(57)【要約】【課題】モード分離装置及びモード多重装置において光信号のモード多重及び分離を行う際に生じる損失を低減する技術を提供する。【解決手段】モード分離装置は、マッハツェンダ干渉計をベースとした構成を有し、ビームスプリッタ（ＢＳ）１とＢＳ２との間の２つの光路（光路１及び光路２）のうちの一方の光路（光路１または光路２）に対して、伝搬する光の空間分布を予め定められた軸に対して反転させる機能（像反転機能）を付加する。像反転機能により光の空間分布が反転した場合に位相分布が変化しない第１のモードの光と、像反転機能により空間分布が反転した場合に位相分布が反転する第２のモードの光とが、多重された状態でＢＳ１に対して光路１の方向へ入射される。第１及び第２のモードの光は、光路１及び２を伝搬し、ＢＳ２による合波によって、分離された状態で出力ポートＡ及びＢからそれぞれ出力される。モード多重装置は、モード分離装置の入力と出力とを入れ替えることによって構成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光を、第１の光路の方向へ透過する光と第２の光路の方向へ反射する光とに分割する第１のビームスプリッタと、
前記第１のビームスプリッタを透過して前記第１の光路を伝搬してきた光が入射し、かつ、前記第１のビームスプリッタで反射して前記第２の光路を伝搬してきた光が、前記第１の光路を伝搬してきた光とは異なる方向から入射する位置に設けられ、前記第１の光路を伝搬してきた光を、第１の出力ポートの方向へ反射する光と第２の出力ポートの方向へ透過する光とに分割し、前記第２の光路を伝搬してきた光を、前記第１の出力ポートの方向へ透過する光と前記第２の出力ポートの方向へ反射する光とに分割する第２のビームスプリッタであって、前記第１及び第２の光路を伝搬してきた光を合波して出力する、前記第２のビームスプリッタと、
前記第１または第２の光路上に設けられ、前記第１または第２の光路を伝搬する光の空間分布を、予め定められた軸に対して反転させる反転手段と、を備え、
前記反転手段で空間分布が反転した場合に位相分布が変化しない第１のモードの光と、前記反転手段で空間分布が反転した場合に位相分布が反転する第２のモードの光とが、多重された状態で前記第１のビームスプリッタに対して前記第１の光路の方向へ入射され、
前記第１及び第２のモードの光は、前記第２のビームスプリッタによる合波によって、分離された状態で前記第１及び第２の出力ポートからそれぞれ出力される
ことを特徴とするモード分離装置。
【請求項２】
前記第１及び第２のビームスプリッタの間の、前記第１及び第２の光路の光路差は、前記第１及び第２の光路をそれぞれ伝搬してきた前記第１のモードの２つの光が前記第１の出力ポートで合波される際の、当該２つの光の位相差が０となるように定められる
ことを特徴とする請求項１に記載のモード分離装置。
【請求項３】
前記反転手段による光の空間分布の反転に用いられる軸は、前記第１のモードの光の空間分布を軸に対して反転させた場合に光の位相分布が変化せず、かつ、前記第２のモードの光の空間分布を軸に対して反転させた場合に光の位相分布が反転するように定められる
ことを特徴とする請求項１または２に記載のモード分離装置。
【請求項４】
前記反転手段は、前記第２の光路を伝搬する光を順に反射させる複数のミラーで構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のモード分離装置。
【請求項５】
前記反転手段に設けられるミラーの数は、前記第１のビームスプリッタに入射した光が前記第１または第２の出力ポートから出力されるまでの、前記第１及び第２のビームスプリッタと前記第１の光路上に設けられたミラーとによる、前記第１の光路における反射回数と、前記第１及び第２のビームスプリッタと前記第２の光路上に設けられたミラーとによる、前記第２の光路における反射回数との差分が奇数となるように定められる
ことを特徴とする請求項４に記載のモード分離装置。
【請求項６】
前記第１及び第２のモードは、同一の伝搬モードにおける縮退している２つのモードであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のモード分離装置。
【請求項７】
前記第１及び第２のモードは、異なる伝搬モードであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のモード分離装置。
【請求項８】
前記第１の光路を伝搬してきた光と、前記第２の光路を伝搬してきた光とが、同一の位置と角度で前記第１及び第２の出力ポートへ出射するように、前記第１及び第２の光路上のミラー及び前記第２のビームスプリッタが設けられることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のモード分離装置。
【請求項９】
３つ以上のモードの光を分離するモード分離システムであって、
前記３つ以上のモードの光を、前記３つ以上のモードのうちで異なる伝搬モードの数に相当する数の光に分割するための複数のビームスプリッタと、
請求項１から８のいずれか１項に記載の、複数のモード分離装置と、を備え、
前記複数のビームスプリッタによって分割された光は、前記複数のモード分離装置のそれぞれの第１のビームスプリッタに入射し、
前記複数のモード分離装置は、それぞれ異なる伝搬モードにおける縮退している２つのモードの光を分離して出力する
ことを特徴とするモード分離システム。
【請求項１０】
３つ以上のモードの光を分離するモード分離システムであって、
請求項１から８のいずれか１項に記載の、複数のモード分離装置を備え、
前記複数のモード分離装置は、多段に設けられており、それぞれ異なるモードの２つの光を順に分離して出力する
ことを特徴とするモード分離システム。
【請求項１１】
第１の光路の方向へ入射した光を、前記第１の光路の方向へ透過する光と第２の光路の方向へ反射する光とに分割し、前記第２の光路の方向へ入射した光を、前記第１の光路の方向へ反射する光と前記第２の光路の方向へ透過する光とに分割する第１のビームスプリッタと、
前記第１のビームスプリッタを透過して前記第１の光路を伝搬してきた光が入射し、かつ、前記第１のビームスプリッタで反射して前記第２の光路を伝搬してきた光が、前記第１の光路を伝搬してきた光とは異なる方向から入射する位置に設けられ、前記第１の光路を伝搬してきた光を、第１の出力ポートの方向へ反射する光と第２の出力ポートの方向へ透過する光とに分割し、前記第２の光路を伝搬してきた光を、前記第１の出力ポートの方向へ透過する光と前記第２の出力ポートの方向へ反射する光とに分割する第２のビームスプリッタであって、前記第１及び第２の光路を伝搬してきた光を合波して出力する、前記第２のビームスプリッタと、
前記第１または第２の光路上に設けられ、前記第１または第２の光路を伝搬する光の空間分布を、予め定められた軸に対して反転させる反転手段と、を備え、
前記反転手段で空間分布が反転した場合に位相分布が変化しない第１のモードの光が、前記第１のビームスプリッタに対して前記第１の光路の方向へ入射され、前記反転手段で空間分布が反転した場合に位相分布が反転する第２のモードの光が、前記第１のビームスプリッタに対して前記第２の光路の方向へ入射され、
前記第１及び第２のモードの光は、前記第２のビームスプリッタによる合波によって、多重された状態で前記第１の出力ポートから出力される
ことを特徴とするモード多重装置。
【請求項１２】
前記第１及び第２のビームスプリッタの間の、前記第１及び第２の光路の光路差は、前記第１及び第２の光路をそれぞれ伝搬してきた前記第１のモードの２つの光が前記第１の出力ポートで合波される際の、当該２つの光の位相差が０となるように定められる
ことを特徴とする請求項１１に記載のモード多重装置。
【請求項１３】
前記反転手段による光の空間分布の反転に用いられる軸は、前記第１のモードの光の空間分布を軸に対して反転させた場合に光の位相分布が変化せず、かつ、前記第２のモードの光の空間分布を軸に対して反転させた場合に光の位相分布が反転するように定められる
ことを特徴とする請求項１１または１２に記載のモード多重装置。
【請求項１４】
前記反転手段は、前記第２の光路を伝搬する光を順に反射させる複数のミラーで構成されることを特徴とする請求項１１から１３のいずれか１項に記載のモード多重装置。
【請求項１５】
前記反転手段に設けられるミラーの数は、前記第１のビームスプリッタに入射した光が前記第１または第２の出力ポートから出力されるまでの、前記第１及び第２のビームスプリッタと前記第１の光路上に設けられたミラーとによる、前記第１の光路における反射回数と、前記第１及び第２のビームスプリッタと前記第２の光路上に設けられたミラーとによる、前記第２の光路における反射回数との差分が奇数となるように定められる
ことを特徴とする請求項１４に記載のモード多重装置。
【請求項１６】
前記第１及び第２のモードは、同一の伝搬モードにおける縮退している２つのモードであることを特徴とする請求項１１から１５のいずれか１項に記載のモード多重装置。
【請求項１７】
前記第１及び第２のモードは、異なる伝搬モードであることを特徴とする請求項１１から１５のいずれか１項に記載のモード多重装置。
【請求項１８】
前記第１の光路を伝搬してきた光と、前記第２の光路を伝搬してきた光とが、同一の位置と角度で前記第１及び第２の出力ポートへ出射するように、前記第１及び第２の光路上のミラー及び前記第２のビームスプリッタが設けられることを特徴とする請求項１１から１７のいずれか１項に記載のモード多重装置。
【請求項１９】
３つ以上のモードの光を多重するモード多重システムであって、
請求項１１から１８のいずれか１項に記載の、複数のモード多重装置と、
前記複数のモード多重装置から出力された光を合波して出力するための複数のビームスプリッタと、を備え、
前記複数のモード多重装置は、それぞれ異なる伝搬モードにおける縮退している２つのモードの光を多重して出力する
ことを特徴とするモード多重システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信分野におけるモード多重及び分離技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ファイバ通信では、伝送容量を従来よりも増大させるための技術として、波長多重及び偏波多重に加えて、空間多重（モード多重）伝送技術が注目されている。シングルモードファイバ（ＳＭＦ：Single-mode Fiber）を用いた既存の光ネットワークは、ＳＭＦ内で伝送される波長多重光信号から必要な数の波長の光信号を分離し、また、波長多重光信号に対して必要な数の波長の光信号を多重することが可能な光波長多重分離装置によって構成されている。
【０００３】
将来、モード多重伝送技術がネットワークに対して適用された場合、波長多重光信号と同様、各ネットワーク拠点では、モード多重光信号から必要な数のモードの光信号を分離し、また、モード多重光信号に対して必要な数のモードの光信号を多重できることが求められる。このようなモード多重及び分離を行うための技術として、これまでに、非特許文献１及び２に記載のような技術が知られている。非特許文献１には、モード変換器によって生成されたモードの光をビームスプリッタ（ＢＳ）によって多重する技術が記載されている。非特許文献２のように体積ホログラムを用いて任意の角度方向へ特定のモードの光を空間的に分離する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】C. Koebele, M. Salsi, L. Milord, R. Ryf, C. Bolle, P. Sillard, S. Bigo, and G. Charlet,"40km transmission of five mode division multiplexed data streams at 100Gb/s with low MIMO-DSP complexity", ECOC2011, Th.13.C.3, (2011).
【非特許文献２】A. Okamoto, K. Morita, Y. Wakayama, J. Tanaka, and K. Sato,"Mode division multiplex communication technique based on dynamic volume hologram and phase conjugation,"Photonics in Europe 2010, proc. Vol.7716, (2010).
【非特許文献３】B. E. A. Saleh、M. C. Teich、「基本 光工学1」、森北出版、2006年6月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述の従来技術では、光波長多重分離装置のように、低損失でかつ低クロストークを実現可能なモードの多重及び分離は実現されてない。ここで、図１は、従来のモード多重装置の構成例を示す図である。図１のモード多重装置１０では、多重すべきモードの数だけ用意されたＳＭＦから出射される光信号を、モード変換器によって所望のモードへそれぞれ変換する。その後、モード変換器から出力される複数のモードの光信号を、複数のビームスプリッタ（ＢＳ）を用いて１本のビームに合波し、得られたビームを伝送用のマルチモードファイバ（ＭＭＦ：Multi-mode Fiber）へ結合する。このようにして、複数のモードの光信号を多重して１本の光ファイバで伝送することが可能である。
【０００６】
モード多重装置１０では、各モードの光信号には、１つのＢＳを通過するごとに約３ｄＢのパワーの損失が生じるため、光信号が通過するＢＳの数は少ないことが望ましい。しかしながら、モード多重装置１０では、多重すべきモードの数の増加に伴って必要なＢＳの数も増加する結果、１モードあたり（通過するＢＳの数）×３ｄＢのパワーの損失が生じてしまう。なお、このようなパワーの損失は、モードの多重だけでなくモードの分離を行う際にも、必要となるＢＳの数の増加に伴って同様に生じうる。
【０００７】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。本発明は、モード分離装置及びモード多重装置において光信号のモード多重及び分離を行う際に生じる損失を低減する技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、例えば、モード分離装置として実現できる。本発明の一態様の係るモード分離装置は、入射した光を、第１の光路の方向へ透過する光と第２の光路の方向へ反射する光とに分割する第１のビームスプリッタと、前記第１のビームスプリッタを透過して前記第１の光路を伝搬してきた光が入射し、かつ、前記第１のビームスプリッタで反射して前記第２の光路を伝搬してきた光が、前記第１の光路を伝搬してきた光とは異なる方向から入射する位置に設けられ、前記第１の光路を伝搬してきた光を、第１の出力ポートの方向へ反射する光と第２の出力ポートの方向へ透過する光とに分割し、前記第２の光路を伝搬してきた光を、前記第１の出力ポートの方向へ透過する光と前記第２の出力ポートの方向へ反射する光とに分割する第２のビームスプリッタであって、前記第１及び第２の光路を伝搬してきた光を合波して出力する、前記第２のビームスプリッタと、前記第１または第２の光路上に設けられ、前記第１または第２の光路を伝搬する光の空間分布を、予め定められた軸に対して反転させる反転手段と、を備え、前記反転手段で空間分布が反転した場合に位相分布が変化しない第１のモードの光と、前記反転手段で空間分布が反転した場合に位相分布が反転する第２のモードの光とが、多重された状態で前記第１のビームスプリッタに対して前記第１の光路の方向へ入射され、前記第１及び第２のモードの光は、前記第２のビームスプリッタによる合波によって、分離された状態で前記第１及び第２の出力ポートからそれぞれ出力されることを特徴とする。
【０００９】
本発明は、例えば、モード多重装置として実現できる。本発明の一態様の係るモード多重装置は、第１の光路の方向へ入射した光を、前記第１の光路の方向へ透過する光と第２の光路の方向へ反射する光とに分割し、前記第２の光路の方向へ入射した光を、前記第１の光路の方向へ反射する光と前記第２の光路の方向へ透過する光とに分割する第１のビームスプリッタと、前記第１のビームスプリッタを透過して前記第１の光路を伝搬してきた光が入射し、かつ、前記第１のビームスプリッタで反射して前記第２の光路を伝搬してきた光が、前記第１の光路を伝搬してきた光とは異なる方向から入射する位置に設けられ、前記第１の光路を伝搬してきた光を、第１の出力ポートの方向へ反射する光と第２の出力ポートの方向へ透過する光とに分割し、前記第２の光路を伝搬してきた光を、前記第１の出力ポートの方向へ透過する光と前記第２の出力ポートの方向へ反射する光とに分割する第２のビームスプリッタであって、前記第１及び第２の光路を伝搬してきた光を合波して出力する、前記第２のビームスプリッタと、前記第１または第２の光路上に設けられ、前記第１または第２の光路を伝搬する光の空間分布を、予め定められた軸に対して反転させる反転手段と、を備え、前記反転手段で空間分布が反転した場合に位相分布が変化しない第１のモードの光が、前記第１のビームスプリッタに対して前記第１の光路の方向へ入射され、前記反転手段で空間分布が反転した場合に位相分布が反転する第２のモードの光が、前記第１のビームスプリッタに対して前記第２の光路の方向へ入射され、前記第１及び第２のモードの光は、前記第２のビームスプリッタによる合波によって、多重された状態で前記第１の出力ポートから出力されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、モード分離装置及びモード多重装置において光信号のモード多重及び分離を行う際に生じる損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】モード多重装置の構成例を示す図。
【図２】マッハツェンダ干渉計の動作原理を説明するための図。
【図３】一実施形態に係るモード多重装置及びモード分離装置の構成及び動作を概念的に示す図。
【図４】一実施形態に係るモード分離装置の構成及び同一ＬＰモードの光を分離する場合の動作の一例を示す図。
【図５】一実施形態に係るモード分離装置の構成及び同一ＬＰモードの光を分離する場合の動作の一例を示す図。
【図６】一実施形態に係る、像反転機能による像反転が行われた場合の各伝搬モードの光の位相変化例を示す図。
【図７】一実施形態に係るモード分離装置の構成及び異なるＬＰモードの光を分離する場合の動作の一例を示す図。
【図８】一実施形態に係るモード多重装置の構成及び動作の一例を示す図。
【図９】一実施形態に係る、５つのモードの光を分離するモード分離システムの一例を示す図。
【図１０】一実施形態に係る、５つのモードの光を多重するモード多重システムの一例を示す図。
【図１１】一実施形態に係る、５つのモードの光を分離するモード分離システムの一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、実施形態の説明に必要ではない構成要素については図から省略する。
【００１３】
＜概要＞
本発明の実施形態では、マッハツェンダ干渉計（例えば、非特許文献３を参照。）をモードの多重及び分離に利用することを特徴としている。具体的には、マッハツェンダ干渉計における２つの光路のうちの一方の光路に対して、伝搬する光の空間分布を予め定められた軸に対して反転させる機能（以下、「像反転機能」とも称する。）を付加する。これにより、マッハツェンダ干渉計に入力（入射）される光に対して、原理的に損失を生じさせることなくモードの多重及び分離を行うことが可能になる。
【００１４】
そこで、まず図２を参照して、マッハツェンダ干渉計の動作原理について説明する。図２に示すように、マッハツェンダ干渉計２０では、入力ポートから入力され、ビームスプリッタ（ＢＳ）１に入射した光は、透過光と反射光に分割され、２つの光路（光路１及び光路２）をそれぞれ伝搬する。更に、光路１及び２をそれぞれ伝搬した２つの光は、ＢＳ２で再び合波されて干渉する。
【００１５】
マッハツェンダ干渉計２０では、ＢＳ２で合波される際の２つの光の位相差に依存して、干渉の効果により出力ポートＡ及びＢから出射される光のパワーが変化する。ここで、光路１及び２をそれぞれ伝搬した２つの光が出力ポートＡから出射する際の２つの光の位相差が０の場合、出力ポートＡでは、２つの光が同位相となって強め合う。この場合、光路１及び２をそれぞれ伝搬した２つの光が出力ポートＢから出射する際の２つの光の位相差はπとなるため、出力ポートＢでは、２つの光が逆位相となって弱め合う（打ち消し合う）。その結果、原理的には出力ポートＡのみから光が出射し、出力ポートＢからは光は出射しない（即ち、出力ポートＢから出射する光の強度は０となる）。
【００１６】
一方、光路１及び２をそれぞれ伝搬した２つの光が出力ポートＡから出射する際の２つの光の位相差がπの場合、出力ポートＡでは、２つの光が逆位相となって弱め合う（打ち消し合う）。この場合、光路１及び２をそれぞれ伝搬した２つの光が出力ポートＢから出射する際の２つの光の位相差は０となるため、出力ポートＢでは、２つの光が同位相となって強め合う。その結果、原理的には出力ポートＢのみから光が出射し、出力ポートＡからは光は出射しない（即ち、出力ポートＡから出射する光の強度は０となる）。
【００１７】
本実施形態では、上述のマッハツェンダ干渉計の特性を、モードの多重及び分離に利用する。具体的には、マッハツェンダ干渉計に２つのモードの光を入力した場合に、一方のモード（第１のモード）については、光路１及び２（第１及び第２の光路）をそれぞれ伝搬した２つの光が出力ポートＡから出射する際の２つの光の位相差は０となるようにする。他方のモード（第２のモード）については、光路１及び２をそれぞれ伝搬した２つの光が出力ポートＡから出射する際の２つの光の位相差はπとなるようにする。その結果、第１のモードの光は出力ポートＡからのみ出射し、第２のモードの光は出力ポートＢからのみ出射することになり、原理的に損失を生じさせることなくモードの分離を実現できる。
【００１８】
本実施形態では、マッハツェンダ干渉計をモード分離装置として機能させるために、図３（Ａ）に示すように、マッハツェンダ干渉計の光路２に対して像反転機能を付加する。更に、第１のモードとして、像反転機能により光の空間分布が反転した場合に位相分布が変化しないモードを選択し、第２のモードとして、像反転機能により空間分布が反転した場合に位相分布が反転するモードを選択する。これにより、第１のモードについては、光路１及び２からの２つの光が出力ポートＡから出射する際の位相差を０とする一方で、第２のモードについては、光路１及び２からの２つの光が出力ポートＡから出射する際の位相差をπとすることを実現できる。
【００１９】
また、図３（Ｂ）に示すように、マッハツェンダ干渉計をモード分離装置としても機能させる場合と同様の構成で、マッハツェンダ干渉計をモード多重装置としても機能させることが可能である。この場合、ＢＳ１に対して光路１の方向へ、上述の第１のモードの光を入射させ、ＢＳ１に対して光路２の方向へ、上述の第２のモードの光を入射させればよい。その結果、光路２からＢＳ２を透過する方向の出力ポートに、これら第１及び第２のモードの光が多重された状態で出射する。
【００２０】
＜モード分離＞
次に、図４は、一実施形態に係るモード分離装置の構成及び動作の一例を示す図である。図４に示すように、モード分離装置４０は、上述のように、マッハツェンダ干渉計の構成に対して、光路２に像反転機能を付加したものに相当する。本実施形態では、像反転機能は、光路２を伝搬する光の空間分布を、後述するように予め定められた軸に対して反転させる機能に相当する。この像反転機能は、例えば図５に示すように、光路２を伝搬する光を順に反射させる複数のミラー（ミラーＭ２及びＭ３）によって実現できる。以下では、図５を参照して、モード分離装置４０の構成についてより具体的に説明する。
【００２１】
モード分離装置４０は、ＢＳ１及びＢＳ２と、光路１上のミラーＭ１及び光路２上のミラーＭ２と、光路２上に設けられた像反転部５０とを備える。ＢＳ１は、入射した光（入力された光）を、光路１の方向へ透過する光と光路２の方向へ反射する光とに分割する。ＢＳ２は、ＢＳ１を透過して光路１を伝搬してきた光が入射する位置であり、かつ、ＢＳ１で反射して光路２を伝搬してきた光が、光路１を伝搬してきた光とは異なる方向から入射する位置に設けられている。ＢＳ２は、光路１を伝搬してきた光を、出力ポートＡの方向へ反射する光と出力ポートＢの方向へ透過する光とに分割する。更に、ＢＳ２は、光路２を伝搬してきた光を、出力ポートＡの方向へ透過する光と出力ポートＢの方向へ反射する光とに分割する。このようにして、ＢＳ２は、光路１及び２を伝搬してきた光を合波して出力する。像反転部５０は、光路２上に設けられ、光路２を伝搬する光に対する像反転を行う。光路１と２及びそれらの合波部に設けられる、ミラーＭ１とＭ２とＭ３及びＢＳ２の反射により、光路１を伝搬してきた光と光路２を伝搬してきた光は同一の位置と角度で出力ポートＡ及び出力ポートＢへ出射し、両出力ポートにおいて干渉する。
【００２２】
また、モード分離装置４０では、ＢＳ１とＢＳ２との間の、光路１及び２の光路差は、光路１及び２をそれぞれ伝搬してきた、上述の第１のモードの２つの光が出力ポートＡで合波される際の、当該２つの光の位相差が０となるように調整される（定められる）。
【００２３】
モード分離装置４０では、上述の第１及び第２のモード光が、多重された状態で、ＢＳ１に対して光路１の方向へ入射される。その結果、第１及び第２のモードの光は、光路１及び２を伝搬し、ＢＳ２による合波によって、分離された状態で出力ポートＡ及びＢからそれぞれ出力される。
【００２４】
ここで、図５は、伝送用ファイバから、同一の伝搬モード（ＬＰモード）のａモード及びｂモードである、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの２つのモードの光が、モード分離装置４０に入力される場合を一例として示している。なお、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂは、同一の伝搬モードにおける縮退している２つのモードに相当する。
【００２５】
また、像反転部５０は、水平方向への像反転機能を有しており、即ち、図５に示すように、垂直方向に沿った軸に対して、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードの光の空間分布をそれぞれ反転させる。その結果、第１のモードに相当するＬＰ１１ａモードの光は、像反転の前後で位相分布が変化せず、第２のモードに相当するＬＰ１１ｂモードの光は、像反転によって位相分布が反転する。このように、像反転部５０による像反転に用いられる軸は、ＬＰ１１ａモード（第１のモード）の光の空間分布を軸に対して反転させた場合に光の位相分布が変化せず、かつ、ＬＰ１１ｂモード（第２のモード）の光の空間分布を軸に対して反転させた場合に光の位相分布が反転するように定められている。
【００２６】
これにより、ＬＰ１１ａモードの光がＢＳ２（出力ポートＡ）で合波される際の、光路１及び２からの２つの光は同位相となり、互いに強め合いながら出力される。一方、出力ポートＢでは、これら２つの光は逆位相となるため、出力ポートＢからの出力は０となる。また、ＬＰ１１ｂモードの光がＢＳ２（出力ポートＡ）で合波される際の、光路１及び２からの２つの光は逆位相となり、出力ポートＡからの出力は０となる。一方、出力ポートＢでは、これら２つの光は同位相となり、互いに強め合いながら出力される。
【００２７】
このように、本実施形態によれば、同一ＬＰモードのａモード及びｂモードである、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂの２つモードの光を、原理的に損失を生じさせることなく分離することが可能である。
【００２８】
なお、像反転部５０による像反転は、光路１及び２に設けられるミラーと、ＢＳ１及びＢＳ２とによる光の反射回数を制御することによって実現されうる。具体的には、ＢＳ１に入射した光が出力ポートＡまたはＢから出力されるまでの、ＢＳ１及びＢＳ２とミラーとによる光路１における反射回数と、ＢＳ１及びＢＳ２とミラーとによる光路２における反射回数との差分が奇数となるように定められる。例えば、図５では、出力ポートＡから出射される光は、光路１では２回、光路２では３回反射するため、反射回数の差分は１（奇数）となっている。また、出力ポートＢから出射される光は、光路１では１回、光路２では４回反射するため、反射回数の差分は３（奇数）となっている。
【００２９】
また、モード分離装置４０は、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードに限らず、同一のＬＰモードのａ及びｂモードの組み合わせであれば、同様にモードの分離を実現できる。これは、図６に示すように、同一のＬＰモード（図６では、ＬＰ１１、ＬＰ２１及びＬＰ３１モード）のａ及びｂモードの光に対して像反転を行った場合、ａ及びｂモードの一方の光は位相分布が変化せず、他方は位相分布が反転する。したがって、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードに限らず、同一のＬＰモードのａ及びｂモードの組み合わせであれば、モード分離装置４０によって原理的に損失を生じさせることなくモードの分離を行うことが可能である。
【００３０】
また、モード分離装置４０は、ＬＰ１１ａ及びＬＰ１１ｂモードのように同一のＬＰモードにおける縮退している２つのモードだけでなく、異なるＬＰモードについても、同様にモードの分離を実現できる。図７は、異なるＬＰモードの例として、ＬＰ１１及びＬＰ２１モードの分離をモード分離装置４０によって行う例を示している。図７に示すように、ＬＰ１１及びＬＰ２１モードの光に対して像反転を行った場合、ＬＰ１１モードの光は位相分布が変化せず、ＬＰ２１モードの光は位相分布が反転する。このように、像反転により一方のモードの光には位相分布の変化が生じず、他方のモードの光に位相分布の反転が生じる組み合わせであれば、異なるＬＰモードの組み合わせであっても原理的に損失を生じさせることなくモードの分離を行うことが可能である。
【００３１】
＜モード多重＞
次に、図８は、一実施形態に係るモード多重装置の構成及び動作の一例を示す図である。図８に示すように、モード分離装置８０は、上述のように、マッハツェンダ干渉計の構成に対して、光路２に像反転機能を付加したものに相当し、モード分離装置４０の入力と出力とを入れ替えたものに相当する。
【００３２】
モード多重装置８０では、上述の第１のモード光が、ＢＳ１に対して光路１の方向に（入力ポートＡから）入射され、上述の第２のモード光が、ＢＳ１に対して光路２の方向に（入力ポートＢから）入射される。その結果、第１及び第２のモードの光は、光路１及び２を伝搬し、ＢＳ２による合波によって、多重された状態で（光路２からＢＳ２を透過する方向の）出力ポートから出力される。
【００３３】
本実施形態によれば、モード分離の場合と同様、原理的に損失を生じさせることなく、同一のＬＰモードのａ及びｂモード、並びに異なるＬＰモードについてモードの多重（合波）を行うことが可能である。
【００３４】
＜他の実施形態＞
上述の実施形態で説明したモード分離装置４０及びモード多重装置８０を複数用いることによって、３つ以上のモードの光の分離及び多重を行うことが可能である。図９は、複数のモードの光が伝搬可能な光ファイバ（マルチモードファイバ（ＭＭＦ））から出射される、５つのモード（ＬＰ０１，ＬＰ１１ａ，ＬＰ１１ｂ，ＬＰ２１ａ，ＬＰ２１ｂ）の光を分離するモード分離システムの例を示している。なお、図９では、モード分離装置４０を像反転ＭＺＩ（マッハツェンダ干渉計）として示している。
【００３５】
図９に示すモード分離システムは、２つの像反転ＭＺＩ４０に加えて、５つのモードの光を、異なるＬＰモードの数に相当する数の光に分割するためのＢＳ９１及びＢＳ９２を備える。ＢＳ９１及びＢＳ９２で分割された（分岐した）光は、２つの像反転ＭＺＩ４０に入力される。これにより、同一ＬＰモードのａ及びｂモードの光を、原理的に損失を生じさせることなく分離して出力できる。
【００３６】
また、図９に示すモード分離システムの入力と出力とを入れ替えることによって、図１０に示すように、５つのモード（ＬＰ０１，ＬＰ１１ａ，ＬＰ１１ｂ，ＬＰ２１ａ，ＬＰ２１ｂ）の光を多重するモード多重システムを実現できる。図１０に示すモード多重システムは、５つのモードの光のうち、同一ＬＰモードのａ及びｂモードの光を、原理的に損失を生じさせることなく多重（合波）して、多重された光をＭＭＦに出力できる。
【００３７】
更に、図１１に示すように、複数の像反転ＭＺＩ４０を多段に設ける（接続する）ことによって、同一ＬＰモードのａ及びｂモードだけでなく異なるＬＰモードについても、ＢＳを用いることなく分離できる。これにより、ＭＭＦ内を伝搬する複数のモードの光を原理的に損失を生じさせることなく分離することが可能である。
【００３８】
上述の種々の実施形態は、光ファイバの空間利用効率の向上によって伝送容量の拡大を図る、空間多重（モード多重）伝送技術の実現に貢献しうる。これらの実施形態を用いることで、光ファイバ中の各モードについて独立した信号を変復調することが可能になる。その結果、理論的な通信容量は、（１モード当たりの伝送容量）×（モード数）となり、光ネットワークの大容量化を見込める。
【００３９】
また、上述の種々の実施形態で説明したモード多重分離技術によれば、各ネットワーク拠点において、モード多重光信号から必要な数のモードの光信号を分離し、また、モード多重光信号に対して必要な数のモードの光信号を多重できる。即ち、従来の波長多重光信号における波長と同様に、モード多重光信号におけるモードを扱うことが可能になる。
【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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