JP6699028B2 - Mode exchanger - Google Patents
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Description
本開示は、マルチ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、伝搬するモード間のパワーを交換する機能を有するモード制御技術に関する。 The present disclosure relates to a mode control technique having a function of exchanging power between propagating modes in a mode multiplex transmission system using a multimode optical fiber.
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。 In the optical fiber communication system, the nonlinear effect and the fiber fuse generated in the optical fiber pose a problem, and the transmission capacity is limited. In order to relax these restrictions, it is necessary to reduce the density of the light guided to the optical fiber, and as shown in Non-Patent Document 1, a large core fiber has been studied.
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を参照。)。 However, there is a trade-off relationship between the reduction of bending loss, the expansion of the single mode operation region, and the expansion of the effective cross-sectional area, and there is a problem that the expansion amount of the effective cross-sectional area under a predetermined condition is limited. Therefore, a mode multiplex transmission system in which a multimode fiber is used as a transmission fiber and parallel transmission is performed using a plurality of propagating modes has been studied as a technique for achieving a dramatic increase in capacity (for example, Non-Patent Document 1). See 2.).
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を参照。)。 In a mode multiplex transmission system, a mode multiplexer/demultiplexer has been proposed in order to propagate a plurality of signals emitted from a transmitter as separate modes in an optical fiber (for example, see Non-Patent Documents 3 and 4). ).
また、伝送路中で発生するモード間の結合を、受信端のMIMO信号処理で補償する光MIMO伝送が提案されている。また、モード間の群遅延差が大きいとMIMO信号処理の負荷が増大することから、低モード間群遅延差(DMD)ファイバの検討が行われている(例えば、非特許文献5、6を参照。)。 In addition, optical MIMO transmission has been proposed in which coupling between modes occurring in a transmission line is compensated by MIMO signal processing at the receiving end. Further, a large difference in group delay between modes increases the load of MIMO signal processing, and thus low inter-group delay difference (DMD) fibers have been studied (for example, see Non-Patent Documents 5 and 6). ..).
しかしながら、ファイバの製造誤差によりファイバのDMDの低減には限界がある。さらに、非特許文献6に記載のDMD補償伝送路においては2種類の光ファイバが必要となり、伝送路が複雑になるという課題がある。そして、2種類の光ファイバを用いる伝送路においては、モード間で伝送損失、波長分散、偏波分散などの光学特性も異なり、このモード依存特性差はMIMO信号処理を行ったとしても復元信号の品質劣化を招く。つまり、2種類の光ファイバを用いる伝送路での伝送品質の劣化は、通信システムの伝送容量及び伝送距離を制限するという課題もある。。 However, there is a limit in reducing the DMD of the fiber due to the manufacturing error of the fiber. Furthermore, the DMD compensation transmission line described in Non-Patent Document 6 requires two types of optical fibers, which causes a problem that the transmission line becomes complicated. In a transmission line using two types of optical fibers, the optical characteristics such as transmission loss, chromatic dispersion, and polarization dispersion are different between modes, and this mode-dependent characteristic difference causes the restored signal even if MIMO signal processing is performed. It causes quality deterioration. That is, the deterioration of the transmission quality in the transmission path using the two types of optical fibers has a problem of limiting the transmission capacity and the transmission distance of the communication system. ..
そこで、本発明は、前記課題を解決するために、マルチモード光ファイバを用いたモード多重伝送システムにおいて、伝送路を複雑にすることなく、伝送路で発生するDMDや各種光学特性のモード間の差を補償し、通信システムの伝送容量や伝送距離への影響が少ないモード交換器を提供することを目的とする。 Therefore, in order to solve the above-described problems, the present invention provides a mode multiplex transmission system using a multimode optical fiber, in which a DMD between modes or various optical characteristics generated in the transmission line is not complicated. An object of the present invention is to provide a mode switch that compensates for the difference and has less influence on the transmission capacity and transmission distance of the communication system.
上記目的を達成するために、本発明に係るモード変換器は、導波路の配置により異なるモード間で結合する結合部やモード回転子を平面光導波路(Planar Lightwave Circuit;PLC)に造り込み、入力されたモードが異なる信号光間で巡回的にモード交換することとした。 In order to achieve the above-mentioned object, the mode converter according to the present invention is configured such that a coupling portion or a mode rotator that couples between different modes depending on the arrangement of waveguides is built in a planar optical waveguide (PLC) and input. It is decided to cyclically perform mode exchange between signal lights having different modes.
具体的には、本発明に係る第1のモード交換器は、
基板上に形成され、LP01、LP11a及びLP11bの3つのモードを伝搬可能な第1導波路と、
前記基板上で前記第1導波路に並列される第2導波路と、
前記基板上の前記第1導波路と前記第2導波路とで構成され、前記第1導波路と前記第2導波路との間で光のパワーを移行する3つの結合部と、
前記第1導波路の一端に接続され、LP11aとLP11bとをモード変換するモード回転子と、
を備え、
前記結合部のうちの2つの結合部は、前記第2導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率と前記第1導波路を伝搬するLP11aモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さであり、
前記結合部のうち前記2つの結合部に挟まれる結合部は、前記第1導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率と前記第2導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである
ことを特徴とする。
Specifically, the first mode exchanger according to the present invention is
A first waveguide that is formed on the substrate and can propagate three modes of LP01, LP11a, and LP11b;
A second waveguide arranged on the substrate in parallel with the first waveguide;
Three coupling portions which are composed of the first waveguide and the second waveguide on the substrate, and which transfer the optical power between the first waveguide and the second waveguide;
A mode rotator that is connected to one end of the first waveguide and performs mode conversion between LP11a and LP11b;
Equipped with
In two of the coupling portions, the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguide and the effective refractive index of the LP11a mode propagating in the first waveguide are the same, and The length is a length at which the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide,
In the coupling section sandwiched between the two coupling sections of the coupling section, the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the first waveguide and the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguide match, It is characterized in that the length of the light in the propagation direction is a length at which the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide.
本発明に係る第2のモード交換器は、
基板上に形成され、LP01、LP11a及びLP11bの3つのモードを伝搬可能な第1導波路と、
前記基板上で前記第1導波路に並列される第2導波路と、
前記基板上で前記第1導波路に並列される第3導波路と、
前記基板上の前記第1導波路と前記第2導波路とで構成され、前記第1導波路と前記第2導波路との間で光のパワーを移行する3つの第1結合部と、
前記基板上の前記第1導波路と前記第3導波路とで構成され、前記3つの第1結合部を挟むように配置され、前記第1導波路と前記第3導波路との間で光のパワーを移行する2つの第2結合部と、
前記第1導波路の一端に接続された、LP11aとLP11bとをモード変換する第1モード回転子と、
前記2つの第2結合部の間にあり、前記3つの第1結合部を挟むように前記第1導波路上に配置され、LP11aとLP11bとをモード変換する2つの第2モード回転子と、
を備え、
前記第1結合部のうちの2つの結合部は、前記第2導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率と前記第1導波路を伝搬するLP11aモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さであり、
前記第1結合部のうち前記2つの結合部に挟まれる結合部は、前記第1導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率と前記第2導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さであり、
前記2つの第2結合部は、前記第3導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率と前記第1導波路を伝搬するLP11aモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである
ことを特徴とする。
A second mode exchanger according to the present invention is
A first waveguide that is formed on the substrate and can propagate three modes of LP01, LP11a, and LP11b;
A second waveguide arranged on the substrate in parallel with the first waveguide;
A third waveguide arranged in parallel with the first waveguide on the substrate;
Three first coupling portions that are composed of the first waveguide and the second waveguide on the substrate, and that transfer the optical power between the first waveguide and the second waveguide;
It is composed of the first waveguide and the third waveguide on the substrate, is arranged so as to sandwich the three first coupling portions, and the light is provided between the first waveguide and the third waveguide. Two second couplings that transfer the power of
A first mode rotor connected to one end of the first waveguide for mode conversion between LP11a and LP11b;
Two second mode rotators that are between the two second coupling portions and that are arranged on the first waveguide so as to sandwich the three first coupling portions and that perform mode conversion between LP11a and LP11b;
Equipped with
In two of the first coupling portions, the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguide and the effective refractive index of the LP11a mode propagating in the first waveguide match each other, and thus the propagation of light is performed. The length in the direction is a length at which the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide,
The coupling portion sandwiched between the two coupling portions of the first coupling portion has an effective refractive index of the LP01 mode propagating in the first waveguide and an effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguide are equal to each other. However, the length of the light in the propagation direction is the length at which the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide,
The two second coupling portions have the same effective refractive index in the LP01 mode propagating in the third waveguide and the effective refractive index in the LP11a mode propagating in the first waveguide, and have a length in the light propagation direction. It is characterized in that the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide.
本発明に係る第3のモード交換器は、
基板上に形成され、LP01、LP11a及びLP11bの3つのモードを伝搬可能な第1導波路と、
前記基板上で前記第1導波路に並列される第2導波路と、
前記基板上で前記第1導波路に並列される第3導波路と、
前記基板上の前記第1導波路と前記第2導波路とで構成され、前記第1導波路と前記第2導波路との間で光のパワーを移行する結合部B、結合部C及び結合部Eと、
前記基板上の前記第1導波路と前記第3導波路とで構成され、前記第1導波路と前記第3導波路との間で光のパワーを移行する結合部A及び結合部Dと、
前記第1導波路上に配置され、LP11aとLP11bとをモード変換する2つのモード回転子と、
を備え、
前記結合部A、前記結合部B、前記結合部C、前記結合部D及び前記結合部Eは、一端から他端に向けて順に配置され、前記2つのモード回転子のうちの1つは前記結合部Aと前記結合部Bとの間に配置され、前記2つのモード回転子のうちの他は前記結合部Dと前記結合部Eとの間に配置されており、
前記結合部A、前記結合部B、前記結合部D及び前記結合部Eは、前記第2導波路もしくは前記第3導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率と前記第1導波路を伝搬するLP11aモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さであり、
前記結合部Cは、前記第1導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率と前記第2導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである
ことを特徴とする。
A third mode exchanger according to the present invention is
A first waveguide that is formed on the substrate and can propagate three modes of LP01, LP11a, and LP11b;
A second waveguide arranged on the substrate in parallel with the first waveguide;
A third waveguide arranged in parallel with the first waveguide on the substrate;
A coupling part B, a coupling part C, and a coupling which are composed of the first waveguide and the second waveguide on the substrate and which transfer the power of light between the first waveguide and the second waveguide. Part E,
A coupling section A and a coupling section D which are composed of the first waveguide and the third waveguide on the substrate, and which transfer the optical power between the first waveguide and the third waveguide;
Two mode rotators arranged on the first waveguide and mode-converting LP11a and LP11b;
Equipped with
The coupling part A, the coupling part B, the coupling part C, the coupling part D and the coupling part E are sequentially arranged from one end to the other end, and one of the two mode rotors is Is disposed between the coupling portion A and the coupling portion B, and the other of the two mode rotors is disposed between the coupling portion D and the coupling portion E,
The coupling portion A, the coupling portion B, the coupling portion D, and the coupling portion E propagate the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguide or the third waveguide and the first waveguide. The effective refractive indices of the LP11a modes are the same, and the length in the light propagation direction is the length at which the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide,
In the coupling portion C, the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the first waveguide and the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguide match, and the length in the light propagation direction is equal to that of the light. It is characterized in that the length is such that power is completely transferred from one waveguide to the other waveguide.
本発明に係る第4のモード交換器は、
基板上に形成され、LP01、LP11a及びLP11bの3つのモードを伝搬可能な1本の導波路と、
前記導波路に形成され、幅が周期的に変化してLP01とLP11aとをモード変換する、もしくは高さが周期的に変化してLP01とLP11bとをモード変換するグレーティング部と、
前記導波路に形成され、LP11aとLP11bとをモード変換するモード回転子と、
を備える。
A fourth mode exchanger according to the present invention is
One waveguide formed on the substrate and capable of propagating three modes of LP01, LP11a and LP11b,
A grating portion formed in the waveguide and having a width that changes periodically to perform mode conversion between LP01 and LP11a, or a height that changes periodically to perform mode conversion between LP01 and LP11b.
A mode rotator formed in the waveguide for mode-converting LP11a and LP11b;
Equipped with.
本発明に係る第5のモード交換器は、
3つの分波ポートと1つの合波ポートを有する2つのモード合分波器と、
前記2つのモード合分波器の間で、互いに異なる前記分波ポート同士を1:1で接続する交差導波路部と、
を備え、
前記モード合分波器は、
基板上に形成され、一端が1つの前記分波ポートに接続し、他端が合波ポートに接続し、LP01、LP11a及びLP11bの3つのモードを伝搬可能な第1導波路と、
前記基板上で前記第1導波路に並列され、一端が他の2つの前記分波ポートにそれぞれ接続する2つの第2導波路と、
前記基板上の前記第1導波路とそれぞれの前記第2導波路とで構成され、前記第1導波路と前記第2導波路との間で光のパワーを移行する2つの結合部と、
前記2つの結合部との間の前記第1導波路上に配置され、LP11aとLP11bとをモード変換するモード回転子と、
を備え、
前記結合部は、前記第2導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率と前記第1導波路を伝搬するLP11aモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである
ことを特徴とする。
A fifth mode exchanger according to the present invention is
A two-mode multiplexer/demultiplexer having three demultiplexing ports and one multiplexing port;
A crossed waveguide section that connects the demultiplexing ports different from each other between the two mode multiplexers/demultiplexers at a ratio of 1:1;
Equipped with
The mode multiplexer/demultiplexer,
A first waveguide formed on a substrate, having one end connected to one of the demultiplexing ports and the other end connected to a multiplexing port and capable of propagating three modes of LP01, LP11a, and LP11b;
Two second waveguides arranged in parallel with the first waveguide on the substrate and having one ends respectively connected to the other two demultiplexing ports;
Two coupling parts each of which is composed of the first waveguide and the respective second waveguides on the substrate, and which transfers the optical power between the first waveguide and the second waveguide;
A mode rotator arranged on the first waveguide between the two coupling portions, for mode-converting LP11a and LP11b;
Equipped with
In the coupling portion, the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguide and the effective refractive index of the LP11a mode propagating in the first waveguide match, and the length in the light propagation direction is the power of the light. Is a length that completely transitions from one waveguide to the other waveguide.
本発明に係る第5のモード交換器は、
基板上に形成され、前記基板からの高さが一定であり、n個(nは4以上の整数)のモードを伝搬可能な1本の導波路と、
前記導波路に形成され、幅が周期的に変化するグレーティング部と、
前記導波路に形成され、縮退モードの一つを他方の縮退モードへ変換するモード回転子と、
を備え、入力されるn個のモードのそれぞれを、入力されたモードとは異なるモードへ変換することを特徴とする。
A fifth mode exchanger according to the present invention is
A waveguide formed on a substrate, having a constant height from the substrate, capable of propagating n (n is an integer of 4 or more) modes;
A grating portion formed in the waveguide, the width of which changes periodically,
A mode rotator formed in the waveguide and converting one of the degenerate modes into the other degenerate mode,
And converting each of the n input modes into a mode different from the input mode.
本発明に係るモード交換器は、モードの巡回交換ができるため、伝送路内に当該モード交換器を挿入するだけで伝送路で発生するDMDや各種光学特性のモード間の差を補償することができる。 Since the mode exchanger according to the present invention is capable of cyclic switching of modes, it is possible to compensate for the difference between the modes of DMD and various optical characteristics generated in the transmission line simply by inserting the mode exchanger in the transmission line. it can.
本発明は、マルチモード光ファイバを用いたモード多重伝送システムにおいて、伝送路を複雑にすることなく、伝送路で発生するDMDや各種光学特性のモード間の差を補償し、通信システムの伝送容量や伝送距離への影響が少ないモード交換器を提供することができる。 The present invention, in a mode multiplex transmission system using a multi-mode optical fiber, compensates for a difference between modes of DMD and various optical characteristics generated in the transmission line without complicating the transmission line, and thus the transmission capacity of the communication system. It is possible to provide a mode exchanger that has little influence on the transmission distance.
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。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In this specification and the drawings, constituent elements having the same reference numerals indicate the same elements.
(モード合分波器)
本実施形態のモード変換器が備える結合部について説明する。図1(A)は、結合部の一つである2モード合分波器の構成を説明する図である。ここでは、石英系材料を用いた、矩形の埋め込み型導波路を用いた平面光波回路(PLC)型のモード合分波器を想定している。導波路WG1は、2モードが伝搬する導波路であって、導波路WG2は、1モードが伝搬する導波路である。なお、ここでは、2モードは基本モードであるLP01モード及び第一高次モードLP11モードを示す。
(Mode multiplexer/demultiplexer)
The coupling unit included in the mode converter of this embodiment will be described. FIG. 1A is a diagram illustrating the configuration of a two-mode multiplexer/demultiplexer that is one of the coupling units. Here, a planar lightwave circuit (PLC) type mode multiplexer/demultiplexer using a rectangular embedded waveguide using a quartz material is assumed. The waveguide WG1 is a waveguide in which two modes propagate, and the waveguide WG2 is a waveguide in which one mode propagates. Note that here, the two modes indicate the LP01 mode and the first higher-order mode LP11 mode, which are basic modes.
図1(B)は、2つの導波路の比屈折率、幅及び実効屈折率の関係を説明する概念図である。2つの導波路は、一部近接している領域L2(結合部)がある。領域L2は、導波路WG1を伝搬するLP11モードの実効屈折率(neff)と導波路WG2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及び比屈折率差が調整されている。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。 FIG. 1B is a conceptual diagram illustrating the relationship between the relative refractive index, the width, and the effective refractive index of the two waveguides. The two waveguides have a region L2 (coupling portion) that is partially close to each other. In the region L2, the waveguide width and the relative refractive index difference are adjusted so that the effective refractive index (neff) of the LP11 mode propagating in the waveguide WG1 and the effective refractive index propagating in the LP01 mode propagating in the waveguide WG2 match. There is. Generally, in order to match the effective refractive index between different LP modes, an asymmetric parallel waveguide structure having different waveguide structures is required.
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WG2を伝搬してきた光は導波路WG1に周期的にパワーが移行する。ここで、領域L2の長さを導波路WG2の光のパワーが導波路WG1に完全に移行するよう調整すると、Port1より入射したLP01モードの信号光は、導波路WG1のLP11モードとしてPort4へ出力される。 Since the effective refractive indices match, mode conversion occurs in a region where the waveguides are close to each other, and the light propagating through the waveguide WG2 has its power periodically transferred to the waveguide WG1. Here, if the length of the region L2 is adjusted so that the optical power of the waveguide WG2 is completely transferred to the waveguide WG1, the LP01 mode signal light incident from the Port1 is output to the Port4 as the LP11 mode of the waveguide WG1. To be done.
一方で、Port2から入射されたLP01モードの光は、領域L2において導波路WG1のLP01モードと導波路WG2のLP01モードの実効屈折率が一致していないことからモード変換が発生せず、LP01モードとしてPort4へ出力される。結果、Port1及びPort2にLP01モードの光信号を入射することで、Port4において2モード(LP01とLP11)が多重された光信号を得ることができる。また、モード多重された光信号(LP01とLP11)をPort4から入射することで、Port1及びPort2に光信号をそれぞれを分離することができる。なお、このとき、Port1の光信号もPort2の光信号もLP01モードとなる。このように、図1のPLCはモード合波器として機能する。なお、モード合分波器の詳しい設計手法については非特許文献3に記載される。 On the other hand, the LP01 mode light incident from the Port2 does not cause mode conversion because the LP01 mode of the waveguide WG1 and the LP01 mode of the waveguide WG2 do not match in effective refractive index in the region L2. Is output to Port4. As a result, by injecting the LP01 mode optical signal into Port1 and Port2, an optical signal in which two modes (LP01 and LP11) are multiplexed in Port4 can be obtained. Further, by inputting the mode-multiplexed optical signals (LP01 and LP11) from Port4, the optical signals can be separated into Port1 and Port2. At this time, both the Port 1 optical signal and the Port 2 optical signal are in the LP01 mode. Thus, the PLC of FIG. 1 functions as a mode multiplexer. A detailed design method of the mode multiplexer/demultiplexer is described in Non-Patent Document 3.
なお、図1(A)の構造のPLCで結合する高次モードは、導波路の水平方向に2つのピークを持つLP11aモードであり、垂直方向に2つのピークを持つLP11bモードはどのモードとも結合しない。その理由については非特許文献4に記載される。 The higher-order mode coupled by the PLC of the structure of FIG. 1A is the LP11a mode having two peaks in the horizontal direction of the waveguide, and the LP11b mode having two peaks in the vertical direction is coupled to any mode. do not do. The reason for this is described in Non-Patent Document 4.
(モード回転子)
LP11bモードの光信号を図1(A)の構造のPLCで結合させる場合には、一旦、LP11bモードをLP11aモードに変換する必要がある。当該変換にはモード回転子を用いる。図2は、モード回転子の構造を説明する図である。モード回転子は、幅w、高さhを有する導波路であり、当該導波路の長手方向の少なくとも一部に溝を設けたトレンチ層を備える。図2のモード回転子は、導波路の上面端に深さht、幅wtのトレンチがある例を示している。なお、溝の位置や形状は変換するモードによって変わる。
(Mode rotor)
When an optical signal in the LP11b mode is coupled by the PLC having the structure of FIG. 1A, it is necessary to once convert the LP11b mode into the LP11a mode. A mode rotator is used for the conversion. FIG. 2 is a diagram illustrating the structure of the mode rotor. The mode rotator is a waveguide having a width w and a height h, and includes a trench layer in which a groove is provided in at least a part of the waveguide in the longitudinal direction. The mode rotator of FIG. 2 shows an example in which a trench having a depth ht and a width wt is provided at the upper end of the waveguide. The position and shape of the groove vary depending on the conversion mode.
この時、モード回転子におけるLP11a及びLP11bモードの伝搬定数をそれぞれβa及びβbとしたとき、モード回転子の長さLが
(式1)
(βa―βb)L=π
となるように溝の位置や形状を調整すると、モード回転子に入力したLP11aまたはLP11bモードが出力端でLP11bまたはLP11aに変換される。なお、モード回転子の詳しい設計手法については非特許文献7に記載される。
At this time, when the propagation constants of the LP11a and LP11b modes in the mode rotor are βa and βb, respectively, the length L of the mode rotor is (equation 1).
(Βa-βb) L=π
When the position and shape of the groove are adjusted so that the LP11a or LP11b mode input to the mode rotor is converted to LP11b or LP11a at the output end. A detailed design method of the mode rotor is described in Non-Patent Document 7.
(実施形態)
本発明は、伝送路で発生するDMDや各種光学特性のモード間の差を補償するために、これらのモード合分波器とモード回転子を組み合わせ、モード間を巡回的に交換するモード交換器を提供する。図3は、本発明に係るモード交換器の機能を説明する図である。数モードファイバ又はマルチモードファイバの途中に本発明に係るモード交換器を挿入し、モード間を巡回的に交換することで伝送路で発生するDMDや光学特性差を補償する。
(Embodiment)
The present invention combines a mode multiplexer/demultiplexer and a mode rotator in order to compensate for differences between modes of DMD and various optical characteristics generated in a transmission line, and a mode exchanger that cyclically switches between modes. I will provide a. FIG. 3 is a diagram for explaining the function of the mode exchanger according to the present invention. By inserting the mode exchanger according to the present invention in the middle of a few-mode fiber or a multimode fiber and cyclically exchanging between modes, the DMD and optical characteristic difference generated in the transmission path are compensated.
例えば、図3において光の伝搬方向が左から右である場合に、モード交換器に入射されるLP01をLP11aに、LP11aをLP11bに、LP11bをLP01にモード変換して出力すればよい。また、入射されるLP01をLP11bに、LP11aをLP01に、LP11bをLP11aにモード変換して出力してもよい。 For example, when the light propagation direction is from left to right in FIG. 3, LP01 incident on the mode exchanger may be mode-converted to LP11a, LP11a may be converted to LP11b, and LP11b may be converted to LP01. Further, the incident LP01 may be mode-converted to LP11b, LP11a to LP01, and LP11b to LP11a for output.
(構成例1)
図4は、本実施形態のモード交換器301の構造を説明する図である。モード交換器301は、
基板上に形成され、LP01、LP11a及びLP11bの3つのモードを伝搬可能な第1導波路WG1と、
前記基板上で第1導波路WG1に並列される第2導波路WG2と、
前記基板上の第1導波路WG1と第2導波路WG2とで構成され、第1導波路WG1と第2導波路WG2との間で光のパワーを移行する3つの結合部(領域II、領域IV、領域VI)と、
第1導波路WG1の一端に接続され、LP11aとLP11bとをモード変換するモード回転子50と、
を備える。
前記結合部のうちの2つの結合部(領域II及び領域VI)は、第2導波路WG2を伝搬するLP01モードの実効屈折率と第1導波路WG1を伝搬するLP11aモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さl1である。
前記結合部のうち前記2つの結合部に挟まれる結合部(領域IV)は、第1導波路WG1を伝搬するLP01モードの実効屈折率と第2導波路WG2を伝搬するLP01モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さl2である。
(Structure example 1)
FIG. 4 is a diagram for explaining the structure of the mode exchanger 301 of this embodiment. The mode exchanger 301 is
A first waveguide WG1 formed on a substrate and capable of propagating three modes LP01, LP11a, and LP11b;
A second waveguide WG2 arranged in parallel with the first waveguide WG1 on the substrate,
Three coupling parts (region II, region) which are composed of the first waveguide WG1 and the second waveguide WG2 on the substrate, and which transfer the optical power between the first waveguide WG1 and the second waveguide WG2. IV, region VI),
A mode rotator 50 which is connected to one end of the first waveguide WG1 and performs mode conversion between LP11a and LP11b;
Equipped with.
Two of the coupling portions (region II and region VI) have the same effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguide WG2 and the LP11a mode propagating in the first waveguide WG1. The length of the light in the propagation direction is the length l 1 at which the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide.
Of the coupling portions, the coupling portion (region IV) sandwiched between the two coupling portions has an effective refractive index of LP01 mode propagating in the first waveguide WG1 and an effective refractive index of LP01 mode propagating in the second waveguide WG2. And the length in the light propagation direction is the length l 2 at which the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide.
モード交換器301は、それぞれの導波路の高さが一定であり、3のモードを伝搬可能な導波路WG1と導波路WG1と平行した導波路WG2と、平行に配置された導波路WG1と導波路WG2が近接する結合部を3つ(領域II、領域IV、領域VI)有している。 In the mode exchanger 301, the heights of the respective waveguides are constant, the waveguide WG1 capable of propagating the three modes, the waveguide WG2 parallel to the waveguide WG1, and the waveguide WG1 arranged parallel to the waveguide WG1. The waveguide WG2 has three adjacent coupling portions (region II, region IV, and region VI).
領域II、VIに存在している結合部においては、先に述べたモード合分波器と同様に、導波路WG1のLP11aと導波路WG2のLP01モードとの間で変換するよう結合長が設計されている。また、領域IVでは、導波路WG1および導波路WG2の導波路幅が等しく設計されている。さらに、領域IVでは、導波路WG1と導波路WG2との間でLP01モードが相手の導波路へLP01モードとして変換され、導波路WG1のLP11bモードが導波路WG2のLP11bに一旦変換され、再び導波路WG1のLP11bモードに再変換されるよう結合長が設計されている。 In the coupling portions existing in the regions II and VI, the coupling length is designed so as to convert between the LP11a of the waveguide WG1 and the LP01 mode of the waveguide WG2, like the mode multiplexer/demultiplexer described above. Has been done. In the region IV, the waveguide widths of the waveguide WG1 and the waveguide WG2 are designed to be equal. Further, in the region IV, the LP01 mode is converted between the waveguides WG1 and WG2 as the LP01 mode to the other waveguide, the LP11b mode of the waveguide WG1 is once converted to the LP11b of the waveguide WG2, and the waveguide is again guided. The coupling length is designed so that the waveguide WG1 is converted back to the LP11b mode.
また、領域I、III、V、VIIにおける曲り導波路及び導波路幅変換部においては、それぞれ伝搬するモードが他のモードに変換しないよう十分緩やかな比率で曲げられているまたは導波路幅が変化するよう設計されている。 Further, in the curved waveguide and the waveguide width conversion section in the regions I, III, V, and VII, the propagating mode is bent at a sufficiently gentle ratio so as not to be converted into another mode, or the waveguide width is changed. Is designed to
モード回転子50は、先に述べたモード回転子と同様に、LP11aとLP11bとの間でモード変換するように設計されている。 The mode rotor 50 is designed to perform mode conversion between the LP 11a and the LP 11b, similarly to the mode rotor described above.
モード変換器301は、次のように動作する。なお、光の伝搬方向は左から右で説明するが、逆であっても同様である。
(1)LP01モードの光
光は、領域I、II、IIIでは導波路WG1をLP01モードで伝搬する。光は、領域IVの結合部において導波路WG2のLP01モードに変換され、領域Vでは導波路WG2をLP01モードで伝搬し、領域VIにおいて導波路WG2から導波路WG1のLP11aモードに変換される。光は、領域VIIでは導波路WG1をLP11aモードで伝搬し、モード回転子50でLP11bモードに変換され、出力される。
(2)LP11aモードの光
光は、領域Iでは導波路WG1をLP11aモードで伝搬する。光は、領域IIの結合部において導波路WG2のLP01モードに変換され、領域IIIでは導波路WG2をLP01モードで伝搬し、領域IVの結合部において導波路WG2から導波路WG1のLP01モードに変換される。光は、領域V、VI、VIIでは導波路WG1をLP01モードで伝搬し、モード回転子50でもモード変換されず、LP01モードとして出力される。
(3)LP11bモードの光
光は、領域I、II、IIIでは導波路WG1をLP11bモードで伝搬する。光は、領域IVの結合部において導波路WG2のLP11bモードに変換されるが、導波路WG1のLP11bモードに再変換される。光は、領域V、VI、VIIでは導波路WG1をLP11bモードで伝搬し、モード回転子50でLP11aモードに変換され、出力される。
The mode converter 301 operates as follows. Note that the light propagation direction will be described from left to right, but the same applies even if the directions are reversed.
(1) Light in LP01 Mode Light propagates in the waveguide WG1 in the LP01 mode in the regions I, II, and III. The light is converted into the LP01 mode of the waveguide WG2 at the coupling portion of the region IV, propagates through the waveguide WG2 in the LP01 mode in the region V, and is converted into the LP11a mode of the waveguide WG1 in the region VI. The light propagates through the waveguide WG1 in the LP11a mode in the region VII, is converted into the LP11b mode by the mode rotator 50, and is output.
(2) Light in LP11a Mode In region I, light propagates in the waveguide WG1 in LP11a mode. The light is converted to the LP01 mode of the waveguide WG2 at the coupling part of the region II, propagates in the LP01 mode of the waveguide WG2 at the region III, and is converted to the LP01 mode of the waveguide WG1 at the coupling part of the region IV. To be done. The light propagates in the waveguide WG1 in the LP01 mode in the regions V, VI, and VII, is not mode-converted by the mode rotator 50, and is output as the LP01 mode.
(3) Light of LP11b Mode Light propagates through the waveguide WG1 in the LP11b mode in the regions I, II, and III. The light is converted into the LP11b mode of the waveguide WG2 at the coupling part of the region IV, but is converted again into the LP11b mode of the waveguide WG1. Light propagates in the waveguide WG1 in the LP11b mode in the regions V, VI, and VII, is converted into the LP11a mode in the mode rotator 50, and is output.
以上のようにモード交換器301は、入射されるLP01をLP11bに、LP11aをLP01に、LP11bをLP11aにモード変換可能であり、モードの巡回交換が実現できる。 As described above, in the mode exchanger 301, the incident LP01 can be mode-converted into LP11b, LP11a into LP01, and LP11b into LP11a, and cyclic switching of modes can be realized.
(構成例2)
図5は、本実施形態のモード交換器302の構造を説明する図である。モード交換器302は、
基板上に形成され、LP01、LP11a及びLP11bの3つのモードを伝搬可能な第1導波路WG1と、
前記基板上で第1導波路WG1に並列される第2導波路WG2と、
前記基板上で第1導波路WG1に並列される第3導波路WG3と、
前記基板上の第1導波路WG1と第2導波路WG2とで構成され、第1導波路WG1と第2導波路WG2との間で光のパワーを移行する3つの第1結合部(B,C,D)と、
前記基板上の第1導波路WG1と第3導波路WG3とで構成され、3つの第1結合部(B,C,D)を挟むように配置され、第1導波路WG1と第3導波路WG3との間で光のパワーを移行する2つの第2結合部(A,E)と、
第1導波路WG1の一端に接続された、LP11aとLP11bとをモード変換する第1モード回転子51と、
2つの第2結合部(A,E)の間にあり、3つの第1結合部(B,C,D)を挟むように第1導波路WG1上に配置され、LP11aとLP11bとをモード変換する2つの第2モード回転子(52、53)と、
を備える。
第1結合部(B,C,D)のうちの2つの結合部(B,D)は、第2導波路WG2を伝搬するLP01モードの実効屈折率と第1導波路WG1を伝搬するLP11aモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである。
第1結合部(B,C,D)のうち2つの結合部(B,D)に挟まれる結合部Cは、第1導波路WG1を伝搬するLP01モードの実効屈折率と第2導波路WG2を伝搬するLP01モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである。
2つの第2結合部(A,E)は、第3導波路WG3を伝搬するLP01モードの実効屈折率と第1導波路WG1を伝搬するLP11aモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである。
(Structure example 2)
FIG. 5: is a figure explaining the structure of the mode exchanger 302 of this embodiment. The mode exchanger 302 is
A first waveguide WG1 formed on a substrate and capable of propagating three modes LP01, LP11a, and LP11b;
A second waveguide WG2 arranged in parallel with the first waveguide WG1 on the substrate,
A third waveguide WG3 arranged in parallel with the first waveguide WG1 on the substrate,
Three first coupling portions (B, B, which are composed of the first waveguide WG1 and the second waveguide WG2 on the substrate, and transfer the optical power between the first waveguide WG1 and the second waveguide WG2. C, D),
The first waveguide WG1 and the third waveguide WG3 on the substrate are arranged so as to sandwich the three first coupling portions (B, C, D), and the first waveguide WG1 and the third waveguide WG1 are provided. Two second coupling parts (A, E) for transferring the optical power to and from the WG3,
A first mode rotator 51 connected to one end of the first waveguide WG1 for mode conversion between LP11a and LP11b;
It is placed on the first waveguide WG1 so as to sandwich the three first coupling portions (B, C, D) between the two second coupling portions (A, E), and the LP11a and LP11b are mode-converted. Two second mode rotors (52, 53)
Equipped with.
Two coupling parts (B, D) of the first coupling parts (B, C, D) have an effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguide WG2 and an LP11a mode propagating in the first waveguide WG1. Have the same effective refractive index, and the length in the light propagation direction is the length at which the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide.
The coupling portion C sandwiched between the two coupling portions (B, D) of the first coupling portions (B, C, D) has the effective refractive index of the LP01 mode propagating through the first waveguide WG1 and the second waveguide WG2. The effective refractive index of the LP01 mode propagating in the light is the same, and the length in the light propagation direction is the length at which the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide.
In the two second coupling portions (A, E), the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the third waveguide WG3 and the effective refractive index of the LP11a mode propagating in the first waveguide WG1 match, and the light propagation direction Is the length at which the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide.
モード交換器302は、それぞれの導波路の高さが一定であり、3のモードを伝搬可能な導波路WG1と、これに平行する導波路WG2及び導波路WG3と、導波路WG2又は導波路WG3が導波路WG1に近接して構成される結合部(A、B、C、D、E)を有している。 In the mode exchanger 302, the heights of the respective waveguides are constant, the waveguide WG1 capable of propagating the three modes, the waveguides WG2 and WG3 parallel thereto, and the waveguide WG2 or the waveguide WG3. Has a coupling portion (A, B, C, D, E) formed in proximity to the waveguide WG1.
結合部(A、B、D、E)においては、先に述べたモード合分波器と同様に、導波路WG1のLP11aと導波路WG2又は導波路WG3のLP01モードとの間で変換するよう結合長が設計されている。また、結合部Cにおいては、導波路WG1又は導波路WG2を伝搬するLP01モードを他方の導波路を伝搬するLP01モードに変換するために、導波路WG1又は導波路WG2の導波路幅を等しくし、他方の導波路にパワーが遷移するよう結合長を設計すればよい。 In the coupling portion (A, B, D, E), conversion is performed between the LP11a of the waveguide WG1 and the LP01 mode of the waveguide WG2 or the waveguide WG3, as in the mode multiplexer/demultiplexer described above. The bond length is designed. Further, in the coupling portion C, in order to convert the LP01 mode propagating in the waveguide WG1 or the waveguide WG2 into the LP01 mode propagating in the other waveguide, the waveguide width of the waveguide WG1 or the waveguide WG2 is made equal. The coupling length may be designed so that the power transitions to the other waveguide.
また、導波路WG2及び導波路WG3における曲り導波路及び導波路幅変換部においては、それぞれ伝搬するモードが他のモードに変換しないよう十分緩やかな比率で曲げられているまたは導波路幅が変化するよう設計されている。 In the curved waveguide and the waveguide width converter in the waveguide WG2 and the waveguide WG3, the propagating mode is bent at a sufficiently gentle ratio so that the propagating mode is not converted into another mode, or the waveguide width changes. Is designed for.
モード回転子(51、52、53)は、先に述べたモード回転子と同様に、LP11aとLP11bとの間でモード変換するように設計されている。 The mode rotors (51, 52, 53) are designed to perform mode conversion between the LP 11a and the LP 11b, like the mode rotors described above.
モード変換器302は、次のように動作する。なお、光の伝搬方向は左から右で説明するが、逆であっても同様である。
(1)LP01モードの光
光は、結合部Cに至るまで導波路WG1をLP01モードで伝搬する。光は、結合部Cにおいて導波路WG2のLP01モードに変換される。光は、結合部Dに至るまで導波路WG2をLP01モードで伝搬し、結合部Dにおいて導波路WG1のLP11aモードに変換される。光は、モード回転子53でLP11bに変換され、出力される。
(2)LP11aモードの光
光は、モード回転子51によってLP11aモードからLP11bモードに変換され、結合部AではLP11bモードのまま導波路WG1を伝搬し、モード回転子52によってLP11aモードに変換される。光は、結合部Bにおいて導波路WG1から導波路WG2のLP01モードに変換され、結合部Cにおいて導波路WG2から導波路WG1のLP01モードに変換される。光は、結合部D、Eや回転子53でモード変換されずに導波路WG1を伝搬し、出力される。
(3)LP11bモードの光
光は、モード回転子51によってLP11bモードからLP11aモードに変換され、結合部Aにおいて導波路WG1から導波路WG3のLP01モードに変換される。光は、LP01モードで導波路WG3を伝搬し、結合部Eにおいて導波路WG2から導波路WG1のLP11aモードに変換され、出力される。
The mode converter 302 operates as follows. Note that the light propagation direction will be described from left to right, but the same applies even if the directions are reversed.
(1) Light in LP01 Mode Light propagates in the waveguide WG1 in LP01 mode up to the coupling portion C. The light is converted into the LP01 mode of the waveguide WG2 at the coupling portion C. The light propagates in the waveguide WG2 in the LP01 mode up to the coupling portion D, and is converted into the LP11a mode in the waveguide WG1 at the coupling portion D. The light is converted into LP11b by the mode rotator 53 and is output.
(2) Light of LP11a Mode Light is converted from the LP11a mode to the LP11b mode by the mode rotator 51, propagates in the waveguide WG1 in the coupling section A in the LP11b mode, and is converted to the LP11a mode by the mode rotator 52. .. The light is converted from the waveguide WG1 to the LP01 mode of the waveguide WG2 at the coupling portion B, and converted from the waveguide WG2 to the LP01 mode of the waveguide WG1 at the coupling portion C. The light propagates through the waveguide WG1 without being mode-converted by the coupling portions D and E and the rotor 53, and is output.
(3) Light of LP11b Mode Light is converted from LP11b mode to LP11a mode by the mode rotator 51, and is converted from the waveguide WG1 to the LP01 mode of the waveguide WG3 at the coupling portion A. The light propagates in the waveguide WG3 in the LP01 mode, is converted from the waveguide WG2 to the LP11a mode in the waveguide WG1 at the coupling portion E, and is output.
以上のようにモード交換器302は、入射されるLP01をLP11bに、LP11aをLP01に、LP11bをLP11aにモード変換可能であり、モードの巡回交換が実現できる。 As described above, the mode exchanger 302 can perform mode conversion of the incident LP01 into LP11b, LP11a into LP01, and LP11b into LP11a, and cyclic switching of modes can be realized.
続いて、モード交換器302について各モードの伝搬シミュレーションを行う。図6は、モード交換器302の各導波路についての設計パラメータである。図7は、本設計パラメータにおける各モードの伝搬シミュレーションの結果である。
図7(A)は、入射したLP01モードの光がLP11bモードに変換される様子を示している。
図7(B)は、入射したLP11aモードの光がLP01モードに変換される様子を示している。
図(C)は、入射したLP11bモードの光がLP11aモードに変換される様子を示している。
Subsequently, propagation simulation of each mode is performed on the mode exchanger 302. FIG. 6 shows design parameters for each waveguide of the mode exchanger 302. FIG. 7 shows the result of the propagation simulation of each mode with this design parameter.
FIG. 7A shows how incident light in the LP01 mode is converted into the LP11b mode.
FIG. 7B shows how incident LP11a mode light is converted to LP01 mode.
FIG. 6C shows how incident LP11b mode light is converted into LP11a mode.
(構成例3)
図8は、本実施形態のモード交換器303の構造を説明する図である。モード交換器303は、
基板上に形成され、LP01、LP11a及びLP11bの3つのモードを伝搬可能な第1導波路WG1と、
前記基板上で第1導波路WG1に並列される第2導波路WG2と、
前記基板上で第1導波路WG1に並列される第3導波路WG3と、
前記基板上の第1導波路WG1と第2導波路WG2とで構成され、第1導波路WG1と第2導波路WG2との間で光のパワーを移行する結合部B、結合部C及び結合部Eと、
前記基板上の第1導波路WG1と第3導波路WG3とで構成され、第1導波路WG1と第3導波路WG3との間で光のパワーを移行する結合部A及び結合部Dと、
第1導波路WG1上に配置され、LP11aとLP11bとをモード変換する2つのモード回転子(54、55)と、
を備える。
結合部A、結合部B、結合部C、結合部D及び結合部Eは、一端から他端に向けて順に配置され、モード回転子54は結合部Aと結合部Bとの間に配置され、モード回転子55は結合部Dと結合部Eとの間に配置されている。
結合部A、結合部B、結合部D及び結合部Eは、第2導波路WG2もしくは第3導波路WG3を伝搬するLP01モードの実効屈折率と第1導波路WG1を伝搬するLP11aモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである。
結合部Cは、第1導波路WG1を伝搬するLP01モードの実効屈折率と第2導波路WG2を伝搬するLP01モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである。
(Configuration example 3)
FIG. 8 is a diagram for explaining the structure of the mode exchanger 303 of this embodiment. The mode exchanger 303 is
A first waveguide WG1 formed on a substrate and capable of propagating three modes LP01, LP11a, and LP11b;
A second waveguide WG2 arranged in parallel with the first waveguide WG1 on the substrate,
A third waveguide WG3 arranged in parallel with the first waveguide WG1 on the substrate,
A coupling part B, a coupling part C, and a coupling which are composed of the first waveguide WG1 and the second waveguide WG2 on the substrate, and transfer the optical power between the first waveguide WG1 and the second waveguide WG2. Part E,
A coupling section A and a coupling section D which are composed of the first waveguide WG1 and the third waveguide WG3 on the substrate, and which transfer the optical power between the first waveguide WG1 and the third waveguide WG3;
Two mode rotators (54, 55) arranged on the first waveguide WG1 and mode-converting the LP11a and the LP11b.
Equipped with.
The coupling portion A, the coupling portion B, the coupling portion C, the coupling portion D and the coupling portion E are sequentially arranged from one end to the other end, and the mode rotor 54 is disposed between the coupling portion A and the coupling portion B. The mode rotor 55 is arranged between the coupling portion D and the coupling portion E.
The coupling portion A, the coupling portion B, the coupling portion D, and the coupling portion E are effective in the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguide WG2 or the third waveguide WG3 and the effective refractive index of the LP11a mode propagating in the first waveguide WG1. The refractive indexes are the same, and the length in the light propagation direction is the length at which the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide.
In the coupling portion C, the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the first waveguide WG1 and the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguide WG2 match, and the length in the light propagation direction is the power of the light. Is the length of complete transition from one waveguide to the other.
モード交換器303は、導波路の高さが一定であり、3のモードを伝搬可能な導波路WG1と、これに平行する導波路WG2及び導波路WG3と、導波路WG2又は導波路WG3が導波路WG1に近接して構成される結合部(A、B、C、D、E)を有している。 In the mode exchanger 303, the height of the waveguide is constant, the waveguide WG1 capable of propagating the three modes, the waveguide WG2 and the waveguide WG3 parallel to the waveguide WG1, and the waveguide WG2 or the waveguide WG3 are guided. It has a coupling portion (A, B, C, D, E) that is formed close to the waveguide WG1.
結合部(A、B、D、E)においては、先に述べたモード合分波器と同様に、導波路WG1のLP11aと導波路WG2又は導波路WG3のLP01モードとの間で変換するよう結合長が設計されている。また、結合部Cにおいては、導波路WG1又は導波路WG3を伝搬するLP01モードを他方の導波路を伝搬するLP01モードに変換するために、導波路WG1及び導波路WG3の導波路幅を等しくし、他方の導波路にパワーが遷移するよう結合長を設計すればよい。 In the coupling portion (A, B, D, E), conversion is performed between the LP11a of the waveguide WG1 and the LP01 mode of the waveguide WG2 or the waveguide WG3, as in the mode multiplexer/demultiplexer described above. The bond length is designed. In the coupling portion C, the waveguide widths of the waveguides WG1 and WG3 are made equal in order to convert the LP01 mode propagating in the waveguide WG1 or the waveguide WG3 into the LP01 mode propagating in the other waveguide. The coupling length may be designed so that the power transitions to the other waveguide.
また、導波路WG2及び導波路WG3における曲り導波路及び導波路幅変換部においては、それぞれ伝搬するモードが他のモードに変換しないよう十分緩やかな比率で曲げられているまたは導波路幅が変化するよう設計されている。 In the curved waveguide and the waveguide width converter in the waveguide WG2 and the waveguide WG3, the propagating mode is bent at a sufficiently gentle ratio so that the propagating mode is not converted into another mode, or the waveguide width changes. Is designed for.
モード回転子(54、55)は、先に述べたモード回転子と同様に、LP11aとLP11bとの間でモード変換するように設計されている。 The mode rotors (54, 55) are designed to perform mode conversion between the LP 11a and the LP 11b, similarly to the mode rotors described above.
モード変換器303は、次のように動作する。なお、光の伝搬方向は左から右で説明するが、逆であっても同様である。
(1)LP01モードの光
光は、結合部Cに至るまで導波路WG1をLP01モードで伝搬する。光は、結合部Cにおいて導波路WG2のLP01モードに変換される。光は、結合部Eに至るまで導波路WG2をLP01モードで伝搬し、結合部Eにおいて導波路WG1のLP11aモードに変換され、出力される。
(2)LP11aモードの光
光は、結合部Aにおいて導波路WG1から導波路WG2のLP01モードに変換される。光は、LP01モードで導波路WG3を伝搬し、結合部Dにおいて、導波路WG3から導波路WG1のLP11aモードに変換される。光は、モード回転子55によってLP11aモードからLP11bモードに変換され、出力される。
(3)LP11bモードの光
光は、結合部Aでモード変換されずに導波路WG1を伝搬し、モード回転子54によってLP11bモードからLP11aモードに変換され、結合部Bで導波路WG1から導波路WG2のLP01モードに変換される。光は、導波路WG2をLP01モードで結合部Cに至るまで伝搬し、結合部Cで導波路WG2から導波路WG1のLP01モードに変換される。光は、結合部D、Eや回転子55でモード変換されずに導波路WG1を伝搬し、出力される。
The mode converter 303 operates as follows. Note that the light propagation direction will be described from left to right, but the same applies even if the directions are reversed.
(1) Light in LP01 Mode Light propagates in the waveguide WG1 in LP01 mode up to the coupling portion C. The light is converted into the LP01 mode of the waveguide WG2 at the coupling portion C. The light propagates in the waveguide WG2 in the LP01 mode up to the coupling portion E, is converted into the LP11a mode of the waveguide WG1 in the coupling portion E, and is output.
(2) Light of LP11a Mode Light is converted from the waveguide WG1 to the LP01 mode of the waveguide WG2 at the coupling portion A. Light propagates in the waveguide WG3 in the LP01 mode, and is converted from the waveguide WG3 to the LP11a mode in the waveguide WG1 at the coupling portion D. The light is converted from the LP11a mode to the LP11b mode by the mode rotator 55 and output.
(3) Light of LP11b Mode Light propagates in the waveguide WG1 without being mode-converted in the coupling portion A, is converted from the LP11b mode to the LP11a mode by the mode rotator 54, and is guided in the coupling portion B from the waveguide WG1. It is converted to the LP01 mode of WG2. Light propagates in the waveguide WG2 in the LP01 mode to the coupling portion C, and is converted in the coupling portion C from the waveguide WG2 to the LP01 mode of the waveguide WG1. The light propagates through the waveguide WG1 without being subjected to mode conversion in the coupling portions D and E and the rotor 55, and is output.
以上のようにモード交換器303は、入射されるLP01をLP11aに、LP11aをLP11bに、LP11bをLP01にモード変換可能であり、モードの巡回交換が実現できる。 As described above, the mode exchanger 303 can perform mode conversion of the incident LP01 into LP11a, LP11a into LP11b, and LP11b into LP01, so that cyclic switching of modes can be realized.
続いて、モード交換器303について各モードの伝搬シミュレーションを行う。図9は、モード交換器303の各導波路についての設計パラメータである。図10は、本設計パラメータにおける各モードの伝搬シミュレーションの結果である。
図10(A)は、入射したLP01モードの光がLP11aモードに変換される様子を示している。
図10(B)は、入射したLP11aモードの光がLP11bモードに変換される様子を示している。
図10(C)は、入射したLP11bモードの光がLP01モードに変換される様子を示している。
Then, propagation simulation of each mode is performed for the mode exchanger 303. FIG. 9 shows design parameters for each waveguide of the mode exchanger 303. FIG. 10 shows the result of the propagation simulation of each mode with this design parameter.
FIG. 10A shows how incident light in the LP01 mode is converted into the LP11a mode.
FIG. 10B shows how incident light of LP11a mode is converted into LP11b mode.
FIG. 10C shows how incident LP11b mode light is converted into LP01 mode.
(構成例4)
図11は、本実施形態のモード交換器304の構造を説明する図である。モード交換器304は、
基板上に形成され、LP01、LP11a及びLP11bの3つのモードを伝搬可能な1本の導波路WGと、
導波路WGに形成され、幅が周期的に変化してLP01とLP11aとをモード変換する、もしくは高さが周期的に変化してLP01とLP11bとをモード変換するグレーティング部41と、
導波路GWに形成され、LP11aとLP11bとをモード変換するモード回転子56と、
を備える。
(Structure example 4)
FIG. 11 is a diagram for explaining the structure of the mode exchanger 304 of this embodiment. The mode exchanger 304 is
One waveguide WG formed on the substrate and capable of propagating three modes of LP01, LP11a, and LP11b,
A grating unit 41 formed in the waveguide WG and having a width that periodically changes to perform mode conversion between LP01 and LP11a, or a height that changes periodically to perform mode conversion between LP01 and LP11b,
A mode rotator 56 formed in the waveguide GW for mode-converting LP11a and LP11b;
Equipped with.
グレーティング部41は、導波路の幅が幅を周期的に変化させ、LP01とLP11aが変換されるよう設計され、モード回転子56は、先に述べたモード回転子と同様に、LP11aとLP11bとの間でモード変換するように設計されている。 The grating part 41 is designed so that the width of the waveguide periodically changes the width and LP01 and LP11a are converted, and the mode rotor 56 is similar to the mode rotators described above, and the LP11a and LP11b are the same. Designed to convert between modes.
モード変換器304は、次のように動作する。なお、光の伝搬方向は左から右で説明するが、逆であっても同様である。
(1)LP01モードの光
光は、グレーティング部41においてLP11aモードに変換され、モード回転子56においてLP11aモードからLP11bモードに変換される。
(2)LP11aモードの光
光は、グレーティング部41においてLP01モードに変換され、モード回転子56において何れのモードにも変換されずLP01モードとして出力される。
(3)LP11bモードの光
光は、グレーティング部41において何れのモードにも変換されず、モード回転子56においてLP11bモードからLP11aモードに変換される。
The mode converter 304 operates as follows. Note that the light propagation direction will be described from left to right, but the same applies even if the directions are reversed.
(1) Light in LP01 Mode Light is converted into LP11a mode in the grating section 41, and converted from LP11a mode into LP11b mode in the mode rotator 56.
(2) Light in LP11a Mode Light is converted into LP01 mode in the grating section 41 and is converted into LP01 mode in the mode rotator 56 without any mode conversion.
(3) Light in LP11b Mode Light is not converted into any mode in the grating section 41, and is converted from LP11b mode to LP11a mode in the mode rotator 56.
以上のようにモード交換器304は、入射されるLP01をLP11bに、LP11aをLP01に、LP11bをLP11aにモード変換可能であり、モードの巡回交換が実現できる。 As described above, the mode exchanger 304 can perform mode conversion of the incident LP01 into LP11b, LP11a into LP01, and LP11b into LP11a, and cyclic switching of modes can be realized.
なお、グレーティング部41は、導波路の水平方向の幅が変化している構造の場合、上記の巡回交換となるが、垂直方向の高さが周期的に変動している構造の場合、LP01モードとLP11bモードが変換される。このため、モード交換器304は、入射されるLP01をLP11aに、LP11aをLP11bに、LP11bをLP01にモード変換し、モードの巡回交換を実現する。 It should be noted that the grating portion 41 performs the above cyclic exchange in the case of a structure in which the width of the waveguide in the horizontal direction changes, but the LP01 mode in the case of a structure in which the height in the vertical direction periodically changes. And the LP11b mode is converted. Therefore, the mode exchanger 304 mode-converts the incident LP01 to LP11a, LP11a to LP11b, and LP11b to LP01 to realize the cyclic exchange of modes.
なお、グレーティング部41の導波路構造の変動周期は、非特許文献8に示されるように、波長λにおいてモード1とモード2の実効屈折率に応じた特定の周期の屈折率揺らぎを付与することで、それぞれのモードで伝搬してきた信号を変換することができる。 Note that the fluctuation period of the waveguide structure of the grating portion 41 should be such that, as shown in Non-Patent Document 8, a refractive index fluctuation of a specific period according to the effective refractive index of the mode 1 and the mode 2 is given at the wavelength λ. Then, the signal propagated in each mode can be converted.
グレーティング部41のファイバグレーティングの間隔Λは使用する導波路構造パラメータ、波長、変換するモード次数によって決定される。モード変換するためのグレーティングの間隔Λは式(2)で与えられる。式(2)のn1とn2はそれぞれ波長λにおけるモード1の実効屈折率、モード2の実効屈折率を示している。使用する波長λを決定後、導波路構造パラメータから数値解析を行い、各モードの実効屈折率を算出し、計算により得られたn1とn2を式(2)に代入して必要なグレーティング周期Λを決定することができる。
また、グレーティング部41の長さについては、結合長を計算し、適切に設計することでモード交換の機能を実現することができる。 Further, regarding the length of the grating portion 41, the function of mode exchange can be realized by calculating the coupling length and designing it appropriately.
また、4モード以上のモード交換ができるモード交換器についても同様の構造で実現可能である。つまり、当該モード交換器は、
基板上に形成され、前記基板からの高さが一定であり、n個(nは4以上の整数)のモードを伝搬可能な1本の導波路と、
前記導波路に形成され、幅が周期的に変化するグレーティング部41と、
前記導波路に形成され、縮退モードの一つを他方の縮退モードへ変換するモード回転子56と、
を備え、入力されるn個のモードのそれぞれを、入力されたモードとは異なるモードへ変換することを特徴とする。
Further, a mode exchanger capable of exchanging modes of four or more modes can be realized with the same structure. That is, the mode exchanger is
A waveguide formed on a substrate, having a constant height from the substrate, capable of propagating n (n is an integer of 4 or more) modes;
A grating portion 41 formed in the waveguide, the width of which changes periodically;
A mode rotator 56 formed in the waveguide for converting one of the degenerate modes into the other degenerate mode;
And converting each of the n input modes into a mode different from the input mode.
例えば6モードを交換可能なモード交換器の場合、LP01、LP11a/LP11b、LP21a/LP21b、LP02モードの何れか2モードを交換するLPGを式(1)に基づいて設計し、全てのモードが巡回交換されるよう複数のLPGを多段に接続してグレーティング部41を形成する。このようなLPGの連結で、容易にモード数の拡張が可能である。さらに、本モード交換器は、モード回転子56として、LP11a/LP11b用のモード回転部とLP21a/LP21b用のモード回転部を有する。 For example, in the case of a mode exchanger capable of exchanging 6 modes, an LPG for exchanging any two modes of LP01, LP11a/LP11b, LP21a/LP21b, and LP02 modes is designed based on equation (1), and all modes are cyclic. A plurality of LPGs are connected in multiple stages so as to be exchanged to form the grating portion 41. By connecting such LPGs, the number of modes can be easily expanded. Further, the mode exchanger has, as the mode rotor 56, a mode rotating unit for LP11a/LP11b and a mode rotating unit for LP21a/LP21b.
(構成例5)
図12は、本実施形態のモード交換器305の構造を説明する図である。モード交換器305は、3モード分波器101と3モード合波器102の間に、交差導波路部103を有する。具体的には、モード交換器305は、
3つの分波ポート(DP1、DP2、DP3)と1つの合波ポートMP1を有する2つのモード合分波器(101、102)と、
2つのモード合分波器(101、102)の間で、互いに異なる前記分波ポート同士を1:1で接続する交差導波路部103と、
を備える。
(Structure example 5)
FIG. 12 is a diagram for explaining the structure of the mode exchanger 305 of this embodiment. The mode exchanger 305 has a cross waveguide portion 103 between the three-mode demultiplexer 101 and the three-mode multiplexer 102. Specifically, the mode exchanger 305 is
Two mode multiplexers/demultiplexers (101, 102) having three demultiplexing ports (DP1, DP2, DP3) and one multiplexing port MP1;
Between the two mode multiplexers/demultiplexers (101, 102), the crossing waveguide portion 103 that connects the demultiplexing ports different from each other at a ratio of 1:1;
Equipped with.
なお、「2つのモード合分波器(101、102)の間で、互いに異なる前記分波ポート同士を1:1で接続する」とは、例えば、分波器101の分波ポートDP2と合波器102の分波ポートDP3とを接続、分波器101の分波ポートDP1と合波器102の分波ポートDP2とを接続、分波器101の分波ポートDP3と合波器102の分波ポートDP1とを接続することを意味する。モード分波器101からの3つの出力導波路それぞれを、モード分波器101の分波ポートとは異なるモード合波器102の分波ポートへ接続することでモードの交換が実現できる。 It should be noted that "to connect the demultiplexing ports different from each other between the two mode demultiplexers (101, 102) at a ratio of 1:1" means, for example, that the demultiplexing port DP2 of the demultiplexer 101 is combined. The demultiplexer port DP3 of the demultiplexer 102 is connected, the demultiplexing port DP1 of the demultiplexer 101 and the demultiplexing port DP2 of the demultiplexer 102 are connected, and the demultiplexing port DP3 of the demultiplexer 101 and the multiplexer 102 are connected. This means connecting with the demultiplexing port DP1. Mode switching can be realized by connecting each of the three output waveguides from the mode demultiplexer 101 to a demultiplexing port of the mode multiplexer 102 different from the demultiplexing port of the mode demultiplexer 101.
モード合分波器(101、102)は、
基板上に形成され、一端が1つの分波ポートDP1に接続し、他端が合波ポートMP1に接続し、LP01、LP11a及びLP11bの3つのモードを伝搬可能な第1導波路WG1と、
前記基板上で第1導波路WG1に並列され、一端が他の2つの分波ポート(DP2、DP3)にそれぞれ接続する2つの第2導波路(WG2、WG3)と、
前記基板上の第1導波路WG1とそれぞれの前記第2導波路(WG2、WG3)とで構成され、第1導波路WG1と第2導波路(WG2、WG3)との間で光のパワーを移行する2つの結合部(A、B)と、
2つの結合部(A、B)との間の第1導波路WG1上に配置され、LP11aとLP11bとをモード変換するモード回転子57と、
を備える。
結合部(A、B)は、第2導波路(WG2、WG3)を伝搬するLP01モードの実効屈折率と第1導波路WG1を伝搬するLP11aモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである。
The mode multiplexer/demultiplexer (101, 102)
A first waveguide WG1 formed on a substrate, having one end connected to one demultiplexing port DP1 and the other end connected to a multiplexing port MP1 and capable of propagating three modes of LP01, LP11a, and LP11b;
Two second waveguides (WG2, WG3), which are arranged in parallel with the first waveguide WG1 on the substrate and have one ends respectively connected to the other two demultiplexing ports (DP2, DP3);
It is composed of the first waveguide WG1 on the substrate and the respective second waveguides (WG2, WG3). Light power is generated between the first waveguide WG1 and the second waveguide (WG2, WG3). Two transitions (A, B) that migrate,
A mode rotator 57 which is arranged on the first waveguide WG1 between the two coupling portions (A, B) and which performs mode conversion between LP11a and LP11b;
Equipped with.
In the coupling portions (A, B), the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguides (WG2, WG3) and the effective refractive index of the LP11a mode propagating in the first waveguide WG1 match, and the propagation direction of light Is the length at which the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide.
モード合波器102は、例えば図13の構成が利用できる。
3モードが伝搬可能な導波路WG1と、それと並行して配置された導波路(WG2、WG3)により構成される。導波路WG1と導波路(WG2、WG3)が近接する結合部(A、B)では、導波路WG1のLP11aモードと導波路(WG2、WG3)のLP01モードとがモード変換される。モード回転子57は、LP11aモードとLP11bモードとがモード変換される。
As the mode multiplexer 102, for example, the configuration of FIG. 13 can be used.
It is composed of a waveguide WG1 capable of propagating three modes and waveguides (WG2, WG3) arranged in parallel with the waveguide WG1. At the coupling portion (A, B) where the waveguide WG1 and the waveguides (WG2, WG3) are close to each other, the LP11a mode of the waveguide WG1 and the LP01 mode of the waveguide (WG2, WG3) are mode-converted. The mode rotor 57 is mode-converted between the LP11a mode and the LP11b mode.
モード合波器102は、次のように動作する。
分波ポートDP1に入力されたLP01モードの光は、LP01モードのまま導波路WG1を伝搬して合波ポートMP1から出力される。
分波ポートDP2に入力されたLP01モードの光は、結合部Aで導波路WG2から導波路WG1のLP11aモードに変換される。光は、モード回転子57によってLP11aモードからLP11bモードに変換され、合波ポートMP1から出力される。
分波ポートDP3に入力されたLP01モードの光は、結合部Bで導波路WG3から導波路WG1のLP11aモードに変換され、合波ポートMP1から出力される。
The mode multiplexer 102 operates as follows.
The LP01 mode light input to the demultiplexing port DP1 propagates through the waveguide WG1 in the LP01 mode, and is output from the multiplexing port MP1.
The LP01 mode light input to the demultiplexing port DP2 is converted from the waveguide WG2 to the LP11a mode of the waveguide WG1 at the coupling portion A. The light is converted from the LP11a mode to the LP11b mode by the mode rotator 57 and output from the multiplexing port MP1.
The LP01 mode light input to the demultiplexing port DP3 is converted from the waveguide WG3 to the LP11a mode of the waveguide WG1 at the coupling portion B, and output from the multiplexing port MP1.
また、モード分波器101としては図14の構成が利用できる。本構成はモード合波器102の構成を反転させたもので、合波ポートMP1から入力されるLP01、LP11a、LP11bモードの光は、それぞれ導波路WG1をLP01モードで伝搬して分波ポートDP1、導波路WG3をLP01モードで伝搬して分波ポートDP3、導波路WG2をLP01モードで伝搬して分波ポートDP2に出力される。 The configuration of FIG. 14 can be used as the mode demultiplexer 101. This configuration is an inversion of the configuration of the mode multiplexer 102. The LP01, LP11a, and LP11b mode light input from the multiplexing port MP1 propagates in the LP01 mode in the waveguide WG1 and is split into the demultiplexing port DP1. , And propagates in the waveguide WG3 in the LP01 mode and propagates in the demultiplexing port DP3, and propagates in the waveguide WG2 in the LP01 mode and is output to the demultiplexing port DP2.
モード変換器305は、交差導波路部103において、モード分波器101の分波ポート(DP1、DP2、DP3)からの光をそれぞれモード合波器102の分波ポート(DP2、DP3、DP1)または(DP3、DP1、DP2)に接続しており、モードの巡回交換を実現している。 In the cross waveguide section 103, the mode converter 305 applies the lights from the demultiplexing ports (DP1, DP2, DP3) of the mode demultiplexer 101 to the demultiplexing ports (DP2, DP3, DP1) of the mode multiplexer 102, respectively. Alternatively, it is connected to (DP3, DP1, DP2) to realize cyclic switching of modes.
なお、本実施例においてはモード数が3である例を示したが、入出力導波路の伝搬モード数をn(nは3以上の整数)とし、並行する導波路の数を交換したいモードの数だけ設置することで、実施例1〜5に類似に構成で対応モード数を増加させることができる。例えば、実施例5に記載のモード合分波器をnモード合分波器とし、交差導波路数をnとすることで容易にnモード交換器を実現することができる。 Although the example in which the number of modes is 3 has been shown in the present embodiment, the number of propagation modes in the input/output waveguide is n (n is an integer of 3 or more), and the number of parallel waveguides is desired to be exchanged. By installing the same number, the number of corresponding modes can be increased with a configuration similar to that of the first to fifth embodiments. For example, the mode multiplexer/demultiplexer described in the fifth embodiment is an n-mode multiplexer/demultiplexer and the number of crossed waveguides is n, whereby an n-mode exchanger can be easily realized.
(他の実施例)
なお、上記の実施例においてはSiO2系材料(石英系材料)を用いた平面光波回路に関する構成例を記載したが、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、Si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例と同様の効果を得ることができる。また、使用する波長帯に関しても、上記の実施例では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。
(Other embodiments)
In addition, in the above-mentioned embodiment, the configuration example of the planar lightwave circuit using the SiO 2 -based material (quartz-based material) has been described, but the material may of course be another material. For example, even in a planar lightwave circuit using a semiconductor such as Si-based or InGaAsP, or an organic substance such as a polymer, the same effect as that of the embodiment described in this specification can be obtained. Also, regarding the wavelength band to be used, although it is set to about 1.5 to 1.6 μm in the above embodiment, it may be in the mid-infrared region (2 μm or more) having a longer wavelength or in the visible light band.
[付記]
以下は、本実施形態のモード変換器を説明したものである。
本発明は、並行した導波路と導波路同士が近接する結合部とモード回転子を組み合わせて、伝搬モードを巡回的に変換することで、ノード間のDMDや各種光学的特性を保証するモード交換器である。本モード交換器の構成は次の通りである。
[Appendix]
The following describes the mode converter of this embodiment.
The present invention combines a parallel waveguide, a coupling portion where the waveguides are close to each other, and a mode rotator to cyclically convert a propagation mode, thereby performing DMD between nodes and mode exchange that guarantees various optical characteristics. It is a vessel. The configuration of this mode exchanger is as follows.
(1):
3モードファイバを伝送路とした伝送システム中に配置されるPLC型デバイスであって、
導波路の高さが一定であり、
3のモードを伝搬可能な導波路WG1と、
前記導波路WG1と平行した導波路WG2と、
平行に配置された前記導波路WG1と前記導波路WG2が近接する結合部を3つ有し、
前記導波路WG2は前記導波路WG1と導波路幅が同じになる領域を有し、
前記導波路WG1にLP11aモードをLP11bモード変換するモード回転子を結合部後の領域に含み、
第一の結合部において導波路WG1を伝搬するLP11aモードを導波路WG2のLP01モードに変換し、
第二の結合部において導波路WG1を伝搬するLP01モードを導波路WG2のLP01モードに変換し、
導波路WG2を伝搬するLP01モードを導波路WG1のLP01モードに変換し、
第三の結合部において導波路WG2を伝搬するLP01モードを導波路WG1のLP11aモードに変換することで、
入射されるLP01をLP11bに、LP11aをLP01に、LP11bをLP11aに変換して出力することを特徴とするモード交換器である。
(1):
A PLC type device arranged in a transmission system using a three-mode fiber as a transmission line,
The height of the waveguide is constant,
A waveguide WG1 capable of propagating the three modes,
A waveguide WG2 parallel to the waveguide WG1,
The waveguide WG1 and the waveguide WG2 arranged in parallel have three coupling portions in proximity to each other,
The waveguide WG2 has a region in which the waveguide width is the same as that of the waveguide WG1,
The waveguide WG1 includes a mode rotator for converting the LP11a mode to the LP11b mode in the region after the coupling portion,
The LP11a mode propagating through the waveguide WG1 in the first coupling portion is converted into the LP01 mode of the waveguide WG2,
The LP01 mode propagating in the waveguide WG1 at the second coupling portion is converted into the LP01 mode of the waveguide WG2,
The LP01 mode propagating through the waveguide WG2 is converted into the LP01 mode of the waveguide WG1,
By converting the LP01 mode propagating through the waveguide WG2 in the third coupling portion into the LP11a mode of the waveguide WG1,
It is a mode exchanger characterized by converting the input LP01 into LP11b, LP11a into LP01, and LP11b into LP11a for output.
(2):
3モードファイバを伝送路とした伝送システム中に配置されるPLC型デバイスであって、
導波路の高さが一定であり、
3のモードを伝搬可能な導波路WG1と
前記導波路WG1と平行した導波路WG2、3と、
平行に配置された前記導波路WG1と前記導波路WG2、3のそれぞれが近接する結合部を5つ有し、
前記導波路WG1にLP11aモードをLP11bモード変換するモード回転子を含み、
結合部Aの前後及び結合部Eの前に計3つのモード回転子を有し、
結合部Aにおいて導波路WG1を伝搬するLP11aモードを導波路WG2のLP01モードに変換し、
結合部Bにおいて導波路WG1を伝搬するLP11aモードを導波路WG3のLP01モードに変換し、
結合部Cにおいて導波路WG1または3を伝搬するLP01モードを導波路WG3または1のLP01モードに変換し、
結合部Dにおいて導波路WG3を伝搬するLP01モードを導波路WG1のLP11aモードに変換し、
結合部Eにおいて導波路WG2を伝搬するLP01モードを導波路WG1のLP11aモードに変換することで、
入射されるLP01をLP11bに、LP11aをLP01に、LP11bをLP11aに変換して出力することを特徴とするモード交換器である。
(2):
A PLC type device arranged in a transmission system using a three-mode fiber as a transmission line,
The height of the waveguide is constant,
A waveguide WG1 capable of propagating the three modes, and waveguides WG2 and WG3 parallel to the waveguide WG1,
Each of the waveguides WG1 and WG2, WG3 arranged in parallel has five coupling portions in proximity to each other,
The waveguide WG1 includes a mode rotator for converting the LP11a mode to the LP11b mode,
Having a total of three mode rotors in front of and behind the joint A and in front of the joint E,
The LP11a mode propagating through the waveguide WG1 in the coupling portion A is converted into the LP01 mode of the waveguide WG2,
The LP11a mode propagating in the waveguide WG1 at the coupling portion B is converted into the LP01 mode of the waveguide WG3,
The LP01 mode propagating through the waveguide WG1 or 3 in the coupling portion C is converted into the LP01 mode of the waveguide WG3 or 1,
The LP01 mode propagating through the waveguide WG3 in the coupling portion D is converted into the LP11a mode of the waveguide WG1,
By converting the LP01 mode propagating through the waveguide WG2 in the coupling portion E into the LP11a mode of the waveguide WG1,
It is a mode exchanger characterized by converting the input LP01 into LP11b, LP11a into LP01, and LP11b into LP11a for output.
(3):
3モードファイバを伝送路とした伝送システム中に配置されるPLC型デバイスであって、
導波路の高さが一定であり、
3のモードを伝搬可能な導波路WG1と
導波路WG1と平行した導波路WG2、3と、
平行に配置された前記導波路WG1と前記導波路WG2、3のそれぞれが近接する結合部を5つ有し、
前記導波路WG1にLP11aモードをLP11bモード変換するモード回転子を含み、
結合部Aの後及び結合部Dの後に計2つのモード回転子を有し、
結合部Aにおいて導波路WG1を伝搬するLP11aモードを導波路WG2のLP01モードに変換し、
結合部Bにおいて導波路WG1を伝搬するLP11aモードを導波路WG3のLP01モードに変換し、
結合部Cにおいて導波路WG1または3を伝搬するLP01モードを導波路WG3または1のLP01モードに変換し、
結合部Dにおいて導波路WG2を伝搬するLP01モードを導波路WG1のLP11aモードに変換し、
結合部Eにおいて導波路WG3を伝搬するLP01モードを導波路WG1のLP11aモードに変換することで、
入射されるLP01をLP11bに、LP11aをLP01に、LP11bをLP11aに変換して出力することを特徴とするモード交換器である。
(3):
A PLC type device arranged in a transmission system using a three-mode fiber as a transmission line,
The height of the waveguide is constant,
A waveguide WG1 capable of propagating the three modes, and waveguides WG2, 3 parallel to the waveguide WG1,
Each of the waveguides WG1 and WG2, WG3 arranged in parallel has five coupling portions in proximity to each other,
The waveguide WG1 includes a mode rotator for converting the LP11a mode to the LP11b mode,
Having a total of two mode rotors after the connection A and after the connection D,
The LP11a mode propagating through the waveguide WG1 in the coupling portion A is converted into the LP01 mode of the waveguide WG2,
The LP11a mode propagating in the waveguide WG1 at the coupling portion B is converted into the LP01 mode of the waveguide WG3,
The LP01 mode propagating through the waveguide WG1 or 3 in the coupling portion C is converted into the LP01 mode of the waveguide WG3 or 1,
The LP01 mode propagating through the waveguide WG2 at the coupling portion D is converted into the LP11a mode of the waveguide WG1,
By converting the LP01 mode propagating through the waveguide WG3 in the coupling portion E into the LP11a mode of the waveguide WG1,
It is a mode exchanger characterized by converting the input LP01 into LP11b, LP11a into LP01, and LP11b into LP11a for output.
(4):
3モードファイバを伝送路とした伝送システム中に配置されるPLC型デバイスであって、
導波路の高さが一定であり、
3のモードを伝搬可能な導波路において、
導波路幅が周期的に変化するグレーティング導波路部と、
LP11aモードをLP11bモード変換するモード回転子を含み、
前記グレーティング導波路部においてLP01とLP01aが変換されるよう設計され、
入射されるLP01をLP11bに、LP11aをLP01に、LP11bをLP11aに変換して出力することを特徴とするモード交換器である。
(4):
A PLC type device arranged in a transmission system using a three-mode fiber as a transmission line,
The height of the waveguide is constant,
In a waveguide that can propagate three modes,
A grating waveguide portion in which the waveguide width changes periodically,
Includes a mode rotator that converts LP11a mode to LP11b mode,
Designed to convert LP01 and LP01a in the grating waveguide section,
It is a mode exchanger characterized by converting the input LP01 into LP11b, LP11a into LP01, and LP11b into LP11a for output.
(5):
3モードファイバを伝送路とした伝送システム中に配置されるPLC型デバイスであって、
導波路の高さが一定であり、
3のモードを伝搬可能な導波路WG1と
導波路WG1と平行した導波路WG2、3と、
平行に配置された前記導波路WG1と前記導波路WG2、3のそれぞれが近接する結合部を2つ有し、
前記導波路WG1の第一の結合部の後にLP11aモードをLP11bモード変換するモード回転子を含み、
前記2つの結合部が、導波路WG1のLP11aモードと他方の導波路のLP01モードに変換される、
又は導波路WG2、3を導波するLP01モードを導波路WG1のLP11aモードに変換されるよう設計されており、
導波路を伝搬するLP01、LP11a、LP11bモードをそれぞれ導波路WG1、2、3にLP01モードとして分波するモード合波器と、
同様に設計され、導波路WG1、2、3から入力されたLP01モードがLP01、LP11a、LP11bモードとして導波路WG1に合波されるモード合分波器を有し、
前記モード分波器の出力導波路WG1、2、3が、前記モード合波器の入力導波路WG2、3、1または3、1、2に接続される交差導波路構造を有することを特徴とするモード交換器である。
(5):
A PLC type device arranged in a transmission system using a three-mode fiber as a transmission line,
The height of the waveguide is constant,
A waveguide WG1 capable of propagating the three modes, and waveguides WG2, 3 parallel to the waveguide WG1,
Each of the waveguides WG1 and WG2, WG3 arranged in parallel has two coupling portions in proximity to each other,
A mode rotator for converting the LP11a mode to the LP11b mode after the first coupling part of the waveguide WG1;
The two coupling portions are converted into the LP11a mode of the waveguide WG1 and the LP01 mode of the other waveguide,
Alternatively, the LP01 mode guided in the waveguides WG2, 3 is designed to be converted into the LP11a mode in the waveguide WG1,
A mode multiplexer that demultiplexes LP01, LP11a, and LP11b modes propagating in the waveguide into the waveguides WG1, WG2, and 3, respectively, as LP01 mode,
A mode multiplexer/demultiplexer having the same design, in which the LP01 mode input from the waveguides WG1, 2, and 3 is multiplexed into the waveguide WG1 as LP01, LP11a, and LP11b modes,
The output waveguides WG1, 2, 3 of the mode demultiplexer have a crossed waveguide structure connected to the input waveguides WG2, 3, 1 or 3, 1, 2 of the mode multiplexer. It is a mode exchanger that does.
本発明は、マルチモード光ファイバを用いたモード多重伝送システムの大容量・長距離通信を実現することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can realize large-capacity/long-distance communication in a mode multiplex transmission system using a multimode optical fiber.
41:グレーティング部
50〜57:モード回転子
101:3モード分波器
102:3モード合波器
103:交差導波路部
301〜305:モード変換器
41: Grating unit 50-57: Mode rotator 101: 3-mode demultiplexer 102: 3-mode multiplexer 103: Crossing waveguide unit 301-305: Mode converter
Claims (3)
前記基板上で前記第1導波路に並列される第2導波路と、
前記基板上の前記第1導波路と前記第2導波路とで構成され、前記第1導波路と前記第2導波路との間で光のパワーを移行する3つの結合部と、
前記第1導波路の一端に接続され、LP11aとLP11bとをモード変換するモード回転子と、
を備え、
前記結合部のうちの2つの結合部は、前記第2導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率と前記第1導波路を伝搬するLP11aモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さであり、
前記結合部のうち前記2つの結合部に挟まれる結合部は、前記第1導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率と前記第2導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである
ことを特徴とするモード変換器。 A first waveguide that is formed on the substrate and can propagate three modes of LP01, LP11a, and LP11b;
A second waveguide arranged on the substrate in parallel with the first waveguide;
Three coupling portions which are composed of the first waveguide and the second waveguide on the substrate, and which transfer the optical power between the first waveguide and the second waveguide;
A mode rotator that is connected to one end of the first waveguide and performs mode conversion between LP11a and LP11b;
Equipped with
In two of the coupling portions, the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguide and the effective refractive index of the LP11a mode propagating in the first waveguide are the same, and The length is a length at which the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide,
In the coupling section sandwiched between the two coupling sections of the coupling section, the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the first waveguide and the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguide match, A mode converter characterized in that the length of the light in the propagation direction is such that the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide.
前記基板上で前記第1導波路に並列される第2導波路と、
前記基板上で前記第1導波路に並列される第3導波路と、
前記基板上の前記第1導波路と前記第2導波路とで構成され、前記第1導波路と前記第2導波路との間で光のパワーを移行する3つの第1結合部と、
前記基板上の前記第1導波路と前記第3導波路とで構成され、前記3つの第1結合部を挟むように配置され、前記第1導波路と前記第3導波路との間で光のパワーを移行する2つの第2結合部と、
前記第1導波路の一端に接続された、LP11aとLP11bとをモード変換する第1モード回転子と、
前記2つの第2結合部の間にあり、前記3つの第1結合部を挟むように前記第1導波路上に配置され、LP11aとLP11bとをモード変換する2つの第2モード回転子と、
を備え、
前記第1結合部のうちの2つの結合部は、前記第2導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率と前記第1導波路を伝搬するLP11aモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さであり、
前記第1結合部のうち前記2つの結合部に挟まれる結合部は、前記第1導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率と前記第2導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さであり、
前記2つの第2結合部は、前記第3導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率と前記第1導波路を伝搬するLP11aモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである
ことを特徴とするモード変換器。 A first waveguide that is formed on the substrate and can propagate three modes of LP01, LP11a, and LP11b;
A second waveguide arranged on the substrate in parallel with the first waveguide;
A third waveguide arranged in parallel with the first waveguide on the substrate;
Three first coupling portions that are composed of the first waveguide and the second waveguide on the substrate, and that transfer the optical power between the first waveguide and the second waveguide,
It is composed of the first waveguide and the third waveguide on the substrate, is arranged so as to sandwich the three first coupling portions, and the light is provided between the first waveguide and the third waveguide. Two second couplings that transfer the power of
A first mode rotor connected to one end of the first waveguide for mode conversion between LP11a and LP11b;
Two second mode rotators that are between the two second coupling portions and that are arranged on the first waveguide so as to sandwich the three first coupling portions and that perform mode conversion between LP11a and LP11b;
Equipped with
In two of the first coupling portions, the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguide and the effective refractive index of the LP11a mode propagating in the first waveguide match each other, so that light propagation The length in the direction is a length at which the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide,
The coupling portion sandwiched between the two coupling portions of the first coupling portion has an effective refractive index of the LP01 mode propagating in the first waveguide and an effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguide are equal to each other. However, the length of the light in the propagation direction is the length at which the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide,
The two second coupling portions have the same effective refractive index in the LP01 mode propagating in the third waveguide and the effective refractive index in the LP11a mode propagating in the first waveguide, and have a length in the light propagation direction. A mode converter characterized in that it has a length such that the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide.
前記基板上で前記第1導波路に並列される第2導波路と、
前記基板上で前記第1導波路に並列される第3導波路と、
前記基板上の前記第1導波路と前記第2導波路とで構成され、前記第1導波路と前記第2導波路との間で光のパワーを移行する結合部B、結合部C及び結合部Eと、
前記基板上の前記第1導波路と前記第3導波路とで構成され、前記第1導波路と前記第3導波路との間で光のパワーを移行する結合部A及び結合部Dと、
前記第1導波路上に配置され、LP11aとLP11bとをモード変換する2つのモード回転子と、
を備え、
前記結合部A、前記結合部B、前記結合部C、前記結合部D及び前記結合部Eは、一端から他端に向けて順に配置され、前記2つのモード回転子のうちの1つは前記結合部Aと前記結合部Bとの間に配置され、前記2つのモード回転子のうちの他は前記結合部Dと前記結合部Eとの間に配置されており、
前記結合部A、前記結合部B、前記結合部D及び前記結合部Eは、前記第2導波路もしくは前記第3導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率と前記第1導波路を伝搬するLP11aモードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さであり、
前記結合部Cは、前記第1導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率と前記第2導波路を伝搬するLP01モードの実効屈折率が一致し、光の伝搬方向の長さが前記光のパワーを一方の導波路から他方の導波路へ完全に移行する長さである
ことを特徴とするモード変換器。 A first waveguide that is formed on the substrate and can propagate three modes of LP01, LP11a, and LP11b;
A second waveguide arranged on the substrate in parallel with the first waveguide;
A third waveguide arranged in parallel with the first waveguide on the substrate;
A coupling part B, a coupling part C, and a coupling which are composed of the first waveguide and the second waveguide on the substrate and which transfer the power of light between the first waveguide and the second waveguide. Part E,
A coupling section A and a coupling section D which are composed of the first waveguide and the third waveguide on the substrate, and which transfer the optical power between the first waveguide and the third waveguide;
Two mode rotators arranged on the first waveguide and mode-converting LP11a and LP11b;
Equipped with
The coupling part A, the coupling part B, the coupling part C, the coupling part D and the coupling part E are sequentially arranged from one end to the other end, and one of the two mode rotors is Is disposed between the coupling portion A and the coupling portion B, and the other of the two mode rotors is disposed between the coupling portion D and the coupling portion E,
The coupling portion A, the coupling portion B, the coupling portion D, and the coupling portion E propagate the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguide or the third waveguide and the first waveguide. The effective refractive indices of the LP11a modes are the same, and the length in the light propagation direction is the length at which the power of the light is completely transferred from one waveguide to the other waveguide,
In the coupling portion C, the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the first waveguide and the effective refractive index of the LP01 mode propagating in the second waveguide match, and the length in the light propagation direction is equal to that of the light. A mode converter characterized in that the length is such that power is completely transferred from one waveguide to the other waveguide.
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