JP2016139021A - 光ファイバ及び光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】群遅延差の低減と空間利用効率の両立を図ることができる光ファイバ及び光通信システムを提供する。【解決手段】光ファイバ１０では、２個以上のコアが配置された異種コアマルチコアファイバにおける、光ファイバ中を伝搬するモード間の群遅延差が±４５０ｐｓ／ｋｍ以下となる様にコア間隔距離Ｄとコア構造を制御する。また、光通信システムでは、光ファイバ１０、およびそれを伝送路に用いる。【選択図】図１２

Description

本発明は、光ファイバ及び光通信システムに関する。

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

マルチコアファイバを用いた伝送においては、コア間のクロストークが生じると信号品質が劣化する。そのため、クロストークを抑圧するためにコア間を一定以上離さなければならない。一般には、光通信システムで十分な伝送品質を担保するためには、パワーペナルティを１ｄＢ以下にすることが望ましく、そのためには非特許文献１または４に記載の通りクロストークは−２６ｄＢ以下としなければならない。例えば、−２７ｄＢや−３０ｄＢとしなければならない。

一方で、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）技術を用いると受信端においてクロストークを補償することが可能である。そのため、マルチコアファイバのコア間距離を小さくし、クロストークが−２６ｄＢを超える場合であっても信号処理によってパワーペナルティを１ｄＢ未満とすることができ、空間利用効率を向上させることができる。しかしながら、ＭＩＭＯ技術を適用する場合、伝送路中で発生する複数の信号光間の群遅延差（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄａｌ ｇｒｏｕｐ Ｄｅｌａｙ：ＤＭＤ）が大きいと、信号処理の増大を招く。

一般に、非特許文献２に記載の通り、同一コアを伝搬する複数のモード間の群遅延差は光ファイバの屈折率分布を制御することで低減することが可能であり、そのような屈折率分布を有するコアを、コア間クロストークが発生しないよう配置することで空間利用効率の向上を図ることができる。

一方で、コア間のクロストーク量と群遅延差の関係については、後述の通り、コア間距離Ｄの減少によって群遅延差が増加することがわかっている。単一モードコアの場合は、コア間距離Ｄとモードフィールド半径Ｗの比であるＤ／Ｗが３．８以上、多モードコアの場合は、Ｄ／Ｗが４．１以上となるよう設計することが示されている。つまり、コア間クロストークを許容したとしても、コア間の群遅延差を増加させないようにするためにはコア間距離Ｄの下限が存在し、マルチコアファイバでの空間利用効率の向上には限界があることがわかっている。

Ｈ． Ｔａｋａｒａ ｅｔ ａｌ．， "１．０１−Ｐｂ／ｓ （１２ ＳＤＭ／２２２ ＷＤＭ／４５６ Ｇｂ／ｓ） Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ−ｍａｎａｇｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｗｉｔｈ ９１．４−ｂ／ｓ／Ｈｚ Ａｇｇｒｅｇａｔｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，" ｉｎ ＥＣＯＣ２０１２， ｐａｐｅｒ Ｔｈ．３．Ｃ．１ （２０１２）． Ｔ． Ｓａｋａｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．， "Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｅｌａｙ Ｍａｎａｇｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ ｆｏｒ ＷＤＭ−ＭＩＭＯ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉ−Ｓｔｅｐ Ｉｎｄｅｘ Ｆｉｂｅｒ，" Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ． ｖｏｌ． ３０， ｐｐ． ２７８３−２７８７ （２０１２）． Ｙ． Ｓａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ．， "Ｌａｒｇｅ−ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ−ａｒｅａ ｕｎｃｏｕｐｌｅｄ ｆｅｗ−ｍｏｄｅ ｍｕｌｔｉ−ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ，" ＥＣＯＣ２０１２， ｐａｐｅｒ Ｔｕ．１．Ｆ．３ （２０１２）． Ｔ． Ｏｈａｒａ ｅｔ ａｌ．， "Ｏｖｅｒ−１０００−Ｃｈａｎｎｅｌ Ｕｌｔｒａｄｅｎｓｅ ＷＤＭ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｗｉｔｈ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ Ｍｕｌｔｉｃａｒｒｉｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ，" ＩＥＥＥ Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ． ２４， ｐｐ．２３１１−２３１７ （２００６）． Ｆ． Ｆｅｒｒｅｉｒａ ｅｔ ａｌ．， "Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｆｅｗ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒｓ Ｗｉｔｈ Ａｒｂｉｔｒａｒｙ ａｎｄ Ｆｌａｔｔｅｎｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｅｌａｙ，" ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．２５， ｐｐ４３８−４４１ （２０１３）． Ｍ． Ｔａｙｌｏｒ， " Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｕｓｉｎｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，" ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ／Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ （ＣＤ） （Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ， ２００６）， ｐａｐｅｒ ＣＴｈＢ１．

本発明は、群遅延差の低減と空間利用効率の両立を図ることができる光ファイバ及び光通信システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の光ファイバでは、２個以上のコアが配置された異種コアマルチコアファイバにおける、光ファイバ中を伝搬するモード間の群遅延差が±４５０ｐｓ／ｋｍ以下となる様にコア間隔距離とコア構造を制御する。また、本発明の光通信システムでは、本願発明に係る光ファイバ、およびそれを伝送路に用いる。

具体的には、本発明に係る光ファイバは、クラッド内に２以上のコアが配置され、伝送する伝搬モードが２以上である光ファイバであって、前記２以上のコアのうち、隣接して配置されるコアのコア構造が互いに異なる。

本発明に係る光ファイバでは、前記コア構造は、コア半径であってもよい。

本発明に係る光ファイバでは、前記２以上のコアのうちの隣接して配置されるコアのコア半径差δａが０．６μｍ以下であり、前記２以上のコアのうち隣接して配置されるコア間距離Ｄとモードフィールド半径Ｗの比であるＤ／Ｗが、コア半径差δａをｘとしたときに、式（２）で規定されるＬａ≦Ｄ／Ｗであってもよい。

本発明に係る光ファイバでは、前記２以上のコアのうちの隣接して配置されるコアのコア半径差δａが０．６μｍ以上かつ１．０μｍ以下であり、前記Ｄ／Ｗが、δａをｘとしたときに、式（４）で規定されるＨａ≧Ｄ／Ｗであってもよい。

本発明に係る光ファイバでは、前記コア構造は、コア半径又は前記クラッドに対する比屈折率差であってもよい。

本発明に係る光ファイバでは、前記２以上のコアのうちの隣接して配置されるコアのコア比屈折率差δΔが０．０８％以下であり、前記２以上のコアのうちの隣接して配置されるコア間距離Ｄとモードフィールド半径Ｗの比であるＤ／Ｗが、δΔをｘとしたときに、式（５）で規定されるＬΔ≦Ｄ／Ｗであってもよい。

本発明に係る光ファイバでは、前記２以上のコアのうちの隣接して配置されるコアのコア比屈折率差δΔが０．０８％以上であり、前記Ｄ／Ｗが、δΔをｘとしたときに、式（７）で規定されるＨΔ≧Ｄ／Ｗであってもよい。

具体的には、本発明に係る光通信システムでは、光通信信号を送信する光送信機と、前記光通信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する請求項１から８のいずれかに記載の光ファイバとを備える。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明によれば、群遅延差の低減と空間利用効率の両立を図ることができる光ファイバ及び光通信システムを提供することができる。

本発明に関連するマルチコアファイバの断面図の一例を示す。 本発明に関連するマルチコアファイバでのコア半径に対する基本モードのモードフィールド直径２Ｗの変化の一例を示す。 本発明に関連するマルチコアファイバでのコア半径ａに対する群遅延差の変化の一例を示す。 本発明に関連するマルチコアファイバにおけるコアの屈折率分布の第１例を示す。 本発明に関連するマルチコアファイバにおけるコアの屈折率分布の第２例を示す。 本発明に関連するマルチコアファイバにおける同一コアを伝搬するＬＰ０１−ＬＰ１１モード間の群遅延差の一例を示す。 本発明に関連するマルチコアファイバにおける、Ｄ／Ｗに対する群遅延差及びクロストークの一例を示す。 本発明に関連するマルチコアファイバにおける、偶モードと奇モードの第１例を示す。 本発明に関連するマルチコアファイバにおける、偶モードと奇モードの第２例を示す。 本発明に関連するマルチコアファイバにおける、Ｄ／Ｗに対する群遅延差及びクロストークの第３例を示す。 本発明に関連するマルチコアファイバにおける、コア間距離を変化させたときのモード結合係数に対するコア間の群遅延差の一例を示す。 実施形態１に係るマルチコアファイバの断面図の一例を示す。 実施形態１に係るマルチコアファイバにおける、コア半径差δａを変化させたときのＤ／Ｗに対するコア間の群遅延差の一例を示す。 実施形態１に係るマルチコアファイバにおける、コア比屈折率差δΔを変化させたときのＤ／Ｗに対するコア間の群遅延差の一例を示す。 実施形態１に係るマルチコアファイバにおける、コア間の群遅延差が＋４５０ｐｓ／ｋｍ、０ｐｓ／ｋｍ及び−４５０ｐｓ／ｋｍを実現するコア半径差δａ及びＤ／Ｗの組合せの一例示す。 実施形態１に係るマルチコアファイバにおける、コア間の群遅延差が＋４５０ｐｓ／ｋｍ、０ｐｓ／ｋｍ及び−４５０ｐｓ／ｋｍの場合におけるコア比屈折率差δΔ及びＤ／Ｗの組合せの一例を示す。 実施形態１に係るマルチコアファイバにおける、コア間の群遅延差の測定結果の一例を示す。 実施形態１の別形態に係るマルチコアファイバの断面図の一例を示す。 実施形態２に係る光ファイバ伝送システム構成の一例を示す。 実施形態２に係る光ファイバ伝送システムにおいて、等化器にＦＩＲフィルタを用いた場合の等化器の構成の一例を示す。

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。

図１は、本発明に関連するマルチコアファイバの断面図である。図１に示すマルチコアファイバ１０は、屈折率がｎ１である領域を有するコア１１と、屈折率がｎ２の領域を有するクラッド１２と、を備え、ｎ１＞ｎ２である。

図１の構造において、ｎ１＞ｎ２の条件は、各領域の材料を純石英ガラス、またはゲルマニウム（Ｇｅ）やアルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）などの屈折率を増加させる不純物や、フッ素（Ｆ）、ボロン（Ｂ）などの屈折率を低減させる不純物を添加した石英ガラスを用いることで実現できる。また、コア１１の中心間の距離であるコア間距離をＤとする。

マルチコアファイバ１０においては、各コア１１に異なる信号光を伝搬させ、並列伝送が可能であるが、コア間距離Ｄが近いと、異なるコア１１を伝搬する信号光がクロストークし、信号劣化の要因となってしまう。コア間で信号劣化の要因となるクロストークを抑えるために、例えばコア間距離Ｄを３７μｍ程度としている（例えば、非特許文献１参照。）。一方で、各コア１１が複数の伝搬モードを有するマルチコアマルチモードファイバでは、同一コアに複数の伝搬モードが存在することから、ファイバ一本当たりでの並列伝送可能なチャネル数が増加するが、高次モード間のクロストークが基本モード間のクロストークより大きいため、４４μｍ以上のより大きなコア間距離Ｄが必要となってしまうため、単位面積当たりのコア数が低下してしまう（例えば、非特許文献３参照。）。

図２に、比屈折率差Δ＝０．３５％としたときの、ステップインデックスファイバのコア半径ａに対する基本モードのモードフィールド直径２Ｗ（ｍｏｄｅ ｆｉｅｌｄ ｄｉａｍｅｔｅｒ：ＭＦＤ）の変化を計算した結果を示す。現在、ＩＴＵ−Ｔのファイバ勧告Ｇ．６５２では、ＭＦＤのトレランスが±０．４μｍ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が±０．６μｍ以下の範囲で変化することがわかる。

図３に、コア半径ａに対する群遅延差の関係の一例を示す。群遅延差は、コア半径ａが４．５μｍの時の群遅延時間を基準とした。先ほどのコア半径ａの変動幅±０．６μｍを想定すると、複数のコアを伝搬するモード間の群遅延差は、少なくとも±４５０ｐｓ／ｋｍの範囲で変化し得ることがわかる。なお、非特許文献５においては、典型的なコア半径の製造誤差は±０．２５μｍと記載されており、これを用いると群遅延差は±３００ｐｓ／ｋｍの範囲で変化し得ることになる。

コア１１ごとに伝搬するモードが２以上である場合、コア１１間の同一ＬＰモード間の群遅延差が小さいことに加え、同一コア１１を伝搬する基本モードと高次モードの群遅延差についても小さくなければならない。このため、コア１１の屈折率分布を、図４に示すグレーデッドインデックス（ｇｒａｄｅｄ ｉｎｄｅｘ：ＧＩ）型又は図５に示す階段型屈折率分布とすることが必要である。

たとえば、同一コア１１を伝搬するＬＰ０１−ＬＰ１１モード間の群遅延差の変化を計算したものを図６に示す。計算においては、コア１１の屈折率分布をＧＩとし、コア半径ａを９．０μｍとし、比屈折率差Δを０．４％とし、波長を１５５０ｎｍとした。図６に示すように、α値が大きくなると、群遅延差も大きくなる。

なお、α値と屈折率分布の関係については、ｎ（ｒ）をコア１１の中心から半径方向の位置ｒにおける屈折率、ｎ_１をコア１１の中心の屈折率としたとき、コア半径ａより小さい領域の屈折率分布が式（１）を満たすことである。

また、同一コア１１を伝搬するモード間の群遅延差の計算には有限要素法を用いている。本構造ではＬＰ０１モードとＬＰ１１モードが伝搬し、αを変化させることで、同一コア１１を伝搬するＬＰ０１とＬＰ１１モード間の群遅延差を正負に制御でき、αを適切に制御することで、群遅延差を小さくすることができる。

図７は、単一モードコアが２つクラッド内に存在する光ファイバにおいて、Ｄ／Ｗに対するファイバ内のモードの波長１５５０ｎｍにおける群遅延差（実線）及びクロストーク（破線）を示したものである。それぞれのコアは、ａ＝４．５μｍ、比屈折率差Δ＝０．３５％のステップ型であり、単一コア時では１モードが伝搬する構造である。コア間距離Ｄが小さくなる、つまりＤ／Ｗが小さくなると、各コア１１を伝搬するモードが互いに影響を及ぼし、各モードの群速度が異なってくる。そのため、もともとあったＬＰモードとは異なる図８及び図９に示すような偶モードと奇モードと呼ばれる２つの結合モードが発生する。図８及び図９では、一例として、コア間距離Ｄが２０μｍの場合を示す。

偶モードと奇モードの群速度は、コア１１が近づけば近づくほど異なってくるため、同一ＬＰモードであってもモード間の群遅延差が大きくなり、Ｄ／Ｗを３．８以上としなければ、群遅延差を４５０ｐｓ以下に制御することができず、より好ましくはＤ／Ｗを４．１以上とすると群遅延差を３００ｐｓ／ｋｍ以下とすることができる。一方で、クロストークを抑圧する設計ではクロストークを−２６ｄＢ以下とするために、Ｄ／Ｗを８．５より大きくしなければならないが、本発明においては、Ｄ／Ｗを８．５以下とすることができる。

図１０は、２つのモードが伝搬するコアが２つクラッド内に存在する光ファイバにおいて、コア間距離Ｄに対するファイバ内のＬＰ０１とＬＰ１１モードの波長１５５０ｎｍにおける最大群遅延差（実線）およびクロストーク（破線）を示したものである。なお、最大群遅延差は、２つのコアに導波するＬＰ０１とＬＰ１１モードの計４つのモード間で群遅延差が最大となるモード間の群遅延差である。それぞれのコアは、ａ＝９μｍ、比屈折率差Δ＝０．４％、α＝２．８５であり、単一コア時ではモード間の群遅延差が小さくなる構造である。

図１０のように、２つのモードが伝搬するコアが２つクラッド内に存在する光ファイバにおいても、コア間距離Ｄが小さくなる、つまりＤ／Ｗが小さくなると各コアを伝搬するモード間の群遅延差が大きくなる。しかし、前述の通り、Ｄ／Ｗを４．１以上としなければ、群遅延差を４５０ｐｓ以下に制御することができず、より好ましくはＤ／Ｗを４．３以上とすると群遅延差を３００ｐｓ／ｋｍ以下とすることができる。なお、このような領域においては、コア間クロストークが−２６ｄＢ／ｋｍより大きく、ＭＩＭＯ技術を用いて受信端においてクロストークを補償する必要がある。

図１１に、ａ＝４．５μｍ、Δ＝０．３５％の場合で、コア間距離Ｄを変化させたときのモード結合係数に対するコア間の群遅延差の変化の計算結果の一例を示す。実線はａ＝４．５μｍかつ比屈折率差Δ＝０．３５％の場合を示し、破線はａ＝４．５μｍ、かつ比屈折率差Δ＝０．３０％の場合を示す。モード結合係数はコア間距離Ｄを変化させることによって変化させた。実線と破線が重なっていることから、コア構造が変わった場合においても、モード結合係数に対する群遅延差変化特性は変わらないことが分かる。群遅延差を４５０ｐｓ以下とするためには、モード結合係数を４０ｍ^−１以下としなければならないことがわかる。

本実施形態に係る発明は、上記のコア間距離Ｄの制限を異種コア構造によって解決する。図１２に、本実施形態に係るマルチコアファイバ１０の断面図を示す。本実施形態に係るマルチコアファイバ１０は、屈折率がｎ１１−１であるコア１１−１と、屈折率がｎ１１−２であるコア１１−２と、屈折率がｎ２のクラッド１２とを備える。コア１１−１の半径はａ１であり、コア１１−２の半径はａ２である。

本実施形態に係る発明では、コア１１の比屈折率差Δがコア１１−１と１１−２で異なっているか、コア半径ａ１とコア半径ａ２が異なっている。コア１１の比屈折率差Δがコア１１−１と１１−２で異なり、さらにコア半径ａ１とコア半径ａ２が異なっていてもよい。

（実施形態１）
まず、ステップインデックス光ファイバを用いた場合の解析結果に基づいて説明する。図１３に、コア半径差δａを変化させたときのＤ／Ｗに対するコア間の群遅延差の一例を示す。コア半径差δａは、コア半径ａ１とコア半径ａ２の差分である。一つのコア１１−１の構造をコア半径ａ１＝４．５μｍとした時に、他方のコア１１−２のコア半径ａ２とのコア半径差δａに対する群遅延差の変化を示したものである。コア１１−１及び１１−２の比屈折率差Δは０．３５％とした。４５０ｐｓ以上とするためには、コア半径が同じ構造ではＤ／Ｗ＜３．８である必要があった（図７参照）。しかし、コア半径を変化させ、異種コア構造とすることで、Ｄ／Ｗ＜３．８であっても、群遅延差を４５０ｐｓ以下としうる構造が存在することがわかる。

図１４は、コア比屈折率差δΔを変化させたときのＤ／Ｗに対するコア間の群遅延差の一例を示す。コア比屈折率差δΔは、コア１１−１の比屈折率差Δ１とコア１１−２の比屈折率差Δ２との差分である。一つのコア１１−１の構造をａ１＝４．５μｍ、比屈折率差Δ１＝０．３５％とした時に、他方のコアのΔ２との差分であるコア比屈折率差δΔに対する群遅延差の変化を示したものである。先ほど説明した図１３と同様に、異種コア構造をとることで、群遅延差を４５０ｐｓ以下としうることがわかる。

図１５に、コア間の群遅延差が＋４５０ｐｓ／ｋｍ、０ｐｓ／ｋｍ及び−４５０ｐｓ／ｋｍを実現するコア半径差δａ及びＤ／Ｗの組合せの一例示す。Ｌ１０１は群遅延差が＋４５０ｐｓ／ｋｍのときを示し、Ｌ１０２は０ｐｓ／ｋｍのときを示し、Ｌ１０３は群遅延差が−４５０ｐｓ／ｋｍのときを示す。結果からわかるとおり、Ｄ／Ｗが３．８以下の領域においても、コア半径差δａを調整することで、群遅延差の絶対値が４５０ｐｓ／ｋｍ以下となるよう設計できることがわかる。具体的には、Ｌ１０１よりＤ／Ｗが大きく、かつＬ１０３よりＤ／Ｗが小さい領域に含まれるコア半径差δａ及びＤ／Ｗの組み合わせを用いればよい。

ここで、Ｌ１０１、Ｌ１０２及びＬ１０３の近似曲線は、ｘ＝δａとして、それぞれ、以下の式（２）、式（３）、式（４）で表すことができる。

つまり、コア半径差δａが与えられた場合は、式（２）＜Ｄ／Ｗ＜式（４）となるようにＤ／Ｗを決定すればよい。なお、式（３）を満たすＤ／Ｗを用いることで、群遅延差が０ｐｓ／ｋｍとなるため、好ましい。

図１６に、コア間の群遅延差が＋４５０ｐｓ／ｋｍ、０ｐｓ／ｋｍ及び−４５０ｐｓ／ｋｍの場合におけるコア比屈折率差δΔ及びＤ／Ｗの組合せの一例を示す。Ｌ１１１は群遅延差が＋４５０ｐｓ／ｋｍのときを示し、Ｌ１１２は０ｐｓ／ｋｍのときを示し、Ｌ１１３は群遅延差が−４５０ｐｓ／ｋｍのときを示す。図１６に示した結果からわかるとおり、Ｄ／Ｗが３．８以下の領域においても、コア比屈折率差δΔを調整することで、群遅延差の絶対値が４５０ｐｓ／ｋｍ以下となるよう設計できることがわかる。具体的には、Ｌ１１１よりＤ／Ｗが大きく、かつＬ１１３よりＤ／Ｗが小さい領域に含まれるコア比屈折率差δΔ及びＤ／Ｗの組み合わせを用いればよい。

ここで、Ｌ１１１、Ｌ１１２及びＬ１１３の近似曲線は、ｘ＝δΔとして、それぞれ、以下の式（５）、式（６）、式（７）で表すことができる。

つまり、コア比屈折率差δΔが与えられた場合は、式（５）＜Ｄ／Ｗ＜式（７）となるようにＤ／Ｗを決定すればよい。なお、式（６）を満たすＤ／Ｗを用いることで、群遅延差が０ｐｓ／ｋｍとなるため、好ましい。

これらの特性は、高次モードに対しても同様であり、各コア１１−１及び１１−２が多モード動作する場合は、前述した２モード動作におけるコア間距離制限であるＤ／Ｗ＞４．１に対し、異種コア構造を適用することで、Ｄ／Ｗ＜４．１以下であっても群遅延差を４５０ｐｓ以下とすることが可能である。

なお、ステップインデックス光ファイバの導波構造は、コア半径ａ、比屈折率差Δ、コア１１の屈折率ｎ１および波長λを用いて規定される規格化周波数

によって記述でき、ＷとＶの関係は以下のＭａｒｃｕｓｅの式で推定できる。

さらに、任意の屈折率分布に対する規格化周波数Ｔは、屈折率分布によって決まる定数Ａによって、

で与えられる。

この規格化周波数Ｔを用いることで任意の屈折率分布を等価的にステップインデックス光ファイバに置換することができる。よって、上述のＤ／Ｗの構造条件は、任意の屈折率分布の光ファイバにおいても適用できる。

図１７に、２コアファイバのコア間の群遅延差の測定結果の一例を示す。点は、コア半径差δａが０．２３μｍのときの測定結果を示す。実線は、それぞれ、コア半径差δａが０μｍ、０．０４μｍ、０．１μｍ及び０．２３μｍのときの計算値を示す。設計コア構造は、コア半径ａ＝４．５μｍ、比屈折率差Δ＝０．３５％であり、コア間距離が２０μｍとした。図１７に示した通り、実験値はコア半径差δａ＝０．２３μｍのときの計算値とよく合致している。このことから、コア半径差δａを０．２３μｍとした異種コア構造を採用することで、これまでに示した計算結果のとおり、コア半径差δａ＝０μｍである同種コア構造の場合と比較して大きく群遅延差の低減が実現できていることがわかる。

図１２では、２つのコア１１が配置されている例を示したが、本発明はこれに限定されない。図１８に、本実施形態の別形態に係るマルチコアファイバ５０の断面図を示す。別形態に係るマルチコアファイバ５０は、７つのコア１１−１〜１１−７と、クラッド１２を備える。図１８に示したマルチコアファイバ５０は７個のコアを有するが、マルチコアファイバ５０が有するコアの数は任意である。マルチコアファイバ５０は、隣接して配置されるコア１１のコア構造が互いに異なる。例えば、コア１１−１、コア１１−２、コア１１−７のコア構造は互いに異なり、コア１１−３、コア１１−４、コア１１−７のコア構造は互いに異なる。隣接して配置されていないコア１１のコア構造は同じであってもよい。たとえば、コア１１−１のコア構造と、コア１１−５のコア構造は同じであってもよい。コア構造が異なる場合、コア半径ａのみが異なっていても良いし、比屈折率Δのみが異なっていてもよいし、コア半径ａ及び比屈折率Δの両方が異なっていてもよい。

例えば、コア１１−１〜コア１１−７のコア半径ａをそれぞれａ１〜ａ７とすると、ａ１、ａ３及びａ５は等しく、ａ２、ａ４及びａ６は等しく、ａ１、ａ２及びａ７が異なる構成であってもよい。また、コア１１−１〜コア１１−７の屈折率をそれぞれｎ１１−１〜ｎ１１−７とすると、ｎ１１−１、ｎ１１−３及びｎ１１−５は等しく、ｎ１１−２、ｎ１１−４及びｎ１１−６は等しく、ｎ１１−１、ｎ１１−２及びｎ１１−７が異なる構成であってもよい。そして、ａ１、ａ３及びａ５は等しく、ａ２、ａ４及びａ６は等しく、ａ１、ａ２及びａ７が異なり、ｎ１１−１〜ｎ１１−６のそれぞれは等しく、ｎ１１−１とｎ１１−７が異なる構成であってもよい。

このような構成を採用することで、マルチコアファイバ１０と同じように、コア間の群遅延差を低減することができる。その際、コア１１−１〜コア１１−７におけるＤ／Ｗ、コア半径差δａ、コア比屈折率差δΔは、本実施形態で示した範囲で設定すればよい。そのため、マルチコアファイバ５０は、コア間の群遅延差を低減するとともに、光ファイバに係る空間利用効率を向上させることができる。

本実施形態では、コア間距離Ｄをコア１１の中心間の距離としたが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、コア間距離Ｄは、最小コア間隔であるコア１１の外周間の距離であってもよい。

（実施形態２）
図１９に、本実施形態に係る光ファイバ伝送システム構成の一例を示す。本実施形態に係る光ファイバ伝送システムは、ＭＩＭＯ技術を用いて信号を送受信する。具体的には、本実施形態に係る光ファイバ伝送システムは、送信機２１と、モード合波器２２と、マルチコア合波器２３と、マルチコアファイバ１０と、マルチコア分波器３１と、モード分波器３２と、受信機３３と、等化器３４を備える。本実施形態では、モード合波器２２及びモード分波器３２がＤ個であり、送信機２１がＤ×Ｂ個であり、受信機３３がＤ×Ｃ個でありマルチコアファイバ１０にマルチコアマルチモードファイバを用いる場合について説明する。

Ｄ×Ｂ個の送信機２１から発せられる信号は、モード合波器２２においてＢ個ごとにＢ種のモードに変換し合波される。次に、マルチコア合波器２３によって、それぞれの光はＤ個のコアに結合され、マルチコアマルチモードファイバにおいてそれぞれ異なるコアを伝搬する。

マルチコアファイバ１０の出射端では、マルチコア分波器３１においてＤポートに分波され、分波されたＤ種の信号はモード分波器３２によってＣ個のポートに分波され、それぞれ受信機で受信される。その後、後段に設置された等化器３４に複数の受信機３３からのＭ個の信号を入力し、マルチコアファイバ１０で受けた信号劣化を補償する構成となる。

この時、Ｄはマルチコアファイバ１０のコア数以下の値であり、Ｂはマルチコアファイバ１０のコア１１当たり伝搬するモード数以下である。また、ＣはＢ以上の値であり、Ｍは２以上、Ｄ以下の値である。

なお、等化器３４には、ＦＩＲフィルタを用いることができる。ＦＩＲフィルタでは、モード分散、波長分散、偏波モード分散の補償も可能である。また、同一コア１１−１又は１１−２を伝搬してきた光に限らず、異なるコア１１−１又は１１−２を伝搬してきた信号についても等化器３４に入力することで、異なるコア１１−１又は１１−２を伝搬する信号間のクロストークについても補償することができる。

送信機ａからｎ番目のシンボルとして送信される信号をｘ_ａ（ｎ）、受信機ｂからｎ番目のシンボルとして受信される信号をｙ_ｂ（ｎ）、ＦＩＲフィルタ通過後にｘ_ａ（ｎ）として復元された信号をｕ_ａ（ｎ）とする。その場合には、ｘ_ａ（ｎ）＝ｕ_ａ（ｎ）である時に、誤りなく伝送できることになる。

等化器３４にＦＩＲフィルタを用いた場合の等化器３４構成例について図２０を用いて説明する。ＦＩＲフィルタは受信信号ｙ_ｂ（ｎ）の入力に対してＬ個のタップで構成され、等化器３４には、同一コア１１−１又は１１−２を伝搬した信号に加え、他のコア１１−１又は１１−２を伝搬した光についても入力され、Ｍ個の入力があるとすると全体でＭ×Ｌ個のタップが存在する。

各々のタップには遅延素子４１と受信信号の振幅と位相を制御する制御機能部４２を有し、受信信号ｙ_ｂ（ｎ）が入力されるＦＩＲフィルタのｉ番目のタップの遅延素子４１の遅延量をτ_ｉ、タップ係数をｗ_ｂ（ｉ）とする。ただし、τ_１＜τ_２＜・・・＜τ_Ｌとする。ｙ_ｂ（ｎ）の入力に対してＦＩＲフィルタ通過後の信号をｚ_ｂ（ｎ）とすると、受信信号ｕ_ａ（ｎ）はｚ_１（ｎ）〜ｚ_Ｍ（ｎ）を合成器４３で足し合わせることで得られる。

ＦＩＲフィルタは、マルチコアファイバ１０の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、マルチコアファイバ１０の中で発生する他、送信機２１からの混信、モード分散、波長分散、偏波モード分散による信号劣化を補償することができる。受信機３３において受信信号を正しく復元するためのタップ係数ｗ_ｂ（ｉ）は、適応等化アルゴリズムを用いて求めることができる。送信機２１から送信される送信信号には、データ部に加えて既知のトレーニングシンボルが付加されている。

受信信号がＦＩＲフィルタ通過した時に得られる信号は、送信信号と一致しなければならない。トレーニング信号を用いると、送信シンボルと復元後のシンボルとを比較することができ、復元誤差が小さくなるようにタップ係数を適応アルゴリズムを用いて制御する。トレーニングシンボルをすべて用いて係数を決定した後は、決定したタップ係数を用いて後段のデータ部をＦＩＲフィルタによって復元する。なお、適応等化アルゴリズムには、Ｌｅａｓｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ（ＬＭＳ）アルゴリズムやＲｅｃｕｒｓｉｖｅ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ（ＲＬＳ）アルゴリズムが利用できる。

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受信機３３を用いることが好ましい（例えば、非特許文献６参照）。

図２０に記載のＦＩＲフィルタは、光ファイバの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、ファイバの中で発生する他の送信機からの混信、モード分散、波長分散、偏波モード分散による信号劣化を補償することができる。

なお、異なるコア間でのクロストークは主に隣接コアで生じており、非隣接コア間ではクロストークが生じない場合がある。その時は、クロストークが生じていないコアを伝搬する信号を同一等化器に入力する必要はない。つまり、異コア間または同一コア内でクロストークが無い場合は、等化器３４へ入力する必要が無く、適宜クロストークの有無で等化器３４への入力信号数Ｍを決定し、タップ数を削減することができる。

本発明の光ファイバ及び光通信システムは、通信産業に適用することができる。

１０：マルチコアファイバ
１１、１１−１、１１−２、１１−３、１１−４、１１−５、１１−６、１１−７：コア
１２：クラッド
２１：送信機
２２：モード合波器
２３：マルチコア合波器
３１：マルチコア分波器
３２：モード分波器
３３：受信機
３４：等価器
４１:遅延素子
４２：制御機能部
４３：合成器
５０：マルチコアファイバ

Claims (8)

1. クラッド内に２以上のコアが配置され、伝送する伝搬モードが２以上である光ファイバであって、
   前記２以上のコアのうち、隣接して配置されるコアのコア構造が互いに異なる、
   光ファイバ。
2. 前記コア構造は、コア半径である、
   請求項１に記載の光ファイバ。
3. 前記２以上のコアのうちの隣接して配置されるコアのコア半径差δａが０．６μｍ以下であり、
   前記２以上のコアのうち隣接して配置されるコア間距離Ｄとモードフィールド半径Ｗの比であるＤ／Ｗが、コア半径差δａをｘとしたときに、Ｌａ≦Ｄ／Ｗをみたす、
   請求項２に記載の光ファイバ。
   

   
4. 前記２以上のコアのうちの隣接して配置されるコアのコア半径差δａが０．６μｍ以上かつ１．０μｍ以下であり、
   前記Ｄ／Ｗが、δａをｘとしたときに、Ｄ／Ｗ≦Ｈａをみたす、
   請求項３に記載の光ファイバ。
   

   
5. 前記コア構造は、コア半径又は前記クラッドに対する比屈折率差である、
   請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバ。
6. 前記２以上のコアのうちの隣接して配置されるコアのコア比屈折率差δΔが０．０８％以下であり、
   前記２以上のコアのうちの隣接して配置されるコア間距離Ｄとモードフィールド半径Ｗの比であるＤ／Ｗが、δΔをｘとしたときに、ＬΔ≦Ｄ／Ｗをみたす、
   請求項５に記載の光ファイバ。
   

   
7. 前記２以上のコアのうちの隣接して配置されるコアのコア比屈折率差δΔが０．０８％以上であり、
   前記Ｄ／Ｗが、δΔをｘとしたときに、Ｄ／Ｗ≦ＨΔをみたす、
   請求項６に記載の光ファイバ。
   

   
8. 光通信信号を送信する光送信機と、
   前記光通信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する請求項１から７のいずれかに記載の光ファイバと、
   を備える光通信システム。

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