(57)【要約】      （修正有）【課題】マルチモード光ファイバを用いたモード多重伝送システムにおいて、伝送路を複雑にすることなく、伝送路で発生するＤＭＤ（低モード間群遅延差）や各種光学特性のモード間の差を補償し、通信システムの伝送容量や伝送距離への影響が少ないモード交換器を提供する。【解決手段】モード変換器３０１は、導波路の配置により異なるモード間で結合する結合部やモード回転子５０を平面光導波路（ＰＬＣ）に造り込み、入力されたモードが異なる信号光間で巡回的にモード交換することとした。モード交換器は、モードの巡回交換ができるため、伝送路内に当該モード交換器を挿入するだけで伝送路で発生するＤＭＤや各種光学特性のモード間の差を補償することができる。【選択図】図４
2018146754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成され、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの３つのモードを伝搬可能な第１導波路と、
前記基板上で前記第１導波路に並列される第２導波路と、
前記基板上の前記第１導波路と前記第２導波路とで構成され、前記第１導波路と前記第２導波路との間で光のパワーを移行する３つの結合部と、
前記第１導波路の一端に接続され、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換するモード回転子と、
を備え、
前記結合部のうちの２つの結合部は、前記第２導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と前記第１導波路を伝搬するＬＰ１１ａモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さであり、
前記結合部のうち前記２つの結合部に挟まれる結合部は、前記第１導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と前記第２導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである
ことを特徴とするモード変換器。
【請求項２】
基板上に形成され、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの３つのモードを伝搬可能な第１導波路と、
前記基板上で前記第１導波路に並列される第２導波路と、
前記基板上で前記第１導波路に並列される第３導波路と、
前記基板上の前記第１導波路と前記第２導波路とで構成され、前記第１導波路と前記第２導波路との間で光のパワーを移行する３つの第１結合部と、
前記基板上の前記第１導波路と前記第３導波路とで構成され、前記３つの第１結合部を挟むように配置され、前記第１導波路と前記第３導波路との間で光のパワーを移行する２つの第２結合部と、
前記第１導波路の一端に接続された、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換する第１モード回転子と、
前記２つの第２結合部の間にあり、前記３つの第１結合部を挟むように前記第１導波路上に配置され、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換する２つの第２モード回転子と、
を備え、
前記第１結合部のうちの２つの結合部は、前記第２導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と前記第１導波路を伝搬するＬＰ１１ａモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さであり、
前記第１結合部のうち前記２つの結合部に挟まれる結合部は、前記第１導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と前記第２導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さであり、
前記２つの第２結合部は、前記第３導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と前記第１導波路を伝搬するＬＰ１１ａモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである
ことを特徴とするモード変換器。
【請求項３】
基板上に形成され、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの３つのモードを伝搬可能な第１導波路と、
前記基板上で前記第１導波路に並列される第２導波路と、
前記基板上で前記第１導波路に並列される第３導波路と、
前記基板上の前記第１導波路と前記第２導波路とで構成され、前記第１導波路と前記第２導波路との間で光のパワーを移行する結合部Ｂ、結合部Ｃ及び結合部Ｅと、
前記基板上の前記第１導波路と前記第３導波路とで構成され、前記第１導波路と前記第３導波路との間で光のパワーを移行する結合部Ａ及び結合部Ｄと、
前記第１導波路上に配置され、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換する２つのモード回転子と、
を備え、
前記結合部Ａ、前記結合部Ｂ、前記結合部Ｃ、前記結合部Ｄ及び前記結合部Ｅは、一端から他端に向けて順に配置され、前記２つのモード回転子のうちの１つは前記結合部Ａと前記結合部Ｂとの間に配置され、前記２つのモード回転子のうちの他は前記結合部Ｄと前記結合部Ｅとの間に配置されており、
前記結合部Ａ、前記結合部Ｂ、前記結合部Ｄ及び前記結合部Ｅは、前記第２導波路もしくは前記第３導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と前記第１導波路を伝搬するＬＰ１１ａモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さであり、
前記結合部Ｃは、前記第１導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と前記第２導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである
ことを特徴とするモード変換器。
【請求項４】
基板上に形成され、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの３つのモードを伝搬可能な１本の導波路と、
前記導波路に形成され、幅が周期的に変化してＬＰ０１とＬＰ１１ａとをモード変換する、もしくは高さが周期的に変化してＬＰ０１とＬＰ１１ｂとをモード変換するグレーティング部と、
前記導波路に形成され、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換するモード回転子と、
を備えるモード変換器。
【請求項５】
３つの分波ポートと１つの合波ポートを有する２つのモード合分波器と、
前記２つのモード合分波器の間で、互いに異なる前記分波ポート同士を１：１で接続する交差導波路部と、
を備え、
前記モード合分波器は、
基板上に形成され、一端が１つの前記分波ポートに接続し、他端が合波ポートに接続し、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの３つのモードを伝搬可能な第１導波路と、
前記基板上で前記第１導波路に並列され、一端が他の２つの前記分波ポートにそれぞれ接続する２つの第２導波路と、
前記基板上の前記第１導波路とそれぞれの前記第２導波路とで構成され、前記第１導波路と前記第２導波路との間で光のパワーを移行する２つの結合部と、
前記２つの結合部との間の前記第１導波路上に配置され、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換するモード回転子と、
を備え、
前記結合部は、前記第２導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と前記第１導波路を伝搬するＬＰ１１ａモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである
ことを特徴とするモード変換器。
【請求項６】
基板上に形成され、前記基板からの高さが一定であり、ｎ個（ｎは４以上の整数）のモードを伝搬可能な１本の導波路と、
前記導波路に形成され、幅が周期的に変化するグレーティング部と、
前記導波路に形成され、縮退モードの一つを他方の縮退モードへ変換するモード回転子と、
を備え、入力されるｎ個のモードのそれぞれを、入力されたモードとは異なるモードへ変換することを特徴とするモード変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、マルチモード光ファイバを利用するモード多重伝送システムにおいて、伝搬するモード間のパワーを交換する機能を有するモード制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信システムでは、光ファイバ中で発生する非線形効果やファイバヒューズが問題となり、伝送の大容量化が制限されている。これらの制限を緩和するためには、光ファイバに導波する光の密度を低減する必要があり、非特許文献１に示すように大コアファイバが検討されている。
【０００３】
しかし、曲げ損失低減、単一モード動作領域の拡大、実効断面積の拡大は互いにトレードオフの関係にあり、所定の条件下における実効断面積の拡大量には限界があるという課題があった。そこで、伝送ファイバにマルチモードファイバを用い、伝搬する複数のモードを用いて並列伝送を行うモード多重伝送システムが、飛躍的な大容量化を実現する技術として検討されている（例えば、非特許文献２を参照。）。
【０００４】
モード多重伝送システムにおいては、送信機から発せられる複数の信号を別々のモードとして光ファイバ中を伝搬させるため、モード合分波器が提案されている（例えば、非特許文献３、４を参照。）。
【０００５】
また、伝送路中で発生するモード間の結合を、受信端のＭＩＭＯ信号処理で補償する光ＭＩＭＯ伝送が提案されている。また、モード間の群遅延差が大きいとＭＩＭＯ信号処理の負荷が増大することから、低モード間群遅延差（ＤＭＤ）ファイバの検討が行われている（例えば、非特許文献５、６を参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｔ．  Ｍａｔｓｕｉ，  ｅｔ  ａｌ．，  “Ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｗｉｔｈ  Ｕｎｉｆｏｒｍ  Ａｉｒ−Ｈｏｌｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｔｏ  Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ  ａｎｄ  Ｗｉｄｅ−Ｂａｎｄ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｏｖｅｒ  Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｂａｎｄｓ”，  Ｊ．  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  ２７，  ５４１０−５４１６，  ２００９．
【非特許文献２】Ｎ．  Ｈａｎｚａｗａ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｏｖｅｒ  １０  ｋｍ  ｔｗｏ−ｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒ  ｗｉｔｈ  ｍｏｄｅ  ｃｏｕｐｌｅｒ”，  ＯＦＣ２０１１，  ｐａｐｅｒ  ＯＷＡ４  （２０１１）
【非特許文献３】Ｎ．Ｈａｎｚａｗａ  ｅｔ  ａｌ．，“Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  ｐａｒａｌｌｅｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｗｉｔｈ  ｍｏｄｅ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｆｏｒ  ｍｏｄｅ  ａｎｄ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”，ＯＦＣ２０１２、ＯＴｕ１ｌ．４．
【非特許文献４】Ｎ．  Ｈａｎｚａｗａ  ｅｔ  ａｌ，  “Ｍｏｄｅ  ｍｕｌｔｉ／ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ｐａｒａｌｌｅｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｆｏｒ  ｍｏｄｅ  ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”，  Ｏｐｔ．  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ｖｏｌ．２２，  ｐｐ．  ２９３２１−２９３３０  （２０１４）
【非特許文献５】Ｒ．  Ｒｙｆ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  ｏｖｅｒ  ９６  ｋｍ  ｏｆ  ｆｅｗ−ｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒ  ｕｓｉｎｇ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ６  ×  ６  ＭＩＭＯ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”，  Ｊ．  Ｌｉｇｈｔｗ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，  ｖｏｌ．  ３０，  ｐｐ．  ５２１−５３１  （２０１２）．
【非特許文献６】Ｔ．  Ｍｏｒｉ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｆｅｗ−ｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒｓ  ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ  ｍｏｒｅ  ｔｈａｎ  ｔｗｏ  ＬＰ  ｍｏｄｅｓ  ｆｏｒ  ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ−ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ＭＩＭＯ  ＤＳＰ”，  Ｊ．  Ｌｉｇｈｔｗ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，  ｖｏｌ．  ３２，  ｐｐ．  ２４６８−２４７９  （２０１４）．
【非特許文献７】：Ｋ．  Ｓａｉｔｈ  ｅｔ  ａｌ．，  “ＰＬＣ−ｂａｓｅｄ  ＬＰ１１  ｍｏｄｅ  ｒｏｔａｔｏｒ  ｆｏｒ  ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”，  Ｏｐｔ．  Ｅｘｐｒｅｓｓ，  ｖｏｌ．２２，  ｐｐ．１９１１７−１９１３０  （２０１４）．
【非特許文献８】Ｓ．Ｓａｖｉｎ，  他，  “Ｔｕｎａｂｌｅ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｌｏｎｇ−ｐｅｒｉｏｄ  ｆｉｂｅｒ  ｇｒａｔｉｎｇｓ”，  ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ／Ｖｏｌ．２５，  Ｎｏ．１０  ／  Ｍａｙ  １５，  ２０００
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ファイバの製造誤差によりファイバのＤＭＤの低減には限界がある。さらに、非特許文献６に記載のＤＭＤ補償伝送路においては２種類の光ファイバが必要となり、伝送路が複雑になるという課題がある。そして、２種類の光ファイバを用いる伝送路においては、モード間で伝送損失、波長分散、偏波分散などの光学特性も異なり、このモード依存特性差はＭＩＭＯ信号処理を行ったとしても復元信号の品質劣化を招く。つまり、２種類の光ファイバを用いる伝送路での伝送品質の劣化は、通信システムの伝送容量及び伝送距離を制限するという課題もある。。
【０００８】
そこで、本発明は、前記課題を解決するために、マルチモード光ファイバを用いたモード多重伝送システムにおいて、伝送路を複雑にすることなく、伝送路で発生するＤＭＤや各種光学特性のモード間の差を補償し、通信システムの伝送容量や伝送距離への影響が少ないモード交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係るモード変換器は、導波路の配置により異なるモード間で結合する結合部やモード回転子を平面光導波路（Ｐｌａｎａｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ；ＰＬＣ）に造り込み、入力されたモードが異なる信号光間で巡回的にモード交換することとした。
【００１０】
具体的には、本発明に係る第１のモード交換器は、
基板上に形成され、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの３つのモードを伝搬可能な第１導波路と、
前記基板上で前記第１導波路に並列される第２導波路と、
前記基板上の前記第１導波路と前記第２導波路とで構成され、前記第１導波路と前記第２導波路との間で光のパワーを移行する３つの結合部と、
前記第１導波路の一端に接続され、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換するモード回転子と、
を備え、
前記結合部のうちの２つの結合部は、前記第２導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と前記第１導波路を伝搬するＬＰ１１ａモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さであり、
前記結合部のうち前記２つの結合部に挟まれる結合部は、前記第１導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と前記第２導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである
ことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る第２のモード交換器は、
基板上に形成され、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの３つのモードを伝搬可能な第１導波路と、
前記基板上で前記第１導波路に並列される第２導波路と、
前記基板上で前記第１導波路に並列される第３導波路と、
前記基板上の前記第１導波路と前記第２導波路とで構成され、前記第１導波路と前記第２導波路との間で光のパワーを移行する３つの第１結合部と、
前記基板上の前記第１導波路と前記第３導波路とで構成され、前記３つの第１結合部を挟むように配置され、前記第１導波路と前記第３導波路との間で光のパワーを移行する２つの第２結合部と、
前記第１導波路の一端に接続された、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換する第１モード回転子と、
前記２つの第２結合部の間にあり、前記３つの第１結合部を挟むように前記第１導波路上に配置され、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換する２つの第２モード回転子と、
を備え、
前記第１結合部のうちの２つの結合部は、前記第２導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と前記第１導波路を伝搬するＬＰ１１ａモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さであり、
前記第１結合部のうち前記２つの結合部に挟まれる結合部は、前記第１導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と前記第２導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さであり、
前記２つの第２結合部は、前記第３導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と前記第１導波路を伝搬するＬＰ１１ａモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである
ことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る第３のモード交換器は、
基板上に形成され、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの３つのモードを伝搬可能な第１導波路と、
前記基板上で前記第１導波路に並列される第２導波路と、
前記基板上で前記第１導波路に並列される第３導波路と、
前記基板上の前記第１導波路と前記第２導波路とで構成され、前記第１導波路と前記第２導波路との間で光のパワーを移行する結合部Ｂ、結合部Ｃ及び結合部Ｅと、
前記基板上の前記第１導波路と前記第３導波路とで構成され、前記第１導波路と前記第３導波路との間で光のパワーを移行する結合部Ａ及び結合部Ｄと、
前記第１導波路上に配置され、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換する２つのモード回転子と、
を備え、
前記結合部Ａ、前記結合部Ｂ、前記結合部Ｃ、前記結合部Ｄ及び前記結合部Ｅは、一端から他端に向けて順に配置され、前記２つのモード回転子のうちの１つは前記結合部Ａと前記結合部Ｂとの間に配置され、前記２つのモード回転子のうちの他は前記結合部Ｄと前記結合部Ｅとの間に配置されており、
前記結合部Ａ、前記結合部Ｂ、前記結合部Ｄ及び前記結合部Ｅは、前記第２導波路もしくは前記第３導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と前記第１導波路を伝搬するＬＰ１１ａモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さであり、
前記結合部Ｃは、前記第１導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と前記第２導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである
ことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る第４のモード交換器は、
基板上に形成され、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの３つのモードを伝搬可能な１本の導波路と、
前記導波路に形成され、幅が周期的に変化してＬＰ０１とＬＰ１１ａとをモード変換する、もしくは高さが周期的に変化してＬＰ０１とＬＰ１１ｂとをモード変換するグレーティング部と、
前記導波路に形成され、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換するモード回転子と、
を備える。
【００１４】
本発明に係る第５のモード交換器は、
３つの分波ポートと１つの合波ポートを有する２つのモード合分波器と、
前記２つのモード合分波器の間で、互いに異なる前記分波ポート同士を１：１で接続する交差導波路部と、
を備え、
前記モード合分波器は、
基板上に形成され、一端が１つの前記分波ポートに接続し、他端が合波ポートに接続し、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの３つのモードを伝搬可能な第１導波路と、
前記基板上で前記第１導波路に並列され、一端が他の２つの前記分波ポートにそれぞれ接続する２つの第２導波路と、
前記基板上の前記第１導波路とそれぞれの前記第２導波路とで構成され、前記第１導波路と前記第２導波路との間で光のパワーを移行する２つの結合部と、
前記２つの結合部との間の前記第１導波路上に配置され、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換するモード回転子と、
を備え、
前記結合部は、前記第２導波路を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と前記第１導波路を伝搬するＬＰ１１ａモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである
ことを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る第５のモード交換器は、
基板上に形成され、前記基板からの高さが一定であり、ｎ個（ｎは４以上の整数）のモードを伝搬可能な１本の導波路と、
前記導波路に形成され、幅が周期的に変化するグレーティング部と、
前記導波路に形成され、縮退モードの一つを他方の縮退モードへ変換するモード回転子と、
を備え、入力されるｎ個のモードのそれぞれを、入力されたモードとは異なるモードへ変換することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るモード交換器は、モードの巡回交換ができるため、伝送路内に当該モード交換器を挿入するだけで伝送路で発生するＤＭＤや各種光学特性のモード間の差を補償することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、マルチモード光ファイバを用いたモード多重伝送システムにおいて、伝送路を複雑にすることなく、伝送路で発生するＤＭＤや各種光学特性のモード間の差を補償し、通信システムの伝送容量や伝送距離への影響が少ないモード交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】モード交換器における平行導波路の結合部を説明する図である。
【図２】モード回転子の構造を説明する図である。
【図３】本発明に係るモード交換器の機能を説明する図である。
【図４】本発明に係るモード交換器の第１の構成を説明する図である。
【図５】本発明に係るモード交換器の第２の構成を説明する図である。
【図６】本発明に係るモード交換器の第２の構成における構造パラメータの例である。
【図７】本発明に係るモード交換器の第２の構成におけるモードの伝搬計算結果を説明する図である。
【図８】本発明に係るモード交換器の第３の構成を説明する図である。
【図９】本発明に係るモード交換器の第３の構成における構造パラメータの例である。
【図１０】本発明に係るモード交換器の第３の構成におけるモードの伝搬計算結果を説明する図である。
【図１１】本発明に係るモード交換器の第４の構成を説明する図である。
【図１２】本発明に係るモード交換器の第５の構成を説明する図である。
【図１３】本発明に係るモード交換器の第５の構成の３モード合波器の構成例を説明する図である。
【図１４】本発明に係るモード交換器の第５の構成の３モード分派器の構成例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
（モード合分波器）
本実施形態のモード変換器が備える結合部について説明する。図１（Ａ）は、結合部の一つである２モード合分波器の構成を説明する図である。ここでは、石英系材料を用いた、矩形の埋め込み型導波路を用いた平面光波回路（ＰＬＣ）型のモード合分波器を想定している。導波路ＷＧ１は、２モードが伝搬する導波路であって、導波路ＷＧ２は、１モードが伝搬する導波路である。なお、ここでは、２モードは基本モードであるＬＰ０１モード及び第一高次モードＬＰ１１モードを示す。
【００２１】
図１（Ｂ）は、２つの導波路の比屈折率、幅及び実効屈折率の関係を説明する概念図である。２つの導波路は、一部近接している領域Ｌ２（結合部）がある。領域Ｌ２は、導波路ＷＧ１を伝搬するＬＰ１１モードの実効屈折率（ｎｅｆｆ）と導波路ＷＧ２を伝搬するＬＰ０１モードを伝搬する実効屈折率が一致するよう導波路幅及び比屈折率差が調整されている。一般に、異なるＬＰモード間で実効屈折率を一致させるためには、導波路の構造が同一でない非対称平行導波路構造が必要となる。
【００２２】
実効屈折率が一致することで、導波路が近接している領域でモード変換が発生し、導波路ＷＧ２を伝搬してきた光は導波路ＷＧ１に周期的にパワーが移行する。ここで、領域Ｌ２の長さを導波路ＷＧ２の光のパワーが導波路ＷＧ１に完全に移行するよう調整すると、Ｐｏｒｔ１より入射したＬＰ０１モードの信号光は、導波路ＷＧ１のＬＰ１１モードとしてＰｏｒｔ４へ出力される。
【００２３】
一方で、Ｐｏｒｔ２から入射されたＬＰ０１モードの光は、領域Ｌ２において導波路ＷＧ１のＬＰ０１モードと導波路ＷＧ２のＬＰ０１モードの実効屈折率が一致していないことからモード変換が発生せず、ＬＰ０１モードとしてＰｏｒｔ４へ出力される。結果、Ｐｏｒｔ１及びＰｏｒｔ２にＬＰ０１モードの光信号を入射することで、Ｐｏｒｔ４において２モード（ＬＰ０１とＬＰ１１）が多重された光信号を得ることができる。また、モード多重された光信号（ＬＰ０１とＬＰ１１）をＰｏｒｔ４から入射することで、Ｐｏｒｔ１及びＰｏｒｔ２に光信号をそれぞれを分離することができる。なお、このとき、Ｐｏｒｔ１の光信号もＰｏｒｔ２の光信号もＬＰ０１モードとなる。このように、図１のＰＬＣはモード合波器として機能する。なお、モード合分波器の詳しい設計手法については非特許文献３に記載される。
【００２４】
なお、図１（Ａ）の構造のＰＬＣで結合する高次モードは、導波路の水平方向に２つのピークを持つＬＰ１１ａモードであり、垂直方向に２つのピークを持つＬＰ１１ｂモードはどのモードとも結合しない。その理由については非特許文献４に記載される。
【００２５】
（モード回転子）
ＬＰ１１ｂモードの光信号を図１（Ａ）の構造のＰＬＣで結合させる場合には、一旦、ＬＰ１１ｂモードをＬＰ１１ａモードに変換する必要がある。当該変換にはモード回転子を用いる。図２は、モード回転子の構造を説明する図である。モード回転子は、幅ｗ、高さｈを有する導波路であり、当該導波路の長手方向の少なくとも一部に溝を設けたトレンチ層を備える。図２のモード回転子は、導波路の上面端に深さｈｔ、幅ｗｔのトレンチがある例を示している。なお、溝の位置や形状は変換するモードによって変わる。
【００２６】
この時、モード回転子におけるＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードの伝搬定数をそれぞれβａ及びβｂとしたとき、モード回転子の長さＬが
（式１）
（βａ―βｂ）Ｌ＝π
となるように溝の位置や形状を調整すると、モード回転子に入力したＬＰ１１ａまたはＬＰ１１ｂモードが出力端でＬＰ１１ｂまたはＬＰ１１ａに変換される。なお、モード回転子の詳しい設計手法については非特許文献７に記載される。
【００２７】
（実施形態）
本発明は、伝送路で発生するＤＭＤや各種光学特性のモード間の差を補償するために、これらのモード合分波器とモード回転子を組み合わせ、モード間を巡回的に交換するモード交換器を提供する。図３は、本発明に係るモード交換器の機能を説明する図である。数モードファイバ又はマルチモードファイバの途中に本発明に係るモード交換器を挿入し、モード間を巡回的に交換することで伝送路で発生するＤＭＤや光学特性差を補償する。
【００２８】
例えば、図３において光の伝搬方向が左から右である場合に、モード交換器に入射されるＬＰ０１をＬＰ１１ａに、ＬＰ１１ａをＬＰ１１ｂに、ＬＰ１１ｂをＬＰ０１にモード変換して出力すればよい。また、入射されるＬＰ０１をＬＰ１１ｂに、ＬＰ１１ａをＬＰ０１に、ＬＰ１１ｂをＬＰ１１ａにモード変換して出力してもよい。
【００２９】
（構成例１）
図４は、本実施形態のモード交換器３０１の構造を説明する図である。モード交換器３０１は、
基板上に形成され、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの３つのモードを伝搬可能な第１導波路ＷＧ１と、
前記基板上で第１導波路ＷＧ１に並列される第２導波路ＷＧ２と、
前記基板上の第１導波路ＷＧ１と第２導波路ＷＧ２とで構成され、第１導波路ＷＧ１と第２導波路ＷＧ２との間で光のパワーを移行する３つの結合部（領域ＩＩ、領域ＩＶ、領域ＶＩ）と、
第１導波路ＷＧ１の一端に接続され、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換するモード回転子５０と、
を備える。
前記結合部のうちの２つの結合部（領域ＩＩ及び領域ＶＩ）は、第２導波路ＷＧ２を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と第１導波路ＷＧ１を伝搬するＬＰ１１ａモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さｌ１である。
前記結合部のうち前記２つの結合部に挟まれる結合部（領域ＩＶ）は、第１導波路ＷＧ１を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と第２導波路ＷＧ２を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さｌ２である。
【００３０】
モード交換器３０１は、それぞれの導波路の高さが一定であり、３のモードを伝搬可能な導波路ＷＧ１と導波路ＷＧ１と平行した導波路ＷＧ２と、平行に配置された導波路ＷＧ１と導波路ＷＧ２が近接する結合部を３つ（領域ＩＩ、領域ＩＶ、領域ＶＩ）有している。
【００３１】
領域ＩＩ、ＶＩに存在している結合部においては、先に述べたモード合分波器と同様に、導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａと導波路ＷＧ２のＬＰ０１モードとの間で変換するよう結合長が設計されている。また、領域ＩＶでは、導波路ＷＧ１および導波路ＷＧ２の導波路幅が等しく設計されている。さらに、領域ＩＶでは、導波路ＷＧ１と導波路ＷＧ２との間でＬＰ０１モードが相手の導波路へＬＰ０１モードとして変換され、導波路ＷＧ１のＬＰ１１ｂモードが導波路ＷＧ２のＬＰ１１ｂに一旦変換され、再び導波路ＷＧ１のＬＰ１１ｂモードに再変換されるよう結合長が設計されている。
【００３２】
また、領域Ｉ、ＩＩＩ、Ｖ、ＶＩＩにおける曲り導波路及び導波路幅変換部においては、それぞれ伝搬するモードが他のモードに変換しないよう十分緩やかな比率で曲げられているまたは導波路幅が変化するよう設計されている。
【００３３】
モード回転子５０は、先に述べたモード回転子と同様に、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとの間でモード変換するように設計されている。
【００３４】
モード変換器３０１は、次のように動作する。なお、光の伝搬方向は左から右で説明するが、逆であっても同様である。
（１）ＬＰ０１モードの光
光は、領域Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩでは導波路ＷＧ１をＬＰ０１モードで伝搬する。光は、領域ＩＶの結合部において導波路ＷＧ２のＬＰ０１モードに変換され、領域Ｖでは導波路ＷＧ２をＬＰ０１モードで伝搬し、領域ＶＩにおいて導波路ＷＧ２から導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａモードに変換される。光は、領域ＶＩＩでは導波路ＷＧ１をＬＰ１１ａモードで伝搬し、モード回転子５０でＬＰ１１ｂモードに変換され、出力される。
（２）ＬＰ１１ａモードの光
光は、領域Ｉでは導波路ＷＧ１をＬＰ１１ａモードで伝搬する。光は、領域ＩＩの結合部において導波路ＷＧ２のＬＰ０１モードに変換され、領域ＩＩＩでは導波路ＷＧ２をＬＰ０１モードで伝搬し、領域ＩＶの結合部において導波路ＷＧ２から導波路ＷＧ１のＬＰ０１モードに変換される。光は、領域Ｖ、ＶＩ、ＶＩＩでは導波路ＷＧ１をＬＰ０１モードで伝搬し、モード回転子５０でもモード変換されず、ＬＰ０１モードとして出力される。
（３）ＬＰ１１ｂモードの光
光は、領域Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩでは導波路ＷＧ１をＬＰ１１ｂモードで伝搬する。光は、領域ＩＶの結合部において導波路ＷＧ２のＬＰ１１ｂモードに変換されるが、導波路ＷＧ１のＬＰ１１ｂモードに再変換される。光は、領域Ｖ、ＶＩ、ＶＩＩでは導波路ＷＧ１をＬＰ１１ｂモードで伝搬し、モード回転子５０でＬＰ１１ａモードに変換され、出力される。
【００３５】
以上のようにモード交換器３０１は、入射されるＬＰ０１をＬＰ１１ｂに、ＬＰ１１ａをＬＰ０１に、ＬＰ１１ｂをＬＰ１１ａにモード変換可能であり、モードの巡回交換が実現できる。
【００３６】
（構成例２）
図５は、本実施形態のモード交換器３０２の構造を説明する図である。モード交換器３０２は、
基板上に形成され、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの３つのモードを伝搬可能な第１導波路ＷＧ１と、
前記基板上で第１導波路ＷＧ１に並列される第２導波路ＷＧ２と、
前記基板上で第１導波路ＷＧ１に並列される第３導波路ＷＧ３と、
前記基板上の第１導波路ＷＧ１と第２導波路ＷＧ２とで構成され、第１導波路ＷＧ１と第２導波路ＷＧ２との間で光のパワーを移行する３つの第１結合部（Ｂ，Ｃ，Ｄ）と、
前記基板上の第１導波路ＷＧ１と第３導波路ＷＧ３とで構成され、３つの第１結合部（Ｂ，Ｃ，Ｄ）を挟むように配置され、第１導波路ＷＧ１と第３導波路ＷＧ３との間で光のパワーを移行する２つの第２結合部（Ａ，Ｅ）と、
第１導波路ＷＧ１の一端に接続された、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換する第１モード回転子５１と、
２つの第２結合部（Ａ，Ｅ）の間にあり、３つの第１結合部（Ｂ，Ｃ，Ｄ）を挟むように第１導波路ＷＧ１上に配置され、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換する２つの第２モード回転子（５２、５３）と、
を備える。
第１結合部（Ｂ，Ｃ，Ｄ）のうちの２つの結合部（Ｂ，Ｄ）は、第２導波路ＷＧ２を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と第１導波路ＷＧ１を伝搬するＬＰ１１ａモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである。
第１結合部（Ｂ，Ｃ，Ｄ）のうち２つの結合部（Ｂ，Ｄ）に挟まれる結合部Ｃは、第１導波路ＷＧ１を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と第２導波路ＷＧ２を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである。
２つの第２結合部（Ａ，Ｅ）は、第３導波路ＷＧ３を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と第１導波路ＷＧ１を伝搬するＬＰ１１ａモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである。
【００３７】
モード交換器３０２は、それぞれの導波路の高さが一定であり、３のモードを伝搬可能な導波路ＷＧ１と、これに平行する導波路ＷＧ２及び導波路ＷＧ３と、導波路ＷＧ２又は導波路ＷＧ３が導波路ＷＧ１に近接して構成される結合部（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）を有している。
【００３８】
結合部（Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅ）においては、先に述べたモード合分波器と同様に、導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａと導波路ＷＧ２又は導波路ＷＧ３のＬＰ０１モードとの間で変換するよう結合長が設計されている。また、結合部Ｃにおいては、導波路ＷＧ１又は導波路ＷＧ２を伝搬するＬＰ０１モードを他方の導波路を伝搬するＬＰ０１モードに変換するために、導波路ＷＧ１又は導波路ＷＧ２の導波路幅を等しくし、他方の導波路にパワーが遷移するよう結合長を設計すればよい。
【００３９】
また、導波路ＷＧ２及び導波路ＷＧ３における曲り導波路及び導波路幅変換部においては、それぞれ伝搬するモードが他のモードに変換しないよう十分緩やかな比率で曲げられているまたは導波路幅が変化するよう設計されている。
【００４０】
モード回転子（５１、５２、５３）は、先に述べたモード回転子と同様に、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとの間でモード変換するように設計されている。
【００４１】
モード変換器３０２は、次のように動作する。なお、光の伝搬方向は左から右で説明するが、逆であっても同様である。
（１）ＬＰ０１モードの光
光は、結合部Ｃに至るまで導波路ＷＧ１をＬＰ０１モードで伝搬する。光は、結合部Ｃにおいて導波路ＷＧ２のＬＰ０１モードに変換される。光は、結合部Ｄに至るまで導波路ＷＧ２をＬＰ０１モードで伝搬し、結合部Ｄにおいて導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａモードに変換される。光は、モード回転子５３でＬＰ１１ｂに変換され、出力される。
（２）ＬＰ１１ａモードの光
光は、モード回転子５１によってＬＰ１１ａモードからＬＰ１１ｂモードに変換され、結合部ＡではＬＰ１１ｂモードのまま導波路ＷＧ１を伝搬し、モード回転子５２によってＬＰ１１ａモードに変換される。光は、結合部Ｂにおいて導波路ＷＧ１から導波路ＷＧ２のＬＰ０１モードに変換され、結合部Ｃにおいて導波路ＷＧ２から導波路ＷＧ１のＬＰ０１モードに変換される。光は、結合部Ｄ、Ｅや回転子５３でモード変換されずに導波路ＷＧ１を伝搬し、出力される。
（３）ＬＰ１１ｂモードの光
光は、モード回転子５１によってＬＰ１１ｂモードからＬＰ１１ａモードに変換され、結合部Ａにおいて導波路ＷＧ１から導波路ＷＧ３のＬＰ０１モードに変換される。光は、ＬＰ０１モードで導波路ＷＧ３を伝搬し、結合部Ｅにおいて導波路ＷＧ２から導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａモードに変換され、出力される。
【００４２】
以上のようにモード交換器３０２は、入射されるＬＰ０１をＬＰ１１ｂに、ＬＰ１１ａをＬＰ０１に、ＬＰ１１ｂをＬＰ１１ａにモード変換可能であり、モードの巡回交換が実現できる。
【００４３】
続いて、モード交換器３０２について各モードの伝搬シミュレーションを行う。図６は、モード交換器３０２の各導波路についての設計パラメータである。図７は、本設計パラメータにおける各モードの伝搬シミュレーションの結果である。
図７（Ａ）は、入射したＬＰ０１モードの光がＬＰ１１ｂモードに変換される様子を示している。
図７（Ｂ）は、入射したＬＰ１１ａモードの光がＬＰ０１モードに変換される様子を示している。
図（Ｃ）は、入射したＬＰ１１ｂモードの光がＬＰ１１ａモードに変換される様子を示している。
【００４４】
（構成例３）
図８は、本実施形態のモード交換器３０３の構造を説明する図である。モード交換器３０３は、
基板上に形成され、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの３つのモードを伝搬可能な第１導波路ＷＧ１と、
前記基板上で第１導波路ＷＧ１に並列される第２導波路ＷＧ２と、
前記基板上で第１導波路ＷＧ１に並列される第３導波路ＷＧ３と、
前記基板上の第１導波路ＷＧ１と第２導波路ＷＧ２とで構成され、第１導波路ＷＧ１と第２導波路ＷＧ２との間で光のパワーを移行する結合部Ｂ、結合部Ｃ及び結合部Ｅと、
前記基板上の第１導波路ＷＧ１と第３導波路ＷＧ３とで構成され、第１導波路ＷＧ１と第３導波路ＷＧ３との間で光のパワーを移行する結合部Ａ及び結合部Ｄと、
第１導波路ＷＧ１上に配置され、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換する２つのモード回転子（５４、５５）と、
を備える。
結合部Ａ、結合部Ｂ、結合部Ｃ、結合部Ｄ及び結合部Ｅは、一端から他端に向けて順に配置され、モード回転子５４は結合部Ａと結合部Ｂとの間に配置され、モード回転子５５は結合部Ｄと結合部Ｅとの間に配置されている。
結合部Ａ、結合部Ｂ、結合部Ｄ及び結合部Ｅは、第２導波路ＷＧ２もしくは第３導波路ＷＧ３を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と第１導波路ＷＧ１を伝搬するＬＰ１１ａモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである。
結合部Ｃは、第１導波路ＷＧ１を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と第２導波路ＷＧ２を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである。
【００４５】
モード交換器３０３は、導波路の高さが一定であり、３のモードを伝搬可能な導波路ＷＧ１と、これに平行する導波路ＷＧ２及び導波路ＷＧ３と、導波路ＷＧ２又は導波路ＷＧ３が導波路ＷＧ１に近接して構成される結合部（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）を有している。
【００４６】
結合部（Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅ）においては、先に述べたモード合分波器と同様に、導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａと導波路ＷＧ２又は導波路ＷＧ３のＬＰ０１モードとの間で変換するよう結合長が設計されている。また、結合部Ｃにおいては、導波路ＷＧ１又は導波路ＷＧ３を伝搬するＬＰ０１モードを他方の導波路を伝搬するＬＰ０１モードに変換するために、導波路ＷＧ１及び導波路ＷＧ３の導波路幅を等しくし、他方の導波路にパワーが遷移するよう結合長を設計すればよい。
【００４７】
また、導波路ＷＧ２及び導波路ＷＧ３における曲り導波路及び導波路幅変換部においては、それぞれ伝搬するモードが他のモードに変換しないよう十分緩やかな比率で曲げられているまたは導波路幅が変化するよう設計されている。
【００４８】
モード回転子（５４、５５）は、先に述べたモード回転子と同様に、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとの間でモード変換するように設計されている。
【００４９】
モード変換器３０３は、次のように動作する。なお、光の伝搬方向は左から右で説明するが、逆であっても同様である。
（１）ＬＰ０１モードの光
光は、結合部Ｃに至るまで導波路ＷＧ１をＬＰ０１モードで伝搬する。光は、結合部Ｃにおいて導波路ＷＧ２のＬＰ０１モードに変換される。光は、結合部Ｅに至るまで導波路ＷＧ２をＬＰ０１モードで伝搬し、結合部Ｅにおいて導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａモードに変換され、出力される。
（２）ＬＰ１１ａモードの光
光は、結合部Ａにおいて導波路ＷＧ１から導波路ＷＧ２のＬＰ０１モードに変換される。光は、ＬＰ０１モードで導波路ＷＧ３を伝搬し、結合部Ｄにおいて、導波路ＷＧ３から導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａモードに変換される。光は、モード回転子５５によってＬＰ１１ａモードからＬＰ１１ｂモードに変換され、出力される。
（３）ＬＰ１１ｂモードの光
光は、結合部Ａでモード変換されずに導波路ＷＧ１を伝搬し、モード回転子５４によってＬＰ１１ｂモードからＬＰ１１ａモードに変換され、結合部Ｂで導波路ＷＧ１から導波路ＷＧ２のＬＰ０１モードに変換される。光は、導波路ＷＧ２をＬＰ０１モードで結合部Ｃに至るまで伝搬し、結合部Ｃで導波路ＷＧ２から導波路ＷＧ１のＬＰ０１モードに変換される。光は、結合部Ｄ、Ｅや回転子５５でモード変換されずに導波路ＷＧ１を伝搬し、出力される。
【００５０】
以上のようにモード交換器３０３は、入射されるＬＰ０１をＬＰ１１ａに、ＬＰ１１ａをＬＰ１１ｂに、ＬＰ１１ｂをＬＰ０１にモード変換可能であり、モードの巡回交換が実現できる。
【００５１】
続いて、モード交換器３０３について各モードの伝搬シミュレーションを行う。図９は、モード交換器３０３の各導波路についての設計パラメータである。図１０は、本設計パラメータにおける各モードの伝搬シミュレーションの結果である。
図１０（Ａ）は、入射したＬＰ０１モードの光がＬＰ１１ａモードに変換される様子を示している。
図１０（Ｂ）は、入射したＬＰ１１ａモードの光がＬＰ１１ｂモードに変換される様子を示している。
図１０（Ｃ）は、入射したＬＰ１１ｂモードの光がＬＰ０１モードに変換される様子を示している。
【００５２】
（構成例４）
図１１は、本実施形態のモード交換器３０４の構造を説明する図である。モード交換器３０４は、
基板上に形成され、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの３つのモードを伝搬可能な１本の導波路ＷＧと、
導波路ＷＧに形成され、幅が周期的に変化してＬＰ０１とＬＰ１１ａとをモード変換する、もしくは高さが周期的に変化してＬＰ０１とＬＰ１１ｂとをモード変換するグレーティング部４１と、
導波路ＧＷに形成され、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換するモード回転子５６と、
を備える。
【００５３】
グレーティング部４１は、導波路の幅が幅を周期的に変化させ、ＬＰ０１とＬＰ１１ａが変換されるよう設計され、モード回転子５６は、先に述べたモード回転子と同様に、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとの間でモード変換するように設計されている。
【００５４】
モード変換器３０４は、次のように動作する。なお、光の伝搬方向は左から右で説明するが、逆であっても同様である。
（１）ＬＰ０１モードの光
光は、グレーティング部４１においてＬＰ１１ａモードに変換され、モード回転子５６においてＬＰ１１ａモードからＬＰ１１ｂモードに変換される。
（２）ＬＰ１１ａモードの光
光は、グレーティング部４１においてＬＰ０１モードに変換され、モード回転子５６において何れのモードにも変換されずＬＰ０１モードとして出力される。
（３）ＬＰ１１ｂモードの光
光は、グレーティング部４１において何れのモードにも変換されず、モード回転子５６においてＬＰ１１ｂモードからＬＰ１１ａモードに変換される。
【００５５】
以上のようにモード交換器３０４は、入射されるＬＰ０１をＬＰ１１ｂに、ＬＰ１１ａをＬＰ０１に、ＬＰ１１ｂをＬＰ１１ａにモード変換可能であり、モードの巡回交換が実現できる。
【００５６】
なお、グレーティング部４１は、導波路の水平方向の幅が変化している構造の場合、上記の巡回交換となるが、垂直方向の高さが周期的に変動している構造の場合、ＬＰ０１モードとＬＰ１１ｂモードが変換される。このため、モード交換器３０４は、入射されるＬＰ０１をＬＰ１１ａに、ＬＰ１１ａをＬＰ１１ｂに、ＬＰ１１ｂをＬＰ０１にモード変換し、モードの巡回交換を実現する。
【００５７】
なお、グレーティング部４１の導波路構造の変動周期は、非特許文献８に示されるように、波長λにおいてモード１とモード２の実効屈折率に応じた特定の周期の屈折率揺らぎを付与することで、それぞれのモードで伝搬してきた信号を変換することができる。
【００５８】
グレーティング部４１のファイバグレーティングの間隔Λは使用する導波路構造パラメータ、波長、変換するモード次数によって決定される。モード変換するためのグレーティングの間隔Λは式（２）で与えられる。式（２）のｎ１とｎ２はそれぞれ波長λにおけるモード１の実効屈折率、モード２の実効屈折率を示している。使用する波長λを決定後、導波路構造パラメータから数値解析を行い、各モードの実効屈折率を算出し、計算により得られたｎ１とｎ２を式（２）に代入して必要なグレーティング周期Λを決定することができる。
【数２】
2018146754.tif 000003
【００５９】
また、グレーティング部４１の長さについては、結合長を計算し、適切に設計することでモード交換の機能を実現することができる。
【００６０】
また、４モード以上のモード交換ができるモード交換器についても同様の構造で実現可能である。つまり、当該モード交換器は、
基板上に形成され、前記基板からの高さが一定であり、ｎ個（ｎは４以上の整数）のモードを伝搬可能な１本の導波路と、
前記導波路に形成され、幅が周期的に変化するグレーティング部４１と、
前記導波路に形成され、縮退モードの一つを他方の縮退モードへ変換するモード回転子５６と、
を備え、入力されるｎ個のモードのそれぞれを、入力されたモードとは異なるモードへ変換することを特徴とする。
【００６１】
例えば６モードを交換可能なモード交換器の場合、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ／ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ／ＬＰ２１ｂ、ＬＰ０２モードの何れか２モードを交換するＬＰＧを式（１）に基づいて設計し、全てのモードが巡回交換されるよう複数のＬＰＧを多段に接続してグレーティング部４１を形成する。このようなＬＰＧの連結で、容易にモード数の拡張が可能である。さらに、本モード交換器は、モード回転子５６として、ＬＰ１１ａ／ＬＰ１１ｂ用のモード回転部とＬＰ２１ａ／ＬＰ２１ｂ用のモード回転部を有する。
【００６２】
（構成例５）
図１２は、本実施形態のモード交換器３０５の構造を説明する図である。モード交換器３０５は、３モード分波器１０１と３モード合波器１０２の間に、交差導波路部１０３を有する。具体的には、モード交換器３０５は、
３つの分波ポート（ＤＰ１、ＤＰ２、ＤＰ３）と１つの合波ポートＭＰ１を有する２つのモード合分波器（１０１、１０２）と、
２つのモード合分波器（１０１、１０２）の間で、互いに異なる前記分波ポート同士を１：１で接続する交差導波路部１０３と、
を備える。
【００６３】
なお、「２つのモード合分波器（１０１、１０２）の間で、互いに異なる前記分波ポート同士を１：１で接続する」とは、例えば、分波器１０１の分波ポートＤＰ２と合波器１０２の分波ポートＤＰ３とを接続、分波器１０１の分波ポートＤＰ１と合波器１０２の分波ポートＤＰ２とを接続、分波器１０１の分波ポートＤＰ３と合波器１０２の分波ポートＤＰ１とを接続することを意味する。モード分波器１０１からの３つの出力導波路それぞれを、モード分波器１０１の分波ポートとは異なるモード合波器１０２の分波ポートへ接続することでモードの交換が実現できる。
【００６４】
モード合分波器（１０１、１０２）は、
基板上に形成され、一端が１つの分波ポートＤＰ１に接続し、他端が合波ポートＭＰ１に接続し、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの３つのモードを伝搬可能な第１導波路ＷＧ１と、
前記基板上で第１導波路ＷＧ１に並列され、一端が他の２つの分波ポート（ＤＰ２、ＤＰ３）にそれぞれ接続する２つの第２導波路（ＷＧ２、ＷＧ３）と、
前記基板上の第１導波路ＷＧ１とそれぞれの前記第２導波路（ＷＧ２、ＷＧ３）とで構成され、第１導波路ＷＧ１と第２導波路（ＷＧ２、ＷＧ３）との間で光のパワーを移行する２つの結合部（Ａ、Ｂ）と、
２つの結合部（Ａ、Ｂ）との間の第１導波路ＷＧ１上に配置され、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとをモード変換するモード回転子５７と、
を備える。
結合部（Ａ、Ｂ）は、第２導波路（ＷＧ２、ＷＧ３）を伝搬するＬＰ０１モードの実効屈折率と第１導波路ＷＧ１を伝搬するＬＰ１１ａモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである。
【００６５】
モード合波器１０２は、例えば図１３の構成が利用できる。
３モードが伝搬可能な導波路ＷＧ１と、それと並行して配置された導波路（ＷＧ２、ＷＧ３）により構成される。導波路ＷＧ１と導波路（ＷＧ２、ＷＧ３）が近接する結合部（Ａ、Ｂ）では、導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａモードと導波路（ＷＧ２、ＷＧ３）のＬＰ０１モードとがモード変換される。モード回転子５７は、ＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードとがモード変換される。
【００６６】
モード合波器１０２は、次のように動作する。
分波ポートＤＰ１に入力されたＬＰ０１モードの光は、ＬＰ０１モードのまま導波路ＷＧ１を伝搬して合波ポートＭＰ１から出力される。
分波ポートＤＰ２に入力されたＬＰ０１モードの光は、結合部Ａで導波路ＷＧ２から導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａモードに変換される。光は、モード回転子５７によってＬＰ１１ａモードからＬＰ１１ｂモードに変換され、合波ポートＭＰ１から出力される。
分波ポートＤＰ３に入力されたＬＰ０１モードの光は、結合部Ｂで導波路ＷＧ３から導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａモードに変換され、合波ポートＭＰ１から出力される。
【００６７】
また、モード分波器１０１としては図１４の構成が利用できる。本構成はモード合波器１０２の構成を反転させたもので、合波ポートＭＰ１から入力されるＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂモードの光は、それぞれ導波路ＷＧ１をＬＰ０１モードで伝搬して分波ポートＤＰ１、導波路ＷＧ３をＬＰ０１モードで伝搬して分波ポートＤＰ３、導波路ＷＧ２をＬＰ０１モードで伝搬して分波ポートＤＰ２に出力される。
【００６８】
モード変換器３０５は、交差導波路部１０３において、モード分波器１０１の分波ポート（ＤＰ１、ＤＰ２、ＤＰ３）からの光をそれぞれモード合波器１０２の分波ポート（ＤＰ２、ＤＰ３、ＤＰ１）または（ＤＰ３、ＤＰ１、ＤＰ２）に接続しており、モードの巡回交換を実現している。
【００６９】
なお、本実施例においてはモード数が３である例を示したが、入出力導波路の伝搬モード数をｎ（ｎは３以上の整数）とし、並行する導波路の数を交換したいモードの数だけ設置することで、実施例１〜５に類似に構成で対応モード数を増加させることができる。例えば、実施例５に記載のモード合分波器をｎモード合分波器とし、交差導波路数をｎとすることで容易にｎモード交換器を実現することができる。
【００７０】
（他の実施例）
なお、上記の実施例においてはＳｉＯ２系材料（石英系材料）を用いた平面光波回路に関する構成例を記載したが、その材料は当然ほかのものであってもかまわない。たとえば、Ｓｉ系やＩｎＧａＡｓＰなどの半導体、またポリマーなどの有機物を用いた平面光波回路であっても、本明細書記載の実施例と同様の効果を得ることができる。また、使用する波長帯に関しても、上記の実施例では１．５〜１．６μｍ程度としているが、より波長の長い中赤外領域（２μｍ以上）や可視光帯であっても構わない。
【００７１】
［付記］
以下は、本実施形態のモード変換器を説明したものである。  
本発明は、並行した導波路と導波路同士が近接する結合部とモード回転子を組み合わせて、伝搬モードを巡回的に変換することで、ノード間のＤＭＤや各種光学的特性を保証するモード交換器である。本モード交換器の構成は次の通りである。
【００７２】
（１）：
３モードファイバを伝送路とした伝送システム中に配置されるＰＬＣ型デバイスであって、
導波路の高さが一定であり、
３のモードを伝搬可能な導波路ＷＧ１と、
前記導波路ＷＧ１と平行した導波路ＷＧ２と、
平行に配置された前記導波路ＷＧ１と前記導波路ＷＧ２が近接する結合部を３つ有し、
前記導波路ＷＧ２は前記導波路ＷＧ１と導波路幅が同じになる領域を有し、
前記導波路ＷＧ１にＬＰ１１ａモードをＬＰ１１ｂモード変換するモード回転子を結合部後の領域に含み、
第一の結合部において導波路ＷＧ１を伝搬するＬＰ１１ａモードを導波路ＷＧ２のＬＰ０１モードに変換し、
第二の結合部において導波路ＷＧ１を伝搬するＬＰ０１モードを導波路ＷＧ２のＬＰ０１モードに変換し、
導波路ＷＧ２を伝搬するＬＰ０１モードを導波路ＷＧ１のＬＰ０１モードに変換し、
第三の結合部において導波路ＷＧ２を伝搬するＬＰ０１モードを導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａモードに変換することで、
入射されるＬＰ０１をＬＰ１１ｂに、ＬＰ１１ａをＬＰ０１に、ＬＰ１１ｂをＬＰ１１ａに変換して出力することを特徴とするモード交換器である。
【００７３】
（２）：
３モードファイバを伝送路とした伝送システム中に配置されるＰＬＣ型デバイスであって、
導波路の高さが一定であり、
３のモードを伝搬可能な導波路ＷＧ１と
前記導波路ＷＧ１と平行した導波路ＷＧ２、３と、
平行に配置された前記導波路ＷＧ１と前記導波路ＷＧ２、３のそれぞれが近接する結合部を５つ有し、
前記導波路ＷＧ１にＬＰ１１ａモードをＬＰ１１ｂモード変換するモード回転子を含み、
結合部Ａの前後及び結合部Ｅの前に計３つのモード回転子を有し、
結合部Ａにおいて導波路ＷＧ１を伝搬するＬＰ１１ａモードを導波路ＷＧ２のＬＰ０１モードに変換し、
結合部Ｂにおいて導波路ＷＧ１を伝搬するＬＰ１１ａモードを導波路ＷＧ３のＬＰ０１モードに変換し、
結合部Ｃにおいて導波路ＷＧ１または３を伝搬するＬＰ０１モードを導波路ＷＧ３または１のＬＰ０１モードに変換し、
結合部Ｄにおいて導波路ＷＧ３を伝搬するＬＰ０１モードを導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａモードに変換し、
結合部Ｅにおいて導波路ＷＧ２を伝搬するＬＰ０１モードを導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａモードに変換することで、
入射されるＬＰ０１をＬＰ１１ｂに、ＬＰ１１ａをＬＰ０１に、ＬＰ１１ｂをＬＰ１１ａに変換して出力することを特徴とするモード交換器である。
【００７４】
（３）：
３モードファイバを伝送路とした伝送システム中に配置されるＰＬＣ型デバイスであって、
導波路の高さが一定であり、
３のモードを伝搬可能な導波路ＷＧ１と
導波路ＷＧ１と平行した導波路ＷＧ２、３と、
平行に配置された前記導波路ＷＧ１と前記導波路ＷＧ２、３のそれぞれが近接する結合部を５つ有し、
前記導波路ＷＧ１にＬＰ１１ａモードをＬＰ１１ｂモード変換するモード回転子を含み、
結合部Ａの後及び結合部Ｄの後に計２つのモード回転子を有し、
結合部Ａにおいて導波路ＷＧ１を伝搬するＬＰ１１ａモードを導波路ＷＧ２のＬＰ０１モードに変換し、
結合部Ｂにおいて導波路ＷＧ１を伝搬するＬＰ１１ａモードを導波路ＷＧ３のＬＰ０１モードに変換し、
結合部Ｃにおいて導波路ＷＧ１または３を伝搬するＬＰ０１モードを導波路ＷＧ３または１のＬＰ０１モードに変換し、
結合部Ｄにおいて導波路ＷＧ２を伝搬するＬＰ０１モードを導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａモードに変換し、
結合部Ｅにおいて導波路ＷＧ３を伝搬するＬＰ０１モードを導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａモードに変換することで、
入射されるＬＰ０１をＬＰ１１ｂに、ＬＰ１１ａをＬＰ０１に、ＬＰ１１ｂをＬＰ１１ａに変換して出力することを特徴とするモード交換器である。
【００７５】
（４）：
３モードファイバを伝送路とした伝送システム中に配置されるＰＬＣ型デバイスであって、
導波路の高さが一定であり、
３のモードを伝搬可能な導波路において、
導波路幅が周期的に変化するグレーティング導波路部と、
ＬＰ１１ａモードをＬＰ１１ｂモード変換するモード回転子を含み、
前記グレーティング導波路部においてＬＰ０１とＬＰ０１ａが変換されるよう設計され、
入射されるＬＰ０１をＬＰ１１ｂに、ＬＰ１１ａをＬＰ０１に、ＬＰ１１ｂをＬＰ１１ａに変換して出力することを特徴とするモード交換器である。
【００７６】
（５）：
３モードファイバを伝送路とした伝送システム中に配置されるＰＬＣ型デバイスであって、
導波路の高さが一定であり、
３のモードを伝搬可能な導波路ＷＧ１と
導波路ＷＧ１と平行した導波路ＷＧ２、３と、
平行に配置された前記導波路ＷＧ１と前記導波路ＷＧ２、３のそれぞれが近接する結合部を２つ有し、
前記導波路ＷＧ１の第一の結合部の後にＬＰ１１ａモードをＬＰ１１ｂモード変換するモード回転子を含み、
前記２つの結合部が、導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａモードと他方の導波路のＬＰ０１モードに変換される、
又は導波路ＷＧ２、３を導波するＬＰ０１モードを導波路ＷＧ１のＬＰ１１ａモードに変換されるよう設計されており、
導波路を伝搬するＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂモードをそれぞれ導波路ＷＧ１、２、３にＬＰ０１モードとして分波するモード合波器と、
同様に設計され、導波路ＷＧ１、２、３から入力されたＬＰ０１モードがＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂモードとして導波路ＷＧ１に合波されるモード合分波器を有し、
前記モード分波器の出力導波路ＷＧ１、２、３が、前記モード合波器の入力導波路ＷＧ２、３、１または３、１、２に接続される交差導波路構造を有することを特徴とするモード交換器である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、マルチモード光ファイバを用いたモード多重伝送システムの大容量・長距離通信を実現することができる。
【符号の説明】
【００７８】
４１：グレーティング部
５０〜５７：モード回転子
１０１：３モード分波器
１０２：３モード合波器
１０３：交差導波路部
３０１〜３０５：モード変換器
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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