JP5353428B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は光変調器に関し、特に、電気光学効果を有する基板と、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であり、該光導波路には、少なくとも一つのマッハツェンダー型導波路を備えた光変調器に関する。

光通信分野や光計測分野においては、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板と、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が多用されている。

電気光学効果を有する基板を利用した光変調器においては、駆動制御のための直流バイアスの印加量や、使用環境の温度変化により、光の出力特性が経時的に変化する、所謂、ドリフト現象を起こすことが知られている。

このようなドリフト現象を抑制する方法としては、以下の特許文献１又は２などのように、光変調器の駆動信号に低周波信号を重畳させ、該光変調器からの出力光に含まれる該低周波信号に係る光量変化をモニタし、実印加電圧に対するバイアス点を検出するものであり、さらに、光変調器に印加される直流バイアスを制御するバイアス補償回路と組合わせることにより、光応答特性を最適なバイアス点となるように、自動的に補正することを可能とするものである。

図１及び図２は、一つのマッハツェンダー型導波路２を有する光変調器のバイアス制御方法を説明する図である。電気光学効果を有する基板１には、マッハツェンダー型導波路２を含む導波路が形成され、さらに、基板表面には、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極３，４が設けられている。特に、符号３の電極は、変調信号ＲＦを印加するための信号用電極であり、符号４の電極は、バイアス制御を行うためのＤＣバイアスが印加されるバイアス制御用電極である。図１では、変調電極３，４は簡略化して図示されており、さらに、接地電極なども省略されている。

半導体レーザなどの光源５０からの光波Ａを光変調器に導入し、光変調器からの出力光Ｂの一部（光波Ｃ）を、光検出器６０でモニタする。そして、該光検出器６０の出力信号ａ１に基づき、バイアス制御手段７０で所定の信号処理を行い、バイアス制御用電極４に印加するバイアス電圧ａ２が制御される。

図２は、バイアス制御手段７０の一例を示す図であり、光検出器６０が出力する出力信号ａ１は電流信号であり、電流−電圧変換手段（Ｉ／Ｖコンバータ）４１により電圧信号ｂ１に変換される。Ｉ／Ｖコンバータは、電流値に比例する電圧値に変換するよう構成され、線形関係での変換を可能としている。

電圧信号ｂ１は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ)４２を通過し、電圧信号ｂ１に含まれる変調信号ＲＦに対応する高周波信号がカットされる。ＬＰＦ４２の出力信号ｂ２は、Ａ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）４３で、デジタル信号ｂ３に変換され、ＣＰＵ４４に入力される。ＣＰＵ４４では、所定の信号処理が行われ、バイアス制御用電極に印加すべきバイアス電圧に対応するデジタル出力信号ｂ４を出力する。該デジタル出力信号ｂ４は、Ｄ／Ａコンバータ（ＤＡＣ）４５でアナログのＤＣバイアス電圧ａ２に変換され、図１のバイアス制御用電極４に印加される。

上述したように、バイアス制御用電極に印加する信号として、ＤＣバイアスに低周波信号を重畳した信号を印加し、特許文献１又は２に示すようなバイアス制御を行うことも可能であるが、マッハツェンダー型導波路２は一つの場合には、図２に示すように、ＣＰＵ４４でバイアス制御用電極に印加するＤＣバイアスを順次変化させ、光検出器６０からの出力信号が最大値又は最小値になるように、ＤＣバイアスを制御することも可能であり、必ずしも低周波信号を必要とするものでもない。

これに対し、複数のマッハツェンダー型導波路を有する光変調器に場合には、特許文献３に示すように、各マッハツェンダー型導波路毎に設けられたバイアス制御用電極に、異なる周波数の低周波信号を重畳し、特許文献１又は２と同様に、各マッハツェンダー型導波路のＤＣバイアスを制御することも行われている。

図３及び図４は、複数のマッハツェンダー型導波路（２１，２２，２３）を有する光変調器におけるバイアス制御方法を説明する図である。図３に示すような、メイン・マッハツェンダー型導波路２３の各アームに、サブ・マッハツェンダー型導波路２１，２２を入れ子型に組み込んだネスト型導波路は、ＳＳＢ変調器やＤＱＰＳＫ変調器などで利用されている。各マッハツェンダー型導波路には、信号用電極３１〜３３、バイアス制御用電極４１〜４３が設けられ、必要に応じて、各信号用電極３１〜３３に、変調信号ＲＦが印加されている。各バイアス制御用電極には、バイアス制御手段８０からバイアス電圧ｄ１〜ｄ３が印加されている。

バイアス制御手段８０の一例を、図４に示す。光源５０から光波Ａを光変調器に導入し、光変調器からの出力光Ｂの一部Ｃを、光検出器６０に導入しモニタする。バイアス制御に際しては、各バイアス制御電極に印加されるバイアス電圧ｄ１〜ｄ３には、図４の符号８７１〜８７３で示す低周波信号発生手段から出力される交流電圧（周波数ｆ１〜ｆ３）が重畳されている。

光検出器６０が出力する出力信号ａ１は電流信号であり、電流−電圧変換手段（Ｉ／Ｖコンバータ）８１により電圧信号ｃ１に変換される。Ｉ／Ｖコンバータ８１は、図２のＩ／Ｖコンバータ４１と同様に、電流値に比例する電圧値に変換するよう構成され、線形関係での変換を可能としている。

電圧信号ｃ１は、３つに分岐され、バンド・パス・フィルタ（ＢＰＦ）８２１〜８２３により、各低周波信号発生手段８７１〜８７３で印加した低周波信号の周波数（ｆ１〜ｆ３）に対応した所定周波数（例えば、ｆ１〜ｆ３と同じ周波数か、あるいは、印加した周波数の２倍の周波数）の信号ｃ２１〜ｃ２３のみを通過させる。そして、低周波信号に応じて変動する電圧信号（ｃ２１〜ｃ２３）の振幅値（ＲＭＳ）に対応した電圧値（ＤＣ）を出力信号振幅測定手段（ＲＭＳ ｔｏ ＤＣ）８３１〜８３３を用いて出力する。振幅値に対応する電圧信号ｃ３１〜ｃ３３を、Ａ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）８４１〜８４３で、デジタル信号ｃ４１〜ｃ４３に変換し、ＣＰＵ８５に入力する。ＣＰＵ８５では、所定の信号処理が行われ、バイアス制御用電極に印加すべきバイアス電圧に対応するデジタル出力信号ｃ５１〜ｃ５３を出力する。該デジタル出力信号ｃ５１〜ｃ５３は、Ｄ／Ａコンバータ（ＤＡＣ）８６１〜８６３でアナログのＤＣバイアス電圧ｃ６１〜ｃ６３に変換される。そして、上述したように、低周波数信号（周波数ｆ１〜ｆ３）が重畳され、図３の各バイアス制御用電極４１〜４３に印加される。

例えば、ＤＱＰＳＫ変調器では、マッハツェンダー型導波路２１及び２２に係る各バイアス制御では、通常、低周波信号の２倍の周波数を有する電圧信号（ｃ２１，ｃ２２）が、出力信号振幅測定手段（８３１，８３２）により得られる信号値（ｃ３１，ｃ３２）が最大となるようにＣＰＵ８５は、バイアス電圧を制御している。

しかしながら、図５に示すように、マッハツェンダー型導波路を含む干渉計において印加電圧Ｖに対する出力光Ｐの強度変化は、正弦波の変調曲線Ｇとなる。このため、変調曲線の山部分に対する印加電圧ＩＮ１と、谷部分に対する印加電圧ＩＮ２によって、出力光（ＯＵＴ１，ＯＵＴ２）は、図５のように変動するが、これを、図２に示すバイアス制御手段で処理すると、出力光ＯＵＴ１と出力光ＯＵＴ２との出力信号の振幅値は同じとなる。このため、出力信号の振幅値に着目してバイアス電圧を制御しても、変調曲線Ｇの山部分に収束させるように制御しているのか、谷部分に収束させるように制御しているのかの判別が困難となる。

特開昭４９−４２３６５号公報 特開平３−２５１８１５号公報 特許第４０８３６５７号公報

本発明は、上述した問題を解消し、光変調器のバイアス制御において、変調曲線の最大値又は最小値のいずれにバイアスを制御しているのかを容易に判別可能な光変調器を提供することである。

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、該光導波路は、少なくとも一つのマッハツェンダー型導波路を備え、該変調電極は、該マッハツェンダー型導波路を伝搬する光波の変調に際して、変調動作点を制御するためのバイアス制御用電極を備え、該マッハツェンダー型導波路から出力される出力光又は放射モード光のいずれかを検知する光検知手段と、該光検知手段の出力電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換手段を有し、該Ｉ／Ｖ変換手段の出力に基づき、該バイアス制御用電極に印加する直流バイアス電圧を制御するバイアス制御手段とを有し、該Ｉ／Ｖ変換手段は電流と電圧との変換関係が指数関数的に対応されており、該光変調器における変調曲線の山部分と谷部分とでは電圧の出力信号の振幅値が異なるように設定されていることを特徴とする。

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、該バイアス制御手段は、該バイアス制御用電極に低周波信号を印加し、該Ｉ／Ｖ変換手段の該低周波信号に基づく出力変動の振幅値が、最小値又は最大値となるように該バイアス制御用電極に印加する直流バイアス電圧を制御することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の光変調器において、該マッハツェンダー型導波路を２つ以上備え、各マッハツェンダー型導波路に対応して設けられる該バイアス制御用電極には、各々異なる周波数の低周波信号が印加されることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、電気光学効果を有する基板と、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、該光導波路は、少なくとも一つのマッハツェンダー型導波路を備え、該変調電極は、該マッハツェンダー型導波路を伝搬する光波の変調に際して、変調動作点を制御するためのバイアス制御用電極を備え、該マッハツェンダー型導波路から出力される出力光又は放射モード光のいずれかを検知する光検知手段と、該光検知手段の出力電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換手段を有し、該Ｉ／Ｖ変換手段の出力に基づき、該バイアス制御用電極に印加する直流バイアス電圧を制御するバイアス制御手段とを有し、該Ｉ／Ｖ変換手段は電流と電圧との変換関係が指数関数的に対応されており、該光変調器における変調曲線の山部分と谷部分とでは電圧の出力信号の振幅値が異なるように設定されているため、Ｉ／Ｖ変換手段を経ることにより、光強度変化が指数関数的に変化するため、変調曲線の山部分と谷部分とでは、出力信号の振幅値が大きく異なることとなる。これにより、変調曲線の山部分又は谷部分のいずれでバイアス制御を行っているのかを容易に判別することが可能となる。

請求項２に係る発明により、バイアス制御手段は、バイアス制御用電極に低周波信号を印加し、Ｉ／Ｖ変換手段の該低周波信号に基づく出力変動の振幅値が、最小値又は最大値となるように該バイアス制御用電極に印加する直流バイアス電圧を制御するため、変調曲線の山部分又は谷部分のいずれでバイアス制御を行っているのかを容易に判別しながら、最適な状態にバイアス電圧を調整することが可能となる。

請求項３に係る発明により、マッハツェンダー型導波路を２つ以上備え、各マッハツェンダー型導波路に対応して設けられる該バイアス制御用電極には、各々異なる周波数の低周波信号が印加されるため、各マッハツェンダー型導波路に対応したバイアス制御用電極毎に、変調曲線の山部分又は谷部分のいずれでバイアス制御を行っているのかを容易に判別しながら、最適な状態にバイアス電圧を調整することが可能となる。

マッハツェンダー型導波路が一つの光変調器におけるバイアス制御の様子を説明する図である。 図１のバイアス制御手段７０の一例を説明する図である。 複数のマッハツェンダー型導波路を有する光変調器におけるバイアス制御の様子を説明する図である。 図３のバイアス制御手段８０の一例を説明する図である。 マッハツェンダー型導波路を有する干渉計における印加電圧Ｖと出力光強度Ｐとの関係（変調曲線）を説明するグラフである。 本発明の光変調器に利用あれるバイアス制御手段の一例を説明する図である。 Ｉ／Ｖコンバータに指数関数的な変換関係を有する場合の印加電圧と出力電圧との関係を説明するグラフである。

本発明の光変調器について、以下に詳細に説明する。なお、本発明の光変調器の説明に使用する符号は、共通の部材については、図１乃至４で使用される符号と同じものを使用する。

本発明の光変調器は、電気光学効果を有する基板１と、該基板に形成された光導波路（２，２１〜２３）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（３，４，３１〜３３，４１〜４３）とを有する光変調器において、該光導波路は、少なくとも一つのマッハツェンダー型導波路（２，２１〜２３）を備え、該変調電極は、該マッハツェンダー型導波路を伝搬する光波の変調に際して、変調動作点を制御するためのバイアス制御用電極（４，４１〜４３）を備え、該マッハツェンダー型導波路から出力される出力光又は放射モード光のいずれかを検知する光検知手段６０と、該光検知手段の出力電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換手段を有し、該Ｉ／Ｖ変換手段の出力に基づき、該バイアス制御用電極に印加する直流バイアス電圧を制御するバイアス制御手段とを有し、該Ｉ／Ｖ変換手段は電流と電圧との変換関係が指数関数的に対応していることを特徴とする。

図６に示すように、光検出器からの出力信号（電流）ａ１を電圧信号に変化するＩ／Ｖ変換手段９０を、変換関係が指数関数的に対応するログ型Ｉ／Ｖコンバータを使用する。これにより、図７のように、バイアス電圧である印加電圧Ｖに対する電圧信号Ｓ（図６の符号ｃ１に対応）との対応関係が、グラフＭのように変化する。その結果、変調曲線の山部分（印加電圧ＩＮ１）と谷部分（印加電圧ＩＮ２）では電圧信号（ＯＵＴ３，４）の振幅値が異なるため、変調曲線の山部分（出力信号ＯＵＴ３）又は谷部分（出力信号ＯＵＴ４）のいずれでバイアス制御を行っているのかを容易に判別することが可能となる。なお、本発明の「変換関係が指数関数的に対応」とは、指数関数の関係式で表現できる関係に限定されるものでは無く、特に、変調曲線の山部分と谷部分とでは、信号出力の振幅値が異なるように表現される関係であれば良く、例えば、非線形関係でも、このような条件を満足する対応関係は本発明の中に包含されるものである。

電気光学効果を有する基板１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）、及び石英系の材料などが利用することが可能である。また、光導波路（２，２１〜２３）を形成するには、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に光導波路を形成する方法や、導波路に対応したリッジ形状により光導波路を形成する方法などがある。本発明の光変調器に利用されるバイアス制御は、少なくとも一つのマッハツェンダー型導波路を有する光変調器に対して、好適に利用することが可能である。

変調電極（３，４，３１〜３３，４１〜４３）は、変調用電極（３，３１〜３３）とバイアス制御用電極（４，４１〜４３）から構成されるが、各々電極に対応して接地電極を設けることが好ましい。また、変調用電極とバイアス制御用電極とを一体化し、変調信号ＲＦにバイアス電圧を重畳して印加することも可能である。

また、本発明の光変調器では、図１又は図３に示すように、光変調器からの出力光Ｂの一部（光波Ｃ）を光検出器６０でモニタするだけでなく、マッハツェンダー型導波路の合波部から放出される放射モード光の一部を検出し、モニタすることも可能である。

本発明の光変調器に係るバイアス制御の構成は、バイアス制御手段は、図６のように、バイアス制御用電極に低周波信号（周波数ｆ１〜ｆ３）を印加し、Ｉ／Ｖ変換手段（９０）の該低周波信号に基づく出力変動の振幅値（出力信号振幅測定手段８３１〜８３２の出力信号ｃ３１〜ｃ３３）が、最小値又は最大値となるように該バイアス制御用電極に印加する直流バイアス電圧を制御する光変調器に対して、特に好適に利用することが可能である。これは、本発明を用いて、変調曲線の山部分又は谷部分のいずれでバイアス制御を行っているのかを容易に判別しながら、最適な状態にバイアス電圧を調整することが可能となるためである。

また、本発明の光変調器に係るバイアス制御の構成は、図６のように、マッハツェンダー型導波路を２つ以上備え、各マッハツェンダー型導波路に対応して設けられる該バイアス制御用電極には、各々異なる周波数ｆ１〜ｆ３の低周波信号が印加される光変調器に対して好適に適用することが可能である。これにより、各マッハツェンダー型導波路に対応したバイアス制御用電極毎に、変調曲線の山部分又は谷部分のいずれでバイアス制御を行っているのかを容易に判別しながら、最適な状態にバイアス電圧を調整することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、光変調器のバイアス制御において、変調曲線の最大値又は最小値のいずれにバイアスを制御しているのかを容易に判別可能な光変調器を提供することが可能となる。

１ 基板
２，２１〜２３ マッハツェンダー型導波路
３，３１〜３３ 変調用電極
４，４１〜４３ バイアス制御用電極
５０ 光源
６０ 光検出器
７０，８０ バイアス制御手段

Claims (3)

1. 電気光学効果を有する基板と、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、
   該光導波路は、少なくとも一つのマッハツェンダー型導波路を備え、
   該変調電極は、該マッハツェンダー型導波路を伝搬する光波の変調に際して、変調動作点を制御するためのバイアス制御用電極を備え、
   該マッハツェンダー型導波路から出力される出力光又は放射モード光のいずれかを検知する光検知手段と、
   該光検知手段の出力電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換手段を有し、該Ｉ／Ｖ変換手段の出力に基づき、該バイアス制御用電極に印加する直流バイアス電圧を制御するバイアス制御手段とを有し、
   該Ｉ／Ｖ変換手段は電流と電圧との変換関係が指数関数的に対応されており、該光変調器における変調曲線の山部分と谷部分とでは電圧の出力信号の振幅値が異なるように設定されていることを特徴とする光変調器。
2. 請求項１に記載の光変調器において、該バイアス制御手段は、該バイアス制御用電極に低周波信号を印加し、該Ｉ／Ｖ変換手段の該低周波信号に基づく出力変動の振幅値が、最小値又は最大値となるように該バイアス制御用電極に印加する直流バイアス電圧を制御することを特徴とする光変調器。
3. 請求項２に記載の光変調器において、該マッハツェンダー型導波路を２つ以上備え、各マッハツェンダー型導波路に対応して設けられる該バイアス制御用電極には、各々異なる周波数の低周波信号が印加されることを特徴とする光変調器。

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