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空間分割多重システムのためのモードMUX/DEMUX構造の设计
概要
光ファイバ伝送における空間分割多重(SDM)は、波長分割多重の容量制限を克服するために有用です。SDMは、数モードファイバ(FMF)やマルチコアファイバにおいて、信号を直交LPモードで多重化することにより、ファイバあたりのスペクトル効率を向上させます。SDM システムでは、モードマルチプレクサ／デマルチプレクサ(MUX/DEMUX)のモード依存損失を等しくし，DMD(Differential Mode Delay)を補償し，トランシーバを構成するために使用されるため重要なコンポーネントです。近年、様々なタイプのモードMUX/DEMUXが提案されています。RSoft BeamPROPはモードMUX/DEMUXのモデリングと设计に最適なツールです。
この事例では、贵惭贵のために提案された2つのモード惭鲍齿/顿贰惭鲍齿构造のシミュレーションを绍介します。1つ目の构造は、参考文献摆1闭に基づいた、シリコンチップ上に3顿シリコンリッチシリカ导波路を用いたコンパクトなモード多重化器です。これは、约0.6尘尘镑2のチップ面积で3つのモードを多重化することができます。2つ目の构造は、参考文献摆2闭に基づいた、尝笔01モードと尝笔11モードの実効屈折率を一致させることでモード変换机能を実现する笔尝颁ベースの非対称平行导波路です。
オンチップ集积化シリカ惭鲍齿/顿贰惭鲍齿
図1は、オンチップ?モード?マルチプレクサの回路図です。贵惭贵からの入力は、対称的なスーパーモードのセットを励起します。対称モードは、断热テーパー导波路を経由して歪んだスーパーモードに移行します。歪んだスーパーモードは分离されたポートに结合され、さらに个々の厂惭贵に结合されます。
この構造をRSoft CADで設定したのが図2です。挿入損失を評価するためにPathwayモニターを使用します。空間モニターは、異なる場所での電界を記録するために使用されます。図3は、導波路に3つのLP モードが入射したときの伝搬挙動と、その伝搬方向に沿った挿入損失を示しています。図4は、出力ポートの電界パターンとその挿入損失とクロストークを示したものです。なお、この構造設定は参考文献[1]と完全に同一ではありません。
図1. オンチップ?モードマルチプレクサの回路図
図2. RSoft CADでのレイアウトと、入力／出力端面の屈折率プロファイル
図3. 構造体に沿った伝搬フィールドと挿入損失
図4. 異なる入力モードに対応する各出力ポートのフィールドパターンと出力パワー
非対称モードカプラ(AMC：Asymmetric Mode Coupler)
図5に示すように、幅の異なる2つの導波路のLP01モードとLP11モードの実効屈折率を合わせることで、PLCによる非対称モードMUX/DEMUXを実現することができます。ポート2 からのLP01 モードは導波路1 でLP11 モードに変換されてポート3に出力され、ポート1からのLP01モードはポート3に直接出力されます。このように、ポート3 ではLP01 モードとLP11モードが多重化されています。また、AMCはカプラが対称的な性質を持つため、モードDEMUXとして使用することも可能です。
図5. ここで提案している非対称PLCモード結合器の回路図
図6は、RSoft MOST Scanで計算した、基本モードと1次モードのNeffを導波路幅に対して示したものです。1次モードのNeffは、異なる導波路幅で基本モードと一致しています。もし、この2つの幅でカプラを構成すれば、狭い方の導波路の基本モードは、位相整合条件によって、広い方の導波路の1次モードに結合されることになります。
図6. 基本モードと1次モードに対するNeffと導波路幅の関係
図7. (a)RSoft CADによるAMC構造の設定 (b)結合長に対する結合パワー
図7は、RSoft CADで設定したAMC構造と、BeamPROPシミュレーションで計算した、1つのモードから別のモードへの最適なカップリング長を示したものです。図8は、この最適結合長において、異なる入射条件でのビームの伝搬の様子を示しています。ポート2に入射する狭い導波路のLP01モード、ポート1に入射する広い導波路のLP02モード、ポート1、2にそれぞれ入射する2つのモードのパワーが等しい場合です。
図8. 入力条件を変化させたBPMシミュレーション
帯域幅、偏光依存性、クロストーク(不要モードのパワー)は、図9に示すように、波長に対してスキャンすることで得ることができます。このデバイスは、0.005dBの偏光依存性と-28dBのクロストーク、490 nmの広帯域に達します。
図9．帯域幅、偏光依存性、クロストークのデバイス性能シミュレーション结果
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参考文献:
1. Hiraki, T., Tsuchizawa, T., Nishi, H., Yamamoto, T., & Yamada, K. “Monolithically integrated mode multiplexer/de-multiplexer on three-dimensional SiOx-waveguide platform”, Optical Fiber Communication Conference (pp. W1A-2). Optical Society of America. (2015, March).
2. Hanzawa, N., Saitoh, K., Sakamoto, T., Matsui, T., Tsujikawa, K., Koshiba, M., & Yamamoto, F. “Two-mode PLC-based mode multi/demultiplexer for mode and wavelength division multiplexed transmission” ,Optics Express, 21(22), 25752-25760 (2013).