(57)【要約】      （修正有）【課題】モード間の干渉が小さい光ファイバおよびこれを用いた光伝送システムを提供する。【解決手段】コア部１１と、コア部１１の外周に形成され、コア部１１の最大屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド部１２と、を備え、コア部１１は、αの値が３以上１０以下であるα乗の屈折率分布プロファイルを有しており、入力される光の波長において６以上の伝搬モードが存在するように少なくともコア部１１の直径およびコア部１１のクラッド部１２に対する比屈折率差が設定されている光ファイバ１０。【選択図】図１
2015096938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア部と、
前記コア部の外周に形成され、前記コア部の最大屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド部と、
を備え、前記コア部は、αの値が３以上１０以下であるα乗の屈折率分布プロファイルを有しており、入力される光の波長において６以上の伝搬モードが存在するように少なくとも前記コア部の直径および前記コア部の前記クラッド部に対する比屈折率差が設定されていることを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
前記波長において１０以下の伝搬モードが存在するように少なくとも前記コア部の直径および前記比屈折率差が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
ＬＰ２１モード、ＬＰ０２モード、ＬＰ３１モード、およびＬＰ１２モードを含む１０の伝搬モードが存在するように少なくとも前記コア部の直径および前記比屈折率差が設定されており、前記波長において、ＬＰ２１モードとＬＰ０２モードとの間の実効屈折率差およびＬＰ３１モードとＬＰ１２モードとの間の実効屈折率差が２×１０−４以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記比屈折率差が０．５％以上２．０％以下であり、前記コア部の直径が１１μｍ以上２６μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記コア部は、αの値が５以上であるα乗の屈折率分布プロファイルを有することを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
【請求項６】
ＬＰ２１モード、ＬＰ０２モード、ＬＰ３１モード、およびＬＰ１２モードを含む１０の伝搬モードが存在するように少なくとも前記コア部の直径および前記比屈折率差が設定されており、前記波長において、ＬＰ２１モードとＬＰ０２モードとの間の実効屈折率差およびＬＰ３１モードとＬＰ１２モードとの間の実効屈折率差が４×１０−４以上であることを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一つに記載の光ファイバを光伝送路として備え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】
本発明は、光ファイバおよびこれを用いた光伝送システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通信容量を飛躍的に拡大するためのひとつの手段として、光ファイバの伝搬モードとして存在する複数のモードで、それぞれ個別に信号光を伝送するモード多重伝送方式（Mode  Division  Multiplexing：MDM）と呼ばれる伝送方式が検討されている（非特許文献１参照）。モード多重伝送を実現するためには、信号光を複数の伝搬モードで伝搬できる伝送路（光ファイバ等）のみならず、複数の伝搬モードの信号光を同時に合波あるいは分波する光合分波器が必要である。
【０００３】
また、伝送中に生じる伝搬モード間のモード間干渉による信号光の混線を復調するための受信端におけるＭＩＭＯ（Multiple  Input,  Multiple  Output）処理が重要な技術である（非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】C.Koebele  et  al.,“40km  Transmission  of  Five  Mode  Division  Multiplexed  Data  Streams  at  100Gb/s  with  low  MIMO-DSP  Complexity”,  ECOC  2011,  Th.13.C.3  (2011)
【非特許文献２】R.Ryf  et  al.,”Mode-Division  Multiplexing  Over  96  km  of  Few-More  Fiber  Using  Coherent  6x6  MIMO  Processing”,  J.  Lightwave  Technol.  Vol.30,No.4(2012),  pp.521-531.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、モード間の干渉が強いほど、復調のためのＭＩＭＯ処理の負荷が高くなることから、モード間の干渉が小さい光ファイバの設計が求められている。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、モード間の干渉が小さい光ファイバおよびこれを用いた光伝送システム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】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光ファイバは、コア部と、前記コア部の外周に形成され、前記コア部の最大屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド部と、を備え、前記コア部は、αの値が３以上１０以下であるα乗の屈折率分布プロファイルを有しており、入力される光の波長において６以上の伝搬モードが存在するように少なくとも前記コア部の直径および前記コア部の前記クラッド部に対する比屈折率差が設定されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の一態様に係る光ファイバは、前記波長において１０以下の伝搬モードが存在するように少なくとも前記コア部の直径および前記比屈折率差が設定されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の一態様に係る光ファイバは、ＬＰ２１モード、ＬＰ０２モード、ＬＰ３１モード、およびＬＰ１２モードを含む１０の伝搬モードが存在するように少なくとも前記コア部の直径および前記比屈折率差が設定されており、前記波長において、ＬＰ２１モードとＬＰ０２モードとの間の実効屈折率差およびＬＰ３１モードとＬＰ１２モードとの間の実効屈折率差が２×１０−４以上であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の一態様に係る光ファイバは、前記比屈折率差が０．５％以上２．０％以下であり、前記コア部の直径が１１μｍ以上２６μｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の一態様に係る光ファイバは、前記コア部は、αの値が５以上であるα乗の屈折率分布プロファイルを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の一態様に係る光ファイバは、ＬＰ２１モード、ＬＰ０２モード、ＬＰ３１モード、およびＬＰ１２モードを含む１０の伝搬モードが存在するように少なくとも前記コア部の直径および前記比屈折率差が設定されており、前記波長において、ＬＰ２１モードとＬＰ０２モードとの間の実効屈折率差およびＬＰ３１モードとＬＰ１２モードとの間の実効屈折率差が４×１０−４以上であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の一態様に係る光伝送システムは、本発明の一態様に係る光ファイバを光伝送路として備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、モード間の干渉が小さい光ファイバおよびこれを用いた光伝送システムを実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、実施の形態１に係る光ファイバの模式的な断面および屈折率分布プロファイルを示す図である。
【図２】図２は、光ファイバの伝搬モードのフィールド分布の例を示す図である。
【図３】図３は、比較例１としての光ファイバの模式的な断面およびステップ型の屈折率分布プロファイルを示す図である。
【図４】図４は、各伝搬モードの実効屈折率を示す図である。
【図５】図５は、伝搬モードのうち隣接するモードの組み合わせにおけるモード間の実効屈折率差を示す図である。
【図６】図６は、コア直径と、ＬＰ２１−ＬＰ０２間の実効屈折率差との関係を示す図である。
【図７】図７は、コア直径と、ＬＰ３１−ＬＰ１２間の実効屈折率差との関係を示す図である。
【図８】図８は、伝搬モード数が１０の場合の、コア直径と、ＬＰ２１−ＬＰ０２間の実効屈折率差との関係を示す図である。
【図９】図９は、伝搬モード数が１０の場合の、コア直径と、ＬＰ３１−ＬＰ１２間の実効屈折率差との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、作製した光ファイバの近似した屈折率分布プロファイルを示す図である。
【図１１】図１１は、作製した光ファイバの伝送損失スペクトルを示す図である。
【図１２】図１２は、１２モード設計において、各伝搬モードの実効屈折率を示す図である。
【図１３】図１３は、１２モード設計において、伝搬モードのうち隣接するモードの組み合わせにおけるモード間の実効屈折率差を示す図である。
【図１４】図１４は、１０モード設計において、各伝搬モードの実効屈折率を示す図である。
【図１５】図１５は、１０モード設計において、伝搬モードのうち隣接するモードの組み合わせにおけるモード間の実効屈折率差を示す図である。
【図１６】図１６は、１２モード設計において、各伝搬モードの実効屈折率を示す図である。
【図１７】図１７は、１２モード設計において、伝搬モードのうち隣接するモードの組み合わせにおけるモード間の実効屈折率差を示す図である。
【図１８】図１８は、実施の形態２に係る光伝送システムの模式的な構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバおよび光伝送システムの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、本明細書で特に定義しない用語については、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に従うものとする。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る光ファイバの模式的な断面および屈折率分布プロファイルを示す図である。図１に示すように、光ファイバ１０は、コア部１１と、コア部１１の外周に形成されたクラッド部１２と、を備えている。
【００１８】
コア部１１は、光ファイバ１０の略中心軸に位置し、α乗の屈折率分布プロファイルを有している。クラッド部１２は、コア部１１の最大屈折率よりも低い屈折率を有する。ここで、コア部１１の半径をａ（すなわち直径を２ａ）、最大屈折率をｎ１、クラッド部１２の屈折率をｎ０、コア部１１の中心からの動径方向への距離をｒとすると、コア部１１のα乗屈折率プロファイルは、以下の式（１）で表される。たとえば、式（１）においてαの値が３であるような屈折率分布プロフィルは、αの値が３であるα乗の屈折率分布プロファイルと呼ぶことができる。また、コア部１１のクラッド部１２に対する比屈折率差Δは、以下の式（２）で表される。
【００１９】
【数１】
2015096938.tif 000003
【００２０】
コア部１１は、屈折率を高めるドーパントであるたとえばＧｅが添加された石英ガラスからなる。一方、クラッド部１２は、たとえば屈折率調整用のドーパントを含まない純石英ガラスからなる。なお、クラッド部１２の外周には被覆を形成してもよい。
【００２１】
ここで、光ファイバ１０は、６以上の伝搬モードが存在するように、少なくともコア部１１の直径（コア直径）２ａおよびコア部１１のクラッド部１２に対する比屈折率差Δが設定されている。ここで、或る波長で伝搬モードが存在するとは、その伝搬モードのその波長におけるコア部１１の実効屈折率が、クラッド部１２の屈折率よりも十分に大きく（たとえば、クラッド部１２が純石英ガラスからなる場合には、波長１５５０ｎｍにおける実効屈折率が１．４４５８以上）、閉じ込め損失が小さく、コア部１１に光が閉じ込められる状態にあることを意味する。
【００２２】
図２は、光ファイバの伝搬モードのフィールド分布の例を示す図である。図２では、伝搬モードのうち、基底モードであるＬＰ０１モードと、高次モードであるＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２、ＬＰ３１、ＬＰ１２の各ＬＰモードの、合計１０個のモードについてフィールド分布を示している。なお、ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ３１、ＬＰ１２の各モードはそれぞれ２つの縮退モードを有するので、たとえばＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂのように「ａ」、「ｂ」を付けて縮退したモードを区別して示している。なお、各ＬＰモードは、さらに、縮退した２つの偏波モードを有しているが、ここではＬＰモードのみを考える。したがって、本明細書では、特に言及しない限りは、偏波モードは伝搬モードの数に含めないこととする。
【００２３】
さらに、この光ファイバ１０では、コア部１１が、αの値が３以上１０以下であるα乗の屈折率分布プロファイルを有している。その結果、次数が隣接するモード間の実効屈折率差が十分に大きくなるため、モード間の干渉が小さい。また、光ファイバ１０では、コア部１１がαの値が３以上１０以下のα乗の屈折率分布プロファイルを有するので、αの値が１０より大きいα乗またはステップ型の屈折率分布プロファイルの場合と比較して製造がしやすい（製造性がよい）という効果がある。なお、「製造性がよい」とは、次の２つの意味を含んでいる。まず、αの値が３以上１０以下のα乗の屈折率分布プロファイルは、αの値が１０より大きいα乗またはステップ型の屈折率分布プロファイルよりも、再現性良く製造しやすいため、製造が容易である。なお、厳密なステップ型の形状を再現性良く製造するのはより困難である。つぎに、αの値が１０より大きいα乗またはステップ型の屈折率分布プロファイルでは、半径方向で屈折率が急峻に変化することから、コア部の伝送損失が高くなりやすい傾向にある。一方、αの値が３以上１０以下のα乗の屈折率分布プロファイルでは、半径方向での屈折率の変化がより緩やかであるため、コア部の低伝送損失化が期待できる。
【００２４】
以下、クラッド部１２が純石英ガラス（波長１５５０ｎｍにおける屈折率が約１．４４４）からなる場合を例にして具体的に説明する。なお、以下では、比較のために、コア部がステップ型の屈折率分布プロファイルを有している光ファイバと合わせて説明する。図３は、比較例１としての光ファイバの模式的な断面およびステップ型の屈折率分布プロファイルを示す図である。図３に示す光ファイバ２０は、コア部２１と、コア部２１の外周に形成されたクラッド部２２と、を備えている。コア部２１は、光ファイバ２０の略中心軸に位置し、ステップ型の屈折率分布プロファイルを有している。クラッド部２２は、コア部２１の最大屈折率よりも低い屈折率を有する。
【００２５】
なお、コア部２１の半径をａ（すなわち直径を２ａ）、最大屈折率をｎ１、クラッド部２２の屈折率をｎ０、コア部の中心からの動径方向への距離をｒとすると、コア部２１のα乗屈折率プロファイルは、上述した式（１）において、αを無限大に設定したもので表される。また、このときのコア部２１のクラッド部２２に対する比屈折率差Δは、上述した式（２）で表される。
【００２６】
はじめに、表１は、比較例１の光ファイバにおいて、比屈折率差Δを１．０％、コア直径２ａを１５．０μｍと設定した場合の、各伝搬モードの波長１５５０ｎｍにおける実効屈折率を示す表である。また、表２は、表１に示した伝搬モードのうち隣接するモードの組み合わせにおけるモード間の実効屈折率差を示す表である。表２において、たとえば、「ＬＰ０１−ＬＰ１１」は隣接するモードであるＬＰ０１モードの実効屈折率とＬＰ１１モードの実効屈折率との差を示している。また、「Ｅ」は１０のべき乗を表す記号であり、たとえば２．４Ｅ−０３は２．４×１０−３を意味する。
【００２７】
【表１】
2015096938.tif 000004
【００２８】
【表２】
2015096938.tif 000005
【００２９】
ここで、モード多重伝送用光ファイバにおけるモード間干渉の起こりやすさは、各モードの実効屈折率の差に依存することが知られている。たとえば、モード間の実効屈折率差が小さいほど、そのモード間でモード間干渉が生じやすくなる。比較例１の光ファイバの場合、表２に示すように、「ＬＰ２１−ＬＰ０２」および「ＬＰ３１−ＬＰ１２」の実効屈折率差が小さい。したがって、これらのモード間においてモード間の干渉が生じやすい。
【００３０】
つぎに、本実施の形態１に係る光ファイバ１０であって、αの値を、１０、５、３に設定した場合（それぞれ、実施例１、２、３）、および、光ファイバ１０と同様にα乗の屈折率分布プロファイルを有するが、αの値が２である比較例２の光ファイバについて、比較例１の光ファイバと同様に、各伝搬モードの波長１５５０ｎｍにおける実効屈折率および伝搬モードのうち隣接するモードの組み合わせにおけるモード間の実効屈折率差を示す。ただし、屈折率分布プロファイルがα乗の場合、ステップ型の場合と同じ値の比屈折率差およびコア径に設定すると、存在する伝搬モード数が少なくなる場合がある。そこで、伝搬モード数を同一にして比較すべく、実施例１、２、３および比較例２に対しては、比屈折率差Δは１．０％に固定しつつ、以下の式（３）で表される規格化周波数（Ｖ値）を用いて式（４）で示される伝搬モード数Ｎを計算し、この伝搬モード数Ｎが比較例１の計算した伝搬モード数Ｎ（＝Ｖ２／２）と等しくなるように、コア直径２ａを調整して、実効屈折率の計算を行った。なお、式（３）中、λは波長である。
【００３１】
【数２】
2015096938.tif 000006
【００３２】
表３は、比較例１（ステップ型）、実施例１、２、３（αがそれぞれ１０、５、３）、比較例２（αが２）の光ファイバにおいて、比屈折率差Δを１．０％に設定した場合の、波長１５５０ｎｍにおけるコア直径２ａ、Ｖ値、および伝搬モード数Ｎを示す表である。ここで、伝搬モード数Ｎは、２つの偏波モードも含めたモードの数に対応した値のため、想定される伝搬モード数である１０の２倍の２０に近い値になっている。
【００３３】
【表３】
2015096938.tif 000007
【００３４】
つぎに、図４は、各伝搬モードの実効屈折率（ｎｅｆｆ）を示す図である。図５は、伝搬モードのうち隣接するモードの組み合わせにおけるモード間の実効屈折率差（Δｎｅｆｆ）を示す図である。この計算では、いずれの実施例、比較例の場合も、ＬＰ１２モードより一つ高次のモードであるＬＰ０３モードの実効屈折率は、クラッド部の屈折率よりも小さかったので、存在する伝搬モード数は１０であることが確認された。
【００３５】
また、αの値が小さくなるにつれて実効屈折率差が小さくなり、モード間干渉が生じやすくなることが確認された。特に、比較例２のαの値が２である場合には、「ＬＰ２１−ＬＰ０２」や「ＬＰ３１−ＬＰ１２」の実効屈折率差が負の値であり、モードの順番が入れ替わっていた。
【００３６】
つぎに、実施例１、２、３、比較例１、２の光ファイバについて、比屈折率差Δおよびコア直径２ａを変化させて、波長１５５０ｎｍにおける各伝搬モードの実効屈折率および実効屈折率差を計算した。なお、比屈折率差Δは０．８％から１．２％まで０．１％刻みで変化させ、コア直径２ａは、α乗である実施例１、２、３、比較例２については１０．０μｍから３０．０μｍまで１．０μｍ刻みで変化させ、ステップ型である比較例１については１０．０μｍから２０．０μｍまで１．０μｍ刻みで変化させた。
【００３７】
図６は、コア直径と、ＬＰ２１−ＬＰ０２間の実効屈折率差（Δｎｅｆｆ（ＬＰ２１−ＬＰ０２））との関係を示す図である。図７は、コア直径と、ＬＰ３１−ＬＰ１２間の実効屈折率差（Δｎｅｆｆ（ＬＰ３１−ＬＰ１２））との関係を示す図である。なお、図６において、データ点が示されている状態は、基底モードから数えて６番目のモードであるＬＰ０２モードで光を伝搬できることを意味する。したがって、データ点が示されているコア直径２ａおよび比屈折率差Δの組み合わせの場合には、６以上の伝搬モードが存在することを意味する。
【００３８】
同様に、図７において、データ点が示されている状態は、ＬＰ１２モードで光を伝搬できることを意味する。したがって、データ点が示されているコア直径２ａおよび比屈折率差Δの組み合わせの場合には、１０以上の伝搬モードで光を伝送できることを意味する。
【００３９】
図６に示すように、αの値が３である実施例３の場合は、ＬＰ２１−ＬＰ０２間の実効屈折率差が、線Ｌ１で示す１．０×１０−４または線Ｌ２で示す２．０×１０−４より大きくなる場合があり、また、αの値が１０、５である実施例１、２の場合は、実効屈折率差がさらに、線Ｌ３で示す４．０×１０−４より大きくなる場合があり、伝搬モードが６以上の場合において、モード間干渉の抑制に有効であることが確認された。
【００４０】
なお、隣接するモード間の実効屈折率差が１．０×１０−４以上であれば、モード間干渉が十分に発生しにくいと考えられる。このことは、たとえば互いに直交する偏波軸をコア部に形成した偏波保持光ファイバの場合に、２つの偏波モードが干渉しないようにするためには、直交する偏波軸間での実効屈折率の差を１．０×１０−５以上に設定すべきことから類推することができる。また、たとえば光ファイバのクラッド部の外径が長手方向で揺らいでいる場合には、漏洩モードとのモード結合により伝搬する光の強度が揺らぐ場合がある。その光強度の揺らぎは、クラッド部の外径の揺らぎの空間周期が１０ｃｍ以下になると急激に減少する。空間周期が１０ｃｍで漏洩モードと結合する場合は、伝搬モードと漏洩モードとの実効屈折率差が光通信に使用される波長域（たとえば波長１５５０ｎｍ）において１．０×１０−５程度である。すなわち、実効屈折率差が１．０×１０−５以上であればモード結合が大幅に抑制される。この点からも、隣接するモード間の実効屈折率差が１．０×１０−４以上であれば、モード間干渉が十分に発生しにくいと考えられる。
【００４１】
同様に、図７に示すように、αの値が３である実施例３の場合は、ＬＰ３１−ＬＰ１２間の実効屈折率差が、線Ｌ１で示す１．０×１０−４または線Ｌ２で示す２．０×１０−４より大きくなる場合があり、αの値が１０、５である実施例１、２の場合は、実効屈折率差がさらに、線Ｌ３で示す４．０×１０−４より大きくなる場合があり、伝搬モードが１０以上の場合において、モード間干渉の抑制に有効であることが確認された。
【００４２】
一方、αの値が２である比較例２の場合は、実効屈折率差が負の値でありその絶対値も小さいので、モード間干渉が大きくなるだけでなく、モードの順番も入れ替わってしまうため、モード多重伝送に適さないことが確認された。
【００４３】
つぎに、図８は、伝搬モード数が１０の場合の、コア直径と、ＬＰ２１−ＬＰ０２間の実効屈折率差（Δｎｅｆｆ（ＬＰ２１−ＬＰ０２））との関係を示す図である。すなわち、図８は、図６に示したデータ点から、伝搬モード数が１０の場合のデータ点を抜粋して示したものである。また、図９は、伝搬モード数が１０の場合の、コア直径と、ＬＰ３１−ＬＰ１２間の実効屈折率差（Δｎｅｆｆ（ＬＰ３１−ＬＰ１２））との関係を示す図である。すなわち、図９は、図７に示したデータ点から、伝搬モード数が１０の場合のデータ点を抜粋して示したものである。
【００４４】
さらに、表４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅは、それぞれ、図８、９に示したデータ点のうち、比較例１（ステップ型）、実施例１（α：１０）、実施例２（α：５）、実施例３（α：３）、比較例２（α：２）のそれぞれの場合について、比屈折率差Δの最大値および最小値と、これらに対応するコア直径２ａ、Δｎｅｆｆ（ＬＰ２１−ＬＰ０２）、およびΔｎｅｆｆ（ＬＰ３１−ＬＰ１２）の値を示した表である。
【００４５】
【表４】
2015096938.tif 000008
【００４６】
表４Ｂ〜４Ｄに示すように、αが３以上１０以下、比屈折率差Δが０．５％〜２．０％、コア直径２ａが１１μｍ〜２６μｍであれば、Δｎｅｆｆ（ＬＰ２１−ＬＰ０２）、およびΔｎｅｆｆ（ＬＰ３１−ＬＰ１２）をいずれも２．０×１０−４以上または４．０×１０−４以上にすることができる。
【００４７】
さらに、表５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅは、それぞれ、図８、９に示したデータ点のうち、比較例１（ステップ型）、実施例１（α：１０）、実施例２（α：５）、実施例３（α：３）、比較例２（α：２）のそれぞれの場合について、最大値および最小値の間の比屈折率差Δの値と、これらに対応するコア直径２ａ、Δｎｅｆｆ（ＬＰ２１−ＬＰ０２）、およびΔｎｅｆｆ（ＬＰ３１−ＬＰ１２）の値を示した表である。
【００４８】
【表５Ａ】
2015096938.tif 000009
【表５Ｂ】
2015096938.tif 000010
【００４９】
つぎに、実施の形態１に従い作製した光ファイバの特性について説明する。作製した光ファイバは、純石英ガラスからなるクラッド部の外径が１２５μｍ、被覆の外径が２５０μｍであった。作製した光ファイバの屈折率分布プロファイルを波長１５５０ｎｍで測定し、α乗屈折率分布プロファイルで近似したところ、表６に示すパラメータが得られた。なお、近似は、測定した屈折率分布プロファイルのコア部領域（クラッド部に対する比屈折率差Δが正値となる範囲）の各径方向位置におけるα乗近似曲線（式（１）で表される曲線）との差分の二乗平均平方根（Root  Mean  Square：ＲＭＳ）が最小となるように、Δ、２ａ、αの各パラメータを定めるという方法で行った。このように、本発明は、正確にα乗屈折率分布プロファイルではなくても、α乗屈折率分布プロファイルで近似できる屈折率分布プロファイルであれば適用できるものである。ここで、ＲＭＳの値としては、ＲＭＳが０．０８以下であることが好ましい。
【００５０】
【表６】
2015096938.tif 000011
【００５１】
図１０は、作製した光ファイバの屈折率分布プロファイルを、表６に示すパラメータで近似した場合の屈折率分布プロファイルを示す図である。図１０において、横軸は半径を示し、縦軸は比屈折率を示している。なお、表６に示すパラメータで近似した場合のＲＭＳは０．０５であった。
【００５２】
つぎに、測定した屈折率分布プロファイルを用いて、光ファイバの波長１５５０ｎｍにおける光学特性をシミュレーション計算した。表７は、計算した光学特性を示す表である。表７において、「Ａｅｆｆ」は有効コア断面面積を示し、「ＭＦＤ」はモードフィールド径を示している。モードフィールド径は、フィールド分布の二乗平均となる位置での直径で定義されるものである。また、「Δｎｅｆｆ」は、その前の伝搬モードとの間の実効屈折率差を示している。たとえば、ＬＰ１２モードの行に記載されている１．０Ｅ−３（１．０×１０−３）という値は、ＬＰ３１−ＬＰ１２間の実効屈折率差を示している。また、群遅延時間差は、ＬＰ０１モードに対する時間差を示している。表７に示されるように、ＬＰ０１モードからＬＰ１２モードまでの１０モードは閉じ込め損失が小さく、伝搬モードとして存在している。一方、ＬＰ０１モードから１１番目のモードであるＬＰ０３モードについては、閉じ込め損失がきわめて大きいことから、光が安定して伝搬しない漏洩モードであると考えられる。すなわち、作製した光ファイバの伝搬モード数は１０であり、さらにΔｎｅｆｆがいずれも３．０×１０−４以上であり、モード間干渉が少ない光ファイバであることが確認された。
【００５３】
【表７】
2015096938.tif 000012
【００５４】
ところで、表７に示してある、ＬＰ０１モードから１１番目のモードであるＬＰ０３モードについては、ＬＰ０１モードやＬＰ０２モードとのフィールド分布の重なりが大きく、さらに１２、１３番目のモードであるＬＰ４１モードについては、ＬＰ２１モードやＬＰ３１モードとのとのフィールド分布の重なりが大きい。このように、ＬＰ０１モードから数えて１１番目以上のＬＰモードは、それより低次のＬＰモードとフィールド分布の重なりが急激に大きくなるため、モードの合分波の難易度が高くなる。この点では、伝搬モード数が１０またはそれ以下であることが好ましい。
【００５５】
つぎに、作製した光ファイバの１０の伝搬モード全てを励振し、伝送損失スペクトルを測定した。図１１は、作製した光ファイバの伝送損失スペクトルを示す図である。図１１に示すように、全ての伝搬モードを励振した場合でも、伝送損失は波長１５５０ｎｍにおいて０．２３ｄＢ／ｋｍ以下という小さい値であった。
【００５６】
伝搬モード数が１０またはそれ以下であることが好ましい理由について、伝搬モード数が１２の場合と比較することによりさらに詳述する。
【００５７】
上述したように、図４、５は、比較例１（ステップ型）、実施例１、２、３（αがそれぞれ１０、５、３）、比較例２（αが２）の光ファイバにおいて、比屈折率差Δを１．０％に設定し、伝搬モード数Ｎが等しくなるようにコア直径２ａを調整したときの、各伝搬モードの実効屈折率（ｎｅｆｆ）および、伝搬モードのうち隣接するモードの組み合わせにおけるモード間の実効屈折率差（Δｎｅｆｆ）を計算した結果を示したものである。伝搬モード数Ｎとしては、ステップ型の例において１０モード伝搬となるときの伝搬モード数であるＮ＝１９．６８を基準としている。ステップ型における最高次の伝搬モードはＬＰ１２モードである。以下、図４、５に示されるように伝搬モードの数が１０になるような光ファイバの設計を１０モード設計と呼ぶ。
【００５８】
一方、ステップ型における伝搬モード数が１２（伝搬モード数Ｎ＝２８．３４）となるような場合についても同様のアプローチで計算した結果を図１２、１３に示す。すなわち、図１２、１３は、ステップ型およびαが１０、５、３、２の光ファイバにおいて、比屈折率差Δを１．０％に設定し、伝搬モード数Ｎが等しくなるようにコア直径２ａを調整したときの、各伝搬モードの実効屈折率（ｎｅｆｆ）および、伝搬モードのうち隣接するモードの組み合わせにおけるモード間の実効屈折率差（Δｎｅｆｆ）を計算した結果を示したものである。ここで、ステップ型において１２モード目となるＬＰ４１モードよりも高次のモード（ＬＰ２２モード、ＬＰ０３モード）についても結果が図示されているが、ＬＰ２２モードおよびＬＰ０３モードは実効屈折率がクラッド部の屈折率に近いことから、実際には伝搬せずに漏洩モードとなる。漏洩モードを判別する根拠として、各伝搬モードの曲げ損失を計算した結果を表８に示す。伝搬モードに対して求められる曲げ損失の規定として、例えばＩＴＵ−Ｔ  Ｇ．６５６で規定された曲げ損失値（曲げ半径３０ｍｍにおいて０．５ｄＢ／１００ｔｕｒｎ以下）があるが、曲げ損失がこれを上回る伝搬モードは伝搬損失が大きいため、漏洩モードと考えてよい。表８に示すように、ステップ型の例におけるＬＰ２２モード、ＬＰ０３モードは曲げ損失が０．５ｄＢ／１００ｔｕｒｎを大きく上回っていることから、ステップ型における最高次の伝搬モードはＬＰ４１モードである。すなわち、実質的な伝搬モードは１２である。以下、図１２、１３に示されるように伝搬モードの数が１２になるような光ファイバの設計を１２モード設計と呼ぶ。
【００５９】
【表８】
2015096938.tif 000013
【００６０】
図４、５および図１２、１３の結果を比較すると、２つのことが分かる。ひとつは、図４と図１２との比較から、１０モード設計における最高次であるＬＰ１２モードと、１２モード設計における最高次であるＬＰ４１モードの挙動の違いに関するものである。１０モード設計（図４）の場合、ステップ型およびα乗分布のいずれの場合においてもＬＰ１２モードはほぼ一定の実効屈折率を有している。これに対し、１２モード設計（図１２）の場合には、屈折率プロファイルに応じてＬＰ４１の実効屈折率が大きく変化しており、具体的にはαが小さくなるにつれてＬＰ４１モードの実効屈折率が小さくなっている。さらに、その影響により、図１３に示されるように、ＬＰ４１モードとさらに高次のモード（漏洩モード）との間の実効屈折率差も小さくなる傾向があることが分かる。このことは、１２モード設計においては、αが小さくなるにつれて１２モード目の伝搬モードの伝搬状態が維持できなくなるばかりでなく、漏洩モードとのモード結合も起こりやすくなることを意味する。したがって、上述したように、αの値が３以上１０以下のα乗の屈折率分布プロファイルを採用して製造性がよいという効果を発揮する上では、１２モード伝搬よりは１０モード伝搬の方が好適である。
【００６１】
続いて、最高次伝搬モード（ＬＰ１２モードまたはＬＰ４１モード）の実効屈折率を一定値に固定したときの各伝搬モードの実効屈折率の挙動に関して検証を行った。図４、５および図１２、１３に示す結果を用いた前述の検討では、伝搬モード数Ｎの値を一定値に固定したときの比較を行った。これに対して、最高次伝搬モードの実効屈折率を一定値に固定した状態で比較することによって、１０モード伝搬を選択することのメリットがより分かりやすくなる。
【００６２】
ステップ型およびαが１０、５、３、２の光ファイバにおいて、比屈折率差Δを１．０％に設定し、１０モード設計におけるＬＰ１２モード、および１２モード設計におけるＬＰ４１モードの実効屈折率がいずれも１．４４７となるようにコア直径２ａを調整したときの、各伝搬モードの実効屈折率ならびに各モード間の実効屈折率差を計算した結果を図１４、１５（１０モード設計）および図１６、１７（１２モード設計）に示す。１０モード設計と１２モード設計とでの実効屈折率の比較（図１４と図１６との比較）から、実効屈折率を固定したＬＰ１２モードやＬＰ４１モードの次の高次モードの挙動が大きく異なることが分かる。すなわち、１０モード設計（図１４）の場合には、ＬＰ１２モードの次の高次モードは、ステップ型、α乗分布のいずれの場合においても存在しない（ＬＰ４１モード、ＬＰ２２モード）か、あるいは存在しても実効屈折率が十分に小さい（ＬＰ０３モード）。また、図１５に示すように、ＬＰ１２モードと次に存在する高次モード（ＬＰ０３モード）との間の実効屈折率差は大きい。なお、このように最高次伝搬モードとその次の高次モードとの間の実効屈折率差が大きいと、所望の伝搬モードの数を実現するためのαやΔの設計上または製造上のマージンをとりやすくなる。これに対して、１２モード設計（図１６）の場合には、αが小さくなるにつれて、ＬＰ４１モードの次の高次モード（ＬＰ２２モード、ＬＰ０３モード）の実効屈折率が大きくなる。また、ＬＰ２２モード、ＬＰ０３モードは、表９に示すように曲げ損失も小さくなって、伝搬モードとなる傾向がある。また、その影響により、図１７に示すように、１２モード設計におけるＬＰ４１モードと次の高次モード（ＬＰ２２モード）との間の実効屈折率差は、αが小さくなるにつれて小さくなることが分かる。このことからも、αの値が３以上１０以下のα乗の屈折率分布プロファイルを採用して製造性がよいという効果を発揮する上では、１２モード伝搬よりは１０モード伝搬の方が好適である。
【００６３】
【表９】
2015096938.tif 000014
【００６４】
（実施の形態２）
図１８は、本発明の実施の形態２に係る光伝送システムの模式的な構成図である。図１８に示すように、光伝送システム１００は、送信装置３０と、受信装置４０と、送信装置３０と受信装置４０とを接続する光伝送路としての、実施の形態１に係る光ファイバ１０とを備えている。
【００６５】
送信装置３０は、光ファイバ１０の１０の伝搬モードと結合する、空間多重された信号光を出力する。信号光の波長はたとえば１５５０ｎｍである。このような送信装置３０は、たとえば非特許文献１、２等に記載の構成を有する。具体的には、たとえば送信装置３０は、ＱＡＭ（Quadrature  Amplitude  Modulation）などの所定の変調方式で変調され、且つ偏波多重された信号光をＬＰ０１モードで出力する１０個の送信器３１−１〜３１−１０と、送信器３１−１〜３１−１０に接続し、送信器３１−１〜３１−１０から出力された１０個の信号光のうち、送信器３１−１以外から出力された９個の信号光を、波長板等によってそれぞれ２つのＬＰ１１モード、２つのＬＰ２１モード、１つのＬＰ０２モード、２つのＬＰ３１モード、および２つのＬＰ１２モードの信号光に変換するとともに、送信器３１−１から出力されたモード変換しなかったＬＰ０１モードの信号光およびモード変換した９個のモードの信号光を空間光学系等により合成し、空間多重するモード多重部３２と、を備えている。
【００６６】
モード多重部３２では、たとえば、送信器３１−２、３１−３から出力された信号光がそれぞれ２つのＬＰ１１モードのそれぞれにモード変換される。送信器３１−４、３１−５から出力された信号光がそれぞれ２つのＬＰ２１モードのそれぞれにモード変換される。送信器３１−６から出力された信号光がＬＰ０２モードにモード変換される。送信器３１−７、３１−８から出力された信号光がそれぞれ２つのＬＰ３１モードのそれぞれにモード変換される。送信器３１−９、３１−１０から出力された信号光がそれぞれ２つのＬＰ１２モードのそれぞれにモード変換される。
【００６７】
光ファイバ１０は、送信装置３０が出力する、１０個のモードが空間多重された信号光が入力され、各モードの信号光を光ファイバ１０の１０の伝搬モードのそれぞれで伝送する。このとき、光ファイバ１０では、モード間干渉が少ないので、伝送中の信号光のモード間干渉が抑制される。
【００６８】
受信装置４０は、光ファイバ１０を伝送してきた、空間多重された信号光が入力され、その信号光を各伝搬モードに分離し、分離した各信号光にＭＩＭＯ処理を行って復調を行う。このような受信装置４０は、たとえば非特許文献１、２等に記載の構成を有する。具体的には、たとえば受信装置４０は、空間多重された信号光を空間光学系等により各モードの信号光に分離するモード多重分離部４１と、モード多重分離部４１に接続し、分離された１０個の信号光をそれぞれ受信する、コヒーレントミキサ、バランスドフォトダイオード等から構成されるコヒーレント受信器４２−１〜４２−１０と、コヒーレント受信器４２−１〜４１−１０に接続して局所発振光を供給する局所発振光源４３と、を備えている。
【００６９】
なお、コヒーレント受信器４２−１はＬＰ０１モードの信号光を受信し、コヒーレント受信器４２−２〜４２−１０はそれ以外のモードの信号光をそれぞれ受信する。具体的には、コヒーレント受信器４２−２、４２−３はそれぞれＬＰ１１モードの信号光のそれぞれを受信する。コヒーレント受信器４２−４、４２−５はそれぞれＬＰ２１モードの信号光のそれぞれを受信する。コヒーレント受信器４２−６はＬＰ０２モードの信号光を受信する。コヒーレント受信器４２−７、４２−８はそれぞれＬＰ３１モードの信号光のそれぞれを受信する。コヒーレント受信器４２−９、４２−１０はそれぞれＬＰ１２モードの信号光のそれぞれを受信する。ただし、ＬＰ０１モード、ＬＰ０２モード以外のＬＰモードは２つの縮退モードが存在するので、コヒーレント受信器４２−２〜４２−１０は、縮退モード（たとえばコヒーレント受信器４２−２の場合は２つのＬＰ１１モードおよび２つの偏波モードの４モード）の信号光をＭＩＭＯ処理するための、Ａ／Ｄ変換器およびＤＳＰ（Digital  Signal  Processor）等から構成されるＭＩＭＯ処理部を備えている。
【００７０】
ここで、光伝送路としての光ファイバにおいてモード間干渉が大きい場合、ＭＩＭＯ処理部では、たとえば１０個のＬＰモード（および各ＬＰモードにおける２つの偏波モード）が互いに干渉する場合には最大で２０×２０のＭＩＭＯ処理を行う必要がある。これに対して、この光伝送システム１００では、モード間干渉が少ない光ファイバ１０を光伝送路として用いているので、よりモードの組み合わせが少ない場合のＭＩＭＯ処理を行えばよく、たとえば好ましくは上述した４つのモードの処理に必要な４×４のＭＩＭＯ処理を行えばよい。したがって、ＭＩＭＯ処理部での処理負担が大幅に減少するので、処理の高速化、ＭＩＭＯ処理部の低コスト化、低消費電力化等が可能になる。
【００７１】
なお、図１２に示す光伝送システム１００において、光ファイバ１０の途中に光中継器を配置してもよい。
【００７２】
また、上記では、光ファイバに入力される波長が１５５０ｎｍの場合について示しているが、本発明は入力される波長が限定されるものではない。たとえば、本発明に係る光ファイバは、入力される光が、他の波長（たとえば、光通信に使用される、Ｃバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）またはＬバンド（１５６５ｎｍ〜１６１０ｎｍ）と呼ばれる帯域に含まれる波長の光）である場合は、その入力される光の波長において、６以上あるいは１０以上の伝搬モードが存在するように、少なくともコア部の直径およびコア部のクラッド部に対する比屈折率差が設定されているものである。
【００７３】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１０  光ファイバ
１１  コア部
１２  クラッド部
３０  送信装置
３１−１〜３１−１０  送信器
３２  モード多重部
４０  受信装置
４１  モード多重分離部
４２−１〜４２−１０  コヒーレント受信器
４３  局所発振光源
１００  光伝送システム
Ｌ１〜Ｌ３  線
【図１】
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【図２】
2015096938.tif 000016
【図３】
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【図４】
2015096938.tif 000018
【図５】
2015096938.tif 000019
【図６】
2015096938.tif 000020
【図７】
2015096938.tif 000021
【図８】
2015096938.tif 000022
【図９】
2015096938.tif 000023
【図１０】
2015096938.tif 000024
【図１１】
2015096938.tif 000025
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2015096938.tif 000028
【図１５】
2015096938.tif 000029
【図１６】
2015096938.tif 000030
【図１７】
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【図１８】
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