JP6653886B2 - 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、モード合分波器及びこれを備えるモード多重伝送システムに関する。   The present disclosure relates to a mode multiplexer / demultiplexer and a mode multiplex transmission system including the same.

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2参照)。   However, there is a trade-off 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。(例えば非特許文献3、4参照)   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. (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 With Uniform Air-Hole Structure to High-Speed and Side-Wide-Band Transmission Overseas 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) T. Uematsu et al., “Low−loss and broadband PLC−type mode (de)multiplexer for mode−division multiplexing transmission,” OFC/NFOEC2013, paper OTh1B.5 (2013)T. Uematsu et al. , "Low-loss and broadband PLC-type mode (de) multiplexer for mode-division multiplexing transmission," OFC / NFOEC2013, paper OTh1B. 5 (2013) P. J. Winzer et al., “Penalties from In−Band Crosstalk for Advanced Optical Modulation Formats,” ECOC2011, paper Tu.5.B.7 (2011).P. J. Winzer et al. , "Penalties from In-Band Crosstalk for Advanced Optical Modulation Formats," ECOC 2011, paper Tu. 5. B. 7 (2011). N. Hanzawa et al., “Four−mode PLC−based mode multi/demultiplexer with LP11mode rotator on one chip for MDM transmission,” ECOC2014, We.1.1.1N. Hanzawa et al. , "Four-mode PLC-based mode multi / demultiplexer with LP11 mode rotator on one chip for MDM transmission," ECOC 2014, We. 1.1.1 N. Hanzawa et al., “Demonstration of PLC−based six−mode multiplexer for mode division multiplexing transmission,” ECOC2015, P.2.5N. Hanzawa et al. , "Demonstration of PLC-based six-mode multiplexer for mode division multiplexing transmission," ECOC2015, P.E. 2.5

しかしながら、非特許文献3、4に記載の通り、平行導波路におけるモード間の結合を利用したモード多重方式では、結合特性が波長に依存しており、モード合分波器において低損失に所望のモードに結合可能な動作波長は限られることが課題であった。   However, as described in Non-Patent Documents 3 and 4, in a mode multiplexing system using coupling between modes in a parallel waveguide, a coupling characteristic depends on a wavelength, and a mode multiplexer / demultiplexer has a desired low loss. The problem is that the operating wavelength that can be coupled to the mode is limited.

現在の光通信システムが波長多重方式を用いていることを鑑みると、広い波長帯において低損失にモードを合分波できる性能が必要となり、特に一般的に用いられている通信波長帯であるC帯及びL帯において低損失にモードを合分波可能な特性を得ることが望まれる。   In view of the fact that current optical communication systems use a wavelength division multiplexing method, it is necessary to have a performance capable of multiplexing and demultiplexing modes in a wide wavelength band with low loss. In particular, C is a commonly used communication wavelength band. It is desired to obtain a characteristic capable of combining and demultiplexing modes with low loss in the band and the L band.

そこで、本開示は、C帯〜L帯の広い波長域において、波長多重方式の光通信システムで用いられる各波長で所望のモードを低損失に合分波することを目的とする。   Therefore, an object of the present disclosure is to multiplex / demultiplex a desired mode with low loss at each wavelength used in a wavelength multiplexing type optical communication system in a wide wavelength range from C band to L band.

本開示は、マッハツェンダー干渉計をマルチモード導波路で構成し、各結合部にて所望のモードを略1:1の分岐比で結合させるとともに、透過特性の波長変動の周期を光通信で用いられる波長多重信号の波長間隔に一致させる。   According to the present disclosure, a Mach-Zehnder interferometer is configured by a multi-mode waveguide, a desired mode is coupled at each coupling portion with a branch ratio of approximately 1: 1, and a period of a wavelength variation of a transmission characteristic is used in optical communication. The wavelength interval of the wavelength multiplexed signal to be obtained.

具体的には、本開示のモード合分波器は、
波長多重信号光を合分波するモード合分波器であって、
nを2以上の整数として、第1の導波路から第(n−1)の導波路と、
互いに異なる第1モードから第nモードが伝搬する第nの導波路と、
kを1以上(n−1)以下の整数として、それぞれ、第kの導波路と前記第nの導波路が近接して配置され、前記第kの導波路伝搬する波長多重信号光を前記第nの導波路の第(k+1)モードに結合させる第kの第1結合部及び第kの第2結合部と、
前記第kの第1結合部と前記第kの第2結合部の間に配置され、前記第kの導波路と前記第nの導波路の光路長に遅延差を生じさせる第kの遅延部と、
を備え
前記第kの遅延部の生じさせる前記遅延差は、当該モード合分波器の透過特性のピーク波長間隔を前記第kの導波路を伝搬する波長多重信号光の波長間隔に一致させる位相遅延差である
Specifically, the mode multiplexer / demultiplexer of the present disclosure includes:
A mode multiplexer / demultiplexer for multiplexing / demultiplexing wavelength-multiplexed signal light,
where n is an integer of 2 or more, the first to (n−1) th waveguides;
An n-th waveguide through which the n-th mode propagates from the first mode different from each other;
Assuming that k is an integer of 1 or more and (n-1) or less, the k-th waveguide and the n-th waveguide are arranged close to each other, and the wavelength multiplexed signal light propagating through the k-th waveguide is A k-th first coupling unit and a k-th second coupling unit coupled to the (k + 1) -th mode of the n-th waveguide;
A k-th delay unit that is arranged between the k-th first coupling unit and the k-th second coupling unit and causes a delay difference in the optical path length between the k-th waveguide and the n-th waveguide When,
Equipped with a,
The delay difference generated by the k-th delay unit is a phase delay difference that makes a peak wavelength interval of transmission characteristics of the mode multiplexer / demultiplexer coincide with a wavelength interval of wavelength-multiplexed signal light propagating through the k-th waveguide. It is .

また、本開示のモード合分波器では、前記第kの第1結合部及び前記第kの第2結合部において、それぞれ、前記第の導波路に結合する前記第の導波路の伝搬モードの光パワーの0.4〜0.6倍が前記第の導波路から前記第の導波路に結合してもよい。 Further, in the mode demultiplexer of the present disclosure, the second coupling portion of the first coupling portion and the first k of the k-th, respectively, the propagation of the k-th waveguide coupled to the waveguide of the first n 0.4-0.6 times the optical power of the mode may couple from the k- th waveguide to the n-th waveguide.

また、本開示のモード合分波器では、前記波長多重信号の中心波長をλ、波長間隔をΔλ、位相遅延差をΔτとした場合に、前記波長間隔と前記位相遅延差がΔλ=2πλ/Δτの関係を満たしてもよい。 Further, in the mode demultiplexer of the present disclosure, the central wavelength of the wavelength-multiplexed signal light lambda, the wavelength interval [Delta] [lambda], when the Δτ phase delay difference, the phase delay difference between the wavelength interval Δλ = 2πλ / Δτ may be satisfied.

また、本開示のモード合分波器では、前記第kの第1結合部及び前記第kの第2結合部の少なくともいずれかにおいて、前記第の導波路又は前記第の導波路の導波路幅が、導波路の長手方向に対して変化してもよい。 Further, in the mode multiplexer / demultiplexer according to the present disclosure, at least one of the k-th first coupling portion and the k-th second coupling portion has the k- th waveguide or the n-th waveguide. The waveguide width may change with respect to the longitudinal direction of the waveguide.

また、本開示のモード合分波器では、前記第kの第1結合部及び前記第kの第2結合部の少なくともいずれかにおいて、前記第kの導波路の複数個所から前記第kの導波路伝搬する波長多重信号光が前記第nの導波路に結合してもよい。 Further, in the mode multiplexer / demultiplexer of the present disclosure, in at least one of the k-th first coupling portion and the k-th second coupling portion, the k-th waveguide is provided from a plurality of locations of the k-th waveguide. wavelength-multiplexed signal light propagating in the waveguide may be coupled to the waveguide of the first n.

具体的には、本開示のモード多重伝送システムは、
nを2以上の整数として、第1の送信機から第nの送信機と、
請求項1からのいずれかに記載のモード合分波器からなり、kを1以上(n−1)以下の整数として、第kの送信機からの波長多重信号光が前記第kの導波路に入力され、第nの送信機からの波長多重信号光が前記第nの導波路の一端に入力され、前記送信機ごとにモードの異なるモード多重信号光を当該第nの導波路の他端から出力するモード合波器と、
前記モード合波器からのモード多重信号光を伝搬するマルチモードファイバと、
請求項1からのいずれかに記載のモード合分波器からなり、前記モード多重信号光が前記第nの導波路の一端に入力され、モードに応じて前記第kの導波路及び当該第nの導波路の他端のいずれかから波長多重信号光を出力するモード分波器と、
前記モード合波器の前記第kの導波路及び前記第nの導波路から出力された波長多重信号光をそれぞれ受信する第1の受信機から第nの受信機と、
を備える。
Specifically, the mode multiplex transmission system of the present disclosure
n is an integer of 2 or more, from the first transmitter to the n-th transmitter;
It consists mode demultiplexer according to any one of claims 1 to 5, k as one or more (n-1) an integer, guiding of the k-th wavelength-multiplexed signal light from the transmitter of the k The wavelength-multiplexed signal light from the n-th transmitter is input to one end of the n-th waveguide, and the mode-multiplexed signal light having a different mode for each transmitter is transmitted to the other of the n-th waveguide. A mode combiner that outputs from the end,
A multimode fiber for propagating the mode multiplexed signal light from the mode multiplexer,
Consists mode demultiplexer according to any one of claims 1 to 5, wherein the mode-multiplexed signal light is inputted to one end of the waveguide of the first n, waveguides and the said first k depending on the mode the a mode demultiplexer that outputs a wavelength multiplexed signal light from one of the other ends of the n waveguides,
A first receiver to an n-th receiver that respectively receive the wavelength multiplexed signal light output from the k-th waveguide and the n-th waveguide of the mode multiplexer;
Is provided.

なお、上記各開示は、可能な限り組み合わせることができる。   The above disclosures can be combined as much as possible.

本開示によれば、C帯〜L帯の広い波長域において、波長多重方式の光通信システムで用いられる各波長で所望のモードを低損失に合分波することができる。   According to the present disclosure, a desired mode can be multiplexed / demultiplexed with low loss at each wavelength used in a wavelength multiplexing optical communication system in a wide wavelength range from the C band to the L band.

2モード合分波器の構成例である。It is a structural example of a two-mode multiplexer / demultiplexer. 実施形態1に係るモード合分波器の構成例である。1 is a configuration example of a mode multiplexer / demultiplexer according to Embodiment 1. 実施形態1に係るモード合分波器の透過特性である。5 is a transmission characteristic of the mode multiplexer / demultiplexer according to the first embodiment. 実施形態1に係るモード合分波器のクロストークの計算結果である。4 is a calculation result of crosstalk of the mode multiplexer / demultiplexer according to the first embodiment. 実施形態1に係るモード合分波器の挿入損失の計算結果である。6 is a calculation result of an insertion loss of the mode multiplexer / demultiplexer according to the first embodiment. 実施形態1に係るモード合分波器の分岐比とクロストーク、挿入損失の計算結果である。9 is a calculation result of a branching ratio, crosstalk, and insertion loss of the mode multiplexer / demultiplexer according to the first embodiment. 実施形態1に係るモード合分波器の一例である。2 is an example of a mode multiplexer / demultiplexer according to Embodiment 1. 実施形態2に係るモード合分波器の一例である。9 is an example of a mode multiplexer / demultiplexer according to Embodiment 2. 実施形態2に係るモード合分波器の結合部の第1の構造例である。9 is a first structural example of a coupling section of the mode multiplexer / demultiplexer according to the second embodiment. 実施形態2に係るモード合分波器の結合部の第2の構造例である。9 is a second structural example of the coupling section of the mode multiplexer / demultiplexer according to the second embodiment. 実施形態2に係る結合部の構造パラメータの一例である。9 is an example of a structural parameter of a coupling unit according to the second embodiment. 実施形態2に係る結合部の透過特性の計算結果である。9 is a calculation result of transmission characteristics of a coupling unit according to the second embodiment. 実施形態2に係る結合部の構造例の別例である。14 is another example of the structure example of the coupling unit according to the second embodiment. 実施形態2に係る結合部の構造例の別例である。14 is another example of the structure example of the coupling unit according to the second embodiment. 実施形態2に係る結合部の構造例の別例である。14 is another example of the structure example of the coupling unit according to the second embodiment. 実施形態2に係る結合部の構造例の別例である。14 is another example of the structure example of the coupling unit according to the second embodiment. 実施形態2に係る結合部の構造パラメータの一例である。9 is an example of a structural parameter of a coupling unit according to the second embodiment. 実施形態2に係る結合部の構造別の構造パラメータの一例である。9 is an example of a structural parameter for each structure of a joint according to a second embodiment. 実施形態2に係る結合部の透過特性の計算結果である。9 is a calculation result of transmission characteristics of a coupling unit according to the second embodiment. 実施形態2に係るモード合分波器の透過特性の計算結果である。9 is a calculation result of a transmission characteristic of the mode multiplexer / demultiplexer according to the second embodiment. 実施形態2に係るモード合分波器の構造パラメータの一例である。9 is an example of a structure parameter of the mode multiplexer / demultiplexer according to Embodiment 2. 関連技術に係るモード合分波器の構造パラメータの一例である。It is an example of the structure parameter of the mode multiplexer / demultiplexer which concerns on related technology. 実施形態2に係るモード合分波器の透過特性の計算結果である。9 is a calculation result of a transmission characteristic of the mode multiplexer / demultiplexer according to the second embodiment. 実施形態2に係るモード合分波器の別形態である。9 is another embodiment of the mode multiplexer / demultiplexer according to the second embodiment. 実施形態3に係る光伝送システムの概要図である。FIG. 14 is a schematic diagram of an optical transmission system according to a third embodiment.

以下、本開示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、本開示は、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、本開示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。   Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present disclosure is not limited to the embodiments described below. These embodiments are merely examples, and the present disclosure can be implemented in various modified and improved forms based on the knowledge of those skilled in the art. In the specification and the drawings, components having the same reference numerals indicate the same components.

(実施形態1)
本開示の第1の実施形態について説明する。図1は、関連技術の2モード合分波器の構成を示している。ここでは、Si系材料を用いた、矩形の埋め込み型導波路を用いた平面光波回路型のモード合分波器を想定している。
(Embodiment 1)
A first embodiment of the present disclosure will be described. FIG. 1 shows a configuration of a two-mode multiplexer / demultiplexer according to the related art. Here, a planar lightwave circuit type mode multiplexer / demultiplexer using a rectangular embedded waveguide made of a Si-based material is assumed.

導波路42は、2モードが伝搬する導波路であって、導波路41は、1モードが伝搬する導波路である。なお、ここでは、2モードは基本モードであるLP01モード及び第1高次モードLP11モードを示す。2つの導波路は、一部近接している領域(結合部)があり、その部分において、導波路42を伝搬するLP11モードの実効屈折率(neff)と導波路41を伝搬するLP01モードを伝搬する実効屈折率が一致するよう導波路幅及び比屈折率差が調整されている。これにより、導波路41を伝搬するLP01モードの伝搬光が導波路42のLP11モードに結合する。 The waveguide 42 is a waveguide in which two modes propagate, and the waveguide 41 is a waveguide in which one mode propagates. Here, the two modes indicate the basic mode LP01 mode and the first higher-order mode LP11 mode. The two waveguides have a region (coupling portion) that is partly close to each other. In that portion, the effective refractive index (n eff ) of the LP11 mode propagating through the waveguide 42 and the LP01 mode propagating through the waveguide 41 are determined. The waveguide width and the relative refractive index difference are adjusted so that the effective refractive indices that propagate are matched. Thus, the propagating light of the LP01 mode propagating in the waveguide 41 is coupled to the LP11 mode of the waveguide.

実効屈折率が一致することで、導波路41及び42が近接している領域でモード変換が発生し、導波路41を伝搬してきた光は導波路42に周期的にパワーが移行する。ここで、結合部の長さLを導波路42にパワーが完全に移行するよう調整すると、ポートP1より入射した信号光は、導波路42のLP11モードとしてポートP4へ出力される。一般に、異なるLPモード間で実効屈折率を一致させるためには、導波路の構造が同一でない非対称平行導波路構造が必要となる。   When the effective refractive indices match, mode conversion occurs in a region where the waveguides 41 and 42 are close to each other, and the power of the light propagating through the waveguide 41 is periodically transferred to the waveguide 42. Here, when the length L of the coupling portion is adjusted so that the power is completely transferred to the waveguide 42, the signal light incident from the port P1 is output to the port P4 as the LP11 mode of the waveguide 42. Generally, in order to match the effective refractive index between different LP modes, an asymmetric parallel waveguide structure in which the waveguide structures are not the same is required.

一方で、ポートP2から入射された光は、基本モードとして導波路42を伝搬し、導波路42のLP01モードと導波路41のLP01モードの実効屈折率が一致していないことから、結合部にてモード変換が発生せず、LP01モードとしてポートP4へ出力される。結果、ポートP1及びP2に信号を入射することで、ポートP4において2モードが多重された信号を得ることができ、モード合波器としての機能を実現することができる。詳しい設計手法については、非特許文献3に開示されている。   On the other hand, the light incident from the port P2 propagates through the waveguide 42 as a fundamental mode, and the effective refractive index of the LP01 mode of the waveguide 42 does not match the LP01 mode of the waveguide 41. As a result, no mode conversion occurs, and the mode is output to the port P4 as the LP01 mode. As a result, by injecting signals into the ports P1 and P2, a signal in which two modes are multiplexed can be obtained at the port P4, and a function as a mode multiplexer can be realized. A detailed design method is disclosed in Non-Patent Document 3.

また、モード多重された光を、ポートP4から入射することで、ポートP1及びポートP2に信号をそれぞれ分離することができる。これにより、図1に開示されている同構造は、モード分波器として利用することができる。   Further, by inputting the mode-multiplexed light from the port P4, it is possible to separate the signals into the port P1 and the port P2. Thereby, the same structure disclosed in FIG. 1 can be used as a mode splitter.

なお、本構造においては、モード合波器の入射側導波路に入力する光は、全ての導波路に対して基本モードでよく、また、分波器においては、分波された後の導波路では、出力端において基本モードとして伝搬するため、シングルモードファイバをベースとした送受信器と整合性・接続性が良く、良好な損失特性を得ることができる。   In this structure, the light input to the input side waveguide of the mode multiplexer may be in the fundamental mode for all the waveguides. In this case, since the light propagates as the fundamental mode at the output end, the matching and connectivity with the transceiver based on the single mode fiber are good, and good loss characteristics can be obtained.

結合部における結合効率は、波長に対して依存性があり、非特許文献3に記載の通り、例えば使用波長を1.45〜1.65μmとした場合、両端の波長領域では透過損失特性が劣化していることがわかる。そこで、結合部を2つ設置し、結合部間の結合が生じない遅延部において、適切な遅延差を導波路間で設けることで動作波長を拡大する手法が検討されている(例えば、非特許文献5参照。)。しかしながら、この手法を用いても波長依存性は存在し、波長によっては損失や、モード消光比(所望のモードへの結合量をそれ以外のモードへの結合量で割ったもの)の劣化を避けることはできない。   The coupling efficiency in the coupling portion depends on the wavelength. As described in Non-Patent Document 3, for example, when the used wavelength is 1.45 to 1.65 μm, the transmission loss characteristic is deteriorated in the wavelength region at both ends. You can see that it is doing. Therefore, a method of extending the operating wavelength by providing two coupling sections and providing an appropriate delay difference between the waveguides in a delay section in which coupling between the coupling sections does not occur has been studied (for example, Non-Patent Document 1). Reference 5). However, even if this method is used, there is wavelength dependence, and depending on the wavelength, loss and deterioration of the mode extinction ratio (the amount of coupling to a desired mode divided by the amount of coupling to other modes) are avoided. It is not possible.

図2に、本実施形態に係るモード合分波器の構成例を示す。本実施形態に係るモード合分波器は、第1の導波路及び第2の導波路として機能する導波路11、12と、第1の結合部及び第2の結合部として機能する結合部21、22と、遅延部23を備える。本実施形態に係るモード合分波器は、関連技術の構成と比較して複数の結合部21、22が存在し、結合部間に、並行する導波路11及び12間で伝搬遅延差を生じる遅延部23を有している。   FIG. 2 shows a configuration example of the mode multiplexer / demultiplexer according to the present embodiment. The mode multiplexer / demultiplexer according to the present embodiment includes waveguides 11 and 12 functioning as a first waveguide and a second waveguide, and a coupling part 21 functioning as a first coupling part and a second coupling part. , 22 and a delay unit 23. The mode multiplexer / demultiplexer according to the present embodiment has a plurality of coupling portions 21 and 22 as compared with the configuration of the related art, and causes a propagation delay difference between the parallel waveguides 11 and 12 between the coupling portions. It has a delay unit 23.

非特許文献5における構成との差は結合部21及び22におけるモード分岐比である。非特許文献5では、各結合部において伝搬するモードのパワーが一方の導波路に移行するよう結合部の導波路長(以降、結合長と呼ぶ)や導波路間隔が設定されている。一方で、本開示における結合部21及び22では、伝搬するモードの半分のパワーである3dBが他方の導波路に移るよう結合長や導波路間隔が設定されている。   The difference from the configuration in Non-Patent Document 5 is the mode branching ratio in the coupling sections 21 and 22. In Non-Patent Document 5, the waveguide length (hereinafter referred to as a coupling length) and the waveguide interval of the coupling section are set so that the power of the mode propagating in each coupling section shifts to one waveguide. On the other hand, in the coupling sections 21 and 22 in the present disclosure, the coupling length and the waveguide interval are set so that 3 dB, which is half the power of the propagating mode, moves to the other waveguide.

図3に本開示のモード合分波器の透過特性を示す。図2のような構成を採用することで、図3に示す透過特性の様に、単一モード導波路で用いられているマッハツェンダー干渉計と同様に透過特性が遅延部23の遅延差から求められる所定の間隔で変化する。なお、関連技術のマッハツェンダー干渉計は、全ての導波路が単一モード導波路で構成されたものであり、周期的な透過特性を有する波長フィルタとして用いられている。本開示は、複数のモードが伝搬する導波路で構成する点が、関連技術のマッハツェンダー干渉計と異なる。   FIG. 3 shows transmission characteristics of the mode multiplexer / demultiplexer of the present disclosure. By adopting the configuration as shown in FIG. 2, the transmission characteristic is obtained from the delay difference of the delay unit 23 as in the case of the Mach-Zehnder interferometer used in the single mode waveguide, as shown in FIG. At predetermined intervals. In the Mach-Zehnder interferometer of the related art, all waveguides are constituted by single-mode waveguides, and are used as wavelength filters having periodic transmission characteristics. The present disclosure differs from the related art Mach-Zehnder interferometer in that the present disclosure includes a waveguide through which a plurality of modes propagate.

ここで、透過特性の隣接するピーク波長をλ1,λ2とすると、Δλ(λ2−λ1)は遅延部23の導波路長さΔLを調整することで任意に変化させることができる。一般的には、最初の結合部21において2つに分岐された光波が2つ目の結合部22において干渉する際、遅延部23において生ずる位相遅延差Δτは以下の関係がある。
(数1)
Δλ=2πλ/Δτ (1)
ここで、位相遅延差Δτは下記の式により求められる。
(数2)
Δτ=(ωt−β2121)―(ωt−β2222) (2)
但し、ωは角周波数、tは時間、β21およびL21はそれぞれ一方の結合部21の導波路12における伝搬定数および伝搬距離、β22およびL22はそれぞれ他方の結合部22の導波路12における伝搬定数および伝搬距離である。
Here, assuming that adjacent peak wavelengths of the transmission characteristics are λ1 and λ2, Δλ (λ2−λ1) can be arbitrarily changed by adjusting the waveguide length ΔL of the delay unit 23. Generally, when a light wave split into two in the first coupling unit 21 interferes in the second coupling unit 22, the phase delay difference Δτ generated in the delay unit 23 has the following relationship.
(Equation 1)
Δλ = 2πλ / Δτ (1)
Here, the phase delay difference Δτ is obtained by the following equation.
(Equation 2)
Δτ = (ωt−β 21 L 21 ) − (ωt−β 22 L 22 ) (2)
Here, ω is the angular frequency, t is time, β 21 and L 21 are the propagation constant and the propagation distance in the waveguide 12 of one coupling part 21, and β 22 and L 22 are the waveguide 12 of the other coupling part 22, respectively. Are the propagation constant and the propagation distance.

伝搬定数は各導波路の導波路幅、高さ・比屈折率差により異なる場合があり、伝搬距離差については非結合部の導波路差により求めることができるが、より詳細には結合部21及び22で生じる位相遅延差についても考慮してΔλの設計を行うことが好ましい。つまり、遅延部23を調整することで利用する波長多重信号の波長間隔と透過特性のピーク波長間隔を一致させることができ、広波長域にわたって損失やモード消光比の劣化なくモードを多重することができる。   The propagation constant may be different depending on the waveguide width, height and relative refractive index difference of each waveguide. The propagation distance difference can be obtained from the waveguide difference of the non-coupling portion. It is preferable to design Δλ also in consideration of the phase delay difference generated in the steps 22 and 22. In other words, by adjusting the delay unit 23, the wavelength interval of the wavelength-division multiplexed signal to be used can be matched with the peak wavelength interval of the transmission characteristic, and the mode can be multiplexed over a wide wavelength range without loss or deterioration of the mode extinction ratio. it can.

結合部21及び22における分岐比については、1:1(ここでは、これを分岐比0.5と定義する)の時に特性が最もよくなるが、厳密に1:1に光パワーを分岐する必要はない。図4及び図5に計算結果を示す。計算で用いた構造パラメータは、w=0.4μm、w=0.837μm、結合部21及び22における導波路間隔g21及びg22を0.2μm、導波路高さhを0.21μm、結合長L21、L22を9.09μm、導波路間距離差を29.58μmとし、結合部21及び22における結合長L21及びL22を調整することで分岐比を変化させた。図5に示すように、分岐比が0.4〜0.6となっても挿入損失は0.25dB以下に抑えられている。なお、図中では透過率T[dB]として表しているため、符号は反転している。 Regarding the branching ratio at the coupling sections 21 and 22, the characteristics are best when the branching ratio is 1: 1 (here, this is defined as 0.5), but it is not necessary to strictly split the optical power to 1: 1. Absent. 4 and 5 show the calculation results. The structural parameters used in the calculation are w 1 = 0.4 μm, w 2 = 0.837 μm, the waveguide gaps g 21 and g 22 in the coupling parts 21 and 22 are 0.2 μm, and the waveguide height h is 0.21 μm. The coupling ratio was changed by adjusting the coupling lengths L 21 and L 22 at 9.09 μm, the distance between the waveguides at 29.58 μm, and the coupling lengths L 21 and L 22 at the coupling portions 21 and 22, respectively. As shown in FIG. 5, the insertion loss is suppressed to 0.25 dB or less even when the branching ratio becomes 0.4 to 0.6. Note that the sign is inverted since it is represented as the transmittance T [dB] in the figure.

また、図4によると分岐比が0.4〜0.6の範囲であれば、モード間クロストークを−15dB程度とすることができる。一般的に光通信で用いられている信号フォーマットであるQPSK(Quadrature Phase Shift Keying)では、クロストークによるペナルティを1dB以下に抑えるためにクロストークを−15dB以下としなければならない(詳しくは、非特許文献6を参照。)。よって、分岐比は0.4〜0.6が望ましい。   According to FIG. 4, if the branching ratio is in the range of 0.4 to 0.6, the crosstalk between modes can be reduced to about −15 dB. In QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), which is a signal format generally used in optical communication, the crosstalk must be -15 dB or less in order to suppress the penalty due to the crosstalk to 1 dB or less (for details, see Non-Patent See Reference 6.). Therefore, the branching ratio is desirably 0.4 to 0.6.

図6に、分岐比とクロストーク(XT)及び挿入損失との関係を示した。図中のGはクロストークの値を、Gは挿入損失の値をそれぞれ表している。クロストークを−20dB以下とすると、クロストークによる信号劣化量が無視できるほど小さく、より高品質な信号の送受信を行うことができる。クロストークが−20dB以下とするためには分岐比を0.42〜0.58とする必要があり、クロストークによる信号劣化を十分に抑えるために分岐比を0.42〜0.58の範囲とすることが望ましい。 FIG. 6 shows the relationship between the branch ratio, crosstalk (XT), and insertion loss. In the figure, G X represents a value of crosstalk, and GL represents a value of insertion loss. When the crosstalk is -20 dB or less, the amount of signal degradation due to the crosstalk is so small as to be negligible, and higher quality signal transmission / reception can be performed. In order for the crosstalk to be -20 dB or less, the branching ratio needs to be 0.42 to 0.58. In order to sufficiently suppress signal degradation due to crosstalk, the branching ratio is in the range of 0.42 to 0.58. It is desirable that

なお、非特許文献7、8に記載の通り、nモード合分波器を実現する為には、n−1個の導波路11を有し、導波路11が近接する領域を(2n−2)個とすることで、合分波するモード数を拡張することができる。例えば、LP01、LP11、LP21の3モードを合分波するモード合分波器は、図7に示す通り、2個の導波路11−1、11−2を設置し、導波路11−1、11−2ごとに結合部21及び22、遅延部23を設置する。それぞれのモードLP11及びLP21を合波する導波路11−1及び11−2を設置すればよい。 As described in Non-Patent Documents 7 and 8, in order to realize an n-mode multiplexer / demultiplexer, n−1 waveguides 11 are provided, and a region where the waveguides 11 are close to each other is defined as (2n−2). ), The number of modes for multiplexing / demultiplexing can be extended. For example, a mode multiplexer / demultiplexer that multiplexes / demultiplexes three modes LP01, LP11, and LP21 includes two waveguides 11-1 and 11-2 as shown in FIG. The combining units 21 and 22 and the delay unit 23 are installed for each 11-2 . Its mode LP11 and LP21 of respectively may be installed waveguides 11-1 and 11-2 multiplexes.

(実施形態2)
図8に、本実施形態に係るモード合分波器の構成例を示す。本実施形態に係るモード合波器では、結合部21、22や遅延部23の配置については実施形態1と同様であるが、結合部21、22における導波路の幅が伝搬方向に対して線形に変化する構成となっている。実施形態1で述べたとおり、結合部21及び22において、導波路11を伝搬するモードの半分が他方の導波路12に結合することが求められるが、結合部21及び22における結合特性は波長依存性を有している。
(Embodiment 2)
FIG. 8 shows a configuration example of the mode multiplexer / demultiplexer according to the present embodiment. In the mode multiplexer according to the present embodiment, the arrangement of the coupling units 21 and 22 and the delay unit 23 is the same as that of the first embodiment, but the width of the waveguide in the coupling units 21 and 22 is linear with respect to the propagation direction. It changes to the configuration. As described in the first embodiment, it is required that half of the mode propagating in the waveguide 11 is coupled to the other waveguide 12 in the coupling portions 21 and 22, but the coupling characteristics in the coupling portions 21 and 22 are wavelength-dependent. It has nature.

例えば、図9に結合部21の第1の構造例を、図10に結合部21の第2の構造例を、それぞれ示す。図9及び図10の導波路11、12のパラメータは図11に記載の通りである。第1の構造は結合部21における導波路幅w及びwは一定であり、第2の構造は伝搬方向に対して導波路11の幅wが線形に増加している例となっている。 For example, FIG. 9 shows a first structural example of the coupling unit 21, and FIG. 10 shows a second structural example of the coupling unit 21. The parameters of the waveguides 11 and 12 in FIGS. 9 and 10 are as described in FIG. The first structure is the waveguide width w 1 and w 2 in the coupling section 21 is constant, the second structure is an example in which the width w 1 of the waveguide 11 is increased linearly with propagation direction I have.

第1の構造においては、特定の波長において各導波路のモードの実効屈折率を一致させ、導波路間隔や結合長を調整することにより分岐比を0.5とすることができるが、波長が異なると各導波路における実効屈折率の波長依存性が異なることから、同じ分岐比を得るために必要な導波路間隔や結合長が異なる。このため、第1の構造は、広波長域にわたって一定の分岐比を得ることが難しい。例えば、C〜L帯を使用波長とした場合には、分岐比が0.4〜0.6とならない波長が存在し、その波長においてモードクロストークが−15dB以上、モード合分波器の挿入損失が0.25dB以上となってしまう場合がある。   In the first structure, the branching ratio can be set to 0.5 by matching the effective refractive index of each waveguide mode at a specific wavelength and adjusting the waveguide interval and the coupling length. If they are different, the wavelength dependence of the effective refractive index in each waveguide is different, so that the waveguide spacing and the coupling length required to obtain the same branching ratio are different. For this reason, it is difficult for the first structure to obtain a constant branching ratio over a wide wavelength range. For example, if the C-L band is used, there are wavelengths where the branching ratio does not become 0.4-0.6, mode crosstalk is -15 dB or more at that wavelength, and insertion of a mode multiplexer / demultiplexer is performed. The loss may be 0.25 dB or more.

一方で、第2の構造のように、導波路構造(ここでは導波路幅w及び導波路間距離g)を伝搬方向に対して変化させ、任意の波長において実効屈折率が一致する構造を有する構造を結合部内に設けることで、広い波長帯において一定の分岐比を得ることができ、例えばC〜L帯において分岐比を0.4〜0.6とすることができている。 On the other hand, as in the second structure, the waveguide structure (here, the distance g between the waveguide width w 1 and the waveguide) to change the relative direction of propagation, the structure effective refractive index match at any wavelength By providing a structure having the same in the coupling portion, a constant branching ratio can be obtained in a wide wavelength band. For example, the branching ratio can be set to 0.4 to 0.6 in the C to L bands.

図11に記載の導波路パラメータを用いて上部導波路11のポートP1からLP01モードを入射した場合に、下部導波路12の出力側のポートP4からLP01モードへの結合量を計算したものを図12として示す。図中において、Gは第1の構造を示し、Gは第2の構造を示す。なお、図11中のhは導波路の高さである。 The figure shows the calculation of the coupling amount from the port P4 on the output side of the lower waveguide 12 to the LP01 mode when the LP01 mode is incident from the port P1 of the upper waveguide 11 using the waveguide parameters described in FIG. Shown as 12. In FIG, G 1 represents a first structure, G 2 denotes a second structure. Note that h in FIG. 11 is the height of the waveguide.

第1の構造において図11に示すパラメータを適用した場合、図12に示すように、波長1.5〜1.6μmに対して結合量が0.3〜0.7程度に変化しており、分岐比を1:1に保つことができない場合がある。一方で、第2の構造では、広波長域にわたって分岐比を1:1に保つことができている。分岐比が1:1でない場合はモード合分波器として損失特性が劣化するが、結合部21及び22の導波路幅wを変化させることで広波長域で低損失な特性を得ることができる。 When the parameters shown in FIG. 11 are applied to the first structure, as shown in FIG. 12, the coupling amount changes to about 0.3 to 0.7 for the wavelength of 1.5 to 1.6 μm, In some cases, the branching ratio cannot be maintained at 1: 1. On the other hand, in the second structure, the branching ratio can be maintained at 1: 1 over a wide wavelength range. Branching ratio of 1: loss characteristics as a mode demultiplexer if not 1 is deteriorated, it is possible to obtain a low loss characteristic in a wide wavelength range by changing the waveguide width w 1 of the coupling portion 21 and 22 it can.

図13〜図16に、結合部21の第3〜第5の構造例を示す。第3〜第5の構造例は、結合部21における導波路幅wの変化の例を挙げる。図10で示した伝搬方向に対して図13の線形に導波路幅wが増加する構成に加えて、第3の構造例はV字型(谷型)に導波路幅wが増加した後に減少する構成、第4の構造例はW型の様に導波路幅wが変化する構成、第5の構造例はジグザグに導波路幅wが変化する構成を示す。 13 to 16 show third to fifth structural examples of the coupling portion 21. FIG. Structure of the third to fifth examples of the change in the waveguide width w 1 at the coupling portion 21. In addition to the linear waveguide width w 1 is increased in the configuration of FIG. 13 with respect to the propagation direction shown in Figure 10, a third example structure waveguide width w 1 is increased to V-shape (valley) after reduction to configure the fourth structural example configuration, the fifth structure example of varying the waveguide width w 1 as a W-type shows a configuration of waveguide width w 1 is changed in a zigzag.

図17及び図18に、それぞれの構造例における結合部の構造パラメータの一例を示す。また、図17及び図18のパラメータで結合部21及び22の特性を計算したものを図19に示す。図中において、G〜Gはそれぞれは第1〜第5の構造を示す。入出力ポートは図12と同じである。なお、第3の構造例であるV型においてΔWの値が負になっているが、これは図14に記載の山型ではなく、谷型の形状を有していることを意味している。いずれの構造も低波長依存性を有していることがわかり、第2〜第5の構造はC〜L帯内で分岐比を0.4〜0.6の範囲に抑えられ、第1の構造についても広い波長範囲で分岐比を0.4〜0.6の範囲に抑えられていることがわかる。よって、結合部21及び22の導波路幅wについては、伝搬方向に導波路幅wが変化し、また、導波路幅wの変化としては、線形でなくてもよく、曲線であってもよい。 FIGS. 17 and 18 show examples of the structural parameters of the coupling portion in the respective structural examples. FIG. 19 shows the calculated characteristics of the coupling sections 21 and 22 using the parameters shown in FIGS. In the figure, G 1 to G 5 indicate first to fifth structures, respectively. The input / output ports are the same as in FIG. Although the value of ΔW is negative in the V-type which is the third structural example, this means that it has a valley-shaped shape instead of the mountain-shaped shape shown in FIG. . It can be seen that each of the structures has a low wavelength dependency, and the second to fifth structures have a branching ratio within the range of 0.4 to 0.6 in the C to L bands, and It can be seen that the structure has a branching ratio of 0.4 to 0.6 over a wide wavelength range. Therefore, for the waveguide width w 1 of the coupling portion 21 and 22, waveguide width w 1 is changed in the propagation direction, as the change in the waveguide width w 1, may not be a linear, there a curve You may.

図20に、例えば波長多重信号の波長間隔20nm間隔であることを想定して設計した場合のモード合分波器の透過特性を示す。G3M及びG4Mは第2の構造、G3A及びG4Aは図1に示す構造、G3T及びG4Tは図1における結合部をテーパ状にした構造を示す。G3M及びG4Mに示す第2の構造の構造パラメータは図21及び22に記載の通りである。G3T、G4T、G3T及びG4Tに示す構造パラメータは図22に記載の通りである。なお、導波路部の屈折率ncoreおよびクラッド部の屈折率ncladについては図10と同じである。ポートP1からポートP3への特性を実線で、ポートP1からポートP4への特性を破線で示している。つまり、実線は分波器を想定するとクロストーク量として考えることができ、低い方が望ましい。 FIG. 20 shows the transmission characteristics of the mode multiplexer / demultiplexer when the wavelength multiplexed signal is designed on the assumption that the wavelength interval is 20 nm. G 3M and G 4M represent the second structure, G 3A and G 4A represent the structure shown in FIG. 1, and G 3T and G 4T represent the structure in which the coupling portion in FIG. 1 is tapered. The structural parameters of the second structure shown in G3M and G4M are as described in FIGS. The structural parameters shown in G 3T , G 4T , G 3T and G 4T are as described in FIG. Note that the refractive index n clad of a refractive index n core and cladding of the waveguide section is the same as FIG. 10. The characteristics from the port P1 to the port P3 are indicated by solid lines, and the characteristics from the port P1 to the port P4 are indicated by broken lines. That is, the solid line can be considered as a crosstalk amount assuming a duplexer, and a lower one is desirable.

3A及びG4Aでは、実線G3Aで示す通り設計される結合波長においてはクロストーク量が低くなり、モードを低損失かつ高消光比で合分波できるが、結合波長から離れた波長では特性が劣化していることがわかる。一方で、本開示のモード合分波器の一例を示すG3M及びG4Mでは、波長に応じてクロストーク量が大きく変動しているが、20nmの間隔で特性が良好であり、波長多重信号が良好な特性が得られる波長間隔と一致する場合は広波長域で低損失かつ高モード消光比でモードを合分波できることがわかる。 In G 3A and G 4A , the crosstalk amount is low at the coupling wavelength designed as shown by the solid line G 3A , and the mode can be multiplexed / demultiplexed with a low loss and a high extinction ratio. It can be seen that has deteriorated. On the other hand, in G 3M and G 4M , which are examples of the mode multiplexer / demultiplexer of the present disclosure, the crosstalk amount greatly fluctuates depending on the wavelength, but the characteristics are good at intervals of 20 nm, and the wavelength multiplexed signal It can be seen that when the wavelengths match the wavelength intervals at which good characteristics can be obtained, the modes can be multiplexed / demultiplexed with low loss and high mode extinction ratio in a wide wavelength range.

なお、図1における結合部をTaperとした場合の例(G3T、G4T)も記載しているが、G3Aと比較して波長依存性が低くなっているが、C帯〜L帯をカバーする程度の広波長域で高モード消光比が得られる特性を実現することができない。例えば、クロストーク値としては先ほど述べたように−15dB以下(または−20dB以下)であることが望ましく、G3T及びG4Tでは使用波長がC帯に限られてしまうことがわかるが、本開示を適用したG3M及びG4Mでは周期的に透過特性がピークを示すため、非常に広い(例えばS帯〜L帯)までをカバーすることができることが分かる。 Although an example (G 3T , G 4T ) in which the coupling portion in FIG. 1 is a taper is also described, the wavelength dependence is lower than that of G 3A. It is not possible to realize the characteristic that a high mode extinction ratio can be obtained in a wide wavelength range enough to cover. For example, the crosstalk value is desirably -15 dB or less (or -20 dB or less) as described above, and it can be seen that the wavelength used in G 3T and G 4T is limited to the C band. In G3M and G4M to which is applied, since the transmission characteristics periodically show peaks, it can be seen that a very wide range (for example, S band to L band) can be covered.

図23に、図20の縦軸を0〜−2dBとした場合の透過特性を示す。モード合分波器の挿入損失は図中の破線に相当しているが、クロストーク量と同様に、G3A及びG4Aは設計した結合波長以外の波長で損失特性が劣化していることがわかる。一方で、本開示の一例を示すG3M及びG4Mは、設計した波長間隔で低損失特性が得られ、波長多重信号を低損失でモード合分波できることを示している。なお、ここまで導波路11の幅wを変化させた場合を説明してきたが、導波路11の幅wの代わりに導波路12の幅wを伝搬方向に対して変化させても良い。 FIG. 23 shows transmission characteristics when the vertical axis in FIG. 20 is 0 to -2 dB. The insertion loss of the mode multiplexer / demultiplexer corresponds to the broken line in the figure. However, like the crosstalk amount, the loss characteristics of G 3A and G 4A are deteriorated at wavelengths other than the designed coupling wavelength. Understand. On the other hand, G3M and G4M, which are examples of the present disclosure, show that low loss characteristics are obtained at the designed wavelength interval, and that a wavelength multiplexed signal can be mode-multiplexed / demultiplexed with low loss. Although the case where the width w 1 of the waveguide 11 is changed has been described, the width w 2 of the waveguide 12 may be changed in the propagation direction instead of the width w 1 of the waveguide 11. .

なお、非特許文献5に記載の通り、結合部を2つ以上設置することで、結合特性の波長依存性を低減する技術は本開示にも応用することができる。図24に、本実施形態に係るモード合分波器の別形態を示す。本形態に係る結合部31及び32は、それぞれ、近接している領域を複数個所備える。第1の結合部として機能する結合部31では、導波路11の複数個所から導波路11の伝搬光が導波路12に結合している。また、第2の結合部として機能する結合部32でも、導波路11の複数個所から導波路11の伝搬光が導波路12に結合している。このように、本実施形態における結合部21、22を複数の結合部で構成することで、先に述べたテーパ構造を用いることなく、広帯域で0.4〜0.6の分岐比を有するモード分岐部を実現することができる。   As described in Non-Patent Document 5, a technique of reducing the wavelength dependence of the coupling characteristics by installing two or more coupling portions can be applied to the present disclosure. FIG. 24 shows another mode of the mode multiplexer / demultiplexer according to the present embodiment. The coupling portions 31 and 32 according to the present embodiment each include a plurality of adjacent regions. In the coupling portion 31 functioning as a first coupling portion, light propagated through the waveguide 11 is coupled to the waveguide 12 from a plurality of locations of the waveguide 11. Further, also at the coupling portion 32 functioning as the second coupling portion, the propagation light of the waveguide 11 is coupled to the waveguide 12 from a plurality of locations of the waveguide 11. As described above, by configuring the coupling portions 21 and 22 in the present embodiment with a plurality of coupling portions, a mode having a branching ratio of 0.4 to 0.6 in a wide band without using the tapered structure described above. A branch can be realized.

(実施形態3)
図25に本開示に係る光伝送システムの構成例を示す。本システムでは、n個の波長多重信号光を発する送信機81−1〜81−nと、n個の波長多重信号を波長分離し受信する受信機84−1〜84〜nと、波長多重信号を合波・分波する実施形態1または実施形態2に記載のモード合分波器(モード合波器82、モード分波器83)と、モード合分波器を接続する伝搬モード数がnであるマルチモードファイバ91を有しており、波長多重信号の波長間隔がΔλである。モード合波器82は、各送信機81−1〜81−nからの信号光が送信機81−1〜81−nごとに異なる導波路11に入力され、送信機81−1〜81−nごとにモードの異なるモード多重信号光を導波路12から出力する。マルチモードファイバ91は、モード合波器82からのモード多重信号光を伝搬する。モード分波器83は、モード多重信号光が導波路12に入力され、モードごとに異なる導波路11から信号光を出力する。
(Embodiment 3)
FIG. 25 illustrates a configuration example of an optical transmission system according to the present disclosure. In this system, transmitters 81-1 to 81-n that emit n wavelength-multiplexed signal lights, receivers 84-1 to 84-n that separate and receive n wavelength-multiplexed signals, The mode multiplexer / demultiplexer (mode multiplexer 82, mode duplexer 83) according to the first or second embodiment for multiplexing / demultiplexing the signals and the number of propagation modes connecting the mode multiplexer / demultiplexer is n And the wavelength interval of the wavelength multiplexed signal is Δλ. In the mode multiplexer 82, the signal light from each of the transmitters 81-1 to 81-n is input to a different waveguide 11 for each of the transmitters 81-1 to 81-n, and the transmitters 81-1 to 81-n A mode multiplexed signal light having a different mode is output from the waveguide 12 every time. The multimode fiber 91 propagates the mode multiplexed signal light from the mode multiplexer 82. The mode splitter 83 receives the mode multiplexed signal light in the waveguide 12 and outputs the signal light from the different waveguides 11 for each mode.

実施形態1または実施形態2に記載の通り、モード合分波器の遅延部23における遅延差ΔLを調整し、送受信される波長多重信号の波長間隔とΔλを一致させることで、波長多重信号を低損失でモード合分波することができる。   As described in the first embodiment or the second embodiment, the wavelength division multiplexed signal is adjusted by adjusting the delay difference ΔL in the delay unit 23 of the mode multiplexer / demultiplexer and by matching the wavelength interval of the wavelength multiplexed signal transmitted and received with Δλ. Mode multiplexing / demultiplexing can be performed with low loss.

なお、本明細書においてはSi系材料を用いた平面光波回路に関する実施形態を記載したが、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、ガラス系や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形態と同様の効果を得ることができる。   In this specification, an embodiment relating to a planar lightwave circuit using a Si-based material has been described, but the material may naturally be another material. For example, even with a planar lightwave circuit using a semiconductor such as glass or InGaAsP, or an organic material 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形態では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。   The wavelength band to be used is set to about 1.5 to 1.6 μm in the embodiment described in the present specification, but may be a mid-infrared region (2 μm or more) having a longer wavelength or a visible light band. Absent.

(付記1)
n(nは2以上の整数)以上のモードを伝搬可能な導波路1と、
導波路1と平行した導波路2〜m(mは2以上、n以下の正の整数)と、
平行に配置された前記導波路1と前記導波路2〜mのそれぞれが近接する結合部を2つ以上有し、
導波路間で結合しない領域である遅延導波路部を前記結合部の間に有し、
導波路1と導波路2〜mの遅延部において生ずる光波の位相遅延差Δτが前記遅延部の伝搬距離差ΔLにより調整され、
導波路1と導波路2〜m(mは2以上、n以下の正の整数)が近接する部分において、
所望の光の波長範囲に対して、導波路2〜mを伝搬するモードの実効屈折率が、導波路1のm−1個のモードの実効屈折率と排他的に一致するよう導波路幅・高さ・比屈折率差が調整され、
結合部の長さ及び結合部における導波路間隔が、モード変換により導波路2〜mを導波する光パワーの0.4〜0.6倍が導波路1を伝搬するよう定められることを特徴とするモード合分波器。
(Appendix 1)
a waveguide 1 capable of propagating n or more modes (n is an integer of 2 or more);
Waveguides 2 to m (m is a positive integer of 2 or more and n or less) parallel to the waveguide 1;
Each of the waveguides 1 and the waveguides 2 to m arranged in parallel has two or more coupling portions close to each other,
Having a delay waveguide portion, which is a region not coupled between the waveguides, between the coupling portions,
The phase delay difference Δτ of the light wave generated in the delay part of the waveguide 1 and the waveguides 2 to m is adjusted by the propagation distance difference ΔL of the delay part,
In a portion where the waveguide 1 and the waveguides 2 to m (m is a positive integer of 2 or more and n or less) are close to each other,
The waveguide width and the waveguide width are set so that the effective refractive index of the mode propagating through the waveguides 2 to m exclusively matches the effective refractive index of the (m−1) modes of the waveguide 1 for the desired light wavelength range. Height and relative refractive index differences are adjusted,
The length of the coupling portion and the interval between the waveguides at the coupling portion are determined so that 0.4 to 0.6 times the optical power guided through the waveguides 2 to m by mode conversion propagates through the waveguide 1. Mode multiplexer / demultiplexer.

(付記2)
付記1に記載のモード合分波器において、前記結合部における導波路1又は導波路2〜mの導波路幅が伝搬方向に対して変化することを特徴とするモード合分波器。
(Appendix 2)
2. The mode multiplexer / demultiplexer according to claim 1, wherein a waveguide width of the waveguide 1 or the waveguides 2 to m in the coupling portion changes in a propagation direction.

(付記3)
付記1または2に記載のモード合分波器であって、モード合分波器の周波数における透過特性の変動の周期Δλが、通信で用いられる波長多重信号の波長間隔と一致するよう導波路1と導波路2〜mの遅延部における伝搬遅延差ΔLが調整されていることを特徴とするモード合分波器。
(Appendix 3)
3. The mode multiplexer / demultiplexer according to claim 1 or 2, wherein the period Δλ of the variation of the transmission characteristic at the frequency of the mode multiplexer / demultiplexer coincides with the wavelength interval of the wavelength multiplexed signal used in the communication. And a propagation delay difference [Delta] L between delay sections of the waveguides 2 to m is adjusted.

(付記4)
付記1〜3のいずれかに記載のモード合分波器であって、導波路1と導波路2〜mの遅延部において生ずる光波の位相遅延差Δτ(rad.)が、通信で用いられる波長多重信号の中心波長λ(m)および、波長間隔Δλ(m)に対して下記の関係を満たすことを特徴とするモード合分波器。
(数)Δλ=2πλ/Δτ (λ:利用波長帯における中心波長)
(Appendix 4)
The mode multiplexer / demultiplexer according to any one of supplementary notes 1 to 3, wherein a phase delay difference Δτ (rad.) Of a light wave generated in the delay section between the waveguide 1 and the waveguides 2 to m is a wavelength used in communication. A mode multiplexer / demultiplexer, wherein the following relationship is satisfied with respect to a center wavelength λ (m) of a multiplex signal and a wavelength interval Δλ (m).
(Number) Δλ = 2πλ / Δτ (λ: center wavelength in use wavelength band)

(付記5)
n個の波長多重信号光を発する送信機と、
n個の波長多重信号を波長分離し受信する受信機と、
波長多重信号を合波・分波する付記1〜4のいずれかに記載のモード合分波器と、
モード合分波器を接続する伝搬モード数がnであるマルチモードファイバを備え、
前記波長多重信号の波長間隔がΔλであることを特徴とする波長多重・モード多重伝送システム。
(Appendix 5)
a transmitter for emitting n wavelength multiplexed signal lights,
a receiver that wavelength-separates and receives n wavelength multiplexed signals;
A mode multiplexer / demultiplexer according to any one of supplementary notes 1 to 4, which multiplexes / demultiplexes the wavelength multiplexed signal;
A multimode fiber having n propagation modes for connecting the mode multiplexer / demultiplexer,
A wavelength division multiplexing / mode multiplexing transmission system, wherein a wavelength interval of the wavelength division multiplexing signal is Δλ.

(付記6)
n(nは2以上の整数)以上のモードを伝搬可能な導波路1と、
導波路1と平行した導波路2〜m(mは2以上、n以下の正の整数)と、
平行に配置された前記導波路1と前記導波路2〜mのそれぞれが近接する結合部を有し、
導波路1と導波路2〜m(mは2以上、n以下の正の整数)が近接する部分において、
前記結合部における導波路1又は導波路2〜mの導波路幅が伝搬方向に対して変化し、通信波長帯(例えば1530〜1625nm)における任意の波長において導波路1と導波路2〜mの所望のモードの実効屈折率が一致する導波路幅を、結合部区間内に有し、結合部の長さ及び結合部における導波路間隔が、導波路2〜mを導波する光パワーの0.4〜0.6倍が導波路1を伝搬するよう定められることを特徴とするモード合分波器。
(Appendix 6)
a waveguide 1 capable of propagating n or more modes (n is an integer of 2 or more);
Waveguides 2 to m (m is a positive integer of 2 or more and n or less) parallel to the waveguide 1;
Each of the waveguide 1 and the waveguides 2 to m arranged in parallel has a close coupling portion,
In a portion where the waveguide 1 and the waveguides 2 to m (m is a positive integer of 2 or more and n or less) are close to each other,
The waveguide width of the waveguide 1 or the waveguides 2 to m at the coupling portion changes in the propagation direction, and the waveguide 1 and the waveguides 2 to m at an arbitrary wavelength in a communication wavelength band (for example, 1530 to 1625 nm). The coupling section has a waveguide width that matches the effective refractive index of the desired mode, and the length of the coupling section and the interval between the waveguides at the coupling section are equal to 0 of the optical power guided through the waveguides 2 to m. A mode multiplexer / demultiplexer characterized in that 4 to 0.6 times is determined to propagate through the waveguide 1.

本開示は、波長多重信号に対して、広波長域で低損失にモード合分波が可能であるモード合分波器を実現することであり、光ファイバ中の波長及びモードの利用による大容量・長距離通信を実現することができる。   The present disclosure is to realize a mode multiplexer / demultiplexer that can perform mode multiplexing / demultiplexing with a low loss in a wide wavelength range for a wavelength multiplexed signal, and realizes a large capacity by using wavelengths and modes in an optical fiber. -Long distance communication can be realized.

11、12:導波路
21、22:結合部
23:遅延部
31、32:モード分岐部
41:関連技術の導波路2
42:関連技術の導波路1
81:送信機
82:モード合波器
83:モード分波器
84:受信機
91:マルチモードファイバ
11, 12: waveguides 21, 22: coupling section 23: delay sections 31, 32: mode branching section 41: waveguide 2 of related art
42: Waveguide 1 of Related Technology
81: Transmitter 82: Mode multiplexer 83: Mode splitter 84: Receiver 91: Multimode fiber

Claims (6)

波長多重信号光を合分波するモード合分波器であって、
nを2以上の整数として、第1の導波路から第(n−1)の導波路と、
互いに異なる第1モードから第nモードが伝搬する第nの導波路と、
kを1以上(n−1)以下の整数として、それぞれ、第kの導波路と前記第nの導波路が近接して配置され、前記第kの導波路伝搬する波長多重信号光を前記第nの導波路の第(k+1)モードに結合させる第kの第1結合部及び第kの第2結合部と、
前記第kの第1結合部と前記第kの第2結合部の間に配置され、前記第kの導波路と前記第nの導波路の光路長に遅延差を生じさせる第kの遅延部と、
を備え
前記第kの遅延部の生じさせる前記遅延差は、当該モード合分波器の透過特性のピーク波長間隔を前記第kの導波路を伝搬する波長多重信号光の波長間隔に一致させる位相遅延差であるモード合分波器。
A mode multiplexer / demultiplexer for multiplexing / demultiplexing wavelength-multiplexed signal light,
where n is an integer of 2 or more, the first to (n−1) th waveguides;
An n-th waveguide through which the n-th mode propagates from the first mode different from each other;
Assuming that k is an integer of 1 or more and (n-1) or less, the k-th waveguide and the n-th waveguide are arranged close to each other, and the wavelength multiplexed signal light propagating through the k-th waveguide is A k-th first coupling unit and a k-th second coupling unit coupled to the (k + 1) -th mode of the n-th waveguide;
A k-th delay unit that is arranged between the k-th first coupling unit and the k-th second coupling unit and causes a delay difference in the optical path length between the k-th waveguide and the n-th waveguide When,
Equipped with a,
The delay difference generated by the k-th delay unit is a phase delay difference that makes a peak wavelength interval of transmission characteristics of the mode multiplexer / demultiplexer coincide with a wavelength interval of wavelength-multiplexed signal light propagating through the k-th waveguide. mode demultiplexer is.
前記第kの第1結合部及び前記第kの第2結合部において、それぞれ、前記第nの導波路に結合する前記第kの導波路の伝搬モードの光パワーの0.4〜0.6倍が前記第kの導波路から前記第nの導波路に結合する、
請求項1に記載のモード合分波器。
In the k-th first coupling portion and the k-th second coupling portion, the optical power of the propagation mode of the k-th waveguide coupled to the n-th waveguide is 0.4 to 0.6, respectively. A double couples from the k-th waveguide to the n-th waveguide,
The mode multiplexer / demultiplexer according to claim 1.
前記波長多重信号の中心波長をλ、波長間隔をΔλ、位相遅延差をΔτとした場合に、前記波長間隔と前記位相遅延差がΔλ=2πλ/Δτの関係を満たす、
請求項1又は2に記載のモード合分波器。
When the center wavelength of the wavelength multiplexed signal light is λ, the wavelength interval is Δλ, and the phase delay difference is Δτ, the wavelength interval and the phase delay difference satisfy a relationship of Δλ = 2πλ / Δτ,
The mode multiplexer / demultiplexer according to claim 1 .
前記第kの第1結合部及び前記第kの第2結合部の少なくともいずれかにおいて、前記第kの導波路又は前記第nの導波路の導波路幅が、導波路の長手方向に対して変化している、
請求項1からのいずれかに記載のモード合分波器。
In at least one of the k-th first coupling portion and the k-th second coupling portion, the waveguide width of the k-th waveguide or the n-th waveguide is set to be longer than the longitudinal direction of the waveguide. Changing,
Mode demultiplexer according to any one of claims 1 to 3.
前記第kの第1結合部及び前記第kの第2結合部の少なくともいずれかにおいて、前記第kの導波路の複数個所から前記第kの導波路伝搬する波長多重信号光が前記第nの導波路に結合している、
請求項1からのいずれかに記載のモード合分波器。
In at least one of the k-th first coupling portion and the k-th second coupling portion, the wavelength division multiplexed signal light propagating through the k-th waveguide from a plurality of locations of the k-th waveguide is transmitted to the n-th waveguide. Coupled to the waveguide of
Mode demultiplexer according to any one of claims 1 to 3.
nを2以上の整数として、第1の送信機から第nの送信機と、
請求項1からのいずれかに記載のモード合分波器からなり、kを1以上(n−1)以下の整数として、第kの送信機からの波長多重信号光が前記第kの導波路に入力され、第nの送信機からの波長多重信号光が前記第nの導波路の一端に入力され、前記送信機ごとにモードの異なるモード多重信号光を当該第nの導波路の他端から出力するモード合波器と、
前記モード合波器からのモード多重信号光を伝搬するマルチモードファイバと、
請求項1からのいずれかに記載のモード合分波器からなり、前記モード多重信号光が前記第nの導波路の一端に入力され、モードに応じて前記第kの導波路及び当該第nの導波路の他端のいずれかから波長多重信号光を出力するモード分波器と、
前記モード合波器の前記第kの導波路及び前記第nの導波路から出力された波長多重信号光をそれぞれ受信する第1の受信機から第nの受信機と、
を備えるモード多重伝送システム。
n is an integer of 2 or more, from the first transmitter to the n-th transmitter;
It consists mode demultiplexer according to any one of claims 1 to 5, k as one or more (n-1) an integer, guiding of the k-th wavelength-multiplexed signal light from the transmitter of the k The wavelength-multiplexed signal light from the n-th transmitter is input to one end of the n-th waveguide, and the mode-multiplexed signal light having a different mode for each transmitter is transmitted to the other of the n-th waveguide. A mode combiner that outputs from the end,
A multimode fiber for propagating the mode multiplexed signal light from the mode multiplexer,
Consists mode demultiplexer according to any one of claims 1 to 5, wherein the mode-multiplexed signal light is inputted to one end of the waveguide of the first n, waveguides and the said first k depending on the mode the a mode demultiplexer that outputs a wavelength multiplexed signal light from one of the other ends of the n waveguides,
A first receiver to an n-th receiver that respectively receive the wavelength multiplexed signal light output from the k-th waveguide and the n-th waveguide of the mode multiplexer;
Mode multiplex transmission system comprising:
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