(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果特性を持った光路と、該光路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と、該変調電極に対向して形成された共通電極と、変調信号による該変調電極の電位分布の谷の部分で該変調電極に電磁的に接続された給電線と、該給電線に接続されたスタブと、共通電極とを含み、上記の変調電極によって分けられた領域の一方の側に、上記の給電線と、スタブと、共通電極とが設けられ、上記の変調電極は変調信号に共振するサイズであるという構成を持つことを特徴とする共振型光変調器。
【請求項２】
上記の給電線は、テーパー状変成器を含むことを特徴とする請求項１に記載の共振型光変調器。
【請求項３】
上記のスタブは偶数個であり、上記の給電線について対称な位置にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の共振型光変調器。
【請求項４】
上記の変調電極と給電線とは直角に交わり、スタブは給電線と変調電極とに接する配置を持つことを特徴とする請求項１に記載の共振型光変調器。
【請求項５】
変調電極と該変調電極に対向して形成された共通電極とは、その両端において開放端を形成していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の共振型光変調器。
【請求項６】
変調電極と該変調電極に対向して形成された共通電極とは、その両端において短絡端を形成していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の共振型光変調器。
【請求項７】
上記のスタブは、オープンスタブであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の共振型光変調器。
【請求項８】
上記のスタブは、ショートスタブであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の共振型光変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信分野で位相変調器や強度変調器あるいは偏波変調器として用いられる光変調器の構成に関し、特に、小電力で変調効果の高い共振型光変調器の構成に関している。
【０００２】
【従来の技術】
光変調器とは、電気信号の情報を、強度、位相、周波数、などの光キャリアに変換して出力するデバイスであり、その変調方法としては、光源であるレーザを直接変調する方法と、光源の外部の変調器を用いて変調する方法がある。上記の直接変調する方法は、装置的に簡単な構成とすることができるが、外部の変調器を用いて変調する方が高品質の変調が行えることが知られている。このため、超高速通信や長距離通信では、外部の変調器を用いて変調することが一般的に行なわれている。
【０００３】
このように外部の変調器を用いて変調する場合には、電気光学効果を利用する変調器や、半導体の電界吸収効果を利用する変調器などが使われている。そのうちの前者の電気光学効果を利用する変調器に、本発明は関しているため、この点について以下にさらに詳しく説明する。
【０００４】
光変調器に最も良く使われている電気光学効果を示す物質のひとつとして、ＬｉＮｂＯ３がある。この物質の特性である、１次の電気光学効果であるポッケルス効果による屈折率変化を利用して変調を行なうことができる。その際、ＬｉＮｂＯ３基板表面に平行に電界を印加するものと、垂直に電界を印加するものとがあることがよく知られている。これらは、ＬｉＮｂＯ３基板の結晶方向の違いによるものであり、上記のそれぞれの電界に対応する基板は、それぞれ、Ｘカット、Ｚカット、と呼ばれている。
【０００５】
前記のＬｉＮｂＯ３には、その他の特性として、基板にＴｉ（チタン）などを熱拡散することによって、容易に屈折率を調整することができることがある。この特性を用いて、導波路をＬｉＮｂＯ３基板内部に形成し、集積化することがよくおこなわれている。
【０００６】
このようなＬｉＮｂＯ３基板を用いた変調器には、進行波型光変調器と、共振型光変調器とがあることが知られている。進行波型光変調器は、光波と電気信号を同方向に導波させ導波しているあいだに光を変調する変調器である。この変調器は、直流信号から高周波信号までの広い帯域幅を持っているが、変調に必要な駆動電流が大きいという特徴がある。一方、共振型光変調器は、変調信号の共振を用いて変調を行なうため、使用しうる帯域は、マイクロ波領域の狭い帯域に限られるが、変調効率が高いという特徴がある。このため、狭い帯域で高効率に動作することが求められる偏波スクランブラやマルチプレクサなどに用いられると効果的である。
【０００７】
本発明は、このような共振型光変調器の構成に関するため、次に、これを説明する。これについて既に知られている共振型光変調器（及川、他３名、「１０ＧＨＺ帯共振型ＬｉＮｂＯ３光変調器の検討」、２０００年電子情報通信学会総合大会予稿集、２０４頁、講演番号Ｃ−３−２５）の模式図を図７（ａ）、（ｂ）に示す。図７（ａ）に示す変調器は、Ｚカット型であり、光導波路とその上に配置された電極（変調電極）とインピーダンス整合用のキャパシタンスからなっている。またその電極は、入力されるマイクロ波に共振するサイズを持っている。また、図７（ｂ）に示す変調器は、変調電極とインピーダンス整合用のオープンスタブからなっている。この変調器は、図７（ａ）に示す変調器に比べて、製造が容易である、という特徴がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図７（ｂ）に示す変調器は、変調電極とインピーダンス整合用のオープンスタブが、同じメタル層を加工して形成されるため、製造が容易である、という特徴を持っている。しかし、共通電位配線層は、高周波信号の入力側の他に、光路を越えた側にも設けられており、しかも、これは変調電極を迂回する配置のため、共通電極でありながら、共通電位になるように構成するのが困難であり、また、光路に印加される変調に有効な電界強度が、共通電位配線層が高周波信号の入力側のみに設けられた場合に比べて、ほぼ半分になる、という欠点を持っている。
【０００９】
この発明は、上記に鑑み提案されたもので、製造が容易でありながら、光路に印加される変調に有効な電界を損なうことの無い構成を持つようにして、小電力で変調効果の高い共振型光変調器を実現するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明は、共振型光変調器に関して、電気光学効果特性を持った光路と、該光路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と、該変調電極に対向して形成された共通電極と、変調信号による該変調電極の電位分布の谷の部分で該変調電極に電磁的に接続された給電線と、該給電線に接続されたスタブと、共通電極とを含み、上記の変調電極によって分けられた領域の一方の側に、上記の給電線と、スタブと、共通電極とが設けられ、上記の変調電極は変調信号に共振するサイズであるという構成を持つことを特徴としている。
【００１１】
また、変調器は、外部信号源により同軸ケーブルにより給電されることが多く、インピーダンス整合を取りながら、微小領域に給電する必要があるため、第２の発明は、第１の発明に加えて、上記の給電線は、テーパー状変成器を含むことを特徴としている。
【００１２】
また、スタブは、単数でも複数でも良いが、複数設ける場合には、左右対称になる配置にすることにより、設計を容易にできることから、第３の発明は、第１あるいは第２の発明に記載の共振型光変調器において、上記のスタブは偶数個であり、上記の給電線について対称な位置にそれぞれ設けられていることを特徴としている。
【００１３】
また、第１の発明において、スタブの設けられる位置は、変調電極と配線との交点であることが望ましいため、第４の発明は、第１の発明に加えて、上記の変調電極と給電線とは直角に交わり、スタブは給電線と変調電極とに接する配置を持つことを特徴としている。
【００１４】
また、第１乃至第４のいずれかの発明において、開放端を持った変調電極を用いる事ができることから、第５の発明は、第１乃至第４のいずれかの発明に加えて、変調電極と該変調電極に対向して形成された共通電極とは、その両端において開放端を形成していることを特徴としている。
【００１５】
また、第１乃至第４のいずれかの発明において、短絡端を持った変調電極を用いる事ができることから、第６の発明は、第１乃至第４のいずれかの発明に加えて、変調電極と該変調電極に対向して形成された共通電極とは、その両端において短絡端を形成していることを特徴としている。
【００１６】
また、用いるスタブは、開放端をもったオープンスタブでも、短絡端をもったショートスタブでも良いことから、第７の発明は、第１乃至第６のいずれかの発明において、上記のスタブは、オープンスタブであることを特徴とし、第８の発明は、上記のスタブは、ショートスタブであることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を、開放端を持った変調電極の場合を１）実施例１とし、短絡端を持った変調電極の場合を２）実施例２とし、また、先の変調器よりも長い変調電極をもつ場合を３）実施例３として図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
１）実施例１
光路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と、該変調電極に対向して形成された共通電極は、非対称コプレーナ導波路を形成するが、開放端を持った高周波信号の非対称コプレーナ導波路による変調電極を用いた共振型光変調器の模式図を図１に示す。その平面図を図１（ａ）に、その断面図を図１（ｂ）に示す。この共振型光変調器は、波長１．５５ミクロンの光を、中心周波数１０ＧＨｚの高周波信号で強度変調するための、マッハ・ツェンダ‐干渉計型光変調器の構成を示している。ここで用いられている基板は、ＺカットのＬｉＮｂＯ３基板であり、その光路はＴｉ（チタン）を熱拡散することによって形成したものである。この基板上には、光導波路を伝搬する光の減衰を抑制するために０．５５μ厚の酸化シリコン層９が形成され，その上に変調電極や変成器やスタブ、あるいは共通電極を形成する金属層（金、厚さ２μｍ）が設けられている。
【００１９】
変調電極１は、共通電極６および７との距離は２７μｍであり、幅５μｍ長さ３２５０μｍで、これは、変調信号である高周波信号の波長の０．１９倍であるが、０．１８〜０．２２倍程度（あるいは０．６７〜０．７０倍程度）に設定することができる。この変調電極１の長さは、スタブ電極との合成インピーダンスが適度な領域に留まるようにするため、高周波信号にたいする共振点からすこし、２０〜２５％程度短く、ずれた長さであることが望ましい。
【００２０】
また、ショートスタブ４および５は、共通電極６および７との距離は２７μｍであり、幅５０μｍ長さ８７５μｍで、これは、変調信号である高周波信号の波長の０．１２倍である。ショートスタブ４および５は、変調電極１のほぼ中心に接続されており、変調電極１に対して斜め方向に設けられている。その接続部には給電線が接続されている。この接続は、図１（ａ）おいては連続した導電体により直流電流的に接続されているが、このように直流電流的な接続でなくても、キャパシタンスあるいはインダクタンスによる電磁的な接続であっても、目的を達成することができる。給電線としては、配線あるいはテーパー状変成器を含む。図１では、前記の接続部とそのテーパー状変成器の間に１００μｍの配線が設けられている。ショートスタブ４および５は、この配線にそって移動させても特段の不都合は発生しない。ここで、配線を設ける本質的な理由はなく、省略することも可能である。また、テーパー状変成器は、入力部分のコプレーナ導波路からの信号を反射して戻すことなくショートスタブに供給するためのものであり、長さ８００μｍで、幅は１００μｍから３５μｍに傾斜する形状となっている。また、その傾斜に合わせて、共通電極との距離も、３２５μｍから１０７．５μｍに傾斜している。また、ショートスタブは、変調電極の入力インピーダンスの周波数にたいする過剰な低下を抑制するものであり、特に、共振時のインピーダンスの過剰な低下の抑制に効果がある。このショートスタブは、入力する高周波信号の光の位相変化に及ぼす効果（誘導位相量）が最大になるように調整する必要がある。
【００２１】
以上の構造の、波長１．５５ミクロンの光を、中心周波数１０ＧＨｚの高周波信号で強度変調するための、マッハ・ツェンダ‐干渉計型の共振型光変調器の、変調電極上での導波路中を進行する光からみた電界の強度と位相についての計算機シミュレーション結果を図２に示す。この図の電界強度は、入力した高周波信号の振幅で規格化したものであり、電界強度が高くなっているのが分かる。位相については、進行する光からみているため、左から右に増加している。また、最適化しない場合（具体的には、変調電極長を高周波信号の波長の０．５倍としたもの）の計算機シミュレーション結果を図３示す。図２と図３とを比べてみれば容易に分かるように、最適化により変調電極上の電位が増大していることが分かる。また、スタブを用いない場合（スタブ以外は図２の結果を得た条件と同じ）の計算機シミュレーション結果を図４示す。図２と図４とを比べてみれば容易に分かるように、スタブを用いることにより変調電極上の電位が増大していることが分かる。
【００２２】
図１において、２個のショートスタブを用いているが、１個のショートスタブを用いても同様の効果を得る事ができる。この場合のショートスタブの構造は、前記の２個の場合に比べて、１．４２倍の長さとすれば、良い。
【００２３】
２）実施例２
次に、第２の実施例として、短絡端を持った高周波信号の非対称コプレーナ導波路による変調電極を用いた共振型光変調器の模式図を図５（ａ）に、その断面図を図５（ｂ）に示す。この共振型光変調器も上記と同様に、波長１．５５ミクロンの光を、中心周波数１０ＧＨｚの高周波信号で強度変調するための、マッハ・ツェンダ‐干渉計型光変調器の構成を示している。基板や断面構造については、前記の実施例１の場合と同じであるため、以下の説明では省略する。
【００２４】
変調電極８は、両端が共通電極に接続された形状をもっており、共通電極６および７との距離は２７μｍであり、幅５μｍ長さ７０１０μｍで、これは、変調信号である高周波信号の波長の０．４１倍であるが、０．４１〜０．４４倍程度（あるいは０．９１〜０．９４倍程度）に設定することができる。この変調電極８の長さも、上記の場合と同様に、スタブ電極との合成インピーダンスが適度な領域に留まるようにするため、高周波信号に対する共振点からすこし、１５〜２０％程度、短波長側にずれた長さであることが望ましい。
【００２５】
また、ショートスタブ４および５は、共通電極６および７との距離は２７μｍであり、幅５０μｍ長さ１１６５μｍで、これは、変調信号である高周波信号の波長の０．１６倍である。ショートスタブ４および５は、変調電極１のほぼ中心に接続されており、変調電極１に対して斜め方向に設けられている。その接続部からテーパー状変成器までは、１００μｍの配線が設けられている。この場合も、配線を設ける本質的な理由はなく、省略することも可能である。このショートスタブは、入力する高周波信号の光の位相変化に及ぼす効果（誘導位相量）が最大になるように調整する必要がある。
【００２６】
開放端の変調電極長と、短絡端の変調電極長とを比べた場合、開放端の変調電極の場合、電極上の高周波信号の波長で、ほぼ２分の１波長であるが、短絡端の変調電極の場合は、ほぼ１波長に相当する。したがって、使いたい変調電極長によって、それらを選択することができるようになった。
【００２７】
３）実施例３
図８は、波長１．５５ミクロンの光を、中心周波数１０ＧＨｚの高周波信号で強度変調するための、高周波信号波長の０．６９倍の長さを持った変調電極のマッハ・ツェンダ‐干渉計型の共振型光変調器の、変調電極上での導波路中を進行する光からみた電界の強度と位相についての計算機シミュレーション結果を示す図である。この場合は、横軸が−０．４λ付近で電界の位相が１８０度以上になり反転しているのが分かる。位相が１８０度以上になるこの部分では、入力する高周波信号の光の位相変化に及ぼす効果（誘導位相量）が他の部分の逆になっているのがわかる。
【００２８】
この現象により、総和としての誘導位相量が減少することが起こる。この減少を防止するためには、位相が１８０度を越えた領域では、変調電極と光路とがさらに離間した構成とするか、あるいは、基板の分極方向を反転させておくことが望ましい。離間した構成の場合には、この部分の誘導位相量は増加しないが、この部分のこの反転により、前記の減少が増加に転じる。この分極方向を反転するには、２０〜２５ｋＶ／ｍｍの直流高電圧を印加すればよく、その方法は、例えば、論文（Ｈ．Ｍｕｒａｔａ，  Ｋ．Ｋｉｎｏｓｈｉｔａ，  Ｇ．Ｍｉｙａｊｉ，  Ａ．Ｍｏｒｉｍｏｔｏ  ａｎｄ  Ｋ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，  “Ｑｕａｓｉ−ｖｅｌｏｃｉｔｙ−ｍａｔｃｈｅｄ  ＬｉＴａＯ３  ｇｕｉｄｅｄ  ｗａｖｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｈａｓｅ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  ｆｏｒ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ”，  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ  ＬＥＴＴＥＲＳ  １７ｔｈ  Ａｕｇｕｓｔ  ２０００，  ｖｏｌ．３６  Ｎｏ．１７，  １４５９−１４６０）に記載されている。以上で、実施例３の説明を終る。
【００２９】
上述のいずれの変調器も、図６に示す様に、直列に接続して、変調の効果を強化することができる。この際、変調信号である高周波信号を、光の伝搬に合わせて、遅延器により調整する。
【００３０】
上記の説明では、変調電極と共通電極は、直接向かい合う構成となっているが、これらの間に、高周波信号においては孤立したと等価な状態に有る他の導電体が挿入されたＩＣＰＷ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｐｌａｎａｒ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）として知られた構成であっても、本発明の目的を達することができる。このような送電体を配置する導波路は、論文（Ｄａｖｉｄ  Ａ．  Ｔｈｏｍｐｓｏｎ  ａｎｄ  Ｒｏｂｅｒｔ  Ｌ．  Ｒｏｇｅｒｓ，  ＩＥＥＥ  ＭＩＶＲＯＷＡＶＥ  ＡＮＤ  ＧＵＩＤＥＤ  ＷＡＶＥ  ＬＥＴＴＥＲＳ，  ＶＯＬ．，  ８，  ＮＯ．  ７，  ＪＵＬＹ  １９９８，  ｐｐ２５７−２５９）の図１に記載されている。本発明で用いる構成は、その構成において一方の共通電極を削除した非対称ＩＣＰＷであり、これを図９に示す。
【００３１】
また、上記の実施の形態においては、強度変調器について説明したが、電気光学効果を用いた偏波変調器では、上記の強度変調器と同様の構成をもつため、本発明が適用できることは明らかである。また、電気光学効果を用いた位相変調器では、変調電極のある光路のみの変調器であるため、本発明が適用できることは明らかである。
【００３２】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００３３】
第１および第２の発明では、製造が容易でありながら、光路に印加される変調に有効な電界が増大されるため、小電力で変調効果の高い共振型光変調器を実現できるようになった。
【００３４】
また、第３の発明では、左右にバランスのとれた配置となり、予期しない寄生振動をおこすことが無くなった。
【００３５】
さらに、第４の発明では、簡単な構成となり、設計が容易になった。
【００３６】
さらに、第５のおよび第６発明では、最適な変調電極の長さが異なるので、使いたい変調電極の長さに合わせて選択できる様になった。
【００３７】
さらに、第７のおよび第８発明では、直流バイアスや低周波バイアスの有無にあわせて、使いたいスタブの形状を選択できる様になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】開放端を持った変調電極を用いた共振型光変調器の模式図を示す図で、（ａ）は、平面図であり、（ｂ）は、断面図である。
【図２】波長１．５５ミクロンの光を、中心周波数１０ＧＨｚの高周波信号で強度変調するための、マッハ・ツェンダ‐干渉計型の共振型光変調器の、変調電極上での導波路中を進行する光からみた電界の強度と位相についての計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図３】最適化しない場合（具体的には、変調電極長を高周波信号の波長の０．５倍としたもの）の、波長１．５５ミクロンの光を、中心周波数１０ＧＨｚの高周波信号で強度変調するための、マッハ・ツェンダ‐干渉計型の共振型光変調器の、変調電極上での導波路中を進行する光からみた電界の強度と位相についての計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図４】スタブを用いない場合の、波長１．５５ミクロンの光を、中心周波数１０ＧＨｚの高周波信号で強度変調するための、マッハ・ツェンダ‐干渉計型の共振型光変調器の、変調電極上での導波路中を進行する光からみた電界の強度と位相についての計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図５】短絡端を持った変調電極を用いた共振型光変調器の模式図を示す図で、（ａ）は、平面図であり、（ｂ）は、断面図である。
【図６】複数の変調器を直列に接続して変調する構成を示すブロック図である。
【図７】既に知られている共振型光変調器を示す模式図である。
【図８】波長１．５５ミクロンの光を、中心周波数１０ＧＨｚの高周波信号で強度変調するための、高周波信号波長の０．６９倍の長さを持った変調電極のマッハ・ツェンダ‐干渉計型の共振型光変調器の、変調電極上での導波路中を進行する光からみた電界の強度と位相についての計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図９】変調電極として用いることのできる非対称ＩＣＰＷ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｐｌａｎａｒ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を用いた変調器を示す模式図である。
【符号の説明】
１  変調電極
２  配線
３  テーパー状変成器
４、５  スタブ
６、７  共通電極
８  変調電極
９  酸化シリコン層
１０、１１、１２  導波路
【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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【図９】
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