(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
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が問題となり、伝送の大容量化が制限されている。これらの制限を緩和するためには、光ファイバに導波する光の密度を低減する必要があり、非特許文献1、2に示すように大コアファイバが検討されている。
【0003】
しかし、曲げ損失低減、単一モード動作領域の拡大、実効断面積の拡大は互いにトレードオフの関係にあり、所定の条件下における実効断面積の拡大量には限界があるという課題があった。そこで、非特許文献3に示すように伝送容量の拡大に向けて伝送用光ファイバにマルチモードを用い、複数の伝搬モードを用いて信号を並列に伝送するモード多重伝送が検討されている。
【0004】
モード多重伝送システムにおいては、各送信信号はそれぞれ異なる伝搬モードを通じて伝搬することから、全てのモードが、所望の曲げ損失を実現しなければならない。例えば、ITU−T G.656で推奨される曲げ損失は、曲げ半径30mmにおいて0.5dB/100turn以下である。
【0005】
また、N個の信号を用いたモード多重伝送を実現するためには、光ファイバは少なくともN以上の伝搬モードを有する必要がある。
【0006】
また、それぞれのモードの実効断面積は、光ファイバ中で発生する非線形効果を低減するために大きいほうがよい。
【0007】
モード多重伝送システムにおいては、モードの数だけ並列伝送が可能であり、モード数の拡大は伝送容量の拡大につながることから、光ファイバのモード数を拡大することが効果的である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】T. Matsui, et al.,“Applicability of Photonic Crystal Fiber With Uniform Air−Hole Structure to High−Speed and Wide−Band Transmission Over Conventional Telecommunication Bands”, J. Lightwave Technol. 27, pp.5410−5416, 2009.
【非特許文献2】K.Mukasa, K.Imamura, R.Sugizaki and T.Yagi,“Comparisons of merits on wide−band transmission systems between using extremely improved solid SMFs with Aeff of 160μm2 and loss of 0.175dB/km and using large−Aeff holey fibers enabling transmission over 600 nm bandwidth”, the Proceedings of OFC2008,OthR1,Feb.2008.
【非特許文献3】N. Hanzawa, Kunimasa Saitoh, Taiji Sakamoto, Takashi Matsui, Shigeru Tomita, Masanori Koshiba,“Demonstration of mode−division multiplexing transmission over 10 km two−mode fiber with mode coupler”, OFC2011, paper OWA4 (2011)
【非特許文献4】岡本著 “光導波路の基礎” コロナ社
【非特許文献5】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).
【非特許文献6】Y. Katsuyama, M. Tokuda, N. Uchida, and M. Nakahara,“New method for measuring the V−value of a single−mode optical fiber”,Electron. Lett., vol.12, pp.669−670, Dec. 1976.
【非特許文献7】M. B−Astruc et al.,“Design and fabrication of weakly−coupled few−modes fibers”, IEEE summer topicals, paper TuC1.1 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかし、伝搬モード数が4である光ファイバでは、3モード目(LP21モード)と4モード目(LP02モード)の実効屈折率の差が小さいため、ファイバ中でモード間クロストークが発生しやすい。このため、伝搬モード数が4である光ファイバには、受信端においてクロストークを補償するためのMIMO等化器が必要となり、システムの構造が複雑になるという課題がある。
【0010】
さらに、伝搬モード数が4である光ファイバでは、LP01、LP11、LP21のモード間の電界の重なり積分が0であり、接続点においてこれらのモード間で結合が生じにくいが、LP01とLP02のモードの電界が互いに同相成分しか有しておらず接続点でモード変換が生じやすいという課題もある。
【0011】
上記課題を解決するため、4モード目のLP02モードを伝搬させない光ファイバが期待される。しかしながら、ステップ型光ファイバの3モード領域は、3モード目(LP21モード)と4モード目(LP02モード)のカットオフv値がほぼ同一であるため(例えば、非特許文献4、5を参照。)、ステップ型光ファイバでは伝搬モードを3に限定することはできないという課題があった。
【0012】
そこで、本発明は、前記の課題を解決するために、LP02モードを遮断して伝搬モード数を3とする光ファイバを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記目的を達成するために、本発明は、コアをリング状にする、もしくはコアの周りに空孔を配置することとした。
【0014】
具体的には、本発明に係る光ファイバは、センタコアと、前記センタコアを包囲するリングコアと、前記リングコアを包囲するクラッドと、を有し、前記センタコアの屈折率が前記リングコアの屈折率より低いことを特徴とする。センタコアとリングコアの屈折率を調整することでLP02モードを遮断することができる。従って、本発明は、LP02モードを遮断して伝搬モード数を3とする光ファイバを提供することができる。
【0015】
本発明に係る光ファイバは、前記センタコアの屈折率が前記クラッドの屈折率より低いことが好ましい。
【0016】
そのためには、前記センタコアは、フッ素を添加した石英又は空孔であることとする。
【0017】
また、本発明に係る光ファイバの前記センタコアの直径をd、前記センタコアの中心から前記リングコアまでの半径をaとしたとき、d/(2a)≧0.3としてもよい。
【0018】
一方、他の構造の本発明に係る光ファイバは、コアと、前記コアを包囲するクラッドと、前記クラッド内に、光の伝搬方向に連続的、且つ光の伝搬方向に直交する断面内で離散的に設けられる空孔部と、を備える。コアの周りに空孔を配置することでLP02モードを遮断することができる。従って、本発明は、LP02モードを遮断して伝搬モード数を3とする光ファイバを提供することができる。
【発明の効果】
【0019】
本発明は、LP02モードを遮断して伝搬モード数を3とする光ファイバを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【
図1】本発明に係る光ファイバの断面を説明する図である。
【
図2】本発明に係る光ファイバにおいて、センタコアの直径dを変化させた時の各伝搬モードの実効屈折率の変化を説明する図である。
【
図3】本発明に係る光ファイバにおいて、伝搬モードを3とし、所望の曲げ損失を満たすためのaとΔの領域およびLP01モードの実効断面積を説明する図である。
【
図4】本発明に係る光ファイバにおいて、伝搬モードを3とし、所望の曲げ損失を満たすためのaとΔの領域およびLP11モードの実効断面積を説明する図である。
【
図5】本発明に係る光ファイバにおいて、伝搬モードを3とし、所望の曲げ損失を満たすためのaとΔの領域およびLP21モードの実効断面積を説明する図である。
【
図6】本発明に係る光ファイバにおいて、伝搬モードを3とし、所望の曲げ損失を満たすためのaとΔの領域およびLP01−LP11モード間の実効屈折率差を説明する図である。
【
図7】本発明に係る光ファイバにおいて、伝搬モードを3とし、所望の曲げ損失を満たすためのaとΔの領域およびLP11−LP21モード間の実効屈折率差を説明する図である。
【
図8】W型屈折率分布光ファイバの屈折率分布を説明する図である。
【
図9】本発明に係る光ファイバの屈折率分布を説明する図である。
【
図10】本発明に係る光ファイバの屈折率分布を説明する図である。
【
図11】W型屈折率分布光ファイバにおいて、b/a=2.25、Δ
2=−0.5%の時の、伝搬モードを3とし、所望の曲げ損失を満たすためのaとΔの領域、LP01モードの実効断面積およびLP01−LP11モード間の実効屈折率差を示したものである。
【
図12】本発明に係る光ファイバの断面を説明する図である。
【
図13】本発明に係る光ファイバにおいて、コアのΔが0.8%である時の、曲げ損失0.5dB/100turn、伝搬モード数を3とするための設計範囲を説明する図である。
【
図14】本発明に係る光ファイバにおいて、コアのΔが0.9%である時の、曲げ損失0.5dB/100turn、伝搬モード数を3とするための設計範囲を説明する図である。
【
図15】本発明に関連する光ファイバ伝送システムを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
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。
【0022】
(実施形態1)
図1は、本実施形態の光ファイバの断面図である。本実施形態の光ファイバは、センタコア10と、センタコア10を包囲するリングコア20と、リングコア20を包囲するクラッド30と、を有し、センタコア10の屈折率がリングコア20の屈折率より低いことを特徴とする。
【0023】
図9は、本実施形態の光ファイバの屈折率分布を説明する図である。本光ファイバは、リング状のリングコア20を有する。リングコア20は、コア半径がa、クラッドの屈折率に対するリングコア20の比屈折率差Δが0より大きい。そして、センタコア10は、直径がd、クラッドの屈折率に対するセンタコア10の比屈折率差Δ
2がΔ未満である。
【0024】
ΔとΔ
2は以下の式であらわされる。
【数1】
【数2】
なお、リングコア20の屈折率、センタコア10の屈折率、クラッドの屈折率をそれぞれn
core,n
center,n
cladとしている。
【0025】
図2は、本光ファイバにおいて、a=7.0μm、Δ=0.9%、Δ
2=0の時の、dに対する各モードの実効屈折率の変化を説明する図である。dが大きくなると、中心に電界のピークが存在するLP01、LP02モードが大きな影響を受け、低下していることがわかる。また、d/(2a)を0.3以上とすることで、LP02モードの実効屈折率をLP31以下とすることができ、効率的にLP02モードを放射させ、LP01,LP11,LP21の3モードを伝搬させることができる。
【0026】
図3から
図5は、使用波長帯を1530〜1565nm、曲げ損失を0.5dB/100turn以下、伝搬モード数が3となる光ファイバのΔとaの範囲を計算した結果を示した図である。
図3から
図5において、細い曲点線はLP01,LP11,LP21モードの実効断面積を表している。太い曲線、太い曲点線、及び太い曲破線はそれぞれLP02、LP31のカットオフ波長が1530nmとなる光ファイバのΔとaの範囲、LP21モードの曲げ損失が曲げ半径30mmにおいて0.5dB/100turnとなる光ファイバのΔとaの範囲を示している。
【0027】
ここで、4モード目が伝搬しない条件は、使用波長帯において4個目の伝搬モードであるLP02、あるいはLP31モードの曲げ半径140mmにおける曲げ損失が1dB/m以上であることを条件とした。本条件は、遮断波長の測定に曲げ半径140mmが用いられていること(非特許文献6を参照。)と、不要な高次モードの損失が1dB/m以上になると信号の伝送に影響を及ぼさない(非特許文献1を参照。)という仮定に基づいている。また、曲げ損失に関しては、ITU−Tのファイバ勧告G.656に記載の曲げ損失上限値が0.5dB/100turnであることを基にしている。
【0028】
上記計算の結果、
図3から
図5の網掛けの領域内の設計であれば、伝搬モードが3であり、それらのモードの曲げ損失が曲げ半径30mmにおいて0.5dB/100turn以下となる光ファイバが実現できる。
【0029】
図6及び
図7は、
図3から
図5の細い曲点線をLP01−LP11モード間、またはLP11−LP21モード間の実効屈折率差に変えたものである。モード結合を抑圧するために必要な実効屈折率差は、0.5×10
−3とした(非特許文献7を参照。)。本光ファイバの設計では、実効屈折率差が上記値以上であることから、3モード間のクロストークを抑圧でき、3モード多重伝送が実現できることがわかる。
【0030】
なお、
図10の光ファイバの屈折率分布ように、センタコア10の屈折率が低ければ低いほどLP02モードの実効屈折率を下げる効果が高くなる。具体的には、センタコア10にフッ素を添加した石英や、空孔を設けることで、Δ
2<0とし、効果的に3モードファイバを実現することもできる。
【0031】
(比較例)
図8に示すW型屈折率分布でも3モード光ファイバを実現できる。W型屈折率分布光ファイバは、コア半径がaμm、比屈折率差Δ
1>0であるコアと、比屈折率差Δ
2<0の低屈折領域(トレンチ)を有する。トレンチとクラッドの境界までの半径をbとする。
【0032】
図3から
図5での説明と同様に使用波長帯を1530〜1565nm、曲げ損失を0.5dB/100turn以下、伝搬モード数が3となる光ファイバのΔ
1とaの範囲を計算した。その計算結果を
図11に示す。計算では、b/a=2.25、Δ
2=−0.5%としている。本実施形態の光ファイバのΔとaの範囲(
図3〜
図5)とW型屈折率分布光ファイバのΔ
1とaの範囲(
図11)を比較すると、
図11における網掛けの領域(曲げ損失が上記の条件を満たす領域)が狭く、製造誤差により設計範囲から外れてしまう可能性がある。つまり、
図1のような構造を採用することで、製造マージンが広く、より安定に3モード光ファイバを製造できることがわかる。
【0033】
また、
図11には、W型屈折率分布光ファイバのLP01モードの実効断面積およびLP01モードとLP11モードの実効屈折率差を示している。実効屈折率差はモード結合を抑圧するのに十分な値となっている一方で、実効断面積が80μm
2以下となっている。つまり、
図1のような構造を採用することで、実効断面積の拡大も図ることができ、低非線形光ファイバを実現することができる。
【0034】
従来のシングルモード光ファイバの実効断面積が80μm
2である。本実施形態の3モード光ファイバは伝搬モードの実効断面積がW型屈折率分布光ファイバでは実現できない80μm
2以上の値を有することが可能である。つまり、本実施形態の3モード光ファイバを利用すれば、既存のシングルモード光ファイバを用いたシステムと同じ中継器間隔や伝送パワーなどのシステム設計を採用することができ、コスト的に有利なモード多重伝送システムを構築することができる。
【0035】
(実施形態2)
図12は、本実施形態の光ファイバの断面図である。本実施形態の光ファイバは、コア40と、コア40を包囲するクラッド50と、クラッド50内に光の伝搬方向に連続的、且つ光の伝搬方向に直交する断面内で離散的に設けられる空孔部60と、を備える。
【0036】
本光ファイバは、屈折率n
1であるコア40とn
2であるクラッド50と、クラッドに複数の空孔60が正六角形状に配置され、n
1>n
2である。なお、コア40を囲む空孔60は1層の場合として表記しているが、2層以上でもよい。また、
図12では空孔60の配置を正六角形状としたが、他の正多角形状または円環状であってもよい。コア40の半径をa、空孔60の直径をd
1、空孔60の内接円の半径をRとする。
【0037】
本光ファイバの構造においてn
1>n
2の条件を満たすために、コア40の材料をゲルマニウム(Ge)またはアルミニウム(Al)など屈折率を増加させる不純物を添加した石英とし、クラッド50の材料を純石英とする。また、コア40の材料を純石英とし、クラッド50の材料をフッ素(F)またはボロン(B)など屈折率を低減させる不純物を添加した石英としてもよい。また、コア40を前記の屈折率を増加させた石英、クラッド50を前記の屈折率を低下させた石英としてもよい。
【0038】
図13は、クラッド50に対するコア40の比屈折率差Δが0.8%である場合の、使用波長帯を1530〜1565nm、曲げ損失を0.5dB/100turn以下、伝搬モード数が3となる設計範囲を計算したものである。
【0039】
なお、マーカーが+または×の線はそれぞれLP02のカットオフ波長が1530nm、LP21モードの曲げ損失が曲げ半径30mmにおいて0.5dB/100turnとなる構造を示している。
【0040】
ここで、4モード目が伝搬しない条件は、使用波長帯において4個目の伝搬モードであるLP02モードの曲げ半径140mmにおける曲げ損失が1dB/m以上であることを条件とした。本条件は、遮断波長の測定に曲げ半径140mmが用いられていること(非特許文献6を参照。)と、不要な高次モードの損失が1dB/m以上になると信号の伝送に影響を及ぼさない(非特許文献1を参照。)という仮定に基づいている。
【0041】
図14は、クラッド50に対するコア40の比屈折率差Δが0.9%である場合の、使用波長帯を1530〜1565nm、曲げ損失を0.5dB/100turn以下、伝搬モード数が3となる設計範囲を計算したものである。
図13の結果と同様に、d1やRを制御することで、伝搬モード数を3に制限しつつ、所望の曲げ損失特性を実現できることがわかる。
【0042】
例えば、コアの比屈折率差が0.8%の時、a=6.3μm、d
1/(2a)=0.35、R/a=1.07とすることで、基本モードの実効断面積が80μm
2となり、従来のシングルモードファイバの実効断面積と同等となる。
【0043】
また、コアの比屈折率差が0.9%の時、a=5.8μm、d
1/(2a)=0.35、R/a=1.12とすることで、基本モードの実効断面積が71μm
2となり、従来のシングルモードファイバの実効断面積と同等の値を実現することができる。
【0044】
(実施形態3)
図15は、本実施形態の光ファイバ伝送システム300を説明する図である。
【0045】
N個の送信機100から発せられる信号は、モード合波器140においてそれぞれ異なるモードに変換され、合波されたのちに光ファイバ150に入射される。光ファイバ150の出射端では、モード分波器160により同様にN個のポートに分波され、それぞれ受信機200で受信される。光ファイバ150は、
図1又は
図12で説明した伝搬モード数が3である光ファイバである。
【0046】
光ファイバ150では3個のLPモードが存在しており、それぞれのLPモードには縮退モードと呼ばれる同等の特性を有するモードが複数存在している。それらの縮退モード(直交偏波モードを含む)の数は、
図1の光ファイバでは8個であることから、Nは最大8となる。ただし、上記の送受信機の数は、単一の波長におけるものであり、波長多重伝送システムを構築する場合は、最大で8×波長多重数の送信機100及び受信機200が必要となる。
【0047】
[付記]
以下は、本発明に係る光ファイバを説明したものである。
(1):リング状のコア部と、前記リング状のコア領域の内部に存在する低屈折率領域と、それらを包囲するクラッド部により構成され、LP02モードの伝搬は遮断し、伝搬モード数を3とすることを特徴とする光ファイバ。
(2):前記コア部の内部に存在する低屈折率領域が、石英、屈折率を低下させる物質が添加された石英、もしくは空孔であることを特徴とする上記(1)に記載の光ファイバ。
(3):前記低屈折率領域の直径をd、コア半径をaとしたとき、d/2a>0.3であることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の光ファイバ。
(4):コア部と、前記コア部を包囲するクラッド部と、前記クラッド部内にて、光ファイバ軸方向に連続的に、且つ光ファイバ軸方向に直交する断面内で離散的に設けられる空孔部とを備え、前記コア部は前記クラッド部の材料の屈折率より高い屈折率の材料で構成され、LP02モードの伝搬は遮断し、伝搬モード数を3とすることを特徴とする光ファイバ。
【0048】
本発明は、LP02モードが伝搬せず、ファイバ中および接続点でのモード間クロストークが抑圧可能であり、受信端でMIMO等化器が不要なモード多重伝送システムを構築可能な3モード光ファイバを提供するものである。
【0049】
本発明によれば、3モード多重伝送システムにおいて受信端でMIMO等化器が不要であり、低コストなシステムが構築できるという効果を奏する。
【0050】
さらに、本発明によれば、2モード多重伝送システムより伝送容量を増加させることができる効果を奏する。3モードファイバを実現する設計領域が広くなり、製造誤差の要求条件が緩和されるという効果を奏する。
【0051】
さらに、本発明によれば、実効断面積が従来のシングルモード光ファイバより大きい3モード光ファイバを実現でき、ファイバ中で発生する非線形現象を抑圧できるという効果を奏する。