(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラッド中に導波路が形成された平面光波回路を用いて構成され、複数の単一モード光信号を前記平面光波回路の厚さ方向である縦方向に奇対称の電界分布を持つ一つの多モード光信号に合成するとともに、前記縦方向に奇対称の電界分布を持つ一つの多モード光信号を複数の単一モード光信号に分離する光合分波器であって、
前記単一モード光信号を伝送する単一モード導波路のコア及び前記多モード光信号を伝送する多モード導波路のコアよりも下に配置される下側クラッドの厚さは、前記単一モード導波路のコア及び前記多モード導波路のコアの平均厚さの１倍以上であり、かつ、前記単一モード光信号を伝送する単一モード導波路のコア及び前記多モード光信号を伝送する多モード導波路のコアよりも上に配置される上側クラッドの厚さは、前記単一モード導波路のコア及び前記多モード導波路のコアの平均厚さの２５％以下であり、前記単一モード導波路のコア及び前記多モード導波路のコアが前記平面光波回路の面内方向で近接して方向性結合器が形成されたことを特徴とする光合分波器。
【請求項２】
前記単一モード光信号を伝送する単一モード導波路のコア及び前記多モード光信号を伝送する多モード導波路のコアよりも上に配置される上側クラッドの厚さは、前記単一モード導波路のコア及び前記多モード導波路のコアの平均厚さの１５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
【請求項３】
導波路又は導波路の近傍に電極を設け、導波路を加熱することで光学特性を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の光合分波器。
【請求項４】
導波路又は導波路の近傍に電極を設け、導波路又はクラッドに電界又は磁界をかけることで光学特性を調整することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光合分波器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信、ないしその計測等に使用する光の合分波器に関する。さらに詳しくは、複数のモードを有する光部品・光伝送路（光ファイバ等）と単一のモードを有する光部品・光伝送路を接続する際にモードの整合をとりつつ合成、分波（分離）をおこなう光合分波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報通信分野において、高速なデータ通信を可能とする光通信技術が広く採用されている。従来の大容量光通信技術では単一モード光ファイバを伝送媒体として用いてきた。さらなる通信容量拡大のために、２ないし１０個の複数の伝搬モードをもつ光ファイバ（数モードファイバ）を用い、おのおのの伝搬モードに異なった情報を乗せるモード多重伝送方式の研究が進んでいる。現在のモード多重伝送方式では、信号生成は単一モードの装置を使用し、複数の単一モード信号を伝送時にモード多重信号に合成し、多モード伝送路を用いて一括で送信し、同様に、受信部ではこれを複数の単一モード信号に分離した後単一モードの装置を用いて復号している。このため、複数の単一モード信号を安定かつ簡便に合波、分波する合分波器が使用される（例えば、非特許文献１〜３参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｓｅｂａｓｔｉａｎ  Ｒａｎｄｅｌ  他，“６×５６−Ｇｂ／ｓ  ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｏｖｅｒ  ３３−ｋｍ  ｆｅｗ−ｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒ  ｅｎａｂｌｅｄ  ｂｙ  ６×６  ＭＩＭＯ  ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ”，  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  Ｖｏｌ．  １９，  Ｎｏ．  １７，  ｐ．  １６６９７  （２０１１）
【非特許文献２】Ｎ．  Ｈａｎｚａｗａ  他，  “Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｏｖｅｒ  １０  ｋｍ  ｔｗｏ−ｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒ  ｗｉｔｈ  ｍｏｄｅ  ｃｏｕｐｌｅｒ”，  ＯＦＣ  ２０１１  ＯＷＡ４  （２０１１）
【非特許文献３】Ｓｅｒｇｉｏ  Ｇ．  Ｌｅｏｎ−Ｓａｖａｌ    他，  “Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｌａｎｔｅｒｎｓ”，  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  Ｖｏｌ．  １８  Ｎｏ．８    ｐ．  ８４３０  （２０１０）．
【非特許文献４】高良秀彦、他；「２モード合分波平面光波回路とその数モードファイバへの結合」、レーザー学会第３２回年次大会、Ｇ３０１ａＩＶ０６，２０１１年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
モード多重通信に使用されうる多モード光ファイバ中のモードの空間分布（横断面）の代表的なモードを図１に示す。モードの名称は弱導波近似における名称である。モード多重通信ではこれら複数のモードが同時に１本の光ファイバ中に混在して伝送され、かつ、各々のモードで別の情報が伝送されるため、送受信部ではそれらを合成・分離する必要がある。ＬＰ１１モードは、複数のモードが縮退して存在しており、それらを光学的に分離する事は難しい。ＬＰ２１モードも同様に複数のモードが縮退している。図２は矩形の導波路のモードとその縦方向の電界分布であり、モードの名称はマルカティリ近似における名称を示している。図２のＥ００，Ｅ１０，Ｅ２０モード等はコアの上下方向に対して鏡映関係のモード分布をしている。ここではこれを縦方向に偶対称の電界分布と総称する。これに対して、Ｅ０１，Ｅ１１モード等は縦方向に点対称の分布であり、縦方向に奇対称の電界分布と総称する。
【０００５】
非特許文献１にみるように、合分波器としては空間光学系を用いることが行われるが、合波・分波に半透明鏡を使用する。分波器で考えると、ｎ個のモードを使用する場合、元の光をｎ個にわける必要があるため、原理的に光の損失が大きい。合成時にも同様に光の損失が発生する。さらに空間系を使用した場合小型化には限界があり、また安定性を向上させる事も困難である。
【０００６】
非特許文献２のように光ファイバカプラーを使用することもできる。この場合、複数のモードを一括して合成・分離する事はむずかしく、２つのモードのみの使用が現実的である。
【０００７】
非特許文献３のように面的にモードを一括受信することも行われているが、受信後に高度な信号処理をおこなってモードを分離する必要があり、この光部品のみではモード分波器とはなっていない。
【０００８】
これらの欠点を克服した方法として石英平面光波回路（ＰＬＣ）を使用したモード合分波器も使用されている（例えば、非特許文献４参照。）。しかし、ＰＬＣはその名の通り通常２次元状に構成されるため、縦方向に偶対称の電界分布を持つモードの合成分離には適しているが、Ｅ０１，Ｅ１１モード等縦方向に奇対称の電界分布を持つモードに対しては上半分と下半分からの結合が相殺され光合分波器としての動作をなさず、モードの分離を行う事はできない。ＰＬＣを使用して縦方向のモード合成・分離を行うためには積層型のＰＬＣを使用する必要があり、精度良く作成する事は難しかった。
【０００９】
また、ＰＬＣを使用して縦方向のモード合成・分離を行うためにはＰＬＣ導波路の近傍にクラッドと異なる媒質を埋め込む方法もあるが、この場合も３次元的な構造となることから高精度なモード合成・分離器を作成する事は難しかった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明では２次元的なＰＬＣで縦方向のモード合成・分離を実現する。具体的には、ＰＬＣのクラッド部分の上下方向の厚みに大きな差を持たせる。ＰＬＣでの光伝搬は相反的であるため、入力と出力の関係は逆にしても同等の効果が得られることは自明であり、同じ構造で光合波器、光分波器を実現できる。
【００１１】
本願発明の光合分波器は、クラッド中に導波路が形成された平面光波回路を用いて構成され、複数の単一モード光信号を前記平面光波回路の厚さ方向である縦方向に奇対称の電界分布を持つ一つの多モード光信号に合成するとともに、前記縦方向に奇対称の電界分布を持つ一つの多モード光信号を複数の単一モード光信号に分離する光合分波器であって、前記単一モード光信号を伝送する単一モード導波路のコア及び前記多モード光信号を伝送する多モード導波路のコアよりも下に配置される下側クラッドの厚さは、前記単一モード導波路のコア及び前記多モード導波路のコアの平均厚さの１倍以上であり、かつ、前記単一モード光信号を伝送する単一モード導波路のコア及び前記多モード光信号を伝送する多モード導波路のコアよりも上に配置される上側クラッドの厚さは、前記単一モード導波路のコア及び前記多モード導波路のコアの平均厚さの２５％以下であり、前記単一モード導波路のコア及び前記多モード導波路のコアが前記平面光波回路の面内方向で近接して方向性結合器が形成されたことを特徴とする。
【００１２】
本願発明の光合分波器では、前記単一モード光信号を伝送する単一モード導波路のコア及び前記多モード光信号を伝送する多モード導波路のコアよりも上に配置される上側クラッドの厚さは、前記単一モード導波路のコア及び前記多モード導波路のコアの平均厚さの１５％以下であってもよい。
【００１３】
本願発明の光合分波器では、導波路又は導波路の近傍に電極を設け、導波路を加熱することで光学特性を調整してもよい。
【００１４】
本願発明の光合分波器では、導波路又は導波路の近傍に電極を設け、導波路又はクラッドに電界又は磁界をかけてもよい。
【００１５】
なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、本発明の光合分波器は、技術的に確立されているＰＬＣ作成プロセスのみで作成することができるため、モードの混信が少ない（消光比の高い）モード合分波器の作成が可能となる。また、不要モードの混入が少ないため、原理的な光損失も少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】円形光導波路（光ファイバ）の伝搬モード例である。
【図２】矩形光導波路の伝搬モード例である。
【図３】本実施形態に係る光合分波器の第１例を示す上面図である。
【図４】本実施形態に係る光合分波器の第２例を示す上面図である。
【図５】Ａ−Ａ’断面の一例を示す。
【図６】本発明の実施形態を示した透視図の一例である。
【図７】上側クラッドの厚さによる導波路の最適長さの変化を計算した図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
（第１の実施形態）
図３及び図４は、本発明の実施形態の上面からの図である。本実施形態に係る光合分波器は、平面光波回路を用いて構成され、多モード信号を伝送する多モード導波路１０と、単一モード信号を伝送する単一モード導波路２０と、を備える。図３では２モードの合分波例を示し、図４では４モードの合分波例を示している。また図３及び図４では、多モード導波路１０及び単一モード導波路２０のそれぞれに単一モードを入力し、多モード導波路１０から多モード出力する合波器動作例を示しているが、光の双方向性によって分波器動作も可能である。
【００２０】
図５及び図６は本発明の実施形態の光合分波器のうち光結合が生じる部分の横断面図及び透視図を示したものである。図５の断面図は図３及び図４中のＡ−Ａ’断面を示す。上側クラッドの厚さＤＵと下側クラッドの厚さＤＤを上下非対称にする事で、モード分布に上下の非対称性を生じさせ、縦高次モードのモードカプラを構成する。
【００２１】
図７は本発明の実施形態の上側クラッドの厚さを変えた場合に結合率が最も高くなる導波路の長さを計算したグラフである。この計算例では、下側のクラッドの厚さＤＤが２０μｍ、多モード導波路１０について厚さＤＣが１０μｍ、幅が２０μｍ、Δが０．７％、単一モード導波路２０について厚さがＤＣ１０μｍ、幅が概略３．５μｍ、Δが０．７％で、多モード導波路１０と単一モード導波路２０の間隔は４μｍである。
【００２２】
原理的には上側クラッドの厚さＤＵと下側クラッドの厚さＤＤとに差があればよいが、クラッド３０部分の電界は多モード導波路１０及び単一モード導波路２０などのコアから離れるに従って指数関数的に弱くなるため、Δが０．数％以上である通常のＰＬＣにおいては、下側クラッドの厚さＤＤをコアの厚さＤＣ以上とすることで実際上は無限大の下側クラッドがあるものと大差ない特性となる。このため、本計算では下側クラッドの厚さＤＤをコアの厚さＤＣの２倍である２０μｍとして計算をしている。
【００２３】
上側クラッドと下側のクラッドの上下を逆転させてもよいが、基板を使用するためには下側のクラッドを厚くする事が好ましい。また作製上の観点から導波路の長さを５０ｍｍ以内にすることを考慮すると、上側クラッドの厚さＤＵがコアの厚さＤＣの１５％よりも薄いことが好ましい。なお、導波路の長さの条件を１００ｍｍ以内と緩和した場合には、上側クラッドの厚さＤＵがコアの厚さＤＣの２５％よりも薄ければよい。
【００２４】
これらの計算例では石英のガラスを使用したＰＬＣを想定して計算しているが、材質はこれに限定されない。また、多モード導波路１０及び単一モード導波路２０のコアの厚さＤＣが均一である場合について説明しているが、コアの厚さＤＣは不均一であってもよい。その場合、多モード導波路１０及び単一モード導波路２０の平均を用いて下側クラッドの厚さＤＤを求める。また、基板からの高さが多モード導波路１０と単一モード導波路２０とで異なる場合は、基板から低い方のクラッドの厚さを下側クラッドの厚さＤＤに用いることが好ましい。
【００２５】
（第２の実施形態）
実施形態１で説明した光合分波器の構造は「方向性結合器」とよばれ、導波路の光学的長さ、伝搬定数などにより特性が変化する。そこで、本実施形態では、多モード導波路１０及び単一モード導波路２０などのコアやクラッド３０の光学特性を変化させて光合分波器の特性の調整を行う。
【００２６】
例えば、導波路又は導波路の近傍に電極を設け、導波路を加熱又は冷却することで熱光学効果を用いて光学特性を変化させることができる。導波路又は導波路の近傍に電極を設け、導波路に電界を加えることで、電気光学効果を用いて光学特性を変化させることができる。導波路又は導波路の近傍に電極を設け、導波路に磁界を加えることで、磁気光学効果を用いて光学特性を変化させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、モード多重光通信、ないしその計測等に使用する光の合分波器であり、複数のモードを有する光部品・光伝送路（光ファイバ等）と単一のモードを有する光部品・光伝送路を接続する際にモードの整合をとりつつ合成、分波（分離）をおこなう光合分波器である。
本発明の光合分波器は、技術的に確立されているＰＬＣ作成プロセスで作成することができるため、モードの混信が少ない（消光比の高い）モード合分波器の作成が可能となる。また、不要モードの混入が少ないため、原理的な光損失も少なくすることができる。
【符号の説明】
【００２８】
１０：多モード導波路
２０：単一モード導波路
３０：クラッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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