JPWO2010038861A1 - 結合系マルチコアファイバ、結合モード合分波器、マルチコアファイバ伝送システム、およびマルチコアファイバ伝送方法 - Google Patents

結合系マルチコアファイバ、結合モード合分波器、マルチコアファイバ伝送システム、およびマルチコアファイバ伝送方法 Download PDF

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Abstract

コア間の結合を積極的に利用する「結合系」の動作形態に対応したマルチコアファイバの形態によって、単一モードの複数のコアを１本の光ファイバに収納したマルチコアファイバを用いたモード分割多重伝送を行う。本発明のマルチコアファイバは、単一モードの複数のコアを１本の光ファイバに収納したマルチコアファイバを用いることによってモード多重伝送を行う構成として、複数のコアを意図的に強く結合させ、それぞれの結合モードを伝送チャネルに一対一に対応させる結合系マルチコアファイバを形成する。

Description

本発明は、モード多重伝送に適したマルチコアファイバに関し、特に結合系マルチコアファイバとその入出射端のおけるモード合分波器，および結合系マルチコア群を複数，非結合状態にして高密度に空間分割多重化するための結合系非結合系ハイブリッドマルチコアファイバを用いたモード分割多重と空間分割多重を併用するマルチコアファイバ伝送システムに関する。
従来、多モードファイバが研究され、モード群遅延差による伝送帯域制限を解消するための様々な工夫が提案されている。その１つに、モード群を分離して群遅延差を電気的に等化する提案がある（非特許文献１）。その後、階段屈折率ファイバではモード伝搬角がモード次数にほぼ対応することから angular division multiplexing が提案され（非特許文献２）、さらに2006年にはほとんど同じコンセプトを分布屈折率ファイバに適用した mode group diversity multiplexing が提案されている（非特許文献３）。これらの文献に記載されるファイバはいずれも、各固有モードを直交関数系で表される独立な伝送チャネルとして利用するのではなく、モード群として伝搬角の差を利用して合分波するものであり、伝送帯域は単一モードファイバに及ばない。つまり、伝送容量を極限まで高める技術ではない。
また、非特許文献４は、多モードファイバの各モードを伝送チャネルに対応させるモード分割多重化について言及している。
また、従来の同種コアによる非結合マルチコアファイバをフォトニック結晶ファイバで実現するものとして非特許文献５が知られている。
また、非特許文献６には、伝搬定数が異なる二つのコア間における漏話量を一定値以下に抑えることが開示されている。
末松安晴, 古屋一仁, "多姿態誘電体光導波路の屈折率分布と群遅延特性", 電子通信学会論文誌, vol.57-C, no.9, pp.289-296 (1974) R. C. Stearns, C. K. Asawa, S-K Yao, "Angular Division Multiplexing for Fiber Communication Using Graded-Index Rod Lenses", J. Lightwave Technol., vol.LT-4, no.2, pp.358-362 (1984) C. P. Tsekrekos, M. de Boer, A. Martinez, F. M. J. Willems, A. M. J. Koonen, "Temporal Stability of a Transparent Mode Group Diversity Multiplexing Link", Photon. Technol. Lett., vol.18, no.23, pp.2484-2486 (2006) Martin Feldman,Ramachandran,Vaidyanathan, and Ahmed El-AmawyHigh speed, "High Capacity Bused Interconnects Using Optical Slab Waveguides", Lect Notes Comput Sci.Vol.1586 Page.924-937(1999) 今村勝徳，武笠和則，杉崎隆一，味村裕，八木健, "超大容量伝送用マルチホーリーファイバに関する検討", 2008年電子情報通信学会通信ソサエティ大会 吉川浩，山本雄三，大野豊, "加入者線路用非対称２コア形単一モードファイバの数値解析", 電子情報通信学会論文誌C-I Vol.J74-C-I No.9 pp307-312 1991年9月 S. Inao, T. Sato, H. Hondo, M. Ogai, S. Sentsui, A. Otake, K. Yoshizaki, K. Ishihara, and N. Uchida, "High density multi-core-fiber cable", Proceedings of the 28th International Wire & Cable Symposium (IWCS), pp. 370−384, 1979. B. Rosinski, J. W. D. Chi, P. Grasso, and J. L. Bihan, "Multichannel transmission of a multicore fiber coupled with Vertically-Coupled- Surface- Emitting Lasers", J. Lightwave Technol., vol.17, no.5, pp.807-810, 1999.
光ファイバ中を伝搬する各固有モードの電界分布は以下の式（１）で表すことができる。
上記式（１）において、ｅｐは単位偏波ベクトル、ωｖはキャリア角周波数（ｖは波長多重あるいは周波数多重時のチャネル番号）、Ａｉ（ｒｉ）とβｉはそれぞれ振幅分布と伝搬定数でｉはモード次数、ｒtは横方向（z方向以外の）の座標位置ベクトルである。光波を表すこれらのパラメータ（ｅｐ、ωｖ、Ａｉ（ｒｉ）、φｉ）を組み合わせて多重化する場合、単独ではωｖを用いる高密度波長多重（あるいは周波数多重）とｅｐを用いる偏波多重があり、また単一モードファイバなのでｉ＝０としてＡ０とφ０の組み合わせによる４値差動位相変復調（ＤＱＰＳＫ）や直交振幅変調（ＱＡＭ）などの多値伝送がある。
上記した多重方式に他に、モード多重（mode division multiplexing）伝送がある。このモード多重は、Ａｉ（ｒｉ）のモード次数ｉが異なる固有モードが直交関数系をなすことを利用するものである。
従来から知られる多モードファイバを用いてモード多重伝送を行う場合には、１つの固有モードに１つの伝送チャネルを対応させるためモード合分波が困難である。そのため、モード多重ではなく、モード群多重によって多重化している。
したがって、モード多重伝送を行うには、多モードファイバに代えて、単一モードの複数のコアを１本の光ファイバに収納したマルチコアファイバを用いる必要がある。従来、単一モードの複数のコアを１本の光ファイバに収納したマルチコアファイバを用いることによってモード多重伝送を行う構成は、非特許文献７および非特許文献８などが知られている。
なお、非特許文献４に開示するモード分割多重化は、多モード導波路の各モードを伝送チャネルに対応させるものであるが、多数モードを有する多モード導波路では、伝搬角の差を利用して分波する場合には、出射端での電磁界分布の大きさから定まる回折角は、固有モードの伝搬角の差よりも大きくなるためにモード分解ができず、モードの合分波が困難であるという問題がある。
また、非特許文献５に開示する、従来の同種コアによる非結合マルチコアファイバをフォトニック結晶ファイバで実現するものであり、非特許文献４と非特許文献５のいずれにおいても、同種コア同士を近づけるとコア間結合が起きてクロストークになるため、コア間隔を狭間隔化できない問題がある。
さらに，非特許文献７および非特許文献８においても，従来の同種コアによって非結合マルチコアファイバを実現するものであり，同種コア同士を近づけるとコア間結合が起きてクロストークになるため、コア間隔を狭間隔化できない問題がある。
非特許文献６は２コア間で，コアとクラッド間の屈折率差を変えて，その結果として生じる伝搬定数差によってコア間を近接させても結合を回避するものであるが，２コア間に関する検討であり，すでに非特許文献８などの教科書に書かれている物理現象をコア断面が円形の光ファイバに適用したに過ぎない。
そこで、本発明は、上記した問題を解決し、多モードファイバに代えて、単一モードの複数のコアを１本の光ファイバに高密度に収納したマルチコアファイバを用いることによってモード多重伝送を行うことを目的とする。
二つの単一モードファイバを用意し、これらのコアを互いに近づけると、図２に示すようにコア間でモード結合が生じる。二つのコアが単独に存在する非摂動系の個々の基本モードの伝搬定数をそれぞれβ１、β２とすると、これらのコアを伝搬方向（z方向）に平行に並べた摂動系の結合モードａ，ｂの伝搬定数βｅ、βｏは、図３に示すようにそれぞれβｅ＝βａｖｅ＋βｃ、βｏ＝βａｖｅ−βｃで与えられる。ここにβａｖｅ＝ (β１＋β２) /２は平均伝搬定数であり、βｃは、位相不整合量δ＝ (β１−β２) /２と結合係数κを用いて、βｃ＝（δ２＋κ２）)１／２のように表される。
いま、一方のコアから、その基本モードを入射させると、結合効率に対応する他方のコアにおける規格化光パワーηのz方向依存性は、η＝Ｆsin２βｃｚと書ける。ここにＦ＝ (κ／βｃ )2 はパワー移行率である。結合効率ηは、結合長Ｌｃ＝π／（２βｃ）において最大となり、その値はＦとなる。位相整合条件δ＝０が満たされている場合には、βｃ＝κとなるので、結合効率の最大値は１となる。
本発明のマルチコアファイバは、コア間の結合を積極的に利用する「結合系」の動作形態に対応したマルチコアファイバの形態によって、単一モードの複数のコアを１本の光ファイバに高密度に収納したマルチコアファイバを用いたモード多重伝送を行う。
より詳細には、本発明のマルチコアファイバは、単一モードの複数のコアを１本の光ファイバに収納したマルチコアファイバを用いることによってモード多重伝送を行う構成として、複数のコアを意図的に強く結合させ、それぞれの結合モードを伝送チャネルに一対一に対応させる結合系マルチコアファイバの形態とすることができる。
このマルチコアファイバによれば、伝送帯域をコアの本数分だけ増大させることができる。
本発明の結合系マルチコアファイバは、複数の単一モードのコアを一本の光ファイバに収納したマルチコアファイバにおいて、ファイバを伝搬する固有モードの電界分布において振幅分布のモードの多重化によりモード多重伝送系を形成するマルチコアファイバである。
本発明は、結合系マルチコアファイバの形態、結合モード合分波器の形態、およびマルチコアファイバ伝送のシステムあるいは方法の形態を備える。
本発明の結合系マルチコアファイバの形態は、複数の単一モードのコアを一本の光ファイバに収納したマルチコアファイバにおいて、ファイバを伝搬する固有モードの電界分布において、複数のコアの固有基本モードが強く結合した結合系モードを形成し、個々の次数の異なる結合系モードを信号の伝送チャネルに対応させ、モード分割した伝送チャンネルを多重化するモード分割多重伝送系を形成するマルチコアファイバである。
本発明のマルチコアファイバは、単一モードファイバにおける基本モードの伝搬定数が同一のコアを複数備え、隣接する各コアを、当該コア間の結合状態を強結合状態とするコア間距離の範囲内に配置して、この強結合状態で結合された複数のコアによってコア群を形成する。コア群は、伝搬定数を異にする複数種の結合モードによってモード分割した結合伝送系を形成し、各結合モードを伝送チャネルに一対一に対応させて多重化することによってモード分割多重伝送系を形成する。
本発明のマルチコアファイバは、複数のコアを直線状に配置してコア群を形成し、隣接するコアの中心間の配置間隔を、コアの直径の長さよりも大で、コアの直径の長さの２倍よりも小さい距離範囲内とし、コア群内の各コアを強結合状態に結合する。
本発明のマルチコアファイバは、コア群を複数備える。隣接するコア群は、これらのコア群間において、一方のコア群のコアと他方のコア群のコアとを非結合状態とするコア群間距離に配置する。
本発明の結合系マルチコアファイバにおいて、複数のコアを直線状に配置してコア群を構成する際、コア群を構成する各コアの配置間隔は、コアの径の２倍の長さ以上の距離を離して配置し、これによって、コア群間を非結合状態とする。
結合系では、固有結合モード間の直交性を利用してモード多重伝送させるので、入出射端において個々の孤立コアと各結合モード間を相互変換するためのモード合分波器が必要である。
本発明の結合モード合分波器の形態は、モード分割多重伝送系において、結合系マルチコアファイバが伝送する結合モードの信号を合分波する合分波器である。
ここで、結合系マルチコアファイバは、複数の単一モードのコアを一本の光ファイバに収納したマルチコアファイバにおいて、ファイバを伝搬する固有モードの電界分布において、複数のコアの固有基本モードが結合した結合系モードを形成し、個々の次数の異なる結合系モードを信号の伝送チャネルに対応させ、モード分割によって伝送チャンネルを多重化するモード分割多重伝送系を形成するマルチコアファイバである。
合分波器は、個々の孤立コアと各結合モード間を相互変換するための構成として、異なる複数の光路長を有するアレイ導波路と、アレイ導波路格子の一端に設けたスラブ導波路と、アレイ導波路格子の他端に設けた結合導波路とを備える。スラブ導波路は、結合系マルチコアファイバの結合モードの数に対応した複数のポートを有し、スラブ導波路側から入力した光信号を、入力したポートの位置に対応した次数の結合モードに変換し、結合導波路から結合モードを合波させて出力し、逆に、結合導波路から入力した結合モード信号を、結合モード次数に対応したスラブ導波路側のポートから分波させて出力する。
本発明のマルチコアファイバ伝送システムの形態は、モード分割多重伝送系において、結合系マルチコアファイバと結合モード合分波器とを備え、一方の進行方向において、単一モード信号を合波させて結合モード信号を出力し、他方の進行方向において、結合モード信号を分波して単一モード信号を出力するマルチコアファイバ伝送システムである。
また、本発明のマルチコアファイバ伝送方法の形態は、結合系マルチコアファイバによるモード分割多重伝送系において、一方の進行方向において、単一モード信号を合波させて結合モード信号を出力し、他方の進行方向おいて、結合モード信号を分波して単一モード信号を出力するマルチコアファイバ伝送方法である。
このマルチコアファイバ伝送システムの形態、およびマルチコアファイバ伝送方法の形態において、結合系マルチコアファイバは、複数の単一モードのコアを一本の光ファイバに収納したマルチコアファイバにおいて、ファイバを伝搬する固有モードの電界分布において、複数のコアの固有基本モードが強く結合した結合系モードを形成し、個々の次数の異なる結合系モードを信号の伝送チャネルに対応させ、モード分割によって伝送チャンネルを多重化するモード分割多重伝送系を形成するマルチコアファイバである。
モード合分波器は、異なる複数の光路長を有するアレイ導波路と、アレイ導波路格子の一端に設けたスラブ導波路と、アレイ導波路格子の他端に設けた結合導波路とを備える。スラブ導波路は、結合系マルチコアファイバの結合モードの数に対応した複数のポートを有し、スラブ導波路側から入力した光信号を、入力したポートの位置に対応した次数の結合モードに変換し、結合導波路から結合モードを合波させて出力し、逆に、結合導波路から入力した結合モード信号を、結合モード次数に対応したスラブ導波路側のポートから分波させて出力する。
また、本発明の態様によれば、結合系によるマルチコアファイバにおいて、結合系と非結合系とを相互変換するモード合分波器を提供することができる。
以上説明したように、本発明によれば、多モードファイバに代えて、単一モードの複数のコアを１本の光ファイバに収納したマルチコアファイバを用いることによってモード多重伝送を行うことができる。
本発明の結合系マルチコアファイバのコアの三角配置を説明するための図である。 本発明の結合系マルチコアファイバのコアの最も簡単なモデルを示す図である。 本発明の原理である２つのコアにおけるコア間距離に依存した結合モードの伝搬定数差を説明するための図である。 高屈折率差コアを４つ強結合させた場合に結合モードの伝搬定数を説明するための図である。 本発明の結合系マルチコアファイバにおいて、コア群の結合モードと伝送チャネルとの対応を説明するための図である。 本発明の結合系マルチコアファイバの構成例を説明するための図である。 本発明のモード合分波器の機能を説明するための図である。 本発明のモード合分波器の結合導波路部における結合モードとそれを構成する各固有基本モード間の位相差の対応関係を説明するための図である。 本発明のモード合分波器の構成を説明するための図である。
１０ 結合系マルチコアファイバ
１１ コア
１１Ａ-１１Ｆ コア
１１ＡＡ-１１ＤＡ コア
１１ＡＢ-１１ＤＢ コア
１２ クラッド
１３，１３Ａ-１３Ｈ 結合コア群
１４Ａ１-１４Ａｎ、１４Ｂ１-１４Ｂｎ、１４Ｃ１-１４Ｃｎ 伝送チャネル
１５ モード合分波器
１５Ａ スラブ導波路
１５Ｂ アレイ導波路
１５Ｃ 結合導波路
１６，１６ａ-１６ｄ 単一モードファイバ
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
以下、本発明のマルチコアファイバにおいて、結合系マルチコアファイバについて図１〜図９を用いて説明する。
マルチコアファイバにおいて、伝搬定数が互いに相等しい同一のコアを用いてマルチコア化したファイバを「Homogeneous Multi-core Fiber（Homogeneous MCF）」と呼び、一方、伝搬定数が互いに異なる複数のコアを用いてマルチコア化したファイバを「Heterogeneous Multi-core Fiber（Heterogeneous MCF）」と呼ぶ。本発明は結合マルチコアファイバに関するものであるので，以下に「Homogeneous Multi-core Fiber（Homogeneous MCF）」について説明する。
［結合系マルチコアファイバ］
結合系マルチコアファイバのコア配置は、コア密度を最も高められる最密充填配置として、図１のような三角配置が考えられる。図１に示す三角配置において、屈折率差とコアの直径が同一の伝搬定数が同一のコアを密に配置し、コア間において結合を積極的に起こさせ、このコア間の各結合モードを伝送チャネルに対応させることによって、結合系マルチコアファイバを構成する。
図１において、結合系マルチコアファイバ１０は、同一の伝搬定数を備えるコア１１を最密充填配置し周囲をクラッド１２とする。ここで、各コアの直径を２ａ、隣接するコア間の間隔をΛとしている。
図２は結合系マルチコアファイバのコアの最も簡単なモデルを示している。図２に示すモデルは２結合平板導波路の例を示している。それぞれのコア１１Ａ，１１Ｂの屈折率がｎ1 (1)＝ｎ1 (2)＝ｎ1で等しく，それぞれが孤立して存在する場合の伝搬定数をβ、パラメータγを以下の式（２）により、
と定義すると、２結合平板導波路のモデルでは、弱結合近似での偶モード（伝搬定数βｅ）と奇モード（伝搬定数βｏ）の２つの結合モードが形成される。
弱結合近似での偶モードと奇モードの伝搬定数差(βｅ−βｏ)は、近似的に
と表される。
また、結合長Ｌcは、
と表される。
ここで、結合長Ｌｃを長くするとコア間の結合は低減される。逆に強結合状態では結合長Ｌｃが短くなる。強結合にするには、２つのコアの伝搬定数を等しくし，かつコア間距離Λをコアの直径２ａに比べて十分に近づける必要がある。
図３は２結合導波路におけるコア間距離に依存した結合状態を説明するための図である。図３（ａ）は独立導波路による非結合状態を示している。各導波路を構成するコア１１Ａとコア１１Ｂは、各コアの直径２ａの２倍以上の長さの距離間隔Λ（≫４ａ）を開けて配置される。伝搬定数が共にβoのコア１１Ａ，１１Ｂのコア間距離Λをコアの直径２ａに比べて十分に離して配置することで、両コアは非結合状態となり。この構成では、各コアの断面内コア密度が低くなり、伝送容量の増大には不利になる。
本発明は、逆にコア間結合を積極的に利用することによって、伝送容量の増大が可能なモード多重伝送系を構成するものである。
図３（ｂ）は弱結合状態を示している。コア１１Ａとコア１１Ｂのコア間距離Λをコア直径２ａの２倍（４ａ＝２×２ａ）とほぼ同じオーダにすると、弱結合近似の偶モード（伝搬定数βｅ）と奇モード（伝搬定数βｏ）の２つの結合モードが形成され、図３（ｂ）に示すように弱結合状態を作り出せる。この弱結合状態は通常の結合導波路系であり、方向性結合器などに利用される。
この弱結合状態では伝搬定数の差(βｅ−βｏ)が小さく、コア-クラッド界面での凹凸などの少しの摂動で偶モードと奇モード間にモード変換が起きる。このモード変換は、伝送に支障を与える。ここで、モード変換を避けるために、コア１１Ａとコア１１Ｂのコア間距離Λを近づけて強結合状態とする。
図３（ｃ）は完全結合状態を示している。完全結合状態は強結合の極限状態であり、２モード状態に相当する。この完全結合状態では、固有モード間の伝搬定数差は基本モードと１次モードの伝搬定数差に等しくなるため、モード間の伝搬定数差が大きくなり、モード変換は起き難くなる。
図４は高屈折率差コアを４つ強結合させた場合に結合モードの伝搬定数を説明するための図である。図４に示す例では、４つのコア１１ＡＡ〜１１ＤＡを強結合させてなる結合コア群１３Ａと、４つのコア１１ＡＢ〜１１ＤＢを強結合させてなる結合コア群１３Ｂとを、コア直径２ａの２倍以上の長さの距離間隔Λ（≫４ａ）を開けて配置される構成している。クラッドの屈折率をｎ２とし、コアの屈折率をｎ１としたとき、４つのコア１１ＡＡ〜１１ＤＡおよび４つのコア１１ＡＢ〜１１ＤＢの強結合による結合モードの伝搬定数β０〜β３は、ｋ０ｎ１とｋ０ｎ２の間をコア数で分割した値となる。
このように強結合による結合系マルチコアファイバを実現する際、結合するコアの数が多すぎると、結合モード間の伝搬定数差が小さくなってモード変換の問題を避けにくくなる。これは、図４に示すように、結合モードの伝搬定数差は、ｋ０ｎ１とｋ０ｎ２の差を結合しているコアの数で割った値より小さくなるため、結合モード間の伝搬定数差をある程度大きくするには、コア１１の屈折率ｎ１とクラッドの屈折率ｎ２の屈折率差を大きくし、かつ結合するコア数を余り多くしない工夫が必要になる。
このような条件では、コアとクラッドの屈折率差をせいぜい１．５％程度と仮定すると、結合させ得るコア数は４〜５程度になる。
この程度の結合コア数とすることによって、図４に示すように強結合状態の伝搬定数差は、従来の比屈折率差０．３％の単一モードファイバの伝搬定数とクラッドモードの伝搬定数の差と同程度とすることができ、モード変換も同程度に抑制できる。
本発明の結合系マルチコアファイバは、上記した強結合したコア群の各結合モードを伝送チャネルに一対一の対応させることによって、モード多重伝送を行う。
図５は、本発明の結合系マルチコアファイバにおいて、コア群の結合モードと伝送チャネルとの対応を説明するための図である。図５は、結合系マルチコアファイバ１０は、結合コア群１３Ａ〜１３Ｃを備え、各結合コア群は複数のコアを強結合状態となる距離に配置し、結合コア群間は非結合状態となる距離を開けて配置し，あるいは結合するコアとクラッドの屈折率差にコア群間で異なる値を用いている。各結合コア群１３Ａ〜１３Ｃにおいて、それぞれの結合コア群で形成される結合モードを、伝送チャネル１４Ａ０〜１４Ａｎ（０〜ｎは結合モード次数で結合コアの本数に等しい）と一対一に対応させてモード多重伝送を行う。
図６は本発明の結合系マルチコアファイバの構成例を説明するための図である。図６（ａ）は、コア１１Ａ〜１１Ｆを直線状に配置することによってリボン状のファイバを構成する例を示している。この構成によれば、後述するモード合分波器との整合性を容易とすることができる。
上記した構成例は、ファイバの断面形状が円形でない場合を示している。ファイバの断面形状を従来の円形とする場合には、図６（ｂ）に示すように、結合するコアをいくつかの結合コア群（グループ）に分けた構成とすることができる。
図６（ｂ）において、結合系マルチコアファイバ１０は、複数の結合コア群１３Ａ〜１３Ｈを備える。各結合コア群１３Ａ〜１３Ｈにおいて、それぞれ複数のコアを強結合状態となる距離間隔で直線状に配置している。また、隣接する結合コア群の間隔は、非結合状態となる距離間隔で配置し、あるいは結合するコアとクラッドの屈折率差にコア群間で異なる値を用いている。
マルチコアファイバによる伝送容量拡大法の１つのメリットは、耐非線形性、耐フューズ性のための実効コア断面積Ａeffの拡大、すなわちコアの総断面積の拡大にある。
図６に示した結合系マルチコアファイバ１０では、結合モードは結合しているコア間全体にわたって電磁界分布が存在するので、コアの総断面積の拡大に寄与する。しかしながら、結合導波路では結合モード間の干渉によって強度分布が局在し、１つのコアに電力が集中する可能性があり、しかもそれが周期的に現れる。この問題は結合モードに対応させた伝送チャネルの光源のコヒーレンスを落とすことによって、すなわち僅かに周波数をずらしたり、あるいは別の光源を用いるなどの対策で回避することができる。
前記した図６の構成は、コアを直線状に配置する例であるが、コアの配置は直線状に限らず任意の配置パターンとしてもよい。
次に、本発明の結合系マルチコアファイバによる伝送について、図７〜図９を用いて説明する。
結合系マルチコアファイバを用いた伝送では、各結合モードを独立した伝送チャネルとして用いる。そのために、各結合モードと信号との間で合分波させるモード合分波器が必要となる。
図７はモード合分波器を説明するための図である。モード合分波器１５は、入射ポート番号と結合モード次数を対応させる光回路であり、単一モードファイバ１６ａ〜１６ｄと結合系マルチコアファイバ１０との間に設置し、単一モードファイバ１６ａ〜１６ｄからの光信号を合波して対応する結合モードを結合系マルチコアファイバ１０に伝送する。また、可逆性から逆方向にはモード分波器として用いることができ、結合系マルチコアファイバ１０の結合モードを分波して単一モードファイバ１６ａ〜１６ｄに光信号を伝送する。
図７（ａ）は、単一モードファイバ１６ａが接続された入射ポート番号＃１の光信号を合波して対応する結合モード（ここでは０次モード）としてコア１１Ａ〜１１Ｄからなる結合コア群に伝送している。
また、図７（ｂ）は、単一モードファイバ１６ｃが接続された入射ポート番号＃３の光信号を合波して対応する結合モード（ここでは２次モード）としてコア１１Ａ〜１１Ｄからなる結合コア群に伝送している。
このようなモード合分波機能は、図８に示すように、結合モードを各個別の独立導波路の基本モードを線形結合で重ね合わせた表現を用いて、各固有モード間の位相差によって説明することができる。
個別の独立導波路の固有モードの線形結合によって結合モードを表現するとき、結合モード次数はちょうど位相差に対応する。結合導波路入射端面にて平面波によって各次数の結合モードを励振しようとすれば、入射角度を変えて励振した場合にほぼ選択的に各結合モードを励振することができる。
図９は本発明のモード合分波器の構成を説明するための図である。モード合分波器１５は、スラブ導波路１５Ａ、アレイ導波路１５Ｂ、および結合導波路１５Ｃによって構成することができる。アレイ導波路１５Ｂは光路長を異ならせている。この構成は、平面回路ではアレイ導波路格子フィルタの後段のスラブ導波路部を削除して、アレイ導波路部から結合導波路にそのまま移行させる構成とすることができる。
図９（ａ）は、単一モードファイバ１６の光信号を合波して結合導波路１５Ｃに結合モードを出力する状態を示し、図９（ｂ）は、結合導波路１５Ｃの結合モードを分波して単一モードファイバ１６に光信号を出力する状態を示している。
上記したように、本発明は、結合モードがそれぞれ独立な伝送チャネルに対応する結合系マルチコアファイバによって、高密度モード多重伝送のためのマルチコアファイバを構成することができる。
本発明の結合系マルチコアファイバは、空間コア密度を高めて実効コア断面積も高められるという特徴がある。一方、結合系マルチコアファイバは、コアの屈折率差とコアの直径を伝搬方向にほぼ一定にすると、結合モードの干渉によって電磁界に局在化が起こる。この問題は結合モードに対応させた伝送チャネルの光源のコヒーレンスを落とすことによって回避することができる。また、コア−クラッド界面の不整等によってモード変換が起こる。この問題に対しては、コア−クラッドの屈折率差を大きくして、コア間隔を小さくし、強結合状態にすることによって回避することができる。
本発明は光通信、光情報処理、光インターコネクション等に適用することができる。

Claims (7)

  1. 複数の単一モードのコアを一本の光ファイバに収納したマルチコアファイバにおいて、
    ファイバを伝搬する固有モードの電界分布において、複数のコアの固有基本モードが強く結合した結合系モードを形成し、個々の次数の異なる結合系モードを信号の伝送チャネルに対応させ、モード分割した伝送チャンネルを多重化するモード分割多重伝送系を形成するマルチコアファイバであり、
    前記マルチコアファイバは、
    単一モードファイバにおける基本モードの伝搬定数が同一のコアを複数備え、
    隣接する各コアを、当該コア間の結合状態を強結合状態とするコア間距離の範囲内に配置して、当該強結合状態で結合された複数のコアによってコア群を形成し、
    前記コア群は、伝搬定数を異にする複数種の結合モードによってモード分割した結合伝送系を形成し、前記各結合モードを伝送チャネルに一対一に対応させて多重化することによってモード分割多重伝送系を形成することを特徴とする結合系マルチコアファイバ。
  2. 前記複数のコアを直線状に配置してコア群を形成し、
    隣接するコアの中心間の配置間隔を、コアの直径の長さよりも大で、コアの直径の長さの２倍よりも小さい距離範囲内とし、前記コア群内の各コアを強結合状態に結合することを特徴とする請求項１の記載の結合系マルチコアファイバ。
  3. 前記コア群を複数備え、
    隣接するコア群は、当該コア群間において、一方のコア群のコアと他方のコア群のコアとを非結合状態とするコア群間距離に配置することを特徴とする請求項１又は２に記載の結合系マルチコアファイバ。
  4. 前記直線状に配置した複数のコアからなるコア群を複数備え、
    前記コア群間距離は、コアの直径の２倍の長さ以上の距離であることを特徴とする請求項３に記載の結合系マルチコアファイバ。
  5. モード分割多重伝送系において、結合系マルチコアファイバが伝送する結合モードの信号を合分波する合分波器であり、
    前記結合系マルチコアファイバは、
    複数の単一モードのコアを一本の光ファイバに収納したマルチコアファイバにおいて、ファイバを伝搬する固有モードの電界分布において、複数のコアの固有基本モードが強く結合した結合系モードを形成し、個々の次数の異なる結合系モードを信号の伝送チャネルに対応させ、モード分割によって伝送チャンネルを多重化するモード分割多重伝送系を形成するマルチコアファイバであり、
    前記合分波器は、
    異なる複数の光路長を有するアレイ導波路と、
    前記アレイ導波路格子の一端に設けたスラブ導波路と、
    前記アレイ導波路格子の他端に設けた結合導波路とを備え、
    前記スラブ導波路は、前記結合系マルチコアファイバの結合モードの数に対応した複数のポートを有し、
    スラブ導波路側から入力した光信号を、入力した前記ポートの位置に対応した次数の結合モードに変換し、結合導波路から結合モードを合波させて出力し、
    逆に、結合導波路から入力した結合モード信号を、結合モード次数に対応したスラブ導波路側の前記ポートから分波させて出力する、
    ことを特徴とする結合モード合分波器。
  6. モード分割多重伝送系において、
    結合系マルチコアファイバと結合モード合分波器とを備え、
    一方の進行方向において、単一モード信号を合波させて結合モード信号を出力し、
    他方の進行方向において、結合モード信号を分波して単一モード信号を出力するマルチコアファイバ伝送システムであり、
    前記結合系マルチコアファイバは、
    複数の単一モードのコアを一本の光ファイバに収納したマルチコアファイバにおいて、ファイバを伝搬する固有モードの電界分布において、複数のコアの固有基本モードが強く結合した結合系モードを形成し、個々の次数の異なる結合系モードを信号の伝送チャネルに対応させ、モード分割によって伝送チャンネルを多重化するモード分割多重伝送系を形成するマルチコアファイバであり、
    前記合分波器は、
    異なる複数の光路長を有するアレイ導波路と、
    前記アレイ導波路格子の一端に設けたスラブ導波路と、
    前記アレイ導波路格子の他端に設けた結合導波路とを備え、
    前記スラブ導波路は、前記結合系マルチコアファイバの結合モードの数に対応した複数のポートを有し、
    スラブ導波路側から入力した光信号を、入力した前記ポートの位置に対応した次数の結合モードに変換し、結合導波路から結合モードを合波させて出力し、
    逆に、結合導波路から入力した結合モード信号を、結合モード次数に対応したスラブ導波路側の前記ポートから分波させて出力する、
    ことを特徴とするマルチコアファイバ伝送システム。
  7. 結合系マルチコアファイバによるモード分割多重伝送系において、
    一方の進行方向において、単一モード信号を合波させて結合モード信号を出力し、
    他方の進行方向おいて、結合モード信号を分波して単一モード信号を出力するマルチコアファイバ伝送方法であり、
    前記結合系マルチコアファイバは、
    複数の単一モードのコアを一本の光ファイバに収納したマルチコアファイバにおいて、ファイバを伝搬する固有モードの電界分布において、複数のコアの固有基本モードが強く結合した結合系モードを形成し、個々の次数の異なる結合系モードを信号の伝送チャネルに対応させ、モード分割によって伝送チャンネルを多重化するモード分割多重伝送系を形成し、前記単一モード信号と結合モード信号との間の合波および分波を、
    異なる複数の光路長を有するアレイ導波路と、前記アレイ導波路格子の一端に設けたスラブ導波路と、前記アレイ導波路格子の他端に設けた結合導波路とを備え、前記スラブ導波路は前記結合系マルチコアファイバの結合モードの数に対応した複数のポートを有する合分波器によって行い、
    一方の進行方向において、スラブ導波路側から入力した単一モードの光信号を、入力した前記ポートの位置に対応した次数の結合モードに変換し、結合導波路から結合モードを合波させて出力し、
    他方の進行方向おいて、
    結合導波路から入力した結合モードの光信号を、結合モード次数に対応したスラブ導波路側の前記ポートから分波させて出力する、
    ことを特徴とするマルチコアファイバ伝送方法。
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