(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路コア平面を定める第１及び第２の面を有する導波路コアと、前記導波路コア平面の第１の側にあり且つ前記平面の外に配置された複数の一次電極と、前記導波路コア平面の第２の側にあり且つ前記平面の外に配置された少なくとも１つの二次電極とを含む電気光学的導波路の偏光モジュレータであって、前記電極は、使用中、前記導波路コア内に２つの実質的に垂直方向に場成分を有する電場を与えるように適応され、導波路の偏光モードの角度及びこれらのモードの等価屈折率間の差異の独立した制御を可能にするようにし且つ前記コアを通って伝播する電磁放射が第１の偏光状態から第２の偏光状態に変換されるように前記導波路の屈折率を変調し、前記少なくとも1つの二次電極が、基板のある領域をドーピングすることにより形成されており、前記複数の一次電極が、実質的に平面の第１電極層内に配置されており、前記少なくとも1つの二次電極が実質的に平面の第２電極層内に配置されており、前記第１電極層及び第２電極層が実質的に平行であり、複数の前記二次電極を前記第２電極層内に含むことを特徴とする電気光学的導波路の偏光モジュレータ。
【請求項２】
前記一次電極は、使用中、前記導波路コア内を伝播する光学電磁放射と同じ速度で伝播し、それに適合された、前記導波路コア内を縦方向に伝播する電場を与えるように適応された同一平面状のストリップライン電極を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気光学的導波路の偏光モジュレータ。
【請求項３】
前記請求項１又は請求項２に記載の偏光モジュレータを含むことを特徴とする統合された光導波路システム。
【請求項４】
請求項１から請求項２までのいずれか１項に記載の偏光モジュレータを含み、前記モジュレータは、使用中、光通信ネットワーク内に生じる偏光の歪みを補償するように適応されることを特徴とする光通信ネットワーク。
【請求項５】
前記偏光モジュレータは、使用中、前記ネットワークにおけるトランスミッタ、前記ネットワークにおけるレシーバ、及び光信号が前記ネットワークを通して伝送されるのに沿ったいずれかの位置のうちの少なくとも１つにおいて偏光補償を適用するように適応されることを特徴とする請求項４に記載の光通信ネットワーク。
【請求項６】
前記偏光モジュレータは、使用中、前記ネットワークにおけるトランスミッタで偏光予補償を適用するように適応されて、前記ネットワーク内に生じる偏光の歪みを補償するようにすることを特徴とする請求項５に記載の光通信ネットワーク。
【請求項７】
請求項１又は請求項２に記載の偏光モジュレータを含むことを特徴とする量子暗号化システム。
【請求項８】
前記偏光モジュレータは、使用中、そこから伝送された光信号を変調するように適応されることを特徴とする請求項７に記載の量子暗号化システム。
【請求項９】
前記偏光モジュレータは、使用中、前記伝送された光信号を変調して、前記システム内に生じる偏光の歪みを補償するために、前記信号が、そこに適用された補償予変化を有する所望の量子暗号化変調状態を含むようにすることを特徴とする請求項８に記載の量子暗号化システム。
【請求項１０】
前記偏光モジュレータは、使用中、それにより受信された光信号を変調するように適応されることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の量子暗号化システム。
【請求項１１】
請求項１又は請求項２に記載の偏光モジュレータを含むことを特徴とする光検知測距システム（ＬＩＤＡＲ）。
【請求項１２】
請求項１又は請求項２に記載の偏光モジュレータを用いて電磁放射の偏光を変調する方法であって、
（ｉ）第１偏光状態を有する電磁放射を前記偏光モジュレータに入力し、
（ｉｉ）第１一次電極と少なくとも１つの二次電極との間に第１電圧Ｖ1を印加し、第２一次電極と少なくとも１つの二次電極との間に第２電圧Ｖ2を印加して、前記導波路コア平面に対して実質的に垂直な前記導波路コア内の第１の方向において電場成分を与えて、前記第１の方向に対して実質的に垂直な方向において前記導波路コアの前記屈折率を変調するようにし、及び、前記導波路コア平面と実質的に平行な前記導波路コア内の第２の方向において電場成分を与えて、前記第１の方向に対して±４５°の角度だけ傾斜した方向において前記導波路コアの前記屈折率を変調するようにする、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
（ｉｉｉ）第２偏光状態を有する電磁放射を前記偏光モジュレータから出力する、
ステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記導波路コア内の前記第１の方向に対して実質的に垂直な方向において、前記屈折率の前記変調の大きさは、前記第１電圧Ｖ1及び前記第２電圧Ｖ2の平均値に比例することを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記導波路コア内の前記第１の方向に対して±４５°の角度だけ傾斜した方向における前記屈折率の前記変調の大きさは、前記第１電圧Ｖ1及び前記第２電圧Ｖ2との間の差異のモジュラスに比例することを特徴とする請求項１２から請求項１４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
導波路コア平面を定める第１及び第２の面を有する電気光学的導波路コアにおいて伝播する電磁放射の偏光状態を変調する方法であって、前記導波路コア平面の第１の側にあり且つ前記平面の外に複数の一次電極が配置されており、前記導波路コア平面の第２の側にあり且つ前記平面の外に少なくとも１つの二次電極が配置されており、前記少なくとも1つの二次電極が、基板のある領域をドーピングすることにより形成されており、前記複数の一次電極が、実質的に平面の第１電極層内に配置されており、前記少なくとも1つの二次電極が実質的に平面の第２電極層内に配置されており、前記第１電極層及び第２電極層が実質的に平行であり、複数の前記二次電極を前記第２電極層内に含む、前記方法において、
前記導波路コア内に、前記第１の面に隣接する前記導波路コア平面の外の第１の位置及び前記第２の面に隣接する前記導波路コア平面の外の第２の位置から、第１の方向における場成分及び前記第１の方向に対して実質的に垂直な第２の方向における場成分を与えて、前記コアを通って伝播する電磁放射がいずれかの第１の偏光状態からいずれかの第２の偏光状態に変換可能になるようにするステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記第１の方向は、前記導波路コア平面に対して実質的に垂直であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２の方向は、前記導波路コア平面と実質的に平行であることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の方法。
【請求項１９】
請求項１に記載の電気光学的導波路の偏光モジュレータを製造する方法であって、
（ｉ）基板上に一連の実質的に平行な平面の形体で配置された複数の半導体材料の層を含む電気光学構造体を形成し、
（ｉｉ）実質的に平面の第１の電極層内にある複数の一次電極を、前記基板に対して遠位の前記半導体材料の層の表面に適用する、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記電気光学構造体はＩＩＩ−Ｖ半導体材料を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記電気光学構造体は、インジウム・ガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）合金、インジウム・ガリウム・アルミニウム砒素リン化物（ＩｎＡｌＧａＡｓＰ）合金、インジウムリン化物（ＩｎＰ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記電気光学構造体は、ＩＩ−ＶＩ半導体材料を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記電気光学構造体は、ニオブ酸リチウム、歪みシリコン、及び電気光学ポリマー材料の少なくとも１つから構成されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学的導波路の偏光モジュレータ、及びこれを動作させるための方法に関する。本発明は、具体的には、排他的ではないが、集中光学システムにおいて用いるための電気光学的導波路の偏光モジュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気光学的導波路の偏光モジュレータは、高密度波長多重（ＤＷＤＭ）、電気通信用途のための偏光変調伝送法、及び、量子暗号化（ＱＣ）用途のための安全な量子鍵配布（ＱＫＤ）を含む様々な光学通信用途において関心がもたれている。
本発明に対する背景として、線形電気光学効果（ポッケルス効果）を使用して、光導波路内の光の偏光状態を制御する電気光学的導波路の偏光モジュレータが知られている。これらのデバイスの最も単純なものは、上面に電極があり、下に導電領域があって、垂直方向の電場を電気光学的導波路に印加することを可能にする単一の電気光学的導波路で構成される（例えば、非特許文献１、非特許文献２を参照されたい）。
【０００３】
上述のモジュレータは光導波路内の光の偏光状態を制御することはできるが、この種のデバイスは、水平方向成分及び垂直方向成分を含む入力偏光状態を必要とする。線形電気光学効果はこれらのデバイス内で用いられて、水平方向成分の位相のみを変調して、＋４５°、−４５°、右円偏波、左円偏波、及び中間楕円状態に限定される出力偏光状態をもたらす。これらの状態は、ポアンカレ球上に表される偏光状態のサブセットを形成する。ポアンカレ球は、線形、円形、及び楕円形の偏光状態の変形を含むすべての可能性のある偏光状態を球面上にマップする数学的表現である。線形水平方向又は垂直方向の出力状態は、これらのデバイスを用いて取得されることはない。
【０００４】
さらに、通常は水平方向偏光入力状態と共に用いられる電気光学的導波路の偏光モジュレータの代替的な形態が知られている。例えば、非特許文献３、非特許文献４、及び非特許文献５を参照されたい。
この種のデバイスは、水平方向の電場を導波路コア内に与えるために、電極が導波路隆起部の両側に配置された浅くエッチングされた導波路に基づいている。水平方向電場は、主要な誘電軸がそれらの方向に対して＋４５°及び−４５°の角度で存在するように、半導体結晶の屈折率楕円体（法線楕円体）を偏光することにより水平方向及び垂直方向の偏光成分の間の結合を可能にする。しかしながら、通常、導波路デバイスの偏光モードは、導波路境界により導入された導波路の複屈折のために、結晶複屈折の＋４５°及び−４５°の角度に向けられていない。水平方向入力偏光から垂直方向出力偏光への完全な変換を生じさせるためには、導波路の複屈折をなくす又は可能にする必要がある（位相ミスマッチとも呼ばれる）。
【０００５】
上述のデバイスは、制限された偏光変換効率、又は他の導波路デバイスとの統合を阻止する特化した製造プロセスに対する要求といった欠点を受ける。例えば、例えば、Ｒａｈｍａｔｉａｎ他により提案されたデバイスは、位相ミスマッチの独立した電気光学制御なしで、低複屈折導波路を用いる。Ｓｃｈｌａｋ他により報告されたデバイスは、位相反転長さに適合する長手方向期間をもって、水平方向の電場方向の周期的な反転を用いることにより、位相ミスマッチの存在を可能にする。このことは、複雑な駆動回路及び特化した製造プロセスを必要とする。Ｇｒｏｓｓａｒｄ他により提案された偏光コンバータは、垂直方向の電場成分の印加により、位相ミスマッチの独立した電気光学制御を提供する。しかしながら、電極の特定の構成によりもたらされる欠陥があり、光学領域の側部にある電極は、導波路の下の別個の接地平面なしで、導波路の上部の電極及び導波路の反対側の電極に対する接地として用いられる。このことは、電場成分と光場との不良な重なりをもたらし、結果的に大きな動作過電圧をもたらす。接地電極の水平方向オフセットのために、上部電極と接地との間に印加された電圧信号は、生成される垂直方向及び水平方向の両方の電場成分をもたらす。このことは、位相モジュレータ及びＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計といった垂直方向の電場のみを必要とするデバイスの統合を阻止する。さらに、光場と同じ平面において横方向の電極の配置を可能にするためには、導波路は浅いエッチングにより形成されなければならず、これは導波路設計における導波路の複屈折の制御に対する範囲を制限し、小半径湾曲部といった深いエッチングを必要とする導波路構成部品の統合する可能性を除外する。
【０００６】
これらの制限は、導波路の下に接地平面がないこと、及び、デバイスの上面上の電極が同一平面状にないことにより生じる。これまで、導波路の上部の上に配置された同一平面上の電極を用いて、導波路コア内に必要な場の強さの水平方向の電場を生成できるとは考えられていなかったため、同一平面上の電極は、Ｇｒｏｓｓａｒｄ他により提案されたデバイスにおいては用いられていない。
電気光学偏光モジュレータの別の代替的な形態は、Ｓ．Ｔｈａｎｉｙａｖａｒｎによる「Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」という名称の特許文献１に説明される。この種のデバイスは、別個の接地平面のない同一平面上の電極構成を特徴とするニオブ酸リチウム光導波路で構成される。この構成は、光導波路の平面の上に配置された３つの同一平面上の電極を特徴とし、中央電極は導波路のすぐ上に置かれ、２つのさらに別の電極は導波路から横方向に両側に変位される。側部電極の１つは、他の電極の両方に対する接地を提供する。この構成は、実質的に水平方向及び垂直方向に印加された電場成分の用途及び独立した制御を可能にする。
【０００７】
同一平面上の電極の少なくとも１つが導波路のすぐ上に配置されない、この構成の使用は、導波路の横方向範囲を越えて延びる平らな上面を有する基板に形成された導波路に限定される。このことは、典型的には、導波領域の横方向範囲が、表面のエッチングによってではなく、材料に拡散されたチタニウムにより定められるニオブ酸リチウム導波路において当て嵌まる。この同一平面状構成は、エッチングされた導波路では実現できない。したがって、構造体は、小半径湾曲部といった深いエッチングを必要とする導波路構成部品と統合することができない。この構成は、さらに、横方向の接地電極の使用に関連する欠点、すなわち、水平方向及び垂直方向の場成分の光場との不良な重なり、及び、さらに水平方向の場成分を誘起させることなく垂直方向の場成分を印加することに対する困難を被る。
上記のものにもかかわらず、出願人により行われる新規な研究は、下にある共通の電極を有する電気光学的導波路のすぐ上に配置される同一平面状の電極は、必要な導波路コア内の垂直方向及び水平方向の電場を提供して、導波路の両側に配置される付加的な電極を必要とすることなく、その中の屈折率楕円体を改変することができることを明らかにした。実際、この研究は、同一平面状の上方電極のこうした構成は、予想外に、垂直方向及び水平方向の電場と、導波路コア内の光場との間に使用可能な重なりを提供できることを示した。この構成は、実質的に水平方向及び垂直方向に印加された電場成分の用途及び独立した制御を可能にする。
【０００８】
したがって、一般に認められている知識とは対照的に、導波路のすぐ上に配置された同一平面状の電極は、電気光学的導波路の偏光モジュレータのコア内の垂直方向及び水平方向の両方の電場を生成するのに適した手段を提供し、したがって、この観点では、本発明は、従来技術における技術的な偏見を克服することを示した。
量子暗号化に対する上述の従来技術のデバイスの適用例を示す唯一の知られる従来技術は、非特許文献６に説明される。この従来技術は、光ファイバの適用例のために、８５０ｎｍにおいて、従来技術の偏光モジュレータをどのように動作させるかについて、及び、相対偏光状態−４５°及び４５°、並びに、左円偏波及び右円偏波の２つの対についてのみ説明する。さらに、量子暗号化の適用例において信号を伝送するためのデバイスをどのように用いるかについてのみ説明する。この従来技術は、それぞれ２つ又は４つの個別偏光状態を必要とする特定の量子暗号化プロトコルＢ９２及びＢＢ８４に対してデバイスをどのように用いるかについて説明する。Ｂ９２プロトコルは非特許文献７において説明され、ＢＢ８４プロトコルは非特許文献８において説明される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第４，６９１，１９８７号
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｄ．Ｈａｌｌ、Ａ．Ｙａｒｉｖ、及びＥ．Ｇａｒｍｉｒｅ著  「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｇｕｉｄｉｎｇ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｉｎ  ＧａＡｓ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｙｅｒｓ」Ｏｐｔ．Ｃｏｍｍｕｍ、第１巻４０３から４０５ページ、１９７０年
【非特許文献２】Ｎ．Ｙ．Ｇｏｒｄｅｅｖ、Ｋ．Ｊ．Ｇｏｒｄｏｎ、及び、Ｇ．Ｓ．Ｂｕｌｌｅｒ著  「Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」Ｏｐｔｉｃｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ２３４（２００４年）、２０３から２１０ページ
【非特許文献３】Ｆ．Ｒａｈｍａｔｉａｎ、Ｎ．Ａ．Ｆ．Ｊａｒｇｅｒ、Ｒ．Ｊａｍｅｓ、及びＥ．Ｂｅｒｏｌｏ著  「Ａｎ  ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  Ｕｓｉｎｇ  Ｓｌｏｗ−Ｗａｖｅ  Ｃｏｐｌａｎａｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ、第１０巻、６７５から６７７ページ、１９９８年
【非特許文献４】Ｍ．Ｓｃｈｌａｋ、Ｃ．Ｍ．Ｗｅｉｎｅｒｔ、Ｐ．Ａｌｂｒｅｃｈｔ、及びＨ．Ｐ．Ｎｏｌｔｉｎｇ著  「Ｔｕｎａｂｌｅ  ＴＥ／ＴＭ−Ｍｏｄｅ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｏｎ  （００１）−ＩｎＰ−Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ」ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ、第３巻、１５から１６ページ、１９９１年
【非特許文献５】Ｎ．Ｇｒｏｓｓａｒｄ、Ｈ．Ｐｏｒｔｅ、Ｊ．Ｐ．Ｖｉｌｃｏｔ、Ｂｒｕｎｏ  Ｂｅｃｈｅ、及びＪ．Ｐ．Ｇｏｅｄｇｅｂｕｅｒ著  「ＡｌｇａＡｓ−ＧａＡｓ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｐｈａｓｅ  Ｍｉｓｍａｔｃｈ  Ｃｏｎｔｒｏｌ」ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ、第１３巻、８３０から８３２ページ、２００１年
【非特許文献６】Ｎ．Ｙ．Ｇｏｒｄｅｅｖ、Ｋ．Ｊ．Ｇｏｒｄｏｎ、Ｇ．Ｓ．Ｂｕｌｌｅｒ著  「Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」Ｏｐｔｉｃｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ２３４、２０３から２１０ページ、２００４年
【非特許文献７】Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔ「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ  Ｕｓｉｎｇ  Ａｎｙ  Ｔｗｏ  Ｎｏｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｓｔａｔｅｓ」Ｐｈｙｓ  Ｒｅｖ  Ｌｅｔｔ、３１２１から３１２４ページ、１９９２年
【非特許文献８】Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔ、Ｇ．Ｂｒａｓｓａｒｄ「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ：Ｐｕｂｌｉｃ  ｋｅｙ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄ  ｃｏｉｎ  ｔｏｓｓｉｎｇ」Ｐｒｏｃ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ，  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、Ｂａｎｇａｌｏｒｅ、Ｉｎｄｉａ、１７５から１７９ページ、１９８４年
【非特許文献９】Ｎ．Ｇｒｏｓｓａｒｄ、Ｈ．Ｐｏｒｔｅ、Ｊ．Ｐ．Ｖｉｌｃｏｔ、Ｂｒｕｎｏ  Ｂｅｃｈｅ及びＪ．Ｐ．Ｇｏｅｄｇｅｂｕｅｒ著  「ＡｌＧａＡｓ−ＧａＡｓ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｐｈａｓｅ  Ｍｉｓｍａｔｃｈ  Ｃｏｎｔｒｏｌ」ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ、第１３巻、８３０から８３２ページ、２００１年
【非特許文献１０】Ｄ．Ｂｒｕｓｓ「Ｏｐｔｉｍａｌ  ｅａｖｅｓｄｒｏｐｐｉｎｇ  ｉｎ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ  ｗｉｔｈ  ｓｉｘ  ｓｔａｔｅｓ」Ｐｈｙｓ  Ｒｅｖ  Ｌｅｔｔ８１、３０１８から３０２１ページ、１９９８年
【非特許文献１１】Ｈ．Ｂｅｃｈｍａｎｎ−Ｐａｓｑｕｉｎｕｃｃｉ、Ｎ．Ｇｉｓｉｎ「Ｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ  ａｎｄ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｅａｖｅｓｄｒｏｐｐｉｎｇ  ｉｎ  ｔｈｅ  ６−ｓｔａｔｅ  ｐｒｏｔｏｃｏｌ  ｏｆ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ」Ｐｈｙｓ  Ｒｅｖ  Ａ  ５９、４２３８から４２４８ページ、１９９９年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の目的は、上述の通常のデバイスの不利点の少なくとも幾つかを緩和する電気光学的導波路の偏光モジュレータを提供することである。
また本発明の目的は、さらに、改善されたモジュレータ設計が、どのように、ポアンカレ球上の偏光状態の生成を可能にできるかについて説明することである。このことは、通信ネットワーク上の光伝送経路による偏光の歪みの補償を可能にすることができる。
また本発明の目的は、さらに、改善されたモジュレータ設計が、どのように、量子プロトコルＢ９２、ＢＢ８４、及び、Ｓｉｘ−ｓｔａｔｅ及び６より多い異なる偏光状態を必要とする新規な出現しつつあるプロトコルといった他のプロトコルに対する適用例を可能にできるかを説明することである。
また本発明の目的は、さらに、量子暗号化システムのレシーバにおける電気光学的導波路の偏光モジュレータをどのように用いるかについて説明することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、ここで、導波路コア平面を定める第１及び第２の面を有する導波路コアと、導波路コア平面の第１の側であり且つ該平面の外に配置された複数の一次電極と、導波路コア平面の第２の側であり且つ該平面の外に配置された少なくとも１つの二次電極とを含む電気光学的導波路の偏光モジュレータであって、電極は、使用中、導波路コア内に２つの実質的に垂直方向に場成分を有する電場を与えるように適応され、その屈折率を変調して、コアを通って伝播する電磁放射が第１の偏光状態から第２の偏光状態に変換されるようにする電気光学的導波路の偏光モジュレータが提案される。
本明細書の目的のためには、水平方向は、基板の表面及びそこで成長されたエピタキシャル層間のインターフェースに対して平行であり、導波路コア内の伝播方向に対して垂直であるように定義される。正符号は、基板がエピタキシャル層の下にある状態で、導波路コア内の伝播方向に沿って見たときに、左から右の方向として定義される。偏光方位を定義する目的のためには、角度は、水平方向から反時計周りに測定される。９０°の角度は、垂直方向を与える。
【００１３】
第１偏光状態はあらゆる偏光状態を含むことが好ましい。具体的には、第１偏光状態は、-TT／２からTT／２までの範囲の方位角を有する線形偏光状態、右円偏波及び左円偏波の偏光状態の両方の偏光状態、及び、-TT／２からTT／２までの範囲の方位角及び−１から１までの範囲の楕円率のいずれかの組み合わせをもつ楕円偏光状態を含むことができる。
第１偏光状態はあらゆる偏光状態を含むことが有利である。
好ましい実施形態においては、複数の一次電極は実質的に平らな第１電極層に配置されて、少なくとも１つの二次電極は実質的に平らな第２電極層に配置され、第１及び第２の電極層は実質的に平行である。
第１電極層は導波路コアの第１面と実質的に平行であり、第２電極層は導波路コアの対向する面と実質的に平行であることが好ましい。
【００１４】
導波路コアは一次電極と少なくとも１つの二次電極との間に配置されることは利便性がある。
一次電極は導波路コア内で移動する電磁波の電磁場の水平方向範囲により実質的に定められる区域において第１クラッド層上に配置されることが好ましい。一例として、一次電極は、電磁波が誘導される導波路コアの領域のすぐ上の第１クラッド層の上面上に配置することができる。
別の実施形態においては、電気光学導波路偏光モジュレータは、第２電極層ないに複数の二次電極を含む。
第１及び第２の電極層が実質的に平行である場合、電極は、使用中、第１及び第２の電極層に対して実質的に垂直な方向に配置された第１成分と、第１及び第２の電極層と実質的に平行な方向に配置された第２成分とを有する電場を与えるように適応されることが好ましい。
【００１５】
別の好ましい実施形態においては、一次電極は、使用中、導波路コア内を伝播する光学電磁放射と同じ速度で伝播し、それに適合された、導波路コア内を縦方向に伝播する電場を与えるように適応された同一平面状のストリップライン電極を含む。
本発明の第２の態様によれば、ここでは、本発明の第１の態様による偏光モジュレータを含む統合された光学導波路システムが提案される。
本発明の第３の態様によれば、ここでは、本発明の第１の態様による偏光モジュレータを含む光通信ネットワークが提案され、モジュレータは、使用中、前述のネットワーク内で生じる偏光の歪みを補償するように適応される。
【００１６】
偏光モジュレータは、使用中、ネットワークにおけるトランスミッタ、ネットワークにおけるレシーバ、及び光信号がネットワークを通して伝送されるのに沿ったいずれかの位置のうちの少なくとも１つにおいて偏光補償を適用するように適応されることが好ましい。
本発明の第４の態様によれば、ここで、本発明の第１の態様による偏光モジュレータを含む量子暗号化システムが提案される。
偏光モジュレータは、前述の量子暗号化システム内での使用中、そこから伝送された光信号を変調するように適応されることが好ましい。これの代わりに又はこれに加えて、偏光モジュレータは、量子暗号化システム内での使用中、それにより受信された光信号を変調するように適応される。
【００１７】
本発明の第５の態様によれば、ここで、本発明の第１の態様による偏光モジュレータを用いて電磁放射の偏光を変調する方法が提案され、
（ｉ）第１偏光状態を有する電磁放射を偏光モジュレータに入力し、
（ｉｉ）第１一次電極と少なくとも１つの二次電極との間に第１電圧Ｖ1を印加し、第２一次電極と少なくとも１つの二次電極との間に第２電圧Ｖ2を印加して、導波路コア平面に対して実質的に垂直な導波路コア内の第１の方向において電場成分を与えて、第１の方向に対して実質的に垂直な方向において導波路コアの屈折率を変調するようにする、
ステップを含む。
【００１８】
この方法は、
（ｉｉｉ）第２偏光状態を有する電磁放射を前記偏光モジュレータから出力する、
ステップをさらに含むことが好ましい。
この方法は、
（ｉｖ）第１一次電極と少なくとも１つの二次電極との間に第１電圧Ｖ1を印加し、第２一次電極と少なくとも１つの二次電極との間に第２電圧Ｖ2を印加して、導波路コア平面と実質的に平行な導波路コア内の第２の方向において電磁成分を与え、第１の方向に対して±４５°の角度だけ傾斜した方向において導波路コアの前記屈折率を変調するようにする、
ステップをさらに含むことが有利である。
【００１９】
好ましい実施形態においては、導波路コア内の第１の方向に対して実質的に垂直な方向において、屈折率の変調の大きさは、第１電圧Ｖ1及び第２電圧Ｖ2の平均値に比例する。
別の実施形態においては、導波路コア内の第１の方向に対して±４５°の角度だけ傾斜した方向における屈折率の変調の大きさは、第１電圧Ｖ1及び第２電圧Ｖ2との間の差異のモジュラスに比例する。
本発明の方法は、偏光モジュレータに適応される実質的に水平方向及び垂直方向の電場線分の適用及び独立した制御を可能にする点で有益である。
【００２０】
本発明の第６の態様によれば、ここで、導波路コア平面を定める第１及び第２の面を有する電気光学的導波路コアにおいて伝播する電磁放射の偏光状態を変調する方法が提案され、この方法は、導波路コア内に、第１の面に隣接する導波路コア平面の外の第１の位置及び第２の面に隣接する導波路コア平面の外の第２の位置から、第１の方向における場成分及び第１の方向に対して実質的に垂直な第２の方向における場成分を与えて、電磁放射の偏光状態を、第１の偏光状態から第２の偏光状態に変換するようにするステップを含む。
第１の方向は導波路コア平面に対して実質的に垂直であることが好ましい。第２の方向は導波路コア平面と実質的に平行であることがさらにより好ましい。
【００２１】
本発明の別の態様によれば、ここで、本発明の第１の態様による電気光学的導波路の偏光モジュレータを製造する方法が提案され、この方法は、
（ｉ）基板上に一連の実質的に平行な平面で配置された複数の半導体材料の層を含む電気光学構造体を形成し、
（ｉｉ）実質的に平面の第１の電極層内の複数の一次電極を、基板に対して遠位の電極構造体の表面に適用する、ステップを含む。
好ましい実施形態においては、電気光学構造体は、ＩIＩ−Ｖ半導体材料を含む。例えば、電気光学構造体は、インジウム・ガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）合金、インジウム・ガリウム・アルミニウム砒素リン化物（ＩｎＡｌＧａＡｓＰ）合金、インジウムリン化物（ＩｎＰ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）の少なくとも１つを含むことができる。
或いは、電気光学構造体は、ＩＩ−ＶＩ半導体材料を含む。この場合においては、電気光学構造体は、ニオブ酸リチウム、歪みシリコン、及び電気光学ポリマー材料の少なくとも１つを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来技術に説明された通常の電気光学的導波路の偏光モジュレータの概略断面図を示す。
【図２】本発明の１つの実施形態による電気光学的導波路の偏光モジュレータの概略断面図を示す。
【図３】本発明の別の実施形態による電気光学的導波路の偏光モジュレータの概略断面図を示す。
【図４】図３の電気光学的導波路の偏光モジュレータの屈折率楕円体を通る断面を示す。
【図５】図３の電気光学的導波路の偏光モジュレータの応答の一例を示す。具体的には、図５は、デバイスの電極に印加された時間に伴い変化する変調電圧に応答して、図３の偏光モジュレータからの出力光信号を示すオシロスコープのトレースである。
【図６】下方被覆層の近傍に複数の電極を有する、本発明の別の実施形態による電気光学的導波路の偏光モジュレータの概略断面図を示す。
【図７】本発明の別の実施形態による多段電気光学的導波路の偏光モジュレータの概略ブロック図を示す。本実施形態においては、電気光学的導波路の偏光モジュレータは、２段デバイスを含む。
【図８】本発明の別の実施形態による多段電気光学的導波路の偏光モジュレータの概略ブロック図を示す。本実施形態においては、電気光学的導波路の偏光モジュレータは、３段デバイスを含む。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、ここで、一例として、添付の図面を参照して説明される。
ここで、幾つかの図全体を通して、同様な数字が対応する又は同じ要素を識別する図面を参照すると、図１は、従来技術に説明される通常の電気光学的導波路の偏光モジュレータの概略断面図を示す。
導波路の偏光モジュレータ２は、第１クラッド層６と第２クラッド層８との間に配置された導波路コア４を有する深くエッチングされた導波路を含み、このデバイスは、基板１４上に支持される。第１及び第２クラッド６、８は、導波路コア４より低い屈折率を有するように配置されて、導波路コア４内の光学的制限を与えるようにする。導波路モジュレータ２は、典型的には、有機金属気相エピタキシャル成長法（ＭＯＶＰＥ）又は分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）プロセスを用いて、ＩＩＩ−Ｖ半導体材料から製造される。エッチング領域及び金属付着領域は、典型的には、紫外線フォトリソグラフィを用いて定められる。具体的には、第１クラッド層６及び第２クラッド層８は、典型的には、ガリウム・アルミニウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）合金を含み、導波路コア４及び基板は、典型的には、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）を含む。導波路の偏光モジュレータ２は、第１クラッド層６上に配置された第１電極１０と、第２クラッド層８上に配置された第２電極１２とを有する。図１に示す実施形態においては、第２クラッド層の近傍の基板領域は、実質的に導電性であるように配置され（例えば、この基板領域は、その中にドーパントを導入することによりｎ型になるように配置することができる）、したがって、第２電極１２として動作する。
【００２４】
導波路の偏光モジュレータ２は、線形電気光学効果（ポッケルス効果）を使用して、導波路コア４内の光の偏光状態を制御する。具体的には、第１電極１０と第２電極１２との間の電圧の印加は、導波路コア４内の垂直方向の電場１３を生成して、その屈折率を改変し、複屈折を導波路コア４内に誘起させる。このように、導波路は、可変光学リターダとして作用し、コア４内を移動する電磁波の偏光を変化させる。具体的には、印加された電場１３は、図１に示す水平方向偏光成分に対する導波路コア４の屈折率の大きさを変調するのに用いられる。しかしながら、コア内の屈折率楕円体の配向は、印加される電場１３のみによっては改変できない。
通常、この種のモジュレータの出力偏光状態は、入力偏光状態と同じ比率の水平方向成分及び垂直方向成分を含む状態に制限される。２つの直交する線形出力偏光状態を取得するために、この種のモジュレータは、通常、例えば＋４５°線形のような等しい水平方向成分及び垂直方向成分を含む入力偏光状態を用いて動作される。したがって、モジュレータ２は導波路コア４内で移動する電磁波の水平方向成分の位相のみを改変するために、出力偏光状態は、＋４５°線形、−４５°線形、右円偏波、右円偏波、及び中間楕円状態に限定される。したがって、線形の水平方向又は垂直方向の出力状態は、このデバイスを用いて取得されることはない。
【００２５】
図２は、本発明の１つの実施形態による電気光学的導波路の偏光モジュレータの概略断面図を示す。本発明による導波路の偏光モジュレータ２０は、第１クラッド層６と第２クラッド層８との間に配置された導波路コア４を有する深くエッチングされた導波路を含み、デバイスは基板１４上に支持される。制限なく、モジュレータ２０は、通常の有機金属気相エピタキシャル成長法（ＭＯＶＰＥ）又は分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）プロセスを用いて、ＩＩＩ−Ｖ半導体材料から製造される。具体的には、第１クラッド層６及び第２クラッド層８はガリウム・アルミニウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）合金を含み、導波路コア４及び基板は、典型的には、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）を含む。
通常の導波路の偏光モジュレータ２は、導波路コア４内に垂直方向の電場１３を確立するために、単に、第１及び第２の電極１０、１２を含むのみであるが、本実施形態の導波路の偏光モジュレータは、第１クラッド層６上に配置された第１及び第２の電極２２、２４と、第２クラッド層上に配置された第３電極２６とを有する。第１及び第２の電極２２、２４は、下にある電気光学的導波路コア４内を移動する電磁波の電磁場の水平方向範囲により実質的に定められる区域において、第１クラッド層６上に配置される。例えば、本実施形態においては、第１及び第２の電極２２、２４は、深くエッチングされた導波路の上面上、及び、電磁波が移動する電気光学的導波路コア４の領域のすぐ上に配置される。第２クラッド層８の近傍における基板１４の領域は、実質的に導電性であるように配置される（例えば、この基板領域は、その中にドーパントを導入することによりｎ型になるように配置することができる）、したがって、第３電極２６として動作する。）或いは、第２クラッド層８は、第３電極として動作するように実質的に導電性とすることができる。
【００２６】
本実施形態においては、第１クラッド層６上に第１及び第２の電極２２、２４を含むことは、２つの相互に直交する方向（例えば、実質的に垂直方向及び水平方向）の場成分１３、１５を有する電場を導波路コア４内に生成することを可能にする。
第３の共通電極２６に関する、第１電極２２に対する第１変調電圧Ｖ1の印加、及び、第２電極２４に対する第２変調電圧Ｖ2の印加は、導波路コア４内の垂直方向及び水平方向の電場成分１３、１５の独立した制御を可能にする。
導波路コア４に対して離間した関係で配置された実質的に同一平面状の電極を用いて導波路コア４内にこうした電場を生成することは、これまで実行可能であるとは考えられていなかった。むしろ、従来技術で説明される導波路の偏光モジュレータは、従来、電場が完全に導波路コア４に延びることを保証し、その中に十分な場の強度を維持して、コア４を通って伝播する電磁放射の位相を変調する、平面に配置された駆動電極を使用するものであった（非特許文献９を参照されたい）。
【００２７】
本モジュレータ２０の動作をさらに説明するために、印加された電場の垂直方向成分（Ｅv）１３は、導波路コア４の屈折率を水平方向に変調し、垂直方向に偏光された光の屈折率は変化しないまま残すようにすることができる。電場の水平方向成分（Ｅh）１５は、導波路コア４における結晶の屈折率を、方向＋４５°及び−４５°の同時の変化が反対の符号で生じるように変調し、水平方向及び垂直方向に対して変化はないようにすることができる。したがって、ｘ、ｙ、及びｚ方向において、導波路コア４の複屈折率の楕円体の半径、及び、導波路内の偏光モードの光学電場の位置合わせの両方は、印加された変調電圧Ｖ1及びＶ2に応じて可変である。
導波路の上部に配置された金属電極２２、２４の存在は、各々の電極でショットキーバリアを形成し、これは、印加電圧が光学領域にわたり降下した場合には、逆バイアスがかけられなければならないことに注目されたい。したがって、単一の垂直方向ｖ、及び水平方向ｈ及び−ｈに電場を印加することのみ可能である。
したがって、図２の偏光モジュレータ２０における電極の構成は、導波路の偏光モードの角度及びこれらのモードの等価屈折率間の差異の独立した制御を可能にする。したがって、水平方向偏光入力状態からの正確な偏光制御が可能になる。実際、モジュレータは、どのような入力偏光状態であっても、どのような出力偏光状態にも変換することができる。このことは、モジュレータは、偏光状態をポアンカレ球のいずれかの始点からいずれかの終点に変化させることができることを意味する。
【００２８】
一例として、導波路の偏光モジュレータ２０が実行できる単純な機能は、水平方向の線形偏光入力状態を垂直方向の線形出力状態に変換することである。これを行うためには、オフセット電圧Ｖoffsetが、第１及び第２の電極と第３の電極との間に印加されて、水平方向偏光モードの等価屈折率を改変して、これが垂直方向偏光モードのそれと適合するようにする、実質的に垂直方向の電場を生成する。このオフセット電圧Ｖoffsetの値は、さらに、本明細書においては、位相マッチング電圧と呼ばれる。位相マッチング電圧は、偏光モジュレータ２０に内在するどのような導波路の複屈折もなくす。導波路のモードは、ここでは、＋４５°及び−４５°で偏光されると考慮することができる。
偏光モジュレータ２０は、どのような内在する導波路の複屈折も、典型的には６０Ｖから８０Ｖまでの範囲である、ショットキーバリアダイオード逆バイアス降伏電圧の下の位相マッチング電圧を印加することによりなくすことができる。電場は、各々の電極２２、２４におけるショットキーバリアダイオードのために、単一の垂直方向においてのみ印加することができ、偏光モジュレータに内在する導波路複屈折は、正しい符号を有するように配置しなければならないことに留意されたい。基板１４ウエハ上の偏光モジュレータの配向は、さらに、水平方向の屈折率が減少するか、変化しないまま残るか、又は印加された電場に伴い増加するかに影響を与える。導波路の複屈折に影響を与える要因は、導波路コア４の深さ、被覆６、８と導波路コア４との間の屈折率ステップ、導波路幅、及びエッチング深さを含む。本発明は、これらのパラメータのすべての変形態様を可能にし、これはしたがって、要求される位相マッチング電圧が特定の値を有するように最適化することができる。実際上、このことは、電子駆動回路により課される制約を満たすように要求することができる。
【００２９】
差動信号電圧Ｖsignalが、さらに、第１電極２２と第２電極２４との間に印加され、位相マッチング電圧で第１及び第２の電極２２、２４に印加された電圧の平均は維持される。このことは、±４５°のモードの等価複屈折率間に差異を誘起させる実質的に水平方向の電場成分１５を生成して、相対的な位相シフトをもたらす。水平方向の入力偏光が与えられるとすると、これらのモードは、垂直方向の出力状態への正確な変換が生じるように、等しい量の電力を含む。差動信号電圧Ｖsignalは、導波路の使用可能長さにこうした変換を生成するように選択される。或いは、差動信号電圧Ｖsignalは、円形又は楕円形の出力偏光を与えるように調整される。可能性のある出力偏光は、いずれかの比率で、水平方向成分及び垂直方向成分の両方を含む状態を含む。
本発明の導波路の偏光モジュレータ２０の上述の機能は、さらに、結合モード理論により考慮することができ、ここでは、水平方向及び垂直方向モードが仮定されるが、これらの間の結合は、結合機構がある状態で可能になる。最大変換効率は、水平方向及び垂直方向の等価屈折率間の差異によって決まり、これは、オフセット電圧Ｖoffsetにより与えられる垂直方向電場成分１３により制御される。結合の比率は、差動信号電圧Ｖsignalにより与えられる水平方向電場成分１５で制御される結合機構の強さによって制御される。同様な制御は、線形垂直方向入力状態で可能である。
【００３０】
本発明の偏光モジュレータ２０は、付加的な処理段階なしで、標準的なプロセスを用いて製造できるという利点を有する。したがって、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計の強度モジュレータといった、水平方向の偏光状態を必要とするデバイスを含む他の導波路構造体で統合することができる。本発明の電極構成により与えられる高められた制御程度のために、制御許容差は、首尾よく繰り返し製造されてきた他の導波路デバイスのそれと比較して、要求が厳しいものではない。
本発明の電気光学的導波路の偏光モジュレータの別の実施形態は、図３の断面図に示される。このデバイスの構造は、図２のものと同様であるが、付加的なキャップ層３０が電極２２、２４と第１クラッド層６との間に与えられる。図３の実施形態は、さらに、複数の第２クラッド層８ａ、８ｂ、８ｃ、及びバッファ層３２を含んで、基板１４からデバイスを分離する。本実施形態においては、下方クラッドのシリコンドープ層８ａ、８ｂ、８ｃは、第３電極２６を与える。多数の下方クラッド層構造の設計は、基本空間モードだけが低損失で伝播し、より高いオーダーのモードは基板に漏れることを可能にするように最適化される。出力状態の正確な制御は、基本モードのみが出力において存在することを要求する。
【００３１】
偏光モジュレータの寸法は、波長幅５．００μｍ、電極幅１．０μｍ、電極分離（図においては番号３４により示される）３．０μｍ、エッチング深さ（図においては番号３６により示される）４．４μｍ、波長長さ３．０ｃｍ、動作波長１５５０ｎｍである。
偏光モジュレータ内の種々の層の各々を含む半導体材料の組成は、以下の表１．０に示される。
0005416585.tif 000002
表１．０
【００３２】
偏光モジュレータ２０は、１．５５μｍで動作するように設計されたものであるが、例えば、０．６μｍから１７μｍのＧａＡｓを含む他の波長の広範な範囲に潜在的に適用可能である。
本発明の偏光モジュレータに内在する導波路の複屈折は、水平方向偏光成分の屈折率が垂直方向の偏光成分より大きくなるように配置された。したがって、伝播方向は、基板１４上の［０１１］結晶学的方向と一致し、垂直方向は［１００］結晶学的方向に対応するように選択された。この構成は、水平方向偏光成分の屈折率が位相マッチング電圧の印加により減少されることを可能にする。３９Ｖの位相マッチング電圧は、本発明による実験的な偏光モジュレータに内在する導波路の複屈折をなくすのに十分であることが見出された。しかしながら、これは、エピタキシが選択された導波路幅で、より小さい水平方向／垂直方向の屈折率の差異を有するように構成することにより減少させることができる。
８Ｖの差動信号電圧Ｖsignalは、本発明による実験的に偏光モジュレータにおける線形水平方向と垂直方向との間の出力偏光状態を切り換えるのに必要とされた。±２５Ｖより大きいＶsignalによりデバイスの動作は、電気的破壊が生じることなく示された。
【００３３】
材料の屈折率に対する印加された場の効果は、図３の電気光学的導波路の偏光モジュレータの屈折率の楕円体により断面を示す図４に概略的に示される。図４は、垂直方向ｖ及び水平方向ｈ及び−ｈに電場を印加することによりもたらされる導波路コア４の屈折率の楕円形を示す。楕円体は、結晶学的方向［０１１］に沿った伝播に対して示され、垂直方向は［１００］結晶学的方向と対応する。ゼロ複屈折の楕円体は、円により示される。楕円体は、図においては、屈折率の楕円体の視覚化を助けるように大いに誇張される。
図５は、図３の電気光学的導波路の偏光モジュレータの応答を示す。具体的には、図５は、偏光モジュレータからの出力光信号４６、４８を示すオシロスコープのトレースであり、水平方向入力偏光は１５５０ｎｍの波長である。反対の勾配をもつ線形ランプ電圧４０、４２は、第１及び第２の電極２２、２４にそれぞれ適用されて、それらの平均４１が常に位相マッチング電圧と等しくなるようにされた。作動信号電圧Ｖsignalは、２つの間の差異により与えられる。デバイスの出力は、Ｇｌａｎ−Ｔａｙｌｏｒ偏光器及び検出器を用いて分析された。水平方向４６及び垂直方向４８の偏光出力信号レベルが示されて、水平方向４６から垂直方向４８への偏光状態の出力における切り換えを示し、これは、信号電圧において８Ｖの変化を必要とする。水平方向状態のピークにおいて、水平方向／垂直方向の偏光消光比は２０ｄＢであった。垂直方向状態のピークにおいて、水平方向／垂直方向の偏光消光比は１３ｄＢであった。電圧信号は、分割毎に、１０Ｖのスケールでプロットされる。
【００３４】
本発明の電気光学的導波路の偏光モジュレータの別の実施形態は、図６の断面図に示される。デバイスの構造は、図２のものと同様であるが、付加的な下方電極２８が第２クラッド層８上に与えられている。第４の電極２８の備えは、デバイス内の垂直方向及び水平方向の電場の制御を容易にする。
上記の実施形態は、速度を約１ＧＨｚまでに切り換えるのに用いることができるが、より高速の切り換え周波数に対しては、電極２２、２４、２６、２８に印加される電圧は、その波長が電極よりも桁違いに短いため、高周波（ＲＦ）信号として処理されなければならない。単純なひとまとめにされた電極は、この場合、十分に迅速に応答しないため、偏光モジュレータの電気的な態様は、マイクロ波動作のために設計されなければならない。進行波の電極構造は、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計の強度モジュレータといった同様なＧａＡｓデバイスにおいて十分に証明されている。これらは、光のそれに適合された群速度で信号を送るように設計されたＲＦ伝送ラインを含み、光の群は導波路に沿ったその移行全体にわたり、同じ屈折率の分散を受ける。さらに、伝送ラインは、ＲＦ信号源及び終端のそれと適合する特性インピーダンスにより設計される。これは多くの場合５０Ωである。これらの証明された設計は、本明細書で説明される本発明の導波路の偏光モジュレータと両立性がある。
【００３５】
したがって、本発明の導波路の偏光モジュレータは、同一平面状のストリップライン（ＣＰＳ）電極をもつ進行波デバイスとして構成して、４０ＧＨｚ又はそれ以上の切り換え速度を可能にすることができる。したがって、本発明の偏光モジュレータは、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計の強度モジュレータといった水平方向の偏光状態を必要とするデバイスを含む他の導波路構造体と統合することができる。このことは、図１の通常の単一電極偏光モジュレータは水平方向の入力偏光状態と両立しないため、これ単独では不可能である。
偏光モジュレータの代替的な構成が想起され、ここでは、２つの電極の偏光モジュレータ２０が制限モードで動作されて、１つだけの時間的に変化する電圧信号の印加を必要とする。こうした動作は、ＲＦ切り換え速度での動作を含む特定の状況で利便性があるとすることができる。これらの種類のデバイスの多数の適用例は完全な機能を要求するものではなく、例えば、高速水平方向・垂直方向偏光変換は、光学電気通信において適用例を有し、これは１つのＲＦ信号の印加のみを必要とする。他の適用例は、固定的入力偏光を用いる。したがって、本発明の偏光モジュレータは、異なる機能程度を可能にするための多数の異なる方法で構成することができる。
【００３６】
図７は、本発明の別の実施形態による多段電気光学的導波路の偏光モジュレータの概略ブロック図を示す。本実施形態においては、電気光学的導波路の偏光モジュレータは、２つの電極の偏光モジュレータ２０を含み、その次に通常の単一電極デバイス２を含む。多段デバイスは、固定入力状態からポアンカレ球上のあらゆる出力偏光状態を与えることができる。この場合、２つの電極の段２０は、完全な機能を有することは要求されていない。水平方向線形入力偏光に対しては、２つの電極段２０は固定垂直方向電場Ｅvで動作されて、水平方向と垂直方向の位相マッチングを与え、デバイス内の水平方向電場Ｅhは光のいずれかの比率を垂直方向偏光に変換するように変更される。このことは、ＲＦ切り換え速度で実行することができる。単一の電極の段２は、次いで、垂直方向成分に対する水平方向成分の位相を改変するように用いられる。このこともまたＲＦ切り換え速度で実行することができる。この例は、デバイスがレーザ源のすぐ後で用いられる適用例において関連がある。
入力偏光状態が固定されておらず、２つの電極の段２０が制限モードで動作される場合には、すべての出力状態に対する２つの電極の段２０が使用可能になる前に、付加的な単一電極の段２が必要になる。このモジュレータは、ポアンカレ球上のあらゆる入力偏光状態を球上のあらゆる他の状態に変化させることができる。図８は、通常の単一電極デバイス２を含み、その次に２つの電極の偏光モジュレータ２０及びさらに別の通常の単一電極デバイス２を含む構成を示す。本実施形態においては、第１の単一電極の段２は、水平方向成分の位相を、垂直方向成分に対して±π／２までシフトさせる。第２及び第３の段２０、２は、次いで、上述の図７の２段のデバイスに対するように動作する。
【００３７】
本発明による電気光学偏光モジュレータは、偏光状態をポアンカレ球上のあらゆる点に変調することを可能にするように、異なる方法で構成することができる（図２、図６、図７、及び図８を参照されたい）。このことは、送信される光信号の偏光状態を変調することにより、本発明の電気光学偏光モジュレータが、光学通信システム内のトランスミッタとして動作することを可能にする。同様に、本発明の電気光学偏光モジュレータは、こうした光学通信システム内のレシーバとして動作して、受信された光信号の偏光状態を求めることを可能にすることができる。
偏光信号が、光ファイバ、又は他の導波路媒体、又は気体或いは真空、又は媒体の組み合わせのいずれかにより、システムのトランスミッタ及びレシーバの部分間で送信されたとき、偏光状態がポアンカレ球の周りの回転により歪まされることがある。本発明におけるモジュレータは、トランスミッタに補償予変化を適用するか、又は、変化の測定に続いてレシーバにおいて後変化を適用することにより、この歪みの修正を可能にする。
【００３８】
さらに別の適用例として、本発明の偏光モジュレータ２０は、量子暗号化（ＱＣ）の適用例において用途を見出し、ここでは、ＱＣシステムの性能を高める特性、すなわち、状況の範囲にわたり偏光を変調する機能、非常に高い反復率での偏光を変調し、単一のレーザ源により設計を小型化する機能の独特な組み合わせを提供する。さらに、これは本質的に、各々の偏光状態に対して多数の独立した光源を用いる前から知られているＱＣ設計より安全性を与える。多数の源を用いる従来技術のＱＣ設計は、振幅特性、空間特性、波長又はスペクトル特徴、及びパルス幅、相対時間遅延又は周波数チャーピングといった一時特性において小さい差異を見出すことがあるため、危険が生じる。本発明の偏光モジュレータと組み合わされた単一の光源を用いることにより、これらの潜在的な差異は防がれる。
特定の独特なＱＣ適用例の幾つかは以下に概説される。ＱＣプロトコルの幾つかは以下に説明されるが、原則として、本発明の導波路の偏光モジュレータは、２つより多い偏光状態を必要とするあらゆるプロトコルに用いられることが有利であることに注意すべきである。
動作波長に関して、導波路の偏光モジュレータは、自由空間システム又は光ファイバシステムにおいて用いることができる。
【００３９】
本発明の偏光モジュレータは、潜在的に、量子暗号化において用いられるＢＢ８４に対する適用例に適した４つの異なる出力偏光状態で入力光源の偏光を変調することができる。ＢＢ８４に要求される４つの偏光状態は、ＱＣ用途に通常用いられる０°と９０°、４５°と−４５°、及び左円と右円という３対の偏光状態のいずれかからの組み合わせとすることができる。各々の対は基礎と呼ばれ、各々の基礎における２つの状態は直交しており、異なる基礎の間の相対的な偏光は直交していない。したがって、ＱＣプロトコルの幾つかの実施は、他の直交する対を用いることができる。
偏光モジュレータは６つの偏光状態（０°と９０°、４５°と−４５°、及び左円と右円）を与えることができるため、６つの状態の偏光プロトコルに適している。（例えば、非特許文献１０及び非特許文献１１を参照されたい。）
本発明の偏光モジュレータは、さらに、常に可変状態の偏光変調に適している。これは、光源の多数の偏光状態を変更する機能を要求する比較的新しいプロトコルである。安全性は、チャネルにおける量子ノイズより少ない各々の偏光状態間の強度における測定可能な差異に基づいている。偏光ベースの方法は、まだ故意に知られてはいないが、図２、図６、図７、又は図８の現行のモジュレータの適用例により可能にすることができる。
【００４０】
図２、図６、図７、又は図８のモジュレータは、ＱＣレシーバにおいて用いることができる。例えば、ＢＢ８４の一部は、レシーバがランダムに測定の基礎を選択し、次いで、決定論的に偏光状態を測定する。モジュレータは、ランダムな信号を、例えば、−４５°と４５°の基礎、又は、左円と右円の基礎のいずれかを選択するために、いずれかの２つの偏光の基礎の間で切り換えるように印加することにより、レシーバにおいて用いることができる。このことは、例えば、−４５°又は左円のような各々の基礎に対して単一の電圧を選択することにより実現される。この方法により、−４５°及び４５°のいずれかの偏光がモジュレータ上に入射した場合には、出力は−４５°及び４５°のいずれかである。同様に、左円及び右円が入射した場合には、−４５°及び４５°がまた出力される。出力偏光状態は、次いで、偏光ビームスプリッタ構成（図示せず）後に、一対の検出器により検出することができる。６つの状態のプロトコルは、同様の方法で動作するが、各々の基礎を選択するために３つの電圧のうちの１つを用いることによる。
光ファイバにおけるＱＣの実施は、偏光の歪みが効率的な動作に対する問題を引き起こすというよく知られた問題を有する。トランスミッタ又はレシーバにおける上述の本発明による付加的な偏光モジュレータの使用は、歪みを補償するのに用いることができる。このことは、図２、図６、図７、及び図８に示すデバイスで実施することができる。
【００４１】
本発明の偏光モジュレータ２０は、光検知測距（ＬＩＤＡＲ）システムにおいて用いることができる。コヒーレントなＬＩＤＡＲトランシーバは、典型的には、線形偏光光を発する光源、これに続いて光の送信を可能にする一連の光学成分、受信した光の集合、受信した光と光の局所的な振動成分との間の干渉、及び結果としてもたらされる信号の検出を含む。出力孔はさらに、レシーバ孔としても用いることができるように、一組の光学成分を用いて、受信した光を経路に沿って向け、局所的な発振光と干渉するようにする。このプロセスは、典型的には、４分の１波長板及び２分の１波長板を用いて実行される幾つかの偏光の変形を必要とする。このシステムの統合された光の形態においては、４分の１波長板及び２分の１波長板により実行される機能は、固定電圧の適切な選択をもって、２つの偏光モジュレータ２０により実行することができる。この偏光モジュレータの発明の適用例は、他の統合された光学成分の範囲と同じプロセスを用いて製造することができる成分特徴により可能になる。
本発明の電気光学的導波路の偏光モジュレータの特定の実施形態は、ガリウム砒素／ガリウム・アルミニウム砒素構造で説明されたが、モジュレータは、例えば、インジウム・ガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）合金、インジウム・ガリウム・アルミニウム砒素リン化物（ＩｎＡｌＧａＡｓＰ）合金、インジウムリン化物（ＩｎＰ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ＩＩ−ＶＩ材料、ニオブ酸リチウム、歪みシリコン、又は電気光学ポリマー材料のような他のＩＩＩ−Ｖ材料から製造することができる。
【００４２】
上記の説明により、当業者であれば、種々の修正を本発明において行うことができることが明らかである。
本開示の範囲は、本明細書に開示されたあらゆる新規な特徴又は特徴の組み合わせを、明示的に又は暗に、又はそれらのあらゆる一般化したものを、特許請求される本発明に関連するかどうか、又は、本発明により対処される問題のいずれか又はすべてを緩和するかどうかに関係なく含む。出願人は、したがって、新規な特許請求の範囲は、この適用例又はここから引き出されるさらに別の適用例の実行中に、こうした特徴に公式化できることを通知する。具体的には、特許請求の範囲を参照すると、独立項からの特徴を従属項の特徴と組み合わせることができ、それぞれの独立項からの特徴を、特許請求の範囲に挙げられる特定の組み合わせにおいてのみではなく、あらゆる適切な方法で組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
４：導波路コア
１３、１５：場成分
２０：電気光学的導波路の偏光モジュレータ
２２、２４：一次電極
２６：二次電極
【図１】
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【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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【図８】
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