結合型マルチモードマルチコアファイバによる革新的空間分割多重伝送技術に関する研究

• Project/Area Number: 22H00201
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 齊藤 晋聖 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (20333627)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥42,640,000 (Direct Cost: ¥32,800,000、Indirect Cost: ¥9,840,000); Fiscal Year 2025: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2024: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2023: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2022: ¥16,250,000 (Direct Cost: ¥12,500,000、Indirect Cost: ¥3,750,000)
• Keywords: 光デバイス・光回路 / 光ファイバ / 空間分割多重

Outline of Research at the Start

光ファイバ中にコアが一つだけの従来の単一コア単一モード光ファイバでは、近い将来に伝送容量の限界に突き当たることが予想されている。これまで、光ファイバ通信の限界を打破するための空間分割多重伝送技術として、1本の光ファイバに多数のコアを収容したマルチコアファイバ技術、および一つのコアの中を伝搬する複数の伝搬モードを利用したマルチモード伝送技術が注目を集めてきたが、伝送容量拡大と伝送可能距離拡大の両立が課題であった。本研究では、結合型マルチコアファイバとマルチモード制御により、伝送容量の飛躍的な拡大と長距離伝送の両立を可能にする革新的な空間分割多重伝送技術を確立することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

光ファイバ中にコアが一つだけの従来の単一コア単一モード光ファイバによる伝送容量は、伝送波長帯域の制限や耐非線形性の観点から、近い将来に限界に突き当たることが予想されている。これまで、光ファイバ通信の限界を打破するための空間分割多重伝送技術として、1本の光ファイバに多数のコアを収容したマルチコアファイバ技術、および一つのコアの中を伝搬する複数の伝搬モードを利用したマルチモード伝送技術が注目を集めてきたが、伝送容量拡大と伝送可能距離拡大の両立が課題であった。本研究では、結合型マルチコアファイバとマルチモード制御により、伝送容量の飛躍的な拡大と長距離伝送の両立を可能にする革新的な空間分割多重伝送技術を確立することを目的として研究を進めた。２０２３年度の研究では、２０２２年度までに見出した結合型マルチモードマルチコアファイバにおける異なるモード群間（低次モード群と高次モード群間）の結合を促進するファイバ設計指針に基づき、新規の結合型マルチモードマルチコアファイバの試作を行うとともに、モード群間結合を促進するメカニズムを解明した。また、異なるモード群が同程度の群速度で伝搬する擬似結合型マルチモードマルチコアファイバと、異なるモード群の結合が促進される強結合型マルチモードマルチコアファイバとの比較をおこない、後者の優位性を確認した。さらに、マルチコア・マルチモード伝送を実現するためのモード制御技術に関して、ファイバ内で低次モード群と高次モード群を交換、あるいは低次モード群にのみ任意の損失を付加し、モード依存特性を可変に制御できるファイバ型モード制御デバイスの構成法を明らかにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

結合型マルチコアマルチモードファイバによる伝送容量拡大と伝送可能距離拡大の両立へ向けて、当初の計画通りに研究が進展している。

Strategy for Future Research Activity

結合型マルチコアファイバは、全てのモードをランダム結合させることにより群遅延広がりを低減させるのが一般的であるが、マルチモードファイバでは、異なるモード群間（低次モード群と高次モード群間）の結合を促進することは容易ではない。２０２４年度の研究では、２０２３年度までに試作した結合型2LPモードマルチコアファイバにおけるモード間遅延時間差の測定を実施し、異なるモード群間の結合が可能であることを実験的に実証する。また、結合型マルチモードマルチコアファイバにおいて、全てのモードをランダム結合させるには非常に大きな構造摂動を外部からファイバに加える必要があるが、２０２４年度の研究では、結合型マルチモードマルチコアファイバに要求される構造摂動量を低減することができるファイバ設計手法について検討する。さらに、マルチコア・マルチモード伝送を実現するためのモード制御技術に関して、長周期ファイバグレーティングを利用してファイバ内で低次モード群と高次モード群を交換、あるいは低次モード群にのみ任意の損失を付加し、モード依存特性を制御できるファイバ型モード制御デバイスについて検討を行う。

Research Products

• [Journal Article] Design of PLC E₃₁-E₁₃ and E-LP tapered mode converters using fast quasiadiabatic dynamics (2023)
  • Author(s): Wang Han、Fujisawa Takeshi、Sato Takanori、Wada Masaki、Mori Takayoshi、Sakamoto Taiji、Imada Ryota、Matsui Takashi、Nakajima Kazuhide、Saitoh Kunimasa
  • Journal Title: IEICE Electronics Express Volume: 20 Issue: 23 Pages: 20230392-20230392
  • DOI: 10.1587/elex.20.20230392
  • ISSN: 1349-2543
  • Year and Date: 2023-12-10
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mode converter using bent and twisted coupled-multicore fibers for group delay spread reduction (2023)
  • Author(s): Sato Takanori、Homma Kazushi、Fujisawa Takeshi、Sagae Yuto、Sakamoto Taiji、Matsui Takashi、Nakajima Kazuhide、Saitoh Kunimasa
  • Journal Title: Optical Fiber Technology Volume: 77 Pages: 103286-103286
  • DOI: 10.1016/j.yofte.2023.103286
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation of heterogeneous step-index 2LP-mode multi-core fibers based on a two-ring layout with standard cladding diameter (2023)
  • Author(s): Zhao Zheyu、Wang Yizhou、Sato Takanori、Fujisawa Takeshi、Saitoh Kunimasa
  • Journal Title: Optics Continuum Volume: 2 Issue: 5 Pages: 1137-1137
  • DOI: 10.1364/optcon.482118
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Weakly Coupled Homogeneous 3-Mode 4-Core Fiber With Standard Cladding Diameter (2023)
  • Author(s): Sagae Yuto、Matsui Takashi、Mori Takayoshi、Sakamoto Taiji、Iwaya Taro、Sato Takanori、Saitoh Kunimasa、Nakajima Kazuhide
  • Journal Title: Journal of Lightwave Technology Volume: 41 Issue: 12 Pages: 3950-3956
  • DOI: 10.1109/jlt.2023.3275074
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design of silica-PLC LP11 mode rotator based on adiabatic mode conversion (2023)
  • Author(s): Sato Takanori、Fujisawa Takeshi、Wada Masaki、Mori Takayoshi、Sakamoto Taiji、Imada Ryota、Matsui Takashi、Nakajima Kazuhide、Saitoh Kunimasa
  • Journal Title: Optics Express Volume: 31 Issue: 15 Pages: 23910-23910
  • DOI: 10.1364/oe.493501
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Investigation of double-cladding heterogeneous step-index 2LP-mode multicore fiber with a two-ring layout (2023)
  • Author(s): Zhao Zheyu、Sato Takanori、Fujisawa Takeshi、Iwaya Taro、Sagae Yuto、Sakamoto Taiji、Matsui Takashi、Nakajima Kazuhide、Saitoh Kunimasa
  • Journal Title: Journal of the Optical Society of America B Volume: 40 Issue: 10 Pages: 2511-2511
  • DOI: 10.1364/josab.498185
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Broadband design of silica-PLC mode-dependent-loss equalizer for 2LP-mode transmission systems (2023)
  • Author(s): Sato Takanori、Wada Masaki、Mori Takayoshi、Sakamoto Taiji、Imada Ryota、Matsui Takashi、Nakajima Kazuhide、Saitoh Kunimasa
  • Journal Title: Optics Express Volume: 31 Issue: 24 Pages: 39965-39965
  • DOI: 10.1364/oe.502780
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Variable Mode-Dependent-Loss equalizer based on Silica-PLC for Three-Mode transmission (2023)
  • Author(s): Mori Takayoshi、Fujisawa Takeshi、Sakamoto Junji、Yamashita Yoko、Sakamoto Taiji、Imada Ryota、Ima Ryoto、Sato Takanori、Watanabe Kei、Kasahara Ryoichi、Hashimoto Toshikazu、Saitoh Kunimasa、Nakajima Kazuhide
  • Journal Title: Optical Fiber Technology Volume: 81 Pages: 103547-103547
  • DOI: 10.1016/j.yofte.2023.103547
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 6-mode and 10-mode photonic lantern mode multi/demultiplexers based on silica planar lightwave circuit (2023)
  • Author(s): Wang Han、Fujisawa Takeshi、Sato Takanori、Mori Takayoshi、Sakamoto Taiji、Yamashita Yoko、Imada Ryota、Nakajima Kazuhide、Saitoh Kunimasa
  • Journal Title: Optics Communications Volume: 529 Pages: 129098-129098
  • DOI: 10.1016/j.optcom.2022.129098
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Polarization-mode dispersion of different core types in heterogeneous multi-core fibers (2024)
  • Author(s): G. Ocampo, Y. Amma, and K. Saitoh
  • Organizer: Optical Fiber Communication Conference (OFC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analyzing the Impact of Stress Distribution on Polarization-Mode Dispersion in Multi-Core Fibers (2024)
  • Author(s): G. Ocampo, M. Iizuka, and K. Saitoh
  • Organizer: 電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会
• [Presentation] 共通ディプレスト層を付与した非結合型3モード4コアGIファイバの損失特性に関する検討 (2024)
  • Author(s): 本田 朋希, 佐藤 孝憲, 岩屋 太郎, 寒河江 悠途, 坂本 泰志, 松井 隆, 中島 和秀, 齊藤 晋聖
  • Organizer: 電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会
• [Presentation] 長距離伝送のための共通ディプレスト層を有する非結合型3モード4コア階段型ファイバの設計 (2024)
  • Author(s): 宮下 孝一郎, 佐藤 孝憲, 岩屋 太郎, 寒河江 悠途, 坂本 泰志, 松井 隆, 中島 和秀, 齊藤 晋聖
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会
• [Presentation] Optimization of PLC 10-mode photonic lantern mode multiplexer Considering Polarization-mode Coupling Effects (2023)
  • Author(s): H. Wang, T. Fujisawa, T. Sato, T. Mori, T. Sakamoto, Y. Yamashita, R. Imada, K. Nakajima, and K. Saitoh
  • Organizer: The 7th International Symposium on Extremely Advanced Transmission Technologies (EXAT)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Planar lightwave circuit device for spatial mode multiplexing transmission (2023)
  • Author(s): T. Mori, T. Fujisawa, T. Sakamoto, T. Sato, K. Saitoh, and K. Nakajima
  • Organizer: The 7th International Symposium on Extremely Advanced Transmission Technologies (EXAT)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design of double-cladding heterogeneous 2LP-Mode 6-Core fiber with two-ring layout (2023)
  • Author(s): Z. Zhao, T. Sato, T. Fujisawa, T. Iwaya, Y. Sagae, T. Sakamoto, T. Matsui, K. Nakajima, and K. Saitoh
  • Organizer: The 28th OptoElectronics and Communications Conference (OECC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Wavelength insensitive three-mode directional coupler designed by wavefront matching method for broadband mode- dependent-loss equalizer (2023)
  • Author(s): R. Ima, T. Fujisawa, M. Wada, T. Mori, T. Sakamoto, R. Imada, T. Sato, T. Matsui, K. Nakajima, and K. Saitoh
  • Organizer: Microoptics Conference (MOC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design of heterogeneous 4LP-mode multicore fiber with two-ring layout (2023)
  • Author(s): Z. Zhao, T. Sato, T. Fujisawa, and K. Saitoh
  • Organizer: Asia Communications and Photonics Conference (ACP)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Polarization-mode dispersion of different core types in heterogeneous multi-core fibers (2023)
  • Author(s): G. Ocampo, T. Sato, Y. Amma, and K. Saitoh
  • Organizer: IEEE Photonics Conference (IPC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 共通ディプレスト層を有する非結合型3モード4コアGIファイバの設計 (2023)
  • Author(s): 本田 朋希, 佐藤 孝憲, 藤澤 剛, 岩屋 太郎, 寒河江 悠途, 坂本 泰志, 松井 隆, 中島 和秀, 齊藤 晋聖
  • Organizer: 電子情報通信学会光ファイバ応用技術研究会
• [Presentation] 3モード階段型純石英コアファイバの損失特性に関する検討 (2023)
  • Author(s): 岩屋 太郎, 寒河江 悠途, 森 崇嘉, 坂本 泰志, 松井 隆, 佐藤 孝憲, 齊藤 晋聖, 中島 和秀
  • Organizer: 電子情報通信学会光ファイバ応用技術研究会
• [Presentation] 製造誤差を考慮した異種結合型6コアファイバの群遅延広がり特性調査 (2023)
  • Author(s): 小西 竣大, 佐藤 孝憲, 藤澤 剛, 齊藤 晋聖
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Presentation] レイリー散乱の材料依存性を考慮したモード間損失差低減 (2023)
  • Author(s): 岩屋 太郎, 寒河江 悠途, 森 崇嘉, 坂本 泰志, 松井 隆, 佐藤 孝憲, 齊藤 晋聖, 中島 和秀
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Presentation] 波面整合法を用いたPLC型モード依存損失等化器の設計 (2023)
  • Author(s): 井馬 遼人, 藤澤 剛, 佐藤 孝憲, 和田 雅樹, 森 崇嘉, 坂本 泰志, 今田 諒太, 松井 隆, 中島 和秀, 齊藤 晋聖
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Presentation] 2LPモード伝送のための長周期ファイバグレーティングを用いたモード依存損失制御ファイバデバイスの初期検討 (2023)
  • Author(s): 木村 巧, 佐藤 孝憲, 和田 雅樹, 森 崇嘉, 坂本 泰志, 今田 諒太, 松井 隆, 中島 和秀, 齊藤 晋聖
  • Organizer: 令和5年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会
• [Presentation] Design of three-mode dual-step index pure silica core fiber with low differential mode delay and low loss characteristics (2023)
  • Author(s): T. Iwaya, Y. Sagae, T. Mori, T. Sakamoto, T. Matsui, T. Sato, K. Saitoh, and K. Nakajima
  • Organizer: SPIE Photonics West
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Y分岐導波路によるモード変換器および光ユニタリ変換器を用いたPLC型6モード合分波器の検討 (2023)
  • Author(s): 吉田 康人, 佐藤 孝憲, 藤澤 剛, 森 崇嘉, 坂本 泰志, 山下 陽子, 今田 諒太, 中島 和秀, 齊藤 晋聖
  • Organizer: 電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会
• [Presentation] Relationship between polarization mode dispersion and crosstalk in heterogeneous multi-core fibers with different cladding diameters (2023)
  • Author(s): G. Ocampo, T. Sato, T. Fujisawa, M. Nakagawa, and K. Saitoh
  • Organizer: Optical Fiber Communication Conference (OFC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 零モード分散条件により設計された異種結合型2コアファイバの群遅延広がり特性の調査 (2023)
  • Author(s): 小西 竣大, 佐藤 孝憲, 藤澤 剛, 齊藤 晋聖
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会
• [Presentation] 空孔偏心リングコアファイバにおける群遅延広がり制御 (2023)
  • Author(s): 西島 遼, 佐藤 孝憲, 藤澤 剛, 森 崇嘉, 坂本 泰志, 山下 陽子, 今田 諒太, 中島 和秀, 齊藤 晋聖
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会
• [Presentation] Analysis of Crosstalk Dependence on Cladding Diameter in Heterogeneous Multi-core Fibers by Considering Polarization-mode Coupling Effects (2022)
  • Author(s): G. Ocampo, T. Sato, T. Fujisawa, Y. Amma, and K. Saitoh
  • Organizer: Optoelectronics and Communications Conference (OECC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cascaded Wavefront-Matching-Method Designed Mode-Exchangers for MDL Management in MDM Transmission (2022)
  • Author(s): Y. Asama, T. Fujisawa, T. Sato, T. Mori, T. Sakamoto, R. Imada, Y. Yamashita, K. Nakajima, and K. Saitoh
  • Organizer: Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO-PR)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 6モードスクランブラと光ユニタリ変換器を用いた4LPモード合分波器の検討 (2022)
  • Author(s): 吉田康人, 佐藤孝憲, 藤澤 剛, 森 崇嘉, 坂本泰志, 山下陽子, 今田諒太, 中島和秀, 齊藤晋聖
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Presentation] A Study on Cladding Diameter Dependence of Crosstalk in Heterogenous Multi-core Fibers by considering Polarization-mode Coupling Effects (2022)
  • Author(s): G. Ocampo, T. Sato, T. Fujisawa, Y. Amma, K. Saitoh
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Presentation] 2LPモード伝送のためのPLC型モード依存損失等化器の性能検証 (2022)
  • Author(s): 井馬遼人, 藤澤 剛, 森 崇嘉, 阪本隼志, 山下陽子, 坂本泰志, 今田諒太, 佐藤孝憲, 渡邉 啓, 笠原亮一, 橋本俊和, 中島和秀, 齊藤晋聖
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Presentation] A 125-μm Cladding Diameter Uncoupled 3-mode 4-core Fibre with the Highest Core Multiplicity Factor (2022)
  • Author(s): Y. Sagae, T. Matsui, T. Sakamoto, T. Iwaya, T. Mori, T. Sato, K. Saitoh, and K. Nakajima
  • Organizer: European Conference on Optical Communication (ECOC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Variable Mode-dependent-loss Equalizer based on Silica-PLC for Two-LP-mode Transmission (2022)
  • Author(s): T. Mori, T. Fujisawa, J. Sakamoto, Y. Yamashita, T. Sakamoto, R. Imada, R. Ima, T. Sato, K. Watanabe, R. Kasahara, T. Hashimoto, K. Saitoh, and K. Nakajima
  • Organizer: European Conference on Optical Communication (ECOC)
  • Int'l Joint Research