オプトクエスト技術レポート№101

空間結合型 SDM 用 MCF 光デバイス
所属

株式会社オプトクエスト
技術開発第 1 部

執筆者名小林哲也

１．はじめに光ファイバによる高速大容量通信は，これまで様々な取り組みによって飛躍的な拡大を続けてきた．しかし，急速なデータトラフィックの拡大により既存のシングルモードファイバ（SMF）での伝送容量の限界が見えてきたため，その対策として空間多重伝送（SDM:Space Division
Multiplexor）が提唱された 1)．将来的なトラフィック量の増大に対応するため空間多重数を増大させる取り組みとして，Fig.1 に示すようなマルチコアファイバ（MCF），数モードファイバ（FMF），そしてそれらを組み合わせた

Fig.1

SDM 用ファイバ

数モードマルチコアファイバ（FM-MCF）が検討されている.これらは 1 本の光ファイバに複数のコアまたは，複数結合方式内容の伝播モードが伝送できる光ファイバである．この新たな光ファイバを用いることにより，空間利用効率は飛躍

レンズを使用した空間結合

空間結合

光路中はエアギャップ的に向上するが，それら伝播した複数の信号を既存のSMF 伝送系と接続する必要がある．その機能を担うのが細径 SMF バンドル

Fanin/Fanout デバイス（FIFO）であり，その方式は Fig.2に示す通り様々な方式が提案されている．代表的なもの

路を用いて配列変換して接続するもの 3) などが考えら
れ，シンプルな構成で低コスト化が実現できる技術としフィジカルコンタクトや端面接着
SMF バンドルと MCF に中間ファイバをファイバ溶融挟んで融着し溶融延伸させコア整合として，SMF を MCF のコアピッチと同等まで細径化してバンドル化した上で MCF と直接接続するもの 2) や導波細径化した SMF を束ねて直接接続

3D 導波路を介して MCF コアの配列変3D 導波路換をさせ SMF アレイと接続

Fig.2

MCF-FIFO の方式て期待できる．
これらの方式に対し，空間結合デバイスはコア数やコア配列,非結合型や弱結合型といった方式にも拘らない柔軟性があり，またフィルタやアイソレータなど機能素子を組込んだ複合化も容易であり機能デバイスの利用効率をさらに高めることが出来るという優位性がある．本項ではそれらの特徴について述べる．

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２．空間光学系の基本概念
SDM 用光ファイバで先行して検討された非結合型 MCFの各伝搬コアの間隔（コアピッチ）はコア間クロストークを確保するため概ね 40μm～50μm で設定されている．
弱結合型 MCF の場合はさらにコアピッチ間隔は狭くなり，15μm～20μm 程度が提案されている．既存の SMF（ITU-T
1
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G.652 等）はクラッド径が 125μm であるから，Fig.3 ののことで Fig.5 に示すような 500mm×600mm のブレッドボようにそれらをそのまま束ねても MCF との接続は出来なード上に 5 軸（X,Y,Z,θx,θy 軸）の調整機構を各ファい．そこで，レンズの軸外に点光源を設置するとレンズイバに対し個別に配置して構成された MCF と SMF の結合主軸に対して角度を持ったコリメートビームとなること装置を試作した．調整機構により様々な種類の MCF と SMFを利用して，狭ピッチの MCF の各コアを分離する方法をとを結合可能なように自由度を持たせた構造で，MCF と検討した．Fig.4 に基本的なレンズの幾何光学光線図をSMF との初期の特性を評価する上で役目を果たしたが，示す．レンズの主軸上の焦点位置に配置されたコアからその大きさが問題であった．そこで翌年の 2010 年にはの光はレンズの主軸に平行なコリメート光となって入出

Fig.6 に示すような，光学系を縦型にした卓上型の結合射される．しかし，レンズの主軸から高さｈ（物体高）装置を開発し，その後様々なコアの MCF に対応して 19を持った位置にコアを配置した場合，レンズの前側焦点コアまでの結合装置を実現させた 4)．

ff を通るようにレンズ主軸に対して角度θで斜めに進む

この時の結合装置の経験から，レンズ軸外を利用したコリメート光となる．この時のコリメート光の角度θはビームの分離と低損失結合が実証できたため,その後の物体高 h の位置によって変わるため，MCF を配置した場

MCF と SMF とを結合する FIFO への開発へと繋がった．

合，中心コアと外周コアの距離とレンズ焦点距離によりビーム進行角度が変わることとなる．それぞれのコアからの光が違う方向へ角度を持ったコリメート光となって分離された後に，SMF コリメータと光学結合させれば空間結合型 FIFO の構成となる．

Fig.3

Fig.5

初期の MCF 結合装置

Fig.6

縦型 MCF 結合装置

SMF と MCF のコア間ピッチの違い

Fig.4

レンズ幾何光学説明図
３．FIFO の研究開発

この方式を最初に検討したのは SDM が提唱されてから3.1

間もない 2009 年のことである．
今までにない新たなファ初期に開発した FIFO を Fig.7 に示す．基本構造は前項イバとして 1 本のファイバに複数の伝搬コアを有するで紹介した結合装置から調心ステージを排除して固定モMCF を作製するが，そのファイバの伝搬損失とコア間クジュール化したものであり，サイズはφ40mm×L62mm とロストークなどのファイバ特性を評価する装置が必要とモジュールとしては大きいサイズである．しかし，このオプトクエスト技術レポート №101

第一世代

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時から MCF と SMF との結合損失は 1dB を切る 0.6dB 以下の低損失が実現されており，その有用性を確認することが出来た 5) ．また，当初より長期信頼性を意識して部材の固定は YAG レーザ溶接固定を採用しており温度依存性も良好な特性が得られている．
レンズの軸外を利用したコリメートビームの分離は実際にはそれほど多くの角度差をつけることは難しい．
Fig.8 に MCF のコアピッチとレンズ焦点距離で決まる分離角度の計算値を示す．レンズ焦点距離が短ければ分離角度を大きく出来るが，ガウシアンビームの拡がりによ

Fig.8

コアピッチとレンズ焦点距離による分離角度

りコリメート光としての結合距離は短くなる．逆にレンズ焦点距離が長ければ結合距離は長くすることはできる
が分離角度は小さくなり，さらにビーム径が大きくなる
ことで各コアのビーム同士が重なり合い，分離することが難しくなる．その相反する特性を確認しながらコアピッチの仕様に応じてレンズ焦点距離の最適化を行っているが，7 コア MCF で使用したコアピッチ 45μm ではどのような条件でも分離幅が十分得られないため，光路中にFig.936 コア MCF 用 FIFO光路シフトプリズムを配置することで分離幅を拡大させる構造を採用した．この基本構造は光学特性が非常に良好で各部材の精度に依存することも無く，さらに MCF コ

SMF 側

MCF 側

アピッチ精度に依存せず SMF 側で最適調整が出来る等の応用が利くため，様々なコアピッチやコア配列，そして4 コア 7 コア MCF だけではない，Fig.9 に示すようにコア配列に合せてプリズムを多段にすることで最大 36 コ
ア MCF と単芯 SMF との結合も実現させている 6) ．
その設計の柔軟性と低損失特性から，第一世代とは言え現在でも利用している方式であり，直近の 4 コア用
FIFO では Fig.10 に示すように□25mm×78mm（ファイバ保護部材を含む）のサイズとなっており，挿入損失も平均値で 0.3dB を下回るほどに最適化されているため，研究用途での MCF 用 FIFO として需要がある．
Fig.10
3.2

4 コア MCF 用 FIFO と損失特性

第二世代

将来的なシステムへの導入を見据えて FIFO の小型化を進めるにあたり，モジュールサイズが課題となった．SMFを個別に保持する方法はコア数やコア配列に依存しない
Fig.7 7 コア MCF-FIFO と損失特性（IN-OUT 接続時）自由度がある一方で，SMF 間の調整スペースを確保しなくてはならず小型化が難しい．そこで，SMF をバンドル

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化することで小型化することを検討した．Fig.11 に基本

ドルピッチを 50μm としたことである．7 コア MCF クラ構成と外観形状を示す．SMF を束ねてコリメート光を結

ッド外径は 150μm となっており、SMF クラッド外径を 50合させるために 2D レンズアレイを採用し，そのレンズピμm とすればバンドル化した際の最外径が 150μm となり，ッチの制約から SMF 間隔は 0.5mm として 2D アレイコリメ

将来的に保持部品の共通化を考慮した．また，細径化すータを構成した．MCF 中心コアのビームは主軸に平行で，ることによる SMF の強度劣化やクラッドからの光の漏れ

外周コアからのコリメートビームは主軸に対して角度をによる損失増加にも配慮してのことである．

持っているため，中心コアのコリメートビームはそのま

MCF と SMF とはコアピッチが 5μm 異なるが，対向するま通過させ，外周コアのビームだけ 0.5mm 間隔の平行軸レンズの倍率を変えることでコアピッチ変換を行い，挿に配列するため，六角錐の先端をフラットにした特殊形

入損失は 0.6dB 以下となっている 8)．このように MCF と状の偏角プリズムを用意した．この光学構造としたこと

SMF との結合について段階を踏んで小型化を進めており，でサイズは大幅に小型化し，φ10mm×50mm の FIFO が実初期の調心機構を持った結合装置から比べると飛躍的に現された

7)． また，SMF コリメータとプリズムは部品小型化を進めることが出来た．

精度依存の位置誤差が発生するが，その精度を最適化することで 0.5dB 以下の低損失での結合を実現している．

Fig.123.4

小型 7 コア FIFO の構成と外観

第四世代

MCF は当初様々なコア数による提案がなされたが，実用
Fig.11

細径化 FIFO 構成と外観化に向けてはクラッド外径を既存 SMF と同等にすることが量産性や信頼性の観点から望ましく，クラッド外径基準での最適コア数は非結合型 MCF においてはコア間 XT

3.3 第三世代を考慮して 4 コアが相応しいとされ実用化検討が進めら更なる小型化の検討は大きく構造を変更している．コ

れている 9)．そこで 4 コア MCF を基準とした FIFO におい

ストの削減を目的に部品点数の削減による量産性の高いて，量産性や信頼性を考慮して光学構成の見直しを行っ光学系を実現させるため，SMF バンドルを MCF コアピッた．前記した 7 コア用では MCF のクラッド外径に合せてチに近づけ，レンズアレイとプリズムを廃止してシンプ

細径 SMF を 50μm としたが，MCF クラッド径が 125μm とルな単レンズ構成とする光学系にすることで，φ6mm×なったことで 50μm とする必然性は必ずしも必要無くな

L32mm の小型 FIFO を実現した．基本構造と外観を Fig.12

り，それよりも低損失化を目指し SMF 外径を MCF コアピに示す．特徴は MCF コアピッチ 45μm に対して SMF バンッチと同様に 40μm としてバンドル化した．また，MCF

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クラッド径が 125μm となったことにより，安価な既存の模式図を表す．(a)のパターンは結合させるコアピッチ

SMF 用デバイス部品の流用が可能になったことから，よが単純に異なる場合である．コアの配列がお互いに揃っり部品点数を削減して光学系や調心方法などを最適化さていたとしても結合誤差が生じてしまう．(b)のパターンせた．その外観形状と挿入損失特性を Fig.13 に示す．サは隣接コア及び対角コアのコアピッチ誤差がある場合で，イズはφ5.8×L38mm となり，挿入損失は MCF コアピッチ

この場合綺麗に整列されたコアと結合すると，いずれか精度や SMF バンドル精度に起因する誤差が影響する構成のコアで結合ずれが発生するためコア間の損失差が発生であるが，光学系や製造方法の最適化を行うことで数量する．
(c)のパターンは隣接するコアピッチの誤差は無い

作製時にも挿入損失平均値が 0.4dB 以下となる FIFO を実ものの，対角のコアピッチの誤差がある場合である．一現している．また，この FIFO においてブランチングデバ

般的に MCF 等のコアピッチを表す場合は隣接コアとのコイスの信頼性評価である IEC 60875-1 を実施し，劣化がアピッチで定義される場合が多いが，この場合に適用す無いことを確認している．

るとコアピッチ誤差は小さいにも関わらずいずれかのコアの結合ずれが発生することになる．どのような組み合わせで結合させれば全体の結合損失を下げ，コア間損失SMF 側

MCF 側差が最も小さくなる組合せとなるかの条件を見つけるた
め，ＩＲカメラを用いたビーム間隔測定とその結果をシミュレーションにより瞬時に最適な組み合わせと想定結合損失を導き出す計算式を構築することで解決した 10)．
Fig.15 にその構成とカメラ画像を示す．これにより MCFのコア方位は目視により短時間で調整することが出来，その際の結合損失も想定できるため大幅な作業効率の向上を達成している．また，この方式は将来的に自動調心化も可能となるため量産に適した方式と考えている．
パターン(a)Fig.13

隣接コアピッチが異なる場合

小型 4 コア FIFO と損失特性

また，本構成において製造コストを下げる検討も実施している．MCF デバイスが既存の SMF デバイスと異なる

MCF
パターン(b)

SMF

結合状態

コアピッチとコア配列が崩れている場合のは，SMF がコア同士の結合を行うのに単一のコアの結合ピークのみを最適調心すれば良いのに対し，MCF の場合は外周コアがあり，全てのコアで最適調心出来るように回転方位の調心工程が必要になることである．そこでMCF問題となるのがコアピッチの誤差である．同種の MCF 同パターン(c)

SMF

結合状態

対角コアピッチが異なる場合士の結合であれば，同一 Lot の MCF を用いればコアピッチの誤差は無い．しかし，MCF と SMF バンドルを結合する FIFO の場合は双方のコアピッチ誤差が結合損失となってしまう．さらに，コアピッチ誤差は隣り合うコアピッチとの距離だけではなく，対角に対置されたコアとの相互関係も影響する．Fig.14 にコアピッチ誤差について
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MCFSMF

結合状態

Fig.14 コアピッチ誤差による結合状態
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Fig.16 MCF 伝送路での機能デバイス挿入例
4.1

アイソレータデバイス

2013 年に NICT 他研究機関と共著にて発表した 19 コア
MCF 光増幅器 11)に使用したアイソレータの構成と外観をFig.17 に示す．FIFO の第三，第四世代の光学系と同様に単レンズ構成としているが，アイソレータコアを挿入するための空間距離を確保するためレンズは長焦点距離のものを使用している．その為，外周コアのコリメートビームのアイソレータへの入射角度も浅くなり，光学特性のバラツキが小さくなる効果も得られている．SMF 用ア
Fig.15 MCF 結合装置構成(a)とビーム画像(b)イソレータデバイスとほぼ同様のシンプルな光学系であるが，19 コア光信号のアイソレータ機能を 1 つのアイソレータコアで構成し，Fig.18 に示すように全コアで挿入

４．MCF 光学系の拡張技術

損失 0.6dB 以下となる SMF アイソレータデバイスと同等

前記した FIFO の空間光学系を拡張発展させ，MCF 用のの低損失を実現し，アイソレーションも全コアで 55dB機能デバイスについても実現している．MCF のレンズに以上を達成しており，1 つのデバイスで 19 経路分のアイよる空間結合が PC 接続や導波路型など直接接続型と異ソレータ機能を持つ機能デバイスとしてデバイスの利用なる点はレンズ間にスペースを確保できる点にある．一効率を大幅に向上させている．直近の取組においては本

般的な光機能素子は，WDM や合分波カプラに代表される技術と前記した FIFO を複合化して，Fig.19 に示すよう誘電体多層膜フィルタや結晶を用いたアイソレータ等のな小型アイソレータ内蔵 FIFO デバイスも挿入損失 0.6dB

空間光学系を前提にしたものであり．これらを MCF の空以下の低損失で実現している 12)．

間光学系技術に組入れることで，単一の機能素子で MCFのコア全てに一括で機能をもたせるデバイスを実現することができる．例えば MCF 伝送路に機能デバイスを組込もうとした場合，Fig.16 のように Fan-out デバイスで SMFに変換後にコア毎に 1 つずつの機能デバイスを挿入し，Fan-in デバイスで再度 MCF へ変換する必要がある．しかし，MCF 機能デバイスとすることで 1 つの機能素子で複数コア同時に作用させることが出来るため，デバイス実装時の省スペース化や伝送路の低損失化，機能デバイスのコストダウンに貢献できる技術として注目している．
Fig.17
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MCF アイソレータの構成と外観6Copyright (c) 2023 Optoquest Co.,Ltd.All Right Reserrved.

Fig.18

MCF アイソレータ光学特性

Fig.21

50:50 合分波カプラ損失特性

また，カプラデバイスについても小型化が進められ，SMF 用 WDM デバイスなどに用いられている 2 芯アレイを利用した TAP カプラデバイスと WDM デバイスも実現している．Fig.22 に基本構成と外観を示す．アイソレータも内蔵したカプラデバイスとして，全コア一括で 1dB 以下の挿入損失を実現している 13)．また，本構成ではビームスプリッタを波長フィルタに変えることで WDM デバイスを構成することも可能となる．Fig.23 に示す WDM フィルタを搭載することでアイソレータ内蔵 C-L Band WDM モジ
ュールとなり、Fig.24 に示す光学特性のように低損失なFig.19ISO 内蔵 FIFO デバイス構成と損失特性

MCF 用 WDM デバイスを実現している．

4.2 カプラデバイス
MCF 用 合 分 波 カ プ ラ 及び WDM カ プ ラ の 基 本 構 成 をFig.20 に示す．光学系はアイソレータと同様の技術を用いているが，光機能素子として誘電体多層膜フィルタを配置し，フィルタの反射側にも MCF コリメータを配置することで MCF 同士の合分波デバイスを実現させている．
Fig.21 に 50：50 ビームスプリッタを配置した際の合分波カプラの挿入損失を示すが，分岐損失 3dB を含んで 4dB以下の低損失な特性を実現できている．
Fig.22

Fig.20

カプラデバイス構成

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Fig.23アイソレータ内蔵 TAP デバイス

アイソレータ内蔵 WDM デバイス光学特性

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4.3

1234

挿入損失(dB)
C-band側
L-band側
1528nm1565nm1570nm1610nm0.310.33
0.400.490.25
0.52
0.39
0.38
0.38
0.35
0.44
0.38
0.47
0.14
0.420.48

Fig.24

アイソレータ内蔵 WDM デバイス光学特性

ｺｱ

コアピッチ変換デバイス

FIFO の第三世代に用いた技術であるが，単レンズによる空間光学系の利点は，対を成すレンズの焦点距離の組み合せを変えることで倍率変換が可能なことである．非結合型 MCF に関しては，コア間クロストークの問題など
から冒頭に記載した通り 40μm～50μm 程度のコア間ピッチを有する MCF が存在する．異なるコア間ピッチを持つ MCF 同士の直接接続は不可能であるが，レンズ光学系同様の技術を用いることで MCF 用 TAP モニタデバイスを用いることでそれを実現させている．Fig.27 にコアピも構成することができる．MCF の各コアの光量をモニタッチ変換デバイスの構成と外観を示す．本構成でコアピする為には Fan-out によりコアごとに分割する必要があッチ 40.5μm と 50μm という，直接接続ではコアが接続るが，MCF の 2 芯アレイを用いた合分波構成を利用するできない MCF 同士を 0.6dB 以下の損失で結合させていることで各コアの光量モニタを可能にする TAP カプラ付モ16)ニタが実現できる．TAP モニタには各コアの光量を独立

種 MCF の低損失接続も可能となる．

． 本技術を応用すればコアピッチや MFD の異なる異してモニタするという用途から，Fig.25 に示すようなモニタ側に Fan-Out 機能を内蔵させて SMF にて光信号を取り出す方式と，Fig.26 に示すようにモニタ側に各光信号に対応した Pin-フォトダイオードを内蔵して、電気信号として取り出すことが出来る方式を提案している．それぞれ信号光側の挿入損失は 1dB 以下となる低損失でのデバイス化を実現している 14)15)．
Fig.27

コアピッチ変換デバイスの構成

５．まとめ
レンズを用いた空間光学系技術は光通信が実用化された初期から現在のシステムにも組み込まれている技術であり，更に発展的に MCF への適用を行うことで様々な光ファイバとの接続を可能とした．また本技術は単一の素子で MCF の複数の伝搬信号を一括で処理出来る光機能デFig.25

Fan-Out 内蔵 TAP モニタデバイス

バイスが実現できておりその拡張性も示した．今後は更なる高密度化や小型化をすすめ，空間利用効率の向上と共に更なる低損失化や生産性も向上させ，将来の SDM 用光デバイスに資する技術にしたいと考えている．
本研究の一部は，国立研究開発法人情報通信研究機構の高度通信・放送研究開発委託研究/革新的光通信インフラの研究開発及び，総務省の「ICT 重点技術の研究開発
プロジェクト 新たな社会インフラを担う革新的光ネッ
トワーク技術の研究開発（JPMI00316）（課題 II：OCEANS）」

Fig.26

Pin-PD 内蔵 TAP モニタデバイス

オプトクエスト技術レポート №101の成果を含みます．
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文献1) T. Morioka : Technical Digest of Opto Electronics
And Communications Conference Hong Kong, Jul 2009,
Paper FT42) 渡辺健吾 他：電子情報通信学会ソサイエティ大会
東北大学(2015） B-10-19
3) Robert R. Thomson : European Conference andExhibition on Optical Communications Düsseldorf，
Sep 2016 Th.1.B.5
4) Werner Klaus et al.：IEEE Photonics Society SummerTopicals Washington，Jul 2012，WC3.35) 小林哲也 他：電子情報通信学会ソサイエティ大会
富山大学(2012） C-3-82
6) Jun Sakaguchi et al.：OSA Publishing Journal ofLightwave Technology Vol.34 P.93 20167) 鳥取裕作 他：電子情報通信学会ソサイエティ大会
福岡工業大学(2013） B-13-26
8) 小林哲也 他：電子情報通信学会ソサイエティ大会
東北大学(2015） B-10-299) 山田裕介 他：電子情報通信学会総合大会(2022）
BI-10-310) 高畠武敏 他：EXAT 研究会(2022) EXAT2021-1411) Jun Sakaguchi et al.: European Conference andExhibition on Optical Communications London， Sep
2013 Th.1.C.612) Taketoshi Takahata et al.: European ConferenceandExhibition

onOpticalCommunications

Bordeaux， Sep 2021 We1A.513) Taketoshi Takahata et al.: European Conferenceand Exhibition on Optical Communications Dublin， Sep 2019 W.2.C
14) 小林哲也 他：電子情報通信学会総合大会 (2021）
B-10-115) 榧明日美 他：電子情報通信学会光ファイバ応用技術研究会(2021） OFT2021-516) 小林哲也 他：電子情報通信学会総合大会 立命館大学(2015） B-10-5
2023年4月
Tetsuya KOBAYASHIOPTOQUEST Co.,Ltd

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