JP6092029B2 - マルチモード光ファイバおよび光ファイバ伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、マルチモード光ファイバ、及びこれを備え、高次モードを利用した光ファイバ伝送システムに関するものである。

光ファイバ伝送システムでは、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が問題となり、伝送の大容量化および長距離化が制限されている。これらの制限を緩和するためには、光ファイバに導波する光の密度を低減する必要があり、大コアファイバが検討されている（例えば、非特許文献１、２を参照。）。

しかし、曲げ損失低減、単一モード動作領域の拡大、実効断面積の拡大は互いにトレードオフの関係にあり、所定の条件下における実効断面積の拡大量には限界がある。そこで、無線における大容量化技術であるＭｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ（ＭＩＭＯ）技術を光ファイバ伝送に適用する試みが行われている（例えば、非特許文献３を参照。）。

光ＭＩＭＯ技術は伝送媒体としてマルチモード光ファイバを用いることにより伝送容量を拡大できるとともに、先に述べた大コア光ファイバにおける制限要因である単一モード動作条件が不要になるため、さらなる大コア化が可能であることも特徴である。一方で、ＭＩＭＯ技術を用いた光ファイバ伝送では、モード間の群遅延差が大きくなると、信号の復元に必要なデジタル処理の計算量が増えてしまい、伝送距離が十数ｋｍに制限されている（例えば、非特許文献４を参照。）。

そこで、モード間の群遅延差を５０ｐｓ／ｋｍ程度に抑えた光ファイバや、基本モードが高次モードよりも速い正の群遅延差を有する光ファイバと基本モードが高次モードよりも遅い負の群遅延差を有する光ファイバを組み合わせたモード分散補償伝送路が提案されている（例えば、非特許文献５、６を参照。）。

さらに光ファイバ伝送の大容量化のため、伝搬モード数が４つのモード分散補償伝送路が提案されている（例えば、非特許文献７、８を参照。）。

Ｔ．Ｍａｔｓｕｉ，ｅｔ ａｌ．，"Ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｗｉｔｈ Ｕｎｉｆｏｒｍ Ａｉｒ−Ｈｏｌｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｏ Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ ａｎｄ Ｗｉｄｅ−Ｂａｎｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｏｖｅｒ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｂａｎｄｓ"，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ． ２７，ｐｐ５４１０−５４１６，２００９． Ｋ．Ｍｕｋａｓａ，ｅｔ ａｌ．，"Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ ｏｆ ｍｅｒｉｔｓ ｏｎ ｗｉｄｅ−ｂａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｕｓｉｎｇ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｏｌｉｄ ＳＭＦｓ ｗｉｔｈ Ａｅｆｆ ｏｆ １６０μｍ２ ａｎｄ ｌｏｓｓ ｏｆ ０．１７５ｄＢ／ｋｍ ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｌａｒｇｅ−Ａｅｆｆ ｈｏｌｅｙ ｆｉｂｅｒｓ ｅｎａｂｌｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ ６００ ｎｍ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ"，ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＯＦＣ２００８，ＯｔｈＲ１，Ｆｅｂ．２００８． Ｂ．Ｃ．Ｔｈｏｍｓｅｎ，"ＭＩＭＯ ｅｎａｂｌｅｄ ４０ Ｇｂ／ｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｍｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｉｎ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ"，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ （ＯＦＣ），２０１０，ｐ．ＯＴｈＭ６． Ｒ．Ｒｙｆ，Ｓ．Ｒａｎｄｅｌ，Ａ．Ｈ．Ｇｎａｕｃｋ，Ｃ．Ｂｏｌｌｅ，Ｒ．Ｅｓｓｉａｍｂｒｅ，Ｐ．Ｗｉｎｚｅｒ，Ｄ．Ｗ．Ｐｅｃｋｈａｍ，Ａ．ＭｃＣｕｒｄｙ，ａｎｄ Ｒ．Ｌｉｎｇｌｅ，"Ｓｐａｃｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｏｖｅｒ １０ ｋｍ ｏｆ ｔｈｒｅｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｕｓｉｎｇ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ６×６ ＭＩＭＯ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ"，ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ＯＳＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ （ＣＤ） （Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，２０１１），ｐａｐｅｒ ＰＤＰＢ１０． Ｌ．Ｇ．−Ｎｉｅｌｓｅｎ，ｅｔ ａｌ．，"Ｆｅｗ Ｍｏｄｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ＤＧＤ，ｌｏｗ Ｍｏｄｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｎｄ ｌｏｗ Ｌｏｓｓ"，ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＯＦＣ２０１２，ＰＤＰ５Ａ．１，Ｍａｒ．２０１２． Ｔ．Ｓａｋａｍｏｔｏ，Ｔ．Ｍｏｒｉ，Ｔ．Ｙａｍａｍｏｔｏ，Ｓ．Ｔｏｍｉｔａ，"Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｅｌａｙ Ｍａｎａｇｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ ｆｏｒ ＷＤＭ−ＭＩＭＯ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉ−Ｓｔｅｐ Ｉｎｄｅｘ Ｆｉｂｅｒ"，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．３０，ｎｏ．１７，ｐｐ．２７８３−２７８７，２０１２ Ｔ． Ｍｏｒｉ， Ｔ． Ｓａｋａｍｏｔｏ， Ｍ． Ｗａｄａ， Ｔ． Ｙａｍａｍｏｔｏ， Ｆ． Ｙａｍａｍｏｔｏ，"Ｌｏｗ ＤＭＤ Ｆｏｕｒ ＬＰ Ｍｏｄｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｆｉｂｅｒ ｆｏｒ Ｗｉｄｅ−ｂａｎｄ ＷＤＭ−ＭＩＭＯ Ｓｙｓｔｅｍ"，ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＯＦＣ２０１３，ＯＴｈ３Ｋ．１，Ｍａｒ．２０１３． Ｒ． Ｒｙｆ，ｅｔ ａｌ．，"３２−ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ＷＤＭ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ １７７−ｋｍ Ｆｅｗ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ"，ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＯＦＣ２０１３，ＰＤＰ５Ａ．１，Ｍａｒ．２０１３． Ｆ．Ｆｅｒｒｅｉｒａ，ｅｔ ａｌ．， "Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｆｅｗ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒｓ Ｗｉｔｈ Ａｒｂｉｔｒａｒｙ ａｎｄ Ｆｌａｔｔｅｎｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｅｌａｙ，" Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．２５，ｐｐ．４３８−４４１ （Ｍａｒｃｈ ２０１３）． Ｙ．Ｋａｔｓｕｙａｍａ， Ｍ．Ｔｏｋｕｄａ， Ｎ．Ｕｃｈｉｄａ， Ｍ．Ｎａｋａｈａｒａ， "Ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｖ−ｖａｌｕｅ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ"， Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ． １２， ６６９−６７０ （１９７６）． Ｔ． Ｍｏｒｉ， Ｔ． Ｓａｋａｍｏｔｏ， Ｔ． Ｙａｍａｍｏｔｏ， ａｎｄ Ｓ． Ｔｏｍｉｔａ， "Ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｏｐｔｉｃａｌ ＭＩＭＯ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ ２０ ｋｍ ＧＩ ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ｕｎｉｔ"， Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ ｖｏｌ．１９， ｐｐ．１６２５２−１６２５８ （Ａｕｇｕｓｔ ２０１１）． Ｎ． Ｆｏｎｔａｉｎｅ， "Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｓｐａｃｅ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｉｎ Ｆｅｗ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒｓ"， ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ／Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２０１３， ＯＳＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ （ｏｎｌｉｎｅ） （Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ， ２０１３）， ｐａｐｅｒ ＯＴｈ１Ｂ．３． 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， Ｊｕｎｅ ２００６）， ｐａｐｅｒ ＣＴｈＢ１．

しかしながら、非特許文献７，８においては伝搬モード数が４つに限られており、モード数の拡大が課題となっている。そこで、本願発明の目的は、前記の課題に鑑みてなされたものであり、伝搬モード間の群遅延差を低減できるとともに伝搬モード数を４より大きくすることができるマルチモード光ファイバ及び光ファイバ伝送システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のマルチモード光ファイバは、屈折率のプロファイルがグレーデッド型であるコアと、一部に低屈折率層が配置されたクラッドの構造とし、屈折率分布の各パラメータを適正にすることとした。

具体的には、本発明に係るマルチモード光ファイバは、中心から半径ａ_１までのコアと、前記コアの外側にあるクラッドと、半径ａ_２から半径ａ_３までの前記クラッド内に形成される低屈折率層と、を有し、
前記コアは、中心から半径方向の屈折率プロファイルが、中心の屈折率を前記クラッド層に対する比屈折率Δ_１とする、指数定数αのグレーデッド型であり、
前記低屈折率層は、屈折率が前記クラッド層に対する比屈折率Δ_２であるマルチモード光ファイバであって、
屈折率分布の各パラメータが、
ａ_１＝１２．３〜１２．６μｍ、ａ_２＝１４．０〜１４．４μｍ、ａ_３＝１６．１〜１９．０μｍ、Δ_１＝０．８１〜０．８５％、Δ_２＝−０．７９〜−０．５５％、α＝１．９４〜２．００であることを特徴とする。

本マルチモード光ファイバは、中心軸から外側に向けて屈折率が指数的に小さくなるコアと、前記コアの外側にあり、屈折率が前記コアの屈折率よりも小さいクラッドと、前記コアと前記クラッドとの間にあり、屈折率が前記クラッドの屈折率以下の低屈折率層と、を有する。そして、これらの屈折率分布のパラメータを適正にすることで伝搬モード数を６つとし、伝搬モード間の群遅延差を低減することができる。従って、本発明は、伝搬モード間の群遅延差を低減できるとともに伝搬モード数を４より大きくすることができるマルチモード光ファイバ及び光ファイバ伝送システムを提供することができる。

また、本発明に係るマルチモード光ファイバは、中心から半径ａ_１までのコアと、前記コアの外側にあるクラッドと、半径ａ_２から半径ａ_３までの前記クラッド内に形成される低屈折率層と、を有し、
前記コアは、中心から半径方向の屈折率プロファイルが、中心の屈折率を前記クラッド層に対する比屈折率Δ_１とする、指数定数αのグレーデッド型であり、
前記低屈折率層は、屈折率が前記クラッド層に対する比屈折率Δ_２であるマルチモード光ファイバであって、
屈折率分布の各パラメータが、
ａ_１＝１２．３〜１２．６μｍ、ａ_２＝１４．０〜１４．４μｍ、ａ_３＝１６．１〜１９．０μｍ、Δ_１＝０．８１〜０．８５％、Δ_２＝−０．７９〜−０．５５％、α＝１．８９〜２．０５であることを特徴とする。

本マルチモード光ファイバは、これらの屈折率分布のパラメータを適正にすることで伝搬モード数を６つとし、指数定数αの設定で正のモード群遅延差又は負のモード群遅延差とすることができる。

このため、本発明に係るマルチモード光ファイバの前記コアは、光の伝搬方向の区間で指数定数αが異なるとしてもよい。この場合、前記区間が２つ以上であり、区間の少なくとも１つの指数定数αが１．９７以上であり、また区間の少なくとも１つの指数定数αが１．９７未満であることが望ましい。

指数定数αが１．９７を境に正のモード群遅延差又は負のモード群遅延差とすることができ、これを組み合わせることで伝搬モード間の群遅延差を低減することができる。従って、本発明は、伝搬モード間の群遅延差を低減できるとともに伝搬モード数を４より大きくすることができるマルチモード光ファイバ及び光ファイバ伝送システムを提供することができる。

本発明に係る光ファイバ伝送システムは、Ｎ個のデータを光信号としてそれぞれ送信するＮ個（Ｎは２以上の整数）の光送信機と、
前記光送信機からのＮ個の光信号を伝搬モードが異なるように合波する合波器と、
前記合波器からの光信号を伝搬する前記マルチモード光ファイバと、
前記マルチモード光ファイバからの光信号を異なる分岐比で分波する分波器と、
前記分波器からの光信号を受信するＭ個（ＭはＮ以上の整数）の光受信機と、
前記光受信機が出力するＭ個の電気信号から、前記マルチモード光ファイバの伝搬中に生じた信号劣化を補償し、前記光送信機が送信したＮ個のデータを復元するＦＩＲ等化器と、
を備える。

本光ファイバ伝送システムは、光の伝搬モードの群遅延差を低減できるマルチモード光ファイバを備えており、受信時のデジタル信号処理の負荷を低減できる。従って、本発明は、信号の復元に必要なデジタル処理の負荷を低減できる光ファイバ伝送システムを提供することができる。

本発明は、伝搬モード間の群遅延差を低減できるとともに伝搬モード数を４より大きくすることができるマルチモード光ファイバ及び光ファイバ伝送システムを提供することができる。

本発明に係るマルチモード光ファイバの屈折率分布を説明する図である。 本発明に係るマルチモード光ファイバのａ_１を変化させた場合のモード群遅延差特性を説明する図である。 本発明に係るマルチモード光ファイバのａ_２を変化させた場合のモード群遅延差特性を説明する図である。 本発明に係るマルチモード光ファイバのａ_３を変化させた場合のモード群遅延差特性および曲げ損失特性を説明する図である。 本発明に係るマルチモード光ファイバの比屈折率Δ_１を変化させた場合のモード群遅延差特性および曲げ損失特性を説明する図である。 本発明に係るマルチモード光ファイバの比屈折率Δ_２を変化させた場合のモード群遅延差特性を説明する図である。 本発明に係るマルチモード光ファイバのαを変化させた場合のモード群遅延差特性および曲げ損失特性を説明する図である。 本発明に係るマルチモード光ファイバのモード群遅延差特性の波長依存性を示す図である。 本発明に係るマルチモード光ファイバの波長１５５０ｎｍにおけるインパルス応答のためのシミュレーション系を説明する図である。 本発明に係るマルチモード光ファイバにおいて波長１５５０ｎｍのインパルス応答の一例を示す図である。 本発明に係る光ファイバ伝送システムを説明する図である。

添付の図面を参照して本願発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は、本願発明の実施の例であり、本願発明は以下の実施形態に制限されるものではない。

（実施形態１）
図１は、本実施形態のマルチモード光ファイバにおける半径方向の屈折率分布を示す図である。本マルチモード光ファイバは、中心から半径ａ_１までのコアと、前記コアの外側にあるクラッドと、半径ａ_２から半径ａ_３までの前記クラッド内に形成される低屈折率層と、を有し、前記コアは、中心から半径方向の屈折率プロファイルが、中心の屈折率を前記クラッド層に対する比屈折率Δ_１とする、指数定数αのグレーデッド型であり、前記低屈折率層は、屈折率が前記クラッド層に対する比屈折率Δ_２である。

コアは、外周半径がａ_１、クラッドに対する比屈折率がΔ_１であり、低屈折率層の内側境界までの半径がａ_２、低屈折率層の外側境界までの半径がａ_３であり、低屈折率層は、クラッドに対する比屈折率がΔ_２である。

この低モード群遅延差マルチモード光ファイバは、式（１）で表されるα乗屈折率分布をもつコアと、その外側のクラッドと、コアの外側近傍に設けられ、クラッドよりも低屈折率で均一な屈折率分布をもつ低屈折率層から構成されている。ここで、ｎ（ｒ）は中心から半径方向の位置ｒにおける屈折率、ｎ_１はコア中心の屈折率、αを指数定数を表す。図１に示すマルチモード光ファイバの屈折率分布は、半径ｒがａ_１より小さい領域ではα乗屈折率分布に従う。なお、指数定数αはグレーテッド型プロファイルを示す無次元パラメータであり、アルファパラメータと呼ばれることもある。

低屈折率層は、ａ_２からａ_３までの領域（α乗屈折率分布をもつコアの外側）に形成され、クラッドよりも低く均一な屈折率分布になっている。具体的には、本実施形態のマルチモード光ファイバの各パラメータは、ａ_１＝１２．３〜１２．６μｍ、ａ_２＝１４．０〜１４．４μｍ、ａ_３＝１６．１〜１９．０μｍ、Δ_１＝０．８１〜０．８５％、Δ_２＝−０．７９〜−０．５５％、α＝１．９４〜２．００である。上記パラメータのマルチモード光ファイバは、モード間遅延差を小さくしつつ、伝搬可能なモードの曲げ損失特性を向上させることができる。

以下、パラメータについて詳細に説明する。使用波長帯を１５３０〜１６２５ｎｍ（Ｃ−Ｌバンド）、曲げ損失を０．５ｄＢ／１００ｔｕｒｎ以下、伝搬モード数が６（ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２、ＬＰ３１、ＬＰ１２モード）となるマルチモード光ファイバとして、α乗屈折率分布（α＝１．９７、ａ_１＝１２．５μｍ、Δ_１＝０．８５％）をもつコアの外側に、ａ_２＝１４．１μｍ、ａ_３＝１９．０μｍ、Δ_２＝−０．７０％となる低屈折率層を設ける。

コア部の外周半径ａ_１を変えた場合、有限要素法に基づいて計算した高次モード（ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２、ＬＰ３１、ＬＰ１２モード）と基本モード（ＬＰ０１モード）のモード群遅延差（ＤＭＤ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｅｌａｙ）の変化を図２に示す。ＤＭＤは高次モードの群遅延から基本モードの群遅延を引いた値であり、使用波長帯においてＤＭＤの値が最も大きくなる１６２５ｎｍにおいて算出している。

非特許文献９では２ＬＰモードにおいてＤＭＤの絶対値が２００ｐｓ／ｋｍ以下を目標値として定めている。本実施形態でも同様に６ＬＰモードにおいてＤＭＤの絶対値が２００ｐｓ／ｋｍ以下を目標値として定める。図２に示すように、コア半径ａ_１が１２．３〜１２．６μｍの時に６つのモードにおいてＤＭＤの絶対値が２００ｐｓ／ｋｍ以下となる。

低屈折率層の内側の境界までの半径ａ_２を変えた場合、有限要素法に基づいて計算した高次モード（ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２、ＬＰ３１、ＬＰ１２モード）と基本モード（ＬＰ０１モード）のＤＭＤの変化を図３に示す。図３に示すように、低屈折率層の内側の境界までの半径ａ_２が１４．０〜１４．４μｍの時に６つのモードにおいてＤＭＤの絶対値が２００ｐｓ／ｋｍ以下となる。

低屈折率層の外側の境界までの半径ａ_３を変えた場合、有限要素法に基づいて計算した高次モード（ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２、ＬＰ３１、ＬＰ１２モード）と基本モード（ＬＰ０１モード）のＤＭＤの変化を図４に示す。図４に示すように、低屈折率層の外側の境界までの半径ａ_３が１６．１μｍ以上の時に６つのモードにおいてＤＭＤの絶対値が±２００ｐｓ／ｋｍ以下となる。

なお、伝搬モード数を波長１５３０〜１６２５ｎｍにおいて６つに制限するためには、第７高次モードであるＬＰ４１モードが伝搬しないことが条件となる。伝搬しない条件としては、使用波長帯において曲げ半径１４０ｍｍにおける曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上であることを条件とした。本条件は、非特許文献１０に記載の通り、遮断波長の測定に曲げ半径１４０ｍｍが用いられていることと、非特許文献１に記載の通り、損失が１ｄＢ／ｍ以上で伝搬しないという仮定に基づいている。

想定する使用波長域において最も曲げ損失が小さくなる波長１５３０ｎｍにおけるＬＰ４１モードの曲げ損失を図４に示しており、ａ_３が１９．０μｍ以下の時にＬＰ４１モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上となり、伝搬モード数を６つに制限可能である。つまり低屈折率層の外側の境界までの半径ａ_３を１６．１〜１９．０μｍに調整することにより、伝搬モード数を６つにしつつ、ＤＭＤの絶対値を２００ｐｓ／ｋｍ以下にすることが可能である。

コア部のクラッドに対する比屈折率差Δ_１を変えた場合、有限要素法に基づいて計算した高次モード（ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２、ＬＰ３１、ＬＰ１２モード）と基本モード（ＬＰ０１モード）のＤＭＤの変化を図５に示す。ＤＭＤは高次モードの群遅延から基本モードの群遅延を引いた値である。図５に示すように、コア部のクラッドに対する比屈折率差Δ_１が０．８１％以上の時に６つのモードにおいてＤＭＤの絶対値が２００ｐｓ／ｋｍ以下となる。

また、想定する使用波長域において最も曲げ損失が小さくなる波長１５３０ｎｍにおけるＬＰ４１モードの曲げ損失を図５に示しており、Δ_１が０．８５％以下の時にＬＰ４１モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上となり、伝搬モード数を６つに制限可能である。つまりコア部のクラッドに対する比屈折率差Δ_１を０．８１〜０．８５％に調整することにより、伝搬モード数を６つにしつつ、ＤＭＤの絶対値を２００ｐｓ／ｋｍ以下にすることが可能である。

低屈折率層の比屈折率差Δ_２を変えた場合、有限要素法に基づいて計算した高次モード（ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２、ＬＰ３１、ＬＰ１２モード）と基本モード（ＬＰ０１モード）のＤＭＤの変化を図６に示す。ＤＭＤは高次モードの群遅延から基本モードの群遅延を引いた値である。図６に示すように、低屈折率層の比屈折率差Δ_２が−０．７９〜−０．５９％の時に６つのモードにおいてＤＭＤが±２００ｐｓ／ｋｍ以下となる。

コア部の指数定数αを変えた場合、有限要素法に基づいて計算した高次モード（ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２、ＬＰ３１、ＬＰ１２モード）と基本モード（ＬＰ０１モード）のＤＭＤの変化を図７に示す。図７に示すように、コア部の指数定数αが１．９４〜２．００の時に６つのモードにおいてＤＭＤの絶対値が２００ｐｓ／ｋｍ以下となる。

以上のように、屈折率分布の各パラメータを上述のように設定することで、伝搬モード数が６であり、ＤＭＤの絶対値が２００ｐｓ／ｋｍ以下としたマルチモード光ファイバを製造することができる。

（実施形態２）
本実施形態のマルチモード光ファイバは、光の伝搬方向の区間でコアの指数定数αが異なることを特徴とする。さらに、前記区間が２つ以上である場合、少なくとも１つの区間の指数定数αが１．９７以上であり、少なくとも１つの区間の指数定数αが１．９７未満であることを特徴とする。

図７のグラフより、第２高次モードと第３高次モードのＤＭＤおよび第４高次モードと第５高次モードがほぼ等しくなっており、群化されており、コア部の指数定数α＝１．９７を境にＤＭＤが負から正になっている様子が分かる。さらに、コア部の指数定数αに対し各高次モードのＤＭＤは比例の関係である。このことより、作製誤差により１本の光ファイバによる低ＤＭＤ化が困難な場合においても、ＤＭＤが正と負の光ファイバをつなげ、ファイバ長を調整することによりさらなるＤＭＤの低減化が可能である。

想定する使用波長域において最も曲げ損失が小さくなる波長１５３０ｎｍにおけるＬＰ４１モードの曲げ損失を図７に示しており、コア部の指数定数αが２．０５以下の時にＬＰ４１モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上となり、伝搬モード数を６つに制限可能である。

コア部の指数定数αが２．０５の時の最大ＤＭＤは５００ｐｓ／ｋｍであり、このＤＭＤを補償するためにはコア部の指数定数αを１．８９にすればよい。

例えばα＝１．８９の負のＤＭＤを有する６モードファイバとα＝２．０５の正のＤＭＤを有する６モードファイバを同じファイバ長だけ接続することにより、伝搬モード数が６のモード遅延補償伝送路が実現できる。

このように、光の伝搬方向にコアの指数定数αが異なる区間が複数存在する場合、屈折率分布の各パラメータが、ａ_１＝１２．３〜１２．６μｍ、ａ_２＝１４．０〜１４．４μｍ、ａ_３＝１６．１〜１９．０μｍ、Δ_１＝０．８１〜０．８５％、Δ_２＝−０．７９〜−０．５５％、α＝１．８９〜２．０５であることが好ましい。

図８は、α乗屈折率分布（ａ_１＝１２．５μｍ、Δ_１＝０．８５％）をもつコアの外側に、ａ_２＝１４．１μｍ、ａ_３＝１９．０μｍ、Δ_２＝−０．７０％となる低屈折率層を設け、コア部の指数定数αが１．８９（ＦｉｂｅｒＡ）、１．９７（ＦｉｂｅｒＢ）、２．０５（ＦｉｂｅｒＣ）の場合のＤＭＤの波長依存性を説明する図である。Ｆｉｂｅｒ ＡはＣ＋Ｌ帯（１５３０〜１６２５ｎｍ）においてＤＭＤが正、Ｆｉｂｅｒ ＣはＣ＋Ｌ帯（１５３０〜１６２５ｎｍ）においてＤＭＤが負であることが分かる。Ｆｉｂｅｒ Ｂは３種類の中で最も低ＤＭＤなマルチモード光ファイバを実現出来る。

図９は、マルチモード光ファイバのインパルス応答のシミュレーション系を説明する図である。波長１５５０ｎｍのパルス光源１からパルス幅１００ｐｓの光パルスをモード励振器５に入力し、被試験用光ファイバ伝送路７を伝送した直後のパルス波形を測定器９で観測する。試験を行う光ファイバ伝送路７は次の３つである。
条件（１）ＦｉｂｅｒＡのマルチモード光ファイバ２ｋｍ
条件（２）ＦｉｂｅｒＣのマルチモード光ファイバ２ｋｍ
条件（３）ＦｉｂｅｒＡのマルチモード光ファイバ２ｋｍとＦｉｂｅｒＣのマルチモード光ファイバ２ｋｍを連結したもの

図１０は上記の各条件におけるインパルス応答である。条件（１）及び（２）については、４つのパルスが存在しており、第２高次モードと第３高次モードおよび第４高次モードと第５高次モードが群化している様子が分かる。

条件（３）の場合、ＦｉｂｅｒＡとＦｉｂｅｒＣを連結することで、各パルスが１つのパルスとなり、さらなる低ＤＭＤ化（１００ｐｓ／ｋｍ以下）が可能なモード遅延補償伝送路が実現できる。

以上のように、マルチモード光ファイバのモード群遅延差を屈折率分布の各パラメータで調整して正又は負とすることができ、正のモード群遅延差のマルチモード光ファイバと負のモード群遅延差のマルチモード光ファイバと連結することで、伝搬モード数が６であり、モード群遅延差を１００ｐｓ／ｋｍ以下としたマルチモード光ファイバ（モード遅延補償伝送路）を製造することができる。

（実施形態３）
図１１は、本実施形態の光ファイバ伝送システム３０１の概略図である。光ファイバ伝送システム３０１は、
Ｎ個のデータを光信号としてそれぞれ送信するＮ個（Ｎは２以上の整数）の光送信機１０と、
光送信機１０からのＮ個の光信号を伝搬モードが異なるように合波する合波器２０と、
合波器２０からの光信号を伝搬する実施形態１又は２で説明したマルチモード光ファイバ３０と、
マルチモード光ファイバ３０からの光信号を異なる分岐比で分波する分波器４０と、
分波器４０からの光信号を受信するＭ個（ＭはＮ以上の整数）の光受信機５０と、
光受信機５０が出力するＭ個の電気信号から、マルチモード光ファイバ３０の伝搬中に生じた信号劣化を補償し、光送信機１０が送信したＮ個のデータを復元するＦＩＲ等化器６０と、
を備える。

Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の送信機１０から発せられるＮ種の信号（ｘ（ｎ））は合波器２０において結合する伝搬モード比率が異なるように合波される。伝搬モード比率とは、マルチモード光ファイバ３０で伝搬する各伝搬モードの強度の割合である。伝送した信号の復元度を考慮した場合、伝搬モード比率は光信号ごとに大きく異なることが望ましい（例えば非特許文献１１を参照。）。例えば、合波器２０は、非特許文献１２のようにファイバのコアへ光を照射する場所を変えることで任意のモードが励振可能な３次元導波路構造の合波器が望ましい。

合波された光信号はマルチモード光ファイバ３０中に入射され、出射側に設置された分波器４０において異なる分岐比でＭポート（ＭはＮ以上の整数）に分波される。分岐比率についても合波器２０と同様に、全ての伝搬モードが完全に同比率とならないように光信号を分岐する。信号の復元度を考慮した場合、分岐比率はポートごとに大きく異なることが望ましい（例えば非特許文献１１を参照。）。

分波されたＭ種の信号（ｙ（ｎ））はＭ個の受信機５０で受信され、後段に設置されたＦＩＲ等化器６０においてマルチモード光ファイバで受けた信号劣化を補償し、復元信号（ｕ（ｎ））を得る。光ファイバ伝送システム３０１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。

なお、ＦＩＲ等化器６０では、モード分散、波長分散、偏波分散の補償も可能である。また、受信信号の電界振幅及び位相情報を取得するためには、局発光源、９０°光ハイブリッド、バランスレシーバ、アナログデジタルコンバータ、及び計算器で受信機５０を構成する（例えば、非特許文献１３を参照。）。

ＦＩＲ等化器６０は、マルチモード光ファイバ３０中で発生する線形歪を補償することができ、タップの遅延量及び係数を適切に設定することで、マルチモード光ファイバ３０中で発生する他送信機からの混信、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、モード分散による信号劣化を補償する場合、基本モード及び高次モードのモード群遅延差が大きくなると、信号劣化補償に必要な計算量が膨大になる。しかし、光ファイバ伝送システム３０１は、モード群遅延差が小さいマルチモード光ファイバ３０を用いており、補償に必要な計算量を少なくできる。さらに、伝搬モード数が６であるため、大容量化も可能である。換言すれば、マルチモード光ファイバ３０を備えることで、従来のＦＩＲ等化器のままで伝送システムの大容量化や長距離化が可能である。さらに、縮退モードを考慮した場合、ＬＰ０１、ＬＰ０２モードは１つずつ、ＬＰ１１，ＬＰ２１，ＬＰ３１，ＬＰ１２モードは２つずつ存在することから、伝搬モード数は１０となり、従来のシングルモードファイバを伝送路として用いた場合よりも１０倍の大容量化が望める。

以下は、本実施形態のマルチモード光ファイバ及び光ファイバ伝送システムを説明したものである。

＜課題＞
本発明の課題は、信号の復元に必要なデジタル処理の負荷を低減して長距離伝送を可能とし、伝搬モードを６つとして伝送容量を増大できるマルチモード光ファイバ及びこれを備える光ファイバ伝送システムを提供することである。

＜解決手段＞
本発明は、
（１）：グレーデッド型プロファイルを有するコアと、
前記コアの外側にあり、屈折率が前記コアの屈折率よりも小さいクラッドと、
前記コアと前記クラッドとの間にあり、屈折率が前記クラッドの屈折率以下の低屈折率層とを有し、
前記コアは、外周半径がａ_１、前記クラッド層に対する比屈折率がΔ_１、指数定数がαであり、前記低屈折率層の内側境界までの半径がａ_２、前記低屈折率層の外側境界までの半径がａ_３であり、前記低屈折率層は、前記クラッド層に対する比屈折率がΔ_２であるとすると、屈折率分布の各パラメータがａ_１＝１２．３〜１２．６μｍ、ａ_２＝１４．０〜１４．４μｍ、ａ_３＝１６．１〜１９．０μｍ、Δ_１＝０．８１〜０．８５％、Δ_２＝−０．７９〜−０．５５％、α＝１．９４〜２．００であることを特徴とする伝搬モード数が６であるマルチモード光ファイバである。

また、本発明は、
（２）：グレーデッド型プロファイルを有するコアと、
前記コアの外側にあり、屈折率が前記コアの屈折率よりも小さいクラッドと、
前記コアと前記クラッドとの間にあり、屈折率が前記クラッドの屈折率以下の低屈折率層とを有し、
前記コアは、外周半径がａ_１、前記クラッド層に対する比屈折率がΔ_１、指数定数がαであり、前記低屈折率層の内側境界までの半径がａ_２、前記低屈折率層の外側境界までの半径がａ_３であり、前記低屈折率層は、前記クラッド層に対する比屈折率がΔ_２であるとすると、屈折率分布の各パラメータがａ_１＝１２．５μｍ、ａ_２＝１４．１μｍ、ａ_３＝１９．０μｍ、Δ_１＝０．８５％、Δ_２＝−０．７０％、α＝１．９７付近であることを特徴とする伝搬モード数が６であるマルチモード光ファイバである。

（３）：上記（１）に記載の前記コアの指数定数αが１．９７以上である正のモード群遅延差を有する光ファイバと前記コアの指数定数αが１．９７以下である負のモード群遅延差を有する光ファイバがそれぞれ少なくとも１つ以上混在し、前記正のモード群遅延差を有する光ファイバの正のモード群遅延差及び前記のモード群遅延差を有する光ファイバの負のモード群遅延差が打ち消し合い、全体におけるモード群遅延差が補償されることを特徴とするモード遅延補償伝送路である。

本発明は、
（４）：光信号を送信するＮ個（Ｎは２以上の整数）の光送信機と、前記Ｎ個の光送信機からの光信号を伝搬モードが異なるように合波する合波器と、前記合波器からの光信号を伝搬し、上記（１）又は（２）に記載の光ファイバもしくは上記（３）に記載のモード遅延補償伝送路と、前記光ファイバシステムからの光信号を異なる分岐比で分波する分波器と、前記分波器からの光信号を受信するＭ個（ＭはＮ以上の整数）の光受信機と、前記Ｍ個の光受信機からの光信号をＮ個に分離するＦＩＲ等化器と、を備える光ファイバ伝送システムである。

＜効果＞
本発明に係るマルチモード光ファイバは、グレーデッド型プロファイルを有するコアと、コアの外側に低屈折率層を有しており、第２高次モードと第３高次モードおよび第４高次モードと第５高次モードが群化しており、光の伝搬モードの群遅延差を低減できる。すなわち、ＭＩＭＯ技術を用いた光伝送システムにおいて当該マルチモード光ファイバを用いることでデジタル信号処理の負荷を低減できることができる。従って、本発明は、信号の復元に必要なデジタル処理の負荷を低減できるマルチモード光ファイバを提供することができる。

さらに、本発明に係るマルチモード光ファイバは伝搬モード数が６であり、伝送の大容量化が可能である。

本発明に係る光ファイバ伝送システムは、前記マルチモード光ファイバを備えている。従って、本発明は、信号の復元に必要なデジタル処理の負荷を低減でき、伝送の長距離化及び大容量化を可能とした光ファイバ伝送システムを提供することができる。

本発明は、ファイバ中の高次モードの利用により光ファイバ伝送の大容量化及び長距離化を実現することができる。

１：パルス光源
５：モード励振器
７：光ファイバ伝送路
９：測定器
１０：送信機
２０：合波器
３０：マルチモード光ファイバ
４０：分波器
５０：受信機
６０：ＦＩＲ等化器
３０１：光ファイバ伝送システム

Claims (5)

1. 中心から半径ａ_１までのコアと、前記コアの外側にあるクラッドと、半径ａ_２から半径ａ_３までの前記クラッド内に形成される低屈折率層と、を有し、
   前記コアは、中心から半径方向の屈折率プロファイルが、中心の屈折率を前記クラッド層に対する比屈折率Δ_１とする、指数定数αのグレーデッド型であり、
   前記低屈折率層は、屈折率が前記クラッド層に対する比屈折率Δ_２であるマルチモード光ファイバであって、
   屈折率分布の各パラメータを、
   ａ_１＝１２．３〜１２．６μｍ、ａ_２＝１４．０〜１４．４μｍ、ａ_３＝１６．１〜１９．０μｍ、Δ_１＝０．８１〜０．８５％、Δ_２＝−０．７９〜−０．５５％、α＝１．８９〜２．０５として、
   通信波長１５３０〜１６２５ｎｍにおいて伝搬モード数を６、且つモード群遅延差の絶対値を５００ｐｓ／ｋｍ以下としたことを特徴とするマルチモード光ファイバ。
2. 前記コアは、光の伝搬方向の区間で指数定数αが異なることを特徴とする請求項１に記載のマルチモード光ファイバ。
3. 前記区間が２つ以上であり、少なくとも１つの区間の指数定数αが１．９７以上であり、少なくとも１つの区間の指数定数αが１．９７未満であることを特徴とする請求項２に記載のマルチモード光ファイバ。
4. 中心から半径ａ_１までのコアと、前記コアの外側にあるクラッドと、半径ａ_２から半径ａ_３までの前記クラッド内に形成される低屈折率層と、を有し、
   前記コアは、中心から半径方向の屈折率プロファイルが、中心の屈折率を前記クラッド層に対する比屈折率Δ_１とする、指数定数αのグレーデッド型であり、
   前記低屈折率層は、屈折率が前記クラッド層に対する比屈折率Δ_２であるマルチモード光ファイバであって、
   屈折率分布の各パラメータを、
   ａ_１＝１２．３〜１２．６μｍ、ａ_２＝１４．０〜１４．４μｍ、ａ_３＝１６．１〜１９．０μｍ、Δ_１＝０．８１〜０．８５％、Δ_２＝−０．７９〜−０．５５％、α＝１．９４〜２．００として、
   通信波長１５３０〜１６２５ｎｍにおいて伝搬モード数を６、且つモード群遅延差の絶対値を２００ｐｓ／ｋｍ以下としたことを特徴とするマルチモード光ファイバ。
   
5. Ｎ個のデータを光信号としてそれぞれ送信するＮ個（Ｎは２以上の整数）の光送信機と、
   前記光送信機からのＮ個の光信号を伝搬モードが異なるように合波する合波器と、
   前記合波器からの光信号を伝搬する請求項１から４のいずれかに記載のマルチモード光ファイバと、
   前記マルチモード光ファイバからの光信号を異なる分岐比で分波する分波器と、
   前記分波器からの光信号を受信するＭ個（ＭはＮ以上の整数）の光受信機と、
   前記光受信機が出力するＭ個の電気信号から、前記マルチモード光ファイバの伝搬中に生じた信号劣化を補償し、前記光送信機が送信したＮ個のデータを復元するＦＩＲ等化器と、
   を備える光ファイバ伝送システム。

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