(57)【要約】【課題】通信システム等に組み込み得る小型で高効率の光変調素子を提供する。【解決手段】本発明の光変調素子は、ある面に沿って延びる光導波路２と、光波の伝搬を前記面に平行な方向において規制する第１光ガイド部（ピット９のアレイ）と、光波の伝搬を前記面に垂直な方向において規制する第２光ガイド部（基板１における高屈折率層１１以外の部分）とを有する光変調素子である。第１光ガイド部は光導波路２の外部に配置されたフォトニック結晶を有し、かつ、第２光ガイド部は光導波路２の屈折率よりも低い屈折率を有する領域を有しており、第１光ガイド部、および第２光ガイド部は、いずれも、電気光学効果を示す材料から形成された基板内に設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある面に沿って延びる光導波路と、光波の伝搬を前記面に平行な方向において規制する第１光ガイド部と、前記光波の伝搬を前記面に垂直な方向において規制する第２光ガイド部とを有する光変調素子であって、
前記第１光ガイド部は前記光導波路の外部に配置されたフォトニック結晶を有し、かつ、前記第２光ガイド部は前記光導波路の屈折率よりも低い屈折率を有する領域を有しており、
前記第１光ガイド部、および第２光ガイド部は、いずれも、電気光学効果を示す材料から形成された基板内に設けられており、かつ、前記第２光ガイド部は、前記光導波路の結晶構造と実質的に同一の結晶構造を有している光変調素子。
【請求項２】
前記光導波路は、前記基板上または前記基板内に形成されている請求項１に記載の光変調素子。
【請求項３】
前記基板は、前記面に平行な主面を有しており、
前記光導波路および前記第１光ガイド部は、前記基板の主面側に形成され、
前記光導波路の下方に位置している請求項１または２に記載の光変調素子。
【請求項４】
前記第１光ガイド部は、前記基板の主面に設けられた凹部および／または凸部の周期的配列構造を有している請求項３に記載の光変調素子。
【請求項５】
前記光導波路は、前記基板の主面側に形成された改質層から構成されている請求項３または４に記載の光変調素子。
【請求項６】
前記光導波路を伝搬する光に対して光変調用高周波信号を印加する電極を前記基板上に備えている、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】
前記第１光ガイド部は、前記面に平行な方向に伝搬しようとする光波に対するフォトニックバンドギャップを有する２次元フォトニック結晶構造を有している請求項１から６のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項８】
前記光導波路の少なくとも一部分は、前記第１光ガイド部のフォトニック結晶構造と接触している請求項１から７のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項９】
前記光導波路は少なくとも２本の分岐光導波路を有しており、それによってマッハツェンダー干渉計を形成している請求項１から７のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項１０】
前記２本の分岐光導波路の間の領域がフォトニック結晶構造を有している請求項９に記載の光変調素子。
【請求項１１】
前記２本の分岐光導波路の分岐角度は、５°以上である請求項９または１０に記載の光変調素子。
【請求項１２】
前記２本の分岐光導波路の間隔は、１０μｍ以下である請求項９から１１のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項１３】
電気信号を光信号に変換するための光変調素子を備えた通信システムであって、
前記光変調素子は、請求項１から１２のいずれかに記載された光変調素子である、通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システムおよび光信号処理システムなどに用いられる光変調素子と、当該光変調素子を有する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など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はますます増大するものと考えられる。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、いわゆる電気光学光変調素子は、超高速動作が可能であり、また、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。
【０００３】
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設けられた変調信号を伝搬させる伝送線路と、伝送線路の近傍に形成された光導波路とにより構成されている。つまり、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調信号に伴って変化するという現象を利用したものである。
【０００４】
ところで、電気光学光変調素子においては、光変調の基本となる電気光学係数は、通常の結晶では比較的小さい。従って、この方式の光変調素子においては、高い変調効率を実現するため、電界を光導波路に効率よく印加することが重要となる。
【０００５】
図６は、非特許文献１に記載されている従来の光変調素子の一例を簡略化して示した斜視図である。この光変調素子においては、電気光学効果を有する材料から形成された基板１の表面部に光導波路２が形成されている。光導波路２は、基板１の屈折率を他の部分よりもわずかに増加させた領域から構成されており、全反射によって光波を導波させることができる。屈折率の上昇は、基板１の一部に金属を熱拡散することなどによって行なわれるる。光導波路２の左右両側において、基板１の上面上には、アルミニウムや金などの金属膜からなる変調電極３が設けられている。変調電極３は互いに平行な２つの線路３ａ、３ｂによって構成されており、コプレナー線路構造を有している。
【０００６】
光導波路２は、２箇所の分岐点７ａ、７ｂで２つの分岐光導波路２ａ、２ｂに分岐しており、入口側光導波路２ｃから入力された入力光が一方の分岐点７ａで分岐して２つの分岐光導波路２ａ、２ｂを通過した後、他方の分岐点７ｂで共通の出口側光導波路２ｄを進むように構成されている。
【０００７】
基板１の上には、光導波路２の各分岐光導波路２ａ、２ｂに沿うように延びる２つの線路３ａ、３ｂからなるコプレナー線路構造の変調電極３が設けられている。各線路３ａ、３ｂの各内側端は、各分岐光導波路２ａ、２ｂのほぼ中央部の直上に位置するように形成されていて、変調電極３の一方の端に高周波信号源４が接続され、他方の端には終端抵抗５が接続されている。
【０００８】
入力光は、入口側光導波路２ｃから導入され、各分岐光導波路２ａ、２ｂを通過する際に、以下のように、光変調作用を受ける。
【０００９】
高周波信号源４から高周波信号が供給されると、変調電極３を光と同じ方向に伝搬し、間隙部６に電界が生じる。そして、電気光学的効果により、分岐光導波路２ａ、２ｂを構成する材料の屈折率が電界強度に応じて変化する。本形態においては、分岐光導波路２ａと分岐光導波路２ｂ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つの分岐光導波路２ａ、２ｂを通る光には互いに逆の位相変化が与えられる。したがって、出口側光導波路２ｄでは、分岐光導波路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、本形態の光変調素子は光強度変調器として動作する。
【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】
【００１０】
従来の電気光学光変調器は、屈折率差を利用して光を閉じこめる光導波路を用いている。この場合、曲がり部分８において、急激な曲がりを作ると、光波が光導波路外に放射し、損失の原因となるので、曲がり角度（通常１°程度）は非常に小さくする必要がある。また、分岐部分７ａ、７ｂにおいても、分岐角度を大きくすると、光波が分岐光導波路に移行せずに、同様に光導波路外に放射し、損失の原因となるので、これについても同様に、分岐角度を非常に小さくする必要がある。このため、素子サイズが特に長手方向の寸法が非常に大きくなるという問題があった。
【００１１】
また、間隙部６の幅を小さくし、光導波路２ａ、２ｂを接近させることにより、同じ電圧に対して、生じる電界強度が大きくできるので、変調効率を改善できるが、実際には、光導波路間の光波の結合の影響のために、通常２０〜３０μｍ程度以下にはできない。この点も、素子の小型化、高効率化を阻む要因の一つである。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、光通信システム等に組み込み得る小型で高効率の光変調素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による光変調素子は、ある面に沿って延びる光導波路と、光波の伝搬を前記面に平行な方向において規制する第１光ガイド部と、前記光波の伝搬を前記面に垂直な方向において規制する第２光ガイド部とを有する光変調素子であって、前記第１光ガイド部は前記光導波路の外部に配置されたフォトニック結晶を有し、かつ、前記第２光ガイド部は前記光導波路の屈折率よりも低い屈折率を有する領域を有しており、前記第１光ガイド部、および第２光ガイド部は、いずれも、電気光学効果を示す材料から形成された基板内に設けられており、かつ、前記第２光ガイド部は、前記光導波路の結晶構造と実質的に同一の結晶構造を有している
好ましい実施形態において、前記光導波路は、前記基板上または前記基板内に形成されている。
【００１４】
好ましい実施形態において、前記基板は、前記面に平行な主面を有しており、前記光導波路および前記第１光ガイド部は、前記基板の主面側に形成され、前記光導波路の下方に位置している。
【００１５】
好ましい実施形態において、前記第１光ガイド部は、前記基板の主面に設けられた凹部および／または凸部の周期的配列構造を有している。
【００１６】
好ましい実施形態において、前記光導波路は、前記基板の主面側に形成された改質層から構成されている。
【００１７】
好ましい実施形態において、前記光導波路を伝搬する光に対して光変調用高周波信号を印加する電極を前記基板上に備えている。
【００１８】
好ましい実施形態において、前記第１光ガイド部は、前記面に平行な方向に伝搬しようとする光波に対するフォトニックバンドギャップを有する２次元フォトニック結晶構造を有している。
【００１９】
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分は、前記第１光ガイド部のフォトニック結晶構造と接触している。
【００２０】
好ましい実施形態において、前記光導波路は少なくとも２本の分岐光導波路を有しており、それによってマッハツェンダー干渉計を形成している。
【００２１】
好ましい実施形態において、前記２本の分岐光導波路の間の領域がフォトニック結晶構造を有している。
【００２２】
好ましい実施形態において、前記２本の分岐光導波路の分岐角度は、５°以上である。
【００２３】
好ましい実施形態において、前記２本の分岐光導波路の間隔は、１０μｍ以下である。
【００２４】
本発明による通信システムは、電気信号を光信号に変換するための光変調素子を備えた通信システムであって、前記光変調素子は、請求項１から１３のいずれかに記載された光変調素子である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の光変調素子によれば、光変調効率が向上し、素子を小型化できる。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】
【００２６】
近年、「フォトニック結晶」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」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、フォトニック結晶では、光のエネルギのバンド構造が形成される。バンド構造に形成に伴い、フォトニック結晶中には「フォトニックバンドギャップ」が形成される。このフォトニックバンドギャップに相当するエネルギを有する光は、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶中を伝搬することができない。
【００２７】
本発明では、電気光学効果を有する材料にフォトニック結晶構造を形成し、実用的な光変調素子を実現する。
【００２８】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００２９】
（実施形態１）
まず、図１（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の実施形態を説明する。図１（ａ）は、本実施形態の光変調素子の平面図であり、図１（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図である。
【００３０】
図１（ａ）に示すように、本実施形態の光変調素子は、電気光学効果を示す材料から形成された基板１と、この基板１内に設けられた光導波路とを有しており、光導波路内への光波の閉じ込めは、２つの異なる手段によって行なっている。すなわち、この光変調素子は、光波の伝搬を基板主面に平行な方向において規制する第１光ガイド部と、光波の伝搬を基板主面に垂直な方向において規制する第２光ガイド部とを有している。
【００３１】
第１光ガイド部は光導波路の外部に配置されたフォトニック結晶を有し、第２光ガイド部は光導波路の屈折率よりも低い屈折率を有する領域を有している。第１光ガイド部、および第２光ガイド部は、いずれも、基板内に設けられており、かつ、第２光ガイド部は、光導波路の結晶構造と実質的に同一の結晶構造を有している
基板１は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）単結晶、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結晶材料から形成されている。この基板１の主面のうち、第１光ガイド部として機能する領域には、エッチングによって形成された多数の凹部（ピット）９が配列されている。基板１の主面のうち、光導波路２が設けられている領域にはピット９は形成されておらず、光導波路２の平面レイアウトは、ピット９が形成された領域（第１光ガイド部）によって規定されている。
【００３２】
ピット９の形状、大きさ、および配置を適切に設定することにより、いわゆる２次元のフォトニック結晶構造を構成することができる。こうして形成したフォトニック結晶構造部分では、２次元方向（基板１の主面に平行な面内方向）にフォトニックバンドギャップが生じる。フォトニックバンドギャップが生じると、ある周波数の光波が前記面内方向に伝搬しないようにすることができる。なお、図１においては、ピット９が円柱形状を有するように記載されているが、ピット９の形状は円柱に限定されない。
【００３３】
本実施形態では、２次元的なフォトニック結晶構造を用いることにより、フォトニックバンドギャップに相当する周波数の光波の２次元的なガイド構造を形成しているが、このガイド構造だけでは、基板１の主面に対して垂直な方向に光波の伝搬は可能である。そこで、本実施形態の光変調素子では、光導波路と、その下方領域との間に屈折率差を形成することにより、光波が光導波路から下方に漏れてゆかないようにしている。このように、本実施形態の特徴点の一つは、横方向の光の閉じ込めはフォトニック結晶構造によって行い、垂直方向の光の閉じ込めは屈折率差によって実現している点にある。より具体的には、図１（ｂ）に示すように、基板１の表面領域に他の領域よりも屈折率がわずかに高い部分（高屈折率層１１）を形成している。この高屈折率層１１は、例えば、電気光学効果を有する結晶に対して金属の熱拡散やプロトン交換などの処理を行なうことにより、簡単に形成することができる。高屈折率層１１が形成された部分の基本的な結晶構造は、基板１の結晶構造と実質的に同一でありながら、屈折率が他の部分によりも上昇している。上述した「第２ガイド部分」は、基板１の内部において高屈折率層１１以外の部分（高屈折率層１１に隣接する部分）に相当している。
【００３４】
なお、深さ方向に関する光波の伝搬制御は、例えば図２（ａ）および（ｂ）に示す構成（公知技術の単なる組み合わせによる構成）によっても実現することが可能である。図２（ａ）および（ｂ）に示す構成では、基板１が導波部分を空中に浮かすように支持している。このよう構造は、例えば、次のようにして作製される。まず、ＳｉＯ2からなる基板１の上にＳｉ層１１０を形成する。このＳｉ層１１０に微小な開口部の配列を形成することによって２次元的なフォトニック結晶構造を作製した後、ＳｉＯ2をエッチングする薬液を、上記開口部を介してＳｉＯ2の基板１に供給する。こうすることにより、基板１のうち、上記開口部に接する領域からエッチングが進行する。エッチング時間を適切に選択することにより、所定の厚さを有する空間を導波部分の下方に形成することができる。
【００３５】
しかし、このような構成を採用する場合は、基板１の部分的なエッチングに用いる薬液の状態やエッチング時間によっては空洞を再現性良く形成できず、製造歩留まりが低くなる。また、ＬｉＮｂＯ3に代表される電気光学結晶を基板に用いる場合には、このような作製方法は適用できないので、電気光学結晶を用いて図２（ａ）および（ｂ）の構成を実現することはできない。
【００３６】
これに対し、本実施形態では、光波の伝搬を深さ方向に関して規制するため、エッチングなどの処理を基板に対して行なう代わりに、基板１の主面側で表面改質を行なうことにより、高屈折率層１１を形成している。光波は、相対的に屈折率の高い領域に閉じ込められ、しかも、フォトニックバンドギャップに相当する波長の光はフォトニック結晶構造を有する領域には侵入しない。このため、本実施形態の光変調素子によれば、基板表面に形成された高屈折率層１１のうち、ピット９が存在しない部分（光導波路２の部分）のみを光波が伝搬することになる。
【００３７】
なお、フォトニックバンドの大きさは、ピット９の配列周期に大きく依存する。このため、光導波路を伝搬させるべき光波の波長が与えられたならば、その波長の伝搬を阻止するようにピット９の配列周期が決定される。
【００３８】
図１（ａ）では、基板１の主面のうち、光導波路以外の領域の全体にピット９が配列されているが、実際には、光導波路から離れた位置にピット９を配置する必要はない。ピット９は、数個程度の列によってもフォトニック結晶構造を形成し得る。このため、光導波路の近傍に複数列のピット９が形成されていれば、基板１の主面において光導波路以外の領域の全体にピット９が形成されている必要はない。
【００３９】
したがって、光導波路のうち、大きく折れ曲がる部分の近傍のみにピット９の配列を形成しても良い。すなわち、従来から知られているタイプの種々の光導波路と、本発明の光導波路とを同一基板上に組み合わせて用いても良い。
【００４０】
図１（ｂ）では、ピット９の内部は空洞であって空気に満たされているように記載されているが、ピット９の内部は、基板１の材料とは異なる材料で埋められていてもよい。例えば、基板１の主面は絶縁膜で被覆されていても良い。この場合、この絶縁膜の屈折率は、基板１に形成する高屈折率層１１の屈折率とは異なる値を持つ必要がある。
【００４１】
ピット９の形成は、例えば次のようにして行なうことができる。すなわち、フォトリソグラフィ技術によって基板１の主面上に感光性レジストを形成した後、ピット９の配列パターンを規定するフォトマスクを用いて、この感光性レジストを露光・現像する。次に、このようにしてパターニングした感光性レジストをエッチングマスクとして用い、基板１の露出部分を選択的にエッチングすればよい。高屈折率層１１は、ピット９の形成前に基板１の主面に形成しておく。基板１の他の部分に比べて高屈折率層１１を優先的にエッチングする条件でピット９のためのエッチングを行なうことができれば、高屈折率層１１の厚さに対応した深さを有するピット９を再現性良く形成しやすくなる。
【００４２】
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、ピット９のアレイ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。
【００４３】
本実施形態の光導波路２は、マッハツェンダー干渉計として動作するように２箇所の分岐点７ａ、７ｂで２つの分岐光導波路２ａ、２ｂに分岐している。入口側光導波路２ｃから入力された入力光が一方の分岐点７ａで分岐して２つの分岐光導波路２ａ、２ｂを通過した後、他方の分岐点７ｂで共通の出口側光導波路２ｄを進み干渉する。図１（ａ）における点線の矢印は、光の伝搬経路を示している。
【００４４】
基板１の主面側には、光導波路２の各分岐光導波路２ａ、２ｂに沿うように２つの線路３ａ、３ｂから構成される変調電極３が設けられている。各線路３ａ、３ｂの各内側端は、各分岐光導波路２ａ、２ｂのほぼ中央部の直上に位置するように形成されている。変調電極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それぞれ構成されている。
【００４５】
入力光は、入口側光導波路２ｃから導入され、各分岐光導波路２ａ、２ｂを通過する際に、以下のように、光変調作用を受ける。
【００４６】
変調電極３の各線路３ａ、３ｂ間に変調信号が印加されると、間隙部６には電界が生じる。そして、電気光学的効果により、分岐光導波路２ａ、２ｂを構成する材料の屈折率が電界強度に応じて変化する。本実施形態においては、分岐光導波路２ａと分岐光導波路２ｂ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つの分岐光導波路２ａ、２ｂを通る光には互いに逆の位相変化が与えられる。したがって、出口側光導波路２ｄでは、分岐光導波路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。
【００４７】
基板１のピット９が形成されている領域では、２次元方向（基板１の面内方向）にフォトニックバンドギャップが生じているため、バンドギャップに対応する周波数の光波は、このピット９が形成されている領域には伝搬できない。このため、曲がり部分８や分岐部分７での角度を非常に大きく取ったとしても、それらの部分における光波の放射による損失は非常に小さい。したがって、本実施形態の光変調素子は、従来の光導波路を用いた光変調素子に比べて特に長手方向のサイズを格段に小さくすることができる。
【００４８】
以下、図７を参照しながら、この点を詳細に説明する。
【００４９】
図７（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、光導波路２ｃから２本の光導波路２ａ、２ｂが分岐している部分を示している。図７（ａ）および図７（ｂ）を比較するとわかるように、光導波路２ａと光導波路２ｂとの間の分岐角を大きくすると、分岐のために必要な領域を少なくし、光変調素子を小型化できる（Ｌ１＞Ｌ２）。しかし、光変調素子において標準的に利用されている全反射型導波路（ＬｉＮｂＯ3結晶基板のＴｉ拡散法によって形成される導波路）を用いて基板面内方向における光の閉じ込めを行なう光変調素子では、光導波路２ａと光導波路２ｂとの間の分岐角を例えば５°以上に大きくすることはできない。このため、その分岐角は０．１〜２°程度に設定される。公知の光変調素子構造では、光導波路２ａと光導波路２ｂとが並走する部分での光導波路の間隔は、２０〜３０μｍ程度である。このため、長さＬ１は１〜２０ｍｍ程度の大きさになってしまう。このため、光変調素子のサイズを小さくするには、この長さＬ１を短縮することが強く求められる。
【００５０】
一方、図７（ｃ）からわかるように、光導波路２ａおよび光導波路２ｂが並走する領域での光導波路２ａ、２ｂの間隔を短縮すると、分岐角が小さい場合でも、光変調素子を小型化できる（Ｌ２≒Ｌ３）。しかし、光導波路２ａ、２ｂの間隔を短縮すると、光導波路２ａ、２ｂを伝搬する光が相互に干渉するという問題が生じる。このため、従来の全反射型導波路では、光導波路２ａ、２ｂを１０μｍ以下に近づけることは困難である。
【００５１】
これに対し、本実施形態の光変調素子では、フォトニック結晶構造によって光をガイドするため、図１（ａ）の破線で示すように急角度で屈曲する光導波路を実現でき、また、近接配置した光導波路間の干渉を抑制することも可能になる。
【００５２】
さらに、本実施形態の光変調素子によれば、フォトニック結晶構造が光導波路２ａ、２ｂの近傍に存在するため、光導波路２ａ、２ｂを伝搬する光波の群速度が低下するという効果も得られる。こうして光波の伝搬速度が低下すると、光導波路２ａ、２ｂ中に蓄積される光波のエネルギが増加する。この効果によっても、変調効率が向上する。
【００５３】
なお、ピット９の深さは、光導波路２の中を伝搬する光波の電磁界が存在する程度の深さ（通常は５μｍ程度以下）であれば十分である。ただし、ピット９が比較的浅い場合であっても、高屈折率層１１の屈折率を高く設定すれば、光波の垂直方向の閉じこめ効果が強まるため、ピット９が深い場合に得られる効果と同様の効果を得ることができる。ピット９の直径は、光波の基板１内における波長の約１／４に設定することが好ましく、ピット９の配列周期は上記波長の約１／２に設定することが好ましい。
【００５４】
本実施形態では、図１（ｂ）に示されているように、基板１の主面のうち、フォトニック結晶構造が形成されている領域にも高屈折率層１１が存在している。光波の横方向におけるガイドについては、フォトニック結晶構造によって実現するため、高屈折率層１１を光導波路部分のみに形成する必要はない。このため、高屈折率層１１を基板表面に形成するために必要な金属の拡散やプロトン交換などの処理に際して、マスクを用い、選択された領域のみに高屈折率層１１を形成しても良い。
【００５５】
（実施形態２）
以下、図３（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２の実施形態を説明する。図３（ａ）は、本実施形態の光変調素子の平面図であり、図３（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図である。
【００５６】
本実施形態の光変調素子には、図３（ａ）に示すように、電気光学効果を有する基板１の表面部に、安息香酸を用いたプロトン交換法、金属膜の熱拡散法などを用いて形成された光導波路２が設けられている。基板１は、第１の実施形態で用いる基板１の材料と同様の材料から形成されている。
【００５７】
本実施形態における光導波路２は、基板１の主面に平行な方向における光の閉じ込めが可能なように、垂直方向だけではなく横方向にも屈折率差が与えられている。すなわち、第１の実施形態においては、高屈折率層１１が基板１の主面にマスク無しに形成されているが、本実施形態では、マスクパターンを用いることにより、光導波路となる領域に他の部分によりも屈折率の高い領域が形成される。
【００５８】
光導波路２は、２箇所の分岐点７ａ、７ｂで２つの分岐光導波路２ａ、２ｂに分岐している。入口側光導波路２ｃから入力された光は、一方の分岐点７ａで分岐して２つの分岐光導波路２ａ、２ｂを通過した後、他方の分岐点７ｂで共通の出口側光導波路２ｄを進むように構成されており、光導波路によるマッハツェンダー干渉計として動作する。
【００５９】
本実施形態に特徴的な点は、光導波路２ａ、２ｂ間に、エッチングにより形成された多数個のピット９が形成されている点にある。このピット９の形状、大きさ、および配置を適切に設定することにより、いわゆる２次元のフォトニック結晶構造が形成されている。これにより、２次元方向（基板１の主面に平行な方向）にフォトニックバンドギャップが生じている。本実施形態ににおけるピット９の役割は、２つの分岐光導波路２ａ、２ｂの間での光の結合・干渉を遮断することにある。
【００６０】
基板１の上には、光導波路２の各分岐光導波路２ａ、２ｂに沿うように２つの線路３ａ、３ｂから構成された変調電極３が設けられている。各線路３ａ、３ｂの各内側端は、各分岐光導波路２ａ、２ｂのほぼ中央部の直上に位置するように形成されている。変調電極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それぞれ構成されている。
【００６１】
入力光は、入口側光導波路２ｃから導入され、各分岐光導波路２ａ、２ｂを通過する際に、以下のように、光変調作用を受ける。
【００６２】
変調電極３の一端から高周波信号が入力され、変調電極３の各線路３ａ、３ｂに変調信号が伝搬すると、間隙部６には電界が生じる。そして、電気光学的効果により、分岐光導波路２ａ、２ｂを構成する材料の屈折率が電界強度に応じて変化する。本実施形態においては、分岐光導波路２ａと分岐光導波路２ｂ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つの分岐光導波路２ａ、２ｂを通る光には互いに逆の位相変化が与えられる。したがって、出口側光導波路２ｄでは、分岐光導波路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。
【００６３】
本実施形態によれば、光導波路２ａと光導波路２ｂとの間隙部６において、２次元方向（基板１の面内方向）にフォトニックバンドギャップが生じるため、特定周波数の光波が上記面内方向に伝搬できなくなる、このような構成を採用することにより、光導波路２ａと光導波路２ｂとを接近させて配置した場合でも、これらの光導波路間における光波の結合を抑えることができる。その結果、フォトニック結晶構造を設けない場合に比べて、光導波路２ａと光導波路２ｂとをより接近させることができる。具体的には、従来の光変調素子によると、２本の光導波路の間隔は２０〜３０μｍ程度が必要であるが、本実施形態の光変調素子によれば、この間隔を１０μｍ程度またはそれ以下に減少させることが可能である。このように分岐した光導波路間隔を狭めると、同じ電圧を変調電極３ａ、３ｂ間に印加した場合でも、間隙部６に強い電界が生じるため、光導波路２ａ、２ｂ中の光波に与えられる位相変化量が大きくなり、変調効率が向上する。
【００６４】
また、光導波路２ａ、２ｂフォトニック結晶構造の影響が、光導波路２ａ、２ｂを伝搬する光波の伝搬特性にも影響を与える。また、多くの場合、フォトニック結晶構造の存在によって、光導波路２ａ、２ｂを伝搬する光波の群速度を低下させられるので、これによって、光波の伝搬速度が低下し、光導波路２ａ、２ｂ中に光波のエネルギが蓄積される。この効果によっても、変調効率を向上させることができる。
【００６５】
（実施形態３）
以下、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３の実施形態を説明する。図４（ａ）は、本実施形態の光変調素子の平面図であり、図４（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図である。
【００６６】
本実施形態の光変調素子は、分岐光導波路の間に設けられたフォトニック結晶構造を除けば、実施形態２における光変調素子と同様の構成を有している。すなわち、本実施形態では、分岐光導波路の光学的な干渉を抑制・遮断するために、１次元フォトニック結晶構造を採用している。
【００６７】
図４（ａ）および（ｂ）に示すように、光の伝搬方向に延びた溝１０の列が間隙部６に形成されている。溝１０の幅、間隔、および深さを適切に選択することにより、溝１０を横切る方向にフォトニックバンドギャップが生じる、いわゆる１次元のフォトニック結晶構造を構成した場合でも同様に有効である。なお、溝１０の幅と並びの周期は、それぞれ、光波の基板内での波長のおおむね１／４および１／２に設定することが好ましい。この場合、光波は溝１０を横切る方向には伝搬できないので、実施形態２と同様に光導波路２ａ、２ｂ間の結合を抑えることができる。このため、光導波路２ａと光導波路２ｂとを近づけることが可能である。それによって、光導波路２ａ、２ｂの間隔を短くすることにより、前述した理由から、光変調効率を向上させることができる。
【００６８】
本実施形態によれば、図３に示すピット９の配列を利用する場合に比べ、基板１に形成する凹部（溝１０）の深さが浅くても同等の効果を発揮させることができる。このため、エッチングすべき領域範囲の面積は大きくなるが、溝１０を形成するためのエッチングは容易である。
【００６９】
（実施形態３）
次に、図５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。
【００７０】
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。
【００７１】
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、ミリ波等の無線信号で変調された光信号を、光ファイバ７０を通して伝送することが効果的である。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
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、光変調に伴う光信号の位相の乱れが少ないため、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】
【００７３】
【図１】（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であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図である。の平面図及び要部の断面図である。
【図２】（ａ）は、フォトニック結晶構造を有する導波路で光変調素子を構成する場合において、公知技術を組み合わせた場合の仮想的な光変調素子の平面図であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図である。
【図３】（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であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図である。
【図４】（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であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図である。
【図５】本発明による通信システムの実施形態を示す図である。
【図６】光変調素子の従来例を示す斜視図である。
【図７】（ａ）から（ｃ）は、いずれも、光変調素子における分岐導波路の形状およびサイズの例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１    基板
２    光導波路
２ａ  分岐光導波路
２ｂ  分岐光導波路
２ｃ  入口側光導波路
２ｄ  出口側光導波路
３    変調電極
３ａ  線路
３ｂ  線路
４    信号源
５    終端抵抗
６    間隙部
７ａ  分岐点
７ｂ  分岐点
８  曲がり部分
９  ピット
１０  溝
１１  高屈折率層
【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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