JP2017142301A - 厳密固有モード合分波器、及び厳密固有モード多重伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】数モードファイバの厳密固有モードを選択的に合波あるいは分波することのできる厳密固有モード合分波器、及び厳密固有モード多重伝送システムを提供する。
【解決手段】厳密固有モード合分波器１は、ＬＰモードと厳密固有モードとの間の線形結合の関係に基づいて、厳密固有モードの選択的な励振と、受信した厳密固有モードからの伝送チャンネルの分離とを行うために、ＬＰモードを合分波するＬＰモード合分波器３と、ＬＰモード合分波器の複数の入出射端の一方の光路の伝播光に対して偏波方向を回転させる偏波回転器４と、ＬＰモード合分波器及び偏波回転器のＬＰモード成分と厳密固有モード成分との間で線形結合の関係に基ずく同相成分と逆相成分の生成分離を行う同相逆相生成分離器２とを備える。
【選択図】図１

Description

本願発明は、厳密固有モード合分波器、及び厳密固有モード多重伝送システムに関する。

数モードファイバの高次モードを用いるモード多重伝送の実験例が知られている。従来、モード多重伝送に用いられるモードはＬＰ（Linearly Polarized）モードが用いられている。

円筒光ファイバの厳密固有モードは、厳密にはＨＥ_ｌｍ， ＥＨ_ｌｍ (ｌ＝０の場合にはＴＥ_０ｍ，ＴＭ_０ｍ)モードである（非特許文献１）。しかしながら、ＨＥ_{ｌ＋１，ｍ}とＥＨ_{ｌ−１，ｍ}モードの伝搬定数が擬縮退状態にあることから、厳密固有モードを用いることなく弱導波近似およびＬＰモードが提案されている（非特許文献２）。

また、ファイバ入射端に入射させるレーザ光も直線偏光であることから、近年の超大容量モード多重伝送（非特許文献３）においても伝送チャネルとしてＬＰモードが用いられている。

一方、入射端においてＬＰモード（直線偏光）を励振しても、伝送後にはもはやＬＰモード（直線偏光)ではないことが指摘されている（非特許文献４〜非特許文献７）。ＬＰモードによる伝送特性が不明であるものの、ＭＩＭＯ処理によって伝送チャネルを分離できるため、伝送モードの厳密な検討はなされていない。

E. Snitzer, "Cylindrical dielectric waveguide modes," J. Opt. Soc. Am., vol.51, no.5, pp.491-498, 1961. D. Gloge, "Weakly guiding fibers," Appl. Opt., vol.10, no.10, pp.2252-2258, 1971. D. Soma, et al., "2.05 Peta-bit/s Super-Nyquist-WDM SDM Transmission Using 9.8-km 6-mode 19-core Fiber in Full C band," 29th European Conference on Optical Communication (ECOC2015), Valencia, PDP.3.2, Oct. 1, 2015. H. Kogelnik and P. J. Winzer, "Modal Birefringence in Weakly Guiding Fibers," J. Lightwave Technol., vol.30, no.14, pp.2240-2245, 2015. J. von Hoyningen-Huene, et al., "LCoS-based mode shaper for few-mode fiber," Optics Express, vol.21, no.15, pp.18097-18110, 2013. E-L. Lim, et al., "Vector Mode effects in Few Moded Erbium Doped Fiber Amplifiers," OFC/NFOEC2013, OTu3G.2, Anaheim, 2013. Richerdson, "Fiber Amplifiers for SDM Systems," OFC/NFOEC2013, Anaheim, OTu3G.1, 2013. Jun Liu, et al., "Demonstration of Few Mode Fiber Transmission Link Seeded by a Silicon Photonic Integrated Optical Vortex Emitter," 29th European Conference on Optical Communication (ECOC2015), Valencia, P.2.18, Sept. 29, 2015. N. Hanzawa, et al., "Mode multi / demultiplexing with parallel waveguide for mode division multiplexed transmission," Opt. Exp. vol. 22, no. 24, pp. 29321-29330, Dec.1, 2014. E. Ip, et al.,"88×3×112-Gb/s WDM Transmission over 50 km of Three-Mode Fiber with Inline Few-Mode Fiber Amplifier," ECOC2011, Geneva, Th.13.C.2, 2011.

ＬＰモードは直線偏光の電磁界分布を持つ近似モードであり、厳密固有モードであるＨＥモードやＥＨモード（ＬＰ_１ｍモードの場合にはＨＥ_２ｍ ^evenモードとＴＭ_０ｍモード、およびＨＥ_２ｍ ^oddモードとＴＥ_０ｍモード）の重ね合わせによって直線偏光を形成することができる。

従来、以下のような技術的な背景から、伝送チャンネルとして厳密固有モードを用いることなくＬＰモードを用いてモード多重伝送を行っている。

（ａ） 数モードファイバの入射端から入射させる光源のレーザ光は一般的に直線偏光である。レーザ光を光源として数モードファイバに直線偏光を入射させると必ずＬＰモードが励振されるため、厳密固有モードのみを選択的に励振することは困難である。

唯一，マイクロリング共振器の側壁に回折格子を設けたＴＥモードとＴＭモードの励振器（非特許文献８）が報告されているが，等位相面がスパイラル状になるので正確にはVortexビーム励振器であり，かつ共振波長でしか動作せず，さらにＨＥ_２１モードは合分波できない。

（ｂ） 重ね合わせによってＬＰモードを構成する構成要素の厳密固有モードは、伝搬定数がほぼ縮退状態である。そのため、従来、入射端でこれらの厳密固有モードの重ね合わせとして構成されるＬＰモードを励振すると、ほぼそのままの電磁界分布が保持されて伝送されることを前提として、ＬＰモードによるモード多重伝送を行っている。なお、電磁界分布が異なるが伝搬定数が一致するモードを縮退モードと呼んでいる。

上記のＬＰモード励振、及びにＬＰモード励振に起因するモード多重伝送の問題点として以下の点が挙げられる。

（ｃ） ＬＰモードを構成する厳密固有モード間の群遅延差により、モード多重伝送においてモード分散によるパルス幅広がりが発生する。

ＬＰモードを構成する厳密固有モードの伝搬定数はほぼ等しいものの、厳密には伝搬定数に伝搬定数の値に対して１０^−５〜１０^−７程度のごく微小な差がある。この微小な差によって厳密固有モードの重ね合わせの位相関係が変化するため、数１０cmから数ｍの周期で電磁界分布が変化し、もはやＬＰモードとは呼べない電磁界分布となる。この電磁界分布の変化により、モード多重光ファイバ伝送の出力端からはもはや直線偏光ではない、厳密固有モードが混合した信号が出力される。電磁界分布が直線偏光ではなくなる現象は数モードファイバが理想的に円形断面で光軸が直線状であっても生じる。

例えば、３モードファイバでは、ＬＰ_０１モードの直交偏光モードのほかにＬＰ_１１モードの縮退した４つのモードが伝送されると従来考えられてきた。しかしながら、ＬＰ_１１モードは、実際にはＨＥ_２１ ^ｅｖｅｎ，ＴＭ_０１，ＨＥ_２１ ^ｏｄｄ，及びＴＥ_０１の４つの厳密固有モードの線形結合で表される。例えば、ＬＰ_１１モードのｘ軸座標に対して偶対称性をもちｘ軸方向に直線偏光したＬＰ_１１−ｘ ^ｅｖｅｎモードは厳密固有モードであるＨＥ_２１ ^ｅｖｅｎモードとＴＭ_０１モードの線形結合である。ＨＥ_２１ ^ｅｖｅｎモードとＴＭ_０１モードには伝搬定数差があるため、入射端でＬＰ_１１−ｘ ^ｅｖｅｎモードを励振しても，数ｍ〜数十ｍの周期で電磁界分布が変化する（非特許文献４，非特許文献５）。

（ｄ） 電磁界分布が保持されず厳密固有モードが混合した信号は、ＬＰモードを分離するモード分波器の分波によって正確に分離することは困難である。

そのため、従来、数モードファイバを用いたモード多重光ファイバ伝送実験では、モード分波器の出射端のモード混合信号をＭＩＭＯ処理などのデジタル信号処理によって入射端でのＬＰモード成分を復元している。ＭＩＭＯ処理はモード数が多くなると処理に多大な負荷がかかるため、リアルタイム処理では実現できない。

また、本願の発明者は、モード間結合の解析においても問題点があることを見いだした。
（ｅ） ＬＰモード励振によるモード多重伝送では、単に強度分布が変化するだけでなく、電界の偏光状態が局所的に変化して、断面内の場所に依存した楕円偏光になる。そのため、ＬＰモードを用いると、接続時やモード間結合の解析結果においても誤った結果をもたらすことになる。

上記（ｃ）〜（ｅ）で示したように、ＬＰモード励振に起因するモード多重伝送の問題点を解消するには厳密固有モードを用いたモード多重伝送のための厳密固有モードの選択的励振が求められる。

そこで、本願発明は、前記した従来の問題点を解決し、数モードファイバの厳密固有モードを選択的に合波あるいは分波することを目的とする。

また、数モードファイバの厳密固有モードの選択的な合波あるいは分波を可能にする厳密固有モード合分波器、及び厳密固有モードを用いたモード多重伝送を構成することを目的とする。

本願発明は、一本の光ファイバコアに複数のモードを伝搬させ、各伝搬モードを伝送チャネルとして用いるモード多重伝送において、モード多重化に用いる基底モードに厳密固有モードを用いるものであり、厳密固有モードを合波及び分波を行う厳密固有モード合分波器、及び厳密固有モード合分波器を備えた厳密固有モード多重伝送システムである。

本願発明の厳密固有モード合分波器は、数モードファイバの高次モードの内、厳密な固有モードを入射端で励振して数モードファイバに伝送させ、出射端で厳密固有モードを分波する。厳密固有モードを用いることによって、数モードファイバを伝播途中での電磁界分布の変化、及び電磁界分布の変化によって生じる出射端でのＬＰモード成分の混合の発生を防ぐことができる。

本願発明の厳密固有モード合分波器は、ＬＰモードと厳密固有モードとの間の線形結合の関係に基づいて、厳密固有モードの選択的な励振と、受信した厳密固有モードからの伝送チャンネルの分離とを行うために、ＬＰモードを合分波するＬＰモード合分波器と、伝播光の偏波方向を回転させる偏波回転器と、ＬＰモード合分波器及び前記偏波回転器の前段に配置されてＬＰモード成分と厳密固有モード成分との間で線形結合の変換を行う同相逆相生成分離器とを備える。

ＬＰモード合分波器は、入射した信号光を複数のＬＰモード成分に分波する機能、及び複数のＬＰモード成分を合波して一つの出射光に複数のＬＰモードを励振する機能を備える構成要素である。ＬＰモードの分波は、入射光に含まれるＬＰモード間の伝搬定数差や、縮退したＬＰモードの場合には電磁界分布の差異によって行うことができ、ＬＰモードの合波も、ＬＰモード間の伝搬定数差や、縮退したＬＰモードの場合には電磁界分布の差異によって行うことができる。

偏波回転器は、ＬＰモードの電磁界方向を回転させる機能をもつ構成要素である。ＬＰモードは偏波回転器を通過することによって、ｘ偏光とｙ偏光との間において偏波方向を回転させる。例えば、ＬＰ_１１−ｘ ^even成分とＬＰ_１１−ｙ ^even成分との間で偏波回転を行う。

同相逆相生成分離器は、ＬＰモード合分波器に入出射させるＬＰモード成分と厳密固有モード成分との間で線形結合の関係に基ずく変換を行う構成要素である。ＬＰモードは厳密固有モードの線形結合で表されるため、複数のＬＰモード成分を線形結合の関係に基づいて一定の位相関係で合波することによって、合波するＬＰモード成分の組み合わせに応じた厳密固有モードを得ることができ、他方、厳密固有モードを分波することによって、分波する厳密固有モードに応じた複数のＬＰモード成分の単一モード導波路出力光を分離して得ることができる。

本願の厳密固有モード合分波器は、厳密固有モードを選択的に励振する場合には、ＬＰモード合分波器をＬＰモード合波器として用いる。厳密固有モード合波器は、入射した光に対応して同相逆相生成分離器によって２つの出射ポートへ同相あるいは逆相で入射光を分岐し、２つの出射ポートの一方の出射光を偏波回転器で偏波方向を回転させた後、２つの出射光をＬＰモード合波器で合波して厳密固有モードを励振し、数モード光ファイバに厳密固有モードを励振する。

他方、本願の厳密固有モード合分波器は、数モードファイバを伝送された複数の厳密固有モードから伝送チャンネルを分離する場合には、ＬＰモード合分波器をＬＰモード分波器として用いる。厳密固有モード合分波器は、ＬＰモード分波器によって，厳密固有モードが線形結合の関係によって構成するＬＰモードを分波して複数のＬＰモード成分に分離し、分離したＬＰモード成分の一方を偏波回転器で偏波方向を回転させた後に２つのＬＰモード成分を同相逆相生成分離器で分離して、厳密固有モードに対応する出力を得る。

［同相逆相生成分離器の形態］
本願の同相逆相生成分離器は複数の形態で構成することができる。同相逆相生成分離器の各形態は、入射光の同相成分と逆相成分とを生成または分離する双方向の２入力２出力の同相・逆相合分波回路である。

（同相逆相生成分離器の第１の形態）
同相逆相生成分離器の第１の形態は、伝搬定数が異なる２つの単一モード導波路の第１の組と、同じ伝搬定数を有する２つの単一モード導波路の第２の組が一交差点で交差する非対称Ｘ合流分岐回路で構成される。

非対称Ｘ合流分岐回路は、一方の進行方向において、第２の組の２つの単一モード導波路は、その２つの単一モード導波路に分離される光波の位相関係が同相又は逆相となる２つの出力光を、第１の組の２つの導波路の内で光が入射される導波路に応じて出力する。また、他方の進行方向において、第１の組の２つの単一モード導波路は、同相成分又は逆相成分の結合光を、第２の組の２つの単一モード導波路に同時に入射される２つの入力光の同相成分又は逆相成分の相成分に応じて一つの導波路から選択的に出力する。

（同相逆相生成分離器の第２の形態）
同相逆相生成分離器の第２の形態は、２入力１出力、又は１入力２出力のポートを有して、２入力の一方の単一モード導波路をテーパー構造によって２モード導波路にして、その２モード導波路の１次モードと他方の導波路の基本モードを結合させる非対称方向性結合器と、非対称方向性結合器の２モード導波路化されたポートの出射側に接続される等分岐合流回路とを備える光回路で構成される。

この光回路は、２ポート側から１ポート側に向かう進行方向において、入射したポートに応じて２モード導波路内に基本モードまたは１次モードを励振し、その出射光を等分岐合流回路で分岐して、２つの出力ポートに同相又は逆相で出射光を分岐する。また、光回路は、非対称方向性結合器の１ポート側から２ポート側に向かう進行方向において、等分岐合流回路で合流した２つの入力光の同相成分又は逆相成分を、相成分に応じて２モード導波路内に同相成分に対応する基本モードあるいは逆相成分に対応する１次モードを励振し、非対称方向性結合器によって２つの出力ポートから選択的に出射する。

（同相逆相生成分離器の第３の形態）
同相逆相生成分離器の第３の形態は、屈折率が異なる２つの誘電体の境界面上の同一点に対して、高屈折率側から入射する入射光路と低屈折率側から入射する入射光路、及び高屈折率側から出射する出射光路と低屈折率側から出射する出射光路とを備える光学素子を備える構成である。光学素子としてはプリズムを用いることができる。

この光学素子を用いた構成は、２つの入射光路の何れか一方の入射光路から入射した入射ビームを、入射した入射光路に応じて、２つの出射光路を伝播する２つの光波の位相関係が同相又は逆相となる２つの光波を２つの出射光路から出射する。また、この光学素子を用いた構成は、２つの入射光路の各入射光路から入射した２つの光波の同相成分又は逆相成分を合波し、入射した２つの光波の相成分に応じて、２つの出射光路の何れか一方の出射光路から選択的に出射する。

［同相逆相生成分離器のポート構成］
同相逆相生成分離器は、複数の入射光あるいは出射光を入出射するポート構成を複数の形態とすることができる。

（ポート構成の第１の形態）
ポート構成の第１の形態は、同相逆相生成分離器に、複数の入射光あるいは出射光を入出射するポートの構成要素として、偏波合分波器を接続する構成である。

偏波合分波器は、ｘ偏光とｙ偏光を選択的に同相逆相生成分離器に対して入射あるいは出射する。偏波合分波器は、偏波分波器（あるいは偏波分離器）の機能と偏波合波器の機能を備える。例えば、２入力２出力の偏波合分波器では、２入力ポートのある１ポートから光を入射させれば、その光がｘ偏光成分とｙ偏光成分（あるいはＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分）を含んでいれば、２つの出力ポートの一方にｘ偏光成分を、他方のポートにｙ偏光成分を分離して出力する偏波分波器（あるいは偏波分離器）の機能と、２入力ポートの一方からｘ偏光を入射させ、他方からｙ偏光を入射させれば、両方の偏光成分を１つの出力ポートに合波して出力する偏波合波器の機能を備える。

同相逆相生成分離器として、双方向の２入力２出力の同相・逆相合分波回路を用いる構成において、光を入射する入力ポートに偏波合分波器を接続することによって、入射光のｘ偏光又はｙ偏光を選択的に同相逆相生成分離器の入力ポートに入力することができ、また、光を出射する出力ポートに偏波合分波器を接続することによって、同相逆相生成分離器の出力ポートから出力される光のｘ偏光又はｙ偏光を選択的に出射することができる。この偏波合分波器を備える構成は、同相逆相生成分離器の第１の形態、及び第２の形態に適用することができる。

（ポート構成の第２の形態）
ポート構成の第２の形態は、同相・逆相合分波回路を２つ備え、各同相・逆相合分波回路に、複数の入射光あるいは出射光を入出射するポートの構成要素を設ける構成である。

ポート構成の第２の形態は、同相・逆相合分波回路を２つ備える構成において、２つの同相・逆相合分波回路の一ポートに接続され、ｘ偏光とｙ偏光との間で偏波を９０度変換する偏波回転器（偏波９０度変換器）と、２つの同相・逆相合分波回路において、一方の同相・逆相合分波回路のポートの内で偏波変換器と接続されないポートの出力光と、他方の同相・逆相合分波回路のポートに接続された偏波変換器の出力光を偏波合波する偏波合波器とを備え、偏波合波器とＬＰモード合分波器と接続する構成である。このポート構成の第２の形態を備える構成は、同相逆相生成分離器の第１の形態〜第３の形態に適用することができる。

（厳密固有モード多重伝送システム）
本願発明の厳密固有モード多重伝送システムは、本願発明の厳密固有モード合分波器と、数モードファイバとを備え、厳密固有モード合分波器は、数モードファイバの送信端及び受信端に接続される。

送信端の厳密固有モード合分波器はモード合波器として機能し、数モードファイバに厳密固有モードを励振させる。数モードファイバは、厳密固有モードでモード多重伝送を行う。受信端の厳密固有モード合分波器はモード分波器として機能し、数モードファイバから受信した厳密固有モードを分離し、光信号に変換して出力する。

本願発明の厳密固有モード多重伝送システムによれば、数モードファイバを厳密固有モードでモード多重伝送するため、伝搬途中での電磁界分布の変化は起きず、伝送路の数モードファイバが理想的に低クロストークであれば、出射端においても原理的にクロストークは発生しない。

本願発明の厳密固有モード多重伝送システムによれば、厳密固有モードを用いてモード多重伝送を行うことによって、従来のＬＰモードを用いたモード多重伝送のように出射端における原理的なクロストークを防ぐことができる。

また、厳密固有モードの群速度はそれぞれ異なるので、ＬＰモードを用いると厳密固有モードの合成によるモード分散が発生して補償が複雑になるが、本願発明の厳密固有モード多重伝送システムによれば、厳密固有モードに分離して伝送することで分散補償を容易に行うことができる。

以上説明したように、本願発明の厳密固有モード合分波器によれば、数モードファイバの厳密固有モードを選択的に合波あるいは分波することができる。

また、数モードファイバの厳密固有モードの選択的な合波あるいは分波を可能にする厳密固有モード合分波器、及び厳密固有モードを用いてモード多重伝送を構成することができる。

本願発明の厳密固有モード合分波器及び厳密固有モード多重伝送システムの概略を説明するための図である。 本願発明の同相逆相生成分離器の第１の実施形態を用いた厳密固有モード合分波器を説明するための図である。 本願発明の同相逆相生成分離器の第１の実施形態を説明するための図である。 本願発明の同相逆相生成分離器の第１の実施形態を用いた厳密固有モード合分波器の動作を説明するための図である。 本願発明の同相逆相生成分離器の第２の実施形態を用いた厳密固有モード合分波器を説明するための図である。 本願発明の同相逆相生成分離器の第２の実施形態を用いた厳密固有モード合分波器の動作を説明するための図である。 本願発明の同相逆相生成分離器の第３の実施形態を用いた厳密固有モード合分波器を説明するための図である。 本願発明の同相逆相生成分離器の第３の実施形態を説明するための図である。 本願発明の同相逆相生成分離器の第３の実施形態を用いた厳密固有モード合分波器の動作を説明するための図である。 本願発明の同相逆相生成分離器の第３の実施形態を用いた厳密固有モード合分波器の動作を説明するための図である。 本願発明の厳密固有モード合分波器のポート構成の第２の形態を説明するための図である。 ＬＰモード合分波器の構成例を説明するための図である。 ＬＰモード合分波器の構成例を説明するための図である。

以下、本願発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下では、図１を用いて本願発明の厳密固有モード合分波器及び厳密固有モード多重伝送システムの概略を説明し、本願発明の厳密固有モード合分波器の第１〜第３の実施形態について図２〜４、図５〜６、及び図７〜１０を用いて説明し、ポート構成の第２の形態を図１１を用いて説明し、厳密固有モード合分波器に用いるＬＰモード合分波器の構成例を図１２〜１３を用いて説明する。

厳密固有モード合分波器及び厳密固有モード多重伝送システムの概略構成について図１を用いて説明する。図１（ａ）は厳密固有モード合分波器の概略構成を示し、図１（ｂ），（ｃ）は厳密固有モード多重伝送システムの概略構成を示している。

（厳密固有モード合分波器の概略構成）
図１（ａ）において、厳密固有モード合分波器１は、入射ポートに対応して２つの出力ポートに同相あるいは逆相で２つの出力光を出力する同相逆相生成分離器２と、ＬＰモード成分の偏波方向を回転させる偏波回転器４と、入射ポートに応じて異なるＬＰモードを励振するＬＰモード合分波器３とを備える。

同相逆相生成分離器２は、２つの入射ポートの一方に入射した光を入射ポートに応じて２つの出射ポートにその位相関係が同相または逆相となるように２つの出射光を出力し、あるいは逆方向に光を入射させる場合には２つの入射光の同相成分又は逆相成分を２つのポートに選択的に結合する。

偏波回転器４は、伝播光の偏波方向を回転させる構成要素である。偏波回転器４は伝播光の偏波方向を回転させ、ｘ偏光とｙ偏光の偏光状態を転換する。例えば、偏波回転器４を通過することによって、ＬＰ_１１−ｘ ^even成分とＬＰ_１１−ｙ ^even成分との間で偏光状態が双方向で転換する。

ＬＰモード合分波器３は、ＬＰモード成分と厳密固有モード成分との間で線形結合の関係に基づく変換を行う構成要素である。ＬＰモードと厳密固有モードとは線形結合の関係にあるため、厳密固有モードは、複数のＬＰモードを一定の位相関係で合波することで得ることができる。このＬＰモードの合波において、合波するＬＰモードの組み合わせを変えることで、組み合わせに対応した厳密固有モードが得られる。このＬＰモードの合波において、組み合わせるＬＰモード成分の偏光状態は偏波回転器４で偏波方向を転換することによって合わせる。他方、厳密固有モードを分波することによって、まず厳密固有モードを構成する複数のＬＰモード成分に分波した後，同相逆相生成分離器によって厳密固有モードに対応する出力光に分離することができる。

（厳密固有モード多重伝送システムの概略構成）
図１（ｂ），（ｃ）は厳密固有モード多重伝送システムの概略構成を示している。厳密固有モード多重伝送システム１０は、数モードファイバ１１の両端に、送信側の厳密固有モード合分波器１ａと受信側の厳密固有モード合分波器１ｂを接続し、送信信号を受けた厳密固有モード合分波器１ａは厳密固有モードで数モードファイバ１１を励振し、数モードファイバは厳密固有モードでモード多重伝送を行い、厳密固有モードを受けた厳密固有モード合分波器１ｂは厳密固有モードを分離して、受信光信号に変換して出力する。送信端の厳密固有モード合分波器１ａはモード合波器として機能し、受信端の厳密固有モード合分波器１ｂはモード分波器として機能する。

厳密固有モード合分波器１は、厳密固有モードを選択的に励振する場合には、同相逆相生成分離器２を同相逆相生成器２ａとして用い、入射したポートに対応して２つの出射光の位相関係が同相または逆相となる２つの出力光を出力し，その２つの出力光の一方の偏波方向を偏波回転器４ａで回転させた後に、ＬＰモード合分波器３ａで合波して厳密固有モードを励振し、数モードファイバ１１に厳密固有モードを励振する。

他方、厳密固有モードから伝送チャンネルを分離する場合には、厳密固有モード合分波器１は同相逆相生成分離器２を同相逆相分離器２ｂとして用いる。厳密固有モード合分波器１ｂは、ＬＰモード合分波器３ｂによって厳密固有モードを分波して２つのＬＰモード成分に分離し、分離した２つのＬＰモード成分の一方を偏波回転器４ｂで偏波方向を回転させた後，２つのＬＰモード成分を同相逆相分離器２ｂで合波し、厳密固有モードに対応する出力を得る。

［厳密固有モード合分波器の形態］
本願の厳密固有モード合分波器は、同相逆相生成分離器の異なる構成によって複数の形態で構成することができる。同相逆相生成分離器は、２つのＬＰモード成分の同相成分と逆相成分とを合分波する双方向の２入力２出力の同相・逆相合分波回路で構成することができ、同相・逆相合分波回路の構成によって複数の形態とすることができる。

以下、同相逆相生成分離器の複数形態について、その構成例を説明する。なお、第１，第２の形態は導波路型の同相逆相生成分離器を示し、第３の形態は空間ビーム型の同相逆相生成分離器を示している。

（同相逆相生成分離器の第１の形態）
同相逆相生成分離器の第１の形態について図２〜４を用いて説明する。
第１の厳密固有モード合分波器１Ａは、同相逆相生成分離器２ＡとＬＰモード合分波器３Ａと偏波回転器（Pol.rotator）４Ａを備える。同相逆相生成分離器２Ａを構成する同相・逆相合分波回路は、伝搬定数が異なる２つの単一モード導波路２Ａａ及び２Ａｂを備える第１の導波路の組と、同じ伝搬定数を有する２つの単一モード導波路２Ａｃ及び２Ａｄを備える第２の導波路の組とが一交差点で交差する非対称Ｘ合流分岐回路で構成される。

導波路２Ａａには、偏波合波器５Ａoを介してＨＥ₂₁ ^oddのポート及びＴＭ₀₁のポートに対して入射光又は出射光が導出入され、導波路２Ａｂには、偏波合波器５Ａeを介してＨＥ₂₁ ^evenのポート及びＴＥ₀₁のポートに対して入射光又は出射光が導出入される。

図２では、第１の導波路の組において、導波路２Ａａの幅を導波路２Ａｂの幅よりも広くすることによって伝搬定数を異ならせる構成を示している。伝搬定数は、導波路の幅の他、導波路の厚さあるいは屈折率によって異ならせても良い。

図３は非対称Ｘ合流分岐回路による同相成分と逆相成分の生成及び分離を説明するための図である。図３では、伝搬定数の差異を導波路幅の差異によって構成する場合を示している。

図３（ａ），（ｂ）は、導波路幅が異なる第１の導波路の組の１つの導波路に入射した場合を示している。図３（ａ）に示す様に、導波路幅が広い導波路２Ａａから導入された入射光は、導波路２Ａｃ，２Ａｄに対して同相の２つの出力に分岐される。他方、図３（ｂ）に示す様に、導波路幅が狭い導波路２Ａｂから導入された入射光は、導波路２Ａｃ，２Ａｄに対して逆相の２つの出力に分岐される。

図３（ｃ），（ｄ）は、前記した例の進行方向を逆方向とした場合であって、導波路幅が同じ第２の導波路の組の２つの導波路に入射した場合を示している。図３（ｃ）に示す様に、導波路２Ａｃ及び導波路２Ａｄから同相の光を入射すると、導波路幅が広い導波路２Ａａに対して同相成分が結合した光が出射される。他方、図３（ｄ）に示す様に、導波路２Ａｃ及び導波路２Ａｄから逆相の光を入射すると、導波路幅が狭い導波路２Ａｂのみに対して逆相成分が結合した光が出射される。

上記した同相成分と逆相成分の生成及び分離によって、非対称Ｘ合流分岐回路は、一方の進行方向において、第２の組の２つの導波路２Ａｃ，２Ａｄは、位相関係が同相又は逆相の２つの出力光を、第１の組の２つの導波路２Ａａ，２Ａｂの内で光が入射される導波路に応じて相成分を選択的に出力する。

また、他方の進行方向において、第１の組の２つの導波路２Ａａ，２Ａｂは、第２の組の２つの導波路２Ａｃ，２Ａｄから入力される２つの入射光の位相関係に応じて、第２の組の導波路２Ａａ，２Ａｂに同相成分又は逆相成分の相成分に応じて一つの導波路から選択的に出力する。

ＬＰモードと厳密固有モードとの間には線形結合の関係があり、以下の式（１），（２）で表される。

式（１）は厳密固有モードからＬＰモードへの変換を示し、式（２）はＬＰモードから厳密固有モードへの変換を示している。

図４は、同相逆相生成分離器２Ａによって生成した２つの出力光の一方を、偏波回転器４Ａを通過させた後、２つの出力光をＬＰモード合分波器３Ａに入射させて厳密固有モードを選択的に励振し、厳密固有モードで数モードファイバを励振する例を示している。

（ＴＭ₀₁モード）
式（２）から厳密固有モードのＴＭ₀₁モードは、ＬＰモードのＬＰ_11-x ^even、及びＬＰ_11-ｙ ^oddによって以下の式（３）で表される。
ＴＭ₀₁＝[ＬＰ_11-x ^even＋ＬＰ_11-ｙ ^odd] /√2 ・・・（３）

図４（ａ）は、式（３）で表される線形結合の関係に基づいて行うＴＭ₀₁モードの合波状態を示している。

同相逆相生成分離器２Ａは、導波路幅が広い導波路２Ａａから導入したｘ偏光の入射光を２つに分岐させて位相関係が同相の２つの出力光を生成し、一方の出力光はＬＰ_11-x ^even成分として第２の導波路の組の導波路２Ａｃから出力される。他方の導波路２Ａｄの伝播光は偏波回転器４Ａによって偏波方向が回転されてＬＰ_11-ｙ ^odd成分となる。

ＬＰモード合分波器３Ａは、ＬＰ₁₁ ^evenモード用ポートに導波路２ＡｃからＬＰ_11-x ^even成分を導入し、ＬＰ₁₁ ^oddモード用ポートに導波路２Ａｄからの出力光が偏波回転器で偏波回転されたＬＰ_11-ｙ ^odd成分を同相で導入することによって、ＴＭ₀₁モードの厳密固有モードを励振する。

（ＨＥ₂₁ ^evenモード）
式（２）から厳密固有モードのＨＥ₂₁ ^evenモードは、ＬＰモードのＬＰ_11-x ^even、及びＬＰ_11-ｙ ^oddによって以下の式（４）で表される。
ＨＥ₂₁ ^even ＝−[ＬＰ_11-x ^even−ＬＰ_11-ｙ ^odd] /√2 ・・・（４）

図４（ｂ）は、式（４）で表される線形結合の関係に基づいて行うＨＥ₂₁ ^evenの合波状態を示している。

同相逆相生成分離器２Ａは、導波路幅が狭い導波路２Ａｂから導入したｘ偏光の入射光を２つに分岐させて位相関係が逆相の２つの出力光を生成し、ＬＰ_11-x ^even成分と−ＬＰ_11-x ^odd成分を第２の導波路の組の導波路２Ａｃ、２Ａｄから出力する。導波路２Ａｄの−ＬＰ_11-x ^odd成分は偏波回転器４Ａによって偏波方向が回転され−ＬＰ_11-y ^odd成分となる。

ＬＰモード合分波器３Ａは、ＬＰ₁₁ ^evenモード用ポートにＬＰ_11-x ^even成分を導入し、ＬＰ₁₁ ^oddモード用ポートに−ＬＰ_11-ｙ ^odd成分を逆相で導入することによって、ＨＥ₂₁ ^evenモードの厳密固有モードを励振する。

（ＴＥ₀₁モード）
式（２）から厳密固有モードのＴＥ₀₁モードは、ＬＰモードのＬＰ_11-ｙ ^even、及びＬＰ_11-ｘ ^oddによって以下の式（５）で表される。
ＴＥ₀₁ ＝ [ＬＰ_11-ｙ ^even−ＬＰ_11-x ^odd] /√2 ・・・（５）

図４（ｃ）は、式（５）で表される線形結合の関係に基づいて行うＴＥ₀₁の合波状態を示している。

同相逆相生成分離器２Ａは、導波路幅が狭い導波路２Ａｂから導入したｙ偏光の入射光を２つに分岐して位相関係が逆相の２つの出力光を生成し、ＬＰ_11-ｙ ^even成分と−ＬＰ_11-ｙ ^odd成分を第２の導波路の組の導波路２Ａｃ、２Ａｄから出力する。導波路２Ａｄの−ＬＰ_11-ｙ ^odd成分は偏波回転器４Ａによって偏波方向が回転され−ＬＰ_11-ｘ ^odd成分となる。

ＬＰモード合分波器３Ａは、ＬＰ₁₁ ^evenモード用ポートにＬＰ_11-ｙ ^even成分を導入し、ＬＰ₁₁ ^oddモード用ポートに−ＬＰ_11-x ^odd成分を逆相で導入することによって、ＴＥ₀₁モードの厳密固有モードを励振する。

（ＨＥ₂₁ ^oddモード）
式（２）から厳密固有モードのＨＥ₂₁ ^oddモードは、ＬＰモードのＬＰ_11-ｙ ^even、及びＬＰ_11-x ^oddによって以下の式（６）で表される。
ＨＥ₂₁ ^odd＝[ＬＰ_11-ｙ ^even＋ＬＰ_11-x ^odd] /√2 ・・・（６）

図４（ｄ）は、式（６）で表される線形結合の関係に基づいて行うＨＥ₂₁ ^oddモードの合波状態を示している。

同相逆相生成分離器２Ａは、導波路幅が広い導波路２Ａａから導入したｙ偏光の入射光を２つに分岐して位相関係が同相の２つの出力光を生成し、ＬＰ_11-ｙ ^even成分を第２の導波路の組の導波路２Ａｃから出力する。他方の導波路２ＡｄのＬＰ_11-ｙ ^odd成分は偏波回転器４Ａによって偏波方向が回転されＬＰ_11-x ^odd成分となる。

ＬＰモード合分波器３Ａは、ＬＰ₁₁ ^evenモード用ポートにＬＰ_11-y ^even成分を導入し、ＬＰ₁₁ ^oddモード用ポートにＬＰ_11-x ^odd成分を同相で導入することによって、ＨＥ₂₁ ^oddモードの厳密固有モードを励振する。

図２に示す偏波合波器（PBS）５Ａは、４つの厳密固有モードを合波するために、厳密固有モード合分波器１Ａの同相逆相生成分離器２Ａの２つの入力ポートに対して４つの入射光を導入する構成である。偏波合波器５Ａｏは、ＴＭ₀₁成分を合波する入射光を導入するＴＭ₀₁入力ポートと、ＨＥ₂₁ ^odd成分を合波する入射光を導入するＨＥ₂₁ ^odd入力ポートの２つのポートを、同相逆相生成分離器２Ａの一方の入力ポートと連結する。また、偏波合波器５Ａｅは、ＴＥ₀₁成分を合波する入射光を導入するＴＥ₀₁入力ポートと、ＨＥ₂₁ ^even成分を合波する入射光を導入するＨＥ₂₁ ^even入力ポートの２つのポートを、同相逆相生成分離器２Ａの他方の入力ポートと連結する。

（同相逆相生成分離器の第２の形態）
同相逆相生成分離器の第２の形態について図５、６を用いて説明する。
図５において、第１の厳密固有モード合分波器１Ｂは、同相逆相生成分離器２ＢとＬＰモード合分波器３Ｂと偏波回転器４Ｂを備える。

同相逆相生成分離器２Ｂの第２の形態は、２入力１出力、又は１入力２出力のポートを有する非対称方向性結合器２Ｂ_１と、非対称方向性結合器２Ｂ_１の２モード導波路である１ポート側に接続される等分岐合流回路２Ｂ_２とを備える光回路で構成される。非対称方向性結合器２Ｂ_１は、導波路の幅や厚さが異なる主導波路と副導波路の２本の導波路を平行する結合部分を有して配置し、結合部分において光が導波路間を移行する光回路である。

この光回路は、非対称方向性結合器２Ｂ_１の２ポート側から１ポート側に向かう進行方向において、入射したポートに応じて２モード導波路である主導波路に基本モードまたは１次モードを選択的に励振し、等分岐合流回路２Ｂ_２で分岐する。等分岐合流回路２Ｂ_２は２つの出力ポートに出射された出力光の間の位相関係を，主導波路に励起されたモードが基本モードの場合には同相で，１次モードの場合には逆相で出力する。また、光回路は、非対称性結合器の１ポート側から２ポート側に向かう進行方向において、等分岐合流回路２Ｂ_２で合流した２つの入力光の同相成分又は逆相成分を、相成分に応じて２ポートから選択的に出射する。

図５に示す偏波合波器（PBS）５Ｂは、４つの厳密固有モードを合波するために、同相逆相生成分離器２Ｂの非対称方向性結合器２Ｂ_１の２つの入力ポートに対して４つの入射光を導入する構成である。偏波合波器５Ｂoは、ＴＭ₀₁成分を合波する入射光を導入するＴＭ₀₁入力ポートと、ＨＥ₂₁ ^odd成分を合波する入射光を導入するＨＥ₂₁ ^odd入力ポートの２つのポートを、非対称方向性結合器２Ｂ_１の一方の入力ポートと連結する。また、偏波合波器５Ｂeは、ＴＥ₀₁成分を合波する入射光を導入するＴＥ₀₁入力ポートと、ＨＥ₂₁ ^even成分を合波する入射光を導入するＨＥ₂₁ ^even入力ポートの２つのポートを、非対称方向性結合器２Ｂ_１の他方の入力ポートと連結する。

図６は、非対称方向性結合器２Ｂ_１及び等分岐合流回路２Ｂ_２からなる同相逆相生成分離器２Ｂによって分岐した２つの出力光を、その一方の出力光を偏波回転器４Ｂを通過させた後，２つの出力光をＬＰモード合分波器３Ｂに入射させて厳密固有モードを選択的に励振し、厳密固有モードで数モードファイバを励振する例を示している。

（ＴＭ₀₁モード）
図６（ａ）は、式（３）で表される線形結合の関係に基づいて行うＴＭ₀₁モードの合波状態を示している。

非対称方向性結合器２Ｂ_１は主導波路からｘ偏光の入射光を導入して、主導波路のテーパー構造によって２モード導波路になった部分で基本モードを励振する。等分岐合流回路２Ｂ_２は入射光を２つに分岐して同相の２つの出力光を生成する。２つの出力光のうちの一方はＬＰ_11-x ^even成分となり，他方はＬＰ_11-x ^odd成分となる。ＬＰ_11-x ^odd成分は、偏波回転器４Ｂによって偏波方向が回転されＬＰ_11-ｙ ^odd成分となる。

ＬＰモード合分波器３Ｂは、ＬＰ₁₁ ^evenモード用ポートにＬＰ_11-x ^even成分を導入し、ＬＰ₁₁ ^oddモード用ポートにＬＰ_11-ｙ ^odd成分を同相で導入することによって、ＴＭ₀₁モードの厳密固有モードを励振する。

（ＨＥ₂₁ ^evenモード）
図６（ｂ）は、式（４）で表される線形結合の関係に基づいて行うＨＥ₂₁ ^evenモードの合波状態を示している。

非対称方向性結合器２Ｂ_１は副導波路からｘ偏光の入射光を導入して、主導波路のテーパー構造によって２モード導波路になった部分の１次モードに結合する。等分岐合流回路２Ｂ_２は入射光を２つに分岐して逆相の２つの出力光を生成する。２つの出力光のうちの一方はＬＰ_11-x ^even成分となり、他方は−ＬＰ_11-x ^even成分になる。−ＬＰ_11-x ^odd成分は、偏波回転器４Ｂによって偏波方向が回転され−ＬＰ_11-ｙ ^oddモードとなる。

ＬＰモード合分波器３Ｂは、ＬＰ₁₁ ^evenモード用ポートにＬＰ_11-x ^even成分を導入し、ＬＰ₁₁ ^oddモード用ポートに−ＬＰ_11-ｙ ^odd成分を逆相で導入することによって、ＨＥ₂₁ ^evenモードの厳密固有モードを励振する。

（ＴＥ₀₁モード）
図６（ｃ）は、式（５）で表される線形結合の関係に基づいて行うＴＥ₀₁モードの合波状態を示している。

非対称方向性結合器２Ｂ_１は副導波路からｙ偏光の入射光を導入して、主導波路のテーパー構造によって２モード導波路になった部分の１次モードに結合する。等分岐合流回路２Ｂ_２は入射光を２つに分岐して逆相のＬＰ_11-y ^even成分と−ＬＰ_11-y ^odd成分を生成する。一方の−ＬＰ_11-ｙ ^odd成分は偏波回転器４Ｂによって偏波方向が回転され−ＬＰ_11-ｘ ^odd成分となる。

ＬＰモード合分波器３Ａは、ＬＰ₁₁ ^evenモード用ポートにＬＰ_11-ｙ ^even成分を導入し、ＬＰ₁₁ ^oddモード用ポートに−ＬＰ_11-x ^odd成分を逆相で導入することによって、ＴＥ₀₁モードの厳密固有モードを合波する。

（ＨＥ₂₁ ^oddモード）
図６（ｄ）は、式（６）で表される線形結合の関係に基づいて行うＨＥ₂₁ ^oddモードの合波状態を示している。

非対称方向性結合器２Ｂ_１は主導波路からｙ偏光の入射光を導入して、主導波路のテーパー構造によって２モード導波路になった部分で基本モードを励振する。等分岐合流回路２Ｂ_２は入射光を２つに分岐して同相のＬＰ_11-y ^even成分とＬＰ_11-y ^odd成分を生成する。一方のＬＰ_11-ｙ ^odd成分は偏波回転器４Ｂによって偏波方向が回転されＬＰ_11-x ^odd成分となる。

ＬＰモード合分波器３Ａは、ＬＰ₁₁ ^evenモード用ポートにＬＰ_11-y ^even成分を導入し、ＬＰ₁₁ ^oddモード用ポートにＬＰ_11-x ^odd成分を同相で導入することによって、ＨＥ₂₁ ^oddモードの厳密固有モードを励振する。

（同相逆相生成分離器の第３の形態）
同相逆相生成分離器の第３の形態について図７〜１０を用いて説明する。
第３の厳密固有モード合分波器１Ｃは、同相逆相生成分離器（光学素子２Ｃ_１、２Ｃ_２）とＬＰモード合分波器３Ｃと偏波回転器４Ｃを備える。この形態は、ビーム光を合分波するための構成例である。

図７において、同相逆相生成分離器２Ｃの第３の形態は、屈折率の異なる２つの誘電体の境界面上の同一点に対して、高屈折率側から入射する入射光路と低屈折率側から入射する入射光路、及び高屈折率側から出射する出射光路と低屈折率側から出射する出射光路とを備える２つの光学素子２Ｃ_１，２Ｃ_２を備える構成である。光学素子２Ｃ_１，２Ｃ_２としてはプリズムを用いることができる。

光学素子２Ｃ_１，２Ｃ_２を用いた構成は、２つの入射光路の何れか一方の入射光路から入射した入射ビームを、入射した入射光路に応じて、２つの出射光路に出射される出力光の位相関係が同相又は逆相になるようにして２つの出射光路から出射する。また、光学素子２Ｃ_１，２Ｃ_２の構成は、２つの入射光路の各入射光路から同時に入射した２つの入力光の同相成分又は逆相成分を、入射した２つの入力光の相成分に応じて、２つの出射光路の何れか一方の出射光路から選択的に出射する。

図７において、光学素子２Ｃ_１に対して、ＴＭ₀₁モードの入力ポートからの入射ビームを、ミラーを介して光学素子２Ｃ_１の高屈折率側に入射し、ＨＥ₂₁ ^evenモードの入力ポートからの入射ビームを、ミラーを介して光学素子２Ｃ_１の低屈折率側に入射する。光学素子２Ｃ_１の高屈折率側からの出射ビームを、可変位相制御器及びミラーを介して偏波合波器５Ｃ_２に入射し、光学素子２Ｃ_１の低屈折率側からの出射ビームを、ミラー及び偏波回転器（偏波９０度変換器）４Ｃ_１を介して偏波合波器５Ｃ_１に入射する。偏波回転器４Ｃ_１，４Ｃ_２は偏波を９０度変換する素子であり、λ／２板で構成することができる。

他方、光学素子２Ｃ_２に対して、ＨＥ₂₁ ^oddモードの入力ポートからの入射ビームを、ミラーを介して光学素子２Ｃ_２の高屈折率側に入射し、ＴＥ₀₁の入力ポートからの入射ビームを、ミラーを介して光学素子２Ｃ_２の低屈折率側に入射する。光学素子２Ｃ_２の高屈折率側からの出射ビームを、偏波回転器（偏波９０度変換器）４Ｃ_２を介して偏波合波器５Ｃ_２に入射し、光学素子２Ｃ_２の低屈折率側からの出射ビームを、ミラー及び位相器を介して偏波合波器５Ｃ_１に入射する。

偏波合波器５Ｃ_１は、光学素子２Ｃ_１及び光学素子２Ｃ_２の低屈折率側からの出射光を入射し、ＬＰモード合分波器３ＣのＬＰ₁₁ ^oddモード用ポートに出射する。他方、偏波合波器５Ｃ_２は、光学素子２Ｃ_１及び光学素子２Ｃ_２の高屈折率側からの出射光を入射し、ＬＰモード合分波器３ＣのＬＰ₁₁ ^evenモード用ポートに出射する。

光学素子による合分波について、同相成分および逆相成分の生成の例について図８を用いて説明する。図８（ａ）は入射光を同相で２つの出力に分岐する状態を示し、図８（ｂ）は入射光を逆相で２つの出力に分岐する状態を示している。

（同相出力の分岐）
図８（ａ）において、第１の入力ポート（Input port#1）からミラー２Ｃ_bを介して、光学素子２Ｃ_ａの境界面２Ｃ_ｃに対して高屈折率側から低屈折率側に向かって入射ビームを入射する。入射ビームは光学素子２Ｃ_ａの境界面２Ｃ_ｃにおいて反射ビームと透過ビームに分かれる。境界面２Ｃ_ｃへの入射において、高屈折率側から入射した場合には反射ビームと透過ビームは同相となる。反射ビームはミラー２Ｃ_ｄを介して可変位相制御器２Ｃ_eに入射され、位相調整の後に第１の出力ポート（Output port#1）から第１の出射ビームとして出射される。

一方、透過ビームはミラー２Ｃ_ｈ，２Ｃ_ｉを介して固定位相器２Ｃ_ｊに入射され、固定されえた位相変化の後に第２の出力ポート（Output port#2）から第２の出射ビームとして出射される。第１の出射ビームと第２の出射ビームの位相の調整は可変位相器２Ｃ_eによって行うことができる。これによって、第１の出射ビームと第２の出射ビームは、光学素子２Ｃ_ａの境界面２Ｃ_ｃにおいて入射ビームを高屈折率側から低屈折率側に入射することで同相成分に分岐される。

（逆相出力の分岐）
図８（ｂ）において、第２の入力ポート（Input port#2）からミラー２Ｃ_ｆ，２Ｃ_ｇを介して、光学素子２Ｃ_ａの境界面２Ｃ_ｃに対して低屈折率側から高屈折率側に向かって入射ビームを入射する。入射ビームは光学素子２Ｃ_ａの境界面２Ｃ_ｃにおいて反射ビームと透過ビームに分かれる。境界面２Ｃ_ｃへの入射において、低屈折率側から入射した場合には反射ビームと透過ビームは逆相となる。透過ビームはミラー２Ｃ_ｄを介して可変位相制御器２Ｃ_eに入射され、位相調整の後に第１の出力ポート（Output port#1）から第１の出射ビームとして出射される。一方、反射ビームはミラー２Ｃ_ｈ，２Ｃ_ｉを介して固定位相器２Ｃ_ｊに入射され、固定された位相変化の後に第２の出力ポート（Output port#2）から第２の出射ビームとして出射される。

第１の出射ビームと第２の出射ビームの位相の調整は可変位相制御器２Ｃ_eによって行うことができる。これによって、第１の出射ビームと第２の出射ビームは、光学素子２Ｃ_ａの境界面２Ｃ_ｃにおいて入射ビームを低屈折率側から高屈折率側に入射することで逆相の２つの出力に分岐される。

光学素子２Ｃ_ａをプリズムで構成する場合には、電力反射率及び電力透過率を５０％に設計する場合には、プリズムの屈折率がｎ_１＝2.00である場合には、ＴＥ偏光の場合には高屈折率側の入射ビームの入射角θ_１を61.53度とし、低屈折率側の入射ビームの入射角θ_２を17.56度となるように、プリズムの頂角θ_ｐをθ_ｐ＝２θ_１＝123.06度に設定する。

図９は、光学素子における反射及び透過による同相・逆相の分岐を用いた同相逆相生成分離器２Ｃによって分岐した２つの出射光を、偏波回転器４Ｃ及びＬＰモード合分波器３Ｃに入射させて厳密固有モードを選択的に励振し、厳密固有モードで数モードファイバを励振する例を示している。

（ＴＭ₀₁モード）
図９（ａ）は、式（３）で表される線形結合の関係に基づいて行うＴＭ₀₁モードの合波状態を示している。

光学素子２Ｃ_１はＴＭ₀₁モードの入力ポートからｘ偏光の入射ビームを導入し、入射ビームを同相のＬＰ_11-x ^even成分とＬＰ_11-x ^odd成分に分岐する。一方のＬＰ_11-x ^odd成分は、偏波回転器４Ｃ_１によって偏波方向が９０度回転されＬＰ_11-ｙ ^odd成分となる。

ＬＰモード合分波器３Ｃは、偏波回転器４Ｃ_１で偏波方向を９０度回転されたＬＰ_11-ｙ ^odd成分を偏波合波器５Ｃ_１を介してＬＰ₁₁ ^oddモード用ポートに導入し、ＬＰ_11-x ^even成分を偏波合波器５Ｃ_２を介してＬＰ₁₁ ^evenモード用ポートに同相で導入することによって、ＴＭ₀₁モードの厳密固有モードを励振する。

（ＨＥ₂₁ ^evenモード）
図９（ｂ）は、式（４）で表される線形結合の関係に基づいて行うＨＥ₂₁ ^evenモードの合波状態を示している。

光学素子２Ｃ_１はＨＥ₂₁ ^evenモードの入力ポートからｘ偏光の入射ビームを導入し、入射ビームを逆相のＬＰ_11-x ^even成分と−ＬＰ_11-x ^odd成分に分岐する。一方の−ＬＰ_11-x ^odd成分は、偏波回転器４Ｃ_１によって偏波方向が９０度回転され−ＬＰ_11-ｙ ^odd成分となる。

ＬＰモード合分波器３Ｃは、偏波回転器４Ｃ_１で偏波方向を９０度回転された−ＬＰ_11-ｙ ^odd成分を偏波合波器５Ｃ_１を介してＬＰ₁₁ ^oddモード用ポートに導入し、ＬＰ_11-x ^even成分を偏波合波器５Ｃ_２を介してＬＰ₁₁ ^evenモード用ポートに同相で導入することによって、ＨＥ₂₁ ^evenモードの厳密固有モードを励振する。

（ＴＥ₀₁モード）
図１０（ａ）は、式（５）で表される線形結合の関係に基づいて行うＴＥ₀₁モードの合波状態を示している。

光学素子２Ｃ_２はＴＥ₀₁モード入力ポートからｘ偏光の入射ビームを導入し、入射ビームを逆相のＬＰ_11-x ^even成分と−ＬＰ_11-x ^odd成分に分岐する。一方のＬＰ_11-x ^even成分は、偏波回転器４Ｃ_２によって偏波方向が９０度回転されＬＰ_11-ｙ ^even成分となる。

ＬＰモード合分波器３Ｃは、偏波回転器４Ｃ_２で偏波方向を９０度回転されたＬＰ_11-ｙ ^even成分を偏波合波器５Ｃ_２を介してＬＰ₁₁ ^evenモード用ポートに導入し、−ＬＰ_11-x ^odd成分を偏波合波器５Ｃ_１を介してＬＰ₁₁ ^oddモード用ポートに逆相で導入することによって、ＴＥ₀₁モードの厳密固有モードを励振する。

（ＨＥ₂₁ ^oddモード）
図１０（ｂ）は、式（６）で表される線形結合の関係に基づいて行うＨＥ₂₁ ^oddモードの合波状態を示している。

光学素子２Ｃ_２はＨＥ₂₁ ^odd入力ポートからｘ偏光の入射ビームを導入し、入射ビームを同相のＬＰ_11-x ^even成分とＬＰ_11-x ^odd成分に分岐する。一方のＬＰ_11-x ^even成分は、偏波回転器４Ｃ_２によって偏波方向が９０度回転されＬＰ_11-ｙ ^even成分となる。

ＬＰモード合分波器３Ｃは、偏波回転器４Ｃ_２で偏波方向を９０度回転されたＬＰ_11-ｙ ^even成分を偏波合波器５Ｃ_２を介してＬＰ₁₁ ^evenモード用ポートに導入し、ＬＰ_11-x ^odd成分を偏波合波器５Ｃ_１を介してＬＰ₁₁ ^oddモード用ポートに同相で導入することによって、ＨＥ₂₁ ^oddモードの厳密固有モードを励振する。

（同相逆相生成分離器のポート構成）
２入力２出力の同相逆相生成分離器を備える厳密固有モード合分波器において、ＴＭ₀₁モード、ＨＥ₂₁ ^evenモード、ＨＥ₂₁ ^oddモード、及びＴＥ₀₁モードの４モードを合分波するポート構成として、前記した同相逆相生成分離器の第１，２の形態は、同相逆相生成分離器に複数の入射光あるいは出射光を入出射するポートの構成要素として偏波合波器を接続する第１のポート構成を備え、前記した同相逆相生成分離器の第３の形態は、複数の入射光あるいは出射光を入出射するポート構成として同相・逆相合分波回路を２つ備える第２のポート構成を備えている。

第１のポート構成では、偏波合分波器はｘ偏光とｙ偏光を選択的に同相逆相生成分離器に対して入射あるいは出射する。同相逆相生成分離器として、双方向の２入力２出力の同相・逆相合分波回路を用いる構成において、光を入射する入力ポートに偏波合波器を接続することによって、入射光のｘ偏光又はｙ偏光を選択的に同相逆相生成分離器の入力ポートに入力し、また、光を出射する出力ポートに偏波合分波器を接続することによって、同相逆相生成分離器の出力ポートから出力される光のｘ偏光又はｙ偏光を選択的に出射する。

同相逆相生成分離器の第３の形態は、プリズムの設計において、ＴＥ偏光（ｓ偏光あるいはｘ偏光）に対する入射角やプリズムの頂角の角度と、ＴＭ偏光（ｐ偏光あるいはｙ偏光）に対する入射角やプリズムの頂角の角度とが異なるため、第１のポート構成のように同相逆相生成分離器の前段に偏波合波器を付加する構成を適用することはできない。

第２のポート構成は、同相逆相生成分離器の第３の形態に適用する構成であり、同相・逆相合分波回路を２つ備えるポート構成である。図１１を用いて第２のポート構成について説明する。

厳密固有モード合分波器１Ｄは、２つの同相・逆相合分波回路２Ｄ_１，２Ｄ_２の一ポートに対して、ｘ偏光とｙ偏光との間で偏波を９０度変換する偏波９０度変換器として偏波回転器４Ｄ_１，４Ｄ_２を接続し、２つの同相・逆相合分波回路２Ｄ_１，２Ｄ_２において、一方の同相・逆相合分波回路のポートの内で偏波回転器と接続されないポートの入出力光と、他方の同相・逆相合分波回路のポートに接続された偏波回転器の入出力光を偏波合分波する偏波合波器５Ｄ_１，５Ｄ_２を備え、偏波合波器５Ｄ_１，５Ｄ_２とＬＰモード合分波器３Ｄと接続する。なお、図１１は偏波合波の構成について示しているが、偏波分波の構成にも適用することができる。

第２のポート構成は、同相逆相生成分離器の第３の形態に限らず、同相逆相生成分離器の第１，第２の形態に適用することができる。

（ＬＰモード合分波器の構成例）
次に、図１２、１３を用いてＬＰモード合分波器の構成例について説明する。
導波路型のＬＰ₁₁モード合分波器として、図１２に示される構成が知られている（非特許文献９）。ＬＰモード合分波器３は、非対称方向性結合器３_１，３_３とモード回転器３_２とから構成される。

図１２の非対称方向性結合器３_１，３_３においてはポート１およびポート３から入射される基本モードの伝播光はＬＰ₁₁ ^evenモード（導波路内の対応するモードではＴＥ_１０モード）のみに結合し、モード回転器３_２はＬＰ₁₁ ^evenモード（導波路内の対応するモードではＴＥ_１０モード）を偏光方向と共にＬＰ₁₁ ^oddモード（導波路内の対応するモードではＴＥ_０１モード）に変換する。

Port2に入射した基本モードはそのまま伝搬して出射端で数モードファイバの基本モードであるＬＰ_０１モードに結合し、Port3に入射した基本モードは非対称方向性結合器３_１でＬＰ₁₁ ^evenモード（導波路内の対応するモードではＴＥ_１０モード）に結合する。このＬＰ₁₁ ^evenモードはモード回転器３_２によってＬＰ₁₁ ^oddモード（導波路内の対応するモードではＴＥ_０１モード）に変換されるが、基本モードは変化を受けない。さらにPort1から基本モードを入射することでＬＰ₁₁ ^evenモードが合波され、結果としてＬＰ_０１モード、ＬＰ₁₁ ^evenモード、ＬＰ₁₁ ^oddモードの３つのモードを合波する。したがって、Port2がＬＰ_０１成分を入射させるＬＰ_０１モード用ポート，Port3がＬＰ₁₁ ^odd成分を入射させるＬＰ₁₁ ^oddモード用ポート，Port1がＬＰ₁₁ ^even成分を入射させるＬＰ₁₁ ^evenモード用ポートとして動作する。

空間ビーム型のＬＰ₁₁モード合分波器として、図１３に示される構成が知られている（非特許文献１０）。

図１３は、伝送路を挟んでＬＰモード合波器３_４とＬＰモード分波器３_５を設けた構成を示し、ビームスプリッタと位相板で構成される。位相板は厚みを部分的に変化させることで位相を０又はπとする。ＬＰモード合波器３_４はＬＰモードを合波するモードマルチプレクサであり、ＬＰモード分波器３_５はＬＰモードを分波するデモードマルチプレクサである。

なお、前記各実施形態はＬＰ_１1モードを形成する厳密固有モードの組としてＨＥ_２1 ^evenモードとＴＭ_０1モード、およびＨＥ_２1 ^oddモードとＴＥ_０1モードの組み合わせを例にあげたが、一般にＬＰ_ｌｍモードは厳密固有モードであるＨＥ_{ｌ＋１，ｍ}モードとＥＨ_{ｌ−１，ｍ}モードの線形結合で表されるので、本願発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本願発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本願発明の範囲から排除するものではない。

本願発明の厳密固有モード合分波器及び厳密固有モード多重伝送システムは、数モードファイバを用いた長距離大容量光ファイバ伝送、データセンター内の短距離データ伝送等に適用することができる。

１，１Ａ〜１Ｄ，１ａ，１ｂ 厳密固有モード合分波器
２ 同相逆相生成分離器
２Ａ 同相逆相生成分離器
２Ａａ〜２Ａｄ 導波路
２Ｂ 同相逆相生成分離器
２Ｂ_１ 非対称方向性結合器
２Ｂ_２ 等分岐合流回路
２Ｃ 同相逆相生成分離器
２Ｃ_ａ 光学素子
２Ｃ_b ミラー
２Ｃ_ｃ 境界面
２Ｃ_e 可変位相制御器
２Ｃ_１，２Ｃ_２ 光学素子
２Ｃ_ｄ，２Ｃ_ｆ，２Ｃ_ｇ，２Ｃ_ｈ，２Ｃ_ｉ ミラー
２Ｃ_ｊ 固定位相器
２Ｄ_１，２Ｄ_２ 同相・逆相合分波回路
２ａ，２ｂ 同相逆相生成分離器
３，３Ａ〜３Ｄ ＬＰモード合分波器
３ａ，３ｂ ＬＰモード合分波器
３_１，３_３ 非対称方向性結合器
３_２ モード回転器
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｃ_１，４Ｃ_２ 偏波回転器
４Ｄ_１，４Ｄ_２ 偏波回転器
４ａ，４ｂ 偏波回転器
５Ａo，５Ａe 偏波合波器
５Ｂo，５Ｂe 偏波合波器
５Ｃ_１，５Ｃ_２ 偏波合波器
５Ｄ_１，５Ｄ_２ 偏波合波器
１０ 厳密固有モード多重伝送システム
１１ 数モードファイバ
θ_１ 入射角
θ_２ 入射角
θ_ｐ 頂角

Claims (7)

1. 数モードファイバのＬＰモードを合分波するＬＰモード合分波器と、
   前記ＬＰモード合分波器の入出力端におけるＬＰモード成分の偏波方向を回転させる偏波回転器と、
   前記ＬＰモード合分波器及び前記偏波回転器のモードラベルの異なるＬＰモード成分と厳密固有成分との間で線形結合の変換を行う同相逆相生成分離器とを備えることを特徴とする、厳密固有モード合分波器。
2. 前記同相逆相生成分離器は、２つの出力ポートに同相成分と逆相成分とを合分波する双方向の２入力２出力の同相・逆相合分波回路であり、
   前記同相・逆相合分波回路は、
   伝搬定数が異なる２つの単一モード導波路の第１の組と、同じ伝搬定数を有する２つの単一モード導波路の第２の組が一交差点で交差する非対称Ｘ合流分岐回路であり、
   一方の進行方向において、前記第２の組の２つの導波路は、２つの出力光の位相関係が同相又は逆相の分岐光を、前記第１の組の２つの導波路の内で光が入射される導波路に応じた相成分で選択的に出力し、
   他方の進行方向において、前記第１の組の２つの導波路は、２つの入力ポートに同時に入射された２つの入力光の同相成分又は逆相成分の結合光を、前記第２の組の導波路の２つの入力光の同相成分又は逆相成分の相成分に応じて一つの導波路から選択的に出力することを特徴とする、請求項１に記載の厳密固有モード合分波器。
3. 前記同相逆相生成分離器は、２つの出力ポートに同相成分と逆相成分とを合分波する２入力２出力の双方向の同相・逆相合分波回路であり、
   前記同相・逆相合分波回路は、
   ２入力１出力、又は１入力２出力のポートを有する非対称方向性結合器と、前記非対称方向性結合器のテーパー構造によって２モード導波路化された１ポート側に接続される等分岐合流回路とを備える光回路であり、
   非対称方向性結合器の２ポート側から１ポート側に向かう進行方向において、入射したポートに応じて２モード導波路内の基本モード又は１次モードに選択的に結合し、前記等分岐合流回路で分岐した後に基本モードに結合した成分は同相で２つの出力ポートに出射され、１次モードに結合した成分は逆相で２つの出力ポートに出射され、
   非対称方向性結合器の１ポート側から２ポート側に向かう進行方向において、前記等分岐合流回路で合流した２つの入力光の同相成分又は逆相成分を、相成分に応じて２ポートから選択的に出射することを特徴とする、請求項１に記載の厳密固有モード合分波器。
4. 前記同相逆相生成分離器は、２つの出力ポートに同相成分と逆相成分とを合分波する２入力２出力の双方向の同相・逆相合分波回路であり、
   前記同相・逆相合分波回路は、
   異なる屈折率をもつ誘電体の境界面上の同一点に対して、高屈折率側から入射する入射光路と低屈折率側から入射する入射光路、及び高屈折率側から出射する出射光路と低屈折率側から出射する出射光路とを備える光学素子を備え、
   前記２つの入射光路の何れか一方の入射光路から入射した入射ビームを、入射した入射光路に応じて、２つの出射光の位相関係を同相又は逆相にして分岐して前記２つの出射光路から出射し、
   前記２つの入射光路の各入射光路から同時に入射した２つの入射光の同相成分又は逆相成分を合波し、入射した２つの入射光の相成分に応じて、前記２つの出射光路の何れか一方の出射光路から選択的に出射することを特徴とする、請求項１に記載の厳密固有モード合分波器。
5. 前記同相逆相生成分離器に接続される偏波合分波器を備え、
   前記偏波合分波器は、ｘ偏光とｙ偏光を選択的に前記同相逆相生成分離器に対して入射あるいは出射することを特徴とする、請求項２又は３に記載の厳密固有モード合分波器。
6. 前記同相・逆相合分波回路を２つ備え、
   ２つの同相・逆相合分波回路の一ポートに接続され、ｘ偏光とｙ偏光との間で偏波を９０度変換する偏波回転器（偏波９０度変換器）とを備え、
   ２つの同相・逆相合分波回路において、一方の同相・逆相合分波回路のポートの内で偏波回転器と接続されないポートの入出力光と、他方の同相・逆相合分波回路のポートに接続された偏波回転器の入出力光を偏波合分波する偏波合分波器とを備え、
   前記偏波合分波器と前記ＬＰモード合分波器と接続することを特徴とする、請求項２から４の何れか一つに記載の厳密固有モード合分波器。
7. 前記請求項１から６の何れか一つに記載の厳密固有モード合分波器と、数モードファイバとを備え、
   前記厳密固有モード合分波器は、前記数モードファイバの送信端及び受信端に接続され、
   前記送信端の厳密固有モード合分波器は、前記数モードファイバに厳密固有モードを励振させ、
   前記数モードファイバは、厳密固有モードでモード多重伝送を行い、
   前記受信端の厳密固有モード合分波器は、前記数モードファイバから受信した厳密固有モードを光信号に変換して出力することを特徴とする、厳密固有モード多重伝送システム。