JP5548241B2 - 光合分波器 - Google Patents

Description

本発明は、光通信、ないしその計測等に使用する光の合分波器に関する。さらに詳しくは、複数のモードを有する光部品・光伝送路（光ファイバ等）と単一のモードを有する光部品・光伝送路を接続する際にモードの整合をとりつつ合成、分波（分離）をおこなう光合分波器に関する。

近年、情報通信分野において、高速なデータ通信を可能とする光通信技術が広く採用されている。従来の大容量光通信技術では単一モード光ファイバを伝送媒体として用いてきた。さらなる通信容量拡大のために、２ないし１０個の複数の伝搬モードをもつ光ファイバ（数モードファイバ）を用い、おのおのの伝搬モードに異なった情報を乗せるモード多重伝送方式の研究が進んでいる。現在のモード多重伝送方式では、信号生成は単一モードの装置を使用し、複数の単一モード信号を伝送時にモード多重信号に合成し、多モード伝送路をもちいて一括で送信し、同様に、受信部ではこれを複数の単一モード信号に分離した後、単一モードの装置を用いて復号している。このため、複数の単一モード信号を安定かつ簡便に合波、分波する合分波器が使用される（例えば、非特許文献１〜３参照。）。

Ｓｅｂａｓｔｉａｎ Ｒａｎｄｅｌ他，"６×５６−Ｇｂ／ｓ ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ ３３−ｋｍ ｆｅｗ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｅｎａｂｌｅｄ ｂｙ ６×６ ＭＩＭＯ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ"， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．１７，１６６９７（２０１１） Ｎ． Ｈａｎｚａｗａ他，"Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ １０ ｋｍ ｔｗｏ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅ ｃｏｕｐｌｅｒ"，ＯＦＣ ２０１１ ＯＷＡ４（２０１１） Ｓｅｒｇｉｏ Ｇ．Ｌｅｏｎ−Ｓａｖａｌ他，"Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｌａｎｔｅｒｎ"， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．８，８４３０（２０１０）． 高良秀彦、他；「２モード合分波平面光波回路とその数モードファイバへの結合」、レーザー学会第３２回年次大会、Ｇ３０１ａＩＶ０６，２０１２年

モード多重通信に使用されうる多モード光ファイバ中のモードの空間分布（横断面）の代表的なモードを図１に示す。モードの名称は弱導波近似における名称である。モード多重通信ではこれら複数のモードが同時に１本の光ファイバ中に混在して伝送され、かつ、各々のモードで別の情報が伝送されるため、送受信部ではそれらを合成・分離する必要がある。ＬＰ１１モードは、複数のモードが縮退して存在しており、それらを光学的に分離する事は難しい。ＬＰ_２１モードも同様に複数のモードが縮退している。図２は矩形の導波路のモードとその縦方向の電界分布であり、モードの名称はマルカティリ近似における名称を示している。図２のＥ００，Ｅ１０，Ｅ２０モード等はコアの上下方向に対して鏡映関係のモード分布をしている。ここではこれを縦方向に偶対称の電界分布と総称する。これに対して、Ｅ０１，Ｅ１１モード等は縦方向に点対称の分布であり、縦方向に奇対称の電界分布と総称する。

非特許文献１にみるように、合分波器としては空間光学系を用いることが行われるが、合波・分波に半透明鏡を使用する。分波器で考えると、ｎ個のモードを使用する場合、元の光をｎ個にわける必要があるため、原理的に光の損失が大きい。合成時にも同様に光の損失が発生する。さらに空間系を使用した場合小型化には限界があり、また安定性を向上させる事も困難である。

非特許文献２のように光ファイバカプラーを使用することもできる。この場合、複数のモードを一括して合成・分離する事はむずかしく、２つのモードのみの使用が現実的である。

非特許文献３のように面的にモードを一括受信することも行われているが、受信後に高度な信号処理をおこなってモードを分離する必要があり、この光部品のみではモード分波器とはなっていない。

これらの欠点を克服した方法として石英平面光波回路（ＰＬＣ）を使用したモード合分波器も使用されている。（非特許文献４）しかし、ＰＬＣはその名の通り通常２次元状に構成されるため、縦方向に偶対称の電界分布を持つモードの合成分離には適しているが、Ｅ０１，Ｅ１１モード等縦方向に奇対称の電界分布を持つモードに対しては上半分と下半分からの結合が相殺され光合分波器としての動作をなさず、モードの分離を行う事はできない。ＰＬＣを使用して縦方向のモード合成・分離を行うためには積層型のＰＬＣを使用する必要があり、精度良く作製する事は難しかった。

上記の目的を達成するために、本発明では２次元的なＰＬＣで縦方向のモード合成・分離を実現する。具体的には、ＰＬＣのクラッド部分に上下方向の非対称性を導入する事でこれを実現する。ＰＬＣでの光伝搬は相反的であるため、入力と出力の関係は逆にしても同等の効果が得られることは自明であり、同じ構造で光合波器、光分波器を実現できる。

具体的には、本発明に係る光合分波器は、
クラッド中に導波路が形成された平面光波回路を用いて構成され、複数の単一モード光信号を一つの多モード光信号に合成、又は一つの多モード光信号を複数の単一モード光信号に分離する光合分波器において、
前記単一モード光信号を伝送する単一モード導波路と前記多モード光信号を伝送する多モード導波路とが、光結合を生じるように、前記平面光波回路の面内方向において近接して配置され、
前記単一モード導波路と前記多モード導波路との間に、前記平面光波回路の厚み方向において誘電率を非対称にするための前記クラッドとは異なる誘電率を有する誘電性調整部が配置され、
前記厚み方向に奇対称の電界分布を持つ伝搬モードの光信号を合成又は分離することを特徴とする。

本発明に係る光合分波器では、前記誘電性調整部は、前記平面光波回路の上面に設けられたスリットであってもよい。

本発明に係る光合分波器では、前記スリットは、前記単一モード導波路及び前記多モード導波路の最も上面に近い位置を基準にして、前記単一モード導波路及び前記多モード導波路の平均厚さの５％の位置よりも深く、かつ、前記単一モード導波路及び前記多モード導波路の平均厚さの８０％の位置よりも浅くてもよい。

本発明に係る光合分波器では、前記スリットの一部又は全部に、クラッドと異なる誘電率をもつ媒質が配置されていてもよい。

本発明に係る光合分波器では、前記スリットに配置されている媒質は電気光学効果、磁気光学効果又は熱光学効果を有し、前記スリットに配置されている媒質に電気、磁気又は熱を与えることで前記スリットに配置されている媒質の光学特性を調整してもよい。

本発明に係る光合分波器では、前記単一モード導波路及び前記多モード導波路よりも下に配置されるクラッドの厚さは、前記単一モード導波路及び前記多モード導波路の平均厚さの１倍以上であり、前記単一モード導波路及び前記多モード導波路よりも上に配置されるクラッドの厚さは、前記単一モード導波路及び前記多モード導波路の平均厚さの２５％以下であってもよい。

本発明に係る光合分波器では、前記単一モード導波路及び前記多モード導波路よりも上に配置されるクラッドの厚さは、前記単一モード導波路及び前記多モード導波路の平均厚さの１５％以下であってもよい。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明の光合分波器は、ＰＬＣ作製プロセスのみで作製することができるため、モードの混信が少ない（消光比の高い）モード合分波器の作製が可能となる。また、不要モードの混入が少ないため、原理的な光損失も少なくすることができる。

円形光導波路（光ファイバ）の伝搬モード例である。 矩形光導波路の伝搬モード例である。 本実施形態に係る光合分波器の一例を示す上面図である。 Ａ−Ａ’断面の一例を示す。 本発明の第１の実施形態を示した透視図である。 本発明の第１の実施形態を示した横断面図である。 スリットの深さによる導波路の最適長さの変化を計算した図である。 本発明の第２の実施形態を示した透視図とである。 本発明の第２の実施形態を示した横断面図である。 上側クラッドの厚さによる導波路長の最適長さの変化を計算した図である。 本発明の第３の実施形態を示した横断面図である。 本発明の第４の実施形態を示した横断面図である。

以下、図面を用い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の例であり、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。

図３は、本実施形態に係る光合分波器の一例を示す上面図である。本実施形態に係る光合分波器は、平面光波回路を用いて構成され、多モード信号を伝送する多モード導波路１０と、単一モード信号を伝送する単一モード導波路２０と、平面光波回路の厚さ方向において誘電率を非対称にする誘電率調整部５０と、を備える。誘電率調整部５０は、クラッドと誘電率の異なる任意の媒質であり、その誘電率はクラッドよりも大きくてもよいし小さくてもよい。

図４に、Ａ−Ａ’断面の一例を示す。誘電率調整部５０は、単一モード信号と多モード信号との間で結合の生じる位置に配置される。例えば、単一モード導波路２０と多モード導波路１０の間に配置されたクラッドに配置される。単一モード信号と多モード信号との間で結合の生じる位置であれば、誘電率調整部５０は、単一モード導波路２０及び多モード導波路１０よりも上面に近い位置に配置されていてもよいし、単一モード導波路２０及び多モード導波路１０よりも下面に近い位置に配置されていてもよい。

誘電率調整部５０は、平面光波回路の厚さ方向において誘電率が非対称になるような位置に配置される。例えば、単一モード導波路２０及び多モード導波路１０の中心線ＬＣを境にして、図４に示すように上面に近い位置のみに配置されていてもよいし、下面に近い位置のみに配置されていてもよい。また、中心線ＬＣを境にして、誘電率調整部５０の体積が、中心線ＬＣよりも上面に近い位置と下面に近い位置とで異なるようにしてもよい。この場合、厚み方向の長さが異なっていてもよいし、面方向の幅が異なっていてもよいし、厚み方向及び面方向が異なっていてもよい。
以下、具体的な構成について説明する。

（第１の実施形態）
図５及び図６は、それぞれ本発明の第１の実施形態の光合分波器のうち光結合が生じる部分の透視図及び横断面図を示したものである。本実施形態では、誘電率調整部５０として、平面光波回路の上面にスリット５１が設けられている。クラッド３０にスリットを入れる事でモード結合に上下で非対称が生じ、平面光波回路の厚み方向に奇対称の電界分布を持つ伝搬モードの光信号に対して、上半分と下半分からの結合が相殺されることを防ぐことができる。これにより、縦高次モードのモードカプラを構成できる。

スリット５１にはクラッド３０と異なる誘電率（屈折率）をもつ媒質が配置されている。クラッド３０に切れ込みを入れることで、空気をスリット５１の媒質とすることが簡便である。ここでは、媒質が空気である場合の計算結果を示すが、媒質は空気に限らない。

本実施形態における具体的なパラメータを紹介すると、クラッド３０の厚さＴＣが２０μｍ、多モード導波路１０の断面は厚さ１０μｍ、幅１４μｍ、Δ＝０．７％、単一モード導波路２０の断面は厚さ１０μｍ、幅は概略４μｍ、Δ＝０．７％、多モード導波路１０及び単一モード導波路２０の間隔は４μｍ、スリット５１は多モード導波路１０及び単一モード導波路２０の導波路の中心に位置し、その幅は幅１μｍとしている。単一モード導波路２０の幅は多モード導波路１０への結合パワーが最も高くなるように設計を行う。計算では、多モード導波路１０の幅を一定とし、結合パワーが最も高くなる導波路長とした場合に９８％以上のパワーが結合するように単一モード導波路２０幅を調整した。ここの導波路長は、多モード導波路１０と単一モード導波路２０の間隔が４μｍとなっている多モード信号と単一モード信号とに結合が生じる導波路の有効長をいう。実際のＰＬＣでは導波路を加熱する等して特性の微調整を行うこともある。

図７はスリット５１の深さを変えた場合に結合率が最も高くなる導波路長を計算したグラフである。スリット５１の深さｄが多モード導波路１０及び単一モード導波路２０の厚さの５０％である場合に本実施形態はもっとも効果的に作用するが、スリット５１の深さｄは任意であっても導波路長を調整する事でほぼ１００％の分離・合成を行う光合分波器を作製することができる。光合分波器の作製上の観点から導波路長を５０ｍｍ以内にすることを考慮すると、スリット５１の深さｄが多モード導波路１０及び単一モード導波路２０の上面ＨＨを基準にして、多モード導波路１０及び単一モード導波路２０の平均厚さの５％の位置より深く、多モード導波路１０及び単一モード導波路２０の上面から下に多モード導波路１０及び単一モード導波路２０の平均厚さの８０％の位置よりも浅いことが好ましい。

（第２の実施形態）
図８及び図９は、それぞれ本発明の第２の実施形態の光合分波器の透視図及び横断面図を示したものである。スリット５１を入れる代わりに、クラッド３０の厚さを上下非対称にする事で、モード分布に上下の非対称性を生じさせ、平面光波回路の厚み方向に奇対称の電界分布を持つ伝搬モードの光信号に対して、上半分と下半分からの結合が相殺されることを防ぐ。これにより、縦高次モードのモードカプラを構成することができる。例えば、単一モード導波路２０及び多モード導波路１０よりも下に配置される下側クラッドの厚さＤＤと、単一モード導波路２０及び多モード導波路１０よりも上に配置される上側クラッドの厚さＤＵと、について、ＤＵ＜ＤＤとする。

本実施形態における具体的なパラメータを紹介すると、下側クラッド３０の厚さＤＤ＝２０μｍ、多モード導波路１０の断面は厚さ１０μｍ、幅２０μｍ、Δ＝０．７％、単一モード導波路２０の断面は厚さ１０μｍ、幅は概略３．５μｍ、Δ＝０．７％で、多モード導波路１０と単一モード導波路２０の間隔は４μｍである。

原理的には上側クラッドの厚さＤＵと下側クラッドの厚さＤＤに差があればよいが、クラッド３０部分の電界はコアから離れるに従って指数関数的に弱くなるため、Δが０．数％以上である通常のＰＬＣにおいては、クラッド３０の厚さを多モード導波路１０及び単一モード導波路２０の厚さ以上とすることで実際上は無限大のクラッドがあるものと大差ない特性となる。このため、本実施形態では下側クラッドの厚さＤＤを多モード導波路１０と単一モード導波路２０の厚さの２倍である２０μｍとして計算をしている。クラッド３０の厚さの上下を逆転させてもよいが、基板を使用するためには下側クラッド３０を厚くする事が好ましい。

図１０は上側クラッドの厚さＤＵを変えた場合に結合率が最も高くなる導波路長を計算したグラフである。作製上の観点から導波路長を５０ｍｍ以内にすることを考慮すると、上側クラッドの厚さＤＵは多モード導波路１０及び単一モード導波路２０の平均厚さの１５％よりも薄いことが好ましい。また、導波路長の条件を１００ｍｍ以内と緩和した場合、上側クラッドの厚さＤＵが多モード導波路１０及び単一モード導波路２０の平均厚さの２５％よりも薄ければよい。

（第３の実施形態）
図１１は本発明の第３の実施形態の光合分波器の横断面図を示したものである。第２の実施形態に第１の実施形態を加える事で作製の自由度をあげることができる。

（第４の実施形態）
本実施形態の光合分波器は、実施形態１で説明したスリット５１の一部又は全部に、クラッド３０とは異なる誘電率をもつ媒質を配置する。図１２は本発明の第４の実施形態の光合分波器の横断面図を示したものである。図１２（ａ）はスリット５１の全部にクラッドと異なる誘電率をもつ媒質５２が充填され、図１２（ｂ）はスリット５１の底部にクラッドと異なる誘電率をもつ媒質５２が充填され、図１２（ｃ）はスリット５１の中間部にクラッドと異なる誘電率をもつ媒質５２が配置され、図１２（ｄ）はスリット５１の側面部にクラッドと異なる誘電率をもつ媒質５２が配置されている。このように、充填する媒質５２の誘電率や量を調整することで、作製後にスリット５１の特性を微調整することが可能となる。

（第５の実施形態）
本実施形態の光合分波器は、実施形態４で説明したスリット５１内に配置した媒質５２をヒーター電極で加熱あるいは電界、磁界をかけることにより、当該媒質５２の光学特性を微調整する。特に充填する媒質として、熱光学効果・電気光学効果・磁気光学効果の大きい媒質を選択すれば、少ない温度変化・電界強度変化で光学特性を大きく変化させることができ、調整範囲を拡大することが可能である。液晶のように異方性をもつ媒質をスリット５１に充填し、電界・磁界によって光学軸の方向を変化させることによりスリット５１に配置されている媒質５２の光学特性を調整することも可能である。ＰＬＣあるいはその他の導波路あるいはその近傍に電極を設け、加熱あるいは電界・磁界をかける方法は公知の技術である。

以上の実施形態における計算例では石英のガラスを使用したＰＬＣを想定して計算したが、単一モード信号や多モード信号を伝搬できる媒質であれば、平面光波回路の材質はこれに限定されない。

本発明は、モード多重光通信、ないしその計測等に使用する光の合分波器であり、複数のモードを有する光部品・光伝送路（光ファイバ等）と単一のモードを有する光部品・光伝送路を接続する際にモードの整合をとりつつ合成、分波（分離）をおこなう光合分波器である。

本発明の光合分波器は、技術的に確立されているＰＬＣ作製プロセスで作製することができるため、モードの混信が少ない（消光比の高い）モード合分波器の作製が可能となる。また、不要モードの混入が少ないため、原理的な光損失も少なくすることができる。

１０：多モード導波路
２０：単一モード導波路
３０：クラッド
５０：誘電率調整部
５１：スリット
５２：媒質

Claims (7)

1. クラッド中に導波路が形成された平面光波回路を用いて構成され、複数の単一モード光信号を一つの多モード光信号に合成、又は一つの多モード光信号を複数の単一モード光信号に分離する光合分波器において、
   前記単一モード光信号を伝送する単一モード導波路と前記多モード光信号を伝送する多モード導波路とが、光結合を生じるように、前記平面光波回路の面内方向において近接して配置され、
   前記単一モード導波路と前記多モード導波路との間に、前記平面光波回路の厚み方向において誘電率を非対称にするための前記クラッドとは異なる誘電率を有する誘電性調整部が配置され、
   前記厚み方向に奇対称の電界分布を持つ伝搬モードの光信号を合成又は分離することを特徴とする光合分波器。
2. 前記誘電性調整部は、前記平面光波回路の上面に設けられたスリットであることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
3. 前記スリットは、前記単一モード導波路及び前記多モード導波路の最も上面に近い位置を基準にして、前記単一モード導波路及び前記多モード導波路の平均厚さの５％の位置よりも深く、かつ、前記単一モード導波路及び前記多モード導波路の平均厚さの８０％の位置よりも浅いことを特徴とする請求項２に記載の光合分波器。
4. 前記スリットの一部又は全部に、クラッドと異なる誘電率をもつ媒質が配置されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の光合分波器。
5. 前記スリットに配置されている媒質は電気光学効果、磁気光学効果又は熱光学効果を有し、
   前記スリットに配置されている媒質に電気、磁気又は熱を与えることで前記スリットに配置されている媒質の光学特性を調整することを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の光合分波器。
6. 前記単一モード導波路及び前記多モード導波路よりも下に配置されるクラッドの厚さは、前記単一モード導波路及び前記多モード導波路の平均厚さの１倍以上であり、
   前記単一モード導波路及び前記多モード導波路よりも上に配置されるクラッドの厚さは、前記単一モード導波路及び前記多モード導波路の平均厚さの２５％以下である
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光合分波器。
7. 前記単一モード導波路及び前記多モード導波路よりも上に配置されるクラッドの厚さは、前記単一モード導波路及び前記多モード導波路の平均厚さの１５％以下であることを特徴とする請求項６に記載の光合分波器。

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