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 2024)
• Budget Amount: ¥42,640,000 (Direct Cost: ¥32,800,000、Indirect Cost: ¥9,840,000); 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。２０２２年度の研究では、結合型マルチコアマルチモードファイバにおける群遅延広がりを算出する手法として、曲げや捻じれ等の決定論的に与えられる摂動だけではなく、ファイバ長手方向のランダムな形状変化に伴う位相変化や偏波結合量変化を考慮可能な解析モデルを完成させた。また、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が可能であることを見出した。さらに、マルチコア・マルチモード伝送を実現するための石英ガラスによる平面光導波路型モード制御技術に関して、デバイス内で低次モード群と高次モード群を分離し、低次モード群にのみ任意の損失を付加し、その後、再度、両モード群を合波することによりモード依存損失を可変に制御できる導波路型モード制御デバイスを石英系平面光導波路によって実証した。

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

結合型マルチモードマルチコアファイバの群遅延広がりは、モード数だけではなく、コア数、コア配置、および各コアの屈折率分布にも依存することになるので、モード数に応じた最適なコア数、コア配置、屈折率分布を明らかにする。また、設計結果に基づき、結合型マルチコアマルチモードファイバの試作を行い、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）の結合を促進する現象の実験的な確認を目指す。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、モード依存特性を制御できるファイバ型モード制御デバイスの具体的な構成方法ついて検討を行う。

Research Products

• [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] 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