特開 2023-36400 マルチコア光ファイバ及び光伝送システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023036400

(43)【公開日】2023-03-14

(54)【発明の名称】マルチコア光ファイバ及び光伝送システム

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/02 20060101AFI20230307BHJP

   G02B 6/036 20060101ALI20230307BHJP

   H04J 14/04 20060101ALI20230307BHJP

【ＦＩ】

G02B6/02 461

G02B6/036

H04J14/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021143431

(22)【出願日】2021-09-02

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504173471

【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学

(74)【代理人】

【識別番号】100119677

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100160495

【弁理士】

【氏名又は名称】畑 雅明

(74)【代理人】

【識別番号】100115794

【弁理士】

【氏名又は名称】今下 勝博

(72)【発明者】

【氏名】寒河江 悠途

(72)【発明者】

【氏名】中島 和秀

(72)【発明者】

【氏名】坂本 泰志

(72)【発明者】

【氏名】松井 隆

(72)【発明者】

【氏名】藤澤 剛

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 晋聖

【テーマコード（参考）】

2H250

5K102

【Ｆターム（参考）】

2H250AC61

2H250AC64

2H250AC83

2H250AC94

2H250AC95

2H250AC96

2H250AC97

2H250AD14

2H250AD32

2H250AD34

2H250AE25

2H250AE64

2H250AE74

5K102AA06

(57)【要約】

【課題】本開示は、製造性を考えた標準クラッド径のマルチコア光ファイバの設計を可能にすることを目的とする。
【解決手段】本開示は、二つ以上の光波モードが伝搬するコアを二つ以上有し、屈折率が前記コアより低く、すべての前記コアを包含するように配置されたクラッドを有し、屈折率が前記クラッド以上かつ前記コア未満であり、前記クラッドを囲むように同心軸上に配置された最外層を有し、前記コアにおいて伝搬される最高次の伝搬モードの前記コア間のクロストークが－３９ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とするマルチコア光ファイバである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

二つ以上の光波モードが伝搬するコアを二つ以上有し、
屈折率が前記コアより低く、すべての前記コアを包含するように配置されたクラッドを有し、
屈折率が前記クラッド以上かつ前記コア未満であり、前記クラッドを囲むように同心軸上に配置された最外層を有し、
前記コアにおいて伝搬される最高次の伝搬モードの前記コア間のクロストークが－３９ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とするマルチコア光ファイバ。

【請求項2】

前記コアは、波長１．５３μｍ以上の波長において、ＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードを伝搬し、ＬＰ２１モードを遮断す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。

【請求項3】

前記最外層の直径が１２５μｍであり、
前記コアのコア半径およびコア間距離をａおよびΛとすると、
ａ≦（Λ＋１７６７）／３２４．２ かつ
９５６．５－３０７．９ａ＋２５．７ａ^２≦Λ
≦－１３３６．２＋４６７．９ａ－３９．５ａ^２
を満たす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。

【請求項4】

前記コアのコア半径ａが５．６μｍ以上であり、
前記コアの中心から前記最外層の外径までの距離をｔ、前記最外層の屈折率をΔ_２とすると、
Δ_２≧０．４４＋（ａ－５．６）^０．６３ かつ
ｔ≧８０９．７－２６８．５ａ＋２３．１ａ^２
であり、
前記コアのコア間距離Λが
Λ≧３５．６×１０^－４（ａ－５．４）^－４．２＋３５．３
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。

【請求項5】

前記コアのコア半径ａが５．６μｍ以上であり、
前記最外層の直径が１２５μｍであり、
前記クラッドに前記コアが４つ配置されており、
光の波長が１．５５μｍである場合の前記コアのＬＰ０１モードのモードフィールド径が９．５μｍ以上であり、
光の波長が１．６２５μｍである場合の前記コアのＬＰ１１モードの漏洩損失が０．０１ｄＢ／ｋｍ以下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。

【請求項6】

前記コア半径ａが５．６μｍ以上であり、
前記最外層の直径が１２５μｍであり、
前記クラッドに前記コアが４つ配置されており、
前記コア間距離Λ及び前記コア半径ａが、
３５．６×１０^－４（ａ－５．４）^－４．２＋３５．３≦Λ
≦－１２４８．５＋４４６．８ａ－３８．６ａ^２
を満たす請求項２に記載のマルチコア光ファイバ。

【請求項7】

４つ以上の送信機と、
前記送信機によって生成された信号光を２つ以上の光波モードに変換する２つ以上のモード合波器と、
前記合波器から出射される光を請求項１から６のいずれかに記載のマルチコア光ファイバの各コアへ結合する光結合部と、
前記マルチコア光ファイバの各コアから信号光を抽出する光抽出部と、
前記光抽出部から出射される信号光を二つ以上の光波モードに分離する２つ以上のモード分離器と、
前記モード分離器から出射される信号光を受信する４つ以上の受信機と、
を有することを特徴とする、
光伝送システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、各コアで複数の光波モードの光を伝搬するマルチコア光ファイバに関する。

【背景技術】

【0002】

将来の大容量光ネットワーク実現に向けて空間分割多重技術の研究が盛んに行われている。空間分割多重技術は１本の光ファイバに複数の空間チャネル（コア、光波モード）を収めることにより従来の光ファイバと比較して光ファイバ１本当たりの伝送容量の飛躍的な向上が期待されている。複数のコアを有するマルチコア光ファイバでは、製造性および既存設備との整合性の鑑定観点から、標準光ファイバと同等の直径１２５μｍのクラッド（標準クラッド）に単一モードが伝搬可能な同種コアを配置する構造が注目されている（例えば、非特許文献１参照。）。更なる伝送容量拡大に向けて直径１２５μｍのクラッドに、３つの光波モードが伝搬可能な同種コアを配置した数モードマルチコア光ファイバも実現されている。（例えば、非特許文献２参照。）

【0003】

マルチコア光ファイバ伝送システムでは良好な伝送特性を得るために、コア間で信号が干渉するコア間クロストーク（以下、ＸＴと称する場合がある。）を抑制することが必要であり、コア間隔の縮小に伴ってＸＴは増大する。マルチコア光ファイバを用いた長距離伝送ではＸＴを－３９ｄＢ／ｋｍ以下とすることが求められており、非特許文献２では－５０ｄＢ／ｋｍ以下のＸＴが実現されている。数モードの伝搬を許容するマルチコア光ファイバでは、高次モードの漏洩を抑制するためにコア間隔を縮小する必要があるため、十分なＸＴの抑制が困難である。非特許文献２ではこの高次モードの漏洩とＸＴのトレードオフを緩和するためにコア間に空孔を配置しているが、製造コストが増加する。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Ｔ． Ｍａｔｓｕｉ ｅｔ ａｌ．， “Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ １２５ μｍ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｆｕｌｌ－ｂａｎｄ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ，” ２０１５ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ （ＥＣＯＣ）， Ｖａｌｅｎｃｉａ， Ｓｐａｉｎ， ２０１５， ｐｐ． １－３， ｄｏｉ： １０．１１０９／ＥＣＯＣ．２０１５．７３４１９６６．

【非特許文献2】Ｓ． Ｎｏｚｏｅ ｅｔ ａｌ．， “１２５ μｍ－ｃｌａｄｄｉｎｇ ２ＬＰ－ｍｏｄｅ ａｎｄ ４－ｃｏｒｅ Ｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅ Ｆｉｂｒｅ ｗｉｔｈ Ａｉｒ－ｈｏｌｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ ｉｎ Ｃ＋Ｌ Ｂａｎｄ，” ２０１７ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ （ＥＣＯＣ）， Ｇｏｔｈｅｎｂｕｒｇ， ２０１７， ｐｐ． １－３， ｄｏｉ： １０．１１０９／ＥＣＯＣ．２０１７．８３４６１６７．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本開示は、製造性を考えた標準クラッド径のマルチコア光ファイバの設計を可能にすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示のマルチコア光ファイバは、
二つ以上の光波モードが伝搬するコアを二つ以上有し、
屈折率が前記コアより低く、すべてのコアを包含するように配置されたクラッドを有し、
屈折率が前記クラッド以上かつ前記コア未満であり、前記クラッドを囲むように同心軸上に配置された最外層を有し、
前記コアにおいて伝搬される最高次の伝搬モードの前記コア間のクロストークが－３９ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする。

【0007】

本開示の光伝送システムは、
４つ以上の送信機と、
前記送信機によって生成された信号光を２つ以上の光波モードに変換する２つ以上のモード合波器と、
前記合波器から出射される光を本開示のマルチコア光ファイバの各コアへ結合する光結合部と、
前記マルチコア光ファイバの各コアから信号光を抽出する光抽出部と、
前記光抽出部から出射される信号光を二つ以上の光波モードに分離する２つ以上のモード分離器と、
前記モード分離器から出射される信号光を受信する４つ以上の受信機と、
を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、標準クラッド径のマルチコア光ファイバを高い製造性で実現する効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示のマルチコア光ファイバの断面の一例を示す。

【図2】Δ_２＝０％におけるａとΛの一例を示す。

【図3】本開示の３モードマルチコア光ファイバを実現する最外層屈折率の一例を示す。

【図4】本開示の３モードマルチコア光ファイバのクラッド厚の一例を示す。

【図5】本開示の３モードマルチコア光ファイバのコア間距離の一例を示す。

【図6】本開示の標準外径３モード４コアファイバの一例を示す。

【図7】本開示の光ファイバを用いた光伝送システムの一例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。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。

【0011】

図１に本開示の実施形態に係るマルチコア光ファイバの断面図を示す。本実施形態のマルチコア光ファイバは、二つ以上のコア１１と、すべてのコア１１の周方向を取り囲むクラッド１２と、クラッド１２を取り囲む最外層１３と、を備える。クラッド１２及び最外層１３の断面形状は円形であり、これらは同心軸上に配置されている。クラッド１２内に配置されるコア１１の数は任意であるが、ここでは一例として４コアを配した構成で示す。

【0012】

本開示は空孔を用いずに非特許文献２と同等の特性を有する標準クラッド径の数モードマルチコア光ファイバを実現するものであり、非特許文献２との差分は下記３点である。
（ｉ）高次モードの漏洩とＸＴ増大のトレードオフを緩和するために、光の閉じ込め効果が高いコア１１を用いる。
（ｉｉ）過剰な閉じ込め効果により伝搬する不要な高次モードを、クラッド１２より屈折率の高い最外層１３を付与することでカットオフする。
（ｉｉｉ）最外層１３をコアごとに付与するのではなく、共通化することにより幾何学的な制約を緩和する。
以下、コア１１が光波モードであるＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードを導波し、不要な高次モードがＬＰ２１モードである場合について、詳細に説明する。

【0013】

本実施形態のマルチコア光ファイバは、図１に示すように、２つ以上の光波モードを伝搬する４つのコア１１がクラッド１２に配置され、クラッド１２を取り囲むように同心軸上に最外層１３が配置される。この時、クラッド１２の屈折率はコア１１より低く、最外層１３の屈折率はクラッド１２以上、かつコア１１未満に設定される。

【0014】

ここで、コア半径をａ、クラッド１２に対するコア１１の比屈折率差をΔ_１、クラッド１２に対する最外層１３の比屈折率差をΔ_２、コア間距離をΛ、コア１１の中心から最外層１３の内径までの距離をｓ、コア１１の中心から最外層１３の外径までの距離（クラッド厚）をｔとする。なお、図１ではコア数が４で正方格子上に配置した時を示したが、２つ以上の任意のコア数および円環上配置や六方最密配置でもよい。

【0015】

図２に本開示に係るマルチコア光ファイバの一例として、Δ_２＝０％とし、最外層１３の直径が標準クラッドと同等の直径１２５μｍであるとき、光波モードであるＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードを導波するコアを４つ配置する構成の光学特性について、ａおよびΛ依存性を示す。ここで、Δ_１により波長１．５５μｍでＬＰ０１モードのモードフィールド径（以下、ＭＦＤと略記することがある。）は標準的な単一モードを伝搬するマルチコア光ファイバと同等の９．５μｍとしている。

【0016】

図中の直線Ｌ２１はＬＰ２１モードを波長１．５３μｍで遮断する構造の境界線、破線Ｌ２２はＬＰ１１モード間のＸＴが－３９ｄＢ／ｋｍ以下となる構造の境界線、および一点鎖線Ｌ２３はＬＰ１１モードの漏洩損失が０．０１ｄＢ／ｋｍとなる構造の境界線をそれぞれ示している。それぞれの境界線で囲まれる灰色の領域を満たすａおよびΛ依存性を用いることで、最外層１３の直径が１２５μｍであるときに波長１．５５μｍで十分な低ＸＴ性と低損失性を有する３つの光波モードを伝搬するマルチコア光ファイバを実現可能である。

【0017】

各境界線は次式で表すことができる。
Ｌ２１：Λ＝－１７６７＋３２４．２ａ
Ｌ２２：Λ＝９５６．５－３０７．９ａ＋２５．７ａ^２
Ｌ２３：Λ＝－１３３６．２＋４６７．９ａ－３９．５ａ^２

【0018】

以上より灰色の領域はΔ_１＝０％のとき
ａ≦（Λ＋１７６７）／３２４．２ かつ
９５６．５－３０７．９ａ＋２５．７ａ^２≦Λ≦－１３３６．２＋４６７．９ａ－３９．５ａ^２
で表すことができる。

【0019】

なお、図２ではΔ_２＝０％の例を示したが、本開示はこれに限定されない。例えば、Δ_２＞０％とすることにより図２におけるカットオフ波長の条件を緩和し、ａ≧５．６μｍの領域に設計領域が拡大する。

【0020】

図３に本実施形態に係るマルチコア光ファイバのΔ_２のコア半径依存性を示す。ここでは一例として光波モードであるＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードを導波するマルチコア光ファイバについて示し、各コア半径でΔ_１によりＬＰ０１モードの波長１．５５μｍにおけるＭＦＤを９．５μｍとしている。図中の曲線Ｌ３はＬＰ２１モードを波長１．５３μｍで遮断することを可能にするΔ_２を示す。曲線Ｌ３よりΔ_２が大きい灰色の領域において、ａ≧５．６μｍの領域で３モードマルチコア光ファイバが実現する。本境界線は次式で表すことができる。
Δ_２＝０．４４＋（ａ－５．６）^０．６３

【0021】

図４に本実施形態に係るマルチコア光ファイバのクラッド厚ｔを示す。ここでは一例として３モード伝搬を可能とするマルチコア光ファイバについて示すこととし、Δ_１およびΔ_２によって波長１．５５μｍにおけるＬＰ０１モードのＭＦＤを９．５μｍおよびＬＰ２１モードのカットオフ波長を１．５３μｍとしている。図中の実線はＬＰ１１モードの漏洩損失が波長１．６２５μｍにおいて０．０１ｄＢ／ｋｍ以下となる構造の境界線Ｌ４を示しており、境界線Ｌ４よりｔが大きい領域で低損失性が実現される。本境界線Ｌ４は次式で表すことができる。
ｔ＝８０９．７－２６８．５ａ＋２３．１ａ^２

【0022】

図５に本実施形態に係るマルチコア光ファイバのコア間距離を示す。ここでは一例として３つの光波モードの伝搬を可能とするマルチコア光ファイバについて示すこととし、Δ_１およびΔ_２によってＬＰ０１モードの波長１．５５μｍにおけるＭＦＤを９．５μｍおよびＬＰ２１モードのカットオフ波長を１．５３μｍとしている。図中の実線はＸＴが波長１．６２５μｍにおいて－３９ｄＢ／ｋｍ以下となる構造の境界線Ｌ５を示しており、境界線Ｌ５よりΛが大きい灰色の領域で低ＸＴ性が実現される。本境界線Ｌ５は次式で表すことができる。
Λ＝３５．６×１０^－４（ａ－５．４）^－４．２＋３５．３

【0023】

以上よりａ≧５．６μｍにおいて最外層１３が
Δ_２≧０．４４＋（ａ－５．６）^０．６３ かつ
ｔ≧８０９．７－２６８．５ａ＋２３．１ａ^２
であり、コア間距離が
Λ≧３５．６×１０^－４（ａ－５．４）^－４．２＋３５．３
である場合において、十分な低ＸＴ性と低損失性を両立する数モードマルチコア光ファイバを実現できる。

【0024】

図６に本開示に係るマルチコア光ファイバにとして、直径１２５μｍの標準クラッドを有し、光波モードであるＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードを伝搬可能とするコアを４つ包含するマルチコア光ファイバのΛとａを示す。クラッド１２の直径が標準光ファイバと同等であることにより、製造性の劣化が少なく、既存設備との整合性が良いので好ましい。ここでは、Δ_１およびΔ_２によってＬＰ０１モードの波長１．５５μｍにおけるＭＦＤを９．５μｍおよびＬＰ２１モードのカットオフ波長を１．５３μｍとしている。

【0025】

実線Ｌ６１はＬＰ１１モードの漏洩損失が波長１．６２５μｍにて０．０１ｄＢ／ｋｍとなる構造を示し、実線Ｌ６１よりΛが小さい領域で十分な低損失性を実現できる。破線Ｌ６２はＬＰ１１のコア間ＸＴが波長１．６２５μｍにおいて－３９ｄＢ／ｋｍとなる構造を示し、破線Ｌ６２よりΛが大きい領域で十分な低ＸＴ性を実現できる。実線Ｌ６１及び破線Ｌ６２は次式で表すことができる。
Ｌ６１：Λ＝－１２４８．５＋４４６．８ａ－３８．６ａ^２
Ｌ６２：Λ＝３５．６×１０^－４（ａ－５．４）^－４．２＋３５．３

【0026】

以上より、ａ≧５．６μｍにおいて
３５．６×１０^－４（ａ－５．４）^－４．２＋３５．３≦Λ
≦－１２４８．５＋４４６．８ａ－３８．６ａ^２
で示される図６中の灰色の領域で十分な低損失性と低ＸＴ性を有する３モード４コアファイバを標準クラッド径で実現できる。

【0027】

図７に本開示に係るマルチコア光ファイバを用いた光伝送システムの構成図を示す。Ｎ個の送信機９１によって生成される信号光をＭ個のモード合波器９２に入力し、信号光を２つ以上の光波モードに多重する。ここでＮ≧４であり、Ｍ≧２である。信号光が多重された各光波モードは光結合部９３で本開示のマルチコア光ファイバ９４の各コアに結合する。光抽出部９５で各コアを伝搬してきた信号光を抽出し、各モードはＭ個のモード分離器９６によって信号光ごとに分波され、Ｎ個の受信機９７で受信される。

【産業上の利用可能性】

【0028】

本開示は情報通信産業に適用することができる。

【符号の説明】

【0029】

１１：コア
１２：クラッド
１３：最外層
９１：送信機
９２：モード合波器
９３：光結合部
９４：マルチコア光ファイバ
９５：光抽出部
９６：モード分離器
９７：受信機

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】