JP5988100B2 - モード合分波器 - Google Patents

Description

本発明は、伝搬モード数が２以上である光ファイバケーブルにおいて伝搬モードそれぞれをキャリアとして利用する多重方法であるモード多重伝送に必要なモード合分波器に関する。

現在、光ファイバネットワークにおけるトラフィックは増大しており、伝送速度の高速化や波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術による波長多重数の増加、多値変調など様々な手法を用いて伝送容量の拡大を図ってきた。しかし、将来的に既設の伝送路、従来の伝送方式を用いての伝送容量の拡大が困難になると予想されるため、波長領域の拡大、新たな伝送ファイバ、及び新たな伝送方式が検討されている。

波長領域を拡大する方法として、現在利用されていない波長帯を利用して、広波長域のＷＤＭを実現し伝送容量を増大させる検討もなされている。しかし、伝送損失が波長帯により異なるため、使用できる波長帯は限定されると考えられ、さらに、広波長域にわたり増幅が可能な光増幅器も実現が困難なため、広波長域のＷＤＭが実用に至るためには多くの課題がある。

新たな伝送ファイバに関しては、ファイバ非線形による波形歪を抑圧するために実効断面積（Ａｅｆｆ）が拡大できるファイバ構造が提案されている。ファイバ非線形の抑圧はファイバへ入力できる入力パワーの増加につながり、入力パワーの増加が可能になれば伝送速度の高速化、更なる多値化が可能になるなどの優位性が得られる。しかし、非特許文献１に示されるようにＡｅｆｆの拡大は単一モード動作を前提としているため、曲げ損失と単一モード動作がトレードオフの関係にあることからＡｅｆｆの大幅な拡大が困難という課題がある。

新たな伝送方式に関しては、非特許文献２に示されている無線の伝送方式において周波数利用効率を向上させるために利用されている直交した周波数成分を利用するＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）や、非特許文献３に示されているようにＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）をマルチモード光ファイバに適用することが検討されているが、送受信機において複雑な信号処理を必要とするため、演算処理の高速化などの課題がある。

さらには、特許文献１に光ファイバの伝搬モードを利用した多重方法も提案されているが、所望の高次モードを励振する方法が提案されておらず、単一波長で利用することを前提としているため、大容量化の実現が困難という課題がある。光ファイバの伝搬モードを利用するためのモード分波器として非特許文献３に示されるように受光する位置を変化させてモードの分波を行う方法が提案されているが、多くの高次モードが存在する状況では、モード間の漏話が大きくなり、受光器の設計も複雑になるため、伝搬モードをキャリアとして利用するモード多重伝送においての利用については好ましくない。

特開平８−２８８９１１号公報

松井 他、"Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｂｅｎｄｉｎｇ ｌｏｓｓ ａｎｄ Ａｅｆｆ ｏｆ ＞ ２００ μｍ２ ｆｏｒ ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ＷＤＭ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"、ＯＦＣ２０１０、ＰＤＰＡ２． Ｂｅｎｎ Ｃ． Ｔｈｏｍｓｅｎ、"ＭＩＭＯ ｅｎａｂｌｅｄ ４０ Ｇｂ／ｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｍｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｉｎ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ"、ＯＦＣ２０１０、ＯＴｈＭ６． Ｃ． Ｐ． Ｔｓｅｋｒｅｋｏｓ、他、"Ｍｏｄｅ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｓｐａｔｉａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ｉｎ ａ ｍｏｄｅ ｇｒｏｕｐ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｌｉｎｋ"、ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．９、２００７． Ｒ．Ｒｙｆ、他、"Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｓｐａｔｉａｌ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｉｎ Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒｓ"、ＥＣＯＣ２０１１、Ｔｈ．１２．Ｂ．１． Ｎ．Ｈａｎｚａｗａ、他、"Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｐａｒａｌｌｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｆｏｒ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"、ＯＦＣ２０１２、ＯＴｕ１ｌ．４．

伝搬モードが複数存在する光ファイバを利用して、光ファイバの伝搬モードそれぞれをキャリアとして利用するモード多重伝送において、既存のデバイスは基本モードでの動作が前提であるため、既存のファイバデバイスをそのまま用いてモード多重伝送を実現することは困難である。また、これまで提案されているモード合分波器は、分波効率が悪いため、長距離伝送や高速な信号の伝送が困難であり、また空間系を利用するため構成が複雑になるなどの課題がある。空間系を用いた方法では、非特許文献４に記載されているようにモードごとに高い分波効率を実現することが可能であるが、挿入損失が８ｄＢ以上と大きくデバイスの小型化が困難であるなどの課題もある。

近年、非特許文献５に示されるように非対称平行導波路を用いた２モード合分波器が提案されており、非対称平行導波路を用いることで送受信端では基本モードのみで信号を扱うことが可能であり、既存のデバイスをそのまま用いることが可能になる。しかしながら、非特許文献５に記載の合分波器は２モードに限定されており、３モード以上の多重を実現するための合分波方法に関しては提案されていない。

本発明は、２以上の任意の数の伝搬モードの合分波を高効率で行うことを目的とする。

本発明のモード合分波器は、
導波路幅が互いに異なる複数の単一モード導波路と、
前記単一モード導波路の本数よりも多いモード数の多モード光を伝搬し、複数の前記単一モード導波路との結合部が長手方向に配列された１本のマルチモード導波路と、を備え、
複数の前記単一モード導波路は、それぞれ、前記マルチモード導波路と異なる導波路高であって、かつ基本モードの実効屈折率が前記マルチモード導波路の伝搬する互いに異なる１つのモードの実効屈折率と等しくなるような導波路幅を有し、
複数の前記結合部が、それぞれ、対応する前記単一モード導波路と前記マルチモード導波路との使用波長帯における結合効率が所望の値以上になるような相互作用長を有することにより、当該単一モード導波路を伝搬する基本モードと前記マルチモード導波路を伝搬する互いに異なる１つのモードとを相互に変換し、
前記複数の単一モード導波路は、
導波路幅及び導波路高が７．１７μｍの第１の単一モード導波路と、
導波路幅及び導波路高が４．３５μｍの第２の単一モード導波路と、を備え、
前記マルチモード導波路は、導波路幅及び導波路高が１３．７μｍであり、
前記第１の単一モード導波路と前記マルチモード導波路との相互作用長が１．６ｍｍであり、
前記第２の単一モード導波路と前記マルチモード導波路との相互作用長が１．７ｍｍである。

本発明のモード合分波器の設計方法は、
本発明に係るモード合分波器の設計方法であって、
使用波長帯において前記単一モード導波路の本数よりも多いモード数を伝搬するように、マルチモード導波路の導波路幅を決定するステップと、
基本モードの実効屈折率が前記マルチモード導波路を伝搬する高次モードの１つの実効屈折率と等しくなるように、各単一モード導波路の導波路幅を決定するステップと、
使用波長帯における結合効率が所望の値以上になるように、前記結合部の相互作用長を決定するステップと、
を有する。

単一モード導波路における基本モードの実効屈折率をマルチモード導波路における高次モードのどの実効屈折率と等しく設計するかに応じて、任意の高次モードの合分波を行うことができる。また、使用波長帯における各単一モード導波路とマルチモード導波路との結合効率が所望の値以上になるような相互作用長を有するため、伝搬モードの合分波を高効率で行うことができる。したがって、本発明は、２以上の任意の数の伝搬モードの合分波を高効率で行うことができる。

本発明の送信装置は、
波長多重信号を生成する複数の波長多重信号生成部と、
前記単一モード導波路のそれぞれと前記マルチモード導波路の一端に前記波長多重信号生成部が接続され、前記単一モード導波路及び前記マルチモード導波路の一端から入力された波長多重信号をモード多重して前記マルチモード導波路の他端から出力する、本発明のモード合分波器と、
を備える。

本発明の受信装置は、
モード多重された波長多重信号が前記マルチモード導波路の一端に入力され、当該入力信号をモードごとに分波した波長多重信号を、前記単一モード導波路のそれぞれと前記マルチモード導波路の他端から出力する本発明のモード合分波器と、
前記単一モード導波路及び前記マルチモード導波路に出力された波長多重信号を、波長ごとに受信する波長多重信号受信部と、
を備える。

本発明のモード多重通信システムは、
モード多重された波長多重信号を送信する本発明の送信装置と、
前記送信装置からのモード多重された波長多重信号を受信する本発明の受信装置と、
前記送信装置及び前記受信装置を接続し、前記マルチモード導波路と同じかそれ以上のモード数が伝搬可能なマルチモード光ファイバと、
を備える。

本発明によれば、２以上の任意の数の伝搬モードの合分波を高効率で行うことができる。

実施形態１のモード合分波器を説明する図である。 基本モードから第４高次モードまでの実効屈折率の変化の一例を示す。 各導波路幅の決定例を示す。 第１高次モードの結合効率の波長依存性の一例を示す。 第２高次モードの結合効率の波長依存性の一例を示す。 導波路の設計方法の手順について示したフロー図を示す。 実施形態２のモード合分波器を説明する図である。 実施形態３のモード多重通信システムを説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
本実施形態においては、光ファイバ中の伝搬モードである基本モード、第１高次モード、第２高次モードを用いた３モード多重伝送について説明する。多重するモードの組み合わせは任意であり、例えば、基本モード、第１高次モード及び第３高次モードの組み合わせであってもよいし、基本モード、第２高次モード及び第３高次モードの組み合わせであってもよい。導波路中の伝搬モードに関しても任意の組み合わせが可能である。本実施形態では、便宜上、基本モード、第１高次モード、第２高次モードをそれぞれＬＰ_０１、ＬＰ_１１、ＬＰ_２１モードとして説明する。

本発明の実施形態１について説明する。図１は、本実施形態のモード合分波器を説明する図である。本実施形態のモード合分波器は、導波路１１１、導波路１１２及び導波路１１３を備える。導波路１１１及び導波路１１２は単一モード導波路であり、導波路１１３はマルチモード導波路である。本実施形態のモード合分波器は、相互作用長Ｌ_１を有する導波路１１１と導波路１１３との結合部と、相互作用長Ｌ_２を有する導波路１１２と導波路１１３との結合部とを有する。

各結合部は、導波路１１３の長手方向に縦続に配列される。導波路１１１と導波路１１３との結合部では、非対称平行導波路を用いて、導波路１１１のＬＰ_０１モードと導波路１１３のＬＰ_１１モードを位相整合させる。導波路１１２と導波路１１３との結合部では、非対称平行導波路を用いて、導波路１１２のＬＰ_０１モードと導波路１１３のＬＰ_２１モードを位相整合させる。これにより、本実施形態のモード合分波器は、モード変換を行うモード合波器として機能するとともに、モード分波を行うモード分波器として機能する。非対称平行導波路は、導波路の大きさが異なるようにすれば、比屈折率差Δを等しくしてもよい。また、導波路の大きさが異なるだけではなく、導波路の比屈折率差が異なる場合も含む。

本説明においては、ＬＰ_０１モード、ＬＰ_１１モード及びＬＰ_２１モードの３モードに限定して説明を行うが、本モード合分波器はこれに限定されない。例えば、１本のマルチモード導波路は、単一モード導波路の本数よりも多いモード数の多モード光を伝搬すればよく、ＬＰ_２１モード以上の高次モードに対しても同様にモード合波およびモード分波が可能である。また、２以上の任意のモード数に適用することができ、例えば、単一モード導波路をＮ本とすれば（Ｎ＋１）モードのモード合分波器を構成することができる。

導波路１１１と導波路１１２と導波路１１３は比屈折率差Δが等しい平行導波路である。Δは、導波路の屈折率ｎ_１と導波路周囲の媒質の屈折率ｎ_０を用いて次式であらわされる。

導波路１１１と導波路１１２は、使用波長域において単一モードとなるような導波路幅ｗ_１とｗ_２を有する。ここで遮断波長は、導波路の高さｈと比屈折率差Δを決定し、導波路幅ｗと使用波長帯を決定し、例えば有限要素法などを用いて導波路解析を行うことで遮断波長を求める。本実施形態では、一例として、導波路の高さｈは導波路幅と等しく設定した。

導波路１１３は少なくともＬＰ_２１モード以上の伝搬モードが伝搬可能であり、導波路幅ｗ_３は導波路１１３のＬＰ_１１モードと導波路１１１のＬＰ_０１モードの実効屈折率が等しく設計し、かつ導波路１１３のＬＰ_２１モードと導波路１１２のＬＰ_０１モードの実効屈折率が等しくなるように設計する。以下に導波路１１１と導波路１１２と導波路１１３の設計方法を具体的に説明する。

導波路１１１と導波路１１２は複数のモードが伝搬可能な状態でも前記記載の基本モードと高次モードの結合は可能であるが、本実施形態では単一モードで設計を行った。

例として、各導波路の比屈折率差Δを０．４％にした場合の導波路幅ｗに対する波長１５３０ｎｍのＬＰ_０１モードからＬＰ_０２モード（光ファイバ中における第３高次モード）までの実効屈折率の変化を図２に示す。図２は導波路幅ｗ（導波路の高さｈはｗに等しい）を横軸として、導波路の伝搬モードの実効屈折率を縦軸に示している。図２から、比屈折率差Δが０．４％では導波路幅ｗを１２．０μｍ以上に設定することで３モード伝搬を実現できることがわかる。

図３に導波路幅ｗ_１と導波路幅ｗ_２と導波路幅ｗ_３を決定する図を示す。図３は例として波長１５５０ｎｍでの伝搬モードの実効屈折率の値を示している。ここでは、導波路幅ｗ_３は３モード以上伝搬可能な１３．７μｍとする。この時、導波路幅ｗ_１と導波路幅ｗ_２は単一モードとなる領域で幅を決定すれば良いので、導波路幅は８μｍ以下で設定すれば良い。導波路幅ｗ_１は導波路１１３のＬＰ_１１モードの実効屈折率と等しい幅に設定すれば良いので、ｗ_１は７．１７μｍとなる。また、導波路幅ｗ_２は導波路１１３のＬＰ_２１モードと実効屈折率が等しくなれば良いので、ｗ_２は４．３５μｍとなる。

図３に示した導波路幅ｗ_１とｗ_２とｗ_３を用いた場合に、導波路１１１のＬＰ_０１モードを導波路１１３のＬＰ_１１モードに変換するために必要な相互作用長Ｌ_１と導波路１１２のＬＰ_０１モードを導波路１１３のＬＰ_２１モードに変換するために必要な相互作用長Ｌ_２を例えばビーム伝搬法などにより計算し、導波路１１１のＬＰ_０１モードが導波路１１３のＬＰ_１１モードへの結合効率と導波路１１２のＬＰ_０１モードが導波路１１３のＬＰ_２１モードへの結合効率が最大となるように適切な相互作用長を設計する。ここで、導波路１１１と導波路１１３の導波路間隔ｇ_１と導波路１１２と導波路１１３の導波路間隔ｇ_２を４．０μｍと等しい場合にビーム伝搬法によりＬＰ_１１モード、ＬＰ_２１モードそれぞれの結合効率が最大となる相互作用長を求めるとＬ_１は１．６ｍｍ、Ｌ_２は１．７ｍｍであった。

本実施形態では、ＬＰ_２１モードまでで設計を行ったが、本発明はこれに限定されることはなく、ＬＰ_１１モードとＬＰ_０２モードを利用するなど、所望の伝搬モードの合分波器を実現することが可能である。

導波路間隔ｇ_１、ｇ_２を４．０μｍ、導波路幅ｗ_１を７．１７μｍ、導波路幅ｗ_２を４．３５μｍ、導波路幅ｗ_３を１３．７μｍ、各導波路の比屈折率差Δを０．４％、各導波路の曲げ半径Ｒを５０ｍｍ、相互作用長Ｌ_１を１．６ｍｍ、相互作用長Ｌ_２を１．７ｍｍとした場合に得られる第１高次モードの結合効率の波長依存性を図４（ａ）に示し、第２高次モードの結合効率の波長依存性を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）は、導波路１１１に基本モードであるＬＰ_０１モードの光を入射した場合に導波路１１３に第１高次モードであるＬＰ_１１モードとして出力される結合効率（実線）と導波路１１１に基本モードであるＬＰ_０１モードとして出力される結合効率（破線）を示している。図４（ｂ）は、導波路１１２に基本モードであるＬＰ_０１モードの光を入射した場合に導波路１１３に第２高次モードであるＬＰ_２１モードとして出力される結合効率（実線）と導波路１１２にそのまま基本モードであるＬＰ_０１モードとして出力される結合効率（破線）を示している。

図４（ａ）及び図４（ｂ）より、波長１５３０ｎｍから１５６５ｎｍの波長帯において９５％以上の結合効率を有する非常に高効率な３モード合分波器を実現できることがわかる。ここで、３モード以上を伝搬可能な光ファイバとしてコア直径１８μｍ、コアの比屈折率差Δを０．４％としたファイバを過程すると、光ファイバのＬＰ_０１モードのモードフィールド径（ＭＦＤ）は１５．３μｍで上記記載の導波路１１３のＭＦＤは１３．７μｍでＭＦＤ不整合損失を下記記載の近似式（２）を用いて見積もると、およそ０．１５ｄＢ程度であった。このことから、本発明の非対称平行導波路と伝送用ファイバとの接続損失は非常に小さいと予想され、伝送用ファイバと導波路のＭＦＤが極端に異なる場合には、導波路とファイバとの接続部においてどちらか一方もしくは両者をテーパ状に加工するなどしてＭＦＤの不整合を小さくすることで接続損失の低減を図ることも可能である。前記記載のＭＦＤはファイバ、導波路ともにＬＰ_０１モードのフィールドをガウシアン近似して算出している。

ここで、Ｗ_１，Ｗ_２はそれぞれ光ファイバのＭＦＤ、導波路のＭＦＤとし、ηは結合損失を示す。

実施形態１は導波路のΔが等しく、導波路間隔が等しい条件下で設計を行ったが、本発明はこれに制限されることはなく、３つの導波路それぞれのΔが異なっていても良く、また導波路間隔ｇ_１とｇ_２が異なっていても良い。

次に、本発明のモード合分波器の設計方法について説明する。図５に、本実施形態に係る導波路の設計方法の手順について示したフロー図を示す。
はじめに、使用する波長帯を決定する（Ｓ１０１）。
次に、使用する波長帯において３モード動作以上となるように、比屈折率差Δと導波路幅ｗ_３を決定する（Ｓ１０２、Ｓ１０３）。Δとｗ_３の決定には、例えば、有限要素法などの導波路解析を用いて遮断波長を求めることで決定する。以下のステップでは、使用波長帯の中心波長を用いて導波路解析を行い、導波路のパラメータを決定する。
次に、導波路１１１のＬＰ_０１モードと導波路１１３のＬＰ_１１モードの実効屈折率が等しくなるような導波路幅ｗ_１を決定する（Ｓ１０４、Ｓ１０５）。ｗ_１の決定においても、有限要素法などの導波路解析を用いて実効屈折率を算出する。
次に、導波路１１３のＬＰ_２１モードの実効屈折率と導波路１１２のＬＰ_０１モードの実効屈折率が等しくような導波路幅ｗ_２を決定する（Ｓ１０６、Ｓ１０７）。
次に、導波路間隔ｇ_１、ｇ_２を決定し（Ｓ１０８）、決定した導波路間隔ｇ_１、ｇ_２を用いて相互作用長Ｌ_１、Ｌ_２を決定する（Ｓ１０９）。相互作用長Ｌ_１、Ｌ_２の算出にはビーム伝搬法などの伝搬解析を行い相互作用長を算出する。
相互作用長Ｌ_１、Ｌ_２を算出したら、所望の結合効率を有するか否かを判定し（Ｓ１１０）、所望の結合効率を有さない場合はステップＳ１０８へ移行する。例えば使用波長帯において８０％以上の結合効率を所望しており、それに満たない結合効率が得られた場合には、導波路間隔ｇ_１、ｇ_２を再設定し（Ｓ１０８）、相互作用長Ｌ_１、Ｌ_２の算出を行う（Ｓ１０９）。所望の結合効率が得られたところで（Ｓ１１０においてＹｅｓ）、モード変換特性又は分波特性を抽出する（Ｓ１１１）。所望のモード変換特性又は分波特性が得られていれば、これまで決定した各パラメータの確定となる。

以上説明したように、本実施形態のモード合分波器は、Ｃバンド（１５３０ｎｍから１５６５ｎｍ）の波長帯域において、基本モードと２つの高次モードの分波効率も９５％以上を実現することが可能であることから、２以上の任意の数の伝搬モードを利用したモード多重伝送の高速・長距離化が可能になる。

また、モード合波の前段、モード分波の後段、つまり伝送路以外の区間では、基本モードで伝搬されるため、ファイバデバイスについては基本モードで動作させることができることから、既存のファイバデバイスを利用して２以上の任意のモード数のモード多重伝送を実現することが可能になる。このため、簡易な構成で波長多重など既存の多重技術と併用した２以上の任意のモード数のモード多重伝送を実現することも可能になる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２について説明する。本実施形態では、実施形態１で示したモード合分波器の（２Ｎ＋１）モード多重の使用例に関する（Ｎは自然数）。実施形態１で示したモード合分波器は２つの結合部を有する平行導波路であるため、実施形態１で示したモード合分波器を縦続に接続することで（２Ｎ＋１）個のモード変換に対応できる。図６に、Ｎ＝２であるときのＬＰ_３１モード（光ファイバ中の第４高次モード）まで変換する構成例を示す。

図６のモード合分波器は、モード合分波器６００とモード合分波器６０１とが縦続に接続されている。モード合分波器６００は、導波路６１１と、導波路６１２と、導波路６１３を備える。モード合分波器６０１は、導波路６１４と、導波路６１５と、導波路６１３を備える。導波路６１１〜６１５の導波路幅はそれぞれＷ_１〜Ｗ_５であり、各導波路は幅と高さが等しい。導波路６１１と導波路６１３の導波路間隔はｇ_１であり、導波路６１２と導波路６１３の導波路間隔はｇ_２であり、導波路６１４と導波路６１３の導波路間隔はｇ_３であり、導波路６１５と導波路６１３の導波路間隔はｇ_４である。導波路６１１と導波路６１３の相互作用長はＬ_１であり、導波路６１２と導波路６１３の相互作用長はＬ_２であり、導波路６１４と導波路６１３の相互作用長はＬ_３であり、導波路６１５と導波路６１３の相互作用長はＬ_４である。

モード合分波器６００は、導波路６１１に入力したＬＰ_０１モードが導波路６１３のＬＰ_１１モードへ変換されるように導波路幅ｗ_１、導波路間隔ｇ_１と相互作用長Ｌ_１が設定され、導波路６１２に入力したＬＰ_０１モードが導波路６１３のＬＰ_２１モードに変換されるように導波路幅ｗ_２、導波路間隔ｇ_２と相互作用長Ｌ_２が設定されている。導波路６１３に入力されたＬＰ_０１モードはそのままＬＰ_０１モードで伝搬し、モード合分波器６００の導波路６１３の出力からＬＰ_０１モード、ＬＰ_１１モード及びＬＰ_２１モードが出力され、モード合分波器６０１の導波路６１３へ入力される。

ここで導波路６１３は５モード以上が伝搬可能な導波路設計になっているとする。モード合分波器６０１は、導波路６１４に入力したＬＰ_０１モードが導波路６１３のＬＰ_０２モードへ変換されるように導波路６１４の導波路幅ｗ_４、導波路間隔ｇ_３、相互作用長Ｌ_３が設定され、導波路６１５に入力したＬＰ_０１モードが導波路６１３のＬＰ_３１モードへ変換されるように導波路６１５の導波路幅ｗ_５、導波路間隔ｇ_４、相互作用長Ｌ_４が設定されている。モード合分波器６０１では、導波路６１３のＬＰ_０１モード、ＬＰ_１１モード及びＬＰ_２１モードが導波路６１４と導波路６１５のＬＰ_０１モードと結合しないような導波路６１３の導波路幅ｗ_３を設定する。これにより、ＬＰ_３１モードまでのモード変換が可能である。また、モード合波器の機能を説明したが、本実施形態のモード合分波器は、入出力を反転させることで、モード分波器として利用できる。

また、実施形態１で示したモード合分波器を縦続に接続していくことで、さらに高次のモードへの変換および分波が可能である。また、本実施形態では実施形態１に記載したモード合分波器を縦続に接続することで、（２Ｎ＋１）モードの合分波が可能なモード合分波器を構成する例を示したが、マルチモードの導波路（図６の例では、導波路６１３）に結合させる単一モードの導波路（図６の例では、導波路６１１、６１２、６１４、６１５）の数が奇数となるように構成すれば、２Ｎモードの合分波が可能なモード合分波器を構成することも可能である。よって、本実施形態に係る発明により２以上の任意の数のモードの合分波が可能なモード合分波器を構成することが可能である。

また、本実施形態では導波路の比屈折率差Δを一定としたが、導波路の比屈折率差Δ及び高さはこれに制限されるものではなく、それぞれが異なった値を持った導波路パラメータで設計しても良い。加えて、導波路６１３の導波路幅ｗ_３をモード合分波器６００とモード合分波器６０１で等しい大きさとして実施形態を記載したが、モード合分波器６００と６０１の中間で導波路６１３をテーパ状にするなどして所望の伝搬モード数を維持できる範囲で導波路の大きさを変化させても良い。導波路の大きさをモード合分波器間で変化させることにより、モード合分波器間の導波路６１３の結合部で所望のモード以外の結合を抑制する設計が容易になる。

（実施形態３）
本発明の実施形態３について説明する。実施形態１で示したモード合分波器の使用例に関する。本発明のモード合分波器は波長多重通信システム（ＷＤＭ）および偏波多重通信システム（ＰＤＭ）とモード多重通信システムの３つの多重方法を組み合わせて使用することができる。これらは、３つの多重方式を個別に使用することや２つの多重方式のみを使用することも考えられ、いずれの方法にも適用できる。図７にＷＤＭとＰＤＭに３モード多重を行うためのシステムの構成例を示す。本発明のモード合分波器の使用例は図７のこれに限定されるものではない。また、ある波長λの光源に関しては、１つの光源をパワー分岐して使用しても良く、同一波長の光源を複数用意して波長λの信号を生成しても良い。

図７に示すように、偏波多重波長多重モード多重伝送システムは、送信装置５１１及び受信装置５２０を備える。送信装置５１１は、３つの波長多重信号生成部と、実施形態１に記載の伝搬モードを合波（モード変換）するモード合波器５１８と、により構成されている。各波長多重信号生成部は、λ_１からλ_ＮのＮ個の光源５１２とＮ個の波長それぞれの光を２分岐する光分波器５１３と、Ｎ個の波長の基本モードそれぞれを変調する光変調器５１４と、偏波を調節するための偏波コントローラ５１５と、それぞれの波長の基本伝搬モードを合波する光合波器５１６と、Ｎ個の波長を合波するための波長合波器５１７とにより構成されている。

また、受信装置５２０は、合波された３個の伝搬モードを分波する実施形態１に記載のモード分波器５２１と、モードごとに分波されたＮ個の波長多重信号を受信する波長多重信号受信部と、により構成されている。波長多重信号受信部は、モードごとに分波されたＮ個の波長をそれぞれの波長に分波するための波長分波器５２２と、波長分波器５２２により分波されたそれぞれの波長において偏波を分離するための偏波分波器５２３と、分波された信号光を受光して電気信号に変換する受光回路５２４とにより構成されている。

送信装置５１１のモード合波器５１８と受信装置５２０のモード分波器５２１とは、マルチモード伝送路５１９により接続されている。実施形態１のモード合分波器を使用することにより、送信装置および受信装置中では基本伝搬モードで処理を行い、伝送路中でのみ高次モードに変換して信号を伝送している。そのため、本発明のモード合分波器を利用することにより、従来の光デバイスをそのまま利用することができる。伝送路中で信号の増幅が必要な場合には、本発明のモード合分波器を利用して、高次モードを基本モードに変換して光増幅器による増幅を行い、その後、モード合分波器を利用して高次モードに変換して伝送することにより、長距離伝送も可能となる。

本実施形態は、３モード多重に限定して記載したが、本発明によれば、実施形態２で説明したように２以上の任意の数のモードの合分波が可能なモード合分波器を構成できるので、３モード多重に限定されず、２以上の任意のモード数のモード多重伝送が可能になる。

本発明は情報通信産業に適用することができる。

１１１、１１２、１１３、６１１、６１２、６１３、６１４、６１５：導波路
５１１：送信装置
５１２：光源
５１３：光分波器
５１４：光変調器
５１５：偏波コントローラ
５１６：光合波器
５１７：波長合波器
５１９：マルチモード伝送路
５２０：受信装置
５２１：モード分波器
５２２：波長分波器
５２３：偏波分波器
５２４：受光回路
６００、６０１：モード合分波器

Claims (5)

1. 導波路幅が互いに異なる複数の単一モード導波路と、
   前記単一モード導波路の本数よりも多いモード数の多モード光を伝搬し、複数の前記単一モード導波路との結合部が長手方向に配列された１本のマルチモード導波路と、を備え、
   複数の前記単一モード導波路は、それぞれ、前記マルチモード導波路と異なる導波路高であって、かつ基本モードの実効屈折率が前記マルチモード導波路の伝搬する互いに異なる１つのモードの実効屈折率と等しくなるような導波路幅を有し、
   複数の前記結合部が、それぞれ、対応する前記単一モード導波路と前記マルチモード導波路との使用波長帯における結合効率が所望の値以上になるような相互作用長を有することにより、当該単一モード導波路を伝搬する基本モードと前記マルチモード導波路を伝搬する互いに異なる１つのモードとを相互に変換し、
   前記複数の単一モード導波路は、
   導波路幅及び導波路高が７．１７μｍの第１の単一モード導波路と、
   導波路幅及び導波路高が４．３５μｍの第２の単一モード導波路と、を備え、
   前記マルチモード導波路は、導波路幅及び導波路高が１３．７μｍであり、
   前記第１の単一モード導波路と前記マルチモード導波路との相互作用長が１．６ｍｍであり、
   前記第２の単一モード導波路と前記マルチモード導波路との相互作用長が１．７ｍｍである、
   モード合分波器。
2. 波長多重信号を生成する複数の波長多重信号生成部と、
   前記単一モード導波路のそれぞれと前記マルチモード導波路の一端に前記波長多重信号生成部が接続され、前記単一モード導波路及び前記マルチモード導波路の一端から入力された波長多重信号をモード多重して前記マルチモード導波路の他端から出力する、
   請求項１に記載のモード合分波器と、
   を備える送信装置。
3. モード多重された波長多重信号が前記マルチモード導波路の一端に入力され、当該入力信号をモードごとに分波した波長多重信号を、前記単一モード導波路のそれぞれと前記マルチモード導波路の他端から出力する請求項１に記載のモード合分波器と、
   前記単一モード導波路及び前記マルチモード導波路に出力された波長多重信号を、波長ごとに受信する波長多重信号受信部と、
   を備える受信装置。
4. モード多重された波長多重信号を送信する請求項２に記載の送信装置と、
   前記送信装置からのモード多重された波長多重信号を受信する請求項３に記載の受信装置と、
   前記送信装置及び前記受信装置を接続し、前記マルチモード導波路と同じかそれ以上のモード数が伝搬可能なマルチモード光ファイバと、
   を備えるモード多重通信システム。
5. 請求項１に記載のモード合分波器の設計方法であって、
   使用波長帯において前記単一モード導波路の本数よりも多いモード数を伝搬するように、マルチモード導波路の導波路幅を決定するステップと、
   基本モードの実効屈折率が前記マルチモード導波路の伝搬する高次モードの１つの実効屈折率と等しくなるように、各単一モード導波路の導波路幅を決定するステップと、
   使用波長帯における結合効率が所望の値以上になるように、前記結合部の相互作用長を決定するステップと、
   を有するモード合分波器の設計方法。

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