JP5659631B2 - 偏波制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、偏波制御装置に関する。

図４に、従来の偏波制御装置１００の構成を示す（特許文献１参照）。
図４において、入射側光ファイバ１６０から偏光子１１０を介してＬＮ変調器１２０へ光が入射される。偏光子１１０は基板面に対して４５°傾けられており、偏光子１１０を通過した光は、ＴＥ偏光とＴＭ偏光を等しい強度で含んでいる。各偏光は強度変調器１２２により異なる強度変調を受け、その後、位相変調器１２３により異なる位相変調を受ける。ＴＥ偏光とＴＭ偏光は互いに異なる強度変調と位相変調を受けるので、強度変調器１２２と位相変調器１２３に与える変調電圧を制御することで、ＬＮ変調器１２０から出射側光ファイバ１７０へと出射される光の偏光状態を制御することができる。

特許第２８００７９２号公報

しかしながら、従来の図４の偏波制御装置１００においては、強度変調器１２２によって強度変調を受けた後のＴＥ偏光とＴＭ偏光の強度比は、変調電圧が決まると一意に決まり、任意の強度比を得ることができなかった。また、同様に、位相変調器１２３によって位相変調を受けた後のＴＥ偏光とＴＭ偏光の相対位相は、変調電圧が決まると一意に決まり、任意の相対位相を得ることができなかった。そのため、従来の偏波制御装置１００では任意の偏光状態の光を得ることが不可能であった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、任意の偏光状態を実現可能な偏波制御装置を提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の偏波制御装置は、入力された直線偏波の光を２分岐する分岐部と、２分岐された入力光をそれぞれ強度変調する第１強度変調器および第２強度変調器と、前記第１強度変調器と前記第２強度変調器の出力のうち少なくとも一方を位相変調する位相変調器と、前記変調を受けた２つの光を、一方の偏波を直交させて合波する偏波合成部と、を備え、前記第１強度変調器、前記第２強度変調器、および前記位相変調器は、電気光学効果を有する同一の基板上に導波路および導波路を伝搬する光の位相を制御する電極を形成した変調器である、ことを特徴とする。

また、本発明の偏波制御装置は、上記の偏波制御装置において、前記偏波合成部は、前記基板の外部に形成されている。

本発明によれば、任意の偏光状態を実現することが可能である。

本発明の第１の実施形態による偏波制御装置の構成を示す図（上面図）である。 本発明の第２の実施形態による偏波制御装置の構成を示す図（上面図）である。 本発明の他の実施形態による偏波制御装置の構成を示す図（上面図）である。 従来の偏波制御装置の構成を示す図（上面図）である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による偏波制御装置１の構成を示す図（上面図）である。図１において、偏波制御装置１は、偏光子１０、ＬＮ変調器２０、コリメートレンズ３０、偏波合成モジュール４０、および集光レンズ５０を備える。

偏光子１０は、偏光主軸をＬＮ基板（ＬＮ変調器２０）の主面と平行（図１の紙面と平行）にして、ＬＮ変調器２０の入射側に配置されている。偏光子１０には入射側光ファイバ６０から光が入射される。偏光子１０へ入射された光のうち、ＴＥ偏光（電界の振動方向がＬＮ基板の主面と平行）のみが偏光子１０を通り抜け、ＬＮ変調器２０へ入射される。

ＬＮ変調器２０は、ＸカットのＬＮ基板上に光導波路と変調電極が形成された変調器であり、第１入力導波路２１Ａ、第２入力導波路２１Ｂ、第１強度変調器２２Ａ、第２強度変調器２２Ｂ、位相変調器２３、第１出力導波路２４Ａ、および第２出力導波路２４Ｂを備える。

第１入力導波路２１Ａは、第１強度変調器２２Ａの入力端に接続され、第１強度変調器２２Ａの出力端は、第１出力導波路２４Ａに接続されている。第２入力導波路２１Ｂは、第２強度変調器２２Ｂの入力端に接続され、第２強度変調器２２Ｂの出力端は、位相変調器２３の入力端に接続され、位相変調器２３の出力端は、第２出力導波路２４Ｂに接続されている。

第１強度変調器２２Ａおよび第２強度変調器２２Ｂは、マッハツェンダー型導波路と当該マッハツェンダー型導波路の各アームに電界を印加するための変調電極を有する。第１強度変調器２２Ａの変調電極には、電圧Ｖ１が与えられる。第１強度変調器２２Ａは、第１入力導波路２１Ａから入力された光を、変調電極に与えられた電圧Ｖ１に応じて強度変調し、強度が変調された光を第１出力導波路２４Ａへ出力する。第２強度変調器２２Ｂの変調電極には、電圧Ｖ２が与えられる。第２強度変調器２２Ｂは、第２入力導波路２１Ｂから入力された光を、変調電極に与えられた電圧Ｖ２に応じて強度変調し、強度が変調された光を位相変調器２３へ出力する。第１強度変調器２２Ａの出力光と第２強度変調器２２Ｂの出力光の強度比は、各変調電極に与える電圧Ｖ１およびＶ２によって任意に変化させることができる。

位相変調器２３は、直線導波路と当該直線導波路に電界を印加するための変調電極を有する。位相変調器２３の変調電極には、電圧Ｖ３が与えられる。位相変調器２３は、第２強度変調器２２Ｂから出力された光を、変調電極に与えられた電圧Ｖ３に応じて位相変調し、位相が変調された光を第２出力導波路２４Ｂへ出力する。変調電極に与える電圧Ｖ３によって、第１強度変調器２２Ａの出力光に対する位相変調器２３の出力光の相対位相を任意に変化させることができる。

第１出力導波路２４Ａは、ＬＮ変調器２０の出射端面付近において第２出力導波路２４Ｂの方へ向かって屈曲し、ＬＮ変調器２０の出射端面と斜めに交差している。第２出力導波路２４Ｂは、ＬＮ変調器２０の出射端面付近において第１出力導波路２４Ａの方へ向かって屈曲し、ＬＮ変調器２０の出射端面と斜めに交差している。

コリメートレンズ３０は、ＬＮ変調器２０の出射側に配置されている。コリメートレンズ３０の配置位置は、第１出力導波路２４Ａおよび第２出力導波路２４Ｂからそれぞれ出射されてコリメートレンズ３０を通った光が、互いに平行なコリメート光となるように調整されている。

偏波合成モジュール４０は、コリメートレンズ３０の後段に配置され、λ／２波長板４１、ガラス板４２、および複屈折素子４３を備える。

λ／２波長板４１は、第２出力導波路２４Ｂからの出射光の光路上に配置されている。λ／２波長板４１の光学主軸の向きは、第２出力導波路２４Ｂからの出射光（ＴＥ偏光）の偏波面を９０°回転させる向きに調整されている。

ガラス板４２は、第１出力導波路２４Ａからの出射光の光路上に配置されている。ガラス板４２の屈折率および厚さは、λ／２波長板４１を通る光の光路長とガラス板４２を通る光の光路長が等しくなるように設定されている。

複屈折素子４３は、複屈折を有する光学素子であり、λ／２波長板４１とガラス板４２の後段に配置されている。ガラス板４２を通過した光（ＴＥ偏光）とλ／２波長板４１を通過して偏波面が回転した光（ＴＭ偏光）は、複屈折素子４３の複屈折の作用によって偏波合成される。複屈折素子４３の厚さ（光路に沿った方向の長さ）は、λ／２波長板４１からの光とガラス板４２からの光が複屈折素子４３の出射端面で一点に交わるように設定されている。複屈折素子４３としては、例えば、ルチル（二酸化チタン）結晶やサバール板を用いることができる。導波路（Ｙ分岐等）を用いて光を合波するのではなく複屈折を利用した偏波合成であるため、損失を低減することが可能である。

集光レンズ５０は、偏波合成モジュール４０の後段に配置されている。集光レンズ５０の配置位置は、偏波合成モジュール４０からの出射光が出射側光ファイバ７０のコアに集光するように調整されている。

次に、上記のように構成された偏波制御装置１の動作を説明する。
入射側光ファイバ６０からＬＮ変調器２０へ入射される光は、偏光子１０によりＴＥ偏光に制限される。第１入力導波路２１Ａへの入射光と第２入力導波路２１Ｂへの入射光は、それぞれ第１強度変調器２２Ａと第２強度変調器２２Ｂにより強度変調され、その強度比が電圧Ｖ１およびＶ２によって制御される。さらに、第２強度変調器２２Ｂからの出力光が位相変調器２３により位相変調され、第１強度変調器２２Ａの出力光に対する位相変調器２３の出力光の相対位相が電圧Ｖ３によって制御される。第１強度変調器２２Ａからの出力光は第１出力導波路２４Ａから、位相変調器２３からの出力光は第２出力導波路２４Ｂから、それぞれコリメートレンズ３０へ向けて出射される。

第１出力導波路２４Ａおよび第２出力導波路２４Ｂからの出射光は、コリメートレンズ３０によって互いに平行なコリメート光とされて、偏波合成モジュール４０へ入射される。第１出力導波路２４Ａを通ってきた光（ＴＥ偏光）は、ガラス板４２を通過し、複屈折素子４３内をＴＥ偏光のまま常光として伝搬する。第２出力導波路２４Ｂを通ってきた光（ＴＥ偏光）は、λ／２波長板４１によってＴＭ偏光（電界の振動方向がＬＮ基板の主面に垂直）に変換されて、複屈折素子４３内をＴＭ偏光の異常光として伝搬する。この常光と異常光は複屈折素子４３の出射端面の一点から出射されて、偏波合成される。偏波合成された光は集光レンズ５０を介して出射側光ファイバ７０へ入射される。

このように、複屈折素子４３内を伝搬する常光と異常光の強度比は電圧Ｖ１およびＶ２により、また両者の相対位相は電圧Ｖ３により、それぞれ独立に制御される。したがって、複屈折素子４３により偏波合成された光の偏光状態を任意に制御可能である。例えば、常光と異常光の強度比が１：１となるように電圧Ｖ１およびＶ２を制御し、常光と異常光の相対位相がπ／２となるように電圧Ｖ３を制御すれば、偏波合成後の光は円偏光となる。また、例えば、常光と異常光の強度比が１：ｘ（ｘ＜１）となるように電圧Ｖ１およびＶ２を制御し、常光と異常光の相対位相がπ／２となるように電圧Ｖ３を制御すれば、偏波合成後の光は、一方の軸がＬＮ基板の主面と平行で扁平率が１−ｘの楕円偏光となる。また、例えば、常光と異常光の相対位相φを０＜φ＜π／２となるように電圧Ｖ３を制御すれば、偏波合成後の光は、一方の軸がＬＮ基板の主面と非平行な楕円偏光となる。また、例えば、常光と異常光の相対位相が０となるように電圧Ｖ３を制御すれば、偏波合成後の光は、常光と異常光の強度比に応じた（電圧Ｖ１およびＶ２に応じた）偏波面を持つ直線偏光となる。

第１強度変調器２２Ａ、第２強度変調器２２Ｂ、および位相変調器２３の変調電極に与える各電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、直流電圧であっても交流電圧であってもよい。直流電圧の場合、偏波合成モジュール４０からの出力光を、偏光状態が時間的に変化しない光とすることができる。交流電圧の場合、偏波合成モジュール４０からの出力光を、偏光状態が周期的に変化する光とすることができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態による偏波制御装置２の構成を示す図（上面図）である。図２において、偏波制御装置２は、偏光子１０、ＬＮ変調器２１、コリメートレンズ３０、偏波合成モジュール４０、および集光レンズ５０を備える。ＬＮ変調器２１は、第１入力導波路２１Ａ、第２入力導波路２１Ｂ、第１強度変調器２２Ａ、第２強度変調器２２Ｂ、第１位相変調器２３Ａ、第２位相変調器２３Ｂ、第１出力導波路２４Ａ、および第２出力導波路２４Ｂを備える。

本実施形態は、ＬＮ変調器２１が第１強度変調器２２Ａの後段に第１位相変調器２３Ａを備え第２強度変調器２２Ｂの後段に第２位相変調器２３Ｂを備える点が、第１の実施形態と異なる。
本実施形態では、第１位相変調器２３Ａと第２位相変調器２３Ｂの２つを用いて、第１強度変調器２２Ａの出力光に対する位相変調器２３の出力光の相対位相を変化させる。例えば、相対位相をπ／２とする場合、第１位相変調器２３Ａにより＋π／４の位相を付与し、第２位相変調器２３Ｂにより−π／４の位相を付与する。この構成によれば、第１位相変調器２３Ａと第２位相変調器２３Ｂの個々に与える電圧を低減することが可能である。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、ＬＮ変調器は、ＸカットのＬＮ基板を利用したものに限られず、ＺカットのＬＮ基板を利用したものであってもよい。
また、ＬＮ変調器内を伝搬させる光をＴＭ偏光としてもよい。
また、偏波合成モジュール４０は、λ／２波長板４１とガラス板４２の配置を入れ替えてもよい。
また、偏波合成モジュール４０に代えて、図３に示すように、レンズ８１，８２、λ／２波長板８３、ミラー８４、偏光ビームスプリッタ８５からなる光学系を用いてもよい。

１…偏波制御装置 １０…偏光子 ２０…ＬＮ変調器 ２１…入力導波路 ２２…強度変調器 ２３…位相変調器 ２４…出力導波路 ３０…コリメートレンズ ４０…偏波合成モジュール ４１…λ／２波長板 ４２…ガラス板 ４３…複屈折素子 ５０…集光レンズ ６０…入射側光ファイバ ７０…出射側光ファイバ

Claims (2)

1. 入力された直線偏波の光を２分岐する分岐部と、
   ２分岐された入力光をそれぞれ強度変調する第１強度変調器および第２強度変調器と、
   前記第１強度変調器と前記第２強度変調器の出力のうち少なくとも一方を位相変調する
   位相変調器と、
   前記変調を受けた２つの光を、一方の偏波を直交させて合波する偏波合成部と、
   を備え、
   前記第１強度変調器、前記第２強度変調器、および前記位相変調器は、電気光学効果を有する同一の基板上に導波路および導波路を伝搬する光の位相を制御する電極を形成した変調器である、
   ことを特徴とする偏波制御装置。
2. 前記偏波合成部は、前記基板の外部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の偏波制御装置。

Images