JP2018146755A - モード合分波器及びモード多重伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】モード多重伝送であっても通信システムの伝送容量及び伝送距離が制限され難いモード合分波器及びモード多重伝送システムを提供する。【解決手段】モード合分波器３０１は、複数の単一モード導波路１２、複数の伝搬モードが伝搬する多モード導波路１１、モード回転子１４、１６、及び単一モード導波路と多モード導波路との合流部１３、１５を組み合わせて構成される。単一モード導波路からの光は多モード導波路の各伝搬モードに分配されて伝送される。【選択図】図１

Description

本開示は、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。

光ファイバ通信システムでは、光ファイバ中で発生する非線形効果やファイバヒューズが問題となり、伝送の大容量化が制限されている。これらの制限を緩和するためには、光ファイバに導波する光の密度を低減する必要があり、非特許文献１に示すように大コアファイバが検討されている。

しかし、曲げ損失低減、単一モード動作領域の拡大、実効断面積の拡大は互いにトレードオフの関係にあり、所定の条件下における実効断面積の拡大量には限界があるという課題があった。そこで、伝送ファイバにマルチモードファイバを用い、伝搬する複数のモードを用いて並列伝送を行うモード多重伝送システムが、飛躍的な大容量化を実現する技術として検討されている（例えば、非特許文献２を参照。）。

モード多重伝送システムにおいては、送信機から発せられる複数の信号を別々のモードとして光ファイバ中を伝搬させるため、モード合分波器が提案されている。これまで、空間光学系やファイバ型など、様々な方式のモード合分波器が提案されているが、ＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ）型のモード合分波器は、低損失・広帯域性を有しており、量産性も優れていることが特徴である（例えば非特許文献３、４を参照。）。

Ｔ． Ｍａｔｓｕｉ， ｅｔ ａｌ．， "Ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｗｉｔｈ Ｕｎｉｆｏｒｍ Ａｉｒ−Ｈｏｌｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｏ Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ ａｎｄ Ｗｉｄｅ−Ｂａｎｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｏｖｅｒ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｂａｎｄｓ"， Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ． ２７， ５４１０−５４１６， ２００９． Ｎ． Ｈａｎｚａｗａ ｅｔ ａｌ．， "Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ １０ ｋｍ ｔｗｏ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅ ｃｏｕｐｌｅｒ"， ＯＦＣ２０１１， ｐａｐｅｒ ＯＷＡ４ （２０１１） Ｎ．Ｈａｎｚａｗａ ｅｔ ａｌ．，"Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｐａｒａｌｌｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｆｏｒ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"、ＯＦＣ２０１２、ＯＴｕ１ｌ．４． Ｎ． Ｈａｎｚａｗａ ｅｔ ａｌ， "Ｍｏｄｅ ｍｕｌｔｉ／ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｗｉｔｈ ｐａｒａｌｌｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ｍｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"， Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ ｖｏｌ．２２， ｐｐ． ２９３２１−２９３３０ （２０１４） Ｋ． Ｓａｉｔｏｈ ｅｔ ａｌ．， "ＰＬＣ−ｂａｓｅｄ ＬＰ１１ ｍｏｄｅ ｒｏｔａｔｏｒ ｆｏｒ ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"， Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ， ｖｏｌ．２２， ｐｐ．１９１１７−１９１３０ （２０１４）． Ｔ． Ｏｈａｒａ ｅｔ ａｌ．， "Ｏｖｅｒ−１０００−Ｃｈａｎｎｅｌ Ｕｌｔｒａｄｅｎｓｅ ＷＤＭ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｗｉｔｈ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ Ｍｕｌｔｉｃａｒｒｉｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ"， ＩＥＥＥ Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ． ２４， ｐｐ．２３１１−２３１７ （２００６） Ｎ．Ｈａｎｚａｗａ ｅｔ ａｌ．， "Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＬＣ−ｂａｓｅｄ ｓｉｘ−ｍｏｄｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ｆｏｒ ｍｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ" ＥＣＯＣ２０１５， ｐａｐｅｒ ＩＤ ０１４５ （２０１５） Ｒ． Ｒｙｆ ｅｔ ａｌ．， "Ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｏｖｅｒ ９６ ｋｍ ｏｆ ｆｅｗ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｕｓｉｎｇ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ６×６ ＭＩＭＯ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ"， Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ． ３０， ｐｐ． ５２１−５３１ （２０１２）．

しかしながら、複数のモードが伝搬する伝送路では、モード間で伝送損失、波長分散、偏波分散などの光学特性も異なる。このため、送信機から発せられる複数の信号を別々のモードとして光ファイバ中を伝搬させるモード多重伝送システムは、送信信号間の伝送品質差が大きくなり、通信システムの伝送容量及び伝送距離が制限されるという課題がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決すべく、モード多重伝送であっても通信システムの伝送容量及び伝送距離が制限され難いモード合分波器及びモード多重伝送システムを提供することを目的とする。

本願の発明者は、いずれのポートに入力された信号光も伝送路で伝送可能な全てのモードに分散させることができるモード合分波器の構造を見出すことができた。

本発明に係る第１のモード合分波器は、分波側のポート１、ポート２及びポート３からの光を合波側のポート４に合波し、前記ポート４からの光を前記ポート１、前記ポート２及び前記ポート３へ分波する平面光回路型のモード合分波器であって、
基板と、
前記基板上に形成され、一端が前記ポート４に接続する３モード導波路と、
前記基板上に形成され、前記３モード導波路の他端と前記ポート１及び前記ポート２とをそれぞれ単一モード導波路で接続し、該単一モード導波路それぞれのＬＰ０１モードと前記３モード導波路のＬＰ０１モード及びＬＰ１１ａモードとを変換する第１合分波部と、
前記基板上に形成され、前記一端と前記他端との間の前記３モード導波路と前記ポート３とを単一モード導波路で接続し、該単一モード導波路のＬＰ０１モードと前記３モード導波路のＬＰ０１モード及びＬＰ１１ａモードとを変換する第２合分波部と、
前記第１合分波部と前記第２合分波部との間の前記３モード導波路に形成され、ＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードとの間で全てのパワーが交換する第１モード回転子と、
前記第２合分波部と前記ポート４との間の前記３モード導波路に形成され、ＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードとの間で半分のパワーが交換する第２モード回転子と、
を備えることを特徴とする。

本発明に係る第２のモード合分波器は、分波側のポート１、ポート２、ポート３及びポート４からの光を合波側のポート５に合波し、前記ポート５からの光を前記ポート１、前記ポート２、前記ポート３及び前記ポート４へ分波する平面光回路型のモード合分波器であって、
基板と、
前記基板上に形成され、一端と他端との間にＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードとの間で全てのパワーが交換するモード回転子を有する第１の３モード導波路、及び
前記基板上に形成され、前記第１の３モード導波路の他端と前記ポート１及び前記ポート２とをそれぞれ単一モード導波路で接続し、該単一モード導波路それぞれのＬＰ０１モードと前記第１の３モード導波路のＬＰ０１モード及びＬＰ１１ａモードとを変換する第１合分波部、を有する第１アームと、
前記基板上に形成され、一端と他端との間にＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードとの間で全てのパワーが交換するモード回転子を有する第２の３モード導波路、及び
前記基板上に形成され、前記第２の３モード導波路の他端と前記ポート３及び前記ポート４とをそれぞれ単一モード導波路で接続し、該単一モード導波路それぞれのＬＰ０１モードと前記第２の３モード導波路のＬＰ０１モード及びＬＰ１１ａモードとを変換する第２合分波部、を有する第２アームと、
前記基板上に形成され、一端が前記ポート５に接続する４モード導波路と、
前記基板上に形成され、前記４モード導波路の他端と前記第１アームの前記第１の３モード導波路の一端及び前記第２アームの前記第２の３モード導波路の一端とを接続し、前記第１の３モード導波路及び前記第２の３モード導波路のＬＰ０１モードと前記４モード導波路のＬＰ０１モード及びＬＰ１１ａモードとを変換し、前記第１の３モード導波路及び前記第２の３モード導波路のＬＰ１１ｂモードと前記４モード導波路のＬＰ１１ｂモード及びＬＰ２１ａモードとを変換する第３合分波部と、
を備えることを特徴とする。

本発明に係る第３のモード合分波器は、
２つの第１のモード合分波器と、
前記基板上に形成され、一端が合波側のポート５に接続し、一端側の正方形状の断面を他端側の非正方形状の断面に変換し、ＬＰ２１ｂ及びＬＰ０２のモードとＥ１３及びＥ３１モードとを変換とするテーパ部を有する６モード導波路と、
前記基板上に形成され、前記６モード導波路の他端とそれぞれの前記第１のモード合分波器の前記ポート４とを接続し、前記３モード導波路のＬＰ０１モードと前記６モード導波路のＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード及びＬＰ２１ｂモードとを変換し、前記３モード導波路のＬＰ１１ａモードと前記６モード導波路のＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード、Ｅ１３モード及びＥ３１モードとを変換し、前記３モード導波路のＬＰ１１ｂモードと前記６モード導波路のＬＰ１１ｂモード及びＬＰ２１ａモードとを変換する第４合分波部と、
を備えることを特徴とする。

本発明に係る第４のモード合分波器は、
基板上に形成された分波側のｎ（ｎは３以上の整数）本の単一モード導波路と、
前記基板上に形成された合波側のｎモード導波路と、
前記単一モード導波路をｍ（ｍは２以上の整数）のグループに分け、前記単一モード導波路を前記グループ内で前記基板に水平方向に隙間なく並列し、且つ前記単一モード導波路を前記グループ毎に前記基板からの高さを違えて隙間なく積層し、前記ｎモード導波路に接続する合分波部と、
を備える。
ここで、第４のモード合分波器は、ｎとｍの組み合わせ（ｎ，ｍ）が、（３，２）または（６，２）であることを特徴とする。

入力する信号光のポート間差を低減するために、本発明に係る第１から第４のモード合分波器は、前記分波側から入射する単一モードの信号光が、合波側の全ての導波モードへ−２５ｄＢ以上で結合することを特徴とする。

本発明に係るモード多重伝送システムは、
互いの合波側のポートをマルチモードファイバで接続した、第１から第４のモード合分波器２つと、
前記モード合分波器の分波側の各ポートに接続された複数の送受信器と、
を備える。

本発明は、モード多重伝送であっても通信システムの伝送容量及び伝送距離が制限され難いモード合分波器及びモード多重伝送システムを提供することができる。

本発明に係る第1のモード合分波器を説明する図である。 導波路におけるモードの電界分布を説明する図である。 モード回転子の構造を説明する図である。 本発明に係る第1のモード合分波器の設計パラメータの例である。 本発明に係る第1のモード合分波器の設計パラメータの定義である。 本発明に係る第1のモード合分波器の損失特性を説明する図である。 本発明に係る第1のモード合分波器の損失特性についての波長依存性を説明する図である。 本発明に係る第1のモード合分波器のパワー比率の波長依存性を説明する図である。 本発明に係る第２のモード合分波器を説明する図である。 本発明に係る第２のモード合分波器の設計パラメータの例である。 本発明に係る第２のモード合分波器の各ポートから光を入射したときの出力モードパワー比率を説明する図である。 本発明に係る第３のモード合分波器を説明する図である。 本発明に係る第３のモード合分波器の設計パラメータの例である。 本発明に係る第３のモード合分波器の各ポートから光を入射したときの出力モードパワー比率を説明する図である。 本発明に係る第４のモード合分波器を説明する図である。 本発明に係る第４のモード合分波器の設計パラメータの定義である。 本発明に係る第４のモード合分波器の設計パラメータの例である。 本発明に係る第４のモード合分波器の各ポートから光を入射したときの出力モードパワー比率を説明する図である。 本発明に係るモード多重伝送システムを説明する図である。

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。

（実施形態１）
図１（Ａ）は、第１のモード合分波器３０１を説明する図である。モード合分波器３０１は３モード合分波器である。モード合分波器３０１は、分波側のポートP１、ポートP２及びポートP３からの光を合波側のポートP４に合波し、ポートP４からの光をポートP１、ポートP２及びポートP３へ分波する平面光回路型のモード合分波器であって、
基板１０と、
基板１０上に形成され、一端がポートP４に接続する３モード導波路１１と、
基板１０上に形成され、３モード導波路１１の他端とポートP１及びポートP２とをそれぞれ単一モード導波路１２で接続し、該単一モード導波路１２それぞれのＬＰ０１モードと３モード導波路１１のＬＰ０１モード及びＬＰ１１ａモードとを変換する第１合分波部１３と、
基板１０上に形成され、前記一端と前記他端との間の３モード導波路１１とポートP３とを単一モード導波路１２で接続し、該単一モード導波路１２のＬＰ０１モードと３モード導波路１１のＬＰ０１モード及びＬＰ１１ａモードとを変換する第２合分波部１５と、
第１合分波部１３と第２合分波部１５との間の３モード導波路１１に形成され、ＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードとの間で全てのパワーが交換する第１モード回転子１４と、
第２合分波部１５とポートＰ４との間の３モード導波路１１に形成され、ＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードとの間で半分のパワーが交換する第２モード回転子１６と、
を備えることを特徴とする。

第１合分波部１３は、２つの単一モード導波路１２が合流し、３モード導波路１１となるＹ字型合流部である。第２合分波部１５は、１つの単一モード導波路１２がさらに３モード導波路１１に合流するＹ字型合流部である。第１合分波部１３と第２合分波部１５の後段にＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂモード間を交換するモード回転子（１４、１６）をそれぞれ有する。

第１合分波部１３は、入力導波路構造が略等しく設計されている。各単一モード導波路１２を伝搬してきたＬＰ０１モードは、３モード導波路１１のＬＰ０１およびＬＰ１１ａモードに分かれてそれぞれ合波される。この時、Ｙ字型合流部の導波構造は、水平方向の構造のみが変化するため、第１合分波部１３ではＬＰ０１モードからＬＰ１１ｂモードヘは結合しない。これは、ＬＰ０１モードから結合するモードは、導波路の水平方向に２つのピークを持つＬＰ１１ａモードであり、垂直方向に２つのピークを持つＬＰ１１ｂモードはどのモードとも結合しないためである（例えば、非特許文献４を参照。）。各種モードの電界分布は図２に示す。

第１合分波部１３を通過したＬＰ１１ａモードは、全てのパワーがモード回転子１４においてＬＰ１１ｂモードに変換される。これは、次の理由による。第２合分波部１５では、ポートＰ３から入射されたＬＰ０１モードの光がＬＰ０１及びＬＰ１１ａモードとして３モード導波路１１に合流する。このため、第２合分波部１５では、第１合分波部１３から伝搬してきたＬＰ０１及びＬＰ１１ａモードと、ポートＰ３から単一モード導波路１２を伝搬してきたＬＰ０１モードの計３種の入射パターンに対して、合流後にＬＰ０１とＬＰ１１ａモードの計２種のモードにしか結合できない。これは、第２合分波部１５において損失が生ずることになる。

そこで、第１合分波部１３から伝搬してきたＬＰ１１ａモードをモード回転子１４によりＬＰ１１ｂモードに変換する。第２合分波部１５においては、入力３モード導波路１１と出力３モード導波路１１の構造が略等しいため、３モード導波路１１から伝搬してきたＬＰ０１モード及びＬＰ１１ｂモードは、モード変換されずに第２合分波部１５を伝搬する。一方で、ポートＰ３から単一モード導波路１２を伝搬してきたＬＰ０１モードは、第２合分波部１５において、ＬＰ０１モード及びＬＰ１１ａモードに分かれて合波される。

最後に、第２合分波部１５の後に設置されたＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードのパワーの半分を変換するモード回転子１６により、各ポートから入射された信号のパワーは、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂモードの全てに分配され、合波される。つまり、図１（Ｂ）に記載するように、ポートＰ１及びＰ２から入射されたＬＰ０１モードの光は全ての伝搬モード（ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ）に分配され、３モード導波路１１のポートＰ４に合波されることになる。なお、第２合分波部１５も同様に、Ｐ３から入射されたＬＰ０１モードの光は全ての伝搬モード（ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ）に分配され、３モード導波路１１のポートＰ４に合波されることになる。

図３は、モード回転子（１４、１６）の構造を示す。モード回転子は、導波路の幅ｗ、高さｈを有する導波路であり、断面の少なくとも一部に溝を設けたトレンチ層を備える。図３においては、導波路の上面端に深さｈｔ、幅ｗｔのトレンチがある例を示しているが、溝の位置、形状は任意である。

この時、モード回転子におけるＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードの伝搬定数をβａ及びβｂとしたとき、モード回転子の長さＬが
（βａ―βｂ）Ｌ＝π （式１）
となるように調整すると、モード交換器に入力したＬＰ１１ａまたはＬＰ１１ｂモードが出力端でＬＰ１１ｂまたはＬＰ１１ａに変換される（例えば、非特許文献５を参照。）。

また、モード回転子の長さＬが
（βａ―βｂ）Ｌ＝π／２ （式２）
であるとき、ＬＰ１１ａまたはＬＰ１１ｂモードの半分のパワーが、他方のモードに変換される。

図４は、モード合分波器３０１の設計パラメータの例を説明する図である。各種構造パラメータ―変数の定義は図５に記載している。図５（Ａ)はモード合分波器３０１を上面から見た図であり、図５（Ｂ)はモード回転子（１４、１６）の断面図である。図６は、モード合分波器３０１の挿入損失の計算結果を説明する図である。何れのポートから入射した光でも、３つのモードに分配されていることがわかる。全ポートで損失は０．２ｄＢ以下である。モードパワー比は、ポートＰ３から入射した光のＬＰ０１モードパワーが最も少なく、１０％程度となっている。

図７は、モード合分波器３０１における損失の波長依存性の計算結果を示している。モード合分波器３０１は、従来技術の平行導波路を用いたＰＬＣ型モード合分波器と比較して非常に広い低損失動作帯域を有している。図８は、モード合分波器３０１における各波長帯のモードパワー比を示している。波長が変わった場合においても、各ポートから入射された光は全モードへ分配されており、そのモード分配比も波長に対して大きく変化していないことがわかる。

なお、ポートＰ４からモード多重された信号を入射すると、各ポートＰ１〜３に分波され、モード合分波器３０１をモード分波器として用いることができる。このときの損失特性及び波長特性は図６及び図７と同じである。

ところで、光通信システムでパワーペナルティを１ｄＢ以下にするためには、非特許文献６に記載の通り信号間クロストークは−２６ｄＢ以下としなければならない。
しかし、本実施形態では、モード合分波器におけるモード分配については受信側のＭＩＭＯ信号処理で補償可能であるため、信号間のクロストークは−２６ｄＢ以下とする必要はない。むしろ、−２６ｄＢ以下のモード分配比では、信号間品質差を低減することができない。よって、信号品質差を低減するために有意なモードの最低分配比としては−２５ｄＢ以上であると考えられる。本実施形態のモード合分波器は、信号間の品質差を低減するために、モードの分配比が−２５ｄＢ以上となるように各パラメータを設計する必要がある。

（実施形態２）
図９（Ａ）は、第２のモード合分波器３０２を説明する図である。モード合分波器３０２は４モード合分波器である。モード合分波器３０２は、分波側のポートＰ１、ポートＰ２、ポートＰ３及びポートＰ４からの光を合波側のポートＰ５に合波し、ポートＰ５からの光をポートＰ１、ポートＰ２、ポートＰ３及びポートＰ４へ分波する平面光回路型のモード合分波器であって、
基板１０と、
基板１０上に形成され、一端と他端との間にＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードとの間で全てのパワーが交換するモード回転子２２ａを有する第１の３モード導波路２１ａ、及び
基板１０上に形成され、第１の３モード導波路２１ａの他端とポートＰ１及びポートＰ２とをそれぞれ単一モード導波路１２で接続し、該単一モード導波路１２それぞれのＬＰ０１モードと第１の３モード導波路２１ａのＬＰ０１モード及びＬＰ１１ａモードとを変換する第１合分波部２３ａ、を有する第１アーム１００ａと、
基板１０上に形成され、一端と他端との間にＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードとの間で全てのパワーが交換するモード回転子２２ｂを有する第２の３モード導波路２１ｂ、及び
基板１０上に形成され、第２の３モード導波路２１ｂの他端とポートＰ３及びポートＰ４とをそれぞれ単一モード導波路１２で接続し、該単一モード導波路１２それぞれのＬＰ０１モードと第２の３モード導波路２１ｂのＬＰ０１モード及びＬＰ１１ａモードとを変換する第２合分波部２３ｂ、を有する第２アーム１００ｂと、
基板１０上に形成され、一端がポートＰ５に接続する４モード導波路２５と、
基板１０上に形成され、４モード導波路２５の他端と第１アーム１００ａの第１の３モード導波路２１ａの一端及び第２アーム１００ｂの第２の３モード導波路２１ｂの一端とを接続し、第１の３モード導波路２１ａ及び第２の３モード導波路２１ｂのＬＰ０１モードと４モード導波路２５のＬＰ０１モード及びＬＰ１１ａモードとを変換し、第１の３モード導波路２１ａ及び第２の３モード導波路２１ｂのＬＰ１１ｂモードと４モード導波路２５のＬＰ１１ｂモード及びＬＰ２１ａモードとを変換する第３合分波部２６と、
を備えることを特徴とする。

モード合分波器３０２は、図１に記載のモード合分波器３０１の第１合分波部１３とモード回転子１４の部分を含むモード合分波器（第１アーム１００ａと第２アーム１００ｂ）を２つ有する。そして、第３合分波部２６は、第１アーム１００ａと第２アーム１００ｂのそれぞれの２モード出力をＹ字型合流部で合流し、４モード導波路２５に結合する。

実施形態１で説明した通り、各ポートから入射されたＬＰ０１モードは、第１合分波部２３ａと第２合分波部２３ｂでＬＰ０１とＬＰ１１ａのモードに分配され、３モード導波路（２１ａ、２１ｂ）を伝搬する。第１合分波部２３ａと第２合分波部２３ｂを通過したＬＰ１１ａモードは、その後、モード回転子（２２ａ、２２ｂ）においてＬＰ１１ｂモードに変換される。

第３合分波部２６は、２つの入力導波路構造が略等しいため、ＬＰ０１モードは第１合分波部２３ａや第２合分波部２３ｂと同様にＬＰ０１モードとＬＰ１１ａモードに分配される。ＬＰ１１ｂモードは、結合し得るモードがＬＰ２１ａモードであるため（例えば、非特許文献４を参照。）、ＬＰ１１ｂとＬＰ２１ａモードに分配される。

結果として、図９（Ｂ）のようにポートＰ１〜Ｐ４から入射されたＬＰ０１モードの光は、全ての伝搬モード（ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ）に分配され、４モード導波路２５のポートＰ５に合波されることになる。

図１０は、モード合分波器３０２の設計パラメータの例を説明する図である。図１１は、モード合分波器３０２の挿入損失の計算結果を説明する図である。本構造は、Ｙ合流部が全て対象構造であるため、いずれのポートから入射した光も同じ損失特性が得られる。結果より、４つのモード全てにパワーがほぼ等分配されており、４モードの何れにも結合しない損失は０．５ｄＢと非常に低損失である。

なお、ポートＰ５から４モード多重された信号を入射すると、各ポートＰ１〜４に分波され、モード合分波器３０２をモード分波器として用いることができる。このときの損失特性及び波長特性は図１１と同じである。

（実施形態３）
図１２（Ａ）は、第３のモード合分波器３０３を説明する図である。モード合分波器３０３は６モード合分波器である。モード合分波器３０３は、
２つの、モード合分波器３０１と、
基板１０上に形成され、一端が合波側のポートＰ５に接続し、一端側の正方形状の断面を他端側の非正方形状の断面に変換し、ＬＰ２１ｂ及びＬＰ０２のモードとＥ１３及びＥ３１モードとを変換とするテーパ部３２を有する６モード導波路３１と、
基板１０上に形成され、６モード導波路３１の他端とそれぞれのモード合分波器３０１のポートＰ４とを接続し、３モード導波路１１のＬＰ０１モードと６モード導波路３１のＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード及びＬＰ２１ｂモードとを変換し、３モード導波路１１のＬＰ１１ａモードと６モード導波路３１のＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード、Ｅ１３モード及びＥ３１モードとを変換し、３モード導波路１１のＬＰ１１ｂモードと６モード導波路３１のＬＰ１１ｂモード及びＬＰ２１ａモードとを変換する第４合分波部３３と、
を備える。

モード合分波器３０３は、図１に記載のモード合分波器３０１を２つ備え、それぞれのポート４の出力を６モード導波路３１に合流するＹ字型合流部の第４合分波部３３を有する。
モード合分波器３０１のポート４から出力するＬＰ０１モードは、第４合分波部３３においてＬＰ０１、ＬＰ１１ａまたはＬＰ２１ｂと結合する。
モード合分波器３０１のポート４から出力するＬＰ１１ａモードは、第４合分波部３３において、ＬＰ０１、Ｅ１３又はＥ３１モードと結合する。
モード合分波器３０１のポート４から出力するＬＰ１１ｂモードは、第４合分波部３３において、ＬＰ１１ｂまたはＬＰ２１ａと結合する。
結合モードの関係については、非特許文献７に記載の通りである。

なお、非特許文献７に記載の通り、非正方形状の導波路においては、ＬＰ２１ｂ及びＬＰ０２モードに対応した導波モードはＥ１３及びＥ３１モードであり、６モード導波路３１の最後（ポートＰ５前段）に、非正方形状導波路を正方形状に変換するテーパー部３２を設けることで、ＬＰ２１ｂ及びＬＰ０２モードを得ることができる。

結果として、図１２（Ｂ）のようにポートＰ１〜Ｐ６から入射されたＬＰ０１モードの光は、全ての伝搬モード（ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ、ＬＰ２１ｂ、ＬＰ０２）に分配され、６モード導波路３１のポートＰ５に合波されることになる。

図１３は、モード合分波器３０３の設計パラメータの例を説明する図である。図１４は、モード合分波器３０３の挿入損失の計算結果（一方のモード合分波部３０１側）を説明する図である。本構造は、第４合分波部３３が全て対象構造であるため、他方のモード合分波部３０１側のポートＰ１〜Ｐ３から入射した場合においても同じ損失特性が得られる。図１４より、モード合分波器３０３は、ポートＰ１〜Ｐ３から入力した光を６つのモード全てにパワーが５％以上で分配している。モード合分波器３０３は、入力した光が６モードの何れにも結合しない損失が最大でも１．３５ｄＢと非常に低損失である。

（実施形態４）
図１５は、第４のモード合分波器３０４を説明する図である。モード合分波器３０４はｎ（ｎは３以上の整数）モード合分波器である。モード合分波器３０４は、
基板１０上に形成された分波側のｎ（ｎは３以上の整数）本の単一モード導波路１２と、
基板１０上に形成された合波側のｎモード導波路４１と、
単一モード導波路１２をｍ（ｍは２以上の整数）のグループに分け、単一モード導波路１２を前記グループ内で基板１０に水平方向に隙間なく並列し、且つ単一モード導波路１２を前記グループ毎に基板１０からの高さを違えて隙間なく積層し、ｎモード導波路４１に接続する合分波部４３と、
を備える。

特に、モード合分波器３０４は、
ｎモード導波路４１の基板１０に垂直な方向の厚みが単一モード導波路１２の基板１０に垂直な方向の厚みのｍ（ｍは２以上の整数）倍であり、
ｎモード導波路４１の基板１０に水平な方向の幅が単一モード導波路１２の基板１０に水平な方向の幅のｎ／ｍ倍であり、
単一モード導波路１２は、ｎ／ｍ本づつｍのグループに分けられ、前記グループ内で基板１０に水平方向に隙間なく並列され、且つ前記グループ毎に基板１０からの高さを違えて隙間なく積層され、ｎモード導波路４１に接続している
ことが好ましい。

モード合分波器３０４は、ｎ本の単一モード導波路１２が合流し、一つのｎモード導波路４１となるＹ字型合流部の合分波部４３を有する。合分波部４３では、ｎ本の単一モード導波路１２が平面導波路の高さ方向の位置が等しいｍ種（ｍは２以上）のグループに分けられている。図１５では、ｎは６、ｍは２の６モード合分波器である。

図１６は、モード合分波器３０４の設計パラメータの定義を説明する図である。図１７は、モード合分波器３０４の設計パラメータの例を説明する図である。各単一モード導波路１２の幅及び高さは同じとし、ｍ＝２であるため、各単一モード導波路１２の高さは、６モード導波路４１の半分の値である。

図１８は、モード合分波器３０４の挿入損失の計算結果を説明する図である。何れのポートから入射した光でも、６つのモードに分配されていることがわかる。全ポートで損失は０．２ｄＢ以下である。結果より、いずれの単一モード導波路１２の光も６モード導波路４１の６つのモード全てにパワーが分配されていることがわかる。６モードの何れにも結合しない損失は最大でも１．３ｄＢと非常に低損失である。また、何れのポートから入射しても、何れのモードに−２０ｄＢ以上のパワーが分配されている。

モード合分波器３０４のｎとｍの組み合わせは自由に設定することができる。図１５のｎ＝６、ｍ＝２の組み合わせの他に、例えば、ｎ＝３、ｍ＝２や、ｎ＝１０、ｍ＝２又はｍ＝３なども考えられる。なお、本実施形態では全ての単一モード導波路１２が合波部４３で均等に６モード導波路４１に接続する例を説明したが、ｎ＝３、ｍ＝２や、ｎ＝１０、ｍ＝２又はｍ＝３の場合のように、各単一モード導波路１２は合波部４３で常に均等にｎモード導波路４１に接続するわけではない。

（実施形態５）
図１９は、本実施形態のモード多重伝送システム４０１を説明する図である。モード多重伝送システム４０１は、
互いの合波側のポートをマルチモードファイバ５０で接続した、２つのモード合分波器３１０と、
モード合分波器３１０の分波側の各ポートに接続された複数の送受信機（５５、５６）と、
を備える。

モード合分波器３１０は、実施形態１から４で説明したモード合分波器３０１〜３０４のいずれかである。マルチモードファイバ５０は、モード合分波器３０１〜３０４が合分波可能なモード数以上の伝搬モード数を有する。送受信機５５と送受信機５６は、送受信する波長毎にグループを形成している。つまり、モード多重伝送システム４０１は、波長多重通信システムでもある。

モード合分波器３１０が信号を全てのモードに分配して伝搬するため、送受信機５５と送受信機５６は、信号受信後に信号間クロストークを補償するためのＭＩＭＯ信号処理部を備えている。ＭＩＭＯ信号処理部は、複数のＦＩＲフィルタから構成されており、例えばディジタル信号処理を用いたＭＩＭＯ等化器は非特許文献８に記載のものが利用できる。

（他の実施形態）
なお、本明細書においてはＳｉＯ２系材料（石英系材料）を用いた平面光波回路に関する実施例を記載したが、その材料は当然ほかのものであってもかまわない。たとえば、Ｓｉ系やＩｎＧａＡｓＰなどの半導体、またポリマーなどの有機物を用いた平面光波回路であっても、本明細書記載の実施例と同様の効果を得ることができる。

また、使用する波長帯に関しても、本明細書記載の実施例では１．５〜１．６μｍ程度としているが、より波長の長い中赤外領域（２μｍ以上）や可視光帯であっても構わない。

（発明の効果）
本発明のモード合分波器は、モード多重システムにおける信号品質差を低減できる。
本発明のモード合分波器は、ＰＬＣ型であり、低損失特性を有する。

本発明は情報通信産業に適用することができる。

１０：基板
１１：３モード導波路
１２：単一モード導波路１２
１３：第１合分波部
１４：第１モード回転子
１５：第２合分波部
１６：第２モード回転子
２１ａ、２１ｂ：３モード導波路
２２ａ、２２ｂ：モード回転子
２３ａ：第１合分波部
２３ｂ：第２合分波部
２５：４モード導波路
２６：第３合分波部
３１：６モード導波路
３２：テーパ部
３３：第４合分波部
４１：ｎモード導波路
４３：合分波部
５５、５６：送受信機
１００ａ：第１アーム
１００ｂ：第２アーム
３０１〜３０４、３１０：モード合分波器
４０１：モード多重伝送システム

Claims (7)

1. 分波側のポート１、ポート２及びポート３からの光を合波側のポート４に合波し、前記ポート４からの光を前記ポート１、前記ポート２及び前記ポート３へ分波する平面光回路型のモード合分波器であって、
   基板と、
   前記基板上に形成され、一端が前記ポート４に接続する３モード導波路と、
   前記基板上に形成され、前記３モード導波路の他端と前記ポート１及び前記ポート２とをそれぞれ単一モード導波路で接続し、該単一モード導波路それぞれのＬＰ０１モードと前記３モード導波路のＬＰ０１モード及びＬＰ１１ａモードとを変換する第１合分波部と、
   前記基板上に形成され、前記一端と前記他端との間の前記３モード導波路と前記ポート３とを単一モード導波路で接続し、該単一モード導波路のＬＰ０１モードと前記３モード導波路のＬＰ０１モード及びＬＰ１１ａモードとを変換する第２合分波部と、
   前記第１合分波部と前記第２合分波部との間の前記３モード導波路に形成され、ＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードとの間で全てのパワーが交換する第１モード回転子と、
   前記第２合分波部と前記ポート４との間の前記３モード導波路に形成され、ＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードとの間で半分のパワーが交換する第２モード回転子と、
   を備えることを特徴とするモード合分波器。
2. 分波側のポート１、ポート２、ポート３及びポート４からの光を合波側のポート５に合波し、前記ポート５からの光を前記ポート１、前記ポート２、前記ポート３及び前記ポート４へ分波する平面光回路型のモード合分波器であって、
   基板と、
   前記基板上に形成され、一端と他端との間にＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードとの間で全てのパワーが交換するモード回転子を有する第１の３モード導波路、及び
   前記基板上に形成され、前記第１の３モード導波路の他端と前記ポート１及び前記ポート２とをそれぞれ単一モード導波路で接続し、該単一モード導波路それぞれのＬＰ０１モードと前記第１の３モード導波路のＬＰ０１モード及びＬＰ１１ａモードとを変換する第１合分波部、を有する第１アームと、
   前記基板上に形成され、一端と他端との間にＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードとの間で全てのパワーが交換するモード回転子を有する第２の３モード導波路、及び
   前記基板上に形成され、前記第２の３モード導波路の他端と前記ポート３及び前記ポート４とをそれぞれ単一モード導波路で接続し、該単一モード導波路それぞれのＬＰ０１モードと前記第２の３モード導波路のＬＰ０１モード及びＬＰ１１ａモードとを変換する第２合分波部、を有する第２アームと、
   前記基板上に形成され、一端が前記ポート５に接続する４モード導波路と、
   前記基板上に形成され、前記４モード導波路の他端と前記第１アームの前記第１の３モード導波路の一端及び前記第２アームの前記第２の３モード導波路の一端とを接続し、前記第１の３モード導波路及び前記第２の３モード導波路のＬＰ０１モードと前記４モード導波路のＬＰ０１モード及びＬＰ１１ａモードとを変換し、前記第１の３モード導波路及び前記第２の３モード導波路のＬＰ１１ｂモードと前記４モード導波路のＬＰ１１ｂモード及びＬＰ２１ａモードとを変換する第３合分波部と、
   を備えることを特徴とするモード合分波器。
3. ２つの、請求項１に記載のモード合分波器と、
   前記基板上に形成され、一端が合波側のポート５に接続し、一端側の正方形状の断面を他端側の非正方形状の断面に変換し、ＬＰ２１ｂ及びＬＰ０２のモードとＥ１３及びＥ３１モードとを変換とするテーパ部を有する６モード導波路と、
   前記基板上に形成され、前記６モード導波路の他端とそれぞれの前記請求項１に記載のモード合分波器の前記ポート４とを接続し、前記３モード導波路のＬＰ０１モードと前記６モード導波路のＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード及びＬＰ２１ｂモードとを変換し、前記３モード導波路のＬＰ１１ａモードと前記６モード導波路のＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード、Ｅ１３モード及びＥ３１モードとを変換し、前記３モード導波路のＬＰ１１ｂモードと前記６モード導波路のＬＰ１１ｂモード及びＬＰ２１ａモードとを変換する第４合分波部と、
   を備えることを特徴とするモード合分波器。
4. 基板上に形成された分波側のｎ（ｎは３以上の整数）本の単一モード導波路と、
   前記基板上に形成された合波側のｎモード導波路と、
   前記単一モード導波路をｍ（ｍは２以上の整数）のグループに分け、前記単一モード導波路を前記グループ内で前記基板に水平方向に隙間なく並列し、且つ前記単一モード導波路を前記グループ毎に前記基板からの高さを違えて隙間なく積層し、前記ｎモード導波路に接続する合分波部と、
   を備える平面光回路型のモード合分波器。
5. ｎとｍの組み合わせ（ｎ，ｍ）が、（３，２）または（６，２）であることを特徴とする請求項４に記載のモード合分波器。
6. 前記分波側から入射する単一モードの信号光が、合波側の全ての導波モードへ−２５ｄＢ以上で結合することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のモード合分波器。
7. 互いの合波側のポートをマルチモードファイバで接続した、２つの、請求項１から６のいずれかに記載のモード合分波器と、
   前記モード合分波器の分波側の各ポートに接続された複数の送受信器と、
   を備えるモード多重伝送システム。