JP3755588B2 - 光制御デバイス - Google Patents
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Description
【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C3V、C3、D3、C3h、D3h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、・・・、λN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、・・・、λN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、・・・、λN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 (6)
- 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。
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