JP2004157506A - 光モード分割多重化およびデマルチプレクシングの方法および装置 - Google Patents

光モード分割多重化およびデマルチプレクシングの方法および装置 Download PDF

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Abstract

【課題】光モード分割多重化およびデマルチプレクシングの方法および装置を提供すること。
【解決手段】第１の導波路の第１のモードから、第２の導波路の第２のモードへ信号を遷移する方法であって、第１の導波路の第１の領域から、第２の導波路の第２の近接する領域へ信号を断熱的に遷移するステップを含む方法。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
【従来の技術】
集積光学装置の分野では、たとえばシングルモード導波路である一方の導波路によって搬送される信号を、たとえば信号を夫々が互いに異なる次数である複数のモードの１つによって搬送させるマルチモード導波路である他方の導波路に遷移させる必要性及びその逆の遷移をさせる必要性がある。そのようにする１つの知られている方法は、マルチモード導波路において長い周期の格子を提供するように構成された静的な装置を使用して周期的な摂動を確立し、それによって、同方向に伝播するモードを結合することを含む。この解決方法の欠点の中で、製造パラメータに対するその感度、および異なる導波路に存在するモードの結合の困難性がある。シングルモード導波路によって搬送される信号を、マルチモード導波路のモードによって搬送されるように変換する別の既知の方法は、断熱的に非対称なＹブランチを用いることである。この解決方法の欠点は、装置の臨界的な製造公差を含むことと、モード間の結合および／またはクロストークを引き起こす分割されたモード間での不十分な分離を含むことである。モード変換を達成するために知られているさらなる方法は、マルチモード干渉変換器を用いることであるが、この解決方法は、低い変換効率を有する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の実施形態は、導波路の他のモードに実質的に影響することなく、一方の導波路のモードから他方の導波路のモードへ信号を遷移する装置および方法を提供する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のいくつかの例示的な実施形態によれば、第１の導波路の第１のモードから、第２の導波路の第２のモードへ信号を遷移する装置であって、装置が、第１および第２の導波路の相互に近接する領域に関連したモード相互作用領域を含み、第１の導波路の第１のモードによって搬送される信号は、第１および第２の導波路の任意の他のモードによって搬送される任意の他の信号に著しい影響を与えることなく、第２の導波路の第２のモードに遷移される装置が提供される。
【０００５】
追加のあるいは代わりの本発明の例示的な実施形態によれば、第１の導波路の第１のモードから、第２の導波路の第２のモードへ信号を遷移する装置であって、装置は、それぞれ第１および第２の導波路の相互に近接した第１の領域および第２の領域に関連したモード相互作用領域を含み、第１の領域での第１のモードの有効屈折率と、第２の領域での第２のモードの有効屈折率との間の差異の絶対値は、第１のモードから第２のモードへの信号を遷移することを可能にするのに十分に小さい装置が提供される。
【０００６】
さらに、本発明の例示的な実施形態によれば、第１の導波路の第１の領域から、第２の導波路の第２の近接する領域へ信号を断熱的に遷移するステップを含む、第１の導波路の第１モードから第２の導波路の第２モードへ信号を遷移する方法が提供される。
【０００７】
本発明のある例示的な実施形態によれば、それぞれ、マルチモードソース導波路のそれぞれのモードによって搬送される複数の信号を、それぞれ宛先導波路によって搬送される複数のシングルモード宛先導波路へデマルチプレックスする方法であって、ソース導波路のそれぞれ第１の領域から、各それぞれの宛先導波路の第２の近接する領域へ各複数の信号を断熱的に遷移するステップを含む方法が提供される。
【０００８】
追加のあるいは代わりの本発明の例示的な実施形態によれば、それぞれ、シングルモードソース導波路のそれぞれの基本モードによって搬送される複数の信号を、それぞれ宛先導波路によって搬送される複数のマルチモード宛先導波路へマルチプレックスする方法であって、各それぞれのソース導波路の第１の領域からの複数の各信号を、マルチモード宛先導波路のそれぞれ第２の近接する領域へ断熱的に遷移するステップを含む方法が提供される。
【０００９】
本発明に関する主題は、特に、明細書の終わりの部分で指摘されかつ明瞭に請求される。しかしながら、本発明は、その目的、特徴、および利点とともに構造および動作方法の両方として、添付の図面を参照して読めば、以下のより詳細な説明を参照して最もよく理解されよう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下の詳細な説明において、多数の特定の詳細は、本発明の完全な理解を提供するために示される。しかしながら、本発明が、これらの特定の詳細なしに実施できることは、当業者には理解されよう。他の例において、よく知られた方法、手順、構成部品、および回路は、本発明を不明瞭にしないように詳細には記載しない。
【００１１】
本発明の実施形態は、モード分割マルチプレックスおよびデマルチプレックスを可能にする。本発明の実施形態によるモード分割マルチプレックスによれば、所定数Ｎのシングルモード（ＳＭ）導波路からの信号は、シングルＮモードのマルチモード（ＭＭ）導波路によって搬送されるマルチモード信号に結合されることができ、各次数のモードは、特定の１つのＳＭ導波路に関連した信号を搬送する。本発明の実施形態のモード分割デマルチプレックスにおいて、シングルＮモードのマルチモード導波路からのＮ個の信号は、それぞれＮ個のシングルモード導波路によって搬送されるＮ個の信号に分離されることができ、各ＳＭ導波路は、ＭＭ導波路の特定の次数のモードに結合された信号を搬送する。したがって、たとえば図１に示されるように、本発明の実施形態によるデバイス１０２は、Ｎ個の信号を搬送するＮモードＭＭ導波路１００によって搬送される信号を、それぞれＮ個の信号の１つを搬送するＮ個のシングルモード導波路１０３に遷移することができる。
【００１２】
本発明のある実施形態の基本となる原理は、断熱的なモード相互作用の原理であり、ＭＭ導波路の最も高い次数のモードによって搬送される信号は、ＭＭ導波路におけるより低い次数のモードと摂動または結合することなく、他の導波路のモード、たとえばＳＭ導波路の基本モードと相互作用することができ、それによって、未分離のモードをそのままに閉じ込められている。本発明の実施形態によるデマルチプレックスプロセスは、図２に示されるフローチャートに示されるような多数のサブプロセスを含むことができる。
【００１３】
本発明のある実施形態によるデマルチプレックス方法を示す図２のブロック図を、参照する。プロセスは、ブロック２００で示されるように、ＮモードＭＭ導波路で始まる。モード相互作用領域（ＭＩＲ）が、ブロック２０２に示されるように、ＭＭ導波路のＮ番目のモード信号を摂動するために、Ｎモード導波路の近傍に導入されることができる。本発明の例示的な実施形態において、ＭＭ導波路のＮ番目のモード信号だけが摂動され、他のＮ−１個の残りのモードはいずれも摂動されない。これにより、ブロック２０４に示されるように、Ｎ番目のモードが、ＭＭ導波路から空間的に分離されることを可能にする。ブロック２０６に示されるように、Ｎ番目のモードは、続いてたとえば導波路である他の要素に向けられることができ、例示的な実施形態において、他の要素は、シングルモード導波路またはマルチモード導波路であることができる。第２の導波路がＳＭ導波路である前の実施形態において、信号は、ＳＭ導波路の基本モードよって搬送されることができる。第２の導波路がＭＭ導波路である後の実施形態において、信号は、ＭＭ導波路の高い次数のモードによって搬送されることができる。ブロック２０４に示されるようにＮ番目のモードが分離され、かつブロック２０６のように新たな導波路に向けられた後、Ｎモード導波路は、ブロック２０８に示されるように、Ｎ−１モード導波路に任意に減少されることができる。本発明のある実施形態によれば、このプロセスは、たとえばＮ−１回まで繰り返されることができ、それによって、ＭＭ導波路からのＮ個の信号までを、それぞれＮ個のシングルモード導波路にデマルチプレックスする。代わりに、Ｎモード導波路からの信号は、多数のＭＭ導波路に分割されることができる。
【００１４】
同様に図３に示されるように、同じ原理を実質的に逆に用いて、ＳＭ導波路からの信号は、その新たな最も高い次数のモードとしてＮ−１モードを搬送するＭＭ導波路に結合されることができ、それによって、ＮモードのＭＭ導波路を進むＮモード信号を得る。ブロック３００に示されるように、Ｎ−１モードの導波路は、追加のモードを収容し結果としてＮモード導波路になるために、拡張されるかそうでなければ変換される。ブロック３０２に示されるように、以下に詳細に記載されるＭＩＲは、以下に記載されるように、ＳＭ導波路のシングルモードを摂動させ、かつＳＭ導波路からのモードを空間的に分離するために、導入されることができる。ブロック３０４に示されるように、ＭＭ導波路は、そのＮ番目の次数のモードとして、ＳＭ導波路のシングルモードを受けることができる。必要に応じてたとえばＮ−１回までこのプロセスを繰り返すことによって、本発明のある実施形態によるプロセスは、それぞれＳＭ導波路によって搬送されるＮ個の信号を、ＮモードのＭＭ導波路によって搬送されるＮモード信号へマルチプレックスするために使用されることができ、ＮモードのＭＭ導波路において、各次数のモードは、ＳＭ導波路によって搬送される信号の１つに対応する。
【００１５】
本発明の実施形態によるデマルチプレックスの動作を、本明細書で詳細に記載する。時間反転対称性のために、同じ原理が、類似するマルチプレックス機能に関して実質的に逆に使用されることができることは、当業者には明らかであろう。
【００１６】
本発明の実施形態によれば、ＭＭ導波路のＮ番目のモードの断熱的なモード相互作用は、ＭＭ導波路の近傍に導入されたモード相互作用領域（ＭＩＲ）によって達成されることができる。本発明の例示的な実施形態において、ＭＩＲは、最高次数モード（ＨＯＭ）の振幅が比較的大きく、かつより低い次数のモードの振幅が比較的小さい場所に導入されることができる。そのような構成において、ＨＯＭだけが、ＭＩＲによって著しい影響を受けることができ、ここでＨＯＭは、たとえば近接するＳＭ導波路の基本モードなどの近接する導波路の他のモードと相互作用しうる。
【００１７】
図４Ａから図４Ｃは、ＭＩＲの断面での導波路におけるさまざまなモードの有効屈折率について参照がなされており、ＭＩＲの少なくとも３つの例示的な実現の概略を示している。これらの実施形態において、ＭＩＲは、ＭＭ導波路の最も高い次数のモードの有効屈折率と、ＳＭ導波路の基本モードの有効屈折率との間の差異によって生成されることができ、該差異は、ＭＭ導波路の最も高い次数のモードの有効屈折率と、ＭＭ導波路の次に高い次数のモードの有効屈折率との間の差異より小さい。したがって、ＭＭ導波路の最も高い次数のモードは、ＳＭ導波路の基本モードと相互作用することができ、一方、次に高い次数のモードおよび他のより低い次数のモードは、ＭＭ導波路に閉じ込められたままである。
【００１８】
図４Ａに概略が示される本発明の一実施形態において、ＭＩＲは、ＳＭ導波路の領域に関連されることができ、ＳＭ導波路の領域では、ＳＭ導波路のコアは、ＭＭ導波路のコアの屈折率と比べてより低い屈折率を有する。たとえば、図４Ａによる１つの例示的な実施形態において、クラッドの屈折率は約１．４４５であり、ＭＭ導波路のコアの屈折率は約１．４５５であり、かつＳＭ導波路のコアの屈折率は約１．４５１であることができる。この実施形態において、ＭＭ導波路の基本モードに関する有効屈折率は約１．４５１２であり、かつＭＭ導波路のＨＯＭの有効屈折率は約１．４４７６であることができる。ＳＭ導波路の基本モードの有効屈折率は約１．４４７８であることができる。図４Ａによるある例示的な実施形態において、ＳＭおよびＭＭ導波路の相互近接領域は、たとえば９．５μｍの幅および６μｍの高さなどの同様の寸法を有することができる。これらの実施形態において、ＭＭ導波路のＨＯＭは、ＳＭ導波路の基本モードと相互作用することができ、残りのモードは、ＭＭ導波路に閉じ込められたままである。
【００１９】
図４Ｂに概略が示される本発明の他の実施形態において、ＭＩＲは、ＳＭ導波路の高さがＭＭ導波路の高さより低い、ＳＭ導波路の領域に関連されることができる。図４Ｂに示される実施形態の例示的なバージョンにおいて、ＭＭ導波路の最も高い次数のモードの有効屈折率と、ＳＭ導波路の基本モードの有効屈折率との間の差異が、ＭＭ導波路の最も高い次数のモードの有効屈折率と、ＭＭ導波路の次に高い次数のモードの有効屈折率との間の差異よりも小さいと仮定するなら、ＳＭ導波路のコアは、ＭＭ導波路のコアと同じ屈折率を有するか、または異なる屈折率を有することができる。したがって、ＭＭ導波路の最も高い次数のモードは、ＳＭ導波路の基本モードと相互作用することができ、一方、ＭＭ導波路のより低い次数のモードは閉じ込められている。図４Ｂによる本発明のある例示的な実施形態において、ＭＭ導波路の高さは約６μｍであることができ、一方ＳＭ導波路は、約２．５μｍの最小高さを有することができる。この実施形態において、クラッドの屈折率は１．４４５であり、ＭＭ導波路およびＳＭ導波路のコアの屈折率は、両方とも約１．４５５であることができる。ＭＭ導波路の基本モードの有効屈折率は約１．４５１２であり、ＭＭ導波路のＨＯＭの有効屈折率は約１．４４７６であることができる。ＳＭ導波路の基本モードの有効屈折率は、約１．４４７７であることができる。ＭＭおよびＳＭ導波路の幅は、両方とも約９．５μｍであることができる。
【００２０】
図４Ｃに概略が示される本発明のさらに他の実施形態において、ＳＭ導波路は、クラッド領域材料を含み得る所定のギャップによって、ＭＭ導波路から分離されることができる。導波路モードの振幅は、導波路のクラッド領域、たとえば、導波路の断面の外周でまたは外周の近くで、指数関数的に減少することができることが注目されるべきである。その有効屈折率が基本モードの屈折率よりも低い、より高い次数のモードの電界強度は、基本モードの電界よりも、クラッド領域においてより穏やかに減少することに留意されたい。したがって、クラッド領域において異なる次数のモードの中で固有の差異があることができる。この固有の差異は、たとえば、ＭＩＲを、ＭＭ導波路のコアであるいはコアの近くの領域より、むしろクラッド領域に配置することによって、本発明の例示的な実施形態によって用いられることができる。したがって、図４Ｃに示される実施形態の例示的なバージョンにおいて、ＳＭ導波路は、ＭＭ導波路と同じ高さおよびコアの屈折率を有することができるが、分離のために、ＭＭ導波路の最も高い次数のモードだけが、ＳＭ導波路の基本モードに延びることができる。導波路間に分離を有する本発明の例示的な実施形態によれば、導波路間の最小距離は、信号を搬送する伝播電磁界の波長のほぼ１．５倍と１０倍との間であることができる。したがってたとえば、信号を搬送する伝播電磁界の波長が１．５５μｍである場合、本発明の例示的な実施形態によれば、ＭＭ導波路とＳＭ導波路との間の最小距離は、ほぼ０．７５μｍとほぼ１５．５μｍとの間であることができる。一般に、ＭＩＲでのＭＭ導波路とＳＭ導波路との間の最小距離がより短くなると、２つのモード間の相互作用がより大きくなる。しかしながら、たとえば導波路間の最小距離があまりにも小さいために、モード間の所望の相互作用があまりにも大きく、たとえばＭＭ導波路のより低い次数のモードとＳＭ導波路との間の望ましくない相互作用が起きる可能性がある。
【００２１】
本発明の例示的な実施形態によると、図４Ａから図４Ｃの上述の例において、ＭＩＲは、変化を断熱的に引き起こすために、次数の順に導入されることができる。したがって、たとえば本発明の例示的な実施形態によれば、誘導媒体における変化は、導波路の異なる誘導モード間の望ましくない結合を最小限にしデバイスの性能の製造プロセスパラメータに対するに依存性をに低減するようにに断熱的に実行され、それによってデバイスの頑強性を増加させる。したがって、たとえば導波路をテーパ付けることが必要であれば、これは、たとえば直線的、指数関数的、二次関数的など任意の適切な形状で達成されることができ、ここで、そのようなテーパ付けによって導入される変化は、好ましくは二次関数的であり、導波路モード間で著しくは結合しない。本発明の例示的な実施形態において、導波路の寸法における変化は、寸法において長さが少なくとも１００倍の変化を有する導波路の区間にわたって実施される。
【００２２】
ＭＩＲの生成は、図４Ａから図４Ｃに示される上述の実施形態に制限されず、また、本発明が上述の技術の任意の１つに制限されず、むしろ、本発明のいくつかの実施形態は、ＭＩＲを生成するための上述の技術または他の技術の組み合わせを利用することができることは、当業者には理解されよう。
【００２３】
図５Ａから図５Ｄは、本発明の実施形態によるモード分割マルチプレクサ／デマルチプレクサの断面をそれぞれ示す、４つの有効屈折率図の概略を示す。
【００２４】
図５Ａは、Ｎ個のモードを支持するＮモード導波路５００と、それぞれのモードの各有効屈折率のレベルとを示す。
【００２５】
図５Ｂは、ＭＭ導波路５０２のＨＯＭの有効屈折率と同様の有効屈折率を有する、モードを支持する導入ＭＩＲ５０４を示す。したがって、ＭＩＲ５０４は、ＭＭ導波路５０２のより低い次数のモードではなく、ＨＯＭを支持することができ、ＭＭ導波路５０２のＨＯＭは延長されることができる。ＭＭ導波路のＨＯＭの延長は、図４を参照して議論された実施形態を含む本発明の実施形態と一致する任意の方法で達成されることができる。本発明の例示的な実施形態において、ＭＩＲは、Ｎ番目のモードの有効屈折を増加させるように、増加する幅の領域と関連されることができる。図５Ｂに示されるように、その領域の幅が、誘導されたモードを支持するために十分に大きいとき、ＭＭ導波路の延長されたＮ番目のモードを搬送する信号は、この新しい領域の基本モードに断熱的に遷移される。さらに、図５Ｂに示されるように、残りのＮ−１個のより低い次数のモードが、ＭＭ導波路５０２に閉じ込められているため、該モードの新しい導波路との結合はわずかであることができる。
【００２６】
図５Ｃは、ＭＭ導波路５０６と領域５０８との間の分離またはへき開を示し、領域５０８は、ＭＭ導波路５０６のＨＯＭによって搬送される信号と同一の信号を搬送する。新たな分離された領域５０８は、実際に新たな導波路であり、ＭＭ導波路５０６のＮ番目のモードからの信号を、その基本モードとして搬送する。
【００２７】
最後に、ＭＭ導波路のＮ番目のモードによって搬送される信号の新たに生成されたＳＭ導波路５１２の基本モードへ遷移することが達成された後、図５Ｄは、例えば適切にＭＭ導波路の幅を低減することによる、ＭＭ導波路のＮ番目のモードの削除による低減、および、Ｎモード導波路のＮ−１モード導波路５１０への低減を示す。さらに、ＭＭ導波路からＮ番目の次数のモードを遷移した後、新たに生成された導波路５１２は、たとえば出力ポートに、ＭＭ導波路５１０から離れて向けられることができる。
【００２８】
本発明が、ＳＭ導波路に関連して使用することに制限されないことに留意されたい。本発明のいくつかの実施形態は、１つのＭＭ導波路から他のＭＭ導波路へ信号を遷移することができる。これらの実施形態のいくつかにおいて、縮退は、第１のＭＭ導波路のＨＯＭと第２の導波路のＮ番目のモードとの間に生成されることができる。
【００２９】
図６は、２次数モード分割マルチプレクサ／デマルチプレクサに関する、本発明による光デバイスの例示的な実施形態の概略を示す。図６の垂直軸は、信号の伝播軸に沿った導波路の長さに対応し、図６の水平軸は、伝播軸に対して横切る導波路の幅に対応する。図６には示されていないが、導波路が高さの寸法も有することができることは理解されよう。示された特定の実施形態において、導波路の高さは変わらないが、他の実施形態において、導波路の高さが適切に変わるように形成されることは理解されよう。
【００３０】
図６は、クラッド６０４によって分離されることができる、二重モードＭＭ導波路６００およびシングルモード導波路６０２の例示的な構成を示す。この例において、ＭＭ導波路６００および６０２のコアは、Ｇｅがドープされたシリカから形成されることができ、一方、所望であればクラッド６０４は、一般にシリカから形成されることができる。この例において、導波路６００および６０２のコアの屈折率はたとえばｎ１＝１．４６であることができ、クラッド６０４の屈折率はたとえばｎ０＝１．４４であることができる。
【００３１】
図６に示されるように、たとえば約１２μｍのｚ＝０μｍでの初期的な幅を有するＭＭ導波路６００は、たとえば約２μｍの一定の高さを維持して、たとえば約５．５μｍのＺ＝２５００μｍで最終的な幅に向かってテーパ付けられることができる。約１２μｍの初期的な幅で、ＭＭ導波路６００は、２つ（Ｎ＝２）の誘導された次数のモードを支持することができる。約５．５μｍの最終的な幅で、導波路６００は、基本（Ｎ＝１）モードだけを支持することができる。これらの数値距離は、特定の設計事項に応じることができ、たとえばクロストークの許容レベルに応じて本発明のさまざまな実施形態の中で変わることができる。示された実施形態において、ＳＭ導波路６０２は、領域６００ａでＭＭ導波路における任意のモードに影響を与えないように、ＭＭ導波路６００から十分な距離で、たとえば約２μｍの幅で始まることができる。
【００３２】
この実施形態において、ＭＩＲ６０６は、それぞれＭＭ導波路の相互近接領域６００ｂおよびＳＭ導波路の相互近接領域６０２ｂによって達成されることができる。したがって図６に示されるように、ＳＭ導波路の初期領域６０２ａは、それぞれ６０２ｂおよび６００ｂで第１の導波路に徐々に導入されかつ近接されることができる。ＳＭ導波路６０２の領域６０２ｂは、ＭＭ導波路６００は領域６００ｂに断熱的に近接し、それによって、ＭＭ導波路６００のＨＯＭとＳＭ導波路６０２の基本モードとの間に相互作用を生成し、２つの導波路の端部間の距離がたとえば約３μｍで、実質的にその最小値であるとき、相互作用は実質的に最大である。導波路間のこの最小距離で、ＭＭ導波路のＨＯＭの有効屈折率はｎＨＯＭ＝１．４４７であることができ、ＭＭ導波路の次に高い次数のモード（すなわち、基本モード）の有効屈折率はｎＬＯＭ＝１．４５２であることができる。これらの数字は、導波路が互い孤立している時の導波路におけるモードの有効屈折率を示しており、たとえばＭＩＲにおける導波路の相互近接性が、これらの屈折率に影響を与える得る。また、ＭＩＲにおいて、ＳＭ導波路の基本モードの有効屈折率はｎＦＭ＝１．４４７３であることができる。この例において、ｎＨＯＭとｎＬＯＭとの間の差異は０．００５であり、一方ｎＨＯＭとｎＦＭとの間の差異は０．０００３であることに留意されたい。したがって、ＭＭ導波路のＨＯＭとＳＭ導波路の基本モードとの間に相互作用が存在することができるが、ＭＭ導波路の基本モードは閉じ込められたままである。本発明の例示的な実施形態において、導波路間の最も小さい距離の点で、２つの導波路のモードが縮退し、すなわち同じ伝播係数を有することが望ましい。これは次に、導波路幾何構成および屈折率に対する制限をすることができる。
【００３３】
ＭＭ導波路６００のＨＯＭ、たとえばこの例では基本モードより上のモードと、ＭＩＲ６０６でのＳＭ導波路６０２の基本モードとの間に相互作用は強いが、ＭＭ導波路６００の残りのモードは、ＳＭ導波路６０２の基本モードと強くは相互作用しないことに留意されたい。この選択的な相互作用のために、縮退はリフトされ、ＭＭ導波路６００のＨＯＭは、ＳＭ導波路６０２の基本モードに結合される。ＭＭ導波路６００のＨＯＭとＳＭ導波路６０２の基本モードとの間の最も強い相互作用のＭＩＲ内の点は、交差を避けた点として本明細書で規定される。交差を避けた点は、２つのモードの伝播定数間の少なくとも部分的な分離によって特徴付けられることができる。分離の範囲は、２つの導波路の近接性によって決定されることができる。したがって、相互作用によって引き起こされるモード間のより大きな分離は、断熱的に遷移することの有効性を増大することができる。そのような場合、初期の状態から最終的な状態への遷移は、異なる光モードの著しい混合なくして引き起こされることができる。本発明の例示的な実施形態において、たとえば異なる動作波長、製造プロセス誤差、または任意の他の可変パラメータのために、断熱的な遷移が、理想的な状況から逸脱することに関するモード相互作用の従属性を低減することができるため、断熱的な遷移は有利であることができる。
【００３４】
図６にさらに示されるように、ＨＯＭが分離された後、ＳＭ導波路６０２は、ＭＭ導波路６００から離れる領域６０２ｃに方向付けられ、従ってモード相互作用の強度は低減される。さらに、ＭＭ導波路６００は、領域６００ｃでテーパ付けられ、ＭＭ導波路６００のＨＯＭが排除される。交差を避ける点が切り替えられた後に出現する２つのモード、すなわちＳＭ導波路の基本モードは、ＭＭ導波路のＨＯＭになることができ、ＭＭ導波路のＨＯＭは、ＳＭ導波路４０２の基本モードになることができる。本発明の例示的な実施形態において、導波路の少なくとも１つの寸法における変化は徐々に実施される。たとえば、本発明の例示的ないくつかの実施形態において、寸法における変化は、所望の変化量の少なくとも１００倍の長さを有する導波路の区間にわたって実行されることができる。したがって、たとえば図６に示される実施形態において、６．５μｍの変化は、ほぼ２５００μｍの長さを有する導波路区間にわたって実施されることができる。
【００３５】
本発明の実施形態において、モード相互作用領域（ＭＩＲ）は、モードが相互作用する領域を表すよりも、厳密に線形ではない領域であることもでき、あるいは厳密に線形ではない領域でないこともできることは、上記議論から留意される。ＭＩＲは、導波路のいずれかまたはその両方に重なることができる。ＭＩＲは、クラッド部分を含むことができ、あるいは含まないことができる。ＭＩＲは、適切なモードの有効屈折率間の最小の差異の領域の前後に延びることができる。
【００３６】
図７の概略的な図は、ＭＩＲの長さにわたって図６に示される導波路構造のローカルモードの有効屈折率を示す。図７のグラフから分かるように、分離プロセスの始まりで、たとえば伝播寸法に沿ったＭＩＲの始まりで、３つの同時に存在する動作モードが存在することができ、すなわち、ＭＭ導波路の基本モード、ＭＭ導波路のＨＯＭ、および新たな導波路の基本モードである。これらの３つのモードは、図７においてそれぞれ白抜き円、ダイヤモンド、および四角形によって示される。分離プロセスの終わりで、たとえば伝播寸法に沿ったＭＩＲの終わりで、ＭＭ導波路の基本モードだけが、ＭＭ導波路から発生するＳＭ導波路の基本モードに相関されることができ、一方、ＭＭ導波路のＨＯＭは、新たな導波路の基本モードに相関することができ、新たな導波路の基本モードは、ＭＭ導波路から発生するＳＭ導波路の「漏れやすい」モードに相関することができる。ＭＭ導波路にテーパが存在しない本発明の実施形態において、新たな導波路の基本モードは、ＭＭ導波路のＨＯＭに相関することができる。図７に示されるように、図７の白抜きの四角形のグラフで示されるように、シングルローカルモードだけが全体の遷移プロセスに含まれるが、ＭＭ導波路のＨＯＭで搬送される信号は、新たな導波路の基本モードで搬送される信号に遷移される。本発明の例示的な実施形態において、このプロセスは、異なるローカルモード間に結合が導入されないように断熱的に実施される。
【００３７】
本発明は、上述された実施形態に制限されない。いくつかの実施形態、たとえばいくつかのデマルチプレクサの適用において、ソース導波路がＭＭ導波路であることができ、宛先導波路がＳＭ導波路であることができる。たとえば他のデマルチプレクサの適用において、宛先導波路は、同様にＭＭ導波路であることができる。さらに他の実施形態において、たとえばいくつかのマルチプレクサにおいて、ソース導波路はＳＭ導波路であることができ、宛先導波路はＭＭ導波路であることができる。たとえば他のマルチプレクサにおいて、ソース導波路は同様にＭＭ導波路であることができる。さらに、ＭＩＲを導入することは、上記で特定された方法とは異なる方法であるいは本発明によって、ソースおよび宛先導波路を相互に近接させることによって達成されることができる。
【００３８】
本発明が、上述された実施形態に制限されないことは、当業者には明らかである。たとえば、本明細書で特定の実施形態で示された方法の他のＭＩＲを導入する方法が存在する。同様に、導波路にＭＩＲを導入するさまざまな方法が、同じデバイスに組み合わせられることができる。さらにたとえば、ＭＭ導波路は、２つ以上のモードを搬送することができる。同様に、ＭＭ導波路のＨＯＭは、たとえば新たな導波路のＨＯＭに遷移されることができ、ここで、ＭＩＲを生成するために用いられる新たな導波路はＭＭ導波路である。
【００３９】
上記で説明したように、時間反転対称性のために、本明細書で記載された他のデマルチプレクサ実施形態と同様に、図６のデマルチプレクサ構成は、マルチプレクサとして同様に用いられることができる。これは、光が、デマルチプレクサ実施形態に関して記載された方向と逆の方向に伝播するように、デバイスを動作させることによって達成されることができる。特に、信号が、図６に示される構成の遠位端でＳＭ導波路６０２の基本モードとして導入されるなら、このモードは、ＭＭ導波路６００のＨＯＭに変換されることができる。さらに、図７に示されるように、ＭＭ導波路の基本モードは、実質的にＳＭ導波路の存在によって影響を受けず、それによって基本モードとＭＭ導波路のＨＯＭとの間の結合は存在しない。これは、結果としてモード間の低いクロストークになる。
【００４０】
本発明は、制限された数の実施形態に関して記載されたが、本発明の多くの変形、修正、および他の適用を行うことができることは明らかである。本発明の実施形態は、その動作を実行するために他の装置を含むことができる。そのような装置は、議論された要素を含むことができ、あるいは同じ目的を実行するための代わりの構成要素を備えることができる。特許請求の範囲が、本発明の真の精神にあるように、すべてのそのような修正および変形を含むことを意図したものであることは、当業者には明らかであろう。
【００４１】
図示の簡便性および明瞭性のために、図に示された要素は、必ずしも正確に描かれていないまたは同一の寸法でないことは明らかである。たとえば、いくつかの要素の寸法は、明瞭性のために他の要素に対して誇張されることができ、またはいくつかの物理的な構成要素が、ある機能ブロックまたは要素に含まれることができる。さらに、適切であると考えられる場合、参照符号は、対応する要素または類似する要素を示すために複数の図の中で繰り返すことができる。これらの図は、本発明の例示的な実施形態を示し。本発明の範囲を制限することを意図しないことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の例示的な実施形態によるモード分割マルチプレクサ／デマルチプレクサの概略を簡単に示す図である。
【図２】本発明の例示的な実施形態によるモード分割デマルチプレックスの方法の概略的なフローチャートである。
【図３】本発明の例示的な実施形態によるモード分割マルチプレックスの方法の概略的なフローチャートである。
【図４】図４Ａは、本発明の例示的な実施形態によるモード相互作用領域を達成する方法を示す概略的な概念図である。
図４Ｂは、本発明の例示的な実施形態によるモード相互作用領域を達成する方法を示す概略的な概念図である。
図４Ｃは、本発明の例示的な実施形態によるモード相互作用領域を達成する方法を示す概略的な概念図である。
【図５】図５Ａは、本発明の例示的な実施形態によるモード分割マルチプレクサ／デマルチプレクサの有効屈折率を示す概略的な概念図である。
図５Ｂは、本発明の例示的な実施形態によるモード分割マルチプレクサ／デマルチプレクサの有効屈折率を示す概略的な概念図である。
図５Ｃは、本発明の例示的な実施形態によるモード分割マルチプレクサ／デマルチプレクサの有効屈折率を示す概略的な概念図である。
図５Ｄは、本発明の例示的な実施形態によるモード分割マルチプレクサ／デマルチプレクサの有効屈折率を示す概略的な概念図である。
【図６】本発明の例示的な実施形態によるモード分割マルチプレクサ／デマルチプレクサのレイアウトの概略的な図である。
【図７】図６の実施形態によるモード分割マルチプレクサ／デマルチプレクサの伝播軸に沿った距離の関数として、ローカルモードの有効屈折率のグラフの概略的な図である。
【符号の説明】
１００ ＮモードＭＭ導波路
１０２ デバイス
１０３ シングルモード導波路
２００、２０２、２０４、２０６、２０８、３００、３０２、３０４ ブロック
５００ Ｎモード導波路
５０２、５０６、６００ ＭＭ導波路
６０２ ＳＭ導波路

Claims (33)

  1. 第１の導波路の第１のモードから、第２の導波路の第２のモードへ信号を遷移する装置であって、前記装置は、前記第１および第２の導波路の相互に近接する領域に関連したモード相互作用領域を含み、前記第１の導波路の第１のモードによって搬送される信号が、前記第１および第２の導波路の任意の他のモードによって搬送される任意の他の信号に著しい影響を与えることなく、前記第２の導波路の第２のモードに遷移される装置。
  2. 第１の導波路の第１のモードから、第２の導波路の第２のモードへ信号を遷移する装置であって、前記装置が、それぞれ前記第１および第２の導波路の第１および第２の相互に近接する領域に関連されるモード相互作用領域を含み、前記第１の領域での前記第１のモードの有効屈折率と、前記第２の領域での前記第２のモードの有効屈折率との間の差異の絶対値が、前記第１のモードから前記第２のモードへの前記信号を遷移することを可能にするのに十分に小さい装置。
  3. 前記第１のモードによって搬送される前記信号が、前記第１または第２の導波路の任意の他のモードによって搬送される任意の他の信号に著しい影響を与えることなく、前記第２のモードに遷移される請求項２に記載の装置。
  4. 前記モード相互作用領域での、それぞれ前記第１および第２の導波路の前記第１および第２の領域間の最小横断距離が、前記信号を搬送する伝播電磁界の波長のほぼ１．５倍の波長からほぼ１０倍の波長の間である、請求項１または２に記載の装置。
  5. 前記第１の導波路が、前記第２の導波路より多くの数のモードを収容することができ、かつ前記第１のモードが、前記第１の導波路の最も高い次数のモードである請求項１または２に記載の装置。
  6. 前記第１の導波路の前記第１の領域での前記第１のモードに関する有効屈折率と、前記第２の導波路の前記第２の領域での前記第２のモードに関する有効屈折率との間の差異の絶対値が、前記第１の導波路の前記最も高い次数のモードに関する有効屈折率と、前記第１の導波路の次に高い次数のモードの有効屈折率との間の差異の絶対値より小さい、請求項５に記載の装置。
  7. 前記第２の導波路がシングルモード導波路であり、前記第２のモードが前記第２の導波路の基本モードである請求項６に記載の装置。
  8. 前記第２の導波路が、前記第１の導波路より多くの数のモードを収容することができ、前記第２のモードが、前記第２の導波路の最も高い次数のモードである請求項１または２に記載の装置。
  9. 前記第１の導波路の前記第１の領域での前記第１のモードに関する有効屈折率と、前記第２の導波路の前記第２の領域での前記第２のモードに関する有効屈折率との間の差異の絶対値が、前記第２の導波路の前記最も高い次数のモードに関する有効屈折率と、前記第２の導波路の次に高い次数のモードの有効屈折率との間の差異の絶対値より小さい請求項８に記載の装置。
  10. 前記第１の導波路がシングルモード導波路であり、前記第１のモードが前記第１の導波路の基本モードである請求項９に記載の装置。
  11. 前記信号が、前記第１の導波路から前記第２の導波路へ断熱的に遷移される請求項１または２に記載の装置。
  12. 少なくとも１つの前記第１および第２の導波路の少なくとも１つの特性が、前記モード相互作用領域の近傍で断熱的に変化する請求項１または２に記載の装置。
  13. 前記少なくとも１つの特性が、前記信号の伝播方向を横切る、前記第１の領域での前記第１の導波路の少なくとも１つの寸法である請求項１２に記載の装置。
  14. 前記少なくとも１つの寸法が、前記信号の伝播方向における長さに沿って、前記方向において少なくとも１００倍の変化に等しく変化する請求項１３に記載の装置。
  15. 前記少なくとも１つの特性が、前記信号の伝播方向を横切る、前記第２の領域での前記第２の導波路の寸法である請求項１２に記載の装置。
  16. 前記少なくとも１つの寸法が、前記信号の伝播方向における長さに沿って、前記方向において少なくとも１００倍の変化に等しく変化する請求項１３に記載の装置。
  17. 前記少なくとも１つの特性が、前記信号の伝播方向を横切る、前記第１の領域での前記第１の導波路の寸法をさらに含む請求項１３に記載の装置。
  18. 前記少なくとも１つの特性が、前記第１および第２の導波路の少なくとも１つの屈折率である請求項１２に記載の装置。
  19. 第１の導波路の第１のモードから、第２の導波路の第２のモードへ信号を遷移する方法であって、前記第１の導波路の第１の領域から、前記第２の導波路の第２の近接する領域へ前記信号を断熱的に遷移するステップを含む方法。
  20. それぞれ前記第１および第２の導波路の前記第１および第２の領域間の最小横断距離が、前記信号を搬送する伝播電磁界の波長のほぼ１．５倍の波長からほぼ１０倍の波長の間である、請求項１９に記載の方法。
  21. 前記少なくとも１つの信号を断熱的に遷移するステップが、前記信号を搬送する電磁界の伝播方向において、前記伝播電磁界の波長の少なくとも１００倍に等しい距離に沿って前記信号を断熱的に遷移する請求項１９に記載の方法。
  22. 前記第１の導波路が、前記第２の導波路より多くの数のモードを収容することができ、かつ前記第１のモードが、前記第１の導波路の最も高い次数のモードである請求項１９に記載の方法。
  23. 前記第１の導波路の前記第１の領域での前記第１のモードに関する有効屈折率と、前記第２の導波路の前記第２の領域での前記第２のモードに関する有効屈折率との間の差異の絶対値が、前記第２の導波路の前記最も高い次数のモードに関する有効屈折率と、前記第２の導波路の次に高い次数のモードの有効屈折率との間の差異の絶対値より小さい請求項２２に記載の方法。
  24. 前記第２の導波路が、前記第１の導波路より多くの数のモードを収容することができ、前記第２のモードが、前記第２の導波路の最も高い次数のモードである請求項１９に記載の方法。
  25. 前記第１の導波路の前記第１の領域での前記第１のモードに関する有効屈折率と、前記第２の導波路の前記第２の領域での前記第２のモードに関する有効屈折率との間の差異の絶対値が、前記第２の導波路の前記最も高い次数のモードに関する有効屈折率と、前記第２の導波路の次に高い次数のモードの有効屈折率との間の差異の絶対値より小さい請求項２４に記載の方法。
  26. それぞれマルチモードソース導波路の各モードによって搬送される複数の信号を、各信号がそれぞれ宛先導波路によって搬送される複数のシングルモード宛先導波路にデマルチプレックスする方法であって、前記ソース導波路のそれぞれ第１の領域からの各前記複数の信号を、それぞれ各宛先導波路の第２の近接する領域へ断熱的に遷移するステップを含む方法。
  27. 各前記複数の信号を遷移するステップが、前記マルチモード導波路の最も高い次数のモードによって搬送される信号から開始して減少するモードの次数で、前記複数の信号を順次遷移するステップを含む、請求項２６に記載の方法。
  28. 前記第１の領域での前記ソース導波路の各遷移されるモードに関する有効屈折率と、前記第２の領域での前記宛先導波路の基本モードに関する有効屈折率との間の差異の絶対値が、前記ソース導波路のそれぞれ各最も高い次数のモードに関する有効屈折率と、前記ソース導波路の次に高い次数のモードの有効屈折率との間の差異の絶対値より小さい請求項２６または２７に記載の方法。
  29. 前記ソース導波路と各前記宛先導波路と間の最小横断距離が、前記信号を搬送する伝播電磁界の波長のほぼ１．５倍の波長からほぼ１０倍の波長の間である請求項２８に記載の方法。
  30. それぞれシングルモードソース導波路の基本モードによって搬送される複数の信号を、各信号がそれぞれ宛先導波路によって搬送される複数のマルチモード宛先導波路にマルチプレックスする方法であって、各それぞれのソース導波路の第１の領域からの各前記複数の信号を、それぞれ前記各マルチモード宛先導波路の第２の近接する領域へ断熱的に遷移するステップを含む方法。
  31. 各前記複数の信号を遷移するステップが、前記宛先導波路の最も低い次数のモードによって搬送される信号から開始して増加するモードの次数で、前記マルチモード宛先導波路へ前記複数の信号を順次遷移するステップを含む請求項３０に記載の方法。
  32. 前記第１の領域での前記ソース導波路の基本モードに関する有効屈折率と、前記第２の領域での前記宛先導波路の最も高いモードに関する有効屈折率との間の差異の絶対値が、前記ソース導波路のそれぞれ各最も高い次数のモードに関する有効屈折率と、前記ソース導波路の次に高い次数のモードの有効屈折率との間の差異の絶対値より小さい請求項３０または３１に記載の方法。
  33. 前記各ソース導波路と前記宛先導波路と間の最小横断距離が、前記信号を搬送する伝播電磁界の波長のほぼ１．５倍の波長からほぼ１０倍の波長の間である請求項３２に記載の方法。
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