特表 2022-511424 直接コア間結合を実現するためのマルチコア光ファイバを備える光学系

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-31

(54)【発明の名称】直接コア間結合を実現するためのマルチコア光ファイバを備える光学系

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/02 20060101AFI20220124BHJP

   G02B 6/26 20060101ALI20220124BHJP

   G02F 1/11 20060101ALN20220124BHJP

【ＦＩ】

G02B6/02 461

G02B6/26

G02B6/02 416

G02B6/02 481

G02F1/11 505

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021528402

(86)(22)【出願日】2019-11-07

(85)【翻訳文提出日】2021-07-13

(86)【国際出願番号】 US2019060247

(87)【国際公開番号】W WO2020106463

(87)【国際公開日】2020-05-28

(31)【優先権主張番号】62/770,249

(32)【優先日】2018-11-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】397068274

【氏名又は名称】コーニング インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100073184

【弁理士】

【氏名又は名称】柳田 征史

(74)【代理人】

【識別番号】100123652

【弁理士】

【氏名又は名称】坂野 博行

(74)【代理人】

【識別番号】100175042

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 秀明

(72)【発明者】

【氏名】クラプコ，ロスティスラフ ラディエヴィッチ

(72)【発明者】

【氏名】モダヴィス，ロバート アダム

(72)【発明者】

【氏名】ノーラン，ダニエル アロイシウス

(72)【発明者】

【氏名】ヤン，ジュン

(72)【発明者】

【氏名】コカバス，シュクリュ イーキン

【テーマコード（参考）】

2H137

2H250

2K102

【Ｆターム（参考）】

2H137AB01

2H137AB05

2H137AB06

2H137BA18

2H137BB02

2H137BB12

2H137BC24

2H137BC26

2H137EA04

2H250AC66

2H250AC70

2H250AC84

2H250AC93

2H250AC94

2H250AC95

2H250AC96

2H250AG03

2H250AG61

2K102AA30

2K102BA01

2K102BB04

2K102BC07

2K102DA06

2K102DD07

2K102EA04

2K102EB16

(57)【要約】

被覆材内に配置された複数のコアを含むマルチコア光ファイバ。前記複数のコアは第１コアと第２コアを含み、前記第１コアは第１伝搬定数β_１を有し、前記第２コアは第２伝搬定数β_２を有し、前記被覆材は被覆材伝搬定数β_０を有し、(｜β_１－β_２｜／｜β_２－β_０｜)＜１／２が成立する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

マルチコア光ファイバであって、
被覆材内に配置された複数のコアを備え、
前記複数のコアは第１コアと第２コアを含み、
前記第１コアは第１伝搬定数β_１を有し、前記第２コアは第２伝搬定数β_２を有し、前記被覆材は被覆材伝搬定数β_０を有し、次の関係式が成立する、

【数1】

マルチコア光ファイバ。

【請求項2】

前記第１コア及び前記第２コアはモード不整合Ｍ_１２を有し、次の式で表される

【数2】

ここでＣ_１２は前記第１コアから前記第２コアへ結合するための結合係数であり、Ｍ_１２は１０より大きい、請求項１記載のマルチコア光ファイバ。

【請求項3】

前記複数のコアのそれぞれは異なる伝搬定数を有する、請求項１又は２記載のマルチコア光ファイバ。

【請求項4】

光学系であって、
請求項１～３のいずれかに記載のマルチコア光ファイバと、
前記マルチコア光ファイバと係合可能な変調器と
を備え、
前記変調器を前記マルチコア光ファイバと係合させることは、格子周期Ωを持つ長周期ファイバ格子を前記マルチコア光ファイバ内に生成し、２π／(｜β_１－β_２｜)＝Ωである時、前記第１コアは前記第２コアと結合される、光学系。

【請求項5】

前記変調器は、前記マルチコア光ファイバと物理的に係合可能で前記マルチコア光ファイバの外面に圧力を印加する機械的変調器から成る、請求項４記載の光学系。

【請求項6】

前記変調器は音響光学変調器から成り、
前記音響光学変調器は圧電変換器を含み、
前記マルチコア光ファイバを前記音響光学変調器と係合させることは、前記圧電変換器を使って前記マルチコア光ファイバ内に音波を生成することを含む、請求項４記載の光学系。

【請求項7】

格子周期Ωを持ち２π／(｜β_１－β_２｜)＝Ωである長周期ファイバ格子を更に備えた請求項１～３のいずれかに記載のマルチコア光ファイバ。

【請求項8】

前記複数のコアは少なくとも３つのコアを含み、
前記少なくとも３つのコアは、前記第１伝搬定数β_１を有する１つ以上の第１コアと前記第２伝搬定数β_２を有する１つ以上の第２コアとを含む、請求項１～３又は７のいずれかに記載のマルチコア光ファイバ。

【請求項9】

前記少なくとも３つのコアは、第３伝搬定数β_３を有する１つ以上の第３コアを含み、
前記第３伝搬定数β_３は前記第１伝搬定数β_１及び前記第２伝搬定数β_２両方と異なる、請求項８記載のマルチコア光ファイバ。

【請求項10】

前記少なくとも３つのコアは、各個別コアの最も近い隣接するコアはその個別コアと異なる伝搬定数を有するように当該マルチコア光ファイバの被覆材内に配置される、請求項８記載のマルチコア光ファイバ。

【発明の詳細な説明】

【関連出願】

【0001】

本出願は、２０１８年１１月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／７７０２４９号の米国特許法第１１９条の下の優先権の利益を主張するものであり、その内容全体を本明細書に援用する。

【技術分野】

【0002】

本開示は、マルチコア光ファイバを備える光学系に関し、より具体的には異なる伝搬定数を持つ少なくとも２つのコアを有するマルチコア光ファイバを備える光学系であって、長周期ファイバ格子との組み合わせで直接コア間結合を可能にする光学系に関する。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

本開示の主題によれば、マルチコア光ファイバは被覆材内に配置された複数のコアを含む。複数のコアは第１コアと第２コアを含む。第１コアは第１伝搬定数β_１を有し、第２コアは第２伝搬定数β_２を有し、被覆材は被覆材伝搬定数β_０を有し、次の関係式が成立する。

【0004】

【数1】

【0005】

本開示の１つの実施形態によれば、マルチコア光ファイバは被覆材内に配置された複数のコアを含む。複数のコアは第１コア、第２コア、及び第３コアを含む。第１コアは第１伝搬定数β_１を有し、第２コアは第２伝搬定数β_２を有し、第３コアは第３伝搬定数β_３を有し、被覆材は被覆材伝搬定数β_０を有し、次の関係式が成立する。

【0006】

【数2】

【0007】

第１コア及び第２コアはモード不整合Ｍ_１２も有し、次の式で表される。

【0008】

【数3】

【0009】

ここでＣ_１２は第１コアから第２コアへ結合するための結合係数であり、Ｍ_１２は１０より大きい。

【0010】

本開示の別の実施形態によれば、マルチコア光ファイバの第１コアからそのマルチコア光ファイバの第２コアへ光を結合する方法は、被覆材内に配置された複数のコアを含むマルチコア光ファイバの入力端に光学的に結合された光子生成器により生成された複数の光子を複数のコアのうち第１コア内に向けることを含む。複数のコアは第１コアと第２コアを含む。第１コアは第１伝搬定数β_１を有し、第２コアは第２伝搬定数β_２を有し、被覆材は被覆材伝搬定数β_０を有し、次の関係式が成立する。

【0011】

【数4】

【0012】

この方法はまた、マルチコア光ファイバを変調器と係合させることで、２π／(｜β_１－β_２｜)＝Ωで与えられる格子周期Ωを持つ長周期ファイバ格子をマルチコア光ファイバ内に生成して、第１コアを第２コアと結合させることを含む。

【0013】

本開示の着想は主に量子通信に関して本明細書に説明されるが、光通信のどんな方法にも適用されうることは熟慮されている。

【図面の簡単な説明】

【0014】

本開示の具体的な実施形態の以下の詳細な説明は下記の図面と併せて読むことで最も良く理解されうる。図面では同様の構造は同様の符号で示される。

【図1】本書に示され説明される１つ以上の実施形態に係る、光子生成器、マルチコア光ファイバ、変調器、及び光子検出器を含む光学系を概略的に描く。

【図2A】本書に示され説明される１つ以上の実施形態に係る、図１の切断Ａ‐Ａに沿ったマルチコア光ファイバのＸＹ断面を概略的に描く。

【図2B】本書に示され説明される１つ以上の実施形態に係る、第１格子周期を持つ第１長周期ファイバ格子と第２格子周期を持つ第２長周期ファイバ格子とを有する図１のマルチコア光ファイバの切断Ｂ‐Ｂに沿ったＹＺ断面を概略的に描く。

【図3】本書に示され説明される１つ以上の実施形態に係る、機械的変調器から成る図１の変調器の実施形態を概略的に描く。

【図4】本書に示され説明される１つ以上の実施形態に係る、音響光学変調器から成る図１の変調器の実施形態を概略的に描く。

【図5A】本書に示され説明される１つ以上の実施形態に係る、光子生成器、１つ以上の固定長周期ファイバ格子を有するマルチコア光ファイバ、及び光子検出器を含む光学系を概略的に描く。

【図5B】本書に示され説明される１つ以上の実施形態に係る、図５Ａの切断Ｃ‐Ｃに沿ったマルチコア光ファイバのＸＹ断面を概略的に描く。

【図5C】本書に示され説明される１つ以上の実施形態に係る、第１格子周期を持つ第１固定長周期ファイバ格子と第２格子周期を持つ第２固定長周期ファイバ格子とを有する図５Ａのマルチコア光ファイバの切断Ｄ‐Ｄに沿ったＹＺ断面を概略的に描く。

【図6A】本書に示され説明される１つ以上の実施形態に係る、第１コア配列を有するマルチコア光ファイバのＸＹ断面を概略的に描く。

【図6B】本書に示され説明される１つ以上の実施形態に係る、第２コア配列を有するマルチコア光ファイバのＸＹ断面を概略的に描く。

【図6C】本書に示され説明される１つ以上の実施形態に係る、第３コア配列を有するマルチコア光ファイバのＸＹ断面を概略的に描く。

【図6D】本書に示され説明される１つ以上の実施形態に係る、第４コア配列を有するマルチコア光ファイバのＸＹ断面を概略的に描く。

【図7】本書に示され説明される１つ以上の実施形態に係る、第１コア及び第２コアを有する一例のマルチコア光ファイバを概略的に描く。

【図8】本書に示され説明される１つ以上の実施形態に係る、単一波長の場合の図７のマルチコア光ファイバのコア間の透過を格子周期の数に沿って描いたグラフである。

【図9】本書に示され説明される１つ以上の実施形態に係る、単一格子周期の場合の図７のマルチコア光ファイバのコア間の透過をある波長範囲に沿って描いたグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

多くの空間モード（例えば、数千の空間モード）を有する光ネットワークにおける光の制御された結合は、光スイッチング網、光計算、及び量子通信、例えば、量子ランダム・ウォークに重要な用途を有する。量子用途では、低伝搬損失及び低デコヒーレンスの光の制御された結合は、量子アルゴリズム及び量子シミュレーションの開発及び実行に極めて重要である。光の制御された結合のための現在の媒体は、シリコン光回路及びガラス導波路を含む。しかし、これらの媒体は、媒体の屈折率の入力及び出力経路（例えば、光ファイバ）の屈折率との不整合による高い結合損失に加えて、製造時に生じる表面粗さによる高伝搬損失などの重大な問題に直面している。マルチコア光ファイバは低伝搬損失及び僅かな結合損失を持った代替の媒体である。しかし、以前の実施形態では、マルチコア光ファイバは余りにも硬い媒体であり、異なるコア間の制御された結合が困難であった。従って、改善されたマルチコア光ファイバ及び制御された結合のための光学系が望まれている。

【0016】

被覆材内に配置された複数のコアを有するマルチコア光ファイバを含む光学系の実施形態について詳細に記述する。マルチコア光ファイバは複数のコアのうち２つの間の直接で選択的なコア間結合を可能にするように構成される。光学系は、長周期ファイバ格子をマルチコア光ファイバ内に生成するように構成された変調器を更に含んでもよい。長周期ファイバ格子は、マルチコア光ファイバの複数の断面の屈折率の周期的変化から成り選択的なコア間結合を可能にする。例えば、複数のコアは第１伝搬定数を有する第１コア、第２伝搬定数を有する第２コア（及び幾つかの実施形態では第１伝搬定数、第２伝搬定数、他の伝搬定数、及びそれらの組合せを有してもよい追加の複数のコア）、及び被覆材伝搬定数を有する被覆材を含む。第１伝搬定数、第２伝搬定数、及び被覆材伝搬定数は、長周期ファイバ格子がない時、第１コアと第２コアの間で最小直接コア間結合が生じ、特定の周期の長周期ファイバ格子がマルチコア光ファイバ内で生成される時、直接コア間結合及び最小直接コア・被覆材間結合が生じるように構成される。

【0017】

理論により限定されることを意図しないが、第１及び第２伝搬定数間の差は、長周期ファイバ格子がない時、位相不整合により第１コアと第２コアを分離する。これは環境摂動（例えば、ファイバの長さに沿ったコア直径変動及びコア相対位置）の効果を低減し、望まれないコア間やコア・被覆材間結合なしにマルチコア光ファイバ内のぎっしり詰まったコアを可能にする。また、例えば、要求に応じて変調器を使用してマルチコア光ファイバ内に長周期ファイバ格子を生成することは、例えば第１コアと第２コアの間で選択的な直接コア間結合を可能にする。本書に記載された光学系は、総合的に光スイッチング網、光計算、及び量子ランダム・ウォークなどの様々な用途のための光プラットフォームを最小損失で任意の光結合（即ち、スイッチング）を達成しながら提供する。

【0018】

図１を参照すると、複数のコア１２０（図２Ａ）を有するマルチコア光ファイバ１１０、光子生成器１８０、光子検出器１９０、及び変調器１５０を備える光学系１００が概略的に描かれている。マルチコア光ファイバ１１０は光子生成器１８０に光学的に結合された入力端１１２と光子検出器１９０に光学的に結合された出力端１１４とを備える。動作時、光子生成器１８０は光子を複数のコア１２０のうちどの個別のコア内に選択的に向けてもよい。例えば、光子生成器１８０、マルチコア光ファイバ１１０の入力端１１２、又は両方は、光子生成器１８０を複数のコア１２０のうち任意の個別コアと位置合わせされるように構成された自動３軸台などの平行移動可能な台に結合される。例えば、光子生成器１８０は第１コア１２０ａ（図２Ａ）と位置合わせされ、第１コア１２０ａ内に複数の光子を向けてもよい。マルチコア光ファイバ１１０はまた、外面１１６を有し、変調器１５０はマルチコア光ファイバ１１０、例えばマルチコア光ファイバ１１０の外面１１６と係合可能である。下記により詳細に説明するように、変調器１５０をマルチコア光ファイバ１１０と係合させることは、１つ以上の長周期ファイバ格子１３０（図２Ｂ）をマルチコア光ファイバ１１０内に生成する。

【0019】

図１の切断Ａ‐Ａに沿ったマルチコア光ファイバ１１０のＸＹ断面を描く図２Ａを参照すると、マルチコア光ファイバ１１０は被覆材１２５内に配置された複数のコア１２０を備える。複数のコア１２０の各コアは単一モードファイバ、例えば単一モード・ステップ型ファイバからなる。また、複数のコア１２０の各コアは伝搬定数を有する。理論により限定されることを意図しないが、コア（又は他の導波路）の伝搬定数はコア内を伝搬する特定の周波数の光の振幅及び位相が伝搬方向に沿ってどのように変化するかを決める。伝搬定数は、コアの屈折率、コアの直径、及びコア内を伝搬する光の波長などの複数の要因に依存する。図２Ａに描かれた実施形態では、各コア１２０は異なる伝搬定数βを有する。例えば、第１コア１２０ａは第１伝搬定数β_１を有し、第２コア１２０ｂは第２伝搬定数β_２を有し、第３コア１２０ｃは第３伝搬定数β_３を有し、第４コア１２０ｄは第４伝搬定数β_４を有し、第５コア１２０ｅは第５伝搬定数β_５を有し、第６コア１２０ｆは第６伝搬定数β_６を有し、第７コア１２０ｇは第７伝搬定数β_７を有する。

【0020】

図２Ａに描かれた実施形態は７つのコア（即ち、コア１２０ａ～１２０ｇ）を備えるが、マルチコア光ファイバ１１０は、少なくとも２つのコアは異なる伝搬定数を有する任意の数のコアを備えてもよい。また、図２Ａに描かれた各コア１２０ａ～１２０ｇは異なる伝搬定数を有するが、同じ伝搬定数の少なくとも２つのコアを有し、複数のコア１２０は３つ以上のコアを含むマルチコア光ファイバ１１０の実施形態が熟慮されていることは理解されるべきである。例えば、図６Ａ～６Ｄは、１つ以上の第１コア１２０ａ（第１伝搬定数を有する）、１つ以上の第２コア１２０ｂ（第２伝搬定数を有する）、及び幾つかの実施形態では、１つ以上の第３コア１２０ｃ（第３伝搬定数を有する）を含むコアの様々な配置を描く。

【0021】

依然図２Ａを参照すると、被覆材１２５及び複数のコア１２０の様々な特性がより詳細に説明される。幾つかの特性は「個別のコア」に関して説明され、複数のコア１２０のどの個別のコア（コア１２０ａ～１２０ｇ）にも当てはまる。説明される他の特性は少なくとも２つのコア間の関係を特徴付ける。説明と理解のし易さのために、これらの説明では第１コア１２０ａと第２コア１２０ｂを使用する。しかし、これらの特性は複数のコア１２０のどの２つのコアにも当てはまりうることは理解されるべきである。

【0022】

理論により限定されることを意図しないが、複数のコア１２０のうちの個別のコアとマルチコア光ファイバ１１０の被覆材１２５間の屈折率コントラストΔは次式で表される。

【0023】

【数5】

【0024】

ここでｎ_coreは個別コアの屈折率、ｎ_cladは被覆材１２５の屈折率である。個別コアの正規化周波数パラメータＶはＶ＝ρｋ_０(ｎ^２ _core－ｎ^２ _clad)^１／２と定義される。ρは個別コアの半径、ｋ_０は個別コアの波数である。各個別コアはまた、正規化周波数パラメータＶと相関関係Ｕ^２＋Ｗ^２＝Ｖ^２によって関係づけられる無次元モードパラメータＵ及びＷを有する。ここでＵ＝ρ(ｎ^２ _coreｋ_０ ^２－β^２)^１／２、Ｗ＝ρ(β^２－ｎ^２ _cladｋ_０ ^２)^１／２であり、βは個別コアの伝搬定数であり、相関関係Ｕ^２＋Ｗ^２＝Ｖ^２から得られうる。また、個別コアのＨＥ１１モード（例えば、基本モード）式は次式で表される。

【0025】

【数6】

【0026】

ここでＪ_０はゼロ次ベッセルＪ関数、Ｊ_１は一次ベッセルＪ関数、Ｋ_０はゼロ次ベッセルＫ関数、Ｋ_１は一次ベッセルＫ関数である。

【0027】

正規化周波数パラメータＶ及び無次元モードパラメータＵ及びＷにより数学的に示されるように、異なる屈折率、異なる直径、又は両方を有する２つのコアは、異なる伝搬定数βを有しうる。例えば、第１コア１２０ａは第１直径と第１屈折率を有し、第２コア１２０ｂは第２直径と第２屈折率を有する。異なる伝搬定数β（即ち、第１伝搬定数β_１と第２伝搬定数β_２）を実現するために、第１直径は第２直径と異なるか、第１屈折率は第２屈折率と異なるか、又は第１コア１２０と第２コア１２０ｂの直径及び屈折率両方が異なってもよい。また、被覆材１２５は被覆材伝搬定数β_０を有し、β_０＝ｎ_clad・２π／λであり、λはマルチコア光ファイバ１１０内を伝搬する光の自由空間波長である。

【0028】

理論により限定されることを意図しないが、マルチコア光ファイバ１１０内を伝搬する複数の波動場（例えば、複数の光波）はある条件が満たされると結合、例えば選択的に結合されうる。例えば、マルチコア光ファイバ１１０の複数のコア１２０は複数の結合係数（即ち、第１コア１２０ａなどの１つの個別コアから第２コア１２０ｂなどの別の個別コアへ結合するための様々な結合係数）により特徴付けられてよい。理論により限定されることを意図しないが、結合係数は第１コア１２０ａ及び第２コア１２０ｂなどの２つのコアのモード場間の重ね合わせ量を決める。コアのモード場は様々なパラメータ、例えばコアの半径、コアの屈折率、コアの材料、被覆材の材料、及び動作波長（λ）（即ち、コア内を伝搬する光の波長）に依存する。

【0029】

例えば、結合モード方程式を使用し、全ての波動場が２つのコア（例えば、第１コア１２０ａと第２コア１２０ｂ）の基本モード内に集中されると仮定すると、次の条件が満たされる。

【0030】

【数7】

【0031】

ここでＥ（ｘ,ｙ,ｚ）はマルチコア光ファイバ１１０の接線方向電場、ｂ_１はビーム伝搬方向のビームの位置Ｚの関数としての第１コア１２０ａ内を伝搬するビームの振幅、ｂ_２はビーム伝搬方向のビームの位置Ｚの関数としての第２コア１２０ｂ内を伝搬するビームの振幅、ｅ_１は第１コア１２０ａの固有振動モード、ｅ_２は第２コア１２０ｂの固有振動モード、Ｎ_１は第１コア１２０ａの正規化因子、Ｎ_２は第２コア１２０ｂの正規化因子である。マルチコア光ファイバ１１０の個別コアの正規化因子Ｎ_ｉは次式で定義される。

【0032】

【数8】

【0033】

ここでｎ_coは個別コアの屈折率、ε_０は真空誘電率、μ_０は真空透磁率、ｅ_ｉは個別コアの固有振動モード、Ａはマルチコア光ファイバ１１０の面積である。また、理論により限定されることを意図しないが、幾つかの実施形態では、固有振動モードｅ_１及びｅ_２は第１コア１２０及び第２コア１２０ｂの接線方向固有振動モードである。

【0034】

また、摂動論の下で次の２式が成立する。

【0035】

【数9】

【0036】

【数10】

【0037】

ここでＣ^－ _１１は第１コア１２０ａの自己結合係数、Ｃ^－ _１２は第１コア１２０ａから第２コア１２０ｂへ光を結合するための結合係数（相互結合係数とも呼ばれる）、Ｃ^－ _２２は第２コア１２０ｂの自己結合係数、Ｃ^－ _２１は第２コア１２０ｂから第１コア１２０ａへ光を結合するための結合係数である。自己結合係数Ｃ^－ _１１及びＣ^－ _２２は相互結合係数Ｃ^－ _１２及びＣ^－ _２１に比べて無視できる。また、個別コアを別の個別コアと結合するための結合係数は次式で表される。

【0038】

【数11】

【0039】

ほぼ同一のコア（例えば、同じ伝搬定数を持つコア）の場合、Ｃ_１２≒Ｃ_２１≡Ｃである。また、条件Ｃ_１２≒Ｃ_２１≡Ｃが満たされた時の１つのコアから別のコアへ（例えば、第１コア１２０ａから第２コア１２０ｂへ）伝えられる最大出力は次式で表される。

【0040】

【数12】

【0041】

ここでＦ^２は１つのコアから別のコアへ伝えられる最大出力である。結合係数Ｃ_ｉｊの上記説明は、長周期ファイバ格子１３０がマルチコア光ファイバ１１０内に生成されない場合、マルチコア光ファイバ１１０のどの２つのコアにも当てはまることは理解されるべきである。例えば、長周期ファイバ格子１３０なしで第１コア１２０ａから第２コア１２０ｂへ光を結合するための結合係数Ｃ^－ _１２は次式で表される。

【0042】

【数13】

【0043】

図１～２Ｂを参照すると、光学系１００の変調器１５０はマルチコア光ファイバ１１０と係合可能で長周期ファイバ格子１３０をマルチコア光ファイバ１１０内に生成し、第１コア１２０ａと第２コア１２０ｂなどの間の直接コア間結合を可能にする。理論により限定されることを意図しないが、「長周期ファイバ格子」はマルチコア光ファイバ１１０などの光ファイバの屈折率の周期的断面摂動を指す。従来の単一モード光ファイバでは、長周期ファイバ格子は個別コアのコアモードを被覆材の被覆モードに結合し、直接コア・被覆材間結合を可能にする。本書で使用されるように、「直接コア・被覆材間結合」は屈折率の摂動による被覆モードのコアモードへの直接結合を指す。しかし、本書に記載された実施形態では、マルチコア光ファイバ１１０と変調器１５０は、マルチコア光ファイバ１１０に生成される長周期ファイバ格子１３０が異なる伝搬定数を有する２つのコアの直接コア間結合を可能にするように構成される。本書で使用されるように、「直接コア間結合」は屈折率の摂動による１つのコアのコアモードの別のコアのコアモードへの直接結合を指す。

【0044】

上述したように、複数のコア１２０のうち少なくとも２つ（例えば、第１コア１２０ａと第２コア１２０ｂ）は異なる伝搬定数βを有し、異なる伝搬定数は位相不整合によりそれらのコアを分離し、従来のマルチコアファイバと比べて環境摂動（コア直径変動、コア相対位置など）の効果を低減する。また、異なる伝搬定数βは、好ましくない結合なしで複数のコア１２０を被覆材１２５内にぎっしり詰めるのを許す（即ち、個別コアの中心から最も近い隣接するコアへの距離が小さい、例えば約３０μｍ以下、２５μｍ以下、２０μｍ以下、１５μｍ以下、１０μｍ以下、５μｍ以下、例えば１μｍから３０μｍ、１μｍから２０μｍ、５μｍから１５μｍなど）。

【0045】

また、第１コア１２０ａと第２コア１２０ｂなど２つのコア間のモード不整合Ｍは次式で表される。

【0046】

【数14】

【0047】

この式は複数のコア１２０のどの２つのコアにも当てはまることは理解されるべきである。２つのコア間のモード不整合Ｍが大きいほど、長周期ファイバ格子１３０がないとこれらのコア間により低い度合の直接コア間結合が発生する。幾つかの実施形態では、マルチコア光ファイバ１１０の複数のコア１２０のうち少なくとも２つ（例えば、第１コア１２０ａと第２コア１２０ｂ）の間のモード不整合Ｍは５より大きいことがある（即ち、Ｍ＞５）。例えば、幾つかの実施形態では、Ｍ＞５、Ｍ＞８、Ｍ＞１０、Ｍ＞１２、Ｍ＞１５、Ｍ＞２０、Ｍ＞５０などである。

【0048】

依然図１～２Ｂを参照すると、変調器１５０をマルチコア光ファイバ１１０と係合させることは長周期ファイバ格子１３０を生成する。長周期ファイバ格子１３０は複数の変更された屈折率領域１３２と格子周期Ωを有する。複数の変更された屈折率領域１３２はマルチコア光ファイバ１１０の断面領域であり、複数のコア１２０の屈折率及び被覆材１２５の屈折率が変更される領域である。また、各格子周期Ωは屈折率の変更のない１つの領域に隣接する１つの変更された屈折率領域１３２を含むとして図２Ｂに描かれているが、幾つかの実施形態では、各格子周期Ωは２つの隣接する変更された屈折率領域を含んでもよく、１つの変更された屈折率領域は屈折率が増加し、他の変更された屈折率領域は屈折率が減少し、屈折率の増加と屈折率の減少は同じ絶対値を有する。この実施形態の例を図７～９に関して下記に説明する。動作時、２π／(｜β_ｉ－β_ｊ｜)＝Ωである場合、伝搬定数β_ｉを有する個別コアは、伝搬定数β_ｊを有する個別コアに直接コア間結合を介して結合される。例えば、２π／(｜β_１－β_２｜)＝Ωである場合、第１コア１２０ａは第２コア１２０ｂと直接コア間結合を介して結合される。幾つかの実施形態では、格子周期Ωは１つの変更された屈折率領域１３２を含み、この領域でマルチコア光ファイバのコア１２０及び被覆材１２５の屈折率が変更されている。

【0049】

例示の例として、図２Ｂは図２Ａの切断Ｂ‐Ｂに沿ったマルチコア光ファイバ１１０のＹＺ断面であり、第１長周期ファイバ格子１３０ａと第２長周期ファイバ格子１３０ｂを概略的に描く。第１長周期ファイバ格子１３０ａは複数の第１変更された屈折率領域１３２ａと第１格子周期Ω_ａを有し、第２長周期ファイバ格子１３０ｂは複数の第２変更された屈折率領域１３２ｂと第２格子周期Ω_ｂを有する。第１長周期ファイバ格子１３０ａは第１コア１２０ａを第２コア１２０ｂに直接コア間結合を介して結合するように構成される。特に、第１格子周期Ω_ａ＝２π／(｜β_１－β_２｜)である。また、第２長周期ファイバ格子１３０ｂは第２コア１２０ｂを第３コア１２０ｃに直接コア間結合を介して結合するように構成される。特に、第２格子周期Ω_ｂ＝２π／(｜β_２－β_３｜)である。長周期ファイバ格子１３０は、変調器１５０を使って格子周期Ωを生成して複数のコア１２０のうち任意の個別コアを任意の別の個別コアと直接コア間結合を介して結合するように選択的に構成されうることは理解されるべきである。

【0050】

幾つかの実施形態では、マルチコア光ファイバ１１０は直接コア・被覆材間結合を最小にするように構成される。マルチコア光ファイバ１１０の伝搬定数β_ｉを持つ個別コア、伝搬定数β_ｊを持つ個別コア、及び被覆材１２５（即ち、β_０）の伝搬定数間の関係が次式で表され、

【0051】

【数15】

【0052】

これを最小化する場合、マルチコア光ファイバ１１０内に長周期ファイバ格子１３０を生成する時、直接コア・被覆材間結合は最小になる。幾つかの実施形態では、複数のコア１２０のうち少なくとも２つのコアと被覆材１２５（マルチコア光ファイバ１１０の伝搬定数β_ｉを有する個別コア、伝搬定数β_ｊを有する個別コア、及び被覆材１２５（即ち、β_０））は次の関係式などを満たしてもよい。

【0053】

【数16】

【0054】

１つの例として、第１コア１２０ａと第２コア１２０ｂは次の関係式などを満たしてもよい。

【0055】

【数17】

【0056】

別の例として、第２コア１２０ｂと第３コア１２０ｃは次の関係式などを満たしてもよい。

【0057】

【数18】

【0058】

更に別の例として、第１コア１２０ａと第３コア１２０ｃは次の関係式などを満たす。

【0059】

【数19】

【0060】

また、長周期ファイバ格子１３０がある場合とない場合のマルチコア光ファイバ１１０のコア間の光出力伝送の差は消滅比により特徴付けられることがある。本書で使用されるように、「消滅比」は、長周期ファイバ格子１３０がマルチコア光ファイバ１１０内に存在する（即ち、生成される）場合と長周期ファイバ格子１３０がマルチコア光ファイバ１１０内に存在しない場合との２つのコア（例えば、第１コア１２０ａと第２コア１２０ｂ）間で伝送される光出力の比を指す。幾つかの実施形態では、消滅比は約１０ｄＢ以上、例えば１５ｄＢ以上、２０ｄＢ以上、２５ｄＢ以上、３０ｄＢ以上などであってもよい。２つのコア（例えば、伝搬定数β_ｉを有する個別コアと伝搬定数β_ｊを有する個別コア）についての消滅比は、Ｍ＞１０で(｜β_ｉ－β_ｊ｜／｜β_ｊ－β_０｜)＜１／２である場合、２０ｄＢ以上である。例えば、第１コア１２０ａと第２コア１２０ｂについての消滅比は、Ｍ_１２＞１０で(｜β_１－β_２｜／｜β_２－β_０｜)＜１／２である場合、２０ｄＢ以上である。

【0061】

理論により限定されることを意図しないが、２つのコア（例えば、第１コア１２０ａと第２コア１２０ｂ）が非常に不整合である場合（例えば、２つのコアが１０より大きいモード不整合Ｍを有する場合）、次の条件が満たされる。

【0062】

【数20】

【0063】

ここでｅ_１は第１コア１２０ａの固有振動モード、ｅ_２は第２コア１２０ｂの固有振動モード、ｅ_Ａは固有振動モードｅ_１及びｅ_２の重ね合わせであり、大部分は第１コア１２０ａ内に集中し、ｅ_Ｂは固有振動モードｅ_１及びｅ_２の重ね合わせであり、大部分は第２コア１２０ｂ内に集中する。これらの重ね合わせｅ_Ａ及びｅ_Ｂは「スーパーモード」と呼ばれることがある。任意の周期的摂動を仮定すると、長周期ファイバ格子１３０により生じる屈折率の変化は次式で定義される。

【0064】

【数21】

【0065】

また、摂動論に従って計算し、スーパーモードｅ_Ａ及びｅ_Ｂを基底モードとして使用すると、次式が成立する。

【0066】

【数22】

【0067】

ここでスーパーモード間の結合強度は結合係数Ｃ_ＡＢで定義され、次式で表される。

【0068】

【数23】

【0069】

回転波近似に従い、ｂ_Ａ(０)＝１、ｂ_Ｂ(０)＝０と仮定すると、次の条件が満たされる。

【0070】

【数24】

【0071】

ここでβ^－は複数のコア１２０の平均伝搬定数であり、β^－＝(β_Ａ＋β_Ｂ)／２であり、Δω＝β_Ａ－β_Ｂ－Ωは同調ずれ、Ω_Ｒはラビ振動数でΩ_Ｒ＝(１／２)(Ｃ^２ _ＡＢ＋Δω^２)^１／２であり、ｔａｎθ＝Δω／Ｃ_ＡＢである。また、コアＡからコアＢへの最大出力伝送はＦ^２＝ｃｏｓ^２θであり、ｃｏｓθ＝(１＋(Δω／Ｃ_ＡＢ)^２)^－１／２である。

【0072】

また、マルチコア光ファイバ１１０の２つのコア（即ち、コアＡとコアＢ）は全体デバイス寸法Ｌにより特徴付けられてもよい。本書で使用されるように、「全体デバイス寸法」は格子結合領域の全長を指す。全体デバイス寸法は数学的にＬ＝π／Ｃ_ＡＢで定義される。例えば、結合係数Ｃ_ＡＢを大きくすることで全体デバイス寸法を低減することは、長周期ファイバ格子１３０が存在しない場合、直接コア間結合を最小にし、長周期ファイバ格子１３０が存在する場合、直接コア・被覆材間結合を最小にすることがある。例えば、全体デバイス寸法Ｌは５０ｃｍ未満、４０ｃｍ未満、３０ｃｍ未満、２０ｃｍ未満、１０ｃｍ未満などであってもよい。例えば、全体デバイス寸法Ｌは約１ｃｍ～約５０ｃｍ、約１ｃｍ～約４０ｃｍ、約１ｃｍ～約３０ｃｍなどであってもよい。

【0073】

図３を参照すると、幾つかの実施形態では、変調器１５０はマルチコア光ファイバ１１０と物理的に係合可能な機械的変調器１５２から成る。機械的変調器１５２は機械的圧力をマルチコア光ファイバ１１０に（即ち、マルチコア光ファイバ１１０の外面１１６に）加えてマルチコア光ファイバ１１０内に周期的屈折率変化を一時的に生成するように構造的に構成されている。一時的とは、機械的圧力がマルチコア光ファイバ１１０の外面１１６に加えられた時に屈折率変化は発生し、機械的圧力がマルチコア光ファイバ１１０の外面１１６から取り除かれた時に屈折率変化が取り除かれると理解されるべきである。

【0074】

幾つかの実施形態、例えば図３に示した実施形態では、機械的変調器１５２は第１プレート部１５４及び第２プレート部１５６を備える。第１プレート部１５４、第２プレート部１５６、又は両方は周期的な間隔があけられた１つ以上の歯１５５を備え、歯１５５がマルチコア光ファイバ１１０の外面１１６と係合する時、歯１５５が機械的圧力をマルチコア光ファイバ１１０に加えて一時的な屈折率変化をこれらの周期的な間隔があけられた位置でマルチコア光ファイバ１１０内に生成する。幾つかの実施形態では、第１プレート部１５４、第２プレート部１５６、又は両方は互いに向かって内側に平行移動可能であり、マルチコア光ファイバ１１０の外面１１６に圧力を加える。幾つかの実施形態では、歯１５５は、第１プレート部１５４、第２プレート部１５６、又は両方の動きに依らず、マルチコア光ファイバ１１０の外面１１６と接触し離れるよう平行移動可能である。１つの実施形態では、機械的変調器１５２は周期的な力をマルチコア光ファイバ１１０に加えるように構成された垂直歯車ラックを備える。幾つかの実施形態では、第１プレート部１５４、第２プレート部１５６、及び歯１５５は垂直歯車ラックの部品である。垂直歯車ラックの動き（例えば、マルチコア光ファイバ１１０と接触し離れる動き）は直線電動台により制御されてもよい。また、機械的変調器１５２は、機械的変調器１５２よりマルチコア光ファイバ１１０に加えられた力を測定するための１つ以上のロードセルを更に備えてもよい。

【0075】

理論により限定されることを意図しないが、印加された機械的圧力により生成された一時的な屈折率変化はマルチコア光ファイバ１１０のガラスの光弾性応答によるものである。例えば、機械的変調器１５２の歯１５５はマルチコア光ファイバ１１０内に微小曲げ及び周期的圧点を引き起こし複数のコア１２０のうち１つ以上の屈折率を変調する。幾つかの実施形態では、歯１５５は矩形接触面を備え、幾つかの実施形態では、歯１５５は丸い接触面を備える。しかし、任意の形状を持つ歯１５５が考慮されていることは理解されるべきである。また、図３の機械的変調器１５２の第１プレート部１５４及び第２プレート部１５６はそれぞれ歯１５５を備えるが、機械的変調器１５２は、マルチコア光ファイバ１１０に機械的に応力を周期的に掛けるように構成された任意の機械的組立体を備えてもよいことは理解されるべきである。

【0076】

図４を参照すると、幾つかの実施形態では、変調器１５０は音響光学変調器１６０から成る。音響光学変調器１６０は圧電変換器１６２及び吸収体１６４を備える。圧電変換器１６２及び吸収体１６４両方が図４に描かれているが、幾つかの実施形態は、吸収体１６４なしで圧電変換器１６２を備えてもよいことは理解されるべきである。図４に描かれているように、音響光学変調器１６０は、圧電変換器１６２及び吸収体１６４両方がマルチコア光ファイバ１１０の外面１１８に結合されるように、マルチコア光ファイバ１１０に結合されてもよい。動作時、圧電変換器１６２は振動しマルチコア光ファイバ１１０の材料内に音波を生成するように構成されている。理論により限定されることを意図しないが、光ファイバ（例えば、マルチコア光ファイバ１１０）内の音波速度は約３．５ｋｍ／ｓであり、従って変調周波数は約３ＭＨｚである。また、吸収体１６４を含む実施形態では、吸収体１６４は圧電変換器１６２により生成された音波を、音波がマルチコア光ファイバ１１０の断面を横切った後吸収し、望まれていない屈折率変化を引き起こしうる反射を制限する。

【0077】

理論により限定されることを意図しないが、音響光学変調器１６０は音響光学効果に基づいて長周期ファイバ格子１３０をマルチコア光ファイバ１１０内に生成してもよい。音響光学効果は、音響光学変調器１６０（例えば、音響光学変調器１６０の圧電変換器１６２）により生成された音波により透明な材料に印加された振動する機械的圧力による透明な材料（例えば、マルチコア光ファイバ１１０の材料）の屈折率の変化である。理論により限定されることを意図しないが、音響光学変調器１６０により生成された音波は動く周期的膨張及び圧縮平面として働き、マルチコア光ファイバ１１０の屈折率を一時的に変える。また、音響光学変調器１６０によりマルチコア光ファイバ１１０内に生成される音波の振幅と周波数を調整できるように音響光学変調器１６０は調整可能である。その調整はマルチコア光ファイバ１１０内に生成される長周期ファイバ格子１３０、例えば長周期ファイバ格子１３０の格子周期Ω、音波の偏波（即ち、振動方向）などを調整することがある。この調整能力が、ユーザーがどのコア１２０を結合するかを制御し変更するのを可能にする。

【0078】

図５Ａ～５Ｃを参照すると、マルチコア光ファイバ１１０’内に固定された固定長周期ファイバ格子１３０’を有するマルチコア光ファイバ１１０’を備える光学系１００’が描かれている。図１～４に関して上記で説明した実施形態では、長周期ファイバ格子１３０は変調器１５０により生成される選択的で取除き可能な一時的な長周期ファイバ格子である。一方、マルチコア光ファイバ１１０’の固定長周期ファイバ格子１３０’はマルチコア光ファイバ１１０’ 内に固定されている。例えば、固定長周期ファイバ格子１３０’は任意の既知の又はまだ開発されていないファイバ格子製造技術、例えば化学エッチング、レーザ照射（例えば、ＵＶレーザ照射）などにより形成され、マルチコア光ファイバ１１０’の屈折率を選択的に変えマルチコア光ファイバ１１０’内に固定長周期ファイバ格子１３０’を形成してもよい。図５Ｂは図５Ａの切断Ｃ‐Ｃに沿ったマルチコア光ファイバ１１０’のＸＹ断面を描き、図１～４のマルチコア光ファイバ１１０と同様、被覆材１２５内に配置された複数のコア１２０ａ～１２０ｆを備える。

【0079】

図５Ｃを参照すると、図５Ｂの切断Ｄ‐Ｄに沿ったマルチコア光ファイバ１１０’のＹＺ断面が概略的に描かれている。図５Ｃは第１固定長周期ファイバ格子１３０ａ’及び第２固定長周期ファイバ格子１３０ｂ’を含む。第１固定長周期ファイバ格子１３０ａ’は複数の第１固定変調屈折率領域１３２ａ’及び第１格子周期Ω_ａを有し、第２固定長周期ファイバ格子１３０ｂ’は複数の第２固定変調屈折率領域１３２ｂ’及び第２格子周期Ω_ｂを有する。第１固定長周期ファイバ格子１３０ａ’は第１コア１２０ａを第２コア１２０ｂに直接コア間結合を介して結合するように構成されている。特に、第１格子周期Ω_ａ＝２π／(｜β_１－β_２｜)である。また第２固定長周期ファイバ格子１３０ｂ’は第２コア１２０ｂを第３コア１２０ｃに直接コア間結合を介して結合するように構成されている。特に、第２格子周期Ω_ｂ＝２π／(｜β_２－β_３｜)である。固定長周期ファイバ格子１３０’は複数のコア１２０のうち任意の個別コアを複数のコア１２０のうち任意の別の個別コアと任意の格子周期Ωで直接コア間結合を介して結合するように構成されてよいことは理解されるべきである。

【0080】

図６Ａ～６Ｄを参照すると、外面２１６と被覆材２２５内にコア配列２２１を成すように配置された複数のコア２２０とを備えるマルチコア光ファイバ２２０が概略的に描かれている。図６Ａ～６Ｄのそれぞれは、第１伝搬定数β_１を持つ１つ以上の第１コア２２０ａと、第２伝搬定数β_２を持つ１つ以上の第２コア２２０ｂと、幾つかの実施形態（図６Ｂ～６Ｄ）では第３伝搬定数β_３を持つ１つ以上の第３コア２２０ｃとを有する異なるコア配列２２１の例を描く。各コア配列２２１は少なくとも３つのコア２２０を備える。また、各コア配列２２１のコア２２０は、各個別コアの最も近い隣接するコアがその個別コアと異なる伝搬定数を有するように、マルチコア光ファイバ２１０の被覆材２２５内に配置される。個別コアが複数の最も近い隣接するコアを有する（即ち、最も近い隣接するコアはその個別コアから同じ間隔距離だけ離されている）実施形態では、複数の最も近い隣接するコアのそれぞれは、その個別コアと異なる伝搬定数を有する。

【0081】

図６Ａは１つ以上の第１コア２２０ａ及び１つ以上の第２コア２２０ｂを有する第１コア配列２２１ａを描く。第１コア配列２２１ａはコア２２０の複数の行２２２及びコア２２０の複数の列２２３を有する。第１コア配列２２１ａの各行２２２は個別第１コア２２０ａと個別第２コア２２０ｂが交互する。第１コア配列２２１ａの各列２２３は個別第１コア２２０ａと個別第２コア２２０ｂが交互する。また、第１コア配列２２１ａの各行２２２のコア２２０はＸ軸に沿って整列し、第１コア配列２２１ａの各列２２３のコア２２０はＹ軸に沿って整列する。理論により限定されることを意図しないが、第１コア配列２２１ａは全てのコアの制御された同時の直接コア間結合を可能にすることがあり（例えば、各第１コア２２０ａは少なくとも１つの第２コア２２０に結合され、及び／又は各第２コア２２０ｂは少なくとも１つの第１コア２２０ａに結合されうる）、制御された２次元量子ウォークを実行するために使用されてもよい。

【0082】

図６Ｂは１つ以上の第１コア２２０ａ、１つ以上の第２コア２２０ｂ、及び１つ以上の第３コア２２０ｃを有する第２コア配列２２１ｂを描く。第２コア配列２２１ｂは複数の行２２２を有し、各行は隣接する行から横方向（即ち、Ｘ方向）にずれている。また、各行２２２のコア２２０は第１コア２２０ａと第２コア２２０ｂと第３コア２２０ｃとが交互し、どの個別の行でも少なくとも２つのコアが同じ伝搬定数を持つコア間に位置する。理論により限定されることを意図しないが、第２コア配列２２１ｂは２次元３角形格子及びグラフェン格子のシミュレーションを可能にする。

【0083】

図６Ｃは１つ以上の第１コア２２０ａ、１つ以上の第２コア２２０ｂ、及び１つ以上の第３コア２２０ｃを有する第３コア配列２２１ｃを描く。第３コア配列２２１ｃは複数の行２２２を有し、各行は隣接する行から横方向（即ち、Ｘ方向）にずれている。また、第３コア配列２２１ｃは中心コア２２６と中心コア２２６の外側に同心円状に配置されたコア２２０の複数のリング２２４とを備える。第３コア配列２２１ｃの各リング２２４のコア２２０は同じ伝搬定数を有し、同心円状に隣接するリング２２４のコア２２０同士は異なる伝搬定数を有する。例えば、各リング２２４のコア２２０は第１コア２２０ａと第２コア２２０ｂと第３コア２２０ｃとが交互し、どの個別のリング２２４に対しても少なくとも２つのリング２２４が同じ伝搬定数のコア２２０を持つリング２２４間に同心円状に配置される。理論により限定されることを意図しないが、第３コア配列２２１ｃは半径方向の制御された直接コア間結合を可能にし、バンドギャップファイバのシミュレーションを可能にする。

【0084】

図６Ｄは単一のリング２２４に配置された１つ以上の第１コア２２０ａ、１つ以上の第２コア２２０ｂ、及び１つ以上の第３コア２２０ｃを有する第４コア配列２２１ｄを描く。第４コア配列２２１ｄはコア２２０の１つのリング２２４から成る。第４コア配列２２１ｄのリング２２４のコア２２０は第１コア２２０ａと第２コア２２０ｂと第３コア２２０ｃとが交互し、少なくとも２つのコアが同じ伝搬定数を持つコア間に配置される。理論により限定されることを意図しないが、第４コア配列２２１ｄは環状の１次元コア配列の一方向の直接コア間結合のシミュレーションを可能にする。

【0085】

再び図１～６Ｄを参照すると、動作時、本書に記載した光学系１００、１００’はマルチコア光ファイバ１１０のコア間で光を結合するために使用されうる。例えば、マルチコア光ファイバ１１０の第１コア１２０ａからマルチコア光ファイバ１１０の第２コア１２０ｂへ光を結合する方法は、光子生成器１８０により生成された複数の光子をマルチコア光ファイバ１１０の入力端１１２内に、例えばマルチコア光ファイバ１１０の入力端１１２において第１コア１２０ａ内に向けることを含む。この方法はまた、マルチコア光ファイバ１１０を変調器１５０と係合させ、マルチコア光ファイバ１１０内に長周期ファイバ格子１３０を生成することを含む。長周期ファイバ格子１３０は格子周期Ωを有し、第１コア１２０ａが第２コア１２０ｂと結合されるように２π／(｜β_１－β_２｜)＝Ωである。従って、第１コア１２０ａ内を伝搬する複数の光子が長周期ファイバ格子１３０に到達すると、複数の光子の少なくとも一部は第１コア１２０ａから第２コア１２０ｂへ移り、マルチコア光ファイバ１１０の出力端１１４において第２コア１２０ｂから出る。次に、この方法は複数の光子を光子検出器１９０で受信し光子検出器１９０で測定することを含む。また、変調器１５０により生成された長周期ファイバ格子１３０は、複数のコア１２０の任意の２つのコアの結合を、例えば長周期ファイバ格子１３０の格子周期Ωを調整することで可能にするように調整可能である。一例の動作では、複数のコア１２０のうち２つのコアの結合強度が測定されてもよい。結合強度を測定する場合、光子生成器１８０は狭帯域レーザ又はスーパー発光ダイオードを備え、光子検出器１９０は光スペクトル分析器を備えてもよい。別の例の動作では、量子ウォークが実行され量子アルゴリズムの開発及び量子シミュレーションに使用されてもよい。
実施例
図７～９を参照すると、一例では、固有振動モード展開手法が、一例のマルチコア光ファイバ３１０の異なる伝搬定数を有する２つの個別コア（第１コア３２０ａは第２コア３２０ｂ）の間の結合を数値的に特徴付けるために使用される。この例では、第１コア３２０ａは５．８８９６８μｍ^－１の伝搬定数β_１を有し、第２コア３２０ｂは５．８８４７２μｍ^－１の伝搬定数β_２を有し、第１コア３２０ａの中心と第２コア３２０ｂの中心の距離は２０μｍである。この例では、±δ_ｎの屈折率変化が第１コア３２０ａと第２コア３２０ｂ内に１２７８．２６３μｍの格子周期Ω_ｅｘに亘って引き起こされる。図７に描かれているように、格子周期Ω_ｅｘは正屈折率変化＋δ_ｎ及び負屈折率変化－δ_ｎの２つの等しい半分に分割される。固有振動モード展開法は第１コア３２０ａ及び第２コア３２０ｂの各屈折率断面（即ち、格子周期Ω_ｅｘの±δ_ｎ断面）について誘導モードと非誘導モードの両方を見つけるために使用されてよい。特に、固有振動モード展開法は、第１コア３２０ａ及び第２コア３２０ｂの各屈折率断面内の接線方向Ｅ及びＨ場の連続性を使って格子周期Ω_ｅｘ内（即ち、単一の格子周期Ω_ｅｘ内）に生じる反射係数及び透過係数を決定し、格子周期Ω_ｅｘに対する散乱行列を決定する。単一の周期に対する散乱行列が得られると、反射係数及び透過係数及び散乱行列が複数の格子周期（例えば、格子周期Ω_ｅｘの複数の繰り返し）に対して決定されうる。

【0086】

図８は第１コア３２０ａと第２コア３２０ｂの間の透過を示すグラフ５０を描く。グラフ５０の線５２は第２コア３２０ｂから第１コア３２０ａへの透過を描き、グラフ５０の線５４は第１コア３２０ａから第２コア３２０ｂへの透過を描く。特に、グラフ５０は、波長１５５０ｎｍの複数の光子（即ち、光）が第１コア３２０ａ内に向けられると、線５５により示されるように、その光が１５６個の格子周期Ω_ｅｘを通って伝搬した後、第１コア３２０ａから第２コア３２０ｂへの出力の最大結合が達成されることを示す。この例では、１５６周期の長さは約２０ｃｍの結合長さに相当する。この例の結合長さ及び格子寸法は波長１５５０ｎｍの光に対して働くように設計された。

【0087】

図９は１５４０ｎｍ～１５６０ｎｍの波長範囲に沿って１５６格子周期Ω_ｅｘにおける結合の波長応答を示すグラフ６０を描く。グラフ６０の線６２は、１５６格子周期Ω_ｅｘにおける第２コア３２０ｂから第１コア３２０ａへの透過を１５４０ｎｍ～１５６０ｎｍの波長範囲に沿って（０．５ｎｍおきに測定）描く。グラフ６０の線６４は、１５６格子周期Ω_ｅｘにおける第１コア３２０ａから第２コア３２０ｂへの透過を１５４０ｎｍ～１５６０ｎｍの波長範囲に沿って（０．５ｎｍおきに測定）描く。また、グラフ６０の線６５は最大結合が１５５０ｎｍで達成されることを示し、図８のグラフ５０に描かれた測定値及び結合モード方程式の予測と一致する。

【0088】

本独創的技術を記載し定義する目的のために、本書における変量の記述がパラメータ又は別の変量の関数であることはその変量が排他的にそのパラメータ又は変量の関数であることを示すように意図されていないことに注意されたい。むしろ、記述されたパラメータの関数である変量の記述は、その変量は１つだけのパラメータ又は複数のパラメータの関数である場合があるようにオープンエンドであることが意図されている。

【0089】

なおまた、本書で「少なくとも１つの」部品、要素などの記載は、英語の「a」又は「an」の代替使用は１つだけの部品、要素などに限定されるべきという推量をするのに使用されるべきでない。

【0090】

なお、本開示の部品が特定のやり方で「構成」され特定の特性又は機能を特定のやり方で実現しているとの本書の記載は、構造的記載であり、意図された使用の記載と対照的である。より具体的には、部品が「構成」されるやり方の本書の記述は、その部品の存在する物理的状態を表す、即ち、その部品の構造的特徴の明確な記述と理解されるべきである。

【0091】

本独創的技術を記載し定義する目的のために、用語「実質的に」及び「約」は、任意の定量的比較、値、測定値、又は他の表現が有しうる本質的な不確定度を表すために本書で使用されることに注意されたい。用語「実質的に」及び「約」はまた、説明されている主題の基本機能は変わることなく定量的表現が記述された基準から変わりうる度合を表すために本書で使用される。

【0092】

本開示の主題を詳細にかつ具体的な実施形態を参照して説明したが、本書に開示した様々な詳細は、特定の要素が添付の各図面で例示されている場合でも、これらの詳細は本書に記載された様々な実施形態の本質的部品である要素に関係することを示唆すると理解されるべきでないことに注意されたい。また、これらに限定されないが添付の請求項に規定された実施形態を含む本開示の範囲から逸脱することなく、部分変更及び変形が可能であることは明らかであろう。より具体的には、本開示の幾つかの態様は本書で好ましい又は特に有利であると特定されているが、本開示はこれらの態様に必ずしも限定されないことは考慮されている。

【0093】

なお、添付の請求項の１つ以上は、用語「wherein」を移行句として使用する。本独創的技術を定義する目的のために、この用語は構造の一連の特性の記述を導入するために使用されるオープンエンドの移行句として請求項内で使用され、より多く使用されるオープンエンドの前段用語「comprising」と同様に解釈されるべきであることに注意されたい。

【0094】

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

【0095】

実施形態１
マルチコア光ファイバであって、
被覆材内に配置された複数のコアを備え、
前記複数のコアは第１コアと第２コアを含み、
前記第１コアは第１伝搬定数β_１を有し、前記第２コアは第２伝搬定数β_２を有し、前記被覆材は被覆材伝搬定数β_０を有し、次の関係式が成立する、

【0096】

【数25】

【0097】

マルチコア光ファイバ。

【0098】

実施形態２
前記第１コア及び前記第２コアはモード不整合Ｍ_１２を有し、次の式で表される

【0099】

【数26】

【0100】

ここでＣ_１２は前記第１コアから前記第２コアへ結合するための結合係数であり、Ｍ_１２は１０より大きい、実施形態１記載のマルチコア光ファイバ。

【0101】

実施形態３
前記複数のコアのそれぞれは単一モードコアである、実施形態１又は２記載のマルチコア光ファイバ。

【0102】

実施形態４
前記複数のコアのそれぞれは異なる伝搬定数を有する、実施形態１～３のいずれかに記載のマルチコア光ファイバ。

【0103】

実施形態５
光学系であって、
実施形態１～４のいずれかに記載のマルチコア光ファイバと、
前記マルチコア光ファイバと係合可能な変調器と
を備え、
前記変調器を前記マルチコア光ファイバと係合させることは、格子周期Ωを持つ長周期ファイバ格子を前記マルチコア光ファイバ内に生成し、２π／(｜β_１－β_２｜)＝Ωである時、前記第１コアは前記第２コアと結合される、光学系。

【0104】

実施形態６
前記変調器は、前記マルチコア光ファイバと物理的に係合可能で前記マルチコア光ファイバの外面に圧力を印加する機械的変調器から成る、実施形態５記載の光学系。

【0105】

実施形態７
前記機械的変調器は第１プレート部及び第２プレート部を有し、
前記第１プレート部、前記第２プレート部、又は両方は複数の周期的に間隔を空けた複数の歯を備え、
前記第１プレート部、前記第２プレート部、又は両方は互いに向かって平行移動可能であり、
前記マルチコア光ファイバを前記機械的変調器と係合させることは、前記第１プレート部と前記第２プレート部を使って前記マルチコア光ファイバに物理的圧力を印加することを含む、実施形態６記載の光学系。

【0106】

実施形態８
前記変調器は音響光学変調器から成り、
前記音響光学変調器は圧電変換器を含み、
前記マルチコア光ファイバを前記音響光学変調器と係合させることは、前記圧電変換器を使って前記マルチコア光ファイバ内に音波を生成することを含む、実施形態５記載の光学系。

【0107】

実施形態９
前記マルチコア光ファイバの入力端に光学的に結合された光子生成器と、前記マルチコア光ファイバの出力端に光学的に結合された光子検出器とを更に備えた実施形態５～７のいずれかに記載の光学系。

【0108】

実施形態１０
格子周期Ωを持ち２π／(｜β_１－β_２｜)＝Ωである長周期ファイバ格子を更に備えた実施形態１～４のいずれかに記載のマルチコア光ファイバ。

【0109】

実施形態１１
前記第１コアと前記第２コアの間の消滅比は２０ｄＢ以上である、実施形態１～４又は１０のいずれかに記載のマルチコア光ファイバ。

【0110】

実施形態１２
当該マルチコア光ファイバの全体デバイス寸法は３０ｃｍ未満である、実施形態１～４、１０、又は１１のいずれかに記載のマルチコア光ファイバ。

【0111】

実施形態１３
前記複数のコアは少なくとも３つのコアを含み、
前記少なくとも３つのコアは、前記第１伝搬定数β_１を有する１つ以上の第１コアと前記第２伝搬定数β_２を有する１つ以上の第２コアとを含む、実施形態１～４のいずれかに記載のマルチコア光ファイバ。

【0112】

実施形態１４
前記少なくとも３つのコアは、第３伝搬定数β_３を有する１つ以上の第３コアを含み、
前記第３伝搬定数β_３は前記第１伝搬定数β_１及び前記第２伝搬定数β_２両方と異なる、実施形態１３記載のマルチコア光ファイバ。

【0113】

実施形態１５
前記少なくとも３つのコアは、各個別コアの最も近い隣接するコアはその個別コアと異なる伝搬定数を有するように当該マルチコア光ファイバの被覆材内に配置される、実施形態１３又は１４記載のマルチコア光ファイバ。

【0114】

実施形態１６
マルチコア光ファイバであって、
被覆材内に配置された複数のコアを備え、
前記複数のコアは第１コア、第２コア、及び第３コアを含み、
前記第１コアは第１伝搬定数β_１を有し、前記第２コアは第２伝搬定数β_２を有し、前記第３コアは第３伝搬定数β_３を有し、前記被覆材は被覆材伝搬定数β_０を有し、次の関係式が成立する、

【0115】

【数27】

【0116】

前記第１コア及び前記第２コアはモード不整合Ｍ_１２を有し、次の式で表される

【0117】

【数28】

【0118】

ここでＣ_１２は前記第１コアから前記第２コアへ結合するための結合係数であり、Ｍ_１２は１０より大きい、マルチコア光ファイバ。

【0119】

実施形態１７
次の関係式が成立し

【0120】

【数29】

【0121】

前記第１コア及び前記第３コアはモード不整合Ｍ_１３を有し、次の式で表される

【0122】

【数30】

【0123】

ここでＣ_１３は前記第１コアから前記第３コアへ結合するための結合係数であり、
前記第２コア及び前記第３コアはモード不整合Ｍ_２３を有し、次の式で表される

【0124】

【数31】

【0125】

ここでＣ_２３は前記第２コアから前記第３コアへ結合するための結合係数であり、
Ｍ_１３及びＭ_２３両方が１０より大きい、実施形態１６記載のマルチコア光ファイバ。

【0126】

実施形態１８
前記複数のコアのそれぞれは単一モードコアである、実施形態１６又は１７記載のマルチコア光ファイバ。

【0127】

実施形態１９
光をマルチコア光ファイバの第１コアから前記マルチコア光ファイバの第２コアへ結合する方法であって、
被覆材内に配置された複数のコアを備える前記マルチコア光ファイバの入力端に光学的に結合された光子生成器により生成された複数の光子を前記複数のコアのうち前記第１コア内に向けることと、
ここで前記複数のコアは前記第１コア及び前記第２コアを含み、前記第１コアは第１伝搬定数β_１を有し、前記第２コアは第２伝搬定数β_２を有し、前記被覆材は被覆材伝搬定数β_０を有し、次の関係式が成立する、

【0128】

【数32】

【0129】

前記マルチコア光ファイバを変調器と係合させることで、２π／(｜β_１－β_２｜)＝Ωで与えられる格子周期Ωを持つ長周期ファイバ格子を前記マルチコア光ファイバ内に生成し、前記第１コアを前記第２コアと結合させることとを含む方法。

【0130】

実施形態２０
前記第１コア及び前記第２コアはモード不整合Ｍ_１２を有し、次の式で表される

【0131】

【数33】

【0132】

ここでＣ_１２は前記第１コアから前記第２コアへ結合するための結合係数であり、Ｍ_１２は１０より大きい、実施形態１９記載の方法。

【0133】

実施形態２１
前記変調器は機械的変調器から成り、前記マルチコア光ファイバを前記機械的変調器と係合することは、前記機械的変調器で前記マルチコア光ファイバの外面に物理的圧力を印加することを含む、実施形態１９又は２０記載の方法。

【0134】

実施形態２２
前記変調器は圧電変換器を含む音響光学変調器から成り、前記マルチコア光ファイバを前記音響光学変調器と係合させることは、前記圧電変換器を使って前記マルチコア光ファイバ内に音波を生成することを含む、実施形態１９又は２０記載の方法。

【0135】

実施形態２３
前記複数のコアは少なくとも３つのコアを含み、
前記少なくとも３つのコアは、前記第１伝搬定数β_１を有する１つ以上の第１コアと前記第２伝搬定数β_２を有する１つ以上の第２コアと第３伝搬定数β_３を有する１つ以上の第３コアを含み、
前記第３伝搬定数β_３は前記第１伝搬定数β_１及び前記第２伝搬定数β_２両方と異なり、
前記少なくとも３つのコアは、各個別コアの最も近い隣接するコアはその個別コアと異なる伝搬定数を有するように当該マルチコア光ファイバの前記被覆材内に配置される、実施形態１９～２２のいずれかに記載の方法。

【符号の説明】

【0136】

１００ 光学系
１１０ マルチコア光ファイバ
１１２ 入力端
１１４ 出力端
１１６ 外面
１２０ コア
１２５ 被覆材
１３０ 長周期ファイバ格子
１３２ 変更された屈折率領域
１５０ 変調器
１５２ 機械的変調器
１５４ 第１プレート部
１５５ 歯
１５６ 第２プレート部
１８０ 光子生成器
１９０ 光子検出器
２１６ 外面
２２０ コア
２２５ 被覆材

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図7】

【図8】

【図9】

【国際調査報告】