CN103676214B - 光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光调制器，能够对光纤的波长分散进行补偿，且在超过几十Gbps的高速传送中也能够适用。该光调制器具有：由具有电光学效果的材料构成的基板(1)；形成在该基板上的光波导(2)；用于调制在该光波导中传播的光波的调制电极(3)，所述光调制器的特征在于，利用光纤对从该光波导出射的出射光(L2)进行引导，以具有与该光纤的波长分散特性相反的特性的波形畸变的方式，沿着该光波导以规定的图案使该基板形成极化反转(10)，从而对该光纤的波长分散特性进行补偿，而且，在该调制电极的附近配置由电介质材料或金属材料构成的调整构件(未图示)，从而将所述波长分散特性的补偿调整成规定的等级。

Description

光调制器
技术领域
本发明涉及光调制器，尤其是涉及对光纤的波长分散进行补偿的光调制器。
背景技术
在光通信领域或光计测领域中，利用光纤对由光调制器调制后的光波进行传送的情况正在进行。在光纤中，光的传播速度、传播路径的长度因波长而不同，因此发生波长分散，光信号的波形发生畸变。因此，在超过40Gbps的高速通信或多重波长的高速传送系统等中，对光纤的波长分散进行补偿的技术不可或缺。
作为分散补偿方法，有在光信号的接收器的正前方配置分散补偿光纤、或专利文献1那样的使用光纤布拉格光栅(FBG)或光谱干涉仪等光器件的方法；以及专利文献2或非专利文献1那样的利用数字信号处理电路的方法等。在数字信号处理电路中，对应于波长分散的实部或虚部的变化，生成利用数字信号处理器进行补偿的脉冲响应。
在分散补偿光纤中，由其补偿量的最小单位而限制补偿精度，而且，在波长分割多重(WDM)光等的波长分散补偿中，为了对WDM光等进行分波，而另行需要成为FBG等波长分散补偿器的光器件。而且，FBG等光器件不仅在处理的波长带域上存在限制，而且光损失也大。而且，在数字信号处理电路中，超过40Gbps的高速处理也产生在技术上难以进行的问题。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2004-12714号公报
【专利文献2】日本特开2010-226254号公报
【非专利文献】
【非专利文献1】RobertI.Kelley，et al.，"Electronic DispersionCompensation by SignalPredistortion Using Digital Processing and a Dual-DriveMach-Zehnder Modulator"，IEEE Photonics Technology letters，Vol.17，No.3，pp714-716，2005
发明内容
本发明要解决的课题在于提供一种能够对光纤的波长分散进行补偿，且在超过几十Gbps的高速传送中也能够适用的光调制器。
为了解决上述课题，第一方面的发明涉及一种光调制器，具有：由具有电光学效果的材料构成的基板；形成在该基板上的光波导；用于调制在该光波导中传播的光波的调制电极，所述光调制器的特征在于，利用光纤对从该光波导出射的出射光进行引导，以具有与该光纤的波长分散特性相反的特性的波形畸变的方式，沿着该光波导以规定的图案使该基板形成极化反转，从而对该光纤的波长分散特性进行补偿，而且，在该调制电极的附近配置由电介质材料或金属材料构成的调整构件，从而将所述波长分散特性的补偿调整成规定的等级。
第二方面的发明以第一方面的光调制器为基础，其特征在于，该调整构件与该调制电极的距离设定成能够改变调整。
第三方面的发明以第一或第二方面的光调制器为基础，其特征在于，该光波导具有马赫-曾德尔型波导，该马赫-曾德尔型波导具有两条分支波导，在一方的分支波导形成的极化反转的图案是与对该光纤的脉冲响应h(t)进行补偿的脉冲响应1/h(t)的实部响应性对应的图案，在另一方的分支波导形成的极化反转的图案是与所述脉冲响应1/h(t)的虚部响应性对应的图案，使通过了所述两条分支波导的光波以规定的相位差进行合波。
第四方面的发明以第三方面的光调制器为基础，其特征在于，该光纤的脉冲响应h(t)由下式提供：
【数学式1】
其中，H(ω)为光纤的传导函数，H(ω)=exp(jβ(ω)L)，β(ω)为在光纤中传播的光波的相位常数，L为光纤的长度。
【发明效果】
根据第一方面的发明，提供一种光调制器，具有：由具有电光学效果的材料构成的基板；形成在该基板上的光波导；用于调制在该光波导中传播的光波的调制电极，所述光调制器中，利用光纤对从该光波导出射的出射光进行引导，以具有与该光纤的波长分散特性相反的特性的波形畸变的方式，沿着该光波导以规定的图案使该基板形成极化反转，从而对该光纤的波长分散特性进行补偿，而且，在该调制电极的附近配置由电介质材料或金属材料构成的调整构件，从而将所述波长分散特性的补偿调整成规定的等级，因此，在通过光调制器将电信号转换成光信号时，通过预先具有由光纤的波长分散引起的波形畸变的相反的特性，即使发生基于光纤的波长分散也能够对特性劣化进行补偿。而且能够不依赖于波长地对波形劣化进行补偿，也不使用数字信号处理技术，因此能够提供一种即使在超过几十Gbps的高速传送中也能够适用的光调制器。
另外，由于在调制电极的附近配置由电介质材料或金属材料构成的调整构件，因此能够使在调制电极中传播的微波的有效折射率变化。由此，能够将对光纤的波长分散特性的补偿调整成规定的等级。
根据第二方面的发明，调整构件与调制电极的距离设定成能够改变调整，因此能够使对光纤的波长分散特性的补偿的等级进行改变调整。
根据第三方面的发明，光波导具有马赫-曾德尔型波导，该马赫-曾德尔型波导具有两条分支波导，在一方的分支波导形成的极化反转的图案是与对光纤的脉冲响应h(t)进行补偿的脉冲响应1/h(t)的实部响应性对应的图案，在另一方的分支波导形成的极化反转的图案是与所述脉冲响应1/h(t)的虚部响应性对应的图案，使通过了所述两条分支波导的光波以规定的相位差进行合波，因此，能够容易地生成对光纤的波长分散进行补偿的光波。而且，通过调整极化反转图案或相位差，对于各种各样的光纤的波长分散，能够容易地设计、设定。
根据第四方面的发明，通过使用所述“数学式1”栏所示的光纤的脉冲响应h(t)，而能够容易地设计、设定与各种光纤或长度对应的、对波长分散进行补偿的极化反转图案。
附图说明
图1是表示本发明的光调制器(调制器芯片)的一例的图。
图2是表示对光纤的脉冲响应进行补偿的实部响应性(Reh*(t))和虚部响应性(Imh*(t))的一例的坐标图。
图3是表示在本发明的光调制器上配置有调整构件的状态的图。
图4是说明对图3的调整构件使用电介质材料时的、相对于调制电极与调整构件的距离的有效折射率及可补偿的光纤长度的变化的情况的坐标图。
图5是说明对图3的调整构件使用金属材料时的、相对于调制电极与调整构件的距离的有效折射率及可补偿的光纤长度的变化的情况的坐标图。
图6是本发明的光调制器的一例，是表示对应于各分支波导而配置信号电极的例子的图。
图7是本发明的光调制器的一例，是表示对于两条分支波导而配置共用的信号电极的例子的图。
图8是本发明的光调制器的一例，是表示对基板使用X板的例子的图。
【标号说明】
1 使用了具有电光学效果的材料的基板
2 光波导
21、22 分支波导
3、31、32 信号电极
4 接地电极
10 极化反转图案
L1 入射光
L2 出射光
S 调制信号
具体实施方式
以下，使用优选例，详细说明本发明。
如图1所示，本发明涉及一种光调制器，具有：由具有电光学效果的材料构成的基板1；形成在该基板上的光波导2；用于调制在该光波导中传播的光波的调制电极3，所述光调制器的特征在于，利用光纤(未图示)对从该光波导出射的出射光L2进行引导，以具有与该光纤的波长分散特性相反的特性的波形畸变的方式，沿着该光波导以规定的图案使该基板形成极化反转10，从而对该光纤的波长分散特性进行补偿，而且，在该调制电极的附近配置由电介质材料或金属材料构成的调整构件，从而将所述波长分散特性的补偿调整成规定的等级。
作为本发明的使用了具有电光学效果的材料的基板，可以利用例如铌酸锂、钽酸锂、PLZT(锆钛酸铅镧)、及将这些材料组合而成的基板。尤其是优选电光学效果高且容易形成任意的极化反转结构的材料。具体而言为铌酸锂、钽酸锂、电光学聚合物。
作为在基板上形成光波导2的方法，可以通过利用热扩散法或质子交换法等使Ti等在基板表面上扩散而形成。而且，也可以对光波导以外的基板进行蚀刻或在光波导的两侧形成槽等，从而利用在基板上将与光波导对应的部分形成为凸状的脊形状的波导。
在基板1上形成有信号电极3或接地电极等调制电极，但这种电极可以通过Ti·Au的电极图案的形成及镀金方法等形成。而且，也可以根据需要在光波导形成后的基板表面上设置电介质SiO2等缓冲层，并在缓冲层之上形成调制电极。图1的标号S为调制信号。
在本发明的光调制器上光学耦合有光纤。可以采用利用毛细管等在具有电光学效果的基板上直接接合光纤的方法，或在具有电光学效果的基板上接合形成有光波导的石英基板等，并在该石英基板等上接合光纤的方法。而且，也可以在具有电光学效果的基板或石英基板等上经由空间光学系统将出射光向光纤导入。
在本发明的光调制器中，使用图1那样的具有电光学效果的材料的基板，使基板的一部分形成极化反转10。箭头P1、P2表示基板的分极方向。当将这种极化反转结构适用于行波电极型光调制器时，能够得到模拟速度匹配、完全零啁啾强度调制、光SSB调制等有用的特性。本发明者着眼于由与极化反转图案直接对应的脉冲响应的傅立叶变换来提供具有极化反转结构的行波电极型光调制器的调制频率特性，从而完成了本发明。
即，如本发明那样，通过利用该特性，而能够实现兼具预均衡功能的光调制器。而且，本发明的光调制器与通常的基带调制器不同，无需使调制光的群速度与调制信号的相位速度一致，因此，通过使用增大了截面积的超低损失的行波型电极，而能够实现超过几十GHz的超高速响应。而且，如以往的数字信号处理电路那样，也能够进行超过了使用了高速A/D转换技术的电均衡技术的极限的动作。在本发明的光调制器中，不需要高速的数字信号处理电路，也能够进行低消耗电力的驱动。而且，也能够期待以基于光纤的波长分散的传送信号的相位旋转补偿为代表的各种应用。
以下，以进行光纤的分散补偿的光调制器为中心来说明。本发明的光调制器通过使用应用了极化反转的电光学调制技术，而在将电信号转换成光信号时，通过预先具有基于光纤的波长分散的波形畸变的相反的特性，而对特性劣化进行补偿。
本发明的光调制器在几十Gbps以上甚至超过100Gbps的高速传送的情况下也能够适用。而且，能够与波长无关地对波形劣化进行补偿。因此，本发明也是凌驾于现有的分散补偿技术之上的划时代的技术。本发明利用的分散补偿技术的特征可以列举以下几点。
(1)能够应对在数字信号处理技术中难以应对的超过40Gbps的高速电子
(2)没有FBG方式那样的波长带域的限制
(3)能够与数据调制器进行集成
兼具上述(1)及(2)的特征在到目前为止的分散补偿技术中没有出现，本发明的技术尤其是作为多重波长的高速传送系统中的分散补偿技术非常优异。
对本发明的光调制器的分散补偿技术进行详细说明。
设在光纤中传播的光波的相位常数为β(ω)时，长度L的光纤的传导函数H(ω)成为下式。
H(ω)=exp(jβ(ω)L)
而且，在分散补偿中，可以考虑将β(ω)在载流子角频率ω=ω0的附近以泰勒展开时的2次项，则可以如下变形。
H(ω)=exp(jβ2ω2L/2)
在此，β2表示泰勒展开的2次项，表示群速度分散。
由此，光纤的脉冲响应h(t)可以由以下的数学式2所示的式子表现。
【数学式2】
为了对光纤的分散进行补偿，进行光纤的分散补偿用的传导函数为1/H(ω)=H*(ω)，因此在光调制器中，只要进行与分散补偿的脉冲响应即h*(t)(=1/h(t))对应的调制即可。具体而言，在使用图1所示的具有马赫-曾德尔型波导的MZ干涉型光调制器时，只要在一方的分支波导21进行h*(t)的实部响应性Re{h*(t)}的调制，在另一方的分支波导进行虚部响应性Im{h*(t)}的调制，并将两者以规定的相位差合成即可。相位差最优选设定为90°。
图2是表示分散补偿用的脉冲响应h*(t)的实部响应性Re{h*(t)})和虚部响应性Im{h*(t)}的坐标图。
通常，脉冲响应性难以自如地设定，但是若在强电介质材料那样具有一次的电光学效果的材料中具有极化反转结构，则能够容易地实现该脉冲响应。
具体而言，如图1所示，可以是，光波导2具有马赫-曾德尔型波导，该马赫-曾德尔型波导具有两条分支波导(21、22)，在一方的分支波导形成的极化反转10的图案设为与对上述的光纤的脉冲响应h(t)进行补偿的脉冲响应h*(t)(=1/h(t))的实部响应性对应的图案，在另一方的分支波导形成的极化反转的图案设为与分散补偿的脉冲响应h*(t)的虚部响应性对应的图案。
通过了两条分支波导的光波以规定的相位差合成。作为产生该相位差的方法，可以利用对各分支波导的长度进行调整的方法、或使用沿着分支波导配置的信号电极或DC偏置电极来调整分支波导的折射率的方法等。
图1那样的光调制器作为具备预均衡功能的分散补偿调制器进行动作。而且，当使用Double MZ调制器时，能够进行更高精度的分散补偿。而且，也可以并用QPSK调制、双二进制调制。
在图1中，作为调制电极，仅示出信号电极3，省略了接地电极的图示，但本发明的光调制器并不局限于图1所示的情况，也可以采用例如图6至图8所示的各种配置·结构。
在图6所示的光调制器中，在基板1上形成与马赫-曾德尔型波导的两条分支波导21、22分别对应的2个信号电极31、32。各信号电极的输入端与交流电源5连接，分别被输入调制信号S、S’。需要说明的是，在图6中，与图1同样地省略了接地电极。
在图7所示的光调制器中，单一的信号电极3以将马赫-曾德尔型波导的2个波导全部覆盖的方式形成。并且，在基板1的背面形成有接地电极4。
而且，在图7的光调制器中，对基板1使用薄板时，根据需要，可以在基板1的背面与接地电极4之间设置电介质SiO2等缓冲层。
在图1及图6至7中，使用Z板作为光调制器的基板1，因此分极处理的方向是与基板表面垂直的垂直方向，但也可以如图8所示的光调制器那样，使用X板(Y板)作为基板，将分极处理的方向设为与基板表面平行的方向。图8的标号3表示信号电极，标号4表示接地电极。
接下来，说明本发明的光调制器的特征即调整对光纤的波长分散特性进行补偿的等级的结构。
图3是表示在图1的光调制器所示的调制电极的附近配置有由电介质材料或金属材料构成的调整构件的情况的图。如此，通过向构成光调制器的调制器芯片装载调整构件，而能够使在调制电极中传播的调制信号即微波的有效折射率较大地变化。由此，能够大幅地调整分散补偿量。
在没有图1或图3的调整构件的情况下，在以下的参数中，有效折射率为4.256，可补偿的光纤长度为10km左右。
·基板材料：钽酸锂
·基板的厚度(b)：0.4mm
·基板的宽度(c)：2mm
·缓冲层的材料：氧化硅
·缓冲层的厚度(a)：0.3μm
·调制电极的材料：铝
·调制电极(信号电极、接地电极)的高度(h0)：2μm
·信号电极的宽度(S)：33μm
·信号电极与接地电极的间隔(W)：46.5μm
·光(载波)的折射率(ng)：2.409
如图3所示，在装载钽酸锂的高电介质作为调整构件时和装载铝这样的金属时，研究了有效折射率、可补偿的光纤长度的变化。模拟的结果如图4及图5所示。图4表示对调整构件使用电介质材料的情况，表示相对于调制电极与调整构件的距离(h1)的、有效折射率(nm)及可补偿的光纤长度(L)的变化的情况。而且，图5是对调整构件使用金属材料时的同样的结果。调整构件的厚度设为0.5mm，宽度与基板同样设为2mm。
由于钽酸锂、铌酸锂的介电各向异性大，因此为了进行准确的特性模拟，也需要考虑其各向异性，但在此，为了使模拟简单，将高电介质钽酸锂的相对介电常数εr作为42计算。介电常数越高，折射率的变化量即分散补偿量的调整量的增大的效果越高。为了确保器件的高频特性，优选高频下的介电损失(tanδ)小的材料。另一方面，在装载金属时，无论其金属材料为铝还是金、银或铜，只要为良导体，有效折射率的变化、即可补偿的范围就表现出大致相同的特性。在此，根据执行模拟上的方便，示出了铝的值，但装载的金属也作为电极的一部分起作用，因此为了确保器件的高频特性，优选使用金、银或铜那样的高频下的导电性高的金属。
另外，将装载的材料的厚度设为0.5mm而进行了模拟，但是在装载的材料为电介质的情况和为金属的情况下，厚度的效果不同。在电介质的情况下，信号的电场进入电介质内部，因此厚度越厚，对折射率的变化量即分散补偿量的调整量的增大的效果越高。根据装载的电介质材料的相对介电常数和目标的分散补偿量来设定厚度。另一方面，在为金属的情况下，金属内部电场大致为零，因此即使增加厚度，也没有折射率的变化量即分散补偿量的增大的效果。在使用的信号的频带中，在能够容许表皮损失产生的信号减衰、劣化的范围内可以减薄厚度。
观察图4可知，在装载有电介质的情况下，当减小与装载的电介质的距离时，对电信号的折射率较大地增加，而能够在0%～+40%左右的范围内对分散补偿量进行调整。而且，观察图5能够容易地理解的是，在装载有金属的情况下，当减小与装载的金属的距离时，对电信号的折射率较大地减少，而能够在-50%程度～0%的范围内对分散补偿量进行调整。由此可知，在本发明的光调制器中，通过使用调整构件，能够大幅地变更对光纤的波长分散特性进行补偿的等级。无论是装载电介质的情况下还是装载金属的情况下，阻抗都与折射率变化一起变化，但通过电极结构的设计、驱动电路的选定、阻抗匹配电路的使用等，而进行设计应对或处理。
调整构件不仅能以成为预先设定的分散补偿量的方式固定配置在规定的位置，而且也可以以能够进行位置调整的方式构成，而能够对分散补偿量进行变更。
在图3所示的例子中，对于调制器基板上的共平面电极的宽度(=S+2W)，装载非常宽的高电介质材料。这种情况下，调制器和装载的高电介质的间隔h成为位置调整的有效的参数。在高电介质的宽度小于共平面电极的宽度(=S+2W)的3倍左右时，通过将高介电常数体材料沿着图3的左右方向进行位置调整，而能得到大的分散补偿量的调整量。这种情况下，装载的高介电常数材料的宽度越小，介电常数越高，能得到越大的调整量。在该结构中，作为高介电常数材料，可以选择具有100以上的大的相对介电常数的PLZT、PZT或KTN等材料。而且，在使用KTN等那样介电常数的温度依赖性非常高的材料时，根据温度的不同也能得到大的分散补偿量的调整量。在装载金属的情况下，对于装载的金属的宽度和位置的调整量的效果与高介电常数材料的情况相同。但是，在金属的情况下，基于温度的分散补偿量的调整量极小。需要说明的是，无论装载的材料是高介电常数材料的情况下还是金属的情况下，位置的调整都可以分别调整高度方向、水平方向，也可以调整这双方，在使用介电常数的温度依赖性大的高介电常数材料时，可以与基于温度的调整并用。
在以上的说明中，以共平面电极的例子进行了说明，但是与共平面电极同样地使用了在基板的表面配置有信号电极的微带型的电极或插槽型的电极的结构中也具有同样的效果。在电极埋没于电介质之中的结构的情况下，虽然效果不高，但是在埋没的深度相对于电极间隔而言非常薄时(电极间隔的一半程度以下)具有实用性的效果。
【工业上的可利用性】
如以上那样，根据本发明的光调制器，可提供一种能够对光纤的波长分散进行补偿，且在超过几十Gbps的高速传送中也能够适用的光调制器。

Claims (6)

1.一种光调制器，具有：由具有电光学效果的材料构成的基板；形成在该基板上的光波导；用于调制在该光波导中传播的光波的调制电极，所述光调制器的特征在于，
利用光纤对从该光波导出射的出射光进行引导，以具有与该光纤的波长分散特性相反的特性的波形畸变的方式，沿着该光波导以规定的图案使该基板形成极化反转，从而对该光纤的波长分散特性进行补偿，
而且，在该调制电极的附近配置由电介质材料或金属材料构成的调整构件，使在该调制电极中传播的微波的有效折射率变化，从而将所述波长分散特性的补偿调整成规定的等级。
2.根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于，
该调整构件与该调制电极的距离设定成能够改变调整。
3.根据权利要求1或2所述的光调制器，其特征在于，
该光波导具有马赫-曾德尔型波导，该马赫-曾德尔型波导具有两条分支波导，
在一方的分支波导形成的极化反转的图案是与对该光纤的脉冲响应h(t)进行补偿的脉冲响应1/h(t)的实部响应性对应的图案，
在另一方的分支波导形成的极化反转的图案是与所述脉冲响应1/h(t)的虚部响应性对应的图案，
使通过了所述两条分支波导的光波以规定的相位差进行合波。
4.根据权利要求3所述的光调制器，其特征在于，
该光纤的脉冲响应h(t)由下式提供：
【数学式3】
其中，H(ω)为光纤的传导函数，H(ω)＝exp(jβ(ω)L)，β(ω)为在光纤中传播的光波的相位常数，L为光纤的长度。
5.一种光调制器，具有：由具有电光学效果的材料构成的基板；形成在该基板上的光波导；用于调制在该光波导中传播的光波的调制电极，所述光调制器的特征在于，
利用光纤对从该光波导出射的出射光进行引导，以具有与该光纤的波长分散特性相反的特性的波形畸变的方式，沿着该光波导以规定的图案使该基板形成极化反转，从而对该光纤的波长分散特性进行补偿，
而且，在该调制电极的附近配置由电介质材料构成的调整构件，
通过调整该电介质材料的温度，使在该调制电极中传播的微波的有效折射率变化，而将所述波长分散特性的补偿调整成规定的等级。
6.根据权利要求5所述的光调制器，其特征在于，
至少具备对所述电介质材料的温度进行调整的机构。
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