JP5069144B2

JP5069144B2 - 光変調器

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Publication number: JP5069144B2
Application number: JP2008045260A
Authority: JP
Inventors: 裕史山崎; 隆司郷; 貴山田; 明正金子
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: JP2009204753A

Description

本発明は、光変調器に関し、より詳細には、通信用光デバイスとして偏波多重された光信号を生成する光変調器に関する。

近年、長距離光伝送において、４０Ｇｂ／ｓ、１００Ｇｂ／ｓといった高いビットレートによる伝送に対するニーズが高まっている。一般的に、光信号を変調する場合、高速化のために変調シンボルレートを高くすると、分散耐性が急激に劣化する。このため、伝送距離が縮小してしまうという問題がある。また、信号スペクトルの広がりも大きくなるため、波長分割多重（ＷＤＭ）伝送におけるフィルタの帯域、チャネル間隔を大きくとらなければならないという問題もある。そこで、変調シンボルレートを高くせずに、ビットレートを大きくするため、多値化技術、多重化技術の必要性が高まっている。

多重化技術の一つとして、偏波多重伝送技術が有望視されている。直交する二つの偏波（Ｘ偏波、Ｙ偏波）を用いて、それぞれ異なる情報を伝送し、受信側では、偏波分離した後に復調する。非特許文献１は、偏波多重を用いたＷＤＭ伝送の初期の例であり、２５波長×２偏波×１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ変調により、総伝送容量１Ｔｂ／ｓを実現している。また、近年の大容量ＷＤＭ伝送に関する報告では、ＤＱＰＳＫなど多値変調方式と偏波多重伝送技術とを組み合わせて大容量化を図っている。例えば、非特許文献２では、差動４値位相シフト変調（ＤＱＰＳＫ）と偏波多重伝送技術との組み合わせにより、総伝送容量２５．６Ｔｂ／ｓの大容量伝送を実現している。

特開２００５−１０８０５号公報特許第３８００５９４号公報 A.R.Chraplyvy, A.Gnauck, R.Tkach, et a1., "1 Tb/s transmission experiment," IEEE Photon. Technol. Lett., vol.8, no.9, pp.1264-1266, Sep. 1996 A.H.Gnauck, G.Charlet, P.Tran, P.Winzer, C.Doerr, J.Centanni, E.Burrows, T.Kawanishi, T.Sakamoto, K.Higuma, "25.6-Tb/s C+L-Band Transmission of Polarization-Multiplexed RZ-DQPSK Signals," Proc. of OFC/NFOEC2007, paperPDP19, 2007 R.A.Grifin, "Integrated DQPSK Transmitters," Proc. of OFC/NFOEC2005, 0WE3, 2005 K.Jinguji, N.Takato, A.Sugita, and M.Kawachi, "Mach-Zehnder interferometer type optical waveguide coupler with wavelength-flattened coupling ratio," Electron. Lett., Vol.26, No.17, pp.1326-1327, 1990

上述したように、偏波多重伝送技術を用いた伝送実験については、近年多数報告されている。非特許文献２を含む多くの例においては、送信側の装置を簡略なデバイス構成とし、擬似的に偏波多重信号を生成する方法が用いられている。図１に、従来の偏波多重伝送技術による送信装置の第１の例を示す。光源１１に接続された単一の光変調器１２を用いて、単一偏波の信号光を生成する。この信号光を、光カプラ１３により２分岐する。一方は、偏波コントローラ１４ａと遅延線１５とを介し、他方は、偏波コントローラ１４ｂを介して、両者の偏波を互いに直交させ、偏波合成器１６で合波する。このようにして、擬似的に偏波多重信号を生成している。このような構成は、実験目的で簡易に伝送系を構築する手段としては有効だが、当然ながら、各偏波に任意の異なるデータを載せることはできず、実用に供することはできない。

図２に、従来の偏波多重伝送技術による送信装置の第２の例を示す。光源２１からの信号光を、光カプラ２３により２分岐し、Ｘ偏波用の光変調器２２ａとＹ偏波用の光変調器２２ｂとに入力する。偏波コントローラ２４ａ，２４ｂを用いて、それぞれの出力光の偏波を直交させ、偏波ビームスプリッタ〈ＰＢＳ）などの偏波合成器２６を用いて合波する。この構成によれば、各変調器を異なるデータで駆動すれば、任意の２系列のデータを偏波多重伝送することができる。

しかしながら、実際の光伝送システムにおける送信装置への導入を考えると、このような複数の個別部品を、光ファイバを介して接続した形態は、部品点数が多く、占有スペースも大きいという問題があった。現行の偏波多重を用いない中長距離光伝送における送信装置は、光源（レーザーダイオード）と外部変調器のみから構成されており、両者を光ファイバで接続している。レーザーダイオードから出力されるキャリア光は、単一偏波であり、外部変調器から出力される信号光も単一偏波である。

従来の光伝送システムからの移行を考えると、偏波多重伝送技術を用いるシステムにおいても、光源と外部変調器のみで構成されていることが望ましい。しかしながら、そのような一体型の偏波多重変調器はこれまでに提案されていない。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、単一光源からの単一偏波キャリア光の入力に対し、偏波多重信号光を出力する一体的な変調器を有する光変調器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、端面同士が直接接合された３枚の基板であって、第１の基板、第２の基板、第３の基板の順に接合された基板上に形成された平面光波回路からなる光変調器であって、入力光の偏波面を該偏波面と直交する方向に変換し出力する偏波変換回路と、複数の入力ポートから入力された偏光の異なる光を単一の出力ポートから出力する偏波合成回路であって、２つの光カプラと該光カプラを結ぶ２本の光路からなるマッハツェンダ光干渉計であり、前記２本の光路の複屈折をそれぞれ長手方向に距離積分した値の差が、前記入力光の波長の半整数倍である偏波合成回路と、前記偏波変換回路を介して前記偏波合成回路の第１の入カポートに接続された第１の変調回路と、前記偏波変換回路を介さずに前記偏波合成回路の第２の入カポートに接続された第２の変調回路とを備え、前記第１および第２の変調回路は、前記第２の基板上に形成された位相シフタを含み、前記第２の基板上に形成された平面光波回路の透過光の位相又は強度を高速に変調する機能を有し、前記偏波変換回路および前記偏波合成回路は、前記第３の基板上に形成されており、前記第１の基板および前記第３の基板上に形成された平面光波回路は、石英系光導波路からなるたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、講求項１に記載の光変調器において、前記第１および第２の変調回路の各々は、メインマッハツェンダ干渉計の２つのアームのそれぞれにサブマッハツェンダ干渉計が埋め込まれた変調回路であり、前記メインマッハツェンダ干渉計は、前記第１および第３の基板とにそれぞれ実装されている２つのＹ分岐と、２つのサブマッハツェンダ干渉計とから構成され、前記サブマッハツェンダ干渉計は、前記第１および第３の基板とにそれぞれ実装されている２つのＹ分岐と、Ｙ分岐のそれぞれを結ぶ前記第２の基板上に形成された位相シフタからなることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の光変調器において、前記第１の基板上の折り返し導波路および分岐回路を介して前記第１および第２の変調回路の入力導波路に接続されたＲＺ化回路と、前記第１の変調回路と前記偏波合成回路との間に挿入され、ＲＺパルス長の半分に相当する遅延を付与する遅延線とをさらに備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の光変調器において、前記第１および第３の基板上の平面光波回路の構成が同一であり、前記第１および第３の基板は、点対称に配置されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記偏波変換回路は、光導波路内に形成された溝と、該溝に挿入された偏波変換手段とを含むことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、単一光源からの単一偏波のキャリア光入力に対し、偏波多重信号光を出力する一体型の偏波多重光変調器を有する光変調器を作製することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。上述したように、送信装置の構成は、シンプルであることが望ましい。すなわち、図３に示すように、本実施形態にかかる送信装置は、単一の光源３１からの単一偏波キャリア光の入力に対し、偏波多重信号光を出力する一体的な偏波多重光変調器３２を用いることが望ましい。

本実施形態では、変調回路、偏波変換回路、偏波合成回路からなる一体型の光変調器を用いる。変調回路の位相シフタを構成する材料としては、ＬｉＮｂＯ₃（以下、ＬＮという）を用いる。良く知られている通り、ＬＮは、電気光学（ＥＯ）効果の一種であるポッケルス効果を有し、電界の印加による高速な屈折率変調が可能であり、光変調器の材料として充分な実用導入実績がある。但し、本発明はこれに限られるものではなく、ＬＮの代わりに、ポッケルス効果を有するＫＴａ_1-xＮｂ_x０₃、Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_x０₃などの多元系酸化物結晶、電界吸収（ＥＡ）効果、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）による屈折率または吸収係数の変調が可能なＧａＡｓ系、ＩｎＰ系の化合物半導体、クロモフオアなどのＥＯポリマなどを用いることもできる。

また、以下の実施例では、ＬＮの結晶軸方向はＺカット、すなわち結晶の６回回転軸が基板面に垂直な基板を用いるが、軸方向はＸカット、すなわち６回回転軸が基板面に平行で位相シフタ部分の導波路に垂直な基板を用いても良い。但し、Ｘカットを用いる場合は、電界印加方向が異なるため、実施例の図面とは位相シフタ電極の位置が異なるので注意が必要である。

さらに、Ｚカットでは、電界振動方向が基板面に対し垂直なＴＭ偏波に対してより大きなＥＯ効果が得られるので、以下に示す実施例では変調回路を通過する時点での偏光状態をＴＭ偏波としている。一方、Ｘカットでは、電界振動方向が基板面に対し垂直なＴＥ偏波に対して大きなＥＯ効果が得られるので、Ｘカットを用いる場合は、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とが逆転することにも注意が必要である。

図４に、本発明の実施例１にかかる偏波多重光変調器の構成を示す。図５に、溝に沿った（Ｘ−Ｘ’）断面図を示す。実施例１では、単一のＬＮ基板１００上に形成された平面光波回路により光変調器を構成している。平面光波回路は、ＬＮ基板１００上にＴｉ拡散により形成された光導波路１１０からなる。なお、光導波路はリッジ型でも良い。

入力側導波路から入力さたれ単一偏波キャリア光は、光パワーを均等に分岐するＹ分岐１１１ａにより二手に分けられ、それぞれ変調回路１０１ａ，１０１ｂへ接続される。変調回路１０１ａ，１０１ｂは、それぞれ単一の対称マッハツェンダ干渉計からなり、各アームには、光位相を高速にシフトさせるＥＯ位相シフタ１１３ａ〜１１３ｄが設けられている。ＥＯ位相シフタ１１３ａ〜１１３ｄは、電圧駆動によりNon-Return-to-Zero（ＮＲＺ）、差動位相シフトキーイング（ＤＰＳＫ）などの変調フォーマットにより光変調を行うことができる。実施例１では、入力さたれ単一偏波キャリア光は、ＴＭ偏波である。

変調回路１０１ａ，１０１ｂからの出力導波路は、それぞれ偏波合成回路１０３の異なるポートに接続されるが、これら出力導波路のうちの一方に、偏波変換回路１０２が挿入されている。偏波変換回路１０２は、導波路中の溝１０４に挿入され、光学軸が基板面に対して４５度傾いた１／２波長板１１４で構成される。出力導波路から入射された光の偏光軸は、１／２波長板１１４の光学軸を対称軸として反転するので、偏波変換回路１０２を通過することにより、ＴＭ偏波の光はＴＥ偏波に変換される。なお、１／２波長板１１４を挿入する溝１０４は、図４に示す通りＬＮ基板１００全体を横切るようにダイシングによって形成されている。１／２波長板１１４が挿入されていない部分には、光導波路と屈折率の整合した樹脂が充填されている。

偏波合成回路１０３には、単純なＹカプラ１１２ｃを用いる。これにより、最小の回路サイズで偏波合成回路１０３を構成できる。但し、原理的に３ｄＢの光損失が生じるというデメリットがある。

このような構成により、変調回路１０１ａ，１０１ｂを、それぞれＴＥ偏波光変調用、ＴＭ偏波光変調用のデータで駆動すれば、従来に例のない、単一偏波（ＴＭ偏波）のキャリア光の入力に対し、偏波多重信号光を出力する一体型の偏波多重光変調器を構成することができる。

図６に、本発明の実施例２にかかる偏波多重光変調器の構成を示す。図７に、２つの溝に沿った断面図を示す。実施例２では、単一のＬＮ基板１００上に形成された平面光波回路により光変調器を構成している。平面光波回路は、ＬＮ基板１００上にＴｉ拡散により形成された光導波路１１０からなる。なお、光導波路はリッジ型でも良い。

実施例１と同様に、入力側導波路から入力さたれ単一偏波キャリア光は、光パワーを均等に分岐するＹ分岐１１１ａにより二手に分けられ、それぞれ変調回路１０１ａ，１０１ｂへ接続される。変調回路１０１ａ，１０１ｂからの出力導波路は、それぞれ偏波合成回路１０３の異なるポートに接続されるが、これら出力導波路のうちの一方に、偏波変換回路１０２が挿入されている。偏波変換回路１０２は、導波路中の溝１０４ａに挿入され、光学軸が基板面に対して４５度傾いた１／２波長板１１４ａで構成される。出力導波路から入射された光の偏光軸は、１／２波長板１１４ａの光学軸を対称軸として反転するので、偏波変換回路１０２を通過することにより、ＴＭ偏波の光はＴＥ偏波に変換される。なお、１／２波長板１１４ａを挿入する溝１０４ａは、図６に示す通りＬＮ基板１００全体を横切るようにダイシングによって形成されている。１／２波長板１１４ａが挿入されていない部分には、光導波路と屈折率の整合した樹脂が充填されている。

偏波合成回路１０３は、２つの３ｄＢカプラ１１５ａ，１１５ｂと、これらを結ぶ２本のアームからなるマッハツェンダ干渉計で構成されている。このうち片方のアームには、光学軸が基板面に垂直（または平行）な１／２波長板１１４ｂが挿入されている。１／２波長板１１４ｂは、ＴＭ偏波光、ＴＥ偏波光のどちらか一方に対し、他方よりもπだけ大きい位相遅延を与える。ここで、ＴＭ偏波光に対するアーム間の光位相差をΔφ_TM、ＴＥ偏波光に対するアーム間の光路長差をΔφ_TEとすると、
｜Δφ_TM−Δφ_TE｜＝π
が成り立つ。実施例２では、アーム間の光路長差は、Δφ_TE＝０となるよう設計されており、｜Δφ_TM｜＝πである。偏波合成回路１０３のマッハツェンダ干渉計においては、ＴＥ偏波光はクロス側へ出力され、ＴＭ偏波光はスルー側へ出力される。なお、製造誤差等の影響を補償し、光路長差を微調整するため、各アームには、位相シフタ１１３ｅ，１１３ｆを設けておくことが望ましい。

実施例２では、変調回路１０１ａ，１０１ｂからの出力導波路は、偏波合成回路１０３の異なるポートに接続される。変調回路１０１ａからの出力光は、偏波変換回路１０２によりＴＥ偏波光に変換されて入射され、変調回路１０１ｂからの出力光は、入力時の偏波を保ってＴＭ偏波光として入射される。両者は偏波合成回路１０３の同じポート、すなわちＴＥ偏波光が入射されるポートから見たクロスポート、ＴＭ偏波光が入射されるポートから見たスルーポートから出力される。

マッハツェンダ干渉計型の偏波合成回路１０３は、原理的な光損失がないという大きなメリットがある。また、他の光回路と同一基板上に一体的に形成できるため、他の回路との問の接続損失も生じず、接続による偏光方向のずれなども生じない。このような構成により、変調回路１０１ａ，１０１ｂを、それぞれＴＥ偏波光変調用、ＴＭ偏波光変調用のデータで駆動すれば、従来に例のない、単一偏波（ＴＭ偏波）のキャリア光の入力に対し、偏波多重信号光を出力する一体型の偏波多重光変調器を構成することができる。

図８に、本発明の実施例３にかかる偏波多重光変調器の構成を示す。図９に、２つの溝に沿った断面図を示す。実施例３では、端面同士が直接接合された３枚の基板１００ａ〜１００ｃ上に形成された平面光波回路により光変調器を構成している。第１の基板１００ａおよび第３の基板１００ｃはシリコン基板であり、この上にＳｉＯ₂を主成分とするガラスからなる石英系光導波路１２０が形成されている。石英系光導波路１２０は、方形のコアがクラッド中に埋め込まれている埋め込み型とし、コアとクラッドとの比屈折率差は、１．５％である。第２の基板１００ｂは、ＬＮ基板であり、この上にＴｉ拡散により光導波路が形成されている。

なお、本実施形態は、上記の基板の種類に限定されるものではなく、第２の基板として、上述の通り他の多元系酸化物結晶、化合物半導体、ＥＯポリマなどを用いることができる。また、第１および第３の基板として、石英基板上の石英系光導波路、シリコン導波路、ポリマ導波路など他の材料からなる低損失な導波路の基板を用いることもできる。

図１０は、基板の接続方法を示す斜視図である。第１の基板１００ａと第３の基板１００ｃとの間に第２の基板１００ｂが挟まれた構成となっている。各々の基板は、紫外線硬化型接着剤を用いて端面接続されている。第１の基板１００ａには入力光ファィバ１０５が接続され、第３の基板１００ｃには出力光ファイバ１０６が接続されている。第２の基板１００ｂ上のＴｉ拡散により形成されたＬＮ光導波路は、スポットサイズ約３．６μｍである。このため、第１および第３の基板の石英系導波路の端面部において、スポットサイズ変換導波路を用いて、スポットサイズをＬＮ光導波路と整合させている。これにより、結合損失は平均０．２ｄＢ、損失ばらつき０．１ｄＢ以内と非常に良好な光結合が得られる。この端面接続の方法は、信頼性も含め十分な実績のある光導波回路基板と光ファイバアレイとを接続する方法と技術的に等しいため、同じく十分な信頼性を有すると予想される。

石英系光導波路は、ＬＮのようなＥＯ効果を持たないが、分岐、カプラ、曲げ、フィルタなど低損失、小型で様々なパッシブ光回路を構成することができる。石英系光導波路を用いた光回路は、光スプリッタ、光合分波器として充分な実用導入実績がある。Ｔｉ拡散によるＬＮ光導波路は、伝播損失が０．３ｄＢ／ｃｍ程度、最小曲げ半径が数ｃｍ程度である。これに対して、石英系光導波路は、伝播損失０．０１ｄＢ／ｃｍ程度またはそれ以下、非屈折率差１．５％の場合の最小曲げ半径は１．５ｍｍであり、いずれもＬＮ光導波路より優れている。

実施例３の基本的なコンセプトは、異種基板を接合して構成とすることにより、各導波路材料の有する特徴をそれぞれ生かすことである。すなわち、高速な応答が要求される変調回路の位相シフタ部分にはＬＮ光導波路を用い、高速な応答は要求されないが、小型で低損失であることが求められる変調回路、偏波変換回路、偏波合成回路には石英系光導波路を用いている。

図８に戻り、光変調器の構成について説明する。第１の基板１００ａ上の入力導波路は、光パワーを均等に分岐するＹ分岐１１１ａにより二手に分けられ、それぞれ変調回路１０１ａ，１０１ｂへ接続される。変調回路１０１ａ，１０１ｂは、第１の基板１００ａと第３の基板１００ｃとにそれぞれ実装されている２つのＹ分岐と、Ｙ分岐のそれぞれを結ぶ第２の基板１００ｂ上の４つのＥＯ位相シフタ１１３ａ〜１１３ｄからなる。このようにして、単一の対称マッハツェンダ干渉計を構成し、電圧駆動によりNon-Return-to-Zero（ＮＲＺ）、差動位相シフトキーイング（ＤＰＳＫ）などの変調フォーマットにより光変調を行うことができる。実施例３では、入力導波路から入力さたれ単一偏波キャリア光は、ＴＭ偏波である。

変調回路１０１ａ，１０１ｂからの出力導波路は、それぞれ第３の基板１００ｃ上の偏波合成回路１０３の異なるポートに接続されるが、これら出力導波路のうちの一方に、偏波変換回路１０２が挿入されている。偏波変換回路１０２は、導波路中の溝１０４ａに挿入され、光学軸が基板面に対して４５度傾いた１／２波長板１１４ａで構成される。出力導波路から入射された光の偏光軸は、１／２波長板１１４ａの光学軸を対称軸として反転するので、偏波変換回路１０２を通過することにより、ＴＭ偏波の光はＴＥ偏波に変換される。なお、１／２波長板１１４ａを挿入する溝１０４ａは、図８に示す通り第３の基板１００ｃ全体を横切るようにダイシングによって形成されている。１／２波長板１１４ａが挿入されていない部分には、光導波路と屈折率の整合した樹脂が充填されている。

偏波合成回路１０３は、２つの３ｄＢカプラ１１５ａ，１１５ｂと、これらを結ぶ２本のアームからなるマッハツェンダ干渉計で構成されている。このうち片方のアームには、光学軸が基板面に垂直（または平行）な１／２波長板１１４ｂが挿入されている。１／２波長板１１４ｂは、ＴＭ偏波光、ＴＥ偏波光のどちらか一方に対し、他方よりもπだけ大きい位相遅延を与える。ここで、ＴＭ偏波光に対するアーム間の光位相差をΔφ_TM、ＴＥ偏波光に対するアーム間の光路長差をΔφ_TEとすると、
｜Δφ_TM−Δφ_TE｜＝π
が成り立つ。実施例３では、アーム間の光路長差は、Δφ_TE＝０となるよう設計されており、｜Δφ_TM｜＝πである。偏波合成回路１０３のマッハツェンダ干渉計においては、ＴＥ偏波光はクロス側へ出力され、ＴＭ偏波光はスルー側へ出力される。なお、製造誤差等の影響を補償し、光路長差を微調整するため、各アームには、石英系光導波路の熱光学（ＴＯ）効果を用いた位相シフタ１１３ｅ，１１３ｆを設けておくことが望ましい。この位相シフタは、恒常的な位相調整を行うので、当然ながら高速の応答は必要ない。

実施例３では、変調回路１０１ａ，１０１ｂからの出力導波路は、偏波合成回路１０３の異なるポートに接続される。変調回路１０１ａからの出力光は、偏波変換回路１０２によりＴＥ偏波光に変換されて入射され、変調回路１０１ｂからの出力光は、入力時の偏波を保ってＴＭ偏波光として入射される。両者は偏波合成回路１０３の同じポート、すなわちＴＥ偏波光が入射されるポートから見たクロスポート、ＴＭ偏波光が入射されるポートから見たスルーポートから出力される。

実施例３では、マッハツェンダ干渉計を構成する３ｄＢカプラ１１５ａ，１１５ｂとして、方向性結合器を用いている。他にもマルチモード干渉計（ＭＭＩ）、非特許文献４に示されている導波路型波長無依存カプラ（ＷＩＮＣ）を用いても良い。上述の通り、このようなマッハツェンダ干渉計型の偏波合成回路１０３は、原理的な光損失がないという大きなメリットがある。とくに石英系光導波路のように、低損失な３ｄＢカプラの作製、アーム導波路の正確な光路長調整が可能な導波路材料を用いることにより、カプラ損失、位相誤差等も含めた実際の光損失も小さくすることができる。これらは、３つの基板で構成とすることにより得られる重要な効果の一つである。

このような構成により、変調回路１０１ａ，１０１ｂを、それぞれＴＥ偏波光変調用、ＴＭ偏波光変調用のデータで駆動すれば、従来に例のない、単一偏波（ＴＭ偏波）のキャリア光の入力に対し、偏波多重信号光を出力する一体型の偏波多重光変調器を構成することができる。実施例３のように、３つの基板を端面において直接接合した構成を用いることにより、小型で低損失の光回路を作製することができる。

図１１に、本発明の実施例４にかかる偏波多重光変調器の構成を示す。実施例３と同じく、端面同士が直接接合された３枚の基板１００ａ〜１００ｃ上に形成された平面光波回路により光変調器を構成している。基板材料、導波路構造は、実施例３と同じであるので説明は割愛する。実施例４の第２の基板１００ｂおよび第３の基板１００ｃとは、実施例３と全く同じものを用いている。また、第１の基板１００ａは、第３の基板１００ｃと全く同じものを用い、第２の基板１００ｂを挟んで接続している。

これまでに挙げた実施例においては、入力導波路はＹ分岐により二手に分ける構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、実施例４のように構成することもできる。すなわち、入力光の電界振動方向を基板面に対し４５度傾け（すなわちＴＥ成分とＴＭ成分が１：１であるような偏光とし）、偏波分離回路を用いてＴＭ偏波光とＴＥ偏波光に分ける。ＴＥ偏波光側を、偏波変換回路によってＴＭ偏波光に変換した後、両者をそれぞれ変調回路に接続する。偏波分離回路は、これまでの実施例に挙げた偏波合成回路をそのまま用いることができる。なぜならば、偏波分離回路と偏波合成回路とは相反回路であるため、同じポートから入力されたＴＥ偏波光とＴＭ偏波光は異なるポートから出力されるからである。

このような構成とすることで、回路サイズは大きくなるというデメリットは生じるが、第１および第３の基板の設計を共通化することができるというメリットがある。また、回路全体として物理的に対称な構成となるため、偏波合成回路、偏波変換回路において製造誤差等による偏光依存損失（ＰＤＬ）等が生じた場合でも、対称に配置された第１および第３の基板を通過することにより、その影響は相殺される。実施例４の回路全体としては、ＰＤＬ等が低減されるというメリットがある。

図１２に、本発明の実施例５にかかる偏波多重光変調器の構成を示す。実施例３と同じく、端面同士が直接接合された３枚の基板１００ａ〜１００ｃ上に形成された平面光波回路により光変調器を構成している。基板材料、導波路構造は、実施例３と同じであるので説明は割愛する。実施例５において、実施例３と異なる点は、変調回路１０１ａ，１０１ｂにおいてＹ分岐の代わりに３ｄＢカプラ１１５ｃ〜１１５ｆをそれぞれ用いて、２入力２出力のマッハツェンダ干渉計としている点である。これに伴って、ファイバ入カポート１３０〜１３２を３ポート設け、出力側にモニタポート１３３，１３４を２ポート設けている。

ファイバ入力ポート１３０は、実施例３におけるファイバ入カポートと同等であり、Ｙ分岐１１１ａを介して２つの変調回路１０１ａ，１０１ｂの一方の入力側ポートヘと接続されている。ファイバ入力ポート１３１，１３２は、変調回路１０１ａ，１０１ｂの他方の入カポートヘそれぞれ接続されている。変調回路１０１ａ，１０１ｂの一方の出カポートは、実施例３と同様に、偏波合成回路１０３の異なる入カポートヘ接続され、これら出力導波路のうちの一方に偏波変換回路１０２が挿入されている。変調回路１０１ａ，１０１ｂの他方の出力ポートは、それぞれモニタポート１３３，１３４に直接接続されている。

実施例５について、実施例３に対する追加的なメリットについて説明する。ファイバ入カポート１３０に単一偏波（ＴＭ偏波）のキャリア光を入力すれば、実施例３と同様に、偏波多重変調器として用いることができる。このとき、モニタポート１３３，１３４からの出力をモニタすることにより、変調回路１０１ａ，１０１ｂのパフォーマンスを個別にモニタリングすることができるというメリットがある。また、ファイバ入力ポート１３１，１３２から、それぞれ波長の異なる単一偏波（ＴＭ偏波）のキャリア光を入力することにより、波長多重分割（ＷＤＭ）伝送システムにおいて、隣接する波長チャネル間で偏波を直交させる偏波インターリーブを用いた送信装置として応用できる。

図１３に、本発明の実施例６にかかる偏波多重光変調器の構成を示す。図１４に、溝に沿った（Ｘ−Ｘ’）断面図を示す。実施例３と同じく、端面同士が直接接合された３枚の基板１００ａ〜１００ｃ上に形成された平面光波回路により光変調器を構成している。基板材料、導波路構造は、実施例３と同じであるので説明は割愛する。

第１の基板１００ａ上の入力導波路は、光パワーを均等に分岐するＹ分岐１１１ａにより二手に分けられ、それぞれ変調回路１０１ａ，１０１ｂへ接続される。変調回路１０１ａ，１０１ｂは、非特許文献３に示されるような差動４値位相シフトキーイング（ＤＱＰＳＫ）変調器の構成である。メインマッハツェンダ干渉計の２つのアームのそれぞれに、サブマッハツェンダ干渉計が埋め込まれた形となっている。メインマッハツェンダ干渉計は、第１の基板１００ａと第３の基板１００ｃとにそれぞれ実装されている２つのＹ分岐と、２つのサブマッハツェンダ干渉計とから構成されている。サブマッハツェンダ干渉計は、第１の基板１００ａと第３の基板１００ｃとにそれぞれ実装されている２つのＹ分岐と、Ｙ分岐のそれぞれを結ぶ第２の基板１００ｂ上のＥＯ位相シフタからなる。メインマッハツェンダ干渉計の片方のアームには、アーム問でπ／２の位相差を付与するため、第３の基板１００ｃ上にヒータを装荷したＴＯ位相シフタ１１３ｇ，１１３ｈが設けられている。

変調回路１０１ａ，１０１ｂからの出力導波路は、それぞれ第３の基板１００ｃ上の偏波合成回路１０３の異なるポートに接続されるが、これら出力導波路のうちの一方に、偏波変換回路１０２が挿入されている。偏波変換回路１０２は、導波路中の溝１０４に挿入され、光学軸が基板面に対して４５度傾いた１／２波長板１１４で構成される。出力導波路から入射された光の偏光軸は、１／２波長板１１４の光学軸を対称軸として反転するので、偏波変換回路１０２を通過することにより、ＴＭ偏波の光はＴＥ偏波に変換される。なお、１／２波長板１１４を挿入する溝１０４は、図１３に示す通り第３の基板１００ｃ全体を横切るようにダイシングによって形成されている。１／２波長板１１４が挿入されていない部分には、光導波路と屈折率の整合した樹脂が充填されている。

図１５に、実施例６にかかる偏波合成回路の構成を示す。例えば、特許文献１で実施例として公開されている導波路型干渉計を用いる。偏波合成回路１０３は、２つの３ｄＢカプラ２０１ａ，２０１ｂと、それらを結ぶ２本のアームからなるマッハツェンダ干渉計で構成されている。アームの一方は、導波路の幅が相対的に太くなっている太幅導波路２０４とこれに接続するテーパ導波路２０２ａ，２０２ｂからなる。アームの他方は、導波路の幅が相対的に細くなっている細幅導波路２０５とこれに接続するテーパ導波路２０３ａ，２０３ｂからなる。

一般的に、平面基板上に形成された光導波路においては、ＴＭ偏波光の実効屈折率η_TMとＴＥ偏波光の実効屈折率η_TEとは異なり、これらの差で定義される値Ｂ＝η_TM−η_TEを導波路複屈折と呼ぶ。特許文献１に示すように、導波路複屈折Ｂは導波路のコア幅ｗに依存する。図１６に、導波路のコア幅と導波路複屈折との関係を示す。コア幅ｗが大きいほど導波路複屈折Ｂも大きくなる。これは、コアの内部応力により導波路複屈折が誘起されているためである。この原理を利用し、マッハツユンダ干渉計の片方のアームに適切な複屈折を付与すれば、偏波合成器（ＰＢＣ）と同様に機能させることができる。アーム間の光路長差が一方の偏波に対して光波長λのｍ倍（ｍは整数）、他方の偏波に対してλの（ｍ±１／２）倍であれば、異なるポートから入力されたＴＥ偏波およびＴＭ偏波の光は同じポートから出力される。この構成によれば、原理的には２つの光カプラ以外に損失を生じる箇所がなく、極めて低損失である。

一方のアームの細幅導波路２０５の幅をｗ１、長さをＬ１とし、他方のアームの太幅導波路２０４の幅をｗ２、長さをＬ２とする。具体的には、以下の条件を満たすように設計すれば、ＴＥ偏波光は入カポートに対してクロス側に出力され、ＴＭ偏波光は入カポートに対してスルー側に出力される偏波分離／合成回路を構成できる。
η_TM（ｗ１）・Ｌ１−η_TM（ｗ２）・Ｌ２＝λ／２
η_TE（ｗ１）・Ｌ１−η_TE（ｗ２）・Ｌ２＝０
実施例６では、ｗ１＝５μｍの細幅導波路２０５と、ｗ２＝１０μｍの太幅導波路２０４を用い、入力光としてλ＝１．５５μｍを用いる。上式を満たすように、Ｌ１＝６．５３ｍｍ、Ｌ２＝６．５２ｍｍとした。なお、図面上は省略したが、製造誤差等の影響を補償し、光路長差を微調整するため、偏波合成回路の各アームにもＴＯ位相シフタを設けておくことが望ましい。また、実施例６では、第３の基板上の他の回路部分の導波路幅を７μｍとしているため、細幅導波路および太幅導波路と表記したが、本構成の本質は、両アーム間で導波路幅が異なることであって、他の回路部分と幅が異なることではない。例えば、細幅導波路２０５の部分を他の回路部分と同じく７μｍ幅とし、太幅導波路２０４の部分をさらに太くするか、両アームの長さを長くすることでも同様の効果を得ることができる。

実施例６では、変調回路１０１ａ，１０１ｂからの出力導波路は、偏波合成回路１０３の異なるポートに接続される。変調回路１０１ａからの出力光は、偏波変換回路１０２によりＴＥ偏波光に変換されて入射され、変調回路１０１ｂからの出力光は、入力時の偏波を保ってＴＭ偏波光として入射される。両者は偏波合成回路１０３の同じポート、すなわちＴＥ偏波光が入射されるポートから見たクロスポート、ＴＭ偏波光が入射されるポートから見たスルーポートから出力される。このような構成により、変調回路１０１ａ，１０１ｂを、それぞれＴＥ偏波光変調用、ＴＭ偏波光変調用のデータで駆動すれば、従来に例のない、単一偏波（ＴＭ偏波）のキャリア光の入力に対し、偏波多重信号光を出力する一体型の偏波多重ＤＱＰＳＫ光変調器を構成することができる。実施例６のように、３つの基板を端面において直接接合した構成を用いることにより、小型で低損失の光回路を作製することができる。

図１７に、本発明の実施例７にかかる偏波多重光変調器の構成を示す。実施例３および実施例６と同じく、端面同士が直接接合された３枚の基板１００ａ〜１００ｃ上に形成された平面光波回路により光変調器を構成している。基板材料、導波路構造は、実施例３と同じである。実施例７は、実施例３の偏波多重ＤＱＰＳＫ光変調器を発展させたものであり、Return-to-Zero（ＲＺ〉化回路を組み込み、変調シンボルレート２５Ｇシンボル／秒の偏波多重ＲＺ−ＤＱＰＳＫ変調を行う。

入力導波路と出力導波路の両方が第３の基板１００ｃ上に形成され、折り返し構造となっている。入力導波路は、ＲＺ化回路１０７に接続される。ＲＺ化回路１０７は、第１の基板１００ａおよび第３の基板１００ｃ上の２つのＹ分岐と、それらを結ぶ第２の基板１００ｂ上の２本のＥＯ位相シフタからなる対称マッハツェンダ干渉計である。ここで、連続発振（ＣＷ）光である入力光を、２５Ｇシンボル／秒のＲＺまたはキャリア抑圧（ＣＳ−）ＲＺパルス光に変換する。良く知られている通り、（ＣＳ−）ＲＺ化により光雑音耐力、ファイバ非線形光学効果耐力、群遅延差（ＤＧＤ）耐力の向上等が図られるため、多くの場合、ＤＱＰＳＫ信号は（ＣＳ−）ＲＺ化され伝送される。

ＲＺ化回路１０７の出力は、第１の基板１００ａ上の折り返し導波路を経てＹ分岐１１１ａにより二手に分けられ、それぞれ変調回路１０１ａ，１０１ｂへ接続される。変調回路１０１ａ，１０１ｂの構成は、実施例６と同様のＤＱＰＳＫ変調回路である。第３の基板１００ｃ上の偏波変換回路１０２と偏波合成回路１０３の構成、およびそれらの接続も実施例６と同様であり、単一偏波（ＴＭ偏波）のキャリア光の入力に対し、偏波多重信号光を出力する一体型の偏波多重ＤＱＰＳＫ光変調器を構成している。

実施例７では、これらに加え、変調回路１０１ａ，１０１ｂと偏波合成回路１０３とを接続する導波路の一方に遅延線１１６が設けられている。遅延線１１６により付与される導波路長差はＲＺパルス長の半分であり、実施例７では４．１１ｍｍである。これにより、ＴＭ偏波光とＴＥ偏波光との間に半ビット分の遅延を付与している。

以下、図１８を参照して、半ビット分の遅延を与える効果について説明する。図１８（ａ）は、半ビット分の遅延を与えない通常のＲＺ−ＤＱＰＳＫ信号を示す。図１８（ｂ）は、実施例７の光変調器から出力されるＲＺ−ＤＱＰＳＫ信号を示す。通常のＲＺ−ＤＱＰＳＫ信号では、ＴＭ偏波光とＴＥ偏波光とでシンボル点が時間的に同期している。これに対し、実施例７のＲＺ−ＤＱＰＳＫ信号は、シンボル点が半ビットずれ、ＴＭ偏波光のシンボル点は、ＴＥ偏波光の強度が最小となる時間に現れる。

受信側で偏波分離を行い復調する際に、偏波分離手段の偏波消光比が不十分であった場合、通常のＲＺ−ＤＱＰＳＫ信号では、ＴＭ偏波光のシンボル点においてＴＥ光の強度も大きいため、偏波間クロストークが大きくなる。一方、実施例７のＲＺ−ＤＱＰＳＫ信号は、ＴＭ偏波光のシンボル点においてＴＥ光の強度が最小となるため、偏波クロストークは相対的に小さくできる。このように、偏波間に半ビット遅延を付与することで、受信側偏波分離手段の偏波消光比の劣化に対するトレランスを向上することができる。

実施例７のように変調回路、偏波変換回路、遅延線および偏波合成回路を一体型の光回路として形成することにより、このような遅延の付与を極めて精度良く行うことができる。また、遅延線を石英系光導波路により形成することで、コンパクトかつ実質的に損失増加なく遅延を付与することができる。

以上説明したとおり、実施例７の構成を用いることにより、従来に例のない、単一偏波（ＴＭ偏波）のキャリア光の入力に対し、偏波間で半ビットの遅延が付与された偏波多重ＲＺ−ＤＱＰＳＫ信号を出力する一体型の偏波多重光変調器を構成することができる。このような複雑な構成の光変調器も、３枚の基板を端面において直接接合し、Ｙ分岐部、偏波変換回路、遅延線、偏波合成回路を石英系光導波路で構成することで、小型かつ低損失に作製することができる。なお、同様の構成を、従来の個別部品のファイバ接続により構成する場合、ＲＺ化のための変調器、分岐カプラ、２台のＤＱＰＳＫ変調器、２台の偏波コントローラ、ファイバ長を正確に測定しカツトした遅延線、および偏波合成器を全てファイバ接続しなければならず、部材コスト、組立コスト及び占有面積の増大という観点からすると、本実施形態を適用するメリットは非常に大きい。

従来の偏波多重伝送技術による送信装置の第１の例を示す図である。従来の偏波多重伝送技術による送信装置の第２の例を示す図である。本実施形態にかかる送信装置の構成を示す図である。本発明の実施例１にかかる偏波多重光変調器の構成を示す図である。実施例１にかかる偏波多重光変調器の断面図である。本発明の実施例２にかかる偏波多重光変調器の構成を示す図である。実施例２にかかる偏波多重光変調器の断面図である。本発明の実施例３にかかる偏波多重光変調器の構成を示す図である。実施例３にかかる偏波多重光変調器の断面図である。実施例３にかかる基板の接続方法を示す斜視図である。本発明の実施例４にかかる偏波多重光変調器の構成を示す図である。本発明の実施例５にかかる偏波多重光変調器の構成を示す図である。本発明の実施例６にかかる偏波多重光変調器の構成を示す図である。実施例６にかかる偏波多重光変調器の断面図である。実施例６にかかる偏波合成回路の構成を示す図である。導波路のコア幅と導波路複屈折との関係を示す図である。本発明の実施例７にかかる偏波多重光変調器の構成を示す図である。偏波多重ＤＱＰＳＫ信号を示す図である。

符号の説明

１００基板
１０１変調回路
１０２偏波変換回路
１０３偏波合成回路
１０４溝
１０５入力光ファィバ
１０６出力光ファイバ
１０７ＲＺ化回路
１１０光導波路
１１１Ｙ分岐
１１２Ｙカプラ
１１３位相シフタ
１１４１／２波長板
１１５３ｄＢカプラ
１１６遅延線
１２０石英系光導波路
１３０〜１３２ファイバ入カポート
１３３，１３４モニタポート

Claims

端面同士が直接接合された３枚の基板であって、第１の基板、第２の基板、第３の基板の順に接合された基板上に形成された平面光波回路からなる光変調器であって、
入力光の偏波面を該偏波面と直交する方向に変換し出力する偏波変換回路と、
複数の入力ポートから入力された偏光の異なる光を単一の出力ポートから出力する偏波合成回路であって、２つの光カプラと該光カプラを結ぶ２本の光路からなるマッハツェンダ光干渉計であり、前記２本の光路の複屈折をそれぞれ長手方向に距離積分した値の差が、前記入力光の波長の半整数倍である偏波合成回路と、
前記偏波変換回路を介して前記偏波合成回路の第１の入カポートに接続された第１の変調回路と、
前記偏波変換回路を介さずに前記偏波合成回路の第２の入カポートに接続された第２の変調回路とを備え、
前記第１および第２の変調回路は、前記第２の基板上に形成された位相シフタを含み、前記第２の基板上に形成された平面光波回路の透過光の位相又は強度を高速に変調する機能を有し、
前記偏波変換回路および前記偏波合成回路は、前記第３の基板上に形成されており、
前記第１の基板および前記第３の基板上に形成された平面光波回路は、石英系光導波路からなることを特徴とする光変調器。
前記第１および第２の変調回路の各々は、メインマッハツェンダ干渉計の２つのアームのそれぞれにサブマッハツェンダ干渉計が埋め込まれた変調回路であり、
前記メインマッハツェンダ干渉計は、前記第１および第３の基板とにそれぞれ実装されている２つのＹ分岐と、２つのサブマッハツェンダ干渉計とから構成され、
前記サブマッハツェンダ干渉計は、前記第１および第３の基板とにそれぞれ実装されている２つのＹ分岐と、Ｙ分岐のそれぞれを結ぶ前記第２の基板上に形成された位相シフタからなることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記第１の基板上の折り返し導波路および分岐回路を介して前記第１および第２の変調回路の入力導波路に接続されたＲＺ化回路と、
前記第１の変調回路と前記偏波合成回路との間に挿入され、ＲＺパルス長の半分に相当する遅延を付与する遅延線と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記第１および第３の基板上の平面光波回路の構成が同一であり、前記第１および第３の基板は、点対称に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光変調器。
前記偏波変換回路は、光導波路内に形成された溝と、該溝に挿入された偏波変換手段とを含むことを特徴とする講求項１、２または３に記載の光変調器。