JP2023032196A - Optical mode converter and optical mode multiplexer/demultiplexer - Google Patents

Optical mode converter and optical mode multiplexer/demultiplexer Download PDF

Info

Publication number
JP2023032196A
JP2023032196A JP2021138178A JP2021138178A JP2023032196A JP 2023032196 A JP2023032196 A JP 2023032196A JP 2021138178 A JP2021138178 A JP 2021138178A JP 2021138178 A JP2021138178 A JP 2021138178A JP 2023032196 A JP2023032196 A JP 2023032196A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
waveguide
optical mode
mode
converter
mode converter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2021138178A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
崇嘉 森
Takayoshi Mori
泰志 坂本
Yasushi Sakamoto
陽子 山下
Yoko Yamashita
諒太 今田
Ryota Imada
和秀 中島
Kazuhide Nakajima
孝憲 佐藤
Takanori Sato
剛 藤澤
Takeshi Fujisawa
晋聖 齊藤
Kunimasa Saito
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hokkaido University NUC
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Hokkaido University NUC
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hokkaido University NUC, Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Hokkaido University NUC
Priority to JP2021138178A priority Critical patent/JP2023032196A/en
Publication of JP2023032196A publication Critical patent/JP2023032196A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

To provide an optical mode converter using a tapered waveguide, which enables easy and efficient design of a taper structure.SOLUTION: Provided herein is an optical mode converter with a waveguide having a tapered shape width-wise. Defining a Z-axis as a tapering direction, a rate of change dw/dz of the waveguide width at an anti-crossing coordinate z0 corresponds to a maximum value -amin (amin≠0), and the rate of change of the waveguide width becomes minimum near the coordinate z0.SELECTED DRAWING: Figure 2A

Description

本開示は、マルチモード伝送における光モード変換器に関する。 The present disclosure relates to optical mode converters in multimode transmission.

光通信容量拡大のため、空間分割多重技術が盛んに検討されており、その中でも、1つの光導波部(コア)内で独立に存在する直交モードを使った技術はマルチモード伝送技術と呼ばれる。単一コア内で異なるモードを励振・多重化するために、これまでさまざまな方法が検討されてきたが、平面光波型のモード多重デバイスでは、導波路の幅をゆるやかに変化させるテーパー構造を用いた光モード変換器が使われる(例えば、非特許文献1及び2参照。)。 Space-division multiplexing technology is being actively studied to expand optical communication capacity. Among them, technology using orthogonal modes that exist independently within one optical waveguide (core) is called multimode transmission technology. Various methods have been investigated to excite and multiplex different modes within a single core. An optical mode converter is used (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2).

例えば、石英系平面光波回路では、コア断面は矩形とするのが一般的であるが、正方形とすると伝搬モードのうちいくつかの縮退が解けることが知られており、この非縮退モードを介した縮退モード間の変換を行うことができる。 For example, in silica-based planar lightwave circuits, the cross section of the core is generally rectangular. Conversion between degenerate modes can be performed.

光モード変換の原理には大きく分けて2種類あり、一方は十分緩やかなテーパー構造を設定することで、断熱変換により、異なるモードへの変換が抑圧される断熱型、もう一方は縮退が解けて対となる2つのモードを均等に励振して、適切に干渉させ、縮退が解ける前のモードを励振する干渉型である。(例えば、非特許文献3から7参照。) The principle of optical mode conversion can be broadly divided into two types. One is the adiabatic type, in which conversion to a different mode is suppressed by setting a sufficiently gently tapered structure, and the other is the adiabatic type, in which degeneracy is resolved. It is an interference type that equally excites two modes that form a pair to cause them to interfere appropriately and excites the mode before the degeneracy is resolved. (For example, see Non-Patent Documents 3 to 7.)

断熱型では、テーパー長が短いと異なるモードへの変換が生じてしまうため、十分に長いテーパー長が必要となり、変換効率とテーパー長とのトレードオフが生じる。干渉型は、原理的にはテーパー構造を不要とするものであるが、2つの非縮退モードを低損失かつ均等に励振したり、縮退モード間の干渉度合いに応じたテーパー長を設定したりする必要があるなど、緻密な導波路パラメータ設定が必要である。また断熱テーパー型よりも波長依存性が大きくなる傾向にある In the adiabatic type, if the taper length is short, conversion to a different mode occurs, so a sufficiently long taper length is required, and there is a trade-off between conversion efficiency and taper length. The interference type, in principle, does not require a tapered structure, but it excites two non-degenerate modes evenly with low loss, and sets the taper length according to the degree of interference between degenerate modes. Precise waveguide parameter setting is required. It also tends to be more wavelength dependent than the adiabatic tapered type.

一方、断熱型か干渉型では分類できないような、最適化アルゴリズムを用いた曲線テーパー構造も報告されているが、アルゴリズムの実装において複雑な変数設定が必要となる。 On the other hand, a curved taper structure using an optimization algorithm, which cannot be classified as either adiabatic or interference, has been reported, but implementation of the algorithm requires complicated variable settings.

K. Saitoh et al., “PLC-based mode multi/demultiplexers for mode division multiplexing,” Opt. Fiber Technol., vol. 35, pp. 80-92, 2017.K. Saitoh et al. , "PLC-based mode multi/demultiplexers for mode division multiplexing," Opt. Fiber Technol. , vol. 35, pp. 80-92, 2017. D. Dai et al., “Mode conversion in tapered submicron silicon ridge optical waveguides,” Opt. Express, vol. 20, no. 12, pp. 13425-13439, 2012.D. Dai et al. , "Mode conversion in tapered submicron silicon ridge optical waveguides," Opt. Express, vol. 20, no. 12, pp. 13425-13439, 2012. M. Galarza et al., “Compact and highly-efficient polarization independent vertical resonant couplers for active-passive monolithic integration,” Opt. Express, vol. 16, no. 12, pp. 8350-8358, Jun. 2008.M. Galarza et al. , "Compact and highly-efficient polarization independent vertical resonant couplers for active-passive monolithic integration," Opt. Express, vol. 16, no. 12, pp. 8350-8358, Jun. 2008. M. Shirata et al., “Design of small mode-dependent-loss scrambling-type mode (de)multiplexer based on PLC,” Opt. Express, vol. 28, no. 7, pp. 9653-9665, Mar. 2020.M. Shirata et al. , "Design of small mode-dependent-loss scrambling-type mode (de) multiplexer based on PLC," Opt. Express, vol. 28, no. 7, pp. 9653-9665, Mar. 2020. K. Saitoh et al., “PLC-based LP_11 mode rotator for mode-division multiplexing transmission,” Opt. Express, vol. 22, no. 16, pp. 19117-19130, Jul. 2014.K. Saitoh et al. , "PLC-based LP_11 mode rotator for mode-division multiplexing transmission," Opt. Express, vol. 22, no. 16, pp. 19117-19130, Jul. 2014. Y. Yamashita et al., “PLC-based LP11 mode rotator with curved trench structure devised from wavefront matching method,” IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 29, no. 13, pp. 1063-1066, Jul. 2017.Y. Yamashita et al. , "PLC-based LP11 mode rotor with curved trench structure developed from wavefront matching method," IEEE Photonics Technol. Lett. , vol. 29, no. 13, pp. 1063-1066, Jul. 2017. Z. Chen et al., “Ultra-compact broadband in-line mode converter based on a width-modulated silicon waveguide,” IEEE Photonics J., vol. 13, no. 2, p. 2700107, 2021.Z. Chen et al. , "Ultra-compact broadband in-line mode converter based on a width-modulated silicon wave guide," IEEE Photonics J. Am. , vol. 13, no. 2, p. 2700107, 2021.

本開示は、テーパー形状の導波路を用いた光モード変換器において、簡便かつ効率的にテーパー構造を設計可能にすることを目的とする。 An object of the present disclosure is to enable simple and efficient design of a tapered structure in an optical mode converter using a tapered waveguide.

本発明では、テーパー構造の構造変化率に着目し、縮退が解ける状態で構造変化率が最も小さくなる任意関数(例えば、多項式関数)を設定する。これにより、本開示は、少ないパラメータ数で、構造変化率が滑らかなテーパー構造のみを得ることが可能になり、簡便かつ効率的にテーパー構造を設計することができる。 In the present invention, attention is focused on the structural change rate of the tapered structure, and an arbitrary function (for example, polynomial function) that minimizes the structural change rate in a state where degeneracy is resolved is set. As a result, the present disclosure can obtain only a tapered structure with a smooth structural change rate with a small number of parameters, and can design the tapered structure simply and efficiently.

具体的には、本開示に係る光モード変換器は、
導波路幅がテーパー形状である導波路を備え、
前記テーパー形状の細くなっていく方向をz軸とした場合に、反交差する座標zでの導波路幅の変化率dw/dzが極大値-amin(amin≠0)を持ち、座標z付近で導波路の変化率が最小となることを特徴とする。
Specifically, the optical mode converter according to the present disclosure includes:
comprising a waveguide having a tapered waveguide width,
When the direction in which the tapered shape is tapered is taken as the z-axis, the waveguide width change rate dw/dz at the anti-intersecting coordinate z 0 has a maximum value −a min (a min ≠0), and the coordinate It is characterized by the minimum rate of change of the waveguide near z0 .

具体的には、本開示に係る光モード合分波器は、
本開示に係る光モード変換器と、
モードスクランブラと、
を備える。
Specifically, the optical mode multiplexer/demultiplexer according to the present disclosure is
an optical mode converter according to the present disclosure;
2 N -mode scrambler;
Prepare.

本開示によれば、テーパー形状の導波路を用いた光モード変換器において、簡便かつ効率的にテーパー構造を設計可能にすることができる。さらに、本開示によれば、円弧などのテーパー形状に比べると設計の自由度も高いため、効率的な光モード変換器のテーパー構造設計が可能となり、テーパー長の縮小化および光モード変換の広帯域動作が可能となる。 According to the present disclosure, it is possible to easily and efficiently design a tapered structure in an optical mode converter using a tapered waveguide. Furthermore, according to the present disclosure, since the degree of design freedom is higher than that of tapered shapes such as arcs, it is possible to efficiently design the tapered structure of the optical mode converter, reducing the taper length and broadening the optical mode conversion. operation becomes possible.

断熱型光モード変換器の一例を示す。An example of an adiabatic optical mode converter is shown. 干渉型光モード変換器の一例を示す。An example of an interferometric optical mode converter is shown. 反交差点の一例を示す。An example of an anti-intersection is shown. 反交差点での非縮退モードと縮退光モードとの対応関係を示す。Correspondence between non-degenerate modes and degenerate optical modes at anti-crossing points is shown. 本開示に係る光モード変換器の一例を示す。1 illustrates an example of an optical mode converter according to the present disclosure; 本開示に係る光モード変換器の構造パラメータの一例である。4 is an example of structural parameters of an optical mode converter according to the present disclosure; 導波路幅の変化率を考慮した導波路形状の一例であり、(a)は導波路幅wを示し、(b)は導波路幅の変化率w’を示す。It is an example of a waveguide shape considering the change rate of the waveguide width, (a) shows the waveguide width w, and (b) shows the change rate w' of the waveguide width. テーパー長の比較例を示す。A comparative example of taper length is shown. 本開示に係る光モード変換器の導波路形状の一例を示す。1 shows an example of a waveguide shape of an optical mode converter according to the present disclosure; 本開示に係る光モード変換器の導波路形状の一例を示す。1 shows an example of a waveguide shape of an optical mode converter according to the present disclosure; 本開示に係る光モード変換器の導波路形状の一例を示す。1 shows an example of a waveguide shape of an optical mode converter according to the present disclosure; 本開示に係る光モード変換器の導波路形状の一例を示す。1 shows an example of a waveguide shape of an optical mode converter according to the present disclosure; 既存構造と提案構造のテーパー長と透過率の比較を示す。A comparison of the taper length and transmittance of the existing structure and the proposed structure is shown. 構造パラメータの一例を示す。An example of structural parameters is shown. 提案する導波路の透過率のn依存性の一例であり、(a)はamin=0の場合を示し、(b)はamin=1/15000の場合を示す。It is an example of the n dependence of the transmittance of the proposed waveguide, (a) shows the case of a min =0, and (b) shows the case of a min =1/15000. 光モード変換器のamin依存性の一例であり、(a)はn=3を示し、(b)はn=10を示す。It is an example of a min dependence of an optical mode converter, (a) shows n=3 and (b) shows n=10. 光モード変換器の波長依存性の一例を示す。An example of wavelength dependence of an optical mode converter is shown. 1550nmにおける変換効率と帯域幅のamin依存性の一例を示す。An example of a min dependence of conversion efficiency and bandwidth at 1550 nm is shown. 1550nmにおける変換効率と帯域幅のamin依存性の一例を示す。An example of a min dependence of conversion efficiency and bandwidth at 1550 nm is shown. 本開示の光モード変換器を具備する光モード合波器の一例を示す。1 shows an example of an optical mode multiplexer comprising an optical mode converter of the present disclosure; 4モードスクランブラの構成例を示す。A configuration example of a 4-mode scrambler is shown. 入力6ポートのピックアップ図を示す。2 shows a pickup diagram of 6 input ports; FIG. 4x4ユニタリ変換器及び4モードスクランブラの概略構成を示す。4 shows a schematic configuration of a 4x4 unitary converter and a 4-mode scrambler; 4x4ユニタリ変換器及び4モードスクランブラの具体的な構成例を示す。A specific configuration example of a 4x4 unitary converter and a 4-mode scrambler is shown.

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1A及び図1Bに従来提案されている光モード変換器を示す。主に断熱型と、干渉型の2つがある。断熱型は、図1Aに示すように、十分緩やかな導波路変化により分散曲線に沿ってモードが変換される(以下、直線テーパー又は直線テーパー構造と称する場合がある。)。断熱型において、反交差する付近までを急峻なテーパーにすることで、断熱型におけるテーパー長を、断熱の原理のまま短くする3段テーパー構造も提案されている(例えば、非特許文献4参照。)。干渉型は、図1Bに示すように、原理的にはテーパー構造を不要とする構造を備える。干渉型は、反交差点における2モードを励振し、干渉作用によりモードが変換される。
(Embodiment example 1)
1A and 1B show a conventionally proposed optical mode converter. There are two main types: the adiabatic type and the interference type. In the adiabatic type, as shown in FIG. 1A, the mode is converted along the dispersion curve by a sufficiently moderate waveguide change (hereinafter sometimes referred to as a straight taper or straight taper structure). In the adiabatic type, a three-step taper structure has also been proposed in which the taper length in the adiabatic type is shortened while maintaining the principle of adiabatic insulation by forming a steep taper up to the vicinity of the anti-intersection (see, for example, Non-Patent Document 4). ). The interference type, as shown in FIG. 1B, has a structure that, in principle, does not require a tapered structure. The interferometric type excites two modes at opposite crossing points, and the modes are converted by interference action.

図1Cに、反交差点の一例を示す。反交差点とは、光軸の傾きによってモードが結合する点のことを言う。図1Cに示す反交差点によって、図1Dに示すような、E31、E13のモードを、LP02-like、LP21-likeのモードに変換することができる。 An example of an anti-intersection is shown in FIG. 1C. The anti-crossing point is the point where the modes are coupled due to the tilt of the optical axis. The anti-crossing points shown in FIG. 1C can convert the E31 and E13 modes as shown in FIG. 1D into LP02-like and LP21-like modes.

図2Aに、提案する光モード変換器を示す。本開示の光モード変換器は、断熱型と干渉型の中間的な構造であることを特徴とする。導波路幅の変化率を多項式関数などの滑らかな関数に設定することで、滑らかな導波路形状が容易に得られる。また、関数の与え方によって、テーパー構造の中心付近と端付近での変化率の差を制御することができる。上記変化率の差の設定によって、断熱型にも干渉型にもなる。本開示の光モード変換器は、テーパー構造の両端において急峻であり、テーパー構造の中心付近において緩やかな、導波路幅の変化率を有する。特に、干渉型に近い構造において、テーパー構造の中心付近の変化率を0にしないことで、断熱型よりも短く、波長依存性の優れた特性が得られる。 FIG. 2A shows the proposed optical mode converter. The optical mode converter of the present disclosure is characterized by having an intermediate structure between the adiabatic type and the interference type. A smooth waveguide shape can be easily obtained by setting the change rate of the waveguide width to a smooth function such as a polynomial function. Also, depending on how the function is given, it is possible to control the difference in rate of change between the vicinity of the center and the edge of the tapered structure. Depending on the setting of the difference in the rate of change, the adiabatic type or the interference type can be used. The optical mode converter of the present disclosure has a waveguide width change rate that is steep at both ends of the tapered structure and gradual near the center of the tapered structure. In particular, in a structure close to the interference type, by not setting the rate of change near the center of the tapered structure to 0, it is possible to obtain characteristics that are shorter than those of the adiabatic type and excellent in wavelength dependence.

図2Bに、構造パラメータの一例を示す。図2Aに示すように、導波路の屈折率差をΔ、導波路高さをh、導波路幅をw、導波路幅の変化量をΔw、テーパー長をLとする。 FIG. 2B shows an example of structural parameters. As shown in FIG. 2A, Δ is the refractive index difference of the waveguide, h is the height of the waveguide, w is the width of the waveguide, Δw is the amount of change in the width of the waveguide, and LT is the taper length.

図3に導波路幅の変化率を考慮した導波路形状を示す。
進行方向をz軸とし、座標zにおける導波路幅をw(z)と定義する。
反交差する導波路幅をwとする。
テーパー構造の始点座標をz(<z)、終点座標をz(>z)とする。
座標zにおいて、反交差する導波路幅をwとなるようにする。
∴w(z)=w
導波路幅は進行方向に対して単調減少させる。
∴dw/dz<0
FIG. 3 shows the waveguide shape considering the change rate of the waveguide width.
The traveling direction is defined as the z-axis, and the width of the waveguide at the coordinate z is defined as w(z).
Let w0 be the width of the anti-intersecting waveguide.
Let z 1 (<z 0 ) be the starting point coordinates of the tapered structure, and z 2 (>z 0 ) be the ending point coordinates.
At coordinate z 0 , let the width of the anti-intersecting waveguide be w 0 .
∴w( z0 )= w0
The waveguide width monotonously decreases in the traveling direction.
∴dw/dz<0

本開示では、これらのパラメータを用いて、導波路幅の変化率w’=dw/dzが座標zで極大値aminを持つようなw(z)を設定することで、反交差する座標z付近が最も緩やかになる導波路幅が設定できる。本開示は、導波路幅の関数w(z)として高次の多項式関数を用いることで、断熱型の光モード変換器と比較して短いテーパー長でも極めて高い透過率が得られる。 In this disclosure, we use these parameters to set w(z) such that the rate of change in waveguide width w′=dw/dz has a maximum a min at coordinate z 0 , so that the anti-crossing coordinates It is possible to set the width of the waveguide that is the loosest in the vicinity of z0 . The present disclosure uses a high-order polynomial function as a function of waveguide width w(z) to achieve extremely high transmittance even with a short taper length compared to adiabatic optical mode converters.

図4に同じΔwかつ反交差点では同じaminとした場合のテーパー長の比較を示す。LTPは本開示のテーパー構造を示し、LTSは直線テーパー構造を示し、LTTは3段テーパー構造を示す。提案構造は、反交差点から離れたところの|w’|を大きくすることで、従来の直線テーパー構造のLTSや3段テーパー構造のLTTよりもテーパー長LTPが短くなる。 FIG. 4 shows a comparison of the taper length when Δw is the same and a min is the same at the opposite intersection. L TP indicates a tapered structure of the present disclosure, L TS indicates a straight tapered structure, and L TT indicates a triple tapered structure. In the proposed structure, by increasing |w'| at a distance from the anti-intersection, the taper length LTP becomes shorter than the conventional linear taper structure LTS and the three-step taper structure LTT .

本開示では、導波路幅の関数w(z)を、以下のようなn次の多項式関数で表す。

Figure 2023032196000002
ただし、amin<Δw/Lである。 In this disclosure, the waveguide width function w(z) is represented by an n-th order polynomial function as follows.
Figure 2023032196000002
However, a min <Δw/ LT .

ここで、nは多項式の次数であり0以上の実数である。またαは、次式で表される導波路幅の変化率に相当するパラメータであり、0以上の実数である。

Figure 2023032196000003
Here, n is the degree of the polynomial and is a real number of 0 or more. α is a parameter corresponding to the change rate of the waveguide width expressed by the following equation, and is a real number of 0 or more.
Figure 2023032196000003

図5~図8に提案する導波路の形状例(n=1,2,3,10)を示す。図5~図8では、zからzまでをz=0~5で表した。図5(a)~図8(a)は導波路幅wを示し、図5(b)~図8(b)は導波路幅の形状を示す。次数nと、導波路幅の最小変化率amin、テーパー長L(=z-z)、テーパー構造の導波路幅変化量Δw(=w(z)-w(z))が決定されれば、導波路幅の変化率αは自動的に決定され、テーパー構造が一意に決定される。nが大きくなるほどテーパーの両端付近の領域が急峻になり、aminが0に近づくほど、反交差点付近が直線状になる。 5 to 8 show examples of proposed waveguide shapes (n=1, 2, 3, 10). 5 to 8, z1 to z2 are represented by z=0 to 5. FIG. 5(a) to 8(a) show the waveguide width w, and FIGS. 5(b) to 8(b) show the shape of the waveguide width. Order n, minimum change rate a min of waveguide width, taper length L T (=z 2 −z 1 ), waveguide width change amount Δw (=w(z 1 )−w(z 2 )) of tapered structure is determined, the change rate α of the waveguide width is automatically determined, and the tapered structure is uniquely determined. As n increases, the areas near both ends of the taper become steeper, and as a min approaches 0, the area near the opposite intersection becomes linear.

図9Aに既存構造と提案構造のテーパー長と透過率の比較を示す。図9Bに構造パラメータを示す。既存の3段テーパー構造はテーパー長L=8.6mm、透過率T=-0.085dBである。これに対し、提案構造では、例えばn=6の場合、テーパー長L=4.5mmにおいて、透過率T=-0.02dBにすることができる。このため、本開示では、n=2以上の場合に、透過率を改善しつつ、およそ半分程度のデバイス長で実現可能であることが分かる。 FIG. 9A shows a comparison of taper length and transmittance between the existing structure and the proposed structure. Structural parameters are shown in FIG. 9B. The existing three-step taper structure has a taper length L T =8.6 mm and a transmittance T=-0.085 dB. On the other hand, in the proposed structure, for example, when n=6, the transmittance T=-0.02 dB at the taper length L T =4.5 mm. Therefore, in the present disclosure, when n=2 or more, it can be realized with about half the device length while improving the transmittance.

図10に提案する導波路の透過率のn依存性を示す。amin=0の場合、図10(a)に示すように、nが大きい(テーパー端が急峻となる)ほうがテーパー長が短くなるが、急峻すぎる場合n=40,80のように変換効率が低下する。よってamin=0の場合はn=10の場合に透過率を下げることなく、テーパー長3.8mmが実現出来ることが分かる。 FIG. 10 shows the n dependence of the transmittance of the proposed waveguide. When a min =0, as shown in FIG. 10(a), the larger n (the tapered end becomes steeper), the shorter the taper length becomes. descend. Therefore, it can be seen that when a min =0, a taper length of 3.8 mm can be realized without lowering the transmittance when n=10.

一方で、amin=1/15000の場合、図10(b)に示すように、例えばn=3の場合、amin=0では見られなかったフラットな領域が現れ、n=3以上で変換効率が高い構造が存在することが分かる。例えばn=4の場合、テーパー長5mmが実現出来ることが分かる。 On the other hand, when a min =1/15000, as shown in FIG. 10(b), when n=3, for example, a flat region that was not seen when a min =0 appeared, and when n=3 or more, a flat area appeared. It can be seen that there exists a structure with high efficiency. For example, when n=4, it can be seen that a taper length of 5 mm can be achieved.

以上より、従来の光モード変換よりも提案する光モード変換器ではおよそ半分程度のデバイス長で実現できることが分かる。 From the above, it can be seen that the proposed optical mode converter can be realized with a device length about half that of the conventional optical mode conversion.

(実施形態例2)
図11に提案する光モード変換器のamin依存性を示す。図11(a)に示すn=3の場合、aminが0から増加するとともに、テーパー中心付近の導波路幅変化が増加し、テーパー端の導波路幅が緩やかになる。干渉型から徐々に干渉型と断熱型の中間的な変換へと推移する。aminが大きすぎると、断熱型におけるテーパー長が足りない状態に相当し、変換効率が低下する。したがって、干渉型と断熱型の中間型としてはamin=1/15000前後が望ましい。
(Embodiment example 2)
FIG. 11 shows the a min dependence of the proposed optical mode converter. In the case of n=3 shown in FIG. 11(a), as a min increases from 0, the waveguide width variation near the taper center increases and the waveguide width at the taper end becomes moderate. The interference type gradually transitions to an intermediate conversion between the interference type and the adiabatic type. If a min is too large, it corresponds to a state in which the taper length is insufficient in the adiabatic type, and the conversion efficiency decreases. Therefore, as an intermediate type between the interference type and the adiabatic type, a min = around 1/15000 is desirable.

図11(b)に示すn=10の場合、aminに対する挙動はn=3と同様であり、干渉型と断熱型の中間型としてはamin=1/10000前後が望ましい。 In the case of n=10 shown in FIG. 11(b), the behavior with respect to a min is the same as that of n=3, and a min of about 1/10000 is desirable as an intermediate type between the interference type and the adiabatic type.

以上により、本提案する光モード変換器が低損失かつテーパー長が短くするためにはaminは1/15000~1/10000が望ましい。 From the above, it is desirable that a min is 1/15000 to 1/10000 in order to reduce the loss and shorten the taper length of the proposed optical mode converter.

(実施形態例3)
図12に提案する光モード変換器の波長依存性の一例を示す。図中において、n=1はn=1、amin=0、L=8.75mmを示し、n=3はn=3、amin=1/15000、L=8.75mmを示し、n=6はn=6、amin=1/14000、L=8mmを示し、n=10_0はn=10、amin=0、L=3.8mmを示し、n=10_15000はn=10、amin=1/15000、L=8mmを示し、n=10_10000はn=10、amin=1/10000、L=6.25mmを示す。従来の3段テーパー構造において強い波長依存性が見られ、n=10_0に示すように、amin=0の場合、n=10であっても、3段テーパー構造と同様の波長依存性が得られている。3段テーパー構造では、断熱動作するために必要なテーパー長が不足しているか、急峻なテーパー部でモード結合が生じているため、干渉型として動作している。このため、amin=0の場合、L<10mmの短い領域でも同様に干渉型となっており、次数nを変化させても波長依存性が改善されないことが分かる。
(Embodiment example 3)
FIG. 12 shows an example of the wavelength dependence of the proposed optical mode converter. In the figure, n = 1 indicates n = 1, a min = 0, L T = 8.75 mm, n = 3 indicates n = 3, a min = 1/15000, L T = 8.75 mm, n=6 indicates n=6, a min =1/14000, L T =8 mm, n=10 — 0 indicates n=10, a min =0, L T =3.8 mm, n=10 — 15000 indicates n= 10, a min =1/15000, L T =8 mm, n=10_10000 indicates n=10, a min =1/10000, L T =6.25 mm. A strong wavelength dependence is observed in the conventional three-step taper structure, and as shown in n=10_0, when a min =0, even when n=10, wavelength dependence similar to that of the three-step taper structure is obtained. It is The three-step taper structure operates as an interference type because the taper length required for adiabatic operation is insufficient or mode coupling occurs at the steep taper portion. Therefore, in the case of a min =0, even in a short region of L<10 mm, it is also an interference type, and it can be seen that even if the order n is changed, the wavelength dependence is not improved.

一方で、amin=1/15000~1/10000の場合、変換効率の高いnとLの組み合わせを選択することで、広帯域に動作することが分かる。従来報告されている3段テーパー構造のように、反交差点付近の導波路幅を緩やかにしただけでは帯域の改善が困難であったが、amin≠0の多項式関数で与えられる導波路幅の変化率によって得られたテーパー形状では断熱型と干渉型の中間的な変換を誘起し、広帯域動作が実現できる。 On the other hand, in the case of a min =1/15000 to 1/10000, it can be seen that wideband operation can be achieved by selecting a combination of n and L T with high conversion efficiency. It was difficult to improve the band just by softening the waveguide width near the anti-crossing point, as in the conventionally reported three-step taper structure. The tapered shape obtained by the rate of change induces intermediate conversion between adiabatic and interference types, and wideband operation can be realized.

図13、図14にそれぞれn=6、n=10の場合の1550nmにおける変換効率と帯域幅のamin依存性を示す。Lは8mmである。中心波長1550nmにおける変換効率からの変化が±0.1dB以内となる波長の区間から算出した帯域幅(最高波長-最低波長)をプロットしている。amin=0(1/amin=∞)の場合、干渉型として動作し、1550nmにおいて高い変換効率が得られる次数nとテーパー長Lが限定されるため、ここでは、n=1,L=8.75mm(図中×)とn=10,L=3.8mm(図中+)を右端にプロットしている。amin=0と比較すると、変換効率は保ったまま、帯域が2倍以上に増加している。n=6の場合、1/aminが12000~20000で100nm以上の動作波長域となる。また、n=10の場合は1/aminが12000~18000で100nm以上の動作波長域となる。 13 and 14 show a min dependence of conversion efficiency and bandwidth at 1550 nm for n=6 and n=10, respectively. LT is 8 mm. The bandwidth (maximum wavelength−minimum wavelength) calculated from the wavelength section where the change from the conversion efficiency at the center wavelength of 1550 nm is within ±0.1 dB is plotted. In the case of a min =0 (1/a min =∞), it operates as an interference type, and the order n and the taper length LT at which high conversion efficiency is obtained at 1550 nm are limited. T = 8.75 mm (x in the figure) and n = 10, L T = 3.8 mm (+ in the figure) are plotted on the right end. Compared to a min =0, the bandwidth is more than doubled while maintaining the conversion efficiency. When n=6, 1/a min is 12000 to 20000 and the operating wavelength range is 100 nm or more. When n=10, 1/a min is 12000 to 18000 and the operating wavelength range is 100 nm or more.

(実施形態例4)
図15Aに提案する光モード変換器を具備する光モード合波器を示す。図示するように16×16光ユニタリ変換器91とY分岐導波路による4モードスクランブラ92を組み合わせ、さらに本開示の光モード変換器であるE31/13モード変換器93(図中ではE31/13 Rotator)を用いる。
(Embodiment example 4)
FIG. 15A shows an optical mode multiplexer with the proposed optical mode converter. As shown in the figure, a 16×16 optical unitary converter 91 and a 4-mode scrambler 92 with a Y-branch waveguide are combined, and an E31/13 mode converter 93 (E31/13 Rotator) is used.

図15Bに、4モードスクランブラの構成例を示す。4モードスクランブラ92は、2スクランブラを用いることができる。ここで、Nは0以上の任意の整数である。4モードスクランブラのY分岐導波路31~33の特性として、結合部では横方向の山のみが変化する。E11(LP01)モードをY分岐の2入力側に入射するとE11モードとE21(LP11a)モードが、E21モードをY分岐の2入力側に入射するとE31モードとE41になる。E13モードは縦に山3つがあるので、縦に山3つがあるEn3モードを入射しなければ励振されないので、モード縦方向の山の数を変化させる光モード変換器が必要になる。ここで、図15Aに示すE31/13モード変換器93として本開示の光モード変換器を用いる。 FIG. 15B shows a configuration example of a 4-mode scrambler. The 4-mode scrambler 92 can use a 2N scrambler. Here, N is any integer greater than or equal to 0. As a characteristic of the Y-branch waveguides 31 to 33 of the 4-mode scrambler, only lateral peaks change at the coupling portion. When the E11 (LP01) mode is incident on the two input side of the Y branch, the E11 mode and the E21 (LP11a) mode are generated, and when the E21 mode is incident on the two input side of the Y branch, the E31 mode and the E41 mode are generated. Since the E13 mode has three vertical peaks, it cannot be excited unless the En3 mode having three vertical peaks is incident. Therefore, an optical mode converter that changes the number of vertical peaks in the mode is required. Here, the optical mode converter of the present disclosure is used as the E31/13 mode converter 93 shown in FIG. 15A.

これまでE12(LP11b)モードを励振するときには、LP11a/b回転子を使用し、その後のY分岐で、新たにE21(LP11a)を励振していた。一方、従来の8モードスクランブラでは、E31モードが励振され、導波路断面を正方形にするとLP02モードとLP21aモードになる。伝達行列のランクで考えると1チャネル分が2モードに分かれているだけであり、もう1チャネル分追加する必要があり、LP11a/bモードのケースと同様に、いちどE31モードをE13モードに変換して、再度Y分岐を通し、E13モードはE13モードのまま、E31モードはE21モードから励振するという手段をとることにより2チャネル分独立して励振可能となる。 Hitherto, when the E12 (LP11b) mode was excited, the LP11a/b rotor was used, and in the subsequent Y branch, the E21 (LP11a) was newly excited. On the other hand, in the conventional 8-mode scrambler, the E31 mode is excited, and if the waveguide cross section is made square, it becomes the LP02 mode and the LP21a mode. Considering the rank of the transfer matrix, only one channel is divided into two modes, and it is necessary to add one more channel. Then, through the Y branch again, the E13 mode remains the E13 mode, and the E31 mode is excited from the E21 mode, thereby making it possible to independently excite two channels.

通常、LP11bモードからはLP11bモードとLP21aモードが出てくるように、E13モードからE13モードとE23モードがでてくるので、前処理の16×16光ユニタリ変換器91で、不要な励振を抑える(例えばE13を同相で入射)ようにコントロールする。 Normally, LP11b mode and LP21a mode come out, so E13 mode and E23 mode come out from E13 mode, so the preprocessing 16×16 optical unitary converter 91 suppresses unnecessary excitation. (For example, E13 is incident in phase).

図16Aに、入力6ポートのピックアップ図を示す。ユニタリ変換器91の構成を簡略化して記載している。また、図16Aでは、図15の16×16光ユニタリ変換器91の代わりに2×2ユニタリ変換器と4x4ユニタリ変換器を組み合わせ複数の低次(4x4,2x2)ULOCより構成されている。4x4ユニタリ変換行列は、例えば、以下で表される。

Figure 2023032196000004
FIG. 16A shows a pickup diagram of 6 input ports. The configuration of the unitary converter 91 is simplified and described. 16A, instead of the 16.times.16 optical unitary converter 91 of FIG. 15, a 2.times.2 unitary converter and a 4.times.4 unitary converter are combined to form a plurality of low-order (4.times.4, 2.times.2) ULOCs. A 4x4 unitary transform matrix is, for example, represented below.
Figure 2023032196000004

図中において(A)で示されたユニタリ変換器にユニタリ変換行列Uを適用し、(B)で示されたユニタリ変換器にユニタリ変換行列Uを適用し、(C)で示されたユニタリ変換器にユニタリ変換行列Uを適用する。以上により、4LPモード合分波器が実現可能である。 In the figure, the unitary transformation matrix UA is applied to the unitary transformer indicated by (A), the unitary transformation matrix UB is applied to the unitary transformer indicated by (B), and the unitary transformation matrix UB is applied to the unitary transformer indicated by (C). Apply the unitary transformation matrix U C to the unitary transformer. As described above, a 4LP mode multiplexer/demultiplexer can be realized.

図16Bに、4x4ユニタリ変換器及び4モードスクランブラの概略構成を示す。ポート1~ポート4に入力されたLP01モードを、ポート5からLP01、LP11a及びLP11b、LP21に変換して出力する。 FIG. 16B shows a schematic configuration of a 4×4 unitary converter and a 4-mode scrambler. The LP01 mode input to ports 1 to 4 is converted from port 5 to LP01, LP11a and LP11b, LP21 and output.

図16Cに、4x4ユニタリ変換器及び4モードスクランブラの具体的な構成例を示す。4x4ユニタリ変換器及び4モードスクランブラは、図16C(a)に示すように、パワー分配器10及び位相シフタ20で構成することができる。 FIG. 16C shows a specific configuration example of a 4×4 unitary converter and a 4-mode scrambler. A 4×4 unitary converter and a 4-mode scrambler can be composed of a power divider 10 and a phase shifter 20, as shown in FIG. 16C(a).

パワー分配器10は、任意の構成を採用することができるが、例えば、図16C(b)に示すように、平行に配置された2本の導波路111及び112が一端で近接する2×1ポートのY分岐導波路を2個備え、2個のY分岐導波路の1ポート同士が2モード導波路で接続されている。 Although the power divider 10 can adopt any configuration, for example, as shown in FIG. Two Y-branch waveguides of ports are provided, and one port of the two Y-branch waveguides is connected by a two-mode waveguide.

位相シフタ20は、任意の構成を採用することができるが、例えば、図16C(c)に示すように、位相シフタの中心部にかけて導波路幅が徐々に拡大している形状を有する。 Although the phase shifter 20 can adopt any configuration, for example, as shown in FIG. 16C(c), it has a shape in which the waveguide width gradually increases toward the center of the phase shifter.

本開示は、これらのパワー分配器10及び位相シフタ20を備えることで、任意のユニタリ行列の変換を行う光ユニタリ変換器の素子長を短くすることができる。 By providing these power distributor 10 and phase shifter 20, the present disclosure can shorten the element length of an optical unitary converter that converts an arbitrary unitary matrix.

(本開示の効果)
少ないパラメータ数で、構造変化率が滑らかなテーパー構造のみを得ることができ、円弧などのテーパー形状に比べると設計の自由度も高いため、効率的な光モード変換器のテーパー構造設計が可能となり、テーパー長の縮小化および光モード変換の広帯域動作を可能とする。
(Effect of the present disclosure)
Only a tapered structure with a smooth structural change rate can be obtained with a small number of parameters, and the degree of design freedom is higher than that of tapered shapes such as circular arcs, making it possible to design an efficient tapered structure for an optical mode converter. , reducing the taper length and enabling broadband operation of optical mode conversion.

(本開示のポイント)
本開示では、光モード変換器のテーパー形状そのものではなく、構造変化率に着目し、縮退が解ける状態で構造変化率が最も小さくなる任意関数を設定することで、簡便かつ効率的なテーパー構造の設計を可能にしている。
(Points of this disclosure)
In the present disclosure, by focusing on the structural change rate rather than the tapered shape of the optical mode converter itself, and by setting an arbitrary function that minimizes the structural change rate in a state where the degeneracy is resolved, a simple and efficient tapered structure can be created. enables design.

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.

10:パワー分配器
11、12、31、32、33:Y分岐導波路
111、112:導波路
13:結合部
20:位相シフタ
91:16×16光ユニタリ変換器
92:4モードスクランブラ
93:E31/13モード変換器
10: Power distributors 11, 12, 31, 32, 33: Y branch waveguides 111, 112: Waveguide 13: Coupling section 20: Phase shifter 91: 16×16 optical unitary converter 92: 4-mode scrambler 93: E31/13 mode converter

Claims (4)

導波路幅がテーパー形状である導波路を備え、
前記テーパー形状の細くなっていく方向をz軸とした場合に、反交差する座標zでの導波路幅の変化率dw/dzが極大値-amin(amin≠0)を持ち、座標z付近で導波路の変化率が最小となることを特徴とする光モード変換器。
comprising a waveguide having a tapered waveguide width,
When the direction in which the tapered shape is tapered is taken as the z-axis, the waveguide width change rate dw/dz at the anti-intersecting coordinate z 0 has a maximum value −a min (a min ≠0), and the coordinate An optical mode converter characterized in that the rate of change of the waveguide is minimized near z0 .
前記座標zにおける導波路幅w(z)が、次式で表されることを特徴とする、
請求項1に記載の光モード変換器。
Figure 2023032196000005
The waveguide width w (z) at the coordinate z is represented by the following formula,
An optical mode converter according to claim 1.
Figure 2023032196000005
前記光モード変換器であり、
1/amin=12000~18000であることを特徴とする、
請求項2に記載の光モード変換器。
The optical mode converter,
1/a min =12000 to 18000,
3. An optical mode converter according to claim 2.
請求項1から3のいずれかに記載の光モード変換器と、
モードスクランブラと、
を備える光モード合分波器。
an optical mode converter according to any one of claims 1 to 3;
2 N -mode scrambler;
An optical mode multiplexer/demultiplexer.
JP2021138178A 2021-08-26 2021-08-26 Optical mode converter and optical mode multiplexer/demultiplexer Pending JP2023032196A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021138178A JP2023032196A (en) 2021-08-26 2021-08-26 Optical mode converter and optical mode multiplexer/demultiplexer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021138178A JP2023032196A (en) 2021-08-26 2021-08-26 Optical mode converter and optical mode multiplexer/demultiplexer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2023032196A true JP2023032196A (en) 2023-03-09

Family

ID=85416538

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021138178A Pending JP2023032196A (en) 2021-08-26 2021-08-26 Optical mode converter and optical mode multiplexer/demultiplexer

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2023032196A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4287849B2 (en) Polarization-insensitive micro-bending optical fiber grating and device using the same
JP6046717B2 (en) Low-mode fiber device using mode conversion
Tsekrekos et al. All-Fiber Broadband ${\rm LP} _ {02} $ Mode Converter for Future Wavelength and Mode Division Multiplexing Systems
Li et al. Fused fiber mode couplers for few-mode transmission
JP7095473B2 (en) Fiber for loss difference compensation between modes, and optical amplifier
US6643432B2 (en) Optical waveguide device and optical waveguide method
JP4887675B2 (en) Optical fiber and optical device using the same
JP6611250B2 (en) Multi-core optical fiber and multi-core optical fiber design method
WO2013169626A1 (en) High-power fiber laser employing nonlinear wave mixing with higher-order modes
US10451797B2 (en) Few-mode optical fiber
CN109313307B (en) Optical fiber and optical transmission system
JP6288772B2 (en) Mode multiplexer / demultiplexer and mode multiplexing communication system
CN109725386B (en) Multiband Broadband Optical Waveguide Mode Converter
CN109459818B (en) Broadband mode converter of multistage gradual change fiber core cascade connection
JP2007072182A (en) Optical fiber and optical device using the same
JP5215699B2 (en) Photonic crystal fiber
CN104345380A (en) Two-mode optical fiber
JP2023032196A (en) Optical mode converter and optical mode multiplexer/demultiplexer
JP6112606B2 (en) Planar optical waveguide manufacturing method and mode multiplexer / demultiplexer
JP2018189889A (en) Loss difference compensator
Li et al. Ultra-wide bandwidth wavelength selective couplers based on the all solid multi-core Ge-doped fibre
JP5842277B2 (en) Mode multiplexer / demultiplexer and design method thereof
Liu et al. All-fiber mode selective comb filter based on Mach–Zehnder interferometer
CN107076927A (en) A kind of type polarization mode converter
WO2023073881A1 (en) Mode converter and optical component containing mode converter

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20210827

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230927