JP2005148155A - 偏波無依存型光学装置 - Google Patents

Abstract

【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装置において、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、装置の小型化およびコストの低減を実現する。
【解決手段】２つの導波路２，３を有する導波路型光学素子１の入射側に、ランダムな偏波状態の入射光を偏波面が互いに垂直な２つの偏波に分離して出射するサバール板１３と、サバール板１３から出射した２つの偏波の一方の偏波面を＋４５°回転させるとともに、他方の偏波面を−４５°回転させて偏波面が揃った２つの偏波を出射する偏波面回転手段１５とを設けてなる偏波無依存型光学装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、導波路型光学素子を用いた光学装置に係り、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装置に関する。

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。
例えばＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム、ＬＮと略称されることもある）等の電気光学効果を有する材料を基板に用いた導波路型光学素子は、電圧変化によって屈折率変化を生じさせることができるので、光変調器（一般に、ＬＮ光変調器といわれている）や光スイッチに利用される。
しかしながら、このような光変調器や光スイッチは偏波依存性を有することが知られており、導波路型光学素子へ入射させる光は偏波保持ファイバで伝送させる必要があった。

ところで、最近では、ＬＮを使用した導波路型光学素子からなる光変調器や光スイッチを、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、かかる導波路型光学素子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、光変調器等が良好に動作する構成が求められている。

例えば、下記特許文献１には、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ＴＥモード光とＴＭモード光とに分離され、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ＴＥモード光だった場合にはＴＭモード光に、または該一方の光束がＴＭモード光だった場合にはＴＥモード光に変換される。これにより、入射光はＴＥモード光からなる２つの光束、またはＴＭモード光からなる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、ＴＥモード光からなる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ＴＥモード光のうち、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ＴＭモード光に変換された後、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。
よって、入射光の偏波状態が変化しても、光フィルタ６０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。
特開平４−３０４４１３号公報

したがって、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、ＴＥモード光とＴＭモード光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、その結果、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ことである。このことは、光変調器や光スイッチが、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つながる。

そこで、本発明者等は先に、例えば図４に示す構成を提案した（特願２００２−７４８３６）。
この図の例においては、導波路型光学素子３０と入射側の光ファイバ２０との間の光路上に、光ファイバ２０に近い側から、レンズ２１、複屈折率材料からなる第１の偏波分離素子２２、１／２波長板２３、複屈折率材料からなる第２の偏波分離素子２４、第２の偏波分離素子２４から出射された２つの偏波の一方の光路上に設けられた１／２波長板２５および他方の光路上に設けられたガラス板等からなる光路長調整板２６、プリズム２７、およびレンズ２８が設けられている。

かかる構成にあっては、光ファイバ２０から出射された光がレンズ２１で平行光とされた後、第１の偏波分離素子２２、１／２波長板２３、および第２の偏波分離素子２４を通過する際にＴＥモード光とＴＭモード光とに分離され、平行な２つの偏波として出射される。その後、この図の例ではＴＥモード光が１／２波長板２５を通過することによってＴＭモード光に変換される。一方、ＴＭモード光はガラス板２６を通過することによって光路長が調整される。そして、これら２つのＴＭモード光はプリズム２７で進行方向が調整され、レンズ２８で導波路型光学素子３０の入射端に集光される。
したがって、２つのＴＭモード光を、互いの光路長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。

しかしながら、図４の構成の装置は、光学部品の点数が多く、しかもこれらの光学部品を空間内に、調芯しながら配置し、位置決めしなければならないので、作製工程に手間がかかるうえに、装置サイズも大きくなってしまい、したがって製造コストが高くなってしまうという問題があった。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、偏波依存性を有する導波路型光学素子を用いた光学装置において、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、装置の小型化およびコストの低減を実現することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の偏波無依存型光学装置は、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偏波面が互いに垂直な２つの偏波に分離して出射するサバール板と、前記サバール板から出射した２つの偏波の一方の偏波面を＋４５°回転させるとともに、他方の偏波面を−４５°回転させて偏波面が揃った２つの偏波を出射する偏波面回転手段とを設けてなることを特徴とする。
前記偏波面回転手段を、前記導波路型光学素子と一体化させた構成とすることができる。
前記サバール板の入射側に集光手段が設けられており、前記サバール板への入射光が集束光である構成とすることができる。
前記集光手段を設ける場合は、その入射側および出射側に光線の方向を変化させる角度調整手段を設けることが好ましい。

本発明の偏波無依存型光学装置にあっては、導波路型光学素子の入射側に、少なくとも上記サバール板と上記偏波面回転手段を設けることにより、ランダムな偏波状態の入射光を２つの偏波に分けるとともに、該２つの偏波の偏波面の向き揃えることができる。したがって、入射光の偏波状態が変化しても、光学的特性の安定性に優れた偏波無依存型光学装置を、少ない部品点数で実現することができる。
本発明の偏波無依存型光学装置は、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て使用することができる。
また、空間内に配置される部品点数が少ないので、装置を小型化、低コスト化できるとともに、作製工程が容易になるので製造コストの低減も図ることができる。

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装置の一実施形態を示した概略構成図である。
図中符号１は導波路型光学素子である。導波路型光学素子１は２つの導波路２，３を有する。導波路型光学素子１の入射端面における、２つの導波路２，３の入射端どうしの間隔は、該２つの導波路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。
また図中符号１０はシングルモード光ファイバである。このシングルモード光ファイバ１０から出射される光はランダムな偏波状態を有する。

本実施形態の偏波無依存型光学装置は、シングルモード光ファイバ１０の出射端と導波路型光学素子１との間に、シングルモード光ファイバ１０から順に、第１の角度調整手段１１、集光手段１２、サバール板１３、第２の角度調整手段１４、および偏波面回転手段１５が設けられて概略構成されている。
第１および第２の角度調整手段１１，１４は、光線の進む方向を変化させるもので、好ましくはプリズムが用いられる。
集光手段１２は、シングルモード光ファイバ１０からの出射光を集束光とするもので、好ましくは集光レンズが用いられる。
サバール板１４はランダムな偏波状態の入射光を偏波面が互いに垂直な２つの偏波に分離して出射するもので、市販のサバール板を用いることができる。

偏波面回転手段１５は、サバール板から出射した２つの偏波の一方の偏波面を＋４５°回転させるとともに、他方の偏波面を−４５°回転させることによって両者の偏波面を揃えるもので、本図では分解して示しているが、導波路型光学素子１の入射端面上に貼り付けられて一体化されている。偏波面回転手段１５としては、例えば、１／２波長板を同一平面上に２枚並べた構成の複合波長板を用いることができ、該２枚の１／２波長板はそれぞれ、導波路型光学素子１の２つの導波路２，３の入射端面上に設けられる。
集光手段１２、第１の角度調整手段１１、および第２の角度調整手段１４は、集光手段１２で集束光とされた光が、サバール板１３および偏波面回転手段１５を経た後に、導波路型光学素子１の導波路２，３の各入射端面上に集光するように配置することが好ましい。

かかる構成の偏波無依存型光学装置にあっては、シングルモード光ファイバ１０から出射された光が、第１の角度調整手段１１で進行方向が調整された後、集光手段１２で集束光となる。
この集束光は、サバール板１３を通過する際に、偏波面が互いに垂直な２つの偏波に分離される。本実施形態では、ＴＭモード光の偏波面に対して、＋４５°の偏波面を有する第１の偏波４と、−４５°の偏波面を有する第２の偏波５とに分離される。サバール板１３から出射される２つの偏波において、光路長差や位相差は生じておらず、横ずれだけが生じている。
サバール板１３からの出射光は、第２の角度調整手段１４で進行方向が調整された後、偏波面回転手段１５を通過する際に、第１の偏波４は、その偏波面が−４５°回転されてＴＭモード光となる。また第２の偏波５は、その偏波面が＋４５°回転されてＴＭモード光となる。
そして、これら２つのＴＭモード光は、それぞれ導波路型光学素子１の導波路２，３の各入射端面上に集光されて、該導波路２，３に効率良く入射される。

このように、本実施形態においては、シングルモード光ファイバ１０から出射された光に由来する２つのＴＭモード光が、導波路型光学素子１の導波路２，３にそれぞれ入射される。
すなわち、シングルモード光ファイバ１０から出射される光の偏波状態が変化しても、導波路型光学素子１の導波路２，３にそれぞれ入射される２つの偏波の偏波面は常に揃っている。したがって、導波路型光学素子１が偏波依存性を有していても、安定な光学的特性が得られる偏波無依存型光学装置を実現することができる。
特に、サバール板を用いて偏波分離を行うので、２つの偏波間で光路長差や位相差が生じるのを防止することができる。
また、本実施形態の偏波無依存型光学装置は、シングルモード光ファイバ１０と導波路型光学素子１との間の空間に設けられる光学部品点数が５点であり、少ない部品点数で構成可能である。したがって、製造容易性が向上するとともに製造コストを低減することができる。例えば図４の構成においては、導波路型光学素子３０の入射側の空間に設けられる光学部品が８点であり、これと比較すると、部品点数に関して３７．５％削減することができる。

また光学部品点数が少ないので、各部品を実装する工程数が少なくて済むとともに、空間内で調芯しながら配置、位置決めする作業も容易になる。したがって、製造コストを低減することができる。
例えば図４の構成においては、光ファイバ２０と導波路型光学素子３０との間に光学部品を実装する工程を９工程で行うことができるが、本実施形態において、シングルモード光ファイバ１０と導波路型光学素子１との間に光学部品を実装する工程は６工程で行うことができ、工程数に関して約３３％削減することができる。
さらに、例えば図４の構成においては、実装時に調芯すべき軸の数を、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれ１軸と数えると、合計で２４軸について調芯する必要があるが、本実施形態においては合計１１軸で済み、調芯軸数に関して約５４％削減することができる。
さらに、光学部品点数が少ないので各部品を実装するための空間が縮小され、装置の小型化を図ることができる。
例えば図４の構成においては、光ファイバ２０と導波路型光学素子３０との間に光学部品を実装するための空間の大きさとして、光軸方向の長さ６４ｍｍ、光軸方向に対して垂直な幅２１ｍｍ、光軸方向に対して垂直な高さ１６ｍｍ程度が必要であるが、本実施形態においてはシングルモード光ファイバ１０と導波路型光学素子１との間に光学部品を実装するための空間の大きさを、光軸方向の長さ２２ｍｍ、光軸方向に対して垂直な幅１２ｍｍ、光軸方向に対して垂直な高さ１０ｍｍ程度とすることができる。この場合は、実装空間体積に関して約８０％削減することができる。

また、図示しないが、導波路型光学素子１の出射側にも、入射側に設けられている光学部品と同じ光学部品を、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ることが好ましい。
すなわち、導波路型光学素子１の出射側にも、導波路型光学素子１に近い側から、光面回転手段１５と同じ構成の偏波面回転手段、第２の角度調整手段１４と同じ構成の角度調整手段、サバール板１３と同じ構成のサバール板、集光手段１２と同じ構成の集光手段、および第１の角度調整手段１１と同じ構成の角度調整手段を、それぞれ同一構成の光学部品どうしが、導波路型光学素子１を挟んで対称となるように設けることが好ましい。
これにより、導波路型光学素子１から出射される２つの光信号（本実施形態ではＴＭモード光）を、入射側と対称な光路を経て、光路差や位相差を生じることなく合波して、例えばシングルモード光ファイバ等の受光手段（図示せず）に入射させることができる。
また、かかる構成とすれば、出射側においても入射側と同様に製造容易性、低コスト化、小型化に関する利点が得られる。

本実施形態において、導波路型光学素子１は特に限定されないが、例えばＬＮからなる基板に一対のマッハツェンダー型導波路が設けられるとともに、各マッハツェンダー型導波路の分岐導波路のうちの一方の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（図示せず）が設けられた光学素子を用いることができる。かかる構成とすれば、偏波無依存型のＬＮ光変調器を得ることができる。
あるいは、導波路型光学素子１として、例えば方向性結合器を用いたマッハツェンダー干渉系を備えた光学素子を用いれば偏波無依存性の光スイッチを得ることができる。
本実施形態の偏波無依存型光学装置は、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て使用することができる。

なお、本発明において第１および第２の角度調整手段１１，１４は必須ではないが、これらを設けることにより、次のような利点が得られる。
すなわち、シングルモード光ファイバ１０から出射される光はスネルの法則にしたがって、光ファイバの光軸方向に対して傾きを有している。したがって、例えば図３に示すように、集光手段１２の入射側および出射側に角度調整手段を設けない構成では、集光手段１２と導波路型光学素子１の相対的な位置を、集光手段１２から出射される集束光が導波路型光学素子１の導波路２（３）の入射端面に集光する位置（図中Ａで示す）に決めたとしても、導波路型光学素子１が光軸方向にずれた場合（図中Ｂで示す）には、該集束光の集光位置が変動してしまい、導波路２（３）の入射端面に集光しなくなってしまう。
これに対して、図２に示すように、集光手段１２の入射側および出射側に第１および第２の角度調整手段１１，１４をそれぞれ設けた構成では、例えば図中符号ＡからＢへ、導波路型光学素子１が光軸方向に移動した場合にも、該導波路型光学素子１の移動に応じて第２角度調整手段１４を移動させることにより、集光手段１２から出射される集束光が導波路型光学素子１の導波路２（３）の入射端面に集光される状態を維持することができる。
したがって、集光手段１２と導波路型光学素子１の位置決めについて、光軸方向における自由度が大きくなり実装容易性を向上させることができる。
また集光手段１２とシングルモード光ファイバ１０の位置決めについても同様に、集光手段１２の入射側に第１の角度調整手段１１を設けたことにより、集光手段１２とシングルモード光ファイバ１０の位置決めについて、光軸方向における自由度が大きくなり、実装容易性を向上させることができる。

また、本発明においてサバール板への入射光を集束光とすることは必須ではなく、平行光とすることも可能である。ただし、その場合は、シングルモード光ファイバ１０からの出射光を平行光とするための光学部品の他に、該平行光を導波路型光学素子１の導波路２，３の入射端に集光させるための集光手段が必要となるので、部品点数が増加する。
さらに、本実施形態では偏波面回転手段１５を導波路型光学素子１の入射端面上に貼り付けて一体化されてるが、偏波面回転手段１５と導波路型光学素子１を別体としてもよい。
偏波面回転手段１５はサバール板１３と導波路型光学素子１との間に配置されていればよく、第２の角度調整手段１４もサバール板１３と導波路型光学素子１との間に配置されていればよい。したがって、偏波面回転手段１５と導波路型光学素子１を別体とする場合には、偏波面回転手段１５と第２の角度調整手段１４の、光軸上における位置を本実施形態と逆としてもよい。
また、偏波面回転手段１５を導波路型光学素子１の入射端面上に貼り付けた構成とすると、導波路型光学素子１の端面に反射防止膜を設けなくても光の反射が防止されるという利点も得られる。

本発明の偏波無依存型光学装置の一実施形態を示した概略構成図である。 本発明にかかる角度調整手段の作用効果を説明するための概略図である。 角度調整手段の作用効果を説明するための比較例の概略図である。 先に提案した偏波無依存型光学装置の一実施形態を示した概略構成図である。 従来の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、
２，３…導波路、
４…第１の偏波
５…第２の偏波
１０…シングルモード光ファイバ、
１１…第１の角度調整手段、
１２…集光手段、
１３…サバール板、
１４…第２の角度調整手段、
１５…偏波面回転手段。

Claims (4)

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偏波面が互いに垂直な２つの偏波に分離して出射するサバール板と、
   前記サバール板から出射した２つの偏波の一方の偏波面を＋４５°回転させるとともに、他方の偏波面を−４５°回転させて偏波面が揃った２つの偏波を出射する偏波面回転手段とを設けてなることを特徴とする偏波無依存型光学装置。
2. 前記偏波面回転手段が、前記導波路型光学素子と一体化されていることを特徴とする請求項１記載の偏波無依存型光学装置。
3. 前記サバール板の入射側に集光手段が設けられており、前記サバール板への入射光が集束光であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の偏波無依存型光学装置。
4. 前記集光手段の入射側および出射側に光線の方向を変化させる角度調整手段が設けられていることを特徴とする請求項３記載の偏波無依存型光学装置。
   
   

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