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明細書 :光信号送信システム

発行国

日本国特許庁(JP)

公報種別

再公表特許(A1)

発行日

令和2年11月26日(2020.11.26)

発明の名称または考案の名称

光信号送信システム

国際特許分類

G02B   6/02        (2006.01)
G02B   6/032       (2006.01)
G02B   6/42        (2006.01)
H04J  14/04        (2006.01)

ＦＩ

G02B 6/02 451
G02B 6/032 Z
G02B 6/42
H04J 14/04

国際予備審査の請求

有

全頁数

出願番号

特願2019-549246 (P2019-549246)

新規性喪失の例外の表示

特許法第３０条第２項適用申請有り・刊行物名「″ＵｎｉｑｕｅｌｏｓｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎＴＥ■ ｍｏｄｅｓｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｐｈｏｔｏｎｉｃｂａｎｄｇａｐｆｉｂｅｒｓ″ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ１Ｊｕｎｅ２０１８Ｖｏｌ．４３Ｎｏ．１１２５９９ｐ－２６０２ｐ」発行日（掲載日）平成３０年６月１日発行所ＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａウェブサイトのアドレスｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｏｓａｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ．ｏｒｇ／ｏｌ／ｉｓｓｕｅ．ｃｆｍ？ｖｏｌｕｍｅ＝４３＆ｉｓｓｕｅ＝１１・研究集会名電子情報通信学会開催場所関西大学梅田キャンパス開催日平成２９年１１月２４日

国際出願番号

PCT/JP2018/038134

国際公開番号

WO2019/078117

国際出願日

平成30年10月12日(2018.10.12)

国際公開日

平成31年4月25日(2019.4.25)

優先権出願番号

2017203869

優先日

平成29年10月20日(2017.10.20)

優先権主張国

日本国(JP)

指定国

AP(BW , GH , GM , KE , LR , LS , MW , MZ , NA , RW , SD , SL , ST , SZ , TZ , UG , ZM , ZW) , EA(AM , AZ , BY , KG , KZ , RU , TJ , TM) , EP(AL , AT , BE , BG , CH , CY , CZ , DE , DK , EE , ES , FI , FR , GB , GR , HR , HU , IE , IS , IT , LT , LU , LV , MC , MK , MT , NL , NO , PL , PT , RO , RS , SE , SI , SK , SM , TR) , OA(BF , BJ , CF , CG , CI , CM , GA , GN , GQ , GW , KM , ML , MR , NE , SN , TD , TG) , AE , AG , AL , AM , AO , AT , AU , AZ , BA , BB , BG , BH , BN , BR , BW , BY , BZ , CA , CH , CL , CN , CO , CR , CU , CZ , DE , DJ , DK , DM , DO , DZ , EC , EE , EG , ES , FI , GB , GD , GE , GH , GM , GT , HN , HR , HU , ID , IL , IN , IR , IS , JO , JP , KE , KG , KH , KN , KP , KR , KW , KZ , LA , LC , LK , LR , LS , LU , LY , MA , MD , ME , MG , MK , MN , MW , MX , MY , MZ , NA , NG , NI , NO , NZ , OM , PA , PE , PG , PH , PL , PT , QA , RO , RS , RU , RW , SA , SC , SD , SE , SG , SK , SL , SM , ST , SV , SY , TH , TJ , TM , TN , TR , TT

発明者または考案者

【氏名】久保田寛和
【氏名】大橋正治
【氏名】三好悠司
【氏名】小酒信昭

出願人

【識別番号】519135633
【氏名又は名称】公立大学法人大阪

個別代理人の代理人

【識別番号】110000338、【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯＷＯＲＬＤＰＡＴＥＮＴ＆ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

審査請求

未請求

テーマコード

2H137
2H250
5K102

Ｆターム

2H137AB05
2H137AB06
2H137BA04
2H137BA06
2H137BA11
2H250AB02
2H250AB33
2H250AE71
2H250AF04
2H250AF12
2H250AF23
2H250AF28
2H250AF36
2H250AF53
2H250AF56
5K102AD00
5K102PA00
5K102PA11
5K102PB01
5K102PH31

要約

光ファイバを伝搬する光信号の遅延を抑制するとともに、光ファイバの生産性の向上と、伝搬損失の低減との両立を図る。複数のモードの光信号を伝搬することができる光ファイバ（１）と、光ファイバ（１）に光信号を入力する送信器（２ａ）およびモード変換器（３）と、を含み、送信器（２ａ）およびモード変換器（３）は、特定の高次モードの光信号を生成し、光ファイバ（１）は、コア部が中空であり、基本モードの光信号の損失よりも上記特定の高次モードの光信号の損失が小さくなるように設計されている。

特許請求の範囲

【請求項1】
複数のモードの光信号を伝搬することができる光ファイバと、
上記光ファイバに光信号を入力する送信装置と、を含み、
上記送信装置は、特定の高次モードの光信号を生成し、
上記光ファイバは、コア部が中空であり、基本モードの光信号の損失よりも上記特定の高次モードの光信号の損失が小さくなるように設計されている光信号送信システム。
【請求項2】
上記送信装置は、上記特定の高次モードの光信号として、その電界分布が、ｃｏｓθまたはｃｏｓ２θの角度分布をなす光信号を生成する請求項１に記載の光信号送信システム。
【請求項3】
上記光ファイバは、フォトニックバンドギャップファイバである請求項１または２に記載の光信号送信システム。
【請求項4】
上記光ファイバは、上記コア部の外縁にガラス壁を有するとともに、規則的に配列された複数の空孔部をクラッド部に有し、
上記ガラス壁の平均厚さと、上記空孔部の中心間距離との比は、０．０３以上、０．０５以下である請求項３に記載の光信号送信システム。
【請求項5】
上記特定の高次モードの光信号は、ＬＰ_１１モードの光信号であるか、またはＴＥ_０１モードの光信号のみを含むものである請求項１から４までの何れか１項に記載の光信号送信システム。
【請求項6】
特定の高次モードの光信号を送信する光信号送信システムにおいて使用される光ファイバであって、
コア部が中空であり、複数のモードの光信号を伝搬することができ、
基本モードの光信号の損失よりも上記特定の高次モードの光信号の損失が小さくなるように設計されている光ファイバ。

発明の詳細な説明

【技術分野】
【0001】
本発明は、光信号送信システムおよび光ファイバに関する。
【背景技術】
【0002】
現在の通信に使う光ファイバは、ＬＡＮ（Local Area Network）等の比較的短距離の通信では、コア径が大きく、接続が容易なマルチモード光ファイバが用いられる。一方、通信距離がやや長い場合は、マルチモード光ファイバではモード分散が伝送距離・伝送容量の制限となるため、地域系、基幹系、海底など、通信距離が数ｋｍ程度から１万ｋｍにわたる多くの通信でコア径の小さい単一モード光ファイバが広く用いられる。いずれの場合も１本の光ファイバ中に光の通路は１つのみである。この１つの通路に波長多重通信により複数の信号を詰め込むことで通信容量を拡大しており、通信容量の大きな通信を実現している。
【0003】
更なる大容量化を目指して現在１本の光ファイバ中に複数の光の通路を持ち、複数の波長多重信号を同時に伝搬させる光ファイバとそれを用いた空間多重光通信方式の研究が行われている。
【0004】
空間多重光通信方式には複数のコアをもつマルチコア光ファイバを用いるコア多重方式と、一つのコアが２ないし１０程度の伝搬モードを持つように設計した数モード光ファイバを用いるモード多重伝送方式、さらにこれらを併用した方式も研究されている。
【0005】
これらとは別に、マルチモード光ファイバへの光の入射方法を工夫し、マルチモード光ファイバ中すべてのモードを使わず、伝搬特性の類似したモードを選択的に使用することで十ｋｍ程度までの伝搬に使うための研究も行われている（特許文献１、特許文献２）。
【0006】
これらの光ファイバ通信を高速光通信と呼称することがあるが、光ファイバ中を伝搬する光の信号の光の速度は光ファイバに使用するガラスやプラスチックの屈折率で決まり、通常の光ファイバでこれを大きく改善することはできない。物理的な限界速度である真空中の光の速度に近づけるためには光信号を空中において伝搬させれば良い。従来、空中伝搬では無線通信が使われているが、空間的な並列度を高め容量を拡大するためにはＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）信号処理を使用する必要がある。大規模のＭＩＭＯ信号処理は処理時間が長くかかり、伝搬時間が短い特徴を生かすことができない。
【0007】
そもそも、光、電気および電波などの信号は十分に早く、これまで伝搬遅延時間そのものに関してはほとんど顧みられることはなかった。これまでは複数の経路を通った光信号の相対的な遅延時間が問題になることがあったが、早く届いた信号を遅い信号に合わせて遅らせることで対応している。しかし、近年、証券取引、スーパーコンピュータのインターコネクトなど、わずかでも伝搬遅延時間を減らすことが望まれる分野が出現してきた。
【0008】
中空光ファイバは、光ファイバの材質であるガラスおよびプラスチックなどに起因する様々な制約を解決する手段として研究開発が進められてきた。中空管の内側に高反射率の鏡を蒸着する方法は加工用レーザ光の導波には用いられているが、光の損失が大きいため通信用には適さない。損失の低い中空光ファイバの実現方法として提案されたのが、誘電体の周期的な構造によりあるエネルギ（波長）の電磁波がその誘電体中に侵入できなくなるフォトニックバンドギャップで中空のコア部を囲むフォトニックバンドギャップファイバである（非特許文献１）。
【0009】
誘電体が同心円状に多層になっているものなどいくつかの構造があるが、原理は同じである。通信システムではこの中空フォトニックバンドギャップファイバの基本モードを用いる、あるいは、複数のモードを持つように設計し、モード多重伝送に用いることが行われている。
【0010】
中空フォトニックバンドギャップファイバの横断面は中空のコアのまわりに規則正しく多数の穴をあけた構造である。フォトニックバンドギャップファイバでは、まずクラッド部分の構造が、フォトニックバンドギャップが発生する波長を求める必要があるが同一の構造が無限に広がっている場合の計算を行うことで効率のよい計算を行うことができる（非特許文献１）。
【0011】
フォトニックバンドギャップファイバの作成方法としては特許文献１のように外径０．１ｍｍないし１ｍｍの細いガラスパイプ（キャピラリー）を束ねてファイバ母材とするスタックアンドドロー法（あるいはキャピラリー法）と呼ばれる方法が広く用いられる。
【0012】
このため空孔は概略六方最密の配置にならんでいる。この構造では光ファイバに用いる材質の屈折率、および空孔間隔Λと空孔の直径がフォトニックバンドギャップの特徴を決定し、空孔の直径が大きいほどフォトニックバンドギャップの存在範囲が広がるため、現在のフォトニックバンドギャップファイバのクラッド部断面は角のまるまった正六角形を並べたハチの巣状である。この構造が無限に広がっているとして、所望の波長にフォトニックバンドギャップを発生する波長が来るように構造を決定することが行われる。
【0013】
実際のフォトニックバンドギャップファイバではクラッド部の大きさは有限である。フォトニックバンドギャップ領域境界付近での光の閉じ込めが弱くなり、光ファイバの伝送損失が増加する。また、構造の乱れはフォトニックバンドギャップを生じる領域の狭窄化、閉じ込め能力の低下となる。低損失なフォトニックバンドギャップファイバを実現するためにはクラッド部として構造の乱れの少ない周期構造をコア部の数倍の直径の領域にわたって作成する必要がある。
【0014】
キャピラリー法では中空コアのまわりに細いガラスパイプを並べるため、母材の中空部分の形状を保持することが難しい。また母材をファイバ化する線引き工程で空孔の配列が乱れやすい。空孔配列の乱れはフォトニックバンドギャップファイバの特性を劣化させるため、特許文献１、特許文献２のごとく母材の作成時にコアに相当する内径をもつ薄いガラス管を中心に導入することで配列の乱れを抑える方法が提案されている。
【0015】
しかしながら、コアを囲む円柱パイプを通る光と中空のコア部を通る光とはある波長で結合が生じる。結合が生じた波長では損失が増加するため、非特許文献１のごとく円柱パイプの厚さを精密に制御し、反共鳴状態と呼ばれる状態を作り出すことでコアを囲むガラスの表面およびそのガラス内部の光強度を減らし、低損失化を図ることが検討された。
【0016】
しかしながら、作成された母材から光ファイバを線引きする際にガラスの表面張力のためコア周囲のガラス壁の厚さはコアの周方向で均一にすることは困難であった。その後フォトニックバンドギャップファイバの損失を低減する方法としては非特許文献２のごとくコア周囲のガラス壁を持たない構造でガラス部分が内側（中心方向）に凸になっていることが有効で有ることが示され、現在ではこの構造のフォトニックバンドギャップファイバが用いられている。
【先行技術文献】
【0017】

【特許文献1】日本国公開特許公報「特開２０００-２８４１４９号公報（２０００年１０月１３日公開）」
【特許文献2】米国特許第２２８０３２号明細書（１８８０年０５月２５日登録）
【特許文献3】日本国公開特許公報「特開２００３-２７７０９１号公報（２００３年１０月０２日公開）」
【特許文献4】日本国公表特許公報「特表２００４-５３３３９８号公報（２００４年１１月０４日公表）」
【0018】

【非特許文献1】T. A. Birks, P. J. Roberts, P. S. J. Russell, D. M. Atkin, and T. J. Shepherd, “Full2-D photonic-bandgaps in silica/air structures,” Electron. Lett., vol. 31, no. 22, pp. 19411943, 1995.
【非特許文献2】P. Roberts, D. Williams, B. Mangan, H. Sabert, F. Couny, W. Wadsworth, T. Birks, J. Knight, and P. Russell, “Realizing low loss air core photonic crystal fibers by exploiting an antiresonant core surround.,” Optics Express, vol. 13, no. 20, pp. 82778285, Oct. 2005.
【非特許文献3】B. Debord, M. Alharbi, T. Bradley, C. Fourcade-Dutin, Y. Y. Wang, L. Vincetti, F. Grme, and F. Benabid, “Hypocycloid-shaped hollow-core photonic crystal fiber Part I: arc curvature effect on confinement loss.,” Optics Express, vol. 21, no. 23, pp. 2859728608, Nov. 2013.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0019】
しかしながら、信号の遅延時間が短い中空光ファイバであるフォトニックバンドギャップファイバは、コア部を囲む円柱パイプを用いないことで低損失なフォトニックバンドギャップファイバが作成可能であるが、製造の難易度が高いという問題点がある。
【0020】
また、コアを囲む円柱パイプを用いることで製造は比較的容易となるが、低損失なフォトニックバンドギャップファイバとするためには円柱パイプの厚さを精密に制御する必要があり、またガラスの表面張力のため作成された母材から光ファイバを線引きした際にコア周囲のガラス壁の厚さをコアの周方向で均一にすることは困難であるなど、低損失化の点では円柱パイプを用いない方法に比較して不利である。このように、信号の遅延時間が短い中空光ファイバは製造の容易性と低損失化を両立させることは困難であった。
【0021】
本発明の一態様は、以上の問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、光ファイバを伝搬する光信号の遅延を抑制するとともに、光ファイバの生産性の向上と、伝搬損失の低減との両立を図ることができる光信号送信システムなどを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【0022】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光信号送信システムは、複数のモードの光信号を伝搬することができる光ファイバと、上記光ファイバに光信号を入力する送信装置と、を含み、上記送信装置は、特定の高次モードの光信号を生成し、上記光ファイバは、コア部が中空であり、基本モードの光信号の損失よりも上記特定の高次モードの光信号の損失が小さくなるように設計されている構成である。
【発明の効果】
【0023】
本発明の一態様に係る光信号送信システムまたは光ファイバによれば、光ファイバの生産性の向上と、伝搬損失の低減との両立を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本発明の実施の一形態に係る光通信システムの概要構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の実施の一形態に係る光ファイバの断面の構造を示す断面図である。
【図3】上記光ファイバに特定モードの光信号を入力したときの電界強度分布の例を示す図である。
【図4】上記光ファイバに関し、クラッド部の構造とバンドギャップ波長との関係を示す図である。
【図5】上記光ファイバの損失波長特性の計算例を示す図である。
【図6】上記光ファイバの損失波長特性の計算例を示す図である。
【図7】上記光ファイバの損失波長特性の計算例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
本発明の実施の形態について図１～図６に基づいて説明すれば、次の通りである。以下、説明の便宜上、ある項目にて説明した構成と同一の機能を有する構成については、他の項目においても同一の符号を付記し、その説明を省略する場合がある。

【0026】
〔光通信システム〕
図１の（ａ）は、本発明の実施の一形態に係る光通信システム１０ａの概要構成を示すブロック図である。同図に示すように、光通信システム１０ａは、光信号送信システム５ａおよび受信器４を含む。また、光信号送信システム５ａは、光ファイバ１、送信器（送信装置）２ａ、およびモード変換器（送信装置）３を含む。光ファイバ１は、複数のモードの光信号を伝搬することができる光ファイバである。光ファイバ１の構造の詳細については後述する。

【0027】
送信器２ａおよびモード変換器３は、光ファイバ１に光信号を入力する装置である。送信器２ａは、光を出射する光源を備えており、当該光源から基本モードの光信号を出力し、モード変換器３は、受動的な光部品で構成され、基本モードの光信号を伝送に使用する特定の高次モードの光信号に変換（特定の高次モードの光信号のみを選択的に生成）して出力する。特定の高次モードの光信号の例としては、光信号の電界分布が、ｃｏｓθまたはｃｏｓ２θの角度分布をなす光信号である。電界分布が、ｃｏｓθの角度分布をなす光信号を第１高次モードの光信号と称し、電界分布が、ｃｏｓ２θの角度分布をなす光信号を第２高次モードの光信号と称する。第１高次モードは、ＬＰ_１１モードに対応するモードであり、第２高次モードは、ＬＰ_２１モードに対応するモードである。なお、フォトニックバンドギャップファイバでは弱導波近似からずれるため伝搬モードはＬＰモードからのずれが大きいが、便宜上近似が成り立つものとしてＬＰモードと記載する。

【0028】
なお、光ファイバ１の光軸に対して垂直な断面において、この断面と光軸との交点を中心とし、上記断面を含む平面内に円筒座標を設定した場合の角度方向をθとする。

【0029】
光ファイバ１から出力される特定の高次モードの光信号は受信器４に伝達される。受信器４の前に高次モードを基本モードに変換するモード変換器を用いることは任意である。ただし、本実施形態の送信器２ａおよび受信器４は、信号処理等による遅延が少ない方式を用いることが好ましい。

【0030】
図１の（ｂ）は、変形例の光通信システム１０ｂの概略構成を示すブロック図である。光通信システム１０ｂは、光信号送信システム５ｂおよび受信器４を含む。光信号送信システム５ｂは、送信器（送信装置）２ｂおよび光ファイバ１を含む。

【0031】
本変形例では、送信器２ｂの出力が直接特定の高次モードを発生させるようになっている。このような送信器２ｂは高次モードを発生させるレーザ、または高次モードに適した特性をもつ光部品を使用することで実現することができる。また、送信器２ｂは、モード変換器を内蔵したものであっても見かけ上は送信器２ｂから、直接高次モードの光信号を発生しているように扱うことができる。この場合、モード変換器を送信器２ｂの外部に用意することは不要となる。

【0032】
〔光ファイバ〕
次に、図２に基づき、本発明の実施の一形態に係る光ファイバ１の構造の詳細について説明する。本実施形態の光ファイバ１は、いわゆるフォトニックバンドギャップファイバであり、中空のコア部１ａに特定モードの光を閉じ込めることが可能となっている。

【0033】
同図に示すように、光ファイバ１の横断面は中空のコア部１ａのまわりのクラッド部１ｂに多数の空孔（空孔部）１ｄが規則正しく配列された構造である。空孔１ｄの外周には、低屈折率ガラスからなるガラス層１ｅが形成されている。

【0034】
また、光ファイバ１は、コア部１ａの外縁を画定するガラス製のサポートリング（コア壁（ガラス壁）１ｃ）を備えており、これによりサポートリングのない構造に比べて製造が容易となっている。なお、本明細書でガラス製と記載している部分は、使用する波長で透明な材質であれば、たとえばＰＭＭＡ（poly methyl methacrylate）などのプラスチックであってもよい。

【0035】
また、本実施形態の光ファイバ１は、基本モードの伝送損失が大きく、特定の高次モードの伝送損失が小さい構造となっている。その結果、光ファイバ１に特定の高次モードの光を伝搬させることにより、伝搬損失の低減が可能となっている。

【0036】
より具体的には、コア部１ａは中空であり、クラッド部１ｂは、特定の高次モードの使用波長でフォトニックバンドギャップを生じるように、空孔間隔（空孔部の中心間距離）Λおよび空孔１ｄの壁の厚さ（ｔ）が所定の値に設定された周期構造を有している。

【0037】
上述したように、光ファイバ１は、基本モードの光信号の損失よりも上記高次モードの光信号の損失が小さくなるように設計されており、選択的に高次モードを受信器４に伝達するようになっている。また、光ファイバ１は、基本モードではなく特定の高次モードを伝搬に使用される。

【0038】
上述の構成によれば、光ファイバ１のコア部１ａは、中空であるため、光ファイバ１を伝搬する光信号の遅延を抑制することができる。また、光ファイバ１に入射される光は、特定の高次モードのみからなる光信号であり、光ファイバ１は、基本モードの光信号の損失よりも特定の高次モードの光信号の損失が小さくなるように設計されている。このため、光信号の伝搬損失の低減を図ることができる。

【0039】
また、コア部が中空である従来の光ファイバにおいて基本モードの光信号の損失よりも特定の高次モードの光信号の損失が小さくなるように設計すればよいので、光ファイバ１の生産が容易である。

【0040】
以上により、光ファイバ１を伝搬する光信号の遅延を抑制するとともに、光ファイバ１の生産性の向上と、伝搬損失の低減との両立を図ることができる。

【0041】
図３は、光ファイバ１に特定モードの光信号を入力したときの電界強度分布の例を示す図である。図３の（ａ）は、光ファイバ１に基本モードの光信号を入力したときの電界強度分布の例を示している。一方、図３の（ｂ）は、光ファイバ１に第１高次モードの光信号を入力したときの電界強度分布の例を示している。

【0042】
これらの図に示すように、基本モードは中心が強い一つ山の形状の強度分布を有しており、一方、第１高次モードは中心がくぼんだドーナツ型の強度分布を有している。なお、これらの強度分布は光信号の電界強度を時間平均したものである。

【0043】
計算機実験では、電界分布が、ｃｏｓθまたはｃｏｓ２θの角度分布をなす光信号は、光ファイバ１を用いることで、その伝搬損失を基本モードの光の伝搬損失よりも低減させることが可能であることが分かっている。

【0044】
また、光ファイバ１は、上述したように、コア部１ａの外縁にコア壁１ｃ（サポートリング；ガラス壁）を有するとともに、規則的に配列された複数の空孔１ｄをクラッド部１ｂに有し、上記ガラス壁（コア壁１ｃ）の平均厚さ（ｗ）と、空孔１ｄの中心間距離（空孔間隔Λ）との比は、０．０３以上、０．０５以下であることが好ましい。この構成によれば、基本モードの光信号の損失よりも高次モードの光信号の損失が小さくなるような光ファイバを好適に実現することができる。

【0045】
（実施例１）
次に、図４～図６に基づき、本発明の実施例について説明する。バンドギャップの発生する範囲はクラッド部１ｂにおける空孔１ｄの壁の厚さ（ｔ）と空孔間隔Λとの比ｔ／Λに影響を受けるため、まずフォトニックバンドギャップが存在する構造、ならびに寸法を決定する必要がある。

【0046】
図４は、非特許文献１に記載されている方法と同様の方法により、クラッド部１ｂの一面に同一の構造があるとした場合のフォトニックバンドギャップの存在範囲を、電磁界解析を用いて数値的に求め、ｔ／Λを変えて描いた図である。

【0047】
使用波長λが異なる場合も、同一の屈折率を有する材質を使用するのであれば、空孔間隔Λを波長λに比例して拡大・縮小すればよいため、図４の横軸はこれらの比λ／Λで描いている。斜線部がフォトニックバンドギャップを生じている領域である。このうち、細かい斜線部は実効屈折率ｎ_ｅｆｆが１以下の領域であり、光ファイバ１のクラッド部１ｂとして使用するために必要な領域である。

【0048】
実効屈折率ｎ_ｅｆｆ＝１におけるバンドギャップの幅３２、３４、および３６と、中心波長３１、３３、および３５との比はｔ／Λが０．０５のとき「幅３２」／「中心波長３１」＝１６％〔図４の（ａ）〕、ｔ／Λが０．０２のとき「幅３４」／「中心波長３３」＝３２％〔図４の（ｂ）〕、ｔ／Λが０．０１のとき「幅３６」／「中心波長３５」＝３７％〔図４の（ｃ）〕である。ｔ／Λを０．０１以下とすることの効果は少なく、０．０４以下であれば十分である。またｔ／Λが０．０５から０．０１の範囲でフォトニックバンドギャップ生じる波長はあまり変化していない。

【0049】
図４のごとくバンドギャップの生じる領域がλ／Λで求まると、使用波長λが決まっている場合には、必要な空孔間隔Λの範囲が決まる。逆に空孔間隔Λが決まっている場合には使用可能な波長λの範囲が決まる。

【0050】
次に、実際の伝送損失を求める場合には、光ファイバ１の断面構造モデルを作成し、有限要素法を用いた電磁界解析により中空のコア部１ａを伝搬する伝搬モードを求め、各モードの伝搬損失を計算する。図５は、図２に示す構造において、クラッド部１ｂにおける空孔１ｄの壁の厚さ（ｔ）と空孔間隔Λとの比ｔ／Λが０．０４、コア壁１ｃの厚さ（ガラス壁の平均厚さ）ｗと空孔間隔Λとの比ｗ／Λが０．０３、である場合に、波長を変えて計算を行った結果を示すグラフである。図５では、横軸に規格化波長λ／Λ、縦軸に各モードの伝搬損失を描いている。

【0051】
従来用いられている基本モードであるＬＰ_０１モードの伝送損失と、本実施例で使用する高次モードの伝送損失と、を同一のグラフ上に描いている。この計算は高次モードとして第１高次モード（ＬＰ_１１モードに対応）を使用する例である。図４とバンドギャップが存在する範囲がわずかに異なるのは、計算アルゴリズムと計算モデルの差異による。

【0052】
図５の両端はフォトニックバンドギャップの範囲外となるため、損失が急激に増加している。コア壁１ｃをもつ構造の光ファイバ１では、ある波長で中空のコア部１ａを伝搬する光とコア壁１ｃ内を伝搬する光との結合が生じ、損失が増加する。この計算例では図５の中央付近で結合が生じている。計算上は波長に対してＵ字型の特性を持つものが２つ重なった特性になるが、基本モード（ＬＰ_０１モード）の損失曲線４１および４２、第１高次モード（ＬＰ_１１モード）の損失曲線４３および４４のそれぞれの組で同じ波長では損失の少ない方の損失曲線が伝搬モードとして存在し、結果としてＷ字型の損失波長特性となる。

【0053】
次に、光の結合が強いほど損失が大きくなり、また結合の生じる波長はコア壁１ｃの厚さｗが変化した場合に変化する。この様子を、図６を用いて、図５と比較して示す。図６の（ａ）はｗ／Λ＝０．０２の場合であり、ＬＰ_０１モードの損失曲線５１は結合波長が長波長側のバンドギャップの端付近に移動している。一方、図６の（ｂ）はｗ／Λ＝０．０４の場合であり、ＬＰ_０１モードの損失曲線５３は結合波長が短波長側のバンドギャップの端付近に移動している。なお、コア部１ａを伝搬する光と結合するコア壁１ｃを通る光は複数存在するため、ある結合がバンドギャップの外側に移動した場合に別の結合がバンドギャップ内の波長で生じることもある。

【0054】
ＬＰ_０１モードの損失曲線４１および４２に比較し、ＬＰ_１１モードの損失曲線４３および４４は損失の増加が少ないため、結合の生じる波長が移動した際の損失の変化も少ない。ＬＰ_１１モードを使用した場合は、ＬＰ_０１モードを使用する場合に比べてコア壁１ｃの厚さｗに対する許容範囲が広くなる。

【0055】
図６の（ａ）に示す（ｗ／Λ＝０．０２）では、特性が平たんであるが損失が比較的大きく、長距離の伝送には適さない。一方、図５に示す（ｗ／Λ＝０．０３）では、透過帯域内の伝送損失は約５ｄＢ／ｋｍとまだある程度大きいが、２５ｄＢの伝送路損失が許容できる場合５ｋｍの伝送距離となる。

【0056】
次に、図６の（ｂ）に示す（ｗ／Λ＝０．０４）では、透過帯域内の伝送損失は１ｄＢ／ｋｍとなり、２５ｄＢの伝送路損失が許容できる場合２５ｋｍの伝送距離となる。また、ｗ／Λ＝０．１を超えるとコア壁１ｃを通る光の種類が増え、結合を回避しにくくなる。本実施形態で用いるフォトニックバンドギャップファイバとしてはｗ／Λが０．０３ないし０．０５が好適である。

【0057】
次に、実際の寸法は以下のようになる。図５ではλ／Λ＝０．４７付近でＬＰ_１１モードの損失が低くなっている。通信で一般的に使用される波長１．５５μｍで使用する場合を考えると、空孔間隔Λは１．５５μｍ／０．４７＝約３．３μｍとなる。このとき、クラッド部１ｂにおける空孔１ｄの壁の厚さ（ｔ）は３．３μｍ＊０．０４＝約０．１３μｍ、コア壁１ｃの厚さｗは３．３μｍ＊０．０３＝約０．１μｍと求められる。

【0058】
（実施例２）
前述のＬＰ_１１モードは、厳密にはＨＥ_２１モード、ＴＭ_０１モードおよびＴＥ_０１モードに分解でき、光ファイバ１中ではこれらが重ね合わさって伝搬している。図７に示すように、それらの中で特にＴＥ_０１モードの伝送損失が小さく、図５に見られる透過帯域内の損失増加領域もない。なお、図７は、図５に示すグラフに対応するグラフであり、ｗ／Λ＝０．０３の場合の計算結果を示すグラフである。

【0059】
そのため、特定の高次モードの光信号として、ＬＰ_１１モードをそのまま利用するのではなく、ＬＰ_１１モードからＴＥ_０１モードのみ（単一の高次モード）を抽出して利用してもよい。ＴＥ_０１モードは、モード変換器３あるいは送信器２ａ（または送信器２ｂ）でＬＰ_１１モードの生成後、ＴＥ_０１モード以外のモードを減衰させることで生成可能である。ＴＥ_０１モード以外のモードを減衰させることで光電力は半減するが、減衰した光電力は光増幅器で回復することが可能である。送信器２ａ（または送信器２ｂ）における光増幅器の使用は一般的であるため、図中に示していない。

【0060】
通常の光ファイバは光を伝搬する部分がガラスないしプラスチックであるため、光の伝搬速度が屈折率分の１となり、空気中にくらべて約２／３の速度に低下してしまう。これに対して光ファイバ１は光ファイバ１中の光の伝搬速度が空気中の速度とほぼ等しいという特徴があるため、計算機を利用した証券取引、スーパーコンピュータのインターコネクトなど、わずかな遅延時間の短縮が大きな経済効果を生む分野での利用が考えられる。

【0061】
〔まとめ〕
本発明の一態様に係る光信号送信システムは、複数のモードの光信号を伝搬することができる光ファイバと、上記光ファイバに光信号を入力する送信装置と、を含み、上記送信装置は、特定の高次モードの光信号を生成し、上記光ファイバは、コア部が中空であり、基本モードの光信号の損失よりも上記高次モードの光信号の損失が小さくなるように設計されている構成である。

【0062】
上記構成によれば、光ファイバのコア部は、中空である。このため、光ファイバを伝搬する光信号の遅延を抑制することができる。また、上記構成によれば、光ファイバに入射される光は、特定の高次モードの光信号であり、光ファイバは、基本モードの光信号の損失よりも特定の高次モードの光信号の損失が小さくなるように設計されている。このため、光信号の伝搬損失の低減を図ることができる。また、上記構成によれば、コア部が中空である従来の光ファイバにおいて基本モードの光信号の損失よりも高次モードの光信号の損失が小さくなるように設計すれば良いので、光ファイバの生産が容易である。

【0063】
以上により、光ファイバを伝搬する光信号の遅延を抑制するとともに、光ファイバの生産性の向上と、伝搬損失の低減との両立を図ることができる。

【0064】
また、本発明の一態様に係る光信号送信システムは、上記送信装置は、上記高次モードの光信号として、その電界分布が、ｃｏｓθまたはｃｏｓ２θの角度分布をなす光信号を生成することが好ましい。計算機実験では、電界分布が、ｃｏｓθまたはｃｏｓ２θの角度分布をなす光信号は、特定の光ファイバを用いることで、その伝搬損失を基本モードの光の伝搬損失よりも低減させることが可能であることが分かっている。よって、上記構成によれば、光ファイバを伝搬する光信号の伝搬損失を基本モードの光の伝搬損失よりも低減させることができる。

【0065】
また、本発明の一態様に係る光信号送信システムは、上記光ファイバは、フォトニックバンドギャップファイバであることが好ましい。上記構成によれば、中空のコア部に特定モードの光を閉じ込めることが可能になる。

【0066】
また、本発明の一態様に係る光信号送信システムは、上記光ファイバは、上記コア部の外縁にガラス壁を有するとともに、規則的に配列された複数の空孔部をクラッド部に有し、上記ガラス壁の平均厚さと、上記空孔部の中心間距離との比は、０．０３以上、０．０５以下であることが好ましい。上記構成によれば、基本モードの光信号の損失よりも高次モードの光信号の損失が小さくなるような光ファイバを実現することができる。

【0067】
また、本発明の一態様に係る光信号送信システムは、上記高次モードの光信号は、ＬＰ_１１モードの光信号であるか、またはＴＥ_０１モードの光信号のみを含むものであることが好ましい。上記構成によれば、伝搬損失をより低減させることができる。

【0068】
また、本発明の一態様に係る光ファイバは、特定の高次モードの光信号を送信する光信号送信システムにおいて使用される光ファイバであって、コア部が中空であり、複数のモードの光信号を伝搬することができ、基本モードの光信号の損失よりも上記特定の高次モードの光信号の損失が小さくなるように設計されている構成である。上記構成によれば、光ファイバの生産性の向上と、伝搬損失の低減との両立を図ることができる光ファイバを実現することができる。

【0069】
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【符号の説明】
【0070】
１光ファイバ
１ａコア部
１ｂクラッド部
１ｃコア壁（ガラス壁）
１ｄ空孔（空孔部）
２ａ送信器（送信装置）
２ｂ送信器（送信装置）
３モード変換器（送信装置）
５ａ光信号送信システム
５ｂ光信号送信システム
Λ 空孔間隔（空孔部の中心間距離）
ｗ厚さ（ガラス壁の平均厚さ）

図面

【図1】	【図2】
【図3】	【図4】
【図5】	【図6】
【図7】