WO2017069240A1 - 光分波器、光合波器および光通信システム - Google Patents

光分波器、光合波器および光通信システム Download PDF

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WO2017069240A1
WO2017069240A1 PCT/JP2016/081270 JP2016081270W WO2017069240A1 WO 2017069240 A1 WO2017069240 A1 WO 2017069240A1 JP 2016081270 W JP2016081270 W JP 2016081270W WO 2017069240 A1 WO2017069240 A1 WO 2017069240A1
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light
waveguide
mode
multimode
optical
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PCT/JP2016/081270
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Inventor
海松 姜
貴一 浜本
Original Assignee
国立大学法人九州大学
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/25—Arrangements specific to fibre transmission
    • H04B10/2581—Multimode transmission
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J14/00—Optical multiplex systems
    • H04J14/04—Mode multiplex systems

Definitions

  • the present invention relates to a measuring device.
  • This application claims priority based on provisional application 62 / 244,759 filed in the United States on October 22, 2015, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • time-division multiplexing for increasing the speed of an optical signal
  • WDM wavelength-division multiplexing
  • the communication speed of the optical communication system has been improved.
  • the amount of information communication required for an optical communication system has increased, and there has been a risk of reaching the limit of the amount of information communication that can be achieved using OTDM and WDM. Therefore, a new transmission method and technology capable of achieving a rapidly increasing amount of information communication have been demanded.
  • SDM Space-division multiplexing
  • OTDM and WDM are expected to be a transmission method for next-generation optical communication systems that can exceed the limit of information traffic by OTDM and WDM and meet the required information traffic.
  • SDM is a method of transmitting a plurality of optical signals in parallel using a plurality of optical fibers, waveguides, and other waveguide structures. By using the SDM, each of the parallel electric signals can be converted into an optical signal, and the optical signals can be transmitted in parallel.
  • a step-index type single mode fiber (Single-Mode Fiber: SMF) or a single-mode waveguide is used.
  • SMF single-Mode Fiber
  • a single mode waveguide including SMF is replaced with a multimode waveguide such as a multimode waveguide (MMF), and a plurality of higher order mode optical signals are transmitted through the core of the multimode waveguide. Therefore, it is possible to utilize light of higher order modes.
  • MMF multimode waveguide
  • “mode” indicates a waveguide mode in a waveguide unless otherwise specified.
  • Patent Document 1 discloses a photonic lantern having mode selectivity and applicable to SDM.
  • This photonic lantern includes a core portion having a plurality of core portions and an outer peripheral portion provided around the core portions, and a clad portion provided around the core portions. Further, the photonic lantern is formed in a tapered shape in a side view so as to be reduced in diameter along the axial direction of the photonic lantern.
  • the core, outer periphery, core, and cladding are all exposed on the end surface of the photonic lantern with the larger diameter, but only the outer periphery and cladding are exposed on the end surface with the smaller diameter. is doing.
  • Patent Document 2 discloses a MUX / DEMUX in which a plurality of MMs are formed in a planar lightwave circuit (PLC).
  • PLC planar lightwave circuit
  • an input port that is, a port to which an optical signal of a different mode is input to each of a plurality of core portions
  • the optical signal is coupled to the core portion of the output port. In this way, it is brought close to the output port at a predetermined position.
  • optical signals of a plurality of modes are extracted from the core portion of the output port.
  • Patent Document 3 a plurality of core portions that are tapered in a plan view and curved with respect to a linear core portion that connects an end portion on the incident side and an end portion on the output side are mutually connected.
  • a MUX / DEMUX that multiplexes or demultiplexes optical signals of a plurality of modes by being brought close to different positions is disclosed.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and is applicable to mode multiplexing transmission, is excellent in integration and mass production, and can reduce crosstalk between optical signals.
  • An object is to provide a duplexer, an optical multiplexer, and an optical communication system.
  • An optical demultiplexer includes an input unit configured to be able to input multimode light including light of a plurality of waveguide modes, and the plurality of waveguide modes emitted from the input unit.
  • a mode interference unit having an interference region where light interferes, and a plurality of waveguide modes that interfere with each other in the interference region;
  • an output section configured to be able to output the strengthened light of the plurality of waveguide modes for each waveguide mode.
  • the input unit is configured by a first multimode waveguide
  • the mode interference unit is a predetermined unit.
  • the output section is composed of a plurality of second multimode waveguides
  • an output side end of the first multimode waveguide is the multimode waveguide.
  • An end portion on the incident side of each of the plurality of second multimode waveguides may be connected to the demultiplexing surface of the multimode waveguide.
  • an axis passing through the output-side end portion of the first multimode waveguide and the plurality of first demultiplexers may cross each other so as to form the same angle with respect to the longitudinal axis of the multimode waveguide.
  • the waveguide mode of the light output to each of the plurality of second multimode waveguides is As the distance from the first multimode waveguide decreases, the distance may increase.
  • the first multimode waveguide includes the plurality of waveguides included in the multimode light.
  • the same number of slits as the types of wave modes may be formed along the axis of the first multimode waveguide.
  • the plurality of second multimode waveguides each have a waveguide for the output light.
  • the same number of slits as the mode order may be formed along the axis of each of the second multimode waveguides.
  • the mode interference section has a plurality of the demultiplexing surfaces, and the plurality of waveguide modes.
  • the output unit from which light in the 0th-order guided mode or even-numbered guided mode is output is connected to a first demultiplexing surface among the plurality of demultiplexing surfaces,
  • the output unit from which odd-numbered waveguide mode light is output may be connected to a second demultiplexing surface different from the first demultiplexing surface among the plurality of demultiplexing surfaces.
  • An optical multiplexer includes an input unit configured to be capable of inputting a plurality of waveguide mode lights for each waveguide mode, and the plurality of waveguide mode lights emitted from the input unit.
  • a mode interference unit having an interference region where the interference occurs, and a combined surface where the light of the plurality of waveguide modes interfered in the interference region is strengthened at the same position, and the plurality of guides strengthened at the same position of the combined surface
  • an output unit configured to be capable of outputting multimode light including wave mode light.
  • the optical communication system includes the above-described optical demultiplexer and optical multiplexer.
  • the optical demultiplexer of the present invention light of a plurality of waveguide modes of multimode light input to the input unit interferes with each other in the interference region, and is strengthened at different positions for each waveguide mode on the demultiplexing surface. Light that has become strong at different positions for each waveguide mode is output from the output unit for each waveguide mode.
  • the optical demultiplexer of the present invention light of a plurality of waveguide modes is demultiplexed from the multimode light based on the multimode interference of the light of the plurality of waveguide modes in the interference region. Therefore, the optical demultiplexer of the present invention is applicable to mode multiplexing transmission.
  • the size of the optical demultiplexer of the present invention is increased even if the types of waveguide modes included in the multimode light to be demultiplexed increase. Will not increase rapidly. Therefore, the optical demultiplexer of the present invention is excellent in integration.
  • the linear or rectangular waveguide can be used for the optical demultiplexer of the present invention, the design and manufacturing process is not complicated, and mass production is facilitated.
  • the light strengthened by the above-described multimode interference is output to the output unit for each waveguide mode, so that crosstalk between the lights is reduced. As described above, according to the optical demultiplexer of the present invention, it can be applied to mode multiplexing transmission, and can be integrated and mass-produced to reduce crosstalk between optical signals.
  • the optical multiplexer of the present invention can be applied to mode multiplex transmission, similarly to the optical demultiplexer described above. Also in the optical multiplexer of the present invention, light of a plurality of waveguide modes interferes in a common interference region. Therefore, even if the types of guided modes of light to be multiplexed increase, the size of the optical multiplexer of the present invention is large. That won't increase rapidly. Therefore, the optical multiplexer of the present invention is excellent in integration. In addition, since the optical multiplexer of the present invention can use a linear or rectangular waveguide, the design and manufacturing processes are not complicated, and mass production is facilitated.
  • optical multiplexer of the present invention light of a plurality of waveguide modes is strengthened at the same position on the multiplexing surface by the above-described multimode interference and is output to the output unit, so that crosstalk between the lights is reduced. That is, according to the optical multiplexer of the present invention, it can be applied to mode multiplex transmission to achieve integration and mass production, and to reduce crosstalk between optical signals.
  • optical communication system of the present invention since the optical demultiplexer and the optical multiplexer are provided, mode multiplexing transmission is performed, and the optical demultiplexer and the optical multiplexer are integrated and mass-produced. Crosstalk between signals can be reduced.
  • FIG. 10 is another view showing the main part of the optical demultiplexer of the second embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along line X1-X1 shown in FIG.
  • the schematic which shows the principal part of the optical multiplexer to which this invention is applied It is the schematic which shows an example of the branching / combining part of the optical communication system to which this invention is applied.
  • the waveguide includes a core portion R0 and a clad portion R1 having a refractive index n 1 lower than the refractive index n 0 of the core portion R0.
  • the clad portion R1 is disposed outside the core portion R0 with the boundary surface C interposed therebetween.
  • light propagates by total reflection at the boundary surface C between the core portion R0 and the cladding portion R1.
  • the incident angle when the 0th-order mode light is incident on the boundary surface C ⁇ 0 is different from the incident angle ⁇ 1 when the first mode light is incident on the boundary surface C. That is, the incident angle when light of each order mode is incident on the boundary surface C differs depending on the type of guided mode.
  • the 0th-order mode light and the 1st-order mode light incident on the boundary surface C penetrate into the cladding portion R1 from the boundary surface C to a predetermined depth of ⁇ 0 , ⁇ 1 , and are totally reflected.
  • the phase shift of the totally reflected light changes depending on the incident angles ⁇ 0 and ⁇ 1 .
  • the propagation constant ⁇ m of each order mode is expressed by the following equation (1).
  • Equation (1) m is the mode order, and k 0 is the wave number of light incident on the waveguide.
  • the core portion R0 having a predetermined length along the D1 direction and having a length shorter than the length in the D1 direction along the D2 direction orthogonal to the D1 direction is arranged on the outer periphery of the core portion R0.
  • the simulation of the state of light propagation in the multimode waveguide MWG provided with the clad portion R1 is shown.
  • the multi-mode waveguide MWG is a so-called multi-mode interference (MMI) waveguide.
  • the axis J of the multimode waveguide MWG that is long along the direction D1 is parallel to the direction D1.
  • a light input part IP is connected to one of the end faces parallel to the D2 direction in the core part R0 and the clad part R1.
  • the light output part OP is connected to the other end face parallel to the D2 direction in the core part R0 and the clad part R1.
  • the light intensity distribution (upper stage) and the light intensity distribution of the primary mode when the 0th-order mode light is input to the input unit IP ( (Lower) is shown.
  • the 0th-order mode light when 0th-order mode light is input from the input unit IP, the 0th-order mode light spreads to the core unit R0 and repeats total reflection near the boundary surface C, and is multimode. Interfer and propagate along the D1 direction.
  • the primary mode light when primary mode light is input from the input unit IP, the primary mode light spreads inside the core unit R0 and repeats total reflection near the boundary surface C. Multimode interference occurs and propagates along the D1 direction.
  • the 0th-order mode light and the 1st-order mode light propagated along the direction D1 self-images in the vicinity of the output unit OP, and is output from the output unit OP.
  • the goose-Henschen shift of the 0th-order mode light and the Goose-Henschen shift of the 1st-order mode light are different, so the position where the 0th-order mode light is self-coupled and the 1st-order mode light are self-imaging.
  • the position to do is different. That is, a self-imaging point difference ⁇ L MMI between the self-imaging point of the 0th-order mode light and the self-imaging point of the first-order mode light occurs in the D1 direction.
  • a self-imaging point difference ⁇ L MMI with respect to the self-imaging point of the 0th-order mode light also occurs for the light of each order mode higher than the secondary mode.
  • the self-imaging point difference ⁇ L MMI increases in proportion to the increase of the mode order with respect to the self-imaging point of the zero-order mode light.
  • the optical demultiplexer 10 ⁇ / b> A includes an input unit 12, a mode interference unit 14, and an output unit 16.
  • the input unit 12 includes a first multimode waveguide 22 and is configured to be able to input multimode light ML including light of a plurality of waveguide modes.
  • the mode interference unit 14 includes a multimode waveguide 24 having a predetermined length and a predetermined width.
  • the multimode waveguide 24 is a so-called MMI waveguide.
  • the output unit 16 includes a plurality of second multimode waveguides 26.
  • the core portion R0 of the multimode waveguide 24 has a predetermined length La along the D1 direction, and has Lb shorter than the length La along the D2 direction orthogonal to the D1 direction.
  • the outer peripheral end of the core portion R0 of the multimode waveguide 24 is formed of end faces P1 and P2 that are formed along the D1 direction and function as the critical plane C, and end faces P3 and P4 formed along the D2 direction. ing.
  • the output-side end OE22 of the first multimode waveguide 22 is connected to the incident-side end IE24 of the multimode waveguide 24.
  • the incident-side end portion IE24 of the multimode waveguide 24 is an end portion on the end surface P2 side in the end surface P3 of the multimode waveguide 24.
  • the second multimode waveguide 26 is composed of the same number of multimode waveguides as the types of light of the plurality of waveguide modes included in the multimode light ML input to the first multimode waveguide 22. .
  • the multi-mode light ML includes 0th-order mode light M 0 , first-order mode light M 1 , second-order mode light M 2 , and third-order mode light M 3. Therefore, the second multimode waveguide 26 is composed of four multimode waveguides 26A, 26B, 26C, and 26D.
  • the multimode waveguides 26A, 26B, 26C, and 26D will be collectively referred to as the second multimode waveguide 26 when it is not necessary to distinguish the multimode waveguides 26A, 26B, 26C, and 26D.
  • FIG. 4 the wavefront distribution of the zero-order mode light M 0 , the first-order mode light M 1 , the second-order mode light M 2 , and the third-order mode light M 3 included in the multi-mode light ML is schematically shown. It is shown in the figure.
  • An incident-side end IE 26 of the second multi-mode waveguide 26 is connected to an output-side end OE 24 of the multi-mode waveguide 24.
  • An end OE24 on the output side of the multimode waveguide 24 is an end on the end surface P4 side in the end surface P1 of the multimode waveguide 24.
  • Second axis J26 through the end IE26 of the incident side of the multi-mode waveguide 26, intersect to form a predetermined angle theta t with respect to the axis J24 of the direction D1 of the multi-mode waveguide 24 (the length direction) ing.
  • the axis J26 axis J22 and the second multi-mode waveguide 26 of the first multi-mode waveguide 22 intersects to form an identical angle theta t each other with respect to the axis J24 of the multi-mode waveguide 24 .
  • the light modes M 0 , M 1 , M 2 , and M 3 of the respective orders are transmitted to the first multimode waveguide 22. Propagates along the axis J22 at the core portion R0. Subsequently, the light modes M 0 , M 1 , M 2 , and M 3 in the respective order modes spread from the end portion IE 24 on the incident side of the multimode waveguide 24 to the core portion R 0 and are totally reflected in the vicinity of the end faces P 1 and P 2. , The multimode interference occurs and propagates along the direction D1.
  • the core portion R0 of the multimode waveguide 24 is an interference region 30 where light of each order mode M 0 , M 1 , M 2 , M 3 emitted from the first multimode waveguide 22 interferes.
  • the Goose Henschen shift of the 0th-order mode light M 0 is different from the Goose Henschen shift of the first-order mode light M 1 , and therefore, along the end faces P 1 and P 2 of the core portion R 0 of the multimode waveguide 24.
  • the positions at which the light beams M 0 , M 1 , M 2 , and M 3 in the respective modes are self-imaged are different.
  • the core portion R0 end face P1 of the multi-mode waveguide 24 is light in each order mode (light in a plurality of waveguide modes) M 0 , M 1 , M 2 , M that interferes in the interference region 30.
  • the mode interference unit 14 configured by the multimode waveguide 24 includes the interference region 30 and the demultiplexing surface 32.
  • the end face P1 is the demultiplexing face 32 so that the axis J22 of the first multimode waveguide 22 and the axis J26 of the second multimode are parallel.
  • the optical demultiplexer 10A can be downsized.
  • each order mode (light of a plurality of waveguide modes) M 0 , M 1 , M 2 , M 3 is self-imaged on the demultiplexing surface 32. It is provided at the strengthening positions PM 0 , PM 1 , PM 2 , PM 3 . Among the positions PM 0 , PM 1 , PM 2 , and PM 3 , the interval between positions adjacent to each other in the D1 direction is equal to the self-imaging point difference ⁇ L MMI .
  • the end IE26 of the incident side of the multimode waveguide 26A is connected to an end OE24 according to the position PM 0.
  • End IE26 of the incident side of the multimode waveguide 26B is connected to an end OE24 according to the position PM 1.
  • End IE26 of the incident side of the multimode waveguide 26C is connected to an end OE24 according to the position PM 2.
  • End IE26 of the incident side of the multimode waveguide 26D is connected to an end OE24 according to the position PM 3.
  • the zero-order mode light M 0 propagated through the core portion R0 of the multimode waveguide 24 along the direction D1 is strengthened at the output-side end OE24 and forms an image on the core portion R0 of the multimode waveguide 26A.
  • the light is output from the output side end OE26 of the multimode waveguide 26A.
  • the first-order mode light M 1 , the second-order mode light M 2 , and the third-order mode light M 3 propagated through the core portion R 0 of the multi-mode waveguide 24 along the direction D 1 are respectively at the output side end.
  • the image is strengthened by the portion OE24 and imaged on each core portion R0 of the multimode waveguides 26B, 26C, and 26D, and is output from the output side end portion OE26 of the multimode waveguide 26B.
  • the optical demultiplexer 10A demultiplexes light of a plurality of orders by multimode interference in the interference region 30, it is basically output to each of the plurality of second multimode waveguides 26.
  • the light mode increases as the distance from the first multimode waveguide 22 decreases.
  • the angle ⁇ t of the axis J22 of the first multimode waveguide 22 and the axis J26 of the second multimode waveguide 26 with respect to the axis J24 of the multimode waveguide 24, By appropriately setting the self-imaging point difference ⁇ L MMI in the multimode interference, the light of each order mode is output for each mode.
  • the predetermined angle ⁇ t is expressed by the following equation (2).
  • W out is the width of the core portion R 0 of the second multimode waveguide 22.
  • the order of the mode and the order type included in the light to be demultiplexed are set, and an appropriate width W out according to the order and order type of these modes, the manufacturing conditions of the optical demultiplexer 10A, and the like. Is set. Therefore, the predetermined angle ⁇ t is calculated from the equation (2) by the set width W out and the self-imaging point difference ⁇ L MMI determined by the order of the mode.
  • the power of the light of the mode that should be output is different from the power of the mode that should be output, unlike the mode that should be output.
  • the ratio is called so-called crosstalk (XT).
  • the cross-talk is dependent on the predetermined angle theta t.
  • the “0th-order” graph shows the 0th-order mode light M 0 with respect to the power of the first-order mode light M 1 in the multimode waveguide 26 B to which the first-order mode light M 1 is to be output.
  • the “first order” graph shows the ratio of the power of the first-order mode light M 1 to the power of the zero-order mode light M 0 in the multi-mode waveguide 26A to which the zero-order mode light M 0 is to be output. Represents.
  • the ratio of the power of the light M 0 , M 1 , M 2 , M 3 output to each of the plurality of second multi-mode waveguides 24 to the power of the multi-mode light ML input to the first multi-mode waveguide 22 is Called excess loss. As shown in FIG. 6, the excess loss is dependent on the predetermined angle theta t.
  • the graph of the "zero-order" represents the power ratio of the light M 0 of the zero-order mode that is output to the multi-mode waveguide 26A to the power of the multimode light ML.
  • a graph of the "primary” represents a power ratio of the light M 1 of the first-order mode which is output to the multi-mode waveguide 26B relative to the power of the multimode light ML.
  • Crosstalk and excess loss in each of the plurality of second multimode waveguides 22 are important characteristics representing the performance of the optical demultiplexer 10A. Therefore, it is preferable that the predetermined angle ⁇ t is calculated based on the result of the simulation of crosstalk and excess loss after satisfying the condition of the expression (2).
  • the crosstalk is preferably ⁇ 15 dB or less, and the excess loss is preferably 3 dB or less.
  • the optical demultiplexer 10A of the first embodiment light of a plurality of modes included in the multimode optical ML inputted to the first multi-mode waveguide 22, a predetermined angle theta t with respect to the axis J24 Based on the fact that the light is incident on the multi-mode waveguide (that is, the MMI waveguide) 24 from different directions, and the positions at which the different-order modes of light are self-imaged by multi-mode interference are different from each other, the light of a plurality of modes is demultiplexed 32.
  • the self-images can be formed at different positions in the second multi-mode waveguide 26 with an interval greater than or equal to a predetermined interval between the core portions R0 of the second multi-mode waveguide 26.
  • the optical demultiplexer 10A of the first embodiment the light of each order mode self-coupled at different positions on the demultiplexing surface 32 can be output to the second multimode waveguide 26 that is different for each mode. Therefore, it is possible to easily demultiplex a desired and plurality of 0th-order modes and higher-order modes from the multimode light ML. Therefore, the optical demultiplexer 10A of the first embodiment is applicable to mode multiplexing transmission.
  • the optical demultiplexer 10A of the first embodiment since light of a plurality of waveguide modes interferes in the common interference region 30, the types of waveguide modes included in the multimode light to be demultiplexed are Even if it increases, it is not necessary to increase the size of the optical demultiplexer 10A of the first embodiment rapidly. Therefore, according to the optical demultiplexer 10A of the first embodiment, downsizing and integration can be easily achieved. In addition, since a linear or rectangular multimode waveguide can be used for the optical demultiplexer 10A of the first embodiment, the design and manufacturing processes are not complicated, and mass production is facilitated. Manufacturing costs can also be reduced.
  • the light strengthened by the above-described multimode interference is output to the second multimode waveguide 26 for each waveguide mode, so that light of different orders of mode is output.
  • Crosstalk between each other can be reduced.
  • an optical demultiplexer 10B according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the same components as those of the optical demultiplexer 10A of the first embodiment shown in FIG. A description thereof will be omitted.
  • the multi-mode light ML includes the zero-order mode light M 0 , the first-order mode light M 1 , the second-order mode light M 2 , and the third-order mode light M 3. Since it is assumed, the second multimode waveguide 26 is composed of four multimode waveguides 26A, 26B, 26C, and 26D. Each of the multi-mode waveguides 26A, 26B, 26C, and 26D includes a zero-order mode light M 0 , a first-order mode light M 1 , a second-order mode light M 2 , and a third-order light included in the multi-mode light ML. constitute an output section 16 for outputting each of the light M 3 modes. Also in FIG.
  • the core portion R0 of the first multi-mode waveguide 22 has three slit waveguides S22 having the same number as the highest order among the 0th-order mode, the first-order mode, the second-order mode, and the third-order mode.
  • the first multi-mode waveguide 22 is formed along the axis J22. That is, the same number of slits S22 as the highest order among the plurality of waveguide modes of the light included in the multimode light ML are provided in the core portion R0 of the first multimode waveguide 22 along the axis J22 of the first multimode waveguide 22. It is formed along.
  • the multi-mode waveguide 26B for outputting the first-order mode light M 1 a single slit S26 along the axis J26 of the multi-mode waveguide 26B is formed.
  • the multimode waveguide 26C for outputting the secondary mode light M2 two slits S26 are formed along the axis J26 of the multimode waveguide 26C.
  • the multimode waveguide 26D for outputting the third-order mode light M3 three slits S26 are formed along the axis J26 of the multimode waveguide 26D.
  • the multi-mode waveguide 26A for outputting light M 0 of the zero-order mode the slit is not formed. That is, in each of the plurality of second multi-mode waveguides 26, slits S26 having the same number as the order of the waveguide mode of the output light are formed along the axis J26 of each second multi-mode waveguide 26. Yes.
  • the three slits S26 of the multimode waveguide 26D are formed so as to divide the core portion R0 at equal intervals along a direction parallel to the width of the multimode waveguide 26D.
  • Each of the four slits S22 of the first multimode waveguide 22, the one slit S26 of the multimode waveguide 26B, and the two slits S26 of the multimode waveguide 26C is respectively the first multimode waveguide 22.
  • the core portions R0 are formed at equal intervals along the direction parallel to the width of each of the multimode waveguides 26B and 26C.
  • the light modes M 0 , M 1 , M 2 , and M 3 of the respective orders are transmitted to the first multimode waveguide 22. Propagates along the axis J22 at the core portion R0. Subsequently, the light modes M 0 , M 1 , M 2 , and M 3 in the respective order modes spread from the end portion IE 24 on the incident side of the multimode waveguide 24 to the core portion R 0 and are totally reflected in the vicinity of the end faces P 1 and P 2. , The multimode interference occurs and propagates along the direction D1.
  • Each order mode light M 0 , M 1 , M 2 , M 3 propagating through the core portion R 0 of the multi-mode waveguide 24 along the direction D 1 is strengthened at the output-side end OE 24 and multimode guided.
  • An image is formed on each core portion R0 of the waveguides 26A, 26B, 26C, and 26D, and is output from the end OE26 on the emission side of the multimode waveguides 26A, 26B, 26C, and 26D.
  • the order of the mode and the order type included in the light to be demultiplexed are set.
  • An appropriate width W out of the core portion R0 of the second multimode waveguide 26 is set in accordance with the order, the type of order, the manufacturing conditions of the optical demultiplexer 10B, and the like. Therefore, the predetermined angle ⁇ s is calculated from the equation (2) by the set width W out and the self-imaging point difference ⁇ L MMI determined by the order of the mode.
  • the predetermined angle ⁇ s is calculated based on the results of the simulation of crosstalk and excess loss. It is preferable.
  • light of a plurality of modes included in the multimode light ML input to the first multimode waveguide 22 is multimode from a direction substantially parallel to the axis J24.
  • a waveguide that is, MMI waveguide
  • self-imaging can be performed with an interval greater than or equal to a predetermined interval between the core portions R0 of the second multimode waveguide 26.
  • optical demultiplexer 10B of the second embodiment it is possible to output the light of each order mode self-coupled to different positions of the demultiplexing surface 32 to the second multimode waveguide 26 different for each mode. Therefore, the desired and plural 0th-order modes and higher-order modes can be easily demultiplexed from the multimode light ML. Therefore, according to the optical demultiplexer 10B of the second embodiment, the same effects as the optical demultiplexer 10A of the first embodiment can be obtained.
  • the first multi-mode waveguide 22 or the second multi-mode waveguide 22 depends on the mode order of the light to be propagated. If the width of the core portion R0 of the mode waveguide 26 is not sufficiently secured, the higher-order mode light is cut and cannot propagate through the core portion R0. The higher the order of the mode of light that is propagated or demultiplexed, the wider the width of the core portion R0 of the first multimode waveguide 22 and the second multimode waveguide 26 that can propagate without being cut, that is, the cut-off width. Become.
  • the order of the mode of light to be propagated or demultiplexed is increased according to the order of demultiplexing.
  • the width of the core portion R0 of the first multimode waveguide 22 and the second multimode waveguide 26 is preferably designed to be wider.
  • the core section R0 of the first multimode waveguide 22 has the same number of slits S22 as the types of the plurality of waveguide modes included in the multimode light ML.
  • each of the plurality of second multimode waveguides 26 the same number of slits S26 as the order of the waveguide mode of the output light are formed as described above, so the slits S26 are not formed.
  • low loss of light of the higher order modes the width W out of the core portion R0 by narrowing of the second multi-mode waveguide 26 for outputting light of a first multi-mode waveguide 22 and higher mode than in the case Can be propagated and output. Therefore, according to the optical demultiplexer 10B of the second embodiment, the size of the optical demultiplexer 10B is suppressed, the angle ⁇ t for demultiplexing high-order mode light well is reduced, and the optical demultiplexer The size reduction of 10B can be easily realized. Further, according to the optical demultiplexer 10B of the second embodiment, the loss of light propagating through the first multimode waveguide 22 and the second multimode waveguide 26 is further reduced, and the demultiplexing characteristics are improved. Can do.
  • an optical demultiplexer 10C according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the same components as those of the optical demultiplexer 10A of the first embodiment shown in FIG. A description thereof will be omitted.
  • the optical demultiplexer 10 ⁇ / b> C of the third embodiment of the present invention includes an input unit 12, a mode interference unit 14, and an output unit 16.
  • the output-side end OE22 of the first multimode waveguide 22 is connected to the incident-side end IE24 of the multimode waveguide 24.
  • the incident-side end portion IE24 of the multimode waveguide 24 is an end portion that is located at the approximate center in the D2 direction on the end surface P3 of the multimode waveguide 24.
  • An axis J22 passing through the output-side end OE22 of the first multimode waveguide 22 is parallel to an axis J24 in the D1 direction (length direction) of the multimode waveguide 24.
  • the second multimode waveguide 26 is composed of the same number of multimode waveguides as the types of light of the plurality of waveguide modes included in the multimode light ML input to the first multimode waveguide 22. .
  • the multimode light ML includes zero-order mode light M 0 , first-order mode light M 1 , second-order mode light M 2 , and third-order mode light M. 3 is assumed to be included, the second multimode waveguide 26 includes four multimode waveguides 26A, 26B, 26C, and 26D.
  • Each of the multi-mode waveguides 26A26B, 26C, and 26D includes a zero-order mode light M 0 , a first-order mode light M 1 , a second-order mode light M 2 , and a third-order mode light included in the multi-mode light ML. constitute an output section 16 for outputting each of the optical M 3.
  • the wavefronts of the 0th-order mode light M 0 , the first-order mode light M 1 , the second-order mode light M 2 , and the third-order mode light M 3 included in the multimode light ML are also schematically illustrated. The distribution is illustrated.
  • the end portions IE26 on the incident side of the multimode waveguides 26A and 26C are provided on the end surface P4 side in the D1 direction on the end surface P1 of the core portion R0 of the multimode waveguide 24. They are connected to different end portions OE24 on the output side.
  • the end IE26 on the incident side of each of the multimode waveguides 26B and 26D is provided on the end surface P4 side in the D1 direction of the end surface P2 of the core portion R0 of the multimode waveguide 24. They are connected to different end portions OE24 on the output side.
  • Axis J26 through the end IE26 of the incident side of the second multi-mode waveguide 26 intersects to form a predetermined angle theta t with respect to the axis J24 of the multi-mode waveguide 24.
  • the light modes M 0 , M 1 , M 2 , and M 3 of the respective orders are transmitted to the first multimode waveguide 22. Propagates along the axis J22 at the core portion R0. Subsequently, the light modes M 0 , M 1 , M 2 , and M 3 in the respective order modes spread from the end portion IE 24 on the incident side of the multimode waveguide 24 to the core portion R 0 and are totally reflected in the vicinity of the end faces P 1 and P 2. , The multimode interference occurs and propagates along the direction D1.
  • the core portion R0 of the multimode waveguide 24 is an interference region 30 where light of each order mode M 0 , M 1 , M 2 , M 3 emitted from the first multimode waveguide 22 interferes. . Further, the positions at which the light M 0 , M 1 , M 2 , and M 3 of each order mode self-image appear on both end faces P 1 and P 2 of the core portion R 0 of the multimode waveguide 24 (see FIG. 3). ). In the third embodiment, both of the end faces P1 and P2 of the core portion R0 of the multimode waveguide 24 are light in each order mode (light in a plurality of waveguide modes) M 0 and M 1 interfered in the interference region 30. , M 2 , and M 3 are demultiplexing surfaces 32 that strengthen at different positions for each mode.
  • the Goose Henschen shifts of the respective orders are different, and therefore the light modes M 0 , M 1 , M 2 of the respective order modes along the end faces P1, P2 of the core part R0 of the multimode waveguide 24, respectively. , M 3 are different from each other at positions where self-imaging occurs.
  • M 3 are different from each other at positions where self-imaging occurs.
  • Each of the end portions OE is provided at the positions PM 0 and PM 2 where the self-images are formed, and the incident-side end portions IE 26 of the multimode waveguides 26A and 26C are connected.
  • each of the end portions OE is provided at positions PM 1 and PM 3 where the light of the first and third order modes is self-imaged on the end face P2 of the core portion R0 of the multimode waveguide 24, and The incident-side end portions IE26 of the multimode waveguides 26B and 26D are connected.
  • the mode interference unit 14 has a plurality (two in the third embodiment) of demultiplexing surfaces 32.
  • the multimode waveguides (output units) 26A and 26C to which the 0th-order guided mode light or the even-numbered guided mode light among the plurality of guided mode lights are output are the multi-mode wavefronts 32A.
  • the mode waveguide 24 is connected to the end face (first demultiplexing face) P1 of the core portion R0.
  • the multimode waveguides (output units) 26B and 26D that output odd-numbered waveguide mode light among the plurality of waveguide mode lights are core portions R0 of the multimode waveguide 24 among the plurality of demultiplexing surfaces 32. Is connected to the end face (second branching face) P2.
  • the intervals between the positions PM 0 and PM 1 , the positions PM 1 and PM 2 , and the positions PM 2 and PM 3 in the direction D 1 are equal to the self-imaging point difference ⁇ L MMI . Therefore, the distance in the D1 direction between the end portions OE connected to the incident-side end portions IE26 of the multimode waveguides 26A and 26C on the end face P1 of the core portion R0 of the multimode waveguide 24 is 2 ⁇ ⁇ L. Equal to MMI .
  • the distance in the D1 direction between the end portions OE to which the respective end portions IE26 of the multimode waveguides 26B and 26D are connected is 2 ⁇ Equal to ⁇ L MMI .
  • Each order mode light M 0 , M 1 , M 2 , M 3 propagating through the core portion R 0 of the multi-mode waveguide 24 along the direction D 1 is strengthened at the output-side end OE 24 and multimode guided.
  • An image is formed on each core portion R0 of the waveguides 26A, 26B, 26C, and 26D, and is output from the end OE26 on the emission side of the multimode waveguides 26A, 26B, 26C, and 26D.
  • the angle ⁇ s of the axis J26 of the second multimode waveguide 26 with respect to the axis J24 of the multimode waveguide 24 and the self-imaging point difference ⁇ L MMI in multimode interference are appropriately set.
  • the light of each order mode is output for each mode.
  • the predetermined angle ⁇ s is expressed by the above-described equation (2) so that each mode of light can be separated into each of the plurality of second multi-mode waveguides 22 for each mode.
  • the order of the mode and the type of the order included in the light to be demultiplexed are set.
  • An appropriate width W out of the core portion R0 of the second multimode waveguide 22 is set according to the order and the kind of order, the manufacturing conditions of the optical demultiplexer 10C, and the like. Therefore, the predetermined angle ⁇ t is calculated from the equation (2) by the set width W out and the self-imaging point difference ⁇ L MMI determined by the order of the mode.
  • the predetermined angle ⁇ t is calculated based on the simulation results of crosstalk and excess loss. It is preferable.
  • a plurality of modes of light included in the multimode light ML input to the first multimode waveguide 22 are multimoded from a direction substantially parallel to the axis J24. Based on the fact that light of different order modes is incident on a waveguide (that is, MMI waveguide) 24 and the positions at which self-images of light of different orders form due to multimode interference are different from each other, the light of a plurality of modes is located at different positions on the demultiplexing surface 32.
  • self-imaging can be performed with an interval greater than or equal to a predetermined interval between the core portions R0 of the second multimode waveguide 26.
  • the light of each order mode self-coupled at different positions on the demultiplexing surface 32 can be output to the second multimode waveguide 26 that is different for each mode. Therefore, the desired and plural 0th-order modes and higher-order modes can be easily demultiplexed from the multimode light ML. Therefore, according to the optical demultiplexer 10C of the third embodiment, the same effects as the optical demultiplexer 10A of the first embodiment can be obtained.
  • the incident-side end portion IE26 of the second multimode waveguide 26 adjacent to each of the end faces P1 and P2 of the core portion R0 of the multimode waveguide 24 is provided. Since the distance in the D1 direction between the connected end portions OE can be increased to twice the self-imaging point difference ⁇ L MMI , the width W out of the core portion R0 of the second multimode waveguide 26 can be easily secured. In addition, crosstalk and excess loss can be reduced.
  • the core portion R0 of the first multimode waveguide 22 is included in the multimode light ML as in the optical demultiplexer 10B of the second embodiment.
  • the same number of slits S22 as the highest order may be formed along the axis J22 of the first multimode waveguide 22.
  • the same number of slits S ⁇ b> 26 as the order of the waveguide mode of the output light are formed along the axis J ⁇ b> 26 of each second multimode waveguide 26. May be.
  • the optical demultiplexer 10C of the third embodiment By forming the slits S22 and S26 as described above in the optical demultiplexer 10C of the third embodiment, in addition to the same effects as the optical demultiplexer 10A of the first embodiment, the optical demultiplexer of the second embodiment. The same effect as that of the correlator 10B can be obtained.
  • optical multiplexer The demultiplexing of light in the optical demultiplexer 10A of the first embodiment described above is reversible.
  • the 0th-order mode of the multimode waveguide 26A from the output side end OE26 of the multimode waveguide 26A is obtained.
  • the light M 0 can be input, and the first-order mode light M 1 can be input from the output-side end OE 26 of the multi-mode waveguide 26 B to the multi-mode waveguide 26 B.
  • light of a different order mode suitable for each of the plurality of second multimode waveguides 26 and different for each second multimode waveguide 26 can be input to each of the plurality of second multimode waveguides 26.
  • the optical multiplexer 40 to which the present invention is applied includes an input unit 42, a mode interference unit 44, and an output unit 46.
  • the input unit 42 includes a plurality of second multimode waveguides 26.
  • the plurality of second multimode waveguides 26 are configured to be able to input light of modes of different orders.
  • the mode interference unit 44 is configured by the multimode waveguide 24.
  • the output unit 46 is configured by the first multimode waveguide 22.
  • the 0th-order mode light M 0 propagates along the axis J26 in the core portion R0 of the multi-mode waveguide 26A
  • the light M 1 of the first-order mode propagates along the axis J26 in the core portion R0 of the multi-mode waveguide 26B.
  • the light M 0 and M 1 of each order mode spreads from the output-side end OE 24 of the multimode waveguide 24 to the core R 0, and repeats total reflection in the vicinity of the end faces P 1 and P 2. Interfer and propagate along the D1 direction.
  • the 0th-order mode light M 0 and the 1st-order mode light M 1 propagated through the core portion R 0 of the multimode waveguide 24 along the direction opposite to the D 1 direction are the end portions on the emission side of the multimode waveguide 24.
  • the image is strengthened by the OE 24, forms an image at the same position, and enters the core portion R0 of the multimode waveguide 22.
  • the zero-order mode light M 0 and the first-order mode light M 1 incident on the multi-mode waveguide 22 are overlapped at the core portion R 0 of the multi-mode waveguide 22, and the output-side end OE 26 of the multi-mode waveguide 22. Are output as multimode light ML.
  • the core part R0 of the multimode waveguide 24 is an interference region 30 in which the light modes M 0 and M 1 of each order emitted from each of the plurality of second multimode waveguides 26 interfere.
  • the Goose Henschen shift of the light M 0 in the 0th order mode is different from the Goose Henschen shift of the light M 1 in the first order mode, and the light M 0 and M 1 in the respective order modes are shifted to each other.
  • the light is emitted from the end OE26 located at an interval equal to the self-imaging point difference ⁇ L MMI based on the core portion R0 of the multimode waveguide 24.
  • the end surface P3 of the core portion R0 of the multimode waveguide 24 is a combined surface in which light of each order mode (light of a plurality of waveguide modes) M 0 and M 1 that interferes in the interference region 30 is strengthened at the same position. 34.
  • the mode interference unit 14 configured by the multimode waveguide 24 includes the interference region 30 and the multiplexing surface 34.
  • the optical multiplexer 40 to which the present invention is applied includes an input unit 42 configured to be able to input a plurality of waveguide mode lights for each waveguide mode, and a plurality of waveguide mode lights emitted from the input unit 42.
  • an output unit 46 configured to be capable of outputting multimode light ML including waveguide mode light.
  • the waveguide ie, MMI waveguide
  • the optical demultiplexer 40 light of each order mode self-coupled at the same position of the multiplexing surface 34 can be output to the first multimode waveguide 22, so that the desired and plural 0th orders can be output.
  • the light of the mode and each higher order mode can be easily combined as the multimode light ML. Therefore, the optical multiplexer 40 can be applied to mode multiplexing transmission.
  • the optical multiplexer 40 since light in a plurality of waveguide modes interferes in the common interference region 30, even if the types of waveguide modes included in the multimode light to be multiplexed increase, It is not necessary to increase the size of the waver 40 rapidly. Therefore, according to the optical multiplexer 40, size reduction and integration can be easily achieved.
  • the design and manufacturing process are not complicated, mass production is facilitated, and the manufacturing cost is suppressed. Can do. Furthermore, according to the optical multiplexer 40, since the light strengthened by the above-described multimode interference is output to the first multimode waveguide 22, it is possible to reduce crosstalk between light of modes of different orders.
  • optical multiplexer 40 based on the configuration of the optical demultiplexer 10A shown in FIG. 4 has been described.
  • the optical demultiplexers 10B and 10C of the second embodiment and the third embodiment and the present invention are applied.
  • the optical demultiplexing in the optical demultiplexer is reversible, and an optical multiplexer may be used based on the configuration of these optical demultiplexers.
  • An optical communication system to which the present invention is applied includes an optical demultiplexer and an optical multiplexer to which the present invention is applied.
  • FIG. 11 illustrates only a main part that performs demultiplexing / multiplexing of optical signals in the optical communication system to which the present invention is applied.
  • an optical demultiplexer 10A / 10B / 10C according to any one of the first to third embodiments described above as a DEMUX 52 is included in the main part of the optical communication system to which the present invention is applied.
  • the MUX 54 an optical multiplexer based on the configuration of the optical multiplexer 40 described above or the optical demultiplexers 10B and 10C of the second embodiment and the third embodiment is provided.
  • the optical signal (light) XM I is input to the DEMUX 52 from the input multimode fiber 60 connected to a not-shown backbone optical communication network or the like.
  • the optical signal (light) XM I includes light in a plurality of modes (four types in FIG. 11), and different information is given in advance to the light in each order mode.
  • the optical signal XM I input to the DEMUX 52 is input to the first multimode waveguide 22 of the optical demultiplexer 10A / 10B / 10C.
  • the optical signal XM I input to the first multi-mode waveguide 22 is demultiplexed for each order mode by the optical demultiplexer 10A / 10B / 10C as multi-mode light ML.
  • Each of the users U1 and U2 receives light M n and M i of different orders determined via a dedicated line (not shown ) (n and i represent the orders of a predetermined mode). If necessary, information is added to the received light of the order mode and transmitted to the MUX 54 via a dedicated line (not shown).
  • Optical signal XM P sent to MUX54 are input to the multi-mode fiber in accordance with the order n of the mode among light M n of the second multi-mode waveguide 26 of the optical demultiplexer 40.
  • Optical signal XM P input to the second multi-mode waveguide 26, the optical multiplexer 40 are multiplexed as an optical signal XM O together with other optical signals XM.
  • Multiplexed optical signal XM O is the output multimode fiber 62 that is connected, such as the backbone of an optical communication network, and returned to the backbone of an optical communication network.
  • optical add / drop multiplexing OADM
  • the mode multiplexing transmission technique and the SDM can be realized using the OADM including the optical demultiplexers 10A / 10B / 10C and the optical multiplexer 40.
  • the MUX / DEMUX can be easily downsized and integrated by including the optical demultiplexers 10A / 10B / 10C and the optical multiplexer 40.
  • / DEMUX can be mass-produced, manufacturing costs can be reduced, crosstalk between light of different order modes can be reduced, and demultiplexing characteristics and multiplexing characteristics can be improved.
  • the configuration of the input unit 12 of the optical demultiplexer to which the present invention is applied is not limited to the first multimode waveguide 22, and particularly if the multimode light ML can be incident on the mode interference unit 14. It is not limited.
  • the configuration of the mode interference unit 14 is not limited to the multimode waveguide 24 having a predetermined length and a predetermined width, and is not particularly limited as long as the interference region 30 and the demultiplexing surface 32 are provided.
  • the mode interference unit 14 may be configured by a waveguide or the like in which at least one of the end faces P1, P2, P3, and P4 is curved.
  • the configuration of the output unit 16 is not limited to the second multimode waveguide 26, and is particularly limited as long as it is possible to individually output light of each order mode demultiplexed from the multimode light ML.
  • the order of the light modes included in the multimode light ML is not limited from the 0th order mode to the 3rd order mode as illustrated in the first to third embodiments, but is higher than the 4th order mode. The next mode may be used.
  • the number of second multimode waveguides 26 is changed in accordance with the type of the order of the light modes included in the multimode light ML.
  • the configuration of the input unit 42 of the optical multiplexer to which the present invention is applied is not limited to the first multimode waveguide 26, and is particularly limited as long as light of each order mode can be individually input.
  • the configuration of the mode interference unit 44 is not limited to the multimode waveguide 24 having a predetermined length and a predetermined width, and is not particularly limited as long as the interference region 30 and the multiplexing surface 34 are provided. Further, it may be constituted by a waveguide or the like in which at least one of the end faces P1, P2, P3, and P4 is curved.
  • the configuration of the output unit 46 is not limited to the second multimode waveguide 22, and is not particularly limited as long as it can output the multimode light ML in which the light of each order mode is combined. .
  • the optical demultiplexer and the optical multiplexer to which the present invention is applied can be widely applied as long as the system needs to demultiplex or multiplex light of a plurality of modes for each mode.
  • the optical communication system to which the present invention is applied is not limited to the optical communication system provided with the OADM, and can be applied to any optical communication system using the SDM.
  • the optical demultiplexer, the optical multiplexer, and the optical communication system to which the present invention is applied it can be applied to mode multiplexing transmission to achieve integration and mass production, and to reduce crosstalk between optical signals. Therefore, the optical demultiplexer and the optical multiplexer to which the present invention is applied can be applied to an optical communication system and SDM using mode multiplexing transmission. Moreover, the optical demultiplexer to which the present invention is applied, the optical multiplexer can be applied to any system as long as it is a system that demultiplexes or multiplexes light of a plurality of modes for each mode, It is expected that the light of a plurality of modes will be widely developed for each mode and in a field where it becomes necessary to operate. The optical communication system to which the present invention is applied is expected to expand widely in the fields related to mode multiplexing transmission and SDM.
  • the end surface P4 of the core portion R0 of the multimode waveguide 24 functions as a demultiplexing surface 32.
  • the wavelengths of the light M 0 and M 1 in the 0th-order mode and the first-order mode were set to 1550 ⁇ m.
  • the refractive index n 0 of the core portion R 0 of the multimode waveguide 24 was 3.48, and the refractive index n 1 was 1.44.
  • the length La in the D1 direction of the core portion R0 of the multimode waveguide 24 was 21196 ⁇ m, and the length Lb in the D2 direction of the core portion R0 of the multimode waveguide 24 was 30 ⁇ m.
  • the self-imaging point difference ⁇ L MMI between the zero-order mode and first-order mode light M 0 and M 1 is 78 ⁇ m. Therefore, the width W out of the core portion R0 of the multi-mode waveguide 24B which light M 1 of the first-order mode is output as 8 [mu] m, and a 6 ° angle theta t based on the equation (2).
  • the 0th-order mode light M 0 input from the incident-side end IE 22 of the first multimode waveguide 22 to the first multimode waveguide 22 is converted into the multimode waveguide 24.
  • Multi-mode interference in the core portion R0 that is, the interference region 30, and self-images on the end face P4 of the core portion R0 of the multimode waveguide 24 to which the incident-side end portion IE26 of the multimode waveguide 26A is connected, It can be seen that the light is output to the multimode waveguide 26A.
  • Mode interference causes self-imaging at the end face P1 of the core portion R0 of the multimode waveguide 24 to which the incident-side end portion IE26 of the multimode waveguide 26B is connected, and is output to the multimode waveguide 26B. I understand.
  • the optical demultiplexer 10A ′ is configured to be compact, and it is considered that the optical demultiplexer 10A ′ can be easily downsized.
  • the optical demultiplexer 10A ′ the light strengthened by the multimode interference is output to the multimode waveguides 26A and 26B that are different from each other for each waveguide mode, so that the crosstalk between the light beams of different order modes. It was confirmed that can be reduced.

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Abstract

本発明に係る光分波器（１０Ａ）は、複数の導波モードの光（Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）を含む多モード光（ＭＬ）を入力可能に構成された入力部（１２）と、入力部（１２）から出射した複数の導波モードの光（Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）が干渉する干渉領域（３０）と干渉領域（３０）で干渉した複数の導波モードの光（Ｍ０，Ｍ１）が導波モードごとに互いに異なる位置で強め合う分波面（３２）とを有するモード干渉部（１４）と、分波面（３２）で互いに異なる位置で強まった複数の導波モードの光（Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）を導波モードごとに出力可能に構成された出力部（１６）と、を備えている。

Description

光分波器、光合波器および光通信システム
　本発明は、計測装置に関する。本願は、２０１５年１０月２２日に、米国に出願された仮出願６２／２４４，７５９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来、光信号の速度を高める時分割多重方式（Optical Time-Division Multiplexing：ＯＴＤＭ）や、複数の波長の光信号を１本の光ファイバで同時に送受信する波長分割多重方式（Wavelength-Division Multiplexing：ＷＤＭ）、によって、光通信システムの通信速度の向上が図られていた。ところが、インターネットの普及などによって、光通信システムに求められる情報通信量はますます増大し、ＯＴＤＭやＷＤＭを用いて達成し得る情報通信量の限界に達するおそれがあった。したがって、急増する情報通信量を達成可能な新たな伝送方式および技術が求められていた。
　空間分割多重方式（Space-Division Multiplexing：ＳＤＭ）は、ＯＴＤＭやＷＤＭによる情報通信量の限界を超え、求められる情報通信量に応じることが可能な次世代の光通信システムの伝送方式として期待されている。ＳＤＭは、複数の光ファイバや導波路、その他の導波構造を用いて複数の光信号を並列に伝送する方式である。ＳＤＭを用いることによって、並列の電気信号のそれぞれを光信号に変換し、それらの光信号を並列に伝送することができる。
　従来の光ファイバを用いた光通信システムでは、ステップインデックス（Step-Index）型のシングルモードファイバ（Single Mode Fiber：ＳＭＦ）やシングルモードの導波路が用いられている。通常、シングルモードのコア部では、基本モードの光信号のみが伝送されていた。ＳＭＦを含むシングルモード導波路をマルチモード導波路（Multi Mode Fiber：MMF）などのマルチモードの導波路に替え、マルチモードの導波路のコア部で複数の高次モードの光信号を伝送させることで、高次モードの光を活用することができる。なお、本明細書において「モード」は、特筆しない限り、導波路における導波モードのことを示す。高次モードの光信号を用いるモード多重伝送技術および光分波器（Demultiplexer：ＤＥＭＵＸ）、光合波器（Multiplexer：ＭＵＸ）は、ＳＤＭを実現するための重要な技術として研究開発が進められている。
　例えば、特許文献１には、モード選択性を有し、ＳＤＭに適用可能なフォトニックランタンについて開示されている。このフォトニックランタンは、複数の芯部とこの芯部の周囲に設けられた外周部とを有するコア部と、このコア部の周囲に設けられたクラッド部と、を備えている。また、このフォトニックランタンは、フォトニックランタンの軸線方向に沿って縮径するように側面視テーパー状に形成されている。このフォトニックランタンの径寸法が大きい方の端面には芯部および外周部とコア部およびクラッド部が全て露出しているが、径寸法が小さい方の端面には外周部とクラッド部のみが露出している。
　また、特許文献２には、平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）に複数のＭＭが形成されたＭＵＸ／ＤＥＭＵＸが開示されている。このＭＵＸ／ＤＥＭＵＸでは、入力ポート（すなわち、複数のコア部のそれぞれに異なるモードの光信号が入力されるポート）が光信号の伝搬方向に沿って、光信号が出力ポートのコア部にカップリングするように所定の位置で出力ポートに近づけられている。このような構成により、出力ポートのコア部から、複数のモードの光信号が取り出される。
　また、特許文献３には、入射側の端部と出射側の端部とを結ぶ直線状のコア部に対し、平面視でテーパー状に形成され、かつ湾曲している複数のコア部が互いに異なる位置に近づけられていることで、複数のモードの光信号を合波または分波するＭＵＸ／ＤＥＭＵＸが開示されている。
S. G. Leon-Saval, N. K. Fontaine, J. R. Salazar-Gil, B. Erean, R. Ryf and J. B-Hawthorn, "Mode-selective photonic lanterns for space-division multiplexing," OPTICS EXPRESS, Vol.22, No.1 (2014). N. Hanzawa, K, Saitoh, T. Sakamoto, T. Matsui, K. Tsujikawa, T. Uematsu and F. Yamamoto, "PLC-Based Four-Mode Multi/Demultiplexer with LP11 Mode Rotator on One Chip," JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.33, No.6 (2015). T. Watanabe and Y. Kokubun, "Stacked Waveguide Type Mode-Evolutional Multi/demultiplexer for LP01 LP11aand LP11b," Proceedings of ECOC 2014, Cannes-France We.1.1.7 (2014).
　しかしながら、特許文献１に開示されているフォトニックランタンおよびこのフォトニックランタンを用いたＭＵＸ／ＤＥＭＵＸでは、光信号同士のクロストークが低くなるが、集積化が難しいという問題に加えて、フォトニックランタンを形成するための設計や製造工程が複雑になり、量産化が難しいという問題があった。
　また、特許文献２に開示されているＭＵＸ／ＤＥＭＵＸでは、ＰＬＣの基板上に各モードの光信号が入力または出力されるコア部が複数設けられているため、光信号のモード数が増大する程、ＰＬＣの面積が大きくなり、集積化が難しいという問題があった。特許文献２に開示されているＭＵＸ／ＤＥＭＵＸでは、光信号同士のクロストークを抑えることが難しいという問題があった。
　さらに、特許文献３に開示されているＭＵＸ／ＤＥＭＵＸでは、集積化およびクロストークの低減が容易であるが、テーパー状に形成され、かつ湾曲している複数のコア部を形成するための設計や製造工程が複雑になり、量産化が難しいという問題があった。
　本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであって、モード多重伝送に適用可能であって、集積化および量産化に優れ、光信号同士のクロストークを低くすることができる光分波器、光合波器および光通信システムを提供することを目的とする。
　上述の課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
　本発明の第一の態様の光分波器は、複数の導波モードの光を含む多モード光を入力可能に構成された入力部と、前記入力部から出射した前記複数の導波モードの光が干渉する干渉領域と前記干渉領域で干渉した前記複数の導波モードの光が導波モードごとに互いに異なる位置で強まる分波面とを有するモード干渉部と、前記分波面で互いに異なる位置で強まった前記複数の導波モードの光を導波モードごとに出力可能に構成された出力部と、を備えていることを特徴とする。
　本発明の第二の態様の光分波器によれば、上述の第一の態様の光分波器において、前記入力部は第一マルチモード導波路で構成され、前記モード干渉部は所定の長さおよび所定の幅を有するマルチモード導波路で構成され、前記出力部は複数の第二マルチモード導波路で構成され、前記第一マルチモード導波路の出力側の端部は前記マルチモード導波路の入射側の端部に接続され、前記複数の第二マルチモード導波路のそれぞれの入射側の端部は前記マルチモード導波路の前記分波面に接続されていてもよい。
　本発明の第三の態様の光分波器によれば、上述の第二の態様の光分波器において、前記第一マルチモード導波路の出射側の端部を通る軸線および前記複数の第二マルチモード導波路のそれぞれの入射側の端部を通る軸線が前記マルチモード導波路の長さ方向の軸線に対して互いに同一の角度をなすように交差していてもよい。
　本発明の第四の態様の光分波器によれば、上述の第二の態様または第三の態様において、前記複数の第二マルチモード導波路のそれぞれに出力される光の導波モードは、前記第一マルチモード導波路との離間距離が小さくなる程、高くなってもよい。
　本発明の第五の態様の光分波器によれば、上述の第二の態様から第四の態様において、前記第一マルチモード導波路には、前記多モード光に含まれる前記複数の導波モードの種類と同数のスリットが前記第一マルチモード導波路の軸線に沿って形成されていてもよい。
　本発明の第六の態様の光分波器によれば、上述の第二の態様から第五の態様において、前記複数の第二マルチモード導波路のそれぞれには、出力される光の導波モードの次数と同数のスリットがそれぞれの前記第二マルチモード導波路の軸線に沿って形成されていてもよい。
　本発明の第七の態様の光分波器によれば、上述の第一の態様から第六の態様において、前記モード干渉部は複数の前記分波面を有し、前記複数の導波モードの光のうち０次の導波モードの光または偶数の導波モードの光が出力される前記出力部は前記複数の分波面のうち第一の分波面に接続され、前記複数の導波モードの光のうち奇数の導波モードの光が出力される前記出力部は前記複数の分波面のうち前記第一の分波面とは異なる第二の分波面に接続されていてもよい。
　本発明の第一の態様の光合波器は、複数の導波モードの光を導波モードごとに入力可能に構成された入力部と、前記入力部から出射した前記複数の導波モードの光が干渉する干渉領域と前記干渉領域で干渉した前記複数の導波モードの光が同一の位置で強まる合波面とを有するモード干渉部と、前記合波面の同一の位置で強まった前記複数の導波モードの光を含む多モード光を出力可能に構成された出力部と、を備えていることを特徴とする。
　本発明の第一の態様の光通信システムは、上述の光分波器および光合波器を備えていることを特徴とする。
　本発明の光分波器によれば、入力部に入力された多モード光の複数の導波モードの光が干渉領域で互いに干渉し、分波面において導波モードごとに互いに異なる位置で強まる。導波モードごとに互いに異なる位置で強くなった光は、出力部から導波モードごとに出力される。本発明の光分波器では、干渉領域における複数の導波モードの光の多モード干渉に基づいて、多モード光から複数の導波モードの光が分波される。したがって、本発明の光分波器は、モード多重伝送に適用可能である。また、複数の導波モードの光が共通の干渉領域で干渉するので、分波対象の多モード光に含まれる導波モードの種類が増大しても、本発明の光分波器の大きさは急増しない。そのため、本発明の光分波器は、集積化に優れている。また、本発明の光分波器には直線形状あるいは矩形形状の導波路を用いることが可能であることから、設計および製造工程が煩雑にならず、量産化が容易になる。さらに、本発明の光分波器では、導波モードごとに前述の多モード干渉によって強まった光が出力部に出力されるので、光同士のクロストークが低くなる。
　以上より、本発明の光分波器によれば、モード多重伝送に適用し、集積化および量産化を図り、光信号同士のクロストークを低減することができる。
　本発明の光合波器は、上述の光分波器と同様に、モード多重伝送に適用可能である。本発明の光合波器においても複数の導波モードの光が共通の干渉領域で干渉するので、合波対象の光の導波モードの種類が増大しても、本発明の光合波器の大きさは急増しない。そのため、本発明の光合波器は、集積化に優れている。また、本発明の光合波器には直線形状あるいは矩形形状の導波路を用いることが可能であることから、設計および製造工程が煩雑にならず、量産化が容易になる。さらに、本発明の光合波器では、複数の導波モードの光が前述の多モード干渉によって合波面の同一の位置で強まり、出力部に出力されるので、光同士のクロストークが低くなる。
　すなわち、本発明の光合波器によれば、モード多重伝送に適用し、集積化および量産化を図り、光信号同士のクロストークを低減することができる。
　本発明の光通信システムによれば、上述の光分波器および光合波器を備えているので、モード多重伝送を行い、光分波器および光合波器の集積化および量産化を図り、光信号同士のクロストークを低減することができる。
０次モードの光の伝搬について説明するための模式図である。 １次モードの光の伝搬について説明するための模式図である。 異なる次数のモードの光が導波路を伝搬する様子を示す模式図であり、上段は０次モードの様子を示しており、下段は１次モードの様子を示している。 本発明の第一実施形態の光分波器の要部を示す概略図である。 図４に示す光分波器における出力部のクロストークのシミュレーション結果を示す。 図４に示す光分波器における出力部の過剰損失のシミュレーション結果を示す。 本発明の第二実施形態の光分波器の要部を示す概略図である。 本発明の第二実施形態の光分波器の要部を示す他の図であり、図７に示すＸ１－Ｘ１線で矢視した断面図である。 本発明の第三実施形態の光分波器の要部を示す概略図である。 本発明を適用した光合波器の要部を示す概略図である。 本発明を適用した光通信システムの分波・合波部分の一例を示す概略図である。 実施例において想定した光分波器の要部を示す概略図である。 実施例において光分波器で分波される０次モードの光の様子を示すシミュレーション結果である。 実施例において光分波器で分波される０次モードの光の様子を示すシミュレーション結果であり、図１３Ａに示すＺ１部分の拡大図である。 実施例において光分波器で分波される１次モードの光の様子を示すシミュレーション結果である。 実施例において光分波器で分波される１次モードの光の様子を示すシミュレーション結果であり、図１４Ａに示すＺ２部分の拡大図である。
　始めに、ファイバやＰＬＣなどの導波路において異なる導波モードの光の伝搬について説明する。なお、以下の説明で用いる図面は模式的なものであり、長さ、幅、及び厚みの比率等は実際のものと同一とは限らず、適宜変更することができる。
　図１および図２に示すように、導波路は、コア部Ｒ０と、コア部Ｒ０の屈折率ｎ０より低い屈折率ｎ１を有するクラッド部Ｒ１と、を備えている。クラッド部Ｒ１は、境界面Ｃを挟んでコア部Ｒ０の外側に配置されている。導波路では、コア部Ｒ０とクラッド部Ｒ１との境界面Ｃでの全反射によって光が伝搬する。
　例えば０次および１次の導波モード（以下、０次モードと１次モードという）の光がコア部Ｒ０に入力されると、０次モードの光が境界面Ｃに入射する際の入射角θ０と１次モードの光が境界面Ｃに入射する際の入射角θ１とは異なる。つまり、導波モードの種類によって、各次数のモードの光が境界面Ｃに入射する際の入射角は異なる。詳細に観測すると、境界面Ｃに入射した０次モードの光と１次モードの光は、境界面Ｃから所定の深さ－φ０，－φ１までクラッド部Ｒ１に浸み込み、全反射される。全反射した光の位相のずれは入射角θ０，θ１に依存して変化する。光がコア部Ｒ０からクラッド部Ｒ１に向けて入射する際に通る境界面Ｃの位置と前述の光がクラッド部Ｒ１からコア部Ｒ０に向けて全反射された際に通る境界面Ｃの位置との距離は、グースヘンシェンシフトと呼ばれている。境界面Ｃに対する入射角θ０，θ１は異なるので、０次モードの光のグースヘンシェンシフトと１次モードの光のグースヘンシェンシフトは異なっている。
　上述のように境界面Ｃに対する入射角θ０，θ１が異なるので、また、０次モードの光の伝搬定数β０と１次モードの光の伝搬定数β１は異なっている。各次数のモードの伝搬定数θｍは、以下の（１）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　なお、（１）式において、ｍはモード次数であり、ｋ０は導波路に入射する光の波数である。
　図３には、Ｄ１方向に沿って所定の長さを有し、Ｄ１方向に直交するＤ２方向に沿ってＤ１方向の長さよりも短い長さを有するコア部Ｒ０とコア部Ｒ０の外周に配置されたクラッド部Ｒ１とを備えたマルチモード導波路ＭＷＧにおける光の伝搬の様子をシミュレーションしたに図示されている。マルチモード導波路ＭＷＧは、いわゆる多モード干渉（Multi Mode Interference：ＭＭＩ）導波路と呼ばれるものである。Ｄ１方向に沿って長尺なマルチモード導波路ＭＷＧの軸線Ｊは、Ｄ１方向に対して平行している。コア部Ｒ０およびクラッド部Ｒ１においてＤ２方向に平行な端面の一方には、光の入力部ＩＰが接続されている。コア部Ｒ０およびクラッド部Ｒ１においてＤ２方向に平行な端面の他方には、光の出力部ＯＰが接続されている。
　図３には、シミュレーションにおけるマルチモード導波路ＭＷＧの構成に加えて、０次モードの光が入力部ＩＰに入力された場合の光の強度分布（上段）および１次モードの光の強度分布（下段）が図示されている。
　図３の上段に示すように、入力部ＩＰから０次モードの光が入力されると、０次モードの光はコア部Ｒ０に拡がり、境界面Ｃの近傍で全反射を繰り返しつつ、多モード干渉し、Ｄ１方向に沿って伝搬する。図３の下段に示すように、入力部ＩＰから１次モードの光が入力されると、１次モードの光はコア部Ｒ０の内部に拡がり、境界面Ｃの近傍で全反射を繰り返しつつ、多モード干渉し、Ｄ１方向に沿って伝搬する。Ｄ１方向に沿って伝搬した０次モードの光と１次モードの光はそれぞれ、出力部ＯＰの近傍で自己結像し、出力部ＯＰから出力される。上述のように、０次モードの光のグースヘンシェンシフトと１次モードの光のグースヘンシェンシフトは異なるので、０次モードの光が自己結合する位置と１次モードの光が自己結像する位置は異なっている。すなわち、Ｄ１方向において、０次モードの光の自己結像点と１次モードの光の自己結像点との自己結像点差ΔＬＭＭＩが生じる。なお、２次モードより高次の各次数のモードの光に関しても、０次モードの光の自己結像点との自己結像点差ΔＬＭＭＩが生じる。自己結像点差ΔＬＭＭＩは、０次モードの光の自己結像点に対し、モードの次数の増加に等比例して増加する。
　以上の光学的原理をふまえ、本発明を適用した光分波器、光合波器および光通信システムの実施形態について説明する。
［光分波器］
（第一実施形態）
　図４に示すように、本発明の第一実施形態の光分波器１０Ａは、入力部１２と、モード干渉部１４と、出力部１６と、を備えている。
　入力部１２は、第一マルチモード導波路２２で構成され、複数の導波モードの光を含む多モード光ＭＬを入力可能に構成されている。第一実施形態では、モード干渉部１４は、所定の長さおよび所定の幅を有するマルチモード導波路２４で構成されている。マルチモード導波路２４は、いわゆるＭＭＩ導波路である。出力部１６は、複数の第二マルチモード導波路２６で構成されている。
　なお、図４では、光分波器１０Ａの動作を分かりやすく示すために、第一マルチモード導波路２２、マルチモード導波路２４および第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０の形状輪郭のみが図示され、クラッド部Ｒ１の形状輪郭は省略されている。
　マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０は、Ｄ１方向に沿って所定の長さＬａを有し、Ｄ１方向に直交するＤ２方向に沿って長さＬａよりも短いＬｂを有している。マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の外周端は、Ｄ１方向に沿って形成され、かつ臨界面Ｃとして機能する端面Ｐ１，Ｐ２と、Ｄ２方向に沿って形成された端面Ｐ３，Ｐ４から構成されている。
　第一マルチモード導波路２２の出力側の端部ＯＥ２２は、マルチモード導波路２４の入射側の端部ＩＥ２４に接続されている。マルチモード導波路２４の入射側の端部ＩＥ２４は、マルチモード導波路２４の端面Ｐ３における端面Ｐ２側の端部である。第一マルチモード導波路２２の出射側の端部ＯＥ２２を通る軸線Ｊ２２は、マルチモード導波路２４のＤ１方向（長さ方向）の軸線Ｊ２４に対して所定の角度θｔをなすように交差している。
　第二マルチモード導波路２６は、第一マルチモード導波路２２に入力される多モード光ＭＬに含まれている複数の導波モードの光の種類と同数のマルチモード導波路で構成されている。第一実施形態では、多モード光ＭＬには０次モードの光Ｍ０、１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３が含まれていると想定されているので、第二マルチモード導波路２６は、四本のマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄで構成されている。以下の説明では、特にマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄを区別する必要がない場合、マルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄをまとめて第二マルチモード導波路２６と記載する。なお、図４では、多モード光ＭＬに含まれる０次モードの光Ｍ０、１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３が模式的な波面分布で図示されている。
　第二マルチモード導波路２６の入射側の端部ＩＥ２６は、マルチモード導波路２４の出力側の端部ＯＥ２４に接続されている。マルチモード導波路２４の出力側の端部ＯＥ２４は、マルチモード導波路２４の端面Ｐ１における端面Ｐ４側の端部である。第二マルチモード導波路２６の入射側の端部ＩＥ２６を通る軸線Ｊ２６は、マルチモード導波路２４のＤ１方向（長さ方向）の軸線Ｊ２４に対して所定の角度θｔをなすように交差している。すなわち、第一マルチモード導波路２２の軸線Ｊ２２および第二マルチモード導波路２６の軸線Ｊ２６は、マルチモード導波路２４の軸線Ｊ２４に対して互いに同一の角度θｔをなすように交差している。
　第一マルチモード導波路２２の入射側の端部ＩＥ２２から多モード光ＭＬが入力されると、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は第一マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０で軸線Ｊ２２に沿って伝搬する。続いて、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は、マルチモード導波路２４の入射側の端部ＩＥ２４からコア部Ｒ０に拡がり、端面Ｐ１，Ｐ２の近傍で全反射を繰り返しつつ、多モード干渉し、Ｄ１方向に沿って伝搬する。すなわち、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０は、第一マルチモード導波路２２から出射した各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が干渉する干渉領域３０となっている。上述したように例えば０次モードの光Ｍ０のグースヘンシェンシフトと１次モードの光Ｍ１のグースヘンシェンシフトは異なるので、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１，Ｐ２に沿って各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が自己結像する位置は異なっている。各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が自己結像する位置は、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１，Ｐ２の両方に出現する（図３参照）。第一実施形態では、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０端面Ｐ１が、干渉領域３０で干渉した各次数のモードの光（複数の導波モードの光）Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３がモードごとに互いに異なる位置で強まる分波面３２となっている。このように、マルチモード導波路２４で構成されているモード干渉部１４は、干渉領域３０と、分波面３２と、を備えている。
　マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０端面Ｐ１，Ｐ２のうち、端面Ｐ１を分波面３２とすることで、第一マルチモード導波路２２の軸線Ｊ２２と第二マルチモードの軸線Ｊ２６とが平行になり、光分波器１０Ａの小型化が図られる。
　マルチモード導波路２４の出射側の端部ＯＥ２４は、分波面３２において各次数のモードの光（複数の導波モードの光）Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が自己結像し、強まる位置ＰＭ０，ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３に設けられている。位置ＰＭ０，ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３のうちＤ１方向に沿って隣り合う位置の間隔は、自己結像点差ΔＬＭＭＩに等しい。第二マルチモード導波路２６のうち、マルチモード導波路２６Ａの入射側の端部ＩＥ２６は、位置ＰＭ０に合わせて端部ＯＥ２４に接続されている。マルチモード導波路２６Ｂの入射側の端部ＩＥ２６は、位置ＰＭ１に合わせて端部ＯＥ２４に接続されている。マルチモード導波路２６Ｃの入射側の端部ＩＥ２６は、位置ＰＭ２に合わせて端部ＯＥ２４に接続されている。マルチモード導波路２６Ｄの入射側の端部ＩＥ２６は、位置ＰＭ３に合わせて端部ＯＥ２４に接続されている。
　Ｄ１方向に沿ってマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０を伝搬した０次モードの光Ｍ０は、出射側の端部ＯＥ２４で強められるとともにマルチモード導波路２６Ａのコア部Ｒ０に結像し、マルチモード導波路２６Ａの出射側の端部ＯＥ２６から出力される。同様に、Ｄ１方向に沿ってマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０を伝搬した１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３はそれぞれ、出射側の端部ＯＥ２４で強められるとともにマルチモード導波路２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄのそれぞれのコア部Ｒ０に結像し、マルチモード導波路２６Ｂの出射側の端部ＯＥ２６から出力される。
　上述のように、光分波器１０Ａでは、干渉領域３０における多モード干渉によって複数の次数のモードの光を分波するので、基本的に複数の第二マルチモード導波路２６のそれぞれに出力される光のモードは、第一マルチモード導波路２２との離間距離が小さくなる程、高くなる。
　また、上述のように、光分波器１０Ａでは、マルチモード導波路２４の軸線Ｊ２４に対する第一マルチモード導波路２２の軸線Ｊ２２および第二マルチモード導波路２６の軸線Ｊ２６の角度θｔと、多重モード干渉における自己結像点差ΔＬＭＭＩを適切に設定することで、各次数のモードの光がモードごとに出力される。各次数のモードの光が複数の第二マルチモード導波路２２のそれぞれに、モードごとに分離可能となるためには、所定の角度θｔは、以下の（２）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　なお、（２）式において、Ｗｏｕｔは第二マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０の幅である。実際には、分波対象の光に含まれるモードの次数と次数の種類が設定され、これらのモードの次数と次数の種類や光分波器１０Ａの製造条件などに応じて適切な幅Ｗｏｕｔが設定される。したがって、設定された幅Ｗｏｕｔと、モードの次数によって決まる自己結像点差ΔＬＭＭＩによって、（２）式から所定の角度θｔが算出される。
　複数の第二マルチモード導波路２２のそれぞれにおいて、本来出力されるべきモードの光のパワーに対して、出力されるべきモードとは異なり、僅かに出力されてしまう別のモードの光のパワーの比は、いわゆるクロストーク（ＸＴ）と呼ばれる。図５に示すように、クロストークは、所定の角度θｔに依存する。なお、図５において、「０次」のグラフは、１次モードの光Ｍ１が出力されるべきマルチモード導波路２６Ｂにおいて、１次モードの光Ｍ１のパワーに対する０次モードの光Ｍ０のパワーの比を表している。また、「１次」のグラフは、０次モードの光Ｍ０が出力されるべきマルチモード導波路２６Ａにおいて、０次モードの光Ｍ０のパワーに対する１次モードの光Ｍ１のパワーの比を表している。
　第一マルチモード導波路２２に入力された多モード光ＭＬのパワーに対する複数の第二マルチモード導波路２４のそれぞれに出力される光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３のパワーの比は、過剰損失と呼ばれる。図６に示すように、過剰損失も所定の角度θｔに依存する。なお、図６において、「０次」のグラフは、多モード光ＭＬのパワーに対してマルチモード導波路２６Ａに出力される０次モードの光Ｍ０のパワーの比を表している。また、「１次」のグラフは、多モード光ＭＬのパワーに対してマルチモード導波路２６Ｂに出力される１次モードの光Ｍ１のパワーの比を表している。
　複数の第二マルチモード導波路２２のそれぞれにおけるクロストークおよび過剰損失は、光分波器１０Ａの性能を表す重要な特性である。したがって、（２）式の条件を満たしたうえで、クロストークおよび過剰損失のシミュレーションの結果をふまえて所定の角度θｔが算出されることが好ましい。例えば、光分波器１０Ａが光通信システムに適用される場合は、クロストークは－１５ｄＢ以下であることが好ましく、過剰損失は３ｄＢ以下であることが好ましい。
　第一実施形態の光分波器１０Ａによれば、第一マルチモード導波路２２に入力した多モード光ＭＬに含まれる複数のモードの光を、軸線Ｊ２４に対して所定の角度θｔをなす方向からマルチモード導波路（すなわち、ＭＭＩ導波路）２４に入射させ、異なる次数のモードの光が多重モード干渉によって自己結像する位置が互いに異なることに基づき、複数のモードの光を分波面３２の互いに異なる位置に、第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０同士の所定の間隔以上の間隔をあけて自己結像させることができる。また、第一実施形態の光分波器１０Ａによれば、分波面３２の互いに異なる位置に自己結合した各次数のモードの光をモードごとに異なる第二マルチモード導波路２６に出力させることができるので、多モード光ＭＬから所望かつ複数の０次モードや各高次のモードの光を容易に分波することができる。
　したがって、第一実施形態の光分波器１０Ａは、モード多重伝送に適用可能である。また、第一実施形態の光分波器１０Ａによれば、複数の導波モードの光が共通の干渉領域３０で干渉するので、分波対象の多モード光に含まれる導波モードの種類が増大しても、第一実施形態の光分波器１０Ａの大きさを急増させずに済む。そのため、第一実施形態の光分波器１０Ａによれば、小型化および集積化を容易に図ることができる。また、第一実施形態の光分波器１０Ａには直線形状あるいは矩形形状のマルチモード導波路を用いることが可能であることから、設計および製造工程が煩雑にならず、量産化が容易になり、製造コストも抑えることができる。さらに、第一実施形態の光分波器１０Ａによれば、導波モードごとに前述の多モード干渉によって強まった光が第二マルチモード導波路２６に出力されるので、異なる次数のモードの光同士のクロストークを低減することができる。
（第二実施形態）
　次いで、図７を参照し、本発明の第二実施形態の光分波器１０Ｂについて説明する。なお、図７に示す第二実施形態の光分波器１０Ｂの構成要素において、図４に示す第一実施形態の光分波器１０Ａの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
　第二実施形態においても、多モード光ＭＬには０次モードの光Ｍ０、１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３が含まれていると想定されているので、第二マルチモード導波路２６は、四本のマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄで構成されている。マルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄのそれぞれは、多モード光ＭＬに含まれている０次モードの光Ｍ０、１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３のそれぞれを出力させるための出力部１６を構成している。なお、図７においても、多モード光ＭＬに含まれる０次モードの光Ｍ０、１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３が模式的な波面分布で図示されている。
　第二実施形態では、第一マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０には、０次モード、１次モード、２次モード、３次モードのうち最高次数と同数の三本のスリット導波路Ｓ２２が第一マルチモード導波路２２の軸線Ｊ２２に沿って形成されている。すなわち、第一マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０には、多モード光ＭＬに含まれる光の複数の導波モードのうち最高次数と同数のスリットＳ２２が第一マルチモード導波路２２の軸線Ｊ２２に沿って形成されている。
　また、１次モードの光Ｍ１を出力させるためのマルチモード導波路２６Ｂには、マルチモード導波路２６Ｂの軸線Ｊ２６に沿って一本のスリットＳ２６が形成されている。２次モードの光Ｍ２を出力させるためのマルチモード導波路２６Ｃには、マルチモード導波路２６Ｃの軸線Ｊ２６に沿って二本のスリットＳ２６が形成されている。３次モードの光Ｍ３を出力させるためのマルチモード導波路２６Ｄには、マルチモード導波路２６Ｄの軸線Ｊ２６に沿って三本のスリットＳ２６が形成されている。なお、０次モードの光Ｍ０を出力させるためのマルチモード導波路２６Ａには、スリットは形成されていない。すなわち、複数の第二マルチモード導波路２６のそれぞれには、出力される光の導波モードの次数と同数のスリットＳ２６がそれぞれの第二マルチモード導波路２６の軸線Ｊ２６に沿って形成されている。
　図８に例示するように、マルチモード導波路２６Ｄの三本のスリットＳ２６は、マルチモード導波路２６Ｄの幅に平行な方向に沿ってコア部Ｒ０を等間隔に区分するように形成されている。なお、第一マルチモード導波路２２の四本のスリットＳ２２、マルチモード導波路２６Ｂの一本のスリットＳ２６およびマルチモード導波路２６Ｃの二本のスリットＳ２６のそれぞれは、第一マルチモード導波路２２、マルチモード導波路２６Ｂ，２６Ｃのそれぞれの幅に平行な方向に沿ってコア部Ｒ０を等間隔に区分するように形成されている。
　第一マルチモード導波路２２の入射側の端部ＩＥ２２から多モード光ＭＬが入力されると、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は第一マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０で軸線Ｊ２２に沿って伝搬する。続いて、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は、マルチモード導波路２４の入射側の端部ＩＥ２４からコア部Ｒ０に拡がり、端面Ｐ１，Ｐ２の近傍で全反射を繰り返しつつ、多モード干渉し、Ｄ１方向に沿って伝搬する。
　Ｄ１方向に沿ってマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０を伝搬した各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３はそれぞれ、出射側の端部ＯＥ２４で強められるとともにマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄのそれぞれのコア部Ｒ０に結像し、マルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄの出射側の端部ＯＥ２６から出力される。
　第一実施形態の光分波器１０Ａと同様に、第二実施形態の光分波器１０Ｂにおいても、分波対象の光に含まれるモードの次数と次数の種類が設定され、これらのモードの次数と次数の種類や光分波器１０Ｂの製造条件などに応じて適切な第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０の幅Ｗｏｕｔが設定される。したがって、設定された幅Ｗｏｕｔと、モードの次数によって決まる自己結像点差ΔＬＭＭＩによって、（２）式から所定の角度θｓが算出される。
　また、第一実施形態の光分波器１０Ａと同様に、第二実施形態の光分波器１０Ｂにおいても、クロストークおよび過剰損失のシミュレーションの結果をふまえて所定の角度θｓが算出されることが好ましい。
　第二実施形態の光分波器１０Ｂによれば、第一マルチモード導波路２２に入力した多モード光ＭＬに含まれる複数のモードの光を、軸線Ｊ２４に対して略平行な方向からマルチモード導波路（すなわち、ＭＭＩ導波路）２４に入射させ、異なる次数のモードの光が多重モード干渉によって自己結像する位置が互いに異なることに基づき、複数のモードの光を分波面３２の互いに異なる位置に、第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０同士の所定の間隔以上の間隔をあけて自己結像させることができる。また、第二実施形態の光分波器１０Ｂによれば、分波面３２の互いに異なる位置に自己結合した各次数のモードの光をモードごとに異なる第二マルチモード導波路２６に出力させることができるので、多モード光ＭＬから所望かつ複数の０次モードや各高次のモードを容易に分波することができる。
　したがって、第二実施形態の光分波器１０Ｂによれば、第一実施形態の光分波器１０Ａと同様の作用効果が得られる。
　一般に、第一マルチモード導波路２２や第二マルチモード導波路２６に高次モードの光を伝搬させる場合は、伝搬させる光のモードの次数に応じて第一マルチモード導波路２２や第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０の幅が十分に確保されていないと、高次モードの光はカットされ、コア部Ｒ０を伝搬できなくなる。伝搬または分波される光のモードの次数が高い程、カットされずに伝搬可能な第一マルチモード導波路２２や第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０の幅、すなわちカットオフ幅は広くなる。例えば、上述の（２）式をふまえて第一実施形態の光分波器１０Ａを設計する際には、分波する次数に応じて、伝搬または分波される光のモードの次数を高くする程、第一マルチモード導波路２２や第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０の幅を広く設計することが好ましい。
　第二実施形態の光分波器１０Ｂによれば、第一マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０には、多モード光ＭＬに含まれる複数の導波モードの種類と同数のスリットＳ２２が上述のように形成され、複数の第二マルチモード導波路２６のそれぞれには、出力される光の導波モードの次数と同数のスリットＳ２６が上述のように形成されているので、スリットＳ２６を形成しない場合に比べて第一マルチモード導波路２２や高次モードの光を出力させるための第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０の幅Ｗｏｕｔを狭くしても高次モードの光を低損失で伝搬させ、出力することができる。
　したがって、第二実施形態の光分波器１０Ｂによれば、光分波器１０Ｂのサイズを抑え、高次モードの光を良好に分波するための角度θｔを小さくし、光分波器１０Ｂの小型化を容易に実現することができる。また、第二実施形態の光分波器１０Ｂによれば、第一マルチモード導波路２２や第二マルチモード導波路２６を伝搬する光の損失をより低減し、分波特性を向上させることができる。
（第三実施形態）
　次いで、図９を参照し、本発明の第三実施形態の光分波器１０Ｃについて説明する。なお、図９に示す第二実施形態の光分波器１０Ｃの構成要素において、図４に示す第一実施形態の光分波器１０Ａの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
　図９に示すように、本発明の第三実施形態の光分波器１０Ｃは、入力部１２と、モード干渉部１４と、出力部１６と、を備えている。
　第一マルチモード導波路２２の出力側の端部ＯＥ２２は、マルチモード導波路２４の入射側の端部ＩＥ２４に接続されている。マルチモード導波路２４の入射側の端部ＩＥ２４は、マルチモード導波路２４の端面Ｐ３におけるＤ２方向の略中央に位置する端部である。第一マルチモード導波路２２の出射側の端部ＯＥ２２を通る軸線Ｊ２２は、マルチモード導波路２４のＤ１方向（長さ方向）の軸線Ｊ２４に対して平行している。
　第二マルチモード導波路２６は、第一マルチモード導波路２２に入力される多モード光ＭＬに含まれている複数の導波モードの光の種類と同数のマルチモード導波路で構成されている。第三実施形態では、第二実施形態と同様に、多モード光ＭＬには０次モードの光Ｍ０、１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３が含まれていると想定されているので、第二マルチモード導波路２６は、四本のマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄで構成されている。マルチモード導波路２６Ａ２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄのそれぞれは、多モード光ＭＬに含まれている０次モードの光Ｍ０、１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３のそれぞれを出力させるための出力部１６を構成している。なお、図９においても、多モード光ＭＬに含まれる０次モードの光Ｍ０、１次モードの光Ｍ１、２次モードの光Ｍ２、３次モードの光Ｍ３が模式的な波面分布で図示されている。
　第二マルチモード導波路２６のうちマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｃのそれぞれの入射側の端部ＩＥ２６は、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１におけるＤ１方向の端面Ｐ４側に設けられた出力側の互いに異なる端部ＯＥ２４に接続されている。第二マルチモード導波路２６のうちマルチモード導波路２６Ｂ，２６Ｄのそれぞれの入射側の端部ＩＥ２６は、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ２におけるＤ１方向の端面Ｐ４側に設けられた出力側の互いに異なる端部ＯＥ２４に接続されている。第二マルチモード導波路２６の入射側の端部ＩＥ２６を通る軸線Ｊ２６は、マルチモード導波路２４の軸線Ｊ２４に対して所定の角度θｔをなすように交差している。
　第一マルチモード導波路２２の入射側の端部ＩＥ２２から多モード光ＭＬが入力されると、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は第一マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０で軸線Ｊ２２に沿って伝搬する。続いて、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は、マルチモード導波路２４の入射側の端部ＩＥ２４からコア部Ｒ０に拡がり、端面Ｐ１，Ｐ２の近傍で全反射を繰り返しつつ、多モード干渉し、Ｄ１方向に沿って伝搬する。すなわち、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０は、第一マルチモード導波路２２から出射した各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が干渉する干渉領域３０となっている。
　また、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が自己結像する位置は、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１，Ｐ２の両方に出現する（図３参照）。第三実施形態では、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１，Ｐ２の両方が、干渉領域３０で干渉した各次数のモードの光（複数の導波モードの光）Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３がモードごとに互いに異なる位置で強まる分波面３２となっている。
　既に説明したように、各次数のグースヘンシェンシフトは異なるので、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１，Ｐ２のそれぞれに沿って各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が自己結像する位置は互いに異なっている。第三実施形態では、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３のうち、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１において０次と２次のモードの光のそれぞれが自己結像する位置ＰＭ０，ＰＭ２に端部ＯＥのそれぞれが設けられているとともに、マルチモード導波路２６Ａ，２６Ｃのそれぞれの入射側の端部ＩＥ２６が接続されている。また、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ２において１次および３次のモードの光のそれぞれが自己結像する位置ＰＭ１，ＰＭ３に端部ＯＥのそれぞれが設けられているとともに、マルチモード導波路２６Ｂ，２６Ｄのそれぞれの入射側の端部ＩＥ２６が接続されている。
　つまり、第三実施形態の光分波器１０Ｃでは、モード干渉部１４は複数（第三実施形態では二つ）の分波面３２を有している。複数の導波モードの光のうち０次の導波モードの光または偶数の導波モードの光が出力されるマルチモード導波路（出力部）２６Ａ，２６Ｃは、複数の分波面３２のうちマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面（第一の分波面）Ｐ１に接続されている。また、複数の導波モードの光のうち奇数の導波モードの光が出力されるマルチモード導波路（出力部）２６Ｂ，２６Ｄは複数の分波面３２のうちマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面（第二の分波面）Ｐ２に接続されている。
　Ｄ１方向における位置ＰＭ０，ＰＭ１同士、位置ＰＭ１，ＰＭ２同士、位置ＰＭ２，ＰＭ３同士の間隔は、自己結像点差ΔＬＭＭＩに等しい。したがって、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１においてマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｃのそれぞれの入射側の端部ＩＥ２６が接続されている端部ＯＥ同士のＤ１方向における距離は、２×ΔＬＭＭＩに等しい。同様に、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ２においてマルチモード導波路２６Ｂ，２６Ｄのそれぞれの入射側の端部ＩＥ２６が接続されている端部ＯＥ同士のＤ１方向における距離は、２×ΔＬＭＭＩに等しい。
　Ｄ１方向に沿ってマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０を伝搬した各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３はそれぞれ、出射側の端部ＯＥ２４で強められるとともにマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄのそれぞれのコア部Ｒ０に結像し、マルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄの出射側の端部ＯＥ２６から出力される。
　上述のように、光分波器１０Ｂでは、マルチモード導波路２４の軸線Ｊ２４に対する第二マルチモード導波路２６の軸線Ｊ２６の角度θｓと、多重モード干渉における自己結像点差ΔＬＭＭＩを適切に設定することで、各次数のモードの光がモードごとに出力される。各次数のモードの光が複数の第二マルチモード導波路２２のそれぞれに、モードごとに分離可能となるためには、所定の角度θｓは、上述の（２）式で表される。
　第一実施形態の光分波器１０Ａと同様に、第三実施形態の光分波器１０Ｃにおいても、分波対象の光に含まれるモードの次数と次数の種類が設定され、これらのモードの次数と次数の種類や光分波器１０Ｃの製造条件などに応じて適切な第二マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０の幅Ｗｏｕｔが設定される。したがって、設定された幅Ｗｏｕｔと、モードの次数によって決まる自己結像点差ΔＬＭＭＩによって、（２）式から所定の角度θｔが算出される。
　また、第一実施形態の光分波器１０Ａと同様に、第三実施形態の光分波器１０Ｃにおいても、クロストークおよび過剰損失のシミュレーションの結果をふまえて所定の角度θｔが算出されることが好ましい。
　第三実施形態の光分波器１０Ｃによれば、第一マルチモード導波路２２に入力した多モード光ＭＬに含まれる複数のモードの光を、軸線Ｊ２４に対して略平行な方向からマルチモード導波路（すなわち、ＭＭＩ導波路）２４に入射させ、異なる次数のモードの光が多重モード干渉によって自己結像する位置が互いに異なることに基づき、複数のモードの光を分波面３２の互いに異なる位置に、第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０同士の所定の間隔以上の間隔をあけて自己結像させることができる。また、第三実施形態の光分波器１０Ｃによれば、分波面３２の互いに異なる位置に自己結合した各次数のモードの光をモードごとに異なる第二マルチモード導波路２６に出力させることができるので、多モード光ＭＬから所望かつ複数の０次モードや各高次のモードを容易に分波することができる。
　したがって、第三実施形態の光分波器１０Ｃによれば、第一実施形態の光分波器１０Ａと同様の作用効果が得られる。
　さらに、第三実施形態の光分波器１０Ｃによれば、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１，Ｐ２のそれぞれにおいて隣り合う第二マルチモード導波路２６の入射側の端部ＩＥ２６が接続されている端部ＯＥ同士のＤ１方向における距離を自己結像点差ΔＬＭＭＩの２倍に拡大することができるので、第二マルチモード導波路２６のコア部Ｒ０の幅Ｗｏｕｔを確保し易く、クロストークおよび過剰損失の低減を図ることができる。
　なお、第三実施形態の光分波器１０Ｃにおいても、第二実施形態の光分波器１０Ｂと同様に、第一マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０には、多モード光ＭＬに含まれる複数の導波モードのうち最高次数と同数のスリットＳ２２が第一マルチモード導波路２２の軸線Ｊ２２に沿って形成されていてもよい。また、複数の第二マルチモード導波路２６のそれぞれには、出力される光の導波モードの次数と同数のスリットＳ２６がそれぞれの第二マルチモード導波路２６の軸線Ｊ２６に沿って形成されていてもよい。第三実施形態の光分波器１０Ｃにおいて上述のようにスリットＳ２２，Ｓ２６を形成することで、第一実施形態の光分波器１０Ａと同様の作用効果に加えて第二実施形態の光分波器１０Ｂと同様の作用効果を得ることができる。
［光合波器］
　上述した第一実施形態の光分波器１０Ａにおける光の分波は可逆である。図４に示す光分波器１０Ａの構成で説明すると、二本のマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂのうちマルチモード導波路２６Ａの出射側の端部ＯＥ２６からマルチモード導波路２６Ａに０次モードの光Ｍ０を入力することができ、マルチモード導波路２６Ｂの出射側の端部ＯＥ２６からマルチモード導波路２６Ｂに１次モードの光Ｍ１を入力することができる。すなわち、複数の第二マルチモード導波路２６のそれぞれに適し、かつ第二マルチモード導波路２６ごとに異なる次数のモードの光が複数の第二マルチモード導波路２６のそれぞれに入力可能である。
　本発明を適用した光合波器４０は、入力部４２と、モード干渉部４４と、出力部４６と、を備えている。なお、図１０に示す光合波器４０の構成要素において、図１に示す第一実施形態の光分波器１０Ａの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
　図１０に示すように、入力部４２は、複数の第二マルチモード導波路２６で構成されている。複数の第二マルチモード導波路２６は、それぞれ互いに異なる次数のモードの光を入力可能に構成されている。モード干渉部４４は、マルチモード導波路２４で構成されている。出力部４６は、第一マルチモード導波路２２で構成されている。
　第二マルチモード導波路２６のマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂの入射側の端部ＩＥ２６のそれぞれに０次モードの光と１次モードの光のそれぞれが入力されると、０次モードの光Ｍ０はマルチモード導波路２６Ａのコア部Ｒ０で軸線Ｊ２６に沿って伝搬し、１次モードの光Ｍ１はマルチモード導波路２６Ｂのコア部Ｒ０で軸線Ｊ２６に沿って伝搬する。続いて、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１は、マルチモード導波路２４の出射側の端部ＯＥ２４からコア部Ｒ０に拡がり、端面Ｐ１，Ｐ２の近傍で全反射を繰り返しつつ、多モード干渉し、Ｄ１方向に沿って伝搬する。Ｄ１方向とは反対の方向に沿ってマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０を伝搬した０次モードの光Ｍ０および１次モードの光Ｍ１は、マルチモード導波路２４の出射側の端部ＯＥ２４で強められ、互いに同じ位置で結像し、マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０に入射する。マルチモード導波路２２に入射した０次モードの光Ｍ０および１次モードの光Ｍ１は、マルチモード導波路２２のコア部Ｒ０で重ね合わされ、マルチモード導波路２２の出射側の端部ＯＥ２６から多モード光ＭＬとして出力される。
　すなわち、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０は、複数の第二マルチモード導波路２６のそれぞれから出射した各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１が干渉する干渉領域３０となっている。上述したように０次モードの光Ｍ０のグースヘンシェンシフトと１次モードの光Ｍ１のグースヘンシェンシフトは異なり、各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１が互いにグースヘンシェンシフトに基づく自己結像点差ΔＬＭＭＩに等しい間隔をおいて位置する端部ＯＥ２６からマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０に出射される。そのため、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ３に沿って各次数のモードの光Ｍ０，Ｍ１がそれぞれ自己結合する位置は互いに重なる。つまり、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ３が、干渉領域３０で干渉した各次数のモードの光（複数の導波モードの光）Ｍ０，Ｍ１が同一の位置で強まる合波面３４となっている。このように、マルチモード導波路２４で構成されているモード干渉部１４は、干渉領域３０と、合波面３４と、を備えている。
　すなわち、本発明を適用した光合波器４０は、複数の導波モードの光を導波モードごとに入力可能に構成された入力部４２と、入力部４２から出射した複数の導波モードの光が干渉する干渉領域３０と干渉領域３０で干渉した複数の導波モードの光が同一の位置で強まる合波面３４とを有するモード干渉部４４と、合波面３４の同一の位置で強まった複数の導波モードの光を含む多モード光ＭＬを出力可能に構成された出力部４６と、を備えている。
　上述の光合波器４０によれば、第一マルチモード導波路２２に入力した多モード光ＭＬに含まれる複数のモードの光を、軸線Ｊ２４に対して所定の角度θｔをなす方向からマルチモード導波路（すなわち、ＭＭＩ導波路）２４に入射させ、異なる次数のモードの光が多重モード干渉によって自己結像する位置が互いに重なることに基づき、複数のモードの光を合波面３４の同一の位置に自己結像させることができる。また、光分波器４０によれば、合波面３４の同一の位置に自己結合した各次数のモードの光を第一マルチモード導波路２２に出力させることができるので、所望かつ複数の０次モードや各高次のモードの光を多モード光ＭＬとして容易に合波することができる。
　したがって、光合波器４０は、モード多重伝送に適用可能である。また、光合波器４０によれば、複数の導波モードの光が共通の干渉領域３０で干渉するので、合波対象の多モード光に含まれる導波モードの種類が増大しても、光合波器４０の大きさを急増させずに済む。そのため、光合波器４０によれば、小型化および集積化を容易に図ることができる。また、光合波器４０には直線形状あるいは矩形形状のマルチモード導波路を用いることが可能であることから、設計および製造工程が煩雑にならず、量産化が容易になり、製造コストも抑えることができる。さらに、光合波器４０によれば、前述の多モード干渉によって強まった光が第一マルチモード導波路２２に出力されるので、異なる次数のモードの光同士のクロストークを低減することができる。
　なお、以上では、図４に示す光分波器１０Ａの構成に基づいた光合波器４０について説明したが、第二実施形態及び第三実施形態の光分波器１０Ｂ，１０Ｃや本発明を適用した光分波器における光の分波は可逆であり、これらの光分波器の構成に基づいて光合波器としても構わない。
［光通信システム］
　本発明を適用した光通信システムは、本発明を適用した光分波器および光合波器を備えている。例えば、図１１には、本発明を適用した光通信システムにおいて光信号の分波・合波などを行う主要部のみを取り出して図示している。図１１に示すように、本発明を適用した光通信システムの主要部には、ＤＥＭＵＸ５２として上述の第一実施形態から第三実施形態のいずれか一実施形態の光分波器１０Ａ／１０Ｂ／１０Ｃが設けられ、ＭＵＸ５４として、上述の光合波器４０や第二実施形態及び第三実施形態の光分波器１０Ｂ，１０Ｃの構成に基づく光合波器が設けられている。
　上述の光通信システムによれば、不図示の基幹の光通信ネットワークなどに接続されている入力用マルチモードファイバ６０から、光信号（光）ＸＭＩは、ＤＥＭＵＸ５２に入力される。光信号（光）ＸＭＩには複数（図１１では四種類）のモードの光が含まれ、各次数のモードの光には互いに異なる情報が予め付与されている。ＤＥＭＵＸ５２に入力された光信号ＸＭＩは、光分波器１０Ａ／１０Ｂ／１０Ｃの第一マルチモード導波路２２に入力される。第一マルチモード導波路２２に入力された光信号ＸＭＩは、多モード光ＭＬとして光分波器１０Ａ／１０Ｂ／１０Ｃによって、各次数のモードごとに分波される。ユーザＵ１，Ｕ２はそれぞれ、不図示の専用の回線を介して定められた互いに異なる次数のモードの光Ｍｎ，Ｍｉ（ｎ，ｉは定められた所定のモードの次数を表す）を受信し、必要に応じて受信した次数のモードの光に情報を追加し、不図示の専用の回線を介してＭＵＸ５４に送信する。ＭＵＸ５４に送信された光信号ＸＭＰは、光分波器４０の第二マルチモード導波路２６のうち光Ｍｎのモードの次数ｎに応じたマルチモードファイバに入力される。第二マルチモード導波路２６に入力された光信号ＸＭＰは、光合波器４０によって、他の光信号ＸＭとともに光信号ＸＭＯとして合波される。合波された光信号ＸＭＯは、基幹の光通信ネットワークなどに接続されている出力用マルチモードファイバ６２によって、基幹の光通信ネットワークに戻される。
　上述のように、第一実施形態から第三実施形態のいずれか一実施形態の光分波器１０Ａ／１０Ｂ／１０Ｃおよび光合波器４０を用いてOptical Add/Drop Multiplexing（ＯＡＤＭ）を容易に実現することができる。本発明を適用した光通信システムによれば、光分波器１０Ａ／１０Ｂ／１０Ｃおよび光合波器４０を備えたＯＡＤＭを用いてモード多重伝送技術およびＳＤＭを実現することができる。また、本発明を適用した光通信システムによれば、光分波器１０Ａ／１０Ｂ／１０Ｃおよび光合波器４０を備えていることで、ＭＵＸ／ＤＥＭＵＸの小型化および集積化を容易に図り、ＭＵＸ／ＤＥＭＵＸの量産化を進め、製造コストも抑えることができ、異なる次数のモードの光同士のクロストークを低減し、分波特性および合波特性を向上させることができる。
　以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
　例えば、本発明を適用した光分波器の入力部１２の構成は、第一マルチモード導波路２２に限定されず、多モード光ＭＬをモード干渉部１４に入射させることが可能であれば特に限定されない。
　また、モード干渉部１４の構成は、所定の長さおよび所定の幅を有するマルチモード導波路２４に限定されず、干渉領域３０および分波面３２を備えていれば特に限定されない。一例として、モード干渉部１４は、端面Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の少なくとも一つが湾曲している導波路などで構成されていても構わない。
　また、出力部１６の構成は、第二マルチモード導波路２６に限定されず、多モード光ＭＬから分波された各次数のモードごとの光を個別に出力させることが可能であれば特に限定されない。さらに、多モード光ＭＬに含まれる光のモードの次数は、上述の第一実施形態から第三実施形態で例示したように０次モードから３次モードまでに限定されず、４次モードより高次モードであってもよい。第二マルチモード導波路２６の数は、多モード光ＭＬに含まれる光のモードの次数の種類に合わせて変更される。
　例えば、本発明を適用した光合波器の入力部４２の構成は、第一マルチモード導波路２６に限定されず、各次数のモードごとの光を個別に入力させることが可能であれば特に限定されない。
　また、モード干渉部４４の構成は、所定の長さおよび所定の幅を有するマルチモード導波路２４に限定されず、干渉領域３０および合波面３４を備えていれば特に限定されず、前述のように端面Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の少なくとも一つが湾曲している導波路などで構成されていても構わない。
　また、出力部４６の構成は、第二マルチモード導波路２２に限定されず、各次数のモードごとの光が合波されてなる多モード光ＭＬを出力させることが可能であれば特に限定されない。
　例えば、本発明を適用した光分波器および光合波器は、複数のモードの光をモードごとに分波する、または合波する必要があるシステムであれば、広く適用することができる。また、本発明を適用した光通信システムは、ＯＡＤＭを備えた光通信システムに限定されず、ＳＤＭを用いたあらゆる光通信システムに適用可能である。
　本発明を適用した光分波器、光合波器および光通信システムによれば、モード多重伝送に適用し、集積化および量産化を図り、光信号同士のクロストークを低減することができる。したがって、本発明を適用した光分波器、光合波器は、モード多重伝送を用いた光通信システム、ＳＤＭに適用可能である。また、本発明を適用した光分波器、光合波器は、複数のモードの光をモードごとに分波する、または合波する必要があるシステムであれば、あらゆるシステムに適用可能であり、複数のモードの光をモードごとにおよび操作する必要が生じる分野への広い展開が期待される。本発明を適用した光通信システムは、モード多重伝送およびＳＤＭに関する分野への広い展開が期待される。
　次いで、本発明を適用した実施形態の光分波器の効果を裏付けるために行った実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
　図４に示す光分波器１０Ａの構成において、図１２に示すように複数の第二マルチモード導波路２６のうち、０次モードの光Ｍ０および１次モードの光Ｍ１のそれぞれを出力するマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂのみを残した光分波器１０Ａ´の構成についてシミュレーションを行い、分波特性を確認した。ただし、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ３，Ｐ４は、第一マルチモード導波路２２の軸線Ｊ２２に対して直交する方向に向くように変更した。これにより、図１３Ｂに示すように、１次モードの光Ｍ１が出力されるマルチモード導波路２６Ｂの入射側の端部ＩＥ２６は、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ４の端面Ｐ１側に接続されている。マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ４は、分波面３２として機能する。
　シミュレーションでは、０次モードおよび１次モードの光Ｍ０，Ｍ１の波長を１５５０μｍとした。マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の屈折率ｎ０を３．４８とし、屈折率ｎ１を１．４４とした。マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０のＤ１方向における長さＬａを２１１９６μｍとし、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０のＤ２方向における長さＬｂを３０μｍとした。０次モードおよび１次モードの光Ｍ０，Ｍ１の自己結像点差ΔＬＭＭＩは７８μｍとなる。そこで、１次モードの光Ｍ１が出力されるマルチモード導波路２４Ｂのコア部Ｒ０の幅Ｗｏｕｔを８μｍとし、（２）式に基づいて角度θｔを６°とした。
　図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、第一マルチモード導波路２２の入射側の端部ＩＥ２２から第一マルチモード導波路２２に入力された０次モードの光Ｍ０は、マルチモード導波路２４のコア部Ｒ０、すなわち干渉領域３０で多モード干渉し、マルチモード導波路２６Ａの入射側の端部ＩＥ２６が接続されているマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ４で自己結像し、マルチモード導波路２６Ａに出力されていることがわかる。
　図１４Ａおよび図１４Ｂに示すように、第一マルチモード導波路２２の入射側の端部ＩＥ２２から第一マルチモード導波路２２に入力された１次モードの光Ｍ１は、干渉領域３０で多モード干渉し、マルチモード導波路２６Ｂの入射側の端部ＩＥ２６が接続されているマルチモード導波路２４のコア部Ｒ０の端面Ｐ１で自己結像し、マルチモード導波路２６Ｂに出力されていることがわかる。
　０次モードの光Ｍ０のクロストーク（すなわち、マルチモード導波路２６Ａに出力された１次モードの光Ｍ１のパワーに対する０次モードの光Ｍ０のパワーの比）は－２５ｄＢであった。また、１次モードの光Ｍ１のクロストーク（すなわち、マルチモード導波路２６Ａにおいて、０次モードの光Ｍ０のパワーに対する１次モードの光Ｍ１のパワーの比）は－１５ｄＢであった。
　以上説明した結果から、光分波器１０Ａ´はコンパクトに構成されており、光分波器１０Ａ´によれば小型化を容易に図ることができると考えられる。また、光分波器１０Ａ´によれば、多モード干渉によって強まった光が導波モードごとに互いに異なるマルチモード導波路２６Ａ，２６Ｂに出力されるので、異なる次数のモードの光同士のクロストークを低減することができることを確認した。
１０Ａ，１０Ａ´，１０Ｂ，１０Ｃ　光分波器
１２，４２　入力部
１４，４４　モード干渉部
１６，４６　出力部
２２　第一マルチモード導波路
２４　マルチモード導波路
２６　第二マルチモード導波路
２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄ　マルチモード導波路
３０　干渉領域
３２　分波面
３４　合波面
４０　光合波器

Claims (9)

  1. 　複数の導波モードの光を含む多モード光を入力可能に構成された入力部と、
    　前記入力部から出射した前記複数の導波モードの光が干渉する干渉領域と前記干渉領域で干渉した前記複数の導波モードの光が導波モードごとに互いに異なる位置で強め合う分波面とを有するモード干渉部と、
    　前記分波面で互いに異なる位置で強まった前記複数の導波モードの光を導波モードごとに出力可能に構成された出力部と、
    　を備えていることを特徴とする光分波器。
  2. 　前記入力部は第一マルチモード導波路で構成され、
    　前記モード干渉部は所定の長さおよび所定の幅を有するマルチモード導波路で構成され、
    　前記出力部は複数の第二マルチモード導波路で構成され、
    　前記第一マルチモード導波路の出力側の端部は前記マルチモード導波路の入射側の端部に接続され、
    　前記複数の第二マルチモード導波路のそれぞれの入射側の端部は前記マルチモード導波路の前記分波面に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光分波器。
  3. 　前記第一マルチモード導波路の出射側の端部を通る軸線および前記複数の第二マルチモード導波路のそれぞれの入射側の端部を通る軸線が前記マルチモード導波路の長さ方向の軸線に対して互いに同一の角度をなすように交差していることを特徴とする請求項２に記載の光分波器。
  4. 　前記複数の第二マルチモード導波路のそれぞれに出力される光の導波モードは、前記第一マルチモード導波路との離間距離が小さくなる程、高くなることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光分波器。
  5. 　前記第一マルチモード導波路のコア部には、前記多モード光に含まれる光の前記複数の導波モードのうち最高次数の導波モードと同数のスリットが前記第一マルチモード導波路の軸線に沿って形成されていることを特徴とする請求項２から請求項４の何れか一項に記載の光分波器。
  6. 　前記複数の第二マルチモード導波路のそれぞれのコア部には、出力される光の導波モードの次数と同数のスリットがそれぞれの前記第二マルチモード導波路の軸線に沿って形成されていることを特徴とする請求項２から請求項５の何れか一項に記載の光分波器。
  7. 　前記モード干渉部は複数の前記分波面を有し、
    　前記複数の導波モードの光のうち０次の導波モードの光または偶数の導波モードの光が出力される前記出力部は前記複数の分波面のうち第一の分波面に接続され、
    　前記複数の導波モードの光のうち奇数の導波モードの光が出力される前記出力部は前記複数の分波面のうち前記第一の分波面とは異なる第二の分波面に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載の光分波器。
  8. 　複数の導波モードの光を導波モードごとに入力可能に構成された入力部と、
    　前記入力部から出射した前記複数の導波モードの光が干渉する干渉領域と前記干渉領域で干渉した前記複数の導波モードの光が同一の位置で強まる合波面とを有するモード干渉部と、
    　前記合波面の同一の位置で強まった前記複数の導波モードの光を含む多モード光を出力可能に構成された出力部と、
    　を備えていることを特徴とする光合波器。
  9. 　請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の光分波器および請求項８に記載の光合波器を備えていることを特徴とする光通信システム。
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