CN102681216A - 光控制元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够使用共振频率不同的多个共振型电极，同时调制效率高成本低的光调制控制元件。在具备具有电光效应的基板(1)、在该基板上形成的光波导(2)、以及在该基板上设置的用于对在该光波导中传播的光的相位进行控制的控制电极(3)的光控制元件中，该控制电极(3)具有沿着该光波导(2)配置的共振频率(f1、f2)不同的多个共振型电极(31、32)，在各共振型电极上连接输入控制信号的1个输入配线(30)和从该输入配线分支的分支信号线，并且该分支信号线使在各共振型电极中向该共振型电极供给该控制信号的定时与在该光波导中传播的光通过该共振型电极附近的定时一致。

Description

光控制元件
技术领域
本发明涉及光控制元件，特别涉及具备对在光波导中传播的光波进行调制的共振型电极的光控制元件。
背景技术
光调制器等光控制元件是在光通信或光测量、光信号处理中不可或缺的设备。在现有的长距离光通信中，基带传输方式是主流，要求光调制器能够进行宽带工作。目前，使用波导型的行波电极调制器成为主流，该调制器在铌酸锂(LiNbO3)基板上使用用于将光封入而进行控制的光波导和用于施加驱动调制信号(电信号)的行波电极。
另一方面，在使用共振型电极的光调制器中，当从供电点输入特定的频率的电信号时，在该电极产生电信号的共振驻波。如此，共振型光调制器因为使用了电信号的共振，所以在输入特定的频率时，尤为效率良好地进行工作。与行波型光调制器相比，每电极单位长度的效率好。但是，因为是仅在特定的频带进行工作的频带工作型的光调制器，所以不用于基带传输，而是用作光时钟产生或放送用信号的光调制器等。
在下一代的通信系统中，要求超过40Gbps以极高的速度进行工作的光调制器，但是在这样的高频区域中，行波电极的损失的增加成为问题。因此，期待被称为共振型电极的使用调制信号的驻波共振效应的电极。
此外，还提出了沿着光波导配置多个共振型电极的光调制器。在这些光调制器中，具有如专利文献1或非专利文献1～2所示那样配置共振频率相同的共振型电极的方式，或者具有如专利文献2或非专利文献3～4所示那样，通过级联的多个外部光调制器对激光依次进行调制的级联调制方式的CATV和卫星放送等的不同的信号通过光纤来传输的方式(一般称为级联连接)。
但是，在利用多个光调制部构成光调制器等光控制元件时，需要施加与各调制部对应的调制信号，存在调制信号生成电路复杂的问题。并且，为了得到恰当的调制信号光，需要与光通过各调制部的定时配合地调整调制定时，因此还需要用于对向各调制部施加调制信号的定时进行调整的单元，存在包含光调制器的整个装置复杂化以及成本升高的问题。
【专利文献1】国际公开WO2000/050952
【专利文献2】日本特开平7-87029号公报
【专利文献3】国际公开WO2007/114367
【非专利文献1】“High-Speed Optical Modulator in LiNb03 WithCascaded Resonant-Type Electrodes”，Roger Krahenbuhl，James H.Cole，Robert P.Moeller，and Marta M.Howerton，Journal of LightwaveTechnology，Vol.24，issue 5，pp.2184-(2006)
【非专利文献2】“A Resonant Type LiNb03 Optical ModulatorArray with Micro-Strip Antennas”，Satoshi SHINADA，TetsuyaKAWANISHI，and Masayuki IZUTSU，IEICE TRANS.ELECTRON，VOL.E90-C，NO.5 MAY 2007
【非专利文献3】“縦続接続型光外部変調器を用いたマイクロ波伝送の検討”，中須賀好典，堀川 浩二，小川 博世，電子情報通信学会技術研究報告.OQE，光·量子エレクトロニクス 93(237)25-31 (1993)
【非专利文献4】“縦続変調によゐ光変調器の多チヤネル信号変調特性”，菊島浩二，藤原稔久，電子情報通信学会論文誌.J90-C 4号pp329-343 (2997)
发明内容
本发明要解决的课题是解决上述那样的问题，提供一种能够使用共振频率不同的多个共振型电极，同时调制效率高成本低的光调制控制元件。
为了解决上述课题，技术方案1的发明是一种光控制元件，其具备：具有电光效应的基板、在该基板上形成的光波导、以及在该基板上设置的用于对在该光波导中传播的光的相位进行控制的控制电极，该光控制元件的特征为：该控制电极具有沿着该光波导配置的共振频率不同的多个共振型电极，在各共振型电极上连接输入控制信号的1个输入配线和从该输入配线分支的分支信号线，并且该分支信号线使在各共振型电极中向该共振型电极供给该控制信号的定时与在该光波导中传播的光通过该共振型电极附近的定时一致。
技术方案2的发明在技术方案1所述的光控制元件中，该控制信号是矩形波，该共振频率被设定为该矩形波的基本频率的大致奇数倍。
技术方案3的发明在技术方案1所述的光控制元件中，该共振频率被设定为特定的频率f和与该特定的频率相差预定量Δf的频率f±Δf，该控制信号使用具有单一或多个不同的频率的控制信号。
技术方案4的发明在技术方案1至3的任意一项所述的光控制元件中，该共振型电极沿着该光波导的配置顺序为各共振型电极按照对在该光波导中传播的光的调制深度从大到小的顺序在该光的传播方向上进行配置。
技术方案5的发明在技术方案1至4的任意一项所述的光控制元件中，该控制电极具有行波型电极，向该行波型电极供给从该输入配线分支的控制信号。
技术方案6的发明在技术方案1至5的任意一项所述的光控制元件中，配置该控制电极的光波导是1条光波导或马赫曾德尔型光波导。
根据技术方案1的发明，一种光控制元件，构成为具备：具有电光效应的基板、在该基板上形成的光波导、以及在该基板上设置的用于对在该光波导中传播的光的相位进行控制的控制电极，该控制电极具有沿着该光波导配置的共振频率不同的多个共振型电极，在各共振型电极上连接输入控制信号的1个输入配线和从该输入配线分支的分支信号线，并且该分支信号线使在各共振型电极中向该共振型电极供给该控制信号的定时与在该光波导中传播的光通过该共振型电极附近的定时一致，所以不需要与各共振型电极对应地设置调制信号生成电路，并且不需要另外设置调整向各共振型电极施加调制信号的定时的单元。因此，可以提供能够利用共振型电极，调制效率高成本低的光控制元件。
根据技术方案2的发明，控制信号为矩形波，共振频率被设定为该矩形波的基本频率的大致奇数倍，所以与将该矩形波进行傅里叶展开时所需要的频率成分对应，各共振型电极能够进行调制，所以能够更加准确地再现与矩形波的控制信号对应的光调制动作。
根据技术方案3的发明，该共振频率被设定为特定的频率f和与该特定的频率相差预定量Δf的频率f±Δf，该控制信号使用具有单一或多个不同的频率的控制信号，所以得到将该特定的频率f作为峰值，将该预定量Δf作为大致半幅值的调制频率特性。
根据技术方案4的发明，该共振型电极沿着该光波导的配置顺序为各共振型电极按照对在该光波导中传播的光的调制深度从大到小的顺序在该光的传播方向上进行配置，所以能够实现与需要的调制深度对应的调制动作，能够更加准确地再现与控制信号对应的光调制动作。
根据技术方案5的发明，该控制电极具有行波型电极，向该行波型电极供给从该输入配线分支的控制信号，所以还能够使基于共振型电极的光调制与基于行波型电极的光调制共存，能够提供功能更高的光调制元件。例如关于在行波型电极中无法得到足够的调制深度的频率，能够使用共振型电极进行调制，还能够扩展带宽。
根据技术方案6的发明，配置该控制电极的光波导是1条光波导或马赫曾德尔型光波导，所以能够对在光波导中传播的光波进行多种的光调制。
附图说明
图1说明本发明的光控制元件的第一实施例。
图2说明本发明的光控制元件的第二实施例。
图3说明第二实施例的将矩形波用于控制信号时的调制状态。
图4说明本发明的光控制元件的第三实施例。
图5说明第三实施例的调制状态。
图6说明本发明的光控制元件的第四实施例。
图7表示两端开放的共振型电极。
图8表示两端短路的共振型电极。
图9是表示将共振型电极的共振频率设为f＝20.0GHz和Δf＝1.5GHz时的调制频率特性的曲线图。
符号说明
1具有电光效应的基板
2、20光波导
3控制电极
30输入配线
31～34信号电极
40～42电气延迟线路
60行波型电极
具体实施方式
以下详细说明本发明的光控制元件。
如图1所示，本发明的光控制元件，在具备：具有电光效应的基板1、在该基板上形成的光波导2、以及在该基板上设置的用于对在该光波导中传播的光的相位进行控制的控制电极3的光控制元件中，其特征在于，该控制电极3具有沿着该光波导2配置的共振频率(f1、f2)不同的多个共振型电极31、32，在各共振型电极上连接输入控制信号的1个输入配线30和从该输入配线分支的分支信号线，并且该分支信号线使在各共振型电极中向该共振型电极供给该控制信号的定时与在该光波导中传播的光通过该共振型电极附近的定时一致。
作为具有电光效应的基板1，例如可以使用铌酸锂、钽酸锂、PLZT(锆钛酸铅镧)以及石英类的材料以及它们的组合。优选使用电光效应高的铌酸锂(LN)或钽酸锂(LT)晶体。在本发明的光控制元件中，如图1所示，是在光波导上配置共振型电极的结构，但是因为期待最佳的效果，优选为Z切(Z-cut)型基板。
可以采用在基板上形成脊的方法或者调整基板一部分的折射率的方法或者组合该两种方法形成光波导2。在脊型波导中，为了留下成为光波导的基板部分，机械地切削其他的部分或者实施化学的蚀刻来消除其他部分。此外，还能够在光波导的两侧形成脊。在调整折射率的方法中，通过对Ti等实施热扩散法或者使用质子交换法等，使与光波导对应的基板表面的一部分的折射率高于基板自身的折射率。
控制电极3由共振型电极(31、32)等信号电极或供电线(向共振型电极供给控制信号的配线)以及接地电极(未图示)等构成。控制电极能够通过Ti/Au的电极图形的形成以及镀金方法等形成。此外，根据需要在与基板之间夹介SIO2膜等缓冲层配置各电极。缓冲层具有防止在光波导中传播的光波被控制电极吸收或者散射的效果。此外，作为缓冲层的结构，根据需要为了缓和薄板的热电效应，还可以加入Si膜等。
设定在本发明的光控制元件中使用的共振型电极的长度或形状等，使其具有预定的共振频率(f1、f2)。作为共振型电极的形状，理所当然可以采用使信号电极的两端从接地电极开放(断开)的“两端开放型”，或者使信号电极的两端都与接地电极短路的“两端短路型”，以及一端与接地电极短路，另一端从接地电极开放的“一方短路另一方开放型”等各种组合。此外，还可以使用环形的共振器。但是，从确保调制光的相位的频率的连续性的观点出发，希望环形的共振电极部的微波的速度与在波导中传播的光的速度一致或者接近该速度。
在本发明的光控制元件中，使用共振频率不同的多个共振型电极(31、32)。作为向这些共振型电极输入控制信号的方法，使用1个输入配线30供给控制信号。还能够通过滤波器等将控制信号分离为调制频率f1以及f2的成分构成的信号，然后提供给共振频率分别为f1以及f2的共振型电极(31、32)进行光调制。为了简化结构，如图1所示，使用使供电线分支的分配线路向各共振型电极供给控制信号。
本发明的光控制元件还构成为，从输入配线30分支而与各共振型电极(31、32)连接的分支信号线，使在各共振型电极中向该共振型电极供给控制信号的定时与在光波导2中传播的光通过该共振型电极附近的定时一致。具体地说，如图1所示在分支信号线上设置了电气延迟线路41。
本发明中的“在光波导中传播的光通过共振型电极的附近的定时”意味着通过该共振型电极产生的电场，在光波导中传播的光受到相位控制的定时，上述共振型电极产生的电场是由于对共振型电极施加的控制信号而产生的。
设置该电气延迟线路41以便弥补在共振型电极间光波在光波导中传播的时间(光延迟时间)。例如，如果使两电极的间隔为10mm左右，则光延迟时间为数十ps的等级，在1GHz以下的低速调制中，该光延迟时间不会成为问题。但是，在超过40GHz的高速调制中，需要准确地补偿光延迟时间。
在使在电气延迟线路中行进的控制信号的速度Vm与在光波导中行进的光波的速度Vg完全一致时，如图1所示，通过与光波导2平行地配置电气延迟线路41，能够补偿光延迟时间。即，虽然在输入信号到达各共振型电极的时间中产生延迟，但因为电气延时时间与光延迟时间一致，所以在光调制特性中不会产生光延迟时间引起的混乱。此外，在通常的电气线路中行进的信号的速度不依存于频率，大致恒定，所以不需要针对每个频率设置特别的电路。
并且，因为可以沿着光波导任意设定电气延迟线路的长度，所以设计上的自由度大。通过沿着光波导进一步延长电气延迟线路，还能够用于多个共振型电极，还可以与行波型电极共用，
更加详细说明用于调整光和控制信号的到达时间的配线。如图1所示，在大致平行地沿着大致直线状的光波导配置多个电极时，通过使在该配线中传播的控制信号的速度与在光波导中传播的光的速度大致相等(等价于使光波导对于光的组折射率与配线部对于微波的组折射率一致)，能够使定时大致相符。
此时，考虑通过配线的分支部分支的控制信号的相位的变化、供电部配线的长度、供电部对于共振电极的位置等，设计并形成各部的长度或控制信号的速度以使到达时间的定时相符。
在将铌酸锂等强电介质用作基板的结构中，已知通过使用SiO2等低介电常数的缓冲层，采用高纵横比的共面型电极，采用薄的基板等，来使微波的速度与光的速度相符。
还能够使用积层(build up)配线、倒装芯片(flip chip)配线或空气桥(air bridge)电极来调整速度。并且，在使用专利文献3所示的结构(在薄基板的两面上配置电极的结构)的基板时，能够使配线部为多种结构。例如，在该基板结构中，将级联配置(串联状配置)的共振型电极相互连接的配线电极的结构可以使用G-CPW(在基板的表面上通过信号线和隔着该信号线的接地电极形成共面型线路，在相反一侧的背面配置接地电极的结构)、CPW(仅在基板的表面上配置共面型线路的结构)、CPS(共面型带状线)、微带线中的某一种或它们的组合。
希望在配线的途中线路阻抗不变化的结构，但是如专利文献3所示，在薄板的基板上粘贴加强板，并且在薄板上形成脊型波导的结构(粘贴(脊)波导基板)中，能够形成的电极的设计自由度极高，能够容易地实现光的传播速度与控制信号的传播速度的速度匹配。
当在粘贴(脊)波导基板上使用相同宽度、高度的配线电极，形成了G-CPW电极、CPS电极、CPW电极、微带线电极时，对于电信号(控制信号)的折射率(微波折射率)成为1.5＜CPW的折射率＜G-CPW的折射率(大约2)＜微带线的折射率＜5。
即，可以在需要大的延迟量的配线部使用微带线电极，在需要先行量的配线部使用CPW电极。在此，配线的宽度和高度并非对配线部整体规定，可以适当地变更，关于配线的高度，在制造工艺上，从一个工序中能够形成的成本上的观点出发，希望为相同的高度。
在为本发明的结构时，即使规定了高度，也可以根据G-CPW、CPW中心和设置电极的间隙间、有无埋入电极、配线宽度的设定，来恰当地进行控制信号的延迟先行量的调整、阻抗的调整。一般，关于现有的配线基板上的CPW电极、G-CPW或微带线的配线，微波传播的位置(高度)具有很大不同，连接的损失大。因此，不会同时使用这些配线。即，目前，作为其他系列的信号线，虽然部分地在相同的基板上混搭使用，但是不会通过同一基板上的相同的配线相互直接接合。与此相对，CPW、CPS、G-CPW、微带线在同一基板上的低损失连接也是如专利文献3所示的结构，在LN基板那样的高介电常数(比介电常数28～48)的10μm以下的极薄的配线基板中，首次发现的特性。
另一方面，在将半导体用作基板时，通过电极的弯曲、电极的折叠多级化、区段化或向电极附近配置高介电常数材料，能够调整微波的速度。当然，还可以使用积层配线、倒装芯片配线或空气桥电极来调整速度。此外，当在基板中使用聚合物类材料时，在多个配线结构中光的微波的速度大致匹配，通过与在强电介质或半导体中使用的方法相同的方法，可以调整微波的速度。
此外，关于配线分支部，在形状和原理上没有限制，但低损失的分支是重点。对于每个频率改变分支比，事先设置与频率对应的电极的结构，作为整体能够进行高效的光调制。关于分支时的控制信号的相位的变化量，还需要在配线的长度和微波速度的设计和形成方面进行考虑。
然后，叙述向共振型调制器的供电的部分。为了提高供电的效率，希望取得配线与共振电极的阻抗匹配。为此，可以使用阻抗变换电路，或者可以设置恰当的短截线等使阻抗匹配而供电。此外，可以调整对于共振型电极的供电位置，取得配线与共振型电极的阻抗匹配后供电。
本发明的光控制元件组合具有不同的调制频率特性的共振型电极，合成并设计作为整个调制器的大范围的频率特性。根据本发明的光控制元件，级联配置多个共振频率不同的共振型电极，能够实现低消耗电力的数字型调制器。并且，能够在仅能通过行波型电极结构的光调制器应对的数字信号或宽带基带传输中，使用能够低消耗驱动的共振型电极。
在本发明的光控制元件中，能够补偿沿着光波导配置了多个控制电极的“多电极结构光调制器”中成为问题的“延迟时间差导致的光调制特性的恶化”。并且，在本发明中，在原理上不必限制能够应用的共振型电极的个数。并且，能够进行推挽驱动或与脊波导、薄板波导等高功能光调制器结构组合。
此外，本发明的光控制元件对于实现下一代光通信中的超过40Gbps的超高速光调制器非常有效。特别是通过级联配置动作频率不同的多个共振型电极的结构，能够具有希望的频率特性，应用范围变大。并且，不必使用特别的信号处理电路，通过单一信号便可以驱动各共振型电极，所以能够实现调制效率高、小型、低成本的高性能的高速调制器。
然后，关于本发明的光控制元件，如图2那样，说明使用多个共振型电极时的各种方式。图2与图1相比，共振型电极31～34具有相互不同的共振频率(f1、f2、f3、fn。n为任意的自然数)。此外，在各共振型电极之间设置有电气延迟线路。例如，在共振型电极31和32之间设置电气延迟电极41，同样地，在共振型电极32和33之间，设置有电气延迟电路42。
通过使用图1或图2那样的光控制元件，能够高效地进行由多个频率成分形成的数字信号或任意波形的信号的光调制。以下，以矩形波为例来说明能够进行任意波形的光调制。
以下式子是对矩形波进行傅里叶展开后的式子。在为矩形波时，能够表现为基本频率的奇数倍的频率成分的集合。即使在为矩形波以外时，也通过进行傅里叶展开，以各频率成分的集合来表现，由此能够确定需要的共振波频率和调制深度。
(数学式1)
Figure BDA0000140968360000121
此时，在图2的共振型电极中，级联连接n个电极，设定为矩形波的基本频率(f1)的共振型电极31、基本波的3倍的频率(f2)的共振型电极32、基本波的5倍的频率(f3)的共振型电极33、基本波的2n-1的频率(fn)的共振型电极34。
各共振型电极的调制深度与将完全矩形波进行傅里叶展开时的各频率成分的量吻合，分别成为基本频率f1的调制的深度的1/3、1/5······1/(2n-1)。可以调整控制信号分支比、包含分支线路或供电部的配线的损失、各电极部的调制效率，来进行调制深度的设定。此外，因为控制信号自身也是多个频率成分的集合，所以仅通过向共振型电极供给控制信号，对各共振型电极仅施加与共振频率对应的频率成分，所以还能够自动地设定调制深度。
图3是在图2的共振型电极为5个(n＝5)时，对将矩形波A的控制信号输入到光控制元件的结果、即控制在光波导中传播的光波的相位的样子进行模拟的曲线图B。在级联配置的共振型电极中，一并进行高频率成分的光调制，由此能够更加急剧地设定矩形波的上升和下降，能够接近于矩形波的形状。
在长距离光纤通信中，一般使用二值信号的矩形波，不是完全的矩形波，如图3的曲线图B所示，即使是肩部某种程度钝化的波形，也能够进行良好的光信号传输。在此，表示了在5个共振型电极的构造中，调制到基本波9倍的频率时的特性，但是在实际的传输中，即使在3个(或者2个)共振型电极构造下的调制到基本频率5倍(或3倍)的频率的结构，也可以得到实用上足够的特性的光信号的波形。
如上所述，控制信号为矩形波，共振频率被设定为该矩形波的基本频率的大致奇数倍，因此对应于将该矩形波进行傅里叶展开时所需要的频率成分，各共振型电极能够进行调制，能够更加准确地再现与矩形波的控制信号对应的光调制动作。
此外，本发明的中的“大致奇数倍”是指当再现矩形波时，在实用上没有妨碍的范围内，即使是与奇数倍存在若干偏差的频率也能允许。
与控制信号波形的频率成分或光传输路径的波长滤波器等的特性、路径的分散带来的影响或受光系统的频率响应特性等相匹配地适当调整各频率成分的光调制的深度的比率，能够得到良好的传输特性。具体地说，在光纤路径上的光滤波器的通过频带狭窄、光谱的高频成分衰减时，通过在本发明的光控制元件中提高高频成分的调制深度，能够得到良好的传输结果。
此外，在受光系统的光检测器或放大器的动作频带狭窄，高频成分恶化大时，也可以同样地通过在光控制元件中提高高频成分的调制深度，来得到良好的传输结果。
说明如图2那样沿着光波导串联地配置(级联配置)多个共振型电极时的配置顺序。关于配置顺序，在原理上没有限制。但是，因为在分支线路或配线部具有控制信号的衰减，所以从降低消耗电力的观点出发，希望把担负进行深调制的频率的调制的共振型电极配置在光输入部的附近。此外，将控制信号分支的顺序和作用于传播来的光的顺序不必一致。
然后，如图4所示，在本发明的光控制元件中，控制电极3具有行波型电极60，能够向该行波型电极供给从该输入配线30分支的控制信号。特别是如图4所示，通过使基于共振型电极(31、32)的光调制和基于行波型电极60的光调制共存，能够提高更高性能的光控制元件。例如，关于通过行波型电极无法得到足够的调制深度的频率(f1、f2)，使用共振型电极(31、32)进行调制能够扩展调制频带。当然，还在行波型电极和各共振型电极之间设置电气延迟线路(40、41)。
图5是表示扩展调制频带的样子的曲线图，曲线图c是基于行波型电极的调制特性。通过在该曲线图c的特性上附加基于共振型电极(31、32)的调制特性(d1、d2)，能够如曲线图D那样使整个调制特性宽带化，
作为在本发明的光控制元件中使用的控制电极，并非只是上述的行波型电极，还可以引入包含用于施加偏置电压的DC成分的低频率成分的光调制用电极。
作为在本发明的光控制元件中使用的光波导，不限于图1以及图2所示的使用一条光波导2的构造，还可以使用图4以及图6所示的马赫曾德尔型光波导20。当然，马赫曾德尔型光波导还能够用于集成多个该马赫曾德尔型光波导的结构。
此外，还能够使用弯曲的光波导、由于反射等折返的光波导。对于这些光波导，在级联配置共振型电极时，通常需要使光和控制信号的定时相吻合。
作为基板1，使用铌酸锂的Z切型基板那样的与电光学材料的极化主轴大致垂直的面基板，并且当在控制信号的分支部，使用分支的控制信号反相的分支线路时，在马赫曾德尔型光波导的一方的分支波导中配置通过正相的控制信号驱动的电极(多个共振型电极的组合)，在另一方的分支波导中配置通过反相的分支的控制信号驱动的电极(同样是多个共振型电极的组合)。通过这样的结构，能够进行推挽驱动，能够进一步降低驱动电压。此外，在控制信号同相地分支时，通过使形成了一方的分支波导的基板的极化主轴反转，可以得到同样的效果。
关于共振型电极，在上述光控制元件中，使共振型电极与各共振频率一一对应。例如，在使用级联配置的5个共振型电极进行与矩形波对应的光调制时，将5个共振型电极设定为与基本频率f1和基本频率的奇数倍(f2：3倍，f3：5倍，f4：7倍，f5：9倍)对应的长度。在此，具备需要的共振频率的数量的共振型电极，是光控制元件大型化的原因。因此，以下说明能够通过1个共振型电极进行多个共振频率的调制。
图7表示将共振型电极31的两端电开放(断路)的情况。使用自然数n如下表现共振型电极的电极长L与电极上的微波的波长λm的关系。图7的符号51～53是接地电极。
L＝λm×(2n-1)/2  ……(1)
关于共振型电极上的波长λm，当设在电极上传输的微波的速度为Vm，频率为fm时，存在Vm＝fm×λm的关系。关于微波的速度Vm，当设电极上的微波的折射率为nm，真空中的光的速度为c0时，处于vm＝c0/nm(＝fm×λm)的关系。因此，将上述(1)式如下那样改写。
L＝c0/(nm·fm)×(2n-1)/2 ……(2)
并且，当通过频率fm进行整理时成为以下那样。
fm＝c0/(2·nm·L)×(2n-1)＝f1×(2n-1) ……(3)
在此，f1(＝c0/(2·nm·L))，表示基本频率。
即，可以容易地理解在1个电极长L下，并非仅是f1(＝c0/(2·nm·L))的基本频率的共振波形，还能够同时形成基本频率f1的奇数倍的共振频率的共振波形。
然后，图8表示使共振电极31的两端电短路的情况。使用自然数n如下表现共振型电极的电极长L与电极上的微波的波长λm的关系。图8的符号50是接地电极。
L＝λm×n……(4)
与上述(2)以及(3)相同，使用微波的速度的关系式vm＝c0/nm(＝fm×λm)，改写为以下的(5)以及(6)那样。
L＝c0/(nm·fm)×n  ……(5)
并且，当通过频率fm进行整理时成为以下那样。
fm＝c0/(nm·L)×n＝f1×n    ……(6)
在此，f1(＝c0/(nm·L))，表示基本频率。
即，可以容易地理解在1个电极长L下，并非仅是f1(＝c0/(nm·L))的基本频率的共振波形，还能够同时形成基本频率f1的自然数倍的共振频率的共振波形。
但是，因为在微波折射率nm上稍稍具有频率依存性，所以在相同的电极中能够共振的频率不会成为完全奇数倍或自然数倍，但是在一个共振型电极中，能够使基本频率f1和其奇数倍或自然数倍的共振频率同时共振。因此，能够通过一个共振型电极使奇数倍或自然数倍的多个共振频率共振，能够削减共振电极的数量。
希望使各个共振频率成分的调制深度与将完全的矩形波进行傅里叶展开时的各频率成分的量相匹配，分别为基本频率f1的调制深度的1/3(f2＝3f1时)、1/5(f3＝5f1时)、1/7(f4＝7f1时)、1/9(f5＝9f1时)。通过预先对每个频率成分分配信号配线，在适于激振各个频率的位置，针对每个频率成分使强度与相位匹配而进行配线来供电，或者向成为各个供电效率尽可能理想的分配的位置进行供电，由此能够应对。
然后，说明作为共振频率，设定为特定的频率f和与该特定的频率相差预定量Δf的频率f±Δf的情况。此时，因为具有三个共振频率，所以期待调制频率特性理想地显示3个峰值。但是，频率(f，f±Δf)的控制信号不仅被施加给在该频率共振的特定的共振型电极，同时还被施加给其他的共振型电极，所以作为结果，能够得到将特定的频率f作为峰值，将预定量Δf作为大致半幅值的1个尖峰形状的调制频率特性。
“大致半幅值”意味着如尖峰波形的“半幅值”那样，尖峰波形形成基于该预定量Δf的扩展。
作为输入给具有这样的共振型电极的光控制元件的控制信号，使用具有单一或者多个不同的频率的控制信号。当然，考虑调制效率的话，优选与共振频率一并使用具有特性的频率f、与该特定的频率f相差预定量Δf的频率f±Δf的控制信号。但是，在如上所述调制特性频率具有一个波峰的情况下，不仅选择特定的频率f，例如在f±Δf程度的范围内选择任意的频率，也能够得到比较高的调制效率。
在以下的条件下试制光控制元件，测定调制频率特性。
在对于一条光波导随机地排列了3个共振电极的结构中，设定共振电极长度，以使各共振电极的共振频率成为f＝20.0GHz，Δf＝1.5GHz。
使基板为1mm的Z切的LiNbO3，使缓冲层为厚度0.2μm的SiO2，使电极为共面构造，厚度3μm的Al(铝)。使信号电极的宽度为20μm，信号电极与GND电极的间隔为20μm。设针对共振频率的共振型电极长度分别为2.01mm(18.5GHz)、1.87mm(20.0GHz)、1.71mm(21.5GHz)。
光波导通过Ti扩散而形成，光控制元件的器件尺寸为长度6.35mm、宽度2.75mm。关于试制的光控制元件，使用光谱分析仪进行了调制特性的评价。图9表示结果。根据该结果可知，中心频率如设计那样成为20GHz，此外3dB带宽也是和设计值5.3GHz大致一致的5GHz。
图9所示的调制度的频率特性中，四角的点为测定值，实线为近似线，成为整体接近一个峰值的形状，如上所述，原因在于还同时向控制信号的频率不是共振频率的共振型电极供电，例如通过在向各共振型电极进行输入的线路中设置通过该共振型电极进行共振的频率的透过滤波器等，能够得到具有成为计算值的3个峰值的调制频率特性。
如上所述，根据本发明，能够提供一种能够使用共振频率不同的多个共振型电极，同时调制效率高成本低的光调制控制元件。

Claims (6)

1.一种光控制元件，其具备：具有电光效应的基板、在该基板上形成的光波导、以及在该基板上设置的用于对在该光波导中传播的光的相位进行控制的控制电极，该光控制元件的特征在于，
该控制电极具有沿着该光波导配置的共振频率不同的多个共振型电极，
在各共振型电极上连接输入控制信号的1个输入配线和从该输入配线分支的分支信号线，并且该分支信号线使在各共振型电极中向该共振型电极供给该控制信号的定时与在该光波导中传播的光通过该共振型电极附近的定时一致。
2.根据权利要求1所述的光控制元件，其特征在于，
该控制信号是矩形波，该共振频率被设定为该矩形波的基本频率的大致奇数倍。
3.根据权利要求1所述的光控制元件，其特征在于，
该共振频率被设定为特定的频率f和与该特定的频率相差预定量Δf的频率f±Δf，该控制信号使用具有单一或多个不同的频率的控制信号。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的光控制元件，其特征在于，
该共振型电极沿着该光波导的配置顺序为各共振型电极按照对在该光波导中传播的光的调制深度从大到小的顺序在该光的传播方向上进行配置。
5.根据权利要求1至4的任意一项所述的光控制元件，其特征在于，
该控制电极具有行波型电极，向该行波型电极供给从该输入配线分支的控制信号。
6.根据权利要求1至5的任意一项所述的光控制元件，其特征在于，
配置该控制电极的光波导是1条光波导或马赫曾德尔型光波导。
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