JP2015222439A - Optical modulator - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical modulator that can compensate a wavelength dispersion of an optical fiber, and is applicable even to a high-speed transmission exceeding above several 10 Gbps.SOLUTION: In the optical modulator including a substrate 1 composed of a material having an electrooptical effect, an optical waveguide 2 formed on the substrate and a modulation electrode 3 for modulating a light wave propagating through the optical waveguide, emergent light L2 to be emitted from the optical waveguide is guided by the optical fiber, and by executing the substrate to polarization inversion 10 by a predetermined pattern along the optical waveguide so as to have wavelength dispersion characteristics of the optical fiber and a waveform distortion of the reverse characteristics, the wavelength dispersion characteristics of the optical fiber are compensated, and further, by disposing an adjustment member (not shown) composed of a dielectric material or a metallic material in the vicinity of the modulation electrode, the compensation of the wavelength dispersion characteristics is adjusted to a predetermined level.

Description

本発明は、光変調器に関するものであり、特に、光ファイバの波長分散を補償する光変調器に関する。   The present invention relates to an optical modulator, and more particularly to an optical modulator that compensates for chromatic dispersion of an optical fiber.

光通信分野や光計測分野において、光変調器で変調した光波を光ファイバで伝送することが行われている。光ファイバでは、光の伝搬速度や伝搬経路の長さが波長により異なるため、波長分散が発生し、光信号の波形が歪むこととなる。このため、40Gbpsを超える高速通信や波長多重の高速伝送システムなどにおいては、光ファイバの波長分散を補償する技術が不可欠となる。   In the optical communication field and the optical measurement field, a light wave modulated by an optical modulator is transmitted through an optical fiber. In an optical fiber, the propagation speed of light and the length of the propagation path differ depending on the wavelength, so that chromatic dispersion occurs and the waveform of the optical signal is distorted. For this reason, in high-speed communication exceeding 40 Gbps, wavelength-multiplexed high-speed transmission systems, etc., a technique for compensating for the chromatic dispersion of the optical fiber is indispensable.

分散補償方法としては、光信号の受信器の直前に分散補償ファイバを配置したり、特許文献1のようなファイバ・ブラッグ・グレーティング(FBG)やエタロンなどの光デバイスを用いる方法、さらには、特許文献2や非特許文献1のようなデジタル信号処理回路を利用するものなどがある。デジタル信号処理回路では、波長分散に係る実部や虚部の変化に対応し、デジタルシグナルプロセッサーで補償するインパルス応答を生成している。   As a dispersion compensation method, a dispersion compensation fiber is disposed immediately before an optical signal receiver, a method using an optical device such as a fiber Bragg grating (FBG) or an etalon as in Patent Document 1, and a patent. There are those using a digital signal processing circuit such as Document 2 and Non-Patent Document 1. The digital signal processing circuit generates an impulse response that is compensated by the digital signal processor in response to changes in the real part and imaginary part related to chromatic dispersion.

分散補償ファイバでは、その補償量の最小単位によって補償精度が限られ、また、波長分割多重(WDM)光などの波長分散補償には、WDM光などを分波するため、FBG等の波長分散補償器となる光デバイスも別途必要となる。しかも、FBG等の光デバイスは、取り扱う波長帯域に制限があるだけでなく、光損失も大きい。さらに、デジタル信号処理回路では、40Gbpsを超える高速処理は技術的にも難しいという問題を生じていた。   In the dispersion compensation fiber, the compensation accuracy is limited by the minimum unit of the compensation amount, and chromatic dispersion compensation such as FBG is used for chromatic dispersion compensation such as wavelength division multiplexing (WDM) light because the WDM light is demultiplexed. A separate optical device is also required. Moreover, an optical device such as an FBG not only has a limited wavelength band to handle, but also has a large optical loss. Furthermore, the digital signal processing circuit has a problem that high-speed processing exceeding 40 Gbps is technically difficult.

特開2004−12714号公報JP 2004-12714 A 特開2010−226254号公報JP 2010-226254 A

Robert I.Kelley, et al.," Electronic Dispersion Compensation by Signal Predistortion Using Digital Processing and a Dual-Drive Mach-Zehnder Modulator ",IEEE Photonics Technology letters, Vol.17, No.3, pp714-716, 2005Robert I. Kelley, et al., "Electronic Dispersion Compensation by Signal Predistortion Using Digital Processing and a Dual-Drive Mach-Zehnder Modulator", IEEE Photonics Technology letters, Vol.17, No.3, pp714-716, 2005

本発明が解決しようとする課題は、光ファイバの波長分散を補償可能であり、数10Gbpsを超える高速伝送にも適用可能な光変調器を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide an optical modulator that can compensate for the chromatic dispersion of an optical fiber and can be applied to high-speed transmission exceeding several tens of Gbps.

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材料で構成される基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、該光導波路から出射する出射光を光ファイバで導波し、該光ファイバの波長分散特性と逆の特性の波形歪を有するように、該光導波路に沿って該基板を所定のパターンで分極反転することで該光ファイバの波長分散特性を補償しており、さらに、該変調電極の近傍に誘電体材料又は金属材料からなる調整部材を配置すると共に、該調整部材と該変調電極との相対的な位置の調整を行うことで、該変調電極を伝搬するマイクロ波の実効屈折率を変化させ、前記波長分散特性の補償を所定のレベルに調整していることを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, an invention according to claim 1 is directed to a substrate made of a material having an electro-optic effect, an optical waveguide formed on the substrate, and a light wave propagating through the optical waveguide. In an optical modulator having a modulation electrode, the outgoing light emitted from the optical waveguide is guided by the optical fiber, and has a waveform distortion opposite to the wavelength dispersion characteristic of the optical fiber. The wavelength dispersion characteristic of the optical fiber is compensated by reversing the polarization of the substrate in a predetermined pattern, and an adjustment member made of a dielectric material or a metal material is disposed in the vicinity of the modulation electrode, and By adjusting the relative position between the adjustment member and the modulation electrode, the effective refractive index of the microwave propagating through the modulation electrode is changed, and the compensation of the wavelength dispersion characteristic is adjusted to a predetermined level. It is characterized by .

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、該変調電極が、信号電極の幅をSとし、該信号電極と接地電極との間隔をGとしたコプレーナー電極を有し、該調整部材の幅は、「S+2G」の3倍よりも小さいことを特徴とする。   The invention according to claim 2 is the optical modulator according to claim 1, wherein the modulation electrode has a coplanar electrode in which the width of the signal electrode is S and the distance between the signal electrode and the ground electrode is G. The width of the adjustment member is smaller than 3 times “S + 2G”.

請求項3に係る発明は、請求項1又は2に記載の光変調器において、該光導波路が2つの分岐導波路を持つマッハツェンダー型導波路を有し、一方の分岐導波路に形成される分極反転のパターンは、該光ファイバのインパルス応答h(t)を補償するインパルス応答1/h(t)の実部応答性に対応するパターンであり、他方の分岐導波路に形成される分極反転のパターンは、前記インパルス応答1/h(t)の虚部応答性に対応するパターンであり、前記2つの分岐導波路を通過した光波を所定の位相差で合波するよう構成されていることを特徴とする。   The invention according to claim 3 is the optical modulator according to claim 1 or 2, wherein the optical waveguide has a Mach-Zehnder type waveguide having two branch waveguides, and is formed in one branch waveguide. The polarization inversion pattern is a pattern corresponding to the real part response of the impulse response 1 / h (t) for compensating the impulse response h (t) of the optical fiber, and the polarization inversion formed in the other branched waveguide Is a pattern corresponding to the imaginary part responsiveness of the impulse response 1 / h (t), and is configured to multiplex the light waves that have passed through the two branch waveguides with a predetermined phase difference. It is characterized by.

請求項4に係る発明は、請求項3に記載の光変調器において、該光ファイバのインパルス応答h(t)は以下の式で与えられることを特徴とする。
ただし、H(ω)は光ファイバの伝達関数であり、H(ω)=exp(jβ(ω)L)となる。β(ω)は、光ファイバ中を伝搬する光波の位相定数であり、Lは光ファイバの長さである。

Figure 2015222439
The invention according to claim 4 is the optical modulator according to claim 3, wherein the impulse response h (t) of the optical fiber is given by the following equation.
However, H (ω) is a transfer function of the optical fiber, and H (ω) = exp (jβ (ω) L). β (ω) is a phase constant of the light wave propagating through the optical fiber, and L is the length of the optical fiber.
Figure 2015222439

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において、該調整部材は誘電体材料で構成し、該調整部材の温度を調整することで、前記波長分散特性の補償を所定のレベルに調整していることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the optical modulator according to any one of the first to fourth aspects, the adjustment member is made of a dielectric material, and the temperature of the adjustment member is adjusted, whereby the wavelength dispersion characteristic is obtained. The compensation is adjusted to a predetermined level.

請求項6に係る発明は、請求項5に記載の光変調器において、少なくとも該誘電体材料の温度を調整する機構が具備されていることを特徴とする。   The invention according to claim 6 is the optical modulator according to claim 5, further comprising a mechanism for adjusting the temperature of at least the dielectric material.

請求項7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において、該調整部材は誘電体材料で構成し、該誘電体材料の比誘電率が100以上であることを特徴とする。   The invention according to claim 7 is the optical modulator according to any one of claims 1 to 4, wherein the adjustment member is made of a dielectric material, and the relative dielectric constant of the dielectric material is 100 or more. Features.

請求項1に係る発明により、電気光学効果を有する材料で構成される基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、該光導波路から出射する出射光を光ファイバで導波し、該光ファイバの波長分散特性と逆の特性の波形歪を有するように、該光導波路に沿って該基板を所定のパターンで分極反転することで該光ファイバの波長分散特性を補償しており、さらに、該変調電極の近傍に誘電体材料又は金属材料からなる調整部材を配置することで、前記波長分散特性の補償を所定のレベルに調整しているため、光変調器によって電気信号を光信号に変換する際に、予め光ファイバの波長分散による波形歪の逆の特性を持たせることで、光ファイバによる波長分散が発生しても特性劣化を補償することが可能となる。しかも波長に依存せず波形劣化を補償することが可能であり、デジタル信号処理技術も使用しないため、数10Gbpsを超える高速伝送にも適用可能な光変調器を提供することができる。   According to the first aspect of the present invention, an optical modulation comprising a substrate made of a material having an electro-optic effect, an optical waveguide formed on the substrate, and a modulation electrode for modulating an optical wave propagating through the optical waveguide In this device, the light emitted from the optical waveguide is guided by an optical fiber, and the substrate is formed in a predetermined pattern along the optical waveguide so as to have a waveform distortion opposite to the wavelength dispersion characteristic of the optical fiber. The wavelength dispersion characteristic of the optical fiber is compensated for by reversing the polarization at, and the wavelength dispersion characteristic is compensated by arranging an adjustment member made of a dielectric material or a metal material in the vicinity of the modulation electrode. Since it is adjusted to a predetermined level, when converting an electrical signal into an optical signal by an optical modulator, the wavelength dispersion due to the optical fiber is reduced in advance by giving the inverse characteristics of the waveform distortion due to the wavelength dispersion of the optical fiber. Departure It becomes possible to compensate for the characteristic degradation by. In addition, it is possible to compensate for waveform deterioration without depending on the wavelength, and since no digital signal processing technique is used, an optical modulator applicable to high-speed transmission exceeding several tens of Gbps can be provided.

また、変調電極の近傍に誘電体材料又は金属材料からなる調整部材を配置すると共に、該調整部材と該変調電極との相対的な位置の調整を行うことで、変調電極を伝搬するマイクロ波の実効屈折率を変化させることが可能となる。これにより、光ファイバの波長分散特性に対する補償を、所定のレベルに調整することが可能となる。   In addition, an adjustment member made of a dielectric material or a metal material is disposed in the vicinity of the modulation electrode, and the relative position between the adjustment member and the modulation electrode is adjusted, so that the microwave propagating through the modulation electrode can be adjusted. It is possible to change the effective refractive index. As a result, the compensation for the chromatic dispersion characteristic of the optical fiber can be adjusted to a predetermined level.

本発明の光変調器(変調器チップ)の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the optical modulator (modulator chip | tip) of this invention. 光ファイバのインパルス応答を補償する実部応答性(Reh(t))と虚部応答性(Imh(t))の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the real part response (Reh * (t)) and imaginary part response (Imh * (t)) which compensate the impulse response of an optical fiber. 本発明の光変調器に調整部材を配置した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which has arrange | positioned the adjustment member to the optical modulator of this invention. 図3の調整部材に誘電体材料を用いた場合における、変調電極と調整部材との距離に対する実効屈折率及び補償可能な光ファイバ長の変化の様子を説明するグラフである。FIG. 4 is a graph for explaining a change in effective refractive index and compensationable optical fiber length with respect to a distance between a modulation electrode and an adjustment member when a dielectric material is used for the adjustment member in FIG. 3. 図3の調整部材に金属材料を用いた場合における、変調電極と調整部材との距離に対する実効屈折率及び補償可能な光ファイバ長の変化の様子を説明するグラフである。FIG. 4 is a graph for explaining a change in effective refractive index and compensationable optical fiber length with respect to a distance between a modulation electrode and an adjustment member when a metal material is used for the adjustment member in FIG. 3. 本発明の光変調器の一例であり、各分岐導波路に対応して信号電極を配置した例を示す図である。It is an example of the optical modulator of the present invention, and is a diagram showing an example in which signal electrodes are arranged corresponding to each branching waveguide. 本発明の光変調器の一例であり、2つの分岐導波路に対して共通の信号電極を配置した例を示す図である。It is an example of the optical modulator of the present invention, and is a diagram showing an example in which a common signal electrode is arranged for two branch waveguides. 本発明の光変調器の一例であり、基板にX板を用いた例を示す図である。It is an example of the optical modulator of the present invention, and is a diagram showing an example using an X plate as a substrate.

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、図1に示すように、電気光学効果を有する材料で構成される基板1と、該基板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3とを有する光変調器において、該光導波路から出射する出射光L2を光ファイバ(不図示)で導波し、該光ファイバの波長分散特性と逆の特性の波形歪を有するように、該光導波路に沿って該基板を所定のパターンで分極反転10することで該光ファイバの波長分散特性を補償しており、さらに、該変調電極の近傍に誘電体材料又は金属材料からなる調整部材を配置することで、前記波長分散特性の補償を所定のレベルに調整していることを特徴とする。
Hereinafter, the present invention will be described in detail using preferred examples.
As shown in FIG. 1, the present invention includes a substrate 1 made of a material having an electro-optic effect, an optical waveguide 2 formed on the substrate, and a modulation electrode for modulating a light wave propagating through the optical waveguide. 3 so that the outgoing light L2 emitted from the optical waveguide is guided by an optical fiber (not shown) and has a waveform distortion having a characteristic opposite to the wavelength dispersion characteristic of the optical fiber. The chromatic dispersion characteristics of the optical fiber are compensated by polarization inversion 10 in a predetermined pattern along the optical waveguide, and an adjustment member made of a dielectric material or a metal material is provided in the vicinity of the modulation electrode. By arranging, compensation of the chromatic dispersion characteristic is adjusted to a predetermined level.

本発明の電気光学効果を有する材料を用いた基板としては、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)、及びこれらの材料を組み合わせた基板が利用可能である。特に、電気光学効果の高く、任意の分極反転構造を形成し易い材料であることが好ましい。具体的には、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、電気光学ポリマーである。   As the substrate using the material having the electro-optic effect of the present invention, for example, lithium niobate, lithium tantalate, PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), and a substrate combining these materials can be used. In particular, a material that has a high electro-optic effect and can easily form an arbitrary domain-inverted structure is preferable. Specifically, lithium niobate, lithium tantalate, and electro-optic polymer.

基板に光導波路2を形成する方法としては、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、光導波路以外の基板をエッチングしたり、光導波路の両側に溝を形成するなど、基板に光導波路に対応する部分を凸状としたリッジ形状の導波路を利用することも可能である。   The optical waveguide 2 can be formed on the substrate by diffusing Ti or the like on the substrate surface by a thermal diffusion method or a proton exchange method. It is also possible to use a ridge-shaped waveguide having a convex portion corresponding to the optical waveguide, such as etching a substrate other than the optical waveguide or forming grooves on both sides of the optical waveguide.

基板1上には、信号電極3や接地電極などの変調電極が形成されるが、このような電極は、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等のバッファ層を設け、バッファ層の上に変調電極を形成することも可能である。図1の符号Sは、変調信号である。 On the substrate 1, modulation electrodes such as the signal electrode 3 and the ground electrode are formed. Such an electrode can be formed by forming a Ti / Au electrode pattern, a gold plating method, or the like. Further, if necessary, a buffer layer such as a dielectric SiO 2 may be provided on the substrate surface after the optical waveguide is formed, and a modulation electrode may be formed on the buffer layer. The code S in FIG. 1 is a modulation signal.

本発明の光変調器には光ファイバが光学的に結合されている。電気光学効果を有する基板にキャピラリ等を利用して光ファイバを直接接合する方法や、電気光学効果を有する基板に、光導波路を形成した石英基板等を接合し、該石英基板等に光ファイバを接合することも可能である。さらに、電気光学効果を有する基板や石英基板等に空間光学系を介して出射光を光ファイバに導入するよう構成することも可能である。   An optical fiber is optically coupled to the optical modulator of the present invention. A method of directly bonding an optical fiber to a substrate having an electro-optic effect using a capillary or the like, or a quartz substrate having an optical waveguide formed on a substrate having an electro-optic effect, and the optical fiber being attached to the quartz substrate or the like. It is also possible to join. Furthermore, it is also possible to configure so that outgoing light is introduced into an optical fiber via a spatial optical system on a substrate having an electro-optic effect, a quartz substrate, or the like.

本発明の光変調器においては、図1のような、電気光学効果を有する材料の基板を使用し、基板の一部を分極反転10している。矢印P1,P2は基板の分極方向を示している。このような分極反転構造を進行波電極型光変調器に適用すると、擬似速度整合や完全ゼロチャープ強度変調、光SSB変調などの有用な特性を得ることができる。本発明者は、分極反転構造を持つ進行波電極型光変調器の変調周波数特性は、分極反転パターンに直接的に対応するインパルス応答のフーリエ変換で与えられることに着目し、本発明を完成するに至ったものである。   In the optical modulator of the present invention, a substrate made of a material having an electro-optic effect as shown in FIG. 1 is used, and a part of the substrate is subjected to polarization inversion 10. Arrows P1 and P2 indicate the polarization direction of the substrate. When such a domain-inverted structure is applied to a traveling wave electrode type optical modulator, useful characteristics such as pseudo speed matching, complete zero chirp intensity modulation, and optical SSB modulation can be obtained. The present inventor has completed the present invention by paying attention to the fact that the modulation frequency characteristic of a traveling wave electrode type optical modulator having a polarization inversion structure is given by Fourier transform of an impulse response that directly corresponds to the polarization inversion pattern. Has been reached.

つまり、本発明のように、この特性を利用することで、プリイコライジング機能を兼ね備えた光変調器を実現可能である。しかも、本発明の光変調器は、通常のベースバンド変調器と異なり、変調光の群速度と変調信号の位相速度を合わせる必要が無いため、断面積を大きくした超低損失な進行波型電極を用いることにより、数10GHzを超える超高速応答が可能である。また、従来のデジタル信号処理回路のように、高速A/D変換技術を用いた電気的イコライジング技術の限界を超えた動作も可能となる。本発明の光変調器では、高速なデジタル信号処理回路が不要となり、低消費電力の駆動も可能となる。さらに、ファイバーの波長分散による伝送信号の位相回転補償をはじめ種々の応用も期待できる。   That is, as in the present invention, an optical modulator having a pre-equalizing function can be realized by using this characteristic. Moreover, unlike the ordinary baseband modulator, the optical modulator of the present invention does not need to match the group velocity of the modulated light and the phase velocity of the modulation signal, so that the traveling wave type electrode with an extremely low loss having a large cross-sectional area is used. By using, an ultra-high speed response exceeding several tens of GHz is possible. In addition, like a conventional digital signal processing circuit, an operation exceeding the limit of electrical equalizing technology using high-speed A / D conversion technology is possible. The optical modulator of the present invention does not require a high-speed digital signal processing circuit, and can be driven with low power consumption. Furthermore, various applications such as phase rotation compensation of transmission signals by chromatic dispersion of fibers can be expected.

以下では、光ファイバーの分散補償を行う光変調器を中心に説明する。本発明の光変調器は、分極反転を用いた電気光学変調技術を用いることにより、電気信号を光信号に変換する際に、あらかじめ光ファイバーの波長分散による波形歪の逆の特性を持たせることで、特性劣化を補償するものである。   In the following, the description will focus on the optical modulator that performs dispersion compensation of the optical fiber. The optical modulator of the present invention has an inverse characteristic of waveform distortion due to wavelength dispersion of an optical fiber in advance when an electric signal is converted into an optical signal by using an electro-optic modulation technique using polarization inversion. This compensates for characteristic deterioration.

本発明の光変調器は、数10Gbps以上、さらには100Gbpsを超える高速伝送の場合にも適用可能である。しかも、波長によらず波形劣化を補償することができる。このため、本発明は、従来の分散補償技術を凌駕する画期的な技術でもある。本発明が利用する分散補償技術の特徴は、以下のような点が列挙できる。
(1)デジタル信号処理技術では対応が困難な40Gbpsを超える高速電子に対応可能
(2)FBG方式のような、波長帯域の制限がない
(3)データ変調器との集積が可能
The optical modulator of the present invention is also applicable to high-speed transmission of several tens of Gbps or more, and more than 100 Gbps. In addition, waveform deterioration can be compensated regardless of the wavelength. Therefore, the present invention is also an epoch-making technique that surpasses the conventional dispersion compensation technique. The features of the dispersion compensation technology used by the present invention can be listed as follows.
(1) Capable of handling high-speed electrons exceeding 40 Gbps, which is difficult to cope with digital signal processing technology (2) No limitation on wavelength band as in the FBG method (3) Integration with data modulators

上記(1)及び(2)を兼ね備える特徴は、これまでの分散補償技術にはないものであり、本発明の技術は、特に、波長多重の高速伝送システムにおける分散補償技術として非常に優れている。   The feature combining the above (1) and (2) is not present in the conventional dispersion compensation technique, and the technique of the present invention is particularly excellent as a dispersion compensation technique in a wavelength multiplexing high-speed transmission system. .

本発明の光変調器における分散補償技術について、詳細に説明する。
光ファイバ中を伝搬する光波の位相定数をβ(ω)とすると、長さLの光ファイバの伝達関数H(ω)は、以下の式となる。
H(ω)=exp(jβ(ω)L)
A dispersion compensation technique in the optical modulator of the present invention will be described in detail.
When the phase constant of the light wave propagating in the optical fiber is β (ω), the transfer function H (ω) of the optical fiber having the length L is expressed by the following equation.
H (ω) = exp (jβ (ω) L)

さらに、分散補償において、β(ω)をキャリア角周波数ω=ωの周りでテーラー展開した時の2次の項を考えればよく、以下のように変形できる。
H(ω)=exp(jβωL/2)
ここで、β2は、テーラー展開の2次の項を意味し、群速度分散を表す。
Further, in dispersion compensation, a second-order term when β (ω) is Taylor-expanded around the carrier angular frequency ω = ω 0 may be considered, and can be modified as follows.
H (ω) = exp (jβ 2 ω 2 L / 2)
Here, β2 means a quadratic term of Taylor expansion and represents group velocity dispersion.

これにより、光ファイバのインパルス応答h(t)は、以下の数2に示す式で表現できる。

Figure 2015222439
Thereby, the impulse response h (t) of the optical fiber can be expressed by the following equation (2).
Figure 2015222439

光ファイバの分散を補償するには、光ファイバの分散補償するための伝達関数は1/H(ω)=H(ω)であるため、光変調器において、分散補償のインパルス応答であるh(t)(=1/h(t))に対応する変調を行えばよい。具体的には、図1に示すマッハツェンダー型導波路を持つ、MZ干渉型光変調器を用いる場合、一方の分岐導波路21でh(t)の実部応答性Re{h(t)}の変調を行い、他方の分岐導波路で虚部応答性Im{h(t)}の変調を行い、両者を所定の位相差で合成すればよい。位相差は、90°となるように設定することが最も好ましい。 In order to compensate for the dispersion of the optical fiber, the transfer function for compensating the dispersion of the optical fiber is 1 / H (ω) = H * (ω). Therefore, in the optical modulator, h is an impulse response of the dispersion compensation. * The modulation corresponding to (t) (= 1 / h (t)) may be performed. Specifically, with the Mach-Zehnder type waveguide shown in FIG. 1, when using the MZ interferometer type optical modulator, a real part responsiveness Re {h * (t of h * (t) in one branch waveguides 21 )}, Modulation of the imaginary part responsiveness Im {h * (t)} is performed by the other branch waveguide, and the two are synthesized with a predetermined phase difference. Most preferably, the phase difference is set to 90 °.

図2は、分散補償のためのインパルス応答h(t)の実部応答性Re{h(t)})と虚部応答性Im{h(t)}を示すグラフである。 FIG. 2 is a graph showing real part responsiveness Re {h * (t)}) and imaginary part responsiveness Im {h * (t)} of impulse response h * (t) for dispersion compensation.

一般には、インパルス応答性を自在に設定することは難しいが、強誘電体材料のように一次の電気光学効果を有する材料に分極反転構造をもちいれば、このインパルス応答を容易に実現することが可能である。   In general, it is difficult to freely set the impulse response, but if a material having a primary electro-optic effect such as a ferroelectric material has a polarization inversion structure, this impulse response can be easily realized. Is possible.

具体的には、図1のように、光導波路2が2つの分岐導波路(21,22)を持つマッハツェンダー型導波路を有し、一方の分岐導波路に形成される分極反転10のパターンは、上述した光ファイバのインパルス応答h(t)を補償するインパルス応答h(t)(=1/h(t))の実部応答性に対応するパターンとし、他方の分岐導波路に形成される分極反転のパターンは、分散補償のインパルス応答h(t)の虚部応答性に対応するパターンを施せば良い。 Specifically, as shown in FIG. 1, the optical waveguide 2 has a Mach-Zehnder type waveguide having two branch waveguides (21, 22), and the pattern of the polarization inversion 10 formed in one branch waveguide. Is a pattern corresponding to the real part response of the impulse response h * (t) (= 1 / h (t)) that compensates the impulse response h (t) of the optical fiber described above, and is formed in the other branching waveguide. The polarization inversion pattern may be a pattern corresponding to the imaginary part responsiveness of the impulse response h * (t) of dispersion compensation.

2つの分岐導波路を通過した光波は、所定の位相差で合成される。この位相差を発生する方法としては、各分岐導波路の長さを調整する方法や、分岐導波路に沿って配置した信号電極又はDCバイアス電極を用いて、分岐導波路の屈折率を調整する方法などが利用可能である。   The light waves that have passed through the two branch waveguides are combined with a predetermined phase difference. As a method of generating this phase difference, a method of adjusting the length of each branch waveguide, or a signal electrode or a DC bias electrode arranged along the branch waveguide is used to adjust the refractive index of the branch waveguide. Methods etc. are available.

図1のような光変調器は、プリイコライジング機能を備えた分散補償変調器として動作する。さらに、Double MZ 変調器を用いると、より高精度な分散補償が可能である。しかも、QPSK変調、デュオバイナリー変調との併用も可能である。   The optical modulator as shown in FIG. 1 operates as a dispersion compensation modulator having a pre-equalizing function. Further, when a double MZ modulator is used, dispersion compensation with higher accuracy can be achieved. Moreover, combined use with QPSK modulation and duobinary modulation is also possible.

図1では、変調電極として、信号電極3のみを示し、接地電極の図示を省略しているが、本発明の光変調器は、図1に示したものに限らず、例えば図6乃至図8に示す種々の配置・構成を採用することが可能である。   In FIG. 1, only the signal electrode 3 is shown as the modulation electrode, and the illustration of the ground electrode is omitted. However, the optical modulator of the present invention is not limited to that shown in FIG. It is possible to adopt various arrangements / configurations shown in FIG.

図6に示す光変調器においては、基板1上に、マッハツェンダー型導波路の2つの分岐導波路21、22のそれぞれに対応する2つの信号電極31、32が形成されている。各信号電極の入力端は、交流電源5に接続されており、変調信号S,S’が各々に入力されている。なお、図6では、図1と同様に接地電極は省略されている。   In the optical modulator shown in FIG. 6, two signal electrodes 31 and 32 corresponding to the two branch waveguides 21 and 22 of the Mach-Zehnder type waveguide are formed on the substrate 1. The input ends of the signal electrodes are connected to the AC power supply 5 and the modulation signals S and S ′ are input to the respective signal electrodes. In FIG. 6, the ground electrode is omitted as in FIG.

図7に示す光変調器においては、単一の信号電極3が、マッハツェンダー型導波路の2つの導波路を全て覆うように形成されている。そして、基板1の裏面に接地電極4が形成されている。   In the optical modulator shown in FIG. 7, a single signal electrode 3 is formed so as to cover all the two waveguides of the Mach-Zehnder type waveguide. A ground electrode 4 is formed on the back surface of the substrate 1.

さらに、図7の光変調器においては、基板1に薄板を使用する場合には、必要に応じて基板1の裏面と接地電極4との間に誘電体SiO等のバッファ層を設けこともできる。 Furthermore, in the optical modulator of FIG. 7, when a thin plate is used for the substrate 1, a buffer layer such as a dielectric SiO 2 may be provided between the back surface of the substrate 1 and the ground electrode 4 as necessary. it can.

図1及び図6乃至7では、光変調器の基板1としてZ板を用いており、従って分極処理の方向は基板表面に垂直方向であったが、図8に示す光変調器のように、基板としてX板(Y板)を用いて、分極処理の方向を基板表面に並行な方向にすることもできる。図8の符号3は信号電極であり、符号4は接地電極を示している。   In FIGS. 1 and 6 to 7, a Z plate is used as the substrate 1 of the optical modulator, and therefore the direction of the polarization treatment is perpendicular to the substrate surface. However, like the optical modulator shown in FIG. By using an X plate (Y plate) as the substrate, the direction of the polarization treatment can be parallel to the substrate surface. Reference numeral 3 in FIG. 8 denotes a signal electrode, and reference numeral 4 denotes a ground electrode.

次に、本発明の光変調器の特徴である、光ファイバの波長分散特性を補償するレベルを調整する構成について説明する。   Next, a configuration for adjusting the level for compensating the wavelength dispersion characteristic of the optical fiber, which is a feature of the optical modulator of the present invention, will be described.

図3は、図1の光変調器で示した変調電極の近傍に、誘電体材料又は金属材料からなる調整部材を配置した様子を示す図である。このように、光変調器を構成する変調器チップに調整部材を装荷することで、変調電極を伝搬する変調信号であるマイクロ波の実効屈折率を大きく変化させることが可能となる。これにより、分散補償量を大幅に調整することができる。   FIG. 3 is a view showing a state in which an adjusting member made of a dielectric material or a metal material is arranged in the vicinity of the modulation electrode shown in the optical modulator of FIG. As described above, by loading the adjustment member on the modulator chip constituting the optical modulator, it is possible to greatly change the effective refractive index of the microwave that is the modulation signal propagating through the modulation electrode. Thereby, the dispersion compensation amount can be significantly adjusted.

図1又は図3の調整部材が無い場合には、以下のようなパラメータにおいて、実効屈折率が4.256、補償可能な光ファイバ長は10km程度である。
・基板材料:タンタル酸リチウム
・基板の厚さ(b):0.4mm
・基板の幅(c):2mm
・バッファ層の材料:酸化シリコン
・バッファ層の厚さ(a):0.3μm
・変調電極の材料:アルミニウム
・変調電極(信号電極,接地電極)の高さ(h):2μm
・信号電極の幅(S):33μm
・信号電極と接地電極との間隔(W):46.5μm
・光(搬送波)の屈折率(n):2.409
Without the adjusting member of FIG. 1 or FIG. 3, the effective refractive index is 4.256 and the optical fiber length that can be compensated is about 10 km in the following parameters.
-Substrate material: lithium tantalate-Substrate thickness (b): 0.4 mm
-Substrate width (c): 2 mm
Buffer material: silicon oxide Buffer layer thickness (a): 0.3 μm
-Modulation electrode material: Aluminum-Modulation electrode (signal electrode, ground electrode) height (h 0 ): 2 μm
・ Signal electrode width (S): 33 μm
-Distance between signal electrode and ground electrode (W): 46.5 μm
-Refractive index of light (carrier wave) ( ng ): 2.409

図3のように、調整部材としてタンタル酸リチウムの高誘電体を装荷した場合と、アルミニウムの金属を装荷した場合について、実効屈折率や補償可能な光ファイバ長の変化を調べた。シミュレーションの結果を、図4及び図5に示す。図4は、調整部材に誘電体材料を用いた場合を示しており、変調電極と調整部材との距離(h)に対する、実効屈折率(n)及び補償可能な光ファイバ長(L)の変化の様子を示している。また、図5は、調整部材に金属材料を用いた場合の同様の結果である。調整部材の厚さは0.5mmとし、幅は基板と同様に2mmとした。 As shown in FIG. 3, changes in the effective refractive index and the length of the optical fiber that can be compensated were examined when a high dielectric material of lithium tantalate was loaded as an adjustment member and when a metal of aluminum was loaded. The simulation results are shown in FIGS. FIG. 4 shows a case where a dielectric material is used for the adjustment member, and the effective refractive index (n m ) and the optical fiber length (L) that can be compensated for the distance (h 1 ) between the modulation electrode and the adjustment member. The state of change is shown. FIG. 5 shows the same result when a metal material is used for the adjustment member. The thickness of the adjusting member was 0.5 mm, and the width was 2 mm, similar to the substrate.

タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムの誘電率異方性が大きいため、正確な特性シミュレーションの為には、その異方性も考慮する必要があるが、ここでは、シミュレーションを簡単にするために、高誘電体タンタル酸リチウムの比誘電率εrを42として計算してある。誘電率は高いほど、屈折率の変化量、つまり分散補償量の調整量の増大についての効果は高い。デバイスの高周波特性の確保のためには、高周波における誘電損失(tan δ)が小さ材料が望ましい。一方、金属を装荷する場合、その金属材料がアルミニウムであっても金、銀や銅であっても良導体であれば実効屈折率の変化、つまり補償可能の範囲はほぼ同じ特性を示す。ここではシミュレーション実行上の都合により、アルミニウムの値を示したが、装荷した金属も電極の一部として作用するため、デバイスの高周波特性の確保のためには、金、銀や銅のように高周波における導電性の高い金属を用いる方が望ましい。 Since the dielectric anisotropy of lithium tantalate and lithium niobate is large, it is necessary to consider the anisotropy for accurate characteristic simulation. The relative permittivity ε r of the dielectric lithium tantalate is calculated as 42. The higher the dielectric constant, the higher the effect of increasing the amount of change in refractive index, that is, the amount of adjustment of the dispersion compensation amount. In order to ensure the high frequency characteristics of the device, a material having a low dielectric loss (tan δ) at a high frequency is desirable. On the other hand, when a metal is loaded, even if the metal material is aluminum, gold, silver, or copper, if the conductor is a good conductor, the change in effective refractive index, that is, the range that can be compensated exhibits substantially the same characteristics. Here, the aluminum value is shown for the convenience of simulation, but the loaded metal also acts as part of the electrode. Therefore, in order to ensure the high frequency characteristics of the device, high frequency such as gold, silver or copper is used. It is preferable to use a metal having high conductivity.

また、装荷する材料の厚さを0.5mmとしてシミュレーションを行っているが、装荷する材料が誘電体の場合と金属の場合では、厚さの効果が異なる。誘電体の場合は、信号の電界が誘電体内部に入るため、厚さが厚いほど、屈折率の変化量、つまり分散補償量の調整量の増大に対する効果は高い。装荷する誘電体材料の比誘電率と目的の分散補償量に応じて厚さを設定する。一方、金属の場合は、金属内部電界がほぼゼロになるため、厚さを厚くしても屈折率の変化量、つまり分散補償量の増大の効果はない。使用する信号の周波数帯において表皮損失による信号減衰、劣化が許容できる範囲で厚さを薄くすることができる。   In addition, although the simulation is performed with the thickness of the material to be loaded being 0.5 mm, the effect of the thickness differs depending on whether the material to be loaded is a dielectric or a metal. In the case of a dielectric, since the electric field of a signal enters the dielectric, the thicker the thickness, the higher the effect of increasing the amount of change in the refractive index, that is, the amount of adjustment of the dispersion compensation amount. The thickness is set according to the relative dielectric constant of the dielectric material to be loaded and the target dispersion compensation amount. On the other hand, in the case of metal, since the electric field inside the metal becomes almost zero, even if the thickness is increased, there is no effect of increasing the amount of change in refractive index, that is, the amount of dispersion compensation. In the frequency band of the signal to be used, the thickness can be reduced within a range in which signal attenuation and deterioration due to skin loss can be tolerated.

図4を見ると、誘電体を装荷した場合で、装荷した誘電体との距離を小さくすると電気信号に対する屈折率が大きく増大し分散補償量を0%〜+40%程度の範囲で調整が可能となる。また、図5を見ると、金属を装荷した場合では、装荷した金属との距離を小さくすると電気信号に対する屈折率が大きく減少し分算補償量を−50%程度〜0%の範囲で調整が可能となることが容易に理解できる。このことから、本発明の光変調器において、調整部材を用いることで、光ファイバの波長分散特性を補償するレベルを大幅に変更することが可能となる。誘電体を装荷した場合も金属を装荷した場合も、屈折率変化とともにインピーダンスも変化するが、電極構成の設計、駆動回路の選定、インピーダンス整合回路の使用などで、設計対応や対処する。   Referring to FIG. 4, when the dielectric is loaded, if the distance from the loaded dielectric is reduced, the refractive index for the electric signal is greatly increased, and the dispersion compensation amount can be adjusted in the range of about 0% to + 40%. Become. In addition, as shown in FIG. 5, when the metal is loaded, if the distance from the loaded metal is reduced, the refractive index with respect to the electric signal is greatly reduced, and the division compensation amount is adjusted in the range of about −50% to 0%. It can be easily understood that this is possible. For this reason, in the optical modulator of the present invention, the level for compensating the wavelength dispersion characteristic of the optical fiber can be significantly changed by using the adjusting member. Whether the dielectric is loaded or the metal is loaded, the impedance changes as the refractive index changes. However, the design is handled and addressed by designing the electrode configuration, selecting the drive circuit, and using the impedance matching circuit.

調整部材は、予め設定した分散補償量となるように所定の位置に固定配置するだけでなく、位置調整できるよう構成し、分散補償量を変更可能にすることも可能である。   The adjustment member can be configured not only to be fixedly arranged at a predetermined position so as to have a preset dispersion compensation amount but also to be able to adjust the position so that the dispersion compensation amount can be changed.

図3に示した例では、変調器基板上のコプレーナー電極の幅(=S+2W)に対し、十分に広い高誘電体材料を装荷している。この場合、変調器と装荷する高誘電体のギャップhが位置調整の実効的パラメータとなる。高誘電体の幅がコプレーナー電極の幅(=S+2W)の3倍程度より小さい場合には、高誘電率体材料を図3の左右方向に位置調整することによって、大きな分散補償量の調整量が得られる。この場合、装荷する高誘電率材料の幅は小さいほど、誘電率は高いほど、大きな調整量が得られる。この構成には、高誘電率材料として、100以上の大きな比誘電率をもつPLZT、PZTやKTNなどの材料を選ぶのが良い。また、KTN等のように誘電率の温度依存性が非常に高い材料を用いる場合には、温度によっても大きな分散補償量の調整量が得られる。金属を装荷する場合、装荷する金属の幅と位置の調整量に対する効果は、高誘電率材料の場合と同様である。ただし、金属の場合、温度による分散補償量の調整量はきわめて小さい。なお、装荷する材料が高誘電率材料の場合も金属の場合も、位置の調整は、高さ方向、水平方向各々を調整しても良く、両方を調整しても良いし、誘電率の温度依存性が大きい高誘電率材料を用いる場合には、温度による調整と併用しても良い。   In the example shown in FIG. 3, a high dielectric material that is sufficiently wide with respect to the width of the coplanar electrode on the modulator substrate (= S + 2W) is loaded. In this case, the gap h of the high dielectric material loaded with the modulator is an effective parameter for position adjustment. When the width of the high dielectric material is smaller than about three times the width of the coplanar electrode (= S + 2W), the position of the high dielectric material is adjusted in the horizontal direction in FIG. can get. In this case, the smaller the width of the high dielectric constant material to be loaded and the higher the dielectric constant, the larger the adjustment amount can be obtained. For this configuration, a material such as PLZT, PZT, or KTN having a large relative dielectric constant of 100 or more is preferably selected as the high dielectric constant material. Further, when a material having a very high temperature dependence of dielectric constant such as KTN is used, a large amount of dispersion compensation can be adjusted depending on the temperature. When loading metal, the effect on the amount of adjustment of the width and position of the loaded metal is the same as in the case of a high dielectric constant material. However, in the case of metal, the adjustment amount of the dispersion compensation amount due to temperature is very small. Whether the material to be loaded is a high dielectric constant material or a metal, the position may be adjusted in the height direction and the horizontal direction, both may be adjusted, or the temperature of the dielectric constant may be adjusted. In the case of using a high dielectric constant material having a large dependency, adjustment with temperature may be used in combination.

以上の説明では、コプレーナ電極の事例で説明したが、コプレーナー電極と同様に基板の表面に信号電極が配置されるマイクロストリップ型の電極やスロット型の電極を用いた構成においても同様の効果がある。電極が誘電体の中に埋没している構成の場合、効果が薄れるが、埋没の深さが電極間隔に対して十分薄い場合(電極間隔の半分程度以下)は実用的な効果がある。   In the above description, the example of the coplanar electrode has been described. However, the same effect can be obtained in the configuration using the microstrip type electrode or the slot type electrode in which the signal electrode is arranged on the surface of the substrate, similarly to the coplanar electrode. . The effect is reduced when the electrode is buried in the dielectric, but there is a practical effect when the buried depth is sufficiently thin with respect to the electrode interval (about half or less of the electrode interval).

以上のように、本発明に係る光変調器によれば、光ファイバの波長分散を補償可能であり、数10Gbpsを超える高速伝送にも適用可能な光変調器を提供することが可能となる。   As described above, according to the optical modulator of the present invention, it is possible to provide an optical modulator that can compensate for chromatic dispersion of an optical fiber and can be applied to high-speed transmission exceeding several tens of Gbps.

1 電気光学効果を有する材料を用いた基板
2 光導波路
21,22 分岐導波路
3,31,32 信号電極
4 接地電極
10 分極反転パターン
L1 入射光
L2 出射光
S 変調信号
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate using material having electro-optic effect 2 Optical waveguide 21, 22 Branched waveguide 3, 31, 32 Signal electrode 4 Ground electrode 10 Polarization inversion pattern L 1 Incident light L 2 Output light S Modulation signal

Claims (7)

電気光学効果を有する材料で構成される基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、
該光導波路から出射する出射光を光ファイバで導波し、該光ファイバの波長分散特性と逆の特性の波形歪を有するように、該光導波路に沿って該基板を所定のパターンで分極反転することで該光ファイバの波長分散特性を補償しており、
さらに、該変調電極の近傍に誘電体材料又は金属材料からなる調整部材を配置すると共に、該調整部材と該変調電極との相対的な位置の調整を行うことで、該変調電極を伝搬するマイクロ波の実効屈折率を変化させ、前記波長分散特性の補償を所定のレベルに調整していることを特徴とする光変調器。
In an optical modulator having a substrate made of a material having an electro-optic effect, an optical waveguide formed on the substrate, and a modulation electrode for modulating a light wave propagating through the optical waveguide,
The output light emitted from the optical waveguide is guided by an optical fiber, and the substrate is inverted in a predetermined pattern along the optical waveguide so as to have a waveform distortion opposite to the wavelength dispersion characteristic of the optical fiber. To compensate for the chromatic dispersion characteristics of the optical fiber,
In addition, an adjustment member made of a dielectric material or a metal material is disposed in the vicinity of the modulation electrode, and a relative position between the adjustment member and the modulation electrode is adjusted, so that a micro wave propagating through the modulation electrode can be obtained. An optical modulator characterized by changing the effective refractive index of the wave and adjusting the compensation of the wavelength dispersion characteristic to a predetermined level.
請求項1に記載の光変調器において、該変調電極が、信号電極の幅をSとし、該信号電極と接地電極との間隔をGとしたコプレーナー電極を有し、該調整部材の幅は、「S+2G」の3倍よりも小さいことを特徴とする光変調器。   2. The optical modulator according to claim 1, wherein the modulation electrode has a coplanar electrode in which the width of the signal electrode is S and the distance between the signal electrode and the ground electrode is G, and the width of the adjustment member is An optical modulator characterized by being smaller than three times “S + 2G”. 請求項1又は2に記載の光変調器において、該光導波路が2つの分岐導波路を持つマッハツェンダー型導波路を有し、
一方の分岐導波路に形成される分極反転のパターンは、該光ファイバのインパルス応答h(t)を補償するインパルス応答1/h(t)の実部応答性に対応するパターンであり、
他方の分岐導波路に形成される分極反転のパターンは、前記インパルス応答1/h(t)の虚部応答性に対応するパターンであり、
前記2つの分岐導波路を通過した光波を所定の位相差で合波するように構成されていることを特徴とする光変調器。
The optical modulator according to claim 1 or 2, wherein the optical waveguide includes a Mach-Zehnder type waveguide having two branch waveguides,
The polarization inversion pattern formed in one branching waveguide is a pattern corresponding to the real part response of the impulse response 1 / h (t) for compensating the impulse response h (t) of the optical fiber,
The pattern of polarization inversion formed in the other branch waveguide is a pattern corresponding to the imaginary part responsiveness of the impulse response 1 / h (t),
An optical modulator configured to multiplex light waves having passed through the two branch waveguides with a predetermined phase difference.
請求項3に記載の光変調器において、該光ファイバのインパルス応答h(t)は以下の式で与えられることを特徴とする光変調器。
ただし、H(ω)は光ファイバの伝達関数であり、H(ω)=exp(jβ(ω)L)となる。β(ω)は、光ファイバ中を伝搬する光波の位相定数であり、Lは光ファイバの長さである。
Figure 2015222439
4. The optical modulator according to claim 3, wherein the impulse response h (t) of the optical fiber is given by the following equation.
However, H (ω) is a transfer function of the optical fiber, and H (ω) = exp (jβ (ω) L). β (ω) is a phase constant of the light wave propagating through the optical fiber, and L is the length of the optical fiber.
Figure 2015222439
請求項1乃至4のいずれかに記載の光変調器において、該調整部材は誘電体材料で構成し、該調整部材の温度を調整することで、前記波長分散特性の補償を所定のレベルに調整していることを特徴とする光変調器。   5. The optical modulator according to claim 1, wherein the adjustment member is made of a dielectric material, and the compensation of the wavelength dispersion characteristic is adjusted to a predetermined level by adjusting a temperature of the adjustment member. An optical modulator characterized by that. 請求項5に記載の光変調器において、少なくとも該誘電体材料の温度を調整する機構が具備されていることを特徴とする光変調器。   6. The optical modulator according to claim 5, further comprising a mechanism for adjusting at least a temperature of the dielectric material. 請求項1乃至4のいずれかに記載の光変調器において、該調整部材は誘電体材料で構成し、該誘電体材料の比誘電率が100以上であることを特徴とする光変調器。   5. The optical modulator according to claim 1, wherein the adjustment member is made of a dielectric material, and the relative dielectric constant of the dielectric material is 100 or more.
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