(57)【要約】【課題】変調信号の伝搬速度を向上させることができる。このため、変調対象である光波と変調信号波との間にある伝搬速度差を小さくし、光変調素子の変調効率を大幅に改善する。【解決手段】基板１と、基板１に支持された光導波路２と、光導波路２の少なくとも一部に変調電界を印加する第１および第２の導体線路と、第１および第２の導体線路３ａ、３ｂを覆うように基板１上に設けられた誘電体層４と、誘電体層４を介して第１および第２の導体線路３ａ、３ｂに対向する電極５とを備えた光変調素子。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に支持された光導波路と、
前記光導波路の少なくとも一部に変調電界を印加する第１および第２の導体線路と、
前記第１および第２の導体線路を覆うように前記基板上に設けられた誘電体層と、
前記誘電体層を介して前記第１および第２の導体線路に対向する電極と、
を備えた光変調素子。
【請求項２】
前記誘電体層は、前記基板上に堆積された絶縁材料から形成されている請求項１に記載の光変調素子。
【請求項３】
前記誘電体層の誘電率は、前記基板の誘電率よりも低い請求項１または２に記載の光変調素子。
【請求項４】
前記誘電体層は、異なる材料から構成された少なくとも２つの層を含む積層構造を有している請求項１から３のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項５】
前記誘電体層の厚さは、０．１μｍ以上５０００μｍ以下の範囲にある請求項１から４のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項６】
前記電極は、前記誘電体層の上に設けられた導電体層から形成されており、接地電極として機能する請求項１から５のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項７】
前記光導波路の少なくとも一部は、電気光学効果を有する材料から形成されている、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】
前記基板の少なくとも一部は、電気光学効果を有する材料から形成されており、前記光導波路は前記基板の一部から構成されている請求項７に記載の光変調素子。
【請求項９】
前記第１および第２の導体線路は、共振型電極を構成しており、
前記共振型電極に入力すべき変調信号を受け取り、前記変調信号を各共振型電極に供給する入力線路を前記基板上に備えている請求項１から８のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項１０】
前記光導波路において電気光学効果を有するドメインが部分的に反転している請求項１から９のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項１１】
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２つの分枝導波路を結合する光入力部と、前記２つの分枝導波路を結合する光出力部とを有しており、
前記光導波路のうち、前記変調電界が印加される部分は、前記２つの分枝導波路に分かれており、
前記共振型電極は、前記光導波路の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１から１０のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項１２】
前記第１および第２の導体線路は、両端部で短絡されている請求項１１に記載の光変調素子。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれかに記載された光変調素子と、
前記光変調素子に光を入力する入力部と、
前記光変調素子における前記変調信号を供給する供給部と、
を備えたシステム。
【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以上の高周波になると、半導体レーザの持つチャーピングにより、伝送速度が制限される。
【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、この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、光導波路に印加される電位Ｅ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】
次に、図３（ａ）および（ｂ）を参照しながら、従来の光変調素子を更に詳しく説明する。図３（ａ）は、光変調素子の従来例を示すレイアウト図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の主要部の断面図である。このようなタイプの光変調素子は、例えば特許文献１に記載されている。
【００１１】
この光変調素子の基板１は、電気光学効果を有する材料から形成されており、その主面には、マッハツェンダ干渉計型の光導波路２が形成されている。光導波路２には、図３（ａ）の左側から光が入力され、右方向に伝搬する。光導波路２は、途中で２つ分枝導波路２ａ、２ｂに分岐し、所定距離だけ並走した後、再び１つの導波路に結合している。２つの分枝導波路２ａ、２ｂの屈折率を別個独立に変化させることにより、分枝導波路２ａ、２ｂを伝搬する光に所望の位相差を与え、それによって光を干渉させることができる。干渉した光は、図３（ａ）における光導波路２の右端部から出力される。
【００１２】
図３（ａ）および（ｂ）に示す従来例では、光導波路２の屈折率を変化させるための変調電極が非平衡コプレナー伝送線路によって構成されている。このコプレナー伝送線路は、基板１の表面に形成されたストリップ電極１３および接地電極５によって構成されている。これらの電極５、１３は、いずれもアルミニウムなどの金属薄膜から形成され得る。
【００１３】
ストリップ電極１３および接地電極５は、それぞれ、分枝導波路２ａ、２ｂを部分的に覆っている。図３（ａ）に示すストリップ電極１３は、両端が開放された半波長共振器として動作するため、ストリップ電極１３に接続された入力線路６に変調信号を供給すれば、ストリップ電極１３を変調信号が伝搬し、共振現象を起こす。その結果、ストリップ電極１３と接地電極５との間の間隙部８に強い電界が生じる。図３（ｂ）の破線は、このときに基板１の内部に形成される電界を模式的に示している。２本に分かれた分枝導波路２ａ、２ｂには、互いに上下逆方向の電界が印加されるため、２本の分枝導波路２ａ、２ｂを伝搬する光波には互いに逆の位相変化が与えられる。このため、第２の分岐部分９ｂで干渉を引き起こし、出力光の光強度が変調させる。
【００１４】
図３（ａ）および（ｂ）に示すコプレナー線路による変調電極では、接地電極５が基板１の表面（上面）に位置するため、接地電極５の電位を常に０ボルトに保持するが難しく、変調信号を入力線路６へ効率的に供給することが困難である。このような問題を解決するため、図４（ａ）および（ｂ）に示すマイクロストリップ平行結合線路による変調電極を備えた光変調素子が提案されている（特許文献２）。この光変調素子では、接地電極５が基板１の表面ではなく裏面に設けられているため、基板１の裏面を金属筐体などに直接固定することにより、接地電極５の電位を０に保つことが容易になる。また、平行結合線路３は両端が開放された半波長共振器として動作するため、平行結合線路３に奇対称モードによる共振現象を引き起こすことで効率的な光変調が可能となる。
【００１５】
【特許文献１】
特開２００２−７２１５８号公報
【特許文献２】
特開平６−１１００２３号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、外部変調型の光変調素子では、導体線路を伝搬する変調信号波（ミリ波やマイクロ波の電気信号）の伝搬速度と光導波路を伝搬する光波の伝搬速度が等しいときに最も効率の良い光変調が実現される。
【００１７】
図３および図４に示す光変調素子によれば、導体線路を伝搬する変調信号波の伝搬速度は、基板１の誘電率で決定される。現在、光変調素子に広く用いられている基板の材料は、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である。これらの材料は誘電率異方性をするため、結晶方位によって異なる比誘電率ε２２およびε３３の幾何平均をとって比誘電率を求めると、ニオブ酸リチウムの比誘電率は３１、タンタル酸リチウムの比誘電率は４２となる。このように上記電気光学結晶の比誘電率は非常に高いため、上記のような電気光学結晶の基板を用いて伝送線路の誘電体部分を構成すれば、その伝送線路を伝搬する変調信号波の実効誘電率も大きくなるため、変調信号波の伝搬速度が自由空間速度に比べて顕著に遅くなってしまうという問題がある。
【００１８】
これに対し、光導波路を伝搬する光波の伝搬速度は、光導波路（基板）の光波に対する屈折率に規定される。ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムの屈折率は２．２程度であるため、光導波路中における光波の伝搬速度は、変調信号波の伝搬速度よりも著しく大きくなる。このため、光波の伝搬に伴って変調信号波の位相が光波の位相から遅れてしまい、変調効率および変調帯域の減少を招くことになる。
【００１９】
また、変調効率を高めるために共振型電極を用いる場合でも、変調信号波の伝搬速度が遅いと、光波との伝搬速度差によって変調効率が劣化する。なお、変調信号波の周波数が同じ場合、変調信号波の伝搬速度が遅いほど、共振型電極の共振器長を短くする必要があるため、変調用電界が光波に作用する距離が短くなり、変調効率が低下するという問題もある。
【００２０】
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、比誘電率の高い基板を用いながら、変調効率を大幅に改善することができる光変調素子、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。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光変調素子は、基板と、前記基板に支持された光導波路と、前記光導波路の少なくとも一部に変調電界を印加する第１および第２の導体線路と、前記第１および第２の導体線路を覆うように前記基板上に設けられた誘電体層と、前記誘電体層を介して前記第１および第２の導体線路に対向する電極とを備えている。
【００２２】
好ましい実施形態において、前記誘電体層は、前記基板上に堆積された絶縁材料から形成されている。
【００２３】
好ましい実施形態において、前記誘電体層の平均誘電率は、前記基板の誘電率よりも低い。
【００２４】
好ましい実施形態において、前記誘電体層は、異なる材料から構成された少なくとも２つの層を含む積層構造を有している。
【００２５】
好ましい実施形態において、前記誘電体層の厚さは、０．１μｍ以上５０００μｍ以下の範囲にある。
【００２６】
好ましい実施形態において、前記電極は、前記誘電体層の上に設けられた導電体層から形成されており、接地電極として機能する。
【００２７】
好ましい実施形態において、前記光導波路の少なくとも一部は、電気光学効果を有する材料から形成されている。
【００２８】
好ましい実施形態において、前記基板の少なくとも一部は、電気光学効果を有する材料から形成されており、前記光導波路は前記基板の一部から構成されている。
【００２９】
好ましい実施形態において、前記第１および第２の導体線路は、共振型電極を構成しており、前記共振型電極に入力すべき変調信号を受け取り、前記変調信号を各共振型電極に供給する入力線路を前記基板上に備えている。
【００３０】
好ましい実施形態において、前記光導波路において電気光学効果を有するドメインが部分的に反転している。
【００３１】
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２つの分枝導波路を結合する光入力部と、前記２つの分枝導波路を結合する光出力部とを有しており、前記光導波路のうち、前記変調電界が印加される部分は、前記２つの分枝導波路に分かれており、前記共振型電極は、前記光導波路の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。
【００３２】
好ましい実施形態において、前記第１および第２の導体線路は、両端部で短絡されている。
【００３３】
本発明のシステムは、上記いずれかの光変調素子と、前記光変調素子に光を入力する手段と、前記光変調素子における前記変調信号を供給する回路とを備えている。
【００３４】
【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。
【００３５】
（実施形態１）
まず、図５（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５（ａ）は、本実施形態の光変調素子の主要部を示す平面図であり、図５（ｂ）は、そのＡ−Ａ‘線断面図である。
【００３６】
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）から形成されている。基板１の主面には、マッハツェンダ干渉計型の光導波路２が形成されている。光導波路２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２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。本明細書では、基板１の一部が光導波路として機能する場合や、基板上に光導波路を形成されている場合のように、基板と光導波路との配置関係が固定されているとき、「光導波路が基板に支持されている」状態にあるものとする。
【００３７】
本実施形態における光導波路２は、図５（ａ）に示すように、分岐部分９ａ、９ｂ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。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】
本実施形態では、光導波路２の分枝導波路２ａおよび２ｂの屈折率を変化させるための変調電極として、図５（ａ）に示すように、平行結合線路３を構成する２つの線路３ａ、３ｂを基板１の光導波路２上に設けている。線路３ａおよび線路３ｂは、図５（ｂ）に示されるように、２つの分枝導波路２ａおよび２ｂの上に配置されている。
【００３９】
入力光は、図５（ａ）に示す光導波路２の一方の端（図５（ａ）における左側の端部）から入力され、第１の分岐部９ａで２つの分枝導波路２ａ、２ｂに分かれる。分枝導波路２ａおよび２ｂを伝搬した光は、第２の分岐部分９ｂで１つに重畳され、光導波路２の他の端（図５（ａ）における右側の端）から出力光として出力される。
【００４０】
なお、図５（ａ）には示されていないが、平行結合線路３に共振を起こさせるための信号（変調信号）を入力するための入力線路が平行結合線路３の一部に接続され、基板１の表面に形成されている。変調信号の入力形態は、このような例に限定されず、例えば特許文献２に開示されている種々の形態で変調信号を平行結合線路３に与えることが可能である。
【００４１】
平行結合線路３および上記の入力線路などは、好ましくは、アルミニウムや金などの金属薄膜から形成される。この金属薄膜は、真空蒸着法やスパッタ法などの薄膜形成技術によって基板１の表面に堆積され、フォトリソグラフィおよびエッチングなどの公知の加工技術によって所定形状にパターニングされる。
【００４２】
本実施形態で最も特徴的な点のひとつは、図５（ｂ）に示すように、線路３ａ、３ｂを覆う誘電体層４が基板１の表面（上面）に配置され、その誘電体層４上に接地電極５が設けられていることにある。誘電体層４は、例えば、酸化珪素（ＳｉＯ２）、樹脂、空気などの誘電率の比較的低い絶縁材料の層から形成されていることが好ましい。誘電体層４は、ＣＶＤ法やスパッタリング法などの公知の薄膜堆積技術よって基板１上に堆積された絶縁層から形成され得るが、そのような構成に限定されない。誘電体層４は、何らかの支持部材に支持された接地電極５と基板１との間隙に存在する空気層から構成されていてもよい。
【００４３】
誘電体層４は、線路３ａと線路３ｂとの間隔と同程度の厚さを有することが好ましい。誘電体層４を薄くし過ぎると、表皮効果により、変調信号波の伝送ロスが大きくなるため、誘電体層４の厚さは０．１μｍ以上に設定することが好ましい。逆に、誘電体層４を厚くし過ぎると、誘電体層４内の電界強度が弱くなり、以下に説明する効果が減少するという問題が生じる。以上のことから、誘電体層４の好ましい厚さの範囲は、０．１μｍ以上５０００μｍ以下である。
【００４４】
接地電極５は、好ましくは、蒸着法などの方法によって誘電体層４上に堆積されたアルミニウムや金などの金属膜から形成され得る。接地電極５それ自体は、従来のように基板１の裏面に形成していた接地電極と同様の材料から形成され、また、同様の方法で作製され得る。
【００４５】
このように本実施形態における接地電極５は、基板１の表面および裏面上に直接設けられるのではなく、基板１の表面側に形成された誘電体層４を介して線路３ａ、３ｂと対向するように配置されている。
【００４６】
次に、図６（ａ）および（ｂ）を参照しながら、上記の構成によって得られる効果を説明する。図６（ａ）は、図４（ｂ）に示す従来の光変調素子に形成される電界分布を模式的に示しており、図６（ｂ）は、本実施形態の光変調素子に形成される電界分布を模式的に示している。
【００４７】
まず、図６（ｂ）を参照する。本実施形態の光変調素子の入力線路（不図示）に外部から与えられた電気信号（変調信号）は、線路３ａ、３ｂと接地電極５との間に電界を形成しながら伝搬する。このとき、線路３ａ、３ｂで共振が生じると、線路３ａと線路３ｂとの間に位置する間隙部には、周期的に振動する電界（共振電界）が発生する。このような共振が生じると、線路３ａと線路３ｂとの間に位置する間隙部に形成される電界の向きは周期的に反転し、電界強度の振幅は正弦波状に変化する。本実施形態では、線路３ａ、３ｂの下方に分枝導波路２ａ、２ｂが存在しているため、各分枝導波路２ａ、２ｂには、上下逆方向の共振電界が形成される。このため、基板１が例えばｚカットのタンタル酸リチウム結晶から形成されている場合、分枝導波路２ａ、２ｂを通る光には互いに逆の位相変化が与えられる。適切なモードで共振が生じると、分枝導波路２ａ、２ｂを伝搬してきた光は、分岐部分９ｂで干渉し、出力光の強度が変化する。
【００４８】
線路３ａ、３ｂの間隙部に共振電界を形成しているとき、分枝導波路２ａ、２ｂを伝搬してきた２つの光の位相を完全に相互反転させると、２つの光は打ち消しあうため、出力光の強度は略ゼロとなる。一方、線路３ａ、３ｂの間隙部８に共振電界を形成しないとき、長さの等しい分枝導波路２ａ、２ｂを伝搬してきた２つの光の位相は略一致するため、出力光の強度は入力光の強度から少し減衰したレベルを示す。以上のように、共振電界を形成するか否かにより、入力光の強度を変調することができる。また、共振電界の形成は、入力線路に与える電気信号によって制御される。
【００４９】
なお、平行結合線路３には、通常、偶対称モードと奇対称モードの２種類の伝搬モードが存在する。奇対称モードでは、平行結合線路を構成する２本の線路３ａ、３ｂの電位が互いに反転することとなるため、間隙部８に大きな電界が誘起される。そのため、平行結合線路３に奇対称モードを励振させることによって高い効率の光変調が可能となる。
【００５０】
奇対称モードでの実効誘電率は、周囲の部材の誘電率に大きく影響される。本実施形態によれば、電界は、図６（ｂ）に示すように線路３ａ、３ｂと接地電極５との間（誘電体層４の内部）に多く存在するので、変調信号の伝搬は誘電体層４の誘電率の影響を大きく受けることになる。例えば、典型的な基板材料であるタンタル酸リチウムの比誘電率は４２程度であるが、ＳｉＯ２から形成した誘電体層４の比誘電率は約４．３であり、格段に低い。このため、本実施形態の光変調素子によれば、誘電率の低い誘電体層４の中に電界を集中させることができ、奇対称モードの実効誘電率を低くすることができる。その結果、変調信号波の伝搬速度を向上させることができるため、光波との速度差が小さくなり、変調効率が向上する。
【００５１】
図６（ａ）および（ｂ）を比較してわかるように、本実施形態の光変調素子と従来の光変調素子とでは、形成される電界の分布が異なり、変調信号波の伝搬速度も異なっているが、線路３ａと線路３ｂとの間に形成される共振電界の分布には大きな差異はない。光導波路における屈折率の変調度は、光導波路の電界Ｅの大きさに依存しているが、この電界Ｅは線路３ａと線路３ｂとの間に発生する電圧Ｖに依存し、誘電率とは関係ない。このため、図６（ｂ）の構成を採用しでも、図６（ｂ）の構成に比べて光導波路に印加できる電界強度が低下することない。このため、電界低下による光の変調効率の低下は生じない。
【００５２】
以上のように、本実施形態によれば、簡単な構成により、変調信号の伝搬速度を光の伝搬速度に近づけ、光の変調効率を向上することが可能になる。
【００５３】
なお、本実施形態では、誘電率が極めて高いタンタル酸リチウム結晶から基板を形成しているが、本発明はこのような場合に限定されない。他の材料から形成した基板を用いた場合においても、その基板の誘電率よりも低い誘電率を有する誘電体層を用いることにより、変調信号の伝播速度を向上させることができるからである。
【００５４】
（実施形態２）
次に、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。本実施形態の特徴点は、電極構成が図５（ａ）に示す電極構成と異なっている点にある。このため、第１の実施形態と共通する部材には同一の参照部号を付与して説明を省略し、本実施形態に特徴的な電極構成を詳細に説明することとする。
【００５５】
図７に示すように、本実施形態の光変調素子は、光導波路２の分枝導波路２ａおよび２ｂの屈折率を変化させるための変調電極として、線路３ａおよび線路３ｂを構成要素とする平行結合線路３と、線路３ａおよび線路３ｂを両端で相互接続する接続線路部７とを有している。線路３ｂの一部は、基板１上に形成された入力線路６に接続されている。平行結合線路３、接続線路部７、および入力線路６は、好ましくは、アルミニウムや金などの金属薄膜から形成される。この金属薄膜は、真空蒸着法やスパッタなどの法薄膜加工技術によって基板１上に堆積され、フォトリソグラフィおよびエッチングなどの公知の加工技術によって所定形状にパターニングされる。
【００５６】
次に、図８を参照しながら、線路３ａと線路３ｂとの間の間隙部８に生じる電界の強度分布を説明する。図８の「間隙部の電界」は、間隙部８に生じる電界の強度を平行結合線路３上の長軸方向（光伝搬方向）における位置に応じて示したものである。図８からわかるように、間隙部８における電界強度は、平行結合線路３の中央部で最大値を示し、接続線路部６に近づくほど、小さくなる。図８の波形は、共振時における或る瞬間の電界強度分布を示しており、実際の間隙部８における電界の強度振幅は共振時には周期的に振動する。本実施形態では、図８に示すように、両端固定の定在波（１／２波長＝各平行結合線路の長さ）が形成される。
【００５７】
このように本実施形態では、平行結合線路３の両端が接続線路部７によって接続されているので、線路３ａと線路３ｂの間に生じる電圧は、図８に示すように、線路３ａと線路３ｂの間の電圧の符号はどの部分でも同じである。したがって、光が平行結合線路３の下の光導波路２の中を伝搬している間は常に位相変化が足し合わされ続けるので、高い変調効率が得られる。
【００５８】
本実施形態の光変調素子を動作させるためには、変調信号によって平行結合線路３に奇対称モードによる共振を効率よく起こさせる必要がある。このことは、入力線路６を入力インピーダンス整合のとれる位置に接続することにより、容易に実現することが可能である。
【００５９】
以下、設計パラメータとして具体的な数値を選択し、本実施形態を説明する。本実施形態では、厚さ０．４ｍｍのｚカットのタンタル酸リチウム結晶（実効的な比誘電率：４２）から作製した基板１を用いる。誘電体層４は、ＳｉＯ２膜（比誘電率：４．３、厚さ５０μｍ）から作製する。平行結合線路３の線路幅は０．０２ｍｍ、間隙部８の幅は０．０２ｍｍに設定する。線路はアルミニウムから生成し、膜厚は１μｍに設定する。
【００６０】
平行結合線路３の長さ、および、入力線路６と平行結合線路３との接続位置は、１０ＧＨｚの奇対称モードで共振が生じ、その周波数で、入力線路６に入力した信号の反射が最も少なくなるように設定している。具体的には、電磁界シミュレータによる計算によって決定することができる。
【００６１】
本実施形態によれば、奇対称モードの伝搬速度が向上するため、変調信号波および光波の伝搬速度差に伴う効率の劣化要因が低減され、光変調効率が向上する。また、変調信号波の伝搬速度が向上するため、共振型電極（平行結合線路３）の長さを従来例に比べて長くでき、変調効率を更に向上させることが可能である。
【００６２】
なお、本実施形態は、両端短絡の半波長共振器型の電極構造を有しているが、本発明は、この構成に限定されない。平行結合線路３の片方の端部のみに接続線路部７を設けて、他方の端部を開放した１／４波長共振器型の電極構造を採用してもよい。このような電極構造を採用した場合、変調効率は半分になるが、光変調素子の大きさを小型化できる利点がある。
【００６３】
また、図７に示されている接続線路部７の輪郭が円形であるが、線路３ａ、３ｂを相互に電気的に結合することができれば、接続線路部７の形状は図７や図８に示す構成に限定されない。線路３ａおよび線路３ｂの一端を短い距離を置いて近接させることにより、両線路３ａ、３ｂを容量的に結合しても良い。
【００６４】
（実施形態３）
次に、図９（ａ）から（ｃ）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。本実施形態の特徴点は、電極構成が図７に示す電極構成と異なっている点にある。このため、第２の実施形態と共通する部材には同一の参照部号を付与して説明を省略し、本実施形態に特徴的な電極構成を詳細に説明することとする。
【００６５】
本実施形態の光変調素子は、図９（ａ）に示すように、両端が開放された共振型電極を備えている。線路３ａと線路３ｂとの間に生じる電圧は、図９（ｃ）に示すように、各線路３ａ、３ｂの中央部で０、両端で符号が逆で最大となる三角関数の分布を示す。このままでは、光が平行結合線路３の下の導波路２ａ、２ｂを伝搬している間、線路３ａ、３ｂの前半部分と後半部分で逆の位相変化が足し合わされるため、位相変化がキャンセルされ、高い変調効率が得られない。
【００６６】
本実施形態では、図９（ｂ）に示すように、平行結合線路３の後ろ半分でドメイン反転部１２を設けている。このドメイン反転部１２では、電気光学効果が他の基板領域とは逆になるので、実質的には、図９（ｃ）に示す点線のように、線路３ａ、３ｂの後半部分でも前半部分における位相変調と同様の位相変調が与えられ、大きな変調効率が得られる。
【００６７】
なお、図９（ｃ）に示すドメイン反転部１２の電圧分布は、光波の伝播速度が有限であることを無視した場合の形状を示している。実際の光変調素子では、光波の伝搬速度が有限であるため、光波の感じる電界強度は、図９（ｃ）の実線とは異なる。このために、ドメイン反転部１２のレイアウトも、光波の感じる電界強度分布にに基づいて修正される。
【００６８】
また、ドメイン反転部１２は、図９（ｂ）に示すように広い面積を有する必要はなく、光導波路２におけるドメイン反転の必要な部分およびその近傍のみにドメイン反転部１２を形成してもよい。
【００６９】
本実施形態の構成によれば、変調信号波による電流が最大となる位置が線路３ａ、３ｂの中央になるので、電流集中による影響が緩和され、大電力動作に向いている。また、ドメイン反転部１２の配置を適切に設定することにより、奇対称モードによる高次共振を引き起こし、変調効率を更に高めることも可能である。
【００７０】
本実施形態では、入力線路６が平行結合線路３に直接接続されているが、本発明は、このような構成に限定されない。例えば、入力線路６の先端と平行結合線路３との間に間隙を介して対向させることによって、結合させることも可能である。超伝導材料を用いた場合など線路の損失が小さく、共振の無負荷Ｑ値が高い場合などは、このような構成が特に有効である。
【００７１】
以上説明してきたように、各実施形態における接地電極５は、いずれも誘電体層４上に位置するため、接地電極５を誘電体層４の上面全体に配置することが可能になる。このため、光変調素子をパッケージなどに実装する際、半田付けや導電性接着剤などにより、接地電極５の全面をパッケージなどの金属面に接着すれば、良好な接地電位が得ることができるため、特性の向上につながる。
【００７２】
なお、上記各実施形態では、電気光学効果を有する基板中に光導波路を形成しているが、本発明は、このような構成に限定されない。基板の表面領域に周囲よりも屈性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構成を採用してもよい。この場合、コア部を伝搬する光の一部がクラッド部に染み出すため、クラッド部の屈性率を変化させることにより、コア部を伝播する光の位相を変調することができる。コア部は電気光学効果を有する材料から形成されている必要は無い。
【００７３】
また、上記実施形態における光導波路は、分岐された少なくとも２つの分枝導波路と、２つの分枝導波路を結合する光入力部と、２つの分枝導波路を結合する光出力部とを有するマッハツェンダ干渉計型の構成を有しているが、本発明の光変調素子は、このような構成を有する光強度変調素子に限定されない。本発明による光変調素子の光導波路が単一の導波路を有する場合であっても、伝搬する光の位相を効率的に変調することができる。この意味では、本発明の光変調素子は、光の位相を変調する点に本質的な機能を有しており、位相の変調された光を干渉させることによって光強度をも変調させることが可能である。
【００７４】
（実施形態４）
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。
【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】
本実施形態によれば、光変復調器５１、５５が本発明の光変調素子を備えているため、効率的な光変調を達成することができる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明によれば、誘電率が比較的低い材料から誘電体層を形成し、その誘電体層に電界を集中させることができるため、光導波路を支持する基板が誘電率の比較的高い材料から形成されている場合であっても、変調信号波の実効誘電率を低下させ、それによって変調信号の伝搬速度を向上させることができる。このため、変調対象である光波と変調信号波との間にある伝搬速度差を小さくすることができ、光変調素子の変調効率を大幅に改善することができる。
【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あり、（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】（ａ）は。従来の光変調素子を示す平面図であり、（ｂ）は、その要部断面図である。
【図４】（ａ）は。従来の他のタイプの光変調素子を示す平面図であり、（ｂ）は、その要部断面図である。
【図５】（ａ）本発明による光変調素子の第１の実施形態を示す平面図であり、（ｂ）は、Ａ−Ａ‘線断面図である。
【図６】（ａ）は、図４（ｂ）に示す従来の光変調素子に形成される電界分布を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、本実施形態の光変調素子に形成される電界分布を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明による光変調素子の第２の実施形態を示す平面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態における平行結合線路３と、間隙部８に形成される電界とを模式的に示す図である。
【図９】（ａ）は、本発明による光変調素子の第３の実施形態を示す平面図である。（ｂ）は、その基板１に形成されるドメイン反転部のレイアウトを示す平面図であり、（ｃ）は、その平行結合線路３と間隙部８に形成される電界とを模式的に示す図である。
【図１０】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。
【符号の説明】
１  基板
２  光導波路
２ａ、２ｂ  分枝導波路
３  平行結合線路
３ａ、３ｂ  線路
４  誘電体層
５  接地電極
６  入力線路
７  接続線路部
８  間隙部
９ａ、９ｂ  分岐部分
１２  ドメイン反転部分
１３  ストリップ電極
【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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【図９】
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【図１０】
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