JP2017151343A

JP2017151343A - モードスクランブラ及び光ファイバケーブル

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Publication number: JP2017151343A
Application number: JP2016035231A
Authority: JP
Inventors: 崇嘉森; Takayoshi Mori; 泰志坂本; Yasushi Sakamoto; 貴司山本; Takashi Yamamoto; 和秀中島; Kazuhide Nakajima; 雅樹和田; Masaki Wada; 梓漆原; Azusa Urushibara
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2017-08-31
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: JP6496260B2

Abstract

【課題】本発明は、複数の伝搬モードが伝搬する数モード光ファイバを伝送路としたモード多重光伝送システムに対し、伝搬モード間の結合を効率良く促進できるモードスクランブラ及び光ファイバケーブルを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係るモードスクランブラは、中心軸から外側に向けて屈折率が一定の中心層と、中心層の外側に配置され、屈折率が前記中心層の屈折率以上のリングコア部を備え、リングコア部の外側に配置され、屈折率が前記リングコア層の屈折率よりも小さいクラッド層を配置した、リングコアファイバを用い、このリングコアファイバに対し、Ｓ字状の曲げを付与することとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の伝搬モードが伝搬する数モードファイバを用いたモードスクランブラ及び光ファイバケーブルに関する。

伝送容量を拡大する技術として複数の伝搬モードを用いる数モード光ファイバが提案されている。特に複数の伝搬モードを用いたモード多重伝送は、伝送容量をモード数倍に向上させられることから、新たな大容量伝送方式として注目されている。

この数モード光ファイバを用いた伝送においては、伝送路中でモード間クロストークが発生することから、その補償手段として、受信端においてＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）等化器が用いられる。しかしながら、モード間の損失差（ＭｏｄｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔＬｏｓｓ：以下、ＭＤＬ）が存在する場合、ＭＩＭＯ等化器を利用したとしても伝送システムのパフォーマンス低下が課題となる（例えば、非特許文献１を参照。）。

また、受信端においてモード間の群遅延差（ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＭｏｄｅＤｅｌａｙ：以下、ＤＭＤ）が大きいと、ＭＩＭＯに関わるデジタル処理（ＤＳＰ）の負荷が大きくなり、長距離伝送を実現する為にはＤＳＰ負荷の低減が課題となる（例えば、非特許文献２を参照。）。

そこで、ＭＤＬやＤＭＤの影響を緩和するために、モード間の結合を生じさせるモードスクランブラの利用が提案されている（例えば、非特許文献３を参照。）。また、モードスクランブラ単体を利用するのではなくモード間の結合を光ファイバ伝送路中で積極的に起こすために、リングコア型ファイバが提案されている（例えば、非特許文献４を参照。）。さらに、巻きつけ張力などのマイクロベンド付与によりモード間の結合が増加する様子が実験的に確認されている（例えば、非特許文献５を参照。）。

Ｐ．Ｊ．Ｗｉｎｚｅｒ，ｅｔａｌ．， "Ｍｏｄｅ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｏｓｓ，ｇａｉｎ，ａｎｄｎｏｉｓｅｉｎＭＩＭＯ−ＳＤＭｓｙｓｔｅｍｓ"，ｉｎＰｒｏｃ．ＥＣＯＣ２０１４，ｐａｐｅｒＭｏ．３．３．２，２０１４．Ｓ．Ｏ．Ａｒｉｋ，Ｄ．Ａｓｋａｒｏｖ，Ｊ．Ｍ．Ｋａｈｎ，Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍｏｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｏｎｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｉｎｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，Ｊ．ＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌ．３１（３）（２０１３）４２３−４３１．Ｌｏｂａｔｏ，Ａ．；Ｆｅｒｒｅｉｒａ，Ｆ．；Ｒａｂｅ，Ｊ．；Ｋｕｓｃｈｎｅｒｏｖ，Ｍ．；Ｓｐｉｎｎｌｅｒ，Ｂ．；Ｌａｎｋｌ，Ｂ．， "Ｍｏｄｅｓｃｒａｍｂｌｅｒｓａｎｄｒｅｄｕｃｅｄ−ｓｅａｒｃｈｍａｘｉｍｕｍ−ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｆｏｒｍｏｄｅ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ−ｌｏｓｓ−ｉｍｐａｉｒｅｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"，ｉｎＯｐｔｉｃａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＥＣＯＣ２０１３），３９ｔｈＥｕｒｏｐｅａｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ，ｐｐ．１−３，２２−２６Ｓｅｐｔ．２０１３Ｎ．Ｆｏｎｔａｉｎｅ，Ｒ．Ｒｙｆ，Ｍ．Ｈｉｒａｎｏ，ａｎｄＴ．Ｓａｓａｋｉ， "Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｃｒｏｓｓｔａｌｋａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｉｎａｒｉｎｇ−ｃｏｒｅｆｉｂｅｒ"，ｉｎＰｒｏｃ．ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎ．Ｓｏｃ．ＳｕｍｍｅｒＴｏｐ．ＭｅｅｔｉｎｇＳｅｒｉｅｓ，２０１３，ｐｐ．１１１−１１２．Ｒ．Ｍａｒｕｙａｍａ，Ｎ．Ｋｕｗａｋｉ，Ｓ．Ｍａｔｓｕｏ，ａｎｄＭ．Ｏｈａｓｈｉ， "ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆＲｅｌａｔｉｏｎＢｅｔｗｅｅｎＭｏｄｅ−ＣｏｕｐｌｉｎｇａｎｄＦｉｂｅｒＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎＦｅｗ−ＭｏｄｅＦｉｂｅｒｓ"，ｉｎＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ＯＳＡＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔ（ｏｎｌｉｎｅ）（ＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ，２０１５），ｐａｐｅｒＭ２Ｃ．１．Ｂｉｇｏｔ−Ａｓｔｒｕｃ，Ｍａｒｉａｎｎｅ；Ｂｏｉｖｉｎ，Ｄ．；Ｓｉｌｌａｒｄ，Ｐｉｅｒｒｅ， "Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｗｅａｋｌｙ−ｃｏｕｐｌｅｄｆｅｗ−ｍｏｄｅｓｆｉｂｅｒｓ"，ＰｈｏｔｏｎｉｃｓＳｏｃｉｅｔｙＳｕｍｍｅｒＴｏｐｉｃａｌＭｅｅｔｉｎｇＳｅｒｉｅｓ，２０１２ＩＥＥＥ，ｐｐ．１８９−１９０．

しかしながら、非特許文献４に記載のリングコア型ファイバではモード結合が不十分である、という課題があった。そこで、本発明は、上記課題を解決するために、光ファイバ伝送路中でモード結合を促進できるモードスクランブラ及び光ファイバケーブル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、本発明は、複数のモードが伝搬する光ファイバにＳ字状の曲げを与え、光伝送路中にモードスクランブラを形成することとした。

具体的には、本発明に係るモードスクランブラは、
複数のモードの伝搬が可能な光ファイバと、
前記光ファイバに、光の伝搬方向に連続して、曲げ方向が互いに逆である湾曲部が少なくとも２つ形成されたモード間結合部と、
を備える。

また、本発明に係る光ファイバケーブルは、
複数のモードの伝搬が可能な光ファイバを複数並列させたテープ心線と、
前記テープ心線を収納する溝を有するスロットと、
を備える光ファイバケーブルであって、
前記スロットは、前記テープ心線に、光の伝搬方向に連続して、曲げ方向が互いに逆である湾曲部を少なくとも２つ形成する曲げ付与部を前記溝の一部に有することを特徴とする。

Ｓ字状の曲げとは、途中で曲げ方向が反転する曲げである。曲げ方向が反転する点を変曲点という。前記湾曲部は、変曲点を挟んで曲げ方向を反転させたＳ字状の曲げ部分である。変曲点を増減すること（曲げ方向が互いに逆である曲げ部を増減させること）でモード結合効率を調整することができる。

従って、本発明は、光ファイバ伝送路中でモード結合を促進できるモードスクランブラ及び光ファイバケーブルを提供することができる。

本発明に係るモードスクランブラの前記光ファイバは、
中心軸から外側に向けて屈折率が一定の中心層と、
前記中心層の外側に配置され、屈折率が前記中心層の屈折率以上のリングコア部と、
前記リングコア部の外側に配置され、屈折率が前記リングコア部の屈折率よりも小さいクラッド層と、
を有することが好ましい。

また、本発明に係る光ファイバケーブルの前記光ファイバは、
中心軸から外側に向けて屈折率が一定の中心層と、
前記中心層の外側に配置され、屈折率が前記中心層の屈折率以上のリングコア部と、
前記リングコア部の外側に配置され、屈折率が前記リングコア部の屈折率よりも小さいクラッド層と、
を有することが好ましい。

特に、光ファイバはリングコア型光ファイバであり、屈折率分布のリングコア部の内径と外径の比率を最適化し、かつ、モード間の結合を促進するための適切な曲げ半径を有するＳ字曲げを与えることで、モード間の結合効率が改善する。実験で見出した好ましい構造は次の通りである。

本発明に係るモードスクランブラは、前記リングコア部の内径と外径の比率が０．５５〜０．７５であり、前記湾曲部の曲げ半径が１０〜２１０ｍｍである。

また、本発明に係る光ファイバケーブルは、前記リングコア部の内径と外径の比率が０．５５〜０．７５であり、前記湾曲部の曲げ半径が１０〜２１０ｍｍである。

本発明は、光ファイバ伝送路中でモード結合を促進できるモードスクランブラ及び光ファイバケーブルを提供することができる。

Ｓ字曲げを説明する図である。Ｓ字曲げの半径と角度を説明する図である。リングコア型光ファイバの屈折率分布を説明する図である。曲げが１つ付与されたリングコア型光ファイバを説明する図である。（Ａ）は曲げ付与部の構造を説明する図である。（Ｂ）は基本モードであるＬＰ０１モードを入力し、基本モードＬＰ０１モードと高次モードＬＰ１１モードへ結合する様子とリングコア型光ファイバの内径と外径の比率０．３３と０．６４の場合の曲げ半径が３０ｍｍにおける各モードの電界分布を説明する図である。本発明に係るモードスクランブラを説明する図である。（Ａ）はＳ字状曲げが付与されたモード間結合部の構造を説明する図である。（Ｂ）はＳ字状曲げが付与されたリングコア型光ファイバに基本モードであるＬＰ０１モードを入力し、基本モードＬＰ０１モードと高次モードＬＰ１１モードへ結合する様子とリングコア型光ファイバの内径と外径の比率０．３３と０．６４の場合のＳ字曲げ半径が３０ｍｍにおける各モードの電界分布を説明する図である。本発明に係るモードスクランブラの効果を説明する図である。リングコア型光ファイバの内径と外径の比率に対する、Ｓ字曲げ半径３０ｍｍにおけるＬＰ０１モード入力時のＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの結合効率および伝搬定数差の計算結果を説明する図である。本発明に係るモードスクランブラの効果を説明する図である。Ｓ字曲げ半径に対するモード結合効率の計算結果を説明する図である。本発明に係るモードスクランブラの効果を説明する図である。リングコア型光ファイバの内径と外径の比率に対するモード結合効率が０．５以上が得られるＳ字曲げの最大曲げ半径、最適曲げ半径、最小曲げ半径を説明する図である。Ｓ字曲げ半径に対するモード結合効率の測定系を説明する図である。本発明に係るモードスクランブラの効果を説明する図である。Ｓ字曲げ半径に対するモード結合効率の測定結果および各モードのニアフィールドパターン測定結果を示す図である。本発明に係るモードスクランブラの効果を説明する図である。リングコア型光ファイバ１５．４ｋｍに対し、ＬＰ０１入力、ＬＰ１１入力した場合のインパルス応答測定結果を示す図である。本発明に係る光ファイバケーブルの構造を説明する断面図である。本発明に係る光ファイバケーブルの構造を説明する斜視図である。Ｓ字曲げが付与されたスロットを説明する。

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。

（実施形態１）
本実施形態のモードスクランブラは、複数のモードの伝搬が可能な光ファイバと、前記光ファイバに、光の伝搬方向に連続して、曲げ方向が互いに逆である湾曲部が少なくとも２つ形成されたモード間結合部と、を備える。

光ファイバに与えるＳ字曲げを図１に示す。少なくとも１回は曲げ方向が反転する変曲点を有する。曲げ半径をＲ、湾曲部の角度をθとする。湾曲部の長さは、波長よりも十分長い光路長が得られれば良くｍｍオーダで十分である。このため、図２に示すように、最小曲げ角度θは１０度とする。また、長手方向への延伸の観点から、最大角度は１８０度とする。

本発明に用いる光ファイバはステップ型やグレーデッド型についても可能ではあるが、特にモードスクランブラとしてモード間の結合効率を高めることができるリングコア型について説明する。本発明で用いるリングコア光ファイバは、中心層と、リングコアと、その外側のクラッドから構成されている。リングコアの屈折率分布は、数１で表されるような、屈折率分布をもつ。数１において、ｎ（ｒ）は中心から半径方向の位置ｒにおける屈折率、中心層半径ａ１、リングコア部の外周半径ａ_２、ｎ_１はリングコアの屈折率、Δはリングコアの中心層に対する比屈折率差を表す。

図３に、リングコア型の数モード光ファイバの屈折率分布の一例を示す。例えば、非特許文献４におけるリングコア型ファイバは中心層半径ａ_１が３．６μｍ、リングコア部の外周半径ａ_２が５．４μｍ、リングコアの比屈折率差Δが０．２５％であり、伝搬モード数は波長１５５０ｎｍにおいて２（ＬＰ０１，ＬＰ１１モード）である。伝搬モード数を制限するためには、中心層半径ａ_１やリングコア部の外周半径ａ_２、比屈折率差Δを調整する必要がある。以下、簡単のため伝搬モード数は弱導波近似によるＬＰモードにて換算する。

図４は、比較例である、曲げ（湾曲部）が１つ付与されたリングコア型光ファイバのモードスクランブラ３００を説明する図である。図４（Ａ）はモードスクランブラ３００の構造を説明する図である。モードスクランブラ３００は、変曲点３０で直線部１０と湾曲部２０とが接続する。

このモードスクランブラ３００の直線部１０に基本モードであるＬＰ０１モードの光を入力する。そうすると、湾曲部２０においてモード間結合が発生し、湾曲部２０から基本モードＬＰ０１モードと高次モードＬＰ１１モードの光が出力する。図４（Ａ）は、モードスクランブラ３００の直線部１０に入力された基本ＬＰ０１モードの光が、基本モードＬＰ０１モードと高次モードＬＰ１１モードへ結合する様子を示している。

図４（Ｂ）は、モードスクランブラ３００の各モードの電界分布とモード結合効率を説明する図である。湾曲部２０の曲げ半径は３０ｍｍである。図４（Ｂ）には、リングコア型光ファイバのリングコア部の内径と外径の比率が０．３３と０．６４である２タイプのモードスクランブラ３００の結果を示す。直線部１０の出口（変曲点３０）では、電界が偏っておらず［α］、湾曲部２０の出口では電界が偏っている［β］。
［補足］
直線部１０では、入口から変曲点３０直前まで電界分布は変化しない（図４（Ｂ）の直線部の電界分布）。また、湾曲部２０でも、変曲点３０直後から出口まで電界分布は変化しない（図４（Ｂ）の湾曲部の電界分布）。光は直線部１０から湾曲部２０へ入ると同時に（変曲点３０において）曲げにより電界が偏る。

さらに、それぞれのリングコア型光ファイバについて、数２を用いて各モードの電界の重なり積分によりモード結合効率ηを算出した。このとき、波長は１５５０ｎｍとし、リングコア型光ファイバのリングコア部の比屈折率差Δは１．０％、リングコア幅ａ２−ａ１は４．０μｍに固定した。

ここで、Ｅ_ｉは変曲点に入力するモードの電界、Ｅ_ｌ，ｐは変曲点から出力するモードの電界である。

モードスクランブラ３００は、リングコア部の内径と外径の比率ａ１／ａ２が０．３３の場合、ＬＰ０１モードからＬＰ１１モードへの結合効率は０．００３であることに対し、ａ１／ａ２が０．６４の場合、０．３０となる。モードスクランブラ３００は、リングコア部の内径と外径の比率ａ１／ａ２が０．３３よりも０．６４の方がモード結合効率を増大することができる。

図５は、本実施形態である、曲げが２つ（湾曲部２１、２２）付与されたリングコア型光ファイバのモードスクランブラ３０１を説明する図である。図５（Ａ）はモードスクランブラ３０１の構造を説明する図である。モードスクランブラ３０１は、リングコア型光ファイバを変曲点３０を挟み湾曲部２１と湾曲部２２を形成したモード間結合部を有する。

このモードスクランブラ３０１の湾曲部２１に基本モードであるＬＰ０１モードの光を入力する。そうすると、湾曲部２１と２２においてモード間結合が発生し、湾曲部２２から基本モードＬＰ０１モードと高次モードＬＰ１１モードの光が出力する。図５（Ａ）は、モードスクランブラ３０１の湾曲部２１に入力された基本ＬＰ０１モードの光が、基本モードＬＰ０１モードと高次モードＬＰ１１モードへ結合する様子を示している。

図５（Ｂ）は、モードスクランブラ３０１の各モードの電界分布とモード結合効率を説明する図である。湾曲部２１及び２２の曲げ半径はともに３０ｍｍである。図５（Ｂ）には、リングコア部の内径と外径の比率０．３３と０．６４の２タイプのモードスクランブラ３０１の結果を示す。
入力する光は図４（Ｂ）の直線部１０での電界分布のように偏りがない光である。この光がモードスクランブラ３０１のモード間結合部を伝搬するに従い電界が偏る。図５（Ｂ）の［α］は変曲点３０までの湾曲部２１での電界分布であり、［β］は変曲点３０後の湾曲部２２での電界分布である。変曲点３０にてＬＰ１１モードが発生する。

モードスクランブラ３０１は、リングコア部の内径と外径の比率ａ１／ａ２が０．３３の場合、ＬＰ０１モードからＬＰ１１モードへの結合効率が０．０１であることに対し、ａ１／ａ２が０．６４の場合、０．７５となる。このようにモードスクランブラ３０１も、モードスクランブラ３００と同様に、リングコア部の内径と外径の比率ａ１／ａ２が０．３３よりも０．６４の方がモード結合効率を増大することができる。

以上の比較結果より、モードスクランブラ３０１はモードスクランブラ３００に対して次の有利な効果を有する。
（１）Ｓ字曲げの構成でモードスクランブラ３０１はモードスクランブラ３００よりもモード結合効率を高めることができる。
（２）湾曲部の長さは半円分必要ではなく、曲げ方向が反転する変曲点があれば良い。

図６は、リングコア型光ファイバのリングコア部の内径と外径の比率（ａ１／ａ２）に対する、Ｓ字曲げ半径３０ｍｍにおけるＬＰ０１モード入力時のＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの結合効率および伝搬定数差の計算結果である。ａ１／ａ２が０．６４の時、ＬＰ１１モードについて最大のモード結合効率が得られていることが分かる。つまり、Ｓ字曲げ半径に対し、最適なリングコア型光ファイバのリングコア部の内径と外径の比率が存在する。

図７は、Ｓ字曲げ半径に対するモード結合効率を示す。例えば、リングコア部の内径と外径の比率ａ１／ａ２が０．５０の場合、曲げ半径が小さいほど高い結合効率が得られるが、ａ１／ａ２が０．７１の場合、曲げ半径が８０ｍｍのとき最大値をとり、ａ１／ａ２が０．７５の場合、曲げ半径が１２０ｍｍのとき最大値をとることが分かる。

図８は、リングコア型光ファイバのａ１／ａ２に対し、最も高いモード間結合効率が得られるＳ字曲げの最適曲げ半径、およびモード結合効率が０．５となる最小曲げ半径と最大曲げ半径を示した図である。モード結合効率が０．５以上であれば、変換されるモードの割合の方が大きいため、よりモードスクランブラとしての機能が高まる。つまり、図８において、最大曲げ半径の曲線と最小曲げ半径の曲線に挟まれる範囲が、リングコア型光ファイバをモードスクランブラとして機能させるための設計範囲である。

ａ１／ａ２を変数ｘとし、Ｓ字曲げ半径を変数ｙとすると、モード間の結合効率が最も得られる曲げ半径は、
ｙ＝２６３２．４ｘ^２−２８７９．８ｘ＋７９７．０６
と表すことができる。
また、モード結合効率が０．５以上得られる最小曲げ半径は
ｙ＝１６７５．４ｘ^２−１９３５．６ｘ＋５６６．８４
モード結合効率が０．５以上得られる最大曲げ半径は
ｙ＝４６７１ｘ^２−５１８５．２ｘ＋１４６７．３
と表すことができる。

これにより、ａ１／ａ２が大きいほど、モード結合効率０．５以上が得られる曲げ半径の範囲が広いことが分かる。ａ１／ａ２が０．５５の場合、Ｓ字の曲げ半径が１０〜２５ｍｍまでモード結合効率０．５以上が得られる。また、ａ１／ａ２が０．７５の場合、Ｓ字の曲げ半径が６０〜２１０ｍｍまでモード結合効率０．５以上が得られる。

ａ１／ａ２が０．５５よりも小さい場合は、Ｓ字の曲げ半径を小さくしてもモード結合効率０．５以上を得ることができず、ａ１／ａ２が０．７５よりも大きい場合は漏洩モードによる損失が増加するため、実使用が懸念される。このことにより、ａ１／ａ２が０．５５〜０．７５、Ｓ字曲げ半径は、１０〜２１０ｍｍが望ましい。

図９は、モード結合測定系を説明する図である。リングコア型光ファイバ１０３を２つの円柱１５０で挟むことにより、リングコア型光ファイバ１０３にＳ字曲げを与えてモード間結合部を形成する。レーザ光源１５２の波長は１５５０ｎｍとし、シングルモードファイバ１０１とマルチモードファイバ１０２をコネクタ接続し、マルチモードファイバ１０２とリングコア型光ファイバ１０３を融着接続する。レーザ光源１５２から見てＳ字曲げの後段にモード分波器１５１を配置し、伝搬する光をＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード及びＬＰ１１ｂモードに分波する。図９で説明した測定系を用いて、レーザ光源１５２からリングコア型光ファイバ１０３にＬＰ０１モードの光を入力し、モード分波器１５１から出力する各モードの光強度を測定する。

ＬＰ１１モードについては、ＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードの２つの縮退モードがあり、これらの縮退モードの和をＬＰ１１モードのパワーとした。ＬＰ０１モードからの結合効率を算出する場合、ＬＰ０１モードのパワーとＬＰ１１モードのパワーの比より算出した。リングコア型光ファイバ１０３のリングコア部の内径と外径の比率ａ１／ａ２を０．６４とした。

図１０は、Ｓ字曲げ半径に対するＬＰ０１モードからＬＰ０１モードへの結合効率並びにＬＰ１１モードへの結合効率の測定結果である。実際の測定結果を点、計算結果を線で示している。さらに、Ｓ字曲げを与えない場合（すなわちＳ字曲げ半径＝∞）のＬＰ０１モードとＬＰ１１モードのニアフィールドパターンも同図に示している。計算結果と実験結果はほぼ一致している。図１０より、リングコア型光ファイバのリングコア部の内径と外径の比率ａ１／ａ２に対し、効率よくモード結合が得られるＳ字曲げ半径が存在することが分かる。図１０より、Ｓ字曲げ半径が３５ｍｍの場合、最も効率よくＬＰ０１モードからＬＰ１１モードへのモード結合が得られている。

図１１は、リングコア型光ファイバ１５．４ｋｍのインパルス応答を示す図である。波形Ａ及び波形Ｂは途中にモードスクランブラ３０１が形成された場合の結果である。波形Ａはリングコア型光ファイバへＬＰ０１モードでパルス光を入力した場合の結果である。波形Ｂはリングコア型光ファイバへＬＰ１１モードでパルス光を入力した場合の結果である。波形Ｃは比較例として光ファイバを介さず光源から直接光パルスを受光した場合の結果である。

モードスクランブラ３０１が形成されている場合、光パルスをＬＰ０１モードで入力してもＬＰ１１モードで入力しても同様の波形が得られる（波形ＡとＢ）。これは、リングコア型光ファイバ中においてモード結合が頻繁に起こっているためであると考えられる。。リングコア型光ファイバにモードスクランブラ３０１が形成されることで、パルス拡がりを抑えることができている。
リングコア型光ファイバの設計上のＤＭＤが１ｎｓ／ｋｍであるため、モード間結合が無ければ１５．４ｋｍで１５ｎｓ程度のパルス幅が広がることになる。一方、リングコア型光ファイバにモードスクランブラ３０１が形成されている場合、モード結合が促進されため、図１１の波形ＡやＢのように１０ｄＢ幅で２ｎｓ以下に低減できる。
このように、モードスクランブラ３０１が形成されたリングコア型光ファイバを用いれば、ＭＤＬやＤＭＤを低減しつつ、多モード伝送により伝送容量を拡大することができる。

以上説明したように、本実施形態に係るモードスクランブラは、Ｓ字曲げを適切な曲げ半径で与えることで、モード結合効率を高めることができ、特に、リングコア型光ファイバの屈折率分布の内径と外径の比率およびＳ字曲げ半径を適正にすることで伝搬モード間の結合を促進することができる。従って、本実施形態に係る発明は、伝搬モード間のモード結合を増大できるとともにモードスクランブル機能を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態の光ファイバケーブルは、複数のモードの伝搬が可能な光ファイバを複数並列させたテープ心線と、前記テープ心線を収納する溝を有するスロットと、を備える光ファイバケーブルであって、前記スロットは、前記テープ心線に、光の伝搬方向に連続して、曲げ方向が互いに逆である湾曲部を少なくとも２つ形成する曲げ付与部を前記溝の一部に有することを特徴とする。

本実施形態の光ファイバケーブルは、テープ心線として実施形態１で説明したリングコア型光ファイバを複数本並列させて用いる。図１２は、光ファイバケーブルの断面図であり、テープ心線１０５とスロット１５４の関係を説明する図である。スロット１５４に外周にはテープ心線１０５が配置される溝１５３がらせん状に形成される。本実施形態では、テープ心線１０５のそれぞれのリングコア型光ファイバに湾曲部を形成するためにスロット１５４の溝１５３を特徴的に形成する。

図１３は、光ファイバケーブルの斜視図であり、溝１５３の一部を拡大した図である。溝１５３は、スロット１５４の外周にらせん状に形成されている。そして、溝１５３の少なくとも一部に、テープ心線１０５にＳ字曲げを与える曲げ付与部１５５が形成されている。テープ心線１０５は、この曲げ付与部１５５に沿って曲げが与えられ、それぞれのリングコア型光ファイバに湾曲部が形成される。このため、各リングコア型光ファイバでは、実施形態１で説明したようにモード間結合が起こる。この結果、本実施形態の光ファイバケーブルもＭＤＬやＤＭＤを低減しつつ、多モード伝送により伝送容量を拡大することができる。

ここで、前記リングコア部の内径と外径の比率が０．５５〜０．７５であり、
前記湾曲部の曲げ半径が１０〜２１０ｍｍであることが好ましい。
従来のＳ撚りスロットやＳＺ撚りスロットを用いるよりも、よりモード結合が効率よく得られる。

（他の実施形態）
実施形態１や２では、図３のようなリングコア型光ファイバで説明したが、リングコア部の形状については、屈折率がステップ型や、指数的に小さくなるグレーデッド型や多段の階段状に屈折率が小さくなるマルチステップ型にしてもよく、ダブルリングコア型でも、リングコアのすぐ外側にトレンチ（底面）を配置してもよい。
また、本発明の手法は、マルチコア技術と可能な限り組み合わせることができる。

（発明の効果）
本発明は、Ｓ字曲げを与えることで、効率の良いモードスクランブラを提供することができる。特に、リングコア型光ファイバの屈折率分布のコア構造の内径と外径の比率に対してモード間の結合が促進される適切な曲げ半径を有するＳ字曲げが提供される、モードスクランブラ、光ファイバコード、ケーブルを提供することができる。

本発明は、ファイバ中の高次モードの利用により光ファイバ伝送の大容量化及び長距離化を実現することができる。

１０：直線部
２０、２１、２２：湾曲部
２５：モード間結合部
３０：変曲点
１０１：シングルモードファイバ
１０２：マルチモードファイバ
１０３：リングコア型光ファイバ
１０５：テープ心線
１５０：円柱
１５１：モード分波器
１５２：レーザ光源
１５３：溝
１５４：スロット
１５５：曲げ付与部
３００、３０１：モードスクランブラ

Claims

複数のモードの伝搬が可能な光ファイバと、
前記光ファイバに、光の伝搬方向に連続して、曲げ方向が互いに逆である湾曲部が少なくとも２つ形成されたモード間結合部と、
を備えるモードスクランブラ。
前記光ファイバは、
中心軸から外側に向けて屈折率が一定の中心層と、
前記中心層の外側に配置され、屈折率が前記中心層の屈折率以上のリングコア部と、
前記リングコア部の外側に配置され、屈折率が前記リングコア部の屈折率よりも小さいクラッド層と、
を有することを特徴とする請求項１に記載のモードスクランブラ。
前記リングコア部の内径と外径の比率が０．５５〜０．７５であり、
前記湾曲部の曲げ半径が１０〜２１０ｍｍである
ことを特徴とする請求項２に記載のモードスクランブラ。
複数のモードの伝搬が可能な光ファイバを複数並列させたテープ心線と、
前記テープ心線を収納する溝を有するスロットと、
を備える光ファイバケーブルであって、
前記スロットは、
前記テープ心線に、光の伝搬方向に連続して、曲げ方向が互いに逆である湾曲部を少なくとも２つ形成する曲げ付与部を前記溝の一部に有することを特徴とする光ファイバケーブル。
前記光ファイバは、
中心軸から外側に向けて屈折率が一定の中心層と、
前記中心層の外側に配置され、屈折率が前記中心層の屈折率以上のリングコア部と、
前記リングコア部の外側に配置され、屈折率が前記リングコア部の屈折率よりも小さいクラッド層と、
を有することを特徴とする請求項４に記載の光ファイバケーブル。
前記リングコア部の内径と外径の比率が０．５５〜０．７５であり、
前記湾曲部の曲げ半径が１０〜２１０ｍｍである
ことを特徴とする請求項５に記載の光ファイバケーブル。