WO2021015186A1 - マルチコア光ファイバ及び設計方法 - Google Patents

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WO2021015186A1
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core
optical fiber
refractive index
trench
common trench
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泰志 坂本
中島　和秀
松井　隆
恭三 辻川
晋聖 齊藤
藤澤　剛
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日本電信電話株式会社
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    • G02B6/03638—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference having 3 layers only
    • G02B6/0365—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference having 3 layers only arranged - - +
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    • G02B6/036—Optical fibres with cladding with or without a coating core or cladding comprising multiple layers
    • G02B6/03605—Highest refractive index not on central axis
    • G02B6/03611—Highest index adjacent to central axis region, e.g. annular core, coaxial ring, centreline depression affecting waveguiding

Definitions

  • This disclosure relates to a multi-core optical fiber and its design method.
  • the transmission capacity is limited by the non-linear effect generated in the optical fiber and the fiber fuse.
  • parallel transmission using a multi-core optical fiber having a plurality of cores in one optical fiber see, for example, Non-Patent Document 1 and a plurality of propagation modes in the core exist.
  • Spatial multiplexing technology such as mode multiplex transmission using a multi-mode fiber (see, for example, Non-Patent Document 2) and a number-mode multi-core optical fiber combining multi-core and mode multiplexing (see, for example, Non-Patent Document 3). Is being considered.
  • Non-Patent Document 5 if the inter-core distance is increased in order to sufficiently reduce the inter-core crosstalk, the distance between the core arranged on the outside and the clad boundary becomes small under a constant clad outer diameter, and the bending loss becomes large. There was a problem of becoming (see, for example, Non-Patent Document 5).
  • Non-Patent Document 6 in order to reduce the bending loss of each core, it is also considered to adopt a trench assist structure in which the low refractive index region surrounds each core as described in Non-Patent Document 6 in the refractive index distribution of each core.
  • the cutoff wavelength is lengthened due to the influence of the low refractive index region of the core arranged on the periphery side. is there.
  • Non-Patent Document 7 a fiber type called a coupled multi-core optical fiber having a large inter-core crosstalk has been studied, and it is possible to compensate for the crosstalk at the receiving end by using MIMO technology.
  • the distance between cores can be reduced, and even if the crosstalk is ⁇ 26 dB or more, the power penalty can be reduced to less than 1 dB by signal processing, and the space utilization efficiency can be improved.
  • the distance between the core arranged on the outside and the clad boundary must be set to a predetermined value or more in order to reduce the bending loss described above.
  • a core refractive index having a trench-type refractive index distribution is adopted in order to reduce bending loss, the higher-order mode in which the central core is waveguide is propagated by the low refractive index region of the peripheral core, and the cutoff wavelength. The problem of increasing the wavelength is the same as that of the uncoupling multi-core optical fiber described above.
  • the present invention prevents an increase in bending loss even if the distance between the peripheral core and the clad boundary is shortened, and bends in a state where the influence on the cutoff wavelength and the mode field diameter is small.
  • An object of the present invention is to provide a multi-core optical fiber capable of improving loss characteristics and a design method thereof.
  • the multi-core optical fiber according to the present invention has a structure having a ring-shaped low refractive index region so as to surround a plurality of cores.
  • the multi-core optical fiber according to the present invention has a refractive index lower than that of the clad, has a ring-shaped common trench that surrounds all the cores in cross section, and is described from the boundary between the core and the clad.
  • the minimum value E ( ⁇ m) up to the inner diameter of the common trench satisfies the number C1.
  • ⁇ ⁇ is the difference in the specific refractive index (%) of the common trench with respect to the clad.
  • the common trench of the multi-core optical fiber according to the present invention is characterized by having an inner diameter C ( ⁇ m) and a ring width W ( ⁇ m) satisfying a trench volume x of several C2.
  • x ( ⁇ m 2 %) is the product of the area of the common trench in the cross section of the multi-core optical fiber and the absolute value ⁇ ⁇ of the difference in the specific refractive index of the common trench.
  • ⁇ B0 is the desired bending loss (dB / 100 turn) of the core
  • ⁇ cc0 is the desired cutoff wavelength (nm) of the core.
  • ⁇ B is the bending loss (dB / 100turn) of the core in the absence of the common trench.
  • ⁇ cc is the desired cutoff wavelength (nm) of the core in the absence of the common trench. Is.
  • the design method according to the present invention is a method for designing a multi-core optical fiber.
  • the multi-core optical fiber has a refractive index lower than the refractive index of the clad, and has a ring-shaped common trench that surrounds all the cores in a cross section, from the boundary between the core and the clad to the inner diameter of the common trench. It is characterized in that the minimum value E ( ⁇ m) is designed so as to satisfy the number C1.
  • the design method according to the present invention is characterized in that the inner diameter C ( ⁇ m) and the ring width W ( ⁇ m) of the common trench are designed so as to satisfy the trench volume x of several C2.
  • the distance E between the peripheral core and the clad boundary can be reduced, and the multi-core optical fiber having a smaller clad diameter or a predetermined clad diameter (for example, 125 ⁇ m) has more cores. Can be placed.
  • the bending loss characteristics can be improved without making the cutoff wavelength of the core existing in the central region longer than the cutoff wavelength of the peripheral cores. Further, by providing the common trench which is a low refractive index region, the bending loss is improved without affecting the mode field diameter.
  • the present invention is a multi-core optical fiber and its design capable of preventing an increase in bending loss even if the distance between the peripheral core and the clad boundary is shortened, and improving bending loss characteristics while having a small effect on the cutoff wavelength and the mode field diameter.
  • a method can be provided.
  • (A) It is a schematic diagram which shows the cross-sectional structure of a multi-core optical fiber.
  • B It is a schematic diagram which shows the cross-sectional structure of the multi-core optical fiber which concerns on this invention. This is the result of calculating the change in bending loss with and without a common trench in a multi-core optical fiber.
  • the bending radius is 140 mm.
  • This figure is the calculation result of the bending loss characteristic with respect to the difference in the specific refractive index of the common trench when the trench volume is constant. It is a figure explaining the characteristic of the multi-core optical fiber which concerns on this invention.
  • This figure is the result of calculating the amount of improvement in bending loss with respect to the trench volume. It is a figure explaining the characteristic of the multi-core optical fiber which concerns on this invention. This figure is the result of calculating the amount of change in the cutoff wavelength with respect to the trench volume. It is a figure explaining the characteristic of the multi-core optical fiber which concerns on this invention. This figure is a diagram for explaining the relationship between the difference in the specific refractive index of the common trench and the minimum distance E from the center of the core to the inner diameter of the common trench when the change of MFD due to the addition of the common trench is allowed by 1%.
  • This figure is a diagram for explaining the relationship between the bending loss of the core when there is no common trench and the amount of change in the cutoff wavelength due to the addition of the common trench. It is a figure explaining the multi-core structure other than the 4-core structure of the multi-core optical fiber which concerns on this invention.
  • the bending loss is a loss when the bending radius is 30 mm.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of a multi-core optical fiber.
  • FIG. 3A shows the structure of a conventional multi-core optical fiber 50.
  • Two or more cores 11 are present in the region of the clad 12.
  • the refractive index profile of the core is a step type in this figure, it may be an arbitrary refractive index distribution, a graded type, a W type in which the periphery of each core is surrounded by a low refractive index region, or a trench assist type.
  • FIG. 1B shows a cross-sectional view of the multi-core optical fiber 51 of the present embodiment.
  • the plurality of cores 11 in the clad 12 are surrounded by a ring-shaped low refractive index region.
  • this low refractive index region will be referred to as a common trench 13.
  • the common trench 13 has a ring shape, and the distance (inner diameter) from the center of the clad 12 to the inside of the ring is C, and the width of the common trench 13 is W.
  • the radius of the core 11 is a
  • the specific refractive index difference with respect to the clad 12 is ⁇ +
  • the specific refractive index difference with respect to the clad 12 of the common trench 13 is ⁇ ⁇ .
  • the present invention can be applied to a multi-core structure other than the 4-core structure shown in FIG. 1.
  • a multi-core structure other than the 4-core structure shown in FIG. 1.
  • a low refractive index region surrounding all cores is provided. You may.
  • the calculation result of the thickness dependence is shown.
  • the clad thickness refers to the shortest distance from the center of each core to the outermost circumference (boundary) of the clad.
  • the clad thickness of about 50 ⁇ m is required to make the bending loss negligibly small (for example, 10 -3 dB / km). is necessary.
  • the multi-core optical fiber 51 of the present embodiment has a common trench, so that the required clad thickness is 41 ⁇ m and the bending loss can be 10 -3 dB / km. That is, by having the common trench, it is possible to design a multi-core optical fiber having a smaller clad diameter than before, and the coating can be made thicker, so that mechanical reliability is improved. Further, if the clad diameter is the same as that of the conventional one, the core density can be increased and more cores can be arranged than before by having the common trench.
  • C, W, and ⁇ ⁇ are parameters, but in the design of the optical characteristics, the trench volume x, which is the product of the area of the common trench and ⁇ ⁇ , is used as a parameter.
  • FIG. 3 shows the calculation result of the bending loss when the trench volume x is constant (1257 ⁇ m 2 %) and C, W, and ⁇ ⁇ are changed.
  • C is changed in the range of 30 to 40 ⁇ m
  • W is changed in the range of 10 to 20 ⁇ m.
  • the wavelength is 1625 nm and the bending radius is 30 mm.
  • the bending loss characteristic is almost constant if the trench volume x is constant even if C, W, and ⁇ - change. That is, the effect of improving the bending loss due to the common trench can be estimated by using the trench volume x.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the result of calculating the effect of improving the bending loss on the trench volume x.
  • the bending loss improving effect indicates the amount of reduction due to the addition of the common trench from the bending loss calculated for the core alone.
  • the improvement effect of 10 dB in the figure is 1/10 times the bending loss due to the addition of the common trench. It shows that From FIG. 4, the effect of improving the bending loss on the trench volume x is (The above formula is shown by the solid line in the figure).
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the result of calculating the changes in the trench volume x and the cutoff wavelength under the same conditions as the calculation in FIG. Note that ⁇ on the vertical axis indicates how long the cutoff wavelength is extended by adding a trench to the cutoff wavelength ⁇ of the core alone. From FIG. 5, the cutoff wavelength increases as the trench volume x increases. The wavelength is lengthened so as to satisfy the relationship of. The above equation is shown by the solid line in the figure.
  • the mode field diameter (MFD) is also an important parameter related to connection loss and non-linear characteristics in optical fiber communication. Therefore, the MFD change due to the common trench was calculated.
  • E is defined as the core-common trench distance indicating the minimum value between the core boundary and the inner diameter boundary of the common trench.
  • E when the specific refractive index difference ⁇ ⁇ of the common trench is changed is shown by the solid line in FIG.
  • the region on the upper right of the solid line is the MFD fluctuation due to the addition of the common trench (the amount of fluctuation of the MFD of the core of the multi-core optical fiber of the present embodiment with respect to the MFD of the core of the conventional multi-core optical fiber). Is an area of less than 1%. In other words If so, the change in MFD due to the addition of the common trench can be set to 1% or less, and the change in MFD can be almost ignored in terms of transmission characteristics.
  • FIG. 7 shows the structural region of the core where the cutoff wavelength is 1260 nm (curve L1) and the bending loss of 0.1 dB / 100 turn (curve L2) and 1 dB / 100 turn (curve) with respect to the core radius a and the specific refractive index difference ⁇ +. It is the figure which showed the structural region of the core which becomes L3) and 10 dB / 100 turn (curve L4), and the structural region of the core which MFD becomes 8.2 ⁇ m (curve L5) and 9.6 ⁇ m (curve L6). It should be noted that G.I., which is a normal single-mode fiber recommendation in ITU-T. 652.
  • the cutoff wavelength is 1260 nm
  • the bending loss is 0.1 dB / 100 turn
  • the MFD is 8.2 ⁇ m to 9.6 ⁇ m.
  • the conditions of 1 dB / 100 turn and 10 dB / 100 turn are also described in consideration of the improvement of the bending loss due to the addition of the common trench.
  • the structural region of the core surrounded by the desired curves (L1 to L6) is usually the design range in the SMF.
  • FIG. 8 is a diagram showing a bending loss improvement amount ⁇ B with respect to the trench volume x.
  • the following can be seen from FIG. (A) Bending loss improvement amount ⁇ B changes depending on the core structure. (B) In the core structure having the same bending loss characteristics, the bending loss improvement amount ⁇ B is almost the same regardless of the MFD. (C) The curved shape showing the relationship between the trench volume x and the bending loss improvement amount ⁇ B is almost the same in all core structures, and only the intercept changes.
  • FIG. 9 is a diagram showing the core structure dependence of the bending loss improvement amount ⁇ B when the trench volume x is 2200 ⁇ m 2 %.
  • the horizontal axis is the bending loss (bending loss of the core of the conventional multi-core optical fiber) ⁇ B when the core exists alone.
  • the vertical axis is the bending loss improvement amount ⁇ B.
  • the core structure dependence (core structure for bending loss) of the bending loss improvement amount ⁇ B is Can be indicated by.
  • the bending loss improvement amount ⁇ B due to the addition of the common trench is obtained by adding the intercept of the equation (4) to the equation (1). Can be estimated at.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a change in the cutoff wavelength under the same conditions as in FIG.
  • the trench volume is 1260 or 2200 ⁇ m 2 %.
  • the change in the cutoff wavelength depends only on the trench volume x regardless of the bending loss of the core alone.
  • the structure of the core when the bending loss alpha B and cutoff wavelength when assuming a core alone was lambda cc, so that a desired bending loss target value alpha B0 and cutoff wavelength lambda cc0 For the trench volume x It should be designed to be.
  • ⁇ B0 ⁇ 0.1dB / 100turn may be the lambda cc0 ⁇ 1260 nm.
  • the present invention can be used as a transmission medium in an optical transmission system.

Abstract

本発明に係るマルチコア光ファイバは、コア領域（１１）が、最小コア間隔で前記コアの屈折率より小さい屈折率を有するクラッド領域（１２）に２個以上配置された光ファイバであって、前記コアを囲むよう、クラッド領域より低い屈折率を有するリング状の低屈折率領域（１３）を有し、前記リング状の低屈折領域を付与後の曲げ損失が、前記リング状の低屈折率領域を付与しない場合の特性もよりも低減されると同時に、前記リング状の低屈折領域を付与後のモードフィールド径の変化が、前記リング状の低屈折率領域を付与しない場合の特性に比べ変化しないことを特徴とする。

Description

マルチコア光ファイバ及び設計方法
　本開示は、マルチコア光ファイバ及びその設計方法に関する。
　光ファイバ通信システムでは、光ファイバ中で発生する非線形効果やファイバヒューズにより伝送容量が制限される。これらの制限を緩和するために１本の光ファイバ中に複数のコアを有するマルチコア光ファイバを用いた並列伝送（例えば、非特許文献１を参照。）や、コア内に複数の伝搬モードが存在するマルチモードファイバを用いたモード多重伝送（例えば、非特許文献２を参照。）、及びマルチコアとモード多重を組み合わせた数モードマルチコア光ファイバ（例えば、非特許文献３を参照。）といった空間多重技術が検討されている。
Ｈ．　Ｔａｋａｒａ　ｅｔ　ａｌ．，　"１．０１－Ｐｂ／ｓ　（１２　ＳＤＭ／２２２　ＷＤＭ／４５６　Ｇｂ／ｓ）　Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ－ｍａｎａｇｅｄ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｗｉｔｈ　９１．４－ｂ／ｓ／Ｈｚ　Ａｇｇｒｅｇａｔｅ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ"，　ｉｎ　ＥＣＯＣ２０１２，　ｐａｐｅｒ　Ｔｈ．３．Ｃ．１　（２０１２） Ｔ．　Ｓａｋａｍｏｔｏ　ｅｔ　ａｌ．，　"Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｍｏｄｅ　Ｄｅｌａｙ　Ｍａｎａｇｅｄ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｌｉｎｅ　ｆｏｒ　ＷＤＭ－ＭＩＭＯ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｕｓｉｎｇ　Ｍｕｌｔｉ－Ｓｔｅｐ　Ｉｎｄｅｘ　Ｆｉｂｅｒ"，　Ｊ．　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．　ｖｏｌ．　３０，　ｐｐ．　２７８３－２７８７　（２０１２）． Ｙ．　Ｓａｓａｋｉ　ｅｔ　ａｌ．，　"Ｌａｒｇｅ－ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ－ａｒｅａ　ｕｎｃｏｕｐｌｅｄ　ｆｅｗ－ｍｏｄｅ　ｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅ　ｆｉｂｅｒ，"　ＥＣＯＣ２０１２，　ｐａｐｅｒ　Ｔｕ．１．Ｆ．３　（２０１２）． Ｔ．　Ｏｈａｒａ　ｅｔ　ａｌ．，　"Ｏｖｅｒ－１０００－Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｕｌｔｒａｄｅｎｓｅ　ＷＤＭ　ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＷｉｔｈ　Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ　Ｍｕｌｔｉｃａｒｒｉｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅ，"　ＩＥＥＥ　Ｊ．　Ｌｉｇｈｔｗ．　Ｔｅｃｈｎｏｌ．，　ｖｏｌ．　２４，　ｐｐ．２３１１－２３１７　（２００６） Ｋ．　Ｉｍａｍｕｒａ　ｅｔ　ａｌ．，　"Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅ　ｆｉｂｅｒｓ　ｗｉｔｈ　ｌａｒｇｅ　Ａｅｆｆ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｍｉｃｒｏ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｌｏｓｓ，　"　Ｏｐｔ．　Ｅｘｐｒｅｓｓ，　ｖｏｌ．　１９，　ｐｐ．１０５９５－１０６０３　（２０１１）． Ｔ．　Ｓａｋａｍｏｔｏ，　Ｔ．　Ｍａｔｓｕｉ，　Ｋ．　Ｓａｉｔｏｈ，　Ｓ．　Ｓａｉｔｏｈ，　Ｋ．　Ｔａｋｅｎａｇａ，　Ｔ．　Ｍｉｚｕｎｏ，　Ｙ．　Ａｂｅ，　Ｋ．　Ｓｈｉｂａｈａｒａ，　Ｙ．　Ｔｏｂｉｔａ，　Ｓ．　Ｍａｔｓｕｏ，　Ｋ．　Ａｉｋａｗａ，　Ｓ．　Ａｏｚａｓａ，　Ｋ．　Ｎａｋａｊｉｍａ，　Ｙ．　Ｍｉｙａｍｏｔｏ，　"Ｌｏｗ－Ｌｏｓｓ　ａｎｄ　Ｌｏｗ－ＤＭＤ　６－Ｍｏｄｅ　１９－Ｃｏｒｅ　Ｆｉｂｅｒ　Ｗｉｔｈ　Ｃｌａｄｄｉｎｇ　Ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　Ｌｅｓｓ　Ｔｈａｎ　２５０　μｍ"，　Ｊ．　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．　３５，　４４３－４４９　（２０１７）． Ｔ．　Ｓａｋａｍｏｔｏ，　Ｔ．　Ｍｏｒｉ，　Ｍ．　Ｗａｄａ，　Ｔ．　Ｙａｍａｍｏｔｏ，　Ｆ．　Ｙａｍａｍｏｔｏ，　ａｎｄ　Ｋ．　Ｎａｋａｊｉｍａ，　"Ｆｉｂｅｒ　Ｔｗｉｓｔｉｎｇ－　ａｎｄ　Ｂｅｎｄｉｎｇ－Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ａｄｉａｂａｔｉｃ／Ｎｏｎａｄｉａｂａｔｉｃ　Ｓｕｐｅｒ－Ｍｏｄｅ　Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｍｕｌｔｉｃｏｒｅ　Ｆｉｂｅｒ"，　Ｊ．　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．　３４，　１２２８－１２３７　（２０１６）． ＩＴＵ－Ｔ　Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ　Ｇ．６５２
　マルチコア光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及び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。このようなファイバは非結合マルチコア光ファイバと呼ぶ。
　一方で、コア間クロストークを十分低減するためにコア間距離を大きくすると、一定のクラッド外径のもとでは、外側に配置されたコアとクラッド境界までの距離が小さくなり、曲げ損失が大きくなるという課題があった（例えば、非特許文献５を参照。）。
　また、各コアの曲げ損失を低減するために、各コアの屈折率分布に非特許文献６に記載のような、各コアの周囲を低屈折率領域が囲む、トレンチアシスト構造にすることも検討されているが、非特許文献６に記載の通り、中心側に配置されたコアに関しては、周辺に配置されたコアの低屈折率領域の影響で、遮断波長が長波長化することが課題である。
　一方、非特許文献７に記載の通り、コア間クロストークが大きい結合型マルチコア光ファイバというファイバ種が検討されており、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。
　このような結合型マルチコア光ファイバにおいても、先に述べた曲げ損失の低減のため、外側に配置されたコアとクラッド境界との距離を所定の値以上としなければならない。また、曲げ損失を低減するために、トレンチ型屈折率分布を有するコア屈折率を採用すると、中心コアを導波する高次モードが、周辺コアの低屈折率領域により伝搬してしまい、遮断波長が長波長化する問題は、先に述べた非結合型マルチコア光ファイバと同じである。
　そこで、本発明は、上記の課題を解決するために、周辺コアとクラッド境界までの距離を短くしても曲げ損失の増大を防ぎ、且つ遮断波長及びモードフィールド径への影響が小さい状態で曲げ損失特性を向上できるマルチコア光ファイバ及びその設計方法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、複数のコアを囲むようにリング状の低屈折率領域を有する構造とした。
　具体的には、本発明に係るマルチコア光ファイバは、クラッドの屈折率より低い屈折率を持ち、断面において全てのコアを囲むリング状の共通トレンチを備え、前記コアと前記クラッドとの境界から前記共通トレンチの内径までの最小値Ｅ（μｍ）が数Ｃ１を満たすことを特徴とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 ただし、Δ－は前記共通トレンチの前記クラッドに対する比屈折率差（％）である。
　さらに、本発明に係るマルチコア光ファイバの前記共通トレンチは、数Ｃ２のトレンチボリュームｘを満たす内径Ｃ（μｍ）とリング幅Ｗ（μｍ）であることを特徴とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　ただし、ｘ（μｍ２％）は、前記マルチコア光ファイバの断面における前記共通トレンチの面積と前記共通トレンチの比屈折率差の絶対値Δ－の積、
　αＢ０は、前記コアの所望の曲げ損失（ｄＢ／１００ｔｕｒｎ）、
　λｃｃ０は、前記コアの所望のカットオフ波長（ｎｍ）
　αＢは、前記共通トレンチが無い場合の前記コアの曲げ損失（ｄＢ／１００ｔｕｒｎ）、
　λｃｃは、前記共通トレンチが無い場合の前記コアの所望のカットオフ波長（ｎｍ）
である。
　また、本発明に係る設計方法は、マルチコア光ファイバの設計方法であって、
　前記マルチコア光ファイバは、クラッドの屈折率より低い屈折率を持ち、断面において全てのコアを囲むリング状の共通トレンチを備えており、前記コアと前記クラッドとの境界から前記共通トレンチの内径までの最小値Ｅ（μｍ）を数Ｃ１を満たすように設計することを特徴とする。
　さらに、本発明に係る設計方法は、数Ｃ２のトレンチボリュームｘを満たすように、前記共通トレンチの内径Ｃ（μｍ）とリング幅Ｗ（μｍ）を設計することを特徴とする。
　マルチコア光ファイバを上記の構造とすることで、周辺コアとクラッド境界までの距離Ｅを小さくすることができ、よりクラッド径の小さなマルチコア光ファイバ、もしくは所定のクラッド径（例えば１２５μm）により多くのコアを配置することができる。
　低屈折率領域である共通トレンチの付与により、中心領域に存在するコアの遮断波長が周辺コアの遮断波長に対して長波長化することなく、曲げ損失特性を改善できる効果を奏する。また、低屈折率領域である共通トレンチの付与により、モードフィールド径に影響を与えずに、曲げ損失が向上する効果を奏する。
　本発明は、周辺コアとクラッド境界までの距離を短くしても曲げ損失の増大を防ぎ、且つ遮断波長及びモードフィールド径への影響が小さい状態で曲げ損失特性を向上できるマルチコア光ファイバ及びその設計方法を提供することができる。
（ａ）マルチコア光ファイバの断面構造を示す概略図である。（ｂ）本発明に係るマルチコア光ファイバの断面構造を示す概略図である。 マルチコア光ファイバにおいて共通トレンチの有無による曲げ損失の変化について計算した結果である。曲げ半径は１４０ｍｍである。 本発明に係るマルチコア光ファイバの特性を説明する図である。本図は、トレンチボリュームを一定とした時の、共通トレンチの比屈折率差に対する曲げ損失特性の計算結果である。 本発明に係るマルチコア光ファイバの特性を説明する図である。本図は、トレンチボリュームに対する曲げ損失改善量を計算した結果である。 本発明に係るマルチコア光ファイバの特性を説明する図である。本図は、トレンチボリュームに対する遮断波長の変化量を計算した結果である。 本発明に係るマルチコア光ファイバの特性を説明する図である。本図は、共通トレンチの付与によるＭＦＤの変化を１％許容した場合、共通トレンチの比屈折率差と、コア中心から共通トレンチ内径までの最小距離Ｅとの関係を説明する図である。 シングルモード光ファイバにおいて所望の曲げ損失と遮断波長を満たす、コア半径と比屈折率差との関係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特性を説明する図である。本図は、トレンチボリュームに対する曲げ損失の改善量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特性を説明する図である。本図は、共通トレンチが無い場合のコアの曲げ損失と、共通トレンチの付与による曲げ損失改善量との関係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特性を説明する図である。本図は、共通トレンチが無い場合のコアの曲げ損失と、共通トレンチの付与による遮断波長の変化量の関係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４コア構造以外のマルチコア構造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。また、特に記載しない限り「曲げ損失」は曲げ半径３０ｍｍであるときの損失である。
（実施形態１）
　図１は、マルチコア光ファイバの断面の構造を説明する図である。同図（ａ）は、従来のマルチコア光ファイバ５０の構造である。２以上のコア１１がクラッド１２の領域に存在している。なお、本図ではコアの屈折率プロファイルをステップ型としたが、任意の屈折率分布でもよく、グレーデッド型や各コア周辺が低屈折率領域で囲まれたW型、トレンチアシスト型でもよい。
　図１（ｂ）は、本実施形態のマルチコア光ファイバ５１の断面図を示す。クラッド１２内の複数のコア１１はリング状の低屈折率領域で囲まれている。以後、本低屈折率領域を共通トレンチ１３と呼ぶこととする。共通トレンチ１３はリング形状であり、クラッド１２の中心から当該リングの内側までの距離（内径）をＣ、共通トレンチ１３の幅をＷとする。また、コア１１の半径をａ、クラッド１２に対する比屈折率差をΔ＋、共通トレンチ１３のクラッド１２に対する比屈折率差をΔ－とする。
　なお、本発明は、図１に示す４コア構造以外のマルチコア構造にも適用可能であり、例えば、図１１に示すような様々なコア配置において、全てのコアを取り囲む低屈折率領域を付与してもよい。
　図２は、ａ＝４．５μｍ、Δ＋＝０．３％、Ｃ＝４０μｍ、Ｗ＝２０μｍ、Δ－＝－０．２％、曲げ半径１４０ｍｍとした時の、波長１６２５ｎｍにおける曲げ損失のクラッド厚依存性の計算結果を示す。クラッド厚とは、各コアの中心からクラッドの最外周（境界）までの最短距離を指す。
　一般に、マルチコア光ファイバの設計においては、コアをクラッド外側に配置することで曲げ損失が増加し、伝搬損失が増加することから適切なクラッド厚を設計しなければならない。図２より、共通トレンチが無い場合（図１（ａ）のマルチコア光ファイバ５０）で、曲げ損失が無視できるほど小さく（例えば１０－３ｄＢ／ｋｍ）するためには、およそ５０μｍのクラッド厚が必要である。
　一方、本実施形態のマルチコア光ファイバ５１は、共通トレンチを有することで、必要クラッド厚が４１μｍで曲げ損失を１０－３ｄＢ／ｋｍとすることができる。つまり、共通トレンチを有することで、従来よりクラッド径の小さなマルチコア光ファイバを設計することができ、被覆を厚くすることができるので機械的信頼性が向上する。また、クラッド径が従来と同じであれば、共通トレンチを有することで、コア密度を上昇させて従来より多くのコアを配置することができる。
　共通トレンチの設計は、Ｃ、Ｗ、及びΔ－がパラメータであるが、光学特性の設計では、共通トレンチの面積とΔ－の積であるトレンチボリュームｘをパラメータとして利用する。
　図３は、トレンチボリュームｘを一定（１２５７μｍ２％）とし、Ｃ、Ｗ、及びΔ－を変化させた時の曲げ損失の計算結果を示す。Ｃは３０～４０μｍ、Ｗは１０～２０μｍの範囲で変化させている。なお、コアの構造は、ａ＝４．５μｍ，Δ＋＝０．３％としている。また、波長は１６２５ｎｍ、曲げ半径は３０ｍｍとしている。
　結果より、Ｃ、Ｗ、Δ－が変化しても、トレンチボリュームｘが一定であれば曲げ損失特性はほぼ一定であることがわかる。つまり、トレンチボリュームｘを用いて共通トレンチによる曲げ損失の改善効果を見積もることができる。
　図４は、トレンチボリュームｘに対する曲げ損失の改善効果を計算した結果を説明する図である。曲げ損失改善効果とは、コア単体で計算される曲げ損失から共通トレンチ付与による低減分を示したもので、例えば図中の１０ｄＢの改善効果とは、共通トレンチ付与により曲げ損失が１／１０倍となることを示している。図４より、トレンチボリュームｘに対する曲げ損失改善効果は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 となる（上記式は図中の実線で示されている）。
　共通トレンチの付与により曲げ損失特性が向上するということは、伝搬する基本モードに対してのみならず、高次モードに対しても作用する。各コアがシングルモード動作する設計の場合は、所望の通信波長帯で高次モードが伝搬しないことが条件となるが、共通トレンチ付与により遮断波長が長波長化することを見込んで設計しなければならない。
　図５は、図４における計算と同条件の時、トレンチボリュームｘと遮断波長の変化を計算した結果を説明する図である。なお、縦軸のΔλは、コア単体での遮断波長λに対して、トレンチを付与したことでどれだけ遮断波長が長波長化したかを示すものである。図５より、遮断波長はトレンチボリュームｘが増加すると
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 の関係を満たすように長波長化する。なお、上式は同図の実線で示されている。
　また、曲げ損失や遮断波長に加え、光ファイバ通信においてはモードフィールド径（ＭＦＤ）も、接続損失や非線形特性に関わる重要なパラメータである。そこで、共通トレンチによるＭＦＤ変化を計算した。
　ここで、“Ｅ”をコアの境界と、共通トレンチの内径境界との最小値を示すコア－共通トレンチ距離と定義する。共通トレンチの比屈折率差Δ－を変化させた時の“Ｅ”は、図６の実線で示される。そして、図６において、当該実線の右上の領域が、共通トレンチを付与したことによるＭＦＤ変動（従来のマルチコア光ファイバのコアのＭＦＤに対する、本実施形態のマルチコア光ファイバのコアのＭＦＤの変動量）が１％未満の領域である。
　つまり、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 とすれば、共通トレンチの付与によるＭＦＤの変化を１％以下とすることができ、ほぼＭＦＤの変化は伝送特性上無視することができる。
（実施形態２）
　次に、共通トレンチによる効果のコア構造依存性を確認した。
　図７は、コアの半径ａと比屈折率差Δ＋について、遮断波長が１２６０ｎｍ（曲線Ｌ１）となるコアの構造領域、曲げ損失が０．１ｄＢ／１００ｔｕｒｎ（曲線Ｌ２）、１ｄＢ／１００ｔｕｒｎ（曲線Ｌ３）、及び１０ｄＢ／１００ｔｕｒｎ（曲線Ｌ４）となるコアの構造領域、並びにＭＦＤが８．２μｍ（曲線Ｌ５）及び９．６μｍ（曲線Ｌ６）となるコアの構造領域を示した図である。なお、ＩＴＵ－Ｔにおける通常のシングルモードファイバ勧告であるＧ．６５２．Ｄの規格（非特許文献８を参照。）においては、遮断波長が１２６０ｎｍ、曲げ損失が０．１ｄＢ／１００ｔｕｒｎ、及びＭＦＤが８．２μｍ～９．６μｍである。図７では、共通トレンチの付与による曲げ損失の改善を考慮し、１ｄＢ／１００ｔｕｒｎ，１０ｄＢ／１００ｔｕｒｎの条件も記載している。所望の曲線（Ｌ１～Ｌ６）に囲まれるコアの構造領域が、通常ＳＭＦにおける設計範囲となる。
　例えばＧ．６５２規格に整合した光学特性を実現しようとするならば、共通トレンチで遮断波長が長波長化するため、遮断波長＝１２６０ｎｍのコア構造に共通トレンチを付与するのではなく、曲げ損失が高いコア構造で検討する必要がある。ここでは、３つの曲げ損失設計条件（Ｌ２～Ｌ４）において、ＭＦＤが最も小さい設計（Ｌ５）、大きい設計（Ｌ６）でそれぞれ３種の構造を検討すれば十分である。図７に示したポイント（Ｐ１～Ｐ６）の６種のコア構造において共通トレンチ付与による曲げ損失の改善効果を計算した。
　図８は、トレンチボリュームｘに対する曲げ損失改善量ΔαＢを示した図である。図８より次のことがわかる。
（ａ）曲げ損失改善量ΔαＢはコア構造に依存して変化する。
（ｂ）曲げ損失特性が同じコア構造では、ＭＦＤに関わらず、曲げ損失改善量ΔαＢはほぼ同じである。
（ｃ）トレンチボリュームｘと曲げ損失改善量ΔαＢとの関係を示す曲線形状は、どのコア構造でもほぼ同じであり、切片が変化するだけである。
　図９は、トレンチボリュームｘが２２００μｍ２％である時の曲げ損失改善量ΔαＢのコア構造依存性を示した図である。横軸は、コアが単体で存在していた時の曲げ損失（従来のマルチコア光ファイバのコアの曲げ損失）αＢである。縦軸は、曲げ損失改善量ΔαＢである。曲げ損失改善量ΔαＢのコア構造依存性（曲げ損失についてのコア構造）は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 で示すことができる。
　つまり、共通トレンチ付与による曲げ損失改善量ΔαＢは、式（１）に式（４）の切片を付加したものであり、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 で見積もることができる。
　図１０は、図９と同条件における遮断波長の変化を説明する図である。ここでは、トレンチボリュームが１２６０または２２００μｍ２％としている。図９の曲げ損失改善量のコア依存性とは異なり、コア単体での曲げ損失がいかなる値であっても、遮断波長の変化はトレンチボリュームｘのみに依存している。
　つまり、コアの構造が、コア単体を仮定した時の曲げ損失αＢ及びカットオフ波長がλｃｃであった時、所望の曲げ損失目標値αＢ０及びカットオフ波長λｃｃ０となるようにするためには、トレンチボリュームｘを
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 となるよう設計すればよい。
　例えば、通常ＳＭＦと同等の特性を得るためには、曲げ半径３０ｍｍにおいて、αＢ０＜０．１ｄＢ／１００ｔｕｒｎ、λｃｃ０＜１２６０ｎｍとすればよい。
　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。
１１：コア
１２：クラッド
１３：共通トレンチ
５０、５１：マルチコア光ファイバ

Claims (4)

  1. 　マルチコア光ファイバであって、
    　クラッドの屈折率より低い屈折率を持ち、断面において全てのコアを囲むリング状の共通トレンチを備え、
    　前記コアと前記クラッドとの境界から前記共通トレンチの内径までの最小値Ｅ（μｍ）が数Ｃ１を満たすことを特徴とするマルチコア光ファイバ。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     ただし、Δ－は前記共通トレンチの前記クラッドに対する比屈折率差（％）である。
  2. 　前記共通トレンチは、数Ｃ２のトレンチボリュームｘを満たす内径Ｃ（μｍ）とリング幅Ｗ（μｍ）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。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     　ただし、ｘ（μｍ２％）は、前記マルチコア光ファイバの断面における前記共通トレンチの面積と前記共通トレンチの比屈折率差の絶対値Δ－の積、
    　αＢ０は、前記コアの所望の曲げ損失（ｄＢ／１００ｔｕｒｎ）、
    　λｃｃ０は、前記コアの所望のカットオフ波長（ｎｍ）
    　αＢは、前記共通トレンチが無い場合の前記コアの曲げ損失（ｄＢ／１００ｔｕｒｎ）、
    　λｃｃは、前記共通トレンチが無い場合の前記コアの所望のカットオフ波長（ｎｍ）
    である。
  3. 　マルチコア光ファイバの設計方法であって、
    　前記マルチコア光ファイバは、クラッドの屈折率より低い屈折率を持ち、断面において全てのコアを囲むリング状の共通トレンチを備えており、
    　前記コアと前記クラッドとの境界から前記共通トレンチの内径までの最小値Ｅ（μｍ）を数Ｃ１を満たすように設計することを特徴とする設計方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
     ただし、Δ－は前記共通トレンチの前記クラッドに対する比屈折率差（％）である。
  4. 　数Ｃ２のトレンチボリュームｘを満たすように、前記共通トレンチの内径Ｃ（μｍ）とリング幅Ｗ（μｍ）を設計することを特徴とする請求項３に記載の設計方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
     　ただし、ｘ（μｍ２％）は、前記マルチコア光ファイバの断面における前記共通トレンチの面積と前記共通トレンチの比屈折率差の絶対値Δ－の積、
    　αＢ０は、前記コアの所望の曲げ損失（ｄＢ／１００ｔｕｒｎ）、
    　λｃｃ０は、前記コアの所望のカットオフ波長（ｎｍ）
    　αＢは、前記共通トレンチが無い場合の前記コアの曲げ損失（ｄＢ／１００ｔｕｒｎ）、
    　λｃｃは、前記共通トレンチが無い場合の前記コアの所望のカットオフ波長（ｎｍ）
    である。
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