JP5024751B2

JP5024751B2 - 位相変調変換によるバイアス制御不要強度変調器

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Publication number: JP5024751B2
Application number: JP2006255546A
Authority: JP
Inventors: 聡品田; 哲也川西
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2026-09-21
Also published as: JP2008076729A

Description

本発明は，位相変調器を用いた強度変調器などに関する。より詳しく説明すると，本発明は，位相変調器と分散媒質とを組合せることで，バイアス調整が不要な強度変調器などを得る技術などに関する。

光に情報を乗せる方法として，光の強度，周波数，又は位相を変化させる方法が知られている。それらの中では，光の強度を変調し，光の強弱を情報とするオンオフキーイング（ＯＯＫ）が最も一般的である。ＯＯＫを達成するために，マッハツェンダー型の光強度変調器（ＭＺ変調器）などが用いられていた。

図６は，光情報通信に用いられるマッハツェンダー型変調器の概略図である。図６に示されるように，ＭＺ変調器は，電極を有する２つのアーム（４１，４２）を有する変調器である。ＭＺ変調器は，入力光を分波し，２つのアームに伝え，それぞれのアームの電極にバイアス電圧を印加することで伝播する光の位相を制御することができる。そして，位相を調整した２つのアームを伝播する光を合波（４３）することで，出力光の強度を制御できる変調器である。例えば，両アーム上の光の位相が逆位相であれば，合波された信号は互に打ち消しあい，出力が弱まる。ＭＺ変調器は，このような原理を利用して，強度の強い信号と，弱い信号を作り出すことができる（情報通信研究所超高速フォトニックネットワークグループ「光ネットワーク技術の全て」日本実業出版社42頁，43頁2005年）。

このようなＭＺ変調器を用いた光情報通信は，変調器への印加電圧を制御することでＯＯＫを達成でき，優れたものであった。しかしながら，ＭＺ変調器では，最適な導波路を設計することは困難であるという問題や，バイアス調整など最適な動作環境を整えることが容易ではないという問題があった。また，ＭＺ変調器は，変調信号（４４）の他に，バイアス電源（４５）を必要とするので，装置の費用が高くなるほか，消費電力も高まり，物理的にも大掛かりな装置となるという問題もあった。
情報通信研究所超高速フォトニックネットワークグループ「光ネットワーク技術の全て」日本実業出版社42頁，43頁2005年

本発明は，バイアス調整などを必要としない強度変調器を提供することを目的とする。

本発明は，バイアス調整などを必要としない強度変調器を用いた情報通信システムを提供することを目的とする。

本発明は，基本的には，光が伝播する導波路と，前記導波路を伝播する光の位相を調整するための電極とを有する位相変調器と；前記位相変調器から出力された光が入力する分散媒質と；を具備する光強度変調器などに関する。

本発明の光強度変調器では，たとえば，入力光の位相がπの時に光を反射し，位相が０のときに光を透過させる分散媒質を用いるとする。そして，位相変調器により光の位相を，例えば，０又はπとなるように制御することで，強弱を持った光信号を得ることができる。具体的には，入力光が所定の位相を有する場合は，入力光を反射するようなファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を用いればよい。そのようなＦＢＧを用いることで，例えば，位相変調器の変調信号を調整して出力光の位相が０となるようにした場合は，ＦＢＧから強い光が出力され，位相変調器の変調信号を調整して出力光の位相がπとなるようにした場合は，ＦＢＧから弱い光が出力される。このようにしてＯＯＫを達成できる。本発明では，基本的にはこのような原理を用いて，光の強弱に関する信号を得るものである。このような構成を有するので，ＭＺ変調器のようにバイアス電圧を調整する必要がなくなり，バイアス電源が不要となる。このためコストを抑えることができ，しかも物理的に省スペースで済む。さらには，基本的に導波路は直線状の導波路でよいので，ＭＺ導波路のような複雑な設計を行う必要がなくなる。

上記のような光強度変調器を用いて光強度変調信号を取得し，それを伝送路へ出力することで，光ＯＯＫを用いた光情報通信を達成できる。また，光強度変調信号をアンテナへ入力し，無線信号を得ることで，容易に所定の周波数を有する無線信号を得ることができる。

本発明によれば，バイアス調整などを必要としない強度変調器を提供できる。

本発明によれば，バイアス調整などを必要としない強度変調器を用いた情報通信システムを提供することができる。

以下，図面を用いて，本発明を具体的に説明する。図１は，本発明の光強度変調器の基本構成を示す概略図である。図１に示されるように，本発明の光強度変調器（１）は，光源（２）からの光が伝播する導波路（３）と，前記導波路を伝播する光の位相を調整するための電極（４）とを有する位相変調器（５）と；前記位相変調器（５）から出力された光が入力する分散媒質（６）と；を具備する。そして，前記分散媒質（６）は，前記位相変調器（５）で位相が変調された光の位相に応じて，透過又は反射する性質を有しているので，前記電極（４）に印加する変調信号に応じて，前記分散媒質（６）から出力される光の強度を制御できることとなる。これにより，光の強弱からなるＯＯＫ信号を得ることができる。なお，図１中符号７は，位相変調器の変調信号源を示す。以下，本発明の光強度変調器を達成するための各要素について説明する。

光源として，公知の光源を採用できる。好ましい光源は，ダイオード，レーザーダイオードなどである。光源は，連続光（ＣＷ光）を用いることが好ましい。用いられる光の強度や周波数も，光情報通信などにおいて用いられる公知のものを適宜用いればよい。本発明の光強度変調器を光情報通信に用いる場合，1550nm帯又は1310nm帯の光源を用いることが好ましい。一方，本発明の光強度変調器をCD又はDVDの光書き込み装置又は光読み出し装置として用いる場合，780nm，650nm，又は400nm帯の光源を用いることが好ましい。

位相変調器として，光学系において用いられる公知の位相変調器を用いることができる。位相変調器として，電気光学効果を利用して変調を行うものがあげられる。また，位相変調器として，導波路と，前記導波路に形成された金属薄膜ヒータ（電極）とによって構成されるものを用いても良い。位相変調器によって変調される位相として，０又はπ（パイ）の２種類の信号があげられるが，０，２／３パイ（１２０度），及び４／３パイ（２４０度）であってもよいし，さらに複数種類の位相変調を行うように制御しても良い。このような位相変調量は，例えば，ヒータに加えられる電圧量を調整することにより制御できる。このような電圧量の調整は，金属薄膜ヒータ（電極）と接続される信号源から出力される電気信号を制御することにより得ることができる。

位相変調器は，公知であるので，市販されているものを適宜購入して用いてもよい。また，位相変調器は，例えばＬＮ基板上に，電極及びＴｉ拡散のニオブ酸リチウム導波路を形成することにより得ても良い。また，位相変調器は，シリコン（Si）基板上に，電極及び二酸化シリコン（SiO₂）からなる導波路を形成することにより得てもよい。また，InPやGaAs基板上にInGaAsP，GaAlAs導波路を形成した光半導体導波路を用いても良い。基板として，ＸカットＺ軸伝搬となるように切り出されたニオブ酸リチウム（LiNbO₃：LN）が好ましい。これは大きな電気光学効果を利用できるため低電力駆動が可能であり，かつ優れた応答速度が得られるためである。この基板のＸカット面（ＹＺ面）の表面に光導波路が形成され、導波光はＺ軸（光学軸）に沿って伝搬することとなる。Ｘカット以外のニオブ酸リチウム基板を用いても良い。また，基板として，電気光学効果を有する三方晶系、六方晶系といった一軸性結晶、又は結晶の点群がＣ_3V，Ｃ₃，Ｄ₃，Ｃ_3h，Ｄ_3hである材料を用いることができる。これらの材料は、電界の印加によって屈折率変化が伝搬光のモードによって異符号となるような屈折率調整機能を有する。具体例としては、ニオブ酸リチウムの他に、タンタル酸リチウム（LiTO₃：LT），β−BaB₂O₄（略称BBO），LiIO₃等を用いることができる。

基板の大きさは，所定の導波路を形成できる大きさであれば，特に限定されない。基板の長辺の長さとして，１ｃｍ〜１０ｃｍがあげられ，２ｃｍ〜５ｃｍであれば好ましく，２ｃｍ〜４ｃｍであればより好ましい。各導波路の幅，長さ，及び深さも本発明のモジュールがその機能を発揮しうる程度のものであれば特に限定されない。各導波路の幅としては，たとえば１〜２０マイクロメートル，好ましくは５〜１０マイクロメートル程度があげられる。また，導波路の深さ（厚さ）として，たとえば１〜２０マイクロメートル，好ましくは５〜１０マイクロメートル程度があげられる。なお，位相変調器として，図６に示されるようなマッハツェンダー型導波路を有する位相変調器であってもよい。

分散媒質は，入力した光のうち所定のものを分散等させる性質を有するものがあげられる。具体的には，光の位相によって，透過率や反射率が異なる分散媒質があげられる。分散媒質として，ファイバブラッググレーティング，フォトニック結晶，誘電体多層膜，又は半導体多層膜があげられる。

ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）として，ユニフォームファイバグレーティング，チャープグレーティング，又はマルチセクショングレーティングを用いるものや，変調可能なファイバグレーティングがあげられる。以下，ＦＢＧについて説明する。ＦＢＧは，たとえば，位相マスクを介して紫外線を照射し，そのコアの屈折率を所定のピッチで変化させることにより得ることができる。

図２は，本発明の光強度変調器の原理を説明する概念図である。図２（ａ）は，周波数からみて上側波側帯（ＵＳＢ）成分に相当する位置に，ＦＢＧの反射帯が位置するものの概念図を示す。図２（ｂ）は，周波数からみて下側波側帯（ＬＳＢ）成分に相当する位置に，ＦＢＧの反射帯が位置するものの概念図を示す。光源からの信号光の波長をλ₀とする。そして，光位相変調器へ印加される変調信号の変調周波数をｆ_mとする。すると，位相変調を受けた信号光は，その変調周波数に関連する値（具体的には１／ｆ_m）だけ波長がシフトする。これがサイドバンドである。したがって，ＦＢＧとして，このサイドバンドに相当する位置に反射帯が位置するようなものがあげられる。その場合，位相変調器における位相変調が行われると，印加される変調信号応じてＵＳＢ又はＬＳＢの位置へ光の波長がシフトするので，そのシフトに応じて光が反射され，又は光が透過されることとなる。本発明においては，サイドバンド信号を効果的に切り抜くため，反射帯から透過帯への傾きが急峻なほど好ましい。なお，反射帯から透過帯への傾きは，ＦＢＧなどを構成する周期構造の繰返し数が大きいほど高くなり，反射率も高まるので，繰返し数として，２以上１×１０⁵以下があげられ，１×１０²以上５×１０⁴以下でもよく，１×１０³以上１×１０⁴以下でもよい。なお，透過帯の中心周波数は，製作するＦＢＧなどの繰返し周期をλ_c／４とすることで得ることができる。反射帯域は，周期構造を構成する２つの材料の屈折率の比に関連する。

ユニフォームＦＢＧは，グレーティングの周期・屈折率などが均一なＦＢＧである。ユニフォームＦＢＧは，容易に製造でき，ユニフォームＦＢＧを用いるとシステムのコストが安価に納まる。

なお，グレーティングのピッチは，対象とする光の波長などに応じて適切な間隔のものを用いればよく，たとえば，１００ｎｍ〜１０００ｎｍがあげられ，３００ｎｍ〜８００ｎｍでもよい。また，グレーティングのコアに対する屈折率差として，1×10^-6〜１×10^-2があげられ，1×10^-5〜5×10^-3でもよく，1×10^-4〜1×10^-3でもよい。

チャープグレーティングは，ＦＢＧの長手方向に屈折率周期やグレーティングの周期を変化させたチャープドＦＢＧである。チャープグレーティングにより，入力信号の波長に応じて，反射する位置を異ならせることができる。そして，グレーティング部位を長くした長いチャープドグレーティングを用いれば，反射帯域が広くなるという利点がある。

なお，チャープドＦＢＧのグレーティングのピッチは，通常は，徐々に変化するが，対象とする光の波長などに応じて適切な間隔のものを用いればよく，たとえば，100nm〜1000nmがあげられ，300nm〜800nmでもよい。また，グレーティングのコアに対する屈折率差として，1×10^-6〜１×10^-2があげられ，1×10^-5〜5×10^-3でもよく，1×10^-4〜1×10^-3でもよい。

マルチセクションＦＢＧは，波長変化と反射点変化が離散的なＦＢＧである。すなわち，ある範囲の波長成分の光信号は，ほぼ同じ反射点で反射するが，それと異なる範囲の波長成分は反射点が離散的に変化することとなる。

なお，マルチセクションFBGのグレーティングのピッチは，通常は，目的にあわせて調整するが，対象とする光の波長などに応じて適切な間隔のものを用いればよく，たとえば，100nm〜1000nmがあげられ，300nm〜800nmでもよい。また，グレーティングのコアに対する屈折率差として，1×10^-6〜１×10^-2があげられ，1×10^-5〜5×10^-3でもよく，1×10^-4〜1×10^-3でもよい。

フォトニック結晶として，ドライエッチングや自己クローニング法などにより形成した１〜３次元の周期的構造体があげられる。自己クローニング法による周期構造体は，川上彰二郎氏又はフォトニックラティス社の論文又は特許公報に開示される方法に従って，適宜製造することができる。このような周期構造体は，例えば，偏光面や周波数により透過・不透過を制御できるので，位相変調器により光の位相を変調することで，透過・不透過を容易に制御できることとなる。

誘電体多層膜とは，スパッタリングにより形成した１次元の多層膜構造である。具体的には，SiO₂/TiO₂からなる多層膜があげられ，この場合の屈折率の差としてn=1.5/2.0のようなものがあげられる。

半導体多層膜とは，エピタキシャル成長により形成した1次元の多層膜構造である。具体的には，GaAs/GaAlAsからなる多層膜構造を有するものや，GaAs/GaAlAsの中間組成からなるものがあげられる。すなわち，xを0以上1以下の数とすると，GaAs/Ga_xAl_1-xAs_-があげられる。組成比であるxを制御することで，屈折率を変化させることができる。すなわち，望ましい屈折率に応じてxを制御すればよいので，xとして，0以上0.25以下でもよいし，0.25以上0.5以下でもよいし，0.5以上0.75以下でもよく，0.75以上1以下でもよい。具体的なGaAs/GaAlAsの屈折率の差としてn=3.5/3.0のようなものがあげられる。

図３は，実際に製造された強度変調器の外観図を示す図である。図３に示されるように，この強度変調器は，光源からの光がファイバなどで位相変調器（５）に導かれ，所定の変調が施された後，ＦＢＧ（６）へ伝えられ，所定の変調を施されたもの，又は変調が施されなかったものがＦＢＧ（６）から出力される。

以下，光強度変調器の動作例について説明する。まず，光源（２）から連続光が出力される。出力された連続光は，導波路（３）を通じて，位相変調器（５）へと入力される。位相変調器（５）は，金属薄膜のヒータなどからなる電極（４）が設けられており，変調信号源（７）は，電極（４）に印加する電圧を，光に乗せる情報に応じて変化させる。すると，位相変調器（５）は，その電圧量などに応じて，導波路（３）を伝播する光の位相に変調を加える。

そして，位相変調を加えられた光は，ＦＢＧなどの分散媒質（６）へと伝えられる。このＦＢＧは，例えば，光源からの光の波長を有する光であって，位相がπずれた状態の光を反射するように調整されている。すると，位相変調器の変調信号を調整して出力光の位相が０となるようにした場合は，ＦＢＧから強い光が出力され，位相変調器の変調信号を調整して出力光の位相がπとなるようにした場合は，ＦＢＧから弱い光が出力される。このようにしてＯＯＫを達成できる。本発明では，基本的にはこのような原理を用いて，光の強弱に関する信号を得るものである。このような構成を有するので，ＭＺ変調器のようにバイアス電圧を調整する必要がなくなるので容易に制御でき，バイアス電源が不要となる。このため，コストを抑えることができ，しかも物理的に省スペースで済む。さらには，基本的に導波路は直線状の導波路でよいので，ＭＺ導波路のような複雑な設計を行う必要がなくなる。

本発明の光情報通信装置は，光が伝播する導波路と，前記導波路を伝播する光の位相を調整するための電極とを有する位相変調器と；前記位相変調器から出力された光が入力する分散媒質と；を具備する光強度変調器を具備する光情報通信装置に関する。すなわち，本発明の光情報通信装置は，上記した光強度変調器を用いた光情報通信装置に関する。したがって，本発明の光情報通信装置は，光強度変調器として，上述した様々な態様のものを用いることができる。上述したとおり，本発明の光強度変調器は，省スペースで容易にＯＯＫ信号を得ることができるので，そのＯＯＫ信号を用いて光情報通信を行うことができる。

図４は，本発明の無線通信装置の基本構成を示す概略図である。本発明の無線通信装置（２１）は，光源（２２）からの光が伝播する導波路（２３）と，前記導波路を伝播する光の位相を調整するための電極とを有する位相変調器（２５）と；前記位相変調器から出力された光が入力する分散媒質（２６）と；を具備する光強度変調器と；前記光強度変調器から出力された光が入力する光検出器（２８）と；前記光検出器が検出した光信号を無線信号へと変換するアンテナ（２９）と；を具備する，無線通信装置に関する。

すなわち，本発明の無線通信装置は，上記した光強度変調器を用いた無線通信装置に関する。したがって，本発明の無線通信装置は，光強度変調器として，上述した様々な態様のものを用いることができる。上述したとおり，本発明の光強度変調器は，省スペースで容易にＯＯＫ信号を得ることができるので，そのＯＯＫ信号を用いて無線通信装置を行うことができる。

光検出器（２７）は，変調光信号発生装置の出力光を検出し，電気信号に変換するための手段である。光検出器として，公知のものを採用できる。光検出器として，例えばフォトダイオードを含むデバイスを採用できる。光検出器は，例えば，光信号を検出し，電気信号に変換するものがあげられる。光検出器によって，光信号の強度，周波数などを検出できる。光検出器として，たとえば「米津宏雄著”光通信素子工学”−発光・受光素子−，工学図書株式会社，第６版，平成１２年発行」に記載されているものを適宜採用できる。

アンテナ（２８）は，光検出器が変換した電気信号を，無線信号として放出するための装置である。アンテナとして，公知のアンテナを用いることができる。

図５は，実施例１で用いた強度変調器を示すブロック図である。図５に示されるように，この強度変調器は，光源と，光源から出力された光の偏波面を調整する偏波コントローラPCと，偏波コントローラからの出力光が入力され，その位相が制御される位相変調器と，前記位相変調器により位相が制御された光が入力する分散媒質と，前記分散媒質を経た光を分析するためのスペクトルアナライザを具備する。

本実施例１では，光源として1550nm帯の波長可変レーザを用いた。偏波コントローラを用いて，分散媒質であるFBGの反射帯域に対して適当な波長に調整した。位相変調器は，住友大阪セメント製のDC〜40GHzまで動作する進行波型電極をもつ一般的な位相変調器（LN位相変調器）を用いた。分散媒質であるFBGとして，三菱電機製のものを用い，サイドローブを小さく（反射帯以外の透過率を高く）設計したもので，反射帯から透過帯が波長に対して急峻に変化するように設計した。このFBGの反射帯域は約0.5nmであり，反射帯から透過帯へ傾きが0.2nmほどで急峻に落ち込む。また，このFBGには，温度コントロールが装着されており，反射帯域が変化しないように安定化されている。

本発明の強度変調器は，全くバイアス電圧を印加せずに動作できるので，優れた光強度変調器として，光情報通信の分野で利用されうる。また，本発明の強度変調器は，アンテナと組み合わせることにより，ファイバ無線システムの受信基地局や，光計測に使われる強度変調器などとして利用されうる。

図１は，本発明の光強度変調器の基本構成を示す概略図である。図２は，本発明の光強度変調器の原理を説明する概念図である。図３は，実際に製造された強度変調器の外観図を示す図である。図４は，本発明の無線通信装置の基本構成を示す概略図である。図５は，実施例１で用いた強度変調器を示すブロック図である。図６は，光情報通信に用いられるマッハツェンダー型変調器の概略図である。

符号の説明

１強度変調器
２光源
３導波路
４電極
５位相変調器
６分散媒質
７変調信号源
２１無線通信装置
２２光源
２３導波路
２５位相変調器
２６分散媒質
２７変調信号源
２８光検出器
２９アンテナ
４１マッハツェンダー導波路のアーム
４２マッハツェンダー導波路のアーム
４３導波路

Claims

光が伝播する導波路と，変調信号源から継続的に印加される変調信号に応じて前記導波路を伝播する光の位相を変化させるための電極とを有する位相変調器と；
前記位相変調器から出力された光が入力する分散媒質と；
を具備し，
前記分散媒質は，前記位相変調器から出力された光の上側波側帯又は下側波側帯に相当する位置に反射帯が位置し，前記上側波側帯又は下側波側帯が所定の位相を有する場合に，前記所定の位相を有する上側波側帯又は下側波側帯を反射するファイバブラッググレーティングであり，
前記ファイバブラッググレーティングは，
前記位相変調器の前記変調信号が調整され，前記上側波側帯又は下側波側帯が前記所定の位相を有するものとなっている場合には，弱い光を出力し，
他方，前記位相変調器の前記変調信号が調整され，前記上側波側帯又は下側波側帯が前記所定の位相を有するものでない場合には，強い光を出力する
光強度変調器。
光が伝播する導波路と，変調信号源から継続的に印加される変調信号に応じて前記導波路を伝播する光の位相を変化させるための電極とを有する位相変調器と；
前記位相変調器から出力された光が入力した光が入力する分散媒質と；を具備し，
前記分散媒質は，前記位相変調器から出力された光の上側波側帯又は下側波側帯に相当する位置に反射帯が位置し，前記上側波側帯又は下側波側帯が所定の位相を有する場合に，前記所定の位相を有する上側波側帯又は下側波側帯を反射するファイバブラッググレーティングであり，
前記ファイバブラッググレーティングは，
前記位相変調器の前記変調信号が調整され，前記上側波側帯又は下側波側帯が前記所定の位相を有するものとなっている場合には，弱い光を出力し，
他方，前記位相変調器の前記変調信号が調整され，前記上側波側帯又は下側波側帯が前記所定の位相を有するものでない場合には，強い光を出力する
光強度変調器，
を具備する，光情報通信装置。
光が伝播する導波路と，変調信号源から継続的に印加される変調信号に応じて前記導波路を伝播する光の位相を変化させるための電極とを有する位相変調器と；前記位相変調器から出力された光が入力する分散媒質と；を具備し，前記分散媒質は，前記位相変調器から出力された光の上側波側帯又は下側波側帯に相当する位置に反射帯が位置し，前記上側波側帯又は下側波側帯が所定の位相を有する場合に，前記所定の位相を有する上側波側帯又は下側波側帯を反射するファイバブラッググレーティングであり，前記ファイバブラッググレーティングは，前記位相変調器の前記変調信号が調整され，前記上側波側帯又は下側波側帯が前記所定の位相を有するものとなっている場合には，弱い光を出力し，他方，前記位相変調器の前記変調信号が調整され，前記上側波側帯又は下側波側帯が前記所定の位相を有するものでない場合には，強い光を出力する，光強度変調器と；
前記光強度変調器から出力された光が入力する光検出器と；
前記光検出器が検出した光信号を無線信号へと変換するアンテナと；
を具備する，無線通信装置。