(57)【要約】【課題】共振型電極を備えた光変調素子において生じやすい周波数チャープを低減し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共振型電極とを備えた光変調素子である。この光変調素子は、共振型電極に入力すべき変調信号を受け取り、前記変調信号を前記共振型電極に供給する入力線路と、共振型電極に接続されたスタブとを更に備えている。スタブと共振型電極との接続位置は、共振型電極の対称軸を挟んで、入力線路と共振型電極との接続位置の反対側に位置している。【選択図】  図８
2004279872.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、前記光導波路の少なくとも一部に変調電界を印加する共振型電極とを備えた光変調素子であって、
前記共振型電極に入力すべき変調信号を受け取り、前記変調信号を前記共振型電極に供給する入力線路と、
前記共振型電極に接続されたスタブと
を更に備え、
前記スタブと前記共振型電極との接続位置は、前記共振型電極の対称軸を挟んで、前記入力線路と前記共振型電極との接続位置の反対側に位置している、光変調素子。
【請求項２】
前記スタブと前記共振型電極との接続位置は、前記共振型電極の対称軸に関して、前記入力線路と前記共振型電極との接続位置と対称関係にある請求項１に記載の光変調素子。
【請求項３】
前記スタブの線幅は、前記入力線路の線幅と実質的に等しい請求項１または２に記載の光変調素子。
【請求項４】
前記スタブの先端は開放されている、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】
前記スタブは扇型形状を有している、請求項４に記載の光変調素子。
【請求項６】
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５のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項７】
前記共振型電極は、マイクロストリップ結合線路構造を有し、前記共振型電極の両端部で短絡されている請求項６に記載の光変調素子。
【請求項８】
前記光導波路は、電気光学効果を有する基板に形成されており、前記入力線路およびスタブは、いずれも、前記基板上に設けられている、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】
請求項１から８のいずれかに記載の光変調素子と、
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電力分配回路に前記変調信号を供給する制御部と、
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、直接変調や外部変調がある。
【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、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用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、変調用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、変調用電極に与える電位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】
次に、図３および図４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は、光変調素子の従来例を示すレイアウト図であり、図４は、図３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の右側から光が入力され、左方向に伝搬する。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における光導波路２の左端部から出力される。
【００１２】
図３および図４に示す例では、光導波路２の屈折率を変化させるための変調用電極が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上に形成されたストリップ電極１５ａ、１５ｂと、接地電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃとによって形成されている。ストリップ電極１５ａ、１５ｂの電極端は、終端器に接続された進行波型電極として動作する。これらの電極は、アルミニウムなどの金属薄膜から形成されている。
【００１３】
ストリップ電極１５ａ、１５ｂは、それぞれ、分枝導波路２ａ、２ｂを部分的に覆っている。ストリップ電極１５ａ、１５ｂに変調信号（電圧信号）を供給すると、ストリップ電極１５ａ、１５ｂと接地電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃとの間に強い電界が形成される。図４は、このときに形成される電界を模式的に示している。この電界により、電気光学効果を有する光導波路２の屈折率が変化し、光変調を実現することができる。
【００１４】
図４に示す例では、ストリップ電極１５ａに供給される変調信号の位相と、ストリップ電極１５ｂに供給される変調信号の位相とが反転している（位相差が１８０°）。このため、ストリップ電極１５ａの真下に形成される電界の向きと、ストリップ電極１５ｂの真下に形成される電界の方向とは正反対である。
【００１５】
図４に示されている電界は、ストリップ電極１５ａおよび１５ｂ上の電位（変調信号）に応じて変化する。このため、ストリップ電極１５ａおよび１５ｂの真下に位置する分岐導波路２ａ、２ｂの屈折率も変調信号によって変化する。この結果、分岐導波路２ａ、２ｂを伝搬する光の位相関係が変化し、合成された光（干渉光）の振幅が変調される。
【００１６】
【特許文献１】
特開平３−１８８４１６号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示すように、分枝導波路２ａ、２ｂに対して互いに上下逆方向の電界を印加するためには、ストリップ電極１５ａおよび１５ｂに逆位相の信号を入力する必要がある。このような逆位相の信号は、光変調素子の外部に設けた駆動回路によって生成される。しかし、上記のような駆動回路を設けると、素子の小型化が困難になるという問題がある。
【００１８】
本出願人は、特願２００２−１６１７９８に、図５に示す電極構造を備えた光変調素子を開示している。図５の光変調素子は、図３の光変調素子と同様に、主面にマッハツェンダ干渉計型の光導波路２が形成された基板１を備えているが、変調用電極９の構成が異なっている。図５の光変調素子では、変調用電極９として、共振型構造を有する電極（共振型電極）を備えている。この変調用電極９は、線路３ａおよび線路３ｂを構成要素とする平行結合線路と、線路３ａおよび線路３ｂを両端で相互接続する接続線路部６とを有しており、線路３ａおよび線路３ｂは、それぞれ、２つの分枝導波路２ａおよび２ｂの上に配置されている。
【００１９】
変調用電極９の線路３ｂは、図５に示すように、入力線路５に接続されており、入力線路５には、変調用電極９で共振を引き起こすための電気信号が印加される。入力線路５から入力された信号によって変調用電極９では共振が生じ、変調用電極９の間隙部において振動電界が形成される。図６は、変調用電極９の間隙部に形成される電界を模式的に示している。光導波路２ａ、２ｂには互いに上下逆方向の電界が印加されるため、光導波路２ａ、２ｂを伝播する光には逆の位相変化が与えられる。したがって、光導波路２が再度接続される分岐部分で干渉し、出力光の強度が変化することになる。図７は、このような光変調素子の入力線路５の端部における反射特性を示している。
【００２０】
本発明者らの検討によると、上記構成を有する光変調素子では、変調出力光に周波数チャープが生じることがわかった。周波数チャープが発生すると、光伝送路の波長分散値に応じて群遅延が生じ、伝送品質が劣化するという問題が生じ得る。
【００２１】
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、共振型電極を備えた光変調素子において生じやすい周波数チャープを低減した光変調素子、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。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の光変調素子は、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、前記光導波路の少なくとも一部に変調電界を印加する共振型電極とを備えた光変調素子であって、前記共振型電極に入力すべき変調信号を受け取り、前記変調信号を前記共振型電極に供給する入力線路と、前記共振型電極に接続されたスタブとを更に備え、前記スタブと前記共振型電極との接続位置は、前記共振型電極の対称軸を挟んで、前記入力線路と前記共振型電極との接続位置の反対側に位置している。
【００２３】
好ましい実施形態において、前記スタブと前記共振型電極との接続位置は、前記共振型電極の対称軸に関して、前記入力線路と前記共振型電極との接続位置と対称関係にある。
【００２４】
好ましい実施形態において、前記スタブの線幅は、前記入力線路の線幅と実質的に等しい。
【００２５】
好ましい実施形態において、前記スタブの先端は開放されている。
【００２６】
好ましい実施形態において、前記スタブは扇型形状を有している。
【００２７】
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。
【００２８】
好ましい実施形態において、前記共振型電極は、マイクロストリップ結合線路構造を有し、前記共振型電極の両端部で短絡されている。
【００２９】
好ましい実施形態において、前記光導波路は、電気光学効果を有する基板に形成されており、前記入力線路およびスタブは、いずれも、前記基板上に設けられている。
【００３０】
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入力部と、前記光変調素子における前記電力分配回路に前記変調信号を供給する制御部とを備えている。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明者は、図５に示す光変調素子で周波数チャープが生じる原因を検討した。以下、周波数チャープが生じる原因を説明する。
【００３２】
まず、図５に示す光変調素子の出力光振幅を定量的に評価する。この光変調素子から出力される光の振幅は、以下の式（１）で表される。
【００３３】
【数１】
2004279872.tif 000003
【００３４】
ここで、Ａ１、Ａ２は、それぞれ、分枝導波路２ａ、２ｂにおける光の位相変化の振幅を示し。φＢ１、φＢ２は、それぞれ、分枝導波路２ａ、２ｂにおける光の位相遅延を示している。また、ωｍは、変調入力信号の角周波数、ωｏは入力光の角周波数を示している。
【００３５】
以上の式（１）に基づくと、出力光の位相「φ」は、以下の式（２）で示される。
【００３６】
【数２】
2004279872.tif 000004
【００３７】
また、出力光の電界「Ｅ」は、下記の式（３）で示される。
【００３８】
【数３】
2004279872.tif 000005
【００３９】
ここで、Δφは、以下の式（４）で示される。
【００４０】
【数４】
2004279872.tif 000006
【００４１】
チャープの大きさを示す指標として、強度変調と位相変調の比αをとると、αは、以下の式（５）で示される。
【００４２】
【数５】
2004279872.tif 000007
【００４３】
式（５）に式（２）および式（３）を代入して、αを計算すると、以下の式（６）が得られる。
【００４４】
【数６】
2004279872.tif 000008
【００４５】
小信号での変調動作を仮定して、式（６）を近似すると、以下の式（７）が得られる。
【００４６】
【数７】
2004279872.tif 000009
【００４７】
共振型電極で奇対称モードの共振を引き起こすと、Ａ１とＡ２の極性は逆となる。このため、共振型電極の構造が光導波路の断面方向において完全に対称の場合は、Ａ１＝−Ａ２が成立し、αは零となるため、周波数チャープは存在しなくなる。しかし、Ａ１＝−Ａ２が成立しないとき、周波数チャープが生じることになる。
【００４８】
本発明者らは、図５の光変調素子における周波数チャープの発生原因が分枝導波路２ａ、２ｂに形成される変調用電界の大きさのずれにあると考え、そのような変調用電界の大きさのずれが入力線路５の存在に起因する非対称性にあることを見いだした。そして、このようなチャープを抑制するため、本発明の光変調素子では、共振型電極に対して入力線路の反対側に開放型スタブを配置し、導波路に印加される電圧の対称性を向上させている。このスタブは、入力線路と同じ材料から形成され、かつ、入力線路５の線幅と等しい線幅を有することが好ましい。
【００４９】
以下、本発明による光変調素子の実施形態を説明する。
【００５０】
（実施形態１）
まず、図８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８は、本実施形態の光変調素子を示す平面図であり、図９は、変調用電極９の構成を詳しく示す平面図であり、図１０は、本実施形態における光変調素子の要部断面図である。
【００５１】
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。この光導波路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。
【００５２】
本実施形態における光導波路２は、図８に示すように、分岐部分１０ａ、１０ｂ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。
【００５３】
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用電極９として、共振型構造を有する電極（共振型電極）を基板１の光導波路２上に設けている。変調用電極９は、図９に詳しく示すように、線路３ａおよび線路３ｂを構成要素とする平行結合線路と、線路３ａおよび線路３ｂを両端で相互接続する接続線路部６とを有している。線路３ａ、線路３ｂおよび接続線路部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。
【００５４】
変調用電極９の線路３ａおよび線路３ｂは、それぞれ、図８および図１０に示すように、２つの分枝導波路２ａおよび２ｂの上に配置されている。分枝導波路２ａおよび２ｂの間の部分を間隙部７と称することとする。
【００５５】
変調用電極９の線路３ｂは、基板１上に設けた入力線路５に接続されている。入力線路５には、変調用電極９で共振を引き起こすための入力信号が印加される。入力線路５は、変調用電極９と同様の方法によって形成された金属膜から形成される。
【００５６】
本実施形態で特徴的な点は、変調用電極９に対して入力線路と反対側に位置に先端開放スタブ８を配置し、このスタブ８と線路３ａとを接続している点にある。スタブ８と線路３ａとが接続される位置は、変調用電極９に対して、入力線路５と線路３ｂとが接続される位置と対称な関係にある。なお、このスタブ８は、線路３ａ、３ｂや入力線路５と同一の導電膜をパターニングすることによって形成されることが好ましい。
【００５７】
基板１の裏面には、図１０に示されるように接地電極４が形成されている。接地電極４も、好ましくは、蒸着法などによって基板１の裏面に堆積された金属膜から形成される。
【００５８】
入力光は、図８に示す光導波路２の一方の端（図８における左側の端部）から入力され、第１の分岐部１０ａ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２２ｂを伝搬した光は、第２の分岐部分１０ｂで１つに重畳され、光導波路２の他の端（図８における右側の端）から出力光として出力される。
【００５９】
本実施形態では、光変調素子の外部から入力線路５に与えられた電気信号（変調信号）により、変調用電極９で共振が生じる。このような共振が生じると、変調用電極９における線路３ａと線路３ｂとの間に位置する間隙部７に、周期的に振動する電界が発生する。
【００６０】
上記振動電界の向きを示す代表的な電気力線は、図１０に破線で示す形状を有している。このような共振が生じると、形成される電界の向きは周期的に反転し、電界の強度振幅は正弦波状に変化する。本実施形態では、変調用電極９における平行結合線路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、図１０に示すように互いに上下逆方向の共振電界が形成される。
【００６１】
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を行うことにより、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。
【００６２】
本実施形態によれば、図１０に示すように、入力線路５と線路３ｂとが接続されている箇所を通って導波路２を垂直に横切る断面において、対称性の高い振動電界が印加される。このため、前述したＡ１＝−Ａ２が実質的に成立し、その結果、αが零に近づくため、周波数チャープが大きく低減される。
【００６３】
変調用信号を入力線路５に入力して、変調用電極９の間隙部７に共振電界を形成すると、分枝導波路２ａ、２ｂを伝搬してきた２つの光の位相が完全に相互反転し、２つの光が打ち消しあうため、出力光の強度は略ゼロとなる。一方、変調用電極９の間隙部７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５に与える電気信号（変調信号）によって制御される。
【００６４】
次に、図９を参照しながら、線路３ａと線路３ｂとの間の間隙部７に生じる電界の強度分布を説明する。図９の「間隙部の電圧」は、間隙部７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９からわかるように、間隙部７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９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７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９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。
【００６５】
次に変調用電極９の平行結合線路３における伝搬モードを説明する。
【００６６】
図１１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、偶対称モードおよび奇対称モードの２種類の伝搬モードを模式的に示している。
【００６７】
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３を構成する２本の線路３ａ、３ｂの電圧が互いに反転することとなるため、間隙部に非常に大きな電界が誘起される。そのため、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半波長共振を生じさせると、極めて高い効率の光変調が可能となる。
【００６８】
本実施形態では、平行結合線路３の両端が接続線路部６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９に示すように、線路の両端で０、中央で最大となる三角関数の分布を示す。そのため、線路３ａと線路３ｂと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。
【００６９】
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５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。
【００７０】
本実施形態では、１つの変調用電極９により、光導波路２を伝搬する光の位相を変調しているが、変調用電極９の数は２以上であってもよい。
【００７１】
次に、本実施形態の光変調素子の具体例について、電磁界シミュレーションによる解析を行った例を示す。この具体例では、基板１として、厚さ０．２５４ｍｍのｚカットタンタル酸リチウム結晶（比誘電率４２）を用い、平行結合線路３の線路幅を０．０５ｍｍ、間隙部の幅を０．０２ｍｍに設定した。
【００７２】
なお、入力線路５の幅は、特性インピーダンスが５０Ωとなるように０．０４１ｍｍとした。線路の材料は、アルミニウムとし、線路を構成するアルミニウム膜の厚さは１μｍに設定した。
【００７３】
平行結合線路３の長さと入力線路５との接続位置は、入力インピーダンスが整合するように設定した。具体的には、電磁界シミュレーターを用いて、奇対称モードが２６ＨＧｚで共振し、かつその周波数で、入力線路５に入力した信号の反射が最も少なくなるように決定した。
【００７４】
以上のことから、図１２に示すように、平行結合線路３の長さは１．２２ｍｍ、入力線路５の位置は変調用電極９の中央から０．４１ｍｍとした。また、変調用電極９に対して入力線路５と対称な位置に先端開放型スタブ６を設け、変調用電極９に接続した。スタブ６の幅は０．０４１ｍｍ、長さは、１．２ｍｍとした。
【００７５】
図１３は、上記構成を有する光変調素子における入力線路５の端における反射特性を示す。図１３からわかるように、共振点で入力信号の反射はなくなり、殆ど全ての信号電力が共振型電極に入力されている。
【００７６】
また、図１３を図７と比較すると、先端開放スタブ６を追加したことによる反射特性の劣化が生じなかったこともわかる。
【００７７】
図１４に先端開放スタブを設けない場合の要部断面に生じる電界の電気力線を模式的に示す。図１４は奇対称モード共振時の電気力線を示しているが、入力線路５の影響により、線路３ａ、３ｂに生じる電界が非対称となる。一方、図１５に先端開放スタブ８を設けた場合の要部断面に生じる電界の電気力線をを模式的に示す。先端開放スタブ８に入力線路５と対称な電気力線が生じ、線路３ａ、３ｂに生じる電界が対称となる。
【００７８】
このようにして、本実施形態によれば、光導波路２に形成される電界の対称性を向上させることにより、分枝導波路２ａ、２ｂにおける光の位相変化量を等しく、極性を逆にすることができる。このため、式（７）に示すαが零に近づくため、周波数チャープの発生が抑制される。
【００７９】
なお、本実施形態では、直線状に延びる先端開放スタブ８を用いているが、本発明はこれに限定されず、図１６に示すような扇型スタブを用いてもよい。扇型スタブは、先端開放スタブと比較して、より短い長さで同様の効果を発揮し得る。
【００８０】
（実施形態２）
次に、図１７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。
【００８１】
図１７は、本実施形態における変調用電極９の間隙部７に生じる電界強度を平行結合線路３上の縦方向の位置に対して模式的に示した図である。
【００８２】
本実施形態の基本的な構成は、第１の実施形態の構成と同様であり、異なる点は、図１７に示すように、基板１にドメイン反転部分１３が形成されていることにある。
【００８３】
ドメイン反転部分１３は、基板１のうちドメイン反転すべき領域の表面および裏面の両方を覆う金属膜を形成し、それらの金属膜間に大きな電圧（例えば２０ｋＶ／ｍｍ以上の電界を形成するような電圧）を印加することによって形成される。ドメイン反転部分１３における電気光学定数の符号は、他の部分の電気光学係数の符号と正負が反転した関係にある。
【００８４】
本実施形態においても、入力光は、光導波路２の一方の端から入力され、変調用電極９の下を通過した後、光導波路２の他方の端から出力光として出力される。入力線路５からの信号により、変調用電極９に奇対称モードによる共振が生じる。その結果、間隙部７に生じた電界によって光導波路２の屈折率が変化する。線路３ａおよび線路３ｂの下を通る光導波路には、互いに逆方向の電界が形成されるため、両方の光導波路を通る光には互いに逆の位相変化が与えられる。そして、光導波路が再度接続される部分で干渉をし、出力光１２の強度の変調されることになる。
【００８５】
本実施形態では、変調用電極９の半分の領域の下方にドメイン反転部１３を設けることにより、変調用電極９の長さを第１実施形態における共振型電極の長さの２倍に設定している。このため、図１７に示すように、共振型電極に高次の共振モードが励振される。
【００８６】
もしも、上記長さの共振型電極を採用しながら、ドメイン反転部１３を用いなければ、光が平行結合線路３の下の導波路２を伝搬している間、伝搬の前半および前後で位相変化が相殺されてしまうため、高い変調効率が得られない。しかし、本実施形態では、図１７に示すように、平行結合線路３の後半部分に配置されたドメイン反転部分では、電気光学効果が前半部分に対して逆になるため、実質的には、図１７の点線で示される位相変化が得られ、大きな変調効率が得られる。
【００８７】
ただし、ドメイン反転部分１３における点線の波形は、光の走行時間を無視した場合の理想的な形状であり、実際は光の速度が有限であるため、光の感じる電界強度は図１７の点線で示されるものとは異なる。
【００８８】
また、ドメイン反転１３のパターンについて、必ずしも広い面積をドメイン反転する必要はなく、光導波路２の必要な部分のみドメインを反転させることで十分である。
【００８９】
なお、本実施形態では、両端短絡の半波長共振器による電極構成を採用しているが、本発明における電極は、このような構成を有するものに限定されない。ドメイン反転部分の形成は、３／４波長以上の共振器構造を持つ電極の場合に有効である。
【００９０】
上記の実施形態では、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。
【００９１】
（実施形態３）
次に、図１８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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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、周波数チャープの抑制された信号を出力でき、信号伝送の信頼性が向上する。
【００９６】
【発明の効果】
本発明の光変調素子によれば、先端開放スタブと入力線路が金属電極に対して対向する位置に配置されているため、伝送線路の構造が光伝搬方向に関して左右対称となる。その結果として、分岐した光導波路に作用する電界の大きさが等しくなるため、周波数チャープを抑制することができる。
【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の動作原理を示す図である。
【図３】従来の光変調素子を示す平面図である。
【図４】図３の要部断面図である。
【図５】本出願人が特願２００２−１６１７９８に記載している光変調素子を示す平面図である。
【図６】図５の主要部断面図である。
【図７】図５の光変調素子について行ったシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図８】本発明による光変調素子の第１の実施形態のを示す平面レイアウト図である。
【図９】第１の実施形態における平行結合線路３と、間隙部７に形成される電界とを模式的に示す図である。
【図１０】第１の実施形態における要部断面図である。
【図１１】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、共振型電極における偶対称モードおよび奇対称モードの２種類の伝搬モードを示す断面図である。
【図１２】第１の実施形態の光変調素子における電極の設計パラメータを示す平面レイアウト図である。
【図１３】図１２の光変調素子について行ったシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図１４】スタブが無い場合における電気力線を模式的に示す断面図である。
【図１５】スタブを設けた場合における電気力線を模式的に示す断面図である。
【図１６】第１の実施形態における電極構造の改良例を示す平面レイアウト図である。
【図１７】本発明による光変調素子の第２の実施形態における平行結合線路３と、間隙部７に形成される電界とを模式的に示す図である。
【図１８】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  接地電極
５  入力線路
６  接続線路部
７  間隙部
８  先端開放型スタブ
９  変調用電極
１０ａ、１０ｂ  光導波路の分岐部分
１３  ドメイン反転部分
１４  扇型スタブ
１５ａ、１５ｂ  ストリップ電極
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ  表面接地電極
【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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【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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