JP6485913B2 - モード変換器及びモード変換方法並びにモード合分波器及びモード合分波方法 - 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。

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、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２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。

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３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４に示されるように非対称平行導波路を用いた４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、全ての導波路の高さを一定としながら４以上のモードを合分波するためには、縮退したＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードを変換するモード変換器が必要であり、モード変換器で発生する過剰損失を低減する必要がある。

特開平８−２８８９１１号公報

松井 他、"Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｂｅｎｄｉｎｇ ｌｏｓｓ ａｎｄ Ａｅｆｆ ｏｆ ＞ ２００μｍ２ ｆｏｒ ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ＷＤＭ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"、ＯＦＣ２０１０、ＰＤＰＡ２． 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、"Ｆｏｕｒ−ｍｏｄｅ ｐｌｃ−ｂａｓｅｄ ｍｏｄｅ ｍｕｌｔｉ／ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅ ｒｏｔａｔｏｒ ｏｎ ｏｎｅ ｃｈｉｐ ｆｏｒ ＭＤＭ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"、ＥＣＯＣ２０１４、Ｗｅ．１．１．１ Ｎ．Ｈａｎｚａｗａ ｅｔ ａｌ．，"Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｐａｒａｌｌｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｆｏｒ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，"ＯＦＣ２０１２，ｐａｐｅｒ Ｏｔｕ１ｌ．４ （２０１２）． Ｋ．Ｓａｉｔｈ ｅｔ ａｌ．，"ＰＬＣ−ｂａｓｅｄ ＬＰ１１ ｍｏｄｅ ｒｏｔａｔｏｒ ｆｏｒ ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，"Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．２２，ｐｐ．１９１１７−１９１３０ （２０１４）．

本発明は、モード変換器と他の導波路との接続部での損失を低減しつつ、異なる空間分布を有する一組の縮退したモードを変換することを目的とする。

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、モード変換器におけるトレンチ部を長手方向に変化させることで、モード変換器と他の導波路との接続部での損失を低減しつつ、ＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードを変換させることを特徴とする。

具体的には、本発明に係るモード変換器は、
複数の導波モードの光を伝搬する導波路を備えるモード変換器であって、
前記複数の導波モードは、異なる空間分布を有する少なくとも一組の縮退したモードを含み、
前記導波路は、断面の少なくとも一部に溝が形成されており、
前記導波路の入力部及び出力部の断面形状は、前記溝の形成されていない正方形又は長方形であり、
前記導波路の断面における前記溝の幅は、前記導波路における光の伝搬方向に徐々に増加した後に徐々に減少し、
前記導波路の高さ方向からみた前記溝の形状が円弧状であること、
を特徴とする。

本発明に係るモード変換器では、前記導波路における光の伝搬方向がｚであり、前記ｚ方向における前記導波路の長さがＬであり、前記導波路における前記一組の縮退したモードはＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードであり、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードの伝搬定数がβａ及びβｂであるとき、前記導波路の長さＬは後述する式（２）を満たしていてもよい。

本発明に係るモード変換器では、前記導波路は、前記導波路の入力部に入力された前記一組の縮退したモードのうちの第１のモードの光を前記一組の縮退したモードのうちの第２のモードの光に変換し、前記導波路の出力部から出力してもよい。

本発明に係るモード変換器では、前記導波路の長さが１５００μｍ以上であってもよい。

具体的には、本発明に係るモード合分波器は、
ｎ（ｎは２以上の整数）以上のモードを伝搬可能な主導波路と、
前記主導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを前記主導波路に移行させるモード結合部を持つｍ本（ｍは１以上の整数）の副導波路と、
少なくともいずれかの前記モード結合部の後段に配置された本発明に係るモード変換器と、
を備えることを特徴とする。

具体的には、本発明に係るモード変換方法は、
本発明に係るモード変換器を用いたモード変換方法であって、
異なる空間分布を有する少なくとも一組の縮退したモードを含む前記複数の導波モードの光を、前記導波路に通過させることで、前記一組の縮退したモードを互いに変換することを特徴とする。

具体的には、本発明に係るモード合分波方法は、
本発明に係るモード合分波器を用いたモード合分波方法であって、
前記モード結合部が、前記副導波路から前記主導波路に移行した光を、異なる空間分布を有する少なくとも一組の縮退したモードのうちの第１のモードに変換し、
前記モード変換器が、前記主導波路を伝搬する前記第１のモードの光を、前記一組の縮退したモードのうちの前記第１のモードとは異なる第２のモードに変換することを特徴とする。

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、異なる空間分布を有する一組の縮退したモードを変換することが可能でありかつ低損失なモード変換及び合分波が実現できる。

２モード合分波器の構成例を示す。 導波路におけるモードの電界分布の一例を示す。 本発明に関連するモード変換器の断面構造の第１例を示す。 本発明に関連するモード変換器の断面構造の第２例を示す。 本発明に関連するモード変換器の断面構造の第３例を示す。 本発明の実施形態に係るモード変換器の構造の一例を示す。 本発明に関連するモード変換器の構造の一例を示す。 モード変換器長ＬとＳｅｐとの関係の一例を示す。 本実施形態に係るモード変換器の挿入損失の計算結果の一例を示す。 本実施形態に係るモード合分波器の構成例を示す。

以下、本発明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、本発明は、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、本発明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。

本発明の実施形態に係るモード変換器は、縮退した異なる空間分布を有する複数のモードのうちの第１のモードを第２のモードに変換する。本発明に係るモード変換方法は、本発明の実施形態に係るモード変換器を用いて、第１のモードを第２のモードに変換する。本実施形態においては、光ファイバ中の伝搬モードである第１高次モード（ＬＰ１１）の縮退モードであるＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードを変換する例について説明する。

本発明の実施形態に係るモード合分波器及びモード合分波方法は、本発明の実施形態に係るモード変換器を用いて、ＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードを合分波する。

図１に、本発明の実施形態に係るモード合分波器の構成の一例を示す。本実施形態に係るモード合分波器は、主導波路として機能する第１導波路１１と、副導波路として機能する第２導波路１２と、モード結合部１３と、を備える。本実施形態に係るモード合分波器は、これらを用いて、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードを合分波する場合の例を示す。

本例では、比屈折率差Δが等しく、導波路の高さが等しい複数の導波路１１及び１２により構成される場合であって、平行導波路１１及び１２が近接するモード結合部１３により、一方の導波路１２中を伝搬する特定のモードを、他方の導波路１２を伝搬する特定のモードに変換するよう設計されている。例えば、第２導波路１２を伝搬するＬＰ０１モードを、モード結合部１３によりＬＰ１１モードに変換し、第１導波路１１からＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードを出力する。

非特許文献５によれば、２つの導波路１１及び１２の高さ及び幅を適切に設計し、２つの導波路１１及び１２を伝搬するモードの実効屈折率を一致させることでモードの結合を生じさせることができる。また、相互作用長を適切に設計することで、一方の導波１２路を伝搬する光を、他方の導波路１１に移すことができる。

また、２つの導波路の高さが同じである場合、ＬＰ０１モードから変換できるモードは、ＬＰ１１ａモードであることが述べられており、副導波路を伝搬するＬＰ０１からはＬＰ１１ｂおよびＬＰ２１ａモードへは直接結合することができない。そこで、非特許文献４に記載のＬＰ１１モード変換器を用いることで、ＬＰ１１ａモードをＬＰ１１ｂに変換させることができ、さらにＬＰ２１ａモードを得るために、変換されたＬＰ１１ｂモードをＬＰ２１ａモードに結合させる構成とし、４モード（ＬＰ０１，ＬＰ１１ａ，ＬＰ１１ｂ，ＬＰ２１ａ）の合分波が実現できている。この時、各モードの電界分布は図２に示す通りである。図２（ａ）はＬＰ０１モードを示し、図２（ｂ）はＬＰ１１ａモードを示し、図２（ｃ）はＬＰ１１ｂモードを示し、図２（ｄ）はＬＰ２１ａモードを示す。

図３に、本発明に関連するモード変換器１９１の構成を示す。図３に示すモード変換器１９１は、幅ｗ、高さｈ、長さＬの導波路であり、断面の少なくとも一部に溝１４を設けたトレンチ構造を備える。トレンチ構造は、幅ｗにおいてそれぞれ導波路の幅ｗ１とｗ２の間に、幅ｓ、深さｄの溝１４を備える。溝１４は、断面における幅ｗ上の中央に対して非対称に設けられ、ｗ１とｗ２は異なる。溝１４は、図示するように導波路の上面に設けられていてもよいが、下面に設けられてもよい。溝の形状は任意であり、図３に示すような矩形であってもよいし、三角形であってもよい。

図３に示すように、モード変換器１９１は、断面内に非対称性を有する。図４及び図５に、モード変換器１９１の他の形態例を示す。モード変換器１９１は、図４及び図５に示すように、導波路幅ｗにおいて幅ｗ２が０となる導波路の端に溝１４があっても良い。断面内に非対称性が生じれば、この溝１４の形状は任意である。例えば、溝１４の上部の幅ｗ３と溝１４の下部の幅ｗ４とは同じであってもよいし、異なっていてもよい。溝１４の形状は、例えば、図４に示すような、トレンチ上部の幅ｗ３と溝１４下部の幅ｗ４が等しい方形である。また、溝１４の形状は、例えば、図５に示すような、溝１４下部の幅ｗ４が０である三角形であっても良い。

この時、モード変換器１９１におけるＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードの伝搬定数をそれぞれβａ及びβｂとしたとき、モード変換器１９１の導波路の長さＬが
（数１）
（βａ―βｂ）Ｌ＝π （１）
となるように調整すると、モード変換器１９１に入力したＬＰ１１ａまたはＬＰ１１ｂモードが出力端でＬＰ１１ｂまたはＬＰ１１ａに変換される（詳しくは非特許文献６参照のこと）。

図６に、本発明の実施形態に係るモード変換器の斜視図を示す。図７に、図４に示すモード変換器の斜視図を示す。図７に示すモード変換器では、伝搬方向（ｚ方向）で溝１４の形状が変化していないが、本実施形態では、伝搬方向（ｚ方向）で溝１４の形状が連続的に変化している。図６の例では、任意の位置における断面構造は図４と同じであるが、図４におけるｗ３及びｗ４がｚに対して連続的に変化している。なお、図６では、トレンチの幅ｗ３及びｗ４をｚ方向に徐々に増加させた後に徐々に減少させた円弧状とし、ｗ３及びｗ４が最も大きくなる値をＳｅｐとしている。

また、図６においては、モード変換器９１の入力側及び出力側の断面において、ｗ３及びｗ４が０（つまり導波路断面が方形）となっている。このようにすることで、入力側及び出力側に設置される導波路と同様な構造とすることができ、接続損失の低減効果が期待できる。

図８に、モード変換器９１の導波路の長さＬに対して数１を満たすためのＳｅｐの値を算出した結果を示す。数１を満たしているかどうかについては、βａおよびβｂがｚ方向依存性を有しているため、下記の数２より求めることができる。

なお、構造パラメータは、クラッド１２に対する導波路１１及び１２の比屈折率差Δ＝０．７％、ｗ＝１２．２μｍ、ｈ＝１２．０μｍ、ｄ＝３．５μｍとした。導波路の長さＬが増加すると、Ｓｅｐを低減できることがわかる。

図９に、導波路の長さＬに対するモード変換器９１との挿入損失を計算した結果を示す。ここで、モード変換器９１と接続する導波路は、モード変換器９１の入力端又は出力端の断面構造と同じ構造を有している。また、比較例として、図７に示す構造を用いた場合の損失を破線で示す。比較例の構造は、ｗ３＝２．０μｍとし、ｄについては、それぞれ導波路の長さＬに対して数２を満たすよう調整されている。

図９より、本実施形態に係る構造を用いることで、モード変換器９１の挿入損失を低減できることがわかる。特に、導波路の長さＬが１５００μｍ以上の領域で、挿入損失の改善が得られる。

本実施形態に係るモード変換器９１を用いることで、４以上のモードを合分波するモード合分波器が実現できる。図１０に４モード合分波器の例を示す。図１０では、本実施形態に係るモード変換器９１として、図６に示すトレンチ構造を有するモード変換器９１―３及び９１−４を備える。入力ポートＩＰ１と出力ポートＯＰを結ぶ導波路が主導波路として機能し、その他の導波路が副導波路として機能する。モード変換器９１―３は主導波路に備わり、モード変換器９１−４は副導波路に備わる。このように、モード変換器は、主導波路に限らず副導波路に備わっていてもよい。

入力ポートＩＰ１から入力された光はＬＰ０１モードとして出力ポートＯＰに出力される。入力ポートＩＰ２から入力された光は、主導波路と近接する領域に配置されたモード結合部１３−２においてＬＰ０１モードからＬＰ１１ａモードに変換され、出力ポートＯＰに出力される。入力ポートＩ３から入力された光は、主導波路と近接する領域に配置されたモード結合部１３−３においてＬＰ０１モードからＬＰ１１ａモードに変換され、後段に設置されたモード変換器９１−３においてＬＰ１１ａからＬＰ１１ｂモードに変換され、出力ポートＯＰに出力される。入力ポートＩＰ４から入力された光は、主導波路と近接する領域に配置されたモード結合部１３−４においてＬＰ０１モードからＬＰ１１ａモードに変換され、後段に設置されたモード変換器９１−４においてＬＰ１１ａからＬＰ１１ｂモードに変換され、主導波路と近接する領域に配置されたモード結合部１３−５にてＬＰ１１ｂモードからＬＰ２１ａモードに変換され、出力ポートＯＰに出力される。

なお、本モード変換器は、５以上のモードを合分波するモード合分波器においても同様に用いることができる。

また、モード変換器が対象とする縮退した異なる空間分布を有するモードはＬＰ１１モードに限らず、数１及び数２に記載の条件を満たす限りは、第二高次モード以上（ＬＰ２１以上）のモードにも適用できる。

また、本実施形態では、本発明に関連する図４に示す溝１４の形状が導波路の伝搬方向に変化している例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図３又は図５に示す溝１４の形状が、導波路の伝搬方向に円弧状に変化していてもよい。

本発明は情報通信産業に適用することができる。

１０：導波路
１１：第１導波路
１２：第２導波路
１３、１３―２、１３−３、１３−４、１３−５：モード結合部
１４：溝
９１、１９１：モード変換器

Claims (7)

1. 複数の導波モードの光を伝搬する導波路を備えるモード変換器であって、
   前記複数の導波モードは、異なる空間分布を有する少なくとも一組の縮退したモードを含み、
   前記導波路は、断面の少なくとも一部に溝が形成されており、
   前記導波路の入力部及び出力部の断面形状は、前記溝の形成されていない正方形又は長方形であり、
   前記導波路の断面における前記溝の幅は、前記導波路における光の伝搬方向に徐々に増加した後に徐々に減少し、
   前記導波路の高さ方向からみた前記溝の形状が円弧状であること、
   を特徴とするモード変換器。
2. 前記導波路は、前記導波路の入力部に入力された前記一組の縮退したモードのうちの第１のモードの光を前記一組の縮退したモードのうちの第２のモードの光に変換し、前記導波路の出力部から出力する、
   請求項１に記載のモード変換器。
3. 前記導波路における光の伝搬方向がｚであり、前記ｚ方向における前記導波路の長さがＬであり、前記導波路における前記一組の縮退したモードはＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードであり、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードの伝搬定数がβａ及びβｂであるとき、前記導波路の長さＬは次式を満たすことを特徴とする、
   請求項１又は２に記載のモード変換器。
   

   
4. 前記導波路の長さが１５００μｍ以上であることを特徴とする、
   請求項３に記載のモード変換器。
5. ｎ（ｎは２以上の整数）以上のモードを伝搬可能な主導波路と、
   前記主導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを前記主導波路に移行させるモード結合部を持つｍ本（ｍは１以上の整数）の副導波路と、
   少なくともいずれかの前記モード結合部の後段の前記主導波路に配置された請求項１から４のいずれかに記載のモード変換器と、
   を備えることを特徴とするモード合分波器。
6. 請求項１から４のいずれかに記載のモード変換器を用いたモード変換方法であって、
   異なる空間分布を有する少なくとも一組の縮退したモードを含む前記複数の導波モードの光を、前記導波路に通過させることで、前記一組の縮退したモードを互いに変換する、
   ことを特徴とするモード変換方法。
7. 請求項５に記載のモード合分波器を用いたモード合分波方法であって、
   前記モード結合部が、前記副導波路から前記主導波路に移行した光を、異なる空間分布を有する少なくとも一組の縮退したモードのうちの第１のモードに変換し、
   前記モード変換器が、前記主導波路を伝搬する前記第１のモードの光を、前記一組の縮退したモードのうちの前記第１のモードとは異なる第２のモードに変換する、
   モード合分波方法。

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