JP5000363B2 - 空孔付き分散制御ファイバおよび光伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、空孔付き分散制御ファイバおよび光伝送システムに関する。

高速光伝送システムでは、波長分散の累積による波形の歪が信号誤りを生じ、伝送特性を劣化させる。また近年では波長分割多重（ＷＤＭ）伝送が広く用いられており、使用波長帯は１波長ではなく、広い波長に亘っている。したがって、高速ＷＤＭ伝送システムでは、広い波長帯に亘って累積分散を補償する必要がある。

ＷＤＭ伝送システムにおける累積分散を補償する分散補償技術は、分散補償ファイバ（ＤＣＦ）、ファイバブラッググレーティング、電気段での信号再生など様々な技術に基づいて検討されている。特にＤＣＦは光ファイバ伝送路との接続性が良く、広帯域性を有しているため広く用いられている。ＤＣＦでは、損失がファイバ長に比例して増加するため、単位長さ当りの補償量が大きいことが望まれる。また使用波長帯の複数の波長チャンネルを一括で補償するためには、分散スロープを同時に補償することが望まれる。これまで、補償量が大きくスロープ補償を行える、様々な構造のＤＣＦが報告されている。

また、コアネットワークなど長距離伝送路では分散の影響を軽減するために、零分散波長を１５５０ｎｍ帯に有する分散シフトファイバ（ＤＳＦ）が広く用いられている。ＤＳＦでは波長１３１０ｎｍ帯にて−２０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ程度の分散を有するため、当該波長帯での伝送特性が劣化する。そのためＤＳＦに対しては波長１３１０ｎｍ帯で正の分散を有するＤＣＦで分散補償を行う必要がある。しかしながら、従来のＤＣＦでは１３１０ｎｍでは材料分散が支配的となり、正の分散を実現することは難しい。ここで近年フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）と呼ばれる、ファイバ内に空孔を有する光ファイバが関心を集めている。ＰＣＦでは零分散波長を短波長側へシフトさせることができるので、１３１０ｎｍ帯において正の分散を得ることができる。非特許文献１では、ＰＣＦを用いてＤＳＦの１３１０ｎｍ帯における分散補償を実現している。

さらに、高度な光伝送システムを実現するために、光信号のバッファに対する要求が高まっている。そのため近年、光ファイバや光デバイス中における非線形効果を利用した、光遅延回路が広く検討され、最近では８００ｐｓの遅延が実現されている。

なお、非特許文献２には、ホールアシストファイバにおいて、ファイバコアと当該ファイバコアの周囲に設けられた空孔と間の距離ｃが曲げおよび接続の損失特性にて重要なパラメータであり、ファイバコアの半径ａに対する空孔距離ｃの位置に前記空孔を２以上とすることで、空孔が設けられた領域を実効的に同じ屈折率とみなすことができるホールアシストファイバの設計技術が記載されている。

K.Nakajima et al., "Dispersion Compesation of Dispersion-Shifted Fibre at 1310 nm using Photonic Crystal Fibre",ECOC2006 Proceeding, Tu.3.3.5,2006年9月 K.Nakajima et al., "Hole-Assisted Fiber Design for Small Bending and Splice Losses", IEEE Photonics Technology Letters, vol.15,no.12,2003年12月,p.1737-1739

しかしながら、一般的なＤＣＦでは補償量は−１００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ〜−２００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ程度であり、さらに大きな補償量とするためには、構造が複雑になってしまう。また、非特許文献１のＰＣＦにおける１３１０ｎｍ帯の分散は数十ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ程度であり、かつ分散スロープも同時に制御することは難しい。また従来の非線形効果を用いた遅延回路では、遅延時間は０．０１ｎｓ〜１ｎｓ程度であり、かつその回路構成も複雑である。

そこで、本発明は、前述した問題に鑑み提案されたもので、簡易な構造にて、分散の制御性を向上させた空孔付き分散制御ファイバおよび光伝送システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決する第１の発明に係る空孔付き分散制御ファイバは、
半径ａ₁の円形状コア領域と、前記円形状コア領域と同心円状に形成され、内径が前記ａ₁よりも大きいａ₂であり、外径が前記ａ₂よりも大きいａ₃であるリング状コア領域と、前記円形状コア領域と前記リング状コア領域の間に形成された複数の空孔と、前記リング状コア領域の外側を覆うクラッド領域とを有する空孔付き分散制御ファイバであって、
前記円形状コア領域および前記リング状コア領域における導波モードの伝搬定数が等しくなる結合波長λ_Pを使用波長帯域の近傍に有し、
前記空孔が３つ以上であり、
前記空孔の直径をｄとし、軸心から前記空孔までの距離をｃ／２とし、前記円形状コア領域および前記リング状コア領域が前記クラッド領域の屈折率に対してそれぞれΔ₁およびΔ₂の比屈折率差を有するとき、前記結合波長λ_Pが次式を満たし、
波長１５５０ｎｍにおける波長分散の分散スロープに対する比が２３０ｎｍ〜５３０ｎｍの範囲内であり、
零分散波長が１３００ｎｍ〜１３２４ｎｍの範囲内である
することを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明に係る空孔付き分散制御ファイバは、
第１の発明に係る空孔付き分散制御ファイバであって、
前記結合波長λ_Pが波長１２６０ｎｍから１６２５ｎｍの範囲である
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係る空孔付き分散制御ファイバは、
第２の発明に係る空孔付き分散制御ファイバであって、
規格化空孔位置ｃ／２ａ₁が１．０８〜１．５８であり、かつ前記比屈折率差Δ₁が１．０〜１．６％であり、かつ前記比屈折率差Δ₂が０．０〜０．７８％であり、かつ規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁が５以下であり、かつ規格化リングコア外径ａ₃／ａ₁が７以下である
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第４の発明に係る空孔付き分散制御ファイバは、
第１乃至第３の発明の何れか一つに係る空孔付き分散制御ファイバであって、
前記結合波長λ_Pにおける波長分散が−２００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ以下となる
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第５の発明に係る光伝送システムは、
使用波長帯において正の分散を有する光ファイバと、第１の発明に係る空孔付き分散制御ファイバとを含む
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第６の発明に係る光伝送システムは、
第５の発明に係る光伝送システムであって、
前記使用波長帯において正の分散を有する光ファイバが、波長１３００ｎｍ〜１３２４ｎｍで零分散波長を有する
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第７の発明に係る光伝送システムは、
波長１３００ｎｍ〜１３２４ｎｍに零分散波長を有する光ファイバと、第１の発明に係る空孔付き分散制御ファイバとを含む
ことを特徴とする。

本発明によれば、分散の制御性が高く設計が容易となり、簡易な構造のため製造性が良いという効果を奏する。

さらには、従来のＤＣＦと比べて大きな負または正の分散を実現でき、分散補償の効率が高いという効果を奏する。

さらには、使用波長帯を柔軟かつ容易に設計できるという効果も奏する。

さらには、簡易な回路構成で従来に比べて大きな光信号の遅延を得られるという効果も奏する。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例に基づき詳細に説明する。

以下に、本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにつき、図面を参照して具体的に説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバの概略断面図である。

本実施例に係る空孔付き分散制御ファイバは、図１に示すように、長手方向と垂直をなす断面にて、中心に位置し、半径がａ₁のコア（円形状コア領域）１と、このコア１の同心円状に形成され、内径がａ₁よりも大きいａ₂であり、外径がａ₂よりも大きいａ₃であるリングコア（リング状コア領域）２と、このリングコア２の外側を覆うクラッド（クラッド領域）３と、軸心からｃ／２の距離に形成され、直径ｄの空孔４とを有する。コア１、リングコア２、およびクラッド３の屈折率をそれぞれｎ₁、ｎ₂、ｎ₃とする。コア１およびリングコア２のクラッド３に対する比屈折率差Δ₁およびΔ₂は以下の（２）式で定義される。

ここで、空孔４が屈折率の異なる２つ以上の領域にまたがって配置されると、製造が非常に困難になるため、空孔４はコア１とリングコア２の間であるａ₁〜ａ₂の範囲にあることが好ましい。

ここで、図２に、本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバの半径方向における実効的な屈折率の分布を示す。上述した非特許文献２に記載されるように、ａ₁〜ａ₂の部分である空孔層４１は、実効的に同じ屈折率の層とみなすことができる。したがって、ここでは空孔数を６としているが、空孔数が６よりも少ない、または多い構造であっても同様の効果が得られる。ただし、空孔数が２の場合は複屈折の問題が生じるため、空孔数は３以上であることが好ましい。

ここで、図３に、本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバの動作原理を説明するための概略を示す。図３（ａ）は、本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバの屈折率の分布図であり、図３（ｂ）は、それがコア領域のみからなる導波路とした場合の導波モードの分布図であり、図３（ｃ）は、それが空孔層およびリング状コア領域からなる導波路とした場合の導波モードの分布図であり、図３（ｄ）は、波長λが結合波長λ_Pよりも小さい場合の導波モードの分布図であり、図３（ｅ）は、波長λが結合波長λ_Pと同一である場合の導波モードの分布図であり、図３（ｆ）は、波長λが結合波長λ_Pよりも大きい場合の導波モードの分布図である。図３中の点線は各導波路における導波モード分布を表す。結合波長λ_Pとは、図３（ｂ）に示す導波路の導波モードの伝搬定数と、図３（ｃ）に示す導波路の導波モードの伝搬定数が等しくなる波長をいう。

本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバは、コア１のみで構成される導波路（図３（ｂ）に示す実線を参照）と、空孔層４１およびリングコア２で構成される導波路（図３（ｃ）に示す実線を参照）の結合系であると見なすことができる。上記のような２つの導波路の結合系では、図３（ｄ）、図３（ｅ）、図３（ｆ）に示すように、結合波長λ_Pにおいて伝搬定数の急激な変化が生じ、結果として大きな分散値が得られる。図３（ｂ）に示す導波路、および図３（ｃ）に示す導波路において導波路を形成するためには、コア１の屈折率およびリングコア２の屈折率はクラッド３の屈折率よりも大きい必要がある。また、コア１とリングコア２の距離を大きくする、またはコア１とリングコア２の間の層（空孔層４１）の屈折率を小さくすることで、λ_Pにおける分散の絶対値を大きくすることができる。従来のフッ素添加による屈折率の低減では、製造上添加量に限界があるため屈折率の低減量も限界があるが、本実施例では空孔４の大きさによって容易に空孔層４１の屈折率を低減することが可能である。

図４に、本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、空孔位置と波長分散との関係を示す。ここでは、コア１の半径ａ₁を１．５μｍとし、規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁を３．０とし、規格化リングコア外径ａ₃／ａ₁を５．０とし、規格化空孔直径ｄ／２ａ₁を０．４とし、コア１の比屈折率差Δ₁を１．５％とし、リングコア２の比屈折率差Δ₂を０．３％とした。図４中にて、実線、破線、点線、一点鎖線は規格化空孔位置ｃ／２ａ₁がそれぞれ１．２、１．４、１．５、１．６の場合を表す。図４に示すように、空孔付き分散制御ファイバでは−１０００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ〜−３０００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍといった非常に大きな負の分散値を得られることが分かる。分散の絶対値が最も大きくなる波長が結合波長λ_Pに対応する。ここで、結合波長λ_Pと規格化空孔位置ｃ／２ａ₁との関係を図５に示す。図５に示すように、空孔４の位置をコア１に近づけて空孔位置を変えることで、結合波長λ_Pは波長１３１０ｎｍ帯や１５５０ｎｍ帯などの任意の波長帯で設計することができる。したがって、本実施例に係る空孔付き分散制御ファイバによれば、任意の波長帯において絶対値の大きな負の分散を得ることが可能である。結合波長λ_Pは、図４および図５より以下の（３）式にて近似できる。

例えば、図４および図５では、ｋ₀₁＝４７７．８、ｋ₁＝７２５．４と求められる。

図６に、本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、空孔直径と波長分散との関係を示す。ここで、コア１の半径ａ₁、規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁、規格化リングコア外径ａ₃／ａ₁、コア１の比屈折率差Δ₁、リングコア２の比屈折率差Δ₂は、図４と同様とし、規格化空孔位置ｃ／２ａ₁を１．５とした。図中の実線、破線、点線、一点鎖線、二点鎖線は、規格化空孔直径ｄ／２ａ₁がそれぞれ０．２、０．３、０．４、０．５、０．６の場合を表す。

この図に示すように、空孔４を小さくするほど広帯域に負分散および負分散スロープが実現でき、空孔４を大きくするほど任意の波長での分散の絶対値が大きくすることができる。図６にて、図４と同様に、分散の絶対値が最も大きくなる波長が結合波長λ_Pに対応する。ここで、結合波長λ_Pと規格化空孔直径ｄ／２ａ₁との関係を図７に示す。結合波長λ_Pは、図６および図７より以下の（４）式にて近似できる。

例えば、図６および図７では、ｋ₀₂＝１５５６．３、ｋ₂₁＝８４９．６、ｋ₂₂＝１１．１４と求められる。

ここで、図８に本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、コア１の比屈折率差Δ₁と波長分散との関係を示す。ここで、規格化空孔直径ｄ／２ａ₁、コア１の半径ａ₁、規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁、規格化リングコア外径ａ₃／ａ₁、リングコア２の比屈折率差Δ₂は、図４と同様とし、規格化空孔位置ｃ／２ａ₁を１．５とした。図中の実線、破線、点線は、コア１の比屈折率差Δ₁がそれぞれ１．４％、１．５％、１．６％の場合を表す。

この図に示すように、コア１の比屈折率差Δ₁を大きくすることで、結合波長λ_Pが長波長側になっていることが分かる。図８にて、図４と同様に、分散の絶対値が最も大きくなる波長が結合波長λ_Pに対応する。ここで、結合波長λ_Pとコア１の比屈折率差Δ₁との関係を図９に示す。結合波長λ_Pは、図８および図９より以下の（５）式にて近似できる。

例えば、図８および図９では、ｋ₀₃＝６１９．９、ｋ₃＝６３１８２と求められる。

図１０に、本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、リングコア２の比屈折率差Δ₂と波長分散との関係を示す。ここで、規格化空孔位置ｃ／２ａ₁、規格化空孔直径ｄ／２ａ₁、コア１の半径ａ₁、規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁、規格化リングコア外径ａ₃／ａ₁は、図８と同様とし、コア１の比屈折率差Δ₁を１．５％とした。図中の実線、破線、点線、一点鎖線、二点鎖線は、リングコア２の比屈折率差Δ₂がそれぞれ０．６％、０．４％、０．３％、０．２％、０．０％の場合を表す。

この図に示すように、リングコア２の比屈折率差Δ₂を大きくすることで、結合波長λ_Pが短波長側になっていることが分かる。図１０にて、図４と同様に、分散の絶対値が最も大きくなる波長が結合波長λ_Pに対応する。リングコア２の比屈折率差Δ₂が０．２％以下となる場合には、結合波長λ_Pはほぼ一定であり、分散の絶対値が大きくなることが分かる。ここで、結合波長λ_Pとリングコア２の比屈折率差Δ₂との関係を図１１に示す。結合波長λ_Pは、図１０および図１１より、λ_Pは以下の（６）式にて近似できる。

例えば、図１０および図１１では、ｋ₀₄＝１６１８．８、ｋ₄₁＝９３８．６、ｋ₄₂＝−６．０４×１０⁶と求められる。

図１２に、本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁と波長分散との関係を示す。ここで、規格化空孔位置ｃ／２ａ₁、規格化空孔直径ｄ／２ａ₁、コア１の半径ａ₁、規格化リングコア外径ａ₃／ａ₁、コア１の比屈折率差Δ₁は、図１０と同様とし、リングコア２の比屈折率差Δ₂を０．３％とした。図中の実線、破線、点線、一点鎖線は、規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁がそれぞれ２．５、３．０、３．５、４．０の場合を表す。

この図に示すように、規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁を大きくすることで、結合波長λ_Pが長波長側になることが分かる。ここで、結合波長λ_Pと規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁との関係を図１３に示す。結合波長λ_Pは、図１２および図１３より、以下の（７）式にて近似できる。

例えば、図１２および図１３では、ｋ₀₅＝１５６０．９、ｋ₅₁＝−１３．６４、ｋ₅₂＝５．４５５と求められる。

図１４に、本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、規格化リングコア外径ａ₃／ａ₁と波長分散との関係を示す。ここで、規格化空孔位置ｃ／２ａ₁、規格化空孔直径ｄ／２ａ₁、コア１の半径ａ₁、コア１の比屈折率差Δ₁、リングコア２の比屈折率差Δ₂は、図１２と同様とし、規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁を３とした。図中の実線、破線、点線は、規格化リングコア外径ａ₃／ａ₁がそれぞれ４．０、５．０、６．０の場合を表す。

この図に示すように、規格化リングコア外径ａ₃／ａ₁を大きくすることで、結合波長λ_Pが短波長側になることが分かる。図１４にて、図４と同様に、分散の絶対値が最も大きくなる波長が結合波長λ_Pに対応する。ここで、結合波長λ_Pと規格化リングコア外径ａ₃／ａ₁との関係を図１５に示す。結合波長λ_Pは、図１４および図１５より、以下の（８）式にて近似できる。

例えば、図１４および図１５では、ｋ₀₆＝１０１０．５、ｋ₆₁＝１７８．８、ｋ₆₂＝−１３．４１と求められる。

ここで、結合波長λ_Pは、（３）式〜（８）式で示したλ_Pの個々のパラメータに対応する依存性の線形結合で表させると仮定すると、以下の（９）式にて表すことができる。

ここで一例として、図４〜図１５から係数ｋ_ij（ｉ＝１，２，…６、ｊ＝１，２）を求めると前述の値と同様となる。また、ｋ₀は−９９３．５と求められる。このように、結合波長λ_Pの構造依存性を表す係数ｋを求め、（９）式を用いることで、λ_Pを任意の波長に設計でき、結果として任意の波長帯で絶対値の大きな負の分散が得られる。

使用波長帯を一般的に光通信で用いられる通信波長帯（Ｏ〜Ｌバンド：１２６０ｎｍ〜１６２５ｎｍ）とすると、λ_Pを１２６０ｎｍ〜１６２５ｎｍの範囲内とするために、（３）式〜（８）式を用いると構造パラメータの設計範囲は以下のようになる。

さらに、図１および図２で示した構造上の特性から、以下の（１１）式となる。

（１０）式および（１１）式から規格化空孔直径ｄ／２ａ₁は、以下の（１２）式として設計する必要がある。

したがって、（１０）式〜（１２）式を満たすことにより結合波長λ_Pを１２６０ｎｍ〜１６２５ｎｍに設計することが可能となる。ここで、製造上の観点からコア１の半径ａ₁は、０．５μｍ以上であることが好ましい。また、コア１が大きくなるとコアの導波モードが支配的となり、結合波長λ_Pの制御性が低下するため、ａ₁は２．０μｍ以下であることが好ましい。

以下に、本発明の第２の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバを用いた光伝送システムにつき、図面を参照して説明する。このシステムでは、上述した本発明の第１の実施例に係る空孔付き制御ファイバが用いられる。本実施例は、通常の単一モードファイバ（ＳＭＦ）および分散シフトファイバ（ＤＳＦ）の分散補償を行う一手法の光伝送システムである。
図１６は、本発明の第２の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバを用いた光伝送システムの構成図である。

一般的に、ＳＭＦの波長分散は、波長１３００ｎｍ〜１３２４ｎｍにおいて零となり、波長に対して単調に増加し、波長１５５０ｎｍ帯において約１７ｐｓ／ｎｍ・ｋｍの正の値をとる。したがって、１５５０ｎｍにおけるＳＭＦの分散は、当該波長帯で負の分散を有する光ファイバを接続することで補償することができる。さらに当該波長を中心に広帯域に亘って補償するためには、ＳＭＦの分散スロープも同時に補償する必要がある。分散および分散スロープの補償性能を示すパラメータとして、以下の（１３）式で表される分散補償率ηが知られている。

ここでλは波長であり、Ｄ_TおよびＳ_Tは被補償ファイバ（例えばＳＭＦ）の分散値および分散スロープを表し、ＤｃおよびＳｃは補償用ファイバ（例えば、本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバ）の分散値および分散スロープを表す。ηが１のとき補償性能が最も良くなる。ここで、ＳＭＦの波長１５５０ｎｍにおける分散対分散スロープ比Ｄ_T／Ｓ_Tの値は一般的に約３３０ｎｍとなる。

ここで、本実施例に係る空孔付き分散制御ファイバは、実施例１で示したように結合波長λ_Pを所望の波長に設計することで、当該波長において大きな負の分散が得られる。したがって、結合波長λ_Pを１５５０ｎｍ帯にすることで、当該波長帯における正の分散を補償することが可能である。さらに結合波長λ_Pにおける分散が−２００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ以下になるように設計すると従来の分散補償ファイバ（ＤＣＦ）に比べて効率良く分散補償が行えるため、より好ましい。また、波長１５５０ｎｍにおける分散対分散スロープ比Ｄ／Ｓを２３０ｎｍ〜５３０ｎｍとすることでＳＭＦに対する分散補償率が１±０．３以内となり、広帯域な分散補償が行えるため、より好ましい。

さらに、本実施例に係る空孔付き分散補償ファイバは、実施例１にて示した通り、結合波長λ_Pを零分散波長よりも長波長側に設定することで、零分散波長で負の分散スロープが得られる。ＳＭＦは前述の通り分散は波長に対して単調増加であるため、零分散波長における分散スロープは正となる。したがって、本実施例に係る空孔付き分散制御ファイバの零分散波長をＳＭＦと同等の波長に設計し、当該ＳＭＦと接続することで、ＳＭＦの零分散波長近傍における分散補償を実現できる。ここでＳＭＦの零分散波長は、１３００ｎｍ〜１３２４ｎｍであるため、ＳＭＦの零分散波長近傍の分散補償を行う場合には、本実施例に係る空孔付き分散制御ファイバの零分散波長を１３００ｎｍ〜１３２４ｎｍの範囲とする必要がある。

一方、ＤＳＦでは零分散波長が１５５０ｎｍ帯となり、零分散波長よりも長波長側での正の分散となる。ＤＳＦの零分散波長より長波長側における正の分散は、前記ＳＭＦの場合と同様に当該波長帯で負の分散を有する光ファイバによって補償することができる。本実施例に係る空孔付き分散制御ファイバを用いて結合波長λ_Pを前記零分散波長よりも長波長側に設計することで、当該波長帯において大きな負の分散が得られ、前述のＳＭＦの場合と同様にして効率的な分散補償が行える。

光伝送システムは、図１６に示すように、光信号を出射する送信器５１と、この送信器５１に一端が接続された単一モードファイバ５２と、この単一モード光ファイバ５２の他端側に接続された空孔付き分散制御ファイバ５３とを有する。この空孔付き分散制御ファイバ５３の他端側には、これらファイバ内を透過した光信号を受光する受光器５４が接続される。単一モードファイバ５２は、例えばＳＭＦまたはＤＳＦを表す。光信号は、送信器５１から単一モードファイバ５２に入射され、単一モードファイバ５２を透過した光信号は空孔付き分散制御ファイバ５３において分散が補償されて受信器５４で受光される。ここでは、空孔付き分散制御ファイバ５３を単一モードファイバ５２の後段に配置した光伝送システムを用いて説明したが、この空孔付き分散制御ファイバを単一モードファイバの前段、または前段および後段の両方に配置した光伝送システムとしても構わない。また送信器５１および受信器５４は、光信号を単一モードファイバ５２に導入する部分、および単一モードファイバ５２を透過した光信号を受光する部分の一例であり、中継器、他の光ファイバや他の光ネットワークとの接続部とした光伝送システムとしても構わない。

図１７に、本実施例に係る光伝送システムにおける波長分散特性を示す。図１７（ａ）は、空孔付き分散制御ファイバにおいて、コア１の半径ａ₁を１．５μｍとし、規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁を３．０とし、規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁を５．０とし、規格化空孔位置ｃ／２ａ₁を１．５とし、規格化空孔直径ｄ／２ａ₁を０．４とし、コア１の比屈折率差Δ₁を１．５％とし、リングコア２の比屈折率差Δ₂を０．３４５％としたときの波長分散特性を表す図であり、図１７（ｂ）は分散補償を行う前のＳＭＦの波長分散特性、および補償を行った後（ＳＭＦ＋空孔付き分散制御ファイバ）の波長分散特性を表す図である。図１７（ａ）に示すように、結合波長λ_Pは１５５１ｎｍであった。本実施例に係る空孔付き分散制御ファイバは約−１５００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍの分散値を実現しており、ＳＭＦの距離に対して約１／１００の長さの距離でＳＭＦの補償を行うことができる。また、図１７（ｂ）に示すように、波長１５５０ｎｍ±６ｎｍの範囲において、波長分散の絶対値を１ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ以下に低減していることが分かる。

図１８に、本実施例に係る光伝送システムにおける、ＳＭＦの零分散波長付近を分散補償したときの波長分散特性を示す。ここで、空孔付き分散制御ファイバにおいて、コア１の半径ａ₁を１．５μｍとし、規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁を３．０とし、規格化リングコア外径ａ₃／ａ₁を５．０とし、規格化空孔位置ｃ／２ａ₁を１．５とし、規格化空孔直径ｄ／２ａ₁を０．４とし、コア１の比屈折率差Δ₁を１．５％、リングコア２の比屈折率差Δ₂＝０．６％とした。このとき結合波長λ_Pは１４０７ｎｍであった。実線、破線、点線はそれぞれ、ＳＭＦの分散補償前の波長分散、空孔付き分散制御ファイバの波長分散、補償後（ＳＭＦ＋空孔付き分散制御ファイバ）の波長分散を表す。この図より、空孔付き分散制御ファイバを用いることで、ＳＭＦの零分散波長±１０ｎｍにおいて分散スロープの絶対値をＳＭＦの半分以下である０．０４ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下に補償することができる。したがって、本実施例に係る空孔付き分散制御ファイバによれば、零分散波長を１３１０ｎｍ帯に設計でき、かつ１３１０ｎｍ帯において負の分散スロープを実現できるので、ＳＭＦの零分散波長付近における分散補償を実現できる。

なお、本実施例では、零分散波長をＳＭＦまたはＤＳＦにおける１３１０ｎｍ帯または１５５０ｎｍ帯の分散補償の一手法について説明したが、本実施例に係る光伝送システムの単一モードファイバはＳＭＦおよびＤＳＦに限られず、空孔付き分散制御ファイバを適切に設計することで、任意の波長帯において任意の光ファイバの正の分散または零分散波長近傍の分散スロープの補償に有効である。

参考例１

以下に、本発明の第１の参考例に係る光伝送システムにつき、図面を参照して説明する。本参考例は、空孔付き分散制御ファイバのＬＰ０２モードの波長分散を用い、一般的なＤＳＦの１３１０ｎｍ帯における分散補償を行う一手法の光伝送システムである。

ＤＳＦの分散は波長に対して単調に増加し、一般的に１５５０ｎｍ帯で零分散波長となる。そのため、１３１０ｎｍ帯で−２０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ程度の負の分散を有する。したがって、ＤＳＦの１３１０ｎｍ帯での分散を補償するためには、当該波長帯において正の分散を有する光ファイバが必要となる。さらに、ＤＳＦの１３１０ｎｍ帯で広帯域に分散補償を行うためには分散および分散スロープを同時に補償する必要がある。上記（１３）式にて示したとおり、当該波長帯における分散対分散スロープ比を補償用ファイバと被補償ファイバとで合わせることで、分散および分散スロープの補償が実現される。ここでＤＳＦの１３１０ｎｍにおける分散特性は負の分散および正の分散スロープであり、分散対分散スロープ比は約−２２０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍである。

図１９に、本発明の第１の参考例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、ＬＰ０１モードとＬＰ０２モードの波長分散特性を示す。ここで、本参考例に係る空孔付き分散制御ファイバにおいて、コア１の半径ａ₁を１．５μｍとし、規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁を３．０とし、規格化リングコア外径ａ₃／ａ₁を５．０とし、規格化空孔位置ｃ／２ａ₁を１．５とし、規格化空孔直径ｄ／２ａ₁を０．４とし、コア１の比屈折率差Δ₁を１．５％とし、リングコア２の比屈折率差Δ₂を０．７％とした。この図に示すように、ＬＰ０２モードに対して、波長１３１０ｎｍ帯で数百ｐｓ／ｎｍ・ｋｍを超える大きな分散が得られることが分かる。ＬＰ０２モードの分散特性は、ＬＰ０１モードと対称となる。本参考例に係る空孔付き分散制御ファイバでは、結合波長λ_Pを波長１３１０ｎｍ帯に設計することができるので、ＬＰ０２モードを用いることで当該波長帯において大きな正の分散を実現できる。

さらに、ＬＰ０２モードの分散は結合波長λ_Pより長波長側では波長に対して単調に減少する。したがって、結合波長λ_Pを使用波長帯（例えば、１３１０ｎｍ）よりも短波長側に設計することで、使用波長帯において正の分散および負の分散スロープが得られ、ＤＳＦの分散または分散スロープの補償が可能である。より好ましくは、空孔付き分散制御ファイバの分散対分散スロープ比を−１５０ｎｍ〜−２８０ｎｍの範囲内とすることで、ＤＳＦに対する１３１０ｎｍにおける分散補償率ηを１±０．３とできる。

図２０に、本発明の第１の参考例に係る空孔付き分散制御ファイバを用いて、波長１３１０ｎｍ帯で負の分散を有する光ファイバの分散補償を行うときの光伝送システムの構成を示す。この図に示すように、光伝送システムは、光信号を出射する送信器６１と、この送信器６１に一端が接続された１３１０ｎｍ帯で負の分散を有する負分散ファイバ６２と、この負分散ファイバ６２の他端側に接続され、負分散ファイバ６２を透過した光信号をＬＰ０２モードに変換するモード変換器６３とを有する。このモード変換器６３には、空孔付き分散制御ファイバ６４の一端が接続される。この分散制御ファイバ６４の他端側には、このファイバを透過した光信号を受光する受光器６５が接続される。光信号は、送信器６１から負分散ファイバ６２に入射され、空孔付き分散制御ファイバ６４において分散を補償され受光器６５で受光される。より好ましくは、負分散ファイバ６２を透過した光信号をモード変換器６３にてＬＰ０２モードに変換することで、後段の空孔付き分散制御ファイバ６４との接続特性が改善される。ここでは、モード変換器６３および空孔付き分散制御ファイバ６４を負分散ファイバ６２の後段に配置した光伝送システムを用いて説明したが、モード変換器および空孔付き分散制御ファイバを負分散ファイバの前段、または前段および後段の両方に配置した光伝送システムとしても構わない。また、送信器６１および受信器６５は、光信号を負分散ファイバ６２に導入する部分、および空孔付き分散制御ファイバを透過した光信号を受光する部分の一例であり、中継器、他の光ファイバや他の光ネットワークとの接続部とした光伝送システムとしても構わない。

図２１に、本発明の第１の参考例に係る空孔付き分散制御ファイバを用いて、ＤＳＦの波長１３１０ｎｍ帯における波長分散を補償したときの波長分散特性を示す。図２１（ａ）は、本参考例に係る空孔付き分散制御ファイバにおいて、コア１の半径ａ₁を１．５μｍとし、規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁を３．０とし、規格化リングコア外径ａ₃／ａ₁を５．０とし、規格化空孔位置ｃ／２ａ₁を１．５とし、規格化空孔直径ｄ／２ａ₁を０．４とし、コア１の比屈折率差Δ₁を１．５％とし、リングコア２の比屈折率差Δ₂を０．７２５％としたときのＬＰ０２モードの波長分散特性を表す図であり、図２１（ｂ）は、分散補償を行う前のＤＳＦの波長分散特性、および補償を行った後（ＤＳＦ＋空孔付き分散制御ファイバ）の波長分散特性を表す図である。図２１（ａ）に示すように、結合波長λ_Pは１３０９ｎｍであった。本参考例に係る空孔付き分散制御ファイバは、約１４００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍの分散値を実現しており、ＤＳＦのファイバ長に対して約１／７０の長さでＤＳＦの分散補償を行うことができる。また、図２１（ｂ）に示すように、波長１３１０ｎｍ±４ｎｍにおいて分散の絶対値を１ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ以下に補償している。

なお、本参考例では、ＤＳＦを１３１０ｎｍにおいて分散補償を行う一手法について説明したが、本参考例に係る手法および光伝送システムは上述の範囲に限られない。空孔付き分散制御ファイバを適切に設計することで、任意の波長において任意の光ファイバの負の分散を補償することが可能となる。

参考例２

以下に、本発明の第２の参考例に係る光遅延回路につき、図面を参照して説明する。この回路では、任意の波長帯において１ｎｍ／ｋｍ以上の群遅延を実現する一手法である。

本参考例に係る空孔付き分散制御ファイバでは、結合波長λＰ付近では波長分散が急激に変化するため、光波の群速度も変化する。図２２に、本発明の参考例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、群速度の波長特性を示す。ここで、本参考例に係る空孔付き分散制御ファイバにおいて、コア１の半径ａ₁を１．５μｍとし、規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁を３．０とし、規格化リングコア外径ａ₃／ａ₁を５．０とし、規格化空孔位置ｃ／２ａ₁を１．５とし、規格化空孔直径ｄ／２ａ₁を０．６とし、コア１の比屈折率差Δ₁を１．５％とし、リングコア２の比屈折率差Δ₂を０．３％とした。このとき結合波長λ_Pは１５５５ｎｍである。図２２において、実線、破線はそれぞれ空孔付き分散制御ファイバおよびＳＭＦを表す。図２２に示すように、空孔付き分散制御ファイバの群速度は、波長１５６０ｎｍ以下ではＳＭＦの群速度より遅くなっていることが分かる。したがって、本参考例に係る空孔付き分散制御ファイバを用いることで、従来の光ファイバ遅延器に比べて効率的に光の遅延を起こすことが可能である。波長１５５０ｎｍにおいてＳＭＦよりも１ｎｓ／ｋｍ以上の群遅延を得るためには、本参考例に係る空孔付き分散制御ファイバの結合波長λ_Pにおける群速度が０．２０４３×１０⁶ｋｍ／ｓ以下であることが好ましい。

図２３に、本参考例に係る空孔付き分散制御ファイバを用いた光遅延回路の構成を示す。この図に示すように、光遅延回路は、光信号７１が入力される波長変換素子７２と、波長変換素子７２に一端が接続された空孔付き分散制御ファイバ７３と、この空孔付き分散制御ファイバの他端側が接続され、光信号を出力する波長変換素子７４とを有する。この光遅延回路では、波長変換素子（以下、素子と称す）７２，７４の動作のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御器７６が設けられる。入力された光信号７１および出力する光信号７４の波長をλ₁とし、制御器７６によって素子７２，７５がＯＮ状態のとき、素子７２では波長λ₁が波長λ₂に変換し、素子７５では波長λ₂が波長λ₁に変換するものとする。すなわち、素子７２，７５がＯＮ状態のとき空孔付き分散制御ファイバ７３にはλ₂の光信号が伝搬し、素子７２，７５がＯＦＦ状態のときλ₁の光信号が伝搬する。ここで空孔付き分散制御ファイバ７３におけるファイバ長をＬとし、群速度をｖ_g（λ）とすると、入力端から出力端への到達時間τは、以下の（１４）式にて表される。

ここで、素子７２，７５を通過する時間は、ファイバ７３中を伝搬する時間と比べて十分に小さく、無視できるものとする。上記（１４）式より、以下の（１５）式を得ることができる。素子７２，７５をＯＮ状態とすることで、光の遅延を生じさせることができる。

ここで、空孔付き分散制御ファイバ７３は、結合波長λ_P付近で急激な群速度の変化を有するため、上記（１５）式より大きな光遅延を生じすることができるため、好ましい。

ここで、例として図２２で示した空孔付き分散制御ファイバを用いる場合を以下に示す。ファイバ長Ｌを１ｋｍとし、波長λ₁を１５７０ｎｍとし、波長λ₂を１５４０ｎｍとすると、図２２より、約１００ｎｓの光遅延を生じることができる。また、制御器７６からの信号によって波長変換後の波長λ₂を変化させることで、遅延量を任意に設計することができる。

本発明は、波長１３１０ｎｍにおける正の分散や波長１５５０ｎｍにおける負の分散を相殺する分散補償ファイバとして利用することができる。また光遅延器として利用することができる。

本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバの概略断面図である。 本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバの半径方向における実効的な屈折率の分布図である。 本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバの動作原理を説明するための概略図である。 本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、空孔位置と波長分散との関係を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、結合波長λ_Pと規格化空孔位置ｃ／２ａ₁との関係を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、空孔直径と波長分散との関係を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、結合波長λ_Pと規格化空孔直径ｄ／２ａ₁との関係を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、コアの比屈折率差Δ₁と波長分散との関係を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、結合波長λ_Pとコアの比屈折率差Δ₁との関係を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、リングコアの比屈折率差Δ₂と波長分散との関係を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、結合波長λ_Pとリングコアの比屈折率差Δ₂との関係を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁と波長分散との関係示す図である。 本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、結合波長λ_Pと規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁との関係を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、規格化リングコア外径ａ₃／ａ₁と波長分散との関係を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、結合波長λ_Pと規格化リングコア外径ａ₃／ａ₁との関係を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る空孔付き分散制御ファイバを用いた光伝送システムの構成図である。 本発明の第２の実施例に係る光伝送システムにおける波長分散特性を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る光伝送システムにおける、単一モードファイバの零分散波長付近を分散補償したときの波長分散特性を示す図である。 本発明の第１の参考例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、ＬＰ０１モードとＬＰ０２モードの波長分散特性を示す図である。 本発明の第１の参考例に係る空孔付き分散制御ファイバを用いて、波長１３１０ｎｍ帯で負の分散を有する光ファイバの分散補償を行うときの光伝送システムの構成を示す図である。 本発明の第１の参考例に係る空孔付き分散制御ファイバを用いて、ＤＳＦの波長１３１０ｎｍ帯における波長分散を補償したときの波長分散特性を示す図である。 本発明の第２の参考例に係る空孔付き分散制御ファイバにおける、群速度の波長特性を示す図である。 本発明の第２の参考例に係る空孔付き分散制御ファイバを用いた光遅延回路の構成を示す図である。

１ コア
２ リングコア
３ クラッド
４ 空孔
４１ 空孔層
５１，６１ 送信器
５２ 単一モードファイバ
５３，６４，７３ 空孔付き分散制御ファイバ
５４，６５ 受信器
６２ １３１０ｎｍ負分散ファイバ
６３ モード変換器
７１ 入力光信号
７２，７５ 波長変換素子
７４ 出力光信号
７６ 制御器
ａ₁ コアの半径
ａ₂ リングコアの内径
ａ₃ リングコアの外径
ｃ 空孔位置
ｄ 空孔の直径
ｎ₁ コアの屈折率
ｎ₂ リングコアの屈折率
ｎ₃ クラッドの屈折率

Claims (7)

1. 半径ａ₁の円形状コア領域と、前記円形状コア領域と同心円状に形成され、内径が前記ａ₁よりも大きいａ₂であり、外径が前記ａ₂よりも大きいａ₃であるリング状コア領域と、前記円形状コア領域と前記リング状コア領域の間に形成された複数の空孔と、前記リング状コア領域の外側を覆うクラッド領域とを有する空孔付き分散制御ファイバであって、
   前記円形状コア領域および前記リング状コア領域における導波モードの伝搬定数が等しくなる結合波長λ_Pを使用波長帯域の近傍に有し、
   前記空孔は３つ以上であり、
   前記空孔の直径をｄとし、軸心から前記空孔までの距離をｃ／２とし、前記円形状コア領域および前記リング状コア領域が前記クラッド領域の屈折率に対してそれぞれΔ₁およびΔ₂の比屈折率差を有するとき、前記結合波長λ_Pが次式を満たし、
   波長１５５０ｎｍにおける波長分散の分散スロープに対する比が２３０ｎｍ〜５３０ｎｍの範囲内であり、
   零分散波長が１３００ｎｍ〜１３２４ｎｍの範囲内である
   ことを特徴とする空孔付き分散制御ファイバ。
   

   
2. 請求項１に記載の空孔付き分散制御ファイバであって、
   前記結合波長λ_Pが波長１２６０ｎｍから１６２５ｎｍの範囲である
   ことを特徴とする空孔付き分散制御ファイバ。
3. 請求項２に記載の空孔付き分散制御ファイバであって、
   規格化空孔位置ｃ／２ａ₁が１．０８〜１．５８であり、かつ前記比屈折率差Δ₁が１．０〜１．６％であり、かつ前記比屈折率差Δ₂が０．０〜０．７８％であり、かつ規格化リングコア内径ａ₂／ａ₁が５以下であり、かつ規格化リングコア外径ａ₃／ａ₁が７以下である
   ことを特徴とする空孔付き分散制御ファイバ。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の空孔付き分散制御ファイバであって、
   前記結合波長λ_Pにおける波長分散が−２００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ以下となる
   ことを特徴とする空孔付き分散制御ファイバ。
5. 使用波長帯において正の分散を有する光ファイバと、請求項１に記載の空孔付き分散制御ファイバとを含む
   ことを特徴とする光伝送システム。
6. 請求項５に記載の光伝送システムであって、
   前記使用波長帯において正の分散を有する光ファイバが、波長１３００ｎｍ〜１３２４ｎｍで零分散波長を有する
   ことを特徴とする光伝送システム。
7. 波長１３００ｎｍ〜１３２４ｎｍに零分散波長を有する光ファイバと、請求項１に記載の空孔付き分散制御ファイバとを含む
   ことを特徴とする光伝送システム。

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