特許 7162257 モード分岐デバイス

(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】

(24)【登録日】2022-10-20

(45)【発行日】2022-10-28

(54)【発明の名称】モード分岐デバイス

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/12 20060101AFI20221021BHJP

   G02B 6/125 20060101ALI20221021BHJP

【ＦＩ】

G02B6/12 311

G02B6/125 301

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019033764

(22)【出願日】2019-02-27

(65)【公開番号】P2020140001

(43)【公開日】2020-09-03

【審査請求日】2021-09-16

(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】松井 隆

(72)【発明者】

【氏名】辻川 恭三

(72)【発明者】

【氏名】中島 和秀

(72)【発明者】

【氏名】藤澤 剛

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 晋聖

【審査官】山本 元彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－０３４０５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２５７３５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０２７２６７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】工藤未彩 et al.，ＷＩＮＣ型３ｄＢモードディバイダに基づく広帯域マッハ・ツェンダー型モード合分波器，電子情報通信学会ソサイエティ大会講演論文集，2018年08月28日，C-3-1

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／１２－６／１４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードを伝搬可能な第１の導波路と、
ＬＰ０１モードを伝搬可能な第２の導波路と、
前記第１の導波路及び前記第２の導波路が近接し、前記第２の導波路を伝搬するＬＰ０１モードと前記第１の導波路を伝搬するＬＰ１１モードとが結合する２つの結合部と、
前記２つの結合部の間に配置されている前記第１の導波路の屈折率を変化させる第１の屈折率制御部と、
前記２つの結合部の間に配置されている前記第２の導波路の屈折率を変化させる第２の屈折率制御部と、
を備え、
前記第２の導波路を伝搬するＬＰ０１モードを前記第１の導波路を伝搬するＬＰ１１モードに分岐し、前記第１の導波路においてＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードを伝搬可能とするモード分岐デバイスであって、
前記２つの結合部の間に配置されている前記第２の導波路は、前記２つの結合部の間に配置されている前記第１の導波路よりも導波路長差ΔＬ長く、
前記導波路長差ΔＬに対する、前記第２の導波路から出射されるＬＰ０１モードと前記第１の導波路から出射されるＬＰ１１モードのパワー比率で定められるモード分岐比率の周期性に基づいて、モード分岐比率に対応した前記導波路長差が設定され、
前記第１の屈折率制御部は、前記２つの結合部の間に配置されている前記第１の導波路に熱を付与することで前記モード分岐比率を減少させ、
前記第２の屈折率制御部は、前記２つの結合部の間に配置されている前記第２の導波路に熱を付与することで前記モード分岐比率を増加させる、
モード分岐デバイス。

【請求項2】

前記２つの結合部の間に配置されている前記第１の導波路の長さをＬとした場合に、前記導波路長差ΔＬが、次式で定められていることを特徴とする、
請求項１に記載のモード分岐デバイス。

【数C1】

なお、変数の定義は以下の通りである。
ｍ：任意の正の整数である。
β０：前記２つの結合部の間に配置されている前記第２の導波路のＬＰ０１モードの伝搬定数である。
β１：前記２つの結合部の間に配置されている前記第１の導波路のＬＰ１１モードの伝搬定数である。
Ｌ：前記２つの結合部の間に配置されている前記第１の導波路の長さである。
Ｐ３：前記第２の導波路から出射されるＬＰ０１モードと前記第１の導波路から出射されるＬＰ１１モードのパワー比率で定められる前記モード分岐比率である。
κ：前記結合部における前記第２の導波路のＬＰ０１モードと前記第１の導波路のＬＰ１１モードのモード結合係数である。
Ｌｃ：前記結合部における平行導波路長である。

【請求項3】

前記ｍの値は、前記ｍがとりうる正の整数のうち、設定された波長帯に含まれる２以上の特定波長で求められた前記導波路長差ΔＬの差分ｄｅｌｔａ＿ΔＬが最小となるｍの値である、
請求項２に記載のモード分岐デバイス。

【請求項4】

前記ｍの値は、２又は３である、
請求項２に記載のモード分岐デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、２モード光ファイバを利用するモード多重伝送システムにおいて、ＬＰ０１モードをＬＰ１１モードに分岐するデバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

光ファイバ通信システムでは、光ファイバ中で発生する非線形効果やファイバヒューズが問題となり、伝送の大容量化が制限されている。これらの制限を緩和するためには、光ファイバに導波する光の密度を低減する必要があり、非特許文献１に示すように大コアファイバが検討されている。

【0003】

しかし、曲げ損失低減、単一モード動作領域の拡大、実効断面積の拡大は互いにトレードオフの関係にあり、所定の条件下における実効断面積の拡大量には限界があるという課題があった。そこで、伝送ファイバにマルチモードファイバを用い、伝搬する複数のモードを用いて並列伝送を行うモード多重伝送システムが、飛躍的な大容量化を実現する技術として検討されている（例えば、非特許文献２参照）。

【0004】

モード多重伝送システムにおいては、送信機から発せられる複数の信号を別々のモードとして光ファイバ中を伝搬させるため、モード合分波器が提案されている（例えば非特許文献３，４参照）。

【0005】

一方で、非特許文献５に記載の通り、モード変換を用いた３ｄＢモード分岐デバイスなど、シングルモードファイバネットワーク・コンポーネントで行われているようなパワー分岐技術も検討されている。

【0006】

しかしながら、平行導波路構造を用いたモード変換及びモード分岐は、導波路が有する波長依存性により、限定された波長帯のみで３ｄＢ分岐を実現できない。非特許文献５に記載の通り、平行導波路部をテーパー化させることで波長依存性を低減する試みもなされているが、柔軟なモードの分岐を実現する為に、分岐比率が設定可能なモード分岐デバイスは未だ検討されていない。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【文献】Ｔ． Ｍａｔｓｕｉ， ｅｔ ａｌ．， “Ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｗｉｔｈ Ｕｎｉｆｏｒｍ Ａｉｒ－Ｈｏｌｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｏ Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ ａｎｄ Ｗｉｄｅ－Ｂａｎｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｏｖｅｒ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｂａｎｄｓ，” Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ． ２７， ５４１０－５４１６， ２００９．

【文献】Ｎ． Ｈａｎｚａｗａ ｅｔ ａｌ．， “Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｅ－ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ １０ ｋｍ ｔｗｏ－ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅ ｃｏｕｐｌｅｒ，” ＯＦＣ２０１１， ｐａｐｅｒ ＯＷＡ４ （２０１１）

【文献】Ｎ．Ｈａｎｚａｗａ ｅｔ ａｌ．，“Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｐａｒａｌｌｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｆｏｒ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”、ＯＦＣ２０１２、ＯＴｕ１ｌ．４．

【文献】Ｎ． Ｈａｎｚａｗａ ｅｔ ａｌ， “Ｍｏｄｅ ｍｕｌｔｉ／ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｗｉｔｈ ｐａｒａｌｌｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ｍｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，” Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ ｖｏｌ．２２， ｐｐ． ２９３２１－２９３３０ （２０１４）

【文献】Ｓ． Ｏｈｔａ ｅｔ ａｌ．， “Ａ Ｐｒｏｐｏｓａｌ ｏｆ Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｍｏｄｅ Ｍｕｌｔｉ／Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ｆｏｒ ＷＤＭ／ＭＤＭ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ，” ＯＥＣＣ２０１７， ｐａｐｅｒ ｓ１６２０ （２０１７）

【文献】岡本勝就著「光導波路の基礎」、フォトニクスシリーズ、コロナ社

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本開示は、平行導波路構造を用いたモード分岐デバイスにおいて、モード分岐比率を柔軟に設定可能にすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、本開示のモード分岐デバイスは、
ＬＰ０１モードを第１の導波路の第１ポート及び第２の導波路の第２ポートから入射し、
第２ポートから入射されたＬＰ０１モードを結合部において第１の導波路のＬＰ１１モードに結合させ、
第１の導波路の第３ポートからＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードを出射するモード分岐デバイスにおいて、
２つの前記結合部と、
２つの前記結合部の間に配置されている第１及び第２の導波路に導波路長差ΔＬを生じさせる遅延部と、を設ける。
この導波路長差ΔＬを調整することで、第２ポートから入射されたＬＰ０１モードに対する第３ポートから出射されるＬＰ１１モードのモード分岐比率を所望の値に設定可能とする。

【0010】

具体的には、本開示のモード分岐デバイスは、
ＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードを伝搬可能な第１の導波路と、
ＬＰ０１モードを伝搬可能な第２の導波路と、
前記第１の導波路及び前記第２の導波路が近接し、前記第２の導波路を伝搬するＬＰ０１モードと前記第１の導波路を伝搬するＬＰ１１モードとが結合する２つの結合部と、
を備え、
前記第２の導波路を伝搬するＬＰ０１モードを前記第１の導波路を伝搬するＬＰ１１モードに分岐し、前記第１の導波路においてＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードを伝搬可能とするモード分岐デバイスであって、
前記２つの結合部の間に配置されている前記第１の導波路と前記第２の導波路とが導波路長差を有し、
前記導波路長差に対する、前記第２の導波路から出射されるＬＰ０１モードと前記第１の導波路から出射されるＬＰ１１モードのパワー比率で定められるモード分岐比率の周期性に基づいて、モード分岐比率に対応した前記導波路長差が設定されている。

【0011】

本開示のモード分岐デバイスでは、
前記第２の導波路は、前記第１の導波路よりも導波路長差ΔＬ長く、
前記２つの結合部の間に配置されている前記第１の導波路の長さをＬとした場合に、前記導波路長差ΔＬが、式（１３）で定められていてもよい。
ここで、前記ｍの値は、前記ｍがとりうる正の整数のうち、設定された波長帯に含まれる２以上の特定波長で求められた前記導波路長差ΔＬの差分ｄｅｌｔａ＿ΔＬが最小となるｍの値である。例えば、前記ｍの値は、２又は３である。

【0012】

本開示のモード分岐デバイスでは、前記２つの結合部の間に配置されている前記第１の導波路又は前記第２の導波路の少なくとも一方の屈折率を変化させ、前記導波路長差を可変にする屈折率制御部をさらに備えていてもよい。

【0013】

なお、上記各開示は、可能な限り組み合わせることができる。

【発明の効果】

【0014】

本開示によれば、平行導波路構造を用いたモード分岐デバイスにおいて、モード分岐比率を柔軟に設定可能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】平行導波路を有する２モード合分波器の構成例である。

【図2】２つの導波路の実効屈折率の一例である。

【図3】結合率の波長依存性の一例である。

【図4】本開示に係るモード分岐デバイスの構成例である。

【図5】本開示における導波路構造の一例。

【図6】導波路長差ΔＬに対する第３ポートからの出力光パワーの一例である。

【図7】次数ｍに対して、Ｐ３＝０．５を実現するためのΔＬの計算例である。

【図8】次数ｍに対して、波長１．５５μｍにおけるＰ３＝０．５を実現するΔＬとの差の計算結果の一例である。

【図9】次数ｍに対して、波長１．５５μｍにおけるＰ３＝０．１を実現するΔＬとの差の計算結果の一例である。

【図10】次数ｍに対して、波長１．５５μｍにおけるＰ３＝０．９を実現するΔＬとの差の計算結果の一例である。

【図11】次数ｍ＝２におけるΔＬとモード分岐比率の波長依存性の一例である。

【図12】１．５３μｍ、１．５５μｍ、１．５７μｍにおけるｄｅｌｔａ＿ΔＬの絶対値の和Σｄｅｌｔａ＿ΔＬの一例である。

【図13】第２の実施形態に係るモード分岐デバイスの構成例である。

【図14】導波路１０１に熱を付与し、屈折率を変化させた時のモード分岐比率の変化の一例である。

【図15】導波路１０２に熱を付与し、屈折率を変化させた時のモード分岐比率の変化の一例である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。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。

【0017】

（実施形態１）
図１は、平行導波路を用いた２モード合分波器の構成を示している。ここでは、Ｓｉ系材料を用いた、矩形の埋め込み型導波路を用いた平面光波回路型のモード合分波器を想定している。

【0018】

導波路１０１は、ＬＰ０１及びＬＰ１１モードが伝搬する導波路であって、導波路１０２は、ＬＰ０１モードが伝搬する導波路である。２つの導波路１０１及び１０２は、一部平行に近接している領域があり、その部分が結合部として機能する。結合部では、図２に示すように、導波路１０１を伝搬するＬＰ１１モードの実効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）と導波路１０２を伝搬するＬＰ０１モードを伝搬する実効屈折率が一致するよう導波路幅ｗ_１，ｗ_２及び比屈折率差が調整されている。実効屈折率が一致することで、導波路が近接している領域でモード変換が発生し、導波路１０２を伝搬してきた光は導波路１０１にパワーが移行する。

【0019】

ここで、結合部の平行導波路長Ｌｃを、導波路１０１にパワーが完全に移行するよう調整すると、第２ポートより入射した信号光は、導波路１０１のＬＰ１１モードとして第３ポートへ出力される。一般に、異なるＬＰモード間で実効屈折率を一致させるためには、導波路の構造が同一でない非対称平行導波路構造が必要となる。一方で、第１ポートから入射された光は、基本モードとして導波路１０１を伝搬し、導波路１０１のＬＰ０１モードと導波路１０２のＬＰ０１モードの実効屈折率が一致していないことから、結合部にてモード変換が発生せず、ＬＰ０１モードとして第３ポートへ出力される。結果、第１及び第２ポートにＬＰ０１モードを入射することで、第３ポートにおいてＬＰ０１及びＬＰ１１モードの２モードが多重された信号を得ることができ、モード合波器としての機能を実現することができる（詳しい設計手法については非特許文献３を参照のこと）。

【0020】

また、モード多重されたＬＰ０１及びＬＰ１１モードの光を、第３ポートから入射することで、ＬＰ１１モードを導波路１０２に分離し、ＬＰ０１モードを第１ポート及び第２ポートから出射することができる。これにより、本開示は、モード合波器と同構造で、モード分波器として利用することができる。

【0021】

この時、結合部の平行導波路長Ｌｃや平行導波路間隔ｇを調整することで、結合部におけるＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの変換効率（モード分岐比率）を任意の値に設定することができる。この時、例えばモード分岐比率が０．５である時には、第１ポートから入射したＬＰ１１モードのパワーの半分が、ＬＰ１１モードとして第３ポートに、ＬＰ０１モードとして第４ポートに出力される。

【0022】

ただし、本構造では、図３に示すように結合率の波長依存性が大きいため、特定の波長範囲で一定の分岐比率を実現することができない。

【0023】

図４に、本実施形態のモード分岐デバイスの構造を示す。本実施形態のモード分岐デバイスは、ＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードを伝搬可能な導波路１０１と、ＬＰ０１モードを伝搬可能な導波路１０２と、導波路１０１の一方に配置されている第１ポートと、導波路１０２の一方に配置されている第２ポートと、導波路１０１の他方に配置されている第３ポートと、導波路１０２の一方に配置されている第４ポートと、導波路１０１及び導波路１０２が近接し、導波路１０２を伝搬するＬＰ０１モードと導波路１０１を伝搬するＬＰ１１モードとが結合する結合部１０３及び１０４と、を備える。

【0024】

本実施形態のモード分岐デバイスは、第１及び第２ポートからＬＰ０１モードが入射された場合、結合部１０３及び１０４において、導波路１０２を伝搬するＬＰ０１モードを導波路１０１を伝搬するＬＰ１１モードに分岐し、導波路１０１を伝搬するＬＰ０１モードを導波路１０２から分岐されたＬＰ１１モードと合波し、第３ポートからＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードを出射する。

【0025】

本実施形態のモード分岐デバイスは、第３ポートからＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードが入射された場合、導波路１０１を伝搬するＬＰ１１モードを、結合部１０３及び１０４において、導波路１０２を伝搬するＬＰ０１モードに分岐し、第１及び第２ポートからＬＰ０１モードを出射する。

【0026】

導波路１０１はＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードが伝搬するよう導波路構造が設計されており、導波路１０２はＬＰ０１モードのみが伝搬するよう設計されている。導波路１０１及び導波路１０２が近接する結合部を２つ有する。本実施形態のモード分岐デバイスは、さらに結合部の間に遅延部が設けられている。導波路１０２に接続された遅延部の導波路長（Ｌ＋ΔＬ）と導波路１０１に接続された遅延部の導波路長（Ｌ）とは、ΔＬだけ異なっている。

【0027】

導波路の構造は図５に示す通りであり、記載の設計パラメータで、結合部において導波路１０１のＬＰ１１モードの実効屈折率が、導波路１０２のＬＰ０１モードの実効屈折率と一致する。

【0028】

ここで、波長帯１．５３μｍ～１．５７μｍにおいて、所望のモード分岐比を実現するモード分岐デバイスの構造について述べる。

【0029】

まず、結合部及び遅延部の伝達行列は、２導波路入力×２導波路出力の２×２行列で表すことができ、

【数1】

【数2】

とおける。ここで、κは結合部におけるＬＰ０１モードとＬＰ１１モードのモード結合係数、Ｌ_ｃは結合部における平行導波路長、β_０は導波路１０２のＬＰ０１モードの伝搬定数、β_１は導波路１０１のＬＰ１１モードの伝搬定数である。ここで、κ、β_０、β_１は、導波路構造及び導波路の屈折率分布がわかれば、導波モードを算出することで、容易に得ることができる（例えば、非特許文献６参照。）。

【0030】

ここで、第１～第４ポートから入力・出力される光パワーをＰ１～Ｐ４とすると、第１ポート及び第２ポートから光を入射したときの第３ポート及び第４ポートからの出力光パワーは

【数3】

から求めることができる。ここで、

【数4】

である。

【0031】

ここで、

【数5】

とすると、式（６）～式（８）となる。

【数6】

【数7】

【数8】

【0032】

Ｐ３について式を整理すると、

【数9】

【数10】

【数11】

となる。

【0033】

式（１０）の左辺については、余弦関数であり、ΔＬの変化に対して周期的に変化するため、式（１０）を満たす解は複数存在し、

【数12】

とおける（ｍは整数）。±の符号によって、

【数13】

となるが、本実施形態では２つの結合部の間に配置されている導波路１０２が２つの結合部の間に配置されている導波路１０１よりも長い、プラス符号とする。

【0034】

図６は、波長１．５３μｍ、１．５５μｍ、１．５７μｍにおける、ΔＬに対する光パワーＰ３の変化を計算したものである。図６に示すように、光パワーＰ３は導波路長差ΔＬに対して周期性を有する。光パワーＰ３は、導波路１０２から出射されるＬＰ０１モードと導波路１０１から出射されるＬＰ１１モードのパワー比率で定められるモード分岐比率に相当する。このため、導波路長差ΔＬに対するモード分岐比率の周期性を用い、所望のモード分岐比率になるように導波路長差ΔＬを設定することで、柔軟なモードの分岐を実現することができる。例えば、モード分岐比率を０．５にする場合、ΔＬをおよそ０．２、０．５、１．２、１．６、１．９、２．２又は２．６周辺の値のいずれかに設定する。

【0035】

先ほど示した通り、結合部を用いたモード分岐については、波長依存性があり、計算した３波長で、光パワーＰ３の変化に差が生じていることがわかる。また、各波長で光パワーＰ３の変化の周期がわずかに異なっていることがわかる。この時、例えばＰ３＝０．５となるΔＬの最小値（ｍ＝０の場合）は、短波長側が長波長側に対して大きいことがわかる。

【0036】

図７は、次数ｍに対する光パワーＰ３＝０．５を満たすΔＬを計算したものであり、波長１．５３μｍ、１．５５μｍ、１．５７μｍでの計算結果を示している。構造条件については、図５に記載の通りである。

【0037】

図６で示した通り、ｍ＝０の時は短波長の方がΔＬが長くなる。一方で、図７で示した通り、ｍの増加に対するΔＬの増加量については、長波長側の方が大きいことがわかる。

【0038】

図８に、波長１．５５μｍでのΔＬに対する差分ｄｅｌｔａ＿ΔＬを計算したものを示す。先に述べたように、ｍ＝０では短波長側でΔＬが大きく、ｍの増加に伴って短波長側のΔＬの増加量が減少し、長波長側でΔＬの増加量が増加するため、特定の次数ｍでｄｅｌｔａ＿ΔＬが全ての波長で小さくなる。ｄｅｌｔａ＿ΔＬが小さいということは、特定のΔＬで同一のモード分岐比率を広波長域で実現できることを意味し、本設計においては、ｍ＝２～３が好適な範囲であることがわかる。

【0039】

図９は、Ｐ３＝０．１、図１０はＰ３＝０．９とした場合のｄｅｌｔａ＿ΔＬを計算したものである。Ｐ３＝０．５の計算結果と同様に、特定の次数ｍの時に３波長においてｄｅｌｔａ＿ΔＬが小さくなり、ここでもｍ＝２～３が好適な範囲であることがわかる。

【0040】

以上より、任意のＰ３に対して、特定の次数ｍにおいて、（本設計においてはｍ＝２～３）とすることで、波長依存性の小さいモード分岐デバイスを実現することができる。

【0041】

これは、図６からもわかるとおり、ΔＬ＝１．２３４μｍ付近で、３波長帯のΔＬに対するＰ３の変化量が同じとなっており、ΔＬ＝１．２３４μｍ付近でΔＬを調整することでＰ３＝０～１の範囲の任意のモード分岐比率を実現することができる。

【0042】

例えば、図１１にΔＬを１．１２８μｍ、１．１８８μｍ、１．２３４μｍ、１．２８４μｍ、１．３４７μｍに変化させた時のモード分岐比率を示したものである。ΔＬを所望の値に設計することで、１．５３～１．５７μｍの範囲で一定のモード分岐比を実現することができる。

【0043】

図１２は、各波長（１．５３μｍ、１．５５μｍ、１．５７μｍ）におけるｄｅｌｔａ＿ΔＬの絶対値の和Σｄｅｌｔａ＿ΔＬを算出したものであり、値が小さい方が、モード分岐比率の波長依存性が小さいことを示している。本結果より、特定の次数ｍにおいて、Σｄｅｌｔａ＿ΔＬが最小値となる。

【0044】

つまり、導波路１０１及び導波路１０２の構造に基づきβ_０、β_１、Ｌ、κを算出し、Ｐ３＝０～１に対して、Σｄｅｌｔａ＿ΔＬが最小値となるｍを用いて、ΔＬを設定することで、広波長域で一定のモード分岐比率を得ることができる。

【数14】

【0045】

なお、本実施形態では、２つの結合部の間に配置されている導波路１０２が２つの結合部の間に配置されている導波路１０１よりも長い例を示したが、本開示はこれに限定されない。例えば、２つの結合部の間に配置されている導波路１０１が２つの結合部の間に配置されている導波路１０２よりも長い場合、式（１３）におけるマイナス符号に相当し、本実施形態と同様の作用・効果が得られる。

【0046】

また、本実施形態では図５に示す導波路構造を用いたが、図５に示す導波路構造は本開示の一例に過ぎず、式（１）が成立する任意の構造を採用しうる。例えば、κ及びＬ_Ｃの値はκＬ_Ｃが一定となる任意の組合せでありうる。また、導波路幅ｗ_１，ｗ_２、導波路の高さｈ、平行導波路間隔ｇは、、結合部において導波路１０２のＬＰ０１モードと導波路１０１のＬＰ１１モードとが結合する任意の値を用いることができる。

【0047】

（実施形態２）
図１３に、本実施形態に係るモード分岐デバイスの構成の一例を示す。本実施形態に係るモード分岐デバイスは、遅延部の少なくとも一部の屈折率を可変する屈折率制御部１０５及び１０６を備える。

【0048】

実施形態１では、任意の光パワーＰ３に対してΔＬを同一次数ｍで求められる値とすることで、広波長域で一定のモード分岐比率を実現できることを示した（例えばｍ＝２とする）。ここで、遅延部における導波路長差ΔＬを設ける本質的な意味は、２つの導波路を伝搬する光波に所望の位相差を与えることであり、例えば、同一（同一次数ｍ）の構造であっても、遅延部に屈折率制御部１０５及び１０６を設けることで遅延部における屈折率を変化させ、実効的な光路長差を変化させることでモード分岐比率を可変とすることができるようになる。

【0049】

具体的には、遅延部における光波の伝搬遅延差が、導波路長と、導波路の屈折率に依存しており、実施形態１において述べたΔＬの設計は、標準室温における導波路の屈折率を用いて算出したものであり、特定のΔＬを有する構造においても、遅延部の導波路の屈折率を変化させることで実効的な光路長差を変化させ、分岐比を可変とすることができる。

【0050】

屈折率制御部１０５及び１０６は、遅延部に配置されている導波路の少なくとも一部の屈折率を可変するものであり、例えば、ヒータや電界の印加が例示できる。

【0051】

以下では、ΔＬを一定としたまま、遅延部に熱を付与することで遅延部の屈折率を変化させ、モード分岐比率が動的に制御可能なデバイスについて説明する。
本実施形態ではＳｉ導波路を仮定し、熱による屈折率変化は

【数21】

と表され、

【数22】

【数23】

である。

【0052】

図１４及び図１５に、導波路１０１又は導波路１０２に熱を付与した場合のモード分岐比の変化を計算したものを示す。なお、熱を付与する前の導波路構造は、Ｐ３＝０．５となるよう設計されている。

【0053】

導波路１０１に熱を付与した場合は、熱を与えることで分岐比は減少し、導波路１０２に熱を付与することで分岐比は増加することがわかる。このように、本実施形態は、屈折率制御部１０５及び１０６を備え、導波路が同一であっても、遅延部に熱を付与する機構を設けることで、単一のデバイスで任意のモード分岐比率を実現することができる。なお、本実施形態では、屈折率制御部１０５及び１０６が備わる例を示したが、本開示は屈折率制御部１０５及び１０６のいずれか一方を備える構成を含む。

【0054】

なお、本開示においてはＳｉ系材料を用いた平面光波回路に関する実施形態を記載したが、その材料は当然ほかのものであってもかまわない。たとえば、ガラス系やＩｎＧａＡｓＰなどの半導体、またポリマーなどの有機物を用いた平面光波回路であっても、本明細書記載の実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0055】

また、使用する波長帯に関しても、本明細書記載の実施形態では１．５～１．６μｍ程度としているが、より波長の長い中赤外領域（２μｍ以上）や可視光帯であっても構わない。

【産業上の利用可能性】

【0056】

本開示は、広波長域（例えばＣ帯）でモードのパワーを分岐可能なモード分岐デバイスに関するものである。

【符号の説明】

【0057】

１０１、１０２：導波路
１０３、１０４：結合部
１０５、１０６：屈折率制御部

【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】