JP2015114548A - 光合分波器および光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数のモードを伝送するコアを複数有するマルチコア・マルチモード光ファイバに入力光を合波する、もしくは、複数のモードを伝送するコアを複数有するマルチコア・マルチモード光ファイバからの出力光を分波することのできる光合分波器を提供する。
【解決手段】基板上に形成され、Ｍ個（Ｍは、Ｍ≧２の整数）の入力をｍ（ｍは、２≦ｍ≦Ｍの整数）種類のモードに変換し出力するモード変換導波路がＮ（Ｎは、Ｎ≧２の整数）個並べられたモード変換導波路アレイと、ｍ種類のモードを伝搬するＮ個のマルチモードの光ファイバのコアを含むＮ個以上の複数の光ファイバのコアの出力端を近接させ、一つに束ねるマルチコア空間位置変換手段と、モード変換導波路アレイのＮ個の出力と、マルチコア空間位置変換手段の複数の光ファイバのコアのうちのＮ個のマルチモードのコアの入力端を光学的に結合する光結合手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光合分波器および光通信システムに関する。

近年の光ファイバ通信の普及に伴うブロードバンドサービスの急速な発展とともに、通信容量は年々増え続けている。通信容量の急増に対応する光ネットワークの大容量化は、これまで、光ファイバの構造は変えずに、光通信システム装置の大容量化により実現されてきた。現在の大容量光ネットワークの基盤となっている光ファイバは、１本の光ファイバに光信号の通路となる１つのコアを持つもので、毎秒１テラビットの容量を長距離に渡り伝送する光ネットワークが実用化されている。しかし、近年の通信容量の増加率から、さらなる通信容量の大容量化が課題となっていた。

このような中で、１本の光ファイバに複数のコアを持つマルチコア光ファイバ等を含む新しい空間的な構造を持つ光ファイバを用いた空間分割多重光通信技術の研究開発が提案された（非特許文献１）。複数のコアを有することで、１本の光ファイバで伝送できる容量はコア数分だけ増大する。この空間分割多重光通信の実現には、マルチコア光ファイバや、従来の光ファイバをマルチコア光ファイバの各コアに接続する入出力デバイスが必要であり、研究開発が進められた。最新の技術では、１９個のコアを持つ１本のマルチコア光ファイバを用いることで毎秒３０５テラビット（テラは１兆）伝送（伝送距離：１０ｋｍ）の伝送容量（非特許文献２）や、１２個のコアを持つ１本のマルチコア光ファイバを用いることで、現在の世界記録である、１本の光ファイバで毎秒１ペタビット（伝送距離：５０ｋｍ）の長距離大容量光伝送が実現された（非特許文献３）。

通信容量の大容量化のもう一つの手法として、１つのコアに複数のモードを伝送させるモード分割多重光通信技術が注目されている。複数のモードを用いることで、１本の光ファイバで伝送できる容量はモード数分だけ増大する。このモード分割多重光通信の実現には、複数のモードを伝搬するマルチモード光ファイバ（伝搬モードの制御がしやすい低次の少数のモードのみを選択的に伝搬する数モード光ファイバ・フューモード光ファイバを含む）や、モードを合波、分波できるモード合分波器が重要部品である。最近の光伝送試験では、ＬＰ０１とＬＰ１１（ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂに縮退）モードの３つのモードを伝搬するよう設計された数モード光ファイバと、位相板と空間光学系によるモード合分波器によるモード分割多重伝送が示された（非特許文献４、５）。

また、数モード光ファイバと、スポット型のモード合分波器によるモード分割多重伝送（非特許文献６）、三つのコアを近接させた強結合型の数モード光ファイバと３つのコリメーターによるモード分割多重伝送（非特許文献７）などが報告されている。さらに、数モード光ファイバと、６本の導波路を近接させたモード合分波器を用いて、１本のコアで６つのモードまで伝搬させた伝送（非特許文献８）が報告されている。また、上記伝送以外のその他のモード合分波器として、石英プレーナ光波回路型のモード合分波器（非特許文献９）、垂直グレーティング型のモード合分波器（非特許文献１０）、バルク光学型波長ブロッカ用マルチモードシングルモード変換器（非特許文献１１）なども報告されている。

T. Morioka, OECC2009, FT4. J. Sakaguchi et al., OFC2012, PDP5C.1. H. Takara et al., ECOC2012, Th.3.C.1. R. Ryf et al., OFC2011, PDPB10. E. Ip et al., OFC2013, PDP5A.2. R. Ryf et al., OFC2012, PDP5B.5. R. Ryf et al., OFC2012, PDP5C.2. R. Ryf et al., OFC2013, PDP5A.1. H. Kubota et al., IEICE ELEX, Vol. 10, No. 12, pp. 1-6, June 2013. A. M. J. Koonen et al., IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 24, No.21, pp. 1961-1964, Nov. 2012. N. K. Fontaine et al., OFC2013, OTh1B.1.

従来技術では、１本の光ファイバの中のコア数を増やすことで通信容量を拡大できた。しかし、強度が保てる光ファイバのクラッド径は数百μｍ程度までであり、また、コアを近づけ過ぎると隣接コアからのクロストークが増すため、１本の光ファイバ中に増やせるコア数には限度があり、現状では非特許文献３に開示されている１２コアの光ファイバや、非特許文献２に開示されている１９コアの光ファイバが長距離伝送に適した最大コア数である。

また、従来技術では、１本の光ファイバの中のコアを伝搬するモードを増やすことで通信容量を拡大できた。しかし、伝送に適したモード数は３〜６つ程度までであり、高次のモードになるほど、伝搬損失や分散が急激に増大するため、使用できるモード数には限度があり、現状では非特許文献４、５に示されている３モードや、非特許文献８に示されている６モードが長距離伝送に適した最大モード数である。

そこで、さらに通信容量を拡大するには、１本の光ファイバの中のコア数を増やし、かつ、各コアを伝搬するモード数を増やすことが考えられる。このようにできれば、１本の光ファイバで伝送できる容量はコア数分×モード数分だけ増大する。

しかしながら、従来の技術では、複数のモードを伝搬するコアを複数有するマルチコア・マルチモード光ファイバに入力光を合波する、もしくは、複数のモードを伝送するコアを複数有するマルチコア・マルチモード光ファイバからの出力光を分波することのできる光合分波器は無かった。仮に、非特許文献４などに記載の従来のモード合分波器を利用したとすると、位相板と空間光学系によるモード合分波器がコア数分だけ必要となり、サイズが大きく、かつ、膨大なコストがかかるという問題があり、実現は困難であるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、複数のモードを伝送するコアを複数有するマルチコア・マルチモード光ファイバに入力光を合波する、もしくは、複数のモードを伝送するコアを複数有するマルチコア・マルチモード光ファイバからの出力光を分波することのできる光合分波器およびこの光合分波器を用いた光通信システムを提供することを目的とする。

本発明は、基板上に形成され、Ｍ個（Ｍは、Ｍ≧２の整数）の入力をｍ（ｍは、２≦ｍ≦Ｍの整数）種類のモードに変換し出力するモード変換導波路がＮ（Ｎは、Ｎ≧２の整数）個並べられたモード変換導波路アレイと、前記ｍ種類のモードを伝搬するＮ個のマルチモードの光ファイバのコアを含むＮ個以上の複数の光ファイバのコアの出力端を近接させ、一つに束ねるマルチコア空間位置変換手段と、前記モード変換導波路アレイのＮ個の出力と、前記マルチコア空間位置変換手段の複数の光ファイバのコアのうちのＮ個のマルチモードのコアの入力端を光学的に結合する光結合手段とを備えることを特徴とする。

本発明は、前記Ｎ組の光結合手段が、それぞれ、一つ、もしくは複数のレンズからなることを特徴とする。

本発明は、前記Ｎ組の光結合手段のうちの一組、もしくは、複数組のレンズが筐体に並べられ、該筐体の一方のレンズ側の面が前記マルチコア空間位置変換手段を構成する複数の光ファイバのコアの入力端に、該筐体の他方のレンズ側の面が前記モード変換導波路アレイのＮ個の出力が並ぶ基板端面もしくは基板上面に設置され、光学的に結合されることを特徴とする。

本発明は、前記マルチコア空間位置変換手段を構成する複数の光ファイバのコアの入力端を、前記モード変換導波路アレイのＮ個の出力が並ぶ基板端面もしくは基板上面にバットジョイントすることにより光学的に結合することを特徴とする。

本発明は、前記モード変換導波路のＭ個の入力から１つの出力に至るまでのＭ組の光路の光学的光路長が等しくなるよう、前記モード変換導波路の光学的光路長が設定されたことを特徴とする。

本発明は、前記モード変換導波路アレイのＭ×Ｎ個の入力から、前記マルチコア空間位置変換手段の、近接させて一つに束ねられた光ファイバのコアの出力端に至るまでのＭ×Ｎ組の光路の光学的光路長が等しくなるよう、前記モード変換導波路の光学的光路長と、前記マルチコア空間位置変換手段を構成する光ファイバのコアの光学的光路長が設定されたことを特徴とする。

本発明は、前記マルチコア空間位置変換手段を構成する光ファイバのコアの数が、前記マルチモードの光ファイバのコアを伝搬するモードの種類ｍよりも大きいことを特徴とする。

本発明は、基板上に形成され、Ｍ個（Ｍは、Ｍ≧２の整数）の入力をｍ（ｍは、２≦ｍ≦Ｍの整数）種類のモードに変換し出力するモード変換導波路がＮ（Ｎは、Ｎ≧２の整数）個並べられたモード変換導波路アレイのＭ×Ｎ個の入力に、それぞれシングルモードファイバが接続され、前記ｍ種類のモードを伝搬するＮ個のマルチモードの光ファイバのコアを含むＮ個以上の複数の光ファイバのコアの出力端を近接させ、一つに束ねるマルチコア空間位置変換手段の、近接させて一つに束ねられた光ファイバのコアの出力端に、それぞれｍ種類のモードを伝搬するＮ個のコア、もしくはそれぞれｍ種類のモードを伝搬するＮ個のコア群からなるＮコア・ｍモードの光ファイバが接続された請求項１から７のいずれか１項に記載の光合分波器を備える光通信システムであって、前記光合分波器のモード変換導波路アレイのＭ×Ｎ個の入力に光信号が入力され、前記光合分波器により光信号が合波される、もしくは、前記光合分波器のマルチコア空間位置変換手段の、近接させて一つに束ねられた光ファイバのコアより光信号が入力され、前記光合分波器により光信号が分波されることを特徴とする。

本発明によれば、複数のモードを伝送するコアを複数有するマルチコア・マルチモード光ファイバに入力光を合波する、もしくは、複数のモードを伝送するコアを複数有するマルチコア・マルチモード光ファイバからの出力光を分波することができるという効果が得られる。

本発明の光合分波器の基本概念を示す概略図である。 第１実施形態におけるモード変換導波路の構成例を示す図である。（ａ）斜視図、（ｂ）シングルモード側のチップ端面の断面図、（ｃ）マルチモード側のチップ端面の断面図を示す。 第１実施形態で用いた３種類のモードの例を示す図である。（ａ）ＬＰ０１モード、（ｂ）ＬＰ１１ａモード、（ｃ）ＬＰ１１ｂモード。 第１実施形態における（ａ）マルチコア空間位置変換手段の出力端の断面図、（ｂ）Ｎコア・ｍモードのマルチコア・マルチモード光ファイバの断面図を示す。 モード変換導波路の出力と、マルチコア空間位置変換手段を構成するマルチモード光ファイバの入力端の光学結合の一例を示す図である。 第１実施形態で作製した光合分波器の構成図を示す。 第１実施形態におけるモード変換導波路アレイのチップ端面の断面図を示す図である。（ａ）シングルモード側のチップ端面の断面図、（ｂ）マルチモード側のチップ端面の断面図。 第２実施形態で作製した光合分波器の構成図を示す。 第２実施形態におけるモード変換導波路のチップ端面の断面図を示す図である。（ａ）シングルモード側のチップ端面の断面図、（ｂ）マルチモード側のチップ端面の断面図。 第２実施形態における（ａ）マルチコア空間位置変換手段の出力端の断面図、（ｂ）マルチコア・マルチモード光ファイバの断面図を示す。 光ファイバと導波路のコア間の位置ずれによるＬＰ０１モードに対するＬＰ１１モードのモードクロストークの一例を示す図である。 第３実施形態で作製した光合分波器の構成図を示す。 第３実施形態におけるモード変換導波路の構成例を示す図である。（ａ）第１層目の導波路（濃い線で描かれた第１と第３の導波路）、（ｂ）第２層目の導波路（濃い線で描かれた第２の導波路）。 第３実施形態におけるモード変換導波路の構成例を示す図である。（ａ）上面図、（ｂ）シングルモード側のチップ端面の断面図、（ｃ）マルチモード側のチップ端面の断面図を示す。 第３実施形態におけるモード変換導波路アレイのチップ端面の断面図を示す図である。（ａ）シングルモード側のチップ端面の断面図、（ｂ）マルチモード側のチップ端面の断面図。 第３実施形態における（ａ）マルチコア空間位置変換手段の出力端の断面図、（ｂ）Ｎコア・ｍモードのマルチコア・マルチモード光ファイバの断面図を示す。 第４実施形態で作製した光合分波器の構成図を示す。 第４実施形態におけるモード変換導波路の構成例を示す図である。（ａ）上面図、（ｂ）シングルモード側のチップ端面の断面図、（ｃ）マルチモード側のチップ端面の断面図を示す。 第４実施形態で用いた３種類のモードの例を示す図である。（ａ）第１のモード、（ｂ）第２のモード、（ｃ）第３のモード。 第４実施形態における光結合手段の構成例を示す図である。 第４実施形態における（ａ）マルチコア空間位置変換手段の出力端の断面図、（ｂ）Ｎコア・ｍモードのマルチコア・マルチモード光ファイバの断面図を示す。 第５実施形態におけるモード変換導波路アレイの構成例の上面図を示す。 導波路に４５度ミラーを形成し、光の光路を垂直方向に変換する様子を示した図である。 第５実施形態におけるモード変換導波路アレイの出力光と、光結合手段のレンズと、マルチコア空間位置変換手段の光ファイバのコアにおける光結合の一例を示す図である。 第６実施形態におけるモード変換導波路の構成例を示す図である。（ａ）第１層目の導波路（濃い線で描かれた第１と第３の導波路）、（ｂ）第２層目の導波路（濃い線で描かれた第２の導波路）。 第６実施形態におけるモード変換導波路のチップ端面の断面図を示す図である。（ａ）シングルモード側のチップ端面の断面図、（ｂ）マルチモード側のチップ端面の断面図。 第６実施形態で作製した光合分波器モジュールの構成図を示す。 第７実施形態で作製した光合分波器モジュールの構成図を示す。 第８実施形態におけるモード変換導波路の構成例を示す図である。（ａ）第１層目の導波路（濃い線で描かれた第２と第３の導波路）、（ｂ）第２層目の導波路（濃い線で描かれた第１の導波路）。 第８実施形態で作製した光合分波器モジュールの構成図を示す。 第９実施形態で作製した光合分波器モジュールの内部構成図を示す。 第９実施形態で作製した光合分波器モジュールの外観を示す図である。 第９実施形態における（ａ）マルチコア空間位置変換手段の出力端の断面図、（ｂ）Ｎコア・ｍモードのマルチコア・マルチモード光ファイバの断面図を示す。 第１０実施形態で作製した光合分波器の構成図を示す。 本発明の光合分波器を用いた光通信システムの一例を示す図である。 本発明の光合分波器を用いた光通信システムの一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による光合分波器およびこの光合分波器を用いた光通信システムを詳細に説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、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、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。各実施形態は可能な限り組み合わせることができる。

（第１実施形態）
図１は本発明における光合分波器の基本概念を示す概略図である。本発明の光合分波器は、基板上に形成され、Ｍ個（Ｍ≧２の整数）の入力をｍ（２≦ｍ≦Ｍの整数）種類のモードに変換し出力するモード変換導波路がＮ（Ｎ≧２の整数）個並べられたモード変換導波路アレイ１０１と、ｍ種類のモードを伝搬するＮ個のマルチモードの光ファイバのコアを含むＮ個以上の複数の光ファイバのコアの出力端を近接させ、一つに束ねるマルチコア空間位置変換手段１０３と、モード変換導波路アレイ１０１のＮ個の出力と、マルチコア空間位置変換手段１０３の複数の光ファイバのコアのうちのＮ個のマルチモードのコアの入力端を光学的に結合する光結合手段１０２とから構成されている。

本実施形態における光合分波器の構成例をより詳細に説明する。はじめに、モード変換導波路の構成例を示す。図２（ａ）に示すように、本実施形態のモード変換導波路は基板上に形成された第１〜第３のＭ（Ｍ＝３）個の導波路２４１、２４２、２４３からなり、一方の端は導波路のコア間隔を離すよう、他方の端は導波路のコア間隔を近づけるよう形成している。図２（ｂ）に、第１〜第３の導波路のコア間隔を離した方のチップ端面の断面図、図２（ｃ）に、第１〜第３の導波路のコア間隔を近接させた方のチップ端面の断面図を示す。ここで、仮に図２（ｂ）をシングルモード側、図２（ｃ）をマルチモード側と呼ぶことにする。

モード変換導波路のシングルモード側の第１〜第３の導波路にそれぞれ光を入力すると、モード変換導波路を伝搬するに従い、徐々にＭ（Ｍ＝３）個の導波路のコアが近づき、隣接導波路との光結合が生じる。そしてマルチモード側からは、互いに結合した擬似的にマルチモードとなった光が出力される。シングルモード側から入力する光の強度や位相の組み合わせにより、生成するモードを変えることができる。本実施形態では、シングルモード側のＭ（Ｍ＝３）個のポートより入力したシングルモード光を、擬似的にＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード、ＬＰ１１ｂモード（図３を参照）のｍ（ｍ＝３）種類のモードに変換し、これらｍ種類のモードを、マルチモード側の一つのポートより出力した。なお、入力光として偏波多重光を用い、ＴＥ偏光（ｓ偏光）のＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード、ＬＰ１１ｂモードと、ＴＭ偏光（ｐ偏光）のＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード、ＬＰ１１ｂモードが出力された。

本実施形態では、縮退したモード（ＬＰ１１ａモードとＬＰ１１ｂモード）はそれぞれ１種類のモードとして数えるが、偏波多重はモード多重とは切り離して考えるので、上記例におけるモード多重数は、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード、ＬＰ１１ｂモードのｍ＝３種類となる）。この動作はモード合波器として使用する場合である。反対にモード分波器として使用する場合は、マルチモード側の一つのポートよりｍ（ｍ＝３）種類のモードが混ざった光を入力することで、本モード変換導波路によりモード変換され、シングルモード側のＭ（Ｍ＝３）個のポートより光がモード分波されて出力される。このような構成のモード変換導波路をＮ（Ｎ＝７）個並べ、モード変換導波路アレイ１０１を形成した。

次に、マルチコア空間位置変換手段の構成例を説明する。本実施形態では、マルチコア空間位置変換手段としてｍ（ｍ＝３）種類のモードを伝搬するＮ本のマルチモード光ファイバを用い、それらの一方の端を近接させ、一つに束ねた。ここで、仮に近接させて一つに束ねた方のファイバ束の端を出力端、もう一方の端を入力端と呼ぶことにする。図４（ａ）に本実施形態のマルチコア空間位置変換手段の出力端の断面図（Ｎ＝７の場合）を示す。この出力端を、図４（ｂ）に示されている断面構造のＮコア・ｍモードのマルチコア・マルチモード光ファイバと接続した時、マルチコア・マルチモード光ファイバのそれぞれのマルチモードのコア６７１〜６７７の位置に合うよう、マルチコア空間位置変換手段のＮ本のマルチモード光ファイバのコア４０１〜４０７が配置され、束ねられている。

最後に、図５を参照して光結合手段の構成例を説明する。図５は、光学結合の一例を示す図である。本実施形態では、光結合手段として２枚のレンズ５０１を用いた。そしてそれぞれのモード変換導波路２１１の出力と、マルチコア空間位置変換手段を構成し、マルチモードのコア４０１を有するマルチモード光ファイバ３０１の入力端を光学的に結合した。

図６は、作製した光合分波器の具体的な構成を示す図である。モード変換導波路アレイ１０１は、シリコン基板上に形成されたシリコン導波路で形成し、Ｍ＝３の入力をｍ＝３種類のモードに変換し出力するモード変換導波路２１１〜２１７をＮ＝７個並べて作製した。モード変換導波路アレイ１０１の入力に、複数の光ファイバがＶ溝基板上に並べられた光ファイバブロックを接続し易くするため、モード変換導波路アレイ１０１の入力側の２１（＝モード変換導波路の入力ポートの数Ｍ×モード変換導波路の個数Ｎ）個のコアは等ピッチ、かつ、モード変換導波路アレイ１０１が形成された基板の層上で同じ高さとなるよう形成した（図７（ａ）参照）。さらに、モード変換導波路アレイ１０１の７（＝モード変換導波路の個数Ｎ）個の出力も等ピッチ、かつ、モード変換導波路アレイ１０１が形成された基板の層上で同じ高さとなるよう形成した（図７（ｂ）参照）。

入力側のコアの位置は、１つのコアの中心の位置としたのに対し、出力側のコアの位置は、３つのコアの中心の位置とした（図７参照）。また、モード変換導波路アレイ１０１の入力側のコアのピッチはｐ、出力側のコアのピッチはｑ＝Ｍ×ｐに設定した。このように、Ｎ個のモード変換導波路２１１〜２１７の入力／出力の位置を一直線上に並べることで光ファイバブロックの接続が容易となり、さらに入力／出力の位置を結ぶ線上で等ピッチとなるよう配置することで、汎用の光ファイバブロックが使用でき、部材の低コスト化につながる。

マルチコア空間位置変換手段１０３は、Ｎ＝７本の光ファイバ３０１〜３０７を用いて作製した。Ｎ＝７本の光ファイバはステップインデックス型の屈折率分布で、コア径１２μｍ、少なくともｍ＝３種類のモードを伝搬するよう設計した（ステップインデックス型の数モード光ファイバ）。また、これらＮ＝７本の光ファイバのクラッド径は１２５μｍとし、コア径は一定のまま、入力端から出力端に向けてクラッド径が次第に小さくなるようにし、出力端におけるクラッド径を８０μｍに細径化した。そしてＮ＝７個の光ファイバのコアの出力端を近接させ、断面が図４（ａ）に示したコア配置となるよう束ね、被覆で覆った。

光結合手段１０２として、２枚のマイクロレンズをＮ＝７組用い、モード変換導波路アレイ２１１〜２１７のＮ＝７個の出力位置に合うよう７組のマイクロレンズ５０１〜５０７をアレイ状に並べ、続いてマルチコア空間位置変換手段１０３の入力端側のＮ＝７本の光ファイバ３０１〜３０７を並べた。そして、モード変換導波路アレイ２１１〜２１７の出力から光結合手段１０２を通してマルチコア空間位置変換手段１０３の入力に至る光路の光軸が合うよう、それぞれの組のマイクロレンズ５０１〜５０７とマルチコア空間位置変換手段１０３の入力端の光ファイバ３０１〜３０７のコアの位置を微調整した。

作製した光合分波器のモード変換導波路２１１のＭ＝３つの入力よりシングルモード光を入力すると、モード変換導波路２１１の１つの出力に光が集光し、ｍ＝３種類のモードが合分波された擬似的なマルチモード光となった。そのマルチモード光は光結合手段５０１を通して、マルチコア空間位置変換手段１０３の第１の光ファイバ３０１の入力端に光学的に結合し、マルチコア空間位置変換手段１０３の出力端の第１のコア４０１より出力された。３つのシングルモード入力光の振幅と位相の組み合わせにより、生成するモードを設定した。

同様に、光合分波器のモード変換導波路２１２のＭ＝３つの入力よりシングルモード光を入力するとモード変換導波路２１２により生成されたマルチモード光は光結合手段５０２を通してマルチコア空間位置変換手段１０３の出力端の第２のコア４０２より出力され、光合分波器のモード変換導波路２１７の３つの入力よりシングルモード光を入力するとモード変換導波路２１７により生成されたマルチモード光は光結合手段５０７を通してマルチコア空間位置変換手段１０３の出力端の第７（＝Ｎ）のコア４０７より出力された。これにより、作製した光合分波器は、空間多重、かつモード多重伝送における合波器として動作することが確認された。反対に、マルチコア空間位置変換手段１０３の出力端より空間多重、かつモード多重された光を入力すると、分波された光がモード変換導波路アレイのそれぞれの入力ポートより出力され、分波器としても動作することが確認された。

本実施形態の光合分波器は空間多重数が２１（＝コア数×モード数＝Ｎ×ｍ）であり、従来技術よりも大きな空間多重数を実現した。なお、コア数とモード数の組み合わせは任意であるが、モード数を増やすよりもコア数を増やした方が良好な伝送特性が得られやすかったため、本実施形態では、マルチコア空間位置変換手段を構成する数モード光ファイバのコアの数Ｎ（＝７）が、数モード光ファイバを伝搬するモードの種類ｍ（＝３）よりも大きくなるようにした。

また、本実施形態では、Ｎ本の数モード光ファイバを束ねることでマルチコア空間位置変換手段１０３を形成したが、その他の手段を用いることができる。例えば、非特許文献８のＦｉｇ．２（ｂ）に記載されているようなコアがレーザにより基板に描画された導波路を用い、それぞれがｍ種類のモードを伝搬するＮ個のマルチモードの光ファイバのコアの出力端を次第に近接させて一つに束ねた導波路をレーザにより基板に形成し、図６に示すマルチコア空間位置変換手段１０３として用いてもよい。

以上、本実施形態により、空間多重、かつモード多重された光を合波・分波できる光合分波器を実現し、従来よりも空間多重数の拡大を実現した。

（第２実施形態）
第１実施形態において、ｍ種類のモードを伝搬するＮ本のマルチモード光ファイバの一方の端を近接させ、一つに束ねることでマルチコア空間位置変換手段１０３を形成したが、シングルモード光ファイバなど、異なる種類の光ファイバを混在させてマルチコア空間位置変換手段１０３を形成することができる。これにより、例えば図１０（ｂ）に示すような、コア径（伝搬定数）が異なる複数のコアを用いて同一コア径のコア間隔を離すことにより、クロストークを向上させたコア配置のマルチコア・マルチモード光ファイバなどに適用可能な光合分波器を実現できる。

図８は、第２実施形態による光合分波器の全体構成を示す図である。本実施形態の光合分波器は、基板上に形成され、Ｍ個（Ｍは、Ｍ≧２の整数）の入力をｍ（ｍは、２≦ｍ≦Ｍの整数）種類のモードに変換し出力するモード変換導波路２１１〜２１３がＮ（Ｎ≧２の整数、図８に示す例ではＮ＝３）個並べられたモード変換導波路アレイ１０１と、ｍ種類のモードを伝搬するＮ個のマルチモードの光ファイバ３０１〜３０３のコアを含むＮ個以上の複数の光ファイバのコアの出力端を近接させ、一つに束ねるマルチコア空間位置変換手段１０３と、モード変換導波路アレイ１０１のＮ個の出力と、マルチコア空間位置変換手段１０３の複数の光ファイバのコアのうちのＮ個のマルチモードのコアの入力端を光学的に結合する光結合手段１０２とから構成されている。

モード変換導波路２１１〜２１３は基板上に形成された、第１〜第６のＭ（Ｍ＝６）個の導波路からなり、一方の端は導波路のコア間隔を離すよう、他方の端は導波路のコア間隔を近づけるよう形成している。図９（ａ）に、第１〜第６の導波路のコア間隔を離した方のチップ端面の断面図、図９（ｂ）に、第１〜第６の導波路のコア間隔を近接させた方のチップ端面の断面図を示す。ここで、仮に図９（ａ）をシングルモード側、図９（ｂ）をマルチモード側と呼ぶことにする。

モード変換導波路２１１〜２１３のシングルモード側の第１〜第６の導波路にそれぞれ光を入力すると、モード変換導波路を伝搬するに従い、徐々にＭ（Ｍ＝６）個の導波路のコアが近づき、隣接導波路と光結合が生じる。そしてマルチモード側からは、互いに結合した擬似的にマルチモードとなった光が出力される。シングルモード側から入力する光の強度や位相の組み合わせにより、生成するモードを変えることができる。例えば、本実施形態では、シングルモード側のＭ（Ｍ＝６）個のポートより入力したシングルモード光をｍ（ｍ＝６）種類のモードに変換し、これらｍ種類のモードを、マルチモード側の一つのポートより出力した。この動作はモード合波器として使用する場合である。

反対にモード分波器として使用する場合は、マルチモード側の一つのポートよりｍ（ｍ＝６）種類のモードが混ざった光を入力することで、本モード変換導波路によりモード変換され、シングルモード側のＭ（Ｍ＝６）個のポートより光がモード分波されて出力される。このような構成のモード変換導波路をＮ（Ｎ＝３）個並べ、モード変換導波路アレイ１０１を形成した。

マルチコア空間位置変換手段１０３として、ｍ（ｍ＝６）種類のモードを伝搬するＮ（Ｎ＝３）本のマルチモード光ファイバ３０１〜３０３と、基本モードを伝搬する４本のシングルモード光ファイバ３２１〜３２４を用い、それらの一方の端を近接させ、一つに束ねた。ここで、仮に近接させて一つに束ねた方のファイバ束の端を出力端、もう一方の端を入力端と呼ぶことにする。入力端は、図８に示すように、マルチコア空間位置変換手段１０３の複数の光ファイバのうちのＮ本３０１〜３０３の入力が一つのファイバブロック３３１に並べられ、モード変換導波路アレイのＮ個の出力と、マルチコア空間位置変換手段の複数の光ファイバのうちのＮ本３０１〜３０３の入力がそれぞれ光学的に結合するよう、ファイバブロック３３１が、モード変換導波路アレイ１０１が形成された基板端面に接続されている。

図１０（ａ）に本実施形態のマルチコア空間位置変換手段１０３の出力端の断面図を示す。この出力端を、図１０（ｂ）に示されている断面構造のマルチコア・マルチモード光ファイバと接続した時、マルチコア・マルチモード光ファイバのそれぞれのコアの種類と、コアの位置が合うよう、マルチコア空間位置変換手段１０３のＮ＝３本のマルチモード光ファイバのコア４０１〜４０３と４本のシングルモード光ファイバのコア４２１〜４２４が配置され、束ねられている。

光結合手段として１枚のレンズをＮ＝３組用いた。そしてモード変換導波路２１１〜２１３の出力と、マルチコア空間位置変換手段を構成する光ファイバのうちの、Ｎ＝３本のマルチモード光ファイバ３０１〜３０３の入力端を、レンズ５０１〜５０３を介して光学的に結合した。

本実施形態の光合分波器の具体的な作製例を説明する。モード変換導波路アレイ１０１は、基板上にパルスレーザで形成し、Ｍ＝６つの入力をｍ＝６種類のモードに変換し出力するモード変換導波路をＮ＝３個並べた。モード変換導波路アレイ１０１の入力側の１８（＝モード変換導波路の入力ポートの数Ｍ×モード変換導波路の個数Ｎ）個のコアの中心位置は平面基板上で等ピッチｐ、基板の層上で同じ高さ、出力側の３（＝モード変換導波路の個数Ｎ）組の出力のコアの中心位置（６つのコアの中心の位置）は平面基板上で等ピッチｑ＝Ｍ×ｐ、基板の層上で同じ高さとなるよう作製した。

しかし、モード変換導波路アレイ１０１を作製したところ、実際には作製誤差により平面基板上で位置ずれが生じ、最大で１μｍの誤差が生じた。マルチモードにおける光接続では、接続部の位置ずれにより結合損失と共にモード変換が発生する。例えば、本実施形態のモード変換導波路では、図１１に示すように、１μｍの位置ずれによりＬＰ０１モードに対するＬＰ１１モードのモードクロストークは−１７ｄＢにもなり、信号品質が劣化する。もちろん、信号処理により補償してもよいが、モード変換は伝送路の接続部ごとに発生するので、信号処理の負担を軽減するため、接続部の位置ずれは最小限に抑えることが望ましい。

そこで、本実施形態では、作製したモード変換導波路アレイの入力側の１８個のコアの平面基板上における形成位置を計測し、コアが形成された位置に合わせてＶ溝基板上にＶ溝を形成し、光ファイバをこのＶ溝に並べて光ファイバブロックを作製した。また、モード変換導波路アレイの出力側の３組の出力の平面基板上における位置を測定し、出力の位置に合わせてＶ溝基板上にＶ溝を形成し、光ファイバをこのＶ溝に並べて光ファイバブロック３３１を作製した。Ｖ溝の高精度な形成技術により、本実施形態では接続部の位置ずれを０．４μｍ以下に抑え、モードクロストークを−２５ｄＢ以下に低減した。このように、モード変換導波路アレイ１０１の入出力が形成された位置に合わせて光ファイバブロックを作製することで、モード変換導波路アレイ１０１の入出力と光ファイバを高精度に接続することができ、接続損失を抑えると共に、マルチモードでは特に問題となるモード変換を最小限に抑え、高性能な光合分波器を実現した。

マルチコア空間位置変換手段１０３は、Ｎ＝３本の光ファイバ３０１〜３０３と４本のシングルモード光ファイバ３２１〜３２４を用いて作製した。Ｎ＝３本の光ファイバはステップインデックス型の屈折率分布で、コア径１５μｍ、少なくともｍ＝６種類のモードを伝搬するよう設計した（ステップインデックス型の数モード光ファイバ）。また、これら合わせて７本の光ファイバのクラッド径は１２５μｍとし、コア径は一定のまま、入力端から出力端に向けてクラッド径が次第に小さくなるようにし、出力端におけるクラッド径を７５μｍに細径化した。そしてこれら７本の光ファイバのコアの出力端を近接させ、断面が図１０（ａ）に示したコア配置となるよう束ね、被覆で覆った。

光結合手段１０２として、１枚のマイクロレンズをＮ＝３組用い、モード変換導波路アレイ１０１のＮ＝３個の出力位置に合うよう３組のマイクロレンズをアレイ状に並べた。続いてマルチコア空間位置変換手段１０３の入力端側のＮ＝３本のマルチモード光ファイバを、モード変換導波路アレイ１０１の出力が形成された位置に合わせて作製したＶ溝基板上に並べ、マルチモード光ファイバブロック３３１を形成した。そして、モード変換導波路アレイ１０１の出力から光結合手段１０２を通してマルチコア空間位置変換手段１０３の入力に至る光路の光軸が合うよう、それぞれの組のマイクロレンズ５０１〜５０３とマルチモード光ファイバブロック３３１の位置を微調整した。

本実施形態の光合分波器は空間多重数が２２（＝Ｎ×ｍ＋４）であり、従来技術よりも大きな空間多重数を実現した。なお、コア数とモード数の組み合わせは任意であるが、モード数を増やすよりもコア数を増やした方が良好な伝送特性が得られやすかったため、本実施形態では、マルチコア空間位置変換手段１０３を構成する光ファイバのコアの数Ｎ＋４（＝７）が、数モード光ファイバを伝搬するモードの種類ｍ（＝６）よりも大きくなるようにした。

また、本実施形態では、Ｎ本の数モード光ファイバを束ねることでマルチコア空間位置変換手段１０３を形成したが、その他の手段を用いることができる。例えば、非特許文献８のＦｉｇ．２（ｂ）に記載されているようなコアがレーザにより基板に描画された導波路を用い、それぞれがｍ種類のモードを伝搬するＮ個のマルチモードの光ファイバのコアと、４個のシングルモードの光ファイバのコアの出力端を次第に近接させて一つに束ねた導波路をレーザにより基板に形成し、マルチコア空間位置変換手段１０３として用いてもよい。

以上、本実施形態により、空間多重、かつモード多重された光を合波・分波できる光合分波器を実現し、従来よりも空間多重数の拡大を実現した。また、異なる種類のコアを用いることでマルチコア・マルチモード光ファイバ中の隣接クロストークを大きく改善した。さらに、モード変換導波路アレイの入出力位置を測定し、位置ずれに応じて接続する光ファイバブロックを作製することで、モードクロストークと接続損失を抑制した。

（第３実施形態）
第１実施形態において、ｍ種類のモードを伝搬するＮ本のマルチモード光ファイバの一方の端を近接させ、一つに束ねることでマルチコア空間位置変換手段１０３を形成したが、光信号を伝搬させない予備の光ファイバを混在させてマルチコア空間位置変換手段１０３を形成することができる。これにより、例えば図１６（ｂ）に示すような、伝搬するマルチモードのコア間の隣接距離を離し、クロストークを向上させたコア配置のマルチコア・マルチモード光ファイバなどに適用可能な光合分波器を実現できる。また、本実施形態では、導波路が複数層からなる基板上に形成することで、モード変換導波路アレイの作製を容易にした。

図１２は、第３実施形態による光合分波器の全体構成を示す図である。基本構成は第１実施形態と同様である。図１３、図１４に、本実施形態におけるモード変換導波路１０１の構成例を示す。本実施形態のモード変換導波路アレイは、基板上に、２層からなる導波路で形成した。具体的には、基板上に第１層目の導波路を形成した後、クラッドを堆積し、その上に第２層目の導波路を形成することで作製した。図１３に上面図を示す。図１３（ａ）に示す実線で描かれた第１と第３の導波路２４１、２４３は第１層目に、図１３（ｂ）に示す実線で描かれた第２の導波路２４２は第２層目に形成されている。図１４（ａ）に示すように、一方の端は導波路のコア間隔を離すよう、他方の端は導波路のコア間隔を近づけるよう形成している。図１４（ｂ）に、第１〜第３の導波路のコア間隔を離した方のチップ端面の断面図、図１４（ｃ）に、第１〜第３の導波路のコア間隔を近接させた方のチップ端面の断面図を示す。

第１実施形態の図２に示す構成との大きな違いは、図１４（ｂ）に示されている第２の導波路のコア２４８が第２層目に形成されている点にある。導波路はコアの高さを変えて（例えば図２（ａ））作製するよりも、同じ平面上に形成する方が容易で、かつ、精度良く作製できるため、本実施形態のように、複数の導波路層を有する基板上において、それぞれの導波路を同一の層内に形成することで、高性能なモード変換導波路アレイ１０１が得られる。

モード変換導波路アレイ１０１は、基板上に形成されたポリマー導波路で形成し、Ｍ＝３つの入力をｍ＝３種類のモードに変換し出力するモード変換導波路２１１〜２２３をＮ＝１３個並べて作製した。モード変換導波路アレイ１０１の入力に、複数の光ファイバがＶ溝基板上に並べられた光ファイバブロックを接続し易くするため、モード変換導波路アレイ１０１の入力側の３９（＝モード変換導波路の入力ポートの数Ｍ×モード変換導波路の個数Ｎ）個のコアは等ピッチｐ、かつ、モード変換導波路アレイ１０１が形成された基板の２つの導波路層上で同じ高さとなるよう形成した（図１５（ａ））。さらに、モード変換導波路アレイ１０１の１３（＝モード変換導波路の個数Ｎ）個の出力も等ピッチｑ＝Ｍ×ｐ、かつ、モード変換導波路アレイが形成された基板の層上で同じ高さとなるよう形成した（図１５（ｂ））。なお、入力側のコアの位置は、１つのコアの中心の位置にしたのに対し、出力側のコアの位置は、３つのコアの中心の位置とした（図１５（ｂ）参照）。

このように、Ｎ個のモード変換導波路１０１の入力／出力の高さ方向の位置を、導波路の層数（本実施形態では図１５（ａ）に示すように２層）と同数の線上に揃えるか、もしくは、導波路の層数より少ない数の線上に揃えることで、本発明の光合分波器のモード変換導波路アレイに接続される光ファイバブロックの作製が容易となる。さらに入力／出力の位置をむすぶ線上で一定ピッチとなるよう配置することで、光ファイバブロックの共用化ができ、部材の低コスト化につながる。

マルチコア空間位置変換手段１０３として、ｍ（ｍ＝３）種類のモードを伝搬するＮ（Ｎ＝１３）本のマルチモード光ファイバ３０１〜３１３と、これらマルチモード光ファイバと同じ外径を有するが、光信号を伝搬させない６本の予備のマルチモード光ファイバ４１４〜４１９と、スペーサ４７１〜４８２を用い（図１６（ａ））、それらの一方の端を近接させ、一つに束ねた。ここで、仮に近接させて一つに束ねた方のファイバ束の端を出力端、もう一方の端を入力端と呼ぶことにする。入力端の光ファイバは、一定ピッチｑ＝Ｍ×ｐで並べ、マルチモードの光ファイバブロック３３１を形成した。図１６（ａ）に本実施形態のマルチコア空間位置変換手段１０３の出力端の断面図を示す。この出力端を、図１６（ｂ）に示されている断面構造のマルチコア・マルチモード光ファイバと接続した時、マルチコア・マルチモード光ファイバのそれぞれのコア６７１〜６８３と位置が合うよう、マルチコア空間位置変換手段１０３のＮ＝１３個のマルチモードのコア４０１〜４１３が配置され、６本の予備のマルチモードのコア４１４〜４１９と、１２個のスペーサ４７１〜４８２と共に、円筒状の筒４９２の中で束ねられている。

マルチコア空間位置変換手段１０３に予備のマルチモード光ファイバやスペーサを入れることで、伝送に使用するマルチモード光ファイバのコア４０１〜４１３の位置がより強固に固定され、マルチコア・マルチモード光ファイバのそれぞれのコアとの接続精度が向上した。なお、６本の予備のマルチモードのコア４１４〜４１９も伝送に使用してもよいが、本実施形態では、光を通さないことで、コア間の間隔を離し、コア間のクロストークを向上させて、良好な信号品質を得た。

マルチコア空間位置変換手段１０３に用いたＮ＝１３本の光ファイバ３０１〜３１３と６本の予備の光ファイバ３１４〜３１９はステップインデックス型の屈折率分布で、コア径１３μｍ、少なくともｍ＝３種類のモードを伝搬するよう設計し、さらに隣接コアからのクロストークを低減するよう、周辺のクラッドよりも屈折率を低くした、直径５０μｍ、幅１０μｍのリング状のトレンチ構造を、各コアに設けた（トレンチ構造を有するステップインデックス型の数モード光ファイバ）。また、これら光ファイバのクラッド径は１２５μｍとし、コア径は一定のまま、入力端から出力端に向けてクラッド径が次第に小さくなるようにし、出力端におけるクラッド径を８５μｍに細径化した。

光結合手段１０２として、バットジョイント方式による接続機構、すなわち、モード変換導波路アレイ１０１の出力の基板端面を研磨し、マルチコア空間位置変換手段１０３を構成するマルチモード光ファイバの入力を鏡面研磨し、これら研磨された基板端面と光ファイバ端面同士を物理接触させることで低損失な接続を実現した。なお、バットジョイント接続部に接着剤を含有することで接続部を固定してもよいし、屈折率整合剤を含有することで、結合効率を向上させても良く、バットジョイントや研磨以外にも、接着剤や屈折率整合剤も光結合手段の構成要素と見なすことができる。

本実施形態の光合分波器は空間多重数が３９（＝Ｎ×ｍ）であり、従来技術よりも大きな空間多重数を実現した。なお、コア数とモード数の組み合わせは任意であるが、モード数を増やすよりもコア数を増やした方が良好な伝送特性が得られやすかったため、本実施形態では、マルチコア空間位置変換手段を構成する光ファイバのコアの数Ｎ（＝１３）が、数モード光ファイバを伝搬するモードの種類ｍ（＝３）よりも大きくなるようにした。

以上、本実施形態により、空間多重、かつモード多重された光を合波・分波できる光合分波器を実現し、従来よりも空間多重数の拡大を実現した。また、モード変換導波路アレイを複数層に形成し、導波路を同一層上に形成することで、モード変換導波路を高性能化した。さらに、マルチコア空間位置変換手段に予備の光ファイバやスペーサを組み込むことで、コアの位置精度を向上させた。

（第４実施形態）
第３実施形態において、モード変換導波路アレイ１０１の導波路は複数層に形成し、また、モード変換導波路のマルチモード側のチップ端面では複数のコアを近接させる構成としたが、第４実施形態では、モード変換導波路アレイ１０１を単一の層上のみに形成し、また、モード変換導波路１０１のマルチモード側のチップ端面のコア数を１つとした。モード変換導波路アレイ１０１を一つの層のみで実現することで、モード変換導波路アレイ１０１を汎用の導波路作製技術で作製することを可能とし、第３実施形態のモード変換導波路アレイ１０１よりもさらに作製を容易にした。また、第１と第２実施形態では、光結合手段１０２として、一つ、もしくは複数のレンズの組を用いたが、本実施形態では、一つ、もしくは複数のレンズの組を並べてアレイ化し、筐体に収め、気密封止した。これにより、レンズからなる光結合手段１０２を汎用部品化することができ、また、レンズを１枚ずつ配置することなく、Ｎ組を一括で光接続できるようにし、光接続の信頼性の向上、低コスト化、簡易化につなげた。

図１７は、第４実施形態による光合分波器の全体構成を示す図である。平面基板上に形成されたＮ＝７個のモード変換導波路２１１〜２１７からなるモード変換導波路アレイ１０１と、筐体に収められたＮ＝７組のマイクロレンズ５０１〜５０７からなるレンズアレイ（光結合手段１０２）と、Ｎ本の光ファイバ３０１〜３０７からなるマルチコア空間位置変換手段１０３とから構成されている。

図１８に、第４実施形態におけるモード変換導波路２１１〜２１７の構成例を示す。図１８（ａ）に、モード変換導波路の上面図を示す。３つのシングルモードの入力ポートと、１つのマルチモードの出力ポートを有し、入力された１つもしくは複数のシングルモード光を、ｍ＝３種類のモードに変換し、出力するよう回路が構成されている。第２の導波路２４２は、導波路幅を次第に変化させたテーパ導波路と、導波路幅が異なる複数の直線導波路の組み合わせからなり、第１の導波路２４１と第３の導波路２４３は、入力光を第２の導波路の直線導波路に近づけ、光結合させるようにしている。

図１８（ｂ）に、シングルモード側のチップ端面の断面図、図１８（ｃ）に、マルチモード側のチップ端面の断面図を示す。第１〜第３実施形態で説明した構成との大きな違いは、図１８（ｂ）と（ｃ）に示されているように、導波路のコアが一層のみに形成されている点にある。一般に、導波路はコアの高さ方向の位置を変化させて作製する場合や、複数層に渡って作製する場合よりも、同一平面上に形成する方が遥かに作製し易く、かつ、精度良く作製できるため、本実施形態のように、単一の導波路層を有する基板上に導波路を形成することで、高性能なモード変換導波路アレイが得られる。

図１９に、一例として本実施形態のモード変換導波路のマルチモード側のポートより出力されたｍ＝３種類のモードを示す。図２０に、本実施形態における光結合手段１０２の構成例を示す。２枚で一組のレンズ５０１〜５０７をＮ＝７組、筐体５２１内部に並べ、気密封止した。レンズに接する筐体の面はガラス窓とした。本実施形態では、レンズのアレイ数をモード変換導波路２１１〜２１７のアレイ数と同数としたが、両者の数は異なっていてもよい。

図２１（ａ）に本実施形態のマルチコア空間位置変換手段の出力端の断面図を示す。この出力端を、図２１（ｂ）に示されている断面構造のＮコア・ｍモードのマルチコア・マルチモード光ファイバと接続した時、マルチコア・マルチモード光ファイバのそれぞれのマルチモードのコア６７１〜６７７と位置が合うよう、マルチコア空間位置変換手段のＮ＝７個のマルチモードのコア４０１〜４０７が配置され、束ねられている。本実施形態では、横方向に広がったモードを高品質で伝送できるよう、コアの形状を矩形にした。本実施形態では、図２１に示すように、矩形のコアの長い辺が水平になるよう、Ｎ＝７個とも向きを揃えて配置したが、それぞれのコアの向きは異なっていても構わない。

本実施形態の光合分波器の具体的な作製例を説明する。モード変換導波路アレイ１０１は、石英プレーナ光波回路技術で作製した。モード変換導波路アレイ１０１のシングルモードの入力に、複数の光ファイバがＶ溝基板上に並べられた光ファイバブロックを接続しやすくするため、モード変換導波路アレイ１０１の入力側の２１（＝モード変換導波路の入力ポートの数Ｍ×モード変換導波路の個数Ｎ）個のコアの中心位置は平面基板上で等ピッチｐ、基板の層上で同じ高さとなるよう形成した。このように、Ｎ個のモード変換導波路の入力の位置を一直線上に並べることで光ファイバブロックの接続が容易となり、さらに入力の位置を結ぶ線上で等ピッチとなるよう配置することで、汎用の光ファイバブロックが使用でき、部材の低コスト化につながる。

また、モード変換導波路アレイ１０１のマルチモードの出力に、図２０に示すレンズアレイを接続しやすくするため、モード変換導波路アレイ１０１の出力側の７（＝モード変換導波路の個数Ｎ）組の出力のコアの中心位置は平面基板上で等ピッチｑ＝Ｍ×ｐ、基板の層上で同じ高さとなるよう作製した。入力側と同様に、レンズアレイの接続が容易となり、部材の共通化により、低コスト化につながる。

マルチコア空間位置変換手段１０３は、Ｎ＝７本の光ファイバを用いて作製した。Ｎ＝７本の光ファイバは矩形コア型の屈折率分布で、コア径１０×２０μｍ、ｍ＝３種類のモードを伝搬するよう設計した。また、これら７本の光ファイバはクラッド径７０μｍの細径ファイバとした。そしてこれら７本の光ファイバのコアの出力端を近接させ、断面が図２１（ａ）に示したコア配置となるよう束ね、被覆で覆った。

本実施形態では、モード変換導波路アレイ１０１の入力のピッチをｐとした時、レンズアレイの筐体５２１内のＮ組のレンズと、マルチモード光ファイバブロック３３１のＮ個のコアは、ピッチｑ＝Ｍ×ｐの等ピッチで並べ、高さは一定となるようにした。このようなアレイの配置により部材間の接続が容易となり、部材の共通化により、低コスト化につながる。

本実施形態の光合分波器は空間多重数が２１（＝Ｎ×ｍ）であり、従来技術よりも大きな空間多重数を実現した。なお、コア数とモード数の組み合わせは任意であるが、モード数を増やすよりもコア数を増やした方が良好な伝送特性が得られやすかったため、本実施形態では、マルチコア空間位置変換手段を構成する光ファイバのコアの数Ｎ（＝７）が、数モード光ファイバを伝搬するモードの種類ｍ（＝３）よりも大きくなるようにした。
以上、本実施形態により、空間多重、かつモード多重された光を合波・分波できる光合分波器を実現し、従来よりも空間多重数の拡大を実現した。

（第５実施形態）
第１〜第３実施形態のモード変換導波路において、近接させた複数のコアからなるマルチモード側の出力ポートが基板端面に形成されるようにしたが、本実施形態では、光の出射端が基板上面に形成されるようにした。このような構成にすることで、第４実施形態と同様に、モード変換導波路を単一の層の平面基板上に形成でき、作製が容易であるという利点が得られる。さらに、第１〜第３実施形態のモード変換導波路では、光の出射端が基板端面にあるため、対称性の良いモードを出射するには、精密な高さ方向の制御が必要であったが、本実施形態のように光の出射端を基板上面にすることで、標準的な平面基板の作製技術でも良好な位置精度が得られる。

図２２は、第５実施形態におけるモード変換導波路アレイ１０１の構成例の上面図である。それぞれのモード変換導波路は、基板端面から入力される３つのシングルモードの入力ポートと、テーパ導波路と、二次元導波路グレーティング２５１〜２５９からなる。シングルモードの入力ポートより入力された光の電界はテーパ導波路により断熱的に変換され、二次元グレーティングで垂直方向に光路が変換され、基板上面より出力される。複数の二次元グレーティングの位置は任意に設定できる。例えば、３つの二次元導波路グレーティングを３回対称に配置することで、対称性の良いマルチモード光を基板上面より出力することができる。

本実施形態では、基板に対し水平方向に伝搬する光の光路を垂直方向に変換する手段としてグレーティングを用いたが、その他の手段を用いることができる。例えば、図２３に示すように、基板２０１上の導波路に４５度ミラー２６０を形成することで、水平方向の光路を垂直方向の光路に変換することもできる。

本実施形態の光合分波器の具体的な作製例を示す。モード変換導波路アレイ１０１は、基板２０１上に、シリコン導波路で作製した。モード変換導波路アレイ１０１のシングルモードの入力に、複数の光ファイバがＶ溝基板上に並べられた光ファイバブロックを接続しやすくするため、モード変換導波路アレイ１０１の入力側の２１（＝モード変換導波路の入力ポートの数Ｍ×モード変換導波路の個数Ｎ）個のコアの中心位置は平面基板上で等ピッチｐ、基板の層上で同じ高さとなるよう形成した。このように、Ｎ個のモード変換導波路の入力の位置を一直線上に並べることで光ファイバブロックの接続が容易となり、さらに入力の位置を結ぶ線上で等ピッチとなるよう配置することで、汎用の光ファイバブロックが使用でき、部材の低コスト化につながる。

また、入力光の反射を抑制するため、モード変換導波路アレイ１０１の基板端面を斜め８°に研磨し、２１芯のシングルモード光ファイバブロックを接続した。モード変換導波路アレイ１０１のマルチモードの出力についても、レンズアレイを接続しやすくするため、モード変換導波路アレイ１０１の出力側の７（＝モード変換導波路の個数Ｎ）組の導波路グレーティングからなる出力端の中心位置は、平面基板上で等ピッチｑ＝Ｍ×ｐとなるよう作製した。なお、出力端の中心位置は、３つの光の出射端の中心位置とした。

マルチコア空間位置変換手段１０３は、Ｎ＝７本の光ファイバを用いて作製した。Ｎ＝７本の光ファイバはマルチステップインデックス（階段）型の屈折率分布で、第１の屈折率と第２の屈折率のコアのコア径をそれぞれ１２μｍと１５μｍの２段階に変化させ、ｍ＝３種類のモードを伝搬するよう設計した。また、これら７本の光ファイバはクラッド径９０μｍの細径ファイバとした。そしてこれら７本の光ファイバのコアの出力端を近接させ、断面が図４（ａ）に示したコア配置と同様になるよう束ね、被覆で覆った。

光結合手段１０２として、Ｎ＝７連の１枚レンズアレイを使用し、導波路グレーティングによってモード変換導波路アレイ１０１の基板上面から出射されたマルチモード光を、マルチコア空間位置変換手段１０３の光ファイバのコアに結合させた。

図２４に、本実施形態における、モード変換導波路アレイ１０１の出力光と、光結合手段１０２のレンズ５０１と、マルチコア空間位置変換手段１０３の光ファイバ３０１のコア４０１における光結合の様子を示す。なお、この構成例では、マルチモード側のみを基板上面（斜め上面も含む）より出射する構成としたが、シングルモードの入力ポートも基板上面（斜め上面も含む）より入出力するような構成にしてもよい。

本実施形態の光合分波器は空間多重数が２１（＝Ｎ×ｍ）であり、従来技術よりも大きな空間多重数を実現した。なお、コア数とモード数の組み合わせは任意であるが、モード数を増やすよりもコア数を増やした方が良好な伝送特性が得られやすかったため、本実施形態では、マルチコア空間位置変換手段を構成する光ファイバのコアの数Ｎ（＝７）が、数モード光ファイバを伝搬するモードの種類ｍ（＝３）よりも大きくなるようにした。

以上、本実施形態により、空間多重、かつモード多重された光を合波・分波できる光合分波器を実現し、従来よりも空間多重数の拡大を実現した。

（第６実施形態）
第１〜第５実施形態において、モード変換導波路アレイ１０１を実現する手段として、複数の導波路からなる導波路回路を用いる例を示した。それら複数の導波路の長さは任意であるが、入力から出力に至るまでの光路の光学的光路長が等しくなるようにすることで、光信号を伝送する際の信号処理の負担を軽減でき、より優れた伝送性能が得られる。

具体的な構成例をより詳細に説明する。図２５に示すように、本実施形態のモード変換導波路は基板上に形成された、直線導波路と曲げ導波路からなる第１〜第３のＭ（Ｍ＝３）個の導波路により構成されている。導波路は２層に形成されており、図２５（ａ）に示す実線で描かれた第１と第３の導波路が第１層目に、図２５（ｂ）に示す実線で描かれた第２の導波路が、第１層目の上の、第２層目に形成されている。

モード変換導波路を構成する第１の導波路は、長さｓ１の直線導波路２６１と、中心角θ１の２つの曲げ導波路２７１、２７２で構成し、基板上の第１層目に形成した。モード変換導波路を構成する第２の導波路は、長さｓ２ａと長さｓ２ｂ（ｓ２ａ＋ｓ２ｂ＝ｓ２とする）の２本の直線導波路２６３、２６４と、中心角θ２ａの２つの曲げ導波路２７５、２７６と、中心角θ２ｂの２つの曲げ導波路２７７、２７８で構成し、基板上の第２層目に形成した。モード変換導波路を構成する第３の導波路は、長さｓ３の直線導波路２６２と、中心角θ３の２つの曲げ導波路２７３、２７４で構成し、基板上の第１層目に形成した。そして、第１〜第３の導波路の光路長が等しくなるよう、直線導波路の長さと曲げ導波路の中心角を設定した。

モード変換導波路を構成する導波路の、直線導波路の長さと曲げ導波路の中心角の設定例を示す。モード変換導波路の入力端におけるピッチをｐ、モード変換導波路の出力端における導波路間のギャップをｇ、モード変換導波路の幅をｗ、曲げ導波路の曲率半径をＲ、モード変換導波路の長手方向の長さをＤ、モード変換導波路のコアの厚みをｔ、第１層と第２層の間隔をｄとした（図２５、２６参照）。

平面上における第２の導波路の入力位置を第１層に投影した位置を原点Ｏとしたとき、基板上の第１層目において、第１の導波路の入力位置を（０、ｐ、ｔ／２）、出力位置を（Ｄ、（ｗ+ｇ）／２、ｔ／２）とし、θ１＝ａｃｏｓ（１−（ｐ−（ｗ+ｇ）／２）／（２・Ｒ））、ｓ１＝Ｄ−２・Ｒ・ｓｉｎθ１に設定した。また、基板上の第１層目において、第３の導波路の入力位置を（０、−ｐ、ｔ／２）、出力位置を（Ｄ、−（ｗ+ｇ）／２、ｔ／２）とし、θ３＝θ１、ｓ３＝ｓ１に設定した。さらに、基板上の第２層目において、第２の導波路の入力位置を（０、０、ｔ／２＋（ｔ+ｄ））、出力位置を（Ｄ、０、ｔ／２＋（ｔ+ｄ））とし、θ２ａ＝θ２ｂとして、ｓ１+２・Ｒ・θ１＝（Ｄ−４・Ｒ・ｓｉｎθ２）＋４・Ｒ・θ２を満たすようθ２を設定し、ｓ２＝Ｄ−４・Ｒ・ｓｉｎθ２に設定した。

具体的な数値例を示す。ｐ＝１２７μｍ、ｇ＝３μｍ、ｗ＝５μｍ、Ｒ＝１０００μｍ、Ｄ＝１５００μｍ、ｔ＝５μｍ、ｄ＝３μｍとし、θ１＝θ３＝０．３５２５ラジアン、ｓ１＝ｓ３＝８０９．４μｍ、θ２ａ＝θ２ｂ＝０．２７９６ラジアン、ｓ２＝３９６．１μｍに設定した。第１〜第３の導波路の光路長はいずれも等しく、１５１４．５μｍである。

このように、モード変換導波路のＭ個の入力から１つの出力に至るまでのＭ組の光路の光学的光路長が等しくなるよう、モード変換導波路の光学的光路長を設定することで、伝送における信号処理の負担を軽減することができる。本実施形態では、第１実施形態や第３実施形態で用いたモード変換導波路を等長化する場合の設計例を示したが、第２実施形態のように、モード変換導波路を構成する導波路は３本以外でもよいし、第４実施形態のような平面導波路型のモード変換導波路、第５実施形態のようなグレーティング型のモード変換導波路であっても、等長化の設計は適用可能である。

上記モード変換導波路を用いて、光合分波器を作製した。図２７に、作製した光合分波器の概略図を示す。前述のモード変換導波路をＮ＝７つ並べたモード変換導波路アレイ２３１を２層の石英導波路で形成し、モード変換導波路のＮ＝７つのマルチモードの出力を、筐体に収められたＮ＝７組の２枚レンズアレイ５３１を介して、マルチコア空間位置変換手段を構成するＮ＝７芯のマルチモード光ファイバブロック３３１のマルチモードの光ファイバ３０１〜３０７に光学的に結合させた。なお、レンズアレイ５３１とファイバブロック３３１のピッチはｑ＝Ｍ×ｐに設定した。さらに、実システムで使用しやすくするため、モード変換導波路アレイ２３１のシングルモード側の入力ポートに２１芯のシングルモード光ファイバブロック６０１を接続し、この光ファイバブロックから、マルチコア空間位置変換手段１０３のマルチモード光ファイバブロック３３１に至るまでの部材を筐体６１１に収めた。このように、光合分波器の構成要素の一部（もしくは全部）を筐体に収めることで、光合分波器が保護され、また、使用する際に取扱い易くなる。

上記作製例では、モード変換導波路アレイのみを等長としたが、モード変換導波路アレイのＭ×Ｎ個の入力から、マルチコア空間位置変換手段の、近接させて一つに束ねられた光ファイバのコアの出力端に至るまでのＭ×Ｎ組の光路全体の光学的光路長が等しくなるようにすることで、伝送における信号処理の負担をさらに軽減することができる。モード変換導波路の光学的光路長、光結合手段を通る光路の光路長、およびマルチコア空間位置変換手段を構成する光ファイバのコアの光学的光路長がそれぞれ等長となるようにしてもよいし、Ｍ×Ｎ組の光路において、全長が一定となるよう、モード変換導波路、光結合手段を通る光路、あるいはマルチコア空間位置変換手段を構成する光ファイバのコアの光学的光路長をそれぞれ設定してもよい。さらに、光合分波器内部だけで無く、光合分波器に接続される部材（例えば、モード変換導波路アレイに接続されるシングルモード光ファイバや、マルチコア空間位置変換手段の出力端に接続されるマルチコア・マルチモード光ファイバのコアなど）も等長にすることで、伝送路全体の信号処理の負担を軽減できる。

（第７実施形態）
第６実施形態において、モード変換導波路アレイのそれぞれのモード変換導波路を構成する複数の導波路の入力から出力に至るまでの光路の光学的光路長が一定になるような設計にしたが、製造偏差により、光学的光路長に誤差が生じることがある。そこで、本実施形態では、光合分波器に光路長を調整する手段を設けることで、作製誤差を補正することとした。本実施形態では、モード変換導波路アレイの導波路の光路長を調整する手段として薄膜ヒータを用いた。薄膜ヒータは光路長調整手段として一般的に用いられている手法であり、導波路のコアの上面に薄膜ヒータを形成し、熱光学効果により屈折率を変化させることで導波路の光学的光路長を制御することができる。

さらに、モード変換導波路アレイのＭ×Ｎ個の入力から、マルチコア空間位置変換手段の、近接させて一つに束ねられた光ファイバのコアの出力端に至るまでのＭ×Ｎ組の光路の光学的光路長を等長とする場合、例えばマルチコア空間位置変換手段に光路長調整手段を設けてもよい。一例として、光合分波器を作製した後、モード変換導波路アレイの出力から、光結合手段を介して、マルチコア空間位置変換手段の光ファイバのコアの出力端に至るまでのＮ組の光路の長さを計測し、長い光路は、マルチコア空間位置変換手段を構成する光ファイバの長さを調整することで、光路長の誤差を補正することができる。

図２８は、作製した光合分波器の概略を示す図である。基板上に、第６実施形態で説明した等長設計のモード変換導波路をＮ＝７個並べ、これらＮ＝７つのモード変換導波路を構成するそれぞれの導波路上に薄膜ヒータ２９１〜２９９を形成した。図示していないが、それぞれの薄膜ヒータ２９１〜２９９から、基板端面近傍の電極端子６１３までを電気配線で接続し、電極基板６１４上の電気コネクタ６１５を介して、外部より個々の薄膜ヒータを電気的に給電できるようにしている。

また、本実施形態のモード変換導波路アレイでは、基板上にモード変換導波路以外に、調芯用の導波路２８１〜２８３も形成した。マルチモード光の方がシングルモード光よりも調芯が難しく、入力光ファイバのコアと、モード変換導波路のコアで接続誤差が生じ易い。そこで、本実施形態では、シングルモードの導波路２８１〜２８３のコアと、これらコアの位置に対応するシングルモード光ファイバブロック６０１の光ファイバのコアの位置が合うよう調芯して、両者を接続した。

作製したモード変換導波路アレイの出力端面に、等ピッチｑ＝Ｍ×ｐで並べられたＮ＝７チャネルの１枚レンズアレイ５３１と、マルチコア空間位置変換手段のＮ＝７本の光ファイバ３０１〜３０７のコアが等ピッチｑ＝Ｍ×ｐでブロック化されたマルチモード光ファイバブロック３３１を接続し、シングルモード光ファイバブロック６０１から、マルチモード光ファイバブロック３３１に至るまでに部材と、電極基板を筐体６１１に収めた。このように、光合分波器の構成要素の一部（もしくは全部）を筐体に収めることで、光合分波器が保護され、また、使用する際に取扱い易くなる。

光合分波器を作製した後、それぞれのモード変換導波路の光学的光路長が等長になるよう、薄膜ヒータを駆動した。続いて、モード変換導波路の出力からマルチコア空間位置変換手段の光ファイバのコアの出力端に至るまでのＮ組の光路の長さを計測した。マルチモード光ファイバ３０７を通る光路に対し、その他のマルチモード光ファイバ３０１〜３０６を通る光路が長かったので、長い分の光ファイバを途中で切り取った。図２８に、マルチモード光ファイバ３０１と３０２の不要分の光ファイバを切り取り、長さを調整した後の融着箇所３４１、３４２が示されている。

以上、本実施形態では、光路長調整手段として薄膜ヒータを用いる例を示したが、レーザ照射、応力付与など、その他の手段を用いてもよい。また、光ファイバの長さを調整する手段として、不要分の光ファイバを切り取る手法を用いたが、モード変換導波路と同様に、加熱、レーザ照射、応力付与など、その他の手段を用いてもよい。

（第８実施形態）
本実施形態では、第６実施形態と同様に、モード変換導波路のＭ個の入力から１つの出力に至るまでのＭ組の光路の光学的光路長が等しくなるよう、モード変換導波路の光学的光路長を設定する例を示す。このような設計により、光信号を伝送する際の信号処理の負担を軽減でき、より優れた伝送性能が得られる。

具体的な構成例をより詳細に説明する。図２９に示すように、本実施形態のモード変換導波路は基板上に形成された、直線導波路と曲げ導波路からなる第１〜第３のＭ（Ｍ＝３）個の導波路により構成されている。導波路は２層に形成されており、図２９（ａ）に示す実線で描かれた第２と第３の導波路が第１層目に、図２９（ｂ）に示す実線で描かれた第１の導波路が、第１層目の上の、第２層目に形成されている。

モード変換導波路を構成する第１の導波路は、長さｓ１ａと長さｓ１ｂ（ｓ１ａ＋ｓ１ｂ＝ｓ１とする）の２本の直線導波路２６３、２６４と、中心角θ１の２つの曲げ導波路２７７、２７８で構成し、基板上の第２層目に形成した。モード変換導波路を構成する第２の導波路は、長さｓ２の直線導波路２６１と、中心角θ２ａの２つの曲げ導波路２７１、２７２と、中心角θ２ｂの２つの曲げ導波路２７３、２７４で構成し、基板上の第１層目に形成した。モード変換導波路を構成する第３の導波路は、長さｓ３の直線導波路２６２と、中心角θ３の２つの曲げ導波路２７５、２７６で構成し、基板上の第１層目に形成した。そして、第１〜第３の導波路の光路長が等しくなるよう、直線導波路の長さと曲げ導波路の中心角を設定した。

モード変換導波路を構成する導波路の、直線導波路の長さと曲げ導波路の中心角の設定例を示す。モード変換導波路の入力端におけるピッチをｐ、モード変換導波路の出力端における導波路間のギャップをｇ、モード変換導波路の幅をｗ、曲げ導波路の曲率半径をＲ、モード変換導波路の長手方向の長さをＤ、モード変換導波路のコアの厚みをｔ、第１層と第２層の間隔をｄとした。平面上における第２の導波路の入力位置を原点 Ｏとしたとき、基板上の第２層目において、第１の導波路の入力位置を（０、ｐ、ｔ+ｄ）、出力位置を（Ｄ、（ｗ+ｇ）／４、ｔ+ｄ）とし、θ１＝ａｃｏｓ（１−（ｐ−（ｗ+ｇ）／４）／（２・Ｒ））、ｓ１＝Ｄ−２・Ｒ・ｓｉｎθ１に設定した。

また、基板上の第１層目において、第３の導波路の入力位置を（０、−ｐ、０）、出力位置を（Ｄ、−（ｗ+ｇ）／４、０）とし、θ３＝θ１、ｓ３＝ｓ１に設定した。さらに、基板上の第１層目において、第２の導波路の入力位置を（０、０、０）、出力位置を（Ｄ、３・（ｗ+ｇ）／４、０）とし、Ｄ−２・Ｒ・（ｓｉｎθ２ａ＋ｓｉｎ（ａｃｏｓ（３・（ｗ+ｇ）／（８・Ｒ）＋ｃｏｓθ２ａ）））＝ｓ１＋２・Ｒ・θ１−２・Ｒ・（θ２ａ＋ａｃｏｓ（３・（ｗ+ｇ）／（８・Ｒ）＋ｃｏｓθ２ａ））を満たすようθ２ａを設定し、θ２ｂ＝ａｃｏｓ（３・（ｗ+ｇ）／（８・Ｒ）＋ｃｏｓθ２ａ）、ｓ２＝Ｄ−２・Ｒ・（ｓｉｎθ２ａ＋ｓｉｎθ２ｂ）に設定した。

具体的な数値の実施例を示す。ｐ＝１２７μｍ、ｇ＝２μｍ、ｗ＝４μｍ、Ｒ＝７５０μｍ、Ｄ＝１０００μｍ、ｔ＝４μｍ、ｄ＝２μｍとし、θ１＝０．４１２ラジアン、ｓ１ａ＝１９９．４μｍ、ｓ１ｂ＝２００μｍ、θ２ａ＝０．３３１２ラジアン、θ２ｂ＝０．３２１９ラジアン、ｓ２＝３７．６μｍ、θ３＝０．４１２ラジアン、ｓ３＝３９９．４μｍに設定した。第１〜第３の導波路の光路長はいずれも等しく、１０１７．３μｍである。

上記モード変換導波路を用いて、光合分波器を作製した。図３０は、作製した光合分波器の概略を示す図である。前述のモード変換導波路を一定間隔で６つ並べたものを１セットとして、これら６つのモード変換導波路を基板上に２セット、合計Ｎ＝１２個並べたモード変換導波路アレイ２３１を２層の石英導波路で形成した。それぞれのモード変換導波路を構成する３つの導波路の光学的光路長を一定にしたまま、モード変換導波路アレイの入力側の３６（＝モード変換導波路の入力ポートの数Ｍ×モード変換導波路の個数Ｎ）個のコアが、基板端面で等ピッチｐとなるよう、Ｓ字導波路を用いてピッチ変換した。

マルチコア空間位置変換手段の複数の光ファイバのうちのＮ本３０１〜３１２の入力は複数のファイバブロック３３１、３３２にそれぞれ等ピッチｑ＝Ｍ×ｐで並べられ、作製したモード変換導波路アレイ２３１のＮ個の出力と、マルチコア空間位置変換手段の複数の光ファイバのうちのＮ本３０１〜３１２の入力がそれぞれ光学的に結合するよう、等ピッチｑ＝Ｍ×ｐで並べられた６チャネルの１枚レンズアレイ５３１と、５３２とを介して、マルチモード光ファイバブロック３３１、３３２が、モード変換導波路アレイ２３１が形成された基板端面に接続されている。

マルチコア空間位置変換手段に用いたＮ＝１２本の光ファイバ３０１〜３１２はトレンチ構造を有するマルチステップインデックス型の屈折率分布で、少なくともｍ＝３種類のモードを伝搬するよう設計した。モード変換導波路アレイ２３１の入力端面には、３６芯のシングルモード光ファイバブロック６０１、マルチコア空間位置変換手段の出力端には、ホルダーを介して、Ｎコア・ｍモードの光ファイバ６２１を接続した。そして、シングルモード光ファイバブロック６０１から、Ｎコア・ｍモードの光ファイバ６２１に至るまでに部材を筐体６１１に収めた。このように、光合分波器全体を筐体に収めることで、光合分波器が保護され、また、使用する際に取扱い易くなる。

本実施形態の光合分波器は空間多重数が３６（＝Ｎ×ｍ）であり、従来技術よりも大きな空間多重数を実現した。なお、コア数とモード数の組み合わせは任意であるが、モード数を増やすよりもコア数を増やした方が良好な伝送特性が得られやすかったため、本実施形態では、マルチコア空間位置変換手段を構成する光ファイバのコアの数Ｎ（＝１２）が、数モード光ファイバを伝搬するモードの種類ｍ（＝３）よりも大きくなるようにした。

本実施形態では、１２チャネルのレンズアレイや、１２芯のマルチモード光ファイバブロックを使用する代わりに、６チャネルのレンズアレイや、６芯のマルチモード光ファイバブロックを複数使用する構成とした。これは、チャネル数が多いほど歩留りが悪くなり、部材の作製が難しくなるためである。少数のセットに分けることで歩留りが向上し、また、Ｎが異なる光合分波器を作製する際も同じ部材が使用でき、低コスト化につながる。

（第９実施形態）
本実施形態は、第８実施形態と類似の光合分波器の構成であるが、モード変換導波路アレイをマルチチップ構成とした点に特徴がある。レンズアレイやマルチモード光ファイバブロックに限らず、モード変換導波路アレイを複数のチップに分けることで、歩留りが向上し、部材の共用化で低コスト化の効果が得られる。

図３１は、作製した光合分波器の内部構成を示す図である。モード変換導波路アレイ２３１は、第８実施形態で用いたモード変換導波路９つと、チップの両側の調芯用導波路２８１、２８２より構成されており、２層の石英系の積層導波路で作製した。レンズアレイ５３１として等ピッチｑ＝Ｍ×ｐで並べられた１１チャネルの１枚レンズアレイを用い、両端の２つを調芯用、残りの９つを光結合手段として用いた。マルチモード光ファイバブロック３３１は、マルチコア空間位置変換手段のＮ＝１８本のうちの９本の光ファイバ３０１〜３０９のコアと、両側の調芯用のシングルモード光ファイバで構成した。なお、９本の光ファイバ３０１〜３０９のコアは、ファイバブロック上で等ピッチｑ＝Ｍ×ｐで並べた。光ファイバブロック６０１は、２７芯のシングルモード光ファイバと、両側の調芯用のシングルモード光ファイバで構成した。これら光部品を、調芯用ポートを用いて、図３１に示すように接続した。

モード変換導波路アレイ２３２、レンズアレイ５３２、マルチモード光ファイバブロック３３２、光ファイバブロック６０２も同様の構成と、これら光部品も、調芯用ポートを用いて、図３１に示すように接続した。マルチコア空間位置変換手段に用いたＮ＝１８本の光ファイバ３０１〜３１８は、グレーデッドインデックス型の屈折率分布で、コア径１８μｍ、少なくともｍ＝３種類のモードを伝搬するよう設計した。また、これら光ファイバのクラッド径は８０μｍとした。マルチコア空間位置変換手段の出力端は筐体内部で引き回し、筐体外部より取り出す構成とした。

図３２は、筐体の外観を示す図である。筐体の前面に、モード変換導波路アレイ２３１、２３２の５４個のシングルモードのポートにつながる５４個の光コネクタと、マルチコア・マルチモードのポートにつながる１個の光コネクタが設けられている。このような構成にすることで、筐体外部から光ファイバのパッチコードを容易に挿抜することができ、本発明の光合分波器が使用し易くなる。

図３３（ａ）は、マルチコア空間位置変換手段の出力端の断面図、図３３（ｂ）は、本実施形態で使用した、Ｎコア・ｍモードのマルチコア・マルチモード光ファイバの断面図である。本実施形態の光合分波器は空間多重数が５４（＝Ｎ×ｍ）であり、従来技術よりも大きな空間多重数を実現した。なお、コア数とモード数の組み合わせは任意であるが、モード数を増やすよりもコア数を増やした方が良好な伝送特性が得られやすかったため、本実施形態では、マルチコア空間位置変換手段を構成する光ファイバのコアの数Ｎ（＝１８）が、数モード光ファイバを伝搬するモードの種類ｍ（＝３）よりも大きくなるようにした。

本実施形態では、モード変換導波路アレイ２３１が形成された基板上に、モード変換導波路以外の回路として、調芯用導波路を形成した。このように、本発明におけるモード変換導波路アレイでは、光回路が平面基板上に容易に形成できる利点があり、調芯用導波路の他に、モニター導波路、スプリッタ等の光回路など、モード変換導波路以外の任意の光回路を基板上に形成してもよい。

（第１０実施形態）
本実施形態は、第９実施形態と類似の光合分波器の構成であるが、光合分波器をマルチモジュール構成とした点に特徴がある。レンズアレイ、マルチモード光ファイバブロック、モード変換導波路アレイに限らず、光合分波器を複数に分けることで、歩留りが向上し、部材の共用化で低コスト化の効果が得られる。

図３４は、作製した光合分波器の内部構成を示す図を示す。モード変換導波路アレイ２３１は、第８実施形態で用いたモード変換導波路６つと、チップの両側の調芯用導波路２８１、２８２より構成されており、２層のシリコン積層導波路で作製した。レンズアレイ５３１として等ピッチｑ＝Ｍ×ｐで並べられた６チャネルの１枚レンズアレイを用いた。マルチモード光ファイバブロック３３１は、マルチコア空間位置変換手段のＮ＝１２本のマルチモードの光ファイバのうちの６本の光ファイバ３０１〜３０６のコアで構成した。なお、６本の光ファイバ３０１〜３０６のコアは、ファイバブロック上で等ピッチｑ＝Ｍ×ｐで並べた。光ファイバブロック６０１は、２０芯の光コネクタ付のシングルモード光ファイバ６３１〜６５０で構成した（両側の調芯用のシングルモード光ファイバを含む）。

調芯用ポートを用いて、光ファイバブロック６０１をモード変換導波路アレイ２３１に接続した後、レンズアレイ５３１とマルチモード光ファイバブロック３３１を接続し、これら部材を筐体６１１に収めた。同様に、モード変換導波路アレイ２３２も、第８実施形態で用いたモード変換導波路６つと、チップの両側の調芯用導波路２８３、２８４より構成されており、２層のシリコン積層導波路で作製した。レンズアレイ５３２として６チャネルの１枚レンズアレイを用いた。マルチモード光ファイバブロック３３２は、マルチコア空間位置変換手段のＮ＝１２本のマルチモードの光ファイバのうちの６本の光ファイバ３０７〜３１２のコアで構成した。光ファイバブロック６０２は、２０芯の光コネクタ付のシングルモード光ファイバ６５１〜６７０で構成した（両側の調芯用のシングルモード光ファイバを含む）。調芯用ポートを用いて、光ファイバブロック６０２をモード変換導波路アレイ２３２に接続した後、レンズアレイ５３２とマルチモード光ファイバブロック３３２を接続し、これら部材を筐体６１２に収めた。

マルチコア空間位置変換手段として、ｍ（ｍ＝３）種類のモードを伝搬するＮ（Ｎ＝１２）本のマルチモード光ファイバ３０１〜３１２と、第２実施形態のように、基本モードを伝搬する７本のシングルモード光ファイバ３２１〜３２７を混在させ、それらの一方の端を近接させ、一つに束ねた。Ｎ＝１２本の光ファイバ３０１〜３１２はトレンチ構造を有するグレーデッドインデックス型の屈折率分布となるよう設計した。マルチコア空間位置変換手段の出力端には、ホルダーを介して、７個のシングルモードのコアを有するＮ＝１２コア・ｍ＝３モードの光ファイバ６２１を接続した。

本実施形態の光合分波器は空間多重数が４３（＝Ｎ×ｍ＋７）であり、従来技術よりも大きな空間多重数を実現した。なお、コア数とモード数の組み合わせは任意であるが、モード数を増やすよりもコア数を増やした方が良好な伝送特性が得られやすかったため、本実施形態では、マルチコア空間位置変換手段を構成する光ファイバのコアの数Ｎ（＝１２）が、数モード光ファイバを伝搬するモードの種類ｍ（＝３）よりも大きくなるようにした。

本実施形態の２つの筐体６１１、６１２は同時に同方向で使用してもよいし、一方を予備とし、通常は片方のみを使用して故障の際に予備に入れ替えるという使用方法も可能である。また、例えば、筐体６１１は上り、筐体６１２は下りのように、筐体ごとに伝送方向を変えることもできる。さらに、マルチコア空間位置変換手段のコア配置において、図３３のようなコア配置を使用し、内側の７個を本実施形態のシングルモードのコア、外側の１２個を本実施形態のマルチモードのコアとしてもよい。そして、筐体６１１と６１２につながるマルチモードの光ファイバのコアを交互に配置し、隣接するマルチモードのコアの伝送方向が互いに逆方向になるようにすることで、マルチモードの隣接コアのクロストークを大幅に抑制することができる。

あるいは、筐体６１１につながるマルチモードの光ファイバのコア径（伝搬定数）と筐体６１２につながるマルチモードの光ファイバのコア径（伝搬定数）を異なるものとし、筐体６１１と６１２につながるマルチモードの光ファイバのコアを交互に配置し、コア径（伝搬定数）が異なる複数のコアを用いて同一コア径のコア間隔を離すことにより、マルチモードの隣接コアのクロストークを大幅に抑制することができる。シングルモードのコアは従来のマルチコアファイバのように伝送路として使用してもよいし、マルチモードのコアのみを伝送路として使用し、シングルモードのコアは信号品質のモニター用など、その他の用途に使用することもできる。

（第１１実施形態）
本実施形態では、第１〜第１０実施形態で開示した光合分波器を用いた光通信システムの一例を示す。本実施形態の光通信システムでは、モード変換導波路アレイのＭ×Ｎ個の入力に、それぞれシングルモードファイバが接続され、マルチコア空間位置変換手段の、近接させて一つに束ねられた光ファイバのコアの出力端に、マルチコア・マルチモード光ファイバが接続された光合分波器において、光合分波器のモード変換導波路アレイのＭ×Ｎ個の入力に光信号が入力され、光合分波器により光信号が合波される、もしくは、光合分波器のマルチコア空間位置変換手段の、近接させて一つに束ねられた光ファイバのコアより光信号が入力され、光合分波器により光信号が分波されるようにした。

図３５は、前述した各実施形態の光合分波器を用いた光通信システムの一例を示す図である。本光通信システムは、光送信器７０１と、本発明の光合分波器７３１（モード合波器として機能）と、光伝送路７２１と、本発明の光合分波器７３２（モード分波器として機能）と、光受信器７１１とから構成されている。光伝送路７２１として、Ｎコア・ｍモードの光ファイバ６２１などを用いることができる。

また、図３６は、前述した各実施形態の光合分波器を用いた光通信システムの一例を示す図である。本光通信システムは、光送信器７０１と、光受信器７１２と、本発明の光合分波器７３１（モード合波・分波器として機能）と、光伝送路７２１と、本発明の光合分波器７３２（モード合波・分波器として機能）と、光受信器７１１と、光送信器７０２とから構成されている。光伝送路７２１として、Ｎコア・ｍモードの光ファイバ６２１などを用いることができる。

以上、本発明の光合分波器を、最も簡単な例としてポイント・ツー・ポイントの光通信システムに適用した例を示したが、もちろんＲＯＡＤＭノードなど、より複雑な光通信システムにも有用である。

なお、以上説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の構成を備え、目的及び効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造及び形状等は、本発明の目的及び効果を達成できる範囲内において、他の構造や形状等としても問題はない。本発明は前記した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形や改良は、本発明に含まれるものである。

以上、各実施形態では、モード変換導波路の入力ポート数Ｍと、使用するモードの種類ｍが等しい例（Ｍ＝ｍ）を示した。もちろん、Ｍとｍは異なっていても良く、例えば、Ｍ＝６つの入力ポートを有するモード変換導波路で、ｍ＝３種類のモードを合分波してもかまわない。例えば、非特許文献１０のＦｉｇ．３に示されているモード合分波器を本発明のモード変換導波路の構成要素として用いる場合、入力ポート数はＭ＝６、モード数はｍ＝３（ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ）である。

また、前述した実施形態におけるモード変換導波路アレイは、主にシリコン、ポリマー、石英系の材料を用いて形成したが、その導波路材料がポリイミド、半導体、ＬｉＮｂＯ２などであってもよいし、基板材質が石英やシリコンなどであってもよい。

さらに、図４、図１１、図１６、図２１、図３３などで示したマルチコア空間位置変換手段の出力端や、マルチコア・マルチモード光ファイバでは、マルチモード光を伝搬するＮ個のコアは、いずれも１つのコアでｍ種類のモードを伝搬する設定としたが、複数のコアでｍ種類のモードを伝搬する設計にしてもよい。例えば、近接させた３つのコアからなる強結合型のコアを有する光ファイバでｍ＝３種類のモードが伝搬する設計としたとき、これを１つのコア群と呼ぶことにする。そこで、例えば、第１実施形態の図４（ｂ）に示したｍ種類のモードを伝搬するＮ個のコアからなるマルチコア・マルチモード光ファイバを、ｍ種類のモードを伝搬するＮ個のコア群からなるマルチコア・マルチモード光ファイバに置き換えても光合分波器としては同じ機能を有する。必要とする伝送特性に応じて、任意の構造、コア数、モード数のマルチコア・マルチモード光ファイバを用いることができる。

以上説明したように、空間モード分割多重通信用の光合分波器において、複数のモードを伝送するコアを複数有するマルチコア・マルチモード光ファイバに入力光を合波する、もしくは、複数のモードを伝送するコアを複数有するマルチコア・マルチモード光ファイバからの出力光を分波することができるようにした。

この構成により、複数のモードを伝送するコアを複数有するマルチコア・マルチモード光ファイバに入力光を合波する、もしくは、複数のモードを伝送するコアを複数有するマルチコア・マルチモード光ファイバからの出力光を分波することができる光合分波器を提供することができる。

複数のモードを伝送するコアを複数有するマルチコア・マルチモード光ファイバに入力光を合波する、もしくは、複数のモードを伝送するコアを複数有するマルチコア・マルチモード光ファイバからの出力光を分波することが不可欠な用途に適用できる。

１０１・・・モード変換導波路アレイ、１０２・・・光結合手段、１０３・・・マルチコア空間位置変換手段、２０１・・・基板、２０２・・・シングルモード側基板端面、２０３・・・マルチモード側基板端面、２１１〜２２３・・・モード変換導波路、２３１〜２３２・・・モード変換導波路アレイ、２４１・・・第１の導波路、２４２・・・第２の導波路、２４３・・・第３の導波路、２４７・・・第１の導波路のコア、２４８・・・第２の導波路のコア、２４９・・・第３の導波路のコア、２５１〜２５９・・・導波路グレーティング、２６０・・・４５度ミラー、２６１〜２６４・・・直線導波路、２７１〜２７８・・・曲げ導波路、２８１〜２８４・・・調芯用導波路、２９１〜２９９・・・光路長調整手段、３０１〜３１９・・・マルチモード光ファイバ、３２１〜３２７・・・シングルモード光ファイバ、３３１〜３３２・・・マルチモード光ファイバブロック、３４１〜３４２・・・融着箇所、４０１〜４１９・・・マルチモードのコア、４２１〜４２４・・・シングルモードのコア、４３１〜４３７・・・クラッド、４７１〜４８２・・・スペーサ、４９１・・・被覆、４９２・・・円筒、５０１〜５０７・・・レンズ、５２１・・・レンズ筐体、５３１〜５３２・・・レンズアレイ、５４１〜５５３・・・接着剤、６０１〜６０２・・・光ファイバブロック、６１１〜６１２・・・筐体、６１３・・・電極端子、６１４・・・電極基板、６１５・・・電気コネクタ、６２１・・・Ｎコア・ｍモード光ファイバ、６３１〜６７０・・・光コネクタ付のシングルモード光ファイバ、６７１〜６８９・・・Ｎコア・ｍモード光ファイバのマルチモードのコア、６９１〜６９４・・・Ｎコア・ｍモード光ファイバのシングルモードのコア、７０１〜７０２・・・光送信器、７１１〜７１２・・・光受信器、７２１・・・光伝送路、７３１〜７３２・・・光合分波器

Claims (8)

1. 基板上に形成され、Ｍ個（Ｍは、Ｍ≧２の整数）の入力をｍ（ｍは、２≦ｍ≦Ｍの整数）種類のモードに変換し出力するモード変換導波路がＮ（Ｎは、Ｎ≧２の整数）個並べられたモード変換導波路アレイと、
   前記ｍ種類のモードを伝搬するＮ個のマルチモードの光ファイバのコアを含むＮ個以上の複数の光ファイバのコアの出力端を近接させ、一つに束ねるマルチコア空間位置変換手段と、
   前記モード変換導波路アレイのＮ個の出力と、前記マルチコア空間位置変換手段の複数の光ファイバのコアのうちのＮ個のマルチモードのコアの入力端を光学的に結合する光結合手段と
   を備えることを特徴とする光合分波器。
2. 前記Ｎ組の光結合手段が、それぞれ一つ、もしくは複数のレンズからなることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
3. 前記Ｎ組の光結合手段のうちの一組、もしくは、複数組のレンズが筐体に並べられ、該筐体の一方のレンズ側の面が前記マルチコア空間位置変換手段を構成する複数の光ファイバのコアの入力端に、該筐体の他方のレンズ側の面が前記モード変換導波路アレイのＮ個の出力が並ぶ基板端面もしくは基板上面に設置され、光学的に結合されることを特徴とする請求項２に記載の光合分波器。
4. 前記マルチコア空間位置変換手段を構成する複数の光ファイバのコアの入力端を、前記モード変換導波路アレイのＮ個の出力が並ぶ基板端面もしくは基板上面にバットジョイントすることにより光学的に結合することを特徴とする請求項１に記載の光合分波器。
5. 前記モード変換導波路のＭ個の入力から１つの出力に至るまでのＭ組の光路の光学的光路長が等しくなるよう、前記モード変換導波路の光学的光路長が設定されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光合分波器。
6. 前記モード変換導波路アレイのＭ×Ｎ個の入力から、前記マルチコア空間位置変換手段の、近接させて一つに束ねられた光ファイバのコアの出力端に至るまでのＭ×Ｎ組の光路の光学的光路長が等しくなるよう、前記モード変換導波路の光学的光路長と、前記マルチコア空間位置変換手段を構成する光ファイバのコアの光学的光路長が設定されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光合分波器。
7. 前記マルチコア空間位置変換手段を構成する光ファイバのコアの数が、前記マルチモードの光ファイバのコアを伝搬するモードの種類ｍよりも大きいことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光合分波器。
8. 基板上に形成され、Ｍ個（Ｍは、Ｍ≧２の整数）の入力をｍ（ｍは、２≦ｍ≦Ｍの整数）種類のモードに変換し出力するモード変換導波路がＮ（Ｎは、Ｎ≧２の整数）個並べられたモード変換導波路アレイのＭ×Ｎ個の入力に、それぞれシングルモードファイバが接続され、
   前記ｍ種類のモードを伝搬するＮ個のマルチモードの光ファイバのコアを含むＮ個以上の複数の光ファイバのコアの出力端を近接させ、一つに束ねるマルチコア空間位置変換手段の、近接させて一つに束ねられた光ファイバのコアの出力端に、それぞれｍ種類のモードを伝搬するＮ個のコア、もしくはそれぞれｍ種類のモードを伝搬するＮ個のコア群からなるＮコア・ｍモードの光ファイバが接続された請求項１から７のいずれか１項に記載の光合分波器を備える光通信システムであって、
   前記光合分波器のモード変換導波路アレイのＭ×Ｎ個の入力に光信号が入力され、前記光合分波器により光信号が合波される、もしくは、前記光合分波器のマルチコア空間位置変換手段の、近接させて一つに束ねられた光ファイバのコアより光信号が入力され、前記光合分波器により光信号が分波されることを特徴とする光通信システム。

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