JP2012063697A

JP2012063697A - 数モードファイバおよび数モードファイバの設計方法

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Publication number: JP2012063697A
Application number: JP2010209584A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Kubota; 寛和久保田; Hidehiko Takara; 秀彦高良; Toshio Morioka; 敏夫盛岡; Tadao Nakagawa; 匡夫中川; Munehiro Matsui; 宗大松井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2030-09-17
Also published as: JP5394344B2

Abstract

【課題】群遅延差（モード分散）を低減した数モードファイバの設計方法、および、その設計方法によって設計された数モードファイバを提供する。
【解決手段】本発明の数モードファイバは、コアと、該コアの周囲に設けられたクラッドとを備え、比屈折率差をΔ（％）、前記コアの半径をａ（μｍ）とした場合、Δ×ａ^２の値が所定の範囲内となるように、前記比屈折率差と前記コアの半径が設定されたことを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、数モードファイバおよび数モードファイバの設計方法に関する。

数モードファイバは、下記の式（１）で表される規格化周波数（ｖ）が２．４〜８．５の光ファイバであり、単一モードファイバよりも、コア径を拡大したものである。
規格化周波数（ｖ）を調整する方法としては、光ファイバの比屈折率差を調整する方法が挙げられる。

上記の式（１）において、ｖは規格化周波数、ａはコアの半径、λ_０は使用波長、ｎ_１はコアの屈折率、ｎ_２はクラッドの屈折率、Δは比屈折率差である。
数モードファイバは、基底モードの色分散を制御するために、その屈折率分布が、ステップインデックス型やセグメント型をなしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２５７１６５号公報

しかしながら、ステップインデックス型やセグメント型の数モードファイバでは、モード間の群遅延差（モード分散）を小さくすることが困難であった。
また、従来、イーサネット（登録商標）などの短距離伝送用に、マルチモードファイバが使用されている。ここでは、群遅延差を低減するために、屈折率分布がグレーテッドインデックス型のマルチモードファイバが用いられている。グレーテッドインデックス型マルチモードファイバは、標準的にコア半径が２５μｍまたは３１．２５μｍである。また、グレーテッドインデックス型マルチモードファイバは、そのコア半径の場合に、最低次と最高次のモード間の分散を低減する設計となっている。
また、規格化周波数（ｖ）を調整する方法としては、光ファイバの比屈折率差を調整する方法もある。
しかしながら、規格化周波数（ｖ）が２．４〜８．５の数モードファイバに関しては、群遅延差を低減するために、比屈折率差やコア半径の最適化がなされていなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、群遅延差（モード分散）を低減した数モードファイバおよび数モードファイバの設計方法を提供することを目的とする。

本発明の数モードファイバは、コアと、該コアの周囲に設けられたクラッドとを備えた数モードファイバであって、比屈折率差をΔ（％）、前記コアの半径をａ（μｍ）とした場合、Δ×ａ^２の値が所定の範囲内となるように、前記比屈折率差と前記コアの半径が設定されたことを特徴とする。

屈折率分布がｎ乗分布型（ｎ＞１）であることが好ましい。

前記比屈折率差が０．３〜０．９％、前記コアの半径が１０μｍ〜１６μｍであることが好ましい。

各モード間の群遅延時間差が０．５ｎｓ／ｋｍ以下であることが好ましい。

本発明の数モードファイバの設計方法は、コアと、該コアの周囲に設けられたクラッドとを備えた数モードファイバの設計方法であって、比屈折率差をΔ（％）、前記コアの半径をａ（μｍ）とした場合、Δ×ａ^２の値が所定の範囲内となるように、前記比屈折率差と前記コアの半径を設定することを特徴とする。

前記数モードファイバの屈折率分布をｎ乗分布型（ｎ＞１）とすることが好ましい。

前記比屈折率差を０．３〜０．９％、前記コアの半径を１０μｍ〜１６μｍとすることが好ましい。

前記比屈折率差と前記コアの半径の関係を示すグラフにおいて、前記比屈折率差が０．５％かつ前記コアの半径が１４μｍの点と、前記比屈折率差が０．４％かつ前記コアの半径が１６μｍの点とを結ぶ直線を表す式を満たすように、前記比屈折率差と前記コアの半径を設定することが好ましい。

前記数モードファイバを伝搬する各モード間の群遅延時間差を０．５ｎｓ／ｋｍ以下とすることが好ましい。

本発明の数モードファイバによれば、各モード間の群遅延時間差を低減することができる。

本発明の数モードファイバの設計方法によれば、各モード間の群遅延時間差を低減した数モードファイバを設計することができる。

比屈折率差Δ（％）とコアの半径ａ（μｍ）を変えた場合、第１モードから第４モードまでの最大群遅延時間差を示すグラフである。数モードファイバの屈折率分布をステップインデックス型にした場合、各モード間の群遅延時間差を示すグラフである。数モードファイバの屈折率分布を２乗分布型にした場合、各モード間の群遅延時間差を示すグラフである。

本発明の数モードファイバおよび数モードファイバの設計方法の実施の形態について説明する。
なお、この実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

「数モードファイバ」
本発明の数モードファイバは、石英系ガラスからなるコアと、コアの周囲に設けられ、コアよりも屈折率が低く、石英系ガラスからなるクラッドとから構成されており、比屈折率差をΔ（％）、コアの半径をａ（μｍ）とした場合、Δ×ａ^２の値が所定の範囲内となるように、比屈折率差とコアの半径が設定されたものである。

また、本発明における数モードファイバとは、規格化周波数（ｖ）が２．４〜８．５であり、特に、規格化周波数（ｖ）が２．４〜５．１のものをいう。

ここで、コア１１の屈折率をｎ_１、クラッド１２の屈折率をｎ_２とすると、比屈折率差Δは、下記の式（２）で定義される。
Δ＝（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）／（２ｎ_１ ^２）・・・（２）
石英系光ファイバは、比屈折率差が数％以下と小さく、弱導波近似が成立するため、伝搬モードをＬＰモードで表すことができる（左貝潤一、「導波光学」第６章・第７章、共立出版、２００４年参照）。

ＬＰモードは、縮退した複数のモードからなっている。なお、同じ有効屈折率をもつ複数のモード番号が存在していることを、縮退しているという。
ＬＰモードは、低次のモード、すなわち、カットオフ周波数の小さなモードから順に、ＬＰ_０１、ＬＰ_１１、ＬＰ_２１、ＬＰ_０２、ＬＰ_３１、・・・と呼ばれている。
ＬＰ_０１モードは２重に縮退し、ＬＰ_１１モードは４重に縮退し、ＬＰ_２１モードは４重に縮退し、ＬＰ_０２モードは２重に縮退し、ＬＰ_３１モードは４重に縮退している。

また、ＬＰ_{ｖ，（μ＋１）}モードに対する主モード数ｍは、下記の式（３）で定義される。
ｍ＝２μ＋ｖ＋１・・・（３）
同じｍに属するモードは伝搬定数が近く、モード間の結合が起きやすいため、同じｍに属するモードを合わせて用いることが好ましい。例えば、ＬＰ_２１モードでは、ｖ＝２、μ＝０（μ＋１＝１）であり、ＬＰ_０２モードでは、ｖ＝０、μ＝１（μ＋１＝２）であるため、ＬＰ_２１モードとＬＰ_０２モードはｍ＝３であるので、これらのモードを組み合わせて用いることが好ましい。

例えば、ＬＰ_０１モード、ＬＰ_１１モードおよびＬＰ_２１モードを使用すると、全部で１０個のモードとなるが、上述のように、ＬＰ_２１モードを使用する場合、ＬＰ_０２モードも併せて使用することが好ましい。
ゆえに、ＬＰ_０１モード、ＬＰ_１１モード、ＬＰ_２１モードおよびＬＰ_０２モードを使用した場合、モードの縮退を考えると、全部で１２個のモードが使用可能となり、通信容量を一桁増加させることができる。

さらに多くのモードを使用することも可能であるが、複雑になる一方で、各モード間の群遅延差（モード分散）を低減することが難しくなる。したがって、本発明では、複雑さと通信容量の増大のバランスから、第１モードから第４モード、すなわち、ＬＰ_０１モード、ＬＰ_１１モード、ＬＰ_２１モードおよびＬＰ_０２モードを使用することが好ましい。

ところで、各モード間の群遅延差（モード分散）をデジタル信号処理で補償する場合、ＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ、大規模集積回路）の規模を考慮すると、現在、各モード間の群遅延時間差は５ｎｓ／ｋｍ〜１０ｎｓ／ｋｍ程度が実用的である。
また、アクセスネットワークに使用可能な１０ｋｍの距離を伝送させることを考えると、５ｎｓ／ｋｍの群遅延時間差を補償可能なデジタル信号処理を適用した場合、各モード間の群遅延時間差は０．５ｎｓ／ｋｍ以下である必要がある。
また、メトロネットワークに必要な４０ｋｍの距離を伝送させることを考えると、１０ｎｓ／ｋｍの群遅延時間差を補償可能なデジタル信号処理を適用した場合、各モード間の群遅延時間差は０．２５ｎｓ／ｋｍ以下である必要がある。

本発明の数モードファイバは、比屈折率差をΔ（％）、コアの半径をａ（μｍ）とした場合、Δ×ａ^２の値が所定の範囲内となるように、比屈折率差Δ（％）とコアの半径ａ（μｍ）が設定され、各モード間の群遅延時間差が上記の範囲内にある数モードファイバである。
なお、各モードの群速度は、光ファイバのモードを数値解析することにより算出される。各モードの群速度から光ファイバを１ｋｍ伝搬するのに要する群遅延時間を求めると、その群遅延時間の差が、光ファイバ１ｋｍ当たりの各モード間の群遅延時間差となる。

図１は、比屈折率差Δ（％）とコアの半径ａ（μｍ）を変えた場合、第１モードから第４モードまでの最大群遅延時間差を示すグラフである。
図１のグラフから、Δ×ａ^２の値が所定の範囲内となるように、比屈折率差Δ（％）とコアの半径ａ（μｍ）を設定することにより、各モード間の最大群遅延時間差を変化させられることが分かる。
ここで、各モード間の最大群遅延時間差を０．５ｎｓ／ｋｍ以下とするには、比屈折率差Δを０．３〜０．９％、コアの半径ａを１０μｍ〜１６μｍとすることが好ましい。

また、図１のグラフにおいて、最大群遅延時間差が０．５ｎｓ／ｋｍ以下の領域は、コア半径ａが１０μｍ〜１６μｍの場合、Δ×ａ^２の値が、下記の式（４）の関係を満たしていることが分かる。
８０＜Δ×ａ^２＜１４０・・・（４）

また、図１のグラフから、コア半径が小さくなるにしたがって、最大群遅延時間差が徐々に大きくなっている（図１のグラフにおいて、最大群遅延時間差が左側の領域になる）ことが分かる。
特に、図１のグラフにおいて、Δ×ａ^２の値が１００付近となる領域（図１のグラフにおいて、破線で示す領域α）では、各モード間の群遅延差（モード分散）が小さくなっている。この領域αにおいて、比屈折率差Δが０．５％かつコアの半径ａが１４μｍの点Ａと、比屈折率差Δが０．４％かつコアの半径ａが１６μｍの点Ｂとが、コア半径ａを大きく、かつ、最大群遅延時間差を０．１２５ｎｓ／ｋｍ以下とできる数値の組み合わせの一例である。したがって、これら点Ａと点Ｂを結ぶ直線上にある点も、コア半径ａを大きく、かつ、最大群遅延時間差を０．１２５ｎｓ／ｋｍ以下とできる数値の組み合わせとなる。

ゆえに、コア半径ａを大きく、かつ、最大群遅延時間差を０．１２５ｎｓ／ｋｍ以下とするには、上記の点Ａと点Ｂを結ぶ直線を表す式を満たすように、比屈折率差Δ（％）とコアの半径ａ（μｍ）を設定することが好ましい。

また、数モードファイバの屈折率分布をｎ乗分布型（ｎ＞１）とすることにより、各モード間の群遅延時間差を低減することができる。
ここで、図２は、数モードファイバの屈折率分布をステップインデックス型にした場合、各モード間の群遅延時間差を示すグラフである。図３は、数モードファイバの屈折率分布を２乗分布型にした場合、各モード間の群遅延時間差を示すグラフである。
図２のグラフと、図３のグラフとを比較すると、屈折率分布を２乗分布型とすることにより、各モード間の群遅延時間差を低減することができることが分かる。
なお、図１の第１モードから第４モードまでの最大群遅延時間差を示すグラフは、数モードファイバの屈折率分布を２乗分布型にした場合を示している。

「数モードファイバの設計方法」
本発明の数モードファイバの設計方法は、コアと、このコアの周囲に設けられたクラッドとを備えた数モードファイバの設計方法であって、比屈折率差をΔ（％）、コアの半径をａ（μｍ）とした場合、Δ×ａ^２の値が所定の範囲内となるように、比屈折率差とコアの半径を設定する方法である。

本発明の数モードファイバの設計方法では、比屈折率差をΔ（％）、コアの半径をａ（μｍ）とした場合、Δ×ａ^２の値が所定の範囲内となるように、比屈折率差Δ（％）とコアの半径ａ（μｍ）を設定することにより、各モード間の群遅延時間差が上記の範囲内（段落００２８記載の範囲内）となるようにする。

上述のように、図１のグラフから、Δ×ａ^２の値が所定の範囲内となるように、比屈折率差Δ（％）とコアの半径ａ（μｍ）を設定することにより、各モード間の最大群遅延時間差を変化させられることが分かる。
ここで、各モード間の最大群遅延時間差を０．５ｎｓ／ｋｍ以下とするには、比屈折率差Δを０．３〜０．９％、コアの半径ａを１０μｍ〜１６μｍとすることが好ましい。

また、図１のグラフにおいて、最大群遅延時間差が０．５ｎｓ／ｋｍ以下の領域は、コア半径ａが１０μｍ〜１６μｍの場合、Δ×ａ^２の値が、下記の式（４）の関係を満たしている。
８０＜Δ×ａ^２＜１４０・・・（４）

また、上述のように、コア半径ａを大きく、かつ、最大群遅延時間差を０．１２５ｎｓ／ｋｍ以下とするには、図１のグラフにおいて、比屈折率差Δが０．５％かつコアの半径ａが１４μｍの点Ａと、比屈折率差Δが０．４％かつコアの半径ａが１６μｍの点Ｂとを結ぶ直線を表す式を満たすように、比屈折率差Δ（％）とコアの半径ａ（μｍ）を設定することが好ましい。

また、上述のように、数モードファイバの屈折率分布をｎ乗分布型（ｎ＞１）とすることにより、各モード間の群遅延時間差を低減することができる。

Claims

コアと、該コアの周囲に設けられたクラッドとを備えた数モードファイバであって、
比屈折率差をΔ（％）、前記コアの半径をａ（μｍ）とした場合、Δ×ａ^２の値が所定の範囲内となるように、前記比屈折率差と前記コアの半径が設定されたことを特徴とする数モードファイバ。
屈折率分布がｎ乗分布型（ｎ＞１）であることを特徴とする請求項１に記載の数モードファイバ。
前記比屈折率差が０．３〜０．９％、前記コアの半径が１０μｍ〜１６μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の数モードファイバ。
各モード間の群遅延時間差が０．５ｎｓ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の数モードファイバ。
コアと、該コアの周囲に設けられたクラッドとを備えた数モードファイバの設計方法であって、
比屈折率差をΔ（％）、前記コアの半径をａ（μｍ）とした場合、Δ×ａ^２の値が所定の範囲内となるように、前記比屈折率差と前記コアの半径を設定することを特徴とする数モードファイバの設計方法。
前記数モードファイバの屈折率分布をｎ乗分布型（ｎ＞１）とすることを特徴とする請求項５に記載の数モードファイバの設計方法。
前記比屈折率差を０．３〜０．９％、前記コアの半径を１０μｍ〜１６μｍとすることを特徴とする請求項５または６に記載の数モードファイバの設計方法。
前記比屈折率差と前記コアの半径の関係を示すグラフにおいて、前記比屈折率差が０．５％かつ前記コアの半径が１４μｍの点と、前記比屈折率差が０．４％かつ前記コアの半径が１６μｍの点とを結ぶ直線を表す式を満たすように、前記比屈折率差と前記コアの半径を設定することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の数モードファイバの設計方法。
前記数モードファイバを伝搬する各モード間の群遅延時間差を０．５ｎｓ／ｋｍ以下とすることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の数モードファイバの設計方法。