(57)【要約】【課題】小型で、且つ、安価に作製することができる光導波路型ＲＦ光変換器および光変調素子を提供する。【解決手段】光導波路型ＲＦ光変換器１は、リング共振器１０および強誘電体層１３を備える。リング共振器１０は、前記光導波路に光結合するように設けられたリング状光導波路１１を含む。強誘電体層１３は、リング状光導波路１１のクラッドの一部をなすように設けられる。強誘電体層１３に外部から電界を印加すると、電界の強度に応じて強誘電体層１３の屈折率が変化するのに伴って、リング状光導波路１１の有効屈折率も変化する。有効屈折率の変化によって、リング共振器１０のフィルタ特性が短波長側または長波長側にシフトするので、光導波路型ＲＦ光変換器１を伝播する光の波長がフィルタ特性の遷移域にあれば、光の強度が変化する。このようにして、ＲＦ信号を光強度信号に変換する。【選択図】図１
2010066557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアおよびクラッドを含んで構成され光導波路に光結合するように設けられたリング状光導波路を含むリング共振器と、
前記リング状光導波路の前記クラッドの一部をなすように設けられ、外部から印加された電界の強度に応じて屈折率が変化する誘電体層と
を備え、
前記電界の強度変化を、前記光導波路を通過する光の強度変化に変換する
光導波路型ＲＦ光変換器。
【請求項２】
前記光導波路を通過する光の光量は、前記誘電体層の屈折率の変化量に応じて変化する
請求項１に記載の光導波路型ＲＦ光変換器。
【請求項３】
前記電界を前記誘電体層に集中させるアンテナをさらに備えた
請求項１に記載の光導波路型ＲＦ光変換器。
【請求項４】
前記誘電体層は、強誘電体材料により構成されている
請求項１に記載の光導波路型ＲＦ光変換器。
【請求項５】
前記リング共振器および前記誘電体層は、基板に集積化されている
請求項１に記載の光導波路型ＲＦ光変換器。
【請求項６】
光入射端と光出射端とを有する光導波路と、
コアおよびクラッドを含んで構成され前記光導波路に光結合するように設けられたリング状光導波路を含むリング共振器と、
前記リング状光導波路の前記クラッドの一部をなすように設けられ、外部から印加された電界の強度に応じて屈折率が変化する誘電体層と
を備え、
前記光導波路の光入射端から入射した光の強度を前記電界によって変調して前記光出射端から出射する
光変調素子。
【請求項７】
光入射端と光出射端とを有する光導波路と、
コアおよびクラッドを含んで構成され前記光導波路に光結合するように設けられたリング状光導波路を含むリング共振器と、
前記リング状光導波路の前記クラッドの一部をなすように設けられ、外部から印加された電界の強度に応じて屈折率が変化する誘電体層と
を備え、
前記電界に応じて、前記光導波路の光入射端から入射した複数の波長の光の中から一部の波長の光を選択し、前記光出射端から出射する
光フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路を用いて高周波（ＲＦ；Radio Frequency）信号を光信号に変換する光導波路型ＲＦ光変換器、光信号をＲＦ信号によって変調する光変調素子、および複数の波長の光の中から一部の波長の光を選択する光フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光通信分野等においては、ＲＦ信号を光信号に変換するＲＦ光変換器が用いられている（非特許文献１を参照）。このＲＦ光変換器は、誘電体共振アンテナと、電気光学（ＥＯ；Electro-Optical）効果を生じる結晶（ＥＯ結晶）とを用いて構成される。誘電体共振アンテナは、チタン酸バリウム等からなり、円筒形状を有する。ＥＯ結晶は、ニオブ酸リチウムからなり、円板型の共振器を構成する。ＥＯ結晶は、誘電体共振アンテナの下部に配設され、誘電体共振アンテナが受信したＲＦ信号による電界に応じて屈折率が変化するようになっている。ＥＯ結晶には、レーザ光源から出射された光が透過するダイアモンドプリズムが隣接配設され、そのダイアモンドプリズムと光結合するようになっている。ＲＦ光変換器は、誘電体共振アンテナが受信したＲＦ信号に応じてレーザ光源から出射された光を強度変調する（言い換えると、ＲＦ信号を光強度信号に変換する）ようになっている（非特許文献１を参照）。
【非特許文献１】Ｈｓｕ他、「All-dielectric photonic-assisted radio front-end technology」、ｎａｔｕｒｅ  ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ、２００７年、第１巻、ｐ．５３５−５３８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のＲＦ光変換器に用いられるＥＯ結晶は、ニオブ酸リチウムのバルク結晶を研磨することにより形成されることから、レーザから出射された光を導光する導波路等と共に集積化することが困難である。また、誘電体共振アンテナは、その直径が１１．２５ｍｍ、高さが９ｍｍとされ、大型であることから、やはり集積化が困難である。このため、このようなＥＯ結晶と誘電体共振アンテナとを用いたＲＦ光変換器は、全体サイズが大きくなり、アプリケーション装置への搭載が制約される。また、ＥＯ結晶は、ニオブ酸リチウムのバルク結晶から作製されるので、例えばシリコン基板等に比べると高価になる。
【０００４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、小型で、且つ、安価に作製することができる光導波路型ＲＦ光変換器、光変調素子および光フィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の光導波路型ＲＦ光変換器は、コアおよびクラッドを含んで構成され光導波路に光結合するように設けられたリング状光導波路を含むリング共振器と、リング状光導波路のクラッドの一部をなすように設けられ、外部から印加された電界の強度に応じて屈折率が変化する誘電体層とを備える。この光導波路型ＲＦ光変換器は、外部電界（電波）の強度変化を、光導波路を通過する光の強度変化に変換するものである。
【０００６】
本発明の光変調素子は、光入射端と光出射端とを有する光導波路と、コアおよびクラッドを含んで構成され光導波路に光結合するように設けられたリング状光導波路を含むリング共振器と、リング状光導波路のクラッドの一部をなすように設けられ、外部から印加された電界の強度に応じて屈折率が変化する誘電体層とを備える。この光変調素子は、光導波路の光入射端から入射した光の強度を外部電界（電波）によって変調して光出射端から出射するものである。
【０００７】
本発明の光フィルタは、光入射端と光出射端とを有する光導波路と、コアおよびクラッドを含んで構成され光導波路に光結合するように設けられたリング状光導波路を含むリング共振器と、リング状光導波路の前記クラッドの一部をなすように設けられ、外部から印加された電界の強度に応じて屈折率が変化する誘電体層とを備える。この光フィルタは、電界に応じて、光導波路の光入射端から入射した複数の波長の光の中から特定波長の光を選択し、光出射端から出射するものである。
【０００８】
本発明の光導波路型ＲＦ光変換器または光変調素子では、ＲＦ信号による外部電界に応じて誘電体層の屈折率が変化し、その結果、リング状光導波路の有効屈折率が変化する。この有効屈折率の変化によって、リング共振器の共振条件が変化して、フィルタ特性が短波長方向または長波長方向にシフトするので、光導波路を伝播する光の強度が変化する。これにより、本発明の光導波路型ＲＦ光変換器では、入力されたＲＦ信号が光強度信号に変換される。また、本発明の光変調素子では、強度が一定の入射光がＲＦ信号によって強度変調され、出射光として出力される。
【０００９】
本発明の光フィルタでは、光導波路の光入射端から複数の波長の光を入射し、これらの波長の光の中から、時間と共に変化するＲＦ信号による外部電界の強弱に応じて選択波長が変化することを利用して、特定波長の光を選択し、選択した光を光出射端から出射する。この結果、出力光の波長が時々刻々変化するような光フィルタを構成する。
【００１０】
本発明の光導波路型ＲＦ光変換器、光変調素子または光フィルタでは、外部電界を誘電体層に集中させるためのアンテナを備えることが好ましい。誘電体層は、例えばニオブ酸リチウム等の強誘電体材料により構成することが可能である。リング共振器および誘電体層は、シリコン基板等の基板上に薄膜プロセスを用いて集積化して形成することが可能である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光導波路型ＲＦ光変換器、光変調素子または光フィルタによれば、リング状光導波路のクラッドの一部をなすように誘電体層を配置したので、リング状光導波路と誘電体層とをシリコン基板等の基板上に集積化して形成することができ、小型化が容易になる。さらに、誘電体層は、薄膜プロセスによって薄膜として形成されるので、製造プロセスが容易であり、また、使用材料の量も少なくて済むことから材料コストが安価になる。したがって、製造コストの低減が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る光導波路型ＲＦ光変換器の斜視構成を表すものである。図２は、図１のＡ−Ａ線における断面構成を表すものである。
【００１３】
この光導波路型ＲＦ光変換器（以下「ＲＦ光変換器」という。）１は、リング共振器１０、ライン状光導波路１２、強誘電体層１３およびアンテナ１４を備えている。
【００１４】
リング共振器１０は、図１に示したように、光が伝播するリング状光導波路１１が基板上に形成されたマイクロリング共振器である。リング状光導波路１１は、主として、コア１１ａと、これを取り巻くクラッド１１ｂとにより構成され（図２）、その直径は、数十μｍ程度である。リング共振器１０は、主に、リング状光導波路１１の１周の長さと、リング状光導波路１１の有効屈折率とによって共振波長が決まるようになっている。リング状光導波路１１は、結合部１１ｃにおいてライン状光導波路１２と光結合している。
【００１５】
ライン状光導波路１２は、例えばシリコン等からなる基板１６（図２）上に、リング状光導波路１１の接線方向に沿って延設され、結合部１１ｃにおいてリング状光導波路１１と重なるようにその下側に配置されている。ライン状光導波路１２の光入射端１２ｉには特定波長の光が入射され、リング共振器１０によって強度変調された光が光出射端１２ｏから出射されるようになっている。ここで、ライン状光導波路１２が、本発明の「光導波路」の一具体例に対応する。
【００１６】
強誘電体層１３は、リング共振器１０に外接するように設けられた薄膜である。具体的には、リング状光導波路１１の円周面に沿って、その上に強誘電体層１３が覆う形となっている。強誘電体層１３は、外部から印加された電界の強度に応じて屈折率が変化する材料、例えばニオブ酸リチウム単結晶等の強誘電体材料によって形成されている。強誘電体層１３の屈折率が、電界の強度に応じて変化すると、その屈折率変化に応じてリング状光導波路１１の有効屈折率が変化するようになっている。強誘電体層１３の屈折率変化に係る作用については後に詳述する。リング状光導波路１１と強誘電体層１３との間には、後述する密着性向上膜１５が介在している。強誘電体層１３および密着性向上膜１５は、リング状光導波路１１のクラッドの一部を構成する。ここで、強誘電体層１３が、本発明の「誘電体層」の一具体例に対応する。
【００１７】
アンテナ１４は、強誘電体層１３の上に設けられている。このアンテナ１４は、外部から印加されるＲＦ信号を、リング状光導波路１１の真上に位置する強誘電体層１３の部分に集中させるものである。アンテナ１４としては、図１に示したように、１対の三角形を、それらの頂角同士を突き合わせるようにして平面内で対向配置してなるボウタイアンテナ等を用いることができる。
【００１８】
［ＲＦ光変換器１の製造方法］
このようなＲＦ光変換器１は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、基板１６上に、コアおよびクラッドからなるライン状光導波路１２を形成する。具体的には、薄膜形成工程、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程等を経ることにより、ライン状光導波路１２を形成する。ここで、一例としては、コアを形成する材料にシリコンを用い、クラッドを形成する材料に酸化シリコンを用いることができる。
【００１９】
次に、ライン状光導波路１２の上にリング共振器１０を形成する。具体的には、薄膜形成工程、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程等を経ることにより、リング共振器１０を形成する。この工程では、コア１１ａの下面および側面がクラッド１１ｂで囲まれるような構造を形成する。一例としては、コア１１ａを形成する材料にシリコンを用い、クラッド１１ｂを形成する材料に酸化シリコンを用いることができる。
【００２０】
次に、リング共振器１０の上に密着性向上膜１５ａを形成する。この密着性向上膜１５ａは、次工程においてリング共振器１０上に配置される強誘電体層１３とリング共振器１０との密着性を向上させるためのものである。例えば、リング共振器１０のコア１１ａをシリコンで形成し、強誘電体層１３をニオブ酸リチウムで形成する場合には、密着性向上膜１５として酸化シリコンを用いることができる。この酸化シリコンは、例えば、リング共振器１０を大気に曝すことによってコア１１ａおよびクラッド１１ｂの表面に形成することが可能である。なお、図３に示したように、密着性向上膜１５ａは、リング共振器１０の上に酸化シリコンを成膜することにより形成してもよい。
【００２１】
一方、ニオブ酸リチウム単結晶等の強誘電体材料からなる強誘電体薄板の上に密着性向上膜１５ｂを形成し、これを所定の形状に切断して、誘電体薄板片とする。但し、強誘電体層１３とリング共振器１０との材料の組み合わせによっては、密着性向上膜１５ｂを形成しなくてもよい。
【００２２】
次に、リング共振器１０およびライン状光導波路１２等を形成した基板１６と、密着性向上膜１５ｂを形成した誘電体薄板片とを接合する。このとき、リング共振器１０に形成した密着性向上膜１５ａと、誘電体薄板片に形成した密着性向上膜１５ｂとが対面するように、基板１６と誘電体薄板片とを接合する。ここで、上記のように、リング状光導波路１１のコア１１ａをシリコン、クラッド１１ｂを酸化シリコン、密着性向上膜１５を酸化シリコンとする場合には、密着性向上膜１５に水分を含ませておき、基板１６と誘電体とを重ねた後、圧力および熱を加えて、基板１６と誘電体とを接合するのが好ましい。
【００２３】
これにより、リング共振器１０の上に強誘電体層１３が形成される。強誘電体層１３および密着性向上膜１５は、リング状光導波路１１のコア１１ａの上を覆うので、リング状光導波路１１のクラッドの一部として機能する。なお、密着性向上膜１５を用いずに、リング共振器１０上に強誘電体層１３を直接接合するようにしてもよい。
【００２４】
次に、アンテナ１４を強誘電体層１３の上に形成する。なお、アンテナ１４とリング状光導波路１１との距離については、後述する。
【００２５】
これによりＲＦ光変換器１を得る。
【００２６】
［アンテナ１４とリング状光導波路１１との距離］
図４は、リング状光導波路１１からボウタイアンテナ１４までの距離Ｄ（図２）と、ボウタイアンテナ１４がＲＦの強度を強める倍率Ｍとの関係を表すものである。図４に示したように、リング状光導波路１１からアンテナ１４までの距離Ｄが短くなるのに応じて、アンテナ１４がＲＦの強度を強める倍率Ｍが大きくなる。例えば、距離Ｄが０．１ｍｍの場合には、アンテナを配設しない場合に比べて、電界の強度を約８０倍に高めることができる。したがって、リング状光導波路１１とアンテナ１４との距離Ｄを短くすればする程、アンテナ１４によってより大きな電界集中を得ることができる。
【００２７】
[強誘電体層１３の屈折率]
図５は、強誘電体層１３の屈折率変化Δｎと、リング状光導波路１１の有効屈折率変化ΔＮｅｆｆとの関係を表すものである。ここで、図５は、リング状光導波路１１のコア１１ａの部分の幅が１．０μｍ、高さが０．２５μｍのときに、強誘電体層１３の屈折率が変化する場合の、リング状光導波路１１の有効屈折率の変化を計算により求めた結果を表すものである。
【００２８】
強誘電体層１３に外部からＲＦ信号が印加されると、そのＲＦ信号の電界によって強誘電体層１３の屈折率が変化し、リング状光導波路１１の有効屈折率も変化する。強誘電体層１３の屈折率変化Δｎと、リング状光導波路１１の有効屈折率変化ΔＮｅｆｆとは、図５に示したように比例関係にある。
【００２９】
このことにより、本実施の形態のＲＦ光変換器１では、リング状光導波路１１のクラッド１１ｂの部分に設けた強誘電体層１３の屈折率変化によって、光が伝播するリング状光導波路１１の有効屈折率が間接的に変化することがわかる。すなわち、本実施の形態のＲＦ光変換器１は、従来技術のように光と結合するＥＯ結晶の屈折率を電界によって直接的に変化させるようにしたものではない。
【００３０】
[ＲＦ光変換器１の動作]
次に、本実施の形態のＲＦ光変換器１の動作について説明する。図６は、リング共振器１０のフィルタ特性の概念を表すものである。図７は、リング共振器１０のフィルタ特性のシフトしたときの光の波長λ０との関係を表すものである。ここで、図６および図７では、横軸が波長を表し、縦軸が減衰量を表している。なお、図６および図７は、フィルタ特性の一部を示している。
【００３１】
図６に示したように、光入射端１２ｉから入射し、ライン状光導波路１２を伝播する光の波長が、リング共振器１０のフィルタ特性の通過帯域内の波長λ１の場合、そのまま（元の強度を保ったまま）、ライン状光導波路１２を伝播する。また、入射端１２ｉから入射し、ライン状光導波路１２を伝播する光の波長が、リング共振器１０のフィルタ特性の遷移域内の波長λ２の場合、光の強度が減衰されてライン状光導波路１２を伝播する。
【００３２】
一方、ＲＦ信号が印加されると、アンテナ１４によってリング状導波路１１上の強誘電体層１３に電界が集中する。すると、強誘電体層１３の屈折率が電界の強さに応じて変化し、その結果、光導波路の有効屈折率も変化するので、リング共振器１０のフィルタ特性がシフトする。図７に示したように、ライン状光導波路１２への入射光の波長λ０がフィルタ特性の遷移域に位置するようにしておくと、電界の強さに応じてフィルタ特性がシフトすることによって光の強度が変化する。
【００３３】
すなわち、図７（Ａ）に示したように、フィルタ特性がシフトすることによって、遷移域のうち減衰量が大きい位置に入力光の波長λ０が位置している場合には、光入射端１２ｉから入射し、ライン状光導波路１２を伝播する光の強度の減衰が大きくなる。また、図７（Ｂ）に示したように、遷移域のうち減衰量が中程度の位置に光の波長λ０が位置している場合には、光入射端１２ｉから入射し、ライン状光導波路１２を伝播する光の強度の減衰が中程度になる。また、図７（Ｃ）に示したように、遷移域のうち減衰量が小さい位置に光の波長λ０が位置している場合には、光入射端１２ｉから入射し、ライン状光導波路１２を伝播する光の強度の減衰が小さくなる。このように、フィルタ特性がシフトすることによって光の強度が変化するので、ＲＦ信号が光強度信号に変換されたことになる。言い換えると、入力光がＲＦ信号によって強度変調されたことになる。そして、図７（Ａ）〜（Ｃ）の場合において、電界によって変調された光は、ライン状光導波路１２の光出射端１２ｏから出射する。
【００３４】
以上のように、本実施の形態では、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程を行うことにより作製したリング共振器１０およびライン状光導波路１２を基板１６上に設け、リング共振器１０の上に強誘電体層１３を積層配置するようにしたので、集積化することができる。また、強誘電体層１３の上にアンテナ１４をパターニングにより配置するようにしたので、アンテナ１４を小型化することができ、リング共振器１０等と共に基板１６上に集積化することができる。このため、ＲＦ光変換器１は、全体構成を小型にすることができ、アプリケーション装置に搭載されるときに大きさの面で制限が加わることがない。
【００３５】
また、リング共振器１０は、薄膜プロセスにより形成され、例えば安価なシリコン等を用いてコア１１ａが形成されるので、低コストで作製することができる。
【００３６】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。
【００３７】
例えば、上記実施の形態では、強誘電体層１３がニオブ酸リチウム単結晶等からなる場合について説明したが、塗布型のＥＯ材料を用いて形成されるようにしてもよい。塗布型のＥＯ材料を用いた場合には、スピンコート装置等を利用して強誘電体層を形成することができるので、アンテナ１４からマイクロリング共振器１０までの距離が短くなり、リング状光導波路１１における大きな有効屈折率変化を得ることができる。
【００３８】
塗布型のＥＯ材料の具体的な一例として、ＮＴＴ−ＡＴ社製のＥＯポリマーを用いる場合、スピンコート装置に基板１６を配設したのち、６０００ｒｐｍの回転数にてＥＯポリマーの塗布を行うと、０．２μｍの塗布厚となる。この厚さは、強誘電体層１３として十分な厚さであり、図４に示したように、ボウタイアンテナ１４によって２００倍以上の電界集中を得ることができる。
【００３９】
また、上記実施の形態では、強誘電体層１３がリング共振器１０の上面全体に設けられた場合について説明したが、リング導波路の上にのみ強誘電体層１３が設けられるようにしてもよい。また、強誘電体層１３は、リング導波路とアンテナ１４との間にのみ設けられるようにしてもよい。また、強誘電体層１３は、リング導波路の下側にのみ設けられるようにしてもよく、さらには、リング導波路の上側と下側とに設けられるようにしてもよい。
【００４０】
また、上記実施の形態では、アンテナ１４が１つ設けられる場合について説明したが、リング導波路と重なる位置に複数設けられるようにしてもよい。さらに、強誘電体層１３の屈折率を変化させることのできる十分な強度のＲＦ信号が印加されるようになっている場合には、アンテナ１４を設けないようにしてもよい。
【００４１】
また、上記実施の形態では、ライン状光導波路１２に単一波長の光が伝播される場合について説明したが、ライン状光導波路１２に複数波長の光が伝播されるようにしてもよい。この場合には、光フィルタへの適用も可能である。例えば、光導波路の光入射端から複数の波長の光を入射し、これらの複数の波長の光の中から、電界によって特定波長の光を選択し、選択した波長の光を光出射端から出射する、という構成が考えられる。外部電界がＲＦ信号によるものである場合には、時間と共に変化する電界の強弱に応じて、選択される波長が変化するので、結果的に、出力光の波長が時々刻々変化するような光フィルタを構成することも可能である。
【００４２】
なお、上記実施の形態では、入力されたＲＦの信号を光強度信号に変換して出力する光導波路型ＲＦ光変換器に適用する場合について説明したが、本発明は、光変調素子としての利用も可能である。この場合の構成は光導波路型ＲＦ光変換器１と同様なので、詳細な説明は省略する。光変調素子として利用する場合には、振幅が一定のキャリア光を入力し、その入力光をＲＦ信号に応じて変調し、光強度信号として出力すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態に係る光導波路型ＲＦ光変換器の斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線における断面図である。
【図３】密着性向上膜の構成を変えたときの、図２と同位置における断面図である。
【図４】リング状光導波路からボウタイアンテナまでの距離Ｄと、ボウタイアンテナがＲＦの強度を強める倍率Ｍとの関係を表す図である。
【図５】強誘電体層の屈折率変化Δｎと、リング状光導波路の有効屈折率変化ΔＮｅｆｆとの関係を表す図である。
【図６】リング共振器のフィルタ特性の概念を表す図である。
【図７】リング共振器のフィルタ特性がシフトしたときの光の波長λ０との関係を表すものである。
【符号の説明】
【００４４】
１…光導波路型ＲＦ光変換器、１０…リング共振器、１１…リング状光導波路、１１ａ…コア、１１ｂ…クラッド、１２…ライン状光導波路、１３…強誘電体層、１４…アンテナ、１６…基板。
【図１】
2010066557.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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