JP2013122614A

JP2013122614A - 光変調器

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Publication number: JP2013122614A
Application number: JP2013022657A
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: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2028-09-19
Also published as: JP5630512B2

Abstract

【課題】信号品質の高い多レベルの位相変調信号を生成する光変調器を提供する。特に、製造のバラツキなどによって起こる信号成分の強度差による変調特性の劣化を抑制し、複雑な製造工程を有することなく特性を向上することが可能な光変調器を提供する。
【解決手段】光変調器１は、電気光学効果を有する基板４と、該基板上に形成された光導波路５と、光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極６１、６２、６５とを有し、光導波路は、２つの分岐導波路を有するメイン・マッハツェンダー（ＭＺ）型導波路５０と、分岐導波路に設けられるサブＭＺ型導波路５１，５２から構成される。各分岐導波路には、サブＭＺ型導波路に直列状態で光強度調整手段（光導波路５３，５４及び制御電極６３，６４で構成）を設け、各分岐導波路を伝搬する光波の光強度又はその差を調整するため、光強度調整手段に印加する電圧を調整する電圧制御回路を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、ＤＱＰＳＫ変調器やＦＳＫ変調器などの多レベルの位相変調信号を生成する光変調器に関する。

通信トラフィックの増大に伴い、高速・大容量化が求められる次世代長距離大容量光通信システムでは、多値変復調符号化技術の導入が検討されている。その代表的なものの一つに差動四相位相偏移変調（ＤＱＰＳＫ，Differential Quadrature Phase Shift keying）方式がある。この方式では、従来の２値強度変調（ＯＯＫ）方式と比べ、信号帯域が狭く、周波数利用効率の向上や伝送距離の拡大が実現できるほか、高感度化も期待できる。

ＤＱＰＳＫ変調器は、特許文献１記載のように、マッハツェンダー（ＭＺ）型干渉計の二つの分岐導波路の光路上にそれぞれ集積されたＩ（In-phase）信号生成用とＱ（Quadrature）信号生成用のＭＺ変調器と、両光信号の位相を直交させるためのπ／２位相シフタで構成されている。

また、周波数変調を利用する周波数シフトキーイング（ＦＳＫ）変調方式では、特許文献２に示すように、メインマッハツェンダー（メインＭＺ）型導波路を構成する２つの分岐導波路に、各サブマッハツェンダー（サブＭＺ）型導波路を設け、各サブＭＺ型導波路には、直流バイアスとＲＦ信号が印加され、メインＭＺ型導波路には変調データに応じた信号が印加される。

さらに、メインＭＺ型導波路の分岐導波路にサブＭＺ型導波路を組み込む光変調器を利用してＳＳＢ（Single Side-Band）変調器なども提供されている。また、非特許文献１に開示されているように、ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）変調器なども提案されている。

しかしながら、ＤＱＰＳＫ変調器の場合には、ＭＺ型干渉計の二つの分岐導波路に入射する光波の波長変動や、ＭＺ型干渉計となる光導波路のパターンエラー、あるいは変調信号の増幅器の個体差などの二次的な要因等によって、Ｉ信号成分とＱ信号成分の間に強度差が生じ、高性能なＤＱＰＳＫ変調を行うことができなかった。

また、ＦＳＫ変調では、メインＭＺ型導波路の分岐導波路間の形状がアンバランスとなると、出射される光スペクトル中に不要な周波数成分が残り、信号品質が劣化するという問題を生じる。

このような問題に鑑み、特許文献２においては、メインＭＺ型導波路やサブＭＺ型導波路の各アーム（分岐導波路）に設けられた光強度補正機構を有する光変調器の電極に印加するバイアス電圧を調整することにより、消光比を向上させるための変調方法が開示されている。特に、サブＭＺ型導波路を利用してメインＭＺ型導波路のアーム間のアンバランスを補正することにより、最適なバイアス電圧を得ることができるようにしたものである。

しかしＤＱＰＳＫ変調器およびＦＳＫ変調器においては、特許文献２のような方法でバイアス電圧を調整することはできなかった。つまり、ＤＱＰＳＫ変調器の場合、サブＭＺ型導波路の干渉計はデータ信号を印加するためのものであるので、バランス調整に使えるわけではない。また、ＦＳＫ変調器の場合、２つの周波数キーを発生させるために、サブＭＺ型導波路の干渉計に正弦波を印加するため、ＤＱＰＳＫ同様、アンバランス自体を解消するために利用することは困難である。

米国特許７１１６４６０号明細書特開２００６−２４２９７５号公報

Masataka Nakazawa, Jumpei Hongo,Keisuke Kasai, Masato Yoshida; Res. Inst.of Electrical Communication, Tohoku Univ. , Japan." Polarization-Multiplexed 1 Gsymbol/s, 64 QAM (12 Gbit/s)Coherent Optical Transmission over 150 km with an Optical Bandwidth of 2 GHz",OFC07 PDP26

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、ＤＱＰＳＫ変調器やＦＳＫ変調器などの多レベルの位相変調信号を生成する光変調器において、信号品質の高い光変調器を提供することを可能とすることである。特に、光変調器の製造のバラツキなどによって起こる信号成分の強度差による変調特性の劣化を抑制し、複雑な製造工程を有することなく特性を向上することが可能な、高性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に係る発明では、電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光変調器において、該光導波路は、２つの分岐導波路を有するメイン・マッハツェンダー型導波路と、該分岐導波路に設けられるサブ・マッハツェンダー型導波路から構成され、各分岐導波路には、該サブ・マッハツェンダー型導波路に直列状態で光強度調整手段を設け、該分岐導波路を伝搬する光波の一部をモニタして、各分岐導波路を伝搬する光波の光強度又は２つの分岐導波路を伝搬する光波の強度差を調整するため、該光強度調整手段に印加する電圧を調整する電圧制御回路を備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光変調器において、前記モニタに際しては、補助導波路、反射手段又は光屈折率膜を少なくとも利用して光波の一部を直接モニタすることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の光変調器において、該光変調器がＳＳＢ変調器、ＤＱＰＳＫ変調器、ＦＳＫ変調器、又はＱＡＭ変調器のいずれかとして利用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、該基板上に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光変調器において、該光導波路は、２つの分岐導波路を有するメイン・マッハツェンダー（ＭＺ）型導波路と、該分岐導波路に設けられるサブ・マッハツェンダー（ＭＺ）型導波路から構成され、各分岐導波路には、該サブ・マッハツェンダー型導波路に直列状態で光強度調整手段を設け、該分岐導波路を伝搬する光波の一部をモニタして、各分岐導波路を伝搬する光波の光強度又は２つの分岐導波路を伝搬する光波の強度差を調整するため、該光強度調整手段に印加する電圧を調整する電圧制御回路を備えるため、メインＭＺ型導波路の各分岐導波路を伝搬する光波の強度を最適に調整でき、信号成分の強度差による変調特性の劣化を抑制し、高性能な光変調器を提供することが可能となる。

しかも、光強度調整手段は、メインＭＺ型導波路を構成する２つの分岐導波路の各々に設けられるため、いずれの分岐導波路を伝搬する光波に対しても光強度を調整することが可能となり、より優れた変調特性を有する光変調器を提供することが可能となる。

さらに、分岐導波路を伝搬する光波の一部をモニタして、光強度調整手段に印加する電圧を調整する電圧制御回路を備えるため、光変調器の動作状況に応じて、常に適正な光強度調整が実現でき、高性能な光変調器を提供することが可能となる。

請求項２に係る発明により、モニタに際しては、補助導波路、反射手段又は光屈折率膜を少なくとも利用して光波の一部を直接モニタするため、基板内には多種多様な光波が伝搬しているが、着目する光波をより確実に検出することができる。

請求項３に係る発明により、光変調器がＳＳＢ変調器、ＤＱＰＳＫ変調器、ＦＳＫ変調器、又はＱＡＭ変調器のいずれかとして利用されるため、特に、メインＭＺ型導波路を構成する２つの分岐導波路を伝搬する光波の強度差が光変調器の変調特性の品質に影響を与える光変調器である、ＳＳＢ変調器、ＤＱＰＳＫ変調器、ＦＳＫ変調器、又はＱＡＭ変調器に対し、高性能な光変調器を実現することが可能となる。

本発明に係る光変調器で、特に、ＤＱＰＳＫ変調器の例を示す概略図である。図１の光変調器をＺカット型基板で構成した場合の様子を示す概略図である。図１の光変調器をＸカット型基板で構成した場合の様子を示す概略図である。本発明に係る光変調器で、特に、ＳＳＢ変調器の例を示す概略図である。本発明に係る光変調器で、特に、ＦＳＫ変調器の例を示す概略図である。本発明に係る光変調器で、特に、光強度調整手段に対する電圧制御回路を設けた例を示す概略図である。モニタ手段の例を説明する図である。

以下、図１乃至５に示すような、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、電気光学効果を有する基板４と、該基板上に形成された光導波路５と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極６１〜６５とを有する光変調器１において、該光導波路５は、２つの分岐導波路を有するメイン・マッハツェンダー（ＭＺ）型導波路５０と、該分岐導波路に設けられるサブ・マッハツェンダー（ＭＺ）型導波路５１，５２から構成され、各分岐導波路には、該サブＭＺ型導波路５１，５２に直列状態で光強度調整手段（例えば、光導波路５３，５４及び制御電極６３，６４で構成）を設けることを特徴とする。

電気光学効果を有する基板４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）、及び石英系の材料などが利用することが可能である。光導波路５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。さらに、制御電極は、変調電極６１〜６５や接地電極（不図示）などは、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形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設け、図２のように光導波路の上側に形成した電極による光波の吸収や散乱を抑制することも可能である。

図１は、ＤＱＰＳＫ変調器の例を示したものであり、光導波路５は、メインＭＺ型導波路５０を構成する２つの分岐導波路に、サブＭＺ型導波路５１，５２を形成している。サブＭＺ型導波路５１で構成される干渉計には、Ｑ（Quadrature）信号生成用の変調信号が制御電極（接地電極は不図示）６１に印加され、サブＭＺ型導波路５２で構成される干渉計には、Ｉ（In-phase）信号生成用の変調信号が制御電極６２に印加されている。さらに、メインＭＺ型導波路５０には、制御電極６５によりπ／２位相シフトさせるＤＣバイアスが印加されている。

光変調器１には、光波を導入するための入力用光ファイバー２と、光波を導出するための出力用光ファイバー３が接続されている。

メインＭＺ型導波路５０に導入された光波は、２つの分岐導波路に分岐され伝搬する。この分岐の際に、光波の波長変動や、光導波路のパターン形状のアンバランスなどにより、各分岐導波路を伝搬する光波の強度にバラツキが生じる。また、サブＭＺ型導波路５１，５２と制御電極６１，６２との相対的位置関係のバラツキや、制御電極に印加される変調信号の強度差などの要因によって、Ｉ信号成分を有する光波とＱ信号成分を有する光波の間に強度差が生じる。

これらの強度差を調整するため、本発明に係る光変調器では、メインＭＺ型導波路を構成する分岐導波路に光強度調整手段を配置している。

光強度調整手段としては、各種の光減衰器又は光増幅器が利用可能であるが、部品点数の抑制、製造工程の簡便性並びに調整の容易性などにより、メインＭＺ型導波路やサブＭＺ型導波路などと同様に、図１に示すようなマッハツェンダー型導波路５３，５４を有する強度変調器で構成することが好ましい。当然、光強度調整手段に利用する制御電極６３，６４についても、ＤＱＰＳＫ変調で利用される制御電極６１，６２及び６５と同様に形成することが好ましい。

また、光強度調整手段は、メインＭＺ型導波路を構成する２つの分岐導波路の両方に設ける方が、各分岐導波路を伝搬する光波をより精度良く強度調整することが可能となる。光強度調整手段は、サブＭＺ型導波路の前又は後に直列状態で配置される。

光強度調整手段を構成する制御電極６３，６４には、ＤＣバイアスが印加される。図６に示すように、このＤＣバイアス電圧の値をより適正な値とするため、メインＭＺ型導波路を構成する分岐導波路を伝搬する光波の一部をモニタし、該モニタする光波の消光比や光強度等が最適な値となるように、ＤＣバイアス電圧１０，１１を制御する電圧制御回路９を設けることが好ましい。本発明においてモニタする対象の光波としては、分岐導波路自体を伝搬する光波だけでなく、サブＭＺ型導波路又はＭＺ型干渉計で構成された光強度調整手段の合波点から放出される放射モード光を観測することが可能である。図６の符号７０，７１はモニタ手段を、符号８０，８１は、各モニタ手段７０，７１から出力される検出信号を示す。

出力光をモニタする方法としては、図７（ａ）に示すように、メインＭＺ型導波路５０の分岐導波路に近接する補助導波路７２を形成し、信号光ａの一部を検出用に導波路７１に案内させ、検出光ｂを基板４外に配置された受光素子７３に導入する方法がある。また、図７（ｂ）のように、分岐導波路の一部に斜めの切り込み７４を形成し、信号光ａの一部を基板４の上方に反射させ、該反射光ｃを受光素子７５で検出する方法なども、利用可能である。本発明の光変調器のようにメインＭＺ型導波路だけでなく複数のＭＺ型導波路を有する場合には、基板４内に放射モード光を含む多種多様な光波が伝搬している。このため、着目する光波をより確実に検出するには、図７に示すような補助導波路や反射手段又は光屈折率膜などを利用して着目する光波の一部を直接モニタすることが好ましい。

電圧制御回路９における光強度変調手段を制御する方法としては、サブＭＺ型導波路の制御電極に印加される変調信号が、例えば、Ｑ信号又はＩ信号に係る変調信号が共に印加されていない状態、又は、各サブＭＺ型導波路に同じ変調信号が印加されている状態など、各分岐導波路を伝搬する光波の光強度が同じとなる変調状態に設定し、モニタした各信号出力が同じとなるように、各光強度変調手段のＤＣバイアス電圧を設定調整する方法がある。当然、各サブＭＺ型導波路に印加される変調信号の状態が予め判別している場合には、その変調信号が印加されている場合の理想的な光波の光強度と、実際にモニタした光強度とが同じとなるように、各光強度調整手段を調整することも可能である。

さらに、サブＭＺ型導波路の前に光強度調整手段を配置し、例えば、光強度変調手段の出力光や放射モード光のように、該光強度調整手段の影響は受けるが、該サブＭＺ型導波路に係る変調の影響を受けていない光波をモニタすることも可能である。この場合には、サブＭＺ型導波路の変調状態と無関係に、メインＭＺ型導波路の分岐導波路を伝搬する光波の光強度を最適に設定することが可能となる。

図２は、Ｚカット型基板を用いた光変調器の例であり、サブＭＺ型導波路を伝搬する光波は、サブＭＺ型導波路を構成する分岐導波路の上側に形成された制御電極（変調電極）６１ａ及び６１ｂにより変調される。サブＭＺ型導波路５２についても同様であり、さらには、メインＭＺ型導波路を伝搬する光波を変調する制御電極（変調電極）６５ａ及び６５ｂも同様に、各分岐導波路の上側に形成されている。

図２においては、光強度変調手段は、マッハツェンダー型導波路５３，５４が利用され、各マッハツェンダー型導波路の各分岐導波路に制御電極６３ａ，ｂ及び６４ａ，ｂが配置されている。

図３は、Ｘカット型基板を用いた例であり、基本的には図１に示した例と同様に、制御電極（変調電極）６１〜６５が利用される。

さらに、図４は、光変調器をＳＳＢ変調器（ＳＳＢ−ＳＣ変調）として利用する場合を示し、サブＭＺ型導波路５１を有する干渉計には、変調信号「Φｓｉｎ２πｆｔ＋ＤＣ」（Φは変調信号の振幅電圧、ｆは変調周波数、ＤＣは所定バイアス電圧を意味している。）が印加され、サブＭＺ型導波路５２を有する干渉計には、変調信号「Φｃｏｓ２πｆｔ＋ＤＣ」が印加される。

また、メインＭＺ型導波路には、制御電極６５にＶπ／２に相当するＤＣバイアス電圧が印加されている。図４のＳＳＢ変調器も、図１と同様に、光導波路５３，５４及び制御電極６３，６４で構成される光強度調整手段が設けられている。

図５は、ＦＳＫ変調器の例であり、メインＭＺ型導波路に対して設けられた制御電極６５に印加される変調信号が、±Ｖπ／２となる変調データ信号であることを除けば、基本的に図４のＳＳＢ変調器と同様の構成を有している。

本発明に係る光変調器は、上述したように、メインＭＺ型導波路を構成する２つの分岐導波路を伝搬する光波の強度差が光変調器の変調特性の品質に影響を与える光変調器に対して、適用することが特に好ましく、具体的には、ＳＳＢ変調器、ＤＱＰＳＫ変調器、またはＦＳＫ変調器、さらにはＱＡＭ変調器に対し、本発明を利用することで高性能な光変調器を実現することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、ＤＱＰＳＫ変調器やＦＳＫ変調器などの多レベルの位相変調信号を生成する光変調器において、信号品質の高い光変調器を提供することが可能となる。特に、光変調器の製造のバラツキなどによって起こる信号成分の強度差による変調特性の劣化を抑制し、複雑な製造工程を有することなく特性を向上すること可能な、高性能な光変調器を提供することができる。

１光変調器
２，３光ファイバー
４基板
５光導波路
１０，１１ＤＣバイアス電圧
５０メイン・マッハツェンダー型導波路
５１，５２サブ・マッハツェンダー型導波路
５３，５４マッハツェンダー型導波路
６１〜６５制御電極
７０，７１モニタ手段
７２補助導波路
７３，７５受光素子
７４反射手段
８０〜８３検出信号

Claims

電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光変調器において、
該光導波路は、２つの分岐導波路を有するメイン・マッハツェンダー型導波路と、該分岐導波路に設けられるサブ・マッハツェンダー型導波路から構成され、
各分岐導波路には、該サブ・マッハツェンダー型導波路に直列状態で光強度調整手段を設け、
該分岐導波路を伝搬する光波の一部をモニタして、各分岐導波路を伝搬する光波の光強度又は２つの分岐導波路を伝搬する光波の強度差を調整するため、該光強度調整手段に印加する電圧を調整する電圧制御回路を備え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、前記モニタに際しては、補助導波路、反射手段又は光屈折率膜を少なくとも利用して光波の一部を直接モニタすることを特徴とする光変調器。
請求項１又は２に記載の光変調器において、該光変調器がＳＳＢ変調器、ＤＱＰＳＫ変調器、ＦＳＫ変調器、又はＱＡＭ変調器のいずれかとして利用されることを特徴とする光変調器。