JP2010532008A - 光導波路における偏波依存性周波数シフトの補償方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、干渉計の少なくとも1つの導波路の複屈折率を補償することで、上記干渉計からなる光学フィルタの中心周波数の偏波依存性周波数シフトを補償する方法及び装置であって、少なくとも1つの半波長板が干渉計の光路に挿入され、少なくとも1つの導波路(16,17)が上記半波長板(11)の左右に位置する領域で特定の温度に設定され、上記半波長板(11)の右側の領域が第１の温度Ｔ_１に設定され、上記半波長板(11)の左側の領域が第２の温度Ｔ_２に設定される方法及び装置に関する。
【選択図】図２

Description

本発明は、干渉計の少なくとも1つの導波路の複屈折率を補償することで、上記干渉計からなる光学フィルタの中心周波数の偏波依存性周波数シフトを補償する方法及び装置であって、少なくとも1つの半波長板が干渉計の光路に挿入され、この半波長板の左右にわたる、少なくとも1つの導波路の少なくても１つの領域を、所定の温度に設定する方法及び装置に関する。

前述のタイプの干渉計は 、センサアレイへの応用だけでなく、例えば、OTDMシステム、DPSK方式、DQPSK方式で使用する光スイッチ、可変光減衰器、光変調器、ディマルチプレクサとして光データ通信で種々利用されている。これらの応用では、一般的には、マッハ-ツェンダー（Mach-Zender）干渉計が用いられるが、マイケルソン(Michelson）干渉計を用いることもできる。

よく知られているように、マッハ-ツェンダー干渉計は、能動又は受動部品と共に、平面集積回路に集積化される。平面集積回路に集積されるこのようなマッハ-ツェンダー干渉計は、コンパクトで制御し易く、費用対効果が高い。

しかし、光学フィルタ又は光スイッチにおける、この種のマッハ-ツェンダー干渉計の伝送特性は、入射光の偏波に依存する。この偏波依存性は、広帯域及び/又は高伝送レートを有する光通信工学における、集積化マッハ-ツェンダー干渉計の応用範囲を制限している。DPSK、DQPSK、OTDMまたは類似のシステムの応用では、着信データストリームの復調信頼性を確保するため、伝送レートの偏波無依存性に対する要求が特に高い。平面集積回路で光学フィルタや光スイッチとして用いられている従来のマッハ-ツェンダー干渉計では、DPSK、DQPSK、OTDMシステムの要求には通常不十分な、大きな中心周波数シフトの偏波依存性シフト(PDFS)が生じる。

例えば、OTDM、DPSKまたはDQPSKシステムでは、受信側で復調のためにデイレーライン干渉計（DLI）を使用する。DQPSKシステムにおいて、このようなDLIに許容されるPDFSは 、ビットレート40Gb/sに対して約± 200 MHzである。このようなPDFSであるためには、干渉計の光路の複屈折率が、CおよびLバンドでは、約±2×10^-6に制限される。平面集積回路のマッハツェンダー干渉計では、導波路の複屈折率B_ｗｇは略〜10^-3であり、従って、PDFSは略±100GHzである。この複屈折率は、主に張力によりもたらされる。従って、複屈折率は、温度に対して直線的に変化する。その傾き（この場合は、減少）Sは、S＝B_WG/ΔT_Procにより定められる。ここで、ΔT_Proc＝T_f-T₀は、製造工程の最終温度T_fと動作温度T₀の差を表している。Sの値は、常に負であり、ポリマ導波路では、約-10^-5程度である。典型的な温度差ΔT_Procは、略100Kから200Kである。

従来技術によれば、PDFSを制限するには、マッハ-ツェンダー干渉計にポリイミドで形成した半波長板を装着しなければならず、この半波長板は伝播路の中央に配置されなければならない。これにより、半波長板が偏光ベクトルを回転させ、干渉計の第１の部分と干渉計の第２の部分でPDFSが相殺される。しかし、実際には、この相殺は不完全で、上記のように装着された干渉計のPDFSは約±1000MHzになる。これは、複屈折率が約10^-5であることを意味している。

しかし、この程度では、DQPSKシステムにおけるPDFSに対する上記要求を満たすためには十分でない。

そこで、本発明の目的は、OTDM、DPSKまたはDQPSKシステムにおいて、従来の光フィルタに比べより高いデータレート及び/又は帯域幅を実現するために、光フィルタにおける中心周波数の偏波依存性シフト（PDFS）を小さくするための装置及び方法を提供することである。

上記の目的は、少なくても一つの半波長板が干渉計の光路に挿入され、少なくても一つの導波路の少なくても一区間が、前記半波長板の左右で所定の温度に設定され、前記干渉計の少なくても一つの導波路の複屈折率を補償することにより、前記干渉計からなる光フィルタにおける中心周波数の偏波依存性シフトを補償する方法であって、前記半波長板の右側の少なくても一つの区間が第１の温度Ｔ_１に設定され、前記半波長板の左側の少なくても一つの区間が第２の温度Ｔ_２に設定される方法によって解決される。

更に、上記目的は、夫々が少なくても一つの導波路からなる２本のアームを有する干渉計であって、前記干渉計の両アームに半波長板が配置され、前記半波長板の左右にわたる、前記干渉計の両アームの前記導波路の少なくても一区間が、夫々少なくても一つの加熱素子と熱交換接触し、前記半波長板の左右にわたる、前記干渉計のより長い光路長の前記アームに配置された前記加熱素子が夫々長さδ|1を有し、前記半波長板の左右にわたる、前記干渉計の別のアームに配置された加熱素子が、夫々長さδ|2=δ|1*L/(L+ΔL)を有する干渉計を提供することによって解決される。

本発明の有益な実施の形態は、従属クレームの通りである。

本発明によれば、光導波路の偏波依存性周波数シフトの補償方法において、少なくても一つの半波長板が光路に導入され、前記光導波路の所定の区間が少なくても前記半波長板の両側で加熱される。これにより、夫々の導波路の少なくても一つの区間が、所定の温度に設定される。これは、少なくても２つの加熱素子により前記半波長板の左右で前記導波路に熱を供給することにより実現することができる。これら加熱素子は、加熱電極として具体化することができる。

本発明の実施の形態によれば、前記導波路の張力による複屈折率、そして前記半波長板の装着後のマッハ-ツェンダー干渉計の残留PDFSを、前記半波長板の右側の少なくても一つの区間を第１の温度Ｔ_１に設定し、前記半波長板の左側の少なくても一つの区間をＴ_１とは異なる第２の温度Ｔ_２に設定することにより補償することができる。好ましくは、前記半波長板の夫々の側の区間が、夫々相互に接続された複数の区間を有し、前記半波長板の右側の単一区間及び左側の単一区間を加熱素子により加熱する。

前記導波路を加熱すると、それらの長さ及び/又は屈折率及び/又は張力による複屈折率が変化する。従って、可変加熱により、前記半波長板の左右両側において前記光路の残留非対称性を平衡させることができる。

本発明の実施の形態では、前記半波長板の左右の区間が夫々等しい長さδ|１の加熱電極を特徴とし、夫々の温度T₁及びT₂が下記条件
T₂-T₁=(B_res/B_WG)*ΔT_Proc*(L/δ|l),
を満たす。ここで、B_resは残留PDSFに対応する複屈折率を表し、B_WGは前記導波路の複屈折率を表し、ΔT_Procは製造温度と環境温度の差を表し、Lは前記導波路の長さを表している。

本方法は、マッハ-ツェンダー干渉計に前記導波路を集積する実施の形態において実施することが好ましい。この場合、前記マッハ-ツェンダー干渉計の上部アームの温度差が次式を満たすように、前記マッハ-ツェンダー干渉計の上部アームの長さ（L+ΔL）を定めてもよい。

T₂-T₁=(B_res/W_WG)*ΔT_Proc*{(L+ΔL)/δ|l},
DQPSK受信器における遅延線を有するマッハ-ツェンダー干渉計に対しては、前記マッハ-ツェンダー干渉計の両アーム間の遅延時間は、シンボルの期間に等しくなければならない。前記加熱電極は、この目的のため、光路長差を調整するために用いられる。これは、光路長差を補正するための温度T_DLIを加えることで実現できる。

本発明の実施の形態では、PDFSを補償するための温度差ΔT=T₂-T₁の半分を温度T_DL1から減じて、前記半波長板の左側（または右側）の前記導波路の前記区間に印加し、前記温度差ΔTの半分を温度T_DL1に加えて、前記半波長板の右側（または左側）の前記導波路の前記区間に印加する。これにより、温度T_DL1-ΔT/2とT_DL1+ΔT/2が生じる。

ポリマ導波路に対しては、その高い熱光学係数とポリマ材料の小さな熱伝導率により、広い調整範囲を確保するため、僅かな電力だけが必要になる。

本発明をマッハツェンダー干渉計に適用する場合には、マッハ―ツェンダー干渉計の両アームの導波路の光路に半波長板を装着するとよい。少なくても一つの加熱素子と熱交換接触させることにより、前記半波長板の左右にわたる、前記干渉計の前記上部アーム及び前記下部アーム両方の前記導波路の一区間に、少なくても所定の温度を加えることができるので、本実施の形態により、従来知られているより非常に高度に、マッハ―ツェンダー干渉計のPDFSを補償することができる。前記マッハ―ツェンダー干渉計の両アームの前記半波長板の右側の前記導波路‐少なくても一区間‐を、等しい温度T_r（好ましくは、T_r=T_DLI-ΔT/2)にした場合、且つ同様に前記半波長板の左側の２つの前記導波路を、等しい温度T_l（好ましくは、T_l=T_DLI+ΔT/2)にした場合に、本実施の形態の複雑性は緩和される。これは、加熱区間の長さ、すなわち夫々の加熱素子の長さの釣り合いのとれた選択により実現することができる。

前記半波長板の両側の加熱区間は、複数の分割区間からなっていてもよい。しかし、単一の連続区間が、前記半波長板の右側及び左側の双方で加熱されることが好ましい。従って、各導波路の夫々の側には、たった一つの加熱素子が必要である。前記上部アームの加熱区間の長さが（すなわち、加熱素子の長さが夫々）左右両側でδ|1に等しい場合には、前記下部アームで加熱する区間の長さ（すなわち、加熱素子の長さが夫々）を前記半波長板の左右両側それぞれでδ|2=δ|1*L/(L+ΔL)に等しくする。

本発明によれば、複屈折率を、ポリイミドの半波長板により達成できる10^-5よりさらに小さくすることができる。複屈折率として10^-6以下の値を達成することができるので、DQPSKシステムや他の分野における、平面集積回路の導波路に対する高い要求を満たすことができる。

本発明の好ましい実施の形態では、本発明にしたがう組み立て品が、前記加熱素子の温度を制御するデータ処理装置と結合している。本発明に従うコンピュータプログラムは、前記データ処理装置のメモリにロードされた後、データ処理装置が、光導波路の偏波依存性周波数シフトを補償する方法を実行できるようにする。この方法では、前記半波長板の右側及び左側の導波路が、少なくても一区間で所定の温度に設定される。本発明に従う前記コンピュータプログラムは、さらに前記温度を一定レベルに保持してもよい。

そのようなコンピュータプログラムは、例えば、データまたは通信ネットワークで、（有料または無料で、すなわちオープンアクセスまたはパスワード保護で）ダウンロードできる。このようにして得られるコンピュータプログラムは、インターネットのような電子データネットワークからコンピュータプログラムをダウンロードする方法により、例えば、接続されたデータ処理装置のデータネットワーク上で使用可能になる。

光導波路の偏波依存性周波数シフトを補償する方法を実行するため、（データ処理装置にメモリがロードされた後に）光導波路の偏波依存性周波数シフトを補償する方法を、データ処理装置が実行できるようにする、プログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体を利用する。上記方法では、前記半波長板の右側及び左側にわたる前記導波路の少なくても一区間を所定の温度にする。

実施の形態の図面を参照して、本発明をより詳しく説明する。

ポリマ導波路の温度／複屈折率曲線 本発明の実施の形態の概略図

図１には、ポリマ導波路の温度／複屈折率曲線の全体像が示されている。ポリマ導波路の複屈折率曲線の傾きは、10^-5/Kの領域にある。導波路１６の温度が環境温度のT₀=20℃からT₁に増加した場合、導波路１６の複屈折率はδB₁=|S^*(T_l-T₀)|だけ減少する。ここで、Sは上記曲線の傾きである。対応する偏波位相シフトは、
Δφ₁=2π/λ*δB₁*δ|1
に等しい。ここで、δ|1は、加熱素子１２の長さである。温度が上昇する場合、値Δφ_１は常に負である。それにもかかわらず、半波長板１１を通過することにより、位相シフトは、+|Δφ₁|で表される正の複屈折率に変換される。右側の加熱電極１３は温度T₂に加熱され、導波路の複屈折率はδB₂=|S^*(T₂-T₀)|に変化する。その結果、対応する位相変化は、
Δφ₂=2π/λ*δB₂*δ|1
になる。

従って、両加熱素子１２,１３により誘起された偏波位相シフトを以下のように表すことができる。

Δφ₂-Δφ₁= 2π/λ*(δB₂-δB₁)*δ|l
残留PDFSは、残留偏波位相シフト：ΔΦ_res=2π/λ*B_res*(L+ΔL)により表すことができる。ここで、Lは下側（より短い）アーム１７の長さを示し、（L+ΔL）はマッハ―ツェンダー干渉計の上側（より長い）アーム１６の長さを示す。位相シフトの完全な補償のためには、条件ΔΦ_res+(Δφ₁-Δφ₂)=0すなわち2π/λ*B_res*(L+ΔL)=2π/λ*S*(T₂-T₁)*δ|lが必要である。

これにより、加熱素子１２,１３の下記温度差が得られる。

T₂-T₁=(B_res/B_WG)*ΔT_Proc*{(L+ΔL)/δ|l}
B_resの符号により、差T₂-T₁は正または負になる。割合B_res/B_WGは、ほぼ10^-2から10^-3の範囲にあり、ΔT_Procは略100Kから200Kの範囲にあり、長さ因子{(L+ΔL)/δ|l}は略１０になる。DLIの残留複屈折率を打ち消すためには、わずか数度の温度差で十分であることが分かる。DQPSK受信器で遅延線を用いるマッハ―ツェンダー干渉計には、遅延線の光路長差の正確な調整により光源とDLIの間の周波数シフトを補償する加熱電極が必要である。ポリマ材料の高い熱光学係数と低い熱伝導率により、ポリマ導波路に対して広い設定範囲を確保するため、僅かな電力だけが必要である。

半波長板１１を用いる場合、半波長板１１の左右に、光路長を補償する上部加熱電極１２,１３を配置するとよい。それにより、両加熱電極１２,１３を異なった温度に加熱することで、PDFSを補償する均等化効果を得ることができる。長さの違いを補償するために導波路の温度をT_DLIにし、且つPDFSの補償のために温度差ΔT=T₂-T₁を設ける必要がある場合には、実施の形態では、加熱電極１２,１３を、夫々温度(T_DLI-ΔT/2)及び(T_DLI+ΔT/2)にする。特別な構造を必要としないので、本発明は、最小限の電力消費を要する、小型で費用効率の高い解決策を提供する。

図２は、複屈折率を均等化する本発明の実施の形態の概略図である。この実施の形態では、半波長板１１と四つの加熱電極１２,１３,１４,１５を組み合わせた、ポリマ導波路を有する集積化マッハ―ツェンダー干渉計が用いられる。マッハ―ツェンダー干渉計の光路長差がΔLであり、上部アーム１６の夫々の加熱素子１２,１３の長さがδ|lとする。PDFSの補償及び光路長の補償の両方に、上部アーム１６のこれら２つの加熱電極１２,１３を用いることができる。

全マッハ―ツェンダー干渉計１０でPDFSを補償するためには、二つの加熱素子１４,１５が同時に下部アーム１７の平衡を保たなければならない。下部アーム１７の加熱電極１４,１５を上部アームの電極加熱素子１２,１３と同じ温度に加熱する場合、下部アーム１７の加熱素子１４,１５の長さはδ|2=δ|1*L/(L+ΔL)でなければならない。

本発明は、提示した好ましい実施の形態には限られない。むしろ、本質的に異なる実施の形態においてさえ、本発明に基づく構造や方法を用いる変形例が種々考えられる。

１０ マッハ―ツェンダー干渉計
１１ 半波長板
１２ 加熱素子
１３ 加熱素子
１４ 加熱素子
１５ 加熱素子
１６ 導波路、マッハ―ツェンダー干渉計の上部アーム
１７ 導波路、マッハ―ツェンダー干渉計の下部アーム

Claims (15)

1. 少なくても一つの半波長板が干渉計の光路に配置され、前記半波長板(11)の左右に位置する少なくても一つの導波路(16,17)の少なくても区間が所定の温度に設定され、前記干渉計の少なくても一つの導波路の複屈折率を補償することにより、前記干渉計からなる光フィルタにおける中心周波数の偏波依存性シフトを補償する方法において、
   前記半波長板(11)の右側に位置する少なくても一つの区間が第１の温度Ｔ_１に設定され、前記半波長板(11)の左側に位置する少なくても一つの区間が第２の温度Ｔ_２に設定されることを、
   特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記半波長板（11）の左右の区間夫々が、等しい長さδ|１を有し、T₁及びT₂が下記条件を満たし、
   T₂-T₁=(B_res/B_WG)*ΔT_Pproc*(L/δ|l),
   B_resが残留偏波依存性周波数シフトに対応する複屈折率であり、B_WGが導波路(16,17)の複屈折率であり、ΔT_Procがマッハ-ツェンダー干渉計の製造工程の最終温度と環境温度の差であり、Lが前記導波路(16,17)の長さであることを、
   特徴とする方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、
   光路長差の調整及び前記偏波依存性周波数シフトの補償が、より長い光路長を有する前記干渉計の前記アーム(16）において、前記半波長板(11)の右側の区間を第１の温度T₁に設定し、前記半波長板(11)の左側の区間を第２の温度T₂に設定することにより実行されることを、
   特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法において、
   半波長板(11)の一方側の前記区間が温度(T_DL1-ΔT/2)に設定され、前記半波長板(11)の他方側の前記区間が温度(T_DL1+ΔT/2)に設定され、
   T_DL1が前記光路長の差の調整のために要求される温度であり、ΔTが偏波依存性周波数シフトの補償に要求される温度差であることを、
   特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法において、
   前記干渉計(10)の両アームの光路(1６,17)に半波長板が配置されて、前記干渉計(10)の前記偏波依存性周波数シフトが十分に補償され、
   前記干渉計(11)の上部及び下部アーム双方の前記半波長板(11)の左右に位置する導波路(16,17)が、少なくても一つの区間で所定の温度に設定されることを、
   特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法において、
   前記半波長板(11)の右側における前記干渉計(10)のアームの前記区間が、前記半波長板(11)の右側に位置する前記干渉計(10)の別のアームの前記区間と同じ温度に設定され、及び/又は前記半波長板(11)の左側における前記干渉計(10)のアームの前記区間が、前記半波長板(11)の左側における前記干渉計(10)の別のアームの前記区間と同じ温度に設定されことを、
   特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法において、
   前記半波長板(11)の左側及び右側に位置する前記干渉計(10)の前記上部アームの複数の区間が所定の温度に保たれ、夫々が同じ長さδ|1を有し、前記半波長板(11)の左側及び右側に位置する前記干渉計(10)の別のアーム(17)の、所定の温度に保たれた複数の区間が、夫々δ|2=δ|1*L/(L+ΔL)を有すること、
   を特徴とする方法。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法において、
   前記干渉計がマッハ-ツェンダー干渉計からなることを、
   特徴とする方法。
9. 夫々少なくても１つの導波路(16,17）を有する２つのアームからなる干渉計であって、前記干渉計(10)の両アームに半波長板(11)が配置され、前記半波長板(11)の左右に位置する、前記干渉計(10)の両アームの前記導波路(16,17）が、少なくても一つの加熱素子と熱交換接触した干渉計(10)において、
   前記干渉計(10)のより長い光路長(16)の前記アームに配置された前記加熱素子(12,13)が夫々長さδ|1を有し、前記半波長板(11)の左右に位置する、前記干渉計(10)の別のアーム(17)に配置された加熱素子(14,15)が夫々長さδ|2=δ|1*L/(L+ΔL)を有すること、
   を特徴とする干渉計。
10. 請求項９に記載の干渉計において、
    加熱素子(12,13）が加熱電極からなることを、
    特徴とする干渉計。
11. 請求項９又は１０の干渉計において、
    前記加熱素子(12,13,14,15)の温度を制御するデータ処理手段と結合したことを、
    特徴とする干渉計。
12. 請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の干渉計において、
    前記干渉計がマッハ-ツェンダー干渉計からなることを、
    特徴とする干渉計。
13. コンピュータで実行した場合に、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法を実行するプログラムコードからなるコンピュータプログラム。
14. 機械読み込み可能な媒体に記録され、コンピュータで実行した場合に請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法を実行するプログラムコードからなるコンピュータプログラム。
15. 請求項９又は１２に記載の干渉計からなる集積回路。

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