(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の基板間に第一液晶層を備えた第一液晶セルと、一対の基板間に第二液晶層を備えた第二液晶セルと、前記第一液晶セルと前記第二液晶セルとのそれぞれを駆動する駆動回路を備えた位相変調器であって、
前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルは、互いに積層されて形成され、
前記第二液晶層は、前記第一液晶層より薄く、
前記駆動回路は、前記第一液晶セルを通過した光を遅延させ、光の位相を制御する位相変調信号を前記第一液晶セルに印加する位相変調手段と、前記第二液晶セルを通過した光を遅延させ、光の位相を微小制御する微小位相変調信号を前記第二液晶セルに印加する微小変調手段とを備え、
前記駆動回路は、前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルを通過した光に含まれる、前記微小位相変調信号による変化成分を検出し、検出結果に基づいて前記位相変調信号を制御することを特徴とする位相変調器。
【請求項２】
前記第二液晶セルの液晶層の厚さは、前記第一液晶セルの厚さの１／４以下であることを特徴とする請求項１に記載の位相変調器。
【請求項３】
前記第一液晶セルの一方の基板と前記第二液晶セルの一方の基板とが共通であることを特徴とする請求項１または２に記載の位相変調器。
【請求項４】
前記第一液晶セルまたは前記第二液晶セルに入射する入力光の偏光方向が、前記第一液晶セルまたは前記第二液晶セルの遅相軸に平行となることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の位相変調器。
【請求項５】
前記第一液晶セルまたは前記第二液晶セルに入射する入力光の通過位置に、偏光子または偏光ビームスプリッタを配置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の位相変調器。
【請求項６】
前記第一液晶セルと同構成で、遅相軸を９０度変えた第一補正液晶セルと、前記第二液晶セルと同構成で、遅相軸を９０度変えた第二補正液晶セルをそれぞれ重ねて配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の位相変調器。
【請求項７】
入力光を分岐し、分岐した各光を干渉させる光干渉計と、
位相変調器と、を備え、
前記位相変調器は、
一対の基板間に第一液晶層を備えた第一液晶セルと、一対の基板間に第二液晶層を備えた第二液晶セルと、前記第一液晶セルと前記第二液晶セルとのそれぞれを駆動する駆動回路を備えた位相変調器であって、
前記第二液晶層は、前記第一液晶層より薄く、
前記駆動回路は、前記第一液晶セルを通過した光を遅延させ、光の位相を制御する位相変調信号を前記第一液晶セルに印加する位相変調手段と、前記第二液晶セルを通過した光を遅延させ、光の位相を微小制御する微小位相変調信号を前記第二液晶セルに印加する微小変調手段とを備え、前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルを通過した光に含まれる、前記微小位相変調信号による変化成分を検出し、検出結果に基づいて前記位相変調信号を制御し、
前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルのそれぞれは、前記各光のいずれかを通過させることを特徴とする光変調装置。
【請求項８】
前記光干渉計は、入力部と分岐部と第一導波路と第二導波路と干渉部とを備え、前記第一液晶セルと前記第二液晶セルは、前記第一導波路または前記第二導波路のいずれかに配置されていることを特徴とする請求項７に記載の光変調装置。
【請求項９】
前記光干渉計は、スプリッタと複数のミラーとコンバイナとを備え、前記第一液晶セルと前記第二液晶セルは、前記複数のミラーの間に配置されることを特徴とする請求項７に記載の光変調装置。
【請求項１０】
前記光干渉計は、スプリッタとコンバイナとを備え、前記第一液晶セルと前記第二液晶セルは、前記スプリッタと前記コンバイナとの間に配置され、前記スプリッタと前記コンバイナとの間で光が多重反射することを特徴とする請求項７に記載の光変調装置。
【請求項１１】
前記光干渉計は、方向性結合器とリング導波路とを備え、前記第一液晶セルと前記第二液晶セルは、前記リング導波路内に配置されることを特徴とする請求項７に記載の光変調装置。
【請求項１２】
前記光干渉計は、方向性結合器と複数のミラーとを備え、前記第一液晶セルと前記第二液晶セルは、前記複数のミラー間に配置されることを特徴とする請求項７に記載の光変調装置。
【請求項１３】
入力光を分岐し、分岐した各光を干渉させる光干渉計と、
位相変調器と、を備え、
前記位相変調器は、
一対の基板間に第一液晶層を備えた第一液晶セルと、一対の基板間に第二液晶層を備えた第二液晶セルと、前記第一液晶セルと前記第二液晶セルとのそれぞれを駆動する駆動回路を備えた位相変調器であって、
前記第二液晶層は、前記第一液晶層より薄く、
前記駆動回路は、前記第一液晶セルを通過した光を遅延させ、光の位相を制御する位相変調信号を前記第一液晶セルに印加する位相変調手段と、前記第二液晶セルを通過した光を遅延させ、光の位相を微小制御する微小位相変調信号を前記第二液晶セルに印加する微小変調手段とを備え、前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルを通過した光に含まれる、前記微小位相変調信号による変化成分を検出し、検出結果に基づいて前記位相変調信号を制御し、
前記第一液晶セルまたは前記第二液晶セルは、前記各光のいずれかを反射させる反射型液晶素子であり、
前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルのそれぞれは、前記各光のいずれかを通過させることを特徴とする光変調装置。
【請求項１４】
前記光干渉計は、入力部と、サーキュレータと、光カプラと、第一導波路および第二導波路とを備え、前記第一導波路または、前記第二導波路から出力された光が照射する位置に前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルが配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の光変調装置。
【請求項１５】
前記光干渉計は、入力部と、サーキュレータと、コリメータレンズと、ハーフミラーと、反射部とを備え、前記ハーフミラーは、前記コリメータレンズから出射された光の一部を反射させて前記反射部へ出射し、前記コリメータレンズから出射された残りの光が照射する位置に、前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルが配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の光変調装置。
【請求項１６】
前記光干渉計は、入力部と、サーキュレータと、ハーフミラーと、反射部と、偏光ビームスプリッタとを備え、前記ハーフミラーは、前記サーキュレータから出力された光の一部を反射させて前記反射部へ出力するとともに、前記サーキュレータから出力された残りの光を前記偏光ビームスプリッタに出力し、前記偏光ビームスプリッタから出力された光が照射される位置に、前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルが配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の光変調装置。
【請求項１７】
前記光干渉計は、コリメートレンズと、反射部と、分光器と、ハーフミラーと、偏光ビームスプリッタとを備え、前記ハーフミラーは、入力光の一部を反射させて前記反射部へ出力するとともに、残りの光を前記コリメートレンズに出力し、前記分光器は、前記コリメートレンズから出射された光を波長毎に分光し、前記分光した各光を前記偏光ビームスプリッタへ出射し、前記偏光ビームスプリッタから出力された波長毎の前記各光が照射される位置に、前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルが配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の光変調装置。
【請求項１８】
前記光干渉計は、入力部と、サーキュレータと、コリメータと、ハーフミラーとを備え、前記コリメータから出射された光を前記ハーフミラーに照射し、前記ハーフミラーを通過した光が照射される位置に、前記第一液晶セルおよび前記第二液晶セルが配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の光変調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光の変調を行う位相変調器および光変調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、たとえば位相変調された光信号を復号するために、ＭＺＩ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ：マッハツェンダー干渉計）などが用いられている。また、ＭＺＩなどの光干渉計において、位相変調量を制御するとともに動作点を安定化させるためのディザ信号も利用されている（たとえば、下記特許文献１，２参照。）。
【０００３】
ディザ信号を用いる微小位相変調素子としては、ヒータで加熱することで位相変調量を調節できる位相変調器や、ＬｉＮｂＯ3等の非線形光学結晶の電気光学効果を用いた位相変調器が用いられている。また、ＭＺＩの片側アームに位相変調器として液晶光変調素子を挿入する技術が開示されている（たとえば、下記特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２７１０２８号公報
【特許文献２】特許第３２１００６１号公報
【特許文献３】特開２００８−１２２８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したヒータ加熱を用いた位相変調器では、電流駆動が必要なため定常動作時の消費電力（Ｐ＝Ｉ2Ｒ：Ｉは電流、Ｒは抵抗）が大きくなるという問題がある。また、非線形光学結晶を用いた位相変調器では、駆動に十数Ｖ以上の高電圧が必要となるため高耐圧デザインの駆動回路が必要となり、また、消費電力（Ｐ∝ｆＶ2：ｆは周波数、Ｖは電圧）が大きくなるという問題がある。
【０００６】
また、上述した液晶光変調素子を用いる位相変調器においては、位相変調量を１波長（２π）以上制御するためには液晶セルを厚くする必要がある。一方、液晶セルを厚くすると液晶セルの応答速度が遅くなるため微小変調信号（ディザ信号）のための数ｋＨｚの微小位相変調信号に応答しなくなる。このため、動作点を安定させることができず、安定して位相変調を行うことができないという問題がある。
【０００７】
この発明は、上述した問題点を解消するため、消費電力の増加を抑えた位相変調器および光変調装置を提供することを目的とする。また、この発明は、安定して位相変調を行うことができる位相変調器および光変調装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる光変調器は、一対の基板間に第一液晶層を備えた第一液晶セルと、一対の基板間に第二液晶層を備えた第二液晶セルと、前記第一液晶セルと前記第二液晶セルとのそれぞれを駆動する駆動回路を備えた位相変調器であって、前記第二液晶層は、前記第一液晶層より薄く、前記駆動回路は、前記第一液晶セルを通過した光を遅延させ、光の位相を制御する位相変調信号を印加する位相変調手段と、前記第二液晶セルを通過した光を遅延させ、光の位相を微小制御する微小位相変調信号を印加する微小変調手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、厚い第一液晶セルに対して位相変調信号を印加することで十分な位相量の位相変調を行うとともに、高速に応答する薄い第二液晶セルに微小位相変調信号を印加することによって微小位相変調を行うことができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明にかかる位相変調器および光変調装置によれば、低耐圧でシンプルな駆動回路により制御系を形成できるとともに、消費電力の増加を抑えることができるという効果を奏する。また、この発明にかかる位相変調器および光変調装置によれば、安定して位相変調を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態にかかる光変調器の構成を示す平面図である。
【図２】図１に示した光変調器を備える光変調装置の構成を示す図である。
【図３】液晶セルにおける位相変調特性と誤差信号との関係を示すグラフである。
【図４】ロックインアンプの出力信号を示すグラフの一例である。
【図５】変調信号の波形の例を示すグラフである。
【図６】液晶セルの動作（水平配向セル）を示す図である。
【図７】液晶セルの動作（垂直配向セル）を示す図である。
【図８】液晶セルの構成例を示す正面断面図である。
【図９】図８に示した液晶セルの平面図である。
【図１０】図１に示した光変調器の変形例１を示す平面図である。
【図１１】図１に示した光変調器の変形例２を示す平面図である。
【図１２】図１に示した光変調器の変形例３を示す平面図である。
【図１３】図１に示した光変調器の変形例４を示す平面図である。
【図１４】図１に示した光変調器の変形例５を示す平面図である。
【図１５】図１に示した光変調器の変形例６を示す平面図である。
【図１６】図１に示した光変調器の変形例７を示す平面図である。
【図１７】図１６に示した光変調器の変形例を示す平面図である。
【図１８】液晶部の構成例を示す正面断面図である。
【図１９】図１８に示した液晶部の平面図である。
【図２０】図１に示した光変調器の変形例８を示す平面図である。
【図２１】図１に示した光変調器の変形例９を示す平面図である。
【図２２】図２１に示した光変調器の変形例を示す斜視図である。
【図２３】図１に示した光変調器の変形例１０を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる位相変調器および光変調装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１３】
（実施の形態）
（光変調器の構成）
図１は、実施の形態にかかる光変調器の構成を示す平面図である。図１に示すように、実施の形態にかかる光変調器１００は、入力部１１０と、分岐部１２０と、第一導波路１３１と、第二導波路１３２と、干渉部１４０と、第一出力部１５１と、第二出力部１５２と、第一液晶セル１６１と、第二液晶セル１６２と、を備えるＭＺＩ型変調器である。入力部１１０には、光変調器１００への入力光が入力される。入力部１１０は、入力光を分岐部１２０へ出力する。
【００１４】
分岐部１２０、第一導波路１３１、第二導波路１３２および干渉部１４０は、入力光を分岐し、分岐した各光を干渉させる光干渉計を構成している。分岐部１２０は、入力部１１０から出力された光を分岐し、分岐した各光をそれぞれ第一導波路１３１および第二導波路１３２へ出力する。分岐部１２０は、たとえば３ｄＢカプラである。
【００１５】
第一導波路１３１および第二導波路１３２は、ＭＺＩ型の光干渉計の各アームを構成している。第一導波路１３１は、分岐部１２０から出力された光を通過させて干渉部１４０へ出力する。第二導波路１３２は、分岐部１２０から出力された光を通過させて干渉部１４０へ出力する。
【００１６】
干渉部１４０は、第一導波路１３１から出力された光と、第二導波路１３２から出力された光と、を干渉させる。干渉部１４０は、合波により得られた各光をそれぞれ第一出力部１５１および第二出力部１５２へ出力する。第一出力部１５１および第二出力部１５２のそれぞれは、干渉部１４０から出力された光を後段へ出力する。
【００１７】
第一液晶セル１６１（第一液晶セル）および第二液晶セル１６２（第二液晶セル）のそれぞれは、光干渉計において分岐された各光のうちの一方の光を通過させ、通過させる光を印加信号に応じて遅延させる。ここでは、第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２は、互いに積層されて一体的に形成され（詳細は図８参照）、第一導波路１３１の光路上に設けられている。ここで、図では第一液晶セル１６１を入射側に、第二液晶セル１６２を出射側に構成した例を示したが、順番は入れ替えてもよい。
【００１８】
ここで、ｎｅは、液晶分子の長軸方向に平行な方向の屈折率、ｎｏは、液晶分子の長軸方向に垂直な方向の屈折率、ｎｅｆｆは、印加電圧によって制御される液晶セルの実効屈折率で、最大値がｎｅとすると、第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２における位相変調量はそれぞれ（ｎｏ＋Δｎ（Ｖ））×ｄとなる。ｄは、液晶セルのセル厚である。Δｎは電圧の関数で、Δｎ＝ｎｅｆｆ−ｎｏである。セル厚ｄは、第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２の設定した厚さによって異なった値に決まる。
【００１９】
第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２の応答時間はそれぞれセル厚ｄ2に比例する。第一液晶セル１６１は、第二液晶セル１６２よりもセル厚が厚い。このため、第一液晶セル１６１は、印加信号に対する応答時間が長くなる。第二液晶セル１６２は、第一液晶セル１６１よりも薄いセル厚である。このため、第二液晶セル１６２は、印加信号に対する応答時間が短くなる。
【００２０】
入力部１１０への入力を１として規格化した場合に、第二出力部１５２の出力Ｉの応答特性は、下記（１）式によって示すことができる。下記（１）式において、δφは、第一導波路１３１と第二導波路１３２との間の位相差を示している。位相差δφは、δφ＝（液晶層を除いた光路の位相差）＋（第一液晶セル１６１の位相量）＋（第二液晶セル１６２の位相量）となる。
【００２１】
【数１】
0005551475.tif 000002
【００２２】
なお、第一出力部１５１および第二出力部１５２の各出力は互いに逆相（相補）の関係にある。このため、第二出力部１５２の出力が最大のときは第一出力部１５１の出力は最小となり、第二出力部１５２の出力が最小のときは第一出力部１５１の出力は最大となる。また、位相差δφが０のときには、第一出力部１５１および第二出力部１５２の各出力の強度は均等に配分される。
【００２３】
（光変調装置の構成）
図２は、図１に示した光変調器を備える光変調装置の構成を示す図である。図２に示すように、光変調装置２００は、光変調器１００と、基準信号生成部２１０と、位相変調信号生成部２２０と、第一ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）２３１と、第二ＰＤ２３２と、増幅器２４０と、ピーク検出器２５０と、ロックインアンプ２６０と、を備えている。基準信号生成部２１０、位相変調信号生成部２２０、第一ＰＤ２３１、第二ＰＤ２３２、増幅器２４０、ピーク検出器２５０およびロックインアンプ２６０は、光変調器１００の制御系である。
【００２４】
基準信号生成部２１０は、たとえば基準信号ｈ×ｓｉｎ（ｘ）（たとえば１００［Ｈｚ］〜５［ｋＨｚ］程度）を生成し、生成した基準信号ｈ×ｓｉｎ（ｘ）をディザ信号として第二液晶セル１６２に印加する微小変調手段である。ここで、ｈは微小（位相）振幅である。第二液晶セル１６２に印加されるディザ信号は、第二液晶セル１６２を通過する光の位相を微小制御する微小位相変調信号である。また、基準信号生成部２１０は、基準信号ｈ×ｓｉｎ（ｘ）をロックインアンプ２６０へ出力する。
【００２５】
位相変調信号生成部２２０は、２つの第一ＰＤ２３１と第二ＰＤ２３２の出力の直流成分の差信号に比例するロックインアンプ２６０の出力電圧Ｖに応じた位相変調信号（たとえば１００Ｈｚ以下。安定状態なら一定値でもよい）を生成し、生成した位相変調信号を第一液晶セル１６１に印加する位相変調手段である。第一液晶セル１６１に印加される位相変調信号は、第一液晶セル１６１を通過する光の位相を変調し光変調器１００の動作点を可変し出力動作変動を抑制するための信号である。なお、光変調器１００の入力光のビットレートは、基準信号ｈ×ｓｉｎ（ｘ）や位相変調信号と比べて十分に高い周波数であるものとする（たとえば数Ｇｂｐｓ〜数十Ｇｂｐｓ）。
【００２６】
第一ＰＤ２３１は、光変調器１００の第一出力部１５１から出力された光を受光し、受光した光のパワーを示す電気信号を増幅器２４０へ出力する。第二ＰＤ２３２は、光変調器１００の第二出力部１５２から出力された光を受光し、受光した光のパワーを示す電気信号を増幅器２４０へ出力する。増幅器２４０は、第一ＰＤ２３１および第二ＰＤ２３２から出力された各電気信号を増幅し、増幅した各電気信号をピーク検出器２５０へ出力する。また、増幅器２４０は、増幅した各電気信号を後段の光信号受信器（不図示）へ出力する。
【００２７】
ピーク検出器２５０は、増幅器２４０から出力された電気信号（たとえば第一出力部１５１と第二出力部１５２の平均値の差信号出力）の微小振幅変調成分（ｓｉｎ（ｘ）成分を含む）を検出する。ピーク検出器２５０は、検出した振幅変調成分を誤差信号Ｉｅとしてロックインアンプ２６０へ出力する。ピーク検出器２５０は、光信号中の微小振幅変調成分に比例する低周波の包絡線（エンベロープ）の基準信号に応答するように構成する。ピーク検出器２５０が出力する誤差信号Ｉｅは、第二液晶セル１６２に印加するディザ信号のｈ×ｓｉｎ（ｘ）（ｈは微小位相）を用いて下記（２）式によって示すことができる。
【００２８】
【数２】
0005551475.tif 000003
【００２９】
上記（２）式において、ｘ＝ωｔ＝２πｆｔである。ｆは基準信号生成部２１０が生成する基準信号ｈ×ｓｉｎ（ｘ）の周波数であり、ｔは時間である。ロックインアンプ２６０は、基準信号生成部２１０から出力された基準信号ｈ×ｓｉｎ（ｘ）と、ピーク検出器２５０から出力された誤差信号Ｉｅと、の位相差に比例した信号を出力する。ロックインアンプ２６０の出力電圧Ｖは位相変調信号生成部２２０へ出力される。
【００３０】
このように、光変調装置２００は、第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２を通過した光に含まれる、第二液晶セル１６２に印加した微小位相変調信号（ディザ信号）による変化成分（微小振幅変調成分）を検出し、検出結果（誤差信号Ｉｅ）に基づいて第一液晶セル１６１へ印加する位相変調信号を制御する。
【００３１】
（位相変調特性と誤差信号との関係）
図３は、液晶セルにおける位相変調特性と誤差信号との関係を示すグラフである。図３において、横軸は第一導波路１３１と第二導波路１３２との間の位相差δφ［ｒａｄ］を示している。なお、この図では、第一液晶セル１６１で制御できる位相変調範囲を約２πとしてその範囲での光変調器１００の応答特性の一例を示している。縦軸は、光変調器１００の出力（たとえば第二出力部１５２の出力）を示している。応答特性３１１は、ディザ信号が変調範囲の丁度半分の位相量を与えたときの光変調器１００出力応答特性の一例を示している。
【００３２】
位相量θ１は、光変調器１００の出力が調整したい動作点である最大値１付近となる第一液晶セル１６１の最適な位相量を示している（遅延量が最適）。位相量θ２は、最適な位相量θ１よりも小さい第一液晶セル１６１の位相量を示している（遅延量が小さい）。位相量θ３は、最適な位相量θ１よりも大きい第一液晶セル１６１の位相量を示している（遅延量が大きい）。
【００３３】
基準信号３２０は、上述した基準信号ｈ×ｓｉｎ（ｘ）を示している。誤差信号３３１は、第一液晶セル１６１の位相量が位相量θ１である場合の誤差信号Ｉｅを示している。誤差信号３３２は、第一液晶セル１６１の位相量が位相量θ２である場合の誤差信号Ｉｅを示している。誤差信号３３３は、第一液晶セル１６１の位相量が位相量θ３である場合の誤差信号Ｉｅを示している。
【００３４】
誤差信号３３１の周波数は、基準信号３２０の周波数の２倍となる。この場合は、ロックインアンプ２６０の出力信号Ｖは０となる。また、誤差信号３３２は基準信号３２０に対して逆相となる。また、誤差信号３３３は、基準信号３２０に対して同相となる。
【００３５】
ロックインアンプ２６０の出力信号Ｖは、誤差信号Ｉｅに規格化基準信号ｓｉｎ（ｘ）をかけてｘの１周期（０から２π）で積分した値に比例すると考えられる。すなわち、ロックインアンプ２６０の出力信号Ｖは、たとえば下記（３）式によって示すことができる。
【００３６】
【数３】
0005551475.tif 000004
【００３７】
応答特性３１２は、応答特性３１１の状態から、印加したディザ信号の位相量が小さくなった瞬間の光変調器１００の出力の応答特性を示している。応答特性３１３は、応答特性３１１の状態から、ディザ信号の位相量が大きくなった瞬間の光変調器１００の出力の応答特性を示している。応答特性３１２および応答特性３１３に示すように、ディザ信号の位相量を変化させると、光変調器１００の最適動作点θ１に対して、θ２のように第一液晶セルで可変できる位相量が少ない方向にずれているか、または、θ３のように位相量が大きい方にずれているかがわかるため、誤差信号Ｉｅの出力を第一液晶セルの位相量にフィードバックすることで動作点を最適化することが可能となる。
【００３８】
（ロックインアンプの出力信号）
図４は、ロックインアンプの出力信号を示すグラフの一例である。図４において、横軸は第一導波路１３１と第二導波路１３２との間の位相差δφ［ｒａｄ］を示している。たとえば、第一液晶セル１６１の位相変調によって調節可能な位相量の範囲を２πとし、ディザ信号の微小位相振幅ｈをπ／１０とする。この場合は、上記（３）式に示したロックインアンプ２６０の出力信号Ｖは、図４に示す出力波形４１０のようになる。
【００３９】
波形４２０は、上記（１）式に示した出力Ｉを位相差δφで微分した１／２×ｃｏｓδφを示している。出力波形４１０と波形４２０はほぼ重なっていることから、ロックインアンプ２６０の出力信号Ｖは、第二液晶セル１６２に印加するディザ信号の微小位相振幅ｈが十分に小さい場合は、第一液晶セル１６１の位相変調特性の微分波形と一致すると考えられる。
【００４０】
このため、位相変調信号生成部２２０は、ロックインアンプ２６０からの出力信号Ｖが０に近づくように第一液晶セル１６１に印加する位相変調信号を制御することで、第一液晶セル１６１の位相量を最適な位相量（図３の位相量θ１）に近づけることができる。
【００４１】
ここでは、光変調器１００の第二出力部１５２の出力（または第一出力部１５１と第二出力部１５２の直流差分）を監視し、監視した出力が最大になるように位相変調信号の制御を行う場合について説明した。これに対して、第一出力部１５１および第二出力部１５２からの各出力は逆相の関係にあるため、第一出力部１５１から出力される光の強度が最小となるように位相変調信号の制御を行ってもよい。これにより、第二出力部１５２から出力される光の強度を最大にすることができる。
【００４２】
（変調信号の波形）
一般に、液晶セルは、ＤＣ成分が印加されると残留イオン成分の局在や液晶材料などの分解が発生して劣化する。このため、第一液晶セル１６１に印加する位相変調信号は交番電界にするとよい。また、残留不純物イオンが液晶層内で形成する空間電荷層の発生を抑えるために、第一液晶セル１６１に印加する位相変調信号については、不純物イオンに起因する誘電分散特性を考慮するとよい。たとえば、第一液晶セル１６１に印加する位相変調信号は、ｋＨｚオーダ以上（１０［ｋＨｚ］〜２０［ｋＨｚ］程度）の周波数とする。
【００４３】
図５は、変調信号の波形の例を示すグラフである。図５において、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。第一液晶セル１６１に印加する位相変調信号には、たとえば図５に示す信号５００を用いるとよい。信号５００は、第一液晶セル１６１が波形応答しない程度に十分高い周波数のキャリア周波数を持つ信号に、第一液晶セル１６１における液晶層の動きを制御する制御信号を重畳した振幅変調型の駆動信号である。ここではキャリア波形に正弦波を用いる例を示したが、キャリア波形に矩形波や三角波を用いてもよい。
【００４４】
第二液晶セル１６２に印加するディザ信号は、基準信号ｈ×ｓｉｎ（ｘ）の周波数が数ｋＨｚ以上の場合は単純な正弦波としてもよい。ただし、基準信号ｈ×ｓｉｎ（ｘ）の周波数が１ｋＨｚ以下の場合は、ディザ信号は、第一液晶セル１６１に印加する位相変調信号と同様に、十分高い周波数のキャリア周波数を持つ信号に制御信号を重畳した振幅変調型の駆動信号とすることが望ましい。
【００４５】
（液晶セルの動作）
図６は、液晶セルの動作（水平配向セル）を示す図である。第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２（図１参照）のそれぞれには、たとえば、図６に示す水平配向のネマティック液晶６００（ＮＬＣ：Ｎｅｍａｔｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）を用いることができる。図６において、進行方向６０１は光の進行方向を示し、偏光方向６０２は光の偏光方向を示している。
【００４６】
ネマティック液晶６００は、第一基板６１１と、第二基板６１２と、液晶分子群６２０と、によって構成されている。液晶分子群６２０は、第一基板６１１と第二基板６１２との間に挟まれている。第一基板６１１および第二基板６１２のそれぞれは、たとえばガラス基板である。ネマティック液晶６００は、入射する光の偏光方向６０２とダイレクタ（液晶分子群６２０の平均配向）の方向とが平行になるように設けられる。変調信号が印加される電極は、たとえば、第一基板６１１の液晶分子群６２０側の全面と、第二基板６１２の液晶分子群６２０側の全面と、に設けられる。
【００４７】
ネマティック液晶６００は、位相変調信号（またはディザ信号）によって発生させる駆動変調信号の電圧が小さい場合に、図６に示すように、液晶分子群６２０が光の進行方向６０１と垂直な状態に近づいている。また、位相変調信号（またはディザ信号）によって発生させる駆動変調信号の電圧が大きい場合には、液晶分子群６２０が光の進行方向６０１と平行な状態に近づく。したがって、駆動信号電圧と位相変調量との関係は、電圧が大きい場合に位相量が小さくなる方向に変化する。
【００４８】
図７は、液晶セルの動作（垂直配向セル）を示す図である。第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２（図１参照）のそれぞれには、たとえば、図７に示す垂直配向のネマティック液晶７００を用いることができる。図７において、進行方向７０１は光の進行方向を示し、偏光方向７０２は光の偏光方向を示している。
【００４９】
ネマティック液晶７００は、第一基板７１１と、第二基板７１２と、液晶分子群７２０と、によって構成されている。液晶分子群７２０は、第一基板７１１と第二基板７１２との間に挟まれている。第一基板７１１および第二基板７１２のそれぞれは、たとえばガラス基板である。ネマティック液晶７００は、入射する光の偏光方向７０２とダイレクタ（液晶分子群７２０の平均配向）の方向とが平行になるように設けられる。
【００５０】
ネマティック液晶７００は、位相変調信号（またはディザ信号）によって発生させる駆動変調信号の電圧が小さい場合に、図７に示すように、液晶分子群７２０が光の進行方向７０１と平行な状態に近づいている。また、駆動変調信号の電圧が大きい場合に、ネマティック液晶７００は、液晶分子群７２０が光の進行方向７０１と垂直な状態に近づく。したがって、水平配向セルの場合と異なり、駆動信号電圧と位相変調量との関係は、電圧が大きい場合に位相量が大きくなる方向に変化する。
【００５１】
（液晶セルの構成例）
図８は、液晶セルの構成例を示す正面断面図である。図９は、図８に示した液晶セルの平面図である。第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２は、互いに積層されて一体的に形成されている。たとえば、第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２は、図８および図９に示す２層液晶セルモジュール８００によって実現することができる。
【００５２】
２層液晶セルモジュール８００は、第一基板８１１と、第二基板８１２と、中間基板８１３と、第一液晶層８２１と、第二液晶層８２２と、を備えている。第一液晶層８２１は、第一基板８１１および中間基板８１３によって挟まれており、第一液晶セル１６１を構成している。第二液晶層８２２は、中間基板８１３および第二基板８１２によって挟まれており、第二液晶セル１６２を構成している。セル厚ｄ１は、第一液晶層８２１のセル厚を示している。セル厚ｄ２は、第二液晶層８２２のセル厚を示している。
【００５３】
また、第一液晶層８２１と第一基板８１１との間および第一液晶層８２１と中間基板８１３との間にはそれぞれ配向膜８３１および配向膜８３２が設けられている。また、第二液晶層８２２と中間基板８１３との間および第二液晶層８２２と第二基板８１２との間にはそれぞれ配向膜８３３および配向膜８３４が設けられている。
【００５４】
図９に示す電極接続面９１０は、中間基板８１３における、変調信号を印加するための電極接続面である。第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２を透過型液晶デバイスとする場合について説明したが、第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２を、シリコン基板と対向する透明基板の間に液晶を挟みこむ反射型液晶デバイスとしてもよい（たとえば図１６〜図２３参照）。ここで、図では第一液晶セル１６１を上側に、第二液晶セル１６２を下側に構成した例を示したが、順番は入れ替えてもよい。
【００５５】
（液晶セルのセル厚）
第一液晶セル１６１の位相変調信号に対する応答時間ｔは、第一液晶セル１６１のセル厚ｄ１の２乗に比例する（ｔ∝ｄ１2）。１．５〜１．６μｍ帯（ＣバンドおよびＬバンド）の光通信波長において、液晶材料は正常分散を示すので、Δｎ（＝ｎｅ−ｎｏ）は通常０．１程度となる。したがって、たとえば１．６μｍの波長で２πの位相変調を行うためには、セル厚ｄ１は下記（４）式を満たす必要がある。
【００５６】
【数４】
0005551475.tif 000005
【００５７】
屈折率Δｎが０．１の液晶材料の場合は、上記（４）式から、セル厚ｄ１は１６μｍ以上であることが望ましい。さらに、液晶セル界面近傍の液晶分子が動き難いことと、低電圧駆動（５Ｖ以下）を行うことを考慮すると、第一液晶セル１６１のセル厚ｄ１は２０μｍ程度であることがより望ましい。
【００５８】
一方、第二液晶セル１６２のディザ信号に対する応答時間ｔは、第二液晶セル１６２のセル厚ｄ２の２乗に比例する（ｔ∝ｄ２2）。第二液晶セル１６２については、数ｋＨｚのディザ信号に追従する程度に応答時間が高速である必要がある。このため、第二液晶セル１６２のセル厚ｄ２は、第一液晶セル１６１のセル厚ｄ１の１／４以下（さらに望ましくは１／１０以下）にするとよい。たとえば、第一液晶セル１６１のセル厚ｄ１が１６μｍ程度である場合は、第二液晶セル１６２のセル厚ｄ２は１μｍ程度にするとよい。
【００５９】
（光変調器の変形例）
図１０は、図１に示した光変調器の変形例１を示す平面図である。図１０において、図１に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図１０に示すように、光変調器１０００は、スプリッタ１０１０と、ミラー１０２０と、ミラー１０３０と、コンバイナ１０４０と、第一液晶セル１６１と、第二液晶セル１６２と、を備えている。スプリッタ１０１０、ミラー１０２０、ミラー１０３０およびコンバイナ１０４０は、入力光１００１を分岐し、分岐した各光を干渉させる光干渉計を構成している。また、図示はしないがスプリッタ１０１０とミラー１０２０との間の光路に両側アームの位相差を調整するための位相遅延素子や位相遅延線を挿入してもよい。
【００６０】
スプリッタ１０１０には、光変調器１０００への入力光１００１が入力される。スプリッタ１０１０は、入力光１００１を分岐し、分岐した各光をミラー１０２０およびコンバイナ１０４０へ出射する。ミラー１０２０は、スプリッタ１０１０から出射された光を反射させてミラー１０３０へ出射する。ミラー１０３０は、ミラー１０２０から出射された光を反射させてコンバイナ１０４０へ出力する。
【００６１】
コンバイナ１０４０は、スプリッタ１０１０から出射された光と、ミラー１０３０から出射された光と、を干渉させる。コンバイナ１０４０における干渉によって得られた出力光１００２および出力光１００３は後段に出力される。たとえば、出力光１００２は、図１に示した第一出力部１５１からの出力に対応している。また、出力光１００３は、図１に示した第二出力部１５２からの出力に対応している。
【００６２】
第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２は、ミラー１０２０からミラー１０３０へ出射される光の光路上に設けられている。第一液晶セル１６１は、ミラー１０２０から出射された光を通過させて第二液晶セル１６２へ出射する。第二液晶セル１６２は、第一液晶セル１６１から出射された光を通過させてミラー１０３０へ出射する。ここで、図では第一液晶セル１６１を入射側に、第二液晶セル１６２を出射側に構成した例を示したが、順番は入れ替えてもよい。
【００６３】
図１１は、図１に示した光変調器の変形例２を示す平面図である。図１１において、図１に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図１１に示す光変調器１１００は、スプリッタ１１１０と、コンバイナ１１２０と、第一液晶セル１６１と、第二液晶セル１６２と、を備えるファブリペロー型の光干渉計である。ここで、図では第一液晶セル１６１を左側に、第二液晶セル１６２を右側に構成した例を示したが、順番は入れ替えてもよい。
【００６４】
スプリッタ１１１０には、光変調器１１００への入力光１１０１が入力される。スプリッタ１１１０は、入力光１１０１をコンバイナ１１２０側へ出射する。スプリッタ１１１０とコンバイナ１１２０との間には第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２が設けられている。スプリッタ１１１０からコンバイナ１１２０側へ出射された光は、第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２を通過しながら多重反射する。
【００６５】
第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２を通過しながら多重反射した光の一部は出力光１１０２としてコンバイナ１１２０から出力される。また、多重反射した光の他の一部は出力光１１０３としてスプリッタ１１１０から出力される。たとえば、出力光１１０２は、図１に示した第一出力部１５１からの出力に対応している。また、出力光１１０３は、図１に示した第二出力部１５２からの出力に対応している。
【００６６】
図１２は、図１に示した光変調器の変形例３を示す平面図である。図１２において、図１に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図１２に示すように、光変調器１２００は、方向性結合器１２１０と、リング導波路１２２０と、第一液晶セル１６１と、第二液晶セル１６２と、を備えるリング型光干渉計である。
【００６７】
方向性結合器１２１０には、光変調器１２００への入力光１２０１が入力される。方向性結合器１２１０は、入力光１２０１と、リング導波路１２２０から出力された光と、を干渉させる。方向性結合器１２１０における干渉によって得られた各光は、一方は出力光１２０２として後段へ出力され、他方はリング導波路１２２０へ出力される。
【００６８】
リング導波路１２２０は、方向性結合器１２１０から出力された光を通過させ、方向性結合器１２１０の入力側へ出力する。第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２は、リング導波路１２２０上に設けられている。第一液晶セル１６１は、方向性結合器１２１０の出力側から出力された光を通過させて第二液晶セル１６２へ出力する。第二液晶セル１６２は、第一液晶セル１６１から出力された光を通過させて方向性結合器１２１０の入力側へ出力する。ここで、図では第一液晶セル１６１を右側に、第二液晶セル１６２を左側に構成した例を示したが、順番は入れ替えてもよい。
【００６９】
図１３は、図１に示した光変調器の変形例４を示す平面図である。図１３において、図１に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図１３に示すように、光変調器１３００は、方向性結合器１３１０と、ミラー１３２０と、ミラー１３３０と、を備えるリング型光干渉計である。
【００７０】
方向性結合器１３１０には、光変調器１３００への入力光１３０１が入力される。方向性結合器１３１０は、入力光１３０１と、ミラー１３３０から出射された光と、を干渉させる。方向性結合器１３１０における干渉によって得られた各光は、一方は出力光１３０２として後段へ出力され、他方はミラー１３２０へ出射される。
【００７１】
ミラー１３２０は、方向性結合器１３１０から出射された光を反射させてミラー１３３０へ出射する。ミラー１３２０とミラー１３３０との間には第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２が設けられている。第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２は、ミラー１３２０からミラー１３３０へ出射される光を通過させる。ミラー１３３０は、ミラー１３２０から出射された光を反射させて方向性結合器１３１０へ出射する。ここで、図では第一液晶セル１６１を左上側に、第二液晶セル１６２を右下側に構成した例を示したが、順番は入れ替えてもよいし、またリング共振器中に分けて配置してもよい。
【００７２】
図１４は、図１に示した光変調器の変形例５を示す平面図である。図１４において、図１に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図１４に示すように、第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２は、互いに積層されて一体的に形成されていない構成としてもよい。ここで、図では第一液晶セル１６１を右側に、第二液晶セル１６２を左側に構成した例を示したが、順番は入れ替えてもよい。
【００７３】
ここでは、第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２は、それぞれ第一導波路１３１上の異なる位置に設けられている。また、図１においては第一液晶セル１６１の後段に第二液晶セル１６２を設ける構成について説明したが、図１４に示すように、第一液晶セル１６１の前段に第二液晶セル１６２を設ける構成としてもよい。
【００７４】
図１５は、図１に示した光変調器の変形例６を示す平面図である。図１５において、図１に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図１においては第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２をともに第一導波路１３１上に設ける構成について説明したが、図１５に示すように、第一液晶セル１６１を第一導波路１３１上に設け、第二液晶セル１６２を第二導波路１３２上に設ける構成としてもよい。ここで、図では第一液晶セル１６１を第一導波路１３１側に、第二液晶セル１６２を第二導波路１３２側に構成した例を示したが、それぞれの液晶セルをアームに入れ替えて配置してもよい。
【００７５】
また、以上説明した各実施の形態において、入力光の偏光方向が、液晶セルの遅相軸に平行となるように設定するのが好ましい。入力光が一方向に偏光していない場合は、入力光が入力する位置、たとえば入力部に偏光子を挿入することができる。また、偏光子の代わりにＰＢＳ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒｓ：偏波ビームスプリッタ）を配置して、２つの光路に入力光を偏光分離し、干渉計を並列接続することで偏波無依存型の構成とすることもできる。
【００７６】
さらに、第一液晶セルと同一構成で、遅相軸を９０度変えた第一補正液晶セルと、第二液晶セルと同一構成で遅相軸を９０度変えた第二補正液晶セルの４つの液晶セルを積層配置することで、偏波無依存型の構成にすることもできる。
【００７７】
図１６は、図１に示した光変調器の変形例７を示す平面図である。図１６に示すように、実施の形態にかかる光変調器１６００は、光ファイバまたは導波路と空間光学系とを組み合わせたマイケルソン型の構成としてもよい。図１６に示す光変調器１６００は、たとえば、図１に示したマッハツェンダー型の光変調器１００を反射型液晶素子で形成した場合と等価な光回路となる。
【００７８】
具体的には、光変調器１６００は、入力部１６１０と、サーキュレータ１６２０と、光カプラ１６３０と、第一導波路１６４１と、第二導波路１６４２と、レンズ１６４３と、レンズ１６４４と、第一出力部１６５１と、第二出力部１６５２と、反射部１６７０と、液晶部１６８０と、を備えていてもよい。
【００７９】
入力部１６１０には、光変調器１６００への入力光が入力される。入力部１６１０は、入力光をサーキュレータ１６２０へ出力する。サーキュレータ１６２０は、入力部１６１０から出力された光を光カプラ１６３０へ出力する。また、サーキュレータ１６２０は、光カプラ１６３０から出力された光を第一出力部１６５１へ出力する。
【００８０】
光カプラ１６３０は２×２光カプラである。具体的には、光カプラ１６３０は、サーキュレータ１６２０から出力された光を１：１の割合で分波し、分波した各光をそれぞれ第一導波路１６４１および第二導波路１６４２へ出力する。また、光カプラ１６３０は、第一導波路１６４１および第二導波路１６４２から出力された各光を合波し、合波により得られた各光をそれぞれサーキュレータ１６２０および第二出力部１６５２へ出力する。
【００８１】
第一導波路１６４１は、光カプラ１６３０から出力された光を通過させてレンズ１６４３へ出射する。また、第一導波路１６４１は、反射部１６７０によって反射してレンズ１６４３によって集光された光を通過させて光カプラ１６３０へ出力する。レンズ１６４３は、第一導波路１６４１から出射された光をコリメートして反射部１６７０へ出射するとともに、反射部１６７０によって反射した光を第一導波路１６４１の端部へ集光する。反射部１６７０は、レンズ１６４３から出射された光をレンズ１６４３側へ反射させる。
【００８２】
第二導波路１６４２は、光カプラ１６３０から出力された光を通過させてレンズ１６４４へ出射する。また、第二導波路１６４２は、液晶部１６８０によって反射してレンズ１６４４によって集光された光を通過させて光カプラ１６３０へ出力する。レンズ１６４４は、第二導波路１６４２から出射された光をコリメートして液晶部１６８０へ出射するとともに、液晶部１６８０によって反射した光を第二導波路１６４２の端部へ集光する。
【００８３】
液晶部１６８０は、第一液晶セル１６８２および第二液晶セル１６８１からなる反射型液晶素子である。液晶部１６８０は、レンズ１６４４から出射された光を第二液晶セル１６８１および第一液晶セル１６８２に通過させてレンズ１６４４側へ反射させる。第一液晶セル１６８２および第二液晶セル１６８１は、たとえば図１に示した第一液晶セル１６１および第二液晶セル１６２に対応する構成である。
【００８４】
反射部１６７０および液晶部１６８０によって反射した各光は、それぞれ第一導波路１６４１および第二導波路１６４２を通過して光カプラ１６３０によって合波される。そして、光カプラ１６３０によって合波された各光の位相差に応じた比率の各光がそれぞれサーキュレータ１６２０および第二出力部１６５２へ出力される。サーキュレータ１６２０へ出力された光は第一出力部１６５１へ出力される。
【００８５】
第一出力部１６５１は、サーキュレータ１６２０から出力された光を通過させて出力する。第二出力部１６５２は、光カプラ１６３０から出力された光を通過させて出力する。図１６に示した光変調器１６００は、たとえば図２に示した光変調装置２００に適用することができる。この場合は、第一出力部１６５１は、第一ＰＤ２３１へ光を出力する。また、第二出力部１６５２は、第二ＰＤ２３２へ光を出力する。
【００８６】
図１７は、図１６に示した光変調器の変形例を示す平面図である。図１７において、図１６に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図１７に示すように、光変調器１６００は、図１６に示したレンズ１６４３および反射部１６７０に代えて、光カプラ１７１０およびループミラー１７２０を備えていてもよい。
【００８７】
第一導波路１６４１は、光カプラ１６３０から出力された光を光カプラ１７１０へ出力する。また、第一導波路１６４１は、光カプラ１７１０から出力された光を光カプラ１６３０へ出力する。光カプラ１７１０は１×２光カプラである。具体的には、光カプラ１７１０は、第一導波路１６４１から出力された光を分波し、分波した光をループミラー１７２０の各端部へ入力する。また、光カプラ１７１０は、ループミラー１７２０の各端部から出力された各光を合波して第一導波路１６４１へ出力する。
【００８８】
ループミラー１７２０は、第一の端部および第二の端部を有するループ状の光導波路である。ループミラー１７２０は、第一の端部から入力された光を第二の端部から出力するとともに、第二の端部から入力された光を第一の端部から出力する。
【００８９】
このように、光変調器１６００においては、空間光学系で形成した反射部１６７０に代えて、光導波路で形成される光カプラ１７１０およびループミラー１７２０を用いてもよい。これにより、空間光学系部分を減らすことができるため、光軸調整の箇所を減らすとともに、振動に強い構造とすることができる。
【００９０】
図１８は、液晶部の構成例を示す正面断面図である。図１９は、図１８に示した液晶部の平面図である。図１６および図１７に示した第一液晶セル１６８２および第二液晶セル１６８１は、互いに積層されて液晶部１６８０として一体的に形成されている。たとえば液晶部１６８０は、図１８および図１９に示す反射型の２層液晶セルモジュール１８００によって実現することができる。
【００９１】
２層液晶セルモジュール１８００は、シリコン基板１８１１と、ＬＣＯＳガラス基板１８１２と、第一基板１８１３と、第二基板１８１４と、ＣＭＯＳ層１８２１と、反射層１８３１と、第一液晶層１８４１と、第二液晶層１８４２と、配向膜１８５１〜１８５４と、電極接続面１９１０と、を備えている。
【００９２】
第一液晶層１８４１は、シリコン基板１８１１およびＬＣＯＳガラス基板１８１２によって挟まれており、図１６，図１７に示した第一液晶セル１６８２を構成している。第二液晶層１８４２は、第一基板１８１３および第二基板１８１４によって挟まれており、図１６，図１７に示した第二液晶セル１６８１を構成している。また、ＬＣＯＳガラス基板１８１２と第一基板１８１３は積層されている。
【００９３】
また、反射層１８３１と第一液晶層１８４１との間およびＬＣＯＳガラス基板１８１２と第一液晶層１８４１との間にはそれぞれ配向膜１８５１および配向膜１８５２が設けられている。また、シリコン基板１８１１と配向膜１８５１との間には、ＣＭＯＳ層１８２１および反射層１８３１が設けられている。また、第一基板１８１３と第二液晶層１８４２との間および第二基板１８１４と第二液晶層１８４２との間にはそれぞれ配向膜１８５３および配向膜１８５４が設けられている。
【００９４】
第二基板１８１４から入射した光は、第一基板１８１３およびＬＣＯＳガラス基板１８１２を通過し、反射層１８３１によって反射する。反射層１８３１によって反射した光は、ＬＣＯＳガラス基板１８１２および第一基板１８１３を通過し、第二基板１８１４から出射される。図１９に示す電極接続面１９１０は、第一基板１８１３における、変調信号を印加するための電極接続面である。
【００９５】
第一液晶層１８４１および第二液晶層１８４２は、１次元アレイや２次元アレイの多画素型とすることができる。たとえば、ディザ信号を第二液晶層１８４２に印加し、位相変調信号を第一液晶層１８４１に印加する。すなわち、精密な位相調整を必要とする位相変調素子としてＬＣＯＳ側の第一液晶層１８４１を用いる。または、逆に、第一液晶層１８４１を第二液晶層１８４２より薄くし、ディザ信号を第一液晶層１８４１に印加し、位相変調信号を第二液晶層１８４２に印加する構成としてもよい。
【００９６】
図２０は、図１に示した光変調器の変形例８を示す平面図である。図２０に示すように、実施の形態にかかる光変調器２０００は、主に空間光学系で構成したマイケルソン型の構成としてもよい。図２０に示す光変調器２０００は、図１に示したマッハツェンダー型の光変調器１００を反射型液晶素子で形成した場合と等価な光回路となる。
【００９７】
具体的には、光変調器２０００は、入力部２０１１と、第一出力部２０１２と、第二出力部２０１３と、サーキュレータ２０２０と、第一コリメータレンズ２０３０と、ハーフミラー２０４０と、反射部２０５０と、液晶部２０６０と、第二コリメータレンズ２０７０を備えていてもよい。入力部２０１１には光変調器２０００への入力光が入力される。入力部２０１１は、入力光をサーキュレータ２０２０へ出力する。
【００９８】
サーキュレータ２０２０は、入力部２０１１から出力された光を第一コリメータレンズ２０３０へ出射する。また、サーキュレータ２０２０は、第一コリメータレンズ２０３０により集光された光を第一出力部２０１２へ出射する。第一コリメータレンズ２０３０は、サーキュレータ２０２０から出力された光をコリメートしてハーフミラー２０４０へ出射する。また、第一コリメータレンズ２０３０は、ハーフミラー２０４０から出射された光を集光してサーキュレータ２０２０へ出力する。
【００９９】
ハーフミラー２０４０は、第一コリメータレンズ２０３０から出射された光の一部を反射させて反射部２０５０へ出射するとともに、第一コリメータレンズ２０３０から出射された光の残りを液晶部２０６０へ出射する。また、ハーフミラー２０４０は、反射部２０５０から出射された光と、液晶部２０６０から出射された光と、を合波し、合波により得られた各光をそれぞれ第一コリメータレンズ２０３０および第二コリメータレンズ２０７０へ出力する。反射部２０５０は、ハーフミラー２０４０から出射された光を反射させてハーフミラー２０４０へ出射する。
【０１００】
液晶部２０６０は、図１６，図１７に示した液晶部１６８０と同様の構成である。液晶部２０６０は、第一液晶セル２０６２および第二液晶セル２０６１からなる。液晶部２０６０は、ハーフミラー２０４０から出射された光を反射させてハーフミラー２０４０へ出射する。これにより、液晶部２０６０および反射部２０５０からの各光がハーフミラー２０４０において合波され、合波された各光の位相差に応じた比率の各光がそれぞれ第一コリメータレンズ２０３０および第二コリメータレンズ２０７０へ出射される。第一コリメータレンズ２０３０へ出射された光は、サーキュレータ２０２０を経由して第一出力部２０１２へ出力される。第二コリメータレンズ２０７０は、ハーフミラー２０４０から出射された光を集光して第二出力部２０１３へ出射する。
【０１０１】
第一出力部２０１２は、サーキュレータ２０２０から出力された光を通過させて出力する。第二出力部２０１３は、第二コリメータレンズ２０７０から出射された光を通過させて出力する。図２０に示した光変調器２０００は、たとえば図２に示した光変調装置２００に適用することができる。この場合は、第一出力部２０１２は、第一ＰＤ２３１へ光を出力する。また、第二出力部２０１３は、第二ＰＤ２３２へ光を出力する。
【０１０２】
このように、主に空間光学系で構成したマイケルソン型の構成とすることにより、温度依存性の大きな導波路を用いる場合と比べて温度依存性を小さくすることができる。
【０１０３】
図２１は、図１に示した光変調器の変形例９を示す平面図である。図２１に示すように、実施の形態にかかる光変調器２１００は、偏光無依存型のマイケルソン型の構成としてもよい。具体的には、光変調器２１００は、入力部２１１１と、第一出力部２１１２と、第二出力部２１１３と、サーキュレータ２１２０と、ハーフミラー２１３０と、反射部２１４０と、ＰＢＳ２１５０と、液晶部２１６０と、液晶部２１７０を備えている。
【０１０４】
入力部２１１１には光変調器２１００への入力光が入力される。入力部２１１１は、入力光をサーキュレータ２１２０へ出力する。サーキュレータ２１２０は、入力部２１１１から出力された光をハーフミラー２１３０へ出力する。サーキュレータ２１２０は、ハーフミラー２１３０から出力された光を第一出力部２１１２へ出力する。
【０１０５】
ハーフミラー２１３０は、サーキュレータ２１２０から出力された光の一部を反射させて反射部２１４０へ出力するとともに、サーキュレータ２１２０から出力された光の残りをＰＢＳ２１５０へ出力する。また、ハーフミラー２１３０は、反射部２１４０から出力された光と、ＰＢＳ２１５０から出力された光と、を合波し、合波により得られた各光をそれぞれサーキュレータ２１２０および第二出力部２１１３へ出力する。
【０１０６】
反射部２１４０は、ハーフミラー２１３０から出力された光を反射させてハーフミラー２１３０へ出力する。偏光方向２１８１は、ハーフミラー２１３０からＰＢＳ２１５０へ出力される光の偏光方向を示している。偏光方向２１８１に示すように、ハーフミラー２１３０からＰＢＳ２１５０へ出力される光は各偏光成分（たとえばＳ偏光とＰ偏光）を含んでいる。
【０１０７】
ＰＢＳ２１５０は、ハーフミラー２１３０から出力された光を各偏光成分（たとえばＳ偏光とＰ偏光）に分離し、分離した各光をそれぞれ液晶部２１６０および液晶部２１７０へ出力する。偏光方向２１８２は、ＰＢＳ２１５０から液晶部２１６０へ出力される光の偏光方向を示している。偏光方向２１８２に示すように、ＰＢＳ２１５０はＰ偏光の光を液晶部２１６０へ出力する。偏光方向２１８３は、ＰＢＳ２１５０から液晶部２１７０へ出力される光の偏光方向を示している。偏光方向２１８３に示すように、ＰＢＳ２１５０はＳ偏光の光を液晶部２１７０へ出力する。また、ＰＢＳ２１５０は、液晶部２１６０および液晶部２１７０から出力された各光を合波してハーフミラー２１３０へ出力する。
【０１０８】
液晶部２１６０および液晶部２１７０のそれぞれは、図１６，図１７に示した液晶部１６８０と同様の構成である。ただし、液晶部２１６０は、Ｐ偏光に平行なダイレクタ方向（液晶分子方向）を有するように、液晶層が配向されている。分子方向２１６３は、液晶部２１６０の第二液晶セル２１６１の液晶分子方向を示しており、分子方向２１６４は、液晶部２１６０の第一液晶セル２１６２の液晶分子方向を示しており、Ｐ偏光に平行なダイレクタ方向を有するように配向されている。
【０１０９】
一方、液晶部２１７０は、Ｓ偏光に平行なダイレクタ方向を有するように、液晶層が配向されている。分子方向２１７３は、液晶部２１７０の第二液晶セル２１７１の液晶分子方向を示しており、分子方向２１７４は、液晶部２１７０の第一液晶セル２１７２の液晶分子方向を示しており、いずれもＳ偏光に平行なダイレクタ方向を有するように配向されている。
【０１１０】
液晶部２１６０は、ＰＢＳ２１５０から出力された光を変調して、反射させてＰＢＳ２１５０へ出力する。液晶部２１７０は、ＰＢＳ２１５０から出力された光を変調して、反射させてＰＢＳ２１５０へ出力する。これにより、ＰＢＳ２１５０および反射部２１４０からの各光がハーフミラー２１３０において合波され、合波された各光の位相差に応じた比率の各光がそれぞれサーキュレータ２１２０および第二出力部２１１３へ出力される。サーキュレータ２１２０へ出力された光は第一出力部２１１２へ出力される。
【０１１１】
第一出力部２１１２は、サーキュレータ２１２０から出力された光を通過させて出力する。第二出力部２１１３は、ハーフミラー２１３０から出力された光を通過させて出力する。図２１に示した光変調器２１００は、たとえば図２に示した光変調装置２００に適用することができる。この場合は、第一出力部２１１２は、第一ＰＤ２３１へ光を出力する。また、第二出力部２１１３は、第二ＰＤ２３２へ光を出力する。
【０１１２】
このように、光に含まれるＳ偏光およびＰ偏光をＰＢＳ２１５０により分離し、それぞれ専用の液晶位相変調素子（液晶部２１６０，２１７０）で変調する。そして、Ｓ偏光およびＰ偏光が合波される。これにより、偏光に依存しない変調が可能となるため、入力部２１１１への入力光の偏光状態に依存しない偏光無依存型の構成とすることができる。また、光変調器２１００の前段において光の偏光分離を行う必要がないため、光を効率よく利用することができる。
【０１１３】
また、液晶部２１６０および液晶部２１７０に対してそれぞれ周波数の異なるディザ信号を印加することで、Ｓ偏光およびＰ偏光に対して個別に位相ずれを検出して位相量制御を行うことも可能である。また、Ｓ偏光およびＰ偏光を独立に位相量制御が可能となるため、特に偏波多重のような偏光を用いるモジュールにおいて有用である。
【０１１４】
なお、図には明示していないが、図２１に示した構成でハーフミラーを２つの１×２カプラとループミラーとで置き換えた光ファイバまたは導波路型として構成することもできる。特に光ファイバで構成する場合は、光ファイバにＰＢＳと偏光方向をあわせたＰＭＦ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ  Ｆｉｂｅｒ：偏波保持ファイバ）を用いることが望ましい。
【０１１５】
図２２は、図２１に示した光変調器の変形例を示す斜視図である。図２２において、図２１に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図２２に示すように実施の形態にかかる光変調器２１００は、分光器構成としてもよい。
【０１１６】
具体的には、光変調器２１００は、図２１に示した構成において、液晶部２１６０および液晶部２１７０に代えてコリメートレンズ２２１０、分光器２２２０、レンズ２２３０、液晶部２２６０および液晶部２２７０を備えている。コリメートレンズ２２１０は、ハーフミラー２１３０から出射された光をコリメートして分光器２２２０へ出射する。また、コリメートレンズ２２１０は、分光器２２２０から出射された光を集光してハーフミラー２１３０へ出射する。
【０１１７】
分光器２２２０は、コリメートレンズ２２１０から出射された光を波長毎に分光し、分光した各光をレンズ２２３０へ出射する。また、分光器２２２０は、レンズ２２３０から出射された波長毎の各光を合波してコリメートレンズ２２１０へ出射する。レンズ２２３０は、分光器２２２０から出射された波長毎の各光を集光してＰＢＳ２１５０へ出射する。また、レンズ２２３０は、ＰＢＳ２１５０から出射された波長毎の各光をコリメートして分光器２２２０へ出射する。
【０１１８】
ＰＢＳ２１５０は、レンズ２２３０から出力された波長毎の各光に含まれるＰ偏光の各光を液晶部２２６０へ出射する。また、ＰＢＳ２１５０は、レンズ２２３０から出力された波長毎の各光に含まれるＳ偏光の各光を液晶部２２７０へ出射する。
【０１１９】
液晶部２２６０は、図２１に示した液晶部２１６０と同様の構成である。液晶部２２６０は、第一液晶セル２２６２および第二液晶セル２２６１からなる。ただし、液晶部２２６０には、ＰＢＳ２１５０から出射される波長毎の各光に対応する複数の反射電極部２２６３がパターニングされている。反射電極部２２６３は、波長毎の各光を反射させるとともに、印加される変調信号に応じて各光を個別に変調する。液晶部２２６０は、ＰＢＳ２１５０から出射された波長毎の各光を反射させてＰＢＳ２１５０へ出射する。
【０１２０】
液晶部２２７０は、図２１に示した液晶部２１７０と同様の構成である。液晶部２２７０は、第一液晶セル２２７２および第二液晶セル２２７１からなる。ただし、液晶部２２７０には、ＰＢＳ２１５０から出射される波長毎の各光に対応する複数の反射電極部２２７３がパターニングされている。反射電極部２２７３は、波長毎の各光を反射させるとともに、印加される変調信号に応じて各光を個別に変調する。液晶部２２７０は、ＰＢＳ２１５０から出射された波長毎の各光を反射させてＰＢＳ２１５０へ出射する。
【０１２１】
このように、偏光無依存型構成のマイケルソン型干渉計中に分光器２２２０を挿入した構成とすることで、波長毎に多画素化したＬＣＯＳ画素を割り当てることで波長毎の位相制御が可能となる。また、ディザ信号を載せる透過型液晶素子も多画素化することで、波長毎に異なる周波数のディザ信号を印加することも可能であり、特に波長多重化した光学システムおよび通信システムに適合する。ここで、分光部分の構成については、コリメートレンズ２２１０およびレンズ２２３０の実効的な焦点距離と分光器２２２０の平均位置（光軸上の位置）および液晶部２２６０および液晶部２２７０の反射ミラーの光路長位置とは等しくなるように構成した４ｆのテレセントリック光学系にて構成することが望ましい。
【０１２２】
なお、反射電極部２２６３および反射電極部２２７３への集光の調整は、レンズ２２３０や、レンズ２２３０から反射電極部２２６３および反射電極部２２７３までの光路長の調整により行う。また、液晶部２２６０の第二液晶セル２２６１と、液晶部２２７０の第二液晶セル２２７１と、の透明電極もパターニングして、波長毎に異なる周波数でディザ用微小変調をかける構成とすることもできる。
【０１２３】
図２３は、図１に示した光変調器の変形例１０を示す平面図である。図２３に示すように、実施の形態にかかる光変調器２３００は、位相変調素子を多重反射素子として用いるＧＴ（Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ）干渉計としてもよい。具体的には、光変調器２３００は、入力部２３１１と、第一出力部２３１２と、サーキュレータ２３２０と、コリメータ２３３０と、ハーフミラー２３４０と、液晶部２３５０と、を備えていてもよい。
【０１２４】
入力部２３１１には光変調器２３００への入力光が入力される。入力部２３１１は、入力光をサーキュレータ２３２０へ出力する。サーキュレータ２３２０は、入力部２３１１から出力された光をコリメータ２３３０へ出射する。また、サーキュレータ２３２０は、コリメータ２３３０により集光された光を第一出力部２３１２へ出射する。
【０１２５】
コリメータ２３３０は、サーキュレータ２３２０から出力された光をコリメートしてハーフミラー２３４０へ出射する。また、コリメータ２３３０は、ハーフミラー２３４０から出射された光を集光してサーキュレータ２３２０へ出力する。
【０１２６】
ハーフミラー２３４０は、コリメータ２３３０から出射された一部の光を反射し、同時に他の残りの光を液晶部２３５０へ出射する。また、ハーフミラー２３４０は、液晶部２３５０から出射された光の一部を反射させて液晶部２３５０へ出射するとともに、液晶部２３５０から出射された光の残りをコリメータ２３３０へ出射する。
【０１２７】
液晶部２３５０は、図１６，図１７に示した液晶部１６８０と同様の構成である。液晶部２３５０は、第一液晶セル２３５２および第二液晶セル２３５１を備えている。液晶部２３５０は、ハーフミラー２３４０から出射された光を反射させてハーフミラー２３４０へ出射する。これにより、符号２３６０に示すように、ハーフミラー２３４０と液晶部２３５０との間で光が多重反射する。
【０１２８】
また、液晶部２３５０からハーフミラー２３４０への反射光と、ハーフミラー２３４０からコリメータ２３３０へ反射する光と、は干渉してコリメータ２３３０へ出射される。このように、液晶部２３５０（位相変調素子）を多重反射素子として用いることで、図１１に示した構成と同様に、ファブリペロー型の光干渉計と同様に鋭い共振特性を得ることが可能となる。また、図２３に示した構成によれば、部品点数が少なく簡易な構成とすることができる。また、図２３に示した構成によれば、光路が分岐せず一つであるため、精度の高い光軸合わせが可能になる。
【０１２９】
以上説明したように、実施の形態にかかる各光変調器によれば、厚い第一液晶セルによって十分な位相量の位相変調を行うとともに、高速に応答する薄い第二液晶セルによって微小位相変調を行うことができる。このため、安定した位相変調を行うことが可能になる。また、位相変調および微小位相変調を一つのモジュールにおいて行うことができるため、空間光学系や導波路光学系を複雑にしなくても安定した位相変調を行うことができる。
【０１３０】
第一液晶セルおよび第二液晶セルを互いに積層して一体的に形成することで、第一液晶セルおよび第二液晶セルを一連の工程によって積層形成できるため、製造工程を削減することができる。また、たとえば第一液晶セルおよび第二液晶セルをそれぞれ別の部品として構成する場合と比べて、第一液晶セルおよび第二液晶セルを一体の部品とすることで挿入損失を低減することができる。
【０１３１】
また、第一液晶セルおよび第二液晶セルによって位相変調を行うことによって装置の消費電力を低減することができる。特に、第一液晶セルおよび第二液晶セルにネマティック液晶を用いることで、５Ｖ以下での低電圧駆動が可能になるため装置の消費電力を低減することができる。また、光学異方性が大きな液晶層は数十μｍ以下と薄く形成できるため、第一液晶セルおよび第二液晶セルの液晶層における損失は小さい。
【０１３２】
また、第一液晶セルおよび第二液晶セルの液晶層をガラスなどの基板で保持することで、空間光学系型の光干渉計の光路上にも第一液晶セルおよび第二液晶セルを容易に挿入することができる。また、導波路型の光干渉計に対しても、導波路上に第一液晶セルおよび第二液晶セルを挿入することで挿入損失を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
以上のように、この発明にかかる位相変調器および光変調装置は、光の変調を行う位相変調器および光変調装置に有用であり、特に、光通信システムにおける位相変調器および光変調装置に適している。
【符号の説明】
【０１３４】
１００，１０００，１１００，１２００，１３００，１６００，２０００，２１００，２３００  光変調器
１１０，１６１０，２０１１，２１１１，２３１１  入力部
１２０  分岐部
１３１，１６４１  第一導波路
１３２，１６４２  第二導波路
１４０  干渉部
１５１，１６５１，２０１２，２１１２，２３１２  第一出力部
１５２，１６５２，２０１３，２１１３  第二出力部
１６１，１６８２，２０６２，２１６２，２１７２，２２６２，２２７２，２３５２  第一液晶セル
１６２，１６８１，２０６１，２１６１，２１７１，２２６１，２２７１，２３５１  第二液晶セル
２００  光変調装置
２１０  基準信号生成部
２２０  位相変調信号生成部
２３１  第一ＰＤ
２３２  第二ＰＤ
２４０  増幅器
２５０  ピーク検出器
２６０  ロックインアンプ
３１１〜３１３  応答特性
３２０  基準信号
３３１〜３３３  誤差信号
４１０  出力波形
６００，７００  ネマティック液晶
６０１，７０１  進行方向
６０２，７０２，２１８１〜２１８３  偏光方向
６１１，７１１，８１１，１８１３  第一基板
６１２，７１２，８１２，１８１４  第二基板
６２０，７２０  液晶分子群
８００，１８００  ２層液晶セルモジュール
８１３  中間基板
８２１，１８４１  第一液晶層
８２２，１８４２  第二液晶層
８３１〜８３４，１８５１〜１８５４  配向膜
９１０，１９１０  電極接続面
１００１，１１０１，１２０１，１３０１  入力光
１００２，１００３，１１０２，１１０３，１２０２，１３０２  出力光
１０１０，１１１０  スプリッタ
１０２０，１０３０，１３２０，１３３０  ミラー
１０４０，１１２０  コンバイナ
１２１０，１３１０  方向性結合器
１２２０  リング導波路
１６２０，２０２０，２１２０，２３２０  サーキュレータ
１６３０，１７１０  光カプラ
１６４３，１６４４，２２３０  レンズ
１６７０，２０５０，２１４０  反射部
１６８０，２０６０，２１６０，２１７０，２２６０，２２７０，２３５０  液晶部
１７２０  ループミラー
１８１１  シリコン基板
１８１２  ＬＣＯＳガラス基板
１８２１  ＣＭＯＳ層
１８３１  反射層
２０３０  第一コリメータレンズ
２０４０，２１３０，２３４０  ハーフミラー
２０７０  第二コリメータレンズ
２１５０  ＰＢＳ
２１６３，２１６４，２１７３，２１７４  分子方向
２２１０  コリメートレンズ
２２２０  分光器
２２６３，２２７３  反射電極部
２３３０  コリメータ
ｄ１，ｄ２  セル厚
【図１】
0005551475.tif 000006
【図２】
0005551475.tif 000007
【図３】
0005551475.tif 000008
【図４】
0005551475.tif 000009
【図５】
0005551475.tif 000010
【図６】
0005551475.tif 000011
【図７】
0005551475.tif 000012
【図８】
0005551475.tif 000013
【図９】
0005551475.tif 000014
【図１０】
0005551475.tif 000015
【図１１】
0005551475.tif 000016
【図１２】
0005551475.tif 000017
【図１３】
0005551475.tif 000018
【図１４】
0005551475.tif 000019
【図１５】
0005551475.tif 000020
【図１６】
0005551475.tif 000021
【図１７】
0005551475.tif 000022
【図１８】
0005551475.tif 000023
【図１９】
0005551475.tif 000024
【図２０】
0005551475.tif 000025
【図２１】
0005551475.tif 000026
【図２２】
0005551475.tif 000027
【図２３】
0005551475.tif 000028