JP5432389B2 - 光周波数シフタおよびこれを使用した光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光周波数シフタおよびこれを使用した光変調器に関し、より詳細には、入力された連続光を２光周波数にシフトする光周波数シフタ、およびこれを使用した全光周波数分割多重光変調器に関する。

旺盛な通信需要を背景として、基幹網の大容量化に向けた検討が精力的に行われている。伝送容量の大容量化においては、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を使用するとともに、一波長あたりのシンボルレート（変調符号送出速度）を高くすると、波長分散や偏波モード分散の影響が急激に大きくなり、また、伝送に必要な受信感度を得るための光強度が大きくなって光ファイバ中で発生する四光波混合や相互位相変調、自己位相変調などによる信号品質劣化も問題となる。

この問題を解決するために、分散耐力に優れ、帯域利用効率が高い多重化技術として、各波長チャネルで直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を使用し、これをＷＤＭで多重化する技術が検討されている。ＯＦＤＭでは、Ｎ（Ｎは２以上の整数）のキャリアに直交する符号化を行うことで、単一キャリアの場合と比較してシンボルレートを１／Ｎに低下することができ、分散耐力を向上させることができる。ＯＦＤＭは、無線の分野では汎用の技術となっている。

光信号をＯＦＤＭ変調する技術としては、無線と同様に電気的にＯＦＤＭ信号を生成して光変調器を駆動する方法がある（特許文献１を参照）。この手法を使用すると光学系は、シンプルであるが、変調器および変調器駆動部にはシンボルレートのＮ倍程度の帯域が要求されるため、これらの帯域が制限要因になる問題がある。

一方、予め光変調器で変調したサブキャリア光を合波する全光ＯＦＤＭが提案されている（特許文献２および３を参照）。図１に示すように、まず、マルチキャリア発生回路（光サブキャリア発生器）１０１で、複数のサブキャリア光を生成し、次に、それらサブキャリア光を、光分岐部１０２で各サブキャリア光に弁別し、それぞれ光直交変調器１０３ａおよび１０３ｂでデータ変調したのちに光合波部１０４により、合波して変調出力を得る。特許文献３に開示しているように、光分岐部１０２は、遅延干渉計１０５、１０６ａおよび１０６ｂにより構成するとよい。このようにするとＷＤＭ信号の光周波数グリッド（ＷＤＭ光信号間の光周波数間隔）とサブキャリア間隔がある程度異なる場合にも高い消光比を得ることができる。図１に示したのは、サブキャリア数が２の場合であるが、この場合には送信側の光学回路も比較的シンプルであるために次世代の高速伝送技術として有望である。

特開２００５−３１１７２２号公報 特開２００９−０１７３２０号公報 特開２００９−１９８９１４号公報

しかしながら、上記の全光ＯＦＤＭ変調器の構成では、サブキャリア弁別のための光分岐部１０２に遅延干渉計１０５および１０６を使用する必要があり、このため回路サイズが大きくなる課題があった。ＷＤＭの光周波数グリッドを１００ＧＨｚとするためには、遅延干渉計の自由スペクトルレンジ（ＦＳＲ：Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｒａｎｇｅ）を５０ＧＨｚ程度にする必要がある（特許文献３を参照）。この遅延干渉計を石英系光導波路（Ｎ＝１．４９程度）で作製すれば遅延干渉計の光路長差は、約４ｍｍとなる。波長チャネルの周波数間隔を、最近適用が進んでいる５０ＧＨｚ間隔にするためには、光路長差は、倍の約８ｍｍとなり、大きな回路サイズの光分岐部が必要となる。

また一般に、遅延干渉計を構成するニオブ酸リチウム導波路あるいは石英系光導波路は、屈折率の温度依存性を有するために、環境温度で遅延干渉計の中心波長が変化する課題があった。これを解決するためには、遅延干渉計を温度調整する、あるいは温度無依存化する必要があるが、温度調整は、変調器モジュールの実装を複雑にし、また消費電力が大きくなる問題があり（一般に数Ｗ）、温度無依存化は、損失増加を引き起こす問題がある(一般に〜１ｄＢ)。

さらに、遅延干渉計のＦＳＲは、光周波数グリッドおよびサブキャリア間隔にあわせて設定する必要があるために、異なる光周波数グリッドに対しては遅延干渉計の設計を変える必要があり、異なる光分岐部が必要になる問題があった。

本発明は、上述のような従来技術に鑑みてなされたもので、その目的は、小型化可能な構成で、サブキャリアを生成する温度無依存な光周波数シフタを提供し、またこれを使用して小型で温度依存性が小さく、異なる光周波数グリッドにも対応可能な全光ＯＦＤＭ変調器を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の第１の態様の光周波数シフタは、１本の入力用光ポートと、上記１本の入力用ポートに光学的に接続された１入力２出力の光カプラと、上記１入力２出力の光カプラの２本の出力に光学的に夫々接続された２つのマッハツェンダ変調部と、上記２つのマッハツェンダ変調部の夫々の出力に光学的に接続された２入力２出力の光カプラと、上記２入力２出力の光カプラの２本の出力に光学的に接続された２本の出力用光ポートとを備え、上記２つのマッハツェンダ変調部が互いに位相が（２ｐ＋１）π／２（ｐ：整数）だけ異なる同一周波数の周期波形によって駆動されていることを特徴とする。

また、第２の態様の光周波数シフタは、第１の態様において、上記２つのマッハツェンダ変調部のバイアスが夫々無駆動時に出力０となるように調整されていることを特徴とする。

また、第３の態様の光周波数シフタは、第１の態様において、上記マッハツェンダ変調部の半波長電圧をＶπとするとき、上記マッハツェンダ変調部を駆動する上記周期波形の電圧全幅値が２Ｖπの６０％以上１２０％以内であることを特徴とする。

また、第４の態様の光周波数シフタは、第１の態様において、上記１入力２出力の光カプラがＹ分岐であり、上記２入力２出力の光カプラが２入力２出力多モード干渉光カプラであることを特徴とする。

また、第５の態様の光周波数シフタは、第１の態様において、上記２つのマッハツェンダ変調部の一方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極と、他方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極が縦続に接続されており、上記一方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極と、上記他方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極を接続する電気配線に、上記周期波形のπ／２だけの遅延が設けられていることを特徴とする。

また、第６の態様の光周波数シフタは、第５の態様において、上記２つのマッハツェンダ変調部の一方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極と、他方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極の長さが、電気入力に近いマッハツェンダ変調部の備える変調電極が短く、電気入力に遠いマッハツェンダ変調部の備える変調電極が長くなっていることを特徴とする。

また、上記課題を解決するための本発明の第７の態様の光変調器は、光信号を生成する光変調器であって、１入力２出力の光周波数シフタ部と、上記１入力２出力の光周波数シフタ部の２本の出力に夫々光学的に接続された２つの光変調部と、上記２つの光変調部の夫々の出力に光学的に接続された光合波部とを備え、上記１入力２出力の光周波数シフタ部は、１本の入力用光ポートと、上記１本の入力用ポートに光学的に接続された１入力２出力の光カプラと、上記１入力２出力の光カプラの２本の出力に光学的に夫々接続された２つのマッハツェンダ変調部と、上記２つのマッハツェンダ変調部の夫々の出力に光学的に接続された２入力２出力の光カプラと、上記２入力２出力の光カプラの２本の出力に光学的に接続された２本の出力用光ポートとを備え、上記２つのマッハツェンダ変調部が互いに位相が（２ｐ＋１）π／２（ｐ：整数）だけ異なる同一周波数の周期波形によって駆動されていることを特徴とする。

また、第８の態様の光変調器は、第７の態様において、上記２つの変調部が夫々光直交変調部であり、上記光合波部が２入力１出力光カプラであることを特徴とする。

また、第９の態様の光変調器は、第７の態様において、上記２つの変調部が夫々偏波多重光直交変調部であり、上記光合波部が２入力１出力光カプラであることを特徴とする。

また、第１０の態様の光変調器は、第７の態様において、上記２つの変調部が夫々１入力２出力の光カプラと該１入力２出力光カプラの２つの出力に夫々光学的に接続された２連光直交変調部であり、上記光合波部が、上記２つの２連光直交変調部の夫々一方の出力を合波する第１の２入力１出力光カプラと、上記２つの２連光直交変調部の夫々他方の出力を合波する第２の２入力１出力光カプラと、上記第１の光カプラの出力と上記第２の光カプラの出力とを偏波合成する偏波合波器から構成されており、上記第１の光カプラの出力あるいは上記第２の光カプラの出力のいずれか一方と上記偏波合波器との間に偏波変換器が設けられていることを特徴とする。

また、第１１の態様の光変調器は、第７の態様において、上記光周波数シフタが備える上記２つのマッハツェンダ変調部のバイアスが夫々無駆動時に出力０となるように調整されていることを特徴とする。

また、第１２の態様の光変調器は、第７の態様において、上記光周波数シフタが備える上記マッハツェンダ変調部の半波長電圧をＶπとするとき、上記光周波数シフタが備えるマッハツェンダ変調部を駆動する上記周期波形の電圧全幅値が２Ｖπの６０％以上１２０％以内であることを特徴とする。

また、第１３の態様の光変調器は、第７の態様において、上記光周波数シフタが備える上記１入力２出力の光カプラがＹ分岐であり、上記光周波数シフタが備える上記２入力２出力の光カプラが２入力２出力多モード干渉光カプラであることを特徴とする。

また、第１４の態様の光変調器は、第７の態様において、上記光周波数シフタが備える上記２つのマッハツェンダ変調部の一方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極と、他方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極が縦続に接続されており、上記光周波数シフタが備える上記一方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極と、他方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極を接続する電気配線に、上記光周波数シフタを駆動する上記周期波形のπ／２だけの遅延が設けられていることを特徴とする。

また第１５の態様の光変調器は、第１４の態様において、上記光周波数シフタが備える上記２つのマッハツェンダ変調部の一方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極と、他方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極の長さが、電気入力に近いマッハツェンダ変調部の備える変調電極が短く、電気入力に遠いマッハツェンダ変調部の備える変調電極が長くなっていることを特徴とする。

１本の入力用光ポートと、上記１本の入力用ポートに光学的に接続された１入力２出力の光カプラと、上記１入力２出力の光カプラの２本の出力に光学的に夫々接続された２つのマッハツェンダ変調部と、上記２つのマッハツェンダ変調部の夫々の出力に光学的に接続された２入力２出力の光カプラと、上記２入力２出力の光カプラの２本の出力に光学的に接続された２本の出力用光ポートとを備え、上記２つのマッハツェンダ変調部を互いに位相がπ／２だけ異なる同一周波数の周期波形によって駆動することで、遅延干渉計が不要で、小型で温度依存性が無く波長グリッドによらない光周波数シフタおよび光変調器を提供することができる。

従来のＯＦＤＭ変調器の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタの構成を表す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタの周波数シフト成分の変調振幅依存性を表す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタの周波数シフト成分を表す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタで得られた出力信号を表す図である。 本発明の第１の実施形態の変形に係る光周波数シフタの構成を表す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光周波数シフタの構成を表す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光周波数シフタで得られる出力信号のシミュレーションを示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る光変調器の構成を表す図である。 光直交変調部の構成を表す図である。 本発明の第４の実施形態に係る光変調器の構成を表す図である。 偏波多重光直交変調部の構成を表す図である。 本発明の第５の実施形態に係る光変調器の構成を表す図である。 本発明の第５の実施形態の変形に係る光変調器の構成を表す図である。

以下、図面および数式を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図２に、本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタ２１０の構成を示す。本発明の第１の実施形態の光周波数シフタ２１０は、入力用ポート２１１と、入力用ポート２１１に光学的に接続された１入力２出力の光カプラ２１２と、光カプラ２１２の２出力にそれぞれ光学的に接続された２つのマッハツェンダ型変調部（以下、ＭＺ変調部）２１３ａおよび２１３ｂと、２つのＭＺ変調部２１３ａおよび２１３ｂの出力に夫々光学的に接続された２入力２出力の光カプラ２１４と、２入力２出力の光カプラ２１４の２本の出力に夫々光学的に接続された出力用光ポート２１５ａおよび２１５ｂから構成されている。

２つのＭＺ変調部２１３ａおよび２１３ｂは、信号発生器２１６で発生した電気信号によって電気アンプ２１８ａおよび２１８ｂを介して駆動されるが、図２に示すように、ＭＺ変調部２１３ａの駆動部には、位相π／２だけの電気遅延線２１７が設けられており、この結果、２つのＭＺ変調器２１３ａおよび２１３ｂは、位相がπ／２だけ異なる同一の電気波形で、駆動されることとなる。

ここで、図２に示す本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタ２１０では、１入力２出力の光カプラ２１２としてＹ分岐を使用することとした。これは、この構成とすることにより動作波長が広く分岐比ずれの小さな１入力２出力光カプラを提供できるからである。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、１入力２出力光カプラとしては１入力２出力多モード干渉光カプラを使用してもよく、また方向性結合器や２入力２出力多モード干渉光カプラ、非対称Ｘ分岐などの２入力２出力光カプラの一方の入力ポートだけを使用してもよい。

また、図２に示す本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタ２１０では、２入力２出力の光カプラ２１４として、多モード干渉光カプラを使用することとした。これは、この構成とすることで動作波長が広い２入力２出力光カプラを提供できるからである。しかしながら、本発明は、この例に限定されるものではなく、方向性結合器や非対称Ｘ分岐、あるいはラティス型構成を使用した広帯域光カプラなど、別のカプラを使用してももちろん構わない。

また、図２に示す本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタ２１０では、１入力２出力の光カプラ２１２として２つの光出力が同相となるＹ分岐を使用して、２入力２出力の光カプラ２１４としては２つの光出力間に９０度の位相差が発生する多モード干渉光カプラを使用することとしたが、これはＹ分岐および多モード干渉光カプラが、それぞれカプラとして本発明の第１の実施形態に適しているだけではなく、この組み合わせにすることによりＹ分岐２１２と多モード干渉光カプラ２１４を繋ぐ光アームに光遅延を挿入する必要がないという利点も併せ持つからである。しかしながら、第１実施形態の変形で詳細に示すように、本発明は、この例に限定されるものではない。

次に、本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタ２１０の動作について説明する。いま、光周波数シフタ２１０への入力波形をＥ＝Ｅ０（ｔ）と表す。このとき、Ｙ分岐２１２により入力光は、同相のままＭＺ変調部２１３ａおよび２１３ｂに導かれるので、ＭＺ変調部２１３ａおよび２１３ｂの入力光電界Ｅａｉｎ（ｔ）およびＥｂｉｎ（ｔ）はそれぞれ、以下、数式１、数式２のように表される。

ここで、ＭＺ変調部２１３ｂの駆動波形Ｄｂ（ｔ）を簡単のために正弦波と仮定して、以下、数式３のように表す。

ここで、ｍは、比例係数であり、ｆは、駆動波形の周波数である。ＭＺ変調部２１３ａの駆動波形Ｄａ（ｔ）は、電気遅延線２１７によってπ／２だけ遅延を受けるので、以下、数式４のようになる。

さて、ＭＺ変調部２１３ａおよび２１３ｂは、夫々駆動波形に対して正弦波的な応答を示すようにバイアス調整されているとする。このときＭＺ変調部２１３ａおよび２１３ｂの光電界出力Ｅａｏｕｔ（ｔ）およびＥｂｏｕｔ（ｔ）は、それぞれ、以下、数式５、数式６のように表される。

・・・数式５

ここで、Ｊｎは、ｎ次の第一種ベッセル関数である。
この２つの光電界は、多モード干渉光カプラ２１４によって合波される。このとき、多モード干渉光カプラ２１４では、結合する光が、π／２の位相シフトを受けるため、出力ポート２１５ａおよび２１５ｂから得られる光電界Ｅ１（ｔ）およびＥ２（ｔ）は、夫々、以下数式７、数式８のように与えられる。

さらに展開すれば、以下、数式９、数式１０を得ることができる。

高次の項を無視して、ｎ＝０の項に注目すれば、Ｅ１（ｔ）およびＥ２（ｔ）は、それぞれ、以下、数式１１、数式１２のようになる。

上記、数式１１、数式１２より、Ｅ１（ｔ）は、元の周波数から−ｆだけの周波数シフトが得られており、Ｅ２（ｔ）は、元の周波数から＋ｆの周波数シフトが得られていることが分かる。

ここで、図２に示す本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタ２１０では、ＭＺ変調部２１３ａの駆動波形Ｄａ（ｔ）は、電気遅延線２１７によってπ／２だけ遅延を受けることとしたが、これはＭＺ変調部２１３ｂの側に電気遅延線２１７を設けて、駆動波形Ｄｂ（ｔ）にπ／２の遅延を与えるとしてももちろん構わない。この場合には、式に示したｆが−ｆに置き換わることになる。さらに、一般的には、ｐを整数としてＤａ（ｔ）とＤｂ（ｔ）に間に（２ｐ＋１）π／２の位相差が、与えられていれば、本発明の効果を奏することができる。

また、図２に示す本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタ２１０では、ＭＺ変調部２１３ａおよび２１３ｂの駆動波形Ｄａ（ｔ）およびＤｂ（ｔ）は、正弦波であると仮定したが、これはこの波形の生成が容易で、また、波形が狭いため駆動電気系への負担が減ぜられるからである。しかしながら、本発明は、この例に限定されるものではなく、正弦波以外の波形であってももちろん構わない。この場合には、数式９および１０のベッセル関数で与えられる係数が変更されることになる。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタの駆動振幅ｍと、得られる光周波数成分の関係３００を表した図である。図中には、ｆ成分、３ｆ成分、５ｆ成分が示されている。このうち光周波数シフタの動作として重要になるのは、ｆ成分となるが、図より、ｍ＝１．１７πのときにｆ成分が最大となることが分かる。一方で、駆動振幅を大きくすると駆動電気系への負担が大きくなる側面があるので、駆動振幅ｍとしては、πの６０％から１２０％とするのが望ましい。これは、ＭＺ変調部の半波長電圧をＶπとするときに、全振幅を２Ｖπの６０％から１２０％にすることに相当する。

図４は、本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタを駆動した時の出力用光ポート２１５ｂで得られる光周波数スペクトルを計算した結果４００を示す図である。駆動振幅横軸は、ｆで規格化した光周波数を示し、縦軸は光強度である。また駆動振幅ｍは、１．１７πとした。数式１０に示されるように、光周波数シフタを通過後の光周波数は、＋ｆ、−３ｆ、＋５ｆ、−７ｆ…となっていることが分かる。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタを構成して実際に駆動した時に得られた波形５００を示す図である。図５に示されているように、本発明の光周波数シフタを使用することにより、出力用光ポート２１５ａおよび２１５ｂのそれぞれにおいて、それぞれ−ｆおよび＋ｆだけ光周波数がシフトした出力が得られていることが分かる。

この構成では、±ｆの光周波数成分を弁別するための光遅延干渉計が不要であり、このためにサイズが小さく、また、温度による遅延干渉計の特性変化を考慮する必要のない光周波数シフタが提供できる。また、光遅延干渉計がないことから特定の波長グリッドでの動作に限られず、いかなる周波数グリッドであっても動作可能な光周波数シフタが提供できる。

（第１の実施形態の変形）
図６に、本発明の第１の実施形態の変形に係る光周波数シフタ６１０の構成を示す。本発明の第１の実施形態の変形に係る光周波数シフタ６１０は、入力用ポート６１１と、入力用ポート６１１に光学的に接続された１入力２出力の光カプラ６１２と、光カプラ６１２の２出力に夫々光学的に接続された２つのマッハツェンダ型変調部（以下、ＭＺ変調部）６１３ａおよび６１３ｂと、２つのＭＺ変調部６１３ａおよび６１３ｂの出力に夫々光学的に接続された２入力２出力の光カプラ６１４と、２入力２出力の光カプラ６１４の２本の出力に夫々光学的に接続された出力用光ポート６１５ａおよび６１５ｂから構成されている。

２つのＭＺ変調部６１３ａおよび６１３ｂは、信号発生器６１６で発生した電気信号によって電気アンプ６１８ａおよび６１８ｂを介して駆動されるが、図６に示すように、ＭＺ変調部６１３ｂの駆動部には、位相π／２だけの電気遅延線６１７が設けられており、この結果、２つのＭＺ変調器６１３ａおよび６１３ｂは位相がπ／２だけ異なる同一の電気波形で駆動されることとなる。図２に示す本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタではＭＺ変調器６１３ａの駆動系に電池遅延線６１７を設けることとしたが、図６に示す本発明の第１の実施形態の変形に係る光周波数シフタ６１０のように、ＭＺ変調器６１３ｂの駆動部に電気遅延線６１７を設けても、もちろん本発明の効果を奏することができる。

また、図６に示す本発明の第１の実施形態の変形に係る光周波数シフタ６１０では、１入力２出力の光カプラ６１２として、１入力２出力の多モード干渉光カプラを使用することとした。図２に示す本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタ２１０では、１入力２出力の光カプラ２１２としてＹ分岐を使用することとしたが、図６に示す本発明の第１の実施形態の変形に係る光周波数シフタ６１０のように、１入力２出力の光カプラ６１２として、１入力２出力の多モード干渉光カプラを使用しても、もちろん本発明の効果を奏することができる。

さらに、図６に示す本発明の第１の実施形態の変形に係る光周波数シフタ６１０では、２入力２出力の光カプラ６１４として、図６に示すような導波路幅の異なる出力を有する２入力２出力のＸ分岐を使用することとした。これは、断熱モード変換を使用するＸ分岐が広帯域で低損失な特性を有しており、広帯域で低損失な光周波数シフタを提供できるからである。また、Ｘ分岐では結合する光間の位相が０およびπになるため、これを補償するためにＭＺ変調部６１３ｂと２入力２出力の光カプラ６１４との間にπ／２の光遅延線６１９を挿入することとした。図２に示す本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタ２１０では、２入力２出力の光カプラ２１２として２入力２出力多モード干渉光カプラを使用することとしたが、図６に示す本発明の第１の実施形態の変形に係る光周波数シフタ６１０のように、２入力２出力の光カプラ６１４として、Ｘ分岐を使用して、位相を補償するための光遅延線６１９を使用しても、もちろん本発明の効果を奏することができる。

（第２の実施形態）
図７に、本発明の第２の実施形態に係る光周波数シフタ７１０の構成を示す。本発明の第２の実施形態の光周波数シフタ７１０は、入力用ポート７１１と、入力用ポート７１１に光学的に接続された１入力２出力の光カプラ７１２と、光カプラ７１２の２出力に夫々光学的に接続された２つのＭＺ変調部７１３ａおよび７１３ｂと、２つのＭＺ変調部７１３ａおよび７１３ｂの出力に夫々光学的に接続された２入力２出力の光カプラ７１４と、２入力２出力の光カプラ７１４の２本の出力に夫々光学的に接続された出力用光ポート７１５ａおよび７１５ｂから構成されている。

ここで、図７に示す本発明の第２の実施形態に係る光周波数シフタ７１０では、２つのＭＺ変調部７１３ａおよび７１３ｂを備える。２つのＭＺ変調部７１３ａおよび７１３ｂは、変調電極７２０ａおよび７２０ｂを夫々備える。これらの変調電極７２０ａおよび７２０ｂは、電気配線７２１によって接続されており、変調電極７２０ａおよび７２０ｂの間には電気遅延線７２２が設けられて、変調電極７２０ａおよび変調電極７２０ｂの駆動波形間にπ／２だけの電気遅延が与えられるようになっている。また、変調電極７２０ａおよび７２０ｂを接続する電気配線７２１は最終的に終端抵抗７２３で終端されている。光周波数シフタ７１０は、信号発生器７１６で生成した駆動波形により電気アンプ７１８を介して駆動される。この構成によってＭＺ変調部を駆動する電気アンプが１つですみ、消費電力の小さな光周波数シフト７１０を提供できる。

ここで、図２および図６で示した本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタ２１０、および本発明の第１の実施形態の変形に係る光周波数シフタ６１０の有するＭＺ変調部２１３ａ、６１３ａおよび２１３ｂ、６１３ｂも、もちろん変調電極を備えているが、構成を示す図２および図６では省略されていることを付記しておく。

また、図７に示す本発明の第２の実施形態に係る光周波数シフタ７１０では、ＭＺ変調部７１３ａおよび７１３ｂがｘ−ｃｕｔニオブ酸リチウムによって構成されており、変調電極７２０ａおよび７２０ｂは、単電極駆動用の電極であることとしたが、本発明は、この例に限定されるものではなく、ＭＺ変調部７１３ａおよび７１３ｂは、ｚ−ｃｕｔニオブ酸リチウムと分極反転によって構成し、変調電極７２０ａおよび７２０ｂは、単電極駆動用の電極であってもよいし、あるいはＭＺ変調部７１３ａおよび７１３ｂは、ｚ−ｃｕｔニオブ酸リチウムで構成し、変調電極７２０ａおよび７２０ｂは、二電極駆動用の電極であってもよいし、別の材料系で構成されたＭＺ変調部７１３ａおよび７１３ｂを使用してももちろん構わない。

また、図７に示す本発明の第２の実施形態に係る光周波数シフタ７１０では、変調電極７２０ｂから変調電極７２０ａに至る電気配線での損失を考慮して、ＭＺ変調部７１３ａおよび７１３ｂで同じ変調度を得るために、電気入力に近い変調電極７２０ｂの長さが、電気入力に遠い変調電極７２０ａの長さより短いこととした。しかしながら、本発明は、この例に限定されるものではない。

さらに、図７に示す本発明の第２の実施形態に係る光周波数シフタ７１０では、１入力２出力の光カプラ７１２としてＹ分岐を使用することとした。これは、この構成とすることで動作波長が広く分岐比ずれの小さな１入力２出力光カプラを提供できるからである。しかしながら、本発明は、この例に限定されるものではなく、１入力２出力光カプラとしては１入力２出力多モード干渉光カプラを使用してもよく、また方向性結合器や２入力２出力多モード干渉光カプラ、非対称Ｘ分岐などの２入力２出力光カプラの一方の入力ポートだけを使用してもよい。

また、図７に示す本発明の第２の実施形態に係る光周波数シフタ７１０では、２入力２出力の光カプラ７１４として、多モード干渉光カプラを使用することとした。これは、この構成とすることで動作波長が広い２入力２出力光カプラを提供できるからである。しかしながら、本発明は、この例に限定されるものではなく、方向性結合器や非対称Ｘ分岐、あるいはラティス型構成を使用した広帯域光カプラなど、別のカプラを使用してももちろん構わない。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る光周波数シフタによって得られる光スペクトルのシミュレーション値を示す図である。図８に示すように、このような構成によっても周波数シフトされた２光出力を得ることができる。

（第３の実施形態）
図９に、本発明の第３の実施形態に係る光変調器９００の構成を示す。図９に示す本発明の第３の実施形態の光変調器９００は、光周波数シフタ９１０と、光周波数シフタ９１０の２つの出力に夫々光学的に接続された光直交変調部９２４ａおよび９２４ｂと、光直交変調部９２４ａおよび９２４ｂの出力に光学的に接続され、２つの出力を合波する２入力１出力光カプラ９２５から構成されている。ここで、光周波数シフタ９１０としては、本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタを使用している。

ここで、図９に示す本発明の第３の実施形態に係る光変調器９００では、２入力１出力の光カプラ９２５としてＹ分岐を使用することとした。これは、この構成とすることで動作波長が広く分岐比ずれの小さな２入力１出力光カプラを提供できるからである。しかしながら、本発明は、この例に限定されるものではなく、２入力１出力光カプラとしては２入力１出力多モード干渉光カプラを使用してもよく、また方向性結合器や２入力２出力多モード干渉光カプラ、非対称Ｘ分岐などの２入力２出力光カプラの一方の出力ポートだけを使用してもよい。

また、図９に示す本発明の第３の実施形態に係る光変調器９００では、図２に示した本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタ２１０を使用することとしたが、これは、図６に示した本発明の第１の実施形態の変形に係る光周波数シフタ６１０を使用してもよく、図７に示した本発明の第２の実施形態に係る光周波数シフタ７１０を使用してももちろん構わない。

図９の光直交変調部９２４としては、図１０に示す構成で実現することができる。図１０に示す光直交変調部９２４は、入力用光ポート１０２６と、入力用光ポート１０２６に光学的に接続された１入力２出力の光カプラ１０２７と、１入力２出力の光カプラの２つの出力に夫々光学的に接続されたＭＺ変調部１０２８ａおよび１０２８ｂと、２つのＭＺ変調部１０２８ａおよび１０２８ｂの出力に光学的に接続された２入力２出力の光カプラ１０３０と、２入力２出力の光カプラ１０３０の一方の出力に光学的に接続された出力用光ポート１０３１と、他方の出力に光学的に接続されたモニタ用光ポート１０３２と、モニタ用光ポート１０３２に光学的に接続された光モニタ１０３３から構成されている。さらに、一方のＭＺ変調部（図１０の場合は、１０２８ｂ）と、２入力２出力光カプラ１０３０の間には、光にπ／２の遅延を与える光遅延線１０２９が設けられている。

このような構成にすると、第１の実施形態で数式を使用して説明したように、光直交変調部９２４ａへは光周波数が−ｆシフトした光が、光直交変調部９２４ｂへは、光周波数が＋ｆシフトした光が導かれる。したがって光周波数シフト量ｆを、シンボルレートの半分に等しくなるように設定することで、２入力１出力カプラ１０２５の出力としては全光ＯＦＤＭの信号が得られることとなる。

この構成では、±ｆの光周波数成分を弁別するための光遅延干渉計が不要であり、このためにサイズが小さく、また温度による遅延干渉計の特性変化を考慮する必要のない光変調器が提供できる。また、光遅延干渉計がないことから特定の波長グリッドでの動作に限られず、いかなる周波数グリッドであっても動作可能な光変調器が提供できる。

（第４の実施形態）
図１１に、本発明の第４の実施形態に係る光変調器１１００の構成を示す。図１１に示す本発明の第４の実施形態に係る光変調器１１００は、光周波数シフタ１１１０と、光周波数シフタ１１１０の２つの出力に、夫々光学的に接続された偏波多重光直交変調部１１３４ａおよび１１３４ｂと、光直交変調部１１３４ａおよび１１３４ｂの出力に光学的に接続され、２つの出力を合波する２入力１出力光カプラ１１２３から構成されている。ここで光周波数シフタ１１１０としては、本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタ２１０を使用している。

ここで、図１１に示す本発明の第４の実施形態に係る光周波数シフタ１１１０では、２入力１出力の光カプラ１１２３としてＹ分岐を使用することとした。これは、この構成とすることにより、動作波長が広く分岐比ずれの小さな２入力１出力光カプラを提供できるからである。しかしながら、本発明は、この例に限定されるものではなく、２入力１出力光カプラとしては２入力１出力多モード干渉光カプラを使用してもよく、また方向性結合器や２入力２出力多モード干渉光カプラ、非対称Ｘ分岐などの２入力２出力光カプラの一方の出力ポートだけを使用してもよい。

また、図１１に示す本発明の第４の実施形態に係る光変調器１１００では、図２に示した本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタ２１０を使用することとしたが、これは、図６に示した本発明の第１の実施形態の変形に係る光周波数シフタ６１０を使用してもよく、図７に示した本発明の第２の実施形態に係る光周波数シフタ７１０を使用しても、もちろん構わない。

さらに、図１１の偏波多重光直交変調部１１３４としては、図１２に示す構成で実現することができる。図１２に示す偏波多重光直交変調部１１３４は、入力用光ポート１２３５と、入力用光ポート１２３５に光学的に接続された１入力２出力の光カプラ１２３６と、１入力２出力の光カプラ１２３６の２つの出力に夫々光学的に接続された光直交変調部１２２４ａおよび１２２４ｂと、２つの光直交変調部１２２４ａおよび１２２４ｂの出力に光学的に接続された２入力１出力の偏波合波器１２３８と、２入力１出力の偏波合波器１２３８の出力に光学的に接続された出力用光ポート１２３９から構成されている。さらに、一方の光直交変調部（図１２の場合には１１２４ａ）と偏波合波器１２３８の間には、直交する偏波に光偏波を変換する偏波変換器１２３７が設けられている。ここで、光直交変調部１２２４ａおよび１２２４ｂとしては、図１０に示した構成をとることができる。

このような構成にすると、第１の実施形態で数式を使用して説明したように偏波多重光直交変調部１１３４ａへは光周波数が−ｆシフトした光が、偏波光直交変調部１１３４ｂへは光周波数が＋ｆシフトした光が導かれる。したがって光周波数シフト量ｆをシンボルレートの半分に等しくなるように設定することにより、２入力１出力カプラ１１２３の出力としては、偏波多重された全光ＯＦＤＭの信号が得られることとなる。

（第５の実施形態）
図１３に、本発明の第５の実施形態に係る光変調器１３００の構成を示す。図１３に示す本発明の第５の実施形態に係る光変調器１３００は、光周波数シフタ１３１０と、光周波数シフタ１３１０の２つの出力に夫々光学的に接続された２連光直交変調部１３４０ａおよび１３４０ｂと、２連光直交変調部１３４０ａおよび１３４０ｂの出力に光学的に接続され、２つの出力を合波する合波部１３４２から構成されている。ここで光周波数シフタ１３１０としては、本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタ２１０を使用している。

また、２連光直交変調部１３４０ａは、入力された光を２分岐するＹ分岐１３４１ａと、Ｙ分岐１３４１ａの２つの出力に光学的に接続された光直交変調部１３２４ａおよび１３２４ｂから構成されている。２連光直交変調部１３４０ｂは、入力された光を２分岐するＹ分岐１３４１ｂと、Ｙ分岐１３４１ｂの２つの出力に光学的に接続された光直交変調部１３２４ｃおよび１３２４ｄから構成されている。

さらに合波部１３４２は、２連光直交変調部１３４０ａおよび１３４０ｂの夫々一方の出力を合波するＹ分岐１３４３ａと、２連光直交変調部１３４０ａおよび１３４０ｂの夫々他方の出力を合波するＹ分岐１３４３ｂと、Ｙ分岐１３４３ａおよび１３４３ｂの出力を偏波合成する偏波合波器１３４５から構成されている。また、Ｙ分岐１３４３ａおよび１３４３ｂのいずれか一方（この場合は１３４３ａ）と偏波合波器１３４５の間には直交する偏波に偏波を変換する偏波変換器１３４４が設けられている。

ここで、図１１に示す本発明の第５の実施形態に係る光変調器１１００では、図２に示した本発明の第１の実施形態に係る光周波数シフタ２１０を使用することとしたが、これは図６に示した本発明の第１の実施形態の変形に係る光周波数シフタ６１０を使用してもよく、図７に示した本発明の第２実施形態に係る光周波数シフタ７１０を使用してももちろん構わない。

このような構成にすると、第１の実施形態で数式を使用して説明したように、２連偏波多重光直交変調部１３４０ａへは光周波数が−ｆシフトした光が、光直交変調部１３４０ｂへは光周波数が＋ｆシフトした光が導かれる。したがって光周波数シフト量ｆをシンボルレートの半分に等しくなるように設定することで、合波部１３４２の出力としては偏波多重された全光ＯＦＤＭの信号が得られることとなる。

なお、図１３に示した本発明の第５の実施形態の構成としては、図１３に示した構成以外に、図１４のように２連光直交変調部の空間配置が入れ子になるように配置しても、もちろん発明の効果を奏することができる。

２１０、６１０、７１０、９１０、１１１０、１３１０、１４１０ 光周波数シフタ
２１１、６１１、７１１、９１１、１０２６、１１１１、１２３５、１３１１、１４１１ 入力用光ポート
２１２、６１２、７１２、９１２、１１１２、１０２７、１２３６、１３１２、１３４１ａ，ｂ、１４１２、１４４１ａ，ｂ １入力２出力光カプラ
２１３ａ，ｂ、６１３ａ，ｂ、７１３ａ，ｂ、９１３ａ，ｂ、１０２８ａ，ｂ、１１１３ａ，ｂ、１３１３ａ，ｂ、１４１３ａ，ｂ マッハツェンダ変調部
２１４、６１４、７１４、９１４、１０３０、１１１４、１３１４、１４１４ ２入力２出力光カプラ
２１５ａ，ｂ、６１５ａ，ｂ、７１５ａ，ｂ、９１５ａ，ｂ、１０３１、１１１５ａ，ｂ、１２３９、１３１５ａ，ｂ、１４１５ａ，ｂ 出力用光ポート
２１６、６１６、７１６、９１６、１１１６、１３１６、１４１６ 信号発生器
２１７、６１７、７２２、９１７、１１１７、１３１７、１４１７ 電気遅延線
２１８ａ，ｂ、６１８ａ，ｂ、７１８ 電気アンプ
６１９、１０２９ 光遅延線
７２０ａ，ｂ 変調電極
７２１ 電気配線
７２３ 終端抵抗
９２４ａ，ｂ、１２２４ａ，ｂ、１３２４ａ，ｂ，ｃ，ｄ、１４２４ａ，ｂ，ｃ，ｄ 光直交変調部
９２５、１１２３、１３４３ａ，ｂ、１４４３ａ，ｂ ２入力１出力光カプラ
１０３２ モニタ用光ポート
１０３３ 光モニタ
１１３４ａ，ｂ 偏波多重光直交変調部
１２３７、１３４４、１４４４ 偏波変換器
１２３８、１３４５、１４４５ 偏波合波器
１３４０ａ，ｂ、１４４０ａ，ｂ ２連光直交変調部
１３４２、１４４２ 合波部

Claims (15)

1. １本の入力用光ポートと、
   前記１本の入力用ポートに光学的に接続された１入力２出力の光カプラと、
   前記１入力２出力の光カプラの２本の出力に光学的に夫々接続された２つのマッハツェンダ変調部と、
   前記２つのマッハツェンダ変調部の夫々の出力に光学的に接続された２入力２出力の光カプラと、
   前記２入力２出力の光カプラの２本の出力に光学的に接続された２本の出力用光ポートとを備え、
   前記２つのマッハツェンダ変調部が互いに位相が（２ｐ＋１）π／２（ｐ：整数）だけ異なる同一周波数の周期波形によって駆動されていることを特徴とする光周波数シフタ。
2. 前記２つのマッハツェンダ変調部のバイアスが夫々無駆動時に出力０となるように調整されていることを特徴とする請求項１に記載の光周波数シフタ。
3. 前記マッハツェンダ変調部の半波長電圧をＶπとするとき、前記マッハツェンダ変調部を駆動する前記周期波形の電圧全幅値が２Ｖπの６０％以上１２０％以内であることを特徴とする請求項１に記載の光周波数シフタ。
4. 前記１入力２出力の光カプラがＹ分岐であり、前記２入力２出力の光カプラが２入力２出力多モード干渉光カプラであることを特徴とする請求項１に記載の光周波数シフタ。
5. 前記２つのマッハツェンダ変調部の一方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極と、
   他方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極が縦続に接続されており、前記一方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極と、前記他方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極を接続する電気配線に、前記周期波形のπ／２だけの遅延が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光周波数シフタ。
6. 前記２つのマッハツェンダ変調部の一方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極と、
   他方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極の長さが、電気入力に近いマッハツェンダ変調部の備える変調電極が短く、電気入力に遠いマッハツェンダ変調部の備える変調電極が長くなっていることを特徴とする請求項５に記載の光周波数シフタ。
7. 光信号を生成する光変調器であって、
   １入力２出力の光周波数シフタ部と、
   前記１入力２出力の光周波数シフタ部の２本の出力に夫々光学的に接続された２つの光変調部と、
   前記２つの光変調部の夫々の出力に光学的に接続された光合波部とを備え、
   前記１入力２出力の光周波数シフタ部は、
   １本の入力用光ポートと、
   前記１本の入力用ポートに光学的に接続された１入力２出力の光カプラと、
   前記１入力２出力の光カプラの２本の出力に光学的に夫々接続された２つのマッハツェンダ変調部と、
   前記２つのマッハツェンダ変調部の夫々の出力に光学的に接続された２入力２出力の光カプラと、
   前記２入力２出力の光カプラの２本の出力に光学的に接続された２本の出力用光ポートとを備え、
   前記２つのマッハツェンダ変調部が互いに位相が（２ｐ＋１）π／２（ｐ：整数）だけ異なる同一周波数の周期波形によって駆動されていることを特徴とする光変調器。
8. 前記２つの変調部が夫々光直交変調部であり、前記光合波部が２入力１出力光カプラであることを特徴とする請求項７に記載の光変調器。
9. 前記２つの変調部が夫々偏波多重光直交変調部であり、前記光合波部が２入力１出力光カプラであることを特徴とする請求項７に記載の光変調器。
10. 前記２つの変調部が夫々１入力２出力の光カプラと該１入力２出力光カプラの２つの出力に夫々光学的に接続された２連光直交変調部であり、
    前記光合波部が、前記２つの２連光直交変調部の夫々一方の出力を合波する第１の２入力１出力光カプラと、
    前記２つの２連光直交変調部の夫々他方の出力を合波する第２の２入力１出力光カプラと、
    前記第１の光カプラの出力と前記第２の光カプラの出力とを偏波合成する偏波合波器から構成されており、前記第１の光カプラの出力あるいは前記第２の光カプラの出力のいずれか一方と前記偏波合波器との間に偏波変換器が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の光変調器。
11. 前記光周波数シフタが備える前記２つのマッハツェンダ変調部のバイアスが夫々無駆動時に出力０となるように調整されていることを特徴とする請求項７に記載の光変調器。
12. 前記光周波数シフタが備える前記マッハツェンダ変調部の半波長電圧をＶπとするとき、
    前記光周波数シフタが備えるマッハツェンダ変調部を駆動する前記周期波形の電圧全幅値が２Ｖπの６０％以上１２０％以内であることを特徴とする請求項７に記載の光変調器。
13. 前記光周波数シフタが備える前記１入力２出力の光カプラがＹ分岐であり、前記光周波数シフタが備える前記２入力２出力の光カプラが２入力２出力多モード干渉光カプラであることを特徴とする請求項７に記載の光変調器。
14. 前記光周波数シフタが備える前記２つのマッハツェンダ変調部の一方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極と、
    他方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極が縦続に接続されており、前記光周波数シフタが備える前記一方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極と、
    他方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極を接続する電気配線に、前記光周波数シフタを駆動する前記周期波形のπ／２だけの遅延が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の光変調器。
15. 前記光周波数シフタが備える前記２つのマッハツェンダ変調部の一方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極と、
    他方のマッハツェンダ変調部の備える変調電極の長さが、電気入力に近いマッハツェンダ変調部の備える変調電極が短く、電気入力に遠いマッハツェンダ変調部の備える変調電極が長くなっていることを特徴とする請求項１４に記載の光変調器。

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