(57)【要約】  本発明は、下り信号の分岐と上り信号の合流とを同一の光デバイスで実現し、上り信号の合流損失を低減させる光合流分岐器に関する。本発明の光合流分岐器は、複数の上り信号をマルチモードで合流して出力し、下り信号をシングルモードで分岐して出力する光合流分岐手段と、前記光合流分岐手段から出力された前記上り信号をマルチモードで伝播させて出力し、前記下り信号をシングルモードで伝播させて前記光合流分岐手段に出力する双方向光伝播手段とを備えることを特徴とする。
2013046696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の上り信号をマルチモードで合流して出力し、下り信号をシングルモードで分岐して出力する光合流分岐手段と、
前記光合流分岐手段から出力された前記上り信号をマルチモードで伝播させて出力し、前記下り信号をシングルモードで伝播させて前記光合流分岐手段に出力する双方向光伝播手段と
を備えることを特徴とする光合流分岐器。
【請求項２】
前記双方向光伝播手段が、デュアルモード光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の光合流分岐器。
【請求項３】
前記デュアルモード光ファイバのシングルモード伝播に用いられるクラッドの直径は、前記デュアルモード光ファイバの一端からテーパ状に減少することを特徴とする請求項２に記載の光合流分岐器。
【請求項４】
前記デュアルモード光ファイバを伝播した前記上り信号をマルチモードで分波し、前記下り信号をシングルモードで合波する合分波手段をさらに備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の光合流分岐器。
【請求項５】
前記双方向光伝播手段は、空間レンズ系で構成され、前記空間レンズ系は、
前記光合流分岐手段から出力された前記上り信号を透過してマルチモードで出力し、前記下り信号を透過してシングルモードで前記光合流分岐手段に出力するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光合流分岐器。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の光合流分岐器に、前記下り信号を送信する送信器、及び前記合流した上り信号を受信する受信器を接続したことを特徴とする光送受信システム。
【請求項７】
前記送信器に、前記下り信号を増幅するための光増幅器を接続したことを特徴とする請求項６に記載の光送受信システム。
【請求項８】
前記光合流分岐手段は、平面光波回路に形成され、前記デュアルモード光ファイバと光学的に接続されたスラブ導波路と、前記スラブ導波路及び複数本のシングルモード光ファイバに光学的に接続された複数本のシングルモード導波路とを備え、
前記スラブ導波路は、前記デュアルモード光ファイバの光軸延長線に対して線対称になるように前記デュアルモード光ファイバの光軸延長線上に設けられたコア欠損部を有することを特徴とする請求項２に記載の光合流分岐器。
【請求項９】
前記コア欠損部は、楕円形状となるように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の光合流分岐器。
【請求項１０】
前記コア欠損部は、前記デュアルモード光ファイバのマルチモード部の開口角範囲に設けられた複数の第１のコア欠損部分と、前記デュアルモード光ファイバのシングルモード部の開口角範囲に設けられた第２のコア欠損部分とを有し、前記第２のコア欠損部分は、前記第１のコア欠損部分の各々よりも曲率が大きいことを特徴とする請求項８に記載の光合流分岐器。
【請求項１１】
前記スラブ導波路は、前記下り信号及び前記上り信号を反射して前記スラブ導波路中に閉じ込めるように構成された前記反射率強化構造を有することを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の光合流分岐器。
【請求項１２】
前記シングルモード導波路の各々の導波路幅は、前記スラブ導波路との接続部において互いに異なり、
前記接続部における前記シングルモード導波路の光軸延長線は、前記シングルモード導波路の各々ごとに、前記デュアルモード光ファイバの光軸延長線と交差する点が互いに異なることを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載の光合流分岐器。
【請求項１３】
前記光合流分岐手段は、
前記複数の上り信号をマルチモードで合流し、前記下り信号をシングルモードで分岐するスラブ導波路と、
前記スラブ導波路を介して出力された前記上り信号を入力してマルチモードで伝播するマルチモード光ファイバと、
前記スラブ導波路を介して出力された前記下り信号を入力してシングルモードで伝播する複数のシングルモード光ファイバと
を備え、前記スラブ導波路は、
前記下り信号を入力するための入力ポートと、
前記入力ポートを介して入力された前記下り信号を反射して前記複数のシングルモード光ファイバに出力し、前記上り信号を透過して前記マルチモード光ファイバに出力するように、前記マルチモード光ファイバの光軸に対して所定の角度傾けられて前記スラブ導波路中に設けられたフィルタ部と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光合流分岐器。
【請求項１４】
前記光合流分岐手段は、
前記下り信号を分岐する分岐素子と、
前記複数の上り信号及び前記分岐された下り信号の各々を入出力するための複数のシングルモード光ファイバと、
前記分岐された下り信号をそれぞれ入力して前記複数のシングルモード光ファイバの各々に出力し、前記複数のシングルモード光ファイバを介して入力された前記複数の上り信号をマルチモードで合流する複数のマルチモード変換・合流素子と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光合流分岐器。
【請求項１５】
前記複数のマルチモード変換・合流素子は、導波路幅が非等幅の方向性結合器素子から構成され、
前記上り信号は、モード変換された後に前記マルチモード変換・合流素子のクロスポートに出力され、前記下り信号は、モード変換されずに前記マルチモード変換・合流素子のスルーポートに出力されることを特徴とする請求項１４に記載の光合流分岐器。
【請求項１６】
前記分岐素子は、前記分岐された下り信号の光強度がそれぞれ等しくなるように前記下り信号を分岐する等分配光スプリッタ素子から構成され、前記複数のマルチモード変換・合流素子は、マルチモード導波路を介して直列に接続され、当該直列接続された複数のマルチモード変換・合流素子の各々の下り信号入力用ポートは、前記等分配光スプリッタ素子に接続されていることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の光合流分岐器。
【請求項１７】
前記複数のマルチモード変換・合流素子は、Ｎ組の前記直列接続された複数のマルチモード変換・合流素子を構成し、
前記光合流分岐器は、前記Ｎ組の直列接続された複数のマルチモード変換・合流素子の各組にマルチモード導波路を介して接続されたＮ入力１出力のマルチモード変換・合流素子をさらに備え、
前記Ｎ組の直列接続されたマルチモード変換・合流素子の各組でマルチモード変換・合流された上り信号は、前記Ｎ入力１出力のマルチモード変換・合流素子でマルチモード変換・合流されることを特徴とする請求項１６に記載の光合流分岐器。
【請求項１８】
前記上り信号と前記下り信号とを波長合分波する導波路幅が等幅の方向性結合器素子をさらに備え、前記等幅の方向性結合器素子は、前記複数のマルチモード変換・合流素子とマルチモード導波路を介して直列に接続され、前記等幅の方向性結合器素子の下り信号入力用ポートは、前記等分配光スプリッタ素子に接続されていることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の光合流分岐器。
【請求項１９】
前記双方向光伝播手段は、前記下り信号を入力して前記光合流分岐手段に出力するための前記シングルモード光ファイバと、前記光合流分岐手段から出力された前記上り信号を入力するマルチモード光ファイバとを備えることを特徴とする請求項１３に記載の光合流分岐器。
【請求項２０】
上り信号を入力してマルチモードで伝播させて出力し、下り信号をシングルモードで伝播させて出力するデュアルモード光ファイバと、
前記デュアルモード光ファイバから出力された前記上り信号を分波して出力し、前記下り信号を合波して前記デュアルモード光ファイバに出力する合分波手段と
を備えることを特徴とする双方向光伝播器。
【請求項２１】
前記合分波手段に、前記下り信号を伝播するためのシングルモード光ファイバと、前記上り信号を伝播するためのマルチモード光ファイバとが接続されたことを特徴とする請求項２０に記載の双方向光伝播器。
【請求項２２】
請求項２１に記載の双方向光伝播器において、前記シングルモード光ファイバに前記下り信号を送信する送信部を接続し、前記マルチモード光ファイバに前記上り信号を受信する受信部を接続したことを特徴とする光送受信システム。
【請求項２３】
前記下り信号を増幅するための光増幅器が、前記シングルモード光ファイバを介して前記送信部に接続されていることを特徴とする請求項２２に記載の光送受信システム。
【請求項２４】
前記送信部は、前記シングルモード光ファイバに接続された複数波長合波器と、前記複数波長合波器に接続された複数の第２のシングルモード光ファイバと、前記複数の第２のシングルモード光ファイバにそれぞれ接続された複数の送信器とを備え、
前記複数波長合波器は、前記複数の送信器の各々から前記複数の第２のシングルモード光ファイバを介して送信された前記下り信号を入力し、当該入力した下り信号を合波して、当該合波した下り信号を前記シングルモード光ファイバに出力することを特徴とする請求項２２に記載の光送受信システム。
【請求項２５】
前記受信部は、前記マルチモード光ファイバに接続された複数波長分波器と、前記複数波長分波器に接続された複数の第２のマルチモード光ファイバと、前記複数の第２のマルチモード光ファイバにそれぞれ接続された複数の受信器とを備え、
前記複数波長分波器は、前記マルチモード光ファイバから前記上り信号を入力し、当該入力した上り信号を分波して、当該分波した上り信号を前記複数の第２のマルチモード光ファイバを介して前記複数の受信器の各々に出力することを特徴とする請求項２２又は２４に記載の光送受信システム。
【請求項２６】
請求項２０に記載の双方向光伝播器と、
前記下り信号を送信する送信器と、
前記上り信号を受信する受信器とを備える光送受信システムであって、
前記双方向光伝播器は、空間レンズ系をさらに含み、
前記デュアルモード光ファイバから出力された前記上り信号は、前記合分波手段及び前記空間レンズ系を介してマルチモードで前記受信器に結合し、前記送信器から送信された前記下り信号は、前記合分波手段及び前記空間レンズ系を介してシングルモードで前記デュアルモード光ファイバに結合することを特徴とする光送受信システム。
【請求項２７】
前記送信器は、前記下り信号を増幅するための光増幅器を内蔵していることを特徴とする請求項２６に記載の光送受信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光加入者ネットワークに用いられる光合流分岐器、双方向光伝播器、及び光送受信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光加入者ネットワークでは、ＩＥＥＥやＩＴＵ−Ｔで標準化されたＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）方式が広く採用されている。ＰＯＮシステムは、複数の加入者装置にそれぞれ配置される送受信装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）が、収容局内・外に配置された光分岐器及び一本の光ファイバを介して、収容局に配置された送受信装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）に接続される構成を有する。【０００３】
ＰＯＮシステムにおいては、上り信号と下り信号とが異なる波長により同一光ファイバ上で双方向に伝送される。下り信号は、ＯＬＴから出力された信号が時分割多重（ＴＤＭ：Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術を用いて多重された連続信号である。加入者装置に配置されたＯＮＵは、光分岐器において分岐された連続信号からＯＮＵ自身に必要なタイムスロットの信号を取り出す。また、上り信号は、ＯＮＵから間欠的に送信されるバースト信号であり、光分岐器で合流してＴＤＭ信号となり、収容局に送られる。【０００４】
上り信号は、加入者装置から光分岐器までの距離の違いや、ＯＮＵ内の送信器出力の個体差により、強度にばらつきが生じるため、受信器には広い入力ダイナミックレンジが求められる。ＰＯＮシステムでは、収容局に配置されたＯＬＴと少数本の光ファイバとをＴＤＭ技術を用いて複数の加入者で共用化することができる。そのため、ギガビットを超える高速の光アクセスサービスを経済的に提供することができる。【０００５】
しかしながら、ＰＯＮシステムは既に実用化されたシステムではあるが、依然として許容伝送路損失（ロスバジェット）の拡大が求められている。ロスバジェットの拡大を実現することができれば、「分岐数を増やして一台のＯＬＴが収容する加入者装置の数を増やす」、「光ファイバ伝送路を長延化して収容エリアを拡げる」ことにより、ＰＯＮシステムの収容効率を向上させることができる。【０００６】
ロスバジェットの拡大を実現するために、上下信号を個別増幅する双方向光増幅器を用いて、多分岐化した光分岐器や長延化した光ファイバ伝送路の損失を補償する手法が広く検討されている。ただし、多くの場合、双方向光増幅器は、光ファイバ伝送路中に配置され、中継器として使用されることを想定している。双方向光増幅器を駆動する電源の確保の容易さを考慮すれば、双方向光増幅器を収容局に配置し、上下信号を増幅する光増幅器を、それぞれ、前置光増幅器及び後置光増幅器として使用することが望まれる。【０００７】
しかしながら、収容局に前置光増幅器を配置して使用した場合に、強いバースト光信号が前置光増幅器に入射されると、入力ダイナミックレンジを超える光信号が収容局の受信器に到達し、上り信号を正常に受信することができないという問題が生じる。【０００８】
一方、非特許文献１には、光分岐器における上り信号の合流損失を低減することで、その分だけ等価的にロスバジェットを拡大したのと同様の効果を得る手法が提案されている。【０００９】
図１は、非特許文献１に示されるＰＯＮシステム１００の構成を示す。図１には、加入者装置１１０に配置されたＯＮＵ１１１が、光分岐器１２０を介して、収容局内１３０のＯＬＴ１３６に接続されたＰＯＮシステム１００が示されている。収容局１３０は、波長合分波器１３１と、光分岐器１３２と、光合流器１３３と、送信器１３４及び受信器１３５を含むＯＬＴ１３６とを備える。なお、図１では、ＯＬＴ１３６は送信器１３４および受信器１３５から成るものとしたが、波長合分波器、光分岐器、光合流器を含めてもよい。【００１０】
図１に例示されるＰＯＮシステム１００では、収容局１３０外に配置された分岐器１２０により光信号を分岐することに加えて、収容局１３０内においても光信号の分岐を行っている（図１では、４分岐の場合が示されている）。さらに、図１に例示されるＰＯＮシステム１００では、一台の光分岐器１３２、一台の光合流器１３３、及び収容局１３０内の分岐数に等しい台数の波長合分波器１３１を用いて、収容局１３０内において下り信号の分岐及び上り信号の合流を同時に行っている。【００１１】
ＰＯＮシステム１００において、送信器１３４から送出された下り信号は、光分岐器１３２により分岐され、各波長合分波器１３１に送られる。光分岐器１３２は、上述のように、下り信号の分岐と同時に上り信号の合流を行うこともできるが、ＰＯＮシステム１００においては下り信号の分岐のみを行うものとする。一方、所内分岐ごとの上り信号は、波長合分波器１３１において下り信号と合分波される。さらには、合分波された上り信号は、モード結合器とも呼ばれる光合流器において合流した後、受信器において受信される。【００１２】
図２Ａ及び図２Ｂに、光合流器の構成例を示す。図２Ａは、プレーナ光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎｅｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を利用した光合流器の構成例を示し、図２Ｂは、融着シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）導波路を利用した光合流器の構成例を示す。図２Ａには、マルチモード光ファイバ（ＭＭＦ：Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）２１０と、ＰＬＣ２２０とを備える従来の光合流器２００が示されている。図２Ｂには、ＭＭＦ２１０と、融着ＳＭＦ導波路２３０とを備える従来の光合流器２００が示されている。ＭＭＦ２１０は、クラッド２１１及びコア２１２を有し、上り信号は、コア２１２を伝播して伝達される。【００１３】
図２Ａに示されるＰＬＣ２２０は、スラブ導波路２２１と、スラブ導波路２２１に接続されたＳＭ導波路２２２とを含む。図２Ｂに示される融着ＳＭＦ導波路２３０は、融着部２３１と、融着部２３１と融着接続されたＳＭＦ２３２とを含む。図２Ａ及び図２Ｂに示される光合流器は、いずれも、平面において放射状に配列された複数のＳＭ導波路２２２又はＳＭＦ２３２の一方の端面を束ねる構成を有する。光合流器における光信号の合流は、図２Ａ及び図２Ｂに示されるスラブ導波路２２１及び融着部２３１においてそれぞれ行われる。【００１４】
図２Ａ及び図２Ｂに示される光合流器は、複数のＳＭ導波路２２２又はＳＭＦ２３２の他方の端面から入射した光信号の平面垂直方向の閉じ込めを保ちつつ、ＳＭ導波路２２２又はＳＭＦ２３２の各々間の境界をなくした状態で一定距離を経て光信号を合流させる。合流した光信号のモードフィールド径は、ＳＭ導波路２２２又はＳＭＦ２３２のモードフィールド径以上の広がりを有するため、光信号の合流部にＭＭＦ２１０を接続し、合流した光信号を漏れなく光ファイバ内に閉じ込める。これにより、原理的に分岐数の増加に応じて合流損失が増加する（Ｎ×１分岐では、１／Ｎ）という光分岐器の欠点を克服することができる。【００１５】
実際、非特許文献２に示されるように、図２Ａに示される構成により、８×１の光合流器の場合、スラブ導波路のような従来のＹ分岐素子を組み合わせたスプリッタ回路では原理損失が９ｄＢであるが、２ｄＢ以内の合流損失が実現されている。また、非特許文献３に示されるように、１６×１の光合流器の場合、原理損失が１２ｄＢであるが、最悪合流損失５ｄＢ以下という７ｄＢ以上の改善が実現されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】中西健治、吉田誠史、青柳慎一、「上り信号の合流損失を低減したＰＤＳ構成法」、１９９７年電子情報通信学会総合大会、B-10-112、ｐ．621
【非特許文献２】花田忠彦、北村直樹、下田毅、北村光弘、「石英導波路型８×１光モードコンバイナ」、１９９６年電子情報通信学会ソサエティ大会、C-160、ｐ．160
【非特許文献３】笹岡英資、畑山均、油井大、服部哲也、「石英導波路型１６×１光モードコンバイナ」、１９９８年電子情報通信学会総合大会、C-3-163、ｐ．329
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、図１、図２Ａ及び図２Ｂに示される従来のシステム構成では、下り信号の分岐及び上り信号の合流に関して異なる光デバイスが必要となる。そのため、システムの構成が複雑になり且つ準備する部品点数が増え、システムの初期投資コストの増加、伝送装置の大型化、さらには部品点数や煩雑な工程に起因する信頼性劣化が生じる等の課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の光合流分岐器は、複数の上り信号をマルチモードで合流して出力し、下り信号をシングルモードで分岐して出力する光合流分岐手段と、前記光合流分岐手段から出力された前記上り信号をマルチモードで伝播させて出力し、前記下り信号をシングルモードで伝播させて前記光合流分岐手段に出力する双方向光伝播手段とを備えることを特徴とする。【００１９】
本発明の請求項２に記載の光合流分岐器は、本発明の請求項１に記載の光合流分岐器であって、前記双方向光伝播手段が、デュアルモード光ファイバであることを特徴とする。【００２０】
本発明の請求項３に記載の光合流分岐器は、本発明の請求項２に記載の光合流分岐器であって、前記デュアルモード光ファイバのシングルモード伝播に用いられるクラッドの直径は、前記デュアルモード光ファイバの一端からテーパ状に減少することを特徴とする。【００２１】
本発明の請求項４に記載の光合流分岐器は、本発明の請求項２又は３に記載の光合流分岐器であって、前記デュアルモード光ファイバを伝播した前記上り信号をマルチモードで分波し、前記下り信号をシングルモードで合波する合分波手段をさらに備えることを特徴とする。【００２２】
本発明の請求項５に記載の光合流分岐器は、本発明の請求項１に記載の光合流分岐器であって、前記双方向光伝播手段は、空間レンズ系で構成され、前記空間レンズ系は、前記光合流分岐手段から出力された前記上り信号を透過してマルチモードで出力し、前記下り信号を透過してシングルモードで前記光合流分岐手段に出力するように構成されていることを特徴とする。【００２３】
本発明の請求項６に記載の光送受信システムは、請求項４又は５に記載の光合流分岐器に、前記下り信号を送信する送信器、及び前記合流した上り信号を受信する受信器を接続したことを特徴とする。【００２４】
本発明の請求項７に記載の光送受信システムは、本発明の請求項６に記載の光送受信システムであって、前記送信器に、前記下り信号を増幅するための光増幅器を接続したことを特徴とする。【００２５】
本発明の請求項８に記載の光合流分岐器は、本発明の請求項２に記載の光合流分岐器であって、前記光合流分岐手段は、平面光波回路に形成され、前記デュアルモード光ファイバと光学的に接続されたスラブ導波路と、前記スラブ導波路及び複数本のシングルモード光ファイバに光学的に接続された複数本のシングルモード導波路とを備え、前記スラブ導波路は、前記デュアルモード光ファイバの光軸延長線に対して線対称になるように前記デュアルモード光ファイバの光軸延長線上に設けられたコア欠損部を有することを特徴とする。【００２６】
本発明の請求項９に記載の光合流分岐器は、本発明の請求項８に記載の光合流分岐器であって、前記コア欠損部は、楕円形状となるように構成されていることを特徴とする。【００２７】
本発明の請求項１０に記載の光合流分岐器は、本発明の請求項９に記載の光合流分岐器であって、前記コア欠損部は、前記デュアルモード光ファイバのマルチモード部の開口角範囲に設けられた複数の第１のコア欠損部分と、前記デュアルモード光ファイバのシングルモード部の開口角範囲に設けられた第２のコア欠損部分とを有し、前記第２のコア欠損部分は、前記第１のコア欠損部分の各々よりも曲率が大きいことを特徴とする。【００２８】
本発明の請求項１１に記載の光合流分岐器は、本発明の請求項８から１０のいずれかに記載の光合流分岐器であって、前記スラブ導波路は、前記下り信号及び前記上り信号を反射して前記スラブ導波路中に閉じ込めるように構成された前記反射率強化構造を有することを特徴とする。【００２９】
本発明の請求項１２に記載の光合流分岐器は、本発明の請求項８から１１のいずれかに記載の光合流分岐器であって、前記シングルモード導波路の各々の導波路幅は、前記スラブ導波路との接続部において互いに異なり、前記接続部における前記シングルモード導波路の光軸延長線は、前記シングルモード導波路の各々ごとに、前記デュアルモード光ファイバの光軸延長線と交差する点が互いに異なることを特徴とする。【００３０】
本発明の請求項１３に記載の光合流分岐器は、本発明の請求項１に記載の光合流分岐器であって、前記光合流分岐手段は、前記複数の上り信号をマルチモードで合流し、前記下り信号をシングルモードで分岐するスラブ導波路と、前記スラブ導波路を介して出力された前記上り信号を入力してマルチモードで伝播するマルチモード光ファイバと、前記スラブ導波路を介して出力された前記下り信号を入力してシングルモードで伝播する複数のシングルモード光ファイバとを備え、前記スラブ導波路は、前記下り信号を入力するための入力ポートと、前記入力ポートを介して入力された前記下り信号を反射して前記複数のシングルモード光ファイバに出力し、前記上り信号を透過して前記マルチモード光ファイバに出力するように、前記マルチモード光ファイバの光軸に対して所定の角度傾けられて前記スラブ導波路中に設けられたフィルタ部とを備えることを特徴とする。【００３１】
本発明の請求項１４に記載の光合流分岐器は、本発明の請求項１に記載の光合流分岐器であって、前記光合流分岐手段は、前記下り信号を分岐する分岐素子と、前記複数の上り信号及び前記分岐された下り信号の各々を入出力するための複数のシングルモード光ファイバと、前記分岐された下り信号をそれぞれ入力して前記複数のシングルモード光ファイバの各々に出力し、前記複数のシングルモード光ファイバを介して入力された前記複数の上り信号をマルチモードで合流する複数のマルチモード変換・合流素子とを備えることを特徴とする。【００３２】
本発明の請求項１５に記載の光合流分岐器は、本発明の請求項１４に記載の光合流分岐器であって、前記複数のマルチモード変換・合流素子は、導波路幅が非等幅の方向性結合器素子から構成され、前記上り信号は、モード変換された後に前記マルチモード変換・合流素子のクロスポートに出力され、前記下り信号は、モード変換されずに前記マルチモード変換・合流素子のスルーポートに出力されることを特徴とする。【００３３】
本発明の請求項１６に記載の光合流分岐器は、本発明の請求項１４又は１５に記載の光合流分岐器であって、前記分岐素子は、前記分岐された下り信号の光強度がそれぞれ等しくなるように前記下り信号を分岐する等分配光スプリッタ素子から構成され、前記複数のマルチモード変換・合流素子は、マルチモード導波路を介して直列に接続され、当該直列接続された複数のマルチモード変換・合流素子の各々の下り信号入力用ポートは、前記等分配光スプリッタ素子に接続されていることを特徴とする。【００３４】
本発明の請求項１７に記載の光合流分岐器は、本発明の請求項１６に記載の光合流分岐器であって、前記複数のマルチモード変換・合流素子は、Ｎ組の前記直列接続された複数のマルチモード変換・合流素子を構成し、前記光合流分岐器は、前記Ｎ組の直列接続された複数のマルチモード変換・合流素子の各組にマルチモード導波路を介して接続されたＮ入力１出力のマルチモード変換・合流素子をさらに備え、前記Ｎ組の直列接続されたマルチモード変換・合流素子の各組でマルチモード変換・合流された上り信号は、前記Ｎ入力１出力のマルチモード変換・合流素子でマルチモード変換・合流されることを特徴とする。【００３５】
本発明の請求項１８に記載の光合流分岐器は、本発明の請求項１６又は１７に記載の光合流分岐器であって、前記上り信号と前記下り信号とを波長合分波する導波路幅が等幅の方向性結合器素子をさらに備え、前記等幅の方向性結合器素子は、前記複数のマルチモード変換・合流素子とマルチモード導波路を介して直列に接続され、前記等幅の方向性結合器素子の下り信号入力用ポートは、前記等分配光スプリッタ素子に接続されていることを特徴とする。【００３６】
本発明の請求項１９に記載の光合流分岐器は、本発明の請求項１３に記載の光合流分岐器であって、前記双方向光伝播手段は、前記下り信号を入力して前記光合流分岐手段に出力するための前記シングルモード光ファイバと、前記光合流分岐手段から出力された前記上り信号を入力するマルチモード光ファイバとを備えることを特徴とする。【００３７】
本発明の請求項２０に記載の双方向光伝播器は、上り信号を入力してマルチモードで伝播させて出力し、下り信号をシングルモードで伝播させて出力するデュアルモード光ファイバと、前記デュアルモード光ファイバから出力された前記上り信号を分波して出力し、前記下り信号を合波して前記デュアルモード光ファイバに出力する合分波手段とを備えることを特徴とする。【００３８】
本発明の請求項２１に記載の双方向光伝播器は、本発明の請求項２０に記載の双方向光伝播器であって、前記合分波手段に、前記下り信号を伝播するためのシングルモード光ファイバと、前記上り信号を伝播するためのマルチモード光ファイバとが接続されたことを特徴とする。【００３９】
本発明の請求項２２に記載の光送受信システムは、請求項２１に記載の双方向光伝播器において、前記シングルモード光ファイバに前記下り信号を送信する送信部を接続し、前記マルチモード光ファイバに前記上り信号を受信する受信部を接続したことを特徴とする。【００４０】
本発明の請求項２３に記載の光送受信システムは、本発明の請求項２２に記載の光送受信システムであって、前記下り信号を増幅するための光増幅器が、前記シングルモード光ファイバを介して前記送信部に接続されていることを特徴とする。【００４１】
本発明の請求項２４に記載の光送受信システムは、本発明の請求項２２に記載の光送受信システムであって、前記送信部は、前記シングルモード光ファイバに接続された複数波長合波器と、前記複数波長合波器に接続された複数の第２のシングルモード光ファイバと、前記複数の第２のシングルモード光ファイバにそれぞれ接続された複数の送信器とを備え、前記複数波長合波器は、前記複数の送信器の各々から前記複数の第２のシングルモード光ファイバを介して送信された前記下り信号を入力し、当該入力した下り信号を合波して、当該合波した下り信号を前記シングルモード光ファイバに出力することを特徴とする。【００４２】
本発明の請求項２５に記載の光送受信システムは、本発明の請求項２２又は２４に記載の光送受信システムであって、前記受信部は、前記マルチモード光ファイバに接続された複数波長分波器と、前記複数波長分波器に接続された複数の第２のマルチモード光ファイバと、前記複数の第２のマルチモード光ファイバにそれぞれ接続された複数の受信器とを備え、前記複数波長分波器は、前記マルチモード光ファイバから前記上り信号を入力し、当該入力した上り信号を分波して、当該分波した上り信号を前記複数の第２のマルチモード光ファイバを介して前記複数の受信器の各々に出力することを特徴とする。【００４３】
本発明の請求項２６に記載の光送受信システムは、請求項２０に記載の双方向光伝播器と、前記下り信号を送信する送信器と、前記上り信号を受信する受信器とを備える光送受信システムであって、前記双方向光伝播器は、空間レンズ系をさらに含み、前記デュアルモード光ファイバから出力された前記上り信号は、前記合分波手段及び前記空間レンズ系を介してマルチモードで前記受信器に結合し、前記送信器から送信された前記下り信号は、前記合分波手段及び前記空間レンズ系を介してシングルモードで前記デュアルモード光ファイバに結合することを特徴とする。【００４４】
本発明の請求項２７に記載の光送受信システムは、本発明の請求項２６に記載の光送受信システムであって、前記送信器は、前記下り信号を増幅するための光増幅器を内蔵していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によると、下り信号の分岐と上り信号の合流とを同一の光デバイスで実現し、上り信号の合流損失を低減させ、その分だけ等価的にロスバジェットを拡大したのと同様の効果を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、従来技術による複数の光デバイスを組み合わせたＰＯＮシステムの構成図である。
【図２Ａ】図２Ａは、従来技術による光合流器を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、従来技術による光合流器を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施例１に係る光合流分岐器を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、デュアルモード光ファイバ（ＤＭＦ：Ｄｕａｌ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）の半径と屈折率分布との関係を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、ＤＭＦの半径と屈折率分布との関係を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施例２に係る光合流分岐器を用いたシステムを示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施例２に係る光合流分岐器を用いたシステムの他の形態を示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施例３に係る光送受信システムを示す図である。
【図８】図８は、本発明の実施例３に係る光送受信システムの光合流分岐器におけるＤＭＦの拡大図である。
【図９】図９は、本発明の実施例４に係る光合流分岐器を示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の実施例５に係る光合流分岐器を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の実施例５に係る光合流分岐器を示す図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、本発明の実施例５に係る光合流分岐器を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の実施例５に係る光合流分岐器の分岐損失を測定した結果を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の実施例５に係る光合流分岐器の合流損失を測定した結果を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、従来技術による１６×１光合流器を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、従来技術による１６×１光合流器を示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の実施例６に係る光合流分岐器を示す図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の実施例６に係る光合流分岐器を示す図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、本発明の実施例６に係る光合流分岐器を示す図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本発明の実施例６に係る光合流分岐器の分岐損失を測定した結果を示す図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、本発明の実施例６に係る光合流分岐器の合流損失を測定した結果を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施例７に係る光合流分岐器の構成を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施例８に係る光合流分岐器を用いた光送受信システムの構成を示す図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、本発明の実施例８に係る光合流分岐器で用いる非等幅の方向性結合器素子からなるマルチモード変換・合流素子の一例を示した図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、本発明の実施例８に係る光合流分岐器で用いる非等幅の方向性結合器素子からなるマルチモード変換・合流素子の一例を示した図である。
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、本発明の実施例８に係る光合流分岐器で用いる非等幅の方向性結合器素子からなるマルチモード変換・合流素子の一例を示した図である。
【図１８】図１８は、石英系導波路の導波路幅と、０次、１次、２次のモード屈折率との関係とを示すグラフである。
【図１９】図１９は、本発明の実施例９に係る光合流分岐器の構成を示す図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、本発明の実施例９に係る光合流分岐器で用いられる２入力１出力のマルチモード合流素子の構成を示す図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、本発明の実施例９に係る光合流分岐器で用いられる２入力１出力のマルチモード合流素子の構成を示す図である。
【図２１】図２１は、本発明の実施例１０に係る双方向光伝播器を示す図である。
【図２２】図２２は、本発明の実施例１１に係る光送受信システムを示す図である。
【図２３】図２３は、本発明の実施例１１に係る光送受信システムの他の例を示す図である。
【図２４】図２４は、本発明の実施例１２に係る光送受信システムを示す図である。
【図２５】図２５は、本発明の実施例１３に係る光送受信システムを示す図である。
【図２６】図２６は、本発明の実施例１３に係る光送受信システムの他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
（実施例１）
図３は、本発明の実施例１に係る光合流分岐器３００を示す。図３には、デュアルモード光ファイバ（ＤＭＦ：Ｄｕａｌ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）３１０と、ＤＭＦ３１０に接続されたＰＬＣ３２０とを備える光合流分岐器３００が示されている。ＤＭＦ３１０は、マルチモード（ＭＭ：Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ）クラッド３１１及びＭＭコア３１２を備え、ＭＭコア３１２は、シングルモード（ＳＭ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ）クラッド３１３及びＳＭコア３１４を備える。ＰＬＣ３２０は、スラブ導波路３２１と、スラブ導波路３２１に接続されたＳＭ導波路３２２とを備える。なお、図３においてはＰＬＣを用いた場合を例示しているが、図２Ｂに示した融着ＳＭＦ導波路を用いてもよい。
【００４８】
ＤＭＦ３１０は、ＳＭ伝送及びＭＭ伝送の両方に対応した光ファイバである。ＤＭＦ３１０においては、ＳＭ伝送用のＳＭクラッド３１３及びＳＭコア３１４がＭＭ伝送用のＭＭコア３１２となり、ＭＭコア３１２の外側にＭＭ伝送用のＭＭクラッド３１１が形成されている。
【００４９】
図４Ａ及び図４Ｂは、ＤＭＦ３１０の半径と屈折率分布との関係を示す。図４Ａに示されるように、ＤＭＦ３１０の屈折率分布は、ＳＭコア３１４、ＳＭクラッド３１３、ＭＭクラッド３１１の順で、段階的に高くなるように構成される。また、図４Ｂに示されるように、ＤＭＦ３１０の屈折率分布をＳＭクラッド３１３の屈折率が連続変化するように構成してもよい。図４Ｂに示されるようにＳＭクラッド３１３の屈折率を連続変化させるにより、図４Ａに示されるＤＭＦ３１０の屈折率分布と比べて、ＭＭ伝送時におけるモード分散の影響を大幅に低減することができるという利点を有する。
【００５０】
ＰＬＣ３２０のＳＭ導波路３２２に入射された各上り信号はスラブ導波路３２１において合流され、ＤＭＦ３１０のＭＭコア３１２に閉じ込められて伝送される。一方、ＤＭＦ３１０のＳＭコア３１４に入射した下り信号は、ＤＭＦ３１０とスラブ導波路３２１との接続点３３０で一定の角度範囲でＳＭコア３１４から出射され、均等の光強度の光信号に分岐されて、漏れなく各ＳＭ導波路３２２に結合される。
【００５１】
図２Ａに例示した光合流器２００のＭＭＦ２１０に下り信号を入射した場合では、ＭＭＦ２１０から下り信号が出射されるため、図３にＭＭ出射範囲が例示されているように、ＭＭＦ２１０とスラブ導波路２２２との接続点における下り信号の出射角度の範囲が大きい。そのため、下り信号が各ＳＭ導波路３２２に結合されずに大部分が漏れるため、非常に大きな損失が生じる。
【００５２】
しかしながら、ＤＭＦ３１０を活用することにより、この損失を原理的にゼロに近づけることができる。すなわち、本発明の実施例１に係る光合流分岐器３００は、光信号の送受信のように双方向で使用した場合、上り信号に対しては超低損失な光合流器（モード結合器）として機能し、下り信号に対しては１／Ｎの原理的な合流損失を有する通常の光分岐器として機能する。本発明の実施例１に係る光合流分岐器３００をＰＯＮシステム構成に適用すれば、光分岐器及び光合流器を単一品種化することができ、部品点数の削減、及びシステムのコストの低減を実現することができる。
【００５３】
（実施例２）
図５は、本発明の実施例２に係る光合流分岐器５２０を用いたシステム５００を示す。図５には、加入者装置１１０と、光分岐器１２０と、収容局５１０とを備えるシステム５００が示されており、収容局５１０は、光合流分岐器５２０と、送信器５３１及び受信器５３２を備えるＯＬＴ５３０とを備える。
【００５４】
図５に示される光合流分岐器５２０は、実施例１に係る光合流分岐器３００からなる光合流分岐部５２１と、上下信号を合分波するための波長合分波器５２２とをＤＭＦ５２３で接続した構成を有する。図５に示されるように、波長合分波器５２２と送信器５３１との間はＳＭＦ５４０を介して接続され、波長合分波器５２２と受信器５３２との間はＭＭＦ５５０を介して接続される。波長合分波器５２２は、例えば、上り信号を分波し、下り信号を合波するＷＤＭ光フィルタとすることができる。
【００５５】
実施例１に係る光合流分岐器３００からなる光合流分岐部５２１をＰＯＮシステムに適用することにより、図１に示される従来のＰＯＮシステムと比較して、使用する波長合分波器の台数を大幅に削減し、収容局内の構成を大幅に簡略化することができる。
【００５６】
なお、下り信号の伝送路許容損失が上り信号の伝送路許容損失を下回る場合は、送信器５３１の出力側に光増幅器（不図示）を配置して、送信器５３１から出力された光信号の送信光強度を光増幅器により増加させることによって両者のバランスをとってもよい。送信器５３１及び受信器５３２は、光送受信器（光トランシーバ）として、ＳＦＰ（Ｓｍａｌｌ Ｆｏｒｍ Ｆａｃｔｏｒ Ｐｌｕｇｇａｂｌｅ）やＸＦＰ（１０Ｇｉｇａｂｉｔ Ｓｍａｌｌ Ｆｏｒｍ Ｆａｃｔｏｒ Ｐｌｕｇｇａｂｌｅ）等のモジュールと一体化させることが望ましい。必要であれば、モジュール内に下り信号を増幅する光増幅器も内蔵することができる。図５の場合では、モジュールの入出力経路は異なるため、二心光トランシーバとなる。また、本実施例においては、波長合分波器５２２はＷＤＭ光フィルタとしたが、光サーキュレータを用いても同様の効果を得ることができる。
【００５７】
図６は、本発明の実施例２に係る光合流分岐器５２０を用いたシステムの他の形態を示す。図６には、加入者装置１１０と、光分岐器１２０と、収容局６１０とを備えるシステム６００が示されており、収容局６１０は、光合流分岐器６２０と、ＯＬＴ６３０とを備える。
【００５８】
図６に示される光合流分岐器６２０は、実施例１に係る光合流分岐器３００からなる光合流分岐部６２１を使用する。ＯＬＴ６３０は、光合流分岐部６２１とＤＭＦ６２２を介して接続された波長分合波器６３３と、波長分合波器６３３と空間レンズ系６３１を介してＳＭで接続された送信器６３４と、波長分合波器６３３と空間レンズ系６３２を介してＭＭで接続された受信器６３５とを備える。
【００５９】
図６に示されるように、ＷＤＭ光フィルタ又は光サーキュレータなどの波長合分波器６３３をＯＬＴ６３０側に内蔵し、空間レンズ系６３１及び６３２をそれぞれ用いて、送信器１３４及び受信器１３５と接続することで、光トランシーバモジュールを構成することもできる。空間レンズ系６３１を通過するＰＯＮの下り信号は、ＳＭで伝播され、空間レンズ系６３２を通過するＰＯＮの上り信号は、ＭＭで伝播される。
【００６０】
図６に示されるシステム６００の場合、モジュールの入出力経路は同一であるため、一心光トランシーバとなる。このように、送信器及び受信器を光トランシーバモジュール化することで、光送受信システムを小型化及び省スペース化することができることに加え、故障時のモジュール取り換えが容易となる利点がある。
【００６１】
（実施例３）
図７は、本発明の実施例３に係る光送受信システム７００を示す。図７には、加入者装置１１０と、光分岐器１２０と、収容局７１０とを備えるシステム７００が示されており、収容局７１０は、光合流分岐器７２０と、送信器７３１及び受信器７３２を備えるＯＬＴ７３０とを備える。光合流分岐器７２０は、実施例１に係る光合流分岐器３００からなる光合流分岐部７２１と、ＤＭＦ７２２を介して光合流分岐部７２１と接続された波長合分波器７２３とを備える。
【００６２】
光合流分岐器７２０において、ＤＭＦ７２２は、ＳＭクラッドの直径を光合流分岐部７２１から波長合分波器７２３の方向にテーパ状に減少させるように構成されている。図８は、本発明の実施例３に係る光送受信システム７００の光合流分岐器７２０におけるＤＭＦ７２２の拡大図である。図８には、ＭＭクラッド８０１と、ＳＭクラッド８０３及びＳＭコア８０４を備えるＭＭコア８０２とを備えるＤＭＦ７２２が示されている。
【００６３】
図８に示されるように、光合流分岐部７２１側の導波路幅ＷｉｎはＯＬＴ７３０側の導波路幅Ｗｏｕｔよりも大きく、光合流分岐部７２１側からＯＬＴ７３０側に向けて徐々に導波路幅が狭くなるようにＤＭＦ７２２が構成されている。おおよそＭＭコア８０２の平均屈折率とＭＭクラッド８０１の屈折率との差から、損失なく高次モードを低次モードに変換するためのテーパの傾斜が決定される。
【００６４】
このように、テーパの傾斜をＤＭＦ７２２の長手方向に緩やかに形成することにより、ＭＭコア８０２の幅が狭くなることで、許容できる高次のモードが減るため、高次モードは低次モードに変換される。従って、ＭＭコア８０２を伝播する高次モードの光信号は、損失なく低次モードに変換される。これにより、ＭＭ伝送におけるモード分散の影響が低減され、上り信号の伝送距離の拡大を図ることができる。
【００６５】
実施例３に係る光合流分岐器７００を、図１のＰＯＮシステムに適用すれば、光合流分岐部の設定位置を送受信装置の設置位置と離すことも可能となり、収容局内における装置配置の自由度向上に寄与する。ここでは、実施例３に係る光合流分岐器７００を実施例２に適用した場合を示したが、実施例１に適用した場合であっても同様の効果を得ることができる。
【００６６】
（実施例４）
図９は、本発明の実施例４に係る光合流分岐器９００を示す。図９には、光合流分岐部９１０と、ＰＬＣ９２０とを備える光合流分岐器９００が示されている。光合流分岐部９１０は、ＭＭＦ９１１と、波長合分波器９１２と、空間レンズ系９１３と、ＳＭＦ９１４とを備える。ＰＬＣ９２０は、スラブ導波路９２１と、スラブ導波路９２１に接続されたＳＭ導波路９２２とを備える。なお、図９においてはＰＬＣを用いた場合を例示しているが、図２Ｂに示した融着ＳＭＦ導波路を用いてもよい。上り信号及び下り信号を合分波する波長合分波器９１２は、ＷＤＭフィルタや光サーキュレータとすることができる。
【００６７】
本発明の実施例４に係る光合流分岐器９００は、実施例１に係る光合流分岐器３００におけるＤＭＦ３１０の代わりに波長合分波器９１２及び空間レンズ系９１３を用いて構成される。加入者装置からＳＭ導波路９２２に入射された上り信号は、スラブ導波路９２１においてＭＭで合流し、空間レンズ系９１３を透過し、波長合分波器９１２で分波されてＭＭＦ９１１のコアに結合される。ＭＭＦ９１１を用いず、直接受信器に光信号を結合してもよい。
【００６８】
一方、ＳＭＦ９１４に入射された下り信号は、波長合分波器９１２によって合波・反射されて、空間レンズ系９１３を透過してＳＭで伝播されてスラブ導波路９２１に入射される。従って、ＳＭＦ９１４の出射端の光ビームプロファイルがスラブ導波路９２１の入射端に結合されることになる。スラブ導波路９２１に入射された下り信号は、ＤＭＦを用いた場合と同様、スラブ導波路９２１において均等の光強度の光信号に分岐されて、各ＳＭ導波路９２２に結合される。ＳＭＦ９１４を用いず、送信器出力を直接レンズ結合してもよい。
【００６９】
本発明の実施例４に係る光合流分岐器９００をＰＯＮシステムに適用することにより、使用する波長合分波器の台数を大幅に削減し、収容局内の構成を大幅に簡略化することができる。
【００７０】
なお、図示はしていないが、ＭＭＦ及びＳＭＦに結合される受信器及び送信器には、実施例３で示した二心光トランシーバモジュールを用いることができる。一方、ＭＭＦ及びＳＭＦを用いず、信号光を受信器及び送信器に直接レンズ結合する場合は、実施例４に係る光合流分岐器９００、送信器、及び受信器からなる光送受信システム全体を小型化及び省スペース化することができる。本システム全体を、ＱＳＦＰ（Ｑｕａｄ Ｓｍａｌｌ Ｆｏｒｍ Ｆａｃｔｏｒ Ｐｌｕｇｇａｂｌｅ）等のモジュールに一体化し、より一層の小型化、省スペース化も期待できる。
【００７１】
（実施例５）
上記実施例１〜４に係る光合流分岐器では、図３に示されるようなスラブ導波路を用いているが、スラブ導波路を用いたスプリッタ回路では、中心ポートの損失が小さく、端のポートに近づくほど損失が増加し易いという問題がある。そのため、スラブ導波路と各入出力導波路との接続点において、導波路幅を各ポート毎に変えてポート間のバラツキを抑えたり、スラブ長を長くして平均損失が増加することを犠牲にしてポート間のバラツキを抑えたりするなどの工夫がなされてきた。
【００７２】
また、上記実施例１〜４に係る光合流分岐器ではＤＭＦを用いているが、ＤＭＦのＳＭ伝送時の光学特性はＳＭクラッド及びＳＭコアの形状と屈折率によって決まり、ＭＭ伝送時の光学特性はＭＭクラッド及びＭＭコアの形状と屈折率によって決まる。たとえば、ＳＭクラッド及びＳＭコアの屈折率を其々ｎ0,SMとｎ1,SMとしたとき、ＳＭコアが受け入れることができる最大受光角θmax,SMである開口角ＮＡSMは次のように表される。
【００７３】
【数１】
2013046696.tif 000003
【００７４】
また、ＭＭクラッド及びＭＭコアの屈折率を其々ｎ0,MMとｎ1,MMとしたとき、ＭＭコアが受け入れることができる最大受光角θmax,MMである開口角ＮＡMMは次のように表される。
【００７５】
【数２】
2013046696.tif 000004
【００７６】
しかしながら、ＤＭＦを使用して光合流分岐器を構成する場合、ＤＭＦのＳＭクラッド及びＳＭコアで構成されるＳＭ部及びＭＭクラッド及びＭＭコアで構成されるＭＭ部のコア径と開口角とが異なることから、下り信号の分岐損失バラツキ、上り信号の合流損失バラツキ、及び光分岐合流器の平均過剰損失を同時に低い値に設計することは困難であった。
【００７７】
また、光分岐合流器を分岐回路として動作させるためには、ＤＭＦのＳＭ部から出力される光信号の開口角ＮＡＳＭの範囲内に、加工精度等で決まる導波路ギャップｇをとって導波路幅ｗのＳＭ導波路を並べることが必須である。そのため、入出力ポート数がＮの光分岐合流器のスラブ長Ｌは、下記式（３）で決まる値Ｌ１より長く設定する必要がある。
【００７８】
【数３】
2013046696.tif 000005
【００７９】
一方、光分岐合流器を過剰損失なしの合流回路として動作させるには、上り信号がスラブ導波路を伝播した後の上り信号のスポットサイズが、ＤＭＦのＭＭ部のコア径２ａより小さいことが必須である。そのため、ＳＭ導波路の開口角をＮＡSMWGとすると、スラブ長Ｌは下記式（４）で決まる値Ｌ２より短く設定する必要がある。
【００８０】
【数４】
2013046696.tif 000006
【００８１】
以上のように、スラブ長Ｌは、Ｌ１≦Ｌ≦Ｌ２を満たす必要がある。式（３）及び式（４）に示されるように、Ｌ１及びＬ２は、使用する導波路のパラメータに依存する値である。
【００８２】
しかしながら、光ファイバとの接続損失を小さくすることができる石英系埋め込み導波路を用いた場合、入出力ポート数Ｎを８以上とすると、Ｌ１がＬ２より大きくなってしまう。そのため、光分岐合流器が分岐回路として機能し、且つ過剰損失なしの合流回路として動作することができなくなる。すなわち、信号光の入射に用いる光ファイバあるいは光導波路の開口角とスラブ導波路のスラブ長とによってスラブ導波路を伝播する信号光の出射スポットが決まる構造の光分岐合流器においては、ポート数が多くなるとデバイスの合流損を小さくすることができないという課題があった。
【００８３】
以上、説明してきたとおり、システムとして合流損失を下げる工夫がなされているにもかかわらず、光分岐合流器自体が有する合流損失及び損失バラツキを小さくすることができないという問題があった。
【００８４】
図１０Ａ乃至図１０Ｃは、本発明の実施例５に係る光合流分岐器１０００を示す。図１０Ａは、本発明の実施例５に係る光合流分岐器１０００の構成を示す。図１０Ａには、ＤＭＦ１０１０と、光導波路１０２０とを備える光合流分岐器１０００が示されている。ＤＭＦ１０１０は、ＭＭクラッド１０３１１及びＭＭコア１０１２を備え、ＭＭコア１０１２は、ＳＭクラッド１０１３及びＳＭコア１０１４を備える。光導波路１０２０は、ＤＭＦ１０１０に接続されたスラブ導波路１０３２１と、スラブ導波路１０２１に接続されたＳＭ導波路１０２２とを備える。図１０Ａに示されるように、スラブ導波路１０２１は、ＤＭＦ１０１０の光軸の延長線上に設けられた楕円形のコア欠損部１０２３と、スラブ導波路１０２１の境界のうちＤＭＦ１０１０又はＳＭ導波路１０２２に接していない境界に設けられた反射率を強化する反射率強化構造１０２４とを有する。
【００８５】
ＤＭＦ１０１０としては、ＭＭ部の比屈折率差が０．６％、コア径が直径５０μｍであり、ＳＭ部の比屈折率差追加分が０．３％、コア径が１０μｍである光ファイバを用いた。スラブ導波路１０２１及びＳＭ導波路１０２２で構成される光導波路１０２０は、シリコン基板上に火炎堆積法で作製した石英系ガラス膜を反応性イオンエッチングで導波路加工した平面光波回路を用いた。
【００８６】
本発明の実施例５に係る光合流分岐器１０００の合流分岐数は１６ポートであり、光導波路１０２０の比屈折率差は０．３％で、ＳＭ導波路１０２２の導波路幅は７μｍとし、スラブ導波路１０２１の全長は１１５０μｍとした。コア欠損部１０２３は長径が全幅で５０μｍ、短径が全幅で１０μｍとし、ＤＭＦ１０１０の光軸の延長線に対して線対称になるような楕円形の形状を有するように構成した。スラブ導波路１０２２の境界に設けた反射率強化構造１０２４は、ギャップ幅５．２μｍ、ライン幅５．２μｍの線状のコア領域を２列配置した構造を有することにより、スラブ導波路１０２１外へ放射される上り信号光成分を反射してスラブ導波路１０２１中に閉じ込めることが可能である。
【００８７】
図１０Ｂは、実施例５に係る光合流分岐器１０００を用いて作成したチップの全景を表すレイアウト図であり、チップサイズは４ｍｍ×１７ｍｍとなった。また、チップに接続するＳＭＦとＤＭＦとが正対しないように、ＳＭ導波路をＳ字状に配置してＳＭＦ及びＤＭＦのそれぞれの光軸が最小でも７５０μｍ以上オフセットが付くようにチップを設計した。これは、信号光がチップに入射する時に発生する僅かな漏れ光が光導波路のクラッド層を伝播して、再び出射ファイバに入り込むことを防ぐためである。なぜなら、制御されていない漏れ光が出射ファイバに入り込むと、干渉によって信号光の出射強度が変動するためであり、このような漏れ光対策を実施することにより損失バラツキが抑制できるからである。
【００８８】
図１０Ｃは、本発明の実施例５に係る光合流分岐器１０００においてスラブ導波路１０２１上のコア欠損部１０２３周辺、及びＤＭＦ１０１０とスラブ導波路１０２１との接続部直近を拡大した図である。実施例５に係る光合流分岐器１０００では、ＤＭＦ１０３１０の端面から楕円形のコア欠損部１０２３の右端までの距離を２５μｍとし、２列の反射率強化構造１０２４をＤＭＦ１０１０との接続部近傍で消失するように設計した。さらに、分岐損失のバラツキは導波路幅の設定に強く依存するため、分岐損失のバラツキが小さくなるように、導波路幅を端から７．７μｍ、７．５μｍ、８．７μｍ、１１．１μｍ、７．１μｍ、６．７μｍ、６．２５μｍ、６．２５μｍ、６．７μｍ、７．１μｍ、１１．１μｍ、８．７μｍ、７．５μｍ、７．７μｍに設定した。
【００８９】
なお、実施例５においては、スラブ導波路１０２１とＳＭ導波路１０２２との接続部１０４０における導波路の向きには調整を施していない。すなわち、各ＳＭ導波路１０２２の光軸は、いずれもスラブ導波路１０２１とＤＭＦ１０１０との接続点１０３０の方向に向けられている。
【００９０】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、このように設計・作製した１６分岐の光合流分岐器１０００の測定データ１１０２を示し、比較のため光合流分岐器１０００から楕円形のコア欠損部１０２３のみを除いた１６分岐光合流分岐器の測定データ１１０１も併記した。
【００９１】
図１１Ａは、下り信号である波長１．４９μｍにおける、上記２種類の１６分岐合流分岐器の分岐損失を評価した結果である。図１１Ａに示されるように、コア欠損部１０２３のないサンプルの測定データ１１０１では、各ポート間で８．３ｄＢから２５．３ｄＢと大きくばらついたが、楕円形のコア欠損部があるサンプルの測定データ１１０２では、各ポート間で１３．１ｄＢから１３．４ｄＢとバラツキが小さいという結果が得られた。１６分岐の光合流分岐器の原理損失は１２ｄＢなので、本発明の実施例５に係る光合流分岐器１０００の分岐動作時の過剰損は１．１ｄＢから１．４ｄＢという、良好な結果が得られた。
【００９２】
図１１Ｂは、上り信号である波長１．３１μｍにおける、上記に種類の１６分岐の光合流分岐器の合流損失を評価した結果である。図１１Ｂに示されるように、上り信号の合流損失は、コア欠損部１０２３の有無による差は小さかった。なお、本発明の実施例５に係る光合流分岐器の合流損失は、最悪値が３．８ｄＢ、最良値が１．９ｄＢであり、損失の平均値が２．８ｄＢ、損失バラツキが１．９ｄＢであった。
【００９３】
図１２Ａ及び図１２Ｂを用いて、引用文献３に記載された光合流器を本発明に係る光合流分岐器に対する比較対象として説明する。図１２Ａは、引用文献３に記載された従来の光合流器１２００の構成を示す。図１２Ａには、ＭＭＦ１２１０と、光導波路１２２０とを備える従来の光合流器１２００が示されている。ＭＭＦ１２１０は、ＭＭクラッド１２１１及びＭＭコア１２１２を備え、光導波路１２２０は、スラブ導波路１２２１及びＳＭ導波路１２２２を備える。ＭＭＦ１２１０は、直径５０μｍのＧＩ型のファイバとした。
【００９４】
図１２Ｂは、従来の光合流器１２００に入力された下り信号の合流損失についてのポート依存性の測定結果を示す。図１２Ｂにおいて、線１２０１は従来の光合流器１２００に入力された下り信号の合流損失についてのポート依存性のシミュレーション結果を示し、線１２０２は、従来の光合流器１２００に入力された下り信号の合流損失についてのポート依存性の測定結果を示す。
【００９５】
図１２Ｂの線１２０２に示されるように、各ポートから出力された上り信号の合流損失は、最悪値が４．８ｄＢ、最良値が１．８ｄＢであり、損失の平均値が３．３ｄＢ、損失バラツキが３．０ｄＢであった。図１１Ａ及び図１１Ｂ、図１２Ａ及び図１２Ｂに示されるように、出射側のファイバの屈折率分布が違ったり、図１２Ａに示される光合流器では光分岐機能について考慮されていない等の差はあるものの、本発明の実施例５に係る光合流分岐器１０００によって、図１２Ａに示される従来の光合流器１２００と比較して、最悪損失で１ｄＢ、平均値で０．５ｄＢ、バラツキ幅で１．１ｄＢという合流損失の改善が図られた。
【００９６】
このように、実施例５に係る光合流分岐器１０００のように、スラブ導波路１０２１上にコア欠損部１０２３を設けることにより、ＤＭＦ１０１０に入出力される光信号の伝播方向を屈曲させることができるため、損失及び損失バラツキを低減させることが可能になる。特に、コア欠損部１０２３のうち光軸延長線に近い部分が拡散レンズとなるよう設計すれば、ＤＭＦ１０１０のＳＭ部による見かけの開口数を大きくすることができる。すなわち、入出力ポート数が多い場合でも、上記式（３）で表される値Ｌ１を小さくすることが可能になり、スラブ導波路長Ｌを上記式（４）で表される値Ｌ２に近づけることができる。その結果、合流損を低減させることが可能になる。
【００９７】
また、反射率強化構造１０２４を設けることにより、スラブ導波路１０２１外へ放射される上り信号光成分をスラブ導波路１０２１中に閉じ込め、ＤＭＦ１０１０のＭＭ部に上り信号が導かれる割合を増やすことにより、さらに合流損失を低下させることが可能になった。
【００９８】
（実施例６）
図１３Ａ乃至図１３Ｃは、本発明の実施例６に係る光合流分岐器１３００を示す。図１３Ａは、本発明の実施例６に係る光合流分岐器１３００の構成を示す。図１３Ａには、ＤＭＦ１３１０と、光導波路１３２０とを備える光合流分岐器１３００が示されている。ＤＭＦ１３１０は、ＭＭクラッド１３１１及びＭＭコア１３１２を備え、ＭＭコア１３１２は、ＳＭクラッド１３１３及びＳＭコア１３１４を備える。光導波路１３２０は、ＤＭＦ１３１０に接続されたスラブ導波路１３２１と、スラブ導波路１３２１に接続されたＳＭ導波路１３２２と、ダミー導波路１３２６とを備える。スラブ導波路１３２１には、曲率が小さく且つ幅広なフレネルレンズ状の第１のコア欠損部１３２３と、曲率が大きく且つ幅が狭い第２のコア欠損部１３２４と、反射率を強化する反射率強化構造１３２５とが設けられている。
【００９９】
ここで、反射率を強化する反射率強化構造１３２５と幅広なフレネルレンズ状の第１のコア欠損部１３２３とは、主に上り光の合流損失を改善するために設置してある。光導波路１３２０から入射された上り光は、スラブ導波路１３２１中で伝搬方向とは垂直方向に広がろうとする。そのため、スラブ導波路長が前記式（４）に記載のＬ２より長くなると、入射した上り光すべてをＤＭＦ１３１０のＭＭコア部１３１２に結合させるのは難しくなる。もし、ポート数が多いなどの理由によりスラブ導波路長がＬ２より長くならざるを得ないときは、スラブ導波路境界に反射率強化構造１３２５を設けて、より多くの光成分を反射させ、ＤＭＦ１３１０のＭＭコア部１３１２近傍に入射光を集めることにより、上り光の合流損失を改善することができる。
【０１００】
ただし、さらに上り信号の合流損失を改善するには、集めた光の伝搬方向も考慮しなければならない。光導波路１３２０から入射された上り光は、スラブ導波路境界で反射する度に伝搬方向が変更され、反射回数が多い場合はＭＭコア部１３１２の開口角度より大きくなってしまい、ＭＭコア部１３１２に結合できなくなってしまう。そこで、再び結合できる伝搬角度に修正する役割を持つのが第１のコア欠損部１３２３である。ＭＭコア部１３１２直近にスラブ全体を横断する幅広なレンズ部を設ける事で、スラブ導波路端に集まった上り光のうち伝搬方向のためにＭＭコア部１３１２に結合できない上り光成分をＭＭコア部１３１２に結合させることができるため、合流損をさらに改善する事が可能になる。
【０１０１】
ＤＭＦ１３１０は、実施例５で使用されるＤＭＦ１０１０と同じ仕様の光ファイバを用いた。光導波路１３２０も実施例５と同じく比屈折率差０．３％の石英系平面光波回路を用いた。スラブ導波路１３２１の全長は１０７５μｍとした。反射率強化構造１３２５は、スラブ導波路１３２１の境界のうちＤＭＦ１３１０又はＳＭ導波路１３６２２に接していない境界に設けられており、ギャップ幅２．５μｍ、ライン幅２．５μｍの線状のコア領域を１列配置する構成を有する。
【０１０２】
図１３Ｃは、実施例６の光合流分岐器１３００におけるコア欠損部周辺の拡大図を示す。図１３Ｃには、幅広なフレネルレンズ状の複数の第１のコア欠損部１３２３が示されている。複数の第１のコア欠損部１３２３の各々は、すべて右側に凸の平凸レンズ構造をもち、スラブ導波路１３２１を横断するようにＤＭＦ１３１０のＭＭ部の開口角範囲内においてそれぞれ２０μｍ間隔で直列に並べられ、ＤＭＦ１３１０の光軸の延長線に対して線対称になるようにＤＭＦ１３１０の光軸の延長線上に設けられている。なお、コア欠損部１３２３のうち、最もＤＭＦに近接するコア欠損部の平凸レンズ構造の平面がＤＭＦから５９０μｍになるように配置した。複数の第１のコア欠損部６２３の各々の曲率半径は、ＤＭＦ側から５７．６μｍ、５８．８μｍ、６０μｍ、６１．２μｍとした。
【０１０３】
さらに、図１３Ｃに示されるように、ＤＭＦ１３１０の光軸上には、左に凸の非球面平凸レンズ構造を持ち且つ全幅が２０μｍ以下で全長が５２μｍの曲率が大きな第２のコア欠損部１３２４がＳＭ部の開口角範囲を超えない範囲でＤＭＦ１３１０の光軸の延長線に対して線対称になるようにＤＭＦ１３１０の光軸の延長線上に設けられている。
【０１０４】
なお、コア欠損部１３２４の平凸レンズ構造の平面側（右端）と、コア欠損構造１３２３の平凸レンズ構造の平面側（左端）とが重なるように、非球面平凸レンズ構造の平面がＤＭＦから６４０μｍとなるように配置した。なぜなら、平凸レンズの平面側は光を集光（拡散）する力が弱いが、デバイス全体の過剰損失を下げるためには光軸上の屈折率境界面の総数を減らすことが有効だからである。
【０１０５】
上記第１のコア欠損部１３２３はスラブ導波路１３２１を横断するように配置し、幅が狭い第２のコア欠損部１３２４はスラブ導波路１３２１の中央部のみに配置した。なお、コア欠損部の領域が大きいと、光をコア部に閉じ込める事が出来なくなってデバイスの損失が増加するため、第１のコア欠損部１３２３はフレネルレンズ状とし且つ多段に重ねる事によってレンズの焦点距離が短くなるように工夫した短くなるようにした。
【０１０６】
上記の２つのコア欠損部とＤＭＦ１３１０とが近接しているため、ＤＭＦ１３１０のＳＭ部１３１４から入射される下り光は、全光パワーが第１のコア欠損部１３２３を通過し、さらに光パワーのうち殆ど（９０％以上）が第２のコア欠損部１３２４を通過する。すなわち、下り光の光パワーのうち殆ど（９０％以上）が第１のコア欠損部１３２３と第２のコア欠損部１３２４との両方の影響を受ける。
【０１０７】
一方、スラブ導波路１３２１の反対側に接続された光導波路１３２０から入射される上り光は、光導波路端からコア欠損部までの距離が長いため、ビームスポットが拡大した後に、さらに一部はスラブ導波路境界で反射された後にコア欠損部に至る。そのため、コア欠損部近傍では、スラブ導波路１３２１の縦方向の全幅に上り光が拡散する。コア欠損部近傍でスラブ導波路中央から離れた部分を伝搬する上り光は、幅が狭い第２のコア欠損部１３２４の影響を受けず、スラブ導波路１３２１を横断するように配置された第１のコア欠損部１３２３の影響のみを受ける。しかし、スラブ導波路中央を伝搬する上り光は第１のコア欠損部１３２３の影響の他に、弱いながらも第２のコア欠損部１３２４の影響も受ける。伝搬する領域でコア欠損部の影響の差を緩和するため、フレネルレンズ状の第１のコア欠損部１３２３は、スラブ導波路１３２１の中心軸上は３段重ねた構造をしているが、スラブ中心軸から離れた周辺部では４段重ねた構造とした。
【０１０８】
繰り返しになるが、上記の２つのコア欠損部近傍では、下り光はスラブ導波路１３２１の中央部に光パワーが集中し、上り光はスラブ導波路１３２１全域に光パワーが分散する。そのため、下り光は中央部のみに配置された幅が狭い第２のコア欠損部１３２４の影響を強く受け、逆に、上り光はスラブ導波路１３２１を横断するように配置されたフレネルレンズ状の第１のコア欠損部の影響を強く受ける。これらの事象は完全に独立な関係ではないが、前記実施例５に記載の楕円形のコア欠損部のみの光合流分岐器に比べ、設計自由度が１つ増えたことになる。すなわち本発明の本実施例６に記載の光合流分岐器では、下り光の分岐損失と上り光の合流損失との其々に最適なレンズ設計が可能になる。
【０１０９】
レンズ設計の自由度増加により、レンズ設計だけでも分岐損や合流損のバラツキは改善できるが、個々の導波路への分岐損と個々の導波路からの合流損とを其々完全に一致させるには、レンズ設計だけでは十分ではない。そのため、スラブ導波路１３２１とＳＭ導波路１３２２との接続部１３４０において以下の工夫を行って分岐損バラツキと合流損バラツキを抑制した。
【０１１０】
まず、スラブ導波路１３２１とＳＭ導波路１３２２との接続部１３４０においては、ＳＭ導波路１３２２の両脇にダミー導波路１３２６を１本ずつ配置し、さらに、分岐損失のバラツキは導波路幅の設定に強く依存することから、分岐損失のバラツキがさらに小さくなるように、ＳＭ導波路１３２２の導波路幅を端から７．５μｍ、１１．１μｍ、６．７μｍ、６．７μｍ、７．１μｍ、７．１μｍ、７．７μｍ、７．７μｍ、７．０μｍ、７．０μｍ、７．７μｍ、７．７μｍ、７．１μｍ、７．１μｍ、６．７μｍ、６．７μｍ、１１．１μｍ、７．５μｍとした。
【０１１１】
加えて、合流損失のバラツキは主に導波路の向きの設定に強く依存することから、合流損失のバラツキもさらに小さくなるように、ビーム伝搬法で特性解析をしながら各ＳＭ導波路６２２の向きを調整した。その結果、接続部６４０における各ＳＭ導波路６２２の光軸延長線と、ＤＭＦ６１０とスラブ導波路６２１との接続部６３０におけるＤＭＦ６１０の光軸延長線との交点が、接続部６３０の中心に対して±２００μｍの範囲で分布することになった。このように、導波路幅と導波路の向きとの両方を同時に調整すれば、分岐損失のバラツキと合流損失のバラツキの両方をさらに小さな値にすることが可能になる。
【０１１２】
図１３Ｂは、実施例６の光合流分岐器１３００を用いて作成したチップの全景を示すレイアウト図である。図１３Ｂに示されるように、ＳＭＦとＤＭＦとが正対しないように付けたオフセットの最小値は、実施例５に係る光合流分岐器１０００と同じく７５０μｍとし、最終的なチップサイズも同じく４ｍｍ×１７ｍｍになった。
【０１１３】
図１４Ａ及び図１４Ｂは、本発明の実施例６に係る光合流分岐器１３００を用いて作成したチップ測定データである。図１４Ａは、１６分岐の光合流分岐器１３００に入力された波長１．５７μｍの下り信号の光分岐損失についてのポート依存性を評価した結果を示す。図１４Ａの線１４０１に示されるように、実施例６に係る光合流分岐器１３００においては、分岐損失が１３．５ｄｂ付近を推移し、１６分岐の光合流分岐器の原理損失１２ｄＢに対する過剰損は１．５ｄＢから１．６ｄＢであった。また、分岐損失バラツキは０．１ｄＢであり、良好な結果が得られた。
【０１１４】
図１４Ｂは、波長１．２７μｍの上り信号の合流損失のポート依存性を評価した結果を示す。図１４Ｂの線１４０２に示されるように、実施例６に係る光合流分岐器１３００において、各ポートから出力される上り信号の合流損失は、最悪値が２．９ｄＢ、最良値が２．５ｄＢで、損失の平均値が２．７ｄＢ、損失バラツキが０．４ｄＢであった。実施例１に係る光合流分岐器３００に比べて、最悪損失で０．９ｄＢ、平均値で０．１ｄＢ、バラツキ幅で１．５ｄＢという合流損失の改善がさらに図られた。
【０１１５】
このように、実施例６に係る光合流分岐器１３００を用いれば、スラブ中央に配置した第２のコア欠損部１３２４で下り光を屈曲させる事でＤＭＦ１３１０のＳＭ部の見かけの開口数を大きくして合流損失を低減し、さらには反射率強化構造１３２５と、スラブ導波路１３２１を横断するように配置したフレネルレンズ状の第１のコア欠損部１３２３でも合流損失を改善する事が可能になる。さらには、スラブ導波路１３２１とＳＭ導波路１３２２との接続部１３４０において、ＳＭ導波路１３２２の幅を調整する事で分岐損失のバラツキを小さくすることが可能になり、また、ＳＭ導波路１３２２の向きを調整する事で合流損失のバラツキを小さくすることが可能になる。
【０１１６】
上記実施例５及び６で説明したように、実施例５及び６に係る光合流分岐器を用いれば、光合流分岐器自身が有する合流損失や分岐損失バラツキを、上り光信号合流時と下り光信号分岐時の両方において小さく抑えることが可能である。その結果、システム上の工夫でロスバジェットが拡大した光加入者用ＰＯＮシステムにおいて、光分岐合流器の損失バラツキに起因するシステムマージンを小さくし、結果としてその分だけ等価的にロスバジェットを拡大したのと同様の効果を得ることが可能となる。
【０１１７】
（実施例７）
以下で説明される実施例７〜９に係る光合流分岐器は、単一品種の光デバイスで、光加入者ネットワークの下り信号の分岐機能と、上り信号の合流機能と、さらには下り信号と上り信号を合分波する波長合分波機能とを併せ持つことを特徴とする。そのため、実施例７〜９に係る光合流分岐器では、従来のシステム構成において必要である波長合分波器が不要であり、それにより初期投資コストの低減や伝送装置の小型化、さらには故障率の低い実用的なシステムを提供することができるという利点を有する。
【０１１８】
図１５は、本発明の実施例７に係る光合流分岐器１５００の構成を示す。図１５には、ＭＭＦ１５１０と、ＭＭＦ１５１０に接続されたＰＬＣ１５２０と、ＰＬＣ１５２０に接続されたＳＭＦ１５３０とを備える光合流分岐器１５００が示されている。ＰＬＣ１５２０は、ＭＭＦ１５１０に接続されたスラブ導波路１５２１と、スラブ導波路１５２１に接続されたＳＭ導波路１５２２と、スラブ導波路１５２１に挿入された薄膜フィルム型フィルタ（ＴＦＦ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｆｉｌｔｅｒ）１５２３と、スラブ導波路１５２１に設けられた入力信号用スラブ導波路追加部１５２４と、入力信号用スラブ導波路追加部１５２４及びＳＭＦ１５３０に接続された下り信号用入力ポート１５２５とを備える。
【０１１９】
ＴＦＦ１５２３は、ＭＭＦ１５１０の光軸に対して所定の角度傾けられてスラブ導波路３２１に挿入され、下り信号用入力ポート３２５に入力された波長１．４９μｍから１．５７μｍまでの下り信号光を反射し、波長１．２７μｍから１．３１μｍまでの上り信号光を透過するように設計されている。
【０１２０】
ＳＭＦ１５３０から下り信号用入力ポート１５２５を介してＰＬＣ１５２０に入力された下り信号光は、入力信号用スラブ導波路追加部１５２４を通過してＴＦＦ１５２３で反射され、スラブ導波路１５２１を通過して分岐され、図１に示される各加入者装置１１０へと繋がるＳＭ導波路１５２２へと出力される。一方、各加入者装置１１０から各ＳＭ導波路１５２２を介してＰＬＣ１５２０に入力された上り信号光は、スラブ導波路１５２１及びＴＦＦ１５２３を通過してＭＭＦ１５１０へと合流・出射される。
【０１２１】
実施例７に係る光合流分岐器１５００において、ＳＭＦ１５３０の下り信号の入力端に送信器１３４を接続し、ＭＭＦ１５１０の上り信号の出力端に受信器１３５を接続すれば、図１に示した収容局１３０内の複数の光デバイスによって実現できる機能を、実施例７に係る光合流分岐器１５００を用いて実現することができる。
【０１２２】
以上説明したように、実施例７に係る光合流分岐器１５００を用いれば、従来の光送受信システムに比べて部品点数を大幅に削減でき、且つ光デバイスの接続関係も簡便な構成とすることができる。その結果、構成の複雑さ及び部品点数の多さに起因するシステムの初期投資コストの高さや信頼性の低下、さらには多数の光デバイスを装置内に収めなければならないために生じる装置の大型化を抑えることが可能になる。
【０１２３】
しかしながら、ＴＦＦ１５２３の反射率は、信号光の反射角度依存性及び偏波依存性を有し、さらに入力信号用スラブ導波路追加部１５２４及びスラブ導波路１５３２１を伝播する入力信号光のビームプロファイルは必ずしも平坦ではない。そのため、スラブ導波路１５２１とＳＭ導波路１５２２との境界に達するときの入力信号光の光密度は、各ＳＭ導波路１５２２間でバラツキがある。
【０１２４】
このバラツキを補正するために有効な方法として、ＳＭ導波路１５２２の導波路幅を変える方法があるが、ＳＭ導波路１５２２の本数が４本程度を超え、且つ６４本程度以下の場合、導波路幅を変える方法でも理想的に補正することが難しくなる。すなわち、ＳＭ導波路１５２２に接続される入出力ポート数が多い場合は、既存のＹ分岐導波路を連結したスプリッタ構成に比べて、過剰損や入出力ポート間の透過損失のバラツキが著しく大きくなる。その結果、損失の大きい入出力ポートでは信号を受信できなくなるという障害が生じ易くなる。この障害を回避するために、システム設計時にロスバジェットを小さめに設定する必要があるという課題が残る。また、ＴＦＦ１５２３を挿入・固定することにより、工程数が多くなり、製造コストが上昇するという問題がある。
【０１２５】
（実施例８）
図１６は、本発明の実施例８に係る光合流分岐器１６２０を用いた光送受信システム１６００の構成である。図１６には、ＯＬＴ１６１０と、ＯＬＴ１６１０に接続された光合流分岐器１６２０と、光合流分岐器１６２０に接続されたＳＭＦ１６３０とを備える光送受信システム１６００が示されている。ＯＬＴ１６１０は、ＳＭＦ１６１３を介して光合流分岐器１６２０に接続された送信器１６１１と、ＭＭＦ１６１４を介して光合流分岐器１６２０に接続された受信器１６１２とを備える。光合流分岐器１６２０は、ＳＭＦ１６３０にそれぞれ接続された４つのマルチモード変換・合流素子１６２１１〜１６２１４と、各マルチモード変換・合流素子１６２１１〜１６２１４に接続され且つＳＭＦ１６１３を介して送信器１６１１に接続されたスプリッタ素子１６２２とを備える。
【０１２６】
実施例８に係る光合流分岐器１６２０では、４つのマルチモード変換・合流素子１６２１１〜４１６２１４が用いられる。各マルチモード変換・合流素子１６２１１〜１６２１４は、例えば非等幅の方向性結合器素子を用いることができる。各マルチモード変換・合流素子１６２１１〜１６２１４同士は、ＭＭ導波路１６２４につながるポートで直列にＭＭ導波路１６２３を介して接続され、マルチモード変換・合流素子１６２１４にはＭＭＦ１６１４を介して受信器１６１２に接続されている。
【０１２７】
また、マルチモード変換・合流素子１６２１１〜１６２１４においてＳＭ導波路１６２３につながる一方のポートは、ＳＭＦ１６３０を介して加入者装置１１０にそれぞれ接続される。ＳＭ導波路１６２３につながる他方のポートは、スプリッタ素子１６２２に接続され、最終的にはＳＭＦ１６１３を介して送信器１６１１に接続されている。
【０１２８】
送信器１６１１から出力された下り信号は、ＳＭＦ１６１３を介してスプリッタ素子１６２２に出力される。スプリッタ素子１６２２は、それぞれの光強度が等しくなるように、入力した下り信号を分岐してマルチモード変換・合流素子１６２１１〜１６２１４に出力する。マルチモード変換・合流素子１６２１１〜１６２１４は、下り信号入力ポートで下り信号を入力し、入力した下り信号を上下信号入出力ポートを介して各ＳＭＦ１６４３０にそれぞれ出力する。
【０１２９】
各ＳＭＦ１６３０を介してマルチモード変換・合流素子１６２１１〜１６２１４の上下信号入出力ポートに入力された上り信号は、以下で説明する動作を経てそれぞれ合流されて、ＭＭＦ１６１４を介して受信器１６１２に出力される。
【０１３０】
マルチモード変換・合流素子の動作特性を図１７Ａ乃至図１７Ｃに示される非等幅の方向性結合器素子からなるマルチモード変換・合流素子の一例をあげて説明する。まず、図１７Ａ、図１７Ｂおよび図１８を用いて、波長１．２７μｍの上り信号光がモード変換され、合流される様子について説明する。図１７Ａ乃至図１７Ｃには、入力ポート１７１０ｉｎ及び出力ポート１７１０ｏｕｔを有する細幅の導波路１７１０と、入力ポート１７２０ｉｎ及び出力ポート１７２０ｏｕｔを有する太幅の導波路１７２０とを備える非等幅の方向性結合器素子１７００が示されている。また、図１７Ｂには、作用長ｌと、ギャップ幅ｇと、導波路ｗとが例示されている。
【０１３１】
図１７Ａは、０次モード光が２次モード光に変換されてクロスポートに出力される様子を示す。入力ポート１７１０ｉｎ及び出力ポート１７１０ｏｕｔは図１６に示されるＳＭ導波路１６２３にそれぞれ接続され、入力ポート１７２０ｉｎ及び出力ポート１７２０ｏｕｔは図１６に示されるＭＭ導波路１６２４に接続されているものとする。
【０１３２】
図１７Ａに示すように、ＳＭ導波路１６２３につながる入力ポート１７１０ｉｎに波長１．２７μｍの０次モード光が入力されると、非等幅の方向性結合器素子１７１０及び１７２０でモード変換されて、クロスポートであるＭＭ導波路１６２４につながる出力ポート１７２０ｏｕｔへ出力される。モード変換後の光信号の次数が幾つになるかは、細幅の導波路１７１０及び太幅の導波路１７２０の導波路幅ｗの組み合わせによって一意に定まる。
【０１３３】
図１８は、石英系導波路の導波路幅と、０次、１次、２次のモード屈折率との関係を示すグラフである。図１８において、線１８１０〜１８３０はそれぞれ波長１．２７μｍの光信号における０次、１次、２次のモード屈折率と導波路幅との関係を示し、線１８６４０〜１８６０は波長１．５７μｍの光信号における０次、１次、２次のモード屈折率と導波路幅との関係を示す。
【０１３４】
細幅の導波路１７１０の導波路幅ｗを３．５μｍとし、太幅の導波路１７２０の導波路幅ｗを９．２μｍと設定した場合、細幅の導波路１７１０を伝播する波長１．２７μｍの０次モード光（線１８１０）のモード屈折率は、太幅の導波路１７２０を伝播する波長１．２７μｍの１次モード光（線１８２０）のモード屈折率と一致し、位相整合がとれた状態となる。そのため、非等幅方向性結合器素子の作用長ｌ及びギャップ幅ｇを適切に設計すれば、細幅の導波路１７１０につながる入力ポート１７１０ｉｎに波長１．２７μｍの０次モード光を入力すると、クロスポートである太幅の導波路１７２０につながる１７２０ｏｕｔには１次モード光が出力される。
【０１３５】
同様に、細幅の導波路１７１０の導波路幅ｗを３．５μｍとし、太幅の導波路１７２０の導波路幅ｗを１４.９μｍと設定した場合、細幅の導波路１７１０を伝播する波長１．２７μｍの０次モード光（線１８１０）のモード屈折率は、太幅の導波路１７２０を伝播する波長１．２７μｍの２次モード光（線１８３０）のモード屈折率と一致し、位相整合がとれた状態となる。そのため、非等幅の方向性結合器素子の作用長ｌ及びギャップ幅ｇを適切に設計すれば、細幅の導波路１７１０につながる入力ポート１７１０ｉｎに波長１．２７μｍの０次モード光を入力した場合、クロスポートである太幅の導波路１７２０につながる出力ポート１７２０ｏｕｔには２次モード光が出力される。
【０１３６】
一方、図１７Ｂは、入力した０次モード光及び１次モード光が変換されずにスルーポートに出力される様子を示す。図１７Ｂに示すように、入力ポート１７２０ｉｎに入力された波長１．２７μｍの０次モード光及び１次モード光は、モード変換されずに非等幅の方向性結合器素子１７００を通過し、スルーポートである出力ポート１７２０ｏｕｔに出力される。出力ポート１７２０ｏｕｔで出力される０次モード光及び１次モード光の次数が重複しないように導波路幅ｗの組み合わせを設計すれば、図１７Ａ及び図１７Ｂに示した素子構成により低損失なマルチモード変換・合流素子を実現することができる。
【０１３７】
次に、図１７Ｃ及び図１８を用いて、波長１．５７μｍの下り信号光を入射した場合について説明する。図１７Ｃは、入力した０次モード光が変換されずにスルーポートに出力される様子を示す。図１７Ｃに示すように、入力ポート１７１０ｉｎに波長１．５７μｍの０次モード光を入力した場合を考える。
【０１３８】
細幅の導波路１７１０の導波路幅ｗを３．５μｍとし、太幅の導波路１７２０の導波路幅ｗを９．２μｍと設定した場合、波長１．２７μｍの場合ほどではないが位相整合がとれた状態となる。さらに、波長１．５７μｍの信号光は、波長１．２７μｍの信号光に比べて波長が長く、導波路内部への閉じ込めが弱いため、隣り合う導波路を並走するモード間で互いの光分布の裾野が重なり合い、波長１．２７μｍの信号光に比べて強く結合する。
【０１３９】
このように位相整合は完全ではないが結合が強いため、ほぼ半分の作用長で８割以上のモード変換及び信号光の導波路間乗り移りが発生する。さらに、隣り合う導波路間のギャップの幅によって光分布の裾野が重なり合いを調整できることから、波長１．５７μｍの信号光の作用長を１．２７μｍの信号光の作用長の丁度半分に設計することが可能である。
【０１４０】
以上のように、導波路ギャップと作用長を最適に設計すれば、１．２７μｍの信号光が１回結合する間に、１．５７μｍの信号光を２回結合する非等幅の方向性結合器素子を得ることができる。この時、波長１．５７μｍの０次モード光は２回モード変換される。すなわち、元に戻るので見かけ上はモード変換されずに、そのままスルーポートに出力されることになる。
【０１４１】
なお、モード変換の波長依存性及び信号光の導波路間乗り移りの波長依存性は、作用長ｌに対し線形であり、ギャップ幅ｇに対しガウス関数の重なり積分に比例する。そのため、波長１．２７μｍの上り信号光については図１７Ａ及び図１７Ｂに示したような動作がなされ、波長１．５７μｍの下り信号光については図１７Ｃに示したような動作がなされる。これにより、図１７Ａ乃至図１７Ｃに示される動作を両立するマルチモード変換・合流素子を実現することが可能になる。
【０１４２】
よって、図１６に示されるシステムでは、マルチモード変換・合流素子１６２１１〜１６２１４は波長１．５７μｍの下り信号光を入力すると、図１７Ｃに示すように下り信号光をスルーポートに出力することにより、それぞれ下り信号光をＳＭＦ１６２３に出力する。
【０１４３】
また、マルチモード変換・合流素子１６２１１は波長１．２７μｍの上り信号光を入力すると、図１７Ａに示すように上り信号光をクロスポートに出力することにより、上り信号光をマルチモード変換・合流素子１６２１２に出力する。マルチモード変換・合流素子１６２１２〜１６２１４は上り信号光を入力すると、図１７Ｂに示すように上り信号光をスルーポートに出力することにより、上り信号光を最終的に受信器１６１２に出力することになる。
【０１４４】
０次モード光を１次モード光に変換するマルチモード変換・合流素子の場合、細幅の導波路１７１０の導波路幅を３．５μｍ、太幅の導波路１７２０の導波路幅を９．２μｍ、作用長を８００μｍ、及びギャップ幅を２．３μｍとすることができる。０次モード光を２次モード光に変換するマルチモード変換・合流素子の場合は、細幅の導波路１７１０の導波路幅を３．５μｍ、太幅の導波路１７２０の導波路幅を１４.９μｍ、作用長を１１００μｍ、及びギャップ幅を２．３μｍとすることができる。０次モード光を３次モード光に変換するマルチモード変換・合流素子の場合、細幅の導波路１７１０の導波路幅を３．５μｍ、太幅の導波路１７２０の導波路幅を２１．０μｍ、作用長を１４００μｍ、及びギャップ幅を２．３μｍとすることができる。０次モード光を４次モード光に変換するマルチモード変換・合流素子の場合、細幅の導波路１７１０の導波路幅を３．５μｍ、太幅の導波路１７２０の導波路幅を２７．０μｍ、作用長を１８００μｍ、及びギャップ幅を２．６μｍとすることができる。上記のようにマルチモード変換・合流素子を設計した場合、図１７Ａ乃至図１７Ｃに示すような波長合分波機能を併せ持ったマルチモード変換・合流素子を実現することができた。
【０１４５】
上記のような、０次モード光を１次モード光に変換するマルチモード変換・合流素子、０次モード光を２次モード光に変換するマルチモード変換・合流素子、０次モード光を３次モード光に変換するマルチモード変換・合流素子、０次モード光を４次モード光に変換するマルチモード変換・合流素子を図１６に示すように直列に接続し、各マルチモード変換・合流素子の残り２ポートのうち一方をスプリッタ素子１６２２に接続し、他方のポートを各加入者装置１１０へと繋がるＳＭＦ１６３０に接続するように光合流分岐器１６２０を設計した。上記のような光合流分岐器１６２０を作製するために、火炎堆積法による製膜装置及び反応性イオンエッチング加工装置を用いた。
【０１４６】
以上のように作製した実施例８に係る光合流分岐器１６２０は、実施例７に係る光合流分岐素子１５００と比してＴＦＦ１５２３を挿入・固定する工程が省けるため、製造時の人件費に関わる部分を大幅に削減することが可能になる。さらに、ＴＦＦ１５２３への斜入射に起因する偏波依存性を小さく抑えることが可能である。また、ポート数が４以上の時でも既存のＹ分岐導波路を連結したスプリッタ構成に比べて同程度の過剰損や入出力ポート間の透過損失のバラツキが得られ、システム設計時にロスバジェットを小さめに設定する必要がないことが確認された。
【０１４７】
しかしながら、実施例８に係る光送受信システム１６００において加入者装置側のポート数が８を越える光合流分岐器を設計しようとすると、ＭＭ導波路の許容曲げ半径が大きくなることに起因してデバイス長が長くなり、コスト高になるという課題がある。また、実施例８に係る光送受信システム１６００では、任意の波長合分波比率を得るためにそれぞれが大きく異なるギャップ幅を有するマルチモード変換・合流素子を同一デバイス中に必要とする。その結果、デバイスサイズ又は要求される加工精度の高さを考えると、理論的には可能でもコスト面から商用ベースに乗る光分岐合流器ではなくなる。
【０１４８】
なお、ここまで上り信号の波長を１．２７μｍとし、下り信号号の波長を１．５７μｍとして説明してきたが、図１７Ａ乃至図１７Ｃに示したマルチモード変換・合流素子の波長依存性は、波長幅１００ｎｍ程度の領域内では緩やかである。そのため、実施例８に係る光合流分岐器１６２０を、例えば上り信号を波長１．３１μｍ、下り信号を１．４９μｍのＰＯＮシステムに用いても同様の効果が得られる。
【０１４９】
（実施例９）
図１９は、本発明の実施例９に係る光合流分岐器１９００の構成である。図１９には、ＯＬＴ１９１０と、ＰＬＣ１９２０とを備える光合流分岐器１９００が示されている。ＰＬＣ１９２０は、ＳＭＦ１９１３を介してＯＬＴ１９１０の送信器１９１１に接続されたスプリッタ素子１９２１と、ＳＭ導波路１９２４を介して第１のスプリッタ素子１９２１にそれぞれ接続された第２のスプリッタ素子１９２２及び第３のスプリッタ素子１９２３と、ＳＭ導波路１９２４を介して第２のスプリッタ素子１９２２及びＳＭＦ１９６０に接続された第１の回路部１９３０と、ＳＭ導波路１９２４を介して第３のスプリッタ素子１９２３及びＳＭＦ１９６０に接続された第２の回路部１９４０と、ＭＭ導波路１９２５を介して第１の回路部１９３０及び第２の回路部１９４０に接続され且つＭＭＦ１９１４を介してＯＬＴ１９１０の受信器１９１２に接続された２入力１出力マルチモード合流素子１９５０とを備える。
【０１５０】
ＳＭＦ１９６０は、加入者装置１１０に接続されている。第１の回路部１９３０は、導波路幅が等幅の方向性結合器素子からなるマルチモード変換・合流素子１９３１と導波路幅が非等幅の方向性結合器素子からなるマルチモード変換・合流素子１９３２１〜１９３２３とがそれぞれ直列に接続された構成を有する。第２の回路部１９４０は、導波路幅が非等幅である方向性結合器素子からなるマルチモード変換・合流素子１９４１１〜１９４１４をそれぞれ直列に接続された構成を有する。
【０１５１】
第１の回路部１９３０は、ＭＭ導波路１９２５を介してモード次数０、２、４、６の偶数次の信号光を出力するように設計されている。第２の回路部１９４０は、ＭＭ導波路１９２５を介してモード次数１、３、５、７の奇数次の信号光を出力するように設計されている。
【０１５２】
送信器１９１１から出力された下り信号は、ＳＭＦ１９１３を介して第１のスプリッタ素子１９２１に出力される。第１のスプリッタ素子１９２１は、それぞれの光強度が等しくなるように、入力した下り信号を分岐して第２のスプリッタ素子１９２２及び第３のスプリッタ素子１９２３に出力する。第２のスプリッタ素子１９２２は、それぞれの光強度が等しくなるように、入力した下り信号を分岐して第１の回路部１９３０のマルチモード変換・合流素子１９３１、１９３２１〜１９３２３に出力する。第２のスプリッタ素子１９２３は、それぞれの光強度が等しくなるように、入力した下り信号を分岐して第２の回路部１９４０のマルチモード変換・合流素子１９４１１〜１９４１４に出力する。マルチモード変換・合流素子１９３１、１９３２１〜１９３２３、１９４１１〜１９４１４は、下り信号入力ポートで下り信号を入力し、入力した下り信号を上下信号入出力ポートを介して各ＳＭＦ１９６０にそれぞれ出力する。
【０１５３】
各ＳＭＦ１９６０を介して第１の回路部１９７３０のマルチモード変換・合流素子１９３１、１９３２１〜１９３２３の上下信号入出力ポートにそれぞれ入力された上り信号は、第１の回路部１９３０においてそれぞれ合流されて、ＭＭ導波路１９２５を介して２入力１出力マルチモード合流素子１９５０の一方の入力ポートに出力される。各ＳＭＦ１９６０を介して第２の回路部１９４０のマルチモード変換・合流素子１９４１１〜１９４１４の上下信号入出力ポートにそれぞれ入力された上り信号は、第２の回路部１９４０においてそれぞれ合流されて、ＭＭ導波路１９２５を介して２入力１出力マルチモード合流素子１９５０の他方の入力ポートに出力される。２入力１出力マルチモード合流素子１９５０にそれぞれ入力された上り信号は、さらにマルチモード変換・合流されてＭＭＦ１９１４を介して受信器７１２に出力される。
【０１５４】
マルチモード変換・合流素子１９３１は、導波路幅が等幅である方向性結合器素子で構成される。一般に、Ｎポート入出力のマルチモード変換・合流素子は、次数変換に制限があるため高次のモードを発生し易い。モード次数が大きいほど光導波路の導波路幅も太くする必要があるため、高次のモードの場合は出力導波路の許容伝播次数を大きくするために導波路幅を太くする必要がある。また、導波路幅が太くなると、その導波路から光信号を全て受信器に導くためには光受信器の受光径も大きくする必要があり、光受信器の受光径が大きくなると電気的な寄生容量も大きくなって高速の応答ができなくなるため、応答速度が劣化する。また、仮に応答速度を優先して受信器の大きさを小さくすると、導波路からの信号光が光受信器に入りきらずに無駄になるため、この無駄の分だけ受信感度が劣化する。従って、Ｎポート入出力のマルチモード変換・合流素子を使用して高次のモードが発生した場合、受信器の応答速度又は受信感度を制限してしまうという問題がある。
【０１５５】
マルチモード変換・合流素子１９３１を導波路幅が等幅である方向性結合器素子で構成することにより、マルチモード変換・合流素子１９３１を通過する信号光がモード変換されないため、信号光のモード次数が増えない。従って、マルチモード変換・合流素子のみを直列に接続した場合に比べ、出力される次数を下げることが可能になり、結果として受信器の応答速度又は受信感度を制限する要因を緩和することができる。本構成は、Ｎ入力１出力のマルチモード変換・合流素子を複数段使用した場合に特に有利となる。
【０１５６】
図２０Ａは、光合流分岐器１９００において使用される２入力１出力マルチモード合流素子１９５０の構成の一例である。図２０Ａに示されるように、２入力１出力マルチモード合流素子１９５０は、セルフイメージングレングスの半分のマルチモード干渉導波路（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）に２入力２出力のマルチモード導波路ポートが接続された構成を有する。
【０１５７】
この２入力１出力マルチモード合流素子２０００は、モード変換は行わず、偶数次のモードの信号光を入力するとクロスポートに信号光を出力し、奇数次のモードの信号光を入力するとスルーポートに信号光を出力する。すなわち、２入力１出力マルチモード合流素子２０００が第１の回路１９３０から出力されたモード次数０、２、４、６の偶数次の信号光を一方の入力ポートで入力すると、当該一方の入力ポートのクロスポートからモード次数０、２、４、６の信号光が出力される。
【０１５８】
また、２入力１出力マルチモード合流素子２０００が第２の回路１９４０から出力されたモード次数１、３、５、７の奇数次の信号光を他方の入力ポートで入力すると、当該他方の入力ポートのスルーポートからモード次数１、３、５、７の信号光が出力される。各光信号が合流した後の出力導波路においては、光信号のモード次数の重複がないので、原理的な損失なしに光信号のモード変換・合流が可能になる。
【０１５９】
以上説明してきたとおり、図１９に示される光合流分岐器１９００において、第１の回路部１９３０及び第２の回路部１９４０からそれぞれ出力される信号光のモード次数を適切に設計・選択すれば、全体として原理的な損失がなく、加入者側の入出力ポート数が８つである光合流分岐器を実現することができる。また、本発明の実施例９に係る光合流分岐器１９００では、８つのマルチモード変換・合流素子を直列に配置する必要がなく、実施例８に係る光合流分岐器１６００において８つのマルチモード変換・合流素子を使用する場合に比べ、デバイス長を約半分に短尺化することができる。その結果、割高な大型基板を用いなくてもデバイスを作製することが可能となり、デバイスの作製コストを削減できるというメリットがある。
【０１６０】
さらに、図２０Ａに示した２入力１出力マルチモード合流素子の代わりに、図２０Ｂに示した２入力１出力マルチモード変換・合流素子を用いても、図２０Ａに示した場合と同様のメリットを有する光合流分岐器を実現することが可能である。図２０Ｂに示した２入力１出力マルチモード変換・合流素子２０１０は、セルフイメージングレングスの半分のＭＭＩ部分に、二種類の入力ポートと１つの出力ポートが接続された構成を有する。一種類目の入力ポート１９５１はＹ分岐導波路を経てＭＭＩの入力端面の両端に接続され、二種類目の入力ポート１９５２はＭＭＩの入力端面の中央に接続されている。また、出力ポート１９５３は、ＭＭＩの出力端面の中央に接続されている。
【０１６１】
一種類目の入力ポート１９５１は、Ｙ分岐導波路で信号光が二分岐されてからＭＭＩの入力端面に至るまでの分岐した一方の導波路と他方の導波路との光路長差が信号光波長の半分（λ／２）となるように構成されている。図２０Ｂに示される２入力１出力マルチモード変換・合流素子２０１０においては、一種類目の入力ポート１９５１に入力される信号光のモード次数Ｎが偶数の場合、信号光がモード次数２Ｎ＋１に変換されて出力される。また、二種類目の入力ポート１９５２に入力される信号光のモード次数Ｍが奇数の場合、信号光がモード変換されずにモード次数Ｍのまま出力ポートに出力され、一種類目の入力ポート１９５１を介して出力されるモード変換された信号光と合流する。第１の回路部１９３０及び第２の回路部１９４０からそれぞれ出力される信号光のモード次数を各々、０、２、４、６と３、７、１１、１５とになるように設計すれば、図２０Ｂに示した２入力１出力マルチモード変換・合流素子２０１０の出力導波路における合流後のモード次数は、各々１、５、９、１３と３、７、１１、１５となる。
【０１６２】
その結果、モード次数の重複がないので、原理的な損失なしにモード変換・合流が可能になる。デバイス長も図２０Ａに示した２入力１出力マルチモード合流素子を用いた場合と同様に短尺化が可能であり、その結果、デバイスの作製コストを削減できるというメリットがあるというのは言うまでもない。
【０１６３】
実施例９においては、２組の回路部（第１の回路部１９３０並びに第２の回路部１９４０）、及び入力が２つである２入力１出力マルチモード変換・合流素子１９５０を用いて説明したが、Ｎ組以上の回路部を有し、２つ以上の入力を有するＮ入力１出力マルチモード変換・合流素子（Ｎは２以上の整数）を備えるように本発明の実施例９に係る光合流分機器を構成してもよい。
【０１６４】
上記実施例７〜９で説明したように、実施例７〜９に係る光合流分岐器は、単一品種の光デバイスで、光加入者ネットワークの下り信号の分岐機能と、上り信号の合流機能と、さらには下り信号と上り信号を合分波する波長合分波機能とを併せ持つ。また、損失のポート間バラツキの削減、作製コストの削減、デバイスサイズを小型化なども可能である。従って、本発明の実施例７〜９に係る光合流分岐器を用いることによって、光加入者システムにおいて、初期投資コストの低減や伝送装置の小型化、さらには故障率の低い実用的なシステムを提供することができるという利点を有する。
【０１６５】
（実施例１０）
図２１は、本発明の実施例１０に係る双方向光伝播器２１００を示す。図２１には、ＭＭＦ２１１０と、波長合分波器２１２０と、ＤＭＦ２１３０と、ＳＭＦ２１４０とを備える双方向光伝播器２１００が示されている。波長合分波器２１２０は、３つの入出力ポートを有することができ、当該３つの入出力ポートに、それぞれ、ＭＭＦ２１１０、ＤＭＦ２１３０、及びＳＭＦ２１４０を接続することができる。波長合分波器２１２０としては、ＷＤＭフィルタ又は光サーキュレータを用いることができる。
【０１６６】
本発明の実施例１０に係る双方向光伝播器２１００において、加入者装置からＤＭＦ２１３０に入射された上り信号は、ＤＭＦ２１３０においてＭＭで伝播して、波長合分波器２１２０によって分波されてＭＭＦ２１１０のコアに結合される。一方、ＳＭＦ２１４０に入射された下り信号は、波長合分波器２１２０によって合波され、ＤＭＦ２１３０においてＳＭで伝播される。
【０１６７】
（実施例１１）
図２２は、本発明の実施例１１に係る光送受信器２２００を示す。図２２に示されるように、図２１で示される光合流分岐器２１００のＭＭＦ２１１０に受信器２２１０を接続し、ＳＭＦ２１４０に送信器２２２０を接続することにより、光送受信器２２００を構成することができる。また、図２３に示されるように、図２２で示される光合流分岐器２２００のＳＭＦ２１４０を介して光増幅器２３１０を送信器２２２０に接続することにより光送受信器２３００を構成することもできる。
【０１６８】
（実施例１２）
図２４は、本発明の実施例１２に係る光送受信器２４００を示す。図２４には、図２１で示される光合流分岐器２１００のＭＭＦ２１１０に受信部２４１０が接続され、ＳＭＦ２１４０に送信部２４２０が接続された光送受信器２４００が示されている。
【０１６９】
図２４に示されるように、受信部２４１０は、ＭＭＦ２１１０に接続された複数波長分波器２４１１と、複数波長分波器２４１１に接続された複数のＭＭＦ２４１２と、複数のＭＭＦ２４１２にそれぞれ接続された複数の受信器２４１３とを備え、送信部２４２０は、ＳＭＦ２１４０に接続された複数波長合波器２４２１と、複数波長合波器２４２１に接続された複数のＳＭＦ２４２２と、複数のＳＭＦ２４２２にそれぞれ接続された複数の送信器２４２３とを備える。
【０１７０】
複数波長分波器２４１１は、ＭＭＦ２１１０から上り信号を入力し、入力した上り信号を分波して、分波した上り信号を複数のＭＭＦ２４１２を介して複数の受信器２４１３にそれぞれ出力する。複数波長合波器２４２１は、複数の送信器２４２３の各々から複数のＳＭＦを介して下り信号を入力し、入力した下り信号を合波して、合波した下り信号をＳＭＦ２１４０に出力する。
【０１７１】
なお、図２４においては、ＭＭＦ２１１０に受信部２４１０が接続され、ＳＭＦ２１４０に送信部２４２０が接続された光送受信器２４００を示したが、ＭＭＦ２１１０及びＳＭＦ２１４０のいずれか一方に、受信部２４１０又は送信部２４２０を接続し、他方には図２２に示されるような受信器２２１０又は送信器２２２０を接続するように光送受信器を構成してもよい。このような構成とすることにより、光信号の受信及び／又は送信をＷＤＭ対応化した光送受信器２４００を実現することができる。
【０１７２】
（実施例１３）
図２５は、本発明の実施例１３に係る光送受信器２５００を示す。図２５には、受信器２５１０と、波長合分波器２５２１及び空間レンズ系２５２２と、ＤＭＦ２５３０と、送信器２５４０とを備える光送受信器２５００が示されている。空間レンズ系２５２２は、波長合分波器２５２１とＤＭＦ２５３０との間に設置され、上り信号を受信器２５１０に結合し、下り信号をＤＭＦ２５３０のＳＭコアに結合するように構成されている。
【０１７３】
本発明の実施例１３に係る光合流分岐器２５００においては、加入者装置からＤＭＦ２５３０に入射された上り信号は、ＤＭＦ２５３０においてＭＭで伝播して空間レンズ系２５２２を透過し、波長合分波器２５２１によって分波されて受信器２５１０に受信される。一方、送信器２５４０から送信された下り信号は、波長合分波器２５２１によって合波・反射され、空間レンズ系２５２２を透過してＳＭで伝播されてＤＭＦ２５３０のＳＭコアに結合する。
【０１７４】
また、図２６に示されるように、図２５で示される光合流分岐器２５００の送信器２５４０に光増幅器を内蔵した光増幅器集積光送信器２６１０を用いて光送受信器２６００を構成することもできる。
【０１７５】
なお、図９、図２５、図２６中には、レンズを一枚使用し、ＤＭＦと波長合分波器との間にレンズを配置した場合の空間レンズ系９１３及び２５２２が示されているが、これに限定されず、空間レンズ系９１３及び２５２２で使用されるレンズの枚数や配置位置等は、適宜変更することができる。
【０１７６】
以上、本発明について、いくつかの実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施例は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。ここに例示した実施例は、本発明の趣旨から逸脱することなく構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１７７】
本発明は、光加入者ネットワークに用いられる光合流分岐器、双方向光伝播器、及び光送受信システムとして利用することができる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年12月8日(2014.12.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正９】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の上り信号をマルチモードで合流して出力し、下り信号をシングルモードで分岐して出力する光合流分岐手段と、
前記光合流分岐手段から出力された前記上り信号をマルチモードで伝播させて出力し、前記下り信号をシングルモードで伝播させて前記光合流分岐手段に出力する双方向光伝播手段と
を備えることを特徴とする光合流分岐器。
【請求項２】
前記双方向光伝播手段が、デュアルモード光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の光合流分岐器。
【請求項３】
前記デュアルモード光ファイバのシングルモード伝播に用いられるクラッドの直径は、前記デュアルモード光ファイバの一端からテーパ状に減少することを特徴とする請求項２に記載の光合流分岐器。
【請求項４】
前記デュアルモード光ファイバを伝播した前記上り信号をマルチモードで分波し、前記下り信号をシングルモードで合波する合分波手段をさらに備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の光合流分岐器。
【請求項５】
前記双方向光伝播手段は、空間レンズ系で構成され、前記空間レンズ系は、
前記光合流分岐手段から出力された前記上り信号を透過してマルチモードで出力し、前記下り信号を透過してシングルモードで前記光合流分岐手段に出力するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光合流分岐器。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の光合流分岐器に、前記下り信号を送信する送信器、及び前記合流した上り信号を受信する受信器を接続したことを特徴とする光送受信システム。
【請求項７】
前記送信器に、前記下り信号を増幅するための光増幅器を接続したことを特徴とする請求項６に記載の光送受信システム。
【請求項８】
前記光合流分岐手段は、平面光波回路に形成され、前記デュアルモード光ファイバと光学的に接続されたスラブ導波路と、前記スラブ導波路及び複数本のシングルモード光ファイバに光学的に接続された複数本のシングルモード導波路とを備え、
前記スラブ導波路は、前記デュアルモード光ファイバの光軸延長線に対して線対称になるように前記デュアルモード光ファイバの光軸延長線上に設けられたコア欠損部を有することを特徴とする請求項２に記載の光合流分岐器。
【請求項９】
前記コア欠損部は、楕円形状となるように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の光合流分岐器。
【請求項１０】
前記コア欠損部は、前記デュアルモード光ファイバのマルチモード部の開口角範囲に設けられた複数の第１のコア欠損部分と、前記デュアルモード光ファイバのシングルモード部の開口角範囲に設けられた第２のコア欠損部分とを有し、前記第２のコア欠損部分は、前記第１のコア欠損部分の各々よりも曲率が大きいことを特徴とする請求項８に記載の光合流分岐器。
【請求項１１】
前記スラブ導波路は、前記下り信号及び前記上り信号を反射して前記スラブ導波路中に閉じ込めるように構成された前記反射率強化構造を有することを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の光合流分岐器。
【請求項１２】
前記シングルモード導波路の各々の導波路幅は、前記スラブ導波路との接続部において互いに異なり、
前記接続部における前記シングルモード導波路の光軸延長線は、前記シングルモード導波路の各々ごとに、前記デュアルモード光ファイバの光軸延長線と交差する点が互いに異なることを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載の光合流分岐器。
【請求項１３】
前記光合流分岐手段は、
前記複数の上り信号をマルチモードで合流し、前記下り信号をシングルモードで分岐するスラブ導波路と、
前記スラブ導波路を介して出力された前記上り信号を入力してマルチモードで伝播するマルチモード光ファイバと、
前記スラブ導波路を介して出力された前記下り信号を入力してシングルモードで伝播する複数のシングルモード光ファイバと
を備え、前記スラブ導波路は、
前記下り信号を入力するための入力ポートと、
前記入力ポートを介して入力された前記下り信号を反射して前記複数のシングルモード光ファイバに出力し、前記上り信号を透過して前記マルチモード光ファイバに出力するように、前記マルチモード光ファイバの光軸に対して所定の角度傾けられて前記スラブ導波路中に設けられたフィルタ部と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光合流分岐器。
【請求項１４】
前記光合流分岐手段は、
前記下り信号を分岐する分岐素子と、
前記複数の上り信号及び前記分岐された下り信号の各々を入出力するための複数のシングルモード光ファイバと、
前記分岐された下り信号をそれぞれ入力して前記複数のシングルモード光ファイバの各々に出力し、前記複数のシングルモード光ファイバを介して入力された前記複数の上り信号をマルチモードで合流する複数のマルチモード変換・合流素子と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光合流分岐器。
【請求項１５】
前記複数のマルチモード変換・合流素子は、導波路幅が非等幅の方向性結合器素子から構成され、
前記上り信号は、モード変換された後に前記マルチモード変換・合流素子のクロスポートに出力され、前記下り信号は、モード変換されずに前記マルチモード変換・合流素子のスルーポートに出力されることを特徴とする請求項１４に記載の光合流分岐器。
【請求項１６】
前記分岐素子は、前記分岐された下り信号の光強度がそれぞれ等しくなるように前記下り信号を分岐する等分配光スプリッタ素子から構成され、前記複数のマルチモード変換・合流素子は、マルチモード導波路を介して直列に接続され、当該直列接続された複数のマルチモード変換・合流素子の各々の下り信号入力用ポートは、前記等分配光スプリッタ素子に接続されていることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の光合流分岐器。
【請求項１７】
前記複数のマルチモード変換・合流素子は、Ｎ組の前記直列接続された複数のマルチモード変換・合流素子を構成し、
前記光合流分岐器は、前記Ｎ組の直列接続された複数のマルチモード変換・合流素子の各組にマルチモード導波路を介して接続されたＮ入力１出力のマルチモード変換・合流素子をさらに備え、
前記Ｎ組の直列接続されたマルチモード変換・合流素子の各組でマルチモード変換・合流された上り信号は、前記Ｎ入力１出力のマルチモード変換・合流素子でマルチモード変換・合流されることを特徴とする請求項１６に記載の光合流分岐器。
【請求項１８】
前記上り信号と前記下り信号とを波長合分波する導波路幅が等幅の方向性結合器素子をさらに備え、前記等幅の方向性結合器素子は、前記複数のマルチモード変換・合流素子とマルチモード導波路を介して直列に接続され、前記等幅の方向性結合器素子の下り信号入力用ポートは、前記等分配光スプリッタ素子に接続されていることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の光合流分岐器。
【請求項１９】
前記双方向光伝播手段は、前記下り信号を入力して前記光合流分岐手段に出力するための前記シングルモード光ファイバと、前記光合流分岐手段から出力された前記上り信号を入力するマルチモード光ファイバとを備えることを特徴とする請求項１３に記載の光合流分岐器。
【国際調査報告】
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