JP6130290B2 - モード結合器 - Google Patents

Description

本発明は、複数の伝搬モードの光信号を１つのマルチモード光ファイバにモード多重するためのモード結合器に関するものである。

１本の光ファイバにおける伝送容量を拡大可能な伝送技術として、モード多重伝送が検討されている。モード多重伝送とは、その名のとおり、複数の伝搬モード（以下、単にモードとも言う）の光信号を１本の光ファイバに多重し、伝送させる技術である。多重化される各モードの光信号には、互いに異なる情報が重畳されることから、多重化するモードの数に応じて伝送可能な容量を増加させることができる。

モード多重伝送に用いられる光ファイバは、マルチモード光ファイバの一種であり、伝搬可能なモードが１０程度以下に制限された数モード光ファイバ（Few-mode fiber、略してＦＭＦとも言う）が用いられている。受信側では、多重化された複数のモードからなる光信号を、個々のモードの光信号に分離して、個々のモードの光信号に重畳された情報を復号する。ここで、モード多重された光信号を分離する技術として、ＦＭＦ中を伝搬する各モードを空間中の異なる伝送路と見立て、ＦＭＦ中で空間多重された光信号をデジタル信号処理により元の光信号に分離された状態として受信するＭＩＭＯ（Multiple-Input and Multiple-Output）技術を用いることも提案されている。

モード多重伝送に用いられる、ＦＭＦへ複数の伝搬モードを光学的に多重／分離するモード多重技術として、ＦＭＦの断面を複数の空間に等分割し、各分割箇所それぞれに所定のモードの光信号を入射することで、ＦＭＦ内で複数の伝搬モードが多重化された状態として伝搬させるスポット型モード多重（Spot-based mode multiplexing、略してＳＭＵＸとも言う）という手法が知られている（非特許文献１）。

図１４（Ａ）〜図１４（Ｆ）は、従来のスポット型モード多重技術の原理を説明する図である。図１４（Ａ）〜図１４（Ｃ）は、ＦＭＦ中を伝搬する各モードの電界分布を示しており、図中の白い部分は電界の符号が正、黒い部分は電界の符号が負、灰色の部分は電界の符号がゼロであることを示している。また、図１４（Ａ）〜図１４（Ｃ）中の円１００はＦＭＦのコア断面を示している。なお、説明の簡略化のため、ＦＭＦには図１４（Ａ）〜図１４（Ｃ）に記載した３つのモードの光信号のみを多重して伝搬させるものとする。すなわち、基底モードであるＬＰ₀₁（図１４（Ａ））、縮退した２つのモードＬＰ_11-a（図１４（Ｂ））、ＬＰ_11-b（図１４（Ｃ））の３モードである。

例えば、ＦＭＦ中を図１４（Ａ）のＬＰ₀₁モードの光信号のみ伝搬させたい場合は、図１４（Ｄ）に示すように、ＦＭＦの入射端を面積が等しくなるよう３分割し、分割したそれぞれの領域に、等位相のＬＰ₀₁モードの光信号を、各光信号の中心位置が等間隔に離間して配置されるようにして入射する。これら３つの光信号が同時にＦＭＦに入射されることで、ＦＭＦ中にはＬＰ₀₁モードが励起される。

図１４（Ｂ）のＬＰ_11-aモードの光信号のみ伝搬させたい場合、または図１４（Ｃ）のＬＰ_11-bモードの光信号のみ伝搬させたい場合は、上記と同様に、ＬＰ₀₁モードの光信号を、３分割したＦＭＦの入射端の各領域に対して入射する（図１４（Ｅ）、図１４（Ｆ））。ここで、図１４（Ｄ）〜図１４（Ｆ）に記載の「０、−π／２、π／２、π」は、それぞれの電界の基準位相に対する位相差を表しており、「０」が基準位相と同位相であることを表している。

図１５は、従来のモード多重伝送システムの構成を示すブロック図である。光源１０１−１〜１０１−３および変調器１０２−１〜１０２−３は、ＦＭＦ１０４に入射させる３つの光信号を生成する。これら３つの光信号は、所望の位相差を与えられた後、スポット型モード多重器（ＳＭＵＸ）１０３に入射し、ＳＭＵＸ１０３によって、ＦＭＦ１０４の入射端面を３分割した領域に、それぞれ照射される。ＦＭＦ１０４に入射した光信号は、ＦＭＦ１０４中を伝搬し、スポット型モード分波器（ＳＤＥＭＵＸ）１０５に入射する。

ＳＤＥＭＵＸ１０５は、ＦＭＦ１０４の出射端面を３分割した領域から出射される光信号を空間的に分離し、分離した各光信号を受光器１０６−１〜１０６−３へ導く。受光器１０６−１〜１０６−３は、受光した光信号を電気信号に変換する。デジタル信号処理器（ＤＳＰ）１０７は、受光器１０６−１〜１０６−３の出力信号に対してＭＩＭＯ信号処理を行う。こうして、各モードの光信号を分離して受信することができる。

図１６（Ａ）は、従来のＳＭＵＸ１０３およびＳＤＥＭＵＸ１０５の構成を示す平面図である。ＳＭＵＸ１０３とＳＤＥＭＵＸ１０５はいずれも同じ構成となるため、以下ではＳＭＵＸ１０３として説明する。光源１０１−１，１０１−２からの光信号２００−１，２００−２は、それぞれシングルモード光ファイバ２０１−１，２０１−２を介して、略同一平面（図１６（Ａ）の紙面）上に配置されたミラー２０２−１，２０２−２に照射される。

ミラー２０２−１，２０２−２は、それぞれ断面が直角二等辺三角形の形状であり、その斜辺がミラー面となる。ミラー２０２−１，２０２−２は、それぞれ光信号２００−１，２００−２を略直角に偏向し、これら光信号２００−１，２００−２を平行かつ重複しない光線としてレンズ２０３に導く。なお、光信号２００−１，２００−２は、いずれも前記平面内を伝搬する。ここで、光信号２００−２は所定のスポットサイズ（ビーム幅）を有しているが、光信号２００−２に近い側のミラー２０２−１の角によって不要な部分のビームが削られる。これにより、光信号２００−１と２００−２は空間中で重なり合うことなく、レンズ２０３に導かれる。

一方、光源１０１−３からの光信号２００−３は、シングルモード光ファイバ２０１−３を介して、ミラー２０２−４、ミラー２０２−３の順に入射し、それぞれのミラーで略直角に偏向され、レンズ２０３に導かれる。ミラー２０２−４は前記平面の上側に配置され、ミラー２０２−３は前記平面の下側に配置される。したがって、ミラー２０２−４とミラー２０２−３との間では、光信号２００−３は、前記平面内を伝搬せず、当該平面に垂直な平面内を伝搬する。図１６（Ｂ）に記載したミラー２０２−３，２０２−４の側面図からも分かるとおり、光信号２００−１，２００−２は、光信号２００−１，２００−２に近い側のミラー２０２−３の角によって不要な部分のビームが削られる。これにより、光信号２００−１と２００−２と２００−３は空間中で重なり合うことなく、レンズ２０３に導かれる。

そして、光信号２００−１〜２００−３は、レンズ２０３によってＦＭＦ１０４の入射端面に集光され、ＦＭＦ１０４に入射する。ＦＭＦ入射端面での光信号２００−１〜２００−３のビームプロファイルは、図１７のようになる。以上はＳＭＵＸ１０３の動作であるが、ＳＤＥＭＵＸ１０５の場合は、ＦＭＦ１０４中を伝搬した光信号がレンズ２０３に入射し、上記と逆の経路を辿ることにより、３つの光信号２００−１〜２００−３に分離される。

R.Ryf，et al.，"Low-Loss Mode Coupler for Mode-Multiplexed transmission in Few-Mode Fiber"，OFC/NFOEC 2012，PDP5B.5，2012 開達郎，土澤泰，西英隆，福田浩，高磊，武田浩太郎，山田浩治，"Ｓｉ／Ｇｅ／石英光集積プラットフォーム用石英系積層導波路"，電子情報通信学会２０１３年総合大会，Ｃ−３−４６，岐阜大学，２０１３／３／１９−２２

図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）に示したような、複数のモードの光信号を１本の光ファイバに多重化するためのスポット型モード多重器は、あるいはモード結合器とも呼ばれ、モード多重伝送技術において重要な役割を担うデバイスである。しかし、従来のモード結合器には、以下のような課題があった。

従来のモード結合器は、空間光学系で構成されており、多数の光学部品が正確な位置取りで配置されていなければならない。ゆえに、製造工程が複雑になり、結果として高コストになる、という課題があった。また、空間光学系での構成ゆえ、振動や温度変化などに対する信頼性が低い、という課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、低コストかつ信頼性が高いモード結合器を提供することを目的とする。

本発明のモード結合器は、数モード光ファイバと結合するファイバ・チップ結合部と、このファイバ・チップ結合部を伝搬した光を外部の光学部品と結合させるための導波路分離部とを備え、前記ファイバ・チップ結合部は、下部クラッドと、この下部クラッド上の互いに離間した少なくとも２層に分かれて配置された３つ以上の光導波路と、この光導波路を覆うように配置された上部クラッドとを備え、前記ファイバ・チップ結合部における各光導波路は、各光導波路のそれぞれを伝搬する固有モードが互いに光学的に結合しうる程度に離間され、かつ各光導波路から出射した前記固有モードのそれぞれが前記数モード光ファイバと光学的に結合しうる状態で配置され、これら３つ以上の光導波路のうち少なくとも１つの光導波路の断面形状が他の光導波路のうち少なくとも１つの断面形状と異なり、これら３つ以上の光導波路の全ての断面についての線対称軸が１つ以下であることを特徴とするものである。

また、本発明のモード結合器の１構成例において、前記導波路分離部は、前記下部クラッドと、前記３つ以上の光導波路と、前記上部クラッドとを備え、前記導波路分離部における各光導波路は、光導波路のそれぞれを伝搬する固有モードが互いに結合しない程度に離間された状態で配置されることを特徴とするものである。
また、本発明のモード結合器の１構成例において、前記導波路分離部における各光導波路のうち少なくとも１つの光導波路は、前記下部クラッドに接近するように曲がる屈曲部または前記下部クラッドから遠ざかるように曲がる屈曲部を備え、前記導波路分離部における各光導波路の出射端は、前記下部クラッド上の略同一層に配置されることを特徴とするものである。
また、本発明のモード結合器の１構成例において、前記３つ以上の光導波路は、それぞれシングルモード導波条件を満たす。

本発明によれば、ファイバ・チップ結合部を、下部クラッドと、下部クラッド上の少なくとも２層に積層された３つ以上の光導波路と、上部クラッドとから構成し、ファイバ・チップ結合部における各光導波路を、各光導波路のそれぞれを伝搬する固有モードが互いに光学的に結合しうる程度に離間され、かつ各光導波路から出射した前記固有モードのそれぞれが前記数モード光ファイバと光学的に結合しうる状態で配置することにより、空間光学系を用いる必要がなくなるので、振動や温度変化などに対する信頼性が高く、数モード光ファイバとの結合損失が低いモード結合器を実現することができる。さらに、本発明では、簡易な製造工程で製造できるため、低コストなモード結合器を提供することができる。

また、本発明では、３つ以上の光導波路のうち少なくとも１つの光導波路の断面形状を他の光導波路と変えることにより、ＬＰ₂₁モードであっても安定して取り出すことができるようになる。

また、本発明では、導波路分離部における各光導波路の出射端を、下部クラッド上の略同一層に配置することにより、１次元的な配列の光学部品と容易に光学的な結合をさせることができ、低コストかつ信頼性が高いモード結合器を実現することができる。

本発明の第１の参考例に係るモード結合器の平面図および斜視図である。 本発明の第１の参考例に係るモード結合器のファイバ・チップ結合部の断面図である。 本発明の第１の参考例に係るモード結合器のファイバ・チップ結合部において各導波路に形成される固有モードのモードフィールドを示す図である。 本発明の第１の参考例に係るモード結合器の光学顕微鏡写真である。 数モード光ファイバと本発明の第１の参考例に係るモード結合器のファイバ・チップ結合部との結合効率の計算結果を示す図である。 図５の計算に用いた数モード光ファイバのパラメータを示す図である。 本発明の第２の参考例に係るモード結合器のファイバ・チップ結合部の断面図である。 本発明の第２の参考例において数モード光ファイバの各モードと結合した場合にファイバ・チップ結合部中を伝搬する各モードの電界分布を示す図である。 ２層×２列の４コア構成のファイバ・チップ結合部中を伝搬するＬＰ_21-bモードの電界分布を示す図である。 本発明の実施の形態に係るモード結合器のファイバ・チップ結合部の断面図である。 本発明の実施の形態において数モード光ファイバの各モードと結合した場合に図１０のファイバ・チップ結合部中を伝搬する各モードの電界分布を示す図である。 本発明の実施の形態に係るモード結合器のファイバ・チップ結合部の他の構成例を示す断面図である。 本発明の実施の形態において数モード光ファイバの各モードと結合した場合に図１２のファイバ・チップ結合部中を伝搬する各モードの電界分布を示す図である。 従来のスポット型モード多重技術の原理を説明する図である。 従来のモード多重伝送システムの構成を示すブロック図である。 従来のスポット型モード多重器およびスポット型モード分波器の構成を示す平面図および側面図である。 数モード光ファイバ入射端面での光信号のビームプロファイルを示す図である。

［第１の参考例］
以下、本発明の参考例について図面を参照して説明する。図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図２は、本発明の第１の参考例に係るモード結合器の構造を説明する図であり、図１（Ａ）はモード結合器を上から見た平面図、図１（Ｂ）はモード結合器の斜視図、図２はモード結合器のファイバ・チップ結合部の断面図である。なお、図１（Ａ）、図１（Ｂ）では、モード結合器の内部構造を明確にするため、後述する上部クラッドの記載を省略している。

本参考例のモード結合器１は、図１（Ａ）に示したように、数モード光ファイバ（ＦＭＦ）１０４と結合するファイバ・チップ結合部２と、導波路分離部３とから構成される。ファイバ・チップ結合部２は、図１（Ｂ）および図２に示すように、積層導波路構造となっている。具体的には、モード結合器は、下部クラッド１０上に配置された１つないしは複数の１層目導波路１１を備え、さらに、１層目導波路１１とは離間して１層目導波路１１よりも下部クラッド１０から離れる方向に配置された１つないしは複数の２層目導波路１２を備え、１層目導波路１１および２層目導波路１２を覆うように配置された上部クラッド１３（図１（Ａ）、図１（Ｂ）では不図示）を備えた構成となっている。

１層目導波路１１および２層目導波路１２ともに、シングルモード導波条件を満たすよう設計されることが望ましい。設計例については、後述する。ファイバ・チップ結合部２における１層目導波路１１および２層目導波路１２は、図２に示すように、各光導波路１１，１２の端面が、結合するＦＭＦ１０４のコア断面内に収まるように、かつ１層目導波路１１と２層目導波路１２のそれぞれを伝搬する固有モードが互いに光学的に結合しうる程度に離間された状態で配置される。なお、図２における円１００は、ファイバ・チップ結合部２と結合するＦＭＦ１０４のコア断面を示している。１層目導波路１１および２層目導波路１２は、ファイバ・チップ結合部２内ではそれぞれが常に並行となるよう配置されている。すなわち、ファイバ・チップ結合部２内の断面は、常に図２と同じ構成になる。なお、ファイバ・チップ結合部２における１層目導波路１１および２層目導波路１２の端面は、必ずしも結合するＦＭＦ１０４のコア断面内に収まるように配置される必要はない。１層目導波路１１および２層目導波路１２は、それぞれを伝搬する固有モードが互いに光学的に結合しうる程度に離間され、かつ各光導波路から出射した固有モードのそれぞれが、ＦＭＦ１０４と光学的に結合しうる状態として配置されていればよい。

ＦＭＦ１０４とモード結合器１のファイバ・チップ結合部２とは、図１（Ａ）および図２に示したように、ＦＭＦ１０４のコア断面内にファイバ・チップ結合部２の１層目導波路１１および２層目導波路１２の断面が内包されるような位置関係とした上で、ＦＭＦ１０４の端面とファイバ・チップ結合部２の端面とが並行になるようにして突き合わされる。このような構成により、ＦＭＦ１０４を伝搬してきた種々のモードの光を、ファイバ・チップ結合部２へ光学的に結合をさせることができる。なお、図１（Ａ）では、ＦＭＦ１０４とモード結合器１とが物理的に接触している構成を示したが、ＦＭＦ１０４とモード結合器１との間にレンズなどの光学系を挿入することで光学的な結合をさせるようにしてもよい。

上記のとおり、ＦＭＦ１０４を伝搬してきた種々のモードの光は、ＦＭＦ１０４と光学的に結合されたファイバ・チップ結合部２に入射する。入射した種々のモードの光（以降、入射光と言う）は、ファイバ・チップ結合部２内の１層目導波路１１および２層目導波路１２に沿って伝搬する。ここで、ファイバ・チップ結合部２を形成する各導波路１１，１２は近接して配置されており、互いに光結合した固有モード（これを、複数の導波路コアによるスーパーモードと言う。）を形成する。すなわち、複数の導波路１１，１２が光学的に結合して固有伝搬モードを形成し、１つのスーパーモード導波路となる。

図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に、本参考例に係るモード結合器１のファイバ・チップ結合部２に形成される固有モードのモードフィールドを示す。図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は光の強度と位相を示し、図３（Ａ）はスーパーモードがＬＰ₀₁の場合、図３（Ｂ）はスーパーモードがＬＰ_11-aの場合、図３（Ｃ）はスーパーモードがＬＰ_11-bの場合を示している。いずれのスーパーモードにおいても、ファイバ・チップ結合部２の各導波路１１，１２では３つの固有モードが形成される。これら固有モードのモードフィールドは、図１４（Ｄ）〜図１４（Ｆ）に示した従来技術による３スポットのモード結合器と同様のモードフィールドとなることが分かる。

すなわち、本参考例に係るモード結合器１は、図１６に示した従来のスポット型モード多重器／スポット型モード分波器と同じ機能ないし動作を提供することができる。３つの導波路１１，１２を備えるファイバ・チップ結合器２の場合、図１４（Ｄ）〜図１４（Ｆ）の説明で示した原理と同様に、ＦＭＦ１０４の入射光のモードであるＬＰ₀₁，ＬＰ_11-a，ＬＰ_11-bのそれぞれが、３つの導波路１１，１２の各固有モードに結合する。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図２では、ファイバ・チップ結合部２を、下部クラッド１０に接した２つの１層目導波路１１、および下部クラッド１０と離間した１つの２層目導波路１２を有する２層３コア構成とし、図２に示すようにファイバ・チップ結合部２における各導波路１１，１２の中心が二等辺三角形の頂点に位置するように配置する場合を説明してきたが、導波路の数は３に限定されるものではない。詳しくは第２の参考例で説明するが、モード結合器を利用する伝送システムの要請に基づく所望の導波路数であってもよい。発明の趣旨からすると、導波路数は３以上であり、ファイバ・チップ結合部２の断面における少なくとも１つの導波路の中心が他の導波路の中心と異なる層にあるようにすればよい。

次に、モード結合器１の導波路分離部３について説明する。ファイバ・チップ結合部２を構成する各導波路１１，１２は、途中で物理的に遮断されることなく、連続した導波路として導波路分離部３に導かれる。導波路分離部３における１層目導波路１１および２層目導波路１２のそれぞれは、導波路１１，１２のそれぞれを伝搬する固有モードが互いに結合しない程度に離間して配置される。

最終的に、導波路分離部３のファイバ・チップ結合部側と反対の端面では、各導波路１１，１２は独立した１つのシングルモード導波路として分離される。各導波路１１，１２からの出力は、例えば他の導波路素子や光ファイバ、レーザ（モード結合器１を送信器で用いる場合）、変調器アレイ（モード結合器１を送信器で用いる場合）、フォトダイオード（モード結合器１を受信器で用いる場合）などの光学部品に結合される。

なお、導波路分離部３は、ファイバ・チップ結合部２を伝搬した光（スーパーモードの光）を個々の導波路１１，１２に取り出して、光学部品などに結合させることを目的とするものである。したがって、導波路分離部３においては、導波路が積層構造である必要はない。すなわち、ファイバ・チップ結合部２では、１層目導波路１１と２層目導波路１２とが離間して積層された状態で配置されているが、導波路分離部３では、これらすべての導波路１１，１２が、下部クラッド１０上の同一層に配置されるようにしてもよい。

１層目導波路１１と２層目導波路１２を同一層に配置する場合、２層目導波路１２は、導波路分離部３の途中において下部クラッド１０の方に漸近するように屈曲して、１層目導波路１１と同一層になるような構造であってもよい。逆に、１層目導波路１１が、導波路分離部３の途中において下部クラッド１０から離れるように屈曲して、２層目導波路１２と同一層になるような構造であってもよい。もちろん、１層目導波路１１と２層目導波路１２が異なる層に配置されたままでもよく、その場合は、非特許文献２に開示されているように、２層目導波路１２を伝搬する光を、方向性結合器により１層目導波路１１と同じ層の他の導波路に結合させるようにしてもよい。

ただし、導波路分離部３において全ての導波路１１，１２の端面が同一層に並ぶように配置されている場合、例えばテープ芯線ファイバや１次元ＰＤアレイなどといった１次元的な配列の光学部品との光学的な結合を、バット・ジョイント（突合）などにより容易に行うことができるようになるため、低コストかつ高信頼なモード結合器を実現することができるようになる。さらには、導波路分離部３において全ての導波路１１，１２の端面が下部クラッド１０上に並ぶように配置されている場合、例えばシリコン細線導波路などのシリコンフォトニクスデバイスと一体集積させることが可能になる。この場合、導波路１１、１２を導波する光は、スポットサイズ変換器を介してシリコン細線導波路と結合するようにしてもよい。

本発明は、１層目導波路１１、２層目導波路１２、下部クラッド１０および上部クラッド１３の各部材の材料によって限定されるものではないが、例示するならば、いずれの部材も石英系の材料を用いればよい。その場合、伝搬する光を導波路１１，１２に閉じ込め可能とするため、これら１層目導波路１１および２層目導波路１２の屈折率は、上部クラッド１３および下部クラッド１０の屈折率に比べて大きくなるようにすればよい。例えば、図２に示すように、上部クラッド１３の屈折率を１．４６、下部クラッド１０の屈折率を１．４４とし、１層目導波路１１および２層目導波路１２の屈折率を共に１．５０５にすればよい。なお、積層導波路は各層ごとに導波路形成プロセスを行うので、１層目導波路１１と２層目導波路１２の屈折率が異なる値となるようにしてもよい。

以上のような構造のモード結合器１は、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などを用いた低温導波路作製技術などにより作製することができる（例えば、非特許文献２を参照）。ＥＣＲ（Electron-cyclotron-resonance）ＣＶＤを用いたＳｉＯｘ成膜技術により１５０℃以下のプロセス温度で石英系導波路の形成が可能となるため、下層の導波路に熱ダメージを与えることなく導波路の積層が可能となる。さらに、低温導波路作製技術を用いた場合、シリコンや化合物半導体を用いた半導体素子とモード結合器１とをモノリシック集積することが可能となる。

上記低温ＳｉＯｘ成膜技術により実際に作製したモード結合器１の光学顕微鏡写真を図４に示す。モード結合器１を構成する下部クラッド１０、１層目導波路１１、２層目導波路１２および上部クラッド１３の屈折率は上記のとおりであり、全ての導波路コアとクラッド間の屈折率差は２．９％である。また、全ての導波路１１，１２は、コア径が３μｍ角のシングルモードＳｉＯｘ導波路である。

ファイバ・チップ結合部２は、図２に示したように、下部クラッド１０に接した２つの１層目導波路１１、および下部クラッド１０と離間した１つの２層目導波路１２の２層３コアの積層導波路により構成されている。２つの１層目導波路１１の間隔は６μｍ、１層目導波路１１と２層目導波路１２の間隔は１μｍである。導波路分離部３では、各導波路１１，１２が上面視５０μｍ離間して配置されている。

本参考例に係るモード結合器１とＦＭＦ１０４の結合効率を、モードソルバを用いた計算機シミュレーションにより導出した。この計算結果を図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示す。図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）は、それぞれモードがＬＰ₀₁，ＬＰ_11-a，ＬＰ_11-bの場合のＦＭＦ１０４とファイバ・チップ結合部２のモードフィールド、およびＦＭＦ１０４とファイバ・チップ結合部２の結合損失とを示している。図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）に示したファイバ・チップ結合部２のモードフィールドは、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）と同じである。

ＦＭＦ１０４のパラメータは、図６に示したとおり、コア１０４ａとクラッド１０４ｂ間の屈折率差が０．４５％、クラッド１０４ｂとトレンチ１０４ｃ間の屈折率差が−０．５％、トレンチ１０４ｃの厚さが７．０μｍ、コア１０４ａの直径が１７μｍである。

ファイバ・チップ結合部２の３つの導波路１１，１２が形成する各固有モード（図３（Ａ）〜図３（Ｃ））がＦＭＦ１０４のＬＰ₀₁、ＬＰ_11-a、ＬＰ_11-bと結合可能である。ＦＭＦ１０４のＬＰ₀₁モードとファイバ・チップ結合部２間の結合損失は４．０ｄＢ、ＦＭＦ１０４のＬＰ_11-aモードとファイバ・チップ結合部２間の結合損失は４．３ｄＢ、ＦＭＦ１０４のＬＰ_11-bモードとファイバ・チップ結合部２間の結合損失は８．０ｄＢであった。なお、結合効率はこの値が最大値ではなく、ファイバ・チップ結合部２の構造の設計最適化を行うことでさらに低減可能である。

［第２の参考例］
次に、本発明の第２の参考例について説明する。本発明に係るモード結合器は、第１の参考例で開示されたような、下部クラッド１０に接した２つの１層目導波路１１および下部クラッド１０と離間した１つの２層目導波路１２を有する２層３コアの構造に限定されるものではない。本参考例では、本発明に係るモード結合器の他の構造例について説明する。

本発明に係るモード結合器をＭＩＭＯ技術を用いたモード多重伝送に用いる場合、一般にＭＩＭＯ信号処理では、入力数が出力数以上であることが必要となるため、モード結合器においては導波路コア数がＦＭＦのモード多重数以上であることが必要条件となる。例えば、ＦＭＦで多重されるモードがＬＰ₀₁、ＬＰ_11-a、ＬＰ_11-bの３モードである場合、３つ以上の導波路を備えることがモード結合器に求められる。

そのため、例えばＦＭＦで多重されるモードがＬＰ₀₁、ＬＰ_11-a、ＬＰ_11-bの３モードである場合には、図７の断面図で示すように、モード結合器のファイバ・チップ結合部２を２層４コア構成としてもよい。具体的には、本参考例のファイバ・チップ結合部２は、下部クラッド（不図示）上の同一層に互いに離間して配置された２つの１層目導波路１４−３，１４−４と、１層目と異なる層に互いに離間して配置された２つの２層目導波路１４−１，１４−２と、１層目導波路１４−３，１４−４および２層目導波路１４−１，１４−２を覆うように配置された上部クラッド１３とを備えている。

第１の参考例で説明したとおり、ファイバ・チップ結合部２における各導波路１４−１〜１４−４は、各光導波路１４−１〜１４−４の端面が、導波路１４−１〜１４−４のそれぞれを伝搬する固有モードが互いに光学的に結合しうる程度に離間され、かつ各光導波路から出射した固有モードのそれぞれがＦＭＦと光学的に結合しうる状態で、配置される。これらの導波路１４−１〜１４−４の断面寸法は同一である。第１の参考例で説明したとおり、各導波路１４−１〜１４−４の屈折率は、上部クラッド１３および下部クラッド１０の屈折率に比べて大きくなるようにすればよい。導波路１４−１〜１４−４、下部クラッド１０および上部クラッド１３の材料としては例えば石英系の材料がある。また、導波路１４−１〜１４−４は、シングルモード導波条件を満たすよう設計されることが望ましい。

ＦＭＦの各モードＬＰ₀₁，ＬＰ_11-a，ＬＰ_11-bと結合した場合に本参考例のファイバ・チップ結合部２中を伝搬する各モードの電界分布を図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に示す。図８（Ａ）はＬＰ₀₁モードが結合した場合を示し、図８（Ｂ）はＬＰ_11-aモードが結合した場合を示し、図８（Ｃ）はＬＰ_11-bモードが結合した場合を示している。また、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）中の白い部分は電界の符号が正、黒い部分は電界の符号が負、灰色の部分は電界の符号がゼロであることを示している。

各導波路１４−１，１４−２，１４−３，１４−４の電界強度をそれぞれｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４と表すと、ＬＰ₀₁モードのトータルの電界強度はｃ１＋ｃ２＋ｃ３＋ｃ４となることが分かる。同様に、ＬＰ_11-aモードのトータルの電界強度はｃ１−ｃ２−ｃ３＋ｃ４、ＬＰ_11-bモードのトータルの電界強度はｃ１＋ｃ２−ｃ３−ｃ４と表される。受信器側のＳＤＥＭＵＸにおいて考えると、４つの入力から３つの出力を得るようにすればよく、４入力３出力のＭＩＭＯ信号処理により３つの出力を得ることが可能である。

導波路分離部３については、第１の参考例で説明したとおり、各導波路１４−１〜１４−４のそれぞれを、互いにモードが結合しない程度に離間して配置すればよい。第１の参考例で説明したとおり、導波路分離部３においては、全ての導波路１４−１〜１４−４の端面が同一層に並ぶように配置してもよい。

なお、ＬＰモードとモード結合器のコアの配置に回転方向の角度のずれがある場合、モードの混合が起きるが、角度を回転させる行列を作用させることで整合をとることができる。この角度ずれの補正処理はＭＩＭＯ信号処理の中で行われている。また、ＬＰモードとモード結合器のコアの配置に中心位置のずれがある場合にもモードの混合が起きるが、行列の係数の重み付けを変えることでモードを分離することができる。この位置ずれの補正処理もＭＩＭＯ信号処理の中で行われている。位置ずれ、角度ずれがないとしても、ＭＩＭＯ処理による信号分離に影響を与えることはない。

また、本参考例では、２層×２列の４コア構成について説明したが、これに限るものではなく、ファイバ・チップ結合部２における導波路を２層×３列の６コア構成とすることで、ＬＰ₀₁，ＬＰ_11-a，ＬＰ_11-b，ＬＰ_21-a，ＬＰ_21-b，ＬＰ₀₂の６モードを分離することができる。また、導波路を２層×４列の８コア構成とすることで、ＬＰ₀₁，ＬＰ_11-a，ＬＰ_11-b，ＬＰ_21-a，ＬＰ_21-b，ＬＰ_31-a，ＬＰ_31-b，ＬＰ₀₂の８モードを分離することができる。

より高次モードの分離を効率よく行うためには３層以上の積層構造を用いることが好適となる。なお、導波路数が多い構造で低次の３モード、４モードの分離に用いることもできるが、受信系、信号処理系の負荷を考えた場合にはモード数と導波路数を揃えることが好適である。また、円形コア以外のモードも同様にして分離できる。

［実施の形態］
次に、本発明の実施の形態について説明する。第２の参考例で述べた、２層×２列の４コア構成のファイバ・チップ結合部を有するモード結合器を用いて、ＬＰ_11-a，ＬＰ_11-b，ＬＰ_21-a，ＬＰ_21-bの４モードを分離する場合、図９に示すとおり、ＬＰ_21-bの出力（電界強度）がすべてのコアでゼロとなり、ＬＰ_21-bモードを取り出すことができない。

そこで、本実施の形態に係るモード結合器では、図１０に示すように、ファイバ・チップ結合部２における導波路１４−１〜１４−４のうち、少なくとも１つの導波路の幅が他の導波路の幅と同一にならないような構造とする。具体的には、図１０の例では、導波路１４−１，１４−４の幅が導波路１４−２，１４−３の幅と異なるようにしている。

ＦＭＦの各モードＬＰ_21-a，ＬＰ_21-bと結合した場合に本実施の形態のファイバ・チップ結合部２中を伝搬する各モードの電界分布を図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）に示す。図１１（Ａ）はＬＰ_21-aが結合した場合を示し、図１１（Ｂ）はＬＰ_21-bモードが結合した場合を示している。本実施の形態によれば、各導波路１４−１〜１４−４の出力（電界強度）はゼロにはならず、ＬＰ₂₁モードであっても安定に各モードを分離することが可能となる。

このように各導波路１４−１〜１４−４の幅を不均等とすることで、特性改善が可能となる。なお、図１０では、導波路１４−１，１４−４の幅が同じで、導波路１４−２，１４−３の幅が同じ構造としているが、全ての導波路で幅が異なるようにしてもよい。あるいは、１つの導波路だけ幅が異なるようにしてもよい。さらには、各導波路の高さを不均等としてもよい。各導波路の形状を不均等としてもよいことは、言うまでもない。

図１２は、本実施の形態に係る他の構造を説明する図であり、モード結合器におけるファイバ・チップ結合部２の断面図である。本実施の形態に係るモード結合器では、図１２に示すように、ファイバ・チップ結合部２における３つの導波路１４−１〜１４−３のうち、２層目の導波路１４−１，１４−２の幅が同じであり、１層目の導波路１４−３のみ幅が異なる構造となっている。

ＦＭＦの各モードＬＰ₀₁，ＬＰ_11-a，ＬＰ_11-bと結合した場合に、図１２のファイバ・チップ結合部２中を伝搬する各モードの電界分布を図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）に示す。図１３（Ａ）はＬＰ₀₁モードが結合した場合を示し、図１３（Ｂ）はＬＰ_11-aモードが結合した場合を示し、図１３（Ｃ）はＬＰ_11-bモードが結合した場合を示している。各導波路１４−１，１４−２，１４−３の電界強度をそれぞれｃ１，ｃ２，ｃ３と表すと、ＬＰ₀₁モードのトータルの電界強度はｃ１＋ｃ２＋ｃ３、ＬＰ_11-aモードのトータルの電界強度はｃ１−ｃ２＋０×ｃ３、ＬＰ_11-bモードのトータルの電界強度はｃ１＋ｃ２−２×ｃ３と表される。

なお、ファイバ・チップ結合部２において、同じ高さを持つ３つの導波路コアが下部クラッド１０に接して並行に並んでいる場合には、すべてのコアで、ＬＰ_11-b成分の電界の平均がゼロとなるため、いかなる演算を行ってもＬＰ_11-b成分を取り出すことはできない。そのため、第１の参考例でも述べたように、ファイバ・チップ結合部２の断面における少なくとも１つの導波路の中心が他の導波路の中心と異なる層にあるようにすればよい。

以上説明してきたとおり、第１〜第２の参考例および実施の形態に係るモード結合器は、ファイバ・チップ結合部を、下部クラッドと、下部クラッド上の少なくとも２層に積層された３つ以上の導波路と、上部クラッドとから構成し、ファイバ・チップ結合部における導波路を、各導波路のそれぞれを伝搬する固有モードが互いに光学的に結合しうる程度に離間され、かつ各光導波路から出射した固有モードのそれぞれがＦＭＦと光学的に結合しうる状態で配置することにより、空間光学系を用いる必要がなくなるので、振動や温度変化などに対する信頼性が高く、ＦＭＦとの結合損失が低いモード結合器を実現することができる。さらに、第１〜第２の参考例および実施の形態では、簡易な製造工程で製造できるため、低コストなモード結合器を提供することができる。

本発明は、複数の伝搬モードの光信号を１つのマルチモード光ファイバにモード多重する技術に適用することができる。

１…モード結合器、２…ファイバ・チップ結合部、３…導波路分離部、１０…下部クラッド、１１，１４−３，１４−４…１層目導波路、１２，１４−１，１４−２…２層目導波路、１３…上部クラッド、１００…数モード光ファイバのコア断面、１０４…数モード光ファイバ。

Claims (4)

1. 数モード光ファイバと結合するファイバ・チップ結合部と、
   このファイバ・チップ結合部を伝搬した光を外部の光学部品と結合させるための導波路分離部とを備え、
   前記ファイバ・チップ結合部は、
   下部クラッドと、
   この下部クラッド上の互いに離間した少なくとも２層に分かれて配置された３つ以上の光導波路と、
   この光導波路を覆うように配置された上部クラッドとを備え、
   前記ファイバ・チップ結合部における各光導波路は、各光導波路のそれぞれを伝搬する固有モードが互いに光学的に結合しうる程度に離間され、かつ各光導波路から出射した前記固有モードのそれぞれが前記数モード光ファイバと光学的に結合しうる状態で配置され、これら３つ以上の光導波路のうち少なくとも１つの光導波路の断面形状が他の光導波路のうち少なくとも１つの断面形状と異なり、これら３つ以上の光導波路の全ての断面についての線対称軸が１つ以下であることを特徴とするモード結合器。
2. 請求項１記載のモード結合器において、
   前記導波路分離部は、前記下部クラッドと、前記３つ以上の光導波路と、前記上部クラッドとを備え、
   前記導波路分離部における各光導波路は、光導波路のそれぞれを伝搬する固有モードが互いに結合しない程度に離間された状態で配置されることを特徴とするモード結合器。
3. 請求項１または２記載のモード結合器において、
   前記導波路分離部における各光導波路のうち少なくとも１つの光導波路は、前記下部クラッドに接近するように曲がる屈曲部または前記下部クラッドから遠ざかるように曲がる屈曲部を備え、
   前記導波路分離部における各光導波路の出射端は、前記下部クラッド上の略同一層に配置されることを特徴とするモード結合器。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモード結合器において、
   前記３つ以上の光導波路は、それぞれシングルモード導波条件を満たすことを特徴とするモード結合器。