JP7037199B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバによる大容量の情報伝送や無線信号の光ファイバ伝送の際に電気信号で光を変調するために用いられる光変調器に関する。

電波不感地帯の解消、マンションやオフィス内への無線信号配信を目的として、光ファイバ無線システムと呼ばれる無線信号で直接光変調を行い、光ファイバで遠方に伝送し無線信号に戻して放射させるシステムが注目されている。

光変調器は、このようなシステムではキーデバイスである。近年、無線信号の高周波化に伴い、光変調器はミリ波帯等の高い周波数での動作が要求されているが、一般的に周波数が高くなると損失の増加や構造上の問題で変調効率が低下する。そのため、ミリ波帯などの高周波帯でも高効率な光変調器が期待されている。従来、例えばミリ波帯などの高周波信号による高品質な光変調では、電気光学効果を利用した光変調器が用いられてきている。

図８Ａは従来例１に係る一般的な光変調器の構成を示す平面図である。また、図８Ｂは図８Ａの光変調器のＥ－Ｅ’線に沿った縦断面図である。

図８Ａ及び図８Ｂにおいて、従来例１に係る光変調器は、基板５１、光導波路５２、バッファ層５３、変調電極５４、接地電極（グランド電極）５５，５６を備えている。ここで、基板５１は、電気光学効果のあるニオブ酸リチウムのｚカット基板からなる。光導波路５２は、基板５１の表面に金属チタンの熱拡散などにより形成され、入力光導波路５２ａと、そこから二股に分岐した一対の位相変調導波路５２ｂ，５２ｃと、それらが合流した出力光導波路５２ｄからなり、マッハツェンダー干渉計を構成している。ｚ方向の電界による屈折率の変化を利用するため、変調電極５４は一方の位相変調導波路（ここでは位相変調導波路５２ｂ）の真上に配置されている。バッファ層５３は、光導波路５２を伝搬する光の一部が変調電極５４及び接地電極５５，５６により吸収されることを防止するための薄膜である。

以上のように構成された従来例１に係る光変調器において、変調電極５４に変調波５９を印加すると、電気力線１５１，１５２で示すように、位相変調導波路５２ｂと５２ｃには、垂直方向に互いに逆向きの電界が印加されるため、位相変調導波路５２ｂ，５２ｃにおける電気光学効果による屈折率変化の方向が互いに逆向きとなる。このため、入力光導波路５２ａへの入力光５７は、二分されて位相変調導波路５２ｂ，５２ｃを伝搬しているときに互いに逆向きの位相変調を受け、この伝搬光が出力光導波路５２ｄへの合流時に干渉して光強度が変調され、出力光５８となる。

図９は、特許文献１に開示された従来例２に係る光変調器の構成を示す平面図である。

図９において、従来例２に係る光変調器は、電気光学効果特性を持つ光路（光導波路）６８と、光路６８に沿って形成された、光路に電界を印加するための変調電極６１と、変調電極６１に対向して形成された共通電極（接地電極）６６，６７と、変調電極６１のほぼ中心に斜めに接続されたスタブ６４，６５とを備え、その接続部に配線６２及びテーパ状変成器６３を含む給電線が接続されている。そして、変調電極６１の終端を開放させることで共振動作を行わせ、変調効率を高めている。スタブ６４，６５は、変調波が反射せずに効率的に変調電極６１に入力されるように、インピーダンス整合を取るため機能を持つ。

図１０は、特許文献２に開示された従来例３に係る光変調器の構成を示す縦断面図である。

図１０において、従来例３に係る光変調器は、厚さ１０μｍ程度の薄板７１に電気光学効果を有する光導波路７２が形成され、上記薄板７１を挟み込むように変調電極が配置されている。変調電極としては、薄板７１の上面の第１電極と、上記薄板の下面の第２電極からなり、第１電極は信号電極７４と接地電極７５ａからなり、第２電極は接地電極７５ｂとなっている。バッファ層７３ａ，７３ｂは光導波路７２を伝搬する光の一部が変調電極により吸収されることを防止するための薄膜である。薄板７１は接着層７６を介して支持基板７７に接着されている。本構成の光変調器の特徴は、図８Ａに示した一般的な光変調器に比べて、信号電極７４と薄板７１の裏面に形成された接地電極７３ｂとの間の電圧によって生じる電界も光変調に利用できる点にある。これによって、変調効率を向上させている。

図１１Ａは、特許文献３において開示された従来例４に係る光変調器の構成を示す平面図である。また、図１１Ｂは図１１Ａの平行結合線路３３で伝搬モードＭ１１が励振されたときのＦ－Ｆ’線に沿った縦断面図であり、図１１Ｃは図１１Ａの平行結合線路３３で伝搬モードＭ１２が励振されたときのＦ－Ｆ’線に沿った縦断面図である。

図１１Ａにおいて、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）単結晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）単結晶などの電気光学効果を有する基板３１の表面部に、安息香酸を用いたプロトン交換法などを用いて形成された光導波路３２が設けられている。光導波路３２は、２箇所の分岐点３８ａ，３８ｂで２つの分岐光導波路３２ａ，３２ｂに分岐しており、入口側光導波路３２ｘから入力された入力光が一方の分岐点３８ａで分岐して２つの分岐光導波路３２ａ，３２ｂを通過した後、他方の分岐点３８ｂで共通の出口側光導波路３２ｙを進むように構成されている。

また、基板３１の上には、光導波路３２の各分岐光導波路３２ａ，３２ｂに沿うように延びる３つの線路３３ａ，３３ｂ，３３ｃからなる平行結合線路３３が設けられている。各線路３３ａ，３３ｂの各内側端は、各分岐光導波路３２ａ，３２ｂのほぼ中央部の直上に位置するように形成されている。また、線路３３ｃは、２つの線路３３ａ，３３ｂの中間に位置している。各線路３３ａ，３３ｂ，３３ｃの両端部は、接続線路３６ａ，３６ｂを介して互いにつながっている。さらに、基板３１の上には、平行結合線路３３の１つの線路３３ｂに接続され平行結合線路３３に共振を起こさせる入力信号を印加するための入力線路３５が設けられている。平行結合線路３３の各線路３３ａ～３３ｃ、接続線路３６ａ，３６ｂ及び入力線路３５は、真空蒸着法、フォトリソグラフィ及びエッチングなどのプロセスを用いて形成されたアルミニウムや金などの金属膜によってそれぞれ構成されている。また、基板３１の裏面には、金属膜の蒸着法などを用いて形成されたグランドプレーン３４が設けられている。

入力光は、入口側光導波路３２ｘから導入され、各分岐光導波路３２ａ，３２ｂを通過する際に、以下のように、光変調作用を受ける。入力線路３５から高周波信号が入力されて、平行結合線路３３の各線路３３ａ，３３ｂ，３３ｃに共振が生じると、各間隙部３７ａ，３７ｂには図１１Ｂに点線で示すような電気力線で表される電界が生じる。そして、電気光学的効果により、分岐光導波路３２ａ，３２ｂを構成する材料の屈折率が電界強度に応じて変化する。従って、出口側光導波路３２ｙでは、分岐光導波路３２ａ，３２ｂを通過した２つの光の干渉が生じ、この干渉によって出力光の強度が変化することにより、光強度変調器として動作する。

ここで、３本の線路３３ａ～３３ｃを有する平行結合線路３３においては、通常、３種類の伝搬モードが存在し、このうちの２つの伝搬モードＭ１１，Ｍ１２について図１１Ｂ及び図１１Ｃを参照して以下に説明する。

図１１Ｂの伝搬モードＭ１１において、２本の分岐光導波路３２ａ，３２ｂには上下逆方向の電界１３１，１３２が印加されるので、光波に位相差が生じ出口側光導波路３２ｙで干渉を生じるので、本実施形態の光変調素子は、光強度変調器として機能する。一方、図１１Ｃの伝搬モードＭ１２においては、分岐光導波路３２ｂ，３２ｂに形成される電界１３１，１３３の向きが相互に反対になるように、分岐光導波路３２ｂの位置がシフトしている。

図１１Ｂで構成された光変調器の伝搬モードＭ１１では、３本の線路３３ａ，３３ｂ，３３ｃによる結合線路を変調電極に利用することで、３本の線路３３ａ，３３ｂ，３３ｃによる結合線路の中央の線路３３ｃが０で両側の線路の電圧が互いに逆符号となる伝搬モードを使って高効率な光変調を行う。図１１Ｃで構成された光変調器の伝搬モードＭ１２では、３本の線路３３ａ，３３ｂ，３３ｃによる結合線路を変調電極に利用することで、３本の線路３３ａ，３３ｂ，３３ｃによる結合線路の中央の線路３３ｃと、両側の線路３３ａ、３３ｂとの間の電圧が互いに逆符号となる伝搬モードを使って高効率な光変調を行う。この場合、光導波路３２a、３２ｂと、３本の線路３３ａ、３３ｂ、３３ｃとの配置関係は、図１１a、図１１ｂとは少し異なっている。より具体的には、分岐光導波路３２ｂの位置を線路３３ｃの下側に架かるように移動した配置としている。

特開２００２－２６８０２５号公報 特開２００８－８９９３６号公報 特開２００６－２８５２８８号公報

しかしながら、従来例１に係る光変調器においては、図８Ｂの縦断面図からもわかるように、変調電極の周りに誘起される電界の多くは光導波路の外に広がっている。また、図９に示した従来例２に係る光変調器の電界分布も、電極配置の構造上、図８Ｂと同様、変調電極の周りに誘起される電界の多くは光導波路の外に広がる。

さらに、従来例３に係る光変調器では、この点を改善することを目的の一つとして提案されたものである。しかし、この構成においても、信号電極７４と接地電極７５ａとの間に誘起される電界は横方向を向き、かつ、電界は光導波路７２の外側に分布することとなり、光変調とは無関係である。そのため、従来例３では、変調信号によって誘起される電界の一部しか光変調に寄与していない。光導波路外に広がる電界分布を減らすことができれば、変調効率をさらに向上させることができると考えられる。

さらに、従来例２及び４では、共振器型の変調電極を用いて変調効率の向上を目指しているが、変調電極を伝搬する変調信号の一部が表面波として基板内に放射していくと言う問題がある。この現象は、基板が誘電体導波路として動作してしまい、変調電極中を伝搬している変調信号が基板内の伝搬波と結合してしまうことによる。そして、とりわけ、共振器型電極の光変調器では、変調信号を共振させて変調電極内にエネルギーを蓄積して高い変調効率を実現しようとするものであるので、その蓄積エネルギーの一部が基板に放射すると顕著にその変調効率が低下するという問題がある。

この影響は、基板の断面方向の寸法が大きいほど、基板の誘電率が高いほど、及び、変調信号の周波数が高いほど、より顕著になってくる。しかしながら、今後の光変調器はミリ波帯のような高い周波数域での利用が期待されており、変調信号の周波数を下げることはできない。また、基板に利用される電気光学結晶であるニオブ酸リチウムは誘電率が非常に高いが、代替の材料が見当たらないのが現状である。そのため、この表面波との結合による変調特性の劣化は深刻な課題である。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、例えばミリ波帯などの超高周波信号に対しても、従来技術に比較して高い効率で光変調が可能な光変調器を提供することにある。

本発明の一態様にかかる光変調器は、
少なくとも一部分が電気光学効果を有する導波路基板に形成され、２つの分岐光導波路を有する光導波路と、
前記２つの分岐光導波路を挟設するように対向して配置された第１の線路と、第２及び第３の線路であって、互いに電磁的に結合しかつ入力される光変調用高周波信号に対して実質的に共振する線路長を有する第１～第３の線路導体を備える変調電極とを備えた光変調器であって、
前記変調電極は、前記光変調用高周波信号に基づいて、前記第２の線路と、前記第３の線路とが互いに異なる符号の電圧が誘起されて前記変調電極が励振されるように配置されたことを特徴とする。

従って、本発明に係る光変調器によれば、例えばミリ波帯などの高周波信号に対しても、従来技術に比較して高い効率を有する光変調器が実現できる、

本発明の実施形態１に係る光変調器の構成例を示す平面図である。 図１Ａの光変調器のＡ－Ａ’線に沿った縦断面図である。 図１Ａ及び図１Ｂの光変調器の伝搬モードＭ１のときの線路導体１４，１５ａ，１５ｂに発生する電圧の極性及び導波路基板１１内の電界分布を表す縦断面図である。 図１Ａ及び図１Ｂの光変調器の伝搬モードＭ２のときの線路導体１４，１５ａ，１５ｂに発生する電圧の極性及び導波路基板１１内の電界分布を表す縦断面図である。 図１Ａ及び図１Ｂの光変調器の伝搬モードＭ３のときの線路導体１４，１５ａ，１５ｂに発生する電圧の極性及び導波路基板１１内の電界分布を表す縦断面図である。 本発明の実施形態２に係る光変調器の構成例を示す平面図である。 図３Ａの光変調器のＢ－Ｂ’線に沿った縦断面図である。 本発明の実施形態２の変形例に係る光変調器の構成例を示す平面図である。 本発明の実施形態３に係る光変調器の構成例を示す平面図である。 図５Ａの光変調器のＣ－Ｃ’線に沿った縦断面図である。 本発明の実施形態４に係る光変調器の構成例を示す平面図である。 図６Ａの光変調器のＤ－Ｄ’線に沿った縦断面図である。 図１Ａ及び図１Ｂの光変調器に対する電磁界解析シミュレーション結果であって、反射損の周波数特性を示すグラフである。 従来例１に係る光変調器の構成を示す平面図である。 図８Ａの光変調器のＥ－Ｅ’線に沿った縦断面図である。 従来例２に係る光変調器の構成を示す平面図である。 従来例３に係る光変調器の構成を示す縦断面図である。 従来例４に係る光変調器の構成を示す平面図である。 図１１Ａの光変調器の伝搬モードＭ１１のときのＦ－Ｆ’線に沿った縦断面図である。 図１１Ａの光変調器の伝搬モードＭ１２のときのＦ－Ｆ’線に沿った縦断面図である。

以下、本発明に係る各実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

実施形態１．
図１Ａは本発明の実施形態１に係る光変調器の構成例を示す平面図である。また、図１Ｂは図１Ａの光変調器のＡ－Ａ’線に沿った縦断面図である。

図１Ａ及び図１Ｂにおいて、実施形態１に係る光変調器は、導波路基板１１と、導波路基板１１に設けられた光導波路１２と、導波路基板１１の上面に設けられたバッファ層１３と、線路導体１４と、導波路基板１１の下面に間隙部１６を挟んで配置された２本の線路導体１５ａ，１５ｂと、線路導体１５ｂと間隙部１８を介して配置された導波路基板１１の上面に設けられた線路導体１９ｃと、導波路基板１１を支える誘電体基板である支持基板２０と支持基板２０の裏面に配置された接地導体２１とを備えて構成される。

ここで、線路導体１４，１５ａ，１５ｂはそれぞれ金属薄膜などからなる接地導体２１を共通に持つマイクロストリップ線路であり、３本の線路導体１４，１５ａ，１５ｂは互いに電磁的に結合するように近接して配置されているので、互いに電磁的に結合した３結合線路を構成し、同時に変調電極として動作する。また、線路導体１９ｃも接地導体２１を共通に持つマイクロストリップ線路である給電線路１９を構成する。なお、線路導体１５ｂと間隙部１８を介して近接配置された線路導体１９ｃは、線路導体１５ｂと容量的に結合する。

光導波路１２は、導波路基板１１の線路導体１４の両側と線路導体１５の片側に挟まれた２カ所の対向部分１７に配置され、また、２本の線路導体１５ａ，１５ｂはそれらの両端が短絡部２２で互いに短絡されている。

導波路基板１１は、電気光学効果のあるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）のｚカット基板（結晶工学上のｚ軸が導波路基板１１に垂直な方向を向く）からなる。光導波路１２は、導波路基板１１の表面に金属チタンの熱拡散などにより形成される。入力光２５は、光導波路１２に導入され、分岐部２３で二つに分岐し、それぞれが対向部分１７を通過した後、合波部２４で合流し、出力光２６となるマッハツェンダー干渉計を構成している。

また、導波路基板１１の上面には、光導波路１２中の光波の減衰を抑えるために酸化シリコンなどからなるバッファ（緩衝）層１３が形成され、バッファ層１３の上には金属薄膜などからなる１本の線路導体１４が形成されている。また、導波路基板１１の下面には、線路導体１４に平行に金属薄膜などからなる２本の線路導体１５ａ，１５ｂが、間隙部１６を挟んで並んでおり、線路導体１４の両側の部分と、線路導体１５ａ及び１５ｂのそれぞれの内側（間隙部１６の側）の部分とが、導波路基板１１を挟んで対向している。また、導波路基板１１は、サファイア（単結晶アルミナ）などからなる支持基板２０上に固定されている。

以上のように構成された光変調器において、上記のように結合した３線路には以下に示すような電圧が生じる３つの伝搬モードＭ１，Ｍ２，Ｍ３が存在し、それぞれ独立に伝搬する。

図２Ａは図１Ａ及び図１Ｂの光変調器の伝搬モードＭ１のときの線路導体１４，１５ａ，１５ｂに発生する電圧の極性及び導波路基板１１内の電界分布を表す縦断面図である。図２Ｂは図１Ａ及び図１Ｂの光変調器の伝搬モードＭ２のときの線路導体１４，１５ａ，１５ｂに発生する電圧の極性及び導波路基板１１内の電界分布を表す縦断面図である。図２Ｃは図１Ａ及び図１Ｂの光変調器の伝搬モードＭ３のときの線路導体１４，１５ａ，１５ｂに発生する電圧の極性及び導波路基板１１内の電界分布を表す縦断面図である。なお、図２Ａ～図２Ｃにおいて、線路導体１９ｃの図示を省略している。

図２Ｂの伝搬モードＭ２を励振すれば、線路導体１４の電圧は０で、２本の線路導体１５ａ，１５ｂでは互いに逆符号の電圧が生じる。そのため、電界分布は対向部分１７に集中した強い電界１０１，１０２が生じ、かつ、２つの対向部分１７で互いに逆方向となる。この電界１０１，１０２が電気光学効果を有する光導波路１２に与えられるため、対向部分１７を通る２本の光導波路１２は互いに逆方向に屈折率が変化する。光導波路１２への入力光２５は、二分されてそれぞれ別々の光導波路１２を伝搬し、ここで互いに逆向きの位相変調を受け、合波部２４で干渉して光強度が変調され、出力光２６となる。給電線路１９に入力された変調信号が伝搬モードＭ２を励振し、伝搬モードＭ２が変調電極の両端で反射を繰り返すことで、線路導体の長さで決まる周波数で共振を起こす。共振によって変調信号のエネルギーが変調電極に蓄積されて、伝搬モードＭ２の電圧振幅が増加し、大きな電圧が誘起される。これによって、高効率な光変調が実現される。

また、伝搬モードＭ２によって生じる電界は、図２Ｂに示すように、対向部分１７の限られた領域にのみ生じる。そのため、入力した変調信号のエネルギーが効率的に電界の誘起に使われるため、図８Ｂの従来例１に比較して、変調効率の向上が期待できる。また、薄板状の導波路基板１１を用いることによって、対向部分１７の上下の線路導体の間隔を小さくできるので、同じ電圧でも強い電界を生じさせ、変調効率をさらに向上させることができる。また、薄板状の導波路基板１１と比較的誘電率の小さなサファイアなどからなる支持基板２０を使うことで、変調電極中の伝搬波から見た基板の等価的な誘電率を大きく減少させることができるので、変調信号が表面波に漏洩することを効果的に抑えることができる。このことは、本実施形態のように変調電極を共振器として利用する場合は特に有効である。

また、このような薄板状の導波路基板１１を用いる利点として、変調電極中の伝搬波と光導波路１２中の光波との間の速度整合がある。電気光学結晶であるニオブ酸リチウムの高周波信号に対する誘電率は２８以上であるため、変調電極中の伝搬波は光導波路中の光波に比べて速度が非常に遅くなり、そのために、変調効率が劣化していた。本構成の光変調器では、先に述べたように変調電極中の伝搬波から見た基板の等価的な誘電率を大きく減少させることができるので、前記伝搬波と前記光波との間の速度差を小さくすることが可能であり、それによっても、変調効率を向上させることができる。

ここで、変調信号の給電について説明する。線路導体１９ｃと線路導体１４，１５ａ，１５ｂとの位置関係によって、線路導体１９ｃの給電線路１９に入力された高周波信号と変調電極で共振する共振モードとの結合度を調節することができる。そして、最適な結合度に対応する位置関係を選ぶことにより、給電線路１９に入力された高周波信号のエネルギーが、すべて上記共振モードに変換され、さらに効率が良くなる。また、３つの伝搬モードＭ１～Ｍ３はそれぞれ伝搬速度が異なるため、共振周波数も異なる。そのため、所望の周波数で伝搬モードＭ２が共振するように、線路導体の長さを調節すれば、選択的に伝搬モードＭ２の共振モードを励振することができる。

次いで、給電線路１９と変調電極との位置関係と結合度について以下に説明する。ここで、線路導体１９ｃと線路導体１４，１５ａ，１５ｂとが交差する角度については、実用的な結合度を得るためには、図示のように、線路導体１４，１５ａ，１５ｂと線路導体１９ｃとが実質的に直交していることが望ましい。また、線路導体１９ｃの先端と線路導体１４，１５ａ，１５ｂとの位置関係と結合度との関係については、線路導体１９ｃの先端を延ばして、線路導体１９ｃ側にある線路導体１５ｂに間隙部１８を介して深く被せるように配置することによって結合度を大きくすることができる。また、線路導体１５ｂの長手方向の位置に対する線路導体１９ｃの位置と結合度との関係については、図１Ａのように、必ずしも線路導体１９ｃを線路導体１５ｂの中央に配置する必要は無く、線路導体１９ｃを線路導体１５ｂの中央に配置したときが、結合度が最も大きく、端にずらすことで結合度を減らすことができる。

図７は図１Ａ及び図１Ｂの光変調器に対する電磁界解析シミュレーション結果であって、反射損（Ｓ_１１）の周波数特性を示すグラフである。図７において、横軸は入力する高周波信号の周波数（ＧＨｚ）であり、縦軸は反射損（ｄＢ）である。図７から明らかなように、想定した共振周波数（１０ＧＨｚ付近）で反射が大きく減少し、ほぼすべての入力信号電力が変調電極に結合していることが分かる。共振周波数については、線路導体１５ａ，１５ｂの長さで調節することができるので、所望の周波数で共振させることが可能である。

なお、本実施形態では、変調電極として、線路導体１５ａ，１５ｂの両端を短絡部２２で短絡した共振器構造を用いたが、線路導体１５ａ，１５ｂの端を短絡させずに開放すること、あるいは、一方を短絡し、他方を開放することでも共振器構造を構成でき、同様に有効である。さらに、共振させずに高周波信号で励振した伝搬モードＭ２を光導波路１２中の光波と同じ方向に伝搬させる進行波型構造も同様に有効である。
一方、図２Ｃに示した伝搬モードＭ３では線路導体１５a.１５bの電位が線路導体１４に対し同相となるため、対向部分１７に発生する電界１０１、１０３も図示するように同相となる。したがって２本の光導波路１２は同方向の屈折率変化が生じ、光変調はできない。

実施形態２．
図３Ａは本発明の実施形態２に係る光変調器の構成例を示す平面図である。また、図３Ｂは図３Ａの光変調器のＢ－Ｂ’線に沿った縦断面図である。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、図１Ａ及び図１Ｂ（実施形態１）と同一又は対応する構成要素には図１Ａ及び図１Ｂと同じ参照符号を付す。それらの構成要素については、必要な場合を除き、その説明を省略する。

図３Ａ及び図３Ｂにおいて、実施形態２に係る光変調器は、図１Ａ及び図１Ｂの実施形態１に係る光変調器に比較して以下の点が異なる。
（１）図１Ａ及び図１Ｂの線路導体１４，１５ａ，１５ｂの配置を代えて、導波路基板１１の上面に線路導体１５ａ，１５ｂを、導波路基板１１の下面に線路導体１４を設けた。
（２）導波路基板１１の上面において、線路導体１９ｃの先端を線路導体１５ｂの側部に間隙部１８を介して近づけて配置し、線路導体１９ｃを線路導体１５ｂに対して容量的に結合させて、共振モードを励振する。
それ以外の構成は実施形態１に係る光変調器と同じである。

以上のように構成された光変調器においても、図２Ｂの伝搬モードＭ２に対応する、線路導体１４の電圧が０で両側の線路導体１５ａ，１５ｂの電圧が逆符号となるモードを励振することによって、電気力線が１０１，１０２で表されるような電界が生じる。これによって、２つの対向部分１７に互いに逆方向の強い電界１０１，１０２が生じ、実施形態１と同様の原理で効率的な光変調が可能となる。この構成においては、線路導体１９ｃと線路導体１５ｂとが同じ面上にあるので、互いの位置関係や、間隙部１８の間隔を精度良く作成することができ、結合度を実施形態１に比較して精度良く制御することができる。

実施形態２の変形例．
図４は本発明の実施形態２の変形例に係る光変調器の構成例を示す平面図である。図４において、実施形態２の変形例は、図３Ａの実施形態２と比較して、間隙部１８をなくして、線路導体１９ｃと線路導体１５ｂとを直接に接続することで、誘導性の結合方法を用いたことを特徴とする。この場合は、線路導体１９ｃが接続される線路導体１５ｂ上の長手方向の位置によって結合度が決まるが、間隙部１８による容量性の結合に比べてより大きな結合度を容易に得ることができる。

実施形態３．
図５Ａは本発明の実施形態３に係る光変調器の構成例を示す平面図である。また、図５Ｂは図５Ａの光変調器のＣ－Ｃ’線に沿った縦断面図である。図５Ａ及び図５Ｂにおいて、図１Ａ及び図１Ｂの実施形態１と同一又は対応する構成要素には、図１Ａ及び図１Ｂと同じ参照符号を付す。それらの構成要素については、必要な場合を除き、その説明を省略する。

図５Ａ及び図５Ｂにおいて、実施形態３は、図１Ａ及び図１Ｂの実施形態１に比較して、支持基板２０の上面の、線路導体１５ａ，１５ｂが設置された部分に空洞部分２７を設けたことを特徴としている。それ以外は実施形態１と同じである。以下、上記相違点について詳述する。

上述のように、薄い導波路基板１１と比較的誘電率の小さな支持基板２０を使うことで、変調電極中の伝搬波から見た基板の等価的な誘電率を大きく減少させることができると述べたが、実施形態３に係る光変調器では、この効果をさらに強めることができる。すなわち、線路導体１５ａ，１５ｂが空洞部分２７で空気と接するので、変調電極中の伝搬波から見た基板の等価的な誘電率がより一層小さくなり、それによって、より一層の、変調信号の表面波への漏洩の抑圧と、変調電極中の伝搬波と光波との間の速度の整合が実現し、さらに、変調効率が向上する。この空洞部分２７の深さは僅かでもあれば有効であるが、特に、間隙部１６の幅程度以上あれば大きな効果が発揮される。

実施形態４．
図６Ａは本発明の実施形態４に係る光変調器の構成例を示す平面図である。また、図６Ｂは図６Ａの光変調器のＤ－Ｄ’線に沿った縦断面図である。図６Ａ及び図６Ｂにおいて、図５Ａ及び図５Ｂの実施形態３と同一又は対応する構成要素には図５Ａ及び図５Ｂと同じ参照符号を付す。それらの構成要素については、必要な場合を除き、その説明を省略する。

図６Ａ及び図６Ｂにおいて、実施形態４は、図５Ａ及び図５Ｂの実施形態３と比較して、実施形態３の空洞部分２７の底面に導体膜２８を形成したことを特徴とする。それ以外は実施形態３と同じである。以下、上記相違点について詳述する。

導体膜２８を空洞部分２７の底面に形成すると、光変調器が伝搬モードＭ２で動作している場合、線路導体１５ａ，１５ｂと導体膜２８との間の電圧差により、空洞部分２７内にも電界が誘起される。そのため、伝搬波の感じる誘電率が空洞部分２７内の空気の誘電率により強く影響されて低下する。そのため、実施形態４では、実施形態３の場合に比べて、より一層、変調電極中の伝搬波の伝搬速度が増加し、光導波路１２中の光波との速度がより一層整合し、完全な速度整合も可能である。

また、空洞部分２７内に生じる電界は光変調には寄与しないが、空洞部分２７内の空気の誘電率はニオブ酸リチウムなどの一般的な導波路基板に比べて遙かに小さいので、空洞部分２７内に生じる電界のエネルギーは導波路基板１１内に生じる電界エネルギーに比べて遙かに小さい。従って、空洞部分２７に生じる電界による変調効率の低下はごく僅かであり、速度整合効果による変調効率の向上の影響の方が大きい。

まず、実施形態４の構成に基づく実施例について以下に説明する。

マッハツェンダー干渉計を構成する光導波路１２の間隔を５０μｍとし、サファイア単結晶による支持基板２０の厚さを０．５ｍｍとし、ｚカットのニオブ酸リチウムによる導波路基板１１の厚さを１０μｍとし、線路導体１４の幅を５５μｍとし、線路導体１５ａ，１５ｂの幅を２２５μｍとし、間隙部１６の幅を４５μｍとし、線路導体１５ａ，１５ｂの長さを６．９ｍｍとし、間隙部１８の重なり長さ（平面図における線路導体１５ｂと線路導体１９ｃの先端部との重なりの長さ）を２０μｍとし、空洞部分２７の深さを３０μｍとし、線路導体１９ｃの線路幅を０．１ｍｍとしたとき、１０ＧＨｚ付近で、内部インピーダンス５０Ωの信号源からの変調信号に対して伝搬モードＭ２による共振が起こり、入力した変調信号がほぼ完全に共振モードと結合し、さらに、変調電極に伝搬波と光波との完全な速度整合が得られる。

次に、各部の望ましい寸法について説明する。導波路基板１１の厚さについては、より薄い方が変調効率の向上に有利である。しかし、現実には、ニオブ酸リチウムを導波路基板１１の材料に使用し、波長１．５μｍの光を変調する場合については、光導波路１２を形成するためと実施形態４での機械的強度を維持するためには、５μｍ～１００μｍの範囲が、有効性が高く、１０μｍ程度の厚さが最も望ましい。

また、マッハツェンダー干渉計を構成する光導波路１２の間隔は、通常は、２０～５００μｍ程度である。対向部分１７の幅は導波路基板１１の厚さの５倍程度以下にすることが望ましい。これらの寸法から、間隙部１６の幅は必然的に決まる。線路導体１５ａ，１５ｂの線路幅は、狭くした方が伝搬波の特性インピーダンスが高くなり、より高電界を作ることもできるが、逆に、伝搬損失が増加する影響がある。そのため、線路導体１５ａ，１５ｂの厚さや材料にも依存し、一般的な最適値があるわけではないが、概ね、線路導体１４の幅の１／２以上で、導波路基板１１と支持基板２０の厚さを合わせた長さよりもより小さい範囲で設定すれば本発明の効果は発揮される。

空洞部分２７の高さ（深さ）は、実施形態４では、深さは僅かでもあれば有効であるが、特に、間隙部１６の幅程度以上あれば大きな効果が発揮される。また、実施形態４では、変調電極中の伝搬波と光波との速度整合を実現するためには、導波路基板１１の誘電率と屈折率、支持基板２０の誘電率、線路導体１４，１５ａ，１５ｂの寸法、変調信号の周波数などの多くの要素に影響されるが、間隙部１６の幅の１／１０以上であれば、有効である。

また、バッファ層１３は、光導波路１２中の光波の減衰を抑えるために形成するもので、導波路基板１１よりも屈折率が低い材料が望ましく、酸化シリコン以外の材料であってもよい。また、バッファ層１３の厚さは使用する光波の波長の１／５０～１／１０程度が望ましいが、光変調動作のためには必ずしも必要ではなく、形成しなくてもよい。

導波路基板１１の材料には、電気光学結晶で機械的強度があるニオブ酸リチウム、もしくはタンタル酸リチウムが望ましいが、必ずしもこれらの材料に限られることはない。また、光導波路１２の部分だけが電気光学効果を有していればよいので、機械的強度を有する他の材料で薄板を作成し、そこに部分的に電気光学効果を有する光導波路を作り込んでもよい。このような方法では、電気光学効果を有する有機材料やセラミックス材料なども利用することが可能である。支持基板２０も、導波路基板１１を支持できる材料であればよく、必ずしもサファイアでなくてもよい。ただし、上で述べたように誘電率が低い材料が望ましく、また、変調信号に対して誘電損のより小さい材料が望ましい。

以上の実施形態４の実施例について説明したが、導体膜２８を形成しないときは、実施形態３においても同様に適用することができる。

また、実施形態１～３において、支持基板２０は導波路基板１１よりも誘電率の低い材料を使う方がより望ましい。また、状況によっては、支持基板２０と導波路基板１１とを接着するための接着剤を間に挟み込む必要がある。

次いで、従来例４に係る特許文献３の図１６（本願図１１Ａ～図１１Ｃ）の構造を有する光変調器と、実施形態４（図６Ａ及び図６Ｂ）に係る光変調器と間の、変調効率の比較について以下に説明する。

動作周波数（共振電極の共振周波数に対応）１０ＧＨｚに、光導波路に電界を印加するための電極間隔を１０μｍに統一し、同じ入力電力の信号を入力したときの電極間の最大電界強度と電極長（光と変調波の相互作用長に対応）の乗算値で変調効率を見積った結果を以下に示す。

ここでは、上記２つの光変調器間で動作させた場合の変調効率の比較を、市販の電磁界解析ソフトＨＦＳＳ（アンシス・ジャパン製）により行った。解析条件は、動作周波数（共振周波数に対応）を１０ＧＨｚ、各導体を膜厚１０μｍの金厚膜、導波路の存在する位置での線路電極の間隔を１０μｍとした。形状は、実施形態４に係る光変調器では上述の通りである。また、従来例４に係る光変調器では、基板３１に０．５ｍｍ厚のｚ－ｃｕｔニオブ酸リチウム結晶を仮定し、線路３３ａ，３３ｂ，３３ｃの線路幅をそれぞれ、５０μｍ、５０μｍ、３０μｍとした。また、間隙部３７ａ，３７ｂは実施形態４に係る光変調器と条件を合わせるために、ともに１０μｍとした。さらに、従来例４の入力線路３５は、周波数１０ＧＨｚで２番目の共振モードと整合が取れる位置（共振器電極の中央から０．８ｍｍ）に接続している。

共振周波数の信号を入力したときの光導波路が位置する電極間の最大電界強度と、共振器長を以下の表１にまとめた。

表１から明らかなように、実施形態４に係る光変調器では、従来例４に比較して電極間に３倍以上の強度の電界が誘起されることがわかる。また、実施形態４に係る光変調器では、空洞部分２７を設けたことで変調電極中の伝搬波と光波との速度整合を実現でき、電極長が従来例４よりも長くなる。ここで、変調効率は、電界強度と電極長とを掛け合わせた値に比例するので、理論的な変調効率は従来例４の５．７倍程度になると見積られた。これにより、実施形態４に係る光変調器は従来例４よりも非常に高効率となることがわかる。

また、比較例及び実施形態に係る光変調器に関する、動作速度、変調電圧、サイズ、長所び課題について以下の表２にまとめた。

以上の実施形態１～４において、少なくとも以下の構成が必要である。線路導体１４と、線路導体１５ａ，１５ｂとはバッファ層１３、光導波路１２，１２及び導波路基板１１を間に挟設しかつ互いに電磁的に結合するように近接して形成されて、給電線路１９を介して入力される高周波信号に従って光導波路１２，１２を伝搬する光信号を変調するための変調電極を構成する。ここで、線路導体１５ａ，１５ｂは２つに分岐された光導波路１２，１２と対向するように形成されている。さらに、線路導体１４，１５ａ，１５ｂは入力される高周波信号に対して実質的に共振する線路長を有する。また、上述したように、従来技術に比較して高い変調効率を得るためには、図２Ｂに示すように、光変調用高周波信号に基づいて、線路導体１５ａ，１５ｂに互いに異なる符号の電圧が誘起されるように変調電極が伝搬モードＭ２で励振される必要がある。なお、この場合において、線路導体１４はフローティング電極となり、通常は０Ｖである。

なお、導波路基板１１は互いに実質的に平行な上面と下面を有する。実施形態１、３、４において、線路導体１４はバッファ層１３を介して、２つの分岐光導波路１２，１２を有する導波路基板１１の上面上に形成される一方、線路導体１５ａ，１５ｂは導波路基板１１の下面に形成されている。また、実施形態２において、線路導体１５ａ，１５ｂはバッファ層１３を介して、２つの分岐光導波路１２，１２を有する導波路基板１１の上面上に形成される一方、線路導体１４は導波路基板１１の下面に形成されている。さらに、線路導体１９ｃは線路導体１４，１５ａ，１５ｂのいずれかに電磁的に、容量的に又は直接に結合するように形成されればよい。導体膜２８は、少なくとも空洞部分２７の一部分において、線路導体１５ａ，１５ｂに対向するように形成されればよい。

詳述したように、本発明に係る光変調器によれば、例えばミリ波帯などの高周波信号に対しても、従来技術に比較して高い効率を有する電気光学光変調器が実現できる、

１１…導波路基板、
１２…光導波路、
１３…バッファ層、
１４，１５ａ，１５ｂ…線路導体、
１６…間隙部、
１７…対向部分、
１８…間隙部、
１９…給電線路、
１９ｃ…線路導体、
２０…支持基板、
２１…接地導体、
２２…短絡部、
２３…分岐部、
２４…合波部、
２５…入力光、
２６…出力光、
２７…空洞部分、
２８…導体膜、
１０１，１０２，１０３…電界、
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３…伝搬モード。

Claims (8)

1. （削除）
2. 少なくとも一部分が電気光学効果を有する導波路基板に形成され、２つの分岐光導波路を有する光導波路と、
   前記２つの分岐光導波路を挟設するように対向して配置された第１の線路と、第２及び第３の線路であって、互いに電磁的に結合しかつ入力される光変調用高周波信号に対して実質的に共振する線路長を有する第１～第３の線路導体を備える変調電極とを備えた光変調器であって、
   前記変調電極は、前記光変調用高周波信号に基づいて、前記第２の線路と、前記第３の線路とが互いに異なる符号の電圧が誘起されて前記変調電極が励振されるように配置され、
   前記導波路基板は第１及び第２の面を有し、
   前記第１の線路は前記導波路基板の第１の面上に形成され、
   前記第２及び第３の線路は前記導波路基板の第２の面上に形成されたことを特徴とする光変調器。
3. 前記導波路基板及び前記変調電極を支持する支持基板をさらに備えたことを特徴とする請求項２記載の光変調器。
4. 前記支持基板の、前記第１～第３の線路と対向する面とは反対側の面に接地導体を形成し、
   前記第１～第３の線路をマイクロストリップ線路として構成したことを特徴とする請求項３記載の光変調器。
5. 前記支持基板は前記導波路基板の第２の面上に配置されたことを特徴とする請求項３又は４記載の光変調器。
6. 前記導波路基板の第２の面を含むように、前記支持基板に形成された空洞部分をさらに備えたことを特徴とする請求項５記載の光変調器。
7. 前記空洞部分の一部分において、前記第２及び第３の線路に対向するように形成された導体膜をさらに備えたことを特徴とする請求項６記載の光変調器。
8. 前記光変調用高周波信号を入力するための給電線路であって、前記第１～第３の線路のいずれかに電磁的に、容量的に又は直接に結合するように形成された給電線路をさらに備えたことを特徴とする請求項２～７のうちのいずれか１つに記載の光変調器。

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