JP2018036339A - 光ファイバケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】複数のモードが伝搬する光ファイバに対し、モード結合を促進する光ファイバケーブルを提供する。
【解決手段】光ファイバケーブルは、複数の伝搬モードを伝搬する複数の光ファイバ１１と、複数の光ファイバ１１の屈折率を、複数の光ファイバ１１の長手方向に、光ファイバ１１の伝搬モード間の伝搬定数差に相当する所定のピッチ幅Ｗ_Ｐで変化させる、長周期グレーティングや凹凸シート２１などのモード結合部と、を備える。
【選択図】図５

Description

本開示は、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−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）等化器が用いられる。しかしながら、モード間の損失差（Ｍｏｄｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ：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（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｅｌａｙ：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。）。

Ｐ． Ｊ． Ｗｉｎｚｅｒ， ｅｔ ａｌ．， "Ｍｏｄｅ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｌｏｓｓ， ｇａｉｎ， ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｉｎ ＭＩＭＯ−ＳＤＭ ｓｙｓｔｅｍｓ，" ｉｎ Ｐｒｏｃ． ＥＣＯＣ ２０１４， ｐａｐｅｒ Ｍｏ．３．３．２， ２０１４． Ｓ．Ｏ． Ａｒｉｋ， Ｄ． Ａｓｋａｒｏｖ， Ｊ．Ｍ． Ｋａｈｎ， "Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍｏｄｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｉｎ ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，" Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ． ３１ （３） （２０１３） ４２３−４３１． Ｌｏｂａｔｏ， Ａ．； Ｆｅｒｒｅｉｒａ， Ｆ．； Ｒａｂｅ， Ｊ．； Ｋｕｓｃｈｎｅｒｏｖ， Ｍ．； Ｓｐｉｎｎｌｅｒ， Ｂ．； Ｌａｎｋｌ， Ｂ．， "Ｍｏｄｅ ｓｃｒａｍｂｌｅｒｓ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｄ−ｓｅａｒｃｈ ｍａｘｉｍｕｍ−ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｏｄｅ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ−ｌｏｓｓ−ｉｍｐａｉｒｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，" ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ （ＥＣＯＣ ２０１３）， ３９ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ， Ｔｈ．２．Ｃ．３， ２２−２６ Ｓｅｐｔ． ２０１３． Ｎ． Ｆｏｎｔａｉｎｅ， Ｒ． Ｒｙｆ， Ｍ． Ｈｉｒａｎｏ， ａｎｄ Ｔ． Ｓａｓａｋｉ， "Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒｏｓｓｔａｌｋ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｒｉｎｇ−ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ，" ｉｎ Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ． Ｓｏｃ． Ｓｕｍｍｅｒ Ｔｏｐ． Ｍｅｅｔｉｎｇ Ｓｅｒｉｅｓ， ２０１３， ｐｐ． １１１−１１２．

しかしながら、非特許文献４においてはモード結合量が不十分であった。特に高次モードにおいては伝搬モード間の伝搬定数差Δβが大きくなる傾向にあり、モード数が増えた場合にも十分なモード結合を起こすことが難しい。そこで、本開示は、複数のモードが伝搬する光ファイバに対し、モード結合を促進する光ファイバケーブルを提供することを目的とする。

本開示に係る光ファイバケーブルは、複数の伝搬モードを伝搬する複数の光ファイバと、前記複数の光ファイバのコアの構造を、前記複数の光ファイバの長手方向に所定のピッチ幅で変化させるモード結合部と、を備える。

前記モード結合部は、例えば、光ファイバに予め屈折率変化を与えたグレーティング、凹凸シートを用いて光ファイバに応力を付与する構成、或いは、光ファイバの被覆に設けた凹凸に平坦な応力付与シートで応力を付与する構成、が例示できる。

前記所定のピッチ幅は、前記光ファイバの伝搬モード間の伝搬定数差に相当するピッチ幅を有する。例えば、前記光ファイバのｎ番目とｍ番目（ｎ及びｍはｎ≠ｍである整数）の伝搬モード間の伝搬定数差をΔβとした時、前記所定のピッチ幅が２π／Δβである。

本開示は、光ファイバのコアに周期的な変化を与える構造を有するため、複数のモードが伝搬する光ファイバに対し、モード結合を促進する光ファイバケーブルを提供することができる。

本開示に係る光ファイバケーブルの一例を示す。 ＬＰＧの押し当てがある本実施形態のインパルス応答波形の一例である。 ＬＰＧの押し当てがない比較例のインパルス応答の一例である。 実施形態２に係る光ファイバケーブルの一例を示す。 実施形態２における光ファイバ付近の拡大図を示す。 実施形態３に係る光ファイバケーブルの一例を示す。 実施形態３における光ファイバ付近の拡大図を示す。 実施形態３に係る光ファイバケーブルの第２の形態例における光ファイバ付近の拡大図を示す。 実施形態４に係る光ファイバケーブルの一例を示す。 実施形態４における光ファイバ付近の拡大図を示す。 実施形態５に係る光ファイバケーブルの一例を示す。 実施形態５における光ファイバ付近の拡大図を示す。 実施形態６において測定用いた光ファイバケーブルの概略構成図である。 実施形態６における光ファイバ付近の拡大図を示す。 モード間クロストーク（ＸＴ）の測定結果の一例を示す。 光ファイバのＬＰ０１−ＬＰ１１モード間の伝搬定数差とＬＰ１１−ＬＰ２１モード間の伝搬定数差の波長依存性を説明する図である。 光ファイバのＬＰ０１−ＬＰ１１モード間の結合ピッチとＬＰ１１−ＬＰ２１モード間の結合ピッチの波長依存性を説明する図である。 モード結合に必要なピッチの波長依存性をＬＰ０１−ＬＰ１１間とＬＰ０１−ＬＰ２１間で表す表である。 光ファイバの構造変化長Ｌに対するモード結合の強さφのピッチずれとの関係を表す図である。 光ファイバの構造変化長Ｌに対して理想的なピッチでのモード結合の強さφが得られると近似できる最大の光ファイバ構造変化のピッチのずれ量を説明する図である。 各モードの実効屈折率のＳＩファイバとＧＩファイバの比較を説明する図である。

以下、本開示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、本開示は、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、本開示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。

本開示に係る光ファイバケーブルは、複数モードを伝搬する光ファイバを使用し、光ファイバに周期的な凹凸を与える構造を有する。具体的には、本開示に係る光ファイバケーブルは、複数の伝搬モードを伝搬する複数の光ファイバと、複数の光ファイバの屈折率を、複数の光ファイバの長手方向に所定のピッチ幅で変化させるモード結合部と、を備える。モード結合部は、光ファイバのコアに屈折率変化を与える任意の手段を用いることが可能であり、例えば、長周期グレーティング、後述する凹凸シートなどの応力の付与が例示できる。所定のピッチ幅は伝搬モード間の伝搬定数差に相当するピッチ幅とする。高次の伝搬定数差が大きいモード間に関してはそれらの伝搬定数差に対応した狭いピッチ幅の長周期グレーティングを設置する。なお、光ファイバの屈折率プロファイルはステップインデックス型、グレーデッドインデックス型、マルチステップ型、リング型等、複数モードを伝搬可能であればどれでも選択して良いとする。

伝搬モード間の伝搬定数差に近いピッチ幅をもつ長周期グレーティングを押し当てることで高効率にモード結合を起こすことができる。モード数が増えても各伝搬定数差に対応するピッチ間隔の凹凸を持つシートを挿入することで高い結合効率が得られる。これにより、本開示は、光ファイバ伝送路の長手方向に周期的に応力を付与することで効率の良いモード結合が生じる光ファイバケーブルを提供することが出来る。

（実施形態１）
図１に、本開示に係る光ファイバケーブルの一例を示す。図１は、光ファイバ中での分布的な長周期グレーティング（Ｌｏｎｇ Ｐｅｒｉｏｄ Ｇｒａｔｉｎｇ：ＬＰＧ）の押し当てを、ボビンを使って模擬した様子を示す。光ファイバはＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂモードが伝搬可能な３モードファイバ（ファイバ長３５０ｍ、コア半径６．７μｍ、比屈折率差０．４％のステップインデックスファイバ）とした。グレーティングのピッチ幅Ｗ_Ｐは、光ファイバの伝搬モード間の伝搬定数差（〜８０００ｒａｄ／ｍ）に相当する約７５０μｍ）に設計した。長周期グレーティングの作製は、作製誤差±５０μｍの３Ｄプリンタを用いて作製した。このようにして作製したＬＰＧを２８０ｍｍ径ボビンに貼り付け、上から張力をかけながら光ファイバを巻きつけることで分布的なＬＰＧ押し当てを実現した。

図２はＬＰＧの押し当てがある本開示に係るインパルス応答波形を示し、図３はＬＰＧの押し当てがない比較例に係るインパルス応答波形を示す。図２及び図３において、Ｇ_０１はＬＰ０１入力、Ｇ_１１はＬＰ１１入力を示す。作製したＬＰＧのピッチと光ファイバの伝搬定数差に相当する幅が合致し、モード結合が促進される波長１５７０ｎｍにおいて強結合状態のインパルス応答波形を観測した。

図２に示すようにＬＰ０１入力の場合もＬＰ１１入力の場合もインパルス応答がＧａｕｓｓｉａｎ状になり、比較例に係る結合がない場合の０．９ｎｓの幅と比較し約０．４５ｎｓと半分に抑制できた。また復元に必要なタップ数も３６タップと比較例の７６タップと比較しおよそ半分に抑えられた。

以上説明したように、本開示に係る光ファイバケーブルは光ファイバの伝搬モード間のモード結合を促進させることで伝搬モード間の伝搬遅延差を軽減でき、受信部の信号処理負荷の低減に貢献できる。以下、本開示に係る光ファイバケーブルを実現するための構成例について説明する。なお、伝送路の途中で凸部１２がない部分があっても良い。

（実施形態２）
図４に、本実施形態に係る光ファイバケーブルの一例を示す。本実施形態に係る光ファイバケーブルは、テープスロット型光ケーブルへの適用例である。テープスロット型光ケーブルは、外皮１３と高張力線１４の間に光ファイバテープ芯線１１Ｔを配置するための空隙であるスロット２２が配置され、スロット２２内に光ファイバテープ芯線１１Ｔを保持する。

図５に、光ファイバ付近Ｐ_Ｆの拡大図を示す。本実施形態では、凹凸シート２１が光ファイバテープ芯線１１Ｔの間に配置されている。凹凸シート２１の両面に、凸部１２がピッチ幅Ｗ_Ｐで配置されている。このように、周期的な凹凸をもつ凹凸シート２１を挿入し、凹凸シート２１が光ファイバテープ芯線１１Ｔに挟まるような構造にすることで、光ファイバ１１の長手方向に分布的に張力が付与され、モード結合を起こすことが出来る。

ピッチ幅Ｗ_Ｐは、光ファイバの１１の伝搬モード間の伝搬定数差Δβに相当するピッチ幅を持つ。凸部１２の高さＨ_１２及び数については後述する。

（実施形態３）
図６に、本実施形態に係る光ファイバケーブルの一例を示す。本実施形態に係る光ファイバケーブルは、層撚型ケーブルへの適用例である。層撚型ケーブルの場合には高張力線１４の周りに光ファイバ１１がらせん状に巻きつけられている。

図７に、光ファイバ１１付近Ｐ_Ｆの拡大図を示す。図７は、図６のケーブルの伝搬方向に垂直な横断面図と、ケーブルの伝搬方向に平行な縦断面図を示す。本実施形態では、高張力線１４と光ファイバ１１の間に凸部１２を有する凹凸シート２１が配置されている。凸部１２は、高張力線１４の長手方向にピッチ幅Ｗ_Ｐで配置されている。図７に示すように、凹凸シート２１を凸部１２がケーブルの外側を向くように入れることで、光ファイバ１１の長手方向に分布的な曲げを付与しモード結合を起こすことが出来る。

凹凸シート２１のピッチ幅Ｗ_Ｐは、伝搬モード間の伝搬定数差Δβに相当する間隔で、光ファイバ１１の長手方向に分布的な曲げを付与するピッチ幅を持つことが必要であり、必ずしもらせん状に配置される光ファイバ１１の長手方向と垂直である必要はない。なお、図８に示すように、光ファイバ１１の周囲に凹凸シート２１が配置されていてもよい。

（実施形態４）
図９に、本実施形態に係る光ファイバケーブルの一例を示す。本実施形態に係る光ファイバケーブルは、ユニット型ケーブルへの適用例である。ユニット型ケーブルの場合、外皮１３の内側に、複数の光ファイバ芯線ユニット１１Ｕが配置されている。外皮１３には、テンションメンバ１５が配置されていてもよい。

図１０に、光ファイバ１１付近Ｐ_Ｆの拡大図を示す。図１０は、図９のケーブルの伝搬方向に垂直な横断面図と、ケーブルの伝搬方向に平行な縦断面図を示す。本実施形態では、光ファイバ１１が、高張力線１４の周囲に、高張力線１４の長手方向と平行に配置されている。凹凸シート２１が、各光ファイバ芯線ユニット１１Ｕの周囲に、光ファイバ１１側に凸部１２が配置されるように巻きつけられている。凸部１２は、光ファイバ１１の長手方向にピッチ幅Ｗ_Ｐで配置されている。凹凸シート２１を凸部１２が内側を向くようにケーブル内に入れることで光ファイバ芯線ユニット１１Ｕの全ての光ファイバ１１でモード結合を起こすことができる。

凸部１２のピッチ幅Ｗ_Ｐ及び凸部１２の高さＨ_１２は実施形態２と同様である。ケーブル内での光ファイバ１１はねじられており、外側の凹凸シート２１に光ファイバ芯線ユニット１１Ｕのすべての光ファイバ芯線がまんべんなく触れている状態が好ましい。

（実施形態５）
図１１に、本実施形態に係る光ファイバケーブルの一例を示す。本実施形態に係る光ファイバケーブルは、スロットがない超高密度ケーブルへの適用例である。超高密度ケーブルの場合、外被１３の内側に押さえ巻１７が配置されている。押さえ巻１７の内側に、複数の光ファイバ芯線ユニット１１Ｕが配置されている。外皮１３には、抗張力体１６が配置されていてもよい。

図１２に、光ファイバ１１付近Ｐ_Ｆの拡大図を示す。図１３は、図１１のケーブルの伝搬方向に垂直な横断面図を示す。本実施形態では、凹凸シート２１が、各光ファイバ芯線ユニット１１Ｕの周囲に、光ファイバ１１側に凸部１２が配置されるように巻きつけられている。凸部１２は、光ファイバ１１の長手方向にピッチ幅Ｗ_Ｐで配置されている。凹凸シート２１を凹凸が内側を向くよう光ファイバ芯線ユニット１１Ｕを包むように入れることでケーブル内の全ての光ファイバ芯線でモード結合を起こすことが出来る。

凸部１２のピッチ幅Ｗ_Ｐ及び凸部１２の高さＨ_１２は実施形態２と同様である。ケーブル内での光ファイバ１１はねじられており、外側の凹凸シート２１に光ファイバ芯線ユニット１１Ｕのすべての光ファイバ１１がまんべんなく触れている状態が好ましい。

（実施形態６）
本開示に係る光ファイバケーブルにおいて、ＬＰＧの押し当てを行う手段は実施形態２〜実施形態５に示した凹凸シート２１に限定されない。例えば、光ファイバにあらかじめＣＯ２レーザ、ＵＶレーザ等で長手方向に屈折率変化を与えた光ファイバを、前述の光ファイバ１１としてケーブルに収容しても良い。

（実施形態７）
前述のとおり、凹凸シート２１を光ファイバ１１の被覆に押し付けたり、またはＣＯ２レーザ等の掘削を用途とするレーザを照射することで光ファイバ１１の被覆にグレーティングを形成し、応力を付与する応力付与シート２６とともに光ファイバ１１をケーブルに収容することで、光ファイバの周期的な曲げを起こしモード結合を発生させることが出来る。

応力付与シート２６は、図１３及び図１４に示すようにスロット２２内に入れられる。またスロット２２がないケーブルに関しては、光ファイバ１１の隙間に入れるなどの方法がある。また、応力付与シート２６は、凹凸のない平坦面を有し、ゴムのような弾性のある材質でできていることが好ましく、ケーブルの長手方向に必ずしも連続的になく途中で途切れる箇所があっても良い。なお、光ファイバ１１に与える応力は光ファイバ１１の被覆に付与したグレーティングのピッチ数に依存する。

図１５に、凹凸数の異なる凹凸シート２１を光ファイバ１１に押し当てた際に得られるモード間クロストーク（ＸＴ）の測定結果を示す。実線は凸部１２の数が５０の場合、破線は凸部１２の数が２５の場合を示す。光ファイバ１１は約１ｍのステップインデックスファイバ（比屈折率差０．４％、コア半径６．７μｍ）とした。この光ファイバ１１の両端にＬＰ０１モードとＬＰ１１モードが合分波可能なモード合分波器を融着接続し、ステップインデックスファイバの中間でＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの結合が起こるピッチ幅の凹凸シート２１を押し当てた。入力側の合分波器のＬＰ０１ポートのみに光を入射し、ＬＰ０１ポート、ＬＰ１１ポートそれぞれのパワーを測定し、ＬＰ０１ポートのパワーとＬＰ１１ポートのパワーの比をとりクロストークを算出した。クロストークはＬＰ０１モードの光がＬＰ１１モードにどれだけ変換されたか、を表し、クロストークの値が大きいほどモード結合量が大きいことを表す。

図１５は光ファイバ１１に凹凸シート２１を押し当てる際の力を凹凸シート２１の凸部１２の数で割り、凹凸シート２１の凸部１２１つ当たりにかかる力に対するクロストーク量としている。凸部１２の数が２５のとき、１つの凸部１２に０．３９Ｎの力を加えると、クロストーク値が最大となる。一方、凸部１２の数が５０のとき、１つの凸部１２に０．２５Ｎの力を加えれば、最大のクロストークが得られる。このように、凹凸シート２１の凸部１２の数が多ければ多いほど、凸部１２１つあたりに必要な力は減る。光ファイバ１１の被覆に施した凹凸数が５０以上の光ファイバ１１に関しては凹凸シート２１の凸部１つあたり０．２５Ｎより弱い力で十分なモード結合量が得られる。

（実施形態８）
光ファイバ１１の伝搬モード数をＮとおくと、ＤＭＤ低減のためには例えば光ファイバ１１の最もＤＭＤが大きいモード間を結合させることでＤＭＤを低減させる方法がある。更に他のモードを結合することによってより大きなＤＭＤ低減効果を得るためには、必要に応じて複数のピッチ幅Ｗ_Ｐの構造変動を光ファイバ１１に付与する必要がある。また、波長を多重化して伝送する場合にも同様に複数のピッチの構造を光ファイバ１１に付与することでより高いＤＭＤ低減効果が期待できる。

図１６及び図１７は、それぞれ、伝搬定数差Δβ及びピッチ幅Ｗ_Ｐの波長依存性の一例を示す。図中において、Ｇ１はＬＰ０１−ＬＰ１１間を、Ｇ２はＬＰ１１−ＬＰ２１間を示す。例えば、コア半径１２μｍ、Δ０．４％のステップインデックスファイバの場合、図１６に示すように、ＬＰ０１−ＬＰ１１間の伝搬定数差ΔβとＬＰ１１−ＬＰ２１間のΔβは異なり、またそれぞれ波長依存性を持つ。このため、図１７のようにモード間の結合が生じる光ファイバ１１の構造変動の周期は結合を起こすモードの組によって異なり、波長によっても異なる。このように、伝送させるモード及び波長に応じたピッチ幅Ｗ_Ｐの範囲の構造変動を光ファイバ１１に付与する必要がある。

コア半径１２μｍ、Δ０．４ ％のステップインデックスファイバの例を図１８に示す。例えばＬＰ０１−ＬＰ１１間のモード結合のみ生じさせる場合、Ｃ帯であれば１６２０〜１６５０μｍの３０μｍの範囲のピッチがあれば良い。また、Ｃ〜Ｌ帯を網羅するためには１５８０〜１６５０μｍ、Ｏ〜Ｌ帯を網羅するためには１５８０〜１９００μｍの範囲のピッチを設ける必要がある。さらにＬＰ１１−ＬＰ２１モード間のモード結合を起こすには図１８に示す細いピッチを設ける必要がある。

（実施形態９）
光ファイバ１１に付与する周期的な構造変動の周期は、必ずしも光ファイバ１１を伝搬するモード間の伝搬定数差Δβを用いた２π／Δβに相当する長さである必要はなく、結合条件がもう少し緩和される。一般に、モード結合の強さφは数式（２）で表される。

ただしモードｌ、モードｍの伝搬定数差をβ_ｌ、β_ｍとおき理想的な構造変化のピッチを２π／（β_ｌ−β_ｍ）とした場合に、光ファイバに与えた構造変化の周期を２π／Ωとおき、構造変化のトータル長をＬとする。コア半径１２μｍ、Δ０．４％のステップインデックスファイバで波長１５５０ｎｍの時のＬＰ０１モードのβをβ_ｌ、ＬＰ１１モードのβをβ_ｍとした場合、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード間の結合の強さφは図１９のように表される。図に示すプロットＧ_０，Ｇ_１０，Ｇ_２０，Ｇ_３０は、それぞれ、次式で表されるΔ_{ｐｉｔｃｈ}が０μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍであるときのφを示す。

光ファイバに与えた構造周期とＬＰ０１−ＬＰ１１モード間のΔβに相当するピッチ幅Ｗ_Ｐを用いて、ピッチ幅のずれΔ_{ｐｉｔｃｈ}は数式（３）で表される。

Δ_{ｐｉｔｃｈ}が０のときのプロットＧ_０は、伝搬モード間のΔβに相当するピッチ幅と光ファイバに与えた構造変化の周期が合致するため、構造変化長Ｌを長くすればするほどモード結合の強さφも大きくなる。理想的なピッチ幅は１６３３μｍであるが、ここで、ピッチ幅に１０μｍのずれを与えると、プロットＧ_１０に示すように、光ファイバの構造変化が生じている長さが短い時はφはΔ_{ｐｉｔｃｈ}＝０のプロットに近似できるが構造変化長が長くなるとφの値は小さくなる。同様に２０μｍのずれを与えたプロットＧ_２０、３０μｍのずれを与えたプロットＧ_３０もＬが小さい時のみ近似できる。ここからＬが短いほどピッチずれに対し理想的なφが得られ、またピッチずれが大きくなればなるほど、Ｌを短くする必要があることが分かる。

これらの曲線がΔ_{ｐｉｔｃｈ}＝０のプロットとほぼ等しいとみなせる範囲は数式（４）で表される。

この関係式から光ファイバの構造変化長Ｌと許容されるピッチのずれ量２π／Ωを求めた結果を図２０に示す。Ｌが短いほど許容されるずれ量が大きい。このことから、Ｌが短い場合は構造変化のピッチ幅が一定でも広い範囲の波長帯域でモード結合を生じさせることが可能である。例えば、１．４１ｃｍの構造変化長では許容されるずれは１００μｍであるため、所望のピッチ幅±１００μｍの範囲であればモード結合が生じると言える。

図１８に示すように波長によって変換される帯域は異なるが、帯域を網羅するような結合変化長Ｌを定めることで、少ないピッチ幅の種類で広帯域を網羅することが可能である。このことから、実施形態２〜実施形態５のようにケーブルに凹凸を有するシートを挿入する場合は、凹凸を有する区間と有さない区間を交互に設けることで、少ないピッチ幅Ｗ_Ｐで、所望の帯域幅において、複数モード間のモード結合を生じさせることが可能である。また、図１３及び図１４のように、応力付与シート２６を備えたケーブル中に光ファイバ１１を収容する場合においても、上記のようなピッチ幅Ｗ_Ｐの分布を被覆にもつ光ファイバを収容することで、所望の帯域幅おいて複数モード間のモード結合を生じさせることが可能である。

（実施形態１０）
光ファイバ１１としてグレーデッドインデックス（ＧＩ）ファイバを用いると、１種類のコアの曲げの周期で複数のモードのモード間結合を発生させることが可能である。図２１に、各伝搬モードにおける実効屈折率ｎ_ｅｆｆを示す。図中において、●はＳＩファイバを示し、▲はＧＩファイバを示す。

実効屈折率ｎ_ｅｆｆは伝搬定数βと数式（５）のように比例関係にある。

伝搬定数は実効屈折率ｎ_ｅｆｆに比例するため、モード結合に係るモード間の伝搬定数差Δβは実効屈折率差Δｎ_ｅｆｆに比例する。例えば図２１に示すＳＩファイバの実効屈折率ｎ_ｅｆｆはモード番号１で最も大きくモード番号２，３では次に大きく、これらは同じ実効屈折率ｎ_ｅｆｆをもつ。このモード番号２，３のモードのように同じ屈折率を持つモードをモード群と呼ぶ。他にもＳＩファイバではモード４，５や７，８等がモード群である。ＳＩファイバの場合、モード群間で実効屈折率差が異なるため、複数の組のモード間の結合を起こす場合は異なる２π／Δβに相当するピッチ幅Ｗ_Ｐの構造変化を光ファイバ１１に付与する必要がある。一方、ＧＩファイバではモード群間の実効屈折率差Δｎ_ｅｆｆが等しく複数の組のモード間の結合を起こす場合でも単一の２π／Δβで可能であることから、モード数を拡張した際に簡単に複数モード間を結合させるのに有効な手段である。

（実施形態１１）
なお、本開示において、ケーブルに挿入するシートの凸部１２の形状は、矩形、台形、三角、正弦波状、円弧状等周期的であればどのような形状であっても、本開示に係る作用・効果を奏する。

（実施形態１２）
本開示は、低ＤＭＤファイバや結合が生じやすいリングコアファイバ、ＤＭＤ補償伝送路等と併用することも可能である。この場合、光ファイバ１１のコアにモード間の伝搬定数差に相当するピッチ２π／Δβの周期で構造揺らぎを与えることで更なるモード間の伝搬時間差の低減効果が期待でき、非常に少ない信号処理負荷で伝送可能な光伝送システムを提供できる。

本開示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。

１１：光ファイバ
１１Ｔ：光ファイバテープ芯線
１１Ｕ：光ファイバ芯線ユニット
１２：凸部
１３：外被
１４：高張力線
１５：テンションメンバ
１６：抗張力体
１７：押さえ巻
２２：スロット
２１：凹凸シート
２６：応力付与シート

Claims (5)

1. 複数の伝搬モードを伝搬する複数の光ファイバと、
   前記複数の光ファイバのコアの構造を、前記複数の光ファイバの長手方向に、前記光ファイバの伝搬モード間の伝搬定数差に相当する所定のピッチ幅で変化させるモード結合部と、
   を備える光ファイバケーブル。
2. 前記モード結合部は、光ファイバの長手方向に前記所定のピッチ幅で凸部が設けられ、前記凸部が前記光ファイバに応力を付与する凹凸シートである、
   請求項１に記載の光ファイバケーブル。
3. 前記モード結合部は、前記複数の光ファイバに前記所定のピッチ幅で予め屈折率変化を与えたグレーティングである、
   請求項１に記載の光ファイバケーブル。
4. 前記モード結合部は、
   前記複数の光ファイバの被覆に前記所定のピッチ幅で凹凸が設けられ、
   前記凹凸が平坦な応力付与シートで応力を付与されている、
   請求項１に記載の光ファイバケーブル。
5. 前記光ファイバのｎ番目とｍ番目（ｎ及びｍはｎ≠ｍである整数）の伝搬モード間の伝搬定数差をΔβとした時、前記所定のピッチ幅が２π／Δβである、
   請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバケーブル。

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