(57)【要約】【課題】光通信システムに好適に用いられる変調効率の高い光変調素子に用いられる光導波路を提供することにある。容易な構成で、所望な周波数・減衰量を実現する高周波回路素子を提供すること。【解決手段】電気光学効果を有する材料からなる基板１と前記基板１の表面上にリッジ部分２を有する光導波路６において、前記光導波路６を伝搬する光の群速度を低下させるために、基板１の裏面に形成された複数の溝３−１、あるいは、円形ピットからなる周期構造を有することを特徴とする。前記溝３−１、あるいは、円形ピットを基板１の裏面側に形成することで、導波光に効果的に周期的な実行屈折率変化を与えることができ、浅い溝でも大きな効果を得ることが可能となる。さらに、前記導波路を用いて光変調素子を構成することによって高効率な光変調を実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する材料からなる基板と前記基板の表面上にリッジ構造を有する光導波路であって、
前記光導波路を伝搬する光の群速度を低下させる周期構造を更に備えた光導波路であって、
前記周期構造が、基板の裏面に形成された複数の溝、あるいは、円形ピットからなることを特徴とする光導波路。
【請求項２】
電気光学効果を有する材料からなる基板と前記基板の表面上にリッジ構造を有する光導波路であって、
前記光導波路を伝搬する光の群速度を低下させる周期構造を更に備えた光導波路であって、
前記周期構造が、基板の表面上に形成された複数の溝、あるいは、円形ピットからなり、前記複数の溝、あるいは、円形ピットの上に前記リッジ構造が形成されていることを特徴とする光導波路。
【請求項３】
電気光学効果を有する材料からなる基板と前記基板の表面上にリッジ構造を有する光導波路であって、
前記光導波路を伝搬する光の群速度を低下させる周期構造を更に備えた光導波路であって、
前記周期構造が、前記リッジ構造部分の表面に形成された複数の高屈折率部分からなり、
前記基板はニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウム材料からなり、
前記高屈折率部分はプロトン交換法あるいは金属の熱拡散法により形成されていることを特徴とする光導波路。
【請求項４】
前記複数の溝、あるいは、ピットが空洞であるか、あるいは、前記基板の屈折率とは異なる屈折率を有することを特徴とする請求項１〜２いずれかに記載の光導波路。
【請求項５】
前記周期構造が、前記溝あるいはピットの幅と周期がフォトニックバンドギャップを形成しない範囲で、かつ、光波の群速度を低下させる寸法を有することを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の光導波路。
【請求項６】
前記光導波路に、電気光学光変調用電界を印加するための変調電極を備えた１〜５いずれかに記載の光変調素子。
【請求項７】
請求項６に記載の光変調素子と、前記光変調素子から出力された変調光を伝送する光ファィバと、前記光変調素子に変調用電気信号を与える手段と、を備えた通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システムや光信号処理システムなどに好適に用いられる光変調素子と、当該光変調素子に用いられる光導波路と、当該光変調素子を備えた通信システムに関している。
【背景技術】
【０００２】
光変調素子は、高速光通信や光信号処理システムにおいて基本となる素子であり、将来、超高速で動作できる光変調素子の必要性が益々増大するものと考えられる。
【０００３】
従来、利用されてきた半導体レーザによる直接変調では、超高速光変調に対応することが困難であるため、最近では、高速動作が可能な外部変調型の素子の開発が急がれている。中でも、特に、大きなポッケルス効果を有する誘電体結晶を用いた電気光学型の光変調素子は、超高速動作が可能であり、光変調に伴う光信号の位相の乱れも少ないことから、高速情報伝送や長距離光ファイバ通信などに非常に適している。さらに、光導波路構造を用いれば、小型化と高効率化とを一挙に実現できる可能性がある。
【０００４】
一般に、電気光学型の光変調素子は、電気光学結晶上に設けられた変調電極として機能する伝送導体線路と、伝送導体線路の近傍に形成された光導波路とを備えている。変調用の高周波信号を変調電極に与えることにより、変調電極の周辺に誘起される電界に応じて光導波路部分の屈折率が変化すると、光導波路中を伝搬する光波の位相が変化する。
【０００５】
光変調の効率を決める基本となるパラメータの１つである電気光学係数は、通常の結晶では比較的小さい。従って、電気光学効果を利用する光変調素子で高い変調効率を実現するためには、変調電界と光導波路中の光波との相互作用を増大させることが重要となる。
【０００６】
図１１は、非特許文献１に記載されている従来の光変調素子を示す斜視図である。この光変調素子は、電気光学効果を有する結晶材料の基板１の表面に形成された光導波路（６ａ〜６ｄ）と、光導波路（６ａ〜６ｄ）を伝搬する光に変調用の電気信号（変調波）を印加するための変調電極１０とを備えている。変調電極１０は、互いに平行な２つの導体線路１０ａ、１０ｂによって構成されたコプレナー導体線路構造を有している。
【０００７】
光導波路６ａ〜６ｄは、変調されるべき光（入力光）が導入される入口側光導波路部分２ｃ、変調光が出力される出口側光導波路部分６ｄ、および、入口側光導波路部分６ｃと出口側光導波路部分６ｄとを結合する２つの分岐導波路部分１４ａ、１４ｂを有している。
【０００８】
光導波路６ａ〜６ｄは、２箇所の分岐点１４ａ、１４ｂで２つの分岐導波路６ａ、６ｂに分岐しており、入口側光導波路６ｃから入力された入力光が一方の分岐点１４ａで分岐して２つの分岐導波路６ａ、６ｂを通過した後、他方の分岐点１４ｂで共通の出口側光導波路６ｄを進むように構成されている。
【０００９】
なお、変調電極１０を構成する導体線路１０ａ、１０ｂの内側端は、各分岐導波路６ａ、６ｂのほぼ中央部の直上に位置しており、導体線路１０ａ、１０ｂの各々一端には変調用高周波の信号源１１が接続され、他端には終端抵抗１２が接続されている。
【００１０】
信号源１１から高周波信号（変調波）が変調電極１０に供給されると、変調波は、変調電極１０上に光伝搬方向と方向に伝搬し、間隙部１３に電界を形成する。このため、電気光学効果により、分岐導波路６ａ、６ｂを構成する材料の屈折率が電界強度に応じて変化する。分岐導波路６ａと分岐導波路６ｂとには互いに上下逆方向の電界が印加されるので、基板１が例えばｚカットのニオブ酸リチウム結晶により構成されている場合、２つの分岐導波路６ａ、６ｂを通る光には互いに逆の位相変化が与えられる。
【非特許文献１】IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-13, no. 4, pp287-290, 1977）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図１１に示す光変調素子によれば、変調電極１０を伝搬する変調波と光導波路６を伝搬する光波とが同一方向に進行させることにより、光波と変調信号波との相互作用を増大させることを目論み、高い効率の光変調を実現しようとするものである。
【００１２】
しかしながら、ニオブ酸リチウムに代表される電気光学結晶の電気光学定数は非常に小さいため、変調電極１０を延長して数ｃｍ程度の長さにしても、充分な変調を得るには、数ボルト程度の高い電圧を電気光学結晶に印加しなければならない。光変調素子を小型化し、また、必要な変調電圧を低減するためには、光波と変調電界との相互作用を向上させることが必要である。
【００１３】
一方、通常利用される光導波路は群速度分散がほとんどないので、伝搬速度（ここでは光波の群速度が意味を持つ）は導波路の屈折率でほぼ決まる。ニオブ酸リチウムに代表される電気光学結晶の屈折率が約2.1であるのに対し、マイクロ波に対する誘電率が２０〜４０程度と非常に高いため、光の速度がマイクロ波の速度に対して約３倍も高く、その結果、進行波型電極を用いても光変調素子において光と信号波の完全な速度整合がとれないという問題がある。そのため、変調電極を長く設定しても、適切な変調が実現できず、変調効率が向上しない。
【００１４】
また、変調電極の構造を工夫し、マイクロ波の実効誘電率を下げて、速度整合をある程度実現できたとしても、光波の群速度が非常に速いので（ニオブ酸リチウム基板の場合、真空中の光速の２．１分の１）、効率的な光変調のためには電極長を非常に長くする（光波と変調電界との相互作用長を長くする）必要があるが、そうすると、素子長が非常に大きくなる上に、変調電極でのマイクロ波伝搬損失のために、変調効率の向上にも限界がある。
【００１５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、主たる目的は、光通信システムに好適に用いられる変調効率の高い光変調素子と、それに用いられる光導波路を提供することにある。
【００１６】
また、本発明の他の目的は、効率的に光変調が可能な小型の光変調素子を備えた通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
電気光学効果を有する材料からなる基板と前記基板の表面上にリッジ構造を有する光導波路であって、
前記光導波路を伝搬する光の群速度を低下させる周期構造を更に備えた光導波路であって、
前記周期構造が、基板の裏面に形成された複数の溝、あるいは、円形ピットからなることを特徴とする。
【００１８】
また、好ましい実施形態においては、電気光学効果を有する材料からなる基板と前記基板の表面上にリッジ構造を有する光導波路であって、
前記光導波路を伝搬する光の群速度を低下させる周期構造を更に備えた光導波路であって、
前記周期構造が、基板の表面上に形成された複数の溝、あるいは、円形ピットからなり、前記複数の溝、あるいは、円形ピットの上に前記リッジ構造が形成されていることを特徴とする。
【００１９】
また、好ましい実施形態においては、電気光学効果を有する材料からなる基板と前記基板の表面上にリッジ構造を有する光導波路であって、
前記光導波路を伝搬する光の群速度を低下させる周期構造を更に備えた光導波路であって、
前記周期構造が、前記リッジ構造部分の表面に形成された複数の高屈折率部分からなり、
前記基板はニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウム材料からなり、
前記複数の高屈折率部分はプロトン交換法あるいは金属の熱拡散法により形成されていることを特徴とする。
【００２０】
また、好ましい実施形態において、前記周期構造が、前記溝あるいはピットの幅と周期がフォトニックバンドギャップを形成しない範囲で、かつ、光波の群速度を低下させる寸法を有する。
【００２１】
また、好ましい実施形態においては、前記光導波路に、電気光学光変調用電界を印加するための変調電極を備えた光変調素子を構成している。
【００２２】
また、好ましい実施形態において、前記光変調素子と、前記光変調素子から出力された変調光を伝送する光ファィバと、前記光変調素子に変調用電気信号を与える手段と、を備えた通信システムを構成している。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の光導波路によれば、低損失で低群速度特性が得られるので、例えば光変調素子の導波路部分に応用することによって、小型で高効率な特性が実現可能である。この光変調素子を用いることにより、非常に小型な構成で、かつ、低電力な駆動回路で高速光変調が可能となるので、高速光ファイバ通信システムの高性能化、小型化が期待でき、とくに、ミリ波信号を用いた光ファイバ無線システムなどで特に有効性が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
近年、「フォトニック結晶構造」を利用した各種光学デバイスの研究・開発が進められている。「フォトニック結晶構造」とは、光の波長と同程度の周期の屈折率変化を周期的に配列した構造である。通常の固体結晶では、原子の周期的な配列によって電子エネルギーのバンド構造が形成されるのに対して、フォトニック結晶構造では、光のエネルギーのバンド構造が形成され、異常分散効果によって光波の伝搬特性が大きく影響されたり、場合によっては光波が伝搬し得ない波長域（フォトニックバンドギャップ）が存在したりすることが知られている。
【００２５】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
まず、図１を参照する。基板１は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）単結晶やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）単結晶などの電気光学材料から形成される。本実施形態の光導波路は、基板１上に、エッチングなどによって形成されたリッジ部分２によって、形成されている。
【００２７】
さらに、このリッジ形光導波路の基板１の裏面には図のように周期的に並んでいる溝３−１が形成されており、フォトニック結晶構造部分４を構成している。今、このフォトニック結晶構造について述べると、使用される光波の周波数、基板１の屈折率、および、溝３−１の寸法や周期、深さによって、光波の波数と周波数の関係が、図２のような特異な特性を持たせることができる。このような特異な特性を有する構造を一般にフォトニック結晶構造と言い、この場合は１次元のフォトニック結晶構造となる。また、図２のように、光波が存在し得ない波長域が生じる場合があり、これをフォトニックバンドギャップ８と呼ぶ。図２の曲線の傾きは光波の群速度に対応する。通常の光導波路では、この波数と周波数の関係は比例関係にあり、曲線ではなく直線（図中の点線）となる。そのため、通常の導波路では傾きは常に一定となり、群速度も一定である。しかし、フォトニック結晶構造の場合、この傾きの緩い部分（例えば９の位置）では、フォトニック結晶構造部分を通過する光波は、フォトニック結晶構造のない場合に比べて、群速度が非常に小さくなる。ここで述べているのは、光の伝搬方向に対して周期的に屈折率の変わるいわゆる１次元フォトニック結晶構造について述べたが、この場合は、図２のようにフォトニックバンドギャップの周辺では図のように群速度の遅い領域が得られる。
【００２８】
図１の本構成の光導波路に話を戻すと、光導波路部分６を伝搬する光波は、前記フォトニック結晶構造部分４を通過するので、通過する光波の周波数を図２の低群速度状態部分に設定すれば光波の群速度は、溝３−１のない場合に比べて、上記フォトニック結晶の原理によって群速度が低下する。そのため本構造の導波路は群速度の小さな（遅波構造の）導波路として動作する。
【００２９】
ここで、本リッジ型光導波路では、光導波路部分６の垂直方向の光波の閉じ込めは、上下の空気との間の屈折率差によるもので、横方向は、リッジ部分２とその両側のリッジのない基板部分との間の、光波の実効屈折率差によって閉じ込められている。そのため、導波光５の断面内の分布の中心は、リッジ部分２の中に収まっているのではなく、むしろ、基板１の方に入り込む傾向にあることを確認している。そして、導波光５の電界分布の中心は、リッジ部分２の上面よりも、むしろ基板１の裏面に近いところに存在することになるので、本構成に示すように、溝３−１を、基板１の裏面に形成することによって、リッジ部分２の表面に形成するよりも、導波光５に対してより大きな影響を与えることができる。このことは、同じ形状の溝３−１を形成した場合、リッジ部分２の表面によりも本構成のごとく基板１の裏面の方がより大きな実効屈折率の変化を導波光５に与えることができるので、より大きな郡速度の低下が実現できる。また、言い換えれば、本構成では同じ郡速度の低下量を実現するのに、浅い溝ですむことになり、エッチングプロセスの簡略化が可能である。また、リッジ部分２の形成と溝３−１の形成がそれぞれ別々の基板表面に施すことになるので、同じ面に２度エッチングするよりも高い加工精度が実現できる。
【００３０】
一般的にニオブ酸リチウム等の電気光学材料のエッチングなどによる加工は非常に困難であるので、このように、光導波路に周期的な構造変化を設けて、導波光５の実効屈折率を周期的に変化させ、導波特性を変化させる際には、より効果的に実効屈折率を変化させる構造が非常に重要である。
【００３１】
実際に、ニオブ酸リチウム基板を用いて、例えば、溝３−１の周期0.5λ（λは光波の基板中での波長：自由空間波長を基板の屈折率で割ったもの）、溝３−１の幅を0.25λとしたとき、波長λの前後で群速度が小さくなる波長域が存在することを計算によって確認している。そして、この群速度は溝３−１の幅、周期や深さを変えることによって、光導波路部分６を伝搬する光波の群速度特性を制御することができる。具体的には、溝３−１の周期は0.3λ〜0.7λ、幅は0.1λ〜0.5λ、深さは0.05λ以上の範囲内であれば、群速度低下に有効で、その範囲で有効に群速度を調整できる。実際の群速度の大きさは、光波の周波数と、溝３−１の幅、深さ、周期によって決まるが、幅と周期が同じであれば、溝を深くすれば群速度はより低下する傾向にある。このような構造により、群速度を約１／３程度に減少させると、高周波の伝搬速度と一致させることができるので、進行波型の変調電極を用いた光変調素子に用いた場合、光波と変調信号との相互作用が非常に有効に働くので、大きな効果がある。
【００３２】
さらに、同じ、幅と周期であれば、溝をより深くするなどして、群速度をさらに減少させ、群速度を１／５以下にすれば、光波と変調信号との相互作用効果がより大きくなり、進行波型電極ではなく、共振器型電極や集中常数型電極など比較的短い電極を用いた光変調素子において効果がある。とりわけ、１／１００以下の群速度では、前記相互作用効果が極めて大きくなり、本構成の光導波路の効果がよりいっそう発揮され、極めて高効率な変調素子、あるいは、同じ変調効率であれば極めて小型の変調素子が実現できる。また、特に共振器型電極を用いた場合、電極内で変調信号が共振することによってさらに変調効率が向上するので、変調素子の高効率化によりいっそう大きな効果がある。
【００３３】
用いる光波の波長λについては、本発明の効果を発揮させるために制約が生じることはないが、実際に通信などの分野で良く使われている赤外光（１．５５μｍ、あるいは、１．３μｍを中心とした波長帯域の光波）を用いた場合、非常に有効である。この場合、溝３−１の幅が０．１〜１μｍ程度の範囲となり、現在の微細加工技術でも作製可能である。
【００３４】
基板１がＬｉＮｂＯ3などの電気光学効果を有する材料から形成されている場合、リッジ部分２や溝３−１を形成するためのエッチングは、フッ素系ガスプラズマＲＩＥ（反応性イオンエッチング）やＩＣＰ（誘導結合プラズマ）によって行なうことが可能である。ＩＣＰによる場合、還元性の強いＣＦ4、ＢＣｌ3、Ｃ4Ｆ8などのガスを用いれば、０．５μｍ／分程度のレートで基板１をエッチングすることができる。この方法では、紫外線や電子線用の感光性レジストに対する選択比１を実現できる。なお、ＩＣＰによってＬｉＮｂＯ3をエッチングできることは、第６３回応用物理学関係連合講演会講演予稿集２６ａ−Ｄ−２０に記載されている。なお、リッジ部分２の高さは、概ね光波の波長と同程度か、またはその数倍程度であれば十分である。一方、リッジ部分２の横幅寸法は、導波路中を伝搬する光波の伝搬特性に大きな影響を与えるが、先のλの値の概ね０．５倍〜５倍程度の範囲内において、シングルモード導波路が得られるので、その寸法範囲において有効性は高い。また、それ以上の横幅寸法においても、光波の伝搬は可能であり、本発明は有効である。
【００３５】
また、図３に示すように、溝の代わりに円形等の形状のピット３−２を基板１の裏面に形成する場合においても、同様の原理によって、導波光５の郡速度を低下させることができる。この場合の横方向にも周期性を有するいわゆる２次元のフォトニック結晶構造となる。この場合、先に述べた１次元フォトニック結晶構造と異なり、フォトニックバンドギャップが生じる場合と生じない場合がある。本願発明の構成においては、フォトニックバンドギャップが生じる場合は、１次元フォトニック結晶構造と同様に、フォトニックバンドギャップの周辺で群速度が低下する低群速度状態部分９が存在するので、光波の周波数を低群速度状態部分９に設定すれば光波の群速度は、ピット３−２のない場合に比べて、前記フォトニック結晶の原理によって群速度が低下する。さらに、２次元フォトニック結晶としてフォトニックバンドギャップが生じない場合でも、光波の周波数とピットの直径、周期、深さを適当に選ぶことによって、群速度を低下させる周波数領域が存在し、フォトニックバンドギャップが生じる場合と同様に、群速度を低下させることが可能であることを確認している。そのため本構造の導波路は群速度の小さな（遅波構造の）導波路として動作し、実施形態１で述べた効果が同様に実現できる。
【００３６】
また、本構成においては、複数モードが伝搬できる光導波路６にピット３−２を形成することによって、各モードの伝搬特性を別々に変化させることができ、導波路設計の自由度が向上する。また、それによって、より効果的に郡速度が低下する伝搬モードを選択的に利用すれば、より効果的に郡速度の低下が実現できる。また、ピット３−２を利用した場合、溝３−１よりも高い加工精度が要求されるが、エッチング面積は少なくてすむのでエッチングプロセスの効率化も可能である。
【００３７】
実際に、ニオブ酸リチウム基板を用いて、例えば、ピットの周期0.43λ（λは光波の基板中での波長：自由空間波長を基板の屈折率で割ったもの）、ピットの直径を0.17λとしたとき、群速度が小さくなることを平面波展開法による計算によって確認している。そして、この群速度はピット３−２の径、周期や深さを変えることによって、光導波路部分６を伝搬する光波の群速度特性を制御することができる。具体的には、ピットの周期は0.3λ〜0.7λ、直径は0.1λ〜0.5λ、深さは0.05λ以上の範囲内であれば、群速度低下に有効で、その範囲で有効に群速度を調整できる。
【００３８】
上記実施例では、溝３−１あるいはピット３−２は空洞である場合についての説明であったが、溝３−１あるいはピット３−２の中は、基板１の屈折率との差があれば効果を同様に発揮させることができる。この場合基板１と溝３−１あるいはピット３−２の中の材料との屈折率差が大きいほど、少ない溝３−１あるいはピット３−２の数で同様の効果を発揮させることが可能になる。具体的には、溝３−１あるいはピット３−２の部分に基板１とは屈折率の異なる材料を充填させたり、あるいは、チタンなどの金属の拡散やプロトン交換法など通常の光導波路作製方法を応用し、周期的に屈折率の高い部分を形成しても同様に有効である。実際に、基板にニオブ酸リチウム結晶を用い、膜厚７００ｎｍのチタンパターンを１０００℃酸素雰囲気中で５時間の熱拡散することで、良好な屈折率変化を作成することができる。また、プロトン交換法では、例えばタンタル酸リチウム基板の表面に、屈折率を増加させたい部分だけリフトオフ法などによって抜き去ったクロム膜のパターンを作成し、基板を２４０℃の安息香酸中に約１時間浸すことによって、所望に場所のみ屈折率を増加させることができる。プロトン交換法では屈折率変化は異常屈折率のみに限られるが、大きな屈折率変化が得られるなどの利点がある。これらの場合には、屈折率変化量はエッチングにより溝を形成し中を空洞にするよりも小さいが、エッチングなどの加工プロセスが不要なため、工程が簡略化され、また、基板表面が平坦なままなので光波の伝搬損が小さくなるという利点もある。
【００３９】
（実施の形態２）
まず、図４を参照する。基板１は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）単結晶やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）単結晶などの電気光学材料から形成される。本実施形態の光導波路は、基板１上に、スパッタリング蒸着法とエッチング法などによって形成されたリッジ部分２によって、構成されている。
【００４０】
さらに、このリッジ形光導波路の基板１の表面部分には図のように周期的に並んでいる溝３−１が形成されており、フォトニック結晶構造部分４を構成している。作製の順序は、図４(b)に示すように、まず基板表面に溝３−１を形成し、その上にリッジ部分２を形成すればよい。この場合、溝３−１の中は空洞であっても良いが、リッジ部分２の屈折率が基板１の屈折率と異なる場合には、リッジ部分２を構成する材料が溝３−１の中に入り込んでいても、同様に効果が発揮される。このフォトニック結晶構造についても、使用される光波の周波数、基板１の屈折率、および、溝３−１の寸法や周期、深さによって、前記実施例における説明と同様に、図２のような光波の波数と周波数の関係を持たせることができ、同様の原理によって、フォトニック結晶構造部分４を通過する光波は、フォトニック結晶構造部分４のない場合に比べて、群速度が非常に小さくなる。そのため本構造の導波路は群速度の小さな（遅波構造の）導波路として動作し、実施形態１で述べた効果が同様に実現できる。
【００４１】
ここで、本リッジ型光導波路でも、図１の構成と同様に、光導波路部分６の垂直方向の光波の閉じ込めは、上下の空気との間の屈折率差によるもので、横方向は、リッジ部分２とその両側のリッジのない基板部分との間の、光波の実効屈折率差によって閉じ込められている。そのため、導波光５の断面内の分布の中心は、リッジ部分２の中に収まっているのではなく、基板１の方にも入り込む傾向にあることは、先にも述べたが、そこで、本構成に示すように、溝３−１を、基板１の表面上のリッジ部分２と基板１の境界面部分に形成すると、導波光５の電界の中心にほぼ一致する位置に溝３−１が形成されていることになるので、導波光には非常に大きな周期的な屈折率変化を与えることができ、実効屈折率の大きな周期的変化が生じる。そのため、効果的な郡速度の低下を実現することが可能である。本構成は実施例１の構成に比べて、作製プロセスは複雑にはなるが、効果は非常に大きい。また、別の見方をすれば、本構成では同じ郡速度の低下量を実現するのに、非常に浅い溝ですむことになり、溝３−１形成の際のエッチングプロセスの簡略化やパターン精度の向上が可能である。
【００４２】
また、図５に示すように、予め、基板１の表面にプロトン交換法などによって高屈折率の層を形成しておくと、導波光が溝３−１の存在する基板１の表面部分にさらに集中するので、より一層効果的である。また、この場合、高屈折率層７によって、光波の垂直方向の閉じ込めることも可能であるので、本構成においては、基板１の厚さに制限はなく、十分に厚い基板を利用することも可能である。
【００４３】
なお、高屈折率層７としてこのようなプロトン交換法に限ることはなく、例えばチタンのような金属の熱拡散や、屈折率の高い別の材料をスパッタ蒸着法などにより形成しても同様に有効である。さらに、本構成においても、実施例１と同様に、溝の代わりにピットを形成しても有効性がある。
【００４４】
（実施の形態３）
まず、図６を参照する。基板１は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）単結晶やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）単結晶などの電気光学材料から形成される。本実施形態の光導波路は、基板１上に、エッチングなどによって形成されたリッジ部分２によって、形成されている。
【００４５】
さらに、このリッジ部分２の表面には図のように周期的に並んでいる高屈折率部分３−３が形成されており、フォトニック結晶構造部分４を構成している。このフォトニック結晶構造部分４は、使用される光波の周波数、基板１の屈折率、および、高屈折率部分３−３の寸法や周期、深さによって、前記実施例における説明と同様に、図２のような光波の波数と周波数の関係を持たせることができ、同様の原理によって、フォトニック結晶構造部分４を通過する光波は、フォトニック結晶構造部分４のない場合に比べて、群速度が非常に小さくなる。そのため本構造の導波路は群速度の小さな（遅波構造の）導波路として動作し、実施形態１で述べた効果が同様に実現できる。実際に、高屈折率部分３−３を形成する方法は、実施例１の後半で述べた方法と同様の金属の熱拡散法やプロトン交換法で作成が可能であり、そのため、エッチングなどの加工プロセスが不要なため、工程が簡略化され、また、基板表面が平坦なままなので光波の伝搬損が小さくなるという利点もある。
【００４６】
本構成においては、導波光５の垂直方向の光波の閉じ込めは、高屈折率部分３−３と、その上の空気および下の基板１との間の屈折率差によるもので、横方向は、先の実施例とは異なりリッジ部分２とその両側の空気との間の屈折率差によって閉じ込められている。そのため横方向の閉じ込めが強く、曲がりなどによる損失の少ない導波路が実現でき、また、基板１の厚さに制限が無く、厚い基板が利用できる。また、高屈折率部分３−３とその周囲の屈折率の屈折率変化がほぼ導波光の実効屈折率の周期変化となるので、比較的大きな周期変化がもたらされ、効果的な郡速度の低下が実現できる。また、図３で示されているピットに対応する形状の周期的な屈折率変化を形成した場合でも同様に有効である。
【００４７】
（実施の形態４）
図７を参照する。実施形態１〜３で説明した光導波路を用いて構成した光変調器について説明する。実施形態１で説明した導波路のフォトニック結晶構造部分５に、例えば真空蒸着とエッチングにより形成された金属膜からなる変調電極10aと10bで構成される。ここで、前記電極間に電圧を印加することによって、光導波路部分６には垂直方向の電界が印加される。基板１は電気光学効果を有するので、光導波路部分６の屈折率が電界強度に応じて変化し、導波路部分６を通過する光波に位相変化を生じさせる。これによって、本素子は光位相変調器として動作する。ニオブ酸リチウム結晶に代表される電気光学結晶は、電気光学係数においても大きな異方性を有しており、その最も大きな電気光学係数はγ33で、これは、結晶のc軸方向に偏光した光波が受ける屈折率が、同じくc軸方向の電界によって変化する係数である。従って、本構成においては、基板１には、ｃ軸に垂直な面が表面になるようにカットされた結晶基板（z-cutニオブ酸リチウム結晶）を利用し、縦方向に偏光した光波（ＴＭ波）を用いた場合により有効性が高くなる。ここで、実施形態１で説明したように、本導波路構成においては、導波する光波の群速度を低下させることができるので、電気光学効果による屈折率変化を受ける時間もそれに反比例して長くなり、結果的に光変調効果が増大する。また、図７の光変調素子の変調周波数帯域を拡大するには、変調電極１０を伝送線路として用い、光波と同じ方向に変調波も伝搬させて変調することによって、変調効率を高めることができるが、このような進行波型電極を図７の変調電極１０に利用した場合、フォトニック結晶構造部分４の溝３−１の幅や周期、深さなどを調整することによって、光の群速度を低下させ、光と変調波の速度を整合させることも可能である。これによって、広帯域で、高効率な光変調器が実現できる。本構成では、変調電極10a、10b間に電圧を印加すると、光導波路部分６には縦方向に強い電界が生じるので、縦方向の電界に対して大きな屈折率変化が生じる基板１（例えば、z-cutのニオブ酸リチウム結晶）を用いる場合に有効である。
【００４８】
（実施の形態５）
他の実施形態の光変調素子を図８に例示する。本実施形態の光変調素子も光位相変調器として動作する。本構成では、変調電極10a、10b間に電圧を印加すると、光導波路部分６には横方向に強い電界が生じる構成を用いている。通常の電気光学結晶を用いた場合、横方向の電界に対して大きな屈折率変化が生じさせるためには、先の実施例とは異なり、c軸を導波路に対して横方向に向いている基板１（例えば、y-cutのニオブ酸リチウム結晶）を用い、同じく横方向に偏光した光波（ＴＥ波）を用いる場合に本構成は非常に有効である。
【００４９】
（実施の形態６）
次に、図９を参照する。本構成では、前記実施形態４あるいは５で述べた光変調器構成を発展させ、光導波路部分６によって、マッハツェンダー干渉計を構成している。この場合、変調電極10a、10b間に電圧を印加すると、２本の光導波路部分6a、6bのフォトニック結晶構造部分５には、互いに逆方向の電界が生じるので、光導波路部分6a、6bを伝搬する光波には互いに逆の位相変化が生じ、それらが合波されるときに、互いに干渉し、位相変化量に応じた光強度変化に変換される。これによって、本構成の光変調器は変調電極間の電圧に応じた光強度変調が可能となる。本構成においては、前記実施形態４あるいは５で述べた光変調器と、位相変調と強度変調の差はあるが、同様に高効率な光変調が可能である。
【００５０】
前記実施の形態４〜６では、実施の形態１〜３で述べた本発明の光導波路構造を光変調素子に応用する形態についてのみ述べていたが、本発明の光導波路構造は、低損失で群速度の小さな光導波路を実現できるものであるので、このような応用に限らず、小さな群速度により、光波と基板材料との相互作用を増大することにより高効率な非線形光学効果素子などの実現も可能である。非線形光学効果素子では、高調波発生や波長変換、光電気変換素子の実現が期待できる。
【００５１】
（実施の形態７）
次に、図１０を参照しながら本発明によるファイバ無線システムの実施形態を説明する。
【００５２】
本実施形態のファイバ無線システム５０は、第４〜６の実施形態における光変調素子を内蔵した光変復調器５１を備えている。そして、アンテナ５３により、通常のインターネット等のデータ通信網や、携帯端末との通信、あるいは、ＣＡＴＶからの信号の受信等を例えばミリ波の搬送波を用いて直接行なうことができる。なお、光変復調器５１には、光変調素子とともに光復調素子（例えばフォトダイオード）が内蔵されている。
【００５３】
一方、ミリ波等の周波数の高い無線信号は長距離の伝送は困難であり、かつ、物体による信号の遮断を受けやすい。そこで、データ通信網６１や、ＣＡＴＶ６２や、携帯電話システム６３との通信を、無線装置６０及び無線装置に付設されたアンテナ６４を用いて行なうこともできる。その場合、ファイバ無線通信システム５０と光ファイバ７０を介して接続される光変復調器５５と、これに付設されるアンテナ５４とをさらに備えておく。そして、アンテナ５４、６４及び光変復調器５５を介して、無線装置６０との間で信号の授受を行なうことができる。光変復調器５５には、光変調素子とともに光復調素子（例えばフォトダイオード）が内蔵されている。長距離伝送を行ないたい場合や、壁等で仕切られた屋内での伝送の際には、光ファイバ７０を通してミリ波等の無線信号で変調された光信号を伝送することが効果的である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の光変調素子は、高速光通信や光信号処理システムなどに好適に用いられる。特に、変調信号に忠実な、位相の乱れなどが少ない光変調信号を生成できるので、高速情報伝送や長距離光ファイバ通信などに適している。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】（ａ）は、本発明による光導波路の第１の実施形態の断面図、（ｂ）は裏面からの斜視図
【図２】フォトニック結晶構造中の光波の分散特性図
【図３】（ａ）は、本発明による光導波路の第２の実施形態の断面図、（ｂ）は裏面からの斜視図
【図４】（ａ）は、本発明による光導波路の第３の実施形態の断面図、（ｂ）は斜視図
【図５】本発明による光導波路の第４の実施形態の断面図
【図６】（ａ）は、本発明による光導波路の第３の実施形態の断面図、（ｂ）は斜視図
【図７】（ａ）は、本発明による光変調素子の第１の実施形態の平面図、（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図
【図８】（ａ）は、本発明による光変調素子の第２の実施形態の平面図、（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図
【図９】（ａ）は、本発明による光変調素子の第３の実施形態の平面図、（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図
【図１０】本発明による通信システムの実施形態を示す図
【図１１】光変調素子の従来例を示す斜視図
【符号の説明】
【００５６】
１    基板
２    リッジ部分
３−１    溝
３−２    ピット
３−３    高屈折率部分
４    フォトニック結晶構造部分
５    導波光
６    光導波路部分
６ａ    分岐導波路部分
６ｂ    分岐導波路部分
６ｃ    入口側光導波路部分
６ｄ    出口側光導波路部分
７    高屈折率層
８    フォトニックバンドギャップ
９    低群速度状態部分
１０，１０ａ，１０ｂ    変調電極
１１    信号源
１２    終端抵抗
１３    間隙部
１４ａ    分岐点
１４ｂ    分岐点
【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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【図１０】
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【図１１】
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