JP6631848B2 - Mode multiplexer / demultiplexer and mode multiplex transmission system - Google Patents

Mode multiplexer / demultiplexer and mode multiplex transmission system Download PDF

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Description

本開示は、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。   The present disclosure relates to a mode multiplexer and a mode demultiplexer necessary for mode multiplex transmission, which is a multiplexing method using a propagation mode as a carrier in an optical fiber cable having three or more propagation modes.

光ファイバ通信システムでは、光ファイバ中で発生する非線形効果やファイバヒューズが問題となり、伝送の大容量化が制限されている。これらの制限を緩和するためには、光ファイバに導波する光の密度を低減する必要があり、非特許文献1に示すように大コアファイバが検討されている。   In an optical fiber communication system, a non-linear effect or a fiber fuse generated in an optical fiber becomes a problem, and an increase in transmission capacity is limited. In order to alleviate these limitations, it is necessary to reduce the density of light guided to the optical fiber, and a large-core fiber is being studied as described in Non-Patent Document 1.

しかし、曲げ損失低減、単一モード動作領域の拡大、実効断面積の拡大は互いにトレードオフの関係にあり、所定の条件下における実効断面積の拡大量には限界があるという課題があった。そこで、伝送ファイバにマルチモードファイバを用い、伝搬する複数のモードを用いて並列伝送を行うモード多重伝送システムが、飛躍的な大容量化を実現する技術として検討されている(例えば、非特許文献2を参照。)。   However, there is a trade-off relationship between the reduction of the bending loss, the expansion of the single-mode operation region, and the expansion of the effective area, and there is a problem that the amount of expansion of the effective area under predetermined conditions is limited. Therefore, a mode multiplexing transmission system that uses a multimode fiber as a transmission fiber and performs parallel transmission using a plurality of propagating modes has been studied as a technology for achieving a dramatic increase in capacity (for example, see Non-Patent Documents). 2).

モード多重伝送システムにおいては、送信機から発せられる複数の信号を別々のモードとして光ファイバ中を伝搬させるため、モード合分波器が提案されている。これまで、空間光学系やファイバ型など、様々な方式のモード合分波器が提案されているが、PLC(Planar lightwave circuit)型のモード合分波器は、低損失・広帯域性を有しており、量産性も優れていることが特徴である(例えば非特許文献3、4を参照。)。   In a mode multiplex transmission system, a mode multiplexer / demultiplexer has been proposed to propagate a plurality of signals emitted from a transmitter as separate modes in an optical fiber. Until now, various types of mode multiplexer / demultiplexers such as a spatial optical system and a fiber type have been proposed. However, a PLC (Planar lightwave circuit) type mode multiplexer / demultiplexer has low loss and wide band. It is characterized by excellent mass productivity (for example, see Non-Patent Documents 3 and 4).

T. Matsui, et al., “Applicability of Photonic Crystal Fiber With Uniform Air−Hole Structure to High−Speed and Wide−Band Transmission Over Conventional Telecommunication Bands”, J. Lightwave Technol. 27, 5410−5416, 2009.T. Matsui, et al. , "Applicability of Photonic Crystal Fiber Fiber With Uniform Air-Hole Structure to High-Speed and Wide-Band Transmission Overseas Commendation Convention Comm. Lightwave Technology. 27, 5410-5416, 2009. N. Hanzawa et al., “Demonstration of mode−division multiplexing transmission over 10 km two−mode fiber with mode coupler”, OFC2011, paper OWA4 (2011)N. Hanzawa et al. , “Demonstration of mode-division multiplexing transmission over 10 km two-mode fiber with mode coupler”, OFC2011, paper OWA4 (2011) N.Hanzawa et al.,“Asymmetric parallel waveguide with mode conversion for mode and wavelength division multiplexing transmission”、OFC2012、OTu1l.4.N. Hanzawa et al. , "Asymmetric Parallel Waveguide with Mode Conversion for Mode and Wavelength Division Multiplexing Transmission", OFC2012, OTul. 4. N. Hanzawa et al, “Mode multi/demultiplexing with parallel waveguide for mode division multiplexed transmission”, Opt. Express vol.22, pp. 29321−29330 (2014)N. Hanzawa et al, “Mode multi / demultiplexing with parallel waveguide for mode division multiple transmission”, Opt. Express vol. 22 pp. 29321-29330 (2014) K. Saitoh et al., “PLC−based LP11 mode rotator for mode−divisionmultiplexing transmission”, Opt. Express, vol.22, pp.19117−19130 (2014).K. Saitoh et al. , “PLC-based LP11 mode rotator for mode-division multiplexing transmission”, Opt. Express, vol. 22 pp. 19117-19130 (2014). T. Ohara et al., “Over−1000−Channel Ultradense WDM Transmission With Supercontinuum Multicarrier Source”, IEEE J. Lightw. Technol., vol. 24, pp.2311−2317 (2006)T. Ohara et al. , "Over-1000-Channel Ultradense WDM Transmission With Supercontinuum Multicarrier Source", IEEE J. Phys. Lightw. Technol. , Vol. 24, pp. 2311-2317 (2006) N.Hanzawa et al., “Demonstration of PLC−based six−mode multiplexer for mode division multiplexing transmission” ECOC2015, paper ID 0145 (2015)N. Hanzawa et al. , “Demonstration of PLC-based six-mode multiple for mode division multiplexing transmission”, ECOC2015, paper ID 0145 (2015) R. Ryf et al., “Mode−division multiplexing over 96 km of few−mode fiber using coherent 6×6 MIMO processing”, J. Lightw. Technol., vol. 30, pp. 521−531 (2012).R. Ryf et al. , "Mode-division multiplexing over 96 km of four-mode fiber using coherent 6x6 MIMO processing", J. Mol. Lightw. Technol. , Vol. 30, pp. 521-531 (2012).

しかしながら、複数のモードが伝搬する伝送路では、モード間で伝送損失、波長分散、偏波分散などの光学特性も異なる。このため、送信機から発せられる複数の信号を別々のモードとして光ファイバ中を伝搬させるモード多重伝送システムは、送信信号間の伝送品質差が大きくなり、通信システムの伝送容量及び伝送距離が制限されるという課題がある。   However, in a transmission path through which a plurality of modes propagate, optical characteristics such as transmission loss, chromatic dispersion, and polarization dispersion differ among the modes. For this reason, in a mode multiplex transmission system in which a plurality of signals emitted from a transmitter are propagated in an optical fiber as separate modes, a transmission quality difference between transmission signals becomes large, and a transmission capacity and a transmission distance of a communication system are limited. Problem.

そこで、本発明は、上記課題を解決すべく、モード多重伝送であっても通信システムの伝送容量及び伝送距離が制限され難いモード合分波器及びモード多重伝送システムを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a mode multiplexer / demultiplexer and a mode multiplex transmission system in which the transmission capacity and the transmission distance of the communication system are hardly restricted even in mode multiplex transmission. .

本願の発明者は、いずれのポートに入力された信号光も伝送路で伝送可能な全てのモードに分散させることができるモード合分波器の構造を見出すことができた。   The inventor of the present application was able to find a structure of a mode multiplexer / demultiplexer capable of dispersing signal light input to any port into all modes that can be transmitted on a transmission path.

本発明に係る第1のモード合分波器は、分波側のポート1、ポート2及びポート3からの光を合波側のポート4に合波し、前記ポート4からの光を前記ポート1、前記ポート2及び前記ポート3へ分波する平面光回路型のモード合分波器であって、
基板と、
前記基板上に形成され、一端が前記ポート4に接続する3モード導波路と、
前記基板上に形成され、前記3モード導波路の他端と前記ポート1及び前記ポート2とをそれぞれ単一モード導波路で接続し、該単一モード導波路それぞれのLP01モードと前記3モード導波路のLP01モード及びLP11aモードとを変換する第1合分波部と、
前記基板上に形成され、前記一端と前記他端との間の前記3モード導波路と前記ポート3とを単一モード導波路で接続し、該単一モード導波路のLP01モードと前記3モード導波路のLP01モード及びLP11aモードとを変換する第2合分波部と、
前記第1合分波部と前記第2合分波部との間の前記3モード導波路に形成され、LP11aモードとLP11bモードとの間で全てのパワーが交換する第1モード回転子と、
前記第2合分波部と前記ポート4との間の前記3モード導波路に形成され、LP11aモードとLP11bモードとの間で半分のパワーが交換する第2モード回転子と、
を備えることを特徴とする。
A first mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention multiplexes light from port 1, port 2 and port 3 on the demultiplexing side to port 4 on the multiplexing side, and transmits light from port 4 to the port. 1. A planar optical circuit type mode multiplexer / demultiplexer for splitting light into the port 2 and the port 3,
Board and
A three-mode waveguide formed on the substrate and having one end connected to the port 4;
The other end of the three-mode waveguide is connected to the port 1 and the port 2 by single-mode waveguides respectively formed on the substrate, and the LP01 mode and the three-mode waveguide of each of the single-mode waveguides are connected. A first multiplexing / demultiplexing unit for converting between the LP01 mode and the LP11a mode of the wave path;
The three-mode waveguide formed on the substrate and connected between the one end and the other end and the port 3 are connected by a single-mode waveguide, and the LP01 mode and the three-mode of the single-mode waveguide are connected. A second multiplexing / demultiplexing unit that converts between the LP01 mode and the LP11a mode of the waveguide;
A first mode rotator formed in the three-mode waveguide between the first multiplexing / demultiplexing unit and the second multiplexing / demultiplexing unit and exchanging all power between the LP11a mode and the LP11b mode;
A second mode rotator formed in the three-mode waveguide between the second multiplexing / demultiplexing unit and the port 4 and exchanging half of power between the LP11a mode and the LP11b mode;
It is characterized by having.

本発明に係る第2のモード合分波器は、分波側のポート1、ポート2、ポート3及びポート4からの光を合波側のポート5に合波し、前記ポート5からの光を前記ポート1、前記ポート2、前記ポート3及び前記ポート4へ分波する平面光回路型のモード合分波器であって、
基板と、
前記基板上に形成され、一端と他端との間にLP11aモードとLP11bモードとの間で全てのパワーが交換するモード回転子を有する第1の3モード導波路、及び
前記基板上に形成され、前記第1の3モード導波路の他端と前記ポート1及び前記ポート2とをそれぞれ単一モード導波路で接続し、該単一モード導波路それぞれのLP01モードと前記第1の3モード導波路のLP01モード及びLP11aモードとを変換する第1合分波部、を有する第1アームと、
前記基板上に形成され、一端と他端との間にLP11aモードとLP11bモードとの間で全てのパワーが交換するモード回転子を有する第2の3モード導波路、及び
前記基板上に形成され、前記第2の3モード導波路の他端と前記ポート3及び前記ポート4とをそれぞれ単一モード導波路で接続し、該単一モード導波路それぞれのLP01モードと前記第2の3モード導波路のLP01モード及びLP11aモードとを変換する第2合分波部、を有する第2アームと、
前記基板上に形成され、一端が前記ポート5に接続する4モード導波路と、
前記基板上に形成され、前記4モード導波路の他端と前記第1アームの前記第1の3モード導波路の一端及び前記第2アームの前記第2の3モード導波路の一端とを接続し、前記第1の3モード導波路及び前記第2の3モード導波路のLP01モードと前記4モード導波路のLP01モード及びLP11aモードとを変換し、前記第1の3モード導波路及び前記第2の3モード導波路のLP11bモードと前記4モード導波路のLP11bモード及びLP21aモードとを変換する第3合分波部と、
を備えることを特徴とする。
The second mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention multiplexes light from port 1, port 2, port 3 and port 4 on the demultiplexing side to port 5 on the multiplexing side, and To a port 1, the port 2, the port 3, and the port 4, a planar optical circuit type mode multiplexer / demultiplexer,
Board and
A first three-mode waveguide formed on the substrate, having a mode rotator between one end and the other end for exchanging all power between the LP11a mode and the LP11b mode, and formed on the substrate; The other end of the first three-mode waveguide is connected to the port 1 and the port 2 by single-mode waveguides, respectively, and the LP01 mode of each of the single-mode waveguides and the first three-mode waveguide are connected. A first arm having a first multiplexing / demultiplexing unit that converts between an LP01 mode and an LP11a mode of a wave path;
A second three-mode waveguide formed on the substrate and having a mode rotator between one end and the other end for exchanging all power between LP11a mode and LP11b mode, and formed on the substrate; And the other end of the second three-mode waveguide is connected to the port 3 and the port 4 by single-mode waveguides, respectively, and the LP01 mode of the single-mode waveguide and the second three-mode waveguide are connected. A second arm having a second multiplexing / demultiplexing unit that converts between the LP01 mode and the LP11a mode of the wave path;
A four-mode waveguide formed on the substrate and having one end connected to the port 5;
The other end of the four-mode waveguide formed on the substrate is connected to one end of the first three-mode waveguide of the first arm and one end of the second three-mode waveguide of the second arm. And converting the LP01 mode of the first three-mode waveguide and the second three-mode waveguide to the LP01 mode and the LP11a mode of the four-mode waveguide, and converting the first three-mode waveguide and the second A third multiplexing / demultiplexing unit that converts the LP11b mode of the two-mode waveguide into the LP11b mode and the LP21a mode of the four-mode waveguide;
It is characterized by having.

本発明に係る第3のモード合分波器は、
2つの第1のモード合分波器と、
前記基板上に形成され、一端が合波側のポート5に接続し、一端側の正方形状の断面を他端側の非正方形状の断面に変換し、LP21b及びLP02のモードとE13及びE31モードとを変換とするテーパ部を有する6モード導波路と、
前記基板上に形成され、前記6モード導波路の他端とそれぞれの前記第1のモード合分波器の前記ポート4とを接続し、前記3モード導波路のLP01モードと前記6モード導波路のLP01モード、LP11aモード及びLP21bモードとを変換し、前記3モード導波路のLP11aモードと前記6モード導波路のLP01モード、LP11aモード、E13モード及びE31モードとを変換し、前記3モード導波路のLP11bモードと前記6モード導波路のLP11bモード及びLP21aモードとを変換する第4合分波部と、
を備えることを特徴とする。
A third mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention includes:
Two first mode multiplexers / demultiplexers;
Formed on the substrate, one end is connected to the port 5 on the multiplex side, and the square cross section at one end is converted into a non-square cross section at the other end, and the modes of LP21b and LP02 and E13 and E31 modes A 6-mode waveguide having a tapered portion that converts
Connecting the other end of the six-mode waveguide to the port 4 of each of the first mode multiplexers / demultiplexers, forming the LP01 mode of the three-mode waveguide and the six-mode waveguide on the substrate; LP11a mode, LP11a mode, and LP21b mode of the three-mode waveguide, and LP11a mode of the three-mode waveguide and LP01 mode, LP11a mode, E13 mode, and E31 mode of the six-mode waveguide are converted. A fourth multiplexing / demultiplexing unit for converting the LP11b mode of the 6-mode waveguide into the LP11b mode and the LP21a mode of the 6-mode waveguide;
It is characterized by having.

本発明に係る第4のモード合分波器は、
基板上に形成された分波側のn(nは3以上の整数)本の単一モード導波路と、
前記基板上に形成された合波側のnモード導波路と、
前記単一モード導波路をm(mは2以上の整数)のグループに分け、前記単一モード導波路を前記グループ内で前記基板に水平方向に隙間なく並列し、且つ前記単一モード導波路を前記グループ毎に前記基板からの高さを違えて隙間なく積層し、前記nモード導波路に接続する合分波部と、
を備える。
ここで、第4のモード合分波器は、nとmの組み合わせ(n,m)が、(3,2)または(6,2)であることを特徴とする。
A fourth mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention includes:
N (n is an integer of 3 or more) single-mode waveguides on the demultiplexing side formed on the substrate;
A multiplexing-side n-mode waveguide formed on the substrate;
Dividing the single-mode waveguide into groups of m (m is an integer of 2 or more), arranging the single-mode waveguide in the group in a horizontal direction with respect to the substrate, and forming the single-mode waveguide; A different wavelength from the substrate for each group, stacked without gaps, a multiplexing / demultiplexing unit connected to the n-mode waveguide,
Is provided.
Here, the fourth mode multiplexer / demultiplexer is characterized in that the combination (n, m) of n and m is (3, 2) or (6, 2).

入力する信号光のポート間差を低減するために、本発明に係る第1から第4のモード合分波器は、前記分波側から入射する単一モードの信号光が、合波側の全ての導波モードへ−25dB以上で結合することを特徴とする。   In order to reduce the difference between the ports of the input signal light, the first to fourth mode multiplexers / demultiplexers according to the present invention are configured such that the single-mode signal light incident from the splitter side is It is characterized by coupling to all waveguide modes at -25 dB or more.

本発明に係るモード多重伝送システムは、
互いの合波側のポートをマルチモードファイバで接続した、第1から第4のモード合分波器2つと、
前記モード合分波器の分波側の各ポートに接続された複数の送受信器と、
を備える。
Mode multiplex transmission system according to the present invention,
Two first to fourth mode multiplexers / demultiplexers having their respective multiplexing ports connected by a multimode fiber;
A plurality of transceivers connected to each port on the demultiplexing side of the mode multiplexer / demultiplexer,
Is provided.

本発明は、モード多重伝送であっても通信システムの伝送容量及び伝送距離が制限され難いモード合分波器及びモード多重伝送システムを提供することができる。   The present invention can provide a mode multiplexer / demultiplexer and a mode multiplex transmission system in which the transmission capacity and the transmission distance of the communication system are hardly limited even in the mode multiplex transmission.

本発明に係る第1のモード合分波器を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a first mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention. 導波路におけるモードの電界分布を説明する図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a mode electric field distribution in a waveguide. モード回転子の構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of a mode rotator. 本発明に係る第1のモード合分波器の設計パラメータの例である。5 is an example of design parameters of a first mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention. 本発明に係る第1のモード合分波器の設計パラメータの定義である。4 is a definition of design parameters of a first mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention. 本発明に係る第1のモード合分波器の損失特性を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating loss characteristics of a first mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention. 本発明に係る第1のモード合分波器の損失特性についての波長依存性を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating wavelength dependence of loss characteristics of the first mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention. 本発明に係る第1のモード合分波器のパワー比率の波長依存性を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the wavelength dependence of the power ratio of the first mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention. 本発明に係る第2のモード合分波器を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a second mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention. 本発明に係る第2のモード合分波器の設計パラメータの例である。6 is an example of design parameters of a second mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention. 本発明に係る第2のモード合分波器の各ポートから光を入射したときの出力モードパワー比率を説明する図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an output mode power ratio when light enters from each port of the second mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention. 本発明に係る第3のモード合分波器を説明する図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a third mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention. 本発明に係る第3のモード合分波器の設計パラメータの例である。It is an example of the design parameter of the 3rd mode multiplexer / demultiplexer concerning this invention. 本発明に係る第3のモード合分波器の各ポートから光を入射したときの出力モードパワー比率を説明する図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an output mode power ratio when light is incident from each port of the third mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention. 本発明に係る第4のモード合分波器を説明する図である。It is a figure explaining the 4th mode multiplexer / demultiplexer concerning the present invention. 本発明に係る第4のモード合分波器の設計パラメータの定義である。9 is a definition of design parameters of a fourth mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention. 本発明に係る第4のモード合分波器の設計パラメータの例である。It is an example of the design parameter of the 4th mode multiplexer / demultiplexer concerning this invention. 本発明に係る第4のモード合分波器の各ポートから光を入射したときの出力モードパワー比率を説明する図である。FIG. 14 is a diagram illustrating an output mode power ratio when light enters from each port of the fourth mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention. 本発明に係るモード多重伝送システムを説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a mode multiplex transmission system according to the present invention.

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。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiment described below is an example of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiment. In the specification and the drawings, components having the same reference numerals indicate the same components.

(実施形態1)
図1(A)は、第1のモード合分波器301を説明する図である。モード合分波器301は3モード合分波器である。モード合分波器301は、分波側のポートP1、ポートP2及びポートP3からの光を合波側のポートP4に合波し、ポートP4からの光をポートP1、ポートP2及びポートP3へ分波する平面光回路型のモード合分波器であって、
基板10と、
基板10上に形成され、一端がポートP4に接続する3モード導波路11と、
基板10上に形成され、3モード導波路11の他端とポートP1及びポートP2とをそれぞれ単一モード導波路12で接続し、該単一モード導波路12それぞれのLP01モードと3モード導波路11のLP01モード及びLP11aモードとを変換する第1合分波部13と、
基板10上に形成され、前記一端と前記他端との間の3モード導波路11とポートP3とを単一モード導波路12で接続し、該単一モード導波路12のLP01モードと3モード導波路11のLP01モード及びLP11aモードとを変換する第2合分波部15と、
第1合分波部13と第2合分波部15との間の3モード導波路11に形成され、LP11aモードとLP11bモードとの間で全てのパワーが交換する第1モード回転子14と、
第2合分波部15とポートP4との間の3モード導波路11に形成され、LP11aモードとLP11bモードとの間で半分のパワーが交換する第2モード回転子16と、
を備えることを特徴とする。
(Embodiment 1)
FIG. 1A is a diagram illustrating a first mode multiplexer / demultiplexer 301. The mode multiplexer / demultiplexer 301 is a three-mode multiplexer / demultiplexer. The mode multiplexer / demultiplexer 301 multiplexes light from the port P1, port P2, and port P3 on the demultiplexing side to the port P4 on the multiplexing side, and transmits light from the port P4 to the port P1, port P2, and port P3. A planar optical circuit type mode multiplexer / demultiplexer for demultiplexing,
A substrate 10;
A three-mode waveguide 11 formed on the substrate 10 and having one end connected to the port P4;
The other end of the three-mode waveguide 11 and the port P1 and the port P2 are formed on the substrate 10 and connected by the single-mode waveguide 12, respectively, and the LP01 mode and the three-mode waveguide of each of the single-mode waveguides 12 are connected. A first multiplexing / demultiplexing unit 13 that converts between the LP11 mode and the LP11a mode of the first multiplexing unit 11;
The three-mode waveguide 11 formed on the substrate 10 and connected between the one end and the other end and the port P3 are connected by a single-mode waveguide 12, and the LP01 mode and the three-mode of the single-mode waveguide 12 are connected. A second multiplexing / demultiplexing unit 15 for converting between the LP01 mode and the LP11a mode of the waveguide 11,
A first mode rotator formed in the three-mode waveguide 11 between the first multiplexing / demultiplexing unit 13 and the second multiplexing / demultiplexing unit 15 and exchanging all power between the LP11a mode and the LP11b mode; ,
A second mode rotator 16 formed in the three-mode waveguide 11 between the second multiplexing / demultiplexing unit 15 and the port P4, and exchanging half power between the LP11a mode and the LP11b mode;
It is characterized by having.

第1合分波部13は、2つの単一モード導波路12が合流し、3モード導波路11となるY字型合流部である。第2合分波部15は、1つの単一モード導波路12がさらに3モード導波路11に合流するY字型合流部である。第1合分波部13と第2合分波部15の後段にLP11aとLP11bモード間を交換するモード回転子(14、16)をそれぞれ有する。   The first multiplexing / demultiplexing unit 13 is a Y-shaped convergence unit in which two single-mode waveguides 12 merge to form a three-mode waveguide 11. The second multiplexing / demultiplexing section 15 is a Y-shaped convergence section where one single-mode waveguide 12 further merges with the three-mode waveguide 11. At the subsequent stage of the first multiplexing / demultiplexing unit 13 and the second multiplexing / demultiplexing unit 15, there are mode rotators (14, 16) for exchanging between LP11a and LP11b modes, respectively.

第1合分波部13は、入力導波路構造が略等しく設計されている。各単一モード導波路12を伝搬してきたLP01モードは、3モード導波路11のLP01およびLP11aモードに分かれてそれぞれ合波される。この時、Y字型合流部の導波構造は、水平方向の構造のみが変化するため、第1合分波部13ではLP01モードからLP11bモードヘは結合しない。これは、LP01モードから結合するモードは、導波路の水平方向に2つのピークを持つLP11aモードであり、垂直方向に2つのピークを持つLP11bモードはどのモードとも結合しないためである(例えば、非特許文献4を参照。)。各種モードの電界分布は図2に示す。   The first multiplexing / demultiplexing unit 13 is designed to have substantially the same input waveguide structure. The LP01 mode propagating through each single-mode waveguide 12 is split into the LP01 and LP11a modes of the three-mode waveguide 11 and multiplexed. At this time, since only the horizontal structure of the waveguide structure of the Y-shaped junction changes, the first multiplexing / demultiplexing unit 13 does not couple from the LP01 mode to the LP11b mode. This is because the mode coupled from the LP01 mode is the LP11a mode having two peaks in the horizontal direction of the waveguide, and the LP11b mode having two peaks in the vertical direction is not coupled to any mode (for example, See Patent Document 4.). FIG. 2 shows electric field distributions in various modes.

第1合分波部13を通過したLP11aモードは、全てのパワーがモード回転子14においてLP11bモードに変換される。これは、次の理由による。第2合分波部15では、ポートP3から入射されたLP01モードの光がLP01及びLP11aモードとして3モード導波路11に合流する。このため、第2合分波部15では、第1合分波部13から伝搬してきたLP01及びLP11aモードと、ポートP3から単一モード導波路12を伝搬してきたLP01モードの計3種の入射パターンに対して、合流後にLP01とLP11aモードの計2種のモードにしか結合できない。これは、第2合分波部15において損失が生ずることになる。   All the power of the LP11a mode that has passed through the first multiplexing / demultiplexing unit 13 is converted to the LP11b mode by the mode rotator 14. This is for the following reason. In the second multiplexing / demultiplexing unit 15, the light of the LP01 mode input from the port P3 is combined into the three-mode waveguide 11 as the LP01 and LP11a modes. For this reason, in the second multiplexing / demultiplexing unit 15, a total of three types of incident light, that is, the LP01 and LP11a modes transmitted from the first multiplexing / demultiplexing unit 13 and the LP01 mode transmitted from the port P3 through the single-mode waveguide 12 are used. After merging with the pattern, it can be coupled only to a total of two modes, LP01 and LP11a modes. This causes a loss in the second multiplexer / demultiplexer 15.

そこで、第1合分波部13から伝搬してきたLP11aモードをモード回転子14によりLP11bモードに変換する。第2合分波部15においては、入力3モード導波路11と出力3モード導波路11の構造が略等しいため、3モード導波路11から伝搬してきたLP01モード及びLP11bモードは、モード変換されずに第2合分波部15を伝搬する。一方で、ポートP3から単一モード導波路12を伝搬してきたLP01モードは、第2合分波部15において、LP01モード及びLP11aモードに分かれて合波される。   Therefore, the LP11a mode propagated from the first multiplexer / demultiplexer 13 is converted into the LP11b mode by the mode rotator 14. In the second multiplexing / demultiplexing unit 15, since the structures of the input three-mode waveguide 11 and the output three-mode waveguide 11 are substantially equal, the LP01 mode and the LP11b mode propagated from the three-mode waveguide 11 are not mode-converted. To the second multiplexing / demultiplexing unit 15. On the other hand, the LP01 mode propagating through the single mode waveguide 12 from the port P3 is split and multiplexed in the second multiplexing / demultiplexing unit 15 into the LP01 mode and the LP11a mode.

最後に、第2合分波部15の後に設置されたLP11aモードとLP11bモードのパワーの半分を変換するモード回転子16により、各ポートから入射された信号のパワーは、LP01、LP11a、LP11bモードの全てに分配され、合波される。つまり、図1(B)に記載するように、ポートP1及びP2から入射されたLP01モードの光は全ての伝搬モード(LP01、LP11a、LP11b)に分配され、3モード導波路11のポートP4に合波されることになる。なお、第2合分波部15も同様に、P3から入射されたLP01モードの光は全ての伝搬モード(LP01、LP11a、LP11b)に分配され、3モード導波路11のポートP4に合波されることになる。   Lastly, the mode rotator 16 installed after the second multiplexing / demultiplexing unit 15 and converting half of the power of the LP11a mode and the LP11b mode reduces the power of the signal incident from each port to the LP01, LP11a, LP11b mode. And are multiplexed. That is, as shown in FIG. 1B, the light of the LP01 mode incident from the ports P1 and P2 is distributed to all the propagation modes (LP01, LP11a, LP11b), and is transmitted to the port P4 of the three-mode waveguide 11. They will be multiplexed. Similarly, the second multiplexing / demultiplexing unit 15 also distributes the LP01-mode light incident from P3 to all the propagation modes (LP01, LP11a, LP11b) and multiplexes the light into the port P4 of the three-mode waveguide 11. Will be.

図3は、モード回転子(14、16)の構造を示す。モード回転子は、導波路の幅w、高さhを有する導波路であり、断面の少なくとも一部に溝を設けたトレンチ層を備える。図3においては、導波路の上面端に深さht、幅wtのトレンチがある例を示しているが、溝の位置、形状は任意である。   FIG. 3 shows the structure of the mode rotator (14, 16). The mode rotator is a waveguide having a waveguide width w and height h, and includes a trench layer provided with a groove in at least a part of the cross section. FIG. 3 shows an example in which there is a trench having a depth ht and a width wt at the upper end of the waveguide, but the position and shape of the groove are arbitrary.

この時、モード回転子におけるLP11a及びLP11bモードの伝搬定数をβa及びβbとしたとき、モード回転子の長さLが
(βa―βb)L=π (式1)
となるように調整すると、モード交換器に入力したLP11aまたはLP11bモードが出力端でLP11bまたはLP11aに変換される(例えば、非特許文献5を参照。)。
At this time, when the propagation constants of the LP11a and LP11b modes in the mode rotator are βa and βb, the length L of the mode rotator is (βa−βb) L = π (Equation 1)
Then, the LP11a or LP11b mode input to the mode exchanger is converted to LP11b or LP11a at the output end (for example, see Non-Patent Document 5).

また、モード回転子の長さLが
(βa―βb)L=π/2 (式2)
であるとき、LP11aまたはLP11bモードの半分のパワーが、他方のモードに変換される。
Also, the length L of the mode rotator is (βa−βb) L = π / 2 (Equation 2)
, Half the power of the LP11a or LP11b mode is converted to the other mode.

図4は、モード合分波器301の設計パラメータの例を説明する図である。各種構造パラメータ―変数の定義は図5に記載している。図5(A)はモード合分波器301を上面から見た図であり、図5(B)はモード回転子(14、16)の断面図である。図6は、モード合分波器301の挿入損失の計算結果を説明する図である。何れのポートから入射した光でも、3つのモードに分配されていることがわかる。全ポートで損失は0.2dB以下である。モードパワー比は、ポートP3から入射した光のLP01モードパワーが最も少なく、10%程度となっている。   FIG. 4 is a diagram illustrating an example of design parameters of the mode multiplexer / demultiplexer 301. The definitions of the various structural parameters-variables are given in FIG. FIG. 5A is a view of the mode multiplexer / demultiplexer 301 as viewed from above, and FIG. 5B is a cross-sectional view of the mode rotators (14, 16). FIG. 6 is a diagram illustrating a calculation result of the insertion loss of the mode multiplexer / demultiplexer 301. It can be seen that the light incident from any port is distributed into three modes. Loss is less than 0.2 dB at all ports. The mode power ratio has the lowest LP01 mode power of the light incident from the port P3 and is about 10%.

図7は、モード合分波器301における損失の波長依存性の計算結果を示している。モード合分波器301は、従来技術の平行導波路を用いたPLC型モード合分波器と比較して非常に広い低損失動作帯域を有している。図8は、モード合分波器301における各波長帯のモードパワー比を示している。波長が変わった場合においても、各ポートから入射された光は全モードへ分配されており、そのモード分配比も波長に対して大きく変化していないことがわかる。   FIG. 7 shows a calculation result of the wavelength dependence of loss in the mode multiplexer / demultiplexer 301. The mode multiplexer / demultiplexer 301 has a very wide low-loss operation band as compared with the PLC type mode multiplexer / demultiplexer using the parallel waveguide of the related art. FIG. 8 shows the mode power ratio of each wavelength band in the mode multiplexer / demultiplexer 301. Even when the wavelength changes, the light incident from each port is distributed to all modes, and it can be seen that the mode distribution ratio does not change significantly with respect to the wavelength.

なお、ポートP4からモード多重された信号を入射すると、各ポートP1〜3に分波され、モード合分波器301をモード分波器として用いることができる。このときの損失特性及び波長特性は図6及び図7と同じである。   When a mode-multiplexed signal is input from the port P4, it is split into the ports P1 to P3, and the mode multiplexer / demultiplexer 301 can be used as a mode splitter. The loss characteristics and the wavelength characteristics at this time are the same as those in FIGS.

ところで、光通信システムでパワーペナルティを1dB以下にするためには、非特許文献6に記載の通り信号間クロストークは−26dB以下としなければならない。
しかし、本実施形態では、モード合分波器におけるモード分配については受信側のMIMO信号処理で補償可能であるため、信号間のクロストークは−26dB以下とする必要はない。むしろ、−26dB以下のモード分配比では、信号間品質差を低減することができない。よって、信号品質差を低減するために有意なモードの最低分配比としては−25dB以上であると考えられる。本実施形態のモード合分波器は、信号間の品質差を低減するために、モードの分配比が−25dB以上となるように各パラメータを設計する必要がある。
By the way, in order to reduce the power penalty to 1 dB or less in an optical communication system, the crosstalk between signals must be -26 dB or less as described in Non-Patent Document 6.
However, in the present embodiment, since the mode distribution in the mode multiplexer / demultiplexer can be compensated by the MIMO signal processing on the receiving side, the crosstalk between the signals does not need to be −26 dB or less. Rather, a mode distribution ratio of -26 dB or less cannot reduce the quality difference between signals. Therefore, it is considered that the minimum distribution ratio of the significant mode for reducing the signal quality difference is -25 dB or more. In the mode multiplexer / demultiplexer according to the present embodiment, in order to reduce the quality difference between signals, it is necessary to design each parameter so that the mode distribution ratio is -25 dB or more.

(実施形態2)
図9(A)は、第2のモード合分波器302を説明する図である。モード合分波器302は4モード合分波器である。モード合分波器302は、分波側のポートP1、ポートP2、ポートP3及びポートP4からの光を合波側のポートP5に合波し、ポートP5からの光をポートP1、ポートP2、ポートP3及びポートP4へ分波する平面光回路型のモード合分波器であって、
基板10と、
基板10上に形成され、一端と他端との間にLP11aモードとLP11bモードとの間で全てのパワーが交換するモード回転子22aを有する第1の3モード導波路21a、及び
基板10上に形成され、第1の3モード導波路21aの他端とポートP1及びポートP2とをそれぞれ単一モード導波路12で接続し、該単一モード導波路12それぞれのLP01モードと第1の3モード導波路21aのLP01モード及びLP11aモードとを変換する第1合分波部23a、を有する第1アーム100aと、
基板10上に形成され、一端と他端との間にLP11aモードとLP11bモードとの間で全てのパワーが交換するモード回転子22bを有する第2の3モード導波路21b、及び
基板10上に形成され、第2の3モード導波路21bの他端とポートP3及びポートP4とをそれぞれ単一モード導波路12で接続し、該単一モード導波路12それぞれのLP01モードと第2の3モード導波路21bのLP01モード及びLP11aモードとを変換する第2合分波部23b、を有する第2アーム100bと、
基板10上に形成され、一端がポートP5に接続する4モード導波路25と、
基板10上に形成され、4モード導波路25の他端と第1アーム100aの第1の3モード導波路21aの一端及び第2アーム100bの第2の3モード導波路21bの一端とを接続し、第1の3モード導波路21a及び第2の3モード導波路21bのLP01モードと4モード導波路25のLP01モード及びLP11aモードとを変換し、第1の3モード導波路21a及び第2の3モード導波路21bのLP11bモードと4モード導波路25のLP11bモード及びLP21aモードとを変換する第3合分波部26と、
を備えることを特徴とする。
(Embodiment 2)
FIG. 9A is a diagram illustrating the second mode multiplexer / demultiplexer 302. The mode multiplexer / demultiplexer 302 is a four-mode multiplexer / demultiplexer. The mode multiplexer / demultiplexer 302 multiplexes the light from the port P1, port P2, port P3, and port P4 on the demultiplexing side to the port P5 on the multiplexing side, and transmits the light from the port P5 to the port P1, port P2, A planar optical circuit type mode multiplexer / demultiplexer for splitting light into ports P3 and P4,
A substrate 10;
A first three-mode waveguide 21a formed on the substrate 10 and having a mode rotator 22a between one end and the other end for exchanging all power between the LP11a mode and the LP11b mode; The other end of the first three-mode waveguide 21a is connected to the port P1 and the port P2 by the single-mode waveguide 12, respectively, and the LP01 mode and the first three-mode of the single-mode waveguide 12 are respectively connected. A first arm 100a having a first multiplexing / demultiplexing unit 23a that converts between the LP01 mode and the LP11a mode of the waveguide 21a;
A second three-mode waveguide 21b having a mode rotator 22b formed between the one end and the other end and exchanging all power between the LP11a mode and the LP11b mode, and The other end of the second three-mode waveguide 21b is connected to the port P3 and the port P4 by the single-mode waveguide 12, respectively, and the LP01 mode and the second three-mode of the single-mode waveguide 12 are connected. A second arm 100b having a second multiplexing / demultiplexing unit 23b that converts between the LP01 mode and the LP11a mode of the waveguide 21b;
A four-mode waveguide 25 formed on the substrate 10 and having one end connected to the port P5;
The other end of the four-mode waveguide 25 formed on the substrate 10 is connected to one end of the first three-mode waveguide 21a of the first arm 100a and one end of the second three-mode waveguide 21b of the second arm 100b. Then, the first three-mode waveguide 21a and the second three-mode waveguide 21b are converted into the LP01 mode and the LP01 mode and the LP11 mode of the four-mode waveguide 25, and the first three-mode waveguide 21a and the second A third multiplexer / demultiplexer 26 that converts the LP11b mode of the three-mode waveguide 21b into the LP11b mode and the LP21a mode of the four-mode waveguide 25;
It is characterized by having.

モード合分波器302は、図1に記載のモード合分波器301の第1合分波部13とモード回転子14の部分を含むモード合分波器(第1アーム100aと第2アーム100b)を2つ有する。そして、第3合分波部26は、第1アーム100aと第2アーム100bのそれぞれの2モード出力をY字型合流部で合流し、4モード導波路25に結合する。   The mode multiplexer / demultiplexer 302 includes a mode multiplexer / demultiplexer (first arm 100a and second arm 100a) including the first multiplexer / demultiplexer 13 and the mode rotator 14 of the mode multiplexer / demultiplexer 301 shown in FIG. 100b). Then, the third multiplexing / demultiplexing unit 26 combines the two-mode outputs of the first arm 100a and the second arm 100b at the Y-shaped convergence unit, and couples the output to the four-mode waveguide 25.

実施形態1で説明した通り、各ポートから入射されたLP01モードは、第1合分波部23aと第2合分波部23bでLP01とLP11aのモードに分配され、3モード導波路(21a、21b)を伝搬する。第1合分波部23aと第2合分波部23bを通過したLP11aモードは、その後、モード回転子(22a、22b)においてLP11bモードに変換される。   As described in the first embodiment, the LP01 mode incident from each port is divided into LP01 and LP11a modes by the first multiplexing / demultiplexing unit 23a and the second multiplexing / demultiplexing unit 23b, and the three-mode waveguide (21a, 21b). The LP11a mode that has passed through the first multiplexing / demultiplexing unit 23a and the second multiplexing / demultiplexing unit 23b is then converted into the LP11b mode by the mode rotators (22a, 22b).

第3合分波部26は、2つの入力導波路構造が略等しいため、LP01モードは第1合分波部23aや第2合分波部23bと同様にLP01モードとLP11aモードに分配される。LP11bモードは、結合し得るモードがLP21aモードであるため(例えば、非特許文献4を参照。)、LP11bとLP21aモードに分配される。   Since the third multiplexing / demultiplexing unit 26 has two input waveguide structures that are substantially equal, the LP01 mode is distributed to the LP01 mode and the LP11a mode, similarly to the first multiplexing / demultiplexing unit 23a and the second multiplexing / demultiplexing unit 23b. . The LP11b mode is divided into the LP11b and LP21a modes because the mode that can be coupled is the LP21a mode (for example, see Non-Patent Document 4).

結果として、図9(B)のようにポートP1〜P4から入射されたLP01モードの光は、全ての伝搬モード(LP01、LP11a、LP11b、LP21a)に分配され、4モード導波路25のポートP5に合波されることになる。   As a result, as shown in FIG. 9B, the light of the LP01 mode incident from the ports P1 to P4 is distributed to all the propagation modes (LP01, LP11a, LP11b, LP21a), and the port P5 of the four-mode waveguide 25. Will be multiplexed.

図10は、モード合分波器302の設計パラメータの例を説明する図である。図11は、モード合分波器302の挿入損失の計算結果を説明する図である。本構造は、Y合流部が全て対象構造であるため、いずれのポートから入射した光も同じ損失特性が得られる。結果より、4つのモード全てにパワーがほぼ等分配されており、4モードの何れにも結合しない損失は0.5dBと非常に低損失である。   FIG. 10 is a diagram illustrating an example of design parameters of the mode multiplexer / demultiplexer 302. FIG. 11 is a diagram illustrating the calculation result of the insertion loss of the mode multiplexer / demultiplexer 302. In this structure, since all the Y junctions are target structures, the same loss characteristics can be obtained for light incident from any port. As a result, the power is almost equally distributed to all four modes, and the loss that is not coupled to any of the four modes is as low as 0.5 dB.

なお、ポートP5から4モード多重された信号を入射すると、各ポートP1〜4に分波され、モード合分波器302をモード分波器として用いることができる。このときの損失特性及び波長特性は図11と同じである。   When a 4-mode multiplexed signal is input from the port P5, it is split into the ports P1 to P4, and the mode multiplexer / demultiplexer 302 can be used as a mode splitter. The loss characteristics and wavelength characteristics at this time are the same as in FIG.

(実施形態3)
図12(A)は、第3のモード合分波器303を説明する図である。モード合分波器303は6モード合分波器である。モード合分波器303は、
2つの、モード合分波器301と、
基板10上に形成され、一端が合波側のポートP5に接続し、一端側の正方形状の断面を他端側の非正方形状の断面に変換し、LP21b及びLP02のモードとE13及びE31モードとを変換とするテーパ部32を有する6モード導波路31と、
基板10上に形成され、6モード導波路31の他端とそれぞれのモード合分波器301のポートP4とを接続し、3モード導波路11のLP01モードと6モード導波路31のLP01モード、LP11aモード及びLP21bモードとを変換し、3モード導波路11のLP11aモードと6モード導波路31のLP01モード、LP11aモード、E13モード及びE31モードとを変換し、3モード導波路11のLP11bモードと6モード導波路31のLP11bモード及びLP21aモードとを変換する第4合分波部33と、
を備える。
(Embodiment 3)
FIG. 12A is a diagram illustrating the third mode multiplexer / demultiplexer 303. The mode multiplexer / demultiplexer 303 is a 6-mode multiplexer / demultiplexer. The mode multiplexer / demultiplexer 303
Two mode multiplexers / demultiplexers 301;
Formed on the substrate 10, one end is connected to the multiplexing side port P5, and the square cross section at one end is converted into a non-square cross section at the other end, and the modes of LP21b and LP02 and the E13 and E31 modes A 6-mode waveguide 31 having a tapered portion 32 that converts
The other end of the 6-mode waveguide 31 is connected to the port P4 of each mode multiplexer / demultiplexer 301 and formed on the substrate 10, and the LP01 mode of the 3-mode waveguide 11 and the LP01 mode of the 6-mode waveguide 31 are connected. LP11a mode and LP21b mode are converted, LP11a mode of three-mode waveguide 11 and LP01 mode, LP11a mode, E13 mode and E31 mode of six-mode waveguide 31 are converted, and LP11b mode of three-mode waveguide 11 is converted. A fourth multiplexing / demultiplexing unit 33 that converts between the LP11b mode and the LP21a mode of the 6-mode waveguide 31,
Is provided.

モード合分波器303は、図1に記載のモード合分波器301を2つ備え、それぞれのポート4の出力を6モード導波路31に合流するY字型合流部の第4合分波部33を有する。
モード合分波器301のポート4から出力するLP01モードは、第4合分波部33においてLP01、LP11aまたはLP21bと結合する。
モード合分波器301のポート4から出力するLP11aモードは、第4合分波部33において、LP01、E13又はE31モードと結合する。
モード合分波器301のポート4から出力するLP11bモードは、第4合分波部33において、LP11bまたはLP21aと結合する。
結合モードの関係については、非特許文献7に記載の通りである。
The mode multiplexer / demultiplexer 303 includes the two mode multiplexers / demultiplexers 301 shown in FIG. 1, and is a fourth multiplexer / demultiplexer of a Y-shaped junction where the output of each port 4 is merged with the 6-mode waveguide 31. It has a part 33.
The LP01 mode output from the port 4 of the mode multiplexer / demultiplexer 301 is coupled to LP01, LP11a or LP21b in the fourth multiplexer / demultiplexer 33.
The LP11a mode output from the port 4 of the mode multiplexer / demultiplexer 301 is combined with the LP01, E13 or E31 mode in the fourth multiplexer / demultiplexer 33.
The LP11b mode output from the port 4 of the mode multiplexer / demultiplexer 301 is coupled to the LP11b or LP21a in the fourth multiplexer / demultiplexer 33.
The relationship between the coupling modes is as described in Non-Patent Document 7.

なお、非特許文献7に記載の通り、非正方形状の導波路においては、LP21b及びLP02モードに対応した導波モードはE13及びE31モードであり、6モード導波路31の最後(ポートP5前段)に、非正方形状導波路を正方形状に変換するテーパー部32を設けることで、LP21b及びLP02モードを得ることができる。   As described in Non-Patent Document 7, in the non-square waveguide, the waveguide modes corresponding to the LP21b and LP02 modes are E13 and E31 modes, and the last of the 6-mode waveguide 31 (the front stage of the port P5). The LP21b and LP02 modes can be obtained by providing the tapered portion 32 for converting the non-square waveguide into a square shape.

結果として、図12(B)のようにポートP1〜P6から入射されたLP01モードの光は、全ての伝搬モード(LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b、LP02)に分配され、6モード導波路31のポートP5に合波されることになる。   As a result, as shown in FIG. 12B, the light of the LP01 mode incident from the ports P1 to P6 is distributed to all the propagation modes (LP01, LP11a, LP11b, LP21a, LP21b, LP02) and the 6-mode waveguide It will be multiplexed to 31 port P5.

図13は、モード合分波器303の設計パラメータの例を説明する図である。図14は、モード合分波器303の挿入損失の計算結果(一方のモード合分波部301側)を説明する図である。本構造は、第4合分波部33が全て対象構造であるため、他方のモード合分波部301側のポートP1〜P3から入射した場合においても同じ損失特性が得られる。図14より、モード合分波器303は、ポートP1〜P3から入力した光を6つのモード全てにパワーが5%以上で分配している。モード合分波器303は、入力した光が6モードの何れにも結合しない損失が最大でも1.35dBと非常に低損失である。   FIG. 13 is a diagram illustrating an example of design parameters of the mode multiplexer / demultiplexer 303. FIG. 14 is a view for explaining the calculation result of the insertion loss of the mode multiplexer / demultiplexer 303 (on the side of one mode multiplexer / demultiplexer 301). In this structure, since the fourth multiplexing / demultiplexing unit 33 is entirely a target structure, the same loss characteristics can be obtained even when light enters from the ports P1 to P3 on the other mode multiplexing / demultiplexing unit 301 side. 14, the mode multiplexer / demultiplexer 303 distributes the light input from the ports P1 to P3 to all six modes at a power of 5% or more. The mode multiplexer / demultiplexer 303 has a very low loss of 1.35 dB at the maximum when the input light is not coupled to any of the six modes.

(実施形態4)
図15は、第4のモード合分波器304を説明する図である。モード合分波器304はn(nは3以上の整数)モード合分波器である。モード合分波器304は、
基板10上に形成された分波側のn(nは3以上の整数)本の単一モード導波路12と、
基板10上に形成された合波側のnモード導波路41と、
単一モード導波路12をm(mは2以上の整数)のグループに分け、単一モード導波路12を前記グループ内で基板10に水平方向に隙間なく並列し、且つ単一モード導波路12を前記グループ毎に基板10からの高さを違えて隙間なく積層し、nモード導波路41に接続する合分波部43と、
を備える。
(Embodiment 4)
FIG. 15 is a diagram illustrating the fourth mode multiplexer / demultiplexer 304. The mode multiplexer / demultiplexer 304 is an n (n is an integer of 3 or more) mode multiplexer / demultiplexer. The mode multiplexer / demultiplexer 304 includes:
N (where n is an integer of 3 or more) single-mode waveguides 12 on the demultiplexing side formed on the substrate 10;
A multiplexing-side n-mode waveguide 41 formed on the substrate 10;
The single-mode waveguides 12 are divided into groups of m (m is an integer of 2 or more), and the single-mode waveguides 12 are arranged in parallel with the substrate 10 in the group without gaps in the horizontal direction. A multiplexing / demultiplexing unit 43, which is stacked without gaps at different heights from the substrate 10 for each group, and connected to the n-mode waveguide 41;
Is provided.

特に、モード合分波器304は、
nモード導波路41の基板10に垂直な方向の厚みが単一モード導波路12の基板10に垂直な方向の厚みのm(mは2以上の整数)倍であり、
nモード導波路41の基板10に水平な方向の幅が単一モード導波路12の基板10に水平な方向の幅のn/m倍であり、
単一モード導波路12は、n/m本づつmのグループに分けられ、前記グループ内で基板10に水平方向に隙間なく並列され、且つ前記グループ毎に基板10からの高さを違えて隙間なく積層され、nモード導波路41に接続している
ことが好ましい。
In particular, the mode multiplexer / demultiplexer 304 includes:
the thickness of the n-mode waveguide 41 in the direction perpendicular to the substrate 10 is m times (m is an integer of 2 or more) times the thickness of the single-mode waveguide 12 in the direction perpendicular to the substrate 10;
the width of the n-mode waveguide 41 in the direction horizontal to the substrate 10 is n / m times the width of the single-mode waveguide 12 in the direction horizontal to the substrate 10;
The single-mode waveguides 12 are divided into m groups each having n / m lines, are arranged in parallel with the substrate 10 in the group without any gap, and have different heights from the substrate 10 for each group. It is preferable that the layers are stacked without being connected to the n-mode waveguide 41.

モード合分波器304は、n本の単一モード導波路12が合流し、一つのnモード導波路41となるY字型合流部の合分波部43を有する。合分波部43では、n本の単一モード導波路12が平面導波路の高さ方向の位置が等しいm種(mは2以上)のグループに分けられている。図15では、nは6、mは2の6モード合分波器である。   The mode multiplexer / demultiplexer 304 has a Y-shaped multiplexing / demultiplexing portion 43 in which n single-mode waveguides 12 merge into one n-mode waveguide 41. In the multiplexing / demultiplexing unit 43, the n single-mode waveguides 12 are divided into m (m is 2 or more) groups having the same position in the height direction of the planar waveguide. In FIG. 15, n is 6 and m is 2 which is a 6-mode multiplexer / demultiplexer.

図16は、モード合分波器304の設計パラメータの定義を説明する図である。図17は、モード合分波器304の設計パラメータの例を説明する図である。各単一モード導波路12の幅及び高さは同じとし、m=2であるため、各単一モード導波路12の高さは、6モード導波路41の半分の値である。   FIG. 16 is a diagram for explaining the definition of the design parameters of the mode multiplexer / demultiplexer 304. FIG. 17 is a diagram illustrating an example of design parameters of the mode multiplexer / demultiplexer 304. Since the width and height of each single-mode waveguide 12 are the same and m = 2, the height of each single-mode waveguide 12 is half the value of the six-mode waveguide 41.

図18は、モード合分波器304の挿入損失の計算結果を説明する図である。何れのポートから入射した光でも、6つのモードに分配されていることがわかる。全ポートで損失は0.2dB以下である。結果より、いずれの単一モード導波路12の光も6モード導波路41の6つのモード全てにパワーが分配されていることがわかる。6モードの何れにも結合しない損失は最大でも1.3dBと非常に低損失である。また、何れのポートから入射しても、何れのモードに−20dB以上のパワーが分配されている。   FIG. 18 is a diagram illustrating a calculation result of the insertion loss of the mode multiplexer / demultiplexer 304. It can be seen that the light incident from any port is distributed into six modes. Loss is less than 0.2 dB at all ports. From the results, it can be seen that the power of any single mode waveguide 12 is distributed to all six modes of the six mode waveguide 41. The loss that does not couple to any of the six modes is a very low loss of 1.3 dB at the maximum. Also, regardless of which port is incident, power of -20 dB or more is distributed to any mode.

モード合分波器304のnとmの組み合わせは自由に設定することができる。図15のn=6、m=2の組み合わせの他に、例えば、n=3、m=2や、n=10、m=2又はm=3なども考えられる。なお、本実施形態では全ての単一モード導波路12が合波部43で均等に6モード導波路41に接続する例を説明したが、n=3、m=2や、n=10、m=2又はm=3の場合のように、各単一モード導波路12は合波部43で常に均等にnモード導波路41に接続するわけではない。   The combination of n and m of the mode multiplexer / demultiplexer 304 can be freely set. In addition to the combinations of n = 6 and m = 2 in FIG. 15, for example, n = 3, m = 2, n = 10, m = 2, or m = 3 are also conceivable. In the present embodiment, an example in which all the single-mode waveguides 12 are uniformly connected to the 6-mode waveguide 41 at the multiplexing unit 43 has been described. However, n = 3, m = 2, n = 10, m = 2 or m = 3, each single-mode waveguide 12 is not always connected to the n-mode waveguide 41 at the multiplexing section 43 evenly.

(実施形態5)
図19は、本実施形態のモード多重伝送システム401を説明する図である。モード多重伝送システム401は、
互いの合波側のポートをマルチモードファイバ50で接続した、2つのモード合分波器310と、
モード合分波器310の分波側の各ポートに接続された複数の送受信機(55、56)と、
を備える。
(Embodiment 5)
FIG. 19 is a diagram illustrating the mode multiplex transmission system 401 of the present embodiment. The mode multiplex transmission system 401 includes:
Two mode multiplexers / demultiplexers 310 in which ports on the respective multiplexing sides are connected by a multimode fiber 50;
A plurality of transceivers (55, 56) connected to each port on the demultiplexing side of the mode multiplexer / demultiplexer 310;
Is provided.

モード合分波器310は、実施形態1から4で説明したモード合分波器301〜304のいずれかである。マルチモードファイバ50は、モード合分波器301〜304が合分波可能なモード数以上の伝搬モード数を有する。送受信機55と送受信機56は、送受信する波長毎にグループを形成している。つまり、モード多重伝送システム401は、波長多重通信システムでもある。   The mode multiplexer / demultiplexer 310 is any of the mode multiplexers / demultiplexers 301 to 304 described in the first to fourth embodiments. The multimode fiber 50 has a number of propagation modes equal to or greater than the number of modes that the mode multiplexer / demultiplexers 301 to 304 can multiplex / demultiplex. The transceiver 55 and the transceiver 56 form a group for each wavelength to be transmitted and received. That is, the mode multiplex transmission system 401 is also a wavelength multiplex communication system.

モード合分波器310が信号を全てのモードに分配して伝搬するため、送受信機55と送受信機56は、信号受信後に信号間クロストークを補償するためのMIMO信号処理部を備えている。MIMO信号処理部は、複数のFIRフィルタから構成されており、例えばディジタル信号処理を用いたMIMO等化器は非特許文献8に記載のものが利用できる。   Since the mode multiplexer / demultiplexer 310 distributes the signal to all modes and propagates the signal, the transceivers 55 and 56 include a MIMO signal processing unit for compensating for crosstalk between signals after receiving the signal. The MIMO signal processing unit includes a plurality of FIR filters. For example, a MIMO equalizer using digital signal processing described in Non-Patent Document 8 can be used.

(他の実施形態)
なお、本明細書においてはSiO2系材料(石英系材料)を用いた平面光波回路に関する実施例を記載したが、その材料は当然ほかのものであってもかまわない。たとえば、Si系やInGaAsPなどの半導体、またポリマーなどの有機物を用いた平面光波回路であっても、本明細書記載の実施例と同様の効果を得ることができる。
(Other embodiments)
In the present specification, the embodiment relating to the planar lightwave circuit using the SiO 2 -based material (quartz-based material) is described, but the material may of course be other materials. For example, even with a planar lightwave circuit using a semiconductor such as a Si-based or InGaAsP or an organic substance such as a polymer, the same effects as those of the embodiment described in this specification can be obtained.

また、使用する波長帯に関しても、本明細書記載の実施例では1.5〜1.6μm程度としているが、より波長の長い中赤外領域(2μm以上)や可視光帯であっても構わない。   Further, the wavelength band to be used is about 1.5 to 1.6 μm in the examples described in this specification, but may be a mid-infrared region (2 μm or more) having a longer wavelength or a visible light band. Absent.

(発明の効果)
本発明のモード合分波器は、モード多重システムにおける信号品質差を低減できる。
本発明のモード合分波器は、PLC型であり、低損失特性を有する。
(The invention's effect)
The mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention can reduce a signal quality difference in a mode multiplex system.
The mode multiplexer / demultiplexer of the present invention is of a PLC type and has low loss characteristics.

本発明は情報通信産業に適用することができる。   The present invention can be applied to the information and communication industry.

10:基板
11:3モード導波路
12:単一モード導波路12
13:第1合分波部
14:第1モード回転子
15:第2合分波部
16:第2モード回転子
21a、21b:3モード導波路
22a、22b:モード回転子
23a:第1合分波部
23b:第2合分波部
25:4モード導波路
26:第3合分波部
31:6モード導波路
32:テーパ部
33:第4合分波部
41:nモード導波路
43:合分波部
55、56:送受信機
100a:第1アーム
100b:第2アーム
301〜304、310:モード合分波器
401:モード多重伝送システム
10: substrate 11: three-mode waveguide 12: single-mode waveguide 12
13: first multiplexer / demultiplexer 14: first mode rotator 15: second multiplexer / demultiplexer 16: second mode rotators 21a and 21b: three-mode waveguides 22a and 22b: mode rotator 23a: first multiplex Demultiplexing part 23b: second multiplexing / demultiplexing part 25: four-mode waveguide 26: third multiplexing / demultiplexing part 31: six-mode waveguide 32: taper part 33: fourth multiplexing / demultiplexing part 41: n-mode waveguide 43 : Multiplexer / demultiplexer 55, 56: transceiver 100a: first arm 100b: second arm 301-304, 310: mode multiplexer / demultiplexer 401: mode multiplex transmission system

Claims (7)

分波側のポート1、ポート2及びポート3からの光を合波側のポート4に合波し、前記ポート4からの光を前記ポート1、前記ポート2及び前記ポート3へ分波する平面光回路型のモード合分波器であって、
基板と、
前記基板上に形成され、一端が前記ポート4に接続する3モード導波路と、
前記基板上に形成され、前記3モード導波路の他端と前記ポート1及び前記ポート2とをそれぞれ単一モード導波路で接続し、該単一モード導波路それぞれのLP01モードと前記3モード導波路のLP01モード及びLP11aモードとを変換する第1合分波部と、
前記基板上に形成され、前記一端と前記他端との間の前記3モード導波路と前記ポート3とを単一モード導波路で接続し、該単一モード導波路のLP01モードと前記3モード導波路のLP01モード及びLP11aモードとを変換する第2合分波部と、
前記第1合分波部と前記第2合分波部との間の前記3モード導波路に形成され、LP11aモードとLP11bモードとの間で全てのパワーが交換する第1モード回転子と、
前記第2合分波部と前記ポート4との間の前記3モード導波路に形成され、LP11aモードとLP11bモードとの間で半分のパワーが交換する第2モード回転子と、
を備えることを特徴とするモード合分波器。
A plane that multiplexes light from port 1, port 2 and port 3 on the demultiplexing side to port 4 on the multiplexing side, and demultiplexes light from port 4 to port 1, port 2 and port 3 An optical circuit type mode multiplexer / demultiplexer,
Board and
A three-mode waveguide formed on the substrate and having one end connected to the port 4;
The other end of the three-mode waveguide is connected to the port 1 and the port 2 by a single-mode waveguide, respectively, and the LP01 mode and the three-mode waveguide of the single-mode waveguide are respectively formed on the substrate. A first multiplexing / demultiplexing unit for converting between the LP01 mode and the LP11a mode of the wave path;
The three-mode waveguide formed on the substrate and connected between the one end and the other end and the port 3 are connected by a single-mode waveguide, and the LP01 mode and the three-mode of the single-mode waveguide are connected. A second multiplexing / demultiplexing unit that converts between the LP01 mode and the LP11a mode of the waveguide;
A first mode rotator formed in the three-mode waveguide between the first multiplexing / demultiplexing unit and the second multiplexing / demultiplexing unit and exchanging all power between the LP11a mode and the LP11b mode;
A second mode rotator formed in the three-mode waveguide between the second multiplexing / demultiplexing unit and the port 4 and exchanging half of power between the LP11a mode and the LP11b mode;
A mode multiplexer / demultiplexer comprising:
分波側のポート1、ポート2、ポート3及びポート4からの光を合波側のポート5に合波し、前記ポート5からの光を前記ポート1、前記ポート2、前記ポート3及び前記ポート4へ分波する平面光回路型のモード合分波器であって、
基板と、
前記基板上に形成され、一端と他端との間にLP11aモードとLP11bモードとの間で全てのパワーが交換するモード回転子を有する第1の3モード導波路、及び
前記基板上に形成され、前記第1の3モード導波路の他端と前記ポート1及び前記ポート2とをそれぞれ単一モード導波路で接続し、該単一モード導波路それぞれのLP01モードと前記第1の3モード導波路のLP01モード及びLP11aモードとを変換する第1合分波部、を有する第1アームと、
前記基板上に形成され、一端と他端との間にLP11aモードとLP11bモードとの間で全てのパワーが交換するモード回転子を有する第2の3モード導波路、及び
前記基板上に形成され、前記第2の3モード導波路の他端と前記ポート3及び前記ポート4とをそれぞれ単一モード導波路で接続し、該単一モード導波路それぞれのLP01モードと前記第2の3モード導波路のLP01モード及びLP11aモードとを変換する第2合分波部、を有する第2アームと、
前記基板上に形成され、一端が前記ポート5に接続する4モード導波路と、
前記基板上に形成され、前記4モード導波路の他端と前記第1アームの前記第1の3モード導波路の一端及び前記第2アームの前記第2の3モード導波路の一端とを接続し、前記第1の3モード導波路及び前記第2の3モード導波路のLP01モードと前記4モード導波路のLP01モード及びLP11aモードとを変換し、前記第1の3モード導波路及び前記第2の3モード導波路のLP11bモードと前記4モード導波路のLP11bモード及びLP21aモードとを変換する第3合分波部と、
を備えることを特徴とするモード合分波器。
The light from the port 1, port 2, port 3 and port 4 on the demultiplexing side is multiplexed to the port 5 on the multiplexing side, and the light from the port 5 is transmitted to the port 1, the port 2, the port 3 and the port 3. A planar optical circuit type mode multiplexer / demultiplexer for demultiplexing to port 4,
Board and
A first three-mode waveguide formed on the substrate, having a mode rotator between one end and the other end for exchanging all power between the LP11a mode and the LP11b mode, and formed on the substrate; The other end of the first three-mode waveguide is connected to the port 1 and the port 2 by single-mode waveguides, respectively, and the LP01 mode of each of the single-mode waveguides and the first three-mode waveguide are connected. A first arm having a first multiplexing / demultiplexing unit that converts between an LP01 mode and an LP11a mode of a wave path;
A second three-mode waveguide formed on the substrate and having a mode rotator between one end and the other end for exchanging all power between LP11a mode and LP11b mode, and formed on the substrate; And the other end of the second three-mode waveguide is connected to the port 3 and the port 4 by single-mode waveguides, respectively, and the LP01 mode of the single-mode waveguide and the second three-mode waveguide are connected. A second arm having a second multiplexing / demultiplexing unit that converts between the LP01 mode and the LP11a mode of the wave path;
A four-mode waveguide formed on the substrate and having one end connected to the port 5;
The other end of the four-mode waveguide formed on the substrate is connected to one end of the first three-mode waveguide of the first arm and one end of the second three-mode waveguide of the second arm. And converting the LP01 mode of the first three-mode waveguide and the second three-mode waveguide to the LP01 mode and the LP11a mode of the four-mode waveguide, and converting the first three-mode waveguide and the second A third multiplexing / demultiplexing unit that converts the LP11b mode of the two-mode waveguide into the LP11b mode and the LP21a mode of the four-mode waveguide;
A mode multiplexer / demultiplexer comprising:
2つの、請求項1に記載のモード合分波器と、
前記基板上に形成され、一端が合波側のポート5に接続し、一端側の正方形状の断面を他端側の非正方形状の断面に変換し、LP21b及びLP02のモードとE13及びE31モードとを変換とするテーパ部を有する6モード導波路と、
前記基板上に形成され、前記6モード導波路の他端とそれぞれの前記請求項1に記載のモード合分波器の前記ポート4とを接続し、前記3モード導波路のLP01モードと前記6モード導波路のLP01モード、LP11aモード及びLP21bモードとを変換し、前記3モード導波路のLP11aモードと前記6モード導波路のLP01モード、LP11aモード、E13モード及びE31モードとを変換し、前記3モード導波路のLP11bモードと前記6モード導波路のLP11bモード及びLP21aモードとを変換する第4合分波部と、
を備えることを特徴とするモード合分波器。
Two mode multiplexers / demultiplexers according to claim 1;
Formed on the substrate, one end is connected to the port 5 on the multiplexing side, the square cross section on one end is converted into a non-square cross section on the other end, and the modes of LP21b and LP02 and E13 and E31 modes A 6-mode waveguide having a tapered portion that converts
2. The other end of the 6-mode waveguide formed on the substrate and the port 4 of each of the mode multiplexers / demultiplexers according to claim 1, being connected to the LP01 mode of the 3-mode waveguide and the 6-mode waveguide. LP01 mode, LP11a mode and LP21b mode of the mode waveguide are converted, and LP11a mode of the three-mode waveguide and LP01 mode, LP11a mode, E13 mode and E31 mode of the six-mode waveguide are converted. A fourth multiplexing / demultiplexing unit that converts the LP11b mode of the mode waveguide and the LP11b mode and the LP21a mode of the 6-mode waveguide,
A mode multiplexer / demultiplexer comprising:
基板上に形成された分波側のn(nは3以上の整数)本の単一モード導波路と、
前記基板上に形成された合波側のnモード導波路と、
前記単一モード導波路をm(mは2以上の整数)のグループに分け、前記単一モード導波路を前記グループ内で前記基板に水平方向に隙間なく並列し、且つ前記単一モード導波路を前記グループ毎に前記基板からの高さを違えて隙間なく積層し、前記nモード導波路に接続する合分波部と、
を備える平面光回路型のモード合分波器。
N (n is an integer of 3 or more) single-mode waveguides on the demultiplexing side formed on the substrate;
A multiplexing-side n-mode waveguide formed on the substrate;
Dividing the single-mode waveguide into groups of m (m is an integer of 2 or more), arranging the single-mode waveguide in the group in a horizontal direction with respect to the substrate, and forming the single-mode waveguide; A different wavelength from the substrate for each group, stacked without gaps, a multiplexing / demultiplexing unit connected to the n-mode waveguide,
A planar optical circuit type mode multiplexer / demultiplexer comprising:
nとmの組み合わせ(n,m)が、(3,2)または(6,2)であることを特徴とする請求項4に記載のモード合分波器。   The mode multiplexer / demultiplexer according to claim 4, wherein a combination (n, m) of n and m is (3, 2) or (6, 2). 前記分波側から入射する単一モードの信号光が、合波側の全ての導波モードへ−25dB以上で結合することを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のモード合分波器。   6. The mode coupling / demultiplexing device according to claim 1, wherein the single-mode signal light incident from the demultiplexing side is coupled to all the waveguide modes on the multiplexing side at −25 dB or more. 7. Corrugator. 互いの合波側のポートをマルチモードファイバで接続した、2つの、請求項1から6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の分波側の各ポートに接続された複数の送受信器と、
を備えるモード多重伝送システム。
A mode multiplexer / demultiplexer according to any one of claims 1 to 6, wherein ports on the multiplexing side of each other are connected by a multimode fiber;
A plurality of transceivers connected to each port on the demultiplexing side of the mode multiplexer / demultiplexer,
Mode multiplex transmission system comprising:
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