CN107085261A - 多芯光纤 - Google Patents

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佐佐木雄佑
植村仁
齐藤晋圣
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Abstract

多芯光纤(1)具备：第一纤芯(11)，该第一纤芯传播LP01模、LP11模以及LP21模的光；以及第二纤芯(12)，该第二纤芯传播LP01模的光，上述多芯光纤设置有：第一纤芯(11)的LP21模的光的传播常数与第二纤芯(12)的LP01模的光的传播常数一致的异模相互作用区间(33)；以及第一纤芯(11)的各LP模的光的传播常数与第二纤芯(12)的各模的光的传播常数不一致的异模非相互作用区间(31)，第一纤芯(11)具有内侧纤芯(11a)与外侧纤芯(11b)，该外侧纤芯无间隙地包围内侧纤芯(11a)、并且折射率比内侧纤芯(11a)高。

Description

多芯光纤
技术领域
本发明涉及多芯光纤，适用于对不同的模的光进行合波分波的情况。
背景技术
在使用光纤进行的光通信中，公知有如下的多模通信：在LP01模(基模)的光重叠信息、并且在LP11模等比基模高阶的LP模的光重叠信息，从而进行信息通信。在多模通信中，将在一个纤芯传播的多个LP模的光向多个光纤分波，或者将在多个光纤传播的相互不同的LP模的光向一个光纤合波。
在下述非专利文献1中记载：当在一组光纤分别传播彼此相同的LP模的光的情况下，使用模转换器等将在各个光纤传播的光形成为相互不同的LP模，然后进行合波。
另外，下述专利文献1所记载的模合波分波器具有两个波导。上述波导中的一个波导传播特定的LP模的光，另一个波导传播特定的LP模的光和与该特定的LP模不同的其他LP模的光。当在上述波导传播相互相同的特定的LP模的光的情况下，形成为使得一个波导中的该特定的LP模的光的传播常数与另一个波导中的其他LP模的传播常数一致。借助这样的结构，一个波导的特定的LP模的光作为另一个波导的其他LP模的光而进行合波。在另一个波导原本传播特定的LP模的光，因此，结果，在另一个波导传播特定的LP模的光与其他LP模的光。这样，即便不使用模转换器，在多个光波导传播相互相同的LP模的光的情况下，能够使各个光在一个波导作为相互不同的模的光传播。
非专利文献1：An Li et al.,“Low-Loss Fused Mode Coupler for Few-ModeTransmission”，OFC,OTu3G4(2013)。
专利文献1：日本特开2013－37017号公报
在非专利文献1所记载的模合波分波器中需要模转换器。另外，在专利文献1所记载的模合波分波器中，在进行模合波分波的场所，各个波导接近以便产生模合波分波，在除此以外的场所，各个波导分离以免产生模合波分波。因而，非专利文献1所记载的模合波分波器需要配置模转换器的场所，专利文献1所记载的模合波分波器需要不进行模合波分波的场所处的使各个波导分离的场所。
发明内容
因此，本发明的目的在于欲使用多芯光纤来实现可小型化的模合波分波器。
为了解决上述课题，本发明的多芯光纤的特征在于，具备：第一纤芯，该第一纤芯传播LP01模、LP11模以及LP21模的光；以及第二纤芯，该第二纤芯传播LP01模的光，上述多芯光纤设置有：上述第一纤芯的LP21模的光的传播常数与上述第二纤芯的LP01模的光的传播常数一致的异模相互作用区间；以及上述第一纤芯的各LP模的光的传播常数与上述第二纤芯的各LP模的光的传播常数不一致的异模非相互作用区间，上述第一纤芯具有内侧纤芯与外侧纤芯，上述外侧纤芯无间隙地包围上述内侧纤芯、并且折射率比上述内侧纤芯高。
在纤芯的折射率在径向上大体一定的所谓阶跃折射率型光纤或纤芯的折射率从外周朝中心逐渐变高的渐变折射率型光纤中，LP21模的光的有效折射率与LP02模的光的有效折射率之差小，因此难以仅将LP21模以及LP02模中的某一方的模的光截止。另一方面，上述多芯光纤的第一纤芯是具有内侧纤芯和折射率比内侧纤芯高的外侧纤芯的所谓环折射率型的纤芯。第一纤芯是这样的环折射率型的纤芯，由此，在第一纤芯中，能够增大LP21模的光的有效折射率与LP02模的光的有效折射率之差。因而，通过适当设计内侧纤芯的折射率与外侧纤芯的折射率，能够使第一纤芯传播LP21模的光并且抑制LP02模的光的传播。在从上述多芯光纤向传送用光纤传送LP01模、LP11模以及LP21模的光的情况下，通过在第一纤芯中抑制LP02模的光的激振，能够减小因与LP02模的光耦合而导致的光的损失。
另外，在该多芯光纤的异模相互作用区间中，第二纤芯的LP01模的光的传播常数与第一纤芯的LP21模的光的传播常数一致。因而，在异模相互作用区间中，能够将第二纤芯的LP01模的光作为第一纤芯的LP21模的光而进行模合波，或者将第一纤芯的LP21模的光作为第二纤芯的LP01模的光而进行模合波。
并且，在该多芯光纤的异模非相互作用区间中，第二纤芯的各LP模的光的传播常数与第一纤芯的各LP模的光的传播常数不一致。因此，在异模非相互作用区间中，即便不像专利文献2那样使第一纤芯与第二纤芯分离，也能够抑制产生模合波分波这一情况。
因而，根据该多芯光纤，能够实现可小型化的模合波分波器。
另外，上述多芯光纤优选形成为：上述第二纤芯设置有两个，在与第一线段重叠的位置配置一方的上述第二纤芯，并且在与第二线段重叠的位置配置另一方的上述第二纤芯，其中，上述第一线段从上述第一纤芯的中心延伸，上述第二线段在上述第一纤芯的中心与上述第一线段以135度相交。
LP21模的光具有4个波节，由强度最强的位置处于相互旋转45度+90度×n(n为0～3的整数)的关系的不同的两个模(LP21a以及LP21b)的光构成。两个第二纤芯配置成形成为以第一纤芯为中心相互旋转45度+90度×n的关系，由此，在异模相互作用区间，第一纤芯的LP21a模的光能够作为一方的第二纤芯的LP01模的光而进行模分波，并且第一纤芯的LP21b模的光能够作为另一方的第二纤芯的LP01模的光而进行模分波。另外，在异模相互作用区间中，能够将一方的第二纤芯的LP01模的光作为第一纤芯的LP21a模的光而进行模合波，并且将另一方的第二纤芯的LP01模的光作为第一纤芯的LP21b模的光而进行模合波。此时，与两个第二纤芯配置在以第一纤芯为中心相互旋转45度的位置的情况相比，在两个第二纤芯配置在以第一纤芯为中心相互旋转135度的位置的情况下，能够扩大两个第二纤芯的间隔，因此容易抑制在一方的第二纤芯传播的光与在另一方的第二纤芯传播的光之间的串扰。因而，通过在与第一线段重叠的位置配置一方的第二纤芯，并且在与第二线段重叠的位置配置另一方的第二纤芯，容易抑制在一方的第二纤芯传播的光与在另一方的第二纤芯传播的光之间的串扰，其中，上述第一线段从第一纤芯的中心延伸，上述第二线段在第一纤芯的中心与第一线段以135度相交。
另外，上述多芯光纤优选形成为：还具备传播LP01模的光的第三纤芯，在上述异模相互作用区间，上述第一纤芯的LP11模的光的传播常数与上述第三纤芯的LP01模的光的传播常数一致，在上述异模非相互作用区间，上述第一纤芯的各LP模的光的传播常数与上述第三纤芯的各LP模的光的传播常数不一致。
通过设置有上述第三纤芯，在异模相互作用区间中，能够将第三纤芯的LP01模的光作为为第一纤芯的LP11模的光而进行模合波、或者将第一纤芯的LP11模的光作为第三纤芯的LP01模的光而进行模分波。由此，能够在LP01模的光、LP11模的光以及LP21模的光重叠信息，因此能够进行具有更多的信息量的光通信。
另外，上述多芯光纤优选形成为：上述第三纤芯设置有两个，在与第三线段重叠的位置配置一方的上述第三纤芯，并且在与第四线段重叠的位置配置另一方的上述第三纤芯，其中，上述第三线段从上述第一纤芯的中心延伸，上述第四线段在上述第一纤芯的中心与上述第三线段以90度相交。
LP11模的光由强度最强的位置处于相互旋转90度的关系的不同的两个模(LP11a以及LP11b)的光构成。两个第三纤芯配置成形成为以第一纤芯为中心相互旋转90度的关系，由此，在异模相互作用区间中，能够将第一纤芯的LP11a模的光作为一方的第三纤芯的LP01模的光进行模分波、并且将第一纤芯的LP11b模的光作为另一方的第三纤芯的LP01模的光进行模分波。另外，在异模相互作用区间，能够将一方的第3纤芯的LP01模的光作为第一纤芯的LP11a模的光进行模合波、并且将另一方的第三纤芯的LP01模的光作为第一纤芯的LP11b模的光进行模合波。由此，能够在LP11a模的光以及LP11b模的光也重叠信息，因而能够进行具有更多的信息量的光通信。
另外，优选形成为：在上述第二纤芯以及上述第三纤芯分别设置有两个的情况下，在与第一线段重叠的位置配置一方的上述第二纤芯，并且在与第二线段重叠的位置配置另一方的上述第二纤芯，其中，上述第一线段从上述第一纤芯的中心延伸，上述第二线段在上述第一纤芯的中心与上述第一线段以135度相交，在与第三线段重叠的位置配置一方的上述第三纤芯，并且在与第四线段重叠的位置配置另一方的上述第三纤芯，其中，上述第三线段从上述第一纤芯的中心延伸，上述第四线段在上述第一纤芯的中心与上述第三线段以90度相交，上述第一线段与上述第三线段在第一纤芯的中心以67.5度相交，上述第二线段与上述第四线段在第一纤芯的中心以67.5度相交。
通过两个第二纤芯以及两个第三纤芯以上述方式配置，两个第二纤芯以及两个第三纤芯相互分离地配置，因此容易抑制在各纤芯传播的光彼此的串扰。
另外，优选形成为：在还具备传播LP01模的光的第三纤芯的情况下，上述第一纤芯、上述第二纤芯以及上述第三纤芯以上述第一纤芯配置于上述第二纤芯与上述第三纤芯之间的方式配置于在一条直线上重叠的位置。
在使用LP11a模的光以及LP11b模的光中的某一方与LP21a模的光以及LP21b模的光中的某一方的情况下，也可以如上那样，第二纤芯以及第三纤芯各为一个。而且，第一纤芯、第二纤芯以及第三纤芯配置于直线上，由此，彼此的纤芯间距离变大，容易抑制串扰。
另外，上述第一纤芯可以位于包层的中心。
另外，优选上述异模相互作用区间是通过上述异模非相互作用区间的一部分被拉伸而形成的。
通过以这种方式形成异模相互作用区间，异模相互作用区间中的多芯光纤的剖面的构造与异模非相互作用区间中的多芯光纤的剖面的构造形成为相互相似的关系。因此，容易计算异模相互作用区间的光的传播常数与异模非相互作用区间的光的传播常数的相关性。另外，异模相互作用区间通过拉伸而形成，因此能够使用熔接连接机等能量小的加热器容易地对多芯光纤进行拉伸从而形成异模相互作用区间。
另外，优选使用波长带域内的在各个纤芯传播的光的LP模的数量在所述异模相互作用区间与所述异模非相互作用区间不变化。
通过使得传播常数在各个区间不变化，无需考虑不需要的LP模的光被激振这一情况，能够高效地对光进行处理。
如上，根据本发明，能够使用多芯光纤实现可小型化的模合波分波器。
附图说明
图1是示出第一实施方式中的多芯光纤的图。
图2的(A)、图2的(B)是示出图1的多芯光纤的大径部以及小径部中的与长度方向垂直的剖面的样子的图。
图3的(A)、图3的(B)是示出第二实施方式的多芯光纤的大径部以及小径部中的与长度方向垂直的剖面的样子的图。
图4的(A)、图4的(B)是示出第三实施方式的多芯光纤的大径部以及小径部中的与长度方向垂直的剖面的样子的图。
图5是示出在内侧纤芯的直径与外侧纤芯的直径之比为0.33的情况下、各模的光在第一纤芯传播的条件的图。
图6是示出在内侧纤芯的直径与外侧纤芯的直径之比为0.34的情况下、各模的光在第一纤芯传播的条件的图。
图7是示出在内侧纤芯的直径与外侧纤芯的直径之比为0.35的情况下、各模的光在第一纤芯传播的条件的图。
图8是示出在内侧纤芯的直径与外侧纤芯的直径之比为0.36的情况下、各模的光在第一纤芯传播的条件的图。
图9是示出第三纤芯的半径为4.39μm时的LP11模的选择比的图。
图10是示出第三纤芯的半径为4.40μm时的LP11模的选择比的图。
图11是示出第三纤芯的半径为4.41μm时的LP11模的选择比的图。
图12是示出第二纤芯的半径为4.51μm时的LP11模的选择比的图。
图13是示出第二纤芯的半径为4.52μm时的LP21模的选择比的图。
图14是示出第二纤芯的半径为4.53μm时的LP21模的选择比的图。
图15是示出第一纤芯与第二纤芯之间的纤芯间距离为22.5μm时的LP21模的选择比的图。
图16是示出第一纤芯与第二纤芯之间的纤芯间距离为23.0μm时的LP21模的选择比的图。
图17是对实施例2中进行耦合效率的测定时的测定系统进行说明的图。
图18是对实施例2中进行耦合效率的测定时的测定系统进行说明的其他图。
图19是示出实施例2中进行的耦合效率的测定结果的图。
附图标记说明：
1、2、3：多芯光纤；11：第一纤芯；11a：内侧纤芯；11b：外侧纤芯；12：第二纤芯；13：第三纤芯；20：包层；31：大径部；32：锥部；33：小径部。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的多芯光纤的优选实施方式详细地进行说明。此外，为了容易理解，各图中记载的比例尺与以下的说明中记载的比例尺有时不同。
(第一实施方式)
图1是示出本发明的第一实施方式的多芯光纤的图。如图1所示，本实施方式的多芯光纤1具备一个第一纤芯11、两个第二纤芯12以及包层20，该包层20无间隙地包围第一纤芯11的外周面以及第二纤芯12的外周面。两个第二纤芯12除配置以外都是相互同样的结构。
另外，多芯光纤1沿长度方向形成有大径部31、锥部32以及小径部33。锥部32以及小径部33通过大径部31的一部分被加热并被拉伸而形成。这样的基于加热进行的拉伸可以借助基于氢氧燃烧器的加热来进行，但也能够借助基于放电的加热来充分地进行。例如，使用电弧放电的光纤熔接机已实用化，但也可以将该电弧放电作为拉伸用的热源而加以利用。通过借助基于密闭空间中的电弧放电的加热对光纤进行拉伸，容易使光纤的熔化方向恒定。另外，对光纤进行拉伸时使用组合了熔接机的马达与图像解析的拉伸加工功能，由此，容易对多芯光纤1高精度地进行拉伸加工。
图2是示出多芯光纤1的大径部31以及小径部33各自的与长度方向垂直的剖面的样子的图。具体地说，图2的(A)示出大径部31以及小径部33的剖面中的构造的样子，图2的(B)示出大径部31以及小径部33的剖面中的折射率分布的样子。
如图2的(A)所示，第一纤芯11具有内侧纤芯11a与外侧纤芯11b，该外侧纤芯11b无隙间地包围内侧纤芯11a的外周面。另外，第一纤芯11位于包层20的中心，对于两个第二纤芯12，在与第一线段L1重叠的位置配置一方的第二纤芯12，并且在与第二线段L2重叠的位置配置另一方的第二纤芯12，其中，上述第一线段L1从第一纤芯11的中心延伸，上述第二线段L2在第一纤芯11的中心与第一线段L1以135度相交。另外，如上所述，小径部33通过大径部31被拉伸而形成，因此，包层20的外径与第一纤芯11的直径以及第二纤芯12的直径之比在多芯光纤1的何处均不变。因此，小径部33中的第一纤芯11的直径比大径部31中的第一纤芯11的直径小，小径部33中的第二纤芯12的直径比大径部31处第二纤芯12的直径小。
在图2的(B)中，实线示出多芯光纤1的折射率分布。如图2的(B)所示，外侧纤芯11b的折射率比内侧纤芯11a的折射率以及包层20的折射率高。另外，内侧纤芯11a的折射率比包层20的折射率低。而且，第二纤芯12的折射率比包层20的折射率高。上述折射率沿着多芯光纤1的长度方向是恒定的。
另外，在图2的(B)中，虚线表示在第一纤芯11以及第二纤芯12传播的各LP模的光的有效折射率neff。第一纤芯11是传播LP01模、LP11模以及LP21模的光、而抑制比上述模更高阶模的光的传播的少模纤芯。另外，第二纤芯12是传播LP01模的光、而抑制LP11模的光的传播的单模纤芯。
在大径部31中，第一纤芯11的各LP模的光的传播常数与第二纤芯12的LP01模的光的传播常数不一致。传播常数与有效折射率neff对应。因而，在本实施方式中，大径部31的第一纤芯11的LP01模的光的有效折射率neff01、LP11模的光的有效折射率neff11以及LP21模的光的有效折射率neff21与第二纤芯12的LP01模的光的有效折射率neff01不一致。因此，在大径部31中，能够抑制在第一纤芯11传播的各LP模的光与在第二纤芯传播的LP01模的光之间的串扰。因而，在大径部31中，能够抑制产生异模的合波分波这一情况，大径部31成为异模非相互作用区间。
另一方面，在小径部33中，如上所述，各个纤芯的直径与大径部31中的各个纤芯的直径不同，因此，小径部33中的有效折射率neff与大径部31中的有效折射率neff不同。而且，在小径部33中，第一纤芯11的LP21模的光的有效折射率neff21与第二纤芯12的LP01模的光的有效折射率neff01一致。即，第一纤芯11的LP21模的光的传播常数与第二纤芯12的LP01模的光的传播常数一致。因此，在小径部33中，在第一纤芯11传播的LP21模的光与在第二纤芯传播的LP01模的光发生串扰。因而，在小径部33中，产生在第一纤芯11传播的LP21模的光与在第二纤芯传播的LP01模的光的模合波分波。因此，小径部33成为异模相互作用区间。
另外，使用波长带域内的在各个纤芯传播的光的LP模的数量在大径部31与小径部33也可以变化，但优选不变化。因而，在本实施方式中，优选形成为：在大径部31以及小径部33的各个中，第一纤芯11传播LP01模、LP11模以及LP21模的光，并且抑制比上述模更高阶模的光的传播，第二纤芯12传播LP01模的光而抑制LP11模的光的传播。
在本实施方式的多芯光纤1中，若向第一纤芯11以及第二纤芯12分别入射LP01模的光，则在小径部33，第二纤芯12的LP01模的光作为LP21模的光而向第一纤芯11合波。或者，在向第一纤芯11入射由LP01模、LP11模以及LP21模构成的光而不向第二纤芯12入射光的情况下，在小径部33，第一纤芯11的LP21模的光作为LP01模的光而向第二纤芯12分波。这样，实现模合波分波。
这里，对在第一纤芯11传播的LP21模的光与在两个第二纤芯12传播的LP01模的光之间的合波分波更详细地进行说明。
对于LP21模的光，在由通过供该光传播的纤芯的中心并沿径向延伸的相互垂直的两条直线划分出的4个区域中，相互相邻的区域中的电场的分布成为正负相反的状态，且在各个区域中成为相同的能量的分布。因而，LP21模的光若以供其传播的纤芯的中心为基准旋转90度，则与旋转前为相同的能量分布，但若以除此以外的角度旋转，则成为与旋转前不同的能量分布。而且，对于LP21模的光，即便在相互呈45度或135度之类的状况下对位于旋转45度+90n度(n为0以上的整数)的关系的两个LP21模的光进行合波，也仍然称为LP21模。
因此，例如，将相互位于旋转45度+90n度(n为0以上的整数)旋转的关系的两个LP21模的光中的一方作为LP21a模的光、将另一方作为LP21b模的光，在第一纤芯11传播的LP21模的光为LP21a模的光与LP21b模的光之和。而且，假想在第一纤芯11传播的LP21模的光向在第二纤芯12传播的LP01模的光模分波的情况。在该情况下，存在LP21a模的光与在一方的第二纤芯12传播的LP01模的光重叠、LP21b模的光向在另一方的第二纤芯12传播的LP01模的光分波的趋势。另外，假想将在两个第二纤芯12传播的各个LP01模的光向第一纤芯11的LP21模的光模合波的情况。在该情况下，存在在一方的第二纤芯12传播的光向在第一纤芯11传播的LP21a模的光以及LP21b模的光中的一方合波、在另一方的第二纤芯12传播的光向在第一纤芯11传播的LP21a模的光以及LP21b模的光中的另一方合波的趋势。
因而，根据本实施方式的多芯光纤1，能够对在第一纤芯11传播的LP01模的光、LP21a模的光以及LP21b模的光重叠信息，因此能够进行具有更多的信息量的光通信。
此外，在本实施方式的多芯光纤1中，第二纤芯12配置于在第一纤芯11的中心相互以135度相交的线段上。与两个第二纤芯12配置于以第一纤芯11为中心相互旋转45度的位置的情况相比，在两个第二纤芯12配置在以第一纤芯11为中心相互旋转135度的位置的情况下，能够扩大两个第二纤芯12的间隔，因此，容易抑制在一方的第二纤芯12传播的光与在另一方的第二纤芯12传播的光之间的串扰。
如上所述，在小径部33实现模合波分波。然而，在大径部31中，第一纤芯11的各LP模的光的传播常数与第二纤芯12的LP01模的光的传播常数不一致，因此，即便不形成为使第一纤芯11与第二纤芯12分离的构造，也能够抑制产生上述的合波分波这一情况。因而，根据本实施方式的多芯光纤1，能够实现可小型化的模合波分波器。
另外，如以下即将说明的那样，第一纤芯11能够传播LP21模的光并且抑制LP02模的光的传播。在纤芯的折射率在径向上大体恒定的所谓阶跃型光纤或纤芯的折射率朝向中心逐渐变高的渐变折射率型光纤中，LP21模的光的有效折射率与LP02模的光的有效折射率之差小，因此，难以仅将LP21模以及LP02模中的某一方的模的光截止。另一方面，多芯光纤1的第一纤芯11是具有内侧纤芯11a和折射率比内侧纤芯11a高的外侧纤芯11b的所谓环折射率型的纤芯。第一纤芯11是这样的环折射率型，由此，在第一纤芯11中，能够增大LP21模的光的有效折射率与LP02模的光的有效折射率之差。因而，通过适当设计内侧纤芯11a的折射率与外侧纤芯11b的折射率，第一纤芯11能够传播LP21模的光并且抑制LP02模的光的传播。在从多芯光纤1向传送用光纤仅传送LP01模、LP11模以及LP21模的光的情况下，通过在第一纤芯中抑制LP02模的光的激振，能够缩小因与LP02模的光耦合而导致的光的损失。
(第二实施方式)
接下来，对本发明的第二实施方式进行说明。此外，对于与第一实施方式相同或等同的构成要素，标注相同的附图标记，除特别说明的情况之外，省略重复的说明。
图3是示出本实施方式的多芯光纤的大径部以及小径部中的与长度方向垂直的剖面的样子的图。具体地说，图3的(A)示出大径部31以及小径部33的剖面中的构造的样子，图3的(B)示出大径部31以及小径部33的剖面中的折射率分布的样子。
本实施方式的多芯光纤2在还具备两个第三纤芯13这点上与第一实施方式的多芯光纤1不同。两个第三纤芯13除配置以外均为相互同样的结构。对于两个第三纤芯13，在与第三线段L3重叠的位置配置一方的第三纤芯13，并且在与第四线段L4重叠的位置配置另一方的第三纤芯13，其中，上述第三线段L3从第一纤芯11的中心延伸，上述第四线段L4在第一纤芯11的中心与第三线段L3以90度相交。
第三纤芯13传播LP01模的光。在本实施方式中，在小径部33，第二纤芯12的LP01模的光的传播常数与第一纤芯11的LP21模的光的传播常数一致，第三纤芯13的LP01模的光的传播常数与第一纤芯11的LP11模的光的传播常数一致。即，在小径部33，第二纤芯12的LP01模的光的有效折射率neff01与第一纤芯11的LP21模的光的有效折射率neff21一致，第3纤芯13的LP01模的光的有效折射率neff01与第一纤芯11的LP11模的光的有效折射率neff11一致。另外，在大径部31中，第一纤芯11的各LP模的光的传播常数与第二纤芯12以及第三纤芯13的各LP模的光传播常数不一致。
因而，若向第一纤芯11、第二纤芯12以及第三纤芯13分别入射LP01模的光，则在小径部33，第二纤芯12的LP01模的光作为LP21模的光向第一纤芯11合波，第三纤芯13的LP01模的光作为LP11模的光向第一纤芯11合波。另外，在向第一纤芯11入射LP01模、LP11模以及LP21模的光而不向第二纤芯12以及第三纤芯13入射光的情况下，在小径部33，第一纤芯11的LP21的光分别作为LP01模的光向第二纤芯12分波，第一纤芯11的LP11模的光作为LP01模的光向第三纤芯13分波。另外，在大径部31中，第一纤芯11的各LP模的光的传播常数与第二纤芯12以及第三纤芯13的各LP模的光的传播常数不一致，因此能够抑制在第一纤芯11与第二纤芯12以及第三纤芯13之间产生模合波分波这一情况。
这里，对在第一纤芯11传播的LP11模的光与在第三纤芯13传播的LP01模的光之间的合波分波更详细地进行说明。
对于LP11模的光，以通过供该光传播的纤芯的中心并沿径向延伸的直线为基准，在一侧分布有正的电场，在另一侧分布有负的电场，在一侧与另一侧为相同的能量的分布。因而，LP11模的光若以供其传播的纤芯的中心为基准旋转180度，则与旋转前为相同的能量分布，但若以除此以外的角度旋转，则与旋转前为不同的能量分布。而且，对于LP01模的光，即便将相互位于旋转90度的关系的两个LP11模的光合波，也仍然称为LP11模的光。
因此，将相互位于旋转90度的关系的两个LP11模的光中的一方作为LP11a模的光、将另一方作为LP11b模的光，在第一纤芯11传播的LP11模的光为LP11a模的光与LP11b模的光之和。而且，假想在第一纤芯11传播的LP11模的光向在第三纤芯13传播的LP01模的光模分波的情况。在该情况下，存在LP11a模的光向在一方的第三纤芯13传播的LP01模的光分波、LP11b模的光向在另一方的第三纤芯13传播的LP01模的光分波的趋势。另外，假想将在两个第三纤芯13传播的各个LP01模的光向第一纤芯11的LP11模的光模合波的情况。在该情况下，存在在一方的第三纤芯13传播的光向在第一纤芯11传播的LP11a模的光以及LP11b模的光中的一方合波、在另一方的第三纤芯13传播的光向在第一纤芯11传播的LP11a模的光以及LP11b模的光中的另一方合波的趋势。
因而，根据本实施方式的多芯光纤2，能够对LP01模的光、LP11a模的光、LP11b模的光、LP21a模的光以及LP21b模的光重叠信息，因此能够进行具有更多的信息量的光通信。
另外，在本实施方式的多芯光纤2中，第一线段L1与第三线段L3在第一纤芯11的中心以67.5度相交，第二线段L2与第四线段L4在第一纤芯11的中心以67.5度相交。两个第二纤芯12以及两个第三纤芯13配置在上述的各线段上，由此，两个第二纤芯12以及两个第三纤芯13相互分离地配置，因此容易抑制在各纤芯传播的光彼此的串扰。
此外，在本实施方式中，也优选形成为在各个纤芯传播的光的LP模的数量在大径部31与小径部33不变化。
(第三实施方式)
接下来，对本发明的第三实施方式进行说明。此外，对于与第一实施方式以及第二实施方式相同或等同的构成要素，标注相同的附图标记，除特别说明的情况之外，省略重复的说明。
图4是示出本实施方式的多芯光纤的大径部以及小径部中的与长度方向垂直的剖面的样子的图。具体地说，图4的(A)示出大径部31以及小径部33的剖面中的构造的样子，图4的(B)示出大径部31以及小径部33的剖面中的折射率分布的样子。
对于本实施方式的多芯光纤3，以第一纤芯11的中心为基准，在一侧具备一个第二纤芯12，在其相反侧具备一个第三纤芯13。第一纤芯11配置于第二纤芯12与第三纤芯之间，第一纤芯11、第二纤芯12以及第三纤芯13配置为在一条直线上重叠。对于本实施方式的第二纤芯12以及第三纤芯13，除了配置的数量与位置不同这点以外，形成为与第二实施方式同样的结构。因而，在小径部33，第二纤芯12的LP01模的光的传播常数与第一纤芯11的LP21模的光的传播常数一致，第三纤芯13的LP01模的光的传播常数与第一纤芯11的LP11模的光的传播常数一致。即，在小径部33，第二纤芯12的LP01模的光的有效折射率neff01与第一纤芯11的LP21模的光的有效折射率neff21一致，第三纤芯13的LP01模的光的有效折射率neff01与第一纤芯11的LP11模的光的有效折射率neff11一致。另外，在大径部31中，构成为第一纤芯11的各LP模的光的传播常数与第二纤芯12以及第三纤芯13的各LP模的光的传播常数不一致。
在这样的结构的多芯光纤3中，若向第一纤芯11、第二纤芯12以及第三纤芯13分别入射LP01模的光，则在小径部33，第二纤芯12的LP01模的光作为LP21模的光向第一纤芯11合波，并且第三纤芯13的LP01模的光作为LP11模的光向第一纤芯11合波。另外，在向第一纤芯11入射由LP01模、LP11模以及LP21模构成的光、而不向第二纤芯12以及第3纤芯13入射光的情况下，在小径部33，第一纤芯11的LP21模的光作为LP01模的光向第二纤芯12分波，并且第一纤芯11的LP11模的光作为LP01模的光向第三纤芯13分波。另外，在大径部31中，第一纤芯11的各LP模的光的传播常数与第二纤芯12以及第三纤芯13的各LP模的光的传播常数不一致，因此能够抑制在第一纤芯11与第二纤芯12以及第三纤芯13之间产生模合波分波这一情况。
在使用LP11a模的光以及LP11b模的光中的某一方与LP21a模的光以及LP21b模的光中的某一方的情况下，也可以像本实施方式那样，第二纤芯12以及第三纤芯13各为一个。而且，通过像本实施方式那样将第一纤芯11、第二纤芯12以及第三纤芯13配置于直线上，彼此的纤芯间距离变大，容易抑制串扰。在本实施方式的情况下，LP01模的光与LP11模的光之间、LP11模的光与LP21模的光之间、以及LP01模的光与LP21模的光之间的模间串扰分别很小，因此，在使用仅传播LP01模、LP11模以及LP21模的光的传送用光纤的传送路的接收端，也可以不进行模耦合补偿，即便是简易的系统也能够实现多模通信。
此外，在本实施方式中，也优选形成为在各个纤芯传播的光的LP模的数量在大径部31与小径部33不变化。
以上，以上述实施方式为例对本发明进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式。
在第一～第三实施方式中，例示出第二纤芯12以及第三纤芯13仅传播LP01模的方式进行了说明，但第二纤芯12以及第三纤芯13也可以分别还传播LP11模的光。
另外，在第一以及第二实施方式中，例示出第二纤芯12设置有两个的方式进行了说明，但第二纤芯12也可以为一个。另外，在第二实施方式中，例示出第三纤芯13设置有两个的方式进行了说明，但第三纤芯13也可以为一个。
另外，在第一实施方式中，例示出线段L1与线段L2之间的夹角为135度的方式进行了说明，但该角只要为45度+90n度(n为0以上的整数)即可。
另外，在第二实施方式中，例示出线段L1与线段L3之间的夹角以及线段L2与线段L4之间的夹角均为67.5度的方式进行了说明，但它们的角度并无限定。
另外，在上述例中，第一纤芯11位于包层20的中心，但第一纤芯11也可以不位于包层20的中心。
[实施例1]
以下，举出实施例以及比较例对本发明更具体地进行说明，但本发明并不限定于以下的实施例。
<实施例1>
在本实施例中，研究与第三实施方式的多芯光纤3相当的多芯光纤的设计。
(第一纤芯的设计)
第一纤芯11传播LP01模、LP11模以及LP21模的光，抑制比上述的模更高阶模的光的传播。按照以下的方式研究将第一纤芯11设计成上述特性的条件。
图5～图8的纵轴是外侧纤芯11b相对于包层20的相对折射率差Δ+，横轴是第一纤芯的半径r1，示出波长为1550nm时各模的光在第一纤芯11传播的条件。图5是内侧纤芯11a的直径d与外侧纤芯11b的外径(第一纤芯11的直径)2r1之比d/2r1＝0.33的情况，图6是d/2r1＝0.34的情况，图7是d/2r1＝0.35的情况，图8是d/2r1＝0.36的情况。
在图5～图8中，在相对折射率差Δ+或半径r1小于与各模对应的曲线的情况下，意味着能够传播该模的光，在相对折射率差Δ+或半径r1大于该曲线的情况下，意味着该模的光的传播被抑制。此外，在传播LP21模的光的条件中，也传播LP01模以及LP11模的光。即，在LP21模的曲线与LP02模或LP41模的曲线之间的区域中，LP01模、LP11模以及LP21模的光传播，比上述的模更高阶模的光的传播被抑制。
从抑制纤芯内模间串扰的观点考虑，优选内侧纤芯11a与外侧纤芯11b之间的相对折射率差大。但是，从预制件的制作难易度的观点考虑，内侧纤芯11a相对于包层20的相对折射率差Δ－为－0.7％，外侧纤芯11b相对于包层20的相对折射率差Δ+为0.9％。
第一纤芯11为了构成为传播LP01模、LP11模以及LP21模的光、而抑制比上述的模更高阶模的光的传播，需要构成为在大径部31中LP02模以及LP41模的光被截止、在小径部33中LP21模的光能够传播。即，需要使大径部31中的第一纤芯的半径r1小于LP02模以及LP41模的曲线，使小径部33中的第一纤芯的半径r1大于LP21模的曲线。而且，从尽量增大拉伸比的观点考虑，需要增大大径部31中的第一纤芯的半径r1与小径部33中的第一纤芯的半径r1之差。因此，优选LP21模的曲线与LP02模以及LP41模的曲线之间的间隔宽。此外，拉伸比是指小径部33与大径部31之间的相似比，与将小径部33中的多芯光纤的直径设为1的情况下的大径部31中的多芯光纤的直径为相同的值。对图5～图8进行比较可知：在相对折射率差Δ+为0.9％的情况下，LP21模的曲线与LP02模以及LP41模的曲线之间的间隔最宽的是图8所示的d/2r1＝0.36的情况。而且，还可知：在d/2r1＝0.36的情况下，大径部31中的第一纤芯的半径r1为7.91μm即可。另外，此时，拉伸比能够为1.45左右。
(第三纤芯的设计)
第一纤芯11与第三纤芯13之间的纤芯间距离Λ3越小，在小径部33中越容易产生模合波分波。然而，第一纤芯11与第三纤芯13之间的纤芯间距离Λ3越小，存在大径部31中的串扰越大的趋势。从上述的观点考虑，在本实施例中，将第一纤芯11与第三纤芯13之间的纤芯间距离Λ3设为20μm。
图9～图11是假定第三纤芯13相对于包层20的相对折射率差为0.8％且恒定，改变第三纤芯13的半径r3来计算LP11模的选择比[dB]的结果。这里所说的模选择比意味着从第一纤芯11射出的LP11模的光的功率相对于入射至第三纤芯13的LP01模的光的功率的比例。图9是示出第3纤芯13的半径r3为4.39μm时的选择比的状态的图，图10是示出第三纤芯13的半径r3为4.40μm时的选择比的状态的图，图11是示出第三纤芯13的半径r3为4.41μm时的选择比的状态的图。此外，在图9～图11中，纵轴为锥部32的长度，横轴为小径部33的长度。
通过评价上述选择比，可知在第一纤芯与第三纤芯之间产生何种程度的模合波分波。选择比越高越好。从图9～图11可知：优选第三纤芯13的半径r3为4.39μm～4.40μm，锥部32的长度为2～4mm，小径部33的长度为6mm。
(第二纤芯的设计)
图12～图14是假定第二纤芯12相对于包层20的相对折射率差为0.4％且恒定、第一纤芯11为第二纤芯12之间的纤芯间距离Λ2为23.5μm、改变第二纤芯12的半径r2来计算LP21模的选择比[dB]的结果。该情况下的选择比意味着从第一纤芯11射出的LP21模的光的功率相对于入射至第二纤芯12的LP01模的光的功率的比例。图12是示出第二纤芯12的半径r2为4.51μm时的选择比的状态的图，图13是示出第二纤芯12的半径r2为4.52μm时的选择比的状态的图，图14是示出第二纤芯12的半径r2为4.53μm时的选择比的状态的图。此外，在图12～图14中，纵轴为锥部32的长度，横轴为小径部33的长度。
通过评价上述选择比，可知在第一纤芯与第二纤芯之间产生何种程度的模合波分波。选择比越高越好。此外，如上所述，在第三纤芯13的适当的设计中，锥部32的长度为2～4mm，小径部33的长度为6mm。因而，若以锥部32的长度为2～4mm、小径部33的长度为6mm这一情况作为前提，则从图12～图14可知：优选第二纤芯12的半径r2为4.52μm～4.53μm。
接下来，图15以及图16是计算第二纤芯12的半径r2为4.52μm，改变第一纤芯11与第二纤芯12之间的纤芯间距离Λ2时的LP21模的选择比[dB]的结果。图15是第一纤芯11与第二纤芯12之间的纤芯间距离Λ2为22.5μm的情况，图16是第一纤芯11与第二纤芯12之间的纤芯间距离Λ2为23.0μm的情况。可知：同第一纤芯11与第二纤芯12的纤芯间距离为23.5μm的情况下的图13进行比较，如图16所示那样使第一纤芯11与第二纤芯12之间的纤芯间距离Λ2为23.0μm的情况下的选择比变高。
下述表1以及表2示出根据至此为止的研究结果获得的最佳参数。
表1
表2
<实施例2>
基于上述实施例1的结果制作与第一实施方式的多芯光纤1相当的多芯光纤，并确认利用所制作的多芯光纤1能否进行模合波分波。
大径部31处的多芯光纤1的直径为123.8μm，第一纤芯11与第二纤芯12之间的纤芯间距离Λ2为23.2μm。而且，以使得拉伸比为1.45、锥部32的长度为3mm、小径部33的长度为6mm的方式进行拉伸，制作多芯光纤1。此外，第一纤芯11以及第二纤芯12的折射率以及大径部31处的半径如表1所示。
能够确认：若向所制作的多芯光纤1的第二纤芯12入射波长1550nm的LP01模的光，则从第一纤芯11输出LP21模的光。
接下来，进行耦合效率的测定。测定系统的简图如图17以及图18所示，测定结果如图19所示。此外，在图17以及图18中，虚线示出纤芯的位置，对于多芯光纤1的第二纤芯12，仅示出一方的第二纤芯12。
首先，如图17所示，经由单芯光纤，使从波长可变光源射出的光从拉伸前的多芯光纤1的第二纤芯12的一端入射，并利用功率表测定从第二纤芯12的另一端射出的光的功率。设该功率为P0。然后，如图18所示，经由单芯光纤，使从波长可变光源射出的光从拉伸后的多芯光纤1的第二纤芯12的一端入射，并经由环折射率纤芯型的少模光纤测定从第一纤芯11的另一端射出的光的功率。设该功率为P1。图19的纵轴(耦合效率)为P1相对于P0的比例，横轴为从波长可变光源射出的光的波长。另外，在图19中，0、45、90、135、180分别表示设置于波长可变光源与单芯光纤之间的偏振控制器的1/2波长板的角度。
从图19可知，能够确认：在C波段整个区域能够获得大致80％以上的耦合效率，入射至第二纤芯12的LP01模的光作为LP21模的光向第一纤芯11合波。另外，还可知耦合效率的偏振角度依存性小。
本发明所涉及的光设备欲使用多芯光纤实现可小型化的模合波分波器，能够在光通信工业中加以利用。

Claims (9)

1.一种多芯光纤，其特征在于，具备：
第一纤芯，该第一纤芯传播LP01模、LP11模以及LP21模的光；以及
第二纤芯，该第二纤芯传播LP01模的光，
所述多芯光纤设置有：
所述第一纤芯的LP21模的光的传播常数与所述第二纤芯的LP01模的光的传播常数一致的异模相互作用区间；以及
所述第一纤芯的各LP模的光的传播常数与所述第二纤芯的各LP模的光的传播常数不一致的异模非相互作用区间，
所述第一纤芯具有内侧纤芯与外侧纤芯，所述外侧纤芯无间隙地包围所述内侧纤芯、并且折射率比所述内侧纤芯高。
2.根据权利要求1所述的多芯光纤，其特征在于，
所述第二纤芯设置有两个，
在与第一线段重叠的位置配置一方的所述第二纤芯，并且在与第二线段重叠的位置配置另一方的所述第二纤芯，其中，所述第一线段从所述第一纤芯的中心延伸，所述第二线段在所述第一纤芯的中心与所述第一线段以135度相交。
3.根据权利要求1或2所述的多芯光纤，其特征在于，
还具备传播LP01模的光的第三纤芯，
在所述异模相互作用区间，所述第一纤芯的LP11模的光的传播常数与所述第三纤芯的LP01模的光的传播常数一致，
在所述异模非相互作用区间，所述第一纤芯的各LP模的光的传播常数与所述第三纤芯的各LP模的光的传播常数不一致。
4.根据权利要求3所述的多芯光纤，其特征在于，
所述第三纤芯设置有两个，
在与第三线段重叠的位置配置一方的所述第三纤芯，并且在与第四线段重叠的位置配置另一方的所述第三纤芯，其中，所述第三线段从所述第一纤芯的中心延伸，所述第四线段在所述第一纤芯的中心与所述第三线段以90度相交。
5.根据权利要求4所述的多芯光纤，其特征在于，
所述第二纤芯以及所述第三纤芯分别设置有两个，
在与第一线段重叠的位置配置一方的所述第二纤芯，并且在与第二线段重叠的位置配置另一方的所述第二纤芯，其中，所述第一线段从所述第一纤芯的中心延伸，所述第二线段在所述第一纤芯的中心与所述第一线段以135度相交，
在与第三线段重叠的位置配置一方的所述第三纤芯，并且在与第四线段重叠的位置配置另一方的所述第三纤芯，其中，所述第三线段从所述第一纤芯的中心延伸，所述第四线段在所述第一纤芯的中心与所述第三线段以90度相交，
所述第一线段与所述第三线段在第一纤芯的中心以67.5度相交，
所述第二线段与所述第四线段在第一纤芯的中心以67.5度相交。
6.根据权利要求1所述的多芯光纤，其特征在于，
还具备传播LP01模的光的第三纤芯，
所述第一纤芯、所述第二纤芯以及所述第三纤芯以所述第一纤芯配置于所述第二纤芯与所述第三纤芯之间的方式配置于在一条直线上重叠的位置。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的多芯光纤，其特征在于，
所述第一纤芯位于包层的中心。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的多芯光纤，其特征在于，
所述异模相互作用区间是通过所述异模非相互作用区间的一部分被拉伸而形成的。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的多芯光纤，其特征在于，
使用波长带域内的在各个纤芯传播的光的LP模的数量在所述异模相互作用区间与所述异模非相互作用区间不变化。
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