JP2004133311A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】広い変調帯域を有し、小振幅のマイクロ波で高速変調が可能な光変調器を実現する。
【解決手段】電気光学効果を有する基板の一面側に、光導波路と、その光導波路にマイクロ波の電界を印加する進行波電極とを有する光変調器において、基板１１より誘電率が低い空気による低誘電率部２５を、進行波電極の中心導体１５（１５ａ）と光導波路１２（１２ｄ、１２ｅ）との間の位置または進行波電極のアース導体１６（１６ａ）、１７と光導波路１２（１２ｄ、１２ｅ）との間の位置の少なくとも一方の位置で、基板１１の一面側から反対面側へ向かって所定深さＨで設けた。
【選択図】　　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路にマイクロ波等の高周波信号の電界を印加して、光導波路を伝搬する光を位相変調する光変調器において、広い変調帯域を実現し、また、小振幅で駆動できるようにするための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムに用いる高速な光変調器として、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３：以下ＬＮと記す）基板の表面にチタン（Ｔｉ）を熱拡散して光導波路を形成するとともに、その光導波路を挟むようにして進行波電極を設け、この進行波電極に入力された高周波信号の電界を光導波路に印加して、光導波路を伝搬する光の位相を変調するいわゆるＴｉ：ＬｉＮｂＯ_３型の光変調器（ＬＮ光変調器）が広く使用されている。
【０００３】
このＬＮ基板は異方性を有しており、ＬＮ基板を用いた光変調器には、ｚカット基板を用いるタイプと、ｘカットあるいはｙカット基板を用いるタイプとがある。
【０００４】
また、この種の光変調器としては、１本の光導波路に入射された光の位相を変調して出射するものと、入射された光を２分岐して、その分岐された少なくとも一方の光の位相を他方の光に対して１８０°だけ移相して合波することで、振幅変調して出射するものとがある。
【０００５】
図１９〜図２１は、ｘカットＬＮ基板を用いた従来の振幅変調型の光変調器１０の構造を示している。
【０００６】
これらの図において、光変調器１０は、横長矩形のｘカットのＬＮ基板（以下、単に基板と記す）１１を有しており、その一面１１ａ側にはＴｉを熱拡散して形成された光導波路１２が設けられている。
【０００７】
光導波路１２は、基板１１の一端側から中央方向に直線状に延びた第１光導波路１２ａ、第１光導波路１２ａの先端に設けられたＹ分岐路１２ｂ、１２ｃ、Ｙ分岐路１２ｂ、１２ｃから互いに平行に延びた第２光導波路１２ｄおよび第３光導波路１２ｅ、第２光導波路１２ｄと第３光導波路１２ｅの先端に設けられたＹ合波路１２ｆ、１２ｇ、Ｙ合波路１２ｆ、１２ｇの合波点から基板１１の他端側まで直線状に延びた第４光導波路１２ｈとによって構成されている。
【０００８】
この光導波路１２は、図示しない光ファイバ等を介して第１光導波路１２ａに入射された光Ｐを互いに等しい位相と振幅の光に分けて第２光導波路１２ｄおよび第３光導波路１２ｅを伝搬させ、その合波光Ｐ′を第４光導波路１２ｈを介して基板１１の他端側から出射する。
【０００９】
また、基板１１の一面１１ａ側には、進行波電極１４がパターン形成されている。この進行波電極１４は、中心導体１５の両側に第１アース導体１６と第２アース導体１７が形成された対称型のコプレーナ型導波路（ＣＰＷ）であり、その中心導体１５は、光導波路１２の第２光導波路１２ｄと第３光導波路１２ｅの間ほぼ中間位置を通り所定幅で両光導波路と平行に延びた第１導体部１５ａと、この第１導体部１５ａの両端から基板１１の一方の側縁まで延びた第２導体部１５ｂおよび第３導体部１５ｃとによって略コの字状に形成されている。
【００１０】
また、第１アース導体１６は、中心導体１５の第１導体部１５ａとの間で第２光導波路１２ｄを挟んだ位置で中心導体１５の第１導体部１５ａより広い幅をもって第２光導波路１２ｄと平行に形成された第１導体部１６ａと、この第１導体部１６ａの両端から基板１１の一方の側縁まで延びた第２導体部１６ｂおよび第３導体部１６ｃとによって略コの字状に形成されている。
【００１１】
また、第２アース導体１７は、中心導体１５の第１導体部１５ａとの間で第３光導波路１２ｅを挟んだ位置で中心導体１５の第１導体部１５ａより広い幅をもって第３導波路１２ｅと平行に形成されている。
【００１２】
中心導体１５の第２導体部１５ｂには変調用のマイクロ波信号Ｍが図示しない同軸ケーブル等を介して入力され、そのマイクロ波信号Ｍが光導波路１２の第２光導波路１２ｄと第３光導波路１２ｅに挟まれた第１導体部１５ａを伝搬して第３導体部１５ｃから出力される。第３導体部１５ｃから出力されたマイクロ波Ｍ′は図示しない終端回路で終端される。
【００１３】
なお、第１アース導体１６の第２導体部１６ｂ、第３導体部１６ｃおよび第２アース導体１７は、この光変調器１０を収容するケース（図示せず）等のアースラインに接続されている。
【００１４】
このように形成された光変調器１０において、進行波電極１４の一端側に供給されたマイクロ波信号Ｍがその中心導体１５の第１導体部１５ａを伝搬する際に、図２２に示しているように、第１導体部１５ａから第１アース導体１６の第１導体部１６ａおよび第２アース導体１７へ向かう電気力線Ｅａ、Ｅｂが生じ、この電気力線のうち、基板１１内を通る電気力線Ｅｂの一部が、光導波路１２の第２光導波路１２ｄ、第３光導波路１２ｅを通過するため、基板１１の電気光学効果により、光導波路１２の第２光導波路１２ｄおよび第３光導波路１２ｅを伝搬する光に位相差が与えられる。
【００１５】
ここで、進行波電極１４にマイクロ波信号Ｍを供給したときに、第２光導波路１２ｄおよび第３光導波路１２ｅを伝搬する光に対して１８０°の位相差が与えられるようにしておけば、その合波光Ｐ′の単一モード成分は相殺され、光導波路１２の第４光導波路１２ｈから光が出射されない状態となる（なお、合波部において高次モード光が生成されるが、高次モード光は第４光導波路１２ｈを伝搬できない）。
【００１６】
したがって、進行波電極１４に対するマイクロ波信号Ｍの供給を２値のデータ信号によってオンオフすれば、データ信号の「１」、「０」に応じて強度変調された光を第４光導波路１２ｈから出力することができる。
【００１７】
この種の光変調器では、変調帯域が広く、小振幅のマイクロ波信号で所定変調が得られることが要求されている。
【００１８】
この光変調器１０の光変調帯域Δｆは、近似的に、
Δｆ＝１．４ｃ_０／（πＬ｜ｎ_ｍ−ｎ_０｜）　　（ＧＨｚ）
で表されることが知られている。
【００１９】
ここで、ｃ_０は真空中の光速、Ｌは電気信号であるマイクロ波と光の相互作用長、ｎ_ｍは進行波電極１４を伝搬するマイクロ波の等価屈折率、ｎ_０は光導波路１２を伝搬する光の等価屈折率である。なお、上記構造の光変調器１０の場合、相互作用長Ｌは、光導波路１２の第２光導波路１２ｄ、第３光導波路１２ｅと、進行波電極１４の中心導体１５の第１導体部１５ａとが並行している部分の長さである。
【００２０】
上記式から、光変調帯域Δｆを広くするためには、｜ｎ_ｍ−ｎ_０｜の値を小さくする、即ち、進行波電極１４を伝搬するマイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍと光導波路１２を伝搬する光の等価屈折率ｎ_０とを近づければよいことが判る。
【００２１】
一方、ｘカットの基板１１の比誘電率は異方性を有しており、基板表面に垂直な方向の比誘電率が約４３、基板表面に平行な方向の比誘電率が約２８で、平均的な比誘電率ε_ｓは約３６となり、空気の比誘電率に比べて極めて大きい。
【００２２】
進行波電極１４の厚みＴが非常に小さい場合、中心導体１５と両アース導体１６、１７との間の電気力線のうち、空気中を通過する電気力線Ｅａと基板１１内を通過する電気力線Ｅｂとはほぼ等量となり、このときのマイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍは、
ｎ_ｍ＝（ε_ｓ＋１）^１／２≒４．２
となる。
【００２３】
これに対し、光の等価屈折率は約２．２であるので、光変調帯域Δｆと相互作用長Ｌとの積Δｆ・Ｌは約６．４ＧＨｚ・ｃｍとなる。
【００２４】
この光変調帯域Δｆと相互作用長Ｌとの積Δｆ・Ｌが、光変調器の変調帯域の広さを評価する際に用いられる値である。
【００２５】
また、進行波電極１４を伝搬するマイクロ波の電界分布をＥ（ｘ、ｙ）、光導波路を伝搬する光の界分布をφ（ｘ、ｙ）とし、電界分布Ｅ（ｘ、ｙ）と光のパワー｜φ（ｘ、ｙ）｜^２の重なり積分をΓと定義して、
Γ＝∫∫Ｅ（ｘ、ｙ）｜φ（ｘ、ｙ）｜^２ｄｘｄｙ
と置くと、このｘカットの基板１１を用いた光変調器１０の半波長電圧（光に１８０°の位相差を与えるために必要なマイクロ波の振幅Ｖとπとの積）Ｖπと相互作用長Ｌとの積Ｖπ・Ｌは、この重なり積分Γに反比例する。
【００２６】
つまり、
Ｖπ・Ｌ∝１／Γ　　（Ｖ・ｃｍ）
と表される。
【００２７】
この値Ｖπ・Ｌが、光変調器の感度を評価する際に用いられる値であり、重なり積分Γが大きい程、即ち、光導波路を通過する電気力線が多い程、Ｖπ・Ｌの値が小さくなり、相互作用長Ｌが一定であれば小振幅のマイクロ波信号で所定の位相差を与えることができる。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の光変調器１０のΔｆ・Ｌは約６．４ＧＨｚ・ｃｍとなっているが、データ伝送に要求される速度は年々増加しており、このΔｆ・Ｌの値では、その要求に対応できなくなっている。
【００２９】
これを解決するための方法として、上記相互作用長Ｌを短くすることが考えられるが、この相互作用長Ｌを短くするとマイクロ波の電界による光への位相変調効果（感度）が小さくなってしまう。
【００３０】
また、別の方法として、図２３に示しているように、進行波電極１４の厚みＴを大きくして、空気中を通過する電気力線Ｅａの量を増加させることで、マイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍを下げて、光の等価屈折率ｎ_０に近づけることが考えられる。
【００３１】
しかしながら、このように進行波電極１４の厚みＴを大きくした場合、進行波電極１４の特性インピーダンスが所定値（例えば５０Ω）よりかなり小さくなって、マイクロ波を正しく伝送できなくなる。
【００３２】
即ち、マイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍと光の等価屈折率ｎ_０とがほぼ一致する条件下では、進行波電極１４の厚みＴを例えば４０μｍのように極めて厚くすることが必要となり、そのときの特性インピーダンスは３０Ω以下となってしまい、外部回路（同軸ケーブル等）との整合性が悪くなり、しかも、このように厚い進行波電極１４を製造する際には、歩留りが悪くなるという問題があった。
【００３３】
また、進行波電極１４の厚みＴを大きくして、所定の特性インピーダンスを維持するために、中心導体１５と第１アース導体１６、第２アース導体１７との間隔を広げることも考えられるが、これでは光導波路１２の第２光導波路１２ｄ、第３光導波路１２ｅと、各導体１５、１６、１７との距離も広がってしまい、第２光導波路１２ｄおよび第３光導波路１２ｅへの電界の影響も小さくなって位相変調効果が低減し、これを補うために印加するマイクロ波の振幅を大きくしなければならない。
【００３４】
本発明は、これらの課題を解決し、広い変調帯域を有し、小振幅のマイクロ波で高速変調が可能な光変調器を提供することを目的としている。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１の光変調器は、
電気光学効果を有する基板（１１）と、
該基板の一面側に形成された光導波路（１２、３２）と、
前記基板の一面側で前記光導波路の両側に形成された中心導体（１５、３５）とアース導体（１６、１７、３６）とを有し、前記中心導体の一端側に入力された高周波信号を他端側へ伝搬させるとともに、該高周波信号の電界を前記光導波路に印加して、該光導波路を伝搬する光の位相を変調する進行波電極（１４、３４）とを備えた光変調器において、
前記基板より誘電率が低い低誘電率部（２５、４５）を、前記進行波電極の中心導体と前記光導波路との間の位置または前記アース導体と前記光導波路との間の位置の少なくとも一方の位置で、前記基板の一面側から反対面側へ向かって所定深さで設けたことを特徴としている。
【００３６】
また、本発明の請求項２の光変調器は、請求項１の光変調器において、
前記低誘電率部が、前記基板の一面側から反対面側に向かって所定深さで形成された溝（２１〜２４、４１、４２）の内部の空気層を含むことを特徴としている。
【００３７】
また、本発明の請求項３の光変調器は、請求項２の光変調器において、
前記進行波電極の中心導体は、前記溝で挟まれたリッジ部（１１ｂ）に形成されていることを特徴としている。
【００３８】
また、本発明の請求項４の光変調器は、請求項２または請求項３の光変調器において、
前記光導波路は、前記溝で挟まれたリッジ部（１１ｃ、１１ｄ）に形成されていることを特徴としている。
【００３９】
また、本発明の請求項５の光変調器は、請求項１〜４の光変調器において、
前記光導波路の上面が、前記進行波電極が形成されている部分の前記基板の一面側と同一の高さとなるようにしたことを特徴としている。
【００４０】
また、本発明の請求項６の光変調器は、請求項１〜４の光変調器において、
前記光導波路の上面が、前記進行波電極が形成されている部分の前記基板の一面側から突出する高さとなるようにしたことを特徴としている。
【００４１】
また、本発明の請求項７の光変調器は、請求項１〜４の光変調器において、
前記光導波路の上面が、前記進行波電極が形成されている部分の前記基板の一面側と前記低誘電率部の底部との間の高さとなるようにしたことを特徴としている。
【００４２】
また、本発明の請求項８の光変調器は、請求項１〜３の光変調器において、
前記光導波路の上面が、前記低誘電率部の底部と同一の高さとなるようにしたことを特徴としている。
【００４３】
また、本発明の請求項９の光変調器は、請求項１〜８の光変調器において、
前記進行波電極の中心導体またはアース導体の少なくとも一方と、前記基板の一面側との間に、該基板より誘電率が低いバッファ層（２８）が設けられていることを特徴としている。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１〜図３は、本発明を適用した光変調器２０の構造を示している。なお、この光変調器２０において、前記した従来の光変調器１０と同一の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００４５】
この光変調器２０は、前記した光変調器１０と同様に、横長矩形のｘカットのＬＮ基板（以下、単に基板と記す）１１の一面１１ａ側に、Ｔｉの熱拡散で形成された第１光導波路１２ａ、Ｙ分岐路１２ｂ、１２ｃ、第２光導波路１２ｄ、第３光導波路１２ｅ、Ｙ合波路１２ｆ、１２ｇおよび第４光導波路１２ｈからなる光導波路１２と、中心導体１５、第１アース導体１６および第２アース導体１７からなるマイクロ波の進行波電極１４が設けられている。
【００４６】
なお、この実施形態および後述する各実施形態では、変調用の高周波信号がマイクロ波の場合について説明するが、変調用の高周波信号がミリ波あるいは準ミリ波等であってもよい。
【００４７】
この光変調器２０の基板１１の一面１１ａ側には、中心導体１５の第１導体部１５ａと第２光導波路１２ｄとの間、中心導体１５の第１導体部１５ａと第３光導波路１２ｅとの間、第２光導波路１２ｄと第１アース導体１６の第１導体部１６ａとの間および第３光導波路１２ｅと第２アース導体１７との間の位置で、所定深さＨ（例えば数μｍ）の溝２１〜２４が平行に形成されており、中心導体１５の第１導体部１５ａは溝２１、２２で挟まれたリッジ部１１ｂの上面に形成され、第２光導波路１２ｄは、溝２１、２３で挟まれたリッジ部１１ｃの上面に形成され、第３光導波路１２ｅは、溝２２、２４で挟まれたリッジ部１１ｄの上面に形成されている。
【００４８】
これらの溝２１〜２４の中の低誘電率部２５は、基板１１より比誘電率が低い空気によって形成されている。
【００４９】
このように構成された光変調器２０では、図４に示しているように、中心導体１５の第１導体部１５ａ、第１アース導体１６の第１導体部１６ａおよび第２アース導体１７のエッジ近傍に基板１１より誘電率が低い空気による低誘電率部２５が設けられているので、第１導体部１５ａから出力されるマイクロ波の電気力線のうち、低誘電率部２５を含む空気の中を通過する電気力線Ｅａ、Ｅｃの量が増加するとともに、第１導体部１５ａ、第１アース導体１６の第１導体部１６ａおよび第２アース導体１７のエッジ近傍では電界強度が大きいので、強い電気力線が低誘電率部２５の空気中を通過することになり、進行波電極１４の厚みＴが比較的薄く（例えば１５μｍ程度）ても、マイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍを光の等価屈折率ｎ_０に近づけることができる。
【００５０】
この低誘電率部２５によるマイクロ波についての等価屈折率ｎ_ｍの変化は、図５に示しているように、各溝２１〜２４の深さＨ（低誘電率部２５の高さ）の増加に対して単調減少するので、マイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍが光の等価屈折率ｎ_０とほぼ等しくなる深さＨ_０に設定することで、光とマイクロ波との速度整合を達成することができ、従来に比べて格段に高速な変調が可能となる。
【００５１】
また、低誘電率部２５を含む空気中を通過する電気力線Ｅｃが増すことにより、進行波電極１４の特性インピーダンスが高くなるので、速度整合の条件下においても、導体間隔を広げることなくほぼ５０Ωの特性インピーダンスを実現することができ、外部回路との特性インピーダンスの整合性が良い。また、進行波電極１４の厚みＴが比較的薄くて済むので、製造が容易となり、歩留りが良くなる。
【００５２】
また、溝２１〜２４の深さＨを大きくすると、基板１１内を通過する電気力線Ｅｂの量が減り、その分低誘電率部２５を含む空気中に生じる電気力線が増して、光導波路１２ｄ、１２ｅ内を通過する電気力線Ｅｃの量が増える。
【００５３】
このため、図６に示しているように、溝２１〜２４の深さＨが大きくなるにつれて、前記したマイクロ波と光の重なり積分Γの値が大きくなり、その結果、Ｖπ・Ｌ値が小さくなり、マイクロ波の振幅に対する感度が高くなり、小振幅で必要な変調をかけることができる。
【００５４】
なお、上記した光変調器２０では、光導波路１２の上面の高さと、基板１１の一面１１ａのうちの進行波電極１４が形成されている部分の高さとを同一に示しているが、厳密には、進行波電極１４が形成されている部分の高さとリッジ部１１ｂの高さとが等しい場合に、熱拡散によって光導波路を形成すると、僅かな（数１００オームストロング程度）の盛り上がりができ、両者の高さは完全に同一ではなく、ほぼ同一と言える。ただし、本発明では、この状態を光導波路の上面の高さと進行波電極が形成されている基板１１の一面との高さが同一であるものとする。また、本明細書において、各光導波路の「上面」とは、基板の姿勢に関わらず、その光導波路を形成している基板１１の面の部分を示すものとし、各部の「高さ」とは、基板の厚さ方向に沿った位置を示すものとする。
【００５５】
また、図７に示すように、光導波路１２の第２光導波路１２ｄと第３光導波路１２ｅの上面の高さが、基板１１の一面１１ａのうちの進行波電極１４が形成されている部分の高さより高くなるように設ける、即ち、基板１１の一面１１ａのうち進行波電極１４が形成されている部分の高さより高い位置まで突出するリッジ部１１ｃ、１１ｄの上面に第２光導波路１２ｄと第３光導波路１２ｅを設けることも可能である。
【００５６】
このように構成した場合、第２光導波路１２ｄが、中心導体１５の第１導体部１５ａおよび第１アース導体１６の第１導体部１６ａに対して高さ方向（基板１１の厚さ方向）の位置で重なり合い、また、第３光導波路１２ｅが、中心導体１５の第１導体部１５ａおよび第２アース導体１７に対して高さ方向（基板１１の厚さ方向）の位置で重なり合うため、第２光導波路１２ｄおよび第３光導波路１２ｅを通過する電気力線Ｅｃの量がさらに増加し、その結果、より小振幅のマイクロ波で上記の光変調が可能となる。
【００５７】
図８は、基板１１の一面１１ａのうち進行波電極１４が形成されている部分の高さに対するリッジ部１１ｃ、１１ｄの突出長ΔＨとＶπ・Ｌ値の関係を示しており、リッジ部１１ｃ、１１ｄの突出長ΔＨが大きくなるにつれて、Ｖπ・Ｌ値が単調減少している。
【００５８】
また、図９に示すように、光導波路１２の第２光導波路１２ｄと第３光導波路１２ｅの上面の高さをさらに高くした場合には、第２光導波路１２ｄおよび第３光導波路１２ｅを通過する電気力線Ｅｃの量がさらに増加し、その結果、さらに小振幅のマイクロ波で上記の光変調が可能となる。なお、突出長ΔＨの上限は、進行波電極１４の上面の高さまでであり、これ以上大きくすると、光導波路１２ｄ、１２ｅを通過する電気力線の量が減少する。
【００５９】
ただし、図７および図９の断面構造のものは、図４の断面構造のものに比べて基板１１のリッジ部１１ｃ、１１ｄを通過する電気力線の量が増加するので、マイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍの低減効果が若干少なくなり、変調帯域は若干狭くなる。つまり、図７、図９に示した例は、変調帯域よりもマイクロ波の振幅の低減（変調感度）を優先する場合に適している。
【００６０】
また、図１０に示すように、光導波路１２の第２光導波路１２ｄと第３光導波路１２ｅの上面の高さが、基板１１の一面１１ａのうちの進行波電極１４が設けられている部分の高さと低誘電率部２５の底部（溝２１〜２４の底部）の高さとの間となるようにする、即ち、基板１１の一面１１ａのうち進行波電極１４が設けられている部分の高さより低く且つ溝２１〜２４の底部より高く形成されたリッジ部１１ｃ、１１ｄの上面に第２光導波路１２ｄと第３光導波路１２ｅを設けることも可能である。
【００６１】
このように構成した場合、低誘電率部２５を含めた空気の中を通過する電気力線の量Ｅａが前記した各例のものより多くなるため、マイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍの低減効果がさらに大きくなり、より速度整合が達成しやすくなる。
【００６２】
また、図１１に示しているように、リッジ部１１ｂ、１１ｃの高さをゼロとして、光導波路１２の第２光導波路１２ｄと第３光導波路１２ｅの上面の高さが低誘電率部２５の底部の高さと同一となるようにした場合には、マイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍの低減効果がさらに大きくなり、さらに速度整合が達成しやすくなる。なお、この場合も、前記したように、厳密には、熱拡散による盛り上がりのために第２光導波路１２ｄと第３光導波路１２ｅの上面の高さと低誘電率部２５の底部の高さは完全に同一ではなく、ほぼ同一と言える。ただし、本発明では、この状態を光導波路の上面の高さと低誘電率部２５の底部の高さとが同一であるものとする。
【００６３】
ただし、上記図１０、図１１の断面構造のものは、図４の断面構造のものに比て第２光導波路１２ｄおよび第３光導波路１２ｅを通過する電気力線Ｅｃの量が減少するので、マイクロ波の振幅低減効果は低くなる。つまり、図１０、図１１の例は、マイクロ波の振幅低減（変調感度）よりも変調帯域を優先する場合に適している。
【００６４】
また、上記各実施例では、基板１１の一面１１ａ側に所定深さで形成した４本の溝２１〜２４によって、中心導体１５の第１導体部１５ａと第２光導波路１２ｄとの間、中心導体１５の第１導体部１５ａと第３光導波路１２ｅとの間、第２光導波路１２ｄと第１アース導体１６の第１導体部１６ａの間および第３光導波路１２ｅと第２アース導体１７との間の位置に、基板１１より誘電率が低い空気による低誘電率部２５を設けていたが、これは本発明を限定するものではなく、例えば図１２に示すように、中心導体１５の第１導体部１５ａと第２光導波路１２ｄ、第３光導波路１２ｅの間にだけ低誘電率部２５を設けてもよい。
【００６５】
また、図１３に示すように、第１のアース導体１６の第１導体部１６ａと第２光導波路１２ｄとの間および第２アース導体１７と第３光導波路１２ｅとの間にのみ低誘電率部２５を設けてもよい。
【００６６】
この図１２や図１３のように構成した場合でも、低誘電率部２５が設けられているので、前記同様にマイクロ波の等価屈折率を低減できるとともに、進行波電極１４の特性インピーダンスを高くすることができ、外部回路との特性インピーダンスの整合性が良くなる。
【００６７】
なお、図１２、図１３の断面構造のものにおいても、前記した各例と同様に、第２光導波路１２ｄと第３光導波路１２ｅの高さ位置を任意に設定することができる。
【００６８】
また、前記各実施例では、基板１１の一面１１ａに進行波電極１４を直にパターン形成していたが、図１４に示すように、基板１１の一面１１ａ側の表面全体にＳｉＯ_２やＳｉＮ_ｘや等のように、比誘電率が基板１１より低い材料によるバッファ層２８を設け、このバッファ層２８の上に進行波電極１４をパターン形成してもよい。
【００６９】
このように比誘電率が基板１１より低いバッファ層２８を設けた場合、マイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍが低下し、特性インピーダンスが高くなるので、光とマイクロ波の速度整合がさらに達成し易くなるとともに、外部回路との特性インピーダンスの整合性が良くなる。さらに、マイクロ波の伝搬損失も低減されるので、より一層の広帯域変調が可能となる。
【００７０】
なお、このバッファ層２８は、前記した各実施例のみならず、本発明の全ての実施例についても設けることができる。また、バッファ層２８は、上記のように基板１１の表面全体に設ける場合だけでなく、中心導体１５と基板１１の一面１１ａ側との間だけ、アース導体１６、１７と基板１１の一面１１ａ側との間だけ、あるいは、中心導体１５およびアース導体１６、１７と基板１１の一面１１ａ側との間だけに設けてもよい。
【００７１】
また、前記した各実施例では、光導波路にマイクロ波の電界を印加するための進行波電極１４として、中心導体１５の両側にアース導体１６、１７を等しい間隔で形成した対称型のコプレーナ型導波路（ＣＰＷ）を用いていたが、中心導体１５に対するアース導体１６、１７の間隔が異なる非対称型のコプレーナ型導波路（ＣＰＷ）を用いた光変調器についても本発明を同様に適用できる。
【００７２】
また、前記各実施例では、第１光導波路１２ａから分岐された第２光導波路１２ｄと第３光導波路１２ｅに、逆向きのマイクロ波の電界を印加して、両光導波路１２ｄ、１２ｅを伝搬する光の位相を互いに逆方向に移相して、合波光が相殺されるようにしていたが、第２光導波路１２ｄと第３光導波路１２ｅのいずれか一方の光導波路に対してだけマイクロ波の電界を印加して、その光導波路を伝搬する光の位相を例えば１８０°だけ移相して、合波光が相殺されるように構成された光変調器にも本発明を適用できる。この場合には、上記したコプレーナ型導波路（ＣＰＷ）を用いる方法の他に、アース導体が１つだけの非対称コプレーナストリップ線路（ＡＣＰＳ）を用いることができる。
【００７３】
また、上記のような振幅変調だけでなく、一つの光導波路に対してマイクロ波の電界を印加して、その光導波路を伝搬する光の位相を変調する位相変調型の光変調器についても本発明を適用できる。
【００７４】
図１５、図１６は、本発明を適用した位相変調型の光変調器３０を示している。
【００７５】
この光変調器３０のｘカットの基板１１の一面１１ａには、Ｔｉの熱拡散によって形成され、基板１１の一端から他端側まで直線上に延びた一本の光導波路３２と、この光導波路３２にマイクロ波の電界を印加するための非対称コプレーナストリップ型の進行波電極３４とが設けられている。
【００７６】
この進行波電極３４は、中心導体３５とアース導体３６とからなり、中心導体３５は、光導波路３２に沿って平行に形成された第１導体部３５ａと、第１導体部３５ａの両端から基板１１の一方の側端まで延びた第２導体部３５ｂおよび第３導体部３５ｃによって略コの字状に形成されている。
【００７７】
また、アース導体３６は、中心導体３５との間で光導波路３２を挟む位置に中心導体３５より広い幅で形成された第１導体部３６ａと、第１導体部３６ａの両端から基板１１の一方の側端まで延びた第２導体部３６ｂおよび第３導体部３６ｃによって略コの字状に形成されている。
【００７８】
光導波路３２と中心導体３５の第１導体部３５ａとの間、および光導波路３２とアース導体３６の第１導体部３６ａとの間には、前記同様に、所定深さＨに形成された溝４１、４２が形成され、それらの溝４１、４２内に空気による低誘電率部４５が設けられている。
【００７９】
このため、前記した光変調器の場合と同様に、進行波電極３４の厚さを増すことなく、マイクロ波の等価屈折率を低減することができ、速度整合を実現しやすくなり、高速な位相変調が可能となる。
【００８０】
また、この光変調器３０でも、溝４１との間で中心導体３５の第１導体部３５ａを挟む溝４３を設けて、その溝４３内の空気による低誘電率部４５によって、第１導体部３５ａから低誘電率部４５を含む空気層へ電気力線を出しているので、マイクロ波の等価屈折率の低減効果が高くなる。
【００８１】
また、低誘電率部４５を設けたことにより、進行波電極３４の特性インピーダンスが高くなり、外部回路との特性インピーダンスの整合性が良くなる。
【００８２】
なお、この光変調器３０の場合においても、図１２、図１３に示した断面構造のように溝の数を減らしてもよく、このように溝の数を減らした場合であっても、本発明としての効果はあることは言うまでもない。また、進行波電極３４として、前述の対称型ＣＰＷあるいは非対称型ＣＰＷを用いてもよい。
【００８３】
また、上記した各実施例では、基板１１に設けた溝２１〜２４、４１、４２によって空気の低誘電率部２５、４５を形成していたが、低誘電率部は、基板１１より低い誘電率を有するものであれば、空気以外のものであってもよく、低誘電率の部材（例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ、ポリイミド等）を前記した溝の内部に挿入しても良いし、これらと空気とが共存したものであってもよい。
【００８４】
また、前記した各実施例では、低誘電率部２５、４５を形成する溝２１〜２４、４１、４２の幅と深さを等しく設定していたが、これらの幅や深さはそれぞれ異なっていてもよい。
【００８５】
また、溝のエッジが中心導体、アース導体あるいは光導波路のエッジと一致している必要はなく、例えば中心導体やアース導体の一部が溝にオーバラップする構造でもよい。このように中心導体やアース導体の一部を溝にオーバラップさせると、マイクロ波の等価屈折率をより下げることができるので、マイクロ波と光の速度整合を容易に実現できる。さらに、マイクロ波と光の相互作用効率が高くなり、一層、小振幅化することができる。また、進行波電極の特性インピーダンスを高くし、ほぼ５０Ωに整合できるという利点もある。
【００８６】
なお、各溝の幅を広げると、溝の深さを大きくした場合と同じ効果があるので、最適設計のためには、他の各部の寸法とともに、溝の深さ、幅を最適化する必要がある。
【００８７】
また、２つの光導波路１２ｄ、１２ｅの高さが異なるように設定してもよい。このようにすると、２つの光導波路１２ｄ、１２ｅについての前記した重なり積分Γの値が異なるので、出射する光パルスに意図的にチャーピングを生じさせることができる。
【００８８】
また、前記した各実施例では、中心導体が一本だけの進行波電極１４、３４を用いていたが、中心導体が２本のプッシュプル型の進行波電極を用いた光変調器にも本発明を適用できる。
【００８９】
また、前記した各実施例では、基板１１としてｘカットのＬＮ基板を用いていたが、ｙカットのＬＮ基板あるいはｘカットとｙカットの中間等各種方位のＬＮ基板を用いた光変調器にも本発明を同様に適用でき、ＬＮ基板以外で電気光学効果をもつ基板を用いたものにも適用できる。
【００９０】
また、上記した各実施例において、進行波電極１４、３４の各導体による光の吸収損失を抑えるために、進行波電極１４、３４と光導波路１２、３２とが重なり合う部分に、ＳｉＯ２やＳｉＮｘ等からなるバッファ層を設けてもよい。
【００９１】
また、上記した各実施例では、基板１１の一面１１ａのうち、進行波電極１４、３４の中心導体１５、３５が形成されている部分の高さと、アース導体１６、１７、３６が形成されている部分の高さが同一であったが、両者の間に段差を設けてもよい。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、基板の一面側に形成された光導波路と、基板の一面側で光導波路の両側に形成された中心導体とアース導体とを有し、中心導体の一端側に入力された高周波信号を他端側へ伝搬させるとともに、その高周波信号の電界を光導波路に印加して、光導波路を伝搬する光の位相を変調する進行波電極とを備えた光変調器において、基板より誘電率が低い低誘電率部を、進行波電極の中心導体と光導波路との間の位置またはアース導体と光導波路との間の位置の少なくとも一方の位置で、基板の一面側から反対面側へ向かって所定深さで設けている。
【００９３】
このため、中心導体からアース導体へ向かう電気力線のうち、低誘電率部を通過する量が増加して、高周波信号の等価屈折率が低くなる。
【００９４】
したがって、進行波電極の厚さを増すことなく高周波信号の等価屈折率を光の等価屈折率に近づけることができ、その低誘電率部の深さ等を調整することで、光と高周波信号との速度整合を容易に実現でき、変調帯域を格段に広くすることができる。
【００９５】
また、光導波路の上面が、進行波電極が形成されている部分の基板の一面側と同一の高さとなるようにしたものでは、低誘電率部と空気層とを通過する電気力線の増加量と、光導波路を通過する電気力線の増加量とを適度にバランスさせることができ、広い変調帯域と供給する高周波信号の小振幅化とを両立することができる。
【００９６】
また、光導波路の上面が、進行波電極が形成されている部分の基板の一面側から突出する高さとなるようにしたものでは、光導波路を通過する電気力線の量をより増加させることができ、より小振幅の高周波信号で所定の変調を行なうことができる。
【００９７】
また、光導波路の上面が、進行波電極が形成されている部分の基板の一面側と低誘電率部の底部との間の高さとなるようにしたものでは、低誘電率部を通過する電気力線の量をより増加させることができ、変調帯域をさらに広くすることができる。
【００９８】
また、光導波路の上面が、低誘電率部の底部と同一の高さとなるようにしたものでは、低誘電率部を通過する電気力線の量をより増加させることができ、変調帯域をさらに広くすることができる。
【００９９】
また、進行波電極の中心導体またはアース導体の少なくとも一方と、基板の一面側との間に、その基板より誘電率が低いバッファ層を設けたものでは、高周波信号の等価屈折率が低下し、特性インピーダンスが高くなるので、光と高周波信号の速度整合がさらに達成し易くなるとともに、外部回路との特性インピーダンスの整合性が良くなる。また、高周波信号の伝搬損失も低減されるので、より一層の広帯域光変調が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の斜視図
【図２】実施形態の平面図
【図３】図２のＡ−Ａ線概略断面図
【図４】実施形態の断面構造と電界の分布の例を示す図
【図５】溝の深さに対するマイクロ波の等価屈折率ｎ_ｍの変化を表す図
【図６】溝の深さに対するＶπ・Ｌ値の変化を表す図
【図７】他の実施形態の断面構造と電界の分布の例を示す図
【図８】光導波路の突出長に対するＶπ・Ｌ値の変化を表す図
【図９】他の実施形態の断面構造と電界の分布の例を示す図
【図１０】他の実施形態の断面構造と電界の分布の例を示す図
【図１１】他の実施形態の断面構造と電界の分布の例を示す図
【図１２】他の実施形態の断面構造と電界の分布の例を示す図
【図１３】他の実施形態の断面構造と電界の分布の例を示す図
【図１４】他の実施形態の断面構造と電界の分布の例を示す図
【図１５】他の実施形態の斜視図
【図１６】他の実施形態の平面図
【図１７】図１６のＢ−Ｂ線概略断面図
【図１８】他の実施形態の断面構造と電界の分布の例を示す図
【図１９】従来の光変調器の斜視図
【図２０】従来の光変調器の平面図
【図２１】図２０のＣ−Ｃ線概略断面図
【図２２】従来装置の断面構造と電界の分布の例を示す図
【図２３】従来装置の断面構造と電界の分布の例を示す図
【符号の説明】
１１……ＬＮ基板、１１ｂ〜１１ｄ……リッジ部、１２……光導波路、１２ａ……第１光導波路、１２ｂ、１２ｃ……Ｙ分岐路、１２ｄ……第２光導波路、１２ｅ……第３光導波路、１２ｆ、１２ｇ……Ｙ合波路、１２ｈ……第４光導波路、１４……進行波電極、１５……中心導体、１５ａ……第１導体部、１５ｂ……第２導体部、１５ｃ……第３導体部、１６……第１アース導体、１６ａ……第１導体部、１６ｂ……第２導体部、１６ｃ……第３導体部、１７……第２アース導体、２０……光変調器、２１〜２４……溝、２５……低誘電率部、２８……バッファ層、３０……光変調器、３２……光導波路、３４……進行波電極、３５……中心導体、３５ａ……第１導体部、３５ｂ……第２導体部、３５ｃ……第３導体部、３６……アース導体、４１、４２……溝、４５……低誘電率部

Claims (9)

1. 電気光学効果を有する基板（１１）と、
   該基板の一面側に形成された光導波路（１２、３２）と、
   前記基板の一面側で前記光導波路の両側に形成された中心導体（１５、３５）とアース導体（１６、１７、３６）とを有し、前記中心導体の一端側に入力された高周波信号を他端側へ伝搬させるとともに、該高周波信号の電界を前記光導波路に印加して、該光導波路を伝搬する光の位相を変調する進行波電極（１４、３４）とを備えた光変調器において、
   前記基板より誘電率が低い低誘電率部（２５、４５）を、前記進行波電極の中心導体と前記光導波路との間の位置または前記アース導体と前記光導波路との間の位置の少なくとも一方の位置で、前記基板の一面側から反対面側へ向かって所定深さで設けたことを特徴とする光変調器。
2. 前記低誘電率部が、前記基板の一面側から反対面側に向かって所定深さで形成された溝（２１〜２４、４１、４２）の内部の空気層を含むことを特徴とする請求項１記載の光変調器。
3. 前記進行波電極の中心導体は、前記溝で挟まれたリッジ部（１１ｂ）に形成されていることを特徴とする請求項２記載の光変調器。
4. 前記光導波路は、前記溝で挟まれたリッジ部（１１ｃ、１１ｄ）に形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３記載の光変調器。
5. 前記光導波路の上面が、前記進行波電極が形成されている部分の前記基板の一面側と同一の高さとなるようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光変調器。
6. 前記光導波路の上面が、前記進行波電極が形成されている部分の前記基板の一面側から突出する高さとなるようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光変調器。
7. 前記光導波路の上面が、前記進行波電極が形成されている部分の前記基板の一面側と前記低誘電率部の底部との間の高さとなるようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光変調器。
8. 前記光導波路の上面が、前記低誘電率部の底部と同一の高さとなるようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光変調器。
9. 前記進行波電極の中心導体またはアース導体の少なくとも一方と、前記基板の一面側との間に、該基板より誘電率が低いバッファ層（２８）が設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光変調器。

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