JP6284461B2 - モード分離装置、モード多重装置、モード分離システム及びモード多重システム - Google Patents

Description

本発明は、光通信分野におけるモード多重及び分離技術に関する。

近年、光ファイバ通信では、伝送容量を従来よりも増大させるための技術として、波長多重及び偏波多重に加えて、空間多重（モード多重）伝送技術が注目されている。シングルモードファイバ（ＳＭＦ：Single-mode Fiber）を用いた既存の光ネットワークは、ＳＭＦ内で伝送される波長多重光信号から必要な数の波長の光信号を分離し、また、波長多重光信号に対して必要な数の波長の光信号を多重することが可能な光波長多重分離装置によって構成されている。

将来、モード多重伝送技術がネットワークに対して適用された場合、波長多重光信号と同様、各ネットワーク拠点では、モード多重光信号から必要な数のモードの光信号を分離し、また、モード多重光信号に対して必要な数のモードの光信号を多重できることが求められる。このようなモード多重及び分離を行うための技術として、これまでに、非特許文献１及び２に記載のような技術が知られている。非特許文献１には、モード変換器によって生成されたモードの光をビームスプリッタ（ＢＳ）によって多重する技術が記載されている。非特許文献２のように体積ホログラムを用いて任意の角度方向へ特定のモードの光を空間的に分離する技術が記載されている。

C. Koebele, M. Salsi, L. Milord, R. Ryf, C. Bolle, P. Sillard, S. Bigo, and G. Charlet,"40km transmission of five mode division multiplexed data streams at 100Gb/s with low MIMO-DSP complexity", ECOC2011, Th.13.C.3, (2011). A. Okamoto, K. Morita, Y. Wakayama, J. Tanaka, and K. Sato,"Mode division multiplex communication technique based on dynamic volume hologram and phase conjugation,"Photonics in Europe 2010, proc. Vol.7716, (2010). B. E. A. Saleh、M. C. Teich、「基本 光工学1」、森北出版、2006年6月 神谷武志,多田邦雄 共訳「光エレクトロニクスの基礎」丸善 p11〜p12、1988年12月 「図解 光デバイス辞典」オプトロニクス社 p79、1996年7月

しかし、上述の従来技術では、光波長多重分離装置のように、低損失でかつ低クロストークを実現可能なモードの多重及び分離は実現されてない。ここで、図１は、従来のモード多重装置の構成例を示す図である。図１のモード多重装置１０では、多重すべきモードの数だけ用意されたＳＭＦから出射される光信号を、モード変換器によって所望のモードへそれぞれ変換する。その後、モード変換器から出力される複数のモードの光信号を、複数のビームスプリッタ（ＢＳ）を用いて１本のビームに合波し、得られたビームを伝送用のマルチモードファイバ（ＭＭＦ：Multi-mode Fiber）へ結合する。このようにして、複数のモードの光信号を多重して１本の光ファイバで伝送することが可能である。

モード多重装置１０では、各モードの光信号には、１つのＢＳを通過するごとに約３ｄＢのパワーの損失が生じるため、光信号が通過するＢＳの数は少ないことが望ましい。しかしながら、モード多重装置１０では、多重すべきモードの数の増加に伴って必要なＢＳの数も増加する結果、１モードあたり（通過するＢＳの数）×３ｄＢのパワーの損失が生じてしまう。なお、このようなパワーの損失は、モードの多重だけでなくモードの分離を行う際にも、必要となるＢＳの数の増加に伴って同様に生じうる。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。本発明は、モード分離装置及びモード多重装置において、光信号のモード多重及び分離を行う際に生じる損失を、より簡易な構成で低減する技術を提供することを目的としている。

本発明は、例えば、モード分離装置及びモード多重装置として実現できる。本発明の一態様の係るモード分離装置は、第１及び第２のモードの光が多重された、入射した信号光を、当該入射した信号光に含まれる直交する偏光成分のうちで異なる偏光成分をそれぞれが含む第１及び第２のビームに分割する分割手段と、前記第１及び第２のビームのそれぞれについて、異なる２つの光路を伝搬する、第１の偏光成分を含むビームと前記第１の偏光成分と直交する第２の偏光成分を含むビームとに分割し、前記第１の偏光成分を含むビームの光路上で、前記第１の偏光成分を含むビームについての光の空間分布を予め定められた反転面に対して反転させた後、前記第１及び第２の偏光成分をそれぞれ含む、前記２つの光路をそれぞれ伝搬した２つのビームを合波することによって当該２つのビームを干渉させる、透過型の光学素子で構成された干渉手段であって、当該干渉により、前記干渉手段から出力する前記第１及び第２のビームのそれぞれにおいて、各ビームに含まれる直交する２つの偏光成分に対して前記第１及び第２のモードの光を分離する前記干渉手段と、前記干渉手段から出力された前記第１及び第２のビームをそれぞれ、前記２つの偏光成分に分割し、前記第１及び第２のビーム間で、同一のモードの光に対応する偏光成分をそれぞれ合波することによって、前記第１のモードの信号光と前記第２のモードの信号光とを出力する合波手段と、を備え、前記干渉手段は、前記第１及び第２のビームのそれぞれから分割される、前記第１の偏光成分を含むビームの光路上に配置され、当該ビームが透過する際に当該ビームについての光の空間分布を前記予め定められた反転面に対して反転させる像反転機構を備え、前記第１のモードは、前記空間分布の反転により位相分布が変化しないモードであり、前記第２のモードは、前記空間分布の反転により位相分布が反転するモードである、ことを特徴とする。

本発明の一態様に係るモード多重装置は、上記のモード分離装置と同一の構成を有し、前記モード分離装置の出力側から、前記第１のモードの信号光と前記第２のモードの信号光とが入射されることによって、前記モード分離装置の入力側から、前記第１のモードの信号光と前記第２のモードの信号光とが多重された信号光を出力する、ことを特徴とする。

本発明によれば、モード分離装置及びモード多重装置において、光信号のモード多重及び分離を行う際に生じる損失を、より簡易な構成で低減することが可能である。

モード多重装置の構成例を示す図。 マッハツェンダ干渉計の動作原理を説明するための図。 比較例に係るモード多重装置及びモード分離装置の構成及び動作を概念的に示す図。 一実施形態に係るモード分離装置の構成例を示す図。 一実施形態に係るモード分離装置の動作例を示す図。 一実施形態に係る、像反転機能による像反転が行われた場合の各伝搬モードの光の位相変化例を示す図。 一実施形態に係るモード分離装置の構成例を示す図。 一実施形態に係るモード多重装置の構成例を示す図。 一実施形態に係る、５つのモードの光を分離するモード分離システムの一例を示す図。 一実施形態に係る、５つのモードの光を多重するモード多重システムの一例を示す図。 一実施形態に係る、５つのモードの光を分離するモード分離システムの一例を示す図。

以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、実施形態の説明に必要ではない構成要素については図から省略する。

＜比較例＞
まず、後述する実施形態に対する比較例について説明する。本比較例では、マッハツェンダ干渉計（例えば、非特許文献３を参照。）をモードの多重及び分離に利用することを特徴としている。具体的には、マッハツェンダ干渉計における２つの光路のうちの一方の光路に対して、伝搬する光の空間分布を予め定められた軸（反転面）に対して反転させる機能（以下、「像反転機能」とも称する。）を付加する。これにより、マッハツェンダ干渉計に入力（入射）される光に対して、原理的に損失を生じさせることなくモードの多重及び分離を行うことが可能になる。

ここで、図２を参照して、比較例及び後述する実施形態の前提となる、マッハツェンダ干渉計の動作原理について説明する。図２に示すように、マッハツェンダ干渉計２０では、入力ポートから入力され、ビームスプリッタ（ＢＳ）１に入射した光は、透過光と反射光に分割され、２つの光路（光路１及び光路２）をそれぞれ伝搬する。更に、光路１及び２をそれぞれ伝搬した２つの光は、ＢＳ２で再び合波されて干渉する。

マッハツェンダ干渉計２０では、ＢＳ２で合波される際の２つの光の位相差に依存して、干渉の効果により出力ポートＡ及びＢから出射される光のパワーが変化する。ここで、光路１及び２をそれぞれ伝搬した２つの光が出力ポートＡから出射する際の２つの光の位相差が０の場合、出力ポートＡでは、２つの光が同位相となって強め合う。この場合、光路１及び２をそれぞれ伝搬した２つの光が出力ポートＢから出射する際の２つの光の位相差はπとなるため、出力ポートＢでは、２つの光が逆位相となって弱め合う（打ち消し合う）。その結果、原理的には出力ポートＡのみから光が出射し、出力ポートＢからは光は出射しない（即ち、出力ポートＢから出射する光の強度は０となる）。

一方、光路１及び２をそれぞれ伝搬した２つの光が出力ポートＡから出射する際の２つの光の位相差がπの場合、出力ポートＡでは、２つの光が逆位相となって弱め合う（打ち消し合う）。この場合、光路１及び２をそれぞれ伝搬した２つの光が出力ポートＢから出射する際の２つの光の位相差は０となるため、出力ポートＢでは、２つの光が同位相となって強め合う。その結果、原理的には出力ポートＢのみから光が出射し、出力ポートＡからは光は出射しない（即ち、出力ポートＡから出射する光の強度は０となる）。

上述のマッハツェンダ干渉計の特性を利用することで、モードの多重及び分離を行うことが可能である。具体的には、マッハツェンダ干渉計に２つのモードの光を入力した場合に、一方のモード（第１のモード）については、光路１及び２（第１及び第２の光路）をそれぞれ伝搬した２つの光が出力ポートＡから出射する際の２つの光の位相差は０となるようにする。他方のモード（第２のモード）については、光路１及び２をそれぞれ伝搬した２つの光が出力ポートＡから出射する際の２つの光の位相差はπとなるようにする。その結果、第１のモードの光は出力ポートＡからのみ出射し、第２のモードの光は出力ポートＢからのみ出射することになり、原理的に損失を生じさせることなくモードの分離を実現できる。

本比較例では、マッハツェンダ干渉計をモード分離装置として機能させるために、図３（Ａ）に示すように、マッハツェンダ干渉計の光路２に対して像反転機能を付加する。更に、第１のモードとして、像反転機能により光の空間分布が反転した場合に位相分布が変化しないモードを選択し、第２のモードとして、像反転機能により空間分布が反転した場合に位相分布が反転するモードを選択する。これにより、第１のモードについては、光路１及び２からの２つの光が出力ポートＡから出射する際の位相差を０とする一方で、第２のモードについては、光路１及び２からの２つの光が出力ポートＡから出射する際の位相差をπとすることを実現できる。

また、図３（Ｂ）に示すように、マッハツェンダ干渉計をモード分離装置としても機能させる場合と同様の構成で、マッハツェンダ干渉計をモード多重装置としても機能させることが可能である。この場合、ＢＳ１に対して光路１の方向へ、上述の第１のモードの光を入射させ、ＢＳ１に対して光路２の方向へ、上述の第２のモードの光を入射させればよい。その結果、光路２からＢＳ２を透過する方向の出力ポートに、これら第１及び第２のモードの光が多重された状態で出射する。

図３（Ａ）及び（Ｂ）に示す像反転機能は、例えば、光路２を伝搬する光を順に反射させる複数のミラーを光路２に設け、光路１及び２に設けられるミラーと、ＢＳ１及びＢＳ２とによる光の反射回数を制御することによって、像反転機能を実現できる。具体的には、ＢＳ１に入射した光が出力ポートＡまたはＢから出力されるまでの、ＢＳ１及びＢＳ２とミラーとによる光路１における反射回数と、ＢＳ１及びＢＳ２とミラーとによる光路２における反射回数との差分が奇数となるようにすればよい。

しかし、上述の比較例のような構成では、２光路（光路１及び光路２）上に配置される、ＢＳやミラーといった反射型の光学素子の位置ずれが生じると、ＢＳ１とＢＳ２との間の光路長が変化するため、環境負荷や装置筐体の歪みなどにより２光路間の光路差（位相差）が変動する問題が起こりうる。このため、実システムへ適用するためには、２光路の光路差を高精度に安定化する必要があるため、反射型の光学素子のより高精度な位置決め安定化制御または装置内光学系温度などのフィードバック制御が必要になりうる。また、上述の比較例のように反射型の光学素子を用いてモード多重（分離）装置を構成する場合よりも、装置構成を小型化できることが望まれる。

そこで、以下で説明する実施形態では、モードの多重および分離に利用するマッハツェンダ干渉計及び像反転機能を、ミラーやＢＳといった反射型の光学素子ではなく、透過型の光学素子を用いて実現する。これにより、モード多重装置及びモード分離装置を反射型の光学素子で構成する場合に課題となる光学部品の位置決め精度と位相差精度との関係を事実上分離でき、位相差調整に関わる光学部品の高精度な位置決めが不要となるとともに、装置内の光学素子の位置ずれや装置の変形に対して耐性を有するモード多重装置及びモード分離装置を実現できる。また、透過光学系であるため光路集約が容易であり、装置構成の小型化が容易になる。

＜モード分離＞
図４は、一実施形態に係るモード分離装置の構成例を示す図であり、（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、ｘｚ平面及びｙｚ平面を図示している。なお、ｘ軸方向を水平方向、ｙ軸方向を垂直方向、ｚ軸方向を光（ビーム）の伝搬方向としている。図４に示すように、モード分離装置４０は、分割部４１、干渉部４２、及び合波部４３で構成される。干渉部４２は、上述のマッハツェンダ干渉計の構成を有し、ｘ軸方向（水平方向）に分岐する２つの光路のうちの一方の光路に、当該光路を伝搬する光の空間分布を予め定められた軸（反転面）に対して反転させる機能である像反転機能を有する像反転機構が像反転部５０として付加されている。干渉部４２は入射光の偏波が図５に示す垂直偏波ｖ成分と水平偏波ｈ成分との光強度が等しい場合にのみ有効に機能するが、分割部４１と合波部４３の寄与により、光学系全体として入射光の偏光状態によらずモード分離が機能する偏波無依存性が確保される。本実施形態では、マッハツェンダ干渉計（干渉部４２）及び像反転機構は、透過型の光学素子で構成される。これにより、上述のように、ミラーやＢＳといった反射型の光学素子を用いることなくマッハツェンダ干渉計及び像反転機能を実現する。

具体的には、図４に示すように、マッハツェンダ干渉計（干渉部４２）は、透過型の光学素子の一例である複屈折結晶ＢＣ２１，ＢＣ２２（例えば、非特許文献４を参照。）によって実現される。また、像反転機構（像反転部５０）は、透過型の光学素子の一例であるシリンドリカルレンズＣＬ１，ＣＬ２によって実現される。モード分離装置４０には、２つのモード（第１及び第２のモード）の光が多重された信号光が入射する。モード分離装置４０は、入射した信号光から、マッハツェンダ干渉計の構成及び像反転機構により、個別のモードの光（第１及び第２のモードの信号光）を分離して出力する。なお、モード分離装置４０においてモード分離が可能となるためには、上述の比較例のように、第１のモードは、像反転により位相分布の変化が生じないモードであり、第２のモードは、像反転により位相分布の反転が生じるモードであることが必要である。

分割部４１は、第１及び第２のモードの光が多重された、入射した信号光を、入射した信号光に含まれる直交する偏光成分のうちでそれぞれ異なる偏光成分を含む２つのビーム（第１及び第２のビーム）に分割し、干渉部４２に出力する。図４では、分割部４１は、入射した信号光を、ｙ軸方向において、同一の信号成分を有する２つのビームに分割する。

干渉部４２は、分割部４１から出力される第１及び第２のビームのそれぞれについて、まず、ｘ軸方向において、異なる２つの光路を伝搬する、第１の偏光成分を含むビーム（垂直偏波ｖ）と、第１の偏光成分と直交する第２の偏光成分を含むビーム（水平偏波ｈ）とに分割する。その結果、合計４つのビームが得られる。これら４つのビームのうち、第１の偏光成分を含む２つのビーム（垂直偏波ｖ）は、その光路上に配置された像反転部５０に入射する。像反転部５０は、入射した２つのビームに対して像反転を行う。像反転部５０では、それら２つのビームの光路上で対向して配置された２つのシリンドリカルレンズＣＬ１，ＣＬ２によって、それら２つのビームに対して、光の空間分布をｙｚ平面に対して反転させる（即ち、ｘ軸方向（水平方向）に反転させる）像反転を行う。

更に、干渉部４２は、上述の第１のビームから分割され、２つの光路をそれぞれ伝搬してきた（第１及び第２の偏光成分をそれぞれ含む）２つのビームを、ｘ軸方向において合波することによって当該２つのビームを干渉させる。その結果、干渉部４２は、出力する第１のビームに含まれる直交する２つの偏光成分（＋４５°及び−４５°の偏光成分）に対して第１及び第２のモードの光を分離して、当該第１のビームを出力する。また、干渉部４２は、上述の第２のビームから分割され、２つの光路をそれぞれ伝搬してきた（第１及び第２の偏光成分をそれぞれ含む）２つのビームを、ｘ軸方向において合波することによって当該２つのビームを干渉させる。その結果、干渉部４２は、出力する第２のビームに含まれる直交する２つの偏光成分（＋４５°及び−４５°の偏光成分）に対して第１及び第２のモードの光を分離して、当該第２のビームを出力する。

合波部４３は、干渉部４２から出力された２つのビーム（第１及び第２のビーム）をそれぞれ、上述の２つの偏光成分に分割し、第１及び第２のビーム間で、同一のモードの光に対応する偏光成分をそれぞれ合波する。その結果、合波部４３は、第１及び第２のモードの光が多重された信号光から分離された、第１のモードの信号光と第２のモードの信号光とを出力する。

以下では、図４及び図５を参照して、モード分離装置４０の構成及び動作について、より具体的に説明する。なお、図４及び図５は、伝送用ファイバから、同一の伝搬モード（ＬＰモード）のａモード及びｂモードである、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの２つのモードの光が、モード分離装置４０に入力される場合を一例として示している。なお、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂは、同一の伝搬モードにおける縮退している２つのモードに相当する。

なお、図４及び図５に示す例では、複屈折結晶ＢＣ１，ＢＣ３２は、入射したビームに対して、垂直偏波ｖを他方（水平偏波ｈ）に対して分離または合波することが可能な構成を有している。また、複屈折結晶ＢＣ２１，ＢＣ２２，ＢＣ３１は、入射したビームに対して、水平偏波ｈを他方（垂直偏波ｖ）に対して分離または合波することが可能な構成を有している。

（分割部４１）
分割部４１は、ｚ軸方向（ビームの伝搬方向）において順に配置された、複屈折結晶ＢＣ１及び半波長板ＨＷ１で構成される。複屈折結晶ＢＣ１は、モード分離装置４０に入射した信号光を、直交する２つの偏光成分に分割する。具体的には、複屈折結晶ＢＣ１は、入射した信号光から、−ｙ方向に垂直偏波ｖを分離することによって、２つの偏光成分に対応する、２つの平行ビーム（水平偏波ｈ及び垂直偏波ｖ）を出力する。半波長板ＨＷ１は、複屈折結晶ＢＣ１から出力された２つのビームが透過する位置に配置される。

半波長板ＨＷ１は、ｙ軸方向に２分割されており、分割された各領域を、複屈折結晶ＢＣ１から出力された２つのビームがそれぞれ透過する。半波長板ＨＷ１は、透過する２つのビームの偏光方向が＋４５°で同一となるよう、当該２つのビームが透過する領域ごとに、各ビームの偏光方向を異なる方向に変化させる（具体的には、ｙ軸方向における＋側の領域では＋４５°、−側の領域では−４５°変化させる）。半波長板ＨＷ１は、偏光方向が４５°に揃えられた２つのビームを、上述の第１及び第２のビームとして干渉部４２に出力する。

（干渉部４２）
干渉部４２は、ｚ軸方向（ビームの伝搬方向）において順に配置された、複屈折結晶ＢＣ２１、２つのシリンドリカルレンズＣＬ１，ＣＬ２を備える像反転部５０、半波長板ＨＷ２、及び複屈折結晶ＢＣ２２で構成される。複屈折結晶ＢＣ２１は、第１及び第２のビームのそれぞれについて、＋ｘ方向に水平偏波ｈを分離することによって、２つの光路を伝搬する水平偏波ｈ（第１の偏光成分を含むビーム）及び垂直偏波ｖ（第２の偏光成分を含むビーム）に分割する。その結果、複屈折結晶ＢＣ２１は、合計４つのビームを出力する。

シリンドリカルレンズＣＬ１，ＣＬ２（像反転部５０）は、ｘ軸方向（水平方向）の像反転機能を有しており、即ち、図４に示すように、ｙｚ平面（垂直方向に沿った反転面）に対して、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードの光の空間分布をそれぞれ反転させる。その結果、第１のモードに相当するＬＰ１１ａモードの光は、像反転の前後で位相分布が変化せず、第２のモードに相当するＬＰ１１ｂモードの光は、像反転によって位相分布が反転する。このように、シリンドリカルレンズＣＬ１，ＣＬ２による像反転に用いられる反転面（ｙｚ平面）は、ＬＰ１１ａモード（第１のモード）の光の空間分布を当該反転面に対して反転させた場合に光の位相分布が変化せず、かつ、ＬＰ１１ｂモード（第２のモード）の光の空間分布を当該反転面に対して反転させた場合に光の位相分布が反転するように定められている。図５に示すように、シリンドリカルレンズＣＬ１，ＣＬ２は、４つのビームのうち、垂直偏波ｖに対応する２つのビームのみに対して、ｘ軸方向（水平方向）の像反転を行う。

半波長板ＨＷ２は、複屈折結晶ＢＣ２１から出力された、水平偏波ｈに対応する２つのビームと、シリンドリカルレンズＣＬ１，ＣＬ２による像反転が行われた、垂直偏波ｖに対応する２つのビームとの、それぞれの偏光方向を所定の角度（＋９０°）だけ変化させる。その結果、水平偏波ｈは垂直偏波ｖに、垂直偏波ｖは水平偏波ｈに変換された状態で出力される。

複屈折結晶ＢＣ２２は、半波長板ＨＷ２から出力された２つの水平偏波ｈ（第１の偏光成分を含むビーム）をそれぞれ、＋ｘ方向において、対応する垂直偏波ｖ（第１の偏光成分を含むビーム）に合波することで、２つのビームを出力する。干渉部４２内において適切な位相差の調整を行うことにより、複屈折結晶ＢＣ２２から出力される２つのビームでは、ＬＰ１１ａモードの光が、＋４５°の偏光成分のみを有し、ＬＰ１１ｂモードの光が、−４５°の偏光成分のみを有する状態を実現できる。即ち、これら２つのビームは、直交する２つの偏光成分である＋４５°の偏光成分及び−４５°の偏光成分に、ＬＰ１１ａモードの光及びＬＰ１１ｂモードの光が分離された状態となる。

（合波部４３）
合波部４３は、ｚ軸方向（ビームの伝搬方向）において順に配置された、半波長板ＨＷ３１、複屈折結晶ＢＣ３１、半波長板ＨＷ３２、及び複屈折結晶ＢＣ３２で構成される。半波長板ＨＷ３１は、干渉部４２（複屈折結晶ＢＣ２２）から出力された２つのビーム（第１及び第２のビーム）をそれぞれ、複屈折結晶ＢＣ３１によって２つの偏光成分に分割可能となるよう、各ビームの偏光方向を所定の角度（−４５°）だけ変化させる。これにより、ＬＰ１１ａモードの光が、水平偏波ｈに相当する偏光成分、ＬＰ１１ｂモードの光が、垂直偏波ｖに相当する偏光成分を有する状態となる。

複屈折結晶ＢＣ３１は、半波長板ＨＷ３１から出力された２つのビームをそれぞれ、−ｘ方向において、２つの偏光成分（垂直偏波ｖ及び水平偏波ｈ）に分割することで、４つのビームを出力する。これにより、複屈折結晶ＢＣ３１から出力される４つのビームのうち、水平偏波ｈに対応する２つのビームには、ＬＰ１１ａモードの信号成分のみが含まれ、垂直偏波ｖに対応する２つのビームには、ＬＰ１１ｂモードの信号成分のみが含まれる結果となる。

半波長板ＨＷ３２は、ｘ軸方向及びｙ軸方向に４分割されており、分割された各領域を、複屈折結晶ＢＣ３１から出力された４つのビームがそれぞれ透過する。半波長板ＨＷ３２は、ｙ軸方向における２つのビーム（第１及び第２のビーム）間で、同一のモードの光に対応する偏光成分をそれぞれ合波可能となるよう、４つのビームが透過する領域ごとに各ビームの偏光方向を変化させる。具体的には、半波長板ＨＷ３２は、水平偏波ｈに対応する２つのビームのうちの、ｙ軸方向における＋側のビームの偏光方向と、垂直偏波ｖに対応する２つのビームのうちの、ｙ軸方向における−側のビームの偏光方向を、それぞれ＋９０°変化させる。

複屈折結晶ＢＣ３２は、半波長板ＨＷ３２を透過した４つのビームについて、ｙ軸方向における２つのビーム（第１及び第２のビーム）間で、同一のモードの光に対応する偏光成分をそれぞれ合波する。具体的には、複屈折結晶ＢＣ３２は、半波長板ＨＷ３２から出力された２つの垂直偏波ｖをそれぞれ、−ｘ方向において、対応する水平偏波ｈに合波することで、２つのビームを出力する。その結果、複屈折結晶ＢＣ３２から、ＬＰ１１ａモードの信号光（ＬＰ１１ａモードに対応する信号成分のみを有するビーム）と、ＬＰ１１ｂモードの信号光（ＬＰ１１ｂモードに対応する信号成分のみを有するビーム）とが出力される。

このように、本実施形態によれば、同一ＬＰモードのａモード及びｂモードである、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの２つモードの光を、原理的に損失を生じさせることなく分離することが可能である。

また、モード分離装置４０は、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードに限らず、同一のＬＰモードのａ及びｂモードの組み合わせであれば、同様にモードの分離を実現できる。これは、図６に示すように、同一のＬＰモード（図６では、ＬＰ１１、ＬＰ２１及びＬＰ３１モード）のａ及びｂモードの光に対して像反転を行った場合、ａ及びｂモードの一方の光は位相分布が変化せず、他方は位相分布が反転する。したがって、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードに限らず、同一のＬＰモードのａ及びｂモードの組み合わせであれば、モード分離装置４０によって原理的に損失を生じさせることなくモードの分離を行うことが可能である。

また、モード分離装置４０は、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードのように同一のＬＰモードにおける縮退している２つのモードだけでなく、異なるＬＰモードについても、同様にモードの分離を実現できる。図７は、異なるＬＰモードの例として、ＬＰ１１及びＬＰ２１モードの分離をモード分離装置４０によって行う例を示している。図７に示すように、ＬＰ１１及びＬＰ２１モードの光に対して像反転を行った場合、ＬＰ１１モードの光は位相分布が変化せず、ＬＰ２１モードの光は位相分布が反転する。このように、像反転により一方のモードの光には位相分布の変化が生じず、他方のモードの光に位相分布の反転が生じる組み合わせであれば、異なるＬＰモードの組み合わせであっても原理的に損失を生じさせることなくモードの分離を行うことが可能である。

＜モード多重＞
次に、図８は、一実施形態に係るモード多重装置の構成例を示す図であり、ｘｚ平面のみを図示している。図８に示すように、モード多重装置８０は、モード分離装置４０と同一の構成を有し、モード分離装置４０の入力と出力とを入れ替えたものに相当する。

モード多重装置８０は、分割部８１、干渉部８２、及び合波部８３を備え、これらはモード分離装置４０における合波部４３、干渉部４２、及び分割部４１にそれぞれ対応する。モード多重装置８０では、入力側（モード分離装置４０の出力側）から、第１のモードの信号光と第２のモードの信号光とが入射されることによって、出力側（モード分離装置４０の入力側）から、それらの信号光が多重された信号光が出力される。

本実施形態によれば、モード分離の場合と同様、原理的に損失を生じさせることなく、同一のＬＰモードのａ及びｂモード、並びに異なるＬＰモードについてモードの多重（合波）を行うことが可能である。

＜他の実施形態＞
上述の実施形態で説明したモード分離装置４０及びモード多重装置８０を複数用いることによって、３つ以上のモードの光の分離及び多重を行うことが可能である。図９は、複数のモードの光が伝搬可能な光ファイバ（マルチモードファイバ（ＭＭＦ））から出射される、５つのモード（ＬＰ０１，ＬＰ１１ａ，ＬＰ１１ｂ，ＬＰ２１ａ，ＬＰ２１ｂ）の光を分離するモード分離システムの例を示している。なお、図９では、モード分離装置４０を像反転ＭＺＩ（マッハツェンダ干渉計）として示している。

図９に示すモード分離システムは、２つの像反転ＭＺＩ４０に加えて、５つのモードの光を、異なるＬＰモードの数に相当する数の光に分割するためのＢＳ９１及びＢＳ９２を備える。ＢＳ９１及びＢＳ９２で分割された（分岐した）光は、２つの像反転ＭＺＩ４０に入力される。これにより、同一ＬＰモードのａ及びｂモードの光を、原理的に損失を生じさせることなく分離して出力できる。

また、図９に示すモード分離システムの入力と出力とを入れ替えることによって、図１０に示すように、５つのモード（ＬＰ０１，ＬＰ１１ａ，ＬＰ１１ｂ，ＬＰ２１ａ，ＬＰ２１ｂ）の光を多重するモード多重システムを実現できる。図１０に示すモード多重システムは、５つのモードの光のうち、同一ＬＰモードのａ及びｂモードの光を、原理的に損失を生じさせることなく多重（合波）して、多重された光をＭＭＦに出力できる。

更に、図１１に示すように、複数の像反転ＭＺＩ４０を多段に設ける（接続する）ことによって、同一ＬＰモードのａ及びｂモードだけでなく異なるＬＰモードについても、ＢＳを用いることなく分離できる。これにより、ＭＭＦ内を伝搬する複数のモードの光を原理的に損失を生じさせることなく分離することが可能である。

上述の種々の実施形態は、光ファイバの空間利用効率の向上によって伝送容量の拡大を図る、空間多重（モード多重）伝送技術の実現に貢献しうる。これらの実施形態を用いることで、光ファイバ中の各モードについて独立した信号を変復調することが可能になる。その結果、理論的な通信容量は、（１モード当たりの伝送容量）×（モード数）となり、光ネットワークの大容量化を見込める。

また、上述の種々の実施形態で説明したモード多重分離技術によれば、各ネットワーク拠点において、モード多重光信号から必要な数のモードの光信号を分離し、また、モード多重光信号に対して必要な数のモードの光信号を多重できる。即ち、従来の波長多重光信号における波長と同様に、モード多重光信号におけるモードを扱うことが可能になる。

更に、上述の種々の実施形態では、ミラーやＢＳといった反射型の光学素子を用いることなく、透過型の光学素子を用いてマッハツェンダ干渉計及び像反転機能を実現している。このため、モード多重装置及びモード分離装置を反射型の光学素子で構成する場合に課題となる光学部品の位置決め精度と位相差精度との関係を事実上分離でき、位相差調整に関わる光学部品の高精度な位置決めが不要となるとともに、装置内の光学素子の位置ずれや装置の変形に対して耐性を有するモード多重装置及びモード分離装置を実現できる。また、透過光学系であるため光路集約が容易であり、装置構成の小型化が容易になる。即ち、光信号のモード多重および分離を行う際に生じる損失を、より簡易な構成で低減することが可能になる。

Claims (15)

1. 第１及び第２のモードの光が多重された、入射した信号光を、当該入射した信号光に含まれる直交する偏光成分のうちでそれぞれ異なる偏光成分を含む第１及び第２のビームに分割する分割手段と、
   前記第１及び第２のビームのそれぞれについて、異なる２つの光路を伝搬する、第１の偏光成分を含むビームと前記第１の偏光成分と直交する第２の偏光成分を含むビームとに分割し、前記第１の偏光成分を含むビームの光路上で、前記第１の偏光成分を含むビームについての光の空間分布を予め定められた反転面に対して反転させた後、前記第１及び第２の偏光成分をそれぞれ含む、前記２つの光路をそれぞれ伝搬した２つのビームを合波することによって当該２つのビームを干渉させる、透過型の光学素子で構成された干渉手段であって、当該干渉により、前記干渉手段から出力する前記第１及び第２のビームのそれぞれにおいて、各ビームに含まれる直交する２つの偏光成分に対して前記第１及び第２のモードの光を分離する前記干渉手段と、
   前記干渉手段から出力された前記第１及び第２のビームをそれぞれ、前記２つの偏光成分に分割し、前記第１及び第２のビーム間で、同一のモードの光に対応する偏光成分をそれぞれ合波することによって、前記第１のモードの信号光と前記第２のモードの信号光とを出力する合波手段と、を備え、
   前記干渉手段は、前記第１及び第２のビームのそれぞれから分割される、前記第１の偏光成分を含むビームの光路上に配置され、当該ビームが透過する際に当該ビームについての光の空間分布を前記予め定められた反転面に対して反転させる像反転機構を備え、
   前記第１のモードは、前記空間分布の反転により位相分布が変化しないモードであり、
   前記第２のモードは、前記空間分布の反転により位相分布が反転するモードである、
   ことを特徴とするモード分離装置。
2. 前記空間分布の反転に用いられる反転面は、前記第１のモードの光の空間分布を当該反転面に対して反転させた場合に光の位相分布が変化せず、かつ、前記第２のモードの光の空間分布を当該反転面に対して反転させた場合に光の位相分布が反転するように定められる
   ことを特徴とする請求項１に記載のモード分離装置。
3. 前記分割手段は、
   前記入射した信号光を、当該入射した信号光に含まれる直交する偏光成分のうちで異なる偏光成分をそれぞれが含む２つのビームに分割する複屈折結晶と、
   前記複屈折結晶によって分割された２つのビームが透過する位置に配置され、当該２つのビームの偏光方向が同一となるよう、当該２つのビームが透過する領域ごとに各ビームの偏光方向を異なる方向に変化させることで、前記第１及び第２のビームを出力する半波長板と、
   を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のモード分離装置。
4. 前記干渉手段は、
   前記像反転機構の前段の、前記第１及び第２のビームが透過する位置に配置され、前記第１及び第２のビームのそれぞれを、前記２つの光路を伝搬する前記第１の偏光成分を含むビームと前記第２の偏光成分を含むビームとに分割する第１の複屈折結晶と、
   前記第１及び第２のビームのそれぞれについて、前記第１の複屈折結晶によって分割され、かつ、前記像反転機構を透過した、前記第１の偏光成分を含むビームと、前記第１の複屈折結晶によって分割された、前記第２の偏光成分を含むビームとを合波する、前記像反転機構の後段に配置された第２の複屈折結晶と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のモード分離装置。
5. 前記干渉手段は、前記第１の複屈折結晶によって分割され、かつ、前記像反転機構を透過した、前記第１の偏光成分を含むビームと、前記第１の複屈折結晶によって分割された、前記第２の偏光成分を含むビームとのそれぞれの偏光方向を所定の角度だけ変化させる、前記第２の複屈折結晶の前段に配置された半波長板、を更に備える
   ことを特徴とする請求項４に記載のモード分離装置。
6. 前記合波手段は、
   前記干渉手段から出力された前記第１及び第２のビームが透過する位置に配置され、前記第１及び第２のビームをそれぞれ前記２つの偏光成分に分割することで、４つのビームを出力する第１の複屈折結晶と、
   前記合波手段の第１の複屈折結晶の後段に配置され、前記第１及び第２のビーム間で、同一のモードの光に対応する偏光成分をそれぞれ合波可能となるよう、前記第１の複屈折結晶から出力された４つのビームが透過する領域ごとに各ビームの偏光方向を変化させる第１の半波長板と、
   前記第１の半波長板の後段に配置され、前記第１の半波長板を透過した４つのビームについて、前記第１及び第２のビーム間で、同一のモードの光に対応する偏光成分をそれぞれ合波することによって、前記第１のモードの信号光と前記第２のモードの信号光とを出力する第２の複屈折結晶と、
   を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のモード分離装置。
7. 前記合波手段は、
   前記合波手段の第１の複屈折結晶の前段に配置され、前記干渉手段から出力された前記第１及び第２のビームをそれぞれ、前記第１の複屈折結晶によって前記２つの偏光成分に分割可能となるよう、前記干渉手段から出力された前記第１及び第２のビームのそれぞれの偏光方向を所定の角度だけ変化させる第２の半波長板、を更に備える
   ことを特徴とする請求項６に記載のモード分離装置。
8. 前記第１及び第２のモードは、同一の伝搬モードにおける縮退している２つのモードであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のモード分離装置。
9. 前記第１及び第２のモードは、異なる伝搬モードであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のモード分離装置。
10. ３つ以上のモードの光を分離するモード分離システムであって、
    前記３つ以上のモードの光を、前記３つ以上のモードのうちで異なる伝搬モードの数に相当する数の光に分割するための複数のビームスプリッタと、
    請求項１から７のいずれか１項に記載の、複数のモード分離装置と、を備え、
    前記複数のビームスプリッタによって分割された光は、前記複数のモード分離装置のそれぞれの分割手段に入射し、
    前記複数のモード分離装置は、それぞれ異なる伝搬モードにおける縮退している２つのモードの光を分離して出力する
    ことを特徴とするモード分離システム。
11. ３つ以上のモードの光を分離するモード分離システムであって、
    請求項１から７のいずれか１項に記載の、複数のモード分離装置を備え、
    前記複数のモード分離装置は、多段に配置されており、それぞれ異なるモードの２つの光を順に分離して出力する
    ことを特徴とするモード分離システム。
12. 請求項１から７のいずれか１項に記載のモード分離装置から成り、
    前記モード分離装置の出力側から、前記第１のモードの信号光と前記第２のモードの信号光とが入射されることによって、前記モード分離装置の入力側から、前記第１のモードの信号光と前記第２のモードの信号光とが多重された信号光を出力する、
    ことを特徴とするモード多重装置。
13. 前記第１及び第２のモードは、同一の伝搬モードにおける縮退している２つのモードであることを特徴とする請求項１２に記載のモード多重装置。
14. 前記第１及び第２のモードは、異なる伝搬モードであることを特徴とする請求項１２に記載のモード多重装置。
15. ３つ以上のモードの光を多重するモード多重システムであって、
    請求項１２に記載の複数のモード多重装置と、
    前記複数のモード多重装置から出力された光を合波して出力するための複数のビームスプリッタと、を備え、
    前記複数のモード多重装置は、それぞれ異なる伝搬モードにおける縮退している２つのモードの光を多重して出力する
    ことを特徴とするモード多重システム。

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