(57)【要約】【課題】簡単な構造で高効率な光変調が可能な光変調器を提供する。【解決手段】光変調器は、基板１１、マッハツェンダー干渉計を構成する光導波路１２、バッファ層１３、接地導体膜１４、変調電極として機能するスロット線路１６、およびストリップ導体からなる給電線路１７を備えている。変調電極にスロット線路を用いることにより、低損失で高効率な光変調が実現できる。また、基板１１の裏面の給電線路１７から非接触の結合により励振できるので、線路幅を変換したり、インピーダンス整合回路を付属したりする必要がなく、極めて簡単な構造で光高率な光変調が可能になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板の表面に形成された電気光学効果を持つ光導波路と、前記基板の表面に形成された接地導体と、前記光導波路に沿って前記接地導体に形成された前記光導波路に電界を印加するための変調電極と、前記基板の裏面で前記変調電極と交差する方向に形成されたストリップ導体と、を有し、
前記変調電極が前記接地導体に形成されたスロット線路であり、前記ストリップ導体と前記接地導体とで給電線路を構成している光変調器。
【請求項２】
請求項１に記載された光変調器において、
２本の平行な前記スロット線路を有する光変調器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された光変調器において、
前記スロット線路の両端が短絡または開放されている光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバによる大容量の情報伝送や無線信号の光ファイバ伝送の際に電気信号で光を変調するために用いられる光変調器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電波不感地帯の解消、マンションやオフィス内への無線信号配信を目的として、光ファイバ無線システムと呼ばれる無線信号で直接光変調を行い、光ファイバで遠方に伝送し無線信号に戻して放射させるシステムが注目されている。
【０００３】
光変調器は、このようなシステムではキーデバイスである。近年、無線信号の高周波化に伴い、光変調器はミリ波帯などの高い周波数での動作が要求されているが、一般的に周波数が高くなると損失の増加や構造上の問題で変調効率が低下する。そのため、ミリ波帯などの高周波帯でも高効率な光変調器が期待されている。
【０００４】
従来、ミリ波帯などの高周波信号による高品質な光変調では、電気光学効果を利用した光変調器が用いられてきている。図７に電気光学効果を利用した従来の一般的な光変調器の一例を示す。ここで、図７Ａは平面図であり、図７Ｂは図７ＡにおけるＣ−Ｃ線断面図である。
【０００５】
図示のように、この光変調器は、基板５１、光導波路５２、バッファ層５３、変調電極５４、接地電極（グランド電極）５５，５６、および終端抵抗Ｒを備えている。
【０００６】
基板５１は、電気光学効果のあるニオブ酸リチウムのｚカット基板からなる。光導波路５２は、基板５１の表面に金属チタンの熱拡散などにより形成され、入力光導波路５２ａと、そこから二股に分岐した一対の位相変調導波路５２ｂ，５２ｃと、それらが合流した出力光導波路５２ｄからなり、マッハツェンダー干渉計を構成している。Ｚ方向の電界による屈折率の変化を利用するため、変調電極５４は一方の位相変調導波路（ここでは位相変調導波路５２ｂ）の真上に配置されている。
【０００７】
バッファ層５３は、光導波路５２を伝搬する光の一部が変調電極５４および接地電極５５，５６により吸収されることを防止するための薄膜である。終端抵抗Ｒは、この光変調器を進行波型とするために、変調電極５４の一端と接地電極５５，５６との間に接続されている。
【０００８】
以上の構成を備えた光変調器において、変調電極５４に変調波Ｖを印加すると、電気力線１０１，１０２が示すように、位相変調導波路５２ｂと５２ｃには、垂直方向に互いに逆向きの電界が印加されるため、位相変調導波路５２ｂ，５２ｃにおける電気光学効果による屈折率変化の方向が互いに逆向きとなる。
【０００９】
このため、入力光導波路５２ａへの入力光Ｌiは、二分されて位相変調導波路５２ｂ，５２ｃを伝搬している時に互いに逆向きの位相変調を受け、この伝搬光が出力光導波路５２ｄへの合流時に干渉して光強度が変調され、出力光Ｌoとなる。
【００１０】
変調効率を高めた従来の光変調器の平面図を図８に示す。この光変調器は、特許文献１に記載されたものであり、電気光学効果特性を持つ光路（光導波路）６８と、光路６８に沿って形成された、光路に電界を印加するための変調電極６１と、変調電極６１に対向して形成された共通電極（接地電極）６６，６７と、変調電極６１のほぼ中心に斜めに接続されたスタブ６４，６５とを備えており、その接続部に配線６２およびテーパ状変成器６３を含む給電線が接続されている。そして、変調電極６１の終端を開放させることで共振動作を行わせ、変調効率を高めている。スタブ６４，６５は、変調波が反射せずに効率的に変調電極６１に入力されるように、インピーダンス整合を取るため機能を持つ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、変調電極は光導波路の寸法に合わせるために実際には数十μm程度以下の間隔や幅となり、伝搬損失が比較的大きい。また、通常の高周波コネクタから、このような、細い線路に変調信号を印加するためには、線路幅の変換部分やインピーダンス整合回路が必要となる。特に、変調効率を向上させるために共振器型電極を用いる場合は、図８のように構造が複雑になり、設計が困難になるとともに、スタブ自身も損失の原因となるため変調効率低下の原因となる可能性がある。これは、特に、ミリ波帯などの高周波帯では大きな問題となる。
【００１２】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものあり、その目的は、簡単な構造で高効率な光変調が可能な光変調器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る光変調器は、基板と、該基板の表面に形成された電気光学効果を持つ光導波路と、前記基板の表面に形成された接地導体と、前記光導波路に沿って前記接地導体に形成された前記光導波路に電界を印加するための変調電極と、前記基板の裏面で前記変調電極と交差する方向に形成されたストリップ導体と、を有し、前記変調電極が前記接地導体に形成されたスロット線路であり、前記ストリップ導体と前記接地導体とで給電線路を構成している光変調器である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、変調電極にスロット線路を用いることにより、低損失で高効率な光変調が実現できる、また、裏面の給電線路から非接触の結合により励振できるので、線路幅を変換したり、インピーダンス整合回路を付加したりする必要がなく、極めて簡単な構造で高効率な光変調が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光変調器の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光変調器の反射特性の一例を示すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る光変調器の構成を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る光変調器において偶モード、奇モードが励振されたときにスロットにかかる電位差の方向および電気力線を表す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る光変調器の構成を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る光変調器の構成を示す図である。
【図７】従来の一般的な光変調器の一例を示す図である。
【図８】変調効率を高めた従来の光変調器の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
〈第１の実施形態に係る光変調器〉
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光変調器の構成を示す図である。ここで、図１Ａは平面図であり、図１Ｂは図１ＡにおけるＣ−Ｃ線断面図である。
【００１７】
図示のように、この光変調器は、基板１１、それぞれが基板１１の設けられた光導波路１２、バッファ層１３、接地導体膜１４、スロット線路１６、および基板１１の裏面に設けられた給電線路１７を備えている。
【００１８】
基板１１は、電気光学効果のあるニオブ酸リチウムのｚカット基板からなる。光導波路１２は、基板１１の表面に金属チタンの熱拡散などにより形成され、入力光導波路１２ａと、そこから二股に分岐した一対の位相変調導波路１２ｂ，１２ｃと、それらが合流した出力光導波路１２ｄからなり、マッハツェンダー干渉計を構成している。
【００１９】
また、基板１１の表面には、光導波路１２中の光波の減衰を抑えるために酸化シリコンなどからなるバッファ（緩衝）層１３が形成され、バッファ層１３の上には金属薄膜などからなる接地導体膜１４が形成されている。
【００２０】
スロット線路１６は、接地導体膜１４の一部に位相変調導波路１２ｂ，１２ｃに沿って設けられた間隙部１５により構成されており、変調電極として機能する。ここでは、スロット線路１６の長手方向（図１Ａの横方向）の両端を接地導体膜１４に接触させることで、スロット線路１６の両端を短絡させ、共振器として動作させる。位相変調導波路１２ｂ，１２ｃは、スロット線路１６の幅方向（図１Ａの縦方向、図１Ｂの横方向）の両エッジ部分の下に来るように配置されている。
【００２１】
基板１１の裏面には、ストリップ導体からなる給電線路１７が形成されており、この給電線路１７は基板１１の表面の接地導体膜１４を接地導体とするマイクロストリップ線路構造となっており、接地導体膜１４との間に高周波電圧を印加することによって、マイクロストリップ線路として動作する。
【００２２】
給電線路１７の先端部１７ｂはスロット線路１６と対向する位置の付近に設置されている。そして、端子部１７ａに印加された高周波信号は、先端部１７ｂに向かって伝搬し、スロット線路１６に結合する。
【００２３】
スロット線路１６上を伝搬する高周波信号は、両端で反射し、その長さで決まる周波数で共振を起こし、大きな電圧がスロット線路１６の幅方向の内側エッジ間に生じ、電気力線１０３が示すように位相変調導波路１２ｂ，１２ｃに互いに逆方向の垂直電界が印加される。
【００２４】
入力光導波路１２ａへの入力光Ｌiは、二分されて位相変調導波路１２ｂ，１２ｃを伝搬し、ここで互いに逆向きの位相変調を受け、出力光導波路１２ｄへの合流時に干渉して光強度が変調され、出力光Ｌoとなる。これによって、端子部１７ａに印加された高周波信号に応じて、高効率な光変調が実現される。
【００２５】
ここで、給電線路１７とスロット線路１６との位置関係によって、入力された高周波信号とスロット線路１６を共振する共振モードとの結合度を調節することができる。そして、最適な結合度に対応する位置関係を選ぶことにより、端子部１７ａに入力した高周波信号が、すべて上記共振モードに変換され、さらに効率が良くなる。
【００２６】
以下、給電線路１７とスロット線路１６との位置関係と結合度との関係について説明する。給電線路１７とスロット線路１６とが交差する角度については、実用的な結合度を得るためには、図示のように、スロット線路１６と給電線路１７とが実質的に直交していることが望ましい。また、給電線路１７の先端部１７ｂとスロット線路１６との位置関係と結合度との関係については、先端部１７ｂを延ばして、給電線路１７をスロット線路１６に深く被せるように配置することによって結合度を大きくすることができる。また、スロット線路１６の長手方向の位置に対する給電線路１７の位置と結合度との関係については、給電線路１７をスロット線路１６の中央に配置した時が結合度が最も大きく、端にずらすことで結合度を減らすことができる。
【００２７】
図２は、実際に電磁界解析によって計算した端子部１７ａに高周波信号を入力した際の反射特性の一例を示すグラフである。この図において、横軸は入力する高周波信号の周波数（ＧＨｚ）であり、縦軸は反射損（ｄＢ）である。図示のように、想定した共振周波数（２３ＧＨｚ）で反射が大きく減少し、ほぼすべての入力信号電力が変調電極であるスロット線路共振器に結合していることが分かる。
【００２８】
なお、本実施形態では、変調電極として、スロット線路１６の両端を短絡した共振器構造を用いたが、スロット線路１６の端を短絡させずに開放すること、あるいは、一方を短絡し、他方を開放することでも共振器構造を構成でき、同様に有効である。さらに、共振させずに高周波信号をスロット線路１６上を光導波路１２中の光波と同じ方向に伝搬させる進行波型構造も同様に有効である。
【００２９】
〈第２の実施形態に係る光変調器〉
図３は、本発明の第２の実施形態に係る光変調器の構成を示す図である。ここで、図３Ａは平面図であり、図３Ｂは図３ＡにおけるＣ−Ｃ線断面図である。また、この図において、図１（第１の実施形態）と同一または対応する構成要素には図１と同じ参照符号が付されている。それらの構成要素については、必要な場合を除き、その説明を省略する。
【００３０】
この光変調器は、第１の実施形態に係る光変調器におけるスロット線路１６に代えて、結合スロット線路１９を設けたものであり、それ以外の構成は第１の実施形態に係る光変調器と同じである。
【００３１】
結合スロット線路１９は、それぞれが接地導体膜１４に形成された２本の平行な間隙部１８ａ，１８ｂにより構成されており、変調電極として機能する。位相変調導波路１２ｂ，１２ｃは、２本の間隙部１８ａ，１８ｂの幅方向の外側エッジの下に来るように配置されている。
【００３２】
また、基板１１の裏面には、金属導体膜からなる給電線路１７が形成されており、その先端部１７ｂは結合スロット線路１９と対向する付近に設置されている。この給電線路１７は、接地導体膜１４との間に高周波電圧を印加することによって、マイクロストリップ線路として動作する。そして、端子部１７ａに印加された高周波信号は、結合スロット線路１９に結合する。結合スロット線路１９では、高周波信号が両端で反射し、その長さで決まる周波数で共振を起こし、大きな電圧が間隙部１８ａ，１８ｂの幅方向の内側エッジ間に生じる。
【００３３】
結合スロット線路１９では、偶モードと奇モードの２つの伝搬モードが存在するが、それら２つの伝搬モードが励振された際にスロットにかかる電位差の方向および電気力線を表したものを図４に示す。ここで、図４Ａは偶モード、図４Ｂは奇モードを表す。
【００３４】
この図からわかるとおり、偶モードが励振されることによって、矢印Ｅ１，Ｅ２に示すように、間隙部１８ａ，１８ｂの電位差の方向が同じになり、位相変調導波路１２ｂ，１２ｃには電気力線１０４，１０５が示すように互いに逆方向の垂直電界が印加される。したがって、入力光導波路１２ａへの入力光Ｌiは、二分されて位相変調導波路１２ｂ，１２ｃを伝搬し、ここで互いに逆向きの位相変調を受け、出力光導波路１２ｄへの合流時に干渉して光強度が変調される。
【００３５】
一方、奇モードの励振の場合は、矢印Ｅ３，Ｅ４に示すように、間隙部１８ａ，１８ｂの電位差の方向が逆になり、位相変調導波路１２ｂ，１２ｃには電気力線１０６，１０７が示すように同じ方向の垂直電界が印加され、光強度変調が実現できない。
【００３６】
実際に解析を行った結果、本実施形態のように、マイクロストリップ線路から、裏面の結合スロット線路に結合させる場合は、選択的に偶モードが励振されやすいこと確認している。
【００３７】
したがって、基板１１の裏面の給電線路１７を用いる本実施形態では、端子部１７ａに入力した高周波信号によって、効果的に、結合スロット線路１９に偶モードが励振され、光高率な光変調が実現される。
【００３８】
このように本発明の第２の実施形態に係る光変調器によれば、基板の裏面のマイクロストリップ線路からの結合構造と結合スロット線路との組み合わせによって、非常に簡単な構造で、選択的な偶モードの励振が実現できる。
【００３９】
また、単一のスロット線路１６の代わりに結合スロット線路１９を用いる本実施形態では、間隙部１８ａ，１８ｂを狭く設計することができるので、同じ電圧の高周波信号を印加した場合でも、より大きな電界が位相変調導波路１２ｂ，１２ｃに生じ、より高効率な光変調が可能となる。
【００４０】
本実施形態でも第１の実施形態と同様に、給電線路１７と結合スロット線路１９との位置関係によって、入力された高周波信号と結合スロット線路を共振する共振モードとの結合度を調節することができる。
【００４１】
すなわち、給電線路１７と結合スロット線路１９とが交差する角度については、実用的な結合度を得るためには、図３に示すように、結合スロット線路１９と給電線路１７が実質的に直交していることが望ましい。また、給電線路１７の先端部１７ｂと結合スロット線路１９との位置関係と結合度との関係については、先端部１７ｂを延ばして、給電線路１６を結合スロット線路１９に深く被せるように配置することによって結合度を大きくすることができる。また、結合スロット線路１９の長手方向の位置に対する給電線路１７の位置と結合度との関係については、給電線路１７を結合スロット線路１９の中央に配置した時が結合度が最も大きく、端にずらすことで結合度を減らすことができる。
【００４２】
最適な結合度に対応する位置関係を選ぶことにより、端子部に入力した高周波信号が、すべて上記共振モードに変換され、さらに効率が良くなる。本実施形態においても、端子部１７ａに入力した高周波信号がほぼすべて変調電極に結合する図２と同様の特性が得られることを確認している。
【００４３】
なお、第１の実施形態と同様に本実施形態においても、変調電極として、結合スロット線路１９の両端を短絡した共振器構造を用いたが、結合スロット線路１９の端を短絡させずに開放すること、あるいは、一方を短絡し、他方を開放することでも共振器構造を構成でき、同様に有効である。さらに、共振させずに高周波信号をスロット線路上を光導波路１２中の光波と同じ方向に伝搬させる進行波型構造も同様に有効である。
【００４４】
〈第３の実施形態に係る光変調器〉
図５は、本発明の第３の実施形態に係る光変調器の構成を示す図である。ここで、図５Ａは平面図であり、図５Ｂは図５ＡにおけるＣ−Ｃ線断面図である。また、この図において、第１の実施形態（図１）と同一または対応する構成要素には図１と同じ参照符号が付されている。それらの構成要素については、必要な場合を除き、その説明を省略する。
【００４５】
この光変調器は、第１の実施形態に係る光変調器におけるｚカットのニオブ酸リチウム単結晶からなる基板１１に代えて、ｘカットのニオブ酸リチウム単結晶からなる基板２１を設け、かつ基板の変更に応じて、スロット線路１６と位相変調導波路１２ｂ，１２ｃとの位置関係を変更したものであり、それ以外は第１の実施形態と同じである。
【００４６】
この光変調器では、図５Ｂの横方向の電界による屈折率の変化を利用するため、変調電極としてのスロット線路１６を構成する間隙部１５は位相変調導波路１２ｂ，１２ｃのうちの一方（ここでは位相変調導波路１２ｂ）の真上に配置されている。
【００４７】
以上の構成を備えた本実施形態に係る光変調器において、端子部１７ａに印加された高周波信号は、先端部１７ｂに向かって伝搬し、スロット線路１６に結合する。スロット線路１６上を伝搬する高周波信号は、両端で反射し、その長さで決まる周波数で共振を起こし、大きな電圧が間隙部１５の幅方向の内側エッジ間に生じる。このため、位相変調導波路１２ｂには、電気力線１０８が示すように横方向の強い電界がかかるのに対し、位相変調導波路１２ｃにかかる電界は無視できる。
【００４８】
入力光導波路１２ａへの入力光Ｌiは、二分されて位相変調導波路１２ｂ，１２ｃを伝搬し、位相変調導波路１２ｂを通る光のみが位相変調を受け、出力光導波路１２ｄへの合流時に干渉して光強度が変調され、出力光Ｌoとなる。これによって、端子部１７ａに印加された高周波信号に応じて、高効率な光変調が実現される。
【００４９】
本実施形態でも第１の実施形態と同様に、給電線路１７とスロット線路１６との位置関係によって、入力された高周波信号とスロット線路１６を共振する共振モードとの結合度を調節することができる。そして、最適な結合度に対応する位置関係を選ぶことにより、端子部に入力した高周波信号が、すべて上記共振モードに変換され、さらに効率が良くなる。
【００５０】
〈第４の実施形態に係る光変調器〉
図６は、本発明の第４の実施形態に係る光変調器の構成を示す図である。ここで、図６Ａは平面図であり、図６Ｂは図６ＡにおけるＣ−Ｃ線断面図である。また、この図において、図３（第２の実施形態）と同一または対応する構成要素には図３と同じ参照符号が付されている。それらの構成要素については、必要な場合を除き、その説明を省略する。
【００５１】
この光変調器は、第２の実施形態に係る光変調器におけるｚカットのニオブ酸リチウム単結晶からなる基板１１に代えて、ｘカットのニオブ酸リチウム単結晶からなる基板２１を設け、かつ基板の変更に応じて、結合スロット線路１９と位相変調光導波路１２ｂ，１２ｃとの位置関係を変更したものであり、それ以外は第２の実施形態と同じである。
【００５２】
この光変調器では、図６Ｂの横方向の電界による光導波路の屈折率の変化を利用する。また、変調電極としての結合スロット線路１９を構成する間隙部１８ａ，１８ｂのうちの一方（ここでは間隙部１８ｂ）が位相変調導波路１２ｂ，１２ｃのうちの一方（ここでは位相変調導波路１２ｂ）の真上に配置されている。
【００５３】
以上の構成を備えた本実施形態に係る光変調器において、端子部１７ａに印加した高周波信号は、先端部１７ｂに向かって伝搬し、結合スロット線路１９に結合する。結合スロット線路１９では、高周波信号が両端で反射し、その長さで決まる周波数で共振を起こし、大きな電圧が間隙部１８ａ，１８ｂの幅方向の内側エッジ間に生じる。
【００５４】
このとき、前述した偶モードが励振されると、位相変調導波路１２ｂには電気力線１０９が示すように横方向の強い電界がかかるのに対し、位相変調導波路１２ｃにかかる電界は無視できる。
【００５５】
入力光導波路１２ａへの入力光Ｌiは、二分されて位相変調導波路１２ｂ，１２ｃを伝搬し、位相変調導波路１２ｂを通る光のみが位相変調を受け、出力光導波路１２ｄへの合流時に干渉して光強度が変調され、出力光Ｌoとなる。これによって、端子部１７ａに印加された高周波信号に応じて、高効率な光変調が実現される。
【００５６】
本実施形態でも第２の実施形態と同様に、給電線路１７と結合スロット線路１９との位置関係によって、入力された高周波信号と結合スロット線路１９を共振する共振モードとの結合度を調節することができる。そして、最適な結合度に対応する位置関係を選ぶことにより、端子部に入力した高周波信号が、すべて上記共振モードに変換され、さらに効率が良くなる。
【００５７】
次に、各実施形態に共通する事柄について述べる。各実施形態では、ニオブ酸リチウム単結晶からなる基板を例に説明したが、本基板材料に限定されることはなく、タンタル酸リチウムや半導体材料、有機材料など、電気光学効果を持つ他の材料を基板に用いても同様に有効である。また、各実施形態では、マッハツェンダー型光強度変調器の例を示したが、１本の光導波路を変調電極に沿って配置することで光位相変調器を構成することも可能である。
【００５８】
以上詳細に説明したように、発明に係る光変調器によれば、変調電極にスロット線路を用い、また、裏面からの簡便な結合構造を用いることで、非常に簡単な構造で高効率な光変調が可能となる。したがって、この光変調器を通信システムに配置することにより、通信システムの性能を向上させることが可能になる。特に、ミリ波帯などの高い周波数で光変調を行う場合、有効性が高く、光ファイバ無線システムなどへの応用では、有効性が高いと思われる。また、光変調器を製造する際には、生産コストの低減が期待できる。
【符号の説明】
【００５９】
１１，２１…基板、１２…光導波路、１４…接地導体膜、１５，１８ａ，１８ｂ…間隙部、１６…スロット線路、１７…給電線路、１９…結合スロット線路。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６０】
【特許文献１】特開２００２−２６８０２５号公報
【図１】
2016145942.tif 000003
【図２】
2016145942.tif 000004
【図３】
2016145942.tif 000005
【図４】
2016145942.tif 000006
【図５】
2016145942.tif 000007
【図６】
2016145942.tif 000008
【図７】
2016145942.tif 000009
【図８】
2016145942.tif 000010