JP2005099554A - 反射型光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】
光変調器自体の大きさをコンパクト化すると共に、光変調効率を向上させることを可能とする反射型光変調器を提供すること。
【解決手段】
電気光学効果を有する材料からなる基板１と、該基板の表面に形成される変調用電極２とを有し、該基板内に入射された光波３が、基板側面６，７又は基板内の反射面により反射しながら基板内を伝播すると共に、該変調用電極２により位相変調を受けた後、該基板から出射することを特徴とする反射型光変調器である。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射型光変調器に関し、特に、電気光学効果を有する材料からなる基板の側面又は基板内の反射面により、光波が反射しながら、基板内を伝播する反射型光変調器に関する。

光通信及び光計測の分野において、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板を用いた光変調器が利用されている。
このような光変調器の例としては、図１１に示すようなマッハ−ツェンダー型光変調器（ＭＺ型光変調器）が知られている。これは、電気光学効果を有する基板１０１上に、分岐導波路部１０３を有する導波路１０２を形成すると共に、該分岐導波路に電界を印加するための変調用電極を形成し、該導波路を通過する光波の位相を変調するものである。

ＭＺ型光変調器のような電気光学効果を有する基板に導波路を形成するものにおいては、導波路を伝播する光波を効率よく変調することが重要な課題となっている。
一般に光変調効果を高めるためには、変調用電極に印加される変調信号であるマイクロ波の出力を増加させる方法や、ＭＺ型光変調器の分岐導波路部のように、変調用電極から印加される電界の影響を受ける導波路の領域を長くする方法などがある。
前者のように変調信号の出力を高めるには、変調信号を発生する駆動回路に掛かる負担が増し、高コスト化、大型化を招くだけでなく、高速変調に限界を生ずる結果となる。他方、後者のように電界が作用する導波路を長くすると、光変調器自体が大型化し、光通信や光計測に係る機材が大型化するという欠点を生ずる。

本発明の目的は、上述した従来の光変調器に関する問題を解消し、光変調器自体の大きさをコンパクト化すると共に、光変調効率を向上させることを可能とする反射型光変調器を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板の表面に形成される変調用電極とを有し、該基板内に入射された光波が、基板側面又は基板内の反射面により反射しながら基板内を伝播すると共に、該変調用電極により位相変調を受けた後、該基板から出射することを特徴とする反射型光変調器である。

また、請求項２に係る発明では、請求項１に記載の反射型光変調器において、該基板側面が反射部材を有していることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の反射型光変調器において、基板内を伝播する光波の速度Ｖ_ＯＰと、該変調用電極を伝播する変調用のマイクロ波の伝播速度Ｖ_ＲＦとは、Ｖ_ＲＦ≒Ｖ_ＯＰｃｏｓθ（ただし、θは、Ｖ_ＯＰの伝播方向とＶ_ＲＦの伝播方向との成す角度）の関係を満足することを特徴とする。

また、請求項４に係る発明では、請求項１乃至３のいずれかに記載の反射型光変調器において、該基板上に導波路が形成され、基板内を伝播する光波が該導波路内を伝播することを特徴とする。

また、請求項５に係る発明では、請求項１乃至４のいずれかに記載の反射型光変調器において、該基板上のレンズ部が形成され、基板内を伝播する光波の形状又は方向を調整することを特徴とする。

また、請求項６に係る発明では、請求項１乃至５のいずれかに記載の反射型光変調器において、該変調用電極は、基板上面側に信号電極又は接地電極のいずれか一方を形成し、基板下面側に他方の電極を形成することを特徴とする。

また、請求項７に係る発明では、請求項１乃至６のいずれかに記載の反射型光変調器において、該基板内に入射された光波を分岐するための分岐部と分岐された光波を合波するための合波部とを有し、該分岐部で分岐された光波が基板内の異なる経路を伝播した後、該合波部により合波されることを特徴とする。

また、請求項８に係る発明では、請求項１乃至７のいずれかに記載の反射型光変調器において、該基板内を伝播する光波の光路を含む該基板の一部が、分極反転されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、基板側面や基板内に設けられた反射面により、光波が反射しながら電気光学効果を有する基板内を伝播するため、従来の光変調器と比較して、基板内の光波の光路長を長く形成することが可能となる。このため、光変調器自体の大きさをコンパクト化しながら、変調用電極から印加される電界と光波との作用領域を長くすることが可能となるため、光変調効果を向上させることも可能となる。

請求項２に係る発明により、光波が基板側面で反射を行う場合には、該基板側面に形成された反射部材により、光波の反射による減衰を抑制しながら、基板内における光波の伝播を実現することが可能となる。しかも、反射部材を形成することにより、基板側面による反射が全反射に限定されないため、光変調器を設計する上での自由度が向上すると共に、よりコンパクトな光変調器を構成することも可能となる。

請求項３に係る発明により、基板内を伝播する光波の速度Ｖ_ＯＰと、該変調用電極を伝播する変調用のマイクロ波の伝播速度Ｖ_ＲＦとの関係を、Ｖ_ＲＦ≒Ｖ_ＯＰｃｏｓθ（ただし、θは、Ｖ_ＯＰの伝播方向とＶ_ＲＦの伝播方向との成す角度）の条件を満足するように設定することで、変調用電極を伝播するマイクロ波と基板内を伝播する光波との速度整合を維持することが可能となり、マイクロ波による光波への変調効率を一層向上させることが可能となる。

請求項４に係る発明により、基板上に導波路が形成され、該基板内を伝播する光波が該導波路内を伝播するため、光波を拡散させることなく伝播することが可能となり、光損失を抑制することができる。また、光波が導波路から漏出しない範囲で導波路を曲げることも可能であり、光変調器の設計の自由度が向上することとなる。さらに、導波路にＭＺ型光変調器のように導波路の分岐部や合波部を形成したり、光カプラのように複数の導波路を近接配置するなどの構成により、多様な光回路を構成することも可能となる。

請求項５に係る発明により、光波の伝播経路上にレンズ部を形成することにより、基板内を伝播する光波の形状又は方向を調整し、光損失を抑制すると共に、多様な光回路を構成することが可能となる。

請求項６に係る発明により、基板の表面に垂直な方向に、電気光学効果により最も効率的に屈折率を変更できる結晶方向を有する基板（「Ｚカット基板」という）においては、基板上面側に信号電極又は接地電極のいずれか一方を形成し、基板下面側に他方の電極を形成することにより、基板の表面に垂直な方向に電界を発生させることが可能となるため、効率的な光変調が可能となる。さらに、信号電極と接地電極とを基板の同一表面に形成しないため、信号電極又は接地電極の形状及び配置の自由度が向上し、多様な光回路を構成することが可能となる。
なお、信号電極又は接地電極は、基板自体に構成する必要はなく、光変調器を支持する部材側に設けることも可能であり、光変調器の構成を単純化すると共に製造工程の簡略化を図ることが可能となる。

請求項７に係る発明により、基板内を伝播する光波を分岐し、該分岐した光波に対して異なる位相変調を付加した後、再度、合波することで、光強度変調を実現することも可能となる。また、このような分岐部や合波部を複数配置することにより、多様な光回路を構成することも可能となる。

請求項８に係る発明により、分極反転領域を通過する光波と、該分極反転領域以外を通過する光波とに対し、基板に対して同方向の電界を印加することで、異なる位相変化を実現できるため、簡単な電極構造で、効率的な光変調を実現することが可能となる。特に、請求項７に係る発明のように、光波を分岐させる場合には、一つの変調用電極で、分岐した光波の各々に異なる変調を付加することが可能となる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る反射型光変調器の基本的な構成を示す概略図である。
１は、電気光学効果を有する材料で構成される基板であり、該基板の表面には、変調用電極を構成する信号電極２が形成されている。
変調用電極は、変調信号であるマイクロ波を伝播する信号電極と接地電極とから構成され、図１の反射型光変調器においては、接地電極は、該基板１の裏面に形成されている。
なお、信号電極と接地電極の位置関係を逆にすることも可能である。

３は、反射型光変調器に入射する光波であり、基板１に入射した光波３は、基板内を伝播し、基板側面６，７で反射しながら基板１より出射する。
該光波３は、信号電極２の形成領域を通過する毎に、信号電極を伝播するマイクロ波が形成する電界により位相変調を受けることとなる。このため、基板１から出射した光波は、位相が変調された光波となる。

変調信号であるマイクロ波による、基板内を伝播する光波への変調効率を高めるためには、図１に示すように、基板内を伝播する光波の速度Ｖ_ＯＰと、該変調用電極を伝播する変調用のマイクロ波の伝播速度Ｖ_ＲＦとの関係を、Ｖ_ＲＦ≒Ｖ_ＯＰｃｏｓθ（ただし、θは、Ｖ_ＯＰの伝播方向とＶ_ＲＦの伝播方向との成す角度）の条件を満足するように設定することが好ましい。これにより、変調用電極を伝播するマイクロ波と基板内を伝播する光波との速度整合を維持することが可能となる。

特に、基板１内を伝播する光波３が基板側面６，７で全反射する場合には、基板への入射部４と基板からの出射部５においては、基板の材料よりも高い屈折率材料を注入・拡散させたり、基板側面と光波の伝播方向との成す角度を調整することにより、光波が効率よく基板内に侵入あるいは、基板から放出されるよう構成することが必要となる。

本発明に係る反射型光変調器に用いられる基板材料としては、従来の光変調器で利用されている電気光学効果を有する材料が利用可能であり、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料が利用できる。特に異方性が大きいという理由から、ＬｉＮｂＯ_３結晶、ＬｉＴａＯ_３結晶、又はＬｉＮｂＯ_３及びＬｉＴａＯ_３からなる固溶体結晶を用いることが好ましい。

また、変調用電極については、ＴｉやＡｕの導電性金属を、フォトレジストなどを用いたパターン形成方法やメッキ方法などにより、電極として形成することが可能である。
さらに、基板表面に直接、変調用電極を形成するだけでなく、誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を形成した後、電極層を形成することも可能である。

図２は、基板側面に反射膜を形成した反射型光変調器を示すものである。
基板１に入射した光波３を、効率良く基板側面で反射させるためには、基板側面を鏡面状に仕上げる必要がある。また、上述したように全反射を利用する場合には、基板側面に対する光波３の入射角が限定され、光変調器を設計する上で自由度が限られることとなる。これらの問題を解消するため、基板側面に反射部材として反射膜１０を設けることも可能である。
反射膜としては、Ａｌなどの金属を蒸着する方法や異なる誘電体を多層状に積層した多層反射膜を構成する方法など、当該技術分野において公知の技術を用いることが可能である。

また、反射膜１０の特性を調整することにより、基板内を伝播する光波３の一部を、基板外に導出したり、光波３に含まれる特定波長光を基板外に導出するなど多様な光回路を構成することも可能である。

図３は、基板上に導波路を形成した反射型光変調器を示すものである。
基板１内を伝播する光波３を、効率良く導波するため、導波路２０を基板上に形成することも可能である。
導波路の形成方法としては、従来の光変調器と同様に、Ｔｉなどを基板内に熱拡散させることにより形成することが可能である。

導波路２０の形状としては、図３に示した直線状のものに限らず、曲線を組合わせることも可能であり、また、分岐用や合波用の導波路を該導波路２０の途中に組み込むことも可能である。さらに、波長変換素子のように周期的な屈折率変化を導波路に付与したり、他の導波路を近傍に配置し、光カプラを構成するなど、多様な光回路を構成することも可能である。

図４は、レンズ部材を有する反射型光導波路を示すものである。
基板１内を伝播する光波３は、伝播の途中で徐々に光径が拡大する傾向があるため、光損失を低減するために、レンズ部材３０を基板上に形成し、光波３のビーム成形を行うことが望ましい。
レンズ部材３０の形成方法としては、基板１と異なる屈折率を有する領域を、正確に基板上に形成するものであるならば、種々の方法が利用可能であり、例えば、イオン注入や熱拡散などの方法が利用可能である。
また、上記レンズ部材３０は、光波のビーム成形の用途に限らず、プリズムなどの光学部品のように、光波の波長成分の分離や、光波の伝播方向の変更などにも利用可能である。

図５は、光波の伝播経路に沿った変調用電極を有する反射型光導波路を示すものである。
基板１内を伝播する光波３に沿って、基板１の表面に信号電極４０と、該信号電極を挟むように接地電極１が形成されている。
図５のように、光波の伝播方向と信号電極を伝播するマイクロ波の進行方向が常に一致しているため、マイクロ波による光波の変調効率を高めることが可能となる。
ただし、マイクロ波は直進性が高いため、基板側面での急激な折り返しは、マイクロ波の基板外への放出を招き易くするため、折り返し部へ滑らかな曲線を描くように構成することが好ましい。

図６は、反射型光変調器の断面形状を示したものである。
基板上に形成する電極の形状としては、図６（ａ）のように、基板１内を伝播する光波の光路又は導波路５０の上に、信号電極５１を設け、該信号電極５１を挟むように接地電極５２を設けることが可能である。このような電極の形状は、Ｚカット基板に好適な電極配置である。
なお、矢印５３は、信号電極５１と接地電極５２とが形成する電気力線を、模式的に示したものである。

また、基板の表面に平行な方向に、電気光学効果により最も効率的に屈折率を変更できる結晶方向を有する基板（「Ｘカット基板」という）の場合には、図６（ｂ）に示すように、基板１内を伝播する光波の光路又は導波路５０を挟むように信号電極５４と接地電極５５とを形成するのが、好ましい。
なお、矢印５６は、信号電極５４と接地電極５５とが形成する電気力線を、模式的に示したものである。

さらに、Ｚカット基板においては、図６（ｃ）に示すように、信号電極５７を、基板１内を伝播する光波の光路又は導波路５０の上に形成し、接地電極を基板１の下面に形成することも可能である。
このような電極配置により、信号電極５７の形状・配置を設計する際に、接地電極の位置を考慮することなく信号電極を配置することが可能となり、光変調器の電極に係る設計の自由度を向上させることができる。
しかも、接地電極については、光変調器を支持する部材に導電性を持たせ、該部材を光変調器の下面に近接して配置することにより、接地電極を省略することも可能である。これにより、部品点数の減少や製造工程の簡略化にも寄与する。
なお、図示していないが、前記の信号電極と接地電極との位置関係を、上下逆にしても同様の効果を得ることができる。

なお、図６（ａ）や図６（ｃ）などのように、基板１内を伝播する光波の光路又は導波路５０の上に、信号電極を設置する場合には、基板１と信号電極との間に、ＳｉＯ_２などのバッファ層を設け、電極による光波の散乱などを防止するよう、構成することが望ましい。

図７は、基板内を伝播する光波を分岐・合波させた反射型光変調器を示すものである。
基板１内に３種類の反射部材６０，６１，６２を設けたものであり、基板１内に入射した光波３は、ビームスプリッターと同様の機能を有する反射部材６０により、光波６３，６４に分離され、分離された各光波は、基板側面と反射部材６１との間を反射しながら伝播していく。そして、光波６４は、ハーフミラーと同様の機能を有する反射部材６２により、光波６３と合波され、光波６５を形成する。
このように、一つの光波を２つに分け、異なる経路を通過させた後、再度、合波させた場合では、分岐から合波するまでの光路長の差や、その間の光変調などにより、合波時の２つの光波の位相差が変化する。この位相差を調整することで、光強度変調などの各種の光変調を実現することが可能となる。

基板１に上記反射部材６０，６１，６２を組み込む方法としては、基板１に反射部材を挿入可能な溝を形成し、該溝に反射部材を嵌め込む方法や、反射部材の材料を該溝に充填する方法などがある。

図８は、分岐導波路を用いた反射型光変調器を示すものである。
図８に示した反射型光変調器は、基板１に入射した光波３を、分岐用の導波路７０を用いて、２つの光波７２，７３に分岐し、各光波７２，７３を、基板側面と反射部材７１との間で反射させながら伝播させる。そして、合波用の導波路７４により、２つの光波を合波し、合波光７５として、基板１より出射させるものである。
光波７２は、伝播中に信号電極７６により位相変調を受け、光波７３と合波した際には、２つの光波に位相差が発生するよう構成されている。この位相差の変化により、合波光７５は強度変調を発生することとなる。

図９は、分岐導波路を用いた反射型光変調器の他の実施例を示すものである。
図９の反射型光変調器においては、分岐用の導波路８０で分岐した２つの光波８１，８２は、基板側面で反射を繰り返しながら伝播し、合波用の導波路８４で合波光８５となり、基板１より出射する。
８３は、分岐後の一つの光波８１の光路に沿って配置された信号電極であり、図５に示すものと同様のものである。

図１０は、分極反転を含む反射型光変調器を示すものである。
図１０の反射型光変調器は、基板１における光波が通過する領域の一部を、分極反転したものである。分岐用の導波路９０で分岐した光波９１，９２は、共に信号電極９３により、同様の電界が印加されるが、光波９２の経路には分極反転領域９４が存在するため、この領域においては、信号電極９３による位相の変化が、光波９１と９２では逆方向となり、２つの光波間の位相差が増加する。このように、同一の信号電極による簡単な電極構造で、効率的な光変調を実現することが可能となる。

本発明に係る反射型光変調器は上述の内容に限定されるものではなく、例えば、光波が伝播する部分の基板の厚みを薄くすることにより、マイクロ波による変調効率を向上させるなど、当該技術分野における公知の技術が、本発明にも適用可能であることは言うまでもない。

以上、説明したように、本発明の反射型光変調器を用いることにより、光変調器自体の大きさをコンパクト化すると共に、光変調効率を向上させることが可能となる。

反射型光変調器の基本的な構成を示す図である。 基板側面に反射膜を形成した反射型光変調器を示す図である。 基板上に導波路を形成した反射型光変調器を示す図である。 レンズ部材を有する反射型光導波路を示す図である。 光波の伝播経路に沿った変調用電極を有する反射型光導波路を示す図である。 反射型光変調器の断面形状を示す図である。 光波を分岐・合波させる反射型光変調器を示す図である。 分岐導波路を用いた反射型光変調器を示す図である。 分岐導波路を用いた反射型光変調器の他の実施例を示す図である。 分極反転を含む反射型光変調器を示す図である。 従来の光変調器を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２，４０，５１，５４，５７，７６，８３，９３ 信号電極
３ 光波
６，７ 基板側面
１０，１２ 反射部材
２０ 導波路
３０ レンズ部材
４１，５２，５５，５８、接地電極

Claims (8)

1. 電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板の表面に形成される変調用電極とを有し、該基板内に入射された光波が、基板側面又は基板内の反射面により反射しながら基板内を伝播すると共に、該変調用電極により位相変調を受けた後、該基板から出射することを特徴とする反射型光変調器。
2. 請求項１に記載の反射型光変調器において、該基板側面が反射部材を有していることを特徴とする反射型光変調器。
3. 請求項１又は２に記載の反射型光変調器において、基板内を伝播する光波の速度Ｖ_ＯＰと、該変調用電極を伝播する変調用のマイクロ波の伝播速度Ｖ_ＲＦとは、
   Ｖ_ＲＦ≒Ｖ_ＯＰｃｏｓθ（ただし、θは、Ｖ_ＯＰの伝播方向とＶ_ＲＦの伝播方向との成す角度）
   の関係を満足することを特徴とする反射型光変調器。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の反射型光変調器において、該基板上に導波路が形成され、基板内を伝播する光波が該導波路内を伝播することを特徴とする反射型光導波路。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の反射型光変調器において、該基板上のレンズ部が形成され、基板内を伝播する光波の形状又は方向を調整することを特徴とする反射型光導波路。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の反射型光変調器において、該変調用電極は、基板上面側に信号電極又は接地電極のいずれか一方を形成し、基板下面側に他方の電極を形成することを特徴とする反射型光変調器。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の反射型光変調器において、該基板内に入射された光波を分岐するための分岐部と分岐された光波を合波するための合波部とを有し、該分岐部で分岐された光波が基板内の異なる経路を伝播した後、該合波部により合波されることを特徴とする反射型光変調器。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の反射型光変調器において、該基板内を伝播する光波の光路を含む該基板の一部が、分極反転されていることを特徴とする反射型光変調器。
   

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