JP5673283B2

JP5673283B2 - 偏波合成装置

Info

Publication number: JP5673283B2
Application number: JP2011069332A
Authority: JP
Inventors: 沢二真家; 孝知伊藤
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2031-03-28
Also published as: JP2012203282A

Description

本発明は、偏波合成装置に関する。

偏波面が直交した２つの光を合成する偏波合成装置として、特許文献１には、プリズムを用いて２つの光の光路を互いに平行にしてからこれらの光を複屈折結晶に入射させるようにした構成が示されている。また、特許文献２には、くさび型の複屈折結晶を用いることにより、偏波分離後の２つの光を別方向に出射させるようにした構成が示されている。

特開２００２−２５２４２０号公報特開２０１０−１３９６０２号公報

しかしながら、特許文献１の構成においては、光路中にプリズムを配置する必要があるため、装置を小型化するのが難しいという問題がある。また、特許文献２の構成においては、複屈折結晶自体をくさび型に形成するために特殊な加工を行わなければならないという問題がある。さらに、特許文献１および特許文献２のいずれにおいても、ＰＭＤ（偏波モード分散）や偏波クロストークなどの光学特性について、特段の検討はなされていなかった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、一般的な形状である平板状の複屈折結晶を用いた、小型且つＰＭＤおよび偏波クロストークの特性が良好な偏波合成装置を提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の偏波合成装置は、第１の変調光が伝搬する第１の導波路が出射端面に対して斜めに形成され、第２の変調光が伝搬する第２の導波路が前記第１の導波路と前記出射端面の双方に対して斜めに形成された光変調器と、前記第１の導波路から出射された前記第１の変調光と前記第２の導波路から出射された前記第２の変調光の光路を互いに平行にするレンズと、前記第１及び第２の変調光の少なくとも一方の偏波を回転させて当該２つの変調光間で偏波を異ならせる偏波回転部と、前記レンズの後段に設けられ、前記偏波が異なる第１の変調光と第２の変調光を偏波合成する偏波合成素子と、を備え、前記偏波合成素子の光伝搬方向の厚さは、前記偏波合成された第１及び第２の変調光間の偏波モード分散の０．４ｐｓに対応する第１の厚さよりも小さく、前記偏波合成された第１及び第２の変調光間の偏波クロストークの２７ｄＢに対応する第２の厚さよりも大きく設定されていることを特徴とする。

また、本発明の偏波合成装置は、上記の偏波合成装置において、前記偏波合成素子の材質はルチルであり、前記第１の厚さは１．１ｍｍであり、前記第２の厚さは０．５ｍｍであることを特徴とする。

また、本発明の偏波合成装置は、上記の偏波合成装置において、前記光変調器と前記レンズが第１筐体に固定されたユニットと、前記偏波回転部と前記偏波合成素子が出力用光ファイバとともに第２筐体に固定されたユニットと、により構成されたことを特徴とする。

また、本発明の偏波合成装置は、上記の偏波合成装置において、前記光変調器と前記偏波回転部が第１筐体に固定されたユニットと、前記レンズと前記偏波合成素子が出力用光ファイバとともに第２筐体に固定されたユニットと、により構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、一般的な形状である平板状の複屈折結晶を用いた、小型且つＰＭＤおよび偏波クロストークの特性が良好な偏波合成装置を実現することが可能である。

本発明の第１実施形態による偏波合成装置の構成を示す上面図である。偏波合成素子の厚さＬと入射光の離間距離Ｄの関係を示す図である。偏波合成素子の厚さＬの最適範囲を示す図である。本発明の第２実施形態による偏波合成装置の構成を示す上面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による偏波合成装置の構成を示す上面図である。この偏波合成装置１は、２つの変調光を偏波合成する偏波合成型変調器であって、入力光を変調する変調器本体１０と、変調器本体１０から出射された光をコリメートするとともに光軸が互いに平行となるよう光路を変換するレンズ２０と、レンズ２０から出射された光の偏波を回転させる１／２波長板３０ａと、１／２波長板３０ａと同じ光路長を有したガラス板３０ｂと、１／２波長板３０ａおよびガラス板３０ｂから出射された偏波の異なる光をその光路が一致するよう合成（偏波合成）する偏波合成素子４０と、偏波合成素子４０から出射された光を出力用光ファイバ６０の入射位置に集光するレンズ５０と、偏波合成された光を取り出すための出力用光ファイバ６０とを有している。

変調器本体１０とレンズ２０は、筐体７０内に固定されている。１／２波長板３０ａとガラス板３０ｂと偏波合成素子４０とレンズ５０と出力用光ファイバ６０は、筒状の筐体８０に収容されてユニット化されている。

変調器本体１０は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：ＬＮと称す）基板上に光導波路及び変調電極が形成されてなる光導波路素子（ＬＮ光変調器）である。
この変調器本体１０の光導波路は、マッハツェンダー導波路ＭＡの両アームにマッハツェンダー導波路ＭＢ，ＭＣが設けられ、マッハツェンダー導波路ＭＢの両アームにマッハツェンダー導波路１０１，１０２が、マッハツェンダー導波路ＭＣの両アームにマッハツェンダー導波路１０３，１０４が、それぞれ設けられた入れ子構造を有する。即ち、変調器本体１０への入力光は、マッハツェンダー導波路ＭＡの入力導波路１０６へ導入され、アーム上のマッハツェンダー導波路ＭＢとＭＣへ分岐される。また、マッハツェンダー導波路ＭＢへ入力された光は、マッハツェンダー導波路１０１と１０２へ分岐され、マッハツェンダー導波路ＭＣへ入力された光は、マッハツェンダー導波路１０３と１０４へ分岐される。そして、マッハツェンダー導波路１０１と１０２からの出力光は、マッハツェンダー導波路ＭＢにより合波されてマッハツェンダー導波路ＭＡのアーム１０８へ導入され、マッハツェンダー導波路１０３と１０４からの出力光は、マッハツェンダー導波路ＭＣにより合波されてマッハツェンダー導波路ＭＡのアーム１０９へ導入される。

マッハツェンダー導波路１０１〜１０４は、それぞれに設けられた不図示の変調電極とともにＬＮ光変調器を形成している。各ＬＮ光変調器１０１〜１０４の変調電極には、不図示の駆動回路から例えば２５Ｇｂ／ｓの駆動信号が与えられ、各ＬＮ光変調器１０１〜１０４は、２５Ｇｂ／ｓで変調された変調光を出力する。マッハツェンダー導波路ＭＢのＬＮ光変調器１０１と１０２の変調方式は、ここではＤＱＰＳＫ（差動四相位相偏移変調）を用いる。マッハツェンダー導波路ＭＣのＬＮ光変調器１０３と１０４の変調方式も同様である。ＤＱＰＳＫにより、マッハツェンダー導波路ＭＡのアーム１０８，１０９へ導入される光は、５０Ｇｂ／ｓの変調光となる。

マッハツェンダー導波路ＭＡのアーム１０８は、ＬＮ基板（変調器本体１０）の一端面Ｍの近傍部分（出力導波路１０８１）が、端面Ｍの法線に対して角度θ_１をなすように設けられている。また、同様に、マッハツェンダー導波路ＭＡのアーム１０９は、端面Ｍの近傍部分（出力導波路１０９１）が、端面Ｍの法線に対して角度θ_２をなすように設けられている。角度θ_１，θ_２は、アーム１０８とアーム１０９がＬＮ基板の内部で交差するような角度である。このような導波路配置により、出力導波路１０８１からは図１中の下方へ向けて斜めに光が出射され、出力導波路１０９１からは図１中の上方へ向けて斜めに光が出射されることとなる。なお、出力導波路１０８１，１０９１が端面Ｍに対して斜めに設けられていることにより、端面Ｍから出力導波路１０８１，１０９１への戻り光を低減することができる。

レンズ２０は、変調器本体１０（出力導波路１０８１，１０９１）から出射された２つの光がコリメートされ、且つレンズ２０を通過後にこれら２つの光の伝搬方向が互いに平行となるように、その焦点距離ｆ_１と配置（レンズ２０と出力導波路１０８１，１０９１の出射端との距離、およびレンズ２０の光軸方向）が調整されている。上記のとおりレンズ２０へ入射される光がレンズ２０の光軸に対して斜め方向を向いているため、焦点距離ｆ_１とレンズ２０の配置の調整により、レンズ２０からの出射光を互いに平行にすることが可能である。よって、従来（特許文献１）のように光路を変換するためのプリズムが必要なく、部品点数の削減と小型化を図ることができる。

レンズ２０の焦点距離は、ｆ_１＝１．８ｍｍとする。これは、焦点距離を長くすると、（１）変調器本体１０とレンズ２０間の距離が長くなり小型化に反する、（２）コリメートされた光のビーム径が太くなるため後述する偏波クロストーク劣化の問題が生じる、また、焦点距離を短くすると、（３）コリメート光とみなせる有効距離が偏波合成素子４０の厚さＬより短くなってしまうことにより偏波合成素子４０からの出射光を完全に偏波合成できない、等の点を考慮したものである。

１／２波長板３０ａは、レンズ２０を通過した２つの平行光のうち、出力導波路１０９１から出射された方の光の偏波面を９０°回転させる。また、ガラス板３０ｂは、出力導波路１０８１から出射された方の光に、出力導波路１０９１から出射された方の光が１／２波長板３０ａから受ける位相遅延と同じ位相遅延を付与する（偏波面は変化させない）。これにより、１／２波長板３０ａを出射した光とガラス板３０ｂを出射した光は、互いに偏波面が９０°傾いた状態（位相差なし）になる。

偏波合成素子４０は、平板状に形成された複屈折媒質であり、１／２波長板３０ａを通過し偏波合成素子４０へ入射した光（出力導波路１０９１からの出射光）が常光ＬＯとして偏波合成素子４０内を伝搬し、ガラス板３０ｂを通過し偏波合成素子４０へ入射した光（出力導波路１０８１からの出射光）が異常光ＬＥとして偏波合成素子４０内を伝搬するように、その光学軸の向きが設定されている。これにより、１／２波長板３０ａおよびガラス板３０ｂから偏波合成素子４０の異なる入射位置に入射された２つの光が同一の光路上に出射されて、互いの偏波面が直交する５０Ｇｂ／ｓの変調光が合成されてなる１００Ｇｂ／ｓの変調光が得られる。偏波合成素子４０としては、例えば、ルチルや方解石から作られたものを用いることができる。

レンズ５０は、焦点距離ｆ_２を有し、偏波合成素子４０を通過した偏波合成された光（コリメート光）を焦点位置に集光する。出力用光ファイバ６０は、その入射側のコア端面がレンズ５０の焦点位置にくるようにして配置される。これにより、偏波合成素子４０からの光が出力用光ファイバ６０へ結合されて、偏波合成された１００Ｇｂ／ｓの変調光が偏波合成装置１の出力として外部へ取り出される。

次に、上記の偏波合成装置１を小型にし、且つＰＭＤおよび偏波クロストークの特性を良好にするためのより具体的な構成について説明する。

図１の偏波合成装置１において、偏波合成素子４０内を伝搬する異常光ＬＥの伝搬方向は、常光ＬＯの伝搬方向に対し、偏波合成素子４０の複屈折（常光に対する屈折率ｎ_ｏと異常光に対する屈折率ｎ_ｅの差）に応じた角度θだけ傾いている。このとき、１／２波長板３０ａおよびガラス板３０ｂから偏波合成素子４０へ入射する互いの偏波が直交した２つの光（平行光）の離間距離をＤ（図１参照）とすると、この２つの光が偏波合成素子４０を通過して同一光路上に出射される（すなわち偏波合成される）ために必要な偏波合成素子４０の厚さＬ（常光ＬＯの伝搬方向の長さ、図１参照）は、Ｌ＝Ｄ／ｔａｎθと表される。図２に、偏波合成素子４０としてルチル結晶を用いた場合の結晶厚さＬと離間距離Ｄの関係を示す（ｎ_ｏ＝２．４５、ｎ_ｅ＝２．７１、θ＝５．６８°）。上式および図２から、離間距離Ｄが小さいほど偏波合成素子４０の厚さＬを小さくすることが可能である。

ここで、偏波合成素子４０（１／２波長板３０ａ、ガラス板３０ｂ）への入射光はレンズ２０によってコリメートされ有限のビーム径を有しているから、上述の離間距離Ｄが小さすぎると、これら２つの入射光同士が重なって（２つのビームがオーバーラップして）しまう。但し、ビームの中心間の距離を離間距離Ｄと定義するものとする。そうすると、１／２波長板３０ａへ出力導波路１０８１からの光の一部が、また、ガラス板３０ｂへ出力導波路１０９１からの光の一部が、それぞれ望まれない漏れ光として入射してしまうこととなる。このため、偏波合成素子４０へ入射する２つの光の離間距離Ｄが小さい場合には、偏波合成素子４０の出射光における２つの偏波間の偏波クロストークが劣化する。

したがって、本実施形態の偏波合成装置１では、上記のような偏波クロストークの劣化を防止するために、離間距離Ｄが小さくなりすぎないよう偏波合成素子４０の厚さＬに下限値を設けることとする。具体的には、偏波合成素子４０の厚さＬは、偏波クロストークが偏波合成装置１の伝送特性として許容される最小値よりも大きくなるような、所定値Ｌ_ｍｉｎよりも大きい範囲に設定することとする。

図３の曲線Ｃ１に、偏波合成素子４０としてルチル結晶を用いた場合における、偏波合成素子４０の厚さＬ（横軸）と偏波クロストーク（右側縦軸）の関係（計算例）を示す。この図によれば、偏波クロストークの許容最小値を２７ｄＢとするとＬ_ｍｉｎ≒０．５ｍｍであることから、偏波合成素子４０の厚さＬは、０．５ｍｍ＜Ｌの範囲に設定すればよいことが分かる。

一方、偏波合成素子４０内において常光ＬＯと異常光ＬＥは光路長差を有しているから、偏波合成素子４０の厚さＬが大きすぎると、偏波合成素子４０から出射される２つの偏波間の遅延時間が大きくなって、ＰＭＤが劣化する。
したがって、本実施形態の偏波合成装置１では、このようなＰＭＤの劣化を防止するために、偏波合成素子４０の厚さＬに上限値を設けることとする。具体的には、偏波合成素子４０の厚さＬは、ＰＭＤが偏波合成装置１の伝送特性として許容される最大値よりも小さくなるような、所定値Ｌ_ｍａｘよりも小さい範囲に設定することとする。

図３の曲線Ｃ２に、偏波合成素子４０としてルチル結晶を用いた場合における、偏波合成素子４０の厚さＬ（横軸）とＰＭＤ（左側縦軸）の関係を計算した例を示す。この図によれば、ＰＭＤの許容最大値を０．４ｐｓとするとＬ_ｍａｘ≒１．１ｍｍであることから、偏波合成素子４０の厚さＬは、Ｌ＜１．１ｍｍの範囲に設定すればよいことが分かる。

以上のように、偏波合成素子４０の厚さＬを０．５ｍｍ＜Ｌ＜１．１ｍｍの範囲（レンズ２０の焦点距離をｆ_１＝１．８ｍｍとし偏波合成素子４０としてルチル結晶を用いた場合）に設定することにより、小型で、且つ良好なＰＭＤおよび偏波クロストークの特性を持った偏波合成装置１が実現可能となる。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態による偏波合成装置の構成を示す上面図である。この偏波合成装置２は、１／２波長板３０ａおよびガラス板３０ｂが変調器本体１０の出射側の端面Ｍに接合されている点と、レンズ２１が図１のレンズ２０および５０に代えて用いられている点が、第１実施形態による偏波合成装置１と異なっている。以下、偏波合成装置１との相違点を中心に偏波合成装置２の説明を行う。なお、以下に説明の無い点に関しては、偏波合成装置１と偏波合成装置２は同一の構成である。

１／２波長板３０ａは、出力導波路１０９１から出射された光の偏波面を９０°回転させる。また、ガラス板３０ｂは、出力導波路１０８１から出射された光に、出力導波路１０９１から出射された光が１／２波長板３０ａから受ける位相遅延と同じ位相遅延を付与する（偏波面は変化させない）。これにより、１／２波長板３０ａを出射した光とガラス板３０ｂを出射した光は、第１実施形態と同様、互いに偏波面が９０°傾いた状態（位相差なし）になる。

レンズ２１は、１／２波長板３０ａとガラス板３０ｂから出射された２つの光が出力用光ファイバ６０の入射側のコア端面に集光し、且つレンズ２１を通過後にこれら２つの光の伝搬方向が互いに平行となるように、その焦点距離ｆ_１と配置（レンズ２１と出力導波路１０８１，１０９１の出射端との距離、およびレンズ２１の光軸方向）が調整されている。すなわち、レンズ２１を用いた偏波合成装置２の光学系は、集光光学系である。ここで、レンズ２１へ入射される光は、（変調器本体１０が第１実施形態と同一構成であるため）第１実施形態と同じくレンズ２１の光軸に対して斜め方向を向いている。よって、第１実施形態と同様、焦点距離ｆ_１とレンズ２１の配置の調整により、レンズ２１からの出射光を互いに平行にすることが可能であり、従来（特許文献１）のように光路を変換するためのプリズムが必要なく、部品点数の削減と小型化を図ることができる。

偏波合成素子４０は、平板状に形成された複屈折媒質であり、１／２波長板３０ａとレンズ２１を順に通過し偏波合成素子４０へ入射した光（出力導波路１０９１からの出射光）が常光ＬＯとして偏波合成素子４０内を伝搬し、ガラス板３０ｂとレンズ２１を順に通過し偏波合成素子４０へ入射した光（出力導波路１０８１からの出射光）が異常光ＬＥとして偏波合成素子４０内を伝搬するように、その光学軸の向きが設定されている。これにより、第１実施形態と同様、偏波合成素子４０の異なる入射位置に入射された２つの光が同一の光路上に出射されて、互いの偏波面が直交する５０Ｇｂ／ｓの変調光が合成されてなる１００Ｇｂ／ｓの変調光が得られる。

偏波合成素子４０の厚さＬは、第１実施形態と同様に、０．５ｍｍ＜Ｌ＜１．１ｍｍの範囲（レンズ２１の焦点距離をｆ_１＝１．８ｍｍとし偏波合成素子４０としてルチル結晶を用いた場合）に設定する。これにより、小型で、且つ良好なＰＭＤおよび偏波クロストークの特性を持った偏波合成装置２が実現可能となる。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。変形例を以下に列挙する。

出力導波路１０８１，１０９１とＬＮ基板の端面Ｍの法線のなす角度θ_１，θ_２を、端面Ｍに近いほどアーム１０８，１０９間の距離が小さくなる（出力導波路１０８１，１０９１がＬＮ基板の内部で交差しない）ような角度とし、変調器本体１０の外部においてアーム１０８，１０９からの各出射光が交差するようにしてもよい。
第１実施形態の偏波合成装置１において、１／２波長板３０ａとガラス板３０ｂを第２実施形態の偏波合成装置２のように変調器本体１０の出射側の端面Ｍに接合させた構成としてもよい。
第２実施形態の偏波合成装置２において、１／２波長板３０ａとガラス板３０ｂを第１実施形態の偏波合成装置１のようにレンズ２１と偏波合成素子４０との間に配置した構成としてもよい。
１／２波長板３０ａによる偏波面の回転角度が４５°となるようにし、ガラス板３０ｂに代えて、１／２波長板３０ａの偏波面回転方向とは反対方向に偏波面を４５°回転させる１／２波長板を使用して、この１／２波長板と１／２波長板３０ａとによって２つの光の偏波面を相対的に９０°傾いた状態とするようにしてもよい。
上記実施形態では偏波合成型変調器を一例にとって説明をしたが、本発明はこれに限られるものではなく、２つの異なる偏波を合成するものであれば、他の光機能デバイスを用いた構成にも同様に本発明を適用可能である。

１，２…偏波合成装置１０…変調器本体ＭＡ，ＭＢ，ＭＣ，１０１〜１０４…マッハツェンダー導波路１０６…入力導波路１０８，１０９…マッハツェンダー導波路のアーム１０８１，１０９１…出力導波路２０，２１，５０…レンズ３０ａ…１／２波長板３０ｂ…ガラス板４０…偏波合成素子６０…出力用光ファイバ７０，８０…筐体

Claims

第１の変調光が伝搬する第１の導波路が出射端面に対して斜めに形成され、第２の変調光が伝搬する第２の導波路が前記第１の導波路と前記出射端面の双方に対して斜めに形成された光変調器と、
前記第１の導波路から出射された前記第１の変調光と前記第２の導波路から出射された前記第２の変調光の光路を互いに平行にするレンズと、
前記第１及び第２の変調光の少なくとも一方の偏波を回転させて当該２つの変調光間で偏波を異ならせる偏波回転部と、
前記レンズの後段に設けられ、前記偏波が異なる第１の変調光と第２の変調光を偏波合成する偏波合成素子と、
を備え、
前記偏波合成素子の光伝搬方向の厚さは、前記偏波合成された第１及び第２の変調光間の偏波モード分散の０．４ｐｓに対応する第１の厚さよりも小さく、前記偏波合成された第１及び第２の変調光間の偏波クロストークの２７ｄＢに対応する第２の厚さよりも大きく設定されている
ことを特徴とする偏波合成装置。
前記偏波合成素子の材質はルチルであり、
前記第１の厚さは１．１ｍｍであり、
前記第２の厚さは０．５ｍｍである
ことを特徴とする請求項１に記載の偏波合成装置。
前記光変調器と前記レンズが第１筐体に固定されたユニットと、
前記偏波回転部と前記偏波合成素子が出力用光ファイバとともに第２筐体に固定された
ユニットと、
により構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の偏波合成装置。
前記光変調器と前記偏波回転部が第１筐体に固定されたユニットと、
前記レンズと前記偏波合成素子が出力用光ファイバとともに第２筐体に固定されたユニ
ットと、
により構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の偏波合成装置。