JP2015075747A

JP2015075747A - 光変調器

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Publication number: JP2015075747A
Application number: JP2013214028A
Authority: JP
Inventors: 山崎　裕史; Yasushi Yamazaki; 裕史山崎; 才田　隆志; Takashi Saida; 隆志才田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2015-04-20
Anticipated expiration: 2033-10-11
Also published as: JP6106062B2

Abstract

【課題】原理的な光損失が小さく、かつ構成がシンプルな３Ｄシンプレックス光変調器を提供する。
【解決手段】本発明の１の実施形態である光変調器は、入力光を強度比４：１で分岐する非対称光分岐手段であって、分岐後の光のうち光強度の強い分岐光を非対称光分岐手段の第１の出力ポートに出力し、光強度の弱い分岐光を非対称光分岐手段の第２の出力ポートに出力する、非対称光分岐手段と、非対称光分岐手段の第１の出力ポートに接続された４値位相変調手段と、非対称光分岐手段の第２の出力ポートに接続された２値位相変調手段と、４値位相変調手段の出力ポート及び２値位相変調手段の出力ポートに接続された直交偏波光結合手段とを備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光通信システムに応用可能な光変調器に関する。

光ファイバ通信システムにおいて、受信感度を向上し、伝送距離を伸ばすことは重要な課題である。近年、デジタル信号処理（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、ＤＳＰ）とコヒーレント伝送技術を組み合わせたデジタルコヒーレント技術の急速な発展により、光通信における変調フォーマットの選択肢が大きく広がったため、変調フォーマットの工夫により受信感度を向上させる試みが盛んに行われている。

受信感度の高い変調方式の一つとして、３Ｄシンプレックス変調が挙げられる。光伝送においては、直交する２偏波をＸ及びＹ偏波とすると、Ｘ偏波同相（ＸＩ）、Ｘ偏波直交（ＸＱ）、Ｙ偏波同相（ＹＩ）、Ｙ偏波直交（ＹＱ）の最大４軸を用いた変調が可能であるが、３Ｄシンプレックス変調はこのうち３軸を用い、これらの軸によって張られる３次元空間内で正四面体（３Ｄシンプレックス）の頂点の位置に信号点を配置する変調方式である。３Ｄシンプレックス変調は２ｂｉｔ／ｓｙｍｂｏｌの変調であり、同じ２ｂｉｔ／ｓｙｍｂｏｌの変調である偏波多重２値位相変調（Ｄｕａｌ−ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＢｉｎａｒｙＰｈａｓｅ−ＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ、ＤＰ−ＢＰＳＫ）に比べ理論上１．２ｄＢ良好な受信感度を示す（非特許文献１、２）。

３Ｄシンプレックス信号を生成する方法としては、図１に示す通り、偏波多重４値位相変調（Ｄｕａｌ−ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＱｕａｄｒａｔｕｒｅＰｈａｓｅ−ＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ、ＤＰ−ＱＰＳＫ）変調器を特定の相関を持たせたデータ信号で駆動する方法が知られている（非特許文献２）。

図１は、従来の３Ｄシンプレックス変調器１００の回路構成を示す図である。図１に記載の３Ｄシンプレックス１００は、入力光Ｅ_ｉｎが入力される入力ポート１０１と、入力光Ｅ_ｉｎを分岐比１：１に分岐して出力する、対称光分岐手段となる光分岐器１３０と、光分岐器１３０の各出力ポートに接続された４値位相変調手段となるＱＰＳＫ変調器１９１、１９２と、ＱＰＳＫ変調器１９２の出力ポートに接続された９０度偏波回転手段となる偏波光回転器１５１と、ＱＰＳＫ変調器１９１の出力ポート及び偏波光回転器１５１の出力ポートに接続された偏波光結合手段となる偏波光結合器１５２と、偏波光結合器１５２の出力ポートに接続され、出力光Ｅ_ｏｕｔを出力する出力ポート１０２とを備える。

ＱＰＳＫ変調器１９１は、光分岐器１３０からの一方の出力光を分岐比１：１に分岐して出力する、対称光分岐手段となる光分岐器１３１と、光分岐器１３１の各出力ポートに接続された２値位相変調手段となるＢＰＳＫ変調器１１１、１１２と、ＢＰＳＫ変調器１１２の出力ポートに接続された、アーム間位相差をπ／２に設定する位相調整手段となる位相調整器１２１と、ＢＰＳＫ変調器１１１の出力ポート及び位相調整器１２１の出力ポートに接続され、偏波光結合器１５２に結合光を出力する対称光結合手段となる光結合器１３２とを備える。ＱＰＳＫ変調器１９２についても、光分岐器１３０からの他方の出力光を分岐比１：１に分岐して出力する光分岐手段となる光分岐器１３３と、光分岐器１３３の各出力ポートに接続された２値位相変調手段となるＢＰＳＫ変調器１１３、１１４と、ＢＰＳＫ変調器１１４の出力ポートに接続されたアーム間位相差をπ／２に設定する位相調整手段である位相調整器１２２と、ＢＰＳＫ変調器１１３の出力ポート及び位相調整器１２２の出力ポートに接続され、偏波光結合器１５２に結合光を出力する対称光結合手段である光結合器１３４とを備える。

３Ｄシンプレックス１００のＢＰＳＫ変調器１１１〜１１３は、それぞれバイナリデータ信号ｄ_１〜ｄ_３によって駆動され、ＢＰＳＫ変調器１１４はオフ状態（光を通さない状態）となるよう設定される。ここで、ｄ_１とｄ_２は独立な任意の送信データ信号であり、ｄ_３は、

となるように生成する。

以下、便宜上、ＢＰＳＫ変調器１１１〜１１４の動作偏波をＸ、Ｘと直交する偏波をＹとし、入力ポート１０１に強度１のＸ偏波連続光を入力する場合を考える。出力ポート１０２からの出力光電界のＸ偏波、Ｙ偏波成分をそれぞれＥ_Ｘ、Ｅ_Ｙとすると、

となる。ここで係数

は光分岐器及び光結合器１３０〜１３４の電界透過関数に対応し、各偏波チャネルの光路において合計３段通過することから、式２及び３において３乗されている。また、ｂ_ｎ（ｎ＝１〜３）は、それぞれＢＰＳＫ変調器１１１〜１１３の変調パラメータであり、シンボル点（時間軸上でのシンボルの中心タイミング）においては、ｄ_ｎ＝０のときｂ_ｎ＝−１（位相π）、ｄ_ｎ＝１のときｂ_ｎ＝＋１（位相０）の値を取るものとする。従って、ｄ_１、ｄ_２の値とＸＩ（Ｅ_Ｘの実部）、ＸＱ（Ｅ_Ｘの虚部）、ＹＩ（Ｅ_Ｙの実部）、ＹＱ（Ｅ_Ｙの虚部）各成分の値の対応は以下に示す表の通りとなる。

ＸＩ、ＸＱ、ＹＩの３次元空間において、上記４信号点を結ぶと一辺の長さが１の正四面体が得られることがわかる。すなわち、３Ｄシンプレックス変調信号が得られていることがわかる。

M.Karlsson and E.Agrell, "Which is the most power-efficient modulation format in optical links?," Opt. Exp., vol.17, no.13, pp.108, 191, 0819, 2009. A.Dochhan, H.Griesser, and M. Eiselt, "First Experimental Demonstration of a 3-Dimensional Simplex Modulation Format Showing Improved OSNR Performance Compared to DP-BPSK," Proc. OFC/NFOEC2013, JTh2A.40, 2013. N.Kikuchi, "Intersymbol Interference (ISI) Suppression Technique for Optical Binary and Multilevel Signal Generation," J.Lightwave Technol., Vol.25, No.8, pp.2060-2068, 2007.

しかしながら、上記従来技術には、変調器構成に起因する原理的な光損失が大きくなってしまうという問題があった。ただし、ここで言う「変調器構成に起因する原理的な光損失」（以下、「原理損失」という。）とは、光導波路の導波損失やプロセスエラーによる損失等がゼロであるような理想条件下においても、光信号の合成過程で不可避的に生じる光損失を示す。従来技術において、入力光強度を１とした場合のシンボル点における出力光強度は、数式１において｜Ｅ_Ｘ＋Ｅ_Ｙ｜^２に相当するが、いずれの場合においても常に｜Ｅ_Ｘ＋Ｅ_Ｙ｜^２＝３／８となり、原理損失４．２６ｄＢが生じることがわかる。

また、従来技術においては、バイナリデータ信号ｄ_３を生成するためのＸＯＲゲートを含む電子回路が必要となる上、２ｂｉｔ／ｓｙｍｂｏｌの変調のために、バイナリデータ信号ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３を送信する、３系統のバイナリデータ駆動系と４個のＢＰＳＫ変調器を用いており、装置が必要以上に複雑であるという問題があった（一般に、Ｎｂｉｔ／ｓｙｍｂｏｌの変調のために必要なバイナリデータ駆動系とＢＰＳＫ変調器の数はそれぞれＮ個である）。各バイナリデータ駆動系には駆動信号を増幅するためのドライバアンプが必要となるため、消費電力低減の観点からもデータ駆動系は少ない方が良い。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、原理的な光損失が小さく、かつ構成がシンプルな３Ｄシンプレックス光変調器を提供することである。

このような課題を解決するために、本発明の１の実施形態である光変調器は、入力光を強度比４：１で分岐する非対称光分岐手段であって、分岐後の光のうち光強度の強い分岐光を前記非対称光分岐手段の第１の出力ポートに出力し、光強度の弱い分岐光を前記非対称光分岐手段の第２の出力ポートに出力する、非対称光分岐手段と、前記非対称光分岐手段の第１の出力ポートに接続された４値位相変調手段と、前記非対称光分岐手段の第２の出力ポートに接続された第１の２値位相変調手段と、前記４値位相変調手段の出力ポート及び前記第１の２値位相変調手段の出力ポートに接続された直交偏波光結合手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の光変調器の前記４値位相変調手段は、入力光を強度比１：１で分岐する対称光分岐手段と、前記対称光分岐手段のそれぞれの出力ポートに接続された第２の２値位相変調手段及び第３の２値位相変調手段と、前記第２の２値位相変調手段の出力ポート及び前記第３の２値位相変調手段の出力ポートに接続された光結合手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の光変調器は、前記対称光分岐手段と前記結合手段を結ぶ光路中の少なくとも１本に光位相調整手段を備えることを特徴とする。

本発明の他の実施形態である光変調器は、入力光を強度比２：３で分岐する第１の非対称分岐手段であって、分岐後の光のうち光強度の弱い分岐光を前記第１の非対称光分岐手段の第１の出力ポートに出力し、光強度の強い分岐光を前記第１の非対称光分岐手段の第２の出力ポートに出力する、第１の非対称光分岐手段と、前記第１の非対称光分岐手段の第２の出力ポートに接続された第１の２値位相変調手段と、前記第１の２値位相変調手段の出力ポートに接続され、前記第１の２値位相変調手段からの入力光を強度比２：１で分岐する第２の非対称分岐手段であって、分岐後の光のうち光強度の強い分岐光を前記第２の非対称光分岐手段の第１の出力ポートに出力し、光強度の弱い分岐光を前記第２の非対称光分岐手段の第２の出力ポートに出力する、第２の非対称光分岐手段と、前記第１の非対称光分岐手段の第１の出力ポートおよび前記第２の非対称光分岐手段の第１の出力ポートに接続された中間光結合手段と、前記中間光結合手段の出力ポートに接続された第２の２値位相変調手段と、前記第２の非対称光分岐手段の第２の出力ポート及び前記第２の２値位相変調手段の出力ポートに接続された直交偏波光結合手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の他の実施形態の光変調器は、前記第１の非対称光分岐手段と前記中間光結合手段を結ぶ光路中の少なくとも１本に光位相調整手段を備えることを特徴とする。

本発明を用いれば、原理的な光損失が小さく、かつ構成がシンプルな３Ｄシンプレックス光変調器を提供することができる。

従来の３Ｄシンプレックス変調器の回路構成を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る３Ｄシンプレックス変調器の回路構成を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る３Ｄシンプレックス変調器の回路構成を示す図である。

本発明は、変調器の回路構成に関するものであって、その効果は、変調器を形成する材料には依存しないため、以下に示す各実施形態においては、特に材料は指定しない。変調器を形成する材料としては、電気光学（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ：ＥＯ）効果の一種であるポッケルス効果を有するＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ）やＫＴａ_１ｘＮｂ_ｘＯ_３やＫ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３などの多元系酸化物結晶、電界吸収（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＥＡ）効果や量子閉じ込めシュタルク効果（ＱｕａｎｔｕｍＣｏｎｆｉｎｅｄＳｔａｒｋＥｆｆｅｃｔ：ＱＣＳＥ）による屈折率または吸収係数の変調が可能なＧａＡｓ系やＩｎＰ系の化合物半導体、クロモフォアなどのＥＯ効果を有するポリマなどを用いることができる。さらには、複雑な構成の変調器回路を低損失に作製するため、非特許文献１で示されているように、上記の材料を使用した基板と石英系平面光波回路（ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ：ＰＬＣ）基板との異種基板接合型構成を用いてもよい。さらには、偏波回転手段や偏波結合手段としてはバルク型の光学素子を用いてもよい。

以下、各実施形態において、２値位相変調手段となるＢＰＳＫ変調器についてはマッハツェンダ干渉計（Ｍａｃｈ−ＺｅｈｎｄｅｒＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ、ＭＺＩ）を利用したＭＺＩ型回路を用いることが最も一般的である。非特許文献３で詳しく論じられている通り、アーム間位相差＋π〜−πを与える電圧振幅により、ＭＺＩ型回路をプッシュプル駆動すれば、駆動電気信号ノイズに起因する光出力の揺らぎを最小限に抑え、シンボル間干渉を抑制することができるというメリットがある。しかし、本発明の効果は、ＢＰＳＫ変調器の具体的構成には依存することはないので、例えば直線型の位相変調器等を用いても良い。

なお、特に断りのない場合、ＭＺＩ型回路の両アームの光路長は、全て等長とする。実際には、プロセスエラーやＤＣドリフト等により両アームの光路長のズレが生じるが、このような光路長のズレは、一般的には位相シフタの調整により補償される。ここで、光路長の補償量は、ＭＺＩの材料や製造条件、また、変調器の使用環境等によって様々に異なるため、一意に定まるものではない。このため、以下の各実施形態における位相シフタの位相シフト量の値には、光路長の補償のための位相シフト分は含まないものとする。

また、以下、実施形態においては数式による説明を簡易化するため位相シフタは、ＭＺＩ型回路の一方のアームのみに配置しているが、ＭＺＩ型回路においてはアーム間の位相差が本質的なパラメータであるため、位相シフタを他方のアームに配置しても、また両方のアームに配置しても同じ効果が得られることは自明であり、本発明の効果は、位相シフタを配置するアーム（一方のアーム、他方のアーム、両方のアーム）の選択には依存しない。

また、本明細書では、モデル簡易化のため、光分岐器、結合器、ＢＰＳＫ変調器、偏波変調器、その他の回路要素（後述の偏波回転器、偏波結合器を含む）、およびそれらをつなぐ光導波路は、全て過剰損失ゼロの理想的な場合を仮定する。また、偏波変調器と偏波回転器を除く全ての回路要素は偏波回転を生じない理想的な場合を仮定する。ただし、実際には導波路の伝搬損失や光分岐及び結合に伴う過剰損失等が存在し、光路間の損失バランスが崩れる場合がある。その場合には、光分岐器の分岐比を以下に示す理想モデルの値からずらしたり、光路中に強度調整器（わざと光損失を生じさせる機構など）を設ける等の方法で損失アンバランスを補償することが望ましい。

［第１の実施形態］
図２は、本発明の第１の実施形態である３Ｄシンプレックス変調器２００の回路構成を示す図である。図２に記載の３Ｄシンプレックス変調器２００は、入力光Ｅ_ｉｎが入力される入力ポート２０１と、入力光Ｅ_ｉｎを２つの異なる強度の光（光強度比４：１）に分岐して出力する、非対称光分岐手段となる光分岐器２３０と、光分岐器２３０の一方の出力ポート（第１の出力ポート）に接続された４値位相変調手段となるＱＰＳＫ変調器２９１と、光分岐器２３０の他方の出力ポート（第２の出力ポート）に接続された２値位相変調手段となるＢＰＳＫ変調器２１３と、ＱＰＳＫ変調器２９１及びＢＰＳＫ変調器２１３の各出力ポートに接続された直交偏波光結合手段となる偏波光結合回路２８１と、偏波光結合回路２８１の出力ポートに接続され、出力光Ｅ_ｏｕｔを出力する出力ポート２０２とを備える。

ＱＰＳＫ変調器２９１は、光分岐器２３０からの一方の出力光を分岐比１：１に分岐する対称光分岐手段となる光分岐器２３１と、光分岐器２３１の各出力ポートに接続された２値位相変調手段となるＢＰＳＫ変調器２１１、２１２と、ＢＰＳＫ変調器２１２の出力ポートに接続された、アーム間位相差をπ／２に設定する位相調整手段となる位相調整器２２１と、ＢＰＳＫ変調器２１１の出力ポート及び位相調整器２２１の出力ポートに接続され、偏波光結合回路２８１に結合光を出力する対称光結合手段となる光結合器２３２とを備え、光分岐器２３１と光結合器２３２により構成されるＭＺＩ型回路の一方のアームにＢＰＳＫ変調器２１１が、他方のアームにＢＰＳＫ変調器２１２及び位相調整器２２１が配置されている構成となる。

偏波光結合回路２８１は、ＢＰＳＫ変調器２１３から出力した偏波を９０度回転させる偏波光変換手段となる偏波光回転器２５１と、光結合器２３２の出力ポートおよび偏波光回転器２５１の出力ポートに接続される偏波光結合器２５２とを備える。

入力ポート２０１から、光Ｅ_ｉｎが入力され、光分岐器２３０に入力されるが、以下、便宜上、ＢＰＳＫ変調器２１１〜２１３の動作偏波をＸ、Ｘと直交する偏波をＹとし、入力ポート２０１に強度１のＸ偏波連続光を入力する場合を考える。光分岐器２３０は、入力ポート２０１より入力された光Ｅ_ｉｎを、光強度比４：１で分岐し、ＱＰＳＫ変調器２９１に接続される第１の出力ポートに強度の強い分岐光Ｅ_ｉｎ１を出力し、ＢＰＳＫ変調器２１３に接続される第２の出力ポートに強度の弱い分岐光Ｅ_ｉｎ２を出力する。光分岐器２３１は、分岐光Ｅ_ｉｎ１を１：１に分岐した分岐光Ｅ_ｉｎ３及びＥ_ｉｎ４を、それぞれＢＰＳＫ変調器２１１と２１２とにそれぞれ出力する。分岐光Ｅ_ｉｎ３は、ＢＰＳＫ変調器２１１においてバイナリデータ信号ｄ_１により変調され出力光Ｅ_ｏｕｔ３として出力され、また分岐光Ｅ_ｉｎ４は、ＢＰＳＫ変調器２１２においてバイナリデータ信号ｄ_２により変調される出力光Ｅ_ｏｕｔ４として出力される。一方で、分岐光Ｅ_ｉｎ２はＢＰＳＫ変調器２１３においてバイナリデータ信号ｄ_３により変調され、出力光Ｅ_ｏｕｔ２として出力される。バイナリデータ信号ｄ_１とｄ_２は、従来例と同様に、独立な任意の送信データ信号であり、ｄ_３はｄ_１とｄ_２のＸＯＲ演算により与えられる。

出力光Ｅ_ｏｕｔ４は、位相調整器２２１により、出力光Ｅ_ｏｕｔ３に対してπ／２だけ位相変化を与えられるように調整され、光結合器２３２において出力光Ｅ_ｏｕｔ３と結合され、出力光Ｅ_ｏｕｔ１として光結合器２３２から出力される。また、出力光Ｅ_ｏｕｔ２は、偏波光回転器２５１により９０度回転され（Ｘ偏波からＹ偏波に回転され）、偏波光結合器２５２において、出力光Ｅ_ｏｕｔ１と直交偏波合成され、出力光Ｅ_ｏｕｔとして出力ポート２０２から出力される。

本例においてはＱＰＳＫ変調器２９１からの出力光がＸ偏波、ＢＰＳＫ変調器２１３からの出力光がＹ偏波として出力ポート２０２から出力される。従って、出力ポート２０２からの出力光電界のＸ偏波、Ｙ偏波成分をそれぞれＥ_Ｘ、Ｅ_Ｙとすると

となる。ここで係数

および

は非対称光分岐手段２３０の電界透過関数に対応し、

は光分岐器２３１および光結合器２３２の電界透過関数に対応している。また、ｂｎ（ｎ＝１〜３）は、それぞれＢＰＳＫ変調器２１１〜２１３の変調パラメータであり、シンボル点（時間軸上でのシンボルの中心タイミング）においては、ｄｎ＝０のときｂｎ＝−１（位相π）、ｄｎ＝１のときｂｎ＝＋１（位相０）の値を取るものとする。

本実施例においては、ｄ_１、ｄ_２の値とＸＩ（Ｅ_Ｘの実部）、ＸＱ（Ｅ_Ｘの虚部）、ＹＩ（Ｅ_Ｙの実部）、ＹＱ（Ｅ_Ｙの虚部）各成分の値の対応は以下に示す表の通りとなる。

ＸＩ、ＸＱ、ＹＩの３次元空間において、上記４信号点を結ぶと一辺の長さが

の正四面体が得られることがわかる。すなわち、３Ｄシンプレックス変調信号が得られていることがわかる。また、式４及び５においては、｜Ｅ_Ｘ＋Ｅ_Ｙ｜^２＝３／５となり、原理損失は２．２２ｄＢとなることがわかる。すなわち、本実施例においては、従来技術より約２ｄＢ少ない原理損失で３Ｄシンプレックス信号を得ることができる。

なお、本実施例においては、Ｘ偏波側とＹ偏波側でシンボルタイミングを合わせるため、入力ポート２０１からＱＰＳＫ変調器２９１を経て出力ポート２０２へ至る光路の光路長と、入力ポート２０１からＢＰＳＫ変調器２１３を経て出力ポート２０２へ至る光路の光路長はほぼ等しくなるように設計する必要がある。

また、ＢＰＳＫ変調器２１１を含む光路とＢＰＳＫ変調器２１２を含む光路とにおける光信号の相対位相を高精度にπ／２に制御できる作製技術を利用でき、かつＤＣバイアスドリフトを生じない材料を用いる場合には、位相調整器２２１は不要となる。

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態である３Ｄシンプレックス変調器３００の回路構成を示す図である。図３の３Ｄシンプレックス変調器３００は、入力光Ｅ_ｉｎが入力される入力ポート３０１と、入力光Ｅ_ｉｎを２つの異なる強度の光（光強度比２：３）に分岐して出力する、第１の非対称光分岐手段となる光分岐器３３０と、光分岐器３３０の一方の出力ポート（第１の非対称光分岐手段の第１の出力ポート）に接続された、アーム間位相差をπ／２に設定する位相調整手段となる位相調整器３２１と、光分岐手段３３０の他方の出力ポート（第１の非対称光分岐手段の第２の出力ポート）に接続された２値位相変調手段となるＢＰＳＫ変調器３１１とを備える。また、３Ｄシンプレックス変調器３００は、ＢＰＳＫ変調器３１１の出力ポートに接続され、ＢＰＳＫ変調器３１１からの出力光を２つの強度の異なる光（光強度２：１）に分岐して出力する、第２の非対称光分岐手段となる光分岐器３３１と、位相調整器３２１及び光分岐器３３１の一方の出力ポート（第２の非対称光分岐手段の第１の出力ポート）に接続された中間光結合手段となる光結合器３４１とを備える。すなわち、光分岐器３３０と光結合器３４１により構成されるＭＺＩ型回路の一方のアームに位相調整器３２１が、他方のアームにＢＰＳＫ変調器３１１及び光分岐器３３１が配置されている構成となる。

さらに、３Ｄシンプレックス変調器３００は、光結合器３４１の出力ポートに接続された２値位相変調手段となるＢＰＳＫ変調器３１２と、ＢＰＳＫ変調器３１２の出力ポート及び光分岐器３３１の他方の出力ポート（第２の非対称光分岐手段の第２の出力ポート）に接続された直交偏波光結合手段となる偏波光結合回路３８１と、偏波光結合回路３８１の出力ポートに接続され、出力光Ｅ_ｏｕｔを出力する出力ポート３０２とを備える。

偏波光結合回路３８１は、光結合器３３１の他方の出力ポートから出力した偏波を９０度回転させる偏波光変換手段となる偏波光回転器３５１と、ＢＰＳＫ変調器３１２の出力ポートおよび偏波光回転器３５１の出力ポートに接続される偏波光結合器３５２とを備える。

入力ポート３０１から、光Ｅ_ｉｎが入力され、光分岐器３３０に入力されるが、以下、便宜上、ＢＰＳＫ変調器３１１、３１２の動作偏波をＸ、Ｘと直交する偏波をＹとし、入力ポート３０１に強度１のＸ偏波連続光を入力する場合を考える。光Ｅ_ｉｎは、光分岐器３３０によりそれぞれ強度の異なる光に分岐される。ここで、光分岐器３３０は、入力ポート３０１より入力された光Ｅ_ｉｎを、光強度比２：３で分岐し、位相調整器３２１に接続される第１の非対称光分岐手段の第１の出力ポートに強度の弱い分岐光Ｅ_ｉｎ１を出力し、ＢＰＳＫ変調器３１１に接続される第１の非対称光分岐手段の第２の出力ポートに強度の強い分岐光Ｅ_ｉｎ２を出力する。分岐光Ｅ_ｉｎ２は、ＢＰＳＫ変調器３１１においてバイナリデータ信号ｄ_１により変調され出力光Ｅ_ｏｕｔ２として出力され、分岐光Ｅ_ｉｎ１は、位相調整器３２１により出力光Ｅ_ｏｕｔ２に対してπ／２だけ位相変化を与えられるように調整される。

出力光Ｅ_ｏｕｔ２は、光分岐器３３１によりそれぞれ強度の異なる光にさらに分岐される。ここで、光分岐器３３１は、出力光Ｅ_ｏｕｔ２を、光強度比２：１で分岐し、光結合器３４１に接続される第２の非対称光分岐手段の第１の出力ポートに強度の強い分岐光Ｅ_ｏｕｔ３を出力し、偏波光結合回路３８１の偏波光回転器３５１に接続される第２の非対称光分岐手段の第２の出力ポートに強度の弱い分岐光Ｅ_ｏｕｔ４を出力する。

光結合器３４１は、位相調整器３２１からの出力光Ｅ_ｉｎ１とＥ_ｏｕｔ３とを結合し、結合光Ｅ_ｉｎ５を出力する。結合光Ｅ_ｉｎ５は、ＢＰＳＫ変調器３１２においてバイナリデータ信号ｄ_２により変調され出力光Ｅ_ｏｕｔ５として出力される。出力光Ｅ_ｏｕｔ４は、偏波光回転器２５１により９０度回転され（Ｘ偏波からＹ偏波に回転され）、偏波光結合器３５２において、出力光Ｅ_ｏｕｔ５と直交偏波合成され、出力光Ｅ_ｏｕｔとして出力ポート３０２から出力される。

本例においては、ＢＰＳＫ変調器３１２からの出力光がＸ偏波、非対称光分岐器３３１の光強度の小さい方の出力光がＹ偏波として出力ポート３０２から出力される。従って、出力ポート３０２からの出力光電界のＸ偏波、Ｙ偏波成分をそれぞれＥ_Ｘ、Ｅ_Ｙとすると、

となる。ここで係数

および

は光分岐器３３０の電界透過関数に、係数

および

は光分岐器３３１の電界透過関数に、係数

は光結合器３４１の電界透過関数に対応している。また、ｂ_１、ｂ_２はそれぞれＢＰＳＫ変調器３１１、３１２の変調パラメータであり、シンボル点（時間軸上でのシンボルの中心タイミング）においては、ｄ_ｎ＝０のときｂ_ｎ＝−１（位相π）、ｄ_ｎ＝１のときｂ_ｎ＝＋１（位相０）の値を取るものとする。

の正四面体が得られることがわかる。すなわち、３Ｄシンプレックス変調信号が得られていることがわかる。また、式６及び７においては、｜Ｅ_Ｘ＋Ｅ_Ｙ｜^２＝３／５となり、原理損失は２．２２ｄＢとなることがわかる。すなわち、本実施例においては、従来技術より約２ｄＢ少ない原理損失で３Ｄシンプレックス信号を得ることができる。

さらに、本実施例においては、２系統の独立なバイナリデータ駆動系と２個のＢＰＳＫ変調器しか用いていないため、従来例（ＸＯＲによって関連付けられた３系統のバイナリデータ駆動系、４個のＢＰＳＫ変調手段）に比べ構成がシンプルである。

なお、本実施例においては、Ｘ偏波側とＹ偏波側でシンボルタイミングを合わせるため、非対称光分岐器３３１からＢＰＳＫ変調器３１２を経由して出力ポート３０２へ至る光路の光路長と、非対称光分岐器３３１からＢＰＳＫ変調器３１２を経由せずに出力ポート３０２へ至る光路の光路長はほぼ等しくなるように設計する必要がある。

また、光分岐器３３０からＢＰＳＫ変調器３１１を経由して光結合器３４１に至る光路と光分岐器３３０からＢＰＳＫ変調器３１１を経由せず光結合器３４１に至る光路とにおける光信号の相対位相を高精度にπ／２に制御できる作製技術を利用でき、かつＤＣバイアスドリフトを生じない材料を用いる場合には、位相調整器３２１は不要となる。

１０１、２０１、３０１入力ポート
１０２、２０２、３０２出力ポート
１１１、１１２、１１３、１１４、２１１、２１２、２１３、３１１、３１２ＢＰＳＫ変調器
１９１、１９２、２９１ＱＰＳＫ変調器
１２１、１２２、２２１、３２１位相調整器
２３０、３３０、３３１非対称光分岐器
１３２、１３４、２３２、３４１光結合器
２８１、３８１偏波光結合回路
１５１、２５１、３５１偏波光回転器
１５２、２５２、３５２偏波光結合器

Claims

入力光を強度比４：１で分岐する非対称光分岐手段であって、分岐後の光のうち光強度の強い分岐光を前記非対称光分岐手段の第１の出力ポートに出力し、光強度の弱い分岐光を前記非対称光分岐手段の第２の出力ポートに出力する、非対称光分岐手段と、
前記非対称光分岐手段の第１の出力ポートに接続された４値位相変調手段と、
前記非対称光分岐手段の第２の出力ポートに接続された第１の２値位相変調手段と、
前記４値位相変調手段の出力ポート及び前記第１の２値位相変調手段の出力ポートに接続された直交偏波光結合手段と、
を備えることを特徴とする光変調器。
前記４値位相変調手段は、入力光を強度比１：１で分岐する対称光分岐手段と、
前記対称光分岐手段のそれぞれの出力ポートに接続された第２の２値位相変調手段及び第３の２値位相変調手段と、
前記第２の２値位相変調手段の出力ポート及び前記第３の２値位相変調手段の出力ポートに接続された光結合手段と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記対称光分岐手段と前記光結合手段を結ぶ光路中の少なくとも１本に光位相調整手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の光変調器。
入力光を強度比２：３で分岐する第１の非対称分岐手段であって、分岐後の光のうち光強度の弱い分岐光を前記第１の非対称光分岐手段の第１の出力ポートに出力し、光強度の強い分岐光を前記第１の非対称光分岐手段の第２の出力ポートに出力する、第１の非対称光分岐手段と、
前記第１の非対称光分岐手段の第２の出力ポートに接続された第１の２値位相変調手段と、
前記第１の２値位相変調手段の出力ポートに接続され、前記第１の２値位相変調手段からの入力光を強度比２：１で分岐する第２の非対称分岐手段であって、前記分岐後の光のうち光強度の強い分岐光を前記第２の非対称光分岐手段の第１の出力ポートに出力し、光強度の弱い分岐光を前記第２の非対称光分岐手段の第２の出力ポートに出力する、第２の非対称光分岐手段と、
前記第１の非対称光分岐手段の第１の出力ポートおよび前記第２の非対称光分岐手段の第１の出力ポートに接続された中間光結合手段と、
前記中間光結合手段の出力ポートに接続された第２の２値位相変調手段と、
前記第２の非対称光分岐手段の第２の出力ポート及び前記第２の２値位相変調手段の出力ポートに接続された直交偏波光結合手段と、
を備えることを特徴とする光変調器。
前記第１の非対称光分岐手段と前記中間光結合手段を結ぶ光路中の少なくとも１本に光位相調整手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の光変調器。