(57)【要約】      （修正有）【課題】ＤＭＤの符号が異なり、かつ絶対値が大きなＤＭＤを補償することを可能にする光ファイバを提供する。【解決手段】マルチモード光ファイバは、光ファイバの中心に配置され、基本モード及び高次モードを伝搬するセンターコアと、センターコアの周囲に配置され、高次モードを伝搬するリングコアと、を備え、通信波長において、センターコアの高次モードの実行屈折率とリングコアの高次モードの実行屈折率が略等しく、センターコアを伝搬する基本モードの群遅延とリングコアを伝搬する高次モードの群遅延の差分が、定められた群遅延差である。【選択図】図７
2015138115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバの中心に配置され、基本モード及び高次モードを伝搬するセンターコアと、
前記センターコアの周囲に配置され、高次モードを伝搬するリングコアと、
を備え、
定められた波長において、前記センターコアの高次モードの実行屈折率と前記リングコアの高次モードの実行屈折率が略等しく、
前記センターコアを伝搬する基本モードの群遅延と前記リングコアを伝搬する高次モードの群遅延の差分が、定められた群遅延差であるマルチモード光ファイバ。
【請求項２】
前記センターコアのコア半径及び比屈折率差から算出される規格化周波数が２．４０以上３．８３以下であり、
前記定められた群遅延差は、−７．８５ｎｓ／ｋｍ以下である
請求項１に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項３】
前記定められた波長における前記差分の波長に対する微分係数が負である請求項１又は２に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項４】
２モードのモード多重光信号を送信する光送信機と、
前記モード多重光信号を受信する光受信機と、
前記光送信機と前記光受信機との間を接続し、前記２モード間の群遅延差の波長に対する微分係数が正である光ファイバと、
前記光ファイバと前記光受信機の間に挿入され、前記光ファイバにおける前記群遅延差を補償する請求項１から３のいずれかに記載のマルチモード光ファイバと、
を備える光通信システム。
【請求項５】
２モードのモード多重光信号を送信する光送信機と、
前記モード多重光信号を受信する光受信機と、
前記光送信機と前記光受信機との間を接続し、前記２モード間の群遅延差の波長に対する微分係数が負の光ファイバと、
前記光ファイバと前記光受信機の間に挿入され、前記光ファイバで生じた前記群遅延差の正負を反転させるモード変換器と、
前記モード変換器と前記光受信機の間に挿入され、前記モード変換器で反転させた前記光ファイバにおける前記群遅延差を補償する請求項１から３のいずれかに記載のマルチモード光ファイバと、
を備える光通信システム。
【請求項６】
光ファイバの中心に配置されるセンターコア及び前記センターコアの周囲に配置されるリングコアを備えるマルチモード光ファイバの設計方法であって、
前記センターコアが基本モード及び高次モードの２モードを伝搬するように、前記センターコアのコア半径及び比屈折率差を求めるセンターコア調整手順と、
前記センターコアと前記リングコアがそれぞれ単独に存在しているときの前記センターコアの基本モードの群遅延及び前記リングコアの高次モードの群遅延を算出し、前記センターコアの群遅延と前記リングコアの群遅延の差分が定められた群遅延差を満足するように、前記センターコア及び前記リングコアのコア半径及び比屈折率差を求める群遅延差調整手順と、
前記センターコアの高次モードの実行屈折率と前記リングコアの高次モードの実行屈折率が定められた波長において略等しくなるように、前記リングコアの屈折率を調整するリングコア調整手順と、
を順に有するマルチモード光ファイバの設計方法。
【請求項７】
前記センターコア調整手順において、前記センターコアのコア半径と比屈折率差から算出される規格化周波数が使用波長において２．４０以上３．８３以下になるように、センターコアのコア半径及び比屈折率差を求め、
前記群遅延差調整手順において、前記定められた群遅延差が−７．８５ｎｓ／ｋｍ以下になるように、前記センターコア及び前記リングコアのコア半径及び比屈折率差を求める
請求項６に記載のマルチモード光ファイバの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチモード光ファイバおよび当該マルチモード光ファイバを用いた光通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムでは、光伝送路に用いる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により伝送容量が制限される。この伝送容量の制限を緩和するために、１本の光ファイバ中に複数のコアを有するマルチコアファイバを光伝送路に用いた並列伝送技術や、コア内に複数の伝搬モードが存在するマルチモード光ファイバを光伝送路に用いたモード多重伝送技術といった空間多重技術が検討されている（例えば、非特許文献１，２参照。）。
【０００３】
モード多重伝送技術を用いた光通信システムにおいては、光伝送路中でモード間クロストークが発生することから、無線での大容量化技術であるＭｕｌｔｉ−ｉｎｐｕｔ  ｍｕｌｔｉ−ｏｕｔｐｕｔ（ＭＩＭＯ）技術を応用し、クロストークを補償する試みが行われている。
【０００４】
ＭＩＭＯ技術を用いた光通信システムでは、光受信機での信号の復元の際に、ディジタル処理によりモード間クロストークを補償する。しかし、モード間の群遅延差（ＤＭＤ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｍｏｄｅ  ｇｒｏｕｐ  Ｄｅｌａｙ）が大きくなると、信号の復元に必要なディジタル処理が複雑になる。このため、ＭＩＭＯ技術を用いた光通信システムでは、伝送距離が十数ｋｍに制限されている。そこで、図１に示すような、ＤＭＤが正の光ファイバ（ｐＤＭＤＦ）とＤＭＤが負の光ファイバ（ｎＤＭＤＦ）とを組み合わせる光伝送路が提案されている（例えば、非特許文献２参照。）。非特許文献２の光伝送路は、ｐＤＭＤＦで発生したＤＭＤをｎＤＭＤＦで補償し、ｎＤＭＤＦで発生したＤＭＤをｐＤＭＤＦで補償することによって、光伝送路におけるＤＭＤを補償する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｈ．Ｔａｋａｒａ  ｅｔ  ａｌ．，“１．０１−Ｐｂ／ｓ  （１２  ＳＤＭ／２２２  ＷＤＭ／４５６  Ｇｂ／ｓ）  Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ−ｍａｎａｇｅｄ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ９１．４−ｂ／ｓ／Ｈｚ  Ａｇｇｒｅｇａｔｅ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ”，ｉｎ  ＥＣＯＣ２０１２，ｐａｐｅｒ  Ｔｈ．３．Ｃ．１（２０１２）
【非特許文献２】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３】Ｔ．Ｓａｋａｍｏｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｍｏｄｅ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｗｉｔｈ  ＤＭＤ−Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｌｏｗ  Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ  ＭＩＭＯ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．３１，ｐｐ．２１９２−２１９９．
【非特許文献４】Ｋ．Ｓａｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ  ｇｒａｄｅｄ  ｉｎｄｅｘ  ｔｗｏ−ｍｏｄｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒ  ｗｉｔｈ  ｌｏｗ  ＤＭＤ，ｌａｒｇｅ  Ａｅｆｆ  ａｎｄ  ｌｏｗ  ｂｅｎｄｉｎｇ  ｌｏｓｓ”，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．２１，ｐｐ．１６２３１−１６２３８．
【非特許文献５】Ｊ．Ｄ．Ｄｏｗｎｉｅ，“１１２  Ｇｂ／ｓ  ＰＭ−ＱＰＳＫ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｗｉｔｈ  ｒｅａｃｈ  ｌｅｎｇｔｈｓ  ｅｎａｂｌｅｄ  ｂｙ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｕｌｔｒａ−ｌｏｗ  ｌｏｓｓ  ａｎｄ  ｖｅｒｙ  ｌａｒｇｅ  ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ａｒｅａ”，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，ｖｏｌ．８２８４，８２８４０３−１．
【非特許文献６】Ａ．Ｈ．Ｇｎａｕｃｋ  ｅｔ  ａｌ．，“２．５  Ｔｂ／ｓ  （６４ｘ４２．７  Ｇｂ／ｓ）  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｏｖｅｒ  ４０ｘ１００  ｋｍ  ＮＺＤＳＦ  Ｕｓｉｎｇ  ＲＺ−ＤＰＳＫ  Ｆｏｒｍａｔ  ａｎｄ  Ａｌｌ−Ｒａｍａｎ−Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐａｎｓ”，ＯＦＣ２００２，ｐａｐｅｒ  ＦＣ２−１．
【非特許文献７】Ｔ．Ｓａｋａｍｏｔｏ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｗｉｄｅ−Ｒａｎｇｅ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｅｌａｙ  Ｌｉｎｅ  Ｕｓｉｎｇ  Ｄｕａｌ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ  Ｃｏｒｅ  Ｆｉｂｅｒ  Ｗｉｔｈ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  −２８００  ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ”，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．２９，ｐｐ．１９２０−１９２５（２０１１）
【非特許文献８】Ｍ．Ｔａｙｌｏｒ，“Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”，ｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ  ａｎｄ  Ｔｈｅｉｒ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ／Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ  （ＣＤ）  （Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ，２００６），ｐａｐｅｒ  ＣＴｈＢ１．
【非特許文献９】Ｍ．Ｗａｄａ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｍｏｄａｌ  Ｇａｉｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ  Ａｌｌ−ｆｉｂｅｒ  Ｔｙｐｅ  Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ”，ＯＥＣＣ２０１３，ｐａｐｅｒ  ＴｕＳ４−５，２０１３．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献２の光伝送路では、２種の光ファイバのＤＭＤの絶対値はそれほど大きく異なっておらず、ＤＭＤを補償するためには２種の光ファイバが同等の長さであることが必要となる。これにより、非特許文献２の光伝送路は、異なる種類の光ファイバを混在させなければならず、ケーブルの製造やＤＭＤの調整、運用管理面の観点から好ましくない。
【０００７】
そこで、波長分散補償伝送路において用いられている分散補償モジュールのように中継装置にＤＭＤ補償モジュールを設置し、光伝送路中のＤＭＤを集中的に補償する方法が考えられる。しかしながら、ＤＭＤの符号が異なり、絶対値が大きなＤＭＤを補償することの可能な光ファイバはこれまで報告されていない。このため、伝送スパン全長で累積した大きなＤＭＤを補償することの可能なＤＭＤ補償モジュールが構成できず、集中的なＤＭＤを補償可能な光通信システムが構築できないという課題があった。
【０００８】
本発明は、ＤＭＤの符号が異なり、かつ絶対値が大きなＤＭＤを補償することを可能に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】
【０００９】
発明者らは、センターコアとリングコアを有し、かつ伝搬モードが２以上のマルチモード光ファイバにおいて、高次モードのみにおいてセンターコアとリングコアとを結合させることによって、ＤＭＤの符号が異なり、かつ絶対値が大きなＤＭＤを補償することが可能になることを発見した。
【００１０】
具体的には、本発明に係るマルチモード光ファイバは、
光ファイバの中心に配置され、基本モード及び高次モードを伝搬するセンターコアと、
前記センターコアの周囲に配置され、高次モードを伝搬するリングコアと、
を備え、
定められた波長において、前記センターコアの高次モードの実行屈折率と前記リングコアの高次モードの実行屈折率が略等しく、
前記センターコアを伝搬する基本モードの群遅延と前記リングコアを伝搬する高次モードの群遅延の差分が、定められた群遅延差である。
【００１１】
本発明に係るマルチモード光ファイバでは、
前記センターコアのコア半径及び比屈折率差から算出される規格化周波数が２．４０以上３．８３以下であり、
前記定められた群遅延差は、−７．８５ｎｓ／ｋｍ以下であってもよい。
【００１２】
本発明に係るマルチモード光ファイバでは、前記定められた波長における前記差分の波長に対する微分係数が負であってもよい。
【００１３】
具体的には、本発明に係る光通信システムは、
２モードのモード多重光信号を送信する光送信機と、
前記モード多重光信号を受信する光受信機と、
前記光送信機と前記光受信機との間を接続し、前記２モード間の群遅延差の波長に対する微分係数が正である光ファイバと、
前記光ファイバと前記光受信機の間に挿入され、前記光ファイバにおける前記群遅延差を補償する本発明に係るマルチモード光ファイバと、
を備える。
【００１４】
具体的には、本発明に係る光通信システムは、
２モードのモード多重光信号を送信する光送信機と、
前記モード多重光信号を受信する光受信機と、
前記光送信機と前記光受信機との間を接続し、前記２モード間の群遅延差の波長に対する微分係数が負の光ファイバと、
前記光ファイバと前記光受信機の間に挿入され、前記光ファイバで生じた前記群遅延差の正負を反転させるモード変換器と、
前記モード変換器と前記光受信機の間に挿入され、前記モード変換器で反転させた前記光ファイバにおける前記群遅延差を補償する本発明に係るマルチモード光ファイバと、
を備える。
【００１５】
具体的には、本発明に係るマルチモード光ファイバの設計方法は、
光ファイバの中心に配置されるセンターコア及び前記センターコアの周囲に配置されるリングコアを備えるマルチモード光ファイバの設計方法であって、
前記センターコアが基本モード及び高次モードの２モードを伝搬するように、前記センターコアのコア半径及び比屈折率差を求めるセンターコア調整手順と、
前記センターコアと前記リングコアがそれぞれ単独に存在しているときの前記センターコアの基本モードの群遅延及び前記リングコアの高次モードの群遅延を算出し、前記センターコアの群遅延と前記リングコアの群遅延の差分が定められた群遅延差を満足するように、前記センターコア及び前記リングコアのコア半径及び比屈折率差を求める群遅延差調整手順と、
前記センターコアの高次モードの実行屈折率と前記リングコアの高次モードの実行屈折率が定められた波長において略等しくなるように、前記リングコアの屈折率を調整するリングコア調整手順と、
を順に有する。
【００１６】
本発明に係るマルチモード光ファイバの設計方法では、
前記センターコア調整手順において、前記センターコアのコア半径と比屈折率差から算出される規格化周波数が使用波長において２．４０以上３．８３以下になるように、センターコアのコア半径及び比屈折率差を求め、
前記群遅延差調整手順において、前記定められた群遅延差が−７．８５ｎｓ／ｋｍ以下になるように、前記センターコア及び前記リングコアのコア半径及び比屈折率差を求めてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のマルチモード光ファイバは、ＤＭＤの符号が異なり、かつ絶対値が大きなＤＭＤを補償することがきできる。このため、本発明に係るマルチモード光ファイバは、集中的なＤＭＤを補償可能なＤＭＤ補償システムを構築することができる。
【００１８】
また、光伝送路に配置される中継装置に本発明に係るマルチモード光ファイバを用いることで、正のＤＭＤを有する光ファイバ（ｐＤＭＤＦ）のみで光伝送路を構成しても、光伝送路におけるＤＭＤを補償することができる。このため、本発明のマルチモード光ファイバは、光通信システムにおける運用効率の改善、およびＤＭＤ補償の調整を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に関連するＤＭＤを補償するための光伝送路の一例を示したものである。
【図２】ステップ型光ファイバの屈折率分布の一例を示したものである。
【図３】グレーデッド型光ファイバの屈折率分布の一例を示したものである。
【図４】Δ＝０．３５％とした時の、コア半径ａに対するモードフィールド半径の変化の一例を示したものである。
【図５】グレーデッド型屈折率分布ファイバにおける、コア半径ａに対するＤＭＤの変化の一例を示したものである。
【図６】グレーデッド型屈折率分布ファイバにおける、α値に対するＤＭＤの変化の一例を示したものである。
【図７】実施形態１のＤＭＤ補償ファイバの屈折率分布の一例を示したものである。
【図８】実施形態１のＤＭＤ補償ファイバのＤＭＤ特性の一例を示したものである。
【図９】実施形態１のＤＭＤ補償ファイバのＤＭＤ特性の一例を示したものである。
【図１０】実施形態１のＤＭＤ補償ファイバのＤＭＤスロープ特性の一例を示したものである。
【図１１】センターコアが単独で存在する場合の屈折率分布の一例を示したものである。
【図１２】リングコアが単独で存在する場合の屈折率分布の一例を示したものである。
【図１３】センターコアのみが存在していた時のコア半径ａと比屈折率差Δに対する群遅延の変化の一例を示したものである。
【図１４】リングコアのみが存在していた時のコア半径ａと比屈折率差Δに対する群遅延の変化の一例を示したものである。
【図１５】リングコア調整手順におけるパラメータの一例を示す。
【図１６】センターコア及びリングコアがともに存在している構造において、Δ２に対するＤＭＤ特性の変化の一例を示したものである。
【図１７】実施形態２の光通信システムの一例を示したものである。
【図１８】実施形態２の光伝送路の一部の一例を示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明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、本発明は、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、本発明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。
【００２１】
本実施形態に係る発明は、センターコアとリングコアとを備えた群遅延補償光ファイバにおいて、各コアが単独で存在すると仮定した場合のセンターコアにおけるＬＰ０１モードの群遅延とリングコアにおけるＬＰ１１モードの群遅延との差分が所望のＤＭＤを満足するように、それぞれのコア半径と比屈折率差とが設定され、かつ、使用波長範囲内でセンターコアのＬＰ１１モードの実効屈折率とリングコアのＬＰ１１モードの実効屈折率とが一致するように、設定された比屈折率差を保ちつつ両コア間の屈折率（レベル）の差が設定されている。定められた波長において、センターコアの基本モードの実行屈折率とリングコアの基本モードの実行屈折率は異なる。以下、図面を参照して発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
（実施形態１）
図２はステップインデックスファイバの屈折率分布の一例である。屈折率がｎ１であるコア領域と、ｎ２のクラッド領域が存在し、ｎ１＞ｎ２である。図２の構造においてｎ１＞ｎ２の条件は、各領域の材料を純石英ガラス、またはゲルマニウム（Ｇｅ）やアルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）などの屈折率を増加させる不純物や、フッ素（Ｆ）、ボロン（Ｂ）などの屈折率を低減させる不純物を添加した石英ガラスを用いることで実現できる。例えば、非特許文献３に記載の２モードファイバ（コア半径ａ＝７μｍ、比屈折率差Δ＝０．４％）では、伝搬モードが２つとなり、ＤＭＤは２ｎｓ／ｋｍ程度となる。
【００２３】
ＤＭＤを小さくするために、図３に記載のグレーデッド型の屈折率分布が有効である。なお、コアの形状については、αパラメータを用いて以下の式（１）で求められる。
【数１】
2015138115.tif 000003
【００２４】
例えば、非特許文献４に記載の通り、コア半径ａ＝１１．８μｍ、比屈折率差Δ＝０．３６％、α＝２．３とすると、２モードが伝搬し、波長１５５０ｎｍにおけるＤＭＤが０となる。しかしながら、光ファイバの製造誤差により厳密にはＤＭＤを０にすることはできない。
【００２５】
光伝送路中で発生するＤＭＤの最悪値を把握するために、製造誤差を定量的に評価する必要がある。図４に比屈折率差Δ＝０．３５％としたときの、コア半径に対する基本モードのモードフィールド半径Ｗの変化を計算した結果を示す。現在、ＩＴＵ−Ｔのシングルモードファイバ勧告Ｇ．６５２では、ＭＦＤのトレランスが±０．６μｍと規定されており、一般的な単一モード光ファイバの半径ａ＝４．５μｍを基準とすると、少なくともコア半径ａが±０．８μｍ以下の範囲で変化することがわかる。ＭＦＤのトレランスが±０．４μｍの場合はコア半径ａ＝±０．６μｍ以下の範囲で変化する。
【００２６】
２モードを伝送可能でありかつＤＭＤの低い光ファイバとして、図３に示す屈折率分布を有する２モードグレーデッド型屈折率分布ファイバが例示できる（例えば、非特許文献４参照）。非特許文献４に記載の２モードグレーデッド型屈折率分布ファイバをターゲットとし、比屈折率差Δ＝０．３６％、コア半径１１．８μｍ、α＝２．３である場合のコア半径変化に対するＤＭＤの変化を図５に示す。
【００２７】
図５では、光伝送路において、製造誤差を考慮しても必ず正のＤＭＤが得られるようにするために、コア半径ａの下限を１１．８μｍとしている。コア半径ａのずれが±０．６μｍ以下である場合はＤＭＤ＜１５０ｐｓ／ｋｍとなり、コア半径ａのずれが±０．８μｍ以下である場合はＤＭＤ＜２２０ｐｓ／ｋｍとなる。図５に示すグラフより、ＤＭＤ＝０の光ファイバをターゲットとして製造しても、ＤＭＤは最大２２０ｐｓ／ｋｍとなり得ることがわかる。
【００２８】
上記のＤＭＤを低減するために、負のＤＭＤを有する光ファイバ（ｎＤＭＤＦ）を接続してＤＭＤを補償する方法が提案されている。一般的には、正のＤＭＤを有する光ファイバ（ｐＤＭＤＦ）のＤＭＤがτｐ（ｐｓ／ｋｍ）であり、長さをＬｐ（ｋｍ）とすると、ｎＤＭＤＦのＤＭＤがτｎであるならば、式（２）を満たすようにｎＤＭＤＦの長さをＬｎとすれば、受信端での累積ＤＭＤ値を０とすることができる。
【数２】
2015138115.tif 000004
【００２９】
しかしながら、非特許文献２に記載の通り、現状ではｐＤＭＤＦとｎＤＭＤＦのＤＭＤの絶対値は大きく異ならないことから、Ｌｐと同等のＬｎが必要となり、光伝送路中にｐＤＭＤＦとｎＤＭＤＦを混在させなければならない。これでは、ｐＤＭＤＦを内蔵するケーブルとｎＤＭＤＦを内蔵するケーブルの２種が光伝送路中で混在することになり、管理運用が煩雑となってしまう。また、長さの調整が光伝送路中では難しいため、ＬｐとＬｎの調整がしにくいという問題がある。
【００３０】
上記の問題を解決するためには、波長分散補償伝送路において用いられている分散補償モジュールのように、中継装置にＤＭＤを補償するためのＤＭＤ補償モジュールを設置し、光伝送路中のＤＭＤを補償する方法が考えられる。これにより、光伝送路では単一のファイバ種のみで構成することができ、ケーブルの製造及び管理がしやすく、かつ中継装置内のＤＭＤ補償モジュールのファイバ長を変化させるだけで、累積ＤＭＤの調整が可能であり、ＤＭＤ補償の調整がしやすいという利点がある。
【００３１】
非特許文献５及び非特許文献６に記載の通り、典型的なスパン長が５０〜１００ｋｍであることを前提とすると、光伝送路中で発生する累積ＤＭＤは２２０ｐｓ／ｋｍ×５０〜１００ｋｍすなわち１１〜２２ｎｓとなる。スパン毎に存在する中継装置に設置するＤＭＤ補償モジュールの光ファイバによって累積ＤＭＤ値を補償するためには、−１１〜−２２ｎｓの累積ＤＭＤ値を実現すればよい。しかしながら、大きな累積ＤＭＤ値を補償するためにはｎＤＭＤＦの長さを大きくしなければならず、それだけ中継装置間を伝搬するファイバ長が長くなり、伝送損失が増えてしまう。一般には、光通信システムで十分な伝送品質を担保するためには、パワーペナルティを１ｄＢ以下にすることが望ましく、ｎＤＭＤＦの設置により受けるパワーペナルティを１ｄＢ以下とする必要がある。
【００３２】
ｎＤＭＤＦの設置による過剰損失により発生するパワーペナルティ（ＯＳＮＲの劣化量）を見積もるために、非特許文献５に記載の以下の性能指数（ＦＯＭ）の式を用いる。
【数３】
2015138115.tif 000005
【００３３】
ここで、Ａｅｆｆは光ファイバの実効断面積、αｄＢは光ファイバの損失、Ｌａはスパン長、Ｌｅｆｆは下記の式（４）で求められる実効長である。
【数４】
2015138115.tif 000006
Ｌはファイバ長である。
【００３４】
光ファイバの損失をαｄＢ（ｄＢ／ｍ）とすると式（５）の関係が成立する。
【数５】
2015138115.tif 000007
なお、下付き文字で「ｒｅｆ」がついている変数は、基準とするシステムのパラメータであり、基準システムに対してどの程度ＯＳＮＲが改善したかがＦＯＭの値で示される。
【００３５】
Ｇ．６５２に記載の損失の上限値０．４ｄＢ／ｋｍを基準システムの光ファイバの損失値とし、スパン長１００ｋｍとし、それに対するＯＳＮＲの劣化を１ｄＢ以下に抑えるために許容される過剰損失を求めると、１．１２ｄＢとなり、すなわちｎＤＭＤＦの設置による過剰損失を１．１２ｄＢ以下としなければならないことになる。ｎＤＭＤＦの損失を同様に０．４ｄＢ／ｋｍとすると、Ｌｎは２．８ｋｍ以下としなければならないことになる。つまり、光伝送路で生じる最大累積ＤＭＤ値２２ｎｓを補償するためには、−２２ｎｓ／２．８ｋｍ＝−７．８５ｎｓ／ｋｍのｎＤＭＤＦが必要となってくる。
【００３６】
一方で、スパン長５０ｋｍとした場合の光通信システムとし、それに対するＯＳＮＲの劣化を１ｄＢ以下に抑えるために許容される過剰損失を求めると、１．２５ｄＢとなり、すなわちｎＤＭＤＦの設置による過剰損失を１．２５ｄＢ以下としなければならないことになる。ｎＤＭＤＦの損失を同様に０．４ｄＢ／ｋｍとすると、Ｌｎは３．１２５ｋｍ以下としなければならないことになる。つまり、光伝送路で生じる最大累積ＤＭＤ値１１ｎｓを補償するためには、−１１ｎｓ／３．１２５ｋｍ＝−３．５ｎｓ／ｋｍのｎＤＭＤＦが必要となってくる。
【００３７】
ＤＭＤについては、α値を調整することで変化させることができる。図６は、コア半径ａ＝１１．８μｍ、比屈折率差Δ＝０．３６％とした時の、αに対するＤＭＤ変化を計算したものである。αを小さくすることでＤＭＤを小さくすることができ、α＝１とした場合で−３．２ｎｓ／ｋｍ程度である。スパン長が５０ｋｍの光通信システムにおいては、中継装置に−３．５ｎｓ／ｋｍ以下のＤＭＤが必要であるが、α≦１の光ファイバは報告されておらず、作製が困難であると考えられ、図３の屈折率分布を有する光ファイバでは中継装置においてＤＭＤをパワーペナルティ１ｄＢ以下で補償することができない。また、スパン長は最大１００ｋｍまで考慮すべきであり、その場合、中継装置に−７．８５ｎｓ／ｋｍ以下のＤＭＤが必要であるが、同様に本発明に関連するクレーデッド型ファイバでは対応できない。つまり、スパン長が５０〜１００ｋｍの現状の光通信システムに対して関連技術では対応できないことがわかる。
【００３８】
また、光伝送路をｎＤＭＤＦとし、ＤＭＤ補償モジュールに用いる光ファイバをｐＤＭＤＦとする構成も考えられるが、αを大きくし、ＤＭＤを大きくしたとしても１ｎｓ／ｋｍ程度となり、累積ＤＭＤを完全に補償することができない。また、非特許文献３に記載の通り、ステップ型ファイバを用いても２ｎｓ／ｋｍ程度なので、同様に累積ＤＭＤを補償することができない。
【００３９】
そこで、本実施形態では、ＤＭＤ補償モジュールに用いる光ファイバとして、図７に示す屈折率分布を有するマルチモード光ファイバを用いる。本実施形態に係るマルチモード光ファイバは、センターコアおよびリングコアを有している。半径０以上ａ１以下の位置にセンターコアが形成され、半径ａ２以上ａ３以下の位置にリングコアが形成される。
【００４０】
例えば、ａ１＝３μｍ、ａ２＝４μｍ、ａ３＝７μｍ、Δ１＝１．２％、Δ２＝−０．４％、Δ３＝０．２％とした場合のＤＭＤの計算結果を図８に示す。ＤＭＤは一般的な波長範囲１５３０ｎｍ〜１６２５ｎｍにおいて−１５ｎｓ／ｋｍ以下を実現できていることがわかる。このように非常に大きなＤＭＤの絶対値を実現できるのは、センターコアからリングコアに電界が遷移し、モードの特性が変化する為であり、センターコアとリングコアを伝搬するモード間の結合によるものと説明できる（例えば非特許文献７参照。）。
【００４１】
非特許文献７では、基本モードの分散値を制御するために基本モードがリングコアのモードに結合するよう調整している。これに対して本実施形態のマルチモード光ファイバは、伝搬モードを２とし、基本モードと高次モードの間のＤＭＤを大きくするために、高次モードのみがリングコアに結合するよう調整し、結合波長λ０の前後で基本モードと高次モード間のＤＭＤを大きく変化させている。
【００４２】
図８のＤＭＤの波長特性の波長範囲を拡大すると、図９のように、結合波長λ０の前後で基本モードと高次モード間のＤＭＤが大きく減少する特性となる。本実施形態のマルチモード光ファイバは、図１０に示すとおり、波長に対するＤＭＤの傾きが最小となる波長が結合波長λ０となる。この結合波長λ０において最もＤＭＤが波長に対して変化しており、ＤＭＤの波長に対する傾きすなわち微分係数は負となる。つまり、本実施形態のマルチモード光ファイバは、ＤＭＤスロープが負である。このため、本実施形態のマルチモード光ファイバは、光伝送路に敷設される光ファイバにＤＭＤスロープが正であるｐＤＭＤＦを用いることで、光伝送路におけるＤＭＤスロープを補償することができる。また、本実施形態のマルチモード光ファイバは、図８のＤＭＤの波長特性の波長範囲において図９に示すような特性を得ることができるため、広波長域でＤＭＤの補償が実現できる。したがって、本実施形態のマルチモード光ファイバは、ＷＤＭ伝送を行う光通信システムにおいて、各波長の信号で必要となるディジタル処理量を一括で低減することができる。
【００４３】
なお、結合波長λ０は非特許文献７に記載の通り、コア半径や屈折率差を変化させることで制御が可能である。また、光伝送路に用いる光ファイバのＤＭＤおよびＤＭＤスロープの正負を各々制御するためには、非特許文献２に記載の通り、階段型屈折率分布を用いて屈折率分布の調整を行えば実現できる。
【００４４】
また、ｎＤＭＤＦの入射端にＬＰ０１とＬＰ１１のモード変換器を設置することで、疑似的にｎＤＭＤＦにおいて発生するＤＭＤの正負を逆転することができ、これにより伝送路にｎＤＭＤＦを用いることも可能となる。ここで、モード変換器は、非特許文献９に記載のような長周期グレーティング等を用いることで実現できる。
【００４５】
本実施形態に係るマルチモード光ファイバの設計方法を実行することで、所望の負のＤＭＤを有するマルチモード光ファイバを実現することができる。本実施形態に係るマルチモード光ファイバの設計方法は、センターコア調整手順と、群遅延差調整手順と、リングコア調整手順と、を順に有する。
【００４６】
本実施形態のセンターコアとリングコアを有するマルチモード光ファイバにおいては、図１１及び図１２に示すように、それぞれのコアが単独で存在した場合の光学特性から設計が可能である。つまり、センターコアにおけるＬＰ０１モードの群遅延と、リングコアのＬＰ１１モードの群遅延との差分が、両コアが存在していた場合に得られるＤＭＤとなる。
【００４７】
まず、センターコア調整手順を実行する。センターコアのみ存在していた場合において、伝搬モードがＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードの２つである必要がある。そのため、本手順では、センターコアのコア半径ａ１と比屈折率差Δから算出される規格化周波数Ｖが、使用波長において２．４０以上３．８３以下であればよく、その範囲でａ１とΔを調整する。
【００４８】
規格化周波数Ｖは、次式で表される。
【数６】
2015138115.tif 000008
なお、ｎ１はセンターコアの屈折率である。
【００４９】
次に、群遅延差調整手順を実行する。本手順では、センターコアとリングコアがそれぞれ単独に存在しているときのモード間の群遅延時間を算出し、その差が所望のＤＭＤを満足するよう、それぞれのコア半径及び比屈折率差を決定する。リングコアの場合は、リングコアの厚みがコア半径に相当する。例えば、図１３、図１４に、センターコアおよびリングコアが単独で存在した場合に、コア半径ａと比屈折率差Δを変化させた時の群遅延を示す。図１４では、ａ２＝４μｍの場合のａ３−ａ２をリングコアのコア半径ａとした。また図１３及び図１４における群遅延の単位はｎｓ／ｋｍである。コア半径ａと比屈折率差Δを制御することで群遅延が変化することがわかる。また、それらを制御することで、ＤＭＤを−７．８５ｎｓ／ｋｍ以下とする構造も明らかにすることができる。
【００５０】
センターコアとリングコアがともに存在している構造において、上記のＤＭＤを実現させるためには、高次モードのみセンターコアからリングコアに結合させる必要がある。そこで、リングコア調整手順を実行する。本手順では、センターコアのＬＰ１１モードの実効屈折率と、リングコアのＬＰ１１モードの実効屈折率が一致する波長においてモード結合が発生するため、適宜実効屈折率を変化させ、結合波長を制御する。これにより、定められた結合波長における高次モードに対するセンターコアとリングコアの実行屈折率を略等しくさせる。このとき、図１５に示すように、Δ２を適用し、０レベルを変化させることによって群遅延差調整手順で求めた図１４に示すリングコアの屈折率レベル全体を変化させることで、結合波長が制御可能である。
【００５１】
なお、図７におけるΔ１とは式（７）の関係となる。
（数７）
Δ０＝Δ１＋Δ２    （７）
【００５２】
例えば、ａ１＝３μｍ、ａ２＝４μｍ、ａ３＝７μｍ、Δ０＝１．２％、Δ３＝０．４％とした時、Δ２の変化に対するＤＭＤの変化を示したものを図１６に示す。ＤＭＤの最小値は大きく変化せず、結合波長のみ制御できていることがわかる。
このような手順で設計することで、所望のＤＭＤを有するマルチモード光ファイバが設計できる。
【００５３】
（実施形態２）
図１７は、本実施形態に係る光通信システムの概略図である。Ｎ個の光送信機９１から発せられるＮ種の光信号は合波器９２において合波される。合波された信号光は、光伝送路９３に入射され、出射側に設置された分波器９４においてＭポートに分波される。分波されたＭ種の信号はＭ個の光受信機９５で受信され、後段に設置されたＦＩＲフィルタ９６において光伝送路９３で受けた信号劣化を補償する構成となる。
【００５４】
ここで、本構成はＮ入力Ｍ出力のＭＩＭＯ伝送であり、Ｎ種の信号の並列伝送が可能である。例えば、光伝送路９３は、多モード光ファイバであり、少なくとも２モードがモード多重されたモード多重光信号を伝送する。モード多重を行う構成は、光送信機９１であってもよいし、合波器９２であってもよい。またモード分離を行う構成は、分波器９４であってもよいし、光受信機９５であってもよい。なお、ＦＩＲフィルタ９６では、モード分散、波長分散、偏波分散の補償も可能である。
【００５５】
また、受信信号の電界振幅・位相情報を取得するためには、局発光源、９０°ハイブリッド、バランスレシーバ、アナログデジタルコンバータ、計算器で構成される光受信機９５を用いればよい（例えば、非特許文献８参照）。
【００５６】
ＦＩＲフィルタ９６は、光伝送路９３中で発生する線形歪を補償することができ、タップの遅延量・係数を適切に設定することで、光伝送路９３中で発生する他の光送信機９１からの混信、モード分散、波長分散、偏波分散による信号劣化を補償することができる。ただし、モード分散の場合、高次モードとのＤＭＤが大きくなると、補償に必要な計算量が膨大になるため、ＤＭＤを小さくする必要がある。
【００５７】
そこで、関連発明は、光伝送路９３に、図１に示すような光伝送路を用いる。図１に示す光伝送路は、群遅延差が正であるｐＤＭＤＦと群遅延差が負であるｎＤＭＤＦとが交互に配置され、伝搬に従って変化する群遅延差を補償し、光受信機９５での群遅延差を小さくすることができる。しかしながら、ｐＤＭＤＦを内蔵するケーブルとｎＤＭＤＦを内蔵するケーブルの２種が光伝送路９３中で混在することになり、管理運用が煩雑となってしまう。また、長さの調整が光伝送路９３中では難しいため、ｐＤＭＤＦの長さＬｐとｎＤＭＤＦの長さＬｎの調整がしにくいという問題がある。
【００５８】
本実施形態に係る光通信システムは、光伝送路９３中に、図１８に記載の通り、ｐＤＭＤＦ９３１を敷設し、中継装置９７内のＤＭＤ補償モジュールにマルチモード光ファイバ９３２を用いる。マルチモード光ファイバ９３２は、実施形態１に記載のマルチモード光ファイバであり、ＤＭＤの絶対値が７．８５ｎｓ／ｋｍ以上であるｎＤＭＤＦである。
【００５９】
光伝送路９３を構成するｐＤＭＤＦ９３１のＤＭＤは最大でも２２０ｐｓ／ｋｍである。このため、光伝送路９３のスパン長が１００ｋｍのシステムであっても、光伝送路９３におけるパワーペナルティを１ｄＢ以下とし、光伝送路９３の累積ＤＭＤ値を中継装置９７に設置されるマルチモード光ファイバ９３２にて完全に補償することができる。
【００６０】
これまで報告されてきた低ＤＭＤの光ファイバは、数十ｐｓ／ｋｍ程度であり、例えば非特許文献４では、ＤＭＤが３６ｐｓ／ｋｍ以下となっている。これを基に１００ｋｍスパンで、ＯＳＮＲの劣化を１ｄＢ以下に抑えるために許容される過剰損失より必要なｎＤＭＤＦ９３２のＤＭＤ値を上記と同じように求めると、光伝送路９３で生じる最大累積ＤＭＤ値３．６ｎｓを補償するためには、−３．６ｎｓ／２．８ｋｍ＝−１．２９ｎｓ／ｋｍのｎＤＭＤＦが必要となってくる。
【００６１】
このように、光ファイバの量産を踏まえた製造誤差を加味しない場合は、中継装置９７に配置するマルチモード光ファイバ９３２の必要ＤＭＤ値の絶対値は小さくてもよい。このような光通信システムにおいても、実施形態１のマルチモード光ファイバを用いることで、ＤＭＤを補償するためのファイバ長を短くすることができるため、パワーペナルティをより小さくすることができる。
【００６２】
なお、マルチモード光ファイバ９３２の入射端にＬＰ０１とＬＰ１１のモード変換器を設置することで、ｐＤＭＤＦ９３１に代えてｎＤＭＤＦを用いることも可能となる。ここで、モード変換器は、非特許文献９に記載のような長周期グレーティング等を用いることで実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、光ＭＩＭＯ伝送システムにおけるＭＩＭＯディジタル処理量の低減及び、運用効率を低減する装置及びシステムを実現することができる。
【符号の説明】
【００６４】
９１：光送信機
９２：合波器
９３：光伝送路
９４：分波器
９５：光受信機
９６：ＦＩＲフィルタ
９７：中継装置
９３１：ｐＤＭＤＦ
９３２：マルチモード光ファイバ
【図１】
2015138115.tif 000009
【図２】
2015138115.tif 000010
【図３】
2015138115.tif 000011
【図４】
2015138115.tif 000012
【図５】
2015138115.tif 000013
【図６】
2015138115.tif 000014
【図７】
2015138115.tif 000015
【図８】
2015138115.tif 000016
【図９】
2015138115.tif 000017
【図１０】
2015138115.tif 000018
【図１１】
2015138115.tif 000019
【図１２】
2015138115.tif 000020
【図１３】
2015138115.tif 000021
【図１４】
2015138115.tif 000022
【図１５】
2015138115.tif 000023
【図１６】
2015138115.tif 000024
【図１７】
2015138115.tif 000025
【図１８】
2015138115.tif 000026