CN103069318B - 多芯光纤以及多芯光纤的芯的配置方法 - Google Patents

多芯光纤以及多芯光纤的芯的配置方法 Download PDF

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Abstract

在一条光纤中收纳多个单模的芯的多芯光纤，在光纤截面内，在多个格点具有平移对称性、旋转对称性、平移对称性以及旋转对称性的某个对称性周期性地二维排列的格点排列中，以格点排列的格点作为基准位置来配置多个芯。通过对各芯的各传播常数分别施加不同的扰动，将各芯的传播常数从各自的固有传播常数偏移，设置所述传播常数的偏移，使成为由该偏移后的传播常数决定的芯间的耦合量低于预定的设定量的耦合的状态。通过抑制同种芯间的耦合，可以缩小配置同种芯的距离，不增加异种芯的种类地将多芯光纤的芯高密度化。

Description

多芯光纤以及多芯光纤的芯的配置方法
技术领域
本发明涉及用于高密度空间多路传输的多芯光纤以及多芯光纤的芯的配置方法。
背景技术
作为表示芯间的耦合的状态的一般术语，使用“耦合状态”的术语和“不完全耦合状态”的术语。另外，作为更详细地表示芯间的耦合的状态的术语，已知“完全耦合状态”的术语以及“非耦合状态”的术语。
“耦合状态”的术语表示耦合率大致接近1的耦合的状态，“不完全耦合状态”的术语表示耦合率比1小，但是不完全为零的耦合的状态。
“完全耦合状态”的术语表示耦合率完全为1的耦合的状态，“非耦合状态”的术语表示耦合率与零接近到不可测定的值为止的耦合的状态。
另外，在多芯光纤的领域中使用“耦合多芯光纤”的术语和“非耦合多芯光纤”的术语。此时，“耦合多芯光纤”中的耦合，以芯间的耦合的状态为一般的术语的“耦合状态”的意思被使用，“非耦合多芯光纤”中的耦合，以芯间的耦合为一般的术语的“不完全耦合状态”的意思被使用。
因此，在本发明中，效仿在多芯光纤的领域中使用的术语，假定“非耦合多芯光纤”中的“非耦合”不是详细的意思中的“非耦合”，而是一般的术语中的“不完全耦合”，表示耦合率比1小，但不完全为零的耦合的状态。
在基于多芯光纤的空间多重传输中，使用了将单模的多个芯收纳在一条光纤中的多芯光纤的结构，已知非专利文献1以及非专利文献2等。
作为将各个芯保持为非耦合状态的结构，已知有：离开芯间距离地配置芯的结构；离开芯的传播常数，即使是芯接近的状态也不完全耦合状态的结构；或者在芯间导入分隔层或者空孔的结构等。
图24表示用于说明多芯光纤的芯间耦合的最简单的模型。
当想要使用传播常数相同的同种芯来构成非耦合类多芯光纤时，为了避免芯间的串扰，需要将芯间的间隔分开得相当大，难以提高芯密度。因此，在非耦合类多芯光纤中使用传播常数不同的异种芯来进行多芯化。
图24（a）表示具有不同的传播常数β0 (1)、β0 (2)的异种芯的独立波导。图24（b）表示由传播常数不同的2种异种芯构成的非耦合波导。使用两种异种芯的多芯光纤，芯的传播常数β(1)、β(2)不同，由此形成了非耦合波导。
在此，异种芯表示传播常数不同的芯，同种芯表示传播常数相同的芯。
通过改变折射率差、芯的直径、折射率分布等参数，能够使传播常数不同。图25表示不同的传播常数的一例。图25（a）表示将传播常数不同的3种芯进行三角排列而构成的多芯光纤的结构例，图25（b）～（d）表示通过使折射率差、芯的直径、折射率分布不同而使芯的传播常数不同的例子。图25（b）所示的芯中具有将芯直径设为2a1，将折射率设为n1，将包层的折射率设为n2的折射率分布，在图25（c）所示的芯中具有将芯直径设为2a2，将折射率设为n3，将包层的折射率设为n2的折射率分布，在图25（d）所示的芯中，具有将芯直径设为2a3，将峰值的折射率设为n4，将包层的折射率设为n5的折射率分布。
本申请的发明人提出了通过使用相对折射率差Δ不同的多个单模芯抑制芯间耦合来高密度地收纳芯的异种非耦合多芯光纤（heterogeneous uncoupledMCF）（非专利文献3）。另外，也提出了使用光学几何特性不同的光导的结构（专利文献1）。
图25（a）表示将传播常数不同的大量芯排列成三角格子状而构成的多芯光纤。在此例中，具有不同传播常数的邻接的异种芯间的芯间距离为Λ，具有相同传播常数的同种芯间的芯间距离为D。此外，在使用3种芯的三角格子状的排列中，异种芯间的芯间距离Λ与同种芯间的芯间距离D之间，根据其几何形状存在的关系。
以下，使用图26～图28说明以往进行的异种芯的非耦合多芯光纤的设计步骤。
若芯间距离相同，则同种芯间的串扰比异种芯间的串扰大，另外，若串扰相同，则同种芯间距离D比异种芯间距离Λ大。特别是在使用3种芯的三角排列中，若决定同种芯间距离D以便满足在同种芯间设定的串扰，则异种芯间的串扰变得比设定的串扰充分小。
图26是用于说明基于异种芯的非耦合多芯光纤的设计步骤的流程图。
在基于异种芯的非耦合多芯光纤中，在以往的设计步骤中，首先，根据在同种芯间设定的串扰的目标值求出同种芯间的距离D（S10），然后，根据芯排列几何关系求出异种芯间的距离Λ（S11）。确认求出的异种芯间的距离Λ下的串扰比设定的串扰的目标值小（S12）。
图27表示决定S10的同种芯间距离D的步骤。图27（a）中将相对折射率差Δ相同的同种芯间的距离设为D。作为设计要求条件，当传播距离为100km时，将同种芯间的串扰设定为－30dB以下时，同种芯间的耦合长度Ic为5000km。
图27（b）表示耦合长度Ic和同种芯间距离D的关系，表示了芯的直径2a=5μm，相对折射率差Δ为1.10%、1.15%、1.20％、1.25％、1.30％的各情况。
根据图27（b）所示的关系，在相对折射率差Δ为1.20%时，满足耦合长度Ic＝5000km以上的同种芯间距离D成为40μm。
图28是用于说明异种芯间的串扰以及芯排列的图。
在图28（a）中，异种芯相距根据同种芯间距离D决定的异种芯间距离Λ来配置。图28（b）表示异种芯的功率耦合率（也称为最大功率转移率）。在此，针对相对折射率差Δ1为1.15％、1.20％、1.25％的各情况，以功率耦合率F表示与相对折射率Δ2对应的串扰。
当同种芯间距离D为40μm时，在三角格子排列中，异种芯间距离Λ为23μm图28（b）表示异种芯间距离Λ为10μm、15μm、20μm的各情况，表示了异种芯间距离Λ越大串扰越小。当异种芯间距离Λ为23μm时，若相对折射率差Δ的差为0.05%则串扰为－80dB以下，确认满足了作为串扰的设定值的－30dB。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利5,519,801
非专利文献
非专利文献1：S.Inao,T.Sato,H.Hondo,M.Ogai,S.Sentsui,A.Otake,K.yoshizaki,K.Ishihara,and N.Uchida,“High density multi-core-fiber cable,”Proceedings of the28th International Wire&Cable Symposium(IWCS),pp.370-384,1979.
非专利文献2：B.Rosinski,J.W.D.Chi,P.Grasso,and J.L.Bihan,“Multichanneltransmission of a multicore fiber coupled with Vertically-Coupled-Surface-EmittingLasers,”J.Lightwave Technol.,vol.17,no.5,pp.807-810,1999.
非专利文献3：M.Koshiba,K.Saitoh,and Y.Kokubun,“HeterogeneousMulti-Core Fibers:Proposal and Design Principle,”IEICE ELEX,vol,no.2,pp.98-103,Jan.2009.
非专利文献4：友澤，国分，“非結合系マルチコアファイバにおける最大収容コア数とファイバ径の関係”，2010年電子情報通信学会総合大会，C-3-25（2010年3月）
非专利文献5：K.Tomozawa,Y.kokubun,“Maximum core capacity ofheterogeneous uncoupled multi-core fibers,”15th Optoelectronics andCommunications Conference(OECC2010),Sapporo,7C2-4,July2010.
发明内容
发明要解决的课题
现有的异种非耦合多芯光纤的芯配置基于三角排列、矩形排列那样对称图形的周期性排列。图28所示的结构中，在3种异种芯的三角排列中，在相对折射率差Δ为1.20%、1.25%、1.30%的情况下，使同种芯间的耦合率在100km处为-30dB以下的同种芯间距离D为40μm，使异种芯间的耦合率为-30dB的异种芯间距离Λ为约13μm，因此，同种芯间距离为3倍左右大，因此，为了提高芯密度，需要增加异种芯的种类（非专利文献4、5）。
因此，本发明的目的在于，解决上述现有的问题点，不增加异种芯的种类地，将多芯光纤高密度化。
用于解决课题的手段
本发明，在使用由传播常数相同的同种芯和传播常数不同的异种芯构成的多个单模芯或仅由传播常数相同的同种芯构成的多个单模芯的非耦合类多芯光纤中，通过扰动使传播常数相同的同种芯的传播常数偏移不同的量，通过同种芯的传播常数的偏移，抑制同种芯间的耦合。通过抑制该同种芯间的耦合，可以缩小配置同种芯的距离，可以不增加异种芯的种类地将多芯光纤的芯高密度化。以下，将本发明的非耦合类多芯光纤表述为多芯光纤来进行说明。
本发明的多芯光纤，在各同种芯中，在各同种芯和相对于该同种芯最近距离处的同种芯之间具备扰动部。所谓扰动部，是施加扰动的部分。该扰动部，在同种芯的附近，对同种芯的各传播常数施加不同的扰动，使同种芯的传播常数从各固有传播常数偏移不同的量来使传播常数成为不同值，降低同种芯间的耦合。
另外，设置扰动部的同种芯的位置，是同种芯和离该同种芯距离最近的同种芯的芯之间，位于能够对两同种芯造成通过扰动产生传播常数的差的变化的距离的位置。
构成多芯光纤的芯，除了设为由传播常数相同的同种芯和传播常数不同的异种芯组成的多个芯的组合以外，可以设为仅由传播常数相同的同种芯组成的多个芯的组合。
本发明，在一条光纤中收纳多个单模的芯的多芯光纤中，多芯光纤，在光纤截面内，在多个格点具有平移对称性、旋转对称性、平移对称性以及旋转对称性的某种对称性，周期性地被二维排列的格点排列中，以所述格点排列的格点作为基准位置，配置多个芯，在同种芯间配置的扰动部，对各芯的各传播常数分别施加不同的扰动，由此使各芯的传播常数从各自的固有传播常数偏移。
该传播常数的偏移，设为通过偏移后的传播常数决定的芯间的耦合量低于预定的设定量的耦合的状态。预定的设定量是将芯间的耦合的状态设为不完全耦合状态的串扰，将该设定量作为阈值，针对芯间的耦合状态，将一般术语中的耦合状态和不完全耦合状态区分。
设定量，例如作为耦合率小的值可以决定-30dB，但是不限于-30dB，可以决定为-10dB、-20dB、-40dB等任意的值。
通过设为使芯间的耦合量低于预定的设定量的耦合的状态，使互相邻接的芯的传播常数不同，将芯间耦合设为非耦合。
此外，在此非耦合是一般术语“不完全耦合状态”的意思，表示耦合率小于1，但不完全为零的耦合的状态，根据所述设定量来决定耦合率。
本发明，作为扰动的一个方式，针对各芯，在从作为基准位置的格点移动后的位置具备扰动部。基准位置的格点可以设为格点排列的格点。通过在从格点移动后的位置设置扰动部，对夹着扰动部的同种芯的传播常数施加扰动，从芯的固有传播常数偏移。
扰动部，可以设为异种芯、或者具有与包层的折射率不同的折射率的低折射率部位或高折射率部位，通过不同大小的扰动，使该扰动部附近的同种芯的传播常数偏移不同的量，抑制同种芯间的耦合。
格点排列的一个方式是三角排列。该三角排列的格点排列的方式，是在各格点相对于在与该格点最接近的周围排列的6个格点为等角度以及等距离的结构。
格点排列的其他方式是矩形排列。该矩形排列的格点排列的方式，是在x轴方向以及y轴方向上分别周期性地排列各格点的结构。
[异种多芯光纤]
本发明的多芯光纤，可以通过传播常数不同的异种芯和传播常数相同的同种芯的组合来构成。以下，使用异种多芯光纤的名称来说明由异种芯和同种芯的组合构成的多芯光纤。可以通过改变芯与包层间的相对折射率差、芯的直径、芯内的折射率分布等参数来使传播常数不同。
以下，以由相对折射率差不同的异种芯和相对折射率差相同的同种芯构成的异种多芯光纤为例进行说明。
异种多芯光纤，在基于三角排列的芯配置中，以周期性地排列芯的格点的位置作为基准位置，使芯从基准位置进行位置偏移，作为对同种芯中位于最近距离的同种芯的传播常数施加不同扰动的方式而具备多个方式。扰动的各方式，在从格点排列的基准位置进行位置偏移后的格点的位置配置扰动部。通过扰动部的配置，使同种芯的传播常数偏移不同的量，抑制同种芯的耦合。
在三角排列中，在基于扰动部的配置的扰动的第一方式中，将格点排列设为在各格点相对于在与该格点最接近的周围排列的6个格点为等角度以及等距离的三角排列，对于以三角排列的格点为基准的位置，周期性地配置通过与包层的相对折射率差、芯直径、芯内的折射率分布的至少一个某不同而使传播常数不同的3种芯，设为三角配置。
第一方式的扰动部的配置，是形成如下各芯群的配置，即，在与基准位置相对的配置中，以被三角排列的最接近的3种芯为单位，形成在基准位置的格点配置3种芯的第一芯群、向从基准位置的格点朝着所述三角排列的内侧或外侧进行位置偏移后的位置配置3种芯的第二芯群、以及向从基准位置的格点以所述三角配置的中心作为旋转中心旋转地进行位置偏移后的位置配置3种芯的第三芯群。
在三角排列中，基于扰动部的配置的扰动的第二方式中，与第一方式同样，将格点排列，设为在各格点相对于在该格点的最接近的周围排列的6个格点为等角度以及等距离的三角排列，对以三角排列的格点为基准的位置周期性地配置，通过与包层的相对折射率差、芯直径、芯内的折射率分布的至少某一种不同而使传播常数不同的3种芯，来设为三角配置。
第二方式的扰动部的配置，在与基准位置相对的配置中，以被三角配置的最接近的3种芯为单位设为芯群，在三角配置中被划分为3个芯群，使各芯群的3种芯从格点以三角配置的中心作为旋转中心旋转，并且使各芯群中的扰动的旋转角或旋转方向针对每个芯群而不同，向通过该旋转而进行位置偏移后的位置配置。
在三角排列中，在基于扰动部的配置的扰动的第三方式中，与第一、第二方式同样，将格点排列，设为在各格点相对于在该格点的最接近的周围排列的6个格点为等角度以及等距离的三角排列，对以三角排列的格点为基准的位置周期性地配置通过与包层的相对折射率差、芯直径、芯内的折射率分布的至少某一种不同而使传播常数不同的3种芯，设为三角配置。
第三方式的扰动部的配置，在与基准位置相对的配置中，以被三角配置的最接近的3种芯为单位设为芯群，在三角配置中被划分为具有周期性的3个芯群，使各芯群的3种芯从格点向所述三角配置的中心或外侧移动，并且使各芯群中的扰动的移动量针对每个芯群而不同，向通过该移动而进行位置偏移后的位置配置。
在三角排列中，在基于扰动部的配置的扰动的第四方式中，将格点排列，设为在各格点相对于在该格点的最接近的周围排列的6个格点为等角度以及等距离的三角排列，多个芯为通过与包层的相对折射率差、芯直径、芯内的折射率分布的至少某一种不同而使传播常数不同的多种芯的组合，将多种芯以相对于将三角排列的格点为基准位置在60度旋转对称的方向上周期性地配置，设为三角配置。
第四方式的扰动部的配置，在与基准位置相对的配置中，从作为各芯的基准位置的格点，将连接最接近格点的延长线的方向选择为x轴方向，将在x轴方向上排列的格点作为行，将从x轴向＋60度或－60度方向排列的格点作为列，针对各行以及各列在x轴方向以及y轴方向上移动后的位置上配置，并且以使向x轴方向以及y轴方向的偏移量针对每行以及每列不同的方式配置。
本发明，作为扰动的其它方式，具有配置通过与包层的相对折射率差、芯直径、芯内的折射率分布的至少某一种不同而使传播常数不同的部位的方式。
本发明的异种多芯光纤的芯，在从基准位置进行位置移动后的位置配置扰动部。扰动部，可以设为异种芯、或者具有与包层的折射率不同的折射率的低折射率或者高折射率的部位。
在由异种芯和同种芯的组合构成的多个芯结构中，通过所述的各方式，将格点位置从基准位置移动，将从基准位置进行位置移动后的格点位置设为异种芯的配置位置。由此，异种芯的位置成为从基准位置进行位置移动后的位置。在该位置移动后的位置配置的异种芯，使处于该异种芯附近的同种芯的传播常数偏移不同的量。在该结构中，异种芯成为扰动部。异种芯，通过芯与包层的相对折射率差、芯直径、芯内的折射率分布的至少某一种不同而具有与同种芯不同的传播常数。
另外，在由异种芯和同种芯的组合构成的多个芯结构，或者由同种芯构成的多个芯结构中，通过所述各方式将格点位置从基准位置移动，将从基准位置进行位置偏移后的格点位置，设为低折射率部位或高折射率部位的配置位置。由此，低折射率部位或高折射率部位的位置成为从基准位置移动后的位置。在该位置偏移后的位置配置的低折射率部位或高折射率部位，使同种芯中最近距离处的同种芯的传播常数偏移不同的量。在该结构中，低折射率部位通过于芯与包层的相对折射率差、芯直径、芯内的折射率分布的至少某一种不同而具有与所述同种芯不同的传播常数的部位成为扰动部。
低折射率部位是具有比包层部低的折射率的部位，通过向相邻的同种芯间配置，使同种芯的传播常数偏移不同的量，抑制同种芯间的耦合。
另外，高折射率部位是具有比包层部高的折射率的部位，通过向相邻的同种芯间配置，使同种芯的传播常数偏移不同的量，抑制同种芯间的耦合。
低折射率部位，是在芯间填充的包层中在光纤的长度方向上形成的孔部，孔部内可以设为空气层或具有比包层低的折射率的部件。高折射率部位，是在芯间填充的包层中在光纤的长度方向上形成的孔部，孔部内可以设为具有比包层高的折射率的部件。
针对由同种芯构成的多个芯结构，按照以下的同种多芯光纤的项进行说明。
[同种多芯光纤]
本发明的多芯光纤可以仅通过传播常数相同的同种芯的组合构成。以下，使用同种多芯光纤的名称来说明仅由同种芯构成的多芯光纤。
同种多芯光纤，在基于三角排列的芯配置中，使芯的周期排列的格点的位置从基准位置进行位置移动，作为对同种芯中最近距离处的同种芯的传播常数施加扰动的方式，具备多个方式。扰动的各方式，在从格点排列的基准位置进行位置移动后的格点位置配置扰动部。通过扰动部的配置，同种芯的传播常数偏移，抑制同种芯的耦合。
在三角排列中，在基于扰动部的配置的扰动的第一方式中，将格点排列设为在各格点相对于在该格点的最接近的周围排列的6个格点为等角度以及等距离的三角排列，对以三角排列的格点为基准的位置周期性地配置芯，进行三角配置。
第一方式的扰动部的配置，在与基准位置相对的配置中，以被三角配置的最接近的3个芯作为单位，形成在基准位置的格点配置3个芯的第一芯群、向从基准位置的格点朝着三角配置的内侧或外侧进行位置移动后的位置配置3个芯的第二芯群、以及向从基准位置的格点以三角配置的中心作为旋转中心旋转地进行位置偏移后的位置配置3个芯的第三芯群的各芯群，由此进行配置。
在三角排列中，在基于扰动部的配置的扰动的第二方式中，将格点排列设为在各格点相对于在该格点的最接近的周围排列的6个格点为等角度以及等距离的三角排列，对以三角排列的格点为基准的位置配置传播常数不同的3种芯，进行三角配置。
第二方式的扰动部的配置，在与基准位置相对的配置中，以被三角配置的3个最接近的同种芯为单位设为芯群，在三角配置中划分为3个芯群，使各芯群的3种芯从格点以所述三角配置的中心作为旋转中心旋转，并且使各芯群中的扰动部的旋转角或旋转方向针对每个芯群而不同，向通过旋转而进行位置移动后的位置配置。
在三角排列中，在基于扰动部的配置的扰动的第三方式中，将格点排列设为在各格点相对于在该格点的最接近的周围排列的6个格点为等角度以及等距离的三角排列，对以三角排列的格点为基准的位置配置传播常数相等的同种芯，进行三角配置。
第三方式的扰动部的配置，在与基准位置相对的配置中，以被三角配置的3个最接近的同种芯为单位设为芯群，在三角配置中划分为具有周期性的3个芯群，使各芯群的3种芯从格点向所述三角配置的中心或外侧移动，并且使各芯群中的扰动的移动量针对每个芯群而不同，向通过该移动而进行位置移动后的位置配置。
本发明的同种多芯光纤的芯，在从基准位置进行位置移动后的位置配置扰动部。扰动部，可以设为低折射率的部位或高折射率部位。
由同种芯构成的多个芯结构中，通过所述各方式将格点位置偏移，将从基准位置进行位置移动后的格点位置设为低折射率部位或高折射率部位的配置位置。由此，低折射率部位或高折射率部位的位置从基准位置进行位置移动。在该位置移动后的位置配置的低折射率部位或高折射率部位，使该低折射率部位或高折射率部位的附近的同种芯的传播常数偏移不同的量。在该结构中，低折射率部位或高折射率部位成为扰动部。
低折射率部位是具有比包层低的折射率的部位，通过向同种芯中最近距离处的同种芯间配置，将同种芯的传播常数偏移，抑制同种芯间的耦合。高折射率部位是具有比包层高的折射率的部位，通过向同种芯中最近距离处的同种芯间配置，使同种芯的传播常数偏移，抑制同种芯间的耦合。
同种多芯光纤中，通过向同种芯中最近距离处的芯附近配置低折射率部位或高折射率部位来进行扰动。低折射率部位沿着芯的长度方向形成，是在芯间填充的包层中在光纤的长度方向上形成的孔部，孔部内可以设为空气层或具有比包层低的折射率的部件。高折射率部位沿着芯的长度方向形成，是在芯间填充的包层中在光纤的长度方向上形成的孔部，孔部内可以设为具有比包层高的折射率的部件。
发明的效果
如上所述，根据本发明，在包含传播常数不同的多个单模芯的多芯光纤中，扰动部使同种芯的传播常数偏移不同的量，抑制同种芯间的耦合。通过同种芯间的耦合的抑制，可以缩小配置同种芯的距离。通过缩小配置同种芯的距离，可以不增加异种芯的种类地，将多芯光纤的芯高密度化。
本发明的通过扰动实现的芯的高密度化，可以通过在相对于具有平移对称性或旋转对称性等周期性的格点排列的格点位置偏移的位置，配置异种芯或低折射率位置这样的简单的结构来实现，因此，可以不增加异种芯的种类地将多芯光纤的芯高密度化。
附图说明
图1是表示用于说明多芯光纤的芯间耦合的最简单的模型的图。
图2是用于说明芯间的模耦合的图。
图3是用于说明将芯进行三角排列（最密填充）的情况下的异种芯间串扰的图。
图4是表示同种芯中同种芯间距离D和耦合长度Ic的关系的图。
图5是用于说明本发明的扰动的图。
图6是用于说明本发明的扰动引起的传播常数的变化的图。
图7是用于说明本发明的用于施加扰动的异种芯的配置的概要图。
图8是用于说明本发明的基于扰动的传播常数的分离的步骤例的流程图。
图9是用于说明本发明的基于扰动的传播常数的分离的步骤例的说明图。
图10是表示将3种异种芯配置在三角排列（最密填充配置）的格点的例子的图。
图11是表示功率耦合率和芯位置的移动量的关系的图。
图12是表示将高折射率差的3种异种芯配置在三角排列的格点的例子的图。
图13是表示将3种异种芯配置在三角排列（最密填充配置）的格点的例子的图。
图14是表示将3种异种芯配置在三角排列（最密填充配置）的格点的另一例子的图。
图15是表示将2种异种芯配置在矩形排列的格点的例子的图。
图16是用于说明使矩形排列的异种芯移动的一个方式例的图。
图17是用于说明将低相对折射率差的芯进行三角排列（最密填充）的情况下的同种芯间耦合长度以及异种芯间串扰的图。
图18是用于说明芯位置的移动例的图。
图19是表示在7芯的多芯光纤中应用本发明时的功率耦合率的计算结果的图。
图20是表示将低折射率差的3种异种芯配置在三角排列的格点的例子的图。
图21是比较本发明的结构例和现有结构例的表。
图22是表示本发明的第二方式的一个结构例的图。
图23是用于说明构成本发明的多芯光纤的异种芯以及同种芯的组合例的图。
图24是表示用于说明多芯光纤的芯间耦合的模型的图。
图25是表示不同的传播常数的一例的图。
图26是用于说明基于异种芯的非耦合光纤的设计步骤的流程图。
图27是说明现有的决定同种芯间距离D的步骤的图。
图28是用于说明异种芯间的串扰以及芯排列的图。
符号说明
A中央芯
B～G周边芯
D同种芯间距离
F功率耦合率（串扰）
F0设定的功率耦合率（串扰）
P低折射率部位
Λ异种芯间距离
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。
本发明，在使用了由传播常数不同的异种芯和传播常数相同的同种芯构成的多个单模芯、或者仅由传播常数相同的同种芯构成的多个单模芯的多芯光纤中，通过扰动使传播常数相同的同种芯的传播常数偏移，通过将同种芯的传播常数偏移，抑制同种芯间的耦合，缩短同种芯间距离，将多芯光纤的芯高密度化。
以下，使用图1～9说明本发明的扰动引起的传播常数的变化的概要，使用图10～图22说明多芯光纤的结构例。
关于扰动，说明两个方式。第一方式的扰动是通过在从周期性排列的格点位置移动后的位置配置异种芯来进行扰动的方式，使用图10～图20说明第一扰动的结构例。第二扰动是通过在从周期性排列的格点移动后的位置设置空孔等低折射率部位来进行扰动的方式，使用图21说明第二方式的扰动的结构例。
另外，在图9～图19所示的结构例中，使用图10～图15说明基于高折射率差芯的结构例，使用图16～图19说明基于低折射率差芯的结构例。此外，在图10、图13、图14中用圆、三角、四角表示异种芯，其容易区别地显示异种芯，通常芯具有圆形截面。
[1.本发明的扰动引起的传播常数的变化的概要]
以下说明本发明的扰动引起的传播常数的变化的概要。
本发明在通过使同种芯的传播常数分离使芯间不完全耦合来抑制耦合时，通过扰动进行同种芯的传播常数的变化。该传播常数的变化，可以通过在从对称排列的格点进行位置偏移后的位置配置作为扰动部的异种芯的第一方式、在从对称排列的格点错开的位置设置作为扰动部的空孔等低折射率部位的第二方式来进行。在此，对称性包含平移对称性或旋转对称性、或者包含双方的对称性。
在本发明中，扰动通过在从周期性地配置的基准位置错开的位置配置异种芯或者低折射率部位等产生扰动的部位作为扰动部，使同种芯的传播常数中产生变化。通过使同种芯中最接近的距离处的同种芯的传播常数的变化不同，在接受扰动前将传播常数相等的同种芯彼此的传播常数分离，由此抑制芯间的耦合。
在异种多芯光纤以及同种多芯光纤中，扰动部，通过针对各个同种芯的不同大小的扰动对传播常数施加变化，由此可以将同种芯彼此的传播常数分离，因此，本申请发明可以应用于异种多芯光纤以及同种多芯光纤的任意一方。此外，如前所述，异种多芯光纤是由异种芯和同种芯的组合构成的多芯光纤，同种多芯光纤是仅由同种芯构成的多芯光纤。
以下主要以异种多芯光纤为例来说明。
首先说明芯间耦合。图1表示用于说明多芯光纤的芯间耦合的最简单的模型。
准备两个单模波导的芯，当使这些芯互相靠近时，如图2所示，在芯间产生模耦合。图2是用于说明芯间的模耦合的图。
当将两个芯单独存在的非耦合类的各个基本模的传播常数分别设为β(1)、β(2)时，将这些芯与传播方向（z方向）平行地耦合类的耦合模e，o的传播常数βe、βo分别通过βe=βave+κ，βo=βave-κ来给出。在此，βave=(β(1)+β(2))/2是平均传播常数，使用相位失配量δ=(β(1)-β(2))/2和耦合系数|K12|，拍波数κ表示为κ=(δ2+|K12|2)1/2。
设芯间耦合通过对称耦合而完全耦合时，耦合长度Ic表现为：
Ic=π/(βe-βo)...（1）
另外，当芯间耦合通过非对称耦合而成为不完全耦合时，在图2中根据模耦合理论，出射功率P1、P2用以下的式子表示。
P1(z)=Po·(1-Fsin2(κz))...(2)
P2(z)=Po·（Fsin2(κZ))...(3)
在此，β(1)≠β(2)，设入射功率P0＝1，功率耦合率（power conversionefficiency）F用以下的式子表示。
F=1/(1+((β(1)-β(2))/2|K12|)2)...(4)
κ=(((β(1)-β(2）)/2)2+|K12|2)1/2
...(5)
在式(5)中，在设β(1)=β(2)而进行对称耦合的情况下，拍波数κ成为
κ=(((β(1)-β(2))／2)2+|K12|2)1/2
=|K12|...(6)
与耦合系数|K12|相等。
在此，耦合长度Ic根据式(3)，由于κIc=π/2为条件，因此存在以下关系。
Ic=π/2κ=π/2|K12|...(7)
通过将式(7)表示的基于弱波导理论的耦合长度Ic(=π/2|K12|)与式(1)表示的基于严格理论的耦合长度Ic比较，耦合系数|K12|用以下的式子表示。
|K12|=(βe-βe)/2...(8)
功率耦合率F表示芯间的串扰的大小，为了满足该功率耦合率F比预先设定的串扰F0小即F<F0的条件，要求满足下式(9)。
β(1)-β(2)≥((1-Fo)/Fo)1/2×(2|K12|)...(9)
当预先设定的串扰F0例如为10-3(-30dB)时要求满足下式(10)。
β(1)-β(2)≥(999)1/2×(2|K12|)...(10)
图2表示芯1、2的出射功率P1、P2的变化状态。通过减小功率耦合率F，出射功率P1在P0附近变化，出射功率P2在O附近变化。这种情况表示芯间的耦合状态弱，串扰小。
图3是用于说明将芯三角排列(最密填充)时的异种芯间串扰的图。在图3(a)中表示使相对折射率差△分别为△1和△2的异种芯离开了距离Λ的状态，图3(b)的纵轴表示功率耦合率F，横轴表示相对折射率差△2，曲线以相对折射率差△1和距离Λ作为参数。芯的传播常数由于相对折射率差不同而产生差异。
根据图3(b)，例如在使用相对于相对折射率差△1=1.20％的芯，相对折射率差△的差分为0.05％的芯(△1=1.15％、1.25％)的情况下，当异种芯间距离Λ为10μm时成为图中的A点表示的串扰，当异种芯间距离Λ为15μm时成为图中的B点表示的串扰，当异种芯间距离Λ为20μm时成为图中的C点表示的串扰。
因此，为了使串扰为-30dB以下，异种芯间距离Λ成为10μm和15μm之间的13μm。此外，在图3中未表示异种芯间距离Λ为13μm的曲线。
接着，基于上述关系，使用数值例说明为了在同种芯中使芯1、2的串扰为预定大小以下所需要的传播常数的偏差。
在使用3种芯对芯进行三角排列的情况下，在异种芯间距离Λ和同种芯间距离D之间存在以下关系：
D = 3 &times; &Lambda; &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 11 )
因此，当异种芯间距离Λ为13μm时，同种芯间距离D成为22.5μm。
图4表示同种芯中同种芯间距离D与耦合长度Ic的关系。当根据图4求出与同种芯间距离D=22.5μm对应的耦合长度Ic时，在△=1.2％的情况下成为50m。
将同种芯间距离D=22.5μm、耦合长度Ic=50m的值代入式(7)来求出耦合系数|K12|时，得到下式。
|K12|=π/2Ic=3.14×10-2rad/m...(12)
因此，根据求出的耦合系数|K12|啪值和式(9)，用以下的式(13)表示为了使串扰(功率耦合率)为F0以下所需要的传播常数的差分的条件。
β(1)-β（2）≥（(1-Fo)／Fo)1/2×(6.28×10-2)rad/m...(13)
式(13)表示为使同种芯间的串扰设为F0以下而需要的传播常数的偏差(β(1)-β(2))。
在此，在设定(-30dB)作为串扰F0时，用以下的式(14)表示式(13)。
β(1)-β(2)≥(999)1/2×(2|K12|)=1.986rad/m...(14)
传播常数β(1)的值是用以下的式(15)表示的程度的大小，因此，为使传播常数的偏差相对于传播常数的比率成为3.4％×10-7左右，通过使传播常数扰动，可以使同种芯间的串扰达到预定的大小以下。
本申请发明，在同种芯中通过使芯的传播常数扰动，以使其传播常数的偏差达到通过以串扰F0作为参数的式（13）表示的值以下，可以缩小受到扰动前的传播常数相同的同种芯间的距离，可以使多芯光纤高密度化。
接着，使用图5、图6说明本申请发明中对传播常数施加偏差的扰动。图5是用于说明本发明的扰动的图，图6是用于说明扰动引起的传播常数的变化的图。图5所示的○标记表示相对折射率差Δ1、Δ2的芯、或者低折射率的空孔，它们的周围用包层填充。另外，扰动部除了相对折射率差以外，通过使芯直径、芯内的折射率分布不同，对同种芯中位于最近距离处的同种芯的传播常数施加不同大小的扰动，通过该扰动可以施加偏差。
图5（a）所示的芯是具有相同相对折射率差Δ1和芯直径的同种芯，具有相同传播常数β(1)。在此，未图示的扰动部对两个同种芯施加扰动，通过该扰动使传播常数β变化，对两个同种芯的传播常数施加偏差。在图5（a）中，扰动PeA使传播常数β(1)变化为传播常数β(1A)，扰动PeB使传播常数β(1)变化为传播常数β(1B)。通过使扰动PeA和扰动PeB不同，可以在传播常数β(1A)和传播常数β(1B)之间施加偏差。
图5（b）是说明第一方式的扰动的图，图5（c）是说明第二方式的扰动的图。
第一方式的扰动，是作为扰动部而配置相对折射率差Δ不同的异种芯，由此对同种芯施加扰动的方式，通过使同种芯和异种芯的距离不同，使基于扰动的传播常数β的变化不同，对同种芯的传播常数施加偏差。
在图5（b）中，在邻接的同种芯（相对折射率差Δ1）之间配置相对折射率差Δ不同的异种芯（相对折射率差Δ2）。在此，将异种芯的配置位置设为从两同种芯的中间位置以δx向一方的同种芯侧进行位置移动后的位置。图5（b）的左方所示的同种芯，通过来自异种芯的扰动Pea，传播常数从β(1)变化为β(1a)，右方所示的同种芯，通过来自异种芯的扰动Peb，传播常数从β(1)变化为β(1b)。此外，a、b示意地表示异种芯的配置位置的扰动的差异。
在此，传播常数的扰动引起的变化取决于离开异种芯的距离，因此，通过将异种芯的配置位置从同种芯的中间位置偏移，可以在变化后的传播常数β(1a)和β(1b)之间施加偏差。
第二方式的扰动，是作为扰动部配置低折射率的部位，由此对同种芯施加扰动的方式，通过使同种芯和低折射率部位的距离不同，使扰动引起的传播常数β的变化不同，对同种芯的传播常数施加偏差。低折射率部位例如是折射率比包层低的部位，可以使用在包层内设置的空孔（air hole）来构成。
在图5（c）中，在邻接的同种芯（相对折射率差Δ1）之间，作为扰动部配置折射率比包层低的空孔等低折射率部位。在此，低折射率部位的配置位置设为从两同种芯的中间位置以δx向一方的同种芯侧进行位置偏移后的位置。图5（c）的左方所示的同种芯，通过来自低折射率部位的扰动Pec，传播常数从β(1)变化为β(1c)，右方所示的同种芯，通过来自低折射率部位的扰动Ped，传播常数从β(1)变化为β(1d)。此外，c、d示意地表示低折射率部位的配置位置引起的扰动的差异。
在此，由于传播常数的扰动引起的变化取决于离开低折射率部位的距离，因此，通过使低折射率部位的配置位置从同种芯的中间位置偏移，可以在变化后的传播常数β(1c)和β(1d)之间施加偏差。
通过扰动对同种芯的传播常数施加偏差，由此缩小相对折射率差Δ相同的同种芯间的距离，使多芯光纤高密度化。
受到扰动后的传播常数β用以下的1次扰动的式（16）、（17）表示。
&beta; 2 = &beta; 0 2 + k 0 2 &Integral; &Integral; &infin; &delta;n 2 ( x , y ) | E 0 ( x , y ) | 2 dxdy &Integral; &Integral; &infin; | E 0 ( x , y ) ) | 2 dxdy &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 16 )
δn2(x、y)＝n1 2-n2 2（异种芯（与包层不同的折射率部位）内）
＝0（异种芯（与包层不同的折射率部位）外）...（17）
受到扰动后的传播常数β如式（16）、（17）所示，将δn2(x、y)作为参数，电场分布E0（x，y）在包层内作为离开芯的距离的大致指数函数而衰减，因此表示依存于离开异种芯或低折射率部位的同种芯的距离。因此，根据异种芯或低折射率部位的相对于同种芯的配置位置而成为不同的值。在相邻的同种芯间配置异种芯或低折射率部位的结构中，左右配置的同种芯受到根据到异种芯或低折射率部位的距离而不同的扰动，传播常数不同。
图6是用于说明异种芯或低折射率部位的配置位置引起的传播常数的差异的概要图。
受到扰动后的传播常数β如式（16）所示，通过δn2(x、y)和电场|E0|2的积的积分来表示。图6（a）示意地表示同种芯和异种芯的相对折射率差Δ的分布，图6（b）、（c）、（d）示意地表示从左方的同种芯观察时的电场|E0|2、δn2以及积分值，图6（e）、（f）、（g）示意地表示从右方的同种芯观察时的电场|E0|2、δn2以及积分值。此外，在此假定平板波导来以x轴方向的一维表示，但是光纤的基本模的电磁场分布也具有大致相同的形态，因此，扰动的原理可以用同样的图来说明。
图6（d）以及图6（g）表示的积分值成为根据δn2(x、y)的位置而不同的值，表示为传播常数β的差。
这样，通过相对于相邻的同种芯使异种芯或低折射率部位的配置位置偏移，可以对各个同种芯施加不同的扰动，可以对同种芯的传播常数施加偏差。
通过该扰动，传播常数的变化，在使用异种芯的异种芯多芯光纤中适用于异种芯多芯光纤具备的同种芯，此外也可以适用于使用了同种芯的同种芯多芯光纤。
图7是用于说明本发明的用于施加扰动的异种芯的配置的概要图。图7（a）表示基于现有结构的同种芯以及异种芯的配置。在该芯配置中，离开距离D来配置相对折射率差Δ1的同种芯，从同种芯以等距离D/2在中间位置配置相对折射率差Δ2的异种芯。
与此相对，图7（b）表示本发明的同种芯以及异种芯的配置。在该芯配置中离开距离D来配置相对折射率差Δ1的同种芯，从同种芯的中间位置使位置偏移δx来配置相对折射率差Δ2的异种芯。通过该配置偏移，左方的同种芯和异种芯的距离成为（D/2+δx），右方的同种芯和异种芯的距离成为（D/2－δx）。
图7（c）表示相对于周期性地1维排列的同种芯，将以相同周期在同一轴上1维排列的异种芯均匀移动的情况。如此均匀移动的情况下，与夹着同种芯的异种芯的距离变化为相反符号，但为相同变化量，因此，扰动对于同种芯引起的传播常数的变化抵消，无法对传播常数施加偏差。因此，通过使各异种芯的移动方向交替不同，设定为对同种芯施加的扰动不抵消。
（扰动引起的传播常数的分离的步骤）
接着，使用图8的流程图、图9的说明图，说明本发明的扰动引起的传播常数的分离的步骤例。
首先，根据在异种芯间设定的功率耦合率（串扰）F0，求出异种芯间的距离Λ（S1）。图9（a）表示在相对折射率差Δ1和相对折射率差Δ2的异种芯中，将横轴设为相对折射率差Δ2，将纵轴设为功率耦合率（串扰）F的相对折射率差Δ1的曲线，形成了由根据异种芯间距离Λ而不同的曲线组成的曲线群。
根据它们的关系，根据异种芯的相对折射率差Δ1、相对折射率差Δ2以及设定的功率耦合率（串扰）F0求出异种芯间距离Λ。在图9（a）中，从相对折射率差Δ1的曲线群中求出通过2条虚线交叉的交点的曲线，根据该曲线求出异种芯间距离Λ。
根据芯排列，以几何方式计算与在S1中求出的异种芯间距离Λ对应的同种芯间距离D（S2）。图9（b）表示芯排列的一例，表示了通过三角排列将3种芯排列在周期排列的格点的例子。在此例中，在异种芯间距离Λ和同种芯间距离D之间存在的关系，因此，通过使S1中求出的异种芯间距离Λ成为倍，可以计算同种芯间距离D。
接着，根据S2中计算出的同种芯间距离D求出耦合系数|K12|。图9（c）是表示在相对折射率差Δ的同种芯中同种芯间的距离D和同种芯间的耦合长度Ic的关系的曲线图，根据该关系求出与同种芯间的距离D对应的同种芯间的耦合长度Ic。根据求出的耦合长度Ic计算耦合系数|K12|。可以使用式（7）所示的Ic=π/2|K12|的关系来进行耦合系数|K12|的计算（S3）。
所述的式（16）表示传播常数的差（β(1)－β(2)）以扰动量δn2（x、y）为参数而变化。使用该关系求出扰动量δn2（x、y）存在的空间位置的从基准位置的位移量与同种芯间的传播常数中产生的偏差（β(1)－β(2)）的关系。此外，在图9（d）中，移动量δd例如表示扰动量δn2（x、y）的x轴方向的一维移动量δx（S4）。
所述的式（4）表示功率耦合率F和传播常数的差（β(1)－β(2)）和耦合系数|K12|之间的关系。使用该关系根据S3中求出的耦合系数|K12|和S4中求出的从基准位置的位移量和同种芯的传播常数中产生的偏差（β(1)－β(2)）的关系，计算从基准位置的移动量δd和功率耦合率（串扰）F的关系（S5）。
根据S5中求出的从基准位置的移动量δd和功率耦合率（串扰）F的关系，求出为了满足所设定的功率耦合率(串扰)F0而需要的移动量δd(S6)。
通过以下的式(18)可知光纤的V值(标准化频率)和基模的标准化传播常数b的关系。
J 1 ( ( ( 1 - b ) ) v ) &CenterDot; K o ( ( b ) v ) / ( J o ( ( ( 1 - b ) ) v ) &CenterDot; k 1 ( ( b ) v ) ) = ( b / ( 1 - b ) ) 1 / 2 &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 18 )
在此，J0(x)、J1(x)分别是O次和1次的贝赛尔函数，K0(x)、K1(x)分别是O次和1次的第2种变形贝赛尔函数。
V值(标准化频率)和标准化传播常数b通过下式表示。
V=koa(n1 2-n2 2)1/2...(19)
b={(β／ko)2-n2 2}/(n1 2-n2 2)...(20)
在此，k0(=2n/λ)是真空中的平面波的传播常数，n1是芯的折射率，n2是包层的折射率。
从求解式(18)而求出的标准化传播常数b，使用下式求出κ和γ。
κ=(n1 2-(β/ko)2}1/2...(21)
γ={(β/ko)2-n2 2)1/2...(22)
使用上述K和γ通过下式表示芯内和包层内的电场分布E0(x，y)。
Eo(x，y)=A·Jo(κr)
=A·(Jo(κa)／Ko(γa))Ko(γr)...(23)
其中，r是离开芯中心的距离，用下式表示。
r=(x2+y2)1/2...(24)
由此，可以使用式(16)来计算扰动。
图9(d)表示经由传播常数的差(β（1)-β（2）)而关联的功率耦合率F以及移动量δd的关系，根据设定的功率耦合率(串扰)F0求出为了达到该串扰以下所需要的最小的移动量δd。该移动量δd(δx)是用于从对称配置的格点进行位置移动来对异种芯或低折射率部位进行配置的位置偏移量。
[2：异种芯的扰动的例子]
以下，针对异种芯的扰动的例子，说明具有高折射率差的异种芯的异种多芯光纤和具有低折射率差的异种芯的异种多芯光纤的各结构例。在各结构例中，作为具有平移对称性以及旋转对称性的周期的排列，说明三角排列以及矩形排列的情况。
[2.1：具有高折射率差的异种芯的异种多芯光纤的结构例]
首先，说明具有高折射率差的异种芯的异种多芯光纤的结构例。
[2.1.1：三角排列的例子]
以下，说明将异种芯配置在三角排列（最密填充配置）的格点的例子。
图10表示将3种异种芯配置在三角排列（最密填充配置）的格点的例子。在此，将与各包层的相对折射率差、芯直径、芯内的折射率分布的某个不同的3个异种芯作为芯群，相对于格点错开位置来配置各芯群。
在图10中，用虚线的三角形表示各芯群，3个芯的相对折射率差Δ不同。3种芯用圆、三角、四角的形状来表示，并且附加“1”、“2”、“3”的符号，具有分别不同的相对折射率差Δ。
在此，通过接近的3种芯形成芯群，以芯群为单位进行在从周期的格点偏移的位置配置芯引起的扰动。在图10中设为将芯配置在格点位置的芯群（图中用“未移动”表示）、旋转使芯从格点位置移动的矢量方向的芯群（在图中用“旋转”表示）、将使芯从格点位置移动的矢量方向朝向三角形的内侧或外侧的芯群（图中用“内部移动”表示）的3种方式。
根据该芯移动，针对各芯群用下式表示芯群内的3种的各芯i，j，k的传播常数的扰动引起的变化。
1、未移动的芯群
芯#i：
芯＃i： &beta; 2 = &beta; 0 2 + k 0 2 &CenterDot; I i &Integral; &Integral; &infin; | E 0 ( x , y ) ) | 2 dxdy &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 25 )
其中，
I i = &Integral; &Integral; Position # 1 &delta;n j 2 ( x , y ) | E 0 ( x , y ) | 2 dxdy + 2 &Integral; &Integral; Position # 2 &delta;n j 2 ( x , y ) | E 0 ( x , y ) | 2 dxdy + &Integral; &Integral; Position # 1 &delta;n k 2 ( x , y ) | E 0 ( x , y ) | 2 dxdy + 2 &Integral; &Integral; Position # 2 &delta;n k 2 ( x , y ) | E 0 ( x , y ) | 2 dxdy &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 26 )
在此，Position#1是芯未移动的位置（以下显示为Λ），Position#2是芯换算为中心间距离后变化了的位置（以下显示为关于δnj 2(x，y)，设邻接的异种芯的折射率为nj，表示为：
δnj 2(x，y)＝nj 2-n2 2（邻接芯j的内部）
＝0（邻接芯j的外部）
...（27）
i、j、k是（1、2、3）的组合，δd>0表示远离的方向。
在此，将式（25）和式（26）的积分简单地作为邻接芯及其积分区域的组合，用符号×表示，显示为：
...（28）
上述式（28）表示将芯配置在格点位置的芯群（未移动的芯群）。
2.内部移动（Inner Shifted）的芯群
与未移动的芯群的情况同样，表示将芯配置在从格点位置向三角形的内侧或外侧进行矢量移动后的位置的芯群（内部移动的芯群）。
...（29）
3.旋转的芯群
与未移动的芯群的情况同样，表示将芯配置在从格点位置使矢量旋转移动后的位置的芯群（旋转的芯群）。
...（30）
在上述式子中，芯i，j，k表示相对折射率差Δ不同的3种芯。
另外，扰动部存在的位置，例如针对与配置未移动的芯群的芯i的格点最接近的6个格点，相对于3个芯j内的一个，就连接芯i和芯j的直线距离来说，设置在Λ的距离，即不移动，相对于3个芯j内的2个，就连接芯i和芯j的直线距离来所，从Λ移动相对于3个芯k内的一个，就连接芯i和芯j的直线距离来说，设为Λ的距离，即不移动，相对于3个芯k内的2个，就连接芯i和芯j的直线距离来说，从Λ移动
基于上述矢量移动，根据式（16）针对未移动的芯群、内部移动的芯群、旋转的芯群的各芯群，求出传播常数βU、βS、βR，当将纵轴设为功率耦合率F（dB），将横轴设为移动量δd（μm）时，得到图11。图11是表示功率耦合率和芯位置的移动量δd的关系的图。
在此，在传播常数βU、βS、βR中存在βU<βR<βS的大小关系，βR-βU的效果小，因此，需要较大的移动量。因此，基于图11中的βR-βU的曲线，求出与设定的功率耦合率F0对应的移动量δd，通过该移动量施加扰动。
当作为功率耦合率F0设定了-30dB时，根据图11的βR-βU的曲线求出移动量δd=1.65μm。
图12表示在直径为125μm的光纤中将3种异种芯配置在三角排列的格点的例子。图12（a）表示本发明的结构例，图12（b）表示现有结构例。
图12（a）所示的结构例，是将同种芯间距离D设为26μm，将异种芯间距离Λ设为15μm，移动量δd=1.65μm的本发明的结构，芯的收纳数为37条。
另一方面，图12（b）所示的结构例，是将同种芯间距离D设为40μm，将异种芯间距离Λ设为23μm的现有结构，芯的收纳数为19条。
因此，根据本发明的结构，能够使芯的收纳条数达到2倍。
此外，在光纤内的最外周的格点，与内侧的格点相比，受到扰动的个数少为4个或3个，因此，传播常数的扰动比配置在内侧的格点的芯小，因此，传播常数自身也减小，并且应该抑制耦合的对方的另一方的同种芯存在于格子的内侧，因此耦合的抑制效果增大。
图13、图14与图10所示的例子同样，表示将3种异种芯配置在三角排列（最密填充配置）的格点的例子。
在图13所示的例子中，分别将与包层的相对折射率差、芯直径、芯内的折射率分布的某种不同的3个异种芯设为芯群，针对各芯群，通过相对于格点旋转地进行位置偏移来配置。在此，通过接近的3种芯形成芯群，针对全部芯群，旋转将芯从格点位置移动的矢量方向。在基于该旋转的移动中，进行改变旋转角度或旋转方向的调整，以使对于同种芯不成为相同位移的扰动。
在图14所示的结构例中，分别将与包层的相对折射率差、芯直径、芯内的折射率分布的某种不同的3个异种芯设为芯群，针对各芯群，相对于格点通过使各芯朝向中心格点移动来进行位置偏移然后配置。在此，通过接近的3种芯形成芯群，针对全部芯群，改变使芯从各格点位置向中心的格点移动的移动量。通过该移动量的变化进行调整，以便对于同种的芯不成为相同位移的扰动。
[2.1.2:矩形排列的例子]
接着，说明将异种芯配置在矩形排列的格点的例子。
图15表示将2种异种芯配置在矩形排列的格点的例子。当将2种异种芯配置在矩形排列的格点时，将同种芯间的芯间隔设为D，在x轴方向以及y轴方向上移动，以使x轴方向的异种芯间的芯间隔为Λx，y轴方向的异种芯间的芯间隔为Λy的方式来配置。
使用图16说明使矩形排列的异种芯移动的一个实施例。在图16所示的移动的方式中，在x轴方向（图中的横向）隔二列移动δx，在y轴方向（图中的纵向）隔一列移动δy。
通过在x轴方向（图中的横向）隔二列移动，如所述图7（c）所示，可以防止扰动变得相同。通过该移动，可以使得针对接近的4个同种芯的扰动全部不同。
[2.2：具有低折射率差的异种芯的异种多芯光纤的结构例]
所述2.1中表示的异种多芯光纤，是相对折射率差Δ为1.2%左右的高相对折射率差的例子。
接着，说明相对折射率差Δ为0.3%～0.4%左右的低相对折射率差的情况。当前使用的单模芯光纤的芯的相对折射率差Δ为0.3%～0.4%左右。因此，以下说明的相对折射率差Δ为0.3%～0.4%左右的低相对折射率差的多芯光纤，能够直接应用于当前使用的单模芯光纤，具有广泛的应用范围。
[2.2.1：三角排列的例子]
针对低相对折射率差的情况，也能够与高相对折射率差的情况同样地进行多芯光纤的设计。以下，说明在现有结构中，直径125μm的光纤中收纳7条芯的情况。
图17是用于说明对低相对折射率差的芯进行三角排列（最密填充）时的异种芯间串扰的图。图17（a）表示低相对折射率差的同种芯间距离为D的状态，图17（b）表示异种芯间距离为Λ的状态，图17（c）表示耦合长度Ic与同种芯间距离D的关系，图17（d）的纵轴表示功率耦合率F，横轴表示相对折射率差Δ2，曲线以相对折射率差Δ1、Δ2与距离Λ作为参数。
在此，表示相对折射率差Δ1为0.325%、0.350%、0.375%的情况。
在现有结构中，作为多芯光纤的设计条件，设传播常数在100km时串扰在-30dB以下的情况下，同种芯间的耦合长度Ic为5000km，为了满足该耦合长度Ic，根据图17（b）所示的关系，同种芯间的芯间距D需要70μm（图17（b）中的“D”）。
在现有结构中，由于同种芯间的芯间距离D为70μm，因此异种芯间的芯间距离为在该异种芯间的芯间距离为40μm时，异种芯间的串扰根据图17（c）达到-80dB以下，与作为设计条件的-30dB相比，达到足够以上的距离。
在本发明的结构中，根据异种芯间的串扰为-30dB以下的设计条件，根据图17（d）的关系求出异种芯的芯间距离Λ，得到Λ=22μm（图17（d）中的“E”）。在此，表示作为相对折射率差Δ1设定0.350%，作为相对折射率差Δ2设定0.325%或0.375%的情况。
在异种芯的芯间距离Λ为22μm的情况下，根据三角排列的结构，同种芯的芯间距离D成为与该同种芯的芯间距离D对应的耦合长度Ic，根据图17（d）的关系需要50m（图17（b）中的“F”）。
根据求出的耦合长度Ic计算耦合系数|K12|。耦合系数|K12|的计算，可以使用式（7）所示的Ic=π/2|K12|的关系来进行，得到|K12|=3.14×10-2rad/m。
与高相对折射率差的设计例同样，为了满足功率耦合率F比预定的串扰F0小的F<F0的条件，要求满足所述式（9）。
β(1)-β(2)≥((1-Fo)/Fo)1/2×(2|K12|)...(9)
当串扰F0例如为10-3（-30dB）时，
要求满足式（10）。
β(1)-β(2)≥(999)1/2×(2|K12|)...(10)
在此，当应用在低相对折射率差的设计中要求的|K12|=3.14×10-2rad/m时，满足F<F0的条件如下。
β(1)-β(2)≥1.986rad/m...(31)
传播常数β的值，与高相对折射率差的设计例同样，为式（15），
因此，通过以传播常数的比例施加3.4×10-7（=1.986/5.88×106）左右的扰动，可以满足设计值的串扰。
接着，使用图18说明芯位置的移动例。
图18（a）是用于说明对于三角排列的格点的芯配置的移动例的图。在此，在x轴方向以及斜方向上形成芯群，使各芯群在各方向上，使每一芯群在y方向以及x方向上移动位置。即，针对x轴方向的芯群，使每一列在y方向上移动δy，针对斜方向的芯群，使每一列在x方向上移动δx。通过该移动来施加扰动。
根据该芯的移动方式，x方向的芯排列在一条直线上，因此，具有与波导型Fan-out设备（波导型输出端子）的连接变得容易的优点。
图18（b）表示在低相对折射率差的7芯光纤中应用使芯位置向x轴方向和y轴方向移动的方式的例子。7芯由1个中心芯A和6个周围芯B～G构成。在此，表示通过使6个周围芯B～G移动来进行扰动的例子。
在图18（b）中，用（Λ±δ）表示的6个移动量表示通过使6个周边芯B～G从格点位置（图中虚线位置）移动，与中心芯A的距离变化的变换量。图中虚线所示的位置表示格点位置，实线所示的位置表示移动后的芯的位置，箭头表示芯的移动方向。
周边芯B的移动量为周边芯C的移动量为周边芯D的移动量为（Λ+δdx），周边芯E的移动量为周边芯F的移动量为周边芯G的移动量为（Λ-δdx）。此外，Λ表示周边芯的邻接芯间的距离，δdx、δdy分别表示由周边芯构成的芯群的x轴方向以及y轴方向的移动量。
当使周边芯移动时，周边芯除了受到来自中心芯的扰动以外，还从其他周边芯受到扰动。因此，扰动引起的距离变化，从x方向上排列的邻接芯成为δdx，从y方向上偏移后的邻接芯，需要算入芯间距离的变化。
以下，表示各格点的扰动引起的移动量。此外，δd>0表示远离的方向，芯#1表示中心芯A，芯#2表示周边芯B、D、F，芯#3表示周边芯C、E、G。
1.中心芯A
2.周边芯B
…（33）
3.周边芯C
4.周边芯D
（芯#1）×(Λ+δdx)
5.周边芯E
…（36）
6.周边芯F
7.周边芯G
（芯#1）×(Λ-δdx)
在此，对扰动的差变小的组合进行研究。注意到在图18（b）中，相对于连接周边芯B、中心芯A、周边芯E的线（未图示），芯的移动方向大致成为线对称，当观察x轴方向的移动量δx和y轴方向的移动量δy时，对移动量δx和移动量δy的比进行调整，以使位于线对称的位置的周边芯C和周边芯G的传播常数的差、以及同样处于线对称位置的周边芯D和周边芯F的传播常数的差增大。因此，在周边芯的传播常数差的比较中，比较周边芯C和周边芯G，比较周边芯D和周边芯F。
图19表示在7芯的多芯光纤中应用本发明时的与移动量δdx对应的功率耦合率的计算结果，表示周边芯C和周边芯G之间的功率耦合率、周边芯D和周边芯F之间的功率耦合率，周边芯B和周边芯G之间的功率耦合率的关系。周边芯C和周边芯G之间以及周边芯D和周边芯F之间为同种芯间耦合，周边芯B和周边芯G之间为异种芯间耦合。
在图19中用实线表示周边芯C和周边芯G之间的功率耦合率，用一点划线表示周边芯D和周边芯F之间的功率耦合率，用二点划线表示周边芯B和周边芯G之间的功率耦合率。虚线表示功率耦合率-30dB。
周边芯C和周边芯G的移动是互相接近的扰动，周边芯D和周边芯F的移动是互相远离的扰动，因此预想到周边芯C和周边芯G之间的扰动比周边芯D和周边芯F的扰动小。当比较图19中的周边芯C-G曲线和周边芯D-F曲线时，功率耦合率在-20dB以下，周边芯C-G需要比周边芯D-F大的移动量δx，表示周边芯C和周边芯G间的扰动小。为了在该扰动的差小的周边芯C和周边芯G间也确保某种程度的扰动的差，y方向的移动量比x方向的移动量大，
因此，当针对周边芯C-G求出移动量δx时，为了使功率耦合率例如在-30dB以下，x方向的移动量δx是1.72μm。y方向的移动量δy得到 ( 5 / 3 ) &delta;x ( = 2.88 &delta;x ) = 4.95 &mu;m .
另外，针对作为异种芯耦合的周边芯B-G间耦合，表示了芯间距离缩短，但是功率耦合率为-35dB以下的情况。
另外，周边芯受到来自邻接的3条芯的扰动，与此相对，中央芯A从6条周边芯（周边芯B～周边芯F）受到扰动，因此，即使移动量为零时，与周边芯之间的功率耦合率也为-35dB以下。
另外，在将邻接芯间距离设为22μm时，周边芯B和周边芯G间的传播常数差减小，因此功率耦合率为-35dB左右，可以不依存于芯的移动量而大致恒定。另一方面，在将邻接芯间距离设为27μm时，周边芯B和周边芯G之间、中央芯A和周边芯G之间的功率耦合率可以为-50dB以下，因此，在光纤长度方向可以抑制由于芯直径或芯间距离不稳定而产生的芯间的功率耦合。
图20表示在直径为125μm的光纤中将3种异种芯配置在三角排列的格点的例子。图20（a）表示现有结构的例子，图20（b）、（c）表示本发明的结构例。
图20（a）所示的现有结构例是设芯直径为9μm，同种芯间距离D为70μm，异种芯间距离为的结构，芯的收纳数设为7条。
另一方面，图20（b）所示的本申请的结构例是设芯数为7条的结构，芯直径9μm，设x轴方向的移动量δx为1.72μm，y轴方向的移动量δy为4.95μm，来施加扰动，由此可以将施加扰动前的异种芯间距离设为22μm，将同种芯间距离D设为
根据现有结构，当在光纤直径125μm中配置芯直径9μm的芯时，从周边芯到光纤外周的距离为21.3μm，因此具有外周芯的损失增大的问题。
另一方面，根据本发明的结构，在与现有结构同样在光纤直径125μm中配置了芯直径9μm的芯的情况下，也可以将从周边芯到光纤外周的距离设为40μm，因此可以降低外周芯的损失。
另外，根据图20（c）所示的本申请的结构，可以使芯数增加到14条。在该结构例中通过设芯直径为9μm，x轴方向的移动量δx为1.72μm，y轴方向的移动量δy为4.95μm来施加扰动，将施加扰动前的异种芯间距离设为22μm，将同种芯间距离D设为在光纤直径125μm内配置14条芯。
根据该结构，可以在半径38.1μm中在区域内收纳14条芯，并且可以将最外周芯和光纤外周的距离设为24μm，与现有结构的22.5μm相比，最外周芯和光纤外周的距离增大，可以降低外周芯的损失。
因此，对于在低折射率差异种芯中，邻接芯间距离为38μm～40μm那样较长，外周芯和光纤外周的距离短所导致的包层的外侧的包覆引起的吸收损失增大，因此需要使光纤直径大于125μm的现有结构的课题，根据本发明的扰动的结构，可以将邻接芯间距离缩小到22μm，外周芯和光纤外周的距离也可以增大，因此可以抑制外周芯的损失增大。
图21关于三角排列，针对高折射率差和低折射率差的各情况比较本发明的结构例与现有结构例来表示。
[3.低折射率部位的扰动的例子]
接着，说明进行本发明的第二方式的扰动的方式。第二方式的扰动是通过在从周期性的对称排列的格点错开的位置设置空孔等低折射率部位来进行扰动的方式。
第二方式的扰动是通过在扰动部设置低折射率部位来进行扰动的方式，可以为将所述第一方式的扰动中相当于异种芯的部分替换为低折射率的部位的结构。
图22表示第二方式的扰动的一个结构例。在图22所示的结构例中，在包层部分配置低折射率部位P。该低折射率部位P相当于第一方式中在同种芯间配置的异种芯，使同种芯的传播常数产生偏移，抑制同种芯间的耦合。
低折射率的部位P例如可以通过气孔等空孔来形成。调整低折射率部位P的配置位置以及个数，使得对于邻接的芯的扰动不同。
本发明的多芯光纤包含的多个芯，可以为是传播常数全部不同的异种芯的结构、是传播常数全部相同的同种芯的结构、是邻接的芯的传播常数全部不同的异种芯的结构、包含邻接的芯的传播常数不同的异种芯和传播常数相同的同种芯的结构的各结构。
图23是用于说明构成本发明的多芯光纤的异种芯以及同种芯的组合例的图。
图23（a）表示是传播常数全部不同的异种芯的结构例，图23（b）表示是邻接的芯的传播常数全部不同的异种芯的结构，图23（c）表示是传播常数全部相同的同种芯的结构，图23（d）表示包含邻接的芯的传播常数不同的异种芯和传播常数相同的同种芯的结构。图23（b）所示的结构例例如是图10、图12～图14所示的结构，图23（d）所示的结构例例如是图15、图16所示的结构。
[4.高折射率部位的扰动的例子]
接着，在本发明的进行第二方式的扰动的方式中，是通过在从周期性地排列的格点偏移的位置设置高折射率部位来进行扰动的方式。
高折射率部位的第二方式的扰动可以构成为在所述第一方式的扰动中将相当于异种芯的部分替换为高折射率的部位。
在低折射率部位的说明中所使用的图22中，代替在包层部分配置的低折射率部位P而配置高折射率部位。该低折射率部位相当于在第一方式中在同种芯间配置的异种芯，在同种芯的传播常数中产生不同的大小的偏移，抑制同种芯间的耦合。
高折射率的部位例如使用折射率比包层的折射率高的部件。调整高折射率部位的配置位置以及个数，以使对于邻接的芯的扰动不同。
该高折射率部位，在与包层的折射率的关系中成为与导光的芯同样的结构，但是不作为导光的部位来使用，而作为施加扰动的部位来使用。
产业上的可利用性
本发明的通过扰动使传播常数偏移所导致的同种芯间的耦合抑制，在包含使与包层的相对折射率差、芯直径、芯内的折射率分布的某种不同的异种芯的异种多芯光纤以外，可以应用于传播常数相同的同种多芯光纤，另外，可以应用于相对折射率差Δ为1.10～1.3％左右的高折射率芯或相对折射率差Δ为0.3～0.4％左右的低折射芯。

Claims (13)

1.一种多芯光纤，在一条光纤中收纳多个单模的芯，其特征在于，
所述芯是由传播常数相同的同种芯和传播常数不同的异种芯组成的多个芯、或仅由传播常数相同的同种芯组成的多个芯，
在所述各同种芯中，在各同种芯和相对于该同种芯最近的距离处的同种芯之间具备扰动部，
以在光纤截面内，在多个格点具有平移对称性、旋转对称性、平移对称性以及旋转对称性的某种对称性，周期性地被二维排列的格点排列的格点为基准位置来配置所述多个芯，所述扰动部被配置在从所述基准位置进行位置偏移后的位置，
所述扰动部，在同种芯的附近，对同种芯的各传播常数施加不同的扰动，将同种芯的传播常数从各固有传播常数偏移不同的量，使传播常数成为不同的值，使所述同种芯间的耦合降低，
所述扰动部是在从所述基准位置进行位置偏移后的位置配置的异种芯。
2.根据权利要求1所述的多芯光纤，其特征在于，
所述异种芯，通过芯和包层的相对折射率差、芯直径、芯内的折射率分布的至少某一种不同而具有与所述同种芯不同的传播常数。
3.一种多芯光纤，在一条光纤中收纳多个单模的芯，其特征在于，
所述芯是由传播常数相同的同种芯和传播常数不同的异种芯组成的多个芯、或仅由传播常数相同的同种芯组成的多个芯，
在所述各同种芯中，在各同种芯和相对于该同种芯最近的距离处的同种芯之间具备扰动部，
以在光纤截面内，在多个格点具有平移对称性、旋转对称性、平移对称性以及旋转对称性的某种对称性，周期性地被二维排列的格点排列的格点为基准位置来配置所述多个芯，所述扰动部被配置在从所述基准位置进行位置偏移后的位置，
所述扰动部，在同种芯的附近，对同种芯的各传播常数施加不同的扰动，将同种芯的传播常数从各固有传播常数偏移不同的量，使传播常数成为不同的值，使所述同种芯间的耦合降低，
所述扰动部是在从所述基准位置进行位置偏移后的位置配置的、具有与包层的折射率不同的折射率的低折射率的部位或高折射率的部位。
4.根据权利要求3所述的多芯光纤，其特征在于，
所述低折射率的部位是在所述芯间填充的包层中形成的、在光纤的长度方向上形成的孔部，所述孔部内是空气层或具有比包层低的折射率的部件。
5.根据权利要求3所述的多芯光纤，其特征在于，
所述高折射率的部位是在所述芯间填充的包层中形成的、在光纤的长度方向上形成的孔部，所述孔部内是具有比包层高的折射率的部件。
6.根据权利要求1或3所述的多芯光纤，其特征在于，
所述格点排列，是在各格点相对于在该格点的最接近的周围排列的6个格点为等角度以及等距离的三角排列，
通过与包层的相对折射率差、芯直径、芯内的折射率分布的至少某一种不同而使传播常数不同的3种芯，以所述三角排列的格点为基准位置周期性地被三角配置，
所述扰动部的配置，在与所述基准位置相对的配置中，
以所述被三角配置的最接近的3种芯为单位，形成了在基准位置的格点配置3种芯的第一芯群、向从基准位置的格点朝着所述三角配置的内侧进行位置偏移后的位置配置3种芯的第二芯群、以及向从基准位置的格点以所述三角配置的中心作为旋转中心旋转地进行位置偏移后的位置配置3种芯的第三芯群的各芯群。
7.根据权利要求1或3所述的多芯光纤，其特征在于，
所述格点排列，是在各格点相对于在该格点的最接近的周围排列的6个格点为等角度以及等距离的三角排列，
通过与包层的相对折射率差、芯直径、芯内的折射率分布的至少某一种不同而使传播常数不同的3种芯，以所述三角排列的格点为基准位置周期性地被三角配置，
所述扰动部的配置位置是以下位置：
在与所述基准位置相对的配置中，
以所述被三角配置的最接近的3种芯为单位设为芯群，
在所述三角配置中被划分为3个芯群，
使所述各芯群的3种芯从格点以所述三角配置的中心作为旋转中心旋转，并且使各芯群中的扰动部的旋转角或旋转方向针对每个芯群而不同，
通过该旋转而进行位置偏移后的位置。
8.根据权利要求1或3所述的多芯光纤，其特征在于，
所述格点排列，是在各格点相对于在该格点的最接近的周围排列的6个格点为等角度以及等距离的三角排列，
通过与包层的相对折射率差、芯直径、芯内的折射率分布的至少某一种不同而使传播常数不同的3种芯，以所述三角排列的格点为基准位置周期性地被三角配置，
所述扰动部的配置位置是以下位置：
在与所述基准位置相对的配置中，
以所述被三角配置的最接近的3种芯为单位设为芯群，
在所述三角配置中被划分为3个芯群，
使所述各芯群的3种芯从格点向所述三角配置的中心向内或向外移动，并且使各芯群中的扰动部的移动量针对每个芯群而不同，
通过该移动而进行位置偏移后的位置。
9.根据权利要求1或3所述的多芯光纤，其特征在于，
所述格点排列，是在各格点相对于在该格点的最接近的周围排列的6个格点为等角度以及等距离的三角排列，
所述多个芯，是通过与包层的相对折射率差、芯直径、芯内的折射率分布的至少某一种不同而使传播常数不同的多种芯的组合，
将所述多种芯相对于以所述三角排列的格点为基准位置在60度旋转对称的方向上周期性地三角配置，
所述扰动部的各芯的配置位置是以下位置：
在与所述基准位置相对的配置中，从作为各芯的基准位置的格点，将最接近格点排列的方向选择为x轴方向，将在x轴方向上排列的格点作为行，将从x轴向+60度或－60度方向排列的格点作为列，针对各行以及各列在x轴方向以及y轴方向上偏移后的位置上配置，并且使向x轴方向以及y轴方向的偏移量针对每行以及每列不同，
通过该配置进行位置移动后的位置。
10.根据权利要求1或3所述的多芯光纤，其特征在于，
所述格点排列是矩形排列，在x轴方向以及y轴方向分别周期性地配置各格点，
所述扰动部的各芯的配置位置，是从所述矩形排列的格点向x轴方向以及y轴方向移动后的位置，
X轴方向的异种芯的芯间隔为Λx，y轴方向的异种芯的芯间隔为Λy。
11.一种在一条光纤中收纳多个单模的芯的多芯光纤的芯的配置方法，其特征在于，
所述芯是由传播常数相同的同种芯和传播常数不同的异种芯组成的多个芯、或仅由传播常数相同的同种芯组成的多个芯，
在光纤截面内，在多个格点具有平移对称性、旋转对称性、平移对称性以及旋转对称性的某种对称性，周期性地被二维排列的格点排列中，
以格点排列的格点为基准位置来配置所述多个芯，
在同种芯中位于最近距离的同种芯间，在从基准位置进行位置偏移后的位置配置扰动部，
通过所述扰动部的配置，在同种芯的附近对同种芯的各传播常数施加不同的扰动，使同种芯的传播常数从各固有传播常数偏移不同的量，使所述同种芯间的耦合降低，
所述扰动部是在从所述基准位置进行位置偏移后的位置配置的异种芯或具有与包层的折射率不同的折射率的低折射率的部位或高折射率的部位。
12.根据权利要求11所述的多芯光纤的芯的配置方法，其特征在于，
所述格点排列为三角排列，在各格点相对于在该格点的最接近的周围排列的6个格点为等角度以及等距离。
13.根据权利要求11所述的多芯光纤的芯的配置方法，其特征在于，
所述格点排列为矩形排列，在x轴方向以及y轴方向分别周期性地排列各格点。
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