特許 7601197 モード変換デバイス及び設計方法

(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】2024-12-09

(45)【発行日】2024-12-17

(54)【発明の名称】モード変換デバイス及び設計方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/14 20060101AFI20241210BHJP

   G02B 6/02 20060101ALI20241210BHJP

【ＦＩ】

G02B6/14

G02B6/02 416

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023500172

(86)(22)【出願日】2021-02-17

(86)【国際出願番号】 JP2021005851

(87)【国際公開番号】W WO2022176046

(87)【国際公開日】2022-08-25

【審査請求日】2023-06-15

(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

(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】山下 陽子

(72)【発明者】

【氏名】森 崇嘉

(72)【発明者】

【氏名】松井 隆

(72)【発明者】

【氏名】中島 和秀

【審査官】山本 元彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１５６６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－２２９１１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５２１６７３９（ＵＳ，Ａ）

【文献】FANG, Jian et al.，Low-DMD few-mode fiber with distributed long-period grating，Optics Letters，FANG，2015年08月17日，Vol. 40, No. 17，pp. 3937 - 3940

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／１４

Ｇ０２Ｂ ６／０２

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

Ｓｃｏｐｕｓ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも２つの伝搬モードで光を伝搬できる、ステップインデックス構造の光ファイバのコアに長周期グレーティングを有するモード変換デバイスであって、
前記長周期グレーティングが数Ｃ１の関係を満たしていることを特徴とするモード変換デバイス。

【数C1】

ただし、
λは波長（ｎｍ）、半値全幅ＦＷＨＭは中心波長におけるモード変換の結合効率と比較して結合効率が半分になる波長帯域（ｎｍ）、Ｃは結合効率、Ｌ_ｃは完全結合長（ｃｍ）、Ｌ_ｇはグレーティング長（ｃｍ）、Λはグレーティングピッチ（μｍ）、Δβはモード変換対象の中心波長における２つの前記伝搬モードの伝搬定数差（μｍ^－１）、｜ｄΔβ／ｄλ｜の単位は（１０^１５ｍ ^－２ ）である。

【請求項2】

光の伝搬方向において前記長周期グレーティングの後段にあり、前記光ファイバのコアを伝搬する光の内、前記長周期グレーティングが１のモードから他のモードへ変換した所望の波長の光を前記光ファイバの側面から出力するタップ導波路をさらに備えており、
前記タップ導波路は、前記コアの中心から角度αで前記光ファイバの側面に向けて伸びることを特徴とする請求項１に記載のモード変換デバイス。

【請求項3】

前記長周期グレーティングと前記タップ導波路との組が前記光ファイバに縦列されていることを特徴とする請求項２に記載のモード変換デバイス。

【請求項4】

前記長周期グレーティングは、前記１のモードから前記他のモードへ変換する光の波長が互いに異なるように、数Ｃ１に記載される設計パラメータがそれぞれ異なることを特徴とする請求項３に記載のモード変換デバイス。

【請求項5】

前記長周期グレーティングは、前記１のモードから前記他のモードへ変換する光の波長が同じ且つ前記結合効率が異なるように、前記グレーティング長Ｌｇがそれぞれ異なることを特徴とする請求項３に記載のモード変換デバイス。

【請求項6】

少なくとも２つの伝搬モードで光を伝搬できる、ステップインデックス構造の光ファイバのコアに設置する長周期グレーティングの設計パラメータを決定する設計方法であって、
前記光ファイバのコア半径ａ（μｍ）、比屈折率差Δ（％）、モード変換を行う光の中心波長λ_０（ｎｍ）、結合効率Ｃ、及び半値全幅ＦＷＨＭ（ｎｍ）が与えられること、
前記光ファイバのコア半径ａ（μｍ）と比屈折率差Δ（％）から、モード変換対象の前記中心波長λ_０（ｎｍ）における２つの前記伝搬モードの伝搬定数差Δβ（μｍ^－１）及びその波長微分ｄΔβ／ｄλをモード解析で取得すること、
数Ｃ２で前記長周期グレーティングのグレーティングピッチΛ（μｍ）を計算すること、
数Ｃ３で係数ｂを計算すること、
数Ｃ４で完全結合長Ｌ_ｃ（ｃｍ）を計算すること、及び
数Ｃ５でグレーティング長Ｌ_ｇ（ｃｍ）を計算すること
を特徴とする設計方法。

【数C2】

【数C3】

【数C4】

ただし、半値全幅ＦＷＨＭ（ｎｍ）は中心波長λ_０（ｎｍ）におけるモード変換の結合効率と比較して結合効率が半分になる波長帯域、｜ｄΔβ／ｄλ｜の単位は（１０^１５ｍ ^－２ ）である。

【数C5】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光ファイバに長周期グレーティング（ＬＰＧ；Ｌｏｎｇ Ｐｅｒｉｏｄ Ｇｒａｔｉｎｇ）が形成されたモード変換デバイス及びその設計方法に関する。

【背景技術】

【0002】

非特許文献１は、ある波長の光のみを選択的に光ファイバのクラッドモードへ結合させるＬＰＧについて開示する。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】Ｃｒａｉｇ Ｄ． Ｐｏｏｌｅ， ｅｔｃ．，“Ｈｅｌｉｃａｌ－Ｇｒａｔｉｎｇ Ｔｗｏ－Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ Ｓｐａｔｉａｌ－Ｍｏｄｅ Ｃｏｕｐｌｅｒ”，ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ， ＶＯＬ ９， ＮＯ ５． ＭＡＹ １９９１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ＬＰＧにおいて結合効率と半値全幅の関係は一意に求まるが、完全結合長、ファイバ構造、及び中心波長のいずれかの値が変わると、結合効率と半値全幅の関係も変化する。このため、ＬＰＧを備えるモード変換デバイスは、任意に結合効率と半値全幅を設計することが困難という課題があった。なお、「半値全幅」とは、中心波長におけるモード変換の結合効率と比較して結合効率が半分になる波長帯域を意味し、モード変換デバイスのモード変換可能な波長域である。

【0005】

前記課題を解決するために、本発明は、任意の結合効率と半値全幅を設計することができるモード変換デバイス及びその設計方法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】

【0006】

上記目的を達成するために、本発明に係るモード変換デバイスは、変換する２つのモード間の伝搬定数差Δβの波長微分と結合効率及び半値全幅との関係に基づいてパラメータを調整することとした。

【0007】

具体的には、本発明に係るモード変換デバイスは、 少なくとも２つの伝搬モードで光を伝搬できる、ステップインデックス構造の光ファイバのコアに長周期グレーティングを有するモード変換デバイスであって、前記長周期グレーティングが数Ｃ１の関係を満たしていることを特徴とする。

【数C1】

ただし、
λは波長（ｎｍ）、半値全幅ＦＷＨＭは中心波長におけるモード変換の結合効率と比較して結合効率が半分になる波長帯域（ｎｍ）、Ｃは結合効率、Ｌ_ｃは完全結合長（ｃｍ）、Ｌ_ｇはグレーティング長（ｃｍ）、Λはグレーティングピッチ（μｍ）、Δβはモード変換対象の中心波長における２つの前記伝搬モードの伝搬定数差（μｍ^－１）、｜ｄΔβ／ｄλ｜の単位は（１０^１５ｍ ^－２ ）である。

【0008】

コア半径ａ、コアの比屈折率差Δの光ファイバのコアに、数Ｃ１の関係を満たすグレーティングピッチΛとグレーティング長ＬｇのＬＰＧを形成することで、所望の波長において所望の半値全幅ＦＷＨＭと結合効率Ｃのモード変換デバイスを得ることができる。

【0009】

具体的な設計方法は、少なくとも２つの伝搬モードで光を伝搬できる、ステップインデックス構造の光ファイバのコアに設置する長周期グレーティングの設計パラメータを決定する設計方法であって、
前記光ファイバのコア半径ａ（μｍ）、比屈折率差Δ（％）、モード変換を行う光の中心波長λ_０（ｎｍ）、結合効率Ｃ、及び半値全幅ＦＷＨＭ（ｎｍ）が与えられること、
前記光ファイバのコア半径ａ（μｍ）と比屈折率差Δ（％）から、モード変換対象の前記中心波長λ_０（ｎｍ）における２つの前記伝搬モードの伝搬定数差Δβ（μｍ^－１）及びその波長微分ｄΔβ／ｄλをモード解析で取得すること、
数Ｃ２で前記長周期グレーティングのグレーティングピッチΛ（μｍ）を計算すること、
数Ｃ３で係数ｂを計算すること、
数Ｃ４で完全結合長Ｌ_ｃ（ｃｍ）を計算すること、及び
数Ｃ５でグレーティング長Ｌ_ｇ（ｃｍ）を計算すること
を特徴とする。

【数C2】

【数C3】

【数C4】

ただし、半値全幅ＦＷＨＭ（ｎｍ）は中心波長λ_０（ｎｍ）におけるモード変換の結合効率と比較して結合効率が半分になる波長帯域、｜ｄΔβ／ｄλ｜の単位は（１０^１５ｍ ^－２ ）である。

【数C5】

【0010】

従って、本発明は、任意の結合量と半値全幅を設計することができるモード変換デバイス及びその設計方法を提供することができる。

【0011】

本発明に係るモード変換デバイスは、光の伝搬方向において前記長周期グレーティングの後段にあり、前記光ファイバのコアを伝搬する光の内、前記長周期グレーティングが１のモードから他のモードへ変換した所望の波長の光を前記光ファイバの側面から出力するタップ導波路をさらに備えることを特徴とする。

【0012】

本モード変換デバイスは、光ファイバを伝搬する光から所望波長の光を所望のパワーで取り出すことができる。

【0013】

ここで、本発明に係るモード変換デバイスは、前記長周期グレーティングと前記タップ導波路との組が前記光ファイバに縦列されていることでもよい。

【0014】

この場合、前記長周期グレーティングは、前記１のモードから前記他のモードへ変換する光の波長が互いに異なるように、数Ｃ１に記載される設計パラメータがそれぞれ異なることとする。それぞれのタップ導波路から異なる波長の光を取り出すことができる。

【0015】

この場合、前記長周期グレーティングは、前記１のモードから前記他のモードへ変換する光の波長が同じ且つ前記結合効率が異なるように、前記グレーティング長Ｌｇがそれぞれ異なることとしてもよい。それぞれのタップ導波路から異なる所望のパワーの光を取り出すことができる。

【0016】

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明は、任意の結合効率と半値全幅を設計することができるモード変換デバイス及びその設計方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】長周期グレーティング（ＬＰＧ）を有するモード変換デバイスの概要を説明する図である。

【図2】長周期グレーティング（ＬＰＧ）を形成した場合の透過スペクトルの一例を説明する図である。

【図3】長周期グレーティング（ＬＰＧ）を形成した場合の結合量と半値全幅（ＦＷＨＭ）の関係の一例を説明する図である。

【図4】ＦＷＨＭと結合量の関係の一例を説明する図である。

【図5】ＦＷＨＭとＬｃの積とｄΔβ／ｄλの関係を説明する図である。

【図6】結合効率Ｃと係数ｂの関係を説明する図である。

【図7】本発明に係る設計方法を説明する図である。

【図8】本発明に係るモード変換デバイスを説明する図である。

【図9】本発明に係るモード変換デバイスを説明する図である。

【図10】本発明に係るモード変換デバイスを説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

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。

【0020】

（実施形態１）
図１は、長周期グレーティング（ＬＰＧ）を有するモード変換デバイスの概要を説明する図である。周期的に摂動を加えることで入射したモード（モード１）が別のモード（モード２）に変換する。このとき摂動を加える周期（Λ）と中心波長（λ_０）におけるモード１とモード２の伝搬定数差（Δβ）が式（１）の関係を満たす必要がある。

【数1】

【0021】

ここで、入射したモード１がモード２に完全結合する長さを完全結合長（Ｌｃ）と呼ぶ。Ｌｃは摂動１か所あたりのモード変換量によって決定し、１か所あたりのモード変換量が大きいと、完全結合長が短くなる。一方で１か所あたりのモード変換量が大きいとモード不整合による損失が増大する。また、グレーティング長をＬｇと定義する。Ｌｇ＝Ｌｃの場合、前述の通り図１（ａ）に示すようにモード１は完全にモード２へ変換する。また、Ｌｇを調整することで、図１（ｂ）に示すようにモード１からモード２への結合量（Ｃ）を制御することができる。

【0022】

このときの、波長λ_０における結合効率Ｃは式（２）で示される。

【数2】

Ｌｇ＝Ｌｃの場合、モード１は完全にモード２へ結合し、Ｃ＝１となる。

【0023】

図２は、コア半径（ａ）４．５μｍ、且つクラッドに対するコアの比屈折率差（Δ）０．３５％の光ファイバに、Ｌｃ＝３ｃｍのグレーティングを形成した場合の中心波長（λ_０）１３５０ｎｍの光の透過率の一例を説明する図である。図１で説明したモード１及びモード２を、それぞれＬＰ０１モード及びＬＰ１１ａモードとしている。ここで「透過率」とは、ＬＰ０１モードを入射した際のＬＰ０１モードの透過率である。「結合効率」は、中心波長で減衰している量である。図２の各ラインはＬｇ／Ｌｃを変化させた場合の透過率を示しており、Ｌｇ／Ｌｃを制御することで結合効率を制御できること、及び結合効率が増加する（Ｌｇを大きくする）と帯域幅が狭くなる傾向があることがわかる。

【0024】

図３は、結合効率と半値全幅（ＦＷＨＭ）の関係を説明する図である。λ_０＝１３５０ｎｍ、Ｌｃ＝３ｃｍとし、光ファイバ構造であるコア半径ａとコア比屈折率Δをそれぞれ
（ａ＝５μｍ，Δ＝０．２８％）、（ａ＝４．５μｍ，Δ＝０．３５％）、（ａ＝４μｍ，Δ＝０．４４％）とした。

【0025】

図３より、結合効率が増大する（Ｌｇを大きくする）にしたがってＦＷＨＭが減少すること、及びＦＷＨＭと結合効率の関係は光ファイバ構造に依存することがわかる。ＦＷＨＭと結合効率の関係は、光ファイバ構造だけでなく、Ｌｃ又はλ_０を変えても同様に変化する。ここで、光ファイバ構造を示すパラメータとして波長λ_０における２モードの伝搬定数差Δβの波長微分（ｄΔβ／ｄλ）を導入する。なお、２モードの伝搬定数差Δβは光ファイバ構造からモード解析によって求めることができる。

【0026】

図４は、図３で説明したＦＷＨＭと結合効率の関係をｄΔβ／ｄλを横軸にしてプロットし直した図である。本図では、光ファイバ構造（Δ、ａ）および中心波長（λ_０）を違えたデータを重ねて表示している。図４より、ファイバ構造や中心波長に関わらず結合効率に対して、ＦＷＨＭとｄΔβ／ｄλの関係が一意に決定することがわかる。

【0027】

さらに、ＦＷＨＭとＬｃの積を計算することで、Ｌｃに関わらず結合効率に対してＦＷＨＭとｄΔβ／ｄλの関係が一意に決定する。図５は、ＦＷＨＭとＬｃの積とｄΔβ／ｄλの関係を説明する図である。各プロットは、計算から求めたＦＷＨＭとＬｃの積とｄΔβ／ｄλの関係を、破線は各結合効率に対して求めた近似関数を示す。各結合効率に対する近似関数を式（３）～（６）に示す。

【数3】

【数4】

【数5】

【数6】

【0028】

式（３）～（６）に示すように、ＦＷＨＭとＬｃの積とｄΔβ／ｄλの関係は式（７）に示す反比例の式に近似できることがわかる。

【数7】

ここで、結合効率と反比例の係数ｂの関係を図６に示す。図６より、係数ｂは、式（８）から求められる。

【数8】

ここでＣは、線形表示の結合効率である。

【0029】

これより、式（１）、式（２）、式（７）及び式（８）を満たすグレーティング構造を光ファイバに設けることで、任意の結合効率と帯域幅を有するモード変換デバイスを構成することができる。すなわち、本発明に係るモード変換デバイスは、少なくとも２つの伝搬モードで光を伝搬できる、ステップインデックス構造の光ファイバのコアに長周期グレーティングを有し、前記長周期グレーティングが数Ｃ１の関係を満たしていることを特徴とする。

【数C1】

ただし、
λは波長（ｎｍ）、半値全幅ＦＷＨＭは中心波長におけるモード変換の結合効率と比較して結合効率が半分になる波長帯域（ｎｍ）、Ｃは結合効率、Ｌ_ｃは完全結合長（ｃｍ）、Ｌ_ｇはグレーティング長（ｃｍ）、Λはグレーティングピッチ（μｍ）、Δβはモード変換対象の中心波長における２つの前記伝搬モードの伝搬定数差（μｍ^－１）、｜ｄΔβ／ｄλ｜の単位は（１０^１５ｍ ^－２ ）である。

【0030】

ここでは、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの変換効率を例に挙げて計算を行ったが、例えばＬＰ０１モードとクラッドモードや、ＬＰ０１モードとＬＰ０２モード、ＬＰ１１モードとＬＰ２１モードなどほかのモード間の結合でも同様に考えることができる。また、光ファイバがステップインデックス構造に関わらず、グレーデッドインデックス構造などほかの構造でも同様に考えることができる。

【0031】

（実施形態２）
図７は、実施形態１で説明したモード変換デバイスの長周期グレーティングを設計する方法を説明するフローチャートである。当該設計方法は、少なくとも２つの伝搬モードで光を伝搬できる、ステップインデックス構造の光ファイバのコアに設置する長周期グレーティングの設計パラメータを決定する設計方法であって、
前記光ファイバのコア半径ａ（μｍ）、比屈折率差Δ（％）、モード変換を行う光の中心波長λ_０（ｎｍ）、結合効率Ｃ、及び半値全幅ＦＷＨＭ（ｎｍ）が与えられること（ステップＳ０１）、
前記光ファイバのコア半径ａ（μｍ）と比屈折率差Δ（％）から、モード変換対象の前記中心波長λ_０（ｎｍ）における２つの前記伝搬モードの伝搬定数差Δβ（μｍ^－１）及びその波長微分ｄΔβ／ｄλをモード解析で取得すること（ステップＳ０２）、
数Ｃ２で前記長周期グレーティングのグレーティングピッチΛ（μｍ）を計算すること（ステップＳ０３）、
数Ｃ３で係数ｂを計算すること（ステップＳ０４）、
数Ｃ４で完全結合長Ｌ_ｃ（ｃｍ）を計算すること（ステップＳ０５）、及び
数Ｃ５でグレーティング長Ｌ_ｇ（ｃｍ）を計算すること（ステップＳ０６）
を特徴とする。

【数C2】

【数C3】

【数C4】

ただし、半値全幅ＦＷＨＭ（ｎｍ）は中心波長λ_０（ｎｍ）におけるモード変換の結合効率と比較して結合効率が半分になる波長帯域、｜ｄΔβ／ｄλ｜の単位は（１０^１５ｍ ^－２ ）である。

【数C5】

【0032】

設計パラメータは、光ファイバ構造を示すｄΔβ／ｄλ、Ｌｃ、Ｌｇ、Λ、λ_０、Ｃ及びＦＷＨＭである。まず、ステップＳ０１において仕様値として前記光ファイバのコア半径ａ（μｍ）、比屈折率差Δ（％）、モード変換を行う光の中心波長λ_０（ｎｍ）、結合効率Ｃ、及び半値全幅ＦＷＨＭ（ｎｍ）が与えられる。

【0033】

ステップＳ０２で、光ファイバ構造のコア半径ａ（μｍ）と比屈折率差Δ（％）から、中心波長λ_０（ｎｍ）における伝搬定数差Δβおよびその波長微分ｄΔβ／ｄλをモード解析によって求める。
ステップＳ０３で、式（Ｃ２）に伝搬定数差Δβを代入し、グレーティングピッチΛ（μｍ）を計算する。
ステップＳ０４で、式（Ｃ３）に仕様値である結合効率Ｃを代入し、係数ｂを計算する。
ステップＳ０５で、式（Ｃ４）に係数ｂ、仕様値の半値全幅ＦＷＨＭ、及び波長微分ｄΔβ／ｄλを代入し、完全結合長Ｌｃを計算する。
ステップＳ０６で、式Ｃ５に完全結合長Ｌｃと仕様値である結合効率Ｃを代入してグレーティング長Ｌｇを計算する。

【0034】

なお、ステップＳ０３とステップ（Ｓ０４～Ｓ０６）とは同時に行ってもよいし、いずれか一方を先に行ってもよい。

【0035】

モード変換可能な波長域（ＦＷＨＭ）は、ＬＰＧを使用するデバイスによって異なる。例えば、モード多重伝送等で広い帯域で用いるような場合には広いほうが望ましい。一方で、実施形態３で説明するようなタップデバイスの場合には狭いほうが望ましい。本実施形態の設計方法は、デバイスの用途（仕様）に合わせたグレーティングピッチΛとグレーティング長Ｌｇを導き出せることがポイントである。

【0036】

（実施形態３）
図８は、本実施形態のモード変換デバイス３０１を説明する図である。モード変換デバイス３０１は、光の伝搬方向において長周期グレーティング２１の後段にあり、光ファイバ５０のコア５１を伝搬する光の内、長周期グレーティング２１が１のモードから他のモードへ変換した所望の波長の光を前記光ファイバの側面から出力するタップ導波路５３をさらに備えることを特徴とする。

【0037】

本実施形態では、１のモードが基本モード、他のモードが高次モードとして説明する。
モード変換デバイス３０１は、光ファイバ５０のコア５１を伝搬する光の内、高次モードの光を光ファイバ５０の側面から出力するタップ導波路５３が形成されたタップ部１０と、
前記光の伝搬方向においてタップ部１０の前段にあり、光ファイバ５０のコア５１に所望の波長の光を基本モードから前記高次モードへ変換するグレーティング２１が形成されたグレーティング部２０と、
を備える。

【0038】

光ファイバ５０は、ステップインデックスファイバとする。光ファイバ５０は、長手方向に、グレーティング部２０およびタップ部１０が順に形成されている。タップ導波路５３へ光が入射できる方向を光導波方向とする。図８では、光導波方向は左から右への方向である。また、タップ導波路５３がコア５１から光ファイバ５０の側面へ向いている方向をタップ方向とする。図８では、タップ方向は、光導波方向に対して順方向に傾いた方向である。

【0039】

グレーティング部２０は、光ファイバ５０のコア５１を伝搬する光のうち、取り出したい波長の光を所望量だけ長周期グレーティング２１によってＬＰ０１モードからＬＰ１１モードに変換する。グレーティング構造は、例えばフェムト秒レーザ加工、ＣＯ２レーザ加工、またはグレーティングの押し当てによって実現することができる。

【0040】

タップ部１０は、コア５１の中心から角度αで光ファイバ５０の側面（クラッド５２の界面）に向けて伸びるタップ導波路５３を有している。タップ部１０は、タップ導波路５３とコア５１との角度α、タップ導波路５３の直径ｄ_ｔ、及びタップ導波路５３の屈折率を制御することで、コア５１からＬＰ１１モードのみを選択的に取り出す。

【0041】

ここで、コア５１からタップ導波路５３へ結合する光をタップ光、コア５１をそのまま伝搬する光を透過光と定義する。例えば、タップ部１０の出力端（光ファイバ５０の側面）に受光器５４を接続することで、光ファイバ５０からタップ光のみを取り出し受光することができる。

【0042】

タップ部１０において、コア５１からタップ導波路５３への結合効率は、コア５１を伝搬する光の伝搬モードに強く依存する。これは、高次モードになるほど閉じ込めが小さくなり、タップ導波路５３へ結合しやすくなるためである。このため、高次モードのみをタップ導波路へ遷移させることができる。

【0043】

ここで、高次モードのみをタップ導波路５３へ結合させるためには、タップ導波路５３の屈折率と直径ｄ_ｔの値が重要である。これらの値が大きすぎると、タップ導波路５３のＮＡが大きくなり、ＬＰ０１モードも結合しやすくなるため、透過光の損失が増加することになる。一方、これらの値が小さすぎると、タップ導波路５３のＮＡが小さくなり、高次モードが結合し難くなるため、タップ光のタップ導波路５３への結合効率が低下することになる。つまり、タップ導波路５３の屈折率と直径ｄ_ｔの値を適切に決定する必要がある。

【0044】

また、高次モードの光を高効率にタップ導波路５３へ結合させ、基本モードの光をコア５１に閉じ込めたまま伝搬させるためには、αを十分小さくし、断熱的にモードを遷移させていく必要がある。αが大きいと、ＬＰ０１モードもタップ導波路５１の影響を受けて放射モードに結合し、損失が発生する。このため、ＬＰ０１モードの損失の観点からαの上限値が決定される。一方、αは０より大きい任意の値をとることができるが、αによってタップ部１０の全長Ｌ_ｔａｐが決定されるため、タップ導波路５３の伝搬損失やデバイスの全長に対する要求条件の観点からαの下限値が決定される。

【0045】

一般的なシングルモードファイバでは光ファイバ５０の直径ｄ_ｆは１２５μｍであり、例えば、タップ部Ｌ_ｔａｐを５ｃｍ以下にするためには、αは０．０７°以上に設定する必要がある。

【0046】

グレーティング部２０は、ピッチΛのグレーティング２１を有する。例えば、グレーティング２１は、長周期ファイバグレーティング（ＬＰＧ）である。グレーティング部２０で任意の波長λ且つ所望の光量の光をＬＰ０１モードからＬＰ１１モードへ変換するためには、実施形態１及び２で説明した設計パラメータでグレーティング２１を成型する。

【0047】

（実施形態４）
図９及び図１０は、本実施形態のモード変換デバイス３０２を説明する図である。モード変換デバイス３０２は、図８で説明したモード変換デバイス３０１の長周期グレーティング２１とタップ導波路５３との組が光ファイバ５０に縦列されていることを特徴とする。つまり、モード変換デバイス３０２は、モード変換デバイス３０１を多段に組み合わせたシステムである。長周期グレーティング２１とタップ導波路５３の組（モード変換デバイス３０１）は、例えば、ある程度の距離（数ｍ～数ｋｍ）ごとに配置されている。

【0048】

図９のモード変換デバイス３０２の長周期グレーティング２１は、前記１のモードから前記他のモードへ変換する光の波長が互いに異なるように、数Ｃ１に記載される設計パラメータがそれぞれ異なることを特徴とする。
図９のモード変換デバイス３０２は、各モード変換デバイス（３０１－１、３０１－２、３０１－３）ごとに波長を割り当て、取り出す信号を波長によって制御する。取り出したい波長の波長間隔（中心波長λ_０と帯域幅（ＦＷＨＭ））に合わせ、各モード変換デバイスの設計パラメータを設定することで、任意の波長間隔で信号を取り出すことができる。

【0049】

図１０のモード変換デバイス３０２の長周期グレーティング２１は、前記１のモードから前記他のモードへ変換する光の波長が同じ且つ前記結合効率が異なるように、グレーティング長Ｌｇがそれぞれ異なることを特徴とする。
図１０のモード変換デバイス３０２は、１波長に対して複数のモード変換デバイス（３０１－１、３０１－２、３０１－３）を割り当てている。１波長で信号を送り各ＬＰＧの結合効率を制御することで、少しずつ多段に信号を取り出すことができる。図１０のモード変換デバイス３０２は、１波長で複数個所から同時に信号を出力させることができる。

【符号の説明】

【0050】

１０：タップ部
２０：グレーティング部
２１：長周期グレーティング（ＬＰＧ）
５０：光ファイバ
５１：コア
５２：クラッド
５３：タップ導波路
５４：受光器
３０１、３０２：モード変換デバイス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】