專利名稱：馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓測定方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種馬赫曾德爾(Mach-Zehnder)型光調制器(以下簡稱MZ型光調制器)的半波長電壓(也稱為AC半波長電壓)的測定方法及測定裝置，特別涉及對在高速、大容量光纖通信中使用的、適合高頻調制的MZ型光調制器的半波長電壓進行測定的測定方法及測定裝置。
背景技術：
光調制器是在光通信中的發送部等中使用的主要元器件，特別是使用LiNbo3(LN)制成的MZ型光調制器，由于具有高速、帶寬、低啁愀等特征，在近年的高速大容量光通信中被廣泛使用。
MZ型光調制器1，如圖1所示，在具有光電效應的電路板上，由對光波進行波導的光波導路2、以及在上述光波上施加微波帶域的高速調制信號的電極(圖中未畫出)等所構成。MZ型光調制器的工作原理是從光波導路2的一端輸入的光，在途中被分支后，由于通過按照從信號源施加的電信號的電壓的大小改變折射率的電路板，在相互的光之間產生速度差，而在將分支后的光結合時，相互之間產生相位上的偏差，因此，合成后的輸出光表示出與該電信號對應的強度變化。
圖2表示相對于在MZ型光調制器1上施加的信號源3的輸入電壓(V)，輸出光(I)變化的曲線圖。一般，隨著輸入電壓V的增加，輸出光I在一定范圍內呈正弦曲線振動。如圖2所示，在輸出光的最小值與最大值之間的輸入電壓幅度被稱作半波長電壓Vπ，是在光通信中當用光調制器進行ON/OFF控制時，確定施加在光調制器上的電信號的電壓值的重要數值。
即使是相同的光調制器，其半波長電壓也隨施加在光調制器上的電信號的頻率變化。而且隨著近年來光通信的高速、大容量化，光調制器的驅動頻率也呈現高頻化，對10GHZ及其以上頻率也要求正確測定半波長電壓。
作為半波長電壓的測定方法，有如圖3所示的直接觀察輸出光的測定方法(現有技術例1)、以及在美國專利第6,204,954號中所述的如圖5所示的利用輸出光的平均輸出值的測定方法(現有技術例2)等。
在現有技術例1中，如圖3所示，對MZ型光調制器1入射來自激光源4的光，同時在高頻AC信號31上由BiasT33重疊來自偏置用的DC電源32偏置電壓之后所產生的電壓也被施加到MZ型光調制器上。于是，從MZ型光調制器1射出的光由高速光檢波器檢測，并且所檢測的輸出可以用采樣示波器52進行觀察。
現有技術例1的測定方法，當MZ型光調制器1的輸入電壓V和輸出光I之間的關系(V-I特性)如圖4所示曲線時，如果在具有峰—峰電壓振幅值Vp-p的高頻AC信號上疊加偏置電壓VB，并對MZ型光調制器1施加如曲線B所示的輸入電壓，則輸出光就變成如曲線C所示那樣，此曲線C的波形可以用采樣示波器52直接觀察。
而且，一邊進行直接觀察，一邊讓曲線C的峰-峰振幅成為最大那樣，調整Vp-p和VB的電壓值，通過測定最大時的Vp-p，求出MZ型光調制器1的半波長電壓Vπ(Vπ＝Vp-p)。
但是，在現有技術例1的測定方法中，當高頻超過10GHZ時、因高速光檢波器51等感光系的頻率特性的問題，要正確觀察到光波形(圖4的曲線C)是困難的。因此無法精確測定半波長電壓。
另一方面，在現有技術例2中，如圖5所示，對于激光通過的MZ型光調制器1，施加由BiasT33在高頻AC信號31上疊加來自DC電源32的偏置電壓后的電壓。于是，MZ型光調制器1射出的光被光耦合器53分支，一部分光進入光功率計54內，其它光被光檢波器檢測，所檢測的輸出被導入頻譜分析儀56。
現有技術例2的測定方法，當MZ型光調制器1的輸入電壓V和輸出光I之間的關系(V-I特性)如圖6所示曲線A時，調節偏置電壓VB，讓其成為表示V-I特性曲線A的峰值的輸入電壓(偏置點調整)，分別測定在偏置電壓VB上疊加具有峰—峰電壓振幅值Vp-p的高頻AC信號時(曲線B1)的輸出光的平均輸出值(曲線C1)、不附加高頻AC信號時(只有偏置電壓VB。曲線B2)的輸出光值(曲線C2)、以及高頻AC信號的Vp-p。然后，利用V-I特性成為正弦函數的事實，就能求出MZ型光調制器的半波長電壓Vπ。
在現有技術例2的測定方法中，雖然在高頻可以精確測定半波長電壓，但需要調節MZ型光調制器的偏置點，當出現偏置點變動引起輸出光不穩定時，就難以準確測定半波長電壓。并且由于用于半波長電壓計算時的參數很多，計算變得繁雜。
發明內容
本發明解決了上述問題，其目的在于提供一種在MZ型光調制器的半波長電壓的測定中，即使在高頻也能精確進行測定，不依賴于該光調制器偏置點的變動，而且在計算中使用的參數也比較簡潔的測定方法及裝置。
為解決上述課題，有關本發明之一的馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓測定方法，是在將被測頻率的高頻AC信號與檢測用低頻AC信號疊加后施加在馬赫曾德爾型光調制器上，或者分別將兩者施加在分別構成的電極上，通過觀測該光調制器的輸出光的低速響應來測定馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓的方法中，讓該高頻AC信號的電壓振幅可變，采用根據該檢測用低頻AC信號讓輸出光強度變化大致為零時的該高頻AC信號的電壓振幅，測定馬赫曾德爾型光調制器的被測頻率中的半波長電壓。
有關本發明之二的馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓測定方法，是在本發明之一的馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓測定方法中，根據該檢測用低頻AC信號讓輸出光強度變化大致為零時的該高頻AC信號的電壓振幅的峰—峰電壓振幅值Vp-p、和馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓Vπ之間的關系，滿足式J0(πVp-p/(2Vπ))＝0(J0是0次貝塞耳函數)的關系。
有關本發明之三的馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓測定方法，是在本發明之一的馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓測定方法中，采用根據該檢測用低頻AC信號讓輸出光強度變化大致為零時的該高頻AC信號的電壓振幅，假定其峰—峰電壓振幅值為最小時的值是Vp-pmin時、馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓Vπ滿足式(πVp-pmin/(2Vπ))＝2.405的關系。
本發明之四的馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓測定裝置，采用本發明之一至之三中任一項所述的馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓測定方法，可以測定馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓。
圖1表示MZ型光調制器的概略圖。
圖2表示MZ型光調制器的V-I特性曲線。
圖3表示現有技術例1測定方法的概略圖。
圖4表示用現有技術例1的測定方法得到的V-I特性等關系的曲線。
圖5表示現有技術例2的測定方法的概略圖。
圖6表示用現有技術例2的測定方法得到的V-I特性等關系的曲線。
圖7表示本發明的測定方法的概略圖。
圖8表示根據本發明的測定方法輸出光的低速響應狀態的變化曲線。
圖9表示本發明的實驗例的概略圖。
圖10表示利用本發明的測定結果時的MZ型光調制器光電響應特性的曲線。
具體實施例方式
以下，采用優選實施例對本發明進行詳細說明，但本發明的范圍并不限定于該優選實施例。
在本發明中，如圖7所示，將已被測定頻率的高頻AC信號34與檢測用低頻AC信號35疊加并施加在MZ型光調制器1上，或者如圖9所示，將兩者分別施加在分別構成的電極(具體指RF用信號電極和偏置端口用接地電極)上，用光檢波器57和示波器58觀測到光調制器輸出光的低速響應(對應低頻AC信號35的變化)，對照觀察的波形，調整高頻AC信號34的電壓振幅，就能測定MZ型光調制器1的半波長電壓。
依據本發明，不需要進行在有關MZ型光調制器的測定中成為問題的偏置點的調整、控制，并且能非常簡單、精確地測定半波長電壓。
對本發明的測定原理進行說明。
假定1表示高頻AC信號34的相位變化，2表示低頻AC信號35的相位變化，MZ型光調制器1的輸出光可用式1表示。式中，I0是輸出光的最大值，Vp-p是高頻AC信號34的峰—峰電壓振幅值，f是被測頻率的高頻AC信號34的頻率。Vπ是被測頻率f的MZ型光調制器1的半波長電壓。
I=I02[1+cos(Φ1+Φ2)]]]>Φ1=πVp-p2Vπsin(2πft)···(1)]]>其次，式1中輸出光I對應的低速響應I′，相當于對高頻AC信號(頻率f)取時間平均，可用式2表示。
I′=f∫01/fI02[1+cos(Φ1+Φ2)]dt]]>=f∫01/fI02[1+cosΦ1cosΦ2-sinΦ1sinΦ2]dt···(2)]]>進一步，對式2進行級數展開并整理后，得到式(3)。
I′=f∫01/fI02[1+cos{πVp-p2Vπsin(2πft)}cosΦ2-sin{πVp-p2Vπsin(2πft)}sinΦ2]dt]]>=f∫01/fI02[1+Σn=0∞ϵncos(2n·2πft)J2n{πVp-p2Vπ}cosΦ2]]>-Σn=0∞ϵnsin{(2n+1)2πft}J2n+1{πVp-p2Vπ}sinΦ2]dt]]>=I02[1+J0{πVp-p2Vπ}cosΦ2]···(3)]]>式中
式3表明，MZ型光調制器的輸出光的低速響應I′可用常數項、0次的貝塞耳函數和余弦函數之積表示。在此，貝塞耳函數表示的值隨高頻AC信號34而輸出變化。余弦函數表示的值隨低頻AC信號35而輸出變化。
當輸入讓貝塞耳函數項為0的電壓Vp-p的高頻AC信號34時，式3的第2項為0，無論低頻AC信號35是否輸入，輸出光的低速響應I′都是I0/2，成為恒定輸出。此狀態如圖8(b)所示。
即，當加在MZ型光調制器1上的高頻AC信號34的電壓振幅連續變化時，MZ型光調制器1的輸出光的低速響應可在示波器58上觀測，如圖8(a)所示由于低頻AC信號的影響，輸出光的變動狀況如圖8(b)所示當輸出光為恒定時，通過測定輸入到MZ型光調制器1上的高頻AC信號34的電壓Vp-p，就能算出被測頻率f對應的半波長電壓Vπ。
輸出光的低速響應I′為恒定時Vp-p和Vπ的關系，可以根據式3的貝塞爾函數項為0的條件J0(πVp-p/(2Vπ))＝0 (J0是0次的貝塞爾函數)所導出。
但是，因為使0次貝塞爾函數為0的條件有多個，通常所需要的信號電壓為最小，根據最初輸出光為最小的峰—峰電壓振幅值Vp-pmin，利用關系式πVp-pmin/(2Vπ)＝2.405，可以計算出半波長電壓Vπ。
有關本發明的的實驗例，如圖9、圖10所示。
激光源發射的1.55μm的激光，通過偏振波調節器42后，調整偏振波狀態，入射到MZ型的LN光調制器11。
被測頻率f的高頻AC信號和檢測器用低頻AC信號疊加后輸入到LN光調制器11。對于高頻AC信號的輸入，從高頻信號發生器34-1輸出的高頻微波由高頻放大器34-2可改變電壓振幅，并輸入到LN光調制器11的高頻用(RF)端口。同時，對于低頻AC信號的輸入，從低頻信號發生器35-1輸出的1kHz正弦波輸入到LN光調制器11的偏置(BIAS)端口。通過將低頻AC信號的振幅電壓設定為半波長電壓的2倍以上，始終可以得到輸出光的最大振幅，便于觀測，使測定更加精確。
LN光調制器11的輸出光用光檢波器57檢測，在示波器58中觀測檢測信號。
本實驗的測定結果是對應1GHz、5GHz、10GHz的檢測頻率，其半波長電壓分別為4.9V、5.7V、6.4V。
圖10表示將利用該測定結果時的LN光調制器11的光電響應特性、和用光構成分析儀得到的LN光調制器11的光電響應特性的測定結果進行比較的結果。比較結果顯示，兩者非常一致。本發明的測定方法與以往相比，盡管大幅度簡化了測定，也可以準確捕捉LN光調制器11的特性，這可以說本發明的測定精度非常優異。
此外，本發明的測定方法和裝置也可實現自動化。比如高頻AC信號的電壓振幅Vp-p能從0開始自動增加，輸出光的低速響應I′的變動幅度在規定值以內(規定值接近0時可得到更正確的測定結果，因測定誤差等因素的影響要正好為0存在困難，因此應根據測定結果的用途，希望設定進行有效測定的值)時的Vp-p值被記錄，利用該值由另外設置的運算裝置計算半波長電壓Vπ。然后，一邊依次變更被測頻率，一邊反復進行同樣的測定方法，可以測定任意頻率范圍的半波長電壓。
根據本發明，利用檢測用低頻AC信號測定輸出光強度變化大致為0時的高頻AC信號的電壓振幅最小值Vp-pmin，只要代入式πVp-pmin/(2Vπ)＝2.405，就能簡單地測定MZ型光調制器的半波長電壓Vπ。
并且，即使被測頻率是高頻，因沒有必要直接觀測高頻波形，所以能夠進行精確測量，同時由于是不依存偏置點的測定方法，因此，不需要進行偏置點的調整，也不會受到光調制器偏置點變動的影響進一步，半波長電壓Vπ的計算只要用到參數Vp-pmin等，就可以提供非常有效的馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓測定方法及其裝置。
權利要求
1.一種馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓測定方法，在將被測頻率的高頻AC信號與檢測用低頻AC信號疊加后施加在馬赫曾德爾型光調制器上，或者分別將兩者施加在分別構成的電極上，通過觀測該光調制器的輸出光的低速響應來測定馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓的方法中，其特征在于讓該高頻AC信號的電壓振幅可變，采用根據該檢測用低頻AC信號讓輸出光強度變化大致為零時的該高頻AC信號的電壓振幅，測定馬赫曾德爾型光調制器的被測頻率中的半波長電壓。
2.根據權利要求1所述的馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓測定方法，其特征在于根據該檢測用低頻AC信號讓輸出光強度變化大致為零時的該高頻AC信號的電壓振幅的峰—峰電壓振幅值Vp-p、和馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓Vπ之間的關系，滿足式J0(πVp-p/(2Vπ)＝0(J0是0次貝塞耳函數)的關系。
3.根據權利要求1所述的馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓測定方法，其特征在于采用根據該檢測用低頻AC信號讓輸出光強度變化大致為零時的該高頻AC信號的電壓振幅，假定其峰—峰電壓振幅值為最小時的值是Vp-pmin時、馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓Vπ滿足式(πVp-pmin(2Vπ))＝2.405的關系。
4.一種馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓測定裝置，其特征在于采用權利要求1～3中任一項所述的馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓測定方法，可以測定馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓。
全文摘要
提供一種可以精密、并且不依賴于光調制器的偏置變動的情況下測定馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓的方法及其裝置。在將被測頻率的高頻AC信號(34)和檢測用低頻AC信號(35)疊加后向馬赫曾德爾型光調制器(1)施加，或者將兩者分別向另外分別構成的電極施加，通過觀測光調制器的輸出光的低速響應測定馬赫曾德爾型光調制器的半波長電壓的方法中，讓該高頻AC信號(34)的電壓振幅可變，采用根據該檢測用低頻AC信號讓輸出光的強度變化大致為0時的該高頻AC信號(34)的電壓振幅，測定馬赫曾德爾型光調制器(1)的被測頻率中的半波長電壓。
文檔編號G02F1/225GK1539078SQ02815480
公開日2004年10月20日 申請日期2002年7月31日 優先權日2001年8月10日
發明者宮崎德一, 清水亮 申請人:住友大阪水泥股份有限公司