(57)【要約】 【課題】光変調素子の変調効率を改善すること。特に、光の速度がマイクロ波の速度に対して高く、速度整合がとれないために変調効率が上がらないと言う課題を解決すること。【解決手段】光導波路６は、光導波路の表面に設けられた複数のピット３からなる２次元フォトニック構造５を有している。このため、光導波路を通過する光の群速度が低下し、マイクロ波と速度がマッチングすることにより、高い変調効率を有する光変調素子が実現できる。【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形成された光導波路であって、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、前記周期構造は、前記光導波路の表面に設けられた複数のピットによって構成され、前記複数のピットが２次元フォトニック結晶構造を有していることを特徴とする光導波路。
【請求項２】
前記光導波路がリッジ構造、あるいは、リブ構造導波路であることを特徴とする請求項１記載の光導波路。
【請求項３】
前記複数のピットが空洞であるか、あるいは、前記基板の誘電率とは異なる誘電率を有する材料で埋められていることを特徴とする請求項１あるいは２記載の光導波路。
【請求項４】
前記２次元フォトニック結晶構造が、前記ピットの径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１〜３いずれかに記載の光導波路。
【請求項５】
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１〜４いずれかに記載の光変調素子。
【請求項６】
請求項５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７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７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３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。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２倍以上も高く、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形成された光導波路であって、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、前記周期構造は、前記光導波路の表面に設けられた複数のピットによって構成され、前記複数のピットが２次元フォトニック結晶構造を有していることを特徴とする。
【００１８】
また、好ましい実施形態において、前記光導波路がリッジ構造、あるいは、リブ構造導波路で構成されている。
【００１９】
また、好ましい実施形態において、前記複数のピットが空洞であるか、あるいは、前記基板の誘電率よりも低い誘電率を有する材料で構成されている。
【００２０】
また、好ましい実施形態において、前記２次元フォトニック結晶構造が、前記ピットの径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、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構成を有している。
【００２２】
また、本発明の通信システムは、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、例えば光り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。この光変調素子を通信システムに用いることにより、ミリ波レベルの高周波信号を利用した通信が可能になる。
【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で屈折率媒質を配列した新しい光材料である。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、光のエネルギのバンド構造が形成され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と、たとえば金属チタンの熱拡散などによって形成された高屈折率部分４とによって、形成されている。本リッジ型光導波路では、光導波路部分６の深さ方向の光波の閉じ込めは、金属チタンの熱拡散等による屈折率差（通常0.2%程度）によるものなので、光波の閉じこめ効果はあまり強くないが、横方向は、基板と空気との間の大きな屈折率差があるので、光波は非常に強く閉じこめられる。したがって、基板１の表面内の２次元的方向に対して非常に強い閉じこめを実現できる特徴がある。
【００２７】
さらに、このリッジ形光導波路のリッジ部分２の表面には図のように周期的に並んでいるピット３が形成されており、フォトニクス結晶構造部分５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、ピット３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。このような特性を有する構造を一般にフォトニック結晶構造と言い、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ほぼ比例関係にあり、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、群速度が変化することはない。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部分を伝搬する光波に比べて、群速度が非常に小さくなる。
【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５を通過するので、通過する光波の群速度は、ピット３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】
光導波路は、通常、光波の屈折率差による全反射により、光を閉じ込めて伝搬させる。したがって、光導波路は、光波のエネルギーの大部分が通過する屈折率の高いコア部分と、その周りの低屈折率のクラッド部分とからなる。光導波路としては、通常、金属の拡散やプロトン交換処理などによって形成される。これら拡散法やプロトン交換法によって形成される光導波路は、本構成のリッジ導波路やリブ導波路のように表面をエッチングする必要がないため作成が簡単であるが、コア部と、クラッド部との屈折率差が非常に小さい（通常0.2%程度）ので、光波の閉じ込め効果が小さく、導波路内の構造の変化によってわずかな散乱を受けても、光波が導波路外に散乱されてしまう問題がある。本構成においては、リッジ導波路、あるいは、リブ型導波路は横方向には、基板と空気との大きな屈折率差（２倍以上）があるので、横方向の閉じ込めが非常に強く、本構成のように、導波路上に２次元的な構造を作り込んで、２次元方向にわずかな散乱が生じても、その影響を受けにくいことがわかった。それによって、本構成においては、従来構造ではなしえなかった低損失性と小さな群速度とを同時に実現することが可能である。
【００３０】
一般に、図１(c)に示すように、高屈折率部分４がリッジ部分２の先端部にのみあり、光導波路部分６がリッジ部分２の中に収まっている構造をリッジ型導波路、図１(d)のように、突起部分以外の表面上にも高屈折率層が広がっている構造をリブ型導波路と呼ぶ。どちらの構造も横方向の閉じ込めが強いが、リッジ型導波路の方が幾分強い閉じ込めが実現できる。また、リブ型導波路では、閉じ込めは幾分弱くなるが、基板１と高屈折率部分４との間の屈折率差が小さい場合でも導波路を形成できる利点がある。
【００３１】
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0.1λ〜1λ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。
【００３２】
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、ピットの径が０．１〜１μ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。
【００３３】
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やピット３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できる。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、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ＬｉＮｂＯx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。
【００３４】
上記実施例では、ピットは空洞である場合についての説明であったが、ピットの中は、基板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とピット２の中の材料との屈折率差が大きいほど、少ないピットの数で同様の効果を発揮させることが可能になる。
【００３５】
（実施の形態２）
図３を参照する。実施形態１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３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３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５のピット３の径や周期、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。
【００３６】
（実施の形態３）
実施の形態３の光変調素子を図４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。
【００３７】
（実施の形態４）
次に、図５を参照する。本構成では、前記実施形態２あるいは３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２あるいは３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。
【００３８】
前記実施の形態２〜４では、実施の形態１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。
【００３９】
（実施の形態５）
次に、図６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。
【００４０】
本実施形態のファイバ無線システム５０は、第１および第２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。
【００４１】
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】
【００４２】
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】
【００４３】
【図１】（ａ）は、本発明による光導波路の第１の実施形態の斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）および（ｄ）はそのＡ−Ａ’線断面図
【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４】（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５】（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６】本発明による通信システムの実施形態を示す図
【図７】光変調素子の従来例を示す斜視図
【符号の説明】
【００４４】
１    基板
２    突起部分
３    ピット
４    高屈折率部分
５    フォトニック結晶構造部分
６    光導波路部分
７    分散曲線
８    フォトニックバンドギャップ
９    低群速度状態部分
１０    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】
2005257985.tif 000003
【図２】
2005257985.tif 000004
【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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