JP5059797B2 - 光ファイバ、光ファイバの設計方法及び光波長多重通信システム - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ、光ファイバの設計方法及び光波長多重通信システムに関する。

現在、陸上や海底など長距離の通信への適用を目指して、異なる数百波長程度の光を信号伝送に用いる高密度波長多重ＤＷＤＭ（ＤＷＤＭ：Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術の実用化が進んでいる。その際、歪みによる信号劣化を引き起こす各種の非線形効果の抑制が課題となる。

その解決のために光ファイバのパラメータのひとつである実効断面積Ａ_eff（一般にモードフィールド径の２乗に比例する）の拡大が有効であり、各種の屈折率分布のシングルモード光ファイバの設計が検討され、実用化が進められている。

しかしながら、従来構造の（空孔を持たない）光ファイバでは、実効断面積Ａ_effを拡大するとシングルモード条件が満たされにくくなる点、曲げ損失αｂが増大するなどの問題があり、下記非特許文献１に示されているように、十分に小さな曲げ損失αｂを得るには実効断面積Ａ_effは１５０μｍ²程度が限界である。さらに、実効断面積Ａ_effは短波長側では減少するため、例えば、波長１μｍ付近では１００μｍ²程度に減少してしまう。

一方、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ）は、下記非特許文献１，２に示されているように、断面内に格子状に配列された空孔構造を持つファイバであり、例えば、純石英ガラスなどから作製され、近年急速に低損失化が進展し、その最低損失値は波長１．５５μｍ近傍で０．１８ｄＢ／ｋｍに達している。

ＰＣＦは、例えば、純石英ガラスから線引き作製され、その断面は、空孔が三角格子状に規則的に配列され、数層の空孔が中心のガラスコア部を取り囲む構造である（下記非特許文献３参照）。そして、中心の空孔１つに対応する部分を材料ガラスに置換した構造を以下１ｃｅｌｌ構造と呼ぶ（下記非特許文献７参照）。

１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦでは、空孔の直径ｄと空孔の間隔Λとの比ｄ／Λの値を０．４２以下に設定することで、全波長域でシングルモード伝送が可能（Ｅｎｄｌｅｓｓｌｙ Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ：ＥＳＭ）なことが、下記非特許文献３等に示されている。そこで、ＥＳＭの条件を満たすｄ／Λ＝０．４２近傍の構造を中心にＰＣＦにおいても、実効断面積Ａ_effの拡大が検討されているが、下記非特許文献１，２に示されているように、１５０μｍ²程度の値が上限となり、使用波長も１．５μｍ帯付近に限定される。これは、短波長側で曲げ損失αｂ、又は閉じ込め損失が増大してしまうためである。

すなわち、従来構造のシングルモード光ファイバやＥＳＭ条件に近い構造のＰＣＦにおいては、曲げ損失αｂ又は閉じ込め損失がトレードオフとなり長距離伝送ができなくなるため、実効断面積Ａ_effの上限は１５０μｍ²をわずかに超える程度であり、使用波長域も１．５μｍ付近に限定されていた。これは、商用化されている１．３μｍ帯ゼロ分散単一モードファイバ（ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５２）では実効断面積Ａ_effは８０μｍ²程度なので、その２倍程度にとどまる、一般に非線形光学効果による入力パワーの制限は実効断面積Ａ_effに比例するので、２倍程度のパワー拡大が可能になるが、さらなる通信の高速化、大容量化のニーズが顕在化している現在の状況から考えれば、さらなる実効断面積Ａ_effの拡大と使用波長域の拡大を両立する必要がある。

一方、従来構造の光ファイバにおいて、２モード以上を伝送する多モード伝送領域を積極的に利用するための手法として、モードフィルタ（下記非特許文献４参照）、Ｒｅｓｔｒｉｃｔ−Ｍｏｄｅ−Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ法（下記非特許文献５参照）が報告されている。

前者では、ＳＭＦの２モード波長領域での伝送において、受光器の前で信号劣化要因となる高次モードＬＰ１１をモードフィルタによって除去することで、波長０．８μｍ付近での１０Ｇｂｐｓの高速伝送が実現されている。

後者では、ＬＰ０１のみを伝搬するシングルモード光ファイバの後段に、４モード領域の光ファイバを接続するが、該当の光ファイバのコア部中心にＬＰ０１が正確に結合するように、接続条件を制御することで、他の高次モードの励振が抑えられ１０Ｇｂｐｓの高速伝送が実現されている。

しかしながら、基本伝搬モードＬＰ０１の実効断面積Ａ_effが２００μｍ²を超えるような光ファイバに対してこれらの２つの技術を適用した例は報告されていない。

武笠和則、外４名、「広帯域伝送用ソリッドファイバ、およびＨｏｌｅｙ Ｆｉｂｅｒ（ＨＦ）の特性比較検討」、電子情報通信学会総合大会、社団法人電子情報通信学会、２００８年、Ｃ−３−５ 松井隆、外４名、「フォトニック結晶ファイバの実効断面積拡大に関する検討」、電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、社団法人電子情報通信学会、２００８年、Ｂ−１３−２１ ＫｕｎｉｍａｓａＳａｉｔｏｈ、外２名、"Ｅｎｄｌｅｓｓｌｙ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｈｏｌｅｙ ｆｉｂｅｒｓ：ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｏｒｅ ｄｅｓｉｇｎ"、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．２６、２００５年１２月２６日、ｐ．１０８３３−１０８３９ Ｔｏｍｏｙａ Ｓｈｉｍｉｚｕ、外４名、"Ｍｕｌｔｉ−Ｂａｎｄ Ｍｏｄｅ Ｆｉｌｔｅｒ ｆｏｒ Ｓｈｏｒｔｅｒ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｒｅｇｉｏｎ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ＳＭＦ"、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ＯＦＣ／ＮＦＯＥＣ ２００８、２００８年、ＯＭＨ７．ｐｄｆ 今村勝徳、外４名、「Ｒｅｓｔｒｉｃｔ Ｍｏｄｅ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ法による端局ＤＣＦフリー海底ＮＺ−ＤＳＦ伝送路」、電子情報通信学会技術研究報告、社団法人電子情報通信学会、ＯＣＳ２００８−３１、２００８年７月、ｐ．５９−６２ Ｋｕｎｉｍａｓａ Ｓａｉｔｏｈ、外１名、"Ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｓｉｍｐｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒｓ"、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏ１．１３、Ｎｏ．１、２００５年１月１０日、ｐ．２６７−２７４ 田中正俊、外４名、「ＬＭＡフォトニック結晶ファイバの諸特性」、電子情報通信学会技術研究報告、社団法人電子情報通信学会、ＯＦＴ２００８−２、２００８年５月、ｐ．５−８

上述したように、従来方法においては基本伝搬モードＬＰ０１の実効断面積Ａ_effが１５０μｍ²を超える光ファイバ、及び、このような光ファイバを用い、かつ、高速伝送が可能なＷＤＭシステム構成を実現することはできなかった。

以上のことから、本発明は、従来不可能であった広い波長域で実効断面積Ａ_effが１５０μｍ²を超える光ファイバ、及び、これを用いた高速伝送が可能なＷＤＭシステム構成を実現し、非線形光学効果を抑制することで、ＷＤＭシステムにおける伝送可能な信号波長数の拡大、入カパワーの拡大を可能にする光ファイバ、光ファイバの設計方法及び光波長多重通信システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決する第１の発明に係る光ファイバは、
コア部と前記コア部を包囲するクラッド部とを有し、前記コア部及び前記クラッド部が均一な光屈折率を有する媒質からなると共に、前記クラッド部に長手方向に沿って均一な空孔が複数形成されたフォトニック結晶光ファイバにおいて、
空孔の直径ｄと空孔の間隔Λとの比ｄ／Λの値が０．４２から０．６３であって、信号光の基本伝搬モードＬＰ０１と第１高次モードＬＰ１１の２つだけのモードを伝搬可能な空孔構造を有し、曲げ半径３０ｍｍにおける曲げ損失αｂが０．００５ｄＢ／ｍ以下であり、実効断面積Ａ_effの大きさが波長１．０μｍ付近から１．７μｍ付近までのすべての波長領域において１５０μｍ²以上となる
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第２の発明に係る光ファイバの設計方法は、
コア部と前記コア部を包囲するクラッド部とを有し、前記コア部及び前記クラッド部が均一な光屈折率を有する媒質からなると共に、前記クラッド部に長手方向に沿って均一な空孔が複数形成されたフォトニック結晶光ファイバにおいて、
空孔の直径ｄと空孔の間隔Λとの比ｄ／Λの値が０．４２から０．６３であって、信号光の基本伝搬モードＬＰ０１と第１高次モードＬＰ１１の２つだけのモードを伝搬可能な空孔構造を有する光ファイバの設計方法であって、
使用下限波長を決定するステップと、
曲げ損失αｂと実効断面積Ａ_effが規定値を満たし、使用下限波長におけるｄ／Λを決定するステップと、
Λを決定するステップと
を備える
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第３の発明に係る光波長分割多重通信システムは、
電気信号を変換して波長の異なる信号光を出力する光源を有する送信器と、
入力された信号光を伝搬するための光ファイバケーブル伝送路と、
信号光を電気信号に変換する受光回路を有する受信器と
により構成される光波長分割多重通信システムにおいて、
前記光ファイバケーブル伝送路として請求項１に記載の光ファイバを用いる
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第４の発明に係る光波長分割多重通信システムは、
電気信号を変換して波長の異なる信号光を出力する２つ以上の光源及び前記各光源から出力される信号光を合波する光合波器を有する送信器と、
入力された信号光を伝搬するための光ファイバケーブル伝送路と、
信号光を分波する光分波器及び該光分波器から出力される波長の異なる信号光を電気信号に変換する複数の受光回路を含む受信器と
により構成される光波長分割多重通信システムにおいて、
前記光ファイバケーブル伝送路として請求項１に記載の光ファイバを用いる
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第５の発明に係る光波長分割多重通信システムは、第３の発明又は第４の発明に係る光波長分割多重通信システムにおいて、
前記光ファイバケーブル伝送路の前段の前記送信器中、前記光ファイバケーブル伝送路の後段の前記受信器中、又は、光ファイバケーブル伝送路の途中の内の少なくともいずれか１箇所に、信号光の基本伝搬モードＬＰ０１のみを伝搬するモードフィルタを備える
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第６の発明に係る光波長分割多重通信システムは、第３の発明から第５の発明のいずれかひとつに係る光波長分割多重通信システムにおいて、
前記送信器中の光源の信号光の基本伝搬モードＬＰ０１のみを伝搬するフォトニック結晶光ファイバを用いたモードフィルタを備える
ことを特徴とする。

本発明によれば、ＷＤＭシステムにおける伝送可能な信号波長数の拡大、入カパワーの拡大を可能にする光ファイバ、光ファイバの設計方法及び光波長多重通信システムを提供することができる。

本発明に係る１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦの断面の例を示した図である。 ＰＣＦのＶ値とΛ／λの関係の例を示した図である。 ＳＭＦにおけるＶ値とΛ／λの関係の例を示した図である。 ＰＣＦのｄ／Λと曲げ損失αｂの関係を理論計算により求めた結果を示した図である。 波長λが１．０６μｍのときのＰＣＦのｄ／Λと曲げ損失αｂの関係を理論計算により求めた結果を示した図である。 波長λが１．５５μｍのときのＰＣＦのｄ／Λと曲げ損失αｂの関係を理論計算により求めた結果を示した図である。 本発明の第１の実施例に係る実効断面積Ａ_effを拡大する構造の設計方法の手順を示したフロー図である。 本発明の第１の実施例に係る実効断面積Ａ_effを拡大する構造におけるＰＣＦの実効断面積Ａ_effの１．０μｍから１．７μｍでの波長依存性を示した図である。 本発明の第２の実施例に係るＷＤＭ通信システムにおいてモードフィルタを光合波器の前方の伝送路側に設置する構成例を示した図である。 本発明の第２の実施例に係るＷＤＭ通信システムにおいてモードフィルタを光分波器の後方の伝送路側に設置する構成例を示した図である。 本発明の第２の実施例に係るＷＤＭ通信システムにおいてモードフィルタをＰＣＦ伝送路の途中の接続点のいずれかに設置する構成例を示した図である。 本発明の第３の実施例に係るｄ／Λが０．３でＥＳＭ条件を満たしているＰＣＦのニアフィールドパターン（近視野像）の測定結果を示した図である。

以下、本発明に係る光ファイバ、光ファイバの設計方法及び光波長多重通信システムの実施形態について、図面を参照しながら説明を行う。

上記の課題に鑑み、本願発明者は、以下に詳細を述べるように検討を進めた結果、基本伝搬モードＬＰ０１と第１高次モードＬＰ１１が存在し得る２モードＰＣＦのうち、２モード限界に近い構造のＰＣＦにおいては、ＬＰ０１の実効断面積Ａ_effが１５０μｍ²程度以上に拡大し、かつ、ＬＰ０１の曲げ損失αｂを通常のＳＭＦ（ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５２）と同等かそれ以下に抑えることが可能なこと、さらに、前述のモードフィルタやＲｅｓｔｒｉｃｔ−Ｍｏｄｅ−Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ法を併用することで、高速伝送が可能な光波長多重通信システムを構築できることを見出し、本発明に至ったものである。

本発明においては、上記の課題を解決するために、コア径やＭＦＤに対してモード数（Ｖ値）の増加が非常に緩やかである２モードＰＣＦを用いる。２モードＰＣＦにおいて、ＳＭＦと同等以下の曲げ損失αｂとなる条件を考慮して、ＰＣＦの構造パラメータΛ、ｄを決定することで、実効断面積Ａ_effが１５０μｍ²以上の値を持つＰＣＦ構造を決定することができる。

また、上記ＰＣＦを伝送路に用いたＷＤＭ通信システムにおいて、モードフィルタやＲｅｓｔｒｉｃｔ−Ｍｏｄｅ−Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ法を併用することで高次モードＬＰ１１が引き起こす伝送劣化を抑え、１波長あたり１０Ｇｂｐｓ程度の高速伝送を実現することができる。

そして、本発明で用いる２モードＰＣＦにおいては、少なくとも現在の通信に最も一般的に用いられている波長１．５５μｍ付近の領域において２５０μｍ²以上の実効断面積Ａ_effと、ＳＭＦと同等かそれ以下の曲げ損失αｂを実現することができ、実効断面積Ａ_effの波長依存性についても非常に小さく抑えることができる。

また、新たな高速伝送波長域として期待される波長１．０μｍ以上から波長１．７μｍ付近までの領域の使用を想定する場合にも１５０μｍ²以上の実効断面積Ａ_effと、ＳＭＦと同等かそれ以下の曲げ損失αｂを実現することができる。

また、上記ＰＣＦを伝送路に用いたＷＤＭ通信システムにおいて、モードフィルタとして、例えば、全波長でシングルモード動作するＥＳＭ条件を満たすＰＣＦを別途用いれば、ＬＰ１１高次モードの発生の抑制、ＬＰ１１高次モードの除去を、波長によらず効果的に実現できるため、広い波長域を用いて、多波長で大入力のＤＷＤＭ伝送が可能となり、伝送可能な容量や距離を大幅に実現することができる。

次に、本発明の第１の実施例について説明する。
図１に示すように、本実施例に係る光ファイバは、コア部とコア部を包囲するクラッド部とを有し、コア部及びクラッド部が均一な光屈折率を有する媒質からなると共に、クラッド部に長手方向に沿って均一な空孔２が複数形成されたＰＣＦ１である。本実施例は、図１に示す空孔２を有する１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦ１において、実効断面積Ａ_effの拡大と汎用のＳＭＦ以下の曲げ損失αｂを実現するための、構造パラメータ（空孔２の直径ｄと空孔２の間隔Λ）の選定方法に関する。

図２は、横軸をΛと波長λとの比Λ／λとし、縦軸の規格化周波数Ｖ_effとの関係を示したものである。一方、図３は、従来構造の光ファイバについて、横軸をコア部の半径ａと波長λとの比ａ／λとし、縦軸の規格化周波数Ｖ_effとの関係を示したものである。

規格化周波数Ｖ_effは下記式（１）で与えられる。
ｎ₁とｎ₂はコア部とクラッド部の屈折率であり、１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦ１においてｎ₂は空孔クラッド部の実効屈折率ｎ_effにおきかえられ、コア部の半径ａは近似的にΛ／√３で表わされる。

従来構造の光ファイバとしては、コア部とクラッド部の比屈折率差がΔの、ステップ型の屈折率分布の光ファイバを仮定し、ｎ₁とΔとしてはＧｅＯ₂をドープした石英コアＳＭＦの典型的な値を用いている。また、ここで、ＰＣＦ１の実効屈折率ｎ_effは上記非特許文献６に記載されている経験式を用いて算出し、ステップインデックス型光ファイバヘの等価屈折率モデルを用いて有限要素法のスカラ波近似解析により電界分布Ｅを求めることで計算を行っている。

上記非特許文献６に記載の経験式を下記式（２）に、使用する係数を下記表１に示す。

実効断面積Ａ_effは下記式（３）を用いて求めている。

規格化周波数Ｖ_effの値によって、光ファイバ中を伝搬するモード数は変化する。つまり、規格化周波数Ｖ_effが２．４０５以下であれば、当該の光ファイバは単一モード動作し、規格化周波数Ｖ_effが２．４０５から３．８３２の間の値以下であれば、当該の光ファイバは２モードで動作する。

図２と図３とを比較すると、図２の１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦ１ではｄ／Λが０．４２以下なら、全波長域でシングルモード伝送が可能、つまり、ＥＳＭ条件を満たす。また、ｄ／Λが０．６３以下なら、全波長域で２モード以下での伝送が可能となる。これは、空孔クラッド部の実効屈折率ｎ_effが比較的強い波長依存性を持ち、その結果、波長λの増加に対して比屈折率差Δが増加していくためである。一方、従来のＳＭＦでは図３のようにａ／λに対し、規格化周波数Ｖ_effは単調に増加し、ａ／λが５以上の構造では２モード以下の条件を得ることは極めて困難である。これは、ＳＭＦでは比屈折率差Δが波長によらず、ほぼ一定の値になるためである。

この結果から、１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦ１では、ｄ／Λが０．４２から０．６３の構造において、空孔間隔Λを拡大していくことによって、コア部の半径ａ（＝Λ／√３）と実効断面積Ａ_effを拡大することが可能になる。

次に、ＳＭＦ以下の曲げ損失αｂとなる構造領域を調べるために、ＰＣＦ１のΛと曲げ損失αｂとの関係を理論計算により求めた結果を図４に示す。
なお、曲げ損失αｂの計算には下記式（４）を用いた。下記式（４）におけるρは実効的なコア部の半径、Δは比屈折率差、Ｒは曲げ半径、Ｗはクラッド部の横方向規格化伝搬定数を表しており、計算結果は波長λが１．５５μｍでの計算結果である。

また、図５，６中にＳＭＦの曲げ損失αｂの規格値（曲げ半径Ｒ＝３０ｍｍ、０．００５ｄＢ／ｍ）以下となる領域を斜線で示す。なお、図５は波長λが１．０６μｍでの計算結果、図６は波長λが１．５５μｍでの計算結果を示す。

次に、本発明の第１の実施例に係る実効断面積Ａ_effを拡大する構造の設計方法について説明する。
図７は、本発明の第１の実施例に係る実効断面積Ａ_effを拡大する構造の設計方法の手順を示したフロー図である。
図７に示すように、はじめに、ステップＰ１において、使用下限波長を決定する。
次に、ステップＰ２において、ｄ／Λを０．４２とし、ステップＰ３においてΛを決定し、ステップＰ４において、その時の規格化周波数Ｖ_effを上記式（２）を用いて算出し、実効断面積Ａ_effを算出する。

次に、ステップＰ５において、実効断面積Ａ_effが１５０μｍ²未満の場合、ステップＰ３へ戻りΛの値を拡大し実効断面積Ａ_eff算出手順を繰り返す。
また、ステップＰ５において、実効断面積Ａ_effが１５０μｍ²以上となった場合、ステップＰ６において、上記式（４）を用いて曲げ損失αｂを算出する。

次に、ステップＰ７において、曲げ損失αｂが０．００５ｄＢ／ｍより大きい場合、ステップＰ２へ戻りｄ／Λを増加させ実効断面積Ａ_eff算出手順を繰り返す。
また、ステップＰ７において、実効断面積Ａ_effが１５０μｍ²、かつ、曲げ損失αｂが０．００５ｄＢ／ｍとなった場合、ステップＰ８において、ｄ／ΛとΛを抽出して構造パラメータを決定する。

なお、使用下限波長を１．０６μｍとすると、Λが８μｍから１６μｍの範囲なら、ｄ／Λを０．６３以下の範囲で調整すれば、ＳＭＦの曲げ損失αｂの規定値以下で、実効断面積Ａ_effを拡大することが可能となる。使用下限波長を１．０６μｍとした場合に得られる最大の実効断面積Ａ_effは、２１６μｍ²である。この構造のＰＣＦ１の実効断面積Ａ_effの１．０μｍから１．７μｍでの波長依存性を図８に示す。図８より、実効断面積Ａ_effはすべての波長域で２００μｍ²以上であることが分かる。

また、使用下限波長を１．４５μｍとすると、曲げ損失αｂの条件が１．０６μｍの時よりも緩和されるため、Λが８μｍから１８μｍの範囲なら、ｄ／Λを０．６３以下の範囲で調整すれば、ＳＭＦの曲げ損失αｂの規定値以下で、実効断面積Ａ_effを拡大することが可能となる。使用下限波長を１．４５μｍとした場合に得られる最大の実効断面積Ａ_effは、２９８μｍ²である。

使用下限波長を１．４５μｍとした場合には、Λを１８μｍ以上の範囲においてもｄ／Λを０．６３以下の範囲で調整すれば、ＳＭＦの曲げ損失αbの規定値以下で、実効断面積Ａ_effを拡大することが可能となる。上記条件により得られる最大の実効断面積Ａ_effは、３３０μｍ²である。

すなわち、本発明に係る光ファイバは、コア部とコア部を包囲するクラッド部とを有し、コア部及びクラッド部が均一な光屈折率を有する媒質からなると共に、クラッド部に長手方向に沿って均一な空孔が複数形成されたＰＣＦ１において、空孔２の直径ｄと空孔２の間隔Λとの比ｄ／Λの値が０．４２から０．６３であって、信号光の基本伝搬モードＬＰ０１と第１高次モードＬＰ１１の２つだけのモードを伝搬可能な空孔構造を有し、曲げ半径３０ｍｍにおける曲げ損失αｂが０．００５ｄＢ／ｍ以下であり、実効断面積Ａ_effの大きさが波長１．０μｍ付近から１．７μｍ付近までのすべての波長領域において１５０μｍ²以上とすることを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバの設計方法は、コア部とコア部を包囲するクラッド部とを有し、コア部及びクラッド部が均一な光屈折率を有する媒質からなると共に、クラッド部に長手方向に沿って均一な空孔が複数形成されたＰＣＦ１において、空孔２の直径ｄと空孔２の間隔Λとの比ｄ／Λの値が０．４２から０．６３であって、信号光の基本伝搬モードＬＰ０１と第１高次モードＬＰ１１の２つだけのモードを伝搬可能な空孔構造を有する光ファイバの設計方法であって、使用下限波長を決定するステップと、曲げ損失αｂと実効断面積Ａ_effが規定値を満たし、使用下限波長におけるｄ／Λを決定するステップと、Λを決定するステップとを備えることを特徴とする。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。
本実施例は、第１の実施例に示したＰＣＦ１を伝送路に用いたＷＤＭ通信システムの構成例に関する。
以下、モードフィルタを用いた場合とＲｅｓｔｒｉｃｔ−Ｍｏｄｅ−Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ法を用いた場合の全体のシステム構成例について述べるが、上記非特許文献５に記載されているＲｅｓｔｒｉｃｔ−Ｍｏｄｅ−Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ法とは、対象とする多モードのファイバの前段（光源寄り側）に、ＬＰ０１モードのみを伝搬するシングルモード光ファイバを、前記の多モードの光ファイバのコア部の中心に正確に接続し、実効的なシングルモード伝送を実現する手法である。

これは高次モードを遮断するモードフィルタを対象とする伝送路光ファイバの前段（光源と伝送路の間）に配置したことと同義である。したがって、以下ではモードフィルタの使用位置に応じたＷＤＭ通信システムの構成例を示す。

図９に示すＷＤＭ通信システムにおける送信器１１は、電気信号を変換してそれぞれ異なる波長の信号光を出力するＮ個の光源１７とｎ個の信号光を合波する光合波器１２とにより構成されている。また、受信器１５は、合波された信号光をＮ個の信号光に分波する光分波器１４と、光分波器１４により分波されたｎ個の信号光を受光して電気信号に変換する受光回路１８とにより構成されている。

送信器１１の光合波器１２と受信器１５の光分波器１４とは、ＰＣＦ伝送路１３により接続されている。送信器１１の光源１７から出力された信号光は光合波器１２で合波され、この合波された信号光はＰＣＦ伝送路１３により伝搬され、受信器１５の受光回路１８で受光されて電気信号に変換される。そして、図９に示すＷＤＭ通信システムにおいては、モードフィルタ１６は、ＰＣＦ伝送路１３の前段の送信器１１中に設置する。

一方、図９に示す構成においては、伝送距離や曲げや接続点などの条件に応じて、ＰＣＦ伝送路５１３の途中で高次モードＬＰ１１が発生し、多モード分散による信号劣化が生じる場合がある。その場合は、高次モードＬＰ１１を除去するモードフィルタ１９を、図１０に示すようにＰＣＦ伝送路１３の後段の受信器１５中に設置したり、図１１に示すようにＰＣＦ伝送路１３の途中の接続点に設置して、伝送劣化を防ぐことができる。当然、状況に応じて、異なる場所にモードフィルタ１６，１９を複数個設置することも可能である。

なお、ＷＤＭでの利用においては、使用するモードフィルタ１６，１９の帯域（高次モードを遮断する波長域）が広い方が望ましく、高速で長距離の伝送が可能なＷＤＭ波長領域はモードフィルタ１６，１９の帯域範囲によって制限される。しかし、本発明に係る実効断面積Ａ_effを拡大した２モードＰＣＦ１は、例えば、図２に示したように、すべての波長域で２モード以下を実現しているので、適切なモードフィルタ１６，１９を用いることで、使用波長を幅広く選択することができる。

また、本実施例においては、１．０μｍ以上の波長の使用例を挙げたが、１．０μｍ以下で動作するモードフィルタ１６，１９を用いれば、例えば、ＬＡＮなどに使用されている０．８μｍ付近の波長光による高速伝送も可能であり、当然、ＷＤＭ伝送に限らず、１波長だけでの伝送を行うことも可能であり、その場合は光合波器１２及び光分波器１４は不要である。

モードフィルタ１６，１９としては、上記非特許文献５に記載のＲｅｓｔｒｉｃｔ−Ｍｏｄｅ−Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ法のように所望の波長でシングルモード伝搬する光ファイバを用いることができる。また、その他にも、上記非特許文献４に用いられているカプラ型のタイプ、光ファイバに曲げを加えて高次モードを除去するタイプ、テーパ構造の光ファイバを用いるタイプ、ファイバグレーテイングを用いるタイプなどがあり、これらを適宜使用すれば良い。また、モードフィルタ１６，１９とＰＣＦ伝送路１３との接続性（接続損失）の観点からは、モードフィルタ１６，１９とＰＣＦ伝送路１３のモードフィールド径（ＭＦＤ）ができるだけ整合していることが望ましい。

次に、本発明の第３の実施例について説明する。
本実施例は、第２の実施例に示した各ＷＤＭ通信システム構成において、モードフィルタ１６，１９としてＥＳＭ構造のＰＣＦ１を、送信器１１中、ＰＣＦ伝送路１３の途中、又は、受信器１５中に備えているシステム構成例に関する。

第２の実施例で述べたように、使用するモードフィルタ１６，１９としては、帯域（高次モードを遮断する波長域）が広い方が望ましく、また、ＭＦＤがＰＣＦ伝送路１３と整合していることが望ましい。そして、両条件を満たすモードフィルタ１６，１９としてＥＳＭ構造のＰＣＦ１が好適となる。

上記非特許文献３で述べられているように、前記の１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦ１では、構造パラメータｄ／Λが約０．４２よりも小さい場合、伝送波長がどんなに短くなってもＬＰ０１モードのみを伝搬し、シングルモードで動作する（ＥＳＭ動作する）ことが理論的に明らかにされている。

一例として、ｄ／Λが０．３でＥＳＭ条件を満たしているＰＣＦ１のニアフィールドパターン（近視野像）の測定結果を図１２に示す。なお、図１２（ａ）は伝送波長が０．８５μｍ、図１２（ｂ）は伝送波長が１．３０μｍ、図１２（ｃ）は伝送波長が１．５５μｍの場合の測定結果を示す。

図１２より、ｄ／Λが０．３でＥＳＭ条件を満たしているＰＣＦ１は、ごく短尺な状態での測定結果にもかかわらず、０．８５μｍ、１．３０μｍ、１．５５μｍの各波長において、ＬＰ０１のみの伝搬を示す中心対称なパターンが得られていることが分かる。したがって、このようなＰＣＦ１をモードフィルタ１６，１９として適宜用いれば良い。

２モードＰＣＦ伝送路１３とモードフィルタ１６，１９のＭＦＤの値の差が大きい場合は接続損失の発生が考えられる。しかし、１ｃｅｌｌ構造でｄ／Λが０．４２以下であれば、図２に示したようにＥＳＭ条件が保てるので、この条件下でΛの値を適切な値に調整したＰＣＦ１を用いることでＭＦＤの整合を実現でき、接続損失を十分に小さくすることができる。

ＰＣＦ伝送路１３とＰＣＦ１によるモードフィルタ１６，１９の接続には、放電時間などの条件を最適化した上で、融着接続を用いることができる。また、例えば、上記非特許文献７に示されているように、各ＰＣＦ１の端面を処理し、コネクタ接続することもできる。

上記のＰＣＦモードフィルタでは、通常の構造の光ファイバに対して効果が確認されている（Ａ）曲げの付与、（Ｂ）屈折率整合剤の塗布、（Ｃ）被覆膜厚を厚くするなどの方法を用いて、クラッドモード光の伝搬を防ぐことができる。したがって、これらの方法を用いれば、モードフィルタ１６，１９を短尺化、小型化することができる。

既に述べたように、このようなＥＳＭ条件を満たすＰＣＦ１は、２モードのＰＣＦ伝送路１３よりも伝搬モードＬＰ０１の曲げ損失αｂが大きくなる。しかしながら、モードフィルタ１６，１９という部品利用においてはＲ＝３０ｍｍといった小さな曲げ径を用いる必要は全く無く、伝送路とは異なり、布設等によって曲げが加わることもない。したがって、許容される曲げ径の範囲は伝送路よりも大幅に緩和されるので、その条件の範囲で実装、固定することで、実用上なんら問題のない特性を得ることができる。

以上に述べたように、本発明に係る光ファイバ、光ファイバの設計方法及び光波長多重通信システムによれば、従来技術では実現できなかった広波長域で非線形光学効果を抑制することでき、ＷＤＭシステムにおける伝送可能な信号波長数の拡大と、入力パワーの拡大を通じて、１０Ｇｂｐｓ以上の高速伝送の距離を大幅に拡大することができる。

本発明は、例えば、波長の異なる多数の複数信号光を用い、光ファイバに比較的大きなパワーの光を入力する光波長多重（ＷＤＭ）技術を活用するための光ファイバ、光ファイバの設計方法及び光波長多重通信システムに利用することが可能である。

１ ＰＣＦ（フォトニック結晶ファイバ）
２ 空孔
１１ 送信器
１２ 光合波器
１３ ＰＣＦ伝送路
１４ 光分波器
１５ 受信器
１６ モードフィルタ
１７ 光源
１８ 受光回路
１９ モードフィルタ

Claims (6)

1. コア部と前記コア部を包囲するクラッド部とを有し、前記コア部及び前記クラッド部が均一な光屈折率を有する媒質からなると共に、前記クラッド部に長手方向に沿って均一な空孔が複数形成されたフォトニック結晶光ファイバにおいて、
   空孔の直径ｄと空孔の間隔Λとの比ｄ／Λの値が０．４２から０．６３であって、信号光の基本伝搬モードＬＰ０１と第１高次モードＬＰ１１の２つだけのモードを伝搬可能な空孔構造を有し、曲げ半径３０ｍｍにおける曲げ損失αｂが０．００５ｄＢ／ｍ以下であり、実効断面積Ａ_effの大きさが波長１．０μｍ付近から１．７μｍ付近までのすべての波長領域において１５０μｍ²以上とする
   ことを特徴とする光ファイバ。
2. コア部と前記コア部を包囲するクラッド部とを有し、前記コア部及び前記クラッド部が均一な光屈折率を有する媒質からなると共に、前記クラッド部に長手方向に沿って均一な空孔が複数形成されたフォトニック結晶光ファイバにおいて、
   空孔の直径ｄと空孔の間隔Λとの比ｄ／Λの値が０．４２から０．６３であって、信号光の基本伝搬モードＬＰ０１と第１高次モードＬＰ１１の２つだけのモードを伝搬可能な空孔構造を有する光ファイバの設計方法であって、
   使用下限波長を決定するステップと、
   曲げ損失αｂと実効断面積Ａ_effが規定値を満たし、使用下限波長におけるｄ／Λを決定するステップと、
   Λを決定するステップと
   を備える
   ことを特徴とする光ファイバの設計方法。
3. 電気信号を変換して波長の異なる信号光を出力する光源を有する送信器と、
   入力された信号光を伝搬するための光ファイバケーブル伝送路と、
   信号光を電気信号に変換する受光回路を有する受信器と
   により構成される光波長分割多重通信システムにおいて、
   前記光ファイバケーブル伝送路として請求項１に記載の光ファイバを用いる
   ことを特徴とする光波長分割多重通信システム。
4. 電気信号を変換して波長の異なる信号光を出力する２つ以上の光源及び前記各光源から出力される信号光を合波する光合波器を有する送信器と、
   入力された信号光を伝搬するための光ファイバケーブル伝送路と、
   信号光を分波する光分波器及び該光分波器から出力される波長の異なる信号光を電気信号に変換する複数の受光回路を含む受信器と
   により構成される光波長分割多重通信システムにおいて、
   前記光ファイバケーブル伝送路として請求項１に記載の光ファイバを用いる
   ことを特徴とする光波長分割多重通信システム。
5. 前記光ファイバケーブル伝送路の前段の前記送信器中、前記光ファイバケーブル伝送路の後段の前記受信器中、又は、光ファイバケーブル伝送路の途中の内の少なくともいずれか１箇所に、信号光の基本伝搬モードＬＰ０１のみを伝搬するモードフィルタを備える
   ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の光波長多重通信システム。
6. 前記送信器中の光源の信号光の基本伝搬モードＬＰ０１のみを伝搬するフォトニック結晶光ファイバを用いたモードフィルタを備える
   ことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の光波長分割多重通信システム。