(57)【要約】本発明のマルチコアファイバは、個々のコアを独立に単一モード伝送させる「非結合系」の動作形態に対応したマルチコアファイバの形態によって、単一モードの複数のコアを１本の光ファイバに収納したマルチコアファイバを用いた空間分割多重伝送を行う。より詳細には、本発明のマルチコアファイバは、個々のコアが単一モードでかつ独立な伝送チャネルに対応させる非結合系マルチコアファイバを形成する。
2010038863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単一モードのコアを一本の光ファイバに収納したマルチコアファイバにおいて、
ファイバを伝搬する固有モードの電界分布において、個々のコアの固有基本モードを空間的に局在化させ、相互に結合せずに孤立した固有基本モードを形成して、個々のコアの固有基本モードに信号の伝送チャネルを対応させ、空間分割によって伝送チャンネルを多重化する空間分割多重伝送系を形成するマルチコアファイバであり、
前記マルチコアファイバは、
単一モードファイバにおける基本モードの伝搬定数が異なる複数種類のコアを、マルチコアファイバの断面において２次元配置し、
隣接するコアの間を当該コアの異なる伝搬定数によって非結合状態として空間分割した非結合伝送系を形成し、
前記各コアを単一モードで独立した伝送チャネルに一対一に対応させることによって、空間分割多重伝送系を形成することを特徴とする、非結合系マルチコアファイバ。
【請求項２】
前記伝搬定数が異なる複数種類のコアを複数備え、
前記複数のコアの配置において、
同じ伝搬定数のコア間の結合状態を非結合状態とするコア間距離に配置して、非結合伝送系を形成することを特徴とする、請求項１に記載の非結合系マルチコアファイバ。
【請求項３】
前記伝搬定数が異なる３種類のコアを複数備え、
前記複数のコアの配置において、
異なる伝搬定数の隣接コア間の距離をΛとし、同じ伝搬定数のコア間の距離を√３Λとして最密充填配置し、
同じ伝搬定数のコア間の距離√３Λを非結合状態となる距離を離して配置し、非結合伝送系を形成することを特徴とする、請求項１に記載の非結合系マルチコアファイバ。
【請求項４】
前記伝搬定数が異なる２種類のコアを複数備え、
前記複数のコアの配置において、
前記２種類のコアを互いに交互に格子状に配置し、同じ伝搬定数のコア間の距離を非結合状態となるコア間距離に配置し、非結合伝送系を形成することを特徴とする、請求項１に記載の非結合系マルチコアファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高密度空間多重伝送のためのマルチコアファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、多モードファイバが研究され、モード群遅延差による伝送帯域制限を解消するための様々な工夫が提案されている。その１つに、モード群を分離して群遅延差を電気的に等化する提案がある（非特許文献１）。その後、階段屈折率ファイバではモード伝搬角がモード次数にほぼ対応することから angular division multiplexing が提案され（非特許文献２）、さらに2006年にはほとんど同じコンセプトを分布屈折率ファイバに適用した mode group diversity multiplexing が提案されている（非特許文献３）。これらの文献に記載されるファイバはいずれも、各固有モードを直交関数系で表される独立な伝送チャネルとして利用するのではなく、モード群として伝搬角の差を利用して合分波するものであり、伝送帯域は単一モードファイバに及ばない。つまり、伝送容量を極限まで高める技術ではない。【０００３】
また、非特許文献４は、多モードファイバの各モードを伝送チャネルに対応させるモード分割多重化について言及している。【０００４】
また、従来の同種コアによる非結合マルチコアファイバをフォトニック結晶ファイバで実現するものとして非特許文献５が知られている。【０００５】
また、非特許文献６には、伝搬定数が異なる二つのコア間における漏話量を一定値以下に抑えることが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】末松安晴, 古屋一仁, "多姿態誘電体光導波路の屈折率分布と群遅延特性", 電子通信学会論文誌, vol.57-C, no.9, pp.289-296 (1974)
【非特許文献２】R. C. Stearns, C. K. Asawa, S-K Yao, "Angular Division Multiplexing for Fiber Communication Using Graded-Index Rod Lenses", J. Lightwave Technol., vol.LT-4, no.2, pp.358-362 (1984)
【非特許文献３】C. P. Tsekrekos, M. de Boer, A. Martinez, F. M. J. Willems, A. M. J. Koonen, "Temporal Stability of a Tranparent Mode Group Diversity Multiplexing Link", Photon. Technol. Lett., vol.18, no.23, pp.2484-2486 (2006)
【非特許文献４】Martin Feldman, Ramachandran, Vaidyanathan, and Ahmed El-Amawy, "High speed, High Capacity Bused Interconnects Using Optical Slab Waveguides", Lect. Notes Comput. Sci., Vol.1586, pp.924-937 (1999)
【非特許文献５】今村勝徳，武笠和則，杉崎隆一，味村裕，八木健, "超大容量伝送用マルチホーリーファイバに関する検討",  2008年電子情報通信学会通信ソサエティ大会，B-13-22 (2008)
【非特許文献６】吉川浩，山本雄三，大野豊, "加入者線路用非対称２コア形単一モードファイバの数値解析",  電子情報通信学会論文誌C-I Vol.J74-C-I No.9 pp307-312 1991年9月
【非特許文献７】S. Inao, T. Sato, H. Hondo, M. Ogai, S. Sentsui, A. Otake, K. Yoshizaki, K. Ishihara, and N. Uchida, "High density multi-core-fiber cable", Proceedings of the 28th International Wire & Cable Symposium (IWCS), pp. 370−384, 1979.
【非特許文献８】B. Rosinski, J. W. D. Chi, P. Grasso, and J. L. Bihan, "Multichannel transmission of a multicore fiber coupled with Vertically-Coupled- Surface- Emitting Lasers", J. Lightwave Technol., vol.17, no.5, pp.807-810, 1999.
【非特許文献９】K. Saitoh and M. Koshiba, "Full-vectorial imaginary-distance beam propagation method based on a finite element scheme: application to photonic crystal fibers", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 38, No. 7, pp. 927-933 (2002)
【非特許文献１０】A. W. Snyder and J.D. Love, "Optical Waveguide Theory", Chapman and Hall, London, 1983.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光ファイバ中を伝搬する各固有モードの電界分布は以下の式（１）で表すことができる。
2010038863.tif 000003
【０００８】
上記式（１）において、ｅｐは単位偏波ベクトル、ωｖはキャリア角周波数（ｖは波長多重あるいは周波数多重時のチャネル番号）、Ａｉ（ｒｉ）とβｉはそれぞれ振幅分布と伝搬定数でｉはモード次数、ｒtは横方向（z方向以外の）の座標位置ベクトルである。光波を表すこれらのパラメータ（ｅｐ、ωｖ、Ａｉ（ｒｉ）、φｉ）を組み合わせて多重化する場合、単独ではωｖを用いる高密度波長多重（あるいは周波数多重）とｅｐを用いる偏波多重があり、また単一モードファイバなのでｉ＝０としてＡ０とφ０の組み合わせによる４値差動位相変復調（ＤＱＰＳＫ）や直交振幅変調（ＱＡＭ）などの多値伝送がある。【０００９】
上記した多重方式に他に、モード多重（mode division multiplexing）伝送がある。このモード多重は、Ａｉ（ｒｉ）のモード次数ｉが異なる固有モードが直交関数系をなすことを利用するものである。【００１０】
従来から知られる多モードファイバを用いてモード多重伝送を行う場合には、１つの固有モードに１つの伝送チャネルを対応させるためモード合分波が困難である。そのため、モード多重ではなく、モード群多重によって多重化している。【００１１】
したがって、モード多重伝送を行うには、多モードファイバに代えて、単一モードの複数のコアを１本の光ファイバに収納したマルチコアファイバを用いる必要がある。従来、単一モードの複数のコアを１本の光ファイバに収納したマルチコアファイバを用いることによってモード多重伝送を行う構成は、非特許文献７および非特許文献８などが知られている。【００１２】
なお、非特許文献４に開示するモード分割多重化は、多モード導波路の各モードを伝送チャネルに対応させるものであるが、多数モードを有する多モード導波路では、伝搬角の差を利用して分波する場合には、出射端での電磁界分布の大きさから定まる回折角は、固有モードの伝搬角の差よりも大きくなるためにモード分解ができず、モードの合分波が困難であるという問題がある。【００１３】
また、非特許文献５に開示する、従来の同種コアによる非結合マルチコアファイバをフォトニック結晶ファイバで実現するものであり、非特許文献４と非特許文献５のいずれにおいても、同種コア同士を近づけるとコア間結合が起きてクロストークになるため、コア間隔を狭間隔化できない問題がある。【００１４】
さらに，非特許文献７および非特許文献８においても，従来の同種コアによって非結合マルチコアファイバを実現するものであり，同種コア同士を近づけるとコア間結合が起きてクロストークになるため、コア間隔を狭間隔化できない問題がある。【００１５】
非特許文献６は２コア間で，コアとクラッド間の屈折率差を変えて，その結果として生じる伝搬定数差によってコア間を近接させても結合を回避するものであるが，２コア間に関する検討であり，すでに非特許文献１０などの教科書に書かれている物理現象をコア断面が円形の光ファイバに適用したに過ぎない。【００１６】
そこで、本発明は、上記した問題を解決し、多モードファイバに代えて、単一モードの複数のコアを１本の光ファイバに収納したマルチコアファイバにおいて，複数の異種コアを高密度に配置したマルチコアファイバを用いることによって空間分割多重伝送を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明のマルチコアファイバは、個々のコアを独立に単一モード伝送させる「非結合系」の動作形態に対応したマルチコアファイバの形態によって、単一モードの複数のコアを１本の光ファイバに高密度に収納したマルチコアファイバを用いた空間分割多重伝送を行う。【００１８】
より詳細には、本発明のマルチコアファイバは、個々のコアが単一モードでかつ独立な伝送チャネルに対応させる非結合系マルチコアファイバの形態とする。【００１９】
このマルチコアファイバによれば、伝送帯域をコアの本数分だけ増大させることができる。【００２０】
本発明の非結合系マルチコアファイバの形態は、複数の単一モードのコアを一本の光ファイバに収納したマルチコアファイバにおいて、ファイバを伝搬する固有モードの電界分布において、個々のコアの固有基本モードを空間的に局在化させ、相互に結合せずに孤立した固有基本モードを形成して、個々のコアの固有基本モードに信号の伝送チャネルを対応させ、空間分割によって伝送チャンネルを多重化する空間分割多重伝送系を形成するマルチコアファイバである。【００２１】
本発明のマルチコアファイバは、単一モードファイバにおける基本モードの伝搬定数が異なる複数種類のコアを、マルチコアファイバの断面において２次元配置し、隣接するコアの間を当該コアの異なる伝搬定数によって非結合状態として空間分割した非結合伝送系を形成し、各コアを単一モードで独立した伝送チャネルに一対一に対応させることによって、空間分割多重伝送系を形成する。【００２２】
本発明の非結合系マルチコアファイバは、伝搬定数が異なる複数種類のコアを複数備える構成とすることができ、複数のコアの配置において、同じ伝搬定数のコア間の結合状態を非結合状態とするコア間距離に配置し、これによって、非結合伝送系を形成する。【００２３】
本発明の非結合系マルチコアファイバにおいて、伝搬定数が異なる３種類のコアを備える構成とすることができる。この３種類のコアの配置において、異なる伝搬定数の隣接コア間の距離をΛとし、同じ伝搬定数のコア間の距離を√３Λとして最密充填配置とすることができる。ここで、同じ伝搬定数のコア間の距離√３Λを非結合状態となる距離を離して配置することによって、非結合伝送系を形成する。【００２４】
また、本発明の非結合系マルチコアファイバにおいて、伝搬定数が異なる２種類のコアを備える構成とすることができる。この２種類のコアの配置において、伝搬定数が異なる２種類のコアを複数備える構成とすることができ、複数のコアの配置において、２種類のコアを互いに交互に格子状に配置し、同じ伝搬定数のコア間の距離を非結合状態となるコア間距離に配置し、これによって、非結合伝送系を形成する。【００２５】
非結合系では、コア間の結合（クロストーク）を回避するため、伝搬定数が互いに相等しい同一コア（位相整合条件が満足され、結合効率の最大値は１になる）を用いた場合、結合長を伝搬距離に比べて十分長くしておく必要がある。また、伝搬定数が互いに異なる異種コア（位相整合条件が満足されず、結合効率の最大値は１にはならない）を用いた場合には、結合長が必然的に短くなるので、結合効率の最大値、すなわちパワー移行率Ｆを受信レベルに比べて十分小さくなるように設計することが必要である。【００２６】
本発明の態様によれば、非結合系によるマルチコアファイバにおいて、コア間の結合（クロストーク）を回避することができ、伝搬定数が互いに相等しい同一コアの場合には、結合長を伝搬距離に比べて十分長くし、伝搬定数が互いに異なる異種コアの場合には、結合効率の最大値、すなわちパワー移行率Ｆを受信レベルに比べて十分小さくなるように設計することができる。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように、本発明によれば、多モードファイバに代えて、単一モードの複数のコアを１本の光ファイバに収納したマルチコアファイバを用いることによって空間分割多重伝送を行うことができる。【００２８】
非結合系によるマルチコアファイバにおいて、コア間の結合（クロストーク）を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】マルチコアファイバのコアの三角配置を説明するための図である。
【図２】マルチコアファイバの原理であるコア間結合を説明するための最も簡単なモデルを示す図である。
【図３】異なる伝搬定数をもつコアの一例を説明するための図である。
【図４】本発明の非結合系マルチコアファイバにおいて、コアと伝送チャネルとの対応を説明するための図である。
【図５】異種コアを三角配置することによる非結合系最密充填マルチコアファイバの構成例を説明するための図である。
【図６】２種類のコアを互いに交互に格子状に配置する構成例を説明するための図である。
【図７】本発明の非結合系マルチコアファイバのコアの別の配置を説明するための図である。
【図８】コア間隔と結合効率との関係を示す基本構造を説明するための図である。
【図９】３種類のコアの三角配置における同種コア間距離を説明するための図である。
【図１０】低比屈折率差の同一コアの間隔と結合長との関係を示す図である。
【図１１】低比屈折率差の異種コア間のパワー移行率の比屈折率差依存性を示す図である。
【図１２】低比屈折率差のコアを用いた配置例を示す図である。
【図１３】高比屈折率差の同一コアの間隔と結合長との関係を示す図である。
【図１４】高比屈折率差の異種コア間のパワー移行率の比屈折率差依存性を示す図である。
【図１５】高比屈折率差のコアを用いた配置例を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０    マルチコアファイバ
１１    コア
１１Ａ-１１Ｆ    コア
１１ＡＡ-１１ＤＡ    コア
１１ＡＢ-１１ＤＢ    コア
１２    クラッド
２０    非結合系マルチコアファイバ
２１Ａ-２１Ｃ    コア
２１-2    右側コア
２１-1    左側コア
２４Ａ-２４Ｃ    伝送チャネル
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。【００３２】
以下、本発明のマルチコアファイバにおいて、非結合系マルチコアファイバについて図１〜図１５を用いて説明する。【００３３】
マルチコアファイバにおいて、伝搬定数が互いに相等しい同一のコアを用いてマルチコア化したファイバを「Homogeneous Multi-core Fiber（Homogeneous MCF）」と呼び、一方、伝搬定数が互いに異なる複数のコアを用いてマルチコア化したファイバを「Heterogeneous Multi-core Fiber（Heterogeneous MCF）」と呼ぶ。本発明は非結合マルチコアファイバに関するものであるので，以下に「Heterogeneous Multi-core Fiber（Heterogeneous MCF）」について説明する。【００３４】
図１は、マルチコアファイバのコア配置の一例を示している。なお、図１では、コア密度を最も高められる最密充填配置とする三角配置を示しているが、この配置例に限られるものではない。【００３５】
図１において、マルチコアファイバ１０は、同一の伝搬定数を備えるコア１１を最密充填配置し周囲をクラッド１２とする。ここで、各コアの直径を２ａ、隣接するコア間の間隔をΛとしている。【００３６】
図２はマルチコアファイバのコア間結合を説明するための最も簡単なモデルを示している。図２に示すモデルは２結合平板導波路の例を示している。【００３７】
二つの単一モード導波路のコアを用意し、これらのコアを互いに近づけると、図２に示すようにコア間でモード結合が生じる。二つのコアが単独に存在する非摂動系の個々の基本モードの伝搬定数をそれぞれβ１、β２とすると、これらのコアを伝搬方向（z方向）に平行に並べた摂動系の結合モードａ，ｂの伝搬定数βｅ、βｏは、図３に示すようにそれぞれβｅ＝βａｖｅ＋βｃ、βｏ＝βａｖｅ−βｃで与えられる。ここにβａｖｅ＝ (β１＋β２) /２は平均伝搬定数であり、βｃは、位相不整合量δ＝ (β１−β２) /２と結合係数κを用いて、βｃ＝（δ２＋κ２）)１／２のように表される。【００３８】
いま、一方のコアから、その基本モードを入射させると、結合効率に対応する他方のコアにおける規格化光パワーηのz方向依存性は、η＝Ｆsin２βｃｚと書ける。ここにＦ＝ (κ／βｃ )2 はパワー移行率である。結合効率ηは、結合長Ｌｃ＝π／（２βｃ）において最大となり、その値はＦとなる。位相整合条件δ＝０が満たされている場合には、βｃ＝κとなるので、結合効率の最大値は１となる。【００３９】
一方、それぞれのコア１１Ａ，１１Ｂの屈折率がｎ1(1)＝ｎ1(2)＝ｎ1で等しく，それぞれが孤立して存在する場合の伝搬定数をβとして、γを以下の式（２）により
2010038863.tif 000004
と定義すると、２結合平板導波路のモデルでは、弱結合近似での偶モード（伝搬定数βｅ）と奇モード（伝搬定数βｏ）の２つの結合モードが形成される。【００４０】
弱結合近似での偶モードと奇モードの伝搬定数差(βｅ−βｏ)は、近似的に
2010038863.tif 000005
と表される。【００４１】
また、結合長Ｌcは、
2010038863.tif 000006
と表される。【００４２】
ここで、二つの伝搬定数が等しい単一モードファイバを用意し、これらのコアを互いに近づけると、コア間でモード結合が生じる。一方、結合長Ｌｃを長くするとコア間の結合は低減される。結合長Ｌｃを出来るだけ長くするには、式（３）よりコア間距離Λをコアの直径２ａに比べて十分に離す必要がある。一方、伝搬定数が異なるコアを互いに近づけると、パワー移行率Ｆが１よりも十分に小さくなるので、近づけてもコア間結合を回避することが出来る。【００４３】
［非結合系マルチコアファイバ］
同一コアを用いて非結合系マルチコアファイバを構成しようとすると、コア間のクロストークを回避するために、コア間の間隔をかなり大きく開ける必要があり、コア密度を高くすることは困難である。非結合系マルチコアファイバは、伝搬定数が互いに異なる複数のコアを用いてマルチコア化する。【００４４】
本発明の非結合系マルチコアファイバの形態は、単一モードファイバにおける基本モードの伝搬定数が異なる複数種類のコアを備え、これらのコア間の異なる伝搬定数によってコア間を非結合状態として非結合伝送系を形成し、各コアを単一モードで独立した伝送チャネルに一対一に対応させ、複数のコアを備えるマルチコアファイバによって空間分割多重伝送系を形成する。【００４５】
本発明の非結合系マルチコアファイバは、伝搬定数が異なる複数種類のコアを複数備える構成とすることができ、複数のコアの配置において、同じ伝搬定数のコア間の結合状態を非結合状態とするコア間距離に配置し、これによって、非結合伝送系を形成する。【００４６】
本発明の非結合系マルチコアファイバは、異なる伝搬定数のコアを用いる。伝搬定数は、屈折率差、コアの直径、屈折率分布等のパラメータを変えることで異ならせることができる。図３は、異なる伝搬定数の一例を示している。図３（ａ）に示すコア２１Ａは、コア直径を２ｂとし、屈折率をｎ１としている。図３（ｂ）に示すコア２１Ｂは、コア直径を２ｃとし、屈折率をｎ３としている。また、図３（ｃ）に示すコア２１Ｃは、コア直径を２ｄとし、ピークの屈折率をｎ４とし、裾野部分の屈折率をｎ５とする屈折率分布を有している。【００４７】
図４は、本発明の非結合系マルチコアファイバにおいて、コアと伝送チャネルとの対応を説明するための図である。図４は、非結合系マルチコアファイバ２０は、伝搬定数を異にするコア２１Ａ〜２１Ｃを備え、各コア２１Ａ〜２１Ｃは、伝送チャネル２４Ａ〜２４Ｃと一対一に対応させてモード多重伝送を行う。【００４８】
図４は、非結合系マルチコアファイバ２０内に、伝搬定数を異にするコア２１Ａ〜２１Ｃを一本ずつ備える構成を示しているが、伝搬定数を異にするコア２１Ａ〜２１Ｃを複数本備える構成としてもよい。図５は、異種コアを三角配置することによる非結合系最密充填マルチコアファイバの構成例を示している。【００４９】
図５に示す構成では、伝搬定数が異なる３種類のコア２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃを備え、この３種類のコアの配置において、異なる伝搬定数の隣接コア間の距離をΛとし、同じ伝搬定数のコア間の距離を√３Λとして最密充填配置する。ここで、同じ伝搬定数のコア間の距離√３Λを非結合状態となる距離を離して配置することによって、非結合伝送系を形成する。このとき、コアのピッチΛを、すべてのコア間クロストークが十分小さくなるように適切に設定することが必要である。【００５０】
非結合系マルチコアファイバを用いた伝送では、各コアの基本モードを独立した伝送チャネルとして用いるために、各コア間の結合をいかにして回避するかの工夫が必要になる。その１つの方法として、図５に示した異種コアの三角配置によって最密充填配置する他、長方形配置としても良い。長方形配置の場合には、接続を容易とすることができるという利点がある。【００５１】
また、本発明の非結合系マルチコアファイバにおいて、伝搬定数が異なる２種類のコアを備える構成とすることができる。この２種類のコアの配置において、伝搬定数が異なる２種類のコアを複数備える構成とすることができ、複数のコアの配置において、２種類のコアを互いに交互に格子状に配置し、同じ伝搬定数のコア間の距離を非結合状態となるコア間距離に配置し、これによって、非結合伝送系を形成する。図６は、２種類のコア（２１Ａ，２１Ｂ）を互いに交互に格子状に配置する構成例を示している。【００５２】
２種類のコアをファイバ断面内のｘ、ｙ方向にそれぞれピッチΛｘ、Λｙで長方形配置する。この場合には、同一の伝搬定数を有するコアの最近接距離は√（Λｘ２＋Λｙ２）となるので、この距離をコア間の結合を十分に回避できる距離に設定することによりコア密度を高めることができる。【００５３】
同一コア間のピッチ√（Λｘ２＋Λｙ２）、異種コア間のピッチΛｘ、Λｙを、すべてのコア間クロストークが十分小さくなるように適切に設定することによってコア密度を高めることができる。【００５４】
この格子状配列によれば、三角配列の場合と異なり、ΛｘとΛｙを異なる値にすることによって、接続時の座標の方向を示すこともできる。ただし、座標の方向性に関しては完全な長方形配置では１８０度の対称性が存在し、反転した際の区別ができない。図６に示す構成例では、対称性を崩す配置構成として、長方形配置の一辺にコアを付加している。【００５５】
図７は、非結合系マルチコアファイバ２０ｃ、２０ｄのコアの別の配置を説明するための図である。【００５６】
図７（ａ）は、複数のコア２１Ａ〜２１Ｆを含むコア群２３によって構成される非結合系マルチコアファイバ２０ｃを示し、コア２１Ａ〜２１Ｆを等間隔となるように配置して構成する例を示している。また、図７（ｂ）は、図７（ａ）のコア群２３Ａ〜２３Ｃを複数配置して構成する例を示している。【００５７】
ここで、通常の単一モードファイバと同程度の比屈折率差Δ、すなわち低Δのコアを用いて非結合系マルチコアファイバを構成する場合の設計条件について検討する。【００５８】
ここで、コア間隔と結合効率との関係を説明するための基本構造として、図８に示すような２平行コアを定める。図８において、Ｄはコアの中心間距離（コア間隔）であり、コア半径をａ＝４．５μｍ、クラッドの屈折率ｎ２を１．４５、動作波長をλ＝１５５０ｎｍとする。【００５９】
コアの屈折率ｎ１は、個々のコアを単一モード伝送させるために、Δ＝（ｎ１２−ｎ２２）／（２ｎ１２）のように定義される比屈折率差が０．４０％以下となる値に設定する。同一コア間の結合効率は、結合長において１、すなわち１００％になるので、コア間クロストークを回避するためには、結合長を伝送距離に比べて十分長く設定しておく必要がある。【００６０】
いま、伝送距離を１００ｋｍとすると、１００ｋｍ伝送後の結合効率（クロストーク）は、結合長が５０００ｋｍ、１０００００ｋｍの場合、それぞれ−３０dB、−３６dBとなる。コア間クロストークが−３０dB以下となるように、結合長の目標値を５０００ｋｍとする。結合長は、伝搬定数が同一のコアの場合、位相不整合量がδ＝０となるので、Ｌｃ＝π/(2κ)で与えられる。偶モードと奇モードの伝搬定数βｅ、βｏを用いて、Ｌｃ＝π／（βｅ−βｏ）と表すこともできる。【００６１】
以下に示す例では、個々のコアにおける基本モードや偶モードと奇モードの伝搬定数、さらには、これらのモードに対応する電磁界分布をできるだけ正確に見積もるために、有限要素法に基づくベクトル波解析（非特許文献９）を行っている。なお、結合係数κについては、屈折率分布と電磁界分布を用いた積分計算（非特許文献１０）によって求めている。【００６２】
図９に示す３種類のコアの三角配置において、異なる伝搬定数のコア間の距離Λに対して、同一の伝搬定数のコア間の距離は√３×Λとなる。【００６３】
以下、比屈折率差Δが低いコアを用いた場合と比屈折率差Δが高いコアを用いた場合の一例について説明する。なお、比屈折率差が低い場合を低比屈折率差と表記し、比屈折率差が高い場合を高比屈折率差と表記する。ここでは、低比屈折率差Δとして０．３０〜０．４０％を設定し、高比屈折率差Δとして１．２０〜１．３０％を設定している。【００６４】
［低比屈折率差Δのコアを用いて非結合系マルチコアファイバを構成する場合の設計条件］
図１０は、上記した、同一のコアを三角配置した場合において、比屈折率差Δと同一コアの間隔Ｄ（＝√３×Λ）と結合長Ｌｃとの関係を示している。同一のコアを用いた場合には、各コアの比屈折率差Δ1＝Δ2は同一の比屈折率差Δとなる。【００６５】
図１０は、比屈折率差（Δ1＝Δ2 ＝Δ）を０．３０％〜０．４０％の間で変化させたときの、同一コアの間隔Ｄ（＝√３×Λ）と結合長Ｌｃとの関係を示している。図１０において、比屈折率差を０．３７５％以上にすると、コア間隔７０μｍ程度で結合長は５０００ｋｍ以上になることを示している。図５に示した非結合系マルチコアファイバでは、３種類のコアが三角配置されているので、伝搬定数が同一のコアの間隔を７０μｍとした場合、伝搬定数が異種のコアの間隔（Λ）は７０μｍ／√３で、およそ４０μｍとなる。【００６６】
したがって、異種コア間の結合効率の最大値、すなわちパワー移行率Ｆが、４０μｍ以上の隣接コア間隔に対して１０００分の1以下になれば、すべてのコア間のクロストークが−３０dB以下になり、個々のコアが独立に単一モード伝送する非結合系マルチコアファイバを構成できることになる。【００６７】
図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図８に示した左側コア２１-1の比屈折率差をΔ1＝０．３５０％、０．３２５％、０．３７５％とし、異種コア間のパワー移行率のΔ2（右側コア２１-2の比屈折率差）依存性を、コア間隔Ｄ（＝Λ）をパラメータとして示している。【００６８】
コア間隔が３０μmの場合、二つのコアの比屈折率差Δ1、Δ2が互いに僅か０．００５％異なる場合には、パワー移行率は１０００分の1から１００００分の1以下になる。コア間隔が４０μｍになると、パワー移行率はさらに小さくなる。したがって、異種コア間クロストークが−３０dB以下となるような比屈折率差を、０．３７５〜０．４０％の範囲内にある値から３種類を選択し、これらのコアをコアピッチ４０μｍ（同一コアの間隔はその√３倍で７０μｍ）で三角配置すると、クラッド直径が標準寸法の１２５μｍの場合、図１２（ａ）に示すように、７個のコアを収納できることになる。また、こうした条件を満足する２種類のコアを、同一コア間の間隔７０μｍ、ｘ方向のコアピッチΛｘ＝３５μｍで長方形配置すると、図１２（ｂ）に示すように、６個のコアを収納できることになる。【００６９】
コア密度をさらに高めるためには、より大きな比屈折率差を有するコアを用いる必要がある。【００７０】
［高比屈折率差Δのコアを用いて非結合系マルチコアファイバを構成する場合の設計条件］
次に、高比屈折率差Δのコアを用いて非結合系マルチコアファイバを構成する場合の設計条件について説明する。【００７１】
コア半径を小さくしてａ＝２．５μｍとし、クラッドの屈折率、動作波長については、低比屈折率差Δコアの場合と同様に、それぞれｎ２＝１．４５、λ＝１５５０ｎｍとする。また、コアの屈折率については、個々のコアを単一モード伝送させるために、比屈折率差を１．３０％以下とする。【００７２】
図１３は、上記した、同一のコアを三角配置した場合において、比屈折率差Δと同一コアの間隔Ｄ（＝√３×Λ）と結合長Ｌｃとの関係を示し、比屈折率差（Δ1＝Δ2 ＝Δ）を１．２０％〜１．３０％の間で変化させたときの、同一コアの間隔Ｄ（＝√３×Λ）と結合長Ｌｃとの関係を示している。【００７３】
図１３は、比屈折率差が１．２０％以上であれば、コア間隔４０μｍ程度で結合長が５０００ｋｍ以上になることを示している。図５に示した三角配置型非結合系マルチコアファイバでは、同一コアの間隔を４０μｍとした場合、異種コアの間隔（Λ）は４０μｍ／√３で、およそ２３μｍとなる。したがって、異種コア間の結合効率の最大値、すなわちパワー移行率Ｆが、２３μｍ以上の隣接コア間隔に対して１０００分の1以下になれば、すべてのコア間のクロストークが−３０dB以下になり、個々のコアが独立に単一モード伝送する非結合系マルチコアファイバを構成できることになる。【００７４】
図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図８に示した左側コア２１-1の比屈折率差をΔ1＝１．２５０％、１．２２５％、１．２７５％とし、異種コア間のパワー移行率のΔ2（右側コア２１-2の比屈折率差）依存性を、コア間隔Ｄ（＝Λ）をパラメータとして示している。コア間隔が２０μｍの場合、Δ2＝Δ1のごく近傍を除いて、パワー移行率は無視できるほど小さくなっている。したがって、低Δコアの場合と同様にして、異種コア間クロストークが−３０dB以下となるような比屈折率差を、１．２０〜１．３０％の範囲内にある値から３種類選択し、これらのコアをコアピッチ２３μｍ（同一コアの間隔はその√３倍で４０μｍ）で三角配置すると、クラッド直径が標準寸法の１２５μｍの場合、図１５（ａ）に示すように、１９個のコアを収納できることになる。【００７５】
また、こうした条件を満足する２種類のコアを、同一コア間の間隔４０μｍ、ｘ方向のコアピッチΛｘ＝２０μｍで長方形配置すると、図１５（ｂ）に示すように、１２個のコアを収納できることになる。【００７６】
クラッド径を大きくすれば、それだけ多くのコアを収納できる。また、異種コアを数多く用いることが可能であれば、収納できるコア数はさらに増える。このとき、同一コア間のみならず、異種コア間を含めたすべてのコア間クロストークが目標値よりも小さくなるように、個々のコアの比屈折率差の値を選択するとともに、これらのコアを適切に配置する必要がある。【００７７】
なお、ここでは、非結合系マルチコアファイバの構成法に関する基礎的な検討を行うために、コア内の屈折率は一定で、コアの直径もすべて同じとし、比屈折率差のみを変えたが、コア内の屈折率は必ずしも一定である必要はなく、また、大きさが異なるコアを用いることも可能である。【００７８】
上記したように、本発明は、結合モードがそれぞれ独立な伝送チャネルに対応する結合系マルチコアファイバと、個々のコアが独立な伝送チャネルに対応する非結合系マルチモードファイバによって、高密度空間多重伝送のためのマルチコアファイバを構成することができる。【００７９】
本発明の非結合系マルチコアファイバでは、コア間の結合を回避して、かつコア密度を高める構成として異種コアを配置する。一方、本発明の非結合系マルチコアファイバは、実効コア断面積Ａｅｆｆの拡大には寄与しない。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は光通信、光情報処理、光インターコネクション等に適用することができる。
【図８】
2010038863.tif 000007
【図９】
2010038863.tif 000008
【図１】
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【図２】
2010038863.tif 000010
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2010038863.tif 000019
【図１４】
2010038863.tif 000020
【図１５】
2010038863.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成22年8月2日(2010.8.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単一モードのコアを一本の光ファイバに収納したマルチコアファイバにおいて、
ファイバを伝搬する固有モードの電界分布において、個々のコアの固有基本モードを空間的に局在化させ、相互に結合せずに孤立した固有基本モードを形成して、個々のコアの固有基本モードに信号の伝送チャネルを対応させ、空間分割によって伝送チャンネルを多重化する空間分割多重伝送系を形成するマルチコアファイバであり、
前記マルチコアファイバは、
単一モードファイバにおける基本モードの伝搬定数が異なる複数種類の３以上のコアを、マルチコアファイバの断面において２次元配置し、
隣接するコアの間において、
異なる伝搬定数の異種コア間を当該伝搬定数差によって非結合状態とし、同じ伝搬定数の同種コア間をコア間距離によって非結合状態として、コア間を空間分割した非結合伝送系を形成し、
異種コア間の非結合において、前記異なる伝搬定数は、伝搬定数差をパラメータとするパワー移行率に基づいて設定したパワー移行率から伝搬定数差を求め、求めた伝搬定数差を満たす異なる伝搬定数を選択し、選択した異なる伝搬定数のコア配置することで異種コア間を非結合状態とし、
同種コア間の非結合において、前記コア間距離は、伝搬定数とコア間距離とをパラメータとして含む弱結合近似による結合長の関係に基づいて、コアの伝搬定数と設定した結合長から隣接する同種コア間のコア間距離を定め、同種コア間を求めたコア間距離だけ離して配置することで同種コア間を非結合状態とし、
前記各コアを単一モードで独立した伝送チャネルに一対一に対応させることによって、空間分割多重伝送系を形成することを特徴とする、非結合系マルチコアファイバ。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
前記伝搬定数が異なる３種類のコアを複数備え、
前記複数のコアの配置において、
異なる伝搬定数の隣接コア間の距離をΛとし、同じ伝搬定数のコア間の距離を√３Λとして三角配置によって最密充填配置し、
同じ伝搬定数のコア間の距離√３Λを非結合状態となる距離を離して配置し、非結合伝送系を形成することを特徴とする、請求項１に記載の非結合系マルチコアファイバ。
【請求項４】
前記伝搬定数が異なる２種類のコアを複数備え、
前記複数のコアの配置において、
前記２種類のコアを互いに交互に格子状に矩形配置することを特徴とする、請求項１に記載の非結合系マルチコアファイバ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
いる。したがって、低Δコアの場合と同様にして、異種コア間クロストークが−３０ｄＢ以下となるような比屈折率差を、１．２０〜１．３０％の範囲内にある値から３種類選択し、これらのコアをコアピッチ２３μｍ（同一コアの間隔はその√３倍で４０μｍ）で三角配置すると、クラッド直径が標準寸法の１２５μｍの場合、図１５（ａ）に示すように、１９個のコアを収納できることになる。
［００７５］
また、こうした条件を満足する２種類のコアを、同一コア間の間隔４０μｍ、ｘ方向のコアピッチΛｘ＝２０μｍで長方形配置すると、図１５（ｂ）に示すように、１２個のコアを収納できることになる。
［００７６］
クラッド径を大きくすれば、それだけ多くのコアを収納できる。また、異種コアを数多く用いることが可能であれば、収納できるコア数はさらに増える。このとき、同一コア間のみならず、異種コア間を含めたすべてのコア間クロストークが目標値よりも小さくなるように、個々のコアの比屈折率差の値を選択するとともに、これらのコアを適切に配置する必要がある。
［００７７］
なお、ここでは、非結合系マルチコアファイバの構成法に関する基礎的な検討を行うために、コア内の屈折率は一定で、コアの直径もすべて同じとし、比屈折率差のみを変えたが、コア内の屈折率は必ずしも一定である必要はなく、また、大きさが異なるコアを用いることも可能である。
［００７８］
上記したように、本発明は、個々のコアが独立な伝送チャネルに対応する非結合系マルチモードファイバによって、高密度空間多重伝送のためのマルチコアファイバを構成することができる。
［００７９］
本発明の非結合系マルチコアファイバでは、コア間の結合を回避して、かつコア密度を高める構成として異種コアを配置する。一方、本発明の非結合系マルチコアファイバは、実効コア断面積Ａｅｆｆの拡大には寄与しない。
産業上の利用可能性
［００８０］
本発明は光通信、光情報処理、光インターコネクション等に適用することができる。
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月19日(2011.4.19)
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単一モードのコアを一本の光ファイバに収納したマルチコアファイバにおいて、
ファイバを伝搬する固有モードの電界分布において、個々のコアの固有基本モードを空間的に局在化させ、相互に結合せずに孤立した固有基本モードを形成して、個々のコアの固有基本モードに信号の伝送チャネルを対応させ、空間分割によって伝送チャンネルを多重化する空間分割多重伝送系を形成し、
単一モードファイバにおける基本モードの伝搬定数が異なる複数種類の３以上のコアを、マルチコアファイバの断面において２次元配置し、
隣接するコアの間において、異なる伝搬定数の異種コア間を当該伝搬定数差によって非結合状態とし、同じ伝搬定数の同種コア間をコア間距離によって非結合状態として、コア間を空間分割した非結合伝送系を形成し、
異種コア間の非結合において、前記異なる伝搬定数は、伝搬定数差をパラメータとするパワー移行率に基づいて設定したパワー移行率から伝搬定数差を求め、求めた伝搬定数差を満たす異なる伝搬定数を選択し、選択した異なる伝搬定数のコア配置することで異種コア間を非結合状態とし、
同種コア間の非結合において、前記コア間距離は、伝搬定数とコア間距離とをパラメータとして含む弱結合近似による結合長の関係に基づいて、コアの伝搬定数と設定した結合長から隣接する同種コア間のコア間距離を定め、同種コア間を求めたコア間距離だけ離して配置することで同種コア間を非結合状態とし、
前記各コアを単一モードで独立した伝送チャネルに一対一に対応させることによって、空間分割多重伝送系を形成することを特徴とする、マルチコアファイバのコア配置方法。
【請求項２】
請求項１記載のマルチコアファイバのコア配置方法において、前記伝搬定数が異なる３種類のコアを複数備え、
異なる伝搬定数の隣接コア間の距離をΛとし、同じ伝搬定数のコア間の距離を√３Λとして三角配置によって最密充填配置し、
同じ伝搬定数のコア間の距離√３Λを非結合状態となる距離を離して配置し、非結合伝送系を形成することを特徴とする、マルチコアファイバのコア配置方法。
【請求項３】
請求項１記載のマルチコアファイバのコア配置方法において、前記伝搬定数が異なる２種類のコアを複数備え、
前記２種類のコアを互いに交互に格子状に矩形配置することを特徴とする、マルチコアファイバのコア配置方法。
【国際調査報告】
2010038863.tif 000022
2010038863.tif 000023
2010038863.tif 000024
2010038863.tif 000025
2010038863.tif 000026
2010038863.tif 000027