JP7307416B2

JP7307416B2 - モード選択スイッチ

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Publication number: JP7307416B2
Application number: JP2019125212A
Authority: JP
Inventors: 淳岡本; 智弘前田; 泰純柴; 武敏高畠; 聡品田; 尚也和田
Original assignee: Hokkaido University NUC; National Institute of Information and Communications Technology; Optoquest Co Ltd
Current assignee: Hokkaido University NUC; National Institute of Information and Communications Technology; Optoquest Co Ltd
Priority date: 2019-07-04
Filing date: 2019-07-04
Publication date: 2023-07-12
Anticipated expiration: 2039-07-04
Also published as: JP2021012252A

Description

本発明は、モード選択スイッチに関する。

これまでの光通信システムは、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）方式における波長チャネルの高密度化や、デジタルコヒーレント信号処理による信号の多値化によって伝送容量を拡大してきた。伝送容量の拡大に際して、光源、光送受信装置および伝送媒体である光ファイバ等の、光伝送に必要な基本要素だけでなく、経路切り替え装置であるノードに関する技術もまた発展を続けてきた。例えば、波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）（非特許文献１参照）は、ＷＤＭ方式により多重化された信号光の経路を個別に切り替えることができる装置であり、ノードを構成する主要装置の一つである。

また近年では、急増を続けるネットワークトラフィックを収容するために、空間の自由度を新たな多重軸とした空間分割多重（ＳＤＭ：Space-Division Multiplexing）方式が検討されている（非特許文献２および３参照）。ＳＤＭ方式において、空間チャネルを考慮したノードを構成するためのスイッチとして、空間チャネルを一括で経路を切り替える空間チャネルジョイントスイッチや（非特許文献４および５参照）、空間チャネルに対してそれぞれ経路を割り当てる空間チャネル独立スイッチが検討されている（非特許文献６参照）。

また、複数の空間モードが伝送可能な数モードファイバ（ＦＭＦ：Few-mode Fiber）によるＳＤＭでは通常、導波モード間に生じる信号光の結合を補償するため、受信端においてＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）信号処理が必要となる。近年ではＭＩＭＯ信号処理の複雑さ低減を目的として、弱結合ＦＭＦを利用したＳＤＭ伝送が検討されている（非特許文献７参照）。弱結合ＦＭＦによるＳＤＭで利用可能なモード選択スイッチとしては、例えばモード選択パケットスイッチ技術が提案されている（非特許文献８参照）。

なお、非特許文献１０および１１には、体積ホログラム素子について開示されている。

T. A. Strasser and J. L. Wagener, "Wavelength-Selective Switches for ROADM Applications," J. Sel. Top. Quantum Electron. 16(5), 1150-1157 (2010). K. Saitoh, "Multicore Fiber Technology," J. Lightw. Technol. 34(1), 55-66 (2016). S. Berdague and P. Facq, "Mode division multiplexing in optical fiber," Appl. Opt. 21(11), 1950-1955 (1982). M. D. Feuer et al., "ROADM System for Space Division Multiplexing with Spatial Superchannels," Proc. OFC 2013, PDP5B.8. N. K. Fontaine et al., "Heterogeneous Space-Division Multiplexing and Joint Wavelength Switching Demonstration," Proc. OFC 2015, Th5C.5. K. Suzuki et al., "Wavelength selective switch for multi-core fiber based space division multiplexed network with core-by-core switching capability," Proc. OECC/PS 2016, WF1-2. D. Boivin et al., "Weakly-coupled Few-mode Fibers for Single-mode and Mode-division-multiplexed Transmissions," Proc. OFC/NFOEC 2013, OTh3K.6. N. P. Diamantopoulos et al., "Mode-selective optical packet switching in mode-division multiplexing networks," Opt. Express 23(18), 23660-23666 (2015). K. Takenaga et al., "Multicore fibre-based Mode Multiplexer/Demultiplexer for Three-Mode Operation of LP01, LP11a, and LP11b," Proc. ECOC 2014, Tu.4.1.4. Y. Wakayama et al., "Mode demultiplexer using angularly multiplexed volume holograms," Opt. Express 21(10), 12920-12933 (2013). X. An, D. Psaltis and G. W. Burr, "Thermal fixing of 10,000 holograms in LiNbO3:Fe," Appl. Opt. 38(2), 386-393 (1999).

しかしながら、非特許文献８に開示された技術では、複数の入力ポート（ＦＭＦ）から入力する信号光を、空間モード毎にそれぞれ異なる出力ポート（ＳＭＦ）へと導く。ここで、ＳＭＦはＦＭＦよりも伝送容量が小さいため、出力ポート側で伝送容量のボトルネックが生じる。すなわち、非特許文献８に開示された技術では、空間モードのチャネル数に比例した大容量ＳＤＭ通信システムにおけるスイッチングは困難である。ＳＤＭネットワークにおいて柔軟に信号経路の切り替え制御を行うためには、ＦＭＦ間でモード多重された信号光の経路切り替えを可能とするスイッチ技術の確立が必要となる。

また、モード多重信号光を空間的に分離するためには、モード合分波器として特殊な構造を有したマルチコアファイバ（ＭＣＦ：Multi-Core Fiber）（非特許文献９参照）等の多くの素子が必要となる。しかしながら、ノードはアクセス網において数多く利用される装置であるため、その構成要素となるモード選択スイッチは安価かつ小型であることが望ましい。

本発明の一態様は、大容量ＳＤＭ通信システムに適用可能な、安価かつ小型のモード選択スイッチを実現することを目的とする。

前記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るモード選択スイッチは、互いに異なる空間モードを有する複数の単一モードの信号光が含まれる、第１の信号光を入力する入力部と、前記第１の信号光の中から選択された、１つ以上の前記単一モードの信号光が含まれる、第２の信号光を出力する少なくとも１つの出力部と、前記第１の信号光を、前記単一モードの信号光ごとに対応する第３の信号光に分離する第１体積ホログラムと、分離された複数の前記単一モードの信号光に対応する前記第３の信号光の中から、前記出力部に導かれる１つ以上の前記単一モードの信号光に対応する前記第３の信号光を選択するスイッチ素子と、前記スイッチ素子により選択された前記出力部に導かれる１つ以上の前記単一モードの信号光に対応する前記第３の信号光を、前記第２の信号光に変換する第２体積ホログラムと、を備え、前記第１体積ホログラムは、入射した前記第１の信号光を、前記単一モードの信号光ごとに異なる、光出射面に対する出射角である伝播角度を与えた前記第３の信号光とし、前記第２体積ホログラムは、前記第３の信号光を、前記伝播角度ごとにそれぞれ異なる空間モードを有する前記単一モードの信号光に変換することを特徴とする。

前記の構成によれば、第１体積ホログラムはモード分波器として機能し、第２体積ホログラムはモード合波器として機能する。体積ホログラムは、ホログラム記録時の条件によって、第３の信号光に与える伝播角度を数十度のオーダーで設定できる。したがって、スイッチ素子上に集光する第３の信号光毎の間隔を十分に確保できる。そのため、モード選択スイッチは、モード合分波器以外にＦＩ／ＦＯデバイス等の追加部材を備える必要がない。これにより、モード選択スイッチの構造を簡便にできるため、ＳＤＭ通信システムに適用可能な性能を備えた、安価かつ小型のモード選択スイッチを実現できる。

本発明の一態様に係るモード選択スイッチは、前記第１体積ホログラムと、前記第２体積ホログラムとは、いずれも同一の情報が記録された体積ホログラムであり、前記スイッチ素子から出射された前記第３の信号光の前記第２体積ホログラムへの入射角度は、当該第３の信号光に与えられた前記伝播角度と同一であってもよい。

前記の構成によれば、単一モードの信号光が第１体積ホログラムにより第３の信号光に変換された後、第２体積ホログラムにより当該第３の信号光が単一モードの信号光に再度変換されたとき、空間モードを保持できる。

本発明の一態様に係るモード選択スイッチは、前記第１体積ホログラムによって分離された前記第３の信号光のそれぞれを、前記スイッチ素子における前記伝播角度に応じた位置に集光するレンズを備えていてもよい。

前記の構成によれば、モード選択スイッチにおいて、入力部または出力部における配置間隔によらず、複数の第３の信号光のそれぞれをスイッチ素子の所定の位置に容易に集光できる。これにより、モード選択スイッチにおける入力部または出力部の配置位置の自由度を高めることができる。

本発明の一態様に係るモード選択スイッチは、前記入力部に接続されたマルチモード光ファイバを備えていてもよい。前記の構成によれば、モード選択スイッチは空間モード多重された信号光を入力できる。

本発明の一態様に係るモード選択スイッチは、前記出力部に接続されたマルチモード光ファイバを備えていてもよい。前記の構成によれば、モード選択スイッチは空間モード多重された信号光を出力できる。

本発明の一態様によれば、大容量ＳＤＭ通信システムに適用可能な、安価かつ小型のモード選択スイッチを実現できる。

本発明の一実施形態に係るモード選択スイッチの概要を模式的に示す図である。本発明の一実施形態に係る別のモード選択スイッチの概要を模式的に示す図である。本発明の一実施形態に係るモード選択スイッチが備える、体積ホログラムの作用を模式的に示す図である。本発明の一実施例に係るモード選択スイッチの数値解析モデルを示す図である。本発明の一実施例に係るモード選択スイッチの数値解析モデルの各パラメータを示す図である。本発明の一実施例に係るモード選択スイッチの数値解析結果を示す図である。参考例に係るモード選択スイッチの一例を模式的に示す図である。

〔モード選択スイッチの概要〕
本発明の一実施形態について、図１～図３および図７を参照して以下に説明する。図１の構成例１０１に示すように、本実施形態に係るモード選択スイッチ１０は、入力ポート（入力部）１と、第１体積ホログラム２ａと、第２体積ホログラム２ｂと、レンズ３と、スイッチ素子４と、出力ポート（出力部）５ａ・５ｂと、を備えている。

モード選択スイッチ１０は、入力光（第１の信号光）に含まれる、それぞれ異なる空間モードを有する複数の単一モードの信号光の経路を、当該信号光毎に独立して選択する、経路選択スイッチである。なお本明細書では、特記が無い限り「信号光」は単一の空間モードを有する単一モードの信号光のことを示す。また、「多重信号光」は、互いに異なる空間モードを有する複数の単一モードの信号光が含まれる、空間モード多重された信号光を示す。

（参考例に係るモード選択スイッチ）
ここで、図７を参照して、参考例に係るモード選択スイッチ２０の一例について説明する。図７の構成例７０１に示すように、モード選択スイッチ２０において、入力光に含まれるそれぞれの信号光が有する空間モードは、出力ポート２６を指定するためのヘッダとして機能する。当該空間モードに基づいて、複数の入力ポート２１から入力する信号光に対してそれぞれ独立した経路制御を与えることにより、それぞれ異なる出力ポート２６へと信号光を出力する。ここではモード選択スイッチ２０の動作について、２つの入力ポート２１（＃１、＃２）へ、それぞれ２モード（Ｍ_ｉ、ｉ＝１、２）に空間モード多重された多重信号光を入力光として入力する場合を例に挙げて説明する。

図７の概念例７０２に示すように、各入力ポート２１において、時間軸ｔ上で各空間モード成分が並ぶように多重信号光を入力する。モード選択スイッチ２０は、入力ポート２１から入力した入力光を、ＭＣＦベースのモード分波器２２によりモード毎に分離する。モード分波器２２から出射された信号光は、それぞれ異なるＳＭＦ２４へと結合するファンインファンアウト（ＦＩ／ＦＯ：Fan-In/Fan-Out）デバイス２３を介してスイッチ素子２５へと入力される。スイッチ素子２５では、分離された各信号光に対してそれぞれ独立した経路制御が与えられる。これにより、＃１および＃２の両方の入力ポート２１から入力された信号光Ｍ_１は＃１の出力ポート２６から、信号光Ｍ_２は出力ポート＃２からそれぞれ出力する。

ここで、モード選択スイッチ２０では、出力ポート２６としてＳＭＦが利用されるため、複数のＦＭＦ間における信号光の経路切り替えはできない。加えて、複数の信号光が同一の出力ポート２６に同時に出力されると信号光間で競合が発生する。そのため、図７の概念例７０２のように、入力ポート２１では各空間モードを有する信号光が時間軸ｔ上で重ならないように、モード選択スイッチ２０の前にディレイライン等を用いて時間軸ｔ上のバッファを設ける必要がある。

すなわち、モード選択スイッチ２０は、同一時間軸上で多重信号光を伝送するＳＤＭネットワークにおいて、複数のＦＭＦ間で信号光の経路切り替えを行うノードとしての機能は有さない。また、モード選択スイッチ２０で用いられているＭＣＦベースのモード分波器２２ではＭＣＦのコア間隔が数十μｍであるのに対して、スイッチ素子２５上では数百μｍの分離幅が必要とされる。したがって、スイッチ素子２５への信号光の集光において、十分な分離幅を得ることが困難である。

そのため、モード選択スイッチ２０では、入力ポート２１とスイッチ素子２５との間にモード分波器２２だけでなく、ＭＣＦの各コアとＳＭＦとを接続するためのＦＩ／ＦＯデバイス２３が必要となる。

（本実施形態に係るモード選択スイッチ）
一方、本実施形態に係るモード選択スイッチ１０は、モード合分波器として第１体積ホログラム２ａおよび第２体積ホログラム２ｂを備えることで、ＦＭＦ間での信号光の経路切り換えが可能である。また、モード選択スイッチ１０にはＳＭＦが含まれないため、追加でＦＩ／ＦＯデバイス等を備える必要がない。以下、説明する。

モード選択スイッチ１０は、入力ポート１から入力される、多重信号光である入力光の中から、所定の１つ以上の信号光を選択的に分離し、分離された信号光または分離された複数の信号光が含まれる多重信号光を、出力光（第２の信号光）として所定の出力ポート（出力ポート５ａまたは出力ポート５ｂ）から出力する。したがって、入力ポート１および出力ポート５ａ・５ｂには、いずれもＦＭＦが接続されていて良い。

図１に示すように、２モード（Ｍ_ｉ、ｉ＝１、２）に空間モード多重された入力光がモード選択スイッチ１０に入力する場合、当該入力光には信号光Ｍ_１と信号光Ｍ_２とが含まれる。図１の概念例１０２に示すように、信号光Ｍ_１および信号光Ｍ_２が同一時間軸ｔ上で空間モード多重された入力光を入力ポート１に入力した場合、モード選択スイッチ１０は、出力ポート５ａから信号光Ｍ_１を、出力ポート５ｂから信号光Ｍ_２を、それぞれ出力光として選択的に出力できる。

なお、図２に示すように、入力ポート１から入力される入力光である多重信号光における空間モードの多重数は、３重であってもよく、４重以上であってもよい。また、出力ポート５ａ・５ｂから出力される出力光は、単一モードの信号光ではなく、多重信号光であっていてもよい。

本実施形態に係るモード選択スイッチ１０は、多重信号光である入力光のモード分波器として、第１体積ホログラム２ａを備える。またモード選択スイッチ１０は、第１体積ホログラム２ａによって信号光から変換された平面波（第３の信号光）を、当該変換前の空間モード（以下、「元の空間モード」）を有する信号光に再度変換するモード変換器（またはモード復元器）として、第２体積ホログラム２ｂを備える。第２体積ホログラム２ｂは、複数の平面波が入射した場合には、これら複数の平面波のそれぞれを元の空間モードを有する信号光に変換するとともに、これらの信号光を合波して、多重信号光とするモード合波器としても機能する。

これにより本発明の一態様は、大容量ＳＤＭ通信システムに適用可能な、安価かつ小型のモード選択スイッチ１０を実現している。以下、詳細に説明する。

〔モード選択スイッチの構成〕
図１の構成例１０１に示すように、モード選択スイッチ１０に信号光が入力および出力する方向をｚ軸方向とする。また、ｚ軸方向と直交し、かつ紙面に向かって上下となる方向をｘ軸方向とする。また、ｚ軸方向と直交し、かつ紙面の奥行きの方向をｙ軸方向とする。これは図４でも同様である。

入力ポート１には、多重信号光を伝送可能なＦＭＦ等のマルチモード光ファイバ（不図示）が接続されている。マルチモード光ファイバによれば、多重信号光が有する空間モードのチャネル数に比例して、データ伝送容量を拡大することができる。なお、図１の構成例１０１には、単一の入力ポート１を備えるモード選択スイッチ１０を示しているが、これに限らず、モード選択スイッチ１０は複数の入力ポート１を備えていてもよい。入力ポート１は、マルチモード光ファイバから伝送されてきた多重信号光を入力光としてモード選択スイッチ１０に入力する。

第１体積ホログラム２ａは、モード選択スイッチ１０に入力した多重信号光を、空間モード毎に異なる平面波として分離するモード分波器として機能する。第１体積ホログラム２ａは、入射する信号光を、特定の空間モードを有しない平面波に変換し、かつ当該信号光が有する空間モードに応じた所定の伝播角度θ_ｙｉを当該平面波に与える部材である。伝播角度θ_ｙｉは、第１体積ホログラム２ａの光出射面に対する平面波の出射角である。

したがって、第１体積ホログラム２ａは、多重信号光が入射した場合、当該多重信号光を空間モードごとに異なる伝播角度θ_ｙｉを持つ複数の平面波として分離する、モード分波器として機能する。

第１体積ホログラム２ａは、複数の異なる条件により記録されたホログラムを多重化して形成されている。モード選択スイッチ１０が経路選択できる空間モードの種類および数は、第１体積ホログラム２ａに含まれるホログラムの種類および数に依存する。ここで、体積ホログラムは１００を超える角度多重記録が可能である。そのため、第１体積ホログラム２ａに含まれるホログラムの多重記録数を増やすことにより、モード選択スイッチ１０に入力できる多重信号光の空間モード多重数を増加できる。また、モード選択スイッチ１０が備える入出力ポート数の増加にも容易に対応できる。

第２体積ホログラム２ｂは、スイッチ素子４から出射した平面波を、元の空間モードを有する信号光に変換する、モード変換器（またはモード復元器）として機能する。スイッチ素子４については後述する。第２体積ホログラム２ｂは、第１体積ホログラム２ａに含まれるホログラムの種類および数と同一の種類および数のホログラムにより形成されている。言い換えれば、第２体積ホログラム２ｂは、第１体積ホログラム２ａと同一の情報が記録された体積ホログラムである。

したがって、第１体積ホログラム２ａが平面波に与えた伝播角度θ_ｙｉと同じ角度により当該平面波が第２体積ホログラム２ｂに入射するように制御すれば、第２体積ホログラム２ｂは、当該平面波を元の空間モードを有する信号光に変換できる。これにより、モード選択スイッチ１０が入力した入力光と、モード選択スイッチ１０が出力する出力光との間で、空間モードが保存できる。

ここで、スイッチ素子４から出射した平面波は、元の空間モードを有する信号光に変換されることが必須ではない。第２体積ホログラム２ｂは、入射した平面波を、第１体積ホログラム２ａにより当該平面波に与えられた伝播角θ_ｙｉごとに異なる空間モードを有する信号光に変換すればよい。この場合、第１体積ホログラム２ａと第２体積ホログラム２ｂとは、同一の情報が記録された体積ホログラムに限られない。

また、第２体積ホログラム２ｂに、複数の平面波がそれぞれ異なる入射角度により入射した場合、第２体積ホログラム２ｂは、入射した各平面波を、入射角度に応じた空間モードを有する信号光にそれぞれ変換する。そのため、変換された信号光はそれぞれ異なる空間モードを有することで競合が生じないため、これらの信号光を多重信号光に合波できる。すなわち、第２体積ホログラム２ｂは、それぞれ異なる空間モードを有する複数の信号光を合波する、モード合波器としても機能する。

なお、第１体積ホログラム２ａは、入射する信号光を平面波ではなく、所定の単一の空間モードを有する信号光（第３の信号光）に変換してもよい。この場合、第２体積ホログラム２ａは、第１体積ホログラム２ａにより変換された所定の単一の空間モードを有する信号光を、第１体積ホログラム２ａが与えた伝播角度θ_ｙｉごとに異なる空間モードを有する信号光に変換する。

第１体積ホログラム２ａおよび第２体積ホログラム２ｂの機能について、図３を参照して説明する。ここでは、第１体積ホログラム２ａおよび第２体積ホログラム２ｂが、同じ１つの体積ホログラムである場合を例示している。

図３に示すように、体積ホログラム２ａ・２ｂに信号光Ｍ_１および信号光Ｍ_２が含まれる多重信号光が入射した場合、体積ホログラム２ａ・２ｂは、信号光Ｍ_１を伝播角度θ_ｙ１が与えられた平面波に、信号光Ｍ_２を伝播角度θ_ｙ２が与えられた平面波にそれぞれ変換することで、多重信号光を分離する。

また、信号光Ｍ_１に対応する平面波が、伝播角度θ_ｙ１と同じ入射角度により体積ホログラム２ａ・２ｂに入射した場合、当該平面波は元の空間モードを有する信号光Ｍ_１に変換（復元）される。信号光Ｍ_２に対応する平面波についても同様である。このとき、信号光Ｍ_１および信号光Ｍ_２はそれぞれ異なる空間モードを有しているため、競合なく合波して多重信号光とすることができる。

以上のように、本実施形態において体積ホログラム２ａ・２ｂはモード合分波器として機能する。第１体積ホログラム２ａおよび第２体積ホログラム２ｂは、同一の情報が記録された２つの体積ホログラムであっても良いし、同じ１つの体積ホログラムであっても良い。なお、体積ホログラム２ａ・２ｂは、必ずしも体積ホログラムである必要は無く、モードの合分波機能を有する他の部材で置き換えが可能である。

レンズ３は、第１体積ホログラム２ａにより伝播角度θ_ｙｉが与えられた平面波を、スイッチ素子４における当該伝播角度θ_ｙｉに応じた位置Δｙｉ（Δｙｉ＝ｆ・ｔａｎθ_ｙｉ）に集光する。ここでｆは、レンズ３の焦点距離を示す。レンズ３と、第１体積ホログラム２ａ、第２体積ホログラム２ｂおよびスイッチ素子４のそれぞれとの間の距離がｆとなるように、各部材が配置される。

モード選択スイッチ１０がレンズ３を備えることで、モード選択スイッチ１０において、入力ポート１または出力ポート５ａ・５ｂにおける配置間隔によらず、複数の当該平面波のそれぞれをスイッチ素子４の所定の位置に容易に集光できる。これにより、モード選択スイッチ１０における入力ポート１または出力ポート５ａ・５ｂの配置位置の自由度を高めることができる。

また、図１の構成例１０１に示すように、モード選択スイッチ１０が備えるレンズ３は１つであってもよいが、これに限られない。例えば、モード選択スイッチ１０は例えば、第１体積ホログラム２ａとスイッチ素子４との間に１つ、スイッチ素子４と第２体積ホログラム２ｂとの間に１つ、計２つのレンズ３を備えていても良い。また、モード選択スイッチ１０は３つ以上のレンズ３を備えていても良い。

このように、モード選択スイッチ１０が複数のレンズ３を備える構成によれば、第１体積ホログラム２ａ、第２体積ホログラム２ｂおよびスイッチ素子４の配置位置の自由度が高くなる。これにより、例えばモード選択スイッチ１０が備える入力ポート１および出力ポート５ａ・５ｂの数を増やすことが容易になる。また、モード選択スイッチ１０の形状の自由度が高くなる。

スイッチ素子４は、分離された複数の信号光に対応する平面波の中から、出力ポート５ａまたは出力ポート５ｂに導かれる１つ以上の信号光に対応する平面波を選択することで、スイッチ素子４上に集光される平面波の経路を切り換える。具体的には、スイッチ素子４は、スイッチ素子４上の位置Δｙｉに集光された平面波毎に、出射角度を制御（変更）して当該平面波を出射する。例えば、スイッチ素子４は、ＳＬＭ（Spatial light modulator：空間光変調器）で構成される。

スイッチ素子４は、入射した平面波を、例えば出力ポート５ａに対応する第２体積ホログラム２ｂへ出射するか、出力ポート５ｂに対応する第２体積ホログラム２ｂへ出射するかを選択的に切り替えることができる。また、スイッチ素子４は、入射した複数の平面波のうち、所定の平面波のみを出力ポート５ａ・５ｂに対応する第２体積ホログラム２ｂへ選択的に出射しても良い。すなわち、スイッチ素子４は、当該所定の平面波以外の平面波について、第２体積ホログラム２ｂへ出射しないことを選択しても良い。

ここで、スイッチ素子４から出射した平面波は、入力ポート１とはｘ軸方向に異なる位置Δｘｉ（Δｘｉ＝ｆ・ｔａｎθ_ｘｉ）に配置された、出力ポート５ａまたは出力ポート５ｂに対応する第２体積ホログラム２ｂへ入射する。なお、出力ポート５ａ・５ｂの配置はこれに限られない。このときスイッチ素子４は、第２体積ホログラム２ｂへの平面波の入射角度が、当該平面波が第１体積ホログラム２ａにより与えられた伝播角度θ_ｙｉと同一となるように、平面波の出射角度を制御する。

上述した通り、第１体積ホログラム２ａと、第２体積ホログラム２ｂとは、いずれも同一の情報が記録されている。そのため、第２体積ホログラム２ｂに、伝播角度θ_ｙｉと同一の角度で入射した平面波は、元の空間モードを有する信号光に変換される。したがって、第２体積ホログラム２ｂの変換により得られた信号光は、元の空間モードを保持した出力光として、対応する出力ポートから出力される。

また、第１体積ホログラム２ａによりそれぞれ異なる伝播角度θ_ｙｉが与えられた複数の平面波が、出力ポート５ａまたは出力ポート５ｂのいずれか１つに対応する第２体積ホログラム２ｂに入射した場合であっても、各平面波はそれぞれ元の空間モードを有する信号光に変換される。したがって、これらの複数の信号光を当該第２体積ホログラム２ｂに対応する単一の出力ポート５ａまたは出力ポート５ｂから出力光として出力した場合、当該出力光は多重信号光となる。

図２に示すように、出力ポート５ａ・５ｂは、入力ポート１と同様に、多重信号光を伝送可能なＦＭＦ（Few-mode fiber）等のマルチモード光ファイバ（不図示）が接続されている。なお、図１の構成例１０１には、２つの出力ポート５ａ・５ｂを備えるモード選択スイッチ１０を示しているが、これに限らず、モード選択スイッチ１０は３つ以上の出力ポートを備えていてもよい。また、モード選択スイッチ１０が備える出力ポートは１つであっても良い。この場合、モード選択スイッチ１０は、複数の入力ポート１から入力した入力光を合波して、単一の出力ポート５ａまたは出力ポート５ｂから多重信号光の出力光を出力する。または、モード選択スイッチ１０は、入力ポート１から入力した入力光に含まれる多重信号光から、１つまたは複数の所定の信号光のみを選択して１つまたは複数の出力ポート５ａ・５ｂから出力しても良い。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

〔数値解析の条件〕
本発明の一態様により得られる効果を調べるために、数値解析を実施した。図５には数値解析モデルの概要を、表１には数値解析に用いた各パラメータを示す。本解析では、２モードを有する信号光ＬＰ_０１・ＬＰ_１１のみを伝送するＦＭＦをそれぞれ入力ポート１および出力ポート５ａ・５ｂに接続し、入力ポート１中の信号光ＬＰ_０１の経路を出力ポート５ａに、信号光ＬＰ_１１の経路を出力ポート５ｂにそれぞれ切り替える操作を行った際の、モード選択スイッチ１０の性能を評価した。

なお、本解析の条件として、モード選択スイッチ１０は、レンズとして５つのＦＴＬ（Fourier transform lens：フーリエ変換レンズ）３ａ～３ｅを備えるものとした。また、処理の単純化のためにスイッチ素子を透過型のＳＬＭ４ａとした。また、記録媒質はフォトポリマーとした。ここで、光通信波長帯における出力光の読み出しを正確にシミュレーションするために、異波長記録再生法に基づいた記録再生時の角度をパラメータとして設定した（S. Shimizu et al., “Volume holographic spatial mode demultiplexer with a dual-wavelength method,” Appl. Opt. 57(2), 146-153 (2018)）。また、モード分波器である第１体積ホログラム２ａから生じる０次光の影響を回避するために、ＳＬＭ４ａ面において、第１体積ホログラム２ａにより回折された平面波以外を遮断する開口Ｈを設定した。

以上の条件により、入力ポート１から信号光ＬＰ_０１・ＬＰ_１１をモード選択スイッチ１０に入力した際に、モード選択スイッチ１０から出力される信号光ＬＰ_０１および信号光ＬＰ_１１に対する出力ポート５ａ・５ｂの導波モードとの結合効率η_ｉを、下記式（１）により導出することでスイッチの性能を評価した。

前記式（１）において、Ｕ（ｘ、ｙ）は出力ポート５ａ・５ｂ面での光波の複素振幅分布を、Ｍ_ｉ（ｘ、ｙ）はｉ番目の空間モードの複素振幅分布を、＊は複素共役をそれぞれ示す。

〔数値解析の結果〕
図６に解析結果を示す。図６の強度分布６０１より、第１体積ホログラム２ａからの平面波がＦＴＬ３ｂを介したのちに、当該平面波に対応する信号光が有していた空間モードに応じて、ＳＬＭ４ａ面の異なる位置に集光していることが分かる。これは、第１体積ホログラム２ａが波長選択スイッチにおける分光素子のように、モード多重された各空間モードに応じて異なる伝播角度で平面波を出射していることを示す。

このように分離された平面波に対してＳＬＭ４ａは、それぞれ図６の角度分布６０２中、点線で囲んだ２つの領域のうち紙面に向かって左側の領域は、出力ポート５ａに対応する第２体積ホログラム２ｂに、紙面に向かって右側の領域は出力ポート５ｂに対応する第２体積ホログラム２ｂに、それぞれ平面波を導くような位相変調を与えた。

図６の強度分布６０３は、各平面波が第２体積ホログラム２ｂを通過した後、出力ポート５ａ・５ｂ面に到達したときの信号光ＬＰ_０１・ＬＰ_１１の強度分布を示している。信号光ＬＰ_０１を入力ポート１に入力したときは出力ポート５ａに、信号光ＬＰ_１１を入力ポート１に入力したときは出力ポート５ｂに、それぞれ元の空間モードの分布が強く現れていた。これは、入力ポート１では多重されていた空間モード毎に、ＳＬＭ４ａが独立した経路を与え、かつ出力ポート５ａ・５ｂにおいて入力時の空間モードが保存されていることを意味している。また、両入力に対して出力ポート５ａ・５ｂの導波モードへの結合効率η_ｉを算出した結果を図６のグラフ６０４に示す。ここで、グラフ６０４中で示している結合効率η_ｉの値は、各出力ポート５ａ・５ｂの信号光成分の値により規格化されている。両出力ポート５ａ・５ｂにおいて、対応する信号光成分が最も強く結合していることから、モード選択スイッチ１０が空間モードごとの信号光の経路切り換え動作を適切に行っていることが示された。

１入力ポート（入力部）
２ａ第１体積ホログラム
２ｂ第２体積ホログラム
３レンズ
４スイッチ素子
５ａ、５ｂ出力ポート（出力部）
１０モード選択スイッチ

Claims

互いに異なる空間モードを有する複数の単一モードの信号光が含まれる、第１の信号光を入力する入力部と、
前記第１の信号光の中から選択された、１つ以上の前記単一モードの信号光が含まれる、第２の信号光を出力する少なくとも１つの出力部と、
前記第１の信号光を、前記単一モードの信号光ごとに対応する第３の信号光に分離する第１体積ホログラムと、
分離された複数の前記単一モードの信号光に対応する前記第３の信号光の中から、前記出力部に導かれる１つ以上の前記単一モードの信号光に対応する前記第３の信号光を選択するスイッチ素子と、
前記スイッチ素子により選択された前記出力部に導かれる１つ以上の前記単一モードの信号光に対応する前記第３の信号光を、前記第２の信号光に変換する第２体積ホログラムと、を備え、
前記第１体積ホログラムは、入射した前記第１の信号光を、前記単一モードの信号光ごとに異なる、光出射面に対する出射角である伝播角度を与えた前記第３の信号光であって、平面波である前記第３の信号光とし、
前記第２体積ホログラムは、前記第３の信号光を、前記伝播角度ごとにそれぞれ異なる空間モードを有する前記単一モードの信号光であって、前記第１体積ホログラムにより分離される前と同じ前記空間モードを有する前記単一モードの信号光に変換することを特徴とする、モード選択スイッチ。
前記第１体積ホログラムと、前記第２体積ホログラムとは、いずれも同一の情報が記録された体積ホログラムであり、
前記スイッチ素子から出射された前記第３の信号光の前記第２体積ホログラムへの入射角度は、当該第３の信号光に与えられた前記伝播角度と同一であることを特徴とする、請求項１に記載のモード選択スイッチ。
前記第１体積ホログラムによって分離された前記第３の信号光のそれぞれを、前記スイッチ素子における前記伝播角度に応じた位置に集光するレンズを備えていることを特徴とする、請求項１または２に記載のモード選択スイッチ。
前記入力部に接続されたマルチモード光ファイバを備えることを特徴とする、請求項１から３までの何れか１項に記載のモード選択スイッチ。
前記出力部に接続されたマルチモード光ファイバを備えることを特徴とする請求項１から４までの何れか１項に記載のモード選択スイッチ。