JP6368279B2 - 数モード光ファイバ、及び光ファイバ伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の伝搬モードを用いる数モード光ファイバ、これを用いた光ファイバ伝送システム及びその設計方法に関する。

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の影響を緩和するために、モード間の結合の利用が提案されており、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３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） ｐｐ．４２３−４３１． 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． Ｂｉｇｏｔ−Ａｓｔｒｕｃ， Ｍａｒｉａｎｎｅ； Ｂｏｉｖｉｎ， Ｄ．； Ｓｉｌｌａｒｄ， Ｐｉｅｒｒｅ， "Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅａｋｌｙ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｆｅｗ−ｍｏｄｅｓ ｆｉｂｅｒｓ"， Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｓｕｍｍｅｒ Ｔｏｐｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ Ｓｅｒｉｅｓ， ２０１２ ＩＥＥＥ ， ｐｐ．１８９−１９０．

しかしながら、非特許文献３においてはモード結合を引き起こすための伝搬定数差の低減が不十分であり、またＤＭＤが大きい、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、伝搬定数差の低減かつＤＭＤの低減が可能なリングコア構成を有する数モード光ファイバ、これを用いた光ファイバ伝送システム及びその設計方法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、本発明の数モード光ファイバは、屈折率のプロファイルがリングコアと、一部にトレンチが配置されたクラッドの構造とし、リングコアのすぐ外側にトレンチ（底面）を配置することとした。

具体的には、本発明に係る数モード光ファイバは、
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より大きいリングコア層と、
前記リングコア層の外側に配置され、屈折率が前記リングコア層の屈折率よりも小さいトレンチ層と、
前記トレンチ層の外側に配置され、屈折率が前記トレンチ層の屈折率よりも大きいクラッド層と、
を備える。

各層の幅や屈折率を調整することで、伝搬モード数を２以上かつ、伝搬定数差およびＤＭＤの低減が可能な数モード光ファイバとすることができる。従って、本発明は、伝搬定数差の低減かつＤＭＤの低減が可能なリングコア構成を有する数モード光ファイバを提供することができる。

なお、リングコアの形状については、屈折率が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い。すなわち、本発明に係る数モード光ファイバの前記リングコア層は、前記中心層の外側から屈折率が指数関数的に小さくなる、又は前記中心層の外側から屈折率が階段状に小さくなることを特徴とする。

本発明に係る数モード光ファイバの具体的な構成は次の通りである。
前記中心層は、中心軸から半径ａ_１まで配置され、前記クラッド層に対する比屈折率差がΔ_２であり、
前記リングコア層は、半径ａ_１から半径ａ_２まで配置され、前記クラッド層に対する比屈折率差がΔ_１である第１層、および半径ａ_２から半径ａ_３まで配置され、前記クラッド層に対する比屈折率差がΔ_３である第２層からなり、
前記トレンチ層は、半径ａ_３から半径ａ_４まで配置され、前記クラッド層に対する比屈折率差がΔ_２であり、
各半径は、ａ_１＝６．９〜７．４μｍ、ａ_２＝９．５〜１０．１μｍ、ａ_３＝１０．６〜１２．１μｍ、ａ_４＝１４．０μｍ以上であり、
各比屈折率差は、Δ_１＝０．４０〜０．５０％、Δ_２＝−０．７５〜−０．６９％、Δ_３＝−０．３０〜＋０．０５％である。

本発明に係る光ファイバ伝送システムは、
データを光信号に変換して送信する複数の光送信機と、
前記複数の光送信機からの光信号を伝搬モードが異なるように合波する合波器と、
前記合波器からの光信号を伝搬する請求項１から４のいずれかに記載の数モード光ファイバと、
前記数モード光ファイバからの光信号を異なる分岐比で分波する分波器と、
前記分波器の分岐する各光信号を個別に電気信号に変換する複数の光受信機と、
前記光受信機が出力する電気信号から、前記数モード光ファイバの伝搬中に生じた信号劣化を補償し、前記複数の光送信機が送信したデータを復元するデータ復元部と、
を備える。
本光ファイバ伝送システムは、前記数モード光ファイバを備えるため、伝搬定数差の低減かつＤＭＤの低減が可能な光ファイバ伝送システムとすることができる。

本発明に係る数モード光ファイバの設計方法は、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より大きいリングコア層と、
前記リングコア層の外側に配置され、屈折率が前記リングコア層の屈折率よりも小さいトレンチ層と、
前記トレンチ層の外側に配置され、屈折率が前記トレンチ層の屈折率よりも大きいクラッド層と、
を備える数モード光ファイバの設計方法であって、
前記中心層の外周半径、リングコア層の外周半径及び前記クラッド層に対するリングコア層の比屈折率差を変化させた時の使用波長帯における各高次モードの伝搬定数差（Δｎｅｆｆ）を算出し、各高次モードのΔｎｅｆｆが予め定められた条件を満たすように、前記中心層の外周半径、リングコア層の外周半径及び比屈折率差を求める中心層とリングコア設計手順と、
前記中心層とリングコア設計手順で求めた前記中心層の外周半径、リングコア層の外周半径及び比屈折率差を用いて、使用波長帯において各高次モードが伝搬可能になるような、前記トレンチ層に対する前記クラッド層の比屈折率差の範囲を求めるクラッド設計手順と、
前記リングコア設計手順で求めた前記中心層の外周半径、リングコア層の外周半径及び比屈折率差、並びに前記クラッド設計手順で求めた前記クラッド層の比屈折率差を用いて、使用波長帯における曲げ損失を算出し、算出した曲げ損失が予め定められた条件を満たすように、前記トレンチの幅を求めるトレンチ設計手順と、
を順に行う。

本発明は、伝搬定数差の低減かつＤＭＤの低減が可能なリングコア構成を有する数モード光ファイバ、これを用いた光ファイバ伝送システム及びその設計方法を提供することができる。

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。 Δ_１が０．２５［％］、リングコア幅ａ_２−ａ_１が１．８［μｍ］のリングコア型光ファイバの中心層半径ａ_１を変化させた場合の実効屈折率差Δｎｅｆｆとモード群遅延差ＤＭＤ特性を説明する図である。 本発明に係る数モード光ファイバの屈折率分布を説明する図である。 本発明に係る数モード光ファイバの設計方法を説明する図である。 本発明に係るリングコア型光ファイバのリングコア層の外周半径ａ_２と比屈折率差Δ_１を変化させ、中心層半径とリングコア層の外周半径の比ａ_１／ａ_２が０．３のときのＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの実効屈折率差Δｎｅｆｆ特性を説明する図である。 本発明に係るリングコア型光ファイバのリングコア層の外周半径ａ_２と比屈折率差Δ_１を変化させ、中心層半径とリングコア層の外周半径の比ａ_１／ａ_２が０．５のときのＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの実効屈折率差Δｎｅｆｆ特性を説明する図である。 本発明に係るリングコア型光ファイバのリングコア層の外周半径ａ_２と比屈折率差Δ_１を変化させ、中心層半径とリングコア層の外周半径の比ａ_１／ａ_２が０．７のときのＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの実効屈折率差Δｎｅｆｆ特性を説明する図である。 本発明に係るリングコア型光ファイバのリングコア層の外周半径ａ_２と比屈折率差Δ_１を変化させ、中心層半径とリングコア層の外周半径の比ａ_１／ａ_２が０．３のときのＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとのモード間群遅延差ＤＭＤ特性を説明する図である。 本発明に係るリングコア型光ファイバのリングコア層の外周半径ａ_２と比屈折率差Δ_１を変化させ、中心層半径とリングコア層の外周半径の比ａ_１／ａ_２が０．５のときのＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとのモード間群遅延差ＤＭＤ特性を説明する図である。 本発明に係るリングコア型光ファイバのリングコア層の外周半径ａ_２と比屈折率差Δ_１を変化させ、中心層半径とリングコア層の外周半径の比ａ_１／ａ_２が０．７のときのＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとのモード間群遅延差ＤＭＤ特性を説明する図である。 本発明に係る数モード光ファイバの中心層半径ａ_１を変化させたときの実効屈折率差Δｎｅｆｆとモード群遅延差ＤＭＤ特性を説明する図である。 本発明に係る数モード光ファイバのリングコア層の外周半径ａ_２を変化させたときの実効屈折率差Δｎｅｆｆとモード群遅延差ＤＭＤ特性を説明する図である。 本発明に係る数モード光ファイバのΔ_２を変化させたときの実効屈折率差Δｎｅｆｆとモード群遅延差ＤＭＤ特性を説明する図である。 本発明に係る数モード光ファイバのトレンチの幅ａ_３−ａ_２を変化させたときの想定するモード（ＬＰ０１、ＬＰ１１モード）の最も曲げに弱いモードの曲げ損失特性を説明する図である。 本発明に係る数モード光ファイバのリングコア層がグレーデッド形状である数モード光ファイバの屈折率分布を説明する図である。 本発明に係る数モード光ファイバのリングコア層がグレーデッド形状である数モード光ファイバのリングコアの指数分布係数αを変化させたときの実効屈折率差Δｎｅｆｆとモード群遅延差ＤＭＤ特性を説明する図である。 本発明に係る数モード光ファイバのリングコア層が複数の階段形状である数モード光ファイバの屈折率分布を説明する図である。 本発明に係る数モード光ファイバのリングコア層が複数の階段形状である数モード光ファイバのΔ_３を変化させたときの実効屈折率差Δｎｅｆｆとモード群遅延差ＤＭＤ特性を説明する図である。 本発明に係る数モード光ファイバのリングコア層が複数の階段形状である数モード光ファイバのコアとトレンチの間隔ａ_３−ａ_２を変化させたときの実効屈折率差Δｎｅｆｆとモード群遅延差ＤＭＤ特性を説明する図である。 本発明に係る数モード光ファイバのリングコア層が複数の階段形状である数モード光ファイバのａ_２−ａ_１を変化させたときの実効屈折率差Δｎｅｆｆとモード群遅延差ＤＭＤ特性を説明する図である。 本発明に係る数モード光ファイバのリングコア層が複数の階段形状である数モード光ファイバのΔ_１を変化させたときの実効屈折率差Δｎｅｆｆとモード群遅延差ＤＭＤ特性を説明する図である。 本発明に係る数モード光ファイバのリングコア層が複数の階段形状である数モード光ファイバのａ_１を変化させたときの実効屈折率差Δｎｅｆｆとモード群遅延差ＤＭＤ特性を説明する図である。 本発明に係る数モード光ファイバのリングコア層が複数の階段形状である数モード光ファイバのトレンチ幅ａ_４−ａ_３を変化させたときの実効屈折率差Δｎｅｆｆとモード群遅延差ＤＭＤ特性を説明する図である。 本発明に係る数モード光ファイバのリングコア層が複数の階段形状である数モード光ファイバのΔ_２を変化させたときの実効屈折率差Δｎｅｆｆとモード群遅延差ＤＭＤ特性を説明する図である。 本発明に係る光ファイバ伝送システムを説明する図である。

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）
数モード光ファイバは、中心層と、リングコア層と、その外側のクラッド層から構成されている。例えば、中心層とクラッド層はシリカレベルであり、リングコア層は酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ_２）をドープする。

リングコア層は、式（１）で表されるような屈折率分布をもつ。式（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、ａ_１は中心層半径、ａ_２はリングコア層の外周半径、ｎ_１はリングコア層の屈折率、Δ_１はリングコアのシリカレベル（＝中心層およびクラッド層の屈折率）に対する比屈折率差を表す。

図１に、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３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、リングコア層の外周半径ａ_２が５．４μｍ、リングコアの比屈折率差Δ_１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やリングコア層の外周半径ａ_２、比屈折率差Δ_１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２に中心層半径ａ_１と実効屈折率差Δｎｅｆｆ、群遅延差ＤＭＤの関係を示す。この時、リングコア幅ａ_２−ａ_１が１．８μｍ、比屈折率差Δ_１が０．２５％波長は１５５０ｎｍである。中心層半径ａ_１を変えた場合、有限要素法に基づいて実効屈折率差Δｎｅｆｆおよび群遅延差ＤＭＤを計算した。このとき、実効屈折率差Δｎｅｆｆは基本モードの実効屈折率から高次モードの実効屈折率を引いた値であり、ＤＭＤは高次モードの群遅延から基本モードの群遅延を引いた値であり、実波長１５５０ｎｍにおいて算出している。

図２より例えば、２．０［μｍ］＜中心層半径ａ_１＜４．０［μｍ］の時に伝搬モード数が２、４．０［μｍ］＜中心層半径ａ_１＜７．４［μｍ］の時に伝搬モード数が３、７．４［μｍ］＜中心層半径ａ_１の時に伝搬モード数が４以上の光ファイバが実現可能である。

また、図２より、Δｎｅｆｆを小さくするためには、中心層ａ_１を大きくする必要があるが、ＬＰ１１モードに注目した場合、中心層半径ａ_１が５．０［μｍ］のとき、０．０００５のΔｎｅｆｆを実現可能であることが分かる。ただし、２モード動作が実現出来ていない。同様に、低ＤＭＤ化を実現するためには中心層半径ａ_１を大きくする必要があるが、伝搬モード数が増大するため、伝搬モード数を制限しつつ、低ＤＭＤ化を実現することが困難であることが分かる。

非特許文献４では、弱結合型数モード光ファイバの検討がなされており、設計指針として、伝搬モード間の実効屈折率差Δｎｅｆｆが０．０００５以下であることとしている。よって、本実施形態の結合型数モード光ファイバについては、実効屈折率差Δｎｅｆｆが０．０００５以下を目標値とする。

図３は、本実施形態の数モード光ファイバにおける半径方向の屈折率分布を示す図である。本数モード光ファイバは、
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より大きいリングコア層と、
前記リングコア層の外側に配置され、屈折率が前記リングコア層の屈折率よりも小さいトレンチ層と、
前記トレンチ層の外側に配置され、屈折率が前記トレンチ層の屈折率よりも大きいクラッド層と、
を備える。

本数モード光ファイバは、中心から半径ａ_１までの中心層と、中心層の外側にあるリングコア層と、リングコア層の外側にあるクラッド層と、クラッド層に形成されるトレンチ層と、を有する。ここで、トレンチ層は、クラッド層のうち、相対的に低屈折率の領域であり、図３ではａ_２からａ_３までの領域（リングコアの外側）に形成される。例えば、中心層とトレンチ層はシリカレベルであり、クラッド層は酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ_２）をドープする。

以下、図４を参照しながら、図３の数モード光ファイバの設計方法について詳細に説明する。本実施形態に係る数モード光ファイバの設計方法は、
前記中心層の外周半径、リングコア層の外周半径及び前記クラッド層に対するリングコア層の比屈折率差を変化させた時の使用波長帯における各高次モードの伝搬定数差（Δｎｅｆｆ）を算出し、各高次モードのΔｎｅｆｆが予め定められた条件を満たすように、前記中心層の外周半径、リングコア層の外周半径及び比屈折率差を求める中心層とリングコア設計手順（S０１）と、
前記中心層とリングコア設計手順で求めた前記中心層の外周半径、リングコア層の外周半径及び比屈折率差を用いて、使用波長帯において各高次モードが伝搬可能になるような、前記トレンチ層に対する前記クラッド層の比屈折率差の範囲を求めるクラッド設計手順（Ｓ０２）と、
前記リングコア設計手順で求めた前記中心層の外周半径、リングコア層の外周半径及び比屈折率差、並びに前記クラッド設計手順で求めた前記クラッド層の比屈折率差を用いて、使用波長帯における曲げ損失を算出し、算出した曲げ損失が予め定められた条件を満たすように、前記トレンチの幅を求めるトレンチ設計手順（Ｓ０３）と、
を順に行う。

一例として、伝搬モードが２（ＬＰ０１、ＬＰ１１モード）、Δｎｅｆｆが０．０００５以下、ＤＭＤが１ｎｓ／ｋｍ以下の光ファイバを設計目標とする。波長は１５５０ｎｍにて考慮する。

［中心層とリングコア設計手順Ｓ０１］
まず、中心層とリングコア設計手順（Ｓ０１）を実行し、中心層半径ａ_１とリングコア層の外周半径ａ_２、リングコア層のシリカレベル（＝中心層およびトレンチ層の屈折率）に対する比屈折率差Δ_１を決める。例えば、リングコア層の外周半径ａ_２及び比屈折率差Δ_１を変化させた時の使用波長帯における各高次モードのＤＭＤを算出し、各高次モードのＤＭＤが予め定められた条件を満たすように、ａ_１、ａ_２、Δ_１を求める。

本実施形態では、使用波長帯が１５５０ｎｍであり、予め定められた条件はΔｎｅｆｆが０．０００５以下、ＤＭＤが１ｎｓ／ｋｍ以下である。図５〜図７は、リングコア層の外周半径ａ_２と比屈折率差Δ_１を変化させた時のＬＰ１１モードのΔｎｅｆｆの一例を示す。図５はａ_１／ａ_２＝０．３の場合を示し、図６はａ_１／ａ_２＝０．５の場合を示し、図７はａ_１／ａ_２＝０．７の場合を示す。図８〜図１０は、リングコア層の外周半径ａ_２と比屈折率差Δ_１を変化させた時のＬＰ１１モードのＤＭＤの一例を示す。図８はａ_１／ａ_２＝０．３の場合を示し、図９はａ_１／ａ_２＝０．５の場合を示し、図１０はａ_１／ａ_２＝０．７の場合を示す。例えば、ａ_１／ａ_２＝０．７であり、ａ_２＝１２．０μｍ、比屈折率差Δ_１が１．０［％］であるとき、Δｎｅｆｆが０．０００５以下、ＤＭＤが１ｎｓ／ｋｍ以下、となる。

次に、ａ_２を１２［μｍ］、比屈折率差Δ_１を１．０［％］とし、ａ_１を変化させた時のΔｎｅｆｆおよびＤＭＤを図１１に示す。中心層半径ａ_１を大きくするほど、ΔｎｅｆｆおよびＤＭＤが小さくなることが分かる。次に、ａ₁を７［μｍ］、比屈折率差Δ_１を１．０［％］とし、ａ_２を変化させた時のΔｎｅｆｆおよびＤＭＤを図１２に示す。リングコア層の外周半径ａ_２を大きくするほど、ΔｎｅｆｆおよびＤＭＤが小さくなることが分かる。ただし、このままでは、ａ_１、ａ_２を大きくするほど伝搬モード数が多くなり、つまり不要な伝搬モードが増加し、例えば、低Δｎｅｆｆかつ低ＤＭＤな２ＬＰモードファイバを実現することが困難である。

［クラッド設計手順Ｓ０２］
次に、クラッド設計手順（Ｓ０２）を実行し、シリカレベル（＝中心層およびトレンチ層の屈折率）に対するクラッド層の比屈折率差Δ_２を上げる。例えば、コア設計手順で求めたａ_１、ａ_２及びΔ_１を用いて使用波長帯におけるΔｎｅｆｆおよびＤＭＤを算出する。そして、算出結果に基づき、使用波長帯において想定する高次モードが伝搬可能になるように、クラッド層の比屈折率差Δ_２の範囲を求める。

本実施形態では、ａ_１は７［μｍ］、ａ_２は１２［μｍ］であり、伝搬モードの曲げ損失を考慮し、閉じ込めを強くするため、比屈折率差Δ_１は１．１５［％］とし、使用波長帯は１５５０ｎｍである。なお、比屈折率差Δ_１については、図５〜図７、図８〜図１０で示したとおり、ΔｎｅｆｆやＤＭＤへは大きな変化を与えない。クラッド層の比屈折率差Δ_２を変えた場合のΔｎｅｆｆおよびＤＭＤを図１３に示す。トレンチの幅（ａ_３−ａ_２）は７［μｍ］、波長は１５５０［ｎｍ］とした。図１３より、０．８２［％］＜Δ_２＜０．８６［％］のとき、伝搬モード数が２となることが分かる。

ここで、図１３より、ΔｎｅｆｆおよびＤＭＤはクラッド層の比屈折率差Δ_２の影響を受けないことが分かる。

［トレンチ設計手順Ｓ０３］
次に、伝搬モードの曲げ損失を調整するために、トレンチ設計手順（Ｓ０３）を実行し、トレンチの幅（ａ_３−ａ_２）およびクラッド層の比屈折率差Δ_２を微調整する。例えば、コア設計手順で求めたａ_１及び比屈折率差Δ_１並びにクラッド設計手順で求めたクラッド層の比屈折率差Δ_２の範囲を用いて、使用波長帯における曲げ損失を算出する。そして、算出した曲げ損失が予め定められた条件を満たすように、クラッド層の比屈折率差Δ_２の範囲のなかから値を選択し、トレンチの幅（ａ_３−ａ_２）を求める。

本実施形態では、ａ_１は７［μｍ］、ａ_２は１２［μｍ］、比屈折率差Δ_１は１．１５［％］、比屈折率差Δ_２の範囲は０．８２［％］＜Δ_２＜０．８６［％］であり、使用波長帯は１５５０ｎｍである。予め定められた条件は、例えば、シングルモードのカットオフシフトファイバ（ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５４）の場合、使用波長帯において曲げ半径３０ｍｍにおける曲げ損失が０．５ｄＢ／１００ｔｕｒｎ以下である。

ここで、伝搬モードの曲げ損失の算出は、ＬＰ０１、ＬＰ１１モードについて考える。また、Ｃ帯（１５３０〜１５６５ｎｍ）での利用を想定した場合、伝搬モードの曲げ損失の算出は、最も曲げ損失が大きくなる１５６５ｎｍを考慮する必要がある。

図１４にトレンチの幅（ａ_３−ａ_２）を変化させた場合の曲げ損失を示す。この曲げ損失の値は、ＬＰ０１、ＬＰ１１モードのうち、曲げ損失の大きいモードについて表している。このとき、クラッド層の比屈折率差Δ_２を０．８２［％］とした。図１４より、曲げ損失は、トレンチの幅（ａ_３−ａ_２）により、微調整可能であることが分かる。全ての伝搬モードにおいて、曲げ半径３０ｍｍにおける０．５ｄＢ／１００ｔｕｒｎ以下の曲げ損失を得るためには、トレンチの幅（ａ_３−ａ_２）が８．３［μｍ］以上であれば良い。

以上の手順により、屈折率分布の各構造パラメータを設定することで、伝搬モード数が２であり、Δｎｅｆｆが０．０００５以下、ＤＭＤが１ｎｓ／ｋｍ以下である数モード光ファイバを製造することができる。この設計手法は伝搬モード数が２よりも大きい場合においても有効である。

以上説明したように、本実施形態に係る本数モード光ファイバは、屈折率分布のパラメータを適正にすることで伝搬モード数を２以上にし、伝搬モード間の実効屈折率差および群遅延差を低減することができる。従って、本実施形態に係る発明は、伝搬モード間の群遅延差を低減できるとともに伝搬モード数を２以上に大きくすることができる数モード光ファイバ及び光ファイバ伝送システムを提供することができる。

（実施形態２）
実施形態１に示す図３の屈折率分布を持つ光ファイバのリングコア層の屈折率は屈折率の値が一定のステップ形状であるが、このリングコア層の屈折率の形状をグレーデッド形状にすることも可能である。本実施形態の数モード光ファイバの前記リングコア層は、前記中心層の外側から屈折率が指数関数的に小さくなることを特徴とする。

数モード光ファイバを製造する場合、クラッド層をシリカレベルにし、コア部にはこれに酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ_２）をドープして屈折率を高め、トレンチはフッ素（Ｆ）をドープしてシリカレベルよりも下げる手段が考えられる。図１５にこの屈折率分布を示す。

図１５は、リングコアがグレーデッド型プロファイルである数モード光ファイバの屈折率分布を説明する図である。リングコアは、外周半径がａ_２、シリカレベル（＝クラッド層の屈折率）に対する比屈折率差がΔ_１、指数定数がαである。トレンチは、トレンチの外側境界までの半径がａ_３であり、シリカレベル（＝クラッド層の屈折率）に対する比屈折率差がΔ_２であるとする。

屈折率分布の各パラメータを、ａ_１＝７．０μｍ、ａ_２＝１２．０μｍ、ａ_３−ａ_２＝７．０μｍ、Δ_１＝０．４５％、Δ_２＝−０．７０％とし、指数定数αを変えた場合のΔｎｅｆｆおよびＤＭＤを図１６に示す。図１６より、図１５の屈折率分布では、指数定数αを変えることでも伝搬モード数の制限が可能であることが分かる。例えば、１．２＜α＜２．０のとき、伝搬モード数を２にすることが可能であることが分かる。また、指数定数αに対して、ΔｎｅｆｆおよびＤＭＤがほとんど変化しないことがグレーデッドリングコアの特徴である。つまり、リングコア層の指数定数αを調整することで、ΔｎｅｆｆおよびＤＭＤに影響なく、伝搬モード数を制御することが可能であることが特徴である。

（実施形態３）
図１７は、多段の階段形状を有するリングコアを有する数モード光ファイバの屈折率分布を説明する図である。リングコア層がステップ形状ではなく、マルチステップ形状であることを特徴とする。本実施形態の数モード光ファイバの前記リングコア層は、前記中心層の外側から屈折率が階段状に小さくなることを特徴とする。

図１７には、一例として、リングコア層が２層の構造であるものを示している。本実施形態の数モード光ファイバは、実施形態２のグレーデッドリングコア形状と比べ、製造性に優れるという特徴がある。

本実施形態の数モード光ファイバは次の構成であることが好ましい。
前記中心層は、中心軸から半径ａ_１まで配置され、前記クラッド層に対する比屈折率差がΔ_２であり、
前記リングコア層は、半径ａ_１から半径ａ_２まで配置され、前記クラッド層に対する比屈折率差がΔ_１である第１層、および半径ａ_２から半径ａ_３まで配置され、前記クラッド層に対する比屈折率差がΔ_３である第２層からなり、
前記トレンチ層は、半径ａ_３から半径ａ_４まで配置され、前記クラッド層に対する比屈折率差がΔ_２であり、
各半径は、ａ_１＝６．９〜７．４μｍ、ａ_２＝９．５〜１０．１μｍ、ａ_３＝１０．６〜１２．１μｍ、ａ_４＝１４．０μｍ以上であり、
各比屈折率差は、Δ_１＝０．４０〜０．５０％、Δ_２＝−０．７５〜−０．６９％、Δ_３＝−０．３０〜＋０．０５％である。

リングコアの第１層は、外周半径がａ_２、シリカレベル（＝クラッド層の屈折率）に対する比屈折率差がΔ_１である。また、実施形態１や２にはない構造パラメータとして、リングコアの第２層の幅ａ_３−ａ_２、リングコアの第２層のシリカレベル（＝クラッド層の屈折率）に対する比屈折率差Δ_３がある。

初期構造パラメータとして、屈折率分布の各パラメータを、ａ_１＝７．０μｍ、ａ_２＝１０．０μｍ、ａ_３＝１２．０μｍ、ａ_４＝１９．０μｍ、Δ_１＝０．４５％、Δ_２＝−０．７０％、Δ_３＝０％とする。

ａ_１＝７．０μｍ、ａ_２＝１０．０μｍ、ａ_３＝１２．０μｍ、ａ_４＝１９．０μｍ、Δ_１＝０．４５％、Δ_２＝−０．７０％とし、Δ_３を変えた場合のΔｎｅｆｆおよびＤＭＤを図１８に示す。図１８より、例えば、−０．３０％＜Δ_３＜＋０．０５％のとき、伝搬モード数を２にすることが可能であることが分かる。また、Δ_３に対して、ΔｎｅｆｆおよびＤＭＤがほとんど変化しないことも特徴である。つまり、ΔｎｅｆｆおよびＤＭＤに影響なく、伝搬モード数を制御することが可能であることが特徴である。

ａ_１＝７．０μｍ、ａ_２＝１０．０μｍ、ａ_４＝１９．０μｍ、Δ_１＝０．４５％、Δ_２＝−０．７０％、Δ_３＝０％とし、リングコアの第２層の幅ａ_３−ａ_２を変えた場合（ａ_２固定）のΔｎｅｆｆおよびＤＭＤを図１９に示す。図１９より、例えば、０．６０μｍ＜ａ_３−ａ_２＜２．１μｍのとき、伝搬モード数を２にすることが可能であるであることが分かる。

ａ_１＝７．０μｍ、ａ_３＝１２．０μｍ、ａ_４＝１９．０μｍ、Δ_１＝０．４５％、Δ_２＝−０．７０％、Δ_３＝０％とし、リングコアの第１層の幅ａ_２−ａ_１を変えた場合（ａ_１固定）のΔｎｅｆｆおよびＤＭＤを図２０に示す。図２０より、例えば、２．５μｍ＜ａ_２−ａ_１＜３．１μｍのとき、伝搬モード数を２にすることが可能であるであることが分かる。

ａ_１＝７．０μｍ、ａ_２＝１０．０μｍ、ａ_３＝１２．０μｍ、ａ_４＝１９．０μｍ、Δ_２＝−０．７０％、Δ_３＝０％とし、リングコアの第１層の比屈折率差Δ_１を変えた場合のΔｎｅｆｆおよびＤＭＤを図２１に示す。図２１より、例えば、０．４０％＜Δ_１＜０．５０％のとき、伝搬モード数を２にすることが可能であるであることが分かる。

ａ_２＝１０．０μｍ、ａ_３＝１２．０μｍ、ａ_４＝１９．０μｍ、Δ_１＝０．４５％、Δ_２＝−０．７０％、Δ_３＝０％とし、中心層半径ａ_１を変えた場合のΔｎｅｆｆおよびＤＭＤを図２２に示す。図２２より、例えば、６．９μｍ＜ａ_１＜７．４μｍのとき、伝搬モード数を２にすることが可能であるであることが分かる。

ａ_１＝７．０μｍ、ａ_２＝１０．０μｍ、ａ_３＝１２．０μｍ、Δ_１＝０．４５％、Δ_２＝−０．７０％、Δ_３＝０％とし、トレンチ幅ａ_４−ａ_３を変えた場合（ａ_３固定）のΔｎｅｆｆおよびＤＭＤを図２３に示す。図２３より、例えば、２．０μｍ＜ａ_４−ａ_３のとき、伝搬モード数を２にすることが可能であるであることが分かる。

ａ_１＝７．０μｍ、ａ_２＝１０．０μｍ、ａ_３＝１２．０μｍ、ａ_４＝１９．０μｍ、Δ_１＝０．４５％、Δ_３＝０％とし、トレンチの比屈折率差Δ_２を変えた場合のΔｎｅｆｆおよびＤＭＤを図２４に示す。図２４より、例えば、−０．７５％＜Δ_２＜−０．６９％のとき、伝搬モード数を２にすることが可能であるであることが分かる。

（実施形態４）
図２５は、本実施形態の光ファイバ伝送システムの概略図である。本光ファイバ伝送システムは、
Ｎ個のデータを光信号としてそれぞれ送信するＮ個（Ｎは２以上の整数）の光送信機１０と、
光送信機１０からのＮ個の光信号を伝搬モードが異なるように合波する合波器２０と、
合波器２０からの光信号を伝搬する数モード光伝送路３０と、
数モード光伝送路３０からの光信号を異なる分岐比で分波する分波器４０と、
分波器４０からの光信号を受信するＭ個（ＭはＮ以上の整数）の光受信機５０と、
光受信機５０が出力するＭ個の電気信号から、数モード光伝送路３０の伝搬中に生じた信号劣化を補償し、光送信機１０が送信したＮ個のデータを復元するデータ復元部として機能するＦＩＲ等化器６０と、
を備える。

Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の送信機１０から発せられるＮ種の信号（ｘ（ｎ））は合波器２０において結合する伝搬モード比率が異なるように合波される。伝搬モード比率とは、数モード光伝送路３０で伝搬する各伝搬モードの強度の割合である。数モード光伝送路３０は、実施形態１，２，３で説明した数モード光ファイバを用いた光伝送路である。伝送した信号の復元度を考慮した場合、伝搬モード比率は光信号ごとに大きく異なることが望ましい。例えば、合波器２０は、ファイバのコアへ光を照射する場所を変えることで任意のモードが励振可能な３次元導波路構造の合波器が望ましい。

合波された光信号は数モード光伝送路３０中に入射され、出射側に設置された分波器４０において異なる分岐比でＭポート（ＭはＮ以上の整数）に分波される。分岐比率についても合波器２０と同様に、全ての伝搬モードが完全に同比率とならないように光信号を分岐する。信号の復元度を考慮した場合、分岐比率はポートごとに大きく異なることが望ましい。

分波されたＭ種の信号（ｙ（ｎ））はＭ個の受信機５０で受信され、後段に設置されたＦＩＲ等化器６０において数モード光ファイバで受けた信号劣化を補償し、復元信号（ｕ（ｎ））を得る。光ファイバ伝送システムは、Ｎ入力Ｍ出力のＭＩＭＯ伝送であり、Ｎ種の信号の並列伝送が可能である。

なお、ＦＩＲ等化器６０は、前記データ復元部であり、モード分散、波長分散、偏波分散の補償も可能である。また、受信信号の電界振幅及び位相情報を取得するためには、局発光源、９０°光ハイブリッド、バランスレシーバ、アナログデジタルコンバータ、及び計算器で受信機５０を構成する。ＦＩＲ等化器６０は、数モード光伝送路３０中で発生する線形歪を補償することができ、タップの遅延量及び係数を適切に設定することで、数モード光伝送路３０中で発生する他送信機からの混信、モード分散、波長分散、偏波分散による信号劣化を補償することができる。ただし、モード分散による信号劣化を補償する場合、基本モード及び高次モードのモード群遅延差が大きくなると、信号劣化補償に必要な計算量が膨大になる。しかし、本実施形態の光ファイバ伝送システムは、モード群遅延差が小さい数モード光伝送路３０を用いており、補償に必要な計算量を少なくできる。さらに、伝搬モード数が２よりも大きいため、大容量化も可能である。換言すれば、数モード光伝送路３０を備えることで、従来のＦＩＲ等化器のままで伝送システムの大容量化や長距離化が可能である。

本発明は、リングコアを有する光ファイバについての新たな構造であり、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。なお、本発明のリングコア構造は、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。

１０：光送信機
２０：合波器
３０：数モード光伝送路
４０：分波器
５０：光受信機
６０：ＦＩＲ等化器

Claims (2)

1. 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より大きいリングコア層と、
   前記リングコア層の外側に配置され、屈折率が前記リングコア層の屈折率よりも小さいトレンチ層と、
   前記トレンチ層の外側に配置され、屈折率が前記トレンチ層の屈折率よりも大きいクラッド層と、
   を備える数モード光ファイバであって、
   前記リングコア層は、前記中心層の外側から屈折率が階段状に小さくなっており、
   前記中心層は、中心軸から半径ａ _１ まで配置され、前記クラッド層に対する比屈折率差がΔ _２ であり、
   前記リングコア層は、半径ａ _１ から半径ａ _２ まで配置され、前記クラッド層に対する比屈折率差がΔ _１ である第１層、および半径ａ _２ から半径ａ _３ まで配置され、前記クラッド層に対する比屈折率差がΔ _３ である第２層からなり、
   前記トレンチ層は、半径ａ _３ から半径ａ _４ まで配置され、前記クラッド層に対する比屈折率差がΔ _２ であり、
   各半径は、ａ _１ ＝６．９〜７．４μｍ、ａ _２ ＝９．５〜１０．１μｍ、ａ _３ ＝１０．６〜１２．１μｍ、ａ _４ ＝１４．０μｍ以上であり、
   各比屈折率差は、Δ _１ ＝０．４０〜０．５０％、Δ _２ ＝−０．７５〜−０．６９％、Δ _３ ＝−０．３０〜＋０．０５％であることを特徴とする数モード光ファイバ。
2. データを光信号に変換して送信する複数の光送信機と、
   前記複数の光送信機からの光信号を伝搬モードが異なるように合波する合波器と、
   前記合波器からの光信号を伝搬する請求項１に記載の数モード光ファイバと、
   前記数モード光ファイバからの光信号を異なる分岐比で分波する分波器と、
   前記分波器の分岐する各光信号を個別に電気信号に変換する複数の光受信機と、
   前記光受信機が出力する電気信号から、前記数モード光ファイバの伝搬中に生じた信号劣化を補償し、前記複数の光送信機が送信したデータを復元するデータ復元部と、
   を備える光ファイバ伝送システム。