JP3755588B2

JP3755588B2 - 光制御デバイス

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Publication number: JP3755588B2
Application number: JP2001308094A
Authority: JP
Inventors: 俊之神戸
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2001-10-03
Filing date: 2001-10-03
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2021-10-03
Also published as: US20030063364A1; JP2003114409A; US6778313B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光制御デバイスに関し、特に光導波路型の光制御デバイスにおける偏光依存性の発生を抑止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光制御デバイスの１つとして、光導波路を伝搬される導波光に位相変調をかける光位相変調器（以下、本明細書では単に「位相変調器」という）が知られている。この位相変調器は、その概略を図９に示すように、ニオブ酸リチウムから成る基板１０に形成された光導波路１１の上に位相変調用電極１２ａと位相変調用電極１２ｂとから成る位相変調部１２を配置して構成されている。
【０００３】
この位相変調器では、位相変調用電極１２ａと位相変調用電極１２ｂとの間に電圧を印加することにより発生される電界が光導波路１１に印加される。電界が印加された光導波路１１の部分は、電気光学効果（ＥＯ効果）により屈折率が変化する。その結果、光導波路１１を伝搬する導波光の位相が変化し、光位相変調機能を生じる。
【０００４】
ところで、この従来の位相変調器においては、光導波路内の屈折率のバラツキ、ニオブ酸リチウムから成る基板の反りや位相変調用電極による光導波路近傍の応力による屈折率の変化等によって、光導波路の屈折率分布、応力分布等が非対称になり、これらに起因して偏光依存性が発生する。
【０００５】
このような偏光依存性を抑止する技術として、例えば、特開昭６２−３６６３１号公報は「導波路型光変調器」を開示している。この導波路型光変調器は、入射光を偏光分離素子（ＰＢＳ）を用いてＴＥモード光とＴＭモード光に分離し、個別に位相変調を行った後、再び変更分離素子を用いて合成する。この導波路型光変調器によればモード光毎に分離して変調するため、偏光依存性が抑止される。
【０００６】
また、特開平７−１９９０３５号公報は「光導波路型偏光スクランブラー」を開示している。この光導波路型偏光スクランブラーは、誘電体結晶基板上に形成された光導波路の直線部分の前段に位相変調器を設け、後段に４分の１波長板を設けて構成されている。この光導波路型偏光スクランブラーによれば、スクランブル時の偏光依存性を抑止できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の光制御デバイスは以下の欠点を有する。即ち、特開昭６２−３６６３１号公報に開示された導波路型光変調器は、４分の１波長板を用いてトリミングを行い、また、特開平７−１９９０３５号公報に開示された光導波路型偏光スクランブラーは、偏光分離素子を必要とするので、何れも構造が複雑になるという欠点を有する。
【０００８】
本発明は、上述した従来の光制御デバイスの欠点を除去するためになされたものであり、その目的は、簡単な構造で偏光依存性の発生を抑止できる光制御デバイスを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様に係る光制御デバイスは、上記目的を達成するために、電気光学効果を有するＸカットの一軸性結晶の基板にＺ軸方向に形成された光導波路と、前記光導波路に入力された導波光の位相変調を行う位相変調部と、前記位相変調部によって位相変調された導波光の偏光依存性を調整するように、前記基板に配置された電極によってＹ軸に沿った方向に電界を印加することにより前記位相変調された導波光の位相を変化させる調整部、とを備えている。
【００１０】
また、本発明の第２の態様に係る光制御デバイスは、上記と同様の目的で、電気光学効果を有するＹカットの一軸性結晶の基板にＺ軸方向に形成された光導波路と、前記光導波路に入力された導波光の位相変調を行う位相変調部と、前記位相変調部によって位相変調された導波光の偏光依存性を調整するように、前記基板に配置された電極によってＹ軸に沿った方向に電界を印加することにより前記位相変調された導波光の位相を変化させる調整部、とを備えている。
【００１１】
これら第１及び第２の態様に係る光制御デバイスにおいて、前記光導波路が形成された基板を構成する前記一軸性結晶は、ニオブ酸リチウムから構成できる。なお、この光制御デバイスにおける調整部としては、位相変調部で位相変調された導波光に磁界を印加して位相を変化させる他に、熱、磁界、応力等を加えることにより周期的に屈折率を変化させることにより位相を変化させる構造を採用することができる。
【００１２】
また、本発明の第３の態様に係る光制御デバイスは、上記と同様の目的で、（Ａ）入力された多重波長光を複数の単一波長光に分光する分光器と、（Ｂ）前記分光器で分光された複数の単一波長光をそれぞれ入力する複数の位相変調器が配列された位相変調器アレイであって、各位相変調器は、電気光学効果を有するＸカットの一軸性結晶の基板にＺ軸方向に形成された光導波路と、前記光導波路に入力された導波光の位相変調を行う位相変調部と、前記位相変調部によって位相変調された導波光の偏光依存性を調整するように、前記基板に配置された電極によってＹ軸に沿った方向に電界を印加することにより前記位相変調された導波光の位相を変化させる調整部、とから成るものと、（ｃ）前記位相変調器アレイを構成する複数の位相変調器の各々に含まれる前記調整部によって位相が変化された導波光を反射するミラー、とを備えている。
【００１３】
更に、本発明の第４の態様に係る光制御デバイスは、上記と同様の目的で、Ａ）入力された多重波長光を複数の単一波長光に分光する分光器と、（Ｂ）前記分光器で分光された複数の単一波長光をそれぞれ入力する複数の位相変調器が配列された位相変調器アレイであって、各位相変調器は、電気光学効果を有するＸカットの一軸性結晶の基板にＺ軸方向に形成された光導波路と、前記光導波路に入力された導波光の位相変調を行う位相変調部と、前記位相変調部によって位相変調された導波光の偏光依存性を調整するように、前記基板に配置された電極によってＹ軸に沿った方向に電界を印加することにより前記位相変調された導波光の位相を変化させる調整部、とから成るものと、（ｃ）前記位相変調器アレイを構成する複数の位相変調器の各々に含まれる前記調整部によって位相が変化された導波光を反射するミラー、とを備えている。
【００１４】
これら第３及び第４の態様に係る光制御デバイスにおいて、前記位相変調器アレイを構成する複数の位相変調器の各々に含まれる前記基板を構成する前記一軸性結晶は、ニオブ酸リチウムから構成できる。また、この第３及び４の態様に係る光制御デバイスにおいても、上記第１及び第２の態様に係る発明と同様に、この調整部として、熱、磁界、応力等を加えることにより周期的に屈折率を変化させることにより位相を変化させる構造を採用することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る光制御デバイスを、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る光制御デバイスは、位相変調用電極とは別に調整用電極を設けることにより偏光依存性の発生を抑止する位相変調器である。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態１に係る、位相変調器としての光制御デバイスの構成を模式的に示す図であり、図２は、その構造を示す斜視図である。この位相変調器は、基板１０上に形成された光導波路１１、位相変調用電極１２ａ及び１２ｂから成る位相変調部１２、並びに調整用電極１３ａ及び１３ｂから成る調整部１３から構成さている。
【００１８】
基板１０としては、図２に示すように、ＸカットＺ軸伝搬となるように切り出されたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃：ＬＮ）を用いることができる。この基板１０のＸカット面（ＹＺ面）の表面に光導波路１１が形成され、導波光はＺ軸（光学軸）に沿って伝搬する。
【００１９】
なお、この実施の形態１では、基板１０の材料の一例としてニオブ酸リチウムを用いているが、基板１０の材料はニオブ酸リチウムに限定されない。本発明では、電気光学効果を有する三方晶系、六方晶系といった一軸性結晶、又は結晶の点群がＣ_3V、Ｃ₃、Ｄ₃、Ｃ_3h、Ｄ_3hである材料を用いることができる。これらの材料は、電界の印加によって屈折率変化が伝搬光のモードによって異符号となるような屈折率調整機能を有する。具体例としては、ニオブ酸リチウムの他に、タンタル酸リチウム（ＬｉＴＯ₃：ＬＴ）、β−ＢａＢ₂Ｏ₄（略称ＢＢＯ）、ＬｉＩＯ₃等を用いることができる。
【００２０】
光導波路１１の形成は、Ｔｉを１００ｎｍ程度パターン化して１０００゜Ｃで１２〜４０時間程度加熱して熱拡散させることにより行われる。これにより、基板１０の表面に、幅５μｍ程度の光導波路１１が基板１０を縦断するように形成される。
【００２１】
位相変調部１２を構成する位相変調用電極１２ａ及び１２ｂ、並びに調整部１３を構成する調整用電極１３ａ及び１３ｂは、Ａｕ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉといった金属又は金属の組合せ、ＩＴＯ、シリコン等の半導体を、光導波路１１が形成された基板１０の表面に１０ｎｍ以上の厚さで積層することにより形成される。
【００２２】
この位相変調用電極１２ａと位相変調用電極１２ｂとは、光導波路１１を覆うようにＺ軸方向に順次配置され、Ｚ軸方向の電界を発生可能に形成されている。また、調整用電極１３ａと調整用電極１３ｂとは、光導波路１１の両側に該光導波路１１を挟むように配置され、Ｙ軸方向の電界を発生可能に形成されている。
【００２３】
光導波路１１の入力端には光入力ファイバ２０が接続される。また、光導波路１１の出力端には光出力ファイバ２１が接続される。
【００２４】
上記のように構成される光制御デバイスにおいて、光入力ファイバ２０から入射された導波光は、光導波路１１を伝搬して光出力ファイバ２１から出力される。光導波路１１を構成するニオブ酸リチウムの屈折率は、位相変調部１２及び調整部１３において電界が印加されることにより変化する。これにより、光導波路１１を伝搬する導波光の位相が変化し、位相変調部１２において位相変調が行われ、調整部１３において偏光依存性を抑止するように位相が変化される。
【００２５】
図３は、図９に示すような典型的な位相変調器として動作する光制御デバイスの位相変調部１２に与えられる駆動電圧と、光導波路１１を伝搬する導波光の位相との関係を示す。駆動電圧が一定という条件下で、光入力ファイバ２０からの入射光の偏光状態が変化すると、光出力ファイバ２１へ出力される光の位相は変化する。この位相の変化分をδφで表す。
【００２６】
図３は、位相変調用電極１２ａと位相変調用電極１２ｂとの間に電圧Ｖを印加し、光導波路１１が形成された基板１０の表面（ＹＺ面）に平行な電界方向のＴＥモードと、ＹＺ面に垂直な電界成分を持つＴＭモードにおいて、駆動電圧−位相特性が異なるケース、つまり両モードで位相差δφｐが存在する場合を示している。この位相差δφｐは、電圧ΔＶの駆動電圧の差に相当する。
【００２７】
このような偏光依存性によって位相変調器の特性が劣化する。この偏光依存性は、上述したように、光導波路１１の屈折率分布や応力分布の非対称性に起因して発生する。そこで、この光制御デバイスでは、調整用電極１３ａと調整用電極１３ｂとの間に電圧ΔＶをゼロにするようなオフセット電圧を与えることで偏光依存性を解消するように構成されている。
【００２８】
ＸカットＺ軸伝搬のニオブ酸リチウムでは、Ｙ軸方向に平行な電界Ｅｙを与えると、以下のように、異符号の屈折率変化を発生する。今、ｎｏを光導波路１１の屈折率、ｒ₂₂を電気光学定数とすると、図２におけるＸ軸方向の屈折率変化量ｎｘ（ＴＭモード）は、下記式（１）により得られる。
【数１】

【００２９】
また、Ｙ軸方向の屈折率変化量ｎｙ（ＴＥモード）は、下記式（２）により得られる。
【数２】

【００３０】
なお、詳細は、書籍「光集積回路」（オーム社刊：西原浩、春名、正光、栖原敏明共著）の５章”導波光の制御”を参照されたい。
【００３１】
位相変調器は、導波路の屈折率変化によって光路長を変化させ、光の位相を変調する。式（１）及び式（２）から、屈折率をモード毎に増減できるので、偏光依存性を補正できる。この実施の形態１に係る光制御デバイスは、上記のように電界を印加することにより光導波路１１の屈折率が変化するという効果を用いて、偏光依存性を解消するような電圧を調整用電極１３ａと調整用電極１３ｂとの間に与えるように構成されている。これにより、種々の原因で発生する偏光依存性が改善される。
【００３２】
調整用電極１３ａと調整用電極１３ｂとの間に与える調整電圧は、調整用電極と光導波路の構成によって異なる。図４は、基板１０のカット方位、導波光の伝搬方向及び調整用電極１３ａと調整用電極１３ｂとの間に与える調整電圧の各組合せに対するＴＥモードの屈折率変化及びＴＭモードの屈折率変化を示す。この図４から理解できるように、ＸカットＺ軸伝搬でＹ方向に電界を印加する場合、屈折率変化が伝搬光のモードによって同一値で異符号になる。従って、調整電界ＥＹを発生するような電圧ΔＶ／２を調整用電極１３ａ及び１３ｂに与えると、ＴＭモードの屈折率が所定値だけ減少し、ＴＥモードの屈折率が該所定値と同じ値だけ増加して相殺されるのでΔφｐを「０」にすることができる。
【００３３】
なお、上述した実施の形態１では、位相変調部１２として、位相変調用電極１２ａと位相変調用電極１２ｂとを光導波路１１を覆うようにＺ軸方向に順次配置する構成としたが、図５の位相調整部１２に示すように、上記位相変調用電極１２ａを分割して光導波路１１の両側に位相変調用電極１２ａ’及び位相変調用電極１２ａ”として配置し、同様に、上記位相変調用電極１２ｂを分割して光導波路１１の両側に位相変調用電極１２ｂ’及び位相変調用電極１２ｂ”として配置するように構成できる。この場合、電界は位相変調用電極１２ａ’から位相変調用電極１２Ｂ’に生じると共に、位相変調用電極１２ａ”から位相変調用電極１２Ｂ”に生じる。
【００３４】
次に、本発明の変形例を説明する。この変形例では、基板１０として、ＹカットＺ軸伝搬となるように切り出されたニオブ酸リチウムが用いられる。この場合も位相変調部１２及び調整部１３は上述したのと同様の方法で形成される。この変形例によれば、図４に示すように、ＹカットＺ軸伝搬でＹ方向に電界を印加すると、屈折率変化が伝搬光のモードによって同一値で異符号になる。従って、この場合も、調整電界ＥＹを発生するような電圧ΔＶ／２を調整用電極１３ａ及び１３ｂに与えると、ＴＭモードの屈折率が所定値だけ増加し、ＴＥモードの屈折率が該所定値と同じ値だけ減少して相殺されるのでΔφｐを「０」にすることができる。
【００３５】
なお、上述した実施の形態１及びその変形例では、調整部１３として、調整用電極１３ａ及び１３ｂを配置し、これに電圧を印加することにより電界を発生させ、この電界によって光導波路の屈折率を変化させるように構成したが、調整部１３としては、熱、磁界、応力等を加えることにより周期的に屈折率を変化させる構造を採用することができる。
【００３６】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る光制御デバイスは、上述した実施の形態１に係る位相変調器をアレイ化して等価器に利用したものである。
【００３７】
図６は、本発明の実施の形態２に係る、等価器としての光制御デバイスの構成を模式的に示す図であり、図８は、この等価器の機能を表すブロック図である。この等価器は、サーキュレータ３０、分光器３１、位相変調器アレイ３２及びミラー３３から構成されている。
【００３８】
サーキュレータ３０は、入射光と出射光と切り換えるための素子である。外部からの入射光は分光器３１に伝搬され、また、分光器３１からの光は出射光として外部に伝搬される。
【００３９】
分光器３１は、サーキュレータ３０からの多重波長光を単一波長光に分光する。この分光器３１としては、アレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ）を使用することができる。図７は、このアレイ導波路グレーティングの詳細を示す。
【００４０】
サーキュレータ３０から入射された多重波長光、即ち、複数の波長λ₁、λ₂、・・・、λ_Nが重畳された光は、入力スラブ、アレイ導波路及び出力スラブを経由して複数の単一波長λ₁、λ₂、・・・、λ_Nに分光される。この分光された各波長の単一波長光は、位相変調器アレイ３２に伝搬される。なお、この等価器では、サーキュレータ３０の代わりに方向性結合器を使用することができる。
【００４１】
位相変調器アレイ３０は、上記実施の形態１で説明した位相変調器としての光制御デバイスを複数集積してアレイ化することにより構成されている。複数の位相変調器の光導波路の入力端には、上記分光器３２からの複数の単一波長λ₁、λ₂、・・・、λ_Nを有する光がそれぞれ入力される。そして、各位相調整器は、入力された光の位相調整を行うとともに、偏光依存性を抑止して出力端から出力する。
【００４２】
位相調整器アレイ３２の出力端にはミラー３３が配置されている。位相調整器アレイ３２からの光は、このミラーで折り返されて、上述した経路を逆に辿ってサーキュレータ３０に至る。そして、サーキュレータ３０から出射光として外部に伝搬される。
【００４３】
以上のように構成される等価器によれば、偏光依存性を排除しながら位相変調を行うことができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、簡単な構造で偏光依存性の発生を抑止可能な光制御デバイスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光制御デバイス（位相変調器）の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る光制御デバイス（位相変調器）の構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る光制御デバイス（位相変調器）の偏光依存性の抑止原理を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る光制御デバイス（位相変調器）における基板のカット方位、導波光の伝搬方向及び調整部に与える調整電圧の各組合せに対するＴＥモードの屈折率変化及びＴＭモードの屈折率変化を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る光制御デバイス（位相変調器）の変形例を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る光制御デバイス（等価器）の構成を模式的に示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る光制御デバイス（等価器）で分光器として用いられるアレイ導波路グレーティングの構成を説明するための斜視図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る光制御デバイス（等価器）の機能を表すブロック図である。
【図９】従来の位相変調器を説明するための図である。
【符号の説明】
１０基板
１１光導波路
１２位相変調部
１２ａ、１２ｂ位相変調用電極
１３調整部
１３ａ、１３ｂ調整用電極
２０光入力ファイバ
２１光出力ファイバ
３０サーキュレータ
３１分光器
３２位相変調器アレイ
３３ミラー

Claims

電気光学効果を有するＸカットの一軸性結晶の基板にＺ軸方向に形成された光導波路と、
前記基板に配置された第１の電極によって、前記光導波路に対しＺ軸に沿った方向に電界を印加することにより、前記光導波路に入力されたＴＥモードとＴＭモードとを有する導波光の位相変調を行う位相変調部と、
前記基板に配置された第２の電極によって、前記光導波路に対しＹ軸に沿った方向に電界を印加することにより、前記位相変調によって生じた導波光のＴＥモードとＴＭモードの位相差を補正する調整部、
とを備えた光制御デバイス。
電気光学効果を有するＹカットの一軸性結晶の基板にＺ軸方向に形成された光導波路と、
前記基板に配置された第１の電極によって、前記光導波路に対しＺ軸に沿った方向に電界を印加することにより、前記光導波路に入力されたＴＥモードとＴＭモードとを有する導波光の位相変調を行う位相変調部と、
前記基板に配置された第２の電極によって、前記光導波路に対しＹ軸に沿った方向に電界を印加することにより前記位相変調によって生じた導波光のＴＥモードとＴＭモードの位相差を補正する調整部、
とを備えた光制御デバイス。
前記光導波路が形成された基板を構成する前記一軸性結晶は、ニオブ酸リチウムである請求項１又は２に記載の光制御デバイス。
（Ａ）入力された多重波長光を複数の単一波長光に分光する分光器と、
（Ｂ）前記分光器で分光された複数の単一波長光をそれぞれ入力する複数の位相変調器が配列された位相変調器アレイであって、各位相変調器は、
電気光学効果を有するＸカットの一軸性結晶の基板にＺ軸方向に形成された光導波路と、
前記基板に配置された第１の電極によって、前記光導波路に対しＺ軸に沿った方向に電界を印加することにより、前記光導波路に入力されたＴＥモードとＴＭモードとを有する導波光の位相変調を行う位相変調部と、
前記基板に配置された第２の電極によって、前記光導波路に対しＹ軸に沿った方向に電界を印加することにより前記位相変調によって生じた導波光のＴＥモードとＴＭモードの位相差を補正する調整部、とから成るものと、
（ｃ）前記位相変調器アレイを構成する複数の位相変調器の各々に含まれる前記調整部によって補正された導波光を反射するミラー、
とを備えた光制御デバイス。
（Ａ）入力された多重波長光を複数の単一波長光に分光する分光器と、
（Ｂ）前記分光器で分光された複数の単一波長光をそれぞれ入力する複数の位相変調器が配列された位相変調器アレイであって、各位相変調器は、
電気光学効果を有するＹカットの一軸性結晶の基板にＺ軸方向に形成された光導波路と、
前記基板に配置された第１の電極によって、前記光導波路に対しＺ軸に沿った方向に電界を印加することにより、前記光導波路に入力されたＴＥモードとＴＭモードとを有する導波光の位相変調を行う位相変調部と、
前記基板に配置された第２の電極によって、前記光導波路に対しＹ軸に沿った方向に電界を印加することにより前記位相変調によって生じた導波光のＴＥモードとＴＭモードの位相差を補正する調整部、とから成るものと、
（ｃ）前記位相変調器アレイを構成する複数の位相変調器の各々に含まれる前記調整部によって補正された導波光を反射するミラー、
とを備えた光制御デバイス。
前記位相変調器アレイを構成する複数の位相変調器の各々に含まれる前記基板を構成する前記一軸性結晶は、ニオブ酸リチウムである請求項４又は５に記載の光制御デバイス。