JP2015138115A - Multimode optic fiber and optic communication system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マルチモード光ファイバおよび当該マルチモード光ファイバを用いた光通信システムに関する。 The present invention relates to a multimode optical fiber and an optical communication system using the multimode optical fiber.
光通信システムでは、光伝送路に用いる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。この伝送容量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ファイバを光伝送路に用いた並列伝送技術や、コア内に複数の伝搬モードが存在するマルチモード光ファイバを光伝送路に用いたモード多重伝送技術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1,2参照。)。
In an optical communication system, the transmission capacity is limited by nonlinear effects or fiber fuses generated in an optical fiber used for an optical transmission line. In order to relax this transmission capacity limitation, parallel transmission technology using a multi-core fiber having a plurality of cores in one optical fiber as an optical transmission line, or multi-mode light having a plurality of propagation modes in the core Spatial multiplexing technology such as mode multiplexing transmission technology using a fiber as an optical transmission line has been studied (for example, see Non-Patent
モード多重伝送技術を用いた光通信システムにおいては、光伝送路中でモード間クロストークが発生することから、無線での大容量化技術であるMulti−input multi−output(MIMO)技術を応用し、クロストークを補償する試みが行われている。 In an optical communication system using a mode multiplex transmission technique, crosstalk occurs between modes in an optical transmission line. Therefore, a multi-input multi-output (MIMO) technique, which is a large capacity wireless technique, is applied. Attempts have been made to compensate for crosstalk.
MIMO技術を用いた光通信システムでは、光受信機での信号の復元の際に、ディジタル処理によりモード間クロストークを補償する。しかし、モード間の群遅延差(DMD:Differential Mode group Delay)が大きくなると、信号の復元に必要なディジタル処理が複雑になる。このため、MIMO技術を用いた光通信システムでは、伝送距離が十数kmに制限されている。そこで、図1に示すような、DMDが正の光ファイバ(pDMDF)とDMDが負の光ファイバ(nDMDF)とを組み合わせる光伝送路が提案されている(例えば、非特許文献2参照。)。非特許文献2の光伝送路は、pDMDFで発生したDMDをnDMDFで補償し、nDMDFで発生したDMDをpDMDFで補償することによって、光伝送路におけるDMDを補償する。
In an optical communication system using the MIMO technique, inter-mode crosstalk is compensated by digital processing when a signal is restored in an optical receiver. However, when the group delay difference (DMD: Differential Mode group Delay) between modes becomes large, digital processing necessary for signal restoration becomes complicated. For this reason, in the optical communication system using the MIMO technology, the transmission distance is limited to ten and several kilometers. Therefore, an optical transmission line that combines an optical fiber with positive DMD (pDMDF) and an optical fiber with negative DMD (nDMDF) as shown in FIG. 1 has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 2). The optical transmission line of Non-Patent
しかしながら、非特許文献2の光伝送路では、2種の光ファイバのDMDの絶対値はそれほど大きく異なっておらず、DMDを補償するためには2種の光ファイバが同等の長さであることが必要となる。これにより、非特許文献2の光伝送路は、異なる種類の光ファイバを混在させなければならず、ケーブルの製造やDMDの調整、運用管理面の観点から好ましくない。
However, in the optical transmission line of Non-Patent
そこで、波長分散補償伝送路において用いられている分散補償モジュールのように中継装置にDMD補償モジュールを設置し、光伝送路中のDMDを集中的に補償する方法が考えられる。しかしながら、DMDの符号が異なり、絶対値が大きなDMDを補償することの可能な光ファイバはこれまで報告されていない。このため、伝送スパン全長で累積した大きなDMDを補償することの可能なDMD補償モジュールが構成できず、集中的なDMDを補償可能な光通信システムが構築できないという課題があった。 Therefore, a method of concentrating the DMD in the optical transmission path by installing a DMD compensation module in the repeater like the dispersion compensation module used in the chromatic dispersion compensation transmission path can be considered. However, no optical fiber capable of compensating for DMD having a different DMD sign and a large absolute value has been reported so far. For this reason, a DMD compensation module capable of compensating for a large DMD accumulated over the entire transmission span length cannot be configured, and there is a problem that an optical communication system capable of compensating concentrated DMD cannot be constructed.
本発明は、DMDの符号が異なり、かつ絶対値が大きなDMDを補償することを可能にする光ファイバを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an optical fiber that can compensate for DMDs having different DMD signs and large absolute values.
発明者らは、センターコアとリングコアを有し、かつ伝搬モードが2以上のマルチモード光ファイバにおいて、高次モードのみにおいてセンターコアとリングコアとを結合させることによって、DMDの符号が異なり、かつ絶対値が大きなDMDを補償することが可能になることを発見した。 The inventors have a multi-mode optical fiber having a center core and a ring core and having a propagation mode of 2 or more, and by combining the center core and the ring core only in a higher order mode, the DMD has a different sign and is absolutely It has been found that it is possible to compensate for large DMD values.
具体的には、本発明に係るマルチモード光ファイバは、
光ファイバの中心に配置され、基本モード及び高次モードを伝搬するセンターコアと、
前記センターコアの周囲に配置され、高次モードを伝搬するリングコアと、
を備え、
定められた波長において、前記センターコアの高次モードの実行屈折率と前記リングコアの高次モードの実行屈折率が略等しく、
前記センターコアを伝搬する基本モードの群遅延と前記リングコアを伝搬する高次モードの群遅延の差分が、定められた群遅延差である。
Specifically, the multimode optical fiber according to the present invention is:
A center core disposed in the center of the optical fiber and propagating the fundamental mode and higher order mode;
A ring core disposed around the center core and propagating higher order modes;
With
At a defined wavelength, the effective refractive index of the higher order mode of the center core and the effective refractive index of the higher order mode of the ring core are substantially equal,
The difference between the group delay of the basic mode propagating through the center core and the group delay of the higher-order mode propagating through the ring core is a determined group delay difference.
本発明に係るマルチモード光ファイバでは、
前記センターコアのコア半径及び比屈折率差から算出される規格化周波数が2.40以上3.83以下であり、
前記定められた群遅延差は、−7.85ns/km以下であってもよい。
In the multimode optical fiber according to the present invention,
The normalized frequency calculated from the core radius and relative refractive index difference of the center core is 2.40 or more and 3.83 or less,
The predetermined group delay difference may be −7.85 ns / km or less.
本発明に係るマルチモード光ファイバでは、前記定められた波長における前記差分の波長に対する微分係数が負であってもよい。 In the multimode optical fiber according to the present invention, the differential coefficient with respect to the difference wavelength at the predetermined wavelength may be negative.
具体的には、本発明に係る光通信システムは、
2モードのモード多重光信号を送信する光送信機と、
前記モード多重光信号を受信する光受信機と、
前記光送信機と前記光受信機との間を接続し、前記2モード間の群遅延差の波長に対する微分係数が正である光ファイバと、
前記光ファイバと前記光受信機の間に挿入され、前記光ファイバにおける前記群遅延差を補償する本発明に係るマルチモード光ファイバと、
を備える。
Specifically, the optical communication system according to the present invention is:
An optical transmitter for transmitting a mode multiplexed optical signal of two modes;
An optical receiver for receiving the mode multiplexed optical signal;
An optical fiber connected between the optical transmitter and the optical receiver, wherein the differential coefficient with respect to the wavelength of the group delay difference between the two modes is positive;
A multimode optical fiber according to the present invention, inserted between the optical fiber and the optical receiver, to compensate for the group delay difference in the optical fiber;
Is provided.
具体的には、本発明に係る光通信システムは、
2モードのモード多重光信号を送信する光送信機と、
前記モード多重光信号を受信する光受信機と、
前記光送信機と前記光受信機との間を接続し、前記2モード間の群遅延差の波長に対する微分係数が負の光ファイバと、
前記光ファイバと前記光受信機の間に挿入され、前記光ファイバで生じた前記群遅延差の正負を反転させるモード変換器と、
前記モード変換器と前記光受信機の間に挿入され、前記モード変換器で反転させた前記光ファイバにおける前記群遅延差を補償する本発明に係るマルチモード光ファイバと、
を備える。
Specifically, the optical communication system according to the present invention is:
An optical transmitter for transmitting a mode multiplexed optical signal of two modes;
An optical receiver for receiving the mode multiplexed optical signal;
An optical fiber that connects between the optical transmitter and the optical receiver and has a negative differential coefficient with respect to the wavelength of the group delay difference between the two modes;
A mode converter inserted between the optical fiber and the optical receiver and inverting the sign of the group delay difference generated in the optical fiber;
A multimode optical fiber according to the present invention for compensating for the group delay difference in the optical fiber inserted between the mode converter and the optical receiver and inverted by the mode converter;
Is provided.
具体的には、本発明に係るマルチモード光ファイバの設計方法は、
光ファイバの中心に配置されるセンターコア及び前記センターコアの周囲に配置されるリングコアを備えるマルチモード光ファイバの設計方法であって、
前記センターコアが基本モード及び高次モードの2モードを伝搬するように、前記センターコアのコア半径及び比屈折率差を求めるセンターコア調整手順と、
前記センターコアと前記リングコアがそれぞれ単独に存在しているときの前記センターコアの基本モードの群遅延及び前記リングコアの高次モードの群遅延を算出し、前記センターコアの群遅延と前記リングコアの群遅延の差分が定められた群遅延差を満足するように、前記センターコア及び前記リングコアのコア半径及び比屈折率差を求める群遅延差調整手順と、
前記センターコアの高次モードの実行屈折率と前記リングコアの高次モードの実行屈折率が定められた波長において略等しくなるように、前記リングコアの屈折率を調整するリングコア調整手順と、
を順に有する。
Specifically, the design method of the multimode optical fiber according to the present invention is:
A multimode optical fiber design method comprising a center core disposed in the center of an optical fiber and a ring core disposed around the center core,
A center core adjustment procedure for obtaining a core radius and a relative refractive index difference of the center core so that the center core propagates two modes of a fundamental mode and a higher-order mode;
Calculating the group delay of the fundamental mode of the center core and the group delay of the higher order mode of the ring core when the center core and the ring core are present independently, respectively, and the group delay of the center core and the group of the ring cores A group delay difference adjustment procedure for obtaining a core radius and a relative refractive index difference of the center core and the ring core so that a delay difference satisfies a set group delay difference;
A ring core adjustment procedure for adjusting the refractive index of the ring core so that the effective refractive index of the higher order mode of the center core and the effective refractive index of the higher order mode of the ring core are substantially equal at a predetermined wavelength;
In order.
本発明に係るマルチモード光ファイバの設計方法では、
前記センターコア調整手順において、前記センターコアのコア半径と比屈折率差から算出される規格化周波数が使用波長において2.40以上3.83以下になるように、センターコアのコア半径及び比屈折率差を求め、
前記群遅延差調整手順において、前記定められた群遅延差が−7.85ns/km以下になるように、前記センターコア及び前記リングコアのコア半径及び比屈折率差を求めてもよい。
In the design method of the multimode optical fiber according to the present invention,
In the center core adjustment procedure, the core radius and relative refraction of the center core are set such that the normalized frequency calculated from the core radius and relative refractive index difference of the center core is 2.40 or more and 3.83 or less at the used wavelength. Find the rate difference,
In the group delay difference adjustment procedure, a core radius and a relative refractive index difference between the center core and the ring core may be obtained so that the determined group delay difference is −7.85 ns / km or less.
本発明のマルチモード光ファイバは、DMDの符号が異なり、かつ絶対値が大きなDMDを補償することがきできる。このため、本発明に係るマルチモード光ファイバは、集中的なDMDを補償可能なDMD補償システムを構築することができる。 The multimode optical fiber of the present invention can compensate for DMDs having different DMD signs and large absolute values. Therefore, the multimode optical fiber according to the present invention can construct a DMD compensation system capable of compensating concentrated DMD.
また、光伝送路に配置される中継装置に本発明に係るマルチモード光ファイバを用いることで、正のDMDを有する光ファイバ(pDMDF)のみで光伝送路を構成しても、光伝送路におけるDMDを補償することができる。このため、本発明のマルチモード光ファイバは、光通信システムにおける運用効率の改善、およびDMD補償の調整を容易にすることができる。 In addition, by using the multimode optical fiber according to the present invention for the repeater arranged in the optical transmission line, even if the optical transmission line is configured only by an optical fiber having positive DMD (pDMDF), the optical transmission line DMD can be compensated. For this reason, the multimode optical fiber of the present invention can facilitate the improvement of the operation efficiency in the optical communication system and the adjustment of the DMD compensation.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to embodiment shown below. These embodiments are merely examples, and the present invention can be implemented in various modifications and improvements based on the knowledge of those skilled in the art. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.
本実施形態に係る発明は、センターコアとリングコアとを備えた群遅延補償光ファイバにおいて、各コアが単独で存在すると仮定した場合のセンターコアにおけるLP01モードの群遅延とリングコアにおけるLP11モードの群遅延との差分が所望のDMDを満足するように、それぞれのコア半径と比屈折率差とが設定され、かつ、使用波長範囲内でセンターコアのLP11モードの実効屈折率とリングコアのLP11モードの実効屈折率とが一致するように、設定された比屈折率差を保ちつつ両コア間の屈折率(レベル)の差が設定されている。定められた波長において、センターコアの基本モードの実行屈折率とリングコアの基本モードの実行屈折率は異なる。以下、図面を参照して発明の実施の形態を説明する。 The invention according to this embodiment is a group delay compensating optical fiber including a center core and a ring core, and the group delay of the LP01 mode in the center core and the group delay of the LP11 mode in the ring core when each core is assumed to exist alone. The core radius and the relative refractive index difference are set so that the difference between them and the desired DMD satisfies the desired DMD, and the effective refractive index of the LP11 mode of the center core and the effective of the LP11 mode of the ring core are set within the usable wavelength range. The difference in refractive index (level) between both cores is set while maintaining the set relative refractive index difference so that the refractive index matches. At the determined wavelength, the effective refractive index of the fundamental mode of the center core is different from the effective refractive index of the fundamental mode of the ring core. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施形態1)
図2はステップインデックスファイバの屈折率分布の一例である。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2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。例えば、非特許文献3に記載の2モードファイバ(コア半径a=7μm、比屈折率差Δ=0.4%)では、伝搬モードが2つとなり、DMDは2ns/km程度となる。
(Embodiment 1)
FIG. 2 is an example of a refractive index profile of a step index fiber. There are a core region having a refractive index of n1 and a cladding region of n2, and n1> n2. In the structure of FIG. 2, the condition of n1> n2 is that the material of each region is pure quartz glass, germanium (Ge), aluminum (Al), phosphorus (P), or other impurities that increase the refractive index, or fluorine (F). It can be realized by using quartz glass to which impurities such as boron (B) are added to reduce the refractive index. For example, in the two-mode fiber described in Non-Patent Document 3 (core radius a = 7 μm, relative refractive index difference Δ = 0.4%), there are two propagation modes and the DMD is about 2 ns / km.
DMDを小さくするために、図3に記載のグレーデッド型の屈折率分布が有効である。なお、コアの形状については、αパラメータを用いて以下の式(1)で求められる。
例えば、非特許文献4に記載の通り、コア半径a=11.8μm、比屈折率差Δ=0.36%、α=2.3とすると、2モードが伝搬し、波長1550nmにおけるDMDが0となる。しかしながら、光ファイバの製造誤差により厳密にはDMDを0にすることはできない。
For example, as described in
光伝送路中で発生するDMDの最悪値を把握するために、製造誤差を定量的に評価する必要がある。図4に比屈折率差Δ=0.35%としたときの、コア半径に対する基本モードのモードフィールド半径Wの変化を計算した結果を示す。現在、ITU−Tのシングルモードファイバ勧告G.652では、MFDのトレランスが±0.6μmと規定されており、一般的な単一モード光ファイバの半径a=4.5μmを基準とすると、少なくともコア半径aが±0.8μm以下の範囲で変化することがわかる。MFDのトレランスが±0.4μmの場合はコア半径a=±0.6μm以下の範囲で変化する。 In order to grasp the worst value of DMD generated in the optical transmission line, it is necessary to quantitatively evaluate the manufacturing error. FIG. 4 shows the result of calculating the change in the mode field radius W of the fundamental mode with respect to the core radius when the relative refractive index difference Δ = 0.35%. Currently, ITU-T single mode fiber recommendation G.I. 652, the tolerance of MFD is defined as ± 0.6 μm, and when the radius a = 4.5 μm of a general single mode optical fiber is used as a reference, at least the core radius a is within a range of ± 0.8 μm or less. You can see that it changes. When the tolerance of MFD is ± 0.4 μm, the core radius changes within a range of ± 0.6 μm or less.
2モードを伝送可能でありかつDMDの低い光ファイバとして、図3に示す屈折率分布を有する2モードグレーデッド型屈折率分布ファイバが例示できる(例えば、非特許文献4参照)。非特許文献4に記載の2モードグレーデッド型屈折率分布ファイバをターゲットとし、比屈折率差Δ=0.36%、コア半径11.8μm、α=2.3である場合のコア半径変化に対するDMDの変化を図5に示す。
As an optical fiber capable of transmitting two modes and having a low DMD, a two-mode graded-type refractive index distribution fiber having a refractive index distribution shown in FIG. 3 can be exemplified (for example, see Non-Patent Document 4). Targeting the two-mode graded graded index fiber described in
図5では、光伝送路において、製造誤差を考慮しても必ず正のDMDが得られるようにするために、コア半径aの下限を11.8μmとしている。コア半径aのずれが±0.6μm以下である場合はDMD<150ps/kmとなり、コア半径aのずれが±0.8μm以下である場合はDMD<220ps/kmとなる。図5に示すグラフより、DMD=0の光ファイバをターゲットとして製造しても、DMDは最大220ps/kmとなり得ることがわかる。 In FIG. 5, in the optical transmission line, the lower limit of the core radius a is set to 11.8 μm in order to always obtain a positive DMD even in consideration of manufacturing errors. When the deviation of the core radius a is ± 0.6 μm or less, DMD <150 ps / km, and when the deviation of the core radius a is ± 0.8 μm or less, DMD <220 ps / km. From the graph shown in FIG. 5, it can be seen that the DMD can be up to 220 ps / km even when an optical fiber with DMD = 0 is manufactured as a target.
上記のDMDを低減するために、負のDMDを有する光ファイバ(nDMDF)を接続してDMDを補償する方法が提案されている。一般的には、正のDMDを有する光ファイバ(pDMDF)のDMDがτp(ps/km)であり、長さをLp(km)とすると、nDMDFのDMDがτnであるならば、式(2)を満たすようにnDMDFの長さをLnとすれば、受信端での累積DMD値を0とすることができる。
しかしながら、非特許文献2に記載の通り、現状ではpDMDFとnDMDFのDMDの絶対値は大きく異ならないことから、Lpと同等のLnが必要となり、光伝送路中にpDMDFとnDMDFを混在させなければならない。これでは、pDMDFを内蔵するケーブルとnDMDFを内蔵するケーブルの2種が光伝送路中で混在することになり、管理運用が煩雑となってしまう。また、長さの調整が光伝送路中では難しいため、LpとLnの調整がしにくいという問題がある。
However, as described in
上記の問題を解決するためには、波長分散補償伝送路において用いられている分散補償モジュールのように、中継装置にDMDを補償するためのDMD補償モジュールを設置し、光伝送路中のDMDを補償する方法が考えられる。これにより、光伝送路では単一のファイバ種のみで構成することができ、ケーブルの製造及び管理がしやすく、かつ中継装置内のDMD補償モジュールのファイバ長を変化させるだけで、累積DMDの調整が可能であり、DMD補償の調整がしやすいという利点がある。 In order to solve the above problem, a DMD compensation module for compensating DMD is installed in the repeater like the dispersion compensation module used in the chromatic dispersion compensation transmission line, and the DMD in the optical transmission line is changed. A method of compensating can be considered. As a result, the optical transmission line can be configured with only a single fiber type, and it is easy to manufacture and manage the cable, and it is possible to adjust the cumulative DMD only by changing the fiber length of the DMD compensation module in the repeater. There is an advantage that DMD compensation can be easily adjusted.
非特許文献5及び非特許文献6に記載の通り、典型的なスパン長が50〜100kmであることを前提とすると、光伝送路中で発生する累積DMDは220ps/km×50〜100kmすなわち11〜22nsとなる。スパン毎に存在する中継装置に設置するDMD補償モジュールの光ファイバによって累積DMD値を補償するためには、−11〜−22nsの累積DMD値を実現すればよい。しかしながら、大きな累積DMD値を補償するためにはnDMDFの長さを大きくしなければならず、それだけ中継装置間を伝搬するファイバ長が長くなり、伝送損失が増えてしまう。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、nDMDFの設置により受けるパワーペナルティを1dB以下とする必要がある。
As described in
nDMDFの設置による過剰損失により発生するパワーペナルティ(OSNRの劣化量)を見積もるために、非特許文献5に記載の以下の性能指数(FOM)の式を用いる。
ここで、Aeffは光ファイバの実効断面積、αdBは光ファイバの損失、Laはスパン長、Leffは下記の式(4)で求められる実効長である。
光ファイバの損失をαdB(dB/m)とすると式(5)の関係が成立する。
G.652に記載の損失の上限値0.4dB/kmを基準システムの光ファイバの損失値とし、スパン長100kmとし、それに対するOSNRの劣化を1dB以下に抑えるために許容される過剰損失を求めると、1.12dBとなり、すなわちnDMDFの設置による過剰損失を1.12dB以下としなければならないことになる。nDMDFの損失を同様に0.4dB/kmとすると、Lnは2.8km以下としなければならないことになる。つまり、光伝送路で生じる最大累積DMD値22nsを補償するためには、−22ns/2.8km=−7.85ns/kmのnDMDFが必要となってくる。 G. When the upper limit of loss of 0.4 dB / km described in 652 is set as the loss value of the optical fiber of the reference system, the span length is set to 100 km, and the excess loss allowed to suppress the OSNR degradation to 1 dB or less is calculated. 1.12 dB, that is, the excess loss due to the installation of nDMDF must be 1.12 dB or less. Similarly, if the loss of nDMDF is 0.4 dB / km, L n must be 2.8 km or less. That is, in order to compensate for the maximum accumulated DMD value 22 ns generated in the optical transmission line, an nDMDF of −22 ns / 2.8 km = −7.85 ns / km is required.
一方で、スパン長50kmとした場合の光通信システムとし、それに対するOSNRの劣化を1dB以下に抑えるために許容される過剰損失を求めると、1.25dBとなり、すなわちnDMDFの設置による過剰損失を1.25dB以下としなければならないことになる。nDMDFの損失を同様に0.4dB/kmとすると、Lnは3.125km以下としなければならないことになる。つまり、光伝送路で生じる最大累積DMD値11nsを補償するためには、−11ns/3.125km=−3.5ns/kmのnDMDFが必要となってくる。 On the other hand, when the optical communication system in the case of a span length of 50 km is used and the excess loss allowed to suppress the OSNR degradation to 1 dB or less is obtained, it is 1.25 dB, that is, the excess loss due to the installation of nDMDF is 1 .25 dB or less. When the loss of nDMDF similarly as 0.4dB / km, L n would have to be less 3.125Km. That is, in order to compensate for the maximum accumulated DMD value 11 ns generated in the optical transmission line, nDMDF of −11 ns / 3.125 km = −3.5 ns / km is required.
DMDについては、α値を調整することで変化させることができる。図6は、コア半径a=11.8μm、比屈折率差Δ=0.36%とした時の、αに対するDMD変化を計算したものである。αを小さくすることでDMDを小さくすることができ、α=1とした場合で−3.2ns/km程度である。スパン長が50kmの光通信システムにおいては、中継装置に−3.5ns/km以下のDMDが必要であるが、α≦1の光ファイバは報告されておらず、作製が困難であると考えられ、図3の屈折率分布を有する光ファイバでは中継装置においてDMDをパワーペナルティ1dB以下で補償することができない。また、スパン長は最大100kmまで考慮すべきであり、その場合、中継装置に−7.85ns/km以下のDMDが必要であるが、同様に本発明に関連するクレーデッド型ファイバでは対応できない。つまり、スパン長が50〜100kmの現状の光通信システムに対して関連技術では対応できないことがわかる。 The DMD can be changed by adjusting the α value. FIG. 6 shows the change in DMD with respect to α when the core radius a = 11.8 μm and the relative refractive index difference Δ = 0.36%. By reducing α, DMD can be reduced, and when α = 1, it is about −3.2 ns / km. In an optical communication system with a span length of 50 km, a DMD of −3.5 ns / km or less is required for a repeater, but an optical fiber with α ≦ 1 has not been reported and is considered difficult to manufacture. In the optical fiber having the refractive index profile shown in FIG. 3, the DMD cannot be compensated with a power penalty of 1 dB or less in the repeater. The span length should be considered up to a maximum of 100 km. In that case, a DMD of −7.85 ns / km or less is required for the repeater, but the crazed type fiber related to the present invention cannot cope with it. That is, it can be seen that the related art cannot cope with the current optical communication system having a span length of 50 to 100 km.
また、光伝送路をnDMDFとし、DMD補償モジュールに用いる光ファイバをpDMDFとする構成も考えられるが、αを大きくし、DMDを大きくしたとしても1ns/km程度となり、累積DMDを完全に補償することができない。また、非特許文献3に記載の通り、ステップ型ファイバを用いても2ns/km程度なので、同様に累積DMDを補償することができない。
In addition, a configuration in which the optical transmission line is nDMDF and the optical fiber used for the DMD compensation module is pDMDF is conceivable, but even if α is increased and DMD is increased, it becomes about 1 ns / km, and the accumulated DMD is completely compensated. I can't. Further, as described in
そこで、本実施形態では、DMD補償モジュールに用いる光ファイバとして、図7に示す屈折率分布を有するマルチモード光ファイバを用いる。本実施形態に係るマルチモード光ファイバは、センターコアおよびリングコアを有している。半径0以上a1以下の位置にセンターコアが形成され、半径a2以上a3以下の位置にリングコアが形成される。 Therefore, in this embodiment, a multimode optical fiber having a refractive index distribution shown in FIG. 7 is used as an optical fiber used for the DMD compensation module. The multimode optical fiber according to the present embodiment has a center core and a ring core. A center core is formed at a position with a radius of 0 or more and a 1 or less, and a ring core is formed at a position with a radius of a 2 or more and a 3 or less.
例えば、a1=3μm、a2=4μm、a3=7μm、Δ1=1.2%、Δ2=−0.4%、Δ3=0.2%とした場合のDMDの計算結果を図8に示す。DMDは一般的な波長範囲1530nm〜1625nmにおいて−15ns/km以下を実現できていることがわかる。このように非常に大きなDMDの絶対値を実現できるのは、センターコアからリングコアに電界が遷移し、モードの特性が変化する為であり、センターコアとリングコアを伝搬するモード間の結合によるものと説明できる(例えば非特許文献7参照。)。 For example, the calculation results of DMD when a 1 = 3 μm, a 2 = 4 μm, a 3 = 7 μm, Δ 1 = 1.2%, Δ 2 = −0.4%, Δ 3 = 0.2% As shown in FIG. It can be seen that DMD can realize −15 ns / km or less in a general wavelength range of 1530 nm to 1625 nm. The extremely large absolute value of DMD can be realized because the electric field transitions from the center core to the ring core and the mode characteristics change. This is due to the coupling between the modes propagating through the center core and the ring core. Can be explained (for example, see Non-Patent Document 7).
非特許文献7では、基本モードの分散値を制御するために基本モードがリングコアのモードに結合するよう調整している。これに対して本実施形態のマルチモード光ファイバは、伝搬モードを2とし、基本モードと高次モードの間のDMDを大きくするために、高次モードのみがリングコアに結合するよう調整し、結合波長λ0の前後で基本モードと高次モード間のDMDを大きく変化させている。
In
図8のDMDの波長特性の波長範囲を拡大すると、図9のように、結合波長λ0の前後で基本モードと高次モード間のDMDが大きく減少する特性となる。本実施形態のマルチモード光ファイバは、図10に示すとおり、波長に対するDMDの傾きが最小となる波長が結合波長λ0となる。この結合波長λ0において最もDMDが波長に対して変化しており、DMDの波長に対する傾きすなわち微分係数は負となる。つまり、本実施形態のマルチモード光ファイバは、DMDスロープが負である。このため、本実施形態のマルチモード光ファイバは、光伝送路に敷設される光ファイバにDMDスロープが正であるpDMDFを用いることで、光伝送路におけるDMDスロープを補償することができる。また、本実施形態のマルチモード光ファイバは、図8のDMDの波長特性の波長範囲において図9に示すような特性を得ることができるため、広波長域でDMDの補償が実現できる。したがって、本実施形態のマルチモード光ファイバは、WDM伝送を行う光通信システムにおいて、各波長の信号で必要となるディジタル処理量を一括で低減することができる。 When the wavelength range of the wavelength characteristics of the DMD in FIG. 8 is expanded, as shown in FIG. 9, the DMD between the fundamental mode and the higher-order mode greatly decreases before and after the coupling wavelength λ 0 . In the multimode optical fiber according to the present embodiment, as shown in FIG. 10, the wavelength at which the slope of the DMD with respect to the wavelength is the minimum is the coupling wavelength λ 0 . At this coupling wavelength λ 0 , the DMD changes most with respect to the wavelength, and the slope of the DMD with respect to the wavelength, that is, the differential coefficient is negative. That is, the multimode optical fiber of this embodiment has a negative DMD slope. For this reason, the multimode optical fiber of the present embodiment can compensate for the DMD slope in the optical transmission line by using pDMDF having a positive DMD slope in the optical fiber laid in the optical transmission line. In addition, since the multimode optical fiber according to the present embodiment can obtain the characteristics shown in FIG. 9 in the wavelength range of the wavelength characteristics of the DMD in FIG. 8, it is possible to realize DMD compensation in a wide wavelength range. Therefore, the multimode optical fiber of the present embodiment can collectively reduce the amount of digital processing required for signals of each wavelength in an optical communication system that performs WDM transmission.
なお、結合波長λ0は非特許文献7に記載の通り、コア半径や屈折率差を変化させることで制御が可能である。また、光伝送路に用いる光ファイバのDMDおよびDMDスロープの正負を各々制御するためには、非特許文献2に記載の通り、階段型屈折率分布を用いて屈折率分布の調整を行えば実現できる。
The coupling wavelength λ 0 can be controlled by changing the core radius and the refractive index difference as described in
また、nDMDFの入射端にLP01とLP11のモード変換器を設置することで、疑似的にnDMDFにおいて発生するDMDの正負を逆転することができ、これにより伝送路にnDMDFを用いることも可能となる。ここで、モード変換器は、非特許文献9に記載のような長周期グレーティング等を用いることで実現できる。 Also, by installing LP01 and LP11 mode converters at the incident end of the nDMDF, it is possible to reverse the sign of the DMD generated in the nDMDF in a pseudo manner, so that the nDMDF can be used for the transmission line. . Here, the mode converter can be realized by using a long-period grating as described in Non-Patent Document 9.
本実施形態に係るマルチモード光ファイバの設計方法を実行することで、所望の負のDMDを有するマルチモード光ファイバを実現することができる。本実施形態に係るマルチモード光ファイバの設計方法は、センターコア調整手順と、群遅延差調整手順と、リングコア調整手順と、を順に有する。 By executing the multimode optical fiber design method according to the present embodiment, a multimode optical fiber having a desired negative DMD can be realized. The multimode optical fiber design method according to the present embodiment includes a center core adjustment procedure, a group delay difference adjustment procedure, and a ring core adjustment procedure in this order.
本実施形態のセンターコアとリングコアを有するマルチモード光ファイバにおいては、図11及び図12に示すように、それぞれのコアが単独で存在した場合の光学特性から設計が可能である。つまり、センターコアにおけるLP01モードの群遅延と、リングコアのLP11モードの群遅延との差分が、両コアが存在していた場合に得られるDMDとなる。 In the multimode optical fiber having the center core and the ring core according to the present embodiment, as shown in FIGS. 11 and 12, the design can be performed from the optical characteristics when each core is present alone. That is, the difference between the group delay in the LP01 mode in the center core and the group delay in the LP11 mode in the ring core is the DMD obtained when both cores exist.
まず、センターコア調整手順を実行する。センターコアのみ存在していた場合において、伝搬モードがLP01モード及びLP11モードの2つである必要がある。そのため、本手順では、センターコアのコア半径a1と比屈折率差Δから算出される規格化周波数Vが、使用波長において2.40以上3.83以下であればよく、その範囲でa1とΔを調整する。 First, the center core adjustment procedure is executed. In the case where only the center core exists, the propagation mode needs to be the LP01 mode and the LP11 mode. Therefore, in this procedure, the normalized frequency V calculated from the core radius a 1 of the center core and the relative refractive index difference Δ may be 2.40 or more and 3.83 or less at the used wavelength, and within the range a 1 And Δ are adjusted.
規格化周波数Vは、次式で表される。
次に、群遅延差調整手順を実行する。本手順では、センターコアとリングコアがそれぞれ単独に存在しているときのモード間の群遅延時間を算出し、その差が所望のDMDを満足するよう、それぞれのコア半径及び比屈折率差を決定する。リングコアの場合は、リングコアの厚みがコア半径に相当する。例えば、図13、図14に、センターコアおよびリングコアが単独で存在した場合に、コア半径aと比屈折率差Δを変化させた時の群遅延を示す。図14では、a2=4μmの場合のa3−a2をリングコアのコア半径aとした。また図13及び図14における群遅延の単位はns/kmである。コア半径aと比屈折率差Δを制御することで群遅延が変化することがわかる。また、それらを制御することで、DMDを−7.85ns/km以下とする構造も明らかにすることができる。 Next, a group delay difference adjustment procedure is executed. In this procedure, the group delay time between modes when the center core and the ring core exist independently is calculated, and the core radius and relative refractive index difference are determined so that the difference satisfies the desired DMD. To do. In the case of a ring core, the thickness of the ring core corresponds to the core radius. For example, FIGS. 13 and 14 show the group delay when the core radius a and the relative refractive index difference Δ are changed when the center core and the ring core exist alone. In FIG. 14, a 3 −a 2 in the case of a 2 = 4 μm is defined as the core radius a of the ring core. The unit of group delay in FIGS. 13 and 14 is ns / km. It can be seen that the group delay is changed by controlling the core radius a and the relative refractive index difference Δ. Moreover, the structure which makes DMD -7.85ns / km or less can also be clarified by controlling them.
センターコアとリングコアがともに存在している構造において、上記のDMDを実現させるためには、高次モードのみセンターコアからリングコアに結合させる必要がある。そこで、リングコア調整手順を実行する。本手順では、センターコアのLP11モードの実効屈折率と、リングコアのLP11モードの実効屈折率が一致する波長においてモード結合が発生するため、適宜実効屈折率を変化させ、結合波長を制御する。これにより、定められた結合波長における高次モードに対するセンターコアとリングコアの実行屈折率を略等しくさせる。このとき、図15に示すように、Δ2を適用し、0レベルを変化させることによって群遅延差調整手順で求めた図14に示すリングコアの屈折率レベル全体を変化させることで、結合波長が制御可能である。 In a structure in which both a center core and a ring core exist, in order to realize the above DMD, only the higher order mode needs to be coupled from the center core to the ring core. Therefore, the ring core adjustment procedure is executed. In this procedure, mode coupling occurs at a wavelength where the effective refractive index of the LP11 mode of the center core and the effective refractive index of the LP11 mode of the ring core coincide with each other. Therefore, the effective refractive index is appropriately changed to control the coupling wavelength. Thereby, the effective refractive indexes of the center core and the ring core with respect to the higher order mode at the determined coupling wavelength are made substantially equal. At this time, as shown in FIG. 15, by applying Δ 2 and changing the 0 level, the entire refractive index level of the ring core shown in FIG. It can be controlled.
なお、図7におけるΔ1とは式(7)の関係となる。
(数7)
Δ0=Δ1+Δ2 (7)
Incidentally, a relationship of Equation (7) is a delta 1 in FIG.
(Equation 7)
Δ 0 = Δ 1 + Δ 2 (7)
例えば、a1=3μm、a2=4μm、a3=7μm、Δ0=1.2%、Δ3=0.4%とした時、Δ2の変化に対するDMDの変化を示したものを図16に示す。DMDの最小値は大きく変化せず、結合波長のみ制御できていることがわかる。
このような手順で設計することで、所望のDMDを有するマルチモード光ファイバが設計できる。
For example, when a 1 = 3 μm, a 2 = 4 μm, a 3 = 7 μm, Δ 0 = 1.2%, Δ 3 = 0.4%, a diagram showing changes in DMD with respect to changes in Δ 2 is shown in FIG. 16 shows. It can be seen that the minimum value of DMD does not change greatly and only the coupling wavelength can be controlled.
By designing in such a procedure, a multimode optical fiber having a desired DMD can be designed.
(実施形態2)
図17は、本実施形態に係る光通信システムの概略図である。N個の光送信機91から発せられるN種の光信号は合波器92において合波される。合波された信号光は、光伝送路93に入射され、出射側に設置された分波器94においてMポートに分波される。分波されたM種の信号はM個の光受信機95で受信され、後段に設置されたFIRフィルタ96において光伝送路93で受けた信号劣化を補償する構成となる。
(Embodiment 2)
FIG. 17 is a schematic diagram of an optical communication system according to the present embodiment. N types of optical signals emitted from the N
ここで、本構成はN入力M出力のMIMO伝送であり、N種の信号の並列伝送が可能である。例えば、光伝送路93は、多モード光ファイバであり、少なくとも2モードがモード多重されたモード多重光信号を伝送する。モード多重を行う構成は、光送信機91であってもよいし、合波器92であってもよい。またモード分離を行う構成は、分波器94であってもよいし、光受信機95であってもよい。なお、FIRフィルタ96では、モード分散、波長分散、偏波分散の補償も可能である。
Here, this configuration is N-input M-output MIMO transmission, and N types of signals can be transmitted in parallel. For example, the
また、受信信号の電界振幅・位相情報を取得するためには、局発光源、90°ハイブリッド、バランスレシーバ、アナログデジタルコンバータ、計算器で構成される光受信機95を用いればよい(例えば、非特許文献8参照)。
In order to acquire the electric field amplitude / phase information of the received signal, an
FIRフィルタ96は、光伝送路93中で発生する線形歪を補償することができ、タップの遅延量・係数を適切に設定することで、光伝送路93中で発生する他の光送信機91からの混信、モード分散、波長分散、偏波分散による信号劣化を補償することができる。ただし、モード分散の場合、高次モードとのDMDが大きくなると、補償に必要な計算量が膨大になるため、DMDを小さくする必要がある。
The
そこで、関連発明は、光伝送路93に、図1に示すような光伝送路を用いる。図1に示す光伝送路は、群遅延差が正であるpDMDFと群遅延差が負であるnDMDFとが交互に配置され、伝搬に従って変化する群遅延差を補償し、光受信機95での群遅延差を小さくすることができる。しかしながら、pDMDFを内蔵するケーブルとnDMDFを内蔵するケーブルの2種が光伝送路93中で混在することになり、管理運用が煩雑となってしまう。また、長さの調整が光伝送路93中では難しいため、pDMDFの長さLpとnDMDFの長さLnの調整がしにくいという問題がある。
Therefore, the related invention uses an optical transmission line as shown in FIG. In the optical transmission line shown in FIG. 1, pDMDF having a positive group delay difference and nDMDF having a negative group delay difference are alternately arranged to compensate for a group delay difference that changes according to propagation. The group delay difference can be reduced. However, two types of cables, that is, a pDMDF built-in cable and an nDMDF built-in cable are mixed in the
本実施形態に係る光通信システムは、光伝送路93中に、図18に記載の通り、pDMDF931を敷設し、中継装置97内のDMD補償モジュールにマルチモード光ファイバ932を用いる。マルチモード光ファイバ932は、実施形態1に記載のマルチモード光ファイバであり、DMDの絶対値が7.85ns/km以上であるnDMDFである。
In the optical communication system according to the present embodiment, a
光伝送路93を構成するpDMDF931のDMDは最大でも220ps/kmである。このため、光伝送路93のスパン長が100kmのシステムであっても、光伝送路93におけるパワーペナルティを1dB以下とし、光伝送路93の累積DMD値を中継装置97に設置されるマルチモード光ファイバ932にて完全に補償することができる。
The DMD of the
これまで報告されてきた低DMDの光ファイバは、数十ps/km程度であり、例えば非特許文献4では、DMDが36ps/km以下となっている。これを基に100kmスパンで、OSNRの劣化を1dB以下に抑えるために許容される過剰損失より必要なnDMDF932のDMD値を上記と同じように求めると、光伝送路93で生じる最大累積DMD値3.6nsを補償するためには、−3.6ns/2.8km=−1.29ns/kmのnDMDFが必要となってくる。
The low DMD optical fiber reported so far is about several tens of ps / km. For example, in
このように、光ファイバの量産を踏まえた製造誤差を加味しない場合は、中継装置97に配置するマルチモード光ファイバ932の必要DMD値の絶対値は小さくてもよい。このような光通信システムにおいても、実施形態1のマルチモード光ファイバを用いることで、DMDを補償するためのファイバ長を短くすることができるため、パワーペナルティをより小さくすることができる。
As described above, when the manufacturing error based on the mass production of the optical fiber is not taken into consideration, the absolute value of the necessary DMD value of the multimode
なお、マルチモード光ファイバ932の入射端にLP01とLP11のモード変換器を設置することで、pDMDF931に代えてnDMDFを用いることも可能となる。ここで、モード変換器は、非特許文献9に記載のような長周期グレーティング等を用いることで実現できる。
It is possible to use nDMDF instead of pDMDF931 by installing a mode converter of LP01 and LP11 at the incident end of the multimode
本発明は、光MIMO伝送システムにおけるMIMOディジタル処理量の低減及び、運用効率を低減する装置及びシステムを実現することができる。 The present invention can realize an apparatus and a system for reducing the MIMO digital processing amount in the optical MIMO transmission system and reducing the operation efficiency.
91:光送信機
92:合波器
93:光伝送路
94:分波器
95:光受信機
96:FIRフィルタ
97:中継装置
931:pDMDF
932:マルチモード光ファイバ
91: Optical transmitter 92: Multiplexer 93: Optical transmission line 94: Demultiplexer 95: Optical receiver 96: FIR filter 97: Repeater 931: pDMDF
932: Multimode optical fiber
Claims (7)
前記センターコアの周囲に配置され、高次モードを伝搬するリングコアと、
を備え、
定められた波長において、前記センターコアの高次モードの実行屈折率と前記リングコアの高次モードの実行屈折率が略等しく、
前記センターコアを伝搬する基本モードの群遅延と前記リングコアを伝搬する高次モードの群遅延の差分が、定められた群遅延差であるマルチモード光ファイバ。 A center core disposed in the center of the optical fiber and propagating the fundamental mode and higher order mode;
A ring core disposed around the center core and propagating higher order modes;
With
At a defined wavelength, the effective refractive index of the higher order mode of the center core and the effective refractive index of the higher order mode of the ring core are substantially equal,
A multimode optical fiber in which a difference between a group delay of a fundamental mode propagating through the center core and a group delay of a higher-order mode propagating through the ring core is a predetermined group delay difference.
前記定められた群遅延差は、−7.85ns/km以下である
請求項1に記載のマルチモード光ファイバ。 The normalized frequency calculated from the core radius and relative refractive index difference of the center core is 2.40 or more and 3.83 or less,
The multimode optical fiber according to claim 1, wherein the determined group delay difference is −7.85 ns / km or less.
前記モード多重光信号を受信する光受信機と、
前記光送信機と前記光受信機との間を接続し、前記2モード間の群遅延差の波長に対する微分係数が正である光ファイバと、
前記光ファイバと前記光受信機の間に挿入され、前記光ファイバにおける前記群遅延差を補償する請求項1から3のいずれかに記載のマルチモード光ファイバと、
を備える光通信システム。 An optical transmitter for transmitting a mode multiplexed optical signal of two modes;
An optical receiver for receiving the mode multiplexed optical signal;
An optical fiber connected between the optical transmitter and the optical receiver, wherein the differential coefficient with respect to the wavelength of the group delay difference between the two modes is positive;
The multimode optical fiber according to any one of claims 1 to 3, wherein the multimode optical fiber is inserted between the optical fiber and the optical receiver and compensates for the group delay difference in the optical fiber.
An optical communication system comprising:
前記モード多重光信号を受信する光受信機と、
前記光送信機と前記光受信機との間を接続し、前記2モード間の群遅延差の波長に対する微分係数が負の光ファイバと、
前記光ファイバと前記光受信機の間に挿入され、前記光ファイバで生じた前記群遅延差の正負を反転させるモード変換器と、
前記モード変換器と前記光受信機の間に挿入され、前記モード変換器で反転させた前記光ファイバにおける前記群遅延差を補償する請求項1から3のいずれかに記載のマルチモード光ファイバと、
を備える光通信システム。 An optical transmitter for transmitting a mode multiplexed optical signal of two modes;
An optical receiver for receiving the mode multiplexed optical signal;
An optical fiber that connects between the optical transmitter and the optical receiver and has a negative differential coefficient with respect to the wavelength of the group delay difference between the two modes;
A mode converter inserted between the optical fiber and the optical receiver and inverting the sign of the group delay difference generated in the optical fiber;
4. The multimode optical fiber according to claim 1, wherein the multimode optical fiber is inserted between the mode converter and the optical receiver and compensates for the group delay difference in the optical fiber inverted by the mode converter. 5. ,
An optical communication system comprising:
前記センターコアが基本モード及び高次モードの2モードを伝搬するように、前記センターコアのコア半径及び比屈折率差を求めるセンターコア調整手順と、
前記センターコアと前記リングコアがそれぞれ単独に存在しているときの前記センターコアの基本モードの群遅延及び前記リングコアの高次モードの群遅延を算出し、前記センターコアの群遅延と前記リングコアの群遅延の差分が定められた群遅延差を満足するように、前記センターコア及び前記リングコアのコア半径及び比屈折率差を求める群遅延差調整手順と、
前記センターコアの高次モードの実行屈折率と前記リングコアの高次モードの実行屈折率が定められた波長において略等しくなるように、前記リングコアの屈折率を調整するリングコア調整手順と、
を順に有するマルチモード光ファイバの設計方法。 A multimode optical fiber design method comprising a center core disposed in the center of an optical fiber and a ring core disposed around the center core,
A center core adjustment procedure for obtaining a core radius and a relative refractive index difference of the center core so that the center core propagates two modes of a fundamental mode and a higher-order mode;
Calculating the group delay of the fundamental mode of the center core and the group delay of the higher order mode of the ring core when the center core and the ring core are present independently, respectively, and the group delay of the center core and the group of the ring cores A group delay difference adjustment procedure for obtaining a core radius and a relative refractive index difference of the center core and the ring core so that a delay difference satisfies a set group delay difference;
A ring core adjustment procedure for adjusting the refractive index of the ring core so that the effective refractive index of the higher order mode of the center core and the effective refractive index of the higher order mode of the ring core are substantially equal at a predetermined wavelength;
A method of designing a multimode optical fiber having the following in order:
前記群遅延差調整手順において、前記定められた群遅延差が−7.85ns/km以下になるように、前記センターコア及び前記リングコアのコア半径及び比屈折率差を求める
請求項6に記載のマルチモード光ファイバの設計方法。 In the center core adjustment procedure, the core radius and relative refraction of the center core are set such that the normalized frequency calculated from the core radius and relative refractive index difference of the center core is 2.40 or more and 3.83 or less at the used wavelength. Find the rate difference,
The core radius and relative refractive index difference of the center core and the ring core are determined so that the determined group delay difference is −7.85 ns / km or less in the group delay difference adjustment procedure. Multimode optical fiber design method.
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