JP3800594B2

JP3800594B2 - 光変調器

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Publication number: JP3800594B2
Application number: JP2001314779A
Authority: JP
Inventors: 真司美野; 育生小川; 元速石井; 靖之井上; 和夫藤浦; 毅北川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: JP2003121806A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに応用可能な、光導波回路を用いた光変調器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットの普及等により通信トラフィツクが増大し、通信路の大容量化が求められている。
そのため、波長分割多重（ＷＤＭ）システムにおいては波長数の増加が求められている。
しかし、光増幅器の使用可能な帯域が限られていることから、波長数を増やすと同時に、光信号波長の間隔を狭くする必要がある。
但し、光ファイバ伝送で、高速で波長間隔を狭くすると四光波混合などの非線形効果によりパルス波形が劣化するため、種々の対策が講じられている。非線形効果は、光信号レベルを下げることにより抑制できる。
【０００３】
従って、無線等で実績のある単側波帯通信方式（Singe side-band ：ＳＳＢ）を用いれば、搬送波分だけ光信号レベルを下げることができるので、非線形効果を押さえた波長分割多重伝送を行うことができると期待される。
このような単側波帯通信方式用の変調器としてＬiＮbＯ₃（ＬＮ）基板上の光導波路を用いたものが既に報告されている（S. Shimotsu, et al. , ''Single side-band modulation performance of LiNbO₃integrated modulator consisting of four-phase modulator waveguides, '' IEEE Photonics Technol. Lett.，Vol.13, pp. 364-366,2001.)。
【０００４】
従来の単側波帯通信方式変調器の構成を図４に示す。
図４に示すように、単側波帯通信方式変調器は、電気光学効果は持つ多元系酸化物であるＬiＮbＯ₃基板１枚により構成されている。
即ち、光信号の入力側では、１本の入力導波路がＹ分岐０１により２本の導波路に分岐され、更に、これら２本の導波路がＹ分岐０２，０３により各々２本の導波路、つまり、合計４本の導波路に分岐されている。
これら４本の導波路は、更に、Δφ，−Δφ，Δφ’，−Δφ’の位相変調器０４，０５，０６，０７に接続すると共にこれらの中間には電気光学効果を用いた位相シフタ０８、０９、０１０が設けられている。
【０００５】
更に、４個の位相変調器０４，０５，０６，０７を経た導波路は、二つのＹ分岐０１１，０１２により合波され、更に、Ｙ分岐０１３により導波路が１本に合波される。
但し、図４において、Δφ＝cos（ω_mｔ）、Δφ’＝sin（ω_mｔ）であり、ω_mは変調角周波数である。
また、図４に示す単側波帯通信方式変調器の光出力スペクトラム（実線）を図５に示す。
点線は、入力の分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）のスペクトラムであり、変調周波数は、１０ＧＨｚである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した単側波帯通信方式変調器は以下のような課題が存在する。
（Ｉ）ＬiＮbＯ₃基板上の導波路は、最小曲がり半径が一般に大きく、例えば、曲率半径が４０mm以下にすると曲がり導波路による伝搬損失が大きくなる。従って、回路全体が、例えば、４インチ規模まで大きくなる。このようなデバイスでは基板面積分だけコストが高くなる。
【０００７】
（II）また、この単側波帯通信方式変調器を並べて多チャネル化した時には、同一基板上に光レベルをモニタするための分岐回路や、光レベルを調整できる可変アッテネータを組み込めると有用である。しかし、ＬiＮbＯ₃導波路でこれらの回路を作り込むのは困難である。
【０００８】
（III）一般に光回路においては分岐比等も含め高い作製精度が要求され、作製誤差による光学特性の劣化を改善する手段が存在した方がよい。例えば、分岐比等についてトリミングによる調整や電流による調整ができると便利である。しかし、ＬiＮbＯ₃基板上に分岐比を調整できる回路を作製することは困難である。
本発明の目的は、上記の課題を解決した単側波帯通信方式変調器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の請求項１に係る光変調器は、３枚の基板から構成され、第１の基板は、光信号の入力側に備えられ、石英ガラスを用いた光導波回路の基板であり、１本の導波路が２本の導波路に分岐され、更に、２本の導波路が各々２本の導波路に分岐され、前記分岐の各々が分岐比を調整可能なマッハツェンダ回路で構成されており、第２の基板は、電気光学効果を有する多元系酸化物を用いた光導波路の基板であり、第１の基板の導波路に対応する４本の導波路を持ち、上記導波路の中間には電気光学効果を用いた位相シフタが設けられており、第３の基板は、石英ガラスを用いた光導波回路の基板であり、第２の基板の導波路に対応した導波路が設けられ、そのうちの２本の導波路は各々１本に合波され、更にその各々の導波路が１本に合波される構成であり、前記第１、第２、第３の基板は、基板同士を端面で突き合わせて各光導波路同士を光結合することにより接続されることを特徴とする。
上記目的を達成する本発明の請求項２に係る光変調器は、請求項１において、前記第３の基板は、導波路が合波される部分の各々が２×２カプラで構成されており、前記カプラの出力側における一方のポートが出力ポートであり、他方のポートが光レベルモニター用のポートであることを特徴とする。
【００１０】
上記目的を達成する本発明の請求項３に係る光変調器は、請求項１または請求項２において、前記第２の基板として、Ｌi_1-xＮb_xＯ₃又はＬi_1-xＴa_xＯ₃を用いることを特徴とする。
【００１１】
上記目的を達成する本発明の請求項４に係る光変調器は、請求項１または請求項２において、前記第２の基板として、ＫＴa_1-xＮb_xＯ₃又はＫ_1-yＬi_yＴa_1-xＮb_xＯ₃を用いることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、既に報告されているＬiＮbＯ₃基板１枚により構成された単側波帯通信方式変調器を、３枚の基板による分割構成とし、光入力部に存在する第１の基板、光出力側に存在する第３の基板に石英系の光導波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）を用いる。
この光導波回路は、ＬiＮbＯ₃のような電気光学効果は持たないが、低損失で種々のパッシブ光回路として十分な実績がある。
【００１３】
そして、変調器を含む第２の基板には、Ｌi_1-xＮb_xＯ₃に代表される、電気光学効果を持つ多元系酸化物による基板を用いる。
このように本発明は各基板の特徴を生かすように組み合わせている結果、下記のような利点を持つ。
【００１４】
（１）入力側に光導波回路を用いることにより、従来のようにＬiＮbＯ₃基板１枚による単側波帯通信方式変調器で用いられていたＹ分岐の代わりに、例えば、分岐比が可変なマッハツェンダ回路を用いることができる。
この可変分岐回路を用いることにより、例えば、抑圧すべき側波帯が最小になるように調整、トリミングを行うことができる。
【００１５】
分岐比が可変なマッハツェンダ回路を図６に示す。
図６に示すように、このマッハツェンダ回路は、二つの３ｄＢカプラ５１，５２とこれらの３ｄＢカプラ５１，５２を接続する二本の導波路アームからなり、片側の導波路アームに熱光学効果により光の位相を調整可能なヒータ５０を装荷したものである。
そして、このマッハツェンダ回路は、アーム長を調整しヒータオフの状態で５０％ずつ光を分岐するよう設計している。
その結果、１×２の分岐回路として用いることができるとともに、ヒータ電流により分岐比を調節することができ、後段の光回路の例えば損失バラツキや、光導波回路とＬiＮbＯ₃基板との接続における損失バラツキ等を後から調整して補正することができる。
【００１６】
更に、ヒータ５０で電流を流し続けなくとも、分岐比を恒久的に補正するトリミングを行うこともできる（例えば、郷隆司他、 “大規模集積石英系熱光学スイッチ”, NTT R&D,Vol.50, pp.278,2001.) 。
このような方法を用いれば、ヒータ電流を流すことなく、所望の分岐比を実現でき、低消費電力化が図れる。
【００１７】
（２）更に第３の光導波回路基板上に、例えば、光出力信号の１％を分岐する、光出力レベルモニター用のカプラを加えることも可能である。
（３）更に、図６と同様な構成を持つ、ヒータ電流により損失を調節可能なマッハツェンダ回路を、可変光アッテネータとして加えることも可能である。
【００１８】
従って、（２）、（３）を用いれば、例えば、波長分割多重システムに変調器を応用し、多チャネル並列に並ぶ時に、各チャネルのレベルを等化したり調整することが可能となる。
このような各波長のモニタとレベル調整回路は、近年の波長分割多重システムで強く求められている。
【００１９】
〔実施例〕
以下、本発明について、図１に示す実施例を参照して説明する。
図１に示すように、第１、第３の光導波回路基板１０，３０はＳi基板上に形成した光導波回路により作製した。
また、第２のＬiＮbＯ₃基板２０においては、ｚ面上に形成したＴi拡散導波路を光導波路として用いた。
本実施例の光変調器は、既に報告されている全てＬiＮbＯ₃基板上の導波路で構成した単側波帯通信方式変調器と基本的は構造は全く同じである。
【００２０】
即ち、第２のＬiＮbＯ₃基板２０上における変調器２１，２２，２３，２４は、図４に示すΔφ，−Δφ，Δφ’，−Δφ’の位相変調器０４，０５，０６，０７に相当する。
また、第３の光導波回路基板３０上の２×１カプラ３１，３２，３３は、図４に示すＹ分岐０１１，０１２，０１３に相当する。
但し、下記の点（ａ）（ｂ）が異なっている分、特性が改善されると予想される。
（ａ）第１の光導波回路基板１０上の１×２の分岐としてＹ分岐ではなく、分岐比を調整可能なマッハツェンダ回路１１，１２，１３を用いる。
（ｂ）第３の光導波回路基板３０上の２×１の合波回路としてＹ分岐ではなく、図２に示すように、２×２カプラ３４，３５，３６を用いると、出力ポートでない側のポートは、例えば、１％の光を分岐して光レベルモニター用のポートとして用いる。
従って、この回路は従来回路に比較して、前記（１）〜（３）のメリットがある。
【００２１】
実際の光導波路のレイアウトの模式図を図２に示す。
ここで、第１、第３の光導波回路基板１０，３０における光導波路について更に詳細に説明する。
ここでは、光導波路として、コアが方形でクラツド中に埋め込まれている埋め込み型の光導波路を用い、コアとクラッドとの比屈折率差が０．７５％でスポットサイズが半径３．６μｍの高Δ導波路を用いる。
図２に示す分岐比可変なマッハツェンダ回路１１，１２，１３としては、既に述べた図６に示すものを用いた。
【００２２】
このように分岐比可変マッハツェンダ回路の電流或いはトリミングによる調整を用いることにより、方向性結合器の結合率が５０％からずれた波長においても分岐比を正確に５０％に調整できるので、伝送波長によらず良好な変調特性の変調器を得ることができる。
更に、それぞれ２×２カプラ３４，３５，３６のモニタ出力Ｍ₁，Ｍ₂，Ｍ₃をモニタしながら、分岐比可変なマッハツェンダ回路１１，１２，１３を調整することにより、良好な消光比の光信号を得ることができる。
次に、ＬiＮbＯ₃基板２０における光導波路については、基板をｚ面で切り出した後、Ｔiを表面から拡散して作製したスポツトサイズが約３．６μｍのものを用いる。
【００２３】
このＬiＮbＯ₃基板２０上のＴi拡散導波路は、光半導体増幅器（ＳＯＡ:Semiconductor Optical Amplifier）など半導体の光導波路に比較してスポットサイズが大きく光導波回路コアのスポツトサイズにより近いため、位置ズレトレランスが大きく低損失で結合が可能できる。
また、光導波回路１０，３０、ＬiＮbＯ₃基板２０は共に硬質であるため、基板の端面同士を直接突き合わせて光結合することが可能である。
【００２４】
基板同士の接続を表す斜視図を図３に示す。
図３に示すように、光導波回路１０，３０、ＬiＮbＯ₃基板２０を紫外線硬化形接着剤６０により端面接続すると共に光導波回路１０，３０と光入力信号側光ファイバ７０、光出力信号側光ファイバ８０とを接続した。
このように端面結合したところ、結合損失として平均０．２ｄＢという極めて低損失な値が得られ、損失バラツキも０．１ｄＢ以内に収まった。
この端面接続の方法は、信頼性も含め十分な実績がある、光導波回路基板と光ファイバーアレイとを接続する方法と技術的に等しいため、同じく十分な信頼性を有すると予想される。
【００２５】
更に、光導波回路基板は、ＬiＮbＯ₃基板等の光導波路より最小曲げ半径が小さいため、小型に製作することが可能であり、回路全体の大きさが小型化できる。
例えば、コアとクラツドとの比屈折率差が１．５％のＳＨΔの光導波路を用いると、最小曲げ半径は２ｍｍで設計できる。
光導波路は基板の大きさにより制限されるため、これは３枚の基板１０，２０，３０で構成したことと合わせ、より多チャネルな変調器を同一平面上で作製できるというメリットもある。
【００２６】
このように説明したように、本発明は、電気光学効果を有する光導波路を用いた光変調器に関するものであり、電気光学効果を有する光導波路と、従来の石英系光導波路とを組み合わせたものである。
そして、位相シフトなどの変調機能は電気光学効果を有する光導波路部分が担当し、光分岐、光合波、モニタなどの回路は石英系光導波路が担当するように構成したものである。
【００２７】
従って、一般に最小曲げ半径が大きな、電気光学効果を有する光導波路は直線のみで構成することが可能となる。
また、電気光学効果を有する光導波路に、分岐比可変な分岐回路（例えばマッハツェンダ干渉計を利用）を作製することは困難であるが、石英系光導波路では既に確立された技術を用いて比較的容易に実現できるという利点もある。
以上の結果、小型で良好な光学特性を備えた変調器が実現される。
【００２８】
なお、図１に示す実施例では、電気光学効果を有する多元系酸化物により製作された第２の光導波回路基板として、ＬiＮbＯ₃基板の例を挙げたが、ＫＴa_1-xＮb_xＯ₃又はＫ_1-yＬi_yＴa_1-xＮb_xＯ₃を初めとした他の多元系酸化物でも全く同様の効果を得られるのは言うまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明によれば、小型で、光導波路の作製誤差による損失バラツキ等を分岐比で調整可能で、不要な側帯波の抑制比の十分大きい、良好な光学特性を実現できる。更に光出力レベルをモニタする回路や、光出力レベルを調整する回路を同一基板上に含む、信頼性が高い単側波帯通信方式用変調器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る光変調器の構成図である。
【図２】実際の光導波路のレイアウトを示す模式図である。
【図３】モジュールの基板同士の接続を表す斜視図である。
【図４】単側波帯通信方式変調器の構成図である。
【図５】単側波帯通信方式変調器の光出力スペクトルを示すグラフである。
【図６】分岐比可変なマッハツェンダ回路の構成図である。
【符号の説明】
１０第１の光導波回路基板
１１，１２，１３マッハツェンダ回路
２０第２のＬiＮbＯ₃基板
２１，２２，２３，２４変調器
３０第３の光導波回路基板
３１，３２，３３２×１カプラ
３４，３５，３６２×２カプラ
４１，４２，４３位相シフタ
５０位相シフタ用薄膜ヒータ
５１，５２３ｄＢカプラ
６０ＵＶ接着剤
７０光入力信号側光ファイバ
８０光出力信号側光ファイバ

Claims

３枚の基板から構成され、第１の基板は、光信号の入力側に備えられ、石英ガラスを用いた光導波回路の基板であり、１本の導波路が２本の導波路に分岐され、
更に、２本の導波路が各々２本の導波路に分岐され、前記分岐の各々が分岐比を調整可能なマッハツェンダ回路で構成されており、第２の基板は、電気光学効果を有する多元系酸化物を用いた光導波路の基板であり、第１の基板の導波路に対応する４本の導波路を持ち、上記導波路の中間には電気光学効果を用いた位相シフタが設けられており、第３の基板は、石英ガラスを用いた光導波回路の基板であり、第２の基板の導波路に対応した導波路が設けられ、そのうちの２本の導波路は各々１本に合波され、更にその各々の導波路が１本に合波される構成であり、前記第１、第２、第３の基板は、基板同士を端面で突き合わせて各光導波路同士を光結合することにより接続されることを特徴とする光変調器。
請求項１において、前記第３の基板は、導波路が合波される部分の各々が２×２カプラで構成されており、前記カプラの出力側における一方のポートが出力ポートであり、他方のポートが光レベルモニター用のポートである
ことを特徴とする光変調器。
請求項１または請求項２において、前記第２の基板として、Ｌi_1-xＮb_xＯ₃又はＬi_1-xＴa_xＯ₃を用いることを特徴とする光変調器。
請求項１または請求項２において、前記第２の基板として、ＫＴa_1-xＮb_xＯ₃又はＫ_1-yＬi_yＴa_1-xＮb_xＯ₃を用いることを特徴とする光変調器。