JP7128213B2

JP7128213B2 - 空間分割多重光通信用同心円状ファイバ及びその使用方法

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Publication number: JP7128213B2
Application number: JP2019566630A
Authority: JP
Inventors: チャールズチェンバレンジョン; ジョハンネスフローリスサンダー
Original assignee: コムスコープテクノロジーズリミティドライアビリティカンパニー
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2018-06-01
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2038-06-01
Also published as: JP2020522748A; EP3631542A1; US10784961B2; CN110678790A; US20210075510A1; EP3631542A4; US20190007138A1; CN110678790B; WO2018222981A1; US20200186248A1; US10567080B2

Description

関連出願の相互参照
本願は２０１８年６月１日付けでＰＣＴ国際特許出願として出願中であり、２０１７年６月２日に出願された米国特許出願第６２／５１４，５８１号明細書の利益を主張し、その開示のすべては参照により本願に援用される。

本発明は概して光通信を対象としており、より詳細には、単一ファイバでの情報伝送容量を向上する改善された方法を対象としている。

歴史的に、典型的には１キロメートル以上の距離にわたって情報を伝送するのに使われるシングルモードファイバ（ＳＭＦ）光通信システムにおいて、情報伝送帯域幅を向上させるためにいくつかの手段が講じられてきた。低伝送損失の石英ファイバが１９７０年代後半及び１９８０年代前半に開発されて、石英ファイバがより長い距離にわたって使用できるようになった。１５５０ｎｍ近辺の信号を増幅するエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の出現により信号をより長い距離にわたって伝送することが可能となり、その一方で波長分割多重化／逆多重化（ＷＤＭ）の導入によってシングルモード石英ファイバで異なる波長の異なる光信号を伝えられるようにすることで、石英ファイバの帯域幅が拡げられた。光通信システムは偏波多重方式や高次変調方式などの先進的技術の導入によりさらに恩恵を受け、スペクトル効率（ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ）が向上した。しかし、現在のＳＭＦ光伝送システムはいまやその本質的な容量限界に近付いており、今後の容量要求を満たすことができないと予測されている。

ファイバ容量を向上させるために検討されている一つの手法は空間分割多重化（ＳＤＭ）であり、この手法では異なる光信号が同じファイバ内で互いに物理的（空間的）に分離される。ある特定のＳＤＭ実装方法はマルチコアファイバ（ＭＣＦ）を使うことであり、この方法では多くの異なるシングルモードコアが同じクラッド材の中に入っており、クラッド内で互いに横方向に分離されている。ＭＣＦの重要な問題は、コア間又はモード間のクロストークが伝送距離に伴い増加する、及び／又は、曲げ及びファイバ欠陥により発生することである。そのため、チャネル特性化を行うため、及び無線システムにおける多入力多出力（ＭＩＭＯ）伝送と同様の方法でクロストークへ対処するためには、大量のデジタル信号処理が必要となる。さらに、単一のクラッド内に多数のコアを有する光ファイバを製造するのは難しく、高価である。さらに、多数のコアを整列させるためには、多数のコアをファイバ端部でファイバ軸線の周りに正確に回転配列させる必要があるため、ＭＣＦの接続は複雑である。

提案される別のＳＤＭ実装は、シングルモード動作で要求されるよりも大きい直径の単一コアを有し、少数のモードの伝搬をサポートするファイバに依存する。このファイバは少数モードファイバ（ＦＭＦ）と呼ばれる。完全に直線で円対称のファイバでは、全電磁場がファイバ内で伝搬する際に各モードで伝えられるパワーが変化しないという意味でモード電磁場は相互作用しないため、理論的には各モードが独立した送信チャネルとして振る舞うことができる。しかし、ファイバ欠陥及び／又は曲げにより、モードは主に類似の伝搬定数を有する他のモードへパワーを結合させる。光パワーは長い距離にわたって多数のモードで供給される可能性が高い。しかし、あるモードはすべてのＦＭＦモードの特定の線形結合と結合するため、これには問題があり、励起された別のモードはすべてのＦＭＦモードのなおも直交している線形結合と結合する。デジタル信号処理の助けを借りることで、元の信号をそれでも復元することができる。典型的なＦＭＦの屈折率分布形状はコア領域において放物線形状を有し、異なるモードの遅延を緩和する、すなわちすべてのモードの到達時間が非常に似通ったものになることを保証する。これにより、受信機での信号分析に必要となるデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）の規模の要件が緩和される。

提案される別のＳＤＭ実装は、ファイバ内での光角運動量（ＯＡＭ）多重化に依存する。この手法の難しさとして、高次モード選択性を有するモード多重化装置（逆多重化装置）の実装と、カスケード式ビームスプリッタに関連する１／Ｎ挿入損失を回避することが挙げられる。

その結果、上で検討された問題の影響を低減することが可能なＳＤＭ実装の改善された方法に対する要求がある。

本発明の一実施形態は、第１屈折率を有する材料で形成される比較的高い屈折率の光学コア領域と、光学コア領域を囲み第１屈折率より小さい第２屈折率を有する材料から形成される第１低屈折率領域と、第１低屈折率領域を囲み第２屈折率より大きい第３屈折率を有する材料から形成される第１高屈折率リング領域と、第１高屈折率領域を囲み第３屈折率より小さい第４屈折率を有する材料から形成される第２低屈折率領域、とを有する光ファイバを対象としている。光学コア領域は光学コア領域に関連する少なくとも第１径方向モードに沿った光の伝搬をサポートし、第１高屈折率リング領域は第１高屈折率リング領域に関連する少なくとも第２径方向モードに沿った光の伝搬をサポートし、第２径方向モードは第１径方向モードとは異なる。

一部の実施形態では第１屈折率と第３屈折率は同じであり、他の実施形態では第１屈折率は第３屈折率より大きい。一部の実施形態では第２屈折率と第４屈折率が同じである。

本発明の別の実施形態は、第１光信号を生成することと第２光信号を生成することを含む、通信方法を対象としている。また、この方法は比較的高い第１屈折率の材料を有する第１材料で形成されるコアと、コアの周りに比較的高い第２屈折率を有する第２材料で形成される第１高屈折率リングとを有する、同心円状の空間分割多重（ＳＤＭ）ファイバを与え、コアと第１高屈折率リングは、比較的高い第１屈折率より小さく比較的高い第２屈折率より小さい第３屈折率を有する第３材料のリングにより分離されている。第１光信号は同心円状ＳＤＭファイバの第１モードへ送信され、実質的にコアに沿って伝搬する。第２光信号は同心円状ＳＤＭファイバの第２モードへ送信され、実質的に第１高屈折率リングに沿って伝搬する。第１光信号は、同心円状ＳＤＭファイバに沿って伝搬した後に、実質的に第２光信号を含まずに検出される。第２光信号は、同心円状ＳＤＭファイバに沿って伝搬した後に、実質的に第１光信号を含まずに検出される。

上記の本発明の概要は、本発明の図示されている各実施形態、又はあらゆる実施形態を説明することを意図しているわけではない。後に続く図及び詳細な説明は、より具体的にこれらの実施形態を例示している。

本発明は、本発明の様々な実施形態の以下の詳細な説明を添付の図とともに考慮することで、より完全に理解することができる。
空間分割多重化を使って異なる同心円状ファイバモードの単一の光ファイバに沿って光通信信号を伝搬する光通信システムの実施形態を模式的に示す。本発明の実施形態で使用される、好ましい円対称の径方向屈折率分布形状を模式的に示す。本発明の実施形態で使用される、好ましい円対称の径方向屈折率分布形状を模式的に示す。本発明の別の実施形態で使用される、好ましい円対称の径方向屈折率分布形状を模式的に示す。本発明の別の実施形態で使用される、好ましい円対称の径方向屈折率分布形状を模式的に示す。本発明の別の実施形態で使用される、好ましい円対称の径方向屈折率分布形状を模式的に示す。本発明の別の実施形態で使用される、好ましい円対称の径方向屈折率分布形状を模式的に示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有するＳＤＭファイバ内に存在するモード光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有するＳＤＭファイバ内に存在するモード光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有するＳＤＭファイバ内に存在するモード光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有するＳＤＭファイバ内に存在するモード光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有するＳＤＭファイバ内に存在するモード光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有するＳＤＭファイバ内に存在するモード光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有するＳＤＭファイバ内に存在するモード光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する好ましい高い閉じ込め性のＳＤＭファイバにおける様々なモードの光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する好ましい高い閉じ込め性のＳＤＭファイバにおける様々なモードの光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する好ましい高い閉じ込め性のＳＤＭファイバにおける様々なモードの光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する好ましい高い閉じ込め性のＳＤＭファイバにおける様々なモードの光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する好ましい高い閉じ込め性のＳＤＭファイバにおける様々なモードの光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する好ましい高い閉じ込め性のＳＤＭファイバにおける様々なモードの光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する好ましい高い閉じ込め性のＳＤＭファイバにおける様々なモードの光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する好ましい高い閉じ込め性のＳＤＭファイバにおける様々なモードの光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する好ましい低い閉じ込め性のＳＤＭファイバにおける様々なモードの光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する好ましい低い閉じ込め性のＳＤＭファイバにおける様々なモードの光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する好ましい低い閉じ込め性のＳＤＭファイバにおける様々なモードの光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する好ましい低い閉じ込め性のＳＤＭファイバにおける様々なモードの光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する好ましい低い閉じ込め性のＳＤＭファイバにおける様々なモードの光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する好ましい低い閉じ込め性のＳＤＭファイバにおける様々なモードの光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する好ましい低い閉じ込め性のＳＤＭファイバにおける様々なモードの光パワーを表す計算結果を示す。本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する好ましい低い閉じ込め性のＳＤＭファイバにおける様々なモードの光パワーを表す計算結果を示す。３つの好ましい屈折率分布形状を示し、ｉ）は少数モードファイバでの屈折率分布形状、ｉｉ）は本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する高い閉じ込め性のＳＤＭファイバの屈折率分布形状、ｉｉｉ）は本発明の実施形態に係る、同心円状コアを有する低い閉じ込め性のＳＤＭファイバの屈折率分布形状、を示す。図８Ａに示される屈折率分布形状を有するファイバのモードに対して算出された、群速度及び相対位相速度を示す。光信号を多重化／逆多重化して本発明に係る同心円状ＳＤＭファイバへ入力／出力するのに便利な光学的ランタンの実施形態を模式的に示す。

本発明は様々な変更及び代替の形態に適しているが、その詳細は図面における例として示され、詳細が説明される。しかし、説明された特定の実施形態に本発明を限定することは意図されていないことを理解されたい。むしろ、添付の請求項で規定される本発明の趣旨及び範囲内に入るすべての変更、均等物、及び代替を含むことが意図されている。

本発明は同心円状のリングコアを利用する空間分割多重化（ＳＤＭ）の手法を対象としている。リングがお互いから比較的遠くへ分離されている、及び／又はリングとクラッドの間の屈折率差が充分に大きい場合、モード電磁場は個々のリングへ比較的強く拘束されている。特定のリングに拘束されたモード場は独立した送信チャネルを構成することができる。特定のリングに存在しうる多数のモード場は、リングのレベルで使用される空間分割多重化を容易にすることができる。同心円状のリングコアは円対称形状で実現することができるため、そのようなファイバの接続は、コアがそれぞれの相手と整列されていることを保証するためにファイバ軸線周りに回転配列されている必要がある多重コアファイバ（ＭＣＦ）と比べ、単純である。

他の場合では、複数のリングがすぐ近くにある場合、及び／又はリングとクラッドの間の屈折率差がより小さい場合は、モード電磁場は２つ以上のリングに及ぶことがある。そのような設計は、少数モードファイバ（ＦＭＦ）の設計と同様に使用することができる。同心円状のリングファイバのモードの伝搬定数はＦＭＦにおける伝搬定数よりも良好なアイソレーションを有することが可能で、モードパワー分布がマイクロベンディング及び／又はマクロベンディングの影響を受けにくくする。ある状況下では、この設計でのモード群速度はＦＭＦにおけるモード群速度よりも大きな変動をすることがあるが、短距離の光通信チャネルでは問題となりにくい。

光通信システム１００の好ましい実施形態を図１に模式的に示す。概して、光通信システム１００は送信機部分１０２、受信機部分１０４、及び光ファイバ部分１０６を有する。光ファイバ部分１０６は送信機部分１０２からの光信号を受信機部分１０４へ送信するために送信機部分１０２と受信機部分１０４の間に結合される。

本実施形態では、光通信システム１００は空間分割多重化（ＳＤＭ）形式となっている。光信号は送信機部分１０２内で生成され、光ファイバ部分１０６内の同心円状ＳＤＭ光ファイバ１２８の異なるモードへ結合されて受信機部分１０４へ送られ、受信機部分１０４において異なるファイバモードに沿って伝搬した信号が空間的に分離されてそれぞれの検出器へと向けられる。図示の実施形態は４つの異なる信号を空間的に多重化する光通信システム１００を示すが、光通信システムは異なる数、例えば２つ、３つ、又は４つを超える数の信号を空間的に多重化することがあることを理解されたい。

送信機部分１０２は、それぞれ光信号１１６、１１８、１２０、１２２を作りだす多数の送信部１０８、１１０、１１２、１１４を有する。光通信システム１００は任意の有用な波長、例えば８００～９５０ｎｍの範囲、又は１２５０ｎｍ～１３５０ｎｍ、１５００ｎｍ～１６００ｎｍ、１６００ｎｍ～１６５０ｎｍなどの他の波長範囲で動作することができる。各送信部１０８、１１０、１１２、１１４は空間分割多重化装置１２４を介して光ファイバシステム１０６に結合されて、光信号１１６、１１８、１２０、１２２を光ファイバシステム１０６の同心円状ＳＤＭ光ファイバ１２８のそれぞれのモードへと向ける。

マルチモード光信号１２６は光ファイバシステム１０６に沿って受信機部分１０４まで伝搬し、同心円状ＳＤＭ光ファイバ１２８の異なるモードをサポートする、空間分割多重化装置１２４からの光で励起された光信号１１６、１１８、１２０、１２２へと分割される。こうして、本実施形態によれば、送信部１０８が光信号１１６を作り出し、この光信号が同心円状ＳＤＭ光ファイバ１２８の第１モードを通って受信部１３２へ送信され、送信部１１０が光信号１１８を作り出し、この光信号が同心円状ＳＤＭ光ファイバ１２８の第２モードを通って受信部１３４へ送信され、送信部１１２が光信号１２０を作り出し、この光信号が同心円状ＳＤＭ光ファイバ１２８の第３モードを通って受信部１３６へ送信され、送信部１１４が光信号１２２を作り出し、この光信号が同心円状ＳＤＭ光ファイバ１２８の第４モードを通って受信部１３８へ送信されて、光信号１１６、１１８、１２０、１２２のすべてが同じ光ファイバ１２８に沿って伝搬する。このようにして、光信号１１６は実質的に光信号１１８、１２０、１２２を含まずに受信部１３２で検出することができて、光信号１１８は実質的に光信号１１６、１２０、１２２を含まずに受信部１３４で検出することができて、光信号１２０は実質的に光信号１１６、１１８、１２２を含まずに受信部１３６で検出することができて、光信号１２２は実質的に光信号１１６、１１８、１２０を含まずに受信部１３８で検出することができる。

さらに、多くの光通信システムでは、光ファイバに沿って光信号が両方向に伝搬する。この可能性は図１に示されており、光信号が両方向矢印で表されている。そのような場合、送信部及び受信部は同心円状ＳＤＭ光ファイバ１２８の特定のモードに沿って伝搬する信号を生成し、受信する送受信部で置き換えることができる。他の実施形態では、光ファイバシステム１０６の各端部に信号の送信部及び受信部が別々にあることがありうる。

加えて、送信機からの信号をたった一つの波長に制限する必要はない。例えば、１つ又は複数の送信部１０８、１１０、１１２、及び１１４が、同心円状ＳＤＭ光ファイバ１２８のそれぞれのモードに沿って伝搬する波長分割多重化された信号１１６、１１８、１２０、１２２をそれぞれ作り出すことがある。そのような場合、受信部１３２、１３４、１３６、及び１３８はそれぞれ、１つの特定の波長の光信号が他の波長の光信号から独立して検出できるように波長分割多重化部を備えることができる。

同心円状ＳＤＭファイバは、すぐ周りの材料よりも高い屈折率を有する材料の同心円状リングを２つ以上含む光ファイバである。同心円状ＳＤＭファイバの一実施形態の屈折率分布形状が図２Ａ、２Ｂに示されている。図２Ａは屈折率をファイバ中心からの径方向位置の関数として示し、図２Ｂはファイバの断面形状の屈折率を示す。本実施形態では、比較的高い屈折率ｎ１を有する材料の中心コア２０２がある。中心コア２０２は、比較的低い屈折率ｎ_clを有する低屈折率材料の第１リング２０４で囲まれている。低屈折率材料の第１リング２０４は、比較的高い屈折率ｎ１を有する比較的高い屈折率の材料の第１リング２０６で囲まれている。比較的高い屈折率の材料の第１リング２０６は、比較的低い屈折率ｎ_clを有する材料２０８で囲まれている。

同心円状ＳＤＭファイバは、高屈折率材料の同心円状部分を２つだけ有することに制限されず、高屈折率部分の材料の屈折率は、各高屈折率部分と同じ屈折率であることに制限されない。例えば、図３Ａ、３Ｂに示される同心円状ＳＤＭファイバの実施形態に対する屈折率分布形状では、３つの比較的高い屈折率の材料の部分、中心コア３０２及び２つの同心円状のリング３０６、３１０があり、比較的低い屈折率を有する材料の部分３０４、３０８、３１２が間に配置されている。本実施形態では、低屈折率の部分３０４、３０８、３１２の屈折率はｎ_clである。中心コア３０２の屈折率はｎ１であり、第１高屈折率リング３０６の屈折率はｎ１より小さくｎ_clより大きいｎ２であり、第２高屈折率リング３１０の屈折率はｎ２より小さくｎ１より大きいｎ３である。

同心円状ＳＤＭファイバは高屈折率材料の同心円状の部分を２つ又は３つだけ有することに制限されず、４つ以上を含んでもよい。さらに、低屈折率の部分はすべて同じ屈折率を有する必要はない。例えば、図４Ａ、４Ｂに示される同心円状ＳＤＭファイバの屈折率分布形状では、中心コア４０２は屈折率ｎ１を持ち、第１高屈折率リング４０６はｎ１より小さい屈折率ｎ２を持つ。最も内側の低屈折率領域４０４は屈折率ｎ_cl1を持ち、第１高屈折率リング４０６の外側の低屈折率領域４０８は屈折率ｎ_cl2を持つが、この屈折率はｎ_cl1と同じである必要はない。図示の実施形態では、ｎ_cl2の値はｎ_cl1より小さいが、一部の実施形態では、ｎ_cl1より大きくてもよい。

同心円状ＳＤＭファイバは、光ファイバ内に所望の屈折率分布形状を与えるために改良化学気相成長法（ＭＣＶＤ）又はプラズマ誘起化学気相成長法（ＰＣＶＤ）などの化学気相成長法、又は参照により本願に援用される米国特許第６，０６２，０４６号明細書に記載のプロセスを含む既知のプロセスを使って作ることができる。

図２Ａ、２Ｂで説明された同心円状ＳＤＭファイバの実施形態では、コア領域２０２は屈折率１．４５２及び半径４μｍを持ち、第１低屈折率領域は屈折率１．４４７でファイバ中心から４μｍから８μｍの径方向領域に存在する。高屈折率リング２０６はコア領域２０２と同じ屈折率でファイバ中心から８μｍから１０μｍに位置する。外側の低屈折率領域２０８は第１低屈折率領域２０４と同じ屈折率でファイバ中心から１０μｍを超える径方向距離に位置する。したがって、本実施形態のファイバの高屈折率領域と低屈折率領域の間の屈折率差は０．００５である。

図３Ａ、３Ｂで説明された同心円状ＳＤＭファイバの実施形態では、コア領域３０２は屈折率１．４５２及び半径４μｍを持つ。第１低屈折率リング３０４は４μｍから８μｍの半径に位置し、屈折率１．４４７を持つ。第１高屈折率リング３０６は屈折率１．４５１で半径８μｍから１０μｍに位置する。第２低屈折率リング３０８は第１低屈折率リング３０４と同じ屈折率を持ち、半径１０μｍから１５μｍに位置する。第３高屈折率リング３１０は屈折率１．４４９で半径１５μｍから１６μｍに位置する。第３低屈折率領域３１２は第１低屈折率リング３０４と同じ屈折率を持ち、１６μｍを超える径方向距離に位置する。したがって、高屈折率コア３０２と第１低屈折率リング３０４の間の屈折率差は０．００５であり、第１高屈折率リング３０６と低屈折率材料３０４、３０８の間の屈折率差は０．００４であり、第２高屈折率リング３１０と低屈折率材料３０８、３１２の間の屈折率差は０．００２である。

図４Ａ、４Ｂで説明された同心円状ＳＤＭファイバの実施形態では、コア領域４０２は屈折率１．４５２及び半径４μｍを持つ。第１低屈折率リング４０４は屈折率１．４４８で４μｍから８μｍの径方向距離に位置する。第１高屈折率リング４０６は屈折率１．４５１で放射状に８μｍから１０μｍに位置する。第２低屈折率領域は１０μｍを超える径方向距離に位置し、屈折率１．４４７を持つ。したがって、高屈折率コア領域４０２と第１低屈折率リング４０４の間の屈折率は０．００４であり、第１高屈折率リング４０６と周囲の低屈折率領域４０４、４０８の間の屈折率差の平均はｎ１－（（ｎ_cl1＋ｎ_cl2）／２）＝０．００４で与えられる。

本発明は図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂで説明された同心円状ＳＤＭ光ファイバの実施形態に制限されず、ファイバの様々な部分の屈折率の値及び付随する隣接ファイバ領域間の屈折率差にも制限されず、様々なファイバ領域の特定の半径にも制限されない。図２Ａ～２Ｂ、３Ａ～３Ｂ、４Ａ～４Ｂに示される例で使われている屈折率の値は１５５０ｎｍの波長の光に対するものであるが、この波長又は他の波長に対して他の屈折率の値が使われうることを理解されたい。図示の実施形態に対するこれらの値は例証目的に過ぎないと受け取られるべきである。さらに、図示の実施形態では、隣接するファイバ領域間の屈折率には階段状変化がある。これは本発明の制限であるとは意図されておらず、領域間の屈折率の変化は光ファイバ内の半径の非ゼロ範囲にわたって起こり得ると理解される。図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂに示される階段状の屈折率の変化は、例証目的に過ぎない。

図５Ａ～５Ｇは、図２Ａ、２Ｂに示されたものと同様の同心円状の高屈折率領域を２つ有するファイバ内に存在する光モードの数値モデリングの結果を示す。これらの図はｙ座標とｘ座標に対して異なるスケールを使っているので、まったく円形には見えないかもしれないが算出されたモードパターンは円形である。

以下のパラメータが図示の結果を得るために使用されたモデルで想定された。

上記の表で説明される構造のファイバに関連するモード電磁場は、屈折率の比較的小さな差異のために強く直線偏波されており、それゆえ単一のコア及びクラッドを有する典型的なマルチモードファイバで生じるＬＰモードと同様に分類することができて、同心円状ＳＤＭファイバで生じるモードを説明するのにＬＰモードへの参照がなされる。図５Ａは、ファイバコア領域のみで伝搬し、ＬＰ₀₁モードと呼ぶことができる基本モードでの算出されたパワー分布を示す。図５Ｂは、円対称で、内部コア及び周囲の高屈折率リングの両方でパワーを伝える高次モードにおける算出されたパワー分布を示す。このモードは、ＬＰ₀₂モードと呼ぶことができる。

図５Ｃ、５Ｄはそれぞれ、内部コア及び第１高屈折率リングの両方を占有する高次モードのパワー分布を示す。これらのモードはＬＰ₁₂モードと呼ばれることがある。

図５Ｅ、５Ｆ、５Ｇはそれぞれ、第１高屈折率リングの内側だけに閉じ込められる高次モードのパワー分布を示す。これらのモードはＬＰ₂₁モードと呼ばれることがある。

複数の同心円状のリングが充分に離れている、及び／又は高屈折率領域とクラッドの間の屈折率差が充分に大きい場合、各モードを効果的に単一のリングに閉じ込めることができる。これは高い閉じ込め性と呼ばれることがある。例えば、各モードの光パワーが以下の屈折率分布形状を有するファイバに対して計算された。

クラッドは高屈折率領域の間、例えば４．０６μｍと１０μｍの間の領域、１２μｍと２０μｍの間の領域、２１μｍを超える領域の間の材料である。

ファイバ内の８つのモードに対するパワー分布が図６Ａ～６Ｈに示されている。それぞれの場合において、高屈折率領域の位置が赤色の同心円状の線で描かれている。図６Ａは、基本のＬＰ₀₁モードはほぼ完全に中心の高屈折率領域に閉じ込められていることを示す。ＬＰ₀₂モードは第２高屈折率領域に実質的に閉じ込められており（図６Ｂを参照）、わずかな量のパワーが中心の高屈折率領域にある。ＬＰ₁₁、ＬＰ₂₁、及びＬＰ₃₁モードは、それぞれ図６Ｃ、６Ｄ、６Ｅに見られるように、第２高屈折率領域にほぼ完全に閉じ込められている。同様に、ＬＰ₀₃、ＬＰ₁₂、及びＬＰ₂₂モードは、図６Ｆ、６Ｇ、６Ｈに見られるように、第３高屈折率領域にほぼ完全に閉じ込められている。一部の実施形態では、各ＬＰモードのパワーの９０％超が単一の高屈折率領域に閉じ込められ、１０％より少ないパワーが別の高屈折率領域に現れ、好ましくは５％より少ないパワーが別の高屈折率領域に現れ、より好ましくは１％より少ないパワーが別の高屈折率領域に現れる。

本発明の他の実施形態では、複数の高屈折率の領域がすぐ近くにある場合、及び／又は高屈折率領域とクラッドの間の屈折率差がより小さい場合、ＬＰモードで伝えられる光パワーの大部分を１つの高屈折率領域内に見ることができて、一方で非常にわずかなパワーが別の高屈折率領域で伝えられる、又は光パワーが実質的に２つ以上の高屈折率領域で共有されることがある。さらに、光パワーの一部は複数の高屈折率領域の間のクラッドに存在することがある。この状況は低い閉じ込め性と呼ばれることがある。例えば、各モードの光パワーが以下の屈折率分布形状を有するファイバに対して計算された。

ファイバ内の８つのモードに対するパワー分布が図７Ａ～７Ｈに示されている。図７Ａは、基本のＬＰ₀₁モードはほぼ完全に中心の高屈折率領域に閉じ込められていることを示す。ＬＰ₀₂モードは、パワーを主に中心の高屈折率領域と第２高屈折率領域に含む（図７Ｂ参照）。ＬＰ₁₁モードは、パワーを主に第２高屈折率領域に含み、また一部を第３高屈折率領域に含む（図７Ｃ参照）。ＬＰ₂₁モードは、光パワーを主に第２高屈折率領域に含み、また一部を第３高屈折率領域に含む（図７Ｄ参照）。ＬＰ₄₁モードは、光パワーの大部分を第３高屈折率領域に有し、一部のパワーが内側へ第２高屈折率領域まで広がっている（図７Ｅ参照）。ＬＰ₀₃モード及びＬＰ₁₂モードは、光パワーを中心の高屈折率領域、第２高屈折率領域、及び第３高屈折率領域に含む（図７Ｆ、７Ｇ参照）。ＬＰ₃１モードの光パワーは主に第３高屈折率領域にあり、より少ない量が第２高屈折率領域にあるが、中心の高屈折率領域にはない。

同心円状ＳＤＭファイバ内の異なるモードはそれぞれ群速度を有し、これらは従来の手法を使って計算することができる。群速度の分散は特定のファイバの帯域幅と距離の積を制限することがある。しかし、様々な同心円状のリングの大きさと屈折率を調整して群速度の分散を最小化するとともにモード場をファイバへ拘束することができる。例えば、高屈折率コアは、ＬＰ₀₁モードのみをサポートするように径方向に制限されることがあり、又は第１高屈折率リングはただ１つの径方向モードをサポートするように径方向へ充分に細くされることがある。こうして、高屈折率のコア又はリングで伝えられる径方向モードの数を制限することで、分散に起因する帯域幅制限が小さくなる。

さらに、モード群の群速度は、モード群内を伝搬する光が異なるモード群で伝搬する光よりも分散が小さくなるように、いくらか似通ったものにされることがある。ＬＰ_lnモードに対する好ましいモード群速度（ｌは角度の添え字であり、ｎは半径の添え字）が、上で与えられた低い閉じ込め性の例の特性を持つファイバに対して以下で示される。

群速度ｖ_gの値が、モード群速度の分散を小さくするように、単一のリングに沿って伝搬する異なるモードの群速度と非常に近いことが特に望まれる。これは、例えば、図３Ａ又は図８Ａに示されるのと同様に、ファイバ中心からより遠い高屈折率リングで屈折率値が減少、又は増加するようにファイバを設計することで実現することができるかもしれない。また、同時にファイバへ入射された信号がおよそ同じ時間に検出されるように、異なるリングにおけるｖ_gの値が比較的すぐ近い値であることが好ましい。

同心円状コアファイバを設計する際の別の検討事項は、同心円状のリングの幅である。リングがより細い、及び／又はクラッドとの屈折率差がより小さいと、次第にモードがうまくリングへ閉じ込められなくなる。その一方で、リングがより広い場合はリングはより多くのモードをサポート可能であるが、多モード分散に起因する帯域幅制限につながりかねない。

本発明のファイバとＦＭＦの群速度及び位相速度の比較について、図８Ａ、８Ｂを参照して考察する。図８Ａは、３つの異なるファイバの屈折率分布形状をファイバ中心からの径方向距離の関数として模式的に示す。滑らかな曲線８０２はＦＭＦで見られる放物線形状を表している。破線で示される階段状分布形状は図６Ａ～６Ｈを参照して検討した高い閉じ込め性のファイバの屈折率分布形状を表し、実線８０６で示される階段状分布形状は図７Ａ～７Ｈを参照して検討した低い閉じ込め性のファイバの屈折率分布形状を表す。ＦＭＦの屈折率分布形状８０２は、分布形状８０４及び８０６の好ましい同心円状リングファイバと同数程度のモードをサポートするように選択された。

図８Ｂは、３つの好ましいファイバのそれぞれのモードでの、群速度と位相速度の関係を表す図を示す。線８１２はＦＭＦのモードでの位相速度と群速度の対を示し、その屈折率分布形状は図８Ａの曲線８０２である。この線上の２つの点の横にある補足的な「（２）」は、群速度及び位相速度がほぼ重なるモードが２つあることを示す。線８１４は高い閉じ込め性の同心円状ファイバのモードでの位相速度と群速度の対を示し、その屈折率分布形状は図８Ａの曲線８０４である。線８１６は低い閉じ込め性の同心円状ファイバのモードでの位相速度と群速度の対を示し、その屈折率分布形状は図８Ａの曲線８０６である。

ＦＭＦのいくつかのモード及び線８１２は、位相速度が等距離であり、特に約１．４４７５の相対位相速度においてそうなっている。さらに、線８１２で相対位相速度の値が約１．４４８５より大きい、比較的平坦な部分は、ＦＭＦ屈折率分布形状の放物線状の性質によりもたらされる小さな群速度分散を示している。好ましい同心円状ファイバに対する線８１４及び８１６では、モードは群速度及び位相速度がもっと散在した値となっており、モードはより分離されている。これにより、ＦＭＦと比べてより少ないモードが混合されていて、曲げ特性が改善されると予測される。

様々な適切な種類の空間多重化装置／逆多重化装置を高屈折率のコア又はリングのそれぞれへ光信号を入射するのに使用することができる。一つの手法は、マルチモードファイバをより少ない、典型的には単一のモードをサポートするファイバコア数本へ接続する低損失の光導波路素子であるフォトニックランタンを使うことである。そのような装置は、例えばBirks TAなどによる”The Photonic Lantern”, Advances in Optics and Photonics, vol. 7, pp.107-167 (2015)（「Ｂｉｒｋｓ論文」)でより詳細に説明されているが、少数モードファイバで使用するために開発された。また、同心円状ＳＤＭファイバは少数モードファイバがサポートしているモードと多少類似するものの同心円状ＳＤＭファイバの同心円状のリング構造により径方向モード間のアイソレーションが改善された光モードを伝えるので、この装置は、同心円状ＳＤＭファイバで使用するのに適している。

フォトニックランタン７００の好ましい実施形態を図９に模式的に示す。フォトニックランタン７００は、ＳＤＭコア領域７０６に対してテーパの付いた遷移領域７０４においてテーパの付いた多数のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）コア７０２を含む。ＳＤＭコア領域７０６の出力端７１０でのテーパの付いたコア７０８の位置は、同心円状ＳＤＭファイバの高屈折率領域とテーパの付いたコアの間で光が効率的に伝達されるように、同心円状ＳＤＭファイバの端部の高屈折率のコア及びリング領域の位置と一致する。フォトニックランタンを製造する多くの方法がＢｉｒｋｓ論文に記載されており、同論文は参照により本願に援用される。

本明細書を精査することで、本発明が適用可能な様々な変更、等価なプロセス、及び多くの構造が、本発明が対象とする技術の当業者には容易に明らかになるであろう。例えば、本明細書で与えられる実施例は円対称の屈折率分布形状を有する光ファイバについて説明しているが、屈折率分布形状が楕円対称で、ファイバ内の偏波保持されたチャネルに沿って光をマルチモード伝送するのに使用されうるファイバも本発明は対象としている。請求の範囲にはそのような変更や装置も含まれることが意図されている。

上述したように、本発明はファイバ光通信及びデータ伝送システムに適用可能である。したがって、本発明は上記の特定の実施例に制限されると考えられるべきではなく、むしろ、添付の請求項で適正に記載されているすべての態様を含むと理解されるべきである。

Claims

光通信システムであって、
第１光信号を生成する第１送信部と、
第２コアと同心の第１コアを有する同心空間分割多重化（ＳＤＭ）ファイバであって、前記第２コアは前記同心ＳＤＭファイバ内において前記第１コアと径方向に分離されており、前記同心ＳＤＭファイバは第１端部及び第２端部を有する、前記同心ＳＤＭファイバと、
前記第１送信部から前記同心ＳＤＭファイバの前記第１端部への前記第１光信号の経路上に配置された第１空間マルチプレクサ／デマルチプレクサと、
前記第１光信号が前記第１送信部から前記同心ＳＤＭファイバの前記第１コアに沿って伝搬した後、前記第１光信号を受信するように配置された第１受信部と、
前記同心ＳＤＭファイバの前記第２端部から前記第１受信部への前記第１光信号の経路上に配置された第２空間マルチプレクサ／デマルチプレクサと、
第２光信号を生成する第２送信部と、
前記第２光信号が前記第２送信部から前記同心ＳＤＭファイバの前記第２コアに沿って前記第１及び第２空間マルチプレクサ／デマルチプレクサを通って伝搬した後、前記第２光信号を受信するように配置された第２受信部と、
を有する光通信システム。
前記第２送信部は、前記第２光信号を前記同心ＳＤＭファイバの前記第１端部へ導くように配置され、前記第２受信部は、前記第２光信号を前記同心ＳＤＭファイバの前記第２端部から受信するように配置される、請求項１に記載のシステム。
前記第２送信部は、前記第２光信号を前記同心ＳＤＭファイバの前記第２端部へ導くように配置され、前記第２受信部は、前記第２光信号を前記同心ＳＤＭファイバの前記第１端部から受信するように配置される、請求項１に記載のシステム。
前記第１空間マルチプレクサ／デマルチプレクサは、前記第２送信部から前記同心ＳＤＭファイバの前記第１端部への前記第２光信号の経路上に配置され、前記第２空間マルチプレクサ／デマルチプレクサは、前記同心ＳＤＭファイバの前記第２端部から前記第２受信部への前記第２光信号の経路上に配置される、請求項１に記載のシステム。
前記第２空間マルチプレクサ／デマルチプレクサは、前記第２送信部から前記同心ＳＤＭファイバの前記第２端部への前記第２光信号の経路上に配置され、前記第１空間マルチプレクサ／デマルチプレクサは、前記同心ＳＤＭファイバの前記第１端部から前記第２受信部への前記第２光信号の経路上に配置される、請求項１に記載のシステム。
前記第１光信号は、第１波長分割多重（ＷＤＭ）光信号である、請求項１に記載のシステム。
前記第２光信号は、第２ＷＤＭ光信号である、請求項１に記載のシステム。
第３光信号を生成する第３送信部と、前記第３光信号が前記第３送信部から前記同心ＳＤＭファイバに沿って伝搬した後、前記第３光信号を受信するように配置された第３受信部とを更に有する、請求項１に記載のシステム。
前記同心ＳＤＭファイバは、前記第１コア及び前記第２コアと同心の第３コアを有し、前記第３光信号は、前記第３送信部から前記第３コアを介して前記第３受信部へ伝搬する、請求項８に記載のシステム。
前記第３光信号は、前記第１コア又は前記第２コアの一つに沿って、前記第１光信号の第１伝搬方向又は前記第２光信号の第２伝搬方向の一つとそれぞれ反対の第３伝搬方向へ伝搬する、請求項８に記載のシステム。
前記第１及び第２送信部は、それぞれ、第１及び第２送受信部であり、前記第１及び第２受信部は、それぞれ、第３及び第４送受信部である、請求項１に記載のシステム。
前記同心ＳＤＭファイバの前記第１コアは、前記同心ＳＤＭファイバの軸上に位置する中心コアであり、前記第２コアは、前記第１コアに対して同心状に径方向に分離されて配置された円筒状コアである、請求項１１に記載のシステム。
前記第１コアは、関連する第１屈折率を有し、前記第２コアは、関連する第２屈折率を有し、前記第１及び第２屈折率が等しい、請求項１に記載のシステム。
前記第１コアは、関連する第１屈折率を有し、前記第２コアは、関連する第２屈折率を有し、前記第１及び第２屈折率が異なる、請求項１に記載のシステム。
前記第２屈折率は前記第１屈折率よりも小さい、請求項１４に記載のシステム。
光通信システムであって、
第２コアと同心の第１コアを有する同心空間分割多重化（ＳＤＭ）ファイバであって、前記第２コアは前記同心ＳＤＭファイバ内において前記第１コアと径方向に分離されている、前記同心ＳＤＭファイバと、
前記同心ＳＤＭファイバの第１端部に配置された第１空間マルチプレクサ／デマルチプレクサと、
前記同心ＳＤＭファイバの第２端部に配置された第２空間マルチプレクサ／デマルチプレクサと、
を有し、前記第１空間マルチプレクサ／デマルチプレクサは、前記同心ＳＤＭファイバの前記第１及び第２コアと位置合わせされ、前記第２空間マルチプレクサ／デマルチプレクサは、前記同心ＳＤＭファイバの前記第１及び第２コアと位置合わせされ、第１光信号が前記第１空間マルチプレクサ/デマルチプレクサを介して前記第１コアへ伝搬し、第２光信号が前記第１空間マルチプレクサ/デマルチプレクサを介して前記第２コアへ伝搬するときに、前記第２空間マルチプレクサ/デマルチプレクサは、前記同心ＳＤＭファイバの前記第２端部から伝搬した後の前記第１及び第２光信号の経路を分離し、前記第１及び第２光信号を別々に検出可能とする、光通信システム。
前記第１光信号を生成する第１送信部であって、前記第１光信号を前記第１空間マルチプレクサ／デマルチプレクサを介して前記同心ＳＤＭファイバの前記第１コアへ伝搬するように構成された前記第１送信部と、
前記第１光信号が前記同心ＳＤＭファイバの前記第１コアに沿って伝搬した後、前記第２空間マルチプレクサ／デマルチプレクサを介して前記第１光信号を受信する第１受信部と、
を更に有する、請求項１６に記載のシステム。
前記第２光信号を生成する第２送信部であって、前記第２光信号を前記第１空間マルチプレクサ／デマルチプレクサ及び前記第２空間マルチプレクサ／デマルチプレクサの一方を介して前記同心ＳＤＭファイバの前記第２コアへ伝搬するように構成された前記第２送信部と、
前記第２光信号が前記同心ＳＤＭファイバの前記第２コアに沿って伝搬した後、前記第１空間マルチプレクサ／デマルチプレクサ及び前記第２空間マルチプレクサ／デマルチプレクサの他方を介して前記第２光信号を受信する第２受信部と、
を更に有する、請求項１７に記載のシステム。
前記第２光信号は、前記第２送信部から前記第１空間マルチプレクサ／デマルチプレクサを介して前記同心ＳＤＭファイバの前記第２コアへ伝搬し、前記同心ＳＤＭファイバの前記第２コアから前記第２空間マルチプレクサ/デマルチプレクサを介して第２受信部へ伝搬する、請求項１８に記載のシステム。
前記第２光信号は、前記第２送信部から前記第２空間マルチプレクサ／デマルチプレクサを介して前記同心ＳＤＭファイバの前記第２コアへ伝搬し、前記同心ＳＤＭファイバの前記第２コアから前記第１空間マルチプレクサ/デマルチプレクサを介して第２受信部へ伝搬する、請求項１８に記載のシステム。