JP6413807B2

JP6413807B2 - 光変調器

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Publication number: JP6413807B2
Application number: JP2015016646A
Authority: JP
Inventors: 原　徳隆; 徳隆原; 洋一細川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: JP2016142809A

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、２つの光導波路と、入射光を分波して各々の光導波路に導く空間光学系を有する光変調器に関する。

光通信分野や光計測分野において、光変調器、特に、基板に光導波路と当該光導波路を伝播する光波を制御する制御電極を備えた光変調器が多用されている。近年では、変調速度の高速化および大容量化が求められ、直角位相振幅変調（ＱＡＭ；Quadrature Amplitude Modulation）などの多値変調方式も利用されるようになった。

このような光変調器に関し、特許文献１には、ビームスプリッターとミラーとを有し単数又は複数の入力光を分岐する光分岐部と、光分岐部で分岐された各光を集光するレンズと、レンズを介して入力される各光をそれぞれ位相変調する複数の位相変調部と、複数の位相変調部から出力される複数の位相変調光を合成して変調信号光を出力する光合成部と、を有する光変調器が開示されている。

特開２０１３−２４６３２５号公報

特許文献１に開示されているように、ハーフミラーと全反射ミラーにより構成される光分岐部を備え、入射側コリメータから出射される光を光分岐部により分波して２つの光導波路にそれぞれ結合する光変調器の場合、ハーフミラーにおける分岐比の設定の仕方によって、任意の分岐比に光を分岐して各々の光導波路に結合することができる。一例として、ハーフミラーを透過率８０％、反射率２０％の分岐比とすれば、光強度４：１で各光導波路に結合することができる。

ところが、この分岐比はハーフミラーの設計によって固定されてしまう。このため、例えば光変調器の用途に応じて、光変調器の組立段階で分岐比を変更するといったことはできない。また、２つの光導波路の光伝搬損失の差（ロス差）を勘案しながら分岐比をチューニングすることも不可能である。
このため、従来の技術では、光変調器の組立段階で、各々の光導波路に対する入射光の強度比を変更または補正できなかった。

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、各々の光導波路に対する入射光の強度比を組立段階で変更または補正することが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、本発明の光変調器は以下のような技術的特徴を有する。
（１）第１の光導波路および第２の光導波路と、各光導波路を伝播する光波を制御するための制御用電極とを有する光変調器において、直線偏波光を供給する供給部と、該供給部から供給された該直線偏波光を前記第１及び第２の光導波路に導く空間光学系を備え、該空間光学系には、該直線偏波光を互いに偏波面が直交する２つの光に分岐すると共に、該直線偏波光の偏波面の角度を調整することで偏波面が直交する２つの光の強度比を変更することが可能な分岐部と、該第１の光導波路に入射する光と該第２の光導波路に入射する光との偏波面を一致させるため、該分岐部で分岐された一方の光が該第１の光導波路に至る光路、または、該分岐部で分岐された他方の光が該第２の光導波路に至る光路の少なくともいずれか一方に配置される波長板とを設けることを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の光変調器において、該供給部は、光出射端に偏光子を取り付けた光ファイバ、または、偏波保持光ファイバであることを特徴とする。

（３）上記（２）に記載の光変調器において、該偏光子または該偏波保持光ファイバを、該供給部から出力される光の光軸に対して回転調整可能に設けたことを特徴とする。

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光変調器において、該供給部と該分岐部との間にコリメートレンズを配置し、該分岐部と該第１および第２の光導波路との間に結合レンズを各々配置したことを特徴とする。

（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光変調器において、該分岐部は、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする。
（６）第１の光導波路および第２の光導波路と、各光導波路を伝播する光波を制御するための制御用電極とを有する光変調器において、直線偏波光を供給する供給部と、該供給部から供給された該直線偏波光を前記第１及び第２の光導波路に導く空間光学系を備え、該空間光学系には、該直線偏波光を互いに偏波面が直交する２つの光に分岐することが可能な分岐部と、該第１の光導波路に入射する光と該第２の光導波路に入射する光との偏波面を一致させるため、該分岐部で分岐された一方の光が該第１の光導波路に至る光路、または、該分岐部で分岐された他方の光が該第２の光導波路に至る光路の少なくともいずれか一方に配置される波長板と該供給部と該分岐部との間に配置されるコリメートレンズと、該分岐部と前記第１及び第２の光導波路との間に各々配置される結合レンズとを設けることを特徴とする。

本発明は、直線偏波光を供給する供給部と、該供給部から供給された直線偏波光を互いに偏波面が直交する２つの光に分岐する分岐部を有し、該分岐部で分岐された一方の光が該第１の光導波路に至る光路、または、該分岐部で分岐された他方の光が該第２の光導波路に至る光路の少なくともいずれか一方に波長板を配置し、該第１の光導波路に入射する光と該第２の光導波路に入射する光との偏波面を一致させたので、光変調器の組立段階で、該供給部から供給される直線偏波光の偏波面の角度を調整することで、各々の光導波路に対する入射光の強度比を変更または補正することができる。

本発明の第１実施例に係る光変調器における入射光分離用光学系の概要を示す図である。本発明の第２実施例に係る光変調器における入射光分離用光学系の概要を示す図である。本発明の第３実施例に係る光変調器における入射光分離用光学系の概要を示す図である。本発明の第４実施例に係る光変調器における入射光分離用光学系の概要を示す図である。本発明の第５実施例に係る光変調器における入射光分離用光学系の概要を示す図である。

以下、本発明の光変調器について、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明に係る光変調器は、図１〜図５に示すように、基板上に形成された第１の光導波路３１および第２の光導波路３２と、各光導波路を伝播する光波を制御するための制御用電極（不図示）とを有する光変調器において、直線偏波光を供給する供給部（光出射端に偏光子１２を取り付けた光ファイバ１１、または、偏波保持光ファイバ１３）と、該供給部から供給された直線偏波光Ｐ１を互いに偏波面が直交する２つの光（Ｐ２，Ｐ３）に分岐する分岐部（偏光ビームスプリッタ２１）とを有し、該分岐部で分岐された一方の光が該第１の光導波路３１に至る光路（第１の光導波路３１側への入射光の光路）、または、該分岐部で分岐された他方の光が該第２の光導波路３２に至る光路（第２の光導波路３２側への入射光の光路）の少なくともいずれか一方に波長板２３を配置し、該第１の光導波路３１に入射する光Ｐ２と該第２の光導波路３２に入射する光Ｐ４との偏波面を一致させたことを特徴とする。

本発明の光変調器に用いる基板は、ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_５又はＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）のいずれかの単結晶など、電気光学効果を有する基板が好適に利用可能である。特に、光変調器などの光制御素子で多用されているＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_５が、好ましい。

基板上に形成する各々の光導波路３１，３２は、例えば、ＬｉＮｂＯ_３基板（ＬＮ基板）上にチタン（Ｔｉ）などを熱拡散することにより形成される。また、基板に光導波路に沿った凹凸を形成したリッジ型光導波路も利用可能である。光導波路のパターン形状としてはマッハツェンダー型導波路や複数のマッハツェンダー型導波路を組み合わせたネスト型導波路など、光変調器の用途に応じて種々の形状を採用することが可能である。さらに、光導波路３１，３２は同一基板に形成する必要は無く、各々別々の基板に形成された光導波路であっても良い。

制御用電極は、信号電極や接地電極から構成され、基板表面に、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンを形成し、金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設け、該バッファ層の上側に変調電極を形成することも可能である。信号電極は、１本の信号電極に限られるものではなく、光導波路の変調領域が複数ある場合には、その数に対応して、複数の信号電極を設けることが可能である。信号電極としては、ＡＣとＤＣの電圧を印加するものも含まれる。

図１には、本発明の第１実施例に係る光変調器における入射光分離用光学系の概要を示してある。
本実施例の入射光分離用光学系は、入射コリメータ１５と、偏光ビームスプリッタ２１および反射ミラー２２と、波長板２３と、入射レンズアレイ２４とを備えている。

入射コリメータ１５は、フェルール端面（光出射端）に偏光子１２を取り付けた光ファイバ１１（直線偏波光の供給部）と、コリメートレンズ１４とを有している。
光変調器外部のレーザー光源等の光源から光ファイバ１１を通じて入力される入射光（入射ビーム）は、偏光子１２によって斜め４５度の偏波面を持つ直線偏波光Ｐ１に変換され、コリメートレンズ１４によって平行状態の光（コリメート光）に調整される。
ここで、斜め４５度の偏波面とは、入射光の光軸に沿った水平平面（または垂直平面）に対して４５度に傾けた偏波面を意味する。また、水平平面とは、基準面（本例では基板面）に対して水平な平面であり、垂直平面とは、基準面に対して垂直な平面である。

偏光ビームスプリッタ２１は、入射コリメータ１５から出力された直線偏波光を互いに偏波面が直交する２つの光に分岐する。本例では、斜め４５度の偏波面を持つ直線偏波光を、入射光の光軸に沿った水平平面を偏波面とした水平偏波光Ｐ２と、該光軸に沿った垂直平面を偏波面とした垂直偏波光Ｐ３とに、１：１の強度比で分岐する。また、本例では、入射光の光軸と同じ方向に水平偏波光を射出し、水平平面上で該光軸に直交する方向に垂直偏波光を射出する。ここでは、分岐光の強度比（分岐比）を１：１とする場合を中心に説明するが、特許文献１のように、分岐比を１：１以外の値に設定することも可能である。

反射ミラー２２は、偏光ビームスプリッタ２１で分岐された垂直偏波光の射出方向の位置に、該偏光ビームスプリッタ２１の面と平行に向き合うように配置してある。このため、偏光ビームスプリッタ２１で分岐された垂直偏波光は、偏光ビームスプリッタ２１で分岐された水平偏波光と平行な方向に反射される。すなわち、偏光ビームスプリッタ２１による各分岐光（水平偏波光および垂直偏波光）の光軸が平行に揃えられる。

本例では、一対のガラス基材の接合面に誘電体多層膜を設けて偏光ビームスプリッタ２１を形成し、一方のガラス基材における接合面の対向面に反射膜面を設けて反射ミラー２２を形成することで、偏光ビームスプリッタ２１と反射ミラー２２を一体構造の部品としているが、これらを分離した別部品としてもよい。なお、一体構造の部品としておいた方が、別部品にする場合に比べて部品配置の際の位置ずれ等を抑えることができるので、精度良い部品配置を行う観点において好ましい。

波長板２３は、通過する光に垂直偏波光に９０度の偏波回転を付与するλ／２波長板である。この波長板２３により、反射ミラー２２から導かれる垂直偏波光が水平偏波光に変換される。

第１の光導波路３１および第２の光導波路３２は、平行化された各分岐光の光軸に沿って並列に配置されている。また、その前段には、第１の光導波路３１および第２の光導波路３２の各々に対応させて第１の結合レンズ２５および第２の結合レンズ２６を配置した入射レンズアレイ２４を設けてある。

以上のような構成により、光ファイバ１１を通じて入力される入射光が、偏光子１２で斜め４５度の偏波面を持つ直線偏波光に変換され、コリメートレンズ１４で平行光線化され、偏光ビームスプリッタ２１で水平偏波光と垂直偏波光に１：１の強度比で分岐される。そして、偏光ビームスプリッタ２１で分岐された水平偏波光が、第１の結合レンズ２５によって結合されて第１の光導波路３１に入射される。また、偏光ビームスプリッタ２１で分岐された垂直偏波光が、反射ミラー２２で第２の光導波路３２の方向に反射され、波長板２３で水平偏波光に変換された後に、第２の結合レンズ２６によって結合されて第２の光導波路３２に入射される。

このため、第１の光導波路３１および第２の光導波路３２に、互いに同一角度の偏波面を持つ直線偏波光が同一の強度で入射することになる。また、各々の光導波路３１，３２で光ロスが異なる場合は、偏光子１２を光ファイバ１１から出力される入射光の光軸に対して回転させることで、偏光ビームスプリッタ２１で分岐される２つの光の強度比を１：１から変更することができ、これにより光ロス差を補正できる。これにより、光変調器の消光比を高めることや光ロス差を低減することが可能となり、デバイスとしての性能を向上させることができる。

本実施例の光変調器の組立段階では、偏光子１２以外の光学部品が固定される一方で、偏光子１２は出射光（直線偏波光）の光軸に対して回転調整可能に取り付けられる。この状態で、各々の光導波路３１，３２での光ロス差の有無を調べ、光ロス差が無い場合（あるいは許容範囲内の場合）には、偏光子１２をそのまま固定する。一方、そうでない場合には、偏光子１２を光ロス差が無くなるまで（あるいは許容範囲内となるまで）回転調整した後に固定する。これにより、消光比や光ロス差が優れた光変調器を提供することが可能となる。
なお、偏光子１２が固定された光ファイバ１１を光軸に対して回転調整可能に取り付けておき、該光ファイバ１１を各々の光導波路３１，３２での光ロス差を低減するように回転調整した後に固定するようにしてもよい。

ここで、偏光ビームスプリッタ２１に入射する直線偏波光の偏波面の角度（水平平面に対する角度）をθとし、該光の強度をＥとすると、偏光ビームスプリッタ２１で分岐される水平偏波光の強度Ｅxと、垂直偏波光の強度Ｅyは、以下の式で表すことができる。
Ｅx＝Ｅcosθ
Ｅy＝Ｅsinθ
また、偏光ビームスプリッタ２１による分岐比（水平偏波光と垂直偏波光の強度比）Ｒは、以下の式で表すことができる。
Ｒ＝（Ｅy／Ｅx）²＝（cosθ／sinθ）²＝tan²θ

したがって、各々の光導波路３１，３２で光ロス差がない場合には、０ｄＢ＝１０1og₁₀（tan²θ）であり、θ＝４５度となる。
これに対し、例えば、各々の光導波路３１，３２で０．５ｄＢの光ロス差がある場合には、０．５ｄＢ＝１０1og₁₀（tan²θ）であり、θ＝４３．３４度となるので、偏光子１２を回転させて、光ファイバ１１からのレーザ光が４３．３５度の偏波面を持つ直線偏波光に変換されるように調整すればよい。

図２には、本発明の第２実施例に係る光変調器における入射光分離用光学系の概要を示してある。なお、以下の各実施例では、先の実施例と共通の構成要素には同一の符号を付し、それらについての詳細な説明は簡略化または省略する。

本実施例の入射光分離用光学系では、直線偏波光の供給部として、フェルール端面（光出射端）に偏光子１２を取り付けた光ファイバ１１に代えて、偏波保持光ファイバ１３を設けてある。したがって、特定の偏波面を持つ直線偏波光を偏波保持光ファイバ１３の光入射端に入力すれば、その偏波面の方向（角度）が維持されて偏波保持光ファイバ１３の光出射端から直線偏波光が出力される。そして、偏波保持光ファイバ１３から出射する光波の偏波面が、例えば、斜め４５度の偏波面を持つ直線偏波光となるように、偏波保持光ファイバの出射端部の位置を設定する。なお、偏波保持光ファイバ１３に対して更に偏光子１２を取り付けても構わない。

本実施例の光変調器の組立段階では、偏波保持光ファイバ１３が出射光（直線偏波光）の光軸に対して回転調整可能に取り付けられる。この状態で、各々の光導波路３１，３２での光ロス差の有無を調べ、光ロス差が無い場合（あるいは許容範囲内の場合）には、偏波保持光ファイバ１３をそのまま固定する。一方、そうでない場合には、偏波保持光ファイバ１３を光ロス差が無くなるまで（あるいは許容範囲内となるまで）回転調整した後に固定する。これにより、消光比や光ロス差が優れた光変調器を提供することが可能となる。
なお、直線偏波光の入力側（偏波保持光ファイバ１３の光入射端）において、偏光子等により直線偏波光の偏波面の調整を行うようにしてもよく、この場合には、光ロス差に基づく調整を行わずに偏波保持光ファイバ１３を固定することができる。

図３には、本発明の第３実施例に係る光変調器における入射光分離用光学系の概要を示してある。
本実施例の入射光分離用光学系では、波長板２３を、偏光ビームスプリッタ２１および反射ミラー２２と一体構造にしている。
すなわち、一対のガラス基材の接合面に誘電体多層膜を設けて偏光ビームスプリッタ２１を形成し、一方のガラス基材における接合面の対向面に反射膜面を設けて反射ミラー２２を形成し、更に、該一方のガラス基材における光反射方向の端面に波長板２３を貼り合わせた構造となっている。
このように、偏光ビームスプリッタ２１、反射ミラー２２、波長板２３を一体構造の部品とすることで、それぞれを別部品にする場合に比べて部品配置の際の位置ずれ等が抑えられ、精度良い部品配置を行うことができる。

図４には、本発明の第４実施例に係る光変調器における入射光分離用光学系の概要を示してある。
本実施例の入射光分離用光学系では、入射コリメータ１５の向きを、各々の光導波路３１，３２の向きに対して直角にしてある。また、偏光ビームスプリッタ２１への光入射方向が変わったのに対応させて、偏光ビームスプリッタ２１で入射光の光軸と同じ方向に垂直偏波光を分岐し、水平平面上で該光軸に直交する方向に水平偏波光を分岐している。
このような構成により、光変調器に対する光ファイバ１１（あるいは偏光保持光ファイバ１３）のケーブル接続を該光変調器の長手方向の端面ではなく該光変調器の側面にすることができる。このため、光変調器の長手方向の端面にケーブル接続する構成に比べ、該長手方向のスペースが限られた場所へ光変調器を配置する際のケーブル配線の取り回しが容易となる。

図５には、本発明の第５実施例に係る光変調器における入射光分離用光学系の概要を示してある。
本実施例の入射光分離用光学系では、入射コリメータ１５の向きを、各々の光導波路３１，３２の向きに対して直角にしてある。また、入射コリメータ１５と偏光ビームスプリッタ２１との間に反射ミラー１６を設けてある。
このような構成によっても、光変調器に対する光ファイバ１１（あるいは偏光保持光ファイバ１３）のケーブル接続を該光変調器の長手方向の端面ではなく該光変調器の側面にすることができる。このため、光変調器の長手方向の端面にケーブル接続する構成に比べ、該長手方向のスペースが限られた場所へ光変調器を配置する際のケーブル配線の取り回しが容易となる。

なお、上記の各実施例では、偏光ビームスプリッタで直線偏波光を１：１の強度比で分岐したが、使用する変調方式で要求される各々の光導波路３１，３２での強度比に対応させて、他の強度比で分岐するようにしてもよい。

また、上記の各実施例では、各々の光導波路３１，３２に水平偏波光を入力しているが、垂直偏波光を入力するようにしてもよい。この場合には、偏光ビームスプリッタ２１による各分岐光の出力方向を入れ替えるか、波長板２３を第２の光導波路３２側への入射光の光路ではなく第１の光導波路３１側への入射光の光路に配置すればよい。

また、上記の各実施例では、第２の光導波路３２側への入射光の光路のみに波長板２３を配置したが、第１の光導波路３１側への入射光の光路にも波長板２３を配置するようにしてもよく、第１の光導波路３１への入射光と第２の光導波路３２への入射光の各偏波面が一致するようになればよい。

また、上記の各実施例では、直線偏波光の分岐部として、偏光ビームスプリッタ２１を用いたが、直線偏波光を互いに偏波面が直交する２つの光に分岐可能な他の光学素子（例えば、複屈折材料の光学素子）を用いてもよい。

また、上記の各実施例では、２つの光導波路３１，３２に対応させて２つの結合レンズ２５，２６を用いているが、特許文献１にも開示されているように、１つのレンズ（単レンズ）で各々の光導波路３１，３２に入射光を結合させるようにしてもよい。この場合には、第１の光導波路３１と第２の光導波路３２は、互いに平行でなく、入射光の全体の入射方向に対し傾いた配置となる。

以上、説明したように、本発明によれば、各々の光導波路に対する入射光の強度比を組立段階で変更または補正することが可能な光変調器を提供することができる。

１１光ファイバ
１２偏光子
１３偏波保持光ファイバ
１４コリメートレンズ
１５入射コリメータ
１６反射ミラー
２１偏光ビームスプリッタ
２２反射ミラー
２３波長板
２４入射レンズアレイ
２５，２６結合レンズ
３１，３２光導波路

Claims

第１の光導波路および第２の光導波路と、各光導波路を伝播する光波を制御するための制御用電極とを有する光変調器において、
直線偏波光を供給する供給部と、
該供給部から供給された該直線偏波光を前記第１及び第２の光導波路に導く空間光学系を備え、
該空間光学系には、該直線偏波光を互いに偏波面が直交する２つの光に分岐すると共に、該直線偏波光の偏波面の角度を調整することで偏波面が直交する２つの光の強度比を変更することが可能な分岐部と、
該第１の光導波路に入射する光と該第２の光導波路に入射する光との偏波面を一致させるため、該分岐部で分岐された一方の光が該第１の光導波路に至る光路、または、該分岐部で分岐された他方の光が該第２の光導波路に至る光路の少なくともいずれか一方に配置される波長板とを設けることを特徴とする光変調器。
請求項１に記載の光変調器において、
該供給部は、光出射端に偏光子を取り付けた光ファイバ、または、偏波保持光ファイバであることを特徴とする光変調器。
請求項２に記載の光変調器において、
該偏光子または該偏波保持光ファイバを、該供給部から出力される光の光軸に対して回転調整可能に設けたことを特徴とする光変調器。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光変調器において、
該供給部と該分岐部との間にコリメートレンズを配置し、該分岐部と該第１および第２の光導波路との間に結合レンズを各々配置したことを特徴とする光変調器。
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光変調器において、
該分岐部は、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする光変調器。
第１の光導波路および第２の光導波路と、各光導波路を伝播する光波を制御するための制御用電極とを有する光変調器において、
直線偏波光を供給する供給部と、
該供給部から供給された該直線偏波光を前記第１及び第２の光導波路に導く空間光学系を備え、
該空間光学系には、該直線偏波光を互いに偏波面が直交する２つの光に分岐することが可能な分岐部と、
該第１の光導波路に入射する光と該第２の光導波路に入射する光との偏波面を一致させるため、該分岐部で分岐された一方の光が該第１の光導波路に至る光路、または、該分岐部で分岐された他方の光が該第２の光導波路に至る光路の少なくともいずれか一方に配置される波長板と
該供給部と該分岐部との間に配置されるコリメートレンズと、
該分岐部と前記第１及び第２の光導波路との間に各々配置される結合レンズとを設けることを特徴とする光変調器。