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JP6597052B2 - Light modulator - Google Patents

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JP6597052B2
JP6597052B2 JP2015164032A JP2015164032A JP6597052B2 JP 6597052 B2 JP6597052 B2 JP 6597052B2 JP 2015164032 A JP2015164032 A JP 2015164032A JP 2015164032 A JP2015164032 A JP 2015164032A JP 6597052 B2 JP6597052 B2 JP 6597052B2
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optical
optical waveguide
modulation
waveguide
light
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潤一郎 市川
薫 日隈
博司 村田
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Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
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Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

本発明は、光変調器に関するものであり、特に、光ファイバの波長分散を補償する光変調器に関する。   The present invention relates to an optical modulator, and more particularly to an optical modulator that compensates for chromatic dispersion of an optical fiber.

光通信分野や光計測分野において、光変調器で変調した光波を光ファイバで伝送することが行われている。一般的に光ファイバは、波長により光の伝搬速度が異なるため、波長分散が発生し、伝送された光信号の波形が歪むこととなる。このため、40Gbpsを超える高速通信や波長多重の高速伝送システムなどにおいては、光ファイバ伝送路の波長分散を補償する技術が不可欠となる。   In the optical communication field and the optical measurement field, a light wave modulated by an optical modulator is transmitted through an optical fiber. In general, since optical fibers have different light propagation speeds depending on the wavelength, chromatic dispersion occurs, and the waveform of the transmitted optical signal is distorted. For this reason, in high-speed communication exceeding 40 Gbps, a wavelength-multiplexed high-speed transmission system, and the like, a technique for compensating the chromatic dispersion of the optical fiber transmission line is indispensable.

波長分散の補償方法としては、光信号の受信器の直前に波長分散補償のための光ファイバ(分散補償ファイバ)を配置する方法、特許文献1のようなファイバ・ブラッグ・グレーティング(FBG)やエタロンなどの光デバイスを用いる方法、さらには、特許文献2や非特許文献1のようなデジタル信号処理回路を利用する方法などがある。デジタル信号処理回路では、波長分散に係る実部や虚部の変化に対応し、デジタルシグナルプロセッサーで補償するインパルス応答を生成している。   As a chromatic dispersion compensation method, an optical fiber for chromatic dispersion compensation (dispersion compensation fiber) is disposed immediately before an optical signal receiver, a fiber Bragg grating (FBG) as in Patent Document 1, or an etalon. And a method using a digital signal processing circuit such as Patent Document 2 and Non-Patent Document 1. The digital signal processing circuit generates an impulse response that is compensated by the digital signal processor in response to changes in the real part and imaginary part related to chromatic dispersion.

逆分散ファイバを用いた分散補償モジュールは、一定のスパンごとに設置するが、導入するスパン長が大きいと補償精度が制限されるうえ、波長毎に補償量が異なる。また、波長分割多重(WDM)光などのより正確な波長分散補償には、各波長で必要な補償量に対応した波長分散補償器となる光デバイスも別途必要となる。FBGやエタロン等の光デバイスが一般的に使われるが、FBG等の光デバイスは、取り扱う波長帯域に制限があるだけでなく、光損失も大きい。さらに、デジタル信号処理回路では、40Gbpsを超える高速処理は技術的にも難しいという問題を生じていた。   A dispersion compensation module using an inverse dispersion fiber is installed for every certain span. However, if the span length to be introduced is large, the compensation accuracy is limited and the compensation amount differs for each wavelength. In addition, for more accurate chromatic dispersion compensation such as wavelength division multiplexing (WDM) light, an optical device that becomes a chromatic dispersion compensator corresponding to a compensation amount necessary for each wavelength is separately required. An optical device such as an FBG or an etalon is generally used, but an optical device such as an FBG not only has a limited wavelength band to handle but also has a large optical loss. Furthermore, the digital signal processing circuit has a problem that high-speed processing exceeding 40 Gbps is technically difficult.

また、それらの課題を解決すべく、本出願人は、特許文献3乃至5において、図1に示すような分極反転構造光変調技術を巧みに利用した光変調器を提案している。具体的には、電気光学効果を有する材料で構成される基板1と、該基板に形成された光導波路2と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極3とを有する光変調器において、該光導波路から出射する出射光L2を光ファイバ(不図示)で導波し、該光ファイバの波長分散特性と逆の特性の波形歪を有するように、該光導波路に沿って該基板を所定のパターン(10)で分極反転(P1とP2は分極方向を示す。)することで該光ファイバの波長分散特性を補償している。   In order to solve these problems, the present applicants have proposed optical modulators in Patent Documents 3 to 5 that skillfully utilize the polarization inversion structure light modulation technique as shown in FIG. Specifically, an optical modulation having a substrate 1 made of a material having an electro-optic effect, an optical waveguide 2 formed on the substrate, and a modulation electrode 3 for modulating an optical wave propagating through the optical waveguide. In this device, the outgoing light L2 emitted from the optical waveguide is guided by an optical fiber (not shown), and along the optical waveguide, the waveform distortion has a characteristic opposite to the wavelength dispersion characteristic of the optical fiber. The chromatic dispersion characteristics of the optical fiber are compensated by inverting the polarization of the substrate with a predetermined pattern (10) (P1 and P2 indicate polarization directions).

これにより光ファイバ伝送路の波長分散が補償可能であり、数10Gbpsを超える高速伝送においてもその効能が確認されている。さらに、特許文献5では、該変調電極の近傍に誘電体材料又は金属材料からなる調整部材を配置することで、前記波長分散特性の補償量を所定のレベルに調整しており、分散補償量を調整可能とするとともに、その範囲を拡大する技術を提案している。   As a result, the chromatic dispersion of the optical fiber transmission line can be compensated, and its effectiveness has been confirmed even in high-speed transmission exceeding several tens of Gbps. Further, in Patent Document 5, an adjustment member made of a dielectric material or a metal material is disposed in the vicinity of the modulation electrode so that the compensation amount of the chromatic dispersion characteristic is adjusted to a predetermined level. It proposes a technology that can be adjusted and expand the range.

しかしながら、光変調器のサイズや、光やマイクロ波の屈折率の大小関係の制限などにより、分散の補償範囲はファイバ伝送路の距離換算で25km程度である。しかも、特許文献1や2に示す波長分散の補償方法は、上述したように40Gbpsを越える高速伝送においては、実用化できず、伝送路の光ファイバ長が、例えば、メトロネットワークにて一般的な中継スパンである80km以上で、かつCバンドやLバンドのような光通信波長帯全域で適用可能な分散補償技術は実現されていなかった。   However, the dispersion compensation range is about 25 km in terms of the distance of the fiber transmission line due to the size of the optical modulator and the limitation of the magnitude relationship between the refractive indexes of light and microwave. Moreover, the chromatic dispersion compensation methods disclosed in Patent Documents 1 and 2 cannot be put to practical use in high-speed transmission exceeding 40 Gbps as described above, and the optical fiber length of the transmission path is common in, for example, metro networks. A dispersion compensation technique that can be applied over the entire optical communication wavelength band such as the C band and the L band with a relay span of 80 km or more has not been realized.

特開2004−012714号公報JP 2004-012714 A 特開2010−226254号公報JP 2010-226254 A 特開2012−189630号公報JP 2012-189630 A 特開2014−066940号公報JP 2014-066940 A 特開2014−066941号公報JP 2014-066941 A 特開2007−171452号公報JP 2007-171452 A

Robert I.Kelley, et al.," Electronic Dispersion Compensation by Signal Predistortion Using Digital Processing and a Duai-Drive Mach-Zehnder Modulator ",IEEE Photonics Technology letters, Vol.17, No.3, pp714-716, 2005Robert I. Kelley, et al., "Electronic Dispersion Compensation by Signal Predistortion Using Digital Processing and a Duai-Drive Mach-Zehnder Modulator", IEEE Photonics Technology letters, Vol.17, No.3, pp714-716, 2005 H. Murata, et al, “Quasi-velocity-matched LiTaO3 guided-wave optical phase modulator for integrated ultrashort optical pulse generators,” Electron. Lett.,vol.36, no.17, pp.1459-1460, 2000.H. Murata, et al, “Quasi-velocity-matched LiTaO3 guided-wave optical phase modulator for integrated ultrashort optical pulse generators,” Electron. Lett., Vol. 36, no. 17, pp. 1459-1460, 2000.

本発明が解決しようとする課題は、数十kmを超える長い光ファイバ伝送路の波長分散を補償可能とすることであり、かつ、数10Gbpsを超える高速伝送にも適用可能な光変調器を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to be able to compensate for the chromatic dispersion of a long optical fiber transmission line exceeding several tens of km, and to provide an optical modulator applicable to high-speed transmission exceeding several tens of Gbps It is to be.

上記課題を解決するため、本発明の光変調器は以下のような技術的特徴を有している。
(1) 電気光学効果を有する材料で構成される基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、該光導波路から出射する出射光を光ファイバで所定距離を伝送すると共に、該光ファイバの波長分散特性と逆の特性の波形歪を、該光導波路を伝搬する光波に付与するため、該光導波路に沿って該基板を所定のパターンで分極反転しており、該光導波路は、2つの分岐導波路を持つマッハツェンダー型導波路を有し、一方の分岐導波路に形成される分極反転のパターンは、該光ファイバのインパルス応答h(t)を補償するインパルス応答1/h(t)の実部応答性に対応するパターンであり、他方の分岐導波路に形成される分極反転のパターンは、前記インパルス応答1/h(t)の虚部応答性に対応するパターンであり、前記2つの分岐導波路を通過した光波を所定の位相差で合波するように構成され、該変調電極が形成する電界が該光導波路に作用する作用領域において、該光導波路を伝搬する光波の伝搬方向と、該変調電極を伝搬する変調信号の伝搬方向とが互いに逆になるよう構成されていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the optical modulator of the present invention has the following technical features.
(1) In an optical modulator having a substrate made of a material having an electro-optic effect, an optical waveguide formed on the substrate, and a modulation electrode for modulating a light wave propagating through the optical waveguide, The outgoing light emitted from the waveguide is transmitted through the optical fiber for a predetermined distance, and a waveform distortion having a characteristic opposite to the wavelength dispersion characteristic of the optical fiber is imparted to the light wave propagating through the optical waveguide. The substrate is inverted in a predetermined pattern, the optical waveguide has a Mach-Zehnder type waveguide having two branch waveguides, and the polarization inversion pattern formed in one branch waveguide is: The pattern corresponding to the real part response of the impulse response 1 / h (t) for compensating the impulse response h (t) of the optical fiber, and the polarization inversion pattern formed in the other branching waveguide is the impulse Meet The pattern corresponding to the imaginary part responsiveness of the answer 1 / h (t), configured to multiplex the light waves that have passed through the two branch waveguides with a predetermined phase difference, and formed by the modulation electrode Is configured so that the propagation direction of the light wave propagating through the optical waveguide and the propagation direction of the modulation signal propagating through the modulation electrode are opposite to each other in the active region acting on the optical waveguide. .

) 上記()に記載の光変調器において、該光ファイバのインパルス応答h(t)は以下の式で与えられることを特徴とする。ただし、H(ω)は光ファイバの伝達関数であり、H(ω)=exp(jβ(ω)L)となる。β(ω)は、光ファイバ中を伝搬する光波の位相定数であり、Lは光ファイバの長さである。 ( 2 ) In the optical modulator described in ( 1 ) above, the impulse response h (t) of the optical fiber is given by the following equation. However, H (ω) is a transfer function of the optical fiber, and H (ω) = exp (jβ (ω) L). β (ω) is a phase constant of the light wave propagating through the optical fiber, and L is the length of the optical fiber.

Figure 0006597052
Figure 0006597052

) 上記(1)又は(2)に記載の光変調器において、前記所定のパターンで分極反転された該光導波路を通過した出射光に対し、該光導波路を伝搬する光波の搬送波成分を抑圧するための構成を備えたことを特徴とする。 ( 3 ) In the optical modulator described in the above (1) or (2) , the carrier wave component of the light wave propagating through the optical waveguide is changed with respect to the outgoing light that has passed through the optical waveguide whose polarization has been inverted in the predetermined pattern. It is characterized by having a configuration for suppressing.

) 上記(1)乃至()のいずれかに記載の光変調器において、該作用領域における該光導波路の光の群速度が、該変調電極を伝搬する変調信号の群速度より遅いことを特徴とする。 ( 4 ) In the optical modulator according to any one of (1) to ( 3 ), the group velocity of light in the optical waveguide in the working region is slower than the group velocity of the modulation signal propagating through the modulation electrode. It is characterized by.

) 上記(1)乃至()のいずれかに記載の光変調器において、該作用領域における該変調電極を伝搬する変調信号の群速度が、該光導波路を伝搬する光波の群速度より遅いことを特徴とする。 ( 5 ) In the optical modulator according to any one of (1) to ( 3 ), the group velocity of the modulation signal propagating through the modulation electrode in the working region is greater than the group velocity of the light wave propagating through the optical waveguide. Characterized by being slow.

本発明の光変調器では、電気光学効果を有する材料で構成される基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、該光導波路から出射する出射光を光ファイバで所定距離を伝送すると共に、該光ファイバの波長分散特性と逆の特性の波形歪を、該光導波路を伝搬する光波に付与するため、該光導波路に沿って該基板を所定のパターンで分極反転しており、該変調電極が形成する電界が該光導波路に作用する作用領域において、該光導波路を伝搬する光波の伝搬方向と、該変調電極を伝搬する変調信号の伝搬方向とが互いに逆になるよう構成されているため、光変調器のインパルス応答時間幅ΔT(言い換えれば、線形畳み込み演算の長さ、あるいは、分散の時間的広がり)を長くすることが可能となり、波長分散補償を可能とする光ファイバの伝送距離を、より長くすることが可能となる。また、波長分散特性の補償する光変調器のインパルス応答性を基板に形成した分極反転パターンで実現できる。この分散補償方法はデジタルシグナルプロセッサーで補償するインパルス応答を生成する方法と異なり、変調帯域の制限が原理的に無く、数10Gbpsを超える高速伝送にも適用可能な光変調器を提供することができる。   In the optical modulator of the present invention, an optical modulation having a substrate made of a material having an electro-optic effect, an optical waveguide formed on the substrate, and a modulation electrode for modulating an optical wave propagating through the optical waveguide In order to transmit the outgoing light emitted from the optical waveguide for a predetermined distance by an optical fiber, and to impart a waveform distortion having a characteristic opposite to the wavelength dispersion characteristic of the optical fiber to the light wave propagating through the optical waveguide, The substrate is inverted in a predetermined pattern along the optical waveguide, and the propagation direction of the light wave propagating through the optical waveguide in an action region where the electric field formed by the modulation electrode acts on the optical waveguide; and Since the propagation directions of the modulation signals propagating through the modulation electrode are opposite to each other, the impulse response time width ΔT of the optical modulator (in other words, the length of the linear convolution operation or the time of dispersion) Rising) it is possible to lengthen the transmission distance of the optical fiber which enables wavelength dispersion compensation, it is possible to longer. Further, the impulse response of the optical modulator for compensating the wavelength dispersion characteristic can be realized by a polarization inversion pattern formed on the substrate. Unlike the method of generating an impulse response that is compensated by a digital signal processor, this dispersion compensation method can provide an optical modulator that is not theoretically limited in modulation band and can be applied to high-speed transmission exceeding several tens of Gbps. .

従来の光変調器の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the conventional optical modulator. 本発明の光変調器(変調器チップ)の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the optical modulator (modulator chip | tip) of this invention. 光ファイバのインパルス応答を補償する、(a)実部応答性(Reh(t))、(b)虚部応答性(Imh(t))の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of (a) real part responsiveness (Reh * (t)) and (b) imaginary part responsiveness (Imh * (t)) which compensate the impulse response of an optical fiber. 進行波型電極を備えた光位相変調器のモデルを説明する図である。(a)モデルの構成、(b)ステップ応答、(c)インパルス応答を示す。It is a figure explaining the model of the optical phase modulator provided with the traveling wave type electrode. (A) Model configuration, (b) Step response, (c) Impulse response. 分極反転構造を用いた進行波型電極光位相変調器の、(a)光波と変調信号との関係を示すモデル、(b)光変調のステップ応答、(c)インパルス応答を示す図である。It is a figure which shows the (a) model which shows the relationship between a light wave and a modulation signal, (b) step response of light modulation, and (c) impulse response of a traveling wave type electrode optical phase modulator using a polarization inversion structure. 本発明の光変調器に係る分散補償の効果比較(アイパターン)であり、(a)光変調器出力直後、(b)80kmの伝送経過後の状態のシミュレーション結果を示したものである。It is an effect comparison (eye pattern) of dispersion compensation according to the optical modulator of the present invention, and shows simulation results of (a) immediately after output of the optical modulator and (b) after 80 km of transmission. 本発明の光変調器に係る分散補償の効果比較(I−Qコンスタレーション・ダイヤグラム)であり、(a)光変調器出力直後、(b)80kmの伝送経過後の状態のシミュレーション結果を示したものである。It is a comparison effect (I-Q constellation diagram) of dispersion compensation related to the optical modulator of the present invention, showing (a) immediately after the output of the optical modulator and (b) a simulation result of a state after 80 km of transmission. Is. 搬送波成分を抑圧するための構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure for suppressing a carrier wave component. 搬送波成分を抑圧するための構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the structure for suppressing a carrier wave component.

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、図2に示すように、電気光学効果を有する材料で構成される基板1と、該基板に形成された光導波路2と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極(3,30)とを有する光変調器において、該光導波路から出射する出射光L2を光ファイバ(不図示)で所定距離を伝送すると共に、該光ファイバの波長分散特性と逆の特性の波形歪を、該光導波路を伝搬する光波に付与するため、該光導波路に沿って該基板を所定のパターンで分極反転10しており、該変調電極が形成する電界が該光導波路に作用する作用領域Rにおいて、該光導波路を伝搬する光波の伝搬方向と、該変調電極を伝搬する変調信号Sの伝搬方向とが互いに逆になるよう構成されていることを特徴とする。
Hereinafter, the present invention will be described in detail using preferred examples.
As shown in FIG. 2, the present invention includes a substrate 1 made of a material having an electro-optic effect, an optical waveguide 2 formed on the substrate, and a modulation electrode for modulating a light wave propagating through the optical waveguide. In the optical modulator having (3, 30), the output light L2 emitted from the optical waveguide is transmitted for a predetermined distance by an optical fiber (not shown), and the waveform has a characteristic opposite to the wavelength dispersion characteristic of the optical fiber. In order to impart distortion to the light wave propagating through the optical waveguide, the substrate is inverted in a predetermined pattern 10 along the optical waveguide, and the electric field formed by the modulation electrode acts on the optical waveguide. In the region R, the propagation direction of the light wave propagating through the optical waveguide and the propagation direction of the modulation signal S propagating through the modulation electrode are configured to be opposite to each other.

本発明の電気光学効果を有する材料を用いた基板としては、例えば、ニオブ酸リチウム(LN)、タンタル酸リチウム(LT)、電気光学ポリマー、PLZT(ジルコン酸チタン酸鉛ランタン)、GaAs(ヒ化ガリウム)及びこれらの材料を組み合わせた基板が利用可能である。特に、電気光学効果の高く、任意の分極反転構造を形成し易い材料であり、かつ、一次の電気光学効果(ポッケルス効果)が大きく二次の電気光学効果(光カー効果)が小さい材料であることが好ましい。具体的には、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、電気光学ポリマー、GaAsが利用可能である。特に、分極反転パターンを書き換える場合や製造工程の途中で調整する必要性がある場合には、電気光学ポリマーは好適に利用可能である。また、後述するように光導波路の屈折率を高くし、遅波導波路を構成する場合には、フォトニック結晶を用いる、特に、半導体のフォトニック結晶を用いることができる。   As the substrate using the material having the electro-optic effect of the present invention, for example, lithium niobate (LN), lithium tantalate (LT), electro-optic polymer, PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), GaAs (arsenic) Gallium) and substrates combining these materials are available. In particular, it is a material that has a high electro-optic effect and can easily form an arbitrary domain-inverted structure, and has a large primary electro-optic effect (Pockels effect) and a small secondary electro-optic effect (optical Kerr effect). It is preferable. Specifically, lithium niobate, lithium tantalate, electro-optic polymer, and GaAs can be used. In particular, when the domain-inverted pattern is rewritten or when there is a need for adjustment during the manufacturing process, the electro-optic polymer can be suitably used. As will be described later, when the refractive index of the optical waveguide is increased and a slow wave waveguide is formed, a photonic crystal, particularly a semiconductor photonic crystal, can be used.

ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの基板に光導波路2を形成する方法としては、Tiなどを熱拡散させる方法やプロトン交換する方法などで基板表面に高屈折率材料を拡散もしくはプロトン交換させることにより形成することができる。また、光導波路以外の基板をエッチングしたり、光導波路の両側に溝を形成するなど、基板に光導波路に対応する部分を凸状としたリッジ形状の導波路を利用することも可能である。GaAsを基板に光導波路2を形成する方法としては、光導波路に対応する部分を凸状としたリッジ形状の導波路を利用することができる。電気光学ポリマーの光導波路は、スピンコート、フォトリソ、エッチング工程により、電気光学ポリマーより低屈折率のクラッド材に光導波路が埋め込まれた形状に加工し、埋込みリッジ状はあるいは埋込み矩形状のコア部を有する光導波路として形成することができる。   As a method of forming the optical waveguide 2 on a substrate such as lithium niobate or lithium tantalate, a high refractive index material is diffused or proton exchanged on the substrate surface by a method such as thermal diffusion of Ti or the like or proton exchange. Can be formed. It is also possible to use a ridge-shaped waveguide having a convex portion corresponding to the optical waveguide, such as etching a substrate other than the optical waveguide or forming grooves on both sides of the optical waveguide. As a method of forming the optical waveguide 2 on a GaAs substrate, a ridge-shaped waveguide having a convex portion corresponding to the optical waveguide can be used. The optical waveguide of the electro-optic polymer is processed into a shape in which the optical waveguide is embedded in a clad material having a lower refractive index than that of the electro-optic polymer by spin coating, photolithography, and etching processes, and the core portion of the embedded ridge shape or embedded rectangular shape It can be formed as an optical waveguide having

基板1上には、信号電極3や接地電極などの変調電極が形成されるが、このような電極は、Ti・Auの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体SiO等のバッファ層を設け、バッファ層の上に変調電極を形成することも可能である。図2の符号Sは、変調信号であり、併せて変調信号の入力部を示している。 On the substrate 1, modulation electrodes such as the signal electrode 3 and the ground electrode are formed. Such an electrode can be formed by forming a Ti / Au electrode pattern, a gold plating method, or the like. Further, if necessary, a buffer layer such as a dielectric SiO 2 may be provided on the substrate surface after the optical waveguide is formed, and a modulation electrode may be formed on the buffer layer. A symbol S in FIG. 2 is a modulation signal and also indicates an input portion of the modulation signal.

本発明の光変調器(図2参照)には光ファイバ(不図示)が光学的に結合されている。電気光学効果を有する基板にキャピラリ等を利用して光ファイバを直接接合する方法や、電気光学効果を有する基板に、光導波路を形成した石英基板等を接合し、該石英基板等に光ファイバを接合することも可能である。さらに、電気光学効果を有する基板や石英基板等に空間光学系を介して出射光L2を光ファイバに導入するよう構成することも可能である。両分岐導波路の位相差調整手段の図示は省略している。変調信号波形Sにバイアス電圧を重畳して分岐導波路間に位相差を与えても良いし、別途バイアス調整用の電極や光学的な遅延線部を設けても良い。   An optical fiber (not shown) is optically coupled to the optical modulator of the present invention (see FIG. 2). A method of directly bonding an optical fiber to a substrate having an electro-optic effect using a capillary or the like, or a quartz substrate having an optical waveguide formed on a substrate having an electro-optic effect, and the optical fiber being attached to the quartz substrate or the like. It is also possible to join. Furthermore, it is also possible to configure the outgoing light L2 to be introduced into the optical fiber via a spatial optical system on a substrate having an electro-optic effect, a quartz substrate, or the like. Illustration of the phase difference adjusting means of both branch waveguides is omitted. A bias voltage may be superimposed on the modulation signal waveform S to give a phase difference between the branched waveguides, or an electrode for adjusting the bias and an optical delay line portion may be separately provided.

本発明の光変調器においては、図2のような、電気光学効果を有する材料の基板を使用し、基板の一部を分極反転10している。矢印P1,P2は基板の分極方向を示している。このような分極反転構造を進行波電極型光変調器に適用すると、マイクロ波帯・ミリ波帯の高速電気信号の有用な処理が行える。一次の電気光学効果(ポッケルス効果)は、三階テンソルで表される物理量であり、分極反転により空間的な反転を行うと対応するテンソル成分の符号が反転する。一方、屈折率や誘電率は二階テンソル量であり、反転しても符号は変わらない。つまり、強誘電性光学結晶中に分極反転領域を形成すると、電気特性・光学特性は反転および非反転領域で同じであるが、一次の電気光学効果による作用の符号が反転と非反転領域とでは互いに異なる。したがって、電気回路や光回路の特性を変えることなく、電気が光に作用する極性を調節することができる。たとえば、進行波型光変調器のように、同方向に伝搬する電気信号が光信号に及ぼす作用を考える。高周波で効率的に動作する変調器を作製するには、通常は、二つの信号の速度を整合させることが行われるが、分極反転構造を導入すると、極性による補償により、両者に速度差がある場合でも効率的な変調作用を得ることができる(非特許文献2参照)。さらに、分極反転を利用することにより、ゼロチャープ強度変調、光SSB(Single Side Band)変調などの有用な特性を得ることもできる。   In the optical modulator of the present invention, a substrate made of a material having an electro-optic effect as shown in FIG. 2 is used, and a part of the substrate is subjected to polarization inversion 10. Arrows P1 and P2 indicate the polarization direction of the substrate. When such a domain-inverted structure is applied to a traveling wave electrode type optical modulator, useful processing of high-speed electric signals in the microwave band and millimeter wave band can be performed. The primary electro-optic effect (Pockels effect) is a physical quantity represented by a third-order tensor. When spatial inversion is performed by polarization inversion, the sign of the corresponding tensor component is inverted. On the other hand, the refractive index and the dielectric constant are the second-order tensor amounts, and the sign does not change even if they are inverted. In other words, when a domain-inverted region is formed in a ferroelectric optical crystal, the electrical and optical characteristics are the same in the inverted and non-inverted regions, but the sign of the action due to the primary electro-optic effect is in the inverted and non-inverted regions. Different from each other. Therefore, it is possible to adjust the polarity at which electricity acts on light without changing the characteristics of the electric circuit and the optical circuit. For example, consider the effect of an electrical signal propagating in the same direction on an optical signal, such as a traveling wave optical modulator. To make a modulator that operates efficiently at high frequencies, the speed of the two signals is usually matched. However, when a polarization inversion structure is introduced, there is a speed difference between the two due to compensation by polarity. Even in this case, an efficient modulation action can be obtained (see Non-Patent Document 2). Furthermore, by using polarization inversion, useful characteristics such as zero chirp intensity modulation and optical SSB (Single Side Band) modulation can be obtained.

電気光学効果による電気信号の光信号への作用は、線形システムの入出力として扱える。両信号に速度差があり、電気信号が光信号を追い越しながら作用をする場合も、電気信号が光信号に追い越されながら作用をする場合も、光変調特性は変調信号の時間的線形畳み込みとなる。したがって、分極反転構造を持つ進行波電極型光変調器の変調周波数特性は、分極反転パターンに直接的に対応するインパルス応答のフーリエ変換で与えられる。   The action of the electrical signal on the optical signal by the electro-optic effect can be handled as an input / output of the linear system. There is a speed difference between the two signals, and the optical modulation characteristic is the temporal linear convolution of the modulation signal, whether the electrical signal acts while overtaking the optical signal or the electrical signal acts while overtaking the optical signal. . Therefore, the modulation frequency characteristic of the traveling wave electrode type optical modulator having the polarization reversal structure is given by the Fourier transform of the impulse response that directly corresponds to the polarization reversal pattern.

つまり、本発明のように、光ファイバ伝送路の分散量に応じて、光変調器に伝送路の逆伝達関数のインパルス応答の分極反転を用いて形成すれば、光ファイバ伝送路の分散量を補償するプリイコライジング機能を兼ね備えた光変調器が実現可能となる。しかも、本発明の光変調器は、通常のベースバンド変調器と異なり、変調光の群速度と変調信号の群速度を合わせる必要が無いため、信号電極の断面積および表面積を大きくした超低損失な進行波型電極を用いることにより、数10GHzを超える超高速応答が可能である。また、従来のデジタル信号処理回路のように、高速A/D変換技術を用いた電気的イコライジング技術では困難な周波数でのプリイコライジングも可能となる。本発明の光変調器では、高速なデジタル信号処理回路が不要となり、低消費電力の駆動も可能となる。   That is, as in the present invention, if the optical modulator is formed by using polarization inversion of the impulse response of the inverse transfer function of the transmission line according to the dispersion amount of the optical fiber transmission line, the dispersion amount of the optical fiber transmission line is reduced. An optical modulator having a pre-equalizing function for compensation can be realized. In addition, unlike an ordinary baseband modulator, the optical modulator of the present invention does not need to match the group speed of the modulated light and the group speed of the modulation signal, so that the cross-sectional area and surface area of the signal electrode are increased and the loss is extremely low. By using a simple traveling wave type electrode, an ultra-high speed response exceeding several tens of GHz is possible. Further, pre-equalization at a frequency that is difficult with an electrical equalizing technique using a high-speed A / D conversion technique as in a conventional digital signal processing circuit is also possible. The optical modulator of the present invention does not require a high-speed digital signal processing circuit, and can be driven with low power consumption.

以下では、光ファイバの分散補償を行う光変調器を中心に説明する。本発明の光変調器は、分極反転を用いた電気光学変調技術を用いることにより、電気信号を光信号に変換する際に、あらかじめ所定距離の光ファイバの波長分散による波形歪の逆の特性を持たせることで、特性劣化を補償するものである。   In the following, an explanation will be made focusing on an optical modulator that performs dispersion compensation of an optical fiber. The optical modulator of the present invention uses an electro-optic modulation technique using polarization reversal, so that when an electrical signal is converted into an optical signal, the inverse characteristics of waveform distortion due to wavelength dispersion of an optical fiber at a predetermined distance are obtained in advance. By providing it, the characteristic deterioration is compensated.

本発明の光変調器は、数10Gbps以上、さらには100Gbpsを超える高速伝送の場合にも適用可能である。しかも、波長によらず波形劣化を補償することができる。このため、本発明は、従来の分散補償技術を凌駕する画期的な技術でもある。本発明が利用する分散補償技術の特徴は、以下のような点が列挙できる。
(1)デジタル信号処理技術では対応が困難な40Gbpsを超える高速電子に対応可能
(2)FBG方式のような、波長帯域の制限がない
(3)光変調器自体が分散補償機能を有すること
The optical modulator of the present invention is also applicable to high-speed transmission of several tens of Gbps or more, and more than 100 Gbps. In addition, waveform deterioration can be compensated regardless of the wavelength. Therefore, the present invention is also an epoch-making technique that surpasses the conventional dispersion compensation technique. The features of the dispersion compensation technology used by the present invention can be listed as follows.
(1) Capable of handling high-speed electrons exceeding 40 Gbps, which is difficult to cope with digital signal processing technology (2) No wavelength band limitation as in the FBG method (3) The optical modulator itself has a dispersion compensation function

上記(1)及び(2)を兼ね備える特徴は、波長多重の高速伝送システムにおける分散補償技術として有用性が高い。   The feature combining the above (1) and (2) is highly useful as a dispersion compensation technique in a wavelength division multiplexing high-speed transmission system.

本発明の光変調器における分散補償技術について、詳細に説明する。
光ファイバ中を伝搬する光波の位相定数をβ(ω)とすると、長さLの光ファイバの伝達関数H(ω)は、以下の式となる。
H(ω)=exp(jβ(ω)L)
A dispersion compensation technique in the optical modulator of the present invention will be described in detail.
When the phase constant of the light wave propagating in the optical fiber is β (ω), the transfer function H (ω) of the optical fiber having the length L is expressed by the following equation.
H (ω) = exp (jβ (ω) L)

さらに、分散補償において、β(ω)をキャリア角周波数ω=ωの周りでテーラー展開した時の2次の項を考えればよく、以下のように変形できる。
H(ω)=exp(jβωL/2)
ここで、β2は、テーラー展開の2次の項を意味し、群速度分散を表す。
Further, in dispersion compensation, a second-order term when β (ω) is Taylor-expanded around the carrier angular frequency ω = ω 0 may be considered, and can be modified as follows.
H (ω) = exp (jβ 2 ω 2 L / 2)
Here, β2 means a quadratic term of Taylor expansion and represents group velocity dispersion.

これにより、光ファイバのインパルス応答h(t)は、以下の数2に示す式で表現できる。   Thereby, the impulse response h (t) of the optical fiber can be expressed by the following equation (2).

Figure 0006597052
Figure 0006597052

光ファイバの分散を補償するには、光ファイバの分散補償するための伝達関数は1/H(ω)=H(ω)であるため、光変調器において、分散補償のインパルス応答であるh(t)(=1/h(t))に対応する変調を行えばよい。具体的には、図2に示すマッハツェンダー型導波路2を持つ、MZ干渉型光変調器を用いる場合、一方の分岐導波路21でh(t)の実部応答性Re{h(t)}の変調を行い、他方の分岐導波路で虚部応答性Im{h(t)}の変調を行い、両者を所定の位相差で合成すればよい。位相差は、90°となるように設定することが最も好ましい。 In order to compensate for the dispersion of the optical fiber, the transfer function for compensating the dispersion of the optical fiber is 1 / H (ω) = H * (ω). Therefore, in the optical modulator, h is an impulse response of the dispersion compensation. * The modulation corresponding to (t) (= 1 / h (t)) may be performed. Specifically, with the Mach-Zehnder type waveguide 2 shown in FIG. 2, when using the MZ interferometer type optical modulator, a real part responsiveness Re {h of h * (t) in one branch waveguide 21 * ( t)} is modulated, the other branch waveguide is modulated with the imaginary part response Im {h * (t)}, and both are synthesized with a predetermined phase difference. Most preferably, the phase difference is set to 90 °.

図3は、80km伝送を行った際の光ファイバの分散補償のためのインパルス応答h(t)であり、(a)は実部応答性Re{h(t)}、(b)は虚部応答性Im{h(t)}を示すグラフである。 FIG. 3 shows an impulse response h * (t) for dispersion compensation of an optical fiber when 80 km transmission is performed. FIG. 3A shows real part response Re {h * (t)}, and FIG. It is a graph which shows imaginary part responsiveness Im {h * (t)}.

一般には、インパルス応答性を自在に設定することは難しいが、強誘電体材料のように一次の電気光学効果を有する材料に分極反転構造をもちいれば、このインパルス応答性を近似的に実現することが可能である。   In general, it is difficult to set the impulse response freely. However, if a polarization inversion structure is used for a material having a first-order electro-optic effect such as a ferroelectric material, this impulse response can be realized approximately. It is possible.

具体的には、図2のように、光導波路2が2つの分岐導波路を持つマッハツェンダー型導波路を有し、一方の分岐導波路に形成される分極反転10のパターンは、上述した光ファイバのインパルス応答h(t)を補償するインパルス応答h(t)(=1/h(t))の実部応答性に対応するパターンとし、他方の分岐導波路に形成される分極反転のパターンは、分散補償のインパルス応答h(t)の虚部応答性に対応するパターンを施せば良い。 Specifically, as shown in FIG. 2, the optical waveguide 2 has a Mach-Zehnder type waveguide having two branch waveguides, and the pattern of the polarization inversion 10 formed in one of the branch waveguides is the light described above. A pattern corresponding to the real part response of the impulse response h * (t) (= 1 / h (t)) for compensating the impulse response h (t) of the fiber, and the polarization inversion formed in the other branching waveguide The pattern may be a pattern corresponding to the imaginary part responsiveness of the impulse response h * (t) of dispersion compensation.

2つの分岐導波路を通過した光波は、所定の位相差で合成される。この位相差を発生する方法としては、各分岐導波路の長さを調整する方法や、分岐導波路に沿って配置した信号電極又はDCバイアス電極を用いて、分岐導波路の屈折率を調整する方法などが利用可能である。   The light waves that have passed through the two branch waveguides are combined with a predetermined phase difference. As a method of generating this phase difference, a method of adjusting the length of each branch waveguide, or a signal electrode or a DC bias electrode arranged along the branch waveguide is used to adjust the refractive index of the branch waveguide. Methods etc. are available.

図2のような光変調器は、プリイコライジング機能を備えた分散補償変調器として動作する。さらに、デュアルMZ変調器(メインMZ型光導波路の分岐導波路にサブMZ型光導波路を組み込んだ入れ子型の光導波路を有する光変調器)を用いると、プリイコライジングベクトル光変調が可能であるため、より高精度な分散補償が可能である。しかも、QPSK変調、デュオバイナリー変調との併用も可能である。   The optical modulator as shown in FIG. 2 operates as a dispersion compensation modulator having a pre-equalizing function. Further, when a dual MZ modulator (an optical modulator having a nested optical waveguide in which a sub-MZ optical waveguide is incorporated in a branch waveguide of a main MZ optical waveguide) is used, pre-equalizing vector light modulation is possible. Therefore, dispersion compensation with higher accuracy is possible. Moreover, combined use with QPSK modulation and duobinary modulation is also possible.

図2では、変調電極として、2つの導波路に跨る信号電極3を接地電極30で挟むコプレーナ型電極を示したが、本発明の光変調器は、図2に示したものに限らず、特許文献4に示すような、各光導波路に対応して信号電極を配置することが可能である。また、使用する基板の種類により、図2のようなZカット型に限らず、図1のようなXカット型を用いることも可能であり、これに伴い、電極の配置構成も種々の形態を採用することが可能である。なお、図1では、接地電極を図示することを省略している。   In FIG. 2, a coplanar electrode in which the signal electrode 3 straddling the two waveguides is sandwiched between the ground electrodes 30 is shown as the modulation electrode. However, the optical modulator of the present invention is not limited to that shown in FIG. As shown in Document 4, it is possible to arrange a signal electrode corresponding to each optical waveguide. Also, depending on the type of substrate used, not only the Z-cut type as shown in FIG. 2 but also the X-cut type as shown in FIG. 1 can be used. It is possible to adopt. In FIG. 1, illustration of the ground electrode is omitted.

次に、本発明の光変調器の特徴である、長い距離の光ファイバの分散補償を行う方法について説明する。コプレーナ電極に沿って進行する変調波電界は擬似TEMモードであり、通常、その信号の実効屈折率やインピーダンスの周波数分散は十分小さい。さらに、変調波電界の減衰も無視できる場合には、光変調器のインパルス応答をステップ応答から求めることができる。 Next, a method for performing dispersion compensation for a long-distance optical fiber, which is a feature of the optical modulator of the present invention, will be described. The modulated wave electric field traveling along the coplanar electrode is in a pseudo TEM mode, and usually the effective refractive index of the signal and the frequency dispersion of the impedance are sufficiently small. Furthermore, when the attenuation of the modulated wave electric field can be ignored, the impulse response of the optical modulator can be obtained from the step response.

図4(a)は、光変調器の光波と変調信号との関係を示すモデルである。まず、この光変調器をステップ電圧で駆動する場合を考える。変調信号の分散と減衰は十分小さく、ステップ電圧は歪むことなくそのまま終端まで達するとすれば、光変調のステップ応答(図4(b)参照)は、線形な応答を示す。ステップ応答を時間的に微分すればインパルス応答が得られる。したがって、速度整合が取れていない進行波型電極光位相変調器のインパルス応答(図4(c)参照)は、方形となる。   FIG. 4A is a model showing the relationship between the light wave of the optical modulator and the modulation signal. First, consider a case where the optical modulator is driven with a step voltage. If the dispersion and attenuation of the modulation signal are sufficiently small and the step voltage reaches the end without distortion, the step response of the optical modulation (see FIG. 4B) shows a linear response. An impulse response can be obtained by differentiating the step response with respect to time. Therefore, the impulse response (see FIG. 4C) of the traveling wave electrode optical phase modulator that is not speed matched is a square.

図4(c)に示すインパルス応答時間Tt(ΔT)と、図4(b)に示すステップ応答に係る時刻(Tg、Tm)との関係は、以下のような式で表示される。
Tt=Tm−Tg=Lt/vm−Lt/vg=(nm−ng)Lt/c
ここで、vmは変調信号の伝搬速度であり、vgは光波の伝搬速度(群速度)である。また、nmは変調信号の実効屈折率、ngは光波の群屈折率を示し、Ltは図4(a)に示す電極長(作用領域の長さと同じであり、作用領域における光導波路の長さとも同じである。)である。cは光速を示す。
The relationship between the impulse response time Tt (ΔT) shown in FIG. 4C and the time (Tg, Tm) related to the step response shown in FIG. 4B is expressed by the following equation.
Tt = Tm−Tg = Lt / vm−Lt / vg = (nm−ng) Lt / c
Here, vm is the propagation speed of the modulation signal, and vg is the propagation speed (group speed) of the light wave. Further, nm represents the effective refractive index of the modulation signal, ng represents the group refractive index of the light wave, and Lt represents the electrode length shown in FIG. 4A (the same as the length of the active region, and the length of the optical waveguide in the active region). Is the same). c indicates the speed of light.

分極反転構造を用いた進行波型電極光位相変調器のステップ応答、インパルス応答も同様に求めることができる。分極反転領域では電気光学係数の符号が反転するため、ステップ応答(図4(b)参照)の変化の極性が反転する。このため,インパルス応答は,図4(c)に示すように分極反転形状と対応する方形が連続したものとなる。つまり、分極反転形状を変えることで、位相変調器のインパルス応答を自在に設定することができる。インパルス応答の時間幅ΔT(=Tt)と、作用領域の長さΔL(=Lt)との関係は次式で与えられる。
ΔT=(nm−ng)ΔL/c
The step response and impulse response of the traveling wave type electrode optical phase modulator using the domain-inverted structure can be obtained similarly. Since the sign of the electro-optic coefficient is reversed in the polarization inversion region, the polarity of the change in the step response (see FIG. 4B) is reversed. For this reason, the impulse response is a series of squares corresponding to the domain-inverted shapes as shown in FIG. That is, the impulse response of the phase modulator can be freely set by changing the polarization inversion shape. The relationship between the impulse response time width ΔT (= Tt) and the action region length ΔL (= Lt) is given by the following equation.
ΔT = (nm−ng) ΔL / c

図5には、分極反転構造を用いた進行波型電極光位相変調器の、(a)光波と変調信号との関係を示すモデル、(b)光変調のステップ応答、(c)インパルス応答をそれぞれ示す。   FIG. 5 shows (a) a model showing a relationship between a light wave and a modulation signal, (b) a step response of light modulation, and (c) an impulse response of a traveling wave type electrode optical phase modulator using a polarization inversion structure. Each is shown.

より長い光ファイバに対する分散補償特性を得るためには、光変調器のインパルス応答の時間幅ΔTを大きくすることが必要である。図1に示すような従来の光変調器では、ΔTを大きくするには、作用領域の長さΔLに相当する電極長(Lt)を大きくすれば良いが、これには、信号の伝搬損失、電気光学材料基板のサイズ、送信器ボードのフットプリントなどのよる限界がある。   In order to obtain dispersion compensation characteristics for a longer optical fiber, it is necessary to increase the time width ΔT of the impulse response of the optical modulator. In the conventional optical modulator as shown in FIG. 1, in order to increase ΔT, the electrode length (Lt) corresponding to the length ΔL of the active region may be increased. There are limitations due to the size of the electro-optic material substrate and the footprint of the transmitter board.

本発明者らは、この問題に対応するため、図2に示すように、光波の伝搬方向と変調信号の伝搬方向とを互いに逆向きにすることを見出した。電気信号が光信号と逆方向に進行しながら作用をする場合も、光変調特性は変調信号の時間的線形畳み込みとなる。つまり、図4(a)に示す変調信号の伝搬速度vmと光波の伝搬速度vgとを互いに逆方向になるように設定すると、インパルス応答の時間幅ΔTは、次式で表示することができる。
ΔT=(nm+ng)ΔL/c
つまり、インパルス応答時間幅は、変調信号速度と光波速度の和に比例する。
In order to cope with this problem, the present inventors have found that the propagation direction of the light wave and the propagation direction of the modulated signal are opposite to each other as shown in FIG. Even when the electrical signal acts while traveling in the opposite direction to the optical signal, the optical modulation characteristic is a temporal linear convolution of the modulated signal. That is, if the modulation signal propagation velocity vm and the light wave propagation velocity vg shown in FIG. 4A are set in opposite directions, the impulse response time width ΔT can be expressed by the following equation.
ΔT = (nm + ng) ΔL / c
That is, the impulse response time width is proportional to the sum of the modulation signal speed and the light wave speed.

LNやLT結晶を基板としてコプレーナ電極を形成した光変調器では、通常、nm〜4、ng〜2であるので、差が和に置き換わることは、分散補償可能な光ファイバの長さがおよそ3倍となることを意味する。つまり、従来、分散の補償範囲はファイバ伝送路の距離換算で25km程度であったものが、約80kmにまで伸びることを意味している。   In an optical modulator in which a coplanar electrode is formed by using an LN or LT crystal as a substrate, it is usually nm to 4 and ng to 2, so that the difference is replaced by the sum, the length of the optical fiber capable of dispersion compensation is about 3 Means double. In other words, the conventional dispersion compensation range, which is about 25 km in terms of the distance of the fiber transmission line, extends to about 80 km.

当然、変調電極を、伝搬する変調信号の速度をより遅くする遅波導波路とした場合には、変調信号の実効屈折率nmが大きくなり、インパルス応答時間幅ΔTも長くなる。コプレーナ電極はマイクロストリップ電極に比べ形状パラメータが多い分だけ、実効屈折率や特性インピーダンスを広範囲に調整することが可能となる。遅波導波路として設計は、信号電極の幅を大きくしたり、変調電極の高さを下げたり、信号電極と接地電極との間隔を広げたりすることで、容易に実現することができる。   Naturally, when the modulation electrode is a slow wave waveguide that further slows down the speed of the modulation signal that propagates, the effective refractive index nm of the modulation signal increases and the impulse response time width ΔT also increases. As the coplanar electrode has more shape parameters than the microstrip electrode, the effective refractive index and characteristic impedance can be adjusted over a wide range. The design as a slow wave waveguide can be easily realized by increasing the width of the signal electrode, decreasing the height of the modulation electrode, or widening the interval between the signal electrode and the ground electrode.

また、光導波路を、伝搬する光波の速度をより遅くする遅波導波路とした場合にも、光波の群屈折率ngが大きくなり、インパルス応答時間幅ΔTも長くなる。遅波導波路としては、フォトニック結晶(ng≧5)、特に、半導体のフォトニック結晶(ng=10〜50000)を用いることができる。さらに、特許文献6にも開示されているような、回折格子構造等を採用することで、光の群屈折率を調整することも可能である。   Also, when the optical waveguide is a slow wave waveguide that makes the speed of the propagating light wave slower, the group refractive index ng of the light wave is increased and the impulse response time width ΔT is also increased. As the slow wave waveguide, a photonic crystal (ng ≧ 5), in particular, a semiconductor photonic crystal (ng = 10 to 50000) can be used. Furthermore, it is possible to adjust the group index of light by adopting a diffraction grating structure or the like as disclosed in Patent Document 6.

上述したように、変調信号の伝搬方向と光波の伝搬方向とを互いに逆向きにした場合には、光波の変調度が小さくなる。この問題を解消するため、変調される光波の搬送波成分を除去又は抑圧することで、実効的な変調効率を向上させることができる。光位相変調の深さは、位相変化の振幅の位相差πに対する比で定義され、光信号伝送用途においては、位相変調部における変調度は1(100%)以下である。変調度が0〜100%の範囲では、変調度が増加すると、光搬送波成分に対する一次の側帯波成分は単調に増加する。つまり、光搬送波成分のみを減衰させると光量は減衰するもの、光変調度が高まることになる。光量の減衰は、エルビウムドープファイバアンプ(EDFA)やファイバーラマンアンプなどの光ファイバ増幅器で十分に補うことができる。   As described above, when the propagation direction of the modulation signal and the propagation direction of the light wave are opposite to each other, the degree of modulation of the light wave becomes small. In order to solve this problem, the effective modulation efficiency can be improved by removing or suppressing the carrier wave component of the modulated light wave. The depth of the optical phase modulation is defined by the ratio of the amplitude of the phase change to the phase difference π. In the optical signal transmission application, the modulation degree in the phase modulation unit is 1 (100%) or less. When the modulation degree is in the range of 0 to 100%, the primary sideband component with respect to the optical carrier component monotonously increases as the modulation degree increases. That is, when only the optical carrier component is attenuated, the light intensity is attenuated, but the degree of light modulation is increased. The attenuation of the amount of light can be sufficiently compensated with an optical fiber amplifier such as an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) or a fiber Raman amplifier.

光搬送波成分を抑圧(除去)する方法としては、図8に示すように、分散補償を行う光変調部分100に対して、搬送波の一部を導出する光導波路200を設ける。光導波路200の途中には、抽出した搬送波の強度を調整するアッテネータ201が配置される。アッテネータとしては、MZ型強度変調器を使用することも可能である。強度を調整された搬送波は、光変調部分100から出射される、分散補償を行った光波と合波、干渉され、光搬送波成分を抑圧するよう働く。光導波路200には、必要に応じて、光変調部分100と光導波路200との間の位相差を調整する構成を組み込むことも可能である。光搬送波成分の強度は、光搬送波成分を光変調部分100と光導波路200とに分岐、または、合波する比率を変えることでも行える。分岐比または合波比を調整する構成を盛り込んでもよい。   As a method of suppressing (removing) the optical carrier component, as shown in FIG. 8, an optical waveguide 200 for deriving a part of the carrier is provided for the optical modulation portion 100 that performs dispersion compensation. In the middle of the optical waveguide 200, an attenuator 201 for adjusting the intensity of the extracted carrier wave is disposed. As the attenuator, it is also possible to use an MZ type intensity modulator. The carrier wave whose intensity has been adjusted is combined with and interfered with the dispersion-compensated light wave emitted from the light modulation portion 100 and acts to suppress the light carrier component. The optical waveguide 200 may incorporate a configuration for adjusting the phase difference between the light modulation portion 100 and the optical waveguide 200 as necessary. The intensity of the optical carrier component can also be achieved by changing the ratio of branching or combining the optical carrier component into the optical modulation portion 100 and the optical waveguide 200. A configuration for adjusting the branching ratio or the multiplexing ratio may be included.

搬送波光成分を抑圧する他の方法としては、図9に示すように、分散補償を行った光波を、特定波長を減衰する光フィルタ300を通過させ、搬送波光成分を抑圧することができる。側帯波成分を減衰させずに光搬送波成分のみを有効に減衰させることが必要であるため、光フィルタ300の減衰波長幅は変調周波数より狭いことが望ましい。フィルタ300として誘電体多層膜フィルタ、FBGフィルタ、AWG(array waveguide)や非対称マッハツエンダーカップラー等の波長分離素子、エタロンなどを用いても良い。またフィルタ300としては、カット波長が固定の光フィルタに限らず、可変エタロン等の透過波長やカット波長を調整する機能を備えた光フィルタを用いることも可能である。光搬送波成分の減衰に加えて、低周波側の光搬送波成分を適宜減衰させることにより、変調光スペクロラムにおける高周波変調の成分を相対的に高め、光変調器や駆動回路の周波数特性に起因する高周波応答性の不足を補償しても良い。   As another method of suppressing the carrier light component, as shown in FIG. 9, the light wave subjected to dispersion compensation can be passed through an optical filter 300 that attenuates a specific wavelength, and the carrier light component can be suppressed. Since it is necessary to effectively attenuate only the optical carrier component without attenuating the sideband component, it is desirable that the attenuation wavelength width of the optical filter 300 is narrower than the modulation frequency. The filter 300 may be a dielectric multilayer filter, an FBG filter, a wavelength separation element such as an AWG (array waveguide) or an asymmetric Mach-Zehnder coupler, an etalon, or the like. The filter 300 is not limited to an optical filter having a fixed cut wavelength, and an optical filter having a function of adjusting a transmission wavelength or a cut wavelength, such as a variable etalon, can also be used. In addition to the attenuation of the optical carrier component, the optical carrier component on the low frequency side is appropriately attenuated to relatively increase the high frequency modulation component in the modulated optical spectrum, and the high frequency attributed to the frequency characteristics of the optical modulator and drive circuit The lack of responsiveness may be compensated.

具体的に、図2に示すように、ニオブ酸リチウムを基板として、マッハツェンダー型光導波路とコプレーナ型電極を用いた構成を用いたシミュレーション(伝送特性解析)を行った。作用領域には、図3に示すような、80kmの分散補償を行うためのパターンを分極反転構造で形成した。これを40Gbpsの2値ASK(On/Off keying)信号で動作させた場合の特性を評価した。図6(アイパターン)及び図7(I−Qコンスタレーション・ダイヤグラム)のように、変調器出力直後の光波の時間波形は、一見したところ歪んだ波形や分布を示すが、この波形に、設計した長さ80kmの光ファイバの分散特性を与えたところ、波形歪等が補償されて良好な信号波形やI−Q信号分布が得られた。   Specifically, as shown in FIG. 2, a simulation (transmission characteristics analysis) was performed using a configuration using a Mach-Zehnder type optical waveguide and a coplanar type electrode with lithium niobate as a substrate. In the working region, a pattern for performing dispersion compensation of 80 km as shown in FIG. 3 was formed with a domain-inverted structure. The characteristics when this was operated with a 40 Gbps binary ASK (On / Off keying) signal were evaluated. As shown in FIG. 6 (eye pattern) and FIG. 7 (I-Q constellation diagram), the time waveform of the light wave immediately after the modulator output appears to be distorted and distributed at first glance. When the dispersion characteristics of the optical fiber having a length of 80 km were given, the waveform distortion and the like were compensated, and a good signal waveform and IQ signal distribution were obtained.

以上で説明した光変調器に対しては、特許文献5でも開示しているように、光変調器を構成する変調電極の近傍(基板の直上等)に、誘電体材料又は金属材料からなる調整部材を配置(位置調整可能に配置)することも可能である。これにより、変調電極を伝搬する変調信号であるマイクロ波の実効屈折率を大きく変化させることが可能となる。これにより、分散補償量をさらに大幅に調整することができる。   For the optical modulator described above, as disclosed in Patent Document 5, adjustment made of a dielectric material or a metal material is provided in the vicinity of the modulation electrode constituting the optical modulator (directly above the substrate, etc.). It is also possible to arrange the members (arrange them so that the position can be adjusted). This makes it possible to greatly change the effective refractive index of the microwave that is the modulation signal propagating through the modulation electrode. Thereby, the dispersion compensation amount can be further greatly adjusted.

以上のように、本発明に係る光変調器によれば、より長い光ファイバの波長分散を補償可能であり、数10Gbpsを超える高速伝送にも適用可能な光変調器を提供することが可能となる。   As described above, according to the optical modulator of the present invention, it is possible to provide an optical modulator that can compensate for the chromatic dispersion of a longer optical fiber and can be applied to high-speed transmission exceeding several tens of Gbps. Become.

1 電気光学効果を有する材料を用いた基板
2 光導波路
3 信号電極
30 接地電極
10 分極反転パターン
L1 入射光
L2 出射光
L2’ 搬送波光を抑圧した出射光
S 変調信号
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate using material having electro-optic effect 2 Optical waveguide 3 Signal electrode 30 Ground electrode 10 Polarization inversion pattern L1 Incident light L2 Output light L2 ′ Output light S with suppressed carrier light S modulated signal

Claims (5)

電気光学効果を有する材料で構成される基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、
該光導波路から出射する出射光を光ファイバで所定距離を伝送すると共に、該光ファイバの波長分散特性と逆の特性の波形歪を、該光導波路を伝搬する光波に付与するため、該光導波路に沿って該基板を所定のパターンで分極反転しており、
該光導波路は、2つの分岐導波路を持つマッハツェンダー型導波路を有し、一方の分岐導波路に形成される分極反転のパターンは、該光ファイバのインパルス応答h(t)を補償するインパルス応答1/h(t)の実部応答性に対応するパターンであり、他方の分岐導波路に形成される分極反転のパターンは、前記インパルス応答1/h(t)の虚部応答性に対応するパターンであり、前記2つの分岐導波路を通過した光波を所定の位相差で合波するように構成され、
該変調電極が形成する電界が該光導波路に作用する作用領域において、該光導波路を伝搬する光波の伝搬方向と、該変調電極を伝搬する変調信号の伝搬方向とが互いに逆になるよう構成されていることを特徴とする光変調器。
In an optical modulator having a substrate made of a material having an electro-optic effect, an optical waveguide formed on the substrate, and a modulation electrode for modulating a light wave propagating through the optical waveguide,
In order to transmit outgoing light emitted from the optical waveguide for a predetermined distance through an optical fiber, and to impart a waveform distortion having a characteristic opposite to the wavelength dispersion characteristic of the optical fiber to the optical wave propagating through the optical waveguide, the optical waveguide The substrate is inverted in a predetermined pattern along
The optical waveguide has a Mach-Zehnder type waveguide having two branch waveguides, and the polarization inversion pattern formed in one of the branch waveguides is an impulse that compensates the impulse response h (t) of the optical fiber. The pattern corresponds to the real part response of the response 1 / h (t), and the pattern of polarization inversion formed in the other branch waveguide corresponds to the imaginary part response of the impulse response 1 / h (t). A light wave that has passed through the two branch waveguides, and is configured to multiplex with a predetermined phase difference,
In the working region where the electric field formed by the modulation electrode acts on the optical waveguide, the propagation direction of the light wave propagating through the optical waveguide and the propagation direction of the modulation signal propagating through the modulation electrode are configured to be opposite to each other. An optical modulator characterized by comprising:
請求項に記載の光変調器において、該光ファイバのインパルス応答h(t)は以下の式で与えられることを特徴とする光変調器。
ただし、H(ω)は光ファイバの伝達関数であり、H(ω)=exp(jβ(ω)L)となる。β(ω)は、光ファイバ中を伝搬する光波の位相定数であり、Lは光ファイバの長さである。
Figure 0006597052
2. The optical modulator according to claim 1 , wherein the impulse response h (t) of the optical fiber is given by the following equation.
However, H (ω) is a transfer function of the optical fiber, and H (ω) = exp (jβ (ω) L). β (ω) is a phase constant of the light wave propagating through the optical fiber, and L is the length of the optical fiber.
Figure 0006597052
請求項1又は2に記載の光変調器において、前記所定のパターンで分極反転された該光導波路を通過した出射光に対し、該光導波路を伝搬する光波の搬送波成分を抑圧するための構成を備えたことを特徴とする光変調器。 3. The optical modulator according to claim 1, wherein a configuration for suppressing a carrier wave component of a light wave propagating through the optical waveguide with respect to the outgoing light that has passed through the optical waveguide polarized in the predetermined pattern is provided. An optical modulator comprising the optical modulator. 請求項1乃至のいずれかに記載の光変調器において、該作用領域における該光導波路の光の群速度が、該変調電極を伝搬する変調信号の群速度より遅いことを特徴とする光変調器 The optical modulator according to any one of claims 1 to 3, the group velocity of light in the optical waveguide in said working area, light modulation, wherein slower than the group velocity of the modulation signal propagating modulation electrode vessel 請求項1乃至のいずれかに記載の光変調器において、該作用領域における該変調電極を伝搬する変調信号の群速度が、該光導波路を伝搬する光波の群速度より遅いことを特徴とする光変調器 The optical modulator according to any one of claims 1 to 3, the group velocity of the modulated signal propagating modulation electrode in said working area, characterized in that lower than the group velocity of the light wave propagating through the optical waveguide Light modulator
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