波長・モード多重伝送融合のための遅延干渉型モード合分波器に関する研究
A research on interference-type mode (de)multiplexers for WDM and MDM transmission

２．研究の背景
近年の、クラウドサービスに代表される、データ通信の爆発的需要増加を受け、幹線系光通信の更なる大容量化が必須となり、将来的にペタビットクラスの伝送容量が必要となる。光通信伝送容量の拡大は、様々な多重化技術によって達成されてきた。特にWDM技術は光通信の大容量化に有効でありこれまで広く用い藤澤 剛 ( Takeshi Fujisawa, Dr. Eng.)られてきたが、通常のシングルモードファイバの伝送北海道大学 大学院情報科学研究院
メディアネットワーク部門 准教授

容量に関しては理論限界に達しつつある。

(Associate Professor, Hokkaido University, Graduate School ofInformation Science and Technology)

空間、波長、振幅、位相、偏波）のうち、光通信の多空間分割多重技術は、光の有する物理的資源（時間、IEEE OSA 電子情報通信学会
受賞：電子情報通信学会学術奨励賞 (2010 年) 、他

重化に残された最後の物理的資源である、空間を用いて信号の多重化を行う技術である。MDMは空間分割多重技術の一つであり、複数の導波モードを有する数研究専門分野：光ファイバ通信 光デバイス 光半導体光学モードファイバ（FMF）を伝送路として用い、導波モードごとに信号を載せることで多重度を増大する。他

あらまし
波長・モード分割多重通信併用のための、低損失・の多重化技術、特に、WDMと併用することで、伝送容高消光比モード合分波器に関する研究を行った。具体

量の飛躍的拡大が可能であり、この数年、主に長距離に、シリコン導波路を用いた、超小型、モード多重用幹線系光通信の伝送容量拡大を目的として、盛んに研の波長無依存カプラ構造を有するマッハ・ツェンダー究が行われている。

型モード合分波器を新規提案し、独自の設計技術を用

MDMでは、送信、受信側で異なるモードを合分波すいて、デバイス構成、及び、損失・モード間消光比にる、モード合分波器（Mode-MUX）が必要となる。

関しての極限性能を追求した。具体に、2 モードの合Mode-MUXを構成するにはいくつかの方法があるが、分波器を対象とし、設計、試作実験により、その有用申請者らはこれまで、小型で低損失、なおかつ大量生性を実証した。本研究により、モード分割多重通信を、産が可能な、石英系材料を用いた平面光波回路（PLC）規模の大きな波長分割多重通信と併せて用いることがによるモード合分波器を研究し、その成果を世界に先可能となり、光通信伝送容量の飛躍的増加を実現する駆けて発表してきた（研究実績欄論文13番）。図1に非ことができると考えられる。

対称方向性結合器を用いた、従来のPLC型モード合分波器の構造図と特性を示す。導波路2から入射された光（Mode1）は導波路1と位相整合する波長で導波路1のMode2へと変換される。その際、変換されなかった

１．研究の目的
光通信伝送容量の飛躍的増加を目的として、モード成分は導波路2に残り、分波の際にクロストーク（XT）

分 割 多 重 伝 送 技 術 （ Mode-Division Multiplexing:となる。この素子では、同図右に示すように、設計波*1 を用いた通信用光デバイスに関する研究を行MDM）長においては、変換効率が大きく、XTは小さいが、中う。特に、現行の光通信システムで用いられている、心波長から外れると、XTが急激に大きくなってしまい、異なる光 の波長 に情報を 載せる波 長分割 多重 技 術

広い波長範囲で用いることが困難であった。現行の光（Wavelength-Division Multiplexing: WDM）*2 との通信システムで用いられるWDMとの併用を考えた場併用が可能な、波長・モード多重伝送併用遅延干渉型合（図2）その波長依存性が大きな問題となり、波長多*3重数の大きなWDMとの併用が困難であり、真の意味モード合分波器 に関する研究を行う。

での伝送容量の飛躍的増加を達成することができない。
1TELECOM FRONTIER No.109 2020 AUTUMN

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べ、回路規模を 100 分の 1 程度に縮小することが可能となる。MZ 干渉計は 2 つの 3dB カプラ、及びその間の、遅延線からなり、遅延線の長さに応じて、図 3 右に示すように、その透過率が波長に対して周期的になることが知られている。WDM で用いられる波長、波図1 従来型PLC型2モード合分波器の構造と特性長間隔は、規格で厳密に定められているため、それらの波長付近でのみ、変換効率が高く、XT が小さければ良い。言い換えるならば、必要な波長以外の特性は悪くてもかまわない。この設計思想が従来の Mode-MUXとの大きな違いとなる。図 3 に示すように、波長1、2 がシステムで用いる波長だとすると、適切に設計された MZ-Mode-MUX を用いることで、WDM で用いる波長において、低損失・低 XT のモード合分波器が

図2 WDM-MDM併用2モード合分波器の概念図構成できることになるが、PLC 型 MZ 干渉計を用いたモード合分波器に関する検討は世界的にまったく行わ３．研究の方法れていない。また、MZ 干渉計を構成するには、広帯このような問題に鑑み、本研究では、図 2 に示すよ域で動作する 3dB カプラが 2 つ必要になる。通常のシうな、MDM-WDM 併用のための、低損失・高消光比

ングルモード MZ 干渉計では、マルチモード干渉導波

Mode-MUX に関する研究を行う。具体に、シリコン導路と呼ばれる素子を使うことで、簡単に広帯域 3dB カ波路を用いた、超小型、モード多重用の波長無依存カプラを構成できる。それに対し、本研究の MZ-Mode-プラ（Wavelength Insensitive Coupler: WINC）構造

MUX では図 3 に示すように、Mode1 と Mode2 にパを有するマッハ・ツェンダー（MZ）型モード合分波器

ワーを半分ずつ分配する、モードディバイダ（Mode-（MZ-Mode-MUX）を新規提案し、独自の設計技術をDiv）[1]が必要となるが、それについての検討もまっ用いて、デバイス構成、及び、損失・モード間消光比たく行われていない。ここでは、この Mode-Div の開に関しての極限性能を追求する。具体に、2 モードの発に当たって、図 3 左の破線部に示すような WINC 構合分波器を対象とし、設計、試作実験により、その有造を利用する。WINC 構造は、それ自体も一つの MZ用性を実証する。本研究により、MDM を規模の大き干渉計であり、従来、シングルモードの光波回路におな WDM と併せて用いることが可能となり、光通信伝いて、波長依存性を低減するための構造として用いら送容量の飛躍的増加を実現することができる。

れてきたが、申請者の知る限り、モード分岐制御への適用はこれが初めてである。
3.1 3dB モードディバイダの設計
図 4 に、MZ 干渉計の 3dB 分岐部に用いる、WINC

図 3 WDM-MDM 併用 MZ 型 2 モード合分波器の構造図と特性型 3-dB モードディバイダの上面図を示す。図中、黒で塗りつぶされた領域が導波路コア部を示す。

ここでは、図 3 に示す、シリコン導波路を用いた、WINC 構造を有する超小型 MZ-Mode-MUX を提案する。コア・クラッド間の屈折率差の大きなシリコン導波路を用いることで、従来の石英系 Mode-MUX に比2TELECOM FRONTIER No.109 2020 AUTUMN

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yxzかる。これらより、ΔL を最適に設計することで、広帯LWaveguide 1w1w1

Port 1ggw2w2

タの評価指標として前節と同様に最大偏差を用いる。
波長 λ = 1525、1550、1575 nm の 3 波長で評価をすLc

Lc
3-dB mode
divider域化できることがわかる。今回は ΔL の最適パラメー

Port 3L+DLる。最大偏差は、3-dB mode
divider

Port 2Port 4

MD = max T (  ) − Tc

Waveguide 2

(1)で与えられ、T(λ)は波長 λ で Port 2 から TE0 モードを

図 4 WINC 型 3-dB モードディバイダの導波路構造

入射した際の Port 3 への TE1 モードの透過率、Tc は導波路 1、2 の導波路幅をそれぞれ w1 = 837 nm、基準透過率を表す。T(λ)と Tc の差の絶対値を求め，そw2 = 400 nm、結合部分での導波路間隔を g = 200 nm，の差が最大となる値が最大偏差となる。そして，最大結合部分の伝搬距離を Lc = 9.09 μm、中央部分の導波偏差が最も小さくなるようにパラメータを設定する。

路 1，2 の伝搬距離をそれぞれ L，L + ΔL、コアの高ここでは 3-dB モードディバイダを設計したいので Tc

さを h = 210 nm としている。コア部分の屈折率はシ= 0.5 とする。値の算出には、モード結合理論(Coupled

リコンを想定して 3.476、クラッド部分の屈折率はシMode Theory: CMT)を用いた。

リカを想定して 1.444 とする。Port 2 に TE0 モードを入射した際に、Port 3 に TE1 モード、Port 4 に TE0 モードを 1 : 1 の比率で出射するように設計する。前段部
分の 3-dB モードディバイダで入射光を分岐させた後、中央部分で遅延線を用いて位相差をつけ，再び 3-dB モードディバイダで結合させることで波長無依存なディバイダを設計する。

(a) L = 0 μm(b) L = 20 μm(c) L = 40 μm

図 6 最大偏差のΔL 依存性
図 6 に、最大偏差の ΔL 依存性を示す。(a)~(c)はそれぞれ L = 0，20，40 μm の際の最大偏差を示している。図より、L の長さによって、最大偏差が最小となる ΔL の値が異なることがわかる。最大偏差が最小となる構造として L = 0、20、40 μm の際に ΔL = 0.531、1.234、1.937 μm を用いることで、最も広帯域動作する。図 7 に、WINC 型 3-dB モードディバイダの透過率の波長依存性を示す。図より、どの L の長さでも最図 5 L = 20 μm とした際の WINC 型 3-dB モードディバイダの適な ΔL を設定することで、広帯域動作していること

各波長における Port 3 への透過率の ΔL 依存性がわかる。

図 5 に，L = 20 μm とした際の WINC 型 3-dB モードディバイダの各波長における Port 3 への透過率のΔL 依存性を示す。図より，ΔL が増加した際に、各波長の透過率が 0.5 付近で重なり合う点があることがわ

3TELECOM FRONTIER No.109 2020 AUTUMN

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yxz

LWaveguide 1

Port 1

L

L1

w1

w1

w1

w1

gg

gg

w2

w2

w2

w2

Lc

Lc

Lc

Lc

3-dB mode
divider

3-dB mode
divider

3-dB mode
divider

3-dB mode
divider

L+DLL+DL

Port 2

Port 4Waveguide 2L2

図 9 マッハ・ツェンダー型モード合分波器の導波路構造

図 10 に、FSR = 20 nm に設定したマッハ・ツェン
ダー型モード合分波器の透過スペクトルを示す。図より、マッハ・ツェンダーフィルタ特有の周期的なスペクトルが得られていることがわかり、FSR も約 20 nm

図 7 WINC 型 3-dB モードディバイダの透過率の波長依存性となっており、想定通りの設計ができている。
図 8 に，L = 20 μm で設計した WINC 型 3-dB モードディバイダにおいて ΔL が変化した際の透過スペクトルを示す。図より，ΔL の値が変化すると，透過スペクトルが全波長で同等に変化していることがわかる。
1.2DL [mm]Transmission

1

1.05
1.10
1.15
1.20
1.25
1.30
1.35
1.40

0.8

0.6
0.4

0.201.53

図 10 FSR = 20 nm に設定したマッハ・ツェンダー型モード合分

1.54

1.55
1.56
Wavelength [mm]1.57

1.58波器の透過スペクトル

図 8 L = 20 μm で設計した WINC 型 3-dB モードディバイダ

3.3 MZ-Mode-MUX の試作[2]において ΔL が変化した際の透過スペクトル

図 11 に、CMOS ファウンドリーにより試作した、3dB モードディバイダの顕微鏡写真を示す。設計パラ

3.2 MZ-Mode-MUX の設計
図 9 に、マッハ・ツェンダー型モード合分波器の導メータは 3.1 で示したものと同じである。

波路構造を示す。3-dB モードディバイダのパラメータは 3.1 で設計したパラメータを用いる。MZ-ModeMUX では、遅延線の導波路長（L1, L2）を変えることで、任意の波長間隔(Free spectral range: FSR)を有するモード合波器を構成可能である。FSR は

D =

2
N1 L1 − N 2 L2(2)

図 11 試作したモードディバイダの顕微鏡写真により与えられ、は波長、N は群屈折率を表す。

4Port 3TELECOM FRONTIER No.109 2020 AUTUMN

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図 12 に、L = 20 mm とした場合の、(a) CMT によ

0Transmission [dB]る計算、および(b) 測定によって求めた、DL = 1.05 ~1.40 mm におけるモードディバイダの透過スペクトルを示す。どのDL を選択しても、波長依存性の低い透過スペクトルが広帯域にわたり得られていることがわかる。また、DL によって分岐比が変化していることがわかる。図より、理論値 (実線) と測定値 (点) がよく一致していることがわかり、提案したデバイスのコンセ

1.2

Transmission

0.6

0.4
0.2

01.53

1.54

1.55
1.56
Wavelength [mm]1.57-30Transmission
Crosstalk

図 14 FSR = 20 nm における MZ モード/波長合分波器の透過

DL [mm]1.05
1.101.151.201.251.301.351.400.8-20-401.53 1.54 1.55 1.56 1.57 1.58 1.59 1.60
Wavelength [mm]プトが確認できた。

1-10スペクトルの測定結果

４．将来展望これまで示してきたように、本研究で提案したモード合分波器は、使用する波長において、低損失、高消光比となっており、WDM 技術との併用に適している。

1.58

これは従来の、設計波長から離れると性能が劣化する

図 12 L = 20 mm とした場合のDL = 1.05 ~ 1.4 mm におけるモード合分波素子に対する利点となる。

モードディバイダの透過スペクトルの測定結果

また、研究を始めた当初は、単純な 3dB の分岐素子と、それを組み合わせた干渉型モード合分波器の構成

図 13 に、図 11 に示した 3dB モードディバイダを用いて試作した、MZ-Mode-MUX の顕微鏡写真を示す。
FSR は 20 nm であり、3.2 の設計パラメータを用いてを目指していたが、図 12 に示すように、モードディバイダの分岐比は、遅延線の長さにより、自由に変えられることを発見した。これは、同じ長さの遅延線に対いる。二つのモードディバイダに、遅延線導波路が挟して、熱等の摂動を与えることで、分岐比にチューナまれているのが確認できる。図 14 に、測定により求めビリティを付与できることを示唆しており、「モード」

た、FSR = 20 nm における MZ モード/波長合分波器に関する光の変調器や、パワー可変減衰器、利得等化の透過スペクトルを示す。図より、周期的な透過スペ器などへの応用が可能となると考えられる[3]。

クトルが得られており、計算結果（図 10）と測定結果がよく一致していることがわかる。測定により得られた FSR は約 20 nm であり、設計通りの素子を実現した。

おわりにWINC 型モードディバイダ、MZ-Mode-MUX の透過スペクトルの評価結果から、広帯域のモード分岐、及び、任意の波長間隔のピーク波長間隔を有する波長合波が可能なことを実験により実証した。本素子を用いることで、WDM と MDM の併用がより一層効果的になり、光通信伝送容量の飛躍的増加の一助になると図 13 試作した MZ-Mode-MUX の顕微鏡写真考えられる。

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用語解説 関連文献*1 モード分割多重通信：光導波路中に存在する各種のモードに情報を載せ、通信する技術*2 波長分割多重通信：一本の光ファイバ上に複数の光波長を多重し効率的な信号伝送を行う多重法の一つ*3 モード合分波器：複数のポートから入射された光を、異なるモードとして一つの導波路に合分波する素子
参考文献[1] S. Ohta, T. Fujisawa, S. Makino, T. Sakamoto, T.
Matsui, K. Tsujikawa, K. Nakajima, and K.
Saitoh,"Si-based

wavelength/mode
WDM/MDM

Mach-Zehndermulti/demultiplexertransmission

system",foraOptics

Express, vol.26, no.12, pp. 15211-15220, June
2018[2] M. Kudo, T. Fujisawa, T. Sakamoto, T. Matsui, K.
Tsujikawa, K. Nakajima, and K. Saitoh, "ABroadband

Mode

Divider

withBranching

Ratio

Basedoninsensitive
Communication

Coupler",
Conference

Arbitrary

Wavelength-Optical(OFC),

Fiber
Paper

Th2A.4, San Diego, USA, Mar. 3-7, 2019.
[3] K. Nakamura, T. Fujisawa, T. Sakamoto, T.
Matsui, K. Nakajima, and K. Saitoh, "A tunable
mode divider based on wavelength insensitive
coupler using thermo-optic effect for gainequalization in MDM network”, Optical Fiber
Communication

Conference(OFC),Paper

Th2A.6, San Diego, USA, Mar. 8-12, 2020.
この研究は、平成２８年度ＳＣＡＴ研究助成の対象として採用され、平成２９～平成元年度に実施されたものです。

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