JP5842277B2 - モード合分波器及びその設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、伝搬モード数が３以上である光ファイバケーブルにおいて伝搬モードそれぞれをキャリアとして利用する多重方法であるモード多重伝送に必要なモード合波器およびモード分波器に関する。

現在、光ファイバネットワークにおけるトラフィックは増大しており、伝送速度の高速化や波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術による波長多重数の増加、多値変調など様々な手法を用いて伝送容量の拡大を図ってきた。しかし、将来的に既設の伝送路、従来の伝送方式を用いての伝送容量の拡大が困難になると予想されるため、波長領域の拡大、新たな伝送ファイバ、及び新たな伝送方式が検討されている。

波長領域を拡大する方法として、現在利用されていない波長帯を利用して、広波長域のＷＤＭを実現し伝送容量を増大させる検討もなされている。しかし、伝送損失が波長帯により異なるため、使用できる波長帯は限定されると考えられ、さらに、広波長域にわたり増幅が可能な光増幅器も実現が困難なため、広波長域のＷＤＭが実用に至るためには多くの課題がある。

新たな伝送ファイバに関しては、ファイバ非線形による波形歪を抑圧するために実効断面積（Ａ_ｅｆｆ）が拡大できるファイバ構造が提案されている。ファイバ非線形の抑圧はファイバへ入力できる入力パワーの増加につながり、入力パワーの増加が可能になれば伝送速度の高速化、更なる多値化が可能になるなどの優位性が得られる。しかし、非特許文献１に示されるようにＡ_ｅｆｆの拡大は単一モード動作を前提としているため、曲げ損失と単一モード動作がトレードオフの関係にあることからＡ_ｅｆｆの大幅な拡大が困難という課題がある。

新たな伝送方式に関しては、非特許文献２に示されている無線の伝送方式において周波数利用効率を向上させるために利用されている直交した周波数成分を利用するＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）や、非特許文献３に示されているようにＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）をマルチモード光ファイバに適用することが検討されているが、送受信機において複雑な信号処理を必要とするため、演算処理の高速化などの課題がある。

さらには、特許文献１に光ファイバの伝搬モードを利用した多重方法も提案されているが、所望の高次モードを励振する方法が提案されておらず、単一波長で利用することを前提としているため、大容量化の実現が困難という課題がある。光ファイバの伝搬モードを利用するためのモード分波器として非特許文献３に示されるように受光する位置を変化させてモードの分波を行う方法が提案されているが、多くの高次モードが存在する状況では、モード間の漏話が大きくなり、受光器の設計も複雑になるため、伝搬モードをキャリアとして利用するモード多重伝送においての利用については好ましくない。

特開平８−２８８９１１号公報

松井 他、"Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｂｅｎｄｉｎｇ ｌｏｓｓ ａｎｄ Ａｅｆｆ ｏｆ ＞ ２００ μｍ２ ｆｏｒ ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ＷＤＭ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"、ＯＦＣ２０１０、ＰＤＰＡ２． Ｂｅｎｎ Ｃ． Ｔｈｏｍｓｅｎ、"ＭＩＭＯ ｅｎａｂｌｅｄ ４０Ｇｂ／ｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｍｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｉｎ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ"、ＯＦＣ２０１０、ＯｔｈＭ６． Ｃ． Ｐ． Ｔｓｅｋｒｅｋｏｓ、他、"Ｍｏｄｅ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｓｐａｔｉａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ｉｎ ａ ｍｏｄｅ ｇｒｏｕｐ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｌｉｎｋ"、ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．９、２００７． Ｒ．Ｒｙｆ、他、"Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｓｐａｔｉａｌ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｉｎ Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒｓ"、ＥＣＯＣ２０１１、Ｔｈ．１２．Ｂ．１． Ｎ．Ｈａｎｚａｗａ、他、"Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｐａｒａｌｌｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｆｏｒ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"、ＯＦＣ２０１２、ＯＴｕ１ｌ．４．

伝搬モードが複数存在する光ファイバを利用して、光ファイバの伝搬モードそれぞれをキャリアとして利用するモード多重伝送において、既存のデバイスは基本モードでの動作が前提であるため、既存のファイバデバイスをそのまま用いてモード多重伝送を実現することは困難である。また、これまで提案されているモード合分波器は、分波効率が悪いため、長距離伝送や高速な信号の伝送が困難であり、また空間系を利用するため構成が複雑になるなどの課題がある。空間系を用いた方法では、非特許文献４に記載されているようにモードごとに高い分波効率を実現することが可能であるが、挿入損失が８ｄＢ以上と大きくデバイスの小型化が困難であるなどの課題もある。

近年、非特許文献５に示されるように非対称平行導波路を用いた２モード合分波器が提案されており、非対称平行導波路を用いることで送受信端では基本モードのみで信号を扱うことが可能であり、既存のデバイスをそのまま用いることが可能になる。しかしながら、非特許文献５に記載の合分波器は２モードに限定されており、３モード多重を実現するための合分波方法に関しては提案されていない。３モード合分波器を光導波路で実現する場合、同一のチップ内で導波路の高さを変えた導波路を作製することが必要になる可能性があるが、導波路の高さを同一のチップ内で変えることは難しいという技術的な課題がある。

本発明は、３モード以上のモード多重伝送を実現可能とする合分波器を導波路の高さが一定という制限がある光導波路で実現可能とすることを目的とする。

本願発明のモード合分波器は、
ＬＰ０１モードを伝搬する第１の導波路と、
ＬＰ１１ｂモードを伝搬する第２の導波路と、
ＬＰ０１モード、第１の多モード光及び前記第１の多モード光とは異なる第２の多モード光を伝搬可能な第３の導波路と、
前記第１の導波路のＬＰ０１モード光と前記第３の導波路の前記第１の多モード光の実効屈折率を等しくすることによって、前記第１の導波路のＬＰ０１モード光と前記第３の導波路の前記第１の多モード光を結合させる第１の結合部と、
前記第２の導波路のＬＰ１１ｂモード光と前記第３の導波路の前記第２の多モード光の実効屈折率を等しくすることによって、前記第２の導波路のＬＰ１１ｂモード光と前記第３の導波路の前記第２の多モード光を結合させる第２の結合部と、
を備え、
前記第１の多モード光は、導波路中心を含む導波路の水平方向に１つ以上のピークを持ち高さ方向には１つのピークを持つフィールド分布を有し、
前記第２の多モード光は、導波路の高さ方向に２つ以上のピークを持つフィールド分布を有する。

本願発明のモード合分波器は、
ＬＰ０１モードを伝搬する第４の導波路と、
ＬＰ１１ａモードを伝搬する第５の導波路と、
前記第４の導波路のＬＰ０１モード光と前記第５の導波路のＬＰ１１ａモード光を結合させる第３の結合部と、
をさらに備え、
前記第５の導波路の端部から出力されたＬＰ１１ａモード光が９０度回転され、ＬＰ１１ｂモード光として前記第２の導波路の端部に入力されていてもよい。

本願発明のモード合分波器は、
前記第１の導波路、前記第２の導波路及び前記第３の導波路は、同一平面に形成された高さの等しい第１の平行導波路によって形成され、
前記第４の導波路及び前記第５の導波路は、同一平面に形成された高さの等しい第２の平行導波路によって形成され、
前記第１の平行導波路の前記同一平面と前記第２の平行導波路の前記同一平面とが直交していてもよい。

前記第１の多モード光は、ＬＰ１Ｘａモード光（ただし、Ｘは１以上の整数である。）及びＬＰ０Ｙモード光（ただし、Ｙは２以上の整数である。）の少なくとも１つにすることができる。
前記第２の多モード光は、ＬＰＺ１モード光（ただし、Ｚは２以上の整数である。）の少なくとも１つにすることができる。

本願発明の送信装置は、
波長多重信号を生成する複数の波長多重信号生成部と、
前記第１の導波路、前記第３の導波路及び前記第４の導波路のそれぞれの一端に前記波長多重信号生成部が接続され、前記波長多重信号生成から入力された波長多重信号をモード多重して前記第３の導波路の他端から出力する本発明のモード合分波器と、
を備える。

本願発明の受信装置は、
モード多重された波長多重信号が前記第３の導波路の一端に入力され、当該入力信号をモードごとに分波した波長多重信号を、前記第１の導波路、前記第３の導波路及び前記第４の導波路のそれぞれの他端から出力する本発明のモード合分波器と、
前記モード合分波器から出力された波長多重信号を、波長ごとに受信する波長多重信号受信部と、
を備える。

本願発明のモード多重通信システムは、
モード多重された波長多重信号を送信する本発明の送信装置と、
前記送信装置からのモード多重された波長多重信号を受信する本発明の受信装置と、
前記送信装置及び前記受信装置を接続し、前記第３の導波路の伝搬するモード数以上のモード数が伝搬可能なマルチモード光ファイバと、
を備える。

本願発明のモード合分波器の設計方法は、
ＬＰ０１モードを伝搬する第１の導波路と、
ＬＰ１１ｂモードを伝搬する第２の導波路と、
ＬＰ０１モード、第１の多モード光及び前記第１の多モード光とは異なる第２の多モード光を伝搬可能な第３の導波路と、
前記第１の導波路のＬＰ０１モード光と前記第３の導波路の前記第１の多モード光の実効屈折率を等しくすることによって、前記第１の導波路のＬＰ０１モード光と前記第３の導波路の前記第１の多モード光を結合させる第１の結合部と、
前記第２の導波路のＬＰ１１ｂモード光と前記第３の導波路の前記第２の多モード光の実効屈折率を等しくすることによって、前記第２の導波路のＬＰ１１ｂモード光と前記第３の導波路の前記第２の多モード光を結合させる第２の結合部と、
を備え、
前記第１の多モード光は、導波路中心を含む導波路の水平方向に１つ以上のピークを持ち高さ方向には１つのピークを持つフィールド分布を有し、
前記第２の多モード光は、導波路の高さ方向に２つ以上のピークを持つフィールド分布を有するモード合分波器の設計方法であって、
使用波長帯においてＬＰ０１モード、前記第１の多モード光及び前記第２の多モード光を伝搬するように、前記第３の導波路の導波路幅を決定するステップと、
前記第１の導波路のＬＰ０１モードと前記第３の導波路の前記第１の多モードが位相整合し、かつ、前記第２の導波路のＬＰ１１ｂモードと前記第３の導波路の前記第２の多モードが位相整合するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路の導波路幅を決定するステップと、
使用波長帯における結合効率が所望の値以上になるように、前記第１の結合部及び前記第２の結合部の相互作用長を決定するステップと、
を有する。

前記モード合分波器は、
ＬＰ０１モードを伝搬する第４の導波路と、
ＬＰ１１ａモードを伝搬する第５の導波路と、
前記第４の導波路のＬＰ０１モード光と前記第５の導波路のＬＰ１１ａモード光を結合させる第３の結合部と、
をさらに備え、
本願発明のモード合分波器の設計方法は、
使用波長帯においてＬＰ１１ａモードを伝搬するように、前記第５の導波路の導波路幅を決定するステップと、
前記第４の導波路のＬＰ０１モードと前記第５の導波路のＬＰ１１ａモードが位相整合するように、前記第４の導波路の導波路幅を決定するステップと、
使用波長帯における結合効率が所望の値以上になるように、前記第３の結合部の相互作用長を決定するステップと、
をさらに有してもよい。

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。

本発明のモード合分波器は、第１の導波路と第３の導波路を備えるため、高さが一定の導波路を用いて、ＬＰ０１モード光とＬＰ１１ａモードなどの第１の多モード光の合分波を行うことができる。また、本発明のモード合分波器は、第２の導波路と第３の導波路を備えるため、高さが一定の導波路を用いて、ＬＰ１１ｂモード光とＬＰ２１モードなどの第２の多モード光の合分波を行うことができる。したがって、本発明のモード合分波器は、３モード以上のモード多重伝送を実現可能とする合分波器を導波路の高さが一定という制限がある光導波路で実現することができる。

さらに、本発明のモード合分波器は、第４の導波路と第５の導波路を備えるため、高さが一定の導波路を用いて、ＬＰ０１モード光とＬＰ１１ａモード光の合分波を行い、第２の導波路にＬＰ１１ｂモード光を入力することができる。このため、本発明のモード合分波器は、従来の光デバイスを利用して、光ファイバ中の伝搬モードをキャリアとして利用した３モード以上のモード多重伝送が可能になり、導波路の高さが一定という制限があっても高効率な３モード以上のモード合分波器の実現が可能になる。

本実施形態のＬＰ２１モードまでを合分波するための第１の平行導波路部の一例を示す。 本実施形態に係る第２の平行導波路部の一例を示す。 第１の平行導波路部と第２の平行導波路部を用いたモード合分波器の一例を示す。 導波路の比屈折率差Δ０．４％における導波路の幅に対する伝搬モードの実効屈折率を示す図である。 ３つの導波路の導波路幅を決定するための図である。 導波路間隔を５μｍとした平行導波路のＬＰ０１モードとＬＰ１１ａモードの結合効率を示す図である。 導波路間隔を５μｍとした平行導波路のＬＰ１１ｂモードとＬＰ２１モードの結合効率を示す図である。 本発明のモード合波、分波を行うための第１の平行導波路の設計方法を示す図である。 本発明のモード合波、分波を行うための第２の平行導波路の設計方法を示す図である。 実施形態２に係る第１の平行導波路部の一例を示す。 実施形態２におけるＬＰ０１モードとＬＰ１１ａモードの結合効率の一例を示す。 実施形態２におけるＬＰ１１ｂモードとＬＰ２１モードの結合効率の一例を示す。 本発明の第３の実施形態の構成を示す図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、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。

本発明においては、光ファイバ中の伝搬モードである基本モード、第１高次モード、第２高次モード（ＬＰ_０１、ＬＰ_１１、ＬＰ_２１）を用いた３モード多重伝送に利用することを想定している。この明細書において導波路中の伝搬モードに関しても、便宜上、基本モード、第１高次モード、第２高次モード、第３高次モードをそれぞれＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１モードとする。

本発明は、比屈折率差Δが等しく、導波路の高さが等しい３つの導波路により構成される第１の平行導波路部と導波路の高さが等しい２つ導波路により構成される第２の平行導波路部の２つを縦属に接続することにより光ファイバにおける３モード合分波を実現するものである。

第１の平行導波路部の３つの導波路については、中央の導波路がＬＰ２１モード以上を伝搬可能とする導波路であり、使用波長域においてＬＰ０１モードを伝搬させるための導波路の幅ｗ１を設定した第１の導波路と、使用波長域において少なくともＬＰ１１ｂモードが伝搬可能な第１の導波路とは異なる導波路の幅ｗ２を設定した第２の導波路と、ＬＰ２１モード以上が伝搬可能な中央の第３の導波路であり、第１の導波路のＬＰ０１モードと第３の導波路の第１の多モードと実効屈折率が等しくかつ、第２の導波路のＬＰ１１ｂモードと第３の導波路の第２の多モードの実効屈折率が等しくなるように導波路の幅ｗ３を設定した第３の導波路により構成される非対称平行導波路とする。

ここで、第１の多モードは、導波路中心を含む導波路の水平方向に１つ以上のピークを持ち高さ方向には多くとも１つのピークを持つフィールド分布をするモードであり、例えば、ＬＰ１Ｘａモード（ただし、Ｘは１以上の整数である。）及びＬＰ０Ｙモード（ただし、Ｙは２以上の整数である。）の少なくとも１つである。第２の多モードは、導波路の高さ方向に２つ以上のピークを持つフィールド分布を有するモードであり、例えば、ＬＰＺ１モード（ただし、Ｚは２以上の整数である。）の少なくとも１つである。本実施形態では、第１の多モードがＸ＝１であるＬＰ１１ａモードであり、第２の多モードがＺ＝２であるＬＰ２１モードである場合について説明するが、本発明はここに列挙される第１の多モードと第２の多モードのいずれを組み合わせてもよい。

第２の平行導波路部の２つの導波路については、使用波長域においてＬＰ０１モードを伝搬させるための導波路の幅ｗ４を設定した第４の導波路４と少なくとも２以上の伝搬モードが伝搬可能であり、第４の導波路のＬＰ０１モードの実効屈折率とＬＰ１１ａモードの実効屈折率とが等しくなるように導波路の幅ｗ５を設定した第５の導波路により構成される非対称平行導波路とする。

第１の平行導波路部及び第２の平行導波路部を用いて、第２の平行導波路部を９０°回転させて第５の導波路と第２の導波路を縦属に接続し、第２の平行導波路部１２０の出力ＬＰ１１ａを用いて第１の平行導波路部１１０における導波路２のＬＰ１１ｂモードを励振することにより、基本モードとＬＰ２１モードを含めた高次モードの位相整合によりモード変換およびモード分波を行うものである。ここで、非対称平行導波路は導波路の大きさが異なるだけではなく、導波路の比屈折率差が異なる場合も含み、導波路１は第１高次モード以上が伝搬可能な導波路で平行導波路を構成しても良い。

これにより、Ｃバンド（１５３０ｎｍから１５６５ｎｍ）の波長帯域において、基本モードと２つの高次モードの分波効率も９８％以上を実現することが可能であることから、３つの伝搬モードを利用した３モード多重伝送の高速・長距離化が可能になる。

また、モード合波の前段、モード分波の後段、つまり伝送路以外の区間では、基本モードで伝搬されるため、ファイバデバイスについては基本モードで動作させることができることから、既存のファイバデバイスを利用して３モード多重伝送を実現することが可能になる。このため、簡易な構成で波長多重など既存の多重技術と併用した３モード多重伝送を実現することも可能になる。

加えて、本提案手法を用いることで平行導波路の高さを一定で作製することが可能になるため、技術的に難しい、それぞれの導波路の高さを変えるという方法を用いずに３モード合分波器を実現することが可能になる。

（実施形態１）
本発明の第１の実施形態について説明する。図１（ａ）は、本実施形態のＬＰ２１モードまでを合分波するための第１の平行導波路部を説明する図である。第１の平行導波路部１１０は、導波路１１１、導波路１１２及び導波路１１３を備える。導波路１１１はＬＰ０１モード光を伝搬し、導波路１１２はＬＰ１１ｂモード光を伝搬し、導波路１１３はＬＰ２１以上を伝搬する。第１の平行導波路部１１０は、相互作用長Ｌ_１を有する導波路１１１と導波路１１３との結合部Ｃ１と、相互作用長Ｌ_２を有する導波路１１２と導波路１１３との結合部Ｃ２とを有する。

図１（ｂ）は、ＬＰ１１ｂモードの光を生成するための第２の平行導波路部を説明する図である。第１の平行導波路部１２０は、導波路１１４及び導波路１１５を備える。導波路１１４はＬＰ０１モード光を伝搬し、導波路１１５はＬＰ１１ａモード光を伝搬する。第２の平行導波路部１２０は、相互作用長Ｌ_３を有する導波路１１４と導波路１１５との結合部Ｃ３を有する。

図１（ｃ）は、第１の平行導波路部１１０と第２の平行導波路部１２０を用いたＬＰ２１モードまでを合分波するモード合分波器の構成を説明する図である。導波路１１２と導波路１１５が接続部Ｐで接続される。ＬＰ０１モード光が導波路１１４に入力され、ＬＰ１１ａモード光が導波路１１５の接続部Ｐから出力される。接続部Ｐは、導波路１１５から出力されるＬＰ１１ａモード光は９０度回転するように、接続されている。このため、導波路１１２にはＬＰ１１ｂモード光が入力される。接続部Ｐの回転機構は、第１の平行導波路部１１０と第２の平行導波路部１２０の設置角度を９０度回転させてもよいし、光学素子を用いてもよい。

結合部Ｃ１及びＣ２は、導波路１１３の長手方向に縦続に配列される。結合部Ｃ１では、非対称平行導波路を用いて、導波路１１１のＬＰ０１モードと導波路１１３のＬＰ１１ａモードを位相整合させる。結合部Ｃ２では、非対称平行導波路を用いて、導波路１１２のＬＰ１１ｂモードと導波路１１３のＬＰ２１モードを位相整合させる。これにより、本実施形態のモード合分波器は、モード変換を行うモード合波器として機能するとともに、モード分波を行うモード分波器として機能する。非対称平行導波路は、導波路の大きさが異なるようにすれば、比屈折率差Δを等しくしてもよい。また、導波路の大きさが異なるだけではなく、導波路の比屈折率差が異なる場合も含む。

導波路１１１と導波路１１２と導波路１１３は比屈折率差Δが等しい平行導波路である。Δは、導波路の屈折率ｎ_１と導波路周囲の媒質の屈折率ｎ_０を用いて次式であらわされる。

導波路１１１と導波路１１２は、使用波長域において少なくともＬＰ０１モードを伝搬する導波路の幅ｗ１を有し、導波路１１２は使用波長域において少なくともＬＰ１１ｂモードを伝搬する導波路の幅ｗ２を有する。ここで遮断波長は、導波路の高さｈと比屈折率差Δを決定し、導波路幅ｗと使用波長帯を決定し、例えば有限要素法などを用いて導波路解析を行うことで遮断波長を求める。本実施形態では導波路の高さｈは中央の導波路１１３の幅と等しく設定した。

導波路１１３は少なくともＬＰ２１モード以上の伝搬モードが伝搬可能であり、導波路１１３の導波路の幅ｗ３は導波路１１３のＬＰ１１ａモードと導波路１１１のＬＰ０１モードの実効屈折率が等しく設計し、かつ導波路１１３のＬＰ２１モードと導波路１１２のＬＰ１１ｂモードの実効屈折率が等しくなるように設計する。以下に導波路１１１と導波路１１２と導波路１１３の設計方法を具体的に説明する。

例として、各導波路の比屈折率差Δを０．４％にした場合の導波路の幅ｗに対する波長１５５０ｎｍのＬＰ０１モードからＬＰ２１モードまでの実効屈折率の変化を図２に示す。図２は導波路の幅ｗ（導波路の高さｈは１３．７μｍで一定）を横軸として、導波路の伝搬モードの実効屈折率を縦軸に示している。図２から、比屈折率差Δが０．４％では導波路幅ｗを１１．０μｍ以上に設定することでＬＰ２１モード伝搬を実現できることがわかる。

図３に第１の平行導波路部１１０の導波路１１１と導波路１１２と導波路１１３の幅を決定する図を示す。ここでは、導波路１１３の幅ｗ３はＬＰ２１モード以上が伝搬可能な１３．７μｍとする。この時、導波路１１１の幅ｗ１は導波路１１３のＬＰ１１ａモードの実効屈折率と等しい幅に設定すれば良いので、ｗ１は４．７９μｍとなる。また、導波路１１２の幅ｗ２は導波路１１３のＬＰ２１モードの実効屈折率と導波路１１２のＬＰ１１ｂモードの実効屈折率が等しくなれば良いので、ｗ２は４．６２μｍとなる。

図３に示した導波路幅ｗ１と導波路幅ｗ２と導波路幅ｗ３を用いた場合に、ＬＰ０１モードをＬＰ１１ａモードに変換するために必要な相互作用長Ｌ１とＬＰ１１ｂモードをＬＰ２１モードに変換するために必要な相互作用長Ｌ２を例えばビーム伝搬法などにより計算し、導波路１１１のＬＰ０１モードが導波路１１３のＬＰ１１ａモードへの結合効率と導波路１１２のＬＰ１１ｂモードが導波路１１３のＬＰ２１モードへの結合効率が最大となるように適切な相互作用長を設計する。ここで、導波路１１１と導波路１１３の導導波路間隔ｇ１と導波路１１２と導波路１１３の導波路間隔ｇ２を５．０μｍと等しい場合にビーム伝搬法によりＬＰ１１ａモード、ＬＰ２１モードそれぞれの結合効率が最大となる相互作用長を求めるとＬ１は１．５ｍｍ、Ｌ２は１．０ｍｍであった。

本実施形態では、第１の平行導波路部１１０においてＬＰ２１モードを励振するために、導波路１１２のＬＰ１１ｂを利用している。ＬＰ１１ｂの励振には、図１（ｂ）に示した第２の平行導波路部１２０を用いる。第２の平行導波路部１２０はＬＰ０１モードが伝搬可能な導波路１１４とＬＰ１１ａモード以上が伝搬可能な導波路１１５で構成される。ＬＰ１１ａを励振するための導波路１１４と導波路１１５の導波路パラメータは、第１の平行導波路部１１０の導波路１１１と導波路１１３の結合部のパラメータを用いればよい。すなわち、導波路幅ｗ４は導波路幅ｗ１と等しく、導波路幅ｗ５は導波路幅ｗ３と等しく、結合部Ｃ３の導波路間隔ｇ３は導波路間隔ｇ１と等しく、相互作用長Ｌ３は相互作用長Ｌ１と等しい。

本発明においては、第１の平行導波路部１１０と第２の平行導波路部１２０を図１（ｃ）に示すように、第２の平行導波路部１２０の導波路１１５を９０°回転させて第１の平行導波路部１１０の導波路１１２と接続することで導波路１１２のＬＰ１１ｂモードを励振してＬＰ２１モードの合分波を行う。従って、導波路１１１、導波路１１３、導波路１１４を入出力ポートとして利用し、モード合波器の入力部およびモード分波器の出力部では基本モードであるＬＰ０１モードのみでＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１の３モードの合分波が可能になる。

導波路間隔ｇ１、ｇ２を５．０μｍ、導波路１１１の導波路の幅ｗ１を４．７９μｍ、導波路１１２の導波路の幅ｗ２を４．６２μｍ、導波路１１３の幅ｗ３を１３．７μｍ、導波路の高さｈを１３．７μｍ、比屈折率差Δを０．４％、導波路の曲げ半径Ｒを５０ｍｍ、相互作用長Ｌ１を１．５ｍｍ、相互作用長Ｌ２を１．０ｍｍとした場合に得られるＬＰ１１ａモードの結合効率の波長依存性を図４（ａ）に示し、ＬＰ２１モードの結合効率の波長依存性を図４（ｂ）に示す。

図４（ａ）は、導波路１１１にＬＰ０１モードの光を入射した場合に導波路１１３にＬＰ１１ａモードとして出力される結合効率（実線）と導波路１１１にＬＰ０１モードとして出力される結合効率（破線）を示している。図４（ｂ）は、導波路１１２にＬＰ１１ｂモードの光を入射した場合に導波路１１３にＬＰ２１モードとして出力される結合効率（実線）と導波路１１２にそのままＬＰ１１ｂモードとして出力される結合効率（破線）を示している。

図４より、波長１５３０ｎｍから１５６５ｎｍの波長帯において９８％以上の結合効率を有する非常に高効率な３モード合分波器を実現できることがわかる。ここで、３モード以上を伝搬可能な光ファイバとしてコア直径１８μｍ、コアの比屈折率差Δを０．４％としたファイバを仮定すると、光ファイバの基本モードのモードフィールド径（ＭＦＤ）は１５．３μｍであり、上記記載の導波路１１３のＭＦＤは１３．７μｍである。これらの値を用いてＭＦＤ不整合損失を近似式（２）を用いて見積もるとおよそ０．１５ｄＢ程度であった。

ここで、Ｗ１、Ｗ２はそれぞれ光ファイバのＭＦＤ、導波路のＭＦＤとし、ηは結合損失を示す。

このことから、本発明の非対称平行導波路と伝送用ファイバとの接続損失は非常に小さいと予想される。伝送用ファイバと導波路のＭＦＤが極端に異なる場合には、導波路とファイバとの接続部においてどちらか一方もしくは両者をテーパ状に加工するなどしてＭＦＤの不整合を小さくすることで接続損失の低減を図ることも可能である。前記記載のＭＦＤはファイバ、導波路ともに基本モードのフィールドをガウシアン近似して算出している。

実施形態１は導波路の比屈折率差Δが等しく、導波路の間隔が等しい条件下で設計を行ったが、本発明はこれに制限されることはなく、３つの導波路それぞれの比屈折率差Δが異なっていても良く、また導波路間隔ｇ１とｇ２が異なっていても良い。また、第２の平行導波路部１２０は第１の平行導波路部１１０のパラメータを用いずに改めてＬＰ０１モードとＬＰ１１ａモードの合分波が可能な導波路パラメータを設計しても良い。

次に、本発明のモード合分波器の設計方法について説明する。図５（ａ）及び図５（ｂ）に導波路の設計方法の手順について示したフロー図を示す。設計手順は第１の平行導波路部設計手順と第２の平行導波路部設計手順の２つからなる。
図５（ａ）に示す第１の平行導波路部設計手順では、第１の平行導波路部１１０の設計を行う。
はじめに、モード合分波器で使用する波長帯を決定する（Ｓ１０１）。
次に、使用する波長帯においてＬＰ２１モード以上が伝搬可能となるように、比屈折率差Δと導波路幅ｗ３を決定する（Ｓ１０２、Ｓ１０３）。比屈折率差Δと導波路幅ｗ３の決定には、例えば、有限要素法などの導波路解析を用いて遮断波長を求めることで決定する。
次に、導波路１１１のＬＰ０１モードと導波路１１３のＬＰ１１ａモードの実効屈折率が等しくなるような導波路幅ｗ１を決定する（Ｓ１０４、Ｓ１０５）。導波路幅ｗ１の決定においても、有限要素法などの導波路解析を用いて実効屈折率を算出する。
次に、導波路１１３のＬＰ２１モードの実効屈折率（Ｓ１０８）と導波路１１２のＬＰ１１ｂモードの実効屈折率が等しくなるような導波路幅ｗ２を決定する（Ｓ１０６、Ｓ１０７）。
次に、導波路間隔ｇ１、ｇ２を決定し（Ｓ１０８）、決定した導波路間隔ｇ_１、ｇ_２を用いて相互作用長Ｌ１、Ｌ２を決定する（Ｓ１０９）。相互作用長Ｌ１、Ｌ２の算出にはビーム伝搬法などの伝搬解析を行い相互作用長を算出する。
相互作用長Ｌ_１、Ｌ_２を算出したら、所望の結合効率を有するか否かを判定し（Ｓ１１０）、所望の結合効率を有さない場合はステップＳ１０８へ移行する。例えば使用波長帯において８０％以上の結合効率を所望しており、それに満たない結合効率が得られた場合には、導波路間隔ｇ１、ｇ２を再設定し（Ｓ１０８）、相互作用長Ｌ１、Ｌ２の算出を行い（Ｓ１０９）、所望の特性が得られたところで（Ｓ１１０においてＹｅｓ）、これまで決定した各パラメータの確定となる。

図５（ｂ）に示す第２の平行導波路部設計手順では、第２の平行導波路部１２０の設計を行う。
本手順では、第１の平行導波路部１１０で用いた使用波長帯で設計を進める（Ｓ２０１）。使用する波長帯においてＬＰ１１ａモード以上が伝搬可能となるように（Ｓ２０３においてＹｅｓ）、比屈折率差Δと導波路幅ｗ５を決定する（Ｓ２０２）。比屈折率差Δと導波路幅ｗ５の決定には、第１の平行導波路部１１０と同様に有限要素法などの導波路解析を用いて遮断波長を求めることで決定する。
次に導波路１１４のＬＰ０１モードと導波路１１５のＬＰ１１ａモードの実効屈折率が等しくなるような導波路幅ｗ４を決定する（Ｓ２０４、Ｓ２０５）。導波路幅ｗ４の決定においても導波路解析を用いて実効屈折率を算出する。
次に、導波路間隔ｇ３を決定し（Ｓ２０６）、相互作用長Ｌ３を決定する（Ｓ２０７）。Ｌ３の算出には伝搬解析を行い相互作用長を算出する。
相互作用長Ｌ３を算出したら、所望の結合効率を有するか否かを判定し（Ｓ２０８）、所望の結合効率を有さない場合はステップＳ２０６へ移行する。例えば使用波長帯において８０％以上の結合効率を所望しており、それに満たない結合効率が得られた場合には、導波路間隔ｇ３を再設定し（Ｓ２０６）、相互作用長Ｌ３の算出を行い（Ｓ２０７）、所望の特性が得られたところで（Ｓ２０８においてＹｅｓ）、これまで決定した各パラメータの確定となる。

（実施形態２）
本発明の第２の実施形態について説明する。図６は、本実施形態に係る第１の平行導波路部１１０の一例を示す。本実施形態は、ＬＰ１１ａモードの結合部とＬＰ２１モードの結合部で中央の導波路の太さを変化させるテーパ部を設けたＬＰ２１モードまでに対応した合分波器の実施形態に関する。

本実施形態に係る第１の平行導波路部１１０は、導波路６１１と、導波路６１２と、導波路６１３を備える。導波路６１１はＬＰ０１モード光を伝搬し、導波路６１２はＬＰ１１ｂモード光を伝搬し、導波路６１３において、幅ｗ３の部分ではＬＰ１１ａモードが伝搬し、導波路幅ｗ６の部分ではＬＰ２１モード以上を伝搬可能とする。第１の平行導波路部１１０は、相互作用長Ｌ_１を有する導波路６１１と導波路６１３との結合部Ｃ１と、相互作用長Ｌ_６を有する導波路６１２と導波路６１３との結合部Ｃ６とを有する。

本実施形態では、比屈折率差Δを０．４５％、導波路の高さｈを９μｍとする。この場合、実施形態１に示した設計方法を用いて導波路のパラメータを求める。本実施形態においては使用波長域をＣ−ｂａｎｄである１５３０ｎｍから１５６５ｎｍを想定する（Ｓ１０１）。導波路６１３の導波路幅ｗ３、ｗ６をそれぞれ１２．９μｍ、１９．１μｍとする。

ステップＳ１０４及びＳ１０５において、導波路６１１の導波路幅ｗ１は導波路６１３の導波路幅ｗ３におけるＬＰ１１ａモードと導波路６１１のＬＰ０１モードと実効屈折率が一致するように設定すればよく、導波路幅ｗ１は４．５μｍと求まる。
次に、ステップＳ１０６及びＳ１０７において、導波路６１２の導波路幅ｗ２は導波路６１３の導波路幅ｗ６におけるＬＰ２１モードと導波路６１２のＬＰ１１ｂモードの実効屈折率が等しくなるように設定すればよく、導波路幅ｗ２は７．０μｍと求まる。
次に、ステップＳ１０８において、導波路６１１と導波路６１３の導波路間隔をｇ１、導波路６１２と６１３の間隔をｇ６とし、ｇ１、ｇ６をそれぞれ４μｍ、９μｍとする。この導波路間隔において、導波路６１１のＬＰ０１モードから導波路６１３のＬＰ１１ａモードへの結合効率及び導波路６１２のＬＰ１１ｂモードから導波路６１３のＬＰ２１モードへの結合効率がともに９０％以上になる相互作用長Ｌ１、Ｌ２を求めると（Ｓ１１０においてＹｅｓ）、それぞれ０．６５ｍｍ、８．９ｍｍになる。

導波路６１２へ接続する第２の平行導波路１２０のパラメータは、導波路６１１と６１３の結合部Ｃ２のパラメータと同じとし、平行導波路を９０°回転させて導波路幅ｗ３の幅を持つ出力端を導波路６１２と接続する。

前記記載の導波路パラメータを用いて導波路６１１から６１３及び導波路６１２から導波路６１３への結合効率を求めた結果を図７及び図８に示す。決定した導波路パラメータはＣ−ｂａｎｄ内で９０％以上の結合効率を有していることがわかる。本発明は実施形態１及び実施形態２で示した導波路パラメータに制限されることはなく所望の特性に応じて導波路の幅、間隔、相互作用長を調整すればよい。

（実施形態３）
本発明の第３の実施形態について説明する。実施形態１および実施形態２で示したモード合分波器の使用例に関する。本発明のモード合分波器は波長多重通信システム（ＷＤＭ）および偏波多重通信システム（ＰＤＭ）とモード多重通信システムの３つの多重方法を組み合わせて使用することができる。これらは、３つの多重方式を個別に使用することや２つの多重方式のみを使用することも考えられ、いずれの方法にも適用できる。図９にＷＤＭとＰＤＭに３モード多重を行うためのシステムの構成例を示す。本発明のモード合分波器の使用例は図９のこれに限定されるものではない。また、ある波長λの光源に関しては、１つの光源をパワー分岐して使用しても良く、同一波長の光源を複数用意して波長λの信号を生成しても良い。

図９に示すように、偏波多重波長多重モード多重伝送システムは、送信装置７１１及び受信装置７２０を備える。送信装置７１１は、３つの波長多重信号生成部と、実施形態１に記載の伝搬モードを合波（モード変換）するモード合波器７１８と、により構成されている。各波長多重信号生成部は、λ_１からλ_ＮのＮ個の光源７１２とＮ個の波長それぞれの光を２分岐する光分波器７１３と、Ｎ個の波長の基本モードそれぞれを変調する光変調器７１４と偏波を調節するための偏波コントローラ７１５と、それぞれの波長の基本伝搬モードを合波する光合波器７１６と、Ｎ個の波長を合波するための波長合波器７１７と、実施形態１、２に記載の伝搬モードを合波（モード変換）するモード合波器７１８とにより構成されている。

また、受信器７２０は、合波された３個の伝搬モードを分波する実施形態１、２に記載のモード分波器７２１と、モードごとに分波されたＮ個の波長多重信号を受信する波長多重信号受信部と、により構成されている。波長多重信号受信部は、モードごとに分波されたＮ個の波長をそれぞれの波長に分波するための波長分波器７２２と、波長分波器により分波されたそれぞれの波長において偏波を分離するための偏波分波器７２３と、分波された信号光を受光して電気信号に変換する受光回路７２４とにより構成されている。

送信装置７１１のモード合波器７１８と受信装置７２０のモード分波器７２１とは、マルチモード伝送路７１９により接続されている。実施形態１、２のモード合波および分波器を使用することにより、送信装置および受信装置中では基本伝搬モードで処理を行い、伝送路中でのみ高次モードに変換して信号を伝送している。そのため、本発明のモード合分波器を利用することにより、従来の光デバイスをそのまま利用することができる。伝送路中で信号の増幅が必要な場合には、本発明のモード合分波器を利用して、高次モードを基本モードに変換して光増幅器による増幅を行い、その後、モード合分波器を利用して高次モードに変換して伝送することにより、長距離伝送も可能となる。

本発明は情報通信産業に適用することができる。

１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、６１１、６１２、６１３：導波路
１１０：第１の平行導波路部
１２０：第２の平行導波路部
７１１：送信装置
７１２：光源
７１３：光分波器
７１４：光変調器
７１５：偏波コントローラ
７１６：光合波器
７１７：波長合波器
７１９：マルチモード伝送路
７２０：受信装置
７２１：モード分波器
７２２：波長分波器
７２３：偏波分波器
７２４：受光回路

Claims (9)

1. ＬＰ０１モードを伝搬する第１の導波路と、
   ＬＰ１１ｂモードを伝搬する第２の導波路と、
   ＬＰ０１モード、第１の多モード光及び前記第１の多モード光とは異なる第２の多モード光を伝搬可能な第３の導波路と、
   前記第１の導波路のＬＰ０１モード光と前記第３の導波路の前記第１の多モード光の実効屈折率を等しくすることによって、前記第１の導波路のＬＰ０１モード光と前記第３の導波路の前記第１の多モード光を結合させる第１の結合部と、
   前記第２の導波路のＬＰ１１ｂモード光と前記第３の導波路の前記第２の多モード光の実効屈折率を等しくすることによって、前記第２の導波路のＬＰ１１ｂモード光と前記第３の導波路の前記第２の多モード光を結合させる第２の結合部と、
   を備え、
   前記第１の多モード光は、導波路中心を含む導波路の水平方向に１つ以上のピークを持ち高さ方向には１つのピークを持つフィールド分布を有し、
   前記第２の多モード光は、導波路の高さ方向に２つ以上のピークを持つフィールド分布を有するモード合分波器。
2. ＬＰ０１モードを伝搬する第４の導波路と、
   ＬＰ１１ａモードを伝搬する第５の導波路と、
   前記第４の導波路のＬＰ０１モード光と前記第５の導波路のＬＰ１１ａモード光を結合させる第３の結合部と、
   をさらに備え、
   前記第５の導波路の端部から出力されたＬＰ１１ａモード光が９０度回転され、ＬＰ１１ｂモード光として前記第２の導波路の端部に入力される、
   請求項１に記載のモード合分波器。
3. 前記第１の導波路、前記第２の導波路及び前記第３の導波路は、同一平面に形成された高さの等しい第１の平行導波路によって形成され、
   前記第４の導波路及び前記第５の導波路は、同一平面に形成された高さの等しい第２の平行導波路によって形成され、
   前記第１の平行導波路の前記同一平面と前記第２の平行導波路の前記同一平面とが直交する、
   請求項２に記載のモード合分波器。
4. 前記第１の多モード光は、ＬＰ１Ｘａモード光（ただし、Ｘは１以上の整数である。）及びＬＰ０Ｙモード光（ただし、Ｙは２以上の整数である。）の少なくとも１つであり、
   前記第２の多モード光は、ＬＰＺ１モード光（ただし、Ｚは２以上の整数である。）の少なくとも１つである、
   請求項１から３のいずれかに記載のモード合分波器。
5. 波長多重信号を生成する複数の波長多重信号生成部と、
   前記第１の導波路、前記第３の導波路及び前記第４の導波路のそれぞれの一端に前記波長多重信号生成部が接続され、前記波長多重信号生成から入力された波長多重信号をモード多重して前記第３の導波路の他端から出力する、請求項２から４のいずれかに記載のモード合分波器と、
   を備える送信装置。
6. モード多重された波長多重信号が前記第３の導波路の一端に入力され、当該入力信号をモードごとに分波した波長多重信号を、前記第１の導波路、前記第３の導波路及び前記第４の導波路のそれぞれの他端から出力する請求項２から４のいずれかに記載のモード合分波器と、
   前記モード合分波器から出力された波長多重信号を、波長ごとに受信する波長多重信号受信部と、
   を備える受信装置。
7. モード多重された波長多重信号を送信する請求項５に記載の送信装置と、
   前記送信装置からのモード多重された波長多重信号を受信する請求項６に記載の受信装置と、
   前記送信装置及び前記受信装置を接続し、前記第３の導波路の伝搬するモード数以上のモード数が伝搬可能なマルチモード光ファイバと、
   を備えるモード多重通信システム。
8. ＬＰ０１モードを伝搬する第１の導波路と、
   ＬＰ１１ｂモードを伝搬する第２の導波路と、
   ＬＰ０１モード、第１の多モード光及び前記第１の多モード光とは異なる第２の多モード光を伝搬可能な第３の導波路と、
   前記第１の導波路のＬＰ０１モード光と前記第３の導波路の前記第１の多モード光の実効屈折率を等しくすることによって、前記第１の導波路のＬＰ０１モード光と前記第３の導波路の前記第１の多モード光を結合させる第１の結合部と、
   前記第２の導波路のＬＰ１１ｂモード光と前記第３の導波路の前記第２の多モード光の実効屈折率を等しくすることによって、前記第２の導波路のＬＰ１１ｂモード光と前記第３の導波路の前記第２の多モード光を結合させる第２の結合部と、
   を備え、
   前記第１の多モード光は、導波路中心を含む導波路の水平方向に１つ以上のピークを持ち高さ方向には１つのピークを持つフィールド分布を有し、
   前記第２の多モード光は、導波路の高さ方向に２つ以上のピークを持つフィールド分布を有するモード合分波器の設計方法であって、
   使用波長帯においてＬＰ０１モード、前記第１の多モード光及び前記第２の多モード光を伝搬するように、前記第３の導波路の導波路幅を決定するステップと、
   前記第１の導波路のＬＰ０１モードと前記第３の導波路の前記第１の多モードが位相整合し、かつ、前記第２の導波路のＬＰ１１ｂモードと前記第３の導波路の前記第２の多モードが位相整合するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路の導波路幅を決定するステップと、
   使用波長帯における結合効率が所望の値以上になるように、前記第１の結合部及び前記第２の結合部の相互作用長を決定するステップと、
   を有するモード合分波器の設計方法。
9. 前記モード合分波器は、
   ＬＰ０１モードを伝搬する第４の導波路と、
   ＬＰ１１ａモードを伝搬する第５の導波路と、
   前記第４の導波路のＬＰ０１モード光と前記第５の導波路のＬＰ１１ａモード光を結合させる第３の結合部と、
   をさらに備え、
   使用波長帯においてＬＰ１１ａモードを伝搬するように、前記第５の導波路の導波路幅を決定するステップと、
   前記第４の導波路のＬＰ０１モードと前記第５の導波路のＬＰ１１ａモードが位相整合するように、前記第４の導波路の導波路幅を決定するステップと、
   使用波長帯における結合効率が所望の値以上になるように、前記第３の結合部の相互作用長を決定するステップと、
   を有する請求項８に記載のモード合分波器の設計方法。

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