JP2017040878A - マルチコアファイバ及び光ケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】実効屈折率差及びＤＧＤを低減することが可能なマルチコアファイバ及びこれを用いた光ケーブルを提供する。【解決手段】すべてのコアにおいてシングルモード伝送が可能な３以上のコア１１と、３以上のコアの周囲を覆う共通のクラッド１２と、クラッド１２よりも屈折率が低い低屈折率部１３とを備えるマルチコアファイバ１０であって、長手方向に垂直な断面において、３以上のコアの一部又は全部からなる３以上のコアが円環状に配置された領域を有し、低屈折率部１３の少なくとも一部は、領域内において隣接した２つのコアの最小の内接円の内側に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、マルチコアファイバ及びこれを用いた光ケーブルに関する。

近年の通信トラフィックの増大に対処するため、更なる通信（伝送）容量の増大が求められている。しかし、従来の光通信に用いられるシングルモードファイバ（ＳＭＦ）を用いた光通信システムでは、容量の増大に対する限界が予想されている。その限界を超えるための技術として、空間多重の研究開発が盛んに行われている。

空間多重を実現する光ファイバとして、１つのコア内に複数のモードを伝搬させ、それぞれのモードに信号を載せることで容量の増大を図った数モードファイバ（ＦＭＦ）と、複数のコアのそれぞれに信号を載せることで容量の増大を図ったマルチコアファイバ（ＭＣＦ）とがある（ＭＣＦについては特許文献１〜６参照）。

また、ＭＣＦには、大きく分けて、各コアが独立して情報を伝送させる非結合型ＭＣＦと、各コア（のモード）が結合することによってスーパーモードを形成し、それぞれのスーパーモードに情報を伝送させる結合型ＭＣＦ（Ｃ−ＭＣＦ：Coupled Multicore fiber）との２種類がある（Ｃ−ＭＣＦについては非特許文献１〜３参照）。Ｃ−ＭＣＦは、モード多重伝送（ＭＤＭ：Mode Division Multiplexing）伝送用ファイバの一つである。

特に、数モード伝送においては、モード間群遅延時間差（ＤＧＤ：Differential Group Delay）を低減することが、ＭＩＭＯ（Multiple-input and Multiple-output）等の信号処理の負荷の削減のために重要である。Ｃ−ＭＣＦでは、スーパーモード同士の結合を強めることによってＤＧＤの低減を目指す検討が行われている（非特許文献２，３参照）。特に、Ｃ−ＭＣＦにおいて、ファイバ中のランダムな摂動によるモード間結合を利用することで、ＭＩＭＯ受信において問題となるＤＧＤを低減できることが実験的に示されたため、大きな注目を集めている（非特許文献３参照）。また、非特許文献４には、本発明者らのグループによる報告であるが、同種３コアＣ−ＭＣＦにおいて、コア中心に空孔を付加した例が記載されている。

国際公開第２０１０／０３８８６１号 特開２０１１−１５０１３３号公報 特開２０１３−４００７８号公報 特開２０１３−４１１４８号公報 国際公開第２０１３／１６１８２５号 特許第５１１７６３６号公報

C.Xia,et al.,"Supermodes for optical transmission," Optics Express, Vol.19, No.17, pp.16653-16664, 2011年． R.Ryf,et al.,"Impulse Response Analysis of Coupled-Core 3-Core Fibers," ECOC2012, Mo.1.F.4, 2012年． R.Ryf,et al.,"1705-km Transmission over Coupled-Core Fibre Supporting 6 Spatial Modes," ECOC2014, PD.3.2, 2014年． 猪狩章ら、「ベクトル有限要素法とフィールド結合理論による同種３コア結合型ファイバの伝送特性解析」、信学技報，vol.114, no.453, OPE2014-224, 2015年.

Ｃ−ＭＣＦでは、スーパーモード同士が強く結合するため、すなわち、スーパーモード同士の実効屈折率（ｎ_eff）の差（Δｎ_eff）が小さいため、ＤＧＤを低減することができる（非特許文献２参照）。しかし、従来型のＣ−ＭＣＦにおいてΔｎ_effを小さくするためには、コア間距離をある程度広げなければならない。例えば、非特許文献３では、６コアのＣ−ＭＣＦに対して、コア間距離を２８μｍとした例が報告されている。コア間距離を広げることは空間多重度の低下につながるため、コア間距離をより狭くできる構造が必要である。

加えて、非結合型ＭＣＦのコアのひとつひとつを、Ｃ−ＭＣＦ（これと同様に、相互に結合可能な２以上のコアを含む領域）とすることを想定した場合に、非結合型ＭＣＦのコア間クロストークを低減する（すなわち、非結合型ＭＣＦのコア間距離を大きくする）ためには、Ｃ−ＭＣＦのコア間距離をより狭くすることが望ましい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、従来よりコア間距離を狭くしてもＤＧＤを低減することが可能なマルチコアファイバ及びこれを用いた光ケーブルを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、すべてのコアにおいてシングルモード伝送が可能な３以上のコアと、前記３以上のコアの周囲を覆う共通のクラッドと、前記クラッドよりも屈折率が低い低屈折率部とを備え、長手方向に垂直な断面において、前記３以上のコアの一部又は全部からなる３以上のコアが円環状に配置された領域を有し、前記低屈折率部の少なくとも一部は、前記領域内において隣接した２つのコアの最小の内接円の内側に配置されていることを特徴とするマルチコアファイバを提供する。

前記マルチコアファイバが、結合型マルチコアファイバであってもよい。
前記３以上のコアが円環状に配置された領域を２以上有し、前記領域の少なくとも１つが前記低屈折率部を有し、前記領域内において前記３以上のコアが結合型であってもよい。
前記低屈折率部が、空孔であってもよい。

また、本発明は、前記マルチコアファイバを少なくとも一部に有する光ケーブルを提供する。

本発明によれば、スーパーモード間の実効屈折率差（Δｎ_eff）を小さくすることができるので、コア間距離を狭くしてもＤＧＤを抑制することができる。また、コア間距離が等しい条件では、ＤＧＤをより低減することができる。

本発明のマルチコアファイバの一例を示す断面図である。 ６コアＣ−ＭＣＦのフィールド分布のうち、（ａ）は１次スーパーモード、（ｂ）は６次スーパーモードを例示する模式図（図面代用写真）である。 空孔付加型６コアＣ−ＭＣＦにおけるΔｎ_effの空孔半径依存性の一例を示すグラフである。 空孔付加型６コアＣ−ＭＣＦにおけるＤＧＤの空孔半径依存性の一例を示すグラフである。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、空孔付加型６コアＣ−ＭＣＦの断面図である。図１は空孔（低屈折率部１３）を付加したマルチコアファイバ１０を示す。図１に示すように、コア１１の半径をａ、コア間距離（コア中心間距離）をΛ、低屈折率部１３の半径をｒとする。また、コア１１の屈折率をｎ_core、クラッド１２の屈折率をｎ_cladとする。コア１１の屈折率ｎ_coreは、クラッド１２の屈折率ｎ_cladより大きい。また、図１において、コア１１と低屈折率部１３との中心間距離は、Λ／２である。

すべてのコア１１は、伝送帯域においてシングルモード伝送が可能である。クラッド１２は、３以上のコア１１の周囲を覆う共通のクラッドである。３以上のコア１１は、同種のコアから構成されている。各コア単体の実効屈折率は同程度が好ましい。低屈折率部１３は、クラッド１２よりも屈折率が低い媒質から構成されている。低屈折率部１３を構成する媒質は、固体でも液体でも気体でもよい。低屈折率部１３が固体の場合は、ロッド状の部材をクラッドに挿入することで構成することができる。低屈折率部１３が流体（液体、気体）である場合は、クラッド１２の空孔として構成することができる。空孔内の気体が空気でもよく、ＭＣＦの外気が空孔内に導入されてもよい。空孔内が真空であってもよい。

マルチコアファイバ１０の長手方向に垂直な断面において、３以上のコア１１が、円環状に配置されている。６コアＣ−ＭＣＦは、６つのコアを有する。図２に、６コアＣ−ＭＣＦのフィールド分布を例示する。６コアＣ−ＭＣＦでは、各コアがシングルモード動作する場合には、６つのスーパーモードが存在する。そのうち、図２（ａ）は１次スーパーモード（１ｓｔ）を示し、図２（ｂ）は６次スーパーモード（６ｔｈ）を示す。基本（１次）スーパーモードでは、６つのコアの電界が同符号であるのに対し、高次（２〜６次）スーパーモードでは、コア間に電界（フィールド）の符号が反転する節が形成される。６次スーパーモードでは、隣接する２つのコア間のそれぞれに節が形成される。これらの中で、基本スーパーモードの実効屈折率ｎ_effが最も高く、高次スーパーモードのｎ_effは基本スーパーモードのｎ_effより低い。

１次スーパーモードは、隣接コア間と偶対称のフィールド分布を有するのに対して、６次スーパーモードは、隣接コア間と奇対称のフィールド分布を有する。すなわち、６次スーパーモードは、隣接コア間の領域において、１次スーパーモードよりもパワーの局在が少ない。そこで、６次スーパーモードのパワーに比べて１次スーパーモードのパワーが局在している領域に低屈折率部を設けると、６次スーパーモードのｎ_effに比べて、１次スーパーモードのｎ_effが大きく低下する。これにより、スーパーモード間のｎ_effの差Δｎ_effが小さくなり、スーパーモード間の結合を強めることができる。その結果として、低屈折率部を有しないＣ−ＭＣＦと同程度のＤＧＤを得ようとした場合に、コア間距離をより小さくして、空間多重度を向上することができる。また、低屈折率部を有しないＣ−ＭＣＦと同程度のコア間距離を設けた場合には、ＤＧＤをより低減することができる。ＭＣＦのＤＧＤとしては、例えば５００ｐｓ／ｋｍ以下、さらには２００ｐｓ／ｋｍ以下が好ましい。
ここでは、６コアＣ−ＭＣＦの１次スーパーモードと最高次（６次）スーパーモードとの関係について述べたが、３コア以上のＭＣＦの場合も同様である。円環に含まれるコア数が、３以上の奇数（３，５，７，・・・）でも、４以上の偶数（４，６，８，・・・）でもよい。また、最高次でない高次スーパーモード（６コアの場合は、２〜５次）においても、隣接コア間に奇対称のフィールド分布を有する箇所が存在するため、２次以上のスーパーモードに対して効果が得られる。

低屈折率部の少なくとも一部が、円環状に配置された複数のコアのうち、隣接した２つのコアの最小の内接円の内側に配置されていることが好ましい。ここで、最小の内接円とは、２つの領域（コア）間の最短距離を直径とする円である。図１の場合、各内接円は半径が（Λ／２）−ａの円である。低屈折率部が、前記内接円の中心を含むことが好ましい。低屈折率部の全部が、前記内接円の内側に配置されてもよい。低屈折率部の中心が、前記内接円の中心と一致してもよい。低屈折率部は、コアに接しないことが好ましく、クラッドが低屈折率部の周囲を覆うことが好ましい。低屈折率部の半径ｒは、隣接した２つのコアの最小の内接円の半径である（Λ／２）−ａより小さいことが好ましい。円環状に配置されたすべてのコア（外周）について、コア間距離Λが一定でない場合、隣接した２つのコア毎に半径が異なる内接円が設定されてもよい。

図１に示す例では、ＭＣＦが、円環状に配置された複数のコアを含む領域（結合型コア領域）を１つ有する場合を示すが、本発明はこの場合に限定されない。各コアは、同種又は異種であり得る。ＭＣＦが２以上の結合型コア領域を有してもよいし、１以上の結合型コア領域と１以上の非結合型コアを有してもよい。ここで、結合型コア領域とは、当該領域に含まれる複数のコア間に生じるスーパーモードを伝送に利用することが可能な領域をいう。また、非結合型コアとは、単一のコアを含み、他のコアとの間で伝送モードが独立しているものをいう。

２以上の結合型コア領域を含むＭＣＦにおいて、結合型コア領域の間は、相互に伝送モードが独立している（すなわち、各領域が非結合型である）。２以上の結合型コア領域を有するＭＣＦでは、そのうち１以上の結合型コア領域に低屈折率部を設けることが好ましい。これにより、低屈折率部を設けた結合型コア領域において、領域内のコア間距離を小さくすることにより、領域間のコア間距離を大きくし、領域間のクロストークを低減することができる。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
本発明のＭＣＦは、光伝送路、光導波路、光ケーブル等に使用される光ファイバの一部又は全部として用いることができる。光ケーブルは、本発明のＭＣＦを少なくとも一部に有することが好ましい。

ＭＣＦのコア及びクラッドを構成する媒質としては、石英系ガラス（シリカガラス）、多成分ガラス、プラスチック等が挙げられる。石英系ガラスとしては、添加物を含まない純石英ガラスと、添加物を含む石英系ガラスがあり、添加物としては、Ｇｅ，Ａｌ，Ｐ，Ｂ，Ｆ，Ｃｌ，アルカリ金属等の１種又は２種以上が挙げられる。

Ｃ−ＭＣＦにおいてはＦＭＦの場合と同様に、伝送路中での各種摂動（マイクロベンド、ねじれなど）により、モード間結合が発生するため、受信側では通常のＭＤＭ伝送と同様にＭＩＭＯ処理が必要と考えられる。その際、スーパーモード間のＤＧＤに伴う、ＭＩＭＯ処理の演算量増加が問題となる可能性がある。そこで、ＤＧＤを低減した本発明のマルチコアファイバを用いることにより、ＭＩＭＯ等の信号処理の負荷削減を図ることができる。

ＭＣＦで伝送に使用される波長帯域は、特に限定されないが、Ｃバンド（１５３０〜１５６５ｎｍ）、Ｌバンド（１５６５〜１６２５ｎｍ）等が挙げられる。使用波長帯域でシングルモード動作する条件としては、正規化周波数ｖ＝２πａ（ｎ_core ^２−ｎ_clad ^２）^１／２／λとして、ｖ≦２．４０５のシングルモード動作条件を満たすことが好ましい。比屈折率差Δ＝（ｎ_core ^２−ｎ_clad ^２）／（２ｎ_core ^２）が０．０５％以上で、Ｃ＋Ｌバンドでｖ≦２．４０５が成り立つコア半径の上限はおおよそ１３μｍである。それぞれのコア半径でｖ≦２．４０５が成り立つΔは自動的に決めることができる。なお、λは波長であり、２π／λは波数ｋ_０である。
また、ｖ≧２．４０５となるようなａあるいはΔにおいては、ＬＰ_１１モード以上の高次モードの伝送損失がα_Loss以上であってもよい。このとき、α_Loss＞０ｄＢ／ｍであり、例えば０．１ｄＢ／ｍ、０．５ｄＢ／ｍ、１．０ｄＢ／ｍ、２．０ｄＢ／ｍ等が挙げられる。ファイバのケーブルカットオフ波長λ_ｃｃとしては、例えば１２６０ｎｍ以下、１０００ｎｍ以下等が挙げられる。

参考文献１（岡本，“光導波路の基礎”コロナ社）に示されるように、ファイバ型の方向性結合器の結合定数は、ａ，Δ及びΛが一定の場合には、正規化周波数ｖ（Ｖでも同じ）に依存する。波長λをＣ＋Ｌバンドの範囲で変えた場合には、ｖ値の変化は最大０．１５程度であり、結合定数の値はそれほど変わらない。コア径ａ及び比屈折率差Δが一定の場合には、ファイバ型の方向性結合器の結合定数はΛ／ａが増加するに従い、おおよそ指数関数的に減少する。

以上より、Λ／ａが小さすぎる場合には通常のＦＭＦに近くなり、Λ／ａが大きすぎる場合には非結合型ＭＣＦに近くなると考えられる。Λ／ａの下限値としては、２．０、２．２、２．４、２．６、２．８、３．０等が挙げられる。また、Λ／ａの上限値としては、５．０、５．２、５．４、５．６、５．８、６．０等が挙げられる。Λ／ａの値としては、３．２、３．５、４．０、４．５、４．８、５．０等、適宜の値が挙げられる。
隣接するコア間の最短距離（Λ−２ａ）としては、Λ−２ａ≧０μｍであり、例えば０．１μｍ、０．３μｍ、０．５μｍ、０．７μｍ、１．０μｍ、２．０μｍ、５．０μｍ、１０．０μｍ、１５．０μｍ、１７．０μｍ等が挙げられる。

低屈折率媒質（空孔等）の半径ｒは、特に限定されないが、ｒ＞０μｍである。ｒの下限値としては、例えば０．１μｍ、０．２５μｍ、０．５μｍ、０．７μｍ、１．０μｍ、１．５μｍ、２．０μｍ、２．５μｍ、３．０μｍ等が挙げられる。
コアと低屈折率部との間の最短距離（例えば低屈折率部の中心が隣接するコア間の中点に位置する場合には、（Λ／２）−ａ−ｒ）としては、ｒ−ａ−ａ_２≧０μｍであり、例えば０．１μｍ、０．３μｍ、０．５μｍ、０．７μｍ、１．０μｍ、１．５μｍ、２．０μｍ、２．５μｍ、３．０μｍ等が挙げられる。

ここでは、モード分割多重伝送のための空孔付加型６コア結合型ファイバの伝送特性を解析し、フルベクトル有限要素法解析（参考文献２：K.Saitoh and M.Koshiba,“Full-vectorial imaginary-distance beam propagation method based on a finite element scheme: application to photonic crystal fibers,” IEEE J.Quantum Electronics, vol.38, no.7, pp.927-933, Jul. 2002）により、ＭＣＦのスーパーモード特性（実効屈折率、群遅延）を評価した。そして、隣接するコア間に空孔を付加することにより、スーパーモード間の実効屈折率差を低減しモード間の結合を強め、コア間距離を小さくしても、スーパーモード間の実効屈折率差を小さくすると同時に、モード間群遅延時間差を小さくすることができることを示す。

低屈折率部を有しない同種６コアＣ−ＭＣＦと、図１に示すように、隣接するコア間に低屈折率部として空孔を設けた同種６コアＣ−ＭＣＦについて、次のように解析を実施した。ここで、コア１１の半径をａ、コア１１の屈折率をｎ_core、クラッド１２の屈折率をｎ_cladとする。図示例では、各コア１１は、重心をファイバ中心とする正六角形の頂点上に配置されている。

コア及びクラッドの屈折率は、波長依存性を考慮し、Ｓｅｌｌｍｅｉｅｒの多項式により算出した。空孔を付加する場合、空孔半径をｒ、空孔の屈折率を１．０とする。空孔を付加しない場合、空孔半径ｒを０μｍとする。また、コア同士の中心間距離をΛとした。正六角形状の配置では、ファイバ中心から各コアの中心までの距離もΛである。さらに、コアのクラッドに対する比屈折率差をΔ＝（ｎ_core ^２−ｎ_clad ^２）／（２ｎ_core ^２）とする。なお、正規化周波数Ｖ値は、Ｖ＝ｋ_０ａ（ｎ_core ^２−ｎ_clad ^２）^１／２である。ここで、ｋ_０は自由空間波数である。

本実施例では、Λを２８μｍ以下とした。これは、中心に低屈折率部を有しない同種６コアＣ−ＭＣＦである、非特許文献３（ECOC2014,PD.3.2）のコア間距離Λ＝２８μｍと同じか、より小さい値である。各解析例に共通する６コアＣ−ＭＣＦのパラメータとして、ａ＝５．５５μｍ、Δ＝０．３２μｍ、波長λ＝１５５０ｎｍ、クラッド直径を１２５μｍとした。また、上述したように、６コアＣ−ＭＣＦにおける伝搬モードは６つであり、それぞれ１次ないし６次スーパーモード（図２〜４では、それぞれ１ｓｔ、２ｎｄ、３ｒｄ、４ｔｈ、５ｔｈ、６ｔｈ）とよぶ。

このファイバの１次、ｍ次スーパーモード間のＤＧＤ、及びΔｎ_effをそれぞれ、ＤＧＤ＝τ_mth−τ_1st、Δｎ_eff＝ｎ_{eff_mth}−ｎ_{eff_1st}と定義する。ここで、τ_1st及びτ_mthは、それぞれ１次及びｍ次モードの群遅延時間を表し、ｎ_{eff_1st}及びｎ_{eff_mth}は、それぞれ１次及びｍ次モードの実効屈折率を表す。

本ファイバに関して、図１に示すように、コア間に空孔を付加することにより、コア間距離Λを小さくしても、Δｎ_effが低減されるため、モード間結合が強まり、ＤＧＤの低減が可能であることを示す。

６次のスーパーモードではその対称性から、図２（ｂ）に示すように、空孔の有無にかかわらず、コア間で常に電界が０になる。一方、基本スーパーモードでは、コア間の電界が大きな値をもつことが図２（ａ）より分かる。つまり、隣接する２つのコアに着目すると、１次スーパーモードでは偶対称、６次スーパーモードでは奇対称になっている。よって、コア間に空孔を付加することで、６次スーパーモードにはあまり影響を与えずに、１次スーパーモードのｎ_effを小さくすることができ、基本（１次）スーパーモードと高次（６次）スーパーモードとの間で、実効屈折率差Δｎ_effを低減することが可能である。

図３に、同種６コアＣ−ＭＣＦの２次〜６次スーパーモードにおける、Δｎ_effの空孔半径依存性を示す。このとき、コア間距離Λは２８．０μｍである。図３より、空孔を大きくすることにより、１次と高次（２次〜６次）スーパーモード間の各Δｎ_effを低減できることが分かる。

また、図４に、Λが２０μｍ、２４μｍ、又は２８μｍである場合における、１次スーパーモードと６次スーパーモードとの間のＤＧＤの空孔半径依存性を示す。図４より、空孔を大きくすることにより、ＤＧＤを低減できることが分かる。

以上より、６コアＣ−ＭＣＦのコア間に空孔を付加することで、スーパーモード間の実効屈折率差Δｎ_effを低減し、モード間の結合を強め、モード間群遅延時間差ＤＧＤを低減できることが分かる。

１０…マルチコアファイバ、１１…コア、１２…クラッド、１３…低屈折率部。

Claims (5)

1. すべてのコアにおいてシングルモード伝送が可能な３以上のコアと、前記３以上のコアの周囲を覆う共通のクラッドと、前記クラッドよりも屈折率が低い低屈折率部とを備え、長手方向に垂直な断面において、前記３以上のコアの一部又は全部からなる３以上のコアが円環状に配置された領域を有し、前記低屈折率部の少なくとも一部は、前記領域内において隣接した２つのコアの最小の内接円の内側に配置されていることを特徴とするマルチコアファイバ。
2. 前記マルチコアファイバが、結合型マルチコアファイバであることを特徴とする請求項１に記載のマルチコアファイバ。
3. 前記３以上のコアが円環状に配置された領域を２以上有し、前記領域の少なくとも１つが前記低屈折率部を有し、前記領域内において前記３以上のコアが結合型であることを特徴とする請求項１に記載のマルチコアファイバ。
4. 前記低屈折率部が、空孔であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のマルチコアファイバ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のマルチコアファイバを少なくとも一部に有する光ケーブル。