(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光を２分岐する分岐部と、前記分岐部によって分岐された各々の光を強度変調する２つの変調部と、前記２つの変調部を経由して出力される２つの変調光を合波して１つの強度変調光として出力する合波部と、を備える光変調器であって、
前記２つの変調部は、前記変調部の各々から出力される２つの変調光が互いに異なるチャープパラメータを有するように前記強度変調を行い、かつ、前記２つの変調光の間の位相差を調節することにより、前記合波部から出力される出力光を光検出器で電気信号に変換した当該電気信号に含まれる相互変調歪を抑圧することを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記位相差を調整する手段として前記分岐部から前記合波部に至る２つの光路上の少なくとも一方に位相調整部を備えることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記２つの変調部は、前記２つの変調光が有するチャープパラメータが互いに同じ大きさで符号が逆となるように前記強度変調を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光変調器。
【請求項４】
前記変調部は、２つの位相変調部を有するマッハツェンダー型の構成を有し、前記２つの位相変調部における互いの位相変調指数を異ならせて前記強度変調を行うことにより、当該変調部が出力する変調光がチャープパラメータを有するようにすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光変調器。
【請求項５】
前記分岐部の分岐比および前記合波部の合波比は、いずれも１：１であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光変調器。
【請求項６】
前記２つの位相変調部に対し、位相変調用の電力を互いに異なる強度で供給する電力分配器を備えることを特徴とする請求項４に記載の光変調器。
【請求項７】
前記分岐部、前記２つの変調部、および前記合波部は、電気光学結晶基板に形成された光導波路と、前記光導波路に電界を印加するための導体薄膜による電極と、を備えて構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大容量の情報や無線信号を光ファイバ伝送する際に光を電気信号によって強度変調する光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、放送用電波に対する不感地帯の解消、マンションやオフィス内への無線信号配信を目的として、光変調器を用いて無線信号で光を直接変調し、変調光を光ファイバで遠方に伝送した後、無線信号に戻して無線信号を配信する光ファイバ無線システムと呼ばれるシステムが注目されている。このような光ファイバ無線システムや大容量光ファイバ通信システム等に用いられる光変調器には、高速動作が要求されるので、主として電気光学光変調器が用いられ、一部には電界吸収型変調器が用いられる。ところが、これらの光変調器は、いずれも変調動作が非線形であり、光の強度変調を行う際に３次の相互変調歪が発生し、伝送特性が劣化する。この３次の相互変調歪は、変調度の３乗に比例して増加するので、多くの場合、非常に低い変調度で光変調器を動作させることによってこの非線形歪の影響を小さくしているのが現状である。このような使用法は、ダイナミックレンジを大きく犠牲にするものである。
【０００３】
非線形歪の補償はシステム性能向上の課題の一つであり、非線形歪みを積極的に補償する手法が種々提案されている。通常の増幅器でもよく利用されるプレディストーション法は歪補償のために電気回路を援用するのでミリ波帯などの高周波域での適用は困難であり、高速変調のためには、光学的に３次の相互変調歪を相殺する手法が考えられる。高速動作に適した構造を有する光変調器として、２つに分岐した光を、２つの変調部によって変調し、その後互いに合波して伝送用の変調光とする光変調器がある。このような光変調器において、２つの変調部からの変調光を合波した光を光検出器で検波したときに、３次の相互変調歪がキャンセルされているように、２つの変調部へ入力される無変調光の各々の強度、変調度、およびバイアス電圧を調整して３次の相互変調歪を補償するものが知られている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。
【０００４】
上述の非特許文献１，２の光変調器は、電気光学光変調器によって２つの変調部を構成している。また、電気光学光変調器に代えて電界吸収型光変調器による２つの変調部を用いる同様の光変調器が知られている（例えば、特許文献１参照）。これらの光変調器は、入力光を異なる強度の２つの光波に分けて、それぞれに異なった変調度で光強度変調を行い、さらに、位相を反転させて合波する。その合波の際に、３次の相互変調歪の強度が一致するように、弱い強度の光波には強い変調をし、強い強度の光波には弱い変調をして３次の相互変調歪をキャンセルさせる。この原理に基づく歪補償方法は、光の分岐、変調、合波によって光学的に３次の相互変調歪を相殺するものであり、変調信号の周波数には大きく依存しないので、プレディストーション法に比べて高速動作に有利である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】エス・ケイ・コロトキ（S.K.Korotky）、アール・エム・リダ（R.M.Ridder）著  「デュアル  パラレル  モデュレーション  スキームズ  フォー  ロー−ディストーション  アナログ  オプティカル  トランスミッション（Dual Parallel Modulation Schemes for Low-Distortion Analog Optical Transmission）」、アイ・トリプル・イー  ジャーナル  オブ  セレクティッド  エリアズ  イン  コミュニケーション（IEEE Journal of Selected Areas in Communication）、Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．７，ｐｐ．１３７７−１３８０，（１９９０）
【非特許文献２】ジェイ・エル・ブルックス（J.L.Brooks）他著  「インプリメンテーション  アンド  エバルエイション  オブ  ア  デュアル  パラレル  リニアライゼーション  システム  フォー  エイ・エム−エス・シー・エム  ビデオ  トランスミッション（Implementation and Evaluation of a Dual Parallel Linearization System for AM-SCM Video Transmission）」、ジャーナル  オブ  ライトウエイブ  テクノロジ（Journal of Lightwave Technology）、Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．１，ｐｐ．３４−４１，（１９９３）
【非特許文献３】榎原晃他著「電気光学変調器での波長チャープの時間変化の解析と微小チャープ量の評価方法の検討」電子情報通信学会技術研究報告、Ｖｏｌ．１１４，Ｎｏ．１４，ＭＷＰ２０１４−２，ｐｐ．７−１２，２０１４年４月
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１７２９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した非特許文献１，２や特許文献１における従来の光変調器においては、変調効率が大きく劣化するという課題がある。大きな変調度で光変調を行う方の変調器には大きな電力の変調信号が必要であるが、その信号はすべて、もう一方の弱い変調を行う変調器で生成された３次の相互変調歪を相殺するためだけに使用される。さらに、本来の基本成分の相当量が同時にキャンセルされてしまうので、最終的な変調度は、弱い変調をする方の光変調部の変調度よりもさらに小さくなって変調効率が大幅に劣化してしまう。
【０００８】
また、２つ目の課題は、非等分配の光分岐構造が必要なことである。実用されている光変調器は、通常、光導波路を用いて光の導波を行い、分岐した光導波路を用いて光の分岐を行っている。等分配の光分岐構造を有する光導波路は対称構造で作製すればよいので簡単に作製でき、広く利用されている。しかしながら、非等分配の光分岐構造の実現は困難である。なぜならば、ある特定の分岐比（分配比）を得るには光の波長以下の非常に高い寸法精度で分岐導波路構造を設計し、作り上げる必要がある。ところが、電気光学光変調器などの光導波路は、金属の熱拡散等で形成される屈折率分布を利用して形成されるので、高精度に屈折率分布を制御して所定の分岐比を有する光導波路の分岐構造を形成することは困難である。
【０００９】
光を非等分配で分岐する他の方法として、上述の光導波路の光分岐構造に依らずに、電気光学結晶上に光導波路によるカップラ（方向性結合器）を構成し、電極等でカップラに電界を与えて分配比を調節可能とするものがある。しかしながら、このようなカップラは、サイズも大きく設計も簡単ではない。また、分配比が光の波長に依存するという問題もある。なお、非特許文献３は、マッハツェンダー型の光強度変調器を動作させる際に発生する波長チャープとチャープパラメータに関する文献である。
【００１０】
本発明は、上記課題を解消するものであって、製造容易であって、変調効率を大きく低下させることなく相互変調歪を抑圧できる、光変調器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】
【００１１】
上記課題を達成するために、本発明の光変調器は、入力光を２分岐する分岐部と、分岐部によって分岐された各々の光を強度変調する２つの変調部と、２つの変調部を経由して出力される２つの変調光を合波して１つの強度変調光として出力する合波部と、を備える光変調器であって、２つの変調部は、変調部の各々から出力される２つの変調光が互いに異なるチャープパラメータを有するように前記強度変調を行い、かつ、前記２つの変調光の間の位相差を調節することにより、合波部から出力される出力光を光検出器で電気信号に変換した当該電気信号に含まれる相互変調歪を抑圧することを特徴とする。
【００１２】
この光変調器において、２つの変調光の間の位相差を調整する手段として分岐部から合波部に至る２つの光路上の少なくとも一方に位相調整部を備えてもよい。
【００１３】
この光変調器において、２つの変調部は、２つの変調光が有するチャープパラメータが互いに同じ大きさで符号が逆となるように強度変調を行ってもよい。
【００１４】
この光変調器において、変調部は、２つの位相変調部を有するマッハツェンダー型の構成を有し、２つの位相変調部における互いの位相変調指数を異ならせて強度変調を行うことにより、当該変調部が出力する変調光がチャープパラメータを有するようにするものであってもよい。
【００１５】
この光変調器において、分岐部の分岐比および合波部の合波比は、いずれも１：１であってもよい。
【００１６】
この光変調器において、２つの位相変調部に対し、位相変調用の電力を互いに異なる強度で供給する電力分配器を備えてもよい。
【００１７】
この光変調器において、分岐部、２つの変調部、および合波部は、電気光学結晶基板に形成された光導波路と、光導波路に電界を印加するための導体薄膜による電極と、を備えて構成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の光変調器によれば、２つの変調部が、互いに異なるチャープパラメータを有し、かつ、相互変調歪が抑圧されるように互いの位相差を調節した２つの変調光を出力するので、その２つの変調光を合波して１つの強度変調光とすることにより、変調効率を大きく低下させることなく相互変調歪を抑圧できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光変調器の模式的構成図。
【図２】光変調における一般的な３次の相互変調歪の発生について説明する模式図。
【図３】（ａ）は図２の光変調器で強度変調された変調光の光スペクトルの図、（ｂ）はスペクトル成分の次数の一般的な説明図。
【図４】図３（ａ）に示した各ミキシング対の位相差Δθの、チャープパラメータαに対する、依存性を示す図。
【図５】第２の実施形態に係る光変調器の模式的構成図。
【図６】チャープパラメータの差Δαを１とし、合波前の変調光間の位相差Δφに対する、合波後の変調光に含まれる基本波成分と３次の相互変調歪の各強度の依存性を示す図。
【図７】図６におけるチャープパラメータの差Δαを０とした比較例を示す図。
【図８】基本成分の強度と３次の相互変調歪の強度とを含む各種強度の変調指数に対する依存性を示す図。
【図９】第３の実施形態に係る光変調器の模式的構成図。
【図１０】第４の実施形態に係る光変調器の模式的構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（第１の実施形態）
以下、本発明の一実施形態に係る光変調器について、図面を参照して説明する。図１は
、第１の実施形態に係る光変調器１００を示す。光変調器１００は、入力光１を２分岐する分岐部３と、分岐部３によって分岐された各々の光を強度変調する２つの変調部４，５と、２つの変調部４，５から出力される２つの変調光を合波して１つの強度変調光（出力光８という）として出力する合波部７と、を備えている。光変調器１００は、光導波路２を備えており、光導波路２によって、入力光１、分岐部３によって分岐された各々の光、および合波後の出力光８を導波する。また、光変調器１００は、一方の変調部４の後段であって合波部７の前段の光路上に、変調部４，５が出力する２つの変調光の間の位相差を調整する位相調整部６を備えている。なお、変調部４，５は、相互変調歪などを発生させる非線形特性を有することが想定されている。
【００２１】
入力光１は、光導波路２に入射し、分岐部３で２分岐され、それぞれの変調部４，５において同じ変調信号９によって強度変調される。強度変調された２つの変調光は、そのどちらか一方の光（本例では変調部４側の光）が位相調整部６を通過し、その通過の際に、両変調光の間の位相差が調節される。これらの２分岐され、強度変調と位相調整とを受けた２つの変調光は、合波部７で合波干渉し、１つの出力光８となって出力される。すなわち、光変調器１００は、入力光１を変調信号９によって変調した出力光８として出力する光変調器である。
【００２２】
この光変調器１００において、変調部４，５と位相調整部６は、変調部４，５の各々から出力される２つの変調光が互いに異なるチャープパラメータを有し、かつ、合波部７から出力される出力光を光検出器で電気信号に変換した際に電気信号に含まれる相互変調歪が抑圧されているように、２つの変調光の間の位相差を調節して強度変調を行う。光変調器１００は、このように変調し位相調整した２つの強度変調光を合波して１つの出力光８とすることにより、変調効率を大きく低下させることなく相互変調歪を抑圧した変調光を出力することができる。位相調整部６は、２つの変調光の間の位相差を調整する手段であり、分岐部３から合波部７に至る２つの光路上の少なくとも一方に備えればよい。
【００２３】
（相互変調歪の説明）
図２は、角周波数ω１とω２の２つの波からなる２周波信号（ツートーン信号）で光を強度変調する場合の光スペクトルおよび電気信号のスペクトルの様子を模式的に示している。光変調器３４は、上述の変調部４または変調部５に対応するものであり、非線形特性を有するものとする。光源３１から出射された無変調の光波（搬送波３２、角周波数ωｃ）は、光変調器３４に入射し、２周波信号からなる変調信号３３（角周波数はω１とω２）によって強度変調される。
【００２４】
強度変調で得られた変調光３５を光検出器３９で検波して電気信号４０に変換すると、その電気信号スペクトルには変調信号３３と同じ周波数の成分である基本波成分４２（角周波数は変調信号と同じω１とω２）が現れる。さらに、その基本波成分４２のすぐ両側に、角周波数が２ω１−ω２と２ω２−ω１である３次の相互変調歪（の成分）４１が光スペクトルの成分間のミキシングの結果として現れる。なお、本願において、記載簡略化のため、搬送波３２や変調信号３３などと、これらの波や信号に対応してスペクトル中に現れる搬送波３２の成分や変調信号３３の成分などとを、単に搬送波３２や変調信号３３などのように同一呼称で引用することを適宜行っている（他の波や信号、歪成分についても同様）。
【００２５】
図３（ａ）は、変調光３５の光スペクトルの詳細を示す。変調光３５の光スペクトルは、光変調器３４が非線形特性を有することにより、搬送波３２（角周波数はωｃ）と、基本波成分３６（線形変調に基づいて現れる成分）と、非線形特性によって現れる歪成分（搬送波と基本波成分以外のすべての成分）とを含む。図３（ａ）は、２次側波帯までの周波数範囲において、３次までの歪成分を表示している。各スペクトル成分の上に記載した式は、各スペクトル成分と搬送波３２の成分との角周波数差、すなわち搬送波３２の角周波数に対する各スペクトル成分の角周波数の増分（差が負なら減分）を表している。
【００２６】
光変調器３４に非線形特性が存在することにより、２つの角周波数（ω１，ω２）のそれぞれに任意の整数（ｎ１，ｎ２）をかけて足した角周波数（ｎ１ω１+ｎ２ω２）だけ搬送波３２から離れた位置に、歪成分となるスペクトル成分が生成される。整数の組み合わせは無限に存在し、歪成分も無限に存在する。歪成分は、図３（ｂ）に示すように、次数（｜ｎ１｜+｜ｎ２｜）によって分類される。ただし、次数が１の成分は線形変調動作に基づいて生じる基本波成分３６で、次数が２以上の成分が非線形動作で生じる歪成分である。次数が大きくなるとスペクトル強度は急激に小さくなるので、図３（ａ）（ｂ）では、３次までの歪成分、すなわち２次の歪成分３７と３次の歪成分３８を示した。
【００２７】
この変調光３５を光検出器３９で検波して得た電気信号４０のスペクトルは、図３（ａ）に示した変調光３５の光スペクトルの成分間のミキシングにより生成された電気信号の成分を含む。その電気信号の成分の周波数は、対応する光スペクトルの成分間の周波数差となる。その結果、図２に示したように、変調信号３３と同じ周波数の成分である基本波成分４２の近傍に現れる歪成分として、基本波成分４２のすぐ両側に３次の相互変調歪４１が生じる。基本波成分４２の角周波数は、変調信号３３と同じω１とω２であり、図３（ａ）の光スペクトルにおける搬送波３２と基本波成分３６のミキシングにより生成される。
【００２８】
また、電気信号４０のスペクトルにおける相互変調歪４１の２つの歪成分は、それぞれの角周波数が、２ω１−ω２（ｎ１＝２、ｎ２＝−１）と２ω２−ω１（ｎ１＝−１，ｎ２＝２）であり、次数の低い（強度の大きい）３次の歪成分である。これらの２つの歪成分のうち、例えば、角周波数が２ω１−ω２の相互変調歪４１を発生させる光スペクトル成分間のミキシングの組み合わせは、図３（ａ）に示すミキシング対４３，４４，４５、および、これらに対して搬送波３２を中心に対称な位置関係にあるミキシング対４３’，４４’，４５’である。角周波数が２ω１−ω２の相互変調歪４１は、これらのミキシング対４３等のミキシングにより生成される高周波電気信号の足し合わせとなる。
【００２９】
ところで、光変調器が実用される場合、変調信号は、通常は２周波信号ではなく、ある周波数帯域幅を持って広がった高周波信号である。したがって、上で述べた３次の相互変調歪を発生させる基となる２周波信号の２つの周波数の組み合わせが変調信号の周波数帯域内で無限に存在する。この場合、光検出器３９で変換された電気信号４０は、周波数空間において、基本波成分の周波数帯域と同一帯域中に３次の相互変調歪が重ね合わされたものになる。そのため、光検出器３９で電気信号４０に変換した後に、３次の相互変調歪だけを取り除くことは不可能である。
【００３０】
（波長チャープの説明）
波長チャープは、光波の周波数（波長）が光強度変化に応じて変動する現象である。通常の光ファイバ通信において、光波の波長が異なると、光ファイバが有する波長分散特性によって、光ファイバ内の伝搬速度（厳密には伝搬波の群速度）に差が生じ、到達時間に差が生じる。したがって、もし、光信号の光波が波長チャープを有すると、光信号を形成する一連の波形内の各部の到達時間が異なることとなり、受光する際の波形が乱れてしまうので、信号伝送に支障を来す。そのため、一般的な光変調器では波長チャープは小さい方が良いとされている。この波長チャープの程度を示す指標としてチャープパラメータαがある。チャープパラメータαは、光波の位相の時間変化と振幅の時間変化の比で定義され、振幅変調すなわち強度変調された光の位相φ、振幅Ｅを用いて、下式（１）で表される。
【００３１】
α＝（ｄφ／ｄｔ）／｛（１／Ｅ）（ｄＥ／ｄｔ）｝      ・・・（１）
【００３２】
位相の時間変化が周波数に対応するので、上式（１）で表されるαは、振幅変調に伴う周波数の変化を定量的に表す指標となることがわかる。チャープパラメータαの符号は、振幅の時間変化と周波数の時間変化の方向が同じ場合がプラス（＋）、逆がマイナス（−）である。チャープパラメータαの量（大きさと符号）は、変調部４，５の構造や動作条件を適切な構成とすることにより、所望の量とすることができる。なお、変調光がチャープパラメータαを有するとは、変調光が波長チャープを有し、その波長チャープのチャープパラメータがαである、ということであり、チャープパラメータがαの波長チャープを変調光が有する、ということである。
【００３３】
（相互変調歪抑圧の原理）
本実施形態は、光強度変調の際に生じる光波の波長変動である波長チャープを相互変調歪の抑圧に積極的に用いるものである。本願発明者は、図３（ａ）（ｂ）に示した変調光の光スペクトルにおける各光スペクトル成分の位相関係が、変調光３５が有するチャープパラメータαに依存して変化すること、および、その変化の挙動が基本波成分と歪成分とでは異なること、を発見した。また、その変化の方向が、チャープパラメータαの符号によって逆転することも見出した。
【００３４】
このことについて説明する。図４は、図２に示した角周波数２ω１−ω２の相互変調歪（成分）４１を生成する変調光の光スペクトル成分間のミキシング対４３，４４，４５（図３（ａ）参照）について、ミキシング対を成す光スペクトル成分間の位相差Δθとチャープパラメータαとの関係を表したものである。ここでは、強度変調の変調指数Ａは０．１πとし、α＝０の時のΔθを基準にして描いている。位相差Δθは、ミキシングされて生成される３次相互変調歪である角周波数２ω１−ω２の電気信号の位相と関連づけられる。
【００３５】
この図４から次のことがわかる。上述のように、３次の相互変調歪４１は、ミキシング対４３等のミキシングにより生成される高周波電気信号の足し合わせからなる。言い換えると、３次の相互変調歪４１は、光検出器３９による検波の際に、異なる位相を持つ複数の電気信号から合成されたものである。図４から、互いに合成されるこれら電気信号の位相関係はチャープパラメータαによって変化することがわかり、さらに、その位相関係はチャープパラメータαの符号によって逆転することもわかる。
【００３６】
このようなチャープパラメータαとΔθの関係をさらに詳細に検討した結果、異なるチャープパラメータαを有する２つの強度変調光を混ぜ合わせて１つの強度変調光とした光を光検出器で電気信号に変換する場合に、２つの変調光の間の位相差を適切に設定して混ぜ合わせ（合波）すれば、前記位相関係により３次高調波歪成分だけを相殺させることが可能であることを見いだした。この効果は、２つの強度変調光のチャープパラメータαを同じ大きさで符号を逆に設定すればより顕著に表れる。また、同様の原理で、より高次の相互変調歪も相殺することが可能である。
【００３７】
図１の光変調器１００は、この新たな発見に基づくものであり、変調部４，５は、出力される２つの変調光が互いに異なるチャープパラメータαを有するように強度変調し、変調部４，５と位相調整部６は、相互変調歪が互いに相殺して抑圧されるように、２つの変調光の間の位相差を調整する。位相差の調整の結果、合波部７で合波された出力光８は、これを光検出器で検波し、電気信号に変換すると、位相差の調整をしていない場合の電気信号に含まれる相互変調歪の成分のみが互いに相殺され、かつ、基本波成分が大きく相殺されることなく残されることになる。
【００３８】
ここで、変調部４，５から出力される強度変調光の有するチャープパラメータαの差をΔαとすると、Δαがわずかであっても歪補償効果（変換後の電気信号において基本波成分よりも相互変調歪の方をより大きく減衰させる効果、相互変調歪を抑圧する効果）がある。例えば、Δαを０．５以上にとれば、変調指数Ａ＝０．１πのもとで、基本波成分に対する３次の相互変調歪の比率が２０ｄＢ以上改善する良好な歪補償効果が確認されている。また、２つの変調光が有するチャープパラメータαは、互いに同じ大きさで符号が逆となるようにするのが好ましい。
【００３９】
図１に示した光変調器１００において、位相調整部６の機能を変調部４，５のいずれか一方、または両方に備える構成としてもよい。また、相互変調歪が互いに相殺して抑圧されるように、変調部４，５が２つの変調光の間の位相差を調整する位相調整の機能を備える場合には、変調部４，５とは別個の位相調整部６を備える必要はない。また、このような位相調整の機能を、変調部４，５と位相調整部６との間で、分散して備える構成としてもよい。
【００４０】
また、合波部７で合波される際の２つの変調光の間の位相差は、分岐部３から合波部７までの間の２本の光路の光学長の差で決まるので、位相調整部６は必ずしも明確に存在する必要はなく、分岐部３から合波部７までの間の光学長の差を何らかの方法で適切に設定して位相差を調節するようにしてもよい。たとえば、分岐部３から合波部７までの間の２本の光導波路の長さに適切な差を設けたり、２本の導波路に温度差を与える温度調節手段を備えて温度差によって実質的な光学長に差を生じさせたりして、位相差を調節するようにしてもよい。これらにより、より簡便な構造で、変調光の位相差を調節して相互変調歪を抑圧することが可能になる。
【００４１】
光変調器１００は、波長チャープの存在と相互変調歪間の位相調節とに基づいて歪補償を行う。したがって、異なる分岐比に基づき光の強度に差を持たせて歪を補償する従来の光変調器とは異なり、光変調器１００における分岐部３での分岐比および合波部７での合波比は、いずれも、意図的に非対称にする必要はなく、１：１でよい。また、位相調整部６による２つの変調光の間の位相差の調節は、出力光８をフォトダイオードなどの光検出器で検出したときに３次の相互変調歪が抑圧されるようにすればよい。出力光８を電気信号に変換して利用する際の変換器は、一般的な光電変換器であればよい。
【００４２】
光変調器１００は、分岐部３、変調部４，５、合波部７、位相調整部６などの各光学素子を、導波路基板上に形成し、各光学素子間を光導波路２で接続した光集積回路の構造とすることができる。また、光変調器１００は、このような構造に限られず、各光学素子をバルク構造の素子（ディスクリート素子）として配置し、空間や透明媒質中を伝搬する光波によって各光学素子を光接続する構成としてもよい。
【００４３】
本実施形態の光変調器１００によれば、２つの変調部４，５が、互いに異なるチャープパラメータαを有し、かつ、相互変調歪が抑圧されるように互いの位相差を調節した２つの変調光を出力するので、その２つの変調光を合波して１つの強度変調光とすることにより、変調効率を大きく低下させることなく相互変調歪を抑圧できる。また、光変調器１００は、相互変調歪を選択的に抑圧できるので、特に、基本波成分の周波数帯域と同一帯域中に存在する３次の相互変調歪を、基本波成分を大きく減衰させることなく、効果的に取り除くことができる。
【００４４】
また、光変調器１００は、対称な分岐部３、対称な合波部７を用いることができるので、光導波路を用いる光変調器とする際に、作製が容易であり、非等分配分岐のような特殊で作製が難しい光回路を使用しないので、生産における歩留まりの向上やコストの削減ができる。また、光変調器１００は、光カップラを用いるものに比べて、小型の構造とすることができ、複数の光変調器の集積などが可能になる。
【００４５】
また、本実施形態の光変調器１００を用いることにより、簡単な構成で、低歪で高効率な光変調が可能になるので、例えば、光ファイバ無線システムなどのアナログ光変調を行う光通信システムにおいて、高速化、大容量化、長距離伝送等に、大きな効果がある。また、光変調器１００によれば、変調光の波形を歪ませて不要スペクトル成分を発生させ波長帯域を増大させる３次の相互変調歪を抑圧できるので、デジタル変調を行う光伝送システムに好適に適用することができる。また、光変調器１００は、変調信号の種類とは関係なく、デジタル変調やアナログ変調に適用することができる。光変調器１００は、３次の相互変調歪の抑圧に限らず、他の相互変調歪や変調歪を抑圧する光変調器としても適用できる。
【００４６】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る光変調器２００を示す。この光変調器２００は、上述の光変調器１００における変調部４，５の各々を、マッハツェンダー型の構成を有する変調部１４，１５としたものである。光変調器２００の入力光１０、光導波路１２、分岐部１３、変調部１４，１５、位相調整部２６、合波部２７、および出力光２９は、上述の光変調器１００の入力光１、光導波路２、分岐部３、変調部４，５、位相調整部６、合波部７、および出力光８に対応する。光変調器２００は、変調部１４，１５の内部における動作を除き、上述の光変調器１００と同様の動作をする。
【００４７】
光変調器２００は、例えば、ニオブ酸リチウム単結晶などの電気光学効果を有する電気光学結晶基板１１の表面に、光導波路１２等の各光学素子を備えて形成される。光導波路１２は、例えば、電気光学結晶基板１１の表面に金属チタンを熱拡散して形成される。この場合、変調部１４，１５の各々は、マッハツェンダー型の電気光学光変調器構造を有するものとなる。
【００４８】
変調部１４は、光導波路１２を２分岐した一方の光導波路をさらに２分岐する分岐部１６、分岐部１６で分岐した２つの光導波路を互いに合波させる合波部２４、分岐部１６で分岐した各光導波路に配置した２つの位相変調部１８，１９、および位相変調部１８の後段に配置した位相バイアス調整部２２を備えている。位相変調部１８，１９には変調信号２８が入力される。変調部１５は、変調部１４と同様の構成を有し、分岐部１７、合波部２５、位相変調部２０，２１、および位相バイアス調整部２３を備えている。位相変調部２０，２１には変調信号２８が入力される。
【００４９】
変調部１４の動作を説明する。変調部１４に入力した光波は分岐部１６によって２分岐され、それぞれ位相変調部１８，１９において変調信号２８によって位相変調される。さらに、位相変調された２つの光波間の位相差バイアス量が、位相バイアス調整部２２によって調整される。これらの光波（位相変調光）は、合波部２４において合波、干渉し、１つの強度変調された変調光となり、変調部１４から出力される。位相バイアス調整部２２は、例えば、合波部２４に入射する２つの位相変調された変調光の位相差バイアス量がπ／２または−π／２になるようにバイアスを設定する。この設定により変調効率が良く、歪の少ない光強度変調が実現できる。変調部１５の動作も、変調部１４の動作と同様であり、変調部１５に入力された光波は変調信号２８による位相変調を経て最終的に強度変調された変調光となって変調部１５から出力される。
【００５０】
（波長チャープの発生）
変調部１４，１５は、上述の光変調器１００における変調部４，５と同様に、強度変調された変調光がそれぞれチャープパラメータαを有するように強度変調する。変調部１４は、マッハツェンダー型の光強度変調器として動作し、その出力光である強度変調光に波長チャープを発生させること、すなわち、波長チャープを生成し、付与することができる。以下では、変調部１４における波長チャープの発生を説明する（波長チャープとチャープパラメータについては、例えば、非特許文献３参照）。
【００５１】
変調部１４の２つの位相変調部１８，１９は、同じ周波数（角周波数ω）かつ互いに逆位相の２つの高周波の変調信号２８によって、位相変調を行う。この位相変調の位相変調指数は、変調信号による光波の位相変化の振幅で表される。位相変調部１８，１９における位相変調によって生じる位相変化量Δφ１，Δφ２は、位相変調部１８，１９の位相変調指数Ａ１，Ａ２と時間ｔとを用いて下式（２）（３）で表される。位相変調指数Ａ１，Ａ２は、変調部１４における強度変調の変調指数Ａ、および位相変調部１８，１９間の位相変調のアンバランス度を表す指標α０を用いて、下式（４）（５）で表される。ここで、Ａ１＋Ａ２＝Ａである。また、位相バイアス調整部２２において位相バイアス量を−π／２に設定すると、変調部１４の出力光の強度Ｉが下式（６）で表される。
【００５２】
Δφ１＝  Ａ１ｃｏｓωｔ      ・・・（２）
Δφ２＝−Ａ２ｃｏｓωｔ      ・・・（３）
Ａ１＝（１＋α０）Ａ／２      ・・・（４）
Ａ２＝（１−α０）Ａ／２      ・・・（５）
Ｉ∝１＋ｓｉｎ（Ａｃｏｓωｔ）≒１＋Ａｃｏｓωｔ    ・・・（６）
【００５３】
上式（６）から、変調部１４によって変調指数Ａの光強度変調が行われることがわかる。式（６）の最右辺は、Ａが十分小さいときの近似式である。このような光強度変調を実現するには、例えば、各位相変調部１８，１９を構成する光導波路上に変調電極を備えて各変調電極に個別の変調信号を印加すればよい。個別の変調信号は、例えば、電力分配器を用いて変調信号２８を分割し、分割した各信号間に１８０°の位相差を与えた信号である。
【００５４】
ここで、位相変調部１８，１９における位相変調が理想的に対称であって互いにバランスが取れている場合、α０＝０，Δφ１＝（Ａ／２）ｃｏｓωｔ＝−Δφ２であり、位相変調部１８，１９の位相変化量は、大きさが等しくて互いに逆符号となる。したがって、合波部２４において、合波前の変調波の位相変化が完全に強度変化に変換されるので、変調部１４からの出力光には位相変化、すなわち波長チャープは発生しない。すなわち、上式（１）においてｄφ／ｄｔ＝０であり、α＝０となる。
【００５５】
また、α０≠０、つまり、位相変調部１８，１９による位相変調がアンバランス（Δφ１≠−Δφ２）となった場合、上式（６）に示される強度Ｉには変化がないが、変調部１４からの出力光そのものには位相変調成分が残る。すなわち、ｄφ／ｄｔ≠０であり、波長チャープが発生する。ここで特に、変調指数Ａが小さく、分岐部１６の分岐比が１：１に近いときは、チャープパラメータαが、位相変調のアンバランス度を表す指標α０に等しくなることが知られている（非特許文献３）。したがって、位相変調部１８，１９の位相変調指数Ａ１，Ａ２のアンバランスを作る（α０≠０にする）と、強度Ｉに影響を与えることなく、チャープパラメータα＝α０を有する波長チャープを、強度変調光に発生させることができる。
【００５６】
位相変調指数Ａ１，Ａ２のアンバランスを作ってα０≠０とするには、例えば、マッハツェンダー型干渉計の２つの光導波路に別々に変調電極を設けた、いわゆる２電極型マッハツェンダー電気光学光変調器の構成を変調部１４に適用し、位相変調部１８，１９の各変調電極に異なる電力の変調信号２８を入力すればよい。この場合、各変調電極に入力する変調信号２８の電力比によってα０を厳密に制御できる利点がある。また、両変調電極の構造を、互いに非対称にして両電極下の電界強度をアンバランスにすることにより、α０を制御することもできる。このような方法により、変調部１４の出力光に波長チャープを発生させることができる。
【００５７】
チャープパラメータαの正負の符号は、例えば、強度変調光の振幅変化の方向と周波数変化の方向が同じ場合が＋、逆が−と定義される。そこで、α０の符号の正負を逆にすれば、例えば｜Δφ１｜＞｜Δφ２｜から｜Δφ１｜＜｜Δφ２｜にすれば、生じるチャープパラメータαの符号も逆になる。また、マッハツェンダー干渉計の対称性に基づき、同じ符号のα０であっても位相バイアス調整部２２で設定する位相差バイアス量の符号を互いに逆に、例えば、＋π／２から−π／２に、または−π／２から＋π／２にすることにより、チャープパラメータαの符号を逆転できる。
【００５８】
また、特殊な場合として、位相変調部１８のみ動作させる場合、つまり、Δφ２＝０とする場合はα０＝１となり、逆にΔφ１＝０とする場合はα０＝−１となる。これらのことは、変調部１５においても同様である。
【００５９】
（３次の相互変調歪発生の説明）
つぎに、３次の相互変調歪について説明する。上式（６）からわかるように、変調指数Ａが十分小さいとき、強度変調光の強度Ｉは、１＋Ａｃｏｓωｔと近似できる。したがって、強度Ｉは、変調信号２８（その時間依存性はｃｏｓωｔで表されている）に対して線形に変化する。すなわち、強度Ｉは、ｃｏｓωｔの一次関数となっており、強度Ｉを得る変調は、近似的に線形な変調となり、歪は発生しない。
【００６０】
しかしながら、変調指数Ａが小さくないときはこの近似は成り立たず、強度Ｉは変調信号２８を変数とするｓｉｎ関数、すなわち、ｓｉｎ（Ａｃｏｓωｔ）の形で変化するので、非線形な変調動作をする。これが、非線形歪の原因である。非線形歪の中でも３次の相互変調歪は、実際の通信システムにおいて非常に大きな問題となる。変調部１４における３次の相互変調歪について述べる。位相変調部１８，１９において、角周波数ω１とω２の２つの波からなる２周波信号（ツートーン信号）による位相変調の動作を考える。この場合、位相変化量Δφ１，Δφ２は、下式（７）（８）で表され、変調部１４の出力光の強度Ｉが下式（９）で表される。
【００６１】
Δφ１＝  （１＋α０）（Ａ／２）（ｃｏｓω１ｔ＋ｃｏｓω２ｔ）  ・・・（７）
Δφ２＝−（１−α０）（Ａ／２）（ｃｏｓω１ｔ＋ｃｏｓω２ｔ）  ・・・（８）
Ｉ∝１＋ｓｉｎ｛Ａ（ｃｏｓω１ｔ＋ｃｏｓω２ｔ）｝             ・・・（９）
【００６２】
この２周波信号による位相変調を経た強度変調光の光スペクトルを模式的に示すと上述の図３（ａ）に示す如くとなる。こここ、図２の光変調器３４は、図５の変調部１４に対応する。
【００６３】
ここで、図６、図７、図８を参照して、光変調器２００の構成を有する変調器について行った計算結果を説明する。それぞれの図の縦軸のスペクトル強度は、適当な条件で規格化された相対値で表している。図６は、チャープパラメータの差Δαを１とし、合波前の変調光間の位相差Δφに対する、合波後の変調光に含まれる基本波成分の強度５１と３次の相互変調歪の強度５２の依存性の一例を示す。変調部１４，１５の各々における変調のアンバランス度の指標α０を＋０．５と−０．５としてΔα＝１とした。また、変調指数Ａ＝０．１πとした。位相差Δφは、位相調整部２６によって与えられる位相差である。基本波成分と３次の相互変調歪の強度５１，５２は、光変調器２００から出力される強度変調光を、光検出器で検出した電気信号に含まれる成分強度である。位相差Δφ＝０．７２πの付近で３次の相互変調歪の強度５２だけが大きく抑圧されていることがわかる。
【００６４】
図７は、比較のために、波長チャープを与えない（α０＝０）場合の例を示す。この場合、光スペクトルにおける基本波成分と３次の相互変調歪の位相は互いに変化しないので、位相差Δφが±πとなるところで、基本波成分の強度５１と３次の相互変調歪の強度５２の両方が抑圧されてしまう。これから、合波前の２つの強度変調光に波長チャープを与えない場合、基本波を残し、相互変調歪のみを抑圧するということができないことがわかる。
【００６５】
図８は、横軸を変調指数Ａとし、縦軸をスペクトル強度として、光検出器で検出した電気信号に含まれる基本波成分の強度６１と３次の相互変調歪の強度６２をプロットしたものである。本例は、Δα＝１の場合についての例である。強度６３は、強度６１と強度６２の差分の強度である。また、比較のために、細い線６４，６５，６６は、変調部１４だけを取り出して動作させたと仮定した場合の強度６１，６２，６３に対応する強度であり、通常のマッハツェンダー型電気光学光変調器の特性を示す。
【００６６】
この図８から、光変調器２００によれば、基本波成分の強度６１に対する３次の相互変調歪の強度６２の差の強度６３が、通常のマッハツェンダー型光変調器の場合の差の強度６６に比べて、変調指数Ａ＜０．５πの領域全体で２０ｄＢ以上改善していることがわかる。特に、Ａ＝０．１πの前後では、数十ｄＢ以上の改善が見られる。
【００６７】
光変調器２００は、図８に示したΔα＝１以外の、Δα≠０となるチャープパラメータαの組み合わせであっても、合波部２７に入射する光波の位相差Δφを、位相調整部２６によって適切に調節することにより、基本波成分の強度６１に対して３次の相互変調歪の強度６２がより大きく抑圧することができ、歪補償効果を発揮することができる。
【００６８】
また、２つの変調部１４，１５からの変調光の一方はチャープパラメータαが０で、もう一方がチャープパラメータを有するように設定されていてもチャープパラメータの差が生じるので、歪補償効果が奏される。
【００６９】
さらに、２つの変調部１４，１５で生じる波長チャープのチャープパラメータαが、互いに同じ大きさで符号が逆となるように条件を設定して強度変調すると、合波部２７で合波した際に波長チャープが相殺されるので、最終的に出力される強度変調光には波長チャープが含まれない。そのため、低歪、かつ波長チャープのない、高品質な光変調が実現できる。このような条件を設定するには、例えば同じ大きさのα０の光強度変調を施すように設計された２つの変調部１４，１５において、位相バイアス調整部２２，２３で設定する位相差バイアス量の符号を互いに逆にする（例えば、＋π／２から−π／２に、または、−π／２から＋π／２にする）ことで、生じるチャープパラメータαの大きさは同じで、符号を簡単に逆にすることかできる。
【００７０】
本実施形態の光変調器２００によれば、マッハツェンダー型の２つの変調部１４，１５が位相変調指数を異ならせて波長チャープを発生させるので、所望のチャープパラメータαを有する波長チャープを容易に発生させることができる。
【００７１】
（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態に係る光変調器３００を示す。光変調器３００は、上述の図５に示した光変調器２００において、２つの位相変調部１８，１９に対し、位相変調用の電力を互いに異なる強度で供給する電力分配器３０を備え、位相変調部２０，２１についても、同様の電力分配器３０を備えるものである。この非等分配の電力分配器３０は、例えば、２つの位相変調部１８，１９における互いの位相変調指数を異ならせて強度変調を行うことにより、変調部１４が出力する変調光がチャープパラメータを有するものとするために用いられる。
【００７２】
光変調器３００が電気光学光変調方式の場合、位相変調部１８，１９を通る２つの光導波路にそれぞれ変調電極を備えて、それぞれの変調電極に、電力分配器３０によって非等分配とした位相変調用の電力を供給すればよい。電力を非等分配とすることにより、位相変調部１８，１９の位相変調指数に差をつけて位相変調指数間のアンバランスを作り、チャープパラメータα＝α０を有する波長チャープを発生させることができる。
【００７３】
各光導波路の変調電極は同形状でも異形状でもよい。変調部１５についても同様である。また、光変調器３００が、電気光学光変調方式以外の構成であっても、電力分配器３０を適用することができる。本実施形態の光変調器３００によれば、電力分配器３０によって精度良く電力分配比を調整できるので、２つの変調電極による各電界強度間のアンバランスを精度良く作ることができ、精度良く調整したチャープパラメータαを有する波長チャープを発生させることができる。
【００７４】
（第４の実施形態）
図１０は、第４の実施形態に係る光変調器４００を示す。光変調器４００は、例えば、図５の光変調器２００において、位相変調部１９，２１を備えていないものに相当する。これは、マッハツェンダー型の変調部１４，１５の各々において、一方の位相変調部１８および２０のみで変調を行うことにより、α０＝１，−１の２つの状態を実現し、変調部１４，１５間のチャープパラメータの差Δα＝２を実現して歪補償動作をさせるものである。本実施形態の光変調器４００によれば、光変調器２００における位相変調部１９，２１を省略できるので、光変調器２００に比べて、構造が簡単になる。
【００７５】
上述の各実施形態の光変調器において、例えば、光変調器１００において、分岐部３、２つの変調部４，５、および合波部７は、電気光学結晶基板に形成された光導波路２と、光導波路２に電界を印加するための導体薄膜による電極と、を備えて構成することができる。電気光学結晶基板は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）単結晶であり、電気光学効果を有する基板である。このＬｉＮｂＯ3基板は、その結晶構造の方位におけるＸカットとＺカットのいずれも、適宜の電極構造と組み合わせることにより、用いることができる。このＬｉＮｂＯ3基板に、例えば、チタンを熱拡散させることによって光導波路２が形成される。電極を形成する導体薄膜として、例えば、金薄膜を用いることができる。他の実施形態の光変調器２００，３００，４００においても同様に構成することができる。
【００７６】
上述のように、本発明の光変調器は、変調光スペクトルの１次側波帯に含まれる基本波成分と歪成分との間で、チャープパラメータαによって位相変化量に差が生じることに基づいて、光検出器で検出される電気信号に含まれる３次の相互変調歪のみを相殺して抑圧するものであり、従来の光変調器に比べて、基本波成分の抑圧量を少なくすることができ、低歪みで高効率な光変調を可能とする。また、光の分岐や合波のための構造は等分配の構造でよいので、非等分配の光分岐構造が不要であり、光学基板上の光導波路構造によって光変調器を作製する場合に、導波路作製が容易である。また、上述の各実施形態における光変調器は、単一基板上に光導波路、変調用の電極（変調電極）、位相調整用の電極等を形成して構成できるので、集積化が可能な小型で高効率、かつ低歪の光変調器を構成できる。
【００７７】
また、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。本発明の光変調器は、単一基板上に構成したものに限られるものではなく、例えば、変調部４，５が同じ変調信号によって動作し、それぞれの変調部４，５から出力される強度変調光が異なるチャープパラメータαを有するように動作する構成であればよい。電気光学光変調型の構成の他に、電界吸収型の光変調器を変調部４，５として用いてもよい。
【００７８】
また、上述した各実施形態の各部の構成を互いに組み合わせた構成としてもよい。例えば、光変調器２００における変調部１４を、光変調器３００における電力分配器３０と組み合わせた変調部１４と置き換え、または光変調器４００における変調部１４と置き換え、変調部１５をそのままとした構成としてもよい。本発明の光変調器において、高周波の変調信号を与えるための変調電極として、集中定数型や進行波型、共振器型などを含め、任意の形式の電極構造を用いてもよい。位相変調部１８，１９，２０，２１は、光導波路上の任意位置に、任意個数を備えてもよい。また、変調電極に高周波変調信号を印加する際に、直流または低周波のバイアス電圧を重畳して印加することによって、位相バイアス調整部２２，２３、および、位相調整部２６の代わりとしてもよい。また、図９の電力分配器３０は、非等分配の分配器と、分配器からの一方の出力信号の位相を反転させる機能を有する回路と、によって構成してもよく、例えば、ラットレース回路のような１８０°ハイブリッドの機能を有する回路を用いてもよい。
【００７９】
さらに、図９の２つの電力分配器３０に入力する変調信号は同じものでよい。したがって、２つの電力分配器３０に入力する変調信号を、別途の電力分配器を使って、１つの入力信号から作り出すことができる。この場合、別途の電力分配器は等分配の電力分配器でよい。つまり、本発明の光変調器は、単一の変調信号によって動作させることが可能である。また、これら電力分配器を平面回路で構成し、光変調器の電気光学結晶基板などの基板上に集積化して構成することができる。これによって、ワンチップの構成でかつ単一入力信号によって動作する実用性の高い低歪光変調器を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明の光変調器および光変調器の歪補償方法は、相互変調歪の小さな強度変調光を生成できるので、例えば、光ファイバ無線システムなどの通信システムにおける変調光生成の用途に適用でき、通信システムの性能を向上させることができる。また、本発明の光変調器は、簡単な構成で小型化が可能であり、低歪で高効率の光変調を可能にするので、とくに光ファイバ無線システムなどのアナログ光変調を行う多重光通信システムに好適に適用できる。本発明は、アナログ光変調に限らず、デジタル光変調を行う長距離の光伝送システムにおいても好適である。
【符号の説明】
【００８１】
１，１０    入力光
１１    電気光学結晶基板
１８，１９，２０，２１    位相変調部
１００，２００，３００，４００    光変調器
２，１２    光導波路
２２，２３    位相バイアス調整部
３，１３    分岐部
３０    電力分配器
４，５，１４，１５    変調部
５１，６１    基本波成分の強度
５２，６２    ３次の相互変調歪の強度
６，２６    位相調整部
７，２７    合波部
８，２９    出力光
９，２８    変調信号
Ａ１，Ａ２    位相変調指数
α    チャープパラメータ
Δφ    位相差
【図１】
0006547116.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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