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光信号送信システム NEW

国内特許コード P200017351
整理番号 (S2017-1128-N0)
掲載日 2020年12月22日
出願番号 特願2019-549246
出願日 平成30年10月12日(2018.10.12)
国際出願番号 JP2018038134
国際公開番号 WO2019078117
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)
優先権データ
  • 特願2017-203869 (2017.10.20) JP
発明者
  • 久保田 寛和
  • 大橋 正治
  • 三好 悠司
  • 小酒 信昭
出願人
  • 公立大学法人大阪
発明の名称 光信号送信システム NEW
発明の概要 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。
従来技術、競合技術の概要

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。

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。

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。

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)。

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。

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。

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)。

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。

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)。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

産業上の利用分野

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。

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、LP11モードの光信号であるか、またはTE01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。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2019549246thum.jpg
出願権利状態 公開
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