JP2017040832A

JP2017040832A - 電気光学変調装置

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Publication number: JP2017040832A
Application number: JP2015163228A
Authority: JP
Inventors: 村田　博司; Hiroshi Murata; 博司村田
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: Osaka University NUC
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2017-02-23

Abstract

【課題】無線信号を光信号に変換する際の変換効率を向上させることのできる電気光学変調装置を提供する。【解決手段】無線信号を光信号に変換する電気光学変調装置１であって、電気光学結晶からなる第１の結晶基板１１と、無線信号により印加された電界に応じて屈折率が変化する光導波路１２であって、第１の結晶基板１１内に設けられ、光信号を第１の結晶基板１１の主面に沿って伝送する光導波路１２と、第１の結晶基板１１の主面１１ａ側に設けられ、無線信号を受信する第１のパッチアンテナ１３であって、光導波路１２に沿ってギャップＧが形成された第１のパッチアンテナ１３と、第１のパッチアンテナ１３に対向して設けられたグランド電極１５と、第１のパッチアンテナ１３に対向し、グランド電極１５が設けられた側とは反対側に設けられた第２のパッチアンテナ２３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、無線信号を光信号に変換する電気光学変調装置に関する。

近年の無線通信技術の社会への浸透には目を見張るものがある。携帯電話はもちろん、ＥＴＣ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＴｏｌｌＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）やＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ
ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグも現在では身近なものとなりつつある。今後も、多種多様な無線通信サービスの展開が計画されている。

特に、次世代無線通信の本命と考えられているミリ波は、周波数が高く大容量無線通信が可能である。しかし、ミリ波は電気ケーブルおよび自由空間中における伝搬損失が大きい。そこで、ミリ波無線通信のエリア（セル）を小さくして、セル間を光ファイバーで結ぶ無線・光融合通信方式が有効である。ミリ波無線・光融合通信実現のためには、小型で簡便に無線信号を光信号に変換できるデバイスが重要である。

このようなデバイスの一例として、特許文献１には、アンテナと光変調器を融合させた無線−光信号変調装置が開示されている。この装置では、分極反転構造を有する電気光学結晶基板に、複数の光導波路と、複数の半波長ダイポールアンテナと変調電極（ストリップ線）を設けることで、無線信号を光信号に変換して分離している。

また、非特許文献１には、電気光学結晶基板に光導波路とパッチアンテナとグランド電極とを設けた電気光学変調装置が開示されている。

また、非特許文献２には、電気光学結晶基板に光導波路とパッチアンテナを設け、この結晶基板に、グランド電極が設けられた支持基板を接合した電気光学変調装置が開示されている。

そして、これら電気光学変調装置をそれぞれ用い、無線信号を光信号に変換している。

特開２００９−６０１８３号公報

村田、他２名、「微小なギャップを付けたパッチアンテナを用いた電気光学変調器」、信学技報、一般社団法人電子情報通信学会第７回光応用電磁界計測研究会、平成２５年１２月、第７号、p. ６−１１ Wijayanto、他２名、「Electrooptic Millimeter-Wave-LightwaveSignal Converters Suspended to Gap-Embedded Patch Antennas on Low-k Dielectric Materials」、IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 19, NO. 6, NOVEMBER/DECEMBER 2013

前述した電気光学変調装置を用いることで、無線信号を光信号に変換することは可能であるが、次世代ネットワークの実現に向けた研究開発では、さらなる変換効率の向上が求められている。

そこで、本発明は、無線信号を光信号に変換する際の変換効率が高い電気光学変調装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る電気光学変調装置は、電気光学結晶からなる第１の結晶基板と、前記無線信号により印加された電界に応じて屈折率が変化する光導波路であって、前記第１の結晶基板内に設けられ、前記光信号を前記第１の結晶基板の主面に沿って伝送する光導波路と、前記第１の結晶基板の主面側に設けられ、前記無線信号を受信する第１のパッチアンテナであって、前記光導波路に沿ってギャップが形成された第１のパッチアンテナと、前記第１のパッチアンテナに対向して設けられたグランド電極と、前記第１のパッチアンテナに対向し、前記グランド電極が設けられた側とは反対側に設けられた第２のパッチアンテナとを備える。

これによれば、第１の結晶基板の主面側に設けられた第１のパッチアンテナに対向して第２のパッチアンテナが設けられるので、第１のパッチアンテナで受信する無線信号の電界強度（受信利得）を増大させることができる。そのため、無線信号に対する光信号への変換効率が高まり、光導波路から大きな出力信号を得ることができる。

電気光学変調装置は、さらに、前記第１の結晶基板と前記グランド電極の間に設けられた第１の支持基板と、前記第１の結晶基板と前記第２のパッチアンテナの間に設けられた第２の支持基板とを備えていてもよい。

上記のように、第１の支持基板と第２の支持基板を設けることで、電気光学変調装置の機械的強度を向上させることができる。

さらに、電気光学結晶からなる第２の結晶基板であって、前記第２の支持基板の、前記第１の結晶基板が設けられた側とは反対側に設けられた第２の結晶基板を備え、前記第２のパッチアンテナが前記第２の結晶基板の主面側に設けられていてもよい。

上記のようにすることで、１段目のアンテナ構造体（第１の結晶基板、第１のパッチアンテナ、および、第１の支持基板を有する構造体）と、２段目のアンテナ構造体（第２の結晶基板、第２のパッチアンテナ、および、第２の支持基板を有する構造体）における、それぞれの構成要素の積層順序が同じになり、１段目と２段目のアンテナ構造体の実効的な誘電率を近づけることができる。そのため、無線信号の電界強度をさらに増大させることができ、無線信号に対する光信号への変換効率を高めることができる。

また、前記第１のパッチアンテナは、前記第１の支持基板と前記第１の結晶基板とに挟まれ、前記第２のパッチアンテナは、前記第２の支持基板と前記第２の結晶基板とに挟まれていてもよい。

上記のようにすることで、結晶基板を形成する場合に、結晶基板を容易に薄層化することができる。

本発明の電気光学変調装置によれば、無線信号を光信号に変換する際の変換効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る電気光学変調装置の斜視図である。図１に示す電気光学変調装置のＹ１−Ｙ１断面図である。図１に示す電気光学変調装置に６０ＧＨｚの無線信号を照射した場合の電界分布を示す図であり、（ａ）は第１のパッチアンテナと接する第１の結晶基板の表面、（ｂ）は第２のパッチアンテナと接する第２の結晶基板の表面での電界分布を示す。図３の（ａ）のラインｌ−ｌ’ における電界強度最大値の周波数特性を示す図である。比較例に係る電気光学変調装置の斜視図である。実施の形態１の変形例に係る電気光学変調装置の断面図である。本発明の実施の形態２に係る電気光学変調装置の断面図である。本発明の実施の形態３に係る電気光学変調装置の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面に示される構成要素の大きさまたは大きさの比は、必ずしも厳密ではない。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における電気光学変調装置は、アンテナで受信した無線信号を光信号に変換するものであり、アンテナとして複数のパッチアンテナ（平面型アンテナ）を用い、これらを上下に離して配置した構造をしている。本実施の形態における無線信号は、例えば、マイクロ波またはミリ波帯域の無線信号である。

図１は、本発明の実施の形態１に係る電気光学変調装置１の斜視図であり、図２は、図１に示す電気光学変調装置１のＹ１−Ｙ１断面図である。

この電気光学変調装置１は、１段目のアンテナ構造体１０と２段目のアンテナ構造体２０とを積層した構造を有する。１段目のアンテナ構造体１０は、第１の結晶基板１１と、光導波路１２と、第１のパッチアンテナ１３と、第１の支持基板１４と、グランド電極１５とを備えている。２段目のアンテナ構造体２０は、第２の結晶基板２１と、第２のパッチアンテナ２３と、第２の支持基板２４とを備え、１段目のアンテナ構造体１０の上側（ｚ方向）に接合されている。

まず、１段目のアンテナ構造体１０について説明する。

第１の結晶基板１１は、光学的異方性をもつ強誘電体の電気光学結晶からなる。電気光学結晶は、印加された電界に応じて屈折率が変化する性質を有している。第１の結晶基板１１の材料は、例えば、ｚ−ｃｕｔＬｉＮｂＯ₃であり、比誘電率εｒは、ｘｙｚ座標におけるそれぞれの方向において、εｒｘ＝４３、εｒｙ＝４３、εｒｚ＝２８である。なお、第１の結晶基板１１の材料としては、ＬｉＮｂＯ₃だけでなく、例えば、ＬｉＴａＯ₃やＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）等であってもよい。第１の結晶基板１１の厚みは、例えば、５０μｍである。

光導波路１２は、第１の結晶基板１１内に設けられ、光信号を第１の結晶基板１１の主面１１ａに沿って伝送する線路である。この光導波路１２は、無線信号により印加された電界に応じて屈折率が変化する。図１に示すように、光導波路１２は、ｙ方向と平行となるように形成されている。光導波路１２は、例えば、ＬｉＮｂＯ₃からなる第1の結晶基板１１を加熱融解した安息香酸（Ｃ₆Ｈ₅ＣＯＯＨ）中に浸漬させ、結晶基板中のリチウムイオンと水素イオンを交換するプロトン交換法で形成される。光導波路１２の断面の寸法は、例えば、幅４μｍ、高さ２μｍである。

光導波路１２には、光ファイバ（図示せず）を介してレーザ光が入射される。レーザ光は、光変調を行う際のキャリアとなる光波であり、例えば、波長１．５５μｍや波長１．３μｍのレーザが用いられる。

第１のパッチアンテナ１３は、第1の結晶基板１１の主面１１ａ側にバッファ層１６を介して設けられる。第1のパッチアンテナ１３には、光導波路１２に沿って溝状のギャップＧが形成されている。具体的には、第1のパッチアンテナ１３は、ｘ方向に隣り合う２つの平面電極１３ａ、１３ｂにより構成され、この２つの平面電極１３ａ、１３ｂの間（第１のパッチアンテナ１３の中央）にギャップＧが形成されている。平面電極１３ａ、１３ｂは、ともに四角形状であり、ギャップＧを挟んで対称となるように配置されている。また、平面電極１３ａ、１３ｂは、平面電極１３ａ、１３ｂの対向する辺１３ｃの一方が、前述した光導波路１２に近接するように設けられている。ギャップＧの距離は、例えば、５μｍである。このギャップＧの距離が短いほど、平面電極１３ａ、１３ｂの対向する辺１３ｃの近傍における電界を強めることができる。

第1のパッチアンテナ１３のｘ方向の長さ（ギャップＧを含めた寸法）Ｌ１、および、ｙ方向の長さＬ２は、ともに無線信号の半波長となるように設計されている。ｙ方向の長さＬ２は、半波長以上１波長以下とすることもできる。

なお、本実施の形態における第１のパッチアンテナ１３の長さＬ１は、０．６３ｍｍである。無線信号は、例えば、周波数６０ＧＨｚで、ｘ方向の偏波を有し、第１のパッチアンテナ１３に対して垂直に照射される。

バッファ層１６は、平面電極１３ａ、１３ｂと第１の結晶基板１１との密着性を向上させるための下地層である。バッファ層１６の材料は、例えば、ＳｉＯ₂であり、その厚みは、０．２μｍである。この電気光学変調装置１では、第１の結晶基板１１と第１のパッチアンテナ１３との間にバッファ層１６を設けているが、バッファ層１６を設けずに、第１の結晶基板１１の主面１１ａに接するように第１のパッチアンテナ１３を形成してもよい。

グランド電極１５は、第１のパッチアンテナ１３に対向し、第１の結晶基板１１から距離をあけて設けられる。グランド電極１５は、第１のパッチアンテナ１３に対して平行であり、アンテナ構造体における反射器として機能する。

第１の支持基板１４は、第１の結晶基板１１を支持する基板であり、第１の結晶基板１１とグランド電極１５の間に設けられる。具体的には、第１の結晶基板１１の主面１１ａ側に第１の支持基板１４が接合され、第１の支持基板１４の、第１の結晶基板１１に接合した面と反対の面にグランド電極１５が形成されている。

本実施の形態では、第１の結晶基板１１の主面１１ａ側に第１のパッチアンテナ１３が形成されているので、第１のパッチアンテナ１３は、第１の支持基板１４と第１の結晶基板１１とに挟まれている。第１の支持基板１４と第１の結晶基板１１とは、光学用接着剤などにより接合される。

第１の支持基板１４の材料としては、第１の結晶基板１１よりも比誘電率の低い材料が用いられる。第１の支持基板１４は、例えば、ＳｉＯ₂などのガラスであり、比誘電率εｒは、εｒ＝４である。なお、第１の支持基板１４は、ガラスに限られず、比誘電率が低い樹脂でもよい。第１の支持基板１４の厚みは、例えば、２５０μｍである。

次に２段目のアンテナ構造体２０について説明する。

第２の結晶基板２１は、第１の結晶基板１１に対して平行で、グランド電極１５が設けられた側とは反対の位置に、所定の距離をあけて設けられる。第２の結晶基板２１も、第１の結晶基板１１と同じ材料の電気光学結晶からなる。また、第２の結晶基板２１の厚みは、第１の結晶基板１１と同じ厚みである。

第２のパッチアンテナ２３は、第２の結晶基板２１の主面２１ａ側にバッファ層２６を介して設けられる。第２のパッチアンテナ２３は、第１のパッチアンテナ１３に対向し、グランド電極１５が設けられた側とは反対側に、第１の結晶基板１１から距離をあけて設けられている。これにより、第２のパッチアンテナ２３は、第１のパッチアンテナ１３に対して平行となるように配置される。第２のパッチアンテナ２３を設けることで、第１のパッチアンテナ１３で受信する無線信号の電界強度（受信利得）を増大させることができる。

第２のパッチアンテナ２３は、四角形状の１つの平面電極２３ａからなり、平面視して、第１のパッチアンテナ１３の最外の外形に沿って第１のパッチアンテナ１３を覆うように構成されている。本実施の形態では、第２のパッチアンテナ２３の外形を、第１のパッチアンテナ１３の最外の外形と一致させている。

第２のパッチアンテナ２３の材料は、第１のパッチアンテナ１３と同じ材料からなる。また、第２のパッチアンテナ２３の厚みは、第１のパッチアンテナ１３の厚みと同じである。

なお、バッファ層２６の材料と厚みは、１段目のアンテナ構造体１０のバッファ層１６と同様である。１段目のアンテナ構造体１０にバッファ層１６を設けない場合は、２段目のアンテナ構造体２０にもバッファ層２６を設けない。

第２の支持基板２４は、第１の結晶基板１１と第２のパッチアンテナ２３との間に設けられる。具体的には、第２の支持基板２４は、第１の結晶基板１１の主面１１ａと反対の面側に接合され、その接合した面とは反対の面に、第２の結晶基板２１の主面２１ａ側が接合されている。

本実施の形態では、第２の結晶基板２１の主面２１ａ側に第２のパッチアンテナ２３が形成されているので、第２のパッチアンテナ２３は、第２の支持基板２４と第２の結晶基板２１とに挟まれている。第２の支持基板２４と第２の結晶基板２１とは、光学用接着剤などにより接合される。

第２の支持基板２４の材料としては、第２の結晶基板２１よりも比誘電率の低い材料が用いられる。本実施の形態では、第２の支持基板２４の材料は、第１の支持基板２４と同じ材料からなる。また、第２の支持基板２４の厚みは、第１の支持基板１４の厚みと同じである。

１段目のアンテナ構造体１０と２段目のアンテナ構造体２０において、支持基板１４、２４と結晶基板１１、２１とアンテナ１３、２３の積層順序を同じにし、また、支持基板１４、２４および結晶基板１１、２１のそれぞれの材料と厚みを同じにすることで、各段のアンテナ構造体１０、２０の実効的な誘電率が同じになるように構成している。

次に、電気光学変調装置１に起きる無線−光信号変調作用について説明する。電気光学変調装置１にｘ偏波の平面波無線信号が照射された場合、第１のパッチアンテナ１３を構成する平面電極１３ａ、１３ｂのｘ方向に電流が流れ、その電流の連続性からギャップＧに変位電流が生じる。そのため、ギャップＧの両端（平面電極１３ａ、１３ｂの対向する辺１３ｃの近傍）に強い電界が生じる。そして、発生したこの電界により、光導波路１２を進むレーザ光が変調される。このレーザ光を取り出して検出すると、キャリア周波数の高域側および低域側の両側に、無線信号の周波数ぶんずれた側波帯成分が現れる。すなわち、この電気光学変調装置１を用いることで、無線信号を光信号に変換して取り出すことができる。

ここで、ギャップＧの両端に生じる電界について、電磁界解析シミュレーターを用いた解析結果を説明する。

図３は、電気光学変調装置１に６０ＧＨｚの無線信号が照射された場合の電界分布を示す図であり、（ａ）は第１のパッチアンテナ１３と接する第１の結晶基板１１の表面、（ｂ）は第２のパッチアンテナ２３と接する第２の結晶基板２１の表面での電界分布を示す。

図３の（ａ）および（ｂ）において、正方形状の枠として見えるのが、第１のパッチアンテナ１３の外形、および、第２のパッチアンテナ２３の外形である。図３の（ａ）において、正方形状の枠の中央がギャップＧである。図３の（ａ）に示すように、平面電極１３ａ、１３ｂの対向する辺１３ｃの近傍において、黒色（正電界）と白色（負電界）が強調されており、それぞれの箇所において電界強度（Ｅｚ／Ｅ０）が大きくなっている。

この電界強度の大きい箇所（平面電極１３ａ、１３ｂの対向する辺１３ｃ）に近接して光導波路を配置することで、無線信号から光信号への変換効率を高めることができる。

図４は、図３の（ａ）のラインｌ−ｌ’における電界強度最大値の周波数特性を示すものであり、実線は本実施の形態、破線は比較例である。

なお、比較例は、本実施の形態のうちの１段目のアンテナ構造体１０のみを用いた。比較例の電気光学変調装置１０１は、図５に示すように、第１の結晶基板１１と、光導波路１２と、第１のパッチアンテナ１３と、第１の支持基板１４と、グランド電極１５とを備えている。

本実施の形態のようにアンテナ構造を２段とすることで、ギャップＧに生じる電界強度が、比較例に対して約１．５倍に増強していることがわかる。

また、本実施の形態は、その共振周波数が１０％程度、高周波側にシフトしている。これは、アンテナ構造を２段にすることで、同じ動作周波数の１段のアンテナ構造と比べて、パッチアンテナの面積を大きく設計できることを意味している。アンテナの面積を大きくすると受信利得を大きくでき、また、アンテナの長さＬ２を大きくすると相互作用長を増大できる。

さらに、本実施の形態に係る電気光学変調装置１の製造方法について説明する。

１段目のアンテナ構造体１０は、非特許文献２のＦｉｇ．６（The fabrication process of the designed MMW-LW signal converter）の記載を参考に作製することができる。すなわち、第１の結晶基板１１の主面１１ａに光導波路１２を形成した後、バッファ層１６を設け、さらに、第１のパッチアンテナ１３を形成する。一方で、第１の支持基板１４の一方の面にグランド電極１５を形成する。そして、第１の結晶基板１１の主面１１ａ側を第１の支持基板１４の他方の面に接合する。その後、第１の結晶基板１１の裏面（主面１１ａと反対の面）を削ることで１段目のアンテナ構造体１０を得る。

２段目のアンテナ構造体２０も、非特許文献２のＦｉｇ．６の記載のうちの、光導波路とグランド電極を除いて作製することができる。すなわち、第２の結晶基板２１の主面２１ａ側にバッファ層２６を設け、さらに第２のパッチアンテナ２３を形成し、第２の結晶基板２１の主面２１ａ側を第２の支持基板２４に接合する。その後、第２の結晶基板２１の裏面（主面２１ａと反対の面）を削ることで２段目のアンテナ構造体２０を得る。

そして、１段目のアンテナ構造体１０の第１の結晶基板１１と、２段目のアンテナ構造体２０の第２の支持基板２４とを接合することで、本実施の形態に係る電気光学変調装置１を作製することができる。この製造方法によれば、支持基板に結晶基板を接合した後、その裏面を削っているので、薄層化した結晶基板を支持基板上に容易に形成できる。

本実施の形態に係る電気光学変調装置１は、１段目のアンテナ構造体１０と２段目のアンテナ構造体２０とを積層した構造をしている。これによれば、第１の結晶基板１１の主面１１ａ側に設けられた第１のパッチアンテナ１３に対向して第２のパッチアンテナ２３が設けられるので、第１のパッチアンテナ１３で受信する無線信号の電界強度（受信利得）を増大させることができる。そのため、無線信号に対する光信号への変換効率が高まり、光導波路から大きな出力信号を得ることができる。

また、第１のパッチアンテナ１３とグランド電極１５との間隔、および、第１のパッチアンテナ１３と第２のパッチアンテナ２３との間隔を、それぞれ適切な間隔に設定した場合には、アンテナ全体の受信利得をさらに向上させることができる。また、アンテナの指向性を向上させることもできる。

また、電気光学変調装置１に、さらに、第１の支持基板１４と第２の支持基板２４を設けることで、電気光学変調装置の機械的強度を向上させることができる。

さらに、１段目のアンテナ構造体１０と２段目のアンテナ構造体２０における、それぞれの構成要素の積層順序を同じにすることで、１段目と２段目のアンテナ構造体１０、２０の実効的な誘電率を近づけることができる。そのため、無線信号の電界強度をさらに増大させることができ、無線信号に対する光信号への変換効率を高めることができる。

また、第１のパッチアンテナ１３は、第１の支持基板１４と第１の結晶基板１１とに挟まれ、第２のパッチアンテナ２３は、第２の支持基板２４と第２の結晶基板２１とに挟まれるように構成することで、結晶基板１１、２１を形成する場合に、結晶基板１１、２１を容易に薄層化することができる。

また、第１の支持基板１４と第２の支持基板２４、第１の結晶基板１１と第２の結晶基板２１の材料、厚みをそれぞれ同じにすることで、１段目のアンテナ構造体１０と２段目のアンテナ構造体２０の実効的な誘電率をほぼ同じにすることができる。そのため、無線信号の電界強度を確実に増大させることができ、無線信号に対する光信号への変換効率を高めることができる。

また、第１のパッチアンテナ１３は、ギャップＧを挟んで位置する２つの平面電極１３ａ、１３ｂにより構成され、第２のパッチアンテナ２３は、平面視して、第１のパッチアンテナ１３の最外の外形に沿って第１のパッチアンテナ１３を覆う１つの平面電極２３ａにより構成してもよい。このように、第１のパッチアンテナ１３と第２のパッチアンテナ２３の外形をほぼ同じとすることで、１段目のアンテナ構造体１０と２段目のアンテナ構造体２０のアンテナ特性をほぼ同じにすることができる。そのため、無線信号の電界強度を確実に増大させることができ、無線信号に対する光信号への変換効率を高めることができる。

また、第１のパッチアンテナ１３の２つの平面電極１３ａ、１３ｂは、ともに四角形状で、ギャップＧを挟んで対称となるように配置されており、光導波路１２は、２つの平面電極１３ａ、１３ｂの対向する辺１３ｃの一方に近接して設けられていてもよい。

上記のように、光導波路１２が、２つの平面電極１３ａ、１３ｂの対向する辺１３ｃの一方に近接して設けられていることで、電界強度の大きい箇所である平面電極の辺１３ｃにおける無線信号を光信号に変換することができる。そのため、無線信号に対する光信号への変換効率を高めることができる。

（変形例）
ここで図６を参照して、実施の形態１の変形例について説明する。

なお、以下の図において、前述した図１に示す電気光学変調装置１と同じ構成要素については、同じ符号を付し、説明を省略する。

変形例にかかる電気光学変調装置１Ａは、２つのアンテナ構造体１０Ａ、２０Ａを積層している点で実施の形態１と同じであるが、パッチアンテナ１３、２３が形成された結晶基板１１、２１の上下の向きが異なる。

電気光学変調装置１Ａは、第１の結晶基板１１の主面１１ａと反対の面側（第１のパッチアンテナ１３と光導波路１２が形成されていない面側）と、第１の支持基板１４とが接合している。また、第２の結晶基板２１の主面２１ａと反対の面側（第２にパッチアンテナ２３が形成されていない面側）と、第２の支持基板２４とが接合している。

上記構造をした電気光学変調装置１Ａであっても、前述した図１、図２に示す電気光学変調装置１と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る電気光学変調装置について説明する。

図７は、実施の形態２に係る電気光学変調装置２の断面図である。この断面図は、光導波路１２に垂直な面で切った場合の断面を示している。

電気光学変調装置２は、１段目のアンテナ構造体１０Ｂは実施の形態１と同じであるが、２段目のアンテナ構造体２０Ｂにおいて第２の結晶基板が存在せず、第２の支持基板２４と第２のパッチアンテナ２３のみで構成されている。

電気光学変調装置２は、第２のパッチアンテナ２３が第２の支持基板２４に接して形成されている。また、第２の支持基板２４の、第２のパッチアンテナ２３が形成されていない面を、第１の結晶基板１１に接合させている。

上記構造をした電気光学変調装置２であっても、支持基板等の比誘電率を適切に設定することで、比較例よりも変換効率を向上させることが可能である。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る電気光学変調装置について説明する。

図８は、実施の形態３に係る電気光学変調装置３の断面図である。この断面図も、光導波路１２に垂直な面で切った場合の断面を示している。

電気光学変調装置３は、３段のアンテナ構造となっている。すなわち１段目と２段目のアンテナ構造体１０、２０は、前述した実施の形態１と同じで、さらに３段目のアンテナ構造体３０が、２段目のアンテナ構造体２０の上側に接合されている。３段目のアンテナ構造体３０は、２段目のアンテナ構造体２０と同様の積層構造で、第３の結晶基板３１と、第３の支持基板３４と、第３のパッチアンテナ３３とを備えている。

第３の結晶基板３１は、第２の結晶基板２１に対して平行で、第２のパッチアンテナ２３が設けられた側とは反対の位置に、所定の距離をあけて設けられる。第３の結晶基板３１も電気光学結晶基板であり、第１の結晶基板１１と同じ材料からなる。また、第３の結晶基板３１の厚みは、第１の結晶基板１１と同じ厚みである。

第３のパッチアンテナ３３は、第３の結晶基板３１の主面３１ａ側にバッファ層３６を介して設けられる。第３のパッチアンテナ３３は、第２のパッチアンテナ２３に対向し、第２のパッチアンテナ２３が設けられた側とは反対側に、第２の結晶基板２１から距離をあけて設けられている。これにより、第３のパッチアンテナ３３は、第１のパッチアンテナ１３と第２のパッチアンテナ２３に対して平行となるように配置される。第３のパッチアンテナ３３を設けることで、無線信号の受信利得をさらに増大させることができる。

第３のパッチアンテナ３３も、四角形状の１つの平面電極３３ａからなり、平面視して、第１のパッチアンテナ１３の最外の外形に沿って第１のパッチアンテナ１３を覆うように構成されている。

なお、バッファ層３６の材料と厚みは、１段目のアンテナ構造体１０のバッファ層１６と同様である。

第３の支持基板３４は、第２の結晶基板２１と第３のパッチアンテナ３３の間に設けられる。具体的には、第３の支持基板３４は、第２の結晶基板２１の主面２１ａと反対の面側に接合され、その接合した面とは反対の面に、第３の結晶基板３１の主面３１ａ側が接合されている。

本実施の形態では、第３の結晶基板３１の主面３１ａ側に第３のパッチアンテナ３３が形成されているので、第３のパッチアンテナ３３は、第３の支持基板３４と第３の結晶基板３１とに挟まれている。第３の支持基板３４と第３の結晶基板３１とは、光学用接着剤などにより接合される。

第３の支持基板３４の材料としては、第３の結晶基板３１よりも比誘電率の低い材料が用いられる。本実施の形態では、第３の支持基板３４の材料は、第１の支持基板１４と同じ材料からなる。また、第３の支持基板３４の厚みは、第１の支持基板１４の厚みと同じである。

３段に積層されたアンテナ構造において、支持基板１４、２４、３４と結晶基板１１、２１、３１とアンテナ１３、２３、３３のそれぞれの積層順序を同じにし、また、支持基板１４、２４、３４および結晶基板１１、２１、３１のそれぞれの材料と厚みを同じにすることで、各段のアンテナ構造体１０、２０、３０の実効的な誘電率が同じになるように構成している。

上記構造をした電気光学変調装置３では、実施の形態１に示す電気光学変調装置１よりもさらに変換効率を向上させることができる。また、段数を増やせば、さらに変換効率を向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態及びその変形例に係る電気光学変調装置について説明したが、本発明は、個々の実施の形態及びその変形例には限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態及びその変形例に施したものや、異なる実施の形態及びその変形例における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の一つ又は複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

例えば、結晶基板と支持基板の間、支持基板と電極（グランド電極や平面電極）の間、結晶基板と平面電極の間に、別の中間層や空気層があってもよい。また、光導波路を２本にし、平面電極の対向する辺の両方に近接してそれぞれ設けてもよい。また、複数の電気光学変調装置をｙ方向につなげてアレイ化してもよい。

本発明の電気光学変調装置は、携帯電話、ＥＴＣ、ＲＦＩＤタグなどを用いた無線通信サービスに広く利用できる。

１、１Ａ、２、３電気光学変調装置
１０、１０Ａ１段目のアンテナ構造体
１１第１の結晶基板
１１ａ第１の結晶基板の主面
１２光導波路
１３第１のパッチアンテナ
１３ａ、１３ｂ平面電極
１３ｃ平面電極の対向する辺
１４第１の支持基板
１５グランド電極
１６バッファ層
２０、２０Ａ２段目のアンテナ構造体
２１第２の結晶基板
２１ａ第２の結晶基板の主面
２３第２のパッチアンテナ
２３ａ第２のパッチアンテナの平面電極
２４第２の支持基板
２６バッファ層
Ｇギャップ
Ｌ１、Ｌ２アンテナの長さ

Claims

無線信号を光信号に変換する電気光学変調装置であって、
電気光学結晶からなる第１の結晶基板と、
前記無線信号により印加された電界に応じて屈折率が変化する光導波路であって、前記第１の結晶基板内に設けられ、前記光信号を前記第１の結晶基板の主面に沿って伝送する光導波路と、
前記第１の結晶基板の主面側に設けられ、前記無線信号を受信する第１のパッチアンテナであって、前記光導波路に沿ってギャップが形成された第１のパッチアンテナと、
前記第１のパッチアンテナに対向して設けられたグランド電極と、
前記第１のパッチアンテナに対向し、前記グランド電極が設けられた側とは反対側に設けられた第２のパッチアンテナと
を備える
電気光学変調装置。
さらに、
前記第１の結晶基板と前記グランド電極の間に設けられた第１の支持基板と、
前記第１の結晶基板と前記第２のパッチアンテナの間に設けられた第２の支持基板と
を備える
請求項１に記載の電気光学変調装置。
さらに、
電気光学結晶からなる第２の結晶基板であって、前記第２の支持基板の、前記第１の結晶基板が設けられた側とは反対側に設けられた第２の結晶基板
を備え、
前記第２のパッチアンテナが前記第２の結晶基板の主面側に設けられている
請求項２に記載の電気光学変調装置。
前記第１のパッチアンテナは、前記第１の支持基板と前記第１の結晶基板とに挟まれ、
前記第２のパッチアンテナは、前記第２の支持基板と前記第２の結晶基板とに挟まれる
請求項３に記載の電気光学変調装置。