WO2018074301A1 - 光送信装置および光通信システム - Google Patents

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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/40—Optical elements or arrangements

Definitions

  • the present invention relates to an optical transmission device and an optical communication system.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2016-207302 filed in Japan on October 21, 2016, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • WDM wavelength division multiplexing method
  • a wavelength tunable laser is used to change the wavelength for each transceiver and multiplex the wavelength. It was.
  • the communication capacity of WDM is insufficient, and as described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, research using mode multiplexing is being performed.
  • Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 optical transmission using a method in which a fundamental mode and a higher-order mode are excited using a mode multiplexer / demultiplexer and are incident on an optical fiber in order to multiplex transverse modes in an optical fiber.
  • a device has been proposed.
  • Patent Document 2 in an optical transmission device using a VCSEL, single-mode light is incident on an optical fiber with a spatial optical angle using an optical element such as a lens. The mode is multiplexed by adjusting.
  • An object of one embodiment of the present invention is to provide an optical transmission device and an optical communication system that have a simple structure and can be reduced in size and price.
  • An optical transmission apparatus includes a light source, a directional coupler, and an optical transmission line having a transmission line core optically coupled to the directional coupler, wherein the light source includes at least A first light-emitting unit that emits first light including a fundamental mode; and a second light-emitting unit that emits second light including a higher-order mode higher in order than the basic mode, and the directional coupler is A first waveguide region having at least a first core optically coupled to the first light emitting unit and disposed to be optically coupled to the transmission line core, and at least a part of the higher-order mode is transitioned A second waveguide region having a second core and a third core formed so as to be optically coupled to each other, and one of the second core and the third core is the first core So that it is optically coupled to the two light emitting parts and not optically coupled to the transmission line core.
  • a fourth core formed at a distance from the first core so that the first waveguide region is optically coupled to the first core so that at least a part of the higher-order mode can be transitioned.
  • the fourth core may be arranged so as not to be optically coupled to the first light emitting unit and to be optically coupled to the transmission line core.
  • the light source is a surface emitting laser
  • each of the first light emitting unit and the second light emitting unit includes at least an active layer having a multiple quantum well structure and a current confinement layer having an opening
  • An inner diameter of the opening of the current confinement layer of the two light emitting portions may be larger than an inner diameter of the opening of the current confinement layer of the first light emitting portion.
  • the optical transmission line may be a graded index optical fiber.
  • the directional coupler may be a multi-core optical fiber having the first core, the second core, and the third core.
  • An optical communication system includes the optical transmission device and a reception unit optically coupled to the optical transmission device, wherein the reception unit is optically coupled to the optical transmission path.
  • a signal photoelectrically converted by the first light receiving unit or the second light receiving unit downstream of the first light receiving unit or the second light receiving unit on which the higher-order mode is incident a signal photoelectrically converted by the first light receiving unit or the second light receiving unit downstream of the first light receiving unit or the second light receiving unit on which the higher-order mode is incident.
  • An electrical low cut filter for removing a part of the filter may be provided.
  • An optical transmission device includes a light source, a directional coupler, and an optical transmission line having a transmission line core optically coupled to the directional coupler, wherein the light source includes at least A first light-emitting unit that emits first light including a fundamental mode; and a second light-emitting unit that emits second light including a higher-order mode higher in order than the basic mode, and the directional coupler is A first waveguide region having a first core and a fourth core formed at an interval such that at least a part of the fundamental mode is optically coupled to each other in a transitional manner; and at least a part of the higher-order mode And a second waveguide region having a second core and a third core formed so as to be optically coupled to each other so as to be capable of transition, wherein the first core is optically coupled to the first light emitting unit.
  • the fourth core is optically coupled to the first light emitting unit and is not optically coupled to the transmission line core, and one of the second core and the third core is connected to the second light emitting unit. It is arranged so as to be optically coupled and not optically coupled to the transmission line core, and the other of the second core and the third core is not optically coupled to the second light emitting unit and light is not incident on the transmission line core. Arranged to be combined.
  • the second core and the third core of the second waveguide region are optically coupled so that a part of the higher-order mode can transition.
  • one of the second core and the third core is arranged so as to be optically coupled to the transmission line core of the optical transmission line, a higher-order mode transitioned from the other is emitted to the optical transmission line core.
  • the first mode of the first light from the first light emitting unit is modulated independently of the first light without using a component for obtaining a plurality of modes separately from the light emitting unit.
  • Mode multiplex communication using two higher-order modes of light is possible. Therefore, the structure of the optical transmitter capable of mode multiplexing communication can be simplified, and the size and price can be reduced.
  • FIG. 1 It is a block diagram of the receiving part of the optical communication system of FIG. It is a block diagram of the optical transmitter of the optical communication system of 2nd Embodiment. It is sectional drawing of the directional coupler used for the optical transmitter of FIG. It is a figure which shows the example of a low cut filter.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an optical communication system 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of the optical transmission device 4 of the optical communication system 10.
  • FIG. 3 is a plan view of the light source 11 used in the optical transmission device 4.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the light source 11 along the thickness direction of the substrate 14 described later.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the directional coupler 12 used in the optical transmission device 4.
  • the optical communication system 10 includes an optical transmission device 4 and a reception unit 3 optically coupled to the optical transmission device 4.
  • the optical transmission device 4 includes a transmission unit 1 and an optical transmission path 2 optically coupled to the transmission unit 1.
  • the light source (the first light emitting unit or the second light emitting unit) and the waveguide region core (any one of the first to fourth cores) are optically coupled. It is incident on the wave domain core.
  • the light source and the waveguide region core are optically coupled.
  • the light source and the waveguide region core are separated from each other, and the light emitted from the light source is incident on the waveguide region core.
  • the light source and the waveguide region core are separated from each other, the light source and the waveguide region core are connected to each other through a relay optical transmission line such as an optical fiber, and light emitted from the light source passes through the relay optical transmission line.
  • a relay optical transmission line such as an optical fiber
  • the light source and the waveguide region core are installed in contact with each other, and the light emitted from the light source enters the waveguide region core.
  • the optical coupling between the waveguide region core (any of the first to fourth cores) and the optical transmission line core means that, for example, light emitted from the waveguide region core enters the optical transmission line core.
  • two cores are optically coupled so that at least a part of light can transition, for example, one of the two cores That at least part of the light propagating through can be transferred to the other core.
  • the optical coupling between the optical transmission line core and the main core of the mode separator means, for example, that light emitted from the optical transmission line core enters the main core.
  • the main core or the separation core of the mode separator is optically coupled to the light receiving unit (the first light receiving unit or the second light receiving unit), for example, light emitted from the main core or the separation core is transmitted to the light receiving unit.
  • the transmission unit 1 side is referred to as an upstream side
  • the reception unit 3 side is referred to as a downstream side.
  • the transmission unit 1 includes a light source 11 and a directional coupler 12.
  • the light source 11 is, for example, a surface emitting laser (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser).
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • the light source 11 includes a base portion 6, and a first light emitting portion 7 and a second light emitting portion 8 provided on the base portion 6.
  • the base portion 6 is configured by laminating a cathode electrode 13, a substrate 14, and a first mirror layer 15 in this order.
  • the cathode electrode 13 is provided on the outer surface of the substrate 14 (the lower surface in FIG. 4).
  • an n-type GaAs substrate can be used as the substrate 14.
  • the first mirror layer 15 is, for example, an n-type semiconductor layer, and is a distributed Bragg reflection type (DBR mirror) in which low refractive index layers and high refractive index layers are alternately stacked.
  • DBR mirror distributed Bragg reflection type
  • the 1st light emission part 7 and the 2nd light emission part 8 are arrange
  • the plan view means viewing from the thickness direction of the substrate 14.
  • the first light emitting unit 7 is configured by laminating an active layer 16A, a current confinement layer 17A, a second mirror layer 18A, a passivation layer 19A, and an anode electrode 20A in this order from the base unit 6.
  • the second light emitting unit 8 is configured by laminating an active layer 16B, a current confinement layer 17B, a second mirror layer 18B, a passivation layer 19B, and an anode electrode 20B in this order from the base unit 6.
  • the active layers 16A and 16B have a multiple quantum well structure including a plurality of quantum well structures each including, for example, a quantum well layer and a barrier layer.
  • the current confinement layers 17A and 17B are obtained by oxidizing an AlAs layer, for example, and have openings 17Aa and 17Ba, respectively.
  • the second mirror layers 18A and 18B are p-type semiconductor layers, for example, and are distributed Bragg reflection types (DBR mirrors) in which low refractive index layers and high refractive index layers are alternately stacked.
  • DBR mirrors distributed Bragg reflection types
  • the passivation layer 19A is formed so as to surround the second mirror layer 18A, for example.
  • the passivation layer 19A has an opening 19Aa surrounding at least the opening 17Aa of the current confinement layer 17A in plan view. Note that the plan view means viewing from the thickness direction of the substrate 14.
  • the anode electrode 20A is provided so as to surround the passivation layer 19A and the second mirror layer 18A.
  • the anode electrode 20A has an opening 20Aa surrounding the opening 17Aa of the current confinement layer 17A in plan view.
  • 1st light L1 (refer FIG. 2) is radiate
  • the passivation layer 19B is formed, for example, surrounding the second mirror layer 18B.
  • the passivation layer 19B has an opening 19Ba surrounding at least the opening 17Ba of the current confinement layer 17B in plan view.
  • the anode electrode 20B is provided so as to surround the passivation layer 19B and the second mirror layer 18B.
  • the anode electrode 20B has an opening 20Ba surrounding the opening 17Ba of the current confinement layer 17B in plan view.
  • 2nd light emission part 8 2nd light L2 (refer FIG. 2) is radiate
  • the pair of anode electrode terminals 21 shown in FIG. 3 are connected to the anode electrodes 20A and 20B shown in FIG.
  • Each of the pair of cathode electrode terminals 22 shown in FIG. 3 is connected to the cathode electrode 13 shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a spectrum of light emitted from the second light emitting unit 8.
  • the light includes a plurality of modes having different transverse mode orders.
  • the light includes a fundamental mode (LP01 mode) having the longest wavelength and a higher-order mode (LP11 mode and LP12 mode) having a higher order than the fundamental mode.
  • LP01 mode fundamental mode
  • LP11 mode and LP12 mode higher-order mode
  • the LP mode linearly polarized polarized propagation mode
  • the LP mode may be used when expressing the order of the horizontal mode.
  • the peak wavelength of the LP11 mode is shorter than the peak wavelength of the LP01 mode.
  • the peak wavelength of the LP12 mode is shorter than the peak wavelength of the LP11 mode.
  • the inner diameters Da and Db of the openings 17Aa and 17Ba of the current confinement layers 17A and 17B affect the ratio between the fundamental mode and the higher-order mode included in the light emitted from the light emitting units 7 and 8. For example, as the inner diameters Da and Db of the openings 17Aa and 17Ba are smaller, the ratio of the basic mode to the whole tends to increase. In addition, as the inner diameters Da and Db of the openings 17Aa and 17Ba are larger, the ratio of higher-order modes in the whole tends to increase. Therefore, the ratio between the basic mode and the higher order mode can be adjusted by selecting the inner diameters Da and Db of the openings 17Aa and 17Ba.
  • the ratio between the fundamental mode and the higher-order mode is different because the inner diameter Da of the opening 17Aa of the first light emitting unit 7 and the inner diameter Db of the opening 17Ba of the second light emitting unit 8 are different.
  • Light L1 and second light L2 are obtained.
  • the inner diameter Db of the opening 17Ba of the second light emitting unit 8 is set to be larger than the inner diameter Da of the opening 17Aa of the first light emitting unit 7, higher order modes (for example, LP11 mode and LP12 in the second light L2). Mode) ratio can be made larger than the ratio of the higher-order mode in the first light L1.
  • the inner diameter Da of the opening 17Aa of the first light emitting unit 7 is, for example, 5.5 to 6.5 ⁇ m.
  • the inner diameter Db of the opening 17Ba of the second light emitting unit 8 is, for example, 8 to 10 ⁇ m.
  • the bias current in the light source 11 affects the ratio between the fundamental mode and the higher order mode of the emitted light.
  • the basic mode ratio is large at a low current value of about 3 mA from the threshold value Ith, and the high-order mode ratio is large at a high current value of about 9 mA. That is, as the current value of the bias current in the light source 11 is increased, the higher-order mode ratio increases. Therefore, the ratio between the fundamental mode and the higher order mode can be adjusted by the bias current.
  • the bias currents in the first light emitting unit 7 and the second light emitting unit 8 are appropriately set, the ratio of the higher order mode in the second light L2 is made larger than the ratio of the higher order mode in the first light L1. be able to.
  • the first light emitting unit 7 emits first light L1 including at least a fundamental mode (LP01 mode). Most of the first light L1 is preferably in the fundamental mode. When most of the first light L1 is in the fundamental mode, noise during optical transmission on the optical transmission path 2 can be reduced.
  • the second light emitting unit 8 emits second light L2 including at least a higher-order mode.
  • the second light L2 may include a fundamental mode and a higher order mode. Higher order modes are, for example, LP11 mode and LP12 mode. When the ratio of the higher-order mode in the second light L2 is large, noise during optical transmission in the optical transmission path 2 can be reduced.
  • the directional coupler 12 includes a first waveguide region 26, a second waveguide region 27, and a cladding 25.
  • the clad 25 surrounds the first waveguide region 26 and the second waveguide region 27.
  • the directional coupler 12 extends from the light source 11 toward the optical transmission line 2.
  • the first waveguide region 26 has a first core 28A.
  • the first core 28A extends along the longitudinal direction in which the directional coupler 12 extends.
  • the second waveguide region 27 has a second core 29A and a third core 29B.
  • the second core 29 ⁇ / b> A and the third core 29 ⁇ / b> B extend along the longitudinal direction of the directional coupler 12.
  • the second core 29 ⁇ / b> A and the third core 29 ⁇ / b> B are formed in parallel with each other at an interval that enables optical coupling.
  • the second core 29A and the third core 29B are formed at an interval at which at least a part of the higher-order mode is optically coupled so that transition is possible.
  • a multi-core optical fiber having cores 28A, 29A, 29B and a clad 25 surrounding the cores 28A, 29A, 29B can be used.
  • the multi-core optical fiber is preferably a step index (SI) type.
  • Two or more of the first core 28A, the second core 29A, and the third core 29B may have the same configuration (for example, material, outer diameter, etc.), or may have different configurations.
  • the second core 29A and the first core 28A may have the same configuration or different configurations.
  • FIG. 7 shows a directional coupler 12 having a pair of cores (second core 29A and third core 29B).
  • the distance d (horizontal axis) between the second core 29A and the third core 29B and the coupling length (vertical). It is a figure which shows the example of a relationship with an axis
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the relationship between the center distance d (horizontal axis) and the remaining power (vertical axis) of the LP01 mode in the second core 29A.
  • the second core 29A and the third core 29B had a diameter of 8 ⁇ m and a relative refractive index difference of 0.3%.
  • the wavelength of the incident light was 850 nm.
  • the coupling length of the cores changes according to the center distance d.
  • the center distance d is 14 ⁇ m
  • the LP01 mode of 95% or more remains in the second core 29A, and most of the LP11 mode is transferred from the second core 29A to the third core. It is possible to transition to 29B. Therefore, in the directional coupler 12 shown in FIGS. 2 and 5, for example, the center-to-center distance d between the second core 29A and the third core 29B is 13 to 15 ⁇ m and the length is 100 mm or more (for example, 100 to 150 mm). Is preferred.
  • the first core 28A of the first waveguide region 26 is at a position where at least a part of the incident end 28Aa overlaps the first light emitting unit 7 of the light source 11 in plan view, the first light from the first light emitting unit 7 is used. It arrange
  • the two transmission line cores 23 are arranged so as to be optically coupled.
  • the second core 29A of the second waveguide region 27 is at a position where at least a part of the incident end 29Aa overlaps the second light emitting unit 8 of the light source 11 in plan view, the second light from the second light emitting unit 8 is used. It arrange
  • the second core 29 ⁇ / b> A is disposed so as to be optically coupled to the second light emitting unit 8.
  • the emission end 29Ab of the second core 29A is located away from the incident end 23a of the transmission path core 23 of the optical transmission path 2 in plan view. For this reason, the second core 29A is not optically coupled to the transmission line core 23 of the optical transmission line 2 at the emission end 29Ab.
  • the second core 29A may be arranged so that most of the light is not emitted to the transmission line core 23 of the optical transmission line 2.
  • the incident end 29Ba of the third core 29B of the second waveguide region 27 is located away from the second light emitting unit 8 in plan view.
  • the third core 29 ⁇ / b> B is not optically coupled to the second light emitting unit 8.
  • the emission end 29Bb of the third core 29B is at a position at least partially overlapping the incident end 23a of the transmission path core 23 of the optical transmission path 2 in plan view. Therefore, the third core 29B is arranged so that light is emitted from the emission end 29Bb to the transmission path core 23 of the optical transmission path 2. That is, the third core 29 ⁇ / b> B is optically coupled to the transmission line core 23 of the optical transmission line 2.
  • the optical transmission line 2 is, for example, an optical fiber having a transmission line core 23 and a clad 24 surrounding the transmission line core 23.
  • the optical transmission line 2 is preferably a graded index (GI) optical fiber.
  • GI graded index
  • a stable signal can be obtained by using a GI type optical fiber.
  • the incident end 2a of the optical transmission line 2 is preferably fused and connected to the exit end 12b of the directional coupler 12.
  • the receiver 3 includes a mode separator 31 (mode separator) optically coupled to the optical transmission line 2 and a receiver main body 32 optically coupled to the mode separator 31.
  • the mode separator 31 includes, for example, a main core 33, a separation core 34, and a clad 40 that surrounds the cores 33 and 34.
  • the main core 33 is formed linearly from the incident end 33a toward the emission end 33b. Since at least a part of the incident end 33a overlaps with the emission end 23b of the transmission path core 23 of the optical transmission path 2 in plan view, the main core 33 receives light from the emission end 23b of the transmission path core 23.
  • the main core 33 is disposed so as to be optically coupled to the transmission line core 23.
  • the separation core 34 has an upstream portion 35, a coupling portion 36, a downstream portion 37, and an extending portion 38 in this order in the light transmission direction.
  • the upstream portion 35 is a portion that gradually approaches the main core 33 as it goes downstream.
  • the coupling portion 36 is a portion that is generally formed in parallel with the main core 33 at an interval that enables optical coupling.
  • the downstream portion 37 is a portion that gradually separates from the main core 33 toward the downstream side.
  • the extending portion 38 is a portion that extends from the downstream portion 37 and reaches the emission end 34b.
  • the main core 33 is disposed so that the emitted light is incident on the first light receiving portion 42 because at least a part of the emission end 33b is in a position overlapping the first light receiving portion 42 of the receiving portion main body 32 in plan view.
  • the main core 33 is disposed so as to be optically coupled to the first light receiving unit 42.
  • the separation core 34 is at a position where at least a part of the emission end 34 b overlaps the second light receiving part 43 of the receiving part main body 32 in plan view, the emitted light is incident on the second light receiving part 43.
  • the separation core 34 is disposed so as to be optically coupled to the second light receiving unit 43.
  • the incident end 31a of the mode separator 31 is preferably fused and connected to the emission end 2b of the optical transmission line 2.
  • the receiving unit main body 32 is, for example, a photodiode (PD: Photo Diode).
  • PD photodiode
  • Examples of the PD include a GaAs PIN type photodiode (PIN-PD) and an avalanche photodiode (APD).
  • the receiving unit main body 32 includes a base part 41, and a first light receiving part 42 and a second light receiving part 43 provided on the base part 41.
  • the first light receiving unit 42 and the second light receiving unit 43 are disposed on the base unit 41 at different positions in plan view.
  • the first light L ⁇ b> 1 from the first light emitting unit 7 and the second light L ⁇ b> 2 from the second light emitting unit 8 are modulated independently.
  • the first light L1 includes at least a fundamental mode (LP01 mode). Most of the first light L1 may be in the fundamental mode.
  • the first light L1 enters the first core 28A from the incident end 28Aa, exits from the exit end 28Ab, enters the transmission path core 23 of the optical transmission path 2 from the incident end 23a, and transmits the transmission path of the optical transmission path 2.
  • the data is transmitted toward the receiving unit 3 through the core 23.
  • the second light L2 includes at least a higher-order mode (for example, LP11 mode and LP12 mode).
  • a higher-order mode for example, LP11 mode and LP12 mode.
  • the higher-order mode ratio is made larger than the higher-order mode ratio in the first light L1, for example, by the method described above.
  • the second light L2 from the second light emitting unit 8 is incident on the second core 29A from the incident end 29Aa.
  • the second core 29A and the third core 29B can be optically coupled, most of the fundamental mode of the second light L2 incident on the second core 29A remains in the second core 29A, and higher-order mode At least a part (for example, most of the higher order modes) transitions to the third core 29B.
  • the second light L2 including the higher order mode transferred to the third core 29B is emitted from the emission end 29Bb, is incident on the transmission path core 23 of the optical transmission path 2, and passes through the transmission path core 23 of the optical transmission path 2. It is transmitted toward the receiver 3. Since the second core 29A is not optically coupled to the transmission line core 23 of the optical transmission line 2, the basic mode remaining in the second core 29A is not incident on the transmission line core 23 of the optical transmission line 2. . Even if the fundamental mode is incident on a portion other than the transmission path core 23 of the optical transmission path 2, it leaks in the course of transmission and disappears.
  • the fundamental mode of the first light L1 and the higher-order mode of the second light L2 incident on the transmission path core 23 of the optical transmission path 2 are transmitted by the transmission path core 23.
  • the light is incident on the main core 33 of the mode separator 31 of the receiver 3 from the output end 23b.
  • the fundamental mode and the higher-order mode incident on the main core 33 at least a part of the fundamental mode (for example, most of the fundamental mode) transitions to the coupling portion 36 of the separation core 34.
  • the basic mode transitioned to the separation core 34 is incident on the second light receiving unit 43 of the receiving unit main body 32 through the downstream portion 37 and the extending portion 38.
  • the higher-order mode remaining in the main core 33 is incident on the first light receiving unit 42 of the receiving unit main body 32 from the emission end 33b. In this way, the receiving unit 3 receives the basic mode and the higher order mode separately.
  • the second core 29A and the third core 29B of the directional coupler 12 are optically coupled so that a part of the higher-order mode can transition. ing.
  • the third core 29B is optically coupled to the transmission path core 23 of the optical transmission path 2
  • the higher-order mode transitioned from the second core 29A to the third core 29B is the optical transmission path 2 To the transmission line core 23. Therefore, apart from the first light emitting unit 7 or the second light emitting unit 8, the basic mode of the first light L1 from the first light emitting unit 7 and the first mode without using components for obtaining a plurality of modes, etc.
  • Mode multiplex communication is possible using the higher-order mode of the second light L2 modulated independently of the light L1. Therefore, the structure of the optical transmission device 4 and the optical communication system 10 capable of mode multiplexing communication can be simplified, and the size and the price can be reduced.
  • the optical transmission device 4 since the second waveguide region 27 includes the second core 29A and the third core 29B capable of optical coupling, noise is reduced by reducing the fundamental mode in the second light L2. The communication quality can be improved.
  • FIG. 10 is a configuration diagram of the optical transmission device 54 of the optical communication system 60 according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the directional coupler 62 used in the optical transmission device 54.
  • symbol is attached
  • the optical communication system 60 includes an optical transmission device 54 and a reception unit 3 (see FIGS. 1 and 9) optically coupled to the optical transmission device 54.
  • the optical transmission device 54 includes a transmission unit 51 and an optical transmission path 2 that is optically coupled to the transmission unit 51.
  • the transmission unit 51 includes a light source 11 and a directional coupler 62 optically coupled to the light source 11.
  • the directional coupler 62 has a structure in which the first waveguide region 76 includes the first core 28A and the fourth core 28B formed at a distance allowing optical coupling with the first core 28A. It differs from the directional coupler 12 in the optical communication system 10 of 1st Embodiment shown in FIG.
  • the first core 28 ⁇ / b> A and the fourth core 28 ⁇ / b> B are formed in parallel with each other at an interval that enables optical coupling.
  • the first core 28A and the fourth core 28B are formed at an interval where at least a part of the higher-order mode is optically coupled so as to allow transition.
  • Two or more of the first core 28A, the fourth core 28B, the second core 29A, and the third core 29B may have the same configuration (for example, material, outer diameter, etc.), or may have different configurations.
  • the first core 28A may have the same configuration as the second core 29A or a different configuration.
  • the fourth core 28B may have the same configuration as the third core 29B or may have a different configuration.
  • the incident end 28Ba of the fourth core 28B is located away from the first light emitting unit 7 in plan view. That is, the fourth core 28 ⁇ / b> B is not optically coupled to the first light emitting unit 7.
  • the emission end 28Bb of the fourth core 28B is located at a position away from the incident end 23a of the transmission path core 23 of the optical transmission path 2 in plan view. For this reason, the fourth core 28B is not optically coupled to the transmission path core 23 of the optical transmission path 2 at the emission end 28Bb.
  • the first core 28A and the fourth core 28B can be optically coupled, most of the fundamental mode of the first light L1 incident on the first core 28A remains in the first core 28A, and higher-order mode At least a part (for example, most of the higher order modes) transitions to the fourth core 28B. Since the fourth core 28 ⁇ / b> B is not optically coupled to the transmission path core 23 of the optical transmission path 2, the higher-order mode transferred to the fourth core 28 ⁇ / b> B is not incident on the transmission path core 23.
  • the optical transmission device 54 is a first mode in which the fundamental mode of the first light L1 from the first light emitting unit 7 is modulated independently of the first light L1. Mode multiplex communication using the higher-order mode of the second light L2 is possible. Therefore, the structures of the optical transmission device 54 and the optical communication system 60 can be simplified, and the size and the price can be reduced.
  • the second waveguide region 27 includes the second core 29A and the third core 29B that can be optically coupled, the noise is reduced by reducing the fundamental mode in the second light L2, thereby reducing communication. Quality can be improved.
  • the first waveguide region 76 of the directional coupler 62 has the fourth core 28B, it is possible to reduce higher-order modes in the first light L1. Therefore, it is possible to further reduce noise and realize high quality communication.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the low cut filter 70.
  • the low cut filter 70 is an electrical low cut filter that removes a part of the signal photoelectrically converted by the light receiving unit (for example, the first light receiving unit 42 in FIG. 9).
  • the low-cut filter 70 is provided on the downstream side of the light receiving unit (for example, the first light receiving unit 42 in FIG. 9) where the higher-order mode is incident.
  • the low cut filter 70 is, for example, a filter having a cutoff frequency of about 50 kHz, and a signal having a frequency of 50 kHz or less having an amplitude of 1/10 or less is preferable.
  • the low cut filter 70 is provided.
  • the signal from the first light emitting unit 7 is electrically cut, so that crosstalk is reduced and high quality communication is possible.
  • the configuration in the embodiment is an example, and the addition, omission, replacement, and other modifications of the configuration can be made without departing from the spirit of the present invention.
  • the second light emitting unit 8 receives the second light L ⁇ b> 2 only in the second core 29 ⁇ / b> A among the cores 29 ⁇ / b> A and 29 ⁇ / b> B of the second waveguide region 27.
  • the configuration of the optical communication system is not limited to this.
  • the second light emitting unit 8 is provided at a position where the second light L2 is incident only on the third core 29B of the cores 29A and 29B of the second waveguide region 27. Good.
  • at least a part of the higher-order mode (for example, most of the higher-order mode) incident on the third core 29B remains in the third core 29B, and most of the fundamental mode of the second light L2 is the second core. Transition to 29A.
  • the second light L2 including the higher-order mode remaining in the third core 29B is emitted from the emission end 29Bb, is incident on the transmission path core 23 of the optical transmission path 2, and is transmitted to the transmission path core of the optical transmission path 2. Then, the data is transmitted toward the receiving unit 3.
  • the second core 29A is arranged not to be optically coupled to the second light emitting unit 8 and optically coupled to the transmission path core 23, and the third core 29B is optically coupled to the second light emitting unit 8 and transmitted. It may be arranged so as not to be optically coupled to the road core 23.
  • the first light emitting unit 7 receives the first light L1 only in the first core 28A among the cores 28A and 28B of the first waveguide region 76.
  • the second light emitting unit 8 is provided at a position where the second light L2 is incident only on the second core 29A out of the cores 29A and 29B of the second waveguide region 27.
  • the system configuration is not limited to this.
  • the optical communication system 60 for example, even if the first light emitting unit 7 is provided at a position where the first light L1 is incident only on the fourth core 28B of the cores 28A and 28B of the first waveguide region 76. Good. In this case, at least a part of the higher-order mode of the first light L1 incident on the fourth core 28B (for example, most of the higher-order mode) remains in the fourth core 28B, and the fundamental mode of the first light L1 At least a part (for example, most of the fundamental mode) transitions to the first core 28A.
  • the first light L1 including the fundamental mode transitioned to the first core 28A is emitted from the emission end 28Ab, is incident on the transmission path core 23 of the optical transmission path 2, and is transmitted to the transmission path core 23 of the optical transmission path 2. And transmitted to the receiving unit 3.
  • the second light emitting unit 8 may be provided at a position where the second light L2 is incident only on the third core 29B of the cores 29A and 29B of the second waveguide region 27.
  • at least a part of the higher-order mode of the second light L2 incident on the third core 29B (for example, most of the higher-order mode) remains in the third core 29B
  • the fundamental mode of the second light L2 At least a part (for example, most of the fundamental mode) transitions to the second core 29A.
  • the second light L2 including the higher-order mode remaining in the third core 29B is emitted from the emission end 29Bb, is incident on the transmission path core 23 of the optical transmission path 2, and is transmitted to the transmission path core of the optical transmission path 2.
  • the mode separator 31 shown in FIG. 9 is a waveguide type mode separator, but an optical fiber coupler type mode separator may be used instead.
  • the VCSEL is exemplified as the light source 11.
  • the light source 11 is not limited to this, and may be an edge-emitting laser that oscillates in multimode in the transverse mode.
  • the mode separator 31 shown in FIG. 9 at least a part of the fundamental mode is separated from the main core 33.
  • the fundamental mode and the higher order mode are separated from the main core. There may be.
  • Receiver main part 33 ... Main core, 34 ... Separating core, 42 ... first light receiving part, 43 ... second light receiving part, 70 ... low cut filter, Da ... inner diameter of current confining layer of first light emitting part, Db ... current confining layer of second light emitting part Inner diameter of the opening, L1 ... first light, L2 ... second light

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Abstract

光源と、方向性結合器と、前記方向性結合器に光結合された伝送路コアを有する光伝送路とを備え、前記光源は、少なくとも基本モードを含む第１の光を発する第１発光部と、前記基本モードより次数が高い高次モードを含む第２の光を発する第２発光部と、を有し、前記方向性結合器は、少なくとも、前記第１発光部に光結合され、かつ前記伝送路コアに光結合されるように配置された第１コアを有する第１導波領域と、前記高次モードの少なくとも一部が遷移可能に互いに光結合するように、間隔をおいて形成された第２コアおよび第３コアを有する第２導波領域とを備え、前記第２コアと前記第３コアのうち一方は、前記第２発光部に光結合され、かつ前記伝送路コアに光結合されないように配置され、前記第２コアと前記第３コアのうち他方は、前記第２発光部に光結合されず、かつ前記伝送路コアに光結合されるように配置されている、光送信装置。

Description

光送信装置および光通信システム
　本発明は、光送信装置および光通信システムに関する。
　本願は、２０１６年１０月２１日に、日本に出願された特願２０１６－２０７３０２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、光伝送モジュールの通信容量を増やすためには、波長多重、空間多重等の技術が用いられてきた。基幹通信ネットワークで使用されている１３００～１６５０ｎｍの長波長帯域では、波長可変レーザーを用いた波長分割多重方式（ＷＤＭ）により、トランシーバー毎に波長を変え、その波長を多重化する方式が用いられてきた。
　近年、ＷＤＭでは通信容量が不足しており、特許文献１および非特許文献１に記載されているように、モード多重を用いた研究が行われている。
　特許文献１および非特許文献１には、光ファイバで横モードを多重化するため、モード合分波器を用いて基本モードと高次モードを励起し、光ファイバに入射する方法を用いる光送信装置が提案されている。また、特許文献２に記載のように、ＶＣＳＥＬを用いた光送信装置では、シングルモード光をレンズなどの光学素子を使用して空間光学的に角度を付けて光ファイバに入射させ、その角度を調整することによってモードの多重化を行っている。
日本国特開２０１５－２１２７５７号公報 日本国特開２０００－２２６４３号公報
信学技報Ｖｏｌ．１１２、Ｎｏ．４４８、ｐ．３９～４４
　従来の光送信装置では、複数の横モードを得るために、光ファイバとレーザー光源との間に、光ファイバとレーザー光源それぞれと離間した比較的大型の部品を使用する必要があり、小型化、低価格化の阻害要因となっていた。
　本発明の一態様は、構造が簡略であり、小型化および低価格化を図ることができる光送信装置および光通信システムを提供することを目的とする。
　本発明の第１の態様に係る光送信装置は、光源と、方向性結合器と、前記方向性結合器に光結合された伝送路コアを有する光伝送路とを備え、前記光源は、少なくとも基本モードを含む第１の光を発する第１発光部と、前記基本モードより次数が高い高次モードを含む第２の光を発する第２発光部と、を有し、前記方向性結合器は、少なくとも、前記第１発光部に光結合され、かつ前記伝送路コアに光結合されるように配置された第１コアを有する第１導波領域と、前記高次モードの少なくとも一部が遷移可能に互いに光結合するように、間隔をおいて形成された第２コアおよび第３コアを有する第２導波領域とを備え、前記第２コアと前記第３コアのうち一方は、前記第２発光部に光結合され、かつ前記伝送路コアに光結合されないように配置され、前記第２コアと前記第３コアのうち他方は、前記第２発光部に光結合されず、かつ前記伝送路コアに光結合されるように配置されている。
　ここで、前記第１導波領域が、前記高次モードの少なくとも一部が遷移可能に前記第１コアと光結合するように、前記第１コアと間隔をおいて形成された第４コアを有し、前記第４コアが、前記第１発光部に光結合されず、かつ前記伝送路コアに光結合されないように配置されていてもよい。
　また、前記光源は面発光レーザーであり、前記第１発光部および前記第２発光部は、それぞれ多重量子井戸構造を有する活性層と、開口部を有する電流狭窄層とを少なくとも有し、前記第２発光部の前記電流狭窄層の前記開口部の内径は、前記第１発光部の前記電流狭窄層の前記開口部の内径より大きくてもよい。
　また、前記光伝送路は、グレーデッドインデックス型光ファイバであってもよい。
　また、前記方向性結合器は、前記第１コアと、前記第２コアと、前記第３コアと、を有するマルチコア光ファイバであってもよい。
　本発明の第２の態様に係る光通信システムは、前記光送信装置と、前記光送信装置に光結合された受信部とを備え、前記受信部は、前記光伝送路に光結合されたモード分離部と、前記モード分離部に光結合された受信部本体とを備え、前記モード分離部は、前記光伝送路から入射された前記基本モードおよび前記高次モードが入射される主コアと、前記基本モードおよび前記高次モードのうち一方の少なくとも一部を前記主コアから分離する分離用コアとを有し、前記受信部本体は、前記主コアおよび前記分離用コアから出射された、前記基本モードおよび前記高次モードがそれぞれ入射される第１受光部および第２受光部を有する。
　ここで、前記光通信システムにおいて、前記高次モードが入射される前記第１受光部または前記第２受光部の下流側に、前記第１受光部または前記第２受光部で光電変換された信号の一部を除去する電気的なローカットフィルタが設けられていてもよい。
　本発明の第３の態様に係る光送信装置は、光源と、方向性結合器と、前記方向性結合器に光結合された伝送路コアを有する光伝送路とを備え、前記光源は、少なくとも基本モードを含む第１の光を発する第１発光部と、前記基本モードより次数が高い高次モードを含む第２の光を発する第２発光部と、を有し、前記方向性結合器は、前記基本モードの少なくとも一部が遷移可能に互いに光結合するように、間隔をおいて形成された第１コアおよび第４コアを有する第１導波領域と、前記高次モードの少なくとも一部が遷移可能に互いに光結合するように、間隔をおいて形成された第２コアおよび第３コアを有する第２導波領域とを備え、前記第１コアは、前記第１発光部に光結合されず、かつ前記伝送路コアに光結合されるように配置され、前記第４コアは、前記第１発光部に光結合され、かつ前記伝送路コアに光結合されないように配置され、前記第２コアと前記第３コアのうち一方は、前記第２発光部に光結合され、かつ前記伝送路コアに光結合されないように配置され、前記第２コアと前記第３コアのうち他方は、前記第２発光部に光結合されず、かつ前記伝送路コアに光結合されるように配置されている。
　上記態様によれば、第２導波領域の第２コアと第３コアとが、高次モードの一部が遷移可能に光結合している。また、第２コアと第３コアのうち一方が、光伝送路の伝送路コアに光結合されるように配置されているため、他方から遷移した高次モードが光伝送路コアに出射される。そのため、発光部とは別に、複数のモードを得るための部品等を用いずに、第１発光部からの第１の光の基本モードと、第１の光とは独立して変調された第２の光の高次モードとを用いたモード多重通信が可能である。よって、モード多重通信が可能な光送信装置の構造を簡略にし、小型化および低価格化を図ることができる。
第１実施形態の光通信システムの構成図である。 図１の光通信システムの光送信装置の構成図である。 図２の光送信装置に用いられる光源の平面図である。 図３の光源の断面図である。 図２の光送信装置に用いられる方向性結合器の断面図である。 光のスペクトルの例を示す図である。 方向性結合器の一対のコアの中心間距離と結合長との関係の例を示す図である。 方向性結合器の一対のコアの中心間距離と、第２コアにおけるＬＰ０１モードの残量との関係の例を示す図である。 図１の光通信システムの受信部の構成図である。 第２実施形態の光通信システムの光送信装置の構成図である。 図１０の光送信装置に用いられる方向性結合器の断面図である。 ローカットフィルタの例を示す図である。
　以下、実施形態の光通信システムについて図面に基づいて説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、本発明は以下の実施形態に限定されない。
＜光送信装置および光通信システム（第１実施形態）＞
　図１は、第１実施形態の光通信システム１０の構成図である。図２は、光通信システム１０の光送信装置４の構成図である。図３は、光送信装置４に用いられる光源１１の平面図である。図４は、光源１１についての、後述する基板１４の厚さ方向に沿う断面図である。図５は、光送信装置４に用いられる方向性結合器１２の断面図である。
　図１に示すように、光通信システム１０は、光送信装置４と、光送信装置４に光結合された受信部３とを備えている。光送信装置４は、送信部１と、送信部１に光結合された光伝送路２とを備えている。
（定義）
　ここで、本実施形態において、光源（第１発光部もしくは第２発光部）と、導波領域コア（第１～第４コアのいずれか）とが光結合するとは、光源からの光が導波領域コアに入射することを言う。
　例えば、以下の（ｉ）～（ｉｉｉ）の場合に、光源と導波領域コアとが光結合しているという。（ｉ）光源と導波領域コアとが互いに離間され、光源から出射された光が導波領域コアに入射する場合。（ｉｉ）光源と導波領域コアとが互いに離間され、光源と導波領域コアとが互いに光ファイバなどの中継用光伝送路を通じて接続され、光源から出射された光が中継用光伝送路を通して導波領域コアに入射する場合。（ｉｉｉ）光源と導波領域コアとが互いに接して設置され、光源から出射された光が導波領域コアに入射する場合。
　また、導波領域コア（第１～第４コアのいずれか）と、光伝送路コアとが光結合するとは、例えば、導波領域コアから出射された光が光伝送路コアに入射することを言う。
　また、２つのコア（第２コアと第３コア、もしくは、第１コアと第４コア）が、光の少なくとも一部が遷移可能に光結合するとは、例えば、２つのコアのうち一方のコアを伝搬する光の少なくとも一部が他方のコアに遷移し得ることを言う。
　また、光伝送路コアと、モード分離器の主コアとが光結合するとは、例えば、光伝送路コアから出射された光が主コアに入射することを言う。
　また、モード分離器の主コアもしくは分離用コアが、受光部（第１受光部または第２受光部）に光結合するとは、例えば、主コアもしくは分離用コアから出射された光が受光部に入射することを言う。
　また、光通信システム１０における光の伝送方向のうち、送信部１側を上流側といい、受信部３側を下流側という。
　図２に示すように、送信部１は、光源１１と、方向性結合器１２とを備えている。
　図３および図４に示すように、光源１１は、例えば面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｌａｓｅｒ）である。ＶＣＳＥＬの使用により、簡略な構造でありながら、基本モードと高次モードとを用いたモード多重通信を実現できる。
　図４に示すように、光源１１は、基台部６と、基台部６に設けられた第１発光部７および第２発光部８と、を備えている。
　基台部６は、カソード電極１３と、基板１４と、第１ミラー層１５とがこの順に積層されて構成されている。
　図４に示すように、カソード電極１３は、基板１４の外面（図４の下面）に設けられている。
　基板１４としては、例えばｎ型のＧａＡｓ基板などが使用できる。
　第１ミラー層１５は、例えばｎ型の半導体層であり、低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射型（ＤＢＲミラー）である。
　第１発光部７および第２発光部８は、基台部６上に、平面視において互いに異なる位置に配置されている。なお、平面視とは基板１４の厚さ方向から見ることをいう。
　第１発光部７は、活性層１６Ａと、電流狭窄層１７Ａと、第２ミラー層１８Ａと、パシベーション層１９Ａと、アノード電極２０Ａとが基台部６からこの順に積層されて構成されている。第２発光部８は、活性層１６Ｂと、電流狭窄層１７Ｂと、第２ミラー層１８Ｂと、パシベーション層１９Ｂと、アノード電極２０Ｂとが基台部６からこの順に積層されて構成されている。
　活性層１６Ａ，１６Ｂは、例えば量子井戸層と障壁層とからなる量子井戸構造を複数備えた多重量子井戸構造を有する。
　電流狭窄層１７Ａ，１７Ｂは、例えばＡｌＡｓ層を酸化して得られ、それぞれ開口部１７Ａａ，１７Ｂａを有する。
　第２ミラー層１８Ａ，１８Ｂは、例えばｐ型の半導体層であり、低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射型（ＤＢＲミラー）である。
　パシベーション層１９Ａは、例えば第２ミラー層１８Ａを包囲して形成されている。パシベーション層１９Ａは、平面視において少なくとも電流狭窄層１７Ａの開口部１７Ａａを囲む開口部１９Ａａを有する。なお、平面視とは基板１４の厚さ方向から見ることをいう。
　アノード電極２０Ａは、パシベーション層１９Ａおよび第２ミラー層１８Ａを囲んで設けられている。アノード電極２０Ａは、平面視において電流狭窄層１７Ａの開口部１７Ａａを囲む開口部２０Ａａを有する。
　第１発光部７では、開口部２０Ａａを通って第１の光Ｌ１（図２参照）が外部に出射される。
　パシベーション層１９Ｂは、例えば第２ミラー層１８Ｂを包囲して形成されている。パシベーション層１９Ｂは、平面視において少なくとも電流狭窄層１７Ｂの開口部１７Ｂａを囲む開口部１９Ｂａを有する。
　アノード電極２０Ｂは、パシベーション層１９Ｂおよび第２ミラー層１８Ｂを囲んで設けられている。アノード電極２０Ｂは、平面視において電流狭窄層１７Ｂの開口部１７Ｂａを囲む開口部２０Ｂａを有する。
　第２発光部８では、開口部２０Ｂａを通って第２の光Ｌ２（図２参照）が外部に出射される。
　図３に示す一対のアノード電極端子２１は、図４に示すアノード電極２０Ａ，２０Ｂにそれぞれ接続されている。図３に示す一対のカソード電極端子２２はそれぞれ、図４に示すカソード電極１３に接続されている。
　図６は、第２発光部８が出射する光のスペクトルの例を示す図である。図６に示すように、この光は、横モードの次数が異なる複数のモードを含む。前記光は、最も波長が長い基本モード（ＬＰ０１モード）と、基本モードより次数が高い高次モード（ＬＰ１１モードおよびＬＰ１２モード）とを含む。ここで、一般的に、横モードの次数を表現する場合、ＬＰモード（linearly polarized propagation mode）を用いている。以降、横モードの次数を表現する場合、ＬＰモードを用いることがある。ＬＰ１１モードのピークの波長はＬＰ０１モードのピークの波長よりも短い。ＬＰ１２モードのピークの波長はＬＰ１１モードのピークの波長よりも短い。
　図４に示す、電流狭窄層１７Ａ，１７Ｂの開口部１７Ａａ，１７Ｂａの内径Ｄａ，Ｄｂは、発光部７，８からの出射光に含まれる基本モードと高次モードとの比率に影響する。例えば、開口部１７Ａａ，１７Ｂａの内径Ｄａ，Ｄｂが小さいほど、全体に占める基本モードの比率が大きくなる傾向がある。また、開口部１７Ａａ，１７Ｂａの内径Ｄａ，Ｄｂが大きいほど、全体に占める高次モードの比率が大きくなる傾向がある。そのため、開口部１７Ａａ，１７Ｂａの内径Ｄａ，Ｄｂの選択により基本モードと高次モードとの比率を調整することができる。
　光源１１では、第１発光部７の開口部１７Ａａの内径Ｄａと、第２発光部８の開口部１７Ｂａの内径Ｄｂとが異なることによって、基本モードと高次モードとの比率が異なる第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２が得られる。例えば、第２発光部８の開口部１７Ｂａの内径Ｄｂを、第１発光部７の開口部１７Ａａの内径Ｄａより大きく設定することによって、第２の光Ｌ２における高次モード（例えばＬＰ１１モードおよびＬＰ１２モード）の比率を、第１の光Ｌ１における高次モードの比率より大きくすることができる。
　第１発光部７の開口部１７Ａａの内径Ｄａは、例えば５．５～６．５μｍである。第２発光部８の開口部１７Ｂａの内径Ｄｂは、例えば８～１０μｍである。
　光源１１におけるバイアス電流は、出射光の基本モードと高次モードとの比率に影響する。例えば、閥値Ｉｔｈから３ｍＡ程度の低電流値では基本モードの比率が大きくなり、９ｍＡ程度の高電流値では、高次モードの比率が大きくなる。すなわち、光源１１におけるバイアス電流の電流値を上げていくと高次モードの比率が大きくなる。そのため、バイアス電流により基本モードと高次モードとの比率を調整することができる。例えば、第１発光部７および第２発光部８におけるバイアス電流を適切に設定すれば、第２の光Ｌ２における高次モードの比率を、第１の光Ｌ１における高次モードの比率より大きくすることができる。
　図２に示すように、第１発光部７は、少なくとも基本モード（ＬＰ０１モード）を含む第１の光Ｌ１を発する。第１の光Ｌ１は、大部分が基本モードであることが好ましい。第１の光Ｌ１の大部分が基本モードであると、光伝送路２での光伝送時におけるノイズを低減できる。
　第２発光部８は、少なくとも高次モードを含む第２の光Ｌ２を発する。第２の光Ｌ２は、基本モードと高次モードとを含んでいてもよい。高次モードは、例えばＬＰ１１モードおよびＬＰ１２モードである。第２の光Ｌ２における高次モードの比率が大きいと、光伝送路２での光伝送時におけるノイズを低減できる。
　図２および図５に示すように、方向性結合器１２は、第１導波領域２６と、第２導波領域２７と、クラッド２５と、を有する。クラッド２５は、第１導波領域２６および第２導波領域２７を囲んでいる。方向性結合器１２は、光源１１から光伝送路２に向けて延びている。
　第１導波領域２６は、第１コア２８Ａを有する。第１コア２８Ａは、方向性結合器１２が延びる長手方向に沿って延在している。
　第２導波領域２７は、第２コア２９Ａと第３コア２９Ｂとを有する。第２コア２９Ａおよび第３コア２９Ｂは、方向性結合器１２の長手方向に沿って延在している。第２コア２９Ａと第３コア２９Ｂとは、互いに、光結合が可能となる間隔をおいて並列して形成されている。第２コア２９Ａと第３コア２９Ｂとは、高次モードの少なくとも一部が遷移可能に光結合する間隔をおいて形成されている。
　方向性結合器１２としては、コア２８Ａ，２９Ａ，２９Ｂと、コア２８Ａ，２９Ａ，２９Ｂを囲むクラッド２５とを有するマルチコア光ファイバを使用できる。マルチコア光ファイバは、ステップインデックス（ＳＩ）型であることが好ましい。
　第１コア２８Ａ、第２コア２９Ａおよび第３コア２９Ｂのうち２以上は、互いに同じ構成（例えば材質、外径等）であってもよいし、互いに異なる構成であってもよい。例えば、第２コア２９Ａと第１コア２８Ａとは同じ構成であってよいし、異なる構成であってもよい。
　図７は、一対のコア（第２コア２９Ａおよび第３コア２９Ｂ）を有する方向性結合器１２において、第２コア２９Ａと第３コア２９Ｂの中心間距離ｄ（横軸）と結合長（縦軸）との関係の例を示す図である。
　図８は、上記中心間距離ｄ（横軸）と、第２コア２９ＡにおけるＬＰ０１モードのパワー残量（縦軸）と、の関係の例を示す図である。なお、第２コア２９Ａおよび第３コア２９Ｂは、直径８μｍ、比屈折率差０．３％とした。また、入射させる光の波長は８５０ｎｍとした。
　図７および図８に示すように、コアの結合長は中心間距離ｄに応じて変化する。中心間距離ｄが１４μｍの場合には、コアの長さを１００ｍｍ以上とすると、９５％以上のＬＰ０１モードを第２コア２９Ａに残しつつ、ＬＰ１１モードの大部分を第２コア２９Ａから第３コア２９Ｂに遷移させることができる。
　よって、図２および図５に示す方向性結合器１２では、例えば第２コア２９Ａと第３コア２９Ｂとの中心間距離ｄを１３～１５μｍ、長さ１００ｍｍ以上（例えば１００～１５０ｍｍ）とすることが好ましい。
　第１導波領域２６の第１コア２８Ａは、入射端２８Ａａの少なくとも一部が平面視において光源１１の第１発光部７に重なる位置にあるため、第１発光部７からの第１の光Ｌ１が入射端２８Ａａから入射されるように配置されている。すなわち、第１コア２８Ａは、第１発光部７に光結合されるように配置されている。
　第１コア２８Ａの出射端２８Ａｂは、少なくとも一部が平面視において光伝送路２の伝送路コア２３の入射端２３ａに重なる位置にあるため、第１コア２８Ａは、出射端２８Ａｂが光伝送路２の伝送路コア２３に光結合されるように配置されている。
　第２導波領域２７の第２コア２９Ａは、入射端２９Ａａの少なくとも一部が平面視において光源１１の第２発光部８に重なる位置にあるため、第２発光部８からの第２の光Ｌ２が入射端２９Ａａから入射されるように配置されている。すなわち、第２コア２９Ａは、第２発光部８に光結合されるように配置されている。
　第２コア２９Ａの出射端２９Ａｂは、平面視において光伝送路２の伝送路コア２３の入射端２３ａから離れた位置にある。そのため、第２コア２９Ａは、出射端２９Ａｂにおいて光伝送路２の伝送路コア２３に光結合されていない。なお、第２コア２９Ａは、大部分の光が光伝送路２の伝送路コア２３に出射されないように配置されていてもよい。
　第２導波領域２７の第３コア２９Ｂの入射端２９Ｂａは、平面視において第２発光部８から離れた位置にある。そのため、第３コア２９Ｂは、第２発光部８に光結合されていない。
　第３コア２９Ｂの出射端２９Ｂｂは、少なくとも一部が平面視において光伝送路２の伝送路コア２３の入射端２３ａに重なる位置にある。そのため、第３コア２９Ｂは、光が出射端２９Ｂｂから光伝送路２の伝送路コア２３に出射されるように配置されている。すなわち、第３コア２９Ｂは、光伝送路２の伝送路コア２３に光結合されている。
　光伝送路２は、例えば、伝送路コア２３と、伝送路コア２３を囲むクラッド２４とを有する光ファイバである。光伝送路２は、グレーデッドインデックス（ＧＩ）型光ファイバであることが好ましい。ＧＩ型光ファイバを使用することによって、安定した信号が得られる。
　光伝送路２の入射端２ａは、方向性結合器１２の出射端１２ｂと融着接続されていることが好ましい。
　図９に示すように、受信部３は、光伝送路２に光結合されたモード分離器３１（モード分離部）と、モード分離器３１に光結合された受信部本体３２とを備えている。
　モード分離器３１は、例えば、主コア３３と、分離用コア３４と、コア３３，３４を囲むクラッド４０とを有する。
　主コア３３は、入射端３３ａから出射端３３ｂに向けて直線状に形成されている。入射端３３ａは少なくとも一部が平面視において光伝送路２の伝送路コア２３の出射端２３ｂに重なる位置にあるため、主コア３３は、光が伝送路コア２３の出射端２３ｂから入射されるように配置されている。すなわち、主コア３３は、伝送路コア２３に光結合するように配置されている。
　分離用コア３４は、光の伝送方向に、上流側部分３５と、結合部分３６と、下流側部分３７と、延出部分３８をこの順に有する。
　上流側部分３５は、下流側に向かうに従って、主コア３３に徐々に近づく部分である。結合部分３６は、光結合が可能となる間隔をおいて、概略、主コア３３に並行して形成された部分である。下流側部分３７は、下流側に向かうに従って、主コア３３から徐々に離間する部分である。延出部分３８は、下流側部分３７から延出し、出射端３４ｂに達する部分である。
　主コア３３は、出射端３３ｂの少なくとも一部が平面視において受信部本体３２の第１受光部４２に重なる位置にあるため、出射された光が第１受光部４２に入射されるように配置されている。すなわち、主コア３３は、第１受光部４２に光結合されるように配置されている。
　分離用コア３４は、出射端３４ｂの少なくとも一部が平面視において受信部本体３２の第２受光部４３に重なる位置にあるため、出射された光が第２受光部４３に入射されるように配置されている。すなわち、分離用コア３４は、第２受光部４３に光結合されるように配置されている。
　モード分離器３１の入射端３１ａは、光伝送路２の出射端２ｂと融着接続されていることが好ましい。
　受信部本体３２は、例えばフォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ　Ｄｉｏｄｅ）である。ＰＤとしては、ＧａＡｓのＰＩＮ型フォトダイオード（ＰＩＮ－ＰＤ）、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）などが挙げられる。
　受信部本体３２は、基台部４１と、基台部４１に設けられた第１受光部４２および第２受光部４３と、を備えている。
　第１受光部４２および第２受光部４３は、基台部４１上に、平面視において互いに異なる位置に配置されている。
　次に、光通信システム１０を用いた通信方法の一例を説明する。
　図２に示すように、光源１１においては、第１発光部７からの第１の光Ｌ１と、第２発光部８からの第２の光Ｌ２とは、独立して変調される。
　第１の光Ｌ１は、少なくとも基本モード（ＬＰ０１モード）を含む。第１の光Ｌ１は、大部分が基本モードであってよい。
　第１の光Ｌ１は、入射端２８Ａａから第１コア２８Ａに入射されて出射端２８Ａｂから出射され、入射端２３ａから光伝送路２の伝送路コア２３に入射され、光伝送路２の伝送路コア２３を通じて、受信部３に向かって伝送される。
　第２の光Ｌ２は、少なくとも高次モード（例えばＬＰ１１モードおよびＬＰ１２モード）を含む。第２の光Ｌ２は、例えば上述の手法により、高次モードの比率が第１の光Ｌ１における高次モードの比率より大きくされていることが好ましい。
　第２発光部８からの第２の光Ｌ２は、入射端２９Ａａから第２コア２９Ａに入射される。
　第２コア２９Ａと第３コア２９Ｂとは光結合が可能であるため、第２コア２９Ａに入射された第２の光Ｌ２の基本モードの大部分は第２コア２９Ａに残り、高次モードの少なくとも一部（例えば高次モードの大部分）は第３コア２９Ｂに遷移する。
　第３コア２９Ｂに移った高次モードを含む第２の光Ｌ２は、出射端２９Ｂｂから出射され、光伝送路２の伝送路コア２３に入射され、光伝送路２の伝送路コア２３を通じて、受信部３に向かって伝送される。
　なお、第２コア２９Ａは、光伝送路２の伝送路コア２３には光結合されていないため、第２コア２９Ａに残った基本モードは、光伝送路２の伝送路コア２３には入射されない。この基本モードは、光伝送路２の伝送路コア２３以外の部分に入射されたとしても伝送の過程で漏洩するため消失する。
　図９に示すように、光伝送路２の伝送路コア２３に入射された、第１の光Ｌ１の基本モードと第２の光Ｌ２の高次モードとは、伝送路コア２３にて伝送され、出射端２３ｂから受信部３のモード分離器３１の主コア３３に入射される。
　主コア３３に入射された基本モードおよび高次モードのうち、基本モードの少なくとも一部（例えば基本モードの大部分）は、分離用コア３４の結合部分３６に遷移する。分離用コア３４に遷移した基本モードは、下流側部分３７および延出部分３８を経て、受信部本体３２の第２受光部４３に入射される。
　主コア３３に残った高次モードは、出射端３３ｂから受信部本体３２の第１受光部４２に入射される。
　このようにして、受信部３では、基本モードと高次モードとが分離されて受信される。
　以上説明したように、図１および図２に示す光送信装置４では、方向性結合器１２の第２コア２９Ａと第３コア２９Ｂとが、高次モードの一部が遷移可能に光結合している。また、第３コア２９Ｂが、光伝送路２の伝送路コア２３に光結合されて配置されているため、第２コア２９Ａから第３コア２９Ｂへと遷移した高次モードは、光伝送路２の伝送路コア２３に出射される。そのため、第１発光部７または第２発光部８とは別に、複数のモードを得るための部品等を用いずに、第１発光部７からの第１の光Ｌ１の基本モードと、第１の光Ｌ１とは独立して変調された第２の光Ｌ２の高次モードとを用いたモード多重通信が可能である。よって、モード多重通信が可能な光送信装置４および光通信システム１０の構造を簡略にし、小型化および低価格化を図ることができる。
　また、光送信装置４は、第２導波領域２７が、光結合が可能な第２コア２９Ａと第３コア２９Ｂとを有するため、第２の光Ｌ２における基本モードを低減することによって、ノイズを低くし、通信の品質を高めることができる。
＜光送信装置および光通信システム（第２実施形態）＞
　図１０は、第２実施形態の光通信システム６０の光送信装置５４の構成図である。図１１は、光送信装置５４に用いられる方向性結合器６２の断面図である。なお、第１実施形態と共通の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。
　図１０に示すように、光通信システム６０は、光送信装置５４と、光送信装置５４に光結合された受信部３（図１および図９参照）とを備えている。光送信装置５４は、送信部５１と、送信部５１に光結合された光伝送路２とを備えている。
　送信部５１は、光源１１と、光源１１に光結合された方向性結合器６２とを備えている。
　方向性結合器６２は、第１導波領域７６が、第１コア２８Ａと、第１コア２８Ａと光結合可能となる間隔をおいて形成された第４コア２８Ｂとを有する点で、図２に示す第１実施形態の光通信システム１０における方向性結合器１２と異なる。
　第１コア２８Ａと第４コア２８Ｂとは、互いに、光結合が可能となる間隔をおいて並列して形成されている。第１コア２８Ａと第４コア２８Ｂとは、高次モードの少なくとも一部が遷移可能に光結合する間隔をおいて形成されている。
　第１コア２８Ａ、第４コア２８Ｂ、第２コア２９Ａおよび第３コア２９Ｂのうち２以上は、互いに同じ構成（例えば材質、外径等）であってもよいし、互いに異なる構成であってもよい。例えば、第１コア２８Ａは第２コア２９Ａと同じ構成であってもよいし、異なる構成であってもよい。第４コア２８Ｂは第３コア２９Ｂと同じ構成であってもよいし、異なる構成であってもよい。
　第４コア２８Ｂの入射端２８Ｂａは、平面視において第１発光部７を外れた位置にある。つまり、第４コア２８Ｂは、第１発光部７に光結合されていない。
　第４コア２８Ｂの出射端２８Ｂｂは、平面視において光伝送路２の伝送路コア２３の入射端２３ａを外れた位置にある。そのため、第４コア２８Ｂは、出射端２８Ｂｂにおいて光伝送路２の伝送路コア２３に光結合されていない。
　第１コア２８Ａと第４コア２８Ｂとは光結合が可能であるため、第１コア２８Ａに入射された第１の光Ｌ１の基本モードの大部分は第１コア２８Ａに残り、高次モードの少なくとも一部（例えば高次モードの大部分）は第４コア２８Ｂに遷移する。
　第４コア２８Ｂは、光伝送路２の伝送路コア２３には光結合されていないため、第４コア２８Ｂに移った高次モードは、伝送路コア２３には入射されない。
　光送信装置５４は、第１実施形態の光送信装置４と同様に、第１発光部７からの第１の光Ｌ１の基本モードと、第１の光Ｌ１とは独立して変調された第２の光Ｌ２の高次モードとを用いたモード多重通信が可能である。よって、光送信装置５４および光通信システム６０の構造を簡略にし、小型化および低価格化を図ることができる。
　また、第２導波領域２７は、光結合が可能な第２コア２９Ａと第３コア２９Ｂとを有するため、第２の光Ｌ２における基本モードを低減することによって、ノイズを低くし、通信の品質を高めることができる。
　さらに、光送信装置５４では、方向性結合器６２の第１導波領域７６が第４コア２８Ｂを有するため、第１の光Ｌ１における高次モードを低減できる。よって、一層の低ノイズ化を図り、通信の高品質化を実現できる。
　図１２は、ローカットフィルタ７０を示す図である。
　ローカットフィルタ７０は、受光部（例えば図９の第１受光部４２）で光電変換された信号の一部を除去する電気的なローカットフィルタである。ローカットフィルタ７０は、高次モードが入射される受光部（例えば図９の第１受光部４２）の下流側に設けられる。ローカットフィルタ７０は、例えばカットオフ周波数５０ｋＨｚ程度のフィルタであり、周波数５０ｋＨｚ以下の信号が１／１０以下の振幅となるものが好ましい。
　例えば、第１発光部７の信号が低速（例えば１０ｋｂｐｓ以下）の制御信号であり、第２発光部８の信号が高速(例えば１０Ｇｂｐｓ以上)のデータ信号である場合には、ローカットフィルタ７０を設けることによって、主として第１発光部７からの信号が電気的にカットされるため、クロストークが低減され、高品質な通信が可能となる。
　以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態における構成は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
　例えば、図１に示す第１実施形態の光通信システム１０では、第２発光部８は、第２導波領域２７のコア２９Ａ，２９Ｂのうち第２コア２９Ａにのみ第２の光Ｌ２が入射される位置に設けられているが、光通信システムの構成はこれに限定されない。
　光通信システム１０は、例えば、第２発光部８が、第２導波領域２７のコア２９Ａ，２９Ｂのうち第３コア２９Ｂにのみ第２の光Ｌ２が入射される位置に設けられていてもよい。この場合、第３コア２９Ｂに入射された高次モードの少なくとも一部（例えば高次モードの大部分）は第３コア２９Ｂに残り、第２の光Ｌ２の基本モードの大部分は第２コア２９Ａに遷移する。ここで、第３コア２９Ｂに残った高次モードを含む第２の光Ｌ２は、出射端２９Ｂｂから出射され、光伝送路２の伝送路コア２３に入射され、光伝送路２の伝送路コア２３を通じて、受信部３に向かって伝送される。また、第２コア２９Ａが第２発光部８に光結合されず、かつ伝送路コア２３に光結合されるように配置され、第３コア２９Ｂが第２発光部８に光結合され、かつ伝送路コア２３に光結合されないように配置されてもよい。
　図１０に示す第２実施形態の光通信システム６０では、第１発光部７は、第１導波領域７６のコア２８Ａ，２８Ｂのうち第１コア２８Ａにのみ第１の光Ｌ１が入射される位置に設けられ、第２発光部８は、第２導波領域２７のコア２９Ａ，２９Ｂのうち第２コア２９Ａにのみ第２の光Ｌ２が入射される位置に設けられているが、光通信システムの構成はこれに限定されない。
　光通信システム６０は、例えば、第１発光部７が、第１導波領域７６のコア２８Ａ，２８Ｂのうち第４コア２８Ｂにのみ第１の光Ｌ１が入射される位置に設けられていてもよい。この場合、第４コア２８Ｂに入射された第１の光Ｌ１の高次モードの少なくとも一部（例えば高次モードの大部分）は第４コア２８Ｂに残り、第１の光Ｌ１の基本モードの少なくとも一部（例えば基本モードの大部分）は第１コア２８Ａに遷移する。ここで、第１コア２８Ａに遷移した基本モードを含む第１の光Ｌ１は、出射端２８Ａｂから出射され、光伝送路２の伝送路コア２３に入射され、光伝送路２の伝送路コア２３を通じて、受信部３に向かって伝送される。
　第２発光部８は、第２導波領域２７のコア２９Ａ，２９Ｂのうち第３コア２９Ｂにのみ第２の光Ｌ２が入射される位置に設けられていてもよい。この場合、第３コア２９Ｂに入射された第２の光Ｌ２の高次モードの少なくとも一部（例えば高次モードの大部分）は第３コア２９Ｂに残り、第２の光Ｌ２の基本モードの少なくとも一部（例えば基本モードの大部分）は第２コア２９Ａに遷移する。ここで、第３コア２９Ｂに残った高次モードを含む第２の光Ｌ２は、出射端２９Ｂｂから出射され、光伝送路２の伝送路コア２３に入射され、光伝送路２の伝送路コア２３を通じて、受信部３に向かって伝送される。
　図９に示すモード分離器３１は、導波路型のモード分離器であるが、これに代えて、光ファイバカプラ型のモード分離器を用いてもよい。
　また、実施形態の光通信システムでは、光源１１としてＶＣＳＥＬを例示したが、光源１１はこれに限らず、横モードが多モード発振する端面発光レーザーなどでもよい。
　図９に示すモード分離器３１においては、基本モードの少なくとも一部が主コア３３から分離されるが、モード分離器３１において主コアから分離されるのは、基本モードおよび高次モードのいずれであってもよい。
　１，５１…送信部、２…光伝送路、３…受信部、４，５４…光送信装置、７…第１発光部、８…第２発光部、１０，６０…光通信システム、１１…光源、１２，６２…方向性結合器、１６Ａ，１６Ｂ…活性層、１７Ａ，１７Ｂ…電流狭窄層、１７Ａａ，１７Ｂａ…開口部、２３…伝送路コア、２６，７６…第１導波領域、２７…第２導波領域、２８Ａ…第１コア、２８Ｂ…第４コア、２９Ａ…第２コア、２９Ｂ…第３コア、３１…モード分離器、３２…受信部本体、３３…主コア、３４…分離用コア、４２…第１受光部、４３…第２受光部、７０…ローカットフィルタ、Ｄａ…第１発光部の電流狭窄層の開口部の内径、Ｄｂ…第２発光部の電流狭窄層の開口部の内径、Ｌ１…第１の光、Ｌ２…第２の光

Claims (8)

  1. 　光源と、方向性結合器と、前記方向性結合器に光結合された伝送路コアを有する光伝送路とを備え、
    　前記光源は、少なくとも基本モードを含む第１の光を発する第１発光部と、前記基本モードより次数が高い高次モードを含む第２の光を発する第２発光部と、を有し、
    　前記方向性結合器は、少なくとも、
    　　前記第１発光部に光結合され、かつ前記伝送路コアに光結合されるように配置された第１コアを有する第１導波領域と、
    　　前記高次モードの少なくとも一部が遷移可能に互いに光結合するように、間隔をおいて形成された第２コアおよび第３コアを有する第２導波領域とを備え、
    　前記第２コアと前記第３コアのうち一方は、前記第２発光部に光結合され、かつ前記伝送路コアに光結合されないように配置され、
    　前記第２コアと前記第３コアのうち他方は、前記第２発光部に光結合されず、かつ前記伝送路コアに光結合されるように配置されている、光送信装置。
  2. 　前記第１導波領域は、前記高次モードの少なくとも一部が遷移可能に前記第１コアと光結合するように、前記第１コアと間隔をおいて形成された第４コアを有し、
    　前記第４コアは、前記第１発光部に光結合されず、かつ前記伝送路コアに光結合されないように配置されている、請求項１に記載の光送信装置。
  3. 　前記光源は面発光レーザーであり、
    　前記第１発光部および前記第２発光部は、それぞれ多重量子井戸構造を有する活性層と、開口部を有する電流狭窄層とを少なくとも有し、
    　前記第２発光部の前記電流狭窄層の前記開口部の内径は、前記第１発光部の前記電流狭窄層の前記開口部の内径より大きい、請求項１または２に記載の光送信装置。
  4. 　前記光伝送路は、グレーデッドインデックス型光ファイバである、請求項１～３のうちいずれか１項に記載の光送信装置。
  5. 　前記方向性結合器は、前記第１コアと、前記第２コアと、前記第３コアと、を有するマルチコア光ファイバである、請求項１～４のうちいずれか１項に記載の光送信装置。
  6. 　請求項１～５のうちいずれか１項に記載の光送信装置と、前記光送信装置に光結合された受信部とを備え、
    　前記受信部は、前記光伝送路に光結合されたモード分離部と、前記モード分離部に光結合された受信部本体とを備え、
    　前記モード分離部は、前記光伝送路から入射された前記基本モードおよび前記高次モードが入射される主コアと、前記基本モードおよび前記高次モードのうち一方の少なくとも一部を前記主コアから分離する分離用コアとを有し、
    　前記受信部本体は、前記主コアおよび前記分離用コアから出射された、前記基本モードおよび前記高次モードがそれぞれ入射される第１受光部および第２受光部を有する、光通信システム。
  7. 　前記高次モードが入射される前記第１受光部または前記第２受光部の下流側に、前記第１受光部または前記第２受光部で光電変換された信号の一部を除去する電気的なローカットフィルタが設けられている、請求項６に記載の光通信システム。
  8. 　光源と、方向性結合器と、前記方向性結合器に光結合された伝送路コアを有する光伝送路とを備え、
    　前記光源は、少なくとも基本モードを含む第１の光を発する第１発光部と、前記基本モードより次数が高い高次モードを含む第２の光を発する第２発光部と、を有し、
    　前記方向性結合器は、
    　　前記基本モードの少なくとも一部が遷移可能に互いに光結合するように、間隔をおいて形成された第１コアおよび第４コアを有する第１導波領域と、
    　　前記高次モードの少なくとも一部が遷移可能に互いに光結合するように、間隔をおいて形成された第２コアおよび第３コアを有する第２導波領域とを備え、
    　前記第１コアは、前記第１発光部に光結合されず、かつ前記伝送路コアに光結合されるように配置され、
    　前記第４コアは、前記第１発光部に光結合され、かつ前記伝送路コアに光結合されないように配置され、
    　前記第２コアと前記第３コアのうち一方は、前記第２発光部に光結合され、かつ前記伝送路コアに光結合されないように配置され、
    　前記第２コアと前記第３コアのうち他方は、前記第２発光部に光結合されず、かつ前記伝送路コアに光結合されるように配置された、光送信装置。
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