JP2014119556A - Mode multiplexer/demultiplexer - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To more efficiently perform multiplexing/demultiplexing in any of two or more propagation modes.SOLUTION: A mode multiplexer/demultiplexer includes: a plurality of single mode waveguides 111 and 112 having different waveguide widths; and one multi-mode waveguide 113 propagating multimode light which has a mode number more than the number of the single mode waveguides and in which a coupling part with each single mode waveguide is arranged in a longitudinal direction. The single mode waveguides 111 and 112 has a waveguide width such that an effective refractive index in a basic mode is equal to one effective refractive index in a higher mode propagating the multi-mode waveguide 113. A coupling efficiency of the single mode waveguides 111 and 112 with the multi-mode waveguide 113 in a use wavelength band has interaction lengths Land Lto be equal to or more than a desired value.

Description

本発明は、伝搬モード数が2以上である光ファイバケーブルにおいて伝搬モードそれぞれをキャリアとして利用する多重方法であるモード多重伝送に必要なモード合分波器に関する。   The present invention relates to a mode multiplexer / demultiplexer necessary for mode multiplexing transmission, which is a multiplexing method in which each propagation mode is used as a carrier in an optical fiber cable having two or more propagation modes.

現在、光ファイバネットワークにおけるトラフィックは増大しており、伝送速度の高速化や波長分割多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)技術による波長多重数の増加、多値変調など様々な手法を用いて伝送容量の拡大を図ってきた。しかし、将来的に既設の伝送路、従来の伝送方式を用いての伝送容量の拡大が困難になると予想されるため、波長領域の拡大、新たな伝送ファイバ、及び新たな伝送方式が検討されている。   Currently, traffic in optical fiber networks is increasing, and transmission capacity can be increased by using various methods such as increasing transmission speed, increasing the number of wavelength division multiplexing using wavelength division multiplexing (WDM) technology, and multi-level modulation. I have been trying to expand. However, it is expected that it will be difficult to expand the transmission capacity using existing transmission lines and conventional transmission methods in the future, so the expansion of the wavelength range, new transmission fibers, and new transmission methods have been studied. Yes.

波長領域を拡大する方法として、現在利用されていない波長帯を利用して、広波長域のWDMを実現し伝送容量を増大させる検討もなされている。しかし、伝送損失が波長帯により異なるため、使用できる波長帯は限定されると考えられ、さらに、広波長域にわたり増幅が可能な光増幅器も実現が困難なため、広波長域のWDMが実用に至るためには多くの課題がある。   As a method for expanding the wavelength region, studies have been made to increase the transmission capacity by realizing WDM in a wide wavelength region using a wavelength band that is not currently used. However, since the transmission loss varies depending on the wavelength band, it is considered that the usable wavelength band is limited, and furthermore, it is difficult to realize an optical amplifier that can amplify over a wide wavelength range, so that WDM in a wide wavelength range is practically used. There are many challenges to reach.

新たな伝送ファイバに関しては、ファイバ非線形による波形歪を抑圧するために実効断面積(Aeff)が拡大できるファイバ構造が提案されている。ファイバ非線形の抑圧はファイバへ入力できる入力パワーの増加につながり、入力パワーの増加が可能になれば伝送速度の高速化、更なる多値化が可能になるなどの優位性が得られる。しかし、非特許文献1に示されるようにAeffの拡大は単一モード動作を前提としているため、曲げ損失と単一モード動作がトレードオフの関係にあることからAeffの大幅な拡大が困難という課題がある。   As for a new transmission fiber, a fiber structure has been proposed in which the effective area (Aeff) can be increased in order to suppress waveform distortion due to fiber nonlinearity. Fiber nonlinear suppression leads to an increase in input power that can be input to the fiber. If the input power can be increased, advantages such as higher transmission speed and further multi-value can be obtained. However, as shown in Non-Patent Document 1, since the expansion of Aeff is based on a single mode operation, there is a trade-off relationship between bending loss and single mode operation, and it is difficult to significantly increase Aeff. There is.

新たな伝送方式に関しては、非特許文献2に示されている無線の伝送方式において周波数利用効率を向上させるために利用されている直交した周波数成分を利用するOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)や、非特許文献3に示されているようにMIMO(Multiple Input Multiple Output)をマルチモード光ファイバに適用することが検討されているが、送受信機において複雑な信号処理を必要とするため、演算処理の高速化などの課題がある。   As for the new transmission scheme, OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) using orthogonal frequency components used for improving the frequency utilization efficiency in the wireless transmission scheme shown in Non-Patent Document 2, As shown in Patent Document 3, application of MIMO (Multiple Input Multiple Output) to a multimode optical fiber has been studied. However, since complicated signal processing is required in a transceiver, high-speed processing is required. There are issues such as

さらには、特許文献1に光ファイバの伝搬モードを利用した多重方法も提案されているが、所望の高次モードを励振する方法が提案されておらず、単一波長で利用することを前提としているため、大容量化の実現が困難という課題がある。光ファイバの伝搬モードを利用するためのモード分波器として非特許文献3に示されるように受光する位置を変化させてモードの分波を行う方法が提案されているが、多くの高次モードが存在する状況では、モード間の漏話が大きくなり、受光器の設計も複雑になるため、伝搬モードをキャリアとして利用するモード多重伝送においての利用については好ましくない。   Furthermore, although a multiplexing method using a propagation mode of an optical fiber has been proposed in Patent Document 1, a method for exciting a desired higher-order mode has not been proposed, and it is assumed that it is used at a single wavelength. Therefore, there is a problem that it is difficult to realize a large capacity. As shown in Non-Patent Document 3, as a mode demultiplexer for using the propagation mode of an optical fiber, a method of demultiplexing a mode by changing a light receiving position has been proposed. In such a situation, crosstalk between modes becomes large, and the design of the optical receiver becomes complicated. Therefore, it is not preferable for use in mode multiplex transmission using a propagation mode as a carrier.

特開平8−288911号公報JP-A-8-288911

松井 他、“Single−mode photonic crystal fiber with low bending loss and Aeff of > 200 μm2 for ultra high−speed WDM transmission”、OFC2010、PDPA2.Matsui et al., “Single-mode photonic fiber with low bending loss and Aeff of> 200 μm 2 ultra high-speed WDM transmission”, OFC 2010, PA. Benn C. Thomsen、“MIMO enabled 40 Gb/s transmission using mode division multiplexing in multimode fiber”、OFC2010、OThM6.Benn C.I. Thomsen, “MIMO enabled 40 Gb / s transmission using mode division multiplexing in multimode fiber”, OFC 2010, OThM6. C. P. Tsekrekos、他、“Mode−selective spatial filtering for increased robustness in a mode group diversity multiplexing link”、OPTICS LETTERS、Vol.32、No.9、2007.C. P. Tsekrekos et al., “Mode-selective spatial filtering for increased robustness in a mode group diversity multiplexing”, OPTIC LETTERS, Vol. 32, no. 9, 2007. R.Ryf、他、“Optical Coupling Components for Spatial Multiplexing in Multi−Mode Fibers”、ECOC2011、Th.12.B.1.R. Ryf et al., “Optical Coupling Components for Spatial Multiplexing in Multi-Mode Fibers”, ECOC2011, Th. 12 B. 1. N.Hanzawa、他、“Asymmetric parallel waveguide with mode conversion for mode and wavelength division multiplexing transmission”、OFC2012、OTu1l.4.N. Hanzawa, et al., "Asymmetric parallel waveguide with mode conversion for mode and wavelength division multiplexing transmission", OFC2012, OTU1. 4).

伝搬モードが複数存在する光ファイバを利用して、光ファイバの伝搬モードそれぞれをキャリアとして利用するモード多重伝送において、既存のデバイスは基本モードでの動作が前提であるため、既存のファイバデバイスをそのまま用いてモード多重伝送を実現することは困難である。また、これまで提案されているモード合分波器は、分波効率が悪いため、長距離伝送や高速な信号の伝送が困難であり、また空間系を利用するため構成が複雑になるなどの課題がある。空間系を用いた方法では、非特許文献4に記載されているようにモードごとに高い分波効率を実現することが可能であるが、挿入損失が8dB以上と大きくデバイスの小型化が困難であるなどの課題もある。   In mode multiplex transmission using an optical fiber with multiple propagation modes and each propagation mode of the optical fiber as a carrier, the existing device is assumed to operate in the basic mode. It is difficult to realize mode multiplexing transmission by using. In addition, the mode multiplexer / splitters proposed so far have poor demultiplexing efficiency, making long-distance transmission and high-speed signal transmission difficult, and using a spatial system makes the configuration complicated. There are challenges. In the method using the spatial system, it is possible to achieve high demultiplexing efficiency for each mode as described in Non-Patent Document 4, but the insertion loss is as large as 8 dB or more, and it is difficult to reduce the size of the device. There are also other issues.

近年、非特許文献5に示されるように非対称平行導波路を用いた2モード合分波器が提案されており、非対称平行導波路を用いることで送受信端では基本モードのみで信号を扱うことが可能であり、既存のデバイスをそのまま用いることが可能になる。しかしながら、非特許文献5に記載の合分波器は2モードに限定されており、3モード以上の多重を実現するための合分波方法に関しては提案されていない。   In recent years, as shown in Non-Patent Document 5, a two-mode multiplexer / demultiplexer using an asymmetric parallel waveguide has been proposed. By using an asymmetric parallel waveguide, signals can be handled only in the fundamental mode at the transmitting and receiving ends. It is possible to use an existing device as it is. However, the multiplexer / demultiplexer described in Non-Patent Document 5 is limited to two modes, and no multiplexing / demultiplexing method for realizing multiplexing of three modes or more has been proposed.

本発明は、2以上の任意の数の伝搬モードの合分波を高効率で行うことを目的とする。   An object of the present invention is to perform multiplexing / demultiplexing of an arbitrary number of propagation modes of two or more with high efficiency.

本発明のモード合分波器は、
導波路幅が異なる複数の単一モード導波路と、
前記単一モード導波路の本数よりも多いモード数の多モード光を伝搬し、各単一モード導波路との結合部が長手方向に配列された1本のマルチモード導波路と、を備え、
各単一モード導波路は、基本モードの実効屈折率が前記マルチモード導波路の伝搬する高次モードの1つの実効屈折率と等しくなるような導波路幅を有し、
使用波長帯における各単一モード導波路と前記マルチモード導波路との結合効率が所望の値以上になるような前記結合部の相互作用長を有する。
The mode multiplexer / demultiplexer of the present invention is
A plurality of single mode waveguides with different waveguide widths;
A multi-mode waveguide that propagates multimode light having a number of modes greater than the number of single-mode waveguides, and in which coupling portions with the single-mode waveguides are arranged in the longitudinal direction,
Each single mode waveguide has a waveguide width such that the effective refractive index of the fundamental mode is equal to one effective refractive index of the higher order mode propagating through the multimode waveguide;
The coupling portion has an interaction length such that the coupling efficiency between each single mode waveguide and the multimode waveguide in a used wavelength band is equal to or higher than a desired value.

本発明のモード合分波器の設計方法は、
導波路幅が異なる複数の単一モード導波路と、
前記単一モード導波路の本数よりも多いモード数の多モード光を伝搬し、各単一モード導波路との結合部が長手方向に配列された1本のマルチモード導波路と、を備えるモード合分波器の設計方法であって、
使用波長帯において前記単一モード導波路の本数よりも多いモード数を伝搬するように、マルチモード導波路の導波路幅を決定するステップと、
基本モードの実効屈折率が前記マルチモード導波路を伝搬する高次モードの1つの実効屈折率と等しくなるように、各単一モード導波路の導波路幅を決定するステップと、
使用波長帯における結合効率が所望の値以上になるように、前記結合部の相互作用長を決定するステップと、
を有する。
The method of designing the mode multiplexer / demultiplexer of the present invention is as follows.
A plurality of single mode waveguides with different waveguide widths;
A multimode waveguide that propagates multimode light having a larger number of modes than the number of single-mode waveguides, and has a multimode waveguide in which coupling portions with the single-mode waveguides are arranged in the longitudinal direction. A method of designing a multiplexer / demultiplexer,
Determining the waveguide width of the multimode waveguide so as to propagate a number of modes larger than the number of single mode waveguides in the wavelength band used;
Determining the waveguide width of each single mode waveguide such that the effective refractive index of the fundamental mode is equal to the effective refractive index of one of the higher order modes propagating through the multimode waveguide;
Determining the interaction length of the coupling part so that the coupling efficiency in the wavelength band to be used is not less than a desired value;
Have

単一モード導波路における基本モードの実効屈折率をマルチモード導波路における高次モードのどの実効屈折率と等しく設計するかに応じて、任意の高次モードの合分波を行うことができる。また、使用波長帯における各単一モード導波路とマルチモード導波路との結合効率が所望の値以上になるような相互作用長を有するため、伝搬モードの合分波を高効率で行うことができる。したがって、本発明は、2以上の任意の数の伝搬モードの合分波を高効率で行うことができる。   Depending on whether the effective refractive index of the fundamental mode in the single-mode waveguide is designed to be equal to which effective refractive index of the higher-order mode in the multi-mode waveguide, any higher-order mode multiplexing / demultiplexing can be performed. In addition, since the coupling length between each single-mode waveguide and multi-mode waveguide in the wavelength band to be used exceeds the desired value, it is possible to perform propagation mode multiplexing / demultiplexing with high efficiency. it can. Therefore, the present invention can perform multiplexing / demultiplexing of any number of propagation modes of 2 or more with high efficiency.

本発明の送信装置は、
波長多重信号を生成する複数の波長多重信号生成部と、
前記単一モード導波路のそれぞれと前記マルチモード導波路の一端に前記波長多重信号生成部が接続され、前記単一モード導波路及び前記マルチモード導波路の一端から入力された波長多重信号をモード多重して前記マルチモード導波路の他端から出力する、本発明のモード合分波器と、
を備える。
The transmission device of the present invention includes:
A plurality of wavelength division multiplexing signal generation units for generating wavelength division multiplexing signals;
The wavelength multiplexed signal generator is connected to each of the single mode waveguide and one end of the multimode waveguide, and the wavelength multiplexed signal input from one end of the single mode waveguide and the multimode waveguide is set to a mode. A mode multiplexer / demultiplexer of the present invention that multiplexes and outputs from the other end of the multimode waveguide;
Is provided.

本発明の受信装置は、
モード多重された波長多重信号が前記マルチモード導波路の一端に入力され、当該入力信号をモードごとに分波した波長多重信号を、前記単一モード導波路のそれぞれと前記マルチモード導波路の他端から出力する本発明のモード合分波器と、
前記単一モード導波路及び前記マルチモード導波路に出力された波長多重信号を、波長ごとに受信する波長多重信号受信部と、
を備える。
The receiving apparatus of the present invention is
A wavelength-division multiplexed signal is input to one end of the multi-mode waveguide, and the wavelength-division multiplexed signal obtained by demultiplexing the input signal for each mode is added to each of the single-mode waveguide and the other multi-mode waveguide. A mode multiplexer / demultiplexer of the present invention that outputs from the end;
A wavelength multiplexed signal receiving unit that receives the wavelength multiplexed signal output to the single mode waveguide and the multimode waveguide for each wavelength;
Is provided.

本発明のモード多重通信システムは、
モード多重された波長多重信号を送信する本発明の送信装置と、
前記送信装置からのモード多重された波長多重信号を受信する本発明の受信装置と、
前記送信装置及び前記受信装置を接続し、前記マルチモード導波路と同じかそれ以上のモード数が伝搬可能なマルチモード光ファイバと、
を備える。
The mode multiplexing communication system of the present invention is
A transmission apparatus of the present invention for transmitting a mode-multiplexed wavelength division multiplexed signal;
A receiver of the present invention for receiving a mode-multiplexed wavelength multiplexed signal from the transmitter;
A multimode optical fiber that connects the transmitting device and the receiving device and is capable of propagating a mode number equal to or greater than that of the multimode waveguide;
Is provided.

本発明によれば、2以上の任意の数の伝搬モードの合分波を高効率で行うことができる。   According to the present invention, multiplexing / demultiplexing of an arbitrary number of propagation modes of 2 or more can be performed with high efficiency.

実施形態1のモード合分波器を説明する図である。It is a figure explaining the mode multiplexer / demultiplexer of Embodiment 1. FIG. 基本モードから第4高次モードまでの実効屈折率の変化の一例を示す。An example of the change in effective refractive index from the fundamental mode to the fourth higher-order mode is shown. 各導波路幅の決定例を示す。An example of determining each waveguide width is shown. 第1高次モードの結合効率の波長依存性の一例を示す。An example of the wavelength dependence of the coupling efficiency of the first higher-order mode is shown. 第2高次モードの結合効率の波長依存性の一例を示す。An example of the wavelength dependence of the coupling efficiency of the second higher-order mode is shown. 導波路の設計方法の手順について示したフロー図を示す。The flowchart which showed the procedure of the design method of a waveguide is shown. 実施形態2のモード合分波器を説明する図である。It is a figure explaining the mode multiplexer / demultiplexer of Embodiment 2. FIG. 実施形態3のモード多重通信システムを説明する図である。It is a figure explaining the mode multiplexing communication system of Embodiment 3. FIG.

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.

(実施形態1)
本実施形態においては、光ファイバ中の伝搬モードである基本モード、第1高次モード、第2高次モードを用いた3モード多重伝送について説明する。多重するモードの組み合わせは任意であり、例えば、基本モード、第1高次モード及び第3高次モードの組み合わせであってもよいし、基本モード、第2高次モード及び第3高次モードの組み合わせであってもよい。導波路中の伝搬モードに関しても任意の組み合わせが可能である。本実施形態では、便宜上、基本モード、第1高次モード、第2高次モードをそれぞれLP01、LP11、LP21モードとして説明する。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, three-mode multiplex transmission using a fundamental mode, a first higher-order mode, and a second higher-order mode that are propagation modes in an optical fiber will be described. A combination of modes to be multiplexed is arbitrary, and may be, for example, a combination of a basic mode, a first higher-order mode, and a third higher-order mode, or a combination of a basic mode, a second higher-order mode, and a third higher-order mode. It may be a combination. Arbitrary combinations are possible for the propagation modes in the waveguide. In the present embodiment, for convenience, the basic mode, the first higher-order mode, and the second higher-order mode will be described as the LP 01 , LP 11 , and LP 21 modes, respectively.

本発明の実施形態1について説明する。図1は、本実施形態のモード合分波器を説明する図である。本実施形態のモード合分波器は、導波路111、導波路112及び導波路113を備える。導波路111及び導波路112は単一モード導波路であり、導波路113はマルチモード導波路である。本実施形態のモード合分波器は、相互作用長Lを有する導波路111と導波路113との結合部と、相互作用長Lを有する導波路112と導波路113との結合部とを有する。 A first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram illustrating a mode multiplexer / demultiplexer according to this embodiment. The mode multiplexer / demultiplexer of this embodiment includes a waveguide 111, a waveguide 112, and a waveguide 113. The waveguide 111 and the waveguide 112 are single mode waveguides, and the waveguide 113 is a multimode waveguide. Mode demultiplexer of this embodiment, the coupling portion between the waveguide 111 and the waveguide 113 having an interaction length L 1, and a coupling portion between the waveguide 112 and the waveguide 113 having an interaction length L 2 Have

各結合部は、導波路113の長手方向に縦続に配列される。導波路111と導波路113との結合部では、非対称平行導波路を用いて、導波路111のLP01モードと導波路113のLP11モードを位相整合させる。導波路112と導波路113との結合部では、非対称平行導波路を用いて、導波路112のLP01モードと導波路113のLP21モードを位相整合させる。これにより、本実施形態のモード合分波器は、モード変換を行うモード合波器として機能するとともに、モード分波を行うモード分波器として機能する。非対称平行導波路は、導波路の大きさが異なるようにすれば、比屈折率差Δを等しくしてもよい。また、導波路の大きさが異なるだけではなく、導波路の比屈折率差が異なる場合も含む。 Each coupling portion is arranged in cascade in the longitudinal direction of the waveguide 113. In the coupling portion between the waveguide 111 and the waveguide 113, the LP 01 mode of the waveguide 111 and the LP 11 mode of the waveguide 113 are phase-matched using an asymmetric parallel waveguide. In the coupling portion between the waveguide 112 and the waveguide 113, the LP 01 mode of the waveguide 112 and the LP 21 mode of the waveguide 113 are phase-matched using an asymmetric parallel waveguide. Thereby, the mode multiplexer / demultiplexer of this embodiment functions as a mode multiplexer that performs mode conversion and also functions as a mode multiplexer that performs mode demultiplexing. The asymmetric parallel waveguide may have the same relative refractive index difference Δ if the size of the waveguide is different. Moreover, not only the size of the waveguide is different, but also the case where the relative refractive index difference of the waveguide is different is included.

本説明においては、LP01モード、LP11モード及びLP21モードの3モードに限定して説明を行うが、本モード合分波器はこれに限定されない。例えば、1本のマルチモード導波路は、単一モード導波路の本数よりも多いモード数の多モード光を伝搬すればよく、LP21モード以上の高次モードに対しても同様にモード合波およびモード分波が可能である。また、2以上の任意のモード数に適用することができ、例えば、単一モード導波路をN本とすれば(N+1)モードのモード合分波器を構成することができる。 In this description, the description is limited to the three modes of the LP 01 mode, the LP 11 mode, and the LP 21 mode, but the mode multiplexer / demultiplexer is not limited to this. For example, one multimode waveguide only has to propagate multimode light having a number of modes larger than the number of single mode waveguides, and mode multiplexing is similarly performed for higher-order modes of the LP 21 mode or higher. And mode demultiplexing is possible. Further, the present invention can be applied to an arbitrary number of modes of 2 or more. For example, if there are N single mode waveguides, an (N + 1) mode mode multiplexer / demultiplexer can be configured.

導波路111と導波路112と導波路113は比屈折率差Δが等しい平行導波路である。Δは、導波路の屈折率nと導波路周囲の媒質の屈折率nを用いて次式であらわされる。

Figure 2014119556
The waveguide 111, the waveguide 112, and the waveguide 113 are parallel waveguides having the same relative refractive index difference Δ. Δ is expressed by the following equation using the refractive index n 1 of the waveguide and the refractive index n 0 of the medium around the waveguide.
Figure 2014119556

導波路111と導波路112は、使用波長域において単一モードとなるような導波路幅wとwを有する。ここで遮断波長は、導波路の高さhと比屈折率差Δを決定し、導波路幅wと使用波長帯を決定し、例えば有限要素法などを用いて導波路解析を行うことで遮断波長を求める。本実施形態では、一例として、導波路の高さhは導波路幅と等しく設定した。 The waveguide 111 and the waveguide 112 have waveguide widths w 1 and w 2 so as to be a single mode in the used wavelength region. Here, the cutoff wavelength is determined by determining the waveguide height h and the relative refractive index difference Δ, determining the waveguide width w and the wavelength band to be used, and performing a waveguide analysis using, for example, the finite element method. Find the wavelength. In the present embodiment, as an example, the height h of the waveguide is set equal to the waveguide width.

導波路113は少なくともLP21モード以上の伝搬モードが伝搬可能であり、導波路幅wは導波路113のLP11モードと導波路111のLP01モードの実効屈折率が等しく設計し、かつ導波路113のLP21モードと導波路112のLP01モードの実効屈折率が等しくなるように設計する。以下に導波路111と導波路112と導波路113の設計方法を具体的に説明する。 The waveguide 113 is capable of propagating at least the propagation mode of LP 21 mode or more, and the waveguide width w 3 is designed so that the effective refractive index of the LP 11 mode of the waveguide 113 is equal to that of the LP 01 mode of the waveguide 111 and is guided. The effective refractive index of the LP 21 mode of the waveguide 113 and the LP 01 mode of the waveguide 112 are designed to be equal. A design method for the waveguide 111, the waveguide 112, and the waveguide 113 will be specifically described below.

導波路111と導波路112は複数のモードが伝搬可能な状態でも前記記載の基本モードと高次モードの結合は可能であるが、本実施形態では単一モードで設計を行った。   Although the waveguide 111 and the waveguide 112 can couple the fundamental mode and the higher-order mode described above even in a state where a plurality of modes can propagate, the present embodiment is designed in a single mode.

例として、各導波路の比屈折率差Δを0.4%にした場合の導波路幅wに対する波長1530nmのLP01モードからLP02モード(光ファイバ中における第3高次モード)までの実効屈折率の変化を図2に示す。図2は導波路幅w(導波路の高さhはwに等しい)を横軸として、導波路の伝搬モードの実効屈折率を縦軸に示している。図2から、比屈折率差Δが0.4%では導波路幅wを12.0μm以上に設定することで3モード伝搬を実現できることがわかる。 As an example, effective from LP 01 mode of wavelength 1530 nm to LP 02 mode (third higher-order mode in an optical fiber) with respect to the waveguide width w when the relative refractive index difference Δ of each waveguide is 0.4%. The change in refractive index is shown in FIG. FIG. 2 shows the effective refractive index of the propagation mode of the waveguide on the vertical axis with the waveguide width w (the height h of the waveguide is equal to w) on the horizontal axis. FIG. 2 shows that when the relative refractive index difference Δ is 0.4%, three-mode propagation can be realized by setting the waveguide width w to 12.0 μm or more.

図3に導波路幅wと導波路幅wと導波路幅wを決定する図を示す。図3は例として波長1550nmでの伝搬モードの実効屈折率の値を示している。ここでは、導波路幅wは3モード以上伝搬可能な13.7μmとする。この時、導波路幅wと導波路幅wは単一モードとなる領域で幅を決定すれば良いので、導波路幅は8μm以下で設定すれば良い。導波路幅wは導波路113のLP11モードの実効屈折率と等しい幅に設定すれば良いので、wは7.17μmとなる。また、導波路幅wは導波路113のLP21モードと実効屈折率が等しくなれば良いので、wは4.35μmとなる。 Figure 3 shows a diagram for determining the waveguide width w 1 and the waveguide width w 2 and the waveguide width w 3. FIG. 3 shows the value of the effective refractive index of the propagation mode at a wavelength of 1550 nm as an example. Here, the waveguide width w 3 is 13.7 μm capable of propagating in three modes or more. At this time, the waveguide width w 1 and the waveguide width w 2 may be determined in a region where a single mode is used, and therefore the waveguide width may be set to 8 μm or less. Since the waveguide width w 1 may be set equal to the effective refractive index of the LP 11 mode of the waveguide 113, w 1 is 7.17 μm. Further, since the waveguide width w 2 should be equal to the LP 21 mode of the waveguide 113 and the effective refractive index, w 2 is 4.35 μm.

図3に示した導波路幅wとwとwを用いた場合に、導波路111のLP01モードを導波路113のLP11モードに変換するために必要な相互作用長Lと導波路112のLP01モードを導波路113のLP21モードに変換するために必要な相互作用長Lを例えばビーム伝搬法などにより計算し、導波路111のLP01モードが導波路113のLP11モードへの結合効率と導波路112のLP01モードが導波路113のLP21モードへの結合効率が最大となるように適切な相互作用長を設計する。ここで、導波路111と導波路113の導波路間隔gと導波路112と導波路113の導波路間隔gを4.0μmと等しい場合にビーム伝搬法によりLP11モード、LP21モードそれぞれの結合効率が最大となる相互作用長を求めるとLは1.6mm、Lは1.7mmであった。 When the waveguide widths w 1 , w 2, and w 3 shown in FIG. 3 are used, the interaction length L 1 necessary for converting the LP 01 mode of the waveguide 111 into the LP 11 mode of the waveguide 113 The interaction length L 2 necessary for converting the LP 01 mode of the waveguide 112 to the LP 21 mode of the waveguide 113 is calculated by, for example, a beam propagation method, and the LP 01 mode of the waveguide 111 is changed to the LP of the waveguide 113. An appropriate interaction length is designed so that the coupling efficiency to the 11 mode and the LP 01 mode of the waveguide 112 have the maximum coupling efficiency to the LP 21 mode of the waveguide 113. Here, the waveguide spacing g 2 waveguide interval g 1 and the waveguide 112 and the waveguide 113 of the waveguide 111 and the waveguide 113 when equal to 4.0μm by the beam propagation method LP 11 mode, LP 21 mode respectively the L 1 the coupling efficiency determining the interaction length with the maximum of 1.6 mm, L 2 was 1.7 mm.

本実施形態では、LP21モードまでで設計を行ったが、本発明はこれに限定されることはなく、LP11モードとLP02モードを利用するなど、所望の伝搬モードの合分波器を実現することが可能である。 In this embodiment, the design is performed up to the LP 21 mode. However, the present invention is not limited to this, and a multiplexer / demultiplexer of a desired propagation mode such as using the LP 11 mode and the LP 02 mode is used. It is possible to realize.

導波路間隔g、gを4.0μm、導波路幅wを7.17μm、導波路幅wを4.35μm、導波路幅wを13.7μm、各導波路の比屈折率差Δを0.4%、各導波路の曲げ半径Rを50mm、相互作用長Lを1.6mm、相互作用長Lを1.7mmとした場合に得られる第1高次モードの結合効率の波長依存性を図4(a)に示し、第2高次モードの結合効率の波長依存性を図4(b)に示す。図4(a)は、導波路111に基本モードであるLP01モードの光を入射した場合に導波路113に第1高次モードであるLP11モードとして出力される結合効率(実線)と導波路111に基本モードであるLP01モードとして出力される結合効率(破線)を示している。図4(b)は、導波路112に基本モードであるLP01モードの光を入射した場合に導波路113に第2高次モードであるLP21モードとして出力される結合効率(実線)と導波路112にそのまま基本モードであるLP01モードとして出力される結合効率(破線)を示している。 Waveguide spacing g 1 , g 2 is 4.0 μm, waveguide width w 1 is 7.17 μm, waveguide width w 2 is 4.35 μm, waveguide width w 3 is 13.7 μm, relative refractive index of each waveguide First higher-order mode coupling obtained when the difference Δ is 0.4%, the bending radius R of each waveguide is 50 mm, the interaction length L 1 is 1.6 mm, and the interaction length L 2 is 1.7 mm. FIG. 4A shows the wavelength dependency of efficiency, and FIG. 4B shows the wavelength dependency of the coupling efficiency of the second higher-order mode. FIG. 4 (a) shows the coupling efficiency (solid line) output as the LP 11 mode, which is the first higher order mode, to the waveguide 113 when light of the LP 01 mode, which is the fundamental mode, is incident on the waveguide 111. The coupling efficiency (dashed line) output to the waveguide 111 as the LP 01 mode, which is the fundamental mode, is shown. FIG. 4 (b) shows the coupling efficiency (solid line) output when the light of the LP 01 mode, which is the fundamental mode, is incident on the waveguide 112, and is output to the waveguide 113 as the LP 21 mode, which is the second higher-order mode. The coupling efficiency (broken line) output as the LP 01 mode, which is the fundamental mode, to the waveguide 112 as it is.

図4(a)及び図4(b)より、波長1530nmから1565nmの波長帯において95%以上の結合効率を有する非常に高効率な3モード合分波器を実現できることがわかる。ここで、3モード以上を伝搬可能な光ファイバとしてコア直径18μm、コアの比屈折率差Δを0.4%としたファイバを過程すると、光ファイバのLP01モードのモードフィールド径(MFD)は15.3μmで上記記載の導波路113のMFDは13.7μmでMFD不整合損失を下記記載の近似式(2)を用いて見積もると、およそ0.15dB程度であった。このことから、本発明の非対称平行導波路と伝送用ファイバとの接続損失は非常に小さいと予想され、伝送用ファイバと導波路のMFDが極端に異なる場合には、導波路とファイバとの接続部においてどちらか一方もしくは両者をテーパ状に加工するなどしてMFDの不整合を小さくすることで接続損失の低減を図ることも可能である。前記記載のMFDはファイバ、導波路ともにLP01モードのフィールドをガウシアン近似して算出している。 4 (a) and 4 (b), it can be seen that an extremely efficient three-mode multiplexer / demultiplexer having a coupling efficiency of 95% or more in the wavelength band of 1530 nm to 1565 nm can be realized. Here, when a fiber having a core diameter of 18 μm and a core relative refractive index difference Δ of 0.4% is processed as an optical fiber capable of propagating three or more modes, the mode field diameter (MFD) of the LP 01 mode of the optical fiber is The MFD of the waveguide 113 described above at 15.3 μm was 13.7 μm, and the MFD mismatch loss was estimated using the approximate expression (2) described below, and was about 0.15 dB. Therefore, the connection loss between the asymmetric parallel waveguide of the present invention and the transmission fiber is expected to be very small. When the MFDs of the transmission fiber and the waveguide are extremely different, the connection between the waveguide and the fiber is considered. It is also possible to reduce the connection loss by reducing MFD mismatch by, for example, processing one or both of them in a tapered shape. The MFD described above is calculated by approximating the field of LP 01 mode for both fiber and waveguide by Gaussian approximation.

Figure 2014119556
ここで、W,Wはそれぞれ光ファイバのMFD、導波路のMFDとし、ηは結合損失を示す。
Figure 2014119556
Here, W 1 and W 2 are the MFD of the optical fiber and the MFD of the waveguide, respectively, and η indicates the coupling loss.

実施形態1は導波路のΔが等しく、導波路間隔が等しい条件下で設計を行ったが、本発明はこれに制限されることはなく、3つの導波路それぞれのΔが異なっていても良く、また導波路間隔gとgが異なっていても良い。 Although the first embodiment is designed under the condition where Δ of the waveguide is equal and the waveguide interval is equal, the present invention is not limited to this, and Δ of each of the three waveguides may be different. Further, the waveguide intervals g 1 and g 2 may be different.

次に、本発明のモード合分波器の設計方法について説明する。図5に、本実施形態に係る導波路の設計方法の手順について示したフロー図を示す。
はじめに、使用する波長帯を決定する(S101)。
次に、使用する波長帯の下限波長において3モード動作以上となるように、比屈折率差Δと導波路幅wを決定する(S102、S103)。Δとwの決定には、例えば、有限要素法などの導波路解析を用いて遮断波長を求めることで決定する。以下のステップでは、使用波長帯の中心波長を用いて導波路解析を行い、導波路のパラメータを決定する。
次に、導波路111のLP01モードと導波路113のLP11モードの実効屈折率が等しくなるような導波路幅wを決定する(S104、S105)。wの決定においても、有限要素法などの導波路解析を用いて実効屈折率を算出する。
次に、導波路113のLP21モードの実効屈折率と導波路112のLP01モードの実効屈折率が等しくような導波路幅wを決定する(S106、S107)。
次に、導波路間隔g、gを決定し(S108)、決定した導波路間隔g、gを用いて相互作用長L、Lを決定する(S109)。相互作用長L、Lの算出にはビーム伝搬法などの伝搬解析を行い相互作用長を算出する。
相互作用長L、Lを算出したら、所望の結合効率を有するか否かを判定し(S110)、所望の結合効率を有さない場合はステップS108へ移行する。例えば使用波長帯において80%以上の結合効率を所望しており、それに満たない結合効率が得られた場合には、導波路間隔g、gを再設定し(S108)、相互作用長L、Lの算出を行う(S109)。所望の結合効率が得られたところで(S110においてYes)、モード変換特性又は分波特性を抽出する(S111)。所望のモード変換特性又は分波特性が得られていれば、これまで決定した各パラメータの確定となる。
Next, a method for designing a mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention will be described. FIG. 5 is a flowchart showing the procedure of the waveguide design method according to the present embodiment.
First, the wavelength band to be used is determined (S101).
Next, the relative refractive index difference Δ and the waveguide width w 3 are determined so as to achieve a three-mode operation or more at the lower limit wavelength of the wavelength band to be used (S102, S103). For example, Δ and w 3 are determined by obtaining a cutoff wavelength using waveguide analysis such as a finite element method. In the following steps, waveguide analysis is performed using the center wavelength of the used wavelength band, and waveguide parameters are determined.
Next, the waveguide width w 1 is determined so that the effective refractive indexes of the LP 01 mode of the waveguide 111 and the LP 11 mode of the waveguide 113 are equal (S104, S105). Also in determining the w 1, to calculate the effective refractive index with a waveguide analysis such as the finite element method.
Next, the waveguide width w 2 is determined so that the effective refractive index of the LP 21 mode of the waveguide 113 is equal to the effective refractive index of the LP 01 mode of the waveguide 112 (S106, S107).
Next, the waveguide intervals g 1 and g 2 are determined (S108), and the interaction lengths L 1 and L 2 are determined using the determined waveguide intervals g 1 and g 2 (S109). The interaction lengths L 1 and L 2 are calculated by performing propagation analysis such as a beam propagation method to calculate the interaction length.
After calculating the interaction lengths L 1 and L 2 , it is determined whether or not the desired coupling efficiency is obtained (S110). If the desired coupling efficiency is not obtained, the process proceeds to step S108. For example, when a coupling efficiency of 80% or more is desired in the wavelength band to be used and a coupling efficiency less than that is obtained, the waveguide intervals g 1 and g 2 are reset (S108), and the interaction length L 1, and calculates the L 2 (S109). When a desired coupling efficiency is obtained (Yes in S110), a mode conversion characteristic or a demultiplexing characteristic is extracted (S111). If the desired mode conversion characteristic or demultiplexing characteristic is obtained, the parameters determined so far are determined.

以上説明したように、本実施形態のモード合分波器は、Cバンド(1530nmから1565nm)の波長帯域において、基本モードと2つの高次モードの分波効率も95%以上を実現することが可能であることから、2以上の任意の数の伝搬モードを利用したモード多重伝送の高速・長距離化が可能になる。   As described above, the mode multiplexer / demultiplexer according to the present embodiment can achieve 95% or more of the demultiplexing efficiency of the fundamental mode and the two higher-order modes in the wavelength band of C band (1530 nm to 1565 nm). Therefore, it is possible to increase the speed and distance of mode multiplexing transmission using any number of propagation modes of 2 or more.

また、モード合波の前段、モード分波の後段、つまり伝送路以外の区間では、基本モードで伝搬されるため、ファイバデバイスについては基本モードで動作させることができることから、既存のファイバデバイスを利用して2以上の任意のモード数のモード多重伝送を実現することが可能になる。このため、簡易な構成で波長多重など既存の多重技術と併用した2以上の任意のモード数のモード多重伝送を実現することも可能になる。   In addition, since propagation is performed in the basic mode in the previous stage of mode multiplexing and the subsequent stage of mode demultiplexing, that is, the section other than the transmission line, the fiber device can be operated in the basic mode, so the existing fiber device is used. Thus, it becomes possible to realize mode multiplex transmission with an arbitrary number of modes of 2 or more. For this reason, it is possible to realize mode multiplex transmission of an arbitrary number of modes of 2 or more in combination with existing multiplexing techniques such as wavelength multiplexing with a simple configuration.

(実施形態2)
本発明の実施形態2について説明する。本実施形態では、実施形態1で示したモード合分波器の(2N+1)モード多重の使用例に関する(Nは自然数)。実施形態1で示したモード合分波器は2つの結合部を有する平行導波路であるため、実施形態1で示したモード合分波器を縦続に接続することで(2N+1)個のモード変換に対応できる。図6に、N=2であるときのLP31モード(光ファイバ中の第4高次モード)まで変換する構成例を示す。
(Embodiment 2)
A second embodiment of the present invention will be described. This embodiment relates to a usage example of (2N + 1) mode multiplexing of the mode multiplexer / demultiplexer shown in the first embodiment (N is a natural number). Since the mode multiplexer / demultiplexer shown in the first embodiment is a parallel waveguide having two coupling portions, (2N + 1) mode conversions are made by connecting the mode multiplexer / demultiplexer shown in the first embodiment in cascade. It can correspond to. FIG. 6 shows a configuration example for converting up to LP 31 mode (fourth higher-order mode in an optical fiber) when N = 2.

図6のモード合分波器は、モード合分波器600とモード合分波器601とが縦続に接続されている。モード合分波器600は、導波路611と、導波路612と、導波路613を備える。モード合分波器601は、導波路614と、導波路615と、導波路613を備える。導波路611〜615の導波路幅はそれぞれW〜Wであり、各導波路は幅と高さが等しい。導波路611と導波路613の導波路間隔はgであり、導波路612と導波路613の導波路間隔はgであり、導波路614と導波路613の導波路間隔はgであり、導波路615と導波路613の導波路間隔はgである。導波路611と導波路613の相互作用長はLであり、導波路612と導波路613の相互作用長はLであり、導波路614と導波路613の相互作用長はLであり、導波路615と導波路613の相互作用長はLである。 In the mode multiplexer / demultiplexer of FIG. 6, a mode multiplexer / demultiplexer 600 and a mode multiplexer / demultiplexer 601 are connected in cascade. The mode multiplexer / demultiplexer 600 includes a waveguide 611, a waveguide 612, and a waveguide 613. The mode multiplexer / demultiplexer 601 includes a waveguide 614, a waveguide 615, and a waveguide 613. The waveguide widths of the waveguides 611 to 615 are W 1 to W 5 , respectively, and each waveguide has the same width and height. Waveguide gap of the waveguide 611 and the waveguide 613 are g 1, waveguide spacing of the waveguide 612 and the waveguide 613 is g 2, waveguide spacing of the waveguide 614 and the waveguide 613 is in g 3 , waveguide spacing of the waveguide 615 and the waveguide 613 is g 4. Interaction length of the waveguide 611 and the waveguide 613 is L 1, the interaction length of the waveguide 612 and the waveguide 613 is L 2, the interaction length of the waveguide 614 and the waveguide 613 is an L 3 , the interaction length of the waveguide 615 and the waveguide 613 is L 4.

モード合分波器600は、導波路611に入力したLP01モードが導波路613のLP11モードへ変換されるように導波路幅w、導波路間隔gと相互作用長Lが設定され、導波路612に入力したLP01モードが導波路613のLP21モードに変換されるように導波路幅w、導波路間隔gと相互作用長Lが設定されている。導波路613に入力されたLP01モードはそのままLP01モードで伝搬し、モード合分波器600の導波路613の出力からLP01モード、LP11モード及びLP21モードが出力され、モード合分波器601の導波路613へ入力される。 The mode multiplexer / demultiplexer 600 sets the waveguide width w 1 , the waveguide interval g 1, and the interaction length L 1 so that the LP 01 mode input to the waveguide 611 is converted into the LP 11 mode of the waveguide 613. The waveguide width w 2 , the waveguide interval g 2, and the interaction length L 2 are set so that the LP 01 mode input to the waveguide 612 is converted into the LP 21 mode of the waveguide 613. The LP 01 mode input to the waveguide 613 propagates as it is in the LP 01 mode, and the LP 01 mode, the LP 11 mode, and the LP 21 mode are output from the output of the waveguide 613 of the mode multiplexer / demultiplexer 600, and the mode combining is performed. The signal is input to the waveguide 613 of the wave 601.

ここで導波路613は5モード以上が伝搬可能な導波路設計になっているとする。モード合分波器601は、導波路614に入力したLP01モードが導波路613のLP02モードへ変換されるように導波路614の導波路幅w、導波路間隔g、相互作用長Lが設定され、導波路615に入力したLP01モードが導波路613のLP31モードへ変換されるように導波路615の導波路幅w、導波路間隔g、相互作用長Lが設定されている。モード合分波器601では、導波路613のLP01モード、LP11モード及びLP21モードが導波路614と導波路615のLP01モードと結合しないような導波路613の導波路幅wを設定する。これにより、LP31モードまでのモード変換が可能である。また、モード合波器の機能を説明したが、本実施形態のモード合分波器は、入出力を反転させることで、モード分波器として利用できる。 Here, it is assumed that the waveguide 613 has a waveguide design capable of propagating five or more modes. The mode multiplexer / demultiplexer 601 includes a waveguide width w 4 , a waveguide interval g 3 , and an interaction length so that the LP 01 mode input to the waveguide 614 is converted into the LP 02 mode of the waveguide 613. L 3 is set, the waveguide width w 5 of the waveguide 615 as LP 01 mode input waveguide 615 is converted into LP 31 mode of the waveguide 613, the waveguide spacing g 4, the interaction length L 4 Is set. In the mode multiplexer / demultiplexer 601, the waveguide width w 3 of the waveguide 613 is set so that the LP 01 mode, the LP 11 mode, and the LP 21 mode of the waveguide 613 are not coupled to the LP 01 mode of the waveguide 614 and the waveguide 615. Set. Thereby, mode conversion up to the LP 31 mode is possible. Moreover, although the function of the mode multiplexer was demonstrated, the mode multiplexer / demultiplexer of this embodiment can be utilized as a mode splitter by inverting input / output.

また、実施形態1で示したモード合分波器を縦続に接続していくことで、さらに高次のモードへの変換および分波が可能である。また、本実施形態では実施形態1に記載したモード合分波器を縦続に接続することで、(2N+1)モードの合分波が可能なモード合分波器を構成する例を示したが、マルチモードの導波路(図6の例では、導波路613)に結合させる単一モードの導波路(図6の例では、導波路611、612、614、615)の数が奇数となるように構成すれば、2Nモードの合分波が可能なモード合分波器を構成することも可能である。よって、本実施形態に係る発明により2以上の任意の数のモードの合分波が可能なモード合分波器を構成することが可能である。   Further, by connecting the mode multiplexer / demultiplexer shown in Embodiment 1 in cascade, it is possible to convert to a higher order mode and to perform demultiplexing. In this embodiment, an example is shown in which a mode multiplexer / demultiplexer capable of (2N + 1) mode multiplexing / demultiplexing is configured by cascading the mode multiplexer / demultiplexers described in the first embodiment. The number of single-mode waveguides (waveguides 611, 612, 614, and 615 in the example of FIG. 6) coupled to the multimode waveguide (waveguide 613 in the example of FIG. 6) is an odd number. If configured, it is also possible to configure a mode multiplexer / demultiplexer capable of 2N mode multiplexing / demultiplexing. Therefore, a mode multiplexer / demultiplexer capable of multiplexing / demultiplexing an arbitrary number of two or more modes can be configured by the invention according to the present embodiment.

また、本実施形態では導波路の比屈折率差Δを一定としたが、導波路の比屈折率差Δ及び高さはこれに制限されるものではなく、それぞれが異なった値を持った導波路パラメータで設計しても良い。加えて、導波路613の導波路幅wをモード合分波器600とモード合分波器601で等しい大きさとして実施形態を記載したが、モード合分波器600と601の中間で導波路613をテーパ状にするなどして所望の伝搬モード数を維持できる範囲で導波路の大きさを変化させても良い。導波路の大きさをモード合分波器間で変化させることにより、モード合分波器間の導波路613の結合部で所望のモード以外の結合を抑制する設計が容易になる。 In this embodiment, the relative refractive index difference Δ of the waveguide is constant. However, the relative refractive index difference Δ and the height of the waveguide are not limited to this, and the waveguides having different values are used. You may design with a waveguide parameter. In addition, the embodiment has been described in which the waveguide width w 3 of the waveguide 613 is the same size in the mode multiplexer / demultiplexer 600 and the mode multiplexer / demultiplexer 601, but is guided between the mode multiplexer / demultiplexers 600 and 601. The size of the waveguide may be changed within a range in which a desired number of propagation modes can be maintained, for example, by making the waveguide 613 tapered. By changing the size of the waveguide between the mode multiplexers / demultiplexers, the design for suppressing coupling other than the desired mode at the coupling portion of the waveguide 613 between the mode multiplexers / demultiplexers is facilitated.

(実施形態3)
本発明の実施形態3について説明する。実施形態1で示したモード合分波器の使用例に関する。本発明のモード合分波器は波長多重通信システム(WDM)および偏波多重通信システム(PDM)とモード多重通信システムの3つの多重方法を組み合わせて使用することができる。これらは、3つの多重方式を個別に使用することや2つの多重方式のみを使用することも考えられ、いずれの方法にも適用できる。図7にWDMとPDMに3モード多重を行うためのシステムの構成例を示す。本発明のモード合分波器の使用例は図7のこれに限定されるものではない。また、ある波長λの光源に関しては、1つの光源をパワー分岐して使用しても良く、同一波長の光源を複数用意して波長λの信号を生成しても良い。
(Embodiment 3)
Embodiment 3 of the present invention will be described. The present invention relates to a usage example of the mode multiplexer / demultiplexer shown in the first embodiment. The mode multiplexer / demultiplexer of the present invention can be used in combination of three multiplexing methods of a wavelength division multiplexing communication system (WDM) and a polarization multiplexing communication system (PDM) and a mode multiplexing communication system. It is conceivable that these three multiplexing methods are used individually or only two multiplexing methods are used, and any of these methods can be applied. FIG. 7 shows a configuration example of a system for performing three-mode multiplexing on WDM and PDM. The use example of the mode multiplexer / demultiplexer of the present invention is not limited to this in FIG. As for a light source having a certain wavelength λ, a single light source may be used with power splitting, or a plurality of light sources having the same wavelength may be prepared to generate a signal having a wavelength λ.

図7に示すように、偏波多重波長多重モード多重伝送システムは、送信装置511及び受信装置520を備える。送信装置511は、3つの波長多重信号生成部と、実施形態1に記載の伝搬モードを合波(モード変換)するモード合波器518と、により構成されている。各波長多重信号生成部は、λからλのN個の光源512とN個の波長それぞれの光を2分岐する光分波器513と、N個の波長の基本モードそれぞれを変調する光変調器514と、偏波を調節するための偏波コントローラ515と、それぞれの波長の基本伝搬モードを合波する光合波器516と、N個の波長を合波するための波長合波器517とにより構成されている。 As shown in FIG. 7, the polarization multiplexing wavelength division multiplexing transmission system includes a transmission device 511 and a reception device 520. The transmission device 511 includes three wavelength multiplexed signal generation units and a mode multiplexer 518 that multiplexes (mode converts) the propagation modes described in the first embodiment. Each wavelength multiplexed signal generation unit includes N light sources 512 from λ 1 to λ N , an optical demultiplexer 513 that splits the light of each of the N wavelengths into two, and light that modulates each of the fundamental modes of the N wavelengths. A modulator 514, a polarization controller 515 for adjusting the polarization, an optical multiplexer 516 for multiplexing the fundamental propagation modes of the respective wavelengths, and a wavelength multiplexer 517 for multiplexing the N wavelengths. It is comprised by.

また、受信装置520は、合波された3個の伝搬モードを分波する実施形態1に記載のモード分波器521と、モードごとに分波されたN個の波長多重信号を受信する波長多重信号受信部と、により構成されている。波長多重信号受信部は、モードごとに分波されたN個の波長をそれぞれの波長に分波するための波長分波器522と、波長分波器522により分波されたそれぞれの波長において偏波を分離するための偏波分波器523と、分波された信号光を受光して電気信号に変換する受光回路524とにより構成されている。   The receiving apparatus 520 also receives the mode demultiplexer 521 according to the first embodiment that demultiplexes the combined three propagation modes, and the wavelength at which the N wavelength multiplexed signals demultiplexed for each mode are received. And a multiple signal receiver. The wavelength multiplexed signal receiving unit includes a wavelength demultiplexer 522 for demultiplexing the N wavelengths demultiplexed for each mode into the respective wavelengths, and a polarization at each wavelength demultiplexed by the wavelength demultiplexer 522. A polarization demultiplexer 523 for separating the wave and a light receiving circuit 524 that receives the demultiplexed signal light and converts it into an electrical signal.

送信装置511のモード合波器518と受信装置520のモード分波器521とは、マルチモード伝送路519により接続されている。実施形態1のモード合分波器を使用することにより、送信装置および受信装置中では基本伝搬モードで処理を行い、伝送路中でのみ高次モードに変換して信号を伝送している。そのため、本発明のモード合分波器を利用することにより、従来の光デバイスをそのまま利用することができる。伝送路中で信号の増幅が必要な場合には、本発明のモード合分波器を利用して、高次モードを基本モードに変換して光増幅器による増幅を行い、その後、モード合分波器を利用して高次モードに変換して伝送することにより、長距離伝送も可能となる。   The mode multiplexer 518 of the transmission device 511 and the mode duplexer 521 of the reception device 520 are connected by a multimode transmission line 519. By using the mode multiplexer / demultiplexer according to the first embodiment, processing is performed in the basic propagation mode in the transmission device and the reception device, and the signal is transmitted by being converted into the higher-order mode only in the transmission path. Therefore, a conventional optical device can be used as it is by using the mode multiplexer / demultiplexer of the present invention. When signal amplification is required in the transmission line, the mode multiplexer / demultiplexer of the present invention is used to convert the higher-order mode to the fundamental mode and perform amplification using an optical amplifier, and then mode multiplexing / demultiplexing. A long distance transmission is also possible by converting to a higher-order mode using a device and transmitting.

本実施形態は、3モード多重に限定して記載したが、本発明によれば、実施形態2で説明したように2以上の任意の数のモードの合分波が可能なモード合分波器を構成できるので、3モード多重に限定されず、2以上の任意のモード数のモード多重伝送が可能になる。   Although this embodiment has been described by limiting to three-mode multiplexing, according to the present invention, a mode multiplexer / demultiplexer capable of multiplexing / demultiplexing any number of two or more modes as described in the second embodiment. Therefore, the present invention is not limited to three-mode multiplexing, and mode multiplexing transmission with an arbitrary number of modes equal to or greater than two becomes possible.

本発明は情報通信産業に適用することができる。   The present invention can be applied to the information communication industry.

111、112、113、611、612、613、614、615:導波路
511:送信装置
512:光源
513:光分波器
514:光変調器
515:偏波コントローラ
516:光合波器
517:波長合波器
519:マルチモード伝送路
520:受信装置
521:モード分波器
522:波長分波器
523:偏波分波器
524:受光回路
600、601:モード合分波器
111, 112, 113, 611, 612, 613, 614, 615: Waveguide 511: Transmission device 512: Light source 513: Optical demultiplexer 514: Optical modulator 515: Polarization controller 516: Optical multiplexer 517: Wavelength multiplexing Demultiplexer 519: Multimode transmission line 520: Receiver 521: Mode demultiplexer 522: Wavelength demultiplexer 523: Polarization demultiplexer 524: Light receiving circuit 600, 601: Mode multiplexer / demultiplexer

Claims (5)

導波路幅が異なる複数の単一モード導波路と、
前記単一モード導波路の本数よりも多いモード数の多モード光を伝搬し、各単一モード導波路との結合部が長手方向に配列された1本のマルチモード導波路と、を備え、
各単一モード導波路は、基本モードの実効屈折率が前記マルチモード導波路の伝搬する高次モードの1つの実効屈折率と等しくなるような導波路幅を有し、
使用波長帯における各単一モード導波路と前記マルチモード導波路との結合効率が所望の値以上になるような前記結合部の相互作用長を有するモード合分波器。
A plurality of single mode waveguides with different waveguide widths;
A multi-mode waveguide that propagates multimode light having a number of modes greater than the number of single-mode waveguides, and in which coupling portions with the single-mode waveguides are arranged in the longitudinal direction,
Each single mode waveguide has a waveguide width such that the effective refractive index of the fundamental mode is equal to one effective refractive index of the higher order mode propagating through the multimode waveguide;
A mode multiplexer / demultiplexer having an interaction length of the coupling portion such that the coupling efficiency between each single mode waveguide and the multimode waveguide in a used wavelength band is equal to or higher than a desired value.
波長多重信号を生成する複数の波長多重信号生成部と、
前記単一モード導波路のそれぞれと前記マルチモード導波路の一端に前記波長多重信号生成部が接続され、前記単一モード導波路及び前記マルチモード導波路の一端から入力された波長多重信号をモード多重して前記マルチモード導波路の他端から出力する、請求項1に記載のモード合分波器と、
を備える送信装置。
A plurality of wavelength division multiplexing signal generation units for generating wavelength division multiplexing signals;
The wavelength multiplexed signal generator is connected to each of the single mode waveguide and one end of the multimode waveguide, and the wavelength multiplexed signal input from one end of the single mode waveguide and the multimode waveguide is set to a mode. The mode multiplexer / demultiplexer according to claim 1, wherein the mode multiplexer / demultiplexer is multiplexed and output from the other end of the multimode waveguide;
A transmission apparatus comprising:
モード多重された波長多重信号が前記マルチモード導波路の一端に入力され、当該入力信号をモードごとに分波した波長多重信号を、前記単一モード導波路のそれぞれと前記マルチモード導波路の他端から出力する請求項1に記載のモード合分波器と、
前記単一モード導波路及び前記マルチモード導波路に出力された波長多重信号を、波長ごとに受信する波長多重信号受信部と、
を備える受信装置。
A wavelength-division multiplexed signal is input to one end of the multi-mode waveguide, and the wavelength-division multiplexed signal obtained by demultiplexing the input signal for each mode is added to each of the single-mode waveguide and the other multi-mode waveguide. The mode multiplexer / demultiplexer according to claim 1, which outputs from an end,
A wavelength multiplexed signal receiving unit that receives the wavelength multiplexed signal output to the single mode waveguide and the multimode waveguide for each wavelength;
A receiving device.
モード多重された波長多重信号を送信する請求項2に記載の送信装置と、
前記送信装置からのモード多重された波長多重信号を受信する請求項3に記載の受信装置と、
前記送信装置及び前記受信装置を接続し、前記マルチモード導波路と同じかそれ以上のモード数が伝搬可能なマルチモード光ファイバと、
を備えるモード多重通信システム。
The transmission apparatus according to claim 2, which transmits a mode-multiplexed wavelength multiplexed signal;
The receiving apparatus according to claim 3, wherein the receiving apparatus receives a mode-multiplexed wavelength multiplexed signal from the transmitting apparatus;
A multimode optical fiber that connects the transmitting device and the receiving device and is capable of propagating a mode number equal to or greater than that of the multimode waveguide;
A mode multiplexing communication system.
導波路幅が異なる複数の単一モード導波路と、
前記単一モード導波路の本数よりも多いモード数の多モード光を伝搬し、各単一モード導波路との結合部が長手方向に配列された1本のマルチモード導波路と、を備えるモード合分波器の設計方法であって、
使用波長帯において前記単一モード導波路の本数よりも多いモード数を伝搬するように、マルチモード導波路の導波路幅を決定するステップと、
基本モードの実効屈折率が前記マルチモード導波路の伝搬する高次モードの1つの実効屈折率と等しくなるように、各単一モード導波路の導波路幅を決定するステップと、
使用波長帯における結合効率が所望の値以上になるように、前記結合部の相互作用長を決定するステップと、
を有するモード合分波器の設計方法。
A plurality of single mode waveguides with different waveguide widths;
A multimode waveguide that propagates multimode light having a larger number of modes than the number of single-mode waveguides, and has a multimode waveguide in which coupling portions with the single-mode waveguides are arranged in the longitudinal direction. A method of designing a multiplexer / demultiplexer,
Determining the waveguide width of the multimode waveguide so as to propagate a number of modes larger than the number of single mode waveguides in the wavelength band used;
Determining the waveguide width of each single-mode waveguide such that the effective refractive index of the fundamental mode is equal to one effective refractive index of the higher-order mode propagating through the multi-mode waveguide;
Determining the interaction length of the coupling part so that the coupling efficiency in the wavelength band to be used is not less than a desired value;
A method of designing a mode multiplexer / demultiplexer.
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