(57)【要約】【課題】αパラメータの絶対値を小さくするとともに、チャーピングを小さくした光変調器を提供する。【解決手段】分極を反転しない領域と分極を反転した領域で形成された基板と、中心導体及び接地導体からなる相互作用部とを具備し、中心導体は、分極を反転しない領域では第１の光導波路と第２の光導波路のうちの一方の光導波路に対向して成り、分極を反転した領域では第１の光導波路と第２の光導波路のうちの他方の光導波路に対向して成り、分極を反転しない領域にて光導波路に対向して形成された中心導体の総長さと、分極を反転した領域にて光導波路に対向して形成された中心導体の総長さとが略等しく成り、相互作用部の両端における領域が共に分極を反転しない領域または共に分極を反転した領域で成り、相互作用部の中心線が当該中心線が位置する領域の中心線と位置的にずれるように、相互作用部の両端の領域における中心導体の長さが互いに異なる。【選択図】図１
2015059994.tif 000002
【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とともに、分極を反転しない領域と分極を反転した領域との２種類の領域で形成された基板と、
前記基板の一面側に形成され、入射された光が分岐されて伝搬する第１の光導波路と第２の光導波路と、
前記各光導波路を伝搬する光と相互作用する高周波電気信号を伝搬させる中心導体及び接地導体からなる相互作用部とを具備し、
前記基板には、前記各光導波路を伝搬する光の伝搬方向に沿って前記分極を反転しない領域と前記分極を反転した領域の互いに異なる方向に分極した領域が少なくとも３つ以上隣り合って形成され、
前記中心導体は、前記相互作用部にて、前記分極を反転しない領域では前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの一方の光導波路に対向して形成され、前記分極を反転した領域では前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの他方の光導波路に対向して形成されており、
前記分極を反転しない領域にて前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の総長さと、前記分極を反転した領域にて前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の総長さとが略等しく形成され、
前記相互作用部の両端における領域が、共に分極を反転しない領域、または共に分極を反転した領域で形成されており、
前記光変調器の前記相互作用部の長手方向を分割する向きの中心線が、当該中心線が位置する領域である前記分極反転しない領域もしくは前記分極反転した領域の中心線と位置的にずれるように、前記相互作用部の両端の領域における前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の長さが互いに異なっていることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
電気光学効果を有する材料からなるとともに、分極を反転しない領域と分極を反転した領域との２種類の領域で形成された基板と、
前記基板の一面側に形成され、入射された光が分岐されて伝搬する第１の光導波路と第２の光導波路と、
前記各光導波路を伝搬する光と相互作用する高周波電気信号を伝搬させる中心導体及び接地導体からなる相互作用部とを具備し、
前記基板には、前記各光導波路を伝搬する光の伝搬方向に沿って前記分極を反転しない領域と前記分極を反転した領域の互いに異なる方向に分極した領域が少なくとも３つ以上隣り合って形成され、
前記中心導体は、前記相互作用部にて、前記分極を反転しない領域では前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの一方の光導波路に対向して形成され、前記分極を反転した領域では前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの他方の光導波路に対向して形成されており、
前記分極を反転しない領域にて前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の総長さと、前記分極を反転した領域にて前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の総長さとが略等しく形成され、
前記相互作用部の両端における領域に互いに異なる分極が形成され、
前記光変調器の前記相互作用部の長手方向を分割する向きの中心線が、当該中心線が位置する領域である前記分極反転しない領域もしくは前記分極反転した領域の中心線と位置的にずれるように、前記相互作用部の両端の領域における前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の長さが互いに異なっていることを特徴とする光変調器。
【請求項３】
電気光学効果を有する材料からなるとともに、分極を反転しない領域と分極を反転した領域との２種類の領域で形成された基板と、
前記基板の一面側に形成され、入射された光が分岐されて伝搬する第１の光導波路と第２の光導波路と、
前記各光導波路を伝搬する光と相互作用する高周波電気信号を伝搬させる中心導体及び接地導体からなる相互作用部とを具備し、
前記基板には、前記各光導波路を伝搬する光の伝搬方向に沿って前記分極を反転しない領域と前記分極を反転した領域の互いに異なる方向に分極した領域が少なくとも３つ以上隣り合って形成され、
前記中心導体は、前記相互作用部にて、前記分極を反転しない領域では前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの一方の光導波路に対向して形成され、前記分極を反転した領域では前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの他方の光導波路に対向して形成されており、
前記分極を反転しない領域にて前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の総長さと、前記分極を反転した領域にて前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の総長さとが等しく形成され、
前記相互作用部の両端における領域が、共に分極を反転しない領域、または共に分極を反転した領域で形成されており、
前記光変調器の前記相互作用部の長手方向を分割する向きの中心線が、前記分極を反転しない領域と前記分極を反転した領域の境界上に位置しており、前記相互作用部の両端の領域における前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の長さが互いに異なっていることを特徴とする光変調器。
【請求項４】
電気光学効果を有する材料からなるとともに、分極を反転しない領域と分極を反転した領域との２種類の領域で形成された基板と、
前記基板の一面側に形成され、入射された光が分岐されて伝搬する第１の光導波路と第２の光導波路と、
前記各光導波路を伝搬する光と相互作用する高周波電気信号を伝搬させる中心導体及び接地導体からなる相互作用部とを具備し、
前記基板には、前記各光導波路を伝搬する光の伝搬方向に沿って前記分極を反転しない領域と前記分極を反転した領域の互いに異なる方向に分極した領域が少なくとも３つ以上隣り合って形成され、
前記中心導体は、前記相互作用部にて、前記分極を反転しない領域では前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの一方の光導波路に対向して形成され、前記分極を反転した領域では前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの他方の光導波路に対向して形成されており、
前記分極を反転しない領域にて前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の総長さと、前記分極を反転した領域にて前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の総長さとが等しく形成され、
前記相互作用部の両端における領域に互いに異なる分極が形成され、
前記光変調器の前記相互作用部の長手方向を分割する向きの中心線が、前記分極を反転しない領域と前記分極を反転した領域の境界上に位置しており、前記相互作用部の両端の領域における前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の長さが互いに異なっていることを特徴とする光変調器。
【請求項５】
前記相互作用部の両端の領域のうち、前記光の伝搬方向の上流側の領域の前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の長さが、下流側の領域の前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の長さよりも短いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光変調器。
【請求項６】
前記相互作用部の両端の領域のうち、前記光の伝搬方向の上流側の領域の前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の長さが、下流側の領域の前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の長さよりも長いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光変調器。
【請求項７】
前記入射された光を分岐、あるいは合波する機能が電気光学効果を有する前記基板に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の光変調器。
【請求項８】
前記入射された光を分岐、あるいは合波する機能が前記基板とは異なる別体の基板に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の光変調器。
【請求項９】
αパラメータがＤＣ近傍で略ゼロであり、前記高周波電気信号の周波数が増加してもその絶対値の増加を抑えることができることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の光変調器。
【請求項１０】
前記αパラメータがＤＣ近傍でゼロであり、前記高周波電気信号の周波数が増加した場合に符号が正から負、もしくは負から正に入れ替わることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路に入射した光を電気光学効果を利用して高周波電気信号で変調して光信号パルスとして出射する光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高速、大容量の光通信システムが実用化されている。このような高速、大容量の光通信システムに組込むための高速、小型、かつ低価格の光変調器の開発が求められている。
【０００３】
このような要望に応える光変調器として、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ3）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、ＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）がある。このＬＮ光変調器は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ/ｓ、１０Ｇｂｉｔ/ｓの大容量光通信システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ/ｓの超大容量光通信システムにも適用が検討されている。
【０００４】
以下、従来、実用化され、又は提唱されてきたリチウムナイオベートの電気光学効果を利用した各ＬＮ光変調器の特徴を順番に説明していく。
【０００５】
（第１の従来技術）
図７は、特許文献１において開示されたｚ−カットＬＮ基板を用いて構成する第１の従来技術のＬＮ光変調器の斜視図であり、図８は図７のＡ−Ａ´線における断面図である。
【０００６】
ｚ−カットＬＮ基板１上に光導波路３が形成されている。この光導波路３は、金属Ｔｉを１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。したがって、光導波路３には、高周波電気信号と光が相互作用する領域（相互作用部、あるいは相互作用領域と言う）における２本の光導波路３ａ、３ｂ（あるいは、相互作用光導波路）、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームが形成されている。
【０００７】
この光導波路３の上面にＳｉＯ2バッファ層２が形成され、このＳｉＯ2バッファ層２の上面に進行波電極４が形成されている。進行波電極４としては、１つの中心導体４ａと２つの接地導体４ｂ、４ｃを有するコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を用いることを想定する。
【０００８】
光導波路３ａ、３ｂを導波する光が中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極４を構成する金属（一般に、Ａｕを用いる）から受ける吸収損を抑えるためと、進行波電極４を導波する高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率（あるいは、進行波電極のマイクロ波等価屈折率）ｎmを低減し光導波路３ａ、３ｂを導波する光の等価屈折率（あるいは、光導波路の等価屈折率）ｎoに近づけるとともに、特性インピーダンスをなるべく５０Ωに近づけるために、進行波電極４とｚ−カットＬＮ基板１との間には、通常、４００ｎｍ〜１μｍ程度の厚いＳｉＯ2バッファ層２を堆積する。
【０００９】
図９に進行波電極の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間に電界を印加した際における電気力線５の分布を示す。この図９から理解できるように、２つの光導波路３ａ、３ｂを横切る電気力線５の向きは互いに逆向きである。そのため、中心導体４ａの下にある光導波路３ｂを伝搬する光の位相変化量をΔφ1、接地導体４ｂの下にある光導波路３ａを伝搬する光の位相変化量をΔφ2とすると、Δφ1とΔφ2の符号は異なっている。
【００１０】
マッハツェンダ光導波路では２本の光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の位相差Δφt（＝｜Δφ1｜＋｜Δφ2｜）をπとすることにより、合成された光のＯＦＦ状態を実現でき、この光変調器で光信号パルスを形成できる。
【００１１】
ところが、この第１の従来技術のｚ−カットＬＮ光変調器で形成した光信号パルスには数１０Ｋｍの長さの単一モード光ファイバー内を伝搬した際に、パルスの形が崩れる、いわゆるチャーピングが発生するという問題点がある。次にこれについて説明する。
【００１２】
図９から理解できるように、中心導体４ａの幅は接地導体４ｂ、４ｃの幅より小さく、その幅はほぼ光導波路３ｂの幅と同じで６μｍ〜１１μｍ程度である。したがって、中心導体４ａの下にある光導波路３ｂを伝搬する光と電気力線５との相互作用の効率は高い。一方、接地導体４ｂ、４ｃは幅が広いので中心導体４ａから出た電気力線５は接地導体４ｂ、４ｃに広く分布し、接地導体４ｂ側の光導波路３ａと電気力線５との相互作用の効率は低い。近似的に位相変化量は、｜Δφ1｜≒５｜Δφ2｜となる。
【００１３】
そのため、この第１の従来技術のＬＮ光変調器を用いて形成した光信号パルスにはチャーピングが生じる。ちなみに、チャーピングの度合いを表すアルファパラメータ（あるいは、αパラメータ）はこの光変調器から出力される光信号パルスが有する位相φと強度Ｅとを用いて（１）式のように表現できる（非特許文献１）。
【００１４】
α＝［ｄφ／ｄｔ］／［（１／Ｅ）（ｄＥ／ｄｔ）］                （１）
このように、αパラメータは、出力される光信号パルスが有する位相変化量と強度変化量を用いて表現できる。
【００１５】
さらに、具体的には、αパラメータは、（１）式を発展させた（２）式で表現できる。
【００１６】
α＝（Γ1―Γ2）／（Γ1＋Γ2）                              （２）
Γ1；高周波電気信号（振幅）と光導波路１（３ａ）を伝搬する光（パワー）との１で規格化した重なり積分で示した効率
Γ2；高周波電気信号（振幅）と光導波路２（３ｂ）を伝搬する光（パワー）との１で規格化した重なり積分で示した効率
以上のように、図７、図８に示した第１の従来技術のＬＮ光変調器で生成された光信号パルスにチャーピングが発生する原因は、中心導体４ａ側の光導波路３ｂと接地導体４ｂ側の光導波路３ａに発生する位相変化量の絶対値が同じでないことに起因する。
【００１７】
（第２の従来技術）
図１０は、上述した第１の従来技術の問題点を解消するために提唱された第２の従来技術のＬＮ光変調器の断面図である。なお、図８に示す第１の従来技術のＬＮ光変調器と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【００１８】
この第２の従来技術のＬＮ光変調器においては、進行波電極として、２つの中心導体６ａ、６ｂと３つの接地導体７ａ、７ｂ、７ｃが形成されている。すなわち、第１の従来技術に示したＣＰＷ電極が２つ使用されており、２電極型、あるいはプッシュプル型ＣＰＷ進行波電極と呼ばれている。したがって、中心導体６ａ、６ｂと接地導体７ａ、７ｂ、７ｃとの間に図１０に示す電気力線８が生じる。
【００１９】
この第２の従来技術においては、光導波路３ａ、３ｂは各々幅の等しい２つのＣＰＷ電極の中心導体６ａ、６ｂの直下にあるので、光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の位相変化量は絶対値が等しく符号が逆となり、原理的にチャーピングゼロを実現できるはずである。
【００２０】
ところが、前述のように、光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の位相変化量は絶対値が等しく符号が正確に逆でなければならないため、この第２の従来技術のＬＮ光変調器をチャーピングゼロ状態で動作させるためには、中心導体６ａ、６ｂには正確に正、負逆位相の高周波電気信号を加える必要があり、極めて難しい問題を生じる。
【００２１】
つまり、集積回路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＩＣ）の異なるポートから出る２つの逆位相の高周波電気信号が、ＩＣを出た後に中心導体６ａ、６ｂに加わる際の位相を正確に正、負逆位相とすることは、ＩＣからの出力後、進行波電極の各中心導体６ａ、６ｂにおける各相互作用部までの電気的長さを完全に同じにするとともに、電気波形の立ち上がり、立下りの形状まで同じにすることを意味しており、実際には技術的に多大の手間と時間と困難性との課題がある。
【００２２】
（第３の従来技術）
図１１は上述した第２の従来技術の問題点を解消するために特許文献２にて提唱された第３の従来技術のＬＮ光変調器の上面図であり、図１２は図１１のＢ−Ｂ´線における断面図である。なお、図８、図９に示す第１の従来技術のＬＮ光変調器と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【００２３】
この第３の従来技術のＬＮ光変調器においては、光導波路９にはマッハツェンダ光導波路を構成する２本の光導波路９ａ、９ｂが形成されている。また、進行波電極として、２つの中心導体１０ａ及び１０ｂと３つの接地導体１１ａ、１１ｂ及び１１ｃが形成されている。さらに、ｚ−カットＬＮ基板１は分極を反転していない領域１ａ（−ｚ面領域）と分極を反転した領域１ｂ（＋ｚ面領域）とで構成されている。具体的には、ｚ−カットＬＮ基板１は２本の光導波路９ａと９ｂの相互間の中心付近を境界として、分極が反転されている。光導波路９ａ側が分極を反転していない領域１ａに対応し、光導波路９ｂ側が分極を反転した領域１ｂに対応する。中心導体１０ａ、１０ｂと接地導体１１ａ、１１ｂ、１１ｃとの間に図１２に示す電気力線１２が生じる。
【００２４】
このような第３の従来技術のＬＮ光変調器の動作原理を説明する。まず、光導波路９に入射した光は、マッハツェンダ光導波路を構成する２本の光導波路９ａ、９ｂを伝搬するように２分岐される。一方、中心導体１０も２つの中心導体１０ａ、１０ｂに２分岐されているので、高周波電気信号は図１２に示すように、光導波路９ａ、９ｂに同方向に印加される。
【００２５】
通常、ｚ−カット光変調器は光導波路９を製作するための金属Ｔｉの拡散状態から基板表面として−ｚ面が使用される。従って、分極を反転していない領域１ａでは−ｚ面を、分極を反転した領域１ｂでは＋ｚ面を使用している。電気光学的には−ｚ面と＋ｚ面に電界を印加すると、生じる屈折率変化は絶対値が等しく符号が逆である。
【００２６】
この第３の従来技術では、ｚ−カットＬＮ基板１はマッハツェンダ光導波路の中心付近を境界として分極を反転しているので、図１２に示す同方向の電気力線１２によっても、光導波路９ａ、９ｂを伝搬する光の位相変化は符号が逆となる。したがって、光導波路９ａ、９ｂを伝搬する光の位相変化を絶対値が同じで符号が逆とすることにより、このＬＮ光変調器から出力される光信号パルスのチャーピングを低減している。
【００２７】
しかしながら、この第３の従来技術のＬＮ光変調器においてもまだ次のような課題があった。
【００２８】
一般に、ＬＮ光変調器は３インチから４インチの大きさのｚ−カットＬＮ基板１上に製作するが、各ＬＮ光変調器は１５μｍ〜７０μｍ程度のギャップを有するマッハツェンダ光導波路９ａ、９ｂを有している。図１１に示した第３の従来技術のＬＮ光変調器を製作する工程のうち、光導波路を実際に製作する工程について考える。
【００２９】
まず、マッハツェンダ光導波路９の２本の光導波路９ａ、９ｂのギャップの中心を境界として分極を反転する。この分極を反転する工程には、ｚ−カットＬＮ基板１における所望の位置の上面と下面全面に電極をパターニングした後、高電界を印加して分極ドメインを反転させた後、上下に形成した電極をエッチングはく離する。次に、分極を反転した境界が２本の光導波路９ａ、９ｂのギャップの中央に合うようにマッハツェンダ光導波路用のフォトレジストパターンを形成するとともに、金属Ｔｉを蒸着・リフトオフする。最後に、形成された金属Ｔｉパターンを熱拡散し、マッハツェンダ光導波路９を形成する。
【００３０】
分極を反転していない領域１ａと分極を反転した領域１ｂとでは基板の物性が異なるため、光導波路９ａ、９ｂを形成するための金属Ｔｉがｚ−カットＬＮ基板１へ拡散する状態も異なってくる。その結果、光のスポットサイズや伝搬損失について、分極を反転していない領域１ａと分極を反転した領域１ｂにおいて異なる。
【００３１】
分極を反転していない領域１ａに形成した光導波路９ａを伝搬する光のスポットサイズと分極を反転した領域１ｂに形成した光導波路９ａ、９ｂを伝搬する光のスポットサイズが異なるということは、中心導体１０ａ、１０ｂと接地導体１１ａ、１１ｂからなる進行波電極を伝搬する高周波電気信号と２本の光導波路９ａ、９ｂを伝搬する光の相互作用の効率（一般には、前述したように、高周波電気信号と光のパワーの重なり積分で表される）が２本の光導波路９ａ、９ｂとで異なることになる。
【００３２】
図９に示す第１の従来技術のＬＮ光変調器で説明したように、２本の光導波路９ａ、９ｂを伝搬する光の位相変化量の絶対値が異なると、ＬＮ光変調器から出射された光信号パルスがチャーピング特性を持つことになり、チャーピングを極めて小さくするという課題の充分な解決にはなってはいない。
【００３３】
また、分極を反転していない領域１ａと分極を反転した領域１ｂでは伝搬損失も異なるので、２本の光導波路９ａ、９ｂを伝搬する光のパワーに差が生じ、結果的にＬＮ光変調器から出射された光信号パルスにおけるＯＦＦ時の消光比が劣化するという問題もあった。また、実際には分極反転をすると滲み出しがあるので分極反転をしない領域１ａと分極反転をした領域１ｂの境界が２本の相互作用光導波路９ａと９ｂとの間に来るように精度よく制御すること自体も難しい。
【００３４】
さらに最も大きな問題点は、図１１からから容易にわかるように、高周波電気信号と光との相互作用部において中心導体１０を２つの中心導体１０ａ、１０ｂに２分割する必要がある。ここで、中心導体１０ａ、１０ｂの部分において５０Ω系とすると分割前は２５Ω程度と低くなるし、分割部において５０Ω系とすると、分割後の中心導体１０ａ、１０ｂの部分においては１００Ω程度と高くなる、いわゆる特性インピーダンス不整合という重大な問題を原理的に持っている。あるいはこの分岐部の寸法精度上及び材料特性上の出来・不出来が反射特性（Ｓ11特性）に大きく影響し、結果的にＬＮ光変調器の製造時における歩留まりに大きな影響があるという難しい問題を抱えていた。
【００３５】
（第４の従来技術）
図１３は特許文献３において提唱された第４の従来技術のＬＮ光変調器の上面図である。この第４の従来技術のＬＮ光変調器においては、ＬＮ基板は、光の入射側から順番に、分極を反転していない領域１５ａ（−ｚ面領域）、分極を反転した領域１５ｂ（＋ｚ面領域）、および分極を反転していない領域１５ｃ（−ｚ面領域）に区分けされている。そして、マッハツェンダ光導波路１３を構成する２本の光導波路１３ａ、１３ｂが、ＬＮ基板における分極を反転していない領域１５ａから分極を反転した領域１５ｂを通過している。
【００３６】
また、進行波電極として、１つの中心導体１４ａと２つの接地導体１４ｂ、１４ｃとが形成されている。中心導体１４ａは、分極を反転していない領域１５ａでは長さＬ／２だけ光導波路１３ｂの上方に、また分極を反転した領域１５ｂにおいても長さＬ／２だけ光導波路１３ａの上方に位置している。
【００３７】
図１３に示すように、光と高周波電気信号の相互作用する相互作用領域全体を１００、分極を反転していない領域１５ａにある長さＬ／２の相互作用領域を１０１、分極を反転した領域１５ａにある長さＬ／２の相互作用領域を１０２とする。なお、ここでは領域１５ｃも分極を反転していない領域としたが、この領域は重要ではないので分極を反転した領域としても良い。
【００３８】
この第４の従来技術の光変調器の特徴は、分極を反転していない領域１５ａにおける中心導体１４ａの長さと分極を反転した領域１５ｂにおける中心導体１４ａの長さがＬ／２と互いに等しいことである。
【００３９】
第４の従来技術においては、２本の光導波路１３ａ、１３ｂを伝搬する各々の光が分極を反転していない領域１５ａと分極を反転した領域１５ｂを伝搬する距離を等しく（＝Ｌ／２）する、つまり、相互作用領域１０１と相互作用領域１０２の長さを等しくすることにより、このＬＮ光変調器から出射される光信号パルスにおけるチャーピングを小さくできるという考え方である。
【００４０】
さて、一般に、高周波電気信号の周波数が高くなると金属が持つ導体損失のために、中心導体１４ａ、接地導体１４ｂ、１４ｃからなる進行波電極を伝搬する高周波電気信号は伝搬とともに非線形的に著しく弱くなる。この高周波電気信号の伝搬損失のために、分極を反転していない領域１５ａの相互作用領域１０１と分極を反転した領域１５ｂの相互作用領域ＩＩの長さがたとえＬ／２に等しくても、高周波電気信号の下流側に位置する分極を反転している領域１５ｂにおいて進行波電極を伝搬する高周波電気信号の強度は分極を反転した領域１５ａよりも非線形的に著しく弱くなる。
【００４１】
その結果、中心導体１４ａと接地導体１４ｂ、１４ｃとの間に印加される高周波電気信号の周波数が高くなると、２本の光導波路１３ａ、１３ｂを伝搬する光の位相差の絶対値は異なってしまう。
【００４２】
図１５に、ＬＮ光変調器の中心導体と接地導体間に印加される高周波電気信号の周波数を変化させた場合における、前述した（１）式、又は（２）式で求まるチャーピングの大きさを示すαパラメータの変化（αパラメータの周波数特性）を示す。
【００４３】
この測定結果は構造に依存するので、変調器の構造の主要なパラメータを記載しておく。光と高周波電気信号の相互作用領域１０１と１０２における進行波電極の中心導体１４ａの幅は１０μｍ、これらと接地導体１４ｂと１４ｃとのギャップを２０μｍ、光と高周波電気信号の相互作用長は相互作用領域全体の長さＬを４０ｍｍとした。なお、中心導体と接地導体とのギャップを１５μｍ〜７０μｍ程度まで変えても数値的な違いはあるものの図１５に示した特性の大まかな傾向についての違いはなかった。
【００４４】
第４の従来技術のＬＮ光変調器においては、図１５の破線特性で示したように、ＤＣ付近の低周波ではチャーピングゼロ（αパラメータがゼロ）をほぼ実現できるものの、周波数の増加とともにチャーピングが大きくなる。その結果、光変調器から出射された光信号パルスには大きなチャーピングが生じることが理解できる。なお、図１５ではαパラメータが周波数とともに正の大きな値になっているが、バイアスの印加の仕方によっては逆に負の大きな値になることもある。
【００４５】
（第５の従来技術）
特許文献３、特許文献４において提唱された第５の従来技術を用いることにより、上述した第４の従来技術の問題点の問題点をかなり改善できる。その第５の従来技術の上面図を図１４に示す。図１４に示したこの第５の従来技術のＬＮ光変調器におけるＬＮ基板は、光の入射側から順番に、分極を反転していない領域１８ａ（−ｚ面領域）、分極を反転した領域１８ｂ（＋ｚ面領域）、および分極を反転していない領域１８ｃ（−ｚ面領域）に区分けされている。
【００４６】
図１３に示した第４の従来技術では、分極を反転していない領域と分極を反転した領域を各々１ヶ所のみ設けた。この構造が開示された特許文献３にはその図３として４か所の分極を反転していない領域と３ヶ所の分極を反転した領域とを具備する例が開示されている。また、その明細書中に変形例も可能と記載されている。この考え方に基づき、分極を反転していない領域と分極を反転した領域を各々２ヶ所と１ヶ所とする。さらに、特許文献４では前後に配置した２つの分極を反転していない相互作用領域の長さを等しくし、かつ分極を反転した相互作用領域の長さを、分極を反転していない相互作用領域の長さの２倍とする例が開示されている。これらの検討の結果、図１４の構造を得ることができる。
【００４７】
なお、前後に配置する分極を反転していない相互作用領域１０４と１０６の長さを等しくしているので、分極を反転した相互作用領域１０５の長手方向の中心と全体の相互作用領域１０３の長手方向の中心とは必ず一致する。図１４ではこれらの長手方向の中心を２００として示している。以下、詳しく考察する。
【００４８】
この第５の従来技術ではマッハツェンダ光導波路１６の２本の光導波路１６ａ、１６ｂの上にある中心導体１７ａの長さをＬ／４、Ｌ／２、Ｌ／４と分け、中心導体１７ａ、接地導体１７ｂ、１７ｃからなる進行波電極を伝搬する高周波電気信号の強度が強い領域と高周波電気信号が弱い領域に各々長さＬ／４だけ分極を反転していない領域（各々領域１０４と領域１０６）を割り当て、高周波電気信号の強度が中位の領域に長さＬ／２だけ分極を反転した領域（相互作用領域１０５）を割り当てている。
【００４９】
つまり、光導波路１６ｂにおける光と高周波電気信号の相互作用の絶対値は領域１０４で大きく、また領域１０６では小さい。一方、光導波路１６ａにおける光と高周波電気信号の相互作用の絶対値は領域１０５において中位である。言わば、領域１０４と領域１０６における各々大と小の絶対値を足した値が領域１０５における中位の絶対値となるように設計されている。この考え方は換言すると、大と小の和は中位の値となるという考え方である。なお、これは後述するようにαパラメータは高周波電気信号の伝搬距離に対して線形に変化することを仮定している。
【００５０】
ところが、実際にはより複雑な要因のために第５の従来技術の光変調器においてもαパラメータがゼロからずれてしまう。これを説明するために、例として高周波電気信号の伝搬損失の影響をとり上げる。
【００５１】
高周波電気信号が中心導体１７ａと接地導体１７ｂ、１７ｃからなる進行波電極を伝搬するにつれて、高周波電気信号の振幅は減衰定数αmをパラメータ、高周波電気信号の伝搬距離ｚを変数とすると次式のように指数関数的に減衰する。
【００５２】
｜Ｅ｜＝ｅｘｐ（―αm・ｚ）        （３）
ところが、この第５の従来技術において領域Ｉ、領域ＩＩ、領域ＩＩＩの長さは各々Ｌ／４、Ｌ／２、Ｌ／４である。つまり、これらの長さは式（３）に示した高周波電気信号の指数関数的な減衰特性を考慮して設計されているわけではなく、高周波電気信号がその伝搬距離ｚに対して線形に減衰する、言わば均等配分を仮定している。しかしながら、上述のようにこの考え方は正しくないので、この第５の実施形態により高周波電気信号の周波数に対するαパラメータを極めて小さくすることは困難である。さらに、実際にはαパラメータにはこの高周波電気信号の減衰のみならず、光と高周波電気信号の速度（即ち、光と高周波電気信号の等価屈折率）の不整合も高周波電気信号の伝搬距離に対して線形には変化しない。そのため、周波数が高くなった場合におけるαパラメータの絶対値をさらに大きくすることになる。
【００５３】
実際に光変調器を試作し、αパラメータを測定した結果を図１５に示す。第４の従来技術と同じく、この第５の従来技術においてもαパラメータの測定結果は光変調器の構造に依存するので、変調器の構造の主要なパラメータを記載しておく。光と高周波電気信号が相互作用する全体の相互作用領域１０３を３分割した相互作用領域１０４、１０５及び１０６の各領域における進行波電極の中心導体１９ａの幅は１０μｍ、これらと接地導体１９ｂと１９ｃとのギャップを２０μｍ、光と高周波電気信号の相互作用長は相互作用領域全体の長さＬを４０ｍｍとした。なお、中心導体と接地導体とのギャップを１５μｍ〜７０μｍ程度まで変えても数値の違いはあるものの図１５に示した特性の大まかな傾向についての違いはなかった。
【００５４】
この第５の従来技術のＬＮ光変調器においては、図１５の実線で示したように、チャーピング量を表すαパラメータを、破線で示した第４の従来技術のＬＮ光変調器のαパラメータより大幅に低減させることができるものの、この第５の従来技術のＬＮ光変調器においても周波数とともにαパラメータが大きくなっている。つまり、前述のように中心導体と接地導体間に印加される高周波電気信号の周波数の増加に伴って、高周波電気信号の伝搬損失は指数関数的に増加するため、「大＋小＝中間」の考え方的ではαパラメータを十分に小さくすることが困難である。
【００５５】
換言すると、高周波電気信号の減衰や光と高周波電気信号の等価屈折率の差がαパラメータに与える影響について線形関数を仮定する第５の従来技術では高速光変調時における光信号パルスにチャーピングが生じてしまうという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５６】
【特許文献１】特許第２１２６２１４号公報
【特許文献２】特開２００３−２０２５３０号公報
【特許文献３】特許３９２９８１４号公報
【特許文献４】特許第３９５７２１７号公報
【非特許文献】
【００５７】
【非特許文献１】Nadege Courjal et al "Modeling and Optimization of Low Chirp LiNbO3 Mach-Zehnder Modulators With an Inverted Ferroelectric Domain Section “Journal of Lightwave Technology vol.22 No.5 May 2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００５８】
以上のように、ＬＮ基板に対して分極反転を用いる従来技術としては、分極を反転していない領域と反転した領域の境界がマッハツェンダ光導波路を構成する２本のアーム（光導波路）に平行となるように分極を反転した領域を形成する構成（第３の従来技術）と、その境界が２本のアーム（光導波路）に垂直に（あるいは大きな角度をなすように）分極を反転した領域を形成する構成（第４の従来技術、第５の従来技術）とがある。前者の場合、すなわち光導波路を各々異なる分極のＬＮ基板に形成する場合（第３の従来技術、図１１、図１２）には、２本のアーム（光導波路）を伝搬する光のスポットサイズが異なっているので、中心導体と接地導体間に印加される高周波電気信号の周波数が零、すなわち、ＤＣ付近においてでさえもチャーピングを極めて小さくすることが難しく、さらに分極反転工程における滲み出しのために、分極反転をしない領域と分極反転をする領域との境界が２本の光導波路の間にくるように精度よく制御することは難しい。また何よりも中心導体を２分岐せねばならず特性インピーダンスが不整合となるという重大な問題を持っていた。一方、後者の構成において、分極を反転していない相互作用領域と分極を反転した相互作用領域の長さとを等しくする場合（第４の従来技術、図１３）には、ＤＣ付近においてチャーピングがゼロであっても周波数とともにチャーピングが大幅に大きくなる。また、分極を反転した長さがＬ／２の１つの相互作用領域と各々の長さがＬ／４で分極を反転していない２つの相互作用領域とを設ける構造の例（第５の従来技術、図１４）においても周波数が高くなるとチャーピングが生じてしまうという問題があった。
【００５９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、進行波電極を中心導体と接地導体とで形成する簡単な構造を維持した状態で、たとえ中心導体と接地導体間に印加される高周波電気信号の周波数帯域が広い場合においても、光導波路から出射される光信号パルスに発生するチャーピングの大きさを極力抑制できる光変調器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】
【００６０】
上記課題を解消するために、本発明の請求項１の光変調器は、電気光学効果を有する材料からなるとともに、分極を反転しない領域と分極を反転した領域との２種類の領域で形成された基板と、前記基板の一面側に形成され、入射された光が分岐されて伝搬する第１の光導波路と第２の光導波路と、前記各光導波路を伝搬する光と相互作用する高周波電気信号を伝搬させる中心導体及び接地導体からなる相互作用部とを具備し、前記基板には、前記各光導波路を伝搬する光の伝搬方向に沿って前記分極を反転しない領域と前記分極を反転した領域の互いに異なる方向に分極した領域が少なくとも３つ以上隣り合って形成され、前記中心導体は、前記相互作用部にて、前記分極を反転しない領域では前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの一方の光導波路に対向して形成され、前記分極を反転した領域では前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの他方の光導波路に対向して形成されており、前記分極を反転しない領域にて前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の総長さと、前記分極を反転した領域にて前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の総長さとが略等しく形成され、前記相互作用部の両端における領域が、共に分極を反転しない領域、または共に分極を反転した領域で形成されており、前記光変調器の前記相互作用部の長手方向を分割する向きの中心線が、当該中心線が位置する領域である前記分極反転しない領域もしくは前記分極反転した領域の中心線と位置的にずれるように、前記相互作用部の両端の領域における前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の長さが互いに異なっていることを特徴としている。
【００６１】
また、本発明の請求項２の光変調器は、電気光学効果を有する材料からなるとともに、分極を反転しない領域と分極を反転した領域との２種類の領域で形成された基板と、前記基板の一面側に形成され、入射された光が分岐されて伝搬する第１の光導波路と第２の光導波路と、前記各光導波路を伝搬する光と相互作用する高周波電気信号を伝搬させる中心導体及び接地導体からなる相互作用部とを具備し、前記基板には、前記各光導波路を伝搬する光の伝搬方向に沿って前記分極を反転しない領域と前記分極を反転した領域の互いに異なる方向に分極した領域が少なくとも３つ以上隣り合って形成され、前記中心導体は、前記相互作用部にて、前記分極を反転しない領域では前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの一方の光導波路に対向して形成され、前記分極を反転した領域では前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの他方の光導波路に対向して形成されており、前記分極を反転しない領域にて前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の総長さと、前記分極を反転した領域にて前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の総長さとが略等しく形成され、前記相互作用部の両端における領域に互いに異なる分極が形成され、前記光変調器の前記相互作用部の長手方向を分割する向きの中心線が、当該中心線が位置する領域である前記分極反転しない領域もしくは前記分極反転した領域の中心線と位置的にずれるように、前記相互作用部の両端の領域における前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の長さが互いに異なっていることを特徴としている。
【００６２】
また、本発明の請求項３の光変調器は、電気光学効果を有する材料からなるとともに、分極を反転しない領域と分極を反転した領域との２種類の領域で形成された基板と、前記基板の一面側に形成され、入射された光が分岐されて伝搬する第１の光導波路と第２の光導波路と、前記各光導波路を伝搬する光と相互作用する高周波電気信号を伝搬させる中心導体及び接地導体からなる相互作用部とを具備し、前記基板には、前記各光導波路を伝搬する光の伝搬方向に沿って前記分極を反転しない領域と前記分極を反転した領域の互いに異なる方向に分極した領域が少なくとも３つ以上隣り合って形成され、前記中心導体は、前記相互作用部にて、前記分極を反転しない領域では前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの一方の光導波路に対向して形成され、前記分極を反転した領域では前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの他方の光導波路に対向して形成されており、前記分極を反転しない領域にて前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の総長さと、前記分極を反転した領域にて前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の総長さとが等しく形成され、前記相互作用部の両端における領域が、共に分極を反転しない領域、または共に分極を反転した領域で形成されており、前記光変調器の前記相互作用部の長手方向を分割する向きの中心線が、前記分極を反転しない領域と前記分極を反転した領域の境界上に位置しており、前記相互作用部の両端の領域における前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の長さが互いに異なっていることを特徴としている。
【００６３】
また、本発明の請求項４の光変調器は、電気光学効果を有する材料からなるとともに、分極を反転しない領域と分極を反転した領域との２種類の領域で形成された基板と、前記基板の一面側に形成され、入射された光が分岐されて伝搬する第１の光導波路と第２の光導波路と、前記各光導波路を伝搬する光と相互作用する高周波電気信号を伝搬させる中心導体及び接地導体からなる相互作用部とを具備し、前記基板には、前記各光導波路を伝搬する光の伝搬方向に沿って前記分極を反転しない領域と前記分極を反転した領域の互いに異なる方向に分極した領域が少なくとも３つ以上隣り合って形成され、前記中心導体は、前記相互作用部にて、前記分極を反転しない領域では前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの一方の光導波路に対向して形成され、前記分極を反転した領域では前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの他方の光導波路に対向して形成されており、前記分極を反転しない領域にて前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の総長さと、前記分極を反転した領域にて前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の総長さとが等しく形成され、前記相互作用部の両端における領域に互いに異なる分極が形成され、前記光変調器の前記相互作用部の長手方向を分割する向きの中心線が、前記分極を反転しない領域と前記分極を反転した領域の境界上に位置しており、前記相互作用部の両端の領域における前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の長さが互いに異なっていることを特徴としている。
【００６４】
また、本発明の請求項５の光変調器は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の請求項において、前記相互作用部の両端の領域のうち、前記光の伝搬方向の上流側の領域の前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の長さが、下流側の領域の前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の長さよりも短いことを特徴としている。
【００６５】
また、本発明の請求項６の光変調器は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の請求項において、前記相互作用部の両端の領域のうち、前記光の伝搬方向の上流側の領域の前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の長さが、下流側の領域の前記光導波路に対向して形成された前記中心導体の長さよりも長いことを特徴としている。
【００６６】
また、本発明の請求項７の光変調器は、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の請求項において、前記入射された光を分岐、あるいは合波する機能が電気光学効果を有する前記基板に形成されていることを特徴としている。
【００６７】
また、本発明の請求項８の光変調器は、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の請求項において、前記入射された光を分岐、あるいは合波する機能が前記基板とは異なる別体の基板に形成されていることを特徴としている。
【００６８】
また、本発明の請求項９の光変調器は、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の請求項において、αパラメータがＤＣ近傍で略ゼロであり、前記高周波電気信号の周波数が増加してもその絶対値の増加を抑えることができることを特徴としている。
【００６９】
また、本発明の請求項１０の光変調器は、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の請求項において、前記αパラメータがＤＣ近傍でゼロであり、前記高周波電気信号の周波数が増加した場合に符号が正から負、もしくは負から正に入れ替わることを特徴としている。
【発明の効果】
【００７０】
本発明ではＤＣから高い周波数までαパラメータの絶対値を小さくすることができ、従って、光変調器に高速電気信号を印加した場合に光導波路から出射される光信号パルスに発生するチャーピングの大きさを極力抑制することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す上面図
【図２】同第１の実施形態の構成を説明する図
【図３】同第１の実施形態に係わる光変調器から出射された光信号パルスのαパラメータの周波数特性を示す図
【図４】本発明の第１の実施形態の変形実施形態に係わる光変調器から出射された光信号パルスのαパラメータの周波数特性を示す図
【図５】本発明の第２の実施形態の構成を説明する図
【図６】本発明の第３の実施形態の構成を説明する図
【図７】第１の従来技術の光変調器の概略構成を示す斜視図
【図８】同第１の従来技術の光変調器の断面図
【図９】同第１の従来技術の光変調器の動作を示す電気力線図
【図１０】第２の従来技術の光変調器の動作を示す電気力線図
【図１１】第３の従来技術の光変調器の概略構成を示す上面図
【図１２】同第３の従来技術の光変調器の動作を示す電気力線図
【図１３】第４の従来技術の光変調器の概略構成を示す上面図
【図１４】第５の従来技術の光変調器の概略構成を示す上面図
【図１５】第４、第５の従来技術の光変調器から出射された光信号パルスのαパラメータの周波数特性を示す図
【発明を実施するための形態】
【００７２】
以下、本発明の各実施形態について図面を用いて説明する。
【００７３】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係わる光変調器の概略構成を模式的に示す上面図である。図１に示した本発明における第１の実施形態のＬＮ光変調器において、ＬＮ基板は、光の入射側から順番に分極を反転していない領域２０ａ（−ｚ面領域）、分極を反転した領域２０ｂ（＋ｚ面領域）、および分極を反転していない領域２０ｃ（−ｚ面領域）に区分けされている。
【００７４】
光と高周波電気信号との全体としての相互作用領域１０７は、分極を反転していない領域２０ａの相互作用領域１０８、分極を反転した領域２０ｂの相互作用領域１０９、及び分極を反転していない領域２０ｃの相互作用領域１１０から構成されている。ここで、ＬＮ光変調器全体としての相互作用領域１０７の長さＬに対し、各相互作用領域１０８、１０９、１１０の長さを各々Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3とする。ここで、Ｌ＝Ｌ1＋Ｌ2＋Ｌ3が成り立っている。
【００７５】
物理的な解釈としては、中心導体１９ａの長さをＬ1、Ｌ2、Ｌ3の長さに分け、高周波電気信号の強度が強い相互作用領域１０８に長さＬ1、高周波電気信号が弱い相互作用領域１１０に長さＬ3だけ分極を反転していない領域を割り当て、高周波電気信号の強度が中位の相互作用領域１０９に長さＬ2だけ分極を反転した領域を割り当てていると言うことができる。
【００７６】
但し、第５の従来技術とは異なり、本発明の第１の実施形態では各相互作用領域１０８、１０９、１１０の長さＬ1、Ｌ2、Ｌ3に対して
Ｌ1  ≠  Ｌ3                            （４）
Ｌ1  ＋  Ｌ3  ＝  Ｌ2                  （５）
Ｌ2  ＝  Ｌ／２                         （６）
の関係式を成り立たせている。つまり、分極を反転していない２つの領域、即ち高周波電気信号の強度が強い相互作用領域１０８と高周波電気信号の強度が弱い相互作用領域１１０の長さの総和（Ｌ1＋Ｌ3）を、分極を反転した高周波電気信号の強度が中くらいの相互作用領域１０９の長さＬ2（＝Ｌ／２）に等しくはしているが、本発明の特徴として、式（４）に示したように高周波電気信号の強度が強い相互作用領域１０８の長さＬ1と高周波電気信号の強度が弱い相互作用領域１１０の長さＬ3とを異ならしめている。なお、式（５）の“等しい”は厳密なものに限られず、例えば製造誤差によって“略等しく”なっている場合も含まれる。
【００７７】
この式（４）が本発明における重要な点である。この点について図２を用いて詳しく説明する。なお、図が煩雑になるのを避けるために、図２では図１の進行波電極における接地導体１９ｂ、１９ｃを省略し、中心導体１９ａのみを示している。図中、３００は相互作用領域１０７（あるいは相互作用領域１０８）の長手方向の始点、３０１は相互作用領域１０７（あるいは相互作用領域１１０）の長手方向の終点である。３０２は相互作用領域１０８の長手方向の中点、３０３は相互作用領域１１０の長手方向の中点を示している。また、２００は全体としての相互作用領域１０７の中点である。中点２００の位置から中点２０１までの距離をΔｚとする。なお、前述のように３０２は相互作用領域１０８の中点であり、一方３０３は相互作用領域１１０の長手方向の中点である。従って、２０１は中点３０２と中点３０３との中点とも言うことができる。
【００７８】
特許文献４の請求項においてクレームされているように、第５の従来技術ではΔｚ＝０であった。一方、本発明では、分極を反転していない２つの領域である相互作用領域１０８の長さＬ1と１１０の長さＬ3とを互いに異ならしめているのでΔｚ≠０となる。
【００７９】
次に、本発明を適用した光変調器を試作した結果について述べる。従来技術の結果と比較するために中心導体１９ａの幅や中心導体１９ａと接地導体１９ｂ、１９ｃとのギャップは第４の従来技術や第５の従来技術と同じとした。その構造において、進行波電極を伝搬する高周波電気信号の強度が強い相互作用領域１０８の長さＬ1をＬ／５とし、第５の従来技術のＬ／４よりも短くした。なお、式（５）と式（６）から高周波電気信号が弱い領域の長さＬ3は３Ｌ／１０となり、第５の従来技術のＬ／４よりも長くなる。
【００８０】
その結果、３つの相互作用領域１０８、１０９、１１０のうち、高周波電気信号の強度が中位である相互作用領域１０９の長手方向の中心２０１は、光と高周波電気信号の相互作用領域全体についての長手方向の中心２００よりも高周波電気信号の入力側に向かって位置的にずれる。そのずれ量をΔｚとすると、Δｚ＝Ｌ／２０となる。
【００８１】
本実施形態を実際に試作し、αパラメータを測定した結果を図３に示す。なお、比較のために、図３には図１５に示した第４の従来技術と第５の従来技術の測定結果も示している。本発明では従来技術と同じく、ＤＣ付近ではαパラメータがゼロとなっている。さらに従来技術と比較してαパラメータの周波数依存性を極めて小さくできることがわかる。これは、本発明では高周波電気信号が中心導体１９ａ、接地導体１９ｂ、１９ｃからなる進行波電極を伝搬するに従ってその強度が指数関数的に減衰することを考慮できていることが主な要因と言うことができる。
【００８２】
第５の従来技術のようにΔｚ＝０とすることは、高周波電気信号の伝搬損失が伝搬距離に対して線形に減衰すると仮定し、かつ光と高周波電気信号の等価屈折率の不整合もαパラメータに線形に影響すると仮定することと等価である。しかしながら、これまで述べてきたように高周波電気信号の伝搬損失は伝搬距離に対して線形に減衰する、また非特許文１において議論されているように光と高周波電気信号の等価屈折率の不整合もαパラメータに線形ではなく、複雑な関数として影響を及ぼす。
【００８３】
このように本発明では同じ分極を有する少なくとも２つの相互作用領域の長さを異ならしめることにより、上記に述べた高周波電気信号が指数関数的に減衰することと光と高周波電気信号の等価屈折率の差がαパラメータに線形よりは複雑な関数として影響することを考慮して設計することができるので、ＤＣから広い周波数領域にわたってαパラメータの絶対値の増大を抑圧することが可能となる。
【００８４】
さらに興味深いことはこの第１の実施形態の構造パラメータの場合、ゼロから始まったαパラメータは周波数が高くなるとともに負になり、さらに周波数が高くなるとその符号が負から正に変わっている。このようにαパラメータの符号を周波数とともに負から正へ、あるいは逆に正から負へ入れ替えることにより、平均的にαパラメータをゼロに近くすることができる。その結果、一層のチャーピング抑圧効果を実現でき、ＤＣから高周波までチャーピングを著しく抑圧できるという利点を有している。
【００８５】
さらに、図４には本実施形態を変形した構成として進行波電極を伝搬する高周波電気信号の強度が強い相互作用領域１０８の長さＬ1をＬ／６とした場合のαパラメータを示す。この変形実施例の場合には、αパラメータの符号は変化することはないが、Δｚ≠０とすることにより第４の従来技術や第５の従来技術と比較して広い周波数領域にわたって絶対値が小さなαパラメータを実現できている。
【００８６】
なお、第１の実施形態とその変形実施形態を含め、本発明の全ての実施形態において分極を反転していない領域と分極を反転した領域とを入れ替えても良い。つまり、図１において相互作用領域１０８と１１０については分極を反転した領域とし、相互作用領域１０９については分極を反転していない領域としても同じ議論が成り立つことはいうまでもない。
【００８７】
また、相互作用領域１０８の長さＬ1と１１０の長さＬ3ついては、上記の実施形態以外の値をとることも可能である。
【００８８】
本発明においては、第１、第２の光導波路に対向するとともに基板における互いに異なる分極の種類を有する相互作用領域の中心導体について、同種の分極を有する少なくとも２つの相互作用領域の長さを異ならしめている。この第１の実施形態においては、光変調器全体としての相互作用領域を第１の相互作用領域、第２の相互作用領域、及び第３の相互作用領域と３分割するとともに、第１の相互作用領域と第３の相互作用領域に分極を反転しない領域（分極非反転領域、つまり−ｚ面領域）を割り当て、第２の相互作用領域に分極を反転した領域（分極反転領域、つまり＋ｚ面領域）を割り当てている。前述のように第１の相互作用領域の長さと第３の相互作用領域の長さを異ならしめている。そして、第１の相互作用領域の長さと第３の相互作用領域の長さの総和と第２の相互作用領域の長さとを等しくすることにより、ＤＣ付近でのαパラメータをゼロとできる。
【００８９】
さらに、第１の相互作用領域の長さと第３の相互作用領域の長さを異ならしめているので、高周波電気信号の伝搬損失や高周波電気信号と光の等価屈折率の差がαパラメータに与える影響を小さくでき、その結果光信号パルスのαパラメータについて広い周波数領域において極めて小さくすることが可能となる。さらには、αパラメータの符号を負から正へ（あるいは正から負へ）変えることができるので、広い周波数範囲にわたってαパラメータが実質的に極めて小さくなる。従って、光変調器に高速電気信号を印加した場合に光導波路から出射される光信号パルスに発生するチャーピングの大きさを極力抑制することができるという利点がある。
【００９０】
さらに、本発明ではΔｚ≠０であることが重要であり、Δｚ＞０（図１に示す左向きを正方向とする場合）に限らない。つまり、図３と図４の特性は光と高周波電気信号の等価屈折率とが等しい、いわゆる速度整合の場合の試作結果について示したが、構造パラメータの設定によっては高周波電気信号の等価屈折率も影響を持ってくるので、Δｚ＜０ともできると考えられる。つまり、光と高周波電気信号の相互作用領域において図１のように隣り合って分極が異なる領域が３つ以上あり、かつΔｚ≠０である限りは本発明に属するということができる。
【００９１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態として、光と高周波電気信号の相互作用領域において隣り合って分極の異なる領域が５つある実施形態について考える。その模式的な上面図を図５に示す。２１ａは進行波電極の中心導体、２１ｂ、２１ｃは進行波電極の接地導体である。２２ａ、２２ｃ、２２ｅは分極を反転していない領域（−ｚ面領域）、２２ｂ、２２ｄは分極を反転した領域（＋ｚ面領域）である。
【００９２】
１１１は光と高周波電気信号の全体としての相互作用領域であり、その長さは全体としての相互作用領域の始点３０４とその終点３０５の間の距離Ｌ´である。分極を反転していない領域の相互作用領域１１２と１１４、及び１１６の長さを各々Ｌ112、Ｌ114、及びＬ116とする。また、分極を反転した領域の相互作用領域１１３と１１５の長さを各々Ｌ113とＬ115とする。それぞれの関係は、
Ｌ´  ＝  Ｌ112＋Ｌ113＋Ｌ114＋Ｌ115＋Ｌ116
Ｌ112  ≠  Ｌ116
Ｌ112＋Ｌ114＋Ｌ116  ＝  Ｌ113＋Ｌ115  ＝  Ｌ´／２
となっている。
【００９３】
ここで、２０２は全体としての相互作用領域１１１の長手方向の中心であり、全体としての相互作用領域１１１の始点３０４からＬ´／２の位置にある。一方、中央付近に配置した相互作用領域１１４の長手方向の中点を２０３とする。図５の中のΔｚは中点２０２から中点２０３へ測った距離である。
【００９４】
例えば、進行波電極の中心導体２１ａの幅と接地導体２１ｂ、２１ｃとのギャップを本明細書で述べた従来技術と同じにした場合は、第１の実施形態と同じく高周波電気信号の強度が強い相互作用領域１１２の長さＬ112を高周波電気信号の強度が弱い相互作用領域１１６の長さＬ116よりも短くすることにより、光信号のαパラメータを第５の従来技術よりも小さくすることができる。なお、相互作用領域１１４の長さＬ114は相互作用領域１１６の長さＬ116と等しくても良いし、あるいは異なっていても良い。逆に相互作用領域１１４の長さＬ114は相互作用領域１１２の長さＬ112と等しくても良いし、あるいは異なっていても良い。
【００９５】
いずれにしても、本発明では高周波電気信号の伝搬損失は伝搬距離を変数として線形関数ではなく指数関数的に減衰することと、光と高周波電気信号の等価屈折率の差もαパラメータには線形関数よりも複雑な関数として影響を及ぼすことを考慮し、全体としての相互作用領域の中点と、全体としての相互作用領域の中間近傍にある領域（分極が反転されていない領域、もしくは分極が反転した領域のどちらか）の中点とが一致しないように（Δｚ≠０）、各相互作用領域の長さを決定する。あるいは、本実施形態では、同一分極を有する相互作用領域である分極を反転しない相互作用領域１１２、１１４、及び１１６の長さＬ112、Ｌ114、及びＬ116の少なくとも２つを異ならしめる、さらには同一分極を有する相互作用領域である分極を反転した相互作用領域１１３と１１５の長さＬ113とＬ115を異ならしめても良い。簡単には、本発明では同一分極を有する少なくとも２つの相互作用領域の長さを異ならしめることによりΔｚ≠０としていると言える。
【００９６】
なお、図５は隣り合う分極が異なる相互作用領域の数が５であったが、これよりも大きな数であっても本発明を適用できることは言うまでもない。
【００９７】
さらに、第１の実施形態と同じく、構造パラメータによってはΔｚ＜０とすると良い場合もある。つまり、本実施形態においてもΔｚ≠０とすることにより、光信号のαパラメータを小さくし、チャーピングを抑圧することが可能となる。
【００９８】
なお、第１の実施形態において本発明の全ての実施形態について言及したように、本実施形態を含め、本発明の全ての実施形態において分極反転をしていない領域（−ｚ領域）と分極反転をした領域（＋ｚ領域）とを入れ替えても良いことは言うまでもない。
【００９９】
（第３の実施形態）
図６は本発明の第３の実施形態の概略上面図である。２３ａは石英光導波路を形成したＳｉ基板、２３ｂは分極を反転していない領域、２３ｃは分極を反転した領域、２３ｄは分極を反転していない領域、２３ｄは石英光導波路を形成したＳｉ基板である。２４は入力用石英光導波路、２５ａ、２５ｂは相互作用光導波路、２７は出力用石英光導波路、２６ａは進行波電極の中心導体、２６ｂと２６ｃは進行波電極の接地導体である。
【０１００】
つまり本実施形態では光導波路の分岐・合波部を含めて光の入力と出力を石英光導波路で構成し、相互作用部を形成した基板と光結合させるハイブリッド構造としている。なお、石英光導波路系の代わりに例えばポリマー光導波路のような他の光導波路系を用いても良いことは言うまでもない。
【０１０１】
（各種実施形態）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。上記において説明した実施形態では全体の相互作用部の中心には分極を反転しない相互作用領域、もしくは分極を反転した相互作用領域のどちらかとなっていたが、当該中心がこれらの境界となる場合も本願に含められる。
【０１０２】
さらに、相互作用領域の両端は共に分極反転しない領域、もしくは分極反転した領域を有する実施形態について説明してきたが、このことは主に相互作用領域の分割数が奇数の場合について言うことができる。そして、相互作用領域の分割数が偶数の場合、例えば相互作用領域の分割数が６の場合を例にとると、光の入射側から出射側に向かって、−ｚ面領域→＋ｚ面領域→−ｚ面領域→＋ｚ面領域→−ｚ面領域→＋ｚ面領域となるように、相互作用領域の両端の分極が互いに異なる場合もあり得る。
【０１０３】
また、電極構成としてはＣＰＷ電極を用いた構成について説明したが、非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）あるいは対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）など、その他の構成でも良い。なお、分極は基板の表面のみについて反転してもよいし、分極を反転した領域は基板の長手方向の端まで反転させなくても良い。また、マッハツェンダ構造としては、単一のマッハツェンダを複数有して構成したネスト型の構成であっても良いし、ＲＦ電極とＤＣバイアス電極を別体としたバイアス分離型の変調器でも良い。
【０１０４】
さらに、従来使用されている進行波電極を厚くする、あるいはバッファ層を厚くするなど高周波電気信号と光の速度差を小さくする手法はそのまま本発明にも適用可能である。また高周波電気信号の出力側を４０Ωや５０Ωなどの終端器で終端し、高周波信号の出力側は入力側と同じ側の基板側面に設けても良いことは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１０５】
１：ｚ−カットＬＮ基板
１ａ、１５ａ、１５ｃ、１８ａ、１８ｃ、２０ａ、２０ｃ、２２ａ、２２ｃ、２２ｅ、２３ｂ、２３ｄ：分極を反転しない領域
１ｂ、１５ｂ、１８ｂ、２０ｂ、２２ｂ、２２ｄ、２３ｃ：分極を反転する領域、
２：ＳｉＯ2バッファ層
３、９、１３、１６：マッハツェンダ光導波路
４：進行波電極
４ａ、６ａ、６ｂ、１０、１０ａ、１０ｂ、１４ａ、１７ａ、１９ａ、２１ａ、２６ａ：中心導体
４ｂ、４ｃ、７ａ、７ｂ、７ｃ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１４ｂ、１４ｃ、１７ｂ、１７ｃ、１９ｂ、１９ｃ、２１ｂ、２１ｃ、２６ｂ、２６ｃ：接地導体
３ａ、３ｂ、９ａ、９ｂ、１３ａ、１３ｂ、１６ａ、１６ｂ：マッハツェンダ光導波路を構成する光導波路
５、８、１２：電気力線
２３ａ、２３ｄ：石英光導波路を形成したＳｉ基板
２４：入力用石英光導波路
２７：出力用石英光導波路
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６：相互作用領域
２００：相互作用領域１００、１０５の長手方向の中心
２０１：相互作用領域１０９の長手方向の中心
２０２：相互作用領域１１１の長手方向の中心
２０３：相互作用領域１１４の長手方向の中心
３００：相互作用領域１０７（１０８）の長手方向の始点
３０１：相互作用領域１０７（１１０）の長手方向の終点
３０２：相互作用領域１０８の長手方向の中点
３０３：相互作用領域１１０の長手方向の中点
３０４：相互作用領域１１１（１１２）の長手方向の始点
３０５：相互作用領域１１６（１１６）の長手方向の終点
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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