JP2012247797A

JP2012247797A - 光変調器

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Publication number: JP2012247797A
Application number: JP2012179164A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Hikuma; 薫日隈; Junichiro Ichikawa; 潤一郎市川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2012-12-13
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP5288033B2

Abstract

【課題】複数のマッハツェンダー型導波路を入れ子構造に組み合わせた光変調器における合波部に合流する出力信号強度を適正に調整し、信号出力を容易に安定化することが可能な光変調器を提供する。
【解決手段】電気光学効果を有する基板３と、基板に形成され、複数のマッハツェンダー型導波路（１１〜１４）を並列に配置し、マッハツェンダー型導波路の入力導波路に接続される導波路を分岐して構成する分岐部と、マッハツェンダー型導波路からの出力導波路が合流する合波部とを有する光導波路と、光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極を備えた光変調器において、分岐部と分岐部から分岐した導波路が接続されるマッハツェンダー型導波路の入力導波路との間、あるいは、マッハツェンダー型導波路の出力導波路と合波部３６との間の少なくとも一つに、Ｙ分岐スイッチ（５１，５２）を設け、Ｙ分岐スイッチの分岐比を調整可能とする。
【選択図】図３

Description

本発明は光変調器に関し、特に、複数のマッハツェンダー型導波路を入れ子構造に組み合わせた光変調器に関する。

光通信分野や光計測分野において、電気光学効果基板に光導波路を形成した光導波路素子が多用されている。その中でも、光強度変調などの光変調を行うため、マッハツェンダー型導波路を形成した光変調器は、集積化の容易さ、光変調の高効率化などの利点から利用度が高い。

近年では、複数のマッハツェンダー型導波路を入れ子構造に組み合わせた光導波路を有する光変調器などを用いて、高速・大容量通信や長距離伝送など、多種多様な用途に対応する変調方式が提案されている。例えば、ＤＱＰＳＫ変調器やＳＳＢ変調器では、２つのマッハツェンダー型導波路を入れ子構造に組み合わせている。このような２段のマッハツェンダー型導波路を用いた光変調器については、変調動作の安定化制御には種々の制御技術が提案されている。

他方、非特許文献１に開示されている、図１に示すような４段以上のマッハツェンダー型導波路を入れ子構造に組み合わせる光変調器、例えば、直交振幅変調（Quadrature Amplitude Modulation：ＱＡＭ）を行うＱＡＭ変調器が提案されている。図１は１６ＱＡＭ変調器に用いられる光導波路を示す。このように、マッハツェンダー型導波路を有する光変調部（ＭＺＭ）を多数備えた光変調器について、出力信号の安定化など変調駆動を安定化させる制御方法は確立されていない。

図１の１６ＱＡＭ変調器について説明する。光導波路の形状は、４つのマッハツェンダー型導波路（１１〜１４）を入れ子構造に組み合わせたものとなっている。入力導波路４１が、分岐部３１で２つに分かれ、さらに、次の分岐部（３２，３３）で各々２つに分かれて、各マッハツェンダー型導波路（１１〜１４）の入力導波路に接続されている。各マッハツェンダー型導波路の出力導波路は、合波部（３４，３５）で合流し、さらに、合波部３６で合流して、一つの出力導波路４２となる。

マッハツェンダー型導波路を伝搬する光波を変調するため、各々のマッハツェンダー型導波路には、変調電極（２１〜２４）が設けられ、各々には独立した変調信号（Ｉ１，Ｑ１，Ｉ２，Ｑ２）が印加されている。入力導波路４１から入射した光波１は、これらの変調信号により各マッハツェンダー型導波路で変調を受け、出力導波路４２から出射する変調光は、図２に示す１６ＱＡＭ変調時のコンスタレーションに対応する情報を有している。

ただし、図２に示す出力信号のコンスタレーション間の距離（符号ｍで示す信号位置）を均等にするためには、変調部ＤＰＭＺＭ１の出力信号Ｐ１と、変調部ＤＰＭＺＭ２の出力信号Ｐ２との出力差として、最適値６ｄＢを与える必要がある。もし、Ｐ１とＰ２との出力差が最適値からずれると、Ｉ−Ｑ座標の各象限にある４つの信号点ｍの中心位置ｎ（白丸）を結ぶ四角形（線Ｓで構成される四角形）が、正方形から歪むこととなり、各信号間の距離が近くなる状況が発生する。これは信号の判別エラーの原因となる。

しかしながら、製造のバラツキなどの影響で、正確な信号出力差を与える光導波路構造を実現するのは難しい。また、光変調器の製造工程の途中で、一方の導波路をトリミングして伝搬定数をチューニングする方法も考えられるが、製造誤差や波長依存など製品毎の加工が必要となり、製造コストも上昇する。

T. Sakamoto, A. Chiba and T. Kawanishi,"50-Gb/s 16 QAM by a quad-parallel Mach-Zehnder modulator", ECOC2007, PDP2.8, Berlin, Germany, 21 September 2007

本発明は、上述した問題を解消し、複数のマッハツェンダー型導波路を入れ子構造に組み合わせた光変調器における合波部に合流する出力信号強度を適正に調整し、信号出力を容易に安定化することが可能な光変調器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、複数のマッハツェンダー型導波路を並列に配置し、該マッハツェンダー型導波路の入力導波路に接続される導波路を分岐して構成する分岐部と、該マッハツェンダー型導波路からの出力導波路が合流する合波部とを有する光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極を備えた光変調器において、該分岐部と該分岐部から分岐した導波路が接続される該マッハツェンダー型導波路の入力導波路との間、あるいは、該マッハツェンダー型導波路の出力導波路と該合波部との間の少なくとも一つに、Ｙ分岐スイッチを設け、該Ｙ分岐スイッチの分岐比を、少なくとも一方の分岐導波路に電界を印加することで調整可能とすることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光変調器において、該光導波路は、２^Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のマッハツェンダー型導波路が並列配置され、隣接するマッハツェンダー型導波路の入力導波路及び出力導波路を順次２つずつ結合する入れ子構造を有し、各マッハツェンダー型導波路が２Ｖπの駆動電圧でデジタル位相変調される２^Ｎ＋２ＱＡＭ変調器を構成することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の光変調器において、該２^Ｎ＋２ＱＡＭ変調器が１６ＱＡＭ変調器であり、最終段の合波部に合流する出力導波路の一方に該Ｙ分岐スイッチが設けられ、該合波部に合流する光波の出力差が６ｄＢとなるように、該Ｙ分岐スイッチの分岐比が調整され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、複数のマッハツェンダー型導波路を並列に配置し、該マッハツェンダー型導波路の入力導波路に接続される導波路を分岐して構成する分岐部と、該マッハツェンダー型導波路からの出力導波路が合流する合波部とを有する光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極を備えた光変調器において、該分岐部と該分岐部から分岐した導波路が接続される該マッハツェンダー型導波路の入力導波路との間、あるいは、該マッハツェンダー型導波路の出力導波路と該合波部との間の少なくとも一つに、Ｙ分岐スイッチを設け、該Ｙ分岐スイッチの分岐比を、少なくとも一方の分岐導波路に電界を印加することで調整可能とするため、最終的に合波部に合流する出力信号の強度比を最適状態に調整することができ、複数のマッハツェンダー型導波路を入れ子構造に組み合わせた光変調器であっても、Ｙ分岐スイッチの分岐比を調整するだけで、信号出力を容易に安定化することが可能な光変調器とすることが可能となる。

請求項２に係る発明により、光導波路は、２^Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のマッハツェンダー型導波路が並列配置され、隣接するマッハツェンダー型導波路の入力導波路及び出力導波路を順次２つずつ結合する入れ子構造を有し、各マッハツェンダー型導波路が２Ｖπの駆動電圧でデジタル位相変調される２^Ｎ＋２ＱＡＭ変調器を構成するため、信号出力を安定化することが可能なＱＡＭ変調器を提供することが可能となる。

請求項３に係る発明により、２^Ｎ＋２ＱＡＭ変調器が１６ＱＡＭ変調器であり、最終段の合波部に合流する出力導波路の一方にＹ分岐スイッチが設けられ、該合波部に合流する光波の出力差が６ｄＢとなるように、該Ｙ分岐スイッチの分岐比が調整されるため、信号出力を安定化することが可能な１６ＱＡＭ変調器を提供することが可能となる。

１６ＱＡＭ変調器の光導波路構造などを説明する図である。１６ＱＡＭ変調における出力信号のコンスタレーションを示す図である。本発明の光変調器において、マッハツェンダー型導波路の出力導波路と合波部との間にＹ分岐スイッチを設けた様子を説明する図である。本発明の光変調器に用いられるＹ分岐スイッチの一例を示す図である。本発明の光変調器に用いられるＹ分岐スイッチの分岐比を自動調整する構成を示す実施例である。本発明の光変調器に用いられるＹ分岐スイッチの分岐比を自動調整する構成を示す他の実施例である。本発明の光変調器において、分岐部にＹ分岐スイッチを設けた様子を説明する図である。本発明の光変調器において、分岐部と該分岐部から分岐した導波路が接続されるマッハツェンダー型導波路の入力導波路との間にＹ分岐スイッチを設けた様子を説明する図である。本発明の光変調器において、合波部にＹ分岐スイッチを設けた様子を説明する図である。

本発明の光変調器について、以下に詳細に説明する。
図３は、本発明の光変調器の一例を示す図である。なお、図３〜９においては、図１並びに各図面と同様の構成を意味する部分には、原則として同じ符号を使用している。
本発明の特徴は、電気光学効果を有する基板３と、該基板に形成され、複数のマッハツェンダー型導波路（１１〜１４）を並列に配置し、該マッハツェンダー型導波路からの出力導波路が合流する合波部３６を有する光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極（不図示）を備えた光変調器において、複数の該マッハツェンダー型導波路の出力導波路の少なくとも一つに、該マッハツェンダー型導波路から該合波部３６との間にＹ分岐スイッチ（５１，５２）を設け、該Ｙ分岐スイッチの分岐比を調整可能とすることを特徴とする。

本発明に利用される分岐スイッチは、図４に示すように導波路６１（マッハツェンダー型導波路の出力導波路、又は複数の出力導波路を合流した合波部から出力される出力導波路が該当する）をＹ分岐部５１で２つの分岐導波路（６２，６３）に分けると共に、少なくとも一方の分岐導波路に電界を印加する電極５２（図４の電極５２１及び５２２）を設けた構造を有している。図４の電圧印加手段５２３により電極５２１と電極５２２との間に印加する電圧を調整することにより、光波ａが光波ｂ及びｃに分岐する分岐比を調整することができる。

図３の実施例では、光変調器の合波部５１だけでなく、２つのマッハツェンダー型導波路（１３，１４）の合波部３５から出力される出力導波路６４には、Ｙ分岐部導波路（５３，６６，６７）が構成されている。このＹ分岐導波路は、必ずしも本発明に必要なものではないが、合波部３６に合流する出力信号の強度比を自動調整する際には、合波部に合流する光波の強度の一部をモニタする手段として後述するように利用することが可能である。

次に、本発明の参考例である、Ｙ分岐スイッチの分岐比を自動調整する構成について、説明する。
図５は、分岐比の自動調整を行うための構成を示す参考例であり、本発明の参考例に係る光変調器は、Ｙ分岐スイッチ（５１，５２）により分岐した光波４（Ｌ１）をモニタする第１の分岐光モニタ手段７１と、合波部に合流する他のマッハツェンダー型導波路の出力導波路の一部にＹ分岐導波路部５３を設け、該Ｙ分岐導波路部５３からの分岐した光波５（Ｌ２）をモニタする第２の分岐光モニタ手段７４と、第１及び第２の分岐光モニタ手段の検出信号（７２，７５）に基づき該Ｙ分岐スイッチの分岐比を制御する制御手段７３（制御手段からの出力される印加電圧を符号７６で示す。）とを有している。

制御手段７３では、第１の分岐光モニタ手段７１からの検出信号７２と、第２の分岐光モニタ手段７４からの検出信号７５とが、所定の関係、例えば、図５の光変調器を図１に示すような１６ＱＡＭ変調器として利用する場合には、合波部３６に合流する出力信号の出力差が６ｄＢとなるように、上記検出信号の比を設定する。

図５では、２つのモニタ光４（Ｌ１），５（Ｌ２）に対応して、２つのモニタ手段７１，７４を採用したが、モニタ手段を一つの受光素子で構成することも可能である。その際は、２つのモニタ光を当該受光素子の異なる位置に光ファイバ等の光学部品を利用して照射し、モニタ光毎の光強度を検出するよう構成することもできる。

図６は、Ｙ分岐スイッチの分岐比を自動調整する構成を示す他の参考例である。
図６では、合波部３６から出力される光波の一部８２をモニタする出力光モニタ手段８３と、該出力光モニタ手段の検出信号８４に基づき分岐スイッチ（５１，５２）の分岐比を制御する制御手段８５とを有することを特徴とする。

合波部３６からの出力光の一部を抽出する手段８１としては、光カプラーなどが好適に利用できる。また、Ｙ分岐スイッチから出力される光波４をモニタ手段７１で検出し、該検出信号７２を上記制御手段８４に提供しているが、本発明の実施例においては、このモニタ手段７１は必ずしも必要では無い。例えば、予め所定の変調パターンで不図示の各信号電極を駆動し、所定変調パターンに対応する信号が出力されているか否かを、出力光の一部８２をモニタすることで判別し、所定の変調パターンとなるようにＹ分岐スイッチの電極５２に印加する電圧を調整することで、自動調整を行うことができる。

なお、モニタ光４を検出することで、Ｙ分岐スイッチの分岐状態を直接観測することができ、これらの検出結果も参考にして、Ｙ分岐スイッチの電極５２に印加する電圧を調整することで、信号出力をより安定化することが可能となる。

本発明の光変調器は、上述した１６ＱＡＭ変調器に限らず、光導波路として、２^Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のマッハツェンダー型導波路が並列配置され、隣接するマッハツェンダー型導波路の入力導波路及び出力導波路を順次２つずつ結合する入れ子構造を有し、各マッハツェンダー型導波路が２Ｖπの駆動電圧でデジタル位相変調される２^Ｎ＋２ＱＡＭ変調器に対しても、有効に機能する。

なお、このような場合は、図３のように、最終段の合波部３６の直前の出力導波路６１の一部のみにＹ分岐スイッチ（５１，５２）を設けるだけでなく、合波部３４の直前にあるマッハツェンダー型導波路１１の出力導波路などにも同様のＹ分岐スイッチを設けることで、複数の合波部に対して、合流する出力信号の強度比を調整可能に構成することも可能である。

以上の実施例及び参考例では、Ｙ分岐スイッチを、マッハツェンダー型導波路の出力導波路と合波部との間に設ける光変調器を中心に説明したが、本発明の光変調器は上述したものに限定されず、例えば、図７に示すように、分岐部１５１を利用し、分岐部１５１と、該分岐部から分岐した２つの分岐導波路（３２０，３３０）の少なくとも一方の分岐導波路に電界を印加する電極１５２からなるＹ分岐スイッチを構成することができる。このＹ分岐スイッチにより、分岐部１５１で分けられる光波の光強度を調整し、最終的に合波部３６で合流する２つの光波の光強度（Ｐ１，Ｐ２）を予め調整することも可能である。

また、Ｙ分岐スイッチは、図９に示すように、合波部に設けることも可能である。図９では、合波部３５１を利用し、合波部３５１と、該合波部に接続される２つの分岐導波路（６８，６９）の少なくとも一方の分岐導波路に電界を印加する電極３５２からなるＹ分岐スイッチを構成することもできる。図９のＹ分岐スイッチは、合波部３５１に合流する光波の強度比を調整する役割を担っている。
なお、上述した電極１５２、２５２、３５２は、図示されていないが各々図４で説明したような構造となっている。

さらに、図８に示すように、Ｙ分岐スイッチを、分岐部３１と該分岐部から分岐した導波路が接続されるマッハツェンダー型導波路（１１，１２）の入力導波路との間に設けることも可能である。図８では、分岐部３１で分岐した分岐導波路の途中に、分岐部２５１及び電極２５２によりＹ分岐スイッチを構成し、分岐部２５１で分岐される分岐導波路２５３と２５４とを伝搬する２つの光波の分岐比を調整している。

図８では、分岐部３１から分岐する他方の分岐導波路の途中にＹ分岐導波路部２５５を設け、分岐導波路２５６を伝搬する光波はマッハツェンダー型導波路（１３，１４）の方に導入し、他方の分岐導波路２５７を伝搬する光波は、基板３の外部に導出する。そして、分岐導波路２５３から出射する光波Ｌ１を第１の分岐光モニタ手段でモニタし、分岐導波路２５７から出射する光波Ｌ２を第２の分岐光モニタ手段でモニタすることにより、図５で述べたＹ分岐スイッチの分岐比を自動調整する構成を、図８のものにおいても同様に実施することが可能となる。

図５に示すようなＹ分岐スイッチを調整するためのモニタ光Ｌ１，Ｌ２の取出し方法として、図５，６及び図８では、Ｙ分岐スイッチから分岐する光波を常に利用していたが、本発明の光変調器はこのような実施例に限定されない。例えば、図７に示すように、合波部３６に合流するマッハツェンダー型導波路（１１，１２）の出力導波路の一部に第１のＹ分岐導波路部１００を設け、該第１のＹ分岐導波路部１００からの分岐した導波路１０１から出力される光波Ｌ１と、該合波部３６に合流する他のマッハツェンダー型導波路（１３，１４）の出力導波路の一部に第２のＹ分岐導波路部１０２を設け、該第２のＹ分岐導波路部１０２からの分岐した導波路１０３から出力される光波Ｌ２を、各々モニタ光として利用することも可能である。

また、図９に示すように、分岐部から分岐した導波路の一部に第１のＹ分岐導波路１１０を設け、該第１のＹ分岐導波路１１０から分岐した導波路１１１から出力される光波Ｌ１と、該分岐部から分岐した他の導波路の一部に第２のＹ分岐導波路部１１２を設け、該第２のＹ分岐導波路部１１２からの分岐した光波Ｌ２とを、モニタ光として利用し、図５に示すような第１及び第２の分岐光モニタ手段に入力することも可能である。
即ち、図３，７，８，９で示されたＹ分岐スイッチと、図７，８，９で示されたＹ分岐導波路を用いてモニタ光を生成する手段とは、必要に応じて、任意の組み合わせを実現することが可能である。

以上説明したように、本発明によれば、複数のマッハツェンダー型導波路を入れ子構造に組み合わせた光変調器における合波部に合流する出力信号強度を適正に調整し、信号出力を容易に安定化することが可能な光変調器を提供することが可能となる。

１入力光
２出力光
３基板
４，５，８２，Ｌ１，Ｌ２モニタ光
１１〜１４マッハツェンダー型導波路
２１〜２４信号電極
３１〜３３分岐部
３４〜３６合波部
４１入力導波路
４２，６１，６４出力導波路
５１，１５１，２５１，３５１Ｙ分岐スイッチ（分岐導波路）
５２，１５２，２５２，３５２，５２１，５２２Ｙ分岐スイッチ（電極）
７１，７４，８３検出手段
７３，８５制御手段

Claims

電気光学効果を有する基板と、該基板に形成され、複数のマッハツェンダー型導波路を並列に配置し、該マッハツェンダー型導波路の入力導波路に接続される導波路を分岐して構成する分岐部と、該マッハツェンダー型導波路からの出力導波路が合流する合波部とを有する光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極を備えた光変調器において、
該分岐部と該分岐部から分岐した導波路が接続される該マッハツェンダー型導波路の入力導波路との間、あるいは、該マッハツェンダー型導波路の出力導波路と該合波部との間の少なくとも一つに、Ｙ分岐スイッチを設け、
該Ｙ分岐スイッチの分岐比を、少なくとも一方の分岐導波路に電界を印加することで調整可能とすることを特徴とする光変調器。
請求項１に記載の光変調器において、該光導波路は、２^Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のマッハツェンダー型導波路が並列配置され、隣接するマッハツェンダー型導波路の入力導波路及び出力導波路を順次２つずつ結合する入れ子構造を有し、各マッハツェンダー型導波路が２Ｖπの駆動電圧でデジタル位相変調される２^Ｎ＋２ＱＡＭ変調器を構成することを特徴とする光変調器。
請求項２に記載の光変調器において、該２^Ｎ＋２ＱＡＭ変調器が１６ＱＡＭ変調器であり、最終段の合波部に合流する出力導波路の一方に該Ｙ分岐スイッチが設けられ、該合波部に合流する光波の出力差が６ｄＢとなるように、該Ｙ分岐スイッチの分岐比が調整されることを特徴とする光変調器。