JP5281161B2 - 光ファイバ通信システム - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ通信システムに関する。

現在、一般に普及している光ファイバ通信システムに用いられる光ファイバは、１本のコアの外周がクラッドにより被覆される構造をしており、このコア内を光信号が伝播することで情報が伝送される。そして、近年光ファイバ通信システムの普及に伴い、光ファイバにより伝送される情報量が飛躍的に増大している。このような伝送される情報量の増大に伴い、光ファイバ通信システムにおいては、数十本から数百本といった多数の光ファイバが用いられることで、大容量の光通信が行われている。

こうした光ファイバ通信システムにおける光ファイバの数を低減させるため、複数のコアの外周が１つのクラッドにより被覆されたマルチコアファイバを用いて、それぞれのコアを伝播する光により、複数の信号を伝送させることが知られている。

下記非特許文献１には、このようなマルチコアファイバが記載されている。しかし、下記非特許文献１によると、クラッド内に複数のコアが形成された光ファイバにおいては、コア同士が光学的に結合して、コア内を伝播する光信号が互いに干渉し合う場合があるとしている。そこで、このような光信号の干渉の抑制には、コア間の距離を大きくしてコア同士が光学的に結合することを防止することや、コアのクラッドに対する屈折率をより高くして光をコアに集中させることや、互いに隣り合うコア同士で異なる屈折率を有するようにして、コア同士が光学的に結合することを防止することが有効であるとされている。また、下記非特許文献１によれば、例えば、クラッドに対する屈折率差が０．３５％であるコアが複数用いられるマルチコアファイバの場合、コアの中心間距離が７０μｍ以上であれば、光の干渉を小さく抑えることができ、さらに、互いに隣り合うコア同士で異なる屈折率を有する場合、コアの中心間距離が３５μｍ以上であれば、光の干渉を小さく抑えることができるとされている（非特許文献１）。

Ｍａｓａｎｏｒｉ ＫＯＳＨＩＢＡ "Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｍｕｌｔｉ−ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒｓ： ｐｒｏｐｏｓａｌ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ" ＩＥＩＣＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， Ｖｏｌ.６， Ｎｏ．２

上記非特許文献１に記載のマルチコアファイバを大容量の光通信を行う光ファイバ通信システムに用いることにより、確かに光ファイバの数を減らすことができる。しかし、マルチコアファイバにおいて、コア同士の中心間距離を大きくする場合、必然的にクラッドの直径が大きくなってしまう。このようにクラッドの直径が大きくなると、光ファイバ通信システムにおける光ファイバの数を減らした意義が低減するばかりでなく、マルチコアファイバの湾曲性が乏しくなりマルチコアファイバの設置場所が制限される場合がある等の問題が生じる。

そこで、本発明は、光ファイバの直径が大きくなることを抑制しつつ、少ない数の光ファイバで大容量の光通信が実現できる光ファイバ通信システムを提供することを目的とする。

本発明の光ファイバ通信システムは、複数の光信号を並列に送信する光送信機と、複数のコアの外周が共通のクラッドにより被覆され、前記光送信機から並列に送信されるそれぞれの光信号がそれぞれの前記コアに入力するマルチコアファイバと、前記マルチコアファイバのそれぞれのコアから並列に出力する光信号を受信する光受信機と、を備え、前記光送信機と前記光受信機とは、ＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）通信を行い、前記光受信機のみが前記マルチコアファイバの伝送路特性の情報を記憶し、前記光受信機は、前記伝送路特性の情報及び受信した光信号から、前記光送信機から送信される信号を得ることを特徴とするものである。

このような光ファイバ通信システムにおいては、光送信機から並列に送信される光信号がマルチコアファイバのそれぞれのコアを介して光受信機により受信されることで、光信号による光通信が行われる。このとき、マルチコアファイバにおいて、それぞれのコア同士が光学的に結合することにより、並列に伝送される光信号が干渉する場合がある。しかし、光送信機と光受信機とはＭＩＭＯ通信を行うため、マルチコアファイバにおいて光信号が干渉する場合においても、光受信機からは、光送信機から本来伝送されるべき信号が出力される。このようにマルチコアファイバにおいて、並列に伝送される光信号同士の干渉が許容されるため、マルチコアファイバのそれぞれのコアの中心間距離を小さくすることができる。従って、このような光ファイバ通信システムでは、マルチコアファイバを用いることにより光ファイバの数を減らすことができるので、少ない数の光ファイバで大容量の光通信が実現でき、さらに、光ファイバとしてのマルチコアファイバの直径が大きくなることを抑制できる。
また、光受信機のみが前記マルチコアファイバの伝送路特性の情報を記憶し、前記光受信機は、前記伝送路特性の情報及び受信した光信号から、前記光送信機から送信される信号を得る。従って、このような光ファイバ通信システムによれば、光送信機の構成を簡易にすることができる。

また、上記光ファイバ通信システムにおいて、前記光受信機は、前記伝送路特性の情報を予め記憶していることが好ましい。

このような光ファイバ通信システムによれば、光ファイバ通信システムの使用時に伝送路特性を生成する必要がないため、光受信機の負荷を低減することができる。

或いは、上記光ファイバ通信システムにおいて、前記光送信機は、既知のパイロット信号を送信し、前記光受信機は、受信したパイロット信号と前記既知のパイロット信号とを比較することで生成される前記伝送路特性の情報を記憶することが好ましい。

このような光ファイバ通信システムによれば、マルチコアファイバが配置される環境に応じて、マルチコアファイバ２０の伝送路特性が変化する場合がある。この場合においても、変化した伝送路特性の情報を求めるため、より正確なマルチコアファイバ２０の伝送路特性の情報を生成することができる。従って、より正確なＭＩＭＯ通信を行うことができる。

また、上記光ファイバ通信システムにおいて、前記伝送路特性の情報は、前記光受信機により生成されることが好ましい。

このような光ファイバ通信システムによれば、光受信機の他に伝送路特性の情報を生成する構成を新たに設ける必要がなく、光ファイバ通信システムの構成を簡易にすることができる。

また、本発明の光ファイバ通信システムは、複数の光信号を並列に送信する光送信機と、複数のコアの外周が共通のクラッドにより被覆され、前記光送信機から並列に送信されるそれぞれの光信号がそれぞれの前記コアに入力するマルチコアファイバと、前記マルチコアファイバのそれぞれのコアから並列に出力する光信号を受信する光受信機と、を備え、前記光送信機と前記光受信機とは、ＭＩＭＯ通信を行い、前記光送信機と前記光受信機とが前記マルチコアファイバの伝送路特性の情報を共有して記憶し、前記光送信機は、前記伝送路特性の情報を用いて、前記複数のコア毎に重み付けを行い光信号を送信すると共に、前記受信機は、前記伝送路特性の情報及び受信した光信号から、前記光送信機が前記複数のコア毎に重み付けを行なわずに送信する場合の信号を得ることを特徴とするものである。

このような光ファイバ通信システムによれば、マルチコアファイバの伝送路特性に応じて、マルチコアファイバのそれぞれのコアごとに重み付けを行って、光信号を送信するため、光信号の伝送をより効率的に行うことができる。

また、上記光ファイバ通信システムにおいて、前記光送信機及び光受信機は、前記伝送路特性の情報を予め記憶していることが好ましい。

或いは、上記光ファイバ通信システムにおいて、前記光送信機は、既知のパイロット信号を送信し、前記光送信機及び光受信機は、受信したパイロット信号と前記既知のパイロット信号とを比較することで生成される前記伝送路特性の情報を記憶することが好ましい。

また、上記光ファイバ通信システムにおいて、前記伝送路特性の情報は、前記光受信機により生成されることが好ましい。

また、上記光ファイバ通信システムにおいて、前記複数のコアは、前記マルチコアファイバの長手方向に垂直な断面において、前記断面の中心を通る線に対して線対称性を有するように配置されることが好ましい。

このような光ファイバ通信システムによれば、マルチコアファイバの両端面においてコアの配置が同一となる。従って、複数のマルチコアファイバを長手方向に繋ぎ合わせて１本のマルチコアファイバとする場合に、マルチコアファイバのどちらの端部を繋ぎ合わせても、マルチコアファイバ同士の接続ができる。

また、上記光ファイバ通信システムにおいて、前記マルチコアファイバの互いに隣り合う前記コアの屈折率が異なることが好ましく、また、前記マルチコアファイバの互いに隣り合う前記コアの直径が互いに異なることが好ましい。

このような光ファイバ通信システムによれば、互いに隣り合うコア同士の光学的な結合が弱くなり、光信号同士の干渉が少なくなる。従って、光送信機から送信される信号を得るための演算が容易になり、システムの演算負荷を小さくすることができる。

以上のように、本発明によれば、光ファイバの直径が大きくなることを抑制しつつ、少ない数の光ファイバで大容量の光通信が実現できる光ファイバ通信システムが提供される。

本発明の第１実施形態に係る光ファイバ通信システムを示す図である。 図１のマルチコアファイバの長手方向に垂直な断面における構造を示す断面図である。 信号の重み付けがされる様子を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光ファイバ通信システムを示す図である。 本発明の第３実施形態に係る光ファイバ通信システムに用いるマルチコアファイバの長手方向に垂直な断面における構造を示す図である。 第１実施形態のマルチコアファイバの変形例を示す図である。

以下、本発明に係る光ファイバ通信システムの好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る光ファイバ通信システムを示す図である。

図１に示すように、光ファイバ通信システム１００は、光信号を送信する光送信機１０と、光送信機１０から送信される光信号を伝播するマルチコアファイバ２０と、マルチコアファイバ２０により伝播される光信号を受信する光受信機３０とを備える。

まず、図１に示すマルチコアファイバ２０から説明する。図２は、図１のマルチコアファイバ２０の長手方向に垂直な断面における構造を示す断面図である。図２に示すように、マルチコアファイバ２０は、複数のコア２１と、それぞれのコア２１の外周を被覆し、それぞれのコア２１に共通のクラッド２２と、クラッド２２の外周を被覆する内側保護層２３と、内側保護層２３の外周を被覆する外側保護層２４とから構成される。なお、図２においては、コア２１が３つの場合を示している。

複数のコア２１は、マルチコアファイバ２０の断面において、互いに隣り合うコア同士が等距離とされ、かつ、マルチコアファイバ２０の中心Ｃからそれぞれのコア２１までの距離が等しくなるように配置されている。そして、複数のコア２１は、マルチコアファイバ２０の中心Ｃを通り径方向に延びる直線Ｌに対して線対称とされている。

このようなマルチコアファイバ２０において、複数のコア２１の屈折率は互いに等しくされ、クラッド２２の屈折率は、コア２１の屈折率よりも低くされる。

また、マルチコアファイバ２０における各構成の大きさは、その用途により適切に選択されるため特に制限されるものではないが、例えば、コア２１の直径は互いに等しく、それぞれ４μｍ〜１０μｍとされ、クラッド２２の外径は、１００μｍ〜２００μｍとされ、内側保護層２３の外径は、１７０μｍ〜３５０μｍとされ、外側保護層２４の外径は、２３０μｍ〜４００μｍとされる。また、コア２１の中心間距離は、２０μｍ〜５０μｍとされる。

なお、マルチコアファイバ２０のそれぞれのコア２１を光信号が伝播する際、それぞれのコア２１を伝播する光信号は互いに干渉し合う場合があり、マルチコアファイバ２０は、それぞれのコア２１毎で個別の振幅利得となる特有の伝送路特性を有する。

また、コア２１を構成する材料としては、例えば、屈折率を高くするドーパントが添加される石英等が挙げられる。このようなドーパントとしては、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ_２）や酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等が挙げられる。また、クラッド２２を構成する材料としては、例えば、何らドーパントが添加されない石英や、フッ素（Ｆ）等の屈折率を下げるドーパントが添加される石英が挙げられる。また、内側保護層２３及び外側保護層２４を構成する材料としては、例えば、アクリレート等の紫外線硬化樹脂が挙げられる。

また、図１に示すように、マルチコアファイバ２０の一端は光送信機１０と接続され、他端は光受信機３０に接続される。

次に光送信機１０及び光受信機３０の説明を行う。

光送信機１０は、光送信機１０の外部からの指示により電圧信号を出力する信号発生部１１と、信号発生部１１からの電圧信号に対応する光信号を出力する光源部１２とを主な構成として備える。

信号発生部１１は、光送信機１０を制御する制御部と、光源部１２から出力される光信号の強度やマルチコアファイバ２０の伝送路特性の情報等を必要に応じて記憶するメモリと、信号発生部１１から出力される電圧信号の基となるパルスを発生するパルスジェネレータと、シリアル／パラレル信号変換器と、アンプ等により構成され、外部からの指示により電圧信号を並列に出力する。

光源部１２は、複数のＬＤ（レーザダイオード）、及び、それぞれのＬＤに対応して設けられる光増幅器により構成されており、信号発生部１１から出力される並列の電圧信号に対応して複数の光信号を並列に出力する。具体的には、信号発生部１１から並列して入力されるそれぞれの電圧信号が複数のＬＤに入力され、それぞれのＬＤは入力された電圧信号に基づいて光信号を出力する。そして、それぞれのＬＤから出力される光信号は、光増幅器により増幅されて光源部１２から並列に出力される。なお、光源部１２は、光源部１２から出力されるそれぞれの光信号が、図１に示すマルチコアファイバ２０のそれぞれのコア２１に入力するように、図示しない複数の光カプラと接続され、この複数の光カプラがマルチコアファイバ２０のそれぞれのコア２１と接続されている。

一方、図１に示す光受信機３０は、マルチコアファイバ２０から入力される光信号を受信して電圧信号に変換する受光部３１と、受光部３１から出力される電圧信号を処理する信号処理部３２とを主な構成として備える。

受光部３１は、マルチコアファイバ２０のそれぞれのコア２１に対応して設けられ、マルチコアファイバ２０のコア２１から出力される光信号を電圧信号に変換する複数のＰＤ（フォトダイオード）と、それぞれのＰＤから出力される電圧信号を所定の電圧まで増幅するアンプ等から構成される。従って、マルチコアファイバ２０の各コア２１から光信号が並列に出力されると、受光部３１からは、電圧信号が並列に出力される。

信号処理部３２は、受光部３１から出力される電圧信号を標本化してデジタル信号にするＡ／Ｄ変換部と、Ａ／Ｄ変換された信号を演算して演算結果を信号として出力する演算部と、光受信機３０を制御する制御部と、マルチコアファイバ２０の伝送路特性の情報等を記憶するメモリとを主な構成として備える。この信号処理部３２は、受光部３１から電圧信号が並列に入力されると、この電圧信号を処理して、光送信機から送信される光信号を電気信号として出力する。

次に、この様な構成を備える光ファイバ通信システム１００の動作について説明する。

まず、事前にマルチコアファイバ２０の伝送路特性の情報を光受信機３０のみが記憶している場合の動作について説明する。具体的には、伝送路特性の情報が予め信号処理部３２のメモリに記憶されている場合の動作である。

まず、光送信機１０の外部から所定の信号が光送信機１０に入力される。信号発生部１１は、外部からの所定の信号を受けると、この所定の信号に基づいた光信号が光源部１２から並列に発生するように、所定の信号に基づいた電圧信号を並列に光源部１２に出力する。このとき各光源部に並列に出力される電圧信号は、それぞれの電圧信号同士で異なる場合や、同じ場合がある。光源部１２は、信号発生部１１から受けた電圧信号に応じて、光源部１２内の複数のＬＤから光信号を並列に出力して、光源部１２内の光増幅器により光信号を増幅する。そして、増幅された光信号は、光送信機１０から並列に出力される。こうして、光送信機１０から複数の光信号が並列に送信される。

光送信機１０から並列に出力された光信号は、それぞれマルチコアファイバ２０の各コア２１に個別に入力する。マルチコアファイバ２０の各コア２１に入力された光信号は、マルチコアファイバ２０により伝送されて、光受信機３０に入力される。こうして光受信機３０は光信号を受信する。

光受信機３０においては、並列に入力された光信号の強度に対応した電圧信号が並列に受光部３１から出力されて、信号処理部３２に入力される。信号処理部３２においては、並列に入力された電圧信号を演算処理して、光送信機１０から光信号として送信される信号を求める。

この演算処理は、次のようにして行われる。

信号処理部３２内のメモリは、上述のように事前にマルチコアファイバ２０の伝送路特性の情報を記憶している。この伝送路特性の情報は、行列式で表すことができる。例えば、図２に示すようにマルチコアファイバ２０のコア２１が３つのコアからなる場合、それぞれのコア２１をコア１、コア２、コア３とする。そして、光送信機１０からコア１に光信号ｘ_１が入力され、コア２には光信号ｘ_２が入力され、コア３には光信号ｘ_３が入力されるとする。そして、光受信機３０においては、マルチコアファイバ２０のコア１から光信号ｙ_１が出力され、コア２から光信号ｙ_２が出力され、コア３から光信号ｙ_３が出力されるとする。

このとき、光送信機１０から送信出力される光信号ｘと、伝送路特性の情報Ｈと、光受信機３０で受信される光信号ｙの関係は、下式（１）のようになる。

ただし、ｘ、ｙ、Ｈは、下式（２）〜（４）とされる。

なお、本実施形態においては、マルチコアファイバ２０において重畳するノイズは考慮していない。

上述のように光受信機３０は、マルチコアファイバ２０の伝送路特性の情報Ｈを記憶しているため、信号処理部３２は、式（１）を用いて、伝送路特性の情報Ｈと受信した光信号ｙとから、光送信機１０から送信される光信号ｘを求めることができる。そして、信号処理部３２は、こうして求めた光送信機１０から出力された光信号ｘを出力する。

このようにして、光送信機１０と光受信機３０とはＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）通信を行う。なお、光送信機１０と光受信機３０とが行う光通信において、光信号の変調方式としては、特に限定されるわけではないが、ＯＯＫ（On-Off keying）や、ＰＳＫ（Phase Shift Keying）や、ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）や、ＯＦＤＭ（Orthogonal
Frequency Divisional Multiplexing）等を挙げることができる。

このようにマルチコアファイバ２０の伝送路特性の情報を光受信機３０のみが記憶している場合には、光送信機１０においてマルチコアファイバ２０の伝送路特性を考慮する必要がないため、光送信機１０の構成を簡易にすることができる。

次に、事前にマルチコアファイバ２０の伝送路特性の情報を光送信機１０と光受信機３０とが共有して記憶している場合の動作について説明する。なお、上述の事前にマルチコアファイバ２０の伝送路特性の情報を光受信機３０のみが記憶している場合の動作において説明した内容と重複する内容は省略する。

この場合は、光送信機１０の信号発生部１１内のメモリと、光受信機３０の信号処理部３２内のメモリは、伝送路特性の情報を予め記憶している。

まず、信号発生部１１は、光送信機１０の外部からの所定の信号を受けると、この所定の信号に基づいた光信号が光源部１２から並列に発生するように、所定の信号に基づいた電圧信号を並列に光源部１２に出力する。このとき、信号発生部１１は、本来光源部から出力すべき光信号ｘではなく、メモリに記憶している伝送路特性の情報に基づいて、光源部１２からそれぞれの光信号毎に個別に重み付けがされて光信号が出力されるように、それぞれの電圧信号毎に重み付けを行う。この重み付けは、次のようにして行う。

伝送路特性の情報Ｈは、下式（５）のように特異値分解することができる。

ただし、Ａは、下式（６）とされる。

なお、Ｖ_ｔは光送信機１０における重み付けの係数行列であり、Ｖ_ｒは、光受信機３０における重み付けの係数行列であり、Ｔは、複素共役転置である。さらに、Ｖ_ｔとＶ_ｒは、それぞれ、下式（７）、（８）を満たすユニタリ行列である。ただし、Ｉは、単位行列である。

このとき、Ａのλ_１の平方根、λ_２の平方根、λ_３の平方根がそれぞれ、コア１、コア２、コア３の振幅利得を示す。この振幅利得においては、λ_１の平方根が大きな値である程、コア１はより多くの光信号を伝送することができ、λ_１の平方根が小さな値である場合には、コア１は然程光信号を伝送することができないこととなる。λ_２の平方根、λ_３の平方根についても同様である。

そこで、信号発生部１１は、係数行列Ｖ_ｔを用いて、コア１、コア２、コア３に入力される光信号が個別に重み付けされるように、それぞれの電圧信号に重み付けをする。図３は、信号の重み付けがされる様子を示す図である。このような重み付けにおいては、まず、図３に示すように、信号発生部１１は、本来光送信機１０から送信出力されるべき光信号ｘを、下式（９）のように重み付けを行う。

こうして重み付けがされた電圧信号を光源部１２が受けて、光源部１２からは、本来出力されるべき光信号ｘではなく、それぞれの光信号毎に個別に重み付けがされた光信号ｘ’が出力される。

そして、光送信機１０から出力された光信号ｘ’は、光受信機３０に到達する時点において、伝送路特性の影響を受ける。従って、光受信機３０が受信する光信号ｙ’は、下式（１０）のようになる。

また、図３に示すように、光受信機３０においては、信号処理部３２は、係数行列Ｖ_ｒを用いて、下式（１１）にように、受光部３１から入力される電圧信号を演算して、光送信機１０から本来出力されるべき光信号ｘが出力される場合に、光受信機３０が受信する光信号ｙが求められる。

その後、式（１）を用いて、本来光送信機１０が出力すべき光信号ｘ、すなわち光送信機１０が複数のコア２１毎に重み付けを行なわずに送信する場合の信号を求め出力する。このようにして、事前にマルチコアファイバ２０の伝送路特性の情報を光送信機１０と光受信機３０とが共有して記憶している場合においても、光送信機１０と光受信機３０とはＭＩＭＯ通信を行う。

このようにマルチコアファイバ２０の伝送路特性の情報を光送信機１０と光受信機３０とが共有して記憶している場合には、マルチコアファイバ２０のそれぞれのコア２１ごとに重み付けを行って、光信号を送信することができるので、光信号の伝送をより効率的に行うことができる。

なお、このようなＭＩＭＯ通信を行う場合における最大の伝送容量は、全てのコアで伝送帯域、信号出力、ノイズが同じであると仮定する場合に下式（１２）で与えられる。

ただし、Ｃは最大の伝送容量であり、Ｂはそれぞれのコアの伝送帯域であり、Ｓ／Ｎは、信号出力とノイズとの比であり、λ_ｉは、その平方根が上記式（６）で用いた振幅利得を示す。このような式（１２）の条件において、シングルコアの場合は、λ_１＝１であり、Shannon’s limitとして知られており、下式（１３）で表される。

以上説明したように、本実施形態における光ファイバ通信システム１００によれば、光送信機１０から並列に送信される光信号がマルチコアファイバ２０のそれぞれのコア２１を介して光受信機３０により受信されることで、光信号による光通信が行われる。このとき、マルチコアファイバ２０において、それぞれのコア２１同士が光学的に結合することにより、並列に伝送される光信号が干渉する場合がある。しかし、光送信機１０と光受信機３０とはＭＩＭＯ通信を行うため、マルチコアファイバ２０において光信号が干渉する場合においても、光受信機３０からは、光送信機１０から本来伝送されるべき信号が出力される。このようにマルチコアファイバ２０において、並列に伝送される光信号同士の干渉が許容されるため、マルチコアファイバ２０のそれぞれのコア２１の中心間距離を小さくすることができる。従って、このような光ファイバ通信システム１００では、マルチコアファイバ２０を用いることにより光ファイバの数を減らすことができるので、少ない数の光ファイバで大容量の光通信が実現でき、さらに、光ファイバとしてのマルチコアファイバ２０の直径が大きくなることを抑制できる。

また、光ファイバ通信システム１００は、マルチコアファイバ２０の伝送路特性の情報を予め記憶しているため、光ファイバ通信システム１００の使用時に伝送路特性を生成する必要がなく、光受信機３０の負荷を低減することができる。

また、本実施形態にける光ファイバ通信システムは、物理的に分離している複数のコアにより光信号が伝送されるため、容易に並列した光信号をそれぞれのコアに入力することができ、また、それぞれのコアから並列した光信号を容易に取り出すことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。図４は、本実施形態に係る光ファイバ通信システムを示す図である。

図４に示すように、本実施形態の光ファイバ通信システム２００は、情報作成部４０を備えている点において、第１実施形態の光ファイバ通信システム１００と異なる。

情報作成部４０は、光送信機１０の信号発生部１１及び光受信機３０の信号処理部３２と接続されている。この情報作成部４０は、メモリと演算部とを有しており、マルチコアファイバ２０の伝導路特性の情報を生成する。

また、本実施形態における光ファイバ通信システム２００においては、光送信機１０及び光受信機３０は、マルチコアファイバ２０の伝送路特性の情報を予め記憶していない。

この光ファイバ通信システム２００の動作は次のようになる。

まず、情報作成部４０のメモリに記憶されているパイロット信号の情報を光送信機１０の信号発生部１１に出力する。信号発生部１１は、このパイロット信号の情報が入力されると、この情報に基づいてパイロット信号が、光源部１２から出力されるように光源部１２に電圧信号を出力する。光源部１２は、この電圧信号が入力されるとパイロット信号としての光信号を出力する。こうして、光送信機１０からパイロット信号が送信される。

光受信機３０では、パイロット信号を受信すると、信号処理部３２において、受信したパイロット信号を電気信号として、情報作成部４０に出力する。

情報作成部４０は、光受信機３０からパイロット信号が入力されると、メモリに記憶しているパイロット信号と、光受信機３０から入力されたパイロット信号とを比較する。そして、２つのパイロット信号からマルチコアファイバ２０の伝送路特性の情報を演算により求める。

次に、伝送路特性の情報を光受信機３０のみが記憶する場合には、情報作成部４０は、求めた伝送路特性の情報を光受信機３０に出力し、光受信機３０の信号処理部３２は、この伝送路特性の情報をメモリに記憶する。

そして、上述の事前にマルチコアファイバ２０の伝送路特性の情報を光受信機３０のみが記憶している場合の動作と同様に、光送信機１０と光受信機３０とがＭＩＭＯ通信を行う。

一方、伝送路特性の情報を光送信機１０と光受信機３０とが共有して記憶する場合には、情報作成部４０は、求めた伝送路特性の情報を光送信機１０及び光受信機３０に出力し、光送信機１０の信号発生部１１、及び、光受信機３０の信号処理部３２は、この伝送路特性の情報をメモリに記憶する。

そして、上述の事前にマルチコアファイバ２０の伝送路特性の情報を光送信機１０と光受信機３０とが共有して記憶している場合の動作と同様に、光送信機１０と光受信機３０とがＭＩＭＯ通信を行う。

本実施形態の光ファイバ通信システム２００によれば、マルチコアファイバ２０が配置される環境に応じて、マルチコアファイバ２０の伝送路特性が変化する場合がある。この場合においても、変化した伝送路特性の情報を求めるため、より正確なマルチコアファイバ２０の伝送路特性の情報を生成することができる。従って、より正確なＭＩＭＯ通信を行うことができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図５を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。図５は、本実施形態に係る光ファイバ通信システムに用いるマルチコアファイバの長手方向に垂直な断面における構造を示す図である。

本実施形態の光ファイバ通信システムは、マルチコアファイバ２０に代えてマルチコアファイバ２５を用いる点において第１実施形態と異なる。

図５に示すように、マルチコアファイバ２５は、複数のコアを有し、マルチコアファイバ２５の長手方向に垂直な断面において、複数のコアが、隣り合うコアの中心を結ぶ線により正方形が描かれるように配置されている。また、この複数のコアは、互いに屈折率の異なる２種類のコア２１ａとコア２１ｂとから構成される。さらにコア２１ａ及びコア２１ｂは、コア２１ａとコア２１ｂとが交互に並ぶように配置されている。つまり、マルチコアファイバ２５においては、互いに隣り合うコアの屈折率が異なるようにコアが配置されている。また、本実施形態においては、コア２１ａの屈折率は、コア２１ｂの屈折率よりも高くされている。なお、図５においては、コア２１ａ及びコア２１ｂがそれぞれ８つの場合を示している。

また、コア２１ａ及びコア２１ｂは、マルチコアファイバ２５の断面において、中心Ｃを通る直線Ｌに対して、それぞれが線対称となるように配置されている。

このようなコア２１ａ、２１ｂの直径は、第１実施形態のコア２１と同様の直径であり、コア２１ａとコア２１ｂとの中心間距離は、１５μｍ〜４０μｍとされる。また、コア２１ａ及びコア２１ｂを構成する材料としては、例えば、屈折率を高くするドーパントが添加される石英等が挙げられ、コア２１ａにより多くのドーパントが添加されている。このようなドーパントとしては、第１実施形態におけるマルチコアファイバ２０のコア２１と同様のドーパントが挙げられる。

本実施形態における光ファイバ通信システムによれば、コア２１ａとコア２１ｂとの光学的な結合が弱くなり、コア２１ａを伝播する光信号とコア２１ｂを伝播する光信号の干渉が少なくなる。従って、光送信機１０から送信される信号を得るための演算が容易になり、光ファイバ通信システムの演算負荷を小さくすることができる。

以上、本発明について、第１〜第３実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

例えば、第１〜第３実施形態において、マルチコアファイバにおけるそれぞれのコアの直径は等しいとされた。しかし、本発明は、これに限らず、マルチコアファイバにおける互いに隣り合うコアの直径が、互いに異なるようにしても良い。この場合、それぞれのコア同士の光学的な結合が弱くなり、光信号同士の干渉が少なくなる。従って、光送信機１０から送信される信号を得るための演算が容易になり、光ファイバ通信システムの演算負荷を小さくすることができる。例えば、上述のようにコアの直径が４μｍ〜１０μｍである場合に、互いに隣り合うコアの直径の差は、互いに隣り合うコアの直径の差(δｄ)と平均直径(ｄ_ａｖｅ)との比(δｄ／ｄ_ａｖｅ)が０．１％〜５％未満であれば、それぞれのコアの特性に影響を殆ど与えることが無く、それぞれのコア同士の光学的な結合を弱くすることができる。

また、第１実施形態、第２実施形態において、マルチコアファイバ２０のコア２１の数が３つの場合を示したが、本発明はこれに限らず、複数のコアであれば、コアの数が２つでも良く、さらに４つ以上でも良い。

このようなコアが４つ以上の例について、図６を用いて説明する。図６は、第１実施形態のマルチコアファイバ２０の変形例を示す図である。なお、本変形例において、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。図６に示すように、マルチコアファイバ２７は、複数のコア２１と、それぞれのコア２１の外周を被覆するクラッド２２と、クラッド２２の外周を被覆する内側保護層２３と、内側保護層２３の外周を被覆する外側保護層２４とから構成され、コア２１が７つの場合を示している。複数のコアは、マルチコアファイバ２０の断面において、マルチコアファイバ２０の中心に１つのコア２１ｃが配置されて、コア２１ｃの周囲に他のコア２１ｄが配置されている。さらに各コアは、それぞれのコア２１ｄ同士の中心間距離が等しく配置されると共に、各コア２１ｄとコア２１ｃとの中心間距離とコア２１ｄ同士の中心間距離とが等しくなるように配置されている。なお、コア２１ｃ、２１ｄの屈折率、材料等は第１実施形態のマルチコアファイバ２０におけるコア２１と同様とされる。

また、上記の変形例において、コア２１ｃと２１ｄとを異なる屈折率としても良い。さらに、この場合にコア２１ｄを２種類の屈折率として、コア２１ｃとコア２１ｄとで互いに隣り合うコア同士が異なる屈折率となるように配置しても良い。さらに、コア２１ｃと２１ｄとを異なる直径としても良く、さらに、この場合にコア２１ｄを２つの大きさの直径として、コア２１ｃとコア２１ｄとで互いに隣り合うコア同士が異なる直径となるように配置しても良い。

また、第３実施形態においては、第１実施形態のマルチコアファイバ２０の代わりにマルチコアファイバ２５を用いるとしたが、第２実施形態のマルチコアファイバ２０の代わりにマルチコアファイバ２５を用いても良い。

また、第１実施形態において、光源部１２は、複数のＬＤ（レーザダイオード）から出力される光信号が、マルチコアファイバ２０のそれぞれのコア２１に入力するとしたが、本発明はこれに限らない。例えば、１つのＬＤから出力された光信号が、それぞれのコア２１に対応して分岐され、その後、分岐したそれぞれの光信号が別々の変調器を介してマルチコアファイバ２０のコア２１に入力されるようにしても良い。

また、第２実施形態において、情報作成部４０は、光受信機３０と個別に設けられる構成とされたが、情報作成部４０は、光受信機３０内に設けられても良い。この場合、情報作成部４０のメモリと光受信機３０の信号処理部３２内のメモリとを共通化することができ、さらに、情報作成部４０の演算部と信号処理部３２内の演算部とを共通化することができる。従って、光ファイバ通信システムの構成を簡易にすることができる。

また、第１〜第３実施形態における光ファイバ通信システムにおいて、複数のマルチコアファイバを用いても良い。

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものでは無い。

（実施例１）
第１実施形態において説明した光ファイバ通信システムにおいて、上述の式（１２）による最大伝送容量を計算により求めた。このとき、３つのコアのパラメータを全て同一として、コアの直径を６μｍ、コアのクラッドに対する非屈折率差を０．７％、コアの中心間距離を５０μｍ、クラッドの外径を１２５μｍとした。また、伝送距離（マルチコアファイバの長さ）を８０ｋｍとし、伝送される光信号の波長を１５５０ｎｍとした。この様な条件において、コア間のクロストーク量（光学パワーの結合量）は、０．０３６８（−１４．３ｄＢ）であり、上述の伝送路特性の情報Ｈを示す式（４）は、下式（１４）の様になった。なお、下記行列Ｈの非対角成分は、各コア間の光学パワー結合量の平方根であり、対角成分は、各行の非対角成分の二乗和を１から引いて平方根をとった値になっている。

この行列式を上述の式（５）の様に特異値分解すると、上述の式（６）の振幅利得を示す行列Ａは、下式の様になった。

そこで、各コアの伝送帯域Ｂを１００ＧＨｚとし、上記伝送距離における各コアの信号出力とノイズとの比Ｓ／Ｎを２０（１３ｄＢ）とすると、最大伝送容量Ｃは、上述の式（１２）より、約１２５９Ｇｂｐｓとなった。

コアが１つであること以外は、実施例１と同様のシングルコアファイバにおいて、伝送距離、伝送帯域、信号出力とノイズとの比を実施例１と同様にすると、上述の式（１３）より、最大伝送容量は、４３９Ｇｂｐｓとなる。従って、実施例１のマルチコアファイバを用いた光ファイバ通信システムにおいては、大幅に伝送容量を増やすことができることが分かった。

次に、伝送される光信号の波長を１３１０ｎｍとして、計算を行った。この条件におけるクロストーク量は、１．１×１０^−７（−６９．６ｄＢ）であり、伝送路特性の情報Ｈは、下式（１６）の様になり、振幅利得を示す行列Ａは、下式（１７）の様になった。

そこで、伝送される光信号の波長が１５５０ｎｍの場合と同様にして、各コアの伝送帯域Ｂを１００ＧＨｚとし、上記伝送距離における各コアの信号出力とノイズとの比Ｓ／Ｎを２０（１３ｄＢ）とすると、最大伝送容量Ｃは、上述の式（１２）より、約１３１８Ｇｂｐｓとなった。

上述のように、コアが１つであること以外は、実施例１と同様のシングルコアファイバにおいて、伝送距離、伝送帯域、信号出力とノイズとの比を実施例１と同様にする場合、最大伝送容量は、４３９Ｇｂｐｓとなるので、伝送される光信号の波長を１３１０ｎｍにする場合においても、実施例１のマルチコアファイバを用いた光ファイバ通信システムにおいては、大幅に伝送容量を増やすことができることが分かった。

次に、伝送される光信号の波長を１６００ｎｍとして、計算を行った。この条件におけるクロストーク量は、０．２８８４（−５．４ｄＢ）であり、伝送路特性の情報Ｈは、下式（１８）の様になり、振幅利得を示す行列Ａは、下式（１９）の様になった。

そこで、伝送される光信号の波長が１５５０ｎｍの場合と同様にして、各コアの伝送帯域Ｂを１００ＧＨｚとし、上記伝送距離における各コアの信号出力とノイズとの比Ｓ／Ｎを２０（１３ｄＢ）とすると、最大伝送容量Ｃは、上述の式（１２）より、約６５８Ｇｂｐｓとなった。

上述のように、コアが１つであること以外は、実施例１と同様のシングルコアファイバにおいて、伝送距離、伝送帯域、信号出力とノイズとの比を実施例１と同様にする場合、最大伝送容量は、４３９Ｇｂｐｓとなるので、伝送される光信号の波長を１６００ｎｍにする場合においても、実施例１のマルチコアファイバを用いた光ファイバ通信システムにおいては、大幅に伝送容量を増やすことができることが分かった。

（実施例２）
図６を用いて説明したマルチコアファイバを第１実施形態の光ファイバ通信システムに適用した場合において、上述の式（１２）による最大伝送容量を計算により求めた。このとき、中心のコアの直径が６μｍとなるようにして、中心のコアの周りに直径が５．９４μｍ及び６．０６μｍの２種類のコアが交互に並ぶように配置したこと以外は、コアのパラメータを全て同一として、コアのクラッドに対する非屈折率差を０．７％、コアの中心間距離を３０μｍ、クラッドの外径を１２５μｍとした。また、伝送距離（マルチコアファイバの長さ）を４０ｋｍとし、伝送される光信号の波長を１５５０ｎｍとした。この様な条件において、コア間のクロストーク量は、最も近接しているコア同士において、０．０８３（−１０.８ｄＢ）となり、２番目に近接しているコア間、及び、３番目に近接しているコア間のクロストーク量は、−１００ｄＢ以下となり、無視できるレベルとなった。そして、上述の伝送路特性の情報Ｈを示す式（４）は、下式（２０）の様になった。なお、本実施形態においても、下記行列Ｈの非対角成分は、各コア間の光学パワー結合量の平方根であり、対角成分は、各行の非対角成分の二乗和を１から引いて平方根をとった値になっている。

この行列式を上述の式（５）の様に特異値分解すると、上述の式（６）に示す振幅利得を示す行列Ａは、下式(２１)の様になった。

そこで、各コアの伝送帯域Ｂを１００ＧＨｚとし、上記伝送距離における各コアの信号出力とノイズとの比Ｓ／Ｎを４０（１６ｄＢ）とすると、最大伝送容量Ｃは、上述の式（１２）より、約３０５４Ｇｂｐｓとなった。

コアが１つであること以外は、実施例２と同様のシングルコアファイバにおいて、伝送距離、伝送帯域、信号出力とノイズとの比を実施例２と同様にすると、上述の式（１３）より、最大伝送容量は、５３６Ｇｂｐｓとなる。従って、実施例２のマルチコアファイバを用いた光ファイバ通信システムにおいては、大幅に伝送容量を増やすことができることが分かった。

本発明によれば、光ファイバの直径が大きくなることを抑制しつつ、少ない数の光ファイバで大容量の光通信が実現できる光ファイバ通信システムが提供される。

１０・・・光送信機
１１・・・信号発生部
１２・・・光源部
２０、２５、２７・・・マルチコアファイバ
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ・・・コア
２２・・・クラッド
２３・・・内側保護層
２４・・・外側保護層
３０・・・光受信機
３１・・・受光部
３２・・・信号処理部
４０・・・情報作成部
１００、２００・・・光ファイバ通信システム

Claims (11)

1. 複数の光信号を並列に送信する光送信機と、
   複数のコアの外周が共通のクラッドにより被覆され、前記光送信機から並列に送信されるそれぞれの光信号がそれぞれの前記コアに入力するマルチコアファイバと、
   前記マルチコアファイバのそれぞれのコアから並列に出力する光信号を受信する光受信機と、
   を備え、
   前記光送信機と前記光受信機とは、ＭＩＭＯ通信を行い、
   前記光受信機のみが前記マルチコアファイバの伝送路特性の情報を記憶し、前記光受信機は、前記伝送路特性の情報及び受信した光信号から、前記光送信機から送信される信号を得る
   ことを特徴とする光ファイバ通信システム。
2. 前記光受信機は、前記伝送路特性の情報を予め記憶していることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ通信システム。
3. 前記光送信機は、既知のパイロット信号を送信し、
   前記光受信機は、受信したパイロット信号と前記既知のパイロット信号とを比較することで生成される前記伝送路特性の情報を記憶する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ通信システム。
4. 前記伝送路特性の情報は、前記光受信機により生成されることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ通信システム。
5. 複数の光信号を並列に送信する光送信機と、
   複数のコアの外周が共通のクラッドにより被覆され、前記光送信機から並列に送信されるそれぞれの光信号がそれぞれの前記コアに入力するマルチコアファイバと、
   前記マルチコアファイバのそれぞれのコアから並列に出力する光信号を受信する光受信機と、
   を備え、
   前記光送信機と前記光受信機とは、ＭＩＭＯ通信を行い、
   前記光送信機と前記光受信機とが前記マルチコアファイバの伝送路特性の情報を共有して記憶し、
   前記光送信機は、前記伝送路特性の情報を用いて、前記複数のコア毎に重み付けを行い光信号を送信すると共に、
   前記受信機は、前記伝送路特性の情報及び受信した光信号から、前記光送信機が前記複数のコア毎に重み付けを行なわずに送信する場合の信号を得る
   ことを特徴とする光ファイバ通信システム。
6. 前記光送信機及び光受信機は、前記伝送路特性の情報を予め記憶していることを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ通信システム。
7. 前記光送信機は、既知のパイロット信号を送信し、
   前記光送信機及び光受信機は、受信したパイロット信号と前記既知のパイロット信号とを比較することで生成される前記伝送路特性の情報を記憶する
   ことを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ通信システム。
8. 上記光ファイバ通信システムにおいて、前記伝送路特性の情報は、前記光受信機により生成されることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバ通信システム。
9. 前記複数のコアは、前記マルチコアファイバの長手方向に垂直な断面において、前記断面の中心を通る線に対して線対称性を有するように配置されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光ファイバ通信システム。
10. 前記マルチコアファイバの互いに隣り合う前記コアの屈折率が異なることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光ファイバ通信システム。
11. 前記マルチコアファイバの互いに隣り合う前記コアの直径が互いに異なることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の光ファイバ通信システム。

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