JP2012194362A - モード合分波カプラ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数モード光導波手段と単一モード光導波手段との間におけるモード結合を有効に得ることが可能なモード合分波カプラ及びその製造方法をを提供する。
【解決手段】本発明に係るモード合分波カプラ１は、光が複数のモードでコア内を伝搬する第１光導波手段１０と、光が単一のモードでコア内を伝搬する第２光導波手段２０と、を備え、第１光導波手段１０の一つのモードのエネルギー分布に基づいて、第１光導波手段１０のコア１０Ａに対する第２光導波手段２０のコア２０Ａの配置位置が決定される。本発明に係るモード合分波カプラ１の製造方法は、第１光導波手段１０と、第２光導波手段２０を接続する第１接続工程、を備え、第１接続工程において、第１光導波手段１０の一つのモードのエネルギー分布に基づいて、第１光導波手段１０のコア１０Ａに対する第２光導波手段２０のコア２０Ａの配置位置が決定される。
【選択図】図１

Description

光通信用デバイス、特にモード多重伝送のモード合波・分波に用いられるモード合分波カプラ及びその製造方法に関する。

光導波手段が用いられるモード合分波カプラの製造方法としては、非特許文献１に開示されている溶融延伸法、非特許文献２に開示されている研磨法が挙げられる。溶融延伸法は、一般的に、光が単一のモードでコア内を伝搬する単一モード光導波手段、典型的には単一モード光ファイバーを用いたモード合分波カプラの製造に用いられる。これは、単一モード光導波手段の場合には、溶融延伸によってコア径が変化しても単一のモードが保たれること、溶融延伸された一方の単一モード光導波手段の径の変化が他の単一モード光導波手段の径の変化と同程度である故、各光導波手段中に伝送される単一モードの伝搬定数も同程度に変化するからである。研磨法は、偏波保持カプラなど特殊な用途のためのモード合分波カプラの製造に使用される。研磨法は、フォトニックバンドギャップファイバーといった光導波手段を用いたモード合分波カプラの製造にも用いられる。

住友電工株式会社のWebsite上のプロダクツ情報「光ファイバーカプラ」［平成２２年３月１日検索］、インターネット＜http://www.optigate.jp/products/passive/coupler.html＞ 株式会社ハナムラオプティクスのWebsite上の製品情報「光ファイバーカプラ」［平成２２年３月１日検索］、インターネット＜http://www.hanamuraoptics.com/device/cir/cirfixedcoupler904p.htm＞ 左貝潤一著「導波工学」共立出版、２００４年発行、ｐ．１６２

しかし、光が複数のモードでコア内を伝搬する複数モード光導波手段に溶融延伸法を適用すると、コア径が変化し、これに伴いコア内の伝搬モードの数も変化してしまう。また、複数モード光導波手段の複数の伝搬モードと単一モード光導波手段の単一の伝搬モードとの間のエネルギー分布が異なるため、これらの光導波手段が用いられたモード合分波カプラに研磨法を適用することも困難であった。この結果、複数モード光導波手段と単一モード光導波手段との間におけるモード結合を有効に得ることが困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、複数モード光導波手段と単一モード光導波手段との間におけるモード結合を有効に得ることが可能なモード合分波カプラ及びその製造方法を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明に係るモード合分波カプラは、光が複数のモードでコア内を伝搬する第１光導波手段と、前記第１光導波手段に接続されていると共に、光が単一のモードでコア内を伝搬する第２光導波手段と、を備え、前記第１光導波手段の前記複数のモードのうち何れか一つのモードのエネルギー分布に基づいて、前記第１光導波手段のコアに対する前記第２光導波手段のコアの配置位置が決定される。

本発明に係るモード合分波カプラでは、光が単一のモードでコア内を伝搬する第２光導波手段と光が複数のモードでコア内を伝搬する第１光導波手段とが用いられている。これによって、光が複数のモードでコア内を伝搬する第１光導波手段のモード分離に光が単一のモードでコア内を伝搬する第２光導波手段が用いられたモード合分波カプラが実現できる。そのため、モード変換等を行うことなく、第１光導波手段の高次モードと第２光導波手段の基底モードが結合されることができる。また、第１光導波手段のコアに対する第２光導波手段のコアの配置位置が、第１光導波手段の複数のモードのうち何れか一つのモードのエネルギー分布に基づいて、決定される。これによって、第１光導波手段の伝搬モードに基づく電界強度の影響を第２光導波手段のコアに強く及ぼすことができる。この結果、第２光導波手段と第１光導波手段との間におけるモード結合を有効に得ることができる。

また、前記第２光導波手段の前記単一のモードの伝搬定数が、前記第１光導波手段の前記複数のモードの前記一つのモードの伝搬定数と等しいことが好ましい。これにより、第２光導波手段と第１光導波手段との間のモード結合が生じやすくなる。

また、前記第１光導波手段に接続されていると共に光が単一のモードでコア内を伝搬する第３光導波手段を更に備え、前記第２光導波手段及び前記第３光導波手段のそれぞれの単一のモードの伝搬定数が互いに異なることが好ましい。これにより、第１光導波手段の２つの伝搬モードを第２及び第３の光導波手段と同時にモード結合することができる。

また、前記第１光導波手段のコアの端面が扁平形状であることが好ましい。これにより、容易に且つ効率よく第１光導波手段のモード分離を実現することができる。

また、前記第２光導波手段の前記単一モードの伝搬定数と前記第１光導波手段の前記一つのモードの伝搬定数との差が、前記第２光導波手段の前記単一モードと前記第１光導波手段の前記一つのモードとの間のモード結合によって生じる結合モードの偶モード及び奇モード間の伝搬定数差の３０％以下であることが好ましく、伝搬定数差の１０％以下であることがより好ましい。これにより、十分に高い結合効率を得ることができる。

本発明に係るモード合分波カプラの製造方法は、光が複数のモードでコア内を伝搬する第１光導波手段と、光が単一のモードでコア内を伝搬する第２光導波手段とを接続する第１接続工程、を備え、前記第１接続工程において、前記第１光導波手段の前記複数のモードのうち何れか一つのモードのエネルギー分布に基づいて、前記第１光導波手段のコアに対する前記第２光導波手段のコアの配置位置が決定される。

本発明に係るモード合分波カプラの製造方法では、光が単一のモードでコア内を伝搬する第２光導波手段と光が複数のモードでコア内を伝搬する第１光導波手段とが用いられている。これによって、光が複数のモードでコア内を伝搬する第１光導波手段のモード分離に光が単一のモードでコア内を伝搬する第２光導波手段が用いられたモード合分波カプラを製造することができる。そのため、モード変換等を行うことなく、第１光導波手段の高次モードと第２光導波手段の基底モードを結合させることができる。また、第１光導波手段のコアに対する第２光導波手段のコアの配置位置が、第１光導波手段の複数のモードのうち何れか一つのモードのエネルギー分布に基づいて、決定される。これによって、第１光導波手段の伝搬モードに基づく電界強度の影響を第２光導波手段のコアに強く及ぼすことができる。この結果、第２光導波手段と第１光導波手段との間におけるモード結合を効率的に得ることができる。

また、前記第１光導波手段に、光が単一のモードでコア内を伝搬する第３光導波手段を接続する第２接続工程、を更に備え、前記第２接続工程において、前記第１光導波手段の前記複数のモードのうち、前記一つのモードとは別のモードのエネルギー分布に基づいて、前記第１光導波手段のコアに対する前記第３光導波手段のコアの配置位置が決定されることが好ましい。これにより、第１光導波手段の２つの伝搬モードを、第２及び第３の光導波手段と同時にモード結合することができる。

本発明によれば、複数モード光導波手段と単一モード光導波手段との間におけるモード結合を有効に得ることが可能なモード合分波カプラ及びその製造方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る光ファイバーカプラを概略的に示す図である。 コアが楕円形状を有するＦＭＦにおいて、比屈折率差Δが変化するときの、伝搬定数のモード番号に対する依存性を説明するための図である。 比屈折率差Δがそれぞれ０．３％、０．４％、０．５％及び０．６％であるステップインデックス型ＳＭＦにおける、伝搬定数のコア半径に対する依存性を示す図である。 第１実施形態に係る光ファイバーカプラの作用を説明するための図である。 第１実施形態に係る光ファイバーカプラの作用を説明するための図である。 モード結合のＦＭＦ及びＳＭＦの位置関係に対する特性の依存性を説明するための図である。 モード結合のＦＭＦ及びＳＭＦの位置関係に対する特性の依存性を説明するための図である。 モード結合のＦＭＦ及びＳＭＦの位置関係に対する特性の依存性を説明するための図である。 モード結合のＦＭＦ及びＳＭＦの位置関係に対する特性の依存性を説明するための図である。 その（ａ）〜（ｅ）のそれぞれは、５つの伝搬モードを備える楕円コア型のＦＭＦの各伝搬モードを示す図である。 図１０のＦＭＦの第１〜第５の伝搬モードに結合させるための好適なＦＭＦのコアに対するＳＭＦのコアの配置位置を示した模式図である。 本発明の第２実施形態に係る光ファイバーカプラの構成を概略的に示す図である。 第２実施形態に係る光ファイバーカプラにおいて、コア間隔を変化させて各モードの伝搬定数を計算した結果を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る光ファイバーカプラの構成を概略的に示す図である。 第３実施形態に係る光ファイバーカプラにおいて、コア間隔を変化させて各モードの伝搬定数を計算した結果を示す図である。 その（ａ）は、本発明の第４実施形態に係るモード合分波カプラの構成を概略的に示す図であり、その（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。 第４実施形態に係るモード合分波カプラにおいて、カプラの機能が実現された結果を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明に係るモード合分波カプラの好適な実施形態について詳細に説明する。本発明に係るモード合分波カプラは、例えば光ファイバーカプラ、光導波路型モード合分波カプラである。なお、図面の説明において同一の要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）

図１は、本発明の第１実施形態に係る光ファイバーカプラ１の模式断面図を示す。光ファイバーカプラ１は、屈折率分布がステップインデックス型であると共に、３つの伝搬モードを有する数モードファイバー（Ｆｅｗ ｍｏｄｅｓ ｆｉｂｅｒ ： ＦＭＦ）１０と、１つの伝搬モードを有する単一モードファイバー２０とを備える。ＦＭＦ１０は、コア１０Ａとコア１０Ａを囲むように設けられたクラッド１０Ｂを有する。ＦＭＦ１０の比屈折率差Δは０．３％であり、ＦＭＦ１０のコア１０Ａが楕円形状を有する。図１において、数値解析で求めたＦＭＦ１０の伝搬モードがコア１０Ａ内にグレイスケールで示されている。

以下、図２を用いて、ＦＭＦ１０のようにコアが楕円形状を有するＦＭＦにおいて、比屈折率差Δが変化するときの、伝搬定数のモード番号に対する依存性を説明する。図２において用いられているＦＭＦは、コアとクラッドの比屈折率差Δが０．３％であるコア半径８μｍ×１２μｍの楕円コア型ＦＭＦである。図２において、横軸がモード番号であり、縦軸が伝搬定数（等価屈折率）である。モード番号は、伝搬定数が大きい順に番号が付されている。

図２において、縦軸上の値、すなわち伝搬定数＝１．４４９はクラッドモードの伝搬定数を示している。そのため、Δ＝０．５％のＦＭＦにおいて、モード番号が６以上のモードは、伝搬モードに該当しない。同様に、Δ＝０．３％のＦＭＦにおいて、モード番号が４以上のモードは伝搬モードに該当しない。そのため、Δ＝０．３％のＦＭＦは３つの伝搬モードを有する３モードファイバーである。

このように、楕円コアＦＭＦの伝搬定数は各モードごとに異なっており、各モードはｘ偏波とｙ偏波とが縮退している。ｘ偏波及びｙ偏波は、偏波ビームスプリッタを用いて光学的に分離する方法とデジタルコヒーレント通信で行われているようにデジタル信号処理を用いて分離する方法がある。本明細書中においては、ｘ偏波である場合を説明する。

図１に示されているように、光ファイバーカプラ１におけるＳＭＦ２０は、コア２０Ａとコア２０Ａを囲むように設けられたクラッド２０Ｂを有し、コアとクラッドの比屈折率差Δが０．５％である。ＳＭＦ２０のコア２０Ａの半径ａは４．７１μｍである。数値解析で求めたＳＭＦ２０の伝搬モードがコア２０Ａ内にグレイスケールで示されている。光ファイバーカプラ１では、ＦＭＦ１０の伝搬モードとＳＭＦ２０の伝搬モードとの間のモード結合を最適化するためには、ＳＭＦ２０の伝搬モードの伝搬定数をＦＭＦ１０の複数の伝搬モードのうち結合させようとする伝搬モードの伝搬定数と同じ値に変更することが必要である。

以下、図３を用いて、ＳＭＦ２０の伝搬定数を変化させる方法について説明する。図３において、横軸はコア半径ａ（μｍ）であり、縦軸は伝搬定数（等価屈折率）である。図３には、比屈折率差Δがそれぞれ０．３％、０．４％、０．５％及び０．６％であるステップインデックス型ＳＭＦにおける、伝搬定数のコア半径に対する依存性が示されている。図３に示されているように、ＳＭＦ２０の伝搬定数は、光ファイバーの比屈折率差Δ及びコア半径ａを変えることで、すなわちコアの屈折率分布を変えることで変化させることができる。

図１に示されているように、光ファイバーカプラ１におけるＦＭＦ１０とＳＭＦ２０とのコア間隔ｔ１は、１６μｍである。ここで、コア間隔ｔ１とは、ＦＭＦ１０のコア１０Ａの中心とＳＭＦ２０のコア２０Ａの中心との間の距離をいう。光ファイバーカプラ１では、単一の伝搬モードを有するＳＭＦ２０と３つの伝搬モードを有するＦＭＦ１０とが用いられている。そのため、光ファイバーカプラ１は、合計４つの伝搬モードを有する。また、光ファイバーカプラ１は、４つの伝搬モード以外にも幾つかのクラッドモード（図示せず）を有する。

以下、光ファイバーカプラ１の作用を説明する。図４は、ＳＭＦ２０の伝搬モードの伝搬定数がＦＭＦ１０の第１の伝搬モードの伝搬定数と等しくなるように図２に基づいてＳＭＦ２０のコア２０Ａの半径ａを設定した光ファイバーカプラ１において、コア間隔ｔ１を変化させて各モードの伝搬定数を計算した結果を示している。図４に示されているように、コア間隔ｔ１が大きい場合には、ＳＭＦ２０の伝搬モードとＦＭＦ１０の第１の伝搬モードとの間のモード結合が弱い。そのため、ＳＭＦ２０の伝搬モードの伝搬定数とＦＭＦ１０の第１の伝搬モードの伝搬定数とが等しい。

しかし、コア間隔ｔ１が小さくなるとＳＭＦ２０の伝搬モードとＦＭＦ１０の第１の伝搬モードとの間にモード結合が生じ、結合モードの偶モード及び奇モードで伝搬定数が分裂する。一方、ＦＭＦ１０の第２の伝搬モード、第３の伝搬モード及びクラッドモードの場合には、それぞれの伝搬定数がＳＭＦ２０の伝搬モードの伝搬定数と大きく異なる。そのため、これらのモードに関しては、ＦＭＦ１０とＳＭＦ２０との間のモード結合が殆ど生じない。その結果、伝搬定数の分裂も生じない。

このように、第１実施形態に係る光ファイバーカプラ１では、必要に応じてＦＭＦ１０の第１の伝搬モードのみをＳＭＦ２０の伝搬モードと結合させることができる。ＦＭＦ１０の第１の伝搬モードとＳＭＦ２０の伝搬モードとの結合長は分裂した偶モード及び奇モードの伝搬定数差から求めることができる。結合長は、式（１）のように表される。

結合長［ｍ］＝使用波長［ｍ］／伝搬定数差 ・・・（１）

例えば、使用された光波長が１．５５μｍであり、コア間隔ｔが９μｍの場合には、図４から分かるように伝搬定数差が１．１３×１０^−４であるので、結合長は１３．７３ｍｍとなる。

式（１）から分かるように、結合長は伝搬定数差の逆数に比例するため、モードごとにコア間隔を調整することで結合長を揃えることができる。

また、光ファイバーカプラ１の構造では偏波依存性が生じる。本実施形態の光ファイバーカプラ１の場合、両偏波の結合長の比が０．９９９６５であり、結合効率が正弦関数で変化するため、偏波間の比は０．９９９９９９８５となる。

図５は、ＳＭＦ２０の伝搬モードの伝搬定数がＦＭＦ１０の第３伝搬モードの伝搬定数（等価屈折率）と等しくなるように図３に基づいてＳＭＦ２０のコア２０Ａの半径ａが２．６３μｍに設定された光ファイバーカプラ１において、コア間隔ｔ１を変化させて各モードの伝搬定数を計算した結果を示している。

図５に示されているように、コア間隔ｔ１が大きい場合にはＳＭＦ２０の伝搬モードとＦＭＦ１０の第３の伝搬モードとの結合が弱い。そのため、ＳＭＦ２０の伝搬モードの伝搬定数とＦＭＦ１０の第３の伝搬モードの伝搬定数とは等しい。しかし、コア間隔ｔ１が小さくなるとＳＭＦ２０の伝搬モードとＦＭＦ１０の第３の伝搬モードとのモード結合が生じ、結合モードの偶モード及び奇モードで伝搬定数が分裂する。一方、ＦＭＦ１０の第１の伝搬モード、第２の伝搬モード及びクラッドモードの場合には、それぞれの伝搬定数が、ＳＭＦ２０の伝搬モードの伝搬定数と大きく異なる。そのため、これらのモードに関しては、ＦＭＦ１０とＳＭＦ２０との間のモード結合が殆ど生じない。その結果、伝搬定数の分裂も生じない。

図６〜図９は、モード結合のＦＭＦ１０及びＳＭＦ２０の位置関係に対する特性の依存性を説明するための図である。図６〜図９のために用いられた光ファイバーカプラ１では、ＳＭＦ２０のコア２０Ａの半径ａが３．３５μｍであり、ＳＭＦ２０の伝搬モードの伝搬定数がＦＭＦ１０の第２伝搬モードの伝搬定数と等しくなるように図３に基づいてＳＭＦ２０のコア２０Ａの半径ａが設定された。図６及び図７は、ＳＭＦ２０の伝搬モードのＦＭＦ１０の第２の伝搬モードに対する配置位置が異なる２つの例を示している。

図６では、ＦＭＦ１０のコア１０Ａ内に第２の伝搬モードを構成する２つに分離されているエネルギーの分布Ａ１及びＡ２のそれぞれの中心Ｃ１及びＣ２がＸ軸に平行な直線Ｈ１上に配置されている。また、ＳＭＦ２０の伝搬モードを構成するエネルギー分布Ｄ１は、中心Ｃ１と中心Ｃ２との中心Ｐを通ると共に直線Ｈ１に垂直なＶ１線上にその中心Ｃ３が位置するように配置されている。ＦＭＦ１０のコア１０ＡとＳＭＦ２０のコア２０Ａとはコア間隔ｔ２をもって互いに離間している。

図７では、ＳＭＦ２０の伝搬モードのエネルギー分布Ｄ１の中心Ｃ３がＦＭＦ１０のコア１０Ａ内で２つに分離されているエネルギーの分布Ａ１及びＡ２のそれぞれの中心Ｃ１及びＣ２を連結した延長線Ｈ２上に配置されている。すなわち、ＦＭＦ１０内のエネルギーの分布Ａ１及びＡ２とＳＭＦ２０内のエネルギー分布Ｄ１とが同一の直線上に配置されている。また、ＦＭＦ１０のコア１０ＡとＳＭＦ２０のコア２０Ａとはコア間隔ｔ３をもって互いに離間している。

図８及び図９はそれぞれ、図６及び図７の光ファイバーカプラ１において、コア間隔ｔ２及びｔ３を変化させて光ファイバーカプラ１の各モードの伝搬定数を計算した結果を示している。

図８に示されているように、図６における光ファイバーカプラ１では、ＦＭＦ１０の第１の伝搬モード、第３の伝搬モード及びクラッドモードのみならず、ＦＭＦ１０の第２の伝搬モードにおいても、ＳＭＦ２０の伝搬モードとのモード結合が弱い。これは、図６に示されている光ファイバーカプラ１では、ＳＭＦ２０のコア２０ＡとＦＭＦ１０のコア１０Ａとの間のコア間隔ｔ２を変更しても、ＦＭＦ１０の第２の伝搬モードとＳＭＦ２０の伝搬モードとの間にモードの重なりが生じにくく、それ故ＳＭＦ２０のコア２０Ａ位置に対して、ＦＭＦ１０の第２の伝搬モードに基づく電界強度の影響が少ないことに因る。

図９に示されているように、図７における光ファイバーカプラ１では、コア間隔ｔ３が小さくなるとＳＭＦ２０の伝搬モードとＦＭＦ１０の第２の伝搬モードとの間にモード結合が生じ、結合モードの偶モード及び奇モードで伝搬定数が分裂する。一方、ＦＭＦ１０の第１の伝搬モード、第３の伝搬モード及びクラッドモードの場合には、それぞれの伝搬定数が、ＳＭＦ２０の伝搬モードの伝搬定数と大きく異なるため、これらのモードに関しては、ＦＭＦ１０とＳＭＦ２０との間のモード結合が殆ど生じない。その結果、伝搬定数の分裂も生じない。

このように、ＦＭＦ１０の伝搬モードとＳＭＦ２０の伝搬モードとの配置関係によって、モード結合の程度を調節することができる。図６に示されているように、ＦＭＦ１０の第２の伝搬モードとＳＭＦ１０の伝搬モードとが配置されると、これらのモード間の結合が弱い。このことから、隣接するモード間の伝搬定数差が小さい場合にも、コア配置を工夫することで所望しないモード間の結合を抑制することができることが分かる。

非特許文献３にも示されているが、モード結合理論において、最大結合効率は、次の式（２）に示される。
１−｛（ＳＭＦの伝搬定数−ＦＭＦのモードの伝搬定数）／（結合モードの偶奇の伝搬定数差）｝^２ ・・・（２）

式（２）から分かるように、９９％以上の結合効率を得るためには、ＳＭＦの単一の伝搬モードの伝搬定数とＦＭＦの結合されるモードの伝搬定数との差が、結合モードの偶モード及び奇モード間の伝搬定数差の１０％以下にする必要があり、また９０％以上の結合効率を得るためにはＳＭＦの単一の伝搬モードの伝搬定数とＦＭＦの結合されるモードの伝搬定数との差が、結合モードの偶モード及び奇モード間の伝搬定数差の３０％以下にする必要がある。

図１０を用いて、より多くの伝搬モードを有するＦＭＦ１０の場合について、詳細に説明する。図１０は、５つの伝搬モードを備える楕円コア型のＦＭＦ１０の各伝搬モードのエネルギー分布を示している。図１０（ａ）〜図１０（ｅ）それぞれは、ＦＭＦ１０の第１〜第５の伝搬モードを示している。

図１０（ａ）において示されているように、第１の伝搬モードＥを構成するエネルギー分布Ｅ１は、コア１０Ａの中心ｓを中心に配置されている。図１０（ｂ）において示されているように、第２の伝搬モードＦでは、コア１０Ａの長軸に沿って２つに分離されたエネルギー分布Ｆ１及びＦ１がコア１０Ａの中心ｓに対して対称的に配置されている。図１０（ｃ）において示されているように、第３の伝搬モードＧでは、コア１０Ａの短軸に沿って２つに分離されたエネルギー分布Ｇ１及びＧ２がコア１０Ａの中心ｓに対して対称的に配置されている。図１０（ｄ）において示されているように、第４の伝搬モードＪは、３つに分離されたエネルギー分布Ｊ１、Ｊ２及びＪ３で構成されており、コア１０Ａの中心ｓを中心としてエネルギー分布Ｊ１が分布し、コア１０Ａの長軸に沿ってエネルギー分布Ｊ１の両側に２つのエネルギー分布Ｊ２及びＪ３がコア１０Ａの中心ｓに対して対称的に配置されている。図１０（ｅ）において示されているように、第５の伝搬モードＬは、４つに分離されたエネルギー分布Ｌ１〜Ｌ４で構成されており、エネルギー分布Ｌ１〜Ｌ４が略長方形を成すようにコア１０Ａの中心ｓを中心に４つ方向に配置されている。

図１１は、図１０のＦＭＦ１０の第１〜第５の伝搬モードに結合させるのに好適なＦＭＦ１０のコア１０Ａに対するＳＭＦ２０のコア２０Ａの配置位置を示した模式図である。図１１に示されているように、１つのエネルギー分布Ｅ１からなる第１の伝搬モードＥとのモード結合の場合には、結合されるモード間の重なりを大きくするためにＳＭＦ２０のコア２０Ａを、コア１０Ａの短軸の延長線上の位置Ｍ１に配置させることが好ましい。２つ以上のエネルギー分布からなると共にそのエネルギー分布の中心が同一の直線上に位置する第２の伝搬モード〜第４の伝搬モードＦ〜Ｊの場合には、各エネルギー分布の中心を連結した該同一の直線上の位置Ｍ２〜Ｍ４にＳＭＦ２０のコア２０Ａを配置させることが好ましい。第５の伝搬モードＬの場合には、４方向に分離されて配置されている４つのエネルギー分布Ｌ１〜Ｌ４のうち、対角線上に位置する一対のエネルギー分布、例えばエネルギー分布Ｌ２及びＬ３の中心を連結した延長線上の位置Ｍ５にＳＭＦ２０のコア２０Ａを配置させることが好ましい。

本実施形態に係る光ファイバーカプラ１は、下記工程を順に経ることによって製造される。まず、光が複数のモードでコア内を伝搬すると共にモード屈折率が非連続的に分布するＦＭＦ１０を用意する。次に、ＳＭＦ２０の比屈折率差Δ及びコア半径ａを変更し、ＳＭＦ２０の単一のモードの伝搬定数が、ＦＭＦ１０の複数のモードのうち結合させようとするモードの伝搬定数と等しくなるように設定する。次に、ＦＭＦ１０の複数のモードのうち結合しようとするモードのエネルギー分布に基づいて、ＦＭＦ１０のコア１０Ａに対するＳＭＦ２０のコア２０Ａの配置位置を決定し、ＦＭＦ１０とＳＭＦ２０とを、例えば研磨法を用いて接続する。これにより、第１実施形態に係る光ファイバーカプラ１の製作が完了する。

光ファイバーカプラ１では、ＦＭＦ１０とＳＭＦ２０とが用いられている。これによって、モード結合にＳＭＦ２０とＦＭＦ１０とが用いられたモード合分波カプラを得ることができる。すなわち、ＦＭＦ１０のモード分離にＳＭＦ２０が用いられたモード合分波カプラが実現できる。そのため、モード変換等を行うことなく、ＦＭＦ１０の基底モード又は高次モードとＳＭＦ２０の基底モードが結合されることができる。また、ＦＭＦ１０のコア１０Ａに対するＳＭＦ２０のコア２０Ａの配置位置が、ＦＭＦ１０複数のモードのうち結合させようとする一つのモードのエネルギー分布に基づいて、決定される。これによって、ＦＭＦ１０の伝搬モードに基づく電界強度の影響をＳＭＦ２０のコア２０Ａに強く及ぼすことができる。この結果、ＳＭＦ２０とＦＭＦ１０との間におけるモード結合を有効に且つ効率的に得ることができる。

更に、ＳＭＦ２０のコア２０ＡとＦＭＦ１０のコア１０Ａとの間のコア間隔を変更しても、ＦＭＦ１０の第２の伝搬モードとＳＭＦ２０の伝搬モードとの間にモードの重なりが生じにくいように、ＦＭＦ１０のコア１０Ａに対するＳＭＦ２０のコア２０Ａの配置位置を決定することもできる。このように、光ファイバーカプラ１によれば、ＦＭＦ１０のコア１０Ａに対するＳＭＦ２０のコア２０Ａの配置位置を制御することで、ＦＭＦ１０とＳＭＦ２０とのモード結合の程度を調整することができる。

また、ＳＭＦ２０の単一のモードの伝搬定数が、ＦＭＦ１０の複数のモードのうち結合させようとするモードの伝搬定数と等しくなるようにＳＭＦ２０の比屈折率差Δ及びコア半径ａが変更される。これにより、ＳＭＦ２０とＦＭＦ１０との間のモード結合が生じやすくなる。

また、ＦＭＦ１０のコアの端面が楕円形状である。これにより、容易に且つ効率よくＦＭＦ１０のモード分離を実現することができる。
（第２実施形態）

図１２は、本発明の第２実施形態に係る光ファイバーカプラ１Ａの構成を概略的に示す図である。光ファイバーカプラ１Ａは、一つのＦＭＦ１０と一つのＳＭＦ２０とからなる第１実施形態の光ファイバーカプラ１と比較して、１つのＦＭＦ４０と２つのＳＭＦ５０及び６０とからなる点で相違する。ＦＭＦ４０は、楕円形状のコア４０Ａとコア４０Ａを囲むように形成されたクラッド４０Ｂとを有する。ＦＭＦ４０のクラッド４０Ｂは、互いに対向すると共に平行して延びている辺４０Ｃ及び辺４０Ｄを有する。コア５０Ａとクラッド５０ＢからなるＳＭＦ５０は、辺４０Ｃに接してＦＭＦ４０と接続されており、コア６０Ａとクラッド６０ＢからなるＳＭＦ６０は、辺４０Ｄに接してＦＭＦ４０と接続されている。

ＦＭＦ４０のコア４０Ａ及びＳＭＦ５０のコア５０Ａは、コア間隔ｔ４をもって互いに離間しており、ＦＭＦ４０のコア４０Ａ及びＳＭＦ６０のコア６０Ａは、コア間隔ｔ５をもって互いに離間している。ＦＭＦ４０は、それぞれ図１０（ａ）〜１０（ｃ）に相当する第１〜第３の伝搬モードを有する。ＳＭＦ４０及び５０は、それぞれの伝搬モードの伝搬定数がＦＭＦ４０の第１及び第３の伝搬モードの伝搬定数と等しくなるように図３に基づいてコア５０Ａ及びコア６０Ａの半径が設定されている。また、コア５０Ａ及び６０Ａは、図１１において示したＦＭＦ４０の第１の伝搬モード及び第３の伝搬モードに結合されるのに好適な位置Ｍ１及びＭ３に対応する位置に配置されている。

図１３は、光ファイバーカプラ１Ａにおいて、コア間隔ｔ４及びｔ５を変化させて各モードの伝搬定数を計算した結果を示している。図１３に示されているように、コア間隔ｔ４及びｔ５が大きい場合には、ＳＭＦ５０及び６０の伝搬モードとＦＭＦ４０の第１及び第３の伝搬モードとの間のモード結合が弱い。そのため、ＳＭＦ５０及び６０の伝搬モードの伝搬定数とＦＭＦ４０の第１及び第３の伝搬モードの伝搬定数とが等しい。しかし、コア間隔ｔ４及びｔ５が小さくなるとＳＭＦ５０及び６０の伝搬モードとＦＭＦ４０の第１及び第３の伝搬モードとの間にモード結合が生じ、結合モードの偶モード及び奇モードで伝搬定数が分裂する。一方、ＦＭＦ４０の第２の伝搬モード及びクラッドモードの伝搬定数は、ＳＭＦ５０及び６０の伝搬モードの伝搬定数と大きく異なる。そのため、これらのモードに関しては、ＦＭＦ４０とＳＭＦ５０及び６０との間のモード結合が殆ど生じない。その結果、伝搬定数の分裂も生じない。

本実施形態に係る光ファイバーカプラ１Ａは、下記工程を順に経ることによって製造される。まず、光が第１及び第３の伝搬モードを含む複数のモードでコア内を伝搬すると共にモード屈折率が非連続的に分布するＦＭＦ４０を用意する。次に、ＳＭＦ５０の単一のモードの伝搬定数が、ＦＭＦ４０の第１の伝搬モードの伝搬定数と等しくなるようにＳＭＦ５０の比屈折率差Δ及びコア半径ａを変更する。次に、ＦＭＦ４０の複数のモードの第１の伝搬モードのエネルギー分布に基づいて、ＦＭＦ４０のコア４０Ａに対するＳＭＦ５０のコア５０Ａの配置位置を決定し、ＳＭＦ５０をＦＭＦ４０の辺４０Ｃに、例えば研磨法を用いて接続する。次に、ＳＭＦ６０の単一のモードの伝搬定数が、ＦＭＦ４０の第３の伝搬モードの伝搬定数と等しくなるようにＳＭＦ６０の比屈折率差Δ及びコア半径ａを変更する。次に、ＦＭＦ４０の第３の伝搬モードのエネルギー分布に基づいて、ＦＭＦ４０のコア４０Ａに対するＳＭＦ６０のコア６０Ａの配置位置を決定し、ＳＭＦ６０をＦＭＦ４０の辺４０Ｄに、例えば研磨法を用いて接続する。これにより、第２実施形態に係る光ファイバーカプラ１Ａの製作が完了する。

第２実施形態に係る光ファイバーカプラ１Ａは、上記の構成を有することによって、第１実施形態の光ファイバーカプラ１によって得られる効果に加えて、以下の更なる効果を奏することができる。すなわち、光ファイバーカプラ１Ａでは、１つのＦＭＦ４０に対して２つのＳＭＦ５０及び６０が接続されており、ＳＭＦ５０及び６０のそれぞれの単一の伝搬モードの伝搬定数が互いに異なると共に各伝搬定数がＦＭＦ４０の複数の伝搬モードのうち接合させようとする２つの伝搬モード、第１及び第３の伝搬モードの伝搬定数と等しい。そのため、ＦＭＦ４０の第１及び第３の伝搬モードをＳＭＦ５０及び６０に対して同時にモード結合させることができる。
（第３実施形態）

図１４は、本発明の第３実施形態に係る光ファイバーカプラ１Ｂの構成を概略的に示す図である。光ファイバーカプラ１Ｂは、２つのＳＭＦ５０及び６０がＦＭＦ４０の第１及び第３の伝搬モードとのモード結合のために用いられた第２実施形態に係る光ファイバーカプラ１Ａと比較して、ＳＭＦ８０及び９０がそれぞれ、ＦＭＦ７０の第２及び第３の伝搬モードとのモード結合のために用いられる。ＦＭＦ７０は、楕円形状のコア７０Ａとコア７０Ａを囲むように形成されたクラッド７０Ｂとを有する。ＦＭＦ７０のクラッド７０Ｂは、互いに垂直に交差している辺７０Ｃ及び辺７０Ｄを有する。コア８０Ａとクラッド８０ＢとからなるＳＭＦ８０は、辺７０Ｃに接してＦＭＦ７０と接続されており、コア９０Ａとクラッド９０ＢとからなるＳＭＦ９０は、辺７０Ｄに接してＦＭＦ７０と接続されている。

ＦＭＦ７０のコア７０Ａ及びＳＭＦ８０のコア８０Ａは、コア間隔ｔ６をもって互いに離間しており、ＦＭＦ７０のコア７０Ａ及びＳＭＦ９０のコア９０Ａは、コア間隔ｔ７をもって互いに離間している。ＦＭＦ７０は、それぞれ図１０（ａ）〜１０（ｃ）に相当する第１〜第３の伝搬モードを有する。ＳＭＦ８０及び９０は、それぞれの伝搬モードの伝搬定数がＦＭＦ４０の第２及び第３の伝搬モードの伝搬定数と等しくなるように図３に基づいてコア８０Ａ及びコア９０Ａの半径が設定されている。また、コア８０Ａ及びコア９０Ａは、図１１に示したＦＭＦ７０の第２の伝搬モード及び第３の伝搬モードに結合されるのに好適な位置Ｍ２及びＭ３に対応する位置に配置されている。

図１５は、光ファイバーカプラ１Ｂにおいて、コア間隔ｔ６及びｔ７を変化させて各モードの伝搬定数を計算した結果を示している。図１５に示されているように、コア間隔ｔ６及びｔ７が大きい場合には、ＳＭＦ８０及び９０の伝搬モードとＦＭＦ７０の第２及び第３の伝搬モードとの間のモード結合が弱い。そのため、ＳＭＦ８０及び９０の伝搬モードの伝搬定数とＦＭＦ７０の第２及び第３の伝搬モードの伝搬定数とが等しい。しかし、コア間隔ｔ６及びｔ７が小さくなるとＳＭＦ８０及び９０の伝搬モードとＦＭＦ７０の第２及び第３の伝搬モードとの間にモード結合が生じ、結合モードの偶モード及び奇モードで伝搬定数が分裂する。一方、ＦＭＦ７０の第１の伝搬モード及びクラッドモードの伝搬定数は、ＳＭＦ８０及び９０の伝搬モードの伝搬定数と大きく異なる。そのため、これらのモードに関しては、ＦＭＦ７０とＳＭＦ８０及び９０との間のモード結合が殆ど生じない。その結果、伝搬定数の分裂も生じない。

第３実施形態に係る光ファイバーカプラ１Ｂにおいては、光ファイバーカプラ１Ａと比較して、結合されるＦＭＦの伝搬モードは異なるが、光ファイバーカプラ１Ａと同様に２つのＳＭＦが１つのＦＭＦに接続されている。そのため、第２実施形態に係る光ファイバーカプラ１Ａと同様の効果が得られる。すなわち、ＦＭＦ７０の複数の伝搬モードのうちの２つの伝搬モードに対して同時にモード結合させることができる。本実施形態に係る光ファイバーカプラ１Ｂは、上述した光ファイバーカプラ１Ａの製造工程と同様の工程を経て製造される。
（第４実施形態）

図１６（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る光導波路型モード合分波カプラ１Ｃの構成を概略的に示す図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。第４実施形態に係る光導波路型モード合分波カプラ１Ｃは、ＦＭＦ及びＳＭＦといった光ファイバーが用いられた第１実施形態に係る光ファイバーカプラ１と比較して、それぞれコア１００Ａ及び１１０Ａを有する平面導波路（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＰＬＣ）１００及び１１０が用いられる点で相違する。光導波路型モード合分波カプラ１Ｃは、図７に示されている光ファイバーカプラ１に対応しており、ＰＬＣ１００は、図７におけるＦＭＦ１０に対応し、ＰＬＣ１１０は、ＳＭＦ２０に対応している。ＰＬＣ１００及び１１０のそれぞれのコア１００Ａ及び１１０Ａは、縦長の長方形を有している。また、図１６（ａ）に示されているように、光導波路型モード合分波カプラ１Ｃの両側には、入力部１Ｃ１及び出力部１Ｃ２が接続されており、入力部１Ｃ１及び出力部１Ｃ２ではＰＬＣ１００のコア１００ＡとＰＬＣ１１０のコア１００Ａと間の間隔が徐々に変化している。これによって、第１実施形態に係る光ファイバーカプラ１によって得られる効果に加えて、インピーダンスに相当する伝搬定数の急激な変化を防ぎ、結合損失を低減することができる。

図１７は、第４実施形態に係る光導波路型モード合分波カプラ１Ｃにおいて、カプラの機能が実現された結果を示す図である。すなわち、入力部１Ｃ１のＰＬＣ１００のコア１００Ａに入力された光の伝搬モードのうち、例えば第２の伝搬モードが、ＰＬＣ１１０の単一の伝搬モードと強くモード結合すると、偶モード及び奇モードに分裂する。偶モード及び奇モード間の伝搬定数の差によって、偶モード及び奇モード間に干渉が生じ、ＰＬＣ１００に入力された光のすべてがＰＬＣ１１０のコア１１０Ａに移動し、該移動された光が出力部１Ｃ２のＰＬＣ１１０から出力されることを示している。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本実施形態は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。具体的には、ＦＭＦは２つの伝搬モードを有してもよく、４つ以上の伝搬モード有してもよい。また、ＳＭＦ、ＦＭＦは通常の光ファイバーであってもよく、ＰＣＦ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ−ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ：ＰＣＦ）であってもよく、またＰＢＦ（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ ｆｉｂｅｒ：ＰＢＦ）であってもよい。また、ＦＭＦは楕円コア以外の任意の扁平コアであってもよい。すなわち、扁平コアとは、矩形、ひょうたん型など２回回転対称以下の対称性をもつ任意の形状を含む。ＰＬＣ１００及び１１０のそれぞれのコア１００Ａ及び１１０Ａは、縦長の長方形を有しているが、コア１００Ａ及び１１０Ａが縦長の長方形を有していてもよい。また、本実施形態においては、光ファイバーカプラ１、１Ａ、１Ｂ及び光導波路型モード合分波カプラ１Ｃが、光分岐カプラであるが、光合波カプラであってもよい。

１、１Ａ、１Ｂ・・・光ファイバーカプラ
１０、４０、７０・・・ＦＭＦ
２０、５０、６０、８０、９０・・・ＳＭＦ
１０Ａ、４０Ａ、７０Ａ・・・ＦＭＦのコア
２０Ａ、５０Ａ、６０Ａ、８０Ａ、９０Ａ・・・ＳＭＦのコア
１Ｃ・・・光導波路型モード合分波カプラ
１００、１１０・・・ＰＬＣ
１００Ａ、１１０Ａ・・・ＰＬＣのコア

Claims (8)

1. 光が複数のモードでコア内を伝搬する第１光導波手段と、
   前記第１光導波手段に接続されていると共に、光が単一のモードでコア内を伝搬する第２光導波手段と、
   を備え、
   前記第１光導波手段の前記複数のモードのうち何れか一つのモードのエネルギー分布に基づいて、前記第１光導波手段のコアに対する前記第２光導波手段のコアの配置位置が決定されるモード合分波カプラ。
2. 前記第２光導波手段の前記単一のモードの伝搬定数が、前記第１光導波手段の前記複数のモードの前記一つのモードの伝搬定数と等しい請求項１に記載のモード合分波カプラ。
3. 前記第１光導波手段に接続されていると共に光が単一のモードでコア内を伝搬する第３光導波手段を更に備え、
   前記第２光導波手段及び前記第３光導波手段のそれぞれの単一のモードの伝搬定数が互いに異なる、請求項１又は２に記載のモード合分波カプラ。
4. 前記第１光導波手段のコアの端面が扁平形状である、請求項１〜３の何れか一項に記載のモード合分波カプラ。
5. 前記第２光導波手段の前記単一モードの伝搬定数と前記第１光導波手段の前記一つのモードの伝搬定数との差が、前記第２光導波手段の前記単一モードと前記第１光導波手段の前記一つのモードとの間の結合によって生じる結合モードの偶モード及び奇モード間の伝搬定数差の３０％以下であることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載のモード合分波カプラ。
6. 前記第２光導波手段の前記単一モードの伝搬定数と前記第１光導波手段の前記一つのモードの伝搬定数との差が、前記第２光導波手段の前記単一モードと前記第１光導波手段の前記一つのモードとの間の結合によって生じる結合モードの偶モード及び奇モード間の伝搬定数差の１０％以下であることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載のモード合分波カプラ。
7. 光が複数のモードでコア内を伝搬する第１光導波手段と、光が単一のモードでコア内を伝搬する第２光導波手段とを接続する第１接続工程、を備え、
   前記第１接続工程において、前記第１光導波手段の前記複数のモードのうち何れか一つのモードのエネルギー分布に基づいて、前記第１光導波手段のコアに対する前記第２光導波手段のコアの配置位置が決定されるモード合分波カプラの製造方法。
8. 前記第１光導波手段に、光が単一のモードでコア内を伝搬する第３光導波手段を接続する第２接続工程、を更に備え、
   前記第２接続工程において、前記第１光導波手段の前記複数のモードのうち前記一つのモードとは別のモードのエネルギー分布に基づいて、前記第１光導波手段のコアに対する前記第３光導波手段のコアの配置位置が決定される、請求項７に記載のモード合分波カプラの製造方法。