(57)【要約】【課題】電子放射部から放射され真空中を走行する電子ビームと、３層構造の誘電体光導波路から真空中にしみ出した光およびマイクロ波との相互作用を利用して、原理的にＴＨｚ領域を含む電磁波領域において光をマイクロ波で変調し得る光変調器を提供する。【解決手段】電子放射部１１から放射される電子ビームの走行方向に形成された誘電体導波路１２は、電子ビーム走行路側から順次積層された、第１層１２ａ、第２層１２ｂ、第３層１２ｃを含む３層以上の誘電体層および金属層１２ｄから成り、第１層１２ａの光入力端１２ｅから入力された光の一部および第３層１２ｃのマイクロ波入力端１２ｆから入力されたマイクロ波の一部と電子ビームとが交差することで光およびマイクロ波の電界成分を生じさせ、電子ビームの走行速度と、電子ビーム走行方向における光およびマイクロ波の走行速度とを一致させるように、第１層、第２層、第３層の厚さが設定されている。【選択図】図１
2010054571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを放射する電子放射部と、該電子放射部から放射される電子ビームから受けたエネルギーを利用して入力された電磁波を変調するように電子ビーム走行方向に形成された誘電体導波路とを真空中に配置して成る光変調器であって、
前記誘電体導波路は、電子ビーム走行路側から順次積層された、第１層、第２層、第３層を含む３層以上の誘電体層および金属層から成り、
該誘電体導波路は、前記第１層の光入力端から入力された光の一部および前記第３層のマイクロ波入力端から入力されたマイクロ波の一部と前記電子放射部から放射される電子ビームとが交差することにより前記光の電界成分および前記マイクロ波の電界成分を生じさせるとともに、電子ビームの走行速度と、電子ビーム走行方向における前記光の走行速度と、電子ビーム走行方向における前記マイクロ波の走行速度とを一致させるように、前記第１層、前記第２層および前記第３層の厚さを設定したことを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記第１層は高屈折率の透明性材料から成り、前記第２層は低屈折率の透明性材料から成り、前記第３層は高屈折率の透明性材料から成ることを特徴とする請求項１記載の光変調器。
【請求項３】
前記第１層の光入力端および光出力端にそれぞれ曲線部を介して直交方向から接続される光入力導波路および光出力導波路と、前記第３層のマイクロ波入力端に所定方向から接続されるマイクロ波出力導波路とを備えることを特徴とする請求項１または２記載の光変調器。
【請求項４】
電子ビームを放射する電子放射部と、該電子放射部から放射される電子ビームから受けたエネルギーを利用して入力された電磁波を復調するように電子ビーム走行方向に形成された誘電体導波路とを真空中に配置して成る光復調器であって、
前記誘電体導波路は、電子ビーム走行路側から順次積層された、第１層、第２層、第３層を含む３層以上の誘電体層および金属層から成り、
該誘電体導波路は、前記第１層の光入力端から入力された、マイクロ波で変調された光の一部と前記電子放射部から放射される電子ビームとが交差することにより前記光の電界成分および前記マイクロ波の電界成分を生じさせるとともに、電子ビームの走行速度と、電子ビーム走行方向における前記光の走行速度と、電子ビーム走行方向における前記マイクロ波の走行速度とを一致させるように、前記第１層、前記第２層および前記第３層の厚さを設定したことを特徴とする光復調器。
【請求項５】
前記第１層は高屈折率の透明性材料から成り、前記第２層は低屈折率の透明性材料から成り、前記第３層は高屈折率の透明性材料から成ることを特徴とする請求項４記載の光復調器。
【請求項６】
前記第１層の光入力端に曲線部を介して直交方向から接続される光入力導波路および前記第３層のマイクロ波出力端に所定方向から接続されるマイクロ波出力導波路を備えることを特徴とする請求項４または５記載の光復調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子工学、量子エレクトロニクス、光エレクトロニクス、光通信工学、光ファイバ通信、レーザ、通信、超高周波光学、ＴＨｚ等の多くの分野に適用可能な、光をマイクロ波で変調する光変調器およびマイクロ波で変調された光からマイクロ波を復調する光復調器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信の送信源としては半導体レーザや光ファイバレーザが用いられており、レーザ光へ信号を載せる手段としては、半導体レーザへの注入電流を電気的に変調する直接変調法や、強誘電体での電気光学効果を用いた外部変調器をレーザに接続する方法などがある。
半導体レーザへの注入電流を電気的に変調する直接変調法は、簡便な方法ではあるが、電子の寿命時間により１０ＧＨｚ程度が変調周波数の上限になっている。また、強誘電体での電気光学効果を用いた外部変調器をレーザに接続する方法は、電極間の静電容量により、数１０ＧＨｚ程度が変調周波数の上限になっている。
【０００３】
一方、本願発明者は、真空中を走行する電子ビームと誘電体導波路で遅延させた光との相互作用を用いて光を発生させたり光を増幅したりする技術（例えば特許文献１、非特許文献１および非特許文献２参照）を提案済みである。このような電子ビームと光との相互作用は、誘電体導波路の層の厚さなどを適切に設定することにより、マイクロ波からＸ線領域までの超広帯域で実現可能になるとともに、電子ビームを介在して異なる周波数の電磁波間での相互作用が可能になる。つまり、従来実現されている帯域よりも超広帯域での電磁波による光変調が可能になる。
【０００４】
また、真空中を走行する電子ビームと誘電体導波路で遅延させたマイクロ波との相互作用を用いてマイクロ波を発生させたりマイクロ波を増幅したりする技術（例えば非特許文献３参照）が発表されている。非特許文献３は、１００ＧＨｚ以上のマイクロ波(ミリ波)を発生させて増幅させた実験であり、上記技術がＴＨｚ領域まで適用可能であることを示唆しているが、現時点では「ＴＨｚ領域まで測定可能な測定器」が実現されていないため、上記技術が実際にＴＨｚ領域まで適用可能であるか否かは立証されていない。
【０００５】
【特許文献１】特許第２９７２８７９号公報
【非特許文献１】金井猛志，岡本龍一，ヒシャム  ファリス，桑村有司，山田実，「進行する電子による導波路からの光放射」，電子情報通信学会技術報告，LQE2008-1，pp.1-6(2008)
【非特許文献２】H.Fares, M.Yamada, Y.Kuwamura, M.Asada, "Two Models for Electro-Magnetic Wave Amplifier by Utilizing Traveling Electron Beam",電子情報通信学会技術報告，LQE2008-2，pp.7-12(2008)
【非特許文献３】I.J. Owens and J.H. Brownell, "Compact superradiant Cerenkov Source", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 97, 104915(2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、「真空中を走行する電子ビームと誘電体導波路で遅延させた光との相互作用を用いて光を発生させたり光を増幅したりする技術」や、「真空中を走行する電子ビームと誘電体導波路で遅延させたマイクロ波との相互作用を用いてマイクロ波を発生させたりマイクロ波を増幅したりする技術」は既に公知になっているが、「真空中を走行する電子ビームと、誘電体導波路で遅延させた光および誘電体導波路で遅延させたマイクロ波との相互作用を用いて光を変調したり光を復調したりする技術」は、発表されていない。そこで、本願発明者は、「真空中を走行する電子ビームと、誘電体導波路で遅延させた光および誘電体導波路で遅延させたマイクロ波との相互作用を用いて、光を変調したり光を復調したりすることができる装置」を創案し、後述するような理論的解析を行った。
【０００７】
本発明は、電子放射部から放射され真空中を走行する電子ビームと、３層構造の誘電体光導波路から真空中にしみ出した光およびマイクロ波との相互作用を利用して、原理的にＴＨｚ領域を含む電磁波領域において光をマイクロ波で変調し得る光変調器を提供することを第１の目的とする。
本発明は、電子放射部から放射され真空中を走行する電子ビームと、３層構造の誘電体光導波路から真空中にしみ出したマイクロ波で変調された光との相互作用を利用して、原理的にＴＨｚ領域を含む電磁波領域において光からマイクロ波を復調し得る光復調器を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記第１の目的を達成するため、本発明の請求項１に係る光変調器は、電子ビームを放射する電子放射部と、該電子放射部から放射される電子ビームから受けたエネルギーを利用して入力された電磁波を変調するように電子ビーム走行方向に形成された誘電体導波路とを真空中に配置して成る光変調器であって、前記誘電体導波路は、電子ビーム走行路側から順次積層された、第１層、第２層、第３層を含む３層以上の誘電体層および金属層から成り、該誘電体導波路は、前記第１層の光入力端から入力された光の一部および前記第３層のマイクロ波入力端から入力されたマイクロ波の一部と前記電子放射部から放射される電子ビームとが交差することにより前記光の電界成分および前記マイクロ波の電界成分を生じさせるとともに、電子ビームの走行速度と、電子ビーム走行方向における前記光の走行速度と、電子ビーム走行方向における前記マイクロ波の走行速度とを一致させるように、前記第１層、前記第２層および前記第３層の厚さを設定したことを特徴とする。
【０００９】
上記本発明の請求項１に係る光変調器の好適例としては、前記第１層は高屈折率の透明性材料から成り、前記第２層は低屈折率の透明性材料から成り、前記第３層は高屈折率の透明性材料から成ること、がある。
【００１０】
上記本発明の請求項１に係る光変調器の好適例としては、前記第１層の光入力端および光出力端にそれぞれ曲線部を介して直交方向から接続される光入力導波路および光出力導波路と、前記第３層のマイクロ波入力端に所定方向から接続されるマイクロ波出力導波路とを備えること、がある。
【００１１】
上記第２の目的を達成するため、本発明の請求項４に係る光復調器は、電子ビームを放射する電子放射部と、該電子放射部から放射される電子ビームから受けたエネルギーを利用して入力された電磁波を復調するように電子ビーム走行方向に形成された誘電体導波路とを真空中に配置して成る光復調器であって、前記誘電体導波路は、電子ビーム走行路側から順次積層された、第１層、第２層、第３層を含む３層以上の誘電体層および金属層から成り、該誘電体導波路は、前記第１層の光入力端から入力された、マイクロ波で変調された光の一部と前記電子放射部から放射される電子ビームとが交差することにより前記光の電界成分および前記マイクロ波の電界成分を生じさせるとともに、電子ビームの走行速度と、電子ビーム走行方向における前記光の走行速度と、電子ビーム走行方向における前記マイクロ波の走行速度とを一致させるように、前記第１層、前記第２層および前記第３層の厚さを設定したことを特徴とする。
【００１２】
上記本発明の請求項４に係る光復調器の好適例としては、前記第１層は高屈折率の透明性材料から成り、前記第２層は低屈折率の透明性材料から成り、前記第３層は高屈折率の透明性材料から成ること、がある。
【００１３】
上記本発明の請求項４に係る光復調器の好適例としては、前記第１層の光入力端に曲線部を介して直交方向から接続される光入力導波路および前記第３層のマイクロ波出力端に所定方向から接続されるマイクロ波出力導波路を備えること、がある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の請求項１に係る光変調器によれば、電子放射部から放射される電子ビームから受けたエネルギーを利用して入力された電磁波を変調するように電子ビーム走行方向に形成された誘電体導波路は、電子ビーム走行路側から順次積層された、第１層、第２層、第３層を含む３層以上の誘電体層および金属層から成り、該誘電体導波路は、前記第１層の光入力端から入力された光の一部および前記第３層のマイクロ波入力端から入力されたマイクロ波の一部と前記電子放射部から放射される電子ビームとが交差することにより前記光の電界成分および前記マイクロ波の電界成分を生じさせるとともに、電子ビームの走行速度と、電子ビーム走行方向における前記光の走行速度と、電子ビーム走行方向における前記マイクロ波の走行速度とを一致させるように、前記第１層、前記第２層および前記第３層の厚さを設定したから、後述する理論的解析および後述する実施例により立証されるように、原理的にＴＨｚ領域を含む電磁波領域において光をマイクロ波で変調し得る光変調器を提供することができる。
【００１５】
本発明の請求項４に係る光復調器によれば、電子放射部から放射される電子ビームから受けたエネルギーを利用して入力された電磁波を復調するように電子ビーム走行方向に形成された誘電体導波路は、電子ビーム走行路側から順次積層された、第１層、第２層、第３層を含む３層以上の誘電体層および金属層から成り、該誘電体導波路は、前記第１層の光入力端から入力された、マイクロ波で変調された光の一部と前記電子放射部から放射される電子ビームとが交差することにより前記光の電界成分および前記マイクロ波の電界成分を生じさせるとともに、電子ビームの走行速度と、電子ビーム走行方向における前記光の走行速度と、電子ビーム走行方向における前記マイクロ波の走行速度とを一致させるように、前記第１層、前記第２層および前記第３層の厚さを設定したから、後述する理論的解析および後述する実施例により立証されるように、原理的にＴＨｚ領域を含む電磁波領域において光からマイクロ波を復調し得る光復調器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】
［動作原理］
進行する電子ビームと高屈折率の誘電体導波路とを用いることにより、原理的にはマイクロ波〜Ｘ線領域にわたる超広帯域での電磁波発生や電磁波増幅が可能である（例えば非特許文献１〜非特許文献３を参照のこと）。
ここで、電磁波発生や電磁波増幅が生じる条件としては、
１）電子ビームの速度と電磁波の位相速度とが一致すること
２）電子ビームの進行方向に電磁波の電界成分が存在すること
が挙げられる。
誘電体導波路を伝搬する電磁波は、導波路中での分布形状に応じて伝搬速度が異なるものになる。したがって、発生および増幅される電磁波の周波数は、誘電体導波路の層厚などの構造と、電子ビームの加速電圧とにより決定される。
本願発明者は、上記１），２）の条件を満たす超広帯域での電磁波発生や電磁波増幅に関する技術について、現時点で既に１０件の特許（特許文献１他）を取得しており、光の発生および増幅作用については当該作用を立証する実験結果（例えば非特許文献１を参照のこと）も得ている。また、本願発明者以外の研究グループにおいても、本願発明者と類似の実験的設定で、マイクロ波〜ＴＨｚ帯での電磁波発生を示す実験結果が得られている（例えば非特許文献３を参照のこと）。
【００１８】
本発明は、１つの誘電体導波路において光およびマイクロ波がほぼ同一速度で伝搬する構造体である３層構造の誘電体導波路を作製して、電子ビームを光およびマイクロ波と相互作用させるように構成したものである。その結果、電子ビームを介在して光およびマイクロ波が結合することになり、マイクロ波により光強度を変調することができ、マイクロ波により光を変調し得る光変調器となる。
また、上記３層構造の誘電体導波路にマイクロ波で変調された光を入力させると、キャリヤの光とマイクロ波とを分離して発生することができ、マイクロ波で変調された光からマイクロ波を復調し得る光復調器となる。
さらに、上記３層構造の誘電体導波路に光およびマイクロ波を入力して光を変調した場合、マイクロ波の周波数だけずれた光が発生する。つまり、本発明は、光周波数の変換器にもなり得る。
以下においては、電子ビームにより光およびマイクロ波が相互作用する理論的原理について説明する。
【００１９】
［本発明の光変調器の構成］
図１は本発明の本発明の光変調器の代表的な構成例を示す原理図である。本発明の光変調器１０は、電子ビームを放射する電子放射部１１と、電子放射部１１から放射される電子ビームから受けたエネルギーを利用して入力された電磁波を変調するように電子ビーム走行方向に形成された誘電体導波路１２とを真空中（例えば図示しない真空容器内）に配置したものであり、例えば電子管型装置として構成されている。なお、電子放射部１１および誘電体導波路１２の周囲を真空にする理由は、電子放射部１１から放射される電子が誘電体導波路１２の表面を通過する際に不要な物質に衝突して散乱することによりエネルギー損失が生じるのを防止するためである。
【００２０】
電子放射部１１は、加速電源１１ａおよび電子銃１１ｂより成る。
加速電源１１ａとしては、例えば３５〜５０（ＫＶ）を供給可能な電源を用いる。
電子銃１１ｂとしては、例えば、最大電流値＝５０（μＡ）、電圧＝３５〜５０（ＫＶ）、ビーム幅＝２００μｍ（固定）のものを用いる。なお、電子銃１１ｂから出射した電子ビームが誘電体導波路１２の表面に沿って伝搬するように電子放射部１１および誘電体導波路１２の位置を合わせて配置するものとする。
【００２１】
誘電体導波路１２は、電子ビーム走行路側から順次積層された第１層１２ａ、第２層１２ｂ、第３層１２ｃおよび金属層１２ｄから成る。誘電体導波路１２は、第１層１２ａの光入力端１２ｅから入力された光の一部および第３層１２ｃのマイクロ波入力端１２ｆから入力されたマイクロ波の一部と電子放射部１１から放射される電子ビームとが交差することにより前記光の電界成分および前記マイクロ波の電界成分を生じさせるとともに、電子ビームの走行速度と、電子ビーム走行方向（図示ｚ軸方向）における前記光の走行速度と、電子ビーム走行方向における前記マイクロ波の走行速度とを一致させるように、第１層１２ａ、第２層１２ｂおよび第３層１２ｃの厚さを設定する。
誘電体導波路１２において、第１層１２ａは高屈折率の透明性材料から成り、第２層１２ｂは低屈折率の透明性材料から成り、第３層１２ｃは高屈折率の透明性材料から成る。具体例としては、集積回路用のＳＯＩ基板（Silicon on Insulator，Ｓｉ−ＳｉＯ２ −Ｓｉ)を用い、第１層１２ａを、材料Ｓｉ、厚さｄ１ ＝０．３２μｍ、屈折率ｎ１ ＝３．４９とし、第２層１２ｂを、材料ＳｉＯ２ 、厚さｄ２ ＝１．０μｍ、屈折率ｎ２ ＝１．４４４とし、第３層１２ｃを、材料Ｓｉ、厚さｄ３ ＝１．０ｍｍ、屈折率ｎ３ ＝３．４９とした誘電体導波路１２を用いることができる。低屈折率の第２層１２ｂは、光分布に対しては充分に厚く、かつ、マイクロ波に対しては充分に薄い層厚に設定する。第３層１２ｃの厚さは、本発明の光変調器が対象とするマイクロ波の波長に応じて設定する。なお、各層の横幅方向（ｘ）については、光およびマイクロ波に対し、不要な横高次モードが励振されないような適切な横幅に設定するものとする。
【００２２】
なお、図１においては、電子ビーム走行路側から順次積層された、第１層１２ａ、第２層１２ｂ、第３層１２ｃおよび金属層１２ｄから成る誘電体導波路１２を用いているが、これに限定されるものではなく、電子ビーム走行路側から順次積層された、第１層、第２層、第３層を含む３層以上の誘電体層および金属層から成る誘電体導波路を用いて本発明の光変調器（および後述する本発明の光復調器）を構成することもできる。その場合、第１層および第３層の少なくとも一方を、互いに屈折率の異なる複数層の高屈折率の透明性材料により構成したり、第２層を互いに屈折率の異なる複数層の低屈折率の透明性材料により構成したりすればよい。
【００２３】
誘電体導波路１２には、図２（ａ）の側断面図、図２（ｂ）の平面図および図２（ｃ）の横断面図に例示するように、第１層１２ａの光入力端１２ｅおよび光出力端１２ｇにそれぞれ曲線部１３ａ、曲線部１４ａを介して直交方向から接続される光入力導波路１３および光出力導波路１４と、第３層１２ｃのマイクロ波入力端１２ｆに所定方向から接続されるマイクロ波入力導波路１５とが設けられている。これら光入力導波路１３、光出力導波路１４およびマイクロ波入力導波路１５により、光入力、光出力およびマイクロ波入力が容易になる。
【００２４】
［光変調器の理論的解析］
図１に示すように光を第１層１２ａに入力すると、その光は第１層をコア層として伝搬する。このとき、第１層１２ａは光の波長程度の寸法で構成されているので、光の電界は電子ビーム走行方向（進行方向、図示ｚ軸方向）成分を有している。また、この光は、真空側および第２層１２ｂ側へ、エバネッセント波と呼ばれる形状で染み出す。真空側に染み出した部分では、光は電界のｚ方向成分が電子ビームと相互作用する。第２層において、光の分布は充分に小さくなっていくため、光は第３層１２ｃには到達しない。
一方、マイクロ波は第３層１２ｃを中心に入射される。マイクロ波の波長に対しては、第１層の層厚および第２層の層厚は無視してよい程度に極めて薄いため、第３層に第１層および第２層を含めた全体をコア層と見なせる。第３層１２ｃの底部に設けた金属層（金属板）１２ｄは、動作原理には直接関係しないが、マイクロ波の分布をこの金属層で止めて金属層に向かうマイクロ波を誘電体導波路側へ反射させる機能と、電子ビームが誘電体導波路に残す過剰電子を逃がす機能とを得るために設けたものである。
【００２５】
Ｍａｘｗｅｌｌの方程式から、光の進行方向（ｚ軸方向）での電界成分Ｅに対する波動方程式が次式のように導出される。
【数１】
2010054571.tif 000003
ここで、Ｊは電子ビームの電流密度であり、光およびマイクロ波により変調された振動成分を含んでいる。添字ｉは誘電体導波路の層番号である。
【００２６】
誘電体導波路中の電界Ｅを次式のように仮定する。
【数２】
2010054571.tif 000004
【００２７】
電子ビームの電流密度Ｊは、電子密度をＮとし、電子の速度をｖとし、電子の運動量をｐとし、電荷を−ｅとし、質量をｍｏ とすると、次式により表わされる。
【数３】
2010054571.tif 000005
【００２８】
電子密度Ｊ、速度ｖ、運動量ｐなどが電磁波（光およびマイクロ波）によって変調されることにより、電子と電磁波との相互作用が生じる。このとき、当該電磁波の波長により相互作用の詳細なメカニズムが異なる。
電子は、量子力学的には「波動」として記述され、古典力学では電子は空間的に局在化した「点電荷」として記述される。このような記述の違いは、１つの電子が波動として広がっている長さに基づいて判断されるべきである。非特許文献１に記載された実験においては、波動としての電子の広がりの長さは、電子ビーム中において電子同士が離れている距離に一致することが示されており、非特許文献１に記載された実験例においてはその長さが数１０μｍであった。つまり、電子波動の長さは、光の波長よりは長く、かつ、マイクロ波の波長よりは短い。
【００２９】
したがって、電子ビームと光との相互作用は電子を波動として量子力学的に解析する必要があるが、電子ビームとマイクロ波との相互作用は電子を点電荷とみなした古典論を用いればよい（非特許文献２を参照のこと）。非特許文献２には、電子を点電荷と見なした古典論的な運動方程式も、量子力学の基本方程式から導出できることが示されている。
つまり，式（３）における電流密度Ｊは、電子波動の長さより波長が短い光と、電子波動の長さより波長が長いマイクロ波とが共存する状態で、量子力学的な運動方程式および古典論的な運動方程式の両側面から算出されることになる。
【００３０】
その結果、マイクロ波で変調された電子ビームの電流密度Ｊを、
【数４】
2010054571.tif 000006
と置くと、光成分の振幅の変化は、
【数５】
2010054571.tif 000007
【００３１】
式（５）〜（７）において、マイクロ波による電流変調成分ΔＪにより、光が変調されることがわかる。このとき、マイクロ波による電流変調率は、
【数６】
2010054571.tif 000008
【００３２】
式（８）で理解できるように、電子ビームの速度とマイクロ波の速度が一致したときに、最大の変調が得られる。
【００３３】
次に、本発明の光変調器の作用を説明する。
図１において、電子放射部１１の加速電源１１ａから電子銃１１ｂに加速電圧を印加することにより、誘電体導波路１２の表面に沿って電子ビームを走行させ、誘電体導波路１２の光入力端１２ｅから光を第１層１２ａに入力するとともに、マイクロ波入力端１２ｆからマイクロ波を第３層１２ｃに入力する。このとき、誘電体光導波路１２の第１層１２ａに導かれた光は、第１層を構成する誘電体（Ｓｉ）の屈折率ｎ１ ＝３．４９に依存してｚ方向への走行速度を遅延されて、電子ビームからエネルギーを受けられる程度の速度となり、誘電体光導波路１２の第３層１２ｃに導かれたマイクロ波は、第３層を構成する誘電体（Ｓｉ）の屈折率ｎ１ ＝３．４９に依存してｚ方向への走行速度を遅延されて、電子ビームからエネルギーを受けられる程度の速度となる。また、誘電体光導波路の第１層に導かれた光および第３層に導かれたマイクロ波は、誘電体導波路１２の中心に集まるように分布して導波されるが、第１層や第３層中に完全に閉じこめられることはなく、第１層中を伝搬する光の一部は図示のように真空側（誘電体導波路１２の電子ビーム走行路側）および第２層側にしみ出し、第３層中を伝搬するマイクロ波の一部は図示のように真空側（誘電体導波路１２の電子ビーム走行路側）にしみ出す。
【００３４】
真空側にしみ出した光およびマイクロ波はそれぞれ電子ビームと交差し、図１中の模式図に示すような電子ビームの進行方向（ｚ方向）の電磁波の電界成分（光の電界成分およびマイクロ波の電界成分）が生じる。このとき、上述した第１層１２ａ、第２層１２ｂおよび第３層１２ｃの層厚の設定により、電子ビームの速度と電磁波の位相速度（すなわち、ｚ方向における光の走行速度およびｚ方向におけるマイクロ波の走行速度）が一致するため、光の電界成分およびマイクロ波の電界成分が電子ビームからエネルギーを受けて、電子ビームと光の電界成分とが相互作用するとともに、電子ビームとマイクロ波の電界成分とが相互作用し、光変調が行われることになり、誘電体導波路１２の光出力端１２ｇからマイクロ波で変調された光が出力される。
【００３５】
本発明の光変調器によれば、電子放射部１１から放射され真空中を走行する電子ビームと、３層構造の誘電体光導波路１２から真空中にしみ出した光およびマイクロ波との相互作用を利用して、光を数１０ＧＨｚ以上のマイクロ波（ミリ波）で変調し得る光変調器を提供することができ、より大容量で広帯域の光通信が可能になるとともに、光とマイクロ波とを融合させた新しい技術として、分光や計測技術などにも応用できるようになる。さらに、本発明で用いた動作原理は、マイクロ波からｘ線領域までの超広帯域で利用できるため、原理的には、マイクロ波および光との間にあり、これまで電子工学的に未発達であるＴＨｚ領域においても新技術を開発できる可能性がある。
【００３６】
［本発明の光変調器の動作例１］
図３は本発明の光変調器において誘電体導波路にマイクロ波のみを入力させたときの変調作用を説明するための図である。図３に示すように、電子放射部１１の加速電源１１ａから電子銃１１ｂに加速電圧を印加することにより、誘電体導波路１２の表面に沿って電子ビームを走行させ、それにより誘電体導波路１２の第１層１２ａ内に光を発生させるとともに、マイクロ波入力端１２ｆからマイクロ波を第３層１２ｃに入力する。このとき、誘電体光導波路１２の第１層１２ａ内に発生させた光は、第１層を構成する誘電体（Ｓｉ）の屈折率ｎ１ ＝３．４９に依存してｚ方向への走行速度を遅延されて、電子ビームからエネルギーを受けられる程度の速度となり、誘電体光導波路１２の第３層１２ｃに導かれたマイクロ波は、第３層を構成する誘電体（Ｓｉ）の屈折率ｎ１ ＝３．４９に依存してｚ方向への走行速度を遅延されて、電子ビームからエネルギーを受けられる程度の速度となる。また、誘電体光導波路の第１層に発生させた光および第３層に導かれたマイクロ波は、誘電体導波路１２の中心に集まるように分布して導波されるが、第１層や第３層中に完全に閉じこめられることはなく、第１層中を伝搬する光の一部は図示のように真空側（誘電体導波路１２の電子ビーム走行路側）および第２層側にしみ出し、第３層中を伝搬するマイクロ波の一部は図示のように真空側（誘電体導波路１２の電子ビーム走行路側）にしみ出す。
【００３７】
真空側にしみ出した光およびマイクロ波はそれぞれ電子ビームと交差し、図３中の模式図に示すような電子ビームの進行方向（ｚ方向）の電磁波の電界成分（光の電界成分およびマイクロ波の電界成分）が生じる。このとき、上述した第１層１２ａ、第２層１２ｂおよび第３層１２ｃの層厚の設定により、電子ビームの速度と電磁波の位相速度（すなわち、ｚ方向における光の走行速度およびｚ方向におけるマイクロ波の走行速度）が一致するため、光の電界成分およびマイクロ波の電界成分が電子ビームからエネルギーを受けて、電子ビームと光の電界成分とが相互作用するとともに、電子ビームとマイクロ波の電界成分とが相互作用し、光変調が行われることになり、誘電体導波路１２の光出力端１２ｇからマイクロ波で変調された光が出力される。
【００３８】
［本発明の光変調器の動作例２］
図４は本発明の光変調器において誘電体導波路の表面に沿って電子ビームを走行させることにより誘電体導波路内に光およびマイクロ波を発生させたときの変調作用を説明するための図である。図４に示すように、電子放射部１１の加速電源１１ａから電子銃１１ｂに加速電圧を印加することにより、誘電体導波路１２の表面に沿って電子ビームを走行させ、それにより誘電体導波路１２の第１層１２ａ内に光を発生させるとともに、誘電体導波路１２の第３層１２ｃ内にマイクロ波を発生させる。このとき、誘電体光導波路１２の第１層１２ａ内に発生させた光は、第１層を構成する誘電体（Ｓｉ）の屈折率ｎ１ ＝３．４９に依存してｚ方向への走行速度を遅延されて、電子ビームからエネルギーを受けられる程度の速度となり、誘電体光導波路１２の第３層１２ｃ内に発生させたマイクロ波は、第３層を構成する誘電体（Ｓｉ）の屈折率ｎ１ ＝３．４９に依存してｚ方向への走行速度を遅延されて、電子ビームからエネルギーを受けられる程度の速度となる。また、誘電体光導波路の第１層に発生させた光および第３層に発生させたマイクロ波は、誘電体導波路１２の中心に集まるように分布して導波されるが、第１層や第３層中に完全に閉じこめられることはなく、第１層中を伝搬する光の一部は図示のように真空側（誘電体導波路１２の電子ビーム走行路側）および第２層側にしみ出し、第３層中を伝搬するマイクロ波の一部は図示のように真空側（誘電体導波路１２の電子ビーム走行路側）にしみ出す。
【００３９】
真空側にしみ出した光およびマイクロ波はそれぞれ電子ビームと交差し、図４中の模式図に示すような電子ビームの進行方向（ｚ方向）の電磁波の電界成分（光の電界成分およびマイクロ波の電界成分）が生じる。このとき、上述した第１層１２ａ、第２層１２ｂおよび第３層１２ｃの層厚の設定により、電子ビームの速度と電磁波の位相速度（すなわち、ｚ方向における光の走行速度およびｚ方向におけるマイクロ波の走行速度）が一致するため、光の電界成分およびマイクロ波の電界成分が電子ビームからエネルギーを受けて、電子ビームと光の電界成分とが相互作用するとともに、電子ビームとマイクロ波の電界成分とが相互作用し、光変調が行われることになり、誘電体導波路１２の第１層１２ａの光出力端１２ｇからマイクロ波で変調された光が出力され、誘電体導波路１２の第３層１２ｃのマイクロ波出力端１２ｇからマイクロ波が出力される。
【００４０】
［本発明の光変調器（光復調器）の応用例の構成］
図５は本発明の光変調器（光復調器）の応用例の構成を示す図である。この図５の光変調器（光復調器）２０は、図１に示す本発明の光変調器（後述する図６に示す光復調器）に対し、誘電体導波路１２の入力端および出力端にそれぞれ入力側反射膜１６および出力側反射膜１７を追加する変更を加えたものであり、それ以外の部分は図１（後述する図６）と同様に構成する。
【００４１】
マイクロ波による光変調およびマイクロ波で変調された光からのマイクロ波の復調（検出）は、誘電体導波路内での光やマイクロ波の強度を強めるほど、効率を高めることができる。そこで、図５に示す光変調器（光復調器）では、誘電体導波路１２の入力端および出力端にそれぞれ入力側反射膜１６および出力側反射膜１７を設け、誘電体導波路１２内での光およびマイクロ波の強度を高めるようにしている。
入力側反射膜１６および出力側反射膜１７は、誘電体多層膜などで作製することができ、一般的には光およびマイクロ波に対しては異なる反射率となる。さらに、光およびマイクロ波のそれぞれの入力および出力の有無により、入力側反射膜１６および出力側反射膜１７の光およびマイクロ波に対する最適な反射率は異なるものとなる。本発明では、光およびマイクロ波のそれぞれの入力および出力の有無の状況に応じて、最適な反射率となる反射膜を用いるものとする。なお、反射膜の設計および作製は、これまで半導体レーザや種々の光学部品で用いられている技術を適用すればよい。
【００４２】
［本発明の光復調器の構成］
図６は本発明の光復調器の代表的な構成例を示す原理図である。本発明の光復調器３０は、図１に示す本発明の光変調器１０に対し、誘電体導波路１２の第１層１２ａの光出力端１２ｇに設けていた光出力導波路１４および誘電体導波路１２の第３層１２ｃのマイクロ波入力端１２ｆに設けていたマイクロ波入力導波路１５を省略するとともに誘電体導波路１２の第３層１２ｃのマイクロ波出力端１２ｈにマイクロ波出力導波路（図示せず）を設ける変更を加えたものであり、それ以外の部分は図１に示す光変調器１０と同様に構成する。
【００４３】
［光復調器の理論的解析］
図６に示すように、本発明の光復調器２０の誘電体導波路１２の第１層１２ａの光入力端１２ａに、光入力導波路１３を介してマイクロ波で変調された光を入力すると、この光はマイクロ波で変調されているので、誘電体導波路内での光電界は、
【数７】
2010054571.tif 000009
と表現される。式（９）中のc.c.は複素共役項を意味する。
電子に対する量子力学的な運動方程式では、電磁波の変化が電界の２乗に比例する。そこで、式（９）の２乗を求めると、
【数８】
2010054571.tif 000010
の項が生じる。つまり、電子ビームの密度がマイクロ波で変調される。したがって、マイクロ波が誘電体導波路１２内に発生して、第３層１２ｃのマイクロ波出力端１２ｈより出射され、マイクロ波で変調された光からマイクロ波を取り出す光復調器となる。
【００４４】
本発明の光復調器によれば、電子放射部１１から放射され真空中を走行する電子ビームと、３層構造の誘電体光導波路１２から真空中にしみ出した光およびマイクロ波との相互作用を利用して、数１０ＧＨｚ以上のマイクロ波（ミリ波）で変調した光から当該マイクロ波を取り出し得る光復調器を提供することができ、より大容量で広帯域の光通信が可能になるとともに、光とマイクロ波とを融合させた新しい技術として、分光や計測技術などにも応用できるようになる。さらに、本発明で用いた動作原理は、マイクロ波からｘ線領域までの超広帯域で利用できるため、原理的には、マイクロ波および光との間にあり、これまで電子工学的に未発達であるＴＨｚ領域においても新技術を開発できる可能性がある。
【実施例】
【００４５】
図１に示すように電子放射部（電子銃）１１および誘電体導波路１２により実施例１の光変調器（光復調器）を構成し、誘電体導波路１２に集積回路用のＳＯＩ基板（Silicon on Insulator，Ｓｉ−ＳｉＯ２ −Ｓｉ)を用い、誘電体導波路１２の幅Ｗを１．０ｍｍとし、第１層１２ａを、材料Ｓｉ、厚さ０．３２μｍ、屈折率ｎ１ ＝３．４９とし、第２層１２ｂを、材料ＳｉＯ２ 、厚さ１．０μｍ、屈折率ｎ２ ＝１．４４４とし、第３層１２ｃを、材料Ｓｉ、厚さ１．０ｍｍ、屈折率ｎ３ ＝３．４９とした。
【００４６】
上記構成においては、電子加速電圧に対し相互作用できる光の波長およびマイクロ波の周波数は図７に示すようになる。例えば、電子を３５ＫＶの加速電圧で加速すると、波長１．３５μｍの光が周波数６２ＧＨｚのマイクロ波で変調される。
【数９】
2010054571.tif 000011
【００４７】
図８は実施例１とほぼ同一のＳＯＩ基板を用いて構成した光変調器において、図４のように入射光および入射マイクロ波が無い場合の光放射の観測例を示す図である。この観測例は、上述した非特許文献１にも記載されている。この観測に用いた誘電体導波路１２は、第１層１２ａを、材料Ｓｉ、厚さｄ１ ＝０．３２μｍ、屈折率ｎ１ ＝３．４９とし、第２層１２ｂを、材料ＳｉＯ２ 、厚さｄ２ ＝１．０μｍ、屈折率ｎ２ ＝１．４４４とし、第３層１２ｃを、材料Ｓｉ、屈折率ｎ３ ＝３．４９としたことは実施例１と同一であるが、第３層１２ｃの厚さｄ３ を、ｄ３ ＝２００μｍと実施例１よりも薄くしたため、マイクロ波（ミリ波）の誘電体導波路としては不十分な厚さとなり、マイクロ波の発生は観測できなかった。しかし、放射された光については光波長および電子加速電圧の関係が各ピーク波長において図７の理論計算と一致するため、図７の理論計算の妥当性を立証するデータとなる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の光変調器の代表的な構成例を示す原理図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、本発明の光変調器の誘電体導波路を示す側断面図、平面図および横断面図である。
【図３】本発明の光変調器において誘電体導波路にマイクロ波のみを入力させたときの変調作用を説明するための図である。
【図４】本発明の光変調器において誘電体導波路の表面に沿って電子ビームを走行させることにより誘電体導波路内に光およびマイクロ波を発生させたときの変調作用を説明するための図である。
【図５】本発明の光変調器（光復調器）の応用例の構成を示す図である。
【図６】本発明の光復調器の代表的な構成例を示す原理図である。
【図７】本発明の実施例１の光変調器として、ＳＯＩ基板を用いた誘電体導波路を使用した場合に、電子ビーム群速度と一致する光位相速度およびマイクロ波位相速度を電子加速電圧で示した計算例を示す図である。
【図８】実施例１とほぼ同一のＳＯＩ基板を用いて構成した光変調器において、図４のように入射光および入射マイクロ波が無い場合の光放射の観測例を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  光変調器
１１  電子放射部
１１ａ  加速電源
１１ｂ  電子銃
１２  誘電体導波路
１２ａ  第１層
１２ｂ  第２層
１２ｃ  第３層
１２ｄ  金属層
１２ｅ  光入力端
１２ｆ  マイクロ波入力端
１２ｇ  光出力端
１２ｈ  マイクロ波出力端
１３  光入力導波路
１３ａ  曲線部
１４  光出力導波路
１４ａ  曲線部
１５  マイクロ波入力導波路
１６  入力側反射膜
１７  出力側反射膜
２０  光変調器（光復調器）
３０  光復調器
【図１】
2010054571.tif 000012
【図２】
2010054571.tif 000013
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010054571.tif 000016
【図６】
2010054571.tif 000017
【図７】
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【図８】
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