WO2017069240A1 - 光分波器、光合波器および光通信システム - Google Patents

光分波器、光合波器および光通信システム Download PDF

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    • H04J14/00—Optical multiplex systems
    • H04J14/04—Mode multiplex systems

Abstract

本発明に係る光分波器（１０Ａ）は、複数の導波モードの光（Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）を含む多モード光（ＭＬ）を入力可能に構成された入力部（１２）と、入力部（１２）から出射した複数の導波モードの光（Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）が干渉する干渉領域（３０）と干渉領域（３０）で干渉した複数の導波モードの光（Ｍ０，Ｍ１）が導波モードごとに互いに異なる位置で強め合う分波面（３２）とを有するモード干渉部（１４）と、分波面（３２）で互いに異なる位置で強まった複数の導波モードの光（Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）を導波モードごとに出力可能に構成された出力部（１６）と、を備えている。

Description

光分波器、光合波器および光通信システム
　本発明は、計測装置に関する。本願は、２０１５年１０月２２日に、米国に出願された仮出願６２／２４４，７５９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来、光信号の速度を高める時分割多重方式（Optical Time-Division Multiplexing：ＯＴＤＭ）や、複数の波長の光信号を１本の光ファイバで同時に送受信する波長分割多重方式（Wavelength-Division Multiplexing：ＷＤＭ）、によって、光通信システムの通信速度の向上が図られていた。ところが、インターネットの普及などによって、光通信システムに求められる情報通信量はますます増大し、ＯＴＤＭやＷＤＭを用いて達成し得る情報通信量の限界に達するおそれがあった。したがって、急増する情報通信量を達成可能な新たな伝送方式および技術が求められていた。
　空間分割多重方式（Space-Division Multiplexing：ＳＤＭ）は、ＯＴＤＭやＷＤＭによる情報通信量の限界を超え、求められる情報通信量に応じることが可能な次世代の光通信システムの伝送方式として期待されている。ＳＤＭは、複数の光ファイバや導波路、その他の導波構造を用いて複数の光信号を並列に伝送する方式である。ＳＤＭを用いることによって、並列の電気信号のそれぞれを光信号に変換し、それらの光信号を並列に伝送することができる。
　従来の光ファイバを用いた光通信システムでは、ステップインデックス（Step-Index）型のシングルモードファイバ（Single Mode Fiber：ＳＭＦ）やシングルモードの導波路が用いられている。通常、シングルモードのコア部では、基本モードの光信号のみが伝送されていた。ＳＭＦを含むシングルモード導波路をマルチモード導波路（Multi Mode Fiber：MMF）などのマルチモードの導波路に替え、マルチモードの導波路のコア部で複数の高次モードの光信号を伝送させることで、高次モードの光を活用することができる。なお、本明細書において「モード」は、特筆しない限り、導波路における導波モードのことを示す。高次モードの光信号を用いるモード多重伝送技術および光分波器（Demultiplexer：ＤＥＭＵＸ）、光合波器（Multiplexer：ＭＵＸ）は、ＳＤＭを実現するための重要な技術として研究開発が進められている。
　例えば、特許文献１には、モード選択性を有し、ＳＤＭに適用可能なフォトニックランタンについて開示されている。このフォトニックランタンは、複数の芯部とこの芯部の周囲に設けられた外周部とを有するコア部と、このコア部の周囲に設けられたクラッド部と、を備えている。また、このフォトニックランタンは、フォトニックランタンの軸線方向に沿って縮径するように側面視テーパー状に形成されている。このフォトニックランタンの径寸法が大きい方の端面には芯部および外周部とコア部およびクラッド部が全て露出しているが、径寸法が小さい方の端面には外周部とクラッド部のみが露出している。
　また、特許文献２には、平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）に複数のＭＭが形成されたＭＵＸ／ＤＥＭＵＸが開示されている。このＭＵＸ／ＤＥＭＵＸでは、入力ポート（すなわち、複数のコア部のそれぞれに異なるモードの光信号が入力されるポート）が光信号の伝搬方向に沿って、光信号が出力ポートのコア部にカップリングするように所定の位置で出力ポートに近づけられている。このような構成により、出力ポートのコア部から、複数のモードの光信号が取り出される。
　また、特許文献３には、入射側の端部と出射側の端部とを結ぶ直線状のコア部に対し、平面視でテーパー状に形成され、かつ湾曲している複数のコア部が互いに異なる位置に近づけられていることで、複数のモードの光信号を合波または分波するＭＵＸ／ＤＥＭＵＸが開示されている。
S. G. Leon-Saval, N. K. Fontaine, J. R. Salazar-Gil, B. Erean, R. Ryf and J. B-Hawthorn, "Mode-selective photonic lanterns for space-division multiplexing," OPTICS EXPRESS, Vol.22, No.1 (2014). N. Hanzawa, K, Saitoh, T. Sakamoto, T. Matsui, K. Tsujikawa, T. Uematsu and F. Yamamoto, "PLC-Based Four-Mode Multi/Demultiplexer with LP11 Mode Rotator on One Chip," JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.33, No.6 (2015). T. Watanabe and Y. Kokubun, "Stacked Waveguide Type Mode-Evolutional Multi/demultiplexer for LP01 LP11aand LP11b," Proceedings of ECOC 2014, Cannes-France We.1.1.7 (2014).
　しかしながら、特許文献１に開示されているフォトニックランタンおよびこのフォトニックランタンを用いたＭＵＸ／ＤＥＭＵＸでは、光信号同士のクロストークが低くなるが、集積化が難しいという問題に加えて、フォトニックランタンを形成するための設計や製造工程が複雑になり、量産化が難しいという問題があった。
　また、特許文献２に開示されているＭＵＸ／ＤＥＭＵＸでは、ＰＬＣの基板上に各モードの光信号が入力または出力されるコア部が複数設けられているため、光信号のモード数が増大する程、ＰＬＣの面積が大きくなり、集積化が難しいという問題があった。特許文献２に開示されているＭＵＸ／ＤＥＭＵＸでは、光信号同士のクロストークを抑えることが難しいという問題があった。
　さらに、特許文献３に開示されているＭＵＸ／ＤＥＭＵＸでは、集積化およびクロストークの低減が容易であるが、テーパー状に形成され、かつ湾曲している複数のコア部を形成するための設計や製造工程が複雑になり、量産化が難しいという問題があった。
　本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであって、モード多重伝送に適用可能であって、集積化および量産化に優れ、光信号同士のクロストークを低くすることができる光分波器、光合波器および光通信システムを提供することを目的とする。
　上述の課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
　本発明の第一の態様の光分波器は、複数の導波モードの光を含む多モード光を入力可能に構成された入力部と、前記入力部から出射した前記複数の導波モードの光が干渉する干渉領域と前記干渉領域で干渉した前記複数の導波モードの光が導波モードごとに互いに異なる位置で強まる分波面とを有するモード干渉部と、前記分波面で互いに異なる位置で強まった前記複数の導波モードの光を導波モードごとに出力可能に構成された出力部と、を備えていることを特徴とする。
　本発明の第二の態様の光分波器によれば、上述の第一の態様の光分波器において、前記入力部は第一マルチモード導波路で構成され、前記モード干渉部は所定の長さおよび所定の幅を有するマルチモード導波路で構成され、前記出力部は複数の第二マルチモード導波路で構成され、前記第一マルチモード導波路の出力側の端部は前記マルチモード導波路の入射側の端部に接続され、前記複数の第二マルチモード導波路のそれぞれの入射側の端部は前記マルチモード導波路の前記分波面に接続されていてもよい。
　本発明の第三の態様の光分波器によれば、上述の第二の態様の光分波器において、前記第一マルチモード導波路の出射側の端部を通る軸線および前記複数の第二マルチモード導波路のそれぞれの入射側の端部を通る軸線が前記マルチモード導波路の長さ方向の軸線に対して互いに同一の角度をなすように交差していてもよい。
　本発明の第四の態様の光分波器によれば、上述の第二の態様または第三の態様において、前記複数の第二マルチモード導波路のそれぞれに出力される光の導波モードは、前記第一マルチモード導波路との離間距離が小さくなる程、高くなってもよい。
　本発明の第五の態様の光分波器によれば、上述の第二の態様から第四の態様において、前記第一マルチモード導波路には、前記多モード光に含まれる前記複数の導波モードの種類と同数のスリットが前記第一マルチモード導波路の軸線に沿って形成されていてもよい。
　本発明の第六の態様の光分波器によれば、上述の第二の態様から第五の態様において、前記複数の第二マルチモード導波路のそれぞれには、出力される光の導波モードの次数と同数のスリットがそれぞれの前記第二マルチモード導波路の軸線に沿って形成されていてもよい。
　本発明の第七の態様の光分波器によれば、上述の第一の態様から第六の態様において、前記モード干渉部は複数の前記分波面を有し、前記複数の導波モードの光のうち０次の導波モードの光または偶数の導波モードの光が出力される前記出力部は前記複数の分波面のうち第一の分波面に接続され、前記複数の導波モードの光のうち奇数の導波モードの光が出力される前記出力部は前記複数の分波面のうち前記第一の分波面とは異なる第二の分波面に接続されていてもよい。
　本発明の第一の態様の光合波器は、複数の導波モードの光を導波モードごとに入力可能に構成された入力部と、前記入力部から出射した前記複数の導波モードの光が干渉する干渉領域と前記干渉領域で干渉した前記複数の導波モードの光が同一の位置で強まる合波面とを有するモード干渉部と、前記合波面の同一の位置で強まった前記複数の導波モードの光を含む多モード光を出力可能に構成された出力部と、を備えていることを特徴とする。
　本発明の第一の態様の光通信システムは、上述の光分波器および光合波器を備えていることを特徴とする。
　本発明の光分波器によれば、入力部に入力された多モード光の複数の導波モードの光が干渉領域で互いに干渉し、分波面において導波モードごとに互いに異なる位置で強まる。導波モードごとに互いに異なる位置で強くなった光は、出力部から導波モードごとに出力される。本発明の光分波器では、干渉領域における複数の導波モードの光の多モード干渉に基づいて、多モード光から複数の導波モードの光が分波される。したがって、本発明の光分波器は、モード多重伝送に適用可能である。また、複数の導波モードの光が共通の干渉領域で干渉するので、分波対象の多モード光に含まれる導波モードの種類が増大しても、本発明の光分波器の大きさは急増しない。そのため、本発明の光分波器は、集積化に優れている。また、本発明の光分波器には直線形状あるいは矩形形状の導波路を用いることが可能であることから、設計および製造工程が煩雑にならず、量産化が容易になる。さらに、本発明の光分波器では、導波モードごとに前述の多モード干渉によって強まった光が出力部に出力されるので、光同士のクロストークが低くなる。
　以上より、本発明の光分波器によれば、モード多重伝送に適用し、集積化および量産化を図り、光信号同士のクロストークを低減することができる。
　本発明の光合波器は、上述の光分波器と同様に、モード多重伝送に適用可能である。本発明の光合波器においても複数の導波モードの光が共通の干渉領域で干渉するので、合波対象の光の導波モードの種類が増大しても、本発明の光合波器の大きさは急増しない。そのため、本発明の光合波器は、集積化に優れている。また、本発明の光合波器には直線形状あるいは矩形形状の導波路を用いることが可能であることから、設計および製造工程が煩雑にならず、量産化が容易になる。さらに、本発明の光合波器では、複数の導波モードの光が前述の多モード干渉によって合波面の同一の位置で強まり、出力部に出力されるので、光同士のクロストークが低くなる。
　すなわち、本発明の光合波器によれば、モード多重伝送に適用し、集積化および量産化を図り、光信号同士のクロストークを低減することができる。
　本発明の光通信システムによれば、上述の光分波器および光合波器を備えているので、モード多重伝送を行い、光分波器および光合波器の集積化および量産化を図り、光信号同士のクロストークを低減することができる。
０次モードの光の伝搬について説明するための模式図である。 １次モードの光の伝搬について説明するための模式図である。 異なる次数のモードの光が導波路を伝搬する様子を示す模式図であり、上段は０次モードの様子を示しており、下段は１次モードの様子を示している。 本発明の第一実施形態の光分波器の要部を示す概略図である。 図４に示す光分波器における出力部のクロストークのシミュレーション結果を示す。 図４に示す光分波器における出力部の過剰損失のシミュレーション結果を示す。 本発明の第二実施形態の光分波器の要部を示す概略図である。 本発明の第二実施形態の光分波器の要部を示す他の図であり、図７に示すＸ１－Ｘ１線で矢視した断面図である。 本発明の第三実施形態の光分波器の要部を示す概略図である。 本発明を適用した光合波器の要部を示す概略図である。 本発明を適用した光通信システムの分波・合波部分の一例を示す概略図である。 実施例において想定した光分波器の要部を示す概略図である。 実施例において光分波器で分波される０次モードの光の様子を示すシミュレーション結果である。 実施例において光分波器で分波される０次モードの光の様子を示すシミュレーション結果であり、図１３Ａに示すＺ１部分の拡大図である。 実施例において光分波器で分波される１次モードの光の様子を示すシミュレーション結果である。 実施例において光分波器で分波される１次モードの光の様子を示すシミュレーション結果であり、図１４Ａに示すＺ２部分の拡大図である。
　始めに、ファイバやＰＬＣなどの導波路において異なる導波モードの光の伝搬について説明する。なお、以下の説明で用いる図面は模式的なものであり、長さ、幅、及び厚みの比率等は実際のものと同一とは限らず、適宜変更することができる。
　図１および図２に示すように、導波路は、コア部Ｒ０と、コア部Ｒ０の屈折率ｎ０より低い屈折率ｎ１を有するクラッド部Ｒ１と、を備えている。クラッド部Ｒ１は、境界面Ｃを挟んでコア部Ｒ０の外側に配置されている。導波路では、コア部Ｒ０とクラッド部Ｒ１との境界面Ｃでの全反射によって光が伝搬する。
　例えば０次および１次の導波モード（以下、０次モードと１次モードという）の光がコア部Ｒ０に入力されると、０次モードの光が境界面Ｃに入射する際の入射角θ０と１次モードの光が境界面Ｃに入射する際の入射角θ１とは異なる。つまり、導波モードの種類によって、各次数のモードの光が境界面Ｃに入射する際の入射角は異なる。詳細に観測すると、境界面Ｃに入射した０次モードの光と１次モードの光は、境界面Ｃから所定の深さ－φ０，－φ１までクラッド部Ｒ１に浸み込み、全反射される。全反射した光の位相のずれは入射角θ０，θ１に依存して変化する。光がコア部Ｒ０からクラッド部Ｒ１に向けて入射する際に通る境界面Ｃの位置と前述の光がクラッド部Ｒ１からコア部Ｒ０に向けて全反射された際に通る境界面Ｃの位置との距離は、グースヘンシェンシフトと呼ばれている。境界面Ｃに対する入射角θ０，θ１は異なるので、０次モードの光のグースヘンシェンシフトと１次モードの光のグースヘンシェンシフトは異なっている。
　上述のように境界面Ｃに対する入射角θ０，θ１が異なるので、また、０次モードの光の伝搬定数β０と１次モードの光の伝搬定数β１は異なっている。各次数のモードの伝搬定数θｍは、以下の（１）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　なお、（１）式において、ｍはモード次数であり、ｋ０は導波路に入射する光の波数である。
　図３には、Ｄ１方向に沿って所定の長さを有し、Ｄ１方向に直交するＤ２方向に沿ってＤ１方向の長さよりも短い長さを有するコア部Ｒ０とコア部Ｒ０の外周に配置されたクラッド部Ｒ１とを備えたマルチモード導波路ＭＷＧにおける光の伝搬の様子をシミュレーションしたに図示されている。マルチモード導波路ＭＷＧは、いわゆる多モード干渉（Multi Mode Interference：ＭＭＩ）導波路と呼ばれるものである。Ｄ１方向に沿って長尺なマルチモード導波路ＭＷＧの軸線Ｊは、Ｄ１方向に対して平行している。コア部Ｒ０およびクラッド部Ｒ１においてＤ２方向に平行な端面の一方には、光の入力部ＩＰが接続されている。コア部Ｒ０およびクラッド部Ｒ１においてＤ２方向に平行な端面の他方には、光の出力部ＯＰが接続されている。
　図３には、シミュレーションにおけるマルチモード導波路ＭＷＧの構成に加えて、０次モードの光が入力部ＩＰに入力された場合の光の強度分布（上段）および１次モードの光の強度分布（下段）が図示されている。
　図３の上段に示すように、入力部ＩＰから０次モードの光が入力されると、０次モードの光はコア部Ｒ０に拡がり、境界面Ｃの近傍で全反射を繰り返しつつ、多モード干渉し、Ｄ１方向に沿って伝搬する。図３の下段に示すように、入力部ＩＰから１次モードの光が入力されると、１次モードの光はコア部Ｒ０の内部に拡がり、境界面Ｃの近傍で全反射を繰り返しつつ、多モード干渉し、Ｄ１方向に沿って伝搬する。Ｄ１方向に沿って伝搬した０次モードの光と１次モードの光はそれぞれ、出力部ＯＰの近傍で自己結像し、出力部ＯＰから出力される。上述のように、０次モードの光のグースヘンシェンシフトと１次モードの光のグースヘンシェンシフトは異なるので、０次モードの光が自己結合する位置と１次モードの光が自己結像する位置は異なっている。すなわち、Ｄ１方向において、０次モードの光の自己結像点と１次モードの光の自己結像点との自己結像点差ΔＬＭＭＩが生じる。なお、２次モードより高次の各次数のモードの光に関しても、０次モードの光の自己結像点との自己結像点差ΔＬＭＭＩが生じる。自己結像点差ΔＬＭＭＩは、０次モードの光の自己結像点に対し、モードの次数の増加に等比例して増加する。
　以上の光学的原理をふまえ、本発明を適用した光分波器、光合波器および光通信システムの実施形態について説明する。
［光分波器］
（第一実施形態）
　図４に示すように、本発明の第一実施形態の光分波器１０Ａは、入力部１２と、モード干渉部１４と、出力部１６と、を備えている。
　入力部１２は、第一マルチモード導波路２２で構成され、複数の導波モードの光を含む多モード光ＭＬを入力可能に構成されている。第一実施形態では、モード干渉部１４は、所定の長さおよび所定の幅を有するマルチモード導波路２４で構成されている。マルチモード導波路２４は、いわゆるＭＭＩ導波路である。出力部１６は、複数の第二マルチモード導波路２６で構成されている。
　なお、図４では、光分波器１０Ａの動作を分かりやすく示すために、第一マルチモード導波路２２、マルチモード導波路２４および第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０の形状輪郭のみが図示され、クラッド部Ｒ１の形状輪郭は省略されている。
　マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０は、Ｄ１方向に沿って所定の長さＬａを有し、Ｄ１方向に直交するＤ２方向に沿って長さＬａよりも短いＬｂを有している。マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の外周端は、Ｄ１方向に沿って形成され、かつ臨界面Ｃとして機能する端面Ｐ１，Ｐ２と、Ｄ２方向に沿って形成された端面Ｐ３，Ｐ４から構成されている。
　第一マルチモード導波路２２の出力側の端部ＯＥ２２は、マルチモード導波路２４の入射側の端部ＩＥ２４に接続されている。マルチモード導波路２４の入射側の端部ＩＥ２４は、マルチモード導波路２４の端面Ｐ３における端面Ｐ２側の端部である。第一マルチモード導波路２２の出射側の端部ＯＥ２２を通る軸線Ｊ２２は、マルチモード導波路２４のＤ１方向（長さ方向）の軸線Ｊ２４に対して所定の角度θｔをなすように交差している。
　第二マルチモード導波路２６は、第一マルチモード導波路２２に入力される多モード光ＭＬに含まれている複数の導波モードの光の種類と同数のマルチモード導波路で構成されている。第一実施形態では、多モード光ＭＬには０次モードの光Ｍ０、１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３が含まれていると想定されているので、第二マルチモード導波路２６は、四本のマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄで構成されている。以下の説明では、特にマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄを区別する必要がない場合、マルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄをまとめて第二マルチモード導波路２６と記載する。なお、図４では、多モード光ＭＬに含まれる０次モードの光Ｍ０、１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３が模式的な波面分布で図示されている。
　第二マルチモード導波路２６の入射側の端部ＩＥ２６は、マルチモード導波路２４の出力側の端部ＯＥ２４に接続されている。マルチモード導波路２４の出力側の端部ＯＥ２４は、マルチモード導波路２４の端面Ｐ１における端面Ｐ４側の端部である。第二マルチモード導波路２６の入射側の端部ＩＥ２６を通る軸線Ｊ２６は、マルチモード導波路２４のＤ１方向（長さ方向）の軸線Ｊ２４に対して所定の角度θｔをなすように交差している。すなわち、第一マルチモード導波路２２の軸線Ｊ２２および第二マルチモード導波路２６の軸線Ｊ２６は、マルチモード導波路２４の軸線Ｊ２４に対して互いに同一の角度θｔをなすように交差している。
　第一マルチモード導波路２２の入射側の端部ＩＥ２２から多モード光ＭＬが入力されると、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は第一マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０で軸線Ｊ２２に沿って伝搬する。続いて、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は、マルチモード導波路２４の入射側の端部ＩＥ２４からコア部Ｒ０に拡がり、端面Ｐ１，Ｐ２の近傍で全反射を繰り返しつつ、多モード干渉し、Ｄ１方向に沿って伝搬する。すなわち、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０は、第一マルチモード導波路２２から出射した各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が干渉する干渉領域３０となっている。上述したように例えば０次モードの光Ｍ０のグースヘンシェンシフトと１次モードの光Ｍ１のグースヘンシェンシフトは異なるので、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１，Ｐ２に沿って各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が自己結像する位置は異なっている。各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が自己結像する位置は、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１，Ｐ２の両方に出現する（図３参照）。第一実施形態では、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０端面Ｐ１が、干渉領域３０で干渉した各次数のモードの光（複数の導波モードの光）Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３がモードごとに互いに異なる位置で強まる分波面３２となっている。このように、マルチモード導波路２４で構成されているモード干渉部１４は、干渉領域３０と、分波面３２と、を備えている。
　マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０端面Ｐ１，Ｐ２のうち、端面Ｐ１を分波面３２とすることで、第一マルチモード導波路２２の軸線Ｊ２２と第二マルチモードの軸線Ｊ２６とが平行になり、光分波器１０Ａの小型化が図られる。
　マルチモード導波路２４の出射側の端部ＯＥ２４は、分波面３２において各次数のモードの光（複数の導波モードの光）Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が自己結像し、強まる位置ＰＭ０，ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３に設けられている。位置ＰＭ０，ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３のうちＤ１方向に沿って隣り合う位置の間隔は、自己結像点差ΔＬＭＭＩに等しい。第二マルチモード導波路２６のうち、マルチモード導波路２６Ａの入射側の端部ＩＥ２６は、位置ＰＭ０に合わせて端部ＯＥ２４に接続されている。マルチモード導波路２６Ｂの入射側の端部ＩＥ２６は、位置ＰＭ１に合わせて端部ＯＥ２４に接続されている。マルチモード導波路２６Ｃの入射側の端部ＩＥ２６は、位置ＰＭ２に合わせて端部ＯＥ２４に接続されている。マルチモード導波路２６Ｄの入射側の端部ＩＥ２６は、位置ＰＭ３に合わせて端部ＯＥ２４に接続されている。
　Ｄ１方向に沿ってマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０を伝搬した０次モードの光Ｍ０は、出射側の端部ＯＥ２４で強められるとともにマルチモード導波路２６Ａのコア部Ｒ０に結像し、マルチモード導波路２６Ａの出射側の端部ＯＥ２６から出力される。同様に、Ｄ１方向に沿ってマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０を伝搬した１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３はそれぞれ、出射側の端部ＯＥ２４で強められるとともにマルチモード導波路２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄのそれぞれのコア部Ｒ０に結像し、マルチモード導波路２６Ｂの出射側の端部ＯＥ２６から出力される。
　上述のように、光分波器１０Ａでは、干渉領域３０における多モード干渉によって複数の次数のモードの光を分波するので、基本的に複数の第二マルチモード導波路２６のそれぞれに出力される光のモードは、第一マルチモード導波路２２との離間距離が小さくなる程、高くなる。
　また、上述のように、光分波器１０Ａでは、マルチモード導波路２４の軸線Ｊ２４に対する第一マルチモード導波路２２の軸線Ｊ２２および第二マルチモード導波路２６の軸線Ｊ２６の角度θｔと、多重モード干渉における自己結像点差ΔＬＭＭＩを適切に設定することで、各次数のモードの光がモードごとに出力される。各次数のモードの光が複数の第二マルチモード導波路２２のそれぞれに、モードごとに分離可能となるためには、所定の角度θｔは、以下の（２）式で表される。
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　なお、（２）式において、Ｗｏｕｔは第二マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０の幅である。実際には、分波対象の光に含まれるモードの次数と次数の種類が設定され、これらのモードの次数と次数の種類や光分波器１０Ａの製造条件などに応じて適切な幅Ｗｏｕｔが設定される。したがって、設定された幅Ｗｏｕｔと、モードの次数によって決まる自己結像点差ΔＬＭＭＩによって、（２）式から所定の角度θｔが算出される。
　複数の第二マルチモード導波路２２のそれぞれにおいて、本来出力されるべきモードの光のパワーに対して、出力されるべきモードとは異なり、僅かに出力されてしまう別のモードの光のパワーの比は、いわゆるクロストーク（ＸＴ）と呼ばれる。図５に示すように、クロストークは、所定の角度θｔに依存する。なお、図５において、「０次」のグラフは、１次モードの光Ｍ１が出力されるべきマルチモード導波路２６Ｂにおいて、１次モードの光Ｍ１のパワーに対する０次モードの光Ｍ０のパワーの比を表している。また、「１次」のグラフは、０次モードの光Ｍ０が出力されるべきマルチモード導波路２６Ａにおいて、０次モードの光Ｍ０のパワーに対する１次モードの光Ｍ１のパワーの比を表している。
　第一マルチモード導波路２２に入力された多モード光ＭＬのパワーに対する複数の第二マルチモード導波路２４のそれぞれに出力される光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３のパワーの比は、過剰損失と呼ばれる。図６に示すように、過剰損失も所定の角度θｔに依存する。なお、図６において、「０次」のグラフは、多モード光ＭＬのパワーに対してマルチモード導波路２６Ａに出力される０次モードの光Ｍ０のパワーの比を表している。また、「１次」のグラフは、多モード光ＭＬのパワーに対してマルチモード導波路２６Ｂに出力される１次モードの光Ｍ１のパワーの比を表している。
　複数の第二マルチモード導波路２２のそれぞれにおけるクロストークおよび過剰損失は、光分波器１０Ａの性能を表す重要な特性である。したがって、（２）式の条件を満たしたうえで、クロストークおよび過剰損失のシミュレーションの結果をふまえて所定の角度θｔが算出されることが好ましい。例えば、光分波器１０Ａが光通信システムに適用される場合は、クロストークは－１５ｄＢ以下であることが好ましく、過剰損失は３ｄＢ以下であることが好ましい。
　第一実施形態の光分波器１０Ａによれば、第一マルチモード導波路２２に入力した多モード光ＭＬに含まれる複数のモードの光を、軸線Ｊ２４に対して所定の角度θｔをなす方向からマルチモード導波路（すなわち、ＭＭＩ導波路）２４に入射させ、異なる次数のモードの光が多重モード干渉によって自己結像する位置が互いに異なることに基づき、複数のモードの光を分波面３２の互いに異なる位置に、第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０同士の所定の間隔以上の間隔をあけて自己結像させることができる。また、第一実施形態の光分波器１０Ａによれば、分波面３２の互いに異なる位置に自己結合した各次数のモードの光をモードごとに異なる第二マルチモード導波路２６に出力させることができるので、多モード光ＭＬから所望かつ複数の０次モードや各高次のモードの光を容易に分波することができる。
　したがって、第一実施形態の光分波器１０Ａは、モード多重伝送に適用可能である。また、第一実施形態の光分波器１０Ａによれば、複数の導波モードの光が共通の干渉領域３０で干渉するので、分波対象の多モード光に含まれる導波モードの種類が増大しても、第一実施形態の光分波器１０Ａの大きさを急増させずに済む。そのため、第一実施形態の光分波器１０Ａによれば、小型化および集積化を容易に図ることができる。また、第一実施形態の光分波器１０Ａには直線形状あるいは矩形形状のマルチモード導波路を用いることが可能であることから、設計および製造工程が煩雑にならず、量産化が容易になり、製造コストも抑えることができる。さらに、第一実施形態の光分波器１０Ａによれば、導波モードごとに前述の多モード干渉によって強まった光が第二マルチモード導波路２６に出力されるので、異なる次数のモードの光同士のクロストークを低減することができる。
（第二実施形態）
　次いで、図７を参照し、本発明の第二実施形態の光分波器１０Ｂについて説明する。なお、図７に示す第二実施形態の光分波器１０Ｂの構成要素において、図４に示す第一実施形態の光分波器１０Ａの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
　第二実施形態においても、多モード光ＭＬには０次モードの光Ｍ０、１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３が含まれていると想定されているので、第二マルチモード導波路２６は、四本のマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄで構成されている。マルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄのそれぞれは、多モード光ＭＬに含まれている０次モードの光Ｍ０、１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３のそれぞれを出力させるための出力部１６を構成している。なお、図７においても、多モード光ＭＬに含まれる０次モードの光Ｍ０、１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３が模式的な波面分布で図示されている。
　第二実施形態では、第一マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０には、０次モード、１次モード、２次モード、３次モードのうち最高次数と同数の三本のスリット導波路Ｓ２２が第一マルチモード導波路２２の軸線Ｊ２２に沿って形成されている。すなわち、第一マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０には、多モード光ＭＬに含まれる光の複数の導波モードのうち最高次数と同数のスリットＳ２２が第一マルチモード導波路２２の軸線Ｊ２２に沿って形成されている。
　また、１次モードの光Ｍ１を出力させるためのマルチモード導波路２６Ｂには、マルチモード導波路２６Ｂの軸線Ｊ２６に沿って一本のスリットＳ２６が形成されている。２次モードの光Ｍ２を出力させるためのマルチモード導波路２６Ｃには、マルチモード導波路２６Ｃの軸線Ｊ２６に沿って二本のスリットＳ２６が形成されている。３次モードの光Ｍ３を出力させるためのマルチモード導波路２６Ｄには、マルチモード導波路２６Ｄの軸線Ｊ２６に沿って三本のスリットＳ２６が形成されている。なお、０次モードの光Ｍ０を出力させるためのマルチモード導波路２６Ａには、スリットは形成されていない。すなわち、複数の第二マルチモード導波路２６のそれぞれには、出力される光の導波モードの次数と同数のスリットＳ２６がそれぞれの第二マルチモード導波路２６の軸線Ｊ２６に沿って形成されている。
　図８に例示するように、マルチモード導波路２６Ｄの三本のスリットＳ２６は、マルチモード導波路２６Ｄの幅に平行な方向に沿ってコア部Ｒ０を等間隔に区分するように形成されている。なお、第一マルチモード導波路２２の四本のスリットＳ２２、マルチモード導波路２６Ｂの一本のスリットＳ２６およびマルチモード導波路２６Ｃの二本のスリットＳ２６のそれぞれは、第一マルチモード導波路２２、マルチモード導波路２６Ｂ，２６Ｃのそれぞれの幅に平行な方向に沿ってコア部Ｒ０を等間隔に区分するように形成されている。
　第一マルチモード導波路２２の入射側の端部ＩＥ２２から多モード光ＭＬが入力されると、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は第一マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０で軸線Ｊ２２に沿って伝搬する。続いて、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は、マルチモード導波路２４の入射側の端部ＩＥ２４からコア部Ｒ０に拡がり、端面Ｐ１，Ｐ２の近傍で全反射を繰り返しつつ、多モード干渉し、Ｄ１方向に沿って伝搬する。
　Ｄ１方向に沿ってマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０を伝搬した各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３はそれぞれ、出射側の端部ＯＥ２４で強められるとともにマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄのそれぞれのコア部Ｒ０に結像し、マルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄの出射側の端部ＯＥ２６から出力される。
　第一実施形態の光分波器１０Ａと同様に、第二実施形態の光分波器１０Ｂにおいても、分波対象の光に含まれるモードの次数と次数の種類が設定され、これらのモードの次数と次数の種類や光分波器１０Ｂの製造条件などに応じて適切な第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０の幅Ｗｏｕｔが設定される。したがって、設定された幅Ｗｏｕｔと、モードの次数によって決まる自己結像点差ΔＬＭＭＩによって、（２）式から所定の角度θｓが算出される。
　また、第一実施形態の光分波器１０Ａと同様に、第二実施形態の光分波器１０Ｂにおいても、クロストークおよび過剰損失のシミュレーションの結果をふまえて所定の角度θｓが算出されることが好ましい。
　第二実施形態の光分波器１０Ｂによれば、第一マルチモード導波路２２に入力した多モード光ＭＬに含まれる複数のモードの光を、軸線Ｊ２４に対して略平行な方向からマルチモード導波路（すなわち、ＭＭＩ導波路）２４に入射させ、異なる次数のモードの光が多重モード干渉によって自己結像する位置が互いに異なることに基づき、複数のモードの光を分波面３２の互いに異なる位置に、第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０同士の所定の間隔以上の間隔をあけて自己結像させることができる。また、第二実施形態の光分波器１０Ｂによれば、分波面３２の互いに異なる位置に自己結合した各次数のモードの光をモードごとに異なる第二マルチモード導波路２６に出力させることができるので、多モード光ＭＬから所望かつ複数の０次モードや各高次のモードを容易に分波することができる。
　したがって、第二実施形態の光分波器１０Ｂによれば、第一実施形態の光分波器１０Ａと同様の作用効果が得られる。
　一般に、第一マルチモード導波路２２や第二マルチモード導波路２６に高次モードの光を伝搬させる場合は、伝搬させる光のモードの次数に応じて第一マルチモード導波路２２や第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０の幅が十分に確保されていないと、高次モードの光はカットされ、コア部Ｒ０を伝搬できなくなる。伝搬または分波される光のモードの次数が高い程、カットされずに伝搬可能な第一マルチモード導波路２２や第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０の幅、すなわちカットオフ幅は広くなる。例えば、上述の（２）式をふまえて第一実施形態の光分波器１０Ａを設計する際には、分波する次数に応じて、伝搬または分波される光のモードの次数を高くする程、第一マルチモード導波路２２や第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０の幅を広く設計することが好ましい。
　第二実施形態の光分波器１０Ｂによれば、第一マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０には、多モード光ＭＬに含まれる複数の導波モードの種類と同数のスリットＳ２２が上述のように形成され、複数の第二マルチモード導波路２６のそれぞれには、出力される光の導波モードの次数と同数のスリットＳ２６が上述のように形成されているので、スリットＳ２６を形成しない場合に比べて第一マルチモード導波路２２や高次モードの光を出力させるための第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０の幅Ｗｏｕｔを狭くしても高次モードの光を低損失で伝搬させ、出力することができる。
　したがって、第二実施形態の光分波器１０Ｂによれば、光分波器１０Ｂのサイズを抑え、高次モードの光を良好に分波するための角度θｔを小さくし、光分波器１０Ｂの小型化を容易に実現することができる。また、第二実施形態の光分波器１０Ｂによれば、第一マルチモード導波路２２や第二マルチモード導波路２６を伝搬する光の損失をより低減し、分波特性を向上させることができる。
（第三実施形態）
　次いで、図９を参照し、本発明の第三実施形態の光分波器１０Ｃについて説明する。なお、図９に示す第二実施形態の光分波器１０Ｃの構成要素において、図４に示す第一実施形態の光分波器１０Ａの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
　図９に示すように、本発明の第三実施形態の光分波器１０Ｃは、入力部１２と、モード干渉部１４と、出力部１６と、を備えている。
　第一マルチモード導波路２２の出力側の端部ＯＥ２２は、マルチモード導波路２４の入射側の端部ＩＥ２４に接続されている。マルチモード導波路２４の入射側の端部ＩＥ２４は、マルチモード導波路２４の端面Ｐ３におけるＤ２方向の略中央に位置する端部である。第一マルチモード導波路２２の出射側の端部ＯＥ２２を通る軸線Ｊ２２は、マルチモード導波路２４のＤ１方向（長さ方向）の軸線Ｊ２４に対して平行している。
　第二マルチモード導波路２６は、第一マルチモード導波路２２に入力される多モード光ＭＬに含まれている複数の導波モードの光の種類と同数のマルチモード導波路で構成されている。第三実施形態では、第二実施形態と同様に、多モード光ＭＬには０次モードの光Ｍ０、１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３が含まれていると想定されているので、第二マルチモード導波路２６は、四本のマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄで構成されている。マルチモード導波路２６Ａ２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄのそれぞれは、多モード光ＭＬに含まれている０次モードの光Ｍ０、１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３のそれぞれを出力させるための出力部１６を構成している。なお、図９においても、多モード光ＭＬに含まれる０次モードの光Ｍ０、１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３が模式的な波面分布で図示されている。
　第二マルチモード導波路２６のうちマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｃのそれぞれの入射側の端部ＩＥ２６は、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１におけるＤ１方向の端面Ｐ４側に設けられた出力側の互いに異なる端部ＯＥ２４に接続されている。第二マルチモード導波路２６のうちマルチモード導波路２６Ｂ，２６Ｄのそれぞれの入射側の端部ＩＥ２６は、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ２におけるＤ１方向の端面Ｐ４側に設けられた出力側の互いに異なる端部ＯＥ２４に接続されている。第二マルチモード導波路２６の入射側の端部ＩＥ２６を通る軸線Ｊ２６は、マルチモード導波路２４の軸線Ｊ２４に対して所定の角度θｔをなすように交差している。
　第一マルチモード導波路２２の入射側の端部ＩＥ２２から多モード光ＭＬが入力されると、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は第一マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０で軸線Ｊ２２に沿って伝搬する。続いて、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は、マルチモード導波路２４の入射側の端部ＩＥ２４からコア部Ｒ０に拡がり、端面Ｐ１，Ｐ２の近傍で全反射を繰り返しつつ、多モード干渉し、Ｄ１方向に沿って伝搬する。すなわち、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０は、第一マルチモード導波路２２から出射した各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が干渉する干渉領域３０となっている。
　また、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が自己結像する位置は、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１，Ｐ２の両方に出現する（図３参照）。第三実施形態では、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１，Ｐ２の両方が、干渉領域３０で干渉した各次数のモードの光（複数の導波モードの光）Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３がモードごとに互いに異なる位置で強まる分波面３２となっている。
　既に説明したように、各次数のグースヘンシェンシフトは異なるので、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１，Ｐ２のそれぞれに沿って各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が自己結像する位置は互いに異なっている。第三実施形態では、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３のうち、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１において０次と２次のモードの光のそれぞれが自己結像する位置ＰＭ０，ＰＭ２に端部ＯＥのそれぞれが設けられているとともに、マルチモード導波路２６Ａ，２６Ｃのそれぞれの入射側の端部ＩＥ２６が接続されている。また、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ２において１次および３次のモードの光のそれぞれが自己結像する位置ＰＭ１，ＰＭ３に端部ＯＥのそれぞれが設けられているとともに、マルチモード導波路２６Ｂ，２６Ｄのそれぞれの入射側の端部ＩＥ２６が接続されている。
　つまり、第三実施形態の光分波器１０Ｃでは、モード干渉部１４は複数（第三実施形態では二つ）の分波面３２を有している。複数の導波モードの光のうち０次の導波モードの光または偶数の導波モードの光が出力されるマルチモード導波路（出力部）２６Ａ，２６Ｃは、複数の分波面３２のうちマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面（第一の分波面）Ｐ１に接続されている。また、複数の導波モードの光のうち奇数の導波モードの光が出力されるマルチモード導波路（出力部）２６Ｂ，２６Ｄは複数の分波面３２のうちマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面（第二の分波面）Ｐ２に接続されている。
　Ｄ１方向における位置ＰＭ０，ＰＭ１同士、位置ＰＭ１，ＰＭ２同士、位置ＰＭ２，ＰＭ３同士の間隔は、自己結像点差ΔＬＭＭＩに等しい。したがって、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１においてマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｃのそれぞれの入射側の端部ＩＥ２６が接続されている端部ＯＥ同士のＤ１方向における距離は、２×ΔＬＭＭＩに等しい。同様に、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ２においてマルチモード導波路２６Ｂ，２６Ｄのそれぞれの入射側の端部ＩＥ２６が接続されている端部ＯＥ同士のＤ１方向における距離は、２×ΔＬＭＭＩに等しい。
　Ｄ１方向に沿ってマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０を伝搬した各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３はそれぞれ、出射側の端部ＯＥ２４で強められるとともにマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄのそれぞれのコア部Ｒ０に結像し、マルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄの出射側の端部ＯＥ２６から出力される。
　上述のように、光分波器１０Ｂでは、マルチモード導波路２４の軸線Ｊ２４に対する第二マルチモード導波路２６の軸線Ｊ２６の角度θｓと、多重モード干渉における自己結像点差ΔＬＭＭＩを適切に設定することで、各次数のモードの光がモードごとに出力される。各次数のモードの光が複数の第二マルチモード導波路２２のそれぞれに、モードごとに分離可能となるためには、所定の角度θｓは、上述の（２）式で表される。
　第一実施形態の光分波器１０Ａと同様に、第三実施形態の光分波器１０Ｃにおいても、分波対象の光に含まれるモードの次数と次数の種類が設定され、これらのモードの次数と次数の種類や光分波器１０Ｃの製造条件などに応じて適切な第二マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０の幅Ｗｏｕｔが設定される。したがって、設定された幅Ｗｏｕｔと、モードの次数によって決まる自己結像点差ΔＬＭＭＩによって、（２）式から所定の角度θｔが算出される。
　また、第一実施形態の光分波器１０Ａと同様に、第三実施形態の光分波器１０Ｃにおいても、クロストークおよび過剰損失のシミュレーションの結果をふまえて所定の角度θｔが算出されることが好ましい。
　第三実施形態の光分波器１０Ｃによれば、第一マルチモード導波路２２に入力した多モード光ＭＬに含まれる複数のモードの光を、軸線Ｊ２４に対して略平行な方向からマルチモード導波路（すなわち、ＭＭＩ導波路）２４に入射させ、異なる次数のモードの光が多重モード干渉によって自己結像する位置が互いに異なることに基づき、複数のモードの光を分波面３２の互いに異なる位置に、第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０同士の所定の間隔以上の間隔をあけて自己結像させることができる。また、第三実施形態の光分波器１０Ｃによれば、分波面３２の互いに異なる位置に自己結合した各次数のモードの光をモードごとに異なる第二マルチモード導波路２６に出力させることができるので、多モード光ＭＬから所望かつ複数の０次モードや各高次のモードを容易に分波することができる。
　したがって、第三実施形態の光分波器１０Ｃによれば、第一実施形態の光分波器１０Ａと同様の作用効果が得られる。
　さらに、第三実施形態の光分波器１０Ｃによれば、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１，Ｐ２のそれぞれにおいて隣り合う第二マルチモード導波路２６の入射側の端部ＩＥ２６が接続されている端部ＯＥ同士のＤ１方向における距離を自己結像点差ΔＬＭＭＩの２倍に拡大することができるので、第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０の幅Ｗｏｕｔを確保し易く、クロストークおよび過剰損失の低減を図ることができる。
　なお、第三実施形態の光分波器１０Ｃにおいても、第二実施形態の光分波器１０Ｂと同様に、第一マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０には、多モード光ＭＬに含まれる複数の導波モードのうち最高次数と同数のスリットＳ２２が第一マルチモード導波路２２の軸線Ｊ２２に沿って形成されていてもよい。また、複数の第二マルチモード導波路２６のそれぞれには、出力される光の導波モードの次数と同数のスリットＳ２６がそれぞれの第二マルチモード導波路２６の軸線Ｊ２６に沿って形成されていてもよい。第三実施形態の光分波器１０Ｃにおいて上述のようにスリットＳ２２，Ｓ２６を形成することで、第一実施形態の光分波器１０Ａと同様の作用効果に加えて第二実施形態の光分波器１０Ｂと同様の作用効果を得ることができる。
［光合波器］
　上述した第一実施形態の光分波器１０Ａにおける光の分波は可逆である。図４に示す光分波器１０Ａの構成で説明すると、二本のマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂのうちマルチモード導波路２６Ａの出射側の端部ＯＥ２６からマルチモード導波路２６Ａに０次モードの光Ｍ０を入力することができ、マルチモード導波路２６Ｂの出射側の端部ＯＥ２６からマルチモード導波路２６Ｂに１次モードの光Ｍ１を入力することができる。すなわち、複数の第二マルチモード導波路２６のそれぞれに適し、かつ第二マルチモード導波路２６ごとに異なる次数のモードの光が複数の第二マルチモード導波路２６のそれぞれに入力可能である。
　本発明を適用した光合波器４０は、入力部４２と、モード干渉部４４と、出力部４６と、を備えている。なお、図１０に示す光合波器４０の構成要素において、図１に示す第一実施形態の光分波器１０Ａの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
　図１０に示すように、入力部４２は、複数の第二マルチモード導波路２６で構成されている。複数の第二マルチモード導波路２６は、それぞれ互いに異なる次数のモードの光を入力可能に構成されている。モード干渉部４４は、マルチモード導波路２４で構成されている。出力部４６は、第一マルチモード導波路２２で構成されている。
　第二マルチモード導波路２６のマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂの入射側の端部ＩＥ２６のそれぞれに０次モードの光と１次モードの光のそれぞれが入力されると、０次モードの光Ｍ０はマルチモード導波路２６Ａのコア部Ｒ０で軸線Ｊ２６に沿って伝搬し、１次モードの光Ｍ１はマルチモード導波路２６Ｂのコア部Ｒ０で軸線Ｊ２６に沿って伝搬する。続いて、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１は、マルチモード導波路２４の出射側の端部ＯＥ２４からコア部Ｒ０に拡がり、端面Ｐ１，Ｐ２の近傍で全反射を繰り返しつつ、多モード干渉し、Ｄ１方向に沿って伝搬する。Ｄ１方向とは反対の方向に沿ってマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０を伝搬した０次モードの光Ｍ０および１次モードの光Ｍ１は、マルチモード導波路２４の出射側の端部ＯＥ２４で強められ、互いに同じ位置で結像し、マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０に入射する。マルチモード導波路２２に入射した０次モードの光Ｍ０および１次モードの光Ｍ１は、マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０で重ね合わされ、マルチモード導波路２２の出射側の端部ＯＥ２６から多モード光ＭＬとして出力される。
　すなわち、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０は、複数の第二マルチモード導波路２６のそれぞれから出射した各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１が干渉する干渉領域３０となっている。上述したように０次モードの光Ｍ０のグースヘンシェンシフトと１次モードの光Ｍ１のグースヘンシェンシフトは異なり、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１が互いにグースヘンシェンシフトに基づく自己結像点差ΔＬＭＭＩに等しい間隔をおいて位置する端部ＯＥ２６からマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０に出射される。そのため、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ３に沿って各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１がそれぞれ自己結合する位置は互いに重なる。つまり、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ３が、干渉領域３０で干渉した各次数のモードの光（複数の導波モードの光）Ｍ０，Ｍ１が同一の位置で強まる合波面３４となっている。このように、マルチモード導波路２４で構成されているモード干渉部１４は、干渉領域３０と、合波面３４と、を備えている。
　すなわち、本発明を適用した光合波器４０は、複数の導波モードの光を導波モードごとに入力可能に構成された入力部４２と、入力部４２から出射した複数の導波モードの光が干渉する干渉領域３０と干渉領域３０で干渉した複数の導波モードの光が同一の位置で強まる合波面３４とを有するモード干渉部４４と、合波面３４の同一の位置で強まった複数の導波モードの光を含む多モード光ＭＬを出力可能に構成された出力部４６と、を備えている。
　上述の光合波器４０によれば、第一マルチモード導波路２２に入力した多モード光ＭＬに含まれる複数のモードの光を、軸線Ｊ２４に対して所定の角度θｔをなす方向からマルチモード導波路（すなわち、ＭＭＩ導波路）２４に入射させ、異なる次数のモードの光が多重モード干渉によって自己結像する位置が互いに重なることに基づき、複数のモードの光を合波面３４の同一の位置に自己結像させることができる。また、光分波器４０によれば、合波面３４の同一の位置に自己結合した各次数のモードの光を第一マルチモード導波路２２に出力させることができるので、所望かつ複数の０次モードや各高次のモードの光を多モード光ＭＬとして容易に合波することができる。
　したがって、光合波器４０は、モード多重伝送に適用可能である。また、光合波器４０によれば、複数の導波モードの光が共通の干渉領域３０で干渉するので、合波対象の多モード光に含まれる導波モードの種類が増大しても、光合波器４０の大きさを急増させずに済む。そのため、光合波器４０によれば、小型化および集積化を容易に図ることができる。また、光合波器４０には直線形状あるいは矩形形状のマルチモード導波路を用いることが可能であることから、設計および製造工程が煩雑にならず、量産化が容易になり、製造コストも抑えることができる。さらに、光合波器４０によれば、前述の多モード干渉によって強まった光が第一マルチモード導波路２２に出力されるので、異なる次数のモードの光同士のクロストークを低減することができる。
　なお、以上では、図４に示す光分波器１０Ａの構成に基づいた光合波器４０について説明したが、第二実施形態及び第三実施形態の光分波器１０Ｂ，１０Ｃや本発明を適用した光分波器における光の分波は可逆であり、これらの光分波器の構成に基づいて光合波器としても構わない。
［光通信システム］
　本発明を適用した光通信システムは、本発明を適用した光分波器および光合波器を備えている。例えば、図１１には、本発明を適用した光通信システムにおいて光信号の分波・合波などを行う主要部のみを取り出して図示している。図１１に示すように、本発明を適用した光通信システムの主要部には、ＤＥＭＵＸ５２として上述の第一実施形態から第三実施形態のいずれか一実施形態の光分波器１０Ａ／１０Ｂ／１０Ｃが設けられ、ＭＵＸ５４として、上述の光合波器４０や第二実施形態及び第三実施形態の光分波器１０Ｂ，１０Ｃの構成に基づく光合波器が設けられている。
　上述の光通信システムによれば、不図示の基幹の光通信ネットワークなどに接続されている入力用マルチモードファイバ６０から、光信号（光）ＸＭＩは、ＤＥＭＵＸ５２に入力される。光信号（光）ＸＭＩには複数（図１１では四種類）のモードの光が含まれ、各次数のモードの光には互いに異なる情報が予め付与されている。ＤＥＭＵＸ５２に入力された光信号ＸＭＩは、光分波器１０Ａ／１０Ｂ／１０Ｃの第一マルチモード導波路２２に入力される。第一マルチモード導波路２２に入力された光信号ＸＭＩは、多モード光ＭＬとして光分波器１０Ａ／１０Ｂ／１０Ｃによって、各次数のモードごとに分波される。ユーザＵ１，Ｕ２はそれぞれ、不図示の専用の回線を介して定められた互いに異なる次数のモードの光Ｍｎ，Ｍｉ（ｎ，ｉは定められた所定のモードの次数を表す）を受信し、必要に応じて受信した次数のモードの光に情報を追加し、不図示の専用の回線を介してＭＵＸ５４に送信する。ＭＵＸ５４に送信された光信号ＸＭＰは、光分波器４０の第二マルチモード導波路２６のうち光Ｍｎのモードの次数ｎに応じたマルチモードファイバに入力される。第二マルチモード導波路２６に入力された光信号ＸＭＰは、光合波器４０によって、他の光信号ＸＭとともに光信号ＸＭＯとして合波される。合波された光信号ＸＭＯは、基幹の光通信ネットワークなどに接続されている出力用マルチモードファイバ６２によって、基幹の光通信ネットワークに戻される。
　上述のように、第一実施形態から第三実施形態のいずれか一実施形態の光分波器１０Ａ／１０Ｂ／１０Ｃおよび光合波器４０を用いてOptical Add/Drop Multiplexing（ＯＡＤＭ）を容易に実現することができる。本発明を適用した光通信システムによれば、光分波器１０Ａ／１０Ｂ／１０Ｃおよび光合波器４０を備えたＯＡＤＭを用いてモード多重伝送技術およびＳＤＭを実現することができる。また、本発明を適用した光通信システムによれば、光分波器１０Ａ／１０Ｂ／１０Ｃおよび光合波器４０を備えていることで、ＭＵＸ／ＤＥＭＵＸの小型化および集積化を容易に図り、ＭＵＸ／ＤＥＭＵＸの量産化を進め、製造コストも抑えることができ、異なる次数のモードの光同士のクロストークを低減し、分波特性および合波特性を向上させることができる。
　以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
　例えば、本発明を適用した光分波器の入力部１２の構成は、第一マルチモード導波路２２に限定されず、多モード光ＭＬをモード干渉部１４に入射させることが可能であれば特に限定されない。
　また、モード干渉部１４の構成は、所定の長さおよび所定の幅を有するマルチモード導波路２４に限定されず、干渉領域３０および分波面３２を備えていれば特に限定されない。一例として、モード干渉部１４は、端面Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の少なくとも一つが湾曲している導波路などで構成されていても構わない。
　また、出力部１６の構成は、第二マルチモード導波路２６に限定されず、多モード光ＭＬから分波された各次数のモードごとの光を個別に出力させることが可能であれば特に限定されない。さらに、多モード光ＭＬに含まれる光のモードの次数は、上述の第一実施形態から第三実施形態で例示したように０次モードから３次モードまでに限定されず、４次モードより高次モードであってもよい。第二マルチモード導波路２６の数は、多モード光ＭＬに含まれる光のモードの次数の種類に合わせて変更される。
　例えば、本発明を適用した光合波器の入力部４２の構成は、第一マルチモード導波路２６に限定されず、各次数のモードごとの光を個別に入力させることが可能であれば特に限定されない。
　また、モード干渉部４４の構成は、所定の長さおよび所定の幅を有するマルチモード導波路２４に限定されず、干渉領域３０および合波面３４を備えていれば特に限定されず、前述のように端面Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の少なくとも一つが湾曲している導波路などで構成されていても構わない。
　また、出力部４６の構成は、第二マルチモード導波路２２に限定されず、各次数のモードごとの光が合波されてなる多モード光ＭＬを出力させることが可能であれば特に限定されない。
　例えば、本発明を適用した光分波器および光合波器は、複数のモードの光をモードごとに分波する、または合波する必要があるシステムであれば、広く適用することができる。また、本発明を適用した光通信システムは、ＯＡＤＭを備えた光通信システムに限定されず、ＳＤＭを用いたあらゆる光通信システムに適用可能である。
　本発明を適用した光分波器、光合波器および光通信システムによれば、モード多重伝送に適用し、集積化および量産化を図り、光信号同士のクロストークを低減することができる。したがって、本発明を適用した光分波器、光合波器は、モード多重伝送を用いた光通信システム、ＳＤＭに適用可能である。また、本発明を適用した光分波器、光合波器は、複数のモードの光をモードごとに分波する、または合波する必要があるシステムであれば、あらゆるシステムに適用可能であり、複数のモードの光をモードごとにおよび操作する必要が生じる分野への広い展開が期待される。本発明を適用した光通信システムは、モード多重伝送およびＳＤＭに関する分野への広い展開が期待される。
　次いで、本発明を適用した実施形態の光分波器の効果を裏付けるために行った実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
　図４に示す光分波器１０Ａの構成において、図１２に示すように複数の第二マルチモード導波路２６のうち、０次モードの光Ｍ０および１次モードの光Ｍ１のそれぞれを出力するマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂのみを残した光分波器１０Ａ´の構成についてシミュレーションを行い、分波特性を確認した。ただし、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ３，Ｐ４は、第一マルチモード導波路２２の軸線Ｊ２２に対して直交する方向に向くように変更した。これにより、図１３Ｂに示すように、１次モードの光Ｍ１が出力されるマルチモード導波路２６Ｂの入射側の端部ＩＥ２６は、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ４の端面Ｐ１側に接続されている。マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ４は、分波面３２として機能する。
　シミュレーションでは、０次モードおよび１次モードの光Ｍ０，Ｍ１の波長を１５５０μｍとした。マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の屈折率ｎ０を３．４８とし、屈折率ｎ１を１．４４とした。マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０のＤ１方向における長さＬａを２１１９６μｍとし、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０のＤ２方向における長さＬｂを３０μｍとした。０次モードおよび１次モードの光Ｍ０，Ｍ１の自己結像点差ΔＬＭＭＩは７８μｍとなる。そこで、１次モードの光Ｍ１が出力されるマルチモード導波路２４Ｂのコア部Ｒ０の幅Ｗｏｕｔを８μｍとし、（２）式に基づいて角度θｔを６°とした。
　図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、第一マルチモード導波路２２の入射側の端部ＩＥ２２から第一マルチモード導波路２２に入力された０次モードの光Ｍ０は、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０、すなわち干渉領域３０で多モード干渉し、マルチモード導波路２６Ａの入射側の端部ＩＥ２６が接続されているマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ４で自己結像し、マルチモード導波路２６Ａに出力されていることがわかる。
　図１４Ａおよび図１４Ｂに示すように、第一マルチモード導波路２２の入射側の端部ＩＥ２２から第一マルチモード導波路２２に入力された１次モードの光Ｍ１は、干渉領域３０で多モード干渉し、マルチモード導波路２６Ｂの入射側の端部ＩＥ２６が接続されているマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１で自己結像し、マルチモード導波路２６Ｂに出力されていることがわかる。
　０次モードの光Ｍ０のクロストーク（すなわち、マルチモード導波路２６Ａに出力された１次モードの光Ｍ１のパワーに対する０次モードの光Ｍ０のパワーの比）は－２５ｄＢであった。また、１次モードの光Ｍ１のクロストーク（すなわち、マルチモード導波路２６Ａにおいて、０次モードの光Ｍ０のパワーに対する１次モードの光Ｍ１のパワーの比）は－１５ｄＢであった。
　以上説明した結果から、光分波器１０Ａ´はコンパクトに構成されており、光分波器１０Ａ´によれば小型化を容易に図ることができると考えられる。また、光分波器１０Ａ´によれば、多モード干渉によって強まった光が導波モードごとに互いに異なるマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂに出力されるので、異なる次数のモードの光同士のクロストークを低減することができることを確認した。
１０Ａ，１０Ａ´，１０Ｂ，１０Ｃ　光分波器
１２，４２　入力部
１４，４４　モード干渉部
１６，４６　出力部
２２　第一マルチモード導波路
２４　マルチモード導波路
２６　第二マルチモード導波路
２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄ　マルチモード導波路
３０　干渉領域
３２　分波面
３４　合波面
４０　光合波器

Claims (9)

  1. 　複数の導波モードの光を含む多モード光を入力可能に構成された入力部と、
    　前記入力部から出射した前記複数の導波モードの光が干渉する干渉領域と前記干渉領域で干渉した前記複数の導波モードの光が導波モードごとに互いに異なる位置で強め合う分波面とを有するモード干渉部と、
    　前記分波面で互いに異なる位置で強まった前記複数の導波モードの光を導波モードごとに出力可能に構成された出力部と、
    　を備えていることを特徴とする光分波器。
  2. 　前記入力部は第一マルチモード導波路で構成され、
    　前記モード干渉部は所定の長さおよび所定の幅を有するマルチモード導波路で構成され、
    　前記出力部は複数の第二マルチモード導波路で構成され、
    　前記第一マルチモード導波路の出力側の端部は前記マルチモード導波路の入射側の端部に接続され、
    　前記複数の第二マルチモード導波路のそれぞれの入射側の端部は前記マルチモード導波路の前記分波面に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光分波器。
  3. 　前記第一マルチモード導波路の出射側の端部を通る軸線および前記複数の第二マルチモード導波路のそれぞれの入射側の端部を通る軸線が前記マルチモード導波路の長さ方向の軸線に対して互いに同一の角度をなすように交差していることを特徴とする請求項２に記載の光分波器。
  4. 　前記複数の第二マルチモード導波路のそれぞれに出力される光の導波モードは、前記第一マルチモード導波路との離間距離が小さくなる程、高くなることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光分波器。
  5. 　前記第一マルチモード導波路のコア部には、前記多モード光に含まれる光の前記複数の導波モードのうち最高次数の導波モードと同数のスリットが前記第一マルチモード導波路の軸線に沿って形成されていることを特徴とする請求項２から請求項４の何れか一項に記載の光分波器。
  6. 　前記複数の第二マルチモード導波路のそれぞれのコア部には、出力される光の導波モードの次数と同数のスリットがそれぞれの前記第二マルチモード導波路の軸線に沿って形成されていることを特徴とする請求項２から請求項５の何れか一項に記載の光分波器。
  7. 　前記モード干渉部は複数の前記分波面を有し、
    　前記複数の導波モードの光のうち０次の導波モードの光または偶数の導波モードの光が出力される前記出力部は前記複数の分波面のうち第一の分波面に接続され、
    　前記複数の導波モードの光のうち奇数の導波モードの光が出力される前記出力部は前記複数の分波面のうち前記第一の分波面とは異なる第二の分波面に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載の光分波器。
  8. 　複数の導波モードの光を導波モードごとに入力可能に構成された入力部と、
    　前記入力部から出射した前記複数の導波モードの光が干渉する干渉領域と前記干渉領域で干渉した前記複数の導波モードの光が同一の位置で強まる合波面とを有するモード干渉部と、
    　前記合波面の同一の位置で強まった前記複数の導波モードの光を含む多モード光を出力可能に構成された出力部と、
    　を備えていることを特徴とする光合波器。
  9. 　請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の光分波器および請求項８に記載の光合波器を備えていることを特徴とする光通信システム。
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