JP2012203283A

JP2012203283A - 光変調器

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Publication number: JP2012203283A
Application number: JP2011069333A
Authority: JP
Inventors: Sawaji Maie; 沢二真家; Noritaka Hara; 徳隆原
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2012-10-22
Anticipated expiration: 2031-03-28
Also published as: JP5589926B2; US8437068B2; US20120250136A1; CN102707385B; EP2506051A3; EP2506051A2; CN102707385A

Abstract

【課題】時間軸上の隣り合うビットに対応する各光パルス間で偏波を直交させる光変調器を小型化する。
【解決手段】第１の導波路が出射端面に対して斜めに形成され、第２の導波路が第１の導波路と出射端面の双方に対して斜めに形成された光導波路素子と、第１，第２の導波路から出射された第１，第２変調光の光路を互いに平行にするレンズと、第１，第２変調光の少なくとも一方に位相遅延を付与する位相遅延素子と、第１，第２変調光の少なくとも一方の偏波を回転させて当該２つの変調光間で偏波を直交させる偏波回転部と、偏波が直交した第１，第２変調光を偏波合成する偏波合成素子と、を備え、位相遅延素子の光伝搬方向の厚さは、位相遅延素子による位相差と偏波合成素子による位相差とによって第１，第２変調光の各光パルスがビットインターリーブされる厚さに設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光変調器に関する。

光通信システムの伝送容量を増大させることが可能な伝送方式として、特許文献１には、時間軸上の隣り合うビットに対応する各光パルス間で偏波を直交させて、偏波による多重化を時分割による多重化と併用するようにしたシステムが示されている。具体的には、特許文献１の多重化光回路は、独立に変調した２つの変調光の偏波を直交させ、更に２つの変調光間に各変調光のパルス間隔の半分の時間遅延を与えた上で、偏波合成を行う構成である。この方式によれば、隣り合うビット間では偏波が直交していることにより光パルスの干渉が生じないため、光パルスの波形が時間的に重なりを有したとしても伝送特性に与える影響が少ない。よって、光パルスを狭窄化する手法に頼ることなく、伝送容量の増大が可能である。

特開２００１−０３６５０５号公報

ここで、特許文献１の構成においては、偏波合成を行う複屈折結晶中における２つの偏波（変調光）の光路差のみを用いて、偏波および時分割の多重化に必要な上述の時間遅延を２つの変調光間に生じさせていた。ところが、上記時間遅延はシステムのビットレートで決められてしまうから、複屈折結晶中の光路差ひいては複屈折結晶の長さ（光伝搬方向の結晶厚さ）を自由に選択することはできない。そのため、複屈折結晶として比較的大型のものを用いる必要があり、装置を小型化することができないという問題がある。

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、時間軸上の隣り合うビットに対応する各光パルス間で偏波を直交させる光変調器を小型化することにある。

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、本発明の光変調器は、時間軸上の隣り合うビットに対応する各光パルス間で偏波を直交させる光変調器において、同一の変調周波数で駆動される第１及び第２の光変調部と、前記第１の光変調部による第１変調光が伝搬する第１の導波路及び前記第２の光変調部による第２変調光が伝搬する第２の導波路を有し、前記第１の導波路が出射端面に対して斜めに形成され、前記第２の導波路が前記第１の導波路と前記出射端面の双方に対して斜めに形成された光導波路素子と、前記第１の導波路から出射された第１変調光と前記第２の導波路から出射された第２変調光の光路を互いに平行にするレンズと、前記第１及び第２変調光の少なくとも一方に位相遅延を付与する位相遅延素子と、前記第１及び第２変調光の少なくとも一方の偏波を回転させて当該２つの変調光間で偏波を直交させる偏波回転部と、前記レンズの後段に設けられ、前記偏波が直交した第１変調光と第２変調光を偏波合成する偏波合成素子と、を備え、前記位相遅延素子の光伝搬方向の厚さは、前記位相遅延素子による位相差と前記偏波合成素子による位相差とによって前記第１変調光の光パルスと前記第２変調光の光パルスがビットインターリーブされる厚さに設定されていることを特徴とする。

また、本発明の光変調器は、上記の光変調器において、前記位相遅延素子は、平板状の形状を有し、光伝搬方向に対する平板の法線の傾斜角を調整可能であることを特徴とする。
また、本発明の光変調器は、上記の光変調器において、前記偏波合成素子の光伝搬方向の厚さは、前記偏波合成された第１及び第２変調光間の偏波クロストークの許容最小値に対応する厚さよりも大きく設定されていることを特徴とする。

また、本発明の光変調器は、上記の光変調器において、前記光導波路素子と前記レンズが第１筐体に固定されたユニットと、前記位相遅延素子と前記偏波回転部と前記偏波合成素子が出力用光ファイバとともに第２筐体に固定されたユニットと、により構成されたことを特徴とする。

また、本発明の光変調器は、上記の光変調器において、前記光導波路素子と前記偏波回転部と前記位相遅延素子が第１筐体に固定されたユニットと、前記レンズと前記偏波合成素子が出力用光ファイバとともに第２筐体に固定されたユニットと、により構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、時間軸上の隣り合うビットに対応する各光パルス間で偏波を直交させる光変調器を小型化することが可能である。

本発明の一実施形態による光変調器の構成を示す上面図である。偏波合成素子から得られる、互いの偏波面が直交しビットインターリーブされた変調光を示す図である。

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を示す上面図である。この光変調器１は、２つの変調光を偏波合成する偏波合成型変調器であって、入力光を変調する変調器本体１０と、変調器本体１０から出射された光をコリメートするとともに光軸が互いに平行となるよう光路を変換するレンズ２０と、レンズ２０から出射された２つの光の一方に位相遅延を付与する位相遅延素子９０と、レンズ２０から出射された２つの光の他方（位相遅延素子９０を通過しなかった光）の偏波を回転させる１／２波長板３０ａと、１／２波長板３０ａと同じ光路長を有したガラス板３０ｂと、１／２波長板３０ａおよびガラス板３０ｂから出射された偏波の異なる光をその光路が一致するよう合成（偏波合成）する偏波合成素子４０と、偏波合成素子４０から出射された光を出力用光ファイバ６０の入射位置に集光するレンズ５０と、偏波合成された光を取り出すための出力用光ファイバ６０とを有している。

変調器本体１０とレンズ２０は、筐体７０内に固定されている。位相遅延素子９０と１／２波長板３０ａとガラス板３０ｂと偏波合成素子４０とレンズ５０と出力用光ファイバ６０は、筒状の筐体８０に収容されてユニット化されている。

変調器本体１０は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：ＬＮと称す）基板上に光導波路及び変調電極が形成されてなる光導波路素子（ＬＮ光変調器）である。
この変調器本体１０の光導波路は、マッハツェンダー導波路ＭＡの両アームにマッハツェンダー導波路ＭＢ，ＭＣが設けられ、マッハツェンダー導波路ＭＢの両アームにマッハツェンダー導波路１０１，１０２が、マッハツェンダー導波路ＭＣの両アームにマッハツェンダー導波路１０３，１０４が、それぞれ設けられた入れ子構造を有する。即ち、変調器本体１０への入力光は、マッハツェンダー導波路ＭＡの入力導波路１０６へ導入され、アーム上のマッハツェンダー導波路ＭＢとＭＣへ分岐される。また、マッハツェンダー導波路ＭＢへ入力された光は、マッハツェンダー導波路１０１と１０２へ分岐され、マッハツェンダー導波路ＭＣへ入力された光は、マッハツェンダー導波路１０３と１０４へ分岐される。そして、マッハツェンダー導波路１０１と１０２からの出力光は、マッハツェンダー導波路ＭＢにより合波されてマッハツェンダー導波路ＭＡのアーム１０８へ導入され、マッハツェンダー導波路１０３と１０４からの出力光は、マッハツェンダー導波路ＭＣにより合波されてマッハツェンダー導波路ＭＡのアーム１０９へ導入される。

マッハツェンダー導波路１０１〜１０４は、それぞれに設けられた不図示の変調電極とともにＬＮ光変調器を形成している。各ＬＮ光変調器１０１〜１０４の変調電極には、不図示の駆動回路から例えば２５Ｇｂ／ｓの駆動信号が与えられ、各ＬＮ光変調器１０１〜１０４は、２５Ｇｂ／ｓで変調された変調光を出力する。マッハツェンダー導波路ＭＢのＬＮ光変調器１０１と１０２の変調方式は、ここではＤＱＰＳＫ（差動四相位相偏移変調）を用いる。マッハツェンダー導波路ＭＣのＬＮ光変調器１０３と１０４の変調方式も同様である。ＤＱＰＳＫにより、マッハツェンダー導波路ＭＡのアーム１０８，１０９へ導入される光は、５０Ｇｂ／ｓの変調光となる。

マッハツェンダー導波路ＭＡのアーム１０８は、ＬＮ基板（変調器本体１０）の一端面Ｍの近傍部分（出力導波路１０８１）が、端面Ｍの法線に対して角度θ_１をなすように設けられている。また、同様に、マッハツェンダー導波路ＭＡのアーム１０９は、端面Ｍの近傍部分（出力導波路１０９１）が、端面Ｍの法線に対して角度θ_２をなすように設けられている。角度θ_１，θ_２は、アーム１０８とアーム１０９がＬＮ基板の内部で交差するような角度である。このような導波路配置により、出力導波路１０８１からは図１中の下方へ向けて斜めに光が出射され、出力導波路１０９１からは図１中の上方へ向けて斜めに光が出射されることとなる。なお、出力導波路１０８１，１０９１が端面Ｍに対して斜めに設けられていることにより、端面Ｍから出力導波路１０８１，１０９１への戻り光を低減することができる。

レンズ２０は、変調器本体１０（出力導波路１０８１，１０９１）から出射された２つの光がコリメートされ、且つレンズ２０を通過後にこれら２つの光の伝搬方向が互いに平行となるように、その焦点距離ｆ_１と配置（レンズ２０と出力導波路１０８１，１０９１の出射端との距離、およびレンズ２０の光軸方向）が調整されている。上記のとおりレンズ２０へ入射される光がレンズ２０の光軸に対して斜め方向を向いているため、焦点距離ｆ_１とレンズ２０の配置の調整により、レンズ２０からの出射光を互いに平行にすることが可能である。よって、光路を変換するためのプリズムが必要なく、部品点数の削減と小型化を図ることができる。

レンズ２０の焦点距離は、ｆ_１＝１．８ｍｍとする。これは、焦点距離を長くすると、（１）変調器本体１０とレンズ２０間の距離が長くなり小型化に反する、（２）コリメートされた光のビーム径が太くなるため後述する偏波クロストーク劣化の問題が生じる、また、焦点距離を短くすると、（３）コリメート光とみなせる有効距離が偏波合成素子４０の厚さＬより短くなってしまうことにより偏波合成素子４０からの出射光を完全に偏波合成できない、等の点を考慮したものである。

位相遅延素子９０は、レンズ２０を通過した２つの平行光のうち、出力導波路１０８１から出射された方の光の光路上に配置されている（出力導波路１０８１から出射された方の光のみ位相遅延素子９０を通過し、出力導波路１０９１から出射された方の光は位相遅延素子９０を通過しない）。これにより、出力導波路１０８１から出射された方の光にのみ、位相遅延素子９０の厚さ（光の伝搬方向の長さ）に応じた位相遅延が付与される。

１／２波長板３０ａは、レンズ２０を通過した２つの平行光のうち、出力導波路１０９１から出射された方の光の偏波面を９０°回転させる。また、ガラス板３０ｂは、出力導波路１０８１から出射された方の光（位相遅延素子９０を通過した光）に、出力導波路１０９１から出射された方の光が１／２波長板３０ａから受ける位相遅延と同じ位相遅延を付与する（偏波面は変化させない）。これにより、１／２波長板３０ａを出射した光とガラス板３０ｂを出射した光は、互いに偏波面が直交した（９０°傾いた）状態になる。

偏波合成素子４０は、平板状に形成された複屈折媒質（例えば、ルチルや方解石）であり、１／２波長板３０ａを通過し偏波合成素子４０へ入射した光（出力導波路１０９１からの出射光）が常光ＬＯとして偏波合成素子４０内を伝搬し、ガラス板３０ｂを通過し偏波合成素子４０へ入射した光（出力導波路１０８１からの出射光）が異常光ＬＥとして偏波合成素子４０内を伝搬するように、その光学軸の向きが設定されている。これにより、１／２波長板３０ａおよびガラス板３０ｂから偏波合成素子４０の異なる入射位置に入射された２つの光が同一の光路上に出射されることになる。

ここで、偏波合成素子４０から同一の光路上に出射された偏波の直交する２つの光の間には、位相遅延素子９０による位相遅延と偏波合成素子４０中の光路差による位相遅延とを合わせた位相遅延が生じている。この位相遅延（２つの位相遅延を合わせたもの）は、各出力導波路１０８１，１０９１から出射される変調光の１ビット分の時間の半分に相当する位相遅延に調整しておく。具体的には、位相遅延素子９０の厚さを、後述のように決定される偏波合成素子４０の厚さＬに応じて、上記条件（半ビットの位相遅延）が満たされるように定めればよい。このように、本実施形態の光変調器１においては、位相遅延素子９０と偏波合成素子４０の両者によって、偏波合成素子４０から出射される偏波間に半ビットの遅延が付与される。これにより、図５に示すように互いの偏波面が直交する５０Ｇｂ／ｓの変調光がビットインターリーブされてなる１００Ｇｂ／ｓの変調光が、偏波合成素子４０から得られることになる。この構成によれば、偏波合成素子４０により付与する位相遅延が少なくてすむため、偏波合成素子４０として小型のものを用いることが可能となる。

レンズ５０は、焦点距離ｆ_２を有し、偏波合成素子４０を通過した光（コリメート光）を焦点位置に集光する。出力用光ファイバ６０は、その入射側のコア端面がレンズ５０の焦点位置にくるようにして配置される。これにより、偏波合成素子４０からの光が出力用光ファイバ６０へ結合されて、偏波合成およびビットインターリーブされた１００Ｇｂ／ｓの変調光が光変調器１の出力として外部へ取り出される。

次に、上記の光変調器１を小型にし、且つ偏波クロストークの特性を良好にするための構成について説明する。

図１の光変調器１において、偏波合成素子４０内を伝搬する異常光ＬＥの伝搬方向は、常光ＬＯの伝搬方向に対し、偏波合成素子４０の複屈折（常光に対する屈折率ｎ_ｏと異常光に対する屈折率ｎ_ｅの差）に応じた角度θだけ傾いている。このとき、１／２波長板３０ａおよびガラス板３０ｂから偏波合成素子４０へ入射する互いの偏波が直交した２つの光（平行光）の離間距離をＤ（図１参照）とすると、この２つの光が偏波合成素子４０を通過して同一光路上に出射される（すなわち偏波合成される）ために必要な偏波合成素子４０の厚さＬ（常光ＬＯの伝搬方向の長さ、図１参照）は、Ｌ＝Ｄ／ｔａｎθと表される。上式から、離間距離Ｄが小さいほど偏波合成素子４０の厚さＬを小さくすることが可能である。

ここで、偏波合成素子４０（１／２波長板３０ａ、ガラス板３０ｂ）への入射光はレンズ２０によってコリメートされ有限のビーム径を有しているから、上述の離間距離Ｄが小さすぎると、これら２つの入射光同士が重なって（２つのビームがオーバーラップして）しまう。但し、ビームの中心間の距離を離間距離Ｄと定義するものとする。そうすると、１／２波長板３０ａへ出力導波路１０８１からの光の一部が、また、ガラス板３０ｂへ出力導波路１０９１からの光の一部が、それぞれ望まれない漏れ光として入射してしまうこととなる。このため、偏波合成素子４０へ入射する２つの光の離間距離Ｄが小さい場合には、偏波合成素子４０の出射光における２つの偏波間の偏波クロストークが劣化する。

したがって、本実施形態の光変調器１では、上記のような偏波クロストークの劣化を防止するために、離間距離Ｄが小さくなりすぎないよう偏波合成素子４０の厚さＬに下限値を設けることとする。具体的には、偏波合成素子４０の厚さＬは、偏波クロストークが光変調器１の伝送特性として許容される最小値よりも大きくなるような範囲に設定することとする。

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。変形例を以下に列挙する。

出力導波路１０８１，１０９１とＬＮ基板の端面Ｍの法線のなす角度θ_１，θ_２を、端面Ｍに近いほどアーム１０８，１０９間の距離が小さくなる（出力導波路１０８１，１０９１がＬＮ基板の内部で交差しない）ような角度とし、変調器本体１０の外部においてアーム１０８，１０９からの各出射光が交差するようにしてもよい。
１／２波長板３０ａとガラス板３０ｂを変調器本体１０の出射側の端面Ｍに接合させた構成としてもよい。
１／２波長板３０ａによる偏波面の回転角度が４５°となるようにし、ガラス板３０ｂに代えて、１／２波長板３０ａの偏波面回転方向とは反対方向に偏波面を４５°回転させる１／２波長板を使用して、この１／２波長板と１／２波長板３０ａとによって２つの光の偏波面を相対的に９０°傾いた状態とするようにしてもよい。
図１の光変調器１はレンズ２０および５０によりコリメート光学系の構成とされているが、コリメート光学系に代えて、集光光学系の構成としてもよい。

１…光変調器１０…変調器本体ＭＡ，ＭＢ，ＭＣ，１０１〜１０４…マッハツェンダー導波路１０６…入力導波路１０８，１０９…マッハツェンダー導波路のアーム１０８１，１０９１…出力導波路２０，５０…レンズ３０ａ…１／２波長板３０ｂ…ガラス板４０…偏波合成素子６０…出力用光ファイバ７０，８０…筐体９０…位相遅延素子

Claims

時間軸上の隣り合うビットに対応する各光パルス間で偏波を直交させる光変調器において、
同一の変調周波数で駆動される第１及び第２の光変調部と、
前記第１の光変調部による第１変調光が伝搬する第１の導波路及び前記第２の光変調部による第２変調光が伝搬する第２の導波路を有し、前記第１の導波路が出射端面に対して斜めに形成され、前記第２の導波路が前記第１の導波路と前記出射端面の双方に対して斜めに形成された光導波路素子と、
前記第１の導波路から出射された第１変調光と前記第２の導波路から出射された第２変調光の光路を互いに平行にするレンズと、
前記第１及び第２変調光の少なくとも一方に位相遅延を付与する位相遅延素子と、
前記第１及び第２変調光の少なくとも一方の偏波を回転させて当該２つの変調光間で偏波を直交させる偏波回転部と、
前記レンズの後段に設けられ、前記偏波が直交した第１変調光と第２変調光を偏波合成する偏波合成素子と、
を備え、
前記位相遅延素子の光伝搬方向の厚さは、前記位相遅延素子による位相差と前記偏波合成素子による位相差とによって前記第１変調光の光パルスと前記第２変調光の光パルスがビットインターリーブされる厚さに設定されている
ことを特徴とする光変調器。
前記位相遅延素子は、平板状の形状を有し、光伝搬方向に対する平板の法線の傾斜角を調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記偏波合成素子の光伝搬方向の厚さは、前記偏波合成された第１及び第２変調光間の偏波クロストークの許容最小値に対応する厚さよりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光変調器。
前記光導波路素子と前記レンズが第１筐体に固定されたユニットと、
前記位相遅延素子と前記偏波回転部と前記偏波合成素子が出力用光ファイバとともに第２筐体に固定されたユニットと、
により構成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光変調器。
前記光導波路素子と前記偏波回転部と前記位相遅延素子が第１筐体に固定されたユニットと、
前記レンズと前記偏波合成素子が出力用光ファイバとともに第２筐体に固定されたユニットと、
により構成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光変調器。