WO2012124816A1 - 光ファイバ、光伝送システム、および光ファイバの測定方法 - Google Patents

光ファイバ、光伝送システム、および光ファイバの測定方法 Download PDF

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    • G02B6/02023—Based on higher order modes, i.e. propagating modes other than the LP01 or HE11 fundamental mode

Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber, an optical transmission system, and an optical fiber measurement method.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 a mode multiplexing transmission technique in which a higher-order propagation mode is used for optical transmission in addition to the conventionally used fundamental propagation mode of an optical fiber. It is also important to suppress the occurrence of nonlinear optical phenomena in the optical fiber by expanding the effective core area (Aeff) of the optical fiber for higher quality optical transmission (Non-patent Document 3). 4).
  • the present invention has been made in view of the above, and even when the optical fiber base and higher-order propagation modes are used for optical transmission, the effective core area is large and the bending loss is large in each propagation mode to be used. It is an object to provide a small optical fiber, an optical transmission system, and an optical fiber measurement method.
  • an optical fiber according to the present invention includes a core part and a clad part formed on the outer periphery of the core part and having a refractive index lower than the maximum refractive index of the core part.
  • the characteristic at a wavelength of 1550 nm is that the effective core area of the base propagation mode is 120 ⁇ m 2 or more, the effective core area of the first higher-order propagation mode is 150 ⁇ m 2 or more, and the characteristics of the second higher-order propagation mode are
  • the effective core cross-sectional area is 180 ⁇ m 2 or more, the effective refractive index of the second higher-order propagation mode is 0.0002 or more larger than the refractive index of the cladding part, and the effective refractive index of the third higher-order propagation mode is It is characterized by being smaller than the refractive index of the cladding part.
  • the optical fiber according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the effective refractive index of the second higher-order propagation mode is greater than the refractive index of the cladding part by 0.0005 or more.
  • the optical fiber according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the first higher-order propagation mode is an LP11 mode.
  • the optical fiber according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the second higher-order propagation mode is an LP21 mode.
  • the optical fiber according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the third higher-order propagation mode is an LP02 mode.
  • the core portion has a central core portion having the maximum refractive index and a refractive index lower than a refractive index of the clad portion formed on an outer periphery of the central core portion. It consists of the outer periphery core part which has a rate.
  • the relative refractive index difference ⁇ 1 of the central core portion with respect to the cladding portion is 0.36% or more, and the relative refractive index of the outer peripheral core portion with respect to the cladding portion.
  • the difference ⁇ 2 is ⁇ 0.05% or less, the diameter of the central core part is 14.90 ⁇ m to 17.30 ⁇ m, and the ratio of the outer diameter of the outer peripheral core part to the diameter of the central core part is 2.0 or more It is characterized by being.
  • the optical fiber according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the relative refractive index difference ⁇ 1 is 0.41% or more.
  • the optical fiber according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the relative refractive index difference ⁇ 1 is 0.48% or less.
  • the optical fiber according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the outer diameter of the clad portion is larger than 125 ⁇ m.
  • an optical transmission system includes the optical fiber according to the above-described invention.
  • the optical fiber measurement method includes a measurement optical fiber that propagates the measurement light in a single mode at one end of the optical fiber to be measured that propagates the measurement light of a predetermined wavelength in a multimode.
  • the offset is set so that the measured optical fiber propagates in a predetermined propagation mode.
  • the mode field diameter of the measurement optical fiber is less than or equal to 1 ⁇ 2 of the mode field diameter of the base propagation mode of the optical fiber to be measured.
  • the optical fiber measurement method according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, a mode field diameter of the measurement optical fiber is 4 ⁇ m or less.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an optical fiber according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a refractive index distribution of the optical fiber shown in FIG.
  • FIG. 3A is a diagram illustrating a field distribution (intensity distribution of an Ex component of an electric field) of a fundamental mode (LP01 mode) of the optical fiber illustrated in FIG. 3B is a diagram showing a field distribution (vector electric field distribution) of the fundamental mode (LP01 mode) of the optical fiber shown in FIG. 4A is a diagram showing a field distribution (intensity distribution of an Ex component of an electric field) of the first higher-order mode (LP11 mode) of the optical fiber shown in FIG.
  • FIG. 4B is a diagram showing a field distribution (vector electric field distribution) of the first higher-order mode (LP11 mode) of the optical fiber shown in FIG.
  • FIG. 5A is a diagram showing a field distribution (intensity distribution of an Ex component of an electric field) of the first higher-order mode (LP21 mode) of the optical fiber shown in FIG.
  • FIG. 6B is a diagram showing a field distribution (vector electric field distribution) of the first higher-order mode (LP02 mode) of the optical fiber shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram showing structural parameters of optical fibers according to calculation examples 1-1 to 1-6, 2-1 to 2-4, and 3-1 to 3-8.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating optical characteristics of the optical fiber base (LP01 mode) and LP11 mode according to calculation examples 1-1 to 1-6, 2-1 to 2-4, and 3-1 to 3-8.
  • FIG. 9 is a diagram showing the optical characteristics of the LP21 mode and the effective refractive index of the LP02 mode of the optical fibers according to calculation examples 1-1 to 1-6, 2-1 to 2-4, and 3-1 to 3-8. is there.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between ⁇ 1 and the effective refractive index of the LP21 mode and LP02 mode when the value of ⁇ 2 is changed.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the relationship between ⁇ 2 and the difference between the effective refractive index of the LP21 mode and the effective refractive index of the LP02 mode, and the relationship between ⁇ 2 and the bending loss of the LP21 mode.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating measured values of the structural parameters of the optical fiber according to the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating calculated values of optical characteristics of the propagation modes of the optical fiber according to the first embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining a method for measuring optical characteristics of an optical fiber.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating measurement results of optical characteristics of the optical fiber according to the first embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a field distribution of light output from the optical fiber according to the first embodiment when the offset is set to 0 ⁇ m.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a field distribution of light output from the optical fiber according to the first embodiment when the offset is 5 ⁇ m.
  • FIG. 18 is a diagram showing a field distribution of light output from the optical fiber of Example 1 when the offset is 9 ⁇ m.
  • FIG. 19 is a schematic configuration diagram of an optical transmission system according to the second embodiment.
  • the bending loss means a macro bending loss when bending at a predetermined diameter (bending diameter).
  • ITU-T International Telecommunication Union
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an optical fiber according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the optical fiber 10 includes a core part 11 located at the center and a clad part 12 formed on the outer periphery of the core part 11.
  • the core part 11 includes a central core part 111 and an outer peripheral core part 112 formed on the outer periphery of the central core part 111.
  • the central core 111 is made of quartz glass containing a dopant that increases the refractive index, such as germanium (Ge).
  • the outer core portion 112 is made of quartz glass containing a dopant that lowers the refractive index, such as fluorine (F).
  • the clad portion 12 is made of pure quartz glass that does not contain a dopant that adjusts the refractive index.
  • the central core portion 111 has the maximum refractive index in the core portion 11 and has a higher refractive index than the cladding portion 12. Further, the outer core portion 112 has a lower refractive index than the clad portion 12.
  • FIG. 2 is a view showing a refractive index distribution of the optical fiber 10 shown in FIG.
  • a region P ⁇ b> 1 shows the refractive index distribution of the central core portion 111.
  • a region P2 indicates the refractive index distribution of the outer peripheral core portion 112.
  • a region P3 indicates the refractive index distribution of the cladding portion 12.
  • the optical fiber 10 has a so-called W-type refractive index distribution in which the refractive index of the outer core portion 112 is lower than the refractive index of the cladding portion 12.
  • the relative refractive index difference of the central core portion 111 with respect to the cladding portion 12 is ⁇ 1
  • the relative refractive index difference of the outer core portion 112 with respect to the cladding portion 12 is ⁇ 2.
  • the relative refractive index differences ⁇ 1 and ⁇ 2 are defined by the following equations (1) and (2).
  • n 1 is the maximum refractive index of the central core portion 111
  • n 2 is the refractive index of the outer core portion 11
  • n c is the refractive index of the cladding portion 12.
  • n c is equal to the refractive index ns of the silica glass (1.44439 at a wavelength of 1550 nm).
  • the central core 111 has a diameter 2a
  • the outer core 112 has an outer diameter 2b.
  • Ra2 is defined as b / a which is a ratio of the outer peripheral core portion outer diameter 2b and the central core portion diameter 2a.
  • the central core portion diameter 2a is a diameter at a position where the relative refractive index difference ⁇ 1 is 0% at the boundary between the central core portion 111 and the outer peripheral core portion 112.
  • the outer peripheral core portion outer diameter 2b is a diameter at a position where the relative refractive index difference becomes a half value of the relative refractive index difference ⁇ 2 at the boundary between the outer peripheral core portion 112 and the cladding portion 12.
  • the effective refractive index of the LP01 mode that is the fundamental propagation mode of the optical fiber 10 according to the first embodiment is n eff (LP01), and the LP11 mode that is the first higher-order propagation mode.
  • N eff (LP11) and the effective refractive index of the LP21 mode that is the second higher-order propagation mode is n eff (LP21).
  • n eff the effective refractive index of the LP01 mode that is the fundamental propagation mode of the optical fiber 10 according to the first embodiment
  • n eff LP11
  • n eff the effective refractive index of the LP21 mode that is the second higher-order propagation mode
  • the difference between the refractive index n c of the n eff (LP21) and the cladding portion 12 and [Delta] n has a [Delta] n such that 0.0002 or more.
  • the effective refractive index of the LP21 mode which is a second-order propagation mode n eff (LP21)
  • n eff LP21
  • the optical fiber 10 as characteristics at the wavelength 1550 nm, the effective core area of the LP01 mode is 120 [mu] m 2 or more, and the effective core area of the LP11 mode is 150 [mu] m 2 or more, the effective core area of the LP21 mode is 180 [mu] m 2
  • the bending loss in the LP01 mode, the LP11 mode, and the LP21 mode is reduced as described above.
  • n eff and (LP21) to increase 0.0002 or more than n c for example ⁇ 1 to 0.42%, Delta] 2 to -0.10%, 2a, 2b, respectively 16.20 ⁇ m, 64.80 ⁇ m ( That is, Ra2 may be set to 4.0).
  • n eff (LP21) is 0.0005 greater than 1.44492 next, n c.
  • the effective core area of the LP01 mode is 150.4 ⁇ m 2
  • the bending loss is 4.16 ⁇ 10 ⁇ 8 dB / m
  • the effective core area of the LP11 mode is 213.9 ⁇ m 2
  • the characteristics at the wavelength of 1550 nm are bending
  • the loss is 3.12 ⁇ 10 ⁇ 6 dB / m
  • the effective core area of the LP21 mode is 248.1 ⁇ m 2
  • the bending loss is 2.25 dB / m
  • desired characteristics can be obtained.
  • the bending loss is when the bending diameter is 20 mm.
  • the effective refractive index n eff (LP02) of the third higher-order mode LP02 at a wavelength of 1550 nm is 1.44427, which is the refractive index of quartz glass. It becomes smaller than (1.444439).
  • the LP02 mode becomes the leaky mode at the wavelength of 1550 nm, and only the three modes of the LP01 mode, the LP11 mode, and the LP21 mode become the propagation modes.
  • FIGS. 3A and 3B are diagrams showing the field distribution of the fundamental mode (LP01 mode) of the optical fiber 10.
  • FIG. 4A and 4B are diagrams showing the field distribution of the first higher-order mode (LP11 mode) of the optical fiber 10.
  • 5A and 5B are diagrams illustrating field distributions of the first higher-order mode (LP21 mode) of the optical fiber 10.
  • 6A and 6B are diagrams showing the field distribution of the first higher-order mode (LP02 mode) of the optical fiber 10.
  • FIG. 3A shows the intensity distribution of the Ex component of the electric field
  • FIG. 3B shows the vector electric field distribution. The same applies to the other FIGS. 4A and 4 to 6A and 6B.
  • the LP01 mode has a Gaussian shape having a high-intensity field distribution at the center. Further, as shown in FIGS. 4A, 4B, 5A, and 5B, the LP11 mode and the LP21 mode do not have a field distribution in the center, but have a high-intensity field distribution around the mode distribution. However, the shape of the field distribution is different between the LP11 mode and the LP21 mode. Therefore, mutual interference is suppressed in the LP01 mode, the LP11 mode, and the LP21 mode. On the other hand, as shown in FIGS.
  • the LP02 mode has a high field intensity both at the center and the periphery thereof, and thus may interfere with all other LP01 modes, LP11 modes, and LP21 modes. Even when these four modes propagate through the optical fiber, it is difficult to selectively extract only the LP02 mode.
  • the optical fiber 10 of the first embodiment only the three modes of the LP01 mode, the LP11 mode, and the LP21 mode propagate, and the LP02 mode is a leaky mode. It is preferable. Therefore, when three signal lights are incident on the optical fiber 10, if the three signal lights are incident and propagated so as to propagate in each of the three propagation modes, three-mode light transmission with little interference is possible. become. Further, two modes LP11 and LP21 may be handled as one mode group.
  • the LP01 mode, LP11 mode, and LP21 mode to be used have a large effective core area, a small bending loss, and interference between the propagation modes. Very little.
  • FIG. 7 is a diagram showing the structural parameters of optical fibers according to calculation examples 1-1 to 1-6, 2-1 to 2-4, and 3-1 to 3-8.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating optical characteristics of the optical fiber base (LP01 mode) and LP11 mode according to calculation examples 1-1 to 1-6, 2-1 to 2-4, and 3-1 to 3-8.
  • FIG. 9 is a diagram showing the optical characteristics of the LP21 mode and the effective refractive index of the LP02 mode of the optical fibers according to calculation examples 1-1 to 1-6, 2-1 to 2-4, and 3-1 to 3-8. is there.
  • Calculation examples 1-1 to 1-6 are calculated by fixing ⁇ 2 to ⁇ 1.0% and changing Ra2 and ⁇ 1.
  • Calculation examples 2-1 to 2-4 are calculated by fixing Ra2 to 3.0 and changing ⁇ 1 and ⁇ 2.
  • Ra2 and ⁇ 1 are fixed to 2.0 and 0.43%, respectively, and ⁇ 2 is changed.
  • n eff means the effective refractive index
  • ⁇ n is the n c is the refractive index of n eff
  • Aeff means effective core area.
  • E is a symbol representing a power of 10.
  • 2.73E-06 means “2.73 ⁇ 10 ⁇ 6 ”.
  • the optical characteristics are all values at a wavelength of 1550 nm.
  • the relative refractive index difference ⁇ 1 of the optical fiber is 0.36% or more
  • the relative refractive index difference ⁇ 2 is ⁇ 0.5% or less
  • the center core portion diameter 2a is 14.4.
  • the effective core area of the LP01 mode is 120 ⁇ m 2 or more
  • the effective core area of the LP11 mode is 150 ⁇ m 2 or more
  • the effective core area of the LP21 mode is 180 ⁇ m 2 or more.
  • the bending loss in the LP01 mode is 1 dB / m or less
  • / or the bending loss in the LP11 mode is 10 dB / m or less
  • / or the bending loss in the LP21 mode is 200 dB / m or less. More preferably, a combination of structural parameters is selected.
  • the n eff of the LP21 mode is clad. It can be increased 0.0005 or more as part of the n c. As a result, the LP21 mode is more strongly confined in the core portion of the optical fiber, which is more preferable because bending loss can be further reduced. Furthermore, if ⁇ 1 is 0.48% or less, n eff of the LP02 mode can be made smaller than n c of the cladding part. When n eff of LP02 mode is less than n c, the leakage loss is rapidly increased. This is preferable because light can be more reliably suppressed from propagating through the optical fiber in the LP02 mode, and light transmission in the three modes can be more reliably realized.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the relative refractive index difference ⁇ 1 and the effective refractive index n eff of the LP21 mode and the LP02 mode when the value of the relative refractive index difference ⁇ 2 is changed.
  • ⁇ 2 is set to ⁇ 0.2%, ⁇ 0.1%, or 0%.
  • Ra2 is fixed at 3.0
  • 2a is any value between 13.2 ⁇ m and 17.0 ⁇ m
  • 2b is any value between 39.6 ⁇ m and 51.0 ⁇ m
  • ⁇ 1 is equal to 0.
  • the value is any one of 29% to 0.51%.
  • “ ⁇ 0.2 LP21” means the LP21 mode when ⁇ 2 is ⁇ 0.2%.
  • n eff increases as ⁇ 1 increases. Further, when the difference in n eff between the LP21 mode and the LP02 mode in the case of the same ⁇ 2 is compared, the difference increases as ⁇ 2 decreases.
  • Figure 11 is a Delta] 2, the difference between the effective refractive index and LP02 mode effective refractive index of the LP21 mode relationship between the (n eff (LP21) -n eff (LP02)), and a bending loss of Delta] 2 and LP21 modes It is a figure which shows the relationship.
  • Ra2 is fixed to 2.0
  • ⁇ 1 is fixed to 0.43%
  • 2a is any value from 16.3 ⁇ m to 17.3 ⁇ m
  • 2b is 32.6 ⁇ m to 34.6 ⁇ m.
  • the larger ⁇ 2 is small n eff (LP21) -n eff (LP02).
  • n eff (LP21) ⁇ n eff (LP02) is large, LP21 mode light can be more strongly confined and propagated in the core portion of the optical fiber, and LP02 mode light can be leaked more easily, and The allowable range of other structural parameters for realizing this is also widened.
  • the bending loss in the LP21 mode the smaller the ⁇ 2, the stronger the light confinement and the smaller the bending loss.
  • ⁇ 2 is small. However, if ⁇ 2 is reduced, transmission loss may increase, and the effect of reducing ⁇ 2 is saturated. Therefore, it is preferable to set ⁇ 2 to an appropriate value in consideration of this.
  • Example 1 of the present invention an optical fiber according to Embodiment 1 was manufactured using the structural parameters of Calculation Example 3-2 in FIG. 7 as design values.
  • FIG. 12 is a diagram showing measured values of the structural parameters of the manufactured optical fiber of Example 1. In FIG. As shown in FIG. 12, the optical fiber of Example 1 had structural parameters almost as designed.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating calculated values of optical characteristics of the propagation modes of the optical fiber according to the first embodiment.
  • the effective refractive index n eff was larger than the refractive index n c of the cladding part (1.444439 at a wavelength of 1550 nm).
  • the effective refractive index n eff of the LP02 mode was smaller than the refractive index n c of the cladding portion.
  • optical loss due to leakage in the LP01 mode, LP11 mode, and LP21 mode is extremely small. Further, it is estimated that the optical loss due to the leakage of the LP02 mode is extremely large as compared with the other three modes. Further, it was confirmed that the bending loss was extremely small for the LP01 mode, the LP11 mode, and the LP21 mode.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining a method of measuring optical characteristics of an optical fiber.
  • a measurement optical fiber 20 that transmits measurement light in a single mode is connected to one end of an optical fiber 10 that is an optical fiber to be measured that propagates measurement light of a predetermined wavelength in a multimode.
  • the measurement optical fiber 20 includes a core portion 21 and a cladding portion 22.
  • the center axis X1 of the core portion 11 of the optical fiber 10 and the center axis X2 of the core portion 21 of the measurement optical fiber 20 are connected so as to be shifted by a predetermined offset OF.
  • a light source is connected to the other end of the measurement optical fiber 20.
  • a measuring device for measuring desired optical characteristics is connected to the other end of the optical fiber 10. In this state, the measurement light L1 output from the light source is input to the optical fiber 10 from the measurement optical fiber 20 side. Then, the measurement light L2 propagated through the optical fiber 10 and output is measured by the measurement device.
  • the LP01 mode having a field distribution on the central axis X1 is mainly excited in the optical fiber 10.
  • the offset OF is set to a predetermined value, in the optical fiber 10, the LP11 mode and the LP21 mode having a field distribution around the central axis X1 are mainly excited.
  • the offset OF is set to a value between zero and the predetermined value, the LP01 mode, the LP11 mode, and the LP21 mode are excited in the optical fiber 10.
  • the desired propagation mode of the optical fiber 10 can be excited and light can be propagated in the propagation mode. As a result, the optical characteristics of a desired propagation mode can be measured.
  • the mode field diameter of the measurement optical fiber 20 is less than or equal to 1 ⁇ 2 of the mode field diameter of the fundamental propagation mode (LP01 mode) of the optical fiber 10 that is the optical fiber to be measured. It is preferable because the base propagation mode and the higher-order propagation mode can be easily excited separately.
  • the mode field diameter of the measurement optical fiber 20 is preferably 4 ⁇ m or less, for example. As such an optical fiber having a small mode field diameter, a known highly nonlinear optical fiber can be used.
  • FIG. 15 is a diagram showing the measurement results of the optical characteristics of the optical fiber of Example 1.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a field distribution of light output from the optical fiber according to the first embodiment when the offset is set to 0 ⁇ m.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a field distribution of light output from the optical fiber according to the first embodiment when the offset is 5 ⁇ m.
  • FIG. 18 is a diagram showing a field distribution of light output from the optical fiber of Example 1 when the offset is 9 ⁇ m. 16 to 18, the horizontal axis indicates the position from the central axis of the core portion, and the vertical axis indicates the light intensity in arbitrary units. In this measurement, the length of the optical fiber of Example 1 was 2 m.
  • a highly nonlinear optical fiber having a mode field diameter of about 4 ⁇ m was used as the measurement optical fiber.
  • transmission loss, bending loss, effective core area (Aeff), polarization mode dispersion (PMD), and wavelength dispersion were measured.
  • Transmission loss and effective core area were measured with measuring light having a wavelength of 1.55 ⁇ m and a wavelength of 1.31 ⁇ m.
  • Other optical characteristics were measured with measurement light having a wavelength of 1.55 ⁇ m. 16 to 18 show the case where measurement light having a wavelength of 1.55 ⁇ m is used.
  • the LP01 mode having a high-intensity field near the central axis of the core is mainly excited.
  • the offset is 9 ⁇ m
  • the LP11 mode and the LP21 mode having a high-intensity field around the central axis of the core portion are mainly excited.
  • the offset is 5 ⁇ m
  • the offset is 5 ⁇ m or 9 ⁇ m, it is considered that the mixed mode is a higher order mode.
  • a desired propagation mode can be excited by appropriately setting the magnitude of the offset.
  • the microbend loss is defined as an increase in transmission loss due to a slight bending applied to the optical fiber when a lateral pressure is applied to the optical fiber.
  • the outer diameter of the clad part 12 is made larger than 125 ⁇ m, which is the outer diameter of the clad part of a normal optical fiber, the influence of the side pressure on the light confinement is reduced, so that the microbend loss can be reduced.
  • the microbend loss increases along with the bending loss. Therefore, in the optical fiber 10 with a small bending loss, the restriction on the effective core area due to the microbend loss is relaxed by reducing the microbend loss in this way, so that the effective core area can be further increased. .
  • the LP01 mode has two degenerated polarization modes
  • the LP01 mode and the LP21 mode have four degenerated polarization modes, respectively.
  • the above calculation is performed by selecting one polarization mode from each of two or four degenerated modes.
  • the optical characteristics of the degenerated polarization mode are almost the same. Therefore, the above calculation result can be applied to other degenerated polarization modes. Therefore, if this calculation result is used, an optical system suitable for a transmission method using not only mode multiplexing but also polarization mode multiplexing is used. It is possible to realize a fiber.
  • FIG. 19 is a schematic configuration diagram of an optical transmission system according to the second embodiment.
  • the optical transmission system 100 includes an optical fiber 101, an optical transmission device 102, an optical amplifier 103, and an optical reception device 104.
  • the optical fiber 101 is an optical transmission line that connects the optical transmitter 102 and the optical receiver 104.
  • the optical fiber 101 is, for example, the optical fiber according to the first embodiment, and propagates light in a predetermined use wavelength band in a plurality of propagation modes.
  • the optical transmission apparatus 102 includes a signal light source that is, for example, a semiconductor laser element, and outputs signal light for signal transmission using a plurality of propagation modes (for example, LP01 mode, LP11 mode, and LP21 mode) of the optical fiber 101. .
  • a signal light source that is, for example, a semiconductor laser element, and outputs signal light for signal transmission using a plurality of propagation modes (for example, LP01 mode, LP11 mode, and LP21 mode) of the optical fiber 101.
  • the optical amplifier 103 is inserted between the optical fiber 101 and the optical fiber 101.
  • the optical amplifier 103 is configured to amplify signal light propagating in a plurality of propagation modes of the optical fiber 101 for each propagation mode. Note that the field pattern of light in each propagation mode is different. Therefore, the optical amplifier 103 can amplify each propagation mode of the signal light individually or simultaneously.
  • the optical amplifier 103 may not be provided depending on the transmission distance (total distance of the optical fiber 101 used).
  • the optical receiver 104 receives the signal light that has propagated through the optical fiber 101 in each propagation mode, converts the signal light into an electrical signal for each propagation mode, and the electrical signal converted by the light receiving element. And a signal processing device for processing.
  • this optical transmission system 100 signal light is mode-multiplexed using an optical fiber 101 capable of propagating a plurality of modes. Therefore, the transmission unit of the optical transmission device 102 and the reception unit of the optical reception device 104 are coupled with the signal light in each propagation mode, or the signal light is separated into each propagation mode and the signal light is transmitted for each propagation mode.
  • a mode multiplexer / demultiplexer is provided for receiving. According to the optical transmission system 100, it is possible to realize an optical transmission system that has a large transmission capacity and that suppresses the occurrence of nonlinear optical phenomena and the effects of bending loss in an optical fiber that constitutes an optical transmission line.
  • the refractive index distribution in the vicinity of the core portion 11 is the W type.
  • the refractive index distribution of the optical fiber according to the present invention is not limited to this, and the single-peak profile, stepped profile, segment Any refractive index distribution such as a core type profile, a trench type profile, a W + side core type profile, or a ring type profile can be used.
  • the clad portion is made of pure silica glass.
  • the central core portion is made of pure silica glass
  • the outer core portion and the clad portion are made of quartz glass containing a dopant that lowers the refractive index.
  • the optical fiber is made of a silica-based glass material.
  • the constituent material of the optical fiber according to the present invention is not limited to this, and an optical fiber such as another glass material or a plastic material is used. The optical material which can be used can be utilized suitably.
  • the effective core area of the base propagation mode is 120 ⁇ m 2 or more
  • the effective core area of the first higher-order propagation mode is 150 ⁇ m 2 or more
  • the effective core area of the second higher-order propagation mode is Is not less than 180 ⁇ m 2
  • the effective refractive index is 0.0002 or more larger than the refractive index of the cladding part
  • the effective refractive index of the third higher-order propagation mode is smaller than the refractive index of the cladding part.
  • wavelength of the signal light to be transmitted through the optical fiber a wavelength band including 1550 nm or a desired wavelength band used for optical fiber communication can be used.
  • the optical fiber according to the present invention is suitable for use in the field of optical communication.

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Abstract

　コア部と、前記コア部の外周に形成され該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、波長１５５０ｎｍにおける特性は、基底伝搬モードの有効コア断面積が１２０μｍ２以上であり、第１高次伝搬モードの有効コア断面積が１５０μｍ２以上であり、第２高次伝搬モードの有効コア断面積が１８０μｍ２以上であり、かつ該第２高次伝搬モードの実効屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも０．０００２以上大きく、第３高次伝搬モードの実効屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも小さい光ファイバである。

Description

光ファイバ、光伝送システム、および光ファイバの測定方法
　本発明は、光ファイバ、光伝送システム、および光ファイバの測定方法に関するものである。
　近年のインターネットトラヒックの劇的な増大に伴い、将来的な伝送容量の不足が予想されている。これを解決する方法として、従来用いられていた光ファイバの基底伝搬モードに加え、より高次の伝搬モードを光伝送に用いるモード多重伝送技術が開示されている（非特許文献１、２参照）。また、より高品質な光伝送のために、光ファイバの有効コア断面積（Ａeff）を拡大して、光ファイバ中での非線形光学現象の発生を抑制することも重要である（非特許文献３、４参照）。
C.Koebele,　M.Salsi,　G.Charlet,　S.Bigo　"Nonlinear　Effects　in　Long-Haul　Transmission　over　Bimodal　Optical　Fiber,"　ECOC2010、Mo.2.C.6 Bernd　Franz,　Detlef　Suikat,　Roman　Dischler,　Fred　Buchali,　Henning　Buelow　"High　Speed　OFDM　Data　Transmission　Over　5　km　GI-Multimode　Fiber　Using　Spatial　Multiplexing　With　2x4　MIMO　Processing,"　ECOC2010、Tu.3.C.4 Marianne　Bigot-Astruc,　Frans　Gooijer,　Nelly　Montaigne,　Pierre　Sillard,　"Trench-Assisted　Profiles　for　Large-Effective-Area　Single-Mode　Fibers,"　ECOC2008、Mo.4.B.1 Yoshinori　Yamamoto,　Masaaki　Hirano,　Kazuya　Kuwahara,　Takashi　Sasaki　"OSNR-Enhancing　Pure-Silica-Core　Fiber　with　Large　Effective　Area　and　Low　Attenuation,"　OFC/NFOEC2010、OTuI2
　しかしながら、光ファイバの有効コア断面積を拡大すると、曲げ損失が大きくなってしまうという問題がある。特に、光ファイバの基底および高次の伝搬モードを光伝送に用いる場合においては、使用する各伝搬モードに対して曲げ損失の問題が生じることになる。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光ファイバの基底および高次の伝搬モードを光伝送に用いる場合においても、使用する各伝搬モードにおいて有効コア断面積が大きくかつ曲げ損失が小さい光ファイバ、光伝送システム、および光ファイバの測定方法を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明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該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、波長１５５０ｎｍにおける特性は、基底伝搬モードの有効コア断面積が１２０μｍ２以上であり、第１高次伝搬モードの有効コア断面積が１５０μｍ２以上であり、第２高次伝搬モードの有効コア断面積が１８０μｍ２以上であり、かつ該第２高次伝搬モードの実効屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも０．０００２以上大きく、第３高次伝搬モードの実効屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも小さいことを特徴とする。
　また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記第２高次伝搬モードの実効屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも０．０００５以上大きいことを特徴とする。
　また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記第１高次伝搬モードはＬＰ１１モードであることを特徴とする。
　また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記第２高次伝搬モードはＬＰ２１モードであることを特徴とする。
　また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記第３高次伝搬モードはＬＰ０２モードであることを特徴とする。
　また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記コア部は、前記最大屈折率を有する中心コア部と、前記中心コア部の外周に形成され前記クラッド部の屈折率よりも低い屈折率を有する外周コア部とからなることを特徴とする。
　また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記クラッド部に対する前記中心コア部の比屈折率差Δ１が０．３６％以上であり、前記クラッド部に対する前記外周コア部の比屈折率差Δ２が－０．０５％以下であり、前記中心コア部の直径が１４．９０μｍ～１７．３０μｍであり、前記中心コア部の直径に対する前記外周コア部の外径の比が２．０以上であることを特徴とする。
　また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記比屈折率差Δ１が０．４１％以上であることを特徴とする。
　また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記比屈折率差Δ１が０．４８％以下であることを特徴とする。
　また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記クラッド部の外径が１２５μｍより大きいことを特徴とする。
　また、本発明に係る光伝送システムは、上記の発明の光ファイバを備えることを特徴とする。
　また、本発明に係る光ファイバの測定方法は、所定の波長の測定光をマルチモードで伝搬する被測定光ファイバの一方の端部に、前記測定光をシングルモードで伝搬する測定用光ファイバを、前記被測定光ファイバのコア部の中心軸と前記測定用光ファイバのコア部の中心軸とが所定のオフセットだけずれた状態になるように接続する接続工程と、前記測定用光ファイバから前記測定光を前記被測定光ファイバに入力して伝搬させ、前記被測定光ファイバのもう一方の端部から出力された前記測定光の特性を測定する測定工程と、を含み、前記測定光が前記被測定光ファイバを所定の伝搬モードで伝搬するように前記オフセットを設定することを特徴とする。
　また、本発明に係る光ファイバの測定方法は、上記の発明において、前記測定用光ファイバのモードフィールド径は前記被測定光ファイバの基底伝搬モードのモードフィールド径の１／２以下であることを特徴とする。
　また、本発明に係る光ファイバの測定方法は、上記の発明において、前記測定用光ファイバのモードフィールド径は４μｍ以下であることを特徴とする。
　本発明によれば、使用する各伝搬モードにおいて有効コア断面積が大きくかつ曲げ損失が小さい光ファイバを実現できるという効果を奏する。
図１は、実施の形態１に係る光ファイバの模式的な断面図である。 図２は、図１に示す光ファイバの屈折率分布を示す図である。 図３Ａは、図１に示す光ファイバの基底モード（ＬＰ０１モード）のフィールド分布（電界のＥｘ成分の強度分布）を示す図である。 図３Ｂは、図１に示す光ファイバの基底モード（ＬＰ０１モード）のフィールド分布（ベクトル電界分布）を示す図である。 図４Ａは、図１に示す光ファイバの第１高次モード（ＬＰ１１モード）のフィールド分布（電界のＥｘ成分の強度分布）を示す図である。 図４Ｂは、図１に示す光ファイバの第１高次モード（ＬＰ１１モード）のフィールド分布（ベクトル電界分布）を示す図である。 図５Ａは、図１に示す光ファイバの第１高次モード（ＬＰ２１モード）のフィールド分布（電界のＥｘ成分の強度分布）を示す図である。 図５Ｂは、図１に示す光ファイバの第１高次モード（ＬＰ２１モード）のフィールド分布（ベクトル電界分布）を示す図である。 図６Ａは、図１に示す光ファイバの第１高次モード（ＬＰ０２モード）のフィールド分布（電界のＥｘ成分の強度分布）を示す図である。 図６Ｂは、図１に示す光ファイバの第１高次モード（ＬＰ０２モード）のフィールド分布（ベクトル電界分布）を示す図である。 図７は、計算例１－１～１－６、２－１～２－４、３－１～３－８に係る光ファイバの構造パラメータを示す図である。 図８は、計算例１－１～１－６、２－１～２－４、３－１～３－８に係る光ファイバの基底（ＬＰ０１モード）およびＬＰ１１モードの光学特性を示す図である。 図９は、計算例１－１～１－６、２－１～２－４、３－１～３－８に係る光ファイバのＬＰ２１モードの光学特性およびＬＰ０２モードの実効屈折率を示す図である。 図１０は、Δ２の値を変えた場合のΔ１とＬＰ２１モード、ＬＰ０２モードの実効屈折率との関係を示す図である。 図１１は、Δ２と、ＬＰ２１モードの実効屈折率とＬＰ０２モードの実効屈折率との差との関係、および、Δ２とＬＰ２１モードの曲げ損失との関係を示す図である。 図１２は、実施例１の光ファイバの構造パラメータの測定値を示す図である。 図１３は、実施例１の光ファイバの各伝搬モードの光学特性の計算値を示す図である。 図１４は、光ファイバの光学特性の測定方法を説明する図である。 図１５は、実施例１の光ファイバの光学特性の測定結果を示す図である。 図１６は、オフセットを０μｍとした場合の、実施例１の光ファイバから出力された光のフィールド分布を示す図である。 図１７は、オフセットを５μｍとした場合の、実施例１の光ファイバから出力された光のフィールド分布を示す図である。 図１８は、オフセットを９μｍとした場合の、実施例１の光ファイバから出力された光のフィールド分布を示す図である。 図１９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。
　以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバ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、曲げ損失とは、所定の直径（曲げ径）で曲げたときのマクロの曲げ損失を意味する。また、本明細書において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。
（実施の形態１）
　図１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバの模式的な断面図である。図１に示すように、この光ファイバ１０は、中心に位置するコア部１１と、コア部１１の外周に形成されたクラッド部１２とを備える。
　コア部１１は、中心コア部１１１と、中心コア部１１１の外周に形成された外周コア部１１２とを備える。中心コア部１１１は、ゲルマニウム（Ｇｅ）等の屈折率を高めるドーパントを含む石英ガラスからなる。外周コア部１１２は、フッ素（Ｆ）等の屈折率を低めるドーパントを含む石英ガラスからなる。クラッド部１２は、屈折率を調整するドーパントを含まない純石英ガラスからなる。その結果、中心コア部１１１はコア部１１における最大屈折率を有し、かつクラッド部１２よりも屈折率が高くなっている。また、外周コア部１１２はクラッド部１２よりも屈折率が低くなっている。
　図２は、図１に示す光ファイバ１０の屈折率分布を示す図である。図２において、領域Ｐ１は中心コア部１１１の屈折率分布を示している。領域Ｐ２は外周コア部１１２の屈折率分布を示している。領域Ｐ３はクラッド部１２の屈折率分布を示している。このように、この光ファイバ１０は、外周コア部１１２の屈折率がクラッド部１２の屈折率よりも低い、いわゆるＷ型の屈折率分布を有している。
　ここで、図２に示すように、クラッド部１２に対する中心コア部１１１の比屈折率差をΔ１とし、クラッド部１２に対する外周コア部１１２の比屈折率差をΔ２とする。比屈折率差Δ１、Δ２は、以下の式（１）、（２）によって定義する。
　Δ１＝｛（ｎ１－ｎｃ）／ｎｃ｝×１００　［％］　・・・　（１）
　Δ２＝｛（ｎ２－ｎｃ）／ｎｃ｝×１００　［％］　・・・　（２）
　ただし、ｎ１は中心コア部１１１の最大屈折率を示し、ｎ２は外周コア部１１２の屈折率を示し、ｎｃはクラッド部１２の屈折率を示す。なお、本実施の形態１では、クラッド部１２は純石英ガラスからなるので、ｎｃは石英ガラスの屈折率ｎｓ（波長１５５０ｎｍで１．４４４３９）に等しい。
　また、図２に示すように、中心コア部１１１の直径を２ａ、外周コア部１１２の外径を２ｂとする。また、外周コア部外径２ｂと中心コア部直径２ａとの比であるｂ／ａをＲａ２とする。なお、中心コア部直径２ａは、中心コア部１１１と外周コア部１１２との境界において比屈折率差Δ１が０％となる位置での径とする。また、外周コア部外径２ｂは、外周コア部１１２とクラッド部１２との境界において、比屈折率差が比屈折率差Δ２の１／２の値となる位置での径とする。
　ここで、図２に示すように、本実施の形態１に係る光ファイバ１０の基底伝搬モードであるＬＰ０１モードの実効屈折率をｎｅｆｆ（ＬＰ０１）とし、第１高次伝搬モードであるＬＰ１１モードの実効屈折率をｎｅｆｆ（ＬＰ１１）とし、第２高次伝搬モードであるＬＰ２１モードの実効屈折率をｎｅｆｆ（ＬＰ２１）とする。この光ファイバ１０では、ｎｅｆｆ（ＬＰ２１）とクラッド部１２の屈折率ｎｃとの差をΔｎとすると、Δｎを０．０００２以上となるようにしている。
　このように、この光ファイバ１０では、第２高次伝搬モードであるＬＰ２１モードの実効屈折率ｎｅｆｆ（ＬＰ２１）を、クラッド部１２の屈折率ｎｃよりも０．０００２以上大きくしている。これによって、この光ファイバ１０は、波長１５５０ｎｍの特性として、ＬＰ０１モードの有効コア断面積が１２０μｍ２以上、かつＬＰ１１モードの有効コア断面積が１５０μｍ２以上、ＬＰ２１モードの有効コア断面積が１８０μｍ２以上と大きくなり、かつＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、およびＬＰ２１モードの曲げ損失が小さくなる。
　なお、ｎｅｆｆ（ＬＰ２１）をｎｃよりも０．０００２以上大きくするには、たとえばΔ１を０．４２％、Δ２を－０．１０％、２ａ、２ｂをそれぞれ１６．２０μｍ、６４．８０μｍ（すなわちＲａ２を４．０）にすればよい。このように光ファイバ１０の構造パラメータを設定すると、ｎｅｆｆ（ＬＰ２１）は１．４４４９２となり、ｎｃよりも０．０００５大きくなる。このとき、波長１５５０ｎｍの特性として、ＬＰ０１モードの有効コア断面積が１５０．４μｍ２、曲げ損失が４．１６×１０－８ｄＢ／ｍ、ＬＰ１１モードの有効コア断面積が２１３．９μｍ２、曲げ損失が３．１２×１０－６ｄＢ／ｍ、ＬＰ２１モードの有効コア断面積が２４８．１μｍ２、曲げ損失が２．２５ｄＢ／ｍとなり、所望の特性が得られる。なお、曲げ損失は曲げ径が２０ｍｍの場合である。
　また、光ファイバ１０の構造パラメータを上記のように設定した場合には、第３高次モードであるＬＰ０２の波長１５５０ｎｍにおける実効屈折率ｎｅｆｆ（ＬＰ０２）は、１．４４４２７と石英ガラスの屈折率(１．４４４３９)よりも小さくなる。その結果、光ファイバ１０では、波長１５５０ｎｍにおいてＬＰ０２モードは漏洩モードとなり、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、ＬＰ２１モードの３モードのみが伝搬モードとなる。
　ここで、図３Ａ、Ｂは、光ファイバ１０の基底モード（ＬＰ０１モード）のフィールド分布を示す図である。図４Ａ、Ｂは、光ファイバ１０の第１高次モード（ＬＰ１１モード）のフィールド分布を示す図である。図５Ａ、Ｂは、光ファイバ１０の第１高次モード（ＬＰ２１モード）のフィールド分布を示す図である。図６Ａ、Ｂは、光ファイバ１０の第１高次モード（ＬＰ０２モード）のフィールド分布を示す図である。たとえば、図３Ａは電界のＥｘ成分の強度分布を示しており、図３Ｂは、ベクトル電界分布を示している。他の図４Ａ、Ｂ～図６Ａ、Ｂについても同様である。
　図３Ａ、Ｂに示すように、ＬＰ０１モードは中心に高強度のフィールド分布を有するガウシアン形状となっている。また、図４Ａ、Ｂ、図５Ａ、Ｂに示すように、ＬＰ１１モードとＬＰ２１モードは、中心にフィールド分布を有さず、その周囲で高強度のフィールド分布となっている。ただし、ＬＰ１１モードとＬＰ２１モードとでは、フィールド分布の形状は互いに異なっている。したがって、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、およびＬＰ２１モードは、お互いの干渉が抑制される。一方、図６Ａ、Ｂに示すように、ＬＰ０２モードは中心およびその周囲の両方でフィールドの強度が高いため、他のＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、ＬＰ２１モードの全てと干渉するおそれがある、また、これらの４つのモードが光ファイバを伝搬してきた場合でも、ＬＰ０２モードだけを選択的に取り出すことは困難である。
　これに対して、本実施の形態１の光ファイバ１０では、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、ＬＰ２１モードの３モードのみが伝搬し、ＬＰ０２モードは漏洩モードであるので、伝搬モード間の干渉が複雑にならず好ましい。したがって、光ファイバ１０に３つの信号光を入射する際に、３つの信号光が３つの伝搬モードの各々で伝搬するように入射して伝搬させれば、互いに干渉が少ない３モード光伝送が可能になる。また、ＬＰ１１、ＬＰ２１の２モードを１つのモード群として取り扱っても良い。
　以上説明したように、本実施の形態１に係る光ファイバ１０は、使用するＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、ＬＰ２１モードについて、有効コア断面積が大きくかつ曲げ損失が小さく、かつ各伝搬モード間の干渉がきわめて少ないものとなる。
　つぎに、有限要素法によるシミュレーションを用いた計算結果を参照して、本実施の形態１に係る光ファイバの好ましい設計についてより具体的に説明する。
　図７は、計算例１－１～１－６、２－１～２－４、３－１～３－８に係る光ファイバの構造パラメータを示す図である。図８は、計算例１－１～１－６、２－１～２－４、３－１～３－８に係る光ファイバの基底（ＬＰ０１モード）およびＬＰ１１モードの光学特性を示す図である。図９は、計算例１－１～１－６、２－１～２－４、３－１～３－８に係る光ファイバのＬＰ２１モードの光学特性およびＬＰ０２モードの実効屈折率を示す図である。
　計算例１－１～１－６は、Δ２を－１．０％に固定し、Ｒａ２およびΔ１を変化させて計算したものである。計算例２－１～２－４は、Ｒａ２を３．０に固定し、Δ１およびΔ２を変化させて計算したものである。計算例３－１～３－８は、Ｒａ２およびΔ１をそれぞれ２．０、０．４３％に固定し、Δ２を変化させて計算したものである。
　図８、図９において、「ＭＦＤ」はモードフィールド径を意味し、「ｎｅｆｆ」は実効屈折率を意味し、「Δｎ」はＬＰ２１モードのｎｅｆｆとクラッド部の屈折率であるｎｃとの差を意味し、「Ａeff」は有効コア断面積を意味する。また、曲げ損失等の値において、「Ｅ」は１０のべき乗を表す記号であり、たとえば「２．７３Ｅ－０６」は「２．７３×１０－６」を意味する。また、光学特性については、いずれも波長１５５０ｎｍでの値である。
　図７～図９に示すように、光ファイバの比屈折率差Δ１が０．３６％以上であり、比屈折率差Δ２が－０．５％以下であり、中心コア部直径２ａが１４．９０μｍ～１７．３０μｍであり、比Ｒａ２が２．０以上であれば、ＬＰ２１モードのｎｅｆｆはクラッド部の屈折率であるｎｃ（＝１．４４４３９）よりも０．０００２以上大きくなる。その結果、ＬＰ０１モードの有効コア断面積が１２０μｍ２以上であり、ＬＰ１１モードの有効コア断面積が１５０μｍ２以上であり、ＬＰ２１モードの有効コア断面積が１８０μｍ２以上であり、かつ各伝搬モードでの曲げ損失が小さい光ファイバを実現できる。なお、曲げ損失については、ＬＰ０１モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以下であり、および／またはＬＰ１１モードの曲げ損失が１０ｄＢ／ｍ以下であり、および／またはＬＰ２１モードの曲げ損失が２００ｄＢ／ｍ以下であるような構造パラメータの組み合わせを選択することがより好ましい。
　また、計算例１－１、１－６、２－３、３－１～３－８に示すように、比屈折率差Δ１が０．４１％以上であれば、ＬＰ２１モードのｎｅｆｆをクラッド部のｎｃよりも０．０００５以上大きくできる。これによって、ＬＰ２１モードはより強く光ファイバのコア部に閉じ込められるので、曲げ損失をより小さくすることができるのでより好ましい。さらに、Δ１が０．４８％以下であれば、ＬＰ０２モードのｎｅｆｆをクラッド部のｎｃよりも小さくできる。ＬＰ０２モードのｎｅｆｆがｎｃよりも小さくなると、漏れ損失が急激に増加する。これによって、光がＬＰ０２モードで光ファイバを伝搬することをより確実に抑制でき、より確実に３モードでの光伝送を実現できるので好ましい。
　つぎに、光ファイバの比屈折率差Δ２がＬＰ２１モードおよびＬＰ０１モードに与える影響について説明する。図１０は、比屈折率差Δ２の値を変えた場合の比屈折率差Δ１とＬＰ２１モードおよびＬＰ０２モードの実効屈折率ｎｅｆｆとの関係を示す図である。Δ２は、－０．２％、－０．１％、または０％としている。他の構造パラメータについては、Ｒａ２を３．０に固定し、２ａを１３．２μｍ～１７．０μｍのいずれかの値、２ｂを３９．６μｍ～５１．０μｍのいずれかの値、Δ１を０．２９％～０．５１％のいずれかの値としている。図１０の凡例において、たとえば「－０．２　ＬＰ２１」とは、Δ２が－０．２％の場合のＬＰ２１モードを意味する。
　図１０に示すように、いずれの伝搬モード、Δ２の場合においても、Δ１を大きくするにつれてｎｅｆｆは大きくなる。また、同じΔ２の場合のＬＰ２１モードとＬＰ０２モードとのｎｅｆｆの差を比較すると、Δ２を小さくするにつれてその差は大きくなる。
　図１１は、Δ２と、ＬＰ２１モードの実効屈折率とＬＰ０２モードの実効屈折率との差（ｎｅｆｆ（ＬＰ２１）－ｎｅｆｆ（ＬＰ０２））との関係、および、Δ２とＬＰ２１モードの曲げ損失との関係を示す図である。なお、他の構造パラメータについては、Ｒａ２を２．０に、Δ１を０．４３％に固定し、２ａを１６．３μｍ～１７．３μｍのいずれかの値、２ｂを３２．６μｍ～３４．６μｍのいずれかの値としている。
　図１１に示すように、Δ２が小さいほうがｎｅｆｆ（ＬＰ２１）－ｎｅｆｆ（ＬＰ０２）が大きい。ｎｅｆｆ（ＬＰ２１）－ｎｅｆｆ（ＬＰ０２）が大きい場合、ＬＰ２１モードの光をより強く光ファイバのコア部に閉じ込めて伝搬させるとともにＬＰ０２モードの光を漏洩させることが、より容易に実現でき、かつこれを実現するための他の構造パラメータの許容範囲も広くなる。また、ＬＰ２１モードの曲げ損失についても、Δ２が小さいほうが光の閉じ込めが強くなるため曲げ損失が小さくなる。
　したがって、Δ２は小さいほうが好ましい。ただし、Δ２を小さくすると伝送損失が増加する場合があり、またΔ２を小さくする効果が飽和するので、これを考慮してΔ２を適切な値に設定することが好ましい。
　上記では光ファイバの比屈折率差Δ２がＬＰ２１モードおよびＬＰ０１モードに与える影響について説明したが、Ｒａ２についても同様の説明が成り立つ。すなわち、Ｒａ２が大きい方が、ｎｅｆｆ（ＬＰ２１）－ｎｅｆｆ（ＬＰ０２）が大きくなる。その結果、ＬＰ２１モードの光をより強く光ファイバのコア部に閉じ込めて伝搬させるとともにＬＰ０２モードの光を漏洩させることが、より容易に実現でき、かつこれを実現するための他の構造パラメータの許容範囲も広くなる。また、ＬＰ２１モードの曲げ損失についても、Ｒａ２が大きい方が光の閉じ込めが強くなるため曲げ損失が小さくなる。ただし、Ｒａ２を大きくすると伝送損失が増加する場合があり、またＲａ２を大きくする効果が飽和するので、これを考慮してＲａ２を適切な値に設定することが好ましい。
　つぎに、本発明の実施例１として、図７の計算例３－２の構造パラメータを設計値として、実施の形態１に従う光ファイバを製造した。図１２は、製造した実施例１の光ファイバの構造パラメータの測定値を示す図である。図１２に示すように、実施例１の光ファイバは、ほぼ設計通りの構造パラメータを有していた。
　つぎに、図１２に示した構造パラメータの測定値を用いて、実施例１の光ファイバの各伝搬モードの特性を計算した。図１３は、実施例１の光ファイバの各伝搬モードの光学特性の計算値を示す図である。図１３に示すように、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、ＬＰ２１モードについては、その実効屈折率ｎｅｆｆがクラッド部の屈折率ｎｃ（波長１５５０ｎｍで１．４４４３９）よりも大きかった。一方、ＬＰ０２モードの実効屈折率ｎｅｆｆはクラッド部の屈折率ｎｃよりも小さかった。その結果、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、ＬＰ２１モードの漏れによる光損失はきわめて小さいことが推定される。また、ＬＰ０２モードの漏れによる光損失は他の３モードと比較してきわめて大きいことが推定される。また、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、ＬＰ２１モードについては、曲げ損失がきわめて小さいことが確認された。
　つぎに、実施例１の光ファイバの光学特性を測定するために、実施例１の光ファイバに光を入力して伝搬させ、伝搬後に出力された光の特性を測定した。
　図１４は、光ファイバの光学特性の測定方法を説明する図である。本測定方法では、所定の波長の測定光をマルチモードで伝搬する被測定光ファイバである光ファイバ１０の一方の端部に、測定光をシングルモードで伝送する測定用光ファイバ２０を接続する。測定用光ファイバ２０はコア部２１とクラッド部２２とを備えるものである。接続の際は、光ファイバ１０のコア部１１の中心軸Ｘ１と測定用光ファイバ２０のコア部２１の中心軸Ｘ２とが所定のオフセットＯＦだけずれた状態になるように接続する。つぎに、測定用光ファイバ２０の他の端部に光源を接続する。また、光ファイバ１０の他の端部に所望の光学特性を測定するための測定装置を接続する。この状態で、測定用光ファイバ２０側から光ファイバ１０に光源から出力された測定光Ｌ１を入力する。そして、光ファイバ１０を伝搬して出力された測定光Ｌ２を測定装置にて測定する。
　このとき、オフセットＯＦをゼロとした場合は、光ファイバ１０においては、中心軸Ｘ１上にフィールド分布を有するＬＰ０１モードが主に励起される。オフセットＯＦを所定の値にすると、光ファイバ１０においては、中心軸Ｘ１の周辺にフィールド分布を有するＬＰ１１モードおよびＬＰ２１モードが主に励起される。また、オフセットＯＦをゼロと前記所定の値との間の値にすると、光ファイバ１０においては、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、およびＬＰ２１モードが励起される。このように、オフセットＯＦを適当に設定することによって、光ファイバ１０の所望の伝搬モードを励起して光をその伝搬モードで伝搬させることができる。その結果、所望の伝搬モードの光学特性を測定することができる。
　なお、測定用光ファイバ２０としては、測定用光ファイバ２０のモードフィールド径が、被測定光ファイバである光ファイバ１０の基底伝搬モード（ＬＰ０１モード）のモードフィールド径の１／２以下であれば、基底伝搬モードと高次伝搬モードとを別個に励起することが容易になるので好ましい。測定用光ファイバ２０のモードフィールド径としては、たとえば４μｍ以下であることが好ましい。このようなモードフィールド径が小さい光ファイバとしては、公知の高非線形光ファイバを用いることができる。
　図１５は、実施例１の光ファイバの光学特性の測定結果を示す図である。図１６は、オフセットを０μｍとした場合の、実施例１の光ファイバから出力された光のフィールド分布を示す図である。図１７は、オフセットを５μｍとした場合の、実施例１の光ファイバから出力された光のフィールド分布を示す図である。図１８は、オフセットを９μｍとした場合の、実施例１の光ファイバから出力された光のフィールド分布を示す図である。図１６～図１８において、横軸はコア部の中心軸からの位置を示し、縦軸は任意単位の光強度を示している。また、本測定において実施例１の光ファイバの長さは２ｍとした。
　測定用光ファイバとして、モードフィールド径が約４μｍの高非線形光ファイバを用いた。光学特性として、伝送損失、曲げ損失、有効コア断面積（Ａeff）、偏波モード分散（Polarization　Mode　Dispersion：ＰＭＤ）、および波長分散を測定した。伝送損失、有効コア断面積については、波長１．５５μｍ、波長１．３１μｍの測定光で測定した。その他の光学特性については波長１．５５μｍの測定光で測定した。また、図１６～図１８は、波長１．５５μｍの測定光を使用した場合を示している。
　図１６～図１８のフィールド分布の形状が示すように、オフセットが０μｍの場合は、コア部の中心軸付近に高強度のフィールドを有するＬＰ０１モードが主に励起されている。また、オフセットが９μｍの場合は、コア部の中心軸の周囲に高強度のフィールドを有するＬＰ１１モードとＬＰ２１モードが主に励起されている。また、オフセットが５μｍの場合は、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、およびＬＰ２１モードのすべてが励起されている可能性が高いと考えられる。なお、オフセットが５μｍ、９μｍの場合は高次モードの混在モードとなっていると考えられる。このように、オフセットの大きさを適切に設定することで、所望の伝搬モードを励起させることができる。
　また、実施例１の光ファイバの長さを２．６ｋｍとして、上記のオフセットが９μｍの状態で波長１．５５μｍ（１５５０ｎｍ）の測定を入力し、全長２．６ｋｍを伝搬させた後に出力された光のフィールド分布を測定した。その結果、図１８と同様にＬＰ１１、ＬＰ２１モードのフィールド分布のピークが観測された。すなわち、実施例１の光ファイバで３モードの光伝送が可能であることが確認された。
　なお、本実施の形態１に係る光ファイバ１０において、クラッド部１２の外径を１２５μｍより大きくすることによって、マイクロベンド損失を低減することも可能である。ここで、マイクロベンド損失とは、光ファイバに側圧が加えられたときに、光ファイバに微小な曲げが加えられることによる伝送損失の増加量として定義される。クラッド部１２の外径を通常の光ファイバのクラッド部の外径である１２５μｍより大きくすることで、側圧の影響が光の閉じ込めに与える影響が小さくなるので、マイクロベンド損失を低減することができる。なお、有効コア断面積を拡大した場合に、曲げ損失とともにマイクロベンド損失も大きくなってくる。したがって、曲げ損失が小さい光ファイバ１０において、このようにマイクロベンド損失を低減することによって、マイクロベンド損失による有効コア断面積の制限が緩和されるので、有効コア断面積をさらに拡大することができる。
　また、光ファイバ１０において、ＬＰ０１モードは２つの偏波モードが縮退しており、ＬＰ０１モードとＬＰ２１モードはそれぞれ４つの偏波モードが縮退している。上記の計算は、２つまたは４つの縮退したモードからそれぞれ偏波モードを１つずつ選択して計算を行ったものである。ただし、縮退した偏波モードの光学特性はほぼ同じである。したがって、上記の計算結果は、他の縮退した偏波モードに対しても適用できるので、この計算結果を利用すれば、モード多重だけでなく偏波モード多重をも利用した伝送方式に適した光ファイバを実現することが可能である。
（実施の形態２）
　つぎに、本発明の実施の形態２である光伝送システムについて説明する。図１９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。図１９に示すように、この光伝送システム１００は、光ファイバ１０１と、光送信装置１０２と、光増幅器１０３と、光受信装置１０４とを備えている。
　光ファイバ１０１は、光送信装置１０２と光受信装置１０４とを接続する光伝送路である。光ファイバ１０１は、たとえば上記実施の形態１に係る光ファイバであり、所定の使用波長帯域の光を複数の伝搬モードで伝搬するものである。
　光送信装置１０２は、たとえば半導体レーザ素子である信号光源を備え、光ファイバ１０１の複数の伝搬モード(たとえばＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、ＬＰ２１モード)を用いて信号伝送を行うための信号光を出力する。
　光増幅器１０３は、光ファイバ１０１と光ファイバ１０１の間に介挿されている。光増幅器１０３は、光ファイバ１０１の複数の伝搬モードを伝搬する信号光を各伝搬モードごとに増幅することができるように構成されている。なお、各伝搬モードの光のフィールドパターンは、それぞれ異なる。したがって、光増幅器１０３は、信号光の各伝搬モードを個別に、あるいは同時に増幅することができる。なお、光増幅器１０３は、伝送距離（使用される光ファイバ１０１の総距離）によっては設けなくてもよい。
　光受信装置１０４は、光ファイバ１０１を各伝搬モードで伝搬してきた信号光を受信し、信号光を各伝搬モードごとに電気信号に変換する複数の受光素子と、受光素子が変換した電気信号を処理する信号処理装置とを備えている。
　この光伝送システム１００では、複数モードを伝搬することが可能な光ファイバ１０１を用いて、信号光をモード多重伝送する。したがって、光送信装置１０２の送信部および光受信装置１０４の受信部には、各伝搬モードに信号光を結合させるため、あるいは信号光を各伝搬モードに分離して各伝搬モードごとに信号光を受けるためのモード合分波器が備えられている。この光伝送システム１００によれば、伝送容量が大きく、かつ光伝送路を構成する光ファイバにおける非線形光学現象の発生と曲げ損失の影響とが抑制された光伝送システムを実現することができる。
　なお、上記実施の形態では、コア部１１近傍の屈折率分布がＷ型であるが、本発明に係る光ファイバの屈折率分布はこれに限定されず、単峰型プロファイル、階段型プロファイル、セグメントコア型プロファイル、トレンチ型プロファイル、Ｗ＋サイドコア型プロファイル、リング型プロファイルなどのあらゆる屈折率分布を利用できる。
　また、上記実施の形態では、クラッド部が純石英ガラスからなるが、たとえば中心コア部を純石英ガラスで構成し、外周コア部およびクラッド部を、屈折率を低めるドーパントを含む石英ガラスで構成してもよい。また、上記実施の形態では、光ファイバは石英系ガラス材料からなるが、本発明に係る光ファイバの構成材料はこれに限定されず、他のガラス材料やプラスチック材料等の光ファイバを構成することができる光学材料を適宜利用できる。
　すなわち、波長１５５０ｎｍにおいて、基底伝搬モードの有効コア断面積が１２０μｍ２以上であり、第１高次伝搬モードの有効コア断面積が１５０μｍ２以上であり、第２高次伝搬モードの有効コア断面積が１８０μｍ２以上かつ実効屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも０．０００２以上大きく、第３高次伝搬モードの実効屈折率がクラッド部の屈折率よりも小さい光ファイバであれば、その屈折率プロファイル、構成材料にかかわらず、本発明の効果を奏するものとなる。
　また、本発明に係る光ファイバで伝送すべき信号光の波長としては、１５５０ｎｍを含む波長帯、または光ファイバ通信に使用される所望の波長帯を使用することができる。
　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。
　以上のように、本発明に係る光ファイバは、光通信の分野に利用して好適なものである。
　１０　光ファイバ
　１１、２１　コア部
　１２、２２　クラッド部
　２０　測定用光ファイバ
　１００　光伝送システム
　１０１　光ファイバ
　１０２　光送信装置
　１０３　光増幅器
　１０４　光受信装置
　１１１　中心コア部
　１１２　外周コア部
　Ｌ１、Ｌ２　測定光
　ＯＦ　オフセット
　Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３　領域
　Ｘ１、Ｘ２　中心軸

Claims (14)

  1. 　コア部と、前記コア部の外周に形成され該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、
    　波長１５５０ｎｍにおける特性は、
    　基底伝搬モードの有効コア断面積が１２０μｍ２以上であり、第１高次伝搬モードの有効コア断面積が１５０μｍ２以上であり、第２高次伝搬モードの有効コア断面積が１８０μｍ２以上であり、かつ該第２高次伝搬モードの実効屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも０．０００２以上大きく、第３高次伝搬モードの実効屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも小さいことを特徴とする光ファイバ。
  2. 　前記第２高次伝搬モードの実効屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも０．０００５以上大きいことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
  3. 　前記第１高次伝搬モードはＬＰ１１モード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。
  4. 　前記第２高次伝搬モードはＬＰ２１モードであることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の光ファイバ。
  5. 　前記第３高次伝搬モードはＬＰ０２モードであることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の光ファイバ。
  6. 　前記コア部は、前記最大屈折率を有する中心コア部と、前記中心コア部の外周に形成され前記クラッド部の屈折率よりも低い屈折率を有する外周コア部とからなることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の光ファイバ。
  7. 　前記クラッド部に対する前記中心コア部の比屈折率差Δ１が０．３６％以上であり、前記クラッド部に対する前記外周コア部の比屈折率差Δ２が－０．０５％以下であり、前記中心コア部の直径が１４．９０μｍ～１７．３０μｍであり、前記中心コア部の直径に対する前記外周コア部の外径の比が２．０以上であることを特徴とする請求項６に記載の光ファイバ。
  8. 　前記比屈折率差Δ１が０．４１％以上であることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバ。
  9. 　前記比屈折率差Δ１が０．４８％以下であることを特徴とする請求項７または８に記載の光ファイバ。
  10. 　前記クラッド部の外径が１２５μｍより大きいことを特徴とする請求項１～９のいずれか一つに記載の光ファイバ。
  11. 　請求項１～１０のいずれか一つに記載の光ファイバを備えることを特徴とする光伝送システム。
  12. 　所定の波長の測定光をマルチモードで伝搬する被測定光ファイバの一方の端部に、前記測定光をシングルモードで伝搬する測定用光ファイバを、前記被測定光ファイバのコア部の中心軸と前記測定用光ファイバのコア部の中心軸とが所定のオフセットだけずれた状態になるように接続する接続工程と、
    　前記測定用光ファイバから前記測定光を前記被測定光ファイバに入力して伝搬させ、前記被測定光ファイバのもう一方の端部から出力された前記測定光の特性を測定する測定工程と、
    　を含み、前記測定光が前記被測定光ファイバを所定の伝搬モードで伝搬するように前記オフセットを設定することを特徴とする光ファイバの測定方法。
  13. 　前記測定用光ファイバのモードフィールド径は前記被測定光ファイバの基底伝搬モードのモードフィールド径の１／２以下であることを特徴とする請求項１２に記載の光ファイバの測定方法。
  14. 　前記測定用光ファイバのモードフィールド径は４μｍ以下であることを特徴とする請求項１２または１３に記載の光ファイバの測定方法。
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