JPS6249337A - 光ヘテロダイン検波装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光ヘテロダイン通信システムに利用される光
ヘテロダイン検波装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

単一モードファイバを用いた光ヘテロダイン通信システ
ムにおいて、光ヘテロダイン検波を行う際には信号光と
局部発振光の各偏光状態が一致していることが必要であ
る。ところが、実際には単一モードファイバを伝搬した
後の信号光の偏光状態は温度変化等の外乱によって変化
し、局部発振光の偏光状態と一致しないことも生じ、ビ
ート信号強度が変動し、これによりシステムの信頼性の
低下を招き、場合によって信号光の検出が不可能になる
こともある。そこで信頼性の低下を防止するため、信号
光と局部発振光の偏光状態を一致させる偏光制御機能を
含んだ光へテロダイン検波装置が必要となる。またこの
光へテロダイン検波装置は、特に信頼性、小型・軽量化
、低電圧化、量産性等の点から偏光制御機能を有する構
成部分を含め光集積化したもの又は一体的に構成したも
のが強く求められている。

従来において偏光制御機能を含んで光集積化又は一体化
された光へテロダイン検波装置の報告例はない。しかし
、アプライド・フィジクス・レターズ、３８巻、　１９
８１年、６５５〜６５７頁においてアール・シー・アル
ファーネス等によって報告された導波路型の偏光制御素
子については、光結合器や光検出器等を一体化して光へ
テロダイン検波装置を構成することが可能である。この
偏光制御素子は、電気光学効果を用いた位相変調器とモ
ード変換器によって構成されており、入射光の任意の偏
光状態を所望の偏光状態に変換することができるもので
ある。

しかしながら、上記偏光制御素子で使用されるモード変
換器は波長選択性を有し、モード変換効率の良好な波長
帯域は波長１．５μｍ付近において半値全幅で数十へ程
度と極めて狭いものである。

従って、モード変換器を最も効率よく動作する波長、す
なわち中心波長を数十人程度の精度で制御するためには
、電極パターンを０．１μｍ以下の精度で形成しなけれ
ばならず、これは非常に困難である。また、上記モード
変換器の中心波長の温度に対する変化率は、波長１．５
μｍ付近で約１０人／℃と大きい。従って、このモード
変換器を備えた導波路型偏光制御素子を実際の光へテロ
ダイン検波装置に用いるためには、この偏光制御素子を
±０．１℃程度の精度で温度制御することによっ゛て中
心波長を信号光や局部発振光の波長に一致させなければ
ならないという問題を有していた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、モード変換器を使用しないことにより
波長選択性による制限を回避すると共に温度制御の必要
性をなくし、動作信頼性を高くし且つ小型・軽量に製作
することのできる光へテロダイン検波装置を提供するこ
とにある。

〔発明の構成〕

本発明の光ヘテロダイン検波装置は、信号光における偏
光角が互いに直交する第１成分と第２成分の間の位相差
を変調する位相変調器と、局部発振光源と、前記位相変
調器から出射された信号光と前記局部発振光源から出射
された局部発振光を合波する光結合器と、この光結合器
の出射光を前記第１成分と前記第２成分に分けるモート
スプリブタと、このモードスプリッタから出射される第
１成分及び第２成分をそれぞれ検出する第１及び第２の
光検出器と、この第１及び第２の光検出器の各出力信号
を相加する混合回路とを備えて成ることを特徴としてい
る。

〔実施例〕

以下に、図面を用いて本発明の一実施例を説明する。

第１図は本発明に係る光へテロダイン検波装置の基本的
構成を示す。１は位相変調器で、光伝送路で伝送されて
きた偏光状態が（θ、φ）である信号光２はこの位相変
調器１に入射する。ここで、偏光角がθｒａｄ、互いに
直交するＴＥモードとＴＭモードの間の位相差がφｒａ
ｄである光の偏光状態を（θ、φ）で表わすものとする
。位相変調器１において、信号光２の偏光状態は（θ、
０）に変換される。信号光２はその後光結合器３に入射
される。

一方、４は局部発振光源で、この局部発振光源４は偏光
状態が（θ。、０）の局部発振光５を出射し、光結合器
３に入射する。上記において、θ、φは任意の値をとり
、θ。はＯ〈θ。”’〔ｒａａ）なる定数である。

光結合器３では信号光２と局部発振光５が合波され、そ
の後モートスプリγり６に入射される。モードスプリッ
タ６において、信号光２は強度の比がｃｏｓθ：ｓｉｎ
θであるＴＥモード成分（第１成分〉とＴＭモード成分
（第２成分）に分けられ、また局部発振光５は強度の比
がＣＯ８θ０：ｓｉｎθ０であるＴＥモード成分とＴＭ
モード成分に分けられる。モードスプリッタ６から出力
される合波光のＴＥモード成分７及びＴＭモード成分８
は、それぞれ第１の光検出器９と第２の光検出器１０に
入射され、ここで電気信号に変換される。

光検出器９．１０より出力される電気信号は混合回路１
１に与えられ、この混合回路１１で相加される。

上記構成によれば、モードスプリッタ６に合波光として
入射された信号光２と局部発振光５は、モードスプリッ
タ６でそれぞれＴＥモード成分とＴＭモード成分に分け
られることによって、ＴＥモードとＴＭモードのそれぞ
れにふいて偏光が一致した状態で合波されることになる
。このようにして得られたＴＥモード成分とＴＭモード
成分を光検出器９，１０、混合回路１１を介して相加す
ることにより、混合回路１１の出力として光ヘテロダイ
ン検波信号を得ることができる。またモード変換器を用
いない構成を採用しているため、モード変換器による波
長帯域制限を受けることなく任意の偏光状態の信号光に
対して常に信号光と局部発振光の偏光状態が一致した状
態で光へテロダイン検波を行うことができる。

なあ、前記光ヘテロダイン検波装置において、位相変調
器１により信号光２のＴＥモードとＴＭモードの間の位
相差φをゼロとしたのは、仮に位相差φを補償しないと
すると、光検出器９．１０の出力信号間に位相差φが生
じ、混合回路１１で両信号を相加した際に強度損失を生
じることになるので、この損失を回避するためである。

また前記構成を有する光ヘテロダイン検波装置は、後述
する如く集積一体化され、小型・軽量に作られる。

第２図は具体的に実現される第１実施例の光ヘテロダイ
ン検波装置の平面図を示す。

先ず、ニオブ酸リチウム基板１３の上にスパッタ法とフ
ォトリソグラフィ法によってパターン化されたＴ１膜を
熱拡散させ、幅８μｍのチャネル導波路１４を形成する
。このチャネル導波路１４は波長１．５５μｍにおいて
ＴＥモードとＴＭモードに対し基本モードを保持する。

チャネル導波路１４を形成したニオブ酸リチウム基板１
３の上に、更に、ＣＶＤ法とフォトリングラフィ法を用
いてバッファ層である５１０２膜を形成すると共に、真
空蒸着法とフォトリソグラフィ法を用いて電極であるＣ
ｒ−Ａβ膜を選択的に形成することにより、位相変調器
１、光結合器３、モードスプリッタ６を設ける。この場
合、位相変調器１は電気光学的効果を用いたものであり
、電極間隔は３μｍ１電極長は１０＋ｎｍに設定される
。また光結合器３は分布結合を利用したものであり、偏
光依存性のない構成となっている。光結合器３において
、その導波路間隔は５μｍ、結合部の長さは３ｍｍであ
る。モートスブリック６は、ステップト・デルタベータ
・リバーサル法を用いた分布結合によって実現されるも
のであり、その導波路間隔は３μｍ１結合部の長さは１
０［［１１０である。

上記位相変調器１の入力端に設けられたチャネル導波路
１４の端面には信号光１を人力する単一モードファイバ
１５が結合される。また光結合器３における位相変調器
１が接続されていない入力端に設けられたチャネル導波
路１４の端面には、局部発振光源である、アイソレータ
を内蔵したレーザ・ダイオード１６が結合される。とこ
ろで、光へテロダイン検波では、信号光１の検出感度が
最大となる局部発振光のパワーレベルが存在する。この
場合ＴＥモードとＴＭモードに対する受信系は同一であ
るので、上記局部発振光のパワーレベルは両モードで等
しくなる。そのため、上記レーザ・ダイオード１６は、
その出射光の偏光方向がニオブ酸リチウム基板１３の平
面方向に対して４５°の角度になるように設けられ、こ
れによってチャネル導波路１４にはＴＥモードとＴＭモ
ードの強度が等しい局部発振光が与えられる。

モードスプリッタ６の出力側のチャネル導波路であるＴ
Ｅモード成分出射ボー）６ａ及びＴＭモード成分出射ポ
ー）６ｂの各端面には、第１及び第２の光検出器である
アバランシ・フォトダイオード１７．１８が結合される
。アバランシ・フォトダイオード１７．１８の各出力端
子は、増幅機能を有する混合回路１１に接続される。こ
の混合回路１１は出力側に増幅器１９を備えている。

２０は位相変調器制御回路で、上記増幅器１９の出力を
人力し、これに基づき位相変調器ｌの制御を行う。

次に上記構成を有する光ヘアログイン検波装置の動作に
ついて説明する。単一モードファイノ＜１５からチャネ
ル導波路１４に入射した信号光２は、位相変調器１によ
ってＴＥモードとＴ　Ｍモードの位相差をゼロにされた
後に光結合器３に入射する。

レーザ・ダイオード１６からチャネル導波路１４に供給
された局部発振光も光結合器３に入射する。信号光と局
部発振光は光結合器３で合波された後にモードスプリッ
タ６に入射する。モードスプリッタ６のＴＥモード成分
出射ボート６ａからＴＥモード成分が、ＴＭモード成分
出射ボート６ｂからＴＭモード成分がそれぞれ出射され
る。このＴＥモード成分、ＴＭモード成分はアバランシ
・フォトダイオード１７．１８によってそれぞれ電気信
号に変換される。これらの電気信号は混合回路１１で増
幅された後に相加される。このとき混合比は、ＴＥモー
ド側とＴＭモード側の信号入力のレベルの比に等しい。

このようにしてｉ）られる混合回路１１の出力が光へテ
ロダイン検波信号となり、中間周波出力が得られる。光
ヘテロダイン検波信号は増幅器１９によって増幅された
後取出される。また光ヘテロダイン検波信号の一部は位
相変調器制御回路２０に与えられる。位相変調器制御回
路２０は、光へテロダイン検波信号の強度が最大になる
ように位相変調器１を駆動する電圧を制御する。

上記実施例によれば、光へテロダイン検波装置の信号光
に対する挿入損失は２ｄＢで、ニオブ酸リチウム基板１
３の形状は２０Ｘ３Ｑｍｍ２であり、小型、低損失の光
へテロダイン検波装置を得ることができた。

第３図は具体的に実現される第２実施例の光へテロダイ
ン検波装置の平面図を示す。本実施例では、前記実施例
の位相変調器１を２つの位相変調器２１．２２で置換え
、位相変調器２１．２２の入力側と単一モードファイバ
１５との間に分岐比を連続的に変えることのできる光分
岐器２３を設け、位相変調器２１．２２の出力側と光結
合器３との間に更に光結合器２４を設けた構成となって
いる。従って位相変調器２１．２２の入力側及び出力側
はそれぞれ光分岐器２３、光結合器２４によって結合さ
れる。この場合、光分岐器２３はステップト・デルタベ
ータ・リバーサル法を用いた分布結合を利用し、偏光依
存性のないものであり、その導波路間隔は５μｍ１結合
部の長さは５ｍｍである。また光結合器２４はＹ分岐構
造によるものである。また２５は制御部で、この制御部
２５は増幅器１９の出力信号を入力し、この信号に基づ
いて位相変調器２１．２２及び光分岐器２３の動作を制
御する。その他の構成は前記第１実施例の場合と同一で
ある。

本実施例は、第１実施例において信号光の位相差φが増
加し続けると、位相変調器１の駆動電圧も増加し続け、
最後には限界電圧に達して位相差を補償できなくなると
いう問題を解決するものである。

次に動作について説明する。先ず信号光２は光分岐器２
３によってすべて位相変調器２１に入射し、位相差が補
償された後に光結合器２４を通って光結合器３に入射す
る。その後は前記第１実施例の場合と同様に光ヘテロダ
イン検波が行われる。この場合において、位相変調器２
２の駆動電圧は、制御部２５によって位相変調器２１の
駆動電圧との値の差がＶ　ｚｙｔの整数倍である適当な
値になるように制御される。ここでＶ２．ｆとは、位相
変調器２１．２２において光の位相差を２π（ｒａｄ）
だけ変化させるのに要する電圧である。従って位相変調
器２２においても常に位相差の補償を行うことができる
状態にある。

今、信号光２の位相差が変化して位相変調器２１の駆動
電圧が限界電圧に近づくと、光分岐器２３の分岐比を制
御部２５によって変化させ、信号光２の流れを連続的に
位相変調器２１側から位相変調器２２へ移行させる。こ
の移行時において、２分された信号光はそれぞれ位相変
調器２１．２２で位相差が補償され、光結合器２４で合
波され、光結合器３に入射する。その後は前記第１実施
例と同様に光ヘテロダイン検波が行われる。

上記移行が完了した後には、信号光２はすべて位相変調
器２２に入射し、ここで位相差が補償された後光結合器
２４を通り光結合器３に入射する。その後は、前記第１
実施例と同様に光ヘテロダイン検波が行われる。また移
行完了直後から位相変調器２１の駆動電圧は、その値と
位相変調器２２の駆動電圧の値との差が■２ｆｔの整数
倍である適当な値になるように制御部２５によって制御
される。このように位相変調器２１．２２の間で状態が
初期に比較して逆転する。

以上のように第１及び第２の位相変調器２１．２２の間
において移行を反復することにより、信号光の偏光状態
に拘わらず原理的に瞬断することなく位相差の補償を行
うことができ、継続して光へテロダイン検波を行うこと
ができる。

なお、第３図中位相変調器２２の出力段に第３の位相変
調器２６を設けている。この位相変調器２６は、位相変
調器２１側のチャネル導波路と位相変調器２２側のチャ
ネル導波路の間に非対称性があるとき、この非対称性に
よって生じる両溝波光間の位相差を補償するためのもの
である。

前記第１実施例及び第２実施例において、混合回路１１
におけるＴＥモード側とＴＭモード側の信号出力の混合
比は、常に１：１とすることもできるし、又は信号出力
のレベルの高い方のみを選択することもできる。これら
の場合、信号光の偏光状態によって最大３ｄＢのパワー
ペナルティを受ける。

また基板については、ニオブ酸リチウムに限定されず、
ＰＬＺＴ９ＧａＡｓ等の電気光学効果を有する材料を用
いることもできる。この場合、適切な方法でチャネル導
波路１４が形成される。前記レーザ・ダイオード１６の
出射光は、チャネル導波路１４の端面に直接入射させず
、偏波面保存ファイバを介して入射させることもできる
。前記モードスプリッタ６は交差導波路構造のものでも
よい。

更に導波路型の各素子は、微小光学素子で実現すること
もできる。例えば、位相変調器１．２１，２２゜２６に
はバルクのニオブ酸リチウムに電極を設けたものを、モ
ードスプリッタ６にはバルクの偏光ビームスブリフタを
、光結合器３にはテーバ状に融着したファイバ型結合器
を、光結合器２４にはテーパ型に融着したファイバ型多
重回路を、それぞれ使用することができる。

また前記実施例では、光検出器９．１０又はアバランシ
・フォトダイオード１７．１８の出力信号間の位相差を
ゼロにするために位相変調器１又は位相変調器２１．２
２によって信号光２のＴＥモードと１Ｍモードの間の位
相差をゼロとしたが、信号光と局部発振光の合波光にお
けるＴＥモード成分とＴＭモード成分の各位相を一致さ
せるように構成してもよい。この場合には、例えば第１
図の回路において、光結合器３の入力側に設けられた位
相変調器１が、モードスプリッタ６と光検出器９，１０
の間に配置されることになる。

〔発明の効果〕 以上説明した通り本発明によれば、モード変換器を含ま
ない偏光制御素子を用いて光ヘテロダイン検波装置を構
成した結果従来の導波路型偏光制御機能デバイスで問題
となった波長選択性がなくなり、温度制御が不要となっ
たため、容易に信頼性の高い光ヘテロダイン通信を実現
することができると共に、光集積化又は一体化可能な導
波路型偏光制御素子を利用したため、小型・軽量に製作
でき、更には低電圧化、量産性等の要求を満足すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光ヘテロダイン検波装置の基本的
構成を示すブロック図、 第２図は本発明の具体的な第１実施例に係る光へテロダ
イン検波装置の平面図、 第３図は本発明の具体的な第２実施例に係る光へテロダ
イン検波装置の平面図である。 １　、２１．２２．２６　　・・・　位相変調器２　・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・　信号光３
　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・　光結
合器４　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
　局部発振光源５　・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・　局部発振光６　・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・　モードスプリッタ７　・・・・・
・　合波光のＴＥモード成分（第１成分）８　・・・・
・・　合波光のＴＭモード成分（第２成分）９．１０・
・・　光検出器 １１　　・・・・・・　混合回路 代理人　弁理士　　岩　佐　義　幸 寓　　魯呪 曇２ ご＝ かゆ 手続補正書 昭和６１年１１月２６日

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）信号光における偏光角が互いに直交する第１成分
   と第２成分の間の位相差を変調する位相変調器と、局部
   発振光源と、前記位相変調器から出射された信号光と前
   記局部発振光源から出射された局部発振光を合波する光
   結合器と、この光結合器の出射光を前記第１成分と前記
   第２成分にけるモードスプリッタと、このモードスプリ
   ッタから出射される第１成分及び第２成分をそれぞれ検
   出する第１及び第２の光検出器と、この第１及び第２の
   光検出器の各出力信号を相加する混合回路とを備えて成
   ることを特徴とする光ヘテロダイン検波装置。
2. （２）局部発振光源と、信号光とこの局部発振光源から
   出射された局部発振光を合波する光結合器と、この光結
   合器の出射光を偏光角が互いに直交する第１成分と第２
   成分に分けるモードスプリッタと、このモードスプリッ
   タから出射される前記第１成分と前記第２成分の位相差
   を変調する位相変調器と、位相差を変調された前記第１
   成分と前記第２成分をそれぞれ検出する第１及び第２の
   光検出器と、この第１及び第２の光検出器の出力信号を
   相加する混合回路とを備えて成ることを特徴とする光ヘ
   テロダイン検波装置。