特開 2023-114551 モード交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023114551

(43)【公開日】2023-08-18

(54)【発明の名称】モード交換器

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/14 20060101AFI20230810BHJP

   G02B 6/122 20060101ALI20230810BHJP

   G02B 6/124 20060101ALI20230810BHJP

【ＦＩ】

G02B6/14

G02B6/122 311

G02B6/124

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022016918

(22)【出願日】2022-02-07

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【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】100160495

【弁理士】

【氏名又は名称】畑 雅明

(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】森 崇嘉

(72)【発明者】

【氏名】坂本 泰志

(72)【発明者】

【氏名】山下 陽子

(72)【発明者】

【氏名】今田 諒太

(72)【発明者】

【氏名】中島 和秀

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 孝憲

(72)【発明者】

【氏名】藤澤 剛

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 晋聖

【テーマコード（参考）】

2H147

【Ｆターム（参考）】

2H147AB28

2H147BA02

2H147BB02

2H147BB03

2H147BB07

2H147BC03

2H147BC05

2H147BC13

2H147CB01

2H147CD01

2H147EA12A

2H147EA13A

2H147EA14A

2H147EA16A

(57)【要約】      （修正有）

【課題】本開示は、ＰＬＣ基板上のモード交換器において、ある入力モードが他の出力モードに交換されないことを解決することにより、ＭＤＬ（Ｍｏｄｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ）を低減することを容易にするとともに、多くの個数のモード交換器を導入することを不要とすることを目的とする。
【解決手段】本開示は、複数のモードを有する光信号が伝搬するマルチモード光ファイバに挿入され、複数のモードの間の交換を行うＰＬＣ基板上のモード交換器Ｍ２であって、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が、光信号の伝搬方向に変動するサイドテーパー状導波路２１及びサイドグレーティング状導波路２２と、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が、光信号の伝搬方向に変動するトップグレーティング状導波路２３及びトップテーパー状導波路２４と、を光信号の伝搬方向にこの順序で備えるモード交換器Ｍ２である。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のモードを有する光信号が伝搬するマルチモード光ファイバに挿入され、前記複数のモードの間の交換を行うＰＬＣ基板上のモード交換器であって、
前記ＰＬＣ基板に平行方向及び垂直方向のうちの一方方向の厚みが、前記光信号の伝搬方向に変動する第１テーパー状導波路及び第１グレーティング状導波路と、
前記ＰＬＣ基板に平行方向及び垂直方向のうちの他方方向の厚みが、前記光信号の伝搬方向に変動する第２グレーティング状導波路及び第２テーパー状導波路と、
を前記光信号の伝搬方向にこの順序で備えることを特徴とするモード交換器。

【請求項2】

前記第１テーパー状導波路は、光ファイバモードを矩形導波路モードに交換し、
前記第１グレーティング状導波路は、所望の矩形導波路モードの間の交換を行い、
前記第２グレーティング状導波路は、前記第１グレーティング状導波路で不交換の矩形導波路モードとその他の矩形導波路モードとの間の交換を行い、
前記第２テーパー状導波路は、矩形導波路モードを光ファイバモードに交換する
ことを特徴とする、請求項１に記載のモード交換器。

【請求項3】

前記第１テーパー状導波路と前記第１グレーティング状導波路との間に挿入され、前記一方方向の厚みが前記光信号の伝搬方向に変動する第３テーパー状導波路と、
前記第２グレーティング状導波路と前記第２テーパー状導波路との間に挿入され、前記他方方向の厚みが前記光信号の伝搬方向に変動する第４テーパー状導波路と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載のモード交換器。

【請求項4】

前記第３テーパー状導波路及び前記第４テーパー状導波路は、前記一方方向又は前記他方方向に３以上のピークを有する矩形導波路モードを、それぞれ、前記他方方向又は前記一方方向に３以上のピークを有する矩形導波路モードに交換する
ことを特徴とする、請求項３に記載のモード交換器。

【請求項5】

前記第１グレーティング状導波路及び前記第２グレーティング状導波路は、それぞれの入力端からの入力フィールドについての順伝搬フィールドの波面と、それぞれの出力端からの出力フィールドについての逆伝搬フィールドの波面と、が一致するように、それぞれ、前記一方方向及び前記他方方向の厚みが、前記光信号の伝搬方向に変動する
ことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載のモード交換器。

【請求項6】

前記第１グレーティング状導波路は、前記光信号の伝搬方向の長さが、１００００μｍ以上２００００μｍ以下であり、前記第２グレーティング状導波路は、前記光信号の伝搬方向の長さが、１４０００μｍ以上２００００μｍ以下である
ことを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載のモード交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、複数のモードを有する光信号が伝搬するマルチモード光ファイバに挿入され、複数のモードの間の交換を行うＰＬＣ基板上のモード交換器に関する。

【背景技術】

【0002】

複数のモードを有する光信号が伝搬するマルチモード光ファイバに挿入され、複数のモードの間の交換を行うＰＬＣ基板上のモード交換器が、特許文献１及び非特許文献１に開示されている。光ファイバ通信の大容量化を図るために、マルチモード光ファイバを用い、モード特性間の均一化を図るために、ＰＬＣ基板上のモード交換器を用いる。ここで、ＰＬＣ基板上のモード交換器とは、ＳＯＩ（Ｓｉ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上にＳｉＯ_２膜が火炎堆積法により形成されエッチングにより加工され、その上からさらにＳｉＯ_２が堆積されＳｉＯ_２導波路が作製された、ＰＬＣ基板上の導波路素子である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－１９１２２４号公報

【特許文献2】特開２０１６－１５１６６０号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Ｔ．Ｆｕｊｉｓａｗａ ｅｔ ａｌ．，“Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ－ｍａｔｃｈｉｎｇ－ｍｅｔｈｏｄ－ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｓｉｘ－ｍｏｄｅ－ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｇｒａｔｉｎｇ－ｌｉｋｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｏｎ ｓｉｌｉｃａ－ＰＬＣ ｐｌａｔｆｏｒｍ，”ＯＦＣ２０２０，ｐａｐｅｒ Ｔｈ１Ａ．５（２０２０）．

【非特許文献2】Ｙ．Ｓａｋａｍａｋｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｎｅｗ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｄｅｓｉｇｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ，”ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．２５，ｐｐ．３５１１－３５１８（２００７）．

【非特許文献3】Ｔ．Ｆｕｊｉｓａｗａ ｅｔ ａｌ．，“Ｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ－Ｔｙｐｅ Ｔｈｒｅｅ－Ｍｏｄｅ ＰＬＣ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｙ－Ｂｒａｎｃｈ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍｏｄｅ Ｒｏｔａｔｏｒ，”ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．３６，ｐｐ．１９８５－１９９２（２０１８）．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来技術のモード交換器Ｍ１の構成を図１に示す。従来技術のモード交換器Ｍ１の処理を図２に示す。モード交換器Ｍ１は、テーパー状導波路１１、グレーティング状導波路１２及びテーパー状導波路１３を、光信号の伝搬方向にこの順序で備える。

【0006】

テーパー状導波路１１は、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が、光信号の伝搬方向に変動する。そして、光ファイバモードを矩形導波路モードに交換する。具体的には、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａモードを、それぞれ、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａモードに透過させる。そして、ＬＰ２１ｂ、ＬＰ０２モードを混合させて（理由は図３で後述。）、Ｅ１３、Ｅ３１モードに交換する。

【0007】

グレーティング状導波路１２は、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が、光信号の伝搬方向に変動する。そして、所望の矩形導波路モードの間の交換を行う。具体的には、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ、Ｅ３１モードを、それぞれ、Ｅ３１、ＬＰ０１、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ１１ａモードに交換する。しかし、Ｅ１３モードを他のモードに交換することができず、Ｅ１３モードに透過させてしまう。

【0008】

テーパー状導波路１３は、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が、光信号の伝搬方向に変動する。そして、矩形導波路モードを光ファイバモードに交換する。具体的には、ＬＰ０１、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ１１ａモードを、それぞれ、ＬＰ０１、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ１１ａモードに透過させる。そして、Ｅ３１、Ｅ１３モードを、それぞれ、ＬＰ０２、ＬＰ２１ｂモードに交換する（モードの混合はなし。）。

【0009】

従来技術のモード交換器Ｍ１の効率を図３に示す。ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ入力モードは、それぞれ、ＬＰ０２、ＬＰ０１、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ出力モードに、ほぼ１００％の効率で交換されている。ＬＰ２１ｂ入力モードは、ＬＰ１１ａ、ＬＰ２１ｂ出力モードに、ほぼ半々の効率で交換されている。ＬＰ０２入力モードは、ＬＰ１１ａ、ＬＰ２１ｂ出力モードに、ほぼ半々の効率で交換されている。

【0010】

このように、ＬＰ２１ｂ入力モードは、ほぼ半々の効率で他の出力モードに交換されているが、ほぼ半々の効率で他の出力モードに交換されていない。よって、ＭＤＬ（Ｍｏｄｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ）を低減することが困難である。そして、ＭＤＬを低減するために、多くの個数のモード交換器を導入することが必要である。

【0011】

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、ＰＬＣ基板上のモード交換器において、ある入力モードが他の出力モードに交換されないことを解決することにより、ＭＤＬ（Ｍｏｄｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ）を低減することを容易にするとともに、多くの個数のモード交換器を導入することを不要とすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

前記課題を解決するために、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が、光信号の伝搬方向に変動するグレーティング状導波路と、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が、光信号の伝搬方向に変動するグレーティング状導波路と、を組み合わせることとした。

【0013】

具体的には、本開示は、複数のモードを有する光信号が伝搬するマルチモード光ファイバに挿入され、前記複数のモードの間の交換を行うＰＬＣ基板上のモード交換器であって、前記ＰＬＣ基板に平行方向及び垂直方向のうちの一方方向の厚みが、前記光信号の伝搬方向に変動する第１テーパー状導波路及び第１グレーティング状導波路と、前記ＰＬＣ基板に平行方向及び垂直方向のうちの他方方向の厚みが、前記光信号の伝搬方向に変動する第２グレーティング状導波路及び第２テーパー状導波路と、を前記光信号の伝搬方向にこの順序で備えることを特徴とするモード交換器である。

【0014】

また、本開示は、前記第１テーパー状導波路は、光ファイバモードを矩形導波路モードに交換し、前記第１グレーティング状導波路は、所望の矩形導波路モードの間の交換を行い、前記第２グレーティング状導波路は、前記第１グレーティング状導波路で不交換の矩形導波路モードとその他の矩形導波路モードとの間の交換を行い、前記第２テーパー状導波路は、矩形導波路モードを光ファイバモードに交換することを特徴とするモード交換器である。

【0015】

これらの構成によれば、ＰＬＣ基板上のモード交換器において、ある入力モードが他の出力モードに交換されないことを解決することにより、ＭＤＬを低減することを容易にするとともに、多くの個数のモード交換器を導入することを不要とすることができる。

【0016】

また、本開示は、前記第１テーパー状導波路と前記第１グレーティング状導波路との間に挿入され、前記一方方向の厚みが前記光信号の伝搬方向に変動する第３テーパー状導波路と、前記第２グレーティング状導波路と前記第２テーパー状導波路との間に挿入され、前記他方方向の厚みが前記光信号の伝搬方向に変動する第４テーパー状導波路と、をさらに備えることを特徴とするモード交換器である。

【0017】

また、本開示は、前記第３テーパー状導波路及び前記第４テーパー状導波路は、前記一方方向又は前記他方方向に３以上のピークを有する矩形導波路モードを、それぞれ、前記他方方向又は前記一方方向に３以上のピークを有する矩形導波路モードに交換することを特徴とするモード交換器である。

【0018】

これらの構成によれば、ＰＬＣ基板上のモード交換器において、ある入力モードが他の入力モードと混合されることを防止することにより、ＭＤＬを低減することをさらに容易にするとともに、多くの個数のモード交換器を導入することを不要とすることができる。

【0019】

また、本開示は、前記第１グレーティング状導波路及び前記第２グレーティング状導波路は、それぞれの入力端からの入力フィールドについての順伝搬フィールドの波面と、それぞれの出力端からの出力フィールドについての逆伝搬フィールドの波面と、が一致するように、それぞれ、前記一方方向及び前記他方方向の厚みが、前記光信号の伝搬方向に変動することを特徴とするモード交換器である。

【0020】

この構成によれば、第１グレーティング状導波路及び第２グレーティング状導波路において、所望の矩形導波路モードの間の交換を行うように設計することができる。

【0021】

また、本開示は、前記第１グレーティング状導波路は、前記光信号の伝搬方向の長さが、１００００μｍ以上２００００μｍ以下であり、前記第２グレーティング状導波路は、前記光信号の伝搬方向の長さが、１４０００μｍ以上２００００μｍ以下であることを特徴とするモード交換器である。

【0022】

この構成によれば、１個のモード交換器のみであっても、ＭＤＬを低減することを容易にするため、多くの個数のモード交換器を導入することを不要とすることができる。

【発明の効果】

【0023】

このように、本開示は、ＰＬＣ基板上のモード交換器において、ある入力モードが他の出力モードに交換されないことを解決することにより、ＭＤＬ（Ｍｏｄｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ）を低減することを容易にするとともに、多くの個数のモード交換器を導入することを不要とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】従来技術のモード交換器の構成を示す図である。

【図2】従来技術のモード交換器の処理を示す図である。

【図3】従来技術のモード交換器の効率を示す図である。

【図4】第１実施形態のモード交換器の構成を示す図である。

【図5】第１実施形態のモード交換器の処理を示す図である。

【図6】第１実施形態のサイドグレーティング状導波路の設計を示す図である。

【図7】第１実施形態のトップグレーティング状導波路の設計を示す図である。

【図8】第１実施形態のモード交換器の効率を示す図である。

【図9】第１実施形態のモード交換器のＭＤＬを示す図である。

【図10】第２実施形態のモード交換器の構成を示す図である。

【図11】第２実施形態のモード交換器の処理を示す図である。

【図12】第２実施形態のグレーティング状導波路の設計を示す図である。

【図13】第２実施形態のグレーティング状導波路の設計を示す図である。

【図14】第２実施形態のグレーティング状導波路の設計を示す図である。

【図15】第２実施形態のグレーティング状導波路の設計を示す図である。

【図16】第２実施形態のテーパー状導波路の設計を示す図である。

【図17】第２実施形態のテーパー状導波路の設計を示す図である。

【図18】第２実施形態のテーパー状導波路の設計を示す図である。

【図19】第２実施形態のテーパー状導波路の設計を示す図である。

【図20】第２実施形態のモード交換器のＭＤＬを示す図である。

【図21】第２実施形態のモード交換器のＭＤＬを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

【0026】

（第１実施形態のモード交換器の構成）
第１実施形態のモード交換器Ｍ２の構成を図４に示す。第１実施形態のモード交換器Ｍ２の処理を図５に示す。モード交換器Ｍ２は、サイドテーパー状導波路２１、サイドグレーティング状導波路２２、トップグレーティング状導波路２３（新規に追加。）及びトップテーパー状導波路２４（新規に追加。）を、光信号の伝搬方向にこの順序で備える。ここで、第１実施形態のモード交換器Ｍ２は、次のように製造される。まず、サイドテーパー状導波路２１、サイドグレーティング状導波路２２、トップグレーティング状導波路２３及びトップテーパー状導波路２４が、通常のＰＬＣ基板上の導波路素子製造法により作製される、すなわち、いずれもサイドテーパー状導波路及びサイドグレーティング状導波路として別々に作製される。次に、トップグレーティング状導波路２３及びトップテーパー状導波路２４が、光信号の伝搬方向を回転軸として９０°回転され、サイドテーパー状導波路２１及びサイドグレーティング状導波路２２と突き合わせ結合される。

【0027】

サイドテーパー状導波路２１は、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が、光信号の伝搬方向に変動する。そして、光ファイバモードを矩形導波路モードに交換する。具体的には、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａモードを、それぞれ、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａモードに透過させる。そして、ＬＰ２１ｂ、ＬＰ０２モードを混合させて（図２と同様。）、Ｅ１３、Ｅ３１モードに交換する。

【0028】

サイドグレーティング状導波路２２は、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が、光信号の伝搬方向に変動する。そして、所望の矩形導波路モードの間の交換を行う。具体的には、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ、Ｅ３１モードを、それぞれ、Ｅ３１、ＬＰ０１、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ１１ａモードに交換する。しかし、Ｅ１３モードを他のモードに交換することができず、Ｅ１３モードに透過させてしまう。

【0029】

トップグレーティング状導波路２３は、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が、光信号の伝搬方向に変動する。そして、サイドグレーティング状導波路２２で不交換の矩形導波路モードとその他の矩形導波路モードとの間の交換を行う。具体的には、ＬＰ０１、Ｅ１３モードを、それぞれ、Ｅ１３、ＬＰ０１モードに交換する。ここで、Ｅ１３モードが、上記の不交換の矩形導波路モードであり、ＬＰ０１モードが、上記のその他の矩形導波路モードである。そして、Ｅ３１、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ１１ａモードを、それぞれ、Ｅ３１、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ１１ａモードに透過させる。

【0030】

トップテーパー状導波路２４は、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が、光信号の伝搬方向に変動する。そして、矩形導波路モードを光ファイバモードに交換する。具体的には、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａモードを、それぞれ、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａモードに透過させる。そして、Ｅ３１、Ｅ１３モードを混合させて（導波路２１の逆処理。）、ＬＰ２１ｂ、ＬＰ０２モードに交換する。

【0031】

第１実施形態のサイドグレーティング状導波路２２の設計を図６に示す。サイドグレーティング状導波路２２は、入力端からの入力フィールドについての順伝搬フィールドの波面と、出力端からの出力フィールドについての逆伝搬フィールドの波面と、が一致するように、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が、光信号の伝搬方向に変動する。

【0032】

つまり、入力モードがＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ、Ｅ１３、Ｅ３１モードであるときに、それぞれ、理想の出力モードがＥ３１、ＬＰ０１、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、Ｅ１３、ＬＰ１１ａモードとなる状態で、順伝搬フィールドの波面と逆伝搬フィールドの波面とが光信号の伝搬方向の全位置で一致するように、サイドグレーティング状導波路２２を設計する（特許文献２及び非特許文献２の波面整合方法を参照。）。

【0033】

図６では、サイドグレーティング状導波路２２の構造パラメータとして、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）１０μｍ±変動幅、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）１０μｍ、光信号の伝搬方向の長さ１００００μｍ、比屈折率差Δ１．１％としている。

【0034】

第１実施形態のトップグレーティング状導波路２３の設計を図７に示す。トップグレーティング状導波路２３は、入力端からの入力フィールドについての順伝搬フィールドの波面と、出力端からの出力フィールドについての逆伝搬フィールドの波面と、が一致するように、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が、光信号の伝搬方向に変動する。

【0035】

つまり、入力モードがＥ３１、ＬＰ０１、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、Ｅ１３、ＬＰ１１ａモードであるときに、それぞれ、理想の出力モードがＥ３１、Ｅ１３、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａモードとなる状態で、順伝搬フィールドの波面と逆伝搬フィールドの波面とが光信号の伝搬方向の全位置で一致するように、トップグレーティング状導波路２３を設計する（特許文献２及び非特許文献２の波面整合方法を参照。）。

【0036】

図７では、トップグレーティング状導波路２３の構造パラメータとして、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）１０μｍ±変動幅、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）１０μｍ、光信号の伝搬方向の長さ１００００μｍ、比屈折率差Δ１．１％としている。

【0037】

なお、サイドテーパー状導波路２１の構造パラメータとして、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が１０μｍから１１μｍへとテーパー、光信号の伝搬方向の長さ１０００μｍ、比屈折率差Δ１．１％としている。また、トップテーパー状導波路２４の構造パラメータとして、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が１１μｍから１０μｍへとテーパー、光信号の伝搬方向の長さ５０μｍ、比屈折率差Δ１．１％としている。

【0038】

第１実施形態のモード交換器Ｍ２の効率を図８に示す。ＬＰ０１入力モードは、ＬＰ０２、ＬＰ２１ｂ出力モードに、ある程度偏った効率で交換されている。ＬＰ１１ａ入力モードは、ＬＰ０２、ＬＰ２１ｂ出力モードに、ある程度偏った効率で交換されている。ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ入力モードは、それぞれ、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ出力モードに、ほぼ１００％の効率で交換されている。ＬＰ０２入力モードは、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ出力モードに、ある程度偏った効率で交換されている。ＬＰ２１ｂ入力モードは、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ出力モードに、ある程度偏った効率で交換されている。

【0039】

第１実施形態のモード交換器Ｍ２のＭＤＬを図９に示す。全長１５０ｋｍのマルチモード光ファイバは、長さの等しいマルチモード光ファイバＦ－０、Ｆ－１、・・・、Ｆ－Ｎに分割され、図４に示したモード交換器Ｍ２－１、Ｍ２－２、・・・、Ｍ２－Ｎを挿入される。モード交換器を用いないときには、約１２ｄＢのＭＤＬが測定されたところ、従来技術では、１個のモード交換器Ｍ１を用いて、約８ｄＢのＭＤＬが測定された一方で、第１実施形態では、１個のモード交換器Ｍ２を用いて、約５ｄＢのＭＤＬが測定されており、約３ｄＢのＭＤＬの低減が実現されている（非特許文献３のＭＤＬ算出方法を参照。）。

【0040】

このように、ＰＬＣ基板上のモード交換器Ｍ２において、ある入力モードが他の出力モードに交換されないことを解決することにより、ＭＤＬを低減することを容易にするとともに、多くの個数のモード交換器Ｍ２を導入することを不要とすることができる。

【0041】

そして、サイドグレーティング状導波路２２及びトップグレーティング状導波路２３において、所望の矩形導波路モードの間の交換を行うように設計することができる。さらに、１個のモード交換器Ｍ２のみであっても、ＭＤＬを低減することを容易にするため、多くの個数のモード交換器Ｍ２を導入することを不要とすることができる。

【0042】

第１実施形態では、モード交換器Ｍ２の入力側では、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が光信号の伝搬方向に変動する導波路を備え、モード交換器Ｍ２の出力側では、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が光信号の伝搬方向に変動する導波路を備えている。変形例では、モード交換器Ｍ２の入力側では、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が光信号の伝搬方向に変動する導波路を備え、モード交換器Ｍ２の出力側では、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が光信号の伝搬方向に変動する導波路を備えてもよい。

【0043】

第１実施形態では、モード交換器Ｍ２の導波路として、ガラス系材料が適用され、マルチモード光ファイバの伝搬波長として、通信波長帯（１．３μｍ～１．７μｍ程度、特に１．５５μｍ。）が適用されている。変形例では、モード交換器Ｍ２の導波路として、ＳｉやＩｎＧａＡｓＰ等の半導体又はポリマー等の有機物が適用され、マルチモード光ファイバの伝搬波長として、中赤外領域（２μｍ以上）又は可視光帯等が適用されてもよい。

【0044】

（第２実施形態のモード交換器の構成）
第２実施形態のモード交換器Ｍ３の構成を図１０に示す。第２実施形態のモード交換器Ｍ３の処理を図１１に示す。モード交換器Ｍ３は、テーパー状導波路３１（新規に追加。）、テーパー状導波路３２（新規に追加。）、グレーティング状導波路３３、グレーティング状導波路３４（新規に追加。）、テーパー状導波路３５（新規に追加。）及びテーパー状導波路３６（新規に追加。）を、光信号の伝搬方向にこの順序で備える。ここで、第２実施形態のモード交換器Ｍ３は、次のように製造される。まず、テーパー状導波路３１、テーパー状導波路３２、グレーティング状導波路３３、グレーティング状導波路３４、テーパー状導波路３５及びテーパー状導波路３６が、通常のＰＬＣ基板上の導波路素子製造法により作製される、すなわち、いずれもサイドテーパー状導波路及びサイドグレーティング状導波路として別々に作製される。次に、グレーティング状導波路３４、テーパー状導波路３５及びテーパー状導波路３６が、光信号の伝搬方向を回転軸として９０°回転され、テーパー状導波路３１、テーパー状導波路３２及びグレーティング状導波路３３と突き合わせ結合される。

【0045】

テーパー状導波路３１は、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が、光信号の伝搬方向に変動する。そして、光ファイバモードを矩形導波路モードに交換する。具体的には、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａモードを、それぞれ、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａモードに透過させる。そして、ＬＰ２１ｂ、ＬＰ０２モードを、それぞれ、Ｅ１３、Ｅ３１モードに交換する（モードの混合はなし。）。

【0046】

テーパー状導波路３２は、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が、光信号の伝搬方向に変動する。そして、ＰＬＣ基板に平行方向又は垂直方向に３以上のピークを有する矩形導波路モードを、それぞれ、ＰＬＣ基板に垂直方向又は平行方向に３以上のピークを有する矩形導波路モードに交換する。具体的には、Ｅ１３、Ｅ３１モードを、それぞれ、Ｅ３１、Ｅ１３モードに交換する。ここで、Ｅ１３モードが、上記の垂直方向に３個のピークを有するモードであり、Ｅ３１モードが、上記の平行方向に３個のピークを有するモードである。そして、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａモードを、それぞれ、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａモードに透過させる。

【0047】

グレーティング状導波路３３は、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が、光信号の伝搬方向に変動する。そして、所望の矩形導波路モードの間の交換を行う。具体的には、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ、Ｅ３１モードを、それぞれ、Ｅ３１、ＬＰ０１、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ１１ａモードに交換する。しかし、Ｅ１３モードを他のモードに交換することができず、Ｅ１３モードに透過させてしまう。

【0048】

グレーティング状導波路３４は、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が、光信号の伝搬方向に変動する。そして、グレーティング状導波路３３で不交換の矩形導波路モードとその他の矩形導波路モードとの間の交換を行う。具体的には、ＬＰ０１、Ｅ１３モードを、それぞれ、Ｅ１３、ＬＰ０１モードに交換する。ここで、Ｅ１３モードが、上記の不交換の矩形導波路モードであり、ＬＰ０１モードが、上記のその他の矩形導波路モードである。そして、Ｅ３１、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ１１ａモードを、それぞれ、Ｅ３１、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ１１ａモードに透過させる。

【0049】

テーパー状導波路３５は、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が、光信号の伝搬方向に変動する。そして、ＰＬＣ基板に平行方向又は垂直方向に３以上のピークを有する矩形導波路モードを、それぞれ、ＰＬＣ基板に垂直方向又は平行方向に３以上のピークを有する矩形導波路モードに交換する。具体的には、Ｅ３１、Ｅ１３モードを、それぞれ、Ｅ１３、Ｅ３１モードに交換する。ここで、Ｅ３１モードが、上記の平行方向に３個のピークを有するモードであり、Ｅ１３モードが、上記の垂直方向に３個のピークを有するモードである。そして、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ１１ａ、ＬＰ０１モードを、それぞれ、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ１１ａ、ＬＰ０１モードに透過させる。

【0050】

テーパー状導波路３６は、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が、光信号の伝搬方向に変動する。そして、矩形導波路モードを光ファイバモードに交換する。具体的には、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ１１ａ、ＬＰ０１モードを、それぞれ、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ１１ａ、ＬＰ０１モードに透過させる。そして、Ｅ１３、Ｅ３１モードを、それぞれ、ＬＰ０２、ＬＰ２１ｂモードに交換する（モードの混合はなし。）。

【0051】

第２実施形態のグレーティング状導波路３３の設計を図１２、１３に示す。グレーティング状導波路３３は、入力端からの入力フィールドについての順伝搬フィールドの波面と、出力端からの出力フィールドについての逆伝搬フィールドの波面と、が一致するように、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が、光信号の伝搬方向に変動する。

【0052】

つまり、入力モードがＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ、Ｅ３１、Ｅ１３モードであるときに、それぞれ、理想の出力モードがＥ３１、ＬＰ０１、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ１１ａ、Ｅ１３モードとなる状態で、順伝搬フィールドの波面と逆伝搬フィールドの波面とが光信号の伝搬方向の全位置で一致するように、グレーティング状導波路３３を設計する（特許文献２及び非特許文献２の波面整合方法を参照。）。

【0053】

図１２では、グレーティング状導波路３３の構造パラメータとして、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）１０μｍ±変動幅、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）１０μｍ、光信号の伝搬方向の長さ１６０００μｍ、比屈折率差Δ１．１％としている。光信号の伝搬方向の長さＬ_ｇｒｔ１を１６０００μｍとしているのは、図１３に示したように、Ｅ１３モードからＥ１３モードへの透過効率が高い（損失が小さい。）ためである。

【0054】

第２実施形態のグレーティング状導波路３４の設計を図１４、１５に示す。グレーティング状導波路３４は、入力端からの入力フィールドについての順伝搬フィールドの波面と、出力端からの出力フィールドについての逆伝搬フィールドの波面と、が一致するように、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が、光信号の伝搬方向に変動する。

【0055】

つまり、入力モードがＥ３１、ＬＰ０１、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ１１ａ、Ｅ１３モードであるときに、それぞれ、理想の出力モードがＥ３１、Ｅ１３、ＬＰ２１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ１１ａ、ＬＰ０１モードとなる状態で、順伝搬フィールドの波面と逆伝搬フィールドの波面とが光信号の伝搬方向の全位置で一致するように、グレーティング状導波路３４を設計する（特許文献２及び非特許文献２の波面整合方法を参照。）。

【0056】

図１４では、グレーティング状導波路３４の構造パラメータとして、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）１０μｍ±変動幅、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）１０μｍ、光信号の伝搬方向の長さ１６０００μｍ、比屈折率差Δ１．１％としている。光信号の伝搬方向の長さＬ_ｇｒｔ２を１６０００μｍとしているのは、図１５に示したように、Ｅ１３／Ｅ１１モードからＥ１１／Ｅ１３モードへの交換効率が高いためである。

【0057】

第２実施形態のテーパー状導波路３１、３６の設計を図１６、１７に示す。テーパー状導波路３６は、テーパー状導波路３１に対して、光信号の伝搬方向を回転軸として、９０°回転させたものである。図１６、１７では、テーパー状導波路３１について説明する。

【0058】

図１６では、テーパー状導波路３１は、以下の要素を光信号の伝搬方向にこの順序で備える：（１）ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が、光信号の伝搬方向の長さＬ_１にわたり、Ｗ_１からＷ_ｔｐ１へと変動するテーパー、（２）ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が、光信号の伝搬方向の長さＬ_２にわたり、Ｗ_ｔｐ１からＷ_ｔｐ２へと変動するテーパー。

【0059】

図１７では、Ｗ_１＝１０．０μｍ、Ｗ_ｔｐ１＝１０．２μｍ、Ｗ_ｔｐ２＝１１．０μｍ、Ｌ_２＝２０００μｍ、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）Ｈ＝１０．０μｍ、比屈折率差Δ＝１．１％としたうえで、Ｌ_１を３０００μｍ～１６０００μｍで探索する。

【0060】

図１７では、テーパー状導波路３１は、ＬＰ２１ｂ、ＬＰ０２モードを、それぞれ、Ｅ１３、Ｅ３１モードに交換することが望ましい。ここで、ＬＰ０２モードからＥ３１モードへの交換効率は、Ｌ_１＝３０００μｍ～１６０００μｍで高くなり、ＬＰ０２モードからＥ１３モードへの交換効率は、Ｌ_１＝３０００μｍ～１６０００μｍで低くなる。そこで、図２０、２１に示すＭＤＬを最小にするように、Ｌ_１＝５０００μｍとしている。

【0061】

第２実施形態のテーパー状導波路３２、３５の設計を図１８、１９に示す。テーパー状導波路３５は、テーパー状導波路３２に対して、光信号の伝搬方向を回転軸として、９０°回転させたものである。図１８、１９では、テーパー状導波路３２について説明する。

【0062】

図１８では、テーパー状導波路３２は、以下の要素を光信号の伝搬方向にこの順序で備える：（１）ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が、光信号の伝搬方向の長さＬ_３にわたり、Ｗ_２からＷ_ｔｐ３へと変動するテーパー、（２）ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が、光信号の伝搬方向の長さＬ_４にわたり、Ｗ_ｔｐ３からＷ_ｔｐ４へと変動するテーパー、（３）ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が、光信号の伝搬方向の長さＬ_５にわたり、Ｗ_ｔｐ４からＷ_ｔｐ５へと変動するテーパー、（４）ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が、光信号の伝搬方向の長さＬ_ｓｔにわたり、Ｗ_ｔｐ５を維持する非テーパー、（５）ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が、光信号の伝搬方向の長さＬ_ｔｐ３にわたり、Ｗ_ｔｐ５からＷ_２へと変動するテーパー。ただし、（１）、（５）におけるＷ_２は、同様の厚み（高さ）である。

【0063】

図１９では、Ｗ_２＝１１．０μｍ、Ｗ_ｔｐ３＝１０．４μｍ、Ｗ_ｔｐ４＝９．８μｍ、Ｗ_ｔｐ５＝９．０μｍ、Ｌ_３＝１００μｍ、Ｌ_５＝５００μｍ、Ｌ_ｓｔ＝３００μｍ、Ｌ_ｔｐ３＝３００μｍ、ＰＬＣ基板に水平方向の厚み（幅）Ｈ＝１０．０μｍ、比屈折率差Δ＝１．１％としたうえで、Ｌ_４を２０００μｍ～１７０００μｍで探索する。

【0064】

図１９では、テーパー状導波路３２は、Ｅ１３、Ｅ３１モードを、それぞれ、Ｅ３１、Ｅ１３モードに交換することが望ましい。ここで、Ｅ３１モードからＥ１３モードへの交換効率は、Ｌ_４＝７０００μｍ～１３０００μｍで高くなり、Ｅ３１モードからＥ３１モードへの透過効率は、Ｌ_４＝７０００μｍ～１３０００μｍで低くなる。そこで、図２０、２１に示すＭＤＬを最小にするように、Ｌ_４＝１２０００μｍとしている。

【0065】

第２実施形態のモード交換器Ｍ３のＭＤＬを図２０、２１に示す。図２０では、１個のモード交換器Ｍ３のみを用いて、最小のＭＤＬを小さくするために、グレーティング状導波路３３の光信号の伝搬方向の長さＬ_ｇｒｔ１を、６０００μｍ～２００００μｍで探索し、グレーティング状導波路３４の光信号の伝搬方向の長さＬ_ｇｒｔ２を、１００００μｍ～２００００μｍで探索する（非特許文献３のＭＤＬ算出方法を参照。）

【0066】

１個のモード交換器Ｍ３のみを用いて、最小のＭＤＬを３ｄＢ以下にするためには、グレーティング状導波路３３の光信号の伝搬方向の長さＬ_ｇｒｔ１を、１００００μｍ以上２００００μｍ以下とすることが望ましく、グレーティング状導波路３４の光信号の伝搬方向の長さＬ_ｇｒｔ２を、１４０００μｍ以上２００００μｍ以下とすることが望ましい。

【0067】

１個のモード交換器Ｍ３のみを用いて、最小のＭＤＬを２．５ｄＢ以下にするためには、グレーティング状導波路３３の光信号の伝搬方向の長さＬ_ｇｒｔ１を、１６０００μｍ以上２００００μｍ以下とすることが望ましく、グレーティング状導波路３４の光信号の伝搬方向の長さＬ_ｇｒｔ２を、１６０００μｍの近傍とすることが望ましい。

【0068】

図２１の上段では、全長１５０ｋｍのマルチモード光ファイバは、長さの等しいマルチモード光ファイバＦ－０、Ｆ－１、・・・、Ｆ－Ｎに分割され、図１０に示したモード交換器Ｍ３－１、Ｍ３－２、・・・、Ｍ３－Ｎを挿入される（Ｎ＝１でもよい。）。

【0069】

図２１の中段では、モード交換器を用いないときには、約１２ｄＢの最小のＭＤＬが測定されたところ、従来技術では、１個のモード交換器Ｍ１のみを用いて、約８ｄＢの最小のＭＤＬが測定された一方で、第２実施形態では、１個のモード交換器Ｍ３のみを用いて、２．３９ｄＢの最小のＭＤＬが測定されており、１．６０ｄＢのシステムのＭＤＬの低減が実現されている（非特許文献３のＭＤＬ算出方法を参照。）。

【0070】

図２１の下段では、モード交換器を用いないときには、約－２８．５ｄＢの平均の絶対損失が測定されたところ、従来技術では、２個のモード交換器Ｍ１を用いて、約－２９．５ｄＢの平均の絶対損失が測定された一方で、第２実施形態では、１個のモード交換器Ｍ３のみを用いて、約－２９．５ｄＢの平均の絶対損失が測定されており、同様な平均の絶対損失を実現するために、１個のモード交換器Ｍ３のみを配置すればよい。

【0071】

このように、ＰＬＣ基板上のモード交換器Ｍ３において、ある入力モードが他の出力モードに交換されないことを解決することにより、ＭＤＬを低減することを容易にするとともに、多くの個数のモード交換器Ｍ３を導入することを不要とすることができる。そして、ＰＬＣ基板上のモード交換器Ｍ３において、ある入力モードが他の入力モードと混合されることを防止することにより、ＭＤＬを低減することをさらに容易にするとともに、多くの個数のモード交換器Ｍ３を導入することを不要とすることができる。

【0072】

そして、グレーティング状導波路３３及びグレーティング状導波路３４において、所望の矩形導波路モードの間の交換を行うように設計することができる。さらに、１個のモード交換器Ｍ３のみであっても、ＭＤＬを低減することを容易にするため、多くの個数のモード交換器Ｍ３を導入することを不要とすることができる。

【0073】

第２実施形態では、モード交換器Ｍ３の入力側では、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が光信号の伝搬方向に変動する導波路を備え、モード交換器Ｍ３の出力側では、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が光信号の伝搬方向に変動する導波路を備えている。変形例では、モード交換器Ｍ３の入力側では、ＰＬＣ基板に垂直方向の厚み（高さ）が光信号の伝搬方向に変動する導波路を備え、モード交換器Ｍ３の出力側では、ＰＬＣ基板に平行方向の厚み（幅）が光信号の伝搬方向に変動する導波路を備えてもよい。

【0074】

第２実施形態では、モード交換器Ｍ３の導波路として、ガラス系材料が適用され、マルチモード光ファイバの伝搬波長として、通信波長帯（１．３μｍ～１．７μｍ程度、特に１．５５μｍ。）が適用されている。変形例では、モード交換器Ｍ３の導波路として、ＳｉやＩｎＧａＡｓＰ等の半導体又はポリマー等の有機物が適用され、マルチモード光ファイバの伝搬波長として、中赤外領域（２μｍ以上）又は可視光帯等が適用されてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0075】

本開示のモード交換器は、複数のモードの間の交換を行うにあたり、ある入力モードが他の出力モードに交換されないことを解決することにより、ＭＤＬを低減することを容易にするとともに、多くの個数のモード交換器を導入することを不要とすることができる。

【符号の説明】

【0076】

Ｍ１：モード交換器
１１：テーパー状導波路
１２：グレーティング状導波路
１３：テーパー状導波路
Ｍ２、Ｍ２－１、Ｍ２－２、Ｍ２－Ｎ：モード交換器
Ｆ－０、Ｆ－１、Ｆ－Ｎ：マルチモード光ファイバ
２１：サイドテーパー状導波路
２２：サイドグレーティング状導波路
２３：トップグレーティング状導波路
２４：トップテーパー状導波路
Ｍ３、Ｍ３－１、Ｍ３－２、Ｍ３－Ｎ：モード交換器
Ｆ－０、Ｆ－１、Ｆ－Ｎ：マルチモード光ファイバ
３１：テーパー状導波路
３２：テーパー状導波路
３３：グレーティング状導波路
３４：グレーティング状導波路
３５：テーパー状導波路
３６：テーパー状導波路

【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】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】