JP2002196296A

JP2002196296A - 光変調器

Info

Publication number: JP2002196296A
Application number: JP2000392456A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kaneko; 進一金子
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-12-25
Filing date: 2000-12-25
Publication date: 2002-07-12

Abstract

(57)【要約】【課題】簡明な構造により、電気信号の波形に忠実な
光信号を出力することができる光変調器を提供する。【解決手段】分岐部３と、分岐部から分岐した２つの
光導波路１，２と、２つの光導波路の少なくとも一方の
光導波路に電界を印加する電極５，７と、２つの光導波
路をそれぞれ伝播した光を合波させる合波部４とを備
え、２つの光導波路が、２種類以上の光の媒質が周期構
造を形成してなるフォトニック結晶９の光導波路を備え
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光変調器に関
し、より具体的には、光通信システム等の光信号送信に
おいて、電気信号を光信号に変換する光変調器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図１１は、従来の光変調器を説明する原
理図である(G.K.Gopalakrishnan et.al.,JOURNAL OF LI
GHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.12,No.10,Oct.1994,p1807)。
この光変調器１１０は、電気光学効果を有するＬｉＮｂ
Ｏ₃などの基板に形成された光導波路と、その光導波路
に電界を印加するに基板上に形成された電極とを備えて
いる。光導波路は、光の進行方向から順に、Ｙ分岐部１
０３、Ｙ分岐部によって分岐された２つの光導波路部１
０１，１０２、および２つの光導波路部を伝播してきた
光を１つの光導波路に結合するためのＹ合波部１０４を
備える。電極は、信号電極１０５とグランド電極１０７
とから構成される。信号電極１０５は、上記の２つの光
導波路部に電界を印加するために用いられ、グランド電
極１０７は、信号電極を伝播してくる電気信号と電界的
に結合し、コプレーナ線路を形成するように構成されて
いる。信号電極に電気信号を入力すると、入力電気信号
に応じて光導波路部に電界が印加される。光導波路を形
成しているＬｉＮｂＯ₃などの基板は電気光学効果を有
しているので、電界に応じた屈折率変化が発生する。図
１１では、一方の光導波路１０２にのみ電界が印加され
る構成を示しているが、通常は、上記の２つの光導波路
部に互いに逆向きの電界が印加されるので、屈折率変化
は、２つの導波路部で互いに逆に起こる。このため、一
方の導波路部では屈折率は増大し、他方の導波路部では
屈折率は減少するので、電界印加による光の位相変化が
倍増される。この結果、２つの光導波路を伝播した光を
Ｙ合波部にて合波すると、より大きな位相差を有する双
方の光の位相関係に応じた光強度の変化が起こる。この
双方の光の位相関係は、電気信号によってもたらされる
ので、電気信号によって光強度の変化を生じさせること
ができる。従来の光変調器は、上記のような動作原理に
より電気信号を光信号に変換していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来の光変調器では、電気信号と光信号との伝播速度が
異なり、一般に、光信号の伝播速度のほうが電気信号の
伝播速度よりも大きい。このため、高周波の電気信号を
忠実に光信号に変換することができない事態が生じる。
図１２は、高周波の電気信号を入力した場合に、光変調
器によって変調され出力される光信号の波形を示す。図
１２では、説明の便宜上、図１１に示すように、光導波
路部を３つの区間に分けて、それぞれの区間で受ける位
相変化を考察している。位相変化は、上述のように、２
つの光導波路部を伝播してきた光を干渉させることによ
り光強度変化に変換されるので、位相変化は光信号の強
度変化と考えることができる。図１２の左端部分に示す
ように、光信号の信号入力部に近い区間Ｌ1では、光信
号と電気信号との伝播距離の違いは小さいため、印加し
た電気信号と同じ波形の位相変化を受ける。区間Ｌ2に
おいては、図１２の中央部分に示すように、光の伝播速
度が電気信号の伝播速度よりも大きいため、区間Ｌ1で
位相変化した範囲の光と時間的にずれた範囲の光に対し
て位相を変化させる影響を及ぼす。このように、区間を
分けて位相変化を積み重ねると、全位相変化は段差がつ
いた位相変化分布となる。すなわち、分岐した位置から
区間Ｌ2までに受ける位相変化は、段差がついた位相変
化となる。さらに、区間Ｌ3まで伝播すると、図１２の
右端部分に示すように、区間Ｌ1および区間Ｌ2において
位相変化の影響を受けた光の範囲よりもさらにずれた範
囲に対して位相を変化させる影響を及ぼす。このため、
区間Ｌ3まで伝播した時点での位相変化の分布は、やは
り段差がついた分布となる。このため、電気信号を光信
号へと忠実に変換することができない結果を生じる。上
述のように、図１２では、説明の便宜上、区間を区切っ
て各区間で集中定数的に位相変化を与える場合を論じた
が、実際には光導波路部では分布定数的に位相を変化さ
せる。このため、実際の場合の全位相変化は、段差の付
いた波形ではなく、元の電気信号波形の立上り/立下り
が滑らかな曲線で移行する山のような波形となる。電気
信号のビットレートが高くなると、全体の波形に対する
立上り部/立下り部のなだらかな曲線の影響を無視でき
ず、大きな特性劣化が生じる。

【０００４】このように、従来の光変調器では、電気信
号の伝播速度が光信号の伝播速度より小さいため、高周
波の電気信号を忠実に光信号に変換させようとすると、
単位長さあたりの位相変化を大きくし、電気信号の光信
号に対する伝播遅延量を小さくしなければならない。し
かしながら、単位長さあたりの位相変化を大きくするた
めには、電極に印加する電圧を大きくする必要があり、
高速かつ大出力の駆動回路が必要となる。このような状
況は避けなければならない。

【０００５】一方、周期構造を有するフォトニック結晶
に光変調器を形成する提案がなされている（特開平11-3
30619号公報）。この光変調器では、光学活性領域を設
け、この領域を伝播する光に変調をかける構造を有して
いる。しかしながら、これらの光変調器では光学活性領
域をフォトニック結晶内に設ける必要があるなど、装置
の構成が複雑になり加工が難しい場合が生じる。

【０００６】そこで、本発明は簡明な構造により、電気
信号の波形に忠実な光信号を出力することができる光変
調器を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の局面にお
ける光変調器は、分岐部と、分岐部から分岐した２つの
光導波路と、２つの光導波路の少なくとも一方の光導波
路に電界を印加する電極と、２つの光導波路をそれぞれ
伝播した光を合波させる合波部とを備え、２つの光導波
路が、２種類以上の光の媒質が周期構造を形成してなる
フォトニック結晶の光導波路を備えている（請求項
１）。

【０００８】この構成により、周期構造をなす媒質のう
ちに、たとえば、電気光学効果や電歪効果等を有する材
料を含む場合には、電界を印加することにより周波数-
波動ベクトルの関係を表わすバンド曲線が変形する。こ
こで、フォトニック結晶における光のバンド曲線とは、
つぎのものを指す。まず、一般的な波の伝播について説
明する。（ａ）周期構造を有する媒質を波が伝播するとき、波の
波動ベクトルが周期の逆数に比例する所定の境界値（ブ
リュアンゾーン境界）に近づくと、回折現象により逆方
向に進行する波が大きくなり、その波と逆方向の波とが
干渉して定在波を形成する。（ｂ）ブリュアンゾーン境界の近くでは、波はエネルギ
値を任意に持つことはできず、いわゆるエネルギの禁止
帯ができる。この禁止帯に相当するエネルギ差をバンド
ギャップという。波においてエネルギは周波数に比例す
るので、エネルギの禁止帯ができることは、周波数に禁
止帯ができることと同じである。これは、周期構造で
は、エネルギギャップに相当する所定範囲の周波数の波
はその周期構造を伝播することができないことを意味す
る。（ｃ）一般に、波の周波数と波動ベクトルとの関係を分
散関係というが、ブリュアンゾーン境界に近くない波動
ベクトルの範囲では、周波数と波動ベクトル値とは線形
関係（直線）が成り立つが、ブリュアンゾーン境界近く
では、非線形となる。通常、エネルギが最も低い基底状
態が属するバンド曲線（周波数-波動ベクトル関係）の
場合、この非線形の曲線は上に凸の山型の曲線になる。（ｄ）電子は周期構造そのものである結晶中において波
として考えると、上記バンド理論が非常によく実際の現
象を説明し予言することができる。このため、半導体等
の結晶中の電子（エレクトロン）に対して、上記のバン
ド理論は発展され確立され、各種半導体の動作原理の基
本的な理論的支柱となっている。（ｅ）光も波としての性格を有するので、上記バンド理
論の描像を形式上あてはめることができる。そこで、光
の媒質が周期構造を形成してなる結晶をフォトニック結
晶と呼んで、光に特有な現象が注目を集め、現在、研究
が進行中である。光の場合、バンド曲線（周波数-波動
ベクトル曲線）のある波動ベクトル値における接線の勾
配の逆数は、屈折率に比例する。バンドギャップが生じ
るブリュアンゾーン境界近くの山型の曲線における頂上
付近の接線の勾配の逆数は、非常に大きな値となる。す
なわち、バンドギャップを生じるブリュアンゾーン近く
の波動ベクトル値の光は、非常に大きい屈折率の媒質中
を進むことになる。光の伝播速度は屈折率が大きいほど
小さくなるので、ブリュアンゾーン境界近くの波動ベク
トルを有する光の伝播速度は小さくなる。なお、波動ベ
クトルは、所定の方向に進む際のその光の波長の逆数に
比例するので、波動ベクトルのことを波長と呼ぶことが
ある。

【０００９】上記本発明の第１の局面の光変調器では、
したがって、光導波路を伝播する光の波長を、たとえ
ば、ブリュアンゾーン境界付近相当の波長とすれば、屈
折率は非常に大きくなるので、光の伝播速度は小さくな
り、電気信号の伝播速度と同じ程度にすることができ
る。このような状況下で、２つの導波路に異なる電界を
印加すると、２つの光導波路のフォトニック結晶の屈折
率が電気信号に忠実に変化する。このため、２つの光導
波路を伝播した後の光の位相は、互いに相違することに
なる。これら２つの光を合波すれば位相差に応じた合成
波が形成され、位相差を光強度変化として取り出すこと
ができる。２つの光の位相差は、電気信号を印加するこ
とにより生じさせたのであるから、電気信号を光強度信
号に変換したことになる。しかも、出射される出力光信
号は、光伝播速度が小さいために電気信号の波形を歪め
ることなくそのまま反映したものとなる。なお、電界は
両方の光導波路に印加する電界の強さが異なるかぎり、
両方の光導波路に同じ符号の電界かけてもよいし、互い
に逆向きの電界をかけてもよい。また、一方の光導波路
にのみ電界をかけてもよい。

【００１０】上記本発明の第１の局面における光変調器
では、たとえば、２つの光導波路の少なくとも一方が、
光信号を遅延させるための遅延線部を備える光導波路で
あることが望ましい（請求項２）。

【００１１】この構成において遅延線部を通る光は電気
信号が伝播する方向の伝播速度が小さくなるので、この
遅延線部の遅延度を適切な範囲に設定することにより、
光信号の伝播速度と電気信号の伝播速度とを合わせるこ
とができる。このため、光の伝播速度に合った伝播速度
を有する電気信号による変調をかけることにより、電気
信号の波形に忠実な出力波形を有する光強度信号を得る
ことができるようになる。この場合も、電界は両方の光
導波路に印加しても差し支えない。また、遅延線部は、
光導波路の一方にのみ設けてもよいし、両方に設けても
よい。

【００１２】本発明の第２の局面における光変調器は、
分岐部と、分岐部から分岐し、２種類以上の媒質が周期
構造を形成してなるフォトニック結晶を備える第１の光
導波路と、第１の光導波路と異なる結晶配列を有する第
２の光導波路と、少なくとも第１の光導波路に電界を印
加する電極とを備える（請求項３）。

【００１３】本発明の第２の局面の光変調器では、光の
干渉を用いることなく変調をかける。すなわち、電界を
かけることによりフォトニック結晶のバンドギャップを
変化させて、電界印加前は禁止帯に含まれていなかった
第１の光導波路を伝播する周波数ω₁を電界印加により
禁止帯に含まれるようにする。このため、一方の光導波
路をその周波数の光が伝播できなくなり、他方の光導波
路にまわるため、他方の光導波路を出射する光の強度が
高くなる。この構成によれば、電極は、電界印加による
第１の光導波路に対するスイッチングの働きをする。電
界印加後は、たとえば周期構造を有しない第２の光導波
路を光が大きな強度で伝播することになる。光が第１の
光導波路を伝播できなくなった分、第２の光導波路のほ
うに回るので、第２の光導波路を伝播する光の強度が増
大する。このように、第１の光導波路を伝播する光の強
度を調節することにより、第２の光導波路を伝播する光
強度を変調させることができる。この変調機構では、干
渉等を用いていないので、電子の移動時間等に関係なく
高周波の電気信号でも忠実に光信号に変換することがで
きる。この場合も、上記の状況が実現されるかぎり、電
界は両方の光導波路に印加してかまわない。

【００１４】本発明の第３の局面における光変調器は、
２種類以上の媒質が周期構造を形成してなるフォトニッ
ク結晶を備える光導波路と、光導波路に電界を印加する
電極とを備え、光導波路の出射端面が当該光導波路の延
びる方向に斜めに交差して、光を伝播する媒質に接して
いる（請求項４）。

【００１５】この構成では、電界印加により光導波路の
屈折率を変えることにより、出射端面を出射する際の出
射角を変化させることができる。この場合、光の出射角
変化を、たとえばその出射光を受ける受光部を設ける場
合には、光の強度変化をその受光部への位置ずれを介し
てさらに拡大することができる。この光変調は電子の移
動時間等に関係なく、高周波の電気信号でも忠実に光強
度信号に変換することができる。

【００１６】上記本発明の光変調器では、たとえば、周
期構造をなす２種類以上の光の媒質のうち、少なくとも
１つが電気光学効果を有する媒質であることが望ましい
（請求項５）。

【００１７】上記の構成により、電界を印加することに
より、より大きくフォトニクス結晶のバンド線を変化さ
せることができ、より小さい電界の印加により、確実に
フォトニックス結晶の屈折率をより大きく変化させるこ
とができる。

【００１８】上記本発明の光変調器では、たとえば、フ
ォトニック結晶の周期構造の１周期の長さが変調対象の
光の波長以下であることが望ましい（請求項６）。

【００１９】この構成により、フォトニクス結晶として
特異な光学現象をより確実に得ることができる。すなわ
ち、周期構造の１周期の長さを変調対象の光の波長以下
とすることにより、より大きな分散性や進行方向の急峻
な角度変化における低損失等の効果をより確実に得るこ
とが可能である。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に図面を用いて本発明の実施の
形態について説明する。（実施の形態１）図１は、本発明の実施の形態１におけ
る光変調器を説明する模式図である。周期構造の周期
は、変調をかける対象の光の波長以下であり、また、複
数の媒質のうち少なくとも１つの媒質は電気光学効果を
有している。光変調器１０は、光の入力方向から順に、
Ｙ分岐部３と、Ｙ分岐部から分岐している２つの光導波
路１，２と、この２つの光導波路を伝播してきた光を１
つの光導波路に合波するためのＹ合波部４とを備えてい
る。また、電極として、２つの光導波路のうちの一方に
電界を印加するための信号電極５と、信号電極を伝播す
る電気信号と電界的に結合し、コプレーナ線路を形成す
るように構成されたグランド電極７とを備えている。

【００２１】次に、この光変調器の動作について説明す
る。まず、屈折率の異なる媒質から構成された周期構造
の性質について説明する。屈折率の異なる媒質から構成
された光の波長オーダの周期を有する周期構造は、フォ
トニック結晶と呼ばれ、様々な特異な性質を示す（川上
ら、応用物理、第68巻第12号(1999)p1335）。なかで
も、フォトニック結晶に特徴的な性質として、高い分散
性をあげることができる。図２は、所定方向に伝播する
光に対するフォトニック結晶の分散関係を示した図であ
る。ブリュアンゾーン境界近傍の光周波数ω₀の光を伝
播させると、分散曲線の傾きが小さくなっているため、
その光周波数近傍において、フォトニック結晶が高い分
散性を示すことが分る。ここで、分散とは、媒質の屈折
率が波長に応じて異なるという性質である。上述したよ
うに、屈折率はバンド曲線の接線の勾配の逆数に比例す
る。このため、フォトニック結晶では、入射する光の波
長に応じて屈折率を大きく変えることができる。すなわ
ち、光変調を行う波長が決まっている場合には、ブリュ
アンゾーン境界におけるバンドギャップを変えることに
より、分散性を変え、その光に対する屈折率を調整する
ことができる。

【００２２】次に、このフォトニック結晶を用いた光変
調器について説明する。フォトニック結晶を構成する媒
質のうち少なくとも１つは、電気光学効果を有するた
め、信号電極に電気信号を入力すると入力電気信号に応
じた電界が一方の光導波路部に印加され、電界に応じた
屈折率変化が発生する。他方の光導波路の屈折率は変化
せずそのままである。このため、２つの光導波路を伝播
した光を、Ｙ合波部４で合波すると、干渉効果により双
方の光の位相関係に応じた合成波が形成される。すなわ
ち、入力電気信号に応じた光の強度変化が生じる。本実
施の形態における光変調器は、このような動作原理によ
り電気信号を光信号に変換している。

【００２３】上述したように、光導波路はフォトニック
結晶によって構成されているため、そのバンドギャップ
を変えることによりバンド曲線の形を変え、光導波路の
屈折率を変えることができる。光導波路における光の伝
播速度は、主に媒質の屈折率に依存しており、媒質の屈
折率が大きいと光の伝播速度は小さくなる。そこで、電
気信号の伝播速度と光導波路における光信号の伝播速度
が合うように適切に屈折率を調整することにより、高周
波の電気信号でも忠実に光信号に変換できる光変調器を
得ることができる。

【００２４】図３は、本実施の形態における光変調器に
対して高周波の電気信号を入力した場合に出力される、
変換された光信号の波形を示す図である。なお、図３に
おいても、従来例において示した光変調器における出力
光信号と同様に、便宜的に光導波路を３つの区間に分け
て、それぞれの区間で受ける位相変化を調べる。上述の
ように、位相変化は、２つの光導波路を伝播してきた２
つの光を互いに干渉させることにより光強度変化に変換
されるため、光信号の強度変化と捉えることができる。
図３において、光信号入力部に近い区間Ｌ1、中間部の
区間Ｌ2、最後の区間Ｌ3においても、電気信号の伝播速
度と、光導波路における光信号の伝播速度が合うように
適切に屈折率を調整しているため、各区間で電気信号と
光信号のずれが生じない。このため、光信号は、印加し
た電気信号と同じ波形の位相変化を受ける。

【００２５】このように、本実施の形態の光変調器で
は、電気信号の伝播速度と、光導波路における光信号の
伝播速度が合うようにフォトニック結晶のバンドギャッ
プを変えて適切に屈折率を調整することができる。この
ため、各区間で電気信号と光信号とのずれが生じず、高
周波の電気信号に対しても忠実に光信号に変換すること
ができる。また、電気信号と光信号とのずれが生じない
ため、光導波路を長くして、光導波路の単位長さ当りの
位相変化を小さくすることができる。このため、電極に
印加する電圧を小さくすることができ、出力の小さい駆
動回路でも十分変調をきかせて駆動することができるよ
うになる。

【００２６】図４は、本発明の実施の形態１の別の形成
を説明する模式図である。図４において、信号電極５，
１５は、２つの光導波路１，２に電界を印加するように
設けられている。このため、たとえば、２つの光導波路
１，２に対して互いに逆向きに電界を印加するように配
置すると、屈折率の変化が逆向きに生じるため、２つの
光導波路を伝播した光の位相の差は、１つの光導波路に
電界を印加した場合に比べて倍増する。このため、電気
信号と光信号とのずれが生じることなく変調をかけるに
際して、実施の形態１に比較して光導波路をさらに長く
して、光導波路の単位長さ当りの位相変化をさらに小さ
くすることができる。なお、両方の光導波路に印加する
電界は、相違するかぎり両方ともプラスであってもよ
い。

【００２７】（実施の形態２）図５は、本発明の実施の
形態２における光変調器を説明する模式図である。本実
施の形態における光変調器は、屈折率の異なる複数の媒
質が周期構造をなしているフォトニック結晶内に形成さ
れている。フォトニック結晶における周期構造の周期
は、光変調をかける対象の光の波長以下であり、その周
期構造を構成する少なくとも１つの媒質は、電気光学効
果を有している。

【００２８】光変調器１０は、光の入力方向から順に、
Ｙ分岐部３と、Ｙ分岐部から分岐している２つの光導波
路１，２と、この２つの光導波路を伝播してきた光を１
つの光導波路に合波するためのＹ合波部４とを備えてい
る。また、電極として、２つの光導波路のうちの一方に
電界を印加するための信号電極５と、信号電極を伝播す
る電気信号と電界的に結合し、コプレーナ線路を形成す
るように構成されたグランド電極７とを備えている。２
つの光導波路１，２のうちの１つの光導波路２が、光信
号を遅延させるための遅延線部１２を備えていること
が、本実施の形態における大きな特徴である。

【００２９】次に、動作について説明する。まず、屈折
率の異なる媒質からなる周期構造によって形成された光
導波路の性質について説明する。先の川上らの文献に示
されているように、屈折率の異なる媒質から構成され
た、光の波長オーダーの周期構造からなるフォトニック
結晶によって構成された光導波路は、急峻な曲がりに対
しても損失なく光を伝播することが可能である。フォト
ニック結晶を構成する媒質のうち少なくとも１つは、電
気光学効果を有するため信号電極に電気信号を入力する
と、入力電気信号に応じた電界が光導波路に印加され、
電界に応じた屈折率変化が生じる。

【００３０】電界を印加するほうの光導波路２は遅延線
部１２を有している。図６に遅延線部の拡大図を示す。
この光導波路も遅延線部を有しない光導波路と同様にフ
ォトニック結晶で形成されているので、光は、上述のよ
うに、遅延線部１２の急峻な曲がり部分でも損失なく伝
播することができる。遅延線部を含まない光導波路１を
伝播した光と、遅延線部１２を含む光導波路２を伝播し
た光とを合波させることにより、干渉を生じさせ、位相
変化を強度変化に変えることができる。このとき、電気
信号の伝播速度と光導波路を伝播する光信号の伝播速度
とが合うように、遅延線部を設けて伝播時間を調整する
ことにより、高周波の電気信号でも忠実に光信号に変換
することができる。

【００３１】高周波の電気信号を入力した場合に出力さ
れる、変換された光信号の波形は、図３の実施の形態１
における出力波形と同様に、便宜的に３つの区間に分け
て考えることができる。本実施の形態２においても、図
３と同様に、各区間内では電気信号と光信号とのずれが
生じず、印加した電気信号と同じ波形の位相変化とする
ことができる。

【００３２】このように、本実施の形態の光変調器で
は、電気信号の伝播速度と、光導波路における光信号の
伝播速度が合うように、光遅延線にて伝播時間を適切に
調節している。このため、各区間で電気信号と光信号と
のずれが生じず、高周波の電気信号に対しても忠実に光
信号に変換することができる。また、電気信号と光信号
とのずれが生じないため、光導波路を長くして、光導波
路の単位長さ当りの位相変化を小さくすることができ
る。このため、電極に印加する電圧を小さくすることが
でき、出力の小さい駆動回路でも十分変調をきかせて駆
動することができるようになる。

【００３３】（実施の形態３）図７は、本発明の実施の
形態３における光変調器を説明する模式図である。本実
施の形態における光変調器は、少なくとも１種類の電気
光学効果を有する媒質を含む屈折率の異なる複数の媒質
が周期構造をなした第１の光導波路１と、第１の光導波
路と異なる結晶配列１９を有する第２の光導波路２とを
備えている。第１の光導波路と異なる結晶配列とは、た
とえば、第１の光導波路の周期構造を崩して欠陥を導入
した結晶配列等をいう。また、この光変調器は、図７に
示すように、光導波路１に電界を印加して、周期構造に
よって形成されるバンドギャップを変化させる電極とを
備えている。この周期構造の周期は、変調をかける対象
の光の波長以下である。なお、電極は、光導波路に電界
を印加するための信号電極５と、信号電極を伝播する電
気信号と電界的に結合し、コプレーナ線路を形成するよ
うに構成されたグランド電極７を備えている。信号電極
５は、光導波路１に電界をかけることができれば、光導
波路２に電界がかかってもよい。

【００３４】図８は、フォトニック結晶の分散関係を示
す図である。この図に示すように、電界を印加すること
によりフォトニック結晶のバンドギャップを変えること
ができれば、電界印加前には禁止帯にない角周波数ω₁
の光を、電界を印加することによりバンドギャップ内の
禁止帯の光とすることができる。このため、Ｙ分岐部３
から分岐した第１の光導波路１を伝播していた光は、電
界を印加されることによって伝播できなくなり、第２の
光導波路にまわる。

【００３５】第２の光導波路として、フォトニック結晶
内に、たとえば、周期構造を形成しない欠陥路を設けれ
ば、光導波路１の伝播を禁止された光がその欠陥路にま
わり強度が増大した光が第２の光導波路を伝播する。し
たがって、電界を印加する前は、第２の光導波路である
欠陥路を伝播していた光の強度は小さかったのに対し
て、電界を印加された後は、欠陥路の出力ポートから出
力される光強度は大きくなる。

【００３６】このように、フォトニック結晶により形成
されいた光導波路の導波条件を、電界を用いて変えてい
るため、電子の移動時間等に関係なく、高周波の電気信
号により忠実に光信号を変換することができる。

【００３７】なお、図７では光導波路として直線の例を
示したが、図９に示すように、曲がり導波路を導入し
て、光導波路の入力部と出力部とがオフセットすること
により、より大きな光出力変化、すなわち高効率な光変
調を行うことができる。

【００３８】（実施の形態４）図１０は、本発明の実施
の形態４における光変調器を説明する図である。本実施
の形態における光変調器は、屈折率の異なる複数の媒質
が周期構造をなして形成した光導波路１と、この光導波
路に電界を印加して周期構造に起因するバンドギャップ
を変化させる電極５，７とを備えている。周期構造の周
期の長さは変調対象の光の波長以下である。光導波路の
出射端面１０ａは、光導波路の延びる方向に対して斜め
に傾斜している。ここで出射端面は光導波路の延びる方
向に対して垂直であってはならない。先に説明したよう
に、屈折率の異なる媒質から構成される光の波長オーダ
ーの周期構造を有するフォトニック結晶は、高い分散性
を有する。この分散性はフォトニック結晶のバンドギャ
ップを変えることにより、明確に変えることができる。
すなわち、印加電圧によってバンドギャップを変えるこ
とによりフォトニック結晶の屈折率を変えることができ
る。

【００３９】次に、この光変調器について説明する。図
１０示すように、光導波路の出射端面は、光導波路の延
びる方向に対して斜めに傾いている。このため、印加電
圧によりバンドギャップを変え、フォトニックス結晶の
屈折率を変えると、出射角が変化する。光導波路１の屈
折率がｎ₁で、その出射端面１０ａに接する媒質の屈折
率がｎ₂のとき、ｎ₁sinθ₁＝ｎ₂sinθ₂の関係が成り立
つ。したがって、θ₁とｎ₂とを変化させずにｎ₁を変化
させることより、θ₂を変えることができる。なお、
θ₁，θ₂出射端面１０ａの法線と光とのなす角度であ
る。図１０示すように、出射後の光が集光レンズ２１を
通って、光ファイバ２２の受光系によって受光されるよ
うに構成すれば、わずかな角度変化でも大きな光出力変
化が生じる。この結果、高効率な光変調を行うことがで
きる。

【００４０】このように、フォトニック結晶により形成
された光導波路の導波条件は、電界を用いて変えている
ため、電子の移動時間等に関係なく、高周波の電気信号
でも忠実に光信号に変換できる光変調器を得ることがで
きる。また、光学系により、光の出射角変化を光ファイ
バへの結像点の位置ずれに拡大することができるので、
必要な角度変化、すなわち屈折率変化が小さくてもよい
ので駆動電圧の小さい駆動回路で駆動することができ
る。

【００４１】上記において、本発明の実施の形態につい
て説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形
態は、あくまで例示であって、本発明の範囲は、これら
発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特
許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の
範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更
を含んでいる。

【００４２】

【発明の効果】本発明の光変調器を用いることにより、
電気信号をその電気信号の波形に忠実な光強度信号に変
換することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における光変調器を示
す図である。

【図２】図１の光変調器が形成されるフォトニック結
晶の周波数-波動ベクトル（バンド）図である。

【図３】実施の形態１における電界強度と光信号の位
相変化との関係を示す図である。

【図４】本発明の実施の形態１における別の光変調器
を示す図である。

【図５】本発明の実施の形態２における光変調器を示
す図である。

【図６】図５の光変調器における遅延線を示す図であ
る。

【図７】本発明の実施の形態３における光変調器を示
す図である。

【図８】図７の光変調器が形成されるフォトニック結
晶の周波数-波動ベクトル図を示す図である。

【図９】本発明の実施の形態３における他の光変調器
を示す図である。

【図１０】本発明の実施の形態４における光変調器を
示す図である。

【図１１】従来の光変調器を示す図である。

【図１２】図１１の光変調器における電界強度と光信
号の位相変化との関係を示す図である。

【符号の説明】

１，２光導波路、３Ｙ分岐部、４Ｙ合波部、５，
１５信号電極、７グランド電極、９フォトニック結
晶、９ａ高屈折率媒質、９ｂ低屈折率媒質、１０
光変調器、１２遅延線部、１９光導波路と異なる結
晶配列を有する光導波路部分、２１集光レンズ、２２
光ファイバの受光部、Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3 便宜上分けら
れた光導波路の区間。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】分岐部と、前記分岐部から分岐した２つの光導波路と、前記２つの光導波路の少なくとも一方の光導波路に電界
を印加する電極と、前記２つの光導波路をそれぞれ伝播した光を合波させる
合波部とを備え、前記２つの光導波路が、２種類以上の光の媒質が周期構
造を形成してなるフォトニック結晶の光導波路を備えて
いる、光変調器。
【請求項２】前記２つの光導波路の少なくとも一方
が、光信号を遅延させるための遅延線部を備える光導波
路である、請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】分岐部と、前記分岐部から分岐し、２種類以上の媒質が周期構造を
形成してなるフォトニック結晶を備える第１の光導波路
と、前記第１の光導波路と異なる結晶配列を有する第２の光
導波路と、少なくとも前記第１の光導波路に電界を印加する電極と
を備える、光変調器。
【請求項４】２種類以上の媒質が周期構造を形成して
なるフォトニック結晶を備える光導波路と、前記光導波路に電界を印加する電極とを備え、前記光導波路の出射端面が当該光導波路の延びる方向に
斜めに交差して、光を伝播する媒質に接している、光変
調器。
【請求項５】前記周期構造をなす２種類以上の光の媒
質のうち、少なくとも１つが電気光学効果を有する媒質
である、請求項１〜４のいずれかに記載の光変調器。
【請求項６】前記フォトニック結晶の周期構造の１周
期の長さが変調対象の光の波長以下である、請求項１〜
５のいずれかに記載の光変調器。