特許 6384871 モード合分波器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6384871

(24)【登録日】2018年8月17日

(45)【発行日】2018年9月5日

(54)【発明の名称】モード合分波器

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/12 20060101AFI20180827BHJP

   G02B 6/14 20060101ALI20180827BHJP

   G02B 6/122 20060101ALI20180827BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/12 311

   G02B6/14

   G02B6/122 311

【請求項の数】8

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2015-116280(P2015-116280)

(22)【出願日】2015年6月9日

(65)【公開番号】特開2017-3721(P2017-3721A)

(43)【公開日】2017年1月5日

【審査請求日】2017年6月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504173471

【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学

(74)【代理人】

【識別番号】100119677

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100115794

【弁理士】

【氏名又は名称】今下 勝博

(72)【発明者】

【氏名】坂本 泰志

(72)【発明者】

【氏名】半澤 信智

(72)【発明者】

【氏名】松井 隆

(72)【発明者】

【氏名】辻川 恭三

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 晋聖

(72)【発明者】

【氏名】藤澤 剛

【審査官】 岸 智史

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１５２２７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０５１８２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／０５３３６９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／００９８６９７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／１２−６／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｎ（ｎは５以上の整数）以上のモードを伝搬可能であり、長手方向に導波路幅が連続的に変化するテーパー部を持つ主導波路と、
前記主導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つ副導波路と、
を基板上に備えるモード合分波器であって、
前記副導波路は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が、前記主導波路を伝搬する、前記基板に対して水平方向と垂直方向の一方に３つのピークを持ち、他方に１つのピークを持つフィールド分布の中間モードの実効屈折率と一致しており、
前記テーパー部は、光ファイバ中の伝搬モードであるＬＰ２１ｂモードまたはＬＰ０２モードに相当するフィールド分布のモードと前記中間モードとを断熱変換する
ことを特徴とするモード合分波器。

【請求項2】

ｎ（ｎは６以上の整数）以上のモードを伝搬可能であり、長手方向に導波路幅が連続的に変化する第１テーパー部を持つ主導波路と、
前記主導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つ副導波路と、
を基板上に備えるモード合分波器であって、
前記副導波路は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が、前記主導波路を伝搬する、前記基板に対して水平方向に３つのピーク且つ垂直方向に１つのピークを持つフィールド分布の第１中間モードの実効屈折率、又は前記基板に対して垂直方向に３つのピーク且つ水平方向に１つのピークを持つフィールド分布の第２中間モードの実効屈折率と一致しており、
前記第１テーパー部は、光ファイバ中の伝搬モードであるＬＰ２１ｂモードとＬＰ０２モードの一方に相当するフィールド分布のモードと前記第１中間モードとを断熱変換し、他方に相当するフィールド分布のモードと前記第２中間モードとを断熱変換する
ことを特徴とするモード合分波器。

【請求項3】

前記主導波路は、
２つの前記副導波路の前記結合部の間に、長手方向に導波路幅が連続的に変化し、前記第１中間モードと前記第２中間モードとを相互に断熱変換する第２テーパー部をさらに持つことを特徴とする請求項２に記載のモード合分波器。

【請求項4】

前記主導波路及び前記副導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つｍ本（ｍは３以上の整数）の脇導波路をさらに備え、
前記脇導波路は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が前記主導波路の低次側の３つの高次モードの実効屈折率と排他的に一致していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のモード合分波器。

【請求項5】

少なくとも１つの前記結合部は、前記主導波路、前記副導波路及び前記脇導波路に非接触である少なくとも１本の中間導波路であることを特徴とする請求項４に記載のモード合分波器。

【請求項6】

前記主導波路、前記副導波路及び前記脇導波路は、導波路の高さが同じであり、
前記主導波路、前記副導波路及び前記脇導波路の少なくとも１つがＬＰ１１ａモードをＬＰ１１ｂモードに変換するモード回転子を含むことを特徴とする請求項４又は５に記載のモード合分波器。

【請求項7】

前記中間モードがＥ３１モードであり、
合波方向に、
ＬＰ０１モードが伝搬する前記主導波路に、前記脇導波路の結合部よりＬＰ１１ａモード、ＬＰ１１ｂモード、及びＬＰ２１ａモードを合波し、さらに、前記副導波路の結合部よりＥ３１モードを合波し、前記テーパー部でＥ３１モードをＬＰ０２モードに変換することを特徴とする請求項１を引用する請求項４から６のいずれかに記載のモード合分波器。

【請求項8】

前記第１中間モードがＥ３１モードで、前記第２中間モードがＥ１３モードであり、
合波方向に、
ＬＰ０１モードが伝搬する前記主導波路に、前記脇導波路の結合部よりＬＰ１１ａモード、ＬＰ１１ｂモード、及びＬＰ２１ａモードを合波し、さらに、１の前記副導波路の結合部よりＥ３１モードを合波し、前記第２テーパー部でＥ３１モードをＥ１３モードに変換し、さらに、他の前記副導波路の結合部よりＥ３１モードを合波し、前記第１テーパー部でＥ３１モードをＬＰ０２モードに、Ｅ１３モードをＬＰ２１ｂモードに変換することを特徴とする請求項２又は３を引用する請求項４から６のいずれかに記載のモード合分波器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、伝搬モード数が５以上である光ファイバケーブルにおいて伝搬モードそれぞれをキャリアとして利用する多重方法であるモード多重伝送に必要なモード合分波器に関する。

【背景技術】

【0002】

現在、光ファイバネットワークにおけるトラフィックは増大しており、伝送速度の高速化や波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術による波長多重数の増加、多値変調など様々な手法を用いて伝送容量の拡大を図ってきた。しかし、将来的に既設の伝送路、従来の伝送方式を用いての伝送容量の拡大が困難になると予想されるため、波長領域の拡大、新たな伝送ファイバ、及び新たな伝送方式が検討されている。

【0003】

新たな伝送ファイバに関しては、ファイバ非線形による波形歪を抑圧するために実効断面積（Ａｅｆｆ）が拡大できるファイバ構造が提案されている。ファイバ非線形の抑圧はファイバへ入力できる入力パワーの増加につながり、入力パワーの増加が可能になれば伝送速度の高速化、更なる多値化が可能になるなどの優位性が得られる。しかし、非特許文献１に示されるようにＡｅｆｆの拡大は単一モード動作を前提としているため、曲げ損失と単一モード動作がトレードオフの関係にあることからＡｅｆｆの大幅な拡大が困難という課題がある。

【0004】

新たな伝送方式に関しては、特許文献１に光ファイバの伝搬モードを利用した多重方法も提案されているが、所望の高次モードを励振する方法が提案されておらず、単一波長で利用することを前提としているため、大容量化の実現が困難という課題がある。光ファイバの伝搬モードを利用するためのモード分波器として非特許文献２に示されるように受光する位置を変化させてモードの分波を行う方法が提案されているが、多くの高次モードが存在する状況では、モード間の漏話が大きくなり、受光器の設計も複雑になるため、伝搬モードをキャリアとして利用するモード多重伝送においての利用については好ましくない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平８−２８８９１１号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】松井 他， “Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｂｅｎｄｉｎｇ ｌｏｓｓ ａｎｄ Ａｅｆｆ ｏｆ ＞ ２００ μｍ２ ｆｏｒ ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ＷＤＭ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”， ＯＦＣ２０１０， ＰＤＰＡ２．

【非特許文献2】Ｃ． Ｐ． Ｔｓｅｋｒｅｋｏｓ 他， “Ｍｏｄｅ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｓｐａｔｉａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ｉｎ ａ ｍｏｄｅ ｇｒｏｕｐ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｌｉｎｋ”， ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ， Ｖｏｌ．３２， Ｎｏ．９， ２００７．

【非特許文献3】Ｒ． Ｒｙｆ 他， “Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｓｐａｔｉａｌ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｉｎ Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒｓ”， ＥＣＯＣ２０１１， Ｔｈ．１２．Ｂ．１．

【非特許文献4】Ｎ． Ｈａｎｚａｗａ 他， “Ｆｏｕｒ−ｍｏｄｅ ｐｌｃ−ｂａｓｅｄ ｍｏｄｅ ｍｕｌｔｉ／ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ｗｉｔｈ ＬＰ１１ ｍｏｄｅ ｒｏｔａｔｏｒ ｏｎ ｏｎｅ ｃｈｉｐ ｆｏｒ ＭＤＭ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”， ＥＣＯＣ２０１４， Ｗｅ．１．１．１

【非特許文献5】Ｎ． Ｈａｎｚａｗａ ｅｔ ａｌ．， “Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｐａｒａｌｌｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｆｏｒ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，” ＯＦＣ２０１２， ｐａｐｅｒ Ｏｔｕ１ｌ．４ （２０１２）．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

伝搬モードが複数存在する光ファイバを利用して、光ファイバの伝搬モードそれぞれをキャリアとして利用するモード多重伝送において、既存のデバイスは基本モードでの動作が前提であるため、既存のファイバデバイスをそのまま用いてモード多重伝送を実現することは困難である。また、これまで提案されているモード合分波器は、分波効率が悪いため、長距離伝送や高速な信号の伝送が困難であり、また空間系を利用するため構成が複雑になるなどの課題がある。空間系を用いた方法では、非特許文献３に記載されているようにモードごとに高い分波効率を実現することが可能であるが、挿入損失が８ｄＢ以上と大きくデバイスの小型化が困難であるなどの課題もある。

【0008】

近年、非特許文献４に示されるように非対称平行導波路を用いた４モード合分波器が提案されており、非対称平行導波路を用いることで送受信端では基本モードのみで信号を扱うことが可能であり、既存のデバイスをそのまま用いることが可能になる。しかしながら、更なる大容量伝送の実現のためには、モード多重数を増加させることが望ましいが、非特許文献４に記載の合分波器は４モードに限定されており、５モード以上のモード多重を実現するための合分波方法に関しては提案されていない。

【0009】

そこで、本発明は、既存デバイスを利用でき、光ファイバで５モード以上のモード多重伝送を可能とするモード合分波器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係るモード合分波器は、平行導波路を用いた合分波器に長手方向に導波路幅が連続的に変化するテーパー部を加えることにより、５及び６モード目のモードであるＬＰ２１ｂモード及びＬＰ０２モードを発生させることを特徴とする。

【0011】

具体的には、本発明に係る１のモード合分波器は、
ｎ（ｎは５以上の整数）以上のモードを伝搬可能であり、長手方向に導波路幅が連続的に変化するテーパー部を持つ主導波路と、
前記主導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つ副導波路と、
を基板上に備えるモード合分波器であって、
前記副導波路は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が、前記主導波路を伝搬する、前記基板に対して水平方向と垂直方向の一方に３つのピークを持ち、他方に１つのピークを持つフィールド分布の中間モードの実効屈折率と一致しており、
前記テーパー部は、光ファイバ中の伝搬モードであるＬＰ２１ｂモードまたはＬＰ０２モードに相当するフィールド分布のモードと前記中間モードとを断熱変換する
ことを特徴とする。

【0012】

本モード合分波器は、合波方向において、副導波路を伝搬する基本モードの光を結合部から主導波路へ移行させてＥ３１モード又はＥ１３モードの中間モードを主導波路に発生させ、テーパー部で中間モードからＬＰ２１ｂモード又はＬＰ０２モードに変換することとした。平行導波路を用いた合分波器において分波は合波の逆の動作がなされるので、本モード合分波器は、主導波路を伝搬するＬＰ２１ｂモード又はＬＰ０２モードの光を副導波路へ基本モードとして移行させることができる。なお、中間モードとＬＰ２１ｂモード又はＬＰ０２モードとの変換は、テーパー部の構造を調整することで実現できる。

【0013】

従って、本発明は、既存デバイスを利用でき、光ファイバで５モードのモード多重伝送を可能とするモード合分波器を提供することができる。

【0014】

また、本発明に係る他のモード合分波器は、
ｎ（ｎは６以上の整数）以上のモードを伝搬可能であり、長手方向に導波路幅が連続的に変化する第１テーパー部を持つ主導波路と、
前記主導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つ副導波路と、
を基板上に備えるモード合分波器であって、
前記副導波路は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が、前記主導波路を伝搬する、前記基板に対して水平方向に３つのピーク且つ垂直方向に１つのピークを持つフィールド分布の第１中間モードの実効屈折率、又は前記基板に対して垂直方向に３つのピーク且つ水平方向に１つのピークを持つフィールド分布の第２中間モードの実効屈折率と一致しており、
前記第１テーパー部は、光ファイバ中の伝搬モードであるＬＰ２１ｂモードとＬＰ０２モードの一方に相当するフィールド分布のモードと前記第１中間モードとを断熱変換し、他方に相当するフィールド分布のモードと前記第２中間モードとを断熱変換する
ことを特徴とする。

【0015】

前記１のモード合分波器と同様であるが、本モード合分波器は、主導波路に２種類の中間モード（例えば、Ｅ３１モード及びＥ１３モード）を発生させる。そして、第１テーパ部でこれらの中間モードをそれぞれＬＰ２１ｂモード及びＬＰ０２モードに変換する。従って、本発明は、既存デバイスを利用でき、光ファイバで６モードのモード多重伝送を可能とするモード合分波器を提供することができる。

【0016】

本発明に係る他のモード合分波器の前記主導波路は、２つの前記副導波路の前記結合部の間に、長手方向に導波路幅が連続的に変化し、前記第１中間モードと前記第２中間モードとを相互に断熱変換する第２テーパー部をさらに持つことを特徴とする。

【0017】

導波路のテーパー部の構造を調整することで中間モード間のモード変換が可能となる。このため、前段の結合部でＥ３１モードを発生させ、第２テーパー部でＥ１３モードに変換し、後段の結合部でさらにＥ３１モードを発生させ、最後に第１テーパー部でＥ１３モードをＬＰ２１ｂモードへ、Ｅ３１モードをＬＰ０２モードへ変換すれば６モードのモード多重伝送が可能となる。

【0018】

本発明に係るモード合分波器は、前記主導波路及び前記副導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つｍ本（ｍは３以上の整数）の脇導波路をさらに備え、
前記脇導波路は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が前記主導波路の低次側の３つの高次モードの実効屈折率と排他的に一致していることを特徴とする。

【0019】

本モード合分波器は、副導波路の結合部で主導波路に中間モードを発生させる前に、必要な本数の脇導波路で低次側の３つの高次モード（ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ）を発生させておくことができる。

【0020】

本発明に係るモード合分波器の少なくとも１つの前記結合部は、前記主導波路、前記副導波路及び前記脇導波路に非接触である少なくとも１本の中間導波路とすることができる。

【0021】

本発明に係るモード合分波器の前記主導波路、前記副導波路及び前記脇導波路は、導波路の高さが同じであり、前記主導波路、前記副導波路及び前記脇導波路の少なくとも１つがＬＰ１１ａモードをＬＰ１１ｂモードに変換するモード回転子を含むことができる。

【0022】

本発明に係るモード合分波器は、前記中間モードがＥ３１モードであり、
合波方向に、
ＬＰ０１モードが伝搬する前記主導波路に、前記脇導波路の結合部よりＬＰ１１ａモード、ＬＰ１１ｂモード、及びＬＰ２１ａモードを合波し、さらに、前記副導波路の結合部よりＥ３１モードを合波し、前記テーパー部でＥ３１モードをＬＰ０２モードに変換することができる。

【0023】

本発明に係るモード合分波器は、前記第１中間モードがＥ３１モードで、前記第２中間モードがＥ１３モードであり、
合波方向に、
ＬＰ０１モードが伝搬する前記主導波路に、前記脇導波路の結合部よりＬＰ１１ａモード、ＬＰ１１ｂモード、及びＬＰ２１ａモードを合波し、さらに、１の前記副導波路の結合部よりＥ３１モードを合波し、前記第２テーパー部でＥ３１モードをＥ１３モードに変換し、さらに、他の前記副導波路の結合部よりＥ３１モードを合波し、前記第１テーパー部でＥ３１モードをＬＰ０２モードに、Ｅ１３モードをＬＰ２１ｂモードに変換することができる。

【発明の効果】

【0024】

本発明は、既存デバイスを利用でき、光ファイバで５モード以上のモード多重伝送を可能とするモード合分波器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードを合分波するモード合分波器を説明する図である。

【図2】各モードの導波路内の電界分布を説明する図である。

【図3】導波路の幅を変化させた時の導波路における５モード目と６モード目の実効屈折率と電界分布を説明する図である。

【図4】テーパー部の構造を説明する図である。

【図5】ＬＰ２１ｂとＬＰ０２モードを同時に得るためのテーパー部の構造を説明する図である。

【図6】本発明に係るモード合分波器の構造を説明する図である。

【図7】本発明に係るモード合分波器の構造を説明する図である。

【図8】本発明に係るモード合分波器の構造を説明する図である。

【図9】本発明に係るモード合分波器の構造を説明する図である。

【図10】本発明に係るモード合分波器の構造を説明する図である。

【図11】結合部の設計を説明する図である。

【図12】本発明に係るモード合分波器の構造を説明する図である。

【図13】結合部の設計を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

添付の図面を参照し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。

【0027】

本実施形態は、光ファイバ中の伝搬モードである基本モード（ＬＰ０１）、第１高次モード（ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ）、第２高次モード（ＬＰ２１ａ、ＬＰ２１ｂ）、第３高次モード（ＬＰ０２）を用いた６モード多重伝送を想定している。

【0028】

図１は、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードを合分波するモード合分波器を説明する図である。本例では、比屈折率差Δが等しく，導波路の高さが等しい複数の導波路により構成される場合であって、平行導波路が近接する結合部により、一方の導波路中を伝搬する特定のモードを、他方の導波路を伝搬する特定のモードに変換するよう設計されている。

【0029】

非特許文献５によれば、２つの導波路の高さ及び幅を適切に設計し、２つの導波路を伝搬するモードの実効屈折率を一致させることでモードの結合を生じさせることができる。また、相互作用長を適切に設計することで、一方の導波路を伝搬する光を、他方の導波路に移すことができる。

【0030】

また、２つの導波路の高さが同じである場合、ＬＰ０１モードから変換できるモードは、ＬＰ１１ａモードであることが述べられており、非特許文献４に記載のＬＰ１１モード回転子を用いることで、４モード（ＬＰ０１，ＬＰ１１ａ，ＬＰ１１ｂ，ＬＰ２１ａ）の合分波が実現できている。

【0031】

５以上のモードを合分波するためには、ＬＰ０１モードから５モード目であるＬＰ２１ｂまたは６モード目であるＬＰ０２モードに変換する必要がある。図２に、各モードの導波路内の電界分布を示す。ここで、導波路の幅と高さは同じとしている。

【0032】

導波路の幅と高さが同じ場合、６モード目の電界分布は光ファイバ中のＬＰ０２モードと同様な電界分布が得られていることがわかる。一方で、同図に記載の通り、幅と高さが異なる場合、光ファイバのＬＰ０２モードとは異なる電界分布となっていることがわかる。つまり、６モード目を合波し、光ファイバのＬＰ０２モードとして伝搬させるためには、導波路の高さと幅を一致させなければならない。

【0033】

しかしながら、導波路の高さと幅が一致している条件では、ＬＰ２１ｂモードとＬＰ０２モードの実効屈折率はほぼ一致しており、これまで検討されてきた手法では対応できない。そこで、テーパー構造を用いて６モード合分波器を実現する。

【0034】

（実施形態１）
図３は、導波路の幅を変化させた時の導波路（つまりテーパー部）における５モード目と６モード目の実効屈折率と電界分布を説明する図である。なお、導波路の高さは１２μｍ、比屈折率差は０．７％としている。導波路が正方形でない場合は、２つのモードの実効屈折率は異なっているが、光ファイバを導波するＬＰ０２モードとは電界分布が大きく異なっており、好ましくない。一方で、正方形の場合はＬＰ０２モードと同様な電界分布が得られているが、２つのモードの実効屈折率は近接しており、それぞれのモードに他導波路から結合させることは困難であることがわかる。

【0035】

図４は、テーパー部の構造を説明する図である。例えば、導波路幅をＷ、導波路高さをＨとした時、入射側の導波路構造がＷ＜Ｈであって、出射側の導波路構造がＷ＞Ｈとなるよう長手方向に連続的にＷが変化しているテーパー構造を想定する。このようなテーパー構造を伝搬する光は、テーパー構造による断熱変換の原理により、図３における実効屈折率曲線にそってモードが変化していく。つまり、図に記載の電界分布を有するモード（Ｅ３１）を励振すると、Ｗ＝Ｈの構造においてＬＰ２１ｂモードを得ることができ、Ｗ＞Ｈの構造まで変化させると、導波路におけるＥ１３モードに変換される。

【0036】

なお、テーパー部分において、断熱変換を行うためにはテーパー長は十分な長さにする必要があるが、図４の通り、複数のテーパー構造を組み合わせることで、テーパー長を短くすることができる。

【0037】

図５は、ＬＰ２１ｂとＬＰ０２モードを同時に得るためのテーパー部の構造を説明する図である。図３に示す通り、Ｗ≠Ｈの構造で２つのモードを励振し、テーパー構造によりＷ＝Ｈとすることで、ＬＰ２１ｂとＬＰ０２モードを得ることができる。

【0038】

なお、図４に記載のような、Ｗ＜Ｈの構造からＷを増加させるアップテーパー構造と、図５に記載のＷ＞Ｈの構造からＷを減少させるダウンテーパー構造のどちらも本実施形態に利用することができる。

【0039】

以下に具体的なモード合分波器の構成を説明する。平行導波路を用いた合分波器において分波は合波の逆の動作がなされるので、以下では合波方向での説明とする。

【0040】

（実施形態２）
図６及び図７は、実施形態１で説明したテーパー部を備えるモード合分波器（３０１、３０２）を説明する図である。モード合分波器（３０１、３０２）は、
ｎ（ｎは６以上の整数）以上のモードを伝搬可能であり、長手方向に導波路幅が連続的に変化する第１テーパー部４１を持つ主導波路１０と、
主導波路１０に非接触であり、主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部（３１、３２）を持つ副導波路（２１、２２）と、
を基板１上に備えるモード合分波器であって、
副導波路（２１、２２）は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が、主導波路１０を伝搬する、基板１に対して水平方向に３つのピーク且つ垂直方向に１つのピークを持つフィールド分布の第１中間モードの実効屈折率、又は基板１に対して垂直方向に３つのピーク且つ水平方向に１つのピークを持つフィールド分布の第２中間モードの実効屈折率と一致しており、
第１テーパー部４１は、光ファイバ中の伝搬モードであるＬＰ２１ｂモードとＬＰ０２モードの一方に相当するフィールド分布のモードと前記第１中間モードとを断熱変換し、他方に相当するフィールド分布のモードと前記第２中間モードとを断熱変換する
ことを特徴とする。
図６及び図７において、主導波路１０を「第一導波路」、副導波路２１を「第二導波路」、副導波路２２を「第三導波路」と記載している。また、図６の第１テーパー部４１は、光の合波方向に導波路幅が広がっており「アップテーパー部」と記載し、図７の第１テーパー部４２は、光の合波方向に導波路幅が狭まっており「ダウンテーパー部」と記載している。

【0041】

例えば、図６に記載の通り、第一導波路（主導波路１０）と第二導波路（副導波路２１）の結合部３１において、第二導波路を伝搬してきた基本モードを縦方向にピークを３つ有する第２中間モード（Ｅ１３モード）に変換し、第一導波路（主導波路１０）と第三導波路（副導波路２２）の結合部３２において、第三導波路を伝搬してきた基本モードを横方向にピークを３つ有する第１中間モード（Ｅ３１モード）に変換し、最後に主導波路１０のテーパー部４１でＬＰ２１ｂモードとＬＰ０２モードを得ることができる。

【0042】

また、図７に記載の通り、第一導波路（主導波路１０）と第二導波路（副導波路２１）の結合部３１において、第二導波路を伝搬してきた基本モードを横方向にピークを３つ有する第１中間モード（Ｅ３１モード）に変換し、第一導波路（主導波路１０）と第三導波路（副導波路２２）の結合部３２において、第三導波路を伝搬してきた基本モードを縦方向にピークを３つ有する第２中間モード（Ｅ１３モード）に変換し、最後に主導波路１０のテーパー部４２でＬＰ２１ｂモードとＬＰ０２モードを得ることができる。

【0043】

なお、図６及び図７では、２つの副導波路でＬＰ２１ｂモードとＬＰ０２モードを得ているが、ＬＰ２１ｂモード又はＬＰ０２モードを得るためには１つの副導波路で光を合波すればよい。すなわち、モード合分波器は、
ｎ（ｎは５以上の整数）以上のモードを伝搬可能であり、長手方向に導波路幅が連続的に変化するテーパー部を持つ主導波路と、
前記主導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つ副導波路と、
を基板上に備えるモード合分波器であって、
前記副導波路は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が、前記主導波路を伝搬する、前記基板に対して水平方向と垂直方向の一方に３つのピークを持ち、他方に１つのピークを持つフィールド分布の中間モードの実効屈折率と一致しており、
前記テーパー部は、光ファイバ中の伝搬モードであるＬＰ２１ｂモードまたはＬＰ０２モードに相当するフィールド分布のモードと前記中間モードとを断熱変換する
ことを特徴とする。

【0044】

（実施形態２）
しかしながら、非特許文献４に記載の通り、２つのモード間で実効屈折を一致させたとしても、電界分布の重なり積分が零であれば結合しない。つまり、導波路の高さが一定であれば、ＬＰ０１モードやＬＰ１１ａモードからは、Ｅ３１モードへは結合できるが、Ｅ１３モードへは、重なり積分がゼロであるため結合することができない。

【0045】

そこで、本実施形態は、図８及び図９のような構成とする。つまり、図８のモード合分波器３０３は、図７のモード合分波器３０２の主導波路１０が、２つの副導波路（２１、２２）の結合部（３１、３２）の間に、長手方向に導波路幅が連続的に変化し、第１中間モードと第２中間モードとを相互に断熱変換する第２テーパー部４３をさらに持つことを特徴とする。また、図９のモード合分波器３０４は、図６のモード合分波器３０１の主導波路１０が、２つの副導波路（２１、２２）の結合部（３１、３２）の間に、長手方向に導波路幅が連続的に変化し、第１中間モードと第２中間モードとを相互に断熱変換する第２テーパー部４４をさらに持つことを特徴とする。
図８の第２テーパー部４３は、光の合波方向に導波路幅が広がっており「アップテーパー部」と記載し、図９の第２テーパー部４４は、光の合波方向に導波路幅が狭まっており「ダウンテーパー部」と記載している。

【0046】

図８は、導波路高さが一定である場合のＬＰ２１ｂ及びＬＰ０２モードの合波例である。第一導波路（主導波路１０）と第二導波路（副導波路２１）との結合部３１において第二導波路の基本モードから第１中間モード（Ｅ３１モード）へ変換したのち、アップテーパー部４３によりＥ３１モードを第２中間モード（Ｅ１３モード）へ変換させる。

【0047】

第一導波路（主導波路１０）と第三の導波路（副導波路２２）との結合部３２においても、第三導波路の基本モードを第１中間モード（Ｅ３１モード）へ変換し、最後のダウンテーパー部４２においてＥ１３モードとＥ３１モードをそれぞれＬＰ２１ｂモードとＬＰ０２モードに変換する。

【0048】

図９のモード合分波器３０４は、図８のモード合分波器３０３のテーパー構造を逆にしたものである。つまり、ダウンテーパー構造の第１テーパー部４２をアップテーパー構造の第１テーパー部４１とし、アップテーパー構造の第２テーパー部４３をダウンテーパー構造の第２テーパー部４４としている。
図９のモード合分波器３０４も図８のモード合分波器３０３の説明と同様にＥ３１モードを第２テーパー部４４でＥ１３モードに変換し、その後に合波したＥ３１モードとともに第１テーパー部４１でそれぞれをＬＰ２１ｂモードとＬＰ０２モードに変換する。

【0049】

（実施形態３）
図１０は、本実施形態のモード合分波器３０５を説明する図である。モード合分波器３０５は、全ての導波路の高さが一定の場合の６モード合分波器である。モード合分波器３０５は、図８のモード合分波器３０３に低次側の高次モード（ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ）を発生させる脇導波路が追加されたものである。すなわち、モード合分波器３０５は、主導波路１０及び副導波路（２１、２２）に非接触であり、主導波路１０との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つｍ本（ｍは３以上の整数）の脇導波路（５１、５２、５３）をさらに備え、
脇導波路（５１、５２、５３）は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が主導波路１０の低次側の３つの高次モードの実効屈折率と排他的に一致していることを特徴とする。

【0050】

モード合分波器３０５は、少なくとも１つの前記結合部が、主導波路１０、副導波路（２１、２２）及び脇導波路（５１、５２、５３）に非接触である少なくとも１本の中間導波路６１である。

【0051】

主導波路１０、副導波路（２１、２２）及び脇導波路（５１、５２、５３）は、導波路の高さが同じであり、主導波路１０、副導波路（２１、２２）及び脇導波路（５１、５２、５３）の少なくとも１つがＬＰ１１ａモードをＬＰ１１ｂモードに変換するモード回転子を含む。

【0052】

非特許文献４に記載の通り、導波路の高さ一定の条件でのＬＰ０１，ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａモードの合分波は、ＬＰ１１ａモードからＬＰ１１ｂモードへ変換可能なモード回転子を用いることで実現できる。モード合分波器３０５は、主導波路１０及び中間導波路６１にそれぞれモード回転子７２及びモード回転子７１を有しており、脇導波路５１から中間導波路６１にモード変換され結合されたＬＰ１１ａモードをモード回転子７１でＬＰ１１ｂモードへ変換し、脇導波路５２から主導波路１０にモード変換され結合されたＬＰ１１ａモードをモード回転子７２でＬＰ１１ｂモードへ変換している。この時点で主導波路１０にはＬＰ０１モード、ＬＰ１１ｂが伝搬しており、さらに脇導波路５３からモード変換されたＬＰ１１ａモード及び中間導波路６１からモード変換されたＬＰ２１ａモードが結合される。すなわち、モード合分波器３０５は、結合部（３３、３４、３５）でＬＰ０１，ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、及びＬＰ２１ａのモードを合分波することができる。

【0053】

図８のモード合分波器３０３で説明したように、モード合分波器３０５は、結合部３１において副導波路２１の基本モードをＥ３１モードに変換し、アップテーパー構造のテーパー部４３にてこれをＥ１３モードに変換し、ダウンテーパー構造のテーパー部４２でさらに変換してＬＰ２１ｂモードを得ている。そして、モード合分波器３０５は、結合部３２において副導波路２２の基本モードをＥ３１モードに変換し、これをダウンテーパー構造のテーパー部４２でさらに変換してＬＰ０２モードを得ている。

【0054】

このように、モード合分波器３０５は、ＬＰ０１，ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ、ＬＰ２１ｂ、及びＬＰ０２の６モードの合分波が可能である。

【0055】

なお、５モード合分波器を実現する為には、５モード目をＬＰ２１ｂまたはＬＰ０２モードとすればよく、図１０の構造から副導波路どちらか一方（２１又は２２）を除去することで簡単に実現することができる。なお、導波路の高さが異なるように製造すればモード回転子（７１、７２）は必須ではない。

【0056】

図１１は、図１０のモード合分波器３０５の各カプラー（ｃｏｕｐｌｅｒ１、ｃｏｕｐｌｅｒ２、ｃｏｕｐｌｅｒ３、ｃｏｕｐｌｅｒ４）の設計例である。図１１（Ａ）はｃｏｕｐｌｅｒ１、図１１（Ｂ）はｃｏｕｐｌｅｒ２、図１１（Ｃ）はｃｏｕｐｌｅｒ３、図１１（Ｄ）はｃｏｕｐｌｅｒ４を説明している。導波路の幅、高さ、導波路間隔ｇ、結合長Ｌを適切に設計することで、９８％以上の結合効率を実現できている。

【0057】

図１０の構成では、ｃｏｕｐｌｅｒ３（結合部３１）における副導波路の幅ｗ１が１．１９μｍと導波路の高さに対して小さく、製造上実現が困難な場合がある。そのような場合は、図１２のモード合分波器３０６に示すように、結合部３６（ｃｏｕｐｌｅｒ１）を用いて副導波路２１の基本モードを一旦ＬＰ１１ａモードへ変換する構成とするとよい。図１３は、モード合分波器３０６の結合部３１（ｃｏｕｐｌｅｒ３）の設計例である。結合部３６を用いて一旦ＬＰ１１ａに変換することで、副導波路の幅ｗ１を６．２μｍと大きくすることができる。

【0058】

［付記］
以下は、本実施形態のモード合分波器を説明したものである。

【0059】

（１）：
ｎ（ｎは５以上の整数）以上のモードを伝搬可能な主導波路と、
前記主導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つｍ本（ｍは１以上の整数）の副導波路と、
を備えるモード合分波器であって、
前記副導波路は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が前記主導波路のｎ−１個のモードの実効屈折率と排他的に一致しており、
少なくとも一つ以上の、導波路中心を含む導波路の水平方向または垂直方向に３つのピークを持ち、垂直または水平方向には１つのピークを持つフィールド分布を有するモードＡと結合し、
導波路幅が連続的に変化するテーパー部においてモードＡをＬＰ２１ｂまたはＬＰ０２に変換することを特徴とするモード合分波器。

【0060】

（２）：
前記モード合分波器において、副導波路から結合するモードＡが、
水平方向に３つのピークを持ち、垂直方向には１つのピークを持つフィールド分布を有するＥ３１モードであって、
Ｅ３１モードを、導波路の垂直方向に３つのピークを持ち、水平方向には１つのピークを持つフィールド分布を有するＥ１３モードに変換する第一のテーパー部を有し、
第二のテーパー部において、伝搬するＥ１３及びＥ３１モードをＬＰ２１ｂ及びＬＰ０２モードへ変換する
ことを特徴とする上記（１）に記載のモード合分波器。

【0061】

（３）：
前記結合部は、前記主導波路及び前記副導波路に非接触である少なくとも１本の中間導波路であることを特徴とする上記（１），（２）に記載のモード合分波器。

【0062】

（４）：
前記モード合分波器において、導波路の高さが一定であり、ＬＰ１１ａモードをＬＰ１１ｂモード変換するモード回転子を含むことを特徴とする上記（１）〜（３）に記載のモード合分波器。

【0063】

（５）：
前記モード合分波器において、
ＬＰ０１モードとＬＰ１１ａモードを結合する結合部と、
ＬＰ１１ｂモードとＬＰ２１ａモードを結合する結合部と、
ＬＰ０１またはＬＰ１１ａモードとＥ３１モードを結合する結合部と、
を備えており、
前記モード合波器の主導波路において、
ＬＰ２１ｂまたはＬＰ０２モード、もしくは両モードを含むモードが多重された信号を合分波する上記（１）〜（４）に記載の５または６モード合分波器。

【産業上の利用可能性】

【0064】

本発明は情報通信産業に適用することができる。

【符号の説明】

【0065】

１：基板
１０：主導波路（第一導波路）
２１：副導波路（第二導波路）
２２：副導波路（第三導波路）
３１〜３６：結合部
４１〜４４：テーパー部
５１〜５３：脇導波路
６１：中間導波路
３０１〜３０６：モード合分波器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】