JP5827361B2 - マルチコアファイバにおけるクロストークの操作技術 - Google Patents

Description

本発明は、一般に光ファイバデバイス及び方法、とりわけマルチコアファイバ伝送におけるクロストークの減少のために改良された技術に関する。
本出願は、２００９年１２月２日に出願された米国仮特許出願第６１／２６５，９９７号および２０１０年３月５日に出願された同第６１／３１１，１７７号、２０１０年３月１６日に出願された同第６１／３１４，１６５号、並びに２０１０年１０月１２日に出願された同第６１／３９２，４７２号についての優先権を主張し、それら全ての出願はそれらの全部が参照のためにここに引用される。

マルチコアファイバは、単一コアファイバの限界を超えた容量の拡大の一手段として提案されてきた。この種の新しいアイディアは重要である。なぜなら、現在の需要は、高度な変調フォーマットを前提としても、システムを根本的な限界に追い立てるからである。加えて、マルチコアファイバは、コストやコンパクト性といったものの向上を提供する多様な適用についても研究されている。

特開２０１１−１９７６６１号公報

クロストークは、マルチファイバソリューションに比べ、マルチコアの潜在的欠点である。信号処理量と伝送された情報を元に戻すのに必要な調整に影響があるのと同様に、低いクロストーク総量の必要条件は、コア密度ひいては容量の拡大に制限を与える傾向がある。したがって、低非線形性および、あるいは損失とともに低クロストークを得るための設計原理は、大きな関心事である。

本発明の一実施形態は、共通のクラッド領域に配置された複数のコア領域を備えるマルチコア光ファイバであって、複数のコア領域の各々は、ファイバの長手方向軸に沿った光伝送のためのそれぞれの導波路を伝搬するように構成され、少なくとも２つのコア領域は、それらの間で十分な量のゆがみが存在し、動作の選定された長手方向領域内で共振結合を減少するように構成されている、マルチコア光ファイバを提供する。

記述された本発明の実施に用いるのに適切な典型的なマルチコアファイバの断面と等角図を示す。 記述された本発明の実施に用いるのに適切な典型的なマルチコアファイバの断面と等角図を示す。 図１および図２で示されたファイバの、直径Ｄに亘る典型的な屈折率プロファイルを示す。 図１および図２で示されたファイバにおける典型的な曲げの概略図である。 光ファイバに選択された回転形状を加える方法の概略図である。 本発明のさらなる特徴に応じたＤ形マルチコアファイバの断面図である。 Ｄ形マルチコアファイバとそのファイバの個別の曲げ方向を制約する固いケーブル部品の配列の断面図である。 ファイバの曲げがないときの、マルチコアファイバのクロストークにおける歪みの効果を示すシミュレーションのグラフである。 図６で示されたシミュレーションでのファイバの曲げがあるときを図示したシミュレーションのグラフである。 図７で示されたシミュレーションにおける制御されたファイバの回転の効果を図示したシミュレーションのグラフである。 図８で示されたシミュレーションにおけるランダムな実効屈折率成分の効果を図示したシミュレーションのグラフである。 図７で示されたシミュレーションにおける可変の回転割合の効果を図示したシミュレーションのグラフである。 曲げの結果、２つあるいはそれ以上のコア間に生じる断続的な位相整合を図示した概略図である。 本発明のさらなる特徴に応じた一般的な方法のフローチャートを示す。

本発明の特徴は、マルチコアファイバ（ＭＣＦ）設計においてクロストークを減少させる方法を提供する。下記に記述されているとおり、記載の方法およびファイバは、かなりの部分でマルチコアファイバ（ＭＣＦ）内の個々のコア間の共振結合によってマルチコアファイバ（ＭＣＦ）内でクロストークが生じるという認識に起因している。このような理解により、マルチコアファイバ（ＭＣＦ）において曲げがどのようにクロストークの原因となるのか、そして、曲げと併せてファイバにおけるねじれを、どのようにクロストーク総量を制御するのに利用できるかを適切に分析することが可能となる。

下記の考察は以下の部分に分けられている。
１．序文 − マルチコアファイバ（ＭＣＦ）の例と方法の要約
２．結合モードモデル
３．ゆがみ−コアファイバの設計
４．マルチコアファイバの回転
５．マルチコアファイバにおけるクロストークの減少
６．可変回転割合
７．曲げ誘発位相整合
８．分析的アプローチ
９．定常ランダム曲げプロセスの結果
１０．一般的技術
１１．シングルモードコア、マルチモードコア、あるいはその組み合わせに対する記載された技術の適用性
１２．おわりに

１．序文−マルチコアファイバ（ＭＣＦ）の例と方法の要約
本技術は、本出願の出願人によって所有され、全てが参照のためにここに引用される２０１０年３月１６日に出願された米国仮特許出願第６１／３１４，１８４号に記載されているタイプの７コアのマルチコアファイバの設計に関する記述である。しかし当然のことながら、記載の技術は、異なるコア数、異なるコアおよびクラッド構造、異なるコア形状といったものを持つ他のタイプのマルチコアファイバとともに、他の状況にも適用できる。

図１および図２はそれぞれが、共通クラッド領域２４内の７つのコア領域２２ａ−ｇの配列から成る典型的な７コアマルチコアファイバ（ＭＣＦ）の断面と等角図を示す。第一のコア領域２２ａはファイバの中心に位置している。６つのコア領域２２ｂ−ｇは中心のコア２２ａを囲むように六角形２６に配置される。７つのコア領域２２ａ−ｇは、個々の光伝送をマルチコアファイバ（ＭＣＦ）２０の長さで、その長手方向軸２８に沿って伝えるように構成される。

図３Ａは、マルチコアファイバ（ＭＣＦ）の直径３０にまたがる典型的な屈折率プロファイル４０を示す。屈折率プロファイル４０は、コア領域２２ｂ、２２ａおよび２２ｅのそれぞれの屈折率差Δｎ_ｂ、Δｎ_ａ及びΔｎ_ｅを図示している。図３では説明のため、マルチコアファイバ（ＭＣＦ）２０の各コアはステップ型屈折率プロファイルを持つと仮定している。

コア領域２２ｂ、２２ａおよび２２ｅの各半径は、屈折率プロファイル４０の横軸に沿って対応する距離ｒ_ｂ、ｒ_ａおよびｒ_ｅにより表される。各コア領域の屈折率は縦軸方向の屈折率プロファイルで表される。考察のため、ファイバ２０の各コア領域の個別の屈折率は、その個別屈折率差Δｎ_ｂ、Δｎ_ａ、Δｎ_ｅ、すなわち、ファイバ領域の屈折率とそのファイバの共通クラッド領域２４の屈折率の間の差を使って記述される。

ステップインデックスプロファイルが示されているが、ディプレストクラッド型、トレンチ型、セグメントコア型といった、さらに複雑な屈折率プロファイルが用いられるのは当然のことである。そのような場合、パラメーターΔｎ_ｉは、当分野で周知の慣用であるが、同等のステップインデックス型コアについて言及するのに使用される。

７つのコア領域２２ａ−ｇの個々の屈折率差は、共通クラッド領域２４の屈折率と相まって、マルチコアファイバ（ＭＣＦ）２０の長さに沿って個別の導波路を作るよう構成される。各導波路の個別の有効モード指数は数で表される量であり、所与の波長伝送についてその導波路の基本モードにおける単位長さあたりの位相遅延を示す。所与の導波路の有効モード指数は、伝送波長とコアの有効屈折率プロファイルの関数である。二つの導波路間の共振結合は、二つのコア領域の個々の有効モード指数がお互い十分に近く、つまり位相整合と建設的干渉がそれら個別の光伝送の間で存在するときに生じる。

マルチコアファイバ（ＭＣＦ）における曲げとねじりが考慮されない場合を仮定すると、クロストークを実質的に減少させる、あるいは除去する様にマルチコアファイバ（ＭＣＦ）のコア領域を構成することが可能である。とりわけ、実質的には共振結合とクロストークを減少させる、あるいは除去する位相不整合が生じるといった、対象である所定のファイバ領域で十分に異なる個々の有効モード指数を持つように、前記コア領域と結果として生じる導波路を構成することが可能である。先の方法はこのような形態を試みるものである。

しかしながら、マルチコアファイバ（ＭＣＦ）の曲げはクロストークにかなりの影響を持つ。図３Ｂは、図１で示されたファイバ２０が、半径Ｒを持つ曲げ５２を施した光ファイバ５０の概略図である。例えば、既知の半径と曲げ形状を持つスプールにファイバを巻きつけることにより曲げ統計量は所定のファイバについて生成される。

下記により詳細に記載されているとおり、ファイバの曲げは、その曲げがたとえ比較的に大きい半径を持っていても、曲げ部分での導波路の個々の有効モード指数における、かなりの偏移の原因となり得る。有効モード指数での前記偏移は位相整合、共振結合、そしてクロストークと次々に誘導する。

以下に記載されているとおり、本発明の特徴により、ファイバの曲げ部分に適切に構成されたねじれを導入することにより、一つか二つの曲げを保持したままのマルチコアファイバ（ＭＣＦ）内部でクロストークを減少できる。例えば、適切なねじれを導入する一つの方法として、ファイバやファイバプリフォームを適切な回転技術を使って線引き中に回転させるといった回転技術の利用によるものがある。

図４は、ファイバが線引きされるときにプリフォーム６２を回転することで所定のファイバ６０にどのように所望するねじり形状を導入するかを示した略図である。プログラム制御の回転コントローラー６４は前記プリフォーム６２にユーザーが入力した回転プロファイル６６を施す。前記プリフォーム６２は自身の長手方向軸を中心に回転し、前記ファイバ６０に導入される制御可能な量のねじり６８を引き起こす。このねじり６８は、例えば、ファイバの所定の長さに生じる回転の角度（ラジアンで測定される）、つまり回転の周期７０というように定量化することができる。図４の右側にあるファイバの断面７２ａ−ｅは、同じ方向で最大２πラジアンつまり３６０°の定速ねじりを説明している。しかし、回転プロファイルは回転速度が可変的で、回転方向も変化する場合にも利用される。あるいは、前記コントローラー６４は、前記プリフォーム６２が一定方向に保持されている間、前記ファイバ６０の端で回転を与えることができる。さらに、既知の方法である、ファイバと接触しているホイールアセンブリの傾きによってねじりが誘発されるといったパッシブな装置を使用してもねじりが与えられる。

下記でより詳細に考察されているとおり、おおよそ一定のモードフィールド直径とコア間隔をもつマルチコアファイバ（ＭＣＦ）設計を仮定すると、一つあるいはそれ以上の下記方策が適用でき、モードフィールド直径とコア直径に独立的に適用される。
１．所望する動作範囲でクロストークを減少させるねじりをファイバに与える。回転は、不規則性を与えるようファイバ長に渡って方向を行ったり来たり、あるいは変えたりする。あるいは、コア間の固定された幾何学的配置の近くに保持するというように、所望する効果を得るため回転は選択された許容値内で不変を持続する。
２．たとえ曲げや他の乱れが存在するときでも、隣接するコアが、所望する動作範囲で結合を減少させるのに十分異なる実効屈折率のモードを持つように、異なるコアを作成しそれらを配置する。
３．ファイバやケーブルの機構的設計により曲げやねじれを強いる。例えば、（矩形あるいはＤ形の外形といった）非円形ファイバは曲げにとって望ましい方向性を持つ。コアの配置はファイバやケーブルの曲げやねじれ特質に基づいて決定される。類似の効果は望ましい方向性を示すケーブル設計でも達成できる。例えば、中心線の反対側にある２つの硬いメンバはメンバ面に垂直な平面では曲げを制限する。
４．曲げ、回転あるいはねじりといったパラメーターが望ましくない領域での配置が、上記に記載のファイバおよびケーブル設計のいずれにおいても容易に見出され、回避されることができるように、ファイバあるいはケーブルを作成する。
５．曲げが大部分がある方向に沿ったものであり、隣接しつつ、かつコア同士の距離間隔が主にその曲げ方向に沿っているコア同士の間のクロストークを減少するために、その方向に沿ってコア間隔やインデックスプロファイルあるいはインデックス整合を修正するというようなファイバあるいはケーブルを作成する。

このリストは説明に役立てる目的および本発明の考察のために提供されるものであることを留意しなければならない。当然のことながら本発明の特徴は他の事情や下記に具体的に列挙されている以外の構造利用にも適用される。

図５Ａおよび図５Ｂは上記リストの第３項目および第５項目の組み合わせがいかに実行されるか、すなわち、曲げの所望する方向により大きいコア間隔を供することについて説明している。図５Ａは、長方形に配列される１２個のコア８２を持つＤ形マルチコアファイバ８０の断面を示す。１つあるいはそれ以上のＤ形ファイバは、前記第３項目に記載のとおり、曲げの方向を制約する硬いケーブル部品に取り付けられる。図５Ｂは、６個のＤ形ファイバ９０の列が硬いケーブル部品９２に隣り合って配列されている形態を示す。曲げの方向は制約されているので、曲げ方向に沿った各マルチコアファイバにおけるコア同士の間隔は、直行する方向での間隔と異なるように構成される。これらの間隔は、前述の第５項目に従い、クロストークへの曲げの効果の考察を利用して選択される。

上記に述べたとおり、ここに示される仮想モデルは、クロストーク結合が共振結合によって決定され、それら結合は有効モード指数や導波路の間隔、配列の形状、つまり、曲げ、ねじれ、軸ひずみを含む複数のパラメーターによって制御されるという認識に基づいている。この見解は共振結合を抑制するための幅のある設計空間を導く。これらのパラメーターは、例えばコア特性や間隔を制御する、あるいは線引き中にファイバを回転させる、あるいはファイバ形状を適切に設計することにより、ファイバ設計および製造工程で調整することができる。

所望するファイバの特性は、さらに、ファイバの線引き後、ファイバの方向を調整するためにケーブル構造を利用することでも提供される。例えば、ファイバのねじれを生成するためにケーブル部品のまわりにらせん状に、一定あるいは可変的にケーブル長に沿ってファイバを巻くことができる。周期的あるいは非周期的な曲げは、さらに、ケーブル設計を使用することでも誘発される。

いくつかの応用においては、結合を意図的に誘発するのが望ましい。例えば、いくつかのシステムにおいて、コア間でランダムに光を混合するのが望ましい。そのような応用においては、できるだけ効果的にそれを行うのが望ましい。

上記の見解および下記の考察を前提とすると、ファイバおよびケーブルの状態を高帯域幅の通信経路のある特性に合うように特定することが可能である。これらは、通信技術の特質に応じて異なるであろう。例えば、システムがランダム化した信号を必要とする場合、コア間で光を“スクランブル”する設計を利用することで成し遂げることができる。また、低レベルのクロストークを必要とする技術は、異なるファイバおよびケーブル設計を必要とするであろう。他の応用では、求められるクロストークの最適量があるであろう。これは、例えば、十分結合した一対のコアを作ることで、他がそれより少なく結合しているとき遂行されるシステムでの変化を見つけるのに有益であろう。

２つのコアのモード間の共振結合は、結合の強度に比例する許容範囲内で、それらのモードの実効屈折率が同じであるときに生じる。各モードの実効屈折率は、製造されたままのコア間の差によって、さらには、曲げといった長さの変化や配置による要因によって、偏移する。２つのコア間の実効屈折率差における曲げによって誘発された偏移の正確な記述は、下記の第２章で与えられる。

ファイバがかなりのねじれを持つ場合、ファイバ断面に対する曲げの方向はファイバ長に沿って回転している。ねじれは、らせん形の導波路に対する光路長調整に起因する偏移を導入する。それの、より重要な役割は、一般に、曲げによって誘発されるインデックス偏移を調整することである。例えば、もし最も隣接するコアがほぼ同一であり、しかし生成されたままの実効屈折率差を持つように撹乱させられる（インデックススキューと呼ばれる）ならば、上記に列挙された第２の方策が実行される。

隣接のコアが少なくとも規定されたモード指数の不一致を持つという制約に従ってコアの配列を作るため、グループ内の全コアがほぼ同じ生成されたままの実行屈折率を持つようにコアのグループを複数作り、グループ内のいずれの２つのコアも、ある規定された間隔より接近しないようにコアを配置する。単純な例としては、例えば格子模様などを含む。これらは、二次的隣接との結合を軽減すること、あるいは、曲げの方向性に関連したコアの配置によってコアに見られる結合の異なる度合いを考慮するために一般化される。

シミュレーションでは、たとえ生成されたままのコアが、隣接したコアの共振におけるランダムな変化と系統だっていない歪みを持っているとしても、ねじりの割合が適切な範囲に選択されたならば、いくつかの応用でクロスカップリングがかなり減少するということが分かっている。

三角形の間隔に置かれたコアを持つ７コアファイバのシミュレーションでは、さらに、最も隣接するものの生成されたままの実効屈折率値をゆがめることによって、３つのグループを使い、ゆがみレベルの決定において曲げが適切に考慮された場合にのみクロストークがかなり減少できる、ということが示されている。

２．結合モードモデル
本発明の第一の特徴によると、ファイバの回転制御は、ファイバの曲げに対しコアの方向性を変化させることでクロストークをかなり削減するのに利用される。本発明におけるこの特徴は、以下にある結合モードモデルに準じて理解される。

マルチコアファイバの個々のコアがシングルモードであるならば、伝搬は以下の単純な結合モード伝搬モデルで理解することができる。

ここで、ｕは局所モデルでの振幅のベクトル、ｚは軸上の長さ、λは波長、Ｃは結合係数の行列（指数単位）、そして、Ｄはシングルモードコアにおける有効モード指数値の対角行列である。

標準幾何により、Ｃは最も隣接する要素（Ｃ_ｍｎ＝ｃ_０）を持ち、他の全ての要素はほぼゼロである。ファイバが半径Ｒ_ｂｅｎｄおよび方向θで曲げられたとすると、実効屈折率は偏移し、位置Ｘ_ｍ，Ｙ_ｍ，でのコアｍは有効モード指数Δｎ_ｍ ^ｅｆｆを持つことが知られている。

応力修正がない限り、γ＝１である。

先の分析は無視された曲げがあるため、本考察は、異なる条件の大まかな見積もりで開始する。

例えば、Δ＝０．００３１、公称コア直径が１０．４μｍおよび間隔ａ＝４２μｍのステップインデックス型ファイバについて検討する。１５５０ｎｍでは、ｃ_０≒４．６×１０^−９（実効屈折率単位で）である。コア間の偶然あるいは意図的な変化はおそらく１０^−５から１０^−３の範囲になる。曲げの乱れはおおよそａ／Ｒ_ｂｅｎｄであり、たとえ曲げ半径がメートルオーダーであっても、コアの変化に見合っているかそれより大きい。さらに、曲げの乱れは、ファイバが極めて一直線、つまりＲ_ｂｅｎｄ＞１ｋｍに保持されていない限り、通常はｃ_０よりもっと大きい。短尺ファイバにおける方程式（１）の直接シミュレーションは曲げの影響を明らかにし、テレコミュニケーションリンクに関する、より長尺における統計的伝搬パラメーターを導くのに利用される。

３．ゆがみコアファイバの設計
曲げの乱れと実際の製造、張りおよび温度変化は、例えば、最も隣接するコアの意図的にゆがませた実効屈折率のある低クロストークファイバの設計において、きわめて重要である。これらの要因を無視した先の分析は、断面が挿入図１１０に示されている上記に記載の種類の典型的な７コアファイバについて、方程式（１）の伝送行列伝搬を使ったシミュレーションのグラフ１００を示している図６に示されたような結果をもたらす。外側の６個のコアは、最も隣接するものが少なくともΔｎ_ｓｋｅｗでゆがめられるというΔｎ_ｍ ^ｅｆｆ＝±Δｎ_ｓｋｅｗを持つ。破線１０１は、約３０ｍの長さで生じるピーククロストーク値（１×１０^０に規格化されている）を示す。破線１０２、１０３、１０４および１０５は、実効屈折率の乱れが１×１０^−５から７×１０^−５の範囲での個々のピーククロストーク値を示す。これらのとても小さいゆがみでもかなりの量のクロストークが減少する。

コアの有効モード指数をゆがめることは、それらの間での位相整合された結合を阻む。しかし、曲げの乱れが十分大きければ、ゆがめられたコアを位相整合された共振の状態に至らせる。もしこれが生じた場合、ねじれがγｎ_ｃｏｒｅａ／Ｒ_ｂｅｎｄよりかなり大きくない限り、効果は、ゆがみ方策の利点の多くを取り去ることである。これは、例えば図７のグラフ１２０に、各コアの実行屈折率が設計されたとおりである場合、つまり意図的なねじりや他の調整がない場合について示されている。実線１２１はゆがめられていないマルチコアファイバ（ＭＣＦ）でのクロストークを示す。実線１２２、１２３、１２４、および１２５は実効屈折率が１×１０^−５から７×１０^−５の範囲でゆがんでいるときのクロストーク値を示す。

曲げ乱れはコアの幾何配置における曲げθの方向性によるため、そしてこの方向性は、通常、長さに沿って一定に保持できないので、位相整合された共振は、Ｄ_ｍ，ｍ（θ（ｚ））＝Ｄ_{ｍ’，ｍ’}（θ（ｚ））となるいくらかの位置と関係がある。図７では、ファイバの方向性は、とてもゆっくり変動し、２０ｍ毎に完全なねじれを作ると仮定される。そのようなゆっくりした変動は、線引き中、ケーブル化の最中、およびそれに類するものの最中に導入される意図的でないねじれの典型である。位相整合の事象に一致する個別の急騰は、図７に示されており、いくつかの応用でもさらに公表される。

４．マルチコアファイバの回転
本発明の特徴によれば、ファイバの回転はクロストークの減少に利用される。上記で記載のとおり、ファイバの回転は、線引き中に選択したあるいは所望する回転形状に合わせてファイバあるいはファイバプリフォームを回転することによりねじれをファイバに導入するという製造技術である。

本考察で使用されているとおり、“回転”および“ねじれ”といった用語はどちらも同じように曲げに関してファイバ断面の方向性における変化を示すので、一般には区別しないで用いられている。ファイバにはより多い（ねじれ）あるいはより少ない（回転）張り、あるいは方向性の変化が付与される温度があるということを示す、それら用語間の特徴があることが認識される。

ファイバの回転はシングルコアファイバでの偏光性能を向上するのに利用されてきた。しかし、これまでファイバの回転は、クロストークの減少というかなり異なる事情には適用されてこなかったと見られる。

図８は、いくつかのファイバにおいて、ｄθ／ｄｚ＝２π／１ｍの制御されたファイバの回転がクロストークをかなり減少することを示したグラフ１４０である。破線１４１ｂ、１４２ｂおよび１４３ｂは、比較のため、図７から繰り返され（それぞれ実線１２１、１２２、および１２３）目盛りをつけられている。実線１４１ａ、１４２ａ、及び１４３ａは、それぞれのゆがみが０×１０^０、１×１０^−５および３×１０^−５の制御されたファイバ回転を持つマルチコアファイバにおける個々の結合量を示す。図８で示されたとおり、３×１０^−５のゆがみを持つ回転されたファイバ（実線１４３ａ）は、回転させていないゆがみのないファイバ（破線１４３ｂ）と比較して、クロストークがほぼ一桁減少している。

製造の精密さが変化する際、コア間のやむを得ない変化が、おそらく１０^−５より大きいランダムな実効屈折率成分Δｎ_ｒａｎｄを、それぞれのコアのＤ_ｍ，ｍに加える。このことは、たとえ曲げがない場合でも、Δｎ_ｓｋｅｗがΔｎ_ｒａｎｄよりかなり大きくない限り、コアをゆがめることの効果を低下させる。図９は、それゆえ、上記で最も大きいゆがみ（７×１０^−５）に着目し、７×１０^−５で均一に与えられた外側の各コアにランダムな偏移を加えたグラフ１６０である。その変化は、不運な外側のコアのゆがみを打ち消すのに十分大きい。この場合、回転はクロストークの減少に大変効果がある。０．５ｍの回転周期（実線１６１ｂおよび１６２ｂ）は、ゆっくりとした方向性の変動（１６１ａおよび１６２ａ）にたいしてより１桁から２桁分小さいクロストークを持つ。破線１７０は、曲げのないファイバにおけるクロストークであり比較のために提示される。グラフ１６０は、意図的あるいはやむを得ないゆがみのいずれかが対となるコアの有効モード指数にあるという現実の状況において、もしファイバが曲げられていなければ、クロストークはかなり低くなる（破線１７０）ということを示す。しかし、有益な長さでの実際のケーブルにおいて、そのように曲げられていない状態を達成するのは不可能であり、半径４ｍあるいは１ｍでさえ段階的な曲げはやむを得ず、その場合、クロストークは容認できないレベル（破線１６１ａ、１６２ａ）まで上昇する。ファイバのねじりは、配列から外れてコアを回転することによってうまくクロストークを減少し、数桁分の改良を達成する（実線１６１ｂ、１６２ｂ）ことができるが、クロストークは完全に曲げられていない状態よりも高いままである。したがって、ねじりは、コアの有効モード指数においていくらかのレベルのゆがみを持つ、曲げられたマルチコアファイバでのクロストークを減少するのにとても効果的である。ファイバをねじることにおいて、４ｍ曲げのある部分において最大結合となるよう、コアはその方向性から外れて回転させられる。２π／１０の回転はクロストークを抑制するのに効果的であるので、ねじりは少なくとも２π／５ｍ、できればおよそ２π／１ｍかそれより大きい割合で生じなければならない。

５．マルチコアファイバにおけるクロストークの削減
曲げおよび製造の変化は質的にマルチコアファイバのクロストークを変化させ、いかなる実際のクロストークシミュレーションにとって重要であるということは上記で示されている。この曲げ効果を理解することにより、例えば、曲げや製造の変化が存在しているときに位相整合を避けるのに十分であるようコアをゆがめることといった、現実のシステムに適合する低クロストークファイバの設計をすることが可能である。コア間隔も調整が可能であり、よってそれは全て同じではない。例えば、等しくないコア間隔は、マルチコアプリフォームの組み立ての前に個々のコアロッドで測定された変化に対し、調整するために利用される。さらに等しくないコア間隔は、非対称なファイバやケーブルにおいてどの方向の曲げが起こりやすいかという認識とともに利用される。

光ファイバを回転することは他の事情で利用されてきた。とりわけ、光ファイバを回転することは、偏波モード分散（ＰＭＤ）を減少するのに利用されてきた。偏波モード分散（ＰＭＤ）はマルチコアファイバ（ＭＣＦ）のクロストークという観点とは無関係な機能障害である。さらに、先のマルチコアファイバ（ＭＣＦ）でのクロストークの分析は、回転するということはかなりの効果を持つということを示しているようは見えない。

具体的には、低クロストークマルチコア設計の考察は、曲げの効果を無視している。それゆえ、回転およびねじれが重要な曲げの乱れにおける長さ変化を導入するという概念はこれまでの妙手である先の仮定と矛盾している。さらに、一般的に言って、クロストークの減少に利用される回転機能とパラメーターは、それらの効果が異なる原因から生じるため、偏波モード分散（ＰＭＤ）を最適化するのに利用されるものとは通常異なる。例えば、今述べているクロストークの減少の算出は、偏波モード分散（ＰＭＤ）の減少に効果的であるためにはおそらく低すぎる回転割合を利用している。

さらに、ファイバの中心線にあるコアのわずかな乱れの典型となる回転の間、回転軸からのコアのずれは、ファイバに沿ってらせん形の軌道をたどるので、さらに大幅な乱れに悩まされる。マルチコアファイバの回転は、もしパラメーターの範囲が不適切であれば、最外部のコアで不要な効果をまねく。例えば、らせん形の軌跡は、ここに述べたクロストーク効果に加え、曲げが誘発するロスをもたらすコアのさらなる事実上の曲げを意味する。偏波モード分散（ＰＭＤ）を減少するために設計された従来の典型な回転割合は高すぎるので、最外部のコアは、容認できないほど高いロスとなるのに十分なほど短い局所曲げ半径を持つ。この効果はファイバ性能を悪化させるが、他の多重モードコアにおいてらせん形のコアの実効カットオフ波長を減少することによりモードを抑えるのにも利用される。マルチモードでマルチコアの回転されたファイバでは、最外部のコアにおいて高帯域でより高次のモードが抑制される。

曲げロスに加え、らせん形の軌跡は、コアから取り囲んでいるポリマーのクラッド材料への光の不要な結合を強める。小さいガラス外径の従来型シングルコアファイバを曲げることはポリマー被覆に不要な結合を誘発するのと同様、マルチコアファイバを回転することはファイバからの光の漏れを修正することができる。この効果は、ガラスおよびポリマー両者の指数が温度と共に変化するため、温度に敏感である。さらに、回転されたファイバと回転されていないファイバの間を接合する場合、コアの軌跡は、コア方向でのよじれといった方向性の急な変化をたどる。これは高い接合ロスにつながる。

本発明の特徴によると、ファイバを回転することは非線形性、コア密度、カットオフ等において何も犠牲にすることなくクロストークをかなり減少するのに利用される。この単純な検討は、一定の回転および曲げ半径をもつ５０ｍ長について行われる。温度変化と同様、実際にファイバに設定される曲げの統計値は、正確なのファイバの最適化を可能にするために特徴付けられる必要がある。

いくつかの事例においては、１つのコアに送り出される情報が出口で全てのコアにおいて同等に現れるように、高レベルのクロストークが望ましい。適切な信号処理は、伝達情報を回復するために混合した信号を「元に戻す」（ｕｎｓｃｒａｍｂｌｅ）ことができる。ファイバの回転は、コアの位相整合状態に曲げや製造変化よりも非常に大きい乱れを与えるため、ファイバの回転を極めて低いレベルに維持することが必要である。これは、ファイバ製造中のねじれを排除するための念入りなファイバ線引きや、あるいは同様にファイバのねじれを与えないケーブル設計や敷設方法を必要とする。一方、制御されたファイバの回転は、コア指数や位置、曲げの方向性および温度での変化の存在においてクロスカップリングを強めるのに利用される。回転は更なる自由度合であり、コア半径や間隔、指数等の設計を変化させることと両立できる。回転されたファイバの軸方向での特定の位置において、局所に集中させた高いクロスカップリングを得るため、制御された曲げ半径と曲げの方向性を取り入れる。

最適化された条件は、信号が何千キロにもわたって伝送される長距離用途から、数百キロの距離の局所的な用途や数キロの構内用途、数百メートルのローカルエリアネットワーク、数十メートルが必要なデータセンターや中央オフィス用途、数メートルの光アンプやデバイス用途など、広範囲でのファイバ敷設のために開発されなければならない。曲げ、ゆがみおよび回転させる条件は特定の用途のために必要とされる特性を生じるように修正される。

６．可変回転割合
シミュレーションはさらに、マルチコアファイバにおいて割合を可変できる回転が、かなりクロストークを減少するということを示している。回転割合は、正弦曲線的に正と負の間を最大割合で変えられる。図１０のグラフ１８０において、２つの可変できる回転割合が比較され、シミュレーションされたほとんどの曲げ半径において、より高い可変の回転割合の方が、クロストークの大幅な減少を達成している。実線１８１ａおよび１８２ａは、最大が１ｍあたり３．１４ｒａｄとなる可変の回転割合における値を示し、実線１８１ｂおよび１８２ｂは最大が１ｍあたり３１．４２ｒａｄとなる可変の回転割合における値を示す。

７．曲げ誘発位相整合
図１１は、曲げの結果として２つ、あるいはそれ以上のコア間で生じる断続的な位相整合を説明する略図である。曲げの方向性がふらつくことで曲げの乱れが位相整合を変化させる。

もし、曲げが十分強固である、つまりＲ_ｂｅｎｄ＜ａγｎ_ｃｏｒｅ／Δｎ_ｓｋｅｗであるなら、隣接するコアの各対において、位相整合結合は、ねじり周期毎に一度か二度得られる。

図１１において、マルチコアファイバ２００は、円筒２０２の周りに巻きつけることで一定半径の曲げにさらされる。３つのコア領域２０４ａ、２０４ｂおよび２０４ｃはファイバ２００について描かれている。説明のため、ファイバ２００は、ねじられた領域を含み、そこでは外側のコア２０４ａと２０４ｃが中心コア２０４ｂの周りに一般にらせん形の形状で巻きついていて、それらの間の距離が十分に保持されている、と仮定する。

マルチコアファイバ２００でのねじれは、コア２０４ａ、２０４ｂおよび２０４ｃの曲げ方向において周期的な変化を引き起こす。図１１に示されるとおり、コア２０４ａ、２０４ｂおよび２０４ｃのねじり角がθ≒−π／２からθ≒０、その後θ≒πまで増加するのに従って、コア領域の個々の有効モード指数の偏移が存在する。特に、ゼロ曲げプロファイル２１０と共振曲げプロファイル２１０’の間には偏移が存在し、コア２０４ａ、２０４ｂおよび２０４ｃの個々のインデックス２１０ａ、２１０ｂおよび２１０ｃは新しいインデックス２１０ａ’、２１０ｂ’および２１０ｃ’に偏移する。ゼロ曲げプロファイル２１０において、位相整合は非整列の有効モード指数線２１２ａ、２１２ｂおよび２１２ｃで示される。共振曲げプロファイル２１０’では、インデックスプロファイルの偏移により有効モード指数線２１２ａ’、２１２ｂ’および２１２ｃ’が一列に並び、クロストークをもたらす位相整合を示す。

８．分析的アプローチ
結合モード伝搬が３つの部分を持つと考えるが有益である。

結合はＣで、曲げの乱れはＢで、そして製造の変化を含む、非摂動モードの実効屈折率、等々はＡで与えられる。これらは一般に、極めて異なる特性を持つ：

Ａは、意図的でない変化の場合、〜１０^−５から〜１０^−４オーダーの、あるいは意図的なねじれの場合〜１０^−３まで上昇するインデックス差と共に対角でゆっくりした変化（＞〜１００ｍ）である。

Ｂは、インデックス差〜γｎ_ｃｏｒｅａ／Ｒ_ｂｅｎｄ、および〜１０^−６から１０^−３に及ぶ対角で、急激な変化である。

Ｃは、通常＜＜１０^−６の大きさを持つ非対角で急激な変化である。

さらに、Ａでのインデックス差が短尺においていくらかの変化を持つとき、それらは接合間隔に相当する長尺に対して高度に相関したままである。

短尺ファイバ部分における伝送行列Ｕ（ｚ_２，ｚ_１）についての分析的あるいは統計的結果を入手できるのであれば、長距離モデルはそれら短尺部分行列の連続として表すことができる。

個々の行列Ｕ（ｚ_Ｐ＋１，ｚ_Ｐ）は、たとえＡが極めて長距離相関を持つとしても、Ｂの統計値においてはおおよそ相関がない。それゆえ、連続モデルでは、個々の行列Ｕ（ｚ_Ｐ＋１，ｚ_Ｐ）はＢにおける統計的平均で代表され、その連続は扱いやすい。

Ｃは小さく、Ａ＋Ｂは対角であり、それゆえ積分可能であるので、自然的アプローチは

である。

もし、［ｚ_１，ｚ_２］において間隔ｚにわたりＡがおおよそ一定ならば、

である。

もしその間隔が高次条件を無視するに十分小さければ、伝送行列Ｕ（ｚ_Ｐ＋１，ｚ_Ｐ）は、

である。

この間隔において誘発されるクロストークは｜Ｕ_ｎｍ｜^２であり、ｎとｍは同じでない。

９．定常ランダム曲げプロセスの結果
コア間の非摂動な不一致は

と表記できる。あるいは伝搬定数の不一致として

と表記できる。
伝送の非対角行列要素はフーリエ変換と似てくる。

ここで、

と仮定すると、これは｜ｚ_２−ｚ_１｜より小さい相関長さを持つ定常ランダム過程である。その結果、

である。

ここで、Ｒ_ｆｆはランダム過程ｆの自己相関関数であり、Ｓ_ｆｆはそのパワースペクトル密度（ＰＳＤ）である。これはマルチコアファイバの組み立ておよび配置についての方法を決定する。間隔［ｚ_１，ｚ_２］におけるクロストークについての上記方程式は、もし低クロストークが要求される場合は小さく、高クロストークが要求される場合は大きくなるよう、ファイバ設計の選択、回転の機能および曲げ統計値を選択する。それは、ファイバ対ｍ，ｎに対応する異なった要素ができる限り近くなるように、それが望ましい場合には、最適化される。

低クロストークのための設計を検討するとき、例えば、プリフォーム設計は既に制約されている（Ｃ_ｍ，ｎおよびΔβ_ｍ，ｎは固定となるように）、そして曲げプロファイルＲ_ｂｅｎｄ（ｚ）の統計値はケーブル化および敷設の状態によって決定される、と仮定することができる。回転プロファイルθ（ｚ）は、以下にあるとおり、Ｓ_ｆｆ（Δβ_ｍ，ｎ）が最小となるように設計される。

これらの結果はさらに、クロストーク特性を決定するために製造されたファイバを特徴づける方法を提案する。コアの特定の対が、配置条件の範囲の全域で他より高いクロストークを持つ傾向がある。なぜならこれらのコアは位相整合により近いからである。これらのコアは製造の時点で特定され、特有のクロストークに基づいて使用するために選択される。方程式（１８）は、実際の配置条件におけるクロストークを概算する、曲げ条件のテストセットを設計するのに使用される。

標準マルチコアファイバの場合、隣接するものは全て同じ間隔ａを持ち、変位角度θ_ｎ，ｍである最も隣り合うコアｎ、ｍについて

である。

ｆは定常と仮定するので、その自己相関関数とパワースペクトル密度（ＰＳＤ）は、標準マルチアファイバでは、全ての隣接する対について同じである。

この誘導は、以下の３つの近似値を成立させるため、間隔Δｚ＝ｚ_２−ｚ_１を選択することに依存している。
１．Δｚ＞＞ｆの相関長さ
２．Δｚは十分小さいのでその間隔の中では複数の結合事象が無視できる
３．Δｚ＜＜ＡおよびＣにおける変化の長さスケール

たとえ条件を厳密に満たすものが３つ全てでなかったとしても、例えば、複数の結合事象がｆの相関長さにおいてそれほど無視できないとしても、近似値は有益な傾向を与える。

１０．一般的技術
図１２はここに記載の本発明の様々な特徴に準じる一般的な技術３００のフローチャートである。方法３００は以下の要素から成っている。

工程３０１：複数のコア領域が共通のクラッド領域内に配置されたマルチコアファイバを供し、そこでは複数のコア領域のそれぞれはファイバの長手方向軸に沿って個々の光伝送を伝搬するように構成されている。

工程３０２：動作の長手方向の選定された領域内で、少なくとも２つのコア領域を、それらの間を伝搬する光の共振結合が抑制されるように構成する。

工程３０３：ファイバの少なくとも一部分にねじれを導入する。そこで、選択された半径を持つ曲げがファイバのねじられていない部分に導入された場合の少なくとも２つのコア領域間でのクロストーク量と比較して、選定された半径を持つ曲げがねじられた部分に導入された場合に、ねじれが少なくとも２つのコア領域間で制御されたクロストーク量変化を生成するようにねじれを構成する。

１１．シングルモードコア、マルチモードコア、あるいはその組み合わせに対する記載された技術の適用性
当然のことながら、上記の手法は異なるタイプのマルチコアファイバに適用できる。その手法は、複数のシングルモードコアから成るマルチコアファイバの状況について上記に記載されている。さらに、その手法は、複数のマルチモードコアから成るマルチコアファイバ、あるいはシングルモードとマルチモードのコアの組み合わせから成るマルチコアファイバ、あるいは有効モード指数整合の発生を増加あるいは減少することによりクロストーク量を操ることができる他のいかなるタイプのマルチコアファイバの状況についても適用される。

１２．おわりに
先行の記述は当業者が本発明を実践することを可能にする詳細を含んでいるが、記述は実際には実例であり、その多くの改良や変化は、それらの教示の利益を有する当業者には明らかであろうことを認識すべきである。それは、結果的に、ここでの本発明は本明細に添付の請求項によって唯一定義され、その請求項は従来の技術によって広く認められていると解釈されることを意味している。

２０、２００：マルチコアファイバ（ＭＣＦ）
２２_ａ−ｇ、２０４_ａ−ｃ：コア領域
２４：共通クラッド領域
２６：六角形
２８：長手方向軸
３０：マルチコアファイバの直径
４０：屈折率プロファイル
５０、６０：ファイバ
５２：ファイバの曲げ
６２：プリフォーム
６４：コントローラー
６６：回転プロファイル
６８：ねじれ
７０：回転周期
７２：ファイバ断面
８０：Ｄ形マルチコアファイバ
８２：１２個のコア配列
９０：６個のＤ形マルチコアファイバ配列
９２：ケーブル部品
１００、１２０、１４０、１６０、１８０：グラフ
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５：クロストーク値
１２１、１２２、１２３、１２４、１２５：クロストーク値
１４１、１４２、１４３、１４４：クロストーク値
１６１、１６２、１７０：クロストーク値
１８１、１８２：クロストーク値
２０２：円筒
２１０：ゼロ曲げプロファイル
２１０’：共振曲げプロファイル
２１２：コアインデックス
３００、３０１、３０２、３０３：本発明の様々な特徴に準じる一般的な技術

Claims (4)

1. 共通のクラッド領域に配置された複数のコア領域を備えるマルチコア光ファイバであって、
   前記複数のコア領域の各々は、前記ファイバの長手方向軸に沿った光伝送のためのそれぞれの導波路を伝搬するように構成され、
   少なくとも２つの前記コア領域は、前記少なくとも２つのコア領域の実効屈折率間にγｎ_ｃｏｒｅａ／Ｒ_ｂｅｎｄよりも大きい差が存在し、動作の選定された長手方向領域内で共振結合を抑制し、曲げの乱れが前記コア領域を位相整合された共振状態にすることを防ぐように構成されており、
   γは応力修正因子であり、
   ｎ_ｃｏｒｅはコア屈折率であり、
   ａはコア間隔であり、
   Ｒ_ｂｅｎｄはファイバの曲げ半径であって、Ｒ _ｂｅｎｄ ＜１ｋｍである、マルチコア光ファイバ。
2. 隣接する前記コア領域の前記実効屈折率間の前記差は７×１０^−５より大きい、請求項１に記載のマルチコア光ファイバ。
3. マルチコアファイバを製作する方法であって、
   （ａ）共通のクラッド領域内に配置された複数のコア領域を有するマルチコア光ファイバを提供するステップであって、前記複数のコア領域の各々は、ファイバの長手方向軸に沿って個々の光伝送を伝搬するように構成されている、ステップと、
   （ｂ）少なくとも２つの前記コア領域を、前記少なくとも２つのコア領域の実効屈折率間にγｎ_ｃｏｒｅａ／Ｒ_ｂｅｎｄよりも大きい差が存在し、動作の選定された長手方向領域内で共振結合を抑制し、曲げの乱れが前記コア領域を位相整合された共振状態にすることを防ぐように構成するステップと、を具備し、
   γは応力修正因子であり、
   ｎ_ｃｏｒｅはコア屈折率であり、
   ａはコア間隔であり、
   Ｒ_ｂｅｎｄはファイバの曲げ半径であって、Ｒ _ｂｅｎｄ ＜１ｋｍである、方法。
4. 隣接する前記コア領域の前記実効屈折率間の前記差は７×１０^−５より大きい、請求項３に記載の方法。

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