JPWO2013021697A1 - マルチコア光ファイバおよび光伝送システム - Google Patents

マルチコア光ファイバおよび光伝送システム Download PDF

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Abstract

複数のコア部と、前記複数のコア部の外周に位置し該各コア部の最大屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド部とを備え、前記各コア部は、２以上の所定数の伝搬モードのみで光を伝搬し、かつ各伝搬モードでの波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積は１２０μｍ２以上であるマルチコア光ファイバ。好ましくは、前記所定数は２である。これによって、従来よりもさらに伝送容量を増大させることができるマルチコア光ファイバおよび光伝送システムを提供する。

Description

本発明は、マルチコア光ファイバおよび光伝送システムに関するものである。
近年のインターネットトラヒックの劇的な増大に伴い、光ファイバの基底モードだけを伝送に用いる伝送方式だけでは、伝送容量が足りない時代が来る事が予想されている。これらを解決する方法としては、マルチコア光ファイバを用いた空間多重技術や、マルチモード光ファイバを用いたモード多重技術が有望視されている。例えば、非特許文献１では、ＳＭＦ型のソリッド型マルチコア光ファイバに関する最適化設計が報告されている。また、非特許文献２では、ホーリー型マルチコア光ファイバに関する最適化設計が報告されている。さらに、非特許文献３では、２モード光ファイバを用いた伝送特性の評価結果が報告されている。一方で、光ファイバの有効コア断面積Ａeffを拡大する事で、光ファイバ中の非線形現象を抑制する事も、伝送容量の増大に伴って将来の重要な課題として考えられる。例えば、非特許文献４では、トレンチ構造を用いて屈折率分布を最適化することによってＡeffを１５５μｍ２まで拡大した光ファイバが提案されている。また、非特許文献５でも、Ｗ型構造を用いて屈折率分布を最適化することによってＡeffを１３４μｍ２まで拡大した光ファイバが提案されている。
Katsunori Imamura, et al., "Effective Space Division Multiplexing by Multi-Core Fibers," ECOC2010，P1.09(2010). Katsunori Imamura, et al., "Multi-core holey fibers for the long-distance (>100 km) ultra large capacity transmission," OFC/NFOEC 2009，OTuC3(2009). Nobutomo Hanzawa, el al., "Demonstration of mode-division multiplexing transmission over 10 km two-mode fiber with mode coupler," OFC/NFOEC2011，OWA4(2011). Marianne Bigot-Astruc, et al., "125μm glass diameter single-mode fiber with Aeff of 155μm2 " OFC/NFOEC2011，OTuJ2(2011). Yoshinori Yamamoto, et al., "OSNR-Enhancing Pure-Silica-Core Fiber with Large Effective Area and Low Attenuation," OFC/NFOEC2010、OTuI2(2010).
しかしながら、上述した空間多重技術、モード多重技術、および有効コア断面積拡大技術を個別に実現するだけでは、伝送容量のさらなる増大に応えることが困難になる場合がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、従来よりもさらに伝送容量を増大させることができるマルチコア光ファイバおよび光伝送システムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、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、複数のコア部と、前記複数のコア部の外周に位置し該各コア部の最大屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド部とを備え、前記各コア部は、２以上の所定数の伝搬モードのみで光を伝搬し、かつ各伝搬モードでの波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積は１２０μｍ２以上である。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記所定数は２である。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記伝搬モードはＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードである。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記所定数は３である。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記伝搬モードはＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、およびＬＰ２１モードである。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、第１高次伝搬モードの波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が１７０μｍ２以上である。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記各コア部間における前記各伝搬モード間での波長１５５０ｎｍにおける光のクロストークが伝搬距離１００ｋｍあたり−３０ｄＢ以下である。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記伝搬モードのうち、隣接する前記各コア部間において波長１５５０ｎｍにおける光のクロストークが最も大きい伝搬モードの波長１５５０ｎｍにおける実効屈折率が、０．００００５以上の差を有する。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記実効屈折率の差が０．０００１５以上の差を有する。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記各コア部は、隣接するコア部との離隔距離が１００μｍ以下である。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記複数のコア部は、前記屈折率分布が互いに異なるコア部を含む。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記複数のコア部は、前記屈折率分布が互いに異なる３種類のコア部からなる。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記各コア部は、隣接するコア部との離隔距離が９０μｍ以下である。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記各コア部は、隣接するコア部との離隔距離が６０μｍ以下である。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記コア部は、前記最大屈折率を有する中心コア部と、前記中心コア部の外周に形成され前記クラッド部の屈折率よりも低い屈折率を有する外周コア部とからなる。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記クラッド部に対する前記中心コア部の比屈折率差Δ１が０．２％〜０．５％であり、前記クラッド部に対する前記外周コア部の比屈折率差Δ２が−０．５％以上で０％より小さく、前記中心コア部の直径が１４μｍ〜１９μｍであり、前記中心コア部の直径に対する前記外周コア部の外径の比が１より大きく４以下である。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記コア部は、前記最大屈折率を有する中心コア部と、前記中心コア部の外周に形成され前記クラッド部の屈折率と略等しい屈折率を有する内周コア層と、前記内周コア層の外周に形成され前記クラッド部の屈折率よりも低い屈折率を有する外周コア層とからなる。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記クラッド部に対する前記中心コア部の比屈折率差Δ１が０．２０％以上０．３５％未満であり、前記クラッド部に対する前記外周コア層の比屈折率差Δ３が−０．５％以上で０％より小さく、前記中心コア部の直径が１２．０μｍ以上１８．０μｍ以下であり、前記中心コア部の直径に対する前記内周コア層の外径の比が１より大きく４以下であり、前記中心コア部の直径に対する前記外周コア層の外径の比が２以上５以下である。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記コア部の数は７である。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記コア部の数は１９である。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記コア部のうち２つのコア部間における前記各伝搬モード間での波長１５５０ｎｍにおける光のクロストークが伝搬距離１０００ｋｍあたり−３０ｄＢ以下である。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記７つのコア部は、中央のコア部と、該中央のコア部を中心としてほぼ正六角形の頂点に位置するように配置した他のコア部とからなり、前記中心のコア部とすべての他のコア部との間の前記各伝搬モード間での波長１５５０ｎｍにおける光のクロストークが伝搬距離１００ｋｍあたり−３０ｄＢ以下である。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバは、上記の発明において、前記７つのコア部は、中央のコア部と、該中央のコア部を中心としてほぼ正六角形の頂点に位置するように配置した他のコア部とからなり、前記中心のコア部とすべての他のコア部との間の前記各伝搬モード間での波長１５５０ｎｍにおける光のクロストークが伝搬距離１０００ｋｍあたり−３０ｄＢ以下である。
また、本発明に係る光伝送システムは、上記の発明のマルチコア光ファイバを光伝送路として備える。
本発明によれば、空間多重、モード多重、および拡大した有効コア断面積を同時に実現し、従来よりもさらに光ファイバの伝送容量を増大させることができるという効果を奏する。
図１は、実施の形態１に係る光ファイバの模式的な断面図である。 図２は、図１に示す光ファイバにおいて２モードで伝搬する場合の屈折率分布を示す図である。 図３は、図１に示す光ファイバにおいて３モードで伝搬する場合の屈折率分布を示す図である。 図４は、比屈折率差Δ１と実効屈折率ｎeffとの関係を示す図である。 図５は、比屈折率差Δ２と曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係を示す図である。 図６は、Ｒａと曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係を示す図である。 図７は、２モードを伝搬する場合の光ファイバのプロファイルパラメータとＬＰ０１モードの光学特性とを示す図である。 図８は、図７に示す光ファイバのＬＰ１１モードおよびＬＰ２１モードの光学特性を示す図である。 図９は、３モードを伝搬する場合の光ファイバのプロファイルパラメータとＬＰ０１モードの光学特性とを示す図である。 図１０は、図９に示す光ファイバのＬＰ１１モード、ＬＰ２１モード、およびＬＰ０２モードの光学特性を示す図である。 図１１は、ＬＰ０１モードの光のフィールド分布を示す図である。 図１２は、ＬＰ１１モードの光のフィールド分布を示す図である。 図１３は、２モードを伝搬する場合の同種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。 図１４は、図１３に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。 図１５は、２モードを伝搬する場合の同種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。 図１６は、図１５に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。 図１７は、２モードを伝搬する場合の同種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。 図１８は、図１７に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。 図１９は、２モードを伝搬する場合の異種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。 図２０は、図１９に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。 図２１は、２モードを伝搬する場合の異種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。 図２２は、図２１に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。 図２３は、２モードを伝搬する場合の異種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。 図２４は、図２３に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。 図２５は、２モードを伝搬する場合の異種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。 図２６は、図２５に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。 図２７は、２モードを伝搬する場合の異種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。 図２８は、図２７に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。 図２９は、２モードを伝搬する場合の異種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。 図３０は、図２９に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。 図３１は、３モードを伝搬する場合の同種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。 図３２は、図３１に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。 図３３は、３モードを伝搬する場合の同種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。 図３４は、図３３に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。 図３５は、３モードを伝搬する場合の同種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。 図３６は、図３５に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。 図３７は、３モードを伝搬する場合の異種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。 図３８は、図３７に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。 図３９は、３モードを伝搬する場合の異種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。 図４０は、図３９に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。 図４１は、隣接するコア部間の実効屈折率ｎeffの差と、伝搬モード間の光のクロストークが伝送距離１００ｋｍで−３０ｄＢとなる場合のコア間距離との関係を示す図である。 図４２は、シミュレーション計算の結果を示す図である。 図４３は、製造したシングルコア光ファイバのＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードの光学特性を示す図である。 図４４は、調芯位置(シフト量)を変えていったときの励振フィールドの変化を示す図である。 図４５は、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光とのコア内クロストークとシフト量との関係を示す図である。 図４６は、設計に利用したマルチコア光ファイバの模式的な断面図である。 図４７は、コア間距離Λと伝送距離Ｌとの関係を示す図である。 図４８は、コア間距離Λと伝送距離Ｌとの関係を示す図である。 図４９は、コア間距離Λと伝送距離Ｌとの関係を示す図である。 図５０は、コア間距離Λと伝送距離Ｌとの関係を示す図である。 図５１は、光ファイバの長さとクロストークとの関係を示す図である。 図５２は、作製したマルチコア光ファイバの断面を示す図である。 図５３は、調芯位置(シフト量)を変えていったときの励振フィールドの変化を示す図である。 図５４は、Ｃｏｒｅ１〜Ｃｏｒｅ７の特性評価結果を示す図である。 図５５は、クロストークの測定系を示す図である。 図５６は、クロストークの測定結果を示す図である。 図５７は、クロストークの測定結果を示す図である。 図５８は、実施の形態２に係る光ファイバの模式的な断面図である。 図５９は、作製したマルチコア光ファイバの断面を示す図である。 図６０は、Ｃｏｒｅ１、２、８、９、１９の特性評価結果を示す図である。 図６１は、クロストークの測定結果を示す図である。 図６２は、シングルコア光ファイバ、７コア型マルチコア光ファイバ、および１９コア型マルチコア光ファイバのＬＰ０１モード、ＬＰ１１モードの光のフィールド分布を示す図である。 図６３は、実施の形態３に係るマルチコア光ファイバのトレンチ型の屈折率分布を示す図である。 図６４は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１３０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。 図６５は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１５０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。 図６６は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１７０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。 図６７は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１７０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。 図６８は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１７０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。 図６９は、曲げ半径Ｒを２０ｍｍ〜１８０ｍｍの範囲で変えた場合の、コア間距離と、隣接する２つのコア間のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離との関係を示す図である。 図７０は、曲げ半径Ｒを２０ｍｍとした場合の、コア間距離と、隣接する２つのコア間のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離との関係を示す図である。 図７１は、曲げ半径Ｒを６０ｍｍとした場合の、コア間距離と、隣接する２つのコア間のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離との関係を示す図である。 図７２は、曲げ半径Ｒを１００ｍｍとした場合の、コア間距離と、隣接する２つのコア間のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離との関係を示す図である。 図７３は、曲げ半径Ｒを１４０ｍｍとした場合の、コア間距離と、隣接する２つのコア間のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離との関係を示す図である。 図７４は、曲げ半径Ｒを１８０ｍｍとした場合の、コア間距離と、隣接する２つのコア間のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離との関係を示す図である。 図７５は、実施の形態４に係る光伝送システムの模式的な構成図である。 図７６は、実施の形態５に係る光伝送システムの模式的な構成図である。
以下に、図面を参照して本発明に係るマルチコア光ファイバの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、本明細書では、特に言及が無い場合は、曲げ損失とは、直径（曲げ径）２０ｍｍで曲げたときのマクロの曲げ損失を意味する。また、本明細書において特に定義しない用語については、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に従うものとする。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１に係るマルチコア光ファイバの模式的な断面図である。図１に示すように、このマルチコア光ファイバ１００は、７つのコア部１０〜７０と、各コア部１０〜７０の外周に位置するクラッド部８０と、を備えている、７コア型のマルチコア光ファイバである。
コア部１０は、マルチコア光ファイバ１００の中心軸の近傍に位置し、その他のコア部２０〜７０は、中央のコア部１０を中心として、ほぼ正六角形の頂点に位置するように配置している。また、コア部１０〜７０は、中心コア部１１〜７１と、各中心コア部の外周に形成された外周コア部１２〜７２をそれぞれ備えている。
中心コア部１１〜７１は、ゲルマニウム（Ｇｅ）等の屈折率を高めるドーパントを含む石英ガラスからなる。外周コア部１２〜７２は、フッ素（Ｆ）等の屈折率を低めるドーパントを含む石英ガラスからなる。クラッド部８０は、屈折率を調整するドーパントを含まない純石英ガラスからなる。その結果、中心コア部１１〜７１は各コア部１０〜７０における最大屈折率を有し、かつクラッド部８０よりも屈折率が高くなっている。また、外周コア部１２〜７２はクラッド部８０よりも屈折率が低くなっている。
各コア部１０〜７０の屈折率分布は、２以上の所定数の伝搬モードのみで光を伝搬し、かつ各伝搬モードでの波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が１２０μｍ２以上となるように設定されている。
図２は、図１に示すマルチコア光ファイバ１００において２モードで伝搬する場合の屈折率分布を示す図である。なお、図２は、コア部１０の屈折率分布を示しているが、他のコア部２０〜７０も同様の屈折率分布を有する。図２において、領域Ｐ１は中心コア部１１の屈折率分布を示している。領域Ｐ２は外周コア部１２の屈折率分布を示している。領域Ｐ３はクラッド部８０の屈折率分布を示している。このように、このマルチコア光ファイバ１００は、外周コア部１２の屈折率がクラッド部８０の屈折率よりも低い、いわゆるＷ型の屈折率分布を有している。
ここで、図２に示すように、クラッド部８０に対する中心コア部１１の比屈折率差をΔ１とし、クラッド部８０に対する外周コア部１２の比屈折率差をΔ２とする。比屈折率差Δ１、Δ２は、以下の式（１）、（２）によって定義する。
Δ１＝｛（ｎ１−ｎｃ）／ｎｃ｝×１００ ［％］ ・・・ （１）
Δ２＝｛（ｎ２−ｎｃ）／ｎｃ｝×１００ ［％］ ・・・ （２）
ただし、ｎ１は中心コア部１１の最大屈折率を示し、ｎ２は外周コア部１２の最小屈折率を示し、ｎｃはクラッド部８０の屈折率を示す。なお、本実施の形態では、クラッド部８０は純石英ガラスからなるので、ｎｃは石英ガラスの屈折率ｎｓ（波長１５５０ｎｍで１．４４４３９）に等しい。
また、図２に示すように、中心コア部１１の直径を２ａ、外周コア部１２の外径を２ｂとする。また、外周コア部外径２ｂと中心コア部直径２ａとの比であるｂ／ａをＲａとする。なお、中心コア部直径２ａは、中心コア部１１と外周コア部１２との境界において比屈折率差Δ１が０％となる位置での径とする。また、外周コア部外径２ｂは、外周コア部１２とクラッド部８０との境界において、比屈折率差が比屈折率差Δ２の１／２の値となる位置での径とする。
図２において、マルチコア光ファイバ１００の基底伝搬モードであるＬＰ０１モードの実効屈折率をｎｅｆｆ（ＬＰ０１）とし、第１高次伝搬モードであるＬＰ１１モードの実効屈折率をｎｅｆｆ（ＬＰ１１）とする。図２の場合は、ｎｅｆｆ（ＬＰ１１）とクラッド部８０の屈折率ｎｃとの差をΔｎとすると、Δｎを０．０００２以上となるようにしている。
このように、ＬＰ１１モードの実効屈折率ｎｅｆｆ（ＬＰ１１）を、クラッド部８０の屈折率ｎｃよりも０．０００２以上大きくすれば、マルチコア光ファイバ１００は、曲げ損失およびマイクロベンド損失を抑制しながら、ＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードの２モードで光を伝搬できる。また、波長１５５０ｎｍの特性として、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１２０μｍ２以上に拡大でき、かつＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードの曲げ損失が小さくなる。なお、第２高次伝搬モードであるＬＰ２１モードの実効屈折率ｎｅｆｆ（ＬＰ２１）については、クラッド部８０の屈折率ｎｃより小さい値とすれば、ＬＰ２１モードは漏洩モードとなるので、ＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードの２モードのみが伝搬モードとなり好ましい。
一方、図３は、図１に示すマルチコア光ファイバ１００において３モードで伝搬する場合の屈折率分布を示す図である。図３の場合は、第２高次伝搬モードであるＬＰ２１モードのｎｅｆｆ（ＬＰ２１）とクラッド部８０の屈折率ｎｃとの差をΔｎとすると、Δｎを０．０００２以上となるようにしている。
このように、ＬＰ２１モードの実効屈折率ｎｅｆｆ（ＬＰ２１）を、クラッド部８０の屈折率ｎｃよりも０．０００２以上大きくすれば、マルチコア光ファイバ１００は、曲げ損失およびマイクロベンド損失を抑制しながら、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、およびＬＰ２１モードの３モードで光を伝搬できる。また、波長１５５０ｎｍの特性として、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１２０μｍ２以上に拡大でき、かつＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、およびＬＰ２１モードの曲げ損失が小さくなる。なお、第３高次伝搬モードであるＬＰ０２モードの実効屈折率ｎｅｆｆ（ＬＰ０２）については、クラッド部８０の屈折率ｎｃより小さい値とすれば、ＬＰ０２モードは漏洩モードとなるので、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、およびＬＰ２１モードの３モードのみが伝搬モードとなり好ましい。
なお、屈折率分布を決定するプロファイルパラメータについては、比屈折率差Δ１が０．２％〜０．５％であり、比屈折率差Δ２が−０．５％以上で０％より小さく、中心コア部直径２ａが１４μｍ〜１９μｍであり、Ｒａが１より大きく４以下であれば、上記の２モードまたは３モードでの伝搬を実現できる。さらに、外周コア部外径２ｂについては、３０μｍ〜７０μｍであることが好ましい。
以下、所望の数のモードで伝搬させる場合の好ましいプロファイルパラメータについて、有限要素法によるシミュレーションを用いた計算結果を参照して説明する。
図４は、図１に示す構成のマルチコア光ファイバ１００において、比屈折率差Δ２を変化させた場合の、比屈折率差Δ１と波長１５５０ｎｍでの実効屈折率ｎeffとの関係を示す図である。なお、実効屈折率ｎeffはＬＰ１１モードとＬＰ２１モードとについて示している。また、Ｒａの値は３に固定した。また、中心コア部直径２ａは、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１７０μｍ２になるように調整した。
図４に示す領域Ａのように、ＬＰ２１モードのｎeffが１．４４４３９（石英ガラスの屈折率）以下であり、かつＬＰ１１モードのｎeffが１．４４６０以上となるΔ１の範囲が存在する。この範囲では、ＬＰ２１モードが漏洩モードとなるため、２モードでの伝搬が可能となる。また、この領域Ａの範囲は、Δ２にはあまり依存しないことが分かる。図４では、Δ１が０．３％近傍の値の場合に、好ましいｎeffとなることが分かる。また、あらゆるプロファイルパラメータの組み合わせについて計算を行ったところ、Δ１が０．２％〜０．５％の場合に、２モードでの伝搬が可能となるプロファイルパラメータの組み合わせが存在することが確認された。
図５は、比屈折率差Δ２と曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失（漏れ損失）との関係を示す図である。なお、図５において、Δ１は０．３％に固定し、Ｒａは３に固定した。また、中心コア部直径２ａは、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１７０μｍ２になるように調整した。
図５に示すように、Δ２が大きくなるにつれて、ＬＰ１１モードの曲げ損失が大きくなる。図５の場合は、Δ２が−０．０２％よりも小さい場合はＬＰ１１モードの曲げ損失が５０ｄＢ／ｍ以下となるので好ましい。また、Δ２が−０．０５％よりも小さい場合はＬＰ１１モードの曲げ損失が１０ｄＢ／ｍ以下となるのでより好ましい。また、あらゆるプロファイルパラメータの組み合わせについて計算を行ったところ、Δ２が０％より小さい場合に、ＬＰ１１モードの曲げ損失が５０ｄＢ／ｍ以下となるプロファイルパラメータの組み合わせが存在することが確認された。
一方、Δ２を小さくすると、ＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が小さくなるので、ＬＰ２１モードが伝搬する場合がある。図５の場合は、Δ２が−０．１４％以上の場合はＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が１ｄＢ／ｍ以上となるので好ましい。また、Δ２が−０．１２％以上の場合はＬｅａｋａｇｅ損失が１０ｄＢ／ｍ以上となるのでより好ましい。また、あらゆるプロファイルパラメータの組み合わせについて計算を行ったところ、Δ２が−０．５％以上の場合に、ＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が好ましい１ｄＢ／ｍ以上となるプロファイルパラメータの組み合わせが存在することが確認された。
図６は、Ｒａと曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係を示す図である。なお、図６において、Δ１は０．３％に固定し、Δ２は−０．１％に固定した。また、中心コア部直径２ａは、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１７０μｍ２になるように調整した。
図６に示すように、Ｒａが小さくなるにつれて、ＬＰ１１モードの曲げ損失が大きくなる。図６の場合は、Ｒａが１．２より大きい場合はＬＰ１１モードの曲げ損失が５０ｄＢ／ｍ以下となるので好ましい。また、Ｒａが２以上の場合はＬＰ１１モードの曲げ損失が１０ｄＢ／ｍ以下となるのでより好ましい。また、あらゆるプロファイルパラメータの組み合わせについて計算を行ったところ、Ｒａが１より大きい場合に、ＬＰ１１モードの曲げ損失が５０ｄＢ／ｍ以下となるプロファイルパラメータの組み合わせが存在することが確認された。
一方、Ｒａを大きくすると、ＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が小さくなるので、ＬＰ２１モードが伝搬する場合がある。図６の場合は、Ｒａが３以下の場合はＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が１ｄＢ／ｍ以上となるので好ましい。また、Ｒａが２．２以下の場合はＬｅａｋａｇｅ損失が１０ｄＢ／ｍ以上となるのでより好ましい。また、あらゆるプロファイルパラメータの組み合わせについて計算を行ったところ、Ｒａが４以下の場合に、ＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が１ｄＢ／ｍ以上となるプロファイルパラメータの組み合わせが存在することが確認された。
なお、図４〜図６において、中心コア部直径２ａは、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１７０μｍ２になるように調整した。このとき、中心コア部直径２ａが１５μｍ〜１９μｍの場合に、Ａeffを１７０μｍ２にすることができた。また、外周コア部外径２ｂが１５μｍより大きければＬＰ１１モードの曲げ損失が５０ｄＢ／ｍ以下にすることができ、７６μｍ以下であればＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失を１ｄＢ／ｍ以下にすることができるので好ましい。
また、Ａeffについては、１３０μｍ２以上であれば非線形性が低いので好ましい。また、１７０μｍ２以下であればマイクロベンド損失が小さくなり、かつ他の光ファイバとの接続性も良好になるので好ましい。
以上説明したように、Δ１が０．２％〜０．５％であり、Δ２が−０．５％以上で０％より小さく、中心コア部直径２ａが１４μｍ〜１９μｍであり、Ｒａが１より大きく４以下であれば、Ａeff、曲げ損失、Ｌｅａｋａｇｅ損失の観点から良好な特性の光ファイバを実現できることが確認された。
図７は、２モードを伝搬する場合の光ファイバのプロファイルパラメータとＬＰ０１モードの光学特性とを示す図である。図８は、図７に示す光ファイバのＬＰ１１モードおよびＬＰ２１モードの光学特性を示す図である。
図７、８の項目において、たとえば「Ｎｏ．１３０−１」、「Ｎｏ．１３０−２」等は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１３０μｍ２〜１３９μｍ２の間になるようにプロファイルパラメータを選択した計算例を示すものである。また、「分散」は波長分散［単位：ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］を意味し、「スロープ」は分散スロープ［単位：ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ］を意味し、「ＭＦＤ」はモードフィールド径［単位：μｍ］を意味している。Δ１、Δ２の単位は［％］、２ａ、２ｂの単位は［μｍ］、Ａeffの単位は［μｍ２］、曲げ損失の単位は［ｄＢ／ｍ］である。また、曲げ損失等の値において、「Ｅ」は１０のべき乗を表す記号であり、たとえば「１．４Ｅ−０９」は「１．４×１０−９」を意味する。また、光学特性については、いずれも波長１５５０ｎｍでの値である。
図７、図８に示すプロファイルパラメータは、Δ１が０．２％〜０．５％であり、Δ２が−０．５％以上で０％より小さく、中心コア部直径２ａが１４μｍ〜１９μｍであり、Ｒａが１より大きく４以下である。これによって、ＬＰ１１モードのｎｅｆｆはクラッド部の屈折率であるｎｃ（＝１．４４４３９）よりも０．０００２以上大きくなり、２モードでの伝搬が実現されるとともに、Ａeff、曲げ損失、Ｌｅａｋａｇｅ損失の観点から良好な特性が実現されている。
図９は、３モードを伝搬する場合の光ファイバのプロファイルパラメータとＬＰ０１モードの光学特性とを示す図である。図１０は、図９に示す光ファイバのＬＰ１１モード、ＬＰ２１モード、およびＬＰ０２モードの光学特性を示す図である。
図９、図１０に示すプロファイルパラメータは、Δ１が０．２％〜０．５％であり、Δ２が−０．５％以上で０％より小さく、中心コア部直径２ａが１４μｍ〜１９μｍであり、Ｒａが１より大きく４以下である。３モード伝搬に特に適した範囲は、例えば、△１が０．３６％〜０．５０％、△２が−０．５％以上で−０．０５％より小さく、Ｒａが１より大きく４以下で、２ａが１４．９μｍ〜１７．３μｍである。一方、２モードに適した範囲は、例えば、△１が０．２％〜０．４５％、△２が−０．２％以上で０％より小さく、Ｒａが１より大きく４以下で、２ａが１４μｍ〜１９μｍである。
これによって、ＬＰ２１モードのｎｅｆｆはクラッド部の屈折率であるｎｃ（＝１．４４４３９）よりも０．０００２以上大きくなり、３モードでの伝搬が実現されるとともに、Ａeff、曲げ損失、Ｌｅａｋａｇｅ損失の観点から良好な特性が実現されている。
図１１、図１２は、それぞれＬＰ０１モード、ＬＰ１１モードのフィールド分布を示す図である。矢印の向き、大きさはそれぞれフィールドの向き、大きさを示している。なお、図１１、１２は、いずれもＡeffが１５０μｍ２になるようにプロファイルパラメータを設定した場合を示している。
図１１に示すように、ＬＰ０１モードは中心にフィールドを有するガウシアン形状になっている。一方、図１２に示すように、ＬＰ１１モードは中心にフィールド分布を有さないドーナツ型となっている。このため、各伝搬モードのフィールドは互いの干渉が抑制される。したがって、マルチコア光ファイバ１００に２つの信号光を入射する際に、２つの信号が２つの伝搬モードのそれぞれで伝搬するように入射して伝搬させれば、互いに干渉が少ない２モード光伝送が可能になる。また、ＬＰ２１モードは、ＬＰ１１モードと同様に、中心にフィールド分布を有さず、その周囲で高強度のフィールド分布となっている。ただし、ＬＰ１１モードとＬＰ２１モードとでは、フィールド分布の形状は互いに異なっている。したがって、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、およびＬＰ２１モードは、お互いの干渉が抑制される。一方、ＬＰ０２モードは中心およびその周囲の両方でフィールドの強度が高いため、他のＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、ＬＰ２１モードの全てと干渉するおそれがある、したがって、上記の４つのモードがマルチコア光ファイバを伝搬してきた場合には、他の伝搬モードとは異なり、ＬＰ０２モードだけを選択的に取り出すことは困難である。
つぎに、このマルチコア光ファイバ１００の光のクロストークについて具体的に説明する。マルチコア光ファイバ１００の２つのコア部（たとえばコア部１０、２０）が平行に存在するような導波路構造における、コア部間の光の干渉の大きさは、モード結合理論によって表される。すなわち、一方のコア部１０に入射した光のうち、このコア部１０を伝送する間にモード結合によって他方のコア部２０に乗り移る光のパワーＰwは、伝送距離ｚと、２つのコア部間のモード結合定数χとを用いて、下記式（３）で計算することができる。
Ｐw＝ｆ×ｓｉｎ２（χｚ） ・・・ （３）
ここで、コア部１０とコア部２０とで、プロファイルパラメータが同一の場合は、ｆ＝１である。したがって、ｚ＝π／（２χ）のときに、Ｐw＝１となり、光のパワーの１００％が一方のコア部から他方のコア部に乗り移ることとなる。このように光のパワーの１００％が乗り移るまでの伝送距離は結合長Ｌと呼ばれる。すなわち、Ｌ＝π／（２χ）である。なお、このモード結合定数χは、各コア部１０、２０のプロファイルパラメータおよびコア部１０、２０の離隔距離により定まる。ここで、コア部間の離隔距離とは、各コア部の中心間の離隔距離のことである。
ここで、各コア部１０、２０のプロファイルパラメータと、所望の全長とに対して、モード結合定数χが３．１６×１０−７／ｍになるように、コア部１０とコア部２０との離隔距離を設定すれば、上記所望の全長において、コア部間のクロストークが−３０ｄＢ以下となり、２つのコア部１０、２０を伝搬する光のクロストークが十分に小さいものとなる。
なお、このマルチコア光ファイバ１００では、コア部１０に関しては、隣接するコア部はコア部２０〜７０であり、その数は６である。一方、各コア部２０〜７０に関しては、隣接するコア部の数は３であり、残りの３つのコア部は、隣接する３つのコア部よりも大きく離隔している。ここで、コア部間のクロストークは、離隔距離が大きくなるにつれて急激に減少するので、隣接するコア部とのクロストークのみを考慮すればよい。
また、このマルチコア光ファイバ１００では、２以上の伝搬モードで光を伝搬するので、各伝搬モード間での光のクロストークを考慮する必要がある。
つぎに、マルチコア光ファイバ１００において、隣接するコア部のプロファイルパラメータが同一である場合（同種コア部の場合）、これらの隣接する同種コア部間での光のクロストークの計算結果について説明する。
図１３は、２モードを伝搬する場合の同種コア部間における、コア部間の離隔距離（コア間距離）と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。図１４は、図１３に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。なお、コア部のプロファイルパラメータは、図７のＮｏ．１５０−１に示したプロファイルパラメータを用いた。図１３、１４において、たとえば「ＬＰ０１−ＬＰ０１」とは、隣接する同種コア部のＬＰ０１モード同士の光のクロストークを意味する。
ここで、コア間距離は、光の結合が最も大きく、クロストークが最も大きい伝搬モード間に対して、所望のクロストークを実現するように決定しなければならない。そのようにすると、他の伝搬モード間でのクロストークは所望の値を満たすこととなる。図１３、１４に示す場合は、ＬＰ１１モード同士の光の結合が大きいため、伝送距離１００ｋｍ（１．０Ｅ＋０５ｍ）でのＬＰ１１モード同士のクロストークを−３０ｄＢにするために、コア間距離を約８９．３μｍ以上のたとえば約９０μｍとすればよい。この場合はコア間距離を１００μｍ以下とすることができる。
つぎに、図１３、１４の場合とは有効コア断面積が異なるコア部のプロファイルパラメータを用いた場合について検討を行った。図１５は、２モードを伝搬する場合の同種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。図１６は、図１５に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。コア部のプロファイルパラメータは、図７のＮｏ．１３０−１に示したプロファイルパラメータを用いた。
図１５、１６に示す場合も、図１３、１４の場合と同様に、ＬＰ１１モード同士のクロストークが大きかった。また、伝送距離１００ｋｍでのＬＰ１１モード同士のクロストークを−３０ｄＢにするために、コア間距離を、１００μｍ以下の約８７μｍとすればよいことが確認された。
図１７は、２モードを伝搬する場合の同種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。図１８は、図１７に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。コア部のプロファイルパラメータは、図７のＮｏ．１７０−１に示したプロファイルパラメータを用いた。
図１７、１８に示す場合も、図１３〜図１６の場合と同様に、ＬＰ１１モード同士のクロストークが大きかった。また、伝送距離１００ｋｍでのＬＰ１１モード同士のクロストークを−３０ｄＢにするために、コア間距離を、１００μｍ以下の約９０μｍとすればよいことが確認された。
図１３〜図１８に示す結果から、いずれもＬＰ１１モード同士のクロストークが大きかった。また、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffを約１３０μｍ２〜１７０μｍ２の範囲で変更しても、必要なコア間距離に大きな変化はなかった。
ところで、マルチコア光ファイバ１００の場合は、コア間距離を９０μｍとし、かつコア部２０〜７０の外周とクラッド部８０の外周との距離を６０μｍとする場合は、クラッド部８０の外径を３００μｍ以上にしなければならない。なお、コア部２０〜７０の外周とクラッド部８０の外周との距離を６０μｍとするのは、この距離が小さすぎると、曲げ損失が大きくなるが、６０μｍであれば曲げ損失が増大しないためである。非特許文献１にはこのように外径が大きい光ファイバの信頼性の議論がなされており、このような信頼性の議論を行うことによって外径が大きい光ファイバを使用することができる。しかしながら、より確実に信頼性を確保するためには、コア間距離を小さくして外径が小さいマルチコア光ファイバを実現することが好ましい。
そこで、コア間距離を小さくするために、マルチコア光ファイバ１００に含まれるコア部をプロファイルパラメータが互いに異なる異種コア部とし、上記と同様に、コア間距離と伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを計算した。
図１９は、２モードを伝搬する場合の異種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。図２０は、図１９に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。図１９、２０では、隣接するコア部のプロファイルパラメータは、図７のＮｏ．１３０−１および１３０−２に示したプロファイルパラメータをそれぞれ用いた。
同様に、図２１は、２モードを伝搬する場合の異種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。図２２は、図２１に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。図２１、２２では、隣接するコア部のプロファイルパラメータは、図７のＮｏ．１５０−１および１５０−２に示したプロファイルパラメータをそれぞれ用いた。
さらに、図２３は、２モードを伝搬する場合の異種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。図２４は、図２３に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。図２３、２４では、隣接するコア部のプロファイルパラメータは、図７のＮｏ．１７０−１および１７０−２に示したプロファイルパラメータをそれぞれ用いた。
なお、図１９〜図２４において、たとえば図１９、２０の「１３０−１＝＞１３０−２」とは、Ｎｏ．１３０−１のプロファイルパラメータを有するコア部に光を入れた場合のＮｏ．１３０−２のプロファイルパラメータを有するコア部の光のクロストークを考慮したことを示している。
図１９〜図２４に示すように、隣接するコア部として異種コア部を採用した場合も、ＬＰ１１モード同士が最もクロストークが大きかった。また、伝送距離１００ｋｍでのＬＰ１１モード同士のクロストークを−３０ｄＢにするために、コア間距離を、約５０μｍ〜５５μｍとすればよく、６０μｍ以下とすることができることが確認された。この結果は、図１３〜図１８に示す同種コア部の場合の約９０μｍのコア間距離を比較して、異種コア部の採用によってコア間距離を約３５μｍ〜４０μｍだけ減少することができることを示している。そして、マルチコア光ファイバ１００の外径としては約７０μｍ〜８０μｍだけ減少することができ、実用上非常に好ましい。
図１９〜図２４では、隣接するコア部同士は異種コア部であるものの、互いの有効コア断面積が３μｍ２以内であった。そこで、つぎに、互いの有効コア断面積が１０μｍ２以上異なる異種コア部の場合について計算した。
図２５は、２モードを伝搬する場合の異種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。図２６は、図２５に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。図２５、２６では、隣接するコア部のプロファイルパラメータは、図７のＮｏ．１３０−１および１５０−１に示したプロファイルパラメータをそれぞれ用いた。
同様に、図２７は、２モードを伝搬する場合の異種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。図２８は、図２７に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。図２７、２８では、隣接するコア部のプロファイルパラメータは、図７のＮｏ．１３０−１および１７０−１に示したプロファイルパラメータをそれぞれ用いた。
さらに、図２９は、２モードを伝搬する場合の異種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。図３０は、図２９に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。図２９、３０では、隣接するコア部のプロファイルパラメータは、図７のＮｏ．１５０−１および１７０−１に示したプロファイルパラメータをそれぞれ用いた。
図２５〜図３０に示すように、隣接する異種コア部の有効コア断面積を１０μｍ２以上異なるようにすることによって、伝送距離１００ｋｍでのＬＰ１１モード同士のクロストークを−３０ｄＢにするためのコア間距離を、さらに小さい５０μｍ以下程度とすることができることが確認された。このように、隣接する異種コア部の有効コア断面積を１０μｍ２以上異なるようにすることによって、コア間距離およびマルチコア光ファイバ１００の外径をさらに小さくすることができる。
なお、マルチコア光ファイバ１００において、たとえば３種類の異種コア部を配置する際は、７つのコア部を、コア部１０と、コア部２０、４０、６０の組と、コア部３０、５０、７０の組とに分類して、各組内では同種コア部であり、各組間では異種コア部であるように、各コア部のプロファイルパラメータを設定すればよい。これによって、互いに最も隣接するコア部同士は異種コア部となるので、コア間距離を小さくでき、その結果７つのコア部を高密度に配置することができる。
つぎに、マルチコア光ファイバ１００において、３モードを伝搬する場合の、同種コア部間での光のクロストークの計算結果について説明する。
図３１は、３モードを伝搬する場合の同種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。図３２は、図３１に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。なお、コア部のプロファイルパラメータは、図９のＮｏ．１３０−１に示したプロファイルパラメータを用いた。
図３３は、３モードを伝搬する場合の同種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。図３４は、図３３に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。なお、コア部のプロファイルパラメータは、図９のＮｏ．１５０−１に示したプロファイルパラメータを用いた。
図３５は、３モードを伝搬する場合の同種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。図３６は、図３５に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。なお、コア部のプロファイルパラメータは、図９のＮｏ．１５０−２に示したプロファイルパラメータを用いた。
図３１〜図３６に示すように、３モードの場合は、ＬＰ２１モード同士のクロストークが大きかった。また、コア間距離を１００μｍまで大きくしても、ＬＰ２１モード同士のクロストークを−３０ｄＢにする場合は、伝送距離は１００ｍ程度の短距離にしかならないことが確認された。この場合は、マルチコア光ファイバ１００の外径を３００μｍ以上にしなければならないので、信頼性や光ファイバの取り扱い性が問題となり得る。
そこで、２モードの場合と同様に、３モードの場合についても、マルチコア光ファイバ１００に含まれるコア部を異種コア部とし、コア間距離と伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを計算した。
図３７は、３モードを伝搬する場合の異種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。図３８は、図３７に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。図３７、３８では、隣接するコア部のプロファイルパラメータは、図９のＮｏ．１５０−１および１５０−２に示したプロファイルパラメータをそれぞれ用いた。
同様に、図３９は、３モードを伝搬する場合の異種コア部間における、コア間距離と、伝搬モード間の光のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離とを示す図である。図４０は、図３９に示したコア間距離と伝送距離との関係を示す図である。図３９、４０では、隣接するコア部のプロファイルパラメータは、図９のＮｏ．１３０−１および１５０−２に示したプロファイルパラメータをそれぞれ用いた。すなわち、図３９、４０では、互いの有効コア断面積が１０μｍ２以上異なる異種コア部を用いた。
図３７〜図４０に示すように、隣接するコア部として異種コア部を採用した場合も、ＬＰ２１モード同士が最もクロストークが大きかった。また、図３７、３８の場合は、伝送距離１００ｋｍでのＬＰ２１モード同士のクロストークを−３０ｄＢにするために、コア間距離を、９０μｍ以下の約８０μｍとすればよいことが確認された。さらに、図３９、４０の場合は、コア間距離を約７５μｍとすればよいことが確認された。この結果は、図３１〜図３６に示す同種コア部の場合のコア間距離と比較して、異種コア部の採用によってコア間距離を約７５μｍ〜８０μｍの実用的な値まで減少することができることを示している。そして、マルチコア光ファイバ１００の外径も３００μｍより小さくすることができ、実用上非常に好ましい。
以上説明したように、隣接するコア部を異種コア部とすることによって、コア間距離を大幅に減少させることができる。
なお、隣接するコア部を異種コア部とする場合は、隣接する異種コア部間において光のクロストークが最も大きい伝搬モードの実効屈折率が、０．００００５以上、さらに好ましくは０．０００１５以上の差を有するように、各コア部のプロファイルパラメータを設定することが好ましい。光のクロストークが最も大きい伝搬モードとは、上述したように２モードの場合はたとえばＬＰ１１モード同士である。３モードの場合はたとえばＬＰ２１モード同士である。
図４１は、２モードで伝搬する場合において、隣接するコア部間の実効屈折率ｎeffの差と、伝搬モード（ＬＰ０１モード）間の光のクロストークが伝送距離１００ｋｍで−３０ｄＢとなる場合のコア間距離との関係を示す図である。なお、図４１は、図１３〜図３０に示したデータに基づいている。
図４１に示すように、実効屈折率ｎeffの差を０．００００５以上にすれば、必要なコア間距離を大幅に減少させることができ、０．０００１５以上にすればコア間距離をさらに減少させることができる。なお、３モード伝搬の場合についても同様な調査をおこなった。すると、３モード伝搬の場合も、光のクロストークが最も大きい伝搬モードであるＬＰ２１モードの実効屈折率が０．００００５以上、さらに好ましくは０．０００１５以上の差を有するように、異種コア部の各プロファイルパラメータを設定することで、必要なコア間距離を大幅に減少させることができることが確認された。
つぎに、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの２つのモードを伝播するための７コア型のマルチコア光ファイバを作製した。はじめに、実施の形態１の構成のマルチコア光ファイバの構造において、Δ１が０．３３２％、Δ２が−０．０８４％、Ｒａが１．９２の光ファイバ母材を製造した。これらのΔ１、Δ、Ｒａの場合、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１７０μｍ２になるような中心コア部直径２ａは、１７．０μｍである。そこで、２ａを１７．０μｍとしてシミュレーション計算を行ったところ、波長１５５０ｎｍにて図４２に示す特性が得られた。
マルチコア光ファイバの作製の前に、上記の製造した光ファイバ母材の一部を用いて、光ファイバの中心軸近傍に１つのコア部を有するシングルコア光ファイバを製造した。製造したシングルコア光ファイバのクラッド径は１２５μｍであり、長さは１．５ｋｍであった。図４３は、製造したシングルコア光ファイバのＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードの波長１５５０ｎｍでの光学特性を示す図である。図４３に示す光学特性は、シミュレーション計算で得られた図４２の特性と同等の特性であった。作製したマルチコア光ファイバを曲げ半径Ｒ=１４０ｍｍのボビンに６０ｇｆ（グラム重）の張力で巻き、光学特性の評価を行った。
ＬＰ０１モードはコア部の中心に、中心を合わせた高非線形光ファイバ(Ａeff=１３μｍ２)で波長１５５０ｎｍの光を入射して励振を行った。ＬＰ１１モードは、同じ高非線形光ファイバでコア部の中心から高非線形光ファイバの中心を６μｍシフトさせて光を入射して励振を行った。調芯位置(シフト量)を変えていったときの励振フィールドの変化を図４４に示す。横軸はコア部の中心からの位置を示している。図４４に示すように、ＬＰ１１モードの励振に６μｍシフトを用いた理由は、モード分離と結合効率(受光パワー)のバランスを考えた結果である。すなわち、シフト量が６μｍであれば、２つのモードの分離が十分であり、かつＬＰ１１モードへの結合効率や測定時の受光パワーが十分である。
図４５は、１つのコア部内での、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光とのクロストークＸＴ（コア内クロストーク）とシフト量との関係を示す図である。なお、コア内クロストークとは、同一コア内において、中心に光のフィールドを入射した状態での、コアの中心パワーと、シフトさせた位置の中心にコア中心から乗り移ってくる光パワーとのクロストークである。以下では、コア内クロストークとして、シフト量が６μｍの場合の値を用いる。したがって、製造したシングルコア光ファイバのＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光とのコア内クロストークは−１１．３２ｄＢであった。
つぎに、図４２に示したパラメータを用いて、曲げを考慮に入れたモード結合理論をベースに、マルチコア光ファイバの設計を行った。図４６は、設計に利用したマルチコア光ファイバの模式的な断面図である。このマルチコア光ファイバ１００Ｂは、図１に示すマルチコア光ファイバ１００のクラッド部８０に、コア部を特定するためのマーカ８１を形成したマルチコア光ファイバ１００Ａに樹脂の被覆９０を形成したものである。クラッド厚(Ｔclad)は、従来の光ファイバにほぼ匹敵する５９．５μｍに設定し、ターゲットのクラッド径は、２４５μｍ、被覆径は３８０μｍと設定した。
最初に、パワー結合理論で、曲げを考慮に入れない計算を行なったところ、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの間の干渉（ＬＰ０１−ＬＰ１１干渉）は、ＬＰ０１−ＬＰ０１干渉やＬＰ１１−ＬＰ１１干渉に比べてずっと小さい事が分かった。そこで、ＬＰ０１−ＬＰ０１干渉およびＬＰ１１−ＬＰ１１干渉によるクロストークだけを詳細に調べることとした。コア間距離Λ（図４６参照）と伝送距離Ｌ(隣接する２つのコア間のクロストークが−３０ｄＢになるマルチコア光ファイバの長さ)との関係を、曲げ半径を２０ｍｍから１４０ｍｍまで変化させて調査した結果を図４７、図４９に示す。図４９においてＲが曲げ半径である。図４７から、伝送距離として１００，０００ｋｍ(１．０Ｅ＋５ｋｍ)となるのに必要なコア間距離は、ＬＰ１１−ＬＰ１１干渉により決定され、６３μｍ程度であることが分かった。また、伝送距離として１０，０００ｋｍ(１．０Ｅ＋４ｋｍ)となるのに必要なコア間距離は６０μｍ程度であることが分かった。また、クロストークの最悪値(中央のコア部がその周囲のすべての他の６個のコア部から干渉を受ける場合のクロストークの値)のコア間距離Λと伝送距離Ｌとの関係のシミュレーション結果を図４８、５０に示す。なお、図４８では、曲げ半径を１４０ｍｍとしている。図４８、５０の場合でも、コア間距離を６３μｍに設定しておけば、伝送距離を５００００ｋｍとすることが可能である。また、コア間距離を６０μｍに設定しておけば、伝送距離を２５００ｋｍとすることが可能である。また、曲げ半径が１８０ｍｍ以下でも良好なクロストークが得られたので、このマルチコア光ファイバを実使用のために光ケーブルの状態とし、その際に曲げが加わっても、クロストークは問題のない良好な値のままであると考えられる。
なお、図５１は、光ファイバの長さとクロストークとの関係を示す図である。図５１では、隣接するコア部間（たとえば図１、４６でのコア部１０とコア部６０）のＬＰ０１−ＬＰ０１干渉およびＬＰ１１−ＬＰ１１干渉についてのクロストークの値（理論値）と、２番目に近い距離で隣接する（第二隣接する）コア部間（たとえば図１でのコア部４０とコア部６０、コア部４０とコア部２０等）のＬＰ０１−ＬＰ０１干渉およびＬＰ１１−ＬＰ１１干渉についてのクロストークの値（理論値）とを示している。たとえば、光ファイバの長さが１０，０００ｋｍの場合は、第二隣接のクロストークは−１２０ｄＢ以下であり、十分に無視できる小さい量である。また、隣接のクロストークは、長さが１ｋｍで約−７０ｄＢ、１００ｋｍで約−５０ｄＢである。
上記のシミュレーションの結果を参考に、図４６に示す構成のマルチコア光ファイバを作製した。図５２は、作製したマルチコア光ファイバの断面を示す図である。作製したマルチコア光ファイバのコア間距離は、６０．５μｍ−６２．５μｍ程度であった。また、１．０ｋｍのマルチコア光ファイバの長手でのファイバ径（クラッド径）は、２４０−２４５μｍであった。作製したマルチコア光ファイバをＲ=１４０ｍｍのボビンにファイバ径１２５μｍ換算で３０ｇｆの張力で巻き、光学特性の評価を行った。
図４４の場合と同様に、ＬＰ０１モードは各コア部の中心に、中心を合わせた高非線形光ファイバ(Ａeff=１３μｍ２)で光を入射して励振を行った。ＬＰ１１モードは、同じ高非線形光ファイバで各コアの中心から高非線形光ファイバの中心を６μｍシフトさせて光を入射して励振を行った。調芯位置(シフト量)を変えていったときの励振フィールドの変化を図５３に示す。横軸はコア部の中心からの位置を示している。
図５４は、Ｃｏｒｅ１〜Ｃｏｒｅ７（図５２参照）の特性評価結果を示す図である。Ａeffは１７０−１９０μｍ２（ＬＰ０１モード)、２７０−２８１μｍ２(ＬＰ１１モード)程度であり、図４２に示すシミュレーションと同様の傾向にある。曲げ損失は、ＬＰ０１モードは０．４ｄＢ／ｍ以下、ＬＰ１１モードは２．０ｄＢ／ｍ以下と、十分に小さい値であった。波長１５５０ｎｍの伝送損失は、約１．２ｄＢ／ｋｍ（ＬＰ０１モード)、約１．０ｄＢ／ｋｍ（ＬＰ１１モード）［Ｃｏｒｅ１］、約１．７ｄＢ／ｋｍ（ＬＰ０１モード）、１．３ｄＢ／ｋｍ（ＬＰ１１モード）［Ｃｏｒｅ２］であった。また、中央のコア部（Ｃｏｒｅ１）のみ波長分散の測定を行ったところ、ＬＰ０１モードが２３．０３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、ＬＰ１１モードが２４．９６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであった。
続いて、図５５に示す測定系を用いて、Ｒ＝１４０ｍｍの場合のコア間のクロストーク（ＸＴ）特性の測定を行った。図５５において、符号２００は測定するマルチコア光ファイバ、符号１は波長１５５０ｎｍの光源、符号２、３は高非線形光ファイバ、符号４は光パワーメータである。ＬＰ０１−ＬＰ０１干渉のクロストークは、Ｃｏｒｅ１の中心に光源１からの光（図中の符号Ｌ１で示す光のうち、Ｃｏｒｅ１ ＬＰ０１）を入射し、Ｃｏｒｅ１の中心から出てくる光（符号Ｌ２で示す光のうち、Ｃｏｒｅ１ ＬＰ０１）のパワー（Ｐ１−０１）と、Ｃｏｒｅ２の中心から出てくる光（Ｃｏｒｅ２ ＬＰ０１）のパワー（Ｐ２−０１）との比を取ることで測定された。ＬＰ１１−ＬＰ１１干渉のクロストークは、高非線形光ファイバ２のシフト量を６μｍとしてＣｏｒｅ１に光（Ｃｏｒｅ１ ＬＰ１１）を入射したときの、Ｃｏｒｅ１とＣｏｒｅ２との中心から６μｍシフトさせた位置から出射される光（Ｃｏｒｅ１ ＬＰ１１、Ｃｏｒｅ２ ＬＰ１１）のパワー（Ｐ１−１１、Ｐ２−１１）の比をとることで測定された。また、ＬＰ０１−ＬＰ１１干渉のクロストークも、Ｃｏｒｅ１の中心に光を入射して、Ｃｏｒｅ１の中心から出射される光のパワーとＣｏｒｅ２の６μｍシフトの位置から出射される光のパワーとの比をとることで測定された。
なお、光源１からの光は空間入射で入射した。
マルチコア光ファイバ２００の長さを１．０ｋｍとしたときの１．０ｋｍ伝搬後のクロストークの測定結果を図５６に示す。図５６から明らかなように、ＬＰ１１−ＬＰ１１干渉のクロストークの値は、−５７ｄＢ程度であり、十分に小さい値が得られた。また、ＬＰ０１−ＬＰ０１干渉のクロストーク、ＬＰ０１−ＬＰ１１干渉のクロストークは、光パワーメータ４の測定限界に近い値が得られており、実際のクロストークはさらに小さい値であると考えられる。以上、マルチコア光ファイバ２００のクロストークは、いずれの伝搬モードにおいても十分に小さい値であることが確認された。
さらに、図５５に示す測定系を用いて、ファイバ径１２５μｍ換算で巻き張力が３０ｇｆまたは６０ｇｆ、Ｒ＝１４０ｍｍの場合のコア間およびコア内のクロストーク特性の測定を行った。図５６の場合と同様に、マルチコア光ファイバ２００の長さを１．０ｋｍとしたときの１．０ｋｍ伝搬後のクロストークの測定を行った。
ただし、光源１からの光は空間入射ではなく、直接入射した。このように空間入射ではなく、直接入射とすることで、より安定した測定結果を得ることができる。したがって、以降の測定では、直接入射を採用している。
図５７は、クロストークの測定結果を示す図である。図５７において、たとえば巻き張力が３０ｇｆの場合のＣｏｒｅ１のＬＰ０１モードとＣｏｒｅ２のＬＰ０１モードとの干渉のコア間クロストークは−６３．３ｄＢである。また、たとえば「Ｗｉｔｈｉｎ Ｃｏｒｅ１」とは、Ｃｏｒｅ１のＬＰ０１−ＬＰ１１干渉のコア内クロストークを意味し、その値は−９．３ｄＢである。
図５７に示すように、コア間クロストークはいずれの場合も−５０ｄＢ以下と小さかった。また、巻き張力が３０ｇｆの場合のＣｏｒｅ１のコア内クロストークは−９．３ｄＢ、巻き張力が６０ｇｆの場合のＣｏｒｅ１、Ｃｏｒｅ２のコア内クロストークはそれぞれ−２．０ｄＢ、−４．４ｄＢであった。
（実施の形態２）
図５８は、本実施の形態２に係るマルチコア光ファイバの模式的な断面図である。図５８に示すように、このマルチコア光ファイバ３００は、１９個のコア部３１０と、各コア部３１０の外周に位置するクラッド部３８０と、を備えている、１９コア型のマルチコア光ファイバである。
１９個のコア部３１０は、三角格子状に配列しており、そのうちの１個はマルチコア光ファイバ３００の中心軸の近傍に位置し、その他のコア部は、中心軸に対して二重の同心の正六角形を形成するように配置している。また、コア部３１０は、中心コア部３０１と、中心コア部３０１の外周に形成された外周コア部３０２とを備えている。中心コア部３０１、外周コア部３０２、およびクラッド部３８０の構成材料は、実施の形態１に係るマルチコア光ファイバ１００の対応する構成要素の構成材料と同様である。また、クラッド部３８０には、コア部３１０を特定するためのマーカ３８１が形成されている。また、Λ１は、隣接するコア部３１０間の距離であり、Λ２は、第二隣接のコア部３１０間の距離である。
このマルチコア光ファイバ３００においても、マルチコア光ファイバ１００と同様に、外周コア部３０２の屈折率がクラッド部３８０の屈折率よりも低く、図２または図３に示されるようないわゆるＷ型の屈折率分布を有している。コア部３１０の屈折率分布は、マルチコア光ファイバ１００のコア部１０の屈折率分布と同様に設定でき、２以上の所定数の伝搬モードのみで光を伝搬し、かつ各伝搬モードでの波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が１２０μｍ２以上となるように設定されている。
たとえば、クラッド部３８０に対する中心コア部３０１の比屈折率差Δ１が０．２％〜０．５％であり、クラッド部３８０に対する外周コア部３０２の比屈折率差Δ２が−０．５％以上で０％より小さく、中心コア部直径２ａが１４μｍ〜１９μｍであり、外周コア部外径２ｂと中心コア部直径２ａとの比であるＲａが１より大きく４以下であれば、実施の形態１と同様に２モードまたは３モードでの伝搬を実現でき、かつ、Ａeff、曲げ損失、Ｌｅａｋａｇｅ損失の観点から良好な特性となる。さらに、外周コア部外径２ｂについては、３０μｍ〜７０μｍであることが好ましい。
つぎに、７コア型のマルチコア光ファイバの場合と同様に、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの２つのモードを伝播するための１９コア型のマルチコア光ファイバを作製した。はじめに、実施の形態２の構成のマルチコア光ファイバの構造において、Δ１が０．３３２％、Δ２が−０．０８４％、Ｒａが１．９２の光ファイバ母材を製造した。これらのΔ１、Δ、Ｒａの場合、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１７０μｍ２になるような中心コア部直径２ａは、１７．０μｍである。そこで、２ａを１７．０μｍとしてシミュレーション計算を行ったところ、波長１５５０ｎｍにて図４２に示す特性と同様の特性が得られた。
つぎに、図４２に示したパラメータを用いて、曲げを考慮に入れたモード結合理論をベースに、マルチコア光ファイバの設計を行った。ターゲットのクラッド径は４４０μｍ、被覆径は５３０μｍと設定した。また、コア間距離は６０μｍと設計した。
図５９は、作製したマルチコア光ファイバの断面を示す図である。作製したマルチコア光ファイバは長さが１２０ｍであった。また、コア間距離は、長手方向の３６箇所で測定したところ、平均で６０．７μｍ程度、標準偏差が１．６７μｍ程度であった。また、長手でのファイバ径（クラッド径）は、長手方向で約４３０−４４５μｍであった。作製したマルチコア光ファイバをＲ=１４０ｍｍのボビンに１０ｇｆの張力で巻き、波長１５５０ｎｍでの光学特性の評価を行った。
図６０は、Ｃｏｒｅ１、２、８、９、１９（図５９参照）の特性評価結果を示す図である。なお、図６０に示す曲げ損失は、曲げ径３０ｍｍで曲げたときのマクロの曲げ損失である。図６０に示すように、曲げ損失、Ａeffとも図５４に示す７コア型の場合の値よりも大きい値であったが、実用上問題ない程度の値であった。また、マルチコア光ファイバを直線状にして置いた場合の伝送損失は、図６０に示す各コア部について１〜２ｄＢ／ｋｍであった。
つぎに、Ｃｏｒｅ１−Ｃｏｒｅ２、Ｃｏｒｅ２−Ｃｏｒｅ８、Ｃｏｒｅ１−Ｃｏｒｅ１９のそれぞれのコア間クロストークと、Ｃｏｒｅ１、Ｃｏｒｅ２、Ｃｏｒｅ８のコア内クロストークを測定した。
図６１は、クロストークの測定結果を示す図である。図６１において、たとえばＣｏｒｅ１のＬＰ０１モードとＣｏｒｅ２のＬＰ０１モードとの干渉のコア間クロストークは−６５．１ｄＢである。Ｃｏｒｅ２のＬＰ０１モードとＣｏｒｅ８のＬＰ１１モードとの干渉のコア間クロストークは−５９．０ｄＢである。また、たとえば「Ｉｎｔｒａ Ｃｏｒｅ ＸＴ」とは、コア内クロストークを示しており、たとえばＣｏｒｅ１のＬＰ０１−ＬＰ１１干渉のコア内クロストークは−４．５ｄＢである。図６１に示すコア間クロストークを、図５１の理論式を用いて長さが約１０ｋｍの場合の値に換算すると−３０ｄＢ以下であった。したがって、このマルチコア光ファイバを用いれば、光信号を−３０ｄＢ以下のクロストークで少なくとも１０ｋｍの距離だけ伝送できると考えられる。
図６２は、上記で作製したシングルコア光ファイバ、７コア型マルチコア光ファイバ、および１９コア型マルチコア光ファイバのＬＰ０１モード、ＬＰ１１モードの光のフィールド分布を示す図である。このフィールド分布は各作製した光ファイバを２ｍ伝搬した後の光のフィールド分布を示している。
なお、上記の各マルチコア光ファイバにおいて、各コア部のＬＰ０１モードは２つの偏波モードが縮退しており、ＬＰ０１モードとＬＰ２１モードはそれぞれ４つの偏波モードが縮退している。上記の計算は、２つまたは４つの縮退したモードからそれぞれ偏波モードを１つずつ選択して計算を行ったものである。ただし、縮退した偏波モードの光学特性はほぼ同じである。したがって、上記の計算結果は、他の縮退した偏波モードに対しても適用できるので、この計算結果を利用すれば、モード多重だけでなく偏波モード多重をも利用した伝送方式に適した光ファイバを実現することが可能である。
また、上記実施の形態では、伝搬モードは２モードの場合はＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードであり、３モードの場合はＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、およびＬＰ２１モードである。ただし、本発明はこれに限らず、所望の数の伝搬モードのみで光を伝搬できるマルチコア光ファイバであればよい。
また、上記実施の形態では、コア部のそれぞれの屈折率分布がＷ型であるが、本発明に係るマルチコア光ファイバの屈折率分布はこれに限定されず、単峰型プロファイル、階段型プロファイル、セグメントコア型プロファイル、トレンチ型プロファイル、Ｗ＋サイドコア型プロファイル、リング型プロファイルなどのあらゆる屈折率分布を利用できる。以下、実施の形態１のマルチコア光ファイバのコア部をトレンチ型の屈折率分布とした実施の形態３に係るマルチコア光ファイバについて説明する。
（実施の形態３）
図６３は、実施の形態３に係るマルチコア光ファイバのトレンチ型の屈折率分布を示す図である。コア部は、中心コア部と、中心コア部の外周に形成された内周コア層と、内周コア層の外周に形成された外周コア層とからなる。領域Ｐ４は中心コア部の屈折率分布を示している。領域Ｐ５は内周コア層の屈折率分布を示している。領域Ｐ６は外周コア層の屈折率分布を示している。領域Ｐ７はクラッド部の屈折率分布を示している。
ここで、クラッド部に対する中心コア部の比屈折率差をΔ１とし、クラッド部に対する内周コア層の比屈折率差をΔ２とし、クラッド部に対する外周コア層の比屈折率差をΔ３とする。比屈折率差Δ１、Δ２、Δ３は、以下の式（４）、（５）、（６）によって定義する。
Δ１＝｛（ｎ１−ｎｃ）／ｎｃ｝×１００ ［％］ ・・・ （４）
Δ２＝｛（ｎ２−ｎｃ）／ｎｃ｝×１００ ［％］ ・・・ （５）
Δ３＝｛（ｎ３−ｎｃ）／ｎｃ｝×１００ ［％］ ・・・ （６）
ただし、ｎ１は中心コア部の最大屈折率を示し、ｎ２は内周コア層の屈折率を示し、ｎ３は外周コア層の屈折率を示し、ｎｃはクラッド部の屈折率を示す。上述したように、略ｎ２＝ｎｃであるから、Δ２は略０％である。なお、略０％とは、Ａｅｆｆ等の光学特性に大きな影響を与えない−０．０５％〜０．０５％を意味する。たとえば、ｎｃは石英ガラスの屈折率ｎｓ（波長１５５０ｎｍで１．４４４３９）に等しい。
また、図６３に示すように、中心コア部の直径を２ａ、内周コア層の外径を２ｂ、外周コア層の外径を２ｃとする。また、内周コア層外径２ｂと中心コア部直径２ａとの比であるｂ／ａをＲａ２とする。外周コア層外径２ｃと中心コア部直径２ａとの比であるｃ／ａをＲａ３とする。中心コア部直径２ａは、中心コア部と内周コア層との境界において比屈折率差Δ１が０％となる位置での径とする。また、内周コア層外径２ｂは、内周コア層と外周コア層との境界において、比屈折率差が０％となる位置での径とする。また、外周コア層外径２ｃは、外周コア層とクラッド部との境界において、比屈折率差が比屈折率差Δ３の１／２の値となる位置での径とする。
ここで、本実施の形態３に係るマルチコア光ファイバの基底伝搬モードであるＬＰ０１モードの実効屈折率をｎｅｆｆ（ＬＰ０１）とし、第１高次伝搬モードであるＬＰ１１モードの実効屈折率をｎｅｆｆ（ＬＰ１１）とする。この光ファイバでは、ｎｅｆｆ（ＬＰ１１）とクラッド部の屈折率ｎｃとの差をΔｎとすると、Δｎを０．０００５以上となるようにしている。
このように、本実施の形態３に係るマルチコア光ファイバのでは、第１高次伝搬モードであるＬＰ１１モードの実効屈折率ｎｅｆｆ（ＬＰ１１）を、クラッド部１２の屈折率ｎｃよりも０．０００５以上大きくしている。これによって、このマルチコア光ファイバは、波長１５５０ｎｍの特性として、ＬＰ０１モードの有効コア断面積が１２０μｍ２以上、かつＬＰ１１モードの有効コア断面積が１７０μｍ２以上と大きくなり、かつＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードの両方の曲げ損失が小さくなる。
なお、ｎｅｆｆ（ＬＰ１１）をｎｃよりも０．０００５以上大きくするには、たとえばΔ１を０．２５％、Δ３を−０．３％、２ａ、２ｂ、２ｃをそれぞれ１５．５μｍ、３１．０μｍ、４６．５μｍ（すなわちＲａ２を２、Ｒａ３を３）にすればよい。このように本実施の形態３に係るマルチコア光ファイバの構造パラメータを設定すると、ｎｅｆｆ（ＬＰ１１）は１．４４６８３３となり、ｎｃ（１．４４４３９）よりも０．０００５以上大きくなる。このとき、波長１５５０ｎｍの特性として、ＬＰ０１モードの有効コア断面積が１７０．４９μｍ２、曲げ損失が１．７４×１０−３ｄＢ／ｍ、ＬＰ１１モードの有効コア断面積が２８９．３μｍ２、曲げ損失が４．７４×１０−１ｄＢ／ｍとなり、所望の特性が得られる。
また、本実施の形態３に係るマルチコア光ファイバの構造パラメータを上記のように設定した場合には、第２高次伝搬モードであるＬＰ２１の波長１５５０ｎｍにおける実効屈折率ｎｅｆｆ（ＬＰ２１）は、１．４４３４９８と石英ガラスの屈折率(１．４４４３９)よりも小さくなる。その結果、このマルチコア光ファイバでは、波長１５５０ｎｍにおいてＬＰ２１モードは漏洩モードとなり、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの、干渉が少ない２モードのみが伝搬モードとなる。
以上説明したように、本実施の形態３に係るマルチコア光ファイバは、使用するＬＰ０１モードとＬＰ１１モードについて、有効コア断面積が大きくかつ曲げ損失が小さく、かつ各伝搬モード間の干渉がきわめて少ないものとなる。
つぎに、有限要素法によるシミュレーションを用いた計算結果を参照して、本実施の形態３に係るマルチコア光ファイバの好ましい設計についてより具体的に説明する。
図６４は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１３０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。図６５は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１５０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。図６６〜図６８は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１７０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。各図において、光学特性については、波長１５５０ｎｍでの値である。
図６４〜図６８に示すように、比屈折率差Δ１が０．２０％以上であり、比屈折率差Δ３が−０．５％以上で０％より小さく、中心コア部直径２ａが１２．０μｍ以上１８．０μｍ以下であり、比Ｒａ２が１より大きく４以下であり、比Ｒａ３が２以上５以下であれば、ＬＰ０１モードの有効コア断面積が１２０μｍ２以上であり、ＬＰ１１モードの有効コア断面積が１７０μｍ２以上であり、かつ各伝搬モードでの曲げ損失が小さい光ファイバを実現できる。なお、曲げ損失については、ＬＰ１１モードの曲げ損失が１００ｄＢ／ｍ以下であるような構造パラメータの組み合わせを選択することができる。
また、ＬＰ１１モードのｎｅｆｆをさらに大きくし、好ましくはｎｃよりも０．００１０以上大きく（すなわちｎｅｆｆ（ＬＰ１１）＝１．４４５３９以上）、さらに好ましくは０．００１６以上大きく（すなわちｎｅｆｆ（ＬＰ１１）＝１．４４５９９以上）にするのが良い。このようなｎｅｆｆは、たとえばΔ１を０．２５％以上、より好ましくは０．３％以上とすれば実現できる。
一方、Δ１を０．３５％未満にすることで、ＬＰ２１モードのｎｅｆｆを石英ガラスの屈折率(１５５０ｎｍでは１．４４４３９)よりも小さくすることが可能となる。Δ１を０．３５％未満に設定することで、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの２モードでの光伝送が可能である。一方、図３１のＮｏ．１７０−３１〜１７０−３５では、Δ１は０．３５％であるが、ＬＰ２１モードのｎｅｆｆが、１．４４４７１３〜１．４４４７２６と、１．４４４３９より大きくなっている。
つぎに、構造パラメータを、図６６のＮｏ．１７０−３に示すΔ１＝０．２５％、Ｒａ２＝２、Ｒａ３＝３、Δ３＝−０．３％、２ａ＝１５．５μｍ、２ｂ＝３１．０μｍ、２ｃ＝４６．５μｍに設定した場合について説明する。
図６９〜図７４は、曲げ半径Ｒを２０ｍｍ〜１８０ｍｍの範囲で変えた場合の、コア間距離と、隣接する２つのコア間のクロストークが−３０ｄＢになる伝送距離との関係を示す図である。なお、ＬＰ０１−ＬＰ１１干渉は非常に小さいことが分かったので、ＬＰ０１−ＬＰ０１干渉とＬＰ１１−ＬＰ１１干渉とのクロストーク特性を詳細に調べている。図６９〜図７４に示すように、いずれの曲げ半径においても、ＬＰ１１−ＬＰ１１干渉が伝送距離の制限要因となっていた。そして、クロストークが−３０ｄＢになる伝送距離を１００，０００ｋｍにするには、コア間距離を５０μｍ〜５２μｍにする必要があり、伝送距離を１０，０００ｋｍにするには、コア間距離を４８μｍ〜５０μｍにする必要があることが分かった。
なお、このコア間距離は、図６６のＮｏ．１７０−３に示す構造パラメータを採用した場合であるが、他の構造パラメータを採用する場合にも、コア間距離を適切に設定することによって、クロストークが−３０ｄＢになる伝送距離を１００，０００ｋｍまたは１０，０００ｋｍ、あるいはその他の所望の距離にすることができる。
また、実施の形態３のトレンチ型プロファイルは、実施の形態２の１９コア型のマルチコア光ファイバにも適用できる。
（実施の形態４）
図７５は、実施の形態４に係る光伝送システムの模式的な構成図である。図７５に示すように、この光伝送システム４００Ａは、光送信装置４２０と光受信装置４４０との間に、光伝送路としての実施の形態１に係る複数のマルチコア光ファイバ１００と、複数のマルチコア光増幅器４３０Ａとが交互に接続された構成を有している。
光送信装置４２０は、半導体レーザなどの光源を有する複数の光送信器（ＴＸ）を備え、ＬＰ０１モード伝送用の信号光と、ＬＰ１１モード伝送用の信号光を出力するものである。各信号光は、モード多重されてマルチコア光ファイバ１００の各コア部に入力される。マルチコア光ファイバ１００は、入力されたモード多重信号光を伝送する。
マルチコア光増幅器４３０Ａは、マルチコア光ファイバ１００によって伝送された信号光を光増幅してその伝送損失を補償するものである。マルチコア光増幅器４３０Ａは、たとえばエルビウム添加光ファイバ増幅器やラマン増幅器などの光ファイバ増幅器の増幅用光ファイバをマルチコア光ファイバで構成したものを用いることができる。この増幅用マルチコア光ファイバの各コア部は、モード多重信号光を増幅できるように構成されている。または、マルチコア光増幅器４３０Ａは、マルチコア光ファイバ１００の各コア部を伝送してきたモード多重信号光を光ファイババンドル等で１本の光ファイバに合波し、それを１つのコア部を有する増幅用光ファイバを用いた光ファイバ増幅器で増幅する構成としてもよい。また、マルチコア光増幅器４３０Ａは半導体光増幅器で構成してもよい。
この光伝送システム４００Ａは、光中継器としてのマルチコア光増幅器４３０Ａによってマルチコア光ファイバ１００を多段接続しているので、より長距離の光伝送を実現するのに好適である。
（実施の形態５）
図７６は、実施の形態５に係る光伝送システムの模式的な構成図である。図７６に示すように、この光伝送システム４００Ｂは、図７６に示す光伝送システム４００Ａにおいて、マルチコア光増幅器４３０Ａをマルチコア光増幅器４３０Ｂに置き換えたものである。
マルチコア光増幅器４３０Ｂは、光コネクタ４３１と、光増幅部４３２と、光コネクタ４３３とを備えている。光増幅部４３２は、たとえば希土類添加光ファイバ増幅器やラマン増幅器などの光ファイバ増幅器の増幅用光ファイバをマルチコア光ファイバで構成した３つの光ファイバ増幅器を備えている。各光ファイバ増幅器の増幅用マルチコア光ファイバは、それぞれＳバンド（１．４６μｍ〜１．５３μｍ）、Ｃバンド（１．５３μｍ〜１．５６５μｍ）、Ｌバンド（１．５６５μｍ〜１．６２５μｍ）の、モード多重されたＷＤＭ（Wavelength Division Mulitplexing）信号光をそれぞれ増幅することができるように構成されている。光コネクタ４３１は、マルチコア光ファイバ１００を伝送してきた信号光をＳバンド、Ｃバンド、Ｌバンドごとに、光増幅部４３２の各バンド用の光ファイバ増幅器に入力させるように構成されている。光コネクタ４３３は、光増幅部４３２の各光ファイバ増幅器で増幅された各バンドのＷＤＭ信号光を、ＷＤＭ信号光ごとに対応するマルチコア光ファイバ１００のコア部に入力させるように構成されている。
この光伝送システム４００Ｂでは、２モードを伝搬することが可能なマルチコア光ファイバ１００を用いて、広帯域のＷＤＭ信号光を、空間多重およびモード多重伝送する。光伝送システム４００Ｂによれば、広帯域での波長多重、空間多重およびモード多重伝送を実現できるので、きわめて伝送容量の大きい光伝送システムを実現することができる。また、この光伝送システム４００Ｂでは、ＷＤＭ信号光を３つのバンドに分割して、分割したＷＤＭ信号光を各バンドの増幅に適した光増幅器で増幅するようにしているので、より伝送品質のよい光伝送システムを実現することができる。
なお、上記実施の形態の光伝送システムは、光増幅器を備えているが、伝送距離が短い場合には光増幅器は必ずしも必要ではない。
また、上記のように、マルチコア光ファイバの曲げ半径や巻き張力がコア間またはコア内のクロストークに影響を与える場合があるので、曲げ半径や巻き張力を調整してクロストークを微調整してもよい。
また、上記実施の形態では、クラッド部が純石英ガラスからなるが、たとえば中心コア部を純石英ガラスで構成し、外周コア部およびクラッド部を、屈折率を低めるドーパントを含む石英ガラスで構成してもよい。また、上記実施の形態では、マルチコア光ファイバは石英系ガラス材料からなるが、本発明に係るマルチコア光ファイバの構成材料はこれに限定されず、他のガラス材料やプラスチック材料等の光ファイバを構成することができる光学材料を適宜利用できる。
また、本発明に係るマルチコア光ファイバで伝搬する光の波長としては、１５５０ｎｍを含む波長帯、または光ファイバ通信に信号光として使用されるたとえば１３００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長帯を使用することができる。
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではなく、上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
以上のように、本発明に係るマルチコア光ファイバおよび光伝送システムは、光通信の用途に利用して好適なものである。
１ 光源
２、３ 高非線形光ファイバ
４ 光パワーメータ
１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、３１０ コア部
１１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、３０１ 中心コア部
１２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、３０２ 外周コア部
８０、３８０ クラッド部
８１、３８１ マーカ
９０ 被覆
１００、１００Ａ、１００Ｂ、２００、３００ マルチコア光ファイバ
４００Ａ、４００Ｂ 光伝送システム
４２０ 光送信装置
４３０Ａ、４３０Ｂ マルチコア光増幅器
４３１、４３３ 光コネクタ
４３２ 光増幅部
４４０ 光受信装置
Ａ、Ｐ１〜Ｐ７ 領域

Claims (24)

  1. 複数のコア部と、前記複数のコア部の外周に位置し該各コア部の最大屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド部とを備え、
    前記各コア部は、２以上の所定数の伝搬モードのみで光を伝搬し、かつ各伝搬モードでの波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積は１２０μｍ２以上であることを特徴とするマルチコア光ファイバ。
  2. 前記所定数は２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。
  3. 前記伝搬モードはＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードであることを特徴とする請求項２に記載のマルチコア光ファイバ。
  4. 前記所定数は３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。
  5. 前記伝搬モードはＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、およびＬＰ２１モードであることを特徴とする請求項４に記載のマルチコア光ファイバ。
  6. 第１高次伝搬モードの波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が１７０μｍ２以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のマルチコア光ファイバ。
  7. 前記各コア部間における前記各伝搬モード間での波長１５５０ｎｍにおける光のクロストークが伝搬距離１００ｋｍあたり−３０ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のマルチコア光ファイバ。
  8. 前記伝搬モードのうち、隣接する前記各コア部間において波長１５５０ｎｍにおける光のクロストークが最も大きい伝搬モードの波長１５５０ｎｍにおける実効屈折率が、０．００００５以上の差を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のマルチコア光ファイバ。
  9. 前記実効屈折率の差が０．０００１５以上の差を有することを特徴とする請求項８に記載のマルチコア光ファイバ。
  10. 前記各コア部は、隣接するコア部との離隔距離が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載のマルチコア光ファイバ。
  11. 前記複数のコア部は、前記屈折率分布が互いに異なるコア部を含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載のマルチコア光ファイバ。
  12. 前記複数のコア部は、前記屈折率分布が互いに異なる３種類のコア部からなることを特徴とする請求項１１に記載のマルチコア光ファイバ。
  13. 前記各コア部は、隣接するコア部との離隔距離が９０μｍ以下であることを特徴とする請求項１１または１２に記載のマルチコア光ファイバ。
  14. 前記各コア部は、隣接するコア部との離隔距離が６０μｍ以下であることを特徴とする請求項１１または１２に記載のマルチコア光ファイバ。
  15. 前記コア部は、前記最大屈折率を有する中心コア部と、前記中心コア部の外周に形成され前記クラッド部の屈折率よりも低い屈折率を有する外周コア部とからなることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一つに記載のマルチコア光ファイバ。
  16. 前記クラッド部に対する前記中心コア部の比屈折率差Δ１が０．２％〜０．５％であり、前記クラッド部に対する前記外周コア部の比屈折率差Δ２が−０．５％以上で０％より小さく、前記中心コア部の直径が１４μｍ〜１９μｍであり、前記中心コア部の直径に対する前記外周コア部の外径の比が１より大きく４以下であることを特徴とする請求項１５に記載のマルチコア光ファイバ。
  17. 前記コア部は、前記最大屈折率を有する中心コア部と、前記中心コア部の外周に形成され前記クラッド部の屈折率と略等しい屈折率を有する内周コア層と、前記内周コア層の外周に形成され前記クラッド部の屈折率よりも低い屈折率を有する外周コア層とからなることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一つに記載のマルチコア光ファイバ。
  18. 前記クラッド部に対する前記中心コア部の比屈折率差Δ１が０．２０％以上０．３５％未満であり、前記クラッド部に対する前記外周コア層の比屈折率差Δ３が−０．５％以上で０％より小さく、前記中心コア部の直径が１２．０μｍ以上１８．０μｍ以下であり、前記中心コア部の直径に対する前記内周コア層の外径の比が１より大きく４以下であり、前記中心コア部の直径に対する前記外周コア層の外径の比が２以上５以下であることを特徴とする請求項１７に記載のマルチコア光ファイバ。
  19. 前記コア部の数は７であることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一つに記載のマルチコア光ファイバ。
  20. 前記コア部の数は１９であることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一つに記載のマルチコア光ファイバ。
  21. 前記コア部のうち２つのコア部間における前記各伝搬モード間での波長１５５０ｎｍにおける光のクロストークが伝搬距離１０００ｋｍあたり−３０ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一つに記載のマルチコア光ファイバ。
  22. 前記７つのコア部は、中央のコア部と、該中央のコア部を中心としてほぼ正六角形の頂点に位置するように配置した他のコア部とからなり、前記中心のコア部とすべての他のコア部との間の前記各伝搬モード間での波長１５５０ｎｍにおける光のクロストークが伝搬距離１００ｋｍあたり−３０ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１９に記載のマルチコア光ファイバ。
  23. 前記７つのコア部は、中央のコア部と、該中央のコア部を中心としてほぼ正六角形の頂点に位置するように配置した他のコア部とからなり、前記中心のコア部とすべての他のコア部との間の前記各伝搬モード間での波長１５５０ｎｍにおける光のクロストークが伝搬距離１０００ｋｍあたり−３０ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１９に記載のマルチコア光ファイバ。
  24. 請求項１〜２３のいずれか一つに記載のマルチコア光ファイバを光伝送路として備えることを特徴とする光伝送システム。
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