【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信及び光情報処理分野等において使用される偏波分散補償器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報通信需要の増加にともない、１波長当りの通信速度は近年飛躍的に増大している。一方で長距離大容量伝送を実現するためには、偏波分散の問題が顕在化している。偏波分散の影響で信号波形の劣化が生じるために、光通信の品質を低下させる一要因となっている。特に１波長（１チャンネル）当りの通信容量が４０Ｇｂｐｓを超える超高速光通信においては、偏波分散の影響は極めて大であり、このような超高速光通信を実現する上では、偏波分散補償技術の確立が急務となっている。
【０００３】
ここで、光伝送路における偏波分散について説明する。光伝送路である光ファイバは本来光学的には等方である。しかしながら、ファイバのコアの偏芯や、ファイバの曲げなどにより局所的にかかる応力が影響し複屈折率が生じる。すなわち、２つの直交した偏光モード間で光波の感じる屈折率が異なるために、それぞれの偏光モード間で群速度が異なり、ある一定距離を信号光が伝送路中を伝播したとき、両偏光モード間で伝送路終端における到達時間差が生じることになる。この到達時間差を群遅延差という。
【０００４】
本出願人は偏波分散の問題に着目し特許文献１、２を、また無偏波分散型光アイソレータとして特許文献３，４を提案してきた。しかしながら、以下の理由で広汎な偏波補償器は光通信技術における必須デバイスとなりつつある。
【０００５】
４０Ｇｂｐｓの光伝送において、１信号ビットパルスは高々２５ｐｓ程度である。仮に光伝送路の群遅延差が数ｐｓ（ピコセカンド：１０−１２秒）生じれば、通信品質に影響することは容易に理解できるし、現実に上記群遅延差は決して無視できない量である。
【０００６】
また、偏波分散量は外部環境に大きく影響され、光ファイバ伝送路の温度や応力の変化に伴って常に変動している。このために可変の偏波補償技術が必要とされている。
【０００７】
近年、偏波分散の問題が顕在化するにいたって、色々な偏波分散補償方法が提案されている。例えば、特許文献５に示されているように、波長分散デバイス内で生じる偏波分散を、光の伝播速度が遅い偏波成分軸である遅軸と、速い偏波成分軸である速軸に対し、前記遅軸には速軸、前記速軸には遅軸を配した複屈折線路で補償する方法が提案されている。
【０００８】
また、特許文献６においては、偏波分散を補償しようとする光ファイバに対し複屈折光ファイバを回転させ、偏波分散の極小値において双方の光ファイバを融着接続する技術が提案されている。
【０００９】
また、特許文献７においては、偏波変調器が有する偏波分散特性を偏波変調器の遅軸と速軸に対し直交して複屈折率デバイスの遅軸、速軸が配置されることで補償する方法が提案されている。
【００１０】
また、特許文献８においては、石英系導波路を用いて複数の遅延回路、及び熱光学効果により遅延量を制御するための薄膜ヒータを用いた可変偏波分散補償デバイスが提案されている。
【００１１】
また、特許文献９においては、複屈折材料であり、且つ光電材料であるニオブ酸リチウム結晶上に複数のＴＥ−ＴＭ変換器を設け、それぞれの変換器を独立に制御することで可変な偏波分散補償デバイスが提案されている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平８−９４９７１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２１５４４６号公報
【特許文献３】
特開平８−９４９７１号公報
【特許文献４】
特開２００１−２１５４４６号公報
【特許文献５】
特許第２９３１２０８号公報
【特許文献６】
特開２０００−３１５９８１号公報
【特許文献７】
特開２０００−６６０５５２号公報
【特許文献８】
特開２００１−２１８４８号公報
【特許文献９】
特表２００２−５２０６６５号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の偏波分散補償デバイスにおいては、以下のような問題点がある。前記特許文献５，６のような方法を偏波分散補償デバイスとして用いる場合、上記に述べた如く可変な偏波分散補償が困難となる。前述したように、一般の光伝送路においては、周囲環境変化等の影響により偏光状態は常に変動する。すなわち、前段の偏光状態が常に一定或いはある一時点で偏波分散量が極小値を持つように調整したとしても、ある時間経過後に最適であるとはいえない。つまり、既知の偏波分散量補償については有効ではあるが、一般の偏波分散補償デバイスしては用いることができない。
【００１４】
また、特許文献８における方法は以下の点に問題がある。大規模な光回路が必要となるために光回路基板が大変高価になるという点である。また、遅延量制御として熱光学効果を用いているために、ヒータに電流を流しつづけなければならず、大量の電力を消費するという点である。さらに、熱光学効果を用いているために十分に高速の応答ができないという問題点もある。
【００１５】
また、特許文献９における方法は以下の点に問題がある。複数のＴＥ‐ＴＭ変換器を高価なニオブ酸リチウム基板上に設けているが、デバイスサイズが大きくなり高価になる。また、複数の前記変換器を制御する必要があり、電気制御構成が複雑になるという問題を有する。
【００１６】
そこで本発明は、上記問題点を鑑み、可動部を有さず電気的に高速応答し、且つ安価で簡便な可変偏波分散補償器を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の偏波分散補償器は、電気光学効果を有する光学単結晶基板上に制御電極が形成され、該制御電極への電圧印加により偏光モードが任意に制御できる偏光変換器を備えるとともに、該偏光変換器の光入力側及び光出力側のそれぞれに複屈折性光ファイバを配置したことを特徴とする。
【００１８】
また、電気光学効果を有する光学単結晶基板上に制御電極が形成され、該制御電極への電圧印加により偏光モードが任意に制御できる偏光変換器を備えるとともに、該偏光変換器の光入力側にシングルモード光ファイバを、光出力側に複屈折性光ファイバをそれぞれ配置したことを特徴とする偏波分散補償器としてもよい。
【００１９】
また、特に前記複屈折性光ファイバが複屈折性偏波保持ファイバであること、前記偏光変換器の両端に配した複屈折性光ファイバの双方の長さが異なること、前記複屈折性光ファイバがフォトニックバンドギャップファイバであることをそれぞれ特徴とする。
【００２０】
本発明の構成は、図１に示すように偏光変換器の両端に複屈折線路を設けたことを基本とする。まず、本発明の基本原理について説明する。図３に示すように、複屈折線路としてＰＡＮＤＡファイバ１２及びＰＡＮＤＡファイバ１３を相対向させ、前記ＰＡＮＤＡファイバ１３をファイバ軸中心に回転させたときの直交２つの偏光モード間群遅延差を測定した。
【００２１】
予めＰＡＮＤファイバ１２、及びＰＡＮＤＡファイバ１３の群遅延差を測定した結果、それぞれ４ｐｓ及び５ｐｓであった。同じ測定系で前記ＰＡＮＤＡファイバ１２を固定し、ＰＡＮＤＡファイバ１３をファイバ軸上で回転させ、同時に群遅延差を測定した結果を図４に示す。
【００２２】
ＰＡＮＤＡファイバ１２の遅軸及び速軸が、ＰＡＮＤＡファイバ１３の遅軸及び速軸に一致するように配置した時に、全体の群遅延差は約９ｐｓの値が得られた。
【００２３】
逆に、ＰＡＮＤＡファイバ１２の遅軸及び速軸が、ＰＡＮＤＡファイバ１３の遅軸及び速軸が直交した時に、全体の群遅延差として約１ｐｓの値が得られた。すなわち、後段（この場合はＰＡＮＤＡファイバ１３）に入射する偏光光の偏光角を制御することにより、ある範囲で任意の群遅延差制御が可能であることが確認できた。
【００２４】
以上の現象を踏まえ、本発明は前段複屈折性偏波保持ファイバと後段複屈折性偏波保持ファイバ間に、偏光モード変換器を配置して本変換器で任意の偏光状態を制御することにより、群遅延差を可変に調整する構成を基本とする。
【００２５】
本発明によれば、光電光学効果を有する光学単結晶基板上に制御電極が形成され、電圧印加により偏光モードが任意に制御できる偏光変換器を備え、前記偏光変換器の両端に複屈折性光ファイバ（または、入力側をシングルモード光ファイバとし、出力側を複屈折性光ファイバとする）を配置する構成とする。この構成により、後段の複屈折光ファイバに入射する光の偏光状態を制御でき、後段複屈折性光ファイバで生じる群遅延差量を制御することができる。
【００２６】
また、前記偏光変換器がニオブ酸リチウム単結晶基板より成り、且つ基板表面に周期電界が印加できる電極を配置した構成とする。ニオブ酸リチウムの有する電気光学特性により、２つの直交した偏光モード間でパワーの結合が生じ２つの直交したモード間の変換が可能となる。また、周期電界が発生するような電極構成をとれば、２つの偏光モードの伝播定数差を補償でき、効果的に２つの直交モード間でパワーの移行が実現できる。
【００２７】
また、前記複屈折性光ファイバが複屈折性偏波保持ファイバである構成をする。必要とされる偏波分散補償量に対し、前記複屈折性偏波保持ファイバの長さを調整するればよい。
【００２８】
また、前記偏光変換器の両端に配した複屈折性光ファイバの双方の長さが異なる構成とする。本構成により、前段複屈折光ファイバの入射端において、入射光が前記前段複屈折光ファイバの遅軸に対し進んだ偏光光である場合、或いは前記前段複屈折光ファイバの遅軸に対し遅れた偏光光である場合の任意の状態への対応が可能となる。
【００２９】
また、前記複屈折性光ファイバがフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）ファイバである構成とする。このことにより、複屈折光ファイバとして非常に高い複屈折性を実現できる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３１】
図１は本発明の基本形態を示したものである。１１は電圧で任意の偏光状態が制御できる偏光変換器である。前記偏光変換器の両端には複屈折性光ファイバ１２、及び１３が接続されている。例えば、複屈折性光ファイバ１２一端に任意の群遅延差の状態にある信号光を入射させたときに、偏光変換器１１に印加させる電圧値を変化させることで複屈折性光ファイバ１３の出射端から出射される信号光の群遅延差が零になるように調整される。ここで、複屈折性光ファイバ１２、偏光変換器１１、及び複屈折性光ファイバ１３の群遅延差をそれぞれＤ１、Ｄ２、Ｄ３とする。このようにして、電気光学効果を有する光学単結晶基板上に制御電極が形成され、該制御電極への電圧印加により偏光モードが任意に制御できる偏光変換器１１を備え、偏光変換器１１の光入力側及び光出力側のそれぞれに複屈折性光ファイバ１２，１３を配置している。
【００３２】
最初に前記複屈折性光ファイバ１２、偏光変換器１１、及び複屈折性光ファイバ１３の直交する偏光モードに対応する遅軸、速軸を全て一致させた場合を考える。
【００３３】
偏光変換器１１には電圧を印加しないとき、全体の群遅延差はＤ１＋Ｄ２＋Ｄ３となる。一方、偏光変換器に電圧を印加し、２つの直交する偏光モードが１００％変換されたとすると、偏光変換器内で生じる群遅延差はキャンセルされるから、結局Ｄ１−Ｄ３が全体の群遅延差である。当然、偏光変換器内で直交する偏光モードが１００％変換されない場合、Ｄ１−Ｄ３＜ ＤＴｏｔａｌ ＜Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３となることは容易に理解できる。
【００３４】
複屈折性光ファイバ１２、１３は複屈折性を持つ光伝送線路であれば特に制限はないが、複屈折性偏波保持ファイバが最も容易に入手でき適当である。また、想定される偏波分散補償量に応じて、複屈折性光ファイバの長さを選ぶことで容易に調整可能である。
【００３５】
次に、電圧応答型偏光変換器１１の詳細について図２を用いて説明する。２１はＹカットニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）単結晶基板である。ニオブ酸リチウム基板の表面にはＴｉを熱拡散させることで、僅かに屈折率を増加させたＴｉ熱拡散光導波路がニオブ酸リチウム結晶内ｘ軸方向（結晶軸をｚ軸とする）に形成されている。また、ニオブ酸リチウム基板の導波路形成面上にはＳｉＯ２より成るバッファ層２２が形成されている。バッファ層２４上には櫛型電極２４が形成されている。
【００３６】
次に、偏光変換器各部について作製プロセスを含め詳細を説明する。
【００３７】
まず、Ｔｉ熱拡散光導波路の作製方法について述べる。ニオブ酸リチウム基板上にフォトリソグラフィー技術及び金属Ｔｉ蒸着技術により、所望の導波路部分のパターンを約１０００オングストロームの膜厚で作製する。その後、酸素雰囲気中約１０００℃で数時間熱処理を行うことで、Ｔｉ元素がニオブ酸リチウム基板内に熱拡散する。Ｔｉの濃度に比例し局所的に屈折率が大きくなる部分が生じ光導波路が形成される。
【００３８】
光導波路を伝播する光波偏光モードの変換は、ニオブ酸リチウムｙ軸方向に電界を印加することで行うことができるが、ニオブ酸リチウム基板上２１上に直接電極２４を形成した場合、僅かに基板表面に染み出した電界が電極内に侵入し大きな損失をなる場合がある。特にこのような現象は、基板に垂直な方向に電界振幅成分を有する偏光モード（ＴＭモードと記す）に顕著に現れ、この不具合の解消を目的とし、電極２４は膜厚数１０００オングストローム程度のＳｉＯ２バッファ層２２を介して形成される。ＳｉＯ２バッファ層の形成方法は色々考えられるが、スパッタ等の方法が簡便で適当である。また、バッファ層は透明絶縁膜であればＳｉＯ２にこだわるものではなく、その他の酸化物、窒化物等の透明絶縁材料であっても特に構わない。
【００３９】
電極２４は前記Ｔｉ薄膜パターン形成と同様な方法で形成される。電極材料は特に限られることはないが、金属Ｃｒ、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｎｉ等の下地電極上にＡｕを形成たものが適当である。その他Ａｌ等の金属電極を用いても何ら問題はない。基本的にはニオブ酸リチウム基板内ｙ軸方向に電界を印加し、光をｘ軸方向に伝播させることで導波路内を伝播する伝播光の偏光モードを変換させることはできる。
【００４０】
しかしながら、ニオブ酸リチウム基板が複屈折性を有しているため導波路で直交する偏光モード間での伝播速度が異なる。また、光導波路構造も２つの直交モードの伝播速度に影響を与える。すなわち、ｙ軸方向に電界を印加するだけでは、２つの直交した偏光モード間で効率的にパワーの移行が生じ得ない。このために、周期的電界を印加することで、前述の２つの直交した偏光モード間の位相差を補償して効率的な偏光モードの変換が実現できる。周期電界を実現するために、２対の櫛上電極を光導波路上に形成し、２対の櫛状電極間に電位差を加える形態が最も簡便である。電極周期は、光導波路２３を伝播する光波の２つの直交した偏光モードの実効屈折率差から約２１μｍが適当であると求めることができる。
【００４１】
電極幅、電極間隙は適宜調整可能であるが、１：１が最も単純で簡単な構成である。ニオブ酸リチウムの電気光学定数から、バッファ層膜厚、導波路構造を最適化すれば、電圧は数から数１０Ｖ程度、偏光変換素子長が１０ｍｍ程度で２つの直交する偏光モード間で完全な移行を実現できる。
【００４２】
なお、上記説明において最も単純な櫛状電極構成を用いたが、ニオブ酸リチウム基板のｙ軸方向に周期電界を印加する方法では、前記櫛状構造に限定される必要はない。最も重要なことは、光の伝播方向を結晶ｘ軸方向とし、ｙ軸方向に周期電界を印加しすればよいわけであるから、電極構造を最適化すればＺカットニオブ酸リチウム基板を用いることも可能である。
【００４３】
次に、偏光変換器の両端に接続される複屈折性光ファイバの長さについて説明する。最も簡単な構成は前記両端に接続される１対の複屈折性光ファイバ長を等しくする構成である。偏光変換器１１の群遅延差をＤｐ、複屈折光ファイバ１２、１３の群遅延差をＤＦとし、偏光変換器で２つの直交する偏光モード間で１００％の偏光変換を行った場合、群遅延差の補償レンジＤは ０＜Ｄ＜Ｄｐ＋２ＤＦである。
【００４４】
しかしながら、一般に偏波分散補償器は、前段複屈折光ファイバの入射端において、入射光が前記前段複屈折光ファイバの遅軸に対し進んだ偏光光である場合、或いは前記前段複屈折光ファイバの遅軸に対し遅れた偏光光である場合の任意の状態への対応が必要である。
【００４５】
ここで、前段の複屈折性光ファイバ１２の群遅延差をＤＦ１、後段の複屈折性光ファイバ１３の群遅延差をＤＦ２（＞ＤＦ１）とするとＤのレンジは、ＤＦ１−ＤＦ２＋Ｄｐ＜Ｄ＜ＤＦ１＋ＤＦ２＋Ｄｐとなる。すなわちＤＦ２を十分に大きくすれば、正負の任意の状態で偏波分散補償が可能となる。
【００４６】
偏光変換器としてニオブ酸リチウム基板を使用した場合、ニオブ酸リチウム複屈折性より素子長当りの群遅延差は２．７ｐｓ／ｃｍである。素子長を１ｃｍとし、複屈折性光ファイバとしてＰＡＮＤＡファイバを用いた場合、ＰＡＮＤＡファイバの長さ当りの群遅延差は２ｐｓ／ｍ程度であるから、±１０ｐｓのレンジで補償が必要であれば、両端ＰＡＮＤＡファイバ長はそれぞれ約５ｍ、１１．５ｍであればよい。また、光ファイバ長を調整することは容易であるから、それ以上の群遅延差補償が要求されるにおいても容易に対応可能である。
【００４７】
上記複屈折性光ファイバに大きな複屈折性を持たせることができれば、前記複屈折性光ファイバ１２、１３の長さを短くすることが可能である。このような大きな複屈折性光ファイバにフォトニックバンドギャップファイバを用いることも可能であり、前記複屈折光ファイバ長を短くすることができ、延いてはデバイスサイズが小さい偏波分散補償器を提供できる。
【００４８】
【実施例】
基板としてＹカットニオブ酸リチウム単結晶基板を用いた。ニオブ酸リチウム単結晶基板上にフォトリソグラフィー技術、及び金属Ｔｉ蒸着技術を用い幅数μｍ程度、厚さ約１０００オングストロームのＴｉラインを形成した。
【００４９】
その後、基板を酸素雰囲気中約１０００℃でＴｉ元素を基板中に熱拡散させ光導波路を形成した。
【００５０】
また、バッファ層としてＳｉＯ２をスパッタで厚さ約２０００オングストローム形成し、バッファ層上に１対の櫛上Ａｕ電極を形成した。
【００５１】
ダイシングによりウエハから素子を素子長１０ｍｍで切り出し、両端を端面研磨した後パッケージに収納した。複屈折性光ファイバとして数ｍのＰＡＮＤＡファイバを用いた。
【００５２】
ＰＡＮＤＡファイバと素子の光学接続は、パッケージ両端に付属されたレンズを介して行い、最終的に上述した優れた効果を奏する偏波分散補償デバイスを完成させることができた。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明したように本発明によれば、光電光学効果を有する光学単結晶基板上に制御電極が形成され、電圧印加により偏光モードが任意に制御できる偏光変換器を備え、前記偏光変換器の両端に複屈折性光ファイバを配置したことにより、高価な偏光変換器をできるだけ簡略化することができる。また、複屈折線路をして安価な複屈折性光ファイバを用いることにより、安価な偏波分散補償器を提供できる。
【００５４】
また、前記偏光変換器がニオブ酸リチウム単結晶基板より成り、且つ基板表面に周期電界が印加できる電極が配置される構成とすることで、ニオブ酸リチウム単結晶の電気光学効果を利用した高速応答な偏波分散補償器が実現できる。
【００５５】
また、前記複屈折性光ファイバを入手が容易な複屈折性偏波保持ファイバとすることでさらに安価な偏波分散補償器を提供できる。
【００５６】
また、前記偏光変換器の両端に配した複屈折性光ファイバの双方の長さが異なる構成とすることで、あらゆる偏光状態に対応できる偏波分散補償器が提供できる。
【００５７】
さらに、前記複屈折性光ファイバがフォトニックバンドギャップファイバである構成とすることで、前記複屈折光ファイバ長を短くすることができ、延いてはデバイスサイズが小さい偏波分散補償器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成を模式的に説明する概略構成図である。
【図２】本発明における偏光変換器を模式的に説明する斜視図である。
【図３】本発明の原理を模式的に説明する斜視図である。
【図４】本発明の原理実験を説明するグラフである。
【符号の説明】
１１：偏光変換器
１３：複屈折性光ファイバ
２１：基板
２２：バッファ層
２３：光導波路
２４：周期電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a polarization dispersion compensator used in optical communication and optical information processing fields.
[0002]
[Prior art]
With the increase in demand for information communication, the communication speed per wavelength has been dramatically increased in recent years. On the other hand, in order to realize long-distance large-capacity transmission, the problem of polarization dispersion has become apparent. Since the signal waveform is degraded due to the influence of the polarization dispersion, this is one factor that degrades the quality of optical communication. In particular, in ultra-high-speed optical communication in which the communication capacity per wavelength (one channel) exceeds 40 Gbps, the effect of polarization dispersion is extremely large. In order to realize such ultra-high-speed optical communication, polarization dispersion compensation is required. The establishment of technology is urgently needed.
[0003]
Here, the polarization dispersion in the optical transmission line will be described. An optical fiber, which is an optical transmission path, is optically isotropic in nature. However, stress applied locally due to eccentricity of the core of the fiber, bending of the fiber, or the like affects the birefringence. That is, since the refractive index felt by the light wave is different between the two orthogonal polarization modes, the group velocities are different between the respective polarization modes. Causes a difference in arrival time at the end of the transmission path. This arrival time difference is called a group delay difference.
[0004]
The present applicant has focused on the problem of polarization dispersion and has proposed Patent Literatures 1 and 2 and Patent Literatures 3 and 4 as non-polarization dispersion type optical isolators. However, extensive polarization compensators are becoming essential devices in optical communication technology for the following reasons.
[0005]
In optical transmission at 40 Gbps, one signal bit pulse is at most about 25 ps. If the group delay difference of the optical transmission line is several ps (picosecond: 10-12 seconds), it is easy to understand that it affects the communication quality, and the group delay difference is an amount that cannot be ignored in practice. .
[0006]
Also, the amount of polarization dispersion is greatly affected by the external environment, and constantly fluctuates with changes in the temperature and stress of the optical fiber transmission line. Therefore, a variable polarization compensation technique is required.
[0007]
In recent years, as the problem of polarization dispersion has become apparent, various polarization dispersion compensation methods have been proposed. For example, as shown in Patent Literature 5, polarization dispersion generated in a chromatic dispersion device is divided into a slow axis that is a polarization component axis having a slow propagation speed of light and a fast axis that is a fast polarization component axis. On the other hand, there has been proposed a method of compensating by a birefringent line having a fast axis on the slow axis and a slow axis on the fast axis.
[0008]
Patent Document 6 proposes a technique in which a birefringent optical fiber is rotated with respect to an optical fiber whose polarization dispersion is to be compensated, and both optical fibers are fusion-spliced at a minimum value of the polarization dispersion. .
[0009]
Further, in Patent Document 7, the polarization dispersion characteristic of the polarization modulator is set so that the slow axis and the fast axis of the birefringence device are arranged orthogonal to the slow axis and the fast axis of the polarization modulator. Compensation methods have been proposed.
[0010]
Patent Document 8 proposes a variable polarization dispersion compensation device using a plurality of delay circuits using a quartz-based waveguide and a thin-film heater for controlling a delay amount by a thermo-optic effect.
[0011]
Further, in Patent Document 9, a plurality of TE-TM converters are provided on a lithium niobate crystal, which is a birefringent material and a photoelectric material, and each of the converters is independently controlled to change the polarization. Dispersion compensation devices have been proposed.
[0012]
[Patent Document 1]
JP-A-8-94971 [Patent Document 2]
JP 2001-215446 A [Patent Document 3]
JP-A-8-94971 [Patent Document 4]
JP 2001-215446 A [Patent Document 5]
Japanese Patent No. 2931208 [Patent Document 6]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-315981 [Patent Document 7]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-660552 [Patent Document 8]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-21848 [Patent Document 9]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2002-520665
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional polarization dispersion compensation device has the following problems. When a method as disclosed in Patent Documents 5 and 6 is used as a polarization dispersion compensation device, variable polarization dispersion compensation becomes difficult as described above. As described above, in a general optical transmission line, the polarization state always fluctuates due to the influence of changes in the surrounding environment and the like. That is, even if the polarization state in the preceding stage is always constant or adjusted so that the amount of polarization dispersion has a minimum value at a certain point in time, it cannot be said that it is optimal after a certain time has elapsed. That is, although the known polarization dispersion compensation is effective, it cannot be used as a general polarization dispersion compensation device.
[0014]
Further, the method in Patent Document 8 has the following problems. This is because an optical circuit board becomes very expensive because a large-scale optical circuit is required. Further, since the thermo-optic effect is used as the delay amount control, a current must be continuously supplied to the heater, and a large amount of power is consumed. Further, there is a problem that a sufficiently high-speed response cannot be performed due to the use of the thermo-optic effect.
[0015]
Further, the method in Patent Document 9 has the following problems. Although a plurality of TE-TM converters are provided on an expensive lithium niobate substrate, the device size increases and the cost increases. Further, it is necessary to control a plurality of the converters, and there is a problem that an electric control configuration is complicated.
[0016]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an inexpensive and simple variable polarization dispersion compensator that does not have a movable portion, responds electrically at high speed, and is inexpensive.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the polarization dispersion compensator of the present invention, a control electrode is formed on an optical single crystal substrate having an electro-optic effect, and a polarization mode can be arbitrarily controlled by applying a voltage to the control electrode. A polarization converter is provided, and a birefringent optical fiber is arranged on each of a light input side and a light output side of the polarization converter.
[0018]
In addition, a control electrode is formed on an optical single crystal substrate having an electro-optical effect, and a polarization converter that can arbitrarily control a polarization mode by applying a voltage to the control electrode is provided, and a light input side of the polarization converter is provided. The single mode optical fiber may be a polarization dispersion compensator in which a birefringent optical fiber is arranged on the light output side.
[0019]
Further, in particular, the birefringent optical fiber is a birefringent polarization maintaining fiber, the birefringent optical fibers disposed at both ends of the polarization converter have different lengths, the birefringent optical fiber Is a photonic bandgap fiber.
[0020]
The configuration of the present invention is based on the provision of birefringent lines at both ends of the polarization converter as shown in FIG. First, the basic principle of the present invention will be described. As shown in FIG. 3, a PANDA fiber 12 and a PANDA fiber 13 were opposed to each other as a birefringent line, and the group delay difference between two orthogonal polarization modes when the PANDA fiber 13 was rotated around the fiber axis was measured.
[0021]
The group delay difference between the PAND fiber 12 and the PANDA fiber 13 was measured in advance, and was 4 ps and 5 ps, respectively. FIG. 4 shows the result of measuring the group delay difference while fixing the PANDA fiber 12 and rotating the PANDA fiber 13 on the fiber axis in the same measurement system.
[0022]
When the slow axis and the fast axis of the PANDA fiber 12 were arranged so as to coincide with the slow axis and the fast axis of the PANDA fiber 13, a total group delay difference of about 9 ps was obtained.
[0023]
Conversely, when the slow axis and the fast axis of the PANDA fiber 12 were perpendicular to the slow axis and the fast axis of the PANDA fiber 13, a value of about 1 ps was obtained as the total group delay difference. That is, it was confirmed that by controlling the polarization angle of the polarized light incident on the subsequent stage (in this case, the PANDA fiber 13), it is possible to control an arbitrary group delay difference within a certain range.
[0024]
Based on the above phenomena, the present invention is to arrange a polarization mode converter between the former birefringent polarization maintaining fiber and the latter birefringent polarization maintaining fiber, and to control an arbitrary polarization state with the present converter. , A configuration for variably adjusting the group delay difference.
[0025]
According to the present invention, a control electrode is formed on an optical single crystal substrate having a photoelectric optical effect, and a polarization converter capable of arbitrarily controlling a polarization mode by applying a voltage is provided. A fiber (or a single mode optical fiber on the input side and a birefringent optical fiber on the output side) is arranged. With this configuration, it is possible to control the polarization state of the light incident on the subsequent birefringent optical fiber, and to control the group delay difference generated in the latter birefringent optical fiber.
[0026]
Further, the polarization converter is made of a lithium niobate single crystal substrate, and an electrode capable of applying a periodic electric field is arranged on the substrate surface. Due to the electro-optical properties of lithium niobate, power coupling occurs between two orthogonal polarization modes and conversion between the two orthogonal modes becomes possible. In addition, if the electrode configuration is such that a periodic electric field is generated, the difference between the propagation constants of the two polarization modes can be compensated, and power can be effectively transferred between the two orthogonal modes.
[0027]
Further, the birefringent optical fiber is a birefringent polarization maintaining fiber. The length of the birefringent polarization maintaining fiber may be adjusted to the required amount of polarization dispersion compensation.
[0028]
The birefringent optical fibers disposed at both ends of the polarization converter have different lengths. According to this configuration, at the input end of the pre-birefringent optical fiber, when the incident light is polarized light advanced with respect to the slow axis of the pre-birefringent optical fiber, or delayed with respect to the slow axis of the pre-birefringent optical fiber. It is possible to cope with an arbitrary state when the light is polarized light.
[0029]
Further, the birefringent optical fiber is a photonic band gap (PBG) fiber. Thus, a very high birefringence can be realized as a birefringent optical fiber.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0031]
FIG. 1 shows a basic embodiment of the present invention. Reference numeral 11 denotes a polarization converter that can control an arbitrary polarization state by voltage. Birefringent optical fibers 12 and 13 are connected to both ends of the polarization converter. For example, when signal light having an arbitrary group delay difference state is made incident on one end of the birefringent optical fiber 12, the output value of the birefringent optical fiber 13 is changed by changing the voltage value applied to the polarization converter 11. It is adjusted so that the group delay difference of the signal light emitted from the end becomes zero. Here, the birefringent optical fibers 12, the polarization converter 11, and differential group delay of the birefringent optical fibers 13 and D 1, D 2, D 3, respectively. In this manner, the control electrode is formed on the optical single crystal substrate having the electro-optical effect, and the polarization converter 11 having the polarization mode arbitrarily controllable by applying a voltage to the control electrode is provided. Birefringent optical fibers 12 and 13 are arranged on the input side and the light output side, respectively.
[0032]
First, consider a case where the slow axis and the fast axis of the birefringent optical fiber 12, the polarization converter 11, and the birefringent optical fiber 13 corresponding to orthogonal polarization modes are all matched.
[0033]
When no voltage is applied to the polarization converter 11, the group delay difference between total becomes D 1 + D 2 + D 3 . On the other hand, if a voltage is applied to the polarization converter and the two orthogonal polarization modes are converted by 100%, the group delay difference generated in the polarization converter is canceled, so that D 1 -D 3 eventually become the entire group. This is the delay difference. Of course, if the orthogonal polarization modes are not 100% converted in the polarization converter, it can be easily understood that D1−D3 <D Total <D 1 + D 2 + D 3 .
[0034]
The birefringent optical fibers 12 and 13 are not particularly limited as long as they are optical transmission lines having birefringence, but a birefringent polarization maintaining fiber is most easily available and suitable. In addition, it can be easily adjusted by selecting the length of the birefringent optical fiber according to the assumed amount of polarization dispersion compensation.
[0035]
Next, details of the voltage-responsive polarization converter 11 will be described with reference to FIG. Reference numeral 21 denotes a Y-cut lithium niobate (LiNbO 3 ) single crystal substrate. By thermally diffusing Ti on the surface of the lithium niobate substrate, a Ti heat diffusion optical waveguide having a slightly increased refractive index is formed in the lithium niobate crystal in the x-axis direction (the crystal axis is the z-axis). ing. A buffer layer 22 made of SiO 2 is formed on the waveguide forming surface of the lithium niobate substrate. A comb electrode 24 is formed on the buffer layer 24.
[0036]
Next, each part of the polarization converter will be described in detail including a manufacturing process.
[0037]
First, a method for manufacturing a Ti thermal diffusion optical waveguide will be described. A desired waveguide pattern is formed on the lithium niobate substrate by photolithography and metal Ti vapor deposition with a thickness of about 1000 Å. Thereafter, heat treatment is performed for several hours at about 1000 ° C. in an oxygen atmosphere, whereby the Ti element thermally diffuses into the lithium niobate substrate. A portion where the refractive index locally increases in proportion to the concentration of Ti is generated, and an optical waveguide is formed.
[0038]
The conversion of the polarization mode of the light wave propagating through the optical waveguide can be performed by applying an electric field in the y-axis direction of lithium niobate. The electric field seeping out of the surface may enter the electrode and cause a large loss. In particular, such a phenomenon remarkably appears in a polarization mode (hereinafter, referred to as a TM mode) having an electric field amplitude component in a direction perpendicular to the substrate. For the purpose of solving this problem, the electrode 24 is made of SiO2 having a film thickness of about 1000 Å. It is formed via the buffer layer 22. There are various methods for forming the SiO2 buffer layer, but a method such as sputtering is simple and appropriate. Further, the buffer layer is not limited to SiO2 as long as it is a transparent insulating film, and a transparent insulating material such as another oxide or nitride may be used.
[0039]
The electrode 24 is formed in the same manner as in the formation of the Ti thin film pattern. The electrode material is not particularly limited, but a material in which Au is formed on a base electrode of metal Cr, Ti / Pt, Ti / Ni, or the like is suitable. There is no problem even if a metal electrode such as Al is used. Basically, by applying an electric field in the y-axis direction in the lithium niobate substrate and propagating the light in the x-axis direction, the polarization mode of the propagating light propagating in the waveguide can be converted.
[0040]
However, since the lithium niobate substrate has birefringence, the propagation speed between the orthogonal polarization modes in the waveguide is different. The optical waveguide structure also affects the propagation speed of the two orthogonal modes. That is, simply applying an electric field in the y-axis direction does not allow efficient power transfer between two orthogonal polarization modes. For this reason, by applying a periodic electric field, the phase difference between the two orthogonal polarization modes described above can be compensated, and efficient polarization mode conversion can be realized. In order to realize a periodic electric field, the simplest form is to form two pairs of comb-shaped electrodes on the optical waveguide and apply a potential difference between the two pairs of comb-shaped electrodes. The electrode period can be determined to be appropriately about 21 μm from the effective refractive index difference between two orthogonal polarization modes of the light wave propagating through the optical waveguide 23.
[0041]
Although the electrode width and the electrode gap can be appropriately adjusted, 1: 1 is the simplest and simplest configuration. If the thickness of the buffer layer and the waveguide structure are optimized based on the electro-optic constant of lithium niobate, the voltage is about several to several tens of volts, the length of the polarization conversion element is about 10 mm, and there is a perfect transition between two orthogonal polarization modes. Can be realized.
[0042]
Although the simplest comb-shaped electrode configuration is used in the above description, the method of applying a periodic electric field in the y-axis direction of the lithium niobate substrate does not need to be limited to the comb-shaped structure. The most important thing is that the direction of light propagation should be the crystal x-axis direction and a periodic electric field should be applied in the y-axis direction. Therefore, if the electrode structure is optimized, a Z-cut lithium niobate substrate should be used. Is also possible.
[0043]
Next, the length of the birefringent optical fiber connected to both ends of the polarization converter will be described. The simplest configuration is a configuration in which the length of a pair of birefringent optical fibers connected to both ends is equal. When the group delay difference of the polarization converter 11 is D p , the group delay difference of the birefringent optical fibers 12 and 13 is D F, and the polarization converter performs 100% polarization conversion between two orthogonal polarization modes, compensation range D of the group delay difference is 0 <D <D p + 2D F.
[0044]
However, in general, the polarization dispersion compensator is provided at the input end of the pre-birefringent optical fiber when the incident light is polarized light advanced with respect to the slow axis of the pre-birefringent optical fiber, or It is necessary to cope with an arbitrary state when the polarized light is delayed with respect to the slow axis.
[0045]
Here, assuming that the group delay difference of the front-stage birefringent optical fiber 12 is D F1 and the group delay difference of the rear-stage birefringent optical fiber 13 is D F2 (> D F1 ), the range of D is D F1 −D the F2 + D p <D <D F1 + D F2 + D p. That is, if DF2 is sufficiently increased, polarization dispersion compensation can be performed in any positive or negative state.
[0046]
When a lithium niobate substrate is used as the polarization converter, the group delay difference per element length is 2.7 ps / cm due to lithium niobate birefringence. If the element length is 1 cm and a PANDA fiber is used as the birefringent optical fiber, the group delay difference per PANDA fiber length is about 2 ps / m, so if compensation is required in the range of ± 10 ps, The PANDA fiber lengths at both ends may be about 5 m and 11.5 m, respectively. Further, since it is easy to adjust the length of the optical fiber, it is possible to easily cope with a case where a further greater difference in group delay is required.
[0047]
If the birefringent optical fiber can be provided with large birefringence, the length of the birefringent optical fibers 12 and 13 can be reduced. It is also possible to use a photonic bandgap fiber for such a large birefringent optical fiber, and to provide a polarization dispersion compensator that can shorten the length of the birefringent optical fiber and thus reduce the device size. it can.
[0048]
【Example】
A Y-cut lithium niobate single crystal substrate was used as the substrate. A photolithography technique and a metal Ti vapor deposition technique were used to form a Ti line having a width of about several μm and a thickness of about 1000 Å on a lithium niobate single crystal substrate.
[0049]
Thereafter, the Ti element was thermally diffused into the substrate at about 1000 ° C. in an oxygen atmosphere to form an optical waveguide.
[0050]
Also, SiO2 was formed as a buffer layer by sputtering to a thickness of about 2,000 Å, and a pair of Au electrodes on the comb was formed on the buffer layer.
[0051]
The device was cut out from the wafer by dicing with a device length of 10 mm, and both ends were polished, and then housed in a package. A PANDA fiber of several meters was used as the birefringent optical fiber.
[0052]
The optical connection between the PANDA fiber and the element was made via lenses attached to both ends of the package, and finally a polarization dispersion compensating device having the above-mentioned excellent effects was completed.
[0053]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a control electrode is formed on an optical single crystal substrate having a photoelectric optical effect, and a polarization converter capable of arbitrarily controlling a polarization mode by applying a voltage is provided. By arranging birefringent optical fibers at both ends, an expensive polarization converter can be simplified as much as possible. Further, by using an inexpensive birefringent optical fiber as a birefringent line, an inexpensive polarization dispersion compensator can be provided.
[0054]
In addition, the polarization converter is made of a lithium niobate single crystal substrate, and an electrode to which a periodic electric field can be applied is arranged on the substrate surface, whereby a high-speed response utilizing the electro-optic effect of the lithium niobate single crystal is achieved. A simple polarization dispersion compensator can be realized.
[0055]
In addition, by using the birefringent optical fiber as a birefringent polarization maintaining fiber that is easily available, a more inexpensive polarization dispersion compensator can be provided.
[0056]
Further, by making the birefringent optical fibers disposed at both ends of the polarization converter different in length, it is possible to provide a polarization dispersion compensator capable of coping with any polarization state.
[0057]
Further, by employing a configuration in which the birefringent optical fiber is a photonic bandgap fiber, the birefringent optical fiber length can be reduced, and a polarization dispersion compensator having a small device size can be provided. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram schematically illustrating a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view schematically illustrating a polarization converter according to the present invention.
FIG. 3 is a perspective view schematically illustrating the principle of the present invention.
FIG. 4 is a graph illustrating a principle experiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
11: polarization converter 13: birefringent optical fiber 21: substrate 22: buffer layer 23: optical waveguide 24: periodic electrode
