JP2016183995A - 光変調装置及び光変調システム - Google Patents

Abstract

【課題】構成が簡単で安価であり高精度で波長選択可能な光変調装置を提供する。
【解決手段】入射光を導波光として伝搬させる第１の光導波路に沿って順に、第１の反射手段、第１の位相調整区間、第１の回折手段、第２の位相調整区間、及び第２の反射手段を備えて上記所定波長の入射光に対する共振器を構成した光変調装置であって、第１の位相調整区間に対して電界を印加するための第１の電極対と、第２の位相調整区間に対して電界を印加するための第２の電極対とを備え、第１の光導波路と、当該第１の光導波路に隣接して設けられる光バッファ層のうちの少なくとも一方を電気光学効果を有する材料で形成し、第１及び第２の電極対に印加する電圧を変化して入射光を第１の回折手段に入射したときに第１の光導波路に伝搬する導波光の屈折率を変化させ回折して放射される放射光を強度変調させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば波長選択可能な光変調装置及びそれを用いた光変調システムに関する。

図１は従来例１に係る波長多重光変調装置の構成を示すブロック図である。波長分割多重（ＷＤＭ）光通信の送信側では、波長ごとに信号変調する必要があり、例えば図１の光変調装置を用いる。図１に示すように、入射する波長多重光を一旦波長分波し、分波した信号をそれぞれを光変調し、光変調後、合波するためにそれぞれ、波長分波器１０１、複数Ｎ個の光変調器１０２−１〜１０２−Ｎ、波長合波器１０３を備える必要があり、それらを集積もしくは組み立ててシステムを構成する必要がある。このようなシステムを空間光に適用する面型光変調器は構成するにはバルク光学素子をアセンブルする必要があり組立て・製造が非常に困難であり、実用化では現実的ではない。

図２Ａは従来例２に係る導波モード共鳴素子（Guided-Mode-Resonance Filter（ＧＭＲＦと呼ぶ））の基本構成を示す縦断面図であり、図２Ｂは図２ＡのＧＭＲＦの反射光スペクトル及び透過光スペクトルの特性を示すグラフである。ＧＭＲＦは、図２Ａに示すように、透明基板１上に形成された薄膜の光導波層２の光導波路にグレーティングカップラ（Grating Coupler（ＧＣと呼ぶ））１０を設けた構成を有する。

ここで、光導波路に所定周期の周期的屈折率変調部であるＧＣ１０を設けると、光導波路中を伝搬する導波モードの導波光と、光導波路外に放射される放射モードの放射光を結合させることができる。屈折率変調は、光導波路構成材料の一部の改質による屈折率変化又は表面の凹凸加工によっても得られる。光導波路に入射された導波光は、ＧＣ１０による回折により、放射モードに結合して放射漏洩する。その結果、導波光は指数関数的に減衰する。導波光の透過率Ｔは、振幅放射損失係数をαとし、結合長をＬ_ＧＣとすると次式（１）で与えられる。

Ｔ＝ｅｘｐ（−２αＬ_ＧＣ） （１）

そして、放射モードの入射光のうち次式（２）の条件を満たす共鳴波長λ_ｒｅｓのみがＧＣ１０の回折により導波モード光に結合される。

ここで、ΛはＧＣ１０のグレーティング周期であり、ｎ_ｅｆｆは光導波層２の導波モードの屈折率であり、θは導波路面法線方向から計った入射角度である。図２Ａにおいて、結合励振された導波モード光はＧＣ１０の回折により放射モード光で出射され、入射光の反射と透過に重畳される。両者の位相関係により、反射や透過が強調もしくは抑圧されることになる。他の波長は、ＧＣ１０により回折されずに通常のフレネル反射、透過を示す。その結果、反射率及び透過率は図２Ｂに示すような急峻な波長依存性を示す。

式（２）に示すように、共鳴波長λ_ｒｅｓは、導波モード屈折率ｎ_ｅｆｆに依存する。従って、電気光学効果等で導波コアや基板の材料屈折率を変化させてｎ_ｅｆｆを変化させると共鳴波長λ_ｒｅｓがシフトし、特定波長に対する反射率や透過率を変調することができる（例えば、特許文献１，２参照）。

図３Ａは従来例３に係る共振器集積型導波モード共鳴フィルタ（Cavity-Resonator-Integrated Guided-mode-resonance Filter（ＣＲＩＧＦと呼ぶ））の基本構成を示す縦断面図であり、図３Ｂは図３ＡのＣＲＩＧＦの反射スペクトルの特性を示すグラフである（例えば、特許文献３参照）。

ＣＲＩＧＦは、図３Ａに示すように、透明基板１上に形成された薄膜の光導波層２の光導波路にＧＣ１０と一対の分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector（ＤＢＲと呼ぶ））１１，１２を集積した構成を有する。一対のＤＢＲ１１，１２は光導波路共振器を形成しており、空間光と導波光を結合するＧＣ１０をその共振器内に配置する。ＧＣ１０による結合波長とＤＢＲ１１，１２の共振波長を一致させておく。これが共鳴波長λ_ｒｅｓとなる。入射光のうち共鳴波長λ_ｒｅｓのみがＧＣ１０の回折により導波モード光に結合される。結合励振された導波モード光はＤＢＲ１１，１２の共振モードとして光パワーが蓄積され、放射モード光に出射され、入射光の反射と透過に重畳される。ここで、ＧＣ１０とＤＢＲ１１，１２の間の位相調整ギャップ２１，２２の長さを適切に設定しておくと、図３Ｂに示すように、導波モード共鳴素子と同様の反射、透過スペクトルを示す。一方で、位相調整ギャップ２１，２２の長さの値によってはＧＣ１０の結合が消失、すなわちＣＲＩＧＦの存在が消失する。

さらに、波長選択可能な導波型光変調器としては、シリコン細線光導波路に集積したマイクロリング共振型光変調器がよく知られている（例えば、特許文献４参照）。これは、光導波路にリング共振器を近接させて、光導波路中を伝搬する波長多重導波光のうちリング共振波長に相当する波長光のみを減衰させるが、そのリング共振波長をマイクロリングに集積した電極により電気光学効果を用いて導波光波長から離調させることにより導波光の透過率を変調するものである。

特開２００５−２７５０８９号公報 特開２００９−２８８７１８号公報 特開２０１２−０９８５１３号公報 特開２０１３−１９５７２１号公報

Ｓｈｏｇｏ Ｕｒａ ｅｔ ａｌ．， "Ｐｒｏｐｏｓａｌ ｏｆ ｓｍａｌｌ−ａｐｅｒｔｕｒｅ ｇｕｉｄｅｄ−ｍｏｄｅ−ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｆｉｌｔｅｒ，" Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ １３ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ， ｐａｐｅｒ Ｔｈ．Ａ４．４， Ｓｔｏｃｋｈｏｌｍ ｉｎ Ｓｗｅｄｅｎ， Ｊｕｎｅ ２０１１ Ｓｈｏｇｏ Ｕｒａ ｅｔ ａｌ．， "Ｐｒｏｐｏｓａｌ ｏｆ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ−ｏｐｔｉｃ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ｉｎ Ｓｔｒａｉｇｈｔ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，" Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ２０１４ ＩＥＥＥ ６４ｔｈ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （ＥＣＴＣ）， Ｏｒｌａｎｄｏ ｉｎ Ｕ．Ｓ．Ａ．， Ｍａｙ ２０１４ Ｋｅｎｊｉ Ｋｉｎｔａｋａ ｅｔ ａｌ．， "Ｃａｖｉｔｙ−Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ−Ｍｏｄｅ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｓｅｖｅｒａｌ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｎｅｓ ｉｎ Ａｐｅｒｔｕｒｅ，" Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ２０１４ ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （ＩＰＣ）， Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ ｉｎ Ｕ．Ｓ．Ａ．， ｐｐ．４９６−４９７， Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１４ Ｊｕｎｉｃｈｉ Ｉｎｏｕｅ， ｅｔ ａｌ．， "Ｃａｖｉｔｙ−ｒｅｓｏｎａｔｏｒ−ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ−ｍｏｄｅ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｐｈａｓｅ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ，" Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＩＥＥＥ ＣＰＭＴ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｊａｐａｎ ２０１２， ９−４， Ｄｅｃｅｍｂｅｒ， ２０１２． Ｊｕｎｉｃｈｉ Ｉｎｏｕｅ， ｅｔ ａｌ．， "Ｃａｖｉｔｙ−ｒｅｓｏｎａｔｏｒ−ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｇｕｉｄｅｄ−ｍｏｄｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｆｉｌｔｅｒ ｉｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，" ＩＥＩＣＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， Ｖｏｌ．１０， Ｎｏ．１５， ｐａｐｅｒ ２０１３０４４４， ２０１３．

従来例２に係るＧＭＲＦは光導波路面にグレーティングを集積した狭帯域フィルタである。しかし、狭帯域かつ高反射を得るにはサブｍｍサイズの入射ビーム径とフィルタ開口が必要となり、１素子のサイズが大きくなるという問題点があった。

また、例えば波長選択が可能な光変調装置を構成するためには、上述のように、多数の光学部品及び素子を必要とするばかりではなく、それらのアセンブリで構成する必要があり、組立て調整が困難になり、サイズが大きくなり、また高価になるという問題点があった。

例えば上述のマイクロリング光変調器は波長チューニング型であり、導波光波長と共振器波長の高精度合わせのため極めて高い寸法精度が必要であり、共鳴波長を導波光の波長から離脱させるデチューニング量により信号チャネル間隔が制限される。このような制限を打破するには、チューニング型でない波長選択光変調器が必要となるが、グレーティング電極方式はグレーティング電極の作製が必要であり、構成が複雑となる。上記の方式を含め、通常の導波型光変調器は光導波路と光変調素子を集積して構成するために分離が困難であり、光導波路信号バスとは個別の変調器をハイブリッド集積するように構成することはきわめて困難であるという問題点があった。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して構成が簡単であって安価であり、しかも高精度で波長選択可能な光変調装置及びそれを用いた光変調システムを提供することにある。

第１の発明に係る光変調装置は、所定波長の入射光を導波光として伝搬させる第１の光導波路に沿って順に、第１の反射手段、第１の位相調整区間、第１の回折手段、第２の位相調整区間、及び第２の反射手段を備えて上記所定波長の入射光に対する共振器を構成した光変調装置であって、
上記第１及び第２の反射手段は上記導波光を上記第１の光導波路の方向で反射し、
上記第１の回折手段は上記導波光を上記第１の光導波路の方向とは異なる方向で回折して放射し、
上記第１の反射手段と上記第１の位相調整区間との少なくとも一方に対して電界を印加するための第１の電極対と、
上記第２の反射手段と上記第２の位相調整区間との少なくとも一方に対して電界を印加するための第２の電極対とを備え、
上記第１の光導波路と、当該第１の光導波路に隣接して設けられる光バッファ層のうちの少なくとも一方を電気光学効果を有する材料で形成し、
上記第１及び第２の電極対に印加する電圧を変化することにより、上記所定波長の入射光を上記第１の回折手段に入射したときに上記第１の光導波路に伝搬する導波光の屈折率を変化させて、上記第１の回折手段により回折して放射される放射光である反射光もしくは透過光を強度変調させることを特徴とする。

上記光変調装置において、上記第１の回折手段はグレーティングカップラであり、上記第１及び第２の反射手段はそれぞれ分布ブラッグ反射器であることを特徴とする。

また、上記光変調装置において、上記第１の光導波路から所定の距離だけ離隔して設けられ、上記第１の回折手段により回折して放射される放射光を反射する第３の反射手段と、
上記入射光を導波光として伝搬させる第２の光導波路に沿って、上記第１の回折手段に対向するように設けられ、上記第２の光導波路を伝搬する導波光を上記第２の光導波路の方向と異なる方向で回折して放射する第２の回折手段とをさらに備え、
所定波長の入射光を上記第２の光導波路に入射したときに上記第２の回折手段により回折して放射される放射光が上記第１の光導波路を共鳴導波光として伝搬し、上記共鳴導波光が上記第１の回折手段により回折して放射された後、上記第３の反射手段により反射されて上記第２の光導波路に入射されて、上記所定波長の入射光と合成されて、上記合成された導波光が上記第２の光導波路を伝搬して出射し、
上記第１及び第２の電極対に印加する電圧を変化することにより、上記第１の光導波路を伝搬する共鳴導波光の屈折率を変化させ、これにより上記共鳴導波光を強度変調させることで上記合成された導波光を強度変調させることを特徴とする。

さらに、上記光変調装置において、上記第２の回折手段はグレーティングカップラであり、上記第３の反射手段は反射層、金属ミラー、もしくは誘電体多層膜ミラーであることを特徴とする。

上記光変調装置において、
第１の基板上に形成された上記第１の光導波路、上記第１の反射手段、上記第１の位相調整区間、上記第１の回折手段、上記第２の位相調整区間、上記第２の反射手段、上記第３の反射手段及び上記第１及び第２の電極対を備えた第１の装置と、
第２の基板上に形成された第２の光導波路、及び上記第２の回折手段を備えた第２の装置とをハイブリッド集積して構成されたことを特徴とする。

また、上記光変調装置において、
基板上に上記第２の光導波路及び上記第２の回折手段を形成し、
上記第２の光導波路及び上記第２の回折手段上に第１の光バッファ層を介して上記第１の光導波路、上記第１の反射手段、上記第１の位相調整区間、上記第１の回折手段、上記第２の位相調整区間、上記第２の反射手段、及び上記第１及び第２の電極対を形成し、
さらに、第２の光バッファ層を介して上記第３の反射手段を形成して構成されたことを特徴とする。

さらに、上記光変調装置において、
基板上に上記第３の反射手段を形成した後、第１の光バッファ層を介して上記第１の光導波路、上記第１の反射手段、上記第１の位相調整区間、上記第１の回折手段、上記第２の位相調整区間、上記第２の反射手段、及び上記第１及び第２の電極対を形成し、
さらに、第２の光バッファ層を介して上記第２の光導波路及び上記第２の回折手段を形成して構成されたことを特徴とする。

第２の発明に係る光変調システムは、
上記の互いに異なる波長を強度変調する複数の光変調装置を縦続接続して構成されたことを特徴とする。

第３の発明に係る光変調システムは、
波長多重された入射光を複数の光波に分波する波長分波手段と、
上記分波された複数の光波をそれぞれ入射し、上記の互いに異なる波長を強度変調する複数の光変調装置と、
上記各光変調装置から出射される光波を合波して出力する波長合成手段とを備えたことを特徴とする。

従って、本発明によれば、従来技術に比較して構成が簡単であって安価である、波長選択可能な光変調装置及びそれを用いた光変調システムを提供することができる。

従来例１に係る波長多重光変調装置の構成を示すブロック図である。 従来例２に係る導波モード共鳴素子（ＧＭＲＦ）の基本構成を示す縦断面図である。 図２Ａの導波モード共鳴素子（ＧＭＲＦ）の反射スペクトル及び透過スペクトルの特性を示すグラフである。 従来例３に係る共振器集積型導波モード共鳴フィルタ（ＣＲＩＧＦ）の基本構成を示す縦断面図である。 図３Ａの共振器集積型導波モード共鳴フィルタ（ＣＲＩＧＦ）の反射スペクトルの特性を示すグラフである。 実施形態１に係る、共振器集積型導波モード共鳴フィルタ（ＣＲＩＧＦ）を用いた波長選択型光変調装置の構成を示す縦断面図である。 実施形態１の変形例に係る、共振器集積型導波モード共鳴フィルタ（ＣＲＩＧＦ）を用いた波長選択型光変調装置の構成を示す斜視図である。 実施形態１の実施例に係る、シミュレーションされた共振器集積型導波モード共鳴フィルタ（ＣＲＩＧＦ）の構成を示す斜視図である。 図６Ａの共振器集積型導波モード共鳴フィルタ（ＣＲＩＧＦ）のグレーティングカップラ（ＧＣ）の位置のずれδに対する結合効率を示すグラフである。 図６Ａの共振器集積型導波モード共鳴フィルタ（ＣＲＩＧＦ）のグレーティングカップラ（ＧＣ）の位置のずれδ＝０のときの反射スペクトル及び透過スペクトルの特性を示すグラフである。 図６Ａの共振器集積型導波モード共鳴フィルタ（ＣＲＩＧＦ）のグレーティングカップラ（ＧＣ）の位置のずれδ＝３／１６のときの反射スペクトル及び透過スペクトルの特性を示すグラフである。 図６Ａの共振器集積型導波モード共鳴フィルタ（ＣＲＩＧＦ）のグレーティングカップラ（ＧＣ）の種々の位置のずれδに対する反射スペクトルの特性を示すグラフであって、（ａ）は位置のずれδ＝０のときのグラフであり、（ｂ）は位置のずれδ＝（１／８）Λのときのグラフであり、（ｃ）は位置のずれδ＝（１／４）Λのときのグラフである。 実施形態２の基本構成例１に係る、グレーティングカップラ（ＧＣ）に高反射層１３を設けた装置の動作を示す縦断面図であって、（ａ）は高反射層１３を設けないときの動作を示す縦断面図であり、（ｂ）は高反射層１３を設けたときの動作を示す縦断面図である。 実施形態２の基本構成例２に係る、グレーティングカップラ（ＧＣ）に高反射層１３を設けた装置の動作を示す縦断面図であって、（ａ）は厚さｄ_Ｅの空気層５を介して高反射層１３を設けたときの動作を示す縦断面図であり、（ｂ）は厚さｄ_Ｄの空気層５を介して高反射層１３を設けたときの動作を示す縦断面図である。 実施形態２の基本構成例３に係る波長選択型光変調装置の構成を示す縦断面図であり、（ａ）は反射率制御素子１５に高反射率層１５Ｈがないときの動作を示す縦断面図であり、（ｂ）は反射率制御素子１５に高反射率層１５Ｈがあるときの動作を示す縦断面図である。 実施形態２の基本構成例４に係る共振器集積導波モード共鳴ミラー（ＣＲＩＧＭ）の構成を示す縦断面図である。 実施形態２に係る波長選択型光変調装置２０１の構成を示す縦断面図である。 図１２の光変調装置２０１を用いた光変調システムの構成例１を示す平面図である。 図１２の光変調装置２０１を用いた光変調システムの構成例２を示す平面図である。 実施形態２の変形例１に係る波長選択型光変調装置２０２の構成を示す縦断面図である。 実施形態２の変形例２に係る波長選択型光変調装置２０３の構成を示す縦断面図である。 図３Ａの共振器集積型導波モード共鳴フィルタ（ＣＲＩＧＦ）の反射スペクトルの特性を示すグラフである。 実施形態２の実施例に係る、試作された共振器集積型導波モード共振ミラー（ＣＲＩＧＭ）の構成を示す斜視図である。 図１８の共振器集積型導波モード共振ミラー（ＣＲＩＧＭ）の光学実験システムを示すブロック図である。 図１８の共振器集積型導波モード共振ミラー（ＣＲＩＧＭ）の反射スペクトルの特性を示すグラフである。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

実施形態１．
図４は実施形態１に係る、共振器集積型導波モード共鳴フィルタ（Cavity-Resonator-Integrated Guided-mode-resonance Filter（ＣＲＩＧＦと呼ぶ））を用いた波長選択型光変調装置の構成を示す縦断面図である。

図４において、光透過性を有する透明基板１上に光バッファ層３を介して、電気光学効果を発現する電気光学材料（例えば、ＬｉＮｂＯ_３等の誘電体材料、Ｓｉ等の半導体材料、π電子を利用する電気光学効果を有する高分子材料など）で光導波路を形成するための光導波層２Ｅを形成する。光導波層２Ｅの主面である下面（光バッファ層３との接触面側）の中央部にはＧＣ１０を形成し、ＧＣ１０を間に挟んで所定の位相調整ギャップ２１，２２を介してＤＢＲ１１，１２を形成する。次いで、光導波層２Ｅの上面に光バッファ層４を形成する。ここで、位相調整ギャップ２１，２２はそれぞれ、ＧＣ１０とＤＢＲ１１との間の光導波層２Ｅの第１の位相調整区間、ＧＣ１０とＤＢＲ１２との間の光導波層２Ｅの第２の位相調整区間を構成する。そして、位相調整ギャップ２１及びＤＢＲ１１の領域における光導波層２Ｅ及び光バッファ層３，４を間に挟んで上下に電極３１，３２からなる一対の第１の電極対を形成する。なお、光バッファ層３，４は光導波層２Ｅと隣接して形成される層である。ここで、電極３１は光バッファ層４の上面に形成され、電極３２は光バッファ層３の下面に形成される。また、位相調整ギャップ２２及びＤＢＲ１２の領域における光導波層２Ｅ及び光バッファ層３，４を間に挟んで上下に電極３３，３４からなる一対の第２の電極対を形成する。ここで、電極３３は光バッファ層４の上面に形成され、電極３４は光バッファ層３の下面に形成される。ここで、ＧＣ１０及びＤＢＲ１１，１２はそれぞれ、水平方向に沿って例えば所定の周期の凹凸を周期的に形成することで形成される。

本実施形態では、光導波層２Ｅは電気光学効果材料にてなる高分子薄膜で形成される。これらの電極３１〜３４は、光変調のための変調電極としてだけでなく、電気光学効果を発現させる高分子の分極配向のための配向電極としても利用する。電極３１〜３４による導波光の吸収損失を避けるために、光導波層２Ｅを光バッファ層３，４で挟む構成としている。光変調時には、電圧源３０からの交流電圧を用いて、左右の電極３１，３２；３３，３４に互いに逆方向電界を印加し、左右の導波モードの屈折率ｎ_ｅｆｆを有する光導波層２Ｅを伝搬する光波を例えばプッシュプルで変調する。ここで、モード屈折率の変調幅をΔｎ_ｅｆｆとすると、ＧＣ１０のＧＣ長を無視すると左右の光路長はそれぞれＬ_ｃａｖ（ｎ_ｅｆｆ−Δｎ_ｅｆｆ）及びＬ_ｃａｖ（ｎ_ｅｆｆ＋Δｎ_ｅｆｆ）となるから、ＧＣ１０を左右に伝搬する共振導波モード光の位相は互いに次式のΔδ_ｐだけずれることになる。

ここで、ずれ量Δδ_ｐはＤＢＲ１１，１２の共振器長Ｌ_ｃａｖに比例する。図４のＣＲＩＧＦは、Δδ_ｐ＝０のときにＧＣ１０の結合が最大となるように設定されるが、Δδ_ｐ＝π／２のときに結合効率は０となる。すなわち、変調深さ１の変調に必要な変調幅Δｎ_ｅｆｆは次式で表される。

以上の実施形態１においては、光導波層２Ｅを電気光学効果を有する材料で構成しているが、本発明はこれに限らず、光バッファ層３，４及び光導波層２Ｅの少なくとも１つを電気光学効果を有する材料で構成してもよい。また、実施形態１では、電極３１〜３４の駆動方法は左右の電極で互いに反転極性でプッシュプルで駆動しているが、本発明はこれに限らず、片方の電極のみをシングルエンドで駆動してもよい。さらに、実施形態１では、電極３１〜３４によって広い範囲に電界を印加されているが、電極３１〜３４の形成位置は、印加電界が少なくとも位相調整ギャップ２１，２２に印加されるように設定すればよい。

以上のように構成された実施形態１に係る光変調装置において、図４に示すように、例えば入射光をＧＣ１０の直上から例えば第１の方向である垂直方向（光導波層２Ｅの長手方向（第２の方向）に対して垂直な方向に限らず、所定の角度だけ傾斜してもよく、異なる方向であってもよい）でＧＣ１０に向かって入射したとき、入射光の波長と実質的に同一の共鳴波長を有するＧＣ１０の結合、励振及び回折作用並びに一対のＤＢＲ１１，１２間の長さに応じて、光導波層２Ｅには、光導波層２Ｅの長手方向（水平方向）で共鳴する導波光が発生するとともに、ＧＣ１０を介して透過光が光バッファ層３及び透明基板１を介して出射し、また、ＧＣ１０による反射光は例えば垂直方向で反射する。

次いで、以上のように構成されたＣＲＩＧＦの作用効果について以下に説明する。

後述する共振器集積型導波モード共振ミラー（Cavity-Resonator-Integrated Guided-mode-resonance Mirror（ＣＲＩＧＭと呼ぶ））の反射型ノッチフィルタ特性は、ＣＲＩＧＦの狭帯域高反射率により得られる。すなわち、ＣＲＩＧＦの最大反射率をオン／オフさせることで、ＣＲＩＧＭの反射型ノッチフィルタの反射のオン／オフが可能となる。ＣＲＩＧＦの反射率は、ＤＢＲ１１，１２内のＧＣ１０の相対位置によって異なる。位相調整ギャップ２１，２２の屈折率を電気的に変化させれば、ＧＣ１０の相対位置が変化する。例えば光導波層２Ｅ（又は光バッファ層３，４、もしくはそれらの少なくとも１つ）を電気光学効果を示す材料で構成し、電圧を膜垂直方向（もしくは膜面内方向）に印加することで屈折率を変化させる。ここで、好ましくはＧＣ１０の左右で逆方向（すなわち、プッシュプル）の電圧を電圧源３０により印加して逆方向の屈折率増減を得ることで、効率的にＧＣ１０の実効的相対位置、すなわち反射率を変化させる。

なお、駆動電圧をＤＢＲ１１，１２に印加する場合、左右のＤＢＲ１１，１２の反射波長中心がシフトするため、ＤＢＲ１１，１２の全体の性能が落ちる。この効果は、ＣＲＩＧＦの反射率を減少させるから、その反射率の減少を促進するためにはＤＢＲ１１，１２に電極を延長する方がよい。ただし、電極３１〜３４を必要以上に長くすると、変調周波数を制限する一因となることに注意しておく必要がある。

図５は実施形態１の変形例に係る、共振器集積型導波モード共鳴フィルタ（ＣＲＩＧＦ）を用いた波長選択型光変調装置の構成を示す斜視図である。変形例に係る光変調装置は、図４の実施形態１に係る光変調装置と比較して以下の点が異なる。
（１）印加電極３１〜３４を、ＤＢＲ１１，１２及び位相調整ギャップ２１，２２を水平方で挟むように透明基板１の上面に形成した。
（２）光バッファ層３，４を形成しないが、透明基板１と光導波層２Ｅとの間に光バッファ層を形成してもよい。

以上のように構成された変形例に係る光変調装置は、図４の実施形態１に係る光変調装置と同様の作用効果を有する。

以下の図６Ａ〜図７のシミュレーションでは、実施形態１における電気光学効果を用いる代わりに、ＧＣ１０の位置を相対的にシフトさせたＣＲＩＧＦを作成してそれぞれの反射スペクトルを測定した。上記の実施形態１及びその変形例に係る光変調装置は、図６Ａ〜図７のシミュレーション結果に基づいて得られた知見に基づいて構成されたものである。

図６Ａは実施形態１の実施例に係る、シミュレーションされた共振器集積型導波モード共鳴フィルタ（ＣＲＩＧＦ）の構成を示す斜視図である。また、図６Ｂは図６ＡのＣＲＩＧＦのＧＣ１０の位置のずれδに対する結合効率を示すグラフである。さらに、図６Ｃは図６ＡのＣＲＩＧＦのＧＣ１０の位置のずれδ＝０のときの反射スペクトル及び透過スペクトルの特性を示すグラフであり、図６Ｄは図６ＡのＣＲＩＧＦのＧＣ１０の位置のずれδ＝３／１６のときの反射スペクトル及び透過スペクトルの特性を示すグラフである。

本発明者らは開口微小化のために一対のＤＢＲ１１，１２からなる共振器中にＧＣ１０を集積したＣＲＩＧＦを提案し（例えば、非特許文献１及び特許文献３等参照）、動作を実証してきた（例えば、非特許文献２参照）。図６Ａにおいて、透明基板１上に、電気光学効果を有する材料ではないＳｉＮ光導波層２を形成した後、光導波層２上にＧＣ１０を間に挟んで所定の位相調整ギャップ２１，２２を有してＤＢＲ１１，１２を形成する。図６ＡのＣＲＩＧＦにおいて、放射モードの垂直入射光をＧＣ１０により左右に伝搬する導波モードの導波光に結合させる。励振導波モードの導波光はＤＢＲ１１，１２で蓄積され、ＧＣ１０により再び放射モードの入射光に結合する。ＧＣ１０とＤＢＲ１１，１２の間の位相調整ギャップは，左右に伝搬する導波モードからの両放射モードが同位相となるように設計される。一方、フィルタ特性はＧＣ１０の結合効率に依存すると予測できる。以下、この結合効率が対向して伝搬する両導波モードの光波の位相関係に依存することに着目し、ＤＢＲ１１，１２内におけるＧＣ１０の相対位置によりフィルタ特性を制御できることを示す。

本発明者らは、ＧＣ長を変化させずに、ＧＣ位置を相対的にδΛだけずらした場合を検討した。ここで、ΛはＧＣ周期である。ＦＤＴＤ法を用いてシミュレーションしたＧＣの結合効率のδ依存性を図６Ｂに示す。このとき、共鳴波長は１５４２ｎｍ、光導波路構成はＳｉＯ_２の透明基板１（屈折率１．４４４）、ＳｉＮの光導波層２（屈折率１．９７３、厚さ６００ｎｍ）、ＳｉＮのＧＣ１０のグレーティング層（厚さ８０ｎｍ）とした。ここで、ＴＥ０モードの実効屈折率は１．８０８となり、ＧＣ周期は８５１．５９ｎｍとした。ＧＣ長を８．５２μｍ（＝１０Λ）とした。ＧＣ周期に対してＧＣ位置のシフトがない場合（δ＝０）は最大結合効率２５％である。ずれδが１／２（δ＝０．５）の場合、両対向導波モードで形成される定在波とＧＣ１０のグレーティング凹凸の位相関係がずれδ＝０の場合と同じであり、最大結合効率を与える。一方、ずれδが１／４（δ＝０．２５）の場合は位相関係がπシフトして結合効率は最低となる。結合効率が０でないのはＧＣ長が有限のため散乱等による放射を示している。

また、ＧＣ位置のずれδが０及び３／１６の場合のＣＲＩＧＦのフィルタ特性をそれぞれ図６Ｃ及び図６Ｄに示す。このときのＤＢＲ周期は４２５．８０ｎｍであり、ＤＢＲ長は反射率がほぼ１００％となる２４０μｍとした。図６Ｃでは、通常のＣＲＩＧＦの狭帯域反射スペクトルが見られるが、図６Ｄでは、透過率／反射率の変化が小さくなっていることがわかる。

以上のシミュレーション結果に示すように、ＤＢＲ１１，１２内のＧＣ位置によるＣＲＩＧＦのフィルタ特性では、ＧＣ１０の結合効率がＧＣ１０の位置に大きく依存し、ＧＣ１０の結合効率が低下するにつれてフィルタ特性が劣化することを明らかにした。

また、本発明者らは、図６Ａと同様の構成を有する別の実施例について実際に試料の製作とその特性の評価を行った。ここで、シミュレーションしたＣＲＩＧＦの仕様値を以下の表１に示す。

［表１］
――――――――――――――――――――――――――――――――――
ＧＣ１０の厚さｔ＝８０ｎｍ
光導波層２の材料ＳｉＮ、屈折率ｎ＝１．９７８、厚さｔ＝６００ｎｍ
透明基板１の材料ＳｉＯ_２、屈折率ｎ＝１．４５５
ＧＣ１０のＧＣ周期Ｌ＝８５２．１６ｎｍ、長さ１０．２ｍｍ
ＤＢＲ１１，１２の周期Ｌ／２＝４２６．０８ｎｍ、長さ２６０ｍｍ
位相調整ギャップ２１，２２の長さ（３／８）Λ＋δ，（３／８）Λ−δ
――――――――――――――――――――――――――――――――――

図７は図６Ａの共振器集積型導波モード共鳴フィルタ（ＣＲＩＧＦ）のグレーティングカップラ（ＧＣ）の種々の位置のずれδに対する反射スペクトルの特性を示すグラフであって、図７（ａ）は位置のずれδ＝０のときのグラフであり、図７（ｂ）は位置のずれδ＝（１／８）Λのときのグラフであり、図７（ｃ）は位置のずれδ＝（１／４）Λのときのグラフである。

図７から明らかなように、δ＝０（位相ずれΔδ_ｐ＝０に対応）では、ＣＲＩＧＦに特有の共鳴波長での鋭い反射を示す。一方、δ＝（１／４）Λ（位相ずれΔδ_ｐ＝π／２に対応）では反射が見られず、ＣＲＩＧＦは消失したように見える。これらを電気光学効果により超高速で切り替えることで、反射の有無を高速で切り替えられ、入射空間光に波長選択的変調信号を生成することが可能となると考えられる。

以上説明したように実施形態１及びその変形例によれば、光波の進行方向と垂直に伝搬する共振モードを利用して、入射光波の透過率又は反射率を変調する手法及びその手法を実現するための構成を有する光変調装置を提供する。

上記手法を実現するために、共振モードの光波に対して導波モードの光波を利用する。具体的な装置構成としては、光導波層２Ｅの光導波路に、サブ波長グレーティングカップラであるＧＣ１０（もしくは導波モード共鳴（ＧＭＲ）素子などの回折手段であってもよい）を集積し、放射モードの入射空間光を導波モードの導波光と結合させる。さらに、ＧＣ１０を光導波路共振器内に集積した構成を有するＣＲＩＧＦを利用する。

光導波路共振器を形成する共振器ミラーとしては、上記グレーティングと同一プロセスで集積できるＤＢＲ１１，１２を利用するが、本発明はこれに限らず、光導波路内に作製もしくは挿入する金属ミラー、又は誘電体多層膜ミラーなどの反射手段を利用してもよい。

本実施形態では、透過率又は反射率を変化させるために、導波モードの実効屈折率（導波モード屈折率）を変化させる。そのために、光導波層２Ｅの光導波路を構成する材料の電気光学効果を利用する。言い換えれば、電気光学効果係数の比較的大きな材料を、光導波層２Ｅの導波コア又はクラッドに利用する。電気光学効果材料としては、ＬｉＮｂＯ_３のような電気光学効果を有する誘電体材料、Ｓｉを始めとする半導体材料、π電子を利用する電気光学効果を有する高分子材料などが利用できる。

光導波路全体の導波モード屈折率を変化させると、共鳴（結合）波長及び共振モード波長が変化する。従って、この波長チューニングを高速制御すれば、特定波長に対する強度変調が可能である。この方法は特定波長に対してのみ有効であるばかりでなく、チューニングには精細な制御を必要とし、環境変化に対しても敏感であるということに注意が必要である。本実施形態では、共振モードの定在波に対するＧＣ１０（グレーティングの凹凸）の位置をシフトさせる、すなわち、ＧＣ１０と、ＤＢＲ１１，１２等の二つの共振器ミラーの実効的間隔（位相調整ギャップ）に差異を導入することで、入射光の透過率又は反射率を変化させて安定な特性を得ることを特徴とする。

二つの位相調整ギャップ２１，２２の導波モード屈折率を互いに逆方向に変化（増減）させるために、電極３１〜３４を設けてプッシュプル方式で電圧源３０より交流電圧を印加する。電極位置や電圧印加方向はいろいろな構成が利用可能である。例えば、光導波路を面垂直に上下に挟む電極で面垂直に電圧を印加する方式（図４）、さらには、光導波路面内に両サイドから挟み面内方向に電圧を印加する方式（図５）、光導波路上面に２本もしくは３本の電極を形成し、電気力線を湾曲させて電圧を印加する方式などを利用する。

また、電極形成及び電圧印加は位相調整ギャップ２１，２２だけに限るものではなく、必要に応じて、ＤＢＲ２１，２２にも形成、印加することが可能となる。

実施形態１に係る光変調装置によれば、以下の特徴を有する。
（１）チューニング方式ではないため、共振器で決まる波長帯域に有効である。
（２）共振器の性能指数で波長帯域を設計可能である。
（３）例えばプッシュプルで駆動した場合、環境の影響を受けにくく、動作を安定化できる。
（４）光変調に必要な屈折率変化（従って印加電圧）を位相調整ギャップ２１，２２の長さを長くして低減可能である。

実施形態２．
図８は基本構成例１に係る、ＧＣ１０に高反射層１３を設けた装置の動作を示す縦断面図であって、図８（ａ）は高反射層１３を設けないときの動作を示す縦断面図であり、図８（ｂ）は高反射層１３を設けたときの動作を示す縦断面図である。ここで、高反射層１３は、より好ましくは実質的に１００％の反射率を有する反射膜であって、反射率低下に伴い、透過導波光の消光比は低下する。反射率は好ましくは例えば８０％以上であればよいが、例えば少なくとも５０％以上であれば、装置動作できる。

図８（ａ）において、透明基板１上に光バッファ層３を介して光導波路のための光導波層２を形成する。ここで、光導波層２の上面に適切なグレーティング周期を有するＧＣ１０を形成すると導波モードの導波光と放射モードの放射光を結合させることができる。その結果、導波光は放射減衰を受ける。

図８（ａ）の構成において、図８（ｂ）に示すように、光導波層２の上面から所定の間隔ｄ_Ｄだけ上側に位置するように空気層５を介して高反射層１３を設け、放射光を反射させる。高反射層１３とＧＣ１０との間隔ｄ_Ｄを適切に設定しておくと、その反射光が反対側の放射光を打ち消すことが可能となる。すなわち、図８（ｂ）では、空気層５側の放射光を高反射層１３により反射させて、基板側放射光を打ち消す構成である。このように、空気側放射光を反射により消失させ、基板側放射光を干渉により消失させれば、放射による減衰がなくなり、導波光はそのまま透過することになる。すなわち、両者を高速に切り替えることができれば、透過する出力導波光を強度変調することができる。例えば、高反射層１３とＧＣ１０の間に電気光学吸収材料を導入し、光吸収を電気的に高速に変調すればよい。

図９は基本構成例２に係る、ＧＣ１０に高反射層１３を設けた装置の動作を示す縦断面図であって、図９（ａ）は厚さｄ_Ｅの空気層５を介して高反射層１３を設けたときの動作を示す縦断面図であり、図９（ｂ）は厚さｄ_Ｄの空気層５を介して高反射層１３を設けたときの動作を示す縦断面図である。

図９において、干渉効果は高反射層１３とＧＣ１０との間隔ｄ_Ｅ，ｄ_Ｄに依存する。すなわち、図９（ａ）に示すように、空気側放射光の反射を基板側への直接放射光と同位相となるように間隔ｄ_Ｅを決めれば、干渉効果により基板側放射を増強することも可能となる。その場合、導波光減衰は反射層１３がない場合に比較しても大きくなる。一方、図９（ｂ）に示すように、空気側放射光の反射を基板側への直接放射光と反転又は異なる位相となるように間隔ｄ_Ｄを決めれば、干渉効果により基板側放射を消滅させることが可能となる。これらの両者を高速に切り替えることができれば、透過出力導波光を強度変調することができる。例えば、高反射層１３とＧＣ１０の間に、例えば電気光学材料の層を導入し、屈折率を電気的に高速に変調すればよい。

このように高反射層１３に、もしくはＧＣ１０と高反射層１３の間に電気光学材料を導入すれば、原理的には導波光の透過率を変調できる。ただし、実用に耐えうるだけの消光比を得ることは非現実的な電気光学定数もしくは吸収係数が必要となる。さらに、導波光から放射光への結合は波長選択性は乏しく、波長選択光変調器を得ることはできない。

以上説明したように、図９の基本構成例２によれば、ＧＣ１０による放射光を用いて、導波光減衰を抑圧する構成を導入するため、ＧＣ１０に高反射層１３を組み合わせる。反射率が１００％に近い高反射層１３を空気側（又は基板側）に設けることにより、基板側への放射もしくは空気側放射を消去する。さらに、ＧＣ１０と高反射層１３の図９（ｂ）の間隔ｄ_Ｄを適切に制御すれば、その反射により空気側放射もしくは基板側放射を打ち消すことができる。その結果、導波光減衰が抑圧され、入射導波光は透過する。これは、式（１）において、干渉効果によりα≒０となり、透過率Ｔ≒１が得られることとして表記できる。

図１０は実施形態２の基本構成例３に係る波長選択型光変調装置の構成を示す縦断面図であり、図１０（ａ）は反射率制御素子１５に高反射率層１５Ｈがないときの動作を示す縦断面図であり、図１０（ｂ）は反射率制御素子１５に高反射率層１５Ｈがあるときの動作を示す縦断面図である。

図１０から明らかなように、高反射率層１５Ｈの効果を電気的に高速にオン／オフさせて、導波光透過率Ｔを変調させる。そのためは、高反射率層１５Ｈに代えて、反射率を電気的に高速変調可能な素子を用いればよい。その反射率変化を波長選択的に変化させることができれば、波長選択型光変調器を構成できる。

図１１は実施形態２の基本構成例４に係る共振器集積導波モード共鳴ミラー（ＣＲＩＧＭ）の構成を示す縦断面図である。図１１に示すように、例えばＣＲＩＧＦと平板の高反射層１３を組み合わせて共振器集積導波モード共鳴ミラー（ＣＲＩＧＭ）を構成することができる。

図１１において、基板１上に形成された高反射層１３上に光バッファ層３を介して光導波層２を形成する。光導波層２の所定部分を凹凸加工する（図１１では、光導波路２上に凹凸形状の部分を形成している）ことで、ＧＣ１０及びＤＢＲ１１，１２を集積する。ＧＣ１０は波長選択性を有し、ＧＣ１０に垂直入射された光波はＧＣ１０の結合波長においては導波光に結合され、それ以外の波長では結合せずに透過する。ＤＢＲ１１，１２の共鳴波長はＧＣ１０結合波長である共鳴波長と一致させている。励振された導波光は、ＤＢＲ１１，１２により導波モード光として共振（共鳴）しながら，同じＧＣ１０によって空気側と基板側に放射される。放射光の位相は、共鳴波長付近で大きな波長依存性を示す。空気側放射光と直接反射光が逆位相の場合は透過が支配的となり、高反射層１３で反射され、再度ＧＣ１０を透過し、全体としては高反射が得られる。一方、基板側放射光と直接透過光が逆位相の場合は、ＧＣ１０で強い反射が得られる。その結果、共鳴波長付近で高反射層１３とＧＣ１０を一対のミラーとする縦型の共振器が形成されるため、ＣＲＩＧＭの反射率はその共振器長に大きく依存する。

また、ＣＲＩＧＦは上述のように波長選択的に高反射を示すので、ＣＲＩＧＦを高反射層１３を有する基板１上に集積すると、波長選択的な縦型（膜垂直方向）共振器が形成される。ＣＲＩＧＦの反射率が高い共鳴波長付近では、Ｑ値の高い共振器が形成され、共振器内に多くの光エネルギーが蓄積され、それに比例して共振器損失が増大する。その結果、ＣＲＩＧＭの反射率は減少する。ＣＲＩＧＦが機能しない状況では、ＣＲＩＧＦの表面のフレネル反射（数％の弱反射）で共振器は形成されるが、Ｑ値は低く、ＣＲＩＧＭの反射率はほぼ高反射層１３の反射率で決まる。その結果、反射型ノッチフィルタとして詳細後述するように、ＣＲＩＧＭの反射スペクトルに狭帯域の反射減少がみられる。

図１２は実施形態２に係る波長選択型光変調装置２０１の構成を示す縦断面図である。図１２において、透明基板１上に光バッファ層３を介して光導波層２を形成し、その中央部にＧＣ１０Ａを形成する。一方、別の透明基板１Ａに高反射層１３及び光バッファ層３Ａを介して電気光学効果を有する光導波層２Ｅを形成し、その中央部にＧＣ１０Ｂを形成し、その左右両側に位相調整ギャップ２１，２２を介してＤＢＲ１１，１２を形成する。さらに、位相調整ギャップ２１及びＤＢＲ１１の少なくとも１つに対して所定の電界を印加するための電極３１，３２からなる第１の電極対が位相調整ギャップ２１及びＤＢＲ１１の少なくとも１つを水平方向で挟設するように形成され、また、位相調整ギャップ２２及びＤＢＲ１２の少なくとも１つに対して所定の電界を印加するための電極３３，３４からなる第２の電極対が位相調整ギャップ２２及びＤＢＲ１２の少なくとも１つを水平方向で挟設するように形成される。これにより、実施形態１に係る光変調装置と高反射層１３により波長選択型反射率制御素子（Active Wavelength Selection type Reflection control element（Ａ−ＷＳＲ））３０１を構成できる。次いで、ＧＣ１０Ａを有する透明基板１に対して、Ａ−ＷＳＲ３０１を、一対のＧＣ１０Ａ，１０Ｂが互いに対向するようにハイブリッド集積（表面実装）して波長選択型光変調装置２０１を構成する。

以上のように構成された実施形態２に係る波長選択型光変調装置２０１において、光導波層２に対して光導波層２の長手方向（水平方向）で波長多重入射導波光を入射して伝搬させる。このとき、ＧＣ１０Ａに結合しているＧＣ１０Ｂを有する光導波層２Ｅに共鳴導波光が発生するが、一対の電極３１，３２に印加する電圧を変化することで、波長多重入射導波光がＧＣ１０Ａの回折作用により水平方向とは異なる例えば垂直方向（垂直方向に限らず、水平方向とは異なる方向も含む）に放射して高反射層１３で反射して帰ってくる放射光の反射率を変化させ、反射光と多重入射導波光とを合成することで、それらの位相関係に依存して、多重入射導波光の減衰量を変化させることができる。これにより、波長多重入射導波光に対して波長選択的にその強度を変調することで光変調でき、光変調後の波長多重信号光を出射することができる。

なお、実施形態２に係る光変調装置において、高反射層１３は金属ミラーなどの反射手段で構成してもよい。

また、実施形態２に係る波長選択型光変調装置２０１によれば、以下の特徴を有する。
（１）波長選択型光変調装置２０１はインライン型（直線型）であり、図１２〜図１４のごとく、平面の光変調装置を構成できる。
（２）特定波長の導波光をオン／オフすることができ、チューニング型ではないので、精細な制御を必要としない。
（３）光導波層２を有する主光導波路（信号バス）と、Ａ−ＷＳＲ３０１で構成される光変調器とを分離することができ、それぞれの部分を分離して設計又は製作することができるという柔軟性を有する。

図１３は図１２の光変調装置２０１を用いた光変調システムの構成例１を示す平面図である。図１３において、透明基板１上の入力ポートＰ１と出力ポートＰ２との間に、互いに異なる共鳴波長λ_ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）を有する波長選択型光変調装置２０１−１〜２０１−Ｎを設けて縦続接続して形成する。ここで、各波長選択型光変調装置２０１−１〜２０１−Ｎにおいて、印加電圧を変化することで、入力ポートＰ１に入射された波長多重入射光のうち各選択された共鳴波長λ_ｎにおいて入射光を変調した後、光変調後の波長多重信号光を得る。

図１４は図１２の光変調装置２０１を用いた光変調システムの構成例２を示す平面図である。図１３において、透明基板１上の入力ポートＰ１に接続された波長分波器１０１と、出力ポートＰ２に接続された波長合波器１０３との間に、互いに異なる共鳴波長λ_ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）を有する波長選択型光変調装置２０１−１〜２０１−Ｎを並列に設けて接続して形成する。ここで、入力ポートＰ１に入射された波長多重入射光のうち各波長選択型光変調装置２０１−１〜２０１−Ｎにおいて、印加電圧を変化することで、各選択された共鳴波長λ_ｎにおいて入射光を変調した後、光変調後の波長多重信号光を得る。

図１５は実施形態２の変形例１に係る波長選択型光変調装置２０２の構成を示す縦断面図である。図１５において、透明基板１上に光バッファ層３を介して光導波層２を形成し、その中央部にＧＣ１０Ａを形成する。次いで、光バッファ層６を形成し、光バッファ層６上に、共鳴導波光の伝搬層である、電気光学効果を有する光導波層２Ｅを形成し、光導波層２Ｅの上面の中央部に、ＧＣ１０Ａと対向するようにＧＣ１０Ｂを形成し、その左右両側に位相調整ギャップ２１，２２を介してＤＢＲ１１，１２を形成する。なお、光導波層２Ｅの下面側において、ＧＣ１０Ｂを挟む左右の位置においてそれぞれ各一対の電極対（３１，３２；３３，３４）を形成した後、さらに、光バッファ層８を介して高反射層１３を形成する。ここで、電極３１〜３４、ＧＣ１０Ｂ及びＤＢＲ１１，１２を有する光導波層２Ｅ、光バッファ層８及び高反射層１３により、Ａ−ＷＳＲ３０２を構成でき、装置全体として、波長選択型光変調装置２０２を構成する。

以上のように構成された光変調装置２０２は、実施形態２に係る光変調装置２０１と同様の作用効果を有する。なお、図１５の光変調装置２０２を用いて図１３又は図１４の光変調システムを構成してもよい。

図１６は実施形態２の変形例２に係る波長選択型光変調装置２０３の構成を示す縦断面図である。図１６において、透明基板１上に高反射層１３を形成した後、光バッファ層６を形成し、光バッファ層６上であって後述するＧＣ１０Ｂを挟む左右の位置においてそれぞれ各一対の電極対（３１，３２；３３，３４）を形成した後、電気光学効果を有する光導波層２Ｅを形成し、光導波層２Ｅの中央部にＧＣ１０Ｂを形成し、その左右両側に位相調整ギャップ２１，２２を介してＤＢＲ１１，１２を形成する。次いで、光導波層２Ｅ上に、光バッファ層８を介して光導波層２を形成し、その中央部に、ＧＣ１０Ｂと対向するようにＧＣ１０Ａを形成した後、光導波層２上に光バッファ層９を形成する。ここで、電極３１〜３４、ＧＣ１０Ｂ及びＤＢＲ１１，１２を有する光導波層２Ｅ、光バッファ層６、高反射層１３及び透明基板１により、Ａ−ＷＳＲ３０３を構成でき、装置全体として、波長選択型光変調装置２０３を構成する。

以上のように構成された光変調装置２０３は、実施形態２に係る光変調装置２０１と同様の作用効果を有する。なお、図１６の光変調装置２０３を用いて図１３又は図１４の光変調システムを構成してもよい。

次いで、図１１の共振器集積型導波モード共振ミラー（ＣＲＩＧＭ）及び図１７〜図２０を参照して、実施形態２に係る光変調装置２０１、２０２，２０３の基本動作（反射型ノッチフィルタ）を確認するための実験結果について以下に説明する。

図１１の共振器集積型導波モード共鳴フィルタ（ＣＲＩＧＦ）において、上述のように、ＧＣ１０は波長選択性を有し、ＧＣ１０に垂直方向で入射された入射光はＧＣ１０の結合波長においては導波光に結合され、それ以外の波長では結合せずに透過する。ＤＢＲ１１，１２の共鳴波長はＧＣ１０の結合波長である共鳴波長と一致させており、励振された導波光は、ＤＢＲ１１，１２により共振（共鳴）しながら、同じＧＣ１０によって空気側と基板側に放射される。放射光の位相は、共鳴波長付近で大きな波長依存性を示す。空気側放射光と直接反射光が逆位相の場合は透過が支配的となり、高反射層１３で反射され、再度ＧＣ１０を透過し、全体としては高反射が得られる。一方、基板側放射光と直接透過光が逆位相の場合は、ＧＣ１０で強い反射が得られる。その結果、高反射層１３とＧＣ１０の光導波層２を一対のミラーとする縦型の共振器が形成されるため、ＣＲＩＧＭの反射率はその共振器長に大きく依存すると考えられる。

ＣＲＩＧＭを、反射性のない基板、すなわち高反射層１３を形成していない基板１で構成されたＣＲＩＧＦと、反射性基板である高反射層１３を有する基板１とに分けて考え、それらが光バッファ層３を挟む共振器構成と捉える。基板１は波長によらず高反射であるが、ＣＲＩＧＦの特性は波長依存性を示す（例えば、非特許文献４，５参照）。

図１７は図３ＡのＣＲＩＧＦの反射スペクトルの特性を示すグラフである。すなわち、図１７において、共鳴波長近傍でのＣＲＩＧＦの基本的反射特性を示す。図１７から明らかなように、反射率及び反射位相が大きな波長依存性を示す。ＣＲＩＧＦと基板１で構成される共振器の共振モードにおいてＣＲＩＧＦの反射率が高い場合、共振器のＱ値及び光の吸収・散乱損失が増大し、その結果、ＣＲＩＧＭの反射率は低くなる。一方、共振モードにおいてＣＲＩＧＦの反射率が低い場合、共振器のＱ値は小さくなりＣＲＩＧＭの反射率への影響は小さくなる。これらの場合は光バッファ層厚で決まる。すなわち、光バッファ層３の厚さでＣＲＩＧＦと基板１間の距離が決まるが、その距離で共振モードを形成するのに必要なＣＲＩＧＦの反射位相が決まり、その反射位相を与える波長におけるＣＲＩＧＦの反射率の高低により共振器のＱ値が決まり、ＣＲＩＧＭの反射率の高低が決まる。このように、光バッファ層厚により、ＣＲＩＧＭをミラーや反射型ノッチフィルタとして利用できることを証明するために、以下、ＣＲＩＧＭの反射率の光バッファ層厚依存性を測定した。

図１８は実施形態２の実施例に係る、試作された共振器集積型導波モード共振ミラー（ＣＲＩＧＭ）の構成を示す斜視図である。

図１８に示すように、波長１５４０ｎｍ、ＧＣ長６μｍ、チャネル幅６μｍのＣＲＩＧＭを作製した。ＳｉＯ_２ガラスにてなる透明基板１（屈折率１．４４４）に、Ｃｒ接着層（図示せず、屈折率４．２−ｊ４．９）、Ａｕ高反射層１３（屈折率０．５６−ｊ９．８、膜厚０．２５μｍ）を蒸着し反射性基板とした。その上に、プラズマＣＶＤによりＳｉＯ_２光バッファ層３（屈折率１．４５５）、ＳｉＮ光導波層２（屈折率１．９７３、膜厚０．８０μｍ）及びＧＣ１０（屈折率１．９７３、膜厚０．１８μｍ）の層を堆積した。同一基板内で異なる光バッファ層厚の試料を作製するために、プラズマＣＶＤでの堆積膜厚に傾斜（膜厚範囲５２２６〜５７１３ｎｍ）をつけた。プロセスの簡単化のため、リブ型チャネル構成としてチャネルコアとグレーティング凸部で同構成、チャネルコア外とグレーティング凹部で同構成とし、グレーティング凹凸とチャネル光導波路パターンを一括形成した。ＴＥ−ｌｉｋｅ基本モードの実効屈折率は、等価屈折率法により１．８６２と算出し、ＧＣ１０の周期とＤＢＲ１１，１２の周期をそれぞれ８２６．７ｎｍ（＝Λ）、４１３．３ｎｍ（＝Λ／２）とした。また、ＤＢＲ長を２２７μｍとした。ＤＢＲ反射率はほぼ１００％と見積もられた。ポジ型電子ビーム（ＥＢ）レジスト（図示せず）をスピンコートし、ＥＢ描画、ドライエッチングによりレシストパターンをＳｉＮ層に転写し、ＧＣ１０、ＤＢＲ１１，１２及びチャネル光導波路を形成した。

図１９は図１８の共振器集積型導波モード共振ミラー（ＣＲＩＧＭ）の光学実験システムを示すブロック図である。図１９において、光源には波長可変半導体レーザ５１を用いた。波長可変半導体レーザ５１から偏波保持光ファイバケーブル５２を介して出射される出射光を、対物レンズ５３、ビームスプリッタ（ＢＳ）５４及び対物レンズ５５を介してコリメートし、ＣＲＩＧＭ５６の開口のＧＣ１０に集光した。ＣＲＩＧＭ５６からの反射光を同じ対物レンズ５５でコリメートし、ビームスプリッタ（ＢＳ）５４で偏向した後、さらに別の対物レンズ５７でマルチモード光ファイバケーブル５８に集光・結合させ、光スペクトラムアナライザ５９で反射スペクトルを測定した。

図２０は図１１の共振器集積型導波モード共振ミラー（ＣＲＩＧＭ）の反射スペクトルの特性を示すグラフである。図２０から明らかなように、反射率が特定の波長（共鳴波長）で低下していることが観測されたが、その低下率は光バッファ層３の厚さにより異なることがわかる。光バッファ層３の厚さが、５２２６ｎｍの試料では反射率低下は１２ｄＢ、５７１３ｎｍの試料では３ｄＢであった。このように、異なる消光比を有する反射型ノッチフィルタ特性が得られた。なお、観測された共鳴波長シフトは、作製誤差による実効屈折率の違いが原因であると考えられる。

以上説明したように、光バッファ層３の厚さの異なるＣＲＩＧＭを複数作製し、それぞれの反射スペクトルを測定した。ＣＲＩＧＭの反射スペクトルには光バッファ層厚依存性があり、反射型ノッチフィルタを形成できることを示した。実施形態２では、当該反射型ノッチフィルタを用いて構成している。

以上詳述したように、本発明によれば、従来の導波型光変調器が光導波路と光変調素子を集積して構成するために製造と調整がきわめて困難であるという問題点を解決し、構成が簡単であって安価であり、しかも高精度で波長選択可能な光変調装置及びそれを用いた光変調システムを提供することができる。本発明に係る光変調装置及び光変調システムは特に、光平面回路の光素子、光装置又は光システムとして有用である。

１，１Ａ…透明基板、
２，２Ａ，２Ｅ…光導波層、
３，４，３Ａ，６〜９…光バッファ層、
５…空気層、
１０，１０Ａ，１０Ｂ…グレーティングカップラ（ＧＣ）、
１１，１２…分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、
１３…高反射層、
１５…反射率制御素子、
１５Ｈ…高反射率層、
２１，２２…位相調整ギャップ、
３０…電圧源、
３１〜３４…電極、
５１…波長可変半導体レーザ、
５２…偏波保持光ファイバケーブル、
５３，５５，５７…対物レンズ、
５４…ビームスプリッタ、
５６…共振器集積導波モード共鳴ミラー（ＧＲＩＧＭ）、
５８…マルチモード光ファイバケーブル、
５９…光スペクトルアナライザ、
１０１…波長分波器、
１０２−１〜１０２−Ｎ…光変調器、
１０３…波長合波器、
２０１〜２０３…光変調装置、
３０１〜３０３…波長選択型反射率制御素子（Ａ−ＷＳＲ）、
Ｐ１…入力ポート、
Ｐ２…出力ポート。

Claims (9)

1. 所定波長の入射光を導波光として伝搬させる第１の光導波路に沿って順に、第１の反射手段、第１の位相調整区間、第１の回折手段、第２の位相調整区間、及び第２の反射手段を備えて上記所定波長の入射光に対する共振器を構成した光変調装置であって、
   上記第１及び第２の反射手段は上記導波光を上記第１の光導波路の方向で反射し、
   上記第１の回折手段は上記導波光を上記第１の光導波路の方向とは異なる方向で回折して放射し、
   上記第１の反射手段と上記第１の位相調整区間との少なくとも一方に対して電界を印加するための第１の電極対と、
   上記第２の反射手段と上記第２の位相調整区間との少なくとも一方に対して電界を印加するための第２の電極対とを備え、
   上記第１の光導波路と、当該第１の光導波路に隣接して設けられる光バッファ層のうちの少なくとも一方を電気光学効果を有する材料で形成し、
   上記第１及び第２の電極対に印加する電圧を変化することにより、上記所定波長の入射光を上記第１の回折手段に入射したときに上記第１の光導波路に伝搬する導波光の屈折率を変化させて、上記第１の回折手段により回折して放射される放射光である反射光もしくは透過光を強度変調させることを特徴とする光変調装置。
2. 上記第１の回折手段はグレーティングカップラであり、上記第１及び第２の反射手段はそれぞれ分布ブラッグ反射器であることを特徴とする請求項１記載の光変調装置。
3. 上記第１の光導波路から所定の距離だけ離隔して設けられ、上記第１の回折手段により回折して放射される放射光を反射する第３の反射手段と、
   上記入射光を導波光として伝搬させる第２の光導波路に沿って、上記第１の回折手段に対向するように設けられ、上記第２の光導波路を伝搬する導波光を上記第２の光導波路の方向と異なる方向で回折して放射する第２の回折手段とをさらに備え、
   所定波長の入射光を上記第２の光導波路に入射したときに上記第２の回折手段により回折して放射される放射光が上記第１の光導波路を共鳴導波光として伝搬し、上記共鳴導波光が上記第１の回折手段により回折して放射された後、上記第３の反射手段により反射されて上記第２の光導波路に入射されて、上記所定波長の入射光と合成されて、上記合成された導波光が上記第２の光導波路を伝搬して出射し、
   上記第１及び第２の電極対に印加する電圧を変化することにより、上記第１の光導波路を伝搬する共鳴導波光の屈折率を変化させ、これにより上記共鳴導波光を強度変調させることで上記合成された導波光を強度変調させることを特徴とする請求項１又は２記載の光変調装置。
4. 上記第２の回折手段はグレーティングカップラであり、上記第３の反射手段は反射層、金属ミラー、もしくは誘電体多層膜ミラーであることを特徴とする請求項３記載の光変調装置。
5. 第１の基板上に形成された上記第１の光導波路、上記第１の反射手段、上記第１の位相調整区間、上記第１の回折手段、上記第２の位相調整区間、上記第２の反射手段、上記第３の反射手段及び上記第１及び第２の電極対を備えた第１の装置と、
   第２の基板上に形成された第２の光導波路、及び上記第２の回折手段を備えた第２の装置とをハイブリッド集積して構成されたことを特徴とする請求項３又は４記載の光変調装置。
6. 基板上に上記第２の光導波路及び上記第２の回折手段を形成し、
   上記第２の光導波路及び上記第２の回折手段上に第１の光バッファ層を介して上記第１の光導波路、上記第１の反射手段、上記第１の位相調整区間、上記第１の回折手段、上記第２の位相調整区間、上記第２の反射手段、及び上記第１及び第２の電極対を形成し、
   さらに、第２の光バッファ層を介して上記第３の反射手段を形成して構成されたことを特徴とする請求項３又は４記載の光変調装置。
7. 基板上に上記第３の反射手段を形成した後、第１の光バッファ層を介して上記第１の光導波路、上記第１の反射手段、上記第１の位相調整区間、上記第１の回折手段、上記第２の位相調整区間、上記第２の反射手段、及び上記第１及び第２の電極対を形成し、
   さらに、第２の光バッファ層を介して上記第２の光導波路及び上記第２の回折手段を形成して構成されたことを特徴とする請求項３又は４記載の光変調装置。
8. 請求項３〜６のうちのいずれか１つに記載の互いに異なる波長を強度変調する複数の光変調装置を縦続接続して構成されたことを特徴とする光変調システム。
9. 波長多重された入射光を複数の光波に分波する波長分波手段と、
   上記分波された複数の光波をそれぞれ入射し、請求項３〜６のうちのいずれか１つに記載の互いに異なる波長を強度変調する複数の光変調装置と、
   上記各光変調装置から出射される光波を合波して出力する波長合成手段とを備えたことを特徴とする光変調システム。

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