耦合多芯光纤、耦合模合波分波器、多芯光纤传输系统、以及多芯光纤传输方法

技术领域

本发明涉及适合于模复用传输的多芯光纤，特别涉及耦合多芯光纤和其入射出射端的模合波分波器、以及并用使用了耦合非耦合混合多芯光纤的模分复用和空分复用的多芯光纤传输系统，上述耦合非耦合混合多芯光纤使多个耦合多芯组为非耦合状态，用于高密度地进行空分复用。

背景技术

目前，研究多模光纤，提出了用于消除模式群延迟差引起的传输频带限制的多种方案。作为其中之一，具有分离模式群来在电气方面使群延迟差均值化的方案(非专利文献1)。然后，根据在阶跃折射率光纤中模传播角与模次数大致对应，提出了角分复用(angular division multiplexing)(非专利文献2)，并且在2006年提出了将几乎相同的概念用于分布折射率光纤而得的模式群分集复用(mode group diversity multiplexing)(非专利文献3)。这些文献中记载的光纤都不是作为通过正交函数系表示的独立的传输通道使用各固有模，而是作为模式群使用传播角的差进行合波分波，传输频带不影响到单模光纤。即，不是将传输容量提高到极限的技术。

此外，非专利文献4提到使多模光纤的各模与传输通道相对应的模分复用。

此外，作为通过光子晶体光纤实现基于现有的同种芯的非耦合多芯光纤的技术，已知非专利文献5。

此外，在非专利文献6中公开了将传播常数不同的两个芯之间的串音量抑制到一定值以下的技术。

非专利文献1：

末松安晴，古屋一仁，″多姿態誘電体光導波路の屈折率分布と

群遅延特性″，電子通信学会論文誌，vol.57-C，no.9，pp.289-296(1974)

非专利文献2：

R.C.Stearns，C.K.Asawa，S-K Yao，″Angular Division M

ultiplexing for Fiber Communication Using Graded-Index Rod Lenses″，J.Lightwave Technol.，vol.LT-4，no.2，pp.358-362(1984)

非专利文献3：

C.P.Tsekrekos，M.de Boer，A.MartinGz，F.M.J.Wille

ms，A.M.J.Koonen，″Temporal Stability of a Transparent Mode Group Diversity Multiplexing Link″，Photon.Technol.Lett.，vol.18，no.23，pp.2484-2486(2006)

非专利文献4：

Martin Feldman，Ramachandran，Vaidyanathan，and Ahmed EI-A

mawyHigh speed，″High Capacity Bused Interconnects Using Optical Slab Waveguides″，Lect Notes Comput Sci.Vol.1586 Page.924-937(1999)

非专利文献5：

今村勝德，武笠和則，杉崎隆一，味村裕，八木健，″超大容量

伝送用マルチホ一リ一フアイパに関する検討″，2008年電子情報通信学会通信ソサエテイ大会

非专利文献6：

吉川浩，山本雄三，大野豊，″加入者線路用非对称2コア形单

一モ一ドフアイバの数值解析″，電子情報通信学会論文誌C-I Vol.J74-C-I No.9 pp307-312 1991年9月

非专利文献7：

S.Inao，T.Sato，H.Hondo，M.Ogai，S.Sentsui，A.Otak

e，K.Yoshizaki，K.Ishihara，and N.Uchida，″High density multi-core -fiber cable″，Proceedings of the 28th International Wire & Cable Sym posium(IWCS)，pp.370-384，1979.

非专利文献8：

B.Rosinski，J.W.D.Chi，P.Grasso，and J.L.Bihan，″

Multichannel transmission of a multiccre fiber coupled with Verticall y-Coupled-Surface-Emitting Lasers″，J.Lightwave Technol.，vol.17，no.5，pp.807-810，1999.

发明内容

在光纤中传播的各固有模的电场分布可以通过以下的式(1)表示。

在上述式(1)中，e_p是单位偏振波矢量，ω_v是载波角频率(v是波长复用或频率复用时的通道编号)，A_i(r_i)和β_i分别是振幅分布和传播常数，i是模次数，r_t是横向(z方向以外的)的坐标位置矢量。在组合这些表示光波的参数(e_p、ω_v、A_i、(r_i)、φ_i)来进行复用时，具有单独使用ω_v的高密度波长复用(或频率复用)和使用e_p的偏振波复用，此外，因为是单模光纤，所以i＝0，具有基于A₀和φ₀的组合的4值差分相位调制解调(DQPSK)、正交振幅调制(QAM)等多值传输。

除了上述复用方式之外，具有模复用(mode division multiplexing)传输。该模复用利用了A_i(r_i)的模次数i不同的固有模构成正交函数系的情况。

在使用目前已知的多模光纤进行模复用传输时，因为使一个传输通道对应一个固有模，所以难以进行模合波分波。因此，不通过模复用而是通过模式群复用来进行复用。

因此，为了进行模复用传输，需要代替多模光纤而使用在一条光纤中容纳了单模的多个芯的多芯光纤。目前，作为通过使用在一条光纤中容纳了单模的多个芯的多芯光纤来进行模复用传输的结构，已知非专利文献7和非专利文献8等。

非专利文献4公开的模分复用使多模波导的各模与传输通道对应，但是在具有大量模的多模波导中，在利用传播角的差进行分波时，根据在出射端的电磁场分布的大小决定的衍射角大于固有模的传播角的差，所以无法进行模分解，存在难以进行模的合波分波的问题。

此外，非专利文献5公开了通过光子晶体光纤实现基于现有的同种芯的非耦合多芯光纤，无论在非专利文献4还是在非专利文献5中，当使同种的芯彼此接近时都发生芯间耦合而成为串音(cross talk)，因此存在无法使芯间隔变窄的问题。

并且，在非专利文献7以及非专利文献8中都是通过现有的同种的芯实现非耦合多芯光纤，当使同种的芯彼此接近时发生芯间耦合而成为串音，存在无法使芯间隔变窄的问题。

在非专利文献6中，在两个芯之间改变芯和包层之间的折射率差，通过作为其结果而产生的传播常数差，即使使芯之间接近也避免耦合，但这只是关于两个芯之间的研究，只不过是把非专利文献8等教科书中记载的物理现象用于芯截面为圆形的光纤。

因此，本发明的目的在于解决上述问题，通过代替多模光纤而使用在一条光纤中高密度地容纳了单模的多个芯的多芯光纤来进行模复用传输。

准备两条单模光纤，当使它们的芯相互接近时，如图2所示在芯间发生模耦合。当把两个芯单独存在的非扰动系统的各自的基本模的传播常数分别设为β₁、β₂时，在传播方向上(z方向)平行地排列这些芯的扰动系统的耦合模a、b的传播常数β_e、β_o如图3所示那样分别为β_e＝β_ave+β_c、β_o＝β_ave-β_c。在此，β_ave＝(β₁+β₂)/2是平均传播常数，β_c使用相位失配量δ＝(β₁-β₂)/2和耦合系数κ，如β_c＝(δ²+κ²)^1/2那样表示。

现在，当从一个芯入射该基本模时，与耦合效率对应的另一芯中的标准化光功率η的z方向依存性记为η＝Fsin²β_cz。在此，F＝(κ/β_c)²为功率迁移率。耦合效率η在耦合长度L_c＝π/(2β_c)时为最大，该值成为F。在满足了相位匹配条件b＝0时β_c＝κ，所以耦合效率的最大值成为1。

本发明的多芯光纤，通过与积极利用芯间的耦合的“耦合”的动作形式对应的多芯光纤的形式，使用在一条光纤中高密度地容纳了单模的多个芯的多芯光纤进行模复用传输。

更详细地说，本发明的多芯光纤，作为通过使用在一条光纤中容纳了单模的多个芯的多芯光纤进行模复用传输的结构，能够有意地使多个芯强耦合，成为使各个耦合模与传输通道一一对应的耦合多芯光纤的方式。

通过该多芯光纤可以与芯的条数相应地增大传输频带。

本发明的耦合多芯光纤，是在一条光纤中容纳了多个单模的芯的多芯光纤，是在光纤中传播的固有模的电场分布中通过振幅分布的模的复用，形成模复用传输系统的多芯光纤。

本发明具备耦合多芯光纤的方式、耦合模合波分波器的方式，以及多芯光纤传输系统或方法的方式。

本发明的耦合多芯光纤的方式，是在一条光纤中容纳了多个单模的芯的多芯光纤，是在光纤中传播的固有模的电场分布中，形成多个芯的固有基本模强耦合的耦合模，使各个次数不同的耦合模与信号的传输通道对应，形成对进行了模分割的传输通道进行复用的模分复用传输系统的多芯光纤。

本发明的多芯光纤具备多个单模光纤中的基本模的传播常数相同的芯，把相邻的各芯配置在使该芯间的耦合状态为强耦合状态的芯间距离的范围内，通过在该强耦合状态下耦合的多个芯形成芯组。芯组形成根据使传播常数不同的多种耦合模进行了模分割的耦合传输系统，使各耦合模与传输通道一一对应来进行复用，由此形成模分复用传输系统。

本发明的多芯光纤将多个芯配置成直线状来形成芯组，使相邻的芯的中心间的配置间隔为大于芯的直径长度、小于芯的直径长度的2倍的距离范围内，以强耦合状态将芯组内的各芯耦合。

本发明的多芯光纤具备多个芯组。相邻的芯组在这些芯组间配置为使一个芯组的芯与另一芯组的芯为非耦合状态的芯组间距离。

在本发明的耦合多芯光纤中，在将多个芯配置成直线状来构成芯组时，构成芯组的各芯的配置间隔为离开芯的直径的2倍长度以上的距离，由此使芯组间为非耦合状态。

在耦合中，利用固有耦合模间的正交性进行模复用传输，所以在入射出射端需要在各个孤立芯和各耦合模之间进行相互变换的模合波分波器。

本发明的耦合模合波分波器的方式，是在模分复用传输系统中，对耦合多芯光纤传输的耦合模的信号进行合波分波的合波分波器。

在此，耦合多芯光纤是在一条光纤中容纳了多个单模的芯的多芯光纤，是在光纤中传播的固有模的电场分布中，形成多个芯的固有基本模耦合的耦合模，使各个次数不同的耦合模与信号的传输通道对应，形成通过模分割对传输通道进行复用的模分复用传输系统的多芯光纤。

合波分波器作为用于在各个孤立芯与各耦合模之间进行相互变换的结构，具备：具有不同的多个光路长度的阵列波导、在阵列波导光栅的一端设置的平面波导、在阵列波导光栅的另一端设置的耦合波导。平面波导具有与耦合多芯光纤的耦合模的数量对应的多个端口，把从平面波导侧输入的光信号变换为与进行了输入的端口的位置对应的次数的耦合模，从耦合波导使耦合模合波后输出，相反，从与耦合模次数对应的平面波导侧的端口，使从耦合波导输入的耦合模信号分波后输出。

本发明的多芯光纤传输系统的方式是在模分复用传输系统中具备耦合多芯光纤和耦合模合波分波器，在一个行进方向上使单模信号合波后输出耦合模信号，在另一行进方向上对耦合模信号进行分波后输出单模信号的多芯光纤传输系统。

另外，本发明的多芯光纤传输方法的方式是在基于耦合多芯光纤的模分复用传输系统中，在一个行进方向上使单模信号合波后输出耦合模信号，在另一行进方向上对耦合模信号进行分波后输出单模信号的多芯光纤传输方法。

在该多芯光纤传输系统的方式以及多芯光纤传输方法的方式中，耦合多芯光纤是在一条光纤中容纳了多个单模的芯的多芯光纤，是在光纤中传播的固有模的电场分布中，形成多个芯的固有基本模强耦合的耦合模，使各个次数不同的耦合模与信号的传输通道对应，形成通过模分割对传输通道进行复用的模分复用传输系统的多芯光纤。

模合波分波器具备：具有不同的多个光路长度的阵列波导、在阵列波导光栅的一端设置的平面波导、在阵列波导光栅的另一端设置的耦合波导。平面波导具有与耦合多芯光纤的耦合模的数量对应的多个端口，把从平面波导侧输入的光信号变换为与进行了输入的端口的位置对应的次数的耦合模，从耦合波导使耦合模合波后输出，相反，从与耦合模次数对应的平面波导侧的端口，使从耦合波导输入的耦合模信号分波后输出。

此外，根据本发明的方式，可以提供在基于耦合的多芯光纤中对耦合和非耦合进行相互变换的模合波分波器。

如上所述，根据本发明，可以取代多模光纤，通过使用在一条光纤中高密度地容纳了单模的多个芯的多芯光纤进行模复用传输。

附图说明

图1用于说明本发明的耦合多芯光纤的芯的三角配置。

图2表示本发明的耦合多芯光纤的芯的最简单的模型。

图3用于说明作为本发明的原理的依存于两个芯的芯间距离的耦合模的传播常数差。

图4用于说明在强耦合了4个高折射率差的芯时的耦合模的传播常数。

图5用于说明在本发明的耦合多芯光纤中，芯组的耦合模与传输通道的对应。

图6用于说明本发明的耦合多芯光纤的结构例。

图7用于说明本发明的模合波分波器的功能。

图8用于说明本发明的模合波分波器的耦合波导部中的耦合模和构成耦合模的各固有基本模间的相位差的对应关系。

图9用于说明本发明的模合波分波器的结构。

符号说明

10耦合多芯光纤；

11芯；

11A-11F芯；

11A_A-11D_A芯；

11A_B-11D_B芯；

12包层；

13、13A-13H耦合芯组；

14A1-14An、14B1-14Bn、14C1-14Cn传输通道；

15模合波分波器；

15A平面波导；

15B阵列波导；

15C耦合波导；

16、16a-16d单模光纤

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。以下，在本发明的多芯光纤中，使用图1～图9说明耦合多芯光纤。

在多芯光纤中，把使用传播常数相互相等的相同芯进行多芯化的光纤称为“Homogeneous Multi-core Fiber(Homogeneous MCF：同构多芯光纤)”，另一方面，把使用传播常数相互不同的多个芯进行多芯化的光纤称为“Heterogeneous Multi-core Fiber(Heterogeneous MCF：异构多芯光纤)”。本发明与耦合多芯光纤有关，所以以下对“Homogeneous Multi-core Fiber (Homogeneous MCF)”进行说明。

(耦合多芯光纤)

关于耦合多芯光纤的芯配置，作为使芯密度最高的最密填充配置，考虑图1那样的三角配置。在图1所示的三角配置中，密集地配置折射率差以及芯的直径相同的传播常数相同的芯，在芯之间积极地引起耦合，使该芯之间的各耦合模与传输通道对应，由此来构成耦合多芯光纤。

在图1中，耦合多芯光纤10最密集填充配置具备相同传播常数的芯11，并使周围成为包层12。在此，设各芯的直径为2a，相邻的芯之间的间隔为Λ。

图2表示耦合多芯光纤的芯的最简单的模型。图2所示的模型表示2耦合平板波导的例子。各个芯11A、11B的折射率为n₁⁽¹⁾＝n₁⁽²⁾＝n₁相等，当把各自孤立存在时的传播常数设为β，通过以下的式(2)定义参数γ时，

$>{\gamma }^2={\beta }^2-k_o^2{n}_2^2---\left(2\right)$>

在2耦合平板波导的模型中，形成通过弱耦合近似的偶模(传播常数β_e)和奇模(传播常数β_o)的两个耦合模。

通过弱耦合近似的偶模和奇模的传播常数差(β_e-β_o)近似表示为

$>{\beta }_e-{\beta }_o=2\frac{{\kappa }^2}{\beta }·\frac{1}{\mathrm{\gamma a}}·\frac{\exp (-\mathrm{\gamma \Lambda })}{1+\frac{{\kappa }^2}{{\gamma }^2}}---\left(3\right).$>

此外，耦合长L_c表示为

$>L_c=\frac{\pi }{{\beta }_e-{\text{β}}_o}---\left(4\right).$>

在此，当增长耦合长L_c时，芯间的耦合降低。相反，在强耦合状态下耦合长L_c变短。为了成为强耦合，需要使两个芯的传播常数相等，并且使芯间距离Λ与芯的直径2a相比充分接近。

图3用于说明依存于2耦合波导中的芯间距离的耦合状态。图3(a)表示基于独立波导的非耦合状态。隔开各芯的直径2a的2倍以上的长度的距离间隔Λ(＞＞4a)来配置构成各波导的芯11A和芯11B。通过与芯的直径2a相比充分分离地配置传播常数都为β_o的芯11A、11B的芯间距离Λ，两芯成为非耦合状态。在该结构中，各芯的截面内芯密度降低，不利于传输容量的增大。

本发明通过相反地积极利用芯间耦合，构成能够增大传输容量的模复用传输系统。

图3(b)表示弱耦合状态。当使芯11A和芯11B的芯间距离Λ成为与芯直径2a的2倍(4a＝2×2a)几乎相同的数量级时，形成弱耦合近似的偶模(传播常数β_e)和奇模(传播常数β_o)这两个耦合模，如图3(b)所示，形成弱耦合状态。该弱耦合状态是通常的耦合波导系统，在定向耦合器等中使用。

在该弱耦合状态下传播常数的差(β_e-β_o)小，由于芯-包层界面处的凹凸等少量的扰动，在偶模和奇模之间发生模变换。该模变换对传输造成影响。在此，为了避免模变换，使芯11A和芯11B的芯间距离Λ接近来成为强耦合状态。

图3(c)表示完全耦合状态。完全耦合状态是强耦合的极限状态，相当于2模状态。在该完全耦合状态下，因为固有模间的传播常数差等于基本模和1次模的传播常数差，所以模间的传播常数差变大，难以产生模变换。

图4用于说明强耦合4个高折射率差的芯时的耦合模的传播常数。在图4所示的例子中，隔开芯直径2a的2倍以上的长度的距离间隔Λ(＞＞4a)来配置使4个芯11A_A～11D_A强耦合而构成的耦合芯组13A、和使4个芯11A_B～11D_B强耦合而构成的耦合芯组13B。在把包层的折射率设为n₂，把芯的折射率设为n₁时，基于4个芯11A_A～11D_A以及4个芯11A_B～11D_B的强耦合的耦合模的传播常数β_o～β₃成为以芯数在k_on₁和k_on₂之间进行划分而得的值。

在如此实现基于强耦合的耦合多芯光纤时，当进行耦合的芯的数量过多时，耦合模间的传播常数差变小，难以避免模变换的问题。这如图4所示，耦合模的传播常数差小于将k_on₁和k_on₂的差除以进行耦合的芯的数量所得到的值，所以为了将耦合模之间的传播常数差增大某种程度，需要增大芯11的折射率n₁与包层的折射率n₂的折射率差，并且使要进行耦合的芯的数量不会过多。

在这样的条件下，当将芯与包层的折射率差假定为最多1.5％左右时，可耦合的芯的数量为4～5左右。

通过设为该程度的耦合芯数量，如图4所示，可以使强耦合状态的传播常数差与现有的相对折射率差0.3％的单模光纤的传播常数与包层模的传播常数的差为相同程度，也可以相同程度地抑制模变换。

本发明的耦合多芯光纤，通过使上述强耦合的芯组的各耦合模与传输通道一一对应，进行模复用传输。

图5用于说明在本发明的耦合多芯光纤中，芯组的耦合模与传输通道的对应。在图5中，耦合多芯光纤10具备耦合芯组13A～13C，各耦合芯组以成为强耦合状态的距离配置多个芯，耦合芯组间隔开成为非耦合状态的距离进行配置，或者对于进行耦合的芯与包层的折射率差，在芯组之间使用不同的值。在各耦合芯组13A～13C中，使通过各个耦合芯组形成的耦合模与传输通道14A0～14An(0～n为耦合模次数，与耦合芯的条数相等)一一对应，来进行模复用传输。

图6用于说明本发明的耦合多芯光纤的结构例。图6(a)表示通过将芯11A～11F配置为直线状来构成带状的光纤的例子。根据该结构，可以容易与后述的模合波分波器进行匹配。

上述结构例表示了光纤的截面形状不是圆形的情况。在使光纤的截面形状为现有的圆形的情况下，如图6(b)所示，可以把进行耦合的芯分为若干个耦合芯组(组)。

在图6(b)中，耦合多芯光纤10具备多个耦合芯组13A～13H。在各耦合芯组13A～13H中，分别以成为强耦合状态的距离间隔将多个芯配置为直线状。此外，关于相邻的耦合芯组的间隔，以成为非耦合状态的距离间隔进行配置，或者对于进行耦合的芯与包层的折射率差使用在芯组间不同的值。

通过多芯光纤来扩大传输容量的方法的一个优点在于，扩大了用于耐非线性性、耐熔断性的有效芯截面面积A_eff，即扩大了芯的总截面面积。

在图6所示的耦合多芯光纤10中，因为耦合模在遍及进行耦合的芯间全体范围内存在电磁场分布，所以有助于扩大芯的总截面面积。但是，在耦合波导中由于耦合模间的干扰，强度分布局部存在，电力有可能集中在一个芯中，并且周期性地出现该情况。通过降低与耦合模对应的传输通道的光源的相干性，即通过稍稍移动频率或者使用别的光源等对策，可以避免该问题。

上述图6的结构是将芯配置成直线状的例子，但是芯的配置不限于直线状，可以采用任意的配置模式。

然后，使用图7～图9说明通过本发明的耦合多芯光纤进行的传输。

在使用耦合多芯光纤的传输中，将各耦合模作为独立的传输通道来使用。因此，需要在各耦合模和信号之间进行合波分波的模合波分波器。

图7用于说明模合波分波器。模合波分波器15是使入射端口编号和耦合模次数对应的光路，设置在单模光纤16a～16d与耦合多芯光纤10之间，对来自单模光纤16a～16d的光信号进行合波后把对应的耦合模传输给耦合多芯光纤10。此外，根据可逆性可以逆向作为模分波器使用，对耦合多芯光纤10的耦合模进行分波，向单模光纤16a～16d传输光信号。

在图7(a)中，对连接了单模光纤16a的入射端口编号#1的光信号进行合波，作为对应的耦合模(在此为0次模)传输给由芯11A～11D构成的耦合芯组。

此外，在图7(b)中，对连接了单模光纤16c的入射端口编号#3的光信号进行合波，作为对应的耦合模(在此为2次模)传输给由芯11A～11D构成的耦合芯组。

关于这样的模合波分波功能，如图8所示，可以使用通过线性组合各个别的独立波导的基本模来重合耦合模的表现，根据各固有模之间的相位差来进行说明。

在通过个别的独立波导的固有模的线性组合来表现耦合模时，耦合模次数正好与相位差对应。如果在耦合波导入射端面通过平面波对各次数的耦合模进行激励，则在改变入射角度进行激励时可以大体可选择地激励各耦合模。

图9用于说明本发明的模合波分波器的结构。模合波分波器15可以由平面波导15A、阵列波导15B以及耦合波导15C构成。阵列波导15B使光路长度不同。该结构可以在平面电路中删除阵列波导光栅滤波器后级的平面波导部，成为从阵列波导部直接转移到耦合波导的结构。

图9(a)表示对单模光纤16的光信号进行合波，向耦合波导15C输出耦合模的状态，图9(b)表示对耦合波导15C的耦合模进行分波，向单模光纤16输出光信号的状态。

如上所述，本发明通过耦合模与各个独立的传输通道对应的耦合多芯光纤，可以构成用于高密度模复用传输的多芯光纤。

本发明的耦合多芯光纤具有提高空间芯密度还提高有效芯截面面积的特征。另一方面，耦合多芯光纤，当使芯的折射率差和芯的直径在传播方向上大体恒定时，由于耦合模的干扰在电磁场中产生局部化。可以通过降低与耦合模对应的传输通道的光源的相干性来避免该问题。此外，由于芯-包层界面的不规则等产生模变换。可以通过增大芯-包层的折射率差，减小芯间隔，成为强耦合状态来避免该问题。

产业上的可利用性

本发明可用于光通信、光信息处理、光互联等。