JP7364192B2

JP7364192B2 - マルチコア光ファイバ及び光ファイバケーブル

Info

Publication number: JP7364192B2
Application number: JP2020115174A
Authority: JP
Inventors: 泰志坂本; 隆松井; 和秀中島; 剛藤澤; 晋聖齊藤
Original assignee: Hokkaido University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Hokkaido University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2023-10-18
Anticipated expiration: 2040-07-02
Also published as: JP2022012969A

Description

本発明は、１つのコアに複数の伝搬モードが存在する結合型の数モードマルチコア光ファイバ及びそれを備える光ファイバケーブルに関する。

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）。

Ｈ．Ｔａｋａｒａｅｔａｌ．， "１．０１－Ｐｂ／ｓ（１２ＳＤＭ／２２２ＷＤＭ／４５６Ｇｂ／ｓ）Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ－ｍａｎａｇｅｄＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｗｉｔｈ９１．４－ｂ／ｓ／ＨｚＡｇｇｒｅｇａｔｅＳｐｅｃｔｒａｌＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，" ｉｎＥＣＯＣ２０１２，ｐａｐｅｒＴｈ．３．Ｃ．１（２０１２）Ｔ．Ｓａｋａｍｏｔｏｅｔａｌ．， "ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＭｏｄｅＤｅｌａｙＭａｎａｇｅｄＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＬｉｎｅｆｏｒＷＤＭ－ＭＩＭＯＳｙｓｔｅｍＵｓｉｎｇＭｕｌｔｉ－ＳｔｅｐＩｎｄｅｘＦｉｂｅｒ，" Ｊ．ＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌ．ｖｏｌ．３０，ｐｐ．２７８３－２７８７（２０１２）．Ｙ．Ｓａｓａｋｉｅｔａｌ．， "Ｌａｒｇｅ－ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ－ａｒｅａｕｎｃｏｕｐｌｅｄｆｅｗ－ｍｏｄｅｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅｆｉｂｅｒ，" ＥＣＯＣ２０１２，ｐａｐｅｒＴｕ．１．Ｆ．３（２０１２）．Ｔ．Ｏｈａｒａｅｔａｌ．， "Ｏｖｅｒ－１０００－ＣｈａｎｎｅｌＵｌｔｒａｄｅｎｓｅＷＤＭＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＷｉｔｈＳｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍＭｕｌｔｉｃａｒｒｉｅｒＳｏｕｒｃｅ，" ＩＥＥＥＪ．Ｌｉｇｈｔｗ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．２４，ｐｐ．２３１１－２３１７（２００６）Ｔ．Ｓａｋａｍｏｔｏ，Ｔ．Ｍｏｒｉ，Ｍ．Ｗａｄａ，Ｔ．Ｙａｍａｍｏｔｏ，Ｆ．Ｙａｍａｍｏｔｏ，ａｎｄＫ．Ｎａｋａｊｉｍａ， "ＦｉｂｅｒＴｗｉｓｔｉｎｇ－ａｎｄＢｅｎｄｉｎｇ－ＩｎｄｕｃｅｄＡｄｉａｂａｔｉｃ／ＮｏｎａｄｉａｂａｔｉｃＳｕｐｅｒ－ＭｏｄｅＴｒａｎｓｉｔｉｏｎｉｎＣｏｕｐｌｅｄＭｕｌｔｉｃｏｒｅＦｉｂｅｒ，" Ｊ．ＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌ．３４，１２２８－１２３７（２０１６）．Ｔ．Ｓａｋａｍｏｔｏ，Ｔ．Ｍｏｒｉ，Ｍ．Ｗａｄａ，Ｔ．Ｙａｍａｍｏｔｏ，Ｆ．ＹａｍａｍｏｔｏａｎｄＫ．Ｎａｋａｊｉｍａ， "ＣｏｕｐｌｅｄＦｅｗ－ＭｏｄｅＭｕｌｔｉｃｏｒｅＦｉｂｅｒＷｉｔｈＬｏｗＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＭｏｄｅＤｅｌａｙＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，" Ｊ．ＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌ．３５，１２２２－１２２７（２０１７）．ＩＴＵ－ＴＲｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎＧ．６５２Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｒｅａｎｄｃａｂｌｅＩＴＵ－ＴＲｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎＧ．６５０．１Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｌｉｎｅａｒ，ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃａｔｔｒｉｂｕｔｅｓｏｆｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅｆｉｂｒｅａｎｄｃａｂｌｅＴ．Ｆｕｊｉｓａｗａｅｔａｌ．， "Ｇｒｏｕｐｄｅｌａｙｓｐｒｅａｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｕｐｌｅｄ－ｍｕｌｔｉｃｏｒｅｆｉｂｅｒｓ：Ａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｗｅａｋａｎｄｔｉｇｈｔｂｅｎｄｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，" Ｏｐｔ．Ｃｏｍｍｕｎ．，ｖｏｌ．３９３，ｎｏ．９，ｐｐ．２３２－２３７，２０１７．Ｒ．Ｒｙｆ，Ｎ．Ｋ．Ｆｏｎｔａｉｎｅ，Ｂ．Ｇｕａｎ，Ｒ．－Ｊ．Ｅｓｓｉａｍｂｒｅ，Ｓ．Ｒａｎｄｅｌ，Ａ．Ｈ．Ｇｎａｕｃｋ，Ｓ．Ｃｈａｎｄｒａｓｅｋｈａｒ，Ａ．Ａｄａｍｉｅｃｋｉ，Ｇ．Ｒａｙｂｏｎ，Ｂ，Ｅｒｃａｎ，Ｒ．Ｐ．Ｓｃｏｔｔ，Ｓ．Ｊ．ＢｅｎＹｏｏ，Ｔ．Ｈａｙａｓｈｉ，Ｔ．Ｎａｇａｓｈｉｍａ，ａｎｄＴ．Ｓａｓａｋｉ， "１７０５－ｋｍｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｖｅｒｃｏｕｐｌｅｄ－ｃｏｒｅｆｉｂｒｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ６ｓｐａｔｉａｌｍｏｄｅｓ，" ＥＣＯＣ，ｐａｐｅｒＰＤ．３．２（２０１４）．岡本著，光導波路の基礎，コロナ社，ＩＳＢＮ４－３３９－００６０２－５

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）に起因する群遅延広がり（ＧＤＳ）が大きいと、伝送路のインパルス応答幅が大きくなり、信号処理の増大を招く。

各コアの構造が単一のモードを伝搬する構造であるシングルモードマルチコアファイバにおいては、非特許文献５に記載の通り、モード間でランダムな結合を誘起させるようコア構造及びコア間距離が調整された結合型シングルモードＭＣＦが検討されている。

一般に、同種コアシングルモードＭＣＦであっても、製造誤差により各コアの構造がわずかに異なり、各コアを伝搬するモードの群速度が異なることから、ＤＭＤは同種コア構造で設計しても０にはならないが、モード間でランダムな結合を誘起することで、ＧＤＳが距離の平方根に比例して大きくなるようになり、主に長距離伝送（１００ｋｍ以上）の伝送においては、ＧＤＳを大幅に低減することが可能である。

一方で、各コアで複数のモードが伝搬するよう設計された数モードＭＣＦは、限られた光ファイバ断面において多数の空間チャネルを実現することができ、高密度空間多重用ファイバとして期待されており、本ファイバ構造においてもモード間のランダムな結合を誘起する試みがなされている（例えば、非特許文献６）。ただし、当該文献においては、各コアでＬＰ０１モードとＬＰ１１モードが伝搬するようコア構造が設計され、隣接コア間の同ＬＰモード間でランダムな結合が観測されているが、異なるＬＰモード間での結合は生じていない。

ここで、非特許文献２に記載の通り、数モードＭＣＦの同一コアを伝搬する異なるＬＰモード間のＤＭＤは屈折率分布を制御することで低減することが可能である。しかし、そのためには屈折率分布の制御を精密に行う必要があり、製造誤差を考えるとＤＭＤを０とすることは困難である。特に通信波長帯全域にわたってＤＭＤ＝０とすることは極めて困難である。このため、数モードＭＣＦは、伝送距離に比例してＧＤＳが増加し、ＭＩＭＯの信号処理負荷の増大することになる。

一方、数モードＭＣＦの同一コア内の異なるＬＰモード間について、ＭＩＭＯの信号処理負荷を低減するための一般的にランダムな結合を誘起する技術はこれまで報告されていない。このため、数モードＭＣＦには、伝送距離に比例してＧＤＳが増大し、ＭＩＭＯの信号処理負荷を低減することが困難であるという課題がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決するために、長距離伝送であってもＧＤＳの増大を抑え、ＭＩＭＯの信号処理負荷を低減することができるマルチコア光ファイバ及び光ファイバケーブル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、本発明に係るマルチコア光ファイバは、使用波長において単独で複数の伝搬モードを導波できるコアを３つ以上有し、隣接コア間でそれぞれのコアの同一モード間で結合を生じ、非隣接コア間でそれぞれのコアの異なるモード間で結合を生じる構造を備えることとした。

具体的には、本発明に係るマルチコア光ファイバは、コア数が３以上であるマルチコア光ファイバであって、
前記コアは、使用波長で複数の伝搬モードを導波でき、
前記コアのうち、前記コアの中心間距離が最短である隣接コアとの間で同一の伝搬モードを結合し、前記隣接コア以外の非隣接コアとの間で異なる伝搬モードを結合する
ことを特徴とする。

本マルチコア光ファイバは、複数のモードが伝搬可能なコアが、光ファイバ断面上に３個以上配置されており、曲げ半径、コア構造及びコア間距離を適切に設計することで、同ＬＰモード間及び異なるＬＰモード間のランダムな結合を誘起することができる。このため、本マルチコア光ファイバはＧＤＳを小さくできる。本マルチコア光ファイバはＧＤＳが小さいため、インパルス応答幅を低減でき、ＭＩＭＯの信号処理負荷を低減できる。

従って、本発明は、長距離伝送であってもＧＤＳの増大を抑え、ＭＩＭＯの信号処理負荷を低減することができるマルチコア光ファイバを提供することができる。

例えば、本発明に係るマルチコア光ファイバは、前記伝搬モードがＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード、及びＬＰ１１ｂモードである。

本発明に係るマルチコア光ファイバのコア構造及びコア間距離は次のように設計することが好ましい。
前記コアのそれぞれは、前記マルチコア光ファイバの全長または一部の区間において、数Ｃ１をゼロとする前記非隣接コアを少なくとも１つ持つことを特徴とする。

ただし、
ｎ_{ｅｆｆ，Ｋ}は、前記コアを伝搬するＫ番目（Ｋは２以上且つ前記コアを伝搬できる伝搬モード数Ｎ以下）の伝搬モードの実効屈折率、
Λ_２は、前記コアと前記非隣接コアとの間の距離、
Ｒは、実効的な曲げ半径
である。

また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、前記コアのそれぞれが、前記隣接コアとの間で同一の伝搬モードのクロストークが－１０ｄＢ／ｋｍ以上であり、前記実効的な曲げ半径Ｒが３０～１４０ｍｍの範囲であることが好ましい。

一方、本発明に係る光ファイバケーブルは、前記マルチコア光ファイバを備える光ファイバケーブルである。
本光ファイバケーブルは、マルチコア光ファイバの実効的な曲げ半径をケーブル構造により制御する。当該構造によって、マルチコア光ファイバを内挿するだけで所望の曲げ半径を得ることができ、同ＬＰモード間及び異なるＬＰモード間のランダムな結合を誘起できる。

従って、本発明は、マルチコア光ファイバのインパルス応答幅を低減でき、長距離伝送であってもＧＤＳの増大を抑え、ＭＩＭＯの信号処理負荷を低減することができる光ファイバケーブルを提供することができる。

本発明に係る光ファイバケーブルは、前記マルチコア光ファイバを前記ケーブルスロットに沿って配置する、Ｓ撚りもしくはＳＺ撚り構造のケーブルスロットを有することが好ましい。

また、本発明に係る光ファイバケーブルは、複数本の前記マルチコア光ファイバをバンドル材によって結束したファイバユニットが数Ｃ２を満たすように内挿される構造を有することが好ましい。

ただし、
ｄは前記マルチコア光ファイバ１本当たりの被覆径、
ｙは前記バンドル材の撚りピッチ、
Ｄｕは前記ファイバユニットの外径、
である。

本発明は、長距離伝送であってもＧＤＳの増大を抑え、ＭＩＭＯの信号処理負荷を低減することができるマルチコア光ファイバ及び光ファイバケーブルを提供することができる。

本発明に関連するマルチコア光ファイバを説明する図である。本発明に関連するマルチコア光ファイバを説明する図である。本発明に係るマルチコア光ファイバの条件を説明する図である。本発明に係るマルチコア光ファイバの条件を説明する図である。本発明に係るマルチコア光ファイバの構造を説明する図である。本発明に係るマルチコア光ファイバの構造を説明する図である。（ａ）は３コア光ファイバ、（ｂ）は４コア光ファイバ、（ｃ）は５コア光ファイバ、（ｄ）は６コア光ファイバ、（ｅ）は８コア光ファイバである。本発明に係るマルチコア光ファイバの条件を説明する図である。本発明に係るマルチコア光ファイバの条件を説明する図である。本発明に係るマルチコア光ファイバの条件を説明する図である。本発明に係るマルチコア光ファイバの条件を説明する図である。本発明に係るマルチコア光ファイバの条件を説明する図である。本発明に係るマルチコア光ファイバの条件を説明する図である。本発明に係るマルチコア光ファイバの条件を説明する図である。本発明に係るマルチコア光ファイバの条件を説明する図である。マルチコア光ファイバの伝搬モードを説明する図である。本発明に係る光ファイバケーブルを説明する図である。（ａ）は光ファイバケーブル断面図、（ｂ）はＳ撚り、（ｃ）はＳＺ撚りを説明する図である。本発明に係る光ファイバケーブルを説明する図である。（ａ）は光ファイバケーブル断面図、（ｂ）は光ファイバケーブルの構造、（ｃ）はファイバユニットを説明する図である。

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。

（発明の趣旨）
図１は、コア数が２であるマルチコア光ファイバ１０の断面図である。各コアは、比屈折率差がΔ、コア半径がａである。マルチコア光ファイバ１０は、屈折率ｎ１であるコア領域１１と、屈折率ｎ２のクラッド領域１２において、ｎ１＞ｎ２が成り立ち、コア間距離はΛ_１（ｍｍ）である。なお、コア間距離とはコアの中心間距離のことである。

ここで、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。

図２は、マルチコア光ファイバ１０が曲がっていない状態又は、マルチコア光ファイバ１０が曲がっている状態における、屈折率分布を説明する図である。横軸は、マルチコア光ファイバ１０の直径方向の座標である。マルチコア光ファイバ１０の中心をｒ＝０としている。縦軸は、屈折率である。

また、同図に、各伝搬モードの実効屈折率も示す。具体的には、各コアにＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードが伝搬するときの実効屈折率をそれぞれ“ｎ_{ｅｆｆＬＰ０１}”及び“ｎ_{ｅｆｆＬＰ１１}”で示している。マルチコア光ファイバ１０が曲がっていない状態（図２（ａ））では、いずれの伝搬モードも実効屈折率のコア間差はない。つまり、ＬＰ０１モードの実効屈折率はいずれのコアでも同じ値であり、ＬＰ１１モードの実効屈折率もいずれのコアでも同じ値である。ここで、ＬＰモード間の実効屈折率差を“Δ_ｎｅｆｆ”とする。

一方、マルチコア光ファイバ１０が曲がった状態（図２（ｂ））では、いずれの伝搬モードも曲り方向に対して外側のコアの実効屈折率が上昇し、内側のコアの実効屈折率が減少する（図では左側に曲がっている状態を示している）。このため、マルチコア光ファイバ１０が曲がった状態では、図２（ｂ）で示すような傾斜を有する屈折率分布と等価とみなすことができる。

図２（ｂ）の右側のコアの実効屈折率は、曲げ半径をＲ（ｍｍ）とすると、
［数１］
ｎ_ｅｆｆ（１＋Λ_１／（２Ｒ））
となる。また、図２（ｂ）の左側のコアの実効屈折率は
［数２］
ｎ_ｅｆｆ（１－Λ_１／（２Ｒ））
となる。ここで、ｎ_ｅｆｆはＬＰ０１又はＬＰ１１モードの実効屈折率を示す。

異なるＬＰモード間で結合を生じさせる場合、隣接コアの異なるＬＰモード間の実効屈折率差Δｎ_ｅｆｆが重要なパラメータとなる。一方のコアの実効屈折率を基準とした場合、実効屈折率差Δｎ_ｅｆｆは、

となり、コア間距離Λ_１と曲げ半径Ｒによって決定される。ここで、“ｎ_{ｅｆｆ，Ｋ}”はＫ番目のモードの実効屈折率である。なお、モードの順番は、ＬＰ０１モードが１番目、ＬＰ１１モードが２番目、ＬＰ２１モードが３番目、ＬＰ０２モードが４番目である。また、各モードにａ，ｂモードが存在する場合、同じ屈折率なのでモードの順番は同じである（例えば、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂの実効屈折率は同じなのでいずれも２番目とする。）。

式（３）において、Ｋ番目及びＫ＋１番目のモード間で“Δｎ_ｅｆｆ＝０”を満たしていれば、ＬＰ０１モード及びＬＰ１１モード間以外のモード結合にも同様に適用できる。つまり、コアを伝搬するモードは、例に挙げているＬＰ０１、ＬＰ１１モードの場合以外にも、例えば、ＬＰ２１、ＬＰ０２モードが伝搬する場合や、それ以上の高次モードが伝搬する構造においても同じである。

本発明は、このようなＧＤＳ低減効果が得られるようコア構造及びコア間距離が調整されていることを特徴とするマルチコア光ファイバであって、その条件を以降説明する。

一般に、隣接コア間の異なる伝搬モード間で結合を生じさせるためには、式（３）に示すΔｎ_ｅｆｆがゼロとなるように光ファイバを設計する必要がある。
図３は、“異なる伝搬モード”がコア間で結合するための条件を説明する図である。横軸はコア間距離（図１のマルチコア光ファイバであればΛ_１）、縦軸はΔｎ_ｅｆｆである。コア半径ａ＝７.５μｍ、コアの比屈折率差Δ＝０.３０％として計算している。なお、本図においては、簡単のため式（３）のΔｎ_ｅｆｆの定義において絶対値を取らない場合の値を示している。

ここで、ＩＴＵ－Ｔの光ファイバ勧告において記載されているように、一般的な光ファイバの曲げ損失規格は曲げ半径３０ｍｍ以上で規定されており、それ以下の曲げ半径では損失が増加することになる。また、同じくＩＴＵ－Ｔの勧告に記載の遮断波長測定法において用いられている試験時の曲げ半径条件に記載されている通り、ケーブル内の光ファイバの曲げ半径を実効的に１４０ｍｍとすることが広く知られている。従って、マルチコア光ファイバの曲げ半径Ｒの条件は、３０～１４０ｍｍとすることが妥当である。

図３の結果より、曲げ半径が２０ｍｍであると、隣接コア間距離が２５μｍで異なるＬＰモード間で結合が生じる条件（“Δｎ_ｅｆｆ＝０”）となる。しかし、先に述べた通り、３０ｍｍ以下の曲げ半径は好ましくない。曲げ半径３０ｍｍ以上の領域では、異なるＬＰモード間で結合が生じる条件（“Δｎ_ｅｆｆ＝０”）となる隣接コア間距離Λ_１が３６μｍ以上必要となる。

一方、図４は、“同じ伝搬モード”がコア間で結合するための条件を説明する図である。横軸はコア間距離（図１のマルチコア光ファイバであればΛ_１）、縦軸は結合量としてのコア間クロストークである。図４では伝搬モードとして基本モードのデータを示している。本図でも、コア半径ａ＝７.５μｍ、コアの比屈折率差Δ＝０.３０％として計算している。

ＩＴＵ－Ｔの勧告の光ファイバ曲げ半径Ｒを３０ｍｍ以上とすれば、図３で説明したように“異なる伝搬モード”がコア間で結合するためにコア間距離が３６μｍ以上が求められる。しかし、図４で示す通り、コア間距離が３６μｍ以上の領域では、コア間のクロストークが－２５ｄＢ／ｋｍ以下となる。これは、同じＬＰモード間の結合量が非常に小さくなる（例えば、－３０ｄＢ／ｋｍ以下）ことを意味する。

つまり、コアが２つである数モードマルチコア光ファイバの場合、曲げ半径３０ｍｍ以
上の領域では、異なるＬＰモード間で結合が生じる条件と同じＬＰモード間で結合が生じる条件とがトレードオフとなっており、全てのモードが結合する数モードマルチコアを実現することが困難という課題がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためにコア数を３以上とし、隣接コア間で同一モード間で結合させ、非隣接コア間で異なるモード間で結合させることとした。つまり、本発明に係るマルチコア光ファイバは、コア数が３以上であるマルチコア光ファイバであって、
前記コアは、使用波長で複数の伝搬モードを導波でき、
前記コアのうち、前記コアの中心間距離が最短である隣接コアとの間で同一の伝搬モードを結合し、前記隣接コア以外の非隣接コアとの間で異なる伝搬モードを結合する
ことを特徴とする。
なお、高次モードについては、基本モードよりコア間クロストーク量が大きくなるため、本明細書では最悪条件となる基本モードのクロストークが所望の値以上となることだけを確認することとする。

（実施形態１）
本実施形態のマルチコア光ファイバは、前記コアのそれぞれが、前記マルチコア光ファイバの全長または一部の区間において、実効的な曲げ半径Ｒが数４を満たす前記非隣接コアを少なくとも１つ持つことを特徴とする。

ここで、隣接コアと非隣接コアの定義を説明する。図５は、コア数が６であり、円環状にコアが配置されたマルチコア光ファイバ２０の断面を説明する図である。コア半径ａ、コアの比屈折率差Δについては図１で説明した定義と同じである。隣接コアとは、コア間距離が最も小さいΛ_１である２つのコアを意味する。そして、非隣接コアとは、隣接コア以外の組み合わせの２つのコアを意味する。Λ_２は非隣接コア間距離と定義する。当然であるが、Λ_２＞Λ_１である。図中では例として、対角コア間距離をΛ_２としているが、非隣接コア間であればどのコアの組み合わせでもよい。

図６は、マルチコア光ファイバのバリエーションを説明する図である。コア配置には三角格子状、円環上、正方格子上の配置方法があり、それぞれΛ_１とΛ_２の関係が異なる。例えば、６コア構造においては、非隣接コアを対角コアとした場合、Λ_２はΛ_１の２倍となる。

本実施形態のマルチコア光ファイバ２０は、隣接コアにおいて同一モード間（例えば、ＬＰ０１モード同士、またはＬＰ１１モード同士など）が結合し、非隣接コア間においては、異なるモード間（例えば、ＬＰ０１－ＬＰ１１モード間など）で結合するように、Λ_１及び、Λ_２及びＲを調整している。

具体的には、次の条件を満たすようにマルチコア光ファイバのΛ_１及び、Λ_２及びＲを調整する。

ただし、
ｎ_{ｅｆｆ，Ｋ}は、前記コアを伝搬するＫ番目（Ｋは２以上且つ前記コアを伝搬できる伝搬モード数Ｎ以下）の伝搬モードの実効屈折率、
Λ_２は、前記コアと前記非隣接コアとの間の距離であって、Λ_１より大きい値、
である。
また、前記実効的な曲げ半径Ｒは３０～１４０ｍｍの範囲である。

図７は、図１及び図６に記載の２～６コア光ファイバのコア間距離に対するＧＤＳを説明する図である。横軸はコア間距離Λ_１、縦軸はＧＤＳである。ＧＤＳは、当該光ファイバの曲げ半径Ｒを５０ｍｍとし、波長１５５０ｎｍの信号を１０００ｋｍ伝搬させたときの出射端での群遅延広がりを計算したものである。なお、計算にはプリンシパルモード解析を用いている（例えば、非特許文献９を参照。）。また、各コアはステップ型屈折率分布を有しており、ａ＝７.５μｍ、Δ＝０.３０％とした。本構造においては、各コアで１５３０～１５６５ｎｍの波長帯でＬＰ０１及びＬＰ１１モードが伝搬する。

ほとんどの構造において、コア間距離が大きくなるとＧＤＳが増大するのに対し、６コア構造においては、コア間距離が３０μｍの時にＧＤＳが小さくなっていることがわかる。つまり、コア間距離が３０μｍの６コア光ファイバにおいて、隣接コアとの間で同一の伝搬モードが結合し、非隣接コアとの間で異なる伝搬モードが結合し、ランダムな結合を実現できているといえる。

図８は、曲げ半径Ｒに対するマルチコア光ファイバのコア間距離とＧＤＳとの関係を説明する図である。マルチコア光ファイバとして６コア光ファイバ、曲げ半径Ｒを５０，６０，７０ｍｍとし、伝搬距離を１０ｋｍとしてＧＤＳを計算している。曲げ半径が５０ｍｍの条件において、コア間距離が３０～３４μｍの時にＧＤＳが大幅に低減できていることがわかる。

この時、円環上に配置された６コア構造においては、例えば、対角コアにおいてΔｎ_ｅｆｆが０となる条件は、式（４）から式変形を行い、次式で表すことができる。

ただし、β_１、β_２は、ＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードの伝搬定数である。
なお、伝搬定数と実効屈折率の関係は、ｋを波数として、

となる。

つまり、隣接コア間の同一モード間結合条件（例えば図４）によってΛ_１については上限が定められるのに対し、Λ_２については曲げ半径Ｒと波長で下限が定められる。Λ_２とΛ_１についてはコア配置によって関係が一意に定まるため、最終的にはΛ_１とΛ_２の上限と下限が定められることになる。

式（３）から導出されるΔｎ_ｅｆｆを０とする隣接コア間距離Λ_１と曲げ半径Ｒとの関係を図９に示す。例えば、曲げ半径Ｒを５０ｍｍと仮定した場合は、３１μｍ以上のΛ_１で対角コアの異なるＬＰモード間で結合させることができ、その結果、図８に示すようにＧＤＳの低減効果が得られる。
［補足］
図９は、図６（ｄ）の円環状６コアを想定しているので、Λ_１が決まればΛ_２も一意に決まる。正確に説明すれば、図９は、非隣接コア間でΔｎ_ｅｆｆ＝０となるための隣接コア間距離Λ_１を示している。他のコア配列でも同様である。
［補足終］

図１０に、２～６コア構造の場合の隣接コア間距離とＧＤＳの関係を計算したものを示す。伝搬距離は１０ｋｍ、曲げ半径は５０ｍｍである。２コアの場合は、非隣接コアが存在しないため、どのコア間距離を設計してもＧＤＳの低減効果は観測されない。正方格子配置の４コア構造においては、式（４）を満たすためのΛ_２は４４μｍとなり、図４で示すように隣接コア間の同一モード間クロストークを十分大きくすることができない。６コア構造においては、図８で示すように特定のコア間距離でＧＤＳ低減効果が得られる。

図１１に６～８コア構造の場合の隣接コア間距離とＧＤＳの関係を計算したものを示す。伝搬距離は１０ｋｍ、曲げ半径は５０ｍｍである。７コア構造は三角格子状（円環上に６コア、中央に１コアを配置）、８コア構造は円環上のコア配置である。６コア構造と比較して、コア数が多くなるとΛ_１が小さい領域においてもΛ_２を大きくすることができるため、一般的に設計領域が広くなる。

次に、どの程度の結合量でＧＤＳが低減できるかを示す。光増幅器で挟まれた中継区間が一般に４０ｋｍ以上であることを鑑み、伝送距離４０ｋｍである時に、コア間クロストーク（結合量）を変化させた時のインパルス応答形状を計算したものを図１２に示す。コア間の群遅延差ＤＭＤは仮に１ｎｓ／ｋｍとしている。なお、図１２は、隣接コア間でも非隣接コア間でも同様のインパルス応答形状が得られる。

ここで、パルス幅はインパルス応答に対して十分小さいものを入力しており（－２０ｄＢ／ｋｍの場合の両端に存在するピーク波形が入力パルス幅と同じとなる）、出力波形はすべてのコアからの出力光を加算したものを示している。

－２０ｄＢ／ｋｍでは、両端に大きな強度を示すパルスが存在し、その幅は４０ｎｓと、累積ＤＭＤ（１ｎｓ／ｋｍ×４０ｋｍ）と同じ値となっている。－１０ｄＢ／ｋｍとした場合は、両端のパルス強度が低下しているものの、インパルス応答幅は累積ＤＭＤと同じである。

一方で、－５ｄＢ／ｋｍ以上の結合量では、インパルス応答形状がガウシアン形状となっている。コア間結合が強い場合はインパルス応答形状がガウス形状となることはよく知られている。－３ｄＢ／ｋｍの場合は同様にガウス形状であるが、その幅がさらに小さくなっていることわかる。

非特許文献１０によるとインパルス応答形状がガウス形状となると、そのインパルス応答幅は距離の平方根に比例し、距離に比例する非結合型のファイバと比較すると、特に長距離伝送においてインパルス応答幅を低減できることが利点である。よって、結合量に対してインパルス応答幅がガウシアンとなる結合量を計算した。

図１３に、隣接コア間での同一の伝搬モードの結合量とインパルス応答形状をガウス波形でフィッティングした場合の相関係数を算出した結果を示す。図１３より、－１０ｄＢ／ｋｍ以上の結合量でインパルス応答は理想的なガウス波形と相関係数が９５％以上の形状となる。

図１４に、結合量とインパルス応答波形のガウスフィッティングにより得られる標準偏差との関係を示す。結合量が大きくなればなるほどインパルス応答幅が小さくなることがわかる。

これらの結果から、コア間で－１０ｄＢ／ｋｍ以上の結合が得られるとインパルス応答幅は大きく低減可能であり、隣接コア間距離Λ_１は－１０ｄＢ／ｋｍ以上の結合が得られるように設計すればよい。コア間クロストーク量ＸＴについては、

により計算することができる。つまり、－１０ｄＢ／ｋｍ以上のコア間クロストークを得るための隣接コア間距離Λ_１の条件は、

となる。ここで、κ_Ｌ及びβ_ＬはＬ番目のモードの隣接コア間結合係数及び伝搬定数であり、ＸＴ＝０.１ｋｍ^－１（－１０ｄＢ／ｋｍに相当）を代入することで所望の隣接コア間距離Λ_１を求めることができる。曲げ半径Ｒについては、先に述べたケーブル内の実効的な曲げ半径である１４０ｍｍとすれば、クロストークの最悪条件における値が算出できる。ただし、コア直径２ａに対して隣接コアが接触しないために少なくとも
２ａ≦Λ_１
とする必要がある。

ただし、非特許文献５に記載の通り、コアが近接することでインパルス応答幅が大きくなる現象があるため、経験的には
２ａ≦２Λ_１
程度とすることが望ましい。

隣接コア間結合係数κは非特許文献１１に記載の通り、各モードの実効屈折率、電界分布から算出することが可能である。マルチコアファイバにおいてはコア間クロストーク量を算出するために一般的に用いられているパラメータである。

なお、ＬＰ０１は基本モード、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードはそれぞれ縮退した第一高次モードのことであり、図１５に示す電界分布を有している。

（実施形態２）
本発明である光ファイバケーブルは、実施形態１で説明したマルチコア光ファイバを内挿する。ケーブル内に内挿されたマルチコア光ファイバは、非隣接コアを対象とした式（４）の条件を満たすように実効的な曲げ半径Ｒが付与される。

例えば、図１６に示すケーブル３０の、Ｓ撚りもしくはＳＺ撚り構造のケーブルスロット３１にマルチコア光ファイバを配置することで、式（４）を満たす実効的な曲げ半径Ｒをマルチコア光ファイバに付与できる。

また、図１７（ａ）のような光ファイバケーブルがスロットレス構造のケーブル構造であってもよい。図１７（ｂ）に示すように、複数のマルチコア光ファイバ２０をバンドル材４１で結束すれば、バンドル材４１の張力でマルチコア光ファイバ２０に曲げを付与することができる（図１７（ｃ））。

図１７の光ファイバケーブル４０は、次の条件を満たす。マルチコア光ファイバ２０の１本当たりの被覆径をｄ、複数心を結束するテープの撚りピッチをｙ、結束対象のファイバユニット２５の外径をＤｕとしたとき、実効的な曲げ半径Ｒに対して

を満たす。

図１６や図１７で説明した光ファイバケーブルによって、マルチコア光ファイバ内の全てのモードのランダム結合を誘起することが実現できる。

（発明の効果）
本発明の光ファイバ及び光ファイバケーブルによれば、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、信号伝搬後の群遅延広がりが小さいため、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。

本発明は、光伝送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
２０：マルチコア光ファイバ
２５：ファイバユニット
３０：ケーブル
３１：ケーブルスロット
４０：光ファイバケーブル
４１：バンドル材

Claims

コア数が３以上であるマルチコア光ファイバであって、
前記コアは、使用波長で複数の伝搬モードを導波でき、
前記コアのうち、前記コアの中心間距離が最短である隣接コアとの間で同一の伝搬モードを結合し、前記隣接コア以外の非隣接コアとの間で異なる伝搬モードを結合すること、及び
前記コアのそれぞれは、前記マルチコア光ファイバの全長または一部の区間において、数Ｃ１を満たす前記非隣接コアを少なくとも１つ持つこと
を特徴とするマルチコア光ファイバ。

ただし、
ｎ _{ｅｆｆ，Ｋ} は、前記コアを伝搬するＫ番目（Ｋは２以上且つ前記コアを伝搬できる伝搬モード数Ｎ以下）の伝搬モードの実効屈折率、
Λ _２は、前記コアと前記非隣接コアとの間の距離、
Ｒは、実効的な曲げ半径
である。
前記伝搬モードがＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード、及びＬＰ１１ｂモードである
ことを特徴とする請求項１に記載のマルチコア光ファイバ。
前記コアのそれぞれは、前記隣接コアとの間で同一の伝搬モードのクロストークが－１０ｄＢ／ｋｍ以上であり、
前記実効的な曲げ半径Ｒが３０～１４０ｍｍの範囲である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチコア光ファイバ。
請求項３に記載のマルチコア光ファイバを備える光ファイバケーブル。
Ｓ撚りもしくはＳＺ撚り構造のケーブルスロットを有し、前記マルチコア光ファイバが前記ケーブルスロットに沿って配置されていることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバケーブル。
複数本の前記マルチコア光ファイバをバンドル材によって結束したファイバユニットが数Ｃ２を満たすように内挿される構造を有することを特徴とする請求項４に記載の光ファイバケーブル。

ただし、
ｄは前記マルチコア光ファイバ１本当たりの被覆径、
ｙは前記バンドル材の撚りピッチ、
Ｄｕは前記ファイバユニットの外径、
である。