JP6487805B2 - Waveguide type mode converter - Google Patents
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Description
本発明は、光通信用のマルチモード伝送において、モード合分波器を構成するモード変換器に関する。 The present invention relates to a mode converter constituting a mode multiplexer / demultiplexer in multimode transmission for optical communication.
スマートフォン等の普及により、大量のトラフィックを伝送することができる通信回線が必要になっており、アジア、北米および欧州では、光通信回線基幹網の大容量化がすすめられている。この大容量化のために、多値変調技術や高密度波長多重(DWDM)技術が用いられてきたが、近年、空間多重伝送(SDM)技術が注目されてきている。 With the spread of smartphones and the like, a communication line capable of transmitting a large amount of traffic is required. In Asia, North America and Europe, an increase in capacity of an optical communication line backbone network is promoted. In order to increase the capacity, multilevel modulation technology and dense wavelength division multiplexing (DWDM) technology have been used, but in recent years, spatial multiplexing transmission (SDM) technology has attracted attention.
このようなSDM技術の一つであるマルチモード伝送とは、一本のファイバー上で複数の伝搬モードの光信号のそれぞれに信号を乗せて伝送する多重伝送技術であり、複数のコアを利用するマルチコア伝送と合わせて用いられる場合が多く、空間多重数を上げるための有力な伝送手段となっている。このマルチモード伝送では、モード合分波器が必要になる。すなわち、基本モードで受けた光信号を高次モードに変換して合波し、フューモードファイバー(FMF: Few Mode Fiber)へその合波信号を送り出すモード合波器、およびフューモードファイバーを介した信号を分岐して基本モードに変換するモード分波器である。このようなモード合分波器では、基本モードから高次モード、または高次モードから別の高次モードに変換するモード変換器が使用される。 Multi-mode transmission, which is one of such SDM techniques, is a multiplex transmission technique that transmits a signal on each of a plurality of propagation mode optical signals on a single fiber, and uses a plurality of cores. It is often used in combination with multi-core transmission, and is an effective transmission means for increasing the number of spatial multiplexing. In this multimode transmission, a mode multiplexer / demultiplexer is required. In other words, the optical signal received in the basic mode is converted into a higher-order mode, multiplexed, and sent to the FMF (Few Mode Fiber). It is a mode duplexer that splits a signal and converts it to a fundamental mode. In such a mode multiplexer / demultiplexer, a mode converter for converting from the fundamental mode to the higher order mode or from the higher order mode to another higher order mode is used.
PLC(平面光波回路)型のモード合分波器は、低損失や集積性などの観点から、マルチモード伝送用の合分波器の主な候補の一つに挙げられる。 A PLC (planar lightwave circuit) type mode multiplexer / demultiplexer is one of the main candidates for multimode transmission / demultiplexers from the viewpoint of low loss and integration.
非特許文献1に記載されたモード合分波器は、方向性結合器と垂直方向用のモード変換器とを用いて、4つのモードの合分波を形成する。非特許文献1では、4つのモードは、LP01、LP11a、LP11b、LP21aで表記されているが、これらは、それぞれ、E11、E21、E12、E22に対応している。E11、E21、E12、E22は、基本的に方形の断面を有する光導波路を伝搬する光の電界分布を表している。この電界分布を、一般的にEMN(M,Nは整数)で表記した場合、EMNは、x軸方向(基板水平方向)における電界分布の山と谷の合計数がMであり、y軸方向(基板垂直)における電界分布の山と谷の合計数がNであることを表す。上記E12は、x軸方向における電界分布の山と谷の合計数は1であり、y軸方向における山と谷の合計数が2であるモードを表す。これらの内容については、非特許文献2(P27〜P30)に記載されているとおりである。 The mode multiplexer / demultiplexer described in Non-Patent Document 1 forms four modes of multiplexing / demultiplexing using a directional coupler and a vertical mode converter. In Non-Patent Document 1, the four modes are represented by LP 01 , LP 11a , LP 11b , and LP 21a , which correspond to E 11 , E 21 , E 12 , and E 22 , respectively. . E 11 , E 21 , E 12 , and E 22 represent electric field distributions of light propagating through an optical waveguide having a basically rectangular cross section. When this electric field distribution is generally expressed by E MN (M and N are integers), E MN has M as the total number of peaks and valleys of the electric field distribution in the x-axis direction (substrate horizontal direction), y The total number of peaks and valleys of the electric field distribution in the axial direction (substrate vertical) is N. E 12 represents a mode in which the total number of peaks and valleys in the electric field distribution in the x-axis direction is 1, and the total number of peaks and valleys in the y-axis direction is 2. These contents are as described in Non-Patent Document 2 (P27 to P30).
一般に、x軸方向は導波路基板の水平方向を、y軸方向は導波路基板の垂直方向を、z軸方向は光の伝搬方向を、それぞれ表す。 In general, the x-axis direction represents the horizontal direction of the waveguide substrate, the y-axis direction represents the vertical direction of the waveguide substrate, and the z-axis direction represents the light propagation direction.
典型的な石英系PLCチップは、Si基板または石英基板上に、下部クラッド、コアおよび上部クラッドが積層されている。非特許文献1のモード合分波器は、図11(a)に示すコア400を有する基板垂直方向用のモード変換器を備える。一般に、石英系PLCのコアは四角形状で形成されるが、図11に示したコア400は、図11(a)に示すような切欠き410を備える。図11(a)に示した矢印は、導波路の対称軸を示してある。この対称軸に対して対称なモードがこの導波路中を伝搬する光の固有モードとなる。このときの固有モードは、図11(b)および図11(c)に示してある。 A typical quartz-based PLC chip has a lower clad, a core, and an upper clad laminated on a Si substrate or a quartz substrate. The mode multiplexer / demultiplexer of Non-Patent Document 1 includes a mode converter for a substrate vertical direction having a core 400 shown in FIG. In general, a quartz PLC core is formed in a quadrangular shape, but the core 400 shown in FIG. 11 includes a notch 410 as shown in FIG. The arrow shown in FIG. 11A indicates the symmetry axis of the waveguide. A mode symmetric with respect to the symmetry axis is an eigenmode of light propagating in the waveguide. The eigenmodes at this time are shown in FIGS. 11 (b) and 11 (c).
図11(a)に示したコアを備えた導波路にE21モードが入射されると、図11(b)に示したモードと図11(c)に示したモードとが励振し、それぞれのモードが異なる実効屈折率で伝搬し、それぞれの実効屈折率の差に反比例したビート長で干渉する。導波路を伝搬する光の伝搬長を調整することにより、図11(b)および図11(c)に示した2つのモードがある位相差で重なり、E12が生成されることになる。つまり、E21からE12へモード変換が実現する。 When the E 21 mode is incident on the waveguide having the core shown in FIG. 11A, the mode shown in FIG. 11B and the mode shown in FIG. 11C are excited, and the respective modes are excited. The modes propagate with different effective refractive indexes and interfere with a beat length inversely proportional to the difference between the effective refractive indexes. By adjusting the propagation length of the light propagating through the waveguide, the two modes shown in FIGS. 11B and 11C overlap with a certain phase difference, and E 12 is generated. That is, mode conversion from E 21 to E 12 is realized.
特許文献1に記載されたモード合分波器は、方向性結合器を備えた石英系PLCチップを90度傾けて接続することにより、E11からE32までの6つのモードを合分波することができるようになっている(同文献の第1の実施形態)。 The mode multiplexer / demultiplexer described in Patent Document 1 multiplexes and demultiplexes six modes from E 11 to E 32 by connecting a quartz PLC chip having a directional coupler tilted by 90 degrees. (First embodiment of the same document).
非特許文献1に記載の基板垂直方向用のモード変換器は、E12からE21にモード変換する機能を有し、基板水平方向用のモード変換器(方向性結合器)と併用することで、E11からE12、E21およびE22のモード変換を行う。しかしながら、このモード変換器では、E13へのモード変換は行うことができないため、変換できるモード数が制約される。したがって、通信の大容量化が実現し得ない。 The mode converter for the substrate vertical direction described in Non-Patent Document 1 has a function of mode conversion from E 12 to E 21 and is used in combination with a mode converter (directional coupler) for the substrate horizontal direction. , E 11 to E 12 , E 21 and E 22 mode conversion is performed. However, in this mode converter, it is not possible to carry out the mode conversion to the E 13, the number of modes that can be converted is limited. Therefore, a large communication capacity cannot be realized.
特許文献1に記載のモード変換器では、基板垂直方向のモード変換のため、PLCチップとPLCチップとが90度傾けて接続されている。しかしながら、PLCチップとPLCチップとを90度傾けて接続することによってモード変換器の小型化が制約される。 In the mode converter described in Patent Document 1, the PLC chip and the PLC chip are connected with an inclination of 90 degrees for mode conversion in the substrate vertical direction. However, downsizing of the mode converter is restricted by connecting the PLC chip and the PLC chip with an inclination of 90 degrees.
上記の課題を解決するための発明は、基板上に形成された導波路型モード変換器であって、クラッド層と、前記クラッド層より屈折率の高いコア層とを有する第1の導波路と、基板垂直方向に前記コア層と前記クラッド層とが交互に積層され、前記コア層が3層構造を有する第2の導波路と、前記コア層と前記クラッド層とを有するマルチモード導波路とを含み、前記第1の導波路、前記第2の導波路、および前記マルチモード導波路は、それぞれこの順に接続されている。 An invention for solving the above-mentioned problems is a waveguide mode converter formed on a substrate, the first waveguide having a cladding layer and a core layer having a higher refractive index than the cladding layer, The core layer and the clad layer are alternately stacked in a direction perpendicular to the substrate, the core layer has a three-layer structure, and the multimode waveguide has the core layer and the clad layer. The first waveguide, the second waveguide, and the multimode waveguide are each connected in this order.
前記第1の導波路にE11モードの光が入射された場合、前記第2の導波路では、当該第2の導波路の固有伝搬モードのうちの少なくとも2つのモードが励振されて当該少なくとも2つのモードが干渉し、前記マルチモード導波路では、前記干渉により高次のE13モードの光を出射するように構成するようにしてもよい。 When E 11 mode light is incident on the first waveguide, at least two of the eigenpropagation modes of the second waveguide are excited and the at least 2 modes are excited in the second waveguide. One of the modes interfere, in the multi-mode waveguide may be configured to emit light of higher E 13 modes by the interference.
前記第2の導波路において励振されたモードは、2つとしてもよい。 前記第2の導波路において、前記コア層の前記3層構造は、上層、中間層および下層を含み、前記上層と前記下層とは、前記中間層に対して対称構造としてもよい。 There may be two modes excited in the second waveguide. In the second waveguide, the three-layer structure of the core layer may include an upper layer, an intermediate layer, and a lower layer, and the upper layer and the lower layer may be symmetrical with respect to the intermediate layer.
前記第2の導波路は、前記E11モードから前記E13モードへの変換効率が最大となるよう、光伝搬方向の長さを設定するようにしてもよい。 The length of the second waveguide may be set in the light propagation direction so that the conversion efficiency from the E 11 mode to the E 13 mode is maximized.
本発明によれば、基板垂直方向に対してより高次のモードに変換することができるので通信の大容量化が実現できる。また、本発明によれば、導波路のそれぞれを接続して構成するので、小型化が実現できる。 According to the present invention, since it is possible to convert to a higher order mode with respect to the vertical direction of the substrate, an increase in communication capacity can be realized. In addition, according to the present invention, since each of the waveguides is connected, the size can be reduced.
以下、本発明の一実施形態である導波路型モード変換器(以下、単に「モード変換器」と略記する。)1について説明する。このモード変換器1は、基底モードE11の光を入射して高次モードE13の光を出射する石英系PLC型モード変換器である。E11は、基板水平方向および基板垂直方向における電界分布の山と谷の合計数がともに1であるモードを表し、E13は、基板水平方向における電界分布の山と谷の合計数が1で、かつ基板垂直方向における電界分布の山と谷の合計数が3であるモードを表す。 Hereinafter, a waveguide type mode converter (hereinafter simply referred to as “mode converter”) 1 according to an embodiment of the present invention will be described. The mode converter 1 is a silica-based PLC type mode converter that receives light of a fundamental mode E 11 and emits light of a higher-order mode E 13 . E 11 represents a mode in which the total number of peaks and valleys of the electric field distribution in the horizontal direction and the vertical direction of the substrate is 1, and E 13 represents a total number of peaks and valleys of the electric field distribution in the horizontal direction of the substrate of 1. And a mode in which the total number of peaks and valleys of the electric field distribution in the direction perpendicular to the substrate is 3.
[モード変換器1の構成]
図1は、本実施形態におけるモード変換器1の各導波路100,200,300のコア構造の一例を示す模式図である。図2は、基板およびクラッドを含むモード変換器1の構成例を示す模式図である。
[Configuration of Mode Converter 1]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a core structure of each of the waveguides 100, 200, and 300 of the mode converter 1 in the present embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the mode converter 1 including a substrate and a clad.
図1に示すように、モード変換器1は、コア構造が異なる3つの導波路、すなわち導波路(第1の導波路)100、積層導波路(第2の導波路)200、および導波路(マルチモード導波路)300を備える。これらの導波路100,200,300はその順に接続されている。 As shown in FIG. 1, the mode converter 1 includes three waveguides having different core structures, that is, a waveguide (first waveguide) 100, a laminated waveguide (second waveguide) 200, and a waveguide ( A multimode waveguide) 300. These waveguides 100, 200, 300 are connected in that order.
図1において、x軸は基板水平方向、y軸は基板垂直方向、z軸は光の伝搬方向を示す。図1では、各導波路100〜300の構造上の違いを明確にするため、後述するクラッドより屈折率の高いコアのみを図示している。この実施形態のクラッドおよびコアはともに石英系ガラスで構成される。 In FIG. 1, the x axis indicates the substrate horizontal direction, the y axis indicates the substrate vertical direction, and the z axis indicates the light propagation direction. In FIG. 1, only the core having a higher refractive index than the clad described later is illustrated in order to clarify the structural difference between the waveguides 100 to 300. Both the clad and the core of this embodiment are made of quartz glass.
導波路100は、コアのサイズが6.0μm×1.5μm(幅×厚さ)で、比屈折率差が2.5%で構成されている。以下の説明において、比屈折率差は、{(コアの屈折率)-(クラッドの屈折率)}/(コアの屈折率)で与えられた値を%表示している。 The waveguide 100 has a core size of 6.0 μm × 1.5 μm (width × thickness) and a relative refractive index difference of 2.5%. In the following description, the relative refractive index difference is expressed in% as a value given by {(core refractive index) − (cladding refractive index)} / (core refractive index).
積層導波路200は、3層のコア構造を有する。このコア構造は、上層210、中間層220および下層230を含む。この実施形態では、上層210および下層230の比屈折率差はともに2.0(%)、中間層220の比屈折率差は1.5(%)である。各層210,220,230の厚さは1.8μmである。各層の幅は6.0μmである。 The laminated waveguide 200 has a three-layer core structure. This core structure includes an upper layer 210, an intermediate layer 220 and a lower layer 230. In this embodiment, the relative refractive index difference between the upper layer 210 and the lower layer 230 is 2.0 (%), and the relative refractive index difference between the intermediate layer 220 is 1.5 (%). The thickness of each layer 210, 220, 230 is 1.8 μm. The width of each layer is 6.0 μm.
なお、上層210と中間層220との間にはクラッド(図示せず)が形成されるとともに、中間層220と下層230との間にもクラッド(図示せず)が形成されている。上層210の上面と下層230の下面との距離は、8.0μmである。 A clad (not shown) is formed between the upper layer 210 and the intermediate layer 220, and a clad (not shown) is also formed between the intermediate layer 220 and the lower layer 230. The distance between the upper surface of the upper layer 210 and the lower surface of the lower layer 230 is 8.0 μm.
導波路300は、基板垂直方向および基板水平方向の各々においてマルチモードとなるように構成されている。この実施形態では、導波路300のコアのサイズは6.0μm ×8.0μm(幅×厚さ)で、比屈折率差は2.0%である。この比屈折率差とコアのサイズから正規化周波数(Normalized Frequency)を計算することにより、導波路300がマルチモード導波路の構成をとることがわかる。 The waveguide 300 is configured to be multimode in each of the substrate vertical direction and the substrate horizontal direction. In this embodiment, the core size of the waveguide 300 is 6.0 μm × 8.0 μm (width × thickness), and the relative refractive index difference is 2.0%. By calculating a normalized frequency from the relative refractive index difference and the core size, it can be seen that the waveguide 300 has a multimode waveguide configuration.
図2に示すように、導波路100のクラッド101は基板102の上に形成され、積層導波路200のクラッド102は基板202の上に形成され、導波路300のクラッド301は基板302の上に形成される。基板102,202,302は、Si基板または石英基板等である。 As shown in FIG. 2, the clad 101 of the waveguide 100 is formed on the substrate 102, the clad 102 of the laminated waveguide 200 is formed on the substrate 202, and the clad 301 of the waveguide 300 is formed on the substrate 302. It is formed. The substrates 102, 202, 302 are Si substrates, quartz substrates, or the like.
[モード変換器1の作製方法]
以下、このモード変換器1の作製方法について、再度図1を参照して説明する。
[Method of Manufacturing Mode Converter 1]
Hereinafter, a method for manufacturing the mode converter 1 will be described with reference to FIG. 1 again.
導波路100,300は、一般的な石英系PLCと同じ作製方法で作製される。すなわち、Si基板または石英基板上にクラッドガラス(アンダークラッド)を堆積し、その上にコアガラスを堆積する。そして、フォトリソグラフィーとRIEとを用いて、図1に示したコアのパターンに加工し、さらにその上にクラッドガラス(オーバークラッド)を堆積する。 The waveguides 100 and 300 are manufactured by the same manufacturing method as that of a general quartz PLC. That is, a clad glass (under clad) is deposited on a Si substrate or a quartz substrate, and a core glass is deposited thereon. Then, using photolithography and RIE, the core pattern shown in FIG. 1 is processed, and a clad glass (over clad) is deposited thereon.
積層導波路200は、Si基板上にクラッドガラス(アンダークラッド)を堆積した後、下層230、クラッド層、中間層220、クラッド層、上層210の順に堆積する。そして、導波路100,300と同様に、図1に示したコアのパターンに加工し、さらにクラッドガラス(オーバークラッド)を堆積する。 The laminated waveguide 200 is deposited in the order of the lower layer 230, the cladding layer, the intermediate layer 220, the cladding layer, and the upper layer 210 after depositing cladding glass (under cladding) on the Si substrate. Then, similarly to the waveguides 100 and 300, the core pattern shown in FIG. 1 is processed, and a cladding glass (over cladding) is further deposited.
上記クラッドガラスの堆積が終了した後、ダイシングで導波路100,300を切り出す。さらに、積層導波路200についても同様にダイシングで切り出す。その後、導波路100、積層導波路200および導波路300は、例えば微動調心台により光軸調心した後、紫外線硬化型の接着剤を用いて各々を互いに接続する。これにより、モード変換器1が作製できる。 After the deposition of the clad glass is completed, the waveguides 100 and 300 are cut out by dicing. Further, the laminated waveguide 200 is similarly cut out by dicing. Thereafter, the waveguide 100, the laminated waveguide 200, and the waveguide 300 are optically aligned by, for example, a fine adjustment aligning table, and then connected to each other using an ultraviolet curable adhesive. Thereby, the mode converter 1 can be produced.
このモード変換器1によって実現されるyz断面の電界分布の計算結果について、図3を参照して説明する。図3は、BPMによるシミュレーションによって得られたかかる計算結果を示す図である。BPM(Beam Propagation Method)はビーム伝搬法の略記である。 A calculation result of the electric field distribution of the yz section realized by the mode converter 1 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram showing the calculation result obtained by simulation by BPM. BPM (Beam Propagation Method) is an abbreviation for beam propagation method.
図3では、光の波長を1.3μm、入力光の偏波をTE (Transverse Electric)で計算した。なお、偏波をTM(Transverse Magnetic)にしても図3と同様の結果が得られる。 In FIG. 3, the wavelength of light is 1.3 μm, and the polarization of input light is calculated by TE (Transverse Electric). Even if the polarization is TM (Transverse Magnetic), the same result as in FIG. 3 is obtained.
先ず、図3の導波路100において、基底モードE11が入射する。図3の積層導波路200において、導波路100の基底モードE11により、複数のモードが励起され、170μm程度でビート(干渉)している様子がわかる。図3の例では、積層導波路200の長さを最適化(例えば、876μm)にして導波路300に接続しているので、導波路300ではビート(干渉)がほとんど生じていない。このことから、高効率で、導波路100のE11モードを導波路300のE13モードに変換できることがわかる。 First, the fundamental mode E 11 is incident on the waveguide 100 of FIG. In the laminated waveguide 200 of FIG. 3, it can be seen that a plurality of modes are excited by the fundamental mode E 11 of the waveguide 100 and beat (interfere) at about 170 μm. In the example of FIG. 3, since the length of the laminated waveguide 200 is optimized (for example, 876 μm) and connected to the waveguide 300, almost no beat (interference) occurs in the waveguide 300. This indicates that the E 11 mode of the waveguide 100 can be converted to the E 13 mode of the waveguide 300 with high efficiency.
図4は、各伝搬位置において計算した電界分布とE13モードの電界分布との重なり積分の伝搬距離依存性を示している。E13モードは、導波路300のE13モードである。図4において、横軸は伝搬距離を、縦軸は各伝搬距離における電界分布とE13モードの電界分布との重なり積分を、それぞれ表している。 FIG. 4 shows the propagation distance dependence of the overlap integral between the electric field distribution calculated at each propagation position and the E 13 mode electric field distribution. E 13 modes are E 13 mode of the waveguide 300. In FIG. 4, the horizontal axis represents the propagation distance, and the vertical axis represents the overlap integral between the electric field distribution and the E 13 mode electric field distribution at each propagation distance.
重なり積分の定義について説明する。例えば、2つの電界ベクトルを、それぞれE1とE2とで表した場合、電界E1と電界E2との重なり積分(POI: Power Overlap Integral)は、下記式(1)で表される。 The definition of overlap integral will be described. For example, when two electric field vectors are represented by E 1 and E 2 , respectively, the overlap integral (POI: Power Overlap Integral) of the electric field E 1 and the electric field E 2 is represented by the following formula (1).
POIは、電界E1と電界E2のパワーの結合効率を表している。図4に示したE13との重なり積分は、各伝搬位置の電界分布からE13モードの電界分布への結合効率、すなわち入射したE11モードからE13モードへの変換効率を意味する。図4に示した重なり積分から、E11モードからE13モードへの変換効率は、光の伝搬距離と関連して周期的に変化していることがわかる。 POI represents the power coupling efficiency of the electric field E 1 and the electric field E 2 . The overlap integral with E 13 shown in FIG. 4 means the coupling efficiency from the electric field distribution at each propagation position to the electric field distribution of the E 13 mode, that is, the conversion efficiency from the incident E 11 mode to the E 13 mode. From the overlap integral shown in FIG. 4, it can be seen that the conversion efficiency from the E 11 mode to the E 13 mode periodically changes in relation to the propagation distance of light.
このことから、積層導波路200の長さを最適にすることで、上記変換効率を最大にすることができることが分かる。図4の例では、重なり積分のピークが6番目の時の伝搬距離が876μmとなっているので、本実施形態のモード変換器1では、積層導波路200は、z軸方向の長さを876μmに設定し、積層導波路200と導波路300とを接続している。上記長さを、略1mmとなる876μmとしたのは、導波路100、積層導波路200および導波路300の相互接続を容易にするためである。 From this, it can be seen that the conversion efficiency can be maximized by optimizing the length of the laminated waveguide 200. In the example of FIG. 4, since the propagation distance when the peak of the overlap integral is sixth is 876 μm, in the mode converter 1 of this embodiment, the laminated waveguide 200 has a length in the z-axis direction of 876 μm. The laminated waveguide 200 and the waveguide 300 are connected to each other. The reason why the length is 876 μm, which is approximately 1 mm, is to facilitate interconnection of the waveguide 100, the laminated waveguide 200, and the waveguide 300.
図4の例では、導波路300におけるE11モードからE13モードへの変換効率は、伝搬距離2000μmの位置で0.95676であることから、その変換損失は0.19dBである。さらに、伝搬距離2000μmの位置における導波路300では、導波路断面方向を伝搬する光のパワー効率は0.9590で、モード消光比は26dBという計算結果を得た。 In the example of FIG. 4, the conversion efficiency from the E 11 mode to the E 13 mode in the waveguide 300 is 0.95676 at a propagation distance of 2000 μm, so the conversion loss is 0.19 dB. Further, in the waveguide 300 at a propagation distance of 2000 μm, a calculation result was obtained that the power efficiency of light propagating in the waveguide cross-sectional direction was 0.9590, and the mode extinction ratio was 26 dB.
このような結果から、図1に示したモード変換器1は、基板垂直方向に高次のE13モードに高効率で変換できることがわかる。 From such a result, mode converter 1 shown in Figure 1, it can be seen that conversion with high efficiency in higher E 13 modes in the direction perpendicular to the substrate.
本実施形態のモード変換器1では、図3に示したように、ビートは一定周期(170μm程度)になっていることから、主に2つのモードが励振されることが考えられる。そして、この場合、2つのモードの伝搬定数が異なっており、それぞれの伝搬定数の差の逆数にビート長が比例していると考えられる。以下、上記ビートを起こすモードについて、図5〜図8を参照して検討する。図5の(a)〜(d)は、積層導波路200における固有モードの電界分布を示す図である。図5の(a)〜(d)では、白黒の色の帯は、同じレベルの電界の値を示している。導波路100に入射したE11モードは、xy方向に偶対称であるので、積層導波路200において、y方向に奇対称な図5(b)のモードや、x方向に奇対称な図5(d)のモードは励振しない。図6は、積層導波路200において励振されたモードについて、y軸方向の電界分布を示す図であって、(a)は図5(a)に対応するy軸方向の電界分布、(b)は図5(c)に対応するy軸方向の電界分布、を示す。 In the mode converter 1 of the present embodiment, as shown in FIG. 3, since the beat has a constant period (about 170 μm), it is considered that two modes are mainly excited. In this case, the propagation constants of the two modes are different, and it is considered that the beat length is proportional to the reciprocal of the difference between the propagation constants. Hereinafter, the mode for generating the beat will be discussed with reference to FIGS. 5A to 5D are diagrams showing the electric field distribution of the eigenmode in the laminated waveguide 200. FIG. In (a) to (d) of FIG. 5, black and white color bands indicate electric field values at the same level. Since the E 11 mode incident on the waveguide 100 is evenly symmetric in the xy direction, in the laminated waveguide 200, the mode of FIG. 5B that is oddly symmetric in the y direction and FIG. The mode of d) is not excited. FIG. 6 is a diagram showing the electric field distribution in the y-axis direction for the mode excited in the laminated waveguide 200, where (a) shows the electric field distribution in the y-axis direction corresponding to FIG. 5 (a), and (b). Shows the electric field distribution in the y-axis direction corresponding to FIG.
図7(a)は、図6(a)および(b)に示したモードにおいて、(a):(b)=2:5の割合で重み付けをとり、両者のモードを足し算した結果(図6(a)×0.4+図6(b))を示し、図7(b)は、図6(a)に示したモードから図6(b)に示したモードを減算した結果(図6(a)×0.4−図6(b))を示している。なお、図7はピークもしくはボトムが1になるように規格化して示している。図8(a)は、導波路100における基底モードE11のy軸方向の電界分布を示し、図8(b)は、導波路300におけるE13モードのy軸方向の電界分布を示している。 FIG. 7A shows a result obtained by adding weights at the ratio of (a) :( b) = 2: 5 in the modes shown in FIGS. 6A and 6B (FIG. 6). (A) × 0.4 + FIG. 6B). FIG. 7B shows the result of subtracting the mode shown in FIG. 6B from the mode shown in FIG. 6A (FIG. 6A). ) × 0.4—FIG. 6B). Note that FIG. 7 is shown normalized so that the peak or bottom is 1. 8A shows the electric field distribution in the y-axis direction of the fundamental mode E 11 in the waveguide 100, and FIG. 8B shows the electric field distribution in the y-axis direction of the E 13 mode in the waveguide 300. .
図7(a)と図8(a)とを比較すると、両者はほぼ同様の形状をもつ値を示していることがわかる。さらに、図7(b)と図8(b)とを比較しても、両者はほぼ同様の形状を有する値を示していることがわかる。これにより、導波路100における基底モードE11が、積層導波路200における2つのモード(図5(a)および図5(c))を励起し、この2つのモードが干渉することで導波路300においてE13モードが生成されることが確認できる。 Comparing FIG. 7 (a) and FIG. 8 (a), it can be seen that both show values having substantially the same shape. Further, even when FIG. 7B and FIG. 8B are compared, it can be seen that both show values having substantially the same shape. As a result, the ground mode E 11 in the waveguide 100 excites two modes (FIG. 5A and FIG. 5C) in the laminated waveguide 200, and the two modes interfere with each other to cause the waveguide 300. It can be confirmed that E13 mode is generated at
以上の説明では、積層導波路200において励起されるモードが2つ存在するものとして説明したが、3つ以上のモードが存在しても、干渉に寄与する主なモードが2つ存在すればよい。 In the above description, it has been described that there are two modes to be excited in the laminated waveguide 200. However, even if there are three or more modes, it is sufficient that there are two main modes that contribute to interference. .
導波路100におけるE11モードは、x軸方向およびy軸方向に対してともに偶対称となるので、y軸方向に対して奇対称な分布(図5(b))、およびx軸方向に対して奇対称な分布(図5(d))は、励起できない。 Since the E 11 mode in the waveguide 100 is even symmetric with respect to both the x-axis direction and the y-axis direction, the distribution is oddly symmetric with respect to the y-axis direction (FIG. 5B), and with respect to the x-axis direction. And an oddly symmetric distribution (FIG. 5 (d)) cannot be excited.
図5(a)および図5(c)に示した電界モードは、x軸方向およびy軸方向に対していずれも偶対称な分布であり、これらが励起されている。つまり、励起された電界モードは偶対称な分布であるから、本実施形態のモード変換器1では、積層導波路200のコア構造は、少なくともy軸方向に対して対称になるようにする必要がある。具体的には、上層210および下層230はともに、中間層220から等距離離れた位置に配置し、かつ、同じ厚さおよび同じ比屈折率差を有するようにすることが必要になる。このような観点から、本実施形態のモード変換器1では、上層210と中間層220との間のクラッドの厚さと、中間層220と下層230との間のクラッドの厚さは、いずれも1.3μmに設定してある。 The electric field modes shown in FIGS. 5A and 5C are evenly symmetric distributions with respect to the x-axis direction and the y-axis direction, and are excited. That is, since the excited electric field mode has an even symmetric distribution, in the mode converter 1 of the present embodiment, the core structure of the laminated waveguide 200 needs to be at least symmetrical with respect to the y-axis direction. is there. Specifically, both the upper layer 210 and the lower layer 230 need to be arranged at a position equidistant from the intermediate layer 220 and have the same thickness and the same relative refractive index difference. From such a viewpoint, in the mode converter 1 of the present embodiment, the thickness of the clad between the upper layer 210 and the intermediate layer 220 and the thickness of the clad between the intermediate layer 220 and the lower layer 230 are both 1.3. It is set to μm.
図9は、積層導波路200の中間層220の比屈折率差を変化させた場合の1dB劣化トレランスを示している。図9において、横軸は中間層220の比屈折率差Δ(%)を、縦軸は1dB劣化トレランス(μm)とE11モードからE13モードへの変換効率(dB)を、それぞれ示す。 FIG. 9 shows a 1 dB degradation tolerance when the relative refractive index difference of the intermediate layer 220 of the laminated waveguide 200 is changed. In FIG. 9, the horizontal axis represents the relative refractive index difference Δ (%) of the intermediate layer 220, and the vertical axis represents the 1 dB degradation tolerance (μm) and the conversion efficiency (dB) from the E 11 mode to the E 13 mode.
縦軸の1dB劣化トレランス(μm)は、図4に示したように、重なり積分の値が1dB劣化するときの光の伝送距離(z軸方向の距離)を意味する。 The 1 dB degradation tolerance (μm) on the vertical axis means the light transmission distance (distance in the z-axis direction) when the overlap integral value degrades by 1 dB, as shown in FIG.
なお、図9では、上層210および下層230の比屈折率差は、2.0(%)で固定している。 In FIG. 9, the relative refractive index difference between the upper layer 210 and the lower layer 230 is fixed at 2.0 (%).
図9において、中間層220の比屈折率差を1.5(%)から2.0(%)(上層210および下層230の比屈折率=2.0)に近づけると、1dB劣化トレランスは、54μmから90μm程度にまで増加している。これは、中間層220の比屈折率差と、上層210および下層230の比屈折率差(2.0%)との差が小さくなると、励起される2つのモード(図6(a)および図6(c))に対する実効屈折率の差分が小さく、すなわち伝搬定数の差が小さくなり、結果として、ビート長(干渉間隔)が長くなって、1dB劣化トレランスの幅が大きくなるからである。 In FIG. 9, when the relative refractive index difference of the intermediate layer 220 approaches 1.5 (%) to 2.0 (%) (the relative refractive index of the upper layer 210 and the lower layer 230 = 2.0), the 1 dB deterioration tolerance is It has increased from 54μm to about 90μm. This is because when the difference between the relative refractive index difference of the intermediate layer 220 and the relative refractive index difference (2.0%) of the upper layer 210 and the lower layer 230 is reduced, the two modes excited (FIG. 6A and FIG. 6). This is because the difference in effective refractive index with respect to 6 (c)) is small, that is, the difference in propagation constant is small, and as a result, the beat length (interference interval) becomes long and the width of 1 dB degradation tolerance becomes large.
一方、図9において、中央層220の比屈折率差が1.5%近傍では、変換損失は0.2dBと少ないが、上層210および下層230の比屈折率差(2.0%)に近づくと、変換損失が3dB程度と大きくなる。変換損失が大きくなると、モード変換器としての機能を果たせなくなるので、この結果から、中間層220の比屈折率差は、上層210および下層230の比屈折率差より小さくするのが好ましいことがわかる。 On the other hand, in FIG. 9, when the relative refractive index difference of the central layer 220 is near 1.5%, the conversion loss is as small as 0.2 dB, but approaches the relative refractive index difference (2.0%) of the upper layer 210 and the lower layer 230. Then, the conversion loss becomes as large as about 3 dB. As the conversion loss increases, the function as a mode converter cannot be achieved. From this result, it can be seen that the relative refractive index difference of the intermediate layer 220 is preferably smaller than the relative refractive index difference of the upper layer 210 and the lower layer 230. .
以上説明したように、本実施形態のモード変換器1によれば、導波路100を伝搬する基底モードE11が、積層導波路200の複数の固有モードのうち、主に2つのモードを励起する。そして、この2つのモードが異なる伝搬定数で伝搬して干渉することにより、導波路300では、高次のE13モードが生成されて出射される。このE13モードへの変換により、従来よりも大容量な通信が実現できる。 As described above, according to the mode converter 1 of the present embodiment, the fundamental mode E 11 propagating through the waveguide 100 excites mainly two modes among the plurality of eigenmodes of the laminated waveguide 200. . Then, the two modes propagate with different propagation constants and interfere with each other, so that a higher-order E 13 mode is generated and emitted from the waveguide 300. Conversion to the E 13 mode, than conventional high-capacity communication can be realized.
また、モード変換器1では、従来のモード変換器のように、PLCチップとPLCチップとを90度傾けて接続することなく、3つの導波路100,200,300を接続して構成するので小型化が実現できる。 In addition, the mode converter 1 is small because it is configured by connecting the three waveguides 100, 200, and 300 without connecting the PLC chip and the PLC chip at an angle of 90 degrees unlike the conventional mode converter. Can be realized.
例えば、このようなモード変換器1をモード合分波器に適用すれば、より多モードの伝送が可能になるので、従来よりも大容量な通信が実現できる。 For example, if such a mode converter 1 is applied to a mode multiplexer / demultiplexer, more multi-mode transmission is possible, so that communication with a larger capacity than before can be realized.
以上、本実施形態を詳述してきたが、具体的な積層体の材料や動作波長等は実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更なども含まれる。 As mentioned above, although this embodiment was explained in full detail, the material of a laminated body, an operation | movement wavelength, etc. are not restricted to embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.
例えば、図1に示した導波路100は、x軸方向においてマルチモード導波路として例示したが、一部をシングルモード導波路として構成してもよい。例えば図10は、導波路100にスポットサイズ変換器105を取り付けて、導波路100の入力側をシングルモード導波路にした場合の構成例を示している。なお、スポットサイズ変換器105の有無にかかわらず、導波路100のy軸方向は、シングルモードまたは疑似シングルモードである。スポットサイズ変換器105によって、シングルモードまたは疑似シングルモード回路で動作する既存の光回路(アレイ導波路(AWG:Arrayed Waveguide Grating)またはスイッチなど)に導波路100を接続することができる。 For example, although the waveguide 100 illustrated in FIG. 1 is illustrated as a multimode waveguide in the x-axis direction, a part of the waveguide 100 may be configured as a single mode waveguide. For example, FIG. 10 shows a configuration example when the spot size converter 105 is attached to the waveguide 100 and the input side of the waveguide 100 is a single mode waveguide. Note that, regardless of the presence or absence of the spot size converter 105, the y-axis direction of the waveguide 100 is a single mode or a pseudo single mode. The spot size converter 105 can connect the waveguide 100 to an existing optical circuit (such as an arrayed waveguide guide (AWG) or a switch) that operates in a single mode or pseudo single mode circuit.
例えば、図1に示した導波路300はマルチモード導波路であるので、導波路300を、方向性結合器等に接続するようにすることで、モードの合波(または分波)等をすることもできる。例えば導波路300を方向性結合器に接続した後、さらに、FMF (Few Mode Fiber)に接続してモード合波したものをファイバに送り出すようにしてもよい。FMFは、マルチモードファイバのなかでモード数が少ないものであり、モード多重伝送に用いられる。 For example, since the waveguide 300 shown in FIG. 1 is a multimode waveguide, mode coupling (or demultiplexing) or the like is performed by connecting the waveguide 300 to a directional coupler or the like. You can also. For example, after the waveguide 300 is connected to the directional coupler, it may be further connected to an FMF (Few Mode Fiber) to send out the mode multiplexed signal to the fiber. FMF has a small number of modes among multimode fibers and is used for mode multiplexing transmission.
1 モード変換器
100 導波路(第1の導波路)
101、201、301 クラッド
102、202、302 基板
105 スポットサイズ変換器
200 積層導波路(第2の導波路)
210 上層コア
220 中間層コア
230 下層コア
300 導波路(マルチモード導波路)
1 mode converter 100 waveguide (first waveguide)
101, 201, 301 Clad 102, 202, 302 Substrate 105 Spot size converter 200 Multilayer waveguide (second waveguide)
210 Upper layer core 220 Middle layer core 230 Lower layer core 300 Waveguide (multimode waveguide)
Claims (5)
クラッド層と、前記クラッド層より屈折率の高いコア層とを有する第1の導波路と、
基板垂直方向に前記コア層と前記クラッド層とが交互に積層され、前記コア層が上層、中間層および下層を含む3層構造を有する第2の導波路と、
前記コア層と前記クラッド層とを有するマルチモード導波路とを含み、
前記第1の導波路、前記第2の導波路、および前記マルチモード導波路は、それぞれこの順に接続されており、
前記第1の導波路の前記コア層は、前記第2の導波路の前記コア層の前記3層構造の内の前記中間層のみと接続され、前記第2の導波路の前記コア層の前記3層構造の全ては、前記マルチモード導波路の前記コア層と接続されていることを特徴とする導波路型モード変換器。 A waveguide mode converter formed on a substrate,
A first waveguide having a cladding layer and a core layer having a higher refractive index than the cladding layer;
A second waveguide having a three-layer structure in which the core layer and the cladding layer are alternately stacked in a direction perpendicular to the substrate, and the core layer includes an upper layer, an intermediate layer, and a lower layer;
Including a multimode waveguide having the core layer and the cladding layer;
The first waveguide, the second waveguide, and the multimode waveguide are each connected in this order,
The core layer of the first waveguide is connected only to the intermediate layer of the three-layer structure of the core layer of the second waveguide, and the core layer of the second waveguide is All of the three-layer structures are connected to the core layer of the multimode waveguide.
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