JP6258618B2 - マルチコア光ファイバ - Google Patents

Description

本発明は、マルチコア光ファイバおよび光通信システムに関する。

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り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（非特許文献１〜３参照。）。

Ｈ．Ｔａｋａｒａ ｅｔ ａｌ．，"１．０１−Ｐｂ／ｓ（１２ ＳＤＭ／２２２ ＷＤＭ／４５６Ｇｂ／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） Ａ．Ｈ．Ｇｎａｕｃｋ ｅｔ ａｌ．，"２．５ Ｔｂ／ｓ（６４ｘ４２．７ Ｇｂ／ｓ）Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｏｖｅｒ ４０ｘ１００ｋｍ ＮＺＤＳＦ Ｕｓｉｎｇ ＲＺ−ＤＰＳＫ Ｆｏｒｍａｔ ａｎｄ Ａｌｌ−Ｒａｍａｎ−Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐａｎｓ"，ＯＦＣ２００２，ｐａｐｅｒ ＦＣ２−１ 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） Ｙ．Ｋａｔｓｕｙａｍａ，Ｍ．Ｔｏｋｕｄａ，Ｎ．Ｕｃｈｉｄａ，ａｎｄ Ｍ．Ｎａｋａｈａｒａ，"ＮＥＷ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ Ｖ−ＶＡＬＵＥ ＯＦ Ａ ＳＩＮＧＬＥ−ＭＯＤＥ ＯＰＴＩＣＡＬ ＦＩＢＲＥ，"Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．１２，ｐｐ．６６９−６７０，Ｄｅｃ．１９７６ Ｔ．Ｍａｔｓｕｉ，ｅｔ ａｌ．，"Ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｗｉｔｈ Ｕｎｉｆｏｒｍ Ａｉｒ−Ｈｏｌｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｏ Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ ａｎｄ Ｗｉｄｅ−Ｂａｎｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｏｖｅｒ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｂａｎｄｓ"，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．ｖｏｌ．２７，ｐｐ．５４１０−５４１６，２００９ Ｔ．Ｈａｙａｓｈｉ ｅｔ ａｌ．，"Ｕｌｔｒａ−Ｌｏｗ−Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ Ｍｕｌｔｉ−Ｃｏｒｅ Ｆｉｂｅｒ Ｆｅａｓｉｂｌｅ ｔｏ Ｕｌｔｒａ−Ｌｏｎｇ−Ｈａｕｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"，ＯＦＣ２０１１，ｐａｐｅｒ ＰＤＰＣ２（２０１１） Ｃ．Ｘｉａ ｅｔ ａｌ．，"Ｈｏｌｅ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｆｅｗ−ｍｏｄｅ Ｍｕｌｔｉｃｏｒｅ Ｆｉｂｅｒ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ−Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｓｐａｃｅ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ"，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．２４，ｐｐ．１９１４−１９１７（２０１２） 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

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。

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り、コア間距離を小さくし、クロストークが−２６ｄＢ以上であっても信号処理により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（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が図れる。しかしながら、コア間でクロストークが生じる構造においては、群遅延差の低減と空間利用効率の両立を図るためのコアの配列条件は不明確である。

本発明は、２個以上のコアが配置された光ファイバにおいて、群遅延差の低減と空間利用効率の両立を図ることを目的とする。

本発明では、２個以上のコアが配置された光ファイバであって、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、かつコア間のクロストークが−２５ｄＢ以上となる様にコア間隔距離とモードフィールド半径の比が制御された光ファイバ、およびそれを伝送路に用いた光通信システムによって課題を解決する。

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た光ファイバであって、
当該光ファイバ中の複数のコア領域にまたがって伝搬する偶モード−奇モード間及び同一コア内を伝搬するＬＰモード間の群遅延差が±４５０ｐｓ／ｋｍ以下となる、
前記コアの間隔Ｄと前記コアの信号光波長におけるモードフィールド半径Ｗの比であるＤ／Ｗが予め定められた閾値以上である。

本発明に係る光ファイバでは、前記予め定められた閾値が３．８以上かつ８．５以下であり、前記コアが前記信号光波長で単一モード動作する。

本発明に係る光ファイバでは、前記予め定められた閾値が４．１以上であり、前記コアが前記信号光波長で多モード動作する。

本発明に係る光ファイバでは、前記コアの屈折率分布がグレーデッド型もしくは階段型であり、前記コアの伝搬モードが２以上である。

本発明に係る光ファイバでは、前記コアから前記クラッドの端部までの距離Ｄ_ｃｌａｄとしたとき、Ｄ_ｃｌａｄ／Ｗが５．２以上である。

本発明に係る光通信システムは、
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本発明の光ファイバと、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、光ファイバ中を伝搬するモード間の群遅延差が±４５０ｐｓ／ｋｍ以下であり、かつコア間のクロストークが−２５ｄＢ以上となる様にコア間隔距離とモードフィールド半径の比が制御されているため、２個以上のコアが配置された光ファイバにおいて、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。

さらに、本発明の光ファイバによって、より小さな面積で多くのコアを配置することができることから、コアの多重度が向上し、伝送容量を拡大する効果を奏する。また、伝搬するモードの群遅延差が小さいことから、受信端でモード間クロストークを補償するＭＩＭＯ処理における計算負荷が小さくなるという効果を奏する。また、コア間距離を、従来のマルチコア光ファイバより小さくできるため、同じクラッド径のファイバで比較すると、コアからクラッド端までのクラッド厚を大きくすることができ、損失を低減できる効果を奏する。

本発明の光ファイバの断面構造を示す概略図である。 コア半径に対するモードフィールド直径の変化を示したものである。 コア半径に対する群遅延差の変化を示したものである。 本発明のコアの屈折率分布の第１例である。 本発明のコアの屈折率分布の第２例である。 群遅延差のα値依存性の計算結果である。 群遅延差およびクロストークのコア間距離依存性の計算結果である。 結合モードが偶モードである場合のモード分布の一例を示す。 結合モードが奇モードである場合のモード分布の一例を示す。 群遅延差およびクロストークのコア間距離依存性の計算結果である。 漏えい損失のクラッド厚依存性の計算結果である。 コアを三角格子状に７つ配置した場合の光ファイバ断面図である。 ＧＩトレンチ屈折率分布を示したものである。 ＧＩトレンチコアが１つ配置された時の群遅延差のモード依存性の計算結果である。 ＧＩトレンチコアが７つ配置された時の群遅延差のモード依存性の計算結果である。 ＬＰ２１モードの曲げ損失のトレンチ幅依存性の計算結果である。 ＧＩトレンチコアが１つ配置された時の群遅延差のモード依存性の計算結果である。 ３コアを配置した場合の光ファイバ断面図である。 ＧＩトレンチコアが３つ配置された時の群遅延差のモード依存性の計算結果である。 本発明の光通信システムを示したものである。 本発明の等化器の構成を示したものである。 本発明の光通信システムを示したものである。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。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。

（実施形態１）
以下、図面を参照して発明の実施の形態を説明する。
図１は、本実施形態に係るマルチコア光ファイバの一例を示す断面図である。図１では、一例として、コアが２コアである場合について示す。本実施形態のマルチコア光ファイバ１０は、屈折率がｎ１であるコア領域１１と、ｎ２のクラッド領域１２とが存在し、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、コア間距離をＤとする。

マルチコア光ファイバ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。非特許文献１に記載の通り、コア１１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。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１１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、非特許文献３に記載の通り、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。

ここで、非特許文献１の図５または非特許文献４の図６に記載の通り、パワーペナルティを１ｄＢ以下とするためには、クロストークを−２６ｄＢ以下としなければならない。また、非特許文献５に記載の通り、典型的なスパン長が１００ｋｍ以下であることから、伝送信号を劣化させないように１００ｋｍ伝搬後にクロストークを−２６ｄＢ以下とすればよいことがわかる。

図２に、コア１１とクラッド１２の比屈折率差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に対する基本モードのモードフィールド直径２Ｗ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、モードフィールド直径のトレランスが±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にコア半径と、コア半径が４．５μｍの時の群遅延時間を基準とした群遅延差の関係を計算したものを示す。先ほどの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で変化し得ることがわかる。
なお、非特許文献６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。

コア毎に伝搬するモードが２以上である場合、コア間の同一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ず、図４に示すグレーデッドインデックス（ＧＩ）型屈折率分布又は図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、コア半径ａ＝９μｍ、比屈折率差Δ＝０．４％の場合のＧＩのα値に対する波長１５５０ｎｍにおける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。なお、α値と屈折率分布の関係については、ｎ（ｒ）を中心から半径方向の位置ｒにおける屈折率、ｎ_１はコア中心の屈折率としたとき、コア径ａより小さい領域の屈折率分布が数１を満たすことである。

また、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）およびクロストーク（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、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る。しかし、Ｄ／Ｗを３．８以上とすることで、群遅延差を４５０ｐｓ以下に制御することが可能であり、より好ましくはＤ／Ｗを４．１以上とすることで群遅延差を３００ｐｓ／ｋｍ以下に制御することができる。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。

つまり、Ｄ／Ｗを３．８以上とし、信号光波長におけるクロストークが−２５ｄＢ以上となるコア間距離Ｄを設定することで、低群遅延差および空間利用効率を両立したマルチコア光ファイバ１０を実現することができる。

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，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。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が、Ｄ／Ｗを４．１以上とすることで、群遅延差を４５０ｐｓ以下に制御することが可能であり、より好ましくはＤ／Ｗを４．３以上とすることで群遅延差を３００ｐｓ／ｋｍ以下に制御することができる。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８．８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８．８以下とすることができ、空間利用効率を向上することができる。

つまり、Ｄ／Ｗを４．１以上とし、信号光波長におけるクロストークが−２５ｄＢ以上となるコア間距離Ｄを設定することで、低群遅延差および空間利用効率を両立した光ファイバを実現することができる。

図７の結果より、クロストークが−２５ｄＢとなるＤ／Ｗの値が大きいのは高次モードのクロストークが基本モードのクロストークより大きいためであり、各コアが単一モードである場合、複数の伝搬モードを有する場合で共通の設計範囲としてＤ／Ｗを８．５以下とすればよい。

マルチコア光ファイバ１０の設計においては、クロストークのほかに、コアがクラッド端に近づくことによる漏えい損失の増加を抑圧しなければならない。図１１に、ａ＝９μｍ、比屈折率差Δ＝０．４％、α＝２．８５であるＧＩファイバにおけるコア中心からクラッドの端までの距離であるクラッド厚Ｄ_ｃｌａｄに対する波長１５５０ｎｍにおける漏えい損失を計算したものを示す。なお、横軸はモードフィールド半径の値で規格化したＤ_ｃｌａｄ／Ｗを用いている。ここで、ＩＴＵ−Ｔの単一モード光ファイバ勧告のＧ．６５２によると、損失値上限が０．４ｄＢ／ｋｍであることから、Ｄ_ｃｌａｄ／Ｗ＞５．２とすることで損失を０．４ｄＢ／ｋｍに制御することができ、より好ましくはＤ_ｃｌａｄ／Ｗ＞６．０とすることで損失を０．０４ｄＢ／ｋｍに制御することができる。

従って、前述のＤ／Ｗを所望の範囲に設定し、Ｄ_ｃｌａｄ／Ｗを５．２以上となるようコアとクラッドの関係を設定することで、低群遅延差、高空間利用効率、並びに低損失なマルチコア光ファイバ１０が実現できる。
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、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。

（実施形態２）
クラッド外径が１２５μｍであるとし、マルチコア光ファイバ１０の構造として報告されている図１２に記載のような三角格子状のコア配置で設計した場合の計算結果を示す。例えば、図１３に示すような、ＧＩコアの周辺に低屈折率領域を有するＧＩトレンチ構造を想定し、ａ１＝７．５μｍ、ａ２＝９．０μｍ、ａ３＝１４．０μｍ、Δ１＝０．６５％、Δ２＝−０．６５％、α＝２．０８とすると、単一コアのみで計算した波長１５５０ｎｍにおける群遅延差は図１４に示す通り、６つのモードの群遅延差は±１００ｐｓ／ｋｍの範囲に収まっている。なお、各コアにはＬＰ０１とＬＰ１１モードが伝搬し、それぞれ２、４つの縮退モードが存在することから、コア毎に６つのモードが存在する。このコアを三角格子状に７コア配置し、コア間距離Ｄを３０μｍとした時の全てのモードの波長１５５０ｎｍにおける群遅延差を示したものを図１５に示す。この時、２Ｗ＝９．７μｍであり、Ｄ／Ｗ＝６．２であるから、図１０を参照すると各コアを伝搬するモード間で−２５ｄＢ以上のクロストークが発生し、群遅延差は４５０ｐｓ以下となる設計範囲に入っている。また、Ｄ_ｃｌａｄ／Ｗ＝６．７であることから、漏えい損失が０．０４ｄＢ／ｋｍ以下となる設計となっている。

コア数が７であるマルチコア光ファイバ１０の場合、６×７＝４２モード存在することになる。なお、モード番号の割り振りは実効屈折率の高い順である。図からわかるとおり、４２個のモード全てが±１００ｐｓ／ｋｍの範囲に収まっており、単位面積当たりのチャネル数を大きくでき、かつ全てのモードの群遅延差を小さくできていることがわかる。
なお、トレンチ構造は、モード数を制限するために設けられている。

例えば、ａ１＝９．５μｍ、ａ２＝１０．５μｍ、Δ１＝０．５％、Δ２＝−０．６％、α＝２．０とし、トレンチの幅であるａ３−ａ２を変化させた時のＬＰ２１モードの波長１５３０ｎｍにおける曲げ損失を計算した結果を図１６に示す。トレンチの幅、ここではａ３を変えることで、曲げ半径１４０ｍｍ、波長１５３０ｎｍの時のＬＰ２１モードの曲げ損失を制御することができる。ここで、非特許文献７に記載の通り、遮断波長の測定に曲げ半径１４０ｍｍが用いられていることと、非特許文献８に記載の通り、損失が１ｄＢ／ｍ以上で伝搬しないという仮定に基づくと、２つのＬＰモードが伝搬するよう設計するため、３つ目のＬＰモードであるＬＰ２１モードの曲げ損失をトレンチの幅を設計することで１ｄＢ／ｍ以上とすることができ、ＧＩトレンチ構造とすることで群遅延差を制御しつつ柔軟に伝搬モード数を制御できることがわかる。

なお、低屈折率層は、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、または石英に空孔を設けることで実現できる。

なお、トレンチは各コアを中心としてコア毎に存在する必要はなく、前コア共通の低屈折領域が存在する構造でもよい。
また、クラッド外径については、ＩＴＵ−ＴのＧ．６５２に記載の通り、１２５±１μｍの範囲となり得る。

この構造と、これまで報告されているファイバと空間多重密度で比較を行う。単位面積当たりのチャネル数（モード数）Ｓは、ファイバ内のモード数Ｃとクラッド半径ｒであるとき、

となる。

コア数が１であり、クラッド径１２５μｍのシングルモードファイバの単位面積当たりのモード数（チャネル数）をＳｒｅｆとし、これを基準とした相対値Ｓｒｅｌａｔｉｖｅ

で比較すると、例えば、シングルモードコアが７つ配置された非特許文献９では、クラッド直径１５０μｍに２×７つのモード（各コアには縮退モードとして２モード存在する）があることから、Ｓｒｅｌａｔｉｖｅは４．８６となる。

また、非特許文献１０に記載のように、２モードコアが７つあるマルチコア光ファイバ１０では、クラッド径が１９２μｍであり、各コアに伝搬モードが６つあるということからＳｒｅｌａｔｉｖｅは８．９となる。一方で、本発明のマルチコア光ファイバ１０では、外径が１２５μｍでありＳｒｅｌａｔｉｖｅは２１となる。つまり、本発明は、既存のコア間のクロストークを許容しないファイバと比べて、シングルモードコアの設計より４倍以上、マルチモードコアの設計のものより２倍以上空間利用効率を改善できることがわかる。

なお、図１３に示す低屈折率領域は、フッ素等の屈折率を低下させる物質を石英に添加するだけでなく、空孔を石英に設けることで実現することもできる。また、コアの配置はクラッド領域を中心として格子点上に配置する以外にも、正多角形状、円環状に配置することも可能である。

（実施形態３）
各コアの伝搬モードを４とする設計を考える。例えば、ａ１＝１２μｍ、ａ２＝１３．５μｍ、ａ３＝２０μｍ、Δ１＝０．６％、Δ２＝−０．４５％、α＝２．０とすると、単一コアのみで計算した群遅延差は、図１７に示す通り伝搬する４つのＬＰモード（１２つの縮退モード）の群遅延差は±２００ｐｓ／ｋｍの範囲に収まっている。このコアを図１８に示した通り３コア配置し、外径を１２５μｍ、コア間距離Ｄは５０μｍとした時の群遅延差の値を図１９に示す通り、この時、２Ｗ＝１２．３μｍであり、Ｄ／Ｗ＝８．１２であるから、図１０を参照すると各コアを伝搬するモード間で−２５ｄＢ以上のクロストークが発生し、群遅延差は４５０ｐｓ以下となる設計範囲に入っている。また、Ｄ_ｃｌａｄ／２Ｗ＝５．４６であることから、漏えい損失が０．４ｄＢ／ｋｍ以下となる設計となっている。

この時の空間利用効率の相対値Ｓｒｅｌａｔｉｖｅは１８となり、先ほどと同様に非特許文献８のＳｒｅｌａｔｉｖｅの２倍以上の値が実現できる。

（実施形態４）
図２０に、本実施形態に係る光通信システムの構成の一例を示す。本実施形態に係る光通信システムは、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通信システムは、送信機２１と、モード合波器２２と、マルチコア合波器２３と、マルチコア光ファイバ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Ａ個であり、送信機２１及び受信機３３がＡ×Ｂ個であり、マルチコア光ファイバ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。

Ａ×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個毎にＢ種のモードに変換し合波される。次に、マルチコアファイバ合波器２３により、それぞれの光はＡ個のコアに結合され、マルチコアマルチモードファイバ１０においてそれぞれ異なるコアを伝搬する。

マルチコア光ファイバ１０の出射端では、マルチコア分波器３１においてＡポートに分波され、分波されたＡ種の信号はモード分波器３２によりＣ個のポートに分波され、それぞれ受信３３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つの信号を入力し、マルチコア光ファイバ１０で受けた信号劣化を補償する構成となる。

この時、Ａはマルチコア光ファイバ１０のコア数以下の値であり、Ｂはマルチコア光ファイバ１０のコア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、Ａ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、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、同一コアを伝搬してきた光に限らず、異なるコア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）、等化器３４通過後にｘ_ａ（ｎ）として復元された信号をｕ_ａ（ｎ）とする。つまり、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の構成例について図２１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を伝搬した信号に加え、他のコア１１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において足し合わせることで得られる。

ＦＩＲフィルタは、マルチコア光ファイバ１０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１１参照。）。

図２１に記載のＦＩＲフィルタは、マルチコア光ファイバ１０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、マルチコア光ファイバ１０中で発生する他送信機からの混信、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。

例えば、図１２に示す７つのコアを有するマルチコア光ファイバ１０において、中心コアを取り除いた場合は、各コア１１で隣接コア１１を２つにすることができる。７コアの場合は、外側コア１１の隣接コア数が３であり、中心コア１１の隣接個が６であったことを考えると、円環状にコア１１を配置することで隣接コア数を低減し、受信端で等化器３４に入力するＭを低減でき、デジタル処理量を低減することができる。

また、図２２に示す通り、マルチコア光ファイバ１０中のモード毎の伝搬方向を一部反対とするとクロストークが低減できるため、伝搬方向が同方向であるモードの内、クロストークする信号だけを等化器に入力すればよいことから同様にデジタル処理量の低減につながる。

なお、マルチコア光ファイバ１０の製造に当たっては、ＧｅＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３といった屈折率を増加させる不純物を部分的に添加した石英ロッドの周りに石英管を配置し、前記の束ねられたロッド群に純石英ジャケットを装荷して一括して溶融延伸することで光ファイバ母材を作製し、前記光ファイバ母材を溶融延伸することによって製造する。

また、石英ロッドにドリル等で石英を掘削することで空孔を設け、ＧｅＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３といった屈折率を増加させる不純物を部分的に添加した石英ロッドを前記空孔に挿入し、溶融延伸することで光ファイバ母材を作製し、前記光ファイバ母材を溶融延伸することによって製造することもできる。

本発明の光ファイバは、光通信システムにおける伝送媒体として利用できる。

１０：マルチコア光ファイバ
１１：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
２４：モード合分波器
２５：マルチコア合分波器
２６：受信機
２７：等価器
３１：マルチコア分波器
３２：モード分波器
３３：受信機
３４：等価器
３５：マルチコア合分波器
３６：モード合分波器
３７：送信機
４１:遅延素子
４２：制御機能部
４３：合成器

Claims (5)

1. クラッド内に２以上のコアが配置された光ファイバであって、
   前記各コアは通信波長帯において単一モードを導波する構造であり、
   当該光ファイバ中の複数のコア領域にまたがって伝搬する偶モード−奇モード間の群遅延差が±４５０ｐｓ／ｋｍ以下であり、
   前記コアの間隔Ｄと前記コアの信号光波長における各コア構造で計算される基本モードのモードフィールド半径Ｗの比であるＤ／Ｗは前記信号光波長におけるクロストークが−２５ｄＢ以上となるように設定され、
   ３．８以上かつ８．５以下である、
   光ファイバ。
   
2. クラッド内に２以上のコアが配置された光ファイバであって、
   前記各コアは通信波長帯において複数のモードを導波する構造であり、
   当該光ファイバ中の複数のコア領域にまたがって伝搬する偶モード−奇モード間及び同一コア内を伝搬するＬＰモード間の群遅延差が±４５０ｐｓ／ｋｍ以下であり、
   前記コアの間隔Ｄと前記コアの信号光波長における各コア構造で計算される基本モードのモードフィールド半径Ｗの比であるＤ／Ｗは前記信号光波長におけるクロストークが−２５ｄＢ以上となるように設定され、
   ４．１以上かつ８．８以下である、
   光ファイバ。
   
3. 前記コアの屈折率分布がグレーデッド型もしくは階段型であり、
   前記コアの伝搬モードが２以上である、
   請求項２に記載の光ファイバ。
   
4. 前記コアから前記クラッドの端部までの距離Ｄ_ｃｌａｄとしたとき、Ｄ_ｃｌａｄ／Ｗが５．２以上である、
   請求項２もしくは３のいずれかに記載の光ファイバ。
   
5. 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１〜４のいずれか１項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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