(57)【要約】【課題】  １つの進行波電極でチャーピングがゼロの光パルスを形成できる光変調器を提供する。【解決手段】 ＬＮ基板１と、ＬＮ基板１の一面側に形成され、入射光を分岐し合波するための分岐光導波路６、７と、ＬＮ基板１の一面側で分岐光導波路６、７の近傍に形成され、分岐光導波路６、７を伝搬する光と相互作用する高周波電気信号を伝搬させる中心電極１３及びアース電極１４からなる相互作用部２２とを具備し、相互作用部２２の領域で分岐光導波路６、７を伝搬する光の位相を変調する光変調器において、相互作用部２２は、少なくとも、所定の長さＬ１を有する第１の相互作用部２２ａ及び所定の長さＬ２を有する第２の相互作用部２２ｂとを含む複数の相互作用部から構成され、第１の相互作用部２２ａの中心電極の幅Ｗ１とアース電極の幅Ｗ２との大小関係が、第２の相互作用部２２ｂの中心電極の幅Ｗ１’とアース電極の幅Ｗ２’との大小関係と逆になっている。【選択図】図１
2005141171.tif 000002
【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なる基板（１）と、前記基板の一面側に形成され、入射された光を分岐し合波するための分岐光導波路（６、７）を備えた光導波路（２）と、前記基板の一面側で前記分岐光導波路の近傍に形成され、該分岐光導波路を伝搬する光と相互作用する高周波電気信号を伝搬させる中心電極（１３）及びアース電極（１４）からなる相互作用部（２２）とを具備し、前記相互作用部の領域で前記分岐光導波路を伝搬する光の位相を変調する光変調器において、
前記相互作用部は、少なくとも、所定の長さＬ１を有する第１の相互作用部（２２ａ）及び所定の長さＬ２を有する第２の相互作用部（２２ｂ）とを含む複数の相互作用部から構成され、該複数の相互作用部のそれぞれの中心電極同士及びアース電極同士がそれぞれ接続されてなり、かつ、前記複数の相互作用部における前記第１の相互作用部の中心電極の幅Ｗ１とアース電極の幅Ｗ２との大小関係が、前記複数の相互作用部における前記第２の相互作用部の中心電極の幅Ｗ１’とアース電極の幅Ｗ２’との大小関係と逆になっていることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記分岐光導波路を伝搬し、前記相互作用部で変調された後に合波されて前記光導波路から出射された光のチャーピングがほぼゼロとなるように、前記第１の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１、前記アース電極の幅Ｗ２及び前記長さＬ１、並びに前記第２の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１’、前記アース電極の幅Ｗ２’及び前記長さＬ２を設定したことを特徴とする請求項１記載の光変調器。
【請求項３】
前記分岐光導波路を伝搬し、前記相互作用部で変調された後に合波されて前記光導波路から出射された光のチャーピングがほぼゼロとなるように、前記第１の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１と前記第２の相互作用部の前記アース電極の幅Ｗ２’とをほぼ等しくし、かつ前記第１の相互作用部の前記アース電極の幅Ｗ２と前記第２の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１’とをほぼ等しくするとともに、前記第１の相互作用部の前記長さＬ１と前記第２の相互作用部の前記長さＬ２を設定したことを特徴とする請求項１又は２記載の光変調器。
【請求項４】
前記分岐光導波路を伝搬し、前記相互作用部で変調された後に合波されて前記光導波路から出射された光のチャーピングがほぼ負となるように、前記第１の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１、前記アース電極の幅Ｗ２及び前記長さＬ１、並びに前記第２の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１’、前記アース電極の幅Ｗ２’及び前記長さＬ２を設定したことを特徴とする請求項１記載の光変調器。
【請求項５】
前記分岐光導波路を伝搬し、前記相互作用部で変調された後に合波されて前記光導波路から出射された光のチャーピングがほぼ正となるように、前記第１の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１、前記アース電極の幅Ｗ２及び前記長さＬ１、並びに前記第２の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１’、前記アース電極の幅Ｗ２’及び前記長さＬ２を設定したことを特徴とする請求項１記載の光変調器。
【請求項６】
前記相互作用部の少なくとも一部に、前記第１の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１及び前記アース電極の幅Ｗ２、並びに前記第２の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１’及び前記アース電極の幅Ｗ２’を連続的に変化させた領域を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は小型で消費電力の小さい光変調器に関し、特にＺカットされたＬＮ基板を用いた広帯域でチャーピング特性の優れた光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３：ＬＮ）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する材料を用いた基板（ＬＮ基板）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（ＬＮ光変調器）は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光伝送システムに適用されている。最近では、さらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、キーデバイスとして期待されている。
【０００３】
［従来例１］従来のＬＮ光変調器の斜視図を図８に、また図８のＡ−Ａ’ における断面図を図９に示す。ＺカットされたＬＮ基板（ＺカットＬＮ基板）１の一面側に、分岐光導波路６、７を含んで構成される光導波路２、中心電極３及びアース電極４が形成されている。ここで、分岐光導波路６、７は、分岐干渉型の光導波路つまりマッハツェンダ型光導波路を構成し、また中心電極３とその両側のアース電極４は、高周波電気信号（例えばマイクロ波）を伝搬させるためのコプレーナウェーブガイド（Ｃｏｐｌａｎａｒ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ：ＣＰＷ）進行波電極を構成している。なお、光導波路２は金属チタン（Ｔｉ）を数１０ｎｍ〜１００ｎｍ強の厚みに蒸着後、幅６μｍ〜８μｍ程度にパターニングし、さらに１０００℃前後で熱拡散することにより形成された、いわゆるＴｉ熱拡散光導波路である。
【０００４】
また、進行波電極（中心電極３及びアース電極４）とＺカットＬＮ基板１との間には、図９に示すように、ＳｉＯ２バッファ層５が形成されている。このＳｉＯ２バッファ層５は、光導波路２を伝搬する光が進行波電極である金属（一般に、Ａｕを用いる）から受ける吸収損を抑えるためと、進行波電極を伝搬する高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率（あるいは、進行波電極のマイクロ波等価屈折率）ｎmicroを低減し光導波路２を伝搬する光の等価屈折率（あるいは、光導波路の等価屈折率）ｎoptに近づけるためと、さらには特性インピーダンスを５０Ωに近づけるために、通常、１μｍ程度の厚さに形成される。
【０００５】
次に、このＬＮ光変調器の動作原理を説明する。進行波電極である中心電極３とアース電極４間に電界を印加（高周波電気信号を伝搬）した際に生ずる電気力線８の分布を図１０に示す。この図から分かるように、分岐光導波路６、７を横切る電気力線８の向きは逆向きである。すなわち、中心電極３の下にある分岐光導波路６を伝搬する光の位相変化量をΔφ１、アース電極４の下にある分岐光導波路７を伝搬する光の位相変化量をΔφ２とすると、Δφ１とΔφ２の符号は異なっている。従って、マッハツェンダ型光導波路では２本の分岐光導波路６、７を伝搬する光の位相差Δφt（＝｜Δφ１｜＋｜Δφ２｜）をπとすることにより、光のＯＦＦ状態を実現でき、信号としての光パルスを形成できる。
【０００６】
ところが、この従来のＬＮ光変調器で形成した光パルスには、数１０Ｋｍの長さの単一モード光ファイバー内を伝搬した際に、パルスの形が崩れる、いわゆるチャーピングという問題点があった。すなわち、図１０から分かるように、中心電極３の幅はアース電極４の幅より小さく、その幅はほぼ分岐光導波路６の幅（前述したように６μｍ〜８μｍ程度）と同じで６μｍ〜１１μｍ程度である。従って、中心電極３の下にある分岐光導波路６を伝搬する光と電気力線８との相互作用の効率は高い。一方、アース電極４は広いので中心電極３から出た電気力線８はアース電極４に広く分布し、アース電極４の下にある分岐光導波路７を伝搬する光と電気力線８との相互作用の効率は低い。近似的には｜Δφ１｜≒５｜Δφ２｜となる。そのため、このＬＮ光変調器を用いて形成した光パルスにはチャーピングが生じる。チャーピングの度合いを表すαパラメータは光パルスが有する位相変化量Δφと強度変化量ΔＩを用いて、［α＝−Δφ／ΔＩ］で表され、このＬＮ光変調器の場合はα≒｜０．８｜であった。
【０００７】
［従来例２］上述の従来例１の問題点を解決した従来の別のＬＮ光変調器の断面図を図１１に示す。なお、従来例１と同一要素には同一符号を付し詳細説明は省略する。このＬＮ光変調器は、上述の従来例１で用いられていたＣＰＷ進行波電極を２つ使用するもので、２電極型、あるいはプッシュプル型ＣＰＷ進行波電極と呼ばれている。ＺカットＬＮ基板１の一面側に、分岐光導波路６、７、中心電極９、１０及びアース電極１１、１２が形成されている。このＬＮ光変調器の場合は、分岐光導波路６、７が各々幅の等しい２つのＣＰＷ進行波電極の中心電極９、１０の直下にあるために、この分岐光導波路６、７を伝搬する光のそれぞれの位相変化量は絶対値が等しく符号が逆であり、原理的にチャーピングがゼロとなる。
【０００８】
しかしながら、分岐光導波路６、７を伝搬する光の位相変化量の絶対値を等しく、かつ符号を逆にして、チャーピングをゼロにするためには、中心電極９、１０に正確に正、負逆位相の高周波電気信号を加えなければならず、上述の従来例１とは違った別の問題を発生する。すなわち、ＬＮ光変調器を高周波電気信号で駆動するための回路（通常、ＬＮ光変調器の外部に配置され、集積回路が用いられる）の正、負逆位相の信号出力ポートから中心電極９、１０までのそれぞれの電気的長さが完全に一致していなければならず、実際に実現するには実装上の大きな問題であった。
【０００９】
上述の従来例２の問題点を解決した従来の別のＬＮ光変調器として、ＺカットＬＮ基板の分極反転を利用するものがあった。（例えば、特許文献1参照）
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２０２５３０号公報
【００１１】
［従来例３］従来のＺカットＬＮ基板の分極反転を利用したＬＮ光変調器の上面図を図１２に、また図１２のＤ−Ｄ’ における断面図を図１３に示す。なお、従来例１及び従来例２と同一要素には同一符号を付し詳細説明は省略する。ＺカットＬＮ基板１の一面側に、分岐光導波路２０、２１を含んで構成される光導波路２、中心電極１６及びアース電極１７、１８、１９が形成されている。ここで、分岐光導波路２０、２１は、マッハツェンダ型光導波路を構成し、また中心電極１６とその両側のアース電極１７、１８は、高周波電気信号を伝搬させるための進行波電極を構成している。なお、分岐光導波路２０はＺカットＬＮ基板１の分極反転した領域に形成され、分岐光導波路２１は分極反転していない領域に形成されていて、それぞれの分岐光導波路２０、２１は互いに、伝搬される光のスポットサイズや伝搬損失が異なっている。
【００１２】
このＬＮ光変調器の動作原理を説明する。光導波路２に入射した光は、分岐光導波路２０、２１を伝搬するように２分岐される。そして、進行波電極を構成する中心電極１６も２分岐されているので、高周波電気信号を伝搬した際に生ずる電気力線８の分布は、図１３に示すように、分岐光導波路２０、２１に対して同方向である。ところが、ＺカットＬＮ基板１はマッハツェンダ光導波路の中心付近を境界に分極反転しているので、図１３に示す同方向の電気力線８によっても、分岐光導波路２０、２１を伝搬する光の位相変化量の符号が逆となる。また、分岐光導波路２０、２１の上方にある中心電極１６は互いにほぼ同じ幅であるため、分岐光導波路２０、２１を伝搬する光の位相変化量の絶対値はほぼ同じである。従って、分岐光導波路２０、２１を伝搬する光のそれぞれの位相変化量は絶対値が同じで、符号が逆となり、光パルスのチャーピングはゼロとなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述の従来例３にも以下のような問題があった。すなわち、一般に、ＬＮ光変調器は３インチから４インチの大きさのＺカットＬＮ基板上に数多く製作されるが、各ＬＮ光変調器は１５μｍ〜３０μｍ程度のギャップを有するマッハツェンダ型光導波路を有している。そこで、図１２に示した従来例３のＬＮ光変調器を製作する工程のうち、マッハツェンダ型光導波路を実際に製作する工程について説明する。先ず、マッハツェンダ光導波路すなわち分岐光導波路２０、２１のギャップの中央を想定しつつそこを境界として分極反転させる。この分極を反転させる工程には、ＺカットＬＮ基板１の所望の位置の上面と、下面全面に電極をパターニングし、その後に２０ＫＶ／ｍ以上のパルス状の高電界を印加して分極ドメインを反転させ、その後に上下に形成した電極をエッチングはく離するという複雑な工程が含まれている。次に、分極反転した境界が分岐光導波路２０、２１のギャップの中央に合うように分岐光導波路２０、２１用のフォトレジストパターンを形成し、金属Ｔｉを蒸着・リフトオフし、形成されたＴｉパターンを熱拡散し、分岐光導波路２０、２１（マッハツェンダ型光導波路）を含む光導波路２を形成する。
【００１４】
このような製作工程においては、分極反転した領域の判別が簡単ではなく、かつ分極反転した領域と分極反転していない領域との境界を、分岐光導波路２０、２１のギャップの中央に数μｍ以内の精度で合わせることは困難であり、ＬＮ光変調器としての製作性が悪いという問題があった。また、分極反転した領域と分極反転していない領域との境界を分岐光導波路２０、２１が横切ることになるが、分極反転した領域と分極反転していない領域では金属Ｔｉの拡散状態は異なるので、前述のように伝搬される光のスポットサイズが互いに異なり、その結果この領域を光が横切る際に損失が生じる。また、伝搬損失も異なるので、分岐光導波路２０、２１を伝搬する光のパワーに差が生じ、挿入損失が悪化するだけでなく、結果的にＯＦＦ時の消光比が劣化するという問題があった。さらに、図１２から分かるように、中心電極１６を２分岐する必要があるが、この２分岐する部分（分岐部）において原理的にインピーダンス不整合が生じる、あるいはこの分岐部の出来・不出来が反射特性（Ｓ１１特性）に大きく影響し、結果的にＬＮ光変調器の歩留まりに大きな影響を与えるという問題があった。
【００１５】
本発明は、これらの課題を解決し、１つの進行波電極という簡単な構成で、低挿入損失かつ高消光比を満足させつつ、チャーピングがゼロの光パルスを形成できる光変調器を提供し、また、チャーピングがゼロの光パルスを形成できるという考えをさらに発展させ、光パルスに正、負任意のチャーピングを与えることのできる光変調器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光変調器では、電気光学効果を有する材料からなる基板（１）と、前記基板の一面側に形成され、入射された光を分岐し合波するための分岐光導波路（６、７）を備えた光導波路（２）と、前記基板の一面側で前記分岐光導波路の近傍に形成され、該分岐光導波路を伝搬する光と相互作用する高周波電気信号を伝搬させる中心電極（１３）及びアース電極（１４）からなる相互作用部（２２）とを具備し、前記相互作用部の領域で前記分岐光導波路を伝搬する光の位相を変調する光変調器において、前記相互作用部は、少なくとも、所定の長さＬ１を有する第１の相互作用部（２２ａ）及び所定の長さＬ２を有する第２の相互作用部（２２ｂ）とを含む複数の相互作用部から構成され、該複数の相互作用部のそれぞれの中心電極同士及びアース電極同士がそれぞれ接続されてなり、かつ、前記複数の相互作用部における前記第１の相互作用部の中心電極の幅Ｗ１とアース電極の幅Ｗ２との大小関係が、前記複数の相互作用部における前記第２の相互作用部の中心電極の幅Ｗ１’とアース電極の幅Ｗ２’との大小関係と逆になるようにされている。
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明の請求項２の光変調器では、上述した請求項１の光変調器において、前記分岐光導波路を伝搬し、前記相互作用部で変調された後に合波されて前記光導波路から出射された光のチャーピングがほぼゼロとなるように、前記第１の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１、前記アース電極の幅Ｗ２及び前記長さＬ１、並びに前記第２の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１’、前記アース電極の幅Ｗ２’及び前記長さＬ２を設定するようにされている。
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明の請求項３の光変調器では、上述した請求項１又は２の光変調器において、前記分岐光導波路を伝搬し、前記相互作用部で変調された後に合波されて前記光導波路から出射された光のチャーピングがほぼゼロとなるように、前記第１の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１と前記第２の相互作用部の前記アース電極の幅Ｗ２’とをほぼ等しくし、かつ前記第１の相互作用部の前記アース電極の幅Ｗ２と前記第２の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１’とをほぼ等しくするとともに、前記第１の相互作用部の前記長さＬ１と前記第２の相互作用部の前記長さＬ２を設定するようにされている。
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明の請求項４の光変調器では、上述した請求項１の光変調器において、前記分岐光導波路を伝搬し、前記相互作用部で変調された後に合波されて前記光導波路から出射された光のチャーピングがほぼ負となるように、前記第１の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１、前記アース電極の幅Ｗ２及び前記長さＬ１、並びに前記第２の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１’、前記アース電極の幅Ｗ２’及び前記長さＬ２を設定するようにされている。
【００２０】
上記課題を解決するために、本発明の請求項５の光変調器では、上述した請求項１の光変調器において、前記分岐光導波路を伝搬し、前記相互作用部で変調された後に合波されて前記光導波路から出射された光のチャーピングがほぼ正となるように、前記第１の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１、前記アース電極の幅Ｗ２及び前記長さＬ１、並びに前記第２の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１’、前記アース電極の幅Ｗ２’及び前記長さＬ２を設定するようにされている。
【００２１】
上記課題を解決するために、本発明の請求項６の光変調器では、上述した請求項１〜５のいずれかの光変調器において、前記相互作用部の少なくとも一部に、前記第１の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１及び前記アース電極の幅Ｗ２、並びに前記第２の相互作用部の前記中心電極の幅Ｗ１’及び前記アース電極の幅Ｗ２’を連続的に変化させた領域を備えている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の請求項１〜５の光変調器では、分岐光導波路を伝搬する光と相互作用させる高周波電気信号を伝搬させる中心電極及びアース電極からなる相互作用部を複数の相互作用部から構成されるようにして、それぞれの相互作用部の中心電極の幅とアース電極の幅の大小関係をそれぞれの相互作用部について逆転させるとともに、それぞれの相互作用部の中心電極の幅、アース電極の幅及び長さを適切に設定するようにしたので、分岐光導波路を伝搬する光の最終的な位相変化量の絶対値を等しく、符号を逆転させることができ、これにより光パルスのチャーピングをゼロにすることができ、さらには負あるいは正のチャーピングをかけることができる。そして、中心電極の幅もしくはアース電極の幅の一方が広いので高周波電気信号の伝搬損失が小さく、また特性インピーダンスを外部回路（高周波電気信号を供給する）に整合させやすく、広帯域光変調が可能となる。また、本発明では工程が煩わしい分極反転技術や製作の歩留まりが悪い電極分割技術を使うこともなく、かつ１つの進行波電極という簡単な構成であるため、製作性と製作の歩留まりが良い。さらに、光の挿入損失が少なくまた光信号のＯＦＦ時に高消光比を保つことができるという利点もある。
【００２３】
また、本発明の請求項６の光変調器では、上述の請求項１〜５においてさらに、相互作用部の少なくとも一部に中心電極の幅とアース電極の幅を連続的に変化させた領域を備えたので、上述の請求項１〜５が有する効果の他にさらに、中心電極とアース電極からなる進行波電極について優れた電気的反射特性（Ｓ１１特性）が実現できるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に本発明の実施例を記載する。
【実施例１】
【００２５】
本発明の実施例１の光変調器の上面図を図１に、また図１のＢ−Ｂ’とＣ−Ｃ’における断面図をそれぞれ図２、図３に示す。なお、従来例と同一要素には同一符号を付し詳細説明は省略する。ＺカットＬＮ基板１の一面側に、分岐光導波路６、７を含んで構成される光導波路２、中心電極１３及びアース電極１４が形成されている。ここで、分岐光導波路６、７は、マッハツェンダ型光導波路を構成し、また中心電極１３とアース電極１４は、高周波電気信号を伝搬させるための非対称コプレーナストリップ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ｃｏｐｌａｎａｒ  Ｓｔｒｉｐ：ＡＣＰＳ）進行波電極を構成している。なお、ＡＣＰＳ進行波電極とは、一般に中心電極とアース電極が各々１つでアース電極が無限に広い構造のものを言うが、この実施例のアース電極１４が有限の広さの進行波電極ついても便宜的にＡＣＰＳ進行波電極と言うことにする。
【００２６】
ここで、図１に示す、相互作用部２２、第１の相互作用部２２ａ及び第２の相互作用部２２ｂについて説明する。相互作用部２２は、進行波電極（中心電極１３及びアース電極１４）と分岐光導波路６、７とが上下に重なりあった領域、換言すれば、分岐光導波路６、７に対して、中心電極１３及びアース電極１４に加えられた高周波電気信号によって電界が印加される領域である。第１の相互作用部２２ａは、中心電極１３の幅Ｗ１がアース電極１４の幅Ｗ２より小さい（Ｗ１＜Ｗ２）領域であり、長さＬ１を有している。また第２の相互作用部２２ｂは、中心電極１３の幅Ｗ１’がアース電極１４の幅Ｗ２’より大きい（Ｗ１’＞Ｗ２’）領域であり、長さＬ２を有している。すなわち、第１の相互作用部２２ａと第２の相互作用部２２ｂの関係は、［課題を解決するための手段］の項でも述べたように、第１の相互作用部２２ａにおける中心電極１３の幅Ｗ１とアース電極１４の幅Ｗ２の大小関係と、第２の相互作用部２２ｂにおける中心電極１３の幅Ｗ１’とアース電極１４の幅Ｗ２’の大小関係とが逆転している点が重要となっている。なお、第１の相互作用部２２ａと第２の相互作用部２２ｂの中心電極１３同士及びアース電極１４同士の接続については、図１に示すように、電極の幅を直線的あるいは曲線的に滑らかに変化させるための遷移領域を設けて、電気的反射を抑えるようにしている。滑らかに変化させるための遷移領域を設けないで不連続にする場合には、電気的反射を考慮する必要がある。
【００２７】
次に、図２、図３を用いて、高周波電気信号が中心電極１３とアース電極１４間に伝搬する際に生ずる電気力線８と分岐光導波路６、７を伝搬する光との相互作用（位相変調）について説明する。第１の相互作用部２２ａについて見ると、図２から分かるように、中心電極１３の幅Ｗ１は分岐光導波路６の幅（前述したように６μｍ〜８μｍ程度）と同程度の６μｍ〜１１μｍと狭いために、高周波電気信号の伝搬損失は大きいものの、電気力線８が広がらないので光との相互作用の効率は高い。従って、分岐光導波路６を伝搬する光の位相変化量Δφ１は大きい。一方、接地電極１４の幅Ｗ２は分岐光導波路７の幅（前述したように６μｍ〜８μｍ程度）よりも広い例えば１５μｍ〜２００μｍ程度であるために、高周波電気信号の伝搬損失は小さいものの、電気力線８が広がるので光との相互作用の効率は低い。従って、分岐光導波路７を伝搬する光の位相変化量Δφ２は小さい。
【００２８】
第２の相互作用部２２ｂについて見ると、図３から分かるように、中心電極１３の幅Ｗ１’は分岐光導波路６の幅より広いために、高周波電気信号の伝搬損失は小さいものの、電気力線８が広がるので光との相互作用の効率は低い。従って、分岐光導波路６を伝搬する光の位相変化量Δφ１’は小さい。一方、接地電極１４の幅Ｗ２’は分岐光導波路７の幅と同程度に狭いために、高周波電気信号の伝搬損失は大きいものの、電気力線８が広がらないので光との相互作用の効率は高い。従って、分岐光導波路７を伝搬する光の位相変化量Δφ２’は大きい。
【００２９】
次に、図４を用いて、チャーピングについて具体的に説明する。図４は、第１の相互作用部２２ａにおける中心電極１３の幅Ｗ１と第２の相互作用部２２ｂにおけるアース電極１４の幅Ｗ２’を共に１１μｍ（Ｗ１＝Ｗ２’＝１１μｍ）とし、第１の相互作用部２２ａにおけるアース電極１４の幅Ｗ２と第２の相互作用部２２ｂにおける中心電極１３の幅Ｗ１’を共に１５０μｍ（Ｗ２＝Ｗ１’＝１５０μｍ）とし、中心電極１３とアース電極１４のギャップを２８μｍとした場合における、チャーピングの度合いを表すαパラメータの計算結果を第１の相互作用部２２ａの長さＬ１と第２の相互作用部２２ｂの長さＬ２の比（Ｌ１／Ｌ２）を変数として表したものである。なお、上記の具体的な数値、Ｗ１＝Ｗ２’＝１１μｍ、Ｗ２＝Ｗ１’＝１５０μｍ及びギャップ２８μｍにおける特性インピーダンスは、高周波電気信号を供給する外部回路の特性インピーダンスとほぼ整合できるものである。
【００３０】
図４から分かるように、Ｌ１／Ｌ２がゼロ、つまりＬ１＝０の場合にはα≒０．８、またＬ１／Ｌ２が充分大きい、つまりＬ２≒０の場合にはα≒−０．８となり、これは前述の従来例１が有したαパラメータとほぼ同じである。そして、Ｌ１／Ｌ２が約０．９でα＝０となる。なお、ここでＬ１／Ｌ２＝１でα＝０にならない理由は、中心電極１３とアース電極１４間に伝搬される高周波電気信号の伝搬損失がゼロでないからである。そして、図４から分かるように、Ｌ１／Ｌ２を適切に設定することによりチャーピングをゼロ、つまりα＝０とすることが可能となり、さらにＬ１／Ｌ２に応じて負のチャーピングや正のチャーピングを発生することができる。
【００３１】
以上のことから、本発明の実施例１においては、第１の相互作用部２２ａの長さＬ１と第２の相互作用部２２ｂの長さＬ２を適切に設定することにより、第１の相互作用部２２ａにおいて分岐光導波路６を伝搬する光の位相変化量Δφ１と第２の相互作用部２２ｂにおいて分岐光導波路６を伝搬する光の位相変化量Δφ１’の和の位相変化量（Δφ１＋Δφ１’）、及び第１の相互作用部２２ａにおいて分岐光導波路７を伝搬する光の位相変化量Δφ２と第２の相互作用部２２ｂにおいて分岐光導波路７を伝搬する光の位相変化量Δφ２’の和の位相変化量（Δφ２＋Δφ２’）について、互いに絶対値が等しく符号を正負逆に設定することができる。その結果、本発明の光変調器によりチャーピングをゼロにした光パルスを形成することができる。
【００３２】
なお、上記の場合、中心電極１３とアース電極１４間に伝搬される高周波電気信号の伝搬損失がゼロでないため、光パルスのチャーピングをゼロにするには、第１の相互作用部２２ａの長さＬ１と第２の相互作用部２２ｂの長さＬ２との間に一般にＬ１＜Ｌ２の関係式が成り立っている（図４の場合には約０．９）。ただし、ここで、Ｌ１＜Ｌ２の関係式が成り立つとしたのは、図４の場合のように、［第１の相互作用部２２ａにおける中心電極１３の幅Ｗ１］＝［第２の相互作用部２２ｂにおけるアース電極１４の幅Ｗ２’］、かつ［第１の相互作用部２２ａにおけるアース電極１４の幅Ｗ２］＝［第２の相互作用部２２ｂにおける中心電極１３の幅Ｗ１’］としたときであって、例えば［第１の相互作用部２２ａにおける中心電極１３の幅Ｗ１］＞［第２の相互作用部２２ｂにおけるアース電極１４の幅Ｗ２’］、かつ［第１の相互作用部２２ａにおけるアース電極１４の幅Ｗ２］＞［第２の相互作用部２２ｂにおける中心電極１３の幅Ｗ１’］と設定した場合など、各種実施形態において構造が変わればＬ１＜Ｌ２の関係はこの限りではない。
【００３３】
また、この実施例１においては、第１の相互作用部２２ａにおけるアース電極１４の幅Ｗ２が広く、かつ第２の相互作用部２２ｂにおける中心電極１３の幅Ｗ１’が広いので、中心電極とアース電極の両方が狭い場合に比べて高周波電気信号の伝搬損失が小さく、広帯域光変調が可能となっているが、さらにアース電極１４の幅Ｗ２と中心電極１３の幅Ｗ１’をそれぞれ充分広くすることも考えられる。しかしながら、現実的にはこれらを広くとり過ぎると電極の幅の不連続によって高周波電気信号の流れがスムーズでなくなり、電気的反射を生じやすいとともに、進行波電極の特性インピーダンスが５０Ωよりも低くなりすぎる。こうした電気的反射や特性インピーダンスの点も考慮して、第１の相互作用部２２ａにおけるアース電極１４の幅Ｗ２と第２の相互作用部２２ｂにおける中心電極１３の幅Ｗ１’を決めることは言うまでもない。
【００３４】
また、上記の説明では、第１の相互作用部２２ａにおける中心電極１３の幅Ｗ１がアース電極１４の幅Ｗ２よりも狭く、かつ第２の相互作用部２２ｂにおけるアース電極１４の幅Ｗ２’が中心電極１３の幅Ｗ１’よりも狭い場合であったが、逆に第１の相互作用部２２ａにおける中心電極１３の幅Ｗ１がアース電極１４の幅Ｗ２よりも広く、かつ第２の相互作用部２２ｂにおけるアース電極１４の幅Ｗ２’が中心電極１３の幅Ｗ１’よりも広くしても光パルスのチャーピングをゼロとし、またＬ１とＬ２の長さを設定することにより負のチャーピングや正のチャーピングを生じさせることも可能となることは言うまでもない。なお、このことは他の実施例についても言えることである。
【００３５】
また、上記の説明では、図４の場合のように、主に第１の相互作用部２２ａにおける中心電極１３の幅Ｗ１と第２の相互作用部２２ｂにおけるアース電極１４の幅Ｗ２’とが等しく、かつ第１の相互作用部２２ａにおけるアース電極１４の幅Ｗ２と第２の相互作用部２２ｂにおける中心電極１３の幅Ｗ１’とが等しい場合についてであったが、これに限定されないことは言うまでもない。すなわち、光パルスのチャーピングをゼロとし、または負のチャーピングや正のチャーピングを生じさせるような場合、第１の相互作用部２２ａの長さＬ１と第２の相互作用部２２ｂの長さＬ２を適切に選択することにより、第１の相互作用部２２ａにおける中心電極１３の幅Ｗ１と、第２の相互作用部２２ｂにおける接地電極１４の幅Ｗ２’とを等しくする必要はないし、また第１の相互作用部２２ａの接地電極１４の幅Ｗ２と第２の相互作用部２２ｂにおける中心電極１３の幅Ｗ１’とを等しくする必要もない。なお、このことは他の実施例についても言えることである。
【００３６】
ここで、進行波電極（中心電極１３及びアース電極１４）と、高周波電気信号をＬＮ光変調器に供給する外部回路とのインピーダンス整合について詳しく説明する。中心電極１３とアース電極１４の幅が相互作用部２２の全領域に亘って分岐光導波路６、７の幅と同程度に狭い場合には、光と高周波電気信号の電気力線８との相互作用の効率は高いものの、高周波電気信号の伝搬損失が大きくなり広帯域光変調が難しくなる。さらに、進行波電極としての特性インピーダンスも高くなり、一般に５０Ωで形成されている外部回路とのインピーダンス整合が悪くなる。あえて、５０Ωの特性インピーダンスを実現しようとすると中心電極１３とアース電極１４とのギャップが３μｍ〜５μｍ程度と極めて狭くなり、歩留まりの良い製作が事実上困難となる。逆に、中心電極１３とアース電極１４の幅を両方とも広くすると、中心電極１３及びアース電極１４と分岐光導波路６、７との相互作用の効率が落ちるので高周波電気信号の駆動電圧が増加するという欠点がある。従って、中心電極１３の幅のみならず、アース電極１４の幅を適切に設定することにより、外部回路との特性インピーダンスの整合が容易にとれるようになることは言うまでもない。なお、このことは他の実施例についても言えることである。
【実施例２】
【００３７】
本発明の実施例２の光変調器の上面図を図５に示す。実施例２は、新たにアース電極１５を設けた点のみ、上述の実施例１の図１と異なる。従って、同一部分については説明を省略する。一般に、高周波電気信号を外部回路からＬＮ光変調器へ効率良く伝送するには、電界分布の観点からアース電極が２つあるＣＰＷ進行波電極構造の方が、アース電極が１つのＡＣＰＳ進行波電極構造よりも優れていることが知られている。従って、この実施例では外部回路からＬＮ光変調器へ高周波電気信号が供給される部分のみＣＰＷ進行波電極構造とし、高周波電気信号が相互作用部２２に向かうにしたがって、中心電極１３と新たに設けたアース電極１５との距離を遠ざけ、相互作用部２２においては中心電極１３とアース電極１５との電気的結合をなくした事実上のＡＣＰＳ進行波電極構造とし、実施例１と同様に光パルスのチャーピングをゼロとし、または負のチャーピングや正のチャーピングを生じさせることができる。
【実施例３】
【００３８】
本発明の実施例３の光変調器の上面図を図６に示す。実施例３は、相互作用部２２が滑らかに変化している点のみ、上述の実施例１の図１と異なる。従って、同一部分については説明を省略する。この実施例３の場合にも、分岐光導波路６、７を伝搬する光の位相変化量は絶対値が等しく、符号が逆なので、光パルスのチャーピングをゼロにすることができるとともに、中心電極１３とアース電極１４からなる進行波電極について優れた電気的反射特性（Ｓ１１特性）を実現できる。なお、この実施例に前述の実施例２で示したアース電極１５を用いてもよいことは言うまでもない。また、負のチャーピングや正のチャーピングを実現するには中心電極１３もしくはアース電極１４の片方のみ幅を滑らかに変えてもよいし、またその一部のみを滑らかにしてもよい。また、相互作用部２２の構造を滑らかに変化する際の形状は、直線形状あるいは曲線形状でもよいし、あるいは中心電極１３とアース電極１４の形状の変化に伴って、中心電極１３とアース電極１４間のギャップを変化させてもよい。
【実施例４】
【００３９】
本発明の実施例４の光変調器の上面図を図７に示す。実施例４は、相互作用部２２の一部が滑らかに変化している点のみ、上述の実施例１の図１と異なる。従って、同一部分については説明を省略する。この実施例４の場合にも、分岐光導波路６、７を伝搬する光の位相変化量は絶対値が等しく、符号が逆なので、光信号のゼロチャーピングを実現できる。また、いわば前述の実施例１の図１において、中心電極１３とアース電極１４の幅を変更する遷移領域を長くした構造と言えるので、中心電極１３とアース電極１４からなる進行波電極について優れた電気的反射特性（Ｓ１１特性）を実現できる。なお、この実施例に前述の実施例２で示したアース電極１５を用いてもよいことは言うまでもない。また、負のチャーピングや正のチャーピングを実現するには中心電極１３もしくはアース電極１４の片方のみ幅を滑らかに変えてもよい。また、相互作用部２２の構造を滑らかに変化する際の形状は、直線形状あるいは曲線形状でもよいし、あるいは中心電極１３とアース電極１４の形状の変化に伴って、中心電極１３とアース電極１４間のギャップを変化させてもよい。
【００４０】
なお、上述の実施例１〜４において、分岐光導波路６、７としてマッハツェンダ型光導波路を用いたが、方向性結合器などその他の分岐合波型の光導波路を用いてもよいことは言うまでもないし、考え方は３本以上の光導波路にも適用可能である。また光導波路の形成法としてはＴｉ熱拡散法の他に、プロトン交換法など光導波路の各種形成法を適用できるし、バッファ層としてＳｉＯ２以外の各種材料も適用できる。また、相互作用部２２の分割数は２として説明したが、それ以上の数でもよい。なお、相互作用部２２全体あるいは一部について、分割数を無限に多くとった場合が、上述の実施例３、４の相互作用部２２を滑らかに変化させた場合に対応している。また、中心電極１３とアース電極１４の幅の大小関係を交互に、又はある組合わせで逆転させた構造でもよいことは言うまでもない。
【００４１】
さらに、従来使用されている進行波電極を厚くする、あるいはバッファ層を厚くするなど高周波電気信号と光の速度差を小さくする手法はそのまま本発明にも適用可能である。また高周波電気信号の出力側を５０Ωなどで終端しても良いことは言うまでもない。
【００４２】
なお、本発明はＬＮ基板のほか、リチウムタンタレート基板、有機材料基板、あるいは半導体基板など電気光学効果を利用するあらゆる基板に適用可能である。また、本発明は、上述の実施例１に示した具体的数値に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施例１の上面図
【図２】本発明の実施例１の上面図のＢ−Ｂ’における断面図
【図３】本発明の実施例１の上面図のＣ−Ｃ’における断面図
【図４】本発明の実施例１のチャーピングについて説明するための図
【図５】本発明の実施例２の上面図
【図６】本発明の実施例３の上面図
【図７】本発明の実施例４の上面図
【図８】従来例１の斜視図
【図９】従来例１の斜視図のＡ−Ａ’における断面図
【図１０】従来例１の電気力線の分布を示す図
【図１１】従来例２の断面図
【図１２】従来例３の上面図
【図１３】従来例３の上面図のＤ−Ｄ’における断面図
【符号の説明】
【００４４】
１・・・ＺカットＬＮ基板、２・・・光導波路、３，９，１０，１３，１６・・・中心電極、４，１１，１２，１４，１５，１７，１８，１９・・・アース電極、５・・・ＳｉＯ２バッファ層、６，７，２０，２１・・・分岐光導波路、８・・・電気力線、２２・・・相互作用部、２２ａ・・・第１の相互作用部、２２ｂ・・・第２の相互作用部。
【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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