JP5551475B2 - 位相変調器および光変調装置 - Google Patents
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Description
(光変調器の構成)
図1は、実施の形態にかかる光変調器の構成を示す平面図である。図1に示すように、実施の形態にかかる光変調器100は、入力部110と、分岐部120と、第一導波路131と、第二導波路132と、干渉部140と、第一出力部151と、第二出力部152と、第一液晶セル161と、第二液晶セル162と、を備えるMZI型変調器である。入力部110には、光変調器100への入力光が入力される。入力部110は、入力光を分岐部120へ出力する。
図2は、図1に示した光変調器を備える光変調装置の構成を示す図である。図2に示すように、光変調装置200は、光変調器100と、基準信号生成部210と、位相変調信号生成部220と、第一PD(Photo Diode)231と、第二PD232と、増幅器240と、ピーク検出器250と、ロックインアンプ260と、を備えている。基準信号生成部210、位相変調信号生成部220、第一PD231、第二PD232、増幅器240、ピーク検出器250およびロックインアンプ260は、光変調器100の制御系である。
図3は、液晶セルにおける位相変調特性と誤差信号との関係を示すグラフである。図3において、横軸は第一導波路131と第二導波路132との間の位相差δφ[rad]を示している。なお、この図では、第一液晶セル161で制御できる位相変調範囲を約2πとしてその範囲での光変調器100の応答特性の一例を示している。縦軸は、光変調器100の出力(たとえば第二出力部152の出力)を示している。応答特性311は、ディザ信号が変調範囲の丁度半分の位相量を与えたときの光変調器100出力応答特性の一例を示している。
図4は、ロックインアンプの出力信号を示すグラフの一例である。図4において、横軸は第一導波路131と第二導波路132との間の位相差δφ[rad]を示している。たとえば、第一液晶セル161の位相変調によって調節可能な位相量の範囲を2πとし、ディザ信号の微小位相振幅hをπ/10とする。この場合は、上記(3)式に示したロックインアンプ260の出力信号Vは、図4に示す出力波形410のようになる。
一般に、液晶セルは、DC成分が印加されると残留イオン成分の局在や液晶材料などの分解が発生して劣化する。このため、第一液晶セル161に印加する位相変調信号は交番電界にするとよい。また、残留不純物イオンが液晶層内で形成する空間電荷層の発生を抑えるために、第一液晶セル161に印加する位相変調信号については、不純物イオンに起因する誘電分散特性を考慮するとよい。たとえば、第一液晶セル161に印加する位相変調信号は、kHzオーダ以上(10[kHz]〜20[kHz]程度)の周波数とする。
図6は、液晶セルの動作(水平配向セル)を示す図である。第一液晶セル161および第二液晶セル162(図1参照)のそれぞれには、たとえば、図6に示す水平配向のネマティック液晶600(NLC:Nematic Liquid Crystal)を用いることができる。図6において、進行方向601は光の進行方向を示し、偏光方向602は光の偏光方向を示している。
図8は、液晶セルの構成例を示す正面断面図である。図9は、図8に示した液晶セルの平面図である。第一液晶セル161および第二液晶セル162は、互いに積層されて一体的に形成されている。たとえば、第一液晶セル161および第二液晶セル162は、図8および図9に示す2層液晶セルモジュール800によって実現することができる。
第一液晶セル161の位相変調信号に対する応答時間tは、第一液晶セル161のセル厚d1の2乗に比例する(t∝d12)。1.5〜1.6μm帯(CバンドおよびLバンド)の光通信波長において、液晶材料は正常分散を示すので、Δn(=ne−no)は通常0.1程度となる。したがって、たとえば1.6μmの波長で2πの位相変調を行うためには、セル厚d1は下記(4)式を満たす必要がある。
図10は、図1に示した光変調器の変形例1を示す平面図である。図10において、図1に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図10に示すように、光変調器1000は、スプリッタ1010と、ミラー1020と、ミラー1030と、コンバイナ1040と、第一液晶セル161と、第二液晶セル162と、を備えている。スプリッタ1010、ミラー1020、ミラー1030およびコンバイナ1040は、入力光1001を分岐し、分岐した各光を干渉させる光干渉計を構成している。また、図示はしないがスプリッタ1010とミラー1020との間の光路に両側アームの位相差を調整するための位相遅延素子や位相遅延線を挿入してもよい。
110,1610,2011,2111,2311 入力部
120 分岐部
131,1641 第一導波路
132,1642 第二導波路
140 干渉部
151,1651,2012,2112,2312 第一出力部
152,1652,2013,2113 第二出力部
161,1682,2062,2162,2172,2262,2272,2352 第一液晶セル
162,1681,2061,2161,2171,2261,2271,2351 第二液晶セル
200 光変調装置
210 基準信号生成部
220 位相変調信号生成部
231 第一PD
232 第二PD
240 増幅器
250 ピーク検出器
260 ロックインアンプ
311〜313 応答特性
320 基準信号
331〜333 誤差信号
410 出力波形
600,700 ネマティック液晶
601,701 進行方向
602,702,2181〜2183 偏光方向
611,711,811,1813 第一基板
612,712,812,1814 第二基板
620,720 液晶分子群
800,1800 2層液晶セルモジュール
813 中間基板
821,1841 第一液晶層
822,1842 第二液晶層
831〜834,1851〜1854 配向膜
910,1910 電極接続面
1001,1101,1201,1301 入力光
1002,1003,1102,1103,1202,1302 出力光
1010,1110 スプリッタ
1020,1030,1320,1330 ミラー
1040,1120 コンバイナ
1210,1310 方向性結合器
1220 リング導波路
1620,2020,2120,2320 サーキュレータ
1630,1710 光カプラ
1643,1644,2230 レンズ
1670,2050,2140 反射部
1680,2060,2160,2170,2260,2270,2350 液晶部
1720 ループミラー
1811 シリコン基板
1812 LCOSガラス基板
1821 CMOS層
1831 反射層
2030 第一コリメータレンズ
2040,2130,2340 ハーフミラー
2070 第二コリメータレンズ
2150 PBS
2163,2164,2173,2174 分子方向
2210 コリメートレンズ
2220 分光器
2263,2273 反射電極部
2330 コリメータ
d1,d2 セル厚
Claims (18)
- 一対の基板間に第一液晶層を備えた第一液晶セルと、一対の基板間に第二液晶層を備えた第二液晶セルと、前記第一液晶セルと前記第二液晶セルとのそれぞれを駆動する駆動回路を備えた位相変調器であって、
前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルは、互いに積層されて形成され、
前記第二液晶層は、前記第一液晶層より薄く、
前記駆動回路は、前記第一液晶セルを通過した光を遅延させ、光の位相を制御する位相変調信号を前記第一液晶セルに印加する位相変調手段と、前記第二液晶セルを通過した光を遅延させ、光の位相を微小制御する微小位相変調信号を前記第二液晶セルに印加する微小変調手段とを備え、
前記駆動回路は、前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルを通過した光に含まれる、前記微小位相変調信号による変化成分を検出し、検出結果に基づいて前記位相変調信号を制御することを特徴とする位相変調器。 - 前記第二液晶セルの液晶層の厚さは、前記第一液晶セルの厚さの1/4以下であることを特徴とする請求項1に記載の位相変調器。
- 前記第一液晶セルの一方の基板と前記第二液晶セルの一方の基板とが共通であることを特徴とする請求項1または2に記載の位相変調器。
- 前記第一液晶セルまたは前記第二液晶セルに入射する入力光の偏光方向が、前記第一液晶セルまたは前記第二液晶セルの遅相軸に平行となることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の位相変調器。
- 前記第一液晶セルまたは前記第二液晶セルに入射する入力光の通過位置に、偏光子または偏光ビームスプリッタを配置することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の位相変調器。
- 前記第一液晶セルと同構成で、遅相軸を90度変えた第一補正液晶セルと、前記第二液晶セルと同構成で、遅相軸を90度変えた第二補正液晶セルをそれぞれ重ねて配置したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の位相変調器。
- 入力光を分岐し、分岐した各光を干渉させる光干渉計と、
位相変調器と、を備え、
前記位相変調器は、
一対の基板間に第一液晶層を備えた第一液晶セルと、一対の基板間に第二液晶層を備えた第二液晶セルと、前記第一液晶セルと前記第二液晶セルとのそれぞれを駆動する駆動回路を備えた位相変調器であって、
前記第二液晶層は、前記第一液晶層より薄く、
前記駆動回路は、前記第一液晶セルを通過した光を遅延させ、光の位相を制御する位相変調信号を前記第一液晶セルに印加する位相変調手段と、前記第二液晶セルを通過した光を遅延させ、光の位相を微小制御する微小位相変調信号を前記第二液晶セルに印加する微小変調手段とを備え、前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルを通過した光に含まれる、前記微小位相変調信号による変化成分を検出し、検出結果に基づいて前記位相変調信号を制御し、
前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルのそれぞれは、前記各光のいずれかを通過させることを特徴とする光変調装置。 - 前記光干渉計は、入力部と分岐部と第一導波路と第二導波路と干渉部とを備え、前記第一液晶セルと前記第二液晶セルは、前記第一導波路または前記第二導波路のいずれかに配置されていることを特徴とする請求項7に記載の光変調装置。
- 前記光干渉計は、スプリッタと複数のミラーとコンバイナとを備え、前記第一液晶セルと前記第二液晶セルは、前記複数のミラーの間に配置されることを特徴とする請求項7に記載の光変調装置。
- 前記光干渉計は、スプリッタとコンバイナとを備え、前記第一液晶セルと前記第二液晶セルは、前記スプリッタと前記コンバイナとの間に配置され、前記スプリッタと前記コンバイナとの間で光が多重反射することを特徴とする請求項7に記載の光変調装置。
- 前記光干渉計は、方向性結合器とリング導波路とを備え、前記第一液晶セルと前記第二液晶セルは、前記リング導波路内に配置されることを特徴とする請求項7に記載の光変調装置。
- 前記光干渉計は、方向性結合器と複数のミラーとを備え、前記第一液晶セルと前記第二液晶セルは、前記複数のミラー間に配置されることを特徴とする請求項7に記載の光変調装置。
- 入力光を分岐し、分岐した各光を干渉させる光干渉計と、
位相変調器と、を備え、
前記位相変調器は、
一対の基板間に第一液晶層を備えた第一液晶セルと、一対の基板間に第二液晶層を備えた第二液晶セルと、前記第一液晶セルと前記第二液晶セルとのそれぞれを駆動する駆動回路を備えた位相変調器であって、
前記第二液晶層は、前記第一液晶層より薄く、
前記駆動回路は、前記第一液晶セルを通過した光を遅延させ、光の位相を制御する位相変調信号を前記第一液晶セルに印加する位相変調手段と、前記第二液晶セルを通過した光を遅延させ、光の位相を微小制御する微小位相変調信号を前記第二液晶セルに印加する微小変調手段とを備え、前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルを通過した光に含まれる、前記微小位相変調信号による変化成分を検出し、検出結果に基づいて前記位相変調信号を制御し、
前記第一液晶セルまたは前記第二液晶セルは、前記各光のいずれかを反射させる反射型液晶素子であり、
前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルのそれぞれは、前記各光のいずれかを通過させることを特徴とする光変調装置。 - 前記光干渉計は、入力部と、サーキュレータと、光カプラと、第一導波路および第二導波路とを備え、前記第一導波路または、前記第二導波路から出力された光が照射する位置に前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルが配置されていることを特徴とする請求項13に記載の光変調装置。
- 前記光干渉計は、入力部と、サーキュレータと、コリメータレンズと、ハーフミラーと、反射部とを備え、前記ハーフミラーは、前記コリメータレンズから出射された光の一部を反射させて前記反射部へ出射し、前記コリメータレンズから出射された残りの光が照射する位置に、前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルが配置されていることを特徴とする請求項13に記載の光変調装置。
- 前記光干渉計は、入力部と、サーキュレータと、ハーフミラーと、反射部と、偏光ビームスプリッタとを備え、前記ハーフミラーは、前記サーキュレータから出力された光の一部を反射させて前記反射部へ出力するとともに、前記サーキュレータから出力された残りの光を前記偏光ビームスプリッタに出力し、前記偏光ビームスプリッタから出力された光が照射される位置に、前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルが配置されていることを特徴とする請求項13に記載の光変調装置。
- 前記光干渉計は、コリメートレンズと、反射部と、分光器と、ハーフミラーと、偏光ビームスプリッタとを備え、前記ハーフミラーは、入力光の一部を反射させて前記反射部へ出力するとともに、残りの光を前記コリメートレンズに出力し、前記分光器は、前記コリメートレンズから出射された光を波長毎に分光し、前記分光した各光を前記偏光ビームスプリッタへ出射し、前記偏光ビームスプリッタから出力された波長毎の前記各光が照射される位置に、前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルが配置されていることを特徴とする請求項13に記載の光変調装置。
- 前記光干渉計は、入力部と、サーキュレータと、コリメータと、ハーフミラーとを備え、前記コリメータから出射された光を前記ハーフミラーに照射し、前記ハーフミラーを通過した光が照射される位置に、前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルが配置されていることを特徴とする請求項13に記載の光変調装置。
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