JP6592247B2 - 光伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、マルチコア光ファイバを用いた光伝送システムに関する。

光ファイバ通信システムでは、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光ファイバを用いた並列伝送（例えば、非特許文献１、２を参照。）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（例えば、非特許文献３を参照。）等の空間多重技術が検討されている。

Ｈ． Ｔａｋａｒａ ｅｔ ａｌ．， "１．０１−Ｐｂ／ｓ （１２ ＳＤＭ／２２２ ＷＤＭ／４５６ Ｇｂ／ｓ） Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ−ｍａｎａｇｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｗｉｔｈ ９１．４−ｂ／ｓ／Ｈｚ Ａｇｇｒｅｇａｔｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ"， ｉｎ ＥＣＯＣ２０１２， ｐａｐｅｒ Ｔｈ．３．Ｃ．１ （２０１２）． Ｙ． Ｓａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ．， "Ｌａｒｇｅ−ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ−ａｒｅａ ｕｎｃｏｕｐｌｅｄ ｆｅｗ−ｍｏｄｅ ｍｕｌｔｉ−ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ"， ＥＣＯＣ２０１２， ｐａｐｅｒ Ｔｕ．１．Ｆ．３ （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）． Ｔ． Ｍｉｚｕｎｏ ｅｔ ａｌ．， "１２−ｃｏｒｅ × ３−ｍｏｄｅ Ｄｅｎｓｅ Ｓｐａｃｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ ４０ ｋｍ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ｍｕｌｔｉ−ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｉｇｎａｌｓ ｗｉｔｈ Ｐａｒａｌｌｅｌ ＭＩＭＯ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ"， ＯＦＣ２０１４， ｐａｐｅｒ Ｔｈ５Ｂ．２ （２０１４）． Ｔ． Ｓａｋａｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．， "Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ Ｈｏｌｅ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ６−ｃｏｒｅ Ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ Ｃｌａｄｄｉｎｇ Ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ １２５ μｍ" ＥＣＯＣ２０１３， ｐａｐｅｒ Ｍｏ．３．Ａ．３ （２０１３）． 坂本他、"結合型マルチコア光ファイバのコア間群遅延差に関する検討"電子情報通信学会 総合大会 Ｂ−１３−３７ （２０１４）． 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）．

しかし、マルチコア光ファイバは、コアの数、コア間距離、光ファイバの断面におけるコアの位置に依存して損失やコア間クロストーク量等の伝送特性がコア間で異なり、また、製造誤差によってもコア構造の偏差が生じる。非特許文献１に記載のように、全てのコアに同一の伝送方式を適用して送信すると、コア間での伝送品質に差が生じることになる。一般に、マルチコア光ファイバを用いるときには、全ての伝送チャネルで所望のレベル以上の伝送品質を満足するために、最悪の伝送特性を示すコアに合わせて伝送方式を決定することになる。このため、マルチコア光ファイバを用いる光伝送システムは、マルチコア光ファイバのポテンシャルを十分に活用できておらず、伝送容量が少なくなってしまってい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、マルチコア光ファイバを伝送路とする構成において、伝送容量を従来より増大できる光伝送システムを提供することを目的とする。

本発明に係る光伝送システムは、マルチコア光ファイバのコアのうち特性が同等であるコアをグループ化し、このグループ単位で伝送方式を統一するとともに、必要に応じて伝送方式をグループごとに最適化することとした。

具体的には、本発明に係る光伝送システムは、複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、前記マルチコア光ファイバの１つ以上の前記コアを含むコア群毎に同じ伝送方式の光信号を伝搬させる光伝送手段と、を備える。

本発明に係る光伝送システムは、特性が同等であるコアをグループ化し、グループ毎にその特性に応じた伝送方式で光信号を伝送することができる。伝送特性が良いグループには高速の伝送方式を採用し、伝送特性が悪いグループには低速の伝送方式を採用することができるので、本発明に係る光伝送システムは、従前の最悪の伝送特性を示すコアに合わせて伝送方式を決定する光伝送システムより伝送容量を大きくすることができる。従って、本発明は、マルチコア光ファイバを伝送路とする構成において、伝送容量を従来より増大できる光伝送システムを提供することができる。

例えば、前記コア群が前記コアの屈折率分布に基づいて決定されていてもよい。

また、前記コア群が前記マルチコア光ファイバの断面中心から前記コアまでの距離に基づいて決定されていてもよい。

本発明に係る光伝送システムは、前記マルチコア光ファイバについて同一の前記コア群の前記コアを伝搬する光信号のトータルの群遅延特性が同じとしており、前記光伝送手段は、同一の前記コア群に含まれる複数の前記コアで光信号を並列伝送することを特徴とする。並列伝送するため、伝送速度を低減することができ、信号の雑音耐力や、非線形耐力を向上させることができ、伝送容量の拡大を実現することができる。さらに、コア間群遅延差も低減できる。

本発明に係る光伝送システムは、前記マルチコア光ファイバ上に配置され、同一の前記コア群内において１つの前記コアを伝搬する光信号を他の前記コアに結合するコア切替器をさらに備える。光信号が経由するコアを入れ替えることでモード間の群遅延差を低減することができる。

本発明は、マルチコア光ファイバを伝送路とする構成において、伝送容量を従来より増大できる光伝送システムを提供することができる。

本発明に係る光伝送システムの構成を説明する図である。 マルチコア光ファイバの断面図である。 マルチコア光ファイバの製造方法の概念図である。 コアのファイバ断面中心からの距離に対する回転角ずれ５°の時の接続損失を説明する図である。 本発明に係る光伝送システムの構成を説明する図である。 本発明に係る光伝送システムの構成を説明する図である。 コア切替器の実現例を示した図である。

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）
図１は、本実施形態の光伝送システム３０１の構成を説明する図である。光伝送システム３０１は、複数のコアを有するマルチコア光ファイバ５０と、マルチコア光ファイバ５０の１つ以上の前記コアを含むコア群毎に同じ伝送方式の光信号を伝搬させる光伝送手段と、を備える。ここで、光伝送手段は送信機１０と受信機２０の対である。光伝送手段はこの対を複数持つ。以下の説明で、この対を送受信機と記載することがある。

送受信機は、伝送方式によって群を構成し、同一の群に属する送受信機は、同一の伝送方式を用いる。マルチコア光ファイバ５０の複数のコアについても、同等の光学特性を有するコアが同一の群に属し、送受信機の群と対応して接続されている。例えば、図１に示す通り、群Ａに属する送信機１０（Ａ−１）と受信機２０（Ａ−１）は、コア群Ａのコアの一つに接続され、同じ群Ａに属する送信機１０（Ａ−２）と受信機２０（Ａ−２）は、コア群Ａの他のコアと接続される。同様に、群Ｂに属する送信機１０（Ｂ−１）と受信機２０（Ｂ−１）はコア群Ｂのコアの一つに接続され、群Ｘに属する送信機１０（Ｘ−ｙ）と受信機２０（Ｘ−ｙ）はコア群Ｘのコアと接続される。

光伝送システム３０１は、マルチコア光ファイバ５０における各コア群における光学特性を考慮して、対応する送受信機に適用する伝送方式を最適化する。そのため、光伝送システム３０１は、全体で最も伝送性能が低いコアに合わせて伝送方式を決定する必要がない。光伝送システム３０１は、従来の単一の伝送方式を適用する光伝送システムと比較して、マルチコア光ファイバ１心あたりの伝送性能を向上させることができる。

図２は、マルチコア光ファイバ５０の断面図を説明する図である。マルチコア光ファイバ５０は、２つ以上の複数のコアを有する。前記コア群が前記マルチコア光ファイバの断面中心から前記コアまでの距離に基づいて決定されていることを特徴とする。

図２（ａ）では、コアが８のマルチコア光ファイバを示しており、例えば、ファイバ断面中心からの距離が等しい４つのコアで群を形成し、２つの群を有する場合である。また、図２（ｂ）では、コアが１２のマルチコア光ファイバを示しており、ファイバ断面中心からの距離が等しい４つのコアを同一群とし、３つの群を形成する例である。このようにマルチコア光ファイバ５０ではファイバ中心からの距離に応じて複数の層に複数のコアを配置することができ、本実施例では各層に配置される複数のコアを１つの群として形成することができる。なお群の形成はファイバ中心からの距離に限定されず、同等の光学特性を有する任意のコアを組み合わせることができる。また１つの群を形成するコアは１つ以上であればよい。なお、マルチコア光ファイバ５０の最小構成としては、２つのコアがそれぞれ異なる群に属し、２つの群から構成されている２コアファイバである。

マルチコア光ファイバ５０の製造にあたっては、図３（ａ）に示すような孔の開いたクラッド部にコア部を挿入して母材を作成する方法や、図３（ｂ）に示すようなコアクラッド部を有する単心母材を束ねて一体化するキャピラリ法などがある。何れの手法においても、コアの均一性を保つためには、単一の母材を複数に分割してコア材とすることが望ましいが、作製可能な母材の長さや必要なコア材の本数の条件により、複数の異なる母材を用いてコア材を用意する必要が生じる場合がある。また、単一の母材から所望量のコア材が得られる場合であっても、前記母材の長手方向の微小な不均一性により、各コア材間で特性偏差が生じる可能性が考えられる。更に、マルチコア光ファイバの断面におけるコア位置によって、母材からファイバに紡糸する際の溶融炉内の断面における温度分布や応力の違いにより、紡糸後の伝送特性に違いが生ずる場合も考えられる。

以上のようにマルチコア光ファイバの各コアの光学特性は、母材作製の方法や設計・製造過程により異なる場合があるが、同一母材から形成したコアや、ファイバ断面内でファイバ中心から同心円上に位置するコアで分類することにより、同等の光学特性を有する複数のコア群を形成することが可能となる。つまり、その様なコア群に対して同一の伝送方式を適用し、必要に応じて各コア群ごとに伝送方式を最適化することで、マルチコア光ファイバ一心あたりで実現できる伝送容量を最大化することができる。

なお、伝送方式に関わるパラメータとしては、伝送速度、符号化方式、変復調方式、入力パワー、波長帯、チャネル数が挙げられる。例えば、他のコア群と比較して損失の高いコア群に対しては、伝送速度の低減、誤り訂正符号の適用、低次の変調方式の利用、入力パワーの増加を行うことで、伝送容量を最大化することができる。また、非線形係数がコア群間で異なる場合においては、波長多重数・利用波長帯の調整が効果的である。なお、以降の実施例においても、伝送方式の最適化は上記と同様である。

図４に、コア半径４．５μｍ、比屈折率差Δ＝０．３５％とした時の、断面中心からの距離に対する接続点における回転角度ずれ５°の時の接続損失を計算した結果を示す。なお、ファイバ中心は接続ファイバ間でずれが生じていないと仮定している。断面中心からの距離が増加することで、接続損失が増加することがわかる。つまり、ファイバ断面中心からの距離が異なるコア間では、伝送路中に存在する接続点において、異なる接続損失を示すことがわかる。一方で、接続損失のその他の発生要因としては、水平方向及び垂直方向の軸ずれや、間隙等が考えられるが、コア構造が一定であれば、断面の位置に関わらず一定の損失を示す。

つまり、任意にコアが配置されたマルチコア光ファイバ５０において、ファイバ断面中心からの距離が同じである複数のコアを同一の群とすれば、同一群における接続損失が同等となり、コア群ごとに適切な伝送方式を適用することで、コア群ごとに伝送容量の最大化が実現できる。

また、ファイバ断面中心からの距離が大きいと、最外クラッドとの距離であるクラッド厚が小さくなり、非特許文献５に記載の通り、漏えい損失が大きくなってしまう。このような場合においても、使用波長をより短い波長とすることで、閉じ込め効果を増加させ、損失の高いコア群の光学特性を改善することができる。一方で、漏えい損失が小さいコア群については、Ｌ帯といった長波長の帯域の信号を利用することとができ、コア群ごとに伝送容量の最大化が可能となる。

また、伝送路で用いるマルチコア光ファイバ５０のコア配列を、図２に示すような円環状のコア配列を多層に並べる形状とすることで、コア群数を層数と同じとすることができる。コア数の増加による群数の増大を抑制することで、送受信機構成を簡易化することができる。

（実施形態２）
マルチコア光ファイバ５０の設計にあたっては、コア間のクロストークの低減のために、非特許文献４に記載の様に、隣接コアの屈折率分布を異なるものとする場合がある。このような場合、前記コア群が前記コアの屈折率分布に基づいて決定される。具体的には、コア構造（屈折率分布）が略同一のコアを同一の群とし、コア群ごとに伝送方式を統一させる。それぞれの伝送方式を適切に設定することで光伝送システム３０１の伝送容量の最大化が実現できる。

（実施形態３）
図５は、本実施形態の光伝送システム３０２の構成を説明する図である。光伝送システム３０２のマルチコア光ファイバ５０は、同一の前記コア群の前記コアを伝搬する光信号のトータルの群遅延特性が同じであり、前記光伝送手段は、同一の前記コア群に含まれる複数の前記コアで光信号を並列伝送する。各コアの群遅延特性は、同じコアの屈折率分布を有するまたは、群遅延特性が同じとなるようコア半径や比屈折率差を調整することで実現できる。

群遅延特性が略同一のコアを同一群とし、送信機１０からの信号をシリアル／パラレル変換器３０でシリアル／パラレル変換し、マルチコア光ファイバ５０の同一群の複数のコアに分配して伝送する。図５では、簡単のため送信機１０が２個の場合を示している。受信側では、同一コア群の信号は、同時刻にマルチコア光ファイバ５０から出力されることから、パラレル／シリアル変換器４０側でパラレル／シリアル変換されることで、元の信号に復元される。受信機２０は復元された信号を受信する。

本構成とすることで、マルチコア光ファイバ５０の複数のコアに信号を分配する際に、伝送速度を低減することができ、信号の雑音耐力や非線形耐力を向上させることができ、伝送容量の拡大を実現することができる。

なお、「群遅延特性が略同一」とは、光伝送システムや伝送方式で許容される群遅延量という意味である。

（実施形態４）
各コアが同一のコア母材から作成されたものであっても、非特許文献６に記載の通り、製造誤差により群遅延特性が異なることがある。これは、屈折率分布の変化に対して群遅延特性が変化しやすいためであり、屈折率分布が略同一であっても、コア間の群遅延差が生じる場合がある。

図６は、上記の課題を解決するための光伝送システム３０３の構成を説明する図である。光伝送システム３０３は、図１の光伝送システム３０１にマルチコア光ファイバ５０上に配置され、同一の前記コア群内において１つの前記コアを伝搬する光信号を他の前記コアに結合するコア切替器６０をさらに備える。コア切替器６０は、伝送路中で任意のコア群を伝送する光信号と同一コア群の他のコアを伝送する光信号とを入れ替える機能を有する。

図７は、コア切替器６０の構造を説明する一例である。コア切替器６０は、平面導波路を用いることにより容易に実現できる。図７のコア切替器６０は、簡単のため２コアの入れ替えのみを記載しているが、複数のコアを一括して入れ替える場合も同様である。各コアに入射された光波は交差構造を有する導波路内を伝搬し、出力端で互いに異なるコアに結合される。このように、マルチコア光ファイバ５０と等しい構造寸法を有する平面導波路のコア切替器６０を用いることで、容易にコア間の光波を置換することができる。また、平面導波路は小型化が容易であり、コア間距離Λをマルチコア光ファイバ５０のコア間隔と同じとすることで、マルチコア光ファイバ５０とコア切替器６０とを直接接続することができ、汎用の光ファイバコネクタと勘合するアダプタ内に組み込むことも可能である。

また、図２に示すように、マルチコア光ファイバ５０の各コア群が同一の回転対象構造で配置されている場合、マルチコア光ファイバ５０同士の接続部にてファイバを回転させて接続することで、同一群内のコアを伝搬する信号の入れ替えを実現できる。

また更に、マルチコア光ファイバ５０のコア数分のＦａｎ−Ｉｎ／Ｏｕｔデバイスを用いることにより、接続するコアの関係を容易に制御することもできる。

光伝送システム３０３は、上記の信号の入れ替えを実施することで、製造誤差によって生じた同一コア群のコア間群遅延差を平均化でき、並列伝送時のコア間群遅延差を低減することができる。

（実施例）
各コアの伝搬モードが２以上である場合、非特許文献３に記載の通り、モード間のクロストークを補償するために、受信端でＭＩＭＯ等化器が必要となる。ＭＩＭＯ等化器における計算負荷は、モード間の群遅延差に依存しており、これを低減する必要がある。しかしながら、非特許文献７に記載の通り、モード間の群遅延差は、コアの屈折率分布の微小な変化によっても変動してしまい、同一コア群内のコアであっても、モードの群遅延差が異なることが考えられる。

このような場合においても、図６の光伝送システム３０３を用い、同一コア群の１つのコアを伝送する光信号と他のコアを伝送する光信号とを入れ替えることで、製造誤差によって生じた同一コア群のモード間群遅延差が平均化される。このため、光伝送システム３０３は、伝送容量の最大化の他に、各コアの伝搬モードが２以上である場合にＭＩＭＯ等化器における計算負荷も低減できる。

［付記］
以下は、本発明に係る光伝送システムについて説明したものである。
本光伝送システムでは、全体で特性が最も悪いコアに合わせて伝送方式を決定するのではなく、コア群ごとに適切な伝送方式を適用することができ、ファイバ一心あたりの伝送容量が増加させることを目的とする。

（１）：少なくとも２個以上のコアを有するマルチコア光ファイバを伝送路に用い、前記コアの特性が同等である１つ以上のコアからなる２つ以上のコア群が構成され、群単位で伝送方式を統一することを特徴とする光伝送システム。
（２）：上記（１）に記載の光伝送システムであって、少なくともコア数が３以上であり、同一群のコアの屈折率分布が略同一であることを特徴とする光伝送システム。
（３）：上記（１）〜（２）に記載の光伝送システムであって、少なくともコア数が３以上であり、同一群のコアの、前記マルチコア光ファイバ５０の断面中心からの距離が同一であることを特徴とする光伝送システム。
（４）：上記（１）〜（２）に記載の光伝送システムであって、少なくともコア数が３以上であり、同一群のコアの群遅延特性が略同一であるように設計され、送信機からの信号が、同一群の複数のコアを利用して並列伝送されることを特徴とする光伝送システム。
（５）：上記（１）〜（４）に記載の光伝送システムであって、少なくともコア数が３以上であり、伝送路中の任意の位置に存在する前記マルチコア光ファイバ５０の接続点において、任意のコア群を伝送する信号と同一コア群の他のコアを伝送する信号とを入れ替えることを特徴とする光伝送システム。

本光伝送システムの伝送方法は、複数のコアを有するマルチコア光ファイバを用い、前記マルチコア光ファイバの１つ以上の前記コアを含むコア群を複数設定し、前記コア群毎に同じ伝送方式で光信号を伝搬させる。そして、この伝送方法は、前記マルチコア光ファイバが、同一の前記コア群の前記コアを伝搬する光信号のトータルの群遅延特性が同じになるように形成されており、同一の前記コア群に含まれる複数の前記コアで光信号を並列伝送させることを特徴とする。さらに、この伝送方法は、前記マルチコア光ファイバ上に配置されたコア切替器で、同一の前記コア群内において１つの前記コアを伝搬する光信号を他の前記コアに結合することを特徴とする。

本発明の光伝送システムによって、同一の伝送特性を有するコア群において、個別に適切な伝送方式を適用することができ、全体で最も特性が悪いコアに合わせて伝送方式を決定する必要がなくなり、ファイバ一心あたりの伝送容量が増加する効果を奏する。

伝送特性が同等のコアを群とすることで、同一コア群での伝送方式を統一することができ、用いる伝送方式の種類を低減することができ、送受信器構成の簡易化・効率化及び低コスト化の効果を奏する。

１０：送信機
２０：受信機
３０：シリアル／パラレル変換器
４０：パラレル／シリアル変換器
５０：マルチコア光ファイバ
６０：コア切替器
３０１、３０２、３０３：光伝送システム

Claims (3)

1. 複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、
   前記マルチコア光ファイバの前記コアから光学特性が近似する１つ以上の前記コアをグループ化してコア群とし、前記コア群毎に伝送容量を最大化できる伝送方式で光信号を伝搬させる光伝送手段と、
   を備え、
   前記コア群が前記マルチコア光ファイバの断面中心から前記コアの中心までの距離に基づいて決定され、前記断面中心からの距離が遠い前記コア群ほど伝送速度を低減し、前記コア群を構成する各コアそれぞれに異なる送信機からの光信号を前記伝送速度で伝送することを特徴とする光伝送システム。
2. 複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、
   前記マルチコア光ファイバの前記コアから光学特性が近似する１つ以上の前記コアをグループ化してコア群とし、前記コア群毎に伝送容量を最大化できる伝送方式で光信号を伝搬させる光伝送手段と、
   を備え、
   前記マルチコア光ファイバは、同一の前記コア群の前記コアを伝搬する光信号のトータルの群遅延特性が同じであり、
   前記光伝送手段は、シリアル／パラレル変換器であり、同一の前記コア群に含まれる複数の前記コアに光信号を分配して並列伝送することで、複数の前記コアを伝送する信号の伝送速度を低減することを特徴とする光伝送システム。
3. 前記マルチコア光ファイバ上に配置され、同一の前記コア群内において１つの前記コアを伝搬する光信号を他の前記コアに結合するコア切替器をさらに備えることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の光伝送システム。

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