(57)【要約】      （修正有）【課題】特定のモードにのみ損失を与える手法とは異なる手法でモード損失差を補償するとともに、モード損失差の補償に伴う伝送距離の制限を緩和できるモード交換器を提供する。【解決手段】モード交換器３０１は、ｎ（ｎは３以上）モードが伝搬する導波路で構成され、モードを変換する回数がｎ−１より少ないモード変換回路１０を備えており、伝送路にモード交換回路が２個以上配置されることにより、ｎ個のモードのうち、モード次数下位のモードを、少なくとも１回、モード次数上位のモードへ変換し、ｎ個のモードのうち、モード次数上位の少なくとも１つのモードを、少なくとも１回、モード次数下位のモードへ変換することを特徴とする。【選択図】図１
2019191224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ（ｎは３以上の自然数）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型のモード交換器であって、
ｎ個のモードが伝搬する導波路で構成され、モードを変換する回数がｎ−１より少ないモード変換回路を備えており、
前記伝送路に前記モード変換回路が２個以上配置されることにより、
ｎ個のモードのうち、モード次数下位（ｎが偶数の場合は１次〜ｎ／２次のモード、ｎが奇数の場合は１次〜ｎ／２＋０．５）のモードを、少なくとも１回、モード次数上位（ｎが偶数の場合はｎ／２次〜ｎ次のモード、ｎが奇数の場合はｎ／２＋０．５〜ｎ次）のモードへ変換し、
ｎ個のモードのうち、モード次数上位の少なくとも１つのモードを、少なくとも１回、モード次数下位のモードへ変換すること
を特徴とするモード交換器。
【請求項２】
ｎが６である場合、前記モード変換回路は、
前記導波路の高さ（ＰＬＣの基板に垂直な方向の前記導波路の厚み）が全て等しく、
前記導波路を伝搬するＥ３１モードとＥ１３モード間で結合が生じるよう導波路幅（前記ＰＬＣの基板に平行な方向の前記導波路の厚み）が非断熱的に変化する第１テーパー部と、
前記導波路を伝搬するＬＰ０１モードとＬＰ２１ｂモードとを交換する第１モード交換部と、
前記導波路を伝搬するＬＰ０１モードとＬＰ１１ａモードとを交換し、同時にＬＰ１１ｂモードとＬＰ２１ａモードとを交換する第２モード交換部と、
前記導波路を伝搬するＥ３１モードとＥ１３モード間で結合が発生しないよう導波路幅が断熱的に変化する第２テーパー部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のモード交換器。
【請求項３】
ｎが６である場合、前記モード変換回路は、
前記導波路の高さ（ＰＬＣの基板に垂直な方向の前記導波路の厚み）が全て等しく、
前記導波路を伝搬するＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードとを結合するモード回転子と、
前記導波路を伝搬するＥ３１モードとＥ１３モード間で結合が生じるよう導波路幅（前記ＰＬＣの基板に平行な方向の前記導波路の厚み）が非断熱的に変化する第１テーパー部と、
前記導波路を伝搬するＬＰ１１ａモードとＬＰ２１ｂモードとを交換する第１モード交換部と、
前記導波路を伝搬するＬＰ０１モードとＬＰ１１ａモードとを交換し、同時にＬＰ１１ｂモードとＬＰ２１ａモードとを交換する第２モード交換部と、
前記導波路を伝搬するＥ３１モードとＥ１３モード間で結合が発生しないよう導波路幅が断熱的に変化する第２テーパー部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のモード交換器。
【請求項４】
前記第１モード交換部及び前記第２モード交換部の導波路幅が周期Λで周期的に変化しており、周期Λは交換する２つのモードの実効屈折率ｎ１、ｎ２及び使用波長λに対して
【数Ｃ１】
2019191224.tif 000005
を満たすことを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載のモード交換器。
【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交換器に関する。
【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。しかしながら、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、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。例えば、２モード多重伝送路において、ＬＰ０１モードにのみ損失を与えることで、モード間の損失差を補償する３モード（２ＬＰ）モード伝送路用のモード損失差補償器が提案されている（詳細は非特許文献５）。
【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】Ｔ．  Ｍｉｚｕｎｏ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｍｏｄｅ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  ｌｏｓｓ  ｅｑｕａｌｉｚｅｒ  ａｎｄ  ｉｍｐａｃｔ  ｏｆ  ＭＤＬ  ｏｎ  ＰＤＭ−１６ＱＡＭ  ｆｅｗ−ｍｏｄｅ  ｆｉｂｒｅ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”，  Ｐｒｏｃ．  ＥＣＯＣ，  Ｐ．５．９，  Ｖａｌｅｎｃｉａ  （２０１５）．
【非特許文献６】Ｓ．Ｓａｖｉｎ，  他，  “Ｔｕｎａｂｌｅ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｌｏｎｇ−ｐｅｒｉｏｄ  ｆｉｂｅｒ  ｇｒａｔｉｎｇｓ”  ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ／Ｖｏｌ．２５，  Ｎｏ．１０  ／  Ｍａｙ  １５，  ２０００
【非特許文献７】Ｙ．  Ｙａｍａｓｈｉｔａ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＬＰ２１ｂ  ａｎｄ  ＬＰ０２  Ｍｏｄｅｓ  ｗｉｔｈ  ＰＬＣ−ｂａｓｅｄ  Ｔａｐｅｒｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｆｏｒ  Ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ”，  ＯＥＣＣ２０１６，  ｐａｐｅｒ  ＴｕＥ３−４  （２０１６）
【非特許文献８】Ｋ．  Ｓａｉｔｏｈ，  ｅｔ  ａｌ．，  “ＰＬＣ−ｂａｓｅｄ  ＬＰ１１  ｍｏｄｅ  ｒｏｔａｔｏｒ  ｆｏｒ  ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”，  Ｏｐｔ．  Ｅｘｐｒｅｓｓ，  ｖｏｌ．  ２２，  ｐｐ．  １９１１７−１９１３０  （２０１４）
【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、非特許文献５の様に特定のモードにのみ損失を与えてモード間損失差を補償することは、モード数が多い場合、実現が困難という課題や、モード間損失差を補償したために伝送距離が制限されるという課題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記課題を解決するために、特定のモードにのみ損失を与える手法とは異なる手法でモード損失差を補償するとともに、モード損失差の補償に伴う伝送距離の制限を緩和できる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交換器は、高次モードと低次モードとを入れ替えることとした。
【００１０】
具体的には、本発明に係るモード交換器は、ｎ（ｎは３以上の自然数）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型のモード交換器であって、
ｎ個のモードが伝搬する導波路で構成され、モードを変換する回数がｎ−１より少ないモード変換回路を備えており、
前記伝送路に前記モード変換回路が２個以上配置されることにより、
ｎ個のモードのうち、モード次数下位（ｎが偶数の場合は１次〜ｎ／２次のモード、ｎが奇数の場合は１次〜ｎ／２＋０．５）のモードを、少なくとも１回、モード次数上位（ｎが偶数の場合はｎ／２次〜ｎ次のモード、ｎが奇数の場合はｎ／２＋０．５〜ｎ次）のモードへ変換し、
ｎ個のモードのうち、モード次数上位の少なくとも１つのモードを、少なくとも１回、モード次数下位のモードへ変換すること
を特徴とする。
【００１１】
モード間の光学特性（伝送損失、波長分散、偏波分散など）は、高次のモードであればあるほど劣化していく傾向にある。このため、全てのモードを巡回的に交換していく必要はなく、低次のモードを高次のモードに、高次のモードを低次のモードに交換するのみで大きな効果が得られる。本モード交換器は、高次モードと低次モードとを入れ替える構成であり、モード間の光学特性を均一化すること（モード損失差の補償）ができる。
【００１２】
さらに、全てのモードを巡回的に交換（モードの交換回数はｎ−１回）していないので、モードの交換回数を低減することができる（モードの交換回数はｎ−１回未満）。モードの交換回数を低減は損失の増大を防止でき、伝送距離の制限を緩和できる。
【００１３】
従って、本発明は、特定のモードにのみ損失を与える手法とは異なる手法でモード損失差を補償するとともに、モード損失差の補償に伴う伝送距離の制限を緩和できるモード交換器を提供することができる。
【００１４】
例えば、ｎが６である場合、前記モード変換回路は、
前記導波路の高さ（前記ＰＬＣの基板に垂直な方向の前記導波路の厚み）が全て等しく、
前記導波路を伝搬するＥ３１モードとＥ１３モード間で結合が生じるよう導波路幅（前記ＰＬＣの基板に平行な方向の前記導波路の厚み）が非断熱的に変化する第１テーパー部と、
前記導波路を伝搬するＬＰ０１モードとＬＰ２１ｂモードとを交換する第１モード交換部と、
前記導波路を伝搬するＬＰ０１モードとＬＰ１１ａモードとを交換し、同時にＬＰ１１ｂモードとＬＰ２１ａモードとを交換する第２モード交換部と、
前記導波路を伝搬するＥ３１モードとＥ１３モード間で結合が発生しないよう導波路幅が断熱的に変化する第２テーパー部と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、ｎが６である場合、前記モード変換回路は、
前記導波路の高さ（前記ＰＬＣの基板に垂直な方向の前記導波路の厚み）が全て等しく、
前記導波路を伝搬するＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードとを結合するモード回転子と、
前記導波路を伝搬するＥ３１モードとＥ１３モード間で結合が生じるよう導波路幅（前記ＰＬＣの基板に平行な方向の前記導波路の厚み）が非断熱的に変化する第１テーパー部と、
前記導波路を伝搬するＬＰ１１ａモードとＬＰ２１ｂモードとを交換する第１モード交換部と、
前記導波路を伝搬するＬＰ０１モードとＬＰ１１ａモードとを交換し、同時にＬＰ１１ｂモードとＬＰ２１ａモードとを交換する第２モード交換部と、
前記導波路を伝搬するＥ３１モードとＥ１３モード間で結合が発生しないよう導波路幅が断熱的に変化する第２テーパー部と、
を備えることを特徴とする。
【００１６】
このような構成とすれば、最大３回のモードの交換回数で高次モードと低次モードとを入れ替えることができ、モード損失差の補償と伝送距離の制限の緩和を実現できる。
【００１７】
前記第１モード交換部及び前記第２モード交換部の導波路幅が周期Λで周期的に変化しており、周期Λは交換する２つのモードの実効屈折率ｎ１、ｎ２及び使用波長λに対して
【数Ｃ１】
2019191224.tif 000003
を満たすことが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、特定のモードにのみ損失を与える手法とは異なる手法でモード損失差を補償するとともに、モード損失差の補償に伴う伝送距離の制限を緩和できる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】
【００１９】
【図１】本発明に係るモード交換器の構成を説明する図である。
【図２】本発明に係るモード交換器が備えるモード交換部を説明する図である。
【図３】本発明に係るモード交換器が備える第１モード交換部における入射モードに対する出射モードの比率を説明する表である。
【図４】本発明に係るモード交換器が備える第２モード交換部における入射モードに対する出射モードの比率を説明する表である。
【図５】本発明に係るモード交換器が備える第１テーパー部を説明する図である。
【図６】導波路幅に対するＬＰ２１ｂ及びＬＰ０２モードの実効屈折率の変化を説明する図である。
【図７】断熱的変化を説明する図である。
【図８】本発明に係るモード交換器が備える第２テーパー部を説明する図である。
【図９】本発明に係るモード交換器が備えるモード回転子を説明する図である。
【図１０】本発明に係るモード交換器の動作を説明する図である。
【図１１】本発明に係るモード交換器を伝送路中に配置する例を説明する図である。
【図１２】本発明に係るモード交換器を伝送路中に配置したときの効果を説明する図である。
【図１３】本発明に係るモード交換器の入射モードに対する出射モードの対応を説明する表である。
【図１４】本発明に係るモード交換器の構成を説明する図である。
【図１５】本発明に係るモード交換器の動作を説明する図である。
【図１６】本発明に係るモード交換器を伝送路中に配置したときの効果を説明する図である。
【図１７】本発明に係るモード交換器の入射モードに対する出射モードの対応を説明する表である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
モード間の光学特性差を小さくするためには、伝送路中に特定のモードを別のモードに変換するモード交換が有効である。しかしながら、例えば１つのモード交換器において、伝搬するモードを巡回的に他のモードへ変換（ｎ次のモードをｎ＋１次のモードへ、最高次のモードを最低次のモードへ変換）しようとする場合、ｎモードに対してｎ−１個のモード変換部が必要となり、モード変換器の小型化および、過剰損失の増加を招くため望ましくない。
【００２２】
モード間の光学特性は、高次のモードであればあるほど劣化していく傾向にあるため、全てのモードを巡回的に交換していく必要はなく、低次のモードを高次のモードに、高次のモードを低次のモードに交換するのみで大きな効果が得られると考えられる。
【００２３】
つまり、本実施形態のモード交換器は、ｎ（ｎは３以上の自然数）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型のモード交換器であって、
ｎ個のモードが伝搬する導波路で構成され、モードを変換する回数がｎ−１より少ないモード変換回路を備えており、
前記伝送路に前記モード変換回路が２個以上配置されることにより、
ｎ個のモードのうち、モード次数下位（ｎが偶数の場合は１次〜ｎ／２次のモード、ｎが奇数の場合は１次〜ｎ／２＋０．５）のモードを、少なくとも１回、モード次数上位（ｎが偶数の場合はｎ／２次〜ｎ次のモード、ｎが奇数の場合はｎ／２＋０．５〜ｎ次）のモードへ変換し、
ｎ個のモードのうち、モード次数上位の少なくとも１つのモードを、少なくとも１回、モード次数下位のモードへ変換すること
を特徴とする。
本実施形態のモード交換器は、導波路を伝搬するモードがｎモードであるとき、導波路内でモードが変換する回数ｍがｎ−１より少ないことが特長である。
【００２４】
（実施例１）
第１の実施例について説明する。図１は本実施例のモード変換器３０１の構成を説明する図である。モード変換器３０１は６モード交換器であり、モード変換回路１０を備える。モード変換回路１０は、
前記導波路の高さ（前記ＰＬＣの基板に垂直な方向の前記導波路の厚み）が全て等しく、
前記導波路を伝搬するＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモードとを結合するモード回転子２１と、
前記導波路を伝搬するＥ３１モードとＥ１３モード間で結合が生じるよう導波路幅（前記ＰＬＣの基板に平行な方向の前記導波路の厚み）が非断熱的に変化する第１テーパー部２２と、
前記導波路を伝搬するＬＰ１１ａモードとＬＰ２１ｂモードとを交換する第１モード交換部２３と、
前記導波路を伝搬するＬＰ０１モードとＬＰ１１ａモードとを交換し、同時にＬＰ１１ｂモードとＬＰ２１ａモードとを交換する第２モード交換部２４と、
前記導波路を伝搬するＥ３１モードとＥ１３モード間で結合が発生しないよう導波路幅が断熱的に変化する第２テーパー部２５と、
を備える。
【００２５】
第１テーパー部２２と第１モード変換部２３との間、第１モード変換部２３と第２モード変換部２４との間、第２モード変換部２４と第２テーパー部２５との間は直線導波路３０で接続される。
【００２６】
図２は、第１モード交換部２３と第２モード交換部２４の構造を説明する図である。モード変換器３０１には、６モードが伝搬するように設計された高さＨと幅Ｗの基本導波路構造が配置される。そして、第１モード交換部２３と第２モード交換部２４は、その基本導波路の幅が周期Λ、導波路幅変化量ｄで周期的に変化している。導波路幅が周期的に変化している部分をグレーティング部とし、グレーティング長をＬとする。
【００２７】
第１モード交換部２３と第２モード交換部２４において、伝搬するモードの内、注目する２つのモードの実効屈折率ｎ１、ｎ２とする。ここで、使用波長λに対して周期Λが
【数Ｃ１】
2019191224.tif 000004
を満たせば第１モード交換部２３と第２モード交換部２４で当該２つのモードを結合することができる。また、グレーティング長Ｌを適切に設計すれば第１モード交換部２３と第２モード交換部２４でモードのパワーを交換することができる。
【００２８】
例えば、図３は、図２の構造において、Ｗ＝１１．０μｍ、Ｈ＝１０．０μｍ、Λ＝４５０μｍ、ｄ＝０．５μｍ、Ｌ＝６７５０μｍとした場合、入射する光の各モード（最左欄）が出射するときにいずれのモードに変換されるかの比率をまとめたものである。各入射モードについて最も高い変換比率に下線を付している。入射するＬＰ０１モードのパワーはＬＰ１１ａモードのパワーに最も多く変換されており（８４．４％）、入射するＬＰ１１ｂモードのパワーはＬＰ２１ａモードのパワーに最も多く変換されている（８２．４％）ことがわかる。すなわち、各パラメータを上記のように設定することで、第２モード交換部２４とすることができる。
【００２９】
なお、ＷおよびＨは、導波路が所望のモード数を伝搬可能な構造（本実施例では６モード）であることから設計が可能である。Λについては、式１に示す通り、導波路構造で求まるモードの実効屈折率と使用波長から算出可能である。ｄとＬについては、例えばｄを先に決定し、モードが交換されるようＬを設定する、又はＬを先に決定し、モードが交換されるようｄを設定することで、本実施例に示すモード交換導波路を実現することが可能である。
【００３０】
また、図４は、図２の構造において、Ｗ＝１１．０μｍ、Ｈ＝１０．０μｍ、Λ＝２８６μｍ、ｄ＝０．５μｍ、Ｌ＝２３００μｍとした場合、入射する光の各モード（最左欄）が出射するときにいずれのモードに変換されるかの比率をまとめたものである。各入射モードについて最も高い変換比率に下線を付している。入射するＬＰ１１ａモードのパワーはＬＰ２１ｂ（Ｅ３１）モードのパワーに最も多く変換されており（７０％）、その他のモードには強いモード変換を生じさせていないことがわかる。すなわち、各パラメータを上記のように設定することで、第１モード交換部２３とすることができる。
【００３１】
図５は、第１テーパー部２２の構成を説明する図である。図５は、ＰＬＣの上面（基板に対して積層方向にある面）から見ている。６モード導波路においては、図６に記載の通り、断面構造が正方（Ｗ＝Ｈ）となるとき、ＬＰ２１ｂ（Ｅ３１）モードとＬＰ０２（Ｅ１３）モードの実効屈折率が近接し、導波路幅と高さの差｜Ｗ―Ｈ｜が大きくなると、２モードの実効屈折率の差が大きくなる。なお、本結果はＨ＝１２μｍ、比屈折率差Δ＝０．７％としている。
【００３２】
この時、導波路幅が伝搬距離に対して十分緩やかに変化する場合、それぞれのモードはモード変換を生じず、それぞれの実線に沿って実効屈折率が変化する（これを断熱的変化と呼ぶ）。一方で、導波路幅変化率が一定以上急な場合は、伝搬に従いモード間で結合が生じる。特に、Ｗ＝Ｈの構造では、２つのモードの実効屈折率差が小さくなるため、よりモード変換が生じやすい。
【００３３】
図７は、テーパー長Ｌｔ１と、テーパー導波路にＥ３１モードを入射した場合のＬＰ２１ｂ及びＬＰ０２モードの出力パワー比の計算結果である。図より、テーパー長が５０００μｍ以下の領域では、３０％以上の優位なモード結合が生じている。モード交換器においては、テーパー部分において必ずしも等分配を実現する必要は無く、等分配に対して２ｄＢ以下の分配比率の差である３０％のパワー分配であってもモード間の特性差を低減するに十分の効果が見込まれる。よって、上記のようなＬＰ２１ｂとＬＰ０２とのモード間でモード結合を生じさせるためには、テーパー長を少なくとも５０００μｍ以下とすればよい。
【００３４】
例えば、図５の構造において、Ｗ＝１０．２μｍ、Ｗ１＝１１．０μｍ、Ｌｔ＝１００μｍとした場合、入射されたＬＰ２１ｂモードは、出射端側でＬＰ２１ｂ及びＬＰ０２モードへパワーが等分配され、入射されたＬＰ０２モードは、出射端側でＬＰ２１ｂ及びＬＰ０２モードへパワーが等分配される。すなわち、各パラメータを上記のように設定することで、第１テーパー部２２とすることができる。
【００３５】
図８は、導波路幅が伝搬方向に対して減少する第２テーパー部２５を説明する図である。例えば、図８の構造において、Ｗ＝１０．２μｍ、Ｗ１＝１１．０μｍ、Ｌｔ２＝６０００μｍとした場合、入射されたＬＰ２１ｂ及びＬＰ０２モードは、互いにモード結合を生じずに、出射側まで伝搬する。すなわち、各パラメータを上記のように設定することで、第２テーパー部２５とすることができる。
【００３６】
なお、テーパー部２においては、非特許文献７の記載の通り、テーパー比率が異なる２つのテーパー部から構成される２段テーパー構造としてもよい。その場合、非特許文献７にあるとおり各テーパー部の長さを１００００μｍ、４０００μｍとすることで、テーパー部におけるＬＰ２１ｂ及びＬＰ０２モードのモード変換を低減することができる。
【００３７】
ここで、上記のようなＬＰ２１ｂとＬＰ０２とのモード間でモード結合を生じさせないためのテーパー長については、モードの伝搬計算を行い、モードが変換されない（断熱的変化となる）ように十分テーパー長を長くすればよい。
【００３８】
なお、図６に記載されているとおり、Ｗ＝Ｈの構造において、ファイバのＬＰ２１ｂモードと実効屈折率が高い方の導波路モードの電界分布が略等しくなり、ＬＰ０２モードと屈折率が低い方の導波路モードの電界分布が略等しくなるため、ファイバとの接続部端面における導波路構造は、Ｗ＝Ｈとすることが望ましい。
【００３９】
図９は、モード回転子２１の構造を説明する図である。図９（ａ）は斜視図でり、図９（ｂ）は断面図である。モード回転子２１は導波路の一部が欠けている構造である。各パラメータを適切に導波路構造を設計することで、入射したＬＰ１１ａモードをＬＰ１１ｂモードに、ＬＰ１１ｂモードをＬＰ１１ａモードに変換することができる（例えば、非特許文献８を参照。）。
【００４０】
例えば、図９の構造において、Ｈ＝１０．０μｍ、Ｗ＝１０．２μｍ、ｗｔ＝１．５μｍ、ｈｔ＝２．６μｍ、Ｌ＝１．０４７５ｍｍとした場合、入射されたＬＰ１１ａモードはＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードへパワーが等分岐され、入射されたＬＰ１１ｂモードはＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードへパワーを等分岐される。すなわち、各パラメータを上記のように設定することで、モード回転子２１とすることができる。
【００４１】
図１０は、モード交換器３０１の、入射モードに対するモード変換フローを説明する図である。モード交換器３０１は、入射側から、モード回転子２１、第１テーパー部２２、第１モード変換部２３、第２モード変換部２４、第２テーパー部２５の順で接続される。モード回転子２１がＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂとのモード間でモード結合を生じさせ、導波路幅が大きくなる第１テーパー部２２がＬＰ２１ｂとＬＰ０２１とのモード間でモード結合を生じさせ、第１モード交換部２３がＬＰ１１ａとＬＰ２１ｂとを交換し、第２モード交換部２３がＬＰ０１とＬＰ１１ａを交換し、同時にＬＰ１１ｂとＬＰ２１ａを交換し、導波路幅が小さくなる第２テーパー部２５がＬＰ２１ｂとＬＰ０２とを交換する。
【００４２】
モード交換器３０１がモード間光学特性差の低減することを説明する。図１１に示すように１５０ｋｍ伝送区間に０〜４つのモード交換器３０１を挿入することを考える。（ｂ）は伝送路の中間点にモード交換器を配置、（ｃ）は５０ｋｍ毎にモード交換器を配置、（ｄ）は３７．５ｋｍ毎にモード交換器を配置、（ｅ）は３０ｋｍ毎にモード交換器を配置している。それぞれの場合について伝送後モード損失差（最大損失差）及びモード依存損失（ＭＤＬ）を計算した。伝送区間のファイバでの損失を、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ／ｂ、ＬＰ２１ａ／ｂ、ＬＰ０２モードでそれぞれ０．１５ｄＢ／ｋｍ、０．１８ｄＢ／ｋｍ、０．２０ｄＢ／ｋｍ、０．２３ｄＢ／ｋｍと仮定した。
【００４３】
その結果を図１２に示す。モード交換器３０１の挿入数を増やすことで、モード間損失差及びＭＤＬが十分に低減できることがわかる。特に、最大損失差については、交換器を２個挿入するだけで半分以下とすることができている。
【００４４】
図１３は、モード交換器３０１の入射モードと出射モードとの対応を説明する表である。最右欄はモード交換器３０１を２つ経由したときの出射モードである。全ての低次側のモード（ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ）が、少なくとも１回は高次側のモード（ＬＰ２１ａ、ＬＰ２１ｂ、ＬＰ０２）に変換されることがわかる。また、高次側のモードについては、ＬＰ２１ａは低次側のモードへ変換されないが、ＬＰ２１ｂとＬＰ０２は低次側のモードへ変換される。
【００４５】
つまり、モード変換器３０１を２個挿入し、高次側モードと低次側モードを入れ替えることで、最大損失差を半分以下とすることができた。また、伝送距離の制限を考慮した場合、挿入するモード交換器数は少ない方が良いので、図１１のような伝送区間では２つのモード交換器３０１を挿入することで光学特性の均一化と伝送距離の制限の緩和とを両立できる。
【００４６】
（実施例２）
第１の実施例について説明する。図１４は本実施例のモード交換器３０２の構成を説明する図である。モード変換器３０２は６モード交換器であり、モード変換回路１１を備える。モード変換回路は１１、
前記導波路の高さ（前記ＰＬＣの基板に垂直な方向の前記導波路の厚み）が全て等しく、
前記導波路を伝搬するＥ３１モードとＥ１３モード間で結合が生じるよう導波路幅（前記ＰＬＣの基板に平行な方向の前記導波路の厚み）が非断熱的に変化する第１テーパー部２２と、
前記導波路を伝搬するＬＰ０１モードとＬＰ２１ｂモードとを交換する第１モード交換部２３と、
前記導波路を伝搬するＬＰ０１モードとＬＰ１１ａモードとを交換し、同時にＬＰ１１ｂモードとＬＰ２１ａモードとを交換する第２モード交換部２４と、
前記導波路を伝搬するＥ３１モードとＥ１３モード間で結合が発生しないよう導波路幅が断熱的に変化する第２テーパー部２５と、
を備えることを特徴とする。
【００４７】
第１テーパー部２２と第１モード変換部２３との間、第１モード変換部２３と第２モード変換部２４との間、第２モード変換部２４と第２テーパー部２５との間は直線導波路３０で接続される。
【００４８】
モード変換器３０２は、図１のモード変換器３０１のモード回転子２１を備えないモード変換器である。第１テーパー部２２、第１モード交換部２３、第２モード交換部２４、第２テーパー部２５の構造については、実施例１に記載の構造と同じとする。本構造は、実施例１の構成と比較して、モード交換器が不要であり、より簡易な構成でモード交換器を実現できることが利点である。
【００４９】
図１５は、モード交換器３０２の、入射モードに対するモード変換フローを説明する図である。モード交換器３０２は、入射側から、第１テーパー部２２、第１モード交換部２３、第２モード交換部２４、第２テーパー部２５の順で接続される。導波路幅が大きくなる第１テーパー部２２がＬＰ２１ｂとＬＰ０２１とのモード間でモード結合を生じさせ、第１モード交換部２３がＬＰ０１とＬＰ２１ｂとを交換し、第２モード交換部２３がＬＰ０１とＬＰ１１ａを交換し、同時にＬＰ１１ｂとＬＰ２１ａを交換し、導波路幅が小さくなる第２テーパー部２５がＬＰ２１ｂとＬＰ０２とを交換する。
【００５０】
モード交換器３０２がモード間光学特性差の低減することを説明するために、図１１に示すように１５０ｋｍ伝送区間に０〜４つのモード交換器を挿入することを考える。それぞれの場合について伝送後モード損失差及びモード依存損失（ＭＤＬ）を計算した。なお、伝送路でのファイバの損失は、実施例１と同じと仮定した。
【００５１】
その結果を図１６に示す。モード交換器３０２の挿入数を増やすことで、モード間損失差及びＭＤＬが十分に低減できることがわかる。特に、最大損失差については、交換器を２個挿入するだけで半分以下とすることができている。
【００５２】
図１７は、モード交換器３０２の入射モードと出射モードとの対応を説明する表である。最右欄はモード交換器３０２を２つ経由したときの出射モードである。交換器を２つ経由することで、全ての低次側のモード（ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ）が、少なくとも１回は高次側のモード（ＬＰ２１ａ、ＬＰ２１ｂ、ＬＰ０２）に変換されることがわかる。また、高次側のモードについては、ＬＰ２１ｂとＬＰ０２の一部は低次側のモードへ変換されないが、他は低次側のモードへ変換される。
【００５３】
つまり、モード変換器３０２を２個挿入し、高次側モードと低次側モードを入れ替えることで、最大損失差を半分以下とすることができた。また、伝送距離の制限を考慮した場合、挿入するモード交換器数は少ない方が良いので、図１１のような伝送区間では２つのモード交換器３０２を挿入することで光学特性の均一化と伝送距離の制限の緩和とを両立できる。  
【００５４】
（他の実施例）
本実施例においては、モード数が６である時の例を示したが、一般に導波路を伝搬するモードがｎモードであるとき、高次モードと低次モードとを入れ替えることで導波路内でモードが変換する回数ｍをｎ−１より少なくし、ＭＤＬを低減する効果が同様に見込まれる。
【００５５】
なお、本明細書においてはＳｉＯ２系材料（石英系材料）を用いた平面光波回路に関する実施例を記載したが、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。
【００５６】
また、使用する波長帯に関しても、本明細書記載の実施例では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。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明に係るモード交換器は、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及び長距離通信に適用することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１０、１１：モード変換回路
２１：モード回転子
２２：第１テーパー部
２３：第１モード変換部
２４：第２モード変換部
２５：第２テーパー部
３０：直線導波路
３０１、３０２：モード交換器
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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