JP2716081B2 - 超低電圧駆動光波変調器 - Google Patents
超低電圧駆動光波変調器Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明の目的とする所は、３
次元光の回折限界を越えて、光集積回路を微細化するた
めの基本的な構成要素となる光波変調器を提供するにあ
り、これにより電子集積回路との整合性の良い超微細、
超低電圧駆動の光集積回路を実現するにある。本発明の
属する技術分野は光学機器、光エレクトロニクス、光通
信、光電子集積回路、近接場光学にある。
次元光の回折限界を越えて、光集積回路を微細化するた
めの基本的な構成要素となる光波変調器を提供するにあ
り、これにより電子集積回路との整合性の良い超微細、
超低電圧駆動の光集積回路を実現するにある。本発明の
属する技術分野は光学機器、光エレクトロニクス、光通
信、光電子集積回路、近接場光学にある。
【０００２】
【従来の技術】電気光学光波変調器は従来より様々な種
類のものが開発されており、位相変調器およびこれを干
渉計と組み合わせた強度変調器などがある。これらは原
理的にはポッケルス効果による屈折率変化を利用して３
次元（ここで３次元光とは自由空間を伝わる光波のよう
に波数ベクトル（位相定数）が三つの実数成分を持つも
のをいう）を位相変調するものである。
類のものが開発されており、位相変調器およびこれを干
渉計と組み合わせた強度変調器などがある。これらは原
理的にはポッケルス効果による屈折率変化を利用して３
次元（ここで３次元光とは自由空間を伝わる光波のよう
に波数ベクトル（位相定数）が三つの実数成分を持つも
のをいう）を位相変調するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の電気光学光変調
器のうち導波型光変調器は最も小型化、高能率化に優れ
ており、光集積回路に適している。しかし現在の導波型
光変調器にも以下の問題点がある。現在の導波型光波変
調器の大きさは導波路幅５μｍ以下、長さ数 cm 程度で
あり、電子素子を用いた集積回路と比較すると非常に大
きい。この原因は３次元光では光ビーム幅の最小値は回
折限界のためλ0 ／２ｎ（λ0 は真空の波長、ｎは屈折
率）程度に制限されることにある。光導波路の光波でも
境界面で全反射を繰り返して見かけ上は１次元的である
が、やはり３次元光であることには変わりがなく、λ0
／２ｎ程度のビーム幅最小値が存在し、これ以下にする
ことはできない。この回折限界のために光導波路のサイ
ズは光波長の１／２程度までしか微細化できず、導波型
光波変調器の集積化が妨げられている。
器のうち導波型光変調器は最も小型化、高能率化に優れ
ており、光集積回路に適している。しかし現在の導波型
光変調器にも以下の問題点がある。現在の導波型光波変
調器の大きさは導波路幅５μｍ以下、長さ数 cm 程度で
あり、電子素子を用いた集積回路と比較すると非常に大
きい。この原因は３次元光では光ビーム幅の最小値は回
折限界のためλ0 ／２ｎ（λ0 は真空の波長、ｎは屈折
率）程度に制限されることにある。光導波路の光波でも
境界面で全反射を繰り返して見かけ上は１次元的である
が、やはり３次元光であることには変わりがなく、λ0
／２ｎ程度のビーム幅最小値が存在し、これ以下にする
ことはできない。この回折限界のために光導波路のサイ
ズは光波長の１／２程度までしか微細化できず、導波型
光波変調器の集積化が妨げられている。
【０００４】ポッケルス効果の応答速度は極めて高速で
あり、赤外光領域で応答が可能である。またこのとき光
変調の過程で原理的には電力が消費されない。ところが
実際には光変調周波数の上限や変調電圧は電極長さに反
比例するため低駆動電圧で、かつ高速・広帯域の光変調
器を作製することは困難である。このため現在の導波型
光波変調器の変調帯域幅は10〜70ＧＨｚ、半波長電圧は
１〜10Ｖ程度にとどまっている。従って、これにはさら
なる超高速・低電圧駆動性が求められている。
あり、赤外光領域で応答が可能である。またこのとき光
変調の過程で原理的には電力が消費されない。ところが
実際には光変調周波数の上限や変調電圧は電極長さに反
比例するため低駆動電圧で、かつ高速・広帯域の光変調
器を作製することは困難である。このため現在の導波型
光波変調器の変調帯域幅は10〜70ＧＨｚ、半波長電圧は
１〜10Ｖ程度にとどまっている。従って、これにはさら
なる超高速・低電圧駆動性が求められている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は上述のような課
題を解決するためになされたもので、光波長より十分薄
い誘電体薄膜を、金属等の負誘電体ではさんだ構成より
成る表面波を利用した２次元光波導波路において、前記
２次元光波導波路の誘電体薄膜の一部または全部に印加
電場により屈折率が変化する電気光学媒質を用いて、表
面波に変調をかける素子を構成し、前記負誘電体に駆動
電源を接続して変調電圧を印加する電極とするよう構成
し、前記電極に変調電圧を印加することにより電気光学
媒質に屈折率変化を生じさせて、表面波に位相変調をか
けるよう構成したことを特徴とする超低電圧駆動光波変
調器にある。
題を解決するためになされたもので、光波長より十分薄
い誘電体薄膜を、金属等の負誘電体ではさんだ構成より
成る表面波を利用した２次元光波導波路において、前記
２次元光波導波路の誘電体薄膜の一部または全部に印加
電場により屈折率が変化する電気光学媒質を用いて、表
面波に変調をかける素子を構成し、前記負誘電体に駆動
電源を接続して変調電圧を印加する電極とするよう構成
し、前記電極に変調電圧を印加することにより電気光学
媒質に屈折率変化を生じさせて、表面波に位相変調をか
けるよう構成したことを特徴とする超低電圧駆動光波変
調器にある。
【０００６】まず、本発明の説明に入る前に、発明者の
うちの一人（小林）によって提案された本発明の基礎と
なる表面プラズモンポラリトン(Surface Plasmon Polar
iton：ＳＰＰ）に代表されるような表面波（必ずしもＳ
ＰＰのみではないので、以下ではまとめて表面波と記
す）を利用した２次元光波導波路について簡単に述べ
る。表面波のうち表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）
は負誘電体（誘電率が負である誘電体、例えば、金属は
光周波数帯では負誘電体となることが知られている。）
と正誘電体（誘電率が正である通常の誘電体。以下、誘
電体と記す）の界面に存在するＴＭ波である。表面波は
界面に平行方向には伝搬波（波数が実数）であるが、界
面に垂直方向には負誘電体、誘電体中共にエバネッセン
ト波（波数が虚数）となる界面に局在した２次元光波で
ある。例として、表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）
の電場（Ｅｘ）、磁場（Ｈｙ）の分布を図１に示す。こ
のとき電場、磁場は界面から指数関数的に減衰するエバ
ネッセント波である。さらに、負誘電体間隙（誘電体を
負誘電体ではさんだ構造）では二つの誘電体／負誘電体
界面に存在する表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）が
結合したモードが形成される。結合の仕方によって二つ
のモード（偶モードと奇モード）が存在することが知ら
れている。このときの磁場（Ｈｙ）分布を図２に示す。
図２は負誘電体間隙における表面プラズモンポラリトン
（ＳＰＰ）の結合モードの磁場分布を示す特性図であ
る。
うちの一人（小林）によって提案された本発明の基礎と
なる表面プラズモンポラリトン(Surface Plasmon Polar
iton：ＳＰＰ）に代表されるような表面波（必ずしもＳ
ＰＰのみではないので、以下ではまとめて表面波と記
す）を利用した２次元光波導波路について簡単に述べ
る。表面波のうち表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）
は負誘電体（誘電率が負である誘電体、例えば、金属は
光周波数帯では負誘電体となることが知られている。）
と正誘電体（誘電率が正である通常の誘電体。以下、誘
電体と記す）の界面に存在するＴＭ波である。表面波は
界面に平行方向には伝搬波（波数が実数）であるが、界
面に垂直方向には負誘電体、誘電体中共にエバネッセン
ト波（波数が虚数）となる界面に局在した２次元光波で
ある。例として、表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）
の電場（Ｅｘ）、磁場（Ｈｙ）の分布を図１に示す。こ
のとき電場、磁場は界面から指数関数的に減衰するエバ
ネッセント波である。さらに、負誘電体間隙（誘電体を
負誘電体ではさんだ構造）では二つの誘電体／負誘電体
界面に存在する表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）が
結合したモードが形成される。結合の仕方によって二つ
のモード（偶モードと奇モード）が存在することが知ら
れている。このときの磁場（Ｈｙ）分布を図２に示す。
図２は負誘電体間隙における表面プラズモンポラリトン
（ＳＰＰ）の結合モードの磁場分布を示す特性図であ
る。
【０００７】本発明の基礎となる２次元光波導波路は、
負誘電体間隙に伝搬する表面波を、横方向には従来の光
導波路と同様に、屈折率の高い領域に閉じ込めてガイド
する導波路である。これを図３に示す。図３（Ａ），
（Ｂ）は２次元光波導波路と誘電体部分の屈折率分布を
示す特性図である。屈折率分布の例として図３（Ａ）は
ステップ型（導波路中心コア部の屈折率が、導波路周辺
クラッド部に比べてステップ的に大きいもの）、図３
（Ｂ）はグレーデッド型（導波路の屈折率分布が、コア
部からクラッド部へ徐々に変化するもの）を示してい
る。負誘電体間隙において存在する結合表面プラズモン
ポラリトン（ＳＰＰ）は、膜厚が厚いときは偶モードと
奇モードが縮退しているが、膜厚を薄くしていくと縮退
が解けて、偶モードがカットオフのない（導波路中の波
数がいくらでも大きくなる）モードとなる。このことは
負誘電体との界面を含む導波路の等価屈折率ｎeff （導
波路中の波数を自由空間中の波数ｋ0 で規格化したも
の）が誘電体のみから構成された導波路の場合と比べ
て、非常に大きくなることを示している。実際の計算の
結果、負誘電体間隙の間隔を小さくするほど等価屈折率
が大きくなることがわかる。
負誘電体間隙に伝搬する表面波を、横方向には従来の光
導波路と同様に、屈折率の高い領域に閉じ込めてガイド
する導波路である。これを図３に示す。図３（Ａ），
（Ｂ）は２次元光波導波路と誘電体部分の屈折率分布を
示す特性図である。屈折率分布の例として図３（Ａ）は
ステップ型（導波路中心コア部の屈折率が、導波路周辺
クラッド部に比べてステップ的に大きいもの）、図３
（Ｂ）はグレーデッド型（導波路の屈折率分布が、コア
部からクラッド部へ徐々に変化するもの）を示してい
る。負誘電体間隙において存在する結合表面プラズモン
ポラリトン（ＳＰＰ）は、膜厚が厚いときは偶モードと
奇モードが縮退しているが、膜厚を薄くしていくと縮退
が解けて、偶モードがカットオフのない（導波路中の波
数がいくらでも大きくなる）モードとなる。このことは
負誘電体との界面を含む導波路の等価屈折率ｎeff （導
波路中の波数を自由空間中の波数ｋ0 で規格化したも
の）が誘電体のみから構成された導波路の場合と比べ
て、非常に大きくなることを示している。実際の計算の
結果、負誘電体間隙の間隔を小さくするほど等価屈折率
が大きくなることがわかる。
【０００８】図４は等価屈折率とビーム幅の負誘電体間
隙依存性を示す特性図である。図４に負誘電体として銀
（Ａｇ）を用いた場合の、無損失負誘電体間隙における
等価屈折率とビーム厚さの計算結果を示す。この図から
間隙を薄くすれば、等価屈折率がいくらでも大きく、ビ
ーム厚がいくらでも小さくなることがわかる。等価屈折
率が大きければ２次元光波でも細くできるので、間隙を
薄くすればビーム厚さだけでなくビーム幅も小さくする
ことができる。従って、２次元光波導波路では波長に比
べて十分小さいビーム厚さとビーム幅を持つ表面波を導
波できる。
隙依存性を示す特性図である。図４に負誘電体として銀
（Ａｇ）を用いた場合の、無損失負誘電体間隙における
等価屈折率とビーム厚さの計算結果を示す。この図から
間隙を薄くすれば、等価屈折率がいくらでも大きく、ビ
ーム厚がいくらでも小さくなることがわかる。等価屈折
率が大きければ２次元光波でも細くできるので、間隙を
薄くすればビーム厚さだけでなくビーム幅も小さくする
ことができる。従って、２次元光波導波路では波長に比
べて十分小さいビーム厚さとビーム幅を持つ表面波を導
波できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明は上記の２次元光波導波路
の誘電体の一部または全部分に電気光学媒質を用いて、
表面波に変調をかける変調器を構成するものである。こ
の変調器では表面波の存在に必要な負誘電体である金属
を電極として使用する。本発明の変調器の構成と、作用
および効果を以下に述べる。
の誘電体の一部または全部分に電気光学媒質を用いて、
表面波に変調をかける変調器を構成するものである。こ
の変調器では表面波の存在に必要な負誘電体である金属
を電極として使用する。本発明の変調器の構成と、作用
および効果を以下に述べる。
【００１０】本発明の超低電圧駆動光波変調器の基本的
構成例を図５（Ａ），（Ｂ）に示す。図５（Ａ）は本発
明の光波変調器のステップ型屈折率分布の位相変調器の
一例を示す原理的斜視図である。図５（Ａ）において、
11，12は負誘電体（金属）、13は誘電体薄膜のコア部、
14は誘電体薄膜のクラッド部を示す。15は入力光、16は
被変調光、17は駆動電圧源を示す。ここで誘電体コア部
13と、誘電体クラッド部14の何れか一方又は双方が電気
光学媒質でなければならない。図５（Ｂ）は２次元光波
導波路の誘電体部分を示す模式図である。図５（Ｂ）に
おいて、18は２次元光波導波路、19は２次元光波分岐
部、20Ａは位相変調器Ａ、20Ｂは位相変調器Ｂ（位相変
調器Ａと同一寸法であるが電気光学結晶軸を反転したも
の）を示す。21は誘電体薄膜のクラッド部、24は２次元
光波合波部、25は２次元光波導波路を示す。
構成例を図５（Ａ），（Ｂ）に示す。図５（Ａ）は本発
明の光波変調器のステップ型屈折率分布の位相変調器の
一例を示す原理的斜視図である。図５（Ａ）において、
11，12は負誘電体（金属）、13は誘電体薄膜のコア部、
14は誘電体薄膜のクラッド部を示す。15は入力光、16は
被変調光、17は駆動電圧源を示す。ここで誘電体コア部
13と、誘電体クラッド部14の何れか一方又は双方が電気
光学媒質でなければならない。図５（Ｂ）は２次元光波
導波路の誘電体部分を示す模式図である。図５（Ｂ）に
おいて、18は２次元光波導波路、19は２次元光波分岐
部、20Ａは位相変調器Ａ、20Ｂは位相変調器Ｂ（位相変
調器Ａと同一寸法であるが電気光学結晶軸を反転したも
の）を示す。21は誘電体薄膜のクラッド部、24は２次元
光波合波部、25は２次元光波導波路を示す。
【００１１】図５（Ａ）は本発明の位相変調器の一例を
示す斜視図である。図３に示した２次元光波導波路構造
を発展させ、誘電体薄膜の一部（コア部あるいはクラッ
ド部）または全部分に印加電場により屈折率が変化する
電気光学媒質を用い、金属部分に駆動電圧源を接続して
変調電圧を印加する電極として用いる構造である。表面
波の伝搬には負誘電体が必要であるが、同時に本発明の
変調器は負誘電体である金属を電極として用いる点に特
徴がある。電極に変調電圧をかけることにより電気光学
媒質に屈折率変化がおこり、表面波に位相変調をかける
ことができる。更に現実的な構造としては、２次元光波
導波路の一部の誘電体を電気光学媒質に置換し、全て２
次元波回路としてもよい。
示す斜視図である。図３に示した２次元光波導波路構造
を発展させ、誘電体薄膜の一部（コア部あるいはクラッ
ド部）または全部分に印加電場により屈折率が変化する
電気光学媒質を用い、金属部分に駆動電圧源を接続して
変調電圧を印加する電極として用いる構造である。表面
波の伝搬には負誘電体が必要であるが、同時に本発明の
変調器は負誘電体である金属を電極として用いる点に特
徴がある。電極に変調電圧をかけることにより電気光学
媒質に屈折率変化がおこり、表面波に位相変調をかける
ことができる。更に現実的な構造としては、２次元光波
導波路の一部の誘電体を電気光学媒質に置換し、全て２
次元波回路としてもよい。
【００１２】図５（Ｂ）はマッハツエンダー型強度変調
器の構成の一例を示すものである。この変調器は２次元
光波導波路（図３参照）、２次元光波分岐部および位相
変調器（図５（Ａ））から構成された、マッハツエンダ
ー型干渉計を基本としている。２個の位相変調器は電気
光学媒質の光学軸が互いに反転した関係にあり、それぞ
れ逆の変位変化をおこす。位相変化した表面波が再び干
渉することにより強度変調をかけることができる。図５
（Ｂ）は負誘電体間隙の誘電体部分に作り込んだ構造を
模式的に示した図であり、実際の強度変調器は図５
（Ｂ）のマッハツエンダー型干渉計が負誘電体である金
属に挟み込まれた構造をする。
器の構成の一例を示すものである。この変調器は２次元
光波導波路（図３参照）、２次元光波分岐部および位相
変調器（図５（Ａ））から構成された、マッハツエンダ
ー型干渉計を基本としている。２個の位相変調器は電気
光学媒質の光学軸が互いに反転した関係にあり、それぞ
れ逆の変位変化をおこす。位相変化した表面波が再び干
渉することにより強度変調をかけることができる。図５
（Ｂ）は負誘電体間隙の誘電体部分に作り込んだ構造を
模式的に示した図であり、実際の強度変調器は図５
（Ｂ）のマッハツエンダー型干渉計が負誘電体である金
属に挟み込まれた構造をする。
【００１３】図５に示す光波変調器の性能を調べるため
に、例として電気光学媒質として一軸結晶のニオブ酸リ
チウム（ＬｉＮｂＯ3 ）、金属として銀（Ａｇ）を用い
た場合の性能について述べる。光源としてＨｅ−Ｎｅレ
ーザー（波長λ0 ＝633 ｎｍ）を仮定している。なお、
λ0 ＝633 ｎｍにおけるＡｇ誘電率εm として−19を用
いている。
に、例として電気光学媒質として一軸結晶のニオブ酸リ
チウム（ＬｉＮｂＯ3 ）、金属として銀（Ａｇ）を用い
た場合の性能について述べる。光源としてＨｅ−Ｎｅレ
ーザー（波長λ0 ＝633 ｎｍ）を仮定している。なお、
λ0 ＝633 ｎｍにおけるＡｇ誘電率εm として−19を用
いている。
【００１４】図５（Ａ）に示す位相変調器では、ＬｉＮ
ｂＯ3 の光学軸をｚ軸、表面波の進行方向ｙ軸にとり、
横形動作について解析を行ったｘ軸はｙ軸と同一平面で
直角方向の軸である。（座標系のとり方は、図５（Ａ）
参照）。進行方向の表面波の導波路中の波数をβとす
る。また、変調器の長さをＬ、電気光学媒質の厚さをｈ
とする。このときｚ軸方向に電圧Ｖを加えたとき、ポッ
ケルス効果によりｘ軸方向偏波、ｚ軸方向偏波の光波の
屈折率変化は次式のようになる。
ｂＯ3 の光学軸をｚ軸、表面波の進行方向ｙ軸にとり、
横形動作について解析を行ったｘ軸はｙ軸と同一平面で
直角方向の軸である。（座標系のとり方は、図５（Ａ）
参照）。進行方向の表面波の導波路中の波数をβとす
る。また、変調器の長さをＬ、電気光学媒質の厚さをｈ
とする。このときｚ軸方向に電圧Ｖを加えたとき、ポッ
ケルス効果によりｘ軸方向偏波、ｚ軸方向偏波の光波の
屈折率変化は次式のようになる。
【数１】 ここでγ13，γ33はＬｉＮｂＯ3 の電気光学定数であ
り、ｎ0 ，ｎe はそれぞれ電場が印加されていないとき
のｘ（ｙ）軸方向、ｚ軸方向偏波の屈折率である。また
Ｅ＝Ｖ／ｈはｚ軸方向の電場の強さである。ここで考え
ている表面波はＴＭ波であるからｘ軸方向の電場成分は
なく、ｚ軸方向の電場成分のみに変調がかかることにな
る。
り、ｎ0 ，ｎe はそれぞれ電場が印加されていないとき
のｘ（ｙ）軸方向、ｚ軸方向偏波の屈折率である。また
Ｅ＝Ｖ／ｈはｚ軸方向の電場の強さである。ここで考え
ている表面波はＴＭ波であるからｘ軸方向の電場成分は
なく、ｚ軸方向の電場成分のみに変調がかかることにな
る。
【００１５】図６（Ａ）は本発明の実施の他の形態の一
例を示す図である。図６（Ａ）において、18は２次元光
波導波路、19は２次元光波分岐部、21は通常誘電体部、
22Ａ，22Ｂは分岐２次元光波導波路、23Ａは電気光学結
晶の結晶軸非反転部、23Ｂは電気光学結晶の結晶軸反転
部、24は合波部、25は２次元光波導波路を示す。
例を示す図である。図６（Ａ）において、18は２次元光
波導波路、19は２次元光波分岐部、21は通常誘電体部、
22Ａ，22Ｂは分岐２次元光波導波路、23Ａは電気光学結
晶の結晶軸非反転部、23Ｂは電気光学結晶の結晶軸反転
部、24は合波部、25は２次元光波導波路を示す。
【００１６】図６（Ｂ）は本発明の更に他の実施の例の
形態を示す図である。図６（Ｂ）において、18は２次元
光波導波路、19は２次元光波分岐部、22Ａ，22Ｂは分岐
２次元光波導波路、23Ａは電気光学結晶の結晶軸非反転
部、23Ｂは同反転部、24は合波部、25は２次元光波導波
路を示す。
形態を示す図である。図６（Ｂ）において、18は２次元
光波導波路、19は２次元光波分岐部、22Ａ，22Ｂは分岐
２次元光波導波路、23Ａは電気光学結晶の結晶軸非反転
部、23Ｂは同反転部、24は合波部、25は２次元光波導波
路を示す。
【００１７】図６（Ａ），（Ｂ）は負誘電体間隙の誘電
体部分に作りこんだ構造を模式的に示した図であり、実
際の強度変調器は図６（Ａ），（Ｂ）が負誘電体である
金属板に挟みこまれた構造をする。そしてこれら金属板
に変調電源より電界が印加されている。
体部分に作りこんだ構造を模式的に示した図であり、実
際の強度変調器は図６（Ａ），（Ｂ）が負誘電体である
金属板に挟みこまれた構造をする。そしてこれら金属板
に変調電源より電界が印加されている。
【００１８】図５，図６とも見た目には従来の導波型光
波変調器と差がないように見えるが、伝送方式が従来の
誘電体の３次元光波導波路とは全く異なる。伝搬してい
る波のかなりの部分は金属中を伝搬しており、２次元の
光周波数電磁波（光とは言えない）である。そして、こ
の違いのために波長に制限されず変調器の素子を薄くす
ることが可能になる。
波変調器と差がないように見えるが、伝送方式が従来の
誘電体の３次元光波導波路とは全く異なる。伝搬してい
る波のかなりの部分は金属中を伝搬しており、２次元の
光周波数電磁波（光とは言えない）である。そして、こ
の違いのために波長に制限されず変調器の素子を薄くす
ることが可能になる。
【００１９】図７は本発明の負誘電体間隙に対する等価
屈折率の屈折率依存性を示す特性図である。図７は金属
としてＡｇを用いたときの、負誘電体間隙に対する等価
屈折率の誘電体の屈折率依存性を示す特性図である。負
誘電体間隙の間隔ｈを変えてプロットしている。この図
からｈを固定したときの、ポッケルス効果による誘電体
の屈折率変化に対する、等価屈折率ｎeff （＝β／
ｋ0 、ここでｋ0 は真空中の波数で２π／λ0 ）の変化
を計算することができる。図７から屈折率変化Δｎに対
する等価屈折率の変化Δｎeff は誘電体の厚さを小さく
するほど大きくなることがわかる。このとき条件ΔβＬ
（＝Δｎeff ｋ0 Ｌ）＝πから半波長電圧を求めること
ができる。半波長電圧
屈折率の屈折率依存性を示す特性図である。図７は金属
としてＡｇを用いたときの、負誘電体間隙に対する等価
屈折率の誘電体の屈折率依存性を示す特性図である。負
誘電体間隙の間隔ｈを変えてプロットしている。この図
からｈを固定したときの、ポッケルス効果による誘電体
の屈折率変化に対する、等価屈折率ｎeff （＝β／
ｋ0 、ここでｋ0 は真空中の波数で２π／λ0 ）の変化
を計算することができる。図７から屈折率変化Δｎに対
する等価屈折率の変化Δｎeff は誘電体の厚さを小さく
するほど大きくなることがわかる。このとき条件ΔβＬ
（＝Δｎeff ｋ0 Ｌ）＝πから半波長電圧を求めること
ができる。半波長電圧
【外１】 は次式で与えられる。
【数２】
【００２０】ここで（Δｎeff ／Δｎ）h はｈを固定し
たときの屈折率変化に対する等価屈折率の変化率を表
す。(3) 式から、数値例としてＬ＝10λ0 （約６μm
）、ｈ＝0.01λ0 （約６ｎｍ）のとき
たときの屈折率変化に対する等価屈折率の変化率を表
す。(3) 式から、数値例としてＬ＝10λ0 （約６μm
）、ｈ＝0.01λ0 （約６ｎｍ）のとき
【外２】 となる。この半波長電圧の値は従来の導波型光変調器と
比べ一桁小さく、低電圧駆動が可能であることがわか
る。半波長電圧が小さいのは、表面波にはカットオフが
存在しないために電気光学媒質を波長より十分薄く薄膜
化でき、また薄膜化するほど屈折率変化に対する等価屈
折率の変化が大きいことによる。また、このときの素子
長は従来の導波型光変調器に比べて３〜４桁小さい。こ
のため素子の光波通過時間、変調波通過時間は十分小さ
く、また電極表面も小さいので電極の静電容量も小さく
することができ、超高速動作に適している。
比べ一桁小さく、低電圧駆動が可能であることがわか
る。半波長電圧が小さいのは、表面波にはカットオフが
存在しないために電気光学媒質を波長より十分薄く薄膜
化でき、また薄膜化するほど屈折率変化に対する等価屈
折率の変化が大きいことによる。また、このときの素子
長は従来の導波型光変調器に比べて３〜４桁小さい。こ
のため素子の光波通過時間、変調波通過時間は十分小さ
く、また電極表面も小さいので電極の静電容量も小さく
することができ、超高速動作に適している。
【００２１】次に図５（Ｂ）に示すマッハツエンダー型
強度変調器について述べる。位相変調器の電気光学媒質
として上記と同様にＬｉＮｂＯ3 を使用する。このとき
二つのＬｉＮｂＯ3 結晶の光学軸は互いに反転させてお
く。このとき電気光学定数λ33の符号が反転するために
屈折率変化の方向が逆向きになる。従って、互いに逆符
号の位相変調がかかり、100 ％の強度変調を得るための
電圧は図５（Ａ）の位相変調器の半波長電圧に比べて１
／２となりＶ＝0.05Ｖとなる。
強度変調器について述べる。位相変調器の電気光学媒質
として上記と同様にＬｉＮｂＯ3 を使用する。このとき
二つのＬｉＮｂＯ3 結晶の光学軸は互いに反転させてお
く。このとき電気光学定数λ33の符号が反転するために
屈折率変化の方向が逆向きになる。従って、互いに逆符
号の位相変調がかかり、100 ％の強度変調を得るための
電圧は図５（Ａ）の位相変調器の半波長電圧に比べて１
／２となりＶ＝0.05Ｖとなる。
【００２２】
【発明の効果】本発明は金属等の負誘電体で、波長より
十分薄い電気光学媒質をはさんだ構造をもつ変調器が特
徴である。本発明の変調器は金属・誘電体界面の表面波
に変調をかけるので、表面波の存在に必要な負誘電体
を、同時に電極として用いて電気光学媒質に電場を印加
し、屈折率変化をおこすことで表面波に位相変調あるい
は強度変調をかけることができる。従って、本発明の光
波変調器は光波の波長より十分小さくでき、光集積回路
の構成要素として応用できる工業上大なる利点がある。
また従来の電気光学変調器に比べて広帯域・低電圧駆動
できる利点がある。従来の変調器では駆動電圧は厚さに
比例して低減できるが、本発明の変調器では波の性質の
違いから、厚さを小さくすることによる駆動電圧低減の
効果はさらに顕著になる。
十分薄い電気光学媒質をはさんだ構造をもつ変調器が特
徴である。本発明の変調器は金属・誘電体界面の表面波
に変調をかけるので、表面波の存在に必要な負誘電体
を、同時に電極として用いて電気光学媒質に電場を印加
し、屈折率変化をおこすことで表面波に位相変調あるい
は強度変調をかけることができる。従って、本発明の光
波変調器は光波の波長より十分小さくでき、光集積回路
の構成要素として応用できる工業上大なる利点がある。
また従来の電気光学変調器に比べて広帯域・低電圧駆動
できる利点がある。従来の変調器では駆動電圧は厚さに
比例して低減できるが、本発明の変調器では波の性質の
違いから、厚さを小さくすることによる駆動電圧低減の
効果はさらに顕著になる。
【図１】図１は表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）の
電場（Ｅｘ）、磁場（Ｈｙ）の分布を示す特性図であ
る。
電場（Ｅｘ）、磁場（Ｈｙ）の分布を示す特性図であ
る。
【図２】図２は負誘電体間隙における表面プラズモンポ
ラリトンの結合モードの磁場分布を示す特性図である。
ラリトンの結合モードの磁場分布を示す特性図である。
【図３】図３は２次元光波導波路の断面と誘電体部分の
屈折率分布を示す特性図である。
屈折率分布を示す特性図である。
【図４】図４は等価屈折率とビーム幅の負誘電体間隙依
存性を示す特性図である。
存性を示す特性図である。
【図５】図５（Ａ）はステップ型屈折率分布の一例を示
す位相変調器の斜視図である。図５（Ｂ）はマッハツエ
ンダー型強度変調器の構成の一例を示す説明図である。
す位相変調器の斜視図である。図５（Ｂ）はマッハツエ
ンダー型強度変調器の構成の一例を示す説明図である。
【図６】図６（Ａ），（Ｂ）は本発明の変調器の他の実
施の一例態様を示す構成原理図である。
施の一例態様を示す構成原理図である。
【図７】図７は本発明の負誘電体間隙に対する等価屈折
率の屈折率依存性を示す特性図である。
率の屈折率依存性を示す特性図である。
１，２ 負誘電体（金属） ３ 誘電体薄膜コア部 ４ 誘電体薄膜クラッド部 １１，１２ 負誘電体（金属） １３ 誘電体薄膜コア部 １４ 誘電体薄膜のクラッド部 １５ 入力光 １６ 被変調光 １７ 駆動電圧源 １８ ２次元光波導波路 １９ ２次元光波分岐部 ２０Ａ 位相変調器Ａ（電気光学結晶） ２０Ｂ 位相変調器Ｂ（位相変調器Ａと同一寸法である
が電気光学結晶の光学軸を反転したもの） ２１ 誘電体クラッド部（通常誘電体部） ２２Ａ，２２Ｂ 分岐２次元光波導波路 ２３Ａ 電気光学結晶の結晶軸非反転部 ２３Ｂ 電気光学結晶の結晶軸反転部 ２４ ２次元光波合波部 ２５ ２次元光波導波路
が電気光学結晶の光学軸を反転したもの） ２１ 誘電体クラッド部（通常誘電体部） ２２Ａ，２２Ｂ 分岐２次元光波導波路 ２３Ａ 電気光学結晶の結晶軸非反転部 ２３Ｂ 電気光学結晶の結晶軸反転部 ２４ ２次元光波合波部 ２５ ２次元光波導波路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−5686（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−129616（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−197915（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−74028（ＪＰ，Ａ) 1995年春季第42回応用物理学関係連合 講演会予稿集 第３分冊 Ｐ．985 29 Ｐ−ＺＰ−５（1995年３月) ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ ＯＦ ＳＰ ＩＥ−ＴＨＥ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮ ＡＬ ＳＯＣＩＥＴＹ ＦＯＲ ＯＰＴ ＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ−, ＶＯＬ．2051 ＰＰ．810−815（1993) ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷ ＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，ＶＯ Ｌ．12 ＮＯ．10 ＰＰ．1802−1806 （1994年10月）ＡＰＰＬＩＥＤ ＯＰＴ ＩＣＳ，ＶＯＬ．32 ＮＯ．21 ＰＰ. 3981−3988（1993年７月)
Claims (1)
- 【請求項１】 光波長より十分薄い誘電体薄膜を、金属
等の負誘電体ではさんだ構成より成る表面波を利用した
２次元光波導波路において、前記２次元光波導波路の誘
電体薄膜の一部または全部に印加電場により屈折率が変
化する電気光学媒質を用いて、表面波に変調をかける素
子を構成し、前記負誘電体に駆動電源を接続して変調電
圧を印加する電極とするよう構成し、前記電極に変調電
圧を印加することにより電気光学媒質に屈折率変化を生
じさせて、表面波に位相変調をかけるよう構成したこと
を特徴とする超低電圧駆動光波変調器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21736795A JP2716081B2 (ja) | 1995-08-25 | 1995-08-25 | 超低電圧駆動光波変調器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21736795A JP2716081B2 (ja) | 1995-08-25 | 1995-08-25 | 超低電圧駆動光波変調器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0961759A JPH0961759A (ja) | 1997-03-07 |
| JP2716081B2 true JP2716081B2 (ja) | 1998-02-18 |
Family
ID=16703071
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21736795A Expired - Lifetime JP2716081B2 (ja) | 1995-08-25 | 1995-08-25 | 超低電圧駆動光波変調器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2716081B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8189980B2 (en) | 2005-03-01 | 2012-05-29 | National Institute For Materials Science | Electromagnetic wave resonator, method of manufacturing the same, and method of resonating electromagnetic wave |
| JP4664123B2 (ja) * | 2005-06-07 | 2011-04-06 | 日本電信電話株式会社 | 検出器 |
| JP5233983B2 (ja) * | 2007-02-19 | 2013-07-10 | 日本電気株式会社 | 光位相変調素子およびこれを用いた光変調器 |
| US7693363B2 (en) * | 2008-03-24 | 2010-04-06 | California Institute Of Technology | Plasmostor: a-metal-oxide-si field effect plasmonic modulator |
| JP5123155B2 (ja) * | 2008-12-16 | 2013-01-16 | 日本電信電話株式会社 | 光スイッチ |
| KR101647046B1 (ko) * | 2010-09-03 | 2016-08-10 | 삼성전자주식회사 | 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기 |
-
1995
- 1995-08-25 JP JP21736795A patent/JP2716081B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| １９９５年春季第４２回応用物理学関係連合講演会予稿集 第３分冊 Ｐ．９８５ ２９Ｐ−ＺＰ−５（１９９５年３月） |
| ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，ＶＯＬ．１２ ＮＯ．１０ ＰＰ．１８０２−１８０６（１９９４年１０月）ＡＰＰＬＩＥＤ ＯＰＴＩＣＳ，ＶＯＬ．３２ ＮＯ．２１ ＰＰ．３９８１−３９８８（１９９３年７月） |
| ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ ＯＦ ＳＰＩＥ−ＴＨＥ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＳＯＣＩＥＴＹ ＦＯＲ ＯＰＴＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ−，ＶＯＬ．２０５１ ＰＰ．８１０−８１５（１９９３） |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0961759A (ja) | 1997-03-07 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |