JPH0422241B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、導波形光素子と偏波面保存光フアイ
バの接続に短いシングルモードフアイバを介在さ
せ、両者の接続を容易になさしめる方法に関す
る。

近年、光通信システムや光情報処理システムの
実用化が進められているが、それらのシステムに
おいては、さらに情報量の増大やシステムの機能
の拡大が計られている。そこでこれらの情報量の
増大やシステムの機能拡大に対処するために小形
で高速な導波形光素子の開発が進められている。
導波形光素子とは、光導波路構造を有する光素子
で、導波光がある特定の単一の偏光方向のときに
効率良く動作を行う光素子もしくは出射光の偏光
方向が単一であるような光素子を指し、導波形光
スイツチ、導波形光変調器、レーザダイオードな
どが例としてあげられる。

上述のように、導波形光素子においては通常導
波光の偏光方向によつてその機能を発揮させるた
めの効果の大きさが異なる。たとえば、電気光学
効果を利用した導波形光スイツチにおいては入射
部ではTEモード又はTMモードの一方のみを入
射させてスイツチングを行なつている。一方これ
ら導波形光素子間の接続にシングルモードフアイ
バを用いると、シングルモードフアイバの入射端
で直線偏光を入射したときでも出射端では一般に
直線偏光とはならないので、導波形光素子に入射
する前に偏光の調整が必要となる。そこで導波形
光素子間の接続にシングルモードフアイバを用い
る場合には、そのシングルモードフアイバに曲げ
やねじりの外的変形をほどこして偏光の調整を行
なう方法がとられているが、この方法を用いると
外乱により偏光状態が変化してしまう欠点を持
つ。また、導波形光素子に入射する前に偏光子に
よつて、一定の偏光成分だけを取り出し導波形光
素子に入射する方法もあるが、この方法を用いる
と不要な偏光成分が損失となつてしまう。

このような従来技術の欠点を補う方法として、
導波形光素子間の接続に偏波面保存光フアイバを
用いる方法が考えられている。この方法を用いる
と偏光状態依存性を有する光素子間の接続を安定
かつ低損失に行なうことが可能であり、有効であ
る。

しかしながら偏波面保存光フアイバにおいて
は、楕円型偏波面保存光フアイバもしくは、応力
付与型偏波面保存光フアイバのいずれにせよフア
イバの主軸を有し、直線偏波入射光の偏光方向を
この主軸に合わせる必要がある。その場合、消光
比−30dB以上の直線偏波出射光を得るためには
軸合わせに2゜の精度が必要である。導波形光素子
の導波路端面に軸合わせなしにフアイバを固定す
ることだけでもかなり困難でであるのに、それに
もう一つ精度良く軸合わせを行なうという作業が
加わると導波路端面と偏波面保存光フアイバの接
続は相当困難となる。そして導波形光素子の入出
射光導波路端面が複数ある場合には、偏波面保存
光フアイバとの接続の困難さはさらに増大する。
導波形光素子の入出射光導波路端面が複数ある場
合にはそれらの端面は非常に近接しているのが通
常である。なぜならば導波路に急激な曲げを作る
と放射損失が増大するので、入出射光導波路端面
を離そうとするとゆるやかな曲げでそれを行なう
必要があるが、そうすると素子長を長くする必要
があり光素子の大型化を招き、ひいては損失の増
大をも招くことになるからである。このような理
由により導波形光素子の入出射光導波路端面が複
数あるときには、それらの端面は通常非常に近接
している。前述のように消光比−30dB以上の直
線偏波出射光を得るためには偏波面保存光フアイ
バの軸合わせに2゜の精度を要するが、入出射光導
波路端面が複数ある場合には非常に近接した端面
において2゜の精度ですべての軸合わせを同時に行
なうのははなはだ困難となる。

本発明の目的は、上述のような欠点を除去せし
め、導波形光素子とその入出射偏波面保存光フア
イバとの接続が簡便な接続方法を提供することに
ある。

本発明では、導波形光素子の入射光導波路端面
または出射光導波路端面と前記導波形光素子の入
出射偏波面保存光フアイバとの接続において、両
者の接続に偏光の劣化が生じないような短いシン
グルモードフアイバを介在させる。これにより導
波路端面において偏波面保存光フアイバの軸合わ
せを行なう必要がなくなり、軸合わせは導波路端
面から離れた所で行なうことができるようにな
る。特に入出射光導波路が多数存在する導波形光
素子と偏波面保存光フアイバを接続する際には、
非常に近接した導波路端面において多数本の偏波
面保存光フアイバの軸合わせを行なう困難から逃
れ、導波路端面では軸合わせを気にすることなく
導波形光素子とシングルモードフアイバを単に接
続し、偏波面保存光フアイバの軸合わせは入出射
端から離れた空間的に広い場所で一本一本行なう
ことが可能とある。

以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明による導波形光素子と偏波面保
存光フアイバとの接続方法の一実施例を示す。第
１図において、ニオブ酸リチウム結晶
（LiNbO₃）基板４の上にTiを拡散することによ
り光導波路５，６，７，８が形成されている。こ
れらの光導波路は２〜5μｍ程度まで互いに近接
した部分を５つ有する。前記の近接した部分には
電圧印加用の電極が取り付けられて、電気光学効
果を利用した方向性結合形光スイツチエレメント
として機能する。上述の方向性結合形光スイツチ
エレメント５つを有する導波形光スイツチ１２は
４×４マトリクススイツチとして機能する。導波
形光スイツチ１２の４本の入射光導波路端面には
４本の入射シングルモードフアイバ２よりなる入
射シングルモードフアイバアレイ３が接続され、
４本の出射光導波路端面には４本の出射シングル
モードフアイバ１０よりなる出射シングルモード
フアイバアレイ９が接続されている。ここで各シ
ングルモードフアイバは直線状で、直線偏光を入
射させたときその出射光の消光比が十分に保たれ
るほど短い。具体的には、シングルモードフアイ
バの出射光において消光比−20dBを確保するた
めには、互いに直交する任意の偏波成分間の位相
差がフアイバ出射端において0.20ラジアン以下に
なるようにシングルモードフアイバ長を短くする
必要がある。すなわち互いに直交する任意の２つ
の偏波に対する伝搬定数差がΔβ〔ラジアン／メー
トル〕であるシングルモードフアイバを用いて消
光比−20dBに保つて光波の伝送を行なうために
はシングルモードフアイバ長Ｚ〔メートル〕が Ｚ≦0.20／Δβ を満たす長さとする必要がある。より一般的に
は、伝搬定数差がΔβ〔ラジアン／メートル〕のシ
ングルモードフアイバを用いて消光比Ｐを保つて
光波の伝送を行なうためのシングルモードフアイ
バの長さＺ〔メートル〕は次式で与えられる。

Ｚ≦δ／Δβ ……(1) ただし δ＝sin^-1２√ｐ／１＋Ｐ（δ〔ラジアン〕：位相差
） 上式の根拠を以下に説明する。コアが真円で歪
のない理想構造のシングルモードフアイバにおい
ては、互いに直交するモード間の伝搬定数差はな
く、モード結合も生じない。したがつて、理想構
造のシングルモードフアイバに直線偏光を入射す
ると、その偏光角に依存することなく、フアイバ
中での偏光状態は保存される。しかしながら、現
実のシングルモードフアイバにおいては、形状歪
や残留応力などにより微小な複屈折が存在し、そ
の複屈折の大きさや軸は、曲げや外圧などにより
変化する。したがつて、現実のシングルモードフ
アイバにおいては、フアイバ中で入射偏光の状態
が保存されるとは限らない。一般には、シングル
モードフアイバに直線偏光を入射しても、フアイ
バの出射端では楕円偏光となる。光の進行方向を
ｚ軸にとり、これに垂直な面内に任意のｘ，ｙ座
標をとり、このｘ，ｙ方向の振幅をa_x、a_y、位相
をそれぞれ、δ₁、δ₂とすると、光の電場ベクトル
Ｅのｘ、ｙ成分E_x、E_yは、 E_x＝a_xcos（ωt−δ₁） E_y＝a_ycos（ωt−δ₂） ……(2) で表される。第(2)式よりωtを消去し、δ＝δ₁−δ₂
とおくと E²／_x／a²／_x＋E²／_y／a²／_y−２E_x／a_x・E_y／a_ycos
δ＝sin²δ……(3) となる。一般にはこれは楕円を表す式である。い
ま、第５図に示すように、楕円の長軸と短軸の方
向をx′、y′軸にとり、式(3)を座標変換すると、 E′²／_x／a²＋E′²／_y／b²＝１ ……(4) となる。これは、楕円の長軸の方向x′がｘ軸にψ
だけ傾いた楕円である。楕円の長軸、短軸の長さ
をそれぞれ2a、2bとするとa_x、a_y、δ、ａ、ｂの
間には a²＋b²＝a² _x＋a² _y ab＝a_xa_ysinδ ……(5) の関係がある。ところで、この楕円偏光の偏光度
（消光比）Ｐは、シングルモードフアイバ出射光
に対して偏光子を回転させて測定するが、偏光子
の最大透過光量をI_nax、最小透過光量をI_nioとす
ると、消光比Ｐは Ｐ＝I_nio／I_nax＋I_nioI_nio／I_nax（I_nax≫I_nioの
とき）……(6) で与えられる。ここで、偏光子の最大透過光量
I_nax、および最小透過光量I_nioは楕円偏光の長軸
ａの２乗および短軸ｂの２乗にそれぞれ比例す
る。簡単のため、ここで I_nax＝a² I_nax＝b² ……(7) と置いても議論の一般性は失われない。直線偏光
が複屈折の軸に対してψ＝45゜の角度で入射する
とき、消光比Ｐは最悪となる。このとき、 a_x＝ａ・cos45゜＝ａ／√２ a_y＝ａ・sin45゜＝ａ／√２ ……(8) であるので、式(5)、(7)、(8)より √_nax・√_nio＝I_nax／２sinδ ……(9) となる。さらに、式(9)は、I_nax＞＞I_nioのとき、
すなわち消光比ＰがＰ＜＜１のときには √_nax・√_nio＝I_nax＋I_nio／２sinδ ……(10) であるから、 となる。ここで、δは位相差であるから、シング
ルモードフアイバ長をＺとすると、δと伝搬定数
差Δβとの間には、 δ＝Δβ・Ｚ ……(12) が成立する。よつて、伝搬定数差がΔβのシング
ルモードフアイバを用いて消光比Ｐを保つて光波
の伝送を行うためのシングルモードフアイバの長
さＺは Ｚ≦δ／Δβ ただしδ＝sin^-1２√ｐ／１＋Ｐ (1) を満足しなければならない。

上式を用いることによつて本発明の接続方法に
用いるシングルモードフアイバの長さを所望の消
光比と使用するシングルモードフアイバの伝搬定
数差により規定することができる。

一例として本発明者らが２種類の異なるシング
ルモードフアイバ，の伝搬定数差を測定した
値を示すと、それぞれΔβ〓＝0.33〔ラジアン／メ
ートル〕とΔβ〓＝3.68〔ラジアン／メートル〕で
あつた。各々のシングルモードフアイバを用いて
消光比−20dBを保つて光波の伝送を行なうため
のシングルモードフアイバ長はそれぞれZ〓＝62
cm，Z〓＝5.4cmとなり、いずれにせよフアイバ長
５cmとすれば消光比−20dBを保つて光波の伝送
を行なうことができる。

上記シングルモードフアイバの各々には偏波面
保存光フアイバが１本１本独立に軸合わせを行な
つた後接続されて、入出射偏波面保存光フアイバ
として機能する。以上により、本発明による接続
方法を用いた入出射偏波面保存光フアイバを有す
る４×４導波形光スイツチモジユールが構成され
る。なお導波形光スイツチの入出力チヤンネル数
は４×４に限るものではなく、ｎ×ｎのものを用
いても何ら不都合はない。

この４×４導波形光スイツチモジユールの入射
偏波面保存光フアイバ１にTM，TEいずれかの
モードの光波が入射されると、偏光方向が保存さ
れたまま入射シングルモードフアイバアレイ３に
到達する。シングルモードフアイバアレイ３に用
いている各シングルモードフアイバ２は偏光方向
を十分に保つ長さとしてあるので、光波は４×４
導波形光スイツチの入射端面に到達した際にも
TMもしくはTEいずれかのモードが保たれてい
る。したがつて効率良くスイツチングを行なうこ
とができる。また導波形光スイツチ１２通過後も
出射シングルモードフアイバアレイ９および出射
偏波面保存光フアイバ１１による偏光方向の変化
は生じないので入射光の偏光方向のままで出射す
ることができる。さらに本実施例の構成において
は、導波形光スイツチ１２と入射偏波面保存光フ
アイバ１および出射偏波面保存光フアイバ１１の
接続にそれぞれ入射シングルモードフアイバアレ
イ３および出射シングルモードフアイバアレイ９
を介している。これにより、導波形光スイツチ１
２の入射端および出射端で４対同時に偏波面保存
光フアイバの軸合わせを必要がなく、１対のシン
グルモードフアイバと偏波面保存光フアイバの軸
合わせを他の対とは独立に行なうことが可能であ
る。

以上述べたように、本実施例においては、ニオ
ブ酸リチウム（LiNbO₃）結晶を用いた導波形光
スイツチと偏波面保存光フアイバとをシングルモ
ードフアイバを用いた簡便な方法で接続すること
ができる。この方法は光スイツチの入出端数が多
くなるほど有効である。さらに本実施例において
は、入射偏光方向さえTMモードもしくはTEモ
ードとしておけば、スイツチング後の出射光の偏
光方向も保存されるので多段に接続する際に有効
なｎ×ｎ導波形光スイツチモジユールが構成され
る。

第２図は、本発明による導波形光素子と偏波面
保存光フアイバとの接続方法の他の実施例を示
す。第２図において、ニオブ酸リチウム結晶
（LiNbO₃）基板２３の上にTiを拡散して形成さ
れた２本の導波路２７，２８が形成されている。
２本の光導波路は互いに近接した部分を有し、上
記の近接した部分に変調信号印加用の電極２９を
取り付けることにより方向性結合形の導波形光変
調器２６が構成される。導波形光変調器２６の入
射光導波路端面には入射シングルモードフアイバ
２２が接続され、上記入射シングルモードフアイ
バ２２にはさらに入射偏波面保存光フアイバ２１
が接続されている。同様に出射光導波路端面には
出射シングルモードフアイバ２４が接続され、出
射シングルモードフアイバ２４には出射偏波面保
存光フアイバ２５が接続されている。以上によ
り、本発明による接続方法を用いた入出射偏波面
保存光フアイバを有する導波形光変調器モジユー
ルが構成される。入射偏波面保存光フアイバ１１
にTM，TEいずれかのモードの光波が入射され
ると偏光方向が保存されたまま入射シングルモー
ドフアイバ２２に到達する。入射シングルモード
フアイバ２２は偏光方向を十分に保つ長さとして
あるので、光波は導波形光変調器２６の入射端面
においてはTMもしくはTEのいずれかのモード
が保たれている。したがつて効率良く光変調を行
なうことができる。また導波形光変調器２６通過
後も出射シングルモードフアイバ２４および出射
偏波面保存光フアイバ２５による偏光方向の変化
は生じないので入射光の偏光方向のままで出射す
ることができる。本実施例の構成においても入・
出射偏波面保存光フアイバと導波形光変調器２６
の入出射端面との接続に各シングルモードフアイ
バを介している。

以上述べたように、本実施例においては光変調
器と入出射偏波面保存光フアイバの接続にシング
ルモードフアイバを介する簡便な接続方法を用い
て、他の偏光方向依存性を有する光素子との多段
接続との際に有効な入出射偏波面保存光フアイバ
を有する光変調器モジユールを構成することがで
きる。

第３図は本発明による導波形光素子と偏波面保
存光フアイバとの接続方法の他の実施例を示す。
第３図において導波形光素子であるレーザダイオ
ード３１の光導路の延長線上にコリメート用レン
ズ３２と集光用レンズ３３が置かれ、集光用レン
ズの焦点位置に一方の端面が来るように設置され
た短い出射シングルモードフアイバ３４に出射偏
波面保存光フアイバ３５が接続されている。

レーザダイオード３１よりTEモードの光が出
射されると、出射シングルモードフアイバ３４は
短いので偏光が保存されたまま出射偏波面保存光
フアイバ３５に到達する。したがつて出射偏波面
保存光フアイバ３５の主軸を出射シングルモード
フアイバ３４の出射光の偏光方向に合わせておけ
ば、常にTEモードの光波を出射するレーザダイ
オードモジユールが構成される。しかもレーザダ
イオード３１と偏波面保存光フアイバ３５の接続
にシングルモードフアイバ３４を介しているの
で、集光用レンズ３３の焦点と出射偏波面保存光
フアイバ３５のコアの位置合わせおよび偏波面保
存光フアイバ３５の主軸合わせを両方同時に行な
う必要がないという利点を有している。

以上述べたように、本実施例においてはレーザ
ダイオードと出射偏波面保存光フアイバの接続に
シングルモードフアイバを介する簡便な方法を用
いて、次段の偏光方向依存性を有する光素子との
接続の際に有効な出射偏波面保存光フアイバ付き
のレーザダイオードモジユールを構成することが
できる。

第４図は、本発明による導波形光素子と偏波面
保存光フアイバとの接続方法の他の実施例を示
す。第４図においてレンズ系を有するレーザダイ
オード４１の出射端に出射シングルモードフアイ
バ４２が接続され、上記出射シングルモードフア
イバ４２はさらに偏波面保存光フアイバ４３を経
て導波形光変調器４５の入射シングルモードフア
イバ４４に接続されている。導波形光変調器４５
の出射シングルモードフアイバ４６は偏波面保存
光フアイバ４７を経て導波形ｎ×ｎ光スイツチ４
９の入射シングルモードフアイバ４８に接続され
ている。導波形ｎ×ｎ光スイツチ４９はｎ本の出
射シングルモードフアイバ５０よりなる出射シン
グルモードフアイバアレイ５１を持ち、さらに偏
波面保存光フアイバ５２に接続されている。以上
により、本発明による接続方法を用いて構成した
複数個の導波形光素子モジユールを有し、前記導
波形光素子モジユール間を偏波面保存光フアイバ
で接続した光ネツトワークが構成される。

レーザダイオードモジユール４１の出射光は
TEモードであるが、レーザダイオードを90゜傾け
ること、もしくは光変調器の入射端まで偏光が保
存されることを利用して偏波面保存光フアイバ４
３を90゜ねじることにより、導波形光変調器４５
の入射端面においてはTMモードとすることも可
能である。このようにTEもしくはTMモードの
光波が導波形光変調器４５に入射すれば、導波形
光変調器４５は効率良く変調を行ない、導波形光
変調器４５と導波形光スイツチ４９の間の接続も
短いシングルモードフアイバ４６、偏波面保存光
フアイバ４７および短いシングルモードフアイバ
４８によつて行なわれているので導波形光スイツ
チ４９の入射端面においても偏光の変化は生じな
い。したがつて導波形光スイツチ４９においても
スイツチングは効率良く行なわれる。

以上述べたように、本実施例においては、本発
明による接続方法を用いて構成した導波形光素子
モジユールを複数個用い、上記導波形光素子モジ
ユール間を偏波面保存光フアイバで接続した光ネ
ツトワークを構成することにより、偏光調整をす
ることなしに導波形光素子を効率良く機能させる
光ネツトワークを構築することが可能である。

本発明は上記の実施例に限定されるものではな
い。例えば、他の実施例としては、種々の機能を
持つ導波形光素子を集積化した導波形光集積素子
と偏波面保存光フアイバをシングルモードフアイ
バを介して接続した導波形光集積素子モジユール
や、導波形光スイツチモジユール複数個および他
の導波形光素子の間を偏波面保存光フアイバで接
続し、効率良く光交換を行なうことが可能な光交
換ネツトワークなどを本発明による接続方法を用
いて構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による導波形光スイツチモジ
ユールを、第２図は導波形光変調器モジユール
を、第３図はレーザダイオードモジユールを、第
４図は光ネツトワークを示す図である。第５図は
本発明の接続方法に用いるシングルモードフアイ
バの長さを所望の消光比と使用するシングルモー
ドフアイバの伝搬定数差により規定する式につい
て説明するための図である。 図において、１，２１……入射偏波面保存光フ
アイバ、２，２２，４４，４８……入射シングル
モードフアイバ、３……入射シングルモードフア
イバアレイ、４，２３……ニオブ酸リチウム
（LiNbO₃）結晶基板、５，６，７，８……光導
波路、９，５１……出射シングルモードフアイバ
アレイ、１０，２４，３４，４２，４６，５０…
…出射シングルモードフアイバ、１１，２５，３
５……出射偏波面保存光フアイバ、１２，４９…
…導波形光スイツチ、２６，４５……導波形光変
調器、３１，４１……レーザダイオード、３２…
…コリメート用レンズ、３３……集光用レンズ、
４３，４７，５２……偏波面保存光フアイバ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 導波形光素子と偏波面保存光フアイバとの間
   にＺ≦δ／Δβ （ただし、Δβ：伝搬定数差，δ＝sin^-1
   ２√ｐ／１＋Ｐ，Ｐ：消光比） を満足する長さＺのシングルモードフアイバを介
   存させることを特徴とする導波形光素子と偏波面
   保存光フアイバとの接続方法。