特許 7613460 Ｆａｎ－Ｉｎ／Ｆａｎ－Ｏｕｔデバイスおよびそれを含む光通信システム

(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】2025-01-06

(45)【発行日】2025-01-15

(54)【発明の名称】Ｆａｎ－Ｉｎ／Ｆａｎ－Ｏｕｔデバイスおよびそれを含む光通信システム

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/125 20060101AFI20250107BHJP

   G02B 6/26 20060101ALI20250107BHJP

   G02B 6/30 20060101ALI20250107BHJP

   G02B 6/04 20060101ALI20250107BHJP

【ＦＩ】

G02B6/125

G02B6/26 301

G02B6/30

G02B6/04 A

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2022504433

(86)(22)【出願日】2021-03-03

(86)【国際出願番号】 JP2021008246

(87)【国際公開番号】W WO2021177367

(87)【国際公開日】2021-09-10

【審査請求日】2024-02-21

(31)【優先権主張番号】P 2020038906

(32)【優先日】2020-03-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100136722

【弁理士】

【氏名又は名称】▲高▼木 邦夫

(74)【代理人】

【識別番号】100174399

【弁理士】

【氏名又は名称】寺澤 正太郎

(72)【発明者】

【氏名】荒生 侑季

(72)【発明者】

【氏名】林 哲也

【審査官】林 祥恵

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１４－５０９４１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５３７０５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５３０３７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５２９８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０５２１５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０９８７２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５２２９９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１０５８３１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０２２－１７０７４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１３０３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１３１４４１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－１７８６２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－７６８９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／０８８３６１（ＷＯ，Ａ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／０２－６／１４

Ｇ０２Ｂ ６／２６－６／２７

Ｇ０２Ｂ ６／３０－６／３４

Ｇ０２Ｂ ６／４２－６／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一デバイス端面と、
前記第一デバイス端面に対向する第二デバイス端面と、
前記第一デバイス端面に一致した第一導波路端面と、前記第二デバイス端面に一致した第二導波路端面とを有し、次数の異なる複数のモードの光が導波する導波路であって、前記第一導波路端面から前記第二導波路端面までの光路上に１またはそれ以上の曲げ部が設けられた導波路と、
前記導波路が内部または表面に設けられたクラッド層であって、前記導波路の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド層と、
を備え、
前記導波路は、
前記第一導波路端面から前記第二導波路端面までの光路長で定義される、５×１０^６［ｎｍ］以上１００×１０^６［ｎｍ］以下の導波路長Ｌを有するとともに、
前記複数のモード間における群遅延時間差Δβ１が、
｜Δβ１｜≦２×１０^－１２[ｓ]／Ｌ
で与えられる条件を満たす構造を有する、
Ｆａｎ－Ｉｎ／Ｆａｎ－Ｏｕｔデバイス。

【請求項2】

第一デバイス端面と、
前記第一デバイス端面に対向する第二デバイス端面と、
前記第一デバイス端面に一致した第一導波路端面と、前記第二デバイス端面に一致した第二導波路端面とを有し、次数の異なる複数のモードの光が導波する導波路であって、前記第一導波路端面から前記第二導波路端面までの光路上に１またはそれ以上の曲げ部が設けられた導波路と、
前記導波路が内部または表面に設けられたクラッド層であって、前記導波路の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド層と、
を備え、
前記導波路は、
前記第一導波路端面から前記第二導波路端面までの光路長で定義される、５×１０^６［ｎｍ］以上１００×１０^６［ｎｍ］以下の導波路長Ｌを有するとともに、
前記複数のモード間のＭＰＩに起因した光信号強度変動の光周波数に対する振動周期Ｔｆを分割する整数値であって１０以上１００以下のいずれかの整数で定義される分割数Ｎ、および、２５×１０^９［Ｈｚ］以上１０００×１０^９［Ｈｚ］以下のいずれかの周波数で定義される変調速度Δｆに対して前記複数のモード間における群遅延時間差Δβ１が、 ｜Δβ１｜≦１／（Ｎ・２Δｆ・Ｌ）
で与えられる条件を満たす構造を有する、
Ｆａｎ－Ｉｎ／Ｆａｎ－Ｏｕｔデバイス。

【請求項3】

前記導波路長が２０×１０^６［ｎｍ］以下である、
請求項２に記載のＦａｎ－Ｉｎ／Ｆａｎ－Ｏｕｔデバイス。

【請求項4】

前記曲げ部は、４０ｍｍ以下の曲率半径ｒを有する、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のＦａｎ－Ｉｎ／Ｆａｎ－Ｏｕｔデバイス。

【請求項5】

コア同士がシングルモード接続される、少なくとも一対の光ファイバと、
前記一対の光ファイバの間に配置された、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のＦａｎ－Ｉｎ／Ｆａｎ－Ｏｕｔデバイスと、
を備えた光通信システム。

【請求項6】

前記一対の光ファイバそれぞれは、シングルコア光ファイバ、または、マルチコア光ファイバを含む、
請求項５に記載の光通信システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光導波路デバイスおよびそれを含む光通信システムに関するものである。
本願は、２０２０年３月６日に出願された日本特許出願第２０２０－０３８９０６号による優先権を主張するものであり、その内容に依拠すると共に、その全体を参照して本明細書に組み込む。

【背景技術】

【0002】

光導波路デバイスの一つとして、例えば特許文献１および特許文献２に開示されたように、複数並んだ導波路（コア）のピッチを光の伝搬方向に沿って変換するＦＩＦＯ（Fan-in/Fan-out）デバイスが知られている。このようなＦＩＦＯデバイスを利用することにより、コアピッチが異なる組み合わせ、例えば、同一平面上に並列に配置された複数のシングルコア光ファイバファイバ（以下、「ＳＣＦ」と記す）の各コアと、マルチコア光ファイバ（以下、「ＭＣＦ」と記す）の対応するコアとを低損失に接続することが可能になる。

【0003】

なお、特許文献１には、三次元の導波路構造を有するとともにモードフィールド径（以下、「ＭＦＤ」と記す）の変換機能を有するＦＩＦＯデバイスが開示されている。また、特許文献２には、接続されるべきコア間の接続損失をレンズにより抑制する構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開ＷＯ２０１８－１３５４１１号

【文献】特開２０１４－１７８６２８号公報

【発明の概要】

【0005】

本開示の光導波路デバイスは、第一デバイス端面と、第一デバイス端面に対向する第二デバイス端面と、導波路と、クラッド層と、を備える。導波路は、第一デバイス端面に一致した第一導波路端面と、第二デバイス端面に一致した第二導波路端面とを有し、次数の異なる複数のモードの光を導波する。また、導波路は、第一導波路端面から第二導波路端面までの光路上に１またはそれ以上の曲げ部を有する。クラッド層には、導波路が内部または表面に設けられている。クラッド層は、導波路の屈折率よりも低い屈折率を有する。特に、導波路は、５×１０^６［ｎｍ］以上１００×１０^６［ｎｍ］以下の導波路長Ｌを有するとともに、複数のモード間における群遅延時間差（ＤＭＤ：Differential Mode Delay、以下、「モード間群遅延時間差」と記す）Δβ１が、以下の式：
｜Δβ１｜≦１／２×１０^－１２[ｓ]／Ｌ
で与えられる条件を満たす構造を有する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、本開示の光通信システムの構成例（システム構成）を説明するための図である。

【図2】図２は、本開示の光導波路デバイスの構成例（デバイス構成）を説明するための図である。

【図3】図３は、ＭＰＩに起因する光信号強度変動の制御動作を説明するための図である。

【図4】図４は、種々の変調速度ごとの、モード間群遅延時間差Δβ１（絶対値）と分割数Ｎと関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

［本開示が解決しようとする課題］
本開示は、従来のＦＩＦＯデバイスの構造上避けられない課題、すなわち、光信号伝送における信号変調時に必要な周波数帯域内での低次モードと高次モードとの干渉（Multipass Interference、以下、「ＭＰＩ」と記す）に起因する光信号強度変動を制御することにより、接続されるべき一対の光ファイバ間におけるコア同士のシングルモード接続を可能にする光導波路デバイスおよびそれを含む光通信システムを提供することを目的としている。

【0008】

［本開示の効果］
本開示の光導波路デバイスによれば、光信号伝送における信号変調時に必要な周波数帯域内でのＭＰＩに起因する光信号強度変動が制御可能になり、その結果、接続されるべき一対の光ファイバ間におけるコア同士のシングルモード接続が可能になる。

【0009】

まず、ＦＩＦＯデバイス等の光導波路デバイスに要求される構造的特長について説明する。

【0010】

ＦＩＦＯデバイスでは、複数並んだコア（導波路）のピッチを光の伝搬方向に沿って変換するため、各コアは、通常、曲げ構造を有する。そのため、当該ＦＩＦＯデバイス内において光がコアを伝搬している間に曲げ損失が発生する。したがって、一対の光ファイバ間（実質的には一対一に対応するコア間）を低損失に接続するためには、曲げ損失の抑制が必要になる。また、ＦＩＦＯデバイス内において、隣接するコア間の最小ピッチは、５０μｍ以下となり、隣接するコア間でのクロストークの増加が光信号伝送におけるノイズ要素となる。そのため、クロストークの抑制も必要になる。

【0011】

上述の曲げ損失およびクロストークの抑制について検討すれば、当該ＦＩＦＯデバイス内におけるコア－クラッド間の比屈折率差（例えば波長５８９［ｎｍ］において、クラッドの屈折率を基準としたコアの比屈折率差）を増加させ、コア内への光閉じ込めを強化するのが効果的である。ただし、コアの比屈折率差Δの増加は、当該ＦＩＦＯデバイスのＭＦＤ（モードフィールド径）の減少を引き起こし、シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）との結合損失を増加させる。そのため、当該ＦＩＦＯデバイスでは、コアの比屈折率差Δの増加に伴い、コア幅（またはコア直径）の拡大が必要になる。

【0012】

しかしながら、コアの比屈折率差Δを増加させるとともにコア幅を拡大した場合、導波させたい基底モードのみならず導波させたくない高次モードも導波可能になる。光信号伝送においては、この高次モードの光伝搬が一般的に問題になる。すなわち、シングルモード伝送用のＦＩＦＯデバイス等の光導波デバイスでは、高次モードが導波しうる構造の場合、基底モードと高次モードとの間の干渉（ＭＰＩ）の発生が問題になる。

【0013】

そこで、本開示の導波路デバイスは、上述のＭＰＩを積極的に排除するのではなく、信号変調に必要な周波数帯域内でのＭＰＩに起因する光信号強度変動を低減するように制御することで、接続されるべき一対の光ファイバ間のシングルモード接続を確保する。

【0014】

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。

【0015】

（１） 本開示の光導波路デバイスは、２５×１０^９［Ｈｚ］以上１０００×１０^９［Ｈｚ］以下のいずれかの周波数で定義される変調速度で変調された、波長λ０の光信号に対するシングルモード伝送用の光学デバイスである。具体的に当該光導波路デバイスは、その一態様として、第一デバイス端面と、第一デバイス端面に対向する第二デバイス端面と、導波路と、クラッド層と、を備える。導波路は、第一デバイス端面に一致した第一導波路端面と、第二デバイス端面に一致した第二導波路端面とを有し、次数の異なる複数のモードの光を導波する。また、導波路は、第一導波路端面から第二導波路端面までの光路上に１またはそれ以上の曲げ部を有する。クラッド層には、導波路が内部または表面に設けられている。クラッド層は、導波路の屈折率よりも低い屈折率を有する。特に、導波路は、５×１０^６［ｎｍ］以上１００×１０^６［ｎｍ］以下の導波路長Ｌを有するとともに、以下の式：
｜Δβ１｜≦１／（Ｎ・２Δｆ・Ｌ）
で与えられる条件を満たす構造を有する。なお、導波路長Ｌは、第一導波路端面から第二導波路端面までの光路長で定義される。また、上記式中、パラメータ「Δβ１」はモード間群遅延時間差である。パラメータ「Ｎ」は複数のモード間のＭＰＩに起因した光信号強度変動の光周波数に対する振動周期Ｔｆを分割する整数値であって１０以上１００以下のいずれかの整数で定義される分割数である。パラメータ「Δｆ」は２５×１０^９［Ｈｚ］以上１０００×１０^９［Ｈｚ］以下のいずれかの周波数（例えば、Δｆ＝２５[ＧＨｚ］は２５［ＧＢａｕｄ］に相当）で定義される変調速度である。

【0016】

（２） 本開示の一態様として、曲げ部は、４０ｍｍ以下の曲率半径ｒを有するのが好ましい。当該光導波路デバイスはＦＩＦＯ（Fan-In/Fan-Out）デバイスに適用可能であり、コアピッチの異なる光ファイバ間の光学的な接続を可能にする。ただし、導波路長Ｌは、曲げ損失が大きくなり過ぎないように（曲率半径ｒが小さくなりすぎないように）、５×１０^６［ｎｍ］以上であるのが好ましい。一方、デバイスの取り扱いの容易さを確保するため、導波路長Ｌは、１００×１０^６［ｎｍ］以下であるのが好ましい。

【0017】

（３） 本開示の光通信システムは、その一態様として、少なくとも一対の光ファイバと、該一対の光ファイバの間に設けられた、上述のような構造を有する光導波路デバイス（本開示の光導波路デバイス）と、を備える。上述のような構造を有する光導波路デバイスが適用されることにより、一対の光ファイバは、コア同士がシングルモード接続され得る。

【0018】

（４） 本開示の一態様として、当該光通信システムにおいて、光導波路デバイスを挟むように配置される一対の光ファイバそれぞれは、シングルコア光ファイバ（以下、「ＳＣＦ」と記す）、または、マルチコア光ファイバ（以下、「ＭＣＦ」と記す）を含むのが好ましい。特に、一対の光ファイバの一方がＭＣＦを含む場合、基地局等における配線スペースの効率的な利用が可能になる。

【0019】

以上、この[本開示の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。

【0020】

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の実施形態に係る光導波路デバイスおよび光通信システムの具体的な構造を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

【0021】

図１は、本開示の光通信システムの構成例（システム構成）を説明するための図である。図１の上段には、本開示の光通信システムの一般的な構成例が示されている。図１の中段には、当該光通信システムのＦＩＦＯデバイスとして適用可能な、融着延伸型の光導波路デバイス５０Ａの構成例が示されている。また、図１の下段には、当該光通信システムのＦＩＦＯデバイスとして適用可能な、ＰＬＣ（平面光回路：Planar Lightwave Circuit）型の光導波路デバイス５０Ｂの構成例が示されている。なお、本開示の光通信システムのＦＩＦＯデバイスは、光回路が立体的に配置された光導波路デバイスであってもよい。

【0022】

当該光通信システムは、複数の光送信器（以下、「ＴＸ」と記す）１０と、複数の光受信器（以下、「ＲＸ」と記す）２０と、ＭＣＦ（マルチコア光ファイバ）４０と、一対のＦＩＦＯデバイス５０（複数のＴＸ１０とＭＣＦ４０の間に位置するＦＩＦＯデバイスを「入力側ＦＩＦＯデバイス」と記し、ＭＣＦ４０と複数のＲＸ２０の間に位置するＦＩＦＯデバイスを「出力側ＦＩＦＯデバイス」と記す）と、複数のＴＸ１０と入力側ＦＩＦＯデバイスとの間、および、出力側ＦＩＦＯデバイスと複数のＲＸ２０との間の双方に配置された複数のＳＣＦ（シングルコア光ファイバ）３０と、を備える。ＴＸ１０は、例えば波長１３１０［ｎｍ］、１５５０［ｎｍ］等の光信号に対して２５×１０^９［Ｈｚ］以上１０００×１０^９［Ｈｚ］以下のいずれかの変調速度Δｆ（例えば、２５×１０^９［Ｈｚ］、５０×１０^９［Ｈｚ］、１００×１０^９［Ｈｚ］、２００×１０^９［Ｈｚ］、５００×１０^９［Ｈｚ］、１０００×１０^９［Ｈｚ］等）で変調を行う。

【0023】

複数のＳＣＦ３０のうち複数のＴＸ１０にそれぞれ対応したＳＣＦ３０は、複数のＴＸ１０と入力側ＦＩＦＯデバイスとの間に配置され、複数のＲＸ２０にそれぞれ対応したＳＣＦ３０は、複数のＲＸ２０と出力側ＦＩＦＯデバイスとの間に配置されている。複数のＴＸ１０から光信号がそれぞれ出力され、複数のＲＸ２０は複数のＴＸ１０からの光信号をそれぞれ受光する。したがって、複数のＳＣＦ３０は、複数のＴＸ１０からの光信号を入力側ＦＩＦＯデバイスへ個別に伝搬させるための導波路として、または、出力側ＦＩＦＯデバイスからの光信号を複数のＲＸ２０へ個別に伝搬させるための導波路として、機能する。また、複数のＳＣＦ３０それぞれは、中心軸に沿って伸びた単一コアと、該単一コアを取り囲むクラッドと、を有する。

【0024】

一対のＦＩＦＯデバイス５０（入力側ＦＩＦＯデバイスと出力側ＦＩＦＯデバイス）の間に設けられたＭＣＦ４０は、中心軸に沿って延びる複数のコアと、該複数のコアそれぞれを取り囲む共通クラッドと、を有する。また、該一対のＦＩＦＯデバイス５０それぞれは、複数のＳＣＦ３０のコアを、ＭＣＦ４０の複数のコアのうち対応するコアにそれぞれシングルモード接続させる光学デバイスであり、光の伝搬方向に沿って導波路ピッチ（コアピッチ）が変換されている。

【0025】

一対のＦＩＦＯデバイス５０には、例えば、図１の中段に示された光導波路デバイス５０Ａが適用可能である。光導波路デバイス５０Ａは、コア３１およびクラッド３２をそれぞれが有する複数のＳＣＦ３０の先端部分がバンドル化された状態で融着されるとともに、該融着された先端部分の端面３００におけるコアの配列（ピッチ）がＭＣＦ４０におけるコアの配列（ピッチ）に一致するよう延伸された構造を有する。ＭＣＦ４０も、複数のコア４１と共通クラッド４２を有し、光導波路デバイス５０Ａの端面（実質的にＳＣＦ３０の端面３００）において、ＭＣＦ４０の各コア４１と、複数のＳＣＦ３０の各コア３１が光学的に接続（例えば融着接続）される。光導波路デバイス５０Ａを構成する複数のＳＣＦ３０のうち融着部分の横断面で周辺に位置するＳＣＦ３０のコア３１には、融着部分の横断面で中央に位置するＳＣＦ３０のコアに設けられた曲げ部よりも、曲率半径ｒが小さい曲げ部が形成される。この光導波路デバイス５０Ａでは、各コア３１は、ＳＣＦ３０のクラッド３２により一体的に取り囲まれている。なお、この光導波路デバイス５０Ａの場合、ＳＣＦ３０の融着部分のうち隣接するコア３１のピッチが変化し始める位置が第一デバイス端面に相当し、ＳＣＦ３０の端面３００の位置が第二デバイス端面に相当する。この光導波路デバイス５０Ａの導波路長Ｌは、延伸部分の急激なコア径変動による過剰損失を抑制するために、１０～１００ｍｍが好適である。導波路長の上限は、８０×１０^６［ｎｍ］、６０×１０^６［ｎｍ］、４０×１０^６［ｎｍ］、または２０×１０^６［ｎｍ］であってもよい。

【0026】

また、図１の下段に示されたＰＬＣ型の光導波路デバイス５０Ｂも、一対のＦＩＦＯデバイス５０に適用可能である。光導波路デバイス５０Ｂは、それぞれがコア３１およびクラッド３２を有する各ＳＣＦ３０の端面３００が固定される第一デバイス端面と、ＭＣＦ４０の端面４００が固定される第二デバイス端面と、を有する。第一デバイス端面と第二デバイス端面との間には、各ＳＣＦ３０のコア３１を、ＭＣＦ４０の対応するコア４１にシングルモード接続するためのデバイス内コア（当該光導波路デバイス５０Ｂ内の導波路）が、クラッド層の表面付近、または内部に形成されている。デバイス内コアの断面形状は、円形、半円形、矩形のいずれであってもよい。特に、デバイス内コアが矩形断面を有する矩形導波路である場合、一例として、クラッド層の下地層上に矩形導波路が形成された後、該矩形導波路を覆うようにクラッド層の上層が設けられる。この光導波路デバイス５０Ｂの導波路長Ｌは、取り扱いやすさの観点から５～２０ｍｍが好適である。

【0027】

図２は、本開示の光導波路デバイスの構成例（デバイス構成）として、ＰＬＣ型の光導波路デバイス５０Ｂの例を詳述するための図である。

【0028】

図２の上段に示されたＰＬＣ型の光導波路デバイス５０Ｂは、それぞれがコア３１およびクラッド３２を有するＳＣＦ３０の端面３００（図１の下段参照）が固定される第一デバイス端面５０ａと、ＭＣＦ４０の端面４００（図１の下段参照）が固定される第二デバイス端面５０ｂと、を有する。第一デバイス端面５０ａと第二デバイス端面５０ｂとの間には、ＳＣＦ３０のコア３１それぞれを、ＭＣＦ４０の対応するコア４１にシングルモード接続するためのコア（導波路）５１が、クラッド層５２の表面付近、または内部に形成されている。コア５１の第一端面（第一導波路端面）５１ａは、第一デバイス端面５０ａに一致しており、コア５１の第二端面（第二導波路端面）５１ｂは、第二デバイス端面５０ｂに一致している。コア５１は、第一端面５１ａから第二端面５１ｂとの間に設けられた、少なくとも１つの曲げ部５５を有し、該曲げ部５５は、４０ｍｍ以下の曲率半径ｒを有する。クラッド層５２に対するコア５１の比屈折率差、および、コア５１の幅は、ＳＣＦ３０およびＭＣＦ４０に対応して、適宜決められる。クラッド層５２に対するコア５１の比屈折率差の下限は、例えば０．２５％、０．３０％、または０．３５％である。上限は、例えば０．６％、０．７％、または０．８％である。また、コア５１の幅の下限は、例えば６．５μｍ、７．０μｍ、または７．５μｍである。上限は、例えば８．０μｍ、８．５μｍ、または９．０μｍである。この構成により、コア５１を、次数の異なる複数のモードの光が導波する。コア５１の導波路長Ｌは、曲げ損失が大きくなり過ぎないように（曲率半径ｒが小さくなりすぎないように）、５×１０^６［ｎｍ］以上であるのが好ましい。一方、デバイスの取り扱いの容易さを確保するため、導波路長Ｌは、２０×１０^６［ｎｍ］以下であるのが好ましい。

【0029】

なお、クラッド層５２の表面にコア５１が形成される場合、コア５１は、半円形状または矩形の断面を有する。また、クラッド層５２内にコア５１が形成される場合、コア５１は、円形形状または矩形の断面を有する。いずれの場合も、コア５１の幅は、該コア５１をクラッド層５２の表面に投影したときに得られる平面図形において、該コア５１の長手方向に直交する方向に沿った最大幅で与えられる。また、コア５１がクラッド層５２内に設けられる場合、下地層（under cladding）の上にコア５１と上層（over cladding）とを順に積んでもよく、クラッド層５２に対してレーザ光を照射してクラッド層５２の中に描画してもよい。

【0030】

図２の下段に示されたように、一般に、曲率半径ｒの曲げ部５５０が設けられた導波路５１０の一方の端面５１０ａから所定波長の光が入力されると、該入力された光が他方の端面５１０ｂへ向かって導波路長Ｌだけ伝搬する過程で、低次モードと高次モードの光が発生する。このとき、コア５１内を伝搬する低次モードと高次モードとの間でＭＰＩが発生する。このＭＰＩの発生は、光信号伝送における信号変調時に問題となる（信号変調時に必要な周波数帯域内で、ＭＰＩに起因した光信号強度変動が発生する）。そのため、本開示の光導波路デバイス（一対のＦＩＦＯデバイス５０に相当）は、コア同士が光学的に接続される一対の光ファイバ間におけるシングルモード接続を可能にするよう設計されている。

【0031】

図３は、ＭＰＩに起因する光信号強度変動の制御動作を説明するための図である。図３の上段には、ＭＰＩに起因した光信号強度の周波数依存性が示されており、この周波数特性は、ＭＰＩに起因した光信号強度の光周波数に対する振動周期Ｔｆにより特徴付けられる。

【0032】

本開示では、低次モードと高次モードの干渉モード（ＭＰＩ）が当該光通信（変調）システムへ与える影響を、図３の中段および下段に示された「光信号強度変動の変動率」として定量化し、このＭＰＩ起因の「光信号強度変動の変動率」が信号変調時に必要な周波数帯域内で問題とならない条件を、以下のように定義する。

【0033】

導波路長Ｌ［ｍｍ］を有する光導波路デバイスにおいて、低次モードと高次モード間の群遅延時間差、すなわち、モード間群遅延時間差Δβ１［ｓ／ｎｍ］と、ＭＰＩに起因する光信号強度変動の周波数依存性が持つ光周波数に対する振動周期Ｔｆ［Ｈｚ］（図３の上段）との間には、以下の第一関係式：
Ｔｆ［Ｈｚ］＝１／（｜Δβ１｜・Ｌ）
が成立している。

【0034】

ここで、各モードの群遅延時間β１は、以下の式（１）：

【数1】

λ０：信号波長
ｃ：光速
で与えられる。上記式（１）で与えられる群遅延時間は、中心周波数ω０における伝搬定数βの１階微分値であり、群速度Ｖｇの逆数である。

【0035】

このＭＰＩに起因した光信号強度変動が信号変調時のノイズとなることを防ぐため、ＭＰＩの光周波数に対する振動周期Ｔｆ［Ｈｚ］は、信号変調に必要な周波数帯域２Δｆより十分に大きくする必要がある（Δｆは変調速度のレートであって、２５[ＧＨｚ］以上）。具体的には、図３の中段に示されたように、振動周期Ｔｆ［Ｈｚ］を整数Ｎで分割した周波数範囲内で変調する（変調に必要な周波数帯域２ΔｆをＴｆ／Ｎ以内とする）こととし、図３の下段に示されたように分割する数Ｎを増加させることで、ＭＰＩに起因した光信号強度変動の変動率を任意に抑制することができる。なお、図３の中段において、縦軸は、光信号強度の変動幅を１（最大強度を０．５、最小強度を－０．５に設定）とした正規化強度を示す。つまり、変調速度Δｆは、光周波数に対する振動周期Ｔｆおよびその分割数Ｎに対して、以下の第二関係式：
２×Δｆ［Ｈｚ］≦Ｔｆ［Ｈｚ］／Ｎ
を満たすよう設定される。これは、周波数ｆ_０を中心とした（ｆ_０－Δｆ）［Ｈｚ］以上（ｆ_０＋Δｆ）［Ｈｚ］以下の範囲に、ＭＰＩによる光信号強度変動への影響を限定することを意味する。換言すれば、最大変動幅Ａ_ｍａｘの光信号強度変動を変動幅Ａ_ｍｉｎの光信号強度変動として取り扱うことを意味する。

【0036】

例えば、図３の下段に示されたように、分割数Ｎが１０のときＭＰＩ起因の光信号強度変動の最大変動率は３１％である。分割数Ｎが２０のとき最大変動率は１６％である。分割数Ｎが５０のとき最大変動率は６％である。分割数Ｎが１００のときＭＰＩ起因の光信号強度変動の最大変動率は３％である。

【0037】

更に、上記第一関係式を上記第二関係式に代入することにより、以下の式：
｜Δβ１｜≦１／（Ｎ・２Δｆ・Ｌ）
が得られる。なお、「Ｌ」は導波路長、「Δβ１」はモード間群遅延時間差、「Ｎ」は光周波数に対する振動周期Ｔｆを分割する整数値であって１０以上１００以下のいずれかの整数で定義される分割数、「Δｆ」は２５×１０^９［Ｈｚ］以上１０００×１０^９［Ｈｚ］以下のいずれかの周波数（例えば、Δｆ＝２５[ＧＨｚ］は２５［ＧＢａｕｄ]に相当）で定義される変調速度である。｜Δβ１｜≦２×１０^－１２[ｓ]／Ｌを満たす光導波路デバイスでは、変調速度Δｆ＝２５×１０^９［Ｈｚ］の信号に対して分割数を１０以上にでき、変調信号の強度変動はＭＰＩ起因の最大光信号強度変動に対して３１％以下に抑えることができる。

【0038】

図４は、上述の種々の変調速度ごとの、モード間群遅延時間差Δβ１（絶対値）と分割数Ｎと関係を示すグラフである。用意された光導波路デバイスは、導波路として、高次モードを許容する、ＳＩ（Step Index）型の屈折率プロファイルを有するとともに矩形断面を有するコアを有するＦＩＦＯデバイスであり、図４の上段には、１０ｍｍの導波路長Ｌを有する光導波路デバイスにおけるΔβ１（絶対値）と分割数Ｎと関係、図４の下段には、４０ｍｍの導波路長Ｌを有する光導波路デバイスにおけるΔβ１（絶対値）と分割数Ｎと関係が示されている。

【0039】

具体的に、用意されたＦＩＦＯデバイスにおいて、クラッド層に対するコアの比屈折率差Δは、サンプル１（本開示の実施形態としてのＦＩＦＯデバイス）および比較例１が０．５％、サンプル２（本開示の実施形態としてのＦＩＦＯデバイス）および比較例２が０．７％である。コア幅は、サンプル１および比較例１が８μｍ、サンプル２および比較例２が８．５μｍである。用意された全てのＦＩＦＯデバイスにおいて、最小コアピッチは、３５μｍであり、コアに設けられた曲げ部の曲率半径ｒは、２０ｍｍである。また、コアの導波路長Ｌは、サンプル１およびサンプル２が１０ｍｍ（図４の上段）、比較例１および比較例２が４０ｍｍ（図４の下段）である。このＦＩＦＯデバイスに対して波長λ０＝１３１０［ｎｍ］の光信号が入力される。

【0040】

なお、上述の構造を有するＦＩＦＯデバイスにおいて、理論曲げ損失は、用意された全てのＦＩＦＯデバイスにおいて、ほぼ０ｄＢ／ｍｍである。実測クロストークは、サンプル１および比較例１が－４０ｄＢ以下、サンプル２および比較例２が－５０ｄＢ以下である。また、モード間群遅延時間差Δβ１に関し、低次モード（基底モード）の群遅延時間β１は、サンプル１および比較例１が４．９０４×１０^－１８［ｓ／ｎｍ］、サンプル２および比較例２が４．９１４×１０^－１８［ｓ／ｎｍ］である。導波路内を導波する最高次のモードの群遅延時間β１は、サンプル１および比較例１が４．９０５×１０^－１８［ｓ／ｎｍ］（一次）、サンプル２および比較例２が４．９１９×１０^－１８［ｓ／ｎｍ］（二次）である。このとき、モード間群遅延時間差Δβ１の絶対値は、サンプル１および比較例１が５．２１１×１０^－２２［ｓ／ｎｍ］（＝｜（４．９０４―４．９０５）|×１０^－１８）、サンプル２および比較例２が４．７１７×１０^－２１［ｓ／ｎｍ］（＝｜（４．９１４―４．９１９）|×１０^－１８）である。

【0041】

図４の上段および下段において、グラフＧ５１０ＡおよびグラフＧ５１０Ｂは、変調速度Δｆ＝２５[ＧＨｚ］のときの分割数ＮとΔβ１（絶対値）の関係を示し、グラフＧ５２０ＡおよびグラフＧ５２０Ｂは、変調速度Δｆ＝５０[ＧＨｚ］のときの分割数ＮとΔβ１（絶対値）の関係を示し、グラフＧ５３０ＡおよびグラフＧ５３０Ｂは、変調速度Δｆ＝１００[ＧＨｚ］のときの分割数ＮとΔβ１（絶対値）の関係を示し、グラフＧ５４０ＡおよびグラフＧ５４０Ｂは、変調速度Δｆ＝２００[ＧＨｚ］のときの分割数ＮとΔβ１（絶対値）の関係を示し、グラフＧ５５０ＡおよびグラフＧ５５０Ｂは、変調速度Δｆ＝５００[ＧＨｚ］のときの分割数ＮとΔβ１（絶対値）の関係を示し、グラフＧ５６０ＡおよびグラフＧ５６０Ｂは、変調速度Δｆ＝１[ＴＨｚ］のときの分割数ＮとΔβ１（絶対値）の関係を示している。また、グラフＧ４１０は、サンプル１の構造を有するＦＩＦＯデバイスについて、分割数ＮとΔβ１（絶対値）の関係を示しており、変調速度Δｆが２５[ＧＨｚ］から１[ＴＨｚ］の全ての場合において、式：｜Δβ１｜≦１／（Ｎ・２Δｆ・Ｌ）が満たされていることが確認できる。グラフＧ４２０は、サンプル２の構造を有するＦＩＦＯデバイスについて、分割数ＮとΔβ１（絶対値）の関係を示しており、変調速度Δｆが２５[ＧＨｚ］から１００[ＧＨｚ］の場合において、式：｜Δβ１｜≦１／（Ｎ・２Δｆ・Ｌ）が満たされていることが確認できる。一方、導波路長Ｌが２０ｍｍを超えている比較例１の構造を有するＦＩＦＯデバイス（グラフＧ４３０）では、変調速度Δｆは２００[ＧＨｚ］まで、比較例２の構造を有するＦＩＦＯデバイス（グラフＧ４４０）では、変調速度Δｆは２５[ＧＨｚ」までに制限される。なお、接続された光ファイバと当該ＦＩＦＯデバイスとの間における理論結合損失は、サンプル１および比較例１が０．０５［ｄＢ］未満、サンプル２および比較例２が０．０８［ｄＢ］未満である。

【0042】

以上のように、本開示の光導波路デバイスによれば、低曲げ損失および低クロストーク、更には低結合損失を達成するとともに、モード間群遅延時間差Δβ１が式：｜Δβ１｜≦１／（Ｎ・２Δｆ・Ｌ）を満たしている。これは、低次モードと高次モードとの干渉（ＭＰＩ）に起因した光信号の劣化は顕著でないことを示している。したがって、本開示の光通信システム上では問題とならない。

【符号の説明】

【0043】

１０…ＴＸ（光送信器）、２０…ＲＸ（光受信器）、３０…ＳＣＦ（シングルコア光ファイバ）、３１…コア、３２…クラッド、３００…端面、４０…ＭＣＦ（マルチコア光ファイバ）、４１…コア、４２…共通クラッド、４００…端面、５０…ＦＩＦＯデバイス、５０Ａ、５０Ｂ…光導波路デバイス（ＦＩＦＯデバイス）、５０ａ…第一デバイス端面、５０ｂ…第二デバイス端面、５１…コア（導波路）、５１ａ…第一端面（第一導波路端面）、５１ｂ…第二端面（第二導波路端面）、５２…クラッド層、５５…曲げ部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】