专利名称：光调制器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种光调制器，更详细地说，涉及一种嵌套MZI (Mach-Zehnder inter-ferometer 马赫-曾德干涉仪)调制器。
背景技术：
在光纤通信系统中，为了将每个波长的传输速率从10(ibpS提升到40(ibpS或 100(ibpS，对应用多值调制技术、偏振复用技术进行了研究。多值调制技术是通过在利用光信号的振幅的同时还利用相位信息来以一个码元传输大量信息的技术，在40(ibpS的传输中，已经应用了 4值，即应用了一个码元能够传输2比特信息的差分四相相位调制 (Differential Quadrature Phase-Shift Keying :DQPSK (差分正交相移键控)调制)方式。偏振复用技术是通过利用偏振波对两个系统的信号进行多路复用来得到两倍的传输速率的技术，在期望今后实际应用的100(ibpS级传输中，除了上述多值调制技术以外还兼用该偏振复用方式的偏振复用QPSK(正交相移键控)调制方式作为有力候补之一而正在被研在用于生成在这些调制方式中成为基本的QPSK调制信号的调制器中，与此前的在10(ibpS传输等中所使用的由单一的Mach-Zehnder干涉仪(MZI)构成的调制器不同，如图IA所示，使用在大的MZI (以下称为“母MZI，，)的各臂波导部上配置MZI调制器(以下称为“子MZI”)而使MZI成为嵌套结构的结构略复杂的调制器(以下称为“嵌套MZI调制器”)(参照非专利文献1的图10等)。通常，使用具有大的电光效应(E0效应)的铌酸锂光波导(以下称为“LN波导”)技术来制作这些调制器。在各个子MZI中具备用于将电信号转换为光调制信号的高频电极(此外，上述高频电极一般采用行波电极结构，用保持为固定阻抗的传输线路结构将电极围起，但是在本图中为了易于观看附图而并未对信号输入部、信号输出部进行图示。在下面的附图也基本相同)。并且，各个子MZI中分别设置有调制动作点调整部，该调制动作点调整部具有用于对调制动作点进行调整的偏置电极(它们与偏置端子BiasI、BiasQ相连接。以后，如果说明上没有妨碍，则将偏置端子的称呼也用于偏置电极)，母MZI中具备相对相位调整部，该相对相位调整部具有用于对来自子MZI的光信号的相对相位进行调整(90°相位调整)的偏置电极Bias90°。此外，在本图中，示出使用了能够削减高频电极数的X切(X-cut)基板的例子。另外，利用了这种LN波导的嵌套 MZI调制器(单块式嵌套MZI调制器)已经上市，能够普遍得到。为了理解由嵌套MZI调制器进行的QPSK调制动作，首先，说明子MZI即单体的MZI 调制器的动作。在X切基板中，LN的极化方向为图IA的上下方向。关于来自处于MZI调制器的中央的高频电极的电场，对于上臂来说施加上方向的电场，对于下臂来说施加下方向的电场，对于极化方向来说在上下臂波导中施加相反方向的电场(参照图IB和图1C)。因而，EO效应所带来的折射率变化在上下臂波导中是相反的，在波导中传送的光的相位变化也是，在上下臂波导中是方向相反的。此外，为了易于观看附图，图中的电场显示只简便地记载了与波导有关的电场分布，而省略了其它区域的电场分布显示。以后的附图中也是同
3样的。输入到MZI调制器的连续(CW)光在光耦合器中被分为两路后，由于施加到高频电极的电信号而在上下臂波导中分别接受方向相反且量相同的相位改变，在光耦合器中再次合流。此时，输出信号光的电场相位如图2A所示那样变化。经由上臂的光接受正方向的相位变化，因此其电场矢量Emzi0i)描绘出逆时针(叉一白圆一黑圆)的轨迹，经由下臂的光接受负方向的相位变化，因此电场矢量ΕΜΖ ω描绘出顺时针的轨迹。两个电场的矢量合成为输出信号光的电场矢量Emzi，因此其轨迹描绘出实轴上的直线轨迹。当以数式进行描述时，为[数1]EMZI{H) = ^ejiE譯=1-β1ξEmzi = Emziw +Emzi(l) = ~(eJ4 + e- cos(|)
ο在此，ξ为利用来自高频电极的电场而施加的相位变化。因而，使该X切基板的 MZI调制器作为二值相位的相位调制器(PSK调制器)而发挥功能，当进行驱动(2VJI驱动) 以使臂波导之间的相位差如图2Β所示那样改变2 π时，输出光的相位被调制成零和π且信号光强度在信号定时的时刻不变。此外，Z切基板的LN也是，如果进行在上臂与下臂中同时赋予相反方向且量相同的相位变化的推挽驱动，则同样作为二值相位的相位调制器而发挥功能。在嵌套MZI调制器中，通过使Ich侧和Qch侧的光程差为四分之一波长来以90° 的相位差对从Ich用子MZI和Qch用子MZI输出的二值相位的调制信号光进行合成，由此能够得到如图2C所示那样被调制成四值相位的QPSK信号光。这样，嵌套MZI调制器能够作为QPSK调制器而发挥功能。并且，通过将电信号的振幅设定为多值的值而不仅仅设定为二值，能够使Ich/Qch取任意的振幅，能够在电场相位平面上任意的位置处对信号点进行矢量合成，因此本调制器也被称为矢量调制器。在LN波导中，存在被称为DC漂移(直流漂移)的现象，该现象如下若长时间施加电压，则波导的折射率会由于充电(charge-up)等而发生变化，干涉条件会产生偏差。还存在被称为温度漂移的现象，该现象如下根据环境温度不同，折射率也会发生变化。这种干涉条件的偏差在子MZI中表现为调制动作点的偏差，在母MZI中表现为Ich/Qch光信号的相对相位的正交度的偏差，即偏离于相位差90°。这些偏差都会导致光信号质量的劣化， 是不合乎需要的，因此需要利用适当的监视单元来感测偏差量，进行补偿/调整。关于对子MZI的调制动作点偏差的补偿，在初期的调制器中，将对高频信号成分和直流偏置成分进行合成的被称为偏置器(Bias Tee)的电路插入到高频输入的前级，对调制信号施加偏置电压来进行补偿，但是若使用偏置器则存在针对电信号的低频特性本质上劣化的问题，因此近年来大多不再使用偏置器而如图IA所示那样独立于高频电极地另外设置对调制动作点进行补偿/调整的专用的偏置电极BiasI、BiasQ来施加偏置电压。偏置电极不像高频电极那样对高频率进行处理，因此形成为集中常数型的简易的设计形状而不采取行波电极这样的分布常数型的设计形状，但是从偏置电极施加于波导的电场的方向基本与高频电极相同，就直流来说高频电极与偏置电极的作用是相同的。
使用如图IA所示那样配置在母MZI上的偏置电极Bias90°对Ich/Qch光信号的相对相位进行调整，由此来进行母MZI中的90°相位调整。接着，对将石英系平面光波回路(PLC)与LN调制阵列进行组合而得到的复合集成型嵌套MZI调制器进行说明(参照非专利文献2的图1等)。如图3A所示，该复合集成型嵌套MZI调制器由PLC波导和LN波导这样的不同种类波导连接而成。位于输入侧的三个分支回路以及位于输出侧的三个合流回路由PLC波导构成，具备将电信号转换为光调制信号的高频电极的调制阵列部由LN波导构成。PLC波导由于EO效应非常小而无法单独构成调制器，但是它是传送损耗小于等于 LN波导的十分之一的损耗非常低的波导介质，并且具有弯曲波导的允许弯曲半径高至2mm 左右的设计自由度，因此如果是无源回路则能够实现损耗低且多样的光回路。另一方面，LN 波导与PLC波导相比传送损耗、允许弯曲半径大，因此不适合构成复杂的光回路，但是由于如前所述那样具有高EO效应，因此作为高速调制回路非常优异。因而，特别是在如嵌套MZI调制器那样复杂的调制器的情况下，如图3A所示，通过在分支/合流回路等无源回路部分使用PLC波导、仅调制阵列部使用LN波导来将两者复合集成，能够得到PLC波导和LN波导双方的长处，能够实现与利用了 LN波导的单块式嵌套 MZI调制器相比损耗低且特性良好的调制器。调制器的结构越为复杂，这个优点越显著，例如，在除了分支/合流回路以外还需要偏振波合成器的偏振复用QPSK调制器中，优点会变得更大(参照非专利文献3的图1)。复合集成型嵌套MZI调制器的动作基本与上述的LN波导单块式调制器的动作相同。但是，相对相位调整部被配置于PLC侧，因此90°相位调整是在热光(TO)移相器中进行的。TO移相器通过形成在波导上的包层表面的薄膜加热器来局部地控制波导的温度，由此通过TO效应来控制波导的折射率，即波导的相位。由于利用了热量，因此响应速度为毫秒级，但是由于上述各种漂移是非常缓慢地产生的，因此该响应速度是足以进行90°相位调整等偏置调整的速度。子MZI的调制动作点调整也可以同样地通过在PLC上设置TO移相器来进行，但是在图3A的结构中，如前所述，构成为使用偏置器来使高频电极兼用作偏置电极。非专禾丨J 文献 1 :P. J. Winzer et al. , “ Advanced modulation formats for high-capacity optical transport networks, " Journal of Lightwave Technology, vol. 24，no. 12，pp.4711-4728,2006 非专利文献2 :山田貴等「PLC-LN >、λ ·； , F集積技術f用0 t DQPSK変調 夕二一>」，信学会2007年春季総合大会，C-3-66非专利文献3 山崎裕史等「石英系PLC-LN ’、i ·； , F集積技術&用0 t IOOGbps偏波多重QPSK変調器」，信学会2009年春季総合大会，C-3-6
发明内容
然而，在复合集成型嵌套MZI调制器中，由于使用TO移相器而具有以下的问题。在利用了 LN波导的单块式嵌套MZI调制器中，如上所述，由使用了 EO效应的移相器(E0移相器)来进行偏置调整。因而，导波光的相位变化与电压成比例地进行变化，能够进行向正负双方的相位控制。另外，几乎不流动电流而不存在电力消耗，因此，能够使用输出功率小的驱动电路，通常使用电压输出驱动电路，而驱动电路中的消耗电力也小。另一方面，在利用TO移相器进行的偏置调整中，导波光的相位变化与发热量即TO 移相器中的电力成比例地变化，只能够进行向正侧的相位控制。在要进行向负侧的相位控制的情况下，通过对相反侧的臂波导的TO移相器进行驱动来进行相对控制。因此，需要进行切换以正负进行驱动的移相器的动作。另外，由于利用电力来进行相位控制，因此需要能够输出比较大的输出功率的驱动电路，通常使用电流输出驱动电路，因此驱动电路中的消耗电力也变大。这样，在复合集成型嵌套MZI调制器中，在以下方面存在问题在作为相对相位调整部的TO移相器本身和相对相位调整部的驱动电路这两方中，进行偏置调整所需的消耗电力变大。另外，由于在EO移相器和TO移相器中对驱动电路的要求大为不同，因此多数情况下无法将利用了 LN波导的单块式嵌套MZI调制器用的通常的偏置驱动电路和控制电路直接使用于复合集成型嵌套MZI调制器中。因而，之前使用一般的利用了 LN波导的单块式嵌套MZI调制器的用户要新使用复合集成型嵌套MZI调制器的情况下，大多必须重新准备专用的偏置控制回路。即，针对偏置控制/驱动电路，在提高与现有的单块式嵌套MZI调制器之间的兼容性方面也希望得到改善。本发明是鉴于上述问题而完成的，其第一目的在于，在各臂上具备子MZI的嵌套 MZI调制器中，降低对来自子MZI的光信号的相对相位进行调整的相对相位调整部本身和相对相位调整部的驱动电路这两方的消耗电力。另外，本发明的第二目的在于提供一种单体MZI调制器，该单体MZI调制器用于构成嵌套MZI调制器的子MZI，在构成嵌套MZI调制器时，能够降低嵌套MZI调制器所具备的相对相位调整部本身和相对相位调整部的驱动电路这两方的消耗电力。此外，在上述说明中，作为“嵌套MZI调制器”，假设了图1所示那样的在母MZI的各臂上配置有子MZI的光调制器，但是与相对相位调整部有关的问题点在仅在母MZI的一个臂上嵌套了子MZI的光调制器中也存在，希望注意到本说明书中所使用的技术用语“嵌套MZI调制器”也包括仅在母MZI的一个臂上嵌套了子MZI的光调制器。为了达到这种目的，本发明的第一方式是一种光调制器，是利用了由具有电光效应的材料构成的移相器的MZI型光调制器，其特征在于，具备能够使上述光调制器的两臂产生相同方向的相位变化的移相器。另外，本发明的第二方式是一种光调制器，是具有第一臂波导和第二臂波导的MZI 型光调制器，该第一臂波导和第二臂波导形成在由具有电光效应的材料构成的基板上，该光调制器的特征在于，具备配置在上述第一臂波导和上述第二臂波导附近的第一组电极和第二组电极，上述第一组电极与上述第二组电极之间的电场使在上述第一臂波导和上述第二臂波导中传输的光信号均产生相同方向的相位变化。另外，本发明的第三方式的特征在于，在第一或第二方式中，上述具有电光效应的材料是多元系氧化物材料。另外，本发明的第四方式的特征在于，在第二方式中，产生上述电光效应的极化方向与上述光信号的传输方向垂直，并且为上述基板的面内方向。另外，本发明的第五方式的特征在于，在第一或第二方式中，上述光调制器的无源回路部分形成在由电介质材料构成的基板上。另外，本发明的第六方式的特征在于，在第五方式中，上述电介质材料是石英系玻
^^ ο另外，本发明的第七方式的特征在于，在第二方式中，上述第一臂波导和上述第二臂波导具有间距变换部，该间距变换部用于在配置上述第一组电极和上述第二组电极的部分扩大上述第一臂波导与上述第二臂波导之间的间距。另外，本发明的第八方式是一种光调制器，具备至少两个以上并联连接的MZI型光调制器，该光调制器的特征在于，并联连接的上述MZI型光调制器的至少一个是第一方式的光调制器。另外，本发明的第九方式是一种光调制器，在母MZI的各臂波导部配置有第一子 MZI和第二子MZI，该光调制器的特征在于，上述第一子MZI和上述第二子MZI中的至少一个是第二方式的光调制器。根据本发明，将能够对子MZI的上下臂的光信号分别赋予同方向的相位变化的移相器配置在子MZI中，因此即使不在母MZI上设置作为相位调整部的移相器，也能够通过使用该偏置电极对来自子MZI的输出光的相对相位进行调整。因而，在复合集成型调制器中也是，能够只利用设置于调制阵列部的偏置电极，即不使用TO移相器而只利用EO移相器来进行全部的偏置调整，因此能够提供降低了移相器本身和移相器的驱动电路的消耗电力的复合集成型调制器。在偏置控制中，作为控制方法之一，有时会使用使微小的高频信号重叠于偏置信号的抖动(dithering)。在这种情况下，控制速度受限于抖动频率，在进行了优化的情况下也是，抖动频率的倒数左右是上限。TO移相器的响应速度一般为毫秒级，而在EO移相器中即使是集中常数型电极也可以达到毫微秒程度。因而，在本发明的偏置电极中能够处理数百MHz的抖动信号，因此还能够高速地进行偏置控制。另外，由于只利用EO移相器就能够进行偏置调整，因此能够借用电压控制的驱动电路的设计方式，通过进一步如后所述那样进行电极的组合等，能够直接使用在现有LN波导单块式调制器中使用的偏置控制回路。并且，由于不使用TO移相器，因此无需在PLC上形成薄膜加热器等，因此还可以得到PLC的芯片成本降低这样的次要效果。除此以外，由于在PLC中不存在发热部，因此还可以得到不需要以前所需的散热设计/散热机构的效果。
图IA是现有的单块式嵌套MZI调制器的俯视图。图IB是沿图IA的IB-IB线的截面图。图IC是沿图IA的IC-IC线的截面图。图2A是单体MZI调制器输出的电场相位俯视图。图2B是用于说明单体MZI调制器的PSK调制动作的图。图2C是嵌套MZI调制器的QPSK调制动作时输出的电场相位俯视图。图3A是现有的复合集成型嵌套MZI调制器的俯视图。图;3B是沿图3A的IIIB-IIIB线的截面图。
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图3C是沿图3A的IIIC-IIIC线的截面图。图4A是表示作为本申请发明的第一实施方式(方式la)的复合集成型嵌套MZI 调制器的结构的俯视图。图4B是沿图4A的IVB-IVB线的截面图。图5A是表示90°相位调整用偏置电极Bias90°的配置例的图。图5B是表示90°相位调整用偏置电极Bias90°的配置例的图。图6A是表示作为本申请发明的第一实施方式的变形(方式lb)的复合集成型嵌套MZI调制器的结构的俯视图。图6B是沿图6A的VIB-VIB线的截面图。图7A是表示作为本申请发明的第二实施方式(方式加)的复合集成型嵌套MZI 调制器的结构的俯视图。图7B是沿图7A的VIIB-VIIB线的截面图。图8是表示作为本申请发明的第二实施方式的变形(方式2b)的复合集成型嵌套 MZI调制器的结构的图。图9A是表示作为本申请发明的第二实施方式的其它变形(方式2c)的复合集成型嵌套MZI调制器的结构的图。图9B是沿图9A的IXB-IXB线的截面图。图IOA是表示作为本申请发明的第三实施方式的复合集成型嵌套MZI调制器的结构的图。图IOB是表示能够应用于第三实施方式的具体的分压电阻电路例的图。图IOC是表示对偏置电极的一方进行接地连接(例如使η侧的电极接地)的情况下的分压电阻电路例的图。图11是表示将本申请发明应用于并联合成型16值QAM(Quadrature Amplitude Modulation 正交振幅调制)调制器的结构(QAM方式1)的图。图12A是表示针对图11的QAM调制器的光信号的电场相位俯视图的图。图12B是表示针对图11的QAM调制器的光信号的电场相位俯视图的图。图12C是表示针对图11的QAM调制器的光信号的电场相位俯视图的图。图13是表示对图11的并联合成型QAM调制器的偏置电极结构进行变形后得到的结构(QAM方式2)的图。图14是表示将本申请发明应用于APSK(振幅相移键控)调制器的结构的图。图15A是表示针对图14的APSK调制器的光信号的电场相位俯视图的图。图15B是表示针对图14的APSK调制器的光信号的电场相位俯视图的图。图15C是表示针对图14的APSK调制器的光信号的电场相位俯视图的图。图16A是用于说明将本申请发明应用于Z切基板时的一般规则的图，是表示应用于X切基板的情况的图。图16B是用于说明将本申请发明应用于Z切基板时的一般规则的图，是表示应用于Z切基板的情况的图。图17A是表示利用了 Z切基板的QPI调制器的方式Ia的结构的图。图17B是沿图17A的XVIIB-XVIIB线的截面图。
图18A是表示在图6A所示的方式Ib的嵌套MZI调制器中使用Z切基板的例的图。图18B是沿图18A的XVIIIB-XVIIIB线的截面图。图18C是表示图18A所示的结构的派生结构的图。图18D是沿图18C的XVIIID-XVIIID线的截面图。图19A是表示在图7A所示的方式加的嵌套MZI调制器中使用Z切基板的例的图。图19B是沿图19A的XIXB-XIXB线的截面图。图20是表示在图10所示的第三实施方式的嵌套MZI调制器中使用Z切基板的例的图。图21A是表示利用了极化反转基板的QPSK调制器的方式Ia的结构的图。图2IB是沿图2IA的XXIB-XXIB线的截面图。图22A是表示利用了 LN单块基板的QPSK调制器的方式Ia的结构的图。图22B是沿图22k的XXIIB-XXIIB线的截面图。图23是表示作为第一实施方式的变形(方式lb)的实施例而制作的嵌套MZI调制器的结构的图。图24A是沿图23的XXIVA-XXIVA线的截面图。图24B是沿图23的XXIVB-XXIVB线的截面图。图MC是沿图23的XXIVC-XXIVC线的截面图。图24D是沿图23的XXIVD-XXIVD线的截面图。
具体实施例方式下面，参照附图来详细说明本发明的实施方式。(第一实施方式)图4A中示出了作为本申请发明的第一实施方式(方式la)的复合集成型嵌套MZI 调制器的结构。本方式的调制器结构与现有结构大致相同，但是对来自子MZI的光信号的相对相位进行调整的相对相位调整部是不同的。取代在母MZI中配置相对相位调整部，在各个子MZI内针对上下两臂均设置向与极化方向相同的方向(或相反的方向)施加电场的偏置电极Bias90° (与“第一电极”对应)和GND电极(与“第二电极”对应)(参照图 4B)，设置于各个子MZI的偏置电极Bias90°和GND电极全体构成相对相位调整部。这种相对相位调整部能够对子MZI的上下臂波导的光信号分别赋予同方向的相位变化，因此从光信号的角度来看与在子MZI输出之后接受相位变化(参照图1A)是等价的。对此，以Ich侧为例来详细进行说明。当将子MZI的输入设为1时，上臂的输出电场Eh、下臂的输出电场&为[数2]Eh = ^Κζ+Φ) Γ π F -丄一(-州)
权利要求
1.一种光调制器，是利用了由具有电光效应的材料构成的移相器的MZI型光调制器， 其特征在于，具备能够使上述光调制器的两臂产生相同方向的相位变化的移相器。
2.一种光调制器，是具有第一臂波导和第二臂波导的MZI型光调制器，该第一臂波导和第二臂波导形成在由具有电光效应的材料构成的基板上，该光调制器的特征在于，具备配置在上述第一臂波导和上述第二臂波导附近的第一组电极和第二组电极，上述第一组电极与上述第二组电极之间的电场使在上述第一臂支路波导和上述第二臂波导中传输的光信号均产生相同方向的相位变化。
3.根据权利要求1或2所述的光调制器，其特征在于，上述具有电光效应的材料是多元系氧化物材料。
4.根据权利要求2所述的光调制器，其特征在于，产生上述电光效应的极化方向与上述光信号的传输方向垂直，并且为上述基板的面内方向。
5.根据权利要求1或2所述的光调制器，其特征在于，上述光调制器的无源回路部分形成在由电介质材料构成的基板上。
6.根据权利要求5所述的光调制器，其特征在于，上述电介质材料是石英系玻璃。
7.根据权利要求2所述的光调制器，其特征在于，上述第一臂波导和上述第二臂波导具有间距变换部，该间距变换部用于在配置上述第一组电极和上述第二组电极的部分扩大上述第一臂波导与上述第二臂波导之间的间距。
8.一种光调制器，具备至少两个以上并联连接的MZI型光调制器，该光调制器的特征在于，并联连接的上述MZI型光调制器的至少一个是根据权利要求1所述的光调制器。
9.一种光调制器，在母MZI的各臂波导部配置有第一子MZI和第二子MZI，该光调制器的特征在于，上述第一子MZI和上述第二子MZI中的至少一个是根据权利要求2所述的光调制器。
全文摘要
在各臂上具备子MZI的嵌套MZI调制器中，降低对来自子MZI的光信号的相对相位进行调整的相对相位调整部本身和相对相位调整部的驱动电路这两方的消耗电力。方式(1a)的复合集成型嵌套MZI调制器的结构如下代替在母MZI中配置相对相位调整部而在各个子MZI内设置对上下两臂均施加方向与极化方向相同(或相反方向)的电场的偏置电极Bias90°和接地电极(参照图4B)，设置于各个子MZI的偏置电极Bias90°和接地电极整体构成相对相位调整部。这种相对相位调整部能够对子MZI的上下臂波导的光信号分别赋予同方向的相位变化，因此从光信号的角度来看与在子MZI输出之后接受相位变化(参照图1A)是等价的。
文档编号G02F1/035GK102472900SQ20108002987
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月9日 优先权日2009年7月10日
发明者乡隆司, 土居芳行, 山崎裕史, 山田贵, 美野真司, 都筑健 申请人:日本电信电话株式会社