JP6503513B2 - マルチコアファイバ - Google Patents

Description

本発明は、マルチコアファイバに関する。
本願は、２０１７年３月１６日に、日本に出願された特願２０１７−０５１９０４号に基づき優先権を主張し、これらの内容をここに援用する。

近年の通信トラフィックの増大に対処するため、更なる通信（伝送）容量の増大が求められている。しかし、従来の光通信に用いられるシングルモードファイバ（ＳＭＦ）を用いた光通信システムでは、容量の増大に対する限界が予想されている。その限界を超えるための技術として、空間多重の研究開発が盛んに行われている。

空間多重を実現する光ファイバとして、１つのコア内に複数のモードを伝搬させ、それぞれのモードに信号を載せることで容量の増大を図った数モードファイバ（ＦＭＦ）と、複数のコアのそれぞれに信号を載せることで容量の増大を図ったマルチコアファイバ（ＭＣＦ）とがある。数モードファイバについては例えば非特許文献１に開示される。
また、ＭＣＦには、大きく分けて、各コアが独立して情報を伝送させる非結合型ＭＣＦと、各コア（のモード）が結合することによってスーパーモードを形成し、それぞれのスーパーモードに情報を伝送させる結合型ＭＣＦ（Ｃ−ＭＣＦ：Coupled Multicore fiber）との２種類がある。Ｃ−ＭＣＦは、例えば非特許文献２及び３に開示されるようなモード多重伝送（ＭＤＭ：Mode Division Multiplexing）伝送用ファイバの一つである。

G. Milione1 et al., "1.2-Tb/s MIMO-less Transmission Over 1 km of Four-Core Elliptical-Core Few-Mode Fiber with 125-μm Diameter Cladding", Proc. of OECC/PS2016, PD2-1 (2016). C. Xia et al., "Supermodes for optical transmission", Opt. Exp.,vol. 19, no. 17, pp. 16653-16664 (2011). R. Ryf et al., "Long-Distance Transmission over Coupled-Core Multicore Fiber", Proc. of ECOC 2016, Th.3.C.3 (2016).

ＦＭＦやＣ−ＭＣＦでは、１つのコアに複数のモードを伝搬する。例えば、２ＬＰモードの場合，ＬＰ_０１，ＬＰ_１１ａ，ＬＰ_１１ｂの３モードに情報を乗せて発信する。ここで、ＬＰ_１１ａ，ＬＰ_１１ｂのように縮退しているモードは、ファイバ中の構造揺らぎや、ファイバに加わるねじれや曲げなどの外乱によって、容易に混ざってしまうため、受信側で適切に識別されない場合がある。長距離伝送の場合は、ＭＩＭＯ（Multiple-input and Multiple-output）等のディジタル信号処理を行い、混ざったモードを分離して受信することが好ましい。しかしながら、データセンター等での短距離伝送の場合では、コスト等の観点からこのような処理は省略できることが好ましい。また、長距離伝送の場合でも、群遅延時間差（ＤＧＤ：Differential Group Delay）の低減などによってＭＩＭＯ処理の負荷を削減することが求められる。

非特許文献１では、４つのコアが円形配列され、それぞれのコアがＬＰ_０１とＬＰ_１１との２つのＬＰモードを伝搬可能である数モードマルチコアファイバが開示されている。非特許文献１では、コアの形状を楕円形にして、縮退している片方のＬＰ_１１モードをカットオフさせることで、２つのＬＰ_１１モード間の結合を抑制し、ＭＩＭＯ処理を省略することが開示されている。なお、非特許文献１では、各コアが独立した伝送路となるため、スーパーモードは形成されない。
非特許文献２では、隣接するコアが等間隔で配置される結合型ＭＣＦを用いて、各コアのピッチと配置を調整することで、スーパーモードを形成し、また各モードのＤＧＤを抑制することが開示されている。
非特許文献３では、４コア型の長距離伝送用の結合型マルチコアファイバ（ＣＣ−ＭＣＦ）が開示されている。非特許文献３においては、ＣＣ−ＭＣＦを伝搬する複数のモードのＤＧＤを低減し、８×８の行列で演算するＭＩＭＯ処理のタップ数を削減して（処理の負荷を低減して）各モードを分離することが開示されている。

しかしながら、上記のいずれの文献においても、短距離伝送においてスーパーモードを形成するコアがＭＩＭＯ処理を省略可能な構成や、長距離伝送において複数存在するスーパーモードに対してＭＩＭＯ処理でモード分離が容易なコアの構成については十分に開示されていない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、短距離伝送においてＭＩＭＯ処理を省略可能であり、もしくは、長距離伝送においてはＭＩＭＯ処理で容易にモード分離可能な結合型マルチコアファイバを提供する。

本発明の第１態様は、マルチファイバであって、光ファイバの長手方向における断面において、ｍ行×ｎ列（ｍ，ｎは２以上の整数）のマトリックス状に配置された複数のコアを備え、行方向において互いに隣り合う２つのコア同士の間隔より列方向において互いに隣り合う２つのコア同士の間隔の方が広く、前記行方向及び前記列方向の両方向において各コアを伝搬する光同士が強結合してスーパーモードを形成するように構成される。

本発明の第２態様は、上記第１態様に係るマルチコアファイバにおいて、ｎ≧３の場合に、前記行方向において互いに隣り合うコア同士の間隔が実質的に一定であってもよい。

本発明の第３態様は、上記第１又は第２態様に係るマルチコアファイバにおいて、ｍ≧３の場合に、前記列方向において互いに隣り合うコア同士の間隔が実質的に一定であってもよい。

本発明の第４態様は、上記第１〜第３態様のいずれか一態様に係るマルチコアファイバにおいて、ｍ行×ｎ列のマトリックス状に配置された前記複数のコアが実質的に同一構造であってもよい。

本発明の第５態様は、上記第１〜第４態様のいずれか一態様に係るマルチコアファイバにおいて、所定の伝送波長帯域において、ｍ行×ｎ列のマトリックス状に配置された前記複数のコアがそれぞれシングルモードで動作するように構成されてもよい。

本発明の第６態様は、上記第１〜第５態様のいずれか一態様に係るマルチコアファイバにおいて、所定の伝送波長帯域において、伝送可能な最高次のスーパーモードの伝搬定数とクラッドの屈折率差が０．０００５以上であるように構成されてもよい。

本発明の第７態様は、上記第１〜第５態様のいずれか一態様に係るマルチコアファイバにおいて、所定の伝送波長帯域において、伝送に用いるモード群間の伝搬定数の差が０．０００５以上であるように構成されてもよい。

本発明の第８態様は、上記第１〜第７態様のいずれか一態様に係るマルチコアファイバにおいて、前記列方向において互いに隣り合うコア同士の間隔が、前記行方向において互いに隣り合うコア同士の間隔のおよそ√３倍であってもよい。

本発明の第９態様は、上記第１、第３〜第８態様のいずれか一態様に係るマルチコアファイバにおいて、ｎ＝２であってもよい。
本発明の第１０態様は、上記第１、第２、第４〜第８態様のいずれか一態様に係るマルチコアファイバにおいて、ｍ＝２であってもよい。

本発明の第１１態様は、上記第１〜第１０態様のいずれか一態様に係るマルチコアファイバにおいて、上記態様に係るマルチファイバが、ｍ行×ｎ列（ｍ，ｎは２以上の整数）のマトリックス状に配置された前記複数のコアが形成される領域を複数有し、前記複数の領域は、それぞれの領域を伝搬する光同士がそれぞれ非結合となるように配置されてもよい。

本発明の上記態様によれば、短距離伝送においてはＭＩＭＯ処理を省略可能な結合型マルチコアファイバを実現できる。もしくは、長距離伝送においてはＭＩＭＯ処理で容易にモード分離可能な結合型マルチコアファイバを実現できる。

本発明の第１実施形態に係るマルチコアファイバ１の模式図である。 本発明の第１実施形態に係るマルチコアファイバ１の長手方向に垂直な断面図である。 本発明の第２実施形態に係るマルチコアファイバ１Ａの長手方向に垂直な断面図である。 本発明の第２実施形態に係るマルチコアファイバ１Ｂの長手方向に垂直な断面図である。 第１実施例における、（１）式及び有限要素法（ＦＥＭ）の両方で算出したスーパーモードの伝搬定数ｎ_ｅｆｆと列方向Ｙのコア間距離Λ_２との関係を示すグラフである。 記録された画像のスペクトルのフーリエ変換結果を示すグラフである。 図４の２つのピークにおけるビームプロファイルである。 インパルス応答測定結果を示すグラフである。 Ｃ＋Ｌバンド内の波長で、ＸＴを３回測定した結果を示すグラフである。 第１実施例において、Λ_２＝８．６６μｍとした際の、（ａ）は各コアの屈折率分布を示し、（ｂ）はＬＰ_０１−ｌｉｋｅモードのＦＥＭ電界分布を示し、（ｃ）はＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードのＦＥＭ電界分布である。 比較例において、（ａ）は各コアの屈折率分布を示し、（ｂ）はＬＰ_０１−ｌｉｋｅモードのＦＥＭ電界分布を示し、（ｃ）はＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードのＦＥＭ電界分布を示し、（ｄ）は次のモードのＦＥＭ電界分布である。 第２実施例における、（１）式及び有限要素法（ＦＥＭ）の両方で算出したスーパーモードの伝搬定数ｎ_ｅｆｆと列方向Ｙのコア間距離Λ_２との関係を示すグラフである。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために、例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定しない。また、以下の説明に用いる図面は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、省略した部分がある。

第１実施形態
本発明の第１実施形態に係るマルチコアファイバ１の構成について、図１Ａ、図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、本発明の第１実施形態に係るマルチコアファイバ１の構成を示す模式図であり、図１Ｂはマルチコアファイバ１の長手方向に垂直な断面図である。

図１Ａ、図１Ｂに示すように、本実施形態に係るマルチコアファイバ１は、４つのコア２と、クラッド３とで構成される。
マルチコアファイバ１は、結合型マルチコアファイバ（Ｃ−ＭＣＦ）であり、各コア２を伝搬する光同士が強結合してスーパーモードを形成するように構成される。

４つのコア２は、マルチコアファイバ１の長手方向における断面において２行×２列に配列される。図１Ｂに示すように、コア２の半径はａである。行方向Ｘのコア間距離（コア中心間距離）はΛ_１、列方向Ｙのコア間距離はΛ_２であり、本実施形態ではΛ_１＜Λ_２となるように各コアが配列されている。つまり、行方向Ｘにおいて互いに隣り合う２つのコア同士の間隔より列方向Ｙにおいて互いに隣り合う２つのコア同士の間隔の方が広い。そして、行方向Ｘ及び列方向Ｙの両方向において各コア２を伝搬する光同士が強結合してスーパーモードを形成するように構成される。
このようにコアを配置することで、短距離伝送（例えば、１００ｍ以上１０ｋｍ以下の伝送）においてはＭＩＭＯ処理を省略可能な結合型マルチコアファイバを実現できる。また長距離伝送（例えば、数１０ｋｍ以上の伝送）においてはＭＩＭＯ処理で容易にモード分離可能な結合型マルチコアファイバを実現できる。
もしくは、コア２を２行×２列の４つで形成することで、２コア型結合ＭＣＦよりも各コアを小さくできる。そのため、同じロッド径のガラスロッドを母材として作製する場合はコアを長く形成することができ、作製効率を向上することができる。

クラッド３すべてのコア２の周囲を覆う共通のクラッドである。コア２の屈折率をｎ_ｃｏｒｅとし、クラッド３の屈折率をｎ_ｃｌａｄとすると、コア２のｎ_ｃｏｒｅ＞ｎ_ｃｌａｄとなるように構成される。

本実施形態において、すべてのコア２が、伝送帯域においてシングルモード伝送が可能であることが好ましい。またコア２は、すべて実質的に同一構造である（同種のコアから構成されている）ことが好ましい。ここで、実質的に同一構造とは、コア２を伝搬する光波の特性に影響がない程度に大きさ、形状、屈折率などが同一であることをいう。このようにコア２を形成することで各コアを伝搬する光が結合しやすくなり、スーパーモードの形成が容易になる。

マルチコアファイバ１のコア２及びクラッド３を構成する媒質としては、石英系ガラス（シリカガラス）、多成分ガラス、プラスチック等が挙げられる。石英系ガラスとしては、添加物を含まない純石英ガラスと、添加物を含む石英系ガラスがある。添加物としては、Ｇｅ，Ａｌ，Ｐ，Ｂ，Ｆ，Ｃｌ，アルカリ金属等の１種又は２種以上が挙げられ、これらを石英系ガラスに添加することにより屈折率を調整することができる。

本実施形態に係るマルチコアファイバ１で伝送に使用される波長帯域は、特に限定されないが、Ｃバンド（１５３０〜１５６５ｎｍ）、Ｌバンド（１５６５〜１６２５ｎｍ）等が挙げられる。使用波長帯域でシングルモード動作する条件としては、正規化周波数ｖ＝２πａ（ｎ_ｃｏｒｅ ^２−ｎ_ｃｌａｄ ^２）^１／２／λとして、ｖ≦２．４０５のシングルモード動作条件を満たすことが好ましい。比屈折率差Δ＝（ｎ_ｃｏｒｅ ^２−ｎ_ｃｌａｄ ^２）／（２ｎ_ｃｏｒｅ ^２）が０．０５％以上で、Ｃ＋Ｌバンドでｖ≦２．４０５が成り立つコア半径の上限はおおよそ１３μｍである。それぞれのコア半径でｖ≦２．４０５が成り立つΔの値は自動的に決めることができる。なお、λは波長であり、２π／λは波数ｋ_０である。
また、ｖ≧２．４０５となるようなａあるいはΔにおいては、ＬＰ_１１モード以上の高次モードの伝送損失がα_Ｌｏｓｓ以上であってもよい。このとき、α_Ｌｏｓｓ＞０ｄＢ／ｍであり、例えば０．１ｄＢ／ｍ、０．５ｄＢ／ｍ、１．０ｄＢ／ｍ、２．０ｄＢ／ｍ等が挙げられる。ファイバのケーブルカットオフ波長λ_ｃｃとしては、例えば１５３０ｎｍ以下、１２６０ｎｍ以下、１０００ｎｍ以下等が挙げられる。

なお、コア２の数及び配置は２行×２列の４つに限定されず、マルチコアファイバ１中を伝搬する光のモード数等に応じてｍ行×ｎ列（ｍ及びｎは２以上の整数）のマトリックス状に配置されていればよい。この場合、行方向Ｘにおいて互いに隣り合う２つのコア同士の間隔より列方向Ｙにおいて互いに隣り合う２つのコア同士の間隔の方が広く、各コア２を伝搬する光同士がすべて強結合してスーパーモードを形成するように構成されていればよい。
またｍ≧３である場合、行方向Ｘにおいて互いに隣り合うコア同士の間隔（Λ_２）が実質的に一定であることが好ましい。また、ｎ≧３である場合、列方向Ｙにおいて互いに隣り合うコア同士の間隔（Λ_２）が実質的に一定であることが好ましい。ここで、コア同士の間隔が実質的に一定とは、各コアを伝搬する光波の特性に影響がない程度に同一であることをいう。行方向Ｘや列方向Ｙの間隔を実質的に一定にすることで、スーパーモードの分布が各コアにほぼ均等に広がるため、マルチコアファイバ同士の接続などの際に好ましい。

また列方向Ｙにおいて互いに隣り合うコア２同士の間隔（Λ_２）が、行方向Ｘにおいて互いに隣り合うコア２同士の間隔（Λ_１）のおよそ√３倍であることが好ましい。この場合、母材として、複数の同径のガラスロッドを最密充填配列して線引きすることで、Λ_２がΛ_１の√３倍のマルチコアファイバを作製でき、複数種の径のガラスロッドを用意する必要がない。また、Λ_２がΛ_１の√３倍であれば、後述するように短距離伝送においてＭＩＭＯ処理を省略可能な結合型マルチコアファイバ、及び長距離伝送においてＭＩＭＯ処理で容易にモード分離可能な結合型マルチコアファイバのどちらも実現できる。

また、所定の伝送波長帯域において、伝送可能な最高次のスーパーモードの伝搬定数とクラッド３の屈折率差が０．０００５以上となるようにΛ_１とΛ_２との関係を設定することが好ましい。
このようにコア同士の間隔を設定することで、必要ないモードのみを確実にカットオフすることができ、より確実にＭＩＭＯ処理を省略することができる。

また、所定の伝送波長帯域において、伝送に用いるモード群間の伝搬定数の差が０．０００５以上となるようにΛ_１とΛ_２との関係を設定することが好ましい。
このようにコア同士の間隔を設定することで、各モード群に含まれる少数のモードに対して別々にＭＩＭＯ処理を行うことができ、ＭＩＭＯ処理の負荷をより削減することができる。さらに、各モード群がそれぞれ１つのモードのみを含むように定義する場合には、上記の関係を設定することでＭＩＭＯ処理が不要となる。

第２実施形態
図２Ａ、図２Ｂは第２実施形態に係る、それぞれマルチコアファイバ１Ａ、１Ｂの長手方向に垂直な断面図を示す。図２Ａは２行×２列のコア２が形成される結合コア領域４が２つある場合であり、図２Ｂは２行×２列のコア２が形成される結合コア領域４が４つある場合である。
なお、マルチコアファイバ１Ａ、１Ｂでは、マルチコアファイバ１に対して２行×２列のコア２が形成される結合コア領域４の数が異なる。そのため、以降の説明において、すでに説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図２Ａでは、マルチコアファイバ１Ａが、クラッド３中に２行×２列のコア２が形成される結合コア領域４を２つ有する。２つの結合コア領域４は、それぞれの領域を伝搬する光同士がそれぞれ非結合となるように距離を空けて行方向Ｘに並べて配置される。
また、同様に図２Ｂでは、マルチコアファイバ１Ａが、クラッド３中に２行×２列のコア２が形成される結合コア領域４を４つ有する。４つの結合コア領域４は、それぞれの領域を伝搬する光同士がそれぞれ非結合となるようにそれぞれ距離を空けて２行×２列のマトリックス状に配置される。また、各結合コア領域４の間にクラッド３よりも屈折率の低い領域を設けて結合コア領域４間の結合を抑えるような構造としても良い。

マルチコアファイバ１Ａ、１Ｂにおいては、結合コア領域４では、行方向Ｘにおいて互いに隣り合う２つのコア同士の間隔より列方向Ｙにおいて互いに隣り合う２つのコア同士の間隔の方が広い。そして、行方向Ｘ及び列方向Ｙの両方向において各コア２を伝搬する光同士が強結合してスーパーモードを形成するように構成される。そして、それぞれの結合コア領域４は、それぞれの領域を伝搬する光同士がそれぞれ非結合となるように互いに距離を空けて配置される。
このような構成を有することにより、１本のマルチコアファイバに対するモード多重度を増加させることができる。例えば、各結合コア領域４を伝搬可能なモードがＬＰ_０１−ｌｉｋｅモード，ＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードである場合、マルチコアファイバ１Ａではモード多重度を４にすることができ、マルチコアファイバ１Ｂではモード多重度を８にすることができる。

なお、結合コア領域４を構成するコア２の数及び配置については第１実施形態のコア２の数及び配置と同様に限定されない。
また、結合コア領域４の数及び配置は、それぞれの領域を伝搬する光同士が非結合となるように配置されていれば限定されない。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
本発明のＭＣＦは、光伝送路、光導波路、光ケーブル等に使用される光ファイバの一部又は全部として用いることができる。光ケーブルは、本発明のＭＣＦを少なくとも一部に有することが好ましい。

以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、本実施例のみに限定されるものではない。

実施例では、上述の第１実施形態に記載される４コアＣ−ＭＣＦであるマルチコアファイバ１の構成を用いた。すべてのコア２が同種でかつシングルモード動作するように構成した場合、４つのスーパーモードＬＰ_０１−ｌｉｋｅモード、ＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモード、ＬＰ_１１ｂ−ｌｉｋｅモード、ＬＰ_２１−ｌｉｋｅモードの伝搬定数は以下の式で与えられる。

ここで、β_０は非結合時の伝搬定数であり、κ１は行方向Ｘのコア２間のモード結合係数であり、κ_２は列方向Ｙのコア２間のモード結合係数であり、κ_３は対角のコア２間のモード結合係数である。

第１実施例
スーパーモードの伝搬定数ｎ_ｅｆｆと列方向Ｙのコア間距離Λ_２との関係からＬＰ_１１ｂ−ｌｉｋｅモード、ＬＰ_２１−ｌｉｋｅモードがカットオフとなる構成を調査した。
コア半径ａ＝２．５μｍ、比屈折率差Δ＝０．３５％、ｎ_ｃｌａｄ＝１．４５、Λ_１＝５．０μｍ、伝搬する光の波長を１５５０ｎｍとして、上記（１）式及び有限要素法（ＦＥＭ）の両方で算出したスーパーモードの伝搬定数ｎ_ｅｆｆと列方向Ｙのコア間距離Λ_２との関係を図３に示す。

図３に示すように、上記（１）式を用いた結果と有限要素法（ＦＥＭ）を用いた結果はおおよそ一致した。なお、完全に一致しない理由としては、強結合時を考慮していないことや上記（１）式が単純な２コアモデルの結合係数の計算を用いたことが挙げられる。
図３からわかるように、Λ_１とΛ_２との差が広くなるほど、ＬＰ_０１−ｌｉｋｅモードとＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードとの伝搬定数ｎ_ｅｆｆの差は小さくなった。一方、Λ_１とΛ_２との差が広くなるほど、ＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードとＬＰ_１１ｂ−ｌｉｋｅモードとの伝搬定数ｎ_ｅｆｆの差は大きくなった。そして、Λ_２がおよそ８μｍ（Λ_１の１．６倍）以上でＬＰ_１１ｂ−ｌｉｋｅモード及びＬＰ_２１−ｌｉｋｅモードの伝搬定数がクラッドの伝搬定数より小さくなった。またこのとき、伝送可能な最高次のスーパーモードであるＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードの伝搬定数とクラッドの屈折率差が０．０００５以上と十分大きく、ＬＰ_１１ｂ−ｌｉｋｅモード及びＬＰ_２１−ｌｉｋｅモードのみをカットオフ可能であることがわかった。さらに特に、Λ_２が１０μｍ（Λ_１の２倍）程度より小さければ、ＬＰ_０１−ｌｉｋｅモードとＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードとの伝搬定数の差も十分に大きく短距離伝送であればＭＩＭＯ処理等によるモードの分離も不要であると考えられる。特に、Λ_２＝８．６６μｍ（Λ_１の√３倍）の場合、ＬＰ_１１ｂ−ｌｉｋｅモード及びＬＰ_２１−ｌｉｋｅモードについてカットオフできかつＭＩＭＯ処理も省略可能である。Λ_２＝√３Λ_１であれば、７つの同径のガラスロッドを最密充填配列して線引きすることで作製可能であり、製造上のメリットもあり好ましいことがわかった。

図３の構造（Λ_２＝８．６６μｍ）に基づいて、４コアＣ−ＭＣＦを作製し、その、伝播モードを観察するために、Ｓ^２測定を行った。ここでは、２２ｍの長さの４コアＣ−ＭＣＦを測定した。４コアＣ−ＭＣＦの励振のために、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）を接合した。波長１．５５μｍにおいて計算した、ＬＰ_０１−ｌｉｋｅモードとＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードの実効断面積（Ａ_ｅｆｆ）は、それぞれ１７７μｍ^２、１６５μｍ^２であることから、通常のＳＭＦよりもＡ_ｅｆｆの大きいＳＭＦ（波長１．５５μｍ）を用いた。
近視野画像は、波長可変レーザー（ＴＬＳ：tunable laser source）を用いた波長掃引（１．９５３ＧＨｚの波長間隔で、１．５４７μｍ〜１．５５３μｍ）中に、近赤外（ＮＩＲ：near-infrared）カメラを用いて記録した。ＴＬＳとカメラは、コンピュータで同時に制御した。

図４に記録された画像のスペクトルのフーリエ変換結果を示す。０ｐｓ及び８６ｐｓ（３．９１ｎｓ／ｋｍ）における群遅延時間差（ＤＧＤ：differential group delay）の２つのピークが明瞭に観察される。図５に示すように、２つのピークにおけるビームプロファイルは、ＬＰ_０１−ｌｉｋｅモードとＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードが共に伝播したことを示している。高次ＬＰ_０１−ｌｉｋｅモードと高次ＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードは観察されないため、それらはカットオフ波長を下回っていると考えられる。フーリエ変換を計算することで得られた、ＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードのマルチパス干渉（ＭＰＩ:multi-pass interference）は、−２６．５ｄＢであった。
さらに、図６に示すように、２つの伝播モード間のクロストーク（ＸＴ）を、インパルス応答（ＩＲ）測定を行うことで測定した。

光変調器及びフォトディテクタ（ＰＤ）を備えるベクトルネットワークアナライザを用いて、１ｋｍ長の４コアＣ−ＭＣＦのＩＲを測定した。ＴＬＳ及び光変調器はＰＭＦに接続されている。４コアＣ−ＭＣＦを励起するために、Ｓ^２測定に用いたものと同じＳＭＦを用いた。図６は、波長１．５５μｍにおけるＩＲ測定結果を示す。
規格化ＤＧＤの値が０のところでは、ＬＰ_０１−ｌｉｋｅモードが現れている。また、ＬＰ_０１−ｌｉｋｅモードとＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードの間のＸＴは、規格化ＤＧＤの値が０〜１の間で「ステップ」状に現れている。ＩＲ測定によって、２つのモード間のＤＧＤは、３．９３ｎｓ／ｋｍであり、Ｓ^２測定によって得られた結果と一致することがわかる。

図６の破線は、理論的なＩＲのモデルによって計算されたフィッティングカーブを表している。図６から、パワー結合係数は、約４．１×１０^−６／ｍであると推定された。従って、ＸＴは約−２４ｄＢ／ｋｍと見積もられる。
図７は、Ｃ＋Ｌバンドの波長帯域で、ＸＴを３回測定した結果を示す。測定されたＸＴは、Ｃ＋Ｌバンド内全体で、−２３ｄＢ／ｋｍ未満であった。ＭＩＭＯ処理が不要な短距離伝送を実現する上で十分低いＸＴであることがわかる。
以上の結果により、本実施例によって、ＭＩＭＯ処理が不要な短距離伝送が可能であることがわかる。

図８は、本実施例においてΛ_２＝８．６６μｍとした際の、（ａ）各コアの屈折率分布、（ｂ）ＬＰ_０１−ｌｉｋｅモードのＦＥＭ電界分布、（ｃ）ＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードのＦＥＭ電界分布を示す。
図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示されるＦＥＭ電界分布から、本実施例の構成で各コアが強結合しＬＰ_０１−ｌｉｋｅモード及びＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードのスーパーモードを形成可能であることがわかった。ここで、本実施例と同程度の実効屈折率差を有する２コア型（２行×１列）のＣ−ＭＣＦを比較例として、波長１５５０ｎｍにおける各特性を比較した結果を以下の表１に示す。

表１より、ＬＰ_０１−ｌｉｋｅモードならびにＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードの実効断面積は実施例と比較例とでほぼ同等であることが分かる。しかしながら、比較例では次のモードが発生し、その実効屈折率のクラッドとの差は０．０００５以上であることが分かる。

図９は、比較例における（ａ）各コアの屈折率分布、（ｂ）ＬＰ_０１−ｌｉｋｅモードのＦＥＭ電界分布、（ｃ）ＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードのＦＥＭ電界分布、（ｄ）次のモードのＦＥＭ電界分布を示す。
図９（ｄ）に示す通り、次のモードは各コアのＬＰ_１１モードが結合して生じる。このように各コアの高次モードが結合して生じるスーパーモードは、電磁界分布の節が各コアの中心に存在するために、各コアが基本モードのみで結合して生じるスーパーモードに比べて、ファンイン／ファンアウトデバイスのような入出力デバイスを用いてモードを励振ならびに受光することが難しくなる。加えて、このような高次モードを使用しないように通信システムを構成した場合であっても、入出力部のわずかな軸ずれなどによってこのような高次モードが励振されてしまい、受光側でノイズとなる場合がある。従って、本実施例の構成を用いることで、より安定したモードの励振ならびに受光が行える。さらに、本実施例では比較例に比べてコア部分の総面積が少ないため、同じロッド径のガラスロッドを母材として作製する場合はコアを長く形成することができ、作製効率を向上することができる。

第２実施例
スーパーモードの伝搬定数ｎ_ｅｆｆと列方向Ｙのコア間距離Λ_２との関係から４モードを２つのモード群の伝送として扱える構成を調査した。
コア半径ａ＝４．０μｍ、比屈折率差Δ＝０．３５％，ｎ_ｃｌａｄ＝１．４５、Λ_１＝８．０μｍ、伝搬する光の波長を１５５０ｎｍとして、上記（１）式及び有限要素法（ＦＥＭ）の両方で算出したスーパーモードの伝搬定数ｎ_ｅｆｆと列方向Ｙのコア間距離Λ_２との関係を図１１に示す。

図１０に示すように、本実施例でも上記（１）式を用いた結果と有限要素法（ＦＥＭ）を用いた結果はおおよそ一致した。
図１０からわかるように、Λ_１とΛ_２との差が広くなるほど、ＬＰ_０１−ｌｉｋｅモードとＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードとの伝搬定数ｎ_ｅｆｆの差は小さくなった。また、Λ_１とΛ_２との差が広くなるほど、ＬＰ_１１ｂ−ｌｉｋｅモードとＬＰ_２１−ｌｉｋｅモードとの伝搬定数ｎ_ｅｆｆの差も小さくなった。そして、Λ_２がおよそ１３μｍ（Λ_１の１．６倍）以上で、ＬＰ_０１−ｌｉｋｅモードとＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードとの伝搬定数がおおよそ同じになり、ＬＰ_１１ｂ−ｌｉｋｅモードとＬＰ_２１−ｌｉｋｅモードとの伝搬定数ともおおよそ同じになった。また、Λ_２がおよそ１３μｍ（Λ_１の１．６倍）以上で、ＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードとＬＰ_１１ｂ−ｌｉｋｅモードとの伝搬定数の差が０．０００５以上と十分大きくなった。従って、Λ_２がΛ_１の１．６倍以上であれば、ＬＰ_０１−ｌｉｋｅモードとＬＰ_１１ａ−ｌｉｋｅモードとで構成されるモード群と、ＬＰ_１１ｂ−ｌｉｋｅモードとＬＰ_２１−ｌｉｋｅモードとで構成されるモード群との２つのモード群の伝送として扱えると考えられる。従って、各モード群に含まれる２つのモードに対して別々にＭＩＭＯ処理を行うことができ、ＭＩＭＯ処理の行列サイズをより削減することができ、負荷の削減につながる。特に、Λ_２＝１３．８６μｍ（Λ_１の√３倍）の場合、２つのモード群の伝送として扱え、かつ上述のように７つの同径のガラスロッドを最密充填配列して線引きすることで作製可能であり、製造上のメリットもあり好ましいことがわかった。

以上、本発明のマルチコアファイバについて説明してきたが、本発明は上記の例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１…マルチコアファイバ、２…コア、３…クラッド、４…結合コア領域

Claims (11)

1. 光ファイバの長手方向における断面において、ｍ行×ｎ列（ｍ，ｎは２以上の整数）のマトリックス状に配置された複数のコアを備え、
   行方向において互いに隣り合う２つのコア同士の間隔より列方向において互いに隣り合う２つのコア同士の間隔の方が広く、
   前記行方向及び前記列方向の両方向において各コアを伝搬する光同士が強結合してスーパーモードを形成するように構成される、マルチコアファイバ。
2. ｎ≧３の場合に、前記行方向において互いに隣り合うコア同士の間隔が実質的に一定である、請求項１に記載のマルチコアファイバ。
3. ｍ≧３の場合に、前記列方向において互いに隣り合うコア同士の間隔が実質的に一定である、請求項１又は２に記載のマルチコアファイバ。
4. ｍ行×ｎ列のマトリックス状に配置された前記複数のコアが実質的に同一構造である、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のマルチコアファイバ。
5. 所定の伝送波長帯域において、ｍ行×ｎ列のマトリックス状に配置された前記複数のコアがそれぞれシングルモードで動作するように構成される、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載のマルチコアファイバ。
6. 所定の伝送波長帯域において、伝送可能な最高次のスーパーモードの伝搬定数とクラッドの屈折率差が０．０００５以上であるように構成される、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載のマルチコアファイバ。
7. 所定の伝送波長帯域において、伝送に用いるモード群間の伝搬定数の差が０．０００５以上であるように構成される、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載のマルチコアファイバ。
8. 前記列方向において互いに隣り合うコア同士の間隔が、前記行方向において互いに隣り合うコア同士の間隔のおよそ√３倍である、請求項１〜７のうちのいずれか一項に記載のマルチコアファイバ。
9. ｎ＝２である、請求項１及び３〜８のうちのいずれか一項に記載のマルチコアファイバ。
10. ｍ＝２である、請求項１，２，及び４〜８のうちのいずれか一項に記載のマルチコアファイバ。
11. ｍ行×ｎ列（ｍ，ｎは２以上の整数）のマトリックス状に配置された前記複数のコアが形成される領域を複数有し、
    前記複数の領域は、それぞれの領域を伝搬する光同士がそれぞれ非結合となるように配置される、請求項１〜１０のうちのいずれか一項に記載のマルチコアファイバ。