JP2017044713A - モード変換器及びモード変換方法並びにモード合分波器及びモード合分波方法 - Google Patents

モード変換器及びモード変換方法並びにモード合分波器及びモード合分波方法 Download PDF

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【課題】モード変換器と他の導波路との接続部での損失を低減しつつ、異なる空間分布を有する一組の縮退したモードを変換するモード変換器を提供する。【解決手段】複数の導波モードの光を伝搬する導波路10を備えるモード変換器91であって、複数の導波モードは、異なる空間分布を有する一組の縮退したモードを含み、導波路10は、断面の少なくとも一部に溝14が形成されており、溝14の形状が、導波路10における光の伝搬方向に変化している。【選択図】図6

Description

本発明は、伝搬モード数が3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波器およびモード分波器に関する。
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。
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。
新たな伝送方式に関しては、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2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。
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3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。
近年、非特許文献4に示されるように非対称平行導波路を用いた4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、全ての導波路の高さを一定としながら4以上のモードを合分波するためには、縮退したLP11aモードとLP11bモードを変換するモード変換器が必要であり、モード変換器で発生する過剰損失を低減する必要がある。
特開平8−288911号公報
松井 他、"Single−mode photonic crystal fiber with low bending loss and Aeff of > 200μm2 for ultra high−speed WDM transmission"、OFC2010、PDPA2. 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. R.Ryf、他、"Optical Coupling Components for Spatial Multiplexing in Multi−Mode Fibers"、ECOC2011、Th.12.B.1. N.Hanzawa、他、"Four−mode plc−based mode multi/demultiplexer with mode rotator on one chip for MDM transmission"、ECOC2014、We.1.1.1 N.Hanzawa et al.,"Asymmetric parallel waveguide with mode conversion for mode and wavelength division multiplexing transmission,"OFC2012,paper Otu1l.4 (2012). K.Saith et al.,"PLC−based LP11 mode rotator for mode−division multiplexing transmission,"Opt.Express,vol.22,pp.19117−19130 (2014).
本発明は、モード変換器と他の導波路との接続部での損失を低減しつつ、異なる空間分布を有する一組の縮退したモードを変換することを目的とする。
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、モード変換器におけるトレンチ部を長手方向に変化させることで、モード変換器と他の導波路との接続部での損失を低減しつつ、LP11aモードとLP11bモードを変換させることを特徴とする。
具体的には、本発明に係るモード変換器は、
複数の導波モードの光を伝搬する導波路を備えるモード変換器であって、
前記複数の導波モードは、異なる空間分布を有する少なくとも一組の縮退したモードを含み、
前記導波路は、断面の少なくとも一部に溝が形成されており、
前記溝の形状が、前記導波路における光の伝搬方向に変化していること、
を特徴とする。
本発明に係るモード変換器では、前記導波路における光の伝搬方向がzであり、前記z方向における前記導波路の長さがLであり、前記導波路における前記一組の縮退したモードの伝搬定数がβa及びβbであるとき、前記導波路の長さLは後述する式(2)を満たしていてもよい。
本発明に係るモード変換器では、前記導波路の入力部又は出力部の断面形状が、前記溝の形成されていない正方形又は長方形であってもよい。
本発明に係るモード変換器では、前記溝が前記導波路における光の伝搬方向に曲率を有しており、前記導波路の長さが1500μm以上であってもよい。
具体的には、本発明に係るモード合分波器は、
n(nは2以上の整数)以上のモードを伝搬可能な主導波路と、
前記主導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを前記主導波路に移行させるモード結合部を持つm本(mは1以上の整数)の副導波路と、
少なくともいずれかの前記モード結合部の後段に配置された本発明に係るモード変換器と、
を備えることを特徴とする。
具体的には、本発明に係るモード変換方法は、
本発明に係るモード変換器を用いたモード変換方法であって、
異なる空間分布を有する少なくとも一組の縮退したモードを含む前記複数の導波モードの光を、前記導波路に通過させることで、前記一組の縮退したモードを互いに変換することを特徴とする。
具体的には、本発明に係るモード合分波方法は、
本発明に係るモード合分波器を用いたモード合分波方法であって、
前記モード結合部が、前記副導波路から前記主導波路に移行した光を、異なる空間分布を有する少なくとも一組の縮退したモードのうちの第1のモードに変換し、
前記モード変換器が、前記主導波路を伝搬する前記第1のモードの光を、前記一組の縮退したモードのうちの前記第1のモードとは異なる第2のモードに変換することを特徴とする。
なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
本発明のモード合分波器は、異なる空間分布を有する一組の縮退したモードを変換することが可能でありかつ低損失なモード変換及び合分波が実現できる。
2モード合分波器の構成例を示す。 導波路におけるモードの電界分布の一例を示す。 本発明に関連するモード変換器の断面構造の第1例を示す。 本発明に関連するモード変換器の断面構造の第2例を示す。 本発明に関連するモード変換器の断面構造の第3例を示す。 本発明の実施形態に係るモード変換器の構造の一例を示す。 本発明に関連するモード変換器の構造の一例を示す。 モード変換器長LとSepとの関係の一例を示す。 本実施形態に係るモード変換器の挿入損失の計算結果の一例を示す。 本実施形態に係るモード合分波器の構成例を示す。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。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。
本発明の実施形態に係るモード変換器は、縮退した異なる空間分布を有する複数のモードのうちの第1のモードを第2のモードに変換する。本発明に係るモード変換方法は、本発明の実施形態に係るモード変換器を用いて、第1のモードを第2のモードに変換する。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第1高次モード(LP11)の縮退モードであるLP11aモードとLP11bモードを変換する例について説明する。
本発明の実施形態に係るモード合分波器及びモード合分波方法は、本発明の実施形態に係るモード変換器を用いて、LP11aモードとLP11bモードを合分波する。
図1に、本発明の実施形態に係るモード合分波器の構成の一例を示す。本実施形態に係るモード合分波器は、主導波路として機能する第1導波路11と、副導波路として機能する第2導波路12と、モード結合部13と、を備える。本実施形態に係るモード合分波器は、これらを用いて、LP01モードとLP11モードを合分波する場合の例を示す。
本例では、比屈折率差Δが等しく、導波路の高さが等しい複数の導波路11及び12により構成される場合であって、平行導波路11及び12が近接するモード結合部13により、一方の導波路12中を伝搬する特定のモードを、他方の導波路12を伝搬する特定のモードに変換するよう設計されている。例えば、第2導波路12を伝搬するLP01モードを、モード結合部13によりLP11モードに変換し、第1導波路11からLP01モード及びLP11モードを出力する。
非特許文献5によれば、2つの導波路11及び12の高さ及び幅を適切に設計し、2つの導波路11及び12を伝搬するモードの実効屈折率を一致させることでモードの結合を生じさせることができる。また、相互作用長を適切に設計することで、一方の導波12路を伝搬する光を、他方の導波路11に移すことができる。
また、2つの導波路の高さが同じである場合、LP01モードから変換できるモードは、LP11aモードであることが述べられており、副導波路を伝搬するLP01からはLP11bおよびLP21aモードへは直接結合することができない。そこで、非特許文献4に記載のLP11モード変換器を用いることで、LP11aモードをLP11bに変換させることができ、さらにLP21aモードを得るために、変換されたLP11bモードをLP21aモードに結合させる構成とし、4モード(LP01,LP11a,LP11b,LP21a)の合分波が実現できている。この時、各モードの電界分布は図2に示す通りである。図2(a)はLP01モードを示し、図2(b)はLP11aモードを示し、図2(c)はLP11bモードを示し、図2(d)はLP21aモードを示す。
図3に、本発明に関連するモード変換器191の構成を示す。図3に示すモード変換器191は、幅w、高さh、長さLの導波路であり、断面の少なくとも一部に溝14を設けたトレンチ構造を備える。トレンチ構造は、幅wにおいてそれぞれ導波路の幅w1とw2の間に、幅s、深さdの溝14を備える。溝14は、断面における幅w上の中央に対して非対称に設けられ、w1とw2は異なる。溝14は、図示するように導波路の上面に設けられていてもよいが、下面に設けられてもよい。溝の形状は任意であり、図3に示すような矩形であってもよいし、三角形であってもよい。
図3に示すように、モード変換器191は、断面内に非対称性を有する。図4及び図5に、モード変換器191の他の形態例を示す。モード変換器191は、図4及び図5に示すように、導波路幅wにおいて幅w2が0となる導波路の端に溝14があっても良い。断面内に非対称性が生じれば、この溝14の形状は任意である。例えば、溝14の上部の幅w3と溝14の下部の幅w4とは同じであってもよいし、異なっていてもよい。溝14の形状は、例えば、図4に示すような、トレンチ上部の幅w3と溝14下部の幅w4が等しい方形である。また、溝14の形状は、例えば、図5に示すような、溝14下部の幅w4が0である三角形であっても良い。
この時、モード変換器191におけるLP11a及びLP11bモードの伝搬定数をそれぞれβa及びβbとしたとき、モード変換器191の導波路の長さLが
(数1)
(βa―βb)L=π (1)
となるように調整すると、モード変換器191に入力したLP11aまたはLP11bモードが出力端でLP11bまたはLP11aに変換される(詳しくは非特許文献6参照のこと)。
図6に、本発明の実施形態に係るモード変換器の斜視図を示す。図7に、図4に示すモード変換器の斜視図を示す。図7に示すモード変換器では、伝搬方向(z方向)で溝14の形状が変化していないが、本実施形態では、伝搬方向(z方向)で溝14の形状が連続的に変化している。図6の例では、任意の位置における断面構造は図4と同じであるが、図4におけるw3及びw4がzに対して連続的に変化している。なお、図6では、トレンチの幅w3及びw4をz方向に徐々に増加させた後に徐々に減少させた円弧状とし、w3及びw4が最も大きくなる値をSepとしている。
また、図6においては、モード変換器91の入力側及び出力側の断面において、w3及びw4が0(つまり導波路断面が方形)となっている。このようにすることで、入力側及び出力側に設置される導波路と同様な構造とすることができ、接続損失の低減効果が期待できる。
図8に、モード変換器91の導波路の長さLに対して数1を満たすためのSepの値を算出した結果を示す。数1を満たしているかどうかについては、βaおよびβbがz方向依存性を有しているため、下記の数2より求めることができる。
Figure 2017044713
なお、構造パラメータは、クラッド12に対する導波路11及び12の比屈折率差Δ=0.7%、w=12.2μm、h=12.0μm、d=3.5μmとした。導波路の長さLが増加すると、Sepを低減できることがわかる。
図9に、導波路の長さLに対するモード変換器91との挿入損失を計算した結果を示す。ここで、モード変換器91と接続する導波路は、モード変換器91の入力端又は出力端の断面構造と同じ構造を有している。また、比較例として、図7に示す構造を用いた場合の損失を破線で示す。比較例の構造は、w3=2.0μmとし、dについては、それぞれ導波路の長さLに対して数2を満たすよう調整されている。
図9より、本実施形態に係る構造を用いることで、モード変換器91の挿入損失を低減できることがわかる。特に、導波路の長さLが1500μm以上の領域で、挿入損失の改善が得られる。
本実施形態に係るモード変換器91を用いることで、4以上のモードを合分波するモード合分波器が実現できる。図10に4モード合分波器の例を示す。図10では、本実施形態に係るモード変換器91として、図6に示すトレンチ構造を有するモード変換器91―3及び91−4を備える。入力ポートIP1と出力ポートOPを結ぶ導波路が主導波路として機能し、その他の導波路が副導波路として機能する。モード変換器91―3は主導波路に備わり、モード変換器91−4は副導波路に備わる。このように、モード変換器は、主導波路に限らず副導波路に備わっていてもよい。
入力ポートIP1から入力された光はLP01モードとして出力ポートOPに出力される。入力ポートIP2から入力された光は、主導波路と近接する領域に配置されたモード結合部13−2においてLP01モードからLP11aモードに変換され、出力ポートOPに出力される。入力ポートI3から入力された光は、主導波路と近接する領域に配置されたモード結合部13−3においてLP01モードからLP11aモードに変換され、後段に設置されたモード変換器91−3においてLP11aからLP11bモードに変換され、出力ポートOPに出力される。入力ポートIP4から入力された光は、主導波路と近接する領域に配置されたモード結合部13−4においてLP01モードからLP11aモードに変換され、後段に設置されたモード変換器91−4においてLP11aからLP11bモードに変換され、主導波路と近接する領域に配置されたモード結合部13−5にてLP11bモードからLP21aモードに変換され、出力ポートOPに出力される。
なお、本モード変換器は、5以上のモードを合分波するモード合分波器においても同様に用いることができる。
また、モード変換器が対象とする縮退した異なる空間分布を有するモードはLP11モードに限らず、数1及び数2に記載の条件を満たす限りは、第二高次モード以上(LP21以上)のモードにも適用できる。
また、本実施形態では、本発明に関連する図4に示す溝14の形状が導波路の伝搬方向に変化している例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図3又は図5に示す溝14の形状が、導波路の伝搬方向に円弧状に変化していてもよい。
本発明は情報通信産業に適用することができる。
10:導波路
11:第1導波路
12:第2導波路
13、13―2、13−3、13−4、13−5:モード結合部
14:溝
91、191:モード変換器

Claims (7)

  1. 複数の導波モードの光を伝搬する導波路を備えるモード変換器であって、
    前記複数の導波モードは、異なる空間分布を有する少なくとも一組の縮退したモードを含み、
    前記導波路は、断面の少なくとも一部に溝が形成されており、
    前記溝の形状が、前記導波路における光の伝搬方向に変化していること、
    を特徴とするモード変換器。
  2. 前記導波路における光の伝搬方向がzであり、前記z方向における前記導波路の長さがLであり、前記導波路における前記一組の縮退したモードの伝搬定数がβa及びβbであるとき、前記導波路の長さLは次式を満たすことを特徴とする、
    請求項1に記載のモード変換器。
    Figure 2017044713
  3. 前記導波路の入力部又は出力部の断面形状が、前記溝の形成されていない正方形又は長方形であることを特徴とする、
    請求項1又は2に記載のモード変換器。
  4. 前記溝が前記導波路における光の伝搬方向に曲率を有しており、
    前記導波路の長さが1500μm以上であることを特徴とする、
    請求項1から3のいずれかに記載のモード変換器。
  5. n(nは2以上の整数)以上のモードを伝搬可能な主導波路と、
    前記主導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを前記主導波路に移行させるモード結合部を持つm本(mは1以上の整数)の副導波路と、
    少なくともいずれかの前記モード結合部の後段の前記主導波路に配置された請求項1から4のいずれかに記載のモード変換器と、
    を備えることを特徴とするモード合分波器。
  6. 請求項1から4のいずれかに記載のモード変換器を用いたモード変換方法であって、
    異なる空間分布を有する少なくとも一組の縮退したモードを含む前記複数の導波モードの光を、前記導波路に通過させることで、前記一組の縮退したモードを互いに変換する、
    ことを特徴とするモード変換方法。
  7. 請求項5に記載のモード合分波器を用いたモード合分波方法であって、
    前記モード結合部が、前記副導波路から前記主導波路に移行した光を、異なる空間分布を有する少なくとも一組の縮退したモードのうちの第1のモードに変換し、
    前記モード変換器が、前記主導波路を伝搬する前記第1のモードの光を、前記一組の縮退したモードのうちの前記第1のモードとは異なる第2のモードに変換する、
    モード合分波方法。
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