多芯光纤和设计方法

技术领域

本发明涉及具有多个芯区域的多芯光纤(MCF)及其设计方法。

背景技术

正在积极地研究MCF通过使用空分复用技术显著地扩大传输容量。例如非专利文献1、2等大量报告了MCF的大容量的空分复用传输，但是包括非专利文献1、2的大量的报告中所示的MCF，为了降低串扰(XT)而设定足够宽的芯间隔Λ，因此包层直径达到150～230μm，这与现有的光纤相比变大。但是，从一个光纤母材制造的光纤的长度与包层直径的平方成反比地变短，所以包层直径的扩大使光纤的生产性显著劣化。此外，现有的光纤部件等与现有的125μm的包层直径对应设计，因此为了有效利用扩大了包层直径的MCF，需要重新设计周边部件，在实用化上需要大量的研究开发。

因此，近年来，开发了具有与以往同等的125μm的包层直径的MCF。通过使包层直径为标准的125μm，能够将光纤的批量生产性维持在与以往同等以上，并且能够有效利用标准的连接部件、光缆等现有的周边部件。此外，通过使MCF的各芯具有与现有的光纤同等的光学特性，能够确保与现有光接口的互换性，因此能够从现有设备容易升级为MCF。

在非专利文献3、4中报告了在100km具有-30dB以下的XT的光学特性与现有的单模光纤(SMF)同等的具有四个芯的MCF。根据非专利文献3，在使用同种芯结构的情况下能够配置四个芯，此外，根据非专利文献5，通过使用多个芯结构能够配置五个芯。

但是，由于这些MCF使用沟槽型的复杂的折射率分布形状作为芯结构，所以问题在于用于形成折射率分布的工艺的复杂化和成品率，课题是批量生产性和经济性。通用的SMF采用单峰型的简单的折射率分布，具有高批量生产性和良好的质量。在非专利文献6中，报告了一种采用单峰型且包层直径为125μm的2芯光纤。

现有技术文献

非专利文献1：H.Takahashi et al.,“First Demonstration of MC-EDFA-Repeatered SDM Transmission of 40 x 128-Gbit/s PDM-QPSK Signals per Core over6,160-km 7-core MCF”,ECOC2012,Th3C3,Sep.2012.

非专利文献2：T.Hayashi et al.,“Design and fabrication of ultra-lowcrosstalk and low-loss multi-core fiber”,Opt.Express,vol.19,pp.16576-16592,Aug.2011.

非专利文献3：T.Matsui et al.,“Design of multi-core fiber in 125μmcladding diameter with full compliance to conventional SMF”,ECOC2015,We.1.4.5,Sep.2015.

非专利文献4：T.Matsui et al.,“118.5Tbit/s Transmission over 316km-LongMulti-Core Fiber with Standard Cladding Diameter”OECC2017,PDP2,Aug.2017.

非专利文献5：T.Gonda et al.,“125μm 5-core fibre with heteroge neousdesign suitable for migration from single-core system to multi-core system”ECOC2016,W2B1,Sep.2016.

非专利文献6：Y.Geng,et.al.,“High speed,bidirectional dual-core fibertransmission system for high density,short-reach optical interconnects”,Photonics West,9380-8,Feb.2015.

非专利文献7：P.J.Winzer et al.,“Penalties from In-Band Crosstalk forAdvanced Optical Modulation Formats”,ECOC2011,Tu5B7,Sep.2011.

非专利文献8：D.Marcuse,“Loss analysis of single-mode fiber splices”,Bell System Tech.J.,vol.565,no.5,May-June,1977.

发明内容

但是，在非专利文献6中未记载将单峰型芯以标准的125μm的包层直径配置三个以上。即，在现有的MCF设计中，存在的课题是难以将单峰型芯以标准的125μm的包层直径配置三个以上。因此，为了解决上述课题，本发明的目的在于提供多芯光纤及其设计方法，该多芯光纤以标准的包层直径配置单峰型的四个芯，满足所希望的规格，并且批量生产性、质量和成品率优异。

为了达成上述目的，本发明的多芯光纤基于规定的关系式在直径125±1μm的包层内配置四个芯。

具体地说，本发明的第一多芯光纤具有：

沿长边方向配置成正方格子状的半径a的单峰型折射率分布的四个芯；以及

在所述芯的外周部上与所述芯的相对折射率差的绝对值为Δ的、折射率低于所述芯的、直径为125±1μm的包层区域，

所述多芯光纤的特征在于，

波长1310nm下的模场直径(MFD)为8.2～9.6μm，

波长1625nm、弯曲半径30mm下的弯曲损耗为0.1dB/100turn以下，

截止波长为1260nm以下，

以从所述芯的中心到所述包层区域的外周的最小距离(OCT)、所述芯的间隔的最小值Λ和波长1310nm下的MFD的关系满足数C1的方式，配置四个所述芯，并且设定所述芯与所述包层区域的相对折射率差Δ和所述芯的半径a。

[数C1]

OCT≥3.73MFD+3.43

Λ≤-5.28MFD+83.54 (C1)

此外，本发明的第二多芯光纤具有：

沿长边方向配置成正方格子状的半径a的单峰型折射率分布的四个芯；以及

在所述芯的外周部上与所述芯的相对折射率差的绝对值为Δ的、折射率低于所述芯的、直径为125±1μm的包层区域，

所述多芯光纤的特征在于，

波长1550nm下的模场直径MFD为9～12μm，

波长1625nm、弯曲半径30mm下的弯曲损耗为0.1dB/100turn以下，

截止波长为1530nm以下，

以从所述芯的中心到所述包层区域的外周的最小距离(OCT)、所述芯的间隔的最小值Λ和波长1550nm下的MFD的关系满足数C4的方式，配置四个所述芯，并且设定所述芯与所述包层区域的相对折射率差Δ和所述芯的半径a。

[数C4]

OCT≥2.82MFD+3.7

Λ≤-3.99MFD+83.15 (C4)

基于根据多芯光纤所要求的每单位长度的串扰得到的MFD，得到OCT和Λ。此外，该MFD能够通过芯半径a和相对折射率差Δ来实现。由于本多芯光纤是单峰型，所以批量生产性、质量和成品率优异。因此，本发明能够提供一种多芯光纤，该多芯光纤以标准的包层直径配置单峰型的四个芯，满足所希望的规格，并且批量生产性、质量和成品率优异。

每单位长度的串扰与MFD的关系如下所述。

在第一多芯光纤的情况下，其特征在于，

所述芯的任意芯从其他芯接受的波长1625nm下的单位长度的串扰的合计值XT与波长1310nm下的MFD的关系满足数C2，或者所述芯的任意芯从其他芯接受的波长1360nm下的单位长度的串扰的合计值XT与波长1310nm下的MFD的关系满足数C3。

[数C2]

XT≥27.0MFD-251.8 (C2)

[数C3]

XT≥33.7MFD-342.3 (C3)

在第二多芯光纤的情况下，其特征在于，

所述芯的任意芯从其他芯接受的波长1625nm下的单位长度的串扰的合计值XT与波长1550nm下的MFD的关系满足数C5，或者所述芯的任意芯从其他芯接受的波长1565nm下的单位长度的串扰的合计值XT与波长1550nm下的MFD的关系满足数C6。

[数C5]

XT≥24.6MFD-294.8 (C5)

[数C6]

XT≥26.0MFD-315.8 (C6)

此外，第一多芯光纤、第二多芯光纤以如下方式设计。

本发明的多芯光纤的设计方法进行：

规格确定步骤，确定所述多芯光纤所要求的截止波长和所述芯的任意芯从其他芯接受的单位长度的串扰的合计值XT；

第一MFD计算步骤，

在所述规格确定步骤中确定的截止波长为1260nm以下、且所述单位长度的串扰的合计值XT为波长1625nm下的值的情况下，通过数C2计算波长1310nm下的模场直径(MFD)，

在所述规格确定步骤中确定的截止波长为1260nm以下、且所述单位长度的串扰的合计值XT为波长1360nm下的值的情况下，通过数C3计算波长1310nm下的模场直径(MFD)；

第一结构计算步骤，将在所述第一MFD计算步骤中计算出的MFD代入到数C1中，计算从所述芯的中心到所述包层区域的外周的最小距离(OCT)和所述芯的间隔的最小值Λ；

第二MFD计算步骤，

在所述规格确定步骤中确定的截止波长为1530nm以下、且所述单位长度的串扰的合计值XT为波长1625nm下的值的情况下，通过数C5计算波长1550nm下的模场直径(MFD)，

在所述规格确定步骤中确定的截止波长为1530nm以下、且所述单位长度的串扰的合计值XT为波长1565nm下的值的情况下，通过数C6计算波长1550nm下的模场直径(MFD)；以及

第二结构计算步骤，将在所述第二MFD计算步骤中计算出的MFD代入到数C4中，计算从所述芯的中心到所述包层区域的外周的最小距离(OCT)和所述芯的间隔的最小值Λ。

本发明能够提供多芯光纤及其设计方法，该多芯光纤以标准的包层直径配置单峰型的四个芯，满足所希望的规格，并且批量生产性、质量和成品率优异。

附图说明

图1的(a)是说明本发明的多芯光纤的剖面结构的图。(b)是说明本发明的多芯光纤的折射率分布的一例的图。

图2是表示本发明的多芯光纤的芯半径与相对折射率差的关系的一例的结构图。

图3是表示本发明的多芯光纤的波长1310nm下的MFD与OCT和Λ的关系的特性图。

图4是表示本发明的多芯光纤的波长1310nm下的MFD与XT的关系的一例的特性图。

图5是表示本发明的多芯光纤的波长1550nm下的MFD与OCT和Λ的关系的特性图。

图6是表示本发明的多芯光纤的波长1550nm下的MFD与XT的关系的一例的特性图。

图7是说明本发明的多芯光纤的设计方法的流程图。

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式进行说明。以下说明的实施方式是本发明的实施例，本发明并不限于以下的实施方式。另外，在本说明书和附图中，附图标记相同的构成要素表示相互相同的构成要素。

图1表示本实施方式的多芯光纤(MCF)的结构的一例。图1的(a)是MCF的剖面结构，图1的(b)是说明各芯的折射率分布的图。本MCF在一心的光纤中具有四个芯11，包层区域12的直径是标准的125±1μm。各芯的折射率分布如图1的(b)所示，在芯的周围具有折射率低于芯11的包层区域12。在此，以包层区域的折射率为基准定义了相对折射率差，但是芯和包层区域的材料能够分别以纯石英和掺氟玻璃、或者分别以掺GeO

图2表示用于对本发明的多芯光纤得到规定的光学特性的芯参数的设计范围。横轴是芯半径，纵轴是芯-包层的相对折射率差。在比实线靠上的区域，能够将波长1625nm、弯曲半径30mm下的弯曲损耗抑制为0.1dB/100turn以下。

图中的虚线和点线分别表示截止波长为1260nm和1530nm的芯半径与相对折射率差的关系。在此，在虚线和点线的左侧分别能够实现1260nm和1530nm以下的截止波长。此外，图中的点划线表示波长1550nm下的MFD为10μm的芯半径与相对折射率差的关系。在比点划线靠下侧的区域能够实现10μm以上的MFD。

因此，通过在由图中的实线、点线(或虚线)、点划线包围的区域中设定芯半径和相对折射率差，能够同时满足所希望的弯曲损耗、截止波长和MFD特性。在此，在图2中作为一例图示了波长1550nm下的MFD为10μm的情况，但是已知单峰型光纤中的芯半径、相对折射率差和MFD的关系能够以下述经验式记述(例如参照非专利文献8)。

(式1)

MFD/2a≒0.65+1.619V

其中，V是标准化频率，使用芯半径a、芯的折射率n

V≡2πa/λ(n

因此，能够对任意波长下的所希望的MFD特性导出图2。

另外，在此作为截止波长表示了1260nm和1530nm，但是它们表示由多个国际标准规定的单模传输波段的下限(例如分别为ITU-T建议的G.652、G.654)。此外，弯曲损耗、MFD也同样表示光缆化后的损耗特性、相互连接性，由ITU-T等国际标准规定。

(实施方式1)

作为实施方式1对第一多芯光纤进行说明。

在MCF中，需要适当地设定从芯中心到包层外周的最小距离(OCT)，充分地抑制附加损耗αc。αc具有在长波长侧增加的趋势，一般来说，优选为，在使用的上限波长下为0.01dB/km以下。图3表示波长1310nm下的MFD与OCT的关系。在此，作为一例，将使用波段作为1260nm～1625nm。即，使截止波长为1260nm，使波长1625nm下的αc为0.01dB/km以下。此外，弯曲损耗与现有的SMF同等，波长1625nm的弯曲半径30mm下的值为0.1dB/100turn以下。

此时，如在图2中说明的那样，能够导出满足截止波长、弯曲损耗、MFD的要求条件的芯半径与相对折射率差的关系。在图3中由实线表示了根据满足上述关系的芯半径和相对折射率差的条件使αc成为0.01dB/km以下所需的OCT的最小值。从图3可知，OCT随着MFD而增加，其关系能够以如下关系式近似。

(式2)

OCT≥3.73MFD+3.43 (2)

在此，图3的虚线表示使包层直径为125μm时配置成正方格子状的四个芯的中心间距离Λ的上限。从图3可知，MFD与Λ的关系能够以如下关系式近似。

(式3)

Λ≤-5.28MFD+83.54 (3)

因此，可知在本发明的MCF中，在使用波段的下限为1260nm、MFD的规定波长为1310nm、波长1625nm下的αc为0.01dB/km以下的情况下，OCT和Λ的设定条件能够根据MFD的设计中心值并通过式(2)、(3)来确定。

即，第一多芯光纤具有：

沿长边方向配置成正方格子状的半径a的单峰型折射率分布的四个芯；以及

在所述芯的外周部上与所述芯的相对折射率差的绝对值为Δ的、折射率低于所述芯的、直径为125±1μm的包层区域，

所述多芯光纤的特征在于，

波长1310nm下的模场直径(MFD)为8.2～9.6μm，

波长1625nm、弯曲半径30mm下的弯曲损耗为0.1dB/100turn以下，

截止波长为1260nm以下，

以从所述芯的中心到所述包层区域的外周的最小距离(OCT)、所述芯的间隔的最小值Λ和波长1310nm下的MFD的关系满足式(2)和式(3)的方式，配置四个所述芯，并且设定所述芯与所述包层区域的相对折射率差Δ和所述芯的半径a。

图4表示在本发明的MCF中满足图3所示的要求条件的波长1310nm下的MFD与最大XT的关系。另外，当前最普遍使用的SMF的波长1310nm下的MFD根据国际标准确定为8.2～9.6μm范围内。一般来说，连接的光纤间的MFD的不匹配会导致连接损耗的增大，因此本MCF的波长1310nm下的MFD也优选设定在8.2～9.6μm范围内。

图中的实线表示将使用波段的上限作为波长1625nm时的计算结果。从图4可知，XT随着MFD而增加，两者的关系能够以式(4)近似。另外，XT在0dB/km以上的区域成为饱和状态。

(式4)

XT≤27.0MFD-251.8 (4)

在此，MCF中的由XT引起的传输特性劣化取决于传输方式，在非专利文献7中表示了对于QPSK、16QAM、64QAM的传输方式，分别需要-16dB、-24dB、-32dB以下的串扰。在多芯光纤的情况下，芯间的串扰成为相对于任意芯的来自其他芯的串扰成分的总和，对于每单位距离的串扰(dB/km)和距离L(km)，任意距离的串扰由下式给出。

XT+10log(L)

例如，为了使用16QAM信号格式进行1000～10000km的传输，多芯光纤的串扰需要为-54～-64dB/km以下。即，根据图4，无论波长1310nm下的MFD为多少，第一多芯光纤都不能以波长1625nm进行使用16QAM信号格式的1000～10000km的传输。

另一方面，从图4可知，在实现使用QPSK信号的L＝1km传输用的MCF的情况下，第一多芯光纤能够将波长1310nm下的MFD设定在8.75μm以下的范围。

此外，使波长1310nm下的MFD为9μm，并想要实现使用QPSK信号的传输的情况下，该MFD的波长1625nm下的XT为-9dB/km，因此为了实现QPSK信号的传输所需的-16dB/km的XT特性，只要使最大传输距离为0.2km以下即可。

此外，图4中的虚线表示将使用波段的上限波长作为1360nm时的计算结果。可知波长1310nm下的MFD和波长1360nm下的XT的关系能够由式(5)记述。

(式5)

XT≤33.7MFD-342.3 (5)

如上所述，从图4可知，通过利用与现有SMF标准匹配的8.2～9.6μm的MFD特性并适当地设定传输距离，能够实现与QPSK、16QAM、64QAM都能对应的传输系统。因此，使用上述关系式(4)或(5)，在分别将使用波段的上限作为1625nm或1360nm时，能够导出实现所希望的传输系统的XT与MFD的关系。

如上所述，具有与现有SMF同等的截止波长、弯曲损耗和MFD特性，使波长1625nm下的附加损耗为0.01dB/km以下，在1260nm～1625nm的波长范围内实现所希望的XT特性的MCF中的OCT、Λ和MFD的关系能够使用关系式(2)、(3)、(4)来规定。

同样，具有与现有SMF同等的截止波长、弯曲损耗和MFD特性，使波长1625nm下的附加损耗为0.01dB/km以下，在1260nm～1360nm的波长范围内实现所希望的XT特性的本发明的MCF中的OCT、Λ和MFD的关系能够使用关系式(2)、(3)、(5)来规定。

(实施方式2)

作为实施方式2对第二多芯光纤进行说明。

本MCF是将截止波长作为1530nm的情况。图5表示波长1550nm下的MFD与OCT的关系。在此，作为一例将使用波段作为1530nm～1625nm。即，使截止波长为1530nm，使波长1625nm下的αc为0.01dB/km以下。此外，弯曲损耗与现有的SMF同等，波长1625nm的弯曲半径30mm下的值为0.1dB/100turn以下。

此时，如在图2中说明的那样，能够导出满足截止波长、弯曲损耗、MFD的要求条件的芯半径与相对折射率差的关系。在图5中由实线表示了根据满足上述关系的芯半径和相对折射率差的条件使αc成为0.01dB/km以下所需的OCT的最小值。从图5可知，OCT随着MFD而增加，其关系能够以如下关系式近似。

(式6)

OCT≥2.82MFD+3.7 (6)

在此，图5的虚线表示使包层直径为125μm时配置成正方格子状的四个芯的中心间距离Λ的上限。从图5可知，MFD与Λ的关系能够以如下关系式近似。

(式7)

Λ≤-3.99MFD+83.15 (7)

因此，可知在本发明的MCF中，在使用波段的下限为1530nm、MFD的规定波长为1550nm、波长1625nm下的αc为0.01dB/km以下的情况下，OCT和Λ的设定条件能够根据MFD的设计中心值并通过式(6)、(7)来确定。

即，第二多芯光纤具有：

沿长边方向配置成正方格子状的半径a的单峰型折射率分布的四个芯；

在所述芯的外周部上与所述芯的相对折射率差的绝对值为Δ的、折射率低于所述芯的、直径为125±1μm的包层区域，

所述多芯光纤的特征在于，

波长1550nm下的模场直径MFD为9～12μm，

波长1625nm、弯曲半径30mm下的弯曲损耗为0.1dB/100turn以下，

截止波长为1530nm以下，

以从所述芯的中心到所述包层区域的外周的最小距离(OCT)、所述芯的间隔的最小值Λ和波长1550nm下的MFD的关系满足式(6)和式(7)的方式，配置四个所述芯，并且设定所述芯与所述包层区域的相对折射率差Δ和所述芯的半径a。

图6表示在本发明的MCF中满足图5所示的要求条件的波长1550nm下的MFD与最大XT的关系。另外，当前通常使用的高速传输用SMF的波长1550nm下的MFD大体为9～12μm范围。一般来说，连接的光纤间的MFD的不匹配会导致连接损耗的增大，因此本MCF的波长1550nm下的MFD也优选设定在9～12μm范围内。

图中的实线表示将使用波段的上限作为波长1625nm时的计算结果。从图6可知，XT随着MFD而增加，两者的关系能够以式(8)近似。另外，XT在0dB/km以上的区域成为饱和状态。

(式8)

XT≤24.6MFD-294.4 (8)

此外，图6中的虚线表示将使用波段的上限波长作为1565nm时的关系，可知波长1550nm下的MFD与波长1565nm下的XT的关系能够由式(9)记述。

(式9)

XT≤26.0MFD-315.8 (9)

本MCF也与实施方式1中说明的MCF同样，从图6可知，通过利用与现有的高速传输用SMF匹配性高的9～12μm的MFD特性并适当地设定传输距离，能够实现与QPSK、16QAM、64QAM都能对应的传输系统。因此，使用上述关系式(8)或(9)，在分别将使用波段的上限作为1625nm或1565nm时，能够导出实现所希望的传输系统的XT与MFD的关系。

如上所述，具有与现有的高速传输用SMF同等的截止波长、弯曲损耗和MFD特性，使波长1625nm下的附加损耗为0.01dB/km以下，在1530nm～1625nm的波长范围内实现所希望的XT特性的MCF中的OCT、Λ和MFD的关系能够使用关系式(6)、(7)、(8)来规定。

同样，具有与现有SMF同等的截止波长、弯曲损耗和MFD特性，使波长1625nm下的附加损耗为0.01dB/km以下，在1530nm～1565nm的波长范围内实现所希望的XT特性的MCF中的OCT、Λ和MFD的关系能够使用关系式(6)、(7)、(9)来规定。

(光纤的设计方法)

图7是说明在实施方式1、2中说明的MCF的设计方法的流程图。本设计方法的特征在于进行：

规格确定步骤S01，确定所述多芯光纤所要求的截止波长和所述芯的任意芯从其他芯接受的单位长度的串扰的合计值XT；

第一MFD计算步骤S03，

在规格确定步骤S01中确定的截止波长为1260nm以下(在步骤S02中为1260nm以下)、且所述单位长度的串扰的合计值XT为波长1625nm下的值的情况下，通过式(4)计算波长1310nm下的模场直径(MFD)，

在规格确定步骤S01中确定的截止波长为1260nm以下(在步骤S02中为1260nm以下)、且所述单位长度的串扰的合计值XT为波长1360nm下的值的情况下，通过式(5)计算波长1310nm下的模场直径(MFD)；

第一结构计算步骤S04，将在第一MFD计算步骤S03中计算出的MFD代入到式(2)和式(3)中，计算从所述芯的中心到所述包层区域的外周的最小距离(OCT)和所述芯的间隔的最小值Λ；

第二MFD计算步骤S06，

在规格确定步骤S01中确定的截止波长为1530nm以下(在步骤S02中为1530nm以下)、且所述单位长度的串扰的合计值XT为波长1625nm下的值的情况下，通过式(8)计算波长1550nm下的模场直径(MFD)，

在规格确定步骤S01中确定的截止波长为1530nm以下(在步骤S02中为1530nm以下)、且所述单位长度的串扰的合计值XT为波长1565nm下的值的情况下，通过式(9)计算波长1550nm下的模场直径(MFD)；以及

第二结构计算步骤S07，将在第二MFD计算步骤S06中计算出的MFD代入到式(6)和式(7)中，计算从所述芯的中心到所述包层区域的外周的最小距离(OCT)和所述芯的间隔的最小值Λ。

本设计方法进一步将在第一MFD计算步骤S03或第二MFD计算步骤S06中计算出的MFD代入到式(1)中，计算芯半径a和相对折射率差Δ(步骤S05、S08)。

通过以在本设计方法中计算出的芯半径a、相对折射率差Δ、芯的间隔的最小值Λ和OCT来配置芯，能够以标准的包层直径配置单峰型的四个芯，成为满足所希望的规格并批量生产性、质量和成品率优异的MCF。

工业实用性

本发明的多芯光纤能够用于光通信系统中的光纤。

附图标记说明

11：芯

12：包层区域