JP6306939B2 - Control method of Mach-Zehnder type optical modulator - Google Patents
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Description
本発明は光ファイバ通信において使用するマッハツェンダ型光変調器、マッハツェンダ変調器を組み合わせた光ＩＱ変調器の構造、およびそれらの制御方法に関する。 The present invention relates to a Mach-Zehnder type optical modulator used in optical fiber communication, a structure of an optical IQ modulator combined with a Mach-Zehnder modulator, and a control method thereof.
光ファイバ通信においては、光を符号変調する外部変調器としてマッハツェンダ（ＭＺ：Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）型の光変調器が用いられている。従来、干渉計を構成する光導波路としてニオブ酸リチウム（ＬＮ）等の誘電体を用いたマッハツェンダ型光変調器が用いられていたが、近年、光導波路にＩｎＰ等の半導体材料を用いたマッハツェンダ型光変調器の使用が進められている。半導体マッハツェンダ光変調器は、ＬＮを用いた光変調器に比べて小型であるという特長を有しており、光送信装置の小型化を実現するために有望な技術である。 In optical fiber communication, a Mach-Zehnder (MZ) optical modulator is used as an external modulator for code-modulating light. Conventionally, a Mach-Zehnder type optical modulator using a dielectric material such as lithium niobate (LN) has been used as an optical waveguide constituting the interferometer, but in recent years, a Mach-Zehnder type using a semiconductor material such as InP for the optical waveguide. The use of optical modulators is ongoing. The semiconductor Mach-Zehnder optical modulator has a feature that it is smaller than an optical modulator using LN, and is a promising technology for realizing a reduction in the size of an optical transmitter.
マッハツェンダ型光変調器は、分波器で分波され干渉計を構成する２つの光導波路を伝搬する光が合波器で合波され、その干渉によって出力光の強度変化・位相変化を生じさせる光変調器である。光変調器の性能を表す指標として、光出力が最小となる場合の光出力と最大となる場合の光出力の比が重要であり、これを消光比という。消光比が小さいと、変調時に受信感度の劣化やチャープと呼ばれる光周波数変動による伝搬時の波形劣化を引き起こす。また、マッハツェンダ型光変調器を要素としてＩＱ変調器を構成し、直交多値変調を行う場合に消光比が小さいと著しい信号品質劣化を引きおこす。 In the Mach-Zehnder optical modulator, the light that is demultiplexed by the demultiplexer and propagates through the two optical waveguides constituting the interferometer is combined by the combiner, and the interference causes the intensity change and phase change of the output light. It is an optical modulator. As an index representing the performance of the optical modulator, the ratio of the light output when the light output is minimum to the light output when it is maximum is important, and this is called the extinction ratio. When the extinction ratio is small, the reception sensitivity is deteriorated during modulation and the waveform is deteriorated during propagation due to optical frequency fluctuations called chirp. In addition, when an IQ modulator is configured with a Mach-Zehnder type optical modulator as an element and orthogonal multi-level modulation is performed, if the extinction ratio is small, significant signal quality deterioration is caused.
図４は、一般的なＩＱ変調器の構成を示す。図４には、光分波器４０１と、Ｉチャネル用ＭＺ型光変調器４１０と、Ｑチャネル用ＭＺ型光変調器４２０と、π／２位相シフタ４０２と、光合波器４０３とを含むＩＱ変調器が示されている。
FIG. 4 shows a configuration of a general IQ modulator. 4 includes an
図４に示されるように、ＩＱ変調器は２つのマッハツェンダ変調器を並列接続したものであり、直交する光電界成分（Ｉチャネル、Ｑチャネル）を独立して変調する構成をとるものである。 マッハツェンダ型光変調器の分波器の分岐比が等しく、２つの光導波路の伝搬損失が等しく、さらに合波器の分岐比が等しい場合は、干渉計における光の位相差がゼロのときに、２つの光導波路を伝搬する光の電界が強めあって光出力が２倍となり、２つの光導波路を伝搬する光の位相差がπのとき、２つの光が完全に打ち消しあい、マッハツェンダ型光変調器の光出力はゼロになる。 As shown in FIG. 4, the IQ modulator is formed by connecting two Mach-Zehnder modulators in parallel, and has a configuration for independently modulating orthogonal optical electric field components (I channel and Q channel). When the branching ratio of the demultiplexer of the Mach-Zehnder type optical modulator is equal, the propagation loss of the two optical waveguides is equal, and the branching ratio of the multiplexer is equal, when the phase difference of light in the interferometer is zero, When the electric field of light propagating through two optical waveguides is strengthened and the optical output is doubled, and the phase difference of the light propagating through the two optical waveguides is π, the two lights completely cancel each other, and Mach-Zehnder light modulation The light output of the instrument is zero.
しかしながら、実際の変調器は、製造誤差や欠陥によって、合分波器の分岐比は必ずしも等しくなく、また、２つの導波路を伝搬する光の伝搬損失も等しくない。その結果、２つの光導波路を伝搬する光の位相差がπであっても、干渉する光の強度が異なるために２つの光が完全に打ち消しあわず、出力光はゼロでは無く有限の値を持つことになる。 However, in an actual modulator, the branching ratio of the multiplexer / demultiplexer is not necessarily equal due to manufacturing errors and defects, and the propagation loss of light propagating through the two waveguides is not equal. As a result, even if the phase difference of the light propagating through the two optical waveguides is π, the intensity of the interfering light is different, so the two lights do not completely cancel each other, and the output light is not zero but has a finite value. Will have.
上述のように、消光比が小さいと、変調時に、受信感度の劣化やチャープと呼ばれる光周波数変動による伝搬時の波形劣化を引き起こす。したがって、いずれの変調方式の動作状態であっても、出力光が最小となるように変調電極に電圧が印加されたときに、出力光が残留せず、小さい方が望ましい。 As described above, when the extinction ratio is small, deterioration of reception sensitivity and waveform deterioration during propagation due to optical frequency fluctuations called chirp are caused during modulation. Therefore, it is desirable that the output light does not remain and is small when a voltage is applied to the modulation electrode so that the output light is minimized, regardless of the operating state of any modulation system.
消光比を向上させるため、特別な損失調整機能を持つマッハツェンダ型光変調器が提案されている。このマッハツェンダ型光変調器では、半導体には光吸収があるため、光導波路を半導体で構成し、一方の光導波路に、その光吸収が他の部分の光導波路に比べて大きい損失調整部が設け、光導波路を伝搬する光の強度を調整して、消光比を向上させている。しかし、この従来の半導体マッハツェンダ変調器においては、損失調整部は他の部分の光導波路とは構造を変えた特殊な導波路構造を作製する必要があるという課題がある。 In order to improve the extinction ratio, a Mach-Zehnder type optical modulator having a special loss adjustment function has been proposed. In this Mach-Zehnder type optical modulator, since the semiconductor has light absorption, the optical waveguide is composed of a semiconductor, and one optical waveguide is provided with a loss adjusting portion whose light absorption is larger than that of the other optical waveguide. The extinction ratio is improved by adjusting the intensity of light propagating through the optical waveguide. However, in this conventional semiconductor Mach-Zehnder modulator, there is a problem that it is necessary to produce a special waveguide structure in which the loss adjustment unit has a different structure from the optical waveguide of the other part.
また、非特許文献１には、光導波路の構造を変えずに光導波路を伝搬する光の強度を調整する方法が示されている。この方法に基づけば、光導波路の構造を変えずに消光比を向上させることができる。図３は、非特許文献１に示される従来のＭＺ型光変調器の構成例を示す。図３には、入力光導波路３０１と、光分波器３０２と、第１及び第２の光導波路３０３１及び３０３２と、第１の光導波路３０３１に設けられた第１の変調電極３０４１及び第１の調整電極３０５１と、第２の光導波路３０３２に設けられた第２の変調電極３０４２及び第２の調整電極３０５２と、光合波器３０６と、出力光導波路３０７とを備えたＭＺ型光変調器が示されている。
Non-Patent Document 1 discloses a method for adjusting the intensity of light propagating through an optical waveguide without changing the structure of the optical waveguide. Based on this method, the extinction ratio can be improved without changing the structure of the optical waveguide. FIG. 3 shows a configuration example of a conventional MZ type optical modulator disclosed in Non-Patent Document 1. In FIG. 3, the input
図３に示されるＭＺ型光変調器では、入力光導波路３０１へ入射した光は入力光導波路３０１を伝搬して、光分波器３０２で第１のアーム導波路３０３１および第２のアーム導波路３０３２に分岐される。分岐した伝搬光は、第１のアーム導波路３０３１および３０３２をそれぞれ伝搬して、光合波器３０６で合波されて、出力光導波路３０７を伝搬して、ＭＺ型変調器より出力される。
The MZ-type optical modulator shown in FIG. 3, the light incident into the input
図３に示されるＭＺ型光変調器では、第１および第２の調整電極３０５１及び３０５２のそれぞれに電気信号を供給し、第１および第２のアーム導波路３０３１及び３０３２を伝搬する光の位相差を一定にしながら、第１および第２の光導波路を伝搬する光の損失差を調整している。 The MZ-type optical modulator shown in FIG. 3, each of the first and second adjusting electrodes 305 1 and 305 2 supplies the electrical signals, propagate the first and second arm waveguides 303 1 and 303 2 The difference in loss of light propagating through the first and second optical waveguides is adjusted while keeping the phase difference of the transmitted light constant.
しかしながら、半導体は上記のように電界吸収の効果があり、光導波路を伝搬する光の光強度を変えることができるが、図３に示される従来の半導体マッハツェンダ変調器では、１つのアーム導波路に対して１つの調整電極が設けられており、２つのアーム導波路に１つずつ存在する調整電極の両方に電圧を印加するように構成されている。この構成において、２つの光導波路を伝搬する光の強度の調整は、位相差を一定にしつつ２つの調整電極による光の損失差によって補償することによって行っている。しかし、この方法では、光導波路において損失を加える必要のない光に対しても必ず損失が加わることになり、余分な出力低下が生じることになる。 However, the semiconductor has the effect of electric field absorption as described above, and can change the light intensity of the light propagating through the optical waveguide. However, in the conventional semiconductor Mach-Zehnder modulator shown in FIG. On the other hand, one adjustment electrode is provided, and a voltage is applied to both of the adjustment electrodes that are present in each of the two arm waveguides. In this configuration, the adjustment of the intensity of light propagating through the two optical waveguides is performed by compensating for the difference in light loss between the two adjustment electrodes while keeping the phase difference constant. However, in this method, a loss is always added even to light that does not need to be lost in the optical waveguide, resulting in an extra output reduction.
上述のように、図３に示されるＭＺ型光変調器では、光強度の調整は光の損失差による補償によって行われるため、光導波路において損失を加える必要のない光に対しても必ず損失が加わることになり、余分な出力低下が生じることになる。本発明は、このような問題に鑑みてなされたものである。 As described above, in the MZ type optical modulator shown in FIG. 3, the light intensity is adjusted by compensation based on the light loss difference. Therefore, there is always a loss even for light that does not need to add a loss in the optical waveguide. This will add an extra output drop. The present invention has been made in view of such problems.
上記課題を解決するために、請求項１に記載のマッハツェンダ型光変調器を制御するための方法である。前記マッハツェンダ型光変調器は、半導体で構成された第１のアーム導波路と、半導体で構成された第２のアーム導波路と、前記第１のアーム導波路に変調信号を印加する第１の変調電極と、前記第２のアーム導波路に変調信号を印加する第２の変調電極と、を備えたマッハツェンダ型光変調器であって、前記第１のアーム導波路にＤＣ電圧を印加して前記第１のアーム導波路を伝搬する光の位相および損失を調整する複数の第１の調整電極と、前記第２のアーム導波路にＤＣ電圧を印加して前記第２のアーム導波路を伝搬する光の位相および損失を調整する複数の第２の調整電極と、をさらに備え、前記複数の第１の調整電極は、それぞれ長さが異なり、前記複数の第２の調整電極は、それぞれ長さが異なる。 In order to solve the above problem, a method for controlling a Mach-Zehnder optical modulator according to claim 1 is provided . The Mach-Zehnder optical modulator includes a first arm waveguide made of a semiconductor, a second arm waveguide made of a semiconductor, and a first arm that applies a modulation signal to the first arm waveguide. A Mach-Zehnder optical modulator comprising a modulation electrode and a second modulation electrode for applying a modulation signal to the second arm waveguide, wherein a DC voltage is applied to the first arm waveguide. Propagating the second arm waveguide by applying a DC voltage to the plurality of first adjustment electrodes for adjusting the phase and loss of light propagating through the first arm waveguide and the second arm waveguide A plurality of second adjustment electrodes for adjusting the phase and loss of the light to be emitted, wherein each of the plurality of first adjustment electrodes has a different length, and each of the plurality of second adjustment electrodes has a length. Is different .
請求項１に記載のマッハツェンダ型光変調器の方法は、上記のマッハツェンダ型光変調器を制御するための方法であって、前記複数の第１の調整電極のうちの最長の第１の調整電極から前記第１のアーム導波路にＤＣ電圧を印加して、所望の変調状態となるように、前記第１のアーム導波路を伝搬する光と前記第２のアーム導波路を伝播する光の位相差を調整するステップと、前記マッハツェンダ型変調器の出力光が最小となるように前記第１の変調電極および前記第２の変調電極から前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路に電圧を印加したときに、前記出力光が残留する原因が前記第１のアーム導波路における伝搬光強度が大きいためである場合は、前記最長の第１の調整電極よりも長さの短い第１の調整電極から前記第１のアーム導波路にＤＣ電圧を印加すると同時に、前記位相差を一定とするように前記最長の第１の調整電極の印加電圧を減少させ、前記出力光をさらに小さくするように制御するステップと、前記出力光が残留する原因が前記第１のアーム導波路における伝搬光強度が小さいためである場合は、前記複数の第２の調整電極のうち最長の第２の調整電極よりも長さの短い第２の調整電極から前記第２のアーム導波路にＤＣ電圧を印加すると同時に、前記位相差を一定とするように前記最長の第１の調整電極の印加電圧を増加させて、前記出力光をさらに小さくするように制御するステップとを含むことを特徴とする。 The method of the Mach-Zehnder type optical modulator according to claim 1 is a method for controlling the Mach-Zehnder optical modulator of the above, the longest first adjusting electrode of the plurality of first adjusting electrode The level of the light propagating through the first arm waveguide and the light propagating through the second arm waveguide so that a DC voltage is applied to the first arm waveguide to obtain a desired modulation state. A step of adjusting a phase difference, and the first arm waveguide and the second arm waveguide from the first modulation electrode and the second modulation electrode so that the output light of the Mach-Zehnder modulator is minimized. If the cause of the output light remaining when the voltage is applied to the first arm waveguide is that the propagating light intensity in the first arm waveguide is large, the first adjustment electrode having a shorter length than the longest first adjustment electrode. The first adjusting electrode The application of the arm waveguides into a DC voltage simultaneously, and controlling so that the decrease of the applied voltage of the longest first adjusting electrode to the phase difference constant, further reduce the output light, If the cause of the output light remaining is that the propagating light intensity in the first arm waveguide is small, the length of the plurality of second adjustment electrodes is shorter than the longest second adjustment electrode. at the same time a DC voltage is applied to the second arm waveguide from the second adjustment electrodes, by increasing the applied voltage of the longest first adjusting electrode to a constant the phase difference, the output light And a step of controlling to make it smaller.
本発明によれば、容易な構成で、余分な出力低下を生じさせることなく消光比を向上させたマッハツェンダ型光変調器を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a Mach-Zehnder type optical modulator having an easy configuration and an improved extinction ratio without causing an excessive decrease in output.
（実施例１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施例１に係るマッハツェンダ型光変調器の構成例である。図１には、入力光導波路１０と、光分波器１１と、第１及び第２のアーム導波路１２−１及び１２−２と、合波器１３と、出力光導波路１４と、第１及び第２の変調電極１５−１及び１５−２と、最長の第１の調整電極１６−１と、長さの短い第１の調整電極１７−１と、最長の第２の調整電極１６−２と、長さの短い第２の調整電極及び１７−２と、を備えたＭＺ型光変調器が示されている。
Example 1
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 is a configuration example of a Mach-Zehnder optical modulator according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, an input
入力光導波路１０へ入射された光は、入力光導波路１０を伝搬し、光分波器１１（光分波手段）で第１のアーム導波路１２−１および第２のアーム導波路１２−２に分岐される。分岐した伝搬光は、第１のアーム導波路１２−１および第２のアーム導波路１２−２をそれぞれ伝搬して、合波器１３（光合波手段）で合波されて、出力光導波路１４を伝搬して、変調器より出力される。
The light incident on the input
本発明では、第１のアーム導波路１２−１には、第１の変調電極１５−１と複数Ｎ個（Ｎ≧２）の調整電極とが設けられており、また、それぞれの調整電極の長さが異なる。図１にはＮ＝２の場合を示しており、第１のアーム導波路１２−１には最長の第１の調整電極１６−１と長さの短い第１の調整電極１７−１とが設けられている。同様に、第２のアーム導波路１２−２には、第２の変調電極１５−２と複数Ｎ個（Ｎ≧２）の調整電極とが設けられている。具体的には、図１にはＮ＝２の場合を示しており、最長の第２の調整電極１６−２と長さの短い第２の調整電極１７−２とが設けられている。 In the present invention, the first arm waveguide 12-1 is provided with the first modulation electrode 15-1 and a plurality of N (N ≧ 2) adjustment electrodes. The length is different. FIG. 1 shows a case where N = 2, and the first arm waveguide 12-1 includes a longest first adjustment electrode 16-1 and a short first adjustment electrode 17-1. Is provided. Similarly, the second arm waveguide 12-2 is provided with a second modulation electrode 15-2 and a plurality of N (N ≧ 2) adjustment electrodes. Specifically, FIG. 1 shows a case where N = 2, and the longest second adjustment electrode 16-2 and the short second adjustment electrode 17-2 are provided.
第１の調整電極１６−１及び１７−１は異なる長さを有しており、第２の調整電極１６−２及び１７−２も同様に異なる長さを有している。図１では、第１の調整電極１７−１よりも第１の調整電極１６−１の方が長く、第２の調整電極１７−２よりも第２の調整電極１６−２の方が長く構成された例が示されている。 The first adjustment electrodes 16-1 and 17-1 have different lengths, and the second adjustment electrodes 16-2 and 17-2 have different lengths as well. In FIG. 1, the first adjustment electrode 16-1 is longer than the first adjustment electrode 17-1, and the second adjustment electrode 16-2 is longer than the second adjustment electrode 17-2. An example is shown.
第１及び第２の変調電極１５−１及び１５−２には、時間的に変化する信号電圧を第１及び第２のアーム導波路１２−１及び１２−２にそれぞれ印加することにより、信号電圧に応じて出力光を時間的に変調させる。調整電極１６−１、１６−２、１７−１及び１７−２は、第１及び第２のアーム導波路１２−１及び１２−２にそれぞれ固定的なＤＣ電圧を印加し、干渉計における光の位相差・強度差を変化させることにより、マッハツェンダ変調器の動作状態を調整する。 By applying a time-varying signal voltage to the first and second arm waveguides 12-1 and 12-2 to the first and second modulation electrodes 15-1 and 15-2, respectively, The output light is temporally modulated according to the voltage. The adjustment electrodes 16-1, 16-2, 17-1, and 17-2 apply a fixed DC voltage to the first and second arm waveguides 12-1 and 12-2, respectively, and light in the interferometer. The operating state of the Mach-Zehnder modulator is adjusted by changing the phase difference and the intensity difference.
マッハツェンダ型光変調器の動作原理は、干渉計の位相差がゼロのときに、光出力は２つの光導波路の光の電界が強めあって２倍となり、位相差がπのときに、光出力は２つの光導波路の光の電界が打ち消しあって出力はゼロになる。光出力は位相差に対して正弦波的に変化し、干渉計内の位相差を制御することにより、出力光を制御することができる。 The principle of operation of the Mach-Zehnder type optical modulator is that when the phase difference of the interferometer is zero, the optical output is doubled due to the strengthening of the electric field of the light in the two optical waveguides, and the optical output is when the phase difference is π. The output from the two optical waveguides cancels out and the output is zero. The optical output changes sinusoidally with respect to the phase difference, and the output light can be controlled by controlling the phase difference in the interferometer.
マッハツェンダ型光変調器では、調整電極に固定的な電圧を印加し、固定的な位相差を調整する。一方の調整電極の電圧を減少させることと、もう一方の光導波路の調整電極に電圧を増加することは等価である。ＬＮのような誘電体では、正負いずれの電圧を印加することもできる。一方、光導波路がＰＮ接合を持つ半導体の場合は、逆バイアスになる極性の電圧を電極に印加できるが、順バイアスになる極性の電圧を印加できない。したがって、位相差の調整方向が電圧を減少させる方向で、電圧を順電圧に印加しなければならない場合は、代わりに、干渉計のもう一方の光導波路に逆バイアスの電圧を印加する。光導波路がＰＮ接合を持つ半導体の場合は、第１および第２の光導波路に備わる調整電極はペアで片方のみが使用され、ペアで使用することにより、干渉計内の位相差を連続的に変化させ、位相差の調整範囲を倍にすることができる。 In the Mach-Zehnder optical modulator, a fixed voltage is applied to the adjustment electrode to adjust a fixed phase difference. Decreasing the voltage of one adjustment electrode is equivalent to increasing the voltage to the adjustment electrode of the other optical waveguide. In a dielectric such as LN, either positive or negative voltage can be applied. On the other hand, when the optical waveguide is a semiconductor having a PN junction, a voltage having a polarity that is reverse bias can be applied to the electrode, but a voltage having a polarity that is a forward bias cannot be applied. Therefore, when the voltage must be applied to the forward voltage in the direction in which the phase difference is adjusted to decrease the voltage, a reverse bias voltage is applied to the other optical waveguide of the interferometer instead. When the optical waveguide is a semiconductor having a PN junction, only one of the adjustment electrodes provided in the first and second optical waveguides is used in pairs, and the phase difference in the interferometer can be continuously increased by using the adjustment electrodes in pairs. The phase difference adjustment range can be doubled.
マッハツェンダ型光変調器を用いて、オン・オフ変調を行うためには、信号電圧はハイ・ローの２値信号であり、信号電圧がハイ状態のとき、マッハツェンダ変調器の出力光が最大（オン）になり、信号電圧がロー状態のとき、マッハツェンダ変調器の出力光が最小（オフ）になるように、信号電圧の振幅および調整電極の電圧を調整し、干渉計の状態を調整して、変調動作を行う。信号電圧のハイ・ローと出力光のオン・オフの対応は逆でも良い。 In order to perform on / off modulation using a Mach-Zehnder optical modulator, the signal voltage is a high / low binary signal, and when the signal voltage is in a high state, the output light of the Mach-Zehnder modulator is maximum (on ), And when the signal voltage is in the low state, adjust the amplitude of the signal voltage and the voltage of the adjustment electrode so that the output light of the Mach-Zehnder modulator is minimized (off), adjust the state of the interferometer, Performs modulation operation. The correspondence between signal voltage high / low and output light on / off may be reversed.
２値位相変調を行うためには、信号電圧はハイ・ローの２値信号であり、信号電圧がハイ状態のとき、マッハツェンダ変調器の出力光の位相がπになり、信号電圧がロー状態のとき、マッハツェンダ変調器の出力光の位相が０になるように、信号電圧の振幅および調整電極の電圧を調整し、干渉計の状態を調整して、変調動作を行う。信号電圧のハイ・ローと出力光の位相のπ・０の対応は逆でも良い。 In order to perform binary phase modulation, the signal voltage is a high / low binary signal. When the signal voltage is high, the phase of the output light of the Mach-Zehnder modulator is π, and the signal voltage is low. At this time, the amplitude of the signal voltage and the voltage of the adjusting electrode are adjusted so that the phase of the output light of the Mach-Zehnder modulator becomes 0, and the modulation operation is performed by adjusting the state of the interferometer. The correspondence between high / low of the signal voltage and π · 0 of the phase of the output light may be reversed.
多値強度変調を行うためには、信号電圧は多値信号であり、信号電圧が最大のとき、マッハツェンダ変調器の出力光強度が最大（出力光電界が最大）となり、信号電圧が最小のとき、マッハツェンダ変調器の出力光の位相が信号電圧最大のときとπ変化して出力光強度が最大（出力光電界が負で最大）になるように、信号電圧の振幅および調整電極の電圧を調整し、干渉計の状態を調整して、変調動作を行う。信号電圧が最大・最小と出力光電界の正負の最大の対応は逆でも良い。また、信号電圧はアナログ信号でありアナログ変調を行うこともある。 In order to perform multi-level intensity modulation, the signal voltage is a multi-level signal. When the signal voltage is maximum, the output light intensity of the Mach-Zehnder modulator is maximum (the output optical electric field is maximum), and the signal voltage is minimum. The amplitude of the signal voltage and the voltage of the adjustment electrode are adjusted so that the output light intensity becomes maximum (the output optical electric field is negative and maximum) by changing π from the phase when the output light of the Mach-Zehnder modulator is maximum. Then, the modulation operation is performed by adjusting the state of the interferometer. The correspondence between the maximum / minimum of the signal voltage and the maximum of the positive / negative of the output optical field may be reversed. Further, the signal voltage is an analog signal, and analog modulation may be performed.
いずれの変調においても変調信号により所望の変調動作が行われるように位相差を調整する。出力光強度が最小になるように信号電圧が印加された状態では、マッハツェンダ型光変調器の分波器の分岐比が等しく、２つの光導波路の伝搬損失が等しく、さらに合波器の分岐比が等しい場合は、マッハツェンダ型光変調器の光出力はゼロになる。しかしながら、実際の変調器は、製造誤差や欠陥によって、合分波器の分岐比は必ずしも等しくなく、また、２つの導波路の伝搬損失も等しくないため、干渉する光の強度が異なるために完全に打ち消しあわず、出力光は有限の値を持つことになる。また、２値位相変調であっても、信号電圧がハイ・ロー間を遷移するとき、出力光強度が最小になる状態が存在する。 In any modulation, the phase difference is adjusted so that a desired modulation operation is performed by the modulation signal. In a state where the signal voltage is applied so that the output light intensity is minimized, the branching ratio of the demultiplexer of the Mach-Zehnder optical modulator is equal, the propagation loss of the two optical waveguides is equal, and the branching ratio of the multiplexer Are equal, the optical output of the Mach-Zehnder optical modulator becomes zero. However, due to manufacturing errors and defects, an actual modulator is not necessarily equal in the branching ratio of the multiplexer / demultiplexer, and the propagation loss in the two waveguides is not equal, so that the intensity of the interfering light is different. Therefore, the output light has a finite value. Even in binary phase modulation, there is a state where the output light intensity is minimized when the signal voltage transitions between high and low.
消光比が小さいと、変調時に、受信感度の劣化やチャープと呼ばれる光周波数変動による伝搬時の波形劣化を引き起こす。したがって、いずれの変調方式の動作状態であっても、出力光が最小となるように変調電極に電圧が印加されたときに、出力光が残留せず、小さい方が望ましい。 If the extinction ratio is small, the reception sensitivity deteriorates during modulation, and the waveform deteriorates during propagation due to optical frequency fluctuations called chirp. Therefore, it is desirable that the output light does not remain and is small when a voltage is applied to the modulation electrode so that the output light is minimized, regardless of the operating state of any modulation system.
ＬＮなどの誘電体で光導波路が構成される場合は、印加電圧によって導波路の伝搬損失が変化することは無い。したがって、消光比は製造状態によって決定され、調整することはできない。 When the optical waveguide is composed of a dielectric such as LN, the propagation loss of the waveguide does not change depending on the applied voltage. Thus, the extinction ratio is determined by the manufacturing state and cannot be adjusted.
一方、例えば、半導体の光導波路では、半導体のバンドギャップが、使用する信号光のエネルギーに近いので原理的に光の吸収が生じ、電圧（電界）を印加すると光損失が増加するという特徴を持っている。逆に、半導体の光導波路において、電界吸収の効果があるため、マッハツェンダ型変調器が構造的に完全にできていたとしても、変調電極や調整電極へ電圧を印加することにより導波路の伝搬損差が生じ消光比を劣化させることがあり得る。 On the other hand, for example, in a semiconductor optical waveguide, the semiconductor band gap is close to the energy of the signal light used, so that light absorption occurs in principle, and light loss increases when a voltage (electric field) is applied. ing. On the other hand, in a semiconductor optical waveguide, there is an effect of electric field absorption, so even if the Mach-Zehnder type modulator is structurally perfect, the propagation loss of the waveguide can be reduced by applying a voltage to the modulation electrode and the adjustment electrode. Differences can occur and degrade the extinction ratio.
図２に半導体光導波路に印加した電圧と生じた位相差および伝搬損失を模式的に示す。一般に光の吸収損失は望ましくなく、例えば、仮に吸収が無い場合に消光比が大きい構造のマッハツェンダ型光変調器であっても、吸収により２つの光導波路の伝搬損失差が生じると上記のような消光比劣化が生じるため、位相差の調整のためには、吸収が小さい電圧範囲で使用する。 FIG. 2 schematically shows a voltage applied to the semiconductor optical waveguide, a generated phase difference, and a propagation loss. In general, the absorption loss of light is not desirable. For example, even if a Mach-Zehnder type optical modulator having a large extinction ratio when there is no absorption, the above-described difference in propagation loss between two optical waveguides occurs due to absorption. Since extinction ratio degradation occurs, the phase difference is adjusted in a voltage range where absorption is small.
従来の半導体マッハツェンダ変調器では、１つの光導波路に対して調整電極が１つである。半導体は上記のように吸収の効果があり、光導波路を伝搬する光強度を変えることができるが、１つの光導波路に対して調整電極が１つの場合は、光強度差を独立に調整できないため、吸収が無い場合に比べて、消光比を劣化させる場合も、向上させる場合もある。すなわち、従来の半導体マッハツェンダ変調器では、調整電極を用いて位相差は調整できるが、強度差は調整できない。 In the conventional semiconductor Mach-Zehnder modulator, one adjustment electrode is provided for one optical waveguide. As described above, the semiconductor has an absorption effect and can change the light intensity propagating through the optical waveguide. However, when there is one adjustment electrode for one optical waveguide, the difference in light intensity cannot be adjusted independently. The extinction ratio may be deteriorated or improved as compared with the case where there is no absorption. That is, in the conventional semiconductor Mach-Zehnder modulator, the phase difference can be adjusted using the adjustment electrode, but the intensity difference cannot be adjusted.
従来の１つの光導波路に対して調整電極が１つである半導体マッハツェンダ変調器でも、非特許文献１に示されているように、２つの光導波路に１つずつ存在する調整電極の両方に電圧を印加し、位相差を一定にしつつ２つの調整電極による損失差によって強度を調整することができるが、この方法では、損失を加える必要のない光導波路に対しても必ず損失が加わることになり、余分な出力低下が生じることになる。 Even in a conventional semiconductor Mach-Zehnder modulator having one adjustment electrode for one optical waveguide, as shown in Non-Patent Document 1, voltage is applied to both of the adjustment electrodes existing one by one in two optical waveguides. The intensity can be adjusted by the difference in loss between the two adjustment electrodes while applying a constant phase difference, but this method always adds a loss even to optical waveguides that do not require a loss. As a result, an excessive decrease in output occurs.
ここで、図１に戻ると、図１に示されるように、本発明のマッハツェンダ型光変調器は、１つのアーム導波路１２に複数の調整電極が設けられているため、位相差と光強度差を１つのアーム導波路１２で独立に調整できる。本発明では複数の調整電極はそれらの長さが異なるように構成する。 Here, returning to FIG. 1, as shown in FIG. 1, the Mach-Zehnder type optical modulator of the present invention is provided with a plurality of adjustment electrodes in one arm waveguide 12. The difference can be adjusted independently with one arm waveguide 12. In the present invention, the plurality of adjustment electrodes are configured to have different lengths.
図２から分かるように、上下のアーム導波路１２−１及び１２−２間を伝搬する光の位相差は、電圧が大きくなるにつれて非線形に傾きが急になるように増加する。吸収も電圧が大きくなるにつれて非線形に傾きが急になるように増加する。一方、幾何学的には電圧印加により生じる位相差は、調整電極の長さに比例する。また、吸収はその吸収の割合が調整電極の長さに比例する。したがって、長さの異なる調整電極では、同じ位相変化を生じさせる場合、長さの短い電極の方が、長さが長い電極に比べて損失が大きくなる。このためには、電圧印加による位相変化と電圧印加による光損失の関係が比例関係に無いことが条件であるが、半導体の電圧印加に対する位相特性、吸収特性はそれを満足する。 As can be seen from FIG. 2, the phase difference of the light propagating between the upper and lower arm waveguides 12-1 and 12-2 increases nonlinearly and steeply as the voltage increases. Absorption also increases so that the slope becomes nonlinearly steep as the voltage increases. On the other hand, geometrically, the phase difference caused by voltage application is proportional to the length of the adjustment electrode. Further, the absorption is proportional to the length of the adjustment electrode. Therefore, in the case of adjusting electrodes having different lengths, when the same phase change is caused, the electrodes having a shorter length have a larger loss than the electrodes having a longer length. For this purpose, it is a condition that the relationship between the phase change due to voltage application and the optical loss due to voltage application is not proportional, but the phase characteristics and absorption characteristics with respect to voltage application of the semiconductor satisfy them.
典型的には、調整電極を１／２から数分の１程度の長さにすると、同じ位相差を生じさせる場合の損失差が大きくなる。しかし、調整電極の長さを短くした分だけ位相変化を生じさせるための電圧が大きくなり、近似的には、長さを１／Ｍにすれば必要な電圧はＭ倍になる。実用上は、極端に大きな電圧を印加できないので、調整電極を短くするには限度がある。最長の調整電極１６の長さを例えば１０００ミクロンとした場合、長さの短い調整電極１７の長さを例えば５００〜２００ミクロン程度とすることができる。 Typically, when the length of the adjustment electrode is about ½ to a fraction, the loss difference when the same phase difference is generated increases. However, the voltage for causing the phase change is increased as much as the length of the adjustment electrode is shortened, and approximately, if the length is reduced to 1 / M, the necessary voltage becomes M times. In practice, an extremely large voltage cannot be applied, so there is a limit to shortening the adjustment electrode. When the length of the longest adjustment electrode 16 is 1000 microns, for example, the length of the short adjustment electrode 17 can be about 500 to 200 microns, for example.
このように、アーム導波路に長さの異なる調整電極が設けられていると、長さの短い調整電極１７に電圧を印加し、損失を生じさせて、生じた位相変化に対しては、最長の調整電極１６に印加した電圧を減じてその位相変化量と同じ量の位相を減少させると、位相差を変化させることなく、アーム導波路１２の伝搬光強度を低下させることができる。最長の調整電極１６に印加した電圧を減じた結果、順方向に電圧を印加する必要がある場合は、もう一方のアーム導波路１２の最長の調整電極１６に電圧を印加すれば、逆方向の位相変化を生じさせることができる。 As described above, when the adjustment electrodes having different lengths are provided in the arm waveguide, a voltage is applied to the adjustment electrode 17 having a short length to cause a loss. When the voltage applied to the adjusting electrode 16 is reduced to reduce the phase by the same amount as the phase change amount, the propagation light intensity of the arm waveguide 12 can be reduced without changing the phase difference. As a result of reducing the voltage applied to the longest adjustment electrode 16, if it is necessary to apply a voltage in the forward direction, applying a voltage to the longest adjustment electrode 16 of the other arm waveguide 12 causes the reverse direction. A phase change can be caused.
消光比を向上させる手順を示す。２つの最長の調整電極１６のいずれか、例えば最長の第１の調整電極１６−１に電圧を印加して干渉計の位相差を調整し、所望の変調状態にする。そして、出力光が最小となるように変調電極１５からアーム導波路に電圧を印加する。
A procedure for improving the extinction ratio will be described. A voltage is applied to one of the two longest adjustment electrodes 16, for example, the longest first adjustment electrode 16-1 to adjust the phase difference of the interferometer to obtain a desired modulation state. Then, a voltage is applied from the
このとき、出力光が残留する原因が電圧を印加した最長の第１の調整電極１６−１が設けられた第１のアーム導波路１２−１の伝搬光強度が大きいためである場合、第１のアーム導波路１２−１の長さの短い第１の調整電極１７−１に電圧を印加して光損失を増加させ、同時に、位相差を一定としたまま最長の第１の調整電極１６−１の印加電圧を減少させ、第１のアーム導波路１２−１の伝搬光強度を小さくし、干渉計の出力光をより小さくするように制御する。 At this time, the reason why the output light remains is because the propagation light intensity of the first arm waveguide 12-1 provided with the longest first adjustment electrode 16-1 to which the voltage is applied is high. A voltage is applied to the first adjustment electrode 17-1 having a short length of the arm waveguide 12-1 to increase the optical loss, and at the same time, the longest first adjustment electrode 16- with the phase difference kept constant. 1 is decreased, the propagation light intensity of the first arm waveguide 12-1 is reduced, and the output light of the interferometer is controlled to be smaller.
また、出力光が残留する原因が電圧を印加した最長の第１の調整電極１６−１が設けられた第１のアーム導波路１２−１の伝搬光強度が小さいためである場合、第１のアーム導波路１２−１とは反対側の第２のアーム導波路１２−２の長さの短い第２の調整電極１７−２に電圧を印加して光損失を増加させ、同時に、位相差を一定としたまま最長の第１の調整電極１６−１の印加電圧を増加させて、第２のアーム導波路１２−２の伝搬光強度を小さくし、干渉計の出力光をより小さくするように制御する。 Further, when the cause of the output light remaining is that the propagation light intensity of the first arm waveguide 12-1 provided with the longest first adjustment electrode 16-1 to which a voltage is applied is small, A voltage is applied to the second adjustment electrode 17-2 having a short length of the second arm waveguide 12-2 opposite to the arm waveguide 12-1 to increase the optical loss, and at the same time, the phase difference is set. increasing the first adjusting electrode 16 1 of the applied voltage up while constant, the propagating light intensity of the second arm waveguide 12-2 is reduced, the output light of the interferometer so as to further reduce Control.
このように制御し、調整電極の電圧を固定することにより、変調状態における消光比を向上させることができる。なお、上記では最初に最長の第１の調整電極１６−１に電圧を印加する場合の手順について例示したが、最初に最長の第２の調整電極１６−２に電圧を印加する場合は、上記の電圧印加手順を上下のアーム導波路に設けられた電極で逆にすればよい。 By controlling in this way and fixing the voltage of the adjustment electrode, the extinction ratio in the modulated state can be improved. In the above description, the procedure in the case of applying a voltage to the longest first adjustment electrode 16-1 first is illustrated. However, in the case of applying a voltage to the longest second adjustment electrode 16-2 first, This voltage application procedure may be reversed with the electrodes provided in the upper and lower arm waveguides.
（実施例２）
本発明の実施例２として、入力光を２分岐し、分岐光のそれぞれに２つのマッハツェンダ型光変調器を接続し、それぞれの光出力の位相が直交するように合波することにより構成する光ＩＱ変調器において、２つのマッハツェンダ型光変調器を本発明の実施例１に係るマッハツェンダ型光変調器で構成することができる。光ＩＱ変調器においては、個々のマッハツェンダ型光変調器の消光時の残留光出力が、もう一方のマッハツェンダ型光変調器の出力する光信号に対してクロストークになり、信号品質を劣化させるため、より大きな消光比が必要とされる。したがって、本発明の実施例２に係る光ＩＱ変調器では、本発明の実施例１に係るマッハツェンダ型光変調器およびその上記手順で消光比を向上させることにより、信号品質を向上させることができる。
(Example 2)
As Embodiment 2 of the present invention, input light is split into two, two Mach-Zehnder type optical modulators are connected to each of the split lights, and light is configured so that the phases of the optical outputs are orthogonal to each other. In the IQ modulator, two Mach-Zehnder type optical modulators can be configured by the Mach-Zehnder type optical modulator according to the first embodiment of the present invention. In the optical IQ modulator, the residual light output at the time of extinction of each Mach-Zehnder type optical modulator becomes crosstalk with respect to the optical signal output from the other Mach-Zehnder type optical modulator, thereby degrading the signal quality. A larger extinction ratio is required. Therefore, in the optical IQ modulator according to the second embodiment of the present invention, the signal quality can be improved by improving the extinction ratio by the Mach-Zehnder optical modulator according to the first embodiment of the present invention and the above procedure. .
なお、上記では第１の変調電極１５−１と複数Ｎ個の調整電極としてＮ＝２の場合を説明したが、Ｎは３以上でも構わない。第１のアーム導波路１２−１および第２のアーム導波路１２−２の伝搬光損失差が特に大きい場合には、Ｎ＝２よりも、Ｎが３以上の方がより有効に調整できる。 In the above description, the case where N = 2 is described as the first modulation electrode 15-1 and the plurality of N adjustment electrodes, but N may be 3 or more. When the propagation optical loss difference between the first arm waveguide 12-1 and the second arm waveguide 12-2 is particularly large, N can be adjusted more effectively than 3 when N = 2.
また上記では、光信号の進行方向にかけて、変調電極１５、最長の調整電極１６、長さの短い調整電極１７を配置したが、配置する順番は任意であり、この順番に捉われるものではない。また第１のアーム導波路と第２のアーム導波路で異なる順番でも構わない。
In the above description, the
アーム導波路の伝搬光強度の大小は、導波路の最後方の電極に流れる受光電流をモニタする手段を設けることで知ることができる。または、より一般的には、出力光の消光比を観測しつつ、一方のアーム導波路の長さの短い調整電極に電圧を印加し、消光比が改善されればその導波路の伝搬光強度が大きく、消光比が悪くなればその導波路の伝搬光強度が小さいと判断してもよい。 The magnitude of the propagation light intensity of the arm waveguide can be known by providing means for monitoring the received light current flowing through the last electrode of the waveguide. Or more generally, while observing the extinction ratio of the output light, a voltage is applied to the short adjustment electrode of one arm waveguide, and if the extinction ratio is improved, the propagation light intensity of the waveguide is improved. If the extinction ratio is low and the extinction ratio is low, it may be determined that the propagation light intensity of the waveguide is low.
入力光導波路 １０、３０１
光分波器 １１、３０２、４０１
アーム導波路 １２−１、１２−２、３０３１、３０３２
光合波器 １３、３０６
出力光導波路 １４、３０７
変調電極 １５−１、１５−２、３０４１、３０４２
調整電極 １６−１、１６−２、１７−１、１７−２、３０５１、３０５２
π／２位相シフタ ４０２
Ｉチャネル用ＭＺ型光変調器 ４１０
Ｑチャネル用ＭＺ型光変調器 ４２０
Input
Arm waveguide 12-1, 12-2, 303 1 , 303 2
Output optical waveguide 14,307
Modulation electrodes 15-1, 15-2, 304 1 , 304 2
Adjusting electrode 16-1,16-2,17-1,17-2,305 1, 305 2
π / 2
M channel type optical modulator for I channel 410
MZ type optical modulator for
Claims (1)
半導体で構成された第２のアーム導波路と、
前記第１のアーム導波路に変調信号を印加する第１の変調電極と、
前記第２のアーム導波路に変調信号を印加する第２の変調電極と、
前記第１のアーム導波路にＤＣ電圧を印加して前記第１のアーム導波路を伝搬する光の位相および損失を調整する複数の第１の調整電極であり、それぞれ長さが異なる複数の第１の調整電極と、
前記第２のアーム導波路にＤＣ電圧を印加して前記第２のアーム導波路を伝搬する光の位相および損失を調整する複数の第２の調整電極であり、それぞれ長さが異なる複数の第２の調整電極と、
備えたマッハツェンダ型光変調器を制御するための方法であって、
前記複数の第１の調整電極のうちの最長の第１の調整電極から前記第１のアーム導波路にＤＣ電圧を印加して、所望の変調状態となるように、前記第１のアーム導波路を伝搬する光と前記第２のアーム導波路を伝播する光の位相差を調整するステップと、
前記マッハツェンダ型光変調器の出力光が最小となるように前記第１の変調電極および前記第２の変調電極から前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路に電圧を印加したときに、
前記出力光が残留する原因が前記第１のアーム導波路における伝搬光強度が大きいためである場合は、前記最長の第１の調整電極よりも長さの短い第１の調整電極から前記第１のアーム導波路にＤＣ電圧を印加すると同時に、前記位相差を一定とするように前記最長の第１の調整電極の印加電圧を減少させ、前記出力光をさらに小さくするように制御するステップと、
前記出力光が残留する原因が前記第１のアーム導波路における伝搬光強度が小さいためである場合は、前記複数の第２の調整電極のうち最長の第２の調整電極よりも長さの短い第２の調整電極から前記第２のアーム導波路にＤＣ電圧を印加すると同時に、前記位相差を一定とするように前記最長の第１の調整電極の印加電圧を増加させて、前記出力光をさらに小さくするように制御するステップと
を含むことを特徴とする制御方法。 A first arm waveguide made of a semiconductor;
A second arm waveguide composed of a semiconductor;
A first modulation electrode for applying a modulation signal to the first arm waveguide;
A second modulation electrode for applying a modulation signal to the second arm waveguide;
A plurality of first adjustment electrodes for adjusting a phase and a loss of light propagating through the first arm waveguide by applying a DC voltage to the first arm waveguide; 1 adjustment electrode;
A plurality of second adjustment electrodes for adjusting a phase and a loss of light propagating through the second arm waveguide by applying a DC voltage to the second arm waveguide; Two adjustment electrodes;
A method for controlling a provided Mach-Zehnder optical modulator,
The first arm waveguide is configured such that a DC voltage is applied to the first arm waveguide from the longest first adjustment electrode among the plurality of first adjustment electrodes to obtain a desired modulation state. Adjusting the phase difference between the light propagating through the second arm waveguide and the light propagating through the second arm waveguide;
When voltage is applied from the first modulation electrode and the second modulation electrode to the first arm waveguide and the second arm waveguide so that the output light of the Mach-Zehnder optical modulator is minimized In addition ,
When the cause of the output light remaining is that the propagating light intensity in the first arm waveguide is high, the first adjustment electrode having a shorter length than the longest first adjustment electrode is used for the first adjustment electrode. the application of the arm waveguides into a DC voltage simultaneously, and controlling so that the decrease of the applied voltage of the longest first adjusting electrode to the phase difference constant, further reduce the output light,
If the cause of the output light remaining is that the propagating light intensity in the first arm waveguide is small, the length of the plurality of second adjustment electrodes is shorter than the longest second adjustment electrode. at the same time a DC voltage is applied to the second arm waveguide from the second adjustment electrodes, by increasing the applied voltage of the longest first adjusting electrode to a constant the phase difference, the output light And a step of controlling to make it smaller.
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