JPWO2015133344A1 - Mode multiplexer / demultiplexer - Google Patents

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Abstract

モード合分波器において、矩形導波路においてTE01モードとTE10モードの縮退、及びTM01モードとTM10モードの縮退を解いて分離する。多モード導波路と単一モード導波路とで形成される非対称テーパー結合モード遷移型導波路を用いて、多モード導波路の高次モードと単一モード導波路の基本モードとの間で断熱的なモード相互作用によるモード変換を行う。多モード導波路の高次モードの伝搬定数と単一モード導波路の基本モード伝搬定数の大小関係を伝搬方向に沿って入れ替え、この伝搬定数の入れ替えで生じる光電力の移行によって、高次モードの縮退の解除、あるいは縮退した高次モードの生成を行う。高次モードの縮退の解除において、正方形導波路で縮退しているTEモードとTMモードの1次モードを、基板平行方向の高次モードと基板垂直方向の高次モードに分離する。【選択図】図8In the mode multiplexer / demultiplexer, the degeneration between the TE01 mode and the TE10 mode and the degeneration between the TM01 mode and the TM10 mode are solved and separated in the rectangular waveguide. Asymmetrically tapered coupled mode transition waveguide formed by multimode waveguide and single-mode waveguide, adiabatic between higher-order mode of multimode waveguide and fundamental mode of singlemode waveguide Mode conversion by mode interaction. The magnitude relationship between the propagation constant of the higher-order mode of the multi-mode waveguide and the fundamental mode propagation constant of the single-mode waveguide is changed along the propagation direction. Release degeneration or generate a reduced higher-order mode. In canceling the degeneration of the higher-order mode, the primary mode of the TE mode and the TM mode degenerated in the square waveguide is separated into a higher-order mode in the substrate parallel direction and a higher-order mode in the substrate vertical direction. [Selection] Figure 8

Description

本願発明は、マルチモード伝送に用いる光デバイスに関し、特に単一モードファイバと数モードファイバ間において光信号の合波、分波(分離)を行うモード合分波器に関する。   The present invention relates to an optical device used for multimode transmission, and more particularly to a mode multiplexer / demultiplexer for multiplexing and demultiplexing (separating) optical signals between a single mode fiber and a few mode fiber.

大容量光通信技術において、伝送媒体として単一モードファイバの他、より大きな通信容量を有したモード多重用数モードファイバが用いられようとしている。複数モードの伝送を可能とするファイバとして、コア径が太いマルチモードファイバや、コア径を単一モードファイバと多モードファイバとの中間とする数モードファイバがある。なお、数モードファイバが伝送可能なモード数は例えば2〜3乃至10程度と云われているが、特定のモード数が規定されるものではない。   In large-capacity optical communication technology, a mode multiplexing number mode fiber having a larger communication capacity is being used in addition to a single mode fiber as a transmission medium. As a fiber that enables transmission in a plurality of modes, there are a multimode fiber having a large core diameter and a number mode fiber having a core diameter intermediate between a single mode fiber and a multimode fiber. Although the number of modes that can be transmitted by the several mode fiber is said to be about 2 to 3 to 10, for example, the specific number of modes is not specified.

図1は単一モードファイバと数モードファイバの概略を説明するための図である。数モードファイバのコア径は、単一モードファイバのコア径よりも太径とし、複数の伝搬モードに異なる情報を載せてモード多重伝送を行う。なお、図1に示すコア径の数値は一例であり、この数値に限られるものではない。   FIG. 1 is a diagram for explaining the outline of a single mode fiber and a number mode fiber. The core diameter of the several-mode fiber is larger than the core diameter of the single-mode fiber, and mode multiplex transmission is performed by placing different information on a plurality of propagation modes. In addition, the numerical value of the core diameter shown in FIG. 1 is an example, and is not limited to this numerical value.

モード多重伝送では、単一モード信号を形成し、伝送時に複数の単一モード信号をモード多重信号に合波してモード多重信号として多モード伝送路で送信し、受信側において受信したモード多重信号を複数の単一モード信号に分波した後に復号する。   In mode multiplex transmission, a single mode signal is formed, and during transmission, a plurality of single mode signals are combined with the mode multiplex signal and transmitted as a mode multiplex signal over a multimode transmission line, and received at the receiving side. Are demultiplexed into a plurality of single mode signals and then decoded.

モード多重通信では、複数の単一モードの信号が1本の多モードファイバあるいは数モードファイバ内においてモード多重信号の形態で伝送されるため、送受信部において、単一モード信号とモード多重信号との間で合波及び分波(分離)を行う必要がある。   In mode multiplexing communication, a plurality of single mode signals are transmitted in the form of mode multiplexed signals in one multimode fiber or several mode fibers. It is necessary to multiplex and demultiplex (separate) between them.

光ファイバを伝搬する導波モードにおいて、伝搬定数がほぼ等しく、重ね合わせによって直線偏波を構成できるモード群はLPモードと呼ばれる。LPモードは基本モード(0次モード)及び高次モードを備える。図2(a)は0次モードのLP01モードを示している。単一モードファイバはLP01モードのみが伝搬するファイバであり、数モードファイバはLP01モードに加えてLP11モード等の高次モードを伝搬するファイバである。In a waveguide mode propagating through an optical fiber, a mode group in which propagation constants are substantially equal and linear polarization can be formed by superposition is called an LP mode. The LP mode includes a basic mode (0th order mode) and a higher order mode. FIG. 2A shows the LP 01 mode of the 0th order mode. A single mode fiber is a fiber that propagates only the LP 01 mode, and a few mode fiber is a fiber that propagates higher order modes such as the LP 11 mode in addition to the LP 01 mode.

図2(b),(c)は1次のLPモードであるLP11 evenモードとLP11 oddモードの電磁界強度分布を示し、図2(d),(e)はLP11 evenとLP11 oddの電磁界振幅分布を示している。LP11 evenモードとLP11 oddモードは伝搬定数が等しく、縮退している。LP11 evenモードとLP11 oddモードは、それぞれ偏光方向を90度異にする2つの電磁界分布が存在するため、合わせて同じ伝搬定数を持つ4つの異なる電磁界分布によって4重縮退の状態となっている。FIGS. 2B and 2C show electromagnetic field intensity distributions of the LP 11 even mode and the LP 11 odd mode, which are the first-order LP modes, and FIGS. 2D and 2E show LP 11 even and LP 11. The odd- field electromagnetic field amplitude distribution is shown. The LP 11 even mode and the LP 11 odd mode have the same propagation constant and are degenerated. Since the LP 11 even mode and the LP 11 odd mode each have two electromagnetic field distributions whose polarization directions are different by 90 degrees, the four degenerate states are caused by four different electromagnetic field distributions having the same propagation constant. It has become.

なお、LP11 evenモードとLP11 oddモードの定義は,ここでは円筒座標系を用いて、コア断面内縦軸(図3のy軸)から角度座標を用いた場合のcos関数で表される振幅分布をeven(偶)モード、sin関数で表されるモードとodd(奇)モードと定義する。したがって,図3のようにx軸とy軸を定義すると、LP11 evenモードはx軸方向に関して偶関数の電磁界振幅分布を持ち,LP11 oddモードはx軸に関して奇関数の電磁界振幅分布を持つ。Note that the definitions of the LP 11 even mode and the LP 11 odd mode are represented here by the cos function when the angle coordinate is used from the longitudinal axis in the core cross section (y axis in FIG. 3) using the cylindrical coordinate system. The amplitude distribution is defined as an even mode, a mode represented by a sin function, and an odd mode. Therefore, when the x-axis and the y-axis are defined as shown in FIG. 3, the LP 11 even mode has an even function electromagnetic field amplitude distribution with respect to the x axis direction, and the LP 11 odd mode has an odd function electromagnetic field amplitude distribution with respect to the x axis. have.

単一モード信号とモード多重信号との間で行う合波及び分波(分離)の技術として特許文献1,2が知られている。   Patent Documents 1 and 2 are known as techniques of multiplexing and demultiplexing (separation) performed between a single mode signal and a mode multiplexed signal.

特許文献1には、単一モード導波路と多モード導波路とを断熱的に近接させ、基本モード間の相互作用によって導波路間で信号を遷移させる構成が示されている。   Patent Document 1 discloses a configuration in which a single mode waveguide and a multimode waveguide are adiabatically close to each other and a signal is shifted between the waveguides by an interaction between fundamental modes.

特許文献2には、導波路幅が異なる並進された2本の導波路からなる方向性結合器を含む平面光波回路から構成された光モード変換・合波分離器が示されている。この光モード変換・合波分離器では、平面光波回路のコア厚及び曲げ半径を規定することによって高次モード光を水平方向及び垂直方向について制御すること、2つの光モード変換・合波分離器の基板をXY平面で90度異ならせて光学的に接続させることによって、E11モードからE32モードの6つの伝搬モードに対応させることが示されている。Patent Document 2 discloses an optical mode conversion / multiplexing separator composed of a planar lightwave circuit including a directional coupler composed of two translated waveguides having different waveguide widths. In this optical mode conversion / multiplexing / separating device, the high-order mode light is controlled in the horizontal direction and the vertical direction by defining the core thickness and bending radius of the planar lightwave circuit. by optically connected at different 90 degrees to the substrate XY plane, it has been shown to be associated from the E 11 mode into six modes of propagation of E 32 modes.

また、矩形の導波路におけるモードの合成分離に関する技術として特許文献3が知られている。特許文献3には、コアの上下方向に対して鏡映関係のモード分布(縦方向に偶対称の電界分布)と、コアの縦方向に点対称のモード分布(縦方向に奇対称の電界分布)との電界分布を異にするモード分布をモード合成分離する構成として、石英平面光波回路(PLC)を用いたモード合分波器において、単一モード導波路と多モード導波路との間に、平面光波回路の厚み方向において誘電率分布を非対称とする誘電率調整部を設ける構成が示されている。   Further, Patent Document 3 is known as a technique related to mode combining and separation in a rectangular waveguide. In Patent Document 3, there is a mirror-related mode distribution (an evenly symmetric electric field distribution in the vertical direction) and a point symmetric mode distribution in the core vertical direction (an oddly symmetric electric field distribution in the vertical direction). In a mode multiplexer / demultiplexer using a quartz planar lightwave circuit (PLC), the mode distribution having a different electric field distribution from the above is distributed between the single mode waveguide and the multimode waveguide. In addition, a configuration is shown in which a dielectric constant adjustment unit that makes the dielectric constant distribution asymmetric in the thickness direction of the planar lightwave circuit is provided.

特開2004−157506号公報JP 2004-157506 A 特開2013−152272号公報JP 2013-152272 A 特開2014−26005号公報JP 2014-2605A

コアの断面形状が矩形である導波路では、数モードファイバのLP11 evenモードに対応する電磁界分布TE01とTM01と、LP11 oddモードに対応する電磁界分布TE10とTM10とを備える。図3(a),(c)は電界がx方向のみを有するTE01モードとTE10モードを示し、図3(b),(d)は電界がy方向のみを有するTM01とTM10を示している。In a waveguide having a rectangular core cross-sectional shape, the electromagnetic field distributions TE 01 and TM 01 corresponding to the LP 11 even mode of the several-mode fiber, and the electromagnetic field distributions TE 10 and TM 10 corresponding to the LP 11 odd mode are obtained. Prepare. 3A and 3C show the TE 01 mode and the TE 10 mode in which the electric field has only the x direction, and FIGS. 3B and 3D show the TM 01 and TM 10 in which the electric field has only the y direction. Show.

矩形導波路においてコアの断面形状が正方形である正方形導波路では、TE01モードとTE10モード、及びTM01モードとTM10モードの各モードは伝搬定数が同じ伝搬定数であるため縮退している。In a rectangular waveguide with a square cross-section of the core in a rectangular waveguide, the TE 01 mode and the TE 10 mode, and the TM 01 mode and the TM 10 mode are degenerate because the propagation constants are the same. .

なお、矩形導波路では偏光方向は厳密にはx方向またはy方向に100%偏光しているわけではなく、直交する座標方向の成分が理論的には存在するが、比屈折率差Δが1%以下と小さい場合には電界はほぼx方向またはy方向に偏光しているため、便宜的にTEモードあるいはTMモードと呼ばれる。あるいはTE-likeモードやTM-likeモードと呼ばれる場合もある。一方、モード番号(あるいはモードラベル)については、図3のようにx軸とy軸を定義して、TEijの最初の下付き添え字iがx方向のモード次数、2番目の下付き添え字jがy方向のモード次数を表す。In the rectangular waveguide, strictly speaking, the polarization direction is not 100% polarized in the x direction or the y direction, and a component in the orthogonal coordinate direction theoretically exists, but the relative refractive index difference Δ is 1. When it is as small as% or less, the electric field is polarized substantially in the x-direction or y-direction, so it is called the TE mode or TM mode for convenience. Alternatively, it may be called TE-like mode or TM-like mode. On the other hand, for the mode number (or mode label), the x and y axes are defined as shown in FIG. 3, and the first subscript i of TE ij is the mode order in the x direction, and the second subscript. The letter j represents the mode order in the y direction.

また、コアの断面形状が正方形でない場合であっても、比屈折率差Δが1%程度の小さい場合には、伝搬定数の偏光依存性が小さいため、TEモードとTMモードの伝搬定数はほとんど一致して縮退する。   Even when the cross-sectional shape of the core is not square, when the relative refractive index difference Δ is as small as about 1%, the propagation constant of the TE mode and the TM mode is almost zero because the polarization dependence of the propagation constant is small. Match and degenerate.

したがって、コアの断面形状が正方形の正方形導波路や、コアの断面形状が長方形である場合であっても比屈折率差Δが1%程度の小さい矩形導波路では、TEモードとTMモードは縮退する。   Therefore, the TE mode and the TM mode are degenerated in a square waveguide having a square core cross section or a rectangular waveguide having a relative refractive index difference Δ of about 1% even when the core cross section is a rectangle. To do.

そのため、数モードファイバと矩形導波路とを突き合わせた構成では、数モードファイバにおいて縮退状態にあるLP11 evenモードとLP11 oddモードは、正方形導波路においてそれぞれ、TE01モードとTE10モードおよびTM01モードとTM10モードの各縮退モードが混合した状態となる。また、矩形導波路で縮退状態にあるTE01モードとTM01モード及びTE10モードとTM10モードは、数モードファイバにおいてそれぞれLP11 evenモードとLP11 oddモードに対応する。Therefore, in the configuration in which the number mode fiber and the rectangular waveguide are abutted, the LP 11 even mode and the LP 11 odd mode, which are in a degenerated state in the number mode fiber, are TE 01 mode, TE 10 mode, and TM in the square waveguide, respectively. The degenerate modes of the 01 mode and the TM 10 mode are mixed. Also, the TE 01 mode, TM 01 mode, TE 10 mode, and TM 10 mode, which are in a degenerated state in a rectangular waveguide, correspond to the LP 11 even mode and the LP 11 odd mode, respectively, in a few mode fiber.

図4は正方形導波路の縮退を説明するための図である。図4では、各N次モードにおいて、Vパラメータ値(横軸)に対する規格化伝搬定数b(縦軸)を示している。0次モード(N=0)ではTE00とTM00が縮退しているため同一の特性曲線上にあり、1次モード(N=1)ではTE01モードとTE10モードとTM01モードとTM10モードの4つのモードが縮退しているための同一の特性曲線上にある。FIG. 4 is a diagram for explaining degeneration of a square waveguide. FIG. 4 shows the normalized propagation constant b (vertical axis) with respect to the V parameter value (horizontal axis) in each Nth-order mode. In the 0th order mode (N = 0), TE 00 and TM 00 are degenerated and are on the same characteristic curve. In the 1st order mode (N = 1), the TE 01 mode, the TE 10 mode, the TM 01 mode, and the TM The four modes of the 10 modes are on the same characteristic curve for degeneration.

上記した特許文献1,2に開示される技術は、単一モードと多モードとの間で各次数のモードごとにモード合波あるいは分波(分離)するモード合分波器に係るものである。特許文献1,2はTE01モードとTE10モード、あるいはTM01モードとTM10モードを分離する方法を示している。特許文献1では基板に垂直な縦方向の高次モードの分離を行うことは示されていない。また、特許文献2においては方向性結合器を用いているので、縮退しているモード間(TE01モードとTE10モード)の結合係数を正確に設計する必要がある。The techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2 described above relate to a mode multiplexer / demultiplexer that performs mode multiplexing or demultiplexing (separation) for each order mode between a single mode and multiple modes. . Patent Documents 1 and 2 show a method of separating the TE 01 mode and the TE 10 mode, or the TM 01 mode and the TM 10 mode. Patent Document 1 does not indicate that separation of a higher-order mode in the vertical direction perpendicular to the substrate is performed. Further, since a directional coupler is used in Patent Document 2, it is necessary to accurately design a coupling coefficient between degenerate modes (TE 01 mode and TE 10 mode).

また、上記した特許文献3では、コアの上下方向に対して鏡映関係のモード分布(縦方向に偶対称の電界分布)と、コアの縦方向に点対称のモード分布(縦方向に奇対称の電界分布)との電界分布を異にするモード分布をモード合成分離する構成について開示され、TE01モードとTE10モード、との間のモード合成分離を示唆するものの、石英平面光波回路(PLC)を用いたモード合分波器において、単一モード導波路と多モード導波路との間に、平面光波回路の厚み方向において誘電率分布を非対称とする誘電率調整部を設ける必要があるという問題がある。Further, in Patent Document 3 described above, a mirror-related mode distribution (an evenly symmetric electric field distribution in the vertical direction) and a point symmetric mode distribution in the vertical direction of the core (odd symmetry in the vertical direction). A mode-synthesizing and separating mode distribution having a different electric field distribution from the TE 01 mode and the TE 10 mode is disclosed, but a quartz planar lightwave circuit (PLC) is disclosed. In the mode multiplexer / demultiplexer using (1), it is necessary to provide a dielectric constant adjusting section that makes the dielectric constant distribution asymmetric in the thickness direction of the planar lightwave circuit between the single mode waveguide and the multimode waveguide. There's a problem.

そこで、本願発明は前記した従来の問題点を解決し、矩形導波路におけるTE01モードとTE10モードの縮退、及びTM01モードとTM10モードの縮退の解除において、方向性結合器を不要とし、縮退しているモード間(TE01モードとTE10モード)の結合係数について厳密な設計や製作を不要とすることを目的とする。Therefore, the present invention solves the above-described conventional problems, and eliminates the need for a directional coupler in the degeneration of the TE 01 mode and the TE 10 mode and the degeneration of the TM 01 mode and the TM 10 mode in the rectangular waveguide. An object of the present invention is to eliminate the need for strict design and manufacture of the coupling coefficient between degenerate modes (TE 01 mode and TE 10 mode).

また、矩形導波路において、誘電率調整部を用いることなく、導波路自体の構成によってTE01モードとTE10モードの縮退、及びTM01モードとTM10モードの縮退を解いて分離することを目的とする。In addition, in a rectangular waveguide, without using a dielectric constant adjustment unit, the object is to separate and resolve the degeneration of the TE 01 mode and the TE 10 mode and the degeneration of the TM 01 mode and the TM 10 mode by the configuration of the waveguide itself. And

また、光の相反性から、TE01モードとTE10モード、及びTM01モードとTM10モードを矩形導波路に合波させること、誘電率調整部を用いることなく、導波路自体の構成によってTE01モードとTE10モード、及びTM01モードとTM10モードを合波させること目的とする。Further, due to the reciprocity of light, the TE 01 mode and the TE 10 mode, and the TM 01 mode and the TM 10 mode are combined into the rectangular waveguide, and the TE itself is configured without using the dielectric constant adjustment unit. The purpose is to combine the 01 mode and the TE 10 mode, and the TM 01 mode and the TM 10 mode.

本願発明のモード合分波器は、多モード導波路と単一モード導波路とで形成される非対称テーパー結合モード遷移型導波路を用いて、多モードと単一モードとの間で断熱的なモード相互作用によるモード変換を行うものであり、多モード導波路の伝搬定数と単一モード導波路の伝搬定数の大小関係を伝搬方向に沿って入れ替え、この伝搬定数の入れ替えで生じる光電力の移行によって、高次モードの縮退の解除と分離、あるいは縮退した高次モードの生成を行う。   The mode multiplexer / demultiplexer of the present invention uses an asymmetric tapered coupled mode transition waveguide formed by a multimode waveguide and a single mode waveguide, and is adiabatic between the multimode and the single mode. The mode conversion is performed by mode interaction, and the magnitude relationship between the propagation constant of the multimode waveguide and the propagation constant of the single mode waveguide is changed along the propagation direction, and the optical power transition caused by this propagation constant change Thus, the degeneration of the higher-order mode is released and separated, or the reduced higher-order mode is generated.

本願発明のモード合分波器は、多モード導波路のコアのコア幅またはコア厚、あるいはコア幅とコア厚の両方を伝搬方向に沿ってテーパー形状とすることによって伝搬定数を伝搬方向に断熱的に変化させる。高次モードの縮退の解除においては、正方形導波路で縮退しているTEモードとTMモードの1次モード、すなわちTE01モードとTE10モードとTM01モードとTM10モードを、基板平行方向の1次モード、すなわちTE10モードとTM10モードと,基板垂直方向の1次モード、すなわちTE01モードとTM01モードに分離する。他方、縮退した高次モードの生成においては、矩形導波路においてTEモードとTMモードの1次モードを合波させる。The mode multiplexer / demultiplexer of the present invention insulates the propagation constant in the propagation direction by making the core width or thickness of the core of the multimode waveguide, or both the core width and core thickness into a tapered shape along the propagation direction. Change. In canceling the degeneration of the higher-order mode, the TE mode and the TM mode degenerate in the square waveguide, that is, the TE 01 mode, the TE 10 mode, the TM 01 mode, and the TM 10 mode are changed in the substrate parallel direction. The primary mode, that is, the TE 10 mode and the TM 10 mode, and the primary mode in the substrate vertical direction, that is, the TE 01 mode and the TM 01 mode are separated. On the other hand, in the generation of the degenerated higher-order mode, the first-order mode of the TE mode and the TM mode is combined in the rectangular waveguide.

本願発明のモード合分波器は、基板上にコアの断面形状が矩形の単一モード導波路と多モード導波路とで形成される非対称テーパー結合モード遷移型導波路を備える。   The mode multiplexer / demultiplexer of the present invention includes an asymmetric tapered coupled mode transition waveguide formed of a single mode waveguide and a multimode waveguide whose core cross-sectional shape is rectangular on a substrate.

多モード導波路は、基板に対して平行方向のコア幅と垂直方向のコア厚との比率が伝搬方向に沿って漸次変化するテーパー形状に構成され、このテーパー形状によって伝搬定数を伝搬方向に沿って漸次変化させることができる。コア幅とコア厚が等しい正方形断面の場合には、多モード導波路の高次モードの伝搬定数は等しいため縮退している。一方、コア幅とコア厚の比率が変化すると、多モード導波路の高次モードの伝搬定数に違いが生じるため縮退は解かれる。   The multimode waveguide is configured in a tapered shape in which the ratio of the core width in the direction parallel to the substrate and the core thickness in the direction perpendicular to the substrate changes gradually along the propagation direction, and this taper shape changes the propagation constant along the propagation direction. Can be changed gradually. In the case of a square cross section having the same core width and core thickness, the multimode waveguide is degenerated because the propagation constants of the higher-order modes are equal. On the other hand, when the ratio between the core width and the core thickness changes, the degeneration is solved because a difference occurs in the propagation constant of the higher mode of the multimode waveguide.

本願発明のモード合分波器は、このコア幅とコア厚の比率変化による伝搬定数の変化を利用し、多モード導波路の高次モードの縮退を解いて分離したり、多モード導波路において高次モードを合波させる。   The mode multiplexer / demultiplexer of the present invention uses the change of the propagation constant due to the change in the ratio of the core width and the core thickness to separate the higher mode degeneration of the multimode waveguide, Combine higher-order modes.

単一モード導波路は、基板上において湾曲した曲線形状で、基板に対してコア幅が伝搬方向に沿って漸次大きくなるテーパー形状であり、これによって伝搬定数は伝搬方向に沿って漸次変化すると共に、並置する多モード導波路との距離を漸次変更することができる。   A single-mode waveguide is a curved shape that is curved on the substrate, and has a tapered shape in which the core width gradually increases along the propagation direction with respect to the substrate, whereby the propagation constant gradually changes along the propagation direction. The distance from the juxtaposed multimode waveguides can be gradually changed.

多モード導波路と単一モード導波路との配置において、2つの単一モード導波路の内、第1の単一モード導波路は多モード導波路のコア幅方向の面に対して伝搬方向に沿って並置され、第2の単一モード導波路は多モード導波路のコア厚方向の面に対して伝搬方向に沿って並置され、第2の単一モード導波路はコア厚方向に積層される。   In the arrangement of the multimode waveguide and the single mode waveguide, of the two single mode waveguides, the first single mode waveguide is in the propagation direction with respect to the plane in the core width direction of the multimode waveguide. Are juxtaposed along the propagation direction with respect to the surface of the multimode waveguide in the core thickness direction, and the second single mode waveguide is stacked in the core thickness direction. The

多モード導波路と単一モード導波路の並置において、並置される2つの単一モード導波路は、単一モード導波路が湾曲形状用いることによって、単一モード導波路を多モード導波路に対して断熱的なモード相互作用を呈する距離に近接させ、そのた後に離隔させる構成とすることができる。   In the juxtaposition of a multimode waveguide and a single mode waveguide, two juxtaposed single mode waveguides can be obtained by using the curved shape of the single mode waveguide so that the single mode waveguide is compared with the multimode waveguide. Thus, the distance can be close to a distance exhibiting adiabatic mode interaction, and then separated.

多モード導波路と単一モード導波路との間において、多モード導波路の高次モードの伝搬定数と単一モード導波路の基本モードの伝搬定数の大小関係の変化に伴ってモードの断熱遷移が行われる。本願発明のモード合分波器は、伝搬定数の大小関係の変化に伴うモード遷移を用いることで、多モード導波路で縮退を分離した高次モードを単一モード導波路に分離させたり、あるいは、単一モード導波路の基本モードを多モード導波路に分波させる。   Adiabatic transition of modes between a multimode waveguide and a single mode waveguide with a change in the magnitude relationship between the propagation constants of the higher-order modes of the multimode waveguide and the propagation constants of the fundamental mode of the single mode waveguide Is done. The mode multiplexer / demultiplexer of the present invention uses a mode transition accompanying a change in the magnitude relationship of propagation constants to separate a higher-order mode separated from degeneracy in a multi-mode waveguide into a single-mode waveguide, or The fundamental mode of the single mode waveguide is demultiplexed into the multimode waveguide.

本願発明のモード合分波器は、多モード導波路のコア幅とコア厚の比率変化による高次モードの縮退状態の変化、及び多モード導波路と単一モード導波路間におけるモードの断熱遷移を用いることによって、TE及びTMの縦と横の一次モードである、TE10モードとTE01モード及びTM10モードとTM01モードを合波あるいは分波(分離)することができる。The mode multiplexer / demultiplexer of the present invention includes a change in the degenerate state of a higher-order mode due to a change in the ratio between the core width and the core thickness of the multimode waveguide, and the adiabatic transition of the mode between the multimode waveguide and the single mode waveguide. Can be used to multiplex or demultiplex (separate) the TE 10 mode and the TE 01 mode, and the TM 10 mode and the TM 01 mode, which are the primary and horizontal primary modes of TE and TM.

本願発明のモード合分波器が備える2つの単一モード導波路において、多モード導波路のコア幅方向の面に並置される第1の単一モード導波路は、多モード導波路との間で基板平行方向のモード分布をモード遷移する。他方、多モード導波路のコア厚方向の面に並置される第2の単一モード導波路は、多モード導波路との間で基板垂直方向のモード分布をモード遷移する。   In the two single mode waveguides included in the mode multiplexer / demultiplexer of the present invention, the first single mode waveguide juxtaposed on the surface of the multimode waveguide in the core width direction is between the multimode waveguide and The mode transition is made in the mode distribution in the substrate parallel direction. On the other hand, the second single mode waveguide juxtaposed on the surface of the multimode waveguide in the core thickness direction mode-shifts the mode distribution in the substrate vertical direction with the multimode waveguide.

したがって、本願発明のモード合分波器は、多モード導波路に対して単一モード導波路をコア幅方向とコア厚方向に並置する構成とすることによって、基板平行方向のモード分布と基板垂直方向のモード分布をそれぞれ異なる単一モード導波路との間でモード遷移することができる。   Therefore, the mode multiplexer / demultiplexer of the present invention has a configuration in which the single mode waveguide is juxtaposed in the core width direction and the core thickness direction with respect to the multimode waveguide, so that the mode distribution in the substrate parallel direction and the substrate vertical The mode distribution of the direction can be changed between different single-mode waveguides.

多モード導波路と単一モード導波路との並置において、単一モード導波路は湾曲形状によって多モード導波路に対し近接した後に離隔される。   In the juxtaposition of the multimode waveguide and the single mode waveguide, the single mode waveguide is separated after being close to the multimode waveguide by a curved shape.

このとき、単一モード導波路と多モード導波部とが近接した部分は結合分岐部を形成する。この結合分岐部において、単一モード導波路と多モード導波路とは断熱的なモード相互作用を呈する距離に近接している。多モード導波路と単一モード導波路との間のモード遷移は結合分岐部の範囲内で行われる。   At this time, a portion where the single mode waveguide and the multimode waveguide portion are close to each other forms a coupling branch portion. In this coupling branch, the single mode waveguide and the multimode waveguide are close to a distance exhibiting adiabatic mode interaction. The mode transition between the multimode waveguide and the single mode waveguide takes place within the coupling branch.

なお、結合分岐部の範囲は、両導波路間が各伝搬方向において断熱的なモード相互作用を呈する距離に近接している範囲を示すものとして表すものであり、この範囲は臨界的なものではなく、例えばモード相互作用の程度を電界強度で表したときに、任意に定めた設定値との比較に基づいて定めることができるものである。   It should be noted that the range of the coupling branch portion is expressed as indicating a range in which the two waveguides are close to a distance exhibiting adiabatic mode interaction in each propagation direction, and this range is not critical. For example, when the degree of mode interaction is expressed by electric field strength, it can be determined based on comparison with a set value that is arbitrarily determined.

本願発明のモード合分波器の結合分岐部において、多モード導波路と単一モード導波路との間のモード遷移は、各導波路の伝搬定数の大小関係によって設定することができる。なお、等価屈折率neqは規格化伝搬定数βを真空中の伝搬定数kで除した値であるため、伝搬定数の大小関係に代えて等価屈折率の大小関係で設定することもできる。In the coupling / branching portion of the mode multiplexer / demultiplexer of the present invention, the mode transition between the multimode waveguide and the single mode waveguide can be set according to the magnitude relationship of the propagation constant of each waveguide. Since the equivalent refractive index n eq is a value obtained by dividing the normalized propagation constant β by the propagation constant k 0 in vacuum, it can be set by the magnitude relation of the equivalent refractive index instead of the magnitude relation of the propagation constant.

モード遷移を行う伝搬定数の大小関係は、多モード導波路の高次モードの伝搬定数と単一モード導波路の基本モードの伝搬定数の大小関係が結合分岐部の範囲内で入れ替わるように設定する。   Propagation constants for mode transition are set so that the magnitude relationship between the propagation constants of the higher-order modes of the multimode waveguide and the propagation constants of the fundamental modes of the single-mode waveguide are switched within the range of the coupling branch. .

多モード導波路の高次モードと単一モード導波路の基本モードの伝搬定数が一致している場合には、伝搬定数が一致しているため導波路間でモード遷移は行われず、モード結合が起きる。これに対して、多モード導波路と単一モード導波路の伝搬定数が異なる場合には、伝搬定数が大きい導波路に電磁界分布が局在する。   If the propagation constants of the higher-order mode of the multimode waveguide and the fundamental mode of the single-mode waveguide match, the mode constant does not occur between the waveguides because the propagation constants match, and mode coupling is not Get up. On the other hand, when the propagation constants of the multimode waveguide and the single mode waveguide are different, the electromagnetic field distribution is localized in the waveguide having a large propagation constant.

したがって、並置される多モード導波路と単一モード導波路とを、その入射端において多モード導波路の高次モードの伝搬定数が単一モード導波路の基本モードの伝搬定数よりも大きくなるように構成し、結合分岐部内において両導波路の伝搬定数の大小関係が入れ替わるように設定することによって、伝搬定数が入射端では小さい単一モード導波路へ、入射端では伝搬定数が大きい多モード導波路の高次モードからモード遷移を行わせて分離することができる。   Therefore, the multi-mode waveguide and the single-mode waveguide are arranged side by side so that the propagation constant of the higher-order mode of the multi-mode waveguide is larger than the propagation constant of the fundamental mode of the single-mode waveguide at the incident end. And is set so that the magnitude relationship between the propagation constants of the two waveguides is switched in the coupling branch. The mode can be separated from the higher order mode of the waveguide.

多モード導波路のテーパー形状は断面の太さの変化を2つの形態で設定することができる。   The taper shape of the multimode waveguide can set the change in the thickness of the cross section in two forms.

テーパー形状の第1の形態において、多モード導波路のテーパー形状は、縮退したモードを入射又は出射する端部側から縮退が解かれたモードを出射又は入射する端部側に向かって細く形成する。他方、単一モード導波路のテーパー形状は、縮退が解かれたモードを出射又は入射する端部側に向かって太く形成してなる。   In the first form of the tapered shape, the tapered shape of the multimode waveguide is formed narrower from the end side where the degenerated mode is incident or exited toward the end side where the degenerated mode is released or incident. . On the other hand, the taper shape of the single mode waveguide is formed so as to be thicker toward the end side where the degenerated mode is emitted or incident.

テーパー形状の第2の形態において、多モード導波路のテーパー形状は、縮退したモードを入射又は出射する端部側から縮退が解かれたモードを出射又は入射する端部側に向かって太く形成する。他方、単一モード導波路のテーパー形状は、第1の形態と同様に、縮退が解かれたモードを出射又は入射する端部側に向かって太く形成する。   In the second form of the taper shape, the taper shape of the multimode waveguide is formed thicker toward the end side where the degenerated mode is released from the end side where the degenerated mode is incident or emitted, and toward the end side where the degenerate mode is released. . On the other hand, the tapered shape of the single-mode waveguide is formed thicker toward the end side where the degenerated mode is emitted or incident, as in the first embodiment.

第1の形態及び第2の形態において、テーパー形状は、例えば、導波路のコア厚を一定としたとき、導波路のコア幅をコア厚に対して小さくすることで細くし、導波路のコア幅をコア厚に対して大きくすることで太くすることができる。また、テーパー形状は、導波路のコア幅を一定としたとき、導波路のコア厚をコア幅に対して小さくすることで細くし、導波路のコア厚をコア幅に対して大きくすることで太くすることができる。   In the first and second embodiments, for example, when the core thickness of the waveguide is constant, the taper shape is reduced by reducing the core width of the waveguide relative to the core thickness. The width can be increased by increasing the width relative to the core thickness. In addition, the taper shape is obtained by reducing the waveguide core thickness relative to the core width when the waveguide core width is constant, and increasing the waveguide core thickness relative to the core width. Can be thick.

コア厚を一定とするテーパー形状の第1の形態は、コア厚を導波路の伝搬方向に向かって一定とすることができるため、テーパー形状の第2の形態のようにコア厚を導波路の伝搬方向に向かって変化させる必要がないため、基板上において導波路の形成を容易に行うことができる。   In the first form with the taper shape in which the core thickness is constant, the core thickness can be made constant in the propagation direction of the waveguide, so the core thickness is the same as that in the second form with the taper shape. Since there is no need to change the direction of propagation, the waveguide can be easily formed on the substrate.

本願発明のモード合分波器は、光ファイバを伝搬する縮退されたモードを入射して各次数のモードに分波し、分波した各次数のモードを各ポートに分離して出射するモード分波器として用いる他、各ポートから入射したモードを合波し、合波したモードを数モード光ファイバに出射するモード合波器として用いることができる。   The mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention receives a degenerated mode that propagates through an optical fiber, demultiplexes the degenerated mode into modes of each order, and separates the demultiplexed modes of each order into respective ports and emits them. In addition to being used as a wave combiner, it can be used as a mode combiner that multiplexes the modes incident from each port and emits the combined mode to a several-mode optical fiber.

ポートからモードを分離する際、分波したモードには偏光方向が90°異なるTEモードとTMモードが含まれている。このTEモードとTMモードを分離するために偏光分離部材を用いることができる。   When the mode is separated from the port, the demultiplexed mode includes a TE mode and a TM mode whose polarization directions are different by 90 °. In order to separate the TE mode and the TM mode, a polarization separation member can be used.

モード合分波器に対する光ファイバ及び偏光分離部材の設置において、多モード導波路の一端に断面形状が円形の光ファイバを突き合わせて接続し、単一モード導波路の一端に偏光分離部材を配置する。あるいは、断面形状が円形の光ファイバの出射端に偏光分離部材を配置して、その後に偏光分離部材の1つの偏光を出射する端にモード合分波器の多モード導波路の一端を突き合わせて接続し、他方の偏光を出射する端にも同様のモード合分波器の多モード導波路の一端を突合せ接続する構成とすることもできる。   When installing an optical fiber and a polarization separating member for a mode multiplexer / demultiplexer, an optical fiber having a circular cross section is connected to one end of the multimode waveguide, and a polarization separating member is disposed at one end of the single mode waveguide. . Alternatively, a polarization separation member is disposed at the exit end of the optical fiber having a circular cross-sectional shape, and then one end of the multimode waveguide of the mode multiplexer / demultiplexer is butted against the end of the polarization separation member that emits one polarized light. One end of a multimode waveguide of a similar mode multiplexer / demultiplexer can also be butt-connected to the other end that emits polarized light.

光ファイバと多モード導波路との結合において、円形の光ファイバと結合する多モード導波路の端部の断面形状は、正方形の形状から、基板に対して平行方向のコア幅と垂直方向のコア厚との比率を端部面から伝搬方向に沿って漸次変化させて長方形の形状とする構成の他に、正方形の形状を経ること無く、端部の断面を縦長あるいは横長の長方形の形状とし、この長方形のコア幅とコア厚との比率を端部面から伝搬方向に沿って漸次変化させる構成としてもよい。   In the coupling between the optical fiber and the multimode waveguide, the cross-sectional shape of the end of the multimode waveguide coupled to the circular optical fiber is a square shape, and the core width in the direction parallel to the substrate and the core in the direction perpendicular to the substrate In addition to the configuration in which the ratio with the thickness is gradually changed from the end surface along the propagation direction to form a rectangular shape, the end cross section is formed into a vertically or horizontally long rectangular shape without going through a square shape, The ratio between the rectangular core width and the core thickness may be gradually changed from the end face along the propagation direction.

以上説明したように、本願発明のモード合分波器によれば、矩形導波路におけるTE01モードとTE10モードの縮退、及びTM01モードとTM10モードの縮退の解除において、方向性結合器を不要とすることができ、縮退しているモード間(TE01モードとTE10モード)の結合係数について厳密な設計や製作を不要とすることができる。As described above, according to the mode multiplexer / demultiplexer of the present invention, the directional coupler can be used in the degeneration of the TE 01 mode and the TE 10 mode and the degeneration of the TM 01 mode and the TM 10 mode in the rectangular waveguide. Therefore, it is possible to eliminate the need for strict design and manufacture of the coupling coefficient between the degenerated modes (TE 01 mode and TE 10 mode).

矩形導波路において、誘電率調整部を用いることなく、導波路自体の構成によってTE01モードとTE10モードの縮退、及びTM01モードとTM10モードの縮退を解いて分波(分離)することができる。In a rectangular waveguide, demultiplexing (separating) by solving the degeneration of the TE 01 mode and the TE 10 mode and the degeneration of the TM 01 mode and the TM 10 mode according to the configuration of the waveguide itself without using a dielectric constant adjustment unit. Can do.

また、光の相反性から、TE01モードとTE10モード、及びTM01モードとTM10モードを矩形導波路に、誘電率調整部を用いることなく、導波路自体の構成によって合波させることができる。In addition, from the reciprocity of light, the TE 01 mode and the TE 10 mode, and the TM 01 mode and the TM 10 mode can be combined into a rectangular waveguide by the configuration of the waveguide itself without using a dielectric constant adjustment unit. it can.

単一モードファイバと数モードファイバの概略を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the outline of a single mode fiber and several mode fiber. 数モードファイバの電磁界分布を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the electromagnetic field distribution of several mode fiber. 矩形導波路の電磁界分布を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the electromagnetic field distribution of a rectangular waveguide. 正方形導波路の伝搬定数の縮退を説明するための図である。It is a figure for demonstrating degeneration of the propagation constant of a square waveguide. 対称3層平板導波路を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a symmetrical 3 layer flat plate waveguide. 平板導波路の偏光モード(偏波モード)を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the polarization mode (polarization mode) of a flat plate waveguide. 平板導波路の分散曲線と偏波依存性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the dispersion curve and polarization | polarized-light dependence of a flat plate waveguide. 本願発明のモード合分波器の第1の構成例の概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of the 1st structural example of the mode multiplexer / demultiplexer of this invention. 本願発明のモード合分波器の第1の構成例の概略構成を示すコア厚方向から見た図である。It is the figure seen from the core thickness direction which shows schematic structure of the 1st structural example of the mode multiplexer / demultiplexer of this invention. 矩形(長方形)導波路の分散曲線を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the dispersion curve of a rectangular (rectangular) waveguide. 本願発明のモード合分波器のモードの縮退の解除及び分波の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating cancellation | release of mode degeneration of a mode multiplexer / demultiplexer of this invention, and operation | movement of a demultiplexing. 本願発明のモード合分波器の各結合分岐部におけるモードの伝搬解析を示す図である。It is a figure which shows the propagation analysis of the mode in each coupling branch part of the mode multiplexer / demultiplexer of this invention. 本願発明のモード合分波器の第2、3の構成例の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the 2nd, 3rd structural example of the mode multiplexer / demultiplexer of this invention. 本願発明のモード合分波器の第2の構成例の縮退の解除及び分波の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating cancellation | release of degeneration and the operation | movement of a demultiplexing of the 2nd structural example of the mode multiplexer / demultiplexer of this invention. 本願発明のモード合分波器の第3の構成例の縮退の解除及び分波の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating cancellation | release of degeneracy and the operation | movement of a demultiplexing of the 3rd structural example of the mode multiplexer / demultiplexer of this invention.

以下、本願発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、図5〜6を用いて本願発明のモード合分波器に用いる平板導波路を説明し、図8〜12を用いて本願発明のモード合分波器の第1の構成例を説明し、図13〜15を用いて本願発明のモード合分波器の第2、3の構成例を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Hereinafter, the flat plate waveguide used in the mode multiplexer / demultiplexer of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 6, and the first configuration example of the mode multiplexer / demultiplexer of the present invention will be described with reference to FIGS. The second and third configuration examples of the mode multiplexer / demultiplexer of the present invention will be described with reference to FIGS.

[平板導波路の概略構成]
はじめに、本願発明のモード合分波器に用いる矩形導波路と、最も基本的な光導波路である平板導波路について説明する。図5は平板導波路の構造パラメータを説明するための概略図であり、図6は平板導波路の偏光モード(偏波モード)を説明するための概略図である。
[Schematic structure of flat waveguide]
First, a rectangular waveguide used in the mode multiplexer / demultiplexer of the present invention and a flat waveguide that is the most basic optical waveguide will be described. FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the structural parameters of the plate waveguide, and FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the polarization mode (polarization mode) of the plate waveguide.

図5は、平板導波路として対称3層平板導波路を示している。対称3層平板導波路は、基板上においてコアをクラッドによって縦方向(図中のy軸方向)に挟んで構成する3層構造であり、横方向(図中のx方向)をコア幅の方向とし、縦方向(図中のy軸方向)をコア厚の方向とし、奥行き方向(図中のz軸方向)を伝搬方向としている。   FIG. 5 shows a symmetric three-layer plate waveguide as a plate waveguide. The symmetric three-layer flat plate waveguide has a three-layer structure in which a core is sandwiched in the vertical direction (y-axis direction in the figure) by a clad on the substrate, and the horizontal direction (x direction in the figure) is the direction of the core width. The longitudinal direction (y-axis direction in the figure) is the core thickness direction, and the depth direction (z-axis direction in the figure) is the propagation direction.

ここで、光が主に導波される領域であるコアの屈折率をnとし、コアを囲む領域であるクラッドの屈折率をnとすると、比屈折率差Δは以下の式(1)で表される。
Δ=(n −n )/2n ・・・(1)
なお、平板導波路のコア半幅(半厚)aは光ファイバのコア径(半径)aに相当する。
Here, the core refractive index of a region where light is mainly guided to the n 1, and the refractive index of the cladding which is a region surrounding the core and n 2, the relative refractive index difference Δ is the following formula (1 ).
Δ = (n 1 2 −n 2 2 ) / 2n 1 2 (1)
The core half width (half thickness) a of the flat plate waveguide corresponds to the core diameter (radius) a of the optical fiber.

導波路パラメータのVパラメータ、及び規格化伝搬定数bはそれぞれ以下の式(2),(3)で表される。
V=κa(2Δ)1/2=(2π/λ)na(2Δ)1/2 ・・・(2)
b=((β/k−n )/(n −n ) ・・・(3)
なお、kは真空中の伝搬定数であり、βは規格化伝搬定数であり、λは波長である。
The V parameter of the waveguide parameter and the normalized propagation constant b are expressed by the following equations (2) and (3), respectively.
V = κ 0 n 1 a (2Δ) 1/2 = (2π / λ) n 1 a (2Δ) 1/2 (2)
b = ((β / k 0 ) 2 −n 2 2 ) / (n 1 2 −n 2 2 ) (3)
Here, k 0 is a propagation constant in vacuum, β is a normalized propagation constant, and λ is a wavelength.

平板導波路では、電界がy方向のみの成分を有するTEモード(Transverse Electric mode)と磁界がy方向のみの成分を有するTMモード(Transverse Magnetic mode)が伝搬される。図6は平板導波路の偏光モード(偏波モード)を説明するための図であり、図6(a)はTEモード(S波)を示し、図6(b)はTMモード(P波)を示している。図において伝搬方向は左から右に向かう方向である。TEモードとTMモードとは、偏光(偏波)方向が90°相違している。   In the planar waveguide, a TE mode (Transverse Electric mode) in which the electric field has a component only in the y direction and a TM mode (Transverse Magnetic mode) in which the magnetic field has a component only in the y direction are propagated. 6A and 6B are diagrams for explaining the polarization mode (polarization mode) of the planar waveguide. FIG. 6A shows the TE mode (S wave), and FIG. 6B shows the TM mode (P wave). Is shown. In the figure, the propagation direction is from left to right. The TE mode and the TM mode are different in polarization (polarization) direction by 90 °.

矩形導波路の高次モードでは、TEモードは電磁界分布に節ができる方向が90°相違するTE01モードとTE10モードがあり、TMモードも同様に電磁界分布に節ができる方向が90°相違するTM01モードとTM10モードがある。コアの断面形状が正方形である正方形導波路では、TE01モードとTE10モード、及びTM01モードとTM10モードの各モードは伝搬定数が同じであるため縮退している。In the high-order mode of the rectangular waveguide, the TE mode has a TE 01 mode and a TE 10 mode in which the direction in which the electromagnetic field distribution can be knotted is 90 °, and the TM mode similarly has a direction in which the node can be noded in the electromagnetic field distribution. ° There are different TM 01 and TM 10 modes. In a square waveguide having a square cross-sectional shape of the core, the TE 01 mode and the TE 10 mode, and the TM 01 mode and the TM 10 mode have the same propagation constant, and are degenerated.

なお、矩形導波路における厳密なモードは、前記したように、偏光方向は厳密にはx方向またはy方向に100%偏光しているわけではなく、直交する座標方向の成分が理論的には存在するが、比屈折率差Δが1%以下と小さい場合には電界はほぼx方向またはy方向に偏光しているため、便宜的にTEモードあるいはTMモードと呼ばれる。あるいは、TE-likeモードやTM-likeモードと呼ばれる場合もある。一方、モード番号(あるいはモードラベル)については、図3のようにx軸とy軸を定義して、TEijの最初の下付き添え字iがx方向のモード次数、2番目の下付き添え字jがy方向のモード次数を表す。Note that, as described above, the strict mode in the rectangular waveguide is not strictly polarized with 100% polarization in the x direction or the y direction, and the components in the orthogonal coordinate directions exist theoretically. However, when the relative refractive index difference Δ is as small as 1% or less, the electric field is substantially polarized in the x direction or the y direction, and is therefore referred to as a TE mode or a TM mode for convenience. Alternatively, it may be called a TE-like mode or a TM-like mode. On the other hand, for the mode number (or mode label), the x and y axes are defined as shown in FIG. 3, and the first subscript i of TE ij is the mode order in the x direction, and the second subscript. The letter j represents the mode order in the y direction.

平板導波路ではTEモードの伝搬定数は比屈折率差Δに依存しないが、TMモードは比屈折率差Δが大きい場合には伝搬定数がTEモードの伝搬定数よりも小さくなる。そのため、比屈折率差Δが大きい場合にはTEモードとTMモードの伝搬定数に差が生じる。   In the flat waveguide, the TE mode propagation constant does not depend on the relative refractive index difference Δ, but the TM mode has a smaller propagation constant than the TE mode propagation constant when the relative refractive index difference Δ is large. Therefore, when the relative refractive index difference Δ is large, a difference occurs in the propagation constant between the TE mode and the TM mode.

これに対して、比屈折率差Δが小さい場合にはTEモードとTMモードの伝搬定数はほぼ同じであり、コアの断面形状が正方形でない場合であっても、比屈折率差Δが1%程度の小さい場合には、伝搬定数の偏光依存性が小さいため、TEモードとTMモードの伝搬定数はほとんど一致して縮退している。したがって、コアの断面形状が正方形の正方形導波路や、コアの断面形状が長方形である場合であっても比屈折率差Δが1%程度の小さい矩形導波路の矩形導波路では、TEモードとTMモードは縮退する。   On the other hand, when the relative refractive index difference Δ is small, the propagation constants of the TE mode and the TM mode are almost the same, and the relative refractive index difference Δ is 1% even when the cross-sectional shape of the core is not square. When the degree is small, since the polarization dependence of the propagation constant is small, the propagation constants of the TE mode and the TM mode almost coincide and degenerate. Therefore, in the case of a square waveguide having a square cross section of the core, or a rectangular waveguide having a small relative refractive index difference Δ of about 1% even when the core has a rectangular cross section, the TE mode is used. TM mode is degenerated.

なお、矩形導波路のTE01モードとTM01モードは数モードファイバのLP11 evenモードに対応し、矩形導波路のTE10モードとTM10モードは数モードファイバのLP11 oddモードに対応している。The TE 01 mode and TM 01 mode of the rectangular waveguide correspond to the LP 11 even mode of the few mode fiber, and the TE 10 mode and TM 10 mode of the rectangular waveguide correspond to the LP 11 odd mode of the few mode fiber. Yes.

図7は平板導波路の分散曲線を説明するための図であり、図7(a)は比屈折率差Δが小さい場合の平板導波路の分散曲線を示し、図7(b)は比屈折率差Δが大きい場合の平板導波路の分散曲線を示している。図7の分散曲線は、Vパラメータに対する規格化伝搬定数bを示している。   FIG. 7 is a diagram for explaining a dispersion curve of a plate waveguide. FIG. 7A shows a dispersion curve of the plate waveguide when the relative refractive index difference Δ is small, and FIG. The dispersion curve of the flat plate waveguide when the rate difference Δ is large is shown. The dispersion curve in FIG. 7 shows the normalized propagation constant b with respect to the V parameter.

[モード合分波器の第1の構成例]
次に、本願発明のモード合分波器の第1の構成例について説明する。図8,9は、モード合分波器の第1の構成例の概略構成を示す斜視図及びコア厚方向から見た図である。
[First configuration example of mode multiplexer / demultiplexer]
Next, a first configuration example of the mode multiplexer / demultiplexer of the present invention will be described. 8 and 9 are a perspective view showing a schematic configuration of the first configuration example of the mode multiplexer / demultiplexer and a diagram seen from the core thickness direction.

モード合分波器1Aは、基板(図示していない)上にコアの断面形状が矩形の多モード導波路2と第1および第2の単一モード導波路3,4とが形成されてなり、多モード導波路2と第1および第2の単一モード導波路3,4は非対称テーパー結合モード遷移型導波路を構成している。   The mode multiplexer / demultiplexer 1A includes a multi-mode waveguide 2 having a rectangular core cross-sectional shape and first and second single-mode waveguides 3 and 4 formed on a substrate (not shown). The multimode waveguide 2 and the first and second single mode waveguides 3 and 4 constitute an asymmetric taper coupled mode transition type waveguide.

多モード導波路2は、基板(図示していない)に対して平行方向(図中のx軸方向)のコア幅と垂直方向(図中のy軸方向)のコア厚との比率が伝搬方向(図中のz軸方向)に沿って漸次変化して先細りとなるテーパー形状であり、縮退したモードが伝搬するバスラインを構成している。   In the multimode waveguide 2, the ratio of the core width in the parallel direction (x-axis direction in the figure) to the core thickness in the vertical direction (y-axis direction in the figure) is the propagation direction with respect to the substrate (not shown). The taper shape gradually changes along the z-axis direction (in the drawing) and forms a bus line through which the degenerated mode propagates.

第1および第2の単一モード導波路3,4は、基板(図示していない)上において、多モード導波路2のコア幅方向(図中のx軸方向)の側面(図中のA面で、以下、多モード導波路の側面という)に対して遠ざかる方向に湾曲した曲線形状であり、基板に対してコア幅(図中のx軸方向の長さ)が伝搬方向(図中のz軸方向)に沿って漸次大きくなるテーパー形状であり、多モード導波路2との距離が伝搬方向において近接した後に徐々に離隔する。   The first and second single-mode waveguides 3 and 4 are formed on a side surface (A in the drawing) of the multimode waveguide 2 in the core width direction (x-axis direction in the drawing) on the substrate (not shown). Is a curved shape that is curved in a direction away from the side surface of the multimode waveguide, and the core width (length in the x-axis direction in the figure) is the propagation direction (in the figure). The taper shape gradually increases along the z-axis direction), and is gradually separated after the distance from the multimode waveguide 2 approaches in the propagation direction.

第1および第2の単一モード導波路3,4は、多モード導波路2から分離された高次モードがモード遷移される場合には、モード遷移したモード信号を出射するドロップラインを構成する。一方、第1および第2の単一モード導波路3,4は、基本モードが多モード導波路2にモード遷移する場合には、基本モードを入射するインラインを構成する。   The first and second single-mode waveguides 3 and 4 form a drop line that emits a mode signal that has undergone mode transition when the higher-order mode separated from the multimode waveguide 2 undergoes mode transition. . On the other hand, the first and second single-mode waveguides 3 and 4 form an inline in which the fundamental mode is incident when the fundamental mode makes a mode transition to the multi-mode waveguide 2.

多モード導波路2及び第1と第2の単一モード導波路3,4との配置において、第1の単一モード導波路3は多モード導波路2のコア幅方向(図中のx軸方向)の側面(図中のA面)に対して伝搬方向(図中のz軸方向)に沿って並置され、第2の単一モード導波路4は多モード導波路2のコア厚方向(図中のy軸方向)の上面(図中のB面)に対して伝搬方向に沿って積層して並置される。第1の単一モード導波路3と第2の単一モード導波路4はコア厚方向に積層される。   In the arrangement of the multimode waveguide 2 and the first and second single mode waveguides 3 and 4, the first single mode waveguide 3 is arranged in the core width direction of the multimode waveguide 2 (the x axis in the figure). Direction) is juxtaposed along the propagation direction (z-axis direction in the drawing) with respect to the side surface (A surface in the drawing), and the second single-mode waveguide 4 is in the core thickness direction of the multimode waveguide 2 ( They are stacked and juxtaposed along the propagation direction with respect to the upper surface (the B surface in the figure) in the y-axis direction in the figure. The first single mode waveguide 3 and the second single mode waveguide 4 are stacked in the core thickness direction.

なお、第1の単一モード導波路3は図中のA面と反対側の多モード導波路2の側面に並置してもよく、また、第2の単一モード導波路4は図中のB面と反対側の多モード導波路2の下面に並置してもよい。   The first single mode waveguide 3 may be juxtaposed on the side surface of the multimode waveguide 2 on the side opposite to the A plane in the drawing, and the second single mode waveguide 4 is shown in the drawing. You may juxtapose with the lower surface of the multimode waveguide 2 on the opposite side to the B surface.

多モード導波路2と第1および第2の単一モード導波路3,4の並置において、第1および第2の単一モード導波路3,4は湾曲形状によって多モード導波路2に対して近接した後に離隔する。この近接において、第1および第2の単一モード導波路3,4と多モード導波路2とが断熱的なモード相互作用を呈する距離に近接することで結合分岐部C,Dが形成される。   In the juxtaposition of the multimode waveguide 2 and the first and second single mode waveguides 3 and 4, the first and second single mode waveguides 3 and 4 are curved with respect to the multimode waveguide 2 due to the curved shape. Separate after approaching. In this proximity, the first and second single mode waveguides 3 and 4 and the multimode waveguide 2 are close to a distance exhibiting adiabatic mode interaction, so that the coupling branches C and D are formed. .

結合分岐部C,Dにおいて、多モード導波路2のテーパー形状によって、断面が正方形ではなくなることで、TE01モードとTE10モードの伝搬定数、あるいはTM01モードとTM10モードの伝搬定数に差異が生じ、モードの縮退が解かれ、他方、断面が長方形から正方形となることでモードの伝搬定数が一致し、モードが縮退する。Due to the tapered shape of the multimode waveguide 2 at the coupling branch portions C and D, the cross section is not square, so that there is a difference in the propagation constant between the TE 01 mode and the TE 10 mode or between the TM 01 mode and the TM 10 mode. Occurs, and the mode degeneration is solved. On the other hand, since the cross section is changed from a rectangle to a square, the mode propagation constants coincide with each other, and the mode degenerates.

また、結合分岐部C,Dにおいて、多モード導波路2の高次モードの伝搬定数と第1および第2の単一モード導波路3,4の基本モードの伝搬定数の大小関係が変化することに伴って、導波路間でモードの断熱遷移が行われ、伝搬定数が小さい導波路から伝搬定数が大きい導波路に向かって断熱的な相互作用によって光電力の局在部分が遷移する。したがって、結合分岐部C,Dでは、多モード導波路から単一モード導波路へのモードの分離と、単一モード導波路から多モード導波路へのモードの合波が行われる。   In addition, in the coupling branches C and D, the magnitude relationship between the propagation constant of the higher mode of the multimode waveguide 2 and the propagation constant of the fundamental mode of the first and second single mode waveguides 3 and 4 changes. Accordingly, mode adiabatic transition is performed between the waveguides, and the localized portion of the optical power transits by adiabatic interaction from the waveguide having a small propagation constant toward the waveguide having a large propagation constant. Therefore, in the coupling branch portions C and D, the mode separation from the multimode waveguide to the single mode waveguide and the mode multiplexing from the single mode waveguide to the multimode waveguide are performed.

多モード導波路に縮退が解かれた高次モードが伝搬している状態において、多モード導波路と並置された単一モード導波路との伝搬定数の大小関係が入れ替わり、単一モード導波路の基本モードの伝搬定数が多モード導波路の高次モードの伝搬定数よりも大きくなった場合には、多モード導波路を伝搬する高次モードは単一モード導波路の基本モードにモード遷移する。   In a state in which a higher-order mode in which the degeneracy is solved in the multimode waveguide is propagating, the magnitude relationship of the propagation constants of the multimode waveguide and the juxtaposed single mode waveguide is switched, and the single mode waveguide When the propagation constant of the fundamental mode becomes larger than the propagation constant of the higher order mode of the multimode waveguide, the higher order mode propagating through the multimode waveguide makes a mode transition to the fundamental mode of the single mode waveguide.

また、単一モード導波路にモード信号が伝搬している状態において、単一モード導波路の基本モードの伝搬定数と多モード導波路の高次モードとの伝搬定数の大小関係が入れ替わり、多モード導波路の高次モードの伝搬定数が単一モード導波路の基本モードの伝搬定数よりも大きくなった場合には、単一モード導波路の基本モードは多モード導波路の高次モードにモード遷移する。   In addition, in the state where the mode signal is propagated to the single mode waveguide, the magnitude relationship between the propagation constant of the fundamental mode of the single mode waveguide and the propagation constant of the higher mode of the multimode waveguide is switched. When the propagation constant of the higher-order mode of the waveguide is larger than the propagation constant of the fundamental mode of the single-mode waveguide, the fundamental mode of the single-mode waveguide transitions to the higher-order mode of the multimode waveguide. To do.

多モード導波路のTE及びTMの一次モードとして、TE10モード、TE01モード、TM10モードとTM01モードがあり、本願発明のモード合分波器は、これらの一次モードの縮退を解いて分波(分離)して単一モード導波路の基本モードにモード遷移することができる他、複数の単一モード導波路の基本モードを多モード導波路にモード遷移し合波することができ、多モード導波路において複数のモードを伝搬させることができる。There are TE 10 mode, TE 01 mode, TM 10 mode and TM 01 mode as the primary modes of TE and TM of the multimode waveguide. The mode multiplexer / demultiplexer of the present invention solves the degeneration of these primary modes. In addition to splitting (separating) and mode transition to the fundamental mode of a single mode waveguide, the fundamental mode of multiple single mode waveguides can be mode transitioned to a multimode waveguide and combined, A plurality of modes can be propagated in the multimode waveguide.

第1の構成例は、光ファイバ11を伝搬する縮退したモードを入射して各次数のモードに分波し、分波した各次のモードを第1および第2の単一モード導波路3,4も各ポートGから分離して出射するモード分波器として用いる他、各ポートGから入射したモードを合波し、合波したモードを合波して光ファイバ11に出射するモード合波器として用いることができる。   In the first configuration example, a degenerated mode propagating through the optical fiber 11 is incident and demultiplexed into modes of each order, and the demultiplexed modes are first and second single-mode waveguides 3 and 3. In addition to being used as a mode demultiplexer 4 that is separated from each port G and emitted, a mode multiplexer that combines the modes incident from each port G, combines the combined modes, and outputs the combined mode to the optical fiber 11. Can be used as

ポートGからモードを分離する際、分波したモードには偏光方向が90°異なるTEモードとTMモードが含まれている。このTEモードとTMモードを分離するために各ポートFに偏光分離部材12を設けることができる。   When the mode is separated from the port G, the demultiplexed modes include a TE mode and a TM mode whose polarization directions are different by 90 °. In order to separate the TE mode and the TM mode, a polarization separation member 12 can be provided at each port F.

多モード導波路2の一方の端部Eには光ファイバ11が接続され、光ファイバ11と多モード導波路1との間でモード信号の授受が行われ、モード分波器として用いる場合には入射端として用いられ、モード合波器として用いる場合には合波した高次モードを光ファイバ11側に出射する出射端として用いられる。   When an optical fiber 11 is connected to one end E of the multimode waveguide 2, a mode signal is exchanged between the optical fiber 11 and the multimode waveguide 1, and the mode duplexer is used. Used as an incident end, when used as a mode multiplexer, it is used as an exit end for emitting the combined higher-order mode to the optical fiber 11 side.

多モード導波路2の他方の端部Fは、モード分波器として用いる場合には、第1および第2の単一モード導波路3,4に分波(分離)されて残った基本モードが出射される出射端として用いられ、モード合波器として用いる場合には入射端として用いられる。端部Fのポートにも偏光分離部材12が設置される。   When the other end F of the multimode waveguide 2 is used as a mode demultiplexer, the fundamental mode remaining after being demultiplexed (separated) into the first and second single mode waveguides 3 and 4 is provided. It is used as the exit end to be emitted, and is used as the entrance end when used as a mode multiplexer. The polarization separation member 12 is also installed at the port of the end F.

モード合分波器1Aに対する光ファイバ11及び偏光分離部材12の設置において、多モード導波路2の一端Eに断面形状が円形の光ファイバ11を突き合わせて結合させ、第1および第2の単一モード導波路3,4の一端のポートGに偏光分離部材12を結合させる。   In the installation of the optical fiber 11 and the polarization separating member 12 with respect to the mode multiplexer / demultiplexer 1A, the optical fiber 11 having a circular cross section is abutted and coupled to one end E of the multimode waveguide 2 so that the first and second singles The polarization separation member 12 is coupled to the port G at one end of the mode waveguides 3 and 4.

あるいは、断面形状が円形の光ファイバの出射端に偏光分離部材を配置して、その後に偏光分離部材の1つの偏光を出射する端にモード合分波器の多モード導波路の一端を突き合わせて接続し、他方の偏光を出射する端にも同様のモード合分波器の多モード導波路の一端を突合せ接続する構成とすることもできる。   Alternatively, a polarization separation member is disposed at the exit end of the optical fiber having a circular cross-sectional shape, and then one end of the multimode waveguide of the mode multiplexer / demultiplexer is butted against the end of the polarization separation member that emits one polarized light. One end of a multimode waveguide of a similar mode multiplexer / demultiplexer can also be butt-connected to the other end that emits polarized light.

偏光分離部材の設置位置は、各分離ポートとする他に、入射端Eに設置する構成としても良い。この構成によれば、直交する偏光を入射端Eに設けた偏光分離部材で分離し、その後にモード分離することができる。また、合波においても、端部Eに偏光合波器を設置しても良い。   The installation position of the polarization separation member may be configured to be installed at the incident end E in addition to the separation port. According to this configuration, orthogonal polarized light can be separated by the polarization separation member provided at the incident end E, and then mode separation can be performed. Also in multiplexing, a polarization multiplexer may be installed at the end E.

光ファイバ11と多モード導波路2との接続において、円形の光ファイバ11と接続する多モード導波路2の端部Eの断面形状を正方形の形状とし、基板に対して平行方向のコア幅と垂直方向のコア厚との比率を端部Eの面から伝搬方向に沿って漸次変化させて長方形の形状とする構成の他に、正方形の形状を経ること無く、端部Eの断面を縦長あるいは横長の長方形の形状とし、この長方形のコア幅とコア厚との比率を端部Eの面から伝搬方向に沿って漸次変化させる構成とすることもできる。   In the connection between the optical fiber 11 and the multimode waveguide 2, the cross-sectional shape of the end E of the multimode waveguide 2 connected to the circular optical fiber 11 is a square shape, and the core width in the direction parallel to the substrate is In addition to a configuration in which the ratio of the core thickness in the vertical direction is gradually changed from the surface of the end portion E along the propagation direction to form a rectangular shape, the cross section of the end portion E can be elongated vertically without going through a square shape. A horizontally long rectangular shape may be used, and the ratio of the core width to the core thickness of the rectangle may be gradually changed from the surface of the end E along the propagation direction.

次に、第1の構成例の動作例について、モード分波器として用いる場合について、図10〜図12を用いて説明する。   Next, an operation example of the first configuration example will be described with reference to FIGS.

図10は矩形(長方形)導波路の分散曲線を示している。図示する例では、コアの屈折率がn=1.4678、クラッドの屈折率がn=1.4530の矩形導波路において、コア厚hを8μmとしてコア幅Wを変化させたときの等価屈折率neqを示している。等価屈折率neqは規格化伝搬定数βを真空中の伝搬定数kで除した値であるため、図10は、矩形導波路のコア幅とコア厚との比率に対する伝搬定数の変化を示している。FIG. 10 shows a dispersion curve of a rectangular (rectangular) waveguide. In the illustrated example, in a rectangular waveguide having a core refractive index n 1 = 1.4678 and a clad refractive index n 2 = 1.4530, the equivalent is obtained when the core thickness h is 8 μm and the core width W is changed. Refractive index n eq is shown. Since the equivalent refractive index n eq is a value obtained by dividing the normalized propagation constant β by the propagation constant k 0 in vacuum, FIG. 10 shows the change of the propagation constant with respect to the ratio between the core width and the core thickness of the rectangular waveguide. ing.

図10の分散曲線は、0次モードのTE00と1次モードのTE01モード、TE10モード、及びTE11モードの各伝搬定数を示している。なお、ここでは、異なる偏光のTM00モード、TM01モード、TM10モード、及びTM11モードは示していない。The dispersion curve in FIG. 10 shows the propagation constants of the TE 00 in the 0th order mode, the TE 01 mode in the 1st order mode, the TE 10 mode, and the TE 11 mode. Here, TM 00 mode, TM 01 mode, TM 10 mode, and TM 11 mode of different polarizations are not shown.

コア厚hが8μmであるため、コア幅Wが8μmである矩形導波路はコアの断面形状が正方形である正方形導波路に相当する。この正方形導波路では、1次モードのTE01モードとTE10モード、及びTM01モードとTM10モードの各モードは伝搬定数が同じであるため縮退している。図10中において、TE01モードとTE10モードとが交差する点はモードが縮退した状態にある。Since the core thickness h is 8 μm, a rectangular waveguide having a core width W of 8 μm corresponds to a square waveguide having a square cross-sectional shape of the core. In this square waveguide, the TE 01 mode and the TE 10 mode of the primary mode, and the TM 01 mode and the TM 10 mode are degenerated because the propagation constants are the same. In FIG. 10, the point where the TE 01 mode and the TE 10 mode intersect is in a degenerated state.

コア幅Wとコア厚hの比率が1:1からずれると矩形導波路のコアの断面形状は正方形から長方形となる。このように、矩形導波路のコア幅Wとコア厚hとの比率が1:1からずれると、TE01モードとTE10モードの伝搬定数が異なるため縮退が解かれる。図10において、コア幅Wが8μmよりも大きい場合(TE01モードとTE10モードとの交点Pよりも図中の右側)には、TE10モードの等価屈折率neqはTE01モードの等価屈折率neqよりも大きくなる。他方、コア幅Wが8μmよりも小さい場合(TE01モードとTE10モードとの交点Pよりも図中の左側)にはTE01モードの等価屈折率neqはTE10モードの等価屈折率neqよりも大きくなる。When the ratio of the core width W to the core thickness h is deviated from 1: 1, the cross-sectional shape of the core of the rectangular waveguide is changed from a square to a rectangle. Thus, when the ratio between the core width W and the core thickness h of the rectangular waveguide deviates from 1: 1, the degeneration is solved because the propagation constants of the TE 01 mode and the TE 10 mode are different. In FIG. 10, when the core width W is larger than 8 μm (the right side in the drawing from the intersection P between the TE 01 mode and the TE 10 mode), the equivalent refractive index n eq of the TE 10 mode is equivalent to that of the TE 01 mode. It becomes larger than the refractive index n eq . On the other hand, when the core width W is smaller than 8 μm (on the left side in the drawing from the intersection P between the TE 01 mode and the TE 10 mode), the equivalent refractive index n eq of the TE 01 mode is the equivalent refractive index n of the TE 10 mode. It becomes larger than eq .

本願発明のモード合分波器では、この矩形導波路のコア幅Wとコア厚hの比率が1:1からずれて断面形状が正方形から長方形となる場合に、TE01モードとTE10モードの伝搬定数が異なって縮退が解かれることを利用するものであり、縮退が解かれたTE01モードとTE10モードを、多モード導波路に並置した単一モード導波路に断熱遷移させることによって各モードを分波(分離)する。In the mode multiplexer / demultiplexer of the present invention, when the ratio of the core width W to the core thickness h of the rectangular waveguide is deviated from 1: 1 and the cross-sectional shape is changed from a square to a rectangle, the TE 01 mode and the TE 10 mode By utilizing the fact that the degeneration is solved with different propagation constants, each of the TE 01 mode and the TE 10 mode in which the degeneration is solved is adiabatically transitioned to a single mode waveguide juxtaposed to the multimode waveguide. Demultiplex (separate) modes.

また、光の相反性から逆方向の作用も同様に行うことができ、単一モード導波路から多モード導波路に断熱遷移させることにより、多モード導波路においてモードを合波させることができる。   Also, the reverse action can be performed in the same way due to the reciprocity of light, and the modes can be combined in the multimode waveguide by adiabatic transition from the single mode waveguide to the multimode waveguide.

図11を用いて、モードの縮退を解いて単一モード導波路の分波する動作について説明する。図11では、多モード導波路の矩形導波路のコア幅Wがコア厚hよりも次第に小さくなり先細りとなる導波路の例について説明する。   The operation of demultiplexing a single mode waveguide by solving mode degeneration will be described with reference to FIG. FIG. 11 illustrates an example of a waveguide in which the core width W of the rectangular waveguide of the multimode waveguide gradually becomes smaller than the core thickness h and becomes tapered.

図11(a)は、図10と同様に多モード導波路の分散曲線を示し、図11(b)は第1および2の単一モード導波路の分散曲線を示している。図11(a),(b)の横軸の下方に示す矩形は、コアの断面形状の変化を模式的に示している。   FIG. 11A shows the dispersion curve of the multimode waveguide similarly to FIG. 10, and FIG. 11B shows the dispersion curves of the first and second single mode waveguides. The rectangles shown below the horizontal axes in FIGS. 11A and 11B schematically show changes in the cross-sectional shape of the core.

図11(a)の多モード導波路では、コア断面のコア幅Wが次第に小さくなって正方形形状から先細りの長方形となるに従ってTE01モードとTE10モードの縮退が解け、TE01モードの等価屈折率neq(図中の破線で表示)はTE10モードの等価屈折率neq(図中の太い実線で表示)よりも大きくなる。In the multimode waveguide of FIG. 11A, the degeneration of the TE 01 mode and the TE 10 mode is solved as the core width W of the core cross section gradually becomes smaller and becomes a tapered rectangle, and the equivalent refraction of the TE 01 mode is solved. The rate n eq (indicated by a broken line in the figure) is larger than the equivalent refractive index n eq of TE 10 mode (indicated by a thick solid line in the figure).

図11(b)の第1および2の単一モード導波路では、コア断面のコア幅Wが次第に大きくなるに従って等価屈折率neqが大きくなる。In the first and second single mode waveguides of FIG. 11B, the equivalent refractive index n eq increases as the core width W of the core cross section gradually increases.

図11(c)〜(e)は、多モード導波路と第1および第2の単一モード導波路とを断熱的なモード遷移が生じる程度に近接させた場合において、多モード導波路(TE01モードとTE10モード)と単一モード導波路間のモード遷移を示している。TE01モードは破線で示し、TE10モードは実線で示し、単一モード導波路の基本モードは一点鎖線で示している。FIGS. 11C to 11E show the multimode waveguide (TE) when the multimode waveguide and the first and second single mode waveguides are brought close to each other so that adiabatic mode transition occurs. 01 mode and TE 10 mode) and a mode transition between single mode waveguides. The TE 01 mode is indicated by a broken line, the TE 10 mode is indicated by a solid line, and the fundamental mode of the single mode waveguide is indicated by a one-dot chain line.

図11(c)は、図11(a)の多モード導波路のTE01モード、TE10モード、及びTE11モードの分散曲線と図11(b)の第1および第2の単一モード導波路の分散曲線とを重ね合わせた状態を示している。なお、TE10モードの分離部(図8および図9のC)では第1の単一モード導波路のコア厚hが多モード導波路のコア厚と同じであるため、図11(b)の単一モード導波路の分散曲線は、図11(a)の多モード導波路のTE00モードの分散曲線と同じになっている。一方、TE01モードの分離部(図8および図9のD)では第2の単一モード導波路のコア厚hは必ずしも多モード導波路のコア厚と同じである必要はないが、ここでは説明の単純化のため、図11(b)の第2の単一モード導波路の分散曲線は、図11(a)の多モード導波路のTE00とモードの分散曲線と同じと仮定して説明する。FIG. 11C shows the dispersion curves of the TE 01 mode, TE 10 mode, and TE 11 mode of the multimode waveguide of FIG. 11A and the first and second single-mode waveguides of FIG. A state in which the dispersion curve of the waveguide is superimposed is shown. Note that in the TE 10- mode separation part (C in FIGS. 8 and 9), the core thickness h of the first single-mode waveguide is the same as the core thickness of the multi-mode waveguide. The dispersion curve of the single mode waveguide is the same as the dispersion curve of the TE 00 mode of the multimode waveguide of FIG. On the other hand, in the TE 01 mode separation part (D in FIGS. 8 and 9), the core thickness h of the second single mode waveguide does not necessarily have to be the same as the core thickness of the multimode waveguide. For simplicity of explanation, it is assumed that the dispersion curve of the second single mode waveguide of FIG. 11 (b) is the same as the dispersion curve of the TE 00 and mode of the multimode waveguide of FIG. 11 (a). explain.

TE01モードの分離部(図8および図9のD)の第2の単一モード導波路のコア厚hが多モード導波路のコア厚と異なる場合には、図11(b),(e)の第2の単一モード導波路の分散曲線は、図11(a)の多モード導波路のTE00とモードの分散曲線とは異なるが、コア幅が零の場合に規格化伝搬定数が零になる点は共通であり、本願発明のモード合分波器の動作の基本原理は同じである。When the core thickness h of the second single mode waveguide of the TE 01 mode separation section (D in FIGS. 8 and 9) is different from the core thickness of the multimode waveguide, FIGS. The dispersion curve of the second single-mode waveguide of FIG. 11 is different from the TE 00 and mode dispersion curves of the multimode waveguide of FIG. 11A, but the normalized propagation constant is zero when the core width is zero. The point where it becomes zero is common, and the basic principle of the operation of the mode multiplexer / demultiplexer of the present invention is the same.

図11(c)において、第1の単一モード導波路の分散曲線(図中の一点鎖線)は、断面形状が最初は細い状態から太くなる方向(横軸の右方向)に変化する過程で、はじめに多モード導波路の縮退が解けたTE10モードの分散曲線(図中の太い実線)と点Qで大小関係が入れ替わり、次に第2の単一モードの分散曲線(図中の一点鎖線)がTE01モードの分散曲線(図中の破線)と点Rで大小関係が入れ替わる。In FIG. 11 (c), the dispersion curve (the one-dot chain line in the figure) of the first single-mode waveguide is a process in which the cross-sectional shape is changed from a thin state to a thickening direction (rightward on the horizontal axis). First, the TE 10 mode dispersion curve (thick solid line in the figure) where the degeneration of the multimode waveguide has been solved and the point Q are interchanged, and then the second single mode dispersion curve (dotted line in the figure) ) Is switched between the TE 01 mode dispersion curve (broken line in the figure) and the point R.

図11(d)は、第1の単一モード導波路の基本モードの分散曲線と多モード導波路のTE10モードの分散曲線との伝搬定数の大小関係の入れ替わりを示している。FIG. 11 (d) shows a change in the magnitude relationship of the propagation constant between the dispersion curve of the fundamental mode of the first single-mode waveguide and the dispersion curve of the TE 10 mode of the multimode waveguide.

多モード導波路との断面形状が細くなる方向(横軸の左方向)において、第1の単一モード導波路は断面形状が最初は細い状態から伝搬方向に太くなるので、第1の単一モード導波路の基本モードの分散曲線と多モード導波路のTE10モードの分散曲線とが伝搬定数の大小関係の入れ替わる点Qよりも手前(図中の点Qよりも右側)では、第1の単一モード導波路の基本モードの伝搬定数はTE10モードの伝搬定数よりも小さいため、多モード導波路から第1の単一モード導波路への断熱遷移による分波は起こらない。In the direction in which the cross-sectional shape with the multimode waveguide becomes narrow (the left direction of the horizontal axis), the first single-mode waveguide has a cross-sectional shape that is initially thin and thick in the propagation direction. Before the point Q where the dispersion curve of the fundamental mode of the mode waveguide and the dispersion curve of the TE 10 mode of the multi-mode waveguide change in the relationship of the propagation constants (on the right side of the point Q in the figure), the first Since the propagation constant of the fundamental mode of the single mode waveguide is smaller than the propagation constant of the TE 10 mode, no branching due to adiabatic transition from the multimode waveguide to the first single mode waveguide occurs.

次に、点Qよりも後(図中の点Qよりも左側)では、伝搬定数の大きさが入れ替わって、第1の単一モード導波路の基本モードの伝搬定数は多モード導波路のTE10モードの伝搬定数よりも大きくなるため、多モード導波路から第1の単一モード導波路への断熱遷移によって、TE10モードが第1の単一モード導波路に分波される。Next, after the point Q (on the left side of the point Q in the figure), the magnitude of the propagation constant is switched, and the propagation constant of the fundamental mode of the first single mode waveguide is the TE of the multimode waveguide. Since it becomes larger than the propagation constant of 10 modes, the TE 10 mode is demultiplexed into the first single mode waveguide by the adiabatic transition from the multimode waveguide to the first single mode waveguide.

多モード導波路の断面形状が細くなる方向(横軸の左方向)において、第2の単一モード導波路の基本モードの分散曲線は、点Qの次に点RにおいてTE01モードの分散曲線と大小関係が入れ替わる。In the direction in which the cross-sectional shape of the multimode waveguide becomes narrower (leftward in the horizontal axis), the dispersion curve of the fundamental mode of the second single-mode waveguide is the dispersion curve of the TE 01 mode at point R next to point Q. And the relationship of magnitude changes.

図11(e)は、第2の単一モード導波路の基本モードの分散曲線と多モード導波路のTE01モードの分散曲線との大小関係が入れ替わりを示している。FIG. 11E shows that the magnitude relationship between the dispersion curve of the fundamental mode of the second single mode waveguide and the dispersion curve of the TE 01 mode of the multimode waveguide is interchanged.

多モード導波路の断面形状が細くなる方向(横軸の左方向)において、第2の単一モード導波路の基本モードの分散曲線と多モード導波路のTE01モードの分散曲線とが大小関係が入れ替わる点Rよりも手前(図中の点Rよりも右側)では、第2の単一モード導波路の基本モードの伝搬定数はTE01モードの伝搬定数よりも小さいため、多モード導波路から第2の単一モード導波路への断熱遷移による分波は起こらない。In the direction in which the cross-sectional shape of the multimode waveguide is thinner (the left direction of the horizontal axis), the dispersion curve of TE 01 mode of dispersion and multimode waveguide fundamental mode of the second single-mode waveguide size relationship Before the point R at which the is switched (on the right side of the point R in the figure), the propagation constant of the fundamental mode of the second single mode waveguide is smaller than the propagation constant of the TE 01 mode. No branching due to adiabatic transition to the second single-mode waveguide occurs.

次に、点Rよりも後(図中の点Rよりも左側)では、伝搬定数の大きさが入れ替わって、第2の単一モード導波路の基本モードの伝搬定数はTE01モードの伝搬定数よりも大きくなるため、多モード導波路から第2の単一モード導波路への断熱遷移によって、TE01モードが第2の単一モード導波路に分波される。ただし、この場合のモード遷移は縦方向(図8のy方向)に起こるため、第2の単一モード導波路は図8のように多モード導波路の上側または下側に配置される。Next, after the point R (on the left side of the point R in the figure), the magnitude of the propagation constant is switched, and the propagation constant of the fundamental mode of the second single mode waveguide is the propagation constant of the TE 01 mode. The TE 01 mode is demultiplexed into the second single mode waveguide by adiabatic transition from the multimode waveguide to the second single mode waveguide. However, since the mode transition in this case occurs in the vertical direction (y direction in FIG. 8), the second single mode waveguide is arranged on the upper side or the lower side of the multimode waveguide as shown in FIG.

上記動作から、多モード導波路は縮退が解けた後、はじめにTE10モードが第1の単一モード導波路の基本モードにモード遷移し、次にTE01モードが第2の単一モード導波路の基本モードにモード遷移する。From the above operation, after the multimode waveguide is degenerated, the TE 10 mode first transits to the fundamental mode of the first single-mode waveguide, and then the TE 01 mode becomes the second single-mode waveguide. Transition to the basic mode.

図8,9に示すモード合分波器の構成例では、多モード導波路2からTE10モードを第1の単一モード導波路3に分波(分離)し、TE01モードを第2の単一モード導波路4に分波(分離)する。TE10モードとTE01モードとを分波(分離)した残りのTE00モードは多モード導波路2の先細りの端部Fから出射される。In the configuration example of the mode multiplexer / demultiplexer shown in FIGS. 8 and 9, the TE 10 mode is demultiplexed (separated) from the multi-mode waveguide 2 to the first single mode waveguide 3, and the TE 01 mode is changed to the second mode. The single mode waveguide 4 is demultiplexed (separated). The remaining TE 00 mode obtained by demultiplexing (separating) the TE 10 mode and the TE 01 mode is emitted from the tapered end F of the multimode waveguide 2.

図12はモード合分波器の結合分岐部C,Dにおけるモードの伝搬解析を示し、伝搬方向に2mmの間における多モード導波路と単一モード導波路のx方向とy方向の電磁界強度分布を示し、z=0μmの位置では数モードファイバのLP11 evenモードとLP11 oddモードが入射された状態を示しているFIG. 12 shows the propagation analysis of the modes in the coupling branches C and D of the mode multiplexer / demultiplexer, and the electromagnetic field strengths in the x and y directions of the multimode waveguide and single mode waveguide between 2 mm in the propagation direction. The distribution shows a state where the LP 11 even mode and the LP 11 odd mode of the several mode fiber are incident at the position of z = 0 μm.

図12(a)は結合分岐部CにおけるTE10モードの伝搬解析を示し、結合分岐部CにおいてTE10モードが多モード導波路2から第1の単一モード導波路3に遷移する状態を示している。この結合分岐部Cのモード分岐比は25dBである。FIG. 12A shows a TE 10 mode propagation analysis in the coupling branch C, and shows a state in which the TE 10 mode transitions from the multimode waveguide 2 to the first single mode waveguide 3 in the coupling branch C. ing. The mode branching ratio of this coupling branch C is 25 dB.

図12(b)は結合分岐部DにおけるTE01モードの伝搬解析を示し、結合分岐部DにおいてTE01モードが多モード導波路2から第1の単一モード導波路3に遷移する状態を示している。この結合分岐部Dのモード分岐比は19dBである。FIG. 12B shows a TE 01 mode propagation analysis in the coupling branch D, and shows a state in which the TE 01 mode transitions from the multimode waveguide 2 to the first single mode waveguide 3 in the coupling branch D. ing. The mode branching ratio of the coupling branch part D is 19 dB.

なお、結合分岐部Cは、多モード導波路2及び多モード導波路2に対してx方向に並置された第1の単一モード導波路3で構成され、結合分岐部Dは、多モード導波路2及び多モード導波路2に対してy方向に積層して並置された第2の単一モード導波路4とで構成されている。   The coupling branch C is composed of the multimode waveguide 2 and the first single mode waveguide 3 juxtaposed in the x direction with respect to the multimode waveguide 2, and the coupling branch D is composed of the multimode waveguide D. The waveguide 2 and the multimode waveguide 2 are configured by a second single mode waveguide 4 stacked in parallel in the y direction.

[モード合分波器の第2の構成例]
次に、本願発明のモード合分波器の第2の構成例について説明する。図13(a)は、モード合分波器の第2の構成例の概略構成を示す図であり、コア厚方向から見た状態を示している。
[Second configuration example of mode multiplexer / demultiplexer]
Next, a second configuration example of the mode multiplexer / demultiplexer of the present invention will be described. FIG. 13A is a diagram showing a schematic configuration of the second configuration example of the mode multiplexer / demultiplexer, and shows a state viewed from the core thickness direction.

モード合分波器1Bは、モード合分波器1Aと同様に、基板(図示していない)上にコアの断面形状が矩形の多モード導波路2と第1および第2の単一モード導波路3,4とが形成されてなり、多モード導波路2と第1および第2の単一モード導波路3,4は非対称テーパー結合モード遷移型導波路を構成する。   Similarly to the mode multiplexer / demultiplexer 1A, the mode multiplexer / demultiplexer 1B includes a multimode waveguide 2 having a rectangular core cross section on a substrate (not shown) and first and second single-mode waveguides. The waveguides 3 and 4 are formed, and the multimode waveguide 2 and the first and second single mode waveguides 3 and 4 constitute an asymmetric taper coupled mode transition type waveguide.

第1および第2の単一モード導波路3,4の構成は第1の構成例と同様とすることができ、第1の構成例とは第1および第2の単一モード導波路3,4の多モード導波路2に対する配置位置の構成で相違する。   The configuration of the first and second single mode waveguides 3 and 4 can be the same as that of the first configuration example, and the first configuration example is the first and second single mode waveguides 3 and 3. 4 is different in the arrangement position of the multimode waveguide 2.

第1の構成例では、第1の単一モード導波路3と第2の単一モード導波路4とを多モード導波路2の伝搬方向にずらした位置に配置するのに対して、第2の構成例では、第1の単一モード導波路3と第2の単一モード導波路4とを多モード導波路2の伝搬方向においてほぼ同じ位置に配置する。   In the first configuration example, the first single mode waveguide 3 and the second single mode waveguide 4 are arranged at positions shifted in the propagation direction of the multimode waveguide 2, whereas the second In the configuration example, the first single mode waveguide 3 and the second single mode waveguide 4 are arranged at substantially the same position in the propagation direction of the multimode waveguide 2.

図14を用いて、第2の構成例において、モードの縮退を解いて単一モード導波路の分波する動作について説明する。   With reference to FIG. 14, an operation of demultiplexing a single mode waveguide by solving mode degeneration in the second configuration example will be described.

図14(a)は、図11(a)と同様に多モード導波路の分散曲線を示し、図14(b)は図11(a)と同様に第1および第2の単一モード導波路の分散曲線を示している。図14(a),(b)の横軸の下方に示す矩形は、コアの断面形状の変化を模式的に示している。なお、図14(b)では第1および第2の単一モード導波路のコア厚が異なる場合を示している。   14A shows the dispersion curve of the multimode waveguide as in FIG. 11A, and FIG. 14B shows the first and second single mode waveguides as in FIG. 11A. The dispersion curve is shown. 14A and 14B schematically show changes in the cross-sectional shape of the core. FIG. 14B shows the case where the core thicknesses of the first and second single mode waveguides are different.

図14(c)〜(e)は、多モード導波路と第1および第2の単一モード導波路とを断熱的なモード遷移が生じる程度に近接させた場合において、多モード導波路(TE01モードとTE10モード)と第1および第2の単一モード導波路間のモード遷移を示している。TE01モードは破線で示し、TE10モードは太い実線で示し、第1および第2の単一モード導波路の基本モードはそれぞれ一点鎖線および二点鎖線で示している。FIGS. 14C to 14E show the multimode waveguide (TE) when the multimode waveguide and the first and second single mode waveguides are brought close enough to cause adiabatic mode transition. (01 mode and TE 10 mode) and mode transitions between the first and second single mode waveguides. The TE 01 mode is indicated by a broken line, the TE 10 mode is indicated by a thick solid line, and the fundamental modes of the first and second single mode waveguides are indicated by an alternate long and short dash line, respectively.

図14(c)は、図14(a)の多モード導波路のTE01モード、TE10モード、及びTE11モードの分散曲線と第1および第2の単一モード導波路の分散曲線とを重ね合わせた状態を示している。ここでは、2本の単一モード導波路の分散曲線を一点鎖線と二点鎖線で示している。FIG. 14C shows the dispersion curves of the TE 01 mode, TE 10 mode, and TE 11 mode of the multimode waveguide of FIG. 14A and the dispersion curves of the first and second single mode waveguides. The superimposed state is shown. Here, the dispersion curves of the two single mode waveguides are indicated by a one-dot chain line and a two-dot chain line.

図14(c)において、2本の単一モード導波路の分散曲線は、点Pから多モード導波路の断面形状が細くなる方向(横軸の左方向)に向う方向において、入射端Eに近い位置では、多モード導波路の縮退が解けたTE10モードの分散曲線(図中の太い実線)及びTE01モードの分散曲線(図中の破線)よりも小さく設定する。In FIG. 14C, the dispersion curves of the two single mode waveguides are at the incident end E in the direction from the point P toward the direction in which the cross-sectional shape of the multimode waveguide becomes narrower (the left side of the horizontal axis). At a close position, the TE 10 mode dispersion curve (thick solid line in the figure) and the TE 01 mode dispersion curve (dashed line in the figure) where the degeneration of the multimode waveguide is solved are set smaller.

図14(d)は、多モード導波路に対してx方向に配置した第1の単一モード導波路3の場合を示している。この単一モード導波路3の基本モードの伝搬定数は、入射端Eに近い位置では、多モード導波路のTE10モードの伝搬定数よりも小さく、伝搬方向に徐々に大きくなって多モード導波路のTE10モードの伝搬定数よりも大きくなるため、多モード導波路から単一モード導波路への断熱遷移によって、多モード導波路のTE10モードが単一モード導波路3に分波される。FIG. 14D shows the case of the first single mode waveguide 3 arranged in the x direction with respect to the multimode waveguide. The propagation constant of the fundamental mode of the single mode waveguide 3 is smaller than the TE 10 mode propagation constant of the multimode waveguide at a position close to the incident end E, and gradually increases in the propagation direction. for greater than TE 10 mode of propagation constant, by adiabatic transition from the multi-mode waveguide to the single-mode waveguide, TE 10 mode of the multimode waveguide is a single mode waveguide 3 demultiplexed.

図14(e)は、多モード導波路に対してy方向に配置して積層させた第2の単一モード導波路4の場合を示している。この単一モード導波路4の基本モードの伝搬定数は、入射端Eに近い位置では、多モード導波路のTE01モードの伝搬定数よりも小さく、伝搬方向に徐々に大きくなって多モード導波路のTE01モードの伝搬定数よりも大きくなるため、多モード導波路から単一モード導波路への断熱遷移によって、多モード導波路のTE01モードが単一モード導波路4に分波される。FIG. 14E shows the case of the second single-mode waveguide 4 that is arranged and laminated in the y-direction with respect to the multimode waveguide. The propagation constant of the fundamental mode of the single mode waveguide 4 is smaller than the propagation constant of the TE 01 mode of the multimode waveguide at a position close to the incident end E, and gradually increases in the propagation direction. for greater than TE 01 mode of propagation constant, by adiabatic transition from the multi-mode waveguide to the single-mode waveguide, TE 01 mode of the multimode waveguide is a single mode waveguide 4 demultiplexed.

上記動作から、多モード導波路は縮退が解けた後、TE10モードは多モード導波路に対してx方向に配置した第1の単一モード導波路3にモード遷移し、TE01モードは多モード導波路に対してy方向に配置した第2の単一モード導波路4にモード遷移する。ここで、TE10モードのモード遷移とTE01モードのモード遷移を異なる単一モード導波路に行うことによって、TE10モードとTE01モードを分波(分離)することができる。From the above operation, after the multimode waveguide is degenerated, the TE 10 mode transitions to the first single mode waveguide 3 arranged in the x direction with respect to the multimode waveguide, and the TE 01 mode is The mode transition is made to the second single mode waveguide 4 arranged in the y direction with respect to the mode waveguide. Here, TE by performing a single-mode waveguides having different 10 modes Mode mode transition of the TE 01 mode, can be TE 10 mode and the TE 01 mode demultiplexing (separation).

[モード合分波器の第3の構成例]
次に、本願発明のモード合分波器の第3の構成例について説明する。図13(b)は、モード合分波器の第3の構成例の概略構成を示す図であり、コア厚方向から見た状態を示している。
[Third configuration example of mode multiplexer / demultiplexer]
Next, a third configuration example of the mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention will be described. FIG. 13B is a diagram showing a schematic configuration of the third configuration example of the mode multiplexer / demultiplexer, and shows a state viewed from the core thickness direction.

モード合分波器1Cは、モード合分波器1Aと同様に、基板(図示していない)上にコアの断面形状が矩形の多モード導波路2と第1および第2の単一モード導波路3,4とが形成されてなり、多モード導波路2と第1および第2の単一モード導波路3,4は非対称テーパー結合モード遷移型導波路を構成する。   Similarly to the mode multiplexer / demultiplexer 1A, the mode multiplexer / demultiplexer 1C includes a multimode waveguide 2 having a rectangular core cross-section on a substrate (not shown) and first and second single-mode waveguides. The waveguides 3 and 4 are formed, and the multimode waveguide 2 and the first and second single mode waveguides 3 and 4 constitute an asymmetric taper coupled mode transition type waveguide.

第1の構成例の多モード導波路2は、光ファイバ11が結合される端部から他方端に向かう伝搬方向に対して先細りであるのに対して、第3の構成例の多モード導波路5は先太りとする構成である。   The multimode waveguide 2 of the first configuration example is tapered in the propagation direction from the end where the optical fiber 11 is coupled to the other end, whereas the multimode waveguide of the third configuration example is tapered. Reference numeral 5 denotes a configuration with a tip.

図15を用いて、第3の構成例において、モードの縮退を解いて単一モード導波路の分波する動作について説明する。   With reference to FIG. 15, an operation of demultiplexing a single mode waveguide by solving mode degeneration in the third configuration example will be described.

図15(a)は図11(a)と同様に多モード導波路の分散曲線を示し、図15(b)は図14(b)と同様に第1および第2の単一モード導波路の分散曲線を示している。図15(a),(b)の横軸の下方に示す矩形は、コアの断面形状の変化を模式的に示している。   15A shows the dispersion curve of the multimode waveguide as in FIG. 11A, and FIG. 15B shows the first and second single mode waveguides as in FIG. 14B. A dispersion curve is shown. The rectangles shown below the horizontal axes in FIGS. 15A and 15B schematically show changes in the cross-sectional shape of the core.

図15(a)の多モード導波路において、点Pからコア幅Wが大きくなる方向(図中の右方向)に向かって正方形形状から先太りの長方形となるに従ってTE01モードとTE10モードの縮退が解け、TE10モードの等価屈折率neq(図中の破線で表示)はTE01モードの等価屈折率neq(図中の太い実線で表示)よりも大きくなる。In the multimode waveguide of FIG. 15A, the TE 01 mode and the TE 10 mode increase from a square shape toward a thickened rectangle toward the direction in which the core width W increases from the point P (right direction in the figure). The degeneration is solved and the equivalent refractive index n eq of TE 10 mode (indicated by a broken line in the figure) is larger than the equivalent refractive index n eq of TE 01 mode (indicated by a thick solid line in the figure).

図15(b)の第1および第2の単一モード導波路では、コア断面のコア幅Wが次第に大きくなって先太りの長方形となるに従って等価屈折率neqが大きくなる。In the first and second single mode waveguides of FIG. 15B, the equivalent refractive index n eq increases as the core width W of the core cross section gradually increases and becomes a tapered rectangle.

図15(c)〜(e)は、多モード導波路と第1および第2の単一モード導波路とを断熱的なモード遷移が生じる程度に近接させた場合において、多モード導波路(TE01モードとTE10モード)と第1および第2の単一モード導波路間のモード遷移を示している。TE01モードは破線で示し、TE10モードは太い実線で示し、単一モード導波路の基本モードは一点鎖線で示している。FIGS. 15C to 15E show the multimode waveguide (TE) when the multimode waveguide and the first and second single mode waveguides are brought close enough to cause adiabatic mode transition. (01 mode and TE 10 mode) and mode transitions between the first and second single mode waveguides. The TE 01 mode is indicated by a broken line, the TE 10 mode is indicated by a thick solid line, and the fundamental mode of the single mode waveguide is indicated by a one-dot chain line.

図15(c)は、図15(a)の多モード導波路のTE01モード、TE10モード、及びTE11モードの分散曲線と図15(b)の第1および第2の単一モード導波路の分散曲線とを重ね合わせた状態を示している。図15(c)において、点Pから図中の右側は、多モード導波路の断面形状が先太りになる範囲である。FIG. 15C shows the dispersion curves of the TE 01 mode, TE 10 mode, and TE 11 mode of the multimode waveguide of FIG. 15A, and the first and second single-mode waveguides of FIG. A state in which the dispersion curve of the waveguide is superimposed is shown. In FIG. 15C, the right side in the drawing from the point P is a range in which the cross-sectional shape of the multimode waveguide becomes thicker.

図15(c)において、第1の単一モード導波路の分散曲線(図中の一点鎖線)は、断面形状が太くなる方向(横軸の右方向)において、はじめに多モード導波路の縮退が解けたTE10モードの分散曲線(図中の太い実線)と点Sで伝搬定数の大小関係が入れ替わり、次に第2の単一モード導波路の分散曲線(図中の二点鎖線)はTE01モードの分散曲線(図中の破線)と点Tで伝搬定数の大小関係が入れ替わる。In FIG. 15C, the dispersion curve of the first single-mode waveguide (the one-dot chain line in the figure) shows that the multimode waveguide is first degenerated in the direction in which the cross-sectional shape becomes thicker (the right direction of the horizontal axis). The dissolved TE 10 mode dispersion curve (thick solid line in the figure) and the propagation constant at the point S are interchanged, and then the second single mode waveguide dispersion curve (two-dot chain line in the figure) is TE The magnitude relationship of the propagation constants is switched between the dispersion curve of the 01 mode (broken line in the figure) and the point T.

図15(d)は、第1の単一モード導波路の基本モードの分散曲線と多モード導波路のTE10モードの分散曲線との伝搬定数の大小関係の入れ替わりを示している。FIG. 15 (d) shows the change in the magnitude relationship of the propagation constant between the dispersion curve of the fundamental mode of the first single-mode waveguide and the dispersion curve of the TE 10 mode of the multimode waveguide.

多モード導波路の断面形状が太くなる方向(横軸の右方向)において、第1の単一モード導波路の基本モードの分散曲線と多モード導波路のTE10モードの分散曲線との伝搬定数の大小関係が入れ替わる点Sよりも手前(図中の点Sよりも左側)では、第1の単一モード導波路の基本モードの伝搬定数はTE10モードの伝搬定数よりも小さいため、多モード導波路から第1の単一モード導波路の基本モードへの断熱遷移による分波は起こらない。Propagation constant between the dispersion curve of the fundamental mode of the first single-mode waveguide and the dispersion curve of the TE 10 mode of the multi-mode waveguide in the direction in which the cross-sectional shape of the multi-mode waveguide becomes thicker (right direction of the horizontal axis). Since the propagation constant of the fundamental mode of the first single-mode waveguide is smaller than the propagation constant of the TE 10 mode before the point S at which the magnitude relationship of the two is switched (on the left side of the point S in the figure), the multimode No demultiplexing due to adiabatic transition from the waveguide to the fundamental mode of the first single mode waveguide occurs.

次に、点Sよりも後(図中の点Sよりも右側)では、伝搬定数の大きさが入れ替わって、第1の単一モード導波路の基本モードの伝搬定数はTE10モードの伝搬定数よりも大きくなるため、多モード導波路から第1の単一モード導波路への断熱遷移によって、多モード導波路のTE10モードが単一モード導波路に分波される。なお、このとき多モード導波路の幅はTE11モードが伝播し始めるカットオフ点Mよりも太くはならないものとし、また第1の単一モード導波路の幅はTE10モードが伝播し始めるカットオフ点Lよりも太くはならないものとする。Next, after the point S (on the right side of the point S in the figure), the propagation constants are switched, and the propagation constant of the fundamental mode of the first single mode waveguide is the propagation constant of the TE 10 mode. Therefore, the TE 10 mode of the multimode waveguide is demultiplexed into the single mode waveguide by the adiabatic transition from the multimode waveguide to the first single mode waveguide. At this time, the width of the multimode waveguide is assumed not to be larger than the cutoff point M at which the TE 11 mode starts to propagate, and the width of the first single mode waveguide is cut at which the TE 10 mode starts to propagate. It is assumed that it is not thicker than the off point L.

多モード導波路と単一モード導波路の断面形状が太くなる方向(横軸の右方向)において、第1の単一モード導波路の基本モードの分散曲線は、点SにおいてTE10モードの分散曲線と伝搬定数の大小関係が入れ替わり、次に第2の単一モード導波路が点TにおいてTE01モードの分散曲線と伝搬定数の大小関係が入れ替わる。In the direction in which the cross-sectional shapes of the multimode waveguide and the single mode waveguide become thicker (rightward on the horizontal axis), the dispersion curve of the fundamental mode of the first single mode waveguide is TE 10 mode dispersion at point S. The magnitude relationship between the curve and the propagation constant is switched, and the second single mode waveguide is switched at the point T between the TE 01 mode dispersion curve and the propagation constant.

図15(e)は、第2の単一モード導波路の基本モードの分散曲線と多モード導波路のTE01モードの分散曲線との伝搬定数の大小関係の入れ替わりを示している。FIG. 15 (e) shows the change in the magnitude relationship of the propagation constant between the dispersion curve of the fundamental mode of the second single-mode waveguide and the dispersion curve of the TE 01 mode of the multimode waveguide.

多モード導波路と単一モード導波路の断面形状が太くなる方向(横軸の右方向)において、単一モード導波路の基本モードの分散曲線と多モード導波路のTE01モードの分散曲線と伝搬定数の大小関係が入れ替わる点Tよりも手前(図中の点Tよりも左側)では、第2の単一モード導波路の基本モードの伝搬定数はTE01モードの伝搬定数よりも小さいため、多モード導波路から単一モード導波路への断熱遷移による分波は起こらない。In the direction in which the cross-sectional shapes of the multimode waveguide and the single mode waveguide become thicker (rightward on the horizontal axis), the dispersion curve of the fundamental mode of the single mode waveguide and the dispersion curve of the TE 01 mode of the multimode waveguide Since the propagation constant of the fundamental mode of the second single-mode waveguide is smaller than the propagation constant of the TE 01 mode before the point T where the magnitude relationship of the propagation constants is switched (on the left side of the point T in the figure), Demultiplexing due to adiabatic transition from the multimode waveguide to the single mode waveguide does not occur.

次に、点Tよりも後(図中の点Tよりも右側)では、伝搬定数の大きさが入れ替わって、第2の単一モード導波路の基本モードの伝搬定数は多モード導波路のTE01モードの伝搬定数よりも大きくなるため、多モード導波路から単一モード導波路への断熱遷移によって、TE01モードが単一モード導波路に分波される。なお、このとき多モード導波路の幅はTE11モードが伝播し始めるカットオフ点Mよりも太くはならないもとのし、また第2の単一モード導波路の幅はTE10モードが伝播し始めるカットオフ点Lよりも太くはならないものとする。Next, after the point T (right side of the point T in the figure), the magnitude of the propagation constant is switched, and the propagation constant of the fundamental mode of the second single mode waveguide is the TE of the multimode waveguide. Since it becomes larger than the propagation constant of the 01 mode, the TE 01 mode is demultiplexed into the single mode waveguide by the adiabatic transition from the multimode waveguide to the single mode waveguide. At this time, the width of the multi-mode waveguide should not be thicker than the cut-off point M at which the TE 11 mode starts to propagate, and the width of the second single-mode waveguide is propagated by the TE 10 mode. It is assumed that it is not thicker than the cutoff point L to be started.

上記動作から、多モード導波路は縮退が解けた後、はじめにTE10モードが第1の単一モード導波路の基本モードにモード遷移し、次にTE01モードが第2の単一モード導波路の基本モードにモード遷移する。From the above operation, after the multimode waveguide is degenerated, the TE 10 mode first transits to the fundamental mode of the first single-mode waveguide, and then the TE 01 mode becomes the second single-mode waveguide. Transition to the basic mode.

なお、本願発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本願発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本願発明の範囲から排除するものではない。   The present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.

本願発明のモード合分波器は、光ファイバ通信のモード多重伝送に適用することができる。   The mode multiplexer / demultiplexer of the present invention can be applied to mode multiplexing transmission of optical fiber communication.

1A モード合分波器
1B モード合分波器
1C モード合分波器
2 多モード導波路
3 第1の単一モード導波路
4 第2の単一モード導波路
5 多モード導波路
11 光ファイバ
12 偏光分離部材
C,D 結合分岐部
E 端部
F 端部
G ポート
h コア厚
L TE10モードがカットオフになる点
M TE11モードがカットオフになる点
P 多モード導波路の2つの高次モードの伝搬定数が一致する交点
Q 多モード導波路の1つの高次モードの伝搬定数が単一モード導波路の基本モードの伝搬定数と一致する点
R 多モード導波路の1つの高次モードの伝搬定数が単一モード導波路の基本モードの伝搬定数と一致する点
S 多モード導波路の1つの高次モードの伝搬定数が単一モード導波路の基本モードの伝搬定数と一致する点
T 多モード導波路の1つの高次モードの伝搬定数が単一モード導波路の基本モードの伝搬定数と一致する点
TE01,TE10 電磁界分布
W コア幅
1A mode multiplexer / demultiplexer 1B mode multiplexer / demultiplexer 1C mode multiplexer / demultiplexer 2 multimode waveguide 3 first single mode waveguide 4 second single mode waveguide 5 multimode waveguide 11 optical fiber 12 Polarization separating member C, D Coupling branch E End F End G Port h Core thickness L TE 10 Mode cut-off point M TE 11 Mode cut-off point P Two higher orders of multimode waveguide Intersection where mode propagation constants coincide Q The point where the propagation constant of one higher-order mode of a multimode waveguide matches the propagation constant of the fundamental mode of a single-mode waveguide R One higher-order mode of a multimode waveguide The point where the propagation constant matches the propagation constant of the fundamental mode of the single mode waveguide S The point where the propagation constant of one higher order mode of the multimode waveguide matches the propagation constant of the fundamental mode of the single mode waveguide T Mode guidance The point where the propagation constant of one higher-order mode of the waveguide matches the propagation constant of the fundamental mode of the single-mode waveguide. TE 01 , TE 10 Electromagnetic field distribution W Core width

Claims (7)

基板上にコアの断面形状が矩形の2つの単一モード導波路と多モード導波路とで形成される非対称テーパー結合モード遷移型導波路を備えたモード合分波器であり、
前記多モード導波路は、基板に対して平行方向のコア幅と垂直方向のコア厚との比率が伝搬方向に沿って漸次変化するテーパー形状であり、
前記単一モード導波路は、基板上において湾曲した曲線形状であって、基板に対してコア幅が伝搬方向に沿って漸次大きくなるテーパー形状であり、
前記多モード導波路と前記2つの単一モード導波路との配置において、
前記2つの単一モード導波路の内、第1の単一モード導波路は多モード導波路のコア幅方向の面に対して伝搬方向に沿って並置され、第2の単一モード導波路は多モード導波路のコア厚方向の面に対して伝搬方向に沿って積層されて並置され、
前記並置において、前記第1および第2の単一モード導波路は前記曲線形状によって前記多モード導波路に対して近接した後に離隔され、単一モード導波路と多モード導波路とが断熱的なモード相互作用を呈する距離に近接して結合分岐部が形成され、
前記結合分岐部において、前記多モード導波路のテーパー形状による高次モードの縮退及び/又は縮退の解徐と、多モード導波路の高次モードの伝搬定数と単一モード導波路の基本モードの伝搬定数の大小関係の変化に伴う導波路間のモードの断熱遷移とによって、TE及びTMの縦と横の一次モードである、TE10モードとTE01モード及びTM10モードとTM01モードの合波及び/又は分波を行うことを特徴とするモード合分波器。
A mode multiplexer / demultiplexer including an asymmetric tapered coupled mode transition waveguide formed of two single mode waveguides and a multimode waveguide whose core cross-sectional shape is rectangular on a substrate,
The multi-mode waveguide has a tapered shape in which the ratio of the core width in the parallel direction to the core thickness in the direction perpendicular to the substrate gradually changes along the propagation direction,
The single-mode waveguide has a curved shape curved on the substrate, and has a tapered shape in which the core width gradually increases along the propagation direction with respect to the substrate.
In the arrangement of the multimode waveguide and the two single mode waveguides,
Of the two single-mode waveguides, the first single-mode waveguide is juxtaposed along the propagation direction with respect to the surface of the multi-mode waveguide in the core width direction, and the second single-mode waveguide is Laminated and juxtaposed along the propagation direction with respect to the plane of the core thickness direction of the multimode waveguide,
In the juxtaposition, the first and second single mode waveguides are separated after being close to the multimode waveguide by the curved shape, and the single mode waveguide and the multimode waveguide are adiabatic. A coupling branch is formed close to the distance exhibiting the mode interaction,
In the coupling branch, the higher-order mode is degenerated and / or degenerated due to the tapered shape of the multi-mode waveguide, the higher-order mode propagation constant of the multi-mode waveguide, and the fundamental mode of the single-mode waveguide. Due to the adiabatic transition of the modes between the waveguides due to the change in the magnitude relationship of the propagation constant, the TE 10 mode and the TE 01 mode, the TM 10 mode and the TM 01 mode, which are the primary and horizontal primary modes of TE and TM, are combined. A mode multiplexer / demultiplexer characterized by performing wave and / or demultiplexing.
前記2つの単一モード導波路において、
前記多モード導波路のコア幅方向の面に並置される第1の単一モード導波路は前記多モード導波路との間で基板平行方向のモード分布をモード遷移し、
前記多モード導波路のコア厚方向の面に並置される第2の単一モード導波路は前記多モード導波路との間で基板垂直方向のモード分布をモード遷移することを特徴とする請求項1に記載のモード合分波器。
In the two single mode waveguides,
A first single mode waveguide juxtaposed on a surface of the multimode waveguide in the core width direction mode-shifts a mode distribution in a substrate parallel direction with the multimode waveguide;
The second single mode waveguide juxtaposed on the surface of the multimode waveguide in the core thickness direction mode-shifts the mode distribution in the substrate vertical direction between the multimode waveguide and the second mode waveguide. The mode multiplexer / demultiplexer according to 1.
前記結合分岐部において、前記多モード導波路の高次モードの伝搬定数と前記単一モード導波路の基本モードの伝搬定数の大小が入れ替わることを特徴とする請求項1又は2に記載のモード合分波器。   3. The mode coupling according to claim 1, wherein in the coupling branch portion, a magnitude of a propagation constant of a higher-order mode of the multi-mode waveguide and a propagation constant of a fundamental mode of the single-mode waveguide are interchanged. Duplexer. 前記多モード導波路は、縮退したモードを入射又は出射する端部側から縮退が解かれたモードを出射又は入射する端部側に向かって細くなるテーパー形状であり、
前記単一モード導波路は、縮退が解かれたモードを出射又は入射する端部側に向かって太くなるテーパー形状であることを特徴とする、請求項1から3の何れか一つに記載のモード合分波器。
The multi-mode waveguide has a tapered shape that becomes narrower toward the end side where the degenerated mode is emitted or incident from the end side where the degenerated mode is incident or emitted.
The said single mode waveguide is a taper shape which becomes thick toward the edge part side which radiate | emits or enters the mode by which the degeneracy was released | excluded, It is any one of Claim 1 to 3 characterized by the above-mentioned. Mode multiplexer / demultiplexer.
前記多モード導波路は、縮退したモードを入射又は出射する端部側から縮退が解かれたモードを出射又は入射する端部側に向かって太くなるテーパー形状であり、
前記単一モード導波路は、縮退が解かれたモードを出射又は入射する端部側に向かって太くなるテーパー形状であることを特徴とする、請求項1から3の何れか一つに記載のモード合分波器。
The multimode waveguide has a tapered shape that becomes thicker toward the end side where the degenerated mode is emitted or incident from the end side where the degenerated mode is incident or emitted.
The said single mode waveguide is a taper shape which becomes thick toward the edge part side which radiate | emits or enters the mode by which the degeneracy was released | excluded, It is any one of Claim 1 to 3 characterized by the above-mentioned. Mode multiplexer / demultiplexer.
前記多モード導波路の一端に断面形状が円形の光ファイバを突き合わせて結合させ、
前記多モード導波路と前記光ファイバとの間、又は前記単一モード導波路の一端に偏光分離部材を結合させることを特徴とする、請求項1から5の何れか一つに記載のモード合分波器。
An optical fiber having a circular cross-sectional shape is abutted and coupled to one end of the multimode waveguide,
The mode coupling according to any one of claims 1 to 5, wherein a polarization separation member is coupled between the multimode waveguide and the optical fiber, or at one end of the single mode waveguide. Duplexer.
前記円形の光ファイバと結合する多モード導波路の端部の断面形状は、正方形状又は、縦長あるいは横長の長方形の形状であり、基板に対して平行方向のコア幅と垂直方向のコア厚との比率は前記端部面から伝搬方向に沿って漸次変化することを特徴とする、請求項6に記載のモード合分波器。   The cross-sectional shape of the end portion of the multimode waveguide coupled to the circular optical fiber is a square shape, a vertically long shape, or a horizontally long rectangular shape, and has a core width parallel to the substrate and a core thickness perpendicular to the substrate. The mode multiplexer / demultiplexer according to claim 6, wherein the ratio of λ changes gradually along the propagation direction from the end face.
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