やコア配置に応じた捻じれを有し、モード間結合を積極的に発生させるマルチコア光ファイバ及びその設計方法を提供することができる。

マルチコア光ファイバの断面構造を示す概略図である。 コア半径と遮断波長の関係を示した図である。 マルチコア光ファイバにおけるコア配置を示したものである。 本発明に係るマルチコア光ファイバの設計方法で、７コアファイバにおける漏えい損失設計に関わる図である。 本発明に係るマルチコア光ファイバの設計方法で、８コアファイバにおける漏えい損失設計に関わる図である。 本発明に係るマルチコア光ファイバの設計方法で、１０コアファイバにおける漏えい損失設計に関わる図である。 本発明に係るマルチコア光ファイバの設計方法で、１２コアファイバにおける漏えい損失設計に関わる図である。 本発明に係るマルチコア光ファイバの設計方法で、１９コアファイバにおける漏えい損失設計に関わる図である。 本発明に係るマルチコア光ファイバの設計方法で、捻じれ速度に対する基本モードと第一高次モードとの間の結合量の計算結果である。 本発明に係るマルチコア光ファイバの設計方法で、捻じれ速度に対する基本モードと最高次モードとの間の結合量の計算結果である。 本発明に係るマルチコア光ファイバの設計方法で、７コアファイバのコア間隔に対する基本モードと第一高次モードとの間の結合量の計算結果である。 本発明に係るマルチコア光ファイバの設計方法で、７コアファイバのコア間隔に対する基本モードと最高次モードとの間の結合量の計算結果である。 ４０ｋｍの伝送後のインパルス応答波形の計算結果である。 インパルス応答波形をガウス波形近似した際の相関係数の計算結果である。 インパルス応答波形の標準偏差である。 本発明に係るマルチコア光ファイバの設計方法を説明するフローチャートである。

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。

図１６は、本実施形態で説明するマルチコア光ファイバ設計方法を説明するフローチャートである。本設計方法は、伝搬する光の波長帯において単一の伝搬モードとなるコアを複数備えるマルチコア光ファイバの設計方法であって、
前記マルチコア光ファイバのコア数、コア配置及びクラッド直径のファイバ構造を仮決定する構造仮決定手順Ｓ０１と、
構造仮決定手順Ｓ０１で仮決定した前記ファイバ構造で定まるコア間隔上限値以下のコア間隔を仮決定するコア間隔仮決定手順Ｓ０２と、
構造仮決定手順Ｓ０１で仮決定した前記ファイバ構造及びコア間隔仮決定手順Ｓ０２で仮決定したコア間隔において、各コアからの漏洩損失と所定損失値とを比較し、前記漏洩損失が前記所定損失値より大きい場合に構造仮決定手順Ｓ０１又はコア間隔仮決定手順Ｓ０２を再度行う漏洩損失比較手順Ｓ０３と、
漏洩損失比較手順Ｓ０３で前記漏洩損失が前記所定損失値以下の場合にファイバ捻じれ速度を仮決定する捻じれ速度仮決定手順Ｓ０４と、
構造仮決定手順Ｓ０１で仮決定した前記ファイバ構造、コア間隔仮決定手順Ｓ０２で仮決定したコア間隔、及び捻じれ速度仮決定手順Ｓ０４で仮決定した前記ファイバ捻じれ速度における全てのコア間での結合量と所定結合値とを比較し、前記結合量が前記所定結合値未満である場合に構造仮決定手順Ｓ０１、コア間隔仮決定手順Ｓ０２、又は捻じれ速度仮決定手順Ｓ０４を再度行う結合量比較手順Ｓ０５と、
結合量比較手順Ｓ０５で前記結合量が前記所定結合以上である場合に構造仮決定手順Ｓ０１で仮決定したファイバ構造、コア間隔仮決定手順Ｓ０２で決定したコア間隔、及び捻じれ速度仮決定手順Ｓ０４で仮決定した捻じれ速度を前記マルチコア光ファイバの設計値として確定する設計値確定手順Ｓ０６と、
を行うことを特徴とする。

［構造仮決定手順Ｓ０１］
図１はコアが２コアであるマルチコア光ファイバの断面図である。屈折率がｎ１であるコア領域と、ｎ２のクラッド領域が存在しｎ１＞ｎ２である。

図１の構造においてｎ１＞ｎ２の条件は、各領域の材料を純石英ガラス、またはゲルマニウム（Ｇｅ）やアルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）などの屈折率を増加させる不純物や、フッ素（Ｆ）、ボロン（Ｂ）などの屈折率を低減させる不純物を添加した石英ガラスを用いることで実現できる。また、コア間距離をＤとする。

図２に、コアの比屈折率Δ＝０．３５％とした時の、コア半径に対する遮断波長を計算したものを示す。ＩＴＵ−Ｔにおける光ファイバ標準勧告では、遮断波長は１２６０ｎｍもしくは１５３０ｎｍである（非特許文献８，９を参照。）。

一般に長距離伝送では１５５０ｎｍ帯であるＣ帯を用いる場合が主であるため、遮断波長を１５３０ｎｍ以下とすることが望ましく、コア半径ａは４．８μｍ以下としなければならないことがわかる。

一般に、遮断波長はコア半径及びコアの比屈折率Δに依存して変化するが、遮断波長の設計は光ファイバ設計において基本的な事項であるため、ここでは詳しく説明しない。なお、遮断波長より波長が長い光はその光ファイバを基本モードのみ（シングルモード）で伝搬し、遮断波長より波長が短い光は基本モードの他に高次モードでも伝搬（マルチモード）する。

マルチコア光ファイバにおいてコアを配置する際には、図３に示す配置が考えられる。大きく分けて、三角格子状、円環状、正方格子状があり、それぞれ、７コア、１９コア、４・６・８・１０コア、１２コアが検討されているが、図３では７、８、１０、１２、１９コアを図示している。

［コア間隔仮決定手順Ｓ０２及び漏洩損失比較手順Ｓ０３］
マルチコア光ファイバを設計する際には、そのクラッド外径を１２５μｍとすることは大きなメリット（製造容易性、接続性、及び機械的信頼性）がある。そこで、クラッド外径を１２５μｍと仮定した時に、７、８、１０、１２、１９コアファイバにおけるコア間隔の上限を算出した。

コア間隔の上限を算出するときに制限となるのは漏えい損失である。一般に、コアとクラッド外面との距離であるクラッド厚が小さくなると、伝搬するモードがクラッド外側に漏えいして損失が増加する。これは漏えい損失と呼ばれ、光ファイバの設計の際には、十分小さい値としなければならない。

図４は、三角格子状にコアを７個配置し、クラッド直径を１２５μｍとした時の、ファイバ中心からコア中心までの距離の最大値と漏えい損失の関係を示したものである。コア中心からの距離が大きくなると、損失が増加していることがわかる。図４においてはコア半径ａ＝４．８μｍである場合を図示しており、光ファイバの損失は一般的に０．２ｄＢ／ｋｍである。本設計方法では、その二桁小さい値に漏えい損失を抑える、つまり０．００１ｄＢ／ｋｍ以下を目標とする。三角格子状に７コアの場合、中心からの距離は２６μｍ以下でなければならないことがわかる。

図４の第二横軸に、ファイバ中心からの距離をコア間隔に変換した値を記載している。三角格子状に７個コアを配置した構造では、中心から外側コアの距離はコア間隔と等しくなるため、漏えい損失を抑えるためには、コア間隔についても２６μｍ以下としなければならないことがわかる。

図５は、円環状に８個のコアを配置した場合の計算結果である。図４と同様に第二横軸に、中心から外側コアの距離をコア間隔に変換したものを記載しており、０．００１ｄＢ／ｋｍ以下に漏えい損失を抑えるためには、コア間隔を２０μｍ以下としなければならない。図６は、円環状に１０個のコアを配置した場合の計算結果である。０．００１ｄＢ／ｋｍ以下に漏えい損失を抑えるためには、コア間隔を１６μｍ以下としなければならない。

図７は、正方格子状に１２個のコアを配置した場合の計算結果である。中心からコアまでの距離については、１２個のコアの中で最もファイバ中心から離れたコアで算出を行っている。０．００１ｄＢ／ｋｍ以下に漏えい損失を抑えるためには、コア間隔を１６．４μｍ以下としなければならない。

図８は、三角格子状に１９個のコアを配置した場合の計算結果である。１９コア構造の場合、ファイバ中心から最外コアまでの距離の半分がコア間隔に相当する。０．００１ｄＢ／ｋｍ以下に漏えい損失を抑えるためには、コア間隔を１３μｍ以下としなければならない。

［捻じれ速度仮決定手順Ｓ０４及び結合量比較手順Ｓ０５］
上記のコア間隔の上限を満たしつつ、モード間で結合するためのファイバの捻じれを計算した。計算に用いたマルチコア光ファイバのコア数は７、８、１０、１２とし、コア配置は図３で示した通りである。コア間隔は図４〜図７で得られた上限値としており、それぞれ２６、２０、１６、１６．４μｍとしている。計算ではビーム伝搬法を用いており、曲げ半径１４０ｍｍとし、捻じれ速度γ ｒａｄ／ｍを変化させて、入力したモードが伝搬後にどの程度他のモードに結合したか、つまり、あるコアに入力した光が伝搬後にどの程度他のコアに結合したかを算出している。ここで、捻じれ速度とは、単位長（ｍ）あたりにファイバがどれだけ捻じれているかを示しており、ファイバの断面を見た時の周方向に対する捻じれを意味している。なお、曲げ半径を１４０ｍｍとしたのは、非特許文献１０に記載の通り、遮断波長の測定に曲げ半径１４０ｍｍが用いられていることに基づいている。

図９と図１０は、マルチコア光ファイバの捻じれ速度に対するモード間結合量の計算結果である。縦軸はモード間の結合量をｄＢ／ｍで表し、横軸は捻じれ速度を示している。光ファイバを伝搬するモードはコア数と同じである。たとえば７コアファイバでは伝搬モードは７つ存在することになる。以下では、１つのコアを伝搬する光を１つのモード、コア間で光が結合することをモード間結合と説明することがある。

図９の計算は、基準モードを最も実効屈折率が高い基本モードとし、結合先としては、第一高次モードの結合量としている。一般に、実効屈折率が近接しているモード間が主な結合を生じるモードの組み合わせであり、基本モードからは第一高次モードとの結合を計算すれば十分である。なお、ファイバが所定の曲げ半径で曲がっているマルチコアファイバにおいては、曲げに対して外側のコアの実効的な屈折率が上昇し、内側のコアの実効的な屈折率が減少する。モードの次数の定義は、実効屈折率順で定義されるため、実効屈折率の降順に基本モード〜最高次モードと定義される。図９より、それぞれのコア数とコア配置において、ある一定の捻じれ速度において結合量が飽和することがわかる。

さて、マルチコア光ファイバのインパルス応答幅を低減するためには、所定の距離で全てのモード間（コア間）で強く結合する必要がある。

図１０は、基本モードから実効屈折率が最も異なる最高次のモードへの結合量を計算したものを示す。結合量（縦軸）の単位はｄＢ／ｋｍとしている。図１０での結合量の計算においては、近接したコアへ図９で計算された結合量で結合するとし、これを繰り返すことで最高次のモードに至るまでの総結合量を算出している。基本モードから最高次のモードへの結合では、曲げに対して最も外側にあるコアから最も内側にあるコアへ、複数のコアを経由して結合することを意味している。実効屈折率が近接しているモード間の結合量は全て等しいとしている。本計算においても図９の結果と同様に、コア数やコア配置に応じて一定の捻じれ速度でモード間結合量が飽和している。

図９及び図１０の計算結果より、７コアでは０．５πｒａｄ／ｍ以上、８コアでは０．５πｒａｄ／ｍ以上、１０コアでは１０πｒａｄ／ｍ以上、１２コアでは３πｒａｄ／ｍ以上とすることでモード間結合量が飽和し、捻じれ速度として望ましいことがわかる。後述するように、モード間結合量を−１０ｄＢ／ｋｍ以上とすれば、必要な捻じれ速度は、７コアでは０．２πｒａｄ／ｍ以上、８コアでは０．４５πｒａｄ／ｍ以上、１０コアでは９．８πｒａｄ／ｍ以上、１２コアでは２．７πｒａｄ／ｍ以上となる。

一方、捻じれ速度には、装置の物理上の制約があると考えられている。具体的には、ファイバ製造時に付与できる捻じれ速度を２０πｒａｄ／ｍ以上とすることは現実的でない。例えば、図３に記載の三角格子状に１９個コアをコア間隔１３μｍで配置したマルチコア光ファイバは、−１０ｄＢ／ｋｍ以上のモード間結合を得るために６０πｒａｄ／ｍ以上の捻じれ速度が必要であり、現実的でない。

一方、モード間結合量は、捻じり速度だけでなくコア間隔にも影響される。このため、捻じれ速度が２０πｒａｄ／ｍ以上となってしまうようなコア配列の場合、コア間隔を見直すことで捻じり速度を低減することができる。

図１１は、三角格子状にコアが７つ配置されたファイバにおいて、捻じれ速度を２０πｒａｄ／ｍとした時のコア間隔と結合量（基本モードから第１高次モード）の計算結果である。曲げ半径については同様に１４０ｍｍとしている。図１１よりコア間隔が小さくなるとモード間結合量が低下していることがわかる。

図１２は、三角格子状にコアが７つ配置されたファイバにおいて、捻じれ速度を２０πｒａｄ／ｍとした時のコア間隔と結合量（基本モードから最高次の導波モード）の計算結果である。基本モードから最高次の導波モードへの結合量の計算手法は図９の説明と同様である。図１１及び図１２よりコア間隔が小さくなるとモード間結合量が低下していることがわかる。

図１１と図１２の結果から、結合量が−１０ｄＢ／ｋｍ以上となるためには、コア間隔の下限があると考えられる。具体的には、三角格子状７コアのマルチコア光ファイバの場合、コア間隔の下限は１５．５μｍとなる。つまり、図４で述べたコア間隔の最大値（三角格子状７コアの場合２６μｍ）のおよそ半分程度より短いコア間隔とすることができない。これは、８，１０，１２コア構造においても同様である。

［設計値確定手順Ｓ０６］
上記手順にて漏洩損失と結合量が所望量を満たさない（漏洩損失比較手順Ｓ０３や結合量比較手順Ｓ０５で“Ｎｏ”）場合、構造仮決定手順Ｓ０１でコア数、コア構造、クラッド直径を変えて再計算を実施し、コア間隔仮決定手順Ｓ０２でコア間隔を変えて再計算を実施し、あるいは捻じれ速度仮決定手順Ｓ０４で捻じれ速度を変えて再計算を実施する。これら手順を繰り返し、所望の漏洩損失と結合量を満たすコア数、コア構造、クラッド直径、コア間隔、捻じれ速度を見いだせたとき、当該構造をマルチコア光ファイバの設計値に確定する。

［マルチコア光ファイバの例］
本設計方法で設計されたマルチコア光ファイバの例を説明する。
つまり、ここで紹介するマルチコア光ファイバは、伝搬する光の波長帯において単一の伝搬モードとなるコアを複数備えるマルチコア光ファイバであって、
各コアからの漏洩損失が１０^−３ｄＢ／ｋｍ以下となるコア間隔、及び
全てのコア間での結合量が−１０ｄＢ／ｋｍ以上となる長手方向の軸を中心とする捻じれを有する。
具体的な構造を紹介すると、
（１）クラッドの直径が１２５μｍであり、断面において７個のコアが三角格子状に配置されるコア配置を持ち、前記コア間隔が２６μｍ以下、及び前記捻じれが０．５πｒａｄ／ｍ以上であることを特徴とするマルチコア光ファイバ。
（２）クラッドの直径が１２５μｍであり、断面において８個のコアが同心円状に配置されるコア配置を持ち、前記コア間隔が２０μｍ以下、及び前記捻じれが０．５πｒａｄ／ｍ以上であることを特徴とするマルチコア光ファイバ。
（３）クラッドの直径が１２５μｍであり、断面において１０個のコアが同心円状に配置されるコア配置を持ち、前記コア間隔が１６μｍ以下、及び前記捻じれが１０πｒａｄ／ｍ以上であることを特徴とするマルチコア光ファイバ。
（４）クラッドの直径が１２５μｍであり、断面において１２個のコアが正方格子状に配置されるコア配置を持ち、前記コア間隔が１６．４μｍ以下、及び前記捻じれが３πｒａｄ／ｍ以上であることを特徴とするマルチコア光ファイバ。

これらのマルチコア光ファイバは、遮断波長が１５３０ｎｍ以下となるコア半径を有することを特徴とする。これらのマルチコア光ファイバを長距離伝送用のＣ帯波長を使用する伝送システムに適用することができる。

本実施形態では、図３のようなコア構造のマルチコア光ファイバを設計したが、コア数２や４のマルチコア光ファイバの場合も同様の手順でコア構造及び捻じれ速度を設計することができる。

［モード間結合量を−１０ｄＢ／ｋｍ以上とする理由］
必要なモード間結合量はインパルス応答幅で決定する。光増幅器で挟まれた中継区間が一般に４０ｋｍ以上であることを鑑み、マルチコア光ファイバの伝送距離を４０ｋｍとする。図１３は、インパルス応答形状の結合量依存性を計算した結果である。モード間のＤＭＤは１ｎｓ／ｋｍとしている。

モード間結合量が−２０ｄＢ／ｋｍでは、両端に大きな強度を示すパルスが存在し、その幅は４０ｎｓと、累積ＤＭＤ（１ｎｓ／ｋｍ×４０ｋｍ）と同じ値となっている。モード間結合量が−１０ｄＢ／ｋｍとした場合は、両端のパルス強度が低下しているものの、インパルス応答幅は累積ＤＭＤと同じである。

一方で、モード間結合量が−５ｄＢ／ｋｍ以上の結合量では、インパルス応答形状がガウシアン形状となっている。モード間結合が強い場合はインパルス応答形状がガウス形状となることはよく知られている。−３ｄＢ／ｋｍの場合は同様にガウス形状であるが、その幅がさらに小さくなっていることわかる。

非特許文献１１によるとインパルス応答形状がガウス形状となると、そのインパルス応答幅は距離の平方根に比例し、距離に比例する比結合型のファイバと比較すると、特に長距離伝送においてインパルス応答幅を低減できることが利点である。よって、結合量に対してインパルス応答幅がガウシアンとなる結合量を計算した。

図１４は、結合量とインパルス応答形状をガウス波形でフィッティングした場合の相関係数を算出した結果である。図１４より、−１０ｄＢ／ｋｍ以上の結合量でインパルス応答は理想的なガウス波形と相関係数が９５％以上の形状となる。図１５は、結合量とインパルス応答波形のガウスフィッティングにより得られる標準偏差との関係を示す。結合量が大きいほどインパルス応答幅が小さくなることがわかる。

つまり、図１４と図１５の結果から、全モード間で−１０ｄＢ／ｋｍ以上の結合が得られるとインパルス応答幅を大きく低減することが可能ということがわかる。従って、本設計方法では−１０ｄＢ／ｋｍ以上の結合量を得られるコア構造、コア間隔、捻じれ速度を見出すこととしている。

［捻じれ付与手段］
ファイバを捻じる手段としては、一般的に、従来のシングルモードファイバにおいても、偏波モード分散の低減を目的として、ファイバの作製時にファイバを捻じることが行われている。よって、本願のコア間距離が従来の非結合型マルチコア光ファイバと比較して小さい結合型マルチコア光ファイバの製造において、ファイバの捻じりながら製造を行うことで、よりコア間距離が小さなファイバを実現することができる。ファイバ製造時にファイバを捻じる方法については、非特許文献１２に記載の方法を用いることができる。

上記のファイバの製造時に捻じれを与える手法の他に、光ファイバーを収容するケーブルが、ファイバを捻じる構造を備えることで同様の効果を得ることができる。例えば、非特許文献１３に記載のテープ心線をＳＺケーブルに収容することで発生するねじれは、同様に本発明のファイバに適用することで捻じれを生じさせることができる。

［付記］
以下は、本実施形態のマルチコア光ファイバを説明したものである。
（課題）
マルチコア光ファイバとして、限られた光ファイバ断面積により多数のコアを配置することが望ましいが、コア数やコア配置によってモード間結合量が変化するため、通信用ファイバとしてどのように結合型マルチコア光ファイバを設計してよいかが不明である。
（解決手段）
本発明では、上記の課題を解決するための発明であり、モード間が強く結合するクラッド外径が１２５μｍである結合型マルチコア光ファイバであって、コア数及びコア配置によってファイバの捻じれ周期に応じて適切に設計し、モード間の結合を積極的に引き起こすことで、ファイバのインパルス応答幅を低減し、課題を解決する。

具体的には次の通りである。
（１）：
コア領域が、最小コア間隔Ｄで前記コアの屈折率より小さい屈折率を有するクラッド領域に２個以上配置された光ファイバであって、
前記コアは各々単一の伝搬モードを有する構造であって、
コア間隔がコアを伝搬する基本モードの漏えい損失が１０^−３ｄＢ／ｋｍ以下となるよう設定され、
モード間の結合が−１０ｄＢ／ｋｍ以上となるようマルチコア光ファイバが所定の速度γｒａｄ／ｍ以上で捻じられていることを特徴とするマルチコア光ファイバ。
（２）：
コア領域が、最小コア間隔Ｄで前記コアの屈折率より小さい屈折率を有するクラッド領域に三角格子状に７個配置された光ファイバであって、
前記コアは各々単一の伝搬モードを有する構造であって、
コア間隔が２６μｍ以下であって、
０．５πｒａｄ／ｍ以上の捻じれが生じていること
を満たすことを特徴とするマルチコア光ファイバ。
（３）：
コア領域が、最小コア間隔Ｄで前記コアの屈折率より小さい屈折率を有するクラッド領域に同心円状に８個配置された光ファイバであって、
前記コアは各々単一の伝搬モードを有する構造であって、
コア間隔が２０μｍ以下であって、
０．５πｒａｄ／ｍ以上の捻じれが生じていること
を満たすことを特徴とするマルチコア光ファイバ。
（４）：
コア領域が、最小コア間隔Ｄで前記コアの屈折率より小さい屈折率を有するクラッド領域に同心円状に１０個配置された光ファイバであって、
前記コアは各々単一の伝搬モードを有する構造であって、
コア間隔が１６μｍ以下であって、
１０πｒａｄ／ｍ以上の捻じれが生じていること
を満たすことを特徴とするマルチコア光ファイバ。
（５）：
コア領域が、最小コア間隔Ｄで前記コアの屈折率より小さい屈折率を有するクラッド領域に正方格子状に１２個配置された光ファイバであって、
前記コアは各々単一の伝搬モードを有する構造であって、
コア間隔が１６．４μｍ以下であって、
３πｒａｄ／ｍ以上の捻じれが生じていること
を満たすことを特徴とするマルチコア光ファイバ。
（６）：
クラッド直径が１２５μｍである上記（１）〜（５）に記載のマルチコア光ファイバ。
（７）：
前記各コアが、遮断波長が１５３０ｎｍ以下であることを特徴とする上記（１）〜（６）に記載のマルチコア光ファイバ。

（効果）
本発明の光ファイバによって、より小さな面積で多くのコアを配置することができることから、コアの多重度が向上し、伝送容量を拡大する効果を奏する。
また、伝搬するモードの群遅延差が小さいことから、受信端でモード間クロストークを補償するＭＩＭＯ処理における計算負荷が小さくなるという効果を奏する。
さらに、コア間距離を、従来のマルチコア光ファイバより小さくできるため、同じクラッド径のファイバで比較すると、コアからクラッド端までのクラッド厚を大きくすることができ、損失を低減できる効果を奏する。
そして、クラッド外径が１２５μｍであるため、既存の光ファイバと同様な製造技術・接続技術・機械信頼性設計を流用することができるという効果を奏する。

本発明は、光伝送システムにおける伝送媒体として利用できる。

１１：マルチコア光ファイバ

Claims (7)

1. 伝搬する光の波長帯において単一の伝搬モードとなるコアを複数備えるマルチコア光ファイバであって、
   各コアからの漏洩損失が１０^−３ｄＢ／ｋｍ以下となるコア間隔、及び
   全てのコア間での結合量が−１０ｄＢ／ｋｍ以上となる長手方向の軸を中心とする捻れを有し、
   クラッドの直径が１２５μｍであり、
   断面において７個のコアが三角格子状に配置されるコア配置を持ち、
   前記コア間隔が１５．５μｍ以上２６μｍ以下、及び前記捻れが０．５πｒａｄ／ｍ以上であることを特徴とするマルチコア光ファイバ。
2. 伝搬する光の波長帯において単一の伝搬モードとなるコアを複数備えるマルチコア光ファイバであって、
   各コアからの漏洩損失が１０^−３ｄＢ／ｋｍ以下となるコア間隔、及び
   全てのコア間での結合量が−１０ｄＢ／ｋｍ以上となる長手方向の軸を中心とする捻れを有し、
   クラッドの直径が１２５μｍであり、
   断面において８個のコアが同心円状に配置されるコア配置を持ち、
   前記コア間隔が１５．５μｍ以上２０μｍ以下、及び前記捻れが０．５πｒａｄ／ｍ以上であることを特徴とするマルチコア光ファイバ。
3. 伝搬する光の波長帯において単一の伝搬モードとなるコアを複数備えるマルチコア光ファイバであって、
   各コアからの漏洩損失が１０^−３ｄＢ／ｋｍ以下となるコア間隔、及び
   全てのコア間での結合量が−１０ｄＢ／ｋｍ以上となる長手方向の軸を中心とする捻れを有し、
   クラッドの直径が１２５μｍであり、
   断面において１０個のコアが同心円状に配置されるコア配置を持ち、
   前記コア間隔が１５．５μｍ以上１６μｍ以下、及び前記捻れが１０πｒａｄ／ｍ以上であることを特徴とするマルチコア光ファイバ。
4. 伝搬する光の波長帯において単一の伝搬モードとなるコアを複数備えるマルチコア光ファイバであって、
   各コアからの漏洩損失が１０^−３ｄＢ／ｋｍ以下となるコア間隔、及び
   全てのコア間での結合量が−１０ｄＢ／ｋｍ以上となる長手方向の軸を中心とする捻れを有し、
   クラッドの直径が１２５μｍであり、
   断面において１２個のコアが正方格子状に配置されるコア配置を持ち、
   前記コア間隔が１６．４μｍ以下、及び前記捻れが３πｒａｄ／ｍ以上であることを特徴とするマルチコア光ファイバ。
5. 遮断波長が１５３０ｎｍ以下となるコア半径を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のマルチコア光ファイバ。
6. 伝搬する光の波長帯において単一の伝搬モードとなるコアを複数備えるマルチコア光ファイバの設計方法であって、
   前記マルチコア光ファイバのコア数、コア配置及びクラッド直径のファイバ構造を仮決定する構造仮決定手順と、
   前記構造仮決定手順で仮決定した前記ファイバ構造で定まるコア間隔上限値以下のコア間隔を仮決定するコア間隔仮決定手順と、
   前記構造仮決定手順で仮決定した前記ファイバ構造及び前記コア間隔仮決定手順で仮決定したコア間隔において、各コアからの漏洩損失と所定損失値とを比較し、前記漏洩損失が前記所定損失値より大きい場合に前記構造仮決定手順又は前記コア間隔仮決定手順を再度行う漏洩損失比較手順と、
   前記漏洩損失比較手順で前記漏洩損失が前記所定損失値以下の場合に、前記マルチコア光ファイバの断面を見た時の周方向に対する単位長あたりの捻れ量であるファイバ捻れ速度を仮決定する捻れ速度仮決定手順と、
   前記構造仮決定手順で仮決定した前記ファイバ構造、前記コア間隔仮決定手順で仮決定したコア間隔、及び前記捻れ速度仮決定手順で仮決定した前記ファイバ捻れ速度における全てのコア間での結合量と所定結合値とを比較し、前記結合量が前記所定結合値未満である場合に前記構造仮決定手順、前記コア間隔仮決定手順、又は前記捻れ速度仮決定手順を再度行う結合量比較手順と、
   前記結合量比較手順で前記結合量が前記所定結合値以上である場合に前記構造仮決定手順で仮決定したファイバ構造、前記コア間隔仮決定手順で決定したコア間隔、及び前記捻れ速度仮決定手順で仮決定した捻れ速度を前記マルチコア光ファイバの設計値として確定する設計値確定手順と、
   を行うことを特徴とするマルチコア光ファイバ設計方法。
7. 前記所定損失値が１０^−３ｄＢ／ｋｍ以下、且つ前記所定結合値が−１０ｄＢ／ｋｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載のマルチコア光ファイバ設計方法。

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