JP2009229926A - 光変調器の半波長電圧の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光変調器の出力光の０次成分を利用せずに、高周波数領域における半波長電圧を測定する方法を提供する。
【解決手段】電気光学効果を有する基板１と、該基板に形成され、少なくとも一部にマッハツェンダー型光導波路部分２１、２２を有する光導波路２と、該マッハツェンダー型光導波路部分を含む光導波路中を伝搬する光波を変調するための変調電極３１〜３４と、を有する光変調器の半波長電圧の測定方法において、マッハツェンダー型光導波路部分に所定の周波数ｆの変調信号を印加した状態で光変調器からの光出力Ｃのパワースペクトルを測定し、その側帯波から少なくとも２つの異なる次数の側帯波を抽出し、その光強度値に基き演算値を算出し、抽出した側帯波と同じ次数のベッセル関数について、該側帯波と同様な演算式の解として上記演算値を満足するベッセル関数の変数値を導出し、その変数値と変調信号の振幅値とに基き半波長電圧を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光変調器の半波長電圧の測定方法に関し、特に、所定の周波数で変調駆動する際の光変調器の半波長電圧を測定する方法に関する。

情報通信や計測の分野において、大容量データを高速に通信する光通信システムの確立が求められている。このような光通信システムには、高速変調が可能であり動作が比較的安定している光導波路を用いた光変調器が使用されている。光変調器に形成された光導波路は、マッハツェンダー型光導波路部分（以下、「ＭＺ型光導波路部分」という。）を有し、該ＭＺ型光導波路部分を伝搬する光波は、変調信号により変調駆動されている。ＭＺ型光導波路部分を有する光変調器を適正に駆動するためには、変調駆動時の半波長電圧Ｖ_πを特定することが不可欠である。

他方、映画や音楽、ライブ映像のような大容量コンテンツの相互通信がドライビングフォースとなって、通信需要は急激に増大しており、対費用効果の高い大容量光通信ネットワークの構築が急務と言われている。既に、次世代イーサネット（登録商標）規格である１００ＧｂＥの標準化も検討され始めており、この実現を意識した光伝送技術に関する報告が多数なされている。この内、変調方式としては、周波数利用効率が高く波長分散に強い、また、多値化によってシンボルレートを低く抑えられるため偏波分散に強く、使用する電気部品の仕様を緩和できる等の理由から、１波長あたり１００ＧＢＰＳ（＋ＦＥＣ分７−３０％）の差動直交位相変調（ＤＱＰＳＫ）方式が注目されており、変調器のさらなる高性能化が望まれている。このようなＤＱＰＳＫ方式の光変調器には、２つのＭＺ型光導波路部分を入れ子型に組み込んだネスト型光変調器が利用される。

このように光変調器は、広帯域化が求められるため高い周波数領域において、電気−光周波数応答特性（以下、「Ｅ／Ｏ特性」という。）を適正に評価測定することが不可欠である。中でも、変調駆動の重要なパラメータである半波長電圧を高周波数領域で測定する必要がある。

光変調器の高周波数領域での特性を測定する方法としては、特許文献１又は２のような方法が知られている。
特許文献１では、レーザ光線を分岐した後に、分岐された光線の位相を高周波信号により変化させ、その位相の変化した光線を他の分岐の光線と合波することによって強度変調された光信号を発生させる光変調器について、その光信号のパワースペクトルを測定し、そのパワースペクトルの比からチャープパラメータなどの変調指数あるいは位相を導出することを特徴とする光変調器の特性評価方法が開示されている。
特開２００２−２４４０９１号公報 特開２００３−１３９６５３号公報

また、特許文献２では、入射光を２つ以上に分岐し、分岐した光の少なくとも一方に電気信号を印加することにより位相変調を行い、その後、該分岐した光を合成することにより強度変調された光信号を発生する光変調器に対し、該光信号のスペクトル分布を測定し、該測定されたスペクトル分布に係る測定値から該光変調器の強度変調に係る半波長電圧値やチャープパラメータ値などの特性値を算出することを特徴とする光変調器の特性測定方法が開示されている。

しかしながら、特許文献１には、光変調器の重要な特性値である半波長電圧を測定する方法は開示されておらず、また、特許文献２では、変調信号を印加する場合や印加しない場合など複数の状態から測定算出する必要があり、測定操作が煩雑となる。
しかも、両者は、光変調器に入射される入射光と同じスペクトル成分（所謂、０次成分）の光強度値を利用している。このような０次成分の光波は、変調信号の影響を受けていない光波も多く含まれ、結果として０次成分の光強度を利用すると、測定誤差が大きくなるという不具合も生じていた。また、ネスト型光変調器の場合には、一方のＭＺ型光導波路部分について変調特性を測定する場合には、他方のＭＺ型光変調部分は無変調状態となり、光変調器から出力される０次成分の光波には、この無変調状態の光波も含むこととなり、測定対象のＭＺ型光導波路部分の変調特性は、測定することが不可能となる。

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、光変調器の出力光の０次成分を利用せず、高周波数領域における半波長電圧を適正に測定可能な光変調器の半波長電圧の測定方法を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成され、少なくとも一部にマッハツェンダー型光導波路部分を有する光導波路と、該マッハツェンダー型光導波路部分を含み光導波路中を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器の半波長電圧の測定方法において、該マッハツェンダー型光導波路部分に所定の周波数の変調信号を印加した状態で、該光変調器からの光出力のパワースペクトルを測定し、該パワースペクトルの側帯波から少なくとも２つの異なる次数の側帯波を抽出し、抽出した側帯波の光強度値に基き演算値を算出し、抽出した側帯波と同じ次数のベッセル関数について、該側帯波と同様な演算式の解として上記演算値を満足する該ベッセル関数の変数値を導出し、該変数値と該変調信号の振幅値とに基き該周波数の半波長電圧を決定することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光変調器の半波長電圧の測定方法において、該変数値φ、該振幅値Ｖ_ｉｎ、及び半波長電圧Ｖ_πは、次の関係式を満足することを特徴とする。
φ＝π（Ｖ_ｉｎ／Ｖ_π）

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光変調器の半波長電圧の測定方法において、抽出された側帯波は、少なくとも１次及び２次の側帯波を含むことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器の半波長電圧の測定方法において、該演算値は抽出された側帯波の光強度値の比であることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調器の半波長電圧の測定方法において、該光変調器は、２つのマッハツェンダー型光導波路部分を入れ子型に有するネスト型光変調器であることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成され、少なくとも一部にマッハツェンダー型光導波路部分を有する光導波路と、該マッハツェンダー型光導波路部分を含み光導波路中を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器の半波長電圧の測定方法において、該マッハツェンダー型光導波路部分に所定の周波数の変調信号を印加した状態で、該光変調器からの光出力のパワースペクトルを測定し、該パワースペクトルの側帯波から少なくとも２つの異なる次数の側帯波を抽出し、抽出した側帯波の光強度値に基き演算値を算出し、抽出した側帯波と同じ次数のベッセル関数について、該側帯波と同様な演算式の解として上記演算値を満足する該ベッセル関数の変数値を導出し、該変数値と該変調信号の振幅値とに基き該周波数の半波長電圧を決定するため、光変調器からの出力光の内、０次スペクトル成分を利用せず、しかも一度の測定で極めて簡便に半波長電圧を測定することが可能となる。

請求項２に係る発明により、変数値φ、振幅値Ｖ_ｉｎ、及び半波長電圧Ｖ_πは、φ＝π（Ｖ_ｉｎ／Ｖ_π）の関係式を満足しているため、当該変数値を特定するだけで容易に半波長電圧を測定算出することが可能となる。

請求項３に係る発明により、抽出された側帯波は、少なくとも１次及び２次の側帯波を含むため、側帯波の中でも比較的強度が高く、精度の高い測定が可能となる。

請求項４に係る発明により、演算値は抽出された側帯波の光強度値の比であるため、光変調器に入射する入射光の状態や測定装置の測定特性などに影響されず、常に安定した演算値を測定算出することが可能となる。

請求項５に係る発明により、光変調器は、２つのマッハツェンダー型光導波路部分を入れ子型に有するネスト型光変調器であるため、本発明の半波長電圧の測定方法をより好適に適用可能であり、従来、測定が困難であったＭＺ型光導波路部分について半波長電圧も精度良く測定することが可能となる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る光変調器の半波長電圧の測定方法の対象となる光変調器の一例を示す図である。
図１（ａ）は、光変調器に入射する入射光Ａのスペクトル強度を模式的に示したものであり、図１（ｂ）は光変調器の概略図、図１（ｃ）は光変調器から出射する出力光Ｃのスペクトル強度を模式的に示したものである。

図１（ｂ）の光変調器の例について説明する。光変調器は、電気光学効果を有する基板１と、該基板上に形成された光導波路２と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極３１〜３６から構成されている。なお、変調電極は、変調信号を伝搬する信号電極と、該信号電極の周囲に配置される接地電極（不図示）から構成される。図中の変調電極３１〜３６は、光導波路のどの部分を変調するために配置された電極であるかを模式的に示しており、例えば、マッハツェンダー型光導波路部分２１を構成する２つの分岐導波路は変調電極３１と３２により各々独立して変調を受けることを意味している。したがって、使用する基板の種類（Ｘカット板やＺカット板）や変調方式により、光導波路に対する変調電極の実際の配置状態は図１の位置関係とは異なるものとなる場合がある。

電気光学効果を有する基板１としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）結晶が好適に利用される。

光導波路２の形成方法としては、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。また、特許文献３のように基板１の表面に光導波路の形状に合わせてリッジを形成し、光導波路を構成することも可能である。本発明の測定方法の対象となる光変調器は、図１に示すようにマッハツェンダー型光導波路部分２１，２２を少なくとも一つ有しているものである。そして、本発明の測定方法は、当該ＭＺ型光導波路部分を変調駆動する際に必要な半波長電圧を、各々の変調電極毎に測定するためのものである。
特開平６−２８９３４１号公報

変調電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより、基板の表面又は裏面などに形成することが可能である。当然、信号電極及び接地電極の形状や配置は、光変調器の種類に応じ、また使用する基板の種類（Ｘカット板又はＺカット板）などに応じて適宜設定できる。なお、電極３５，３６は、各ＭＺ型光導波路部分から出力される光波の位相を調整するためのＤＣ電圧印加用の電極である。

また、特に図示してないが、基板１と該基板上に形成された変調電極との間にはバッファ層を形成することもできる。これによって、光導波路を伝搬する光波が、変調電極により吸収又は散乱されることを効果的に防止することができる。また、前記変調電極から印加される変調信号と、前記光導波路内を導波する光波との速度整合をも向上させることができる。

本発明の光変調器の半波長電圧の測定方法について、ここでは、光変調器のＭＺ型光導波路部分（例えば、符号２１）を構成する特定の分岐導波路を、独立した変調電極（例えば、符号３１）で変調する場合の半波長電圧の測定方法を紹介する。

変調電極３１には、変調信号発生器Ｂで変調周波数ｆ、駆動電圧の振幅値Ｖ_ｉｎの変調信号を入力し、光変調器を変調駆動する。そして、光変調器からの出力光Ｃのパワースペクトルに基づき、変調駆動されている変調電極（ＭＺ型光導波路部分２１の特定の分岐導波路に対応した変調電極３１）の半波長電圧を特定する。光変調器からの出力光Ｃは、図１（ｃ）に示すように、０次スペクトル成分である周波数ω（入射光と同じ周波数）を中心に１次成分（周波数ω＋ｆ又はω−ｆ）、２次成分（周波数ω＋２ｆ又はω−２ｆ）などの側帯波を生じている。本発明の特徴は、０次成分を使わず、この側帯波のみを使用することに特徴を有している。

次に、本発明の光変調器の半波長電圧の測定方法について、その作業手順を説明する。
まず、光変調器のマッハツェンダー型光導波路部分に所定の周波数の変調信号を印加した状態で、該光変調器からの光出力のパワースペクトルを光スペクトルアナライザーで測定する。図２に、光スペクトルアナライザーの測定波形の一例を示す。

次に、上記パワースペクトルの側帯波から、例えば、１次成分の側帯波（周波数ｆ_１，光強度Ｐ_１［ｄＢｍ］）と２次成分の側帯波（周波数ｆ_２，光強度Ｐ_２［ｄＢｍ］）というように、少なくとも２つの異なる次数の側帯波を抽出する。抽出した側帯波の光強度比（ΔＰ［ｄＢ］＝Ｐ_１−Ｐ_２）などの所定の演算式に基き演算値を算出する。抽出する側帯波は、１次成分と２次成分に特に限定されるものではなく、他の次数の成分を利用してもよいが、１次成分又は２次成分のように次数の低い成分の側帯波の方が、光強度が大きく、より精度の高い測定が可能となる。

また、演算式は、光強度比に限らず、後述するようにベッセル関数の演算式に置き換えた場合に、代入する変数値と演算式の解（演算値）とが１対１に対応可能（境界条件設定することで１対１に対応するものも含む。）であれば、如何なる演算式を用いても良い。なお、光変調器に入射する入射光の状態や測定装置の測定特性などの影響により光強度の絶対値が変動する傾向にあるため、これらの各種の影響を排除するため、上述のように演算式で比を利用して無次元化（あるいは規格化）することが好ましい。

位相変調時のスペクトルは、一般的次式で表現される。
Ａｅ^ωｔｅ^{φｓｉｎ（２πｆｔ）}＝Ａｅ^ωｔΣＪ_ｎ（φ）ｅ^{２πｎｆｔ} ・・・・（１）
ここで、Ａは入射光の光強度に対応した定数、ωは入射光の周波数、ｆは変調周波数、また、φは変調度（ベッセル関数の変数値にもなっている）であり以下の関係式（２）によって定義される。Ｊ_ｎはｎ次のベッセル関数である。
φ＝π（Ｖ_ｉｎ／Ｖ_π） ・・・・（２）
なお、Ｖ_ｉｎは変調駆動時の駆動電圧の振幅値であり、Ｖ_πは半波長電圧である。

上述した側帯波の光強度を用いた演算値に対応して、上記式（１）を用いて光強度比各演算式を表現すると、例えば、以下のようになる。
光強度比ΔＰ［ｄＢ］＝Ｐ_１−Ｐ_２
＝１０×log（Ｊ_１（φ））^２−１０×log（Ｊ_２（φ））^２ ・・・・（３）

したがって、光スペクトルアナライザーの側帯波の光強度から算出される演算値（光強度比を用いた演算値）は、上記式（３）のように、ベッセル関数を用いた演算式の解となる。
よって、図３に示すように、ベッセル関数の演算式の解と変数値φ（変調度に対応）との関係から、変数値φの値が特定できることとなる。

そして、上記式（２）を用いて、変数値φと変調信号の振幅値Ｖ_ｉｎとに基き、当該変調周波数の半波長電圧Ｖ_πが決定される。

図１に示すようなＤＱＰＳＫ変調器を作成し、該光変調器の半波長電圧を本発明を利用して測定した。
光変調器に利用するＬｉＮｂＯ_３基板は、１ｍｍ厚を用意した。
図１に示す入射光は、波長１５５０ｎｍのレーザ光を利用し、光変調器の１入力ポート（ＧＰＰＯコネクター使用）に、変調信号発生器（Ａｇｉｌｅｎｔ社製，製品番号Ｅ８２５７Ｄ）を用いて、５８〜６２ＧＨｚの周波数領域で入力ＲＦパワーは８〜９ｄＢｍ程度の変調信号を入力した。

上述したように、光スペクトルアナライザー（ＯＳＡ）で観測される波形は、図２のような波形となり、ＤＱＰＳＫ変調器の４つの並列直線導波路を４つの位相変調器と考えると、発生した１次、２次の光サイドバンドは、他の位相変調器から来る無変調の光波（直流成分）とは無関係に、信号を入力している位相変調器のＥ／Ｏ応答特性に応じた、スペクトル強度を示す。

入力信号の電圧をＶ_ｉｎ、その周波数における位相変調器の半波長電圧をＶ_π、１次、２次成分の振幅をＪ_１（φ）、Ｊ_２（φ）としたとき、ＯＳＡで得られた、１次、２次成分の光強度比ΔＰ［ｄＢ］は
光強度比ΔＰ［ｄＢ］＝Ｐ_１−Ｐ_２
＝１０×log（Ｊ_１（φ））^２−１０×log（Ｊ_２（φ））^２ ・・・・（３）
ただし、Ｊ_ｎ（φ）は第１種ベッセル関数であり、φ＝π（Ｖ_ｉｎ／Ｖ_π）で表される。

この関係から、ΔＰを算出し、各周波数におけるφ、つまりＶ_πを算出する。Ｖ_πの周波数依存性が、すなわちこの変調器の光周波数応答特性を表す。図４には、変調度φの結果を示す。なお、各周波数における変調度を５８ＧＨｚにおける値を基準とし、対数表示している。
図４を見ると、各周波数に対する変調度が、全体にわたり正確に特定できていることが、容易に理解される。

半波長電圧を算出するには、上述のφ＝π（Ｖ_ｉｎ／Ｖ_π）と図４に利用した変調度φの値を用いて容易に算出が可能である。
このように、本発明の測定方法を用いれば、高周波数領域においても精度良く半波長電圧を測定できる。

上述の説明では、マッハツェンダー型光導波路部分を構成する特定の分岐導波路に対応して配置された変調電極について、半波長電圧を測定することを説明したが、本発明は、マッハツェンダー型光導波路部分に対応して一つの変調電極を配置する光変調器についても適用可能である。例えば、Ｚカット板を用いる場合に、一方の分岐導波路上には変調電極を、他方の分岐導波路には接地電極を配置する光変調器や、Ｘカット板を用いる場合に、２つの分岐導波路の間に変調電極を配置し、各分岐導波路を接地電極と変調電極とで挟むように接地電極を配置する光変調器などがある。

このような光変調器に対しても、特定の変調電極に上述した変調信号を印加し、その際の光変調器から出力される出力光のパワースペクトルを用いて、上述したように演算を行い、当該変調電極に係る半波長電圧を算出することができる。

本発明によれば、光変調器の出力光の０次成分を利用せず、高周波数領域における半波長電圧を適正に測定可能な光変調器の半波長電圧の測定方法を提供することが可能となる。

本発明の測定対象となる光変調器の一例を示す図である。 本発明の測定に利用される光変調器からの出力光のパワースペクトルを示すグラフである。 １次及び２次側帯波の光強度比ΔＰと変調度φとの関係を示すグラフである。 基板厚１ｍｍを有する光変調器について変調度φの周波数特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 基板
２ 光導波路
２１，２２ マッハツェンダー型光導波路部分
３１〜３６ 変調電極

Claims (5)

1. 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成され、少なくとも一部にマッハツェンダー型光導波路部分を有する光導波路と、該マッハツェンダー型光導波路部分を含み光導波路中を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器の半波長電圧の測定方法において、
   該マッハツェンダー型光導波路部分に所定の周波数の変調信号を印加した状態で、該光変調器からの光出力のパワースペクトルを測定し、
   該パワースペクトルの側帯波から少なくとも２つの異なる次数の側帯波を抽出し、抽出した側帯波の光強度値に基き演算値を算出し、
   抽出した側帯波と同じ次数のベッセル関数について、該側帯波と同様な演算式の解として上記演算値を満足する該ベッセル関数の変数値を導出し、
   該変数値と該変調信号の振幅値とに基き該周波数の半波長電圧を決定することを特徴とする光変調器の半波長電圧の測定方法。
2. 請求項１に記載の光変調器の半波長電圧の測定方法において、該変数値φ、該振幅値Ｖ_ｉｎ、及び半波長電圧Ｖ_πは、次の関係式を満足することを特徴とする光変調器の半波長電圧の測定方法。
   φ＝π（Ｖ_ｉｎ／Ｖ_π）
3. 請求項１又は２に記載の光変調器の半波長電圧の測定方法において、抽出された側帯波は、少なくとも１次及び２次の側帯波を含むことを特徴とする光変調器の半波長電圧の測定方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器の半波長電圧の測定方法において、該演算値は抽出された側帯波の光強度値の比であることを特徴とする光変調器の半波長電圧の測定方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調器の半波長電圧の測定方法において、該光変調器は、２つのマッハツェンダー型光導波路部分を入れ子型に有するネスト型光変調器であることを特徴とする光変調器の半波長電圧の測定方法。

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