JPH11505337A - 集積光変調器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 マッハ−ツェンダー型の集積光変調器が導波路を有し、該導波路は、その長さの一部分において、論理的に並列に配置された二つの導波路部分（１１、１２）に分割されている。到来光は分割されて二つの部分（１１、１２）を通過してから、再度合体され、それから変調器を出て行く。各導波路部分はそれに伴う一対の電極（１３、１４）及び（１４、１５）を有し、これらの電極は電場を生成し、この電場をそれぞれの導波路部分が通過する。ただし、二つの導波路部分（１１、１２）の間に単一の電極（１４）があるようにして、各対の一つの電極として働くようにし、各対の他の電極が電気的に接続されているようにすることができる。一つの導波路部分（１１）とそれに伴う電極（１３、１４）の物理的配置は、他の導波路部分（１２）とそれに伴う電極（１４、１５）の物理的配置と異なり、導波路部分に伴う電極（１３、１４、１５）に共通の駆動電圧が印加されたとき、二つの導波路部分（１１、１２）を伝播する光がそれぞれさらされる電場が異なるようになっている。別の構成においては、振幅変調器（３０）のあとに位相変調器（３１）が続くようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】 集積光変調器 本発明は、集積光変調器(integrated optical modulators)に関し、また集積 光変調器を動作させる方法に関する。 遠距離通信産業においては、データ伝送速度の増大が絶え間なく要求されてい る。光通信ネットワークの使用規模がますます拡大している。これは、光通信ネ ットワークが電気的リンクに比してずっと大きなデータ伝送速度に耐えることが できるからである。また、各種の改良が不断になされ、光データリンクはますま す大きなデータ伝送速度に対応できるようになっている。しかし不都合なことに 、データ伝送速度が大きくなると、データ信号の再生を必要としないデータリン クの最大可能長さが短くなる。 現在、地球的な遠距離通信ネットワークは、４００ｋｍを越える場合、２．５ Ｇｂ／ｓのデータ伝送速度で設計されており、１００〜１５０ｋｍの場合、１０ Ｇｂ／ｓで設計されている。最近、光増幅器要素たとえばエルビウムをドープし たファイバー増幅器の導入がなされた。これらの要素により、システム設計者は 電気的再生を必要としない光リンクの物理的長さを大きくすることができた。 一般に、リンク長を制限する要因は色分散(chromatic dispersion)であり、こ れは、送信機(transmitter)が実際に光波長幅(optical linewidth)を有し、ファ イバーの屈折率が波長によって変わることのために発生する。データが伝送され る光ファイバーはすでに広く使用されているので、システム制限要因は送信機設 計の方に転嫁されている。それぞれの送信機において、光波長幅は二つの要因に よって決定される。二つの要因というのは、ＤＣにおける固有の波長幅(the inh erent linewidth at DC)と、変調(modulation）によって誘起される波長幅の広 がり(the broadening of the linewidth)とである。後者の要因は静的チャープ( static chirp)と呼ばれている。さらに、個々の要素が光波長幅の中央周波数の シフトを誘起しうる。この効果は通常動的チャープ(dynamic chirp)と呼ばれる 。 光信号の変調により、搬送周波(carrier frequency)のまわりに変調周波(modu lation frequency)の光高調波(optical harmonics)が生じる。この変調光が色分 散を示す（すなわち、ファイバーの屈折率が波長によって変る）ある長さ のファイバーを通過すると、ファイバーの末端(the distal end)における光の位 相が光の周波数の関数として変化する。受信光の検出によりいろいろな周波数の 成分の混合が起るが、これらの成分は位相が異なるため、この混合により、送信 信号(the transmitted signal)の波長幅による検出信号の振幅の変化が起る。 静的および動的チャープの結果として、光変調された送信信号に、パルス幅の 変化と振幅のシフトとが誘起される。静的チャープの場合、高い周波数の光の振 幅が減少し、リンク長(link length)の組合せによっては、分散と周波数も減少 し、そして検出すべき信号が完全に無効なもの(can be nulled completely)とな りうる。動的チャープの場合、正の動的チャープによりファイバーを伝播するパ ルスの幅が広がり、負の動的チャープによりパルス幅が狭まる。どちらの効果も 、十分大きい場合には、変調信号の検出を不可能にする(undetectable)ものであ る。 伝送速度が増すにしたがい、送信機が定められた再現可能なレベルの動的チャ ープを実現しうるということが重要である。中継器の間隔(the repeater spacin g)を最大にするために、送信機は所定許容度を有する動的チャープの単一値によ って指定される。したがって、変調信号に所定レベルの動的チャープを誘起する ことのできる変調器が要求されている。 本発明の一つの側面によれば、光導波路(an optical waveguide)であって、そ の長さの一部分として、論理的に並列に配置された二つの導波路部分に分割され ており、そうすることにより、入射光(incoming light)が、二つの導波路部分に 分割され、これらの部分を通過した後、再合体される光導波路と、各導波路部分 に対する一対の電極(a pair of electrodes)であって、電場を生成し、該電場内 を通ってそれぞれの導波路部分が延びるように配置される一対の電極と、を有し 、一つの導波路部分とそれに伴う一対の電極との物理的配置が他の導波路部分と それに伴う一対の電極との物理的配置と異なっていて、二つの一対の電極が実質 的に同じ電圧で駆動されるとき、二つの導波路部分を伝播する光がさらされる電 場が異なるようになっている、集積光変調器が提供される。 ここで使用する「論理的に並列」という言葉は、導波路部分の物理的配置では なく論理的配置を意味する（すなわち、直列でない）ものとする。したがって、 導波路部分は直線状及び物理的に並列であることができるが、導波路部分の他の 物理的配置も同様に可能である。 本発明においては、変調器の二つの導波路部分とそれに伴う電極とは異なる物 理的配置を有し、変調器の二つの腕の間に不平衡が誘起されるようになっている 。これは、光信号を分割して二つの部分を通過するようにして、分割信号が異な る電場にさらされるようにし、したがって二つの腕(arms)で異なる位相のシフト が与えられるようにすることによって実現される。したがって、導波路部分を通 過したあと光信号が再合体されると、生成される変調信号はチャープを示し、こ のチャープの値は選択した物理的配置に依存する。 代表的な集積光変調器は、各導波路部分に一対の電極を有し、その電極の間に 間隙が定められ、この間隙に沿って、これに伴う導波路部分が延びる、マッハ− ツェンダー変調器(a Mach-Zehnder modulator)として構成される。通常、導波路 それ自身は、集積回路技術で周知のドーピング法によって基板内に形成される。 同様に、この基板上での電極形成も集積回路技術において周知である。 すぐ上に述べた代表的変調器の場合、二つの導波路部分の間に単一の電極を備 え、この単一電極が二つの一対の電極の各々における電極の一つとして働くよう にすることができる。各一対の電極の他の電極を相互接続した場合、前記単一電 極と前記他の電極との間に同一の駆動電圧を印加することができ、その場合でも この要素は所定レベルのチャープを生成させる。これは、所定レベルのチャープ の生成を意図する次のような他の要素設計、すなわち、干渉計の二つの腕(arm o f an interferometer)の間に相対的位相シフトを誘起させるために各腕に対して 別々の駆動電源を備えなければならない要素設計とは対照的であると言える。 本発明の可能な一つの態様の場合、一つの導波路部分に伴う一対の電極の配置 は他の導波路部分の電極の配置とは異なる。たとえば、一つの一対の電極の二つ の電極間の間隙を、他の一対の電極の電極間の間隙とは異なるようにし、そうす ることによって、同一の駆動電圧の場合にそれぞれの一対の電極の電極間に異な る電場が生成されるようにすることができる。あるいは、二つの一対の電極の配 置及び電極間の間隙は実質的に同じであるようにするが、しかし、各導波路部分 のそれに伴う間隙に対する配置を、二つの導波路部分において異なるようにする ことができる。この場合、一つの導波路部分はそれに伴う電極に対して横方向に 偏移させることができ、それによってこの導波路部分が電極間の電場の周辺領域 に置かれるようにし、一方他の導波路部分はそれに伴う電極間の間隙に対して実 質的に中央に来るように配置することができる。さらにもう一つの可能性は、二 つの導波路部分の光モード寸法(optical mode size)（すなわち、事実上断面積 ）が互いに異なるようにすることである。 もう一つの可能性は、一つの導波路部分において、それに伴う電極間の電場に さらされる物理的長さを、他の導波路部分において、それに伴う電極間の電場に さらされる物理的長さと異なるようにすることである。これは、二つの導波路部 分に対して、異なる長さの間隙を定める電極を備えることによるか、またはそれ ぞれの電極間の間隙内にある導波路部分の物理的長さを変えることにより、実現 することができる。 前記ケースのすべてにおいて、二つの導波路部分と電極は、マッハ−ツェンダ ー干渉計として、到来信号に振幅変調を行うように配置される。到来光は二つの 導波路部分に分割され、そのあと到来光には導波路部分が通過する電場によって 位相ずれが生じる。この電場はそれぞれの導波路部分に伴う電極によって生成さ れる。次に、到来光が再合体すると、光の二つの部分が干渉して干渉縞が生じ、 変調された光信号が生じる。本発明で定める手段を採用することにより、前記干 渉の厳密な特性を指定することができ、したがってそれぞれの変調器に対して、 制御されたレベルのチャープを与えることができる。 本発明の第二の側面によれば、到来光が伝播する光導波路であって、一対の論 理的に並列な導波路部分に分割されており、該部分の両方に到来光が分割され、 これらの部分を通過したあと到来光が再合体される光導波路と、各導波路部分に 対する一対の電極であって、電場を生成し、該電場内を通ってそれぞれの導波路 部分が延び、それによって導波路部分が振幅変調器の一部となるように配置され ている一対の電極と、一対の電極の電極間を通る非分割導波路の長さの一部分で あって、前記一対の電極がその電極間に電場を生成し、非分割導波路の前記部分 に対する位相変調器を形成するように配置されている、非分割導波路の長さの一 部分と、を有する集積光変調器が提供される。 本発明のこの態様の場合、チャープは通常のマッハ−ツェンダー干渉計型の振 幅変調器を備え、変調器を通過する光に振幅変調を与えることにより制御される が、光には位相変調も加えられる。この位相変調は導波路を通過する光を電場に さらすことにより、振幅変調の前または後に行うことができる。この電場は一対 の電極によって生成させることができ、この一対の電極としては振幅変調器で使 用される一対の電極の一つを流用することができる。 本発明の他の一つの側面によれば、集積光変調器のチャープを制御する方法で あって、前記集積光変調器が光導波路を有し、前記光導波路が、その長さの一部 分において、論理的に並列に配置された二つの導波路部分に分割されており、そ うすることにより、到来光が二つの導波路部分に分割されて、これらの部分を通 過したあと再合体され、各導波路部分が、それぞれ、該部分に伴う一つの一対の 電極を有し、該一対の電極が電場を生成し、該電場内をそれぞれの導波路部分が 延びている方法において、二つの一対の電極の両方が実質的に同じ電圧で駆動さ れるが、二つの導波路部分がさらされるそれぞれの電場が異なっている方法が提 供される。 本発明のさらに他の一つの側面によれば、集積光変調器のチャープを制御する 方法であって、前記集積光変調器が、到来光が伝播する光導波路を有し、前記導 波路が論理的に並列に配置された二つの導波路部分に分割されており、各導波路 部分に対して一対の電極が備えてある方法において、到来光が二つの導波路部分 に分割され、これらの部分を通過したあと再合体され、各一対の電極の電極間に 電場が生成され、再合体に際して、光に振幅変調が与えられるようになっており 、前記光変調器を通過する光に、導波路の非分割部分の領域内に配置された二つ の電極間に電場を生成することによって、位相変調が与えられる方法が提供され る。 以下、単なる例示として、本発明によって構成、配置された変調器のいくつか の実施態様を、添付図面を参照して、詳しく説明する。 図１Ａ及び１Ｂは、公知の形式のマッハ−ツェンダー変調器の平面及び断面略 図である。図１Ａには切断線１Ｂ−１Ｂを示す。 図２Ａ及び２Ｂは、本発明の変調器の第一の実施態様の略図である。 図３Ａ及び３Ｂならびに４Ａ及び４Ｂは、図２Ａ及び２Ｂに似ているが、本発 明の変調器の第二及び第三の実施態様の略図である。 図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃは、本発明の変調器の第四の実施態様の平面略図及び二 つの断面略図である。 図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃは、図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃに似ているが、本発明の変調 器の第五の実施態様の略図である。 まず、図１Ａ及び１Ｂを参照する。これらの図には、マッハ−ツェンダー型の 集積光振幅変調器が略図として示してある。この変調器は、通常の集積回路技術 によって製造されるものであるが、基板一般にニオブ酸リチウム基板内に形成さ れた導波路に沿う光の伝播ができるように構成されている。導波路１０は並列に 配置された二つの導波路部分１１と１２に分割されており、したがって到来光波 は二つの導波路部分に分割され、そのあと再合体されて、干渉縞が生じるように なっている。 基板上には、電極１３、１４、１５が形成され、二つずつ対になって対電極間 に間隙１６及び１７が生じるように配置されている。中央の電極１４は二つの対 に共通である。外側の二つの電極１３と１５は電気的に接続されており、中央電 極１４と電気的に接続された(common)外側電極１３、１５との間に同一の駆動信 号が加えられた場合、図１Ｂに示すように、二つの一対の電極の電極間に同じ電 場が存在するようになっている。 図１Ａと１Ｂに示す配置は実質的に対称であり、電極に同一の駆動電圧が印加 されたとき、各導波路部分１１と１２が同じ電場にさらされるようになっている 。このような配置の場合、一つの一対の電極のみが駆動される場合を除いて、０ の動的チャープを生じる。一つの一対の電極のみが駆動される場合には、±１の チャープが生じる。この配置の場合、他のチャープ値は得られない。 本発明の特定実施態様に関する以下の説明においては、図１Ａと１Ｂに関して 前述したものと実質的に同じ要素は同じ参照番号で示す。 図２Ａ及び２Ｂは本発明の第一の実施態様を示す。この実施態様における物理 的配置は、二つの導波路部分１１及び１２に伴う電極１４と、電気的に接続され た電極１３、１５との間に同一の駆動電圧が印加されたときに生成される変調波 形のチャープを決定する。これは、電極１４と１５の間に電極１３と１４の間の 間隙１６に比して大きな間隙２０を備えることによる不平衡変調によって得られ る。間隙１６は図１Ａ及び１Ｂの公知の配置における間隙と同程度のものである 。電極１４と１５の間の大きな間隙により、電極１３と１４によって生成される 電場とは異なった形の電場が生じる。したがって、二つの導波路部分１１と１２ は異なった電場にさらされ、二つの導波路部分１１と１２を通過する光には異な る位相ずれが生じ、したがって図１Ａ及び１Ｂの公知の配置と異なり、非零、非 単位チャープがもたらされる。しかし、このチャープは、この変調器について定 まっている一定かつ反復可能なものである。 図３Ａと３Ｂは別の変調器構成を示す。この場合、電極１３、１４、１５及び これらの間の間隙１６、１７は図１Ｂに示すものと同様である。導波路部分１１ はその間隙１６に対して図１Ｂの場合と同様に配置されるが、導波路部分２２は 間隙１７に対して横方向に変位している。このようにすれば、電極１４と、接続 されている電極１３、１５との間に同一の駆動電圧が加えられたとき、導波路２ ２は導波路１１とは異なる電場内にある。したがって、図２Ａ及び２Ｂの配置の 場合と同様に、定められた非零、非単位チャープが得られる。 図４Ａと４Ｂの場合、電極１３、１４、１５と間隙１６、１７の配置は図１Ａ と１Ｂの変調器におけるものと同じであるが、二つの導波路部分２５と２６の光 導波路モード寸法（すなわち、断面積）が異なっている。この場合、電場と光場 との間の重なり積分は二つの導波路部分において異なるので、不平衡変調が得ら れる。 図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃは電極１３、１４間及び１４、１５間の電場にさらされ る導波路部分２７及び２８の物理的長さに不つり合いのある配置を示す。これは 、導波路部分２７が電極間の間隙１６の全長に沿って延びるようにするが、導波 路部分２８が間隙１７の長さの一部分に沿ってだけ延びるようにすることにより 、達成される。したがって、図５Ａと５Ｃに示すように、導波路部分２８が横方 向に進んで、この部分の長さの残りの部分が電場の外にあるかまたは弱い場の中 にしかないようにする。 図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃは、図１Ａと１Ｂに示すものと実質的に同じ構成の振幅 変調器３０を備えているが、これに位相変調器３１が続いている別の変調器配置 を示す。電極３２、３３、３４は二つの間隙３５と３６を定めるように配置され ており、これらの間隙のどちらも非直線状であり、それによって、非分割導波路 ３７がその長さの一部分において、電極３３と３４の間の間隙３６に沿って延び るようになっている。したがって、この非分割導波路３７は、変調器全体におけ る振幅変調器部分において導波路部分３９がそうであるように、電極３３と３４ の間の電場にさらされる。導波路部分３８は、図１Ａと１Ｂに関して述べた通常 の振幅変調器の場合と同様に、電極３２と３３の間の電場にさらされる。この配 置も、変調された信号に非零、非単位、一定かつ反復可能なチャープをもたらす 。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 器（３１）が続くようになっている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光導波路(an optical waveguide)であって、その長さの一部分として、論 理的に並列に配置された二つの導波路部分に分割されており、それにより、到来 光(incoming light)が二つの導波路部分に分割され、これらの部分を通過した後 、再合体される光導波路と、 各導波路部分に対する一対の電極(a pair of electrodes)であって、電場を生 成し、該電場内を通ってそれぞれの導波路部分が延びるように配置される一対の 電極と、を有し、 一つの導波路部分とそれに伴う一対の電極との物理的配置が他の導波路部分と それに伴う一対の電極との物理的配置と異なっていて、二つの一対の電極が実質 的に同じ電圧で駆動されるとき、二つの導波路部分を伝播する光がさらされる電 場が異なるようになっている集積光変調器。 ２．各一対の電極がその電極間に間隙を定め、この間隙に伴う導波路部分が少 くともその長さの一部分において前記間隙に沿って延びる請求の範囲第１項に記 載の集積光変調器。 ３．一つの導波路部分を伴う一対の電極の配置が他の導波路部分を伴う一対の 電極の配置と異なる請求の範囲第２項に記載の集積光変調器。 ４．一つの一対の電極の二つの電極間の間隙が他の一対の電極の二つの電極間 の間隙と異なり、そうすることによって、同一の駆動電圧の場合に、それぞれの 一対の電極間に異なる電場が存在するようになっている請求の範囲第３項に記載 の集積光変調器。 ５．二つの一対の電極の配置とそれぞれの一対の電極の電極間の間隙が実質的 に同じであり、各導波路部分のそれに伴う間隙に対する配置が二つの導波路部分 において異なっている請求の範囲第２項に記載の集積光変調器。 ６．一つの導波路部分がそれに伴う電極間の間隙に対して横方向に偏移してお り、他の導波路部分がそれに伴う電極間の間隙に対して実質的に中央に配置され る請求の範囲第５項に記載の集積光変調器。 ７．二つの導波路部分の光モード寸法が異なっている請求の範囲第２項に記載 の集積光変調器。 ８．一つの導波路部分に伴う一対の電極の電極間の電場にさらされる該導波路 部分の物理的長さが、他の導波路部分に伴う一対の電極の電極間の電場にさらさ れる該導波路部分の物理的長さと異なっている請求の範囲第２項に記載の集積光 変調器。 ９．前記一つの導波路部分に伴う電極間の間隙の長さが、他の導波路部分に伴 う電極間の間隙の長さよりも短い請求の範囲第８項に記載の集積光変調器。 １０．二つの導波路部分の物理的長さは実質的に同じであるが、一つの導波路 部分に伴う電極間の電場内を延びる該導波路部分の物理的長さが他の導波路部分 におけるそれと異なっている請求の範囲第８項または第９項に記載の集積光変調 器。 １１．導波路と電極がマッハ−ツェンダー干渉計として配置される請求の範囲 第１項から第１０項までのいずれか１つに記載の集積光変調器。 １２．到来光が伝播する光導波路であって、一対の論理的に並列な導波路部分 に分割されており、該部分の両方に到来光が分割され、これらの部分を通過した 後、到来光が再合体される光導波路と、 各導波路部分に対する一対の電極であって、電場を生成し、該電場内を通って それぞれの導波路部分が延び、それによって導波路部分が振幅変調器の一部とな るように配置されている一対の電極と、 一対の電極の電極間を通る、非分割導波路の長さの一部分であって、前記一対 の電極がその電極間に電場を生成し、非分割導波路の前記部分に対する位相変調 器を形成するように配置されている非分割導波路の長さの一部分と、 を有する集積光変調器。 １３．非分割導波路が通過する電場を生成する電極が分割導波路部分の一対の 電極のうち一つから成る請求の範囲第１２項に記載の集積光変調器。 １４．前記一対の電極のおのおのの一対の電極の一つの電極が二つの一対の電 極に共通である請求の範囲第１項から第１３項までのいずれか１つに記載の集積 光変調器。 １５．一つの一対の電極の他の電極が他の一対の電極の他の電極に電気的に接 続されている請求の範囲第１４項に記載の集積光変調器。 １６．レーザー光源と駆動装置を有し、前記レーザー光源が前記変調器に一定 波長の非変調光信号を送り、前記駆動装置が前記変調器の電極に接続され、二つ の導波路部分にそれぞれ伴う二つの一対の電極に対して実質的に同じ変調駆動電 圧を印加するように配置されている請求の範囲第１項から第１５項までのいずれ か１つに記載の集積光変調器から成る変調器システム。 １７．各一対の電極の一つの電極が二つの一対の電極に共通であり、二つの一 対の電極の他の電極が相互接続され、駆動装置が単一の駆動電源を有し、該電源 が前記一つの電極と、相互接続された他の電極との間に駆動電圧を印加する請求 の範囲第１６項に記載の変調器システム。 １８．集積光変調器のチャープを制御する方法であって、 前記集積光変調器が光導波路を有し、 前記光導波路が、その長さの一部分において、論理的に並列に配置された二つ の導波路部分に分割されており、そうすることにより、到来光が二つの導波路部 分に分割されて、これらの部分を通過したあと再合体され、 各導波路部分が、それぞれ、該部分に伴う一つの一対の電極を有し、該一対の 電極が電場を生成し、該電場内をそれぞれの導波路部分が延びている、方法にお いて、 二つの一対の電極の両方が実質的に同じ電圧で駆動されるが、二つの導波路部 分がさらされるそれぞれの電場が異なっている方法。 １９．集積光変調器のチャープを制御する方法であって、 前記集積光変調器が、到来光が伝播する光導波路を有し、 前記導波路が論理的に並列に配置された二つの導波路部分に分割されており、 各導波路部分に対して一対の電極が備えてある、方法において、 到来光が二つの導波路部分に分割され、これらの部分を通過したあと再合体さ れ、 各一対の電極の電極間に電場が生成され、再合体に際して、光に振幅変調が与 えられるようになっており、 前記光変調器を通過する光に、導波路の非分割部分の領域内に配置された二つ の電極間に電場を生成することによって、位相変調が与えられる、方法。