JP6697365B2 - モード合分波光回路 - Google Patents

Description

本発明は、平面光波回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）を用いたモード合分波光回路に関する。

近年、モードの自由度を活用した光通信システムが多く提案されている。例えば、ファイバ１本当りの伝送容量の拡大を目指して、空間多重伝送で用いられるモード毎に信号をのせる手法や、高次モードの試験光を測定対象ファイバに入射し、後方散乱光の強度から敷設ファイバの状態を監視する手法なども提案されている（特許文献１）。

敷設ファイバの状態を監視する場合には、ファイバ中で発生するモードを全て合分波する必要があるため、平面光波回路を用いたモードカプラを用いる。

図１は、かかるモードカプラとして、石英系平面光波回路（ＰＬＣ）を用いた異なる導波路幅をもつ導波路１０１，１０２を備えた非対称な方向性結合器１００を示している。

ＰＬＣは、平面基板上において光ファイバとの接続が可能な回路である。これは、平面基板上に、フォトリソグラフィなどによるパターニングとエッチング加工とにより、コアと、コアよりも小さい屈折率を有するクラッドとを備える光導波路を作製し、複数の基本的な光回路（例えば、方向性結合器、マッハ・ツェンダー干渉計など）を組み合わせることにより、各種の機能を実現するようにしている。

図１において、モードカプラは、幅の細い方の導波路１０２を伝搬する基本モードである０次モード（以下の説明では、ＬＰ０１モードとも称す。）光に関する｛β（λ，Ｗ_m，Δ）_m=0｝の値と、幅の広い方の導波路１０１を伝搬する高次モード（以下の説明では、ＬＰ１１モードとも称す。）光に関する｛β（λ，Ｗ_m，Δ）_m=1｝の値とを一致させ、方向性結合器１００の長さを適切に設定する。これにより、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの光は、方向性結合器１００を介して、変換することができる。

なお、上述した値に関して、β：伝搬定数、λ：波長、Ｗ_m：導波路幅、Δ：コアとクラッドとの屈折率差、ｍ：モード次数、を示す。

上述した伝搬定数βは、β＝ｎ・ｋ（ｎ：実効屈折率、ｋ：２π／λ）として表されることになるので、それぞれのモードの実効屈折率ｎを一致させることと、伝搬定数βを一致させることとは同義になる。実効屈折率ｎは、「λ」、「Ｗｍ」および「Δ」によって決定される関数であるので、伝搬定数βを、「β（λ，Ｗｍ，Δ）」と称する。導波路１０１を伝搬するＬＰ０１モードの光は、導波路１０２を伝搬するＬＰ０１モードの光と伝搬定数が一致しないため、そのまま通過する（図１）。これにより、モードカプラを用いたモードの合分波が可能となる。

図１では、１種類のＬＰ１１モードが示されていたが、例えば、１μｍ帯の光の場合は２種類のＬＰ１１モードが存在する。

図２は、敷設ファイバ１３０を伝搬するかかる２種類のＬＰ１１モードとして、（ａ）電界成分ｄのｘ方向の山の数が２つ存在するＬＰ１１ａモードと、（ｂ）電界成分ｄのｙ方向の山の数が２つ存在するＬＰ１１ｂモードとを示している。したがって、このとき、敷設ファイバ１３０を伝搬する光のモードとしては、図１に示したＬＰ０１モードのほか、図２（ａ）のＬＰ１１ａモードと、図２（ｂ）のＬＰ１１ｂモードの全部で３種類のモードが存在する。

一般に、ＰＬＣでは、ＰＬＣ基板面に平行なモードしかモードを変換することができないため、上述したＬＰ１１ａモードまたはＬＰ１１ｂモードのいずれか一方しか変換することができない。そこで、従来のＰＬＣは、２つのＰＬＣの基板の向きを９０度変えて、それぞれのＰＬＣの導波路を光学的に接続するようにして、２種類のＬＰ１１ａモードおよびＬＰ１１ｂモードの両方を変換するようにしている（特許文献２）。

図３（ａ）は、上述した従来のＰＬＣとして、２つのＰＬＣ２００，３００の基板の向きを９０度変えて、それぞれのＰＬＣ２００，３００に設けられている直線導波路２１０，３１０を光学的に端面で接続するようにした平面光波回路１０００が示されている。図３（ａ）において、導波路２２０，３２０は、曲がり部を含む。

図３（ｂ）は、ＰＬＣ３００の方向性結合部において高次モードＬＰ１１ｂから０次モードＬＰ０１に変換され、ＰＬＣ２００の方向性結合部において高次モードＬＰ１１ａから０次モードＬＰ０１に変換されることが示してある。

特開２０１５−１５２３９９号公報 特開２０１３−１５２２７２号公報

一般に、ＰＬＣでは、ファイバとの接続損失が最小となるように、入出力部の導波路幅を設計するようにしているが、ＰＬＣとファイバとを接続する場合には、ＰＬＣに形成される導波路のコアの厚さ（高さ方向）を大きくすることが難しいことから、高さ方向よりも、導波路幅の方向のみに合わせて、ＰＬＣ同士を接続する場合がある。そのため、ＰＬＣのそれぞれに形成される導波路のコアが高さ方向でずれ、その結果、接続損失となることもあり得る。

図４は、かかるずれが生じた場合のＰＬＣ同士の接続状態を示している。この場合、ＰＬＣのそれぞれの導波路２１０，３１０間の接続部分において、光のモードフィールド形状が整合せず、接続損失が生じ得る。

本発明は、ＰＬＣ同士の接続端面において光のモードフィールド形状を整合させることができるモード合分波光回路を提供することを目的とする。

上記の課題を達成するため、本発明は、第１の平面光波回路、および第２の平面光波回路と、前記第１の平面光波回路、および前記第２の平面光波回路上の各々に、それぞれ、導波路幅が互いに異なる２本の導波路からなる第１の方向性結合器、および第２の方向性結合器とを含み、前記第１の平面光波回路と前記第２の平面光波回路のそれぞれの前記２本の導波路は、実効屈折率が等しくなるように導波路幅が設定され、前記第１の平面光波回路と前記第２の平面光波回路とは、基板の向きが９０度直交するように接続され、前記第１の平面光波回路と前記第２の平面光波回路との接続端面では、それぞれの平面光波回路の前記２本の導波路のうちの幅広の導波路同士が光結合するように接続され、前記接続端面における前記幅広の導波路は、幅と高さが等しい正方形断面となるように形成されている。

前記幅広の導波路は、前記方向性結合器から前記接続端面にかけて、段階的に、幅を狭くして変化させるようにしてもよい。

前記第１の方向性結合器と前記第２の方向性結合器とは、複数のモード変換を行うように構成するようにしてもよい。

前記幅広の導波路の幅および高さは、前記接続端面において、５μｍ以上７μｍ以下としてもよい。

本発明によれば、ＰＬＣ同士の接続端面において光のモードフィールド形状を整合させることができる。

従来のモードカプラの構成を示す図である。 一般的な２種類の高次モードを説明するための図である。 異なるＰＬＣ同士を接続した従来のＰＬＣを説明するための図である。 従来のＰＬＣにおいて、異なるＰＬＣの接続部分を説明するための図である。 高次モードの伝搬が可能な導波路幅と高次モードの伝搬が不可能な導波路幅とを説明するための図である。 一実施形態のモード合分波光回路の構成例を示す図である。

以下、本実施形態におけるモード合分波光回路について説明する。

先ず、このモード合分波光回路に備えられる導波路に関連して、図１、図２および図５を参照して説明する。

図５は、高次モードの伝搬が可能な導波路幅と高次モードの伝搬が不可能な導波路幅とを説明するための図である。

図５において、横軸は、１０３０ｎｍの波長をもつ光が伝搬する導波路幅を表し、縦軸は、導波路の実効屈折率を表す。

図５の例では、導波路内のコアとクラッドとの屈折率差Δを０．４５％とし、コアの高さを７μｍとしている。このとき、０次モードと１次モードとを変換するには、｛β（λ，Ｗ_m，Δ）_m=0−β（λ，Ｗ_m，Δ）_m=1＝０｝の関係式を満たす必要がある。

なお、上記関係式において、β：伝搬定数、λ：波長、Ｗ_m：導波路幅、Δ：コアとクラッドとの屈折率差、ｍ：モード次数、を示す。

上述したとおり、伝搬定数βは、β＝ｎ・ｋ（ｎ：実効屈折率、ｋ：２π／λ）として表され、それぞれのモードの実効屈折率ｎを一致させることと、伝搬定数βを一致させることとは同義になるので、伝搬定数βを、この実施形態においても、「β（λ，Ｗｍ，Δ）」と称する。

図５に示した例によれば、ＬＰ０１モードを伝搬する導波路幅を「４．０μｍ」とし、さらに、ＬＰ１１ａモードおよびＬＰ１１ｂモードを伝搬する導波路幅を「１０．６μｍ」としておけば、各モードの実効屈折率ｎが同一となるので、上述した関係式を満たすことになる。

なお、この場合、上述した異なる導波路幅からなる方向性結合器の長さについては、あらかじめ最適化して設定しておけばよい。

次に、上記関係式を満たすモード合分波光回路１の構成について、図６を参照して説明する。

図６（ａ）は、本実施形態のモード合分波光回路１の構成例を示す図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示したＰＬＣ１０，２０の接続部分を拡大した図である。

図６（ａ）に示すように、モード合分波光回路１は、２つのＰＬＣ１０，２０を備える。ＰＬＣ１０，２０は、基板の向きを９０度変えて互いに直交して接続されている。

ＰＬＣ１０は、２つの導波路１１，１２を含む。導波路１１は、直線に形成され、導波路１２よりも幅が広い。そして、導波路１２は、曲げ部分を含む。これらの導波路１１，１２によって、方向性結合器として機能し、モードの異なる光結合が実現される。

また、ＰＬＣ２０は、２つの導波路２１，２２を含む。導波路２１は、直線に形成され、導波路２２よりも幅が広い。そして、導波路２２は、曲げ部分を含む。これらの導波路２１，２２によって、方向性結合器として機能し、モードの異なる光結合が実現される。

図６（ｂ）において、導波路１２は、ＬＰ０１モードとＬＰ１１ａモードとのモード結合が可能で、かつＬＰ１１ａモードおよびＬＰ１１ｂモードが伝搬可能な幅と高さとを有する。

また、図６（ｂ）において、ＰＬＣ１０，２０の接続端面において、それぞれのＰＬＣの導波路１１，２１は、ＬＰ１１ａモードおよびＬＰ１１ｂモードが伝搬可能な幅および高さを有する。すなわち、導波路１１，２１の幅は、段階的に狭くなるように変化し、これにより、導波路１１，２１の接続部分の形状が同じになるようになっている。図６（ｂ）の例では、導波路１１，２１の幅と高さが等しい正方形断面となるように形成されている。これにより、導波路１１，２１の接続端面におけるコア部分のずれがなくなり、ＰＬＣ１０，２０同士の接続端面において光のモードフィールド形状を整合させることができる。

例えば、図６（ｂ）の例では、導波路１１の高さは、常に「ｈ」である。一方、導波路１１の幅は、方向性結合部から接続端面にかけて、「Ｗａ」、「ｈ」（ｈ＜Ｗａ）の順に段階的に狭くなるように変化させてある（図６（ｂ）の導波路部分１１ａ〜１１ｃを参照）。後述するように、「ｈ」の値は、接続端面において、５μｍ以上７μｍ以下にするのが好ましい。

また、導波路２１についても、導波路１１とは向きが異なるが、対応する方向性結合部から接続端面にかけて、「Ｗａ」、「ｈ」（ｈ＜Ｗａ）の順に段階的に狭くなるように変化させてある（図６（ｂ）の導波路部分２１ａ〜２１ｃを参照）。

［導波路同士の接続断面形状］
以下、導波路１１，２１同士の接続断面形状に関連して、上述した「Ｗａ」および「ｈ」の値について、再度図５を参照して説明する。

図５では、ＬＰ１１モード（以下、ＬＰ１１ａ，ＬＰ１１ｂを含む。）の場合の実効屈折率は、導波路幅が約５μｍからになってから示されているが、これは、導波路の幅および高さが５μｍ以下よりも小さくなると、導波路においてＬＰ１１モードを伝搬することができず、伝播損失となることを意味する。

一方、導波路のコアの膜厚は、製造上、厚くても７μｍ程度の厚さとするのが限界となる。このため、導波路において、ＬＰ１１の両モード（ＬＰ１１ａ，ＬＰ１１ｂ）が伝搬可能で、ＰＬＣ１０，２０同士の接続端面で導波路のずれをなくすように導波路の断面形状を正方形にするには、コアの膜厚は、５μｍ以上７μｍ以下にするのが好ましい。なお、実際には、コアの膜厚が５μｍ付近のカットオフ寸前では、導波路においてＬＰ１１モードが安定して伝搬できないため、それよりも１〜２μｍ程度余裕を持たせた設計が必要となる。

以下の説明では、一例として、コアの膜厚を７μｍとして説明する。

ＰＬＣ１０，２０同士の接続部分において、接続損失をなくすためには、導波路幅と導波路高さとを同じにする必要がある。例えば、導波路高さが７μｍの場合、作製できる最小の導波路幅は４μｍ程度である。このため、導波路幅を７μｍとしても、導波路の断面形状を正方形にすることが可能である。

一方、図５の例によれば、仮に導波路１１，２１の幅および高さが７μｍの場合、その値のままの導波路幅でモードカプラを設計すると、幅の狭い方（図６の例では、導波路１２，２２）の導波路幅が４μｍ以下となる。このため、製造できない導波路幅が必要となる。

上記を鑑み、本実施形態のモード合分波光回路１では、幅の狭い方（図６の例では、導波路１２，２２）の導波路幅を４μｍとした場合に、モード変換ができる幅の広い方（図６の例では、導波路１１，２１）の導波路幅１０．６μｍにしその導波路幅を断熱的に変化させる（図６（ｂ））。これにより、製造可能なモードカプラが実現される。

以上説明したように、本実施形態のモード合分波光回路１によれば、平面光波回路１０，２０上の各々に、それぞれ、導波路幅が互いに異なる２本の導波路からなる方向性結合器を含む。ここで、平面光波回路１０，２０のそれぞれの２本の導波路は、実効屈折率が等しくなるように導波路幅が設定され、平面光波回路１０，２０は、基板の向きが９０度直交するように接続される。そして、平面光波回路１０，２０の接続端面では、それぞれの平面光波回路１０，２０の２本の導波路のうちの幅広の導波路１１，２１同士が光結合するように接続され、接続端面における幅広の導波路１１，２１は、幅と高さが等しい正方形断面となるように形成されている。これにより、導波路１１，２１の接続端面におけるコア部分のずれがなくなり、ＰＬＣ１０，２０同士の接続端面において光の各モードフィールド形状を整合させることができる。

また、上述した導波路１１，２１の接続部分を正方形断面とすることで、ＬＰ１１モードは、ＬＰ０１モードよりも高感度となり、結果、最大の感度を得る。そのため、導波路１１，２１の接続部分におけるＬＰ１１モードの使用は、高感度な光伝搬をもたらすこととなる。

１ モード合分波光回路
１０，２０ 平面光波回路（ＰＬＣ）
１１，１２，２１，２２ 導波路

Claims (4)

1. 第１の平面光波回路、および第２の平面光波回路と、
   前記第１の平面光波回路、および前記第２の平面光波回路上の各々に、それぞれ、導波路幅が互いに異なる２本の導波路からなる第１の方向性結合器、および第２の方向性結合器と
   を含み、
   前記第１の平面光波回路と前記第２の平面光波回路のそれぞれの前記２本の導波路は、実効屈折率が等しくなるように導波路幅が設定され、
   前記第１の平面光波回路と前記第２の平面光波回路とは、基板の向きが９０度直交するように接続され、
   前記第１の平面光波回路と前記第２の平面光波回路との接続端面では、それぞれの平面光波回路の前記２本の導波路のうちの幅広の導波路同士が光結合するように接続され、
   前記接続端面における前記幅広の導波路は、幅と高さが等しい正方形断面となるように形成されている
   ことを特徴とするモード合分波光回路。
2. 前記幅広の導波路は、前記方向性結合器から前記接続端面にかけて、段階的に、幅を狭くして変化させていることを特徴とする請求項１に記載のモード合分波光回路。
3. 前記第１の方向性結合器と前記第２の方向性結合器とは、複数のモード変換を行うように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のモード合分波光回路。
4. 前記幅広の導波路の幅および高さは、前記接続端面において、５μｍ以上７μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のモード合分波光回路。