JP2020148968A - モード間損失差補償デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、ＬＰ１１モードにはほとんど損失を与えず、ＬＰ０１モードに対する損失を設定可能にする、モード間損失差補償デバイスの提供を目的とする。【解決手段】本開示は、導波路１０１、導波路１０２の２つの導波路と、２つの導波路１０１、１０２を近接させた結合部１０３、１０４と、２つの結合部１０３、１０４の間に配置されかつ導波路１０１及び導波路１０２に遅延差を発生させる遅延部２０１と、を備えるモード間損失補償デバイスにおいて、結合部１０３、１０４の平行導波路長Ｌｃを制御し、結合部１０３、１０４のモード間の結合効率を変更し、遅延部２０１の導波路長（Ｌｄ及びＬｍ）及び導波路１０１又は１０２の導波路の屈折率を変化させることで遅延部２０１における導波路間位相差Δθを生じさせ、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとでモード間損失差を付与する。【選択図】図６

Description

本開示は、２モード光ファイバを利用するモード多重伝送システムにおいて、ＬＰ０１モード又はＬＰ１１モードを対象とし、ＬＰ０１及びＬＰ１１モードの損失差を制御するデバイスに関する。

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（例えば非特許文献３，４参照。）。

一方で、上記のモード多重伝送システムにおいては、伝送ファイバ中やモード合分波器において生じるモード間の損失差によって、伝送品質が劣化してしまうという課題があった。本課題を解決するために、モード依存損失（ＭＤＬ）補償デバイスが検討されている（例えば非特許文献５、６参照。）。

しかしながら、これまで検討されているＭＤＬ補償デバイスは、例えば非特許文献５に記載のものは空間光学系を用いており、内挿する空間フィルタによりモード間損失差補償量が固定値に限定され、空間光学系であるためにデバイスのサイズが大きくなってしまうという課題があった。また、空間フィルタにおいては、モードの電界分布の形状差を利用して基本モードに対してより高い損失を与えるものであるが、フィルタ自身が損失媒体であるため、高次モードであるＬＰ１１モードに対しても損失を与えてしまうことが課題であった。

非特許文献６に記載の方法では、モード間損失差を補償するために、伝送路途中でモード合分波器を挿入し、モードを交換することでモード間（チャネル間）の損失差を補償する。モード合分波器は、特定のモードに損失を与える機能は備えていないため、１個のデバイス挿入でモード間損失差を補償することができない。このため、モード合分波器といった追加のデバイスが必要であり、デバイスの増加に伴うＬＰ１１モードに対する挿入損失の増加が課題であった。

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） Ｔ． Ｍｉｚｕｎｏ ｅｔ ａｌ．， "Ｍｏｄｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｌｏｓｓ ｅｑｕａｌｉｓｅｒ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ＭＤＬ ｏｎ ＰＤＭ−１６ＱＡＭ ｆｅｗ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｒｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，" ＥＣＯＣ２０１５， Ｐ５．９ （２０１５） Ｋ． Ｓｈｉｂａｈａｒａ ｅｔ ａｌ．， "ＤＭＤ−Ｕｎｍａｎａｇｅｄ Ｌｏｎｇ−Ｈａｕｌ ＳＤＭ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｏｖｅｒ ２５００−ｋｍ １２−ｃｏｒｅ × ３−ｍｏｄｅ ＭＣ−ＦＭＦ ａｎｄ ６３００−ｋｍ ３−ｍｏｄｅ ＦＭＦ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｍｏｄａｌ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｃａｎｃｅｌｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，" ＯＦＣ２０１８， ｐａｐｅｒ Ｔｈ４Ｃ．６ （２０１８）

本開示は、ＬＰ１１モードにはほとんど損失を与えず、ＬＰ０１モードに対する損失を設定可能にする、モード間損失差補償デバイスの提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本開示のモード間損失差補償デバイスは、
ＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードを第１の導波路の第１ポートから入射し、
ＬＰ０１モードを結合部において第２の導波路に結合させ、
ＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードを第１の導波路の第３ポートから出射するモード間損失差補償デバイスにおいて、
２つの前記結合部と、
２つの前記結合部の間に配置されている第１及び第２の導波路に導波路長差ΔＬを生じさせる遅延部と、を設ける。
本開示では、結合部の平行導波路長Ｌｃを調整することで、前記第１の導波路を伝搬するＬＰ１１モードの前記第２の導波路への移行を防ぐ。
また本開示では、遅延部で発生する前記第１の導波路と前記第２の導波路の導波路間でのＬＰ０１モードの導波路間位相差Δθを調整することで、第３ポートから出射されるＬＰ０１モードのパワーを減衰させる。
これにより、本開示は、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとのモード間損失差を補償する。

具体的には、本開示のモード間損失差補償デバイスは、
ＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード及びＬＰ１１ｂモードを伝搬可能な第１及び第２の導波路と、
前記第１の導波路及び前記第２の導波路が近接した平行導波路構造を有し、前記第１の導波路を伝搬するＬＰ０１モードと前記第２の導波路を伝搬するＬＰ０１モードとが結合する２つの結合部と、
を備え、
前記２つの結合部における前記第１の導波路及び前記第２の導波路の構造は同一であり、
前記２つの結合部は、前記第１の導波路を伝搬するＬＰ１１ａモード及びＬＰ１１ｂモードの前記第２の導波路への移行を防ぐ平行導波路長を有し、
前記２つの結合部の間に、前記第１の導波路と前記第２の導波路とが導波路長差を有する遅延部を備え、
前記遅延部は、ＬＰ０１モードに対し、前記第１の導波路と前記第２の導波路の導波路との間に、０超π未満の導波路間位相差を生じさせる。

本開示のモード間損失差補償デバイスでは、前記結合部におけるＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード及びＬＰ１１ｂモードの結合長が、それぞれＬ（ＬＰ０１）、Ｌ（ＬＰ１１ａ）、Ｌ（ＬＰ１１ｂ）である場合、ｌ、ｍを正の偶数、ｎを自然数として、前記平行導波路長Ｌｃが数１の関係を満たしてもよい。
ここで、ｍ＝２、ｌ＝６、ｎ＝１を含む。

本開示のモード間損失差補償デバイスでは、前記遅延部は、前記第１の導波路の伝搬定数が前記第２の導波路の伝搬定数よりも小さい形態を含む。

本開示のモード間損失差補償デバイスでは、前記遅延部における前記第１の導波路又は前記第２の導波路の少なくとも一方の屈折率を変化させ、ＬＰ０１モードの前記第１の導波路と前記第２の導波路との導波路間位相差を０超π未満の範囲で可変とする屈折率制御部をさらに備える形態を含む。
ここで、前記屈折率制御部は、導波路に熱を付与し、ＬＰ０１モードの減衰量を制御してもよい。

なお、上記各開示は、可能な限り組み合わせることができる。

本技術によれば、ＬＰ１１モードにはほとんど損失を与えず、ＬＰ０１モードに対する損失を設定可能にする、モード間損失差補償デバイスを提供することができる。

平行導波路を有する２モード合分波器の構成例である。 ２つの導波路の実効屈折率の一例である。 ＬＰ０１モードに損失を与えるための平行導波路構造の例である。 導波路幅と各モードの実効屈折率の変化の計算例である。 各モードの電界分布の例である。 本開示に係るモード間損失差補償デバイスのＬＰ０１モードの移行例である。 本開示に係るモード間損失差補償デバイスのＬＰ１１ａモードの移行例である。 Ｖ値と導波路幅及び高さの比に対して、モード間損失差補償デバイスの条件を満たす構造例である。 本実施形態において用いたパラメータである。 各モードの透過特性の計算例であり、（ａ）はＬＰ０１モードを示し、（ｂ）はＬＰ１１ａモードを示し、（ｃ）はＬＰ１１ｂモードを示す。 導波路長Ｌｍに対するＬＰ０１モードの透過特性の変化の計算例である。 遅延部において導波路幅を変化させた構造例である。 各モードの透過特性の計算例であり、（ａ）はＬＰ０１モードを示し、（ｂ）はＬＰ１１ａモードを示し、（ｃ）はＬＰ１１ｂモードを示す。 実施形態２に係るモード間損失差補償デバイスの構成例である。 実施形態２に係るモード間損失差補償デバイスの第２の構成例である。

以下、本開示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、本開示は、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、本開示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。

（実施形態１）
本開示の第１の実施例について説明する。本開示は、平面導波路を用いたモード間損失差補償デバイスであり、既存のＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）技術を用いることで、量産性の高いコンパクトなデバイスを実現することができる。ＰＬＣを用いたモード制御としては、図１に示す非対称平行導波路型が用いられている。本図では、平行導波路を用いた２モード合分波器の構成を示している。

導波路１０１は、ＬＰ０１及びＬＰ１１モードが伝搬する導波路であって、導波路１０２は、ＬＰ０１モードが伝搬する導波路である。２つの導波路１０１及び１０２は、一部平行に近接している領域（結合部）があり、その部分が結合部２０３として機能する。結合部２０３では、図２に示すように、導波路１０１を伝搬するＬＰ１１モードの実効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）と導波路１０２を伝搬するＬＰ０１モードを伝搬する実効屈折率が一致するよう導波路幅ｗ_１，ｗ_２及び比屈折率差が調整されている。実効屈折率が一致することで、導波路が近接している領域でモード変換が発生し、導波路１０２を伝搬してきた光は導波路１０１に周期的にパワーが移行する。

ここで、結合部２０３の平行導波路長Ｌｃを導波路１０１にパワーが完全に移行するよう調整すると、第２ポートより入射したＬＰ０１モードは、導波路１０１のＬＰ１１モードとして第３ポートへ出射される。一般に、異なるＬＰモード間で実効屈折率を一致させるためには、導波路の構造が同一でない非対称平行導波路構造が必要となる。一方で、第１ポートから入射されたＬＰ０１モードは、基本モードとして導波路１０１を伝搬し、導波路１０１のＬＰ０１モードと導波路１０２のＬＰ０１モードの実効屈折率が一致していないことから、結合部にてモード変換が発生せず、ＬＰ０１モードとして第３ポートへ出射される。結果、第１ポート及び第２ポートに信号を入射することで、第３ポートにおいてＬＰ０１及びＬＰ１１モードの２モードが多重された信号を得ることができ、モード合波器としての機能を実現することができる（詳しい設計手法については非特許文献３を参照のこと）。

また、モード多重されたＬＰ０１及びＬＰ１１モードの光を、第３ポートから入射することで、ＬＰ１１モードを導波路１０２に分離し、ＬＰ０１モードを第１ポート及び第２ポートから出射することができる。これにより、本開示は、モード合波器と同構造で、モード分波器として利用することができる。

本構造でモード間損失差補償を実現しようとすると、例えば結合部２０３の平行導波路長Ｌｃや導波路間隔ｇを制御することで、第１ポートから入射されたＬＰ１１モードが第４ポートにＬＰ０１モードとして結合するため、第３ポートに出射されるＬＰ１１モードのパワーを制御することができ、第１ポートから入射されたＬＰ０１モードに関しては、結合せずに第３ポートに出射されるため、結合部２０３の結合効率を制御することで、任意のモード間損失差を付与することができる。

しかしながら、一般的には伝送ファイバ中やコンポーネントにおいては、基本モードより高次モードの方が損失が高く、モード間損失差補償デバイスとしては、それらの特性とは逆の、基本モードの方が高次モードよりも損失が高くなることが求められるため、本構成は好ましくない。

図３に、基本モードの損失を制御する構成例を示す。本構成では、第１ポート−第３ポートを接続する導波路１０１がＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂモードの３モードを伝搬する導波路であって、第２ポート−第４ポートを接続する導波路１０２がＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂモードの３モード以上を伝搬する導波路である。結合部２０４において、導波路１０１のＬＰ０１モードの実効屈折率と、導波路１０２のＬＰ１１モードの実効屈折率と一致するよう導波路構造を調整し、平行導波路長Ｌｃ及び平行導波路間隔ｇを適切に調整することで、導波路１０１を伝搬してきたＬＰ０１モードを導波路１０２のＬＰ１１モードに結合させ、第３ポートに出射されるＬＰ０１モードのパワーを制御することができる。

しかしながら、本構成においても、基本モードのみに損失を付与することは難しい。図４に、導波路１０１及び１０２の比屈折率Δを１％、導波路高さｈを１０μｍとした時の、導波路幅ｗに対する各モードの実効屈折率ｎ_ｅｆｆの変化を示す。ＬＰ０１モードの実効屈折率とＬＰ１１ａモードの実効屈折率を一致させようとすると、ＬＰ１１ｂモードがＬＰ２１ａモードと結合してしまい、ＬＰ１１モードに対しても損失が生じてしまう。なお、モードと対応する電界分布の対応を図５に示す。

本開示の導波路構造概要を図６及び図７に示す。本構造では、２つの導波路（導波路１０１及び導波路１０２）の構造は同一であり、結合部１０３、１０４においては、導波路１０１のＬＰ０１モードが、導波路１０２のＬＰ０１モードへ、導波路１０１のＬＰ１１ａ／ＬＰ１１ｂモードが、導波路１０２のＬＰ１１ａ／ＬＰ１１ｂモードへ結合する。これは、各導波路において、各モードの実効屈折率が同一であるからである。

ここで、一方の導波路から他方の導波路へ光パワーが完全に移行するために必要な平行導波路の結合長Ｌに関しては、導波路コア部からクラッド部への電界の染みだし量によって決まり、一般に結合長Ｌは、ＬＰ０１、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ１１ａモードの順で短くなる。

本開示では、２つの結合部１０３、１０４を有し、結合部１０３、１０４間の区間で、導波路１０１及び導波路１０２を伝搬する遅延量が異なるよう遅延部２０１を有している。ここで、遅延部２０１によって生じる導波路１０１及び導波路１０２間の遅延量に相当する導波路長差をΔＬとする。

ここで、各結合部１０３、１０４において、ＬＰ０１モードが１：１で分岐され、ＬＰ１１ａおよび、ＬＰ１１ｂモードは、導波してきた導波路から他方の導波路へ光パワーの移行が無いよう、結合部１０３、１０４の平行導波路長Ｌｃを調整するものとする。

この時、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂモードに対する結合長を、Ｌ（ＬＰ０１）、Ｌ（ＬＰ１１ａ）、Ｌ（ＬＰ１１ｂ）とすると、結合部１０３の平行導波路長Ｌｃは、
（数１）
Ｌｃ＝Ｌ（ＬＰ１１ａ）×ｌ
＝Ｌ（ＬＰ１１ｂ）×ｍ
＝Ｌ（ＬＰ０１）×（ｎ＋０．５） （１）
であればよいことになる。

ここで、ｌ、ｍは正の偶数、ｎは０以上の整数である。なお、結合部１０３においては、周期的に導波路間で光パワーが移行され、他方の導波路に光パワーが完全に移行する平行導波路長を結合長Ｌとしている。結合部１０４についても同様である。

Ｌｃは、大きいと波長依存性が大きくなることから、できる限り小さい方が良い。よって、結合長Ｌが最も長いＬＰ０１モードに対して、設計可能な最小の次数となるｎ＝１とする、及び、ＬＰ１１ａモードの結合長よりＬＰ１１ｂモードの結合長が長いことから、ｍ＝２とすることで結合部１０３、１０４の平行導波路長Ｌｃを最小化することができる。なお、次数ｎの最小値は０であるが、設計解が無いため、ｎ＝１が現実的に設定可能な最小の次数である。

ｍ＝２とし、導波路幅ｗを１０μｍ、平行導波路間隔ｇを３μｍとした時の、伝搬モードのＶ値と、導波路高さｈと導波路幅ｗの比率に対して、数１を満たす条件を計算したものを図８に示す。ここで、２本の線は、一方を２Ｌ（ＬＰ１１ｂ）とＬ（ＬＰ１１ａ）の比率が６となる構造及びＶ値の組み合わせ、他方を２Ｌ（ＬＰ１１ｂ）とＬ（ＬＰ０１）の比率が１．５となる構造及びＶ値の組み合わせを示す。つまり、ｌ＝６、ｎ＝１となる条件を示している。結果より、ｖ＝０．９８で、ｈ／ｗを０．９とすることで、数１の条件を満たす導波路を実現することができる。

なお、Ｖ値は

で定義され、λは波長、ｗは導波路幅、ｎ_ｃｏはコアの屈折率、ｎ_ｃｌはクラッドの屈折率を示している。

上記の設計に基づき、モード間損失差補償デバイスの設計を行う。設計パラメータは図９に記載の通りであり、数１を満たすＬｃとして、５４８０μｍとしている。また、本構造とすることで、波長１．５３〜１．５７μｍに対してＶ値はおよそ０．９８となり、ｈ／ｗは０．９となっており、図８の条件を満たしている。

本設計における第１ポートからＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂモードを入射した場合の第３ポートへの透過特性を計算したものを図１０に示す。なお、遅延部２０１の導波路１０２の直線部分（長さＬｍの導波路区間）に熱を付与して、屈折率を変化させた時の特性についても記載している。ＬＰ１１ａモード及びＬＰ１１ｂモードは、ほとんど導波路１０２に光パワーが移行せず、第３ポートへ出射されていることがわかる。ＬＰ０１モードに関しては、結合部１０３、１０４において１：１の比率で導波路１０１と導波路１０２にパワーが分岐されて、２つの結合部１０３、１０４を介した干渉計構造及び遅延部２０１における熱の付与により、入射パワーに対して９０％〜１００％の範囲で第３ポートへの出射パワーの制御が可能となっている。

先に示したＬＰ０１モードの透過特性に関しては、干渉計構造の特性から、遅延部２０１の遅延差によって特性が大きく変化する。先の構造において、Ｌｍを３０００〜１５０００μｍまで変化させ、遅延部２０１の導波路１０２の直線部分（長さＬｍの導波路区間）に熱（＋４０℃）を付与した時のＬＰ０１モードの透過特性を図１１に示す。Ｌｍが変化することで、ＬＰ０１モードの第３ポートへの出射パワーが変化することがわかる。なお、Ｌｍを変化させても、各結合部１０３、１０４においてＬＰ１１モードは他方の導波路へ光パワーが移行しないため、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードに関しては、Ｌｍの変化に対して透過特性は変化せず、図１０のＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードの特性から変化しない。

よって、本開示の構造を用いることで、ＬＰ１１モードに損失を与えず、ＬＰ０１モードにのみ損失を付与することができ、伝送路中で発生するモード間損失差を補償することができる。

ここで、Ｌｍの変化によって、導波路１０１に入射されたＬＰ０１モードが第３ポートから全く出射されない場合は、遅延部２０１におけるＬＰ０１モードの導波路間位相差Δθが０＋（２π×ｊ）（ｊは整数）となる時であり、全ての入射パワーが第３ポートに出射される場合は、導波路間位相差Δθがπ＋（２π×ｋ）（ｋは整数）であり、その間の透過特性を実現する為には、遅延部２０１において０＋（２π×ｈ）〜π＋（２π×ｈ）（ｈは整数）の導波路間位相差Δθとすればよい。

ここで、Ｌｍと導波路間位相差Δθの関係は、遅延部２０１の導波路１０２の直線部分（長さＬｍの導波路区間）に熱などを付与して屈折率を変化させた場合、当該導波路区間における導波路１０１及び１０２間の導波路の屈折率差がΔｎ、伝搬定数差がΔβとなったとすると、

で求められる。
なお、Δδは、熱を付与しない場合において、導波路１０１及び１０２の間で生じる導波路間位相差であり、導波路１０１及び１０２が同一構造である場合は、直線導波区間以外の曲げ部Ｌｄなどによって生じる導波路長差によって生じる位相差である。

導波路１０１及び導波路１０２の構造が同一である場合は、Δｎ＝０であるので、Ｌｍを変化させても透過特性は変化しないが、導波路構造が異なる場合や、片方の導波路のみ、熱などにより屈折率を変化させることで、Ｌｍの変化により導波路間位相差Δθが生じることとなる。ここで、本開示では、結合部１０３及び１０４を備える平行導波路構造を有し、遅延部２０１が曲げ部Ｌｄを備える。このため、本開示は、導波路１０１と１０２が同一構造であっても、遅延部２０１において導波路間位相差Δθは生じる（式３のΔδに相当）。また、熱を付与する部分が曲げ部Ｌｄを包含するように設けられる場合は、Ｌｍ以外にＬｄの形状に依存した導波路間位相差Δθを生じさせることができる。

なお、遅延部２０１における導波路幅は、結合部１０３、１０４及び入出射部の導波路の幅と一致する必要は無く、例えば、図１２に示すように、導波路１０１の遅延部２０１における導波路幅を減少させ、導波路１０２の遅延部２０１における導波路幅を増加させることで、遅延部２０１の各導波路１０１、１０２における伝搬定数を変化させることにより、単位長さあたりで発生する導波路間遅延量を増加させることで、ＬＰ０１モードに損失を与えるために必要なＬｍが小さくなる、又はＬＰ０１モードの損失を変化させるために必要なＬｍ変化量を低減することができ、デバイスのコンパクト化に有効である。

また、材質の屈折率変化には、異なる材料からなる導波路（シリコン導波路など）を遅延部における導波路１０１又は１０２に挿入することでも導波路間位相差Δθを生じさせることもでき、また、曲げなどにより導波路長を変化させることでも導波路間位相差Δθを生じさせることができる。

（実施形態２）
図１２の導波路構造における各モードの透過特性を計算したものを図１３に示す。図１０の結果では、遅延部２０１の導波路１０２の部分への熱の付与によるＬＰ０１モードの透過特性変化は小さいものであったが、図１３の結果では遅延部２０１の導波路１０２の部分への０〜４０°Ｃの変化の範囲においてもＬＰ０１モードの透過特性の変化が生じていることがわかる。

そこで、本実施形態に係るモード間損失差補償デバイスは、図１４に示すように、導波路１０２の少なくとも一部を加熱して屈折率を可変する屈折率制御部１０５を備える。

例えば、屈折率制御部１０５が導波路１０２を２０℃に加熱することで、図１２に示すように、ＬＰ０１モードの入射パワーに対して第３ポートへの出射パワーを９０％にすることができる。屈折率制御部１０５が導波路１０２を４０℃に加熱することで、図１２に示すように、ＬＰ０１モードの入射パワーに対して第３ポートへの出射パワーを略７０％にすることができる。

ここで、遅延部２０１における導波路長差ΔＬを設ける本質的な意味は、２つの導波路１０１及び１０２を伝搬する光波に所望の導波路間位相差Δθを与えることであり、例えば、同一構造であっても、遅延部２０１に屈折率制御部１０５を設けることで遅延部２０１における屈折率を変化させ、実効的な光路長差を変化させることでＬＰ０１モードの透過特性を可変とすることができるようになる。そのため、屈折率制御部１０５は、導波路１０２を加熱するヒータに限らず、電界の印加などの屈折率を変化させうる任意の手段を用いることができる。

なお、本実施形態では、導波路１０２に屈折率制御部１０５が備わる例を示したが、図１５に示すように、本開示は導波路１０１に屈折率制御部１０６をさらに備える構成を含む。このように、導波路１０１に屈折率制御部１０６をさらに備えることで、ＬＰ０１モードの透過特性をさらに変化させることができる。

なお、本開示においてはガラス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形態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形態では１．５３〜１．５７μｍ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。

本開示は、平面導波路デバイスによりモード間の損失差を補償するデバイスである。

１０１、１０２：導波路
１０３、１０４、２０３、２０４：結合部
１０５、１０６：屈折率制御部
２０１：遅延部

Claims (6)

1. ＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード及びＬＰ１１ｂモードを伝搬可能な第１及び第２の導波路と、
   前記第１の導波路及び前記第２の導波路が近接した平行導波路構造を有し、前記第１の導波路を伝搬するＬＰ０１モードと前記第２の導波路を伝搬するＬＰ０１モードとが結合する２つの結合部と、
   を備え、
   前記２つの結合部における前記第１の導波路及び前記第２の導波路の構造は同一であり、
   前記２つの結合部は、前記第１の導波路を伝搬するＬＰ１１ａモード及びＬＰ１１ｂモードの前記第２の導波路への移行を防ぐ平行導波路長を有し、
   前記２つの結合部の間に、前記第１の導波路と前記第２の導波路とが導波路長差を有する遅延部を備え、
   前記遅延部は、ＬＰ０１モードに対し、前記第１の導波路と前記第２の導波路の導波路との間に、０超π未満の導波路間位相差を生じさせる、
   モード間損失差補償デバイス。
2. 前記結合部におけるＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード及びＬＰ１１ｂモードの結合長が、それぞれＬ（ＬＰ０１）、Ｌ（ＬＰ１１ａ）、Ｌ（ＬＰ１１ｂ）である場合、ｌ、ｍを正の偶数、ｎを自然数として、前記平行導波路長Ｌｃが
   （数Ｃ１）
   Ｌｃ＝Ｌ（ＬＰ１１ａ）×ｌ
   ＝Ｌ（ＬＰ１１ｂ）×ｍ
   ＝Ｌ（ＬＰ０１）×（ｎ＋０．５） （Ｃ１）
   の関係を満たす、
   請求項１に記載のモード間損失差補償デバイス。
3. ｍ＝２、ｌ＝６、ｎ＝１である、
   請求項２に記載のモード間損失差補償デバイス。
4. 前記遅延部は、前記第１の導波路の伝搬定数が前記第２の導波路の伝搬定数よりも小さい、
   請求項１から３のいずれかに記載のモード間損失差補償デバイス。
5. 前記遅延部における前記第１の導波路又は前記第２の導波路の少なくとも一方の屈折率を変化させ、ＬＰ０１モードの前記第１の導波路と前記第２の導波路との導波路間位相差を０超π未満の範囲で可変とする屈折率制御部をさらに備える、
   請求項１から４のいずれかに記載のモード間損失差補償デバイス。
6. 前記屈折率制御部は、導波路に熱を付与し、ＬＰ０１モードの減衰量を制御する、
   請求項５に記載のモード間損失差補償デバイス。

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