JP7172642B2 - モード合分波光回路 - Google Patents

Description

本発明は、光デバイスに関し、より詳しくはモード合分波光回路に関する。

近年、モードの自由度を活用した光通信システムが多く提案されている。例えば、ファイバ１本当りの伝送容量拡大を目指して、空間多重伝送と呼ばれるモード毎に信号をのせる手法や、高次モードの試験光を測定対象ファイバに入射し、後方散乱光の強度から敷設ファイバの状態を監視する手法なども提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図1を用いて、高次モードを利用した、敷設ファイバの監視方法について簡単に説明する。通常、光通信には、ファイバの伝搬損失が最も小さくなる、１．５５μｍ帯の赤外光を利用する。敷設ファイバはこの波長に於いて、シングルモード伝搬となるようにコア径が決められている。一方で、敷設ファイバの監視に１．０μｍ帯の光を使用すると、０次モードと１次モードのマルチモード伝搬が可能となる。１次モードは０次モードより、マイクロベンドや亀裂などのファイバ劣化に対して敏感に反応するため、高感度なセンシングが可能となる。

図１に示すように、光源１１からの１．０μｍ帯の連続光は、音響光学素子等を含んで構成された変換器１２へ入力され、パルス化される。変換器１２からのパルス信号は、光サーキュレータ１３を介して、モード変換器（モードカプラ）１４のＰｏｒｔ２へ入力される。モードカプラ１４のＰｏｒｔ２へ入力されたパルス信号は、０次モードから１次モードへ変換されて、Ｐｏｒｔ３から出力される。１次モードへ変換されたパルス信号は、モードカプラ１４のＰｏｒｔ３に接続された敷設ファイバ１９を伝搬する。

敷設ファイバ１９における劣化箇所で発生した後方散乱光は、再びモードカプラ１４のＰｏｒｔ３へ入力される。モードカプラ１４のＰｒｏｔ１，Ｐｒｏｔ２から出力された後方散乱光は、フォトダイオード１５，１６でそれぞれ光電変換される。フォトダイオード１５，１６からの電気出力は、Ａ／Ｄ変換器１７でデジタル信号に変換される。コンピュータなどの演算処理装置１８で、デジタル信号をＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）することで、ファイバの劣化箇所を推定する。モードの合分波には、平面光波回路を用いたモードカプラを用いている。

図２に示す様に、従来のモードカプラは、石英系平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）を用いた異なる導波路幅から成る非対称な方向性結合器で実現できる。ＰＬＣは、平面状の基板に、フォトリソグラフィなどによるパターニングと、エッチング加工により、コアと屈折率がコアよりも低いクラッドで光導波路を作製し、複数の基本的な光回路（例：方向性結合器、マッハ・ツェンダー干渉計など）を組み合わせることで各種の機能を実現する。モードカプラは、細い方の導波路２２を伝搬する０次モード光の伝搬定数β（λ，Ｗ₀，Δ）_m=0と太い方の導波路２１を伝搬する高次モード光の伝搬定数β（λ，Ｗ₁，Δ）_m=1とを一致させ、モードカプラの長さを適切に設定することで、０次モードの光と高次モードの光とを、約１００％変換可能である。ここで、λ、Ｗ、Δ、ｍはそれぞれ、波長、導波路幅、屈折率差、モード次数を表す。

図２に示すように、モードカプラの太い方の導波路２１を伝搬する０次モードの光は、細い方の導波路２２を伝搬する０次モードの光と伝搬定数が一致しないため大部分はそのまま通過する（図２においてＰｏｒｔ１とＰｏｒｔ３との間に伸びる実線の矢印）。モードカプラの太い方の導波路２１を伝搬する１次モードの光は、０次モードの光に変換されて、細い方の導波路２２に結合する、または細い方の導波路２２を伝搬する０次モードの光は、１次モードの光に変換されて、太い方の導波路２１に結合する（図２においてＰｏｒｔ１とＰｏｒｔ３との間に伸びる点線白抜の矢印）。

特開２０１５－１５２３９９号公報

図３はモードカプラにおいて、Ｐｏｒｔ３から入力した光をＰｏｒｔ１およびＰｏｒｔ２へ合分波する様子を示す図である。図２を参照して説明したように、モードカプラの太い方の導波路２１を伝搬する０次モードの光は、細い方の導波路２２を伝搬する０次モードの光と伝搬定数が一致しないため大部分はそのまま通過する（図３においてＰｏｒｔ３からＰｏｒｔ１へ向かう実線の矢印）。しかしながら、モードカプラの太い方の導波路２１を伝搬する０次モードの光の数％は、１次モードの光に変換されて、細い方の導波路２２に結合する（図３においてＰｏｒｔ３からＰｏｒｔ２へ向かう一点鎖線の矢印）。そのため、図１に示したモードカプラの構成において、分波の際に０次と１次モード成分との間の消光比が劣化するといった課題がある。

同様に、図３のＰｏｒｔ１には０次モード成分に変換されなかった高次モード成分が混ざって出力される。

図４は、ファイバを伝搬する１次モードの分布を示す図である。敷設ファイバ１９を伝搬する後方散乱光には、図４の様にｘ方向に光強度の山が２つになるＬＰ１１ａとｙ方向に山が２つになるＬＰ１１ｂ、および０次モード（不図示）の３つのモードが存在する。ＰＬＣのモードカプラ１４で分波できるのはＬＰ１１ａのみであるのため、ＬＰ１１ｂの大部分がそのまま透過し、ＬＰ１１ｂの一部が０次モードに変換されてＰｏｒｔ２に出力されてしまう。

図５は、モードカプラにおいて、Ｐｏｒｔ３から入力した３つのモードの後方散乱光をＰｏｒｔ１およびＰｏｒｔ２へ合分波する際の入出力の関係を示す図であり、上述した内容をまとめて示す図である。

図５において、Ｐｏｒｔ３からＰｏｒｔ１へ向かう実線の矢印は、０次モードから変換されず出力される後方散乱光の大部分を示す（Ｐｏｒｔ１の信号成分）。Ｐｏｒｔ３からＰｏｒｔ１へ向かう実線白抜きの矢印は、１次モードから変換されずに出力される後方散乱光ＬＰ１１ｂの大部分を示す（Ｐｏｒｔ１のノイズ成分）。Ｐｏｒｔ３からＰｏｒｔ１へ向かう実線灰色の矢印は、１次モードから変換されずに出力される後方散乱光ＬＰ１１ａの一部を示す（Ｐｏｒｔ１のノイズ成分）。

また、図５において、Ｐｏｒｔ３からＰｏｒｔ２へ向かう点線白抜の矢印は、１次モードから０次モードの光に変換されて出力される後方散乱光ＬＰ１１ａの大部分を示す（Ｐｏｒｔ２の信号成分）。Ｐｏｒｔ３からＰｏｒｔ２へ向かう一点鎖線の矢印Ｐ２は、０次モードから変換されず出力される後方散乱光の一部を示す（Ｐｏｒｔ２のノイズ成分）。Ｐｏｒｔ３からＰｏｒｔ２へ向かう二点鎖線の矢印は、１次モードから０次モードに変換されて出力される後方散乱光ＬＰ１１ｂの一部を示す（Ｐｏｒｔ２のノイズ成分）。

上述したように、モードカプラのＰｏｒｔ１およびＰｏｒｔ２には信号成分とノイズ成分が出力されることから、長距離を測定するためには、所望の信号成分に対してノイズ成分（以下、モード間クロストークと呼ぶこととする）を抑えた高消光比なモードカプラが必要となる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、モード間クロストークを抑えたモード合分波光回路を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の態様は、モード合分波光回路である。一実施形態に係るモード合分波光回路は、平面光波回路上に形成された、第１の導波路および第２の導波路を備え、光源からの光が第１の導波路に入力される第１の入出力ポートと、第１の導波路を伝搬した光が出力される第２の入出力ポートと、第１の導波路に隣接して配置されたモード変換部であり、第２の入出力ポートから入力された光のモードを、第２の入出力ポートへ入力された時のモードより高い次数に変換するモード変換部と、モード変換部に隣接して配置された第２の導波路を介して、モード変換部に入力された光を第２の入出力ポートへ入力された時のモードよりも低い次数に変換して出力する第３の出力ポートとを備えている。

この構成によれば、モード間クロストークを抑えたモード合分波光回路を提供することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、モード間クロストークを抑えることができるため、ＳＮの劣化を抑えられＯＴＤＲによる長距離の測定が可能となる。

高次モードを利用した敷設ファイバの監視方法を説明するための図である。 従来のモードカプラを説明するための図である。 図２の従来のモードカプラにおいて、Ｐｏｒｔ３から入力した光をＰｏｒｔ１およびＰｏｒｔ２へ合分波する様子を示す図である。 ファイバを伝搬する１次モードの分布を示す図である。 図２の従来のモードカプラにおいて、Ｐｏｒｔ３から入力した３つのモードの後方散乱光をＰｏｒｔ１およびＰｏｒｔ２へ合分波する際の入出力の関係を示す図である。 図５に示す入出力関係を有するモードカプラを用いた場合にＯＴＤＲにおいて、ノイズ成分となるモード間クロストークを示す図である。 本願発明の一実施形態に係るモードカプラを説明するための図である。 導波路幅と実効屈折率との関係を示す図である。 図７のモードカプラにおける光の伝搬の様子を示す図である。 図７のモードカプラのＰｏｒｔ２からＰｏｒｔ３の透過率を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の説明で示す数値は例示であり、本願発明は、これに限定されない。

本願発明の実施の形態を詳述する前に、モード間クロストークについて定義する。図６は、図５に示す入出力関係を有するモードカプラを用いた場合にＯＴＤＲにおいて、ノイズ成分となるモード間クロストークを示す図である。図６に示すように、ノイズ成分となるモード間クロストークは４種類存在する。Ｐｏｒｔ１への高次成分の出力は、シングルモード条件となるように導波路を細くしたモードフィルタを配置することで、除去することが可能なためＰｏｒｔ２へのクロストークを考えることとする。

Ｐｏｒｔ３（０次）からＰｏｒｔ１（０次）への出力をＰ１、Ｐｏｒｔ３（０次）からＰｏｒｔ２（０次）への出力をＰ２、Ｐｏｒｔ３（ＬＰ１１ｂ）からＰｏｒｔ２（０次）への出力をＰ３とすると、（Ｐ２＋Ｐ３）／Ｐ１をモード間クロストークＸＴ_modeと定義する。

図７を参照して本願発明の第１の実施の形態に係るモードカプラを説明する。図７に示すモードカプラ７０は、２本の導波路７１、７２を有する非対称な方向性結合器である。太い方の導波路７１の一端をＰｏｒｔ１とし、他端をＰｏｒｔ３とする。細い方の導波路７２の一端をＰｏｒｔ２とし、他端をＰｏｒｔ４とする。導波路７１と導波路７２との間には、それぞれに隣接するように、モード変換部として、導波路７３が配置されている。モードカプラ７０は、導波路７１の、導波路７３が隣接する位置よりもＰｏｒｔ１側に、モードフィルタ７４が配置されている。モードフィルタ７４は、導波路７１の幅を、シングルモード条件となるよう細くしてテーパー導波路としたもので、Ｐｏｒｔ１へ向かう高次成分を除去し、０次モードの光のみが導波してＰｏｒｔ１から出力されるようにする。モードカプラ７０は、石英系平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）を用いて実現することができる。図７において、Ｗ₀は細い方の導波路７２の導波路幅を示し、Ｗ₁は太い方の導波路７１の導波路幅を示し、Ｗ₂は導波路７３の導波路幅を示している。

図１を参照して上述したように、従来、モードカプラ１４は、Ｐｏｒｔ２へ入力されたパルス信号を０次モードから所望の高次モードへ変換してＰｏｒｔ３から出力していた。この変換において０次および所望の高次モード以外の高次モードは存在しない。すなわち、従来、モードカプラ１４は、０次モードから所望の高次モードへ直接変換していた。

本実施の形態では、０次と所望の高次モードとの間に、別のモードを挟むことで、モード間のアイソレーションを高めている。より具体的には、本実施の形態のモードカプラ７０では、導波路７１と導波路７２との間に導波路７３を配置することで、０次と所望の高次モードとの間の変換において、０次および所望の高次モード以外の高次モードを介在するようにしている。

例として、導波路のコア厚を５．６μｍとし、コアとクラッドとの間の屈折率差Δを０．４２％とし、モード変換は０次と２次との間および２次と１次との間で生じるとし、動作波長を１０５０ｎｍとした場合を考える。

図８は、導波路幅と実効屈折率との関係を示す図である。モード間を完全に変換するには、各モードの実効屈折率を合わせる必要がある。例えば、Ｗ₀＝３．５μｍとした場合、Ｗ₁＝１０．１μｍ、Ｗ₂＝１６．４μｍと決定される。まず、順方向（Ｐｏｒｔ２からＰｏｒｔ３へ）の伝搬を考える。

図９は、前述した数値例を用いて図７のモードカプラ７０を構成した場合の、光の伝搬の様子を示す図である。狙い通り、モードカプラ７０において、Ｐｏｒｔ２へ入力された光は、０次から２次へ変換され、次いで２次から１次と変換され、Ｐｏｒｔ３へ出力されることが分かる。

図１０は、Ｐｏｒｔ２からＰｏｒｔ３の透過率を示す図である。計算は、三次元ＢＰＭ（Beam Propagation Method）を用いた。動作波長１０５０ｎｍにおいて、約１００％の透過率が得られていることが分かる。

次に、逆方向（Ｐｏｒｔ３からＰｏｒｔ２へ）の伝搬を考える。Ｐｏｒｔ３から、後方散乱光として、０ｄＢの０次モードのＬＰ１１ｂを入力した場合の出力Ｐ２（Ｐｏｒｔ３（０次）からＰｏｒｔ２（０次）への出力）およびＰ３（Ｐｏｒｔ３（ＬＰ１１ｂ）からＰｏｒｔ２（０次）への出力）はそれぞれ、－４９．０ｄＢおよび－５１．１ｄＢであった（シミュレーション値）。直接変換型の従来のモードカプラの場合、Ｐ２およびＰ３は、それぞれ、－３１．８ｄＢおよび－３６．３ｄＢであるため、本実施の形態のモードカプラにおいては、モード間クロストークＸＴ_modeが約２０ｄＢの低減されることが分かる。

上述したように、本実施の形態によれば、低モード間クロストークのモードカプラを得ることができる。本実施の形態では、Ｐｏｒｔ２へ入力された光は、０次から２次へ変換され、次いで２次から１次と変換されるようモードカプラ７０を構成したが、本願発明は、変換の回数や中間のモード次数に制限されないことは言うまでもない。

１１ 光源
１２ 変換器
１３ 光サーキュレータ
１４ モードカプラ
１５，１６ フォトダイオード
１７ Ａ／Ｄ変換器
１８ 演算処理装置
１９ 敷設ファイバ
２１，２２ 導波路
７０ モードカプラ
７１，７２，７３ 導波路
７４ モードフィルタ

Claims (4)

1. 平面光波回路上に形成された、第１の導波路および第２の導波路を備えたモード合分波光回路であって、
   光源からの光が前記第１の導波路に入力される第１の入出力ポートと、
   前記第１の導波路を伝搬した光が出力される第２の入出力ポートと、
   前記第１の導波路に隣接して配置されたモード変換部であり、前記第２の入出力ポートから入力された光のモードを、前記第２の入出力ポートへ入力された時のモードより高い次数に変換するモード変換部と、
   前記モード変換部に隣接して配置された前記第２の導波路を介して、前記モード変換部に入力された光を前記第２の入出力ポートへ入力された時のモードよりも低い次数に変換して出力する第３の出力ポートと
   を備えた、モード合分波光回路。
2. 前記光源から前記第１の入出力ポートへ入力される光は０次モードであり、
   前記第２の入出力ポートから入力される光は、前記第２の入出力ポートへ入力された時に１次モードであり、前記モード変換部で２次モードに変換され、前記第２の導波路で０次モードに変換されて、前記第３の出力ポートから出力される
   、請求項１に記載のモード合分波光回路。
3. 前記第１の導波路の前記モード変換部が隣接する位置よりも前記第１の入出力ポート側に配置されたモードフィルタをさらに備え、前記モードフィルタは、前記第１の入出力ポートに向かって前記第１の導波路の幅を細くした構造を有する、請求項１に記載のモード合分波光回路。
4. 前記第１の導波路、前記モード変換部、及び前記第２の導波路がこの順で隣接し、隣接する箇所において導波路の幅が、前記モード変換部の幅＞前記第１の導波路の幅＞前記第２の導波路の幅の関係を満たす、請求項１に記載のモード合分波光回路。

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