JP3810420B2 - 光信号−電気信号変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、非線形光学効果を用いた光信号−電気信号変換装置に関する。

従来、光信号を電気信号に変換する装置としては、フォトマルチプライヤーに代表される電子管、またはフォトダイオードに代表される半導体受光素子が広く用いられてきた。電子管は、「外部光電効果」を利用して光信号を検出する素子であり、半導体受光素子は、半導体内での「内部光電効果」を利用して光信号を検出する。

電子管は検出感度（信号増幅率）が高く、理化学用としては現在も頻繁に用いられているが、大型であり、動作に高圧電源が必要となる。このため、光通信用の受光素子としての用途にはほとんど用いられていない。

これに対して半導体受光素子は、小型で消費電力も小さいため、光通信を含め広い分野で用いられている。半導体受光素子の中でも、ｐｉｎ型フォトダイオード（ｐｉｎ−ＰＤ）は、安価であるため、多様な用途に用いられているが、高速光通信には高速での応答が可能なアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が用いられている。近年では、応答速度を改善したｐｉｎ型フォトダイオードも開発されており、これらの半導体受光素子は、現状の通信速度（帯域＜６０ＧＨｚ帯）では略支障なく使用できる状況にある。

しかし、通信速度が１００ＧＨｚを超える超高周波帯域においては、半導体受光素子は充分に応答することができないという問題がある。これは、半導体受光素子の応答速度が、光信号の入射によって発生するキャリアの移動度によって制限されるためである。

ｐｉｎフォトダイオードの場合、光がフォトダイオードの光吸収層に入射すると、電子及びホールのペアが生成される。ホール移動度は電子移動度よりも小さい。フォトダイオードの応答速度を決定する遅延時間はホールのドリフト速度によって規定される。このように、半導体受光素子の応答速度は、半導体材料に固有のキャリア移動度、印加電圧、ドリフト距離などによって決まるが、これらのパラメータを更に大きくしても、１００ＧＨｚを超える速度で変調された光信号を正確に検知できる応答速度に向上させることは困難であると考えられる。

本願発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、高速で変調された光信号を電気信号に変換できる光信号−電気信号変換装置を提供することにある。

本発明の光信号−電気信号変換装置は、変調された光信号を受け取り、伝搬する光導波路と、前記光信号が前記光導波路を伝搬するときに、非線形光学効果によって前記光導波路に発生する電界が及ぶ領域において前記光導波路を挟んで対向する位置に設けられた一対の電極とを備えている。

好ましい実施形態において、前記一対の電極に結合された共振器であって、前記電界によって前記一対の電極に誘起された電気信号を受け取って励起される共振器を更に備えている。

好ましい実施形態において、前記光信号は、変調周波数ｆ_mに応じたサイドバンド信号を含んでいる。

好ましい実施形態において、前記光導波路は、誘電体基板上、または前記誘電体基板中に形成されており、前記電極は前記誘電体基板に支持されている。

好ましい実施形態において、前記光導波路および前記誘電体基板の少なくとも一部は、非線形光学材料から形成されており、前記光信号が前記光導波路を伝搬するとき、光整流効果によって前記電界を発生させる。

好ましい実施形態において、前記共振器に連結された電磁波放射器を更に備えており、前記電気信号を無線信号として放射する。

好ましい実施形態において、前記共振器および前記電磁波放射器が前記基板と一体化されている。

好ましい実施形態において、前記共振器と前記電極とは、前記誘電体基板に形成されたマイクロストリップ線路によって接続されている。

好ましい実施形態において、前記光信号は、変調周波数は１０ＧＨｚ以上である。

好ましい実施形態において、前記光導波路に結合した光入射部を更に備えている。

好ましい実施形態において、前記非線形光学材料は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）系材料、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ₄）系材料、希土類カルシウムオキシボレート（ＲＥＣａ₄Ｏ（ＢＯ₃）₃ ＲＥ：希土類元素）系材料、ＤＡＳＴ（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウム−トシレート）、および、３ＲＤＣＶＸＹ（ジシアノビニル終端−ジメチル置換−ジアゾ）からなる群から選択された材料である。

好ましい実施形態において、前記光導波路は、分極方向が他の部分の分極方向と異なる周期的分極反転構造を有している。

好ましい実施形態において、前記一対の電極を電気的に接続する抵抗を更に備えている。

好ましい実施形態において、前記誘電体基板を収納する筐体を更に備えている。

本発明によれば、電荷（キャリア）のドリフトを利用せずに光信号を電気信号に変換することができるため、高速な応答が達成できる。また、光信号から変換された電気信号を共振器で増幅し、アンテナから電磁波として放射することにより、光信号から無線信号への高効率な変換が実現する。本発明によれば、小型で高速動作の可能な光信号−電波信号変換装置を提供することができる。

本発明では、光照射によって励起されるキャリアのドリフトを利用せずに、非線形光学効果を利用することにより、光信号を電気信号に変換する。このため、多数キャリアのドリフト速度によって応答速度が制限されることがない。

以下においては、まず、本発明による光信号−電気信号変換装置の動作原理を説明する。

非線形光学効果を有する材料の分極は、以下の式１で示される。

Ｄ＝εＥ＋Ｐ_NL ・・（式１）
ここで、Ｄは電気変位ベクトル（電束密度）、εは誘電率、Ｅは電界、Ｐ_NLは非線形分極を示している。

非線形光学材料中の電気変位ベクトルＤは、式１に示すように、通常の誘電率ε及び電界Ｅの積と非線形分極Ｐ_NLとの和である。非線形分極Ｐ_NLの項は、２次の非線形光学効果のみを考慮に入れると、以下の式２で表される。

Ｐ_NL＝χ⁽²⁾Ｅ・Ｅ ・・・（式２）
ここで、χ⁽²⁾は２次の非線形分極率である。

非線形光学材料に入射する光は、以下の式３に示す２つの電界Ｅ₁、Ｅ₂の和によって表されるものとする。

Ｅ₁＝Ｅ₀₁ｃｏｓ(ω₁ｔ−κ₁ｒ＋φ₁)、
Ｅ₂＝Ｅ₀₂ｃｏｓ(ω₂ｔ−κ₂ｒ＋φ₂) ・・・（式３）
ここで、ω₁およびω₂は光の周波数、ｔは時間を、κ₁およびκ₂は光の波数，φ１およびφ２は位相である。

式３を用いると、式２における電界Ｅの２乗は、以下のように表される。

Ｅ・Ｅ ＝ (Ｅ₁＋Ｅ₂)・(Ｅ₁＋Ｅ₂)
＝ Ｅ₀₁ ²ｃｏｓ²(ω₁ｔ−κ₁ｒ＋φ₁)
＋ ２Ｅ₀₁Ｅ₀₂ｃｏｓ(ω₁ｔ−κ₁ｒ＋φ₁)・ｃｏｓ(ω₂ｔ−κ₂ｒ＋φ₂)
＋ Ｅ₀₂ ²ｃｏｓ²(ω₂ｔ−κ₂ｒ＋φ₂) ・・（式４）

ｃｏｓ２θ＝ ２ｃｏｓ²θ−１の関係を用いると、式４は、以下の式５の項Ａ＋項Ｂ＋項Ｃ＋項Ｄ＋項Ｅで表される。

Ｅ・Ｅ＝１/２(Ｅ₀₁ ²＋Ｅ₀₂ ²)・・（項Ａ）
＋１/２Ｅ₀₁ ² ｃｏｓ(２ω₁ｔ−２κ₁ｒ＋２φ₁)・・（項Ｂ）
＋１/２Ｅ₀₂ ² ｃｏｓ(２ω₂ｔ−２κ₂ｒ＋２φ₂)・・（項Ｃ）
＋Ｅ₀₁・Ｅ₀₂ ｃｏｓ[(ω₁＋ω₂)ｔ−(κ₁＋κ₂)ｒ＋(φ₁＋φ₂)]・・（項Ｄ）
＋Ｅ₀₁・Ｅ₀₂ ｃｏｓ[(ω₁−ω₂)ｔ−(κ₁−κ₂)ｒ＋(φ₁−φ₂)]・・（項Ｅ）
・・・式（５）

式５の項Ａは光整流の項を示している。また、式５の項Ｂおよび項Ｃは第２高調波発生、項Ｄは和周波発生、項Ｅは差周波発生を表している。

本発明では、式５に示される非線形光学効果のうち、項Ｅによる効果を利用して、光信号を電気信号に変換する。以下、この点をより詳細に説明する。

光変調素子によって例えば中心周波数が２６ＧＨｚ帯の信号で変調された光(中心周波数１．５μｍ)には、０．１９ｎｍ離れた位置にサイドバンドと呼ばれるピークが発生する。一般に、変調信号の周波数をｆ_mＨｚとすると、サイドバンドが発生する波長λ_sbは、以下の式６にて表される。

本発明の光信号−電気信号変換装置では、このサイドバンドの波長λ_sbと光の中心波長λ_cとの差周波発生（式７）により、変調信号への変換を実行する。

ここでは、便宜上、非線形光学材料中に２つの異なる周波数（波長）の光が入射した場合を考えているが、１つの周波数（波長）の光が入射した場合も、同様である。

以下、本発明による光信号−電気信号変換装置の好ましい実施形態を説明する。

（第１実施形態）
まず、図１を参照しながら、本実施形態の光信号−電気信号変換装置の構成を説明する。

本実施形態の光信号−電気信号変換装置は、非線形光学材料から形成された誘電体基板１０１と、基板１０１の上面に形成された光導波路１０２と、基板１０１の上面において光導波路１０１を挟んで対向する位置に設けられた一対の電極１０３、１０４とを有している。

検出するべき光信号は、光導波路１０２の入射部１０２ａに入射し、光導波路１０２を図中左側から右側へ伝搬する。このとき、非線形光学効果のうちの差周波発生効果によって電界が発生する。一対の電極１０３、１０４は、光導波路１０２に発生する電界が及ぶ領域内に設けられている。

本実施形態の構成によれば、光信号が光導波路１０２を図中の左から右へ伝搬するときに発生する電界の変化を、電極１０３及び１０４を介して検出することができる。この電界は、前述したように、非線形光学効果の差周波生成によって光導波路及びその近傍に形成される。このような差周波発生によって光信号を電気信号に変化するためには、入力する光信号がサイドバンド信号を有するように変調された信号である必要がある。

本実施形態では、誘電体基板１０１として、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）基板を好適に用いることができる。基板１０１の材料は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）に限られず、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ₄）、希土類カルシウムオキシボレート（ＲＥＣａ₄Ｏ（ＢＯ₃）₃ ＲＥ：希土類元素）、ＤＡＳＴ（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウム−トシレート）、３ＲＤＣＶＸＹ（ジシアノビニル終端−ジメチル置換−ジアゾ）などであってもよい。

次に、図１に示す光信号−電気信号変換装置の製造方法を説明する。

まず、基板１０１に対して、純水、アセトン、アルコール等の液中で超音波洗浄を施す。その後、酢酸中での超音波洗浄を１分以内の時間行う。再び、基板１０１に対して純水、アセトン、アルコール等の液中で超音波洗浄を施す。

次に、基板１０１の上面にフォトリソグラフィ法により、光導波路１０２の位置と形状を規定するレジストマスクを形成した後、レジストマスクの上に電子ビーム蒸着法でＴｉ膜を蒸着する。Ｔｉ膜の厚さは、例えば４０〜５０ｎｍに設定される。

次に、リフトオフ法でレジストマスクを剥離することにより、Ｔｉ膜のうち、光導波路１０２が形成されるべき領域以外の領域の部分を除去する。こうして、光導波路１０２が形成されるべき領域を規定するようにパターニングされたＴｉが形成される。Ｔｉ膜を作製する方法は、電子ビーム蒸着法に限られず、ＲＦマグネトロンスパッタ法などのスパッタ法を用いても良い。

次に、パターニングされたＴｉが表面に存在する状態の基板１０２を管状炉に導入し、基板１０２の表面領域にＴｉを拡散させる。管状炉内は、ヒータと、ヒータによって加熱される石英管とを有しており、基板１０１は石英管の中に設置された石英ボート内にセットされる。石英管内の雰囲気としては、拡散処理開始の５時間、水蒸気を含む湿度８０％以上のＡｒガスが用いられる。５時間経過後は、水蒸気を含む湿度８０％以上のＯ₂ガスに雰囲気ガスを切り替え、１時間程度加熱する。加熱温度は、例えば１０００℃程度に設定される。Ｔｉ拡散処理工程における最後の１時間だけ酸素雰囲気中で加熱する理由は、基板１０１に生じた結晶の酸素欠損を補うためである。

こうして、基板１０１上に光導波路１０２が形成される。光導波路１０２の形成方法は、Ｔｉ拡散法に限られず、Ｖ（バナジウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）などの遷移金属を拡散する方法を使用してもよく、安息香酸の溶融塩中に２４時間程度漬け込みプロトン交換を行う方法を採っても良い。

基板１０１として、ＤＡＳＴ（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウム−トシレート）、３ＲＤＣＶＸＹ（ジシアノビニル終端−ジメチル置換−ジアゾ）などの有機系の非線形光学材料を用いる場合、紫外光照射による屈折率変化（フォトブリーチング）法により光導波路を形成することが好ましい。

なお、光導波路１０２の幅および深さは、本実施形態では、いずれも５μｍ程度であるが、光導波路１０２の幅および深さは、導波させる光信号の波長によって最適化される。

次に、光導波路１０２に沿って延びる電極１０３及び１０４を形成する。具体的には、まず、光導波路１０２が形成された基板１０１の上面に電子ビーム蒸着法でアルミニウム膜を蒸着する。電極の材料は、アルミニウムに限定されず、白金、金、チタン、ゲルマニウム、ニッケル等の単体あるいは合金を使用しても良い。金属または他の導電性材料の膜を堆積した後、種々の方法で導電膜をパターニグすることにより、電極１０３、１０４を形成する。電極１０３、１０４のパターニングは、リフトオフ法によって行ってもよい。

なお、電極１０３、１０４を形成する前に、保護膜として機能するＳｉＯ₂、ＨｆＯ₂、ＳｉＮなどの薄膜を基板１０１の上面全体に形成しておくことが好ましい。

次に、電極１０３および１０４の一端に終端抵抗１０５（５０Ω）を橋渡しするように接続し、図１の装置が完成する。終端抵抗１０５により、進行波型光変調器の電極のように、光と電気信号の位相速度の差を緩和することが可能となる。

非線形光学材料の実効的非線形光学定数ｄ_effは、式８に示すように、発生する電気信号のパワーに対して２乗で比例する。

上記の入力光（１）は、導波路に入力される光信号の中心周波数の信号であり、入力光（２）は、サイドバンドの信号である。

以上のことから、実効的非線形光学定数ｄ_effが大きい材料を用いて光導波路を形成することが望ましい。一般に、実効的非線形光学定数ｄ_effは、無機の非線形光学材料よりも有機の非線形光学材料が高いため、有機非線形光学材料を用いる方が光信号の検出感度が向上し、光から電気信号への変換効率が高くなる。比較的大きな実効的非線形光学定数ｄ_effを有する無機結晶の１つであるＬｉＮｂＯ₃結晶の実効的非線形光学定数ｄ_effは３０ｐｍ／Ｖ程度である。これに対して、有機結晶の一つであるＤＡＳＴの結晶実効的非線形光学定数ｄ_effは１０００ｐｍ／Ｖであり、ＬｉＮｂＯ₃結晶の実効的非線形光学定数ｄ_effの３０倍以上の高い値である。このため、本実施形態の基板または光導波路の材料には、ＤＡＳＴを好適に用いることができる。

なお、実効的非線形光学定数ｄ_effは光の入射方向に依存して変化する。このため、ニオブ酸リチウム・タンタル酸リチウム系非線形光学結晶を用いた場合、光の入射方向は誘電主軸のｘｙ面内であることが望ましい。

ニオブ酸系非線形光学結晶のみならず、実効的非線形光学結晶においては、その結晶の持つ結晶系（点群・空間群）により、結晶への光の入射角度と実効的非線形光学定数ｄ_effの変化を表す式が異なるため、その結晶の種類により実効的非線形光学定数ｄ_effが大きくなる角度を選択する必要がある。

例えばＬｉＮｂＯ₃結晶では、単軸性結晶・点群３２であるため、結晶の角度と実効的非線形光学定数を表す式９は、以下のように表現される。

ここで、θは光の入射方向の誘電主軸のｘｚ面内に投影される成分とｚ軸とのなす角、φは光の入射方向の誘電主軸のｘｚ面内に投影される成分とｘ軸とのなす角である。

本発明による光信号−電気信号変換装置では、光導波路部分に分極反転構造を導入することによって、光信号と電気信号の位相速度の差を更に緩和することが可能である。分極反転構造を導入することによって擬似速度整合を行うことができる。結晶への光の角度によって速度整合をとる場合よりも、大きな実効的非線形光学定数ｄ_effを得ることが可能となる。分極反転構造の導入によって、感度を向上させ、かつ、光信号から電気信号への変換効率を大きくすることが可能となる。

（第２の実施形態）
次に、図２を参照しながら、分極を周期的に反転させた構造の光導波路を備えた第２の実施形態を説明する。

本実施形態の基本的な構成は、分極反転構造２０２を有する光導波路２０３を除けば、図１に示す装置の構成と略同様である。すなわち、本実施形態の光信号−電気信号変換装置は、基板２０１と、基板２０１の上面に形成された光導波路２０３と、基板２０１の上面において光導波路２０３を挟んで対向する位置に設けられた一対の電極２０４、２０５とを有している。光導波路２０３の一端に位置する入射部２０３ａに入射した光信号が光導波路２０３を図中左側から右側へ伝搬するとき、非線形光学効果のうちの差周波発生効果によって電界が発生する。一対の電極２０４、２０５は、光導波路２０２に発生する電界が及ぶ領域内に設けられている。また、電極２０４、２０５の一端は、終端抵抗２０６によって相互接続されている。

この装置の各部の材料、サイズ、および製造方法も、基本的には、第１の実施形態に説明したとおりである。異なる点は、分極反転構造２０２の作製を行っている点にあるので、以下、この点を説明する。

本実施形態では、まず、電子ビーム蒸着法により、基板２０１に金属電極を蒸着する。より具体的には、基板２０１の上面には櫛型電極を形成し、裏面には前面電極を形成する。金属電極の材料としては、アルミニウム、白金、金、チタン、ゲルマニウム、ニッケル等の単体あるいは合金を使用するのが望ましい。櫛型電極は、金属膜を基板２０１上に堆積した後、フォトリソグラフィおよびエッチング技術でパターニングすることによって作製しているが、基板上にパターニングされたレジストマスクを形成した後、金属膜を堆積し、リフトオフ法によって形成しても良い。

櫛形電極の形成後、基板２０１の上面側電極と裏面側電極との間に電界を形成し、光導波路２０２の特定領域における分極の向きを他の領域における分極の向きに対して反転させる。

分極反転周期Λ＝２Ｌ_cは、以下の式（１０）または（１１）で算出される。

Ｌ_c＝λ_m／２（ｎ_g−ｎ_m） ・・（式１０）
Ｌ_c＝１／２ｆ_m（１／ｖ_m−１／ｖ_g） ・・（式１１）
ここで、Ｌ_cはコヒーレンス長、ｎ_gは光の屈折率、ｎ_mは電波の屈折率、ｖ_gは光の群速度、ｖ_mは電波の位相速度、λ_mは電磁波の波長、ｆ_mは電波の周波数である。

本実施形態では、光信号としてＨｅ‐Ｎｅレーザ光を用い、ｆ_m：２６ＧＨｚ、ｖ_m：６．４×１０⁷ｍ／ｓ 、ｖ_g：１．３６×１０⁸ｍ／ｓであるため、コヒーレンス長は２．４ｍｍ、分極反転周期は４．７ｍｍとなる。

分極反転構造２０２を形成した後、基板２０１に対して純水、アセトン、アルコール等の液中で超音波洗浄を施す。その後の製造工程は、第１の実施形態について説明したとおりである。

上記の各実施形態では、電極を介して電気信号を検出する構成を特に限定していない。公知の高感度検出回路を用いて電気信号を増幅すればよい。しかし、上記の各実施形態における光信号−電気信号変換装置では、光信号から変換される電気信号が微弱であるため、それを簡単に増幅する機構を備えることが望ましい。

以下、光信号から変換された電気信号を共振器によって増幅する実施形態を説明する。

（第３の実施形態）
以下、本発明による光信号−電気信号変換装置の第３の実施形態を説明する。本実施形態では、光導波路部分に分極反転構造を導入するとともに、電極に誘電体共振器を介してアンテナ（電磁波放射器）を接続している。本実施形態における周期的分極反転構造は、第２の実施形態における構造と同様である。

図３を参照しながら、本実施形態の装置を説明する。

本装置は、筐体３０９内に基板３０１が保持されている。基板３０１上には、第２の実施形態と同様に、周期的分極反転構造を有する光導波路３０２が形成されている。基板３０１の上面において光導波路３０２を挟んで対向する位置には一対の電極３０３ａ、３０３ｂが形成されている。光導波路３０２の一端に位置する入射部に入射した光信号が光導波路３０２を図中左側から右側へ伝搬するとき、非線形光学効果によって電界が発生する。一対の電極３０３ａ、３０３ｂは、光導波路３０２に発生する電界が及ぶ領域内に設けられている。

光出射側３０８に位置する部分には、電磁波放射機構３０６を具備する誘電体共振器３０４が設けられており、光入射側３０７には終端抵抗３０５（５０Ω）が形成されている。

次に、図４（ａ）から（ｃ）を参照しながら、本実施形態の装置の構成を更に詳しく説明する。図４（ａ）は、本実施形態の光信号−電気信号変換装置から共振器を取り除いた状態の主要部を示す斜視図であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図であり、（ｃ）は、Ｂ−Ｂ’線断面図である。

図４（ｂ）に示すように、筐体３０９内に保持された基板３０１の光導波路３０２には、分極反転構造４０３が形成されている。分極反転構造４０３は、基板材料の分極方向が反転した領域が周期的に配列されたものである。配列の周期は入力された光信号のコヒーレント長に等しく設定されている。本実施形態における光導波路３０２は、波長６３３ｎｍの光信号を伝播するように設計されている。

筐体３０９は、基板３０１の底面および側面を覆う金属製ケースであり、基板３０１の光信号入出力部分に対応する部分には切り欠きが形成されている。外界の電磁波の影響を小さくするためには、筐体３０９は図示しないカバー部によって基板３０１の上面を覆う形状を有することが好ましい。

電極３０３（３０３ａ、３０３ｂ）は、図４（ｃ）に示すように、光導波路３０２に沿って形成され、光導波路３０２に発生する微小な電界を検出できる。本実施形態における電極３０３ａ、３０３ｂの一部は、基板３０１の上面から内部に埋め込まれているが、このような構造を有しない電極であってもよい。例えば、基板３０１の上面に堆積した金属膜をパターニングすることによって得られる電極を用いても良い。

次に、図５（ａ）および（ｂ）を参照しながら、誘電体共振器部分および電磁界放射機構を説明する。図５（ａ）は、誘電体共振器の概略構成を示しており、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。

誘電体共振器３０４は、共振器内部の電磁界を外部から遮蔽する金属製筐体５０１と、筐体５０１の内部に配置された高誘電率誘電体５０３とを備えている。高誘電率誘電体５０３と筐体５０１との間には、相対的に誘電率の低い材料（例えば商品名テフロン（登録商標））が挿入されており、この低誘電率材料によって高誘電率誘電体５０３が取り囲まれ、保持されている。

本実施形態の高誘電率誘電体５０３は、２つの部分に分かれており、その間隙には共振器内部における電界を増大させるためのスリット５０５が形成されている。また、筐体５０１には、高誘電率誘電体５０３のスリット５０５に対向する位置に電磁波放射のためのスリット５０４が設けられている。

誘電体共振器３０４の高誘電率誘電体５０３は、図６に示すように、マイクロストリップ線路５０２ａ、５０２ｂに電磁的に結合している。図６は、図３に示す本実施形態の装置を他の角度から見た斜視図である。図６からわかるように、マイクロストリップ線路５０２ａ、５０２ｂの一端は、それぞれ、アルミナ基板６０２ａ、６０２ｂ上に形成されており、ボンディングワイヤ６０５ａ、６０５ｂを介して電極３０３ａ、３０３ｂの支線に接続されている。

光信号が光導波路を伝播したときに電極３０３ａ、３０３ｂに有機された電気信号は、図６のボンディングワイヤ６０５ａ、６０５ｂを介してマイクロストリップ線路５０２ａ、５０３ａに伝達され、誘電体共振器３０４の内部に導かれる。この電気信号は、誘電体共振器３０４の内部で共振するように誘電体共振器３０４の各種パラメータが設計されている。

誘電体共振器３０４の内部で共振によって電気信号のエネルギを効率的に蓄えるためには、スリット５０５を選択的に開閉するスイッチを誘電体共振器３０４に設けることが好ましい。このスイッチを閉じているとき、電磁界の外部漏洩が抑制され、共振器のＱ値が高くなるため、電気信号のエネルギが増幅される。スイッチを開放することにより、共振器内で増幅されたエネルギを持つ電気信号が電磁波として共振器の外部に放射されことになる。

開放状態のスリット５０５では共振器の内部に比較して誘電率が急激に小さくなるため、高誘電率誘電体５０３を伝播してきた電気信号の電磁界はスリット５０５の部分で急激に増大することになる。このようにして電界が増大する部分の近傍に筐体５０１のスリット５０４が配置されているため、マイクロストリップ線路５０２ａ、５０２ｂを伝播してきた電気信号は電磁波に変換され、スリット５０４から共振器の外部に放射されることになる。

本実施形態における誘電体共振器３０４は、ＴＭ₁₁δモードで共振するように設計されている。例えば２６ＧＨｚの電気信号を電磁波として放射する場合、スリット５０４の長さは約３ｍｍ、幅は０．６ｍｍに設定される。

真空の誘電率をε₀、誘電体共振器３０４の内部の比誘電率ε_rを２４、スリット５０４における比誘電率ε_rを１とすると、電束密度Ｄはε_rε₀Ｅに等しく、誘電体共振器３０４の内部でもスリット５０４の部分でも一定である。このため、電界Ｅは、比誘電率の高い共振器内部からスリット５０４を介して共振器外部にでるとき、２４倍の大きさに強められることになる。また、誘電体共振器３０４の内部には、電界エネルギが蓄えられるため、発生する電界エネルギそのものを共振器によって大きくすることが可能となる。本実施形態では、誘電体共振器３０４のＱ値を２０００程度に設定することが可能である。

基板３０１をＤＡＳＴ結晶から形成する場合、光信号が光導波路を伝播するときに電極間に発生する電界は８０μＶ／ｍ程度であるが、本実施形態の共振器を用いることにより、２０００倍を超える大きさに高めることができる。

高誘電率誘電体５０３は、例えばＭｇＹｉＯ₃−ＣａＴｉＯ₃系セラミックスから形成される。断面は１ｍｍ角、長手方向の長さは５ｍｍである。

本実施形態における筐体５０１は、例えば、断面が３ｍｍ角で長手方向サイズが１５ｍｍの矩形形状を有している。筐体５０１と高誘電率誘電体５０３との間はＰＴＦＥで充填された構造となっている。

高誘電率誘電体５０３は、Ｚｒ−ＴｉＯ₄・ＢａＴｉＯ₃に代表される誘電体セラミックス材料を使用してもよい。誘電体材料によって誘電率が異なるため、筐体５０１の寸法および誘電体共振器３０４の寸法を変更する必要がある。

本実施形態における共振器は、ＴＭ₁₁δモードで共振するように設計されているが、ＴＥ₁₀モードなどの他のモードで共振するように設計しても良い。また、本実施形態では、電磁波放射機構として機能するスリット５０４を共振器３０４の筐体５０１に設けているが、導体電極を共振器筐体に接地させない状態で設けることにより、電波の放射量を大きくすることが可能である。共振器３０４の筐体５０１に設けたスリット５０４は、スロットアンテナとして動作するが、スリット５０４に更に他の誘電体共振器を設置し、スリット５０４を誘電体アンテナとして動作させてもよい。

以上説明してきたように、上記の各実施形態の光信号−電気信号変換装置によれば、光導波路に光信号を入力し、伝播させることにより、光信号を電気信号に変換することができる。そして、その電気信号を共振器によって増幅するため、超高速変調光を正確に検出することが可能となる。

また、光導波路、電極、共振器、およびアンテナを基材上に一体的に設けることにより、装置を小型化できるため、各種通信機器や電気機器間での情報の授受を行う際に、それらの通信機器に組み込むことが容易である。

このように、本発明の実施形態によれば、光ファイバーなどの光信号伝送手段を通して送られてきた光信号を無線信号に変換させることが容易であり、通信機器や電気機器を無線によって相互に制御することが簡単に行える。また、既存の電化製品を無線で制御するネット家電の普及をより促進することが可能となる。

上記の実施形態によれば、光導波路を用いて光信号を検出するため、擬似速度整合により、感度および変換効率を高めることが可能となる。特に、周期的分極反転構造を用いる場合、分極反転周期および光導波路、誘電体共振器を適切に設計することにより、任意の波長及び周波数の光信号の検出に適用することが可能である。

なお、本発明で用いる種々の材料や素子の構成は、上述の実施形態に限定されないことは言うまでもない。上記誘電体材料、非線形光学材料以外の材料を用いて本発明の光信号−電気信号変換装置を実現することができる。

本発明によれば、電荷（キャリア）のドリフトを利用せずに光信号を電気信号に変換することができるため、高速な応答が達成できる。また、光信号から変換された電気信号を共振器で増幅し、アンテナから電磁波として放射することにより、光信号から無線信号への高効率な変換が実現する。本発明によれば、小型で高速動作の可能な光信号−電波信号変換装置を提供することができる。

本発明による光信号−電気信号変換装置の実施形態を示す斜視図である。 本発明による光信号−電気信号変換装置の他の実施形態を示す斜視図である。 本発明による光信号−電波信号変換装置の更に他の斜視図である。 （ａ）は、図３の光信号−電気信号変換装置から共振器を取り除いた状態の主要部を示す斜視図であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図であり、（ｃ）はＢ−Ｂ’線断面図である。 （ａ）は、図３の光信号−電気信号変換装置における誘電体共振器アンテナの斜視図であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図である。 図３の装置における電極と誘電体共振器との接続を示す斜視図である。

Claims (13)

1. 変調された光信号を受け取り、伝搬する光導波路と、
   前記光信号が前記光導波路を伝搬するときに、非線形光学効果によって前記光導波路に発生する電界が及ぶ領域に設けられた一対の電極と、
   を備えた光信号−電気信号変換装置であって、
   前記光導波路は、誘電体基板上、または前記誘電体基板中に形成されており、前記一対の電極は、前記誘電体基板の上面において前記光導波路を挟んで対向する位置に設けられており、前記光導波路に発生する電界の変化を検出する、光信号−電気信号変換装置。
2. 前記一対の電極に結合された共振器であって、前記電界によって前記一対の電極に誘起された電気信号を受け取って励起される共振器を更に備えている請求項１に記載の光信号−電気信号変換装置。
3. 前記光信号は、変調周波数ｆ_mに応じたサイドバンド信号を含んでいる請求項１または２に記載の光信号−電気信号変換装置。
4. 前記光導波路および前記誘電体基板の少なくとも一部は、非線形光学材料から形成されており、前記光信号が前記光導波路を伝搬するとき、差周波発生によって前記電界を発生させる請求項１に記載の光信号−電気信号変換装置。
5. 前記共振器に連結された電磁波放射器を更に備えており、前記電気信号を無線信号として放射する、請求項４に記載の光信号−電気信号変換装置。
6. 前記共振器および前記電磁波放射器が前記基板と一体化されている請求項１に記載の光信号−電気信号変換装置。
7. 前記共振器と前記電極とは、前記誘電体基板に形成されたマイクロストリップ線路によって接続されている、請求項６に記載の光信号−電気信号変換装置。
8. 前記光信号は、変調周波数は１０ＧＨｚ以上である請求項１に記載の光信号−電気信号変換装置。
9. 前記光導波路に結合した光入射部を更に備えている請求項１に記載の光信号−電気信号変換装置。
10. 前記非線形光学材料は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）系材料、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ₄）系材料、希土類カルシウムオキシボレート（ＲＥＣａ₄Ｏ（ＢＯ₃）₃ ＲＥ：希土類元素）系材料、ＤＡＳＴ（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウム−トシレート）、および、３ＲＤＣＶＸＹ（ジシアノビニル終端−ジメチル置換−ジアゾ）からなる群から選択された材料である請求項４に記載の光信号−電気信号変換装置。
11. 前記光導波路は、分極方向が他の部分の分極方向と異なる周期的分極反転構造を有している請求項１に記載の光信号−電気信号変換装置。
12. 前記一対の電極を電気的に接続する抵抗を更に備えている請求項１に記載の光信号−電気信号変換装置。
13. 前記誘電体基板を収納する筐体を更に備えている請求項１に記載の光信号−電気信号変換装置。