(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の繰り返し周期ｔのクロックパルス光とその繰り返しに等しい周期ｔを有するＮ個（Ｎは２以上の整数）の信号パルス光とを各々入力するＮ＋１個の入力ポートと、
前記クロックパルス光をＮ分岐する分岐手段と、
該分岐手段によりＮ分岐されたクロックパルス光の各々に時間遅延差を与えてＮ個の信号パルス光の各々と合波する第１の合波手段と、
２次の非線形光学効果を有する光非線形媒質基板上に形成された同じ反転分極周期のドメイン反転構造を有するＮ個の光非線形導波路と、
該光非線形導波路の出力の各々に時間遅延差を与えて合波する第２の合波手段と、
前記光非線形導波路内で新たに発生した波長成分のみを光学的に取り出す手段と
を備え、
前記光非線形導波路内でおこる非線形光学効果が２次の非線形光学効果であり、前記光非線形導波路内で新たに発生した波長成分を有する光パルスが、お互いに時間的に重なることなく周期ｔ／Ｎで等間隔に並ぶことを特徴とする光変調・光多重回路。
【請求項２】
前記光非線形導波路内でおこる２次の非線形光学効果が第２高調波発生に続いて差周波発生が起こる過程であり、前記光非線形導波路内で新たに発生した波長成分を有する光パルスの光周波数ｗ３が、前記クロックパルス光の光周波数をｗ１、該信号パルス光の光周波数をｗ２としたときに、ｗ３＝２ｗ１−ｗ２またはｗ３＝２ｗ２−ｗ１を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光変調・光多重回路。
【請求項３】
前記分岐手段と、前記第１の合波手段と、前記第２の合波手段とは、シリコン基板上に形成された石英導波路であることを特徴とする請求項２に記載の光変調・光多重回路。
【請求項４】
前記Ｎ本の光非線形導波路の間隔は、シリコン基板上に形成された石英導波路におけるＮ個の前記光非線形媒質との入出力端面における間隔に等しく、これらのシリコン基板およびニオブ酸リチウム基板が、Ｎ本の光導波路が接続するように接着されていることを特徴とする請求項３に記載の光変調・光多重回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調・光多重回路に関し、より詳細には、超高速光通信に用いられる高速光パルスの光変調・光多重回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来の光変調・光多重回路の構成図で、図中符号４０１は変調用光信号パルス入射ポート（図４では４チャンネル）、４０２は光クロック入射ポート、４０３は信号出力ポート、４０４は光フィルタ、４０５はプレーナ光波回路（ＰＬＣ）基板、４０６は分波器、４０７は合波器、４０８は半導体光増幅器、４０９はＣＷ光源、４１０は合波器を示している。
【０００３】
以下、従来技術の内容を説明する。
まず、多重したい複数チャンネルの光信号が変調用光信号パルス入射ポート４０１より入力する。図４ではビットレートが同じ４チャンネルの信号が入力する例を示している。一方、変調信号と同じ速度で無変調の光短パルス列が光クロック入射ポート４０２から入力する。この短パルスのパルス幅は、多重後の信号の１タイムスロットよりも狭いパルス幅を有している。
【０００４】
この光クロック列は、分波器４０６で入力光信号のチャンネル数（この場合４チャンネル）に分波され、ＰＬＣ基板上に作製された光導波路を伝搬し、同じくＰＬＣ基板上の光導波路を伝搬してきた光信号とそれぞれ合波器４０７で合波される。この光クロックと光信号が合波器４０７で合波されたのち半導体光増幅器４０８に入射する。半導体光増幅器４０８内では、非線形光学効果である４光波混合現象によって、新たな波長に光クロックと光信号の光強度積に比例した出力を発生し、変調光パルスとなる。
【０００５】
信号光およびクロック光の波長をそれぞれλｓｉｇ、λｃｌｋとするとこの新たに発生した４光波混合光の波長λＦＷＭは、エネルギー保存則
１／λＦＷＭ−１／λｓｉｇ−＝１／λｓｉｇ−１／λｃｌｋ
を満たしている。
【０００６】
波長の関係の詳細については、盛岡、川西、内山、高良、猿渡；「４光波混合を用いた偏波無依存１００Gbit/s光多重分離回路」、１９９４年電子情報通信学会春季大会予稿No.B-1072 に開示されている。なお、ＣＷ光４０９をバイアス光として各半導体光増幅器にあらかじめ入射することによって信号パタンによって変調効率が変化するパタン効果を抑制して出力を安定させることが可能となる。
【０００７】
発生した４光波混合光は、信号光およびクロック光とともに光導波路を伝搬して合波器４１０で合波される。このとき、光クロックが分波器４０６で分波されてから合波器４０７で光信号に合波するまでＰＬＣ基板上の導波路を伝搬する時間の各チャンネル間の相対時間差と、発生した４光波混合光が合波器４１０で光信号に合波するまでＰＬＣ基板上の導波路を伝搬する時間の各チャンネル間の相対時間差との総和が隣接するチャンネル間で多重後の信号の１タイムスロットに等しくなるように各導波路の長さが設計されており、合波後は各チャンネルの変調光パルス出力は時間上で等間隔で並ぶことになる。ＰＬＣ基板を出力したのち、光フィルタ４０４で４光波混合光のみを取り出すことによって時分割多重出力を得ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来構成の集積化多重回路には、以下に示すような欠点があった。まず、本従来型集積回路は基板であるガラス導波路と非線形光学素子である半導体光増幅器を用いているが、両者は導波路中を伝搬する光ビームの径が異なるために各接続点において約３ｄＢの結合損失を生じ、信号対雑音比が劣化する。さらに半導体光増幅器はそれ自身が自然放出光雑音と呼ばれる雑音を発生するため、信号対雑音比がさらに劣化する。
【０００９】
同時に半導体光増幅器内の４光波混合発生を安定させるためにはＣＷ光を入射するなど構成が複雑になる点も問題である。さらに、従来構成の集積化多重回路の構成図に示すように、実装に際しては各チャンネルに対応する光導波路に対して半導体光増幅器を各々実装する必要があるため、チャンネル数に比例して実装の手間が増加するという欠点があった。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、複数の非線形光学導波路素子と石英光導波路を少ない作製工程および接続損失でハイブリッド集積化して作製工程の簡略化ならびに安定動作の実現を可能とする光変調・光多重回路を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、一定の繰り返し周期ｔのクロックパルス光とその繰り返しに等しい周期ｔを有するＮ個（Ｎは２以上の整数）の信号パルス光とを各々入力するＮ＋１個の入力ポートと、クロックパルス光をＮ分岐する分岐手段と、分岐手段によりＮ分岐されたクロックパルス光の各々に時間遅延差を与えてＮ個の信号パルス光の各々と合波する第１の合波手段と、２次の非線形光学効果を有する光非線形媒質基板上に形成された同じ反転分極周期のドメイン反転構造を有するＮ個の光非線形導波路と、光非線形導波路の出力の各々に時間遅延差を与えて合波する第２の合波手段と、光非線形導波路内で新たに発生した波長成分のみを光学的に取り出す手段とを備え、光非線形導波路内でおこる非線形光学効果が２次の非線形光学効果であり、光非線形導波路内で新たに発生した波長成分を有する光パルスが、お互いに時間的に重なることなく周期ｔ／Ｎで等間隔に並ぶことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、光非線形導波路内でおこる２次の非線形光学効果が第２高調波発生に続いて差周波発生が起こる過程であり、光非線形導波路内で新たに発生した波長成分を有する光パルスの光周波数ｗ３が、クロックパルス光の光周波数をｗ１、信号パルス光の光周波数をｗ２としたときに、ｗ３＝２ｗ１−ｗ２またはｗ３＝２ｗ２−ｗ１を満たすことを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光変調・光多重回路において、分岐手段と、第１の合波手段と、第２の合波手段とは、シリコン基板上に形成された石英導波路であることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の光変調・光多重回路において、Ｎ本の光非線形導波路の間隔は、シリコン基板上に形成された石英導波路におけるＮ個の光非線形媒質との入出力端面における間隔に等しく、これらのシリコン基板およびニオブ酸リチウム基板が、Ｎ本の光導波路が接続するように接着されていることを特徴とする。
【００１７】
つまり、本発明は、全光変調および時分割多重回路においては、非線形光学スイッチとしてカスケードχ（２）プロセスを用いたドメイン反転構造を有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）光導波路を用い、本光導波路の入出力端にガラス導波路を接合して変調・多重に必要とされる信号光およびクロック光の入射、分岐、結合ならびにタイミング調整の機能を実現することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図１は、本発明の光変調・光多重回路の一実施例を示す図で、図中符号１０１は信号光入射ポート、１０２は光クロック列入射ポート、１０３はＰＬＣ基板、１０４は分波器、１０５は光導波路、１０６はカップラ、１０７はＬｉＮｂＯ３基板、１０８はドメイン反転光導波路、１０９はＰＬＣ基板、１１０は光導波路、１１１は合波器、１１２は光学フィルタ、１１３は出力ポートを示している。
【００１９】
以下に本発明の光変調・光多重回路の動作について説明する。
本実施例においても複数チャンネル（図１では８チャンネル）ＮＲＺ信号を短パルス化して時間軸上で多重化する動作は同じであるが、全光変調を行う非線形光学素子の特性を活用することによってプレーナ光波回路とのハイブリッド集積化ならびに光信号の結合を従来技術に比べて格段に効率的に行うことが可能である。本実施例では全光変調器１０８として擬似位相整合を有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）光導波路を用いている。
【００２０】
図２は、擬似位相整合を用いた導波路型光変調器の構造を示す図で、図中符号２０１は光導波路、２０２はドメイン反転領域を示している。
【００２１】
本素子は、光導波路の進行方向に垂直に周期Λのドメイン反転分極格子が形成されている。擬似位相整合を有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）光導波路は光非線形現象として二次の非線形光学現象（χ（２）プロセス）を用いている。本発明では、光導波路中で二つの二次の非線形光学効果が同時に発生するカスケードχ（２）プロセスによって波長変換が行われる。まず、第一に信号光が入射すると第１の二次の非線形光学効果である第二高調波（ＳＨＧ）発生によって信号光の波長の半分の波長の光が発生する。次に、ＳＨＧ光が発生するとこの発生したＳＨＧ光とクロック光の間に第２の二次の非線形光学効果である差周波光発生（ＤＦＭ）現象が生じて新たな波長に出力が生じる。
【００２２】
信号光の波長をλｓｉｇ、ＳＨＧ光の波長をλＳＨＧ、クロック光の波長をλｃｌｋとすると、本カスケード過程によって発生する出力光の波長λｏｕｔは次のように表される。
λＳＨＧ＝λｓｉｇ／２                                    （１）
１／λｏｕｔ＝１／λＳＨＧ・１／λｃｌｋ                  （２）
これより、
１／λｏｕｔ−１／λｓｉｇ＝１／λｓｉｇ−１／λｃｌｋ    （３）
となる。この２段の過程における波長の関係を図３に示す。これを見ると、出力光の光周波数と信号光周波数の差が、信号光周波数と出力光の光周波数の差に等しくなっている。
【００２３】
この関係は四光波混合などの三次の非線形光学現象（χ（３）プロセス）と同じであり、波長１．５５ミクロン帯では出力光の波長は信号光の波長をはさんでクロック光の波長とほぼ対称の位置にくる。本カスケードχ（２）プロセスを用いた擬似位相整合構造のＬｉＮｂＯ３光導波路、χ（３）プロセスよりも非線形光学定数が大きく、上記文献では４ｃｍの素子長で約１ｋｍの光ファイバの四光波混合とほぼ同じ出力を発生している。本従来技術の構成では、信号光の波長を１５５０ｎｍと設定してある。
【００２４】
ここで、ＬｉＮｂＯ３光導波路を波長が異なる光が伝搬するときには、位相不整合が生じる。この位相不整合Δβは、
Δβ＝βＳＨＧ・βｓｉｇ−βｏｕｔ
＝（ｎＳＨＧ／λＳＨＧ)・(ｎｓｉｇ／λｓｉｇ)・(ｎｏｕｔ／λｏｕｔ)   （４）
で与えられる。
【００２５】
この位相不整合があると、ＬｉＮｂＯ３光導波路内でのＳＨＧ変換効率およびＤＦＭ変換効率が、位相が２πになるところで周期的に０になるため、導波路の長さを長くしても変換効率を大きくとることができない。ドメイン反転分極格子は、この位相不整合がπから２πになる領域の結晶の分極を反転させて位相不整合を補償して大きな変換効率を確保するために用いられる構造であり、反転分極の周期Λは、光導波路中でのＳＨＧ光と入射光および出射光の伝搬定数に対する位相整合条件
βＳＨＧ＝βｓｉｇ＋βｏｕｔ＋２π／Λ                      （５）
を満たすように決められ、信号光の波長が１５５０ｎｍのときΛは約１４ミクロンである。
【００２６】
本発明の光導波路のもう一つの特徴は光導波路を伝搬する光のモードフィールド径が単一モード光ファイバとほぼ同じ（直径約８ミクロン）であることで、長さ４ｃｍの本ドメイン反転光導波路の両端に単一モード光ファイバを装着してファイバ−ファイバ間での挿入損失（波長１５５０ｎｍ帯）は３ｄＢ程度である。本ドメイン反転光導波路自体の伝搬損失は、約０．３５ｄＢ／ｃｍであるのでこの損失分を差し引くと、単一モード光ファイバー本導波路間の接続損失は約１．３ｄＢと、半導体光増幅器よりもはるかに低損失である。
【００２７】
本実施例に用いる擬似位相整合を有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）光導波路自体および単一モード光ファイバへの低損失接合性は、S.Kawanishi,M.H.Chou,K.Fujiura,M.M.Fejer,and T.Morioka,"All Optical Modulation and Time-Division-Multiplexing of 100 Gbit/s Signal using Quasi-Phasematched Mixing in LiNbO３ Waveguides,"Electron Lett.,36,1568-1569(2000)に開示されている。
【００２８】
本実施例では、本導波路の有するこれらの特長に着目し、ＬｉＮｂＯ３基板１０７上に形成された複数のドメイン反転光導波路とＰＬＣ基板を直接接合し、全光変調・多重の機能を安定かつ極めて簡便な構成で実現することが特徴である。
【００２９】
まず、信号光入射ポート１０１より多重される複数の光信号が入射する。図１では、８チャンネルのＮＲＺ光信号が入力する場合を示しているが、チャンネル数は任意に設定可能であり、また光信号の符号形式もＮＲＺだけでなくＲＺやその他の強度変調による符号であればどの符号でも可能である。
【００３０】
次に、光クロック列が１０２より入力し、分波器１０４で分けられて各入力信号光とカプラ１０６で合波されて非線形光学素子に入射するＰＬＣ基板上の導波路長および非線形光学素子の出力を合波するまでのＰＬＣ基板上の導波路長の設計は従来技術と同じであり、装置の出力としては入力信号が時間的に等間隔で並んだ時分割多重出力となる。
【００３１】
本実施例では、ＬｉＮｂＯ３基板１０７上の非線形光学素子であるドメイン反転光導波路１０８が複数本一定間隔で形成され、この間隔がＰＬＣ基板１０３，１０９上に形成された複数の光導波路１０５および１１０のＬｉＮｂＯ３基板１０７との接合部分での間隔に等しく形成されている点が特徴である。これらの複数の導波路は、フォトリソグラフィー技術を用いて一度に作製可能であり、また、接合部分での導波路の間隔を等しくしておけば一回の接着作業でハイブリッド集積化が可能となるため、従来技術のように個々の非線形光学素子と光導波路の接着作業の手間を大幅に削減することができる。
【００３２】
さらに、ＬｉＮｂＯ３基板上の光導波路を伝搬する光パルスのモードフィールド径とＰＬＣ導波路のモードフィールド径はほぼ同じ（約８ミクロン）であり、接続損失の低減も可能である。ＰＬＣ基板とＬｉＮｂＯ３基板の接着は既存の技術を応用することが可能である。ＰＬＣ基板同士の接着法については、F.Ebisawa et al.,"High-speed 32-channnel optical wavelength selector using PLC hybrid integration," Technical Digest of Optical Fiber Communication confercncc(OFC),paper ThBl,San Diego,1999.に開示されているが、この方法を異なる基板であるＰＬＣ基板とＬｉＮｂＯ３基板の接着に用いることによって本光変調および多重回路が実現可能である。
【００３３】
このような方法で本発明の光変調・光多重回路を実現した場合、回路自体が小型化されて動作が安定になるだけでなく、接続損失の低減および従来技術では避けられなかった半導体光増幅器から発生する雑音の影響を受けない高信号対雑音比の出力を得ることが可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、シリコン基板上に形成されたＰＬＣとＬｉＮｂＯ３基板上に形成された複数のドメイン反転擬似位相整合光導波路が一度に結合されて本光変調および多重回路が実現可能であるため、チャンネル数が多くても実装の手間は同じであり、また低接合損失、低雑音特性も実現可能であるため、本発明が高速光通信に用いられればそのメリットは極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光変調・光多重回路の一実施例を示す図である。
【図２】擬似位相整合を用いた導波路型光変調器の構造を示す図である。
【図３】２段の過程における波長の関係を示す図である。
【図４】従来の光変調・光多重回路の構成図である。
【符号の説明】
１０１  信号光入射ポート
１０２  光クロック列入射ポート
１０３  ＰＬＣ基板
１０４  分波器
１０５  光導波路
１０６  カップラ
１０７  ＬｉＮｂＯ３基板
１０８  ドメイン反転光導波路
１０９  ＰＬＣ基板
１１０  光導波路
１１１  合波器
１１２  光学フィルタ
１１３  出力ポート
２０１  光導波路
２０２  ドメイン反転領域
４０１  変調用光信号パルス入射ポート
４０２  光クロック入射ポート
４０３  信号出力ポート
４０４  光フィルタ
４０５  プレーナ光波回路（ＰＬＣ）基板
４０６  分波器
４０７  合波器
４０８  半導体光増幅器
４０９  ＣＷ光源
４１０  合波器
【図１】
0003936886.tif 000002
【図２】
0003936886.tif 000003
【図３】
0003936886.tif 000004
【図４】
0003936886.tif 000005