JP2018081204A - 偏波保持光ファイバおよび双方向光伝送装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この双方向光伝送装置では、1本の偏波保持光ファイバ内を双方向に通過する2つの光波の電界面の向きを互いに直交させることが開示されている。また、このように1本の偏波保持光ファイバ内を通過する2つの光波の電界面の向きを互いに直交させるために、第1の光送信部と、第2の光送信部と、は電界面が互いに直交する光波をそれぞれ出射している。このような構成を採用することで、上記2つの光波のクロストークを低減することができる。
このように、種類が異なる2つの送受信ユニットを対にして用いる場合、双方向光伝送装置の製造時のコストアップや、メンテナンス性の低下につながる。
さらに、このような偏波回転素子を偏波保持光ファイバの一方の端部に設けることにより、偏波回転素子以外の部分には汎用の偏波保持光ファイバを用いて上記態様の双方向光伝送装置を構成することができるため、製造コストを低減してメンテナンス性を向上することが可能となる。
第1実施形態に係る双方向光伝送装置の構成を、図1を参照しながら以下に説明する。
図1に示すように、双方向光伝送装置10は光導波路素子(第1の光導波路素子)1a、光導波路素子(第2の光導波路素子)1b、および偏波保持光ファイバ6を備える。
光導波路素子1a、1bとしてSOI基板を用いる場合には、アンドープSiで形成され、平面を有する基板2a、2bを用いる。基板2a、2b上に例えば3μm程度の厚みを有する不図示のSiO2で形成されるBuried Oxide(BOX)層である下クラッドと、その上部にSOI層により作製されるSiのコア及びたとえばその上部にSiO2で形成した上クラッドからなるSi導波路を作製することができる。
ここで、基板2a、2bは互いに同一の基板を用いているが、これに限定されず、基板2a、2bは互いに異なる基板を用いてもよい。
Si導波路は、矩形の導波路及びリブ型の導波路を基本構造とした方向性結合器などの各要素デバイスを構成し、基板2a、2b上で各要素デバイスがそれぞれ接続される。これにより、1チップ(1素子)上に集積デバイスを形成することができる。
光送信部3a、3bは、基板2a、2b上にそれぞれ実装されている。光送信部3a、3bとしてInP系のLDを用いることで間接遷移型バンドギャップを持ち非発光なデバイスであるシリコンを導波路として使用するとともに、1チップ上に送受信に必要な光部品も集積することができる。
光送信部3a、3bは、偏光された光波を出射する。図示の例では、光送信部3a、3bはTEモードの光波を出射している。TEモードの光波は、主電界の向きが基板2a、2bの平面に平行である。
また、光送信部3a、3bとしてLDを用いる場合、LDと光導波路との接続部には、LDの持つ大きなモードフィールド径に合せるために、モードコンバータを利用することもできる。これにより損失を低減することができる。
なお、光送信部3a、3bは基板2a、2b上に実装されていなくてもよく、例えば基板2a、2bの外部にLDを配設して、このLDから基板2a、2bに対して光を入力してもよい。この場合には、基板2a、2b上に配設された各入力端を、光送信部3a、3bとみなすことができる。
なお、共通化の観点から、例えば光導波路素子1aの外部にLDが配設される場合は、光導波路素子1bについても外部にLDが配設されるように構成することが好ましい。
また、ファイバとの接続において、基板側のTEモードの主電界の向きと、偏波保持ファイバのスローまたはファスト軸の意図した方向とを合わせて接続する際には、0度で接続することが望ましいが、ここで、この角度は0°に限定されず、双方向光伝送装置10が正常に機能する範囲内でずれが生じてもよい。その場合、この角度が具体的には−10°〜+10°をなす範囲で、偏波保持光ファイバ6と偏波合分波部5a、5bとを接続することが好ましい。
なお、本実施形態における「略直交」とは、光波が光導波路素子1a、1b内に伝達された際にTEモード若しくはTMモードとして正常に機能する範囲をいう。すなわち、「略直交」とは厳密に90°を指す概念ではなく、例えば90°±10°であればよい。
この場合、変調器としてリング共振器や、マッハツェンダ型光変調器などの、基板2a、2b上に実装可能な変調器を利用することができる。特に高速動作に適した変調としてキャリアプラズマ効果を利用した変調が挙げられる。この場合、Siが半導体であることを利用して、イオン注入によりpn接合を形成し、電圧を印加することによりキャリアの濃度を変化させることで、変調器を伝播する光の位相を変調することができる。このような変調器は通常、導波路の持つ二つの直交する偏光を持つ導波モードの内、片方のモードに合わせて設計され、異なる偏波面に対応するためには、設計を変える必要がある。
光受信部4a、4bは、基板2a、2b上にそれぞれ実装されている。
なお、光受信部4a、4bは基板2a、2b上に実装せずに基板2a、2bの外部に実装して、基板2a、2bの外部で光を受信することもできる。なお、この場合、基板上の、光信号が外部へ出力される出力端を光受信部とみなすことができる。
なお、共通化の観点から、例えば光導波路素子1aの外部にPD等が配設される場合は、光導波路素子1bについても外部にPD等が配設されるように構成することが好ましい。
方向性結合器では、導波路のTEモードとTMモードとの間に実効屈折率差があることを利用して、異なるビート長を持ち、片方の偏波のみを選択的に遷移させることが可能である。
第1のポート51aは、光送信部3a若しくは光送信部3bに接続されている。第2のポート52aは、光受信部4a若しくは光受信部4bに接続されている。第3のポート51eは、偏波保持光ファイバ6に接続されている。
一方、第3のポート51eには、偏波保持光ファイバ6内をTEモードの光波の進行方向と逆方向に進行するTMモードの光波が入射する。第3のポート51eに入射したTMモードの光波は、曲がり導波路51dを通過し、方向性結合器50内で直線導波路51cから直線導波路52cに遷移する。直線導波路52cに遷移されたTMモードの光波は曲がり導波路52bに進入する。曲がり導波路52bに進入したTMモードの光波は、第2のポート52aを介して、光受信部4a若しくは光受信部4bに入射する。
つまり、光導波路51において、第3のポート51eから直線導波路51cの途中にかけて、TMモードとTEモードとの2種類のモードの光波が共存する。
なお、第3のポート51eと偏波保持光ファイバ6との間には、モードフィールド径を調整するために不図示のモードコンバータが配置されてもよい。
また、図2では光導波路51、52の両方がそれぞれ曲がり導波路を有するが、光導波路51、52の一方のみに曲がり導波路を設けて方向性結合器50を構成してもよい。
コア6aの両端部は、不図示の接続部を介して、それぞれ偏波合分波部5a、5bの第3のポート51eに光学的に接続される。コネクタキー65a、65bは、偏波保持光ファイバ6の両端部に配設されている。コネクタキー65a、65bはそれぞれ、フェルール63、シース64、及びキー部65で構成される。フェルール63はジルコニアなどのセラミクスや金属等で形成され、クラッド6cの外周を覆っている。シース64は、金属等で形成され、空間Sを介してフェルール63の外周を囲むように形成される。キー部65a、65bは、シース64の外周面から径方向の外側に向けて突出している。キー部65a、65bは、光導波路素子1a、1bの接続部が備える不図示のキー溝と係合して、基板2a、2bに対する偏波保持光ファイバ6の両端部におけるスロー軸の向きをそれぞれ規制する。
なお、図示例の偏波保持光ファイバ6は、応力付与部6bが略円形の断面を有するPANDA形光ファイバであるが、他の種類の偏波保持光ファイバ、例えばボウタイ形光ファイバや、楕円コア形光ファイバも使用可能である。
図1に示す例では、光導波路素子1aから出射したTEモードの光波は、偏波回転部7でTMモードの光波に変換されて光導波路素子1bに入射する。また、光導波路素子1bから出射したTEモードの光波は、偏波回転部7でTMモードの光波に変換されて光導波路素子1aに入射する。
また、光送信部3bがTEモードの光波を出射すると、光受信部4aに入射する光波はTMモードとなる。このように、光送信部3aおよび光送信部3bが出射する光波の電界面の向きを共通にしつつ、光受信部4aおよび光受信部4bに入射する光波の電界面の向きを共通にすることができる。
これにより、光送信部3aおよび光送信部3bを共通化し、かつ光受信部4aおよび光受信部4bを共通化できるため、光導波路素子1aおよび光導波路素子1bの構成のうち、送受信ユニットの構成を共通化することが可能となる。従って、比較的簡易な構成で双方向光伝送装置を実現することができ、製造コストの低減、及びメンテナンス性の向上を実現できる。
なお、本実施形態において、送受信ユニットとは、図1の構成のうち、光送信部3a、光受信部4a、および偏波合分波部5a、もしくは、光送信部3b、光受信部4b、および偏波合分波部5bのいずれかの構成を有するものとする。
また、本実施形態では、基板2a及び2bに同一の基板を用いれば光導波路素子1aおよび光導波路素子1bの構成を共通化することも可能となる。従って、本実施形態を用いることで、比較的簡易な構成で双方向光伝送装置を実現することができる。また、基板2a、2bには同一の基板を使用するため、基板2a、2b上に同一の送受信ユニットを作製すれば、共通の光導波路素子1aおよび光導波路素子1bを容易に製造することが可能となる。また、製造コストの低減、及びメンテナンス性の向上を実現できる。
これにより、光導波路素子1aとの接続部における偏波保持光ファイバ6の基板2aに対するスロー軸の向きと、光導波路素子1bとの接続部における偏波保持光ファイバ6の基板2bに対するスロー軸の向きとが互いに略直交する構成を、比較的簡易な構成の双方向光伝送装置で実現することができる。
このため、偏波保持光ファイバ6の両端部を光導波路素子1a、1bに接続し、光送信部3a、3bが電界面の向きが互いに同一な光波を出射した場合、光受信部4a、4bに入射する光波の電界面の向きが同一となる。これにより、光送信部3a、3bが同一の電界面の向きを有する光波を出射し、かつ光受信部4a、4bに同一の電界面の向きを有する光波が入射する。
以上により、光送信部3aおよび光送信部3bを共通化し、かつ光受信部4aおよび光受信部4bを共通化できるため、光導波路素子1aおよび光導波路素子1bの構成のうち、送受信ユニットの構成を共通化することが可能となる。従って、比較的簡易な構成で双方向光伝送装置を実現することができ、製造コストの低減、及びメンテナンス性の向上を実現できる。
また、本実施形態では、基板2a及び2bに同一の基板を用いれば光導波路素子1aおよび光導波路素子1bの構成を共通化することも可能となる。従って、本実施形態を用いることで、比較的簡易な構成で双方向光伝送装置を実現することができる。また、基板2a、2bには同一の基板を使用するため、基板2a、2b上に同一の送受信ユニットを作製すれば、共通の光導波路素子1aおよび光導波路素子1bを容易に製造することが可能となる。また、製造コストの低減、及びメンテナンス性の向上を実現できる。このように、本実施形態の偏波保持光ファイバ6を用いることで、双方向光伝送装置10の構成の簡易化を容易に実現することができる。
なお、偏波回転素子7Aは、偏波保持光ファイバ6の一方の端部に装着されていてもよい。あるいは、偏波回転素子7Aは、偏波保持光ファイバ6と一体に形成されていてもよい。
次に、本発明に係る第2実施形態について説明するが、第1実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態では、光導波路素子1a、1bが複数の送受信ユニットを備えている点が第1実施形態と異なる。
光導波路素子1aは、基板2aおよび基板2a上に配設された複数の送受信ユニット(第1の送受信ユニット)8a〜8cを備える。送受信ユニット8a〜8cはそれぞれ、光送信部3a、光受信部4a、および偏波合分波部5aを有する。各送受信ユニット8a〜8cの構成要素は互いに同一であるため、送受信ユニット8a〜8cは互いに同一である。
光導波路素子1bは、基板2bおよび基板2b上に配設された複数の送受信ユニット(第2の送受信ユニット)8d〜8fを備える。送受信ユニット8d〜8fはそれぞれ、光送信部3b、光受信部4b、および偏波合分波部5bを有する。各送受信ユニット8d〜8fの構成要素は互いに同一であるため、送受信ユニット8d〜8fは互いに同一である。
なお、図5では、一つの偏波回転部7が3本の偏波保持光ファイバ6に対して、一直線状に延在しているが、これは、後述する図6について、3本の偏波保持光ファイバ6それぞれにおいて90度ねじった箇所3つが、偏波保持光ファイバ6の長手方向に対して垂直方向にそれぞれ並列して配置されている構造を示している。ここで、偏波回転部7は、前述した構造に限定されず、例えば、3本の偏波保持光ファイバそれぞれにおいて90度ねじった箇所3つが、偏波保持光ファイバ6の長手方向に対して垂直方向にそれぞれ並列して配置されていなくてもよい。
複数の偏波保持光ファイバ6を並列して一体化する場合、例えば、ファイバ同士を一体化する前にそれぞれの偏波保持光ファイバ6の先端部を一度、図6に対し、上方向に引き出して、光ファイバの軸回りに90度ねじることが好ましい。そして、ねじれを保った状態で先端部を、上方向に引き出される前の位置と同等の位置まで戻し、それぞれのファイバ同士を並列して一体化する。このように引き出してねじることで偏波回転部7を確実に形成することができる。
なお、偏波回転部7に代えて、図4に示すような偏波回転素子7Aを一方の端部に備えた複数の偏波保持光ファイバ6を、並列して一体化してもよい。
なお、本実施形態では、光導波路素子1a、1bがそれぞれ3つの送受信ユニットを備えている場合を例示しているが、これに限定されない。光導波路素子1a、1bがそれぞれ2つの送受信ユニットを備え、2本の偏波保持光ファイバ6で接続されていてもよいし、光導波路素子1a、1bがそれぞれ4つ以上の送受信ユニットを備え、4本以上の偏波保持光ファイバ6で接続されていてもよい。
次に、本発明に係る第3実施形態について説明するが、第1実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態の双方向光伝送装置30は、図7に示すように、光導波路素子1a、1bが偏波ローテータ9a、9bを備えている点が第1実施形態と異なる。
また、前述した第1〜3実施形態では、偏波保持光ファイバ6の両端部間に偏波回転部7を配設したが、本発明はこれに限られない。例えば、偏波回転部7を偏波保持光ファイバ6の一方の端部と、この端部に接続される光導波路素子と、の間に配設してもよい。
この場合、送信側(第1の光導波路素子)と受信側(第2の光導波路素子)とで共通の光導波路素子を用いるためには図8に示すようなコアで構成することが好ましい。つまり、光ファイバ6Aが光ファイバ6Aの軸回りに90°回転された場合に、対応する位置にそれぞれコアが存在するように4つのコア6a1〜6a4が配置され、さらに送信側の光波がすべて同一の偏波状態を有するように構成することが好ましい。このようにコア6a1〜6a4を配置することで偏波保持マルチコア光ファイバを用いた場合でも本発明を適用でき、受信側と送信側とで共通の光導波路素子を用いることができる。
また、偏波保持マルチコア光ファイバ6Aを、例えば、図5に示すような複数の送受信ユニット同士を光接続するために用いた場合、隣接した送受信ユニット間において偏波合分波部で分波された導波路を伝播する光の偏波モードが隣同士で異なるように構成される。そのため、隣接した送受信ユニット間におけるクロストークの影響を低減できる。このため、隣接した送受信ユニット同士をより近距離に配置することが可能である。
なお、図8において、応力付与部については記載を省略している。また、図8ではコアの数が4個の場合を示しているが光ファイバ6Aが90°回転された場合に対応する位置にそれぞれコアが存在するように構成されていれば、コアの数が8個や12個など、4の倍数であればよい。
また、偏波保持マルチコア光ファイバにおける偏波保持方向については、図8のように全てのコアに対して同一方向にスロー軸が配置されている構造のほかに、図8の偏波保持光ファイバ6Aの断面構造において、偏波保持光ファイバ6Aの軸回り方向に延在する偏波保持光ファイバ6Aの外形に沿った方向に、それぞれのコアにおけるスロー軸が配置され、偏波保持光ファイバ6Aの径方向に、それぞれのコアにおけるファスト軸が配置されている構造が挙げられる。
Claims (5)
- 第1の光送信部と、第1の光受信部と、前記第1の光送信部及び前記第1の光受信部に接続され、異なる偏波状態の光波を分波および合波可能な第1の偏波合分波部と、を有する第1の送受信ユニットが第1の基板上に配設された第1の光導波路素子と、
第2の光送信部と、第2の光受信部と、前記第2の光送信部及び前記第2の光受信部に接続され、異なる偏波状態の光波を分波および合波可能な第2の偏波合分波部と、を有する第2の送受信ユニットが第2の基板上に配設された第2の光導波路素子と、
前記第1の光導波路素子と前記第2の光導波路素子とを接続する偏波保持光ファイバと、を備え、
前記第1の光導波路素子と前記偏波保持光ファイバとの接続部における前記偏波保持光ファイバの前記第1の基板に対するスロー軸の向きと、前記第2の光導波路素子と前記偏波保持光ファイバとの接続部における前記偏波保持光ファイバの前記第2の基板に対する前記スロー軸の向きと、が互いに略直交している双方向光伝送装置。 - 前記第1の光導波路素子と前記第2の光導波路素子との間で前記偏波保持光ファイバが軸方向にねじられている、請求項1に記載の双方向光伝送装置。
- 前記偏波保持光ファイバは、前記偏波保持光ファイバの一方の端部に配設された、前記光波の電界面の向きを回転可能な偏波回転素子を有する、請求項1に記載の双方向光伝送装置。
- 前記偏波保持光ファイバを複数備え、
前記第1の光導波路素子は、前記第1の基板上に配設された複数の前記第1の送受信ユニットを有し、
前記第2の光導波路素子は、前記第2の基板上に配設された複数の前記第2の送受信ユニットを有し、
複数の前記偏波保持光ファイバは、複数の前記第1の送受信ユニットと、複数の前記第2の送受信ユニットと、を各別に接続し、複数の前記偏波保持光ファイバ同士が並列して一体化されている、請求項1から3のいずれか一項に記載の双方向光伝送装置。 - 第1の光導波路素子に接続される第1の端部と、第2の光導波路素子に接続される第2の端部と、光波の電界面の向きを変換する偏波回転部と、を備える偏波保持光ファイバであって、
前記偏波回転部から出射する光波の電界面の向きが、前記偏波回転部に入射する光波の電界面の向きに略直交し、
前記第1の端部は、前記第1の光導波路素子に対する前記第1の端部における前記偏波保持光ファイバのスロー軸の方向を規制する第1のコネクタキーを備え、
前記第2の端部は、前記第2の光導波路素子に対する前記第2の端部における前記偏波保持光ファイバのスロー軸の方向を、前記第1の光導波路素子に対する前記第1の端部における前記偏波保持光ファイバのスロー軸の方向に対して略直交する方向に規制する第2のコネクタキーを備える偏波保持光ファイバ。
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