(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次の電気光学効果を有する電気光学結晶と、
前記電気光学結晶の第１の面に、前記電気光学結晶の光を導波させる方向Ｐに沿って配置されたＮ個（Ｎは３以上の整数）の第１の電極と、
前記電気光学結晶の第１の面に対向する第２の面に、前記方向Ｐに沿って配置されたＮ個の第２の電極とを備え、
前記Ｎ個の第１の電極の各々と、１対１で対応するように前記Ｎ個の第２の電極を配置することにより、Ｎ個の電極対を形成し、
前記Ｎ個の電極対のうち、前記方向Ｐに沿った１番目の電極対の一方の電極は外部と電気的に接続され、他方の電極は前記方向Ｐに沿った次の電極対のいずれか一方の電極と電気的に接続され、
前記Ｎ個の電極対のうち、前記方向Ｐに沿ったＮ番目の電極対の一方の電極は外部と電気的に接続され、他方の電極は前記方向Ｐに沿った前の電極対のいずれか一方の電極と電気的に接続され、
前記Ｎ個の電極対のうち、Ｋ番目（Ｋは２以上、かつＮ−１以下の整数）の電極対の一方の電極は、前記方向Ｐに沿った次の電極対のいずれか一方の電極と電気的に接続され、かつＫ番目の電極対の他方の電極は、前記方向Ｐに沿った前の電極対のいずれか一方の電極と電気的に接続されることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
２次の電気光学効果を有する電気光学結晶と、
前記電気光学結晶の第１の面に、前記電気光学結晶の光を導波させる方向Ｐに沿って配置された複数の第１の電極と、
前記電気光学結晶の第１の面に対向する第２の面に、前記方向Ｐに沿って配置された複数の第２の電極とを備え、
前記配置された第１の電極のうち、前記方向Ｐに沿った１番目の電極が外部に電気的に接続され、
前記配置された、第１の電極または第２の電極のうち、前記方向Ｐに沿った最後の電極が外部と電気的に接続され、
前記第１の電極および第２の電極において、前記外部と電気的に接続された電極以外の電極はそれぞれ、自身に対向する面に配置された隣り合う電極の各々の一部と、前記第１の面および第２の面からみて重なるように配置されていることを特徴とする光変調器。
【請求項３】
前記電極対の間の前記電気光学結晶の領域には、該電気光学結晶よりも誘電率が低い低誘電率絶縁材料が挿入されていることを特徴とする請求項１記載の光変調器。
【請求項４】
前記第１の電極間の前記電気光学結晶の領域、および前記第２の電極間の前記電気光学結晶の領域には、該電気光学結晶よりも誘電率が低い低誘電率絶縁材料が挿入されていることを特徴とする請求項２記載の光変調器。
【請求項５】
前記低誘電率絶縁材料は、多成分酸化物ガラスまたはポリマー材料、またはＫＴａＯ3、あるいはこれらの多層構造であることを特徴とする請求項３または４記載の光変調器。
【請求項６】
前記第１の電極および第２の電極の材料は、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｓｅ、Ｃｓ、Ｒｂ、Ｋ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎａ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｍｇ、Ａｓ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｃｄ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｐｂ、Ａｇ、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂ、Ｈｇ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｔｅ、Ｒｅ、Ｂｅ、Ｒｈのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至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、光変調器に関し、より詳細には、二次の電気光学効果を有する電気光学結晶を用いた光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光通信システムの大容量、高速化ならびに高機能化に対する要求は、急激に高まっている。このような、光通信システムに用いられる光信号処理デバイスとして期待されているものに１つに光変調器があり、電気光学結晶を用いた光変調器の開発が進められている。
【０００３】
電気光学結晶を用いた光位相変調器は、結晶の屈折率の変化により、結晶を通過する光の速度を変化させて、光の位相を変化させる。また、電気光学結晶を、マッハツェンダ干渉計、マイケルソン干渉計の一方の光導波路に設置すると、結晶に印加する電圧に応じて、干渉計の出力の光強度が変化する。これら干渉計は、光スイッチ、光変調器として用いることができる。特許文献１では、電気光学結晶としてＫＴＮ（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１））及びＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））を用いた光位相変調器が開示されている。
【０００４】
図１に、特許文献１に開示された、電気光学結晶を用いた光位相変調器の構成を示す。光位相変調器は、方形の電気光学結晶１の対向する面に、正極２と負極３とが形成されている。このような構成において、正極２と負極３との間に電圧Ｖを印加すると、該電圧Ｖに応じて、電気光学結晶１を伝搬する光の位相が変化する。
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００６／１３７４０８号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記ＫＴＮやＫＬＴＮは、立方晶かつ大きい２次の電気光学効果を有する誘電体結晶であるので、偏波無依存で低電圧駆動を実現でき、かつ組成に応じて、大きい２次の電気光学効果を発現する温度域を調整できるので、光変調器に用いるのは好ましい。
【０００７】
特に、強誘電転移近傍において、比誘電率が大きく変化するので、上記相転移近傍を動作温度に設定して動作させることが好ましい。
【０００８】
しかしながら、この温度領域では、上述のようにＫＴＮやＫＬＴＮの誘電率が高いので、大きな屈折率変化を効率的に起こすことができ、効率的に光変調器を動作させる観点からすると非常に有効であるが、同時に正極、負極間の電気容量が高くなってしまう。例えば、スイッチングを行う際、電気容量に対応する充放電を行うことになるが、このスイッチング速度に対応する電力消費が生じることになる。よって、ＫＴＮやＫＬＴＮを用いる際、効率良く変調を行うことが可能な動作温度では、電気容量が高くなるため、駆動電源の負担が非常に大きくなり、実用化を困難なものとしている。
【０００９】
また、ＫＴＮやＫＬＴＮに限らず、２次の電気光学効果を有する電気光学結晶全般に対して、変調効果を損なわずに、電気容量が高いことによる駆動電源の負担を軽減したい、という要望がある。
【００１０】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、駆動電源の負担を軽減可能な光変調器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、光変調器であって、２次の電気光学効果を有する電気光学結晶と、前記電気光学結晶の第１の面に、前記電気光学結晶の光を導波させる方向Ｐに沿って配置されたＮ個（Ｎは３以上の整数）の第１の電極と、前記電気光学結晶の第１の面に対向する第２の面に、前記方向Ｐに沿って配置されたＮ個の第２の電極とを備え、前記Ｎ個の第１の電極の各々と、１対１で対応するように前記Ｎ個の第２の電極を配置することにより、Ｎ個の電極対を形成し、前記Ｎ個の電極対のうち、前記方向Ｐに沿った１番目の電極対の一方の電極は外部と電気的に接続され、他方の電極は前記方向Ｐに沿った次の電極対のいずれか一方の電極と電気的に接続され、前記Ｎ個の電極対のうち、前記方向Ｐに沿ったＮ番目の電極対の一方の電極は外部と電気的に接続され、他方の電極は前記方向Ｐに沿った前の電極対のいずれか一方の電極と電気的に接続され、前記Ｎ個の電極対のうち、Ｋ番目（Ｋは２以上、かつＮ−１以下の整数）の電極対の一方の電極は、前記方向Ｐに沿った次の電極対のいずれか一方の電極と電気的に接続され、かつＫ番目の電極対の他方の電極は、前記方向Ｐに沿った前の電極対のいずれか一方の電極と電気的に接続されることを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、光変調器であって、２次の電気光学効果を有する電気光学結晶と、前記電気光学結晶の第１の面に、前記電気光学結晶の光を導波させる方向Ｐに沿って配置された複数の第１の電極と、前記電気光学結晶の第１の面に対向する第２の面に、前記方向Ｐに沿って配置された複数の第２の電極とを備え、前記配置された第１の電極のうち、前記方向Ｐに沿った１番目の電極が外部に電気的に接続され、前記配置された、第１の電極または第２の電極のうち、前記方向Ｐに沿った最後の電極が外部と電気的に接続され、前記第１の電極および第２の電極において、前記外部と電気的に接続された電極以外の電極はそれぞれ、自身に対向する面に配置された隣り合う電極の各々の一部と、前記第１の面および第２の面からみて重なるように配置されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記電極対の間の前記電気光学結晶の領域には、該電気光学結晶よりも誘電率が低い低誘電率絶縁材料が挿入されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記第１の電極間の前記電気光学結晶の領域、および前記第２の電極間の前記電気光学結晶の領域には、該電気光学結晶よりも誘電率が低い低誘電率絶縁材料が挿入されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項３または４記載の発明において、前記低誘電率絶縁材料は、多成分酸化物ガラスまたはポリマー材料、またはＫＴａＯ3、あるいはこれらの多層構造であることを特徴とする。
【００１７】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記第１の電極および第２の電極の材料は、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｓｅ、Ｃｓ、Ｒｂ、Ｋ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎａ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｍｇ、Ａｓ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｃｄ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｐｂ、Ａｇ、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂ、Ｈｇ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｔｅ、Ｒｅ、Ｂｅ、Ｒｈのいずれかであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、２次の電気光学結晶に電界を印加するための電極を複数配置し、かつ該電極を直列に接続しているので、駆動電源の負担を軽減可能な光変調器を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００２０】
本発明の一実施形態は、ＫＴＮ（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１））やＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））等、２次の電気光学効果を有する電気光学結晶を用いた光変調器であって、該電気光学結晶の対向する面に電極を配置し、電界を電気光学結晶に印加して所定の変調（位相変調や強度変調等）を行う際に、上記対向して配置されるそれぞれの電極をＮ個（２以上の整数）に分割し直列に接続して、電気容量を低減するものである。
【００２１】
上記ＫＴＮ、ＫＬＴＮは、電界を結晶軸方向に印加すると、大きな二次の電気光学効果を示す。その値は（１２００〜８０００ｐｍ／Ｖ）であり、１次の電気光学効果を有する材料であるＬｉＮＯ3（ＬＮ）の有する非線形定数３０ｐｍ／Ｖに比べて著しく大きい。さらに、ＫＴＮ、ＫＬＴＮは、ＴａとＮｂの組成比を変化させることにより、常誘電性から強誘電性への相転移温度を、ほぼ絶対零度から４００℃まで変化させることが可能である。従って、温度コントローラを用いなくても、動作温度を室温等、所望に設定することができる。このように、ＫＴＮやＫＬＴＮは、光変調器に対して好ましい材料である。
【００２２】
なお、本発明の一実施形態では、光変調器の変調領域として用いる材料は、ＫＴＮやＫＬＴＮに限らない。本発明の一実施形態の目的は、低電圧で変調動作を行うことではなく、２次の電気光学効果を有する材料を変調領域に適用した際の、電極の電気容量を低減することである。よって、上記変調材料に用いる材料は、ＫＴＮ、ＫＬＴＮに限らず、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＩＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、Ｂａ1-xＳｒxＴｉＯ3（０＜ｘ＜１）、Ｂａ1-xＳｒxＮｂ2Ｏ6（０＜ｘ＜１）、Ｓｒ0.75Ｂａ0.25Ｎｂ2Ｏ6、Ｐｂ1-yＬａyＴｉ1-xＺｒxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3-ＰｂＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＤ2ＰＯ4、（ＮＨ4）Ｈ2ＰＯ4、ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＣｓＬｉＢ6Ｏ10、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、およびＺｎＯ等、２次の電気光学効果を有する誘電体材料であればいずれを用いても良い。
【００２３】
また、電気光学結晶に電界を印加するための電極の材料は、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｓｅ、Ｃｓ、Ｒｂ、Ｋ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎａ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｍｇ、Ａｓ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｃｄ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｐｂ、Ａｇ、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂ、Ｈｇ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｔｅ、Ｒｅ、Ｂｅ、Ｒｈのいずれかを用いることができる。また、上記材料を複数用いた合金であってもよい。
【００２４】
（第１の実施形態）  
図２は、本実施形態に係る光変調器の構成を示す図である。  
図２において、光位相変調器２０は、２次の電気光学効果を有する電気光学結晶２１を備えている。電気光学結晶２１の第1の面には、電極２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、および２６ａが所定の間隔で配置されている。一方、電気光学結晶２１の上記第１の面に対向する第２の面には、電極２２ｂ、２３ｂ、２４ｂ、２５ｂ、および２６ｂが上記所定の間隔で配置されている。なお、各電極２２ａ〜２６ｂは同じ面積Ｓを有するものとする。  
以下では、電気光学結晶２１がＫＴＮである場合について説明する。
【００２５】
本実施形態では、電極２２ａと電極２２ｂとが第１の電極対を形成し、電極２２ａおよび２２ｂに電圧が印加されると、その間に電界が形成されることになる。同様に、電極２３ａと電極２３ｂとが第２の電極対を形成し、電極２４ａと電極２４ｂとが第３の電極対を形成し、電極２５ａと電極２５ｂとが第４の電極対を形成し、電極２６ａと電極２６ｂとが第５の電極対を形成する。
【００２６】
このように、本実施形態では、電気光学結晶２１の一方の面に配置された電極の数だけ電極対が形成されることになる。従って、電気光学結晶２１の一方の面にＮ個（Ｎは２以上の整数）の電極が配置される場合は、上記一方の面に対向する第２の面にもＮ個の電極が配置され、かつ第１の面に形成された電極の各々が、第２の面に形成された電極の各々に対して１対１で電極対を形成する。よって、Ｎ個の電極対が形成されることになる。
【００２７】
後述するように、本実施形態では、電気光学結晶２１の光を導波させる方向Ｐに沿って、各電極対を直列に接続することが重要である。よって、各電極対同士の電気的な接続の仕方が重要となってくる。
【００２８】
図２において、第１の電極対を構成する電極２２ａは、電気配線２７に接続されている。該電気配線２７は、変調電圧を印加するための電源（不図示）の正極に接続されている。また、第１の電極対を構成する電極２２ｂは、第２の電極対を構成する電極２３ａと電気配線２８ａによって電気的に接続されている。このような構成によって、第１の電極対と第２の電極対とは、方向Ｐに沿って直列に接続されることになる。
【００２９】
同様に、第２の電極対を構成する電極２３ｂと第３の電極対を構成する電極２４ａとが、電気配線２８ｂによって電気的に接続され、第３の電極対を構成する電極２４ｂと第４の電極対を構成する電極２５ａとが電気配線２８ｃによって電気的に接続され、第４の電極対を構成する電極２５ｂと第５の電極対を構成する電極２６ａとが電気配線２８ｄによって電気的に接続されている。第５の電極対を構成する電極２６ｂは、上記電源の負極に電気配線２９を介して接続されている。このような構成によって、第１〜第５の電極対は、直列に接続されることになる。
【００３０】
このような構成において、変調動作時に、上記電源から電圧が印加されると、電極２２ａから電極２２ｂに向って、すなわち、電気光学結晶２１に入射した入射光が伝搬する方向と垂直な方向に電界Ｅが発生する。同様に、電極２３ａから電極２３ｂに、電極２４ａから電極２４ｂに、電極２５ａから電極２５ｂに、電極２６ａから電極２６ｂに向って電界Ｅが発生する。このとき、電気光学結晶２１を方向Ｐに向かって光が通過すると、該通過された光は位相変調を受ける。
【００３１】
以下で、本実施形態の作用、効果を説明する。  
図３は、比較例であって、従来の光位相変調器の構成を示す図である。  
図３において、光位相変調器３０は、２次の電気光学効果を有する電気光学結晶（ＫＴＮ）３１を備えており、電気光学結晶３１の第1の面には、面積が５Ｓである正極３２が配置され、第１の面に対向した第２の面には、面積が５Ｓである負極３３が配置されている。この光位相変調器３０の電気容量をＣ1とする。
【００３２】
一般に、電気容量Ｃ0のコンデンサの導体板をＮ個に等分割して、該分割により形成されるＮ個のコンデンサを直列に接続する場合、分割後のそれぞれのコンデンサの電気容量ＣNは、
【００３３】
【数１】
0004912274.tif 000002
【００３４】
の関係を満たす。すなわち、分割後のそれぞれのコンデンサの電気容量は、分割前のコンデンサの電気容量に対して、分割の個数の二乗に比例して小さくなる。
【００３５】
また、上記コンデンサを構成する導体板の間にＫＴＮ等の２次の電気光学効果を有する電気光学結晶を挿入すると、図３に示すような光位相変調器となる。このような光位相変調器の駆動電圧をＶ0とし、分割後のそれぞれのコンデンサに駆動電圧Ｖ0を印加する場合、分割後の光位相変調器の駆動電圧の合計ＶNは、上記分割されたコンデンサは直列に接続されているので、
【００３６】
【数２】
0004912274.tif 000003
【００３７】
の関係を満たす。すなわち、分割後の駆動電圧の合計は、分割前の駆動電圧に対して分割の個数に比例して大きくなる。
【００３８】
さて、光位相変調器３０においては、２つの電極３２、３３を対向して配置することにより、電気容量Ｃ1のコンデンサを形成することになるが、上記電極３２、３３をそれぞれＭ個（Ｍは２以上の整数）に等分割して、分割された電極にて形成されるＭ個のコンデンサを直列に接続する場合、Ｍ個のコンデンサの電気容量Ｃ2は、式（１）に基づいて、
【００３９】
【数３】
0004912274.tif 000004
【００４０】
となる。
【００４１】
一方、駆動電圧については、分割前の光位相変調器３０の駆動電圧をＶ1とし、分割後の駆動電圧をＶ2とすると、直列接続なので、式（２）に基づいて、Ｖ2＝ＭＶ1となる。
【００４２】
このように、光位相変調器３０の電極をＭ個に分割して直列に接続すると、駆動電圧は、分割前のＭ倍となるが、電気容量は、１／Ｍ2となり、分割された各コンデンサにおける電気容量Ｃ2を大幅に低減することができる。よって、駆動電圧は高くなるが、電気容量を大幅に低減することができるので、駆動電源への負荷を軽減することができる。
【００４３】
図２に示した本実施形態に係る光位相変調器２０は、まさに、上述の、図３の電極をＭ個に分割した形態と等価の形態である。
【００４４】
光位相変調器３０の第１の面に配置された電極である正極３２の面積は５Ｓであり、光位相変調器２０の第１の面に配置された電極２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａの合計の面積は５Ｓとなる。同様に、光位相変調器３０の第２の面に配置された電極である負極３３の面積は５Ｓであり、光位相変調器２０の第２の面に配置された電極２２ｂ、２３ｂ、２４ｂ、２５ｂ、２６ｂの合計の面積は５Ｓとなる。よって、光位相変調器２０の各電極は、光位相変調器３０の正極３２、３３を５つに分割したものと等価となる。
【００４５】
従って、光位相変調器２０の各電極対の電気容量をＣ3とすると、式（１）の関係から、
【００４６】
【数４】
0004912274.tif 000005
【００４７】
となり、電気容量を大幅に低減することができる。
【００４８】
本実施形態に係る光位相変調器２０では、各電極を所定の間隔で配置しているので、光位相変調器３０より位相変調領域が大きくなる。しかしながら、上記所定の間隔を、変調の効果が低減しないような間隔に設定することにより、光位相変調器２０においても、光位相変調器３０と同等の位相変調を行うことができる。すなわち、本実施形態に係る光位相変調器２０は、図３に示した光位相変調器３０と同等の位相変調効果を実現しつつ、電気容量を低減することができるのである。
【００４９】
電極を配置する所定の間隔は、同一面上に形成された電極間に発生しうる電界強度を十分小さく保つために、第１の面、第２の面の間隔の１／５以上とするのが好ましい。例えば、第１の面、第２の面の間隔が１ｍｍである場合は、電極を配置する所定の間隔は０．２ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００５０】
このように、本実施形態では、光変調器において、所望の変調を行う際、変調を行うための電極の静電容量を下げるために、上記所望の変調を行うための電極を分割する形で、Ｎ個の電極対を形成し、該Ｎ個の電極対を直列接続することが本質である。すなわち、本実施形態は、従来において所望の変調を行うのに必要としていた電極よりも小さい電極を複数形成し、上記所望の変調と同等の変調を行うものである。よって、本実施形態では、電極２２ａ〜２６ｂの電極の面積を一定としているが、面積を一定にすることが本質ではない。すなわち、第１の電極対〜第５の電極対のそれぞれの電気容量を、正極３２および負極３３からなる電極対の電気容量よりも小さくすることが本質であり、該本質を考慮すると、電極２２ａ〜２６ｂは、それぞれ一定の面積であっても良いし、異なる面積であっても良いのである。
【００５１】
また、本実施形態では、ある電極対の第２の面に形成された電極を、方向Ｐに沿ったその次の電極対の第１の面に形成された電極に電気配線などによって電気的に接続することによって、直列接続を実現しているが、これに限らない。例えば、図２では、電極２３ｂと電極２４ａとを電気配線２８ｂにて接続しているが、電極２３ｂと電極２４ｂとを電気配線２８ｂにて接続することにより、第２の電極対と第３の電極対とを直列に接続するようにしても良い。このとき、各電極対を直列接続することを考慮すると、第３の電極対と第４の電極対との直列接続は、電極２４ａと電極２５ａとを電気配線２８ｃにて接続することによって行う。
【００５２】
このように、本実施形態では、各電極対を直列接続するために、ある電極対に着目すると、該電極対を構成する２つの電極のそれぞれが、前後の電極対の一方とのみ接続するように電気的な接続を確立するのである。
【００５３】
すなわち、電気光学結晶の第１および第２の面にそれぞれＮ個（Ｎは３以上の整数）の電極が配置される場合、Ｋ番目（Ｋ；２以上、Ｎ−１以下の整数）の電極対の一方の電極は、方向Ｐに沿った次の電極対のいずれか一方の電極と電気的に接続され、かつＫ番目の電極対の他方の電極は、方向Ｐに沿った前の電極対のいずれか一方の電極と電気的に接続されるようにする。また、１番目の電極対の一方の電極は、電源の正極に接続され（すなわち、光位相変調器の外部と電気的に接続され）、他方の電極は、方向Ｐに沿った次の電極対のいずれか一方の電極に接続され、Ｎ番目の電極対の一方の電極は、電源の負極に接続され、他方の電極は、方向Ｐに沿った前の電極対のいずれか一方の電極に接続されるようにする。
【００５４】
また、電気光学結晶の第１および第２の面にそれぞれ２個の電極が配置される場合、上記２個の電極対のうち、方向Ｐに沿った１番目の電極対の一方の電極は、電源の正極に接続され、他方の電極は方向Ｐに沿った２番目の電極対のいずれか一方の電極と電気的に接続される。一方、上記２番目の電極対の、１番目の電極対と電気的に接続されていない方の電極は、電源の負極に接続される。
【００５５】
このように、本実施形態では、各電極間に生じる電界の向きに関係なく、電極同士を接続することができる。このような効果を奏するのは、電気光学結晶として、２次の電気光学効果を有する誘電体結晶を用いているからである。
【００５６】
仮に、用いる電気光学結晶として１次の電気光学効果を有する誘電体結晶を用いると、上記直列接続する際に、電極対の接続を考慮しないと、変調動作を良好に行うことができない。すなわち、１次の電気光学効果を有する誘電体結晶では、印加された電界に比例して屈折率が変化するので、本発明のように、電極対を方向Ｐに沿って複数配置する場合、各電極対間で発生する電界の向きを揃えないと、変調効果がキャンセルされてしまうことになる。
【００５７】
これに対して、本実施形態では、屈折率変化が電界の二乗に比例する、２次の電気光学効果を有する誘電体結晶を用いているので、電極対を方向Ｐに沿って複数配置する場合、各電極対間で発生する電界の向きが揃っていなくても、変調効果に影響が無いのである。よって、各電極間に生じる電界の向きを考慮することなく、電極同士の接続を自由に行うことができる。
【００５８】
上述のように、本発明では、電気光学結晶の一方から他方に向った所定の方向に沿って電極対を複数配置し、さらに該電極対を直列に接続することが重要であり、この直列接続を行う際に、電気的な接続の制限を低減するために、電気光学結晶として２次の電気光学効果を有する誘電体結晶を用いているのである。
【００５９】
（第２の実施形態）  
本実施形態では、第１の実施形態とは別の直列接続の形態を説明する。  
図４は、本実施形態に係る光変調器の構成を示す断面図である。  
図４において、光位相変調器４０は、２次の電気光学効果を有する電気光学結晶４１を備えている。電気光学結晶４１の第1の面には、電極４２、４３、および４４が所定の間隔で配置されている。一方、電気光学結晶４１の上記第１の面に対向する第２の面には、電極４５、４６および４７が上記所定の間隔で配置されている。  
また、電極４２と電極４３との間の電気光学結晶４１の領域には、たとえばＳｉＯ2等の低誘電率絶縁材料４８ａが挿入（配置）されている。同様に、電極４５と電極４６との間の電気光学結晶４１の領域には、低誘電率絶縁材料４８ｂが挿入（配置）され、電極４３と電極４４との間の電気光学結晶４１の領域には、低誘電率絶縁材料４８ｃが挿入（配置）され、電極４６と電極４７との間の電気光学結晶４１の領域には、低誘電率絶縁材料４８ｄが挿入（配置）されている。
【００６０】
以下では、電気光学結晶４１がＫＴＮである場合について説明する。
【００６１】
本実施形態では、一方の面に形成された電極の一部と、上記一方の面に対向する面に形成された電極の一部とによって、電気光学結晶内に電界を発生するようにしている。図４では、第１の面に形成された電極４２の一部と、第２の面に形成された電極４５の一部との間に電界Ｅ1が発生するように電極４５を配置している。すなわち、電極が配置されている面である第１の面および第２の面からみて、電極４５の一部が電極４２の一部と重なるように電極４５を第２の面に配置している。なお、電極４２は、変調電圧を印加するための電源（不図示）の正極に電気配線４９を介して接続されている。
【００６２】
また、電極４３を、電極４２と所定の間隔で離間し、かつ第１の面および第２の面からみて、電極４３の一部が電極４５の一部と重なるように電極４３を配置している。このように配置することによって、電極４５の一部と、電極４３の一部との間に電界Ｅ2が発生する。
【００６３】
同様に、電極４６を、電極４５と所定の間隔で離間し、かつ第１の面および第２の面からみて、電極４６の一部が電極４３の一部と重なるように電極４６を配置している。このように配置することによって、電極４３の一部と、電極４６の一部との間に電界Ｅ3が発生する。
【００６４】
同様に、電極４４を、電極４３と所定の間隔で離間し、かつ第１の面および第２の面からみて、電極４４の一部が電極４６の一部と重なるように電極４４を配置している。このように配置することによって、電極４６の一部と、電極４４の一部との間に電界Ｅ4が発生する。
【００６５】
さらに、電極４７を、電極４６と所定の間隔で離間し、かつ第１の面および第２の面からみて、電極４７の一部が電極４４の一部と重なるように電極４７を配置している。このように配置することによって、電極４４の一部と、電極４７の一部との間に電界Ｅ5が発生する。電極４７は、上記電源の負極に電気配線５０を介して接続されている。
【００６６】
本実施形態では、このような電極配置によって、電源から電極４２に正の電圧が印加されると、電極４２の一部と、それと重なる電極４５の一部との間に、電気光学結晶４１に入射した入射光が伝搬する方向と垂直な方向に電界Ｅ1が発生する。本実施形態では、この電界Ｅ1が発生する領域を第１の電極対と呼ぶ。このとき、電極４２にはプラスの電荷が蓄積され、静電誘導により電極４５における第１の電極対を構成する領域（電極４２の一部と重なる領域）にはマイナスの電荷が蓄積されるので、電荷中性条件により、電極４５における電極４３の一部と重なる領域にプラスの電荷が蓄積される。同時に、電極４３における電極４５の一部と重なる部分にマイナスの電荷が蓄積される。よって、電極４５の一部と、それと重なる電極４３の一部との間に電界Ｅ2が発生する。本実施形態では、この電界Ｅ2が発生する領域を第２の電極対と呼ぶ。
【００６７】
電極４３〜４７においても同様に静電誘導が起こり、電極４３の一部とそれと重なる電極４６の一部（本実施形態では第３の電極対と呼ぶ）との間に電界Ｅ3が発生し、電極４６の一部とそれと重なる電極４４の一部（本実施形態では第４の電極対と呼ぶ）との間に電界Ｅ4が発生し、電極４４の一部とそれと重なる電極４７の一部（本実施形態では第５の電極対）との間に電界Ｅ5が発生する。  
すなわち、本実施形態では、電気光学結晶の内部に電界を発生させるための電極について、電源と接続される電極（図４では、電極４２および４７）以外の電極（例えば、電極４６）を、自身と対向する面に配置された隣り合う電極の各々（例えば、電極４３および４４）の一部と、第１の面および第２の面からみて重なるように配置する。なお、図４では、上記電源と接続される電極の各々（電極４２および４７））、すなわち、光位相変調器４０から外部に対して電気的接続を行うための電極は、電気光学結晶の異なる面に配置されているが、同一の面に配置しても良い。
【００６８】
また、上述のように直列接続を行うので、外部に対して電気的接続を行うための電極は、電気光学結晶４１において配置された複数の電極のうちの、方向Ｐに沿った両端の電極となる。すなわち、第１の面または第２の面のいずれか一方に配置された電極のうち、方向Ｐに沿った１番目の電極が外部に電気的に接続され、かつ第１の面または第２の面のいずれか一方に配置された電極のうち、方向Ｐに沿った最後の電極も外部と電気的に接続されることになる。
【００６９】
このように、本実施形態では、電気配線を用いずに直列接続を実現することができる。よって、第１の実施形態と同様に、電気容量を大幅に低減することができる。
【００７０】
ところで、本実施形態では、電気光学結晶４１の第１の面と第２の面とにそれぞれ、複数の電極を、対向する面に配置される電極と一部重なるように配置しているが、ある電極が、該電極と同一面に配置された電極から発生する電気力線の影響を受ける場合がある。すなわち、本実施形態では、電気容量を低減させるために、電極を分割して配置する、という観点から、電気光学結晶の第１の面および第２の面に電極を複数配置するが、同一面に配置された電極同士が電気力線により影響し合い、電気光学結晶内に発生する電界を弱めてしまうことがある。例えば、図４においては、電極４２にはプラスの電荷が蓄積し、電極４３の電極４２側の領域（電極４３の紙面左側の領域）にはマイナスの電荷が蓄積することになるので、電極４２から電極４３の紙面左側の領域に電気力線が発生することがある。
【００７１】
そこで、本実施形態では、各電極対の間に、例えば、ＳｉＯ2等の低誘電体材料４８ａ〜４８ｄを配置している。これら低誘電率絶縁材料４８ａ〜４８ｄによって、電気力線の影響を低減させる等の、隣り合う電極同士の影響を低減することができる。
【００７２】
本実施形態では、低誘電率絶縁材料は、同一面に配置された、各電極間の電気光学結晶の領域に配置されることで、各電極間の望まない電気力線の影響などを低減する機能を果たすので、上記低誘電率絶縁材料としては、用いる電気光学結晶よりも低い誘電率を有する材料を用いる。例えば、ＳｉＯ2等の多成分酸化物ガラスやポリマー、またはＫＴ（ＫＴａＯ3）、あるいはこれらの多層構造を用いることが好ましい。
【００７３】
上述のように、本実施形態に係る低誘電率絶縁材料は、用いる電気光学結晶よりも誘電率が低くなるので、低誘電率絶縁材料の屈折率は、用いる電気光学結晶の屈折率よりも低くなる。よって、本実施形態に係る低誘電率絶縁材料は、ＡＲ（Anti-Reflection）機能を有することになる。
【００７４】
本実施形態では、ＡＲコートとしても十分に機能するために、低誘電率絶縁材料は、多層構造を有することが好ましい。低誘電率絶縁材料を、たとえば、屈折率が  
（ｎ1／ｎ2）2＝ｎKTN 
（ｎ1、ｎ2、ｎKTNはそれぞれ、第１の低誘電率絶縁材料の屈折率、第２の低誘電率絶縁材料の屈折率、ＫＴＮの屈折率を示す）  
を満たす第１の低誘電率絶縁材料および第２の低誘電率絶縁材料を用いて、  
ｎ1×ｄ1＝λ／４、ｎ2×ｄ2＝λ／４  
（ｄ1、ｄ2はそれぞれ第１の低誘電率絶縁材料の厚さ、第２の低誘電率絶縁材料の厚さを示す。λは、真空中の光の波長を示す）  
を満たす、第１の低誘電率絶縁材料／第２の低誘電率絶縁材料／第１の低誘電率絶縁材料、という三層構造によって形成することにより十分なＡＲ機能が実現される。
【００７５】
たとえば、可視光におけるＫＴＮの屈折率が２．４であるので、第１の低誘電率絶縁材料としてＫＴ（ＫＴａＯ3）（屈折率：２．２４）、第２の低誘電率絶縁材料としてＳｉＯ2（屈折率：１．４５）を用いることにより上記屈折率に関する条件はほぼ満足される。たとえば、入射光の波長が真空中で５００ｎｍである場合は、上記ｄ1、ｄ2はそれぞれ、５６ｎｍ、８６ｎｍであるので、ＫＴ（５６ｎｍ厚）／ＳｉＯ2（８６ｎｍ厚）／ＫＴ（５６ｎｍ厚）の三層構造により十分なＡＲ機能が実現される。
【００７６】
なお、本実施形態において、低誘電率絶縁材料を配置することは、上述のように、隣り合う電極からの電気力線の影響などを軽減することができるので好ましいが、配置しなくても良い。
【００７７】
また、低誘電率絶縁材料を第１の実施形態において、電気光学結晶における各電極対の間の領域に配置するようにしても良いことは言うまでも無い。
【００７８】
次に、本実施形態に係る光位相変調器４０の作製方法を説明する。  
図５は、本実施形態に係る光位相変調器の作製方法を説明するための図である。  
従来の方法を用いて、電気光学結晶としてのＫＴＮ５１を形成する（図５（ａ））。次いで、ＫＴＮ５１上に、低誘電率絶縁材料としてのＳｉＯ2５２を形成する（図５（ｂ））。このＳｉＯ2の形成は、蒸着、スパッタ、ゾルゲル法などいずれの方法を用いても良い。次いで、ＳｉＯ2５２上に、再び、ＫＴＮ５１を形成する（図５（ｃ））。図５（ｂ）および図５（ｃ）にて示した工程を３回繰り返すことによって、積層体５３を形成する（図５（ｄ））。
【００７９】
次いで、積層体５３の第１の面５４の所定の位置に、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングを用いて、電極５６を形成する。次いで、積層体５３の第２の面５５の所定の位置に、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングを用いて、電極５７を形成する。このようにして、図４に示す光位相変調器が作製される（図５（ｅ））。
【００８０】
ＡＲ機能を実現するためにＫＴ／ＳｉＯ2／ＫＴなる三層構造からなる低誘電率絶縁材料を使用する場合は、ＳｉＯ2５２を形成するに先立ちＫＴＮ５１に例えばＭＯＣＶＤ法によりＫＴを形成すれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】従来の電気光学結晶を用いた光位相変調器の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る光変調器の構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態の作用を説明するための図であって、従来の光位相変調器の構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る光変調器の構成を示す断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の一実施形態に係る光位相変調器の作製方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８２】
２０、４０    光位相変調器
２１、４１    電気光学結晶
２２ａ〜２６ｂ、４２〜４７    電極
２７〜２９、４９、５０    電気配線
【図１】
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【図２】
0004912274.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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