JP2003270591A

JP2003270591A - 偏波無依存型光学機器

Info

Publication number: JP2003270591A
Application number: JP2002074836A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Oguri; 均小栗; Takeshi Sakai; 猛坂井; Yuuki Kanehara; 勇貴金原; Hironori Tokita; 宏典時田; Masayuki Hoshi; 正幸星; Seiji Kume; 政治久米
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; Oyokoden Lab Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; Oyokoden Lab Co Ltd
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2003-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】波長依存性を有する導波路型光学素子を用いた
光学機器における偏波無依存性を達成するとともに、通
信システムの高速化にも対応し得る光学機器を提供す
る。【解決手段】入射手段１０からの入射光３１が偏波分離
手段１１でＳ偏波成分とＰ偏波成分とに分離され、Ｓ偏
波成分が第１の偏波回転手段１２でＰ偏波成分に変換さ
れた光束と、Ｐ偏波成分が第１の光路長補正手段１５を
透過した光束とが第１のプリズム１３を経て第１のレン
ズ１４でそれぞれ集光されて導波路型光学素子１の２つ
の光導波路２，３にそれぞれ入射される。偏波分離手段
１１は、複屈折材料からなり入射光の進行方向における
長さが等しい２つの偏波分離素子１１ａ、１１ｂの間
に、偏波回転素子１１ｃを設けてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導波路型光学素子
を用いた光学機器に係り、特に導波路型光学素子が偏波
依存性を有する場合に、入射光の偏波状態が変化しても
導波路型光学素子が安定して動作するようにした偏波無
依存型の光学機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高速・大容量光ファイバ通信シス
テムの進歩に伴い、外部変調器に代表されるように、導
波路型光学素子を用いた高速光変調器が実用化され、広
く用いられるようになってきている。図４は、このよう
な高速光変調器に用いられる導波路型光学素子の一例を
示したもので、（ａ）は要部の概略平面図、（ｂ）は
（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う概略断面図である。この例の
導波路型光学素子５０は、電気光学効果を有する材料の
Ｚカット板からなる基板５１と、その上に形成されたバ
ッファ層５２を有しており、基板５１内には、チタン拡
散法などにより形成された光導波路５３を有している。
光導波路５３の平面形状は、図４（ａ）に示すように、
２本の分岐光導波路５３ａ、５３ｂが平行に設けられ、
これらの入射側にＹ字状の分岐部が設けられ、かつ出射
側にＹ字状の合波部が設けられた形状に形成されてい
る。この２本の分岐光導波路５３ａ、５３ｂは同一構造
に形成されており、マッハツェンダー型光導波路を構成
している。

【０００３】また、バッファ層５２上においては、一方
の分岐光導波路５３ａ中を導波する光波に変調信号を印
加するための信号電極５４と、信号電極５４の両側に配
された接地電極５５ａ、５５ｂとが設けられている。そ
して、この例では基板５１としてＺカット板が使用され
ているので、信号電極５４は、前記一方の分岐光導波路
５３ａ上に位置するように形成されている。接地電極５
５ａ、５５ｂは、信号電極５４に対する対向電極の役割
を果たす。このような構成の導波路型光学素子５０を用
いた光変調器にあっては、信号電極５４に所定の半波長
電圧を印加し、一方の分岐光導波路５３ａを導波する光
波の位相を、他方の分岐光導波路５３ｂを導波する光波
の位相に対してπシフトさせることによって、光信号の
オン／オフを行うことができる。基板５１を構成する、
電気光学効果を有する材料としては、ＬｉＮｂＯ₃（ニ
オブ酸リチウム、ＬＮと略称されることもある）が好適
に用いられ、特に、基板５１をニオブ酸リチウムで構成
した上記導波路型光学素子５０を用いてなる光変調器
（一般に、ＬＮ光変調器といわれている）の開発が進ん
でいる。

【０００４】例えばＬＮ光変調器など、マッハツェンダ
ー型光導波路を用いた高速光変調器は、比較的広帯域な
波長範囲で動作可能である等の利点を有しており、高速
光通信システムの送信部における外部変調器として期待
されている。このような構成の光変調器にあっては、Ｓ
偏波成分とＰ偏波成分とで、分岐光導波路５３ａ，５３
ｂにおける電気光学定数が異なるため、位相をπシフト
させるのに必要な半波長電圧の大きさが異なるという偏
波依存性を有することが知られており、したがって光源
光を光導波路５３の入射端へ伝送する光ファイバとして
は偏波保持ファイバを用いる必要があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、最近では、
ＬＮ光変調器等の光変調器を、シングルモード光ファイ
バからなる光伝送路の中途に介在させて使用したいと要
望されるようになった。そのため、マッハツェンダー型
光導波路の入射側に設けられる光ファイバが偏波保持光
ファイバでなく、入射光の偏波状態がランダムに変化す
る場合であっても、光変調器が良好に動作する構成が求
められている。

【０００６】例えば、特開平４−３０４４１３号公報
は、導波路型ではない光フィルタに関するものである
が、図５に例示するように、光フィルタ６０の入射側と
出射側にそれぞれ、偏波分離素子６３、７３および偏波
回転素子６４、７４を設けることにより、入射光の偏波
状態の変化によって光フィルタ６０の透過特性が変化し
ないようにした構成が記載されている。この構成によれ
ば、光ファイバ６１から出射された光束は、まず、レン
ズ６２を介して、偏波分離素子６３に入射される。そし
て、ここでＳ偏波成分とＰ偏波成分とに分離され、それ
ぞれ２つの平行な光束として出射される。偏波分離素子
６３から出射される２つの光束のうち、一方の光束の光
路上には１／２波長板６４が設けられており、これによ
って該一方の光束がＳ偏波成分だった場合にはＰ偏波成
分に、または該一方の光束がＰ偏波成分だった場合には
Ｓ偏波成分に変換される。これにより、入射光はＳ偏波
成分からなる２つの光束、またはＰ偏波成分からなる２
つの光束となって、光フィルタ６０に入射される。この
図の例では、光フィルタ６０に、Ｓ偏波成分からなる２
つの光束が入射されているものとする。そして、この図
の例では、光フィルタ６０を透過した２つのＳ偏波成分
のうち、入射側で１／２波長板６４を透過しなかった方
の光束が、１／２波長板７４でＰ偏波成分に変換された
後、これら２つの光束が偏波合成素子７３で合波され、
レンズ７２を介して光ファイバ７１に入射される。した
がって、入射光の偏波状態が変化しても、光フィルタ６
０に入射される光束の偏波状態は常に一定となるので、
光フィルタ６０の透過特性は変化しない。

【０００７】そこで、光フィルタ６０を導波路型光学素
子に置き換え、光変調器を構成する際に、導波路型光学
素子に２つのマッハツェンダー型光導波路を平行に設け
るとともに、該導波路型光学素子の入射側および出射側
に、図５に示すような構成を設ければ、光変調器におけ
る偏波依存性は解消できると考えて詳細な検討を行った
ところ、次のような大きな問題点があることがわかっ
た。すなわち、偏波分離素子６３内において偏波分離す
る際に、Ｓ偏波成分とＰ偏波成分との間で光学的光路長
（単に、光路長ともいう）に差異が生じてしまうことで
ある。そのために、偏波分離素子６３から出射された２
つの光波は、一方が他方よりも遅延した状態で導波路型
光学素子に入射されてしまう。そして導波路型光学素子
で２つのマッハツェンダー型光導波路に対して同時に電
圧が印加されると、本来は２つのマッハツェンダー型光
導波路をそれぞれ導波する光が同じ波形の光信号に変換
されるべきところ、一方が遅延して入射されたことによ
り光信号の波形にズレが生じてしまう。２つの光導波路
から出射された２つの光信号は、偏波合成素子７３で合
波される際に光学的光路長のズレが相殺されて遅延は解
消されるが、両者の波形にズレが生じている状態で合波
されてしまうので、合波後の波形が乱れてしまう。すな
わち光変調器から出射される光信号における、オン／オ
フの波形に乱れが生じ、通信システムの高速化に対応で
きないという欠点を抱えることになる。

【０００８】したがって、本発明の課題は、例えばＬＮ
光変調器など、波長依存性を有する導波路型光学素子を
用いた光学機器において、入射光の偏波状態が変化して
も導波路型光学素子が安定して動作する偏波無依存性を
達成するとともに、通信システムの高速化にも対応し得
る光学機器を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の偏波無依存型光学機器は、２つの導波路を
有する導波路型光学素子の入射側に、ランダムな偏波状
態の入射光をＳ偏波成分とＰ偏波成分とに分離して、平
行な２つの分光として出射する偏波分離手段を設け、該
偏波分離手段と前記導波路型光学素子との間において、
該偏波分離手段から出射された２つの分光のうちいずれ
か一方の光路上に、Ｓ偏波成分をＰ偏波成分に変換しか
つＰ偏波成分をＳ偏波成分に変換する第１の偏波回転手
段を設け、前記２つの分光の、分離されてから前記導波
路型光学素子に入射されるまでの光路差を低減させる第
１の光路長調整手段を設けるとともに、前記導波路型光
学素子の出射側に、前記偏波分離手段と同じ構成を有す
る偏波合成手段を設け、該偏波合成手段と前記導波路型
光学素子との間において、前記２つの分光のうちいずれ
か一方の光路上に、前記第１の偏波回転手段と同じ構成
を有する第２の偏波回転手段を設け、前記２つの分光
の、前記導波路型光学素子から出射されてから合成され
るまでの光路差を低減させる第２の光路長調整手段を設
けてなることを特徴とする。

【００１０】かかる構成によれば、特に、導波路型光学
素子の入射側に、上記偏波分離手段と上記第１の偏波回
転手段とが設けられているので、これによって同じ偏波
成分からなる２つの平行光（２つの分光）が得られる。
また、上記第１の光路長調整手段を設けたことにより、
該２つの分光を、光路差が低減された状態で導波路型光
学素子に入射させることができる。したがって導波路型
光学素子が偏波依存性を有していても、正常な動作を安
定して得ることができるとともに、導波路型光学素子の
２つの光導波路に入射される２つの分光について、入射
側で光路差が生じるのを防止することができる。また、
導波路型光学素子から出射される２つの分光は、入射側
と同じ構成を有する第２の偏波回転手段および偏波合成
手段を経て合波されるとともに、上記第２の光路長調整
手段により２つの分光の光路差が低低されるので、導波
路型光学素子の出射側で生じる光路差も、入射側と同様
に低減される。

【００１１】本発明の偏波無依存型光学機器において、
前記偏波分離手段が、ランダムな偏波状態の入射光をＳ
偏波成分とＰ偏波成分とに分離して平行な２つの分光と
して出射し得る２個の偏波分離素子の間に、Ｓ偏波成分
をＰ偏波成分に変換しかつＰ偏波成分をＳ偏波成分に変
換する偏波回転素子を設けてなり、前記２個の偏波分離
素子は、光路長が互いに等しい構成とすることができ
る。

【００１２】かかる構成によれば、前記偏波分離手段と
して、１個目の上記偏波分離素子と、上記偏波回転素子
と、２個目の上記偏波分離素子を順に設けることによ
り、１個目の偏波分離素子においてＳ偏波成分とＰ偏波
成分が分離されてから出射されるまでに、該Ｓ偏波成分
とＰ偏波成分との間に生じた光路差は、２個目の偏波分
離素子を透過する際に生じる光路差によって補償され
る。したがって、偏波分離手段からは、平行な２つの分
光（Ｓ偏波成分とＰ偏波成分）が、光路差が低減された
状態で出射される。ここで、上記２個の偏波分離素子の
光路長が互いに等しいとは、所定の波長で所定の偏波状
態の光波が１個目の偏波分離素子を透過するときの光路
長と、これと同じ波長で同じ偏波状態の光波が２個目の
偏波分離素子を透過するときの光路長とが等しいことを
いう。また、この構成において、１個目の偏波分離素子
の後段に配される偏波回転素子と２個目の偏波分離素子
は、１個目の偏波分離素子（偏波分離手段）から出射さ
れる２つの分光の光路差を低減させるものであり、前記
第１の光路長調整手段および第２の光路長調整手段に相
当する。

【００１３】特に、前記２個の偏波分離素子が複屈折材
料からなることが好ましく、この場合は該２個の偏波分
離素子の実質的な長さを互いに等しく形成すれば、該２
個の偏波分離素子の光路長を互いに等しくできるので、
偏波分離手段および偏波合成手段の作製が容易であり、
好ましい。

【００１４】前記偏波分離手段と前記導波路型光学素子
との間において、前記偏波分離手段から出射される２つ
の分光を、前記導波路型光学素子の前記２つの導波路の
入射端にそれぞれ集光させる第１の集光手段を設け、該
第１の集光手段と前記偏波分離手段との間に、前記偏波
分離手段から出射された２つの分光の進行方向を、該２
つの分光の間隔が縮小するように変化させて前記第１の
集光手段に入射させる第１の光路変更手段を、該第１の
光路変更手段と前記第１の集光手段との間で該２つの分
光が交差するように設けるとともに、該偏波合成手段と
前記導波路型光学素子との間に、前記第１の集光手段と
同じ構成を有する第２の集光手段を設け、該第２の集光
手段と前記偏波合成手段との間に、前記第１の光路変更
手段と同じ構成を有し、前記第２の集光手段を透過した
２つの分光の進行方向を、該２つの分光の間隔が拡大す
るように変化させて一方の分光を前記第２の偏波回転手
段に入射させる第２の光路変更手段を、該第２の光路変
更手段と前記第２の集光手段との間で該２つの分光が交
差するように設けてなることが好ましい。前記第１の光
路変更手段および第２の光路変更手段がプリズムからな
ることが好ましい。

【００１５】かかる構成によれば、偏波分離手段から出
射される２つの分光の間隔を、第１の光路変更手段で縮
小させた後、第１の集光手段で２つの光導波路の入射端
に集光させるので、１個の集光手段（第１の集光手段）
で２つの分光を２つの入射端に同時に集光させることが
できる。したがって、光導波路の入射端どうしの間隔
を、導波路型光学素子において良好な光学的特性が得ら
れる程度に小さくできるので、装置のコンパクト化、低
コスト化を図ることができる。また、偏波分離手段から
出射される２つの分光の間隔を、該偏波分離手段から出
射される２つの分光のうちの一方にのみ第１の偏波回転
手段を設けることができる程度に、または一方に第１の
偏波回転手段を設けるとともに他方に第１の光路長補正
手段を設けることができる程度に大きくすることができ
る。また、第１の光路変更手段から出射された２つの分
光を交差させた後に第１の集光手段で集光して光導波路
に入射させることにより、偏波分離手段、第１の光路変
更手段、および第１の集光手段のそれぞれで生じる波長
分散を互いに補償して低減させることができる。これに
より、波長の違いによる光導波路への入射位置の差を低
減させることができるので、導波路型光学素子への結合
損失の波長依存性を小さく抑えることができる。また導
波路型光学素子の出射側に、入射側と同一の構成部品を
設けることにより、入射側で２つに分離された成分が、
出射側では入射側と逆の経路を経て合成されるので、偏
波分離および偏波合成を行うことによる光学的影響を極
力小さくすることができる。

【００１６】また、前記偏波分離手段から出射された２
つの分光のうち前記第１の偏波回転手段が設けられてい
ない方の光路上に、第１の光路長補正手段を設けるとと
もに、該２つの分光のうち前記第２の偏波回転手段が設
けられていない方の光路上に、前記第１の光路長補正手
段と同じ構成を有する第２の光路長補正手段を設けるこ
とが好ましい。かかる構成によれば、導波路型光学素子
の入射側および出射側でそれぞれ生じる２つの分光の光
路差をより低減させることができる。この構成におい
て、第１の光路長補正手段は、２つの分光の一方に第１
の偏波回転手段を設けたことにより生じる該２つの分光
間の光路差を低減させるもので、前記第１の光路長調整
手段に相当する。また、第２の光路長補正手段は、２つ
の分光の一方に第２の偏波回転手段を設けたことにより
生じる該２つの分光間の光路差を低減させるもので、前
記第２の光路長調整手段に相当する。

【００１７】本発明において、前記導波路型光学素子
が、電気光学効果を有する材料からなる基板上に、２本
の分岐光導波路を備えたマッハツェンダー型光導波路、
および前記２本の分岐光導波路のうちの一方を導波する
光波を変調し得る変調用電極を備えた第１の光導波路
と、該第１の光導波路と同じ構成を有する第２の光導波
路を設けてなることが好ましい。

【００１８】本発明における導波路型光学素子は、２つ
の光導波路を有するものであれば種々の導波路型光学素
子に適用可能であるが、特に上記構成のマッハツェンダ
ー型光導波路を備えた導波路型光学素子を用いれば、偏
波無依存型の光変調器が得られる。そして、２つの光導
波路に入射される２つの分光において、光導波路の入射
側で光路差が生じることによる光信号の波形の乱れを防
止して、通信システムの高速化に対応可能な光変調器を
実現することができる。さらに、好ましくは、光導波路
の入射側で波長分散が生じることに起因する光導波路へ
の結合損失の波長依存性を低減させることができるの
で、広帯域な波長範囲で動作可能な特性を備えた光変調
器が得られる。

【００１９】本発明の偏波無依存型光学機器は、入射光
の偏波状態が変化してもその光学的特性が安定している
ので、シングルモード光ファイバからなる光伝送路の中
継器として使用することが可能であり、本発明の偏波無
依存型光学機器を、シングルモード光ファイバからなる
伝送路の中途に介在させた光通信システムを提供するこ
とができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳しく説明する。
図１および図２は本発明の偏波無依存型光学機器の一実
施形態を示した概略構成図である。本実施形態では、本
発明の光学機器の好適な例としてＬＮ光変調器を用いて
説明する。図中符号１は導波路型光学素子であり、ＬＮ
光変調基板１ａ上に、一対のマッハツェンダー型光導波
路（第１の光導波路および第２の光導波路）２，３が設
けられている。ＬＮ光変調基板１ａ上に形成されている
一対のマッハツェンダー型光導波路２，３は、ＬＮ光変
調基板１ａの端面および上面の両方に垂直な面を対称面
として、互いに対称に形成されている。また、各マッハ
ツェンダー型光導波路２，３は、それぞれ２つの分岐光
導波路のうちの一方の光導波路中を導波する光波に変調
信号を印加するための信号電極および接地電極（図示
略）が設けられており、該一対のマッハツェンダー型光
導波路２，３において、同時に同波形の変調信号が印加
されるように構成されている。導波路型光学素子１の入
射端面における、２つの光導波路２，３の入射端どうし
の間隔は、該２つの光導波路２，３間でクロストークが
生じない程度に小さくすることが可能であり、大きすぎ
ると導波路型光学素子１自体が大きくなってしまうの
で、装置を小型化するうえで好ましくない。本実施形態
において、２つの光導波路２，３の入射端の間隔（中心
間の距離）は、例えば０．３〜１．０ｍｍ程度、好まし
くは６００μｍ程度に設定される。

【００２１】また図中符号１０は入射手段であり、シン
グルモード光ファイバ１０ａ内を導波されてきた光波を
平行光として出射するように構成されている。この入射
手段１０から出射される光束はランダムな偏波状態を有
する。本実施形態のＬＮ光変調器は、入射手段１０と導
波路型光学素子１との間に、入射手段１０側から順に、
偏波分離手段１１、第１の偏波回転手段１２、第１のプ
リズム（第１の光路変更手段）１３、および第１のレン
ズ（第１の集光手段）１４が設けられて概略構成されて
いる。入射手段１０から出射された平行光（入射光）３
１は、まず偏波分離手段１１に入射され、ここでＳ偏波
成分とＰ偏波成分とに分離され、平行な２つの分光３
２，３３として出射される。偏波分離手段１１は、複屈
折率材料からなる２つの偏波分離素子１１ａ、１１ｂの
間に偏光回転素子としての波長板１１ｃが設けられた構
成を有する。該２つの偏波分離素子１１ａ、１１ｂはい
ずれも、ランダムな偏波状態の入射光をＳ偏波成分とＰ
偏波成分とに分離し、平行な２つの分光として出射する
光学的特性を有し、両偏波分離素子１１ａ、１１ｂの光
学的特性および長さは等しく構成される。偏波回転素子
１１ｃは、Ｓ偏波成分をＰ偏波成分に変換しかつＰ偏波
成分をＳ偏波成分に変換する光学的特性を有するもの
で、好ましくは１／２波長板が用いられる。

【００２２】偏波分離手段１１から出射された２つの分
光３２，３３のうちの一方、本実施形態ではＳ偏波成分
３２は、第１の偏波回転手段１２を透過した後、第１の
プリズム１３に入射される。第１の偏波回転手段１２
は、Ｓ偏波成分をＰ偏波成分に変換しかつＰ偏波成分を
Ｓ偏波成分に変換する光学的特性を有するもので、好ま
しくは１／２波長板が用いられる。したがって、一方の
分光（Ｓ偏波成分）３２はＰ偏波成分に変換されて第１
のプリズム１３に入射される。他方の分光、すなわちＰ
偏波成分３３の光路上には、第１の光路長補正手段１５
を設けることが好ましい。本実施形態では、Ｐ偏波成分
３３は、第１の光路長補正手段１５を透過した後、第１
のプリズム１３に入射されるように構成されている。第
１の光路長補正手段１５は、第１の偏波回転手段１２と
光路長が同一で、光の偏波状態を変化させないという特
性を有するもので、好ましくはガラス板が用いられる。
したがって、他方の分光（Ｐ偏波成分）３３はＰ偏波の
ままでプリズム１３に入射される。ここで、本実施形態
において、偏波分離手段１１から出射される２つの分光
３２，３３どうしの間隔は、一方の分光３２の光路上に
波長板１２を設けるとともに、他方の分光３３の光路上
に第１の光路長補正手段１５を設けることができる程度
に大きく設計される。例えば、２つの分光３２，３３の
進行方向に垂直な面における、両分光３２，３３の中心
間の距離は、例えば、伝搬光束直径（分光のビーム径）
＋０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。

【００２３】第１のプリズム１３は、前記第１の偏波回
転分離手段１２を透過した一方の分光（Ｐ偏波成分）３
２、および第１の光路長補正手段１５を透過した他方の
分光（Ｐ偏波成分）３３の進行方向を、これら２つの分
光３２，３３の間隔を縮小させる方向に変えることがで
きる光学的特性を有する。また第１のプリズム１３と第
１のレンズ１４と導波路型光学素子１との位置関係は、
第１のプリズム１３によって進行方向が変えられた２つ
の分光（Ｐ偏波成分）３２，３３が、第１のプリズム１
３から出射された後に互いに交差して第１のレンズ１４
に入射され、第１のレンズ１４で集光されて、導波路型
光学素子１の一対の光導波路２，３にそれぞれ入射され
るように構成されている。

【００２４】図２（ａ）は、本実施形態における第１の
プリズム１３と第１のレンズ１４の例を示した平面図で
あり、図２（ｂ）は第１のプリズム１３の側面図であ
る。第１のプリズム１３は、図２（ａ）、（ｂ）に示す
ように上面から見たときの平面形状が五角形で、側方か
ら見た平面形状が長方形のブロック状に形成されてい
る。第１のプリズム１３の上面と下面とは平行で、下面
が接着剤１７で固定されている。図２に示すように、第
１のプリズム１３の長手方向をＺ方向、上面および下面
に垂直な方向をＹ方向、Ｚ方向とＹ方向に垂直な方向を
Ｘ方向とすると、プリズム１３の出射端面１３ｃは、Ｚ
方向に対して垂直となっている。また、Ｘ方向に垂直な
２つの側面１３ｄ、１３ｅはいずれも矩形である。第１
のプリズム１３の入射端面は、下面に対して垂直な２つ
の斜面１３ａ、１３ｂで形成されている。該２つの斜面
１３ａ、１３ｂはいずれも矩形で、各斜面１３ａ（１３
ｂ）とＸ方向とがのなす傾斜角の大きさはθｘである。

【００２５】この傾斜角θｘ、および第１のプリズム１
３のＺ方向における長さは、導波路型光学素子１の入射
面における２つの光導波路２，３の中心間の距離、第１
の集光レンズ１４の集光特性、および第１のプリズム１
３の屈折率に応じて、第１のプリズム１３から出射され
た２つの分光３２，３３が、第１のプリズム１３から出
射された後に互いに交差し、その後、第１のレンズ１４
で集光されて、導波路型光学素子１の２つの光導波路
２，３の入射端にそれぞれ入射されるように設定され
る。例えば、第１のプリズム１３の屈折率が１．５、第
１のレンズ１４の焦点距離が１．５５ｍｍ、２つの導波
路の中心間距離が６００μｍであるとき、前記傾斜角θ
ｘは２２度程度に好ましく設定され、Ｚ方向における第
１のプリズム１３の長さは、最も長いところで、３ｍｍ
程度に好ましく設定される。

【００２６】第１のレンズ１４は、第１のプリズム１３
から出射された２つの分光３２，３３を導波路型光学素
子１の一対の光導波路２，３の入射端にそれぞれ集光で
きるものであればよい。各種の集光手段を用いることが
可能であるが、第１のレンズ１４に入射される際の２つ
の分光３２，３３間の距離は、２つの光導波路２，３の
入射端間の距離と同程度と比較的大きいので、例えば非
球面レンズ等が好ましく用いられる。

【００２７】第１のプリズム１３および第１のレンズ１
４は、材料分散により波長が短いほど屈折率が大きく、
波長が長いほど屈折率が小さいという波長分散特性を有
するが、これらの材料分散値は、一般的には小さいこと
が好ましい。しかし、本実施形態においては、第１のプ
リズム１３の材料分散による影響と第１のレンズ１４の
材料分散による影響とが、互いに打ち消し合う関係にあ
るため、第１のプリズム１３と第１のレンズ１４の材料
分散値は必ずしも小さくなくてもよい。両者の材料分散
を互いに補償し合うように適宜選択することによって、
第１のプリズム１３および第１のレンズ１４の材料分散
による、光導波路２，３への結合損失の波長依存性を効
果的に低減させることができる。例えば第１のプリズム
１３の、波長１５００〜１６００ｎｍにおける材料分散
値を６．０１×１０^-7ｐｓ・ｋｍ^-1・ｎｍ^-1程度とした
場合、第１のレンズ１４の、波長１５００〜１６００ｎ
ｍにおける材料分散値を６．１１×１０^-7ｐｓ・ｋｍ^-1
・ｎｍ^-1程度とすることで、光導波路２，３への結合損
失の波長依存性を、波長１５００〜１６００ｎｍの範囲
内で０．０２ｄＢ以下に低減させることができる。この
ような材料分散値が小さい材料として、例えば、第１の
プリズム１３にＢＫ７を、また第１のレンズ１４にＳＦ
Ｓ０１（商品名）を用いることが好ましい。ここで、本
明細書における材料分散値は、例えばアッペのオートコ
リメート法によって測定することができる。

【００２８】本実施形態において、偏波分離手段１１か
ら出射される２つの分光３２，３３どうしの間隔は、導
波路型光学素子１の入射端面における２つの光導波路
２，３の入射端どうしの間隔よりも大きいので、第１の
プリズム１３の屈折率や長さ、第１のレンズ１４の集光
特性、および第１のプリズム１３と第１のレンズとの距
離等を適宜調整することによって、偏波分離手段１１か
ら出射される２つの分光３２，３３が、導波路型光学素
子１の一対の光導波路２，３のそれぞれに適切に入射さ
れるように構成する。

【００２９】導波路型光学素子１に入射された２つのＰ
偏波成分は、一対のマッハツェンダー型光導波路２，３
をそれぞれ導波する間に、該一対のマッハツェンダー型
光導波路２，３に同時に印加される電圧によって位相シ
フトを生じ、同一波形を有する光信号に変換され、それ
ぞれ出射される。導波路型光学素子１の出射側には、入
射側に設けられている光学部品と同じ光学部品が、該導
波路型光学素子１を挟んで、入射側の光路における配置
とそれぞれ対称となるように設けられている。すなわ
ち、導波路型光学素子１の出射側には、第１のレンズ１
４と同じ構成の第２のレンズ２４、第１のプリズム１３
と同じ構成の第２のプリズム２３、第１の偏波回転手段
１２と同じ構成の第２の偏波回転手段２２、第１の光路
長補正手段１５と同じ構成の第２の光路長補正手段２
５、偏波分離手段１１と同じ構成の偏波合成手段２１、
および入射手段１０と同じ構成の受光手段２０が、それ
ぞれ同一構成の光部品どうしが、導波路型光学素子１を
挟んで対称となるように、設けられている。図中符合２
１ａ、２１ｂは複屈折率材料からなる偏波分離素子を示
し、２１ｃは偏波回転素子を示している。また符号２０
ａはシングルモード光ファイバである。

【００３０】本実施形態においては、偏波分離手段１１
から出射される２つの分光３２，３３のうち、第１の偏
波回転手段１２が設けられている方の光路の延長上に、
第２の光路長補正手段２５が設けられており、第１の光
路長補正手段１５が設けられている方の光路の延長上
に、第２の偏波回転手段２２が設けられている。なお、
導波路型光学素子１の出射側における第２の偏波回転手
段２２と第２の光路長補正手段２５の位置を入れ替えて
もよい。

【００３１】かかる構成によれば、第１の偏波分離手段
１１において、入射手段１０側の一方の偏波分離素子１
１ａでは、入射光３１のＳ偏波成分の伝搬方向における
屈折率と、Ｐ偏波成分の伝搬方向における屈折率とが異
なり、この屈折率の差により両偏波成分が互いに異なる
方向に伝搬されるので、該両偏波成分が分離され平行な
２つの分光として出射される。一方の偏波分離素子１１
ａから出射されたＳ偏波成分は、偏波回転素子１１ｃを
透過することによってＰ偏波成分に変換されてから、他
方の偏波分離素子１１ｂに入射される。また一方の偏波
分離素子１１ａから出射されたＰ偏波成分は、偏波回転
素子１１ｃを透過することによってＳ偏波成分に変換さ
れてから、他方の偏波分離素子１１ｂに入射される。他
方の偏波分離素子１１ｂに入射されたＳ偏波成分および
Ｐ偏波成分は、それぞれ前記一方の偏波分離素子１１ａ
内における挙動と同じ挙動を示し、互いに異なる方向に
伝搬され平行な２つの分光として出射される。

【００３２】このように、偏波分離手段１１の一方の偏
波分離素子１１ａにおいてＳ偏波成分として伝搬した光
波は、他方の偏波分離素子１１ｂにおいてはＰ偏波成分
として伝搬する。また一方の偏波分離素子１１ａにおい
てＰ偏波成分として伝搬した光波は、他方の偏波分離素
子１１ｂにおいてはＳ偏波成分として伝搬する。そし
て、両偏波分離素子１１ａ、１１ｂは光路長が互いに等
しいので、一方の偏波分離素子１１ａにおいてＳ偏波成
分とＰ偏波成分との間に生じた光路差は、他方の偏波分
離素子１１ｂにおいて両成分間に生じる光路差によって
相殺され、結果的に第１の偏波分離手段１１において光
路差を生じることなく、Ｓ偏波成分とＰ偏波成分とを分
離してそれぞれ出射することができる。

【００３３】また、偏波分離手段１１から出射された２
つの分光３２，３３のうちの一方に第１の偏波回転手段
１２を設けるとともに、他方の光路上に光路長補正手段
１５を設けることにより、ここで両分光３２，３３の光
路長に差異が生じないようにすることができる。そし
て、第１のプリズム１３および第１のレンズ１４では前
記２つの分光３２，３３に光路差は生じないので、入射
光３１から分離された２つのＰ偏波成分を、光路差が生
じていない状態で、導波路型光学素子１の２つの光導波
路２，３にそれぞれ入射させることができる。

【００３４】一方、偏波分離手段１１を構成している複
屈折率材料からなる２つの偏波分離素子１１ａ、１１ｂ
においては、波長によって屈折率が異なるために波長分
散が生じる。また第１のプリズム１３および第１のレン
ズ１４においても波長分散が生じる。例えば、偏波分離
手段１１から出射される２つの分光３２，３３が互いに
近づく方向を内側方向、互いに離間する方向を外側方向
とすると、偏波分離手段１１における２つの分光３２，
３３の出射位置は、波長が短くなるほど外側へシフト
し、波長が長くなるほど内側へシフトする。したがっ
て、第１のプリズム１３への入射位置は、波長が短くな
るほど外側へシフトするが、第１のプリズム１３におけ
る屈折率は波長が短いほど大きいので、第１のプリズム
１３から出射した２つの分光３２，３３が交差する位置
は、波長が短いほど第１のプリズム１３に近くなる。し
たがって、第１のレンズ１４への入射位置は、波長が短
いほど外側へシフトし、波長が長いほど内側へシフトす
るが、第１のレンズ１４における屈折率は波長が短いほ
ど大きく、波長が長いほど小さいという特性を有するの
で、これにより第１のレンズ１４と導波路型光学素子１
との距離を変化させなくても、各波長の光波を光導波路
２，３の入射端に適切に集光させることが可能となる。
したがって、波長の違いによる光導波路２，３への入射
位置の差を低減させることができ、導波路型光学素子１
の入射側で生じる波長分散の影響によって２つの分光が
それぞれ光導波路２，３に入射する際の結合損失が、波
長によってばらつくのを防止することができる。

【００３５】また、導波路型光学素子１から出射された
２つの光信号（Ｐ偏波成分）は、入射側と対称な光路を
通って合波されるので、導波路型光学素子１の出射側に
おいて光路差を生じることなく合波され、受光手段２０
に入射される。

【００３６】したがって、本実施形態によれば、入射光
３１の偏波状態がランダムであっても、導波路型光学素
子１に入射される光束の偏波状態を常に一定（Ｐ偏波成
分のみ、又はＳ偏波成分のみ）とすることができるの
で、導波路型光学素子１自身が偏波依存性を有していて
も、偏波無依存性のＬＮ光変調器を実現することができ
る。したがって、入射側および出射側における光波の伝
送手段としてシングルモード光ファイバを用いることが
可能となるので、かかるＬＮ光変調器を、シングルモー
ド光ファイバを用いた光伝送路の中途に設けて光通信シ
ステムを構築することが可能となる。また、導波路型光
学素子１には一対のマッハツェンダー型光導波路２，３
が設けられ、それぞれの光導波路２，３において、同時
に同波形の変調信号が印加されるが、導波路型光学素子
１の入射側で２つの分光３２，３３間に生じる光路差が
小さく抑えられているので、該２つのマッハツェンダー
型光導波路２，３をそれぞれ経た光波を合波して得られ
る光信号の波形の乱れが抑えられ、ＬＮ光変調器の高速
応答性が良好となる。

【００３７】さらに、導波路型光学素子１の入射側に設
けられた偏波分離手段１１、第１のプリズム１３、およ
び第１のレンズ１４のそれぞれにおいて波長分散が生じ
るが、第１のプリズム１３から出射された２つの分光３
２，３３を交差させた後に第１のレンズ１４で集光し
て、一対のマッハツェンダー型光導波路２，３にそれぞ
れ入射させることにより、光導波路への結合損失の波長
依存性を小さくすることができる。したがって、比較的
広帯域な波長範囲で動作可能な偏波無依存性のＬＮ光変
調器が得られる。

【００３８】図３は、本実施形態において、第１のプリ
ズム１３の、波長１５００〜１６００ｎｍにおける材料
分散値を６．０１×１０^-7ｐｓ・ｋｍ^-1・ｎｍ^-1とし、
第１のレンズ１４の、波長１５００〜１６００ｎｍにお
ける材料分散値を６．１１×１０^-7ｐｓ・ｋｍ^-1・ｎｍ
^-1として、結合損失の波長依存性をシミュレーションし
た結果を示すグラフである。この図の結果によれば、波
長１．５０〜１．６０μｍ（１５００〜１６００ｎｍ）
の範囲で、結合損失の波長依存性を０．０２ｄＢ以下、
例えば０．０１３ｄＢ程度にまで低減することが可能で
ある。

【００３９】なお、本実施形態では導波路型光学素子を
用いた光学機器として、ＬＮ光変調器を例に挙げて説明
したが、光変調器に限らず、２つの光導波路を有し、自
身が偏波依存性を有する導波路型光学素子を備えてお
り、該導波路型光学素子の２つの光導波路にそれぞれ入
射される２つの光波について、光路差の低減および好ま
しくは波長分散に起因する結合損失の波長依存性の低減
が要求されるものであれば、各種の光学機器に適用可能
である。そして、偏波無依存性と光路差の低減が要求さ
れる場合は、少なくとも、入射手段１０と導波路型光学
素子１との間に、偏波分離手段１１、および第１の偏波
回転手段１２を設け、導波路型光学素子１と受光手段２
０との間に、第２の偏波回転手段２２、および偏波合成
手段２１を設けた構成とすることができる。光路差をよ
り低減させるためには、第１の偏波回転手段と並列して
第１の光路長補正手段１５を設け、第２の偏波回転手段
と並列して第２の光路長補正手段２５を設けることが好
ましい。

【００４０】なお、上記実施形態において、第１および
第２のプリズム１３，２３、および第１および第２のレ
ンズ１４，２４を設けず、これらの代わりに、導波路型
光学素子１の入射側および出射側に、それぞれ２個の集
光レンズ（計４個の集光レンズ）を設けてもよい。すな
わち、偏波分離手段１１から出射された２つの分光３
２，３３が、それぞれ第１の偏波回転手段１２および第
１の光路長補正手段１５を透過した後、該２つの分光３
２，３３の光路上にそれぞれ設けられた集光レンズによ
って２つの光導波路２，３の入射端に集光されるように
構成することもできる。この場合、導波路型光学素子１
から出射された２つの分光３２，３３の光路上にも、そ
れぞれ入射側と対称となるように集光レンズを設ける。
かかる構成によれば、２つの分光３２，３３の、偏波分
離手段１１から出射されてから導波路型光学素子１に入
射されるまでの光路差、および導波路型光学素子１から
出射されてから偏波合成手段２１に入射されるまでの光
路差を低減させることができるほか、偏波分離手段１１
で生じる波長分散を集光レンズで補償することができる
ので、波長分散に起因する結合損失の波長依存性を低減
させることもできる。ただし、この構成にあっては、２
つの分光３２，３３間の距離を、該２つの分光３２，３
３の光路上にそれぞれ集光レンズを設けることができる
程度に大きくする必要があり、導波路型光学素子１の入
射面における２つの光導波路２，３間の距離も、それと
同程度に大きくすることが必要である。したがって、導
波路型光学素子１の小型化および光学機器全体の小型化
という点では上記の実施形態の構成の方がより好まし
い。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、伝
搬光の偏波状態がランダムに変化しても、常に一定の偏
波状態の２つの分光を光導波路に入射させることができ
るとともに、光導波路の入射側で生じる該２つの分光間
の光路差を低減することができる。したがって、偏波依
存性を有する導波路型光学素子への入射光の偏波状態が
ランダムに変化しても、導波路型光学素子が安定して動
作し、かつ通信システムの高速化にも対応し得る偏波無
依存型光学機器が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学機器の一実施形態を示した概略構
成図である。

【図２】図１に示す光学機器の要部を拡大して示したも
ので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

【図３】図１に示す光学機器の特性をシミュレーション
した結果を示すグラフである。

【図４】従来の導波路型光学素子の例を示したもので
（ａ）は要部の概略平面図、（ｂ）は（ａ）中のＢ−Ｂ
線に沿う断面図である。

【図５】光フィルタ素子における偏波無依存性を達成す
るための構成の従来例を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１…導波路型光学素子、２…第１の光導波路、３…第２の光導波路、１１…偏波分離手段、１１ａ、１１ｂ…偏波分離素子、１１ｃ…偏波回転素子、１２…第１の偏波回転手段、１３…第１のプリズム（第１の光路変更手段）、１４…第１のレンズ（第１の集光手段）、１５…第１の光路長補正手段、２１…偏波合成手段、２１ａ、２１ｂ…偏波分離素子、２１ｃ…偏波回転素子、２２…第２の偏波回転手段、２３…第２のプリズム（第２の光路変更手段）、２４…第２のレンズ（第２の集光手段）、２５…第２の光路長補正手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂井猛東京都千代田区六番町６番地28 住友大阪セメント株式会社内 (72)発明者金原勇貴東京都千代田区六番町６番地28 住友大阪セメント株式会社内 (72)発明者時田宏典埼玉県戸田市新曽南３−１−23 株式会社応用光電研究室内 (72)発明者星正幸埼玉県戸田市新曽南３−１−23 株式会社応用光電研究室内 (72)発明者久米政治埼玉県戸田市新曽南３−１−23 株式会社応用光電研究室内Ｆターム(参考） 2H047 KA04 KA12 LA12 MA03 NA02 RA08 TA01 TA11 2H099 AA01 BA17 CA08 CA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの導波路を有する導波路型光学素子の
入射側に、ランダムな偏波状態の入射光をＳ偏波成分と
Ｐ偏波成分とに分離して、平行な２つの分光として出射
する偏波分離手段を設け、該偏波分離手段と前記導波路型光学素子との間におい
て、該偏波分離手段から出射された２つの分光のうちい
ずれか一方の光路上に、Ｓ偏波成分をＰ偏波成分に変換
しかつＰ偏波成分をＳ偏波成分に変換する第１の偏波回
転手段を設け、前記２つの分光の、分離されてから前記導波路型光学素
子に入射されるまでの光路差を低減させる第１の光路長
調整手段を設けるとともに、前記導波路型光学素子の出射側に、前記偏波分離手段と
同じ構成を有する偏波合成手段を設け、該偏波合成手段と前記導波路型光学素子との間におい
て、前記２つの分光のうちいずれか一方の光路上に、前
記第１の偏波回転手段と同じ構成を有する第２の偏波回
転手段を設け、前記２つの分光の、前記導波路型光学素子から出射され
てから合成されるまでの光路差を低減させる第２の光路
長調整手段を設けてなることを特徴とする偏波無依存型
光学機器。
【請求項２】前記偏波分離手段が、ランダムな偏波状態
の入射光をＳ偏波成分とＰ偏波成分とに分離して平行な
２つの分光として出射し得る２個の偏波分離素子の間
に、Ｓ偏波成分をＰ偏波成分に変換しかつＰ偏波成分を
Ｓ偏波成分に変換する偏波回転素子を設けてなり、前記
２個の偏波分離素子は、光路長が互いに等しいことを特
徴とする請求項１記載の偏波無依存型光学機器。
【請求項３】前記２個の偏波分離素子が複屈折材料から
なり、長さが互いに等しいことを特徴とする請求項２記
載の偏波無依存型光学機器。
【請求項４】前記偏波分離手段と前記導波路型光学素子
との間に、前記２つの分光を、前記導波路型光学素子の
前記２つの導波路の入射端にそれぞれ集光させる第１の
集光手段を設け、該第１の集光手段と前記偏波分離手段との間に、前記偏
波分離手段から出射された２つの分光の進行方向を、該
２つの分光の間隔が縮小するように変化させて前記第１
の集光手段に入射させる第１の光路変更手段を、該第１
の光路変更手段と前記第１の集光手段との間で該２つの
分光が交差するように設けるとともに、前記偏波合成手段と前記導波路型光学素子との間に、前
記第１の集光手段と同じ構成を有する第２の集光手段を
設け、該第２の集光手段と前記偏波合成手段との間に、前記第
１の光路変更手段と同じ構成を有し、前記第２の集光手
段を透過した２つの分光の進行方向を、該２つの分光の
間隔が拡大するように変化させて一方の分光を前記第２
の偏波回転手段に入射させる第２の光路変更手段を、該
第２の光路変更手段と前記第２の集光手段との間で該２
つの分光が交差するように設けてなることを特徴とする
請求項１〜３のいずれかに記載の偏波無依存性光学機
器。
【請求項５】前記第１の光路変更手段および第２の光路
変更手段がプリズムからなることを特徴とする請求項４
に記載の偏波無依存型光学機器。
【請求項６】前記導波路型光学素子の入射側におい
て、前記偏波分離手段から出射された２つの分光のうち
前記第１の偏波回転手段が設けられていない方の光路上
に、第１の光路長補正手段を設けるとともに、前記導波路型光学素子の出射側において、前記２つの分
光のうち前記第２の偏波回転手段が設けられていない方
の光路上に、前記第１の光路長補正手段と同じ構成を有
する第２の光路長補正手段を設けてなることを特徴とす
る請求項１〜５のいずれかに記載の偏波無依存型光学機
器。
【請求項７】前記導波路型光学素子が、電気光学効果を
有する材料からなる基板上に、２本の分岐光導波路を備
えたマッハツェンダー型光導波路、および前記２本の分
岐光導波路のうちの一方を導波する光波を変調し得る変
調用電極を備えた第１の導波路と、該第１の光導波路と
同じ構成を有する第２の光導波路を設けてなることを特
徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の偏波無依存型
光学機器。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかに記載の偏波無依
存型光学機器を、シングルモード光ファイバからなる伝
送路の中途に介在させたことを特徴とする光通信システ
ム。