(57)【要約】【課題】可動部を有さず電気的に高速応答し、且つ安価で簡便な可変偏波分散補償器を提供すること。【解決手段】電気光学効果を有する光学単結晶基板上に制御電極が形成され、該制御電極への電圧印加により偏光モードが任意に制御できる偏光変換器１１を備えるとともに、偏光変換器１１の光入力側及び光出力側のそれぞれに複屈折性光ファイバ１２，１３を配置したことを特徴とする偏波分散補償器とする。【選択図】  図１
2004151400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する光学単結晶基板上に制御電極が形成され、該制御電極への電圧印加により偏光モードが任意に制御できる偏光変換器を備えるとともに、該偏光変換器の光入力側及び光出力側のそれぞれに複屈折性光ファイバを配置したことを特徴とする偏波分散補償器。
【請求項２】
電気光学効果を有する光学単結晶基板上に制御電極が形成され、該制御電極への電圧印加により偏光モードが任意に制御できる偏光変換器を備えるとともに、該偏光変換器の光入力側にシングルモード光ファイバを、光出力側に複屈折性光ファイバをそれぞれ配置したことを特徴とする偏波分散補償器。
【請求項３】
前記複屈折性光ファイバが複屈折性偏波保持ファイバであることを特徴とする請求項１または２に記載の偏波分散補償器。
【請求項４】
前記偏光変換器の両端に配した複屈折性光ファイバの双方の長さが異なることを特徴とする請求項１に記載の偏波分散補償器。
【請求項５】
前記複屈折性光ファイバがフォトニックバンドギャップファイバであることを特徴とする請求項１または２に記載の偏波分散補償器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信及び光情報処理分野等において使用される偏波分散補償器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報通信需要の増加にともない、１波長当りの通信速度は近年飛躍的に増大している。一方で長距離大容量伝送を実現するためには、偏波分散の問題が顕在化している。偏波分散の影響で信号波形の劣化が生じるために、光通信の品質を低下させる一要因となっている。特に１波長（１チャンネル）当りの通信容量が４０Ｇｂｐｓを超える超高速光通信においては、偏波分散の影響は極めて大であり、このような超高速光通信を実現する上では、偏波分散補償技術の確立が急務となっている。
【０００３】
ここで、光伝送路における偏波分散について説明する。光伝送路である光ファイバは本来光学的には等方である。しかしながら、ファイバのコアの偏芯や、ファイバの曲げなどにより局所的にかかる応力が影響し複屈折率が生じる。すなわち、２つの直交した偏光モード間で光波の感じる屈折率が異なるために、それぞれの偏光モード間で群速度が異なり、ある一定距離を信号光が伝送路中を伝播したとき、両偏光モード間で伝送路終端における到達時間差が生じることになる。この到達時間差を群遅延差という。
【０００４】
本出願人は偏波分散の問題に着目し特許文献１、２を、また無偏波分散型光アイソレータとして特許文献３，４を提案してきた。しかしながら、以下の理由で広汎な偏波補償器は光通信技術における必須デバイスとなりつつある。
【０００５】
４０Ｇｂｐｓの光伝送において、１信号ビットパルスは高々２５ｐｓ程度である。仮に光伝送路の群遅延差が数ｐｓ（ピコセカンド：１０−１２秒）生じれば、通信品質に影響することは容易に理解できるし、現実に上記群遅延差は決して無視できない量である。
【０００６】
また、偏波分散量は外部環境に大きく影響され、光ファイバ伝送路の温度や応力の変化に伴って常に変動している。このために可変の偏波補償技術が必要とされている。
【０００７】
近年、偏波分散の問題が顕在化するにいたって、色々な偏波分散補償方法が提案されている。例えば、特許文献５に示されているように、波長分散デバイス内で生じる偏波分散を、光の伝播速度が遅い偏波成分軸である遅軸と、速い偏波成分軸である速軸に対し、前記遅軸には速軸、前記速軸には遅軸を配した複屈折線路で補償する方法が提案されている。
【０００８】
また、特許文献６においては、偏波分散を補償しようとする光ファイバに対し複屈折光ファイバを回転させ、偏波分散の極小値において双方の光ファイバを融着接続する技術が提案されている。
【０００９】
また、特許文献７においては、偏波変調器が有する偏波分散特性を偏波変調器の遅軸と速軸に対し直交して複屈折率デバイスの遅軸、速軸が配置されることで補償する方法が提案されている。
【００１０】
また、特許文献８においては、石英系導波路を用いて複数の遅延回路、及び熱光学効果により遅延量を制御するための薄膜ヒータを用いた可変偏波分散補償デバイスが提案されている。
【００１１】
また、特許文献９においては、複屈折材料であり、且つ光電材料であるニオブ酸リチウム結晶上に複数のＴＥ−ＴＭ変換器を設け、それぞれの変換器を独立に制御することで可変な偏波分散補償デバイスが提案されている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平８−９４９７１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２１５４４６号公報
【特許文献３】
特開平８−９４９７１号公報
【特許文献４】
特開２００１−２１５４４６号公報
【特許文献５】
特許第２９３１２０８号公報
【特許文献６】
特開２０００−３１５９８１号公報
【特許文献７】
特開２０００−６６０５５２号公報
【特許文献８】
特開２００１−２１８４８号公報
【特許文献９】
特表２００２−５２０６６５号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の偏波分散補償デバイスにおいては、以下のような問題点がある。前記特許文献５，６のような方法を偏波分散補償デバイスとして用いる場合、上記に述べた如く可変な偏波分散補償が困難となる。前述したように、一般の光伝送路においては、周囲環境変化等の影響により偏光状態は常に変動する。すなわち、前段の偏光状態が常に一定或いはある一時点で偏波分散量が極小値を持つように調整したとしても、ある時間経過後に最適であるとはいえない。つまり、既知の偏波分散量補償については有効ではあるが、一般の偏波分散補償デバイスしては用いることができない。
【００１４】
また、特許文献８における方法は以下の点に問題がある。大規模な光回路が必要となるために光回路基板が大変高価になるという点である。また、遅延量制御として熱光学効果を用いているために、ヒータに電流を流しつづけなければならず、大量の電力を消費するという点である。さらに、熱光学効果を用いているために十分に高速の応答ができないという問題点もある。
【００１５】
また、特許文献９における方法は以下の点に問題がある。複数のＴＥ‐ＴＭ変換器を高価なニオブ酸リチウム基板上に設けているが、デバイスサイズが大きくなり高価になる。また、複数の前記変換器を制御する必要があり、電気制御構成が複雑になるという問題を有する。
【００１６】
そこで本発明は、上記問題点を鑑み、可動部を有さず電気的に高速応答し、且つ安価で簡便な可変偏波分散補償器を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の偏波分散補償器は、電気光学効果を有する光学単結晶基板上に制御電極が形成され、該制御電極への電圧印加により偏光モードが任意に制御できる偏光変換器を備えるとともに、該偏光変換器の光入力側及び光出力側のそれぞれに複屈折性光ファイバを配置したことを特徴とする。
【００１８】
また、電気光学効果を有する光学単結晶基板上に制御電極が形成され、該制御電極への電圧印加により偏光モードが任意に制御できる偏光変換器を備えるとともに、該偏光変換器の光入力側にシングルモード光ファイバを、光出力側に複屈折性光ファイバをそれぞれ配置したことを特徴とする偏波分散補償器としてもよい。
【００１９】
また、特に前記複屈折性光ファイバが複屈折性偏波保持ファイバであること、前記偏光変換器の両端に配した複屈折性光ファイバの双方の長さが異なること、前記複屈折性光ファイバがフォトニックバンドギャップファイバであることをそれぞれ特徴とする。
【００２０】
本発明の構成は、図１に示すように偏光変換器の両端に複屈折線路を設けたことを基本とする。まず、本発明の基本原理について説明する。図３に示すように、複屈折線路としてＰＡＮＤＡファイバ１２及びＰＡＮＤＡファイバ１３を相対向させ、前記ＰＡＮＤＡファイバ１３をファイバ軸中心に回転させたときの直交２つの偏光モード間群遅延差を測定した。
【００２１】
予めＰＡＮＤファイバ１２、及びＰＡＮＤＡファイバ１３の群遅延差を測定した結果、それぞれ４ｐｓ及び５ｐｓであった。同じ測定系で前記ＰＡＮＤＡファイバ１２を固定し、ＰＡＮＤＡファイバ１３をファイバ軸上で回転させ、同時に群遅延差を測定した結果を図４に示す。
【００２２】
ＰＡＮＤＡファイバ１２の遅軸及び速軸が、ＰＡＮＤＡファイバ１３の遅軸及び速軸に一致するように配置した時に、全体の群遅延差は約９ｐｓの値が得られた。
【００２３】
逆に、ＰＡＮＤＡファイバ１２の遅軸及び速軸が、ＰＡＮＤＡファイバ１３の遅軸及び速軸が直交した時に、全体の群遅延差として約１ｐｓの値が得られた。すなわち、後段（この場合はＰＡＮＤＡファイバ１３）に入射する偏光光の偏光角を制御することにより、ある範囲で任意の群遅延差制御が可能であることが確認できた。
【００２４】
以上の現象を踏まえ、本発明は前段複屈折性偏波保持ファイバと後段複屈折性偏波保持ファイバ間に、偏光モード変換器を配置して本変換器で任意の偏光状態を制御することにより、群遅延差を可変に調整する構成を基本とする。
【００２５】
本発明によれば、光電光学効果を有する光学単結晶基板上に制御電極が形成され、電圧印加により偏光モードが任意に制御できる偏光変換器を備え、前記偏光変換器の両端に複屈折性光ファイバ（または、入力側をシングルモード光ファイバとし、出力側を複屈折性光ファイバとする）を配置する構成とする。この構成により、後段の複屈折光ファイバに入射する光の偏光状態を制御でき、後段複屈折性光ファイバで生じる群遅延差量を制御することができる。
【００２６】
また、前記偏光変換器がニオブ酸リチウム単結晶基板より成り、且つ基板表面に周期電界が印加できる電極を配置した構成とする。ニオブ酸リチウムの有する電気光学特性により、２つの直交した偏光モード間でパワーの結合が生じ２つの直交したモード間の変換が可能となる。また、周期電界が発生するような電極構成をとれば、２つの偏光モードの伝播定数差を補償でき、効果的に２つの直交モード間でパワーの移行が実現できる。
【００２７】
また、前記複屈折性光ファイバが複屈折性偏波保持ファイバである構成をする。必要とされる偏波分散補償量に対し、前記複屈折性偏波保持ファイバの長さを調整するればよい。
【００２８】
また、前記偏光変換器の両端に配した複屈折性光ファイバの双方の長さが異なる構成とする。本構成により、前段複屈折光ファイバの入射端において、入射光が前記前段複屈折光ファイバの遅軸に対し進んだ偏光光である場合、或いは前記前段複屈折光ファイバの遅軸に対し遅れた偏光光である場合の任意の状態への対応が可能となる。
【００２９】
また、前記複屈折性光ファイバがフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）ファイバである構成とする。このことにより、複屈折光ファイバとして非常に高い複屈折性を実現できる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３１】
図１は本発明の基本形態を示したものである。１１は電圧で任意の偏光状態が制御できる偏光変換器である。前記偏光変換器の両端には複屈折性光ファイバ１２、及び１３が接続されている。例えば、複屈折性光ファイバ１２一端に任意の群遅延差の状態にある信号光を入射させたときに、偏光変換器１１に印加させる電圧値を変化させることで複屈折性光ファイバ１３の出射端から出射される信号光の群遅延差が零になるように調整される。ここで、複屈折性光ファイバ１２、偏光変換器１１、及び複屈折性光ファイバ１３の群遅延差をそれぞれＤ１、Ｄ２、Ｄ３とする。このようにして、電気光学効果を有する光学単結晶基板上に制御電極が形成され、該制御電極への電圧印加により偏光モードが任意に制御できる偏光変換器１１を備え、偏光変換器１１の光入力側及び光出力側のそれぞれに複屈折性光ファイバ１２，１３を配置している。
【００３２】
最初に前記複屈折性光ファイバ１２、偏光変換器１１、及び複屈折性光ファイバ１３の直交する偏光モードに対応する遅軸、速軸を全て一致させた場合を考える。
【００３３】
偏光変換器１１には電圧を印加しないとき、全体の群遅延差はＤ１＋Ｄ２＋Ｄ３となる。一方、偏光変換器に電圧を印加し、２つの直交する偏光モードが１００％変換されたとすると、偏光変換器内で生じる群遅延差はキャンセルされるから、結局Ｄ１−Ｄ３が全体の群遅延差である。当然、偏光変換器内で直交する偏光モードが１００％変換されない場合、Ｄ１−Ｄ３＜  ＤＴｏｔａｌ  ＜Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３となることは容易に理解できる。
【００３４】
複屈折性光ファイバ１２、１３は複屈折性を持つ光伝送線路であれば特に制限はないが、複屈折性偏波保持ファイバが最も容易に入手でき適当である。また、想定される偏波分散補償量に応じて、複屈折性光ファイバの長さを選ぶことで容易に調整可能である。
【００３５】
次に、電圧応答型偏光変換器１１の詳細について図２を用いて説明する。２１はＹカットニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）単結晶基板である。ニオブ酸リチウム基板の表面にはＴｉを熱拡散させることで、僅かに屈折率を増加させたＴｉ熱拡散光導波路がニオブ酸リチウム結晶内ｘ軸方向（結晶軸をｚ軸とする）に形成されている。また、ニオブ酸リチウム基板の導波路形成面上にはＳｉＯ２より成るバッファ層２２が形成されている。バッファ層２４上には櫛型電極２４が形成されている。
【００３６】
次に、偏光変換器各部について作製プロセスを含め詳細を説明する。
【００３７】
まず、Ｔｉ熱拡散光導波路の作製方法について述べる。ニオブ酸リチウム基板上にフォトリソグラフィー技術及び金属Ｔｉ蒸着技術により、所望の導波路部分のパターンを約１０００オングストロームの膜厚で作製する。その後、酸素雰囲気中約１０００℃で数時間熱処理を行うことで、Ｔｉ元素がニオブ酸リチウム基板内に熱拡散する。Ｔｉの濃度に比例し局所的に屈折率が大きくなる部分が生じ光導波路が形成される。
【００３８】
光導波路を伝播する光波偏光モードの変換は、ニオブ酸リチウムｙ軸方向に電界を印加することで行うことができるが、ニオブ酸リチウム基板上２１上に直接電極２４を形成した場合、僅かに基板表面に染み出した電界が電極内に侵入し大きな損失をなる場合がある。特にこのような現象は、基板に垂直な方向に電界振幅成分を有する偏光モード（ＴＭモードと記す）に顕著に現れ、この不具合の解消を目的とし、電極２４は膜厚数１０００オングストローム程度のＳｉＯ２バッファ層２２を介して形成される。ＳｉＯ２バッファ層の形成方法は色々考えられるが、スパッタ等の方法が簡便で適当である。また、バッファ層は透明絶縁膜であればＳｉＯ２にこだわるものではなく、その他の酸化物、窒化物等の透明絶縁材料であっても特に構わない。
【００３９】
電極２４は前記Ｔｉ薄膜パターン形成と同様な方法で形成される。電極材料は特に限られることはないが、金属Ｃｒ、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｎｉ等の下地電極上にＡｕを形成たものが適当である。その他Ａｌ等の金属電極を用いても何ら問題はない。基本的にはニオブ酸リチウム基板内ｙ軸方向に電界を印加し、光をｘ軸方向に伝播させることで導波路内を伝播する伝播光の偏光モードを変換させることはできる。
【００４０】
しかしながら、ニオブ酸リチウム基板が複屈折性を有しているため導波路で直交する偏光モード間での伝播速度が異なる。また、光導波路構造も２つの直交モードの伝播速度に影響を与える。すなわち、ｙ軸方向に電界を印加するだけでは、２つの直交した偏光モード間で効率的にパワーの移行が生じ得ない。このために、周期的電界を印加することで、前述の２つの直交した偏光モード間の位相差を補償して効率的な偏光モードの変換が実現できる。周期電界を実現するために、２対の櫛上電極を光導波路上に形成し、２対の櫛状電極間に電位差を加える形態が最も簡便である。電極周期は、光導波路２３を伝播する光波の２つの直交した偏光モードの実効屈折率差から約２１μｍが適当であると求めることができる。
【００４１】
電極幅、電極間隙は適宜調整可能であるが、１：１が最も単純で簡単な構成である。ニオブ酸リチウムの電気光学定数から、バッファ層膜厚、導波路構造を最適化すれば、電圧は数から数１０Ｖ程度、偏光変換素子長が１０ｍｍ程度で２つの直交する偏光モード間で完全な移行を実現できる。
【００４２】
なお、上記説明において最も単純な櫛状電極構成を用いたが、ニオブ酸リチウム基板のｙ軸方向に周期電界を印加する方法では、前記櫛状構造に限定される必要はない。最も重要なことは、光の伝播方向を結晶ｘ軸方向とし、ｙ軸方向に周期電界を印加しすればよいわけであるから、電極構造を最適化すればＺカットニオブ酸リチウム基板を用いることも可能である。
【００４３】
次に、偏光変換器の両端に接続される複屈折性光ファイバの長さについて説明する。最も簡単な構成は前記両端に接続される１対の複屈折性光ファイバ長を等しくする構成である。偏光変換器１１の群遅延差をＤｐ、複屈折光ファイバ１２、１３の群遅延差をＤＦとし、偏光変換器で２つの直交する偏光モード間で１００％の偏光変換を行った場合、群遅延差の補償レンジＤは  ０＜Ｄ＜Ｄｐ＋２ＤＦである。
【００４４】
しかしながら、一般に偏波分散補償器は、前段複屈折光ファイバの入射端において、入射光が前記前段複屈折光ファイバの遅軸に対し進んだ偏光光である場合、或いは前記前段複屈折光ファイバの遅軸に対し遅れた偏光光である場合の任意の状態への対応が必要である。
【００４５】
ここで、前段の複屈折性光ファイバ１２の群遅延差をＤＦ１、後段の複屈折性光ファイバ１３の群遅延差をＤＦ２（＞ＤＦ１）とするとＤのレンジは、ＤＦ１−ＤＦ２＋Ｄｐ＜Ｄ＜ＤＦ１＋ＤＦ２＋Ｄｐとなる。すなわちＤＦ２を十分に大きくすれば、正負の任意の状態で偏波分散補償が可能となる。
【００４６】
偏光変換器としてニオブ酸リチウム基板を使用した場合、ニオブ酸リチウム複屈折性より素子長当りの群遅延差は２．７ｐｓ／ｃｍである。素子長を１ｃｍとし、複屈折性光ファイバとしてＰＡＮＤＡファイバを用いた場合、ＰＡＮＤＡファイバの長さ当りの群遅延差は２ｐｓ／ｍ程度であるから、±１０ｐｓのレンジで補償が必要であれば、両端ＰＡＮＤＡファイバ長はそれぞれ約５ｍ、１１．５ｍであればよい。また、光ファイバ長を調整することは容易であるから、それ以上の群遅延差補償が要求されるにおいても容易に対応可能である。
【００４７】
上記複屈折性光ファイバに大きな複屈折性を持たせることができれば、前記複屈折性光ファイバ１２、１３の長さを短くすることが可能である。このような大きな複屈折性光ファイバにフォトニックバンドギャップファイバを用いることも可能であり、前記複屈折光ファイバ長を短くすることができ、延いてはデバイスサイズが小さい偏波分散補償器を提供できる。
【００４８】
【実施例】
基板としてＹカットニオブ酸リチウム単結晶基板を用いた。ニオブ酸リチウム単結晶基板上にフォトリソグラフィー技術、及び金属Ｔｉ蒸着技術を用い幅数μｍ程度、厚さ約１０００オングストロームのＴｉラインを形成した。
【００４９】
その後、基板を酸素雰囲気中約１０００℃でＴｉ元素を基板中に熱拡散させ光導波路を形成した。
【００５０】
また、バッファ層としてＳｉＯ２をスパッタで厚さ約２０００オングストローム形成し、バッファ層上に１対の櫛上Ａｕ電極を形成した。
【００５１】
ダイシングによりウエハから素子を素子長１０ｍｍで切り出し、両端を端面研磨した後パッケージに収納した。複屈折性光ファイバとして数ｍのＰＡＮＤＡファイバを用いた。
【００５２】
ＰＡＮＤＡファイバと素子の光学接続は、パッケージ両端に付属されたレンズを介して行い、最終的に上述した優れた効果を奏する偏波分散補償デバイスを完成させることができた。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明したように本発明によれば、光電光学効果を有する光学単結晶基板上に制御電極が形成され、電圧印加により偏光モードが任意に制御できる偏光変換器を備え、前記偏光変換器の両端に複屈折性光ファイバを配置したことにより、高価な偏光変換器をできるだけ簡略化することができる。また、複屈折線路をして安価な複屈折性光ファイバを用いることにより、安価な偏波分散補償器を提供できる。
【００５４】
また、前記偏光変換器がニオブ酸リチウム単結晶基板より成り、且つ基板表面に周期電界が印加できる電極が配置される構成とすることで、ニオブ酸リチウム単結晶の電気光学効果を利用した高速応答な偏波分散補償器が実現できる。
【００５５】
また、前記複屈折性光ファイバを入手が容易な複屈折性偏波保持ファイバとすることでさらに安価な偏波分散補償器を提供できる。
【００５６】
また、前記偏光変換器の両端に配した複屈折性光ファイバの双方の長さが異なる構成とすることで、あらゆる偏光状態に対応できる偏波分散補償器が提供できる。
【００５７】
さらに、前記複屈折性光ファイバがフォトニックバンドギャップファイバである構成とすることで、前記複屈折光ファイバ長を短くすることができ、延いてはデバイスサイズが小さい偏波分散補償器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成を模式的に説明する概略構成図である。
【図２】本発明における偏光変換器を模式的に説明する斜視図である。
【図３】本発明の原理を模式的に説明する斜視図である。
【図４】本発明の原理実験を説明するグラフである。
【符号の説明】
１１：偏光変換器
１３：複屈折性光ファイバ
２１：基板
２２：バッファ層
２３：光導波路
２４：周期電極
【図１】
2004151400.tif 000003
【図２】
2004151400.tif 000004
【図３】
2004151400.tif 000005
【図４】
2004151400.tif 000006