(57)【要約】      （修正有）【課題】比較的に簡素な構造によってモード変換を実現するモード変換装置を提供する。【解決手段】モード変換装置１は、単一モード導波路１０と、多モード導波路２０とを有した光カプラである。単一モード導波路１０と多モード導波路２０とが平行に配置された結合区間４０において、単一モード導波路１０と多モード導波路２０との少なくとも一方には、モード変換作用を有するグレーティング３０が設けられている。単一モード導波路１０を搬送されてきた第１の伝搬モードの光Ｍ１は、グレーティング３０により、第２の伝搬モードの光Ｍ２に変換されて多モード導波路２０から出力される。【選択図】図１
2015121626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一モード導波路と、
前記単一モード導波路と少なくとも一部の区間で平行に配置された多モード導波路と、
前記単一モード導波路と前記多モード導波路とが平行に配置された結合区間において前記単一モード導波路と前記多モード導波路との少なくとも一方に設けられたモード変換作用を有するグレーティングと
を有し、
前記単一モード導波路を搬送されてきた第１の伝搬モードの光が前記グレーティングによって第２の伝搬モードの光に変換されて前記多モード導波路から出力されることを特徴とするモード変換装置。
【請求項２】
前記グレーティングの間隔は、前記単一モード導波路に入力された第１の伝搬モードの光の波長の１００倍以上であることを特徴とする請求項１に記載のモード変換装置。
【請求項３】
前記グレーティングの間隔は、前記単一モード導波路に入力された第１の伝搬モードの光の波長を、前記単一モード導波路を搬送される変換対象の第１の伝搬モードの光の実効屈折率と、当該第１の伝搬モードの光を変換することで得られる第２の伝搬モードの光の実効屈折率との差分で除算することで得られる間隔であることを特徴とする請求項１または２に記載のモード変換装置。
【請求項４】
第１の伝搬モードの光が伝搬可能な単一モード導波路と、
前記単一モード導波路と少なくとも一部の区間で平行に配置され、複数の伝搬モードの光が伝搬可能な多モード導波路と、
前記単一モード導波路と前記多モード導波路とが平行に配置された結合区間において前記単一モード導波路と前記多モード導波路との少なくとも一方に設けられ、前記単一モード導波路を搬送されてきた前記第１の伝搬モードの光を第２の伝搬モードの光に変換して前記多モード導波路へ渡すモード変換作用を有するグレーティングと
を有し、
前記多モード導波路へ入力された第３の伝搬モードの光とともに前記第２の伝搬モードの光が前記多モード導波路から出力されることを特徴とするモード多重装置。
【請求項５】
前記グレーティングの間隔は、前記単一モード導波路に入力された第１の伝搬モードの光の波長の１００倍以上であることを特徴とする請求項４に記載のモード多重装置。
【請求項６】
前記グレーティングの間隔は、前記単一モード導波路に入力された第１の伝搬モードの光の波長を、前記第１の伝搬モードの光の実効屈折率と前記第２の伝搬モードの実効屈折率との差分で除算することで得られる間隔であることを特徴とする請求項４または５に記載のモード多重装置。
【請求項７】
第１の伝搬モードの光が伝搬可能な単一モード導波路と、
前記単一モード導波路と少なくとも一部の区間で平行に配置され、複数の伝搬モードの光が伝搬可能な多モード導波路と、
前記単一モード導波路と前記多モード導波路とが平行に配置された結合区間において前記単一モード導波路と前記多モード導波路との少なくとも一方に設けられ、前記多モード導波路を搬送されてきた複数の伝搬モードの光のうち第２の伝搬モードの光を前記第１の伝搬モードの光に変換して前記単一モード導波路へ渡すモード変換作用を有するグレーティングと
を有することを特徴とするモード分離装置。
【請求項８】
前記グレーティングの間隔は、前記単一モード導波路に入力された第１の伝搬モードの光の波長の１００倍以上であることを特徴とする請求項７に記載のモード分離装置。
【請求項９】
前記グレーティングの間隔は、前記単一モード導波路に入力された第１の伝搬モードの光の波長を、前記第１の伝搬モードの光の実効屈折率と前記第２の伝搬モードの実効屈折率との差分で除算することで得られる間隔であることを特徴とする請求項７または８に記載のモード分離装置。
【請求項１０】
第１の光カプラと、
前記第１の光カプラに対してカスケード接続された第２の光カプラと
を有する光合波装置であって、
前記第１の光カプラは、
第１の伝搬モードの光が伝搬可能な第１の単一モード導波路と、
前記第１の単一モード導波路と少なくとも一部の区間で平行に配置され、複数の伝搬モードの光が伝搬可能な第１の多モード導波路と、
前記第１の単一モード導波路と前記第１の多モード導波路とが平行に配置された結合区間において前記第１の単一モード導波路と前記第１の多モード導波路との少なくとも一方に設けられ、前記第１の単一モード導波路を搬送されてきた前記第１の伝搬モードの光を第２の伝搬モードの光に変換して前記第１の多モード導波路へ渡すモード変換作用を有する第１のグレーティングと
を有し、
前記第２の光カプラは、
前記第１の伝搬モードの光が伝搬可能な第２の単一モード導波路と、
前記第２の単一モード導波路と少なくとも一部の区間で平行に配置され、複数の伝搬モードの光が伝搬可能な第２の多モード導波路と、
前記第２の単一モード導波路と前記第２の多モード導波路とが平行に配置された結合区間において前記第２の単一モード導波路と前記第２の多モード導波路との少なくとも一方に設けられ、前記第２の単一モード導波路を搬送されてきた前記第１の伝搬モードの光を第３の伝搬モードの光に変換して前記第２の多モード導波路へ渡すモード変換作用を有する第２のグレーティングと
を有し、
前記第１の多モード導波路と前記第２の多モード導波路とが接続されており、前記第２の伝搬モードの光と前記第３の伝搬モードの光が前記第２の光カプラの前記第２の多モード導波路から出力されることを特徴とする光合波装置。
【請求項１１】
前記第１のグレーティングの間隔は、前記単一モード導波路に入力された第１の伝搬モードの光の波長の１００倍以上であり、前記第２のグレーティングの間隔は、前記第２の伝搬モードの光の波長の１００倍以上であることを特徴とする請求項１０に記載の光合波装置。
【請求項１２】
前記第１のグレーティングの間隔は、前記単一モード導波路に入力された第１の伝搬モードの光の波長を、前記第１の伝搬モードの光の実効屈折率と前記第２の伝搬モードの実効屈折率との差分で除算することで得られる間隔であり、
前記第２のグレーティングの間隔は、前記第１の伝搬モードの光の波長を、前記第１の伝搬モードの光の実効屈折率と前記第３の伝搬モードの実効屈折率との差分で除算することで得られる間隔であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の光合波装置。
【請求項１３】
第１の光カプラと、
前記第１の光カプラに対してカスケード接続された第２の光カプラと
を有する光分波装置であって、
前記第１の光カプラは、
第１の伝搬モードの光が伝搬可能な第１の単一モード導波路と、
前記第１の単一モード導波路と少なくとも一部の区間で平行に配置され、複数の伝搬モードの光が伝搬可能な第１の多モード導波路と、
前記第１の単一モード導波路と前記第１の多モード導波路とが平行に配置された結合区間において前記第１の単一モード導波路と前記第１の多モード導波路との少なくとも一方に設けられ、前記第１の多モード導波路を搬送されてきた複数の伝搬モードの光のうち第２の伝搬モードの光を前記第１の伝搬モードの光に変換して前記第１の単一モード導波路へ渡すモード変換作用を有する第１のグレーティングと
を有し、
前記第２の光カプラは、
前記第１の伝搬モードの光が伝搬可能な第２の単一モード導波路と、
前記第２の単一モード導波路と少なくとも一部の区間で平行に配置され、複数の伝搬モードの光が伝搬可能な第２の多モード導波路と、
前記第２の単一モード導波路と前記第２の多モード導波路とが平行に配置された結合区間において前記第２の単一モード導波路と前記第２の多モード導波路との少なくとも一方に設けられ、前記第２の多モード導波路を搬送されてきた複数の伝搬モードの光のうち第３の伝搬モードの光を前記第１の伝搬モードの光に変換して前記第２の単一モード導波路へ渡すモード変換作用を有する第２のグレーティングと
を有し、
前記第１の多モード導波路と前記第２の多モード導波路とが接続されており、前記第２の伝搬モードの光と前記第３の伝搬モードの光が前記第２の光カプラの前記第２の多モード導波路に入力され、前記第１の光カプラにおいて前記第２の伝搬モードの光が分離され、前記第２の光カプラにおいて前記第３の伝搬モードの光が分離されることを特徴とする光分波装置。
【請求項１４】
前記第１のグレーティングの間隔は、前記第１の単一モード導波路に入力された光の波長の１００倍以上であり、前記第２のグレーティングの間隔は、前記第２の単一モード導波路に入力された光の波長の１００倍以上であることを特徴とする請求項１３に記載の光分波装置。
【請求項１５】
前記第１のグレーティングの間隔は、前記単一モード導波路に入力された第１の伝搬モードの光の波長を、前記第１の伝搬モードの光の実効屈折率と前記第２の伝搬モードの実効屈折率との差分で除算することで得られる間隔であり、
前記第２のグレーティングの間隔は、前記第１の伝搬モードの光の波長を、前記第１の伝搬モードの光の実効屈折率と前記第３の伝搬モードの実効屈折率との差分で除算することで得られる間隔であることを特徴とする請求項１３または１４に記載の光分波装置。
【請求項１６】
単一モード導波路と、
前記単一モード導波路と少なくとも一部の区間で平行に配置された多モード導波路と、
前記単一モード導波路と前記多モード導波路とが平行に配置された結合区間において前記単一モード導波路と前記多モード導波路との少なくとも一方に設けられたモード変換作用を有するグレーティングと
を有し、
前記多モード導波路を搬送されてきた第２の伝搬モードの光が前記グレーティングによって第１の伝搬モードの光に変換されて前記単一モード導波路から出力されることを特徴とするモード変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝搬モードの異なる複数の光信号を多重化したり分離したりする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光伝送技術は、大容量のデータを送受信する技術として重要である。データ通信の需要はまずます増加しており、さらに大容量のデータを伝送する技術が市場から切望されている。従来のところ、波長分割多重によって１本の光ファイバあたりの伝送容量の拡大化が主流となっている（非特許文献１、２）。
【０００３】
非特許文献１、２では、波長多重化されている複数の波長から所望の波長を選択して分離したり、多重化したりするためのグレーティング（干渉格子）を有する光カプラが提案されている。このグレーティングの周期（格子間隔）は、所望の波長と同程度の長さとなっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J.-L. Archamault, et. al., Grating-frustrated coupler: a novel channel-dropping filter in single mode optical fiber, OPTICS LETTERS, Vol. 19, No. 3, February 1, 1994
【非特許文献２】Sergei S. Orlov, et. al., Coupled-mode analysis of fiber-optic add-drop filters for dense wavelength-division multiplexing, OPTICS LETTERS, Vol. 22, No. 10, May 15, 1997
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ここ１、２年の間、さらに伝送容量の増大を図る方法としてモード多重分離方式に注目が集まりつつある。従来において、光ファイバにおける複数のモードは、モード分散を発生して波形を鈍らせるため、ネガティブなものとして理解されてきた。一方で、複数のモードのそれぞれに別のチャネルを割り当ててそれらを多モードファイバ（ＭＭＦ）で送信し、さらにそれらを分離できれば、光信号の多重度をさらに上げることが可能となる。よって、将来の光伝送技術ではモード多重分離方式が欠かせない技術になるものと予想される。
【０００６】
モード多重分離方式では、たとえば、単一モードファイバ（ＳＭＦ）を介して伝送されてきた光の搬送モードを変換して別の搬送モードに変換して多モードファイバへ渡す必要がある。このモード変換方式としては、ホログラフィや位相板を利用した空間分布変換技術や、実効屈折率整合技術などを採用できると考えられる。
【０００７】
しかし、ホログラフィを利用した空間分布変換技術では正確に干渉パターンをホログラムに再現することが難しく、理想的なモード変換や合波を実現できない。また、位相板を利用した空間分布変換技術では、近似的なモード変換を実行するにすぎないため、変換エラーが発生しやすく、さらに合波もできない。導波路結合を利用した実効屈折率整合技術では、２本の導波路を平行に設け、一方の導波路を搬送される光信号のモードを変換して他方の導波路に渡すため、モード変換と同時に合波が可能である。しかし、この技術では、実効屈折率を制御するために導波路のサイズを調整する必要があり、任意構成の導波路には適用できない。さらに単一モードファイバをこの導波路に接続するにはビーム径の調整も必要になってしまう。また、グレーティングを利用した実効屈折率整合技術では、一本の多モード導波路に形成されるグレーティングの周期を最適化することで当該多モード導波路に入力された光の搬送モードを別の搬送モードに変換して当該多モード導波路から出力できる。そのため、この技術は、任意構造の多モード導波路に適用可能な技術であるが、合波を実行できない。また、単一モードファイバと当該多モード導波路を接続するには、ビーム径の調整が必要となってしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、比較的に簡素な構造によってモード変換を実現するモード変換装置を提供することを目的とする。また、本発明は、当該モード変換装置を応用したモード多重装置、モード分離装置、光合波装置および分波装置も提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、
単一モード導波路と、
前記単一モード導波路と少なくとも一部の区間で平行に配置された多モード導波路と、
前記単一モード導波路と前記多モード導波路とが平行に配置された結合区間において前記単一モード導波路と前記多モード導波路との少なくとも一方に設けられたグレーティングと
を有し、
前記単一モード導波路を搬送されてきた第１の伝搬モードの光が前記グレーティングによって第２の伝搬モードの光に変換されて前記多モード導波路から出力されることを特徴とするモード変換装置を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、単一モード導波路と多モード導波路との少なくとも一方に、モード変換作用を有するグレーティングを設けることで、比較的に簡素な構造によってモード変換を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施形態にかかるモード変換装置を説明するための図である。
【図２】図２は、実施形態にかかるモード変換装置の基本原理を説明するための図である。
【図３】図３は、モード多重装置として機能するモード変換装置を示す図である。
【図４】図４は、実施形態にかかるモード変換装置の他の例を説明するための図である。
【図５】図５は、モード分離装置として機能するモード変換装置を示す図である。
【図６】図６は、２つのモード変換装置をカスケード接続することで構成した光合波装置を示す図である。
【図７】図７は、２つのモード変換装置をカスケード接続することで構成した光分波装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明を実施するための形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。
【００１３】
図１は、実施形態にかかるモード変換装置を説明するための図である。モード変換装置１は、第１の伝搬モードの光Ｍ１を搬送可能な単一モード導波路１０と、単一モード導波路１０と少なくとも一部の区間で平行に配置された多モード導波路２０と、グレーティング３０を有している。単一モード導波路１０は、単一の伝搬モードの光が伝搬可能であり、入力部１１と出力部１２とを有している。多モード導波路２０も、入力部２１と出力部２２とを有しているが、複数の伝搬モードの光が伝搬可能である。
【００１４】
グレーティング３０は、単一モード導波路１０と多モード導波路２０とが平行に配置された結合区間４０において単一モード導波路１０と多モード導波路２０との少なくとも一方に設けられる。入力部１１から入力された第１の伝搬モードの光Ｍ１は、単一モード導波路１０を搬送され、グレーティング３０によって第２の伝搬モードの光Ｍ２に変換されて多モード導波路２０の出力部２２から出力される。
【００１５】
このように本実施形態では、単一モード導波路１０と多モード導波路２０との少なくとも一方にグレーティングを施すことでモード変換を実現している。
【００１６】
図２は、実施形態にかかるモード変換装置の基本原理を説明するための図である。図２の縦軸は実効屈折率を示しており、横軸はモード変換装置１における位置を示している。単一モード導波路１０に入力された第１の伝搬モードの光Ｍ１の実効屈折率はｎＬＰ０１＿１である。多モード導波路２０に入力された複数の伝搬モードの光の実効屈折率はｎＬＰ０１＿２、ｎＬＰ１１＿２、ｎＬＰ２１＿２、ｎＬＰ０２＿２である。ここで、サフィックスの意味について説明する。ｎＬＰｌｍ＿ｋにおけるｌとｍはモードの次数を示し、ｋは導波路を示している。ｋ＝１は、単一モード導波路１０を示し、ｋ＝２は、多モード導波路２０を示している。
【００１７】
本実施形態では、グレーティングの間隔（以下、グレーティング周期ΛＧ）を調整することで、モード変換を制御することができる。たとえば、グレーティング周期ΛＧは、次式により示すことが可能である。
【００１８】
ΛＧ  ＝  λ  ／  Δｎ
ここで、λは、単一モード導波路１０および多モード導波路２０を搬送される光の波長、つまり、モード変換前の伝搬モードの光Ｍ１とモード変換後の伝搬モードの光Ｍ２の波長である。Δｎは、変換前の伝搬モードの光Ｍ１の実効屈折率と変換後の伝搬モードの光Ｍ２の実効屈折率との差分である。
【００１９】
非特許文献１、２におけるグレーティング周期ΛＧは、波長と同程度であるため、グレーティングが波長選択性フィルタを構成できる。つまり、波長選択性フィルタのグレーティングは短周期型グレーティングと呼ぶことができる。一方で、本実施形態のグレーティング周期ΛＧは波長の１００倍程度の長さであり、グレーティング３０は、波長選択性はないものの、モード変換機能を有する。つまり、モード変換作用を有する光カプラのグレーティングは長周期型グレーティングと呼ぶことができる。このように、グレーティング３０のグレーティング周期ΛＧを波長λの１００倍以上にするとモード変換が実現される。
【００２０】
たとえば、単一モード導波路１０に入力された変換対象である第１の伝搬モードの光Ｍ１を、実効屈折率がｎＬＰ０２＿２である第２の伝搬モードの光Ｍ２に変換したい場合、ΛＧは次の通りである。
【００２１】
ΛＧ＝  λ  ／  （ｎＬＰ０１＿１  −  ｎＬＰ０２＿２）
たとえば、単一モード導波路１０に入力された変換対象である第１の伝搬モードの光Ｍ１を、実効屈折率がｎＬＰ２１＿２である第２の伝搬モードの光Ｍ２に変換したい場合、ΛＧは次の通りである。
【００２２】
ΛＧ＝  λ  ／  （ｎＬＰ０１＿１  −  ｎＬＰ２１＿２）
このように、単一モード導波路１０に入力された変換対象である第１の伝搬モードの光Ｍ１の実効屈折率と、モード変換後の第２の伝搬モードの光Ｍ２の実効屈折率との差Δｎに基づいて、グレーティング３０のグレーティング周期ΛＧを決定することで、所望の伝搬モードへのモード変換を実現できる。
【００２３】
図３は、モード多重装置として機能するモード変換装置１を示している。単一モード導波路１０の入力部１１から第１の伝搬モードの光Ｍ１が入力され、多モード導波路２０の入力部２１から第３の伝搬モードの光Ｍ３が入力された場合、多モード導波路２０の出力部２２から第２の伝搬モードの光Ｍ２と第３の伝搬モードの光Ｍ３とが出力される。第２の伝搬モードの光Ｍ２は、単一モード導波路１０の入力部１１から入力された第１の伝搬モードの光Ｍ１をグレーティング３０によって変換されて生成された光である。
【００２４】
このように、モード変換装置１は、グレーティングによって一方の導波路から他方の導波路へと光信号が受け渡されるため、モード多重装置として機能する。
【００２５】
図４は、実施形態にかかるモード変換装置の他の例を説明するための図である。図１と比較すると、図４では各導波路の入力部と出力部とが入れ替わっている。多モード導波路２０の入力部２１から入力された第２の伝搬モードの光Ｍ２は、グレーティング３０によって、第１の伝搬モードの光Ｍ１に変換され、単一モード導波路１０に受け渡される。第１の伝搬モードの光Ｍ１は、単一モード導波路１０の出力部１２から出力される。なお、第１の伝搬モードの光Ｍ１の実効屈折率、第２の伝搬モードの光Ｍ２の実効屈折率、波長λおよびグレーティング周期ΛＧとの間には、上述の数式で示した関係が存在する。
【００２６】
このように、モード変換装置１は、低次の伝搬モードの光を高次の伝搬モードに変換するだけでなく、高次の伝搬モードの光を低次の伝搬モードに変換することもできる。これは、モード変換装置１がモード多重装置だけでなく、モード分離装置として機能することを意味する。
【００２７】
図５は、モード分離装置として機能するモード変換装置１を示している。多モード導波路２０の入力部２２からは、第２の伝搬モードの光Ｍ２と第３の伝搬モードの光Ｍ３が入力される。このうち、第２の伝搬モードの光Ｍ２はグレーティング３０によってモード変換されて第１の伝搬モードの光Ｍ１となり、単一モード導波路１０に移行する。よって、多モード導波路２０の出力部２１には、グレーティング３０によって分離されなかった残りの伝搬モードの光（ここでは、第３の伝搬モードの光Ｍ３）が出力される。
【００２８】
このように、モード変換装置１は、複数の伝搬モードの光が入力されると、所望の伝搬モードの光を分離することができる。
【００２９】
図６は、２つの光カプラ（モード変換装置１）をカスケード接続することで構成した光合波装置５０を示している。ここでは、１つ目のモード変換装置１に接続された２つ目のモード変換装置をモード変換装置１’と呼ぶことにする。１つ目のモード変換装置１と２つ目のモード変換装置１’とでは、グレーティングの周期が異なるだけで、その他の構成は同様にすることができる。そこで、モード変換装置１’の各構成要件にも記号「’」を付与することで詳細な説明を省略する。
【００３０】
とりわけ、光合波装置５０は、１つ目のモード変換装置１の多モード導波路２０の出力部２２と、２つ目のモード変換装置１’の多モード導波路２０’の入力部２１’とを接続することで構成されている。１つ目のモード変換装置１の単一モード導波路１０の入力部１１に入力された第１の伝搬モードの光Ｍ１は、グレーティング３０によって変換され、第２の伝搬モードの光Ｍ２に変換され、多モード導波路２０の出力部２２から出力される。また、多モード導波路２０の入力部２１から入力された第３の伝搬モードの光Ｍ３も第２の伝搬モードの光Ｍ２とともに出力部２２から出力される。なお、グレーティング３０のグレーティング周期ΛＧは、第１の伝搬モードの光Ｍ１が第２の伝搬モードの光Ｍ２に変換されるように、上述した数式にしたがって設定されている。
【００３１】
第２の伝搬モードの光Ｍ２と、第３の伝搬モードの光Ｍ３は、２つ目のモード変換装置１’の多モード導波路２０’の入力部２１’に入力される。２つ目のモード変換装置１’の単一モード導波路１０’の入力部１１’には第４の伝搬モードの光Ｍ４が入力される。グレーティング３０’のグレーティング周期ΛＧは、第４の伝搬モードの光Ｍ４が第５の伝搬モードの光Ｍ５に変換されるように設定されている。よって、グレーティング３０’によって第４の伝搬モードの光Ｍ４が第５の伝搬モードの光Ｍ５に変換され、第５の伝搬モードの光Ｍ５が多モード導波路２０’に現れる。第５の伝搬モードの光Ｍ５は、入力部２１’に入力された第２の伝搬モードの光Ｍ２と第３の伝搬モードの光Ｍ３とに合波され、一緒になって出力部２２’から出力される。
【００３２】
このように複数のモード変換装置１をカスケード接続することで複数の伝搬モードの光を合波することが可能となる。もちろん、３つ以上のモード変換装置１が同様にカスケード接続されてもよい。たとえば、ｎ本のＳＭＦを介して搬送されてきた光を１本のＭＭＦに合波するには、ｎ個のモード変換装置１をカスケード接続すればよい。
【００３３】
図７は、２つの光カプラ（モード変換装置１）をカスケード接続することで構成した光分波装置６０を示している。ここでは、１つ目のモード変換装置１に接続された２つ目のモード変換装置をモード変換装置１’と呼ぶことにする。１つ目のモード変換装置１と２つ目のモード変換装置１’とでは、グレーティングの周期が異なるだけで、その他の構成は同様にすることができる。そこで、モード変換装置１’の各構成要件にも記号「’」を付与することで説明を省略する。
【００３４】
とりわけ、光分波装置６０は、１つ目のモード変換装置１の多モード導波路２０の入力部２１と、２つ目のモード変換装置１’の多モード導波路２０’の出力部２２’とを接続している。２つ目のモード変換装置１’の多モード導波路２０の入力部２１’には、第２の伝搬モードの光Ｍ２、第３の伝搬モードの光Ｍ３および第５の伝搬モードの光Ｍ５が入力されている。このうち、第５の伝搬モードの光Ｍ５がグレーティング３０’によって第４の伝搬モードの光Ｍ４に変換され、単一モード導波路１０’の出力部１２’から出力される。グレーティング３０’によって分離されなかった第３の伝搬モードの光Ｍ３および第５の伝搬モードの光Ｍ５は、多モード導波路２０’の出力部２２’から出力される。なお、グレーティング３０’のグレーティング周期ΛＧは、第５の伝搬モードの光Ｍ５が第４の伝搬モードの光Ｍ４に変換されるように、上述した数式にしたがって設定されている。このようにして、第５の伝搬モードの光Ｍ５が分離される。
【００３５】
第２の伝搬モードの光Ｍ２と、第３の伝搬モードの光Ｍ３は、１つ目のモード変換装置１の多モード導波路２０の入力部２１に入力される。グレーティング３０のグレーティング周期ΛＧは、第２の伝搬モードの光Ｍ２が第１の伝搬モードの光Ｍ１に変換されるように設定されている。よって、グレーティング３０によって第２の伝搬モードの光Ｍ２が第１の伝搬モードの光Ｍ１に変換され、単一モード導波路１０に現れ、出力部１２から出力される。第３の伝搬モードの光Ｍ３は、多モード導波路２０を通過し、出力部２２から出力される。このようにして、第１の伝搬モードの光Ｍ１と第３の伝搬モードの光Ｍ３とが分離される。
【００３６】
このように複数のモード変換装置１をカスケード接続することで複数の伝搬モードの光を分波することが可能となる。もちろん、３つ以上のモード変換装置１が同様にカスケード接続されてもよい。たとえば、ＭＭＦを搬送されてきたそれぞれ搬送モードが異なるｎ個の光信号を、それぞれ異なる１本のＳＭＦに分波するには、ｎ個のモード変換装置１をカスケード接続すればよい。
【００３７】
以上説明したように本実施形態によれば、単一モード導波路と多モード導波路とを有した光カプラに、モード変換作用を有するグレーティングを施工することで、伝搬モード変換装置を実現できる。たとえば、グレーティング３０の周期を波長の１００倍以上の周期に設定するとモード変換作用が得られる。実効屈折率差Δｎは、一般には０．０１よりも十分小さい。したがって、波長λが１．５５μｍ帯では、グレーティング周期ΛＧは１００μｍ以上となる。
【００３８】
また、グレーティング３０の間隔（周期）は、たとえば、導波路を搬送される光の波長λを、単一モード導波路１０を搬送される変換対象の第１の伝搬モードの光の実効屈折率と、当該第１の伝搬モードの光を変換することで得られる第２の伝搬モードの光の実効屈折率との差分Δｎで除算することで得られる。
【００３９】
また、モード変換装置１を応用することで、複数の伝搬モードの光を多重化するモード多重装置や複数の伝搬モードの光から１つの伝搬モードの光を分離するモード分離装置を実現できる。
【００４０】
さらに、２つ以上のモード変換装置１をカスケード接続することで光合波装置を実現できる。これにより、３つ以上の伝搬モードの光を合波できるようになる。
【００４１】
また、２つ以上のモード変換装置１をカスケード接続することで光分波装置を実現できる。これにより、３つ以上の伝搬モードの光を個別に分離することが可能となる。
【００４２】
また、本実施形態では、光カプラに所望のグレーティングを施工することでモード変換装置等を実現できるため、ホログラフィを応用したモード変換装置と比較して、実現性が高いといえる。また、本実施形態では、モード変換エラーが理論的には発生しないため、位相板を応用したモード変換装置と比較して、エラーが少ないだけでなく、モード変換と同時に合波も実現できるといったメリットがある。また、光カプラが備える２本の導波路サイズを調整することでモード変換を実現するモード変換装置と比較して、本実施形態では、導波路サイズの調整が不要なため、任意構成の導波路に適用できる利点がある。また、一本の多モード導波路にグレーティングを施して生成したモード変換装置ではモード変換を実現できるものの合波を実現できない。これは、この手法では入力された光と出力された光とは同一の多モード導波路を搬送されるからである。また、変換対象の伝搬モードだけを励振することも困難である。一方で、本実施形態のモード変換装置であれば、このようなデメリットを改善できる。
【００４３】
上述した単一モード導波路と多モード導波路はそれぞれシングルモードファイバと多モードファイバによって実現してもよい。
【００４４】
このように本実施形態のモード変換装置は、構成が簡易であり、モード変換エラーも原理的には発生せず、シングルモードファイバとの結合も容易であり、さらに、異なる伝搬モードの光との合波も容易に実現できるといった効果を発揮できる。
【００４５】
なお、本発明は、上述したモード変換装置、モード多重装置、モード分離装置、光合波装置または分波装置を備えたノード装置を提供してもよい。
【００４６】
なお、上述した実施形態では複数の伝搬モードの光の各波長は同一であることを前提としている。しかしながら、本発明は、波長分割多重方式と組み合わせて実用化されてもよい。
【００４７】
さらに、光の搬送方向（導波路の長さ方向）におけるグレーティングの長さ（施工長）を調整することで、モード変換される光とモード変換されない光の割合を調整できる。一般には、元の搬送モードの光を１００％の割合で別のモードに変換することになるが、一部の光パワーを監視目的で抽出したい場合はグレーティングの長さを調整すればよい。
【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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