JPWO2015129775A1 - マルチコアファイバ - Google Patents

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Abstract

マルチコアファイバ１は、ｘ次ＬＰモードまでの光（ｘは２以上の整数）を伝搬する第１コア１１と、ｙ次ＬＰモードまでの光（ｙは１以上の整数）を伝搬する第２コア１２と、を備え、第１コア１１のｘ１次ＬＰモードの光（ｘ１は２以上ｘ以下の整数）の伝搬定数と第２コア１２のｙ１次ＬＰモードの光（ｙ１は１以上ｙ以下のｘ１と異なる整数）の伝搬定数とが一致する小径部３３と、第１コア１１の各ＬＰモードの光の伝搬定数と第２コア１２の各ＬＰモードの光の伝搬定数とが不一致とされる大径部と、が設けられる。

Description

本発明はマルチコアファイバに関し、異なるモードの光を合分波する場合に好適なものである。
光ファイバを用いた光通信において、ＬＰ０１モード（基本モード）の光に情報を重畳させると共に、ＬＰ１１モード等の基本モードよりも高次のＬＰモードの光に情報を重畳させて情報通信を行う多モード通信が知られている。多モード通信では、１つのコアを伝搬する複数のＬＰモードの光を複数の光ファイバに分波したり、複数の光ファイバを伝搬する互いに異なるＬＰモードの光を一つの光ファイバに合波したりすることが行われる。
下記非特許文献１には、一組の光ファイバのそれぞれに互いに同じＬＰモードの光が伝搬する場合に、モードコンバータ等を用いてそれぞれの光ファイバを伝搬する光を互いに異なるＬＰモードとして、その後合波することが行われる旨の記載がある。
また、下記特許文献１に記載のモード合分波器は、２つの導波路を有する。これら導波路のうち、一方の導波路が特定のＬＰモードの光を伝搬し、他方の導波路が特定のＬＰモードの光と当該特定のＬＰモードと異なる他のＬＰモードとを伝搬する。これらの導波路に互いに同じ特定のＬＰモードの光が伝搬する場合に、一方の導波路における当該特定のＬＰモードの光の伝搬定数と、他方の導波路における他のＬＰモードの伝搬定数とが一致するようにされている。このような構成により、一方の導波路の特定のＬＰモードの光が、他方の導波路の他のＬＰモードの光として合波される。他方の導波路には元々特定のＬＰモードの光が伝搬しているため、この結果、他方の導波路には特定のＬＰモードの光と他のＬＰモードの光とが伝搬することになる。こうして、モードコンバータを用いずとも、複数の光導波路を互いに同じＬＰモードの光が伝搬する場合に、それぞれの光を一つの導波路に互いに異なるモードの光として伝搬させることができる。
Ａｎ Ｌｉ ｅｔ ａｌ．， "Ｌｏｗ−Ｌｏｓｓ Ｆｕｓｅｄ Ｍｏｄｅ Ｃｏｕｐｌｅｒ ｆｏｒ Ｆｅｗ−Ｍｏｄｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"， ＯＦＣ， ＯＴｕ３Ｇ４ （２０１３）．
特開２０１３− ３７０１７号公報
非特許文献１に記載のモード合分波器ではモードコンバータを必要とする。また、特許文献１に記載のモード合分波器では、モード合分波が行われる場所ではモード合分波が起きるようにそれぞれの導波路が近接され、それ以外の場所では、モード合分波が起きないようにそれぞれの導波路が離れている。従って、非特許文献１に記載のモード合分波器はモードコンバータを配置する場所が必要となり、特許文献１に記載のモード合分波器はモード合分波が行われない場所におけるそれぞれの導波路を離す場所が必要となる。
そこで、本発明は小型化が可能なモード合分波器をマルチコアファイバを用いて実現しようとすることを目的とする。
かかる課題を解決するため本発明のマルチコアファイバは、ｘ次ＬＰモードまでの光（ｘは２以上の整数）を伝搬する第１コアと、ｙ次ＬＰモードまでの光（ｙは１以上の整数）を伝搬する第２コアと、を備え、前記第１コアのｘ１次ＬＰモードの光（ｘ１は２以上ｘ以下の整数）の伝搬定数と前記第２コアのｙ１次ＬＰモードの光（ｙ１は１以上ｙ以下のｘ１と異なる整数）の伝搬定数とが一致する異モード相互作用区間と、前記第１コアの各ＬＰモードの光の伝搬定数と前記第２コアの各ＬＰモードの光の伝搬定数とが不一致とされる異モード非相互作用区間と、が設けられることを特徴とするものである。
このマルチコアファイバの異モード相互作用区間では、第２コアの特定のＬＰモードの光（ｙ１次ＬＰモードの光）の伝搬定数が、第１コアの特定のＬＰモードの光と異なる他のＬＰモードの光（ｘ１次ＬＰモードの光）の伝搬定数と一致している。従って、異モード相互作用区間において、第２コアの特定のＬＰモードの光が第１コアの他のモードの光としてモード合波したり、第１コアの他のＬＰモードの光が第２コアの特定のモードの光としてモード分波したりすることができる。また、第１コアは、少なくとも２次ＬＰモードまでの光を伝搬することができるため、多モードの光を伝搬することができる。従って、第１コアは、上記特定のＬＰモードの光の他に当該特定のＬＰモードの光と異なるＬＰモードの光を伝搬することができる。こうして、モード合分波をすることができるのである。例えば、第１コアが２次ＬＰモードまでの光を伝搬し、第２コアが１次ＬＰモードまでの光を伝搬するのであれば、第２コアを伝搬するＬＰ０１モードの光と第１コアのＬＰ１１モードの光とが、異モード相互作用区間でモード合分波される。また、第１コアを伝搬するＬＰ０１モードの光は合分波されることなく第１コアを伝搬する。
さらにこのマルチコアファイバの異モード非相互作用区間では、第２コアの各ＬＰモードの光の伝搬定数が、第１コアの各ＬＰモードの光の伝搬定数と一致しない。このため異モード非相互作用区間では、特許文献２のように第１コアと第２コアとを離すことをせずとも、モード合分波が起きることを抑制することができる。
従って、このマルチコアファイバによれば、小型化が可能なモード合分波器を実現することができるのである。
また、上記マルチコアファイバは、ｚ次ＬＰモードまでの光（ｚは１以上の整数）を伝搬し、前記第１コアの中心を基準として前記第２コアと所定角度異なる位置に配置される第３コアを更に備え、前記異モード相互作用区間では、前記第１コアの前記ｘ１次ＬＰモードの光の伝搬定数と前記第３コアのｚ１次ＬＰモードの光（ｚ１は１以上ｚ以下のｘ１と異なる整数）の伝搬定数とが一致し、前記異モード非相互作用区間では、前記第１コアの各ＬＰモードの光の伝搬定数と前記第３コアの各ＬＰモードの光の伝搬定数とが不一致とされ、前記ｘ１次ＬＰモードの光は、前記第１コアの中心を基準として互いに前記所定角度異なるように回転する場合に互いに異なるエネルギー分布となる互いに等しい２つのＬＰモードの光が、前記第１コアの中心を基準として互いに前記所定角度異なるように回転した状態で足し合わされた光とされることが好ましい。
このような構成によれば、異モード相互作用区間において、第２コア伝搬するｙ１次ＬＰモードの光と第１コアのｘ１次ＬＰモードの光を構成する一方のＬＰモードの光とを合分波することができ、さらに、第２コア伝搬するｚ１次ＬＰモードの光と第１コアのｘ１次ＬＰモードの光を構成する他方のＬＰモードの光とを合分波することができる。従って、さらに多くの光のモード合分波を行うことができる。
この場合、前記所定角度は９０度とされ、前記ｘ１次ＬＰモードは２次ＬＰモードとされることが良い。或いは、前記所定角度は４５度とされ、前記ｘ１次ＬＰモードは３次ＬＰモードとされることが良い。２次ＬＰモードであるＬＰ１１モードの光や、３次ＬＰモードであるＬＰ２１モードの光は、基本モード以外のモードの光の中で低次であり、取り扱いが容易である。従って、光通信を容易に行うことができる。
また、上記マルチコアファイバは、ｚ次ＬＰモードまでの光（ｚは１以上の整数）を伝搬する第３コアを更に備え、前記異モード相互作用区間では、前記第１コアのｘ２次ＬＰモードの光（ｘ２は１以上ｘ以下のｘ１と異なる整数）の伝搬定数と前記第３コアのｚ１次ＬＰモードの光（ｚ１は１以上ｚ以下のｘ１及びｘ２と異なる整数）の伝搬定数とが一致し、前記異モード非相互作用区間では、前記第１コアの各ＬＰモードの光の伝搬定数と前記第３コアの各ＬＰモードの光の伝搬定数とが不一致とされることが好ましい。
このような第１コアを伝搬する異なる２つのＬＰモードの光と第２コアを伝搬する光及び第３コアを伝搬する光とをモード合分波することができる。従って、このような構成によれば、さらに多くの光のモード合分波を行うことができる。
また、ｙ１とｚ１とが互いに等しいことが好ましい。第２コアと第３コアとを同じＬＰモードの光が伝搬するため、光のハンドリングが容易となり、また、マルチコアファイバの作成が容易となる。
この場合、ｙ１及びｚ１が１とされることが好ましい。つまり、第２コア及び第３コアは共にシングルモードの光を伝搬するコアであることが好ましい。シングルモードの光を伝搬することで、第２、第３コアを伝搬する光のハンドリングが容易となる。
また、前記第１コアは、クラッドの中心に位置することとしても良い。
また、前記異モード相互作用区間は、前記異モード非相互作用区間の一部が延伸されることで形成されることが好ましい。
このように異モード相互作用区間を形成することで、異モード相互作用区間におけるマルチコアファイバの断面の構造と異モード非相互作用区間におけるマルチコアファイバの断面の構造とが、互いに相似の関係となる。このため異モード相互作用区間の光の伝搬定数と異モード非相互作用区間の光の伝搬定数との相関性を計算し易い。また、異モード相互作用区間が延伸により形成されるため、エネルギーの小さな加熱器を用いて容易にマルチコアファイバを延伸して異モード相互作用区間を形成することができる。
また、使用波長帯域におけるそれぞれのコアを伝搬する光のＬＰモードの数は、前記異モード相互作用区間と前記異モード非相互作用区間とで変化しないことが好ましい。
それぞれの区間で伝搬定数が変化しないことにより、不要なＬＰモードの光が励振されることを考慮せずに済み、効率よく光をハンドリングすることができる。
以上のように本発明によれば、小型化が可能なモード合分波器をマルチコアファイバを用いて実現することができる。
第１実施形態におけるマルチコアファイバを示す図である。 図１のマルチコアファイバの大径部及び小径部における長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。 第２実施形態におけるマルチコアファイバの大径部及び小径部における長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。 第３実施形態におけるマルチコアファイバの大径部及び小径部における長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。 第４実施形態におけるマルチコアファイバの大径部及び小径部における長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。 複数の２次ＬＰモードの光と１次ＬＰモードの光とをモード合分波し、３次ＬＰモードの光と１次ＬＰモードの光とをモード合分波するマルチコアファイバを示す図である。 複数の２次ＬＰモードの光と１次ＬＰモードの光とをモード合分波し、複数の３次ＬＰモードの光と１次ＬＰモードの光とをモード合分波するマルチコアファイバを示す図である。 実施例１において、相対比屈折率差が０．５５％、波長が１５５０ｎｍの光におけるコアの半径と実効屈折率との関係を１次ＬＰモードの光、２次ＬＰモードの光、３次ＬＰモードの光について示す図である。 実施例１において、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との間のコア間クロストークとコア間距離との関係、及び、ＬＰ０１モードの光同士のコア間クロストークとコア間距離との関係を示す図である。 実施例１において、延伸比と実効屈折率との関係を第１コアを伝搬するＬＰ１１モードの光と第２コアを伝搬するＬＰ０１モードの光について、波長が１５５０ｎｍ及び１５９５ｎｍで示す図である。 実施例１において、延伸比が１．４２で波長が１５５０ｎｍである光の選択比の状態を示す図である。 実施例１において、延伸比が１．３８で波長が１５９５ｎｍである光の選択比の状態を示す図である。 波長と結合効率との関係を示す図である。 実施例２において、マルチコアファイバの曲げ直径が８０ｍｍであり、波長が１６２５ｎｍのときの第２コアと第３コアとにおけるＬＰ０１モード同士のコア間クロストークＸＴ０１−０１とコア間距離との関係を示す図である。 実施例２において第２コア１２及び第３コア１３から出射する光のパワーを示す図である。 実施例２において第２コア及び第１コアから出射する光のパワーと、第１コアのみから出射する光のパワーとの比による結合効率を波長ごとに示す図である。 実施例２において第３コア１３及び第１コア１１から出射する光のパワーと、第１コア１１のみから出射する光のパワーとの比による結合効率を波長ごと示す図である。 実施例２において作製したマルチコアファイバにおける第１コアにおける光のＮＦＰ(Near Field Pattern)を示す写真である。 実施例２において作製したマルチコアファイバにおける第２コアにおける光のＮＦＰを示す写真である。 実施例２において作製したマルチコアファイバにおける第３コアにおける光のＮＦＰを示す写真である。
以下、本発明に係るマルチコアファイバの好適な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、理解の容易のため、それぞれの図に記載のスケールと、以下の説明に記載のスケールとが異なる場合がある。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態におけるマルチコアファイバを示す図である。図１に示すように、本実施形態のマルチコアファイバ１は、第１コア１１と、第２コア１２と、第１コア１１の外周面及び第２コア１２の外周面を隙間なく包囲するクラッド２０とを備える。
また、マルチコアファイバ１は、長手方向に沿って大径部３１とテーパ部３２と小径部３３とが形成されている。テーパ部３２及び小径部３３は、大径部３１の一部が加熱されて延伸されることで形成される。このような加熱による延伸は、酸水素バーナによる加熱で行われても良いが、放電による加熱で十分に行うことができる。例えば、アーク放電を用いる光ファイバの融着器が実用されているが、このアーク放電を延伸用の熱源として利用しても良い。
図２は、マルチコアファイバ１の大径部３１及び小径部３３のそれぞれにおける長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。具体的に図２（Ａ）は大径部３１及び小径部３３の断面における構造の様子を示し、図２（Ｂ）は大径部３１及び小径部３３の断面における屈折率分布の様子を示す。
図２（Ａ）に示すように、第１コア１１は、クラッド２０の中心に位置しており、第２コア１２は、第１コア１１の周囲に位置している。また、上記のように小径部３３は大径部３１が延伸されることで形成されるため、クラッド２０の外径と第１コア１１の直径及び第２コア１２の直径との比は、マルチコアファイバ１の何処であっても変わらない。このため、小径部３３における第１コア１１の直径は大径部３１における第１コア１１の直径よりも小さく、小径部３３における第２コア１２の直径は大径部３１における第２コア１２の直径よりも小さい。
図２（Ｂ）において、実線はマルチコアファイバ１の屈折率分布を示す。図２（Ｂ）に示すように、第１コア１１の屈折率及び第２コア１２の屈折率は、クラッド２０の屈折率よりも高く、長手方向に沿って一定である。第１コア１１は、２次ＬＰモードまでの光を伝搬する。つまり、本実施形態の第１コア１１は、ＬＰ０１モードの光及びＬＰ１１モードの光を伝搬し、３次ＬＰモードの光であるＬＰ２１モードの光の伝搬が抑制されるフューモードコアとされる。また、第２コア１２は、１次ＬＰモードまでの光を伝搬する。つまり、本実施形態の第２コア１２は、ＬＰ０１モードの光を伝搬しＬＰ１１モードの光の伝搬が抑制されるシングルモードコアとされる。
また、図２（Ｂ）において、破線は第１コア１１及び第２コア１２を伝搬する各ＬＰモードの光の実効屈折率ｎｅｆｆを示す。大径部３１では、第１コア１１の各ＬＰモードの光の伝搬定数と第２コア１２の各ＬＰモードの光の伝搬定数とが不一致とされる。伝搬定数は実効屈折率ｎｅｆｆと対応している。従って、本実施形態では、大径部３１の第１コア１１の１次ＬＰモードの光の実効屈折率ｎｅｆｆ０１及び２次ＬＰモードの光の実効屈折率ｎｅｆｆ１１と第２コア１２の１次ＬＰモードの光の実効屈折率ｎｅｆｆ０１とは不一致とされる。このため、大径部３１では、第１コア１１を伝搬する各ＬＰモードの光と第２コアを伝搬する各ＬＰモードの光とのクロストークが抑制されている。従って、大径部３１では、異モードの合分波が起きることが抑制され、大径部３１は異モード非相互作用区間とされる。
一方、小径部３３では、上記のようにそれぞれのコアの直径が大径部３１でのそれぞれのコアの直径と異なるので、実効屈折率ｎｅｆｆも大径部３１での実効屈折率ｎｅｆｆと異なる。そして、小径部３３では、第１コア１１の２次ＬＰモードの光の実効屈折率ｎｅｆｆ１１と第２コア１２の１次ＬＰモードの光の実効屈折率ｎｅｆｆ０１とが一致する。つまり、第１コア１１の２次ＬＰモードの光の伝搬定数と第２コア１２の１次ＬＰモードの光の伝搬定数とが一致する。このため、小径部３３では、第１コア１１を伝搬する２次ＬＰモードの光と第２コアを伝搬する１次ＬＰモードの光とがクロストークする。従って、小径部３３では、第１コア１１を伝搬する２次ＬＰモードの光と第２コアを伝搬する１次ＬＰモードの光とのモード合分波が起きる。このため、小径部３３は、異モード相互作用区間とされる。
また、使用波長帯域におけるそれぞれのコアを伝搬する光のＬＰモードの数は、大径部３１と小径部３３とで変化しても良いが、変化しない方が好ましい。従って、本実施形態では、大径部３１及び小径部３３のそれぞれにおいて、第１コア１１は、１次ＬＰモードの光及び２次ＬＰモードの光が伝搬し３次ＬＰモードの光の伝搬が抑制され、第２コア１２は、１次ＬＰモードの光が伝搬し２次ＬＰモードの光の伝搬が抑制されることが好ましい。
上記のように大径部３１が異モード非相互作用区間とされ、小径部３３が異モード相互作用区間とされるには、第１コア１１及び第２コア１２は、例えば、次の様に構成されれば良い。すなわち、使用される光の波長が１．５５μｍである場合に、第１コア１１のクラッド２０に対する比屈折率差０．５５％とされ、第２コア１２のクラッド２０に対する比屈折率差０．３６％とされ、大径部３１において、第１コア１１の半径が６．３μｍとされ、第２コア１２の半径が３．７μｍとされる。そして、大径部３１と小径部３３との延伸比が１．４とされる。この場合には、波長が１．５５μｍの光が第１コア１１及び第２コア１２を伝搬する場合に、それぞれのコアを伝搬する光のＬＰモードの数は、大径部３１と小径部３３とで変化しない。
なお、延伸比とは、小径部３３と大径部３１との相似比であり、小径部３３でのマルチコアファイバ１の直径を１とする場合における大径部３１でのマルチコアファイバ１の直径と同じ値である。
本実施形態のマルチコアファイバ１では、第１コア１１及び第２コア１２のそれぞれに１次ＬＰモードの光を入射すると、小径部３３において、第２コア１２の１次ＬＰモードの光が第１コア１１に２次ＬＰモードの光として合波する。或いは、第１コア１１に１次ＬＰモード及び２次ＬＰモードから成る光を入射し第２コア１２に光を入射しない場合、小径部３３において、第１コア１１の２次ＬＰモードの光が第２コア１２に１次ＬＰモードの光として分波する。こうしてモード合分波が達成される。しかし、大径部３１では、第１コア１１の各ＬＰモードの光の伝搬定数と第２コア１２の各ＬＰモードの光の伝搬定数とが一致しないので、第１コア１１と第２コア１２とを離す構造とせずとも、このような合分波が生じることが抑制される。従って、本実施形態のマルチコアファイバ１によれば、小型化が可能なモード合分波器を実現することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して特に説明する場合を除き重複する説明は省略する。
図３は、本実施形態におけるマルチコアファイバの大径部及び小径部における長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。具体的に図３（Ａ）は大径部３１及び小径部３３の断面における構造の様子を示し、図３（Ｂ）は大径部３１及び小径部３３の断面における屈折率分布の様子を示す。
本実施形態のマルチコアファイバ２は、第１コア１１の中心を基準として第２コア１２と９０度異なる位置に配置される第３コア１３を更に備える点において第１実施形態のマルチコアファイバ１と異なる。つまり、第１コア１１の中心と第２コア１２の中心とを結ぶ線と、第１コア１１の中心と第３コア１３の中心とを結ぶ線とがなす角度θが９０度とされる。
第３コア１３の構成は、配置される位置を除き第２コア１２と同様の構成とされる。従って、第１コア１１、第２コア１２及び第３コア１３のそれぞれに１次ＬＰモードの光を入射すると、小径部３３において、第２コア１２及び第３コア１３の１次ＬＰモードの光が第１コア１１に２次ＬＰモードの光として合波する。また、第１コア１１に１次ＬＰモード、２次ＬＰモードから成る光を入射し第２コア１２及び第３コア１３に光を入射しない場合、小径部３３において、第１コア１１の２次ＬＰモードの光が第２コア１２及び第３コア１３にそれぞれ１次ＬＰモードの光として分波する。また、大径部３１では、第１コア１１の各ＬＰモードの光の伝搬定数と第２コア１２及び第３コア１３の各ＬＰモードの光の伝搬定数とが一致しないので、第１コア１１と第２コア１２及び第３コア１３との間でモード合分波が生じることが抑制される。
ここで、第１コア１１を伝搬する２次ＬＰモードの光と第２コア１２及び第３コア１３を伝搬する１次ＬＰモードの光の合分波についてより詳細に説明する。
２次モードの光であるＬＰ１１モードの光は、当該光が伝搬するコアの中心を通り径方向に伸びる直線を基準として、一方側に正の電場が分布し他方側に負の電場が分布し、一方側と他方側とで同じエネルギーの分布となる。従って、ＬＰ１１モードの光は伝搬するコアの中心を基準に１８０度回転させると回転前と同じエネルギー分布となるが、それ以外の角度で回転させると回転前と異なるエネルギー分布となる。そしてＬＰ１１モードの光は、互いに９０度回転させた関係にある２つのＬＰ１１モードの光を合波しても、やはりＬＰ１１モードの光と呼ばれる。
そこで、互いに９０度回転させた関係にある２つのＬＰ１１モードの光の一方をＬＰ１１ａモードの光とし他方をＬＰ１１ｂモードの光として、第１コア１１を伝搬するＬＰ１１モードの光が、ＬＰ１１ａモードの光とＬＰ１１ｂモードの光との足し合わせとする。そして、第１コア１１を伝搬する２次ＬＰモード（ＬＰ１１モード）の光が、第２コア１２及び第３コア１３を伝搬する１次ＬＰモードの光にモード分波する場合を想定する。この場合、ＬＰ１１ａモードの光が第２コア１２及び第３コア１３の一方を伝搬する１次ＬＰモードの光に分波し、ＬＰ１１ｂモードの光が第２コア１２及び第３コア１３の他方を伝搬する１次ＬＰモードの光に分波する傾向がある。また、第２コア１２及び第３コア１３を伝搬するそれぞれの１次ＬＰモードの光を第１コア１１のＬＰ１１モードの光にモード合波する場合を想定する。この場合、第２コア１２を伝搬する光は、第１コア１１を伝搬するＬＰ１１ａモードの光及びＬＰ１１ｂモードの光の一方に合波し、第３コア１３を伝搬する光は、第１コア１１を伝搬するＬＰ１１ａモードの光及びＬＰ１１ｂモードの光の他方に合波する傾向がある。
従って、本実施形態のマルチコアファイバによれば、第１コア１１が２次ＬＰモードまでの光を伝搬する場合であっても、ＬＰ０１モードの光、ＬＰ１１ａモードの光及びＬＰ１１ｂモードの光に情報を重畳させることができるので、より多くの情報量を有する光通信を行うことができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して特に説明する場合を除き重複する説明は省略する。
図４は、本実施形態におけるマルチコアファイバの大径部及び小径部における長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。具体的に図４（Ａ）は大径部３１及び小径部３３の断面における構造の様子を示し、図４（Ｂ）は大径部３１及び小径部３３の断面における屈折率分布の様子を示す。
本実施形態の第１コア１１は、３次ＬＰモードまでの光を伝搬する。つまり、本実施形態の第１コア１１は、ＬＰ０１モードの光、ＬＰ１１モードの光及びＬＰ２１モードの光を伝搬し、４次ＬＰモードの光であるＬＰ０２モードの光の伝搬が抑制されるフューモードコアとされる。
また、第２コア１２は、１次ＬＰモードまでの光を伝搬する。ただし、本実施形態では、第１実施形態のマルチコアファイバ１と異なり、小径部３３において、第２コア１２の１次ＬＰモードの光の伝搬定数が、第１コア１１の３次ＬＰモードの光の伝搬定数と一致する。つまり、小径部３３において、第２コア１２の１次ＬＰモードの光の実効屈折率ｎｅｆｆ０１が、第１コア１１の３次ＬＰモードの光の実効屈折率ｎｅｆｆ２１と一致する。また、大径部３１では、第１コア１１の各ＬＰモードの光の伝搬定数と第３コア１３の各ＬＰモードの光の伝搬定数とが一致しない構成とされる。
また、本実施形態のマルチコアファイバ３は、第１コア１１の中心を基準として第２コア１２と４５度異なる位置に配置される第３コア１３を更に備える。つまり、第１コア１１の中心と第２コア１２の中心とを結ぶ線と、第１コア１１の中心と第３コア１３の中心とを結ぶ線とがなす角度θが４５度とされる。第３コア１３の構成は、配置される位置を除き第２コア１２の構成と同様とされる。従って、第１コア１１、第２コア１２及び第３コア１３のそれぞれに１次ＬＰモードの光を入射すると、小径部３３において、第２コア１２及び第３コア１３の１次ＬＰモードの光が第１コア１１に３次ＬＰモードの光として合波する。また、第１コア１１に１次ＬＰモード、２次ＬＰモード及び３次ＬＰモードから成る光を入射し第２コア１２及び第３コア１３に光を入射しない場合、小径部３３において、第１コア１１の３次ＬＰモードの光が第２コア１２及び第３コア１３にそれぞれ１次ＬＰモードの光として分波する。また、大径部３１では、第１コア１１の各ＬＰモードの光の伝搬定数と第２コア１２及び第３コア１３の各ＬＰモードの光の伝搬定数とが一致しないので、第１コア１１と第２コア１２及び第３コア１３との間でモード合分波が生じることが抑制される。
なお、本実施形態においても、それぞれのコアを伝搬する光のＬＰモードの数は、大径部３１と小径部３３とで変化しないことが好ましい。
ここで、第１コア１１を伝搬する３次ＬＰモードの光と第２コア１２及び第３コア１３を伝搬する１次ＬＰモードの光の合分波についてより詳細に説明する。
３次モードの光であるＬＰ２１モードの光は、当該光が伝搬するコアの中心を通り径方向に伸びる互いに垂直な２つの直線で区切られる４つの領域において、互いに隣り合う領域での電場の分布は、正負が逆の状態となり、それぞれの領域で同じエネルギーの分布となる。従って、ＬＰ２１モードの光は伝搬するコアの中心を基準に９０度回転させると回転前と同じエネルギー分布となるが、それ以外の角度で回転させると回転前と異なるエネルギー分布となる。そしてＬＰ２１モードの光は、互いに４５度や１３５度といった具合に４５＋９０ｎ度（ｎは０以上の整数）回転させた関係にある２つのＬＰ２１モードの光を合波しても、やはりＬＰ２１モードと呼ばれる。
そこで、例えば、互いに４５度回転させた関係にある２つのＬＰ２１モードの光の一方をＬＰ２１ａモードの光とし他方をＬＰ２１ｂモードの光として、第１コア１１を伝搬するＬＰ２１モードの光が、ＬＰ２１ａモードの光とＬＰ２１ｂモードの光との足し合わせとする。そして、第１コア１１を伝搬する３次ＬＰモード（ＬＰ２１モード）の光が、第２コア１２及び第３コア１３を伝搬する１次ＬＰモードの光にモード分波する場合を想定する。この場合、ＬＰ２１ａモードの光が第２コア１２及び第３コア１３の一方を伝搬する１次ＬＰモードの光に重畳し、ＬＰ２１ｂモードの光が第２コア１２及び第３コア１３の他方を伝搬する１次ＬＰモードの光に分波する傾向がある。また、第２コア１２及び第３コア１３を伝搬するそれぞれの１次ＬＰモードの光を第１コア１１のＬＰ２１モードの光にモード合波する場合を想定する。この場合、第２コア１２を伝搬する光は、第１コア１１を伝搬するＬＰ２１ａモードの光及びＬＰ２１ｂモードの光の一方に合波し、第３コア１３を伝搬する光は、第１コア１１を伝搬するＬＰ２１ａモードの光及びＬＰ２１ｂモードの光の他方に合波する傾向がある。
従って、本実施形態のマルチコアファイバによれば、第１コア１１が３次ＬＰモードまでの光を伝搬する場合であっても、ＬＰ０１モードの光、ＬＰ２１ａモードの光及びＬＰ２１ｂモードの光に情報を重畳させることができるので、より多くの情報量を有する光通信を行うことができる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して特に説明する場合を除き重複する説明は省略する。
図５は、本実施形態におけるマルチコアファイバの大径部及び小径部における長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。具体的に図３（Ａ）は大径部３１及び小径部３３の断面における構造の様子を示し、図３（Ｂ）は大径部３１及び小径部３３の断面における屈折率分布の様子を示す。
本実施形態の第１コア１１は、第３実施形態の第１コア１１と同様の構成とされ、３次ＬＰモードまでの光を伝搬する。
また、マルチコアファイバ４は、第１コア１１の中心を基準として第２コア１２側と反対側に第３コア１３を備える。第３コア１３は、１次ＬＰモードまでの光を伝搬する。本実施形態の第３コア１３は、第３実施形態の第３コア１３と配置位置が異なる点を除き同様の構成とされる。従って、小径部３３において、第３コア１３の１次ＬＰモードの光の伝搬定数が、第１コア１１の３次ＬＰモードの光の伝搬定数と一致する。つまり、小径部３３において、第３コア１３の１次ＬＰモードの光の実効屈折率ｎｅｆｆ０１が、第１コア１１の３次ＬＰモードの光の実効屈折率ｎｅｆｆ２１と一致する。また、大径部３１では、第１コア１１の各ＬＰモードの光の伝搬定数と第３コア１３の各ＬＰモードの光の伝搬定数とが一致しない構成とされる。
このような構成のマルチコアファイバ４において、第１コア１１、第２コア１２及び第３コア１３のそれぞれに１次ＬＰモードの光を入射すると、小径部３３において、第２コア１２の１次ＬＰモードの光が第１コア１１に２次ＬＰモードの光として合波すると共に第３コア１３の１次ＬＰモードの光が第１コア１１に３次ＬＰモードの光として合波する。また、第１コア１１に１次ＬＰモード、２次ＬＰモード及び３次ＬＰモードから成る光を入射し、第２コア１２及び第３コア１３に光を入射しない場合、小径部３３において、第１コア１１の２次ＬＰモードの光が第２コア１２に１次ＬＰモードの光として分波すると共に第１コア１１の３次ＬＰモードの光が第３コア１３に１次ＬＰモードの光として分波する。また、大径部３１では、第１コア１１の各ＬＰモードの光の伝搬定数と第２コア１２及び第３コア１３の各ＬＰモードの光の伝搬定数とが一致しないので、第１コア１１と第２コア１２及び第３コア１３との間でモード合分波が生じることが抑制される。
なお、本実施形態においてもそれぞれのコアを伝搬する光のＬＰモードの数は、大径部３１と小径部３３とで変化しないことが好ましい。
本実施形態のマルチコアファイバ４によれば、小径部３３において、第１コア１１を伝搬する２次ＬＰモードの光と第２コア１２伝搬する１次ＬＰモードの光とを合分波することができ、さらに、第１コア１１を伝搬する３次ＬＰモードの光と第３コア１３伝搬する１次ＬＰモードの光とを合分波することができるので、さらに多くの光のモード合分波を行うことができる。
以上、本発明について、上記実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
第１実施形態では、第１コア１１を伝搬する２次ＬＰモードの光と第２コア１２を伝搬する１次ＬＰモードの光とがモード合分波するマルチコアファイバ１を例に説明した。しかし、合分波するモードの組み合わせが第１コア１１を伝搬する光と第２コアを伝搬する光とで異なっていればよい。例えば、第１コア１１が３次ＬＰモードまでの光を伝搬し、第２コア１２が２次ＬＰモードまでの光を伝搬し、第１コア１１を伝搬する３次ＬＰモードの光が、第２コアを伝搬する１次ＬＰモードの光或いは２次ＬＰモードの光とモード合分波することとしても良い。これをＬＰモードの次数を特定せずに記載すると、第１コア１１は、少なくともｘ次ＬＰモードまでの光（ｘは２以上の整数）を伝搬するコアであり、第２コア１２は、少なくともｙ次ＬＰモードまでの光（ｙは１以上の整数）を伝搬するコアであり、第１コア１１のｘ１次ＬＰモードの光（ｘ１は１以上ｘ以下の整数）の伝搬定数と第２コア１２のｙ１次ＬＰモードの光（ｙ１は１以上ｙ以下のｘ１と異なる整数）の伝搬定数とが一致していることとなる。ただし、本実施形態のように、第１コア１１が１次ＬＰモードの光及び２次ＬＰモードの光を伝搬し、第２コア１２が１次ＬＰモードまでの光を伝搬する場合、次数が最も低いＬＰモードの光の組み合わせとなり、光を容易に扱うことができる。
また、第２実施形態では、第１コア１１の中心を基準として第２コア１２と９０異なる位置に第３コア１３が配置され、小径部３３において、第２コア１２及び第３コア１３を伝搬する光とモード合分波する第１コアを伝搬する光は、第１コア１１の中心を基準として互いに９０度異なるように回転する場合に互いに異なるエネルギー分布となる互いに等しいＬＰモードの２つの光（ＬＰ１１ａモードの光及びＬＰ１１ｂモードの光）が、第１コア１１の中心を基準として互いに９０度異なるように回転した状態で足し合わされた光とされた。さらに第３実施形態では、第１コア１１の中心を基準として第２コア１２と４５異なる位置に第３コア１３が配置され、小径部３３において、第２コア１２及び第３コア１３を伝搬する光とモード合分波する第１コアを伝搬する光は、第１コア１１の中心を基準として互いに４５度異なるように回転する場合に互いに異なるエネルギー分布となる互いに等しいＬＰモードの２つの光（ＬＰ２１ａモードの光及びＬＰ２１ｂモードの光）が、第１コア１１の中心を基準として互いに４５度異なるように回転した状態で足し合わされた光とされた。
しかし、第１コア１１を伝搬する光が他のＬＰモードの光の場合には、第２コア１２と第３コア１３とが第１コア１１の中心を基準になす角度は異なる場合がある。また、第１コア１１を伝搬する光とモード合分波する第２コア１２及び第３コア１３を伝搬する光は１次ＬＰモードの光に限られない。例えば、第３実施形態において、第１コア１１を伝搬する３次モードの光とモード合分波する第２コア１２及び第３コア１３を伝搬する光は２次ＬＰモードの光であっても良い。
そこで第１コア１１、第２コア１２及び第３コア１３は、次の様に一般化できる。第１コア１１はｘ次ＬＰモードまでの光（ｘは２以上の整数）を伝搬し、第２コア１２及び第３コア１３はそれぞれｙ次ＬＰモードまでの光（ｙは１以上の整数）を伝搬すると共に第１コア１１の中心を基準として互いに所定角度度異なる位置に配置される。小径部３３では、第１コア１１のｘ１次ＬＰモードの光（ｘ１は１以上ｘ以下の整数）の伝搬定数と第２コア１２及び第３コアのｙ１次ＬＰモードの光（ｙ１は１以上ｙ以下のｘ１と異なる整数）の伝搬定数とが一致する。ｘ１次ＬＰモードの光は、第２コア１２と第３コア１３とが第１コア１１の中心を基準としてなす上記の所定角度異なるように回転する場合に互いに異なるエネルギー分布となる互いに等しいＬＰモードの２つの光が、第１コア１１の中心を基準として互いに所定角度異なるように回転した状態で足し合わされた光とされる。また、大径部３１では、第１コア１１の各ＬＰモードの光の伝搬定数と第２コア１２及び第３コア１３の各ＬＰモードの光の伝搬定数とが不一致とされる。このような定義において、第２実施形態は、ｘが２とされ、ｙが１とされ、ｘ１が２とされ、ｙ１が１とされ、所定角度が９０度とされた例である。また、第３実施形態は、ｘが３とされ、ｙが１とされ、ｘ１が３とされ、ｙ１が１とされ、所定角度が４５度とされた例である。
また、第３実施形態において、第１コア１１を伝搬する３次ＬＰモードの光が第２コア１２、第３コア１３を伝搬する１次ＬＰモードの光とモード合分波するものとした。しかし、第１コアを伝搬する光とモード合分波する第２コア１２及び第３コア１３を伝搬する光が、第２コア１２と第３コア１３とで同じＬＰモードである必要はない。例えば、第３実施形態の変形例として、次の様なマルチコアファイバを挙げることができる。この変形例のマルチコアファイバは、第１コア１１、第２コア１２及び第３コア１３が第３実施形態のように配置されるが、第３コア１３が２次ＬＰモードまでの光を伝搬する。そして、第１コア１１を伝搬する３次ＬＰモードの光が、第２コア１２を伝搬する１次ＬＰモードの光とモード合分波すると共に第３コア１３を伝搬する２次ＬＰモードの光とモード合分波する。
そこで、上記の第３実施形態の変形例を含むようにして、第１コア１１、第２コア１２及び第３コア１３は、次の様に一般化できる。第１コア１１はｘ次ＬＰモードまでの光（ｘは２以上の整数）を伝搬し、第２コア１２はｙ次ＬＰモードまでの光（ｙは１以上の整数）を伝搬し、第３コア１３はｚ次ＬＰモードまでの光（ｚは１以上の整数）を伝搬し、第２コア１２及び第３コア１３は第１コア１１の中心を基準として互いに所定角度度異なる位置に配置される。小径部３３では、第１コア１１のｘ１次ＬＰモードの光（ｘ１は１以上ｘ以下の整数）の伝搬定数と、第２コア１２のｙ１次ＬＰモードの光（ｙ１は１以上ｙ以下のｘ１と異なる整数）の伝搬定数及び第３コア１３のｚ１次ＬＰモードの光（ｚ１は１以上ｚ以下のｘ１及びｙ１と異なる整数）の伝搬定数とが一致する。ｘ１次ＬＰモードの光は、第２コア１２と第３コア１３とが第１コア１１の中心を基準としてなす上記の所定角度異なるように回転する場合に互いに異なるエネルギー分布となる互いに等しいＬＰモードの２つの光が、第１コア１１の中心を基準として互いに所定角度異なるように回転した状態で足し合わされた光とされる。また、大径部３１では、第１コア１１の各ＬＰモードの光の伝搬定数と第２コア１２及び第３コア１３の各ＬＰモードの光の伝搬定数とが不一致とされる。このような定義において、上記第３実施形態の変形例は、ｘが３とされ、ｙが１とされ、ｚが２とされ、ｘ１が３とされ、ｙ１が１とされ、ｚ１が２とされ、所定角度が４５度とされた例である。なお、このように一般化した状態で、ｚ１がｙ１と等しくても良いものとすれば、第２実施形態や第３実施形態の例を含むことができる。すなわち、ｘ，ｘ１がそれぞれ２とされ、ｙ，ｚ，ｙ１，ｚ１がそれぞれ１とされ、所定角度が９０度とされることで、第２実施形態の例を示すことになる。また、ｘ，ｘ１がそれぞれ３とされ、ｙ，ｚ，ｙ１，ｚ１がそれぞれ１とされ、所定角度が４５度とされることで、第３実施形態の例を示すことになる。
また、第４実施形態では、第１コア１１を伝搬する２次ＬＰモードの光が第２コア１２を伝搬する１次ＬＰモードの光とモード合分波し、第１コア１１を伝搬する３次ＬＰモードの光が第３コア１３を伝搬する１次ＬＰモードの光とモード合分波するものとした。しかし、第１コア１１を伝搬する光とモード合分波する第２コア１２及び第３コア１３を伝搬する光が、第２コア１２と第３コア１３とで同じＬＰモードである必要はない。例えば、第４実施形態の変形例として、次の様なマルチコアファイバを挙げることができる。このマルチコアファイバは、第３コア１３が２次ＬＰモードまでの光を伝搬する点において、第４実施形態のマルチコアファイバ４と異なる。そして、第１コア１１を伝搬する２次ＬＰモードの光が第２コア１２を伝搬する１次ＬＰモードの光とモード合分波し、第１コア１１を伝搬する３次ＬＰモードの光が第３コア１３を伝搬する２次ＬＰモードの光とモード合分波する。
そこで、第４実施形態や上記第４実施形態の変形例を含むように、第１コア１１、第２コア１２及び第３コア１３は、次の様に一般化できる。第１コア１１はｘ次ＬＰモードまでの光（ｘは３以上の整数）を伝搬し、第２コア１２はｙ次ＬＰモードまでの光（ｙは１以上の整数）を伝搬し、第３コア１３はｚ次ＬＰモードまでの光（ｚは１以上の整数）を伝搬する。小径部３３では、第１コア１１のｘ１次ＬＰモードの光（ｘ１は１以上ｘ以下の整数）の伝搬定数と第２コア１２のｙ１次ＬＰモードの光（ｙ１は１以上ｙ以下のｘ１と異なる整数）の伝搬定数とが一致し、さらに、第１コア１１のｘ２次ＬＰモードの光（ｘ２は１以上ｘ以下のｘ１と異なる整数）の伝搬定数と第３コア１３のｚ１次ＬＰモードの光（ｚ１は１以上ｚ以下のｘ１及びｘ２と異なる整数）の伝搬定数とが一致する。また、大径部３１では、第１コア１１の各ＬＰモードの光の伝搬定数と第２コア１２及び第３コア１３の各ＬＰモードの光の伝搬定数とが不一致とされる。このような定義において、第４実施形態は、ｘが３とされ、ｙ及びｚが１とされ、ｘ１が２とされ、ｘ２が３とされ、ｙ１及びｚ１が１とされた例である。また、上記第４実施形態の変形例は、ｘが３とされ、ｙが１とされ、ｚが２とされ、ｘ１が２とされ、ｘ２が３とされ、ｙ１が１とされ、ｚ１が２とされた例である。
また、第１〜第４実施形態や上記のように一般化された例を組み合わせることも可能である。
図６は、複数の２次ＬＰモードの光と１次ＬＰモードの光、及び、３次ＬＰモードの光と１次ＬＰモードの光とをモード合分波するマルチコアファイバを示す図である。なお、本例を説明するに当たり、第２実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して特に説明する場合を除き重複する説明は省略する。
図６に示すように、本例のマルチコアファイバ５は、第１コア１１を基準として第２コア１２と対称となる位置に第３実施形態のマルチコアファイバ３の第２コア１２と同じ構成の第４コア１４を更に備える。また、第１コア１１は、３次ＬＰモードまでの光を伝搬する構成とされる。また、第１コア１１を伝搬する２次ＬＰモードの光は、第２実施形態と同様とされる。
従って、本例のマルチコアファイバ５は、小径部３３において、第１コア１１を伝搬する２つの２次ＬＰモードの光（ＬＰ１１ａモードの光、ＬＰ１１ｂモードの光）と第２コア１２及び第３コア１３を伝搬する１次ＬＰモードの光とがそれぞれモード合分波し、さらに、第１コア１１を伝搬する３次ＬＰモードの光と第４コア１４を伝搬する１次ＬＰモードの光とがモード合分波する。
図７は、複数の２次ＬＰモードの光と１次ＬＰモードの光、及び、複数の３次ＬＰモードの光と１次ＬＰモードの光とをモード合分波するマルチコアファイバを示す図である。なお、本例を説明するに当たり、図６の例と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して特に説明する場合を除き重複する説明は省略する。
図７に示すように、本例のマルチコアファイバ６は、第１コア１１を基準として第４コア１４と４５度となる位置に第３実施形態のマルチコアファイバ３の第３コア１３と同じ構成の第５コア１５を更に備える。また、図７に示すθ１は図３のθと同じ意味であり９０度とされ、図７に示すθ２は図４のθと同じ意味であり４５度とされる。また、第１コア１１を伝搬する３次ＬＰモードの光は、第３実施形態と同様とされる。
従って、本例のマルチコアファイバ６は、小径部３３において、第１コア１１を伝搬する２つの２次ＬＰモードの光と第２コア１２及び第３コア１３を伝搬する１次ＬＰモードの光とがそれぞれモード合分波し、さらに、第１コア１１を伝搬する２つの３次ＬＰモードの光（ＬＰ２１ａモードの光、ＬＰ２１ｂモードの光）と第４コア１４及び第５コア１５を伝搬する１次ＬＰモードの光とがモード合分波する。
また、上記例において、第１コア１１はクラッド２０の中心に位置するものとしたが、第１コア１１はクラッドの中心に位置しなくても良い。
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
本実施例では、第１実施形態のマルチコアファイバ１を作製して、作製されたマルチコアファイバ１によりモード合分波を行えるかを確認した。
＜マルチコアファイバの設計＞
第１実施形態のマルチコアファイバ１において、Ｃバンド（波長１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）において、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光を合分波する設計条件、及びＬバンド（波長１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ）において、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光を合分波する設計条件を求める。
（第１コアの設計）
第１実施形態の説明のように、第１コア１１は２次ＬＰモードまでの光を伝搬し３次ＬＰモード以上の光を伝搬しない。図８は、波長を１５５０ｎｍとしたときのコアの半径と実効屈折率との関係を１次ＬＰモードの光、２次ＬＰモードの光、３次ＬＰモードの光について示す図である。なお、本図は第１コア１１が、比屈折率差が０．５５％のステップ型屈折率分布である場合の図である。図８に示すように、コアの半径が４．１μｍ〜６．３μｍであれば、２次ＬＰモードまでの光を伝搬し３次ＬＰモード以上の光を伝搬しないことが分かる。そこで、第１コア１１の径は小径部において大径部よりも小さくなること考慮すると、大径部でのコアの径はできるだけ大きい方が良い。そこで、大径部での第１コア１１の半径を６．３μｍとした。また、第１コア１１のＬＰ０１モードの実効コア断面積Ａｅｆｆが波長１５５０ｎｍにおいて１００μｍ２となるように、クラッド２０に対する第１コア１１の比屈折率差Δ１１を０．５５％とした。
（第２コアの設計）
一般的なシングルモードファイバの波長が１５５０ｎｍにおける実効コア断面積Ａｅｆｆは８０μｍ２であるため、第２コア１２の実効コア断面積Ａｅｆｆもこれと同程度となるようにした。そこで、クラッドに対する第２コア１２の比屈折率差Δ１２を０．３６％とした。また、第２コア１２の半径を３．７μｍとした。
（コア間距離の設計）
図９は、マルチコアファイバの曲げ直径が８０ｍｍであり、波長が１６２５ｎｍのときのＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との間のコア間クロストークＸＴ０１−１１とコア間距離（コアの中心間距離）との関係及びＬＰ０１モードの光同士のコア間クロストークＸＴ０１−０１とコア間距離との関係を示す図である。
上記のように第１コア１１は、２次ＬＰモードまでの光を伝搬し、第２コア１２は１次ＬＰモードの光を伝搬するため、大径部におけるクロストークＸＴ０１−１１，ＸＴ０１−０１を評価する必要がある。図９より、より大きなクロストークがクロストークＸＴ０１−１１であるため、当該クロストークを考察すれば良い。また、一般的なモード合分波器での選択比が２５ｄＢ程度であることおよび本デバイスの使用長さが１ｍ以下であることを考慮して、−３０ｄＢ／ｍのクロストークを確保することとした。そこで大径部における第１コア１１と第２コア１２とのコア間距離を２５μｍとした。
（延伸比の設計）
図１０は、延伸比と実効屈折率との関係を第１コア１１を伝搬するＬＰ１１モードの光と第２コア１２を伝搬するＬＰ０１モードの光について、波長が１５５０ｎｍ及び１５９５ｎｍで示す図である。１５５０ｎｍはＣバンドの中心波長、１５９５ｎｍはＬバンドの中心波長である。図１０に示すように、波長１５５０ｎｍでは延伸比が１．４２でＬＰ０１モードの光の実効屈折率とＬＰ１１モードの光の実効屈折率とが同じ値となる。波長１５９５ｎｍでは延伸比が１．３８でＬＰ０１モードの光の実効屈折率とＬＰ１１モードの光の実効屈折率とが同じ値となる。そこで、Ｃバンド用のマルチコアファイバでは延伸比を１．４２とし、Ｌバンド用のマルチコアファイバでは延伸比を１．３８とした。
（テーパ部の設計）
図１１は、延伸比が１．４２で波長が１５５０ｎｍである光の選択比の状態を示す図であり、図１２は、延伸比が１．３８で波長が１５９５ｎｍである光の選択比の状態を示す図である。図１１及び図１２では、小径部の長さとテーパ部の長さによる選択比の状態を示す。ここでいう選択比とは、マルチコアファイバ１の第２コア１２にＬＰ０１モードの光を入射する場合における第１コア１１から出射するＬＰ１１モードの光のパワーと第２コア１２から出射するＬＰ０１モードの光のパワーとの比をさす。この選択比を評価することで、どの程度のモード合分波が生じているかが分かる。図１１に示すように、テーパ部の長さが３．０〜３．８ｍｍで小径部の長さが４．８ｍｍから５．０ｍｍとされることでおよそ２５ｄＢの選択比を実現できることが分かる。また、図１２に示すように、テーパ部の長さが３．０〜３．７ｍｍで小径部の長さが４．８ｍｍから５．１ｍｍとされることでおよそ２５ｄＢの選択比を実現できることが分かる。選択比は高い方が良いが２５ｄＢまで必要ないことから、Ｃバンド用のマルチコアファイバでは、テーパ部の長さを４．０ｍｍとし小径部の長さを４．７ｍｍとした。また、Ｌバンド用のマルチコアファイバでは、テーパ部の長さを４．０ｍｍとし小径部の長さを４．９ｍｍとした。このときそれぞれのマルチコアファイバで選択比は約２２ｄＢとなった。
＜マルチコアファイバの作成及び評価＞
次に、上記で定めた設計に基づいて、テーパ部や小径部が形成されない大径部のみからなるマルチコアファイバを作成した。このマルチコアファイバは、コア間距離が２５．６μｍであった。また、波長が１６２５ｎｍの光でのクロストークＸ０１−０１が−４３．４ｄＢ／ｍとなりクロストークＸ１１−０１が−３２．４ｄＢ／ｍとなり、設計値のクロストークから悪化しない結果となった。
また、第１コア１１及び第２コア１２において、波長を１５５０ｎｍ及び１６２５ｎｍとして、ＬＰ０１モードの光について、モードフィールド径ＭＦＤ、実効コア断面積Ａｅｆｆを調べた。また、第１コア１１において、波長を１５５０ｎｍ及び１６２５ｎｍとして、ＬＰ０１モードの光について、直径を６０ｍｍで曲げた場合の光の損失を調べた。さらに、第２コア１２において、波長を１５５０ｎｍ及び１６２５ｎｍとして、ＬＰ０１モードの光について、直径を６０ｍｍで曲げた場合の光の損失を調べた。また、第１コア１１のＬＰ２１モードの１ｍカットオフ波長を調べ、第２コア１２のＬＰ１１モードの１ｍカットオフ波長を調べた。その結果を表１に示す。
Figure 2015129775
次に上記マルチコアファイバの一部を表２の条件１，２で延伸した。
Figure 2015129775
そして、条件１で延伸した箇所を含む上記マルチコアファイバ１の第１コア１１に波長が１５５０ｎｍでＬＰ１１モードの光から成る光を入射して、分波における第１コア１１から出射するＬＰ１１モードの光のパワーと第２コア１２から出射するＬＰ０１モードの光のパワーとの選択比を測定した。その結果、選択比が１７ｄＢを実現できていることが分かった。また、条件１で延伸した箇所を含む上記マルチコアファイバ１の第２コアに波長が１５５０ｎｍでＬＰ０１モードの光から成る光を入射して、合波における第１コア１１から出射するＬＰ１１モードの光のパワーと第２コア１２から出射するＬＰ０１モードの光のパワーとの選択比を測定した。その結果、選択比が１５ｄＢを実現できていることが分かった。
次に、条件１で延伸した箇所を含む上記マルチコアファイバ１および条件２で延伸した箇所を含む上記マルチコアファイバ１の第１コア１１に波長が１５００ｎｍから１６３０ｎｍのＬＰ１１モードの光を入射して、分波における第１コア１１のＬＰ１１モードの光と第２コア１２のＬＰ０１モードの光との結合効率をそれぞれ調べた。同様に条件１で延伸した箇所を含む上記マルチコアファイバ１および条件２で延伸した箇所を含む上記マルチコアファイバ１の第２コア１２に波長が１５００ｎｍから１６３０ｎｍのＬＰ０１モードの光を入射して、合波における第１コア１１のＬＰ１１モードの光と第２コアのＬＰ０１モードの光との結合効率をそれぞれ調べた。なお、結合効率は、合波では、第２コア１２に入射した光のパワーから過剰損失を差し引いた光のパワーと第１コア１１から出射する光のパワーとの比を取り、分波では、第１コア１１に入射した光のパワーから過剰損失を差し引いた光のパワーと第２コア１２から出射する光のパワーとの比を取ることで求めている。その結果を図１３に示す。
図１３に示すように、条件１を満たすマルチコアファイバ１は、波長が約１５５０ｎｍで９５％以上の高い結合効率となった。また、条件２を満たすマルチコアファイバ１は、波長が約１５９０ｎｍで８８％以上の高い結合効率となった。
［実施例２］
本実施例では、第２実施形態のマルチコアファイバ２を作製して、作製されたマルチコアファイバ２によりモード合分波を行えるかを確認した。
＜マルチコアファイバの設計＞
第１コア１１及び第２コア１２は、実施例１の第１コア１１及び第２コア１２と同様にして設計した。また、本実施例のマルチコアファイバ２では、第１コア１１の中心を基準として第２コア１２と９０度異なる位置に配置される第３コア１３を備えている。この第３コア１３の設計は、第２コア１２と同様とした。
第１コア１１と第２コア１２とのクロストーク及び第１コア１１と第３コア１３とのクロストークは、実施例１の図９とそれぞれ同様となる。従って、大径部において、第１コア１１と第２コア１２とのコア間距離を実施例１と同様にし、第１コア１１と第３コア１３とのコア間距離を実施例１と同様とした。ただし、本実施例では、第２コア１２と第３コア１３とのクロストークに配慮する必要がある。図１４は、マルチコアファイバ２の曲げ直径が８０ｍｍであり、波長が１６２５ｎｍのときの第２コア１２と第３コア１３とにおけるＬＰ０１モード同士のコア間クロストークＸＴ０１−０１とコア間距離との関係を示す図である。第１コア１１と第２コア１３とのコア間距離、及び、第１コア１１と第３コア１３とのコア間距離が上記のようにそれぞれ２５μｍである場合、第２コア１２と第３コア１３とのコア間距離は約３５．４μｍとなる。上記のように一般的なモード合分波器での選択比が２５ｄＢ程度であること及び本デバイスの使用長さが１ｍ以下であることを考慮すれば、−３０ｄＢ／ｍのクロストークを確保すれば良い。図１４より、第２コア１２と第３コア１３とのコア間距離は約３５．４μｍであれば、クロストークを−３０ｄＢ／ｍよりも低く抑えられることが確認できた。従って、大径部において、第１コア１１と第２コア１２とのコア間距離、及び、第１コア１１と第３コア１３とのコア間距離が２５μｍであれば良いことが確認できた。
延伸比の設計、及び、テーパ部の設計は、実施例１の延伸比の設計、及び、テーパ部の設計と同様とした。
＜マルチコアファイバの作成及び評価＞
次に、上記で定めた設計に基づいて、テーパ部や小径部が形成されない大径部のみからなるマルチコアファイバを作成した。このマルチコアファイバは、第１コア１１と第２コア１２とのコア間距離、及び、第１コア１１と第３コア１３とのコア間距離が共に２５．０μｍであった。また、第２コア１２と第３コア１３とのコア間距離が共に３５．４μｍであった。また、第１コア１１の中心を基準とした第２コア１２と第３コア１３とがなす角度は８８．７°であった。コア１２とコア１３の間のクロストークＸＴ01-01は、波長１６２５ｎｍおよび曲げ直径１２０ｍｍにおいて−２９ｄＢ／ｍであった。
また、第１コア１１、第２コア１２及び第３コア１３において、波長を１５５０ｎｍ及び１６２５ｎｍとして、ＬＰ０１モードの光について、モードフィールド径ＭＦＤ、実効コア断面積Ａｅｆｆを調べた。また、第１コア１１において、波長を１５５０ｎｍ及び１６２５ｎｍとして、ＬＰ１１モードの光について、直径を６０ｍｍで曲げた場合の光の損失を調べた。さらに、第２コア１２及び第３コア１３において、波長を１５５０ｎｍとして、ＬＰ０１モードの光について、直径を６０ｍｍで曲げた場合の光の損失を調べ、波長を１６２５ｎｍとして、ＬＰ０１モードの光について、直径を６０ｍｍで曲げた場合の光の損失を調べた。また、第１コア１１のＬＰ２１モードの２ｍカットオフ波長を調べ、第２コア１２及び第３コア１３のＬＰ１１モードの２ｍカットオフ波長を調べた。その結果を表３に示す。
Figure 2015129775
次に上記マルチコアファイバを実施例１の条件１と同様の条件で延伸した。
そして、延伸した箇所を含む上記マルチコアファイバ２の第１コア１１に波長が１５５０ｎｍのＬＰ１１モードの光を入射した。ただし、この光は、偏光子、１／４波長板、半波長板、位相板を通る光であり、第１コア１１に入射するＬＰ１１モードの光のフィールドは、位相板の回転により回転する。そして、第２コア１２及び第３コア１３から出射する光のパワーを測定した。その結果を図１５に示す。
図１５に示すように、第２コア１２に入射する光のパワーが最大となる位相板の角度と、第３コア１３に入射する光のパワーが最大となる位相板の角度とは、互いに約９０度異なっていた。従って、第１コア１１に入射するＬＰ１１モードの光を、互いにフィールドが９０度異なるＬＰ１１ａモードの光とＬＰ１１ｂモードの光として、それぞれ第２コア１２と第３コア１３とに分波できることが確認できた。
次に延伸した箇所を含む上記マルチコアファイバ２の第２コア１２にＬＰ０１モードの光を入射した。ただし、この光は、偏光子、１／４波長板、半波長板を通る光であり、第２コア１２に入射する光の偏波は、偏光子の回転により回転する。そして、偏光子を０度、４５度、９０度、１３５度、１８０度に回転させて、第２コア１２及び第１コア１１から出射する光のパワーを各角度毎に測定し、また、第１コア１１のみから出射する光のパワーを各角度毎に測定した。そして、第２コア１２及び第１コア１１から出射する光のパワーと、第１コア１１のみから出射する光のパワーとの比による結合効率を波長ごとに求めた。その結果を図１６に示す。
また、延伸した箇所を含む上記マルチコアファイバ２の第３コア１３に第２コア１２に入射した光と同様の光を入射した。そして、偏光子を上記と同様の角度に回転させて、第３コア１３及び第１コア１１から出射する光のパワーを各角度毎に測定し、また、第１コア１１のみから出射する光のパワーを各角度毎に測定した。そして、第３コア１３及び第１コア１１から出射する光のパワーと、第１コア１１のみから出射する光のパワーとの比による結合効率を波長ごとに求めた。その結果を図１７に示す。
図１６、図１７に示すように、第２コア１２に光を入射する場合、第３コア１３に光を入射する場合のどちらであっても、波長が１５５０ｎｍにおいて７９％以上の結合効率となる結果となった。また、第２コア１２に光を入射する場合と第３コア１３に光を入射する場合とで、結合効率のプロファイルに大きな差はなかった。
図１８〜図２０は、本実施例で作製したマルチコアファイバ２における光のＮＦＰ（Near Field Pattern）を示す。具体的には、図１８が第１コア１１における光のＮＰＦを示し、図１９が第２コア１２における光のＮＦＰを示し、図２０が第３コア１３における光のＮＦＰを示す。
図１６、図１７、及び、図１８〜図２０より、マルチコアファイバ２を用いて、ＬＰ０１モードの光、ＬＰ１１ａモードの光、ＬＰ１１ｂモードの光を選択的に合波できることが確認できた。
以上より本発明のマルチコアファイバによれば、モード合分波を行うことが確認できた。
以上より、ＬＰ０１モードの光及びＬＰ１１モードの光が共に入射光の実効コア断面積と出射光の実効コア断面積とが等しくなる条件が求められた。
本発明に係る光デバイスは、小型化が可能なモード合分波器をマルチコアファイバを用いて実現しようとするものであり、光通信の産業において利用することができる。
１〜６・・・マルチコアファイバ
１１・・・第１コア
１２・・・第２コア
１３・・・第３コア
１４・・・第４コア
１５・・・第５コア
２０・・・クラッド
３１・・・大径部
３２・・・テーパ部
３３・・・小径部

Claims (10)

  1. ｘ次ＬＰモードまでの光（ｘは２以上の整数）を伝搬する第１コアと、
    ｙ次ＬＰモードまでの光（ｙは１以上の整数）を伝搬する第２コアと、
    を備え、
    前記第１コアのｘ１次ＬＰモードの光（ｘ１は１以上ｘ以下の整数）の伝搬定数と前記第２コアのｙ１次ＬＰモードの光（ｙ１は１以上ｙ以下のｘ１と異なる整数）の伝搬定数とが一致する異モード相互作用区間と、
    前記第１コアの各ＬＰモードの光の伝搬定数と前記第２コアの各ＬＰモードの光の伝搬定数とが不一致とされる異モード非相互作用区間と、
    が設けられる
    ことを特徴とするマルチコアファイバ。
  2. ｚ次ＬＰモードまでの光（ｚは１以上の整数）を伝搬し、前記第１コアの中心を基準として前記第２コアと所定角度異なる位置に配置される第３コアを更に備え、
    前記異モード相互作用区間では、前記第１コアの前記ｘ１次ＬＰモードの光の伝搬定数と前記第３コアのｚ１次ＬＰモードの光（ｚ１は１以上ｚ以下のｘ１と異なる整数）の伝搬定数とが一致し、
    前記異モード非相互作用区間では、前記第１コアの各ＬＰモードの光の伝搬定数と前記第３コアの各ＬＰモードの光の伝搬定数とが不一致とされ、
    前記ｘ１次ＬＰモードの光は、前記第１コアの中心を基準として互いに前記所定角度異なるように回転する場合に互いに異なるエネルギー分布となる互いに等しい２つのＬＰモードの光が、前記第１コアの中心を基準として互いに前記所定角度異なるように回転した状態で足し合わされた光とされる
    ことを特徴とする請求項１に記載のマルチコアファイバ。
  3. 前記所定角度は９０度とされ、
    前記ｘ１次ＬＰモードは２次ＬＰモードとされる
    ことを特徴とする請求項２に記載のマルチコアファイバ。
  4. 前記所定角度は４５度とされ、
    前記ｘ１次ＬＰモードは３次ＬＰモードとされる
    ことを特徴とする請求項２に記載のマルチコアファイバ。
  5. ｘは３以上の整数であり、
    ｚ次ＬＰモードまでの光（ｚは１以上の整数）を伝搬する第３コアを更に備え、
    前記異モード相互作用区間では、前記第１コアのｘ２次ＬＰモードの光（ｘ２は１以上ｘ以下のｘ１と異なる整数）の伝搬定数と前記第３コアのｚ１次ＬＰモードの光（ｚ１は１以上ｚ以下のｘ１及びｘ２と異なる整数）の伝搬定数とが一致し、
    前記異モード非相互作用区間では、前記第１コアの各ＬＰモードの光の伝搬定数と前記第３コアの各ＬＰモードの光の伝搬定数とが不一致とされる
    ことを特徴とする請求項１に記載のマルチコアファイバ。
  6. ｙ１とｚ１とが互いに等しい
    ことを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載のマルチコアファイバ。
  7. ｙ１及びｚ１が１とされる
    ことを特徴とする請求項６に記載のマルチコアファイバ。
  8. 前記第１コアは、クラッドの中心に位置する
    ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項にマルチコアファイバ。
  9. 前記異モード相互作用区間は、前記異モード非相互作用区間の一部が延伸されることで形成される
    ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のマルチコアファイバ。
  10. 使用波長帯域におけるそれぞれのコアを伝搬する光のＬＰモードの数は、前記異モード相互作用区間と前記異モード非相互作用区間とで変化しない
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のマルチコアファイバ。
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