JP2022164394A - Mode characteristic compensator, multimode amplification system, and mode multiplex transmission system - Google Patents

Mode characteristic compensator, multimode amplification system, and mode multiplex transmission system Download PDF

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JP2022164394A JP2021069858A JP2021069858A JP2022164394A JP 2022164394 A JP2022164394 A JP 2022164394A JP 2021069858 A JP2021069858 A JP 2021069858A JP 2021069858 A JP2021069858 A JP 2021069858A JP 2022164394 A JP2022164394 A JP 2022164394A
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崇嘉 森
Takayoshi Mori
泰志 坂本
Yasushi Sakamoto
諒太 今田
Ryota Imada
和秀 中島
Kazuhide Nakajima
剛 藤澤
Takeshi Fujisawa
晋聖 齊藤
Kunimasa Saito
孝憲 佐藤
Takanori Sato
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Hokkaido University NUC
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

To enable an intensity difference between modes to be compensated, even for four or more modes.SOLUTION: A mode characteristic compensator provided with a mode multiplex-demultiplex function for multiplexing four or more basic modes to a main waveguide in mutually different modes and demultiplexing the four or more modes of the main waveguide for each mode in the basic modes. includes a coupler for coupling basic modes propagating the main waveguide and a non-contact parallel waveguide to a higher order mode of the main waveguide and causing mode conversion to occur between itself and the main waveguide. Each of the couplers includes a plurality of coupling parts, and a delay-amount variable delay part for causing a propagation delay to occur between the parallel waveguide and the main waveguide. The delay amount of the delay part included with the coupler is predetermined so that the intensity difference between the modes outputted from the main waveguide is smaller than the intensity difference between the basic modes.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、4以上のモードの強度差を補償可能にする装置、並びにこれを備えるマルチモード増幅システム及びモード多重伝送システムに関する。 The present disclosure relates to a device capable of compensating intensity differences of four or more modes, and a multimode amplification system and mode multiplex transmission system comprising the same.

モード多重伝送において、マルチモード伝送路中のモード間の損失差を補償するMDL(Mode Dependent Loss)補償器が提案されている(例えば、非特許文献1及び2参照)。非特許文献1は3モードのモード間の損失差を補償する空間型MDL補償器であり、非特許文献2は3モードのモード間の損失差を補償するPLC(Planar Lightwave Circuit)型のMDL補償器である。一方で、6モードのモード多重伝送を可能にする合分波器が提案されている(例えば、非特許文献3参照)。 In mode multiplexing transmission, an MDL (Mode Dependent Loss) compensator that compensates for the loss difference between modes in a multimode transmission path has been proposed (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2). Non-Patent Document 1 is a spatial MDL compensator that compensates for the loss difference between the three modes, and Non-Patent Document 2 is a PLC (Planar Lightwave Circuit) type MDL compensation that compensates for the loss difference between the three modes. It is a vessel. On the other hand, a multiplexer/demultiplexer that enables 6-mode mode multiplex transmission has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 3).

T. Mizuno et al., “Mode dependent loss equalizer and impact of MDL on PDM-16QAM few-mode fibre transmission,” ECOC2015, P5.9 (2015)T. Mizuno et al. , "Mode dependent loss equalizer and impact of MDL on PDM-16QAM few-mode fiber transmission," ECOC2015, P5.9 (2015) N. Sugawara et al., “3-Mode PLC-Based Mode Dependent Loss Equalizer in MDM Transmission,”OECC2019, TuE2-2 (2019)N. Sugawara et al. , "3-Mode PLC-Based Mode Dependent Loss Equalizer in MDM Transmission," OECC2019, TuE2-2 (2019) N. Hanzawa et al., “Demonstration of PLC-based six-mode multiplexer for mode division multiplexing transmission,” ECOC2015, P2.6 (2015)N. Hanzawa et al. , "Demonstration of PLC-based six-mode multiplexer for mode division multiplexing transmission," ECOC2015, P2.6 (2015)

非特許文献1及び2は3モードのモード間の強度差を補償することができるが、3モードよりも多いモードについてはモードごとに強度差をダイナミックに補償するデバイスは実現されていなかった。 Non-Patent Documents 1 and 2 can compensate for the intensity difference between the three modes, but no device has been realized that dynamically compensates the intensity difference for each mode for more than three modes.

本開示は、4モード以上であっても、モード間の強度差を補償可能にすることを目的とする。 The present disclosure aims to make it possible to compensate for intensity differences between modes, even with four or more modes.

本開示のモード特性補償器は、
4以上の基本モードを互いに異なるモードで主導波路に合波し、前記主導波路の4以上のモードをモードごとに基本モードで分波するモード合分波機能を備えるモード特性補償器であって、
前記主導波路と非接触の平行導波路を伝搬する基本モードを前記主導波路の高次モードに結合させ、前記主導波路との間でモード変換を発生させるカプラーを備え、
前記カプラーは、それぞれ、
カプラーごとに予め定められた高次モードに、前記平行導波路から前記主導波路に結合させる複数の結合部と、
前記複数の結合部の間に配置され、前記平行導波路及び前記主導波路が結合せずかつ前記平行導波路と前記主導波路との間で伝搬遅延差を生じさせる、遅延量の可変な遅延部と、
を備え、
前記主導波路から出力されるモード間の強度差が各基本モードの強度差よりも小さくなるように、前記カプラーに備わる遅延部の遅延量が定められている。
The modal characteristic compensator of the present disclosure is
A mode characteristic compensator having a mode multiplexing/demultiplexing function of multiplexing four or more fundamental modes into a main waveguide in mutually different modes and demultiplexing the four or more modes of the main waveguide in the fundamental mode for each mode,
A coupler that couples a fundamental mode propagating in a parallel waveguide that is not in contact with the main waveguide to a higher-order mode of the main waveguide to cause mode conversion with the main waveguide,
Said couplers are each:
a plurality of coupling portions that couple a higher-order mode predetermined for each coupler from the parallel waveguide to the main waveguide;
A delay section with a variable delay amount disposed between the plurality of coupling sections, wherein the parallel waveguide and the main waveguide are not coupled and a propagation delay difference is generated between the parallel waveguide and the main waveguide. When,
with
The delay amount of the delay unit provided in the coupler is determined so that the intensity difference between the modes output from the main waveguide is smaller than the intensity difference between the fundamental modes.

本開示のマルチモード増幅システムは、
複数のモードを有する波長多重信号を増幅するマルチモード光増幅器と、
増幅後の波長多重信号をモードごとに分波するモード分波器と、
前記モード分波器で分波されたモードごとに波長利得補償を行う波長利得補償器と、
波長利得補償された波長多重信号間の利得差を補償し、前記利得差を補償後の波長多重信号を、前記モード分波器で分波前のモードに変換し、合波する、本開示のモード特性補償器と、
を備える。
The multimode amplification system of the present disclosure comprises:
a multimode optical amplifier for amplifying a wavelength multiplexed signal having multiple modes;
a mode demultiplexer that demultiplexes the amplified wavelength multiplexed signal for each mode;
a wavelength gain compensator that performs wavelength gain compensation for each mode demultiplexed by the mode demultiplexer;
Compensating a gain difference between wavelength-gain-compensated wavelength-multiplexed signals, converting the wavelength-multiplexed signal after compensating for the gain difference into a mode before demultiplexing by the mode demultiplexer, and combining the signals. a modal characteristic compensator;
Prepare.

本開示のモード多重伝送システムは、
n(nは4以上の整数)個の波長多重信号を発する送信機と、
n個の波長多重信号を互いに異なるモードのモード多重信号に合波する、本開示のモード特性補償器と、
前記モード特性補償器で合波されたモード多重信号を伝搬するマルチモードファイバと、
前記マルチモードファイバで伝搬されたモード多重信号を、モードごとに分離するモード分波器と、
前記モード分波器でモードごとに分離されたn個の波長多重信号を、波長ごとに分離し、受信する受信機と、
を備える。
The mode multiplexing transmission system of the present disclosure is
a transmitter that emits n (n is an integer equal to or greater than 4) wavelength-multiplexed signals;
a mode characteristic compensator of the present disclosure that multiplexes n wavelength multiplexed signals into mode multiplexed signals of different modes;
a multimode fiber that propagates a mode-multiplexed signal multiplexed by the mode characteristic compensator;
a mode demultiplexer that separates the mode-multiplexed signal propagated through the multimode fiber for each mode;
a receiver that demultiplexes and receives the n wavelength multiplexed signals demultiplexed by mode by the mode demultiplexer by wavelength;
Prepare.

本開示によれば、4モード以上であっても、モード間の強度差を補償可能にすることができる。 According to the present disclosure, it is possible to compensate for intensity differences between modes even with four or more modes.

本実施形態に係るモード特性補償器を説明する図である。It is a figure explaining the modal characteristic compensator which concerns on this embodiment. カプラーの構造の一例である。It is an example of the structure of a coupler. カプラーの構造パラメータの説明図を示す。FIG. 2 shows an illustration of coupler structural parameters. 各カプラーの構造パラメータの値の一例を示す。An example of structural parameter values for each coupler is shown. カプラー24(WINC#4)における導波路幅と実効屈折率を示す。Waveguide width and effective refractive index in coupler 24 (WINC#4) are shown. WINC構造の結合部の模式図を示す。Fig. 2 shows a schematic diagram of a joint of a WINC structure; 結合長Lに対するLP11aモードからLP11aモード及びLP11bからLP21aモードの透過率の一例であり、(a)はg=5.5μm、(b)はg=6.5μm、(c)はg=7.5μmの場合を示す。An example of the transmittance from the LP11a mode to the LP11a mode and from the LP11b to the LP21a mode with respect to the coupling length L c , (a) g = 5.5 μm, (b) g = 6.5 μm, (c) g = 7 0.5 μm is shown. に対する式(5)及び(6)の特性を示す。Shows the properties of equations (5) and (6) for L d . 温度に対する波長特性の一例を示す。An example of wavelength characteristics with respect to temperature is shown. 本実施形態に係るマルチモード増幅システムの構成例を示す。1 shows a configuration example of a multimode amplification system according to this embodiment. 本実施形態に係る光伝送システム構成例を示す。1 shows a configuration example of an optical transmission system according to this embodiment.

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。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present disclosure is not limited to the embodiments shown below. These implementation examples are merely illustrative, and the present disclosure can be implemented in various modified and improved forms based on the knowledge of those skilled in the art. In addition, in this specification and the drawings, constituent elements having the same reference numerals are the same as each other.

(実施形態例1)
図1は、本実施形態のモード特性補償器を説明する図である。本実施形態のモード特性補償器は、全ての導波路の高さhが一定の場合の6モードのモード合分波器であり、さらに6モードの損失差・利得差を補償する機能を備える。図1では、本開示の一例として、6つの基本モード(LP01)モードが入力され、互いに異なる6つのモード(LP01モード、LP11aモード、LP11bモード、LP21aモード、LP21bモード、LP02モード)に合波する例を示す。
(Embodiment example 1)
FIG. 1 is a diagram for explaining the modal characteristic compensator of this embodiment. The modal characteristic compensator of this embodiment is a 6-mode mode multiplexer/demultiplexer in the case where all waveguides have a constant height h, and further has a function of compensating the loss difference/gain difference of the 6 modes. In FIG. 1, as an example of the present disclosure, six fundamental modes (LP01) modes are input, and six different modes (LP01 mode, LP11a mode, LP11b mode, LP21a mode, LP21b mode, LP02 mode) are combined. Give an example.

モード特性補償器は、主導波路11及び副導波路12,13に非接触であり、カプラーを持つm本(mは3以上の整数)の脇導波路15~19をさらに備える。脇導波路15~19は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が主導波路11の低次側のm個の高次モードの実効屈折率と排他的に一致していることを特徴とする。 The mode characteristic compensator further includes m (m is an integer of 3 or more) side waveguides 15 to 19 which are not in contact with the main waveguide 11 and the sub waveguides 12 and 13 and have couplers. In the side waveguides 15 to 19, the effective refractive index of the propagating mode exclusively matches the effective refractive index of the m higher-order modes on the lower-order side of the main waveguide 11 for the desired light wavelength range. It is characterized by

図1ではm=5の場合の構成例を示し、脇導波路15はカプラー21-2を持ち、脇導波路16はカプラー21-3を持ち、脇導波路17はカプラー21-4を持ち、脇導波路18はカプラー21-5を持ち、脇導波路19はカプラー21-6を持つ。各カプラーは、主導波路11との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる。図1では、カプラーを「coupler」と表示している。 FIG. 1 shows a configuration example when m=5, the side waveguide 15 has a coupler 21-2, the side waveguide 16 has a coupler 21-3, the side waveguide 17 has a coupler 21-4, The side waveguide 18 has a coupler 21-5 and the side waveguide 19 has a coupler 21-6. Each coupler causes mode conversion with the main waveguide 11 and transfers optical power. In FIG. 1, the coupler is labeled as "coupler".

モード特性補償器は、主導波路11、副導波路12,13及び脇導波路15~19に非接触である少なくとも1本の中間導波路14を備える。主導波路11、副導波路12,13、中間導波路14及び脇導波路15~19は、導波路の高さhが同じであり、主導波路11、副導波路12,13、中間導波路14及び脇導波路15~19の少なくとも1つがLP11aモードをLP11bモードに変換するモード回転子25、26を含む。また、主導波路11は、長手方向に導波路幅が連続的に増加し、カプラー22で副導波路12から主導波路11に結合したE31モードをE13モードに変換するテーパー31を含む。また、主導波路11は、長手方向に導波路幅が連続的に減少し、E13モード及びE31モードをLP21bモード及びLP02モードに変換するテーパー32を含む。この6モード合分波器に備わる各カプラーを後述のWINCディバイダ(波長無依存カプラー型任意分岐比ディバイダ)にすることにより、ヒーターによるダイナミックなモード制御が可能となる。 The modal characteristic compensator comprises at least one intermediate waveguide 14 which is not in contact with the main waveguide 11, sub-waveguides 12, 13 and side waveguides 15-19. The main waveguide 11, the sub-waveguides 12 and 13, the intermediate waveguide 14 and the side waveguides 15 to 19 have the same waveguide height h. and at least one of the side waveguides 15-19 includes a mode rotator 25, 26 for converting the LP11a mode to the LP11b mode. The main waveguide 11 also includes a taper 31 whose waveguide width increases continuously in the longitudinal direction and converts the E31 mode coupled from the sub waveguide 12 to the main waveguide 11 by the coupler 22 into the E13 mode. The main waveguide 11 also includes a taper 32 that continuously decreases in waveguide width in the longitudinal direction and transforms the E13 and E31 modes into the LP21b and LP02 modes. By using a WINC divider (wavelength-independent coupler type arbitrary branching ratio divider) described later for each coupler provided in this 6-mode multiplexer/demultiplexer, dynamic mode control by a heater becomes possible.

図2は、各カプラー21~24(coupler1、coupler2、coupler3、coupler4)が備えるWINCディバイダの構造の一例である。カプラー21は、カプラー21-2~21-6を含む。なお、図1の各カプラー21~24は、このように複数ある結合部を1つに省略して図示している。 FIG. 2 shows an example of the structure of the WINC divider provided for each coupler 21-24 (coupler1, coupler2, coupler3, coupler4). Coupler 21 includes couplers 21-2 to 21-6. Each of the couplers 21 to 24 in FIG. 1 is illustrated by omitting a plurality of coupling portions as described above.

各カプラーは、2つの平行導波路111及び112により構成されており、複数の結合部121及び122を備え、結合部121及び122の間に並行する導波路111及び112間で伝搬遅延差を生じる遅延部123を有している。導波路111上の結合部121側の端部にポート#1が配置され、導波路112上の結合部121側の端部にポート#2が配置され、導波路111上の結合部122側の端部にポート#3が配置され、導波路112上の結合部122側の端部にポート#4が配置されている。 Each coupler is composed of two parallel waveguides 111 and 112, and has a plurality of coupling portions 121 and 122 to create a propagation delay difference between the parallel waveguides 111 and 112 between the coupling portions 121 and 122. It has a delay unit 123 . The port #1 is arranged at the end of the waveguide 111 on the side of the coupling section 121, the port #2 is arranged on the end of the waveguide 112 on the side of the coupling section 121, and the port #2 is arranged on the end of the waveguide 111 on the side of the coupling section 122. A port #3 is arranged at the end, and a port #4 is arranged at the end of the waveguide 112 on the coupling section 122 side.

遅延部123には、遅延量ΔLを調整するヒーターが備わっている。結合部121及び122では、伝搬するモードの半分程度、例えば0.4~0.6倍のパワーが他方の導波路に移るよう結合長Lや導波路間隔gなどのパラメータが設定されている。図2では、一例として、「3dB mode divider」と記載している。遅延部の導波路111の長さLは、L+2Lで表される。遅延部の導波路112の長さLは、L+ΔLで表される。導波路111及び112の幅w及びw、高さh、導波路間隔g、結合長Lなどのパラメータを適切に設計し、ヒーターにより遅延量ΔLを調整することで、モードの強度比率を変えることが出来る。すなわち、各モードについて強度調整が可能となるため、各モードの強度差を補償することができる。 The delay unit 123 has a heater for adjusting the delay amount ΔL. In the coupling parts 121 and 122, parameters such as the coupling length Lc and the waveguide spacing g are set so that about half the power of the propagating mode, for example, 0.4 to 0.6 times, is transferred to the other waveguide. . In FIG. 2, "3 dB mode divider" is described as an example. The length L 1 of the waveguide 111 of the delay section is represented by L m +2L d . The length L 2 of the waveguide 112 of the delay section is represented by L 1 +ΔL. By appropriately designing parameters such as the widths w1 and w2 of the waveguides 111 and 112, the height h, the waveguide spacing g , and the coupling length Lc, and adjusting the delay amount ΔL with the heater, the mode intensity ratio can be changed. That is, since the intensity can be adjusted for each mode, it is possible to compensate for the intensity difference of each mode.

図3に、各カプラーの構造パラメータの説明図を示す。導波路20が、曲率半径Rで曲がり、角度θのところで逆方向にS字形状に曲がっている例を示す。x軸方向の長さs、半径R、z軸方向の長さLは下記式の関係がある。

Figure 2022164394000002
上式により、LとRが定まれば、sを求めることができる。 FIG. 3 shows an explanatory diagram of the structural parameters of each coupler. An example is shown in which the waveguide 20 bends with a radius of curvature R and bends in the opposite direction into an S shape at an angle θ. The length s d in the x-axis direction, the radius R, and the length L d in the z-axis direction are related by the following formula.
Figure 2022164394000002
If L d and R are determined by the above formula, s d can be obtained.

図4に、各カプラーの構造パラメータの値の一例を示す。カプラー21(WINC#1)では入力ポート#2から入力されたLP01モードが出力ポート#3ではLP11aモードに、カプラー22(WINC#2)では入力ポート#2から入力されたLP11aモードが出力ポート#3ではE31モードに、カプラー23(WINC#3)では入力ポート#2から入力されたLP11aモードが出力ポート#3ではE31モードに、カプラー24(WINC#4)では入力ポート#2から入力されたLP11bモードが出力ポート#3ではLP21aモードに、変換される。 FIG. 4 shows an example of structural parameter values for each coupler. In the coupler 21 (WINC#1), the LP01 mode input from the input port #2 becomes the LP11a mode in the output port #3, and in the coupler 22 (WINC#2), the LP11a mode input from the input port #2 becomes the output port #. 3 is the E31 mode, the LP11a mode input from the input port #2 of the coupler 23 (WINC#3) is the E31 mode of the output port #3, and the coupler 24 (WINC#4) is input from the input port #2. LP11b mode is converted to LP21a mode at output port #3.

図5にWINC#4における導波路幅と実効屈折率を示す。カプラー24(WINC#4)では、LP11bモードからLP21aモードを好きな割合で励振したい。一方で、LP11aモードがLP01モードに変換されてしまう。図6に、カプラー24におけるWINC構造の結合部の模式図を示す。図6で示すように、LP11aモードは主導波路11をそのまま抜け、LP11bモードがLP21aモードに3dBに分割するような動作となる設計が必要になる。 FIG. 5 shows the waveguide width and effective refractive index in WINC#4. Coupler 24 (WINC#4) is desired to excite the LP11b mode to the LP21a mode at a desired ratio. On the other hand, the LP11a mode is converted to the LP01 mode. FIG. 6 shows a schematic diagram of the coupling portion of the WINC structure in the coupler 24. As shown in FIG. As shown in FIG. 6, the LP11a mode must pass through the main waveguide 11 as it is, and the LP11b mode must be designed to split into the LP21a mode by 3 dB.

図7に、カプラー24の導波路間隔gを、(a)5.5μm、(b)6.5μm、(c)7.5μmに設定した場合の、結合長Lに対するLP11aモードからLP11aモード(ポート#1からポート#3)への透過率、およびLP11bモードからLP21aモード(ポート#2からポート#3)への透過率を示す。例えば、g=7.5μm、L=10mmのとき、LP11aモードからLP11aモード(ポート#1からポート#3)への透過率は略1、LP11bモードからLP21aモード(ポート#2からポート#3)への透過率は略0.5である。このため、g=7.5μm、L=10mmのとき、LP11aモードは主導波路11をそのまま抜け、LP11bモードがLP21aモードに3dBに分割する動作となる。このように、導波路間隔g及び結合長Lを調整することで、LP11aモードは主導波路11をそのまま抜け、LP11bモードがLP21aモードに3dBに分割する動作となることが分かる。 FIG. 7 shows the LP11a mode to LP11a mode ( The transmission from port #1 to port #3) and the transmission from LP11b mode to LP21a mode (port #2 to port #3) are shown. For example, when g = 7.5 µm and L c = 10 mm, the transmittance from the LP11a mode to the LP11a mode (port #1 to port #3) is approximately 1, and from the LP11b mode to the LP21a mode (port #2 to port #3 ) is approximately 0.5. Therefore, when g=7.5 μm and L c =10 mm, the LP11a mode passes through the main waveguide 11 as it is, and the LP11b mode is split into the LP21a mode by 3 dB. By adjusting the waveguide spacing g and the coupling length Lc in this way, the LP11a mode passes through the main waveguide 11 as it is, and the LP11b mode is split into the LP21a mode by 3 dB.

以上により、6モードの各モードについてWINCディバイダ構造により各モードの強度を調整し、モード間損失差およびモード利得差を補償するデバイスを実現することが出来る。 As described above, it is possible to realize a device that adjusts the intensity of each mode with the WINC divider structure for each of the six modes and compensates for the inter-mode loss difference and mode gain difference.

なお、本開示のモード特性補償器は、逆方向から6モードのモード多重信号を入力することで、モード間の強度差を補償した基本モードを出力するモード分波器として機能する。このため、本開示はモード間の強度差を補償可能なモード合分波器を提供することができる。また、本実施形態例では6モードについて例示したが、各モードについてWINC構造を用いることで任意のモード数でモードの損失差、利得差の補償が実現可能である。 Note that the modal characteristics compensator of the present disclosure functions as a mode demultiplexer that outputs a fundamental mode in which intensity differences between modes are compensated for by inputting mode-multiplexed signals of six modes from the opposite direction. Therefore, the present disclosure can provide a mode multiplexer/demultiplexer that can compensate for intensity differences between modes. In addition, although 6 modes are illustrated in this embodiment, compensation for mode loss difference and gain difference can be realized with an arbitrary number of modes by using the WINC structure for each mode.

(実施形態例2)
本実施形態では、6モードのモード特性補償器について、波長依存性を低減する設計として、遅延部における導波路111及び112間の遅延量ΔLを調整する例について説明する。
(Embodiment example 2)
In this embodiment, an example of adjusting the delay amount ΔL between the waveguides 111 and 112 in the delay section as a design for reducing the wavelength dependence of the 6-mode mode characteristic compensator will be described.

図2のポート#2にLP01モードの光を入射した場合の、ポート#3からのLP11aモードの光の出力パワーは、次式で表される。

Figure 2022164394000003
The output power of LP11a mode light from port #3 when LP01 mode light is incident on port #2 in FIG. 2 is expressed by the following equation.
Figure 2022164394000003

ここで、A3は図2のポート#3の複素振幅、κは結合部121及び122での結合係数、Lは結合部121及び122での結合長である。また、結合部121及び122の結合(偶奇)モード、導波路111,112を伝搬するモードの伝搬定数をそれぞれβ、β、β、βとしたとき、
(数3)
q=(β-β)/2
δ=(β-β)/2
Δφ=β(L+L)-β(L+L
とする。ここで、Lは遅延部の導波路111の長さ、Lは遅延部の導波路112の長さである。
Here, A3 is the complex amplitude of port #3 in FIG . Further, when the propagation constants of the coupling (even-odd) modes of the coupling portions 121 and 122 and the modes propagating through the waveguides 111 and 112 are β e , β o , β 1 and β 0 respectively,
(Number 3)
q=(β e −β o )/2
δ = (β 1 - β 0 )/2
Δφ=β 0 (L 2 +L c )−β 1 (L 1 +L c )
and Here, L1 is the length of waveguide 111 in the delay section, and L2 is the length of waveguide 112 in the delay section.

今、中心波長を1550nmとし、中心波長において、導波路111,112のLP11a、LP01モードが位相整合し(δ=0)、結合部121及び122が適切に動作する設計(qL=π/4)において、ポート#2にLP01モードの光を入射した場合の、ポート#3からのLP11aモードの光の出力パワーは、

Figure 2022164394000004
となる。 Now, assuming that the center wavelength is 1550 nm, the LP11a and LP01 modes of the waveguides 111 and 112 are phase-matched (δ=0) at the center wavelength, and the coupling sections 121 and 122 are designed to operate appropriately (qL c =π/4 ), the output power of the LP11a mode light from the port #3 when the LP01 mode light is incident on the port #2 is
Figure 2022164394000004
becomes.

広帯域に100%に近い透過率を得るためには、上式が1で、なおかつ、Δφの波長依存性が小さければよい。よって、広帯域設計のための条件式は下記である。

Figure 2022164394000005
Figure 2022164394000006
なお、k=(q-δ1/2、λは光の波長、k(波数)を2π/λ、N、Nはそれぞれ導波路111、112の群屈折率である。 In order to obtain a transmittance close to 100% in a wide band, the above equation should be 1 and the wavelength dependence of Δφ should be small. Therefore, the conditional expression for broadband design is as follows.
Figure 2022164394000005
Figure 2022164394000006
Note that k=(q 2 −δ 2 ) 1/2 , λ 0 is the wavelength of light, k (wavenumber) is 2π/λ 0 , N 1 and N 2 are the group refractive indices of the waveguides 111 and 112, respectively. .

図8にLに対する式(5)及び(6)の特性を示す。図8(a)はWINC#1、図8(b)はWINC#2、図8(c)はWINC#3、図8(d)はWINC#4の特性を示す。そこで、式(6)の値が0に近くかつ式(5)の値が1に近い値になるように、WINC#1~#4のLを選択する。例えば、WINC#1:L=2618μm、WINC#2:L=10626m、WINC#3:L=6590μm、WINC#4:L=3408μmにおいて広帯域設計となる。Lは全てのWINCに対して4000μmである。その他の構造パラメータは図4に示すとおりである。 FIG. 8 shows the characteristics of equations (5) and (6) for Ld . 8A shows the characteristics of WINC#1, FIG. 8B shows the characteristics of WINC#2, FIG. 8C shows the characteristics of WINC#3, and FIG. 8D shows the characteristics of WINC#4. Therefore, L d of WINC#1 to #4 is selected so that the value of equation (6) is close to 0 and the value of equation (5) is close to 1. For example, WINC#1: L d =2618 μm, WINC#2: L d =10626 μm, WINC#3: L d =6590 μm, WINC#4: L d =3408 μm provides a broadband design. Lm is 4000 μm for all WINCs. Other structural parameters are as shown in FIG.

図9に、温度に対する波長特性の一例を示す。図9(a)はWINC#1、図9(b)はWINC#2、図9(c)はWINC#3、図9(d)はWINC#4の特性を示す。図9に示すように、各波長において、温度を80°にすると透過率は60%程度まで低下し、温度を0°にすると透過率は100%近くまで上げることができる。このため、導波路112の遅延部123のヒーターの温度を調整することで、広帯域にモードの強度を調整できる。 FIG. 9 shows an example of wavelength characteristics with respect to temperature. 9A shows the characteristics of WINC#1, FIG. 9B shows the characteristics of WINC#2, FIG. 9C shows the characteristics of WINC#3, and FIG. 9D shows the characteristics of WINC#4. As shown in FIG. 9, at each wavelength, when the temperature is 80°, the transmittance decreases to about 60%, and when the temperature is 0°, the transmittance can be increased to nearly 100%. Therefore, by adjusting the temperature of the heater of the delay section 123 of the waveguide 112, the intensity of the mode can be adjusted over a wide band.

(実施例形態3)
図10に、本開示に係るマルチモード増幅システムの構成例を示す。6モード(LP01,LP11a,LP11b,LP21a,LP21b,LP02モード)の利得補償の構成例を示す。6モード対応のマルチモードEDFA(Erbium-Doped Fiber-Optical Amplifier)81の後段のモード分波器82により各モードが基本モードであるLP01モードに変換される。マルチモードEDFA81に入力される信号が波長多重信号の場合、モード分波器82では、増幅後の波長多重信号がモードごとに分波される。それぞれの波長多重信号は、波長利得補償器(DWG補償)83を通り、モードごとに波長間の利得差の補償が行われる。
(Embodiment 3)
FIG. 10 shows a configuration example of a multimode amplification system according to the present disclosure. A configuration example of gain compensation for six modes (LP01, LP11a, LP11b, LP21a, LP21b, and LP02 modes) is shown. Each mode is converted into the LP01 mode, which is the fundamental mode, by a mode demultiplexer 82 in the subsequent stage of a 6-mode multimode EDFA (Erbium-Doped Fiber-Optical Amplifier) 81 . When the signal input to the multimode EDFA 81 is a wavelength multiplexed signal, the mode demultiplexer 82 demultiplexes the amplified wavelength multiplexed signal for each mode. Each wavelength-multiplexed signal passes through a wavelength gain compensator (DWG compensation) 83, and gain difference compensation between wavelengths is performed for each mode.

その後、モード間の利得差を補償する機能を有するモード合波器84による合波する。このとき、波長利得補償器83は、モード分波器82で分波前のモードに変換し、合波する。モード合波器84は、実施例形態1及び2で説明した本開示のモード特性補償器を用いることができる。このため、波長利得補償器83で波長利得補償された波長多重信号間の利得差を補償することができる。 After that, they are multiplexed by a mode multiplexer 84 having a function of compensating for gain differences between modes. At this time, the wavelength gain compensator 83 converts to the mode before demultiplexing by the mode demultiplexer 82 and multiplexes. The mode multiplexer 84 can use the mode characteristic compensator of the present disclosure described in the first and second embodiments. Therefore, the gain difference between wavelength-multiplexed signals whose wavelength gain is compensated by the wavelength gain compensator 83 can be compensated.

なお、6モード全てを使う必要はなく、モード数を限定して励振しても良く、モード分波器で全ての6モードを分波しても良いし、限定的なモードだけを分波しても良い。また、マルチモードEDFA81に代えて、複数のモードを有する波長多重信号を増幅可能な任意のマルチモード光増幅器を用いることができる。 It should be noted that it is not necessary to use all 6 modes, excitation may be performed by limiting the number of modes, all 6 modes may be separated by a mode demultiplexer, or only limited modes may be demultiplexed. can be Also, instead of the multimode EDFA 81, any multimode optical amplifier capable of amplifying a wavelength multiplexed signal having a plurality of modes can be used.

図11に本開示に係るモード多重伝送システムの構成例を示す。本システムでは、n個の波長多重信号を送信する波長多重信号送信機91と、n個の波長多重信号を波長分離し受信する波長多重信号受信機92と、各波長多重信号送信機91からの波長多重信号を互いに異なるモードのモード多重信号に合波するモード合波器93と、モード多重信号をモードごとに分離するモード分波器94と、モード合波器93及びモード分波器94を接続するモード数がnであるマルチモードファイバ95と、を有している。モード合波器93及びモード分波器94の少なくともいずれかは、実施形態例1または2に記載のモード特性補償器を用いる。 FIG. 11 shows a configuration example of a mode multiplexing transmission system according to the present disclosure. In this system, a wavelength multiplexed signal transmitter 91 that transmits n wavelength multiplexed signals, a wavelength multiplexed signal receiver 92 that demultiplexes and receives the n wavelength multiplexed signals, and signals from each wavelength multiplexed signal transmitter 91 mode multiplexer 93 for multiplexing wavelength multiplexed signals into mode multiplexed signals of different modes; mode multiplexer 94 for separating mode multiplexed signals for each mode; mode multiplexer 93 and mode multiplexer 94; and a multimode fiber 95 having n modes to be connected. At least one of the mode multiplexer 93 and the mode demultiplexer 94 uses the mode characteristic compensator described in the first or second embodiment.

モード合波器93は、n個の波長多重信号を互いに異なるモードのモード多重信号に合波する。本開示のモード多重伝送システムは、本開示のモード特性補償器を備えるため、モード間の強度差の少ないモード多重信号をマルチモードファイバ95において伝送することができる。 The mode multiplexer 93 multiplexes the n wavelength multiplexed signals into mode multiplexed signals of different modes. Since the mode-multiplexed transmission system of the present disclosure includes the mode characteristic compensator of the present disclosure, mode-multiplexed signals with little intensity difference between modes can be transmitted through the multimode fiber 95 .

また、モード分波器94は、マルチモードファイバ95で伝搬されたn個のモード多重信号をモードごとに分離する。これにより、n個の波長多重信号がモード分波器94から出力される。本開示のモード多重伝送システムは、本開示のモード特性補償器を備えるため、モード多重信号にモード間の強度差が生じた場合であっても、モード間の強度差を補償し、均一な強度の波長多重信号を受信機92に出力することができる。 Also, the mode demultiplexer 94 separates the n mode multiplexed signals propagated through the multimode fiber 95 for each mode. As a result, n wavelength multiplexed signals are output from the mode demultiplexer 94 . Since the mode multiplexing transmission system of the present disclosure includes the mode characteristics compensator of the present disclosure, even if there is an intensity difference between the modes in the mode multiplexed signal, the intensity difference between the modes is compensated for and uniform intensity is obtained. of wavelength multiplexed signals can be output to the receiver 92 .

伝送の中継では、マルチモードアンプ96、さらには利得補償器97を有していてもよい。マルチモードアンプ96及び利得補償器97は、図10に示す構成を採用することができる。例えば、マルチモードアンプ96はマルチモードEDFA81を備え、利得補償器97はモード分波器82、波長利得補償器83及びモード合波器84を備える。 A transmission repeater may have a multimode amplifier 96 and also a gain compensator 97 . The multimode amplifier 96 and gain compensator 97 can adopt the configuration shown in FIG. For example, the multimode amplifier 96 has a multimode EDFA 81 , and the gain compensator 97 has a mode demultiplexer 82 , a wavelength gain compensator 83 and a mode multiplexer 84 .

なお、本明細書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形態例では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。 In this specification, an embodiment relating to a planar lightwave circuit using a glass-based material has been described, but the material may of course be other. For example, a planar lightwave circuit using a semiconductor such as Si or InGaAsP or an organic substance such as a polymer can obtain the same effect as the embodiment described in this specification. In addition, the wavelength band used is about 1.5 to 1.6 μm in the embodiment described in this specification, but even in the mid-infrared region (2 μm or more) with a longer wavelength or the visible light band I do not care.

以上説明したように、本開示のモード特性補償器は、
6モードを主導波路に合波する光合波器であって、
各モードを主導波路に結合するカプラー(21~24)に、
WINCディバイダと、
各WINCディバイダの遅延部の遅延量ΔLを可変とする手段(遅延部の温度を調整するヒーター)と、を備え、
各カプラーに備わる遅延部の遅延量ΔLを調整することで、各モードの強度差を補償可能にする。これにより、本実施形態のモード特性補償器は、モード損失差・利得差補償器として機能する。
As described above, the modal characteristic compensator of the present disclosure is
An optical multiplexer for multiplexing 6 modes into a main waveguide,
couplers (21-24) that couple each mode into the main waveguide,
a WINC divider;
means for varying the delay amount ΔL of the delay section of each WINC divider (heater for adjusting the temperature of the delay section);
By adjusting the delay amount ΔL of the delay unit provided in each coupler, it is possible to compensate for the intensity difference of each mode. Thereby, the modal characteristic compensator of this embodiment functions as a modal loss difference/gain difference compensator.

ここで、本開示のモード特性補償器は、
n(nは4以上の整数)個のモードが伝搬可能であり、長手方向に導波路幅が連続的に変化するテーパー部を持つ主導波路(11)と、
前記主導波路11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、光パワーを移行させる結合部を持つ導波路(12~16)と、
を基板上に備えるモード特性補償補償器であって、
m(mは2以上の整数)以上のモードを伝搬可能な導波路1と
導波路1(111)と平行した導波路2(112)と、
平行に配置された前記導波路1と前記導波路2のそれぞれが近接する結合部を2つ以上有し、
導波路間で結合しない領域である遅延導波路部を前記結合部の間に有し、
導波路1と導波路2の遅延部において生ずる光波の位相遅延差Δτが前記遅延部の遅延量ΔLにより調整され、
導波路1と導波路2が近接する部分において、
所望の光の波長範囲に対して、導波路2を伝搬するモードの実効屈折率が、導波路1のm-1個のモードの実効屈折率と排他的に一致するよう導波路幅・高さ・比屈折率差が調整され、
結合部の長さ及び結合部における導波路間隔が、モード変換により導波路2を導波する光パワーの0.4~0.6倍が導波路1を伝搬するよう定められることを特徴とするモード合分波器を具備し、
モードごとに強度を調節できることを特徴とし、
脇導波路15から主導波路11に結合したLP11aモードは主導波路11をそのまま抜け、
中間導波路14のLP01モードが、主導波路11のLP21aモード、中間導波路14のLP01モードに3dBに分割される、
構成を採用した。
Here, the modal characteristic compensator of the present disclosure is
a main waveguide (11) capable of propagating n (n is an integer equal to or greater than 4) modes and having a tapered portion in which the width of the waveguide changes continuously in the longitudinal direction;
Waveguides (12 to 16) that are non-contact with the main waveguide 11 and have coupling portions that cause mode conversion with the main waveguide and transfer optical power;
on a substrate, wherein
A waveguide 1 capable of propagating a mode of m (m is an integer equal to or greater than 2) and a waveguide 2 (112) parallel to the waveguide 1 (111),
Each of the waveguides 1 and 2 arranged in parallel has two or more adjacent coupling portions,
having a delay waveguide portion between the coupling portions, which is a region in which the waveguides are not coupled;
A phase delay difference Δτ of the light wave generated in the delay section of the waveguide 1 and the waveguide 2 is adjusted by the delay amount ΔL of the delay section,
In the portion where the waveguide 1 and the waveguide 2 are close to each other,
The waveguide width and height are adjusted such that the effective refractive index of the mode propagating in the waveguide 2 exclusively matches the effective refractive index of m−1 modes of the waveguide 1 for the desired wavelength range of light.・The relative refractive index difference is adjusted,
The length of the coupling portion and the waveguide spacing at the coupling portion are determined so that 0.4 to 0.6 times the optical power guided through the waveguide 2 by mode conversion is propagated through the waveguide 1. Equipped with a mode multiplexer/demultiplexer,
It is characterized by being able to adjust the intensity for each mode,
The LP11a mode coupled from the side waveguide 15 to the main waveguide 11 passes through the main waveguide 11 as it is,
The LP01 mode of the intermediate waveguide 14 is split 3 dB into the LP21a mode of the main waveguide 11 and the LP01 mode of the intermediate waveguide 14,
adopted the configuration.

(本開示の効果)
6モードのモード特性補償器について、WINC構造を用いることでダイナミックにモードの強度を調整することが出来、本デバイスを伝送路中で用いることで、モード依存損失の補償、マルチモード増幅器に用いることでモード利得差補償が可能となる。
(Effect of the present disclosure)
For the 6-mode modal characteristic compensator, it is possible to dynamically adjust the strength of the mode by using the WINC structure. , it is possible to compensate for the modal gain difference.

(本開示のポイント)
4以上のモードのモード合波器の結合器(Asymmetric Directional Coupler:ADC)にWINCディバイダに適用することにより、ヒーターによるダイナミックなモード間の利得差の補償の制御が可能になる。
特に、導波路間隔g及び結合長Lを適切に設計することで、LP11aモードは主導波路11をそのまま抜け、LP11bモードがLP21aモードに3dBに分割するような動作設計が可能となる。
(Points of this disclosure)
Applying a WINC divider to a four or more mode Asymmetric Directional Coupler (ADC) allows control of dynamic inter-mode gain differential compensation by the heater.
In particular, by appropriately designing the waveguide spacing g and the coupling length Lc, the LP11a mode can pass through the main waveguide 11 as it is, and the LP11b mode can be divided into the LP21a modes by 3 dB.

本開示は情報通信産業に適用することができる。 The present disclosure can be applied to the information and communications industry.

11:主導波路
12、13:副導波路
14:中間導波路
15、16、17、18、19:脇導波路
20:導波路
21-2,21-3,21-4,21-5,21-6,22,23,24:カプラー
81:マルチモードEDFA
82:モード分波器
83:波長利得補償器
84:モード合波器
91:波長多重信号送信機
92:波長多重信号受信機
93、94:モード合分波器
95:マルチモードファイバ
96:マルチモードアンプ
97:利得補償器
111、112:導波路
121、122:結合部
123:遅延部
11: main waveguides 12, 13: sub waveguides 14: intermediate waveguides 15, 16, 17, 18, 19: side waveguides 20: waveguides 21-2, 21-3, 21-4, 21-5, 21 -6, 22, 23, 24: Coupler 81: Multimode EDFA
82: Mode demultiplexer 83: Wavelength gain compensator 84: Mode multiplexer 91: Wavelength multiplexed signal transmitter 92: Wavelength multiplexed signal receivers 93, 94: Mode multiplexer/demultiplexer 95: Multimode fiber 96: Multimode Amplifier 97: Gain Compensators 111, 112: Waveguides 121, 122: Coupling Section 123: Delay Section

Claims (6)

4以上の基本モードを互いに異なるモードで主導波路に合波し、前記主導波路の4以上のモードをモードごとに基本モードで分波する、モード合分波機能を備えるモード特性補償器であって、
前記主導波路と非接触の平行導波路を伝搬する基本モードを前記主導波路の高次モードに結合させ、前記主導波路との間でモード変換を発生させるカプラーを備え、
前記カプラーは、それぞれ、
カプラーごとに予め定められた高次モードに、前記平行導波路から前記主導波路に結合させる複数の結合部と、
前記複数の結合部の間に配置され、前記平行導波路及び前記主導波路が結合せずかつ前記平行導波路と前記主導波路との間で伝搬遅延差を生じさせる、遅延量の可変な遅延部と、
を備え、
前記主導波路におけるモード間の強度差が各基本モードの強度差よりも小さくなるように、前記カプラーに備わる遅延部の遅延量が定められている、
モード特性補償器。
A mode characteristic compensator having a mode combining/demultiplexing function, combining four or more fundamental modes in different modes to a main waveguide, and demultiplexing the four or more modes of the main waveguide by the fundamental mode for each mode, ,
A coupler that couples a fundamental mode propagating in a parallel waveguide that is not in contact with the main waveguide to a higher-order mode of the main waveguide to cause mode conversion with the main waveguide,
Said couplers are each:
a plurality of coupling portions that couple a higher-order mode predetermined for each coupler from the parallel waveguide to the main waveguide;
A delay section with a variable delay amount disposed between the plurality of coupling sections, wherein the parallel waveguide and the main waveguide are not coupled and a propagation delay difference is generated between the parallel waveguide and the main waveguide. When,
with
The delay amount of the delay unit provided in the coupler is determined such that the intensity difference between the modes in the main waveguide is smaller than the intensity difference between the fundamental modes.
Modal compensator.
前記カプラーは、それぞれ、前記遅延部の温度を調整するヒーターを備え、
前記遅延部の温度を調整することで、前記遅延部の遅延量が調整される、
請求項1に記載のモード特性補償器。
each of the couplers includes a heater for adjusting the temperature of the delay section;
The delay amount of the delay unit is adjusted by adjusting the temperature of the delay unit.
2. A modal characteristic compensator according to claim 1.
前記主導波路は、長手方向に導波路幅が連続的に変化するテーパー部を持ち、
前記テーパー部は、E13モード及びE31モードをLP21bモード及びLP02モードに変換する、
請求項1又は2に記載のモード特性補償器。
The main waveguide has a tapered portion in which the width of the waveguide changes continuously in the longitudinal direction,
the taper converts E13 and E31 modes to LP21b and LP02 modes;
3. A modal characteristic compensator according to claim 1 or 2.
前記結合部は、所望の光の波長範囲に対して、前記平行導波路を伝搬するモードの実効屈折率が、前記主導波路のモードの実効屈折率と排他的に一致する、導波路幅、高さ及び比屈折率差を備え、
前記結合部における前記平行導波路及び前記主導波路の導波路間隔及び当該導波路間隔の結合長が、モード変換により前記平行導波路を導波する光パワーの0.4~0.6倍が前記主導波路を伝搬するよう定められている、
請求項1から3のいずれかに記載のモード特性補償器。
The coupling portion has a waveguide width, a high and a relative refractive index difference,
The waveguide spacing between the parallel waveguide and the main waveguide and the coupling length of the waveguide spacing at the coupling portion are 0.4 to 0.6 times the optical power guided through the parallel waveguide by mode conversion. defined to propagate in the main waveguide,
A modal characteristic compensator according to any one of claims 1 to 3.
複数のモードを有する波長多重信号を増幅するマルチモード光増幅器と、
増幅後の波長多重信号をモードごとに分波するモード分波器と、
前記モード分波器で分波された波長多重信号ごとに波長利得補償を行う波長利得補償器と、
波長利得補償された波長多重信号間の利得差を補償し、前記利得差を補償後の波長多重信号を、前記モード分波器で分波前のモードに変換し、合波する、請求項1から4のいずれかに記載のモード特性補償器と、
を備えるマルチモード増幅システム。
a multimode optical amplifier for amplifying a wavelength multiplexed signal having multiple modes;
a mode demultiplexer that demultiplexes the amplified wavelength multiplexed signal for each mode;
a wavelength gain compensator that performs wavelength gain compensation for each wavelength multiplexed signal demultiplexed by the mode demultiplexer;
2. Compensating a gain difference between wavelength-gain-compensated wavelength-multiplexed signals, converting the wavelength-multiplexed signals after compensating for the gain difference into a mode before demultiplexing by the mode demultiplexer, and combining the signals. 4. A modal characteristic compensator according to any one of 4;
A multimode amplification system with
n(nは4以上の整数)個の波長多重信号を発する送信機と、
n個の波長多重信号を互いに異なるモードのモード多重信号に合波する、請求項1から4のいずれかに記載のモード特性補償器と、
前記モード特性補償器で合波されたモード多重信号を伝搬するマルチモードファイバと、
前記マルチモードファイバで伝搬されたモード多重信号を、モードごとに分離するモード分波器と、
前記モード分波器でモードごとに分離されたn個の波長多重信号を、波長ごとに分離し、受信する受信機と、
を備えるモード多重伝送システム。
a transmitter that emits n (n is an integer equal to or greater than 4) wavelength-multiplexed signals;
5. The mode characteristic compensator according to any one of claims 1 to 4, which multiplexes n wavelength multiplexed signals into mode multiplexed signals of different modes;
a multimode fiber that propagates a mode-multiplexed signal multiplexed by the mode characteristic compensator;
a mode demultiplexer that separates the mode-multiplexed signal propagated through the multimode fiber for each mode;
a receiver that demultiplexes and receives the n wavelength multiplexed signals demultiplexed by mode by the mode demultiplexer by wavelength;
A mode multiplexed transmission system comprising:
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