(57)【要約】【課題】分岐した光導波路に逆位相の電位を形成でき、かつ、周波数チャーピングが抑制された光変調素子を提供する。【解決手段】少なくとも一部が電気光学効果を有する材料から形成された光導波路２と、光導波路２に光変調電界を印加する変調用電極と、接地電極４とを備えた光変調素子である。変調用電極は、電磁気的に結合された複数の導体線路３ａ、３ｂを有しており、複数の導体線路３ａ、３ｂのうちの少なくとも２つの導体線路の各々が、位相の異なる変調信号を出力する信号源５ａ、５ｂに接続される。【選択図】  図４
2004309784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部が電気光学効果を有する材料から形成された光導波路と、前記光導波路に光変調電界を印加する変調用電極と、接地電極とを備えた光変調素子であって、
前記変調用電極は、電磁気的に結合された複数の導体線路を有しており、
前記複数の導体線路のうちの少なくとも２つの導体線路の各々が、位相の異なる変調信号を出力する信号源に接続される光変調素子。
【請求項２】
前記光導波路は、分岐された少なくとも２つの分枝導波路と、前記少なくとも２つの分枝導波路を結合する光入力部と、前記少なくとも２つの分枝導波路を結合する光出力部とを有しており、
前記変調用電極は、前記少なくとも２つの分枝導波路の各々に対して極性の異なる電界を及ぼすように配置されている請求項２に記載の光変調素子。
【請求項３】
前記複数の導体線路の数は３以上であり、
前記複数の導体線路のうちの少なくとも１つの導体線路は前記信号源に接続されず、前記信号源に接続された２つの導体線路の間隙に配置されている、請求項２に記載の光変調素子。
【請求項４】
前記信号源は、前記少なくとも２つの導体線路の各々の一端と接続されており、
前記少なくとも２つの導体線路の各々の前記一端は、前記光導波路における光入射側に位置している、請求項１から３のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項５】
前記少なくとも２つの導体線路の各々の他端は、前記一端に入力された変調信号を実質的に反射せず、前記変調用電極が進行波型電極として機能する請求項４に記載の光変調素子。
【請求項６】
前記少なくとも２つの導体線路の各々の他端が終端されている請求項５に記載の光変調素子。
【請求項７】
前記接地電極と前記複数の導体線路とによってマイクロストリップ伝送路が形成されている、請求項１から６のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項８】
前記光導波路、前記変調用電極、および前記接地電極を支持する基板を備えている請求項１から７のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項９】
前記光導波路は、前記基板の内部に形成されている請求項８に記載の光変調素子。
【請求項１０】
前記変調用電極および前記接地電極は、それぞれ、前記基板の反対側の面に形成されている請求項８または９に記載の光変調素子。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載されて光変調素子と、
前記複数の導体線路のうちの少なくとも２つの導体線路の各々に位相の異なる変調信号を出力する駆動回路と、
を備えた光変調素子モジュールであって、
前記駆動回路は、外部から信号を受け取り、前記信号に基づいて位相の反転した２種類の変調信号を生成し、前記少なくとも２つの導体線路の各々に出力する、光変調素子モジュール。
【請求項１２】
請求項１から１０に記載された光変調素子と、
前記光変調素子における前記光導波路に光を入力する光入力部と、
前記光変調素子における前記変調用電極に変調信号を入力する電気信号入力部と、
前記光変調素子における前記光導波路から出力される変調光を伝搬する通信伝送路と、
を備えた通信システム。
【請求項１３】
前記光入力手段は、レーザ光源を含んでいる請求項１２に記載の通信システム。
【請求項１４】
前記通信伝送路は、光ファイバを含んでいる請求項１２に記載の通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムや光信号処理システムを初めとした、光信号を扱う装置に用いられる光変調素子に関する。特に、光ファイバを用いた光情報通信のための光変調素子や、ファイバ無線システムなどの超高周波の変調信号で光変調を行うシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光信号を用いて通信や情報処理を行うシステムでは、電気信号（例えばマイクロ波やミリ波のような高周波信号）で光の位相や強度を変調することが必要である。このような光の変調方法には、直接変調と外部変調がある。
【０００３】
直接変調は、図１（ａ）に示すように、半導体レーザなどの光源を駆動する電流を直接変調することにより、光源から出力される光そのものの強度を変調する方式である。直接変調は、光源の外部に変調器を設ける必要がないため、システムの小型化に適しているが、数ＧＨｚ以上の高周波での光変調は困難であり、半導体レーザ光の持つ周波数チャーピングにより、長距離のフィバ伝送に不向きである。
【０００４】
これに対し、外部変調は、図１（ｂ）に示すように、半導体レーザなどの光源から出力された光（出力の安定した光）を光変調素子に入力し、光変調素子によって光の位相や強度を変調する。光の変調は、電気光学効果、音響光学効果、磁気光学効果、光線形光学効果などを用いて行うことが可能である。
【０００５】
上述のように、半導体レーザを直接的に変調する方法によっては、超高速光変調を達成することが困難であるため、高速動作の可能な外部変調型の素子開発が急がれている。外部変調型の素子の中でも、ポッケルス効果を有する誘電体結晶を用いた電気光学光変調素子は、超高速での動作が可能であり、また、変調に伴う位相の乱れも少ないという利点を有している。このため、電気光学光変調素子は、高速情報伝送や長距離光ファイバ通信などに非常に有効である。また、電気光学光変調素子を用いて光導波路構造を作製すれば、素子の小型化と効率化とを一挙に実現できる可能性がある。
【０００６】
一般に、電気光学光変調素子は、電気光学結晶上に変調電極として変調信号を伝搬させる伝送線路と、この伝送線路の近傍に形成された光導波路とによって構成されている。そして、変調電極の周辺に誘起される電界によって光導波路部分の屈折率を変化させ、それによって光導波路中を伝搬する光波の位相を変化させる。
【０００７】
電気光学光変調素子に用いられる通常の結晶では、電気光学係数が比較的小さい。電気光学係数は、光変調の基本となるパラメータである。したがって、電気光学光変調素子では、電界を光導波路に効率良く印加することが重要となる。
【０００８】
図２は、電気光学光変調素子の基本構造を示す断面図である。電気光学効果を有する結晶（電気光学結晶）の基板表面領域に光導波路が形成されており、光導波路の上には変調用電極が形成されている。
【０００９】
電気光学結晶は光学的異方性を有しており、印加される電界の大きさに略比例して屈折率が変化する（ポッケルス効果）。このため、変調電極に与える電位Ｖを調節することにより、光導波路の屈折率ｎを変化させることができる。光導波路の屈折率変化量Δｎは、電界強度Ｅと電気光学係数の積に比例する。光導波路の屈折率がΔｎだけ変化すると、図２に示すように、出力光の位相がΔφだけ変化する。位相の変化量Δφは、一般に、電界強度Ｅと光導波路の長さＬの積に比例する。
【００１０】
以下、図３を参照しながら、特許文献１に記載されている従来の光変調素子を説明する。図３は、特許文献１に記載されてい光変調素子の一例を示す平面図である。この光変調素子では、図３に示すように、電気光学効果を有する材料からなる基板１０１と。基板１０１の表面部に形成された光導波路１１２とを備えている。板１０１の上面において、導波路１１２の両側には、アルミニウムや金などの金属膜からなる結合線路１３が設けられている。結合線路１１３は、互いに平行な２つの線路１１３ａ、１１３ｂによって構成されている。一方、基板１０１の裏面には、金属膜からなるグランドプレーン１１４が設けられている。
【００１１】
図３に示す例では、結合線路１１３の各線路１１３ａ、１１３ｂは単一線路１２４によって互いに結合されているが、特許文献１には、２つの線路１１３ａ、１１３ｂが結合されていない構造も開示されている。
【００１２】
図３の光変調素子は、タップ１２８を介して線路１１３ｂの一部分に接続された入力端子１２９を有しており、入力端子１２９とグランドプレーン１１４との間には、高周波信号源１１９が接続されている。
【００１３】
入力光は、光導波路１１２の一方の端部から導入され、光導波路１１２のうち結合線路１１３の各線路１１３ａ、１１３ｂの間隙部１１６に位置する部分を通過した後、光導波路１１２の他方の端部から出力光として出力される。このとき、入力端子１２９と結合線路１１３とが磁界結合された状態となるので、高周波信号源１１９から変調信号が供給されると、結合線路１１３の各線路１１３ａ、１１３ｂに高周波信号が伝搬し、間隙部１１６に電界が生じる。このため、電気光学効果により、光導波路１１２の屈折率が変化し、出力光の位相が変化する。
【００１４】
【特許文献１】
特開平６−１１００２３号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示す構成の光変調素子では、変調信号によって結合線路１１３の各線路１１３ａ、１１３ｂに奇伝搬モードを励振させることにより、高い効率の光変調が可能となる。
【００１６】
しかしながら、上記の光変調素子では、結合線路１１３を共振器として利用するため、変調信号の周波数が共振周波数の近傍に限定される。このため、図３の光変調素子では、高速デジタル変調などの広帯域が要求される光変調波を実現できない。また、結合線路１１３の長さが変調周波数に基づいて決定されるため、その長さを延長することによって変調効率を改善することができない。更に、変調信号を入力するために結合線路１１３の一方の線路１１３ｂに入出力線路を接続しているので、この部分で奇伝搬モードの電界分布が非対称となり、両方の導波路に印加させる電界の強度が異なってしまう。その結果、強度変調出力光に周波数のチャーピングが生じる。周波数チャーピングは、高速光ファイバ伝送において、光ファイバ固有のわずかな分散特性により、変調光の波形が大きく乱れるため、高速光ファイバ通信に極めて深刻な問題である。
【００１７】
なお、特許文献１には、奇伝搬モードを励振する方法として、遅延線路、あるいは、容量性結合と誘導性結合の組み合わせにより、１８０°位相をずらした変調信号を結合線路に入力する構造も開示されている。しかし、特許文献１に開示されている構造によれば、励振方法が周波数特性を有するので、変調周波数が制限され、また、振幅が等しくて位相だけが１８０°ずれた正確な信号を印加するのは困難であるという問題がある。
【００１８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、変調効率が高く、周波数チャーピングが抑制された光変調素子、および当該素子を有するシステムを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
少なくとも一部が電気光学効果を有する材料から形成された光導波路と、前記光導波路に光変調電界を印加する変調用電極と、接地電極とを備えた光変調素子であって、前記変調用電極は、電磁気的に結合された複数の導体線路を有しており、前記複数の導体線路のうちの少なくとも２つの導体線路の各々が、位相の異なる変調信号を出力する信号源に接続される。
【００２０】
好ましい実施形態において、前記光導波路は、分岐された少なくとも２つの分枝導波路と、前記少なくとも２つの分枝導波路を結合する光入力部と、前記少なくとも２つの分枝導波路を結合する光出力部とを有しており、前記変調用電極は、前記少なくとも２つの分枝導波路の各々に対して極性の異なる電界を及ぼすように配置されている。
【００２１】
好ましい実施形態において、前記複数の導体線路の数は３以上であり、前記複数の導体線路のうちの少なくとも１つの導体線路は前記信号源に接続されず、前記信号源に接続された２つの導体線路の間隙に配置されている。
【００２２】
好ましい実施形態において、前記信号源は、前記少なくとも２つの導体線路の各々の一端と接続されており、前記少なくとも２つの導体線路の各々の前記一端は、前記光導波路における光入射側に位置している。
【００２３】
好ましい実施形態において、前記少なくとも２つの導体線路の各々の他端は、前記一端に入力された変調信号を実質的に反射せず、前記変調用電極が進行波型電極として機能する。
【００２４】
好ましい実施形態において、前記少なくとも２つの導体線路の各々の他端が終端されている。
【００２５】
好ましい実施形態において、前記接地電極と前記複数の導体線路とによってマイクロストリップ伝送路が形成されている。
【００２６】
好ましい実施形態において、前記光導波路、前記変調用電極、および前記接地電極を支持する基板を備えいる。
【００２７】
好ましい実施形態において、前記光導波路は、前記基板の内部に形成されている。
【００２８】
好ましい実施形態において、前記変調用電極および前記接地電極は、それぞれ、前記基板の反対側の面に形成されている。
【００２９】
本発明の光変調素子モジュールは、上記いずれかの光変調素子と、前記複数の導体線路のうちの少なくとも２つの導体線路の各々に位相の異なる変調信号を出力する駆動回路とを備えた光変調素子モジュールであって、前記駆動回路は、外部から信号を受け取り、前記信号に基づいて位相の反転した２種類の変調信号を生成し、前記少なくとも２つの導体線路の各々に出力する。
【００３０】
本発明の通信システムは、請求項１から９に記載された光変調素子と、前記光変調素子における前記光導波路に光を入力する光入力部と、前記光変調素子における前記変調用電極に変調信号を入力する電気信号入力部と、前記光変調素子における前記光導波路から出力される変調光を伝搬する通信伝送路とを備えている。
【００３１】
好ましい実施形態において、前記光入力手段は、レーザ光源を含んでいる。
【００３２】
好ましい実施形態において、前記通信伝送路は、光ファイバを含んでいる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による光変調素子の実施形態を説明する。
【００３４】
（実施形態１）
まず、図４（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明による光変調素子の第１の実施形態発を説明する。図４（ａ）は、本実施形態の光変調素子を示す斜視図であり、図４（ｂ）は、主要部の断面図である。
【００３５】
本実施形態における光変調素子の基板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効果を有する材料（電気光学結晶）から形成され、基板１の主面には、マッハツェンダー干渉計型の光導波路が形成されている。この光導波路は、基板１の所定領域に対して例えば安息香酸を用いたプロトン交換処理を行うことによって作製される。なお、光導波路は、電気光学効果を有しない基板上に堆積された電気光学効果を有する膜から形成されていても良い。
【００３６】
本実施形態における光導波路は、図４（ａ）に示すように、分岐部分８ａ、８ｂで分離した２つの分枝導波路２ａおよび２ｂと、これらの分枝導波路２ａおよび２ｂを１つに結合した入出力導波路２ｃ、２ｄとを有している。所定の長さを有する分枝導波路２ａおよび分枝導波路２ｂの主要部は、基板１の表面において略平行に延びている。入口側導波路２ｃから入力された光は、一方の分岐点８ａで分岐して２つの分枝導波路２ａ、２ｂを通過した後、他方の分岐点８ｂで共通の出口側導波路２ｄを進む。入口側導波路２ｃの前方には、変調される光を入力するための光入力部（例えばレーザ光源に一端が結合された光ファイバの他端）が配置される。
【００３７】
本実施形態の光変調素子では、分岐した２つの分枝導波路２ａおよび２ｂの屈折率をそれぞれ変化させることにより、分枝導波路２ａおよび２ｂを伝搬する光に位相差を形成し、干渉を生じさせることができる。
【００３８】
基板１の上には、光導波路の各分枝導波路２ａ、２ｂに沿うように延びる２つの線路３ａ、３ｂからなる結合線路３が設けられている。各線路３ａ、３ｂの各内側端は、各分枝導波路２ａ、２ｂの直上に位置するように形成されており、各線路３ａ、３ｂの入口側導波路側の端部は、それぞれ、別々の入力信号を印加するための信号源５ａ、５ｂが接続されている。また、各線路３ａ、３ｂの他方の端部には終端抵抗６ａ、６ｂなどが接続され、終端されている。
【００３９】
結合線路３の各線路３ａ、３ｂは、真空蒸着法、フォトリソグラフィ及びエッチングなどのプロセスを用いて形成されたアルミニウムや金などの金属膜によって構成されている。基板１の裏面には、金属膜の蒸着法などを用いて形成されたグランドプレーン４が設けられている。
【００４０】
線路３ａ、３ｂの光入口側の端部は、変調信号の入力を受ける電気信号入力部として機能し、信号源５ａ、５ｂと接続されている。そして、本実施形態では、２つの信号源５ａ、５ｂからそれぞれ線路３ａ、３ｂに与えられる変調信号の位相が互いに反転している。すなわち、信号源５ａ、５ｂから得られる変調信号の電圧（振幅）をＶａ、Ｖｂと標記した場合、つねにＶａ＝−Ｖｂの関係が満たされ、１８０°の位相差が形成されている。このような信号源５ａ、５ｂは、典型的には、変調信号を生成する回路（駆動回路）の２つの出力端子である。しかし、公知の駆動回路から出力される変調信号を受け取り、その変調信号を線路３ａ、３ｂの一方にそのまま与えるとともに、線路３ａ、３ｂの他方に位相を１８０°遅延させた変調信号を与えるような回路または線路であってもよい。このような駆動回路は、典型的には、基板１の外側に配置され、線路３ａ、３ｂに接続されるが、基板１上に形成されていても良い。
【００４１】
信号源５ａ、５ｂから位相の反転した変調信号が入力されるため、結合線路３の各線路３ａ、３ｂには、振幅が等しく、符号（極性）が逆の奇対称電圧が生じ、奇伝搬モードの進行波のみが励振され、白抜き矢印の方向に伝搬することになる。
【００４２】
結合線路３の他方の端部は終端抵抗６ａ、６ｂで終端されているので、奇伝搬モードの進行波は結合線路３の端部で反射することなく、終端抵抗６ａ、６ｂで消滅する。このようにして結合線路３に奇伝搬モードの進行波が生じ、伝搬すると、間隙部７には、図４（ｂ）に点線で示すような電界が生じる。この電界の強度および方向は、奇伝搬モードの進行波の伝搬に伴なって周期的に振動する。すると、基板１の示す電気光学的効果により、分枝導波路２ａ、２ｂの屈折率も形成される電界強度に応じて変化する。本実施形態においては、図４（ｂ）に示すように、分枝導波路２ａおよび分枝導波路２ｂに対して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カットのタンタル酸リチウム結晶により構成されている場合、２つの分枝導波路２ａ、２ｂを伝播する光には互いに逆の位相変化が与えられる。したがって、出口側導波路２ｄでは、分枝導波路２ａ、２ｂを通過した２つの光の干渉が生じ、この干渉によって出力光の強度が変化することにより、本実施形態の光変調素子は光強度変調器として動作する。
【００４３】
ここで、本実施形態の結合線路３における共振伝搬モードをより詳細に説明する。本実施形態における結合線路３の各線路３ａ、３ｂは、互いに独立した２本の伝送線路が或る間隔を置いて配置され、電磁気的に結合する。線路３ａ、３ｂは、必ずしも、図４（ａ）に示すように平行に配置される必要はない。線路３ａ、３ｂが平行に配置された場合、結合路３を「平行結合線路」と呼ぶことができる。
【００４４】
本実施形態では、線路３ａとグランドプレーン４とによって１つの伝送線路（マイクロストリップ線路）が構成され、他方の線路３ｂとグランドプレーン４とによってもう１つの伝送線路（マイクロストリップ線路）が構成されている。これらの２つの伝送線路が互いに平行に配置されて電磁的に結合することにより、結合線路３が形成される。
【００４５】
なお、伝送線路としては、往路と復路との２本の線路が存在し、電磁波が伝搬可能な伝搬モードが存在するものであればよい。その場合、往路と復路のうちの一方の線路（本実施形態における線路３ａまたは３ｂ）が通常の線路電極（ストリップ電極、ホット電極などと呼ばれる）であり、他方の線路が接地電極（本実施形態におけるグランドプレーン４）である。
【００４６】
本実施形態における結合線路３の各線路３ａ、３ｂは、単独でも存在し得る２つの伝送線路が互いに結合することにより構成されているため、伝搬モードとして、互いに独立な偶伝搬モードと奇伝搬モードの２種類の伝搬モードが存在する。
【００４７】
図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図４（ｂ）に示す断面における偶伝搬モード、奇伝搬モードの電界（実線）及び磁界（破線）の状態を示す図である。
【００４８】
偶伝搬モードとは、図５（ａ）に示すように、２本の線路電極の電圧の符号が等しい（同相の）伝搬モードであり、電界は各線路電極と接地電極との間に生じるが、線路電極間の間隙部（図４（ｂ）に示す間隙部７）にはほとんど電界が生じない。これに対し、奇伝搬モードとは、図５（ｂ）に示すように、２本の線路電極の電圧が互いに正負が逆の（逆相の）伝搬モードであり、電界は、各線路電極と接地電極との間だけでなく、線路電極間の間隙部（図４（ｂ）に示す間隙部７）にも生じる。特に、２つの線路電極が接近している場合には、間隙部７に極めて強い電界が誘起される。
【００４９】
本実施形態では、結合線路３の各線路３ａ、３ｂに奇伝搬モードの電磁波が伝搬するので、線路３ａ、３ｂ間の間隙部７に大きな電界が誘起される。その結果、信号源５から入力される変調信号によって、高い効率の光強度変調が可能となる。
【００５０】
本実施形態では、結合線路３が高い対称性を有している。すなわち、図４（ｂ）に示す導波路に垂直な断面内において、間隙部７の中心に対して線路３ａ、３ｂおよび導波路２ａ、２ｂが左右対称に配置されている。このため、奇伝搬モードの電界強度分布が完全に左右対称となり、両方の導波路２ａ、２ｂに印加させる電界の強度が等しくなる。したがって、強度変調出力光に周波数チャーピングが発生することを効果的に防止できる。
【００５１】
更に、本実施形態では、変調信号と光波とを同じ方向に伝搬させている。このため、共振器型電極を備えた光変調素子のように電極長が変調波の周波数で制限されることなく、変調信号と光波の相互作用できる距離を長くすることが可能である。このため、「直流」から「高周波」までの広い周波数帯域を持つ高効率な光変調が可能となる。
【００５２】
また、奇伝搬モードの電磁波の特徴的な性質により、線路３ａ、３ｂに生じる電圧の符号は逆で振幅が等しく、それぞれの線路３ａ、３ｂにおける電位の平均はゼロとなる。この性質を効果的に用いると、図４（ａ）に示すように各線路３ａ、３ｂの一端に終端抵抗を接続する必要は無く、図６に示すように、線路３ａ、３ｂを抵抗などでショートしても終端することが可能である。図６に示す構成を採用する場合、図４（ａ）に示すように、基板裏面にあるグランドプレーン４との間に終端抵抗を接続することなく、基板表面上での配線で終端できるため、基板１の表面上の配線を簡略化できる。
【００５３】
図６に示すように終端抵抗６で線路３ａと線路３ｂとを短絡する場合、結合線路３中を伝搬する奇伝搬モードの特性インピーダンス（特性インピーダンスが複素数で表している場合はその絶対値）の２倍の抵抗値を持つ抵抗６を用いて短絡を行えばよい。
【００５４】
なお、本実施形態の光変調素子では、グランドプレーン４が基板１の裏面のみに存在し、かつ、基板１の裏面全面に存在するので、実際に、パッケージなどに実装する際には、グランドプレーン４全面をパッケージなどの金属面に半田付けや導電性接着剤などで接着することによって、良好な接地電位が得られるため、特性の向上につながる。
【００５５】
（第２の実施形態）
図７を参照しながら、本発明による光変調素子の第２の実施形態を説明する。
【００５６】
本実施形態の光変調素子は、導波路に極性の異なる残留分極を周期的に形成されている点を除けば、第１の実施形態の光変調素子と同一の構成を有している。このため、ここでは、本実施形態に特徴的な構成および動作を説明する。
【００５７】
本実施形態の光変調素子における基板１は、図７に示すように、互いに残留分極の方向（電気光学係数の正負）が異なる２つの領域１ａ、１ｂ（ドメイン）に分かれている。言い換えると、基板１は、互いに極性が異なる残留分極が周期的に配列された構造を有しており、この周期的構造を横切るように分枝導波路２ａ、２ｂが形成されている。なお、図７では、ドメイン反転領域１ａは、基板１の上面から下面に達する深さを有するように示されているが、ドメイン反転領域１ａの深さ（厚さ）は、導波路２の深さ程度であってもよい。
【００５８】
本発明の光変調素子では、変調信号と光波とを同じ方向に伝搬させるため、変調信号と光波との相互作用が可能な距離を長くすることができる。しかし、変調信号の伝播速度と光波の伝搬速度、より厳密には、変調信号波の位相速度と光波の群速度とを一致させることは困難である。例えば、電気光学結晶であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）から形成した基板では、通常、光波の速度が変調波の速度の２倍以上である。そのため、ある距離を伝搬すると、変調波が半波長分遅れたところで、光波に与えられる電界の方向が逆になり、それ以上の長さのでは、逆に位相変化をキャンセルし、変調度を減少させる方向に働き、長尺の電極を用いたことが逆効果となってしまう。そこで、本実施形態では、図７に示すように、電界の方向が逆になる領域１ａで電気光学結晶の極性を反転させる。このような構成を採用することにより、分枝導波路３ａ、２ｂを伝播する光の位相変化がキャンセルされずに足し合わされるため、変調の効率が大きく向上する。
【００５９】
なお、電極長（線路３の長さ）を図７に示すよりも更に延長した場合でも、変調波および光波の速度差に起因して生じる変調波の位相遅れが半波長分増えるごとに、導波路における分極の極性を適切に切り替えれば、延長した電極の全体を通じて位相変化がキャンセルされずに足し合わされるため、より高い効率の光変調が可能となる。
【００６０】
なお、領域１ａのパターンは、図７に示すように、必ずしも広い面積の残留分極を他の領域１ｂとは反転させる必要はなく、各分枝導波路２ａ、２ｂ及びその必要最小限の周辺部分だけ残留分極を反転させておけばよい。
【００６１】
本実施形態の光変調素子によると、第１の実施形態において得られた効果に加えて、更に変調効率の向上が実現できる。ただし、本実施形態の光変調素子では、広い帯域での光変調は困難であり、変調波の位相遅れと、分極の反転周期とが一致する周波数付近で最も効率が良くなる。
【００６２】
なお、本実施形態の光変調素子においても、図６に示すように、線路３ａ、３ｂを抵抗などで短絡してもよい。
【００６３】
（第３の実施形態）
図８（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明による光変調素子の第３の実施形態を説明する。
【００６４】
本実施形態の光変調素子は、結合線路３の構成を除けば、第１の実施形態の光変調素子と同一の構成を有している。このため、ここでは、本実施形態に特徴的な構成および動作を説明する。
【００６５】
本実施形態における平行結合線路３は、図８（ａ）に示すように、光導波路２の各分枝導波路２ａ、２ｂに沿うように延びる３つの線路３ａ、３ｂ、３ｃを備えている。線路３ａ、３ｂの各内側端は、他の実施形態と同様に、各分枝導波路２ａ、２ｂの直上に位置するように形成されているが、線路３ｃは、２つの線路３ａ、３ｂの中間に位置している。
【００６６】
外側に位置する線路３ａ、３ｂの入口側導波路側の端部は、それぞれ別々の入力信号を印加するための信号源５ａ、５ｂが接続され、他方の端部には終端抵抗６ａ、６ｂなどが接続され終端されている。これに対して、線路３ｃは、信号源には接続されず、浮遊状態にあるが、接地されていても良い。
【００６７】
本実施形態の光変調素子では、３つの線路３ａ〜３ｃが電磁気的に結合するため、以下の表１に示す３種類の伝搬モード１〜３が存在し得る。表１は、伝搬モード１〜３の各々における各線路３ａ〜３ｃの電位の符号を示している。なお、図８（ｂ）は、表１の伝搬モード２の電磁波を伝搬させた場合の分枝導波路２ｂ、２ｂ付近における電界の方向を示している。
【００６８】
【表１】
2004309784.tif 000003
【００６９】
本実施形態でも、他の実施形態と同様に、信号源５ａ、５ｂから出力される変調信号の位相は互いに反転されている。このため、結合線路３の線路３ａ、３ｂには、振幅が等しくて符号が逆の奇対称の電圧が生じ、伝搬モード２の電磁波が線路３ａ、３ｂを伝搬することになる。線路３ｃは、線路３ａと線路３ｂとの中間に配置されているため、線路３ａ上の電位と線路３ｂ上の電位の中間の電位、すなわち、実質的にゼロの電位をもつことになる。
【００７０】
結合線路３の他方の端部は終端抵抗６ａ、６ｂで終端されているので、伝搬モード２の電磁波は端部で反射することなく、終端抵抗６ａ、６ｂで消滅する。
【００７１】
結合線路３を伝搬モード２の電磁波が伝搬すると、間隙部７ａ、７ｂには図８（ｂ）に点線で示すような電界が生じる。なお、間隙部７ａ、７ｂの各々の幅は、線路３ｃの存在により、実施形態１および２の場合に比べて狭く設定される。線路３ａと線路３ｂとの間隔が例えば２０μｍに設定される場合、幅１０μｍの線路３ｃを挿入することにより、各線路の間隔を（２０−１０）／２＝５μｍに短縮することができる。間隙部の幅を２０μｍか５μｍに短縮すると、間隙部に形成される電界の強度は２倍に増大するため、用いる電力を１／４に低減しても、同様の光変調を行うことが可能になる。このため、実施形態１または２の光変調素子では２００ｍＶの出力アンプを用いて変調用信号を形成する必要があると仮定すると、本実施形態では、５０ｍＶの出力アンプで充分な変調用信号を形成することができ、装置の小型化・低コスト化に大きく役立つ。
【００７２】
２つの分枝導波路２ａ、２ｂの間隔は、分枝導波路２ａ、２ｂ中の光波同士の相互干渉を回避するためにそれほど狭くできないが、本実施形態によれば、間隙部７ａ、７ｂの幅を狭くできるため、変調効率を更に向上させることができる。
【００７３】
なお、線路３ａおよび３ｃは、図６に示すようにして短絡してもよい。また、基板１として図７に示す基板１を採用しても良い。
【００７４】
（第４の実施形態）
次に、図９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。
【００７５】
本実施形態のファイバ無線システム５０は、上記いずれかの実施形態に係る光変調素子を内蔵した光変復調器５１を有している。アンテナ５３により、例えばミリ波の搬送波を用いて、インターネットなどのデータ通信網や携帯端末との通信、あるいはＣＡＴＶからの信号の受信などを行うことができる。
【００７６】
光変複長器５１は、本発明による光変調素子とともに、不図示の光復調素子を有している。この光復調素子は、受信した変調光を電気信号に復調する変換器であり、例えばフォトダイオードから形成されている。
【００７７】
ミリ波などの周波数の高い無線信号は長距離の伝送には向いていないため、データ通信網６１、ＣＡＴＶ６２、携帯電話システム６３との通信は、無線装置６０を介して行ってもよい。この場合は、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、光変復調器５５に接続されたアンテナ５４とにより、無線装置６０のアンテナ６４との間で信号の送受信を行うことができる。光変復調５５は、光ファイバ７０を介してファイバ無線システム５０に接続されているため、光変復調５５は、ファイバ無線システム５０から離れた位置に置かれていても問題ない。
【００７８】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、光導波路を途中で２つに分岐させて分枝導波路２ａ、２ｂを設けているが、本発明は、このような分枝導波路を有する光変調器に限定されるものではない。例えば、上記の各実施形態における導波路を単一の導波路のみを有する光変調素子に適用すると、位相変調器として機能する光変調素子が得られる。その場合でも、第１の実施形態または第２の実施形態における変調用電極を採用することにより、光変調効率の向上を図ることができる。
【００７９】
また、第２の実施形態に係るマッハツェンダー干渉計による光変調素子において、基板の極性反転の領域をうまく選択することによって、ＳＳＢ変調などの特殊な変調方式も実現できる。
【００８０】
上記の第１〜第３の実施形態では、信号源５ａ、５ｂの各々から直接に線路３ａ、３ｂに接続して変調信号を入力する場合について述べたが、本発明は、そのような構成を有する光変調素子に限定されない。例えば、図１０に示すように、線路３ａ、３ｂの入力側端部につながる延長部１２ａ、１２ｂを設け、これらの延長部１２ａ、１２ｂが互いに結合しないように一端を基板のエッジ部分までのばし、延長部１２ａ、１２ｂの端部から変調信号を入力してもよい。延長部１２ａ、１２ｂは、例えば、不図示の信号源につながっている同軸線路に結合され、変調信号の入力を受けることになる。この場合、延長部１２ａ、１２ｂは、同軸線路の特性インピーダンス（通常は５０Ω）に一致するよう、その線路幅が調整されることが好ましい。また、線路３ａ、３ｂの終端側にも同様に、延長部１３ａ、１３ｂを設け、その間隔を互いに結合しない程度まで広げて、基板端までのばしてもよい。延長部１３ａ、１３ｂの端部は、終端抵抗と接続されえる。あるいは、延長部１３ａ、１３ｂの端部を同軸線路に接続し、その同軸経路の他端に終端器を接続してもよい。このような構造を採用することにより、基板１の端部で端子間の接続を行うことができるため、変調素子をパッケージ化しやすくなる。
【００８１】
なお、第１〜第３の実施形態においては、基板をタンタル酸リチウム結晶やニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料を用いているが、他の電気光学結晶を用いることも可能である。
【００８２】
基板中に光導波路を形成する方法として、上記第１〜第３の実施形態においては、電気光学結晶であるタンタル酸リチウム単結晶などの基板の表面部を安息香酸中でプロトン交換する方法を用いている。この方法は、電気光学効果を有する光導波路を形成する最も簡単な方法であるが、本発明は、この方法に限定されるものではない。例えば、他の機能素子との集積化などのために、タンタル酸リチウム単結晶など以外の基板を利用する必要がある場合には、基板上に、基板よりも屈折率が高く、かつ、電気光学効果を有する材料からなる膜を形成し、その膜を光導波路として用いることもできる。また、基板の表面領域に周囲よりも屈折率の高いコア部を形成し、コア部の上に、クラッド部として電気光学効果を有する材料からなる膜を形成することにより、コア部から染み出した電界を利用してクラッド部の屈折率変化によって光変調を行うことも同様に有効である。なお、結合線路は、基板内に埋設されていてもよい。
【００８３】
【発明の効果】
本発明によれば、共振型電極を用いずに奇伝搬モードを結合線路に引き起こすことが可能になるため、広い帯域で光変調を行うことができ、かつ、導波路の対象性が向上するため、周波数チャーピングが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、光の直接変調を説明するための図でり、（ｂ）は光の外部変調を説明するための図である。
【図２】電気光学効果を利用した光の外部変調動作原理を示す断面図である。
【図３】従来の光変調素子を示す平面図である。
【図４】（ａ）は、本発明による光変調素子の第１の実施形態を示す斜視図であり、（ｂ）は、その要部断面図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ共振型電極における偶対称伝搬モードおよび奇対称伝搬モードの２種類の伝搬モードを示す断面図である。
【図６】第１の実施形態の改良例を示す斜視図である。
【図７】本発明による光変調素子の第２の実施形態を示す斜視図である。
【図８】（ａ）は、本発明による光変調素子の第３の実施形態を示す斜視図であり、（ｂ）は、その要部断面図である。
【図９】本発明によるシステムの実施形態の構成を示す図である。
【図１０】本発明による光変調素子の他の実施形態の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１  基板
１ａ、１ｂ  基板の分極極性が異なる領域
２  光導波路
２ａ、２ｂ  分枝導波路
３  平行結合線路
３ａ、３ｂ、３ｃ  線路
４  接地電極
５ａ、５ｂ  信号源
６  終端抵抗
６ａ、６ｂ  終端抵抗
７  間隙部
８ｂ、８ｂ  光導波路の分岐部
１２ａ、１３ａ  線路３ａの延長部
１２ａ、１３ｂ  線路３ｂの延長部
【図１】
2004309784.tif 000004
【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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