JP2758540B2 - 光変調素子及びそれを用いた光変調装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速光通信や光信号処
理システムなどに用いられる光変調素子及びその駆動方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光変調素子は、高速光通信や光信号処理
システムなどにおいて基本となる素子であり、将来、超
高速で動作できる光変調素子に対する要求はますます増
大するものと考えられる。しかしながら、従来利用され
てきた半導体レーザの直接変調では、このような要求に
対処することが困難であるため、高速動作が可能な外部
変調型の素子の開発が急がれている。中でも、特に大き
なポッケルス効果を有する誘電体結晶を用いた、いわゆ
る電気光学光変調素子は、超高速動作が可能であり、ま
た、変調に伴う位相の乱れも少ないことから、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。
さらに、光導波路構造を用いれば、小型化と高効率化と
を一挙に実現できる可能性がある。

【０００３】一般に、電気光学光変調素子は、電気光学
結晶上に変調電極として変調信号を伝搬させる伝送線路
と、該伝送線路の近傍に形成された光導波路とにより構
成されている。そして、変調電極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ることによ
り、光導波路中を伝搬する光波の位相を変調信号に伴っ
て変化させるようにされている。

【０００４】ところで、電気光学光変調素子において
は、光変調の基本となる電気光学係数は、通常の結晶で
は比較的小さい。従って、この方式の光変調素子におい
ては、電界を光導波路に効率良く印加することが重要と
なる。このため、様々な構造の光変調素子が提案されて
いるが、中でも共振器型電極を用いたものは、超高周波
においても高い変調効率を実現できる可能性がある。

【０００５】図５に、この種の光変調素子の一例を示
す。図５に示すように、電気光学効果を有する基板５１
上には、その中心線上に光導波路５２が形成されてお
り、該光導波路５２の両側方には共振線路５３と接地線
路５４とからなる変調電極が形成されている。ここで、
変調電極は、アルミニウムなどの金属薄膜からなり、共
振線路５３の両端は開放されている。このため、何らか
の方法で外部から共振線路５３に変調信号を供給してや
れば、共振線路５３の長さが半波長となるような周波数
付近の変調波に対して共振現象を起こす。そして、この
共振現象によって変調波のエネルギーが共振線路５３に
蓄積され、これにより接地線路５４に対する共振線路５
３の電位が上昇し、共振現象を利用しない場合に比べて
大きな電界が共振線路５３と接地線路５４との間に生じ
る。従って、この部分に、図５に示すような光導波路５
２を配置すれば、電気光学効果によって光導波路５２の
屈折率が変化し、光変調を実現することができる。但
し、この場合は、光導波路５２中を伝搬する光波の位相
が変化する、いわゆる位相変調器として動作するが、基
板５１内あるいはその外部に適当に干渉計を構成すれ
ば、光強度変調器として動作させることも可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５の
ように構成された従来の電気光学光変調素子の場合、光
導波路部分に印加される変調電界の強度分布は、電極の
両端部で最大値を取り、中央部で０となる正弦関数の形
状となるため、電極長に比較して効率をあまり大きくす
ることができない。また、電極長を長くして効率を向上
させようとすれば、共振周波数を変化させることとな
り、また、光の走行時間が変調信号の１周期に比較して
無視できなくなると、逆に変調効率が急激に低下してし
まう。その上、共振線路５３と接地線路５４との間隔は
上記線路の特性インピーダンスを決定するため、むやみ
に間隙を狭くし、電界を光導波路５２に集中させて効率
を改善することは困難である。

【０００７】このようなことから、効率的な共振器型光
変調素子を実現するためには、新たな電極構成が必要と
なる。また、共振電極に変調信号を供給する場合には、
共振電極と入力端子との最適な結合状態を実現すること
が効率の良い光変調にとって非常に重要となる。

【０００８】本発明は、前記従来技術の課題を解決する
ため、変調効率を大幅に改善することのできる光変調素
子及びその駆動方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の第１番目の光変調素子は、基板と、前記基
板の上面に形成されたスプリットリング型電極と、前記
基板の裏面に形成された接地電極と、前記基板上に形成
され、電気光学効果を有する光導波路を具備し、前記基
板と前記接地電極と前記スプリットリング型電極とでマ
イクロストリップ構造の共振器を形成し、前記スプリッ
トリング型電極のスリット部付近に前記光導波路を配置
し、前記光導波路に入力された光の位相を変調すること
を特徴とする。

【００１０】次に本発明の第２番目の光変調素子は、第
１の基板と、前記第１の基板の上面に形成されたスプリ
ットリング型電極と、前記第１の基板の裏面に形成され
た第１の接地電極と、前記基板上に形成され、電気光学
効果を有する光導波路と、前記スプリットリング型電極
の上面に形成された第２の基板と、前記第２の基板のさ
らに上面に形成された第２の接地電極とを具備し、前記
第１及び第２の接地電極と前記スプリットリング型電極
とでストリップライン構造の共振器を形成し、前記スプ
リットリング型電極のスリット部付近に前記光導波路を
配置し、前記光導波路に入力された光の位相を変調する
ことを特徴とする。

【００１１】前記第１〜２番目の光変調素子において
は、電極が超伝導体からなることが好ましい。また前記
第１〜２番目の光変調素子の光変調素子の構成に加え、
前記光変調素子の共振器の一部分と電気容量的に結合す
る入力端子を具備することを特徴とする。

【００１２】次に本発明の光変調装置は、前記第１〜２
番目の光変調素子の光変調素子の構成に加え、前記光変
調素子の共振器の一部分と磁界結合している入力端子を
具備することを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明の第１の構成によれば、光導波路に効率
的に大きな変調電界を印加することが可能となるため、
光変調素子の変調効率を大幅に改善することができる。

【００１４】また、本発明の第２の構成によれば、放射
損失を小さくして、光導波路にさらに大きな変調電界を
印加することができるので、変調効率のさらに優れた光
変調素子を実現することができる。

【００１５】また、第１及び第２の発明に係る光変調素
子において、共振器が超伝導体からなるという好ましい
構成によれば、Ｑ値（共振動作の鋭さを示す）の極めて
大きな共振器を実現することができるので、変調効率を
飛躍的に改善することができる。

【００１６】また、本発明の第１の駆動方法によれば、
結合容量を調節することにより、共振器と入力端子との
結合度を調節することができるので、共振器のＱ値が比
較的大きい場合に最適な共振動作を実現することができ
る。

【００１７】また、本発明の第２の駆動方法によれば、
共振器内における結合部の位置を調節することにより、
共振器と入力端子との結合度を調節することができるの
で、共振器のＱ値が比較的小さい場合に最適な共振動作
を実現することができる。

【００１８】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的
に説明する． （実施例１）図１ａは本発明に係る光変調素子の一実施
例の斜視図であり、図１ｂは図１ａに示す切断線に沿っ
た断面図である。

【００１９】図１に示すように、ニオブ酸リチウムなど
の電気光学効果を有する基板１１の表面には、その中心
線上に金属拡散法などによって光導波路１２が形成され
ており、該光導波路１２の左右両側には、スパッタリン
グ法、フォトリソグラフィー及び反応性イオンエッチン
グなどの薄膜製造手段によって、アルミニウムや金など
の金属薄膜からなるマイクロストリップ線路スプリット
リング型共振器（以下、共振器という）１３が形成され
ている。ここで、光導波路１２の一部は、共振器１３の
スリット部１５内に位置している。さらに、前記基板１
１の裏面には、金属膜の蒸着法などによってグランドプ
レーン１４が形成されている。

【００２０】入力光１６は、光導波路１２の一方端に導
かれ、共振器１３のスリット部１５を通過した後、光導
波路１２の他方端から出力光１７として出力される。従
って、適当な方法によって共振器１３を駆動して共振さ
せれば、スリット部１５に電界が生じ、電気光学効果に
より電界強度に応じて光導波路１２の屈折率が変化す
る。これにより、出力光１７の位相が変化し、この光変
調素子は位相変調器として動作する。

【００２１】本光変調素子を構成している前記共振器１
３は、共振線路の開放端がスリット部１５で互いに向か
い合った構造となっているため、線路両端の電圧振幅
は、線路中で最も高くなり、また、時間的に見て両端の
電圧は互いに逆位相であることから、スリット部１５で
対向した線路両端間には非常に大きな電位差が生じる。
さらに、共振器１３のＱ値が大きければ、共振器１３内
に変調波のエネルギーが蓄積され、これにより上記の電
圧振幅も拡大される。このため、このスリット部１５に
は、非常に大きな電界が誘起される。従って、この付近
に図１に示すような光導波路１２を配置し、適当な方法
で変調信号を供給することにより共振器１３を駆動させ
れば、極めて高い効率の光変調が可能となる。

【００２２】上述したように、本実施例１に示した光変
調素子は、光波の位相を変調する、いわゆる位相変調素
子として動作する。位相変調は、コヒーレント光通信な
どの次世代の光通信システムでの利用が期待されてい
る。尚、この光変調素子を、現在の光通信システムで主
として用いられている光強度変調素子として動作させる
には、光導波路を用いて、マッハツェンダー干渉計を基
板上に構成すればよい。

【００２３】共振器１３の材料としては、製作の容易
さ、優れた電気伝導性などから、前述したアルミニウム
や金などの金属材料が有効であるが、電気伝導性のさら
に高い材料、例えば超伝導体を用いれば、Ｑ値の極めて
大きな共振器を実現することができるので、変調効率を
飛躍的に改善することが可能となる。

【００２４】尚、本実施例１においては、共振器１３と
して四角い形状のものを用いているが、必ずしもこの形
状のものに限定されるものではなく、環状の線路で、か
つ、線路の実効的な長さ（電気長）が同じであれば、円
形や細長い形状のものでも構わない。但し、対向する線
路同士が近づきすぎて線路間の結合が生じたり、曲がり
部分の曲率半径が小さくなると、損失が大きくなって共
振動作の不安定化や変調効率の劣化を招いてしまう。

【００２５】本光変調素子を実際に動作させるために
は、その優れた特徴を損なわないような駆動方法が要求
される。以下、本光変調素子の駆動方法について説明す
る。 （実施例２）図２は本発明に係る光変調素子の第１の駆
動方法の一実施例を示す斜視図である。

【００２６】図２に示すように、基板２１の表面上に
は、共振器２３の一部分に間隙部２９を介して対向配置
された入力端子２８が形成されており、該入力端子２８
とグランドプレーン２４との間には信号源２１０が接続
されている。このように構成すれば、入力端子２８と共
振器２３とが容量的に結合された状態となるので、信号
源２１０からの変調信号によって共振器２３を駆動させ
ることにより、光変調を行うことができる。

【００２７】そして、このような方法を採用すれば、間
隙部２９の間隔と共振器２３内での結合位置とを調節す
ることにより、共振器２３と入力端子２８との結合度を
調節することができるので、最適な共振動作を実現する
ことができる。特に、フォトエッチング技術を適用すれ
ば、共振器２３と入力端子部２８とを同時に精度良く形
成することができるので、製作プロセスの簡略化と再現
性の向上とを図ることができる。

【００２８】以上のような容量結合を用いる方法は、小
さな入力結合が必要な場合に特に有効である。なぜな
ら、この方法では、入力結合度が比較的小さい場合に、
結合容量を精密に制御することが可能となるからであ
る。この制御は、例えば間隙部２９の間隔を調節するこ
とによって行うことができる。通常、共振器２３のＱ値
が比較的大きい場合、例えば超伝導体を共振器２３の材
料として用いた場合などは、このような小さな入力結合
が、効率的な光変調のために有効となる。

【００２９】尚、本実施例２においては、入力端子部２
８を間隙部２９を介して共振器２３と同一平面上に形成
しているが、必ずしもこのような構成に限定されるもの
ではなく、容量的な入力結合を利用するものであれば、
他の方法を利用してもその有効性に変わりはない。例え
ば、入力端子部２８と共振器２３の一部分との間にコン
デンサを接続したり、あるいは、共振器２３上の一部に
絶縁層を形成し、この絶縁層の上に入力端子部を配置す
る多層構造を利用することも可能である。 （実施例３）図３は本発明に係る光変調素子の第２の駆
動方法の一実施例を示す斜視図である。

【００３０】図３に示すように、基板３１の表面上に
は、共振器３３の一部分に結合部３９を介して接続され
た入力端子３８が形成されており、該入力端子３８とグ
ランドプレーン３４との間には信号源３１０が接続され
ている。このように構成すれば、入力端子３８と共振器
３３とが磁界結合された状態となるので、信号源３１０
からの変調信号によって共振器３３を駆動させることに
より、光変調を行うことができる。

【００３１】そして、このような方法を採用すれば、共
振器３３内における結合部３９の結合位置を調節するこ
とにより、共振器３３と入力端子３８との結合度を調節
することができるので、最適な共振動作を実現すること
ができる。特に、フォトエッチング技術を適用すれば、
共振器３３と入力端子部３８とを同時に精度良く形成す
ることができるので、製作プロセスの簡略化と再現性の
向上とを図ることができる。

【００３２】以上のような磁界結合を用いる方法は、大
きな入力結合が必要な場合に特に有効である。なぜな
ら、この方法では、入力結合度が比較的大きい場合に、
結合度を精密に制御することが可能となるからである。
この制御は、例えば結合部３９の位置を調節することに
よって実現することができる。通常、共振器３３のＱ値
が比較的小さい場合、例えば、変調効率は低くとも比較
的広い変調帯域幅が必要な場合などは、このような磁界
結合が有効となる。

【００３３】尚、本実施例３においては、結合部３９と
入力端子部３８を共振器３３と同一平面上に形成してい
るが、必ずしもこの構成に限定されるものではなく、磁
界結合を利用するものであれば、他の方法を利用しても
その有効性に変わりはない。例えば、共振器３３と分離
された位置にある入力端子部と共振器３３の一部分とを
導線で接続する等の方法も可能である。

【００３４】また、以上の各実施例においては、共振器
として、マイクロストリップ線路スプリットリング型共
振器を用いた場合について説明したが、必ずしもこの構
成に限定されるものではなく、図４に示すようなストリ
ップ線路スプリットリング型共振器を用いることもでき
る。図４において、４１、４２は基板、４３は光導波
路、４４はスプリットリング型共振器、４５、４６はグ
ランドプレーン、４７はスリット部である。この場合、
構造は多少複雑となるが、放射損失が極めて小さいこと
から、特に超伝導体などの低損失の材料を用いた場合に
は、さらに大きなＱ値を有する共振器を実現することが
でき、その結果、変調効率のさらに優れた光変調素子を
提供することができる。

【００３５】また、以上の各実施例においては、基板自
体に電気光学効果を有する材料を用いているが、必ずし
もこの構成に限定されるものではなく、光導波路部分、
つまり、光波の電界が及ぶ範囲あるいはその一部分が電
気光学効果を有していればよい。例えば、低屈折率基板
上に電気光学効果を有する材料を薄膜化したものを用
い、その薄膜部分に光導波路を形成するようにしてもよ
い。また、基板表面に周囲よりも屈折率の高いコア部分
を形成し、その上にクラッド部分として電気光学効果を
有する材料を形成することにより、コア部分から染み出
した電界を利用して光変調を行うことも同様に有効であ
る。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る光変
調素子の構成によれば、光導波路に高い電界を印加する
ことができるので、従来の共振器型光変調素子に比べて
変調効率を大幅に改善することができる。また、電極が
超伝導体からなるという好ましい構成によれば、Ｑ値の
極めて大きな共振器を実現することができるので、変調
効率を飛躍的に改善することができる。さらに、本発明
に係る光変調装置によれば、共振器と入力端子との結合
度を調節して最適な共振動作を実現することができるの
で、光変調のさらなる効率化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１ａは本発明に係る光変調素子の一実施例の
斜視図であり、図１ｂは図１ａに示す切断線に沿った断
面図である。

【図２】本発明に係る光変調素子の第１の駆動方法の一
実施例を示す斜視図である。

【図３】本発明に係る光変調素子の第２の駆動方法の一
実施例を示す斜視図である。

【図４】本発明に係る光変調素子の他の実施例を示す要
部断面図である。

【図５】従来の共振器型光変調素子を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１１ 基板 １２ 光導波路 １３ マイクロストリップ線路スプリットリング型共振
器 １４ グランドプレーン １５ スリット部 ２１ 基板 ２３ マイクロストリップ線路スプリットリング型共振
器 ２４ グランドプレーン ２８ 入力端子 ２９ 間隙部 ２１０ 信号源 ３１ 基板 ３３ マイクロストリップ線路スプリットリング型共振
器 ３４ グランドプレーン ３８ 入力端子 ３９ 結合部 ３１０ 信号源 ４１ 基板 ４２ 基板 ４３ 光導波路 ４４ ストリップ線路スプリットリング型共振器 ４５ グランドプレーン ４６ グランドプレーン ４７ スリット部

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、前記基板の上面に形成されたス
   プリットリング型電極と、前記基板の裏面に形成された
   接地電極と、前記基板上に形成され、電気光学効果を有
   する光導波路を具備し、前記基板と前記接地電極と前記
   スプリットリング型電極とでマイクロストリップ構造の
   共振器を形成し、前記スプリットリング型電極のスリッ
   ト部付近に前記光導波路を配置し、前記光導波路に入力
   された光の位相を変調することを特徴とする光変調素
   子。
2. 【請求項２】 第１の基板と、前記第１の基板の上面に
   形成されたスプリットリング型電極と、前記第１の基板
   の裏面に形成された第１の接地電極と、前記基板上に形
   成され、電気光学効果を有する光導波路と、前記スプリ
   ットリング型電極の上面に形成された第２の基板と、前
   記第２の基板のさらに上面に形成された第２の接地電極
   とを具備し、前記第１及び第２の接地電極と前記スプリ
   ットリング型電極とでストリップライン構造の共振器を
   形成し、前記スプリットリング型電極のスリット部付近
   に前記光導波路を配置し、前記光導波路に入力された光
   の位相を変調することを特徴とする光変調素子。
3. 【請求項３】 電極が超伝導体からなる請求項１又は２
   記載の光変調素子。
4. 【請求項４】 請求項１または請求項２の光変調素子の
   構成に加え、前記光変調素子の共振器の一部分と電気容
   量的に結合する入力端子を具備することを特徴とする光
   変調装置。
5. 【請求項５】 請求項１または請求項２の光変調素子の
   構成に加え、前記光変調素子の共振器の一部分と磁界結
   合している入力端子を具備することを特徴とする光変調
   装置。