JP6979190B2 - 空間モード多重制御技術 - Google Patents

Description

本発明は，空間モード多重制御技術に関する。具体的に説明すると，本発明は，空間モード多重送信器，空間モード多重受信器，及び空間モード選択的増幅器等に関するものである。

光ファイバ通信において，光ファイバ１本あたりの伝送容量を拡大するため，空間的な光分布（空間モード）の違いを利用して信号を多重化する空間モード多重伝送技術の研究が進められている。空間モードを生成する手法としては，レーザから基本モードで発振されたレーザ光を，液晶等の空間変調器や位相板等の空間フィルタを用いて，任意のモードに整形する手法が一般的に使われている。これらの手法は，基本的にレーザ光源とモード整形用デバイス（空間変調器や空間フィルタ）の２点以上が必要な構成であり，両者のアライメントや集積化が難しいものとなる。さらに，実用化の際はこれらの構成物品によるモジュール化コストの上昇が懸念され，短距離伝送（低コストネットワーク）における空間モード多重技術の普及の障害になることが予想される。

空間モード多重伝送に用いる光源は，例えば図８に示されるように，一般的に，基本モードのみで発振するレーザ（単一基本モードレーザ）とモード整形器とによって構成される。モード整形器の例は，空間変調器（液晶（ＬＣＯＳ）や，強誘電体（ＬｉＮｂＯ_３），半導体ＭＭＩ変調器等），空間フィルタ（位相板や３次元導波路（フォトニックランタン）等）などである。さらに，複数のモード整形器からの出力を数モードファイバ（ＦＷＭ：Few Mode Fiber）を通し，モード合波器で合波することにより，モード多重信号を生成する。

特開２０１３−０８１０５４号公報

ところで，上記した従来技術は，個々のデバイスを接続するためのアライメント費用等が嵩むことや，構成するデバイス点数が多いことがモジュール化の実現に大きな障害となっている。モジュール化の実現のためには，半導体ＭＭＩのようにレーザと変調器が集積された構成が適当であるが，既存のものは平面導波路を利用した１次元的なモード生成であり，２次元的なより高次のモード生成を実現するためには，より複雑な構成を必要とし，拡張性が低いといえる。

そこで，本発明は，基本的に，光源（レーザ）から直接任意の空間モード光を生成あるいは増幅する技術を簡易な構成で提供することを目的とする。さらに，本発明は，その技術を集積化した光源（単一高次モードレーザ）をアレイ化することにより，任意の空間モードを同時に生成可能な空間モード多重送信技術及び受信技術を簡易な構成で提供することを目的とする。

本発明の発明者は，上記課題の解決手段について鋭意検討した結果，基本的に，複数の高次モード（基本モードを含む）を同時に発振する多モード光源と，多モード光から任意の１つのモードを選択して単一モード光を出力するモード選択部とを組み合わせて，「単一高次モードレーザ」を構成することとした。そして，この単一高次モードレーザを複数配置してアレイ化し，各単一高次モードレーザから出力された単一モード光を合波することにより，簡易な構成で空間モード多重送信器を得ることができる。さらに，単一高次モードレーザを利用して空間モード多重受信器や空間モード選択的増幅器を得ることも可能である。本発明者は，上記知見に基づけば従来技術の課題を解決できることに想到し，本発明を完成させた。具体的に説明すると，本発明は以下の構成・工程を有する。

本発明の第１の側面は，空間モード多重送信器に関する。本発明に係る空間モード多重送信器１００は，複数の多モード光源１１０，複数のモード選択部１２０，及びモード合波部１３０を備える。各多モード光源１１０は，複数のモードを含む多モード光を出力する。各モード選択部１２０は，複数の多モード光源１１０のそれぞれに対応するように配置されており，多モード光源１１０から出力された多モード光が入力され，当該多モード光から１つのモードを選択して単一モード光を出力する。このとき，複数のモード選択部１２０の少なくとも一つは，他のモード選択部１２０とは異なるモードを選択する。なお，複数のモード選択部１２０それぞれが，他のモード選択部１２０とは異なるモードを選択することとしてもよいし，複数のモード選択部１２０の中には，他のモード選択部１２０と同じモードを選択するものが存在していてもよい。モード合波部１３０は，複数のモード選択部１２０から出力された複数の単一モード光を合波して空間モード多重信号を出力する。

上記構成のように，多モード光源１１０とモード選択部１２０を組み合わせることで，任意の単一な高次モードで発振する小型の単一高次モードレーザを実現できる。さらに，モードの異なる単一高次モードレーザをアレイ化することで，空間モード多重送信器を簡易な構成で実現できる。

本発明に係る空間モード多重送信器１００において，モード選択部１２０は，選択した単一モード光を反射し，多モード光源１１０に帰還させることにより，当該単一モード光を誘起させる構造であることが好ましい。このように，モード合波部１３０に入力する前に，各単一モードをモード選択部１２０において励起することで，効率良く各単一モードを合波することができる。

本発明に係る空間モード多重送信器１００において，モード選択部１２０は，選択するモード以外の不要なモードを回折させるパターンが記録され，当該不要なモードを除去するホログラム１２１を含んで構成されていることが好ましい。このように，ホログラム１２１によってモード選択部１２０を構成することで，複数の単一高次モードレーザのアレイを２次元平面化することが可能であり，空間モード多重送信器をさらに小型化することが容易になる。

本発明に係る空間モード多重送信器１００において，多モード光源１１０は，面発光レーザ１１１を含んで構成されていることが好ましい。このように，面発光レーザ（多モード光源１１０）の出射部又は共振器内に上述のモード選択部１２０（例えばホログラム）を集積化できれば，任意の単一な高次モードで発振する超小型の単一高次モードレーザを実現できる。

本発明の第２の側面は，空間モード多重受信器に関する。第２の側面に係る空間モード多重受信器２００は，上記第１の側面に係る空間モード多重送信器１００から出力された空間モード多重信号を受信するのに適した構造を持つ。また，第２の側面に係る空間モード多重受信器２００は，アレイ化された単一高次モードレーザを備える点において，上記第１の側面に係る空間モード多重送信器１００と共通する。

第２の側面に係る空間モード多重受信器２００は，分離部２１０，複数の単一高次モードレーザ２２０，及び複数の波長選択部２４０を備える。分離部２１０は，入力された空間モード多重信号を分離する。各単一高次モードレーザ２２０は，分離部２１０で分離された複数の空間モード多重信号がそれぞれ入力され，発振波長及び発振モードがそれぞれ異なり，発振モードが一致したモードを選択的に励振して，当該空間モード多重信号と異なる波長の光信号をそれぞれ出力する。この単一高次モードレーザ２２０は，上述した第１の側面に係る空間モード多重送信器１００と同様に，多モード光源とモード選択部との組み合わせによって構成できる。波長選択部２４０は，複数の単一高次モードレーザ２２０が出力した複数の異なる波長の光信号の中から特定の波長を持つ光信号を選択し，当該選択した光信号を光検出部２５０に出力する。なお，光検出部２５０は，波長選択部２４０が選択した光信号を検出する。

上記構成のように，各単一高次モードレーザ２２０の発振モードに一致した入射モードのみを選択的に励振し，入射波長とは異なる波長で同じデータをもつ信号に変換する。このように，単一高次モードレーザ２２０を用いて入力信号の任意のモードを波長変換することにより，波長フィルタ等の簡単な波長選択部２４０構成で波長を分離でき，結果として任意のモードの分離検出を実現できる。

本発明の第３の側面は，空間モード選択的増幅器に関する。第３の側面に係る空間モード選択的増幅器３００は，光信号の中継器として機能する。また，第３の側面に係る空間モード選択的増幅器３００は，アレイ化された単一高次モードレーザを備える点において，上記第１の側面に係る空間モード多重送信器１００や第２の側面に係る空間モード多重受信器と共通する。

第３の側面に係る空間モード選択的増幅器３００は，空間モード多重信号が入力されたときに，発振モードが一致したモードを選択的に励振した光信号を出力する単一高次モードレーザ３１０を備える。なお，この単一高次モードレーザ３１０は，上述した第１の側面に係る空間モード多重送信器１００と同様に，多モード光源とモード選択部との組み合わせによって構成できる。このように，単一高次モードレーザは，中継器としての増幅器としても応用可能である。

本発明の第４の側面は，空間モード多重送信方法に関する。第４の側面に係る空間モード多重送信方法では，まず，複数の多モード光源１１０から複数のモードを含む多モード光を出力する。次に，複数の多モード光源のそれぞれに対応した複数のモード選択部１２０により，各多モード光源１１０から出力された多モード光から１つのモードを選択して単一モード光を出力する。このとき，複数のモード選択部１２０の少なくとも一つは，他のモード選択部１２０とは異なるモードを選択する。そして，モード合波部１３０により，複数のモード選択部１２０から出力された複数の単一モード光を合波して空間モード多重信号を出力する。

本発明の第５の側面は，空間モード多重受信方法に関する。第５の側面に係る空間モード多重受信方法では，まず，分離部２１０により，空間モード多重信号を分離する。次に，発振波長及び発振モードがそれぞれ異なる複数の単一高次モードレーザ２２０により，分離部２１０で分離された複数の空間モード多重信号をそれぞれ受信し，発振モードが一致したモードを選択的に励振して，当該空間モード多重信号と異なる波長の複数の光信号を出力する。次に，波長選択部２４０により，複数の単一高次モードレーザ２２０が出力した複数の異なる波長の光信号の中から特定の波長を持つ光信号を選択し，光検出部２５０へと出力する。光検出部２５０は，波長選択部２４０が選択した光信号を検出する。

本発明の第６の側面は，空間モード選択的増幅方法に関する。第６の側面に係る空間モード選択的増幅方法では，単一高次モードレーザ３１０に空間モード多重信号を入力し，当該単一高次モードレーザ３１０と発振モードが一致したモードを選択的に励振した光信号を出力する。

本発明によれば，光源（レーザ）から直接任意の空間モード光を生成あるいは増幅する技術を簡易な構成で提供することができる。また，本発明では，その技術を集積化した光源（単一高次モードレーザ）をアレイ化することにより，任意の空間モードを同時に生成可能な空間モード多重送信技術及び受信器技術を簡易な構成で提供することができる。このような小型で安価な空間モード多重送受信器及び増幅器は，低コストの短距離通信用の送受信器及び中継器として普及するものと期待される。

図１は，空間モード多重送信器の一例を示している。 図２は，多モード光源とモード選択部の組み合わせによる単一高次モードレーザの構成例を示している。 図３は，単一高次モードレーザ内の共振構造の一例を示している。 図４は，面発光レーザとホログラムを集積化した単一高次モードレーザの断面構造の一例を示している。 図５は，モード合波部の構成例を示している。 図６は，空間モード多重受信器の一例を示している。 図７は，空間モード選択的増幅器の一例を示している。 図８は，従来の空間モード多重送信器を示している。

以下，図面を用いて本発明を実施するための形態について説明する。本発明は，以下に説明する形態に限定されるものではなく，以下の形態から当業者が自明な範囲で適宜変更したものも含む。

［１．空間モード多重送信器］
まず，本発明に係る空間モード多重送信器１００について説明する。図１は，空間モード多重送信器１００の一実施形態の全体構成を示している。

図１に示されるように，空間モード多重送信器１００は，複数の多モード光源１１０（１１０Ａ，１１０Ｂ，…１１０Ｎ）と，複数のモード選択部１２０（１２０Ａ，１２０Ｂ，…１２０Ｎ）と，モード合波部１３０とを含む。多モード光源１１０とモード選択部１２０は一対一で対になっており，一つの多モード光源１１０から出力された多モード光が一つのモード選択部１２０に入力されるように配置されている。このように，多モード光源１１０から出力された多モード光がモード選択部１２０に入力されると，このモード選択部１２０は，受信した多モード光から１つのモードを選択して単一モード光を出力する。図１に示されるように，本発明では，多モード光源１１０とモード選択部１２０の組み合わせによって「単一高次モードレーザ」が構成される。このため，空間モード多重送信器１００は，多モード光源１１０とモード選択部１２０を集積化した複数の「単一高次モードレーザ」がアレイ化されていることとなる。また，複数の単一高次モードレーザは，それぞれモードの異なる単一モード光を出力する。つまり，モード選択部１２０は，それぞれ，他のモード選択部１２０とは異なるモードを選択するように調整されている。そして，複数の単一高次モードレーザのそれぞれから出力された単一モード光は，一つのモード合波部１３０に入力される。モード合波部１３０は，複数の単一モード光を合波してモード多重信号を生成し，これを外部へと出力する。以下，各要素の好ましい構成について具体的に説明する。

［１−１．多モード光源］
多モード光源１１０は，多モード光（複数のモードを発振する光）を出力する要素である。多モード光源１１０は，例えば，基本モード（ＬＰ_０１モード）及び高次モード（ＬＰ_１１，ＬＰ_２１，ＬＰ_３１，ＬＰ_０２，ＬＰ_１２モード等）を含んで発振する多モード光を出力する。

多モード光源１１０の好ましい例は，面発光レーザ１１１（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）である。面発光レーザ１１１は，半導体基板に対して垂直に光を出力する半導体レーザの一つであり，活性層と呼ばれる光の生成領域の大きさを調整することで，光ファイバのコア径に依存するカットオフと同様に，生成するモード数を変化させることができる。なお，面発光レーザ１１１は，通常は活性層を小さくすることにより，高次モードの発振を抑え単一の基本モードのみで発振するように設計することが一般的であるが，本発明では，あえて面発光レーザ１１１の活性層を大きくし，多モード光源として利用する。面発光レーザ１１１は，基板表面に直交する方向に光を射出する半導体レーザであり，従来の端面発光レーザに比べて低コストで高性能であること，さらにはアレイ化が容易であるという特徴を有している。

なお，多モード光源１１０として利用可能な光源は，面発光レーザに限られず，その他のＬＥＤ（Light Emission Diode）や，ＦＰ（Fabry-Perot）レーザ，ＲＣ（Resonant Cabity）−ＬＥＤ，ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）などの公知の光源を利用することができる。多モード光源１１０は，一般的に，互いに異なる波長の光を出力する複数の光源と，複数の光源から出力される光を合成し出力する光モード合成部と，複数の光源から出力される光の強度及び位相の変調信号を各光源に供給する符号発生部とから構成することができる。

［１−２．モード選択部］
モード選択部１２０は，多モード光源１１０から出力された多モード光の中から任意の一つのモードを選択して単一モードを出力する要素である。図２は，モード選択部１２０の機能が模式的に示されている。図２（ａ）及び（ｂ）に示されるように，本発明では，必要とするモード数に合わせて，面発光レーザ１１１の活性領域を調整し，複数の高次モードの同時発振を促すが，面発光レーザ１１１から多モード光を出射した後，モード選択部１２０によって多モード光の中から一つ任意のモードを選択する。例えば，モード選択部１２０は，面発光レーザ１１１（多モード光源１１０）からの多モード光のうち，選択した任意のモードと，それ以外の非選択のモードとを分離する機能を持つ。また，図１に示されるように，空間モード多重送信器１００は，複数のモード選択部１２０（１２０Ａ，１２０Ｂ，…１２０Ｎ）を有する。これらモード選択部１２０は，それぞれ他のモード選択部１２０とは異なるモードを選択するように調整されている。

また，図２（ｃ）は，面発光レーザ１１１，モード選択部１２０，及びミラー１２２によって，任意のモードを選択的に励起させる共振器が形成された構造を簡易的に示している。すなわち，面発光レーザ１１１から出力された多モード光源の中からモード選択部１２０によって任意のモードが選択され，その選択モードがミラー１２２において反射し，面発光レーザ１１１へと帰還する。選択モードは，面発光レーザ１１１において再度反射し，面発光レーザ１１１から出力される多モード光と合成される。これにより，選択モードが誘起される。このように，面発光レーザ１１１及びモード選択部１２０との組み合わせにより，単一モードを選択的に誘起させる「単一高次モードレーザ」を実現できる。

図３では，上記した共振器構造をさらに具体的に示している。この例において，多モード光源１１０は，面発光レーザ１１１及びコリメートレンズ１１２を含み，モード選択部１２０は，ホログラム１２１，ミラー１２２，及びハーフミラー１２３を含む。面発光レーザ１１１から出射された多モード光は，コリメートレンズ１１２を介して，ホログラム１２１に入射する。なお，面発光レーザ１１１とホログラム１２１の間には適当な透過率を持つハーフミラー１２３が配置されているが，出力パワーの一部はハーフミラー１２３の反射面を透過しホログラム１２１に入射する。ホログラム１２１には，選択モード以外を回折させるパターン（複素振幅分布）が記録（角度多重）されており，不要なモードを共振器から除去する。図３に示した例において，多モード光には，ＬＰ_０１，ＬＰ_１１，ＬＰ_２１，ＬＰ_３１のモードが含まれており，そのうちのＬＰ_２１モードが選択モードとなっている。このため，ホログラム１２１は，ＬＰ_０１，ＬＰ_１１，ＬＰ_３１の不要モードを回折するようにパターンが記録されている。選択モード（ＬＰ_２１）は，ホログラム１２１を通過後，ミラー１２２で反射されて，面発光レーザ１１１へと帰還する。他方で，不要モード（ＬＰ_０１，ＬＰ_１１，ＬＰ_３１）は，ホログラム１２１において回折され，ミラー１２２には入射せず，その結果共振器から除去される。選択モードは，面発光レーザ１１１へと帰還することによって誘起され出力パワーが増大する。また，面発光レーザ１１１とホログラム１２１の間には，ハーフミラー１２３が設けられており，選択モードの出力パワーの一部は，ハーフミラー１２３の反射面を透過せずに反射して，共振器の外部に取り出される。このようにして，単一高次モードレーザ内の共振器構造により，選択モードを選択的に誘起することができる。

上記のとおり，図３では，各種光学素子を実装した空間光学系により選択モードの共振器構造を実現する方法を示した。続いて，図４では，面発光レーザとホログラムの集積化により共振器構造を実現する方法を示す。図４は，面発光レーザ（多モード光源）上にホログラム層（モード選択部）を集積化した垂直共振型の単一高次モードレーザの断面構造を示している。

図４に示されるように，面発光レーザ（具体的には面発光型半導体レーザ）は，半導体基板上に一対の誘電体多層膜反射鏡と半導体多層膜反射鏡とが形成されており，それら一対の多層膜反射鏡の間に発光領域となる活性層を有している。また，一対の多層膜反射鏡の間には，活性層への電流注入効率を高めて閾値電流を下げるために，電流注入領域を狭めた構造を持つ活性領域調整層が設けられている。また，下面側には−電極，上面側には＋電極がそれぞれ設けられ，上部の＋電極にはレーザ光を射出するために光射出口が設けられている。この種の面発光レーザにおいて，電流は活性領域調整層により狭窄された後に活性層に注入され，この活性層内で発光する。特に，本発明では，面発光レーザの活性層を大きく形成し，この活性層内で多モード光を生成する。多モード光は，一対の多層膜反射鏡で反射を繰り返しながらレーザ光として＋電極の光射出口から射出される。

図４に示されるように，多モード光（レーザ光）の射出口の直上あるいはこの射出口内部に，選択モード以外を回折させるパターン（複素振幅分布）が記録されたホログラム層を形成する。具体的には，このホログラム層は，誘電体多層膜反射鏡と＋電極の間に介在する。射出口から出射された多モード光がホログラム層に入射すると，選択モード以外の不要（ロス）モードが回折し外部へと除去され，選択モードのみが正規の方向へと出力される。このように，面発光レーザとホログラムを集積化することで，超小型の単一高次モードレーザを実現できる。

上記のように，モード選択部１２０は，レーザの小型化や選択モードの反射率向上の観点から，複素振幅分布（すなわち空間的な強度・位相情報）が保存されたホログラム１２１を利用することが好ましい。ただし，本発明において，モード選択部１２０は，ホログラムを利用した構造に限定されず，その他に，例えば（１）出射面の反射率をエッチング等により下げる構造や，（２）フォトニック結晶を用いたモード選択構造，（３）モード形状に合わせて電極を配置した構造，あるいは（４）これらのモード選択の組み合わせであってもよい。（１）では，多モード光源の出射面にＦＩＢ（Focused Ion Beam）等のエッチング技術を用いて微細なトレンチ構造を形成し，空間的に反射率の異なる反射鏡を形成することより，反射率が最も高いモードを選択的に誘起して発振することができる。（２）では，多モード光源の出射面にフォトニック結晶構造（周期的な開口）を形成し，出射部に適当な欠陥を作ることにより単一高次モードを発振させることができる。（３）では，レーザ素子の活性領域中央に電流を集中させることで高次モードを選択的に発振させることが可能である。なお，モード選択部は，上記した構造に限定されず，公知の構造を適宜採用できる。

［１−３．モード合波部］
モード合波部１３０は，アレイ化された複数の単一高次モードレーザから出力された複数の単一モード光を合波する要素である。つまり，モード合波部１３０は，複数の単一モード光を合波して空間モード多重信号を得る。モード合波部１３０の構造は特に制限されないが，その一例を図５に示す。

図５（ａ）に示された例では，モード合波部１３０は，結合レンズ１３１と数モードファイバ１３２（ＦＭＦ：Few Mode Fiber）によって構成されている。単一高次モードレーザアレイから射出された複数の単一モードは，結合レンズ１３１によって数モードファイバ１３２のコアに結合され，そのコアの中で合波され，その結果，数モードファイバ１３２が空間モード多重信号を伝送する。図５（ｂ）に示された例では，モード合波部１３０は，マルチコアファイバ１３３（ＭＣＦ：Multi Core Fiber）と，溶融型ファイバカプラ１３４と，数モードファイバ１３２とによって構成されている。単一高次モードレーザアレイから射出された複数の単一モードは，マルチコアファイバ１３３の各コアに別々に入射し，マルチコアファイバ１３３に接続された溶融型ファイバカプラ１３４を経由して，数モードファイバ１３２のコアに結合される。複数の単一モードは，数モードファイバ１３２のコア内部で合波されて，そのまま空間モード多重信号として数モードファイバ１３２を伝送する。また，図５（ｃ）は，単一高次モードレーザアレイの直後にマイクロレンズアレイ１３５を配置した例を示している。マイクロレンズアレイ１３５は，アレイ状に並んだ小型のレンズであり，面内に並んだ各レーザ素子に１対１で接続することができる。例えば結合効率を高めるために，マイクロレンズアレイ１３５は，図５（ａ）に示した単一高次モードレーザアレイと結合レンズ１３１の間，及び図５（ｂ）に示した単一高次モードレーザアレイとマルチコアファイバ１３３に配置することも可能である。

上記のとおり，空間モード多重送信器１００の好ましい実施形態では，多モード光源１１０として，複数の高次モード（基本モードを含む）を同時に発振する面発光レーザ１１１を用いるとともに，この面発光レーザ１１１に集積可能なモード選択部１２０（ホログラム１２１）を用いることにより，一つのモードを選択して出力する「単一高次モードレーザ」を提案する。特に，面発光レーザ１１１は２次元的な平面アレイ化が容易であることから，モードの異なる単一高次モードレーザをアレイ配置することが容易である。そして，アレイ配置された単一高次モードレーザからの出力をモード合波構造用いて一括的に数モードファイバに結合させる。このようにして，小型の空間モード多重送信器１００を簡易な構造で実現することができる。

［２．空間モード多重受信器］
次に，本発明に係る空間モード多重受信器２００について説明する。図６は，空間モード多重受信器２００の一実施形態の全体構成を示している。この空間モード多重受信器２００は，上述した空間モード多重送信器１００から出力されてきた空間モード多重信号を受信するのに適している。

図６に示されるように，空間モード多重受信器２００は，分離部２１０と，複数の単一高次モードレーザ２２０（２２０Ａ，２２０Ｂ，…２２０Ｎ）と，合成部２３０と，波長選択部２４０と，光検出部２５０とを含む。例えば図６に示されるように，数モードファイバで伝送されてきた（異なるデータをもつ）波長λ_０の空間モード多重信号は，分離部２１０で分離され，発振波長と発振モードの異なる単一高次モードレーザ２２０（波長λ_１，λ_２，λ_３）に入力される。このとき，各レーザ２２０の発振モードに一致した入射モードのみが選択的に励振され，入射波長とは異なる波長で同じデータをもつ光信号が出力される。波長変換後の各モードは，合成部２３０により再び数モードファイバに結合させ伝送させてもよいし，直後に波長選択部２４０を設けて不要なモードを除去した後，光検出部２５０で受信してもよい。図６の例では，波長変換後の複数のモードを合成部２３０によって数モードファイバに結合させ，その後に波長選択部２４０で選択した任意のモードのみを光検出部２５０で検出する。通常，任意のモードを空間的に分離することは困難であるが，単一高次モードレーザ２２０を用いて任意のモードを波長変換することにより，簡単な波長フィルタ等の構成で，波長（すなわちモード）の分離を実現することができる。

［２−１．分離部］
分離部２１０は，空間モード多重信号の波長を変えずに分離するための要素である。分離部２１０は，数モードファイバなどを介して所定の波長λ_０の空間モード多重信号が入力されると，この空間モード多重信号を複数にパワー分離し，複数の単一高次モードレーザ２２０のそれぞれに出力する。分離部２１０としては，例えば１×Ｎの導波路型ビームスプリッタや光カプラなどを用いればよい。

［２−２．単一高次モードレーザ］
単一高次モードレーザ２２０は，空間モード多重信号に含まれる任意の選択モードを誘起するとともに，選択モードのみの波長を変換するための要素である。例えば，パワー分離された波長λ_０の空間モード多重信号が第１の単一高次モードレーザ２２０Ａに入力されると，この第１の単一高次モードレーザ２２０Ａは，空間モード多重信号の中から選択モードを誘起するとともに，当該選択モードの波長を波長λ_０から波長λ_１へと変換する。なお，選択モード以外のモードの波長は，入射波長λ_０のままである。また，複数の単一高次モードレーザ２２０（２２０Ａ，２２０Ｂ，…２２０Ｎ）は，それぞれ発振モードと発振波長が異なっている。例えば，第１の単一高次モードレーザ２２０Ａは，発振モードがＬＰ_１１で，発振波長がλ_１であり，第２の単一高次モードレーザ２２０Ｂは，発振モードがＬＰ_２１で，発振波長がλ_２である。このため，各単一高次モードレーザ２２０からは，異なる選択モードが誘起され，かつ，当該選択モードが異なる波長に変換された光信号が出力されることとなる。例えば，第１の単一高次モードレーザ２２０Ａからは波長λ_１に変換されたＬＰ_１１モードの光信号が出力され，第２の単一高次モードレーザ２２０Ｂからは波長λ_２に変換されたＬＰ_２１モードの光信号が出力される。

このような空間モード多重受信器２００の単一高次モードレーザ２２０は，前述した空間モード多重送信器１００の単一高次モードレーザと同様に，面発光レーザとホログラムとによって構成することができる。単一高次モードレーザ２２０は，面発光レーザとホログラムとを空間光学系で実装したもの（図３参照）であってもよいし，面発光レーザとホログラムとを集積化したもの（図４参照）であってもよい。また，各単一高次モードレーザ２２０は，発振波長と発振モードがそれぞれ異なるものであるが，このとき，入射光による発振を誘発させるため，各レーザはしきい値付近の電流注入状態に保持される。これにより，各レーザの発振モードに一致した入射モードのみが選択的に励振され，入射波長とは異なる波長で同じデータをもつ光信号が出力されることとなる。

［２−３．合成部］
合成部２３０は，複数の単一高次モードレーザ２２０から出力された複数の光信号を合成するための要素である。合成部２３０に入力される複数の光信号は，それぞれ励振モードとその波長が異なっている。合成部２３０は，例えば複数の光信号を数モードファイバに結合される。合成部２３０の構成としては，例えば前述した空間モード多重送信器１００のモード合波部１３０と同様のもの（図５参照）を採用することができる。なお，合成部２３０は省略することができ，複数の単一高次モードレーザ２２０からの出力を波長選択部２４０に直接繋げることも可能である。

［２−４．波長選択部及び光検出部］
波長選択部２４０は，複数の単一高次モードレーザ２２０が出力した複数の異なる波長の光信号の中から特定の波長を持つ光信号を選択するための要素である。波長選択部２４０において波長に応じて光信号を分離することにより，実質的にはモード分離を実現することができる。すなわち，波長選択部２４０には，複数のモードがそれぞれ異なる波長に変換された光信号が入力される。このため，光信号を波長に応じて分離することで，簡単にモード分離を実現できる。例えば，図６に示した例では，ＬＰ_１１モードは波長λ_１に変換され，ＬＰ_２１モードは波長λ_２に変換されており，波長選択部２４０は，波長λ_１の光信号を選択して光検出部２５０へと導く。これにより，波長λ_１のＬＰ_１１モードのみを分離して光検出することが可能となる。任意のモードを空間的に分離することは通常困難であるが，上記構成によれば，簡単な波長フィルタ等によって波長（すなわちモード）の分離を実現することができる。波長選択部２４０としては，例えば公知の波長選択フィルタや波長選択スイッチを用いればよい。また，光検出部２５０は，公知のフォトダイオードなどを用いればよい。

［３．空間モード選択的増幅器］
次に，本発明に係る空間モード選択的増幅器３００について説明する。空間モード選択的増幅器３００は，上述した空間モード多重送信器１００や空間モード多重受信器２００に含まれる「単一高次モードレーザ」を，光増幅器として応用したものである。空間モード選択的増幅器３００は中継器として機能するものであるため，送信器と受信器の間の光路に配置して任意のモードを選択的に増幅する用途で利用することができる。

図７は，空間モード選択的増幅器３００の一例を示している。空間モード選択的増幅器３００は，数モードファイバ（ＦＭＦ：Few Mode Fiber）や結合型マルチコアファイバ（ＣＭＣＦ：Coupled Multi Core Fiber）に結合された単一高次モードレーザ３１０を含む。単一高次モードレーザ３１０は，所定の発振波長と発振モードを持つ。空間モード選択的増幅器３００の単一高次モードレーザ３１０も，前述した空間モード多重送信器１００の単一高次モードレーザと同様に，面発光レーザとホログラムとによって構成することができる。

図７（ａ）に示された例では，単一高次モードレーザ３１０は，入射する空間モード多重信号の波長λ_０と同じ発振波長λ_０を有している。波長λ_０の空間モード多重信号が単一高次モードレーザ３１０（発振波長λ_０，発振モードＬＰ_１１）に入力されると，単一高次モードレーザ３１０において発振モードと一致するモードが励振されて，波長変換はされずにそのまま出力される。このように，単一高次モードレーザ３１０を利用して，任意の選択モードの光増幅を行うことができる。

他方で，図７（ｂ）に示された例では，単一高次モードレーザ３１０は，入射する空間モード多重信号の波長λ_０とは異なる発振波長λ_１を有している。このため，波長λ_０の空間モード多重信号が単一高次モードレーザ３１０（発振波長λ_１，発振モードＬＰ_１１）に入力されると，単一高次モードレーザ３１０において発振モードと一致するモードが励振されるとともに，その励振モードの波長が波長λ_０から波長λ_１に変換されて出力される。このように，単一高次モードレーザ３１０を利用して，任意の選択モードの光増幅を行うと同時に，当該選択モードの波長変換を行うことができる。このように，図７（ｂ）に示された単一高次モードレーザ３１０は光増幅機能に加えて波長変換機能を持つものである。

以上，本願明細書では，本発明の内容を表現するために，図面を参照しながら本発明の実施形態の説明を行った。ただし，本発明は，上記実施形態に限定されるものではなく，本願明細書に記載された事項に基づいて当業者が自明な変更形態や改良形態を包含するものである。

アクセスネットワークやデータセンターネットワーク等における短距離通信では，半導体レーザの直接変調をベースとし，波長多重や多値化（ＰＡＭ４）等の大容量化技術が導入されている。本発明は，これらの既存技術で使われる直接変調レーザに容易に導入できる技術であることから，既存技術と本発明が提供する空間モード多重技術とを併用することにより，さらに１０倍近い伝送容量を安価に提供できると見込まれる。

１００…空間モード多重送信器 １１０…多モード光源
１１１…面発光レーザ １１２…コリメートレンズ
１２０…モード選択部 １２１…ホログラム
１２２…ミラー １２３…ハーフミラー
１３０…モード合波部 １３１…結合レンズ
１３２…数モードファイバ １３３…マルチコアファイバ
１３４…溶融型ファイバカプラ １３５…マイクロレンズアレイ
２００…空間モード多重受信器 ２１０…分離部
２２０…単一高次モードレーザ ２３０…合成部
２４０…波長選択部 ２５０…光検出部
３００…空間モード選択的増幅器 ３１０…単一高次モードレーザ

Claims (6)

1. 複数のモードを含む多モード光を出力する多モード光源（１１０）と，当該多モード光から１つのモードを選択して単一モード光を出力すると共にそれ以外の不要なモード光を回折することによって除去するパターンが角度多重記録されたホログラム（１２１）とが集積された，複数の単一高次モードレーザと，
   前記複数の単一高次モードレーザから出力された複数の単一モード光を合波して空間モード多重信号を出力するモード合波部（１３０）と，を備え，
   前記複数の単一高次モードレーザの少なくとも一つは，他の単一高次モードレーザとは異なるモードを選択する
   空間モード多重送信器。
2. 前記単一高次モードレーザは，選択した単一モード光を反射し，前記多モード光源（１１０）に帰還させることにより，当該単一モード光を誘起させる
   請求項１に記載の空間モード多重送信器。
3. 前記多モード光源（１１０）は，面発光レーザ（１１１）を含む
   請求項１又は請求項２に記載の空間モード多重送信器。
4. 入力された空間モード多重信号を分離する分離部（２１０）と，
   前記分離部で分離された複数の空間モード多重信号がそれぞれ入力され，発振波長及び発振モードがそれぞれ異なり，発振モードが一致したモードを選択的に励振して，当該空間モード多重信号と異なる波長の光信号をそれぞれ出力する複数の単一高次モードレーザ（２２０）と，
   前記複数の単一高次モードレーザが出力した複数の異なる波長の光信号の中から特定の波長を持つ光信号を選択し，光検出部（２５０）に出力する波長選択部（２４０）と，を備え，
   前記単一高次モードレーザは，多モード光を出力する多モード光源と，当該多モード光から１つのモードを選択して単一モード光を出力すると共にそれ以外の不要なモード光を回折することによって除去するパターンが角度多重記録されたホログラムとが集積されたものであり，選択した単一モード光を反射し，前記多モード光源に帰還させることにより，当該単一モード光を選択的に励振する
   空間モード多重受信器。
5. 空間モード多重信号が入力されたときに，発振モードが一致したモードを選択的に励振した光信号を出力する単一高次モードレーザ（３１０）を備え，
   前記単一高次モードレーザは，多モード光を出力する多モード光源と，当該多モード光から１つのモードを選択して単一モード光を出力すると共にそれ以外の不要なモード光を回折することによって除去するパターンが角度多重記録されたホログラムとが集積されたものであり，選択した単一モード光を反射し，前記多モード光源に帰還させることにより，当該単一モード光を選択的に励振する
   空間モード選択的増幅器。
6. 前記単一高次モードレーザ（３１０）は，発振モードが一致したモードを選択的に励振するとともに，入力された空間モード多重信号とは異なる波長の光信号として出力する
   請求項５の空間モード選択的増幅器。

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