JP5497131B2

JP5497131B2 - モード交換器

Info

Publication number: JP5497131B2
Application number: JP2012226937A
Authority: JP
Inventors: 寛和久保田; 秀彦高良; 浩高橋; 学小熊
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2032-10-12
Also published as: JP2014077967A

Description

本発明は、光通信に使用する装置に関するものであり、空間多重通信の一方式であるモード多重通信に使用する装置に関する。

現在、光ファイバ通信の容量拡大のためモード多重通信の研究開発が進んでいる。モード多重通信においては、各モードが従来の光ファイバ１本に相当するため、モードを相互に変換する方法は提案されているが、３モード以上を相互に交換する方法、あるいは装置は現在存在しない。

２モードのモード交換とは、互いに異なるモードの２つの光信号をそれぞれモード変換してモードを相互に入れ替えることである。このようなモードの入れ替えを行うことによって交換動作が可能となる。

モードの入れ替えには位相マスクを用いる方法があるが、図１に示すように、入れ替える０次モードと１次モードとの間でコア１０内での強度分布が異なるため、位相を合わせた場合でも変換効率は最大７０％程度になる。
あるいは、モードの入れ替えには導波路に周期的な屈曲を加える方法もある。屈曲を与える外圧を制御することでモード変換の有無のスイッチができるが、可動部をもつ部品となる（例えば、非特許文献１参照。）。
あるいは、ファイバカップラ等の方向性結合器を使用することもできる。しかし光学特性が固定された光部品となるため、オン・オフする機能を持たせることは難しい（例えば、非特許文献２参照。）。

あるいは、モードの入れ替えには、平面光波回路（ＰＬＣ）によるモード変換器を構成することもできる。図２は０次モードと１次モードを交換するモード交換器とその動作である。マルチモード導波路をＹ分岐で半分の幅を持つ導波路に分割し、その片方に位相変化を与えることでモード交換動作を行う。位相変化はたとえば熱光学効果（ＴＯ効果）、電気光学効果（ＥＯ効果）などにより与えることができる。位相変化を与えない場合にはモードの交換は生じず、１８０度の位相変化を与えた場合にはモードの交換が生じる。

Ｊ．Ｎ．Ｂｌａｋｅｅｔａｌ．，："Ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃｍｏｄａｌｃｏｕｐｌｅｒｕｓｉｎｇｐｅｒｉｏｄｉｃｍｉｃｒｏｂｅｎｄｉｎｇ"，ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．３，ｐ．１７７（１９８６）林涛、古海祐介、今井正明、辻寧英、小柴正則：「融着テーパ形ファイバモード変換器」、電子情報通信学会論文誌Ｃ、Ｖｏｌ．Ｊ８１−Ｃ１、Ｎｏ．１１、ｐ．６５０

このように２つのモードの間の交換であればＰＬＣにより簡便にほぼ理想的なモード交換を行うことができる。しかし、０次、１次、２次３つのモードが存在する場合のモード交換では、０次モードと２次モードの間でモードの交換を行う際に１次モードが影響を受け、部分的に所望しないモードへの変換が生じてしまう。

本発明は、互いに異なるモードの３つ以上の光信号を対象とした効率の良いモード交換を実現することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明では平面光波回路（ＰＬＣ）によるモード交換器を基本とし、オン・オフが可能で２つのモードの間のモード交換を行う部分をモード交換スイッチを備え、当該モード交換スイッチにおけるモード交換に関わらないモードをバイパスさせることで所望しないモードへの変換を回避するモード交換器を構成する。

具体的には、本発明のモード交換器は、３以上のモードを有する多モード光における任意のモードを交換するモード交換器であって、３以上のモードのうちの任意の２つのモードの間のモード交換を行う縦続接続された複数のモード交換スイッチと、各モード交換スイッチと並列に接続され、並列に接続されているモード交換スイッチにおいて交換するモードとは異なるモードを伝搬するバイパス路と、を備える。

本発明のモード交換器では、１つのモード交換スイッチに対して単一モードを伝搬する複数のバイパス路を備え、前記複数のバイパス路を伝搬するモード間のモード交換を行うバイパスモード交換スイッチをさらに備えてもよい。

本発明のモード交換器では、前記多モード光の有するモード数はＮ（Ｎは３以上の自然数。）であり、（Ｎ−１）個の前記モード交換スイッチの交換するモードは互いに異ってもよい。

本発明のモード交換器では、前記モード交換スイッチは、前記３以上のモードを伝搬するマルチモード導波路を分岐し、分岐した導波路のいずれかに位相変化を与えることでモード交換動作を行ってもよい。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明のモード交換器によれば、所望しないモードへの変換を回避することで、３モード以上のモードが存在する場合にも効率の良いモード交換をおこなうことができる。

０次モードと１次モードの電界強度分布の一例を示す。０次モードと１次モードを交換するモード交換スイッチの模式図とスイッチをオン・オフしたときの伝搬状態の一例を示す。実施形態１に係るモード交換器の模式図の一例を示す。実施形態１におけるモード状態の一例を示す。実施形態２に係る交換するモード交換器の構成図の一例を示す。実施形態２におけるモード状態の一例を示す。実施形態３に係る交換するモード交換器の構成図の一例を示す。実施形態３におけるモード状態の一例を示す。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
図３は本実施形態に係るモード交換器の模式図である。本実施形態では０次モード、１次モード及び２次モードの３モードを交換する。本実施形態に係るモード交換器は３段のモード交換スイッチ１１を備える。第１スイッチ部９１と、第２スイッチ部９２と、第３スイッチ部９３と、の３つのスイッチ部を備える。各スイッチ部９１〜９３は、モード交換スイッチ１１とバイパス路１２を備える。

モード交換スイッチ１１及びバイパス路１２は、ＰＬＣによって形成されている。ＰＬＣに用いる材料は石英ガラス、プラスチック、半導体など、使用する波長において透明な媒質であれば何を用いても良い。

第１スイッチ部９１において、バイパス路１２が２次モードをバイパスし、モード交換スイッチ１１（ＳＷ１）が図２の０次モードと１次モードの交換を行う。そして、第１スイッチ部９１の出力端において、バイパス路１２からの２次モードとモード交換スイッチ１１からの０次モード及び１次モードを合成する。
第２スイッチ部９２において、バイパス路１２が１次モードをバイパスし、モード交換スイッチ１１（ＳＷ２）が０次モードと２次モードの交換を行う。そして、第２スイッチ部９２の出力端において、バイパス路１２からの１次モードとモード交換スイッチ１１からの０次モード及び２次モードを合成する。
第３スイッチ部９３において、最初のスイッチ部９１と同様に、バイパス路１２が２次モードをバイパスし、モード交換スイッチ１１（ＳＷ３）が図２の０次モードと１次モードの交換を行う。そして、第３スイッチ部９２の出力端において、バイパス路１２からの２次モードとモード交換スイッチ１１からの０次モード及び１次モード光を合成する。

図４は、図３のＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をそれぞれオン／オフした場合に入力の０次モード、１次モード及び２次モードがそれぞれどのモードに変換されるかをまとめた表である。各スイッチは１がオン（交換する）、０がオフ（そのまま通過）である。このように図３の構成のモード交換器では３段構成により全ての組み合わせのモード交換が可能となることがわかる。

ここで、モード交換スイッチ１１は、２以上のモードを伝搬するマルチモード導波路を分岐し、分岐した導波路のいずれかに位相変化を与えることでモード交換動作を行うことが好ましい。ＰＬＣによる方法は図１の位相マスクによる方法と類似しているようにみえるが、分岐部においてなだらかに強度分布が変換されるため、原理的にはモード交換の効率は１００％とすることができ、図２の計算例においても９５％以上の交換効率となっている。

モード交換スイッチ１１は、交換するモードのマルチモード導波路１０の断面上の分布形状に合わせて分岐する。１次モードはマルチモード導波路１０の断面上で２箇所に分布するため、図３に示すＳＷ１及びＳＷ３のように２分岐をもつ導波路構造とすることで、０次モードと１次モードの間でモードの交換を行うことができる。２次モードはマルチモード導波路１０の断面上で３箇所に分布するため、図３に示すＳＷ２のように３分岐をもつ導波路構造とすることで、０次モードと２次モードの間でモードの交換を行うことができる。

バイパス路１２は、バイパスするモードと伝搬定数をそろえることで、モード結合によりそのモードのみ副導波路に導く。複数のモードをバイパスするにはバイパスするモードの数だけバイパス路１２を用いる。図２の構造でスイッチできるモードの数は２個のみなので、Ｎモードの交換では（Ｎ−２）のバイパス路１２を用いてモードをバイパスする。

（実施形態２）
演繹的に４モード以上のモードを交換するモード交換器を構成することができる。実施形態１で説明した３モードのモード交換器の構成を別の見方をすると、２モードの交換を行った後３番目のモードである２次モードをその並びのどこかに挿入する構成であるとみることができる。すなわち、Ｎ個のモードの交換を行うには（Ｎ−１）モードのモード交換器の出力に、Ｎ番目のモードとＮ−１番目のモードを交換するモード交換スイッチ１１、Ｎ−１番目とＮ−２番目を交換するモード交換スイッチ１１、と（Ｎ−１）個のモード交換スイッチ１１を設置すれば良い。必要な全スイッチの個数は
１＋２＋…＋（Ｎ−１）＝Ｎ（Ｎ−１）／２
個である。

図５は４モードの場合の模式図である。３次モードをバイパスした残り３モードを図３のモード交換器１０１にて交換し、その出力に３次モードとそれぞれのモードを交換するモード交換スイッチ１１を順に挿入する。

例えば、実施形態３で説明した第１スイッチ部９１、第２スイッチ部９２及び第３スイッチ部９３を備えるモード交換器１０１を備え、モード交換器１０１と並列に３次モードをバイパスするためのバイパス路１２が設けられ、モード交換器１０１からのマルチモード光とバイパス路１２からの３次モード光を合成し、その後段に第４スイッチ部９４、第５スイッチ部９５、第６スイッチ部９６が縦続接続される。

図６に、ＳＷ４〜ＳＷ６のモード交換動作の模式図を示す。ＳＷ４が３次モードから２次モードへ交換し、ＳＷ５が２次モードから１次モードへ交換し、ＳＷ６が１次モードから０次モードへ交換する。このため、ＳＷ４〜ＳＷ６のオン／オフを制御することで、３次モードから０次モード〜２次モードの任意のモードに交換することができる。４モードの場合、必要なモード交換スイッチ１１の個数は６個（３個＋３個）である。

なお、図中では、第４スイッチ部９４、第５スイッチ部９５及び第６スイッチ部９６におけるＳＷ４〜ＳＷ６のバイパス路１２の記載を省略した。また、バイパスさせるモードの次数は任意であり、４モードのマルチモード光に対して、２次モードをバイパスさせたり、１次モードをバイパスさせたりしてもよい。

（実施形態３）
４モード以上の交換においては、バイパスしたモードのうち２つのモードを組としてバイパス部分同士で交換する構成も可能であり、モード交換スイッチの個数および段数を減らしたコンパクトなモード交換器を構成することが可能である。

たとえば、４モードの場合には図７のように５個のモード交換スイッチ１１を３段のスイッチ群として構成することができる。モード交換スイッチ１１（ＳＷ１）が０次モードと１次モードを交換し、ＳＷ１のバイパス路１２が２次モードと３次モードをバイパスさせる。モード交換スイッチ１１（ＳＷ３）が０次モードと３次モードを交換し、ＳＷ３のバイパス路１２が１次モードと２次モードをバイパスさせる。モード交換スイッチ１１（ＳＷ５）が０次モードと１次モードを交換し、ＳＷ５のバイパス路１２が２次モードと３次モードをバイパスさせる。ＳＷ１のバイパス路１２に挿入されたバイパスモード交換スイッチ１３（ＳＷ２）は、２次モードと３次モードを交換する。ＳＷ３のバイパス路１２に挿入されたバイパスモード交換スイッチ１３（ＳＷ４）は、１次モードと２次モードを交換する。

図８は、図７の構成のスイッチと出力の対応表であり、この構成においても全ての組み合わせのモード交換が可能であることがわかる。バイパス路１２においてモード変換を行うことでコンパクト化が可能になり、このコンパクト化することで光の損失を低減することが可能となる。また、バイパス路１２は単一モード導波路であるため、モード交換スイッチ１１部分の構造を簡素化することができる。

この構成を一般化すると、Ｎが偶数の場合には２モードずつＮ／２個の組に分け、それぞれをモード交換スイッチ１１に通す構成を１段とする。この１段の中に含まれるＮ／２個のモード交換スイッチ１１をここではスイッチ群と呼称する。２段目ではモードの組み合わせを変えて同様に２モードずつＮ／２個の組に分けそれぞれをモード交換スイッチ１１に通す。以下必要に応じて段数を増やす。Ｎが奇数の場合にはペアにならない１モードをそのまま一つのグループと見なして、（Ｎ−１）／２個のモード交換スイッチ１１と孤立したモードに対してなにもしない部分で各段のスイッチ群を構成する。

最適にモードの組み合わせを選択した場合に必要なモード交換スイッチ数の下限はｌｏｇ２（Ｎ！）を超える最小の整数である。なお、「！」は階乗を表す。図７の例では、モード交換スイッチ１１及びバイパスモード交換スイッチ１３を含めた５つのスイッチを用いて４モードのマルチモード光のモード交換が可能になっており、実施形態２に比べて必要スイッチ数を削減することができる。

本発明は基幹光通信、データセンタ内の光接続等、大容量光通信に使用することができる。

１０：マルチモード導波路
１１：モード交換スイッチ
１２：バイパス路
１３：バイパスモード交換スイッチ
３０：クラッド
１０１：モード交換器
１１１：電極

Claims

３以上のモードを有する多モード光における任意のモードを交換するモード交換器であって、
３以上のモードのうちの任意の２つのモードの間のモード交換を行う縦続接続された複数のモード交換スイッチと、
各モード交換スイッチと並列に接続され、並列に接続されているモード交換スイッチにおいて交換するモードとは異なるモードを伝搬するバイパス路と、
を備えるモード交換器。
１つのモード交換スイッチに対して単一モードを伝搬する複数のバイパス路を備え、
前記複数のバイパス路を伝搬するモード間のモード交換を行うバイパスモード交換スイッチをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のモード交換器。
前記多モード光の有するモード数はＮ（Ｎは３以上の自然数。）であり、
（Ｎ−１）個の前記モード交換スイッチの交換するモードは互いに異なることを特徴とする請求項１又は２に記載のモード交換器。
前記モード交換スイッチは、前記３以上のモードを伝搬するマルチモード導波路を分岐し、分岐した導波路のいずれかに位相変化を与えることでモード交換動作を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のモード交換器。