JP2004287354A - 光変調素子および当該光変調素子を有するシステム - Google Patents

Abstract

【課題】光変調素子の信号入力端子部での、変調信号の反射による変調電極への入力レベルの低下を抑制する。
【解決手段】マイクロストリップ伝送線路からなる光変調素子の入力線路を、光変調素子の基板誘電率より低い誘電体基板からなるマイクロストリップ伝送線路と接続して変調信号を入力することで、入力端子部での変調信号の反射を低減でき、光変調素子の変調電極に効率良く変調信号を供給できる。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムや光信号処理システムを初めとした、光信号を扱う装置に用いられる光変調素子に関する。特に、光ファイバを用いた光情報通信のための光変調素子や、ファイバ無線システムなどの超高周波の変調信号で光変調を行うシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光信号を用いて通信や情報処理を行うシステムでは、電気信号（例えばマイクロ波やミリ波のような高周波信号）で光の位相や強度を変調することが必要である。このような光の変調方法には、直接変調と外部変調がある。
【０００３】
直接変調は、図１（ａ）に示すように、半導体レーザなどの光源を駆動する電流を直接変調することにより、光源から出力される光そのものの強度を変調する方式である。直接変調は、光源の外部に変調器を設ける必要がないため、システムの小型化に適しているが、数ＧＨｚ以上の高周波になると、半導体レーザの持つチャーピングにより、伝送速度が制限される。
【０００４】
これに対し、外部変調は、図１（ｂ）に示すように、半導体レーザなどの光源から出力された光（出力の安定した光）を光変調素子に入力し、光変調素子によって光の位相や強度を変調する。光の変調は、電気光学効果、音響光学効果、磁気光学効果、光線形光学効果などを用いて行うことが可能である。
【０００５】
上述のように、半導体レーザを直接的に変調する方法によっては、超高速光変調を達成することが困難であるため、高速動作の可能な外部変調型の素子開発が急がれている。外部変調型の素子の中でも、ポッケルス効果を有する誘電体結晶を用いた電気光学光変調素子は、超高速での動作が可能であり、また、変調に伴う位相の乱れも少ないという利点を有している。このため、この電気光学光変調素子は、高速情報伝送や長距離光ファイバ通信などに非常に有効である。また、電気光学光変調素子を用いて光導波路構造を作製すれば、素子の小型化と効率化とを一挙に実現できる可能性がある。
【０００６】
一般に、電気光学光変調素子は、電気光学結晶上に変調電極（信号電極）として変調信号を伝搬させる伝送線路と、この伝送線路の近傍に形成された光導波路とによって構成されている。そして、変調電極の周辺に誘起される電界によって光導波路部分の屈折率を変化させ、それによって光導波路中を伝搬する光波の位相を変化させる。
【０００７】
電気光学光変調素子に用いられる通常の結晶では、電気光学係数が比較的小さい。電気光学係数は、光変調の基本となるパラメータである。従って、電気光学光変調素子では、電界を光導波路に効率良く印加することが重要となる。
【０００８】
図２は、電気光学光変調素子の基本構造を示す断面図である。電気光学効果を有する結晶（電気光学結晶）の基板表面領域に光導波路が形成されており、光導波路の上には変調用電極が形成されている。
【０００９】
電気光学結晶は光学的異方性を有しており、印加される電界の大きさに略比例して屈折率が変化する（ポッケルス効果）。このため、変調電極に与える電位Ｖを調節することにより、光導波路の屈折率ｎを変化させることができる。光導波路の屈折率変化量Δｎは、光導波路に印加される電位Ｅに比例する。光導波路の屈折率がΔｎだけ変化すると、図２に示すように、出力光の位相がΔφだけ変化する。位相の変化量Δφは、一般に、電界強度Ｅと光導波路の長さＬの積に比例する。
【００１０】
光導波路に電界を形成するための変調信号は、光変調素子の外部から入力線路を介して光変調素子の電極に与えられるため、変調信号の入力を効率良く行うことが重要となる。
【００１１】
次に、図３（ａ）から（ｃ）を参照しながら、従来の光変調素子を更に詳しく説明する。図３（ａ）は、従来の光変調素子の平面図であり、図３（ｂ）は、そのＡ−Ａ’断面図、図３（ｃ）は、そのＢ−Ｂ’断面図である。図３の光変調素子は、非特許文献１に開示されている。
【００１２】
図示されている光変調素子は、電気光学効果を有する基板１と、基板１に形成された光導波路２とを有しており、光導波路２の両側には、変調電極３と接地電極４とから構成される変調電極が形成されている。変調電極３および接地電極４によって構成される変調電極は、基板１の片面上に形成された進行波型のコプレーナ伝送線路である。
【００１３】
接地電極４は、筐体接地５に接続されている。変調電極３の一端は、終端抵抗６を介して筐体接地５に接続され、変調電極３の他端は、ＲＦコネクタ７に接続されている。図示されているＲＦコネクタ７は、中心に位置する信号線８と、信号線８ａを被覆する絶縁誘電体９とを有している。
【００１４】
ＲＦコネクタ７を介して変調電極３と接地電極４の間に変調信号を入力すれば、変調電極３を変調信号波が伝播し、これによって変調電極３と接地電極４の間に電界が生じる。このため、電気光学効果を有する光導波路２の屈折率が変化し、所望の光変調を実現することができる。
【００１５】
２本に分かれた光導波路２には、図３（ｃ）に示すように、互いに上下逆方向の電界が印加されるため、２本の光導波路２を伝播する光波には互いに逆の位相変化が与えられる。この結果、２本の光導波路２を伝播してきた光波が分岐部分１０ａ、１０ｂを経て重なり合うと、位相差により干渉する。
【００１６】
ミリ波やマイクロ波などの周波数の高い変調信号を伝送するのに適した線路には、コブレーナ伝送線路、マイクロストリップ線路、および同軸伝送線路などがある。
【００１７】
コプレーナ伝送線路は、図４（ａ）に示すように、基板１の片面上に形成された変調電極３および接地電極４によって構成される。変調電極３と接地電極４との間に生じる電界は、接地電極４を含む面に対してほぼ対称に分布する。
【００１８】
一方、マイクロストリップ伝送線路は、図４（ｂ）に示すように、基板１の片面に形成された変調電極３、および基板１の裏面に形成された接地電極４によって構成されている。このため、変調電極３と接地電極４との間に生じる電界の大部分は基板１の内部に分布する。
【００１９】
同軸伝送線路（同軸ケーブル）は、図４（ｃ）に示すように、中心に位置する電極３と、電極３を被覆すする絶縁性誘電体と、この誘電体の外周に設けられた接地電極４とによって構成される。同軸伝送線路内に形成される電界１７は、電極３から接地電極４へ放射状に分布する。
【００２０】
このように各種の伝送線路が存在するが、光変調素子の基板では、コプレーナ伝送線路やマイクロストリップ伝送線路が設けられる。これに対して、変調信号の伝搬には、同軸伝送線路を用いることが便利である。ただし、同軸伝送線路を介して基板１上の変調電極３に変調信号を入力するには、図３に示すようなＲＦコネクタ７の信号線８と基板１上の変調電極３とを接続する必要がある。
【００２１】
【特許文献１】
特開平６−１１００２３号公報
【非特許文献１】
ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＬＥＣＴＥＤ ＴＯＰＩＣＳ ＩＮ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ６巻 １号の６９〜８２頁
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示す従来の光変調素子では、ＲＦコネクタ７および伝送線路の各々の特性インピーダンスが、例えば５０Ωに一致するように構成される。このようにして特性インピーダンスを整合させることにより、変調信号の入力条件を良好なものとすることができる。
【００２３】
しかし、ＲＦコネクタ７の絶縁誘電体９は、一般にガラスまたはテフロン（登録商標）から形成されており、その誘電率は約５以下であるため、電気光学効果を有する基板１の誘電率（典型的には４０程度）に比べて著しく小さいという問題がある。このように伝送線路における誘電体部分の誘電率に大きな差が生じていると、各伝送線路の特性インピーダンスが等しく設定されていても、伝送線路の接合部で変調信号の反射が発生してしまう。このような変調信号の反射が生じると、変調電極への入力レベルが低下し、変調電極による電界の強度が低下するため、光の変調効率が低下してしまう。
【００２４】
特に、図４（ｂ）に示すようなマイクロストリップ伝送線路を変調電極として用いる場合は、電極間に形成される電界の大部分が基板１の内部に分布しており、しかも、基板１は誘電率の高い材料から形成されることが多い。このような場合、誘電率差が大きくなりやすく、ＲＦコネクタ７の信号線８と基板１の変調電極３との間の接続部において変調信号の反射が顕著に生じるため、光の変調効率が大きく低下してしまう。
【００２５】
また、基板１の厚さを薄くすることにより、基本的なモード以外のモード（基板モード）で電界が基板内に発生しないようにすることが好ましい。しかし、この目的のため、基板１を薄くすると、基板１における電気光学結晶の機械的強度が低下するため、ＲＦコネクタ７の信号線８と基板１の端部が接触して基板１の結晶にワレ・カケなどの損傷が発生しやすい。
【００２６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光変調素子の信号入力端子部における変調信号の反射を抑制し、光変調を高い効率で実現できる光変調素子を提供することにある。
【００２７】
また、本発明の他の目的は、基板１を薄くしても、ＲＦコネクタの信号線との接触によって損傷しにくい光変調素子を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明の光変調素子は、第１基板と、前記第１基板に支持された光導波路と、前記光導波路の少なくとも一部に変調電界を印加する変調電極と、前記第１基板の表面に形成され、前記変調電極に電気的に接続された第１入力線路と、前記第１基板に形成された第１接地電極とを備え、前記変調電極、前記第１入力線路、および前記第１接地電極が第１伝送線路を形成している光変調素子であって、前記第１基板の誘電率よりも低い誘電率を有する第２基板と、前記２基板に形成され、前記第１伝送線路に接続された第２伝送線路とを更に備えている。
【００２９】
好ましい実施形態において、前記第２基板の誘電率は、前記変調電極に与える変調信号を伝搬する伝送線路のコネクタにおける絶縁誘電体の誘電率よりも高い。
【００３０】
好ましい実施形態において、前記変調電極は、前記光導波路に沿って配列された複数の変調電極によって構成され、かつ、前記第１入力線路は、前記複数の変調電極の各々に接続される複数の第１入力線路によって構成され、前記第２入力線路は、前記変調信号を受け取る線路部分と、前記線路部分から延びて前記複数の第１入力線路にそれぞれ接続される複数の線路部分とを有している。
【００３１】
好ましい実施形態において、前記第２入力線路を介して前記複数の変調電極部分に到達する変調信号の間には相互に位相差が発生する。
【００３２】
好ましい実施形態において、前記位相差は、前記変調信号を伝搬する伝送線路のコネクタと、前記第２入力線路において前記変調信号を受け取る線路部分との接続位置によって調節されている。
【００３３】
好ましい実施形態において、前記接地電極は前記第１基板の裏面に形成されており、前記第１伝送線路は、前記第１入力線路と前記接地電極とによって構成された第１マイクロストリップ伝送線路であり、前記第２伝送線路は、前記第２基板の表面に形成された第２入力線路と前記第２基板の裏面に形成された第２接地電極とによって構成されている第２マイクロストリップ伝送線路である。
【００３４】
好ましい実施形態において、前記第１基板の厚さは、１００μｍ以上４００μｍ以下の範囲にある。
【００３５】
好ましい実施形態において、前記第１基板と前記第２基板とは、略等しい厚さを有している。
【００３６】
好ましい実施形態において、前記光導波路の少なくとも一部は、電気光学効果を有する材料から形成されている。
【００３７】
好ましい実施形態において、前記第１基板の少なくとも一部は、電気光学効果を有する材料から形成されており、前記光導波路は前記第１基板の一部から構成されている。
【００３８】
好ましい実施形態において、前記光導波路は、分岐された少なくとも２つの分枝導波路と、前記２つの分枝導波路を結合する光入力部と、前記２つの分枝導波路を結合する光出力部とを有しており、前記光導波路のうち、前記変調電界が印加される部分は、前記２つの分枝導波路に分かれており、前記変調電極は、前記光導波路の２つの分枝導波路の各々に対して極性の異なる電界を及ぼすように配置されている。
【００３９】
好ましい実施形態において、前記変調電極は、第１導体線路と第２導体線路とを有する共振型電極である。
【００４０】
好ましい実施形態において、前記第１および第２導体線路は、両端部が短絡された平行結合線路である。
【００４１】
本発明のシステムは、上記いずれかの光変調素子と、前記光変調素子に光を入力する入力部と、前記光変調素子における前記変調信号を供給する供給部とを備えている。
【００４２】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
まず、図５（ａ）から（ｃ）を参照しながら、本発明による光変調素子の実施形態を説明する。図５（ａ）は、本実施形態の光変調素子の主要部を示す平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、図５（ｃ）は、後に詳しく説明する平行結合線路１３の間隙部１６における電界強度分布を示す図である。
【００４３】
本実施形態における光変調素子の基板１は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）単結晶やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）単結晶などの電気光学効果を有する材料（電気光学結晶）から形成されている。基板１の主面には、マッハツェンダ干渉計型の光導波路２が形成されている。光導波路２は、基板１の所定領域に対して例えば安息香酸を用いたプロトン交換処理を行うことによって作製される。なお、光導波路２は、電気光学効果を有しない基板上に堆積された電気光学効果を有する膜から形成されていても良い。本明細書では、基板１の一部が光導波路として機能する場合や基板上に光導波路が形成されている場合のように、基板と光導波路との配置関係が固定されているとき、「光導波路が基板に支持されている」状態にあるものとする。
【００４４】
本実施形態における光導波路２は、図５（ａ）に示すように、分岐部分１０ａ、１０ｂにおいて分離した２つの分枝導波路２ａおよび２ｂを有している。所定の長さを有する分枝導波路２ａおよび分枝導波路２ｂの主要部は、基板１の表面において略平行に延びている。分岐した２つの分枝導波路２ａおよび２ｂの屈折率をそれぞれ変化させることにより、分枝導波路２ａおよび２ｂを伝搬する光に位相差を形成し、干渉を生じさせることができる。
【００４５】
本実施形態では、光導波路２の分枝導波路２ａおよび２ｂの屈折率を変化させるための変調電極（信号電極）として、図５（ａ）に示すように、共振型構造を有する平行結合線路１３を基板１の光導波路２上に設けている。平行結合線路１３は、２つの線路１３ａ、１３ｂと、線路１３ａ、１３ｂの両端を結合する接続線路部１５とを有している。２つの線路１３ａ、１３ｂは、図５（ｂ）に示すように２つの分枝導波路２ａおよび２ｂの上に配置されている。
【００４６】
平行結合線路１３の一部には、平行結合線路１３に共振を起こさせるための変調信号を印加する入力線路１４が接続されている。入力線路１４は、基板１の上面に形成されている。一方、基板１の裏面には、接地電極４が形成されている。平行結合線路１３、接続線部１５、および入力線路１４は、誘電体の基板１を挟んで接地電極４に対向しており、第１マイクロストリップ伝送線路を構成している。
【００４７】
平行結合線路１３や入力線路１４などは、好ましくは、アルミニウムや金などの金属薄膜から形成される。この金属薄膜は、真空蒸着法やスパッタ法などの薄膜加工技術によって基板１の表面に堆積され、フォトリソグラフィおよびエッチングなどの公知の加工技術によって所定形状にパターニングされる。接地電極４は、クロム、ニッケル、パラジウム、アルミニウムなどの単層または複数層の膜から形成されている。接地電極４は、蒸着法やメッキ法によって基板１の裏面全体に形成されることが好ましい。
【００４８】
平行結合線路３に共振を起こさせるための信号（変調信号）は、平行結合線路３の一部に接続された上記の入力線路１４に入力される。この変調信号は、ＲＦコネクタ７を介して外部から入力線路１４に供給されるが、ＲＦコネクタ７は入力線路１４と直接的に接続されていない。本実施形態では、基板（「第１基板」と称する。）１の誘電率よりも小さな誘電率を有する基板（「第２基板」と称する。）１８を用いて形成した第２マイクストリップ線路を介して、ＲＦコネクタ７の信号線８を入力線路（「第１入力線路」と称する。）１４に接続する。第２マイクストリップ線路は、第２基板１８の表面に形成された入力線路（「第２入力線路」と称する。）１９と、第２基板１８の裏面に形成された接地電極（「第２接地電位」と称する。）２０とによって構成されており、第２入力線路１９は、接続部２１において、第１基板１の入力線路（「第１入力線路」と称する。）１４に接続されている。第２入力線路１９と第１入力線路５との接続は、例えば、直接接触、はんだ付け、金属リボン、金属ワイヤーなどによって行われて得る。一方、第２入力線路１９の他端は、ＲＦコネクタ７の信号線８と接続されている。この接続も、直接接触、はんだ付け、金属リボン、金属ワイヤーなどによって接続されている。
【００４９】
第２基板１８の接地電極２０は、第１基板の接地電極（「第１接地電位」と称する。）４と同様の材料から同様の方法で形成され得るし、また、第２基板１８の第２入力線路１９も、第１入力線路１４と同様の材料から同様の方法で形成され得る。
【００５０】
第２基板１８に形成された第２マイクロストリップ伝送線路は、第２入力線路１９および接地電極２０によって構成されており、第２入力線路１９の幅は、その特性インピーダンスが５０Ωとなるように決定されている。
【００５１】
ＲＦコネクタ７は、同軸ケーブル、矩形導波管、円形導波管などの信号伝送路を伝播してきた変調信号を、所望の伝送線路へ接続する機能を有する。ＲＦコネクタ７は、例えばガラスやテフロン（登録商標）などの絶縁誘電体９と、絶縁誘電体９内に内に固定され、ベリリウム銅などからなる信号線８で構成されている。絶縁誘電体９の誘電率は約５以下である。
【００５２】
第１基板１がタンタル酸リチウムから形成されている場合、その誘電率は、結晶の光学軸に垂直な方向で４１、結晶の光学軸に平行な方向で４３である。また、第１基板１がニオブ酸リチウムから形成されている場合は、その誘電率は、結晶の光学軸に垂直な方向で４３、平行な方向で２８である。
【００５３】
本実施形態では、第２基板１８の誘電率がＲＦコネクタ７の絶縁誘電体９の誘電率よりも高く、第１基板１の誘電率よりも低い。このような第２基板１８は、例えば誘電率が１０程度のアルミナセラミックスなどの誘電体から形成されるが、第２基板１８の誘電率やＲＦコネクタ７の絶縁誘電体９の誘電率に応じて適宜最適な誘電率を有する材料が選択される。
【００５４】
本実施形態によれば、基板１の入力線路１４をＲＦコネクタ７の信号線８と直接接続する場合に比べ、入力信号の各接続部における変調信号の反射を低減できる。その結果、変調信号を高い効率で変調電極へ入力できるため、光変調効率を向上させることが可能となる。具体的には、第２基板を用いない場合に比べて、変調信号の総反射率を２ｄＢ（デシベル）程度低下させることができ、それによって変調効率を２．５倍程度に上昇させることが可能である。
【００５５】
また、第１基板１の接地電極４および第２基板１８の接地電極２０を、パッケージなどの金属面に対して、はんだ付けや導電性接着剤などよって接着することにより、良好な接地電位を容易に得ることができ、特性を向上することができる。
【００５６】
なお、本実施形態では、第１基板１および第２基板１８にマイクロストリップ伝送線路を形成しているが、マイクロストリップ伝送線路に代えて図３（ａ）に示すようなコプレナー型伝送線路を形成しても良い。
【００５７】
以下、上記構成を有する光変調素子の動作を説明する。
【００５８】
変調対象となる光（入力光１１）は、光導波路２の一方の端から入力され、第１分岐部で２つの分枝導波路２ａ、２ｂに分かれる。分枝導波路２ａおよび２ｂを伝搬した光は、第２分岐部分で１つに重畳され、光導波路２の他の端から出力光１２として出力される。入力光１１は、例えば直線偏光を有する半導体レーザ光などの光源から放射されたあと、偏光保持光ファイバなどを伝播してきた光であり、レンズ結合法や光ファイバ端面での直接結合法などによって光導波路２に結合される。出力光１２は、同様な手法によって例えばシングルモード光ファイバなどに結合される。
【００５９】
変調信号によって平行結合線路１３に共振が生じると、間隙部１６に電界が生じ、電気光学効果を有する光導波路２の屈折率が変化する。より詳細には、入力線路１４に与えられた変調信号は、線路１３ａ、１３ｂと接地電極４との間に電界を形成しながら伝搬する。このとき、線路１３ａ、１３ｂで共振が生じると、線路１３ａと線路１３ｂとの間に位置する間隙部１６には、周期的に振動する電界（共振電界）が発生する。このような共振が生じると、線路１３ａと線路１３ｂとの間に位置する間隙部１６に形成される電界の向きは周期的に反転し、電界強度の振幅は正弦波状に変化する。本実施形態では、線路１３ａ、１３ｂの下方に分枝導波路２ａ、２ｂが存在しているため、各分枝導波路２ａ、２ｂには、上下逆方向の共振電界が形成される。このため、基板１が例えばｚカットのタンタル酸リチウム結晶から形成されている場合、分枝導波路２ａ、２ｂを通る光には互いに逆の位相変化が与えられる。適切なモードで共振が生じると、分枝導波路２ａ、２ｂを伝搬してきた光は、分岐部分１０ｂで干渉し、出力光１２の強度が変化する。
【００６０】
線路１３ａ、１３ｂの間隙部１６に共振電界を形成しているとき、分枝導波路２ａ、２ｂを伝搬してきた２つの光の位相が完全に相互反転させると、２つの光は打ち消しあうため、出力光の強度は略ゼロとなる。一方、線路１３ａ、１３ｂの間隙部１６に共振電界を形成しないとき、長さの等しい分枝導波路２ａ、２ｂを伝搬してきた２つの光の位相は略一致するため、出力光の強度は入力光の強度から少し減衰したレベルを示す。以上のように、共振電界を形成するか否かにより、入力光１１の強度を変調することができる。また、共振電界の形成は、入力線路１４に与える電気信号によって制御される。
【００６１】
なお、平行結合線路１３には、通常、偶対称モードと奇対称モードの２種類の伝搬モードが存在する。奇対称モードでは、平行結合線路を構成する２本の線路１３ａ、１３ｂの電位が互いに反転することとなるため、間隙部１６に大きな電界が誘起される。そのため、平行結合線路１３に奇対称モードを励振させることによって高い効率の光変調が可能となる。
【００６２】
本実施形態では、平行結合線路１３の両端が接続線路１５によって接続されているので、線路１３ａと１３ｂの間に生じる電圧は、図５（ｃ）に示すように、平行結合線路１３の両端で０、中央で最大となる三角関数の電圧分布を示し、線路１３ａと線路１３ｂの間の電圧符号はどの分でも同一である。したがって、入力光１１が平行結合線路１３の下の光導波路２ａ、２ｂを伝播している間、常に位相変化が足し合わされ続けるので、高い変調効率が得られる。
【００６３】
実際の動作には、変調信号によって平行結合線路１３に奇対称モードによる共振を効率良く起こさせる必要がある。そのため、入力インピーダンス整合が行える位置に入力線路１４を接続することにより、容易に実現できる。具体的には、入力線路１４の特性インピーダンスが例えば５０Ωとなるようにその幅を決定し、平行結合線路１３が変調信号の周波数で奇対称モード共振し、かつ、その周波数で入力線路に入力した信号の反射が最小になるように設計する。
【００６４】
なお、上記各実施形態では、電気光学効果を有する基板中に光導波路を形成しているが、本発明は、このような構成に限定されない。基板の表面領域に周囲よりも屈性率の高いコア部を形成し、コア部の上にクラッド部として電気光学効果を有する材料からなる膜を形成する構成を採用してもよい。この場合、コア部を伝搬する光の一部がクラッド部にしみ出すため、クラッド部の屈性率を変化させることにより、コア部を伝播する光の位相を変調することができる。コア部は電気光学効果を有する材料から形成されている必要は無い。
【００６５】
また、上記実施形態における光導波路は、分岐された少なくとも２つの分枝導波路と、２つの分枝導波路を結合する光入力部と、２つの分枝導波路を結合する光出力部とを有するマッハツェンダ干渉計型の構成を有しているが、本発明の光変調素子は、このような構成を有する光強度変調素子に限定されない。本発明による光変調素子の光導波路が単一の導波路を有する場合であっても、伝搬する光の位相を効率的に変調することができる。この意味では、本発明の光変調素子は、光の位相を変調する点に本質的な機能を有しており、位相の変調された光を干渉させることによって光強度も変調させることが可能である。
【００６６】
以上説明してきたように、本実施形態によれば、光導波路が形成され樽基板（第１基板）とは別に誘電率の相対的に低い第２基板を用いているため、変調信号の反射を抑制できる効果が得られる。また、このような効果とは別に、ＲＦコネクタ７の信号線８が第１基板１とは直接に接触しないため、第１基板の材料として脆い結晶を用いたり、第１基板を例えば０．４ｍｍ以下に薄くして機械的強度が低下した場合でも、基板１の損傷を防止することが可能である。更に、第２基板上にアンテナ、フィルタ、アンプなどの各種の電気回路素子を設けることにより、高機能な素子が一体的に集積化された光変調素子を実現することも可能である。
【００６７】
（実施形態２）
次に、図６を参照しながら、本発明による光変調素子の第２の実施形態を説明する。
【００６８】
本実施形態の光変調素子は、図６示されるように、第１基板１の分岐光導波路２ａ、２ｂ上に形成された２つの変調電極（共振型電極２２ａ、２２ｂ）を備えている点で、第１実施形態の光変調素子と異なっている。以下、本実施形態に特徴的な点を詳細に説明する。
【００６９】
図６に示す光変調素子は、上述のように、２つの共振型電極２２ａ、２２ｂを備えており、各共振型電極２２ａ、２２ｂは、第１実施形態の光変調素子の変調電極と同一の構成を有し、同一の機能を発揮する。
【００７０】
本実施形態の第１基板１の上には、共振型電極２２ａ、２２ｂの各々に変調信号を与えるための２つの第１入力線路（入力線路１４ａ、１４ｂ）が形成されており、それぞれ、共振型電極２２ａ、２２ｂに接続されている。
【００７１】
第２基板１８には、高周波コネクタ７から第１基板１の入力線路１４ａ、１４ｂに変調信号を伝搬するための入力線路（第２入力線路）１９が形成されている。入力線路１９は、図７（ａ）に示すように、高周波コネクタ７の信号線８に接続される線路部分１９ａと、その線路部分１９ａの両端から第１基板上１の入力線路１４に向かって延びる線路部分１９ｂ、１９ｃとを有している。また、図６に示すように、入力線路１９と入力線路１４ａとは接続部２１ａで接続されており、入力線路１９と入力線路１４ｂとは接続部２１ｂで接続されている。
【００７２】
本実施形態では、高周波コネクタ７の信号線８から、第２基板１８上の入力線路１９、接続部２１ａ、２１ｂ、第１基板１上の入力線路１４ａ、１４ｂを介して共振型電極２２ａ、２２ｂの各々に与えられる変調信号により、共振型電極２２ａ、２２ｂの各々で共振が生じる。このような共振が生じると、共振型電極２２ａ、２２ｂの各々における平行結合線路間に位置する間隙部に、周期的に振動する電界が発生する。
【００７３】
本実施形態の光変調素子では、２つの共振型電極２２ａ、２２ｂにより、光導波路２を伝搬する光の位相を変調するが、単に２つの共振型電極２２ａ、２２ｂを設けただけではなく、第１の共振型電極２２ａによる位相変調と第２の共振型電極２２ｂによる位相変調との間で位相整合をとることにより、変調の効率を向上させている。
【００７４】
以下、上記の位相整合を行うための手法を説明する。
【００７５】
まず、以下のように各種のパラメータを設定する。
【００７６】
（１） 入力光が第１の共振型電極２２ａの左端下方を通過し、第２の共振型電極２２ｂの左端下方に到達するまでに要する時間：Ｔ０
（２） 入力された電気信号が第１の共振型電極２２ａに到達する時間：Ｔ１
（３） 入力された信号が第２の共振型電極２２ｂに到達するまでの時間：Ｔ２
【００７７】
本実施形態では、Ｔ２−Ｔ１＝Ｔ０の関係が略満足されるように光変調素子を構成する。上記の関係が満たされるとき、光導波路２を伝搬する入力光の感じる共振型電極２２ａによる電界の位相と、共振型電極２２ｂによる電界の位相が同期するため、入射光はこれら共振型電極２２ａ、２２ｂを伝播した際、最大の屈折率変化を感じることになる。
【００７８】
本実施形態では、上記の時間Ｔ２−Ｔ１と時間Ｔ０とを等しく設定するため、高周波コネクタ７の信号線８から各共振型電極２２ａ、２２ｂまでの伝播距離に差を持たせている。時間Ｔ０は、第１の共振型電極２２ａと第２の共振型電極２２ｂとの配置関係によって規定される。これらのパラメータを調節することにより、位相の同期を行い、変調効率を高めることができる。
【００７９】
なお、本実施形態における各共振型電極２２ａおよび２２ｂの各々に供給される変調電力は、共振型電極が１つの場合における変調電力の半分になる。しかし、各共振型電極に供給される変調電圧は１／√２倍になるだけであり、１／２倍に減少するわけではない。また、入力光に作用する共振型電極の長さが２倍になるため、変調器全体の変調効率は、共振型電極が１つの場合と比較して、√２倍に向上する。
【００８０】
ここで、高周波コネクタ７の特性インピーダンスをＺ１、第１入力線路１４ａ、１４ｂ、第２入力線路１９の特性インピーダンスをＺ２とすると、１／Ｚ１＝２／Ｚ２の関係が成立するとき、入力インピーダンスが整合し、不要な反射を抑えることができる。
【００８１】
このような関係を満足する例としては、２Ｚ１＝Ｚ２の関係が成立する場合がある。一般に、各種高周波機器が利用している特性インピーダンスは５０Ωであるため、Ｚ１を５０Ωに設定する。この場合、Ｚ２は１００Ωに等しい。このような特性インピーダンスが得られるように第１入力線路１４ａ、１４ｂ、ならびに第２入力線路１９の線幅を決定する。特性インピーダンスは、このように入力線路の線幅に依存するが、信号の周波数には依存しない。このため、広い周波数帯域でインピーダンス整合が実現される。
【００８２】
本実施形態の光変調素子では、前述したように、第２基板１８上の入力線路１９が、高周波コネクタ７の信号線８と接続される側の端部において、導波路２の延長方向に沿って延びる線路部分１９ａを備えている。このため、高周波コネクタ７の信号線８と第２基板１８上の入力線路１９とを接続する位置を、導波路２の延長方向に沿って変化させることが容易である。図７（ｂ）を参照しながら、この点を詳細に説明する。図７（ｂ）に示す「Ｌ１」は、信号線８と線路部分１９ａとが接続する点（接続点Ｘ）から線路部分１９ａの左端までの長さを示し、「Ｌ２」は、この接続点Ｘから線路部分１９ａの右端までの長さを示している。Ｌ１＋Ｌ２は、線路部分１９ａの長さＬに等しい。本実施形態では、Ｌ１およびＬ２が適切な関係を有するように、接続点Ｘの位置を選択する。接続点Ｘの位置の最大可変範囲は、線路部分１９ａの長さＬによって規定される。
【００８３】
このような接続点Ｘの位置を、導波路２の延長方向に沿って変化させることにより、信号線８の先端から共振型電極２２ａまでの入力信号線路長と、信号線８の先端から共振型電極２２ｂまでの入力信号線路長との差異（Ｌ２−Ｌ１）を調節し、前述したＴ２−Ｔ１＝Ｔ０の関係を略満足する素子を作製することが容易になる。
【００８４】
なお、前述した方法で第１基板１に光導波路を作製する際、熱処理を行うことが必要であるため、光導波路を伝播する入射光の速度、すなわち光導波路内での入射光の感じる屈折率を再現良く形成することは困難である。しかし、本実施形態によれば、第１基板１に光導波路を形成した後、その光導波路がもつ屈折率に応じて最適な入力信号線路長差（Ｌ２−Ｌ１）を形成するように信号線８と入力線路１９との接続位置を可変に設定することができる。
【００８５】
もし、このようにして入力信号線路長を実効的に調節することが出来ない場合は、各共振型電極に与えるべき変調信号を各々独立に入力し、かつ、各変調信号の間に適切な位相差を与えることが必要になる。そのような変調信号を生成するためには、特別な外部電気回路を設けることが必要になり、調整や運用が煩雑なものとなり、安定した光変調を得ることが困難になる可能性がある。
【００８６】
なお、本実施形態の光変調素子は、２つの共振型電極を有しているが、本発明は、このような構成に限定されず、３つ以上の共振型電極を備えていてもよい。
【００８７】
（実施形態３）
次に、図８を参照しながら、本発明によるファイバ無線システムの実施形態を説明する。
【００８８】
本実施形態のファイバ無線システム５０は、上記の実施形態に係る光変調素子を内蔵した光変復調器５１を有している。アンテナ５３により、例えばミリ波の搬送波を用いて、インターネットなどのデータ通信網や携帯端末との通信、あるいはＣＡＴＶからの信号の受信などを行うことができる。
【００８９】
光変複長器５１は、本発明による光変調素子とともに、不図示の光復調素子を有している。この光復調素子は、受信した変調光を電気信号に復調する変換器であり、例えばフォトダイオードから形成されている。
【００９０】
ミリ波などの周波数の高い無線信号は長距離の伝送には向いていないため、データ通信網６１、ＣＡＴＶ６２、携帯電話システム６３との通信は、無線装置６０を介して行ってもよい。この場合は、ファイバ無線通信システム５０と光ファイバ７０を介して接続される光変復調器５５と、光変復調器５５に接続されたアンテナ５４とにより、無線装置６０のアンテナ６４との間で信号の送受信を行うことができる。光変復調５５は、光ファイバ７０を介してファイバ無線システム５０に接続されているため、光変復調５５は、ファイバ無線システム５０から離れた位置に置かれていても問題ない。
【００９１】
本実施形態によれば、光変復調器５１、５５が本発明の光変調素子を備えているため、変調信号の入力を効果的に行うことができ、効率的な光変調を達成することができる。
【００９２】
【発明の効果】
本発明によれば、光導波路を支持する第１基板の誘電率よりも低い誘電率を有する第２基板を用いて形成した第２伝送線路を第１基板に形成された第１伝送線路と接続することにより、入力端子部における変調信号の反射を低減し、変調信号を光変調素子の変調電極に効率良く供給することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、光の直接変調を説明するための図であり、（ｂ）は光の外部変調を説明するための図である。
【図２】電気光学効果を利用した光の外部変調動作原理を示す断面図である。
【図３】（ａ）は、従来の光変調素子の平面図であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は、そのＢ−Ｂ’断面図である。
【図４】（ａ）は、コプレーナ伝送線路の断面図、（ｂ）は、マイクロストリップ伝送線路の断面図、（ｃ）は、同軸伝送線路の断面図である。
【図５】（ａ）は、本発明の光変調素子の第１実施形態の平面図、（ｂ）は、そのＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は、第１実施形態における間隙部１６の電界分布を模式的に示す図である。
【図６】本発明の光変調素子の第２実施形態を示す平面図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、第２実施形態における第２入力線路の構成を詳細に示す平面図である。
【図８】本発明によるシステムの実施形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 第１基板
２ａ、２ｂ 分枝導波路
３ 平行結合線路、変調電極
３ａ、３ｂ 線路
４ 接地電極
５ 筐体接地
６ 終端抵抗
７ ＲＦコネクタ
８ 信号線
９ 絶縁誘電体
１０ａ、１０ｂ 光導波路の分岐部分
１１ 入力光
１２ 出力光
１３ 平行結合線路
１４、１４ａ、１４ｂ 入力線路
１５ 接続線路部
１６ 間隙部
１７ 電界の方向
１８ 第２基板
１９ 第２入力線路
２０ 第２接地電極
２１、２１ａ、２１ｂ 接続部
２２ａ、２２ｂ 共振型電極

Claims (14)

1. 第１基板と、
   前記第１基板に支持された光導波路と、
   前記光導波路の少なくとも一部に変調電界を印加する変調電極と、
   前記第１基板の表面に形成され、前記変調電極に電気的に接続された第１入力線路と、
   前記第１基板に形成された第１接地電極と、を備え、前記変調電極、前記第１入力線路、および前記第１接地電極が第１伝送線路を形成している光変調素子であって、
   前記第１基板の誘電率よりも低い誘電率を有する第２基板と、
   前記２基板に形成され、前記第１伝送線路に接続された第２伝送線路と、を更に備えている光変調素子。
2. 前記第２基板の誘電率は、前記変調電極に与える変調信号を伝搬する伝送線路のコネクタにおける絶縁誘電体の誘電率よりも高い請求項１に記載の光変調素子。
3. 前記接地電極は前記第１基板の裏面に形成されており、前記第１伝送線路は、前記第１入力線路と前記接地電極とによって構成された第１マイクロストリップ伝送線路であり、
   前記第２伝送線路は、前記第２基板の表面に形成された第２入力線路と前記第２基板の裏面に形成された第２接地電極とによって構成されている第２マイクロストリップ伝送線路である請求項１または２に記載の光変調素子。
4. 前記変調電極は、前記光導波路に沿って配列された複数の変調電極によって構成され、かつ、前記第１入力線路は、前記複数の変調電極の各々に接続される複数の第１入力線路によって構成され、
   前記第２入力線路は、前記変調信号を受け取る線路部分と、前記線路部分から延びて前記複数の第１入力線路にそれぞれ接続される複数の線路部分とを有している、請求項３に記載の光変調素子。
5. 前記第２入力線路を介して前記複数の変調電極部分に到達する変調信号の間には相互に位相差が発生する請求項４記載の光変調素子。
6. 前記位相差は、前記変調信号を伝搬する伝送線路のコネクタと、前記第２入力線路において前記変調信号を受け取る線路部分との接続位置によって調節されている請求項４に記載の光変調素子。
7. 前記第１基板の厚さは、１００μｍ以上４００μｍ以下の範囲にある請求項１から６のいずれかに記載の光変調素子。
8. 前記第１基板と前記第２基板とは、略等しい厚さを有している請求項１から７のいずれかに記載の光変調素子。
9. 前記光導波路の少なくとも一部は、電気光学効果を有する材料から形成されている、請求項１から８のいずれかに記載の光変調素子。
10. 前記第１基板の少なくとも一部は、電気光学効果を有する材料から形成されており、前記光導波路は前記第１基板の一部から構成されている請求項９に記載の光変調素子。
11. 前記光導波路は、分岐された少なくとも２つの分枝導波路と、前記２つの分枝導波路を結合する光入力部と、前記２つの分枝導波路を結合する光出力部とを有しており、
    前記光導波路のうち、前記変調電界が印加される部分は、前記２つの分枝導波路に分かれており、
    前記変調電極は、前記光導波路の２つの分枝導波路の各々に対して極性の異なる電界を及ぼすように配置されている請求項１から１０のいずれかに記載の光変調素子。
12. 前記変調電極は、第１導体線路と第２導体線路とを有する共振型電極である請求項１から１１のいずれかに記載の光変調素子。
13. 前記第１および第２導体線路は、両端部が短絡された平行結合線路である請求項１２に記載の光変調素子。
14. 請求項１から１３のいずれかに記載された光変調素子と、
    前記光変調素子に光を入力する入力部と、
    前記光変調素子における前記変調信号を供給する供給部と、
    を備えたシステム。

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