JP4500074B2

JP4500074B2 - 偏波無依存型光学機器

Info

Publication number: JP4500074B2
Application number: JP2004079223A
Authority: JP
Inventors: 慎吾森; 雅之市岡; 洋一佐藤; 潤一郎市川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2024-03-18
Also published as: JP2005266362A

Description

本発明は、偏波依存性を有する光学素子を用いた光学機器に関し、特に、光学素子が導波路型光変調素子であり、光学機器に入射する光波が複数の偏波成分を有する場合でも、偏波依存性を有する光学素子が安定して動作するように構成した偏波無依存型光学機器に関する。

近年、高速・大容量光ファイバ通信システムの進歩に伴い、外部変調器に代表されるように、導波路型光学素子を用いた高速光変調器が実用化され、広く用いられるようになってきている。
例えば、導波路型光学素子は、ＬｉＮｂＯ₃（ニオブ酸リチウム）などの電気光学効果を有する基板上に、Ｔｉなどを熱拡散して導波路を形成するものである。特に、導波路の形状として２つの分岐光導波路を有するマッハツェンダー型の光導波路が多く利用されており、このような構成の光学素子にあっては、Ｓ偏波成分とＰ偏波成分とで、分岐光導波路における電気光学定数が異なるため、位相をπシフトさせるのに必要な半波長電圧の大きさが異なるという偏波依存性を有することが知られており、したがって光源光を光導波路の入射端へ伝送する光ファイバとしては偏波保持ファイバを用いる必要があった。

しかしながら、最近では、導波路型光学素子を、シングルモード光ファイバからなる光伝送路の中途に介在させて使用することが求められている。そのため、偏波依存性を有する光学素子の入射側に設けられる光ファイバが偏波保持光ファイバでなく、入射光の偏波状態がランダムに変化する場合であっても、光学素子が良好に動作する構成が求められている。
本出願人は、以下の特許文献１において、波長依存性を有する導波路型光学素子を用いた偏波無依存性の光学機器を提案している。
特開２００３−２７０５９１号公報

特許文献１に記載の発明は、図１に示すように、入射手段１からの入射光２が偏波分離手段３でＳ偏波成分とＰ偏波成分とに分離され、Ｓ偏波成分が第１の偏波回転手段４でＰ偏波成分に変換された光束と、Ｐ偏波成分が第１の光路長補正手段５を透過した光束とが第１のプリズム６を経て第１のレンズ７でそれぞれ集光されて導波路型光学素子８の２つの光導波路９，１０にそれぞれ入射される。
特に、偏波分離手段３は、複屈折材料からなり入射光の進行方向における長さが等しい２つの偏波分離素子３ａ，３ｂの間に、偏波回転素子３ｃを設けるものである。

上述の構成により、伝搬光の偏波状態がランダムに変化しても、常に一定の偏波状態（Ｐ偏波成分のみ）の２つの分光を光導波路に入射させることができるとともに、光導波路の入射側で生じる該２つの分光間の光路差を低減することができる。したがって、偏波依存性を有する導波路型光学素子への入射光の偏波状態がランダムに変化しても、導波路型光学素子が安定して動作し、かつ通信システムの高速化にも対応しうる偏波無依存型光学機器を得ることができる。

特許文献１に記載される偏波無依存型光学機器においては、空間光学系を用いているため、入射部で光ファイバの射出光を平行光にするためのコリメータレンズ、偏波分離素子、偏波回転素子、光学素子へ入射するためのコリメータレンズが必要であり、光学素子の出射部側でも同様の空間光学系が必要となる。
このため、部品点数が多く、部品コストが高い上に、製造時の工程が複雑かつ困難なものとなる。特に、特許文献１においては、光学素子に入射する際の偏波分離部で生じる二つの平行光の光路差を補正するために、偏波を回転させて２つの偏波分離素子を通過させる必要があり、より部品点数が多くなる上、製造が複雑化するという問題点がある。

本発明の目的は、上述した問題を解決し、部品点数が少なく、製造も容易な偏波無依存型光学機器を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明では、偏波依存性を有する光学素子を２つ平行に配置した導波路型光変調素子と、複数の偏波成分を有する単一の入射光を異なる偏波成分を有する複数の光波に分離する偏波分離手段と、同一の偏波成分を有する複数の光波を複数の偏波成分を有する単一の出射光に合成する偏波合成手段とを有し、該偏波分離手段からの光波を該導波路型光変調素子に導入すると共に、該導波路型光変調素子からの光波を該偏波合成手段に導入するよう構成された偏波無依存型光学機器において、該偏波分離手段及び該偏波合波手段が、２つの偏波保持ファイバを用いた偏波分離ファイバーカプラで各々構成されており、該偏波分離手段である偏波分離ファイバーカプラの出力端は、該導波路型光変調素子の２つの光学素子の入力側導波路に直接接続され、該偏波合波手段である偏波分離ファイバーカプラの入力端は該導波路型光変調素子の２つの光学素子の出力側導波路に直接接続され、該偏波分離ファイバーカプラの各偏波保持ファイバにおける該導波路型光変調素子に対応する端部は、該導波路型光変調素子の各光学素子で最も変調効果が高い偏波成分に合わせて、所定の角度に回転調整され、２つの偏波保持ファイバの端部を固定保持する支持部材を設け、該偏波保持ファイバの端部が固定された該支持部材を該導波路型光変調素子に固着するように構成されたことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明では、偏波依存性を有する光学素子を２つ平行に配置した導波路型光変調素子と、複数の偏波成分を有する単一の入射光を異なる偏波成分を有する複数の光波に分離する偏波分離手段と、同一の偏波成分を有する複数の光波を複数の偏波成分を有する単一の出射光に合成する偏波合成手段とを有し、該偏波分離手段からの光波を該導波路型光変調素子に導入すると共に、該導波路型光変調素子からの光波を該偏波合成手段に導入するよう構成された偏波無依存型光学機器において、該偏波分離手段及び該偏波合波手段が、２つの偏波保持ファイバを用いた一つの偏波分離ファイバーカプラで構成されており、該偏波分離ファイバーカプラの一方の端部は、該導波路型光変調素子の２つの光学素子の導波路に直接接続され、該偏波分離手段から該導波路型光変調素子に導入された光波は、該導波路型光変調素子内を伝搬し、１／４波長板を通過後に反射され該１／４波長板を再度通過し、該導波路型光変調素子内を逆方向に伝搬し、該偏波合成手段に導出されるよう構成され、該偏波分離ファイバーカプラの各偏波保持ファイバにおける該導波路型光変調素子に対応する端部は、該導波路型光変調素子の各光学素子で最も変調効果が高い偏波成分に合わせて、所定の角度に回転調整され、２つの偏波保持ファイバの端部を固定保持する支持部材を設け、該偏波保持ファイバの端部が固定された該支持部材を該導波路型光変調素子に固着するように構成されたことを特徴とする。

請求項１に係る発明により、偏波分離手段又は偏波合成手段として、２つの偏波保持ファイバを用いた偏波分離ファイバーカプラを用いているため、偏波分離手段や偏波合成手段を、偏波分離ファイバーカプラという単一の光学部品で構成することが可能となり、部品点数の削減、製造の容易性に寄与する。
また、偏波成分を回転させる際には、従来のような偏波回転手段を用いず、単に偏波保持ファイバの端部を所定角度に回転調整するだけで良く、一層の部品点数の削減、製造の容易性に寄与するものとなる。
しかも、本発明を導波路型光変調素子に適用することにより、偏波依存性を有する導波路型光変調素子への入射光の偏波状態がランダムに変化しても、導波路型光変調素子が安定して動作し、かつ通信システムの高速化にも対応しうる偏波無依存型光学機器を得ることができる。
さらに、２つの偏波保持ファイバの端部を固定保持する支持部材を設けるため、偏波分離ファイバーカプラの偏波保持ファイバを導波路型光変調素子などに取り付ける際に、製造・組立を容易に行うことが可能となる。

請求項２に係る発明により、偏波分離手段と偏波合成手段とを共通化し、一つの偏波分離ファイバーカプラで構成するため、より部品点数の削減を達成できる。しかも、偏波依存性を有する導波路型光変調素子に対して一方の側のみに偏波分離ファイバーカプラを配置することとなるため、導波路型光変調素子の両側に偏波分離ファイバーカプラを設置するものよりコンパクトに偏波無依存型光学機器を構成することが可能となる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の特徴は、偏波依存性を有する導波路型光変調素子と、複数の偏波成分を有する単一の入射光を異なる偏波成分を有する複数の光波に分離する偏波分離手段と、同一の偏波成分を有する複数の光波を複数の偏波成分を有する単一の出射光に合成する偏波合成手段とを有し、該偏波分離手段からの光波を該導波路型光変調素子に導入すると共に、該導波路型光変調素子からの光波を該偏波合成手段に導入するよう構成された偏波無依存型光学機器において、該偏波分離手段又は該偏波合波手段が、２つの偏波保持ファイバを用いた偏波分離ファイバーカプラ（以下では、「偏波分離カプラ」という。）で構成されており、該偏波保持ファイバの該導波路型光変調素子に対応する端部は、該導波路型光変調素子で最も変調効果が高い偏波成分に合わせて、所定の角度に回転調整されていることを特徴とする。

図２は、本発明に係る偏波無依存型光学機器の概略を示す図である。
２０は、偏波依存性を有する光学素子を示し、例えば、電気光学効果を有する基板２１上に、マッハツェンダー型の導波路２２，２３を形成した導波路型光変調素子などを利用することが可能である。
本発明に係る光学素子は、上記の導波路型光変調素子に限定されるものではなく、偏波分離した各光波に対応して、偏波依存性を有する導波路型光変調素子を２つ平行に配置したものにも、本発明を適用することが可能である。
以下では、導波路型光変調素子を単に「光学素子」と言う。

光学素子２０の入力側には、２つの偏波保持ファイバで構成される偏波分離カプラ２４を配置する。一方の偏波保持ファイバの入力端２５には、Ｐ偏波成分とＳ偏波成分とを共に有するランダムな偏波状態の入射光が入力される。他方の偏波保持ファイバの入力端２６は使用せず、端部は外部から光波が入力されないよう遮光されている。

偏波分離カプラ２４を通過した光波は、Ｐ偏波成分とＳ偏波成分に分離され、例えば、Ｐ偏波成分は偏波保持ファイバの出力端２７に、Ｓ偏波成分は偏波保持ファイバの出力端２８に導出される。

光学素子２０がＰ偏波成分に対して最も変調効果が高い光学素子（以下、「Ｐ偏波用光学素子」という）である場合には、光学素子２０の導波路２２には、Ｐ偏波成分を維持するように偏波保持ファイバの出力端２７が接続され、他方、導波路２３には、Ｓ偏波成分がＰ偏波成分となるように、偏波保持ファイバの出力端２８が９０°回転調整された状態で接続されている。なお、光学素子２０がＰ偏波用光学素子と、Ｓ偏波成分に対して最も変調効果が高い光学素子（以下、「Ｓ偏波用光学素子」という）との組合せで構成される場合には、偏波保持ファイバの出力端２８を回転させずに、Ｓ偏波用光学素子に直接接続することも可能である。

光学素子２０に導入された各光波は、いずれもＰ偏波成分であり、各導波路２２，２３を伝搬する際に、基板２１上に形成された不図示の変調電極により位相変調を受ける。各導波路２２，２３における各変調は、基本的には同じ変調が行われ、同じ変調を受けた各光波が光学素子２０から導出される。

光学素子２０の出力側には、入力側と同様に、２つの偏波保持ファイバで構成される偏波分離カプラ２９（偏波合成手段として機能する）を配置する。一方の偏波保持ファイバの入力端３０には、導波路２２から出射するＰ偏波成分の変調光が入力される。他方の偏波保持ファイバの入力端３１には、導波路２３から出射するＰ偏波成分の変調光が入力される。

２つのＰ偏波成分をＰ偏波成分の状態で合成することも可能であるが、この場合には、互いの光波が干渉する現象を生じることが危惧されるため、いずれか一方の偏波保持ファイバの入力端を９０°回転調整された状態とすることにより、偏波分離カプラ２９において、Ｐ偏波成分とＳ偏波成分とを合成した出力光を得ることができる。図２では、入力端３０を９０°回転する例を示している。なお、光学素子２０がＰ偏波用光学素子と、Ｓ偏波用光学素子との組合せで構成される場合には、偏波保持ファイバの入力端３０を回転させずに、Ｓ偏波用光学素子に直接接続することも可能である。

偏波合成手段である偏波分離カプラ２９を通過した光波は、図２に示すように、いずれか一方の偏波保持ファイバの出力端３３からＰ偏波成分とＳ偏波成分とを共に有する変調光として出力される。
この構成により、偏波依存性を有する光学素子２０に対して、ランダムな偏波状態の光波を入射させる場合でも、効果的に光学素子を機能させることができ、偏波無依存型光学機器を得ることが可能となる。

本発明では、Ｐ偏波成分とＳ偏波成分との間の変換を、偏波保持ファイバの光軸周りの回転により調整しているため、従来のような１／２波長板などが不要となり、部品点数の削減に繋がると共に、２つの偏波保持ファイバの長さを同じにする以外は、偏波分離した２つの光波の光路長を調整する特別な手段も必要ない。

また、光学素子２０に光波を入射させる際には、光波の偏波成分をより適切に制御するため、例えば、偏波保持ファイバの出力端２７と導波路２２との間や、偏波保持ファイバの出力端２８と導波路２３との間に、不図示の偏光板を設置することも可能である。

さらに、２つの偏波保持ファイバの出力端又は入力端と、光学素子との光学的接続を容易に行うため、図３に示すように、２つの偏波保持ファイバの端部を固定保持する支持部材４０を利用することも可能である。
支持部材４０には、例えばＶ溝４１，４２を形成し、該Ｖ溝に偏波保持ファイバの端部を配置し、接着剤などにより固定する方法が利用できる。偏波保持ファイバと支持部材との接合方法は、接着剤だけに限らず、機械的手段で狭持することも可能である。ただし、偏波保持ファイバは応力が付与されると、偏波面が変化する可能性があることにも、留意する必要がある。

このような支持部材を利用し、予め偏波保持ファイバを適切な状態（例えば、一方の偏波保持ファイバを回転調整した状態）で支持部材に固定させておくことにより、光学素子への偏波保持ファイバの接続に際しては、支持部材を光学素子の基板等に固着するだけで、両者の接続を簡単に実現することが可能となる。

図４は、偏波分離手段と偏波合成手段とを一つの偏波分離カプラで構成する場合の例を示す。
光学素子は、基板５０上に図４に示すような導波路５１，５２を形成し、基板の端部には１／４波長板５３と反射板５４が接続されている。

図４に示す光学素子の動作は、例えば、導波路５１の入力部に導入されたＰ偏波成分を有する光波は、Ｙ分岐導波路で２つに分岐され、各分岐導波路おいて不図示の変調電極により、位相変調を受ける。位相変調を受けた光波は、１／４波長板５３を通過し、反射板（あるいは反射膜）５４で反射し、再度１／４波長板５３を通過して、同じ分岐導波路を逆方向に伝搬する。
このように、光波が２回、１／４波長板を通過することにより、Ｐ偏波成分はＳ偏波成分へと回転され、導波路５１を逆方向に伝搬する光波はＳ偏波成分を有することとなる。
このような光学素子は以下の特許文献２にも開示されており、本発明においては、図４に記載の光学素子に限らず、特許文献２に記載の種々の光学素子を利用することが可能である。
特開平７−３２５２７６号公報

図４に示す光学素子を利用して、偏波無依存型光学機器を構成するには、光学素子の入力側（出力側でもある）に偏波分離カプラ５５を配置する。
具体的には、偏波保持ファイバの入力端５６に、Ｐ偏波成分とＳ偏波成分とを共に有するランダムな偏波状態の入射光が入力される。該入射光は、偏波分離カプラ５５によりＰ偏波成分とＳ偏波成分とに分離され、例えば、Ｐ偏波成分は偏波保持ファイバの端部５８に、Ｓ偏波成分は偏波保持ファイバの端部５９に導出される。

光学素子がＰ偏波用光学素子である場合には、光学素子の導波路５１には、Ｐ偏波成分を維持するように偏波保持ファイバの端部５８が接続され、他方、導波路５２には、Ｓ偏波成分がＰ偏波成分となるように、偏波保持ファイバの端部５９が９０°回転調整された状態で接続されている。

光学素子に導入されたＰ偏波成分を有する各光波は、上述のような光学素子の変調や回転を受け、Ｓ偏波成分となって、光学素子から導出される。
光学素子から出射するＳ偏波成分の光波は、再度、偏波保持ファイバの端部５８，５９に入射し、偏波保持ファイバの端部５８から入射した光波は、Ｓ偏波成分として偏波分離カプラ５５に戻され、偏波保持ファイバの端部５９から入射した光波は、Ｓ偏波成分からＰ偏波成分へと回転され、偏波分離カプラ５５に戻される。

偏波分離カプラ５５においては、２つの戻り光を合成し、Ｐ偏波成分とＳ偏波成分とを有するランダムな偏波状態の光波として、偏波保持ファイバの出力端５７から変調光を出射する。

図４のような光学素子を利用することにより、偏波分離手段と偏波合成手段とを一つの偏波分離カプラで兼用することができるだけでなく、光学機器全体をコンパクトなものとして構成することも可能となる。

図５は、偏波分離手段と偏波合成手段とを一つの偏波分離カプラで構成する場合の他の例を示す。
図５に示される光学素子の働きは、以下に述べる内容以外は、基本的に図４に示すものと同様である。
導波路５２に関しては、導波路５２の入力部に導入されたＳ偏波成分を有する光波は、Ｙ分岐導波路で２つに分岐され、１／４波長板５３を通過し、反射板（あるいは反射膜）５４で反射し、再度１／４波長板５３を通過して、Ｐ偏波成分の状態で同じ分岐導波路を逆方向に伝搬する。この逆方向に伝搬する際に、光波は、各分岐導波路おいて不図示の変調電極により、位相変調を受ける。

ただし、偏波依存性のある光学素子において導波路５１と導波路５２を同じ状態で変調するには、例えば図６（ａ）又は（ｂ）に示すように、導波路５１を伝搬する光波は、正方向（図５及び６の右方向）に伝搬する際に変調し、導波路５２を伝搬する光波は逆方向に伝搬する際に所定期間Δｔだけ遅延させて変調する必要がある。６０，６１及び６２は変調電極を示す。
前記Δｔは、導波路５１と導波路５２とが同形状で、導波路５１に光波Ａが導波路５２に光波Ｂが同時に入射した場合、導波路５１を正方向に伝搬する光波ＡがＰ点で変調変調電極の作用を受け始める時期から、導波路５２を伝搬する光波Ｂが反射膜５４で反射した後、Ｑ点で変調電極の作用を受け始める時期までの期間である。

また、このような遅延する電気信号（ＲＦ信号）を印加するには、図６（ａ）のように光波Ａの正方向に印加した電気信号を光波Ｂの逆方向に引き続き導入する構造を用いる方法や、図６（ｂ）のように、光波Ａと光波Ｂに別々の電極を用い、Δｔずれた電気信号を個別に印加する構成にすることもできる。

本発明は、以上説明したものに限られるものではなく、必要に応じて当該技術分野における公知の技術を適用可能であることは、言うまでも無い。

以上、説明したように、本発明によれば、部品点数が少なく、製造も容易な偏波無依存型光学機器を提供することができる。

従来の偏波無依存型光学機器の一例を示す図である。本発明に係る偏波無依存型光学機器の実施例を示す図である。本発明に係る偏波保持ファイバと支持部材との関係を示す図である。本発明に係る偏波無依存型光学機器であり、偏波分離手段と偏波合成手段とを共通化する実施例を示す図である。本発明に係る偏波無依存型光学機器であり、偏波分離手段と偏波合成手段とを共通化する他の実施例を示す図である。図４又は５の光学素子における変調電極の構造を説明する図であり、（ａ）は共通の変調電極を用いるもの、（ｂ）は個別の変調電極を用いるものを示す。

符号の説明

２０光学素子
２４偏波分離手段
２５，２６，２７，２８，３０，３１，３２，３３偏波保持ファイバの端部
２９偏波合成手段
４０支持部材
５３１／４波長板
５４反射板
６０，６１，６２変調電極

Claims

偏波依存性を有する光学素子を２つ平行に配置した導波路型光変調素子と、複数の偏波成分を有する単一の入射光を異なる偏波成分を有する複数の光波に分離する偏波分離手段と、同一の偏波成分を有する複数の光波を複数の偏波成分を有する単一の出射光に合成する偏波合成手段とを有し、該偏波分離手段からの光波を該導波路型光変調素子に導入すると共に、該導波路型光変調素子からの光波を該偏波合成手段に導入するよう構成された偏波無依存型光学機器において、
該偏波分離手段及び該偏波合波手段が、２つの偏波保持ファイバを用いた偏波分離ファイバーカプラで各々構成されており、
該偏波分離手段である偏波分離ファイバーカプラの出力端は、該導波路型光変調素子の２つの光学素子の入力側導波路に直接接続され、
該偏波合波手段である偏波分離ファイバーカプラの入力端は該導波路型光変調素子の２つの光学素子の出力側導波路に直接接続され、
該偏波分離ファイバーカプラの各偏波保持ファイバにおける該導波路型光変調素子に対応する端部は、該導波路型光変調素子の各光学素子で最も変調効果が高い偏波成分に合わせて、所定の角度に回転調整され、２つの偏波保持ファイバの端部を固定保持する支持部材を設け、該偏波保持ファイバの端部が固定された該支持部材を該導波路型光変調素子に固着するように構成されたことを特徴とする偏波無依存型光学機器。
偏波依存性を有する光学素子を２つ平行に配置した導波路型光変調素子と、複数の偏波成分を有する単一の入射光を異なる偏波成分を有する複数の光波に分離する偏波分離手段と、同一の偏波成分を有する複数の光波を複数の偏波成分を有する単一の出射光に合成する偏波合成手段とを有し、該偏波分離手段からの光波を該導波路型光変調素子に導入すると共に、該導波路型光変調素子からの光波を該偏波合成手段に導入するよう構成された偏波無依存型光学機器において、
該偏波分離手段及び該偏波合波手段が、２つの偏波保持ファイバを用いた一つの偏波分離ファイバーカプラで構成されており、
該偏波分離ファイバーカプラの一方の端部は、該導波路型光変調素子の２つの光学素子の導波路に直接接続され、該偏波分離手段から該導波路型光変調素子に導入された光波は、該導波路型光変調素子内を伝搬し、１／４波長板を通過後に反射され該１／４波長板を再度通過し、該導波路型光変調素子内を逆方向に伝搬し、該偏波合成手段に導出されるよう構成され、
該偏波分離ファイバーカプラの各偏波保持ファイバにおける該導波路型光変調素子に対応する端部は、該導波路型光変調素子の各光学素子で最も変調効果が高い偏波成分に合わせて、所定の角度に回転調整され、２つの偏波保持ファイバの端部を固定保持する支持部材を設け、該偏波保持ファイバの端部が固定された該支持部材を該導波路型光変調素子に固着するように構成されたことを特徴とする偏波無依存型光学機器。