(57)【要約】【課題】偏向を抑えつつ、光変調器に用いるリード線の残留インダクタンスが与える影響を抑制し、動作周波数の拡大を図ることが可能な光変調器を提供すること。【解決手段】本発明の一実施形態に係る光変調器は、誘電体１０３と、誘電体１０３を貫くように形成された電気リード線１０１と、誘電体１０３を囲むように形成された電極１０６と、電気リード線１０１を囲むように形成され、電気リード線１０１と誘電体１０３との間に設けられた電極１０２とを備え、誘電体１０３の、電気リード線１０１の外側の領域に入力光が入力される。【選択図】図１
2009058908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する誘電体と、
前記誘電体を貫くように形成されたリード線と、
前記誘電体を囲むように形成された第１の電極と、
前記リード線を囲むように形成され、前記リード線と前記誘電体との間に設けられた第２の電極とを備え、
前記誘電体の、前記リード線の外側の領域に入力光が入力されることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記誘電体の、前記入力光の入力される面と対向する面から出力された光を反射して再び前記誘電体に入力するように配置された少なくとも１つの反射部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記誘電体は、ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１）、またはＫ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）であることを特徴とする請求項１または２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、光変調器に関するものであり、特に誘電体を利用して光変調器を作成する際の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、素子の小型化・高効率化を狙い、電気光学効果の大きな材料を用いたデバイスの研究がなされている。例えばＫＴＮ（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１））結晶は、常誘電体から強誘電体への相転移時の温度領域では、比誘電率が発散して例えば１０，０００に達し、誘電率の２乗に比例する２次の電気光学効果が極めて大きくなる（非特許文献１参照）。しかしながら、誘電率が高いことはそのまま素子容量の増加につながる。
【０００３】
例えば真空の誘電率８．８５×１０-12（Ｆ／ｍ）に対して、比誘電率１０，０００の場合、誘電率はＢ＝８．８５×１０-8（Ｆ／ｍ）に達する。光変調器として用いる際、一般にＫＴＮは図３のような平行平板型のコンデンサとして利用される。図３において、ＫＴＮ結晶３１の対向する面にそれぞれ、電極３２が形成されており、各電極３２にはリード線３３が接続されている。上記リード線３３の一方は接地させ、他方は電圧印加用ドライバー３４に接続され、該電圧印加用ドライバー３４は交流電源３５に接続されている。
【０００４】
図３では、ＫＴＮ３１および電極３２が平行平板コンデンサを構成しているので、電極３２の面積（ｓ）を３ｍｍ角（９×１０-6ｍ2）、電極間（ｄ）を１ｃｍ（１×１０-2ｍ）とすると、上記平行平板コンデンサの電気容量（ｃ）は、約８０（ｐＦ）になる。（Ｂ・ｓ／ｄ）
【０００５】
さて、一般に変調周波数としては、例えば画像信号を変調する場合には１５０ＭＨｚの帯域が必要とされる。これは例えば、電圧印加用ドライバー３４を、出力インピーダンスＲ＝５０ｏｈｍでＫＴＮ３１および電極３２と接続する場合を考えると、ＣＲ時定数は４×１０-9（ｓｅｃ）（ｃ・ｒ）となり、理想的な回路であれば図３の回路は２５０ＭＨｚの帯域を持つ。
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００６／１３７４０８号パンフレット
【非特許文献１】藤浦  和夫、「高効率電気光学結晶ＫＴＮの育成と応用」、セラミックス、４１［９］、ｐ．６７８−６８２、２００６年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図３に示すような実際の回路でＫＴＮ結晶を２５０ＭＨｚで動作させることは困難である。これはＫＴＮに電圧を印加するためのリード線や電極等に例えばＬ＝２０ｎＨ程度の残留インダクタンスが存在するためである。図３を用いて説明すると、ＫＴＮ結晶３１と電極３２とを含んで構成されるコンデンサの電気容量をＣとし、リード線３３に残留インダクタンスＬが存在すると、図３に示す光変調器の動作回路は図４のようにＬＣ回路となる。図４において、符号４１は、ＫＴＮ３１と電極３２とにより形成されるコンデンサを示し、符号４２は、残留インダクタンスが存在するリード線３３を示し、符号４３は、電圧印加用ドライバー３４を示す。図４に示されるように、このＬＣ回路には共振周波数が存在することになる。共振周波数はｆ＝１／｛２π（ＬＣ）｝で与えられるため、これを計算すると帯域は１２６ＭＨｚと半減する。
【０００８】
すなわち、図３のリード線３３に残留インダクタンスが存在していない理想的な回路であれば、周波数ｆは、ｆ＝ＣＲとなるので、２５０ＭＨｚとなる。一方、図３のリード線３３に残留インダクタンスがＬ＝２０ｎＨ程度存在しているとすると、共振周波数はｆ＝１／｛２π（ＬＣ）｝となるので、１２６ＭＨｚとなり、残留インダクタンスによるＬＣ回路の形成により、帯域が半減してしまうのである。
【０００９】
これを表現したのが図５であり、回路のインダクタンスを考慮すると、ＫＴＮの帯域は半減することがわかる。図５において、曲線５１は、ＫＴＮの対向する２つ面にそれぞれ電極を配置して構成されたコンデンサの、該電極に接続されたリード線のインダクタンスを考慮した、挿入損失と周波数との関係を示す曲線である。また、曲線５２は、該コンデンサについて、理想的な挿入損失と周波数との関係を示す曲線である。
【００１０】
上記に示したように、誘電体を平行平板型の光変調器として用いる場合、リード線に起因するインダクタンスのために光変調器の帯域が大きく減少する。そのため、必要な帯域を満たすことができず、大きな問題となる。上記ではＫＴＮの素子容量を８０ｐＦとしたが、素子の構造によっては素子容量が１０倍もしくはそれ以上に達するため、残留インダクタンスはより大きな問題となる。
【００１１】
さらに、ＫＴＮやＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））等の電気光学結晶を用いた光変調器の場合、電圧の印加により２次の電気光学効果が生じることで動作するが、このとき電圧印加によりＫＴＮやＫＬＴＮ等の電気光学結晶に電子が注入されると、電気光学結晶内に電界傾斜が生じ、該電界傾斜の影響で光が曲がる、いわゆる偏向（スキャニング）効果を起こす（特許文献１参照）。この効果は、ビームスキャナとしては非常に有効であるが、一般に偏向効果が電気光学効果に比べて１桁以上低速であるために変調器としては問題である。また、変調器の両端に光ファイバを接続する場合には、偏向によって光ファイバのアライメントが困難になる。そこで、電子の注入をなるべく避ける必要があるが、従来の構造では不可能であった。
【００１２】
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、偏向を抑えつつ、光変調器に用いるリード線の残留インダクタンスが与える影響を抑制し、動作周波数の拡大を図ることが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】
【００１３】
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、電気光学効果を有する誘電体と、前記誘電体を貫くように形成されたリード線と、前記誘電体を囲むように形成された第１の電極と、前記リード線を囲むように形成され、前記リード線と前記誘電体との間に設けられた第２の電極とを備え、前記誘電体の、前記リード線の外側の領域に入力光が入力されることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記誘電体の、前記入力光の入力される面と対向する面から出力された光を反射して再び前記誘電体に入力するように配置された少なくとも１つの反射部材をさらに備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記誘電体は、ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１）、またはＫ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、光変調器に用いるリード線の残留インダクタンスが与える影響を抑制することが可能であり、変調器の帯域を広げることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。  
本発明の一実施形態では、電気光学効果を有する誘電体に電極を形成し、該電極にリード線を介して変調のための電圧を印加することによって変調動作を行う光変調器において、該光変調器の等価回路において、ＬＣ回路を形成しないようにしている。すなわち、上記変調のための電圧を誘電体に印加する際に、リード線に生じる残留インダクタンスの、誘電体への影響を抑制するようにしている。
【００１８】
このために、本発明の一実施形態では、変調のための電圧を印加するためのリード線が誘電体を貫通するようにし、誘電体内ではリード線が切断されていない、１本の連続した状態で存在させるようにしている。すなわち、リード線の端面以外の一部を囲むように誘電体を形成し、該誘電体を変調領域とするのである。
【００１９】
このようにすることで、リード線の切断面ではない連続した領域、すなわちリード線の側面を介して誘電体に変調動作のための電圧を印加することができるので、従来のように、リード線の残留インダクタンスによって形成されるＬＣ回路の形成を抑制することができ、動作帯域の低減を抑制することができる。
【００２０】
また、本発明の一実施形態では、誘電体内をリード線が切断されていない、１本の連続した状態で貫いた状態で誘電体に電圧を印加するようにしているので、リード線を流れる電子はリード線内に留まることになり、誘電体内への電子の注入を抑える、ないしは防ぐことができる。従って、誘電体内での電界傾斜の発生を抑えることができ、偏向を抑えることができる。
【００２１】
なお、本発明の一実施形態では、上記誘電体として、２次の電気光学効果を有する誘電体である、ＫＴＮ（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１））、およびＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））が特に好ましい材料である。
【００２２】
このＫＴＮやＫＬＴＮは、特に、立方晶から正方晶への相転移温度に近い領域では、比誘電率が発散する現象が起こり、比誘電率の自乗に比例する２次の電気光学効果はきわめて大きい値となる。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。
【００２３】
なお、本発明の一実施形態では、ＫＴＮやＫＬＴＮを誘電体としても用いることは、特に有効であるが、これに限らず、例えば、ＬｉＮｂＯ3、ＫＴａＯ3等、電気光学効果を有する誘電体であればいずれの材料を用いても良い。
【００２４】
（第１の実施形態）  
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態を説明する図であって、本実施形態に係る光変調器の断面図である。図１（ａ）および（ｂ）において、符号１０１は、誘電体１０３の内部を貫くように形成された電気リード線であり、符号１０２は、電気リード線１０１を囲むように形成された、誘電体１０３と電気リード線１０１とを接触させるための電極（誘電体１０３と電気リード線１０１とを電気的に接続させるための電極）である。符号１０３は、誘電体であり、符号１０４は入力光であり、符号１０５は光信号である。符号１０６は、誘電体１０３を囲むように形成された電極であり、符号１０７は導電性のシールド板（グランド）である。本実施形態において、電気リード線１０１に印加される電気信号は１５０ＭＨｚ、２００Ｖ程度である。図１図（ｂ）は図１（ａ）を入力光１０４の入力方向から見たものであり、図１（ｃ）は、図１（ａ）および（ｂ）に示す光変調器の等価回路を示す図になる。
【００２５】
本実施形態では、電気リード線１０１に電圧が印加されると、電極１０２に上記電圧が作用し、電極１０２と電極２０６との間に電界が発生する。そして、電極１０２と電極１０６との間には誘電体１０３が存在しているので、電極１０２、誘電体１０３、および電極１０６によってコンデンサが形成されることになる。このコンデンサが、図１（ｃ）でいうコンデンサ１０８である。図１（ｃ）において、符号１０９は、残留インダクタンスを有するリード線１０１を示す。
【００２６】
図１（ａ）によって明らかなように、電気リード線１０１を流れる電流が誘電体１０３の中を流れるように形成しているために電気リード線１０１のインダクタンスは誘電体１０３と分離される（誘電体１０３から見たインダクタンスは０になる）。同様にグランド電極を直接シールド板１０７に半田付けすることにより、グランド側の残留インダクタンスも０になる。したがって、上記の構造により、本回路の特性は、図５における理想的なＫＴＮ回路の特性（曲線５２）に一致することができる。従って、ＣＲ時定数に一致する２５０ＭＨｚでの変調が可能になる。
【００２７】
すなわち、電気リード線１０１流れる電流が誘電体１０３内を通過するように、誘電体１０３内を電気リード線１０１が貫くようにし、電極１０２への電圧の印加を電気リード線１０１の切断面（端面）ではなく連続した側面にて行っているので、電気リード線１０１の残留インダクタンスを誘電体１０３から分離することができる。従って、図１（ｃ）に示されるように、図１（ａ）に示す光変調器の等価回路において、電気リード線１０１によってコンデンサ１０８に電圧は印加されるが、ＬＣ回路は形成されない。従って、電気リード線の残留インダクタンスによる帯域の低下を抑えることができる。
【００２８】
本実施形態における光変調の際は、誘電体１０３のうち、電気リード線１０１が存在していない領域（誘電体１０３の、電気リード線１０１の外側の領域）に入力光１０４が入力され、該領域にて所定の変調が行われて、光信号１０５となって出力される。この際、入力光１０４が電気リード線１０１や電極１０２によって反射等されないよう、電気リード線１０１と平行に入射する。
【００２９】
さて、上述のように本実施形態では、電気リード線の残留インダクタンスと、誘電体および電極によって構成されるコンデンサとによるＬＣ回路の形成を抑制するものであり、そのために、誘電体内を、電気リード線を貫通させている。このとき、該電気リード線の連続した部分（側面）から変調動作のための電圧を、上記電気リード線の残留インダクタンスが作用しないようにして、誘電体に印加する必要がある。このために本実施形態では、変調動作のための電圧を印加するための電極を、電気リード線１０１を覆い囲むように電極１０２を形成している。よって、上記変調動作のための電圧を、電気リード線１０１の切断面ではなく、側面によって誘電体１０３に印加することができるので、実質的にＬＣ回路を形成しなくても、変調動作を行うことができるのである。
【００３０】
さらに、本実施形態によれば、電圧は、電極１０２〜シールド板１０７の間にかかるが、電子の大部分は電気リード線１０１内に留まる。そのため、光の偏向効果が生じないので、高周波特性の劣化を抑制すると共に、光ファイバのアライメントを容易に行うことができる。
【００３１】
（第２の実施形態）  
第１の実施形態では、光変調器として十分な高速動作が可能になるが、誘電体１０３の上半分しか利用していない。そこで、誘電体１０３の下半分についても変調に利用することで、より効率よく変調動作を行うことができる。また、上記下半分を変調に用いることで、誘電体内の変調領域を通過する光の光路を長くすることができ、光の消光比をより大きくすることができる。
【００３２】
そこで、本実施形態では、第１の実施形態にて説明した光変調器の、光信号１０５が出力される側にミラー等の、入力光１０４を反射する反射部材を配置し、該反射部材にて反射された反射光信号を再び誘電体１０４に戻し、電気信号（電気リード線１０１に印加された変調動作のための電圧）によって再び変調して、誘電体１０３の、電気リード線１０１が存在しない領域において、入力光１０４が入力された位置とは異なる位置から出力する。
【００３３】
図２は、本実施形態に係る光変調器の断面を示す図である。図２において、符号２０１，２０２はミラーである。本実施形態では、誘電体１０３の入力光１０４の入力側と対向する側に、ミラー２０８、２０９が配置されている。
【００３４】
図２によれば、入力光１０４は、ミラー２０１，２０２によって誘電体１０３を２回伝搬する。すなわち、入力光２０４は、誘電体１０３に入力されると、誘電体１０３を通過して、誘電体１０３の入力面と対向する面から出力する。該出力光は、ミラー２０１にて反射され、ミラー２０２に入射する。該入射光はミラー２０２にて再び反射され、該反射光が再び誘電体１０３に入力されることになる。該入力された反射光は、再び誘電体１０３を通過し、光信号１０５となって誘電体１０３から出力される。
【００３５】
このように、ミラー２０８、２０９に向う光と、該ミラーに反射された光とがそれぞれ誘電体１０３を通過するので、効率としても２倍になり、光信号の消光比が２倍になる（例えば図１に示す構成では消光比１５ｄＢであったのが、図２に示す構成では３０ｄＢとなる）。
【００３６】
本実施形態では、電極１０２を覆うように誘電体１０３を形成し、該誘電体１０３を覆うように電極１０６を形成し、電極１０２と電極１０６との間に生じる電界によって変調を行っているので、変調動作時には、電極１０２と電極１０６との間の誘電体１０３のいずれの領域を光が通過しても、該通過した光は所望の変調を施されることになる。よって、ミラーを出力側に配置し、反射光の光路が、ミラーに向う光と異なる光路となるようにミラーを調整することにより、誘電体１０３の電気リード線１０１の長手方向に沿った長さを大きくしなくても、誘電体１０３を有効に活用し、誘電体の変調領域を通過する光の光路長を２倍にすることができる。
【００３７】
なお、図２では、ミラー２０１、２０２とミラーを２つ用いているが、ミラーの数はこれに限定されない。本実施形態では、誘電体から一旦出力された光を反射することにより、再び誘電体に入射して再び変調を施すことが本質であり、このような作用を奏することができれば、ミラーの数、配置の方法は問わない。すなわち、ミラーの数は、少なくとも１つあれば良く、該少なくとも１つのミラーを、誘電体から出力された光を再び誘電体に入力できるように配置すれば良い。
【００３８】
（第３の実施形態）  
次に、本発明に係る光変調器の作製方法について、誘電体をＫＴＮの場合について説明する。図６（ａ）〜（ｆ）は、本実施形態に係る光変調器の作製方法を示す図である。  
まずは、直径ｄ1＝３ｍｍである、円柱状のＫＴＮ６１を用意し、該ＫＴＮ６１に直径０．５〜１．０ｍｍ程度の穴６２を形成する（図６（ａ））。ＫＴＮは、ドリル等によって穴をあけることが可能である。次いで、穴６２に毛細管現象によってハンダ６３を吸い込ませることによって、ハンダメッキする（図６（ｂ））。該ハンダメッキの後に、ハンダメッキされた穴６２に、穴６２よりも直径が小さいリード線６４を挿入することによってハンダ付けを行う（図６（ｃ））。このようにハンダ付けを行うと、リード線６４がＫＴＮ６１を貫いた形で固定され、その結果、ハンダ６３が、リード線６４を覆う電極６５（図１（ａ）、２でいう電極１０２）となる。
【００３９】
次いで、ＫＴＮ６１の周囲に、ハンダ６６を配置することによって、ハンダメッキする（図６（ｄ））。該ハンダメッキの後に、ＫＴＮ６１の直径よりもやや大きい直径の穴を有するシールド板６８を、該シールド板６８の穴をＫＴＮ６１通るようにし、シールド板６８とハンダ６６とが接触するようにしてハンダ付けを行う（図６（ｅ））。このようにハンダ付けを行うと、シールド板６８がハンダ６６によって固定され、その結果、ハンダ６６がＫＴＮ６１を覆う電極６７（図１（ａ）、２でいう電極１０６）となる。
【００４０】
このようにして、図１（ａ）、（ｂ）に示すような光変調器を作製することができる。また、図１（ｂ）に示す光変調器の等価回路において、ＫＴＮ６１、電極６５、および電極６７によって形成されるコンデンサ１０８の電気容量は約５０ｐＦであり、リード線６４の残留インダクタンス１０９はリード線が切断されていないためほぼ０となる（〜１００ｐＦ以下）。
【００４１】
さらに、ＫＴＮ６１の穴６２があけられた面のうち一方の面から離間して、ミラー６９を配置する（図６（ｆ））。このようにして、図２に示すような光変調器を作製することができる。
【００４２】
（第４の実施形態）  
本実施形態では、温調を備えた光変調器について説明する。  
本実施形態では、誘電体として、ＫＴＮを用いる形態について説明する。  
上述したように、ＫＴＮは、動作温度として好ましい温度である、常誘電性から強誘電性への相転移温度を、ＴａとＮｂの組成比を変えることによって、ほぼ絶対零度から４００℃まで変化させることが可能である。よって、組成比を制御することによって、本発明の光変調器の動作温度を室温に設定することができる。その場合は、例えば第１の実施形態では、素子を固定するためにシールド板１０７を用いることができる。
【００４３】
これに対して、本実施形態では、動作温度を室温以外の温度に設定する場合について説明する。この場合、所定の動作温度を確保するために、例えばペルチェ素子等の温調（温度コントローラ）を用いれば良い。
【００４４】
本実施形態では、ＫＴＮとして、ＫＴａ0.6Ｎｂ0.4Ｏ3を用いる場合について説明する。誘電体をこのように設定すると、動作温度は、４０℃となる。
【００４５】
また、図７は、本実施形態に係る、温調を備えた光変調器の他の例を示す図である。図７では、誘電体１０３としてＫＴａ0.6Ｎｂ0.4Ｏ3を用いた、第１の実施形態にて説明した光変調器（本実施形態では符号７０で示す）を用いている。なお、図７の構成では、光変調器を固定するために、シールド板１０７の代わりに銅ブロックを用いている。
【００４６】
図７において、光変調器７０は、誘電体１０３を囲むように形成されている電極１０６と、銅ブロック７１および銅ブロック７２とが接するようにして、銅ブロック７１および７２によって挟まれている。符号７３は、銅ブロック７１および７２を固定するためのネジである。
【００４７】
銅ブロック７２には、ペルチェ素子７４が設けられており、該ペルチェ素子７４によって光変調器７０の温度を４０℃にすることができる。
【００４８】
なお、光変調器７０は、誘電体１０３を貫通している電気リード線１０１によって各電圧が誘電体１０３に印加されているので、銅ブロック７１と銅ブロック７２とを固定するための固定部材であるネジ７３としては、導電性の材料であっても、非導電性の材料であってもいずれでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る光変調器の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す光変調器の正面図であり、（ｃ）は、（ａ）および（ｂ）に示す光変調器の等価回路図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る光変調器の断面図である。
【図３】従来のＫＴＮを用いた光変調器を示す図である。
【図４】残留インダクタンスが存在する場合の、図３に示す光変調器の動作回路を示す図である。
【図５】従来の、誘電体としてＫＴＮを用いた際の、挿入損失と周波数との関係を示す図である。
【図６】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の一実施形態に係る光変調器の作製方法を説明するための図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る、温調を備えた光変調器を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０１    電気リード線
１０２、１０６    電極
１０３    誘電体
１０４    入力光
１０５    光信号
１０７    シールド
【図１】
2009058908.tif 000003
【図２】
2009058908.tif 000004
【図３】
2009058908.tif 000005
【図４】
2009058908.tif 000006
【図５】
2009058908.tif 000007
【図６】
2009058908.tif 000008
【図７】
2009058908.tif 000009