JP2009229806A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域にわたって光変調器における出力光のパワーを均一にする。
【解決手段】メインマッハツェンダー導波路の各アームにそれぞれサブマッハツェンダー導波路を有し、該サブマッハツェンダー導波路を伝搬する光を変調して前記メインマッハツェンダー導波路から出力する光変調器において、前記サブマッハツェンダー導波路を伝搬する光を変調する変調信号の信号強度をモニタするモニタ手段と、前記モニタされた信号強度が一定値となるように前記変調信号の信号強度を制御する制御手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は光変調器に関する。

光変調器の一つに、入力光をＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号で変調した際に基本波周波数の＋側と−側に発生する側波帯の片方を抑圧し、単一の側波帯からなる出力光を得ることができるＳＳＢ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｉｄｅ Ｂａｎｄ）変調器がある（例えば、特許文献１参照）。ＳＳＢ変調器は、ＲＦ信号の周波数を変えることで出力光の波長を変化させることが可能であり、例えば光波長シフタとして利用することができる。
特開２００７−１９９１１０号公報

しかしながら、従来のＳＳＢ変調器は、実効的に光素子に印加されるＲＦ信号の信号レベル（強度）が変化することによって、出力光のパワーも変化してしまうという問題があった。例えば、ＳＳＢ変調器には入力ＲＦ信号を位相が９０°異なるＲＦ信号に変換する部品である位相シフタが用いられるが、ＲＦ信号が高い周波数（例えば１０ＧＨｚ程度）になると、一般に位相シフタのような電気部品のゲインが低下し、実効的なＲＦ信号の信号レベルも低下してしまう。これにより、光の波長シフト量を大きくするためにＲＦ信号の周波数を上げると、波長シフト量の増加とともに出力光パワーが低下するという現象が生じることになる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、広帯域にわたって出力光のパワーを均一にすることが可能な光変調器を提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、メインマッハツェンダー導波路の各アームにそれぞれサブマッハツェンダー導波路を有し、該サブマッハツェンダー導波路を伝搬する光を変調して前記メインマッハツェンダー導波路から出力する光変調器において、前記サブマッハツェンダー導波路を伝搬する光を変調する変調信号の信号強度をモニタするモニタ手段と、前記モニタされた信号強度が一定値となるように前記変調信号の信号強度を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、変調信号の信号強度をモニタして信号強度が一定値となるように制御するので、出力光のパワーも一定に保つことができる。よって、変調信号の周波数によらず、広帯域にわたって出力光のパワーを均一にすることが可能である。

また、本発明は、上記の光変調器において、前記制御手段によって信号強度が制御された変調信号を互いに位相が９０°異なる２つの変調信号に変換する位相シフタと、前記変換された各変調信号により前記サブマッハツェンダー導波路を伝搬する光をそれぞれ変調する変調手段と、前記サブマッハツェンダー導波路の各アームを伝搬する光に位相差１８０°を与える第１の位相差付与手段と、前記メインマッハツェンダー導波路の各アームを伝搬する光に位相差９０°又は−９０°を与える第２の位相差付与手段と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、広帯域にわたってパワーが均一な単一の側波帯からなる出力光を得ることができる。

また、本発明は、上記の光変調器において、前記変換された各変調信号の少なくとも一方の位相を調整する位相調整手段を備えることを特徴とする。

この構成によれば、２つのサブマッハツェンダー導波路を伝搬するそれぞれの光を、位相が正確に９０°異なる変調信号で変調することができる。

また、本発明は、上記の光変調器において、前記第２の位相差付与手段により付与する位相差を９０°又は−９０°のいずれか一方に固定し、入力光を前記変調信号の変調周波数に応じて周波数シフトさせた出力光を出力することを特徴とする。

この構成によれば、広帯域にわたって出力光のパワーが均一なＳＳＢ変調器を実現可能である。

また、本発明は、上記の光変調器において、前記第２の位相差付与手段により付与する位相差を９０°と−９０°とで選択可変とし、該選択された位相に従って出力光の周波数を切り換えることを特徴とする。

この構成によれば、広帯域にわたって出力光のパワーが均一なＦＳＫ変調器を実現可能である。

本発明によれば、光変調器において、広帯域にわたって出力光のパワーを均一にすることが可能である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態による光変調器の構成図である。光変調器は、同図（Ａ）に示す光素子部１２０と、同図（Ｂ）に示す制御回路部２００とからなる。

光素子部１２０は、メインマッハツェンダー導波路１２１の各アームにそれぞれ第１と第２のサブマッハツェンダー導波路１２２，１２３を配置した導波路構成を有しており、また、これら各メインおよびサブマッハツェンダー導波路１２１〜１２３上には、電圧印加によって伝搬光の位相を変化させる（後述の図３参照）ための電極１２４〜１２６が装荷されている（但し、図には簡略化のためアース電極は示していない）。

メインマッハツェンダー導波路１２１には、周波数ｆ０の光波が入力される。この入力光は、分岐後に２つのサブマッハツェンダー導波路１２２，１２３に導入されて、変調を受ける。変調された光は、再びメインマッハツェンダー導波路１２１で合波され、出力される。

第１サブマッハツェンダー導波路１２２上のＤＣ電極１２６ａには、当該サブマッハツェンダー導波路を構成している各アームを伝搬する光波の位相差がπとなるようにＤＣ電圧を印加し、ＲＦ電極１２５ａには、変調周波数ｆｍのＲＦ電圧（変調信号ＲＦａ）を印加する。また、第２サブマッハツェンダー導波路１２３上のＤＣ電極１２６ｂには同様のＤＣ電圧を印加し、ＲＦ電極１２５ｂには、変調信号ＲＦａに対する位相差がπ／２となるように図１（Ｂ）の９０°位相シフタ２０２によって位相が調整された変調周波数ｆｍのＲＦ電圧（変調信号ＲＦｂ）を印加する。更に、メインマッハツェンダー導波路１２１上の電極１２４には、サブマッハツェンダー導波路１２３の伝搬光に対するサブマッハツェンダー導波路１２２の伝搬光の位相差がπ／２または−π／２となるようなＤＣ電圧を印加する。

図２は、光素子部１２０の導波路の各点（図１（Ａ）中の点Ａ〜点Ｇ）における光波の周波数スペクトルと位相を示したものである。但し、電極１２４のＤＣ電圧によって与える位相差はπ／２とする。同図において横軸は周波数を表す。また、周波数軸上の矢印はその周波数のスペクトルを表し、矢印の向きは位相を表している。位相の値は、上向き矢印が０、右斜め上向き矢印がπ／２、下向き矢印がπ、左斜め下向き矢印が３π／２であるとする。

点Ａと点Ｂでは、周波数ｆ０の基本光は、ＤＣ電極１２６ａに印加されたＤＣ電圧によって互いに逆位相（位相差π）となっている。また、周波数ｆｍの変調信号ＲＦａで位相変調を与えたことによって、基本光の周波数ｆ０を中心として周波数ｆｍ間隔で高周波成分が発生する。但し、ここでは２次以上の高次成分は無視して±１次の成分だけを考える。このとき、＋１次の変調光（周波数ｆ０＋ｆｍ）及び−１次の変調光（周波数ｆ０−ｆｍ）は、いずれも点Ａと点Ｂにおいて同位相（位相差０）となっている。

第１サブマッハツェンダー導波路１２２の各アーム上の点Ａ，Ｂでこのような位相関係を持った伝搬光が点Ｅで合波されると、逆位相である基本光は打ち消しあって無くなり、±１次の変調成分だけが残存することになる。
また、第２サブマッハツェンダー導波路１２３の各アーム上の点Ｃ，Ｄにおける伝搬光の位相関係も上記と同様であり、点Ｆでは±１次の変調成分だけが残存する。

ここで、電極１２４によってサブマッハツェンダー導波路１２２の伝搬光はサブマッハツェンダー導波路１２３の伝搬光に対して位相差π／２が付与されるため、点Ｅと点Ｆでは＋１次の変調光は同位相、−１次の変調光は逆位相となっている。その結果、メインマッハツェンダー導波路１２１の出力側にある点Ｇにおいて、合波された光波は＋１次の変調成分のみ有することとなる。電極１２４のＤＣ電圧によって与える位相差を−π／２とした場合には、点Ｇにおいて残存するのは−１次の変調成分となる。

このように、本光変調器の出力光は、基本光と一方の側波帯が抑圧されて単一の側波帯からなるスペクトルを有する。＋側と−側のどちらの単一側波帯となるかは、電極１２４に印加するＤＣ電圧によって選択することができる。

次に、図１（Ｂ）に示した制御回路部２００について説明する。制御回路部２００は、信号レベル制御回路２０１と、９０°位相シフタ２０２と、電圧検出回路２０３と、分岐部２０４と、位相調整部２０５と、を有している。

信号レベル制御回路２０１には、周波数ｆｍのＲＦ信号が入力される。信号レベル制御回路２０１は、入力されたＲＦ信号の信号レベル（強度）を電圧検出回路２０３からの制御信号に従って制御して、信号レベルが一定のＲＦ信号を９０°位相シフタ２０２へ出力する。具体的には、後述するように電圧検出回路２０３によって検出される電圧が低下すると、電圧検出回路２０３からの制御信号は「信号レベル増加」を指示するものとなり、この場合、信号レベル制御回路２０１は出力するＲＦ信号の信号レベルを増加させるように制御を行う。また、電圧検出回路２０３の検出電圧が上昇すると、電圧検出回路２０３からの制御信号は「信号レベル減少」を指示するものとなり、この場合、信号レベル制御回路２０１は出力するＲＦ信号の信号レベルを減少させるように制御を行う。

この制御により、信号レベル制御回路２０１からは信号レベルが常時一定のＲＦ信号が出力されることになる。ＲＦ信号の周波数ｆｍが高く（例えば１０ＧＨｚ程度）なると、一般に９０°位相シフタ２０２等の部品のゲイン（信号の入力レベルに対する出力レベルの比）が小さくなってしまうが、上記の信号レベル制御によって、制御回路部２００の最終出力である変調信号ＲＦａ及びＲＦｂの信号レベルを一定値に維持することができる。例えば本光変調器の出力光の波長を変化させるためにＲＦ信号の周波数ｆｍを掃引した場合でも、周波数ｆｍの変化によらず、変調信号ＲＦａ及びＲＦｂの信号レベルは一定値となる。

９０°位相シフタ２０２は、信号レベル制御回路２０１から入力されたＲＦ信号を、互いに位相が９０°異なる２つのＲＦ信号に変換し、変換された各ＲＦ信号を分岐部２０４と位相調整部２０５へ出力する。これにより、変調信号ＲＦａとＲＦｂの位相差がπ／２に設定される。

分岐部２０４は、入力信号を２つに分岐して出力するカプラである。分岐された一方の信号は、変調信号ＲＦｂとして図１（Ａ）の第２サブマッハツェンダー導波路１２３に設けられたＲＦ電極１２５ｂに印加される。もう一方の信号は、電圧検出回路２０３に入力される。

電圧検出回路２０３は、入力された信号の電圧を検出し、その検出値に応じて「信号レベル増加」又は「信号レベル減少」を指示する制御信号を信号レベル制御回路２０１へ出力する。具体的には、変調信号ＲＦｂの信号レベルが増加した場合、電圧検出回路２０３によって検出される電圧値は上昇し、このとき、電圧検出回路２０３は「信号レベル減少」を指示する制御信号を出力する。また、変調信号ＲＦｂの信号レベルが減少した場合、電圧検出回路２０３の検出電圧値は低下し、このとき、電圧検出回路２０３は「信号レベル増加」を指示する制御信号を出力する。

なお、上記の制御信号の具体的態様は特に限定されるものではない。例えば、変調信号ＲＦｂの制御目標値からのずれに比例する電圧信号を、上記の制御信号とすることが考えられる。この場合、信号レベル制御回路２０１は、制御信号（電圧信号）の電圧の大小に応じてＲＦ信号の信号レベルの増加量又は減少量を変化させることができる。また、電圧検出回路２０３による検出電圧値が変調信号ＲＦｂの制御目標値より小さいときＨレベルとなり、検出電圧値が制御目標値より大きいときＬレベルとなる２値信号を、上記の制御信号としてもよい。この場合、信号レベル制御回路２０１は、Ｈレベルの制御信号が入力されている間はＲＦ信号の信号レベルを増加させ、Ｌレベルの制御信号が入力されている間はＲＦ信号の信号レベルを減少させる制御を行う。

位相調整部２０５は、９０°位相シフタ２０２から入力されたＲＦ信号に所定量の位相を付与し、位相付与後のＲＦ信号を出力する。この出力信号は、変調信号ＲＦａとして図１（Ａ）の第１サブマッハツェンダー導波路１２２に設けられたＲＦ電極１２５ａに印加される。ここで、位相調整部２０５が付与する位相の所定量は、位相調整部２０５からＲＦ電極１２５ａまでの配線長と分岐部２０４からＲＦ電極１２５ｂまでの配線長との差、あるいは分岐部２０４自体の信号遅延量等を考慮して、実際にＲＦ電極１２５ａに印加される変調信号ＲＦａとＲＦ電極１２５ｂに印加される変調信号ＲＦｂとの位相差が正確にπ／２となるように、設定すればよい。なお、変調信号ＲＦａの経路上の位相調整部２０５とともに、又はこれに代えて、変調信号ＲＦｂの経路上に同様の位相調整部を設けてもよい。

図３は、図１（Ａ）に示した光素子部１２０の断面構造（光の伝搬方向に垂直な断面）を示した図である。基板１３１には、電気光学効果を有する強誘電体結晶として、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３；ＬＮ）を用いる。導波路１３２は、チタン（Ｔｉ）を基板内部に熱拡散させることによって形成される。基板１３１表面には、電極１３３が金（Ａｕ）メッキにより形成される。この電極１３３に上述したＤＣ電圧やＲＦ電圧（変調信号ＲＦａ，ＲＦｂ）を印加することで、基板１３１内の導波路１３２部分に電界が印加され、電気光学効果によって当該部分の屈折率が変化し、導波路１３２を伝搬する光の位相が変化する。この断面図はマッハツェンダー導波路のアーム部を表したものであるが、各アームは電極の中間部に配置し、印加された電界が２つのアームの導波路に対して均等になるようにする。

以上のように、本実施形態によれば、周波数ｆｍが変わっても変調信号ＲＦａ及びＲＦｂの信号レベルが一定値となるよう制御したので、広帯域にわたって出力光のパワーを均一にすることができる。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、電極１２４のＤＣ電圧によって与える位相差をπ／２又は−π／２のどちらかに固定すれば、入力光を変調信号の周波数ｆｍだけ＋側あるいは−側にシフトさせるＳＳＢ変調器となる。また、電極１２４のＤＣ電圧によって与える位相差を、送信データの「０」と「１」に対応させてπ／２と−π／２とで切り換えるようにすれば、出力光の周波数でデータ変調を行うＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：周波数偏移変調）変調器となる。本発明は、ＳＳＢ変調器とＦＳＫ変調器のいずれにも適用可能である。

本発明の一実施形態による光変調器の構成図である。 図１の光変調器において光波の周波数スペクトルと位相の挙動を示した図である。 図１の光変調器の導波路断面構造図である。

符号の説明

１２０…光素子部 １２１…メインマッハツェンダー導波路 １２２…第１サブマッハツェンダー導波路 １２３…第２サブマッハツェンダー導波路 １２４〜１２６…電極 １３１…基板 １３２…導波路 １３３…電極 ２００…制御回路部 ２０１…信号レベル制御回路 ２０２…９０°位相シフタ ２０３…電圧検出回路 ２０４…分岐部 ２０５…位相調整部

Claims (5)

1. メインマッハツェンダー導波路の各アームにそれぞれサブマッハツェンダー導波路を有し、該サブマッハツェンダー導波路を伝搬する光を変調して前記メインマッハツェンダー導波路から出力する光変調器において、
   前記サブマッハツェンダー導波路を伝搬する光を変調する変調信号の信号強度をモニタするモニタ手段と、
   前記モニタされた信号強度が一定値となるように前記変調信号の信号強度を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする光変調器。
2. 前記制御手段によって信号強度が制御された変調信号を互いに位相が９０°異なる２つの変調信号に変換する位相シフタと、
   前記変換された各変調信号により前記サブマッハツェンダー導波路を伝搬する光をそれぞれ変調する変調手段と、
   前記サブマッハツェンダー導波路の各アームを伝搬する光に位相差１８０°を与える第１の位相差付与手段と、
   前記メインマッハツェンダー導波路の各アームを伝搬する光に位相差９０°又は−９０°を与える第２の位相差付与手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記変換された各変調信号の少なくとも一方の位相を調整する位相調整手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の光変調器。
4. 前記第２の位相差付与手段により付与する位相差を９０°又は−９０°のいずれか一方に固定し、入力光を前記変調信号の変調周波数に応じて周波数シフトさせた出力光を出力することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の光変調器。
5. 前記第２の位相差付与手段により付与する位相差を９０°と−９０°とで選択可変とし、該選択された位相に従って出力光の周波数を切り換えることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の光変調器。

Images