JP3847274B2 - 光変調素子及び通信システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調素子及び通信システムに関し、特に、無線に用いられる数ＧＨｚ以上の高周波信号を光によって伝送させるための光変調素子及び通信システムに関している。
【０００２】
【従来の技術】
光信号を用いて通信や情報処理を行うシステムでは、電気信号（例えばマイクロ波やミリ波のような高周波信号）で光の位相や強度を変調することが必要である。このような光の変調方法には、直接変調と外部変調がある。
【０００３】
直接変調は、図１（ａ）に示すように、半導体レーザなどの光源を駆動する電流を直接変調することにより、光源から出力される光そのものの強度を変調する方式である。直接変調は、光源の外部に変調器を設ける必要がないため、システムの小型化に適しているが、数ＧＨｚ以上の高周波での光変調は困難であり、その上、半導体レーザ光の持つチャーピングにより、長距離のファイバ伝送が制限される。
【０００４】
これに対し、外部変調は、図１（ｂ）に示すように、半導体レーザなどの光源から出力された光（出力の安定した光）を光変調素子に入力し、光変調素子によって光の位相や強度を変調する。光の変調は、電気光学効果、音響光学効果、磁気光学効果、非線形光学効果などを用いて行うことが可能である。
【０００５】
上述のように、半導体レーザを直接的に変調する方法によっては、超高速光変調を達成することが困難であるため、高速動作の可能な外部変調型の素子開発が急がれている。外部変調型の素子の中でも、ポッケルス効果を有する誘電体結晶を用いた電気光学光変調素子は、超高速での動作が可能であり、また、変調に伴う位相の乱れも少ないという利点を有している。このため、この電気光学光変調素子は、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。また、電気光学光変調素子を用いて光導波路構造を作製すれば、素子の小型化と効率化とを一挙に実現できる可能性がある。
【０００６】
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（信号電極）として変調信号を伝搬させる伝送線路と、この伝送線路の近傍に形成された光導波路とによって構成されている。そして、変調電極の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、それによって光導波路中を伝搬する光波の位相を変化させる。
【０００７】
電気光学光変調素子に用いられる通常の結晶では、電気光学係数が比較的小さい。電気光学係数は、光変調の基本となるパラメータである。したがって、電気光学光変調素子では、電界を光導波路に効率良く印加することが重要となる。
【０００８】
図２は、電気光学光変調素子の基本構造を示す断面図である。電気光学効果を有する結晶（電気光学結晶）の基板表面領域に光導波路が形成されており、光導波路の上には変調用電極が形成されている。
【０００９】
電気光学結晶は光学的異方性を有しており、印加される電界の大きさに略比例して屈折率が変化する（ポッケルス効果）。このため、変調電極に与える電位Ｖを調節することにより、光導波路の屈折率ｎを変化させることができる。光導波路の屈折率変化量Δｎは、光導波路に印加される電界Ｅに比例する。光導波路の屈折率がΔｎだけ変化すると、図２に示すように、出力光の位相がΔφだけ変化する。位相の変化量Δφは、一般に、電界強度Ｅと光導波路の長さＬの積に比例する。
【００１０】
光導波路に電界を形成するための変調信号は、光変調素子の外部から入力線路を介して光変調素子の電極に与えられるため、変調信号の入力を効率良く行うことが重要となる。
【００１１】
次に、図３を参照しながら、従来の光変調素子をさらに詳しく説明する。図３は、従来の光変調素子の平面図であり、この光変調素子は、特許文献１に開示されている。
【００１２】
図３の光変調素子は、電気光学効果を有する材料からなる基板１０１と、基板１０１の表面部に形成された光導波路１１２とを備えている。光導波路１１２は、基板１０１の一部に金属を熱拡散することなどによって形成されている。
【００１３】
基板１０１の表面において、光導波路１１２の左右両側には、アルミニウムや金などの金属膜からなる平行結合線路１３が設けられており、基板１０１の裏面上には、金属膜からなるグランドプレーン１１４が設けられている。平行結合線路１１３は、互いに平行な２つの線路１１３ａ、１１３ｂによって構成されている。
【００１４】
この従来例では、平行結合線路１１３の各線路１１３ａ、１１３ｂは単一線路１２４によって互いに結合されているが、同公報には、２つの線路１１３ａ、１１３ｂが結合されていない構造も開示されている。
【００１５】
線路１１３ｂの一部分に、タップ１２８を介して接続された入力端子１２９が設けられており、入力端子１２９とグランドプレーン１１４との間には高周波信号源１１９が接続されている。
【００１６】
入力光は、光導波路１１２の一方の端部から導入され、光導波路１１２のうち平行結合線路１１３の各線路１１３ａ、１１３ｂの間隙部１１６に位置する部分を通過した後、光導波路１１２の他方の端部から出力光として出力される。このとき、入力端子１２９と平行結合線路１１３とが磁界結合された状態となるので、高周波信号源１１９から高周波信号が供給されると、平行結合線路１１３の各線路１１３ａ、１１３ｂに高周波信号が伝搬し、間隙部１１６に電界が生じる。この電界強度に応じて、電気光学効果により光導波路１１２の屈折率が変化する。その結果、出力光の位相が変化し、本光変調素子は位相変調器として動作する。
【００１７】
ここで、平行結合線路には、通常、偶モードと奇モードの２種類のモードが存在する。そして、奇モードでは平行結合線路を構成する２本の線路の電圧が互いに反転することとなるため、間隙部に非常に大きな電界が誘起される。図３に示す光変調素子では、変調信号によって平行結合線路１１３の各線路１１３ａ、１１３ｂに奇モードを励振させることにより、高い効率の光変調が可能となる。
【００１８】
【特許文献１】
米国特許第５,４００,４１６号明細書
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
今後、光変調素子が光通信システム等の中で汎用的に使用されるためには、前記従来の光変調素子の特性に改善の余地が残されている。つまり、より効率の高い光変調素子の開発が求められている。
【００２０】
本発明の主たる目的は、光通信システムなどに組み込み得る高効率の光変調素子の提供を図ることにある。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
本発明の光変調素子は、少なくとも一部が電気光学効果を有する基板に形成されており、そして２つの分岐光導波路を具備している光導波路と、前記基板の表面に形成され、電磁気的に互いに結合した第１、第２、および第３の導体線路を有し、前記光導波路に変調電界を印加する変調電極と、前記基板の裏面に形成され、前記第１の導体線路とともに第１のマイクロストリップ線路を形成し、前記第２の導体線路とともに第２のマイクロストリップ線路を形成し、前記第３の導体線路と共に第３のマイクロストリップ線路を形成する接地導電層と、前記変調電極に光変調用高周波信号を供給する電気信号入力部と、を備え、前記第３の導体線路は、第１の導体線路および第２の導体線路の間に挟まれ、前記第１の導体線路の内側端は、一方の前記分岐光導波路の直上に位置しており、前記第２の導体線路の内側端は、他方の前記分岐光導波路の直上に位置しており、前記第１の導体線路と第２の導体線路には異なる符号の電位が印加され、前記第３の導体線路の電位は０である。
【００３８】
好ましい実施形態において、前記第１、第２、および第３の導体線路を、少なくとも一方の端部において、相互に接続する接続部材をさらに有している。
【００４１】
好ましい実施態様において、前記電気信号入力部は、前記接地導電層とともにマイクロストリップ線路を形成する入力線路を有しており、前記入力線路は、前記第１の導体線路に接続されている。
【００４３】
本発明の通信システムは、上記いずれかの光変調素子と、前記光変調素子に光を入力する入力部と、前記光変調素子に前記変調用高周波信号を供給する制御部と、を備えている。
【００４４】
（参考形態１）
以下、図４（ａ）から図４（ｃ）を参照しながら、本発明による光変調素子の第１の参考形態を説明する。図４（ａ）は、本参考形態に係る光変調素子の平面構成を示し、図４（ｂ）は、その導波路を垂直に横切る断面を示している。図４（ｃ）は、この光変調素子の変調電極が形成する電界の強度分布を模式的に示している。
【００４５】
本参考形態に係る光変調素子は、図４（ａ）に示すように、電気光学効果を有する基板１１の表面部に安息香酸を用いたプロトン交換法などを用いて形成された光導波路１２を有している。基板１１は、例えばタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）単結晶やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）単結晶などの材料から形成される。
【００４６】
光導波路１２は、２箇所の分岐点１８ａ、１８ｂで２つの分岐光導波路１２ａ、１２ｂに分岐している。入口側光導波路１２ｘから入力された入力光は、一方の分岐点１８ａで分岐して２つの分岐光導波路１２ａ、１２ｂを通過した後、他方の分岐点１８ｂで結合し、共通の出口側光導波路１２ｙを進む。このような構成の光導波路１２は、「マッハツェンダ干渉計型光導波路」と称されている。
【００４７】
基板１１の上には、光導波路１２の各分岐光導波路１２ａ、１２ｂに沿うように延びる２つの線路１３ａ、１３ｂから形成された平行結合線路１３が設けられている。各線路１３ａ、１３ｂの各内側端は、各分岐光導波路１２ａ、１２ｂのほぼ中央部の直上に位置するように形成されている（図４（ｂ））。各線路１３ａ、１３ｂの両端部は、接続線路１６ａ、１６ｂを介して、互いにつながっている。
【００４８】
さらに基板１１の上には、平行結合線路１３の一方の線路１３ｂに接続された入力線路（給電線路）１５が設けられており、この入力線路を介して、変調用電気信号（高周波信号）が入力される。
【００４９】
平行結合線路１３の各線路１３ａ、１３ｂ、接続線路１６ａ、１６ｂ及び入力線路１５は、真空蒸着法によって堆積されたアルミニウムや金などの金属からなる膜をフォトリソグラフィ及びエッチング技術を用いてパターニングすることによって得られる。基板１１の裏面には、同様の方法で作製されたグランドプレーン（接地された導電層）１４が設けられている。
【００５０】
なお、図４（ｂ）には示されていないが、線路１３ａ、１３ｂと基板１１との間には、ＳｉＯ2などからなる絶縁性のバッファ層が形成されていることが好ましい。
【００５１】
本参考形態の光変調素子における変調電極は、電磁気的に結合した線路１３ａ、１３ｂ、および接続線路１６ａ、１６ｂによって構成されている。そして、線路１３ａとグランドプレーン１４との間には第１のマイクロストリップ線路が形成され、線路１３ｂとグランドプレーン４との間には第２のマイクロストリップ線路が形成されている。変調のために入力された電気信号は、これらのマイクロストリップ線路を伝搬する。
【００５２】
変調対象となる光（レーザ光）は、入口側光導波路１２ｘから入力され、各分岐光導波路１２ａ、１２ｂを通過する際に、以下のようにして変調作用を受ける。
【００５３】
なお、本参考形態では、光を変調するための電気信号（高周波信号）を入力線路１５を介して平行結合線路１３の各線路１３ａ、１３ｂに供給する。このとき、入力線路１５を介して平行結合線路１３を伝搬する高周波信号の波長は、その周波数や基板の誘電率などによって決まる。本参考形態では、各線路１３ａ、１３ｂの長さや幅などの設計パラメータが入力される高周波信号の波長に応じて適切な値に設定されているため、所定の高周波信号を入力線路１５に与えると、平行結合線路１３で共振が生じる。
【００５４】
このような共振が生じると、平行結合線路１３の間隙部１７には、図４（ｂ）に点線で示すような電界が形成される。このとき、信号電力が共振器内に蓄積されるため、電界の強度が極めて大きくなる。この電界は、共振周波数で振動し、その向きおよび強度が周期的に変化する。このような振動電界が光導波路またはその近傍に形成されると、電気光学的効果により、分岐光導波路１２ａ、１２ｂを構成する材料の屈折率が電界強度に応じて周期的に変化する。
【００５５】
本参考形態では、図４（ｂ）に示すように、分岐光導波路１２ａおよび分岐光導波路１２ｂに互いに上下逆方向の電界が印加される。このため、基板１１が例えばｚカットのタンタル酸リチウム結晶から形成されている場合、２つの分岐光導波路１２ａ、１２ｂを通る光に対して、互いに逆の位相変化が与えられる。その結果、出口側光導波路１２ｙでは、分岐光導波路１２ａ、１２ｂを通過した２つの光の干渉が生じ、この干渉によって出力光の強度が変化する。こうして、本参考形態の光変調素子は、光強度変調器として動作することになる。
【００５６】
ここで、平行結合線路１３における共振モードについて説明する。
【００５７】
本参考形態における平行結合線路１３の各線路１３ａ、１３ｂは、互いに独立した２本の平行伝送線路であり、電磁気的に結合するように配置されている。一方の線路１３ａとグランドプレーン１４とによって１つの伝送線路（マイクロストリップ線路）が構成され、他方の線路１３ｂとグランドプレーン１４とによってもう１つの伝送線路（マイクロストリップ線路）が構成されている。これらの２つの伝送線路は、互いに平行かつ近接して配置されているため、電磁気的に結合し、平行結合線路１３が形成される。
【００５８】
伝送線路は、上記の構成を有するものに限定されず、往路と復路との２本の線路を備え、電磁波が伝搬可能なものであればよい。その場合、往路と復路のうちの一方の線路（本参考形態における線路１３ａ又は１３ｂ）が通常の線路電極（ストリップ電極、ホット電極などと呼ばれる）であり、他方の線路が接地電極（本参考形態におけるグランドプレーン１４）である。
【００５９】
平行結合線路１３は、単独でも存在しうる２つの伝送線路が互いに結合することにより構成されているため、共振モードとして、互いに独立な偶モードと奇モードの２種類の伝搬モードが存在する。
【００６０】
図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ、図４（ｂ）に示す断面における偶モードおよび奇モードの電界（実線）および磁界（破線）を模式的に示している。偶モードとは、図５（ａ）に示すように、２本の線路電極の電圧が等しい（同相の）モードである。偶モードでは、各線路電極と接地電極との間に電界が形成されるが、線路間の間隙部（図４（ｂ）に示す間隙部１７）にはほとんど電界が形成されない。
【００６１】
これに対し、奇モードは、図５（ｂ）に示すように、結合した２本の平行線路の電圧の正負が逆の（逆相の）モードである。奇モードでは、電界が、各線路と接地電極との間だけでなく、線路間の間隙部（図４（ｂ）に示す間隙部１７）にも形成される。結合した２つの線路が接近している場合には、線路間の間隙部に特に大きな電界が形成される。
【００６２】
本参考形態では、平行結合線路の各線路１３ａ、１３ｂに奇モードの共振が生じるように、各線路１３ａ、１３ｂの長さおよび幅、ならびに入力線路と線路１３ｂとの接続位置を調節している。具体的には、各線路１３ａ、１３ｂの長さを、高周波変調信号の波長の半分に設定している。また、後述するように、奇モードの信号伝搬の反射を抑制するように、入力線路１５と線路１３ａとの接続箇所を適切な位置に設定している。このため、平行結合線路３に１／２波長の奇モード共振が生じ、その結果、２本の線路１３ａ、１３ｂ間の間隙部１７には大きな電界が誘起されるため、極めて高い効率の光変調が可能となる。
【００６３】
なお、本参考形態では、平行結合線路１３の両端が接続線路１６ａ、１６ｂによって接続されているため、線路１３ａと線路１３ｂとの間に生じる電圧の分布状態は、図４（ｃ）に示すように、線路１３ａ、１３ｂの両端で０、中央で最大となる三角関数状である。線路１３ａ、１３ｂ間の電界の向きは、どの部分でも同じであるため、１／２波長の線路長の全体に亘って、光が１つの線路１３ａ（又は１３ｂ）の下方の分岐光導波路１２ａ（又は１２ｂ）中を通過する間に受けた位相変化が相殺されることなく、足し合わされ続けるので、高い変調効率が得られる。
【００６４】
本参考形態の光変調素子を適切に動作させるためには、変調信号によって平行結合線路１３に奇モードによる共振を効率よく起こさせる必要がある。本参考形態では、入力インピーダンスと整合のとれる位置に入力線路１５を接続することで、奇モードによる共振を容易に実現することができる。
【００６５】
以下、本参考形態の光変調素子および従来の構造を有する光変調素子（比較例）について、電磁界シミュレーションにより、素子特性を解析した結果を説明する。
【００６６】
図６は、電磁界シミュレーションに用いた平行結合線路及び入力線路の平面寸法及び接続位置を示す平面図である。図７は、電磁界シミュレーションによって得られた光変調素子の共振状態における反射損特性を示すグラフである。
【００６７】
この解析において、基板１１を、厚さ０．４ｍｍのｚカットのタンタル酸リチウム結晶（比誘電率４１）とし、平行結合線路１３の各線路１３ａ、１３ｂの幅を０．０５ｍｍとし、間隙部１７の幅を０．０２ｍｍとし、入力線路１５の幅を特性インピーダンスが５０Ωとなるよう０．０５ｍｍとした。各線路１３ａ、１３ｂ、１６ａ、１６ｂ、１５を構成する材料は金であり、膜厚は２μｍとしている。平行結合線路１３の各線路１３ａ、１３ｂの長さと、入力線路１７−線路１３ｂ間の接続位置とは、電磁界シミュレータを用いて、奇モードが１０ＧＨｚで共振し、かつ、その周波数で、入力線路１７に入力された信号の反射が最も少なくなるよう、言い換えれば、入力インピーダンスが整合するように決定した。
【００６８】
その結果、図６に示すように、平行結合線路１３の各線路１３ａ、１３ｂの長さは３ｍｍ、入力線路１５の位置は平行結合線路１３の中央から０．６９ｍｍとなる。この場合、図６からわかるように、共振点で入力信号の反射はなくなり、ほぼすべての信号電力が共振器に入力されている。等角写像法による計算によると、この場合の光変調効率は、２本の分岐光導波路中の光波にπの位相差を与えることになる。言い換えれば、光出力を０から最大まで変化させるのに必要な電力は約０．４３Ｗとなることがわかった。この電力は、従来の光変調素子に比べて少なく、本参考形態によれば、高い変調効率を実現できる。
【００６９】
図８（ａ）は、平行結合線路１３に入力する高周波信号の波形を示し、図８（ｂ）は、本参考形態の光変調素子の出力光強度／入力光強度の比を示し、図８（ｃ）は、比較例の出力光強度／入力光強度の比を示している。図８（ａ）のグラフの縦軸は、高周波信号の電圧であり、横軸は時間である。図８（ｂ）および図８（ｃ）のグラフの縦軸は、入力光強度に対する出力光強度の比であり、横軸は時間である。入力光強度に対する出力光強度の比は、光導波路の損失を無視して計算した。
【００７０】
２本の分岐光導波路の間にはπ／２位相バイアスを印加している条件のもとで、シミュレーションを行った。解析に用いた比較例の光変調素子において、共振周波数（１０ＧＨｚ）、線路１１３ａ、１１３ｂの幅および厚さは、本参考形態の各線路１３ａ、１３ｂと同じとし、かつ、光導波路１１２を２つに分岐させている。各線路の長さ（１．５ｍｍ）と、入力線路１２９−線路１１３間の接続位置は、電磁界シミュレータを用いて、奇モードが１０ＧＨｚで共振し、入力インピーダンスが整合するように設定している。
【００７１】
図８（ｂ）のグラフと図８（ｃ）のグラフとを比較すると、本参考形態の光変調素子の光変調効率が、比較例の光変調効率よりも大きく向上していることがわかる。本参考形態で光変調効率が向上する理由は、以下のとおりであると考えられる。
【００７２】
まず、平行結合線路１３を構成する２本の線路１３ａ、１３ｂの両端を接続線路１６ａ、１６ｂによって接続したことにより、図４（ｃ）に示すように、１／２波長の共振器として機能する平行結合線路１３を実現することができる。これに対し、図３に示す従来の光変調素子の平行結合線路１１３では、１／４波長の共振状態しか実現できない。
【００７３】
このように、本参考形態によれば、奇モードの共振を生じさせた時、２つの接続線路１６ａ、１６ｂが共振の節となり得るが、図３に示す従来の光変調素子における平行結合線路１１３ａ、１１３ｂでは、奇モードのインピーダンス整合をとると、開放端が共振の節ではなく腹になる。本参考形態では、１／２波長の奇モード共振を生じさせることができるため、分岐光導波路１２ａ、１２ｂのうち、高周波変調信号の１／２波長に相当する長さを有する部分を通過する光に変調を加えることができ、図３の光変調素子に比べて光変調効率が向上する。
【００７４】
次に、図９（ａ）および図９（ｂ）を参照しながら、１０ＧＨｚで共振する電極構造を有する光変調素子と２６ＧＨｚで共振する電極構造を有する光変調素子の参考例を説明する。
【００７５】
上記２つの光変調素子は、それぞれ、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すサイズおよびレイアウトの変調電極構造を有している。基板は、ｚカットのＬｉＴａＯ3（厚さ０．４ｍｍ）を用い、安息香酸を用いたプロトン交換により、基板表面に幅５μｍのマッハツェンダ型の光導波路を形成した。
【００７６】
光導波路が形成された側の基板表面を厚さ０．１３μｍのＳｉＯ2層からなるバッファ層によって覆った後、そのバッファ層上に真空蒸着法によってアルミニウム膜（厚さ０．９μｍ）を堆積した。フォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いて、このアルミニウム膜をパターニングし、アルミニウムからなる平行結合線路や入力線路を同時に形成した。平行結合線路の幅は５０μｍ、間隙部の幅を２０μｍ、入力線路の幅は１１０μｍとした。なお、図９（ａ）および（ｂ）では、平行結合線路の幅と入力線路の幅の大小関係は実際のスケールを反映してない。
【００７７】
変調の実験では、波長１．３μｍの光を用いて行った。測定によって求めた変調特性を示すグラフを図１０に示す。図１０に示すグラフは、縦軸が反射損を示し、横軸が周波数を示している。また、グラフ中において、実測データは実線で示され、電磁界シミュレーションによって求めたデータは破線で示されている。
【００７８】
図１０に示す結果から、共振器の信号電力の蓄積度を示す指数である無負荷Ｑ値が約３０であることがわかった。これは、共振器に入力された信号電力の約３０倍の電力が共振器に蓄積されていることを意味している。この結果から、本参考形態の変調電極を用いることにより、極めて高い変調効率を実現できることが確認された。図１１は、縦軸が光変調素子の出力を示し、横軸は時間を示している。
【００７９】
これらの図からわかるように、１０ＧＨｚの高い周波数で共振する変調電極を備えた光変素子が得られた。なお、１００ｍＷの高周波信号を投入したときの変調指数は０．２ｒａｄであった。変調光のスペクトルを図１２に示す。
【００８０】
図１３は、２６ＧＨｚで共振する電極を有する光変調素子における変調電極の反射特性（実測値）を示すグラフである。
【００８１】
図１３に示す結果から、無負荷Ｑ値が約６０であることがわかった。この結果からも、本参考形態の変調電極を用いることにより、極めて高い変調効率を実現できることが確認された。変調光のスペクトルを図１４に示す。
【００８２】
上記何れの光変調素子でも、奇モードでの共振が生じている。平行結合線路では、偶モードでの共振も生じ得るが、同一の電極構造においても、奇モードと偶モードとの間に共振周波数やインビーダンスに差異が存在する。所定周波数の高周波信号に対して奇モードのみが励振されるように、本実施例では、平行結合線路の長さ、間隙部の幅、入力線路との接続位置などが調節されている。
【００８３】
（参考形態２）
次に、図１５（ａ）から（ｃ）を参照しながら、本発明の光変調素子の第２の参考形態を説明する。図１５（ａ）は、本参考形態に係る光変調素子の平面構成を示し、図１５（ｂ）は、基板の残留分極の極性が逆の領域を示している。図１５（ｃ）は、平行結合線路における電界強度の分布を示している。
【００８４】
本参考形態に係る光変調素子には、図１５（ａ）に示すように、電気光学効果を有する基板２１の表面部に安息香酸を用いたプロトン交換法などを用いて形成された光導波路２２を有している。基板２１は、例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）単結晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）単結晶などの材料から形成される。
【００８５】
光導波路２２は、２箇所の分岐点２８ａ、２８ｂで２つの分岐光導波路２２ａ、２２ｂに分岐しており、入口側光導波路２２ｘから入力された入力光が一方の分岐点２８ａで分岐して２つの分岐光導波路２２ａ、２２ｂを通過した後、他方の分岐点２８ｂで共通の出口側光導波路２２ｙを進むように構成されている。
【００８６】
基板２１の上には、光導波路２２の各分岐光導波路２２ａ、２２ｂに沿うように延びる２つの線路２３ａ、２３ｂからなる平行結合線路２３が設けられている。各線路２３ａ、２３ｂの各内側端は、各分岐光導波路２２ａ、２２ｂのほぼ中央部の直上に位置するように形成されている。さらに、基板２１の上には、平行結合線路２３の一方の線路２３ｂに接続され平行結合線路２３に共振を起こさせる入力信号を印加するための入力線路２５が設けられている。平行結合線路２３の各線路２３ａ、２３ｂ、接続線路２６ａ、２６ｂ及び入力線路２５は、真空蒸着法、フォトリソグラフィ及びエッチングなどのプロセスを用いて形成されたアルミニウムや金などの金属膜によってそれぞれ構成されている。また、基板２１の裏面には、金属膜の蒸着法などを用いて形成されたグランドプレーン２４が設けられている。以上の構成は、基本的には、第１の参考形態の光変調素子と同じである。
【００８７】
本参考形態では、第１の参考形態とは異なり、各線路２３ａ、２３ｂの両端部が互いに接続されることなく開放端となっている。また、基板２１は、互いに残留分極の方向（電気光学係数の正負）が異なる２つの領域２１ａ、２１ｂ（ドメイン）に分かれている。つまり、本参考形態においては、平行結合線路２３を構成する２つの線路２３ａ、２３ｂの各前半部分の下方に位置する領域と、２つの線路２３ａ、２３ｂの各後半部分の下方に位置する領域とは、互いに極性が異なる残留分極を有している。
【００８８】
本参考形態では、２つの線路２３ａ、２３ｂの各後半部分の下方に位置する領域２１ａが第１極性（正又は負）の残留分極を有していおり、それ以外の領域２１ｂ、つまり２つの線路２３ａ、２３ｂの各前半部分の下方に位置する領域を含む領域２１ｂが第２極性（負又は正）の残留分極を有している。言い換えると、領域２１ａの残留分極は他の領域２１ｂとは反転した残留分極を有している。
【００８９】
入力光は、入口側光導波路２２ｘから導入され、各分岐光導波路２２ａ、２２ｂを通過する際に、以下のように、光変調作用を受ける。
【００９０】
入力線路２５から高周波信号が入力されて、平行結合線路２３の各線路２３ａ、２３ｂに共振が生じると、間隙部２７には図４（ｂ）に点線で示すような電界と同様の電界が生じる。そして、電気光学的効果により、分岐光導波路２２ａ、２２ｂを構成する材料の屈折率が電界強度に応じて変化する。本参考形態においては、第１の参考形態と同様に、分岐光導波路２２ａと分岐光導波路２２ｂには互いに上下逆方向の電界が印加される。このため、基板２１が例えばｚカットのタンタル酸リチウム結晶等により構成されている場合、２つの分岐光導波路２２ａ、２２ｂを通る光には互いに逆の位相変化が与えられる。したがって、出口側光導波路２２ｙでは、分岐光導波路２２ａ、２２ｂを通過した２つの光の干渉が生じ、この干渉によって出力光の強度が変化することにより、本参考形態の光変調素子は光強度変調器として動作する。
【００９１】
本参考形態では、平行結合線路２３の両端が開放端となっているので、線路２３ａと線路２３ｂとの間に生じる電圧の分布状態は、図１５（ｃ）に示すように、線路２３ａ、２３ｂの中央で０、両端で符号が逆で最大となる三角関数状である。したがって、線路２３ａ、２３ｂ間の電界の向きは、前半部分と後半部分とでは逆である。もし、基板２１全体の残留分極の極性が均一であるとすると、光が平行結合線路２３の各線路２３ａ、２３ｂの下方の各分岐光導波路２２ａ、２２ｂを通過している間は、前半部分と後半部分とでは逆の位相変化が与えられるので、位相変化がキャンセル（相殺）されて、高い変調効率が得られない。しかし、本参考形態の光変調素子においては、平行結合線路２３の前半部分の下方に位置する基板２１の領域２１ｂと、平行結合線路２３の前半部分の下方に位置する基板２１の領域２１ａとでは、電位光学係数の正負が逆である。その結果、図１５（ｃ）の点線に示すように、各線路２３ａ、２３ｂに後半部分でも前半部分と同じ符号の電界を印加したのと実質的に同じの位相変調が、各分岐光導波路２２ａ、２２ｂを通過する光に与えられる。したがって、光が平行結合線路２３の線路２３ａ（又は２３ｂ）の下方の分岐光導波路２２ａ（又は２２ｂ）中を通過する間に受けた変調による位相変化が相殺されることなく足し合わされ続けるので、高い変調効率が得られる。
【００９２】
以上の説明では、光の走行時間を無視している。実際の光変調素子では、光の速度が有限であるため、光の感じる電界強度は、図１５（ｃ）の実線とは異なる。このため、領域２１ａの最適なパターンは、厳密には、図１５（ｂ）に示すパターンとは異なる。具体的には、基板２１中の領域２１ａが各線路２３ａ、２３ｂの後半部分よりも高周波信号の位相の遅れ分だけやや下流側にずらせておくことが好ましい。
【００９３】
なお、領域２１ａのパターンは、図１５（ｂ）に示すように、必ずしも広い面積の残留分極を他の領域２１ｂとは反転させる必要はなく、各分岐光導波路２２ａ、２２ｂ及びその必要最小限の周辺部分だけ残留分極を反転させておけばよい。
【００９４】
本参考形態の光変調素子によると、基板２１に、残留分極の向きの相違を利用して電気光学係数の正負が相異なる領域２１ａ、２１ｂを設けることにより、分岐光導波路２２ａ、２２ｂ中を通過する間に受けた変調による位相変化が相殺されることなく足し合わされ続けるようにすることができる。つまり、本参考形態においては、第１の参考形態において各線路１３ａ、１３ｂの両端を接続して、１／２波長の共振器を構成することにより得た効果を、基板２１中に残留分極の正負が異なる領域を設けることにより、発揮することができ、高い変調効率が得られる。
【００９５】
なお、本参考形態の光変調素子は、両端が開放された半波長共振器として機能する平行結合線路２３を有しているが、本発明はこのような構成を有する参考形態に限定されない。例えば、両端が接続線路によって接続された１波長共振器として機能する平行結合線路を設け、平行結合線路の各線路の後半部分に対応する基板の分岐光導波路の残留分極の極性を他の領域とは反転させておいてもよい。そのような構成によれば、１波長分だけ受けた光変調の位相変化を相殺することなく足しあわせることができる。本参考形態の光変調素子によれば、周波数が同じ場合、共振器長が図４に示す光変調素子の共振器長の２倍になるため、その分、変調効率が向上する。また、より高次の共振を用いることにより、変調効率を更に高めることが可能である。
【００９６】
このように、奇モードによる高次共振を用いることによって、変調効率を飛躍的に高めることが可能である。平行結合線路の一端が接続され、他端が開放された構造を有する光変調素子であっても、残留分極の極性の相違を利用することにより、同じ効果を発揮することができる。
【００９７】
なお、残留分極の極性が反転した領域の個数は１つに限定されない。適切な個数の分極反転領域を配列することにより、変調電極を長くすることができる。
【００９８】
（実施形態１）
次に、図１６（ａ）および図１６（ｂ）を参照しながら、本発明の光変調素子の第３の実施形態を説明する。図１６（ａ）は、本実施形態に係る光変調素子の平面構成を示し、図１６（ｂ）は、その縦断面図である。
【００９９】
本実施形態に係る光変調素子には、図１６（ａ）に示すように、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3 ）単結晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）単結晶などの電気光学効果を有する基板３１の表面部に、安息香酸を用いたプロトン交換法などを用いて形成された光導波路３２が設けられている。光導波路３２は、２箇所の分岐点３８ａ、３８ｂで２つの分岐光導波路３２ａ、３２ｂに分岐しており、入口側光導波路３２ｘから入力された入力光が一方の分岐点３８ａで分岐して２つの分岐光導波路３２ａ、３２ｂを通過した後、他方の分岐点３８ｂで共通の出口側光導波路３２ｙを進むように構成されている。
【０１００】
また、基板３１の上には、光導波路３２の各分岐光導波路３２ａ、３２ｂに沿うように延びる３つの線路３３ａ、３３ｂ、３３ｃからなる平行結合線路３３が設けられている。各線路３３ａ、３３ｂの各内側端は、各分岐光導波路３２ａ、３２ｂのほぼ中央部の直上に位置するように形成されている。また、線路３３ｃは、２つの線路３３ａ、３３ｂの中間に位置している。各線路３３ａ、３３ｂ、３３ｃの両端部は、接続線路３６ａ、３６ｂを介して互いにつながっている。さらに、基板３１の上には、平行結合線路３３の１つの線路３３ｂに接続され平行結合線路３３に共振を起こさせる入力信号を印加するための入力線路３５が設けられている。平行結合線路３３の各線路３３ａ〜３３ｃ、接続線路３６ａ、３６ｂ及び入力線路３５は、真空蒸着法、フォトリソグラフィ及びエッチングなどのプロセスを用いて形成されたアルミニウムや金などの金属膜によってそれぞれ構成されている。また、基板３１の裏面には、金属膜の蒸着法などを用いて形成されたグランドプレーン３４が設けられている。
【０１０１】
入力光は、入口側光導波路３２ｘから導入され、各分岐光導波路３２ａ、３２ｂを通過する際に、以下のように、光変調作用を受ける。
【０１０２】
入力線路３５から高周波信号が入力されて、平行結合線路３３の各線路３３ａ、３３ｂ、３３ｃに共振が生じると、各間隙部３７ａ、３７ｂには図１６（ｂ）に点線で示すような電界が生じる。そして、電気光学的効果により、分岐光導波路３２ａ、３２ｂを構成する材料の屈折率が電界強度に応じて変化する。したがって、出口側光導波路３２ｙでは、分岐光導波路３２ａ、３２ｂを通過した２つの光の干渉が生じ、この干渉によって出力光の強度が変化することにより、本実施形態の光変調素子は光強度変調器として動作する。
【０１０３】
ここで、図１６（ａ）および（ｂ）に示すような３本の線路３３ａ〜３３ｃを有する平行結合線路３３においては、通常、３種類の伝搬モード１〜３が存在する。
【０１０４】
以下の表１は、モード１〜３における各線路３３ａ〜３３ｃの電位の符号を表にして示している。
【０１０５】
【表１】
【０１０６】
図１６（ｂ）は、表１に示すモード２で共振を生じさせた場合の分岐光導波路３２ｂ、３２ｂ付近における電界の方向を示している。図１６（ｂ）からわかるように、２本の分岐光導波路３２ａ、３２ｂには上下逆方向の電界が印加されるので、光波に位相差が生じ出口側光導波路３２ｙで干渉を生じるので、本実施形態の光変調素子は、光強度変調器として機能する。
【０１０７】
一方、図１６（ｃ）は、表１に示すモード３で共振を生じさせた場合の分岐光導波路３２ｂ、３２ｂ付近における電界の方向を示している。モード３で共振させる場合は、分岐光導波路３２ｂ、３２ｂと、３つの線路３３ａ、３３ｂ、３３ｃとの配置関係が、図１６（ａ）および（ｂ）に示す配置関係とは少し異なっている。より具体的には、分岐光導波路３２ｂ、３２ｂに形成される電界の向きが相互に反対になるように、分岐光導波路３２ｂの位置がシフトしている。
【０１０８】
このように、本実施形態の構成によれば、線路３３ａ、３３ｂ、３３ｃの全てが常に同電位になるモード１では、光強度変調器としては機能しない。このため、本実施形態の光変調素子は、モード１以外のモード２または３で共振するように設計される。
【０１０９】
ここで、２つの分岐光導波路３２ａ、３２ｂの間隔は、光の相互干渉を回避するためにそれほど狭くできないが、間隙部３７ａ、３７ｂの幅は、線路３３ｃが設けられているために、第１、第２の実施形態に比べ、遙かに狭くなる。したがって、間隙部３７ａ、３７ｂには非常に大きな強度の電界が生じる。よって、本実施形態の光変調素子により、高い変調効率が得られる。
【０１１０】
なお、本実施形態においては、両端が接続された半波長共振器として機能する平行結合線路を有する例について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではない。例えば、第２の参考形態のように、両端が開放された平行結合線路や、従来例の図３に示す一端が接続され他端が開放された１／４波長型共振器として機能する平行結合線路を有する光変調素子によっても、本実施形態の基本的な効果を発揮することは可能である。
【０１１１】
また、本実施形態の光変調素子においても、第２の参考形態と同様に、分極反転領域を光導波路の一部に設けても良い。基板に残留分極の極性が相異なる２つの領域を設けることにより、第２の参考形態の効果と第１の実施形態の効果を併せて発揮ざせることができる。
【０１１２】
（参考形態３）
次に、図１７（ａ）から１７（ｃ）を参照しながら、本発明による光変調素子の第３の参考形態を説明する。図１７（ａ）は、本参考形態の光変調素子の平面構成を示す上面図であり、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のＡ０−Ａ１線断面図である。図１７（ｃ）は、本参考形態の一部を拡大して示す斜視図である。
【０１１３】
本参考形態の光変調素子は、図１７（ａ）および（ｂ）に示されるように、同軸コネクタ２０９が取り付けられた第１の基板固定用冶具２１２ａと、基板１１が固定された第２の基板固定用冶具２１２ｂとを備えており、同軸コネクタの中心線２１０を入力線路１５に対して適切に配置するようにして、第１の冶具２１２ａを第２の冶具２１２ａに固定する。第１の冶具２１２ａは、例えばネジなどによって第２の冶具２１２ｂに固定される。
【０１１４】
同軸コネクタの中心線２１０の先端部分には、中間接続部材２１１が取り付けられており、この中間接続部材２１１を介して、中心線２１０は入力線路１５に接続される。このように本参考形態の光変調素子では、その電気信号入力部が入力線路１５とは別に同軸コネクタ２０９および中間接続部材２１１を有している点で前述の参考形態とは異なっている。
【０１１５】
本参考形態では、変調用高周波信号を生成する外部駆動回路と、光変調素子の同軸コネクタとは、例えば同軸ケーブルによって接続される。同軸ケーブルを伝搬してきた高周波信号は、中間接続部材２１１を介して、入力線路１５に与えられる。
【０１１６】
中間接続部材２１１は、図１７（ｃ）に示されるように、同軸コネクタの中心導体２１０の外周と接するように曲げられた部分を有する第１接続部２１４と、入力線路１５に接触する平面状部分を有する第２接続部２１５とを備えている。
【０１１７】
第１接続部２１４と第２接続部２１５とを連結する部分は、弾性部材から形成されていることが好ましい。このような弾性部材を用いることにより、第２接続部材２１５を第１接続部材２１４に対して下方に付勢することができる。このため、図１７（ｂ）に示すように、第２接続部２１５の底面が入力線路１５の上面を押圧し、第２接続部２１５と入力線路１５との間の電気的接触が確保しやすくなる。このような構成を採用すると、第２接続部２１５と入力線路１５との間に、導電性の接着剤を塗布する必要がなく、接続が容易になる。なお、第１接続部２１４と第２接続部２１５とは、一枚の板状導電体から形成されることが好ましい。
【０１１８】
以上の構成を採用することにより、光コネクタ２０９を介して入力線路１５に与えられた高周波信号は、平行結合線路１３に伝搬し、線路１３ａと線路１３ｂとの間で共振を生じさせる。この結果、間隙部１７に高周波の振動電界が生じるため、電気光学効果を有する材料から形成されている光導波路１２の屈折率は高周波信号に応じて変化する。このとき、線路１３ａ及び線路１３ｂの下を通る光導波路には、図１７（ｂ）に示すように、互いに上下逆方向の電界が形成されるため、各分岐光導波路を伝搬する光に位相差が形成される。
【０１１９】
図１８は、本参考形態の構成を有する光変調素子の入力線路１５の端部Ｐにおける反射特性を示している。図１８からわかるように、変調電極の共振周波数は、２６ＧＨｚであり、共振周波数において入力インピーダンスが整合している。図１９は、入力線路１５の周波数に対する透過損出の関係を示すグラフである。
【０１２０】
（参考形態４）
次に、本発明による光変調素子の第４の参考形態を説明する。
【０１２１】
本参考形態の光変調素子は、第３の参考形態における光変調素子とほぼ同様の構成を有しているが、基板１１上に入力線路を設けられていない点で、第３の参考形態における光変調素子とは異なっている。
【０１２２】
図２０（ａ）は、本参考形態の光変調素子を示す平面面図であり、図２０（ｂ）は、そのＢ０−Ｂ１線断面図である。
【０１２３】
本参考形態の光変調素子の電気信号入力部は、参考形態３と同様に、同軸コネクタ９コネクタ２０９および中間接続部材２１１を有しているが、この中間接続部材２１１が変調電極１３に入力線路を介することなく直接的に接続されている。
【０１２４】
光変調素子を動作させるためには、変調用の高周波信号を平行結合線路１３に供給することによって平行結合線路３に奇対称モードによる共振を効率よく引き起こす必要がある。このことは、中間接続部材２１１を入力インピーダンス整合のとれる位置に接続することにより、実現することができる。
【０１２５】
図２１は、基板１１上の平行結合線路１３と同軸コネクタの中心導体２１０との接続状態を示している。同軸コネクタの中心導体２１０および中間接続部材２１１は、図１７（ｃ）に示す構成を有している。前述のように、第１接続部２１４と第２接続部２１５とを連結する部分は、湾曲した弾性部材から形成されており、第１接続部材２１４に対して第２接続部材２１５を下方に付勢している。このため、第２接続部２１５の底面が平行結合線路１３の上面を押圧し、第２接続部２１５と平行結合線路１３との間の電気的接触が確保される。第２接続部２１５と平行結合線路１３との間に、導電性を有する接着剤を塗布する必要がなく、接続が容易である。
【０１２６】
平行結合線路１３の形成された基板１１は、基板固定用冶具２１２ｂに固定されており、中間接続部材２１１及び同軸コネクタ２０９は、基板固定冶具２１２ａに固定されている。基板固定用冶具２１２ａを基板固定冶具２１２ｂに対してスライドさせることにより、平行結合線路１３と中間接続部材２１１とを適切な位置で接触させることができる。基板固定用冶具２１２ａは、ネジなどによって基板固定用冶具２１２ｂに固定される。
【０１２７】
平行結合線路１３に中間接続部材２１１を接触させるだけで、変調用高周波信号の入力が可能となるため、平行結合線路１３における入力反射特性を測定した後に、平行結合線路１３に対する中間接続部材２１１の接続位置を調節することが簡単に行える。この接続位置の調節は、冶具２１２ａと冶具２１２ｂのねじ止め位置を微調整することによって行うことができる。
【０１２８】
次に、本参考形態の光変調素子について、電磁界シミュレーションによる解析を行った結果を説明する。この具体例では、基板１１として、厚さ０．４００ｍｍのｚカットタンタル酸リチウム結晶（比誘電率４２）を用い、平行結合線路１３の線路幅を０．０５ｍｍ、間隙部の幅を０．０２ｍｍに設定した。
【０１２９】
各線路の材料は、アルミニウムとし、線路を構成するアルミニウム膜の厚さは１μｍに設定した。中間接続部材は、厚さ０．０１ｍｍ、幅０．１５ｍｍの金メッキ処理を施したベリリウム銅とした。
【０１３０】
平行結合線路１３の長さと中間接続部材２１１との接続位置は、入力インピーダンスが整合するように設定した。具体的には、電磁界シミュレーターを用いて、奇対称モードが２６ＧＨｚで共振し、かつその周波数で、同軸コネクタに入力した信号の反射が最も少なくなるように決定した。
【０１３１】
その結果、図２２に示すように、平行結合線路１３の長さは１．２０ｍｍ、中間接続部材の接続位置は平行結合線路１３の中央から０．２５ｍｍとした。また、基板固定用冶具２１２ａから平行結合線路１３までの距離は０．３０ｍｍとした。
【０１３２】
図２３は、上記構成を有する光変調素子における中間接続部材２１１と平行結合線路１３との接続部での反射特性を示す。図２３からわかるように、共振点で入力信号の反射はなくなり、ほとんど全ての信号電力が平行結合線路１３に入力されている。また、入力線路を設けない場合においても共振特性に影響がないことがわかる。
【０１３３】
本参考形態の構成によれば、入力線路における透過損失をなくすことができる。
【０１３４】
参考形態３の光変調素子では、入力線路１５の存在により、２６ＧＨｚの周波数で０．５ｄＢの透過損出が生じたが、本参考形態の構成によれば、このような入力線路による伝送損失を発生させることなく、高周波信号の入力が可能となり、変調効率をさらに向上させることができる。このため、入力線路を設ける場合に比べて、光出力を０から最大にまで変化させるのに必要な電力を、０．５ｄＢ減少させることが可能となる。
【０１３５】
本参考形態の光変調素子を、図２２に示す設計値に従って作製した場合における作製直後における入力反射特性が、図２４の破線で示すような特性を示したとする。この場合、中間接続部材２１１と平行結合線路１３との接続位置を０．０５ｍｍだけ変調電極の中心に近づけるように移動させるだけで、図２４の実線で示す入力反射特性を得ることができる。すなわち、光変調素子の作製後に、製造プロセスのばらつきなどに起因して入力インピーダンスが設計値からシフトした場合でも、中間接続部材２１１と平行結合線路１３の接続位置を調整することにより、入力インピーダンスを整合させることが容易に実現できる。
【０１３６】
本参考形態によれば、入力線路を設けることなく、共振型電極に信号を入力し、変調効率を改善することができ、また、素子作成後であっても共振型電極の入力インピーダンスの整合を行うことができる。
【０１３７】
なお、本参考形態では、両端を短絡した半波長共振器構造を有する電極構成を採用しているが、本発明における変調電極は、このような構成を有するものに限定されず、共振器構造を有する変調電極であればよい。
【０１３８】
以上に説明してきた各参考形態および実施形態では、何れも、電気光学効果を有する基板中に光導波路を形成しているが、本発明は、このような構成にも限定されない。基板の表面領域に周囲よりも屈性率の高いコア部を形成し、コア部の上にクラッド部として電気光学効果を有する材料からなる膜を形成する構成を採用してもよい。この場合、コア部を伝搬する光の一部がクラッド部に染み出すため、クラッド部の屈性率を変化させることにより、コア部を伝搬する光の位相を変調することができる。コア部は電気光学効果を有する材料から形成されている必要は無い。
【０１３９】
また、上記参考形態および実施形態における光導波路は、分岐された少なくとも２つの分枝光導波路と、２つの分枝光導波路を結合する光入力部と、２つの分枝光導波路を結合する光出力部とを有するマッハツェンダ干渉計型の構成を有しているが、本発明の光変調素子は、このような構成を有する光強度変調素子に限定されない。本発明による光変調素子の光導波路が単一の光導波路を有する場合であっても、伝搬する光の位相を効率的に変調することができる。この意味では、本発明の光変調素子は、光の位相を変調する点に本質的な機能を有しており、位相の変調された光を干渉させることによって光強度をも変調させることが可能である。
【０１４０】
なお、第１、第２の参考形態の光変調素子は、光導波路を途中で２つに分岐させて分岐光導波路を有しているが、本発明は、このような分岐光導波路を有する光変調素子に限定されない。例えば、単一の光導波路のみを有する光変調素子に本発明を適用すると、位相変調器として機能する光変調素子が得られる。その場合でも、本発明によれば、線路間における電圧の符号（極性）が均一となり、光の位相変化が相殺されることがないので、光変調素子の光変調効率の向上を図ることができる。
【０１４１】
第１、第２の参考形態および第１の実施形態に係る光変調素子では、入力線路が平行結合線路の１つの線路に直接接続されているが、本発明は、そのような構成を有するものに限定されない。例えば、入力線路の先端を平行結合線路の１つの線路に間隙を介して対向させることによって、入力結合させることも可能である。特に、線路を構成する材料として超伝導材料を用いた場合など、線路の損失が小さく、共振の無負荷Ｑ値が高い場合などはこのような構成が、特に有効である。
【０１４２】
また、平行結合線路の各線路を接続している接続線路は、添付図面において部分円形状を有しているように描かれているが、接続線路は各線路同士を短い距離で接続できればよいので、多角形の一部を構成するなど、直線部分を有する形状であっても、光変調素子の特性に悪影響を及ぼすことはない。
【０１４３】
素子の基板は、タンタル酸リチウム結晶やニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料以外の電気光学結晶から形成されたものであってもよい。光導波路は、電気光学結晶基板の表面に対して安息香酸中でプロトン交換処理を施す方法によって好適に形成されるが、光導波路は、他の方法で作製されてもよい。例えば、他の機能素子との集積化などのために、タンタル酸リチウム単結晶など以外の基板を利用する必要がある場合には、基板上に、基板よりも屈折率が高く、かつ、電気光学効果を有する材料からなる膜を形成し、その膜を光導波路として用いることもできる。また、基板の表面領域に周囲よりも屈折率の高いコア部を形成し、コア部の上に、クラッド部として電気光学効果を有する材料からなる膜を形成することにより、コア部からしみ出した電界を利用してクラッド部の屈折率変化によって光変調を行うことも同様に有効である。また、平行結合線路は、基板内に埋設されていてもよい。
【０１４４】
（実施形態２）
図２５は、本発明によるファイバ無線システムの構成を示すブロック構成図である。
【０１４５】
本実施形態のファイバ無線システム５０は、第１〜第３の実施形態の光変調素子を内蔵した光変復調器５１を備えている。そして、アンテナ５３により、通常のインターネット等のデータ通信網や、携帯端末との通信、あるいは、ＣＡＴＶからの信号の受信等を、例えばミリ波の搬送波を用いて直接行うことができる。なお、光変復調器５１には、光変調素子とともに光復調素子（例えばフォトダイオード）が内蔵されている。
【０１４６】
一方、ミリ波等の周波数の高い無線信号は長距離の伝送は困難であり、かつ、物体による信号の遮断を受けやすい。そこで、データ通信網６１や、ＣＡＴＶ６２や、携帯電話システム６３との通信を、無線装置６０及び無線装置に付設されたアンテナ６４を用いて行うこともできる。その場合、ファイバ無線通信システム５０と光ファイバ７０を介して接続される光変復調器５５と、これに付設されるアンテナ５４とをさらに備えておく。そして、アンテナ５４、６４及び光変復調器５５を介して、無線装置６０との間で、信号の授受を行うことができる。光変復調器５５には、光変調素子とともに光復調素子（例えばフォトダイオード）が内蔵されている。
【０１４７】
例えば長距離伝送を行いたい場合や、壁等で仕切られた屋内での伝送の際には、ミリ波等の無線信号で変調された光信号を光ファイバ７０を通して伝送することが効果的である。
【０１４８】
【発明の効果】
本発明の光変調素子の構成によれば、位相変調器又は光強度変調器として機能する光変調素子の光変調効率の向上を図ることができ、この光変調素子を通信システムに配置することにより、ミリ波レベルの高周波信号を利用した通信が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は、光の直接変調を説明するための図であり、（ｂ）は光の外部変調を説明する
ための図である。
【図２】 電気光学効果を利用した光の外部変調の動作原理を示す断面図である。
【図３】 光変調素子の従来例を示す平面図である。
【図４】 （ａ）は、本参考形態に係る光変調素子の平面構成を示す平面図、（ｂ）は、その導波
路を垂直に横切る断面図、（ｃ）は、この光変調素子の変調電極が形成する電界の強度分
布を模式的に示す図である。
【図５】 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図４（ｂ）に示す断面における偶モード、および奇
モードの電界（実線）及び磁界（破線）の状態を示す図である。
【図６】 第１の参考形態において、電磁界シミュレーションに用いた平行結合線路及び入力線路
の平面寸法及び接続位置を示す平面図である。
【図７】 第１の参考形態において、電磁界シミュレーションによって得られた光変調素子の共振
状態における反射損特性を示す図である。
【図８】 （ａ）は、第１の参考形態における平行結合線路１３に入力する高周波信号の波形を示
すグラフであり、（ｂ）は、本参考形態の光変調素子の出力光強度／入力光強度の比を示
すグラフであり、（ｃ）は、比較例の出力光強度／入力光強度の比を示すグラフである。
【図９】 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、１０ＧＨｚで共振する電極構造を有する光変調素子
および２６ＧＨｚで共振する電極構造を有する光変調素子の参考例を示す平面図である。
【図１０】 図９（ａ）に示す参考例の反射損特性を示すグラフである。
【図１１】 図９（ａ）に示す参考例の光出力の時間変化を示すグラフである。
【図１２】 図９（ａ）に示す参考例の変調光スペクトルを示すグラフである。
【図１３】 図９（ｂ）に示す参考例における変調電極の反射特性（実測値）を示すグラフである。
【図１４】 図９（ｂ）に示す参考例の変調光のスペクトルを示すグラフである。
【図１５】 （ａ）は、本発明による光変調素子の第２の参考形態の平面構成を示す平面図、（ｂ）
は、基板の残留分極の極性が逆の領域を示す平面図、（ｃ）は、平行結合線路における電
界強度の分布を示す図である。
【図１６】 （ａ）は、本発明による光変調素子の第１の実施形態の平面図、（ｂ）は、モード２で
共振する場合の縦断面図であり、（ｃ）は、モード３で共振する場合の縦断面図である。
【図１７】 （ａ）は、本発明による光変調素子の第３の参考形態を示す上面図であり、（ｂ）は、
（ａ）のＡ０−Ａ１断面図であり、（ｃ）は同軸コネクタ中心導体２１０と中間接続部材
２１１の接続を示す斜視図である。
【図１８】 第３の参考形態における入力線路部の反射特性を示すグラフである。
【図１９】 第３の参考形態における入力線路部の透過損失を示すグラフである。
【図２０】 （ａ）は、本発明による光変調素子の第４の参考形態を示す上面図であり、（ｂ）は、
（ａ）のＢ０−Ｂ１断面図である。
【図２１】 第４の参考形態の一部を示す斜視図である。
【図２２】 第４の参考形態における光変調素子の設計パラメータ値を示すレイアウト図である。
【図２３】 図２２の光変調素子について行ったシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図２４】 図２２の光変調素子について行ったシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図２５】 本発明によるファイバ無線システムの実施形態の構成を示すブロック構成図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調素子及び通信システムに関し、特に、無線に用いられる数ＧＨｚ以上の高周波信号を光によって伝送させるための光変調素子及び通信システムに関している。
【０００２】
【従来の技術】
光信号を用いて通信や情報処理を行うシステムでは、電気信号（例えばマイクロ波やミリ波のような高周波信号）で光の位相や強度を変調することが必要である。このような光の変調方法には、直接変調と外部変調がある。
【０００３】
直接変調は、図１（ａ）に示すように、半導体レーザなどの光源を駆動する電流を直接変調することにより、光源から出力される光そのものの強度を変調する方式である。直接変調は、光源の外部に変調器を設ける必要がないため、システムの小型化に適しているが、数ＧＨｚ以上の高周波での光変調は困難であり、その上、半導体レーザ光の持つチャーピングにより、長距離のファイバ伝送が制限される。
【０００４】
これに対し、外部変調は、図１（ｂ）に示すように、半導体レーザなどの光源から出力された光（出力の安定した光）を光変調素子に入力し、光変調素子によって光の位相や強度を変調する。光の変調は、電気光学効果、音響光学効果、磁気光学効果、非線形光学効果などを用いて行うことが可能である。
【０００５】
上述のように、半導体レーザを直接的に変調する方法によっては、超高速光変調を達成することが困難であるため、高速動作の可能な外部変調型の素子開発が急がれている。外部変調型の素子の中でも、ポッケルス効果を有する誘電体結晶を用いた電気光学光変調素子は、超高速での動作が可能であり、また、変調に伴う位相の乱れも少ないという利点を有している。このため、この電気光学光変調素子は、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。また、電気光学光変調素子を用いて光導波路構造を作製すれば、素子の小型化と効率化とを一挙に実現できる可能性がある。
【０００６】
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（信号電極）として変調信号を伝搬させる伝送線路と、この伝送線路の近傍に形成された光導波路とによって構成されている。そして、変調電極の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、それによって光導波路中を伝搬する光波の位相を変化させる。
【０００７】
電気光学光変調素子に用いられる通常の結晶では、電気光学係数が比較的小さい。電気光学係数は、光変調の基本となるパラメータである。したがって、電気光学光変調素子では、電界を光導波路に効率良く印加することが重要となる。
【０００８】
図２は、電気光学光変調素子の基本構造を示す断面図である。電気光学効果を有する結晶（電気光学結晶）の基板表面領域に光導波路が形成されており、光導波路の上には変調用電極が形成されている。
【０００９】
電気光学結晶は光学的異方性を有しており、印加される電界の大きさに略比例して屈折率が変化する（ポッケルス効果）。このため、変調電極に与える電位Ｖを調節することにより、光導波路の屈折率ｎを変化させることができる。光導波路の屈折率変化量Δｎは、光導波路に印加される電界Ｅに比例する。光導波路の屈折率がΔｎだけ変化すると、図２に示すように、出力光の位相がΔφだけ変化する。位相の変化量Δφは、一般に、電界強度Ｅと光導波路の長さＬの積に比例する。
【００１０】
光導波路に電界を形成するための変調信号は、光変調素子の外部から入力線路を介して光変調素子の電極に与えられるため、変調信号の入力を効率良く行うことが重要となる。
【００１１】
次に、図３を参照しながら、従来の光変調素子をさらに詳しく説明する。図３は、従来の光変調素子の平面図であり、この光変調素子は、特許文献１に開示されている。
【００１２】
図３の光変調素子は、電気光学効果を有する材料からなる基板１０１と、基板１０１の表面部に形成された光導波路１１２とを備えている。光導波路１１２は、基板１０１の一部に金属を熱拡散することなどによって形成されている。
【００１３】
基板１０１の表面において、光導波路１１２の左右両側には、アルミニウムや金などの金属膜からなる平行結合線路１３が設けられており、基板１０１の裏面上には、金属膜からなるグランドプレーン１１４が設けられている。平行結合線路１１３は、互いに平行な２つの線路１１３ａ、１１３ｂによって構成されている。
【００１４】
この従来例では、平行結合線路１１３の各線路１１３ａ、１１３ｂは単一線路１２４によって互いに結合されているが、同公報には、２つの線路１１３ａ、１１３ｂが結合されていない構造も開示されている。
【００１５】
線路１１３ｂの一部分に、タップ１２８を介して接続された入力端子１２９が設けられており、入力端子１２９とグランドプレーン１１４との間には高周波信号源１１９が接続されている。
【００１６】
入力光は、光導波路１１２の一方の端部から導入され、光導波路１１２のうち平行結合線路１１３の各線路１１３ａ、１１３ｂの間隙部１１６に位置する部分を通過した後、光導波路１１２の他方の端部から出力光として出力される。このとき、入力端子１２９と平行結合線路１１３とが磁界結合された状態となるので、高周波信号源１１９から高周波信号が供給されると、平行結合線路１１３の各線路１１３ａ、１１３ｂに高周波信号が伝搬し、間隙部１１６に電界が生じる。この電界強度に応じて、電気光学効果により光導波路１１２の屈折率が変化する。その結果、出力光の位相が変化し、本光変調素子は位相変調器として動作する。
【００１７】
ここで、平行結合線路には、通常、偶モードと奇モードの２種類のモードが存在する。そして、奇モードでは平行結合線路を構成する２本の線路の電圧が互いに反転することとなるため、間隙部に非常に大きな電界が誘起される。図３に示す光変調素子では、変調信号によって平行結合線路１１３の各線路１１３ａ、１１３ｂに奇モードを励振させることにより、高い効率の光変調が可能となる。
【００１８】
【特許文献１】
米国特許第５,４００,４１６号明細書
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
今後、光変調素子が光通信システム等の中で汎用的に使用されるためには、前記従来の光変調素子の特性に改善の余地が残されている。つまり、より効率の高い光変調素子の開発が求められている。
【００２０】
本発明の主たる目的は、光通信システムなどに組み込み得る高効率の光変調素子の提供を図ることにある。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
本発明の光変調素子は、少なくとも一部が電気光学効果を有する基板に形成されており、そして２つの分岐光導波路を具備している光導波路と、前記基板の表面に形成され、電磁気的に互いに結合した第１、第２、および第３の導体線路を有し、前記光導波路に変調電界を印加する変調電極と、前記基板の裏面に形成され、前記第１の導体線路とともに第１のマイクロストリップ線路を形成し、前記第２の導体線路とともに第２のマイクロストリップ線路を形成し、前記第３の導体線路と共に第３のマイクロストリップ線路を形成する接地導電層と、前記変調電極に光変調用高周波信号を供給する電気信号入力部と、を備え、前記第３の導体線路は、第１の導体線路および第２の導体線路の間に挟まれ、前記第１の導体線路の内側端は、一方の前記分岐光導波路の直上に位置しており、前記第２の導体線路の内側端は、他方の前記分岐光導波路の直上に位置しており、前記第１の導体線路と第２の導体線路には異なる符号の電位が印加され、前記第３の導体線路の電位は０である。
【００３８】
好ましい実施形態において、前記第１、第２、および第３の導体線路を、少なくとも一方の端部において、相互に接続する接続部材をさらに有している。
【００４１】
好ましい実施態様において、前記電気信号入力部は、前記接地導電層とともにマイクロストリップ線路を形成する入力線路を有しており、前記入力線路は、前記第１の導体線路に接続されている。
【００４３】
本発明の通信システムは、上記いずれかの光変調素子と、前記光変調素子に光を入力する入力部と、前記光変調素子に前記変調用高周波信号を供給する制御部と、を備えている。
【００４４】
（参考形態１）
以下、図４（ａ）から図４（ｃ）を参照しながら、本発明による光変調素子の第１の参考形態を説明する。図４（ａ）は、本参考形態に係る光変調素子の平面構成を示し、図４（ｂ）は、その導波路を垂直に横切る断面を示している。図４（ｃ）は、この光変調素子の変調電極が形成する電界の強度分布を模式的に示している。
【００４５】
本参考形態に係る光変調素子は、図４（ａ）に示すように、電気光学効果を有する基板１１の表面部に安息香酸を用いたプロトン交換法などを用いて形成された光導波路１２を有している。基板１１は、例えばタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）単結晶やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）単結晶などの材料から形成される。
【００４６】
光導波路１２は、２箇所の分岐点１８ａ、１８ｂで２つの分岐光導波路１２ａ、１２ｂに分岐している。入口側光導波路１２ｘから入力された入力光は、一方の分岐点１８ａで分岐して２つの分岐光導波路１２ａ、１２ｂを通過した後、他方の分岐点１８ｂで結合し、共通の出口側光導波路１２ｙを進む。このような構成の光導波路１２は、「マッハツェンダ干渉計型光導波路」と称されている。
【００４７】
基板１１の上には、光導波路１２の各分岐光導波路１２ａ、１２ｂに沿うように延びる２つの線路１３ａ、１３ｂから形成された平行結合線路１３が設けられている。各線路１３ａ、１３ｂの各内側端は、各分岐光導波路１２ａ、１２ｂのほぼ中央部の直上に位置するように形成されている（図４（ｂ））。各線路１３ａ、１３ｂの両端部は、接続線路１６ａ、１６ｂを介して、互いにつながっている。
【００４８】
さらに基板１１の上には、平行結合線路１３の一方の線路１３ｂに接続された入力線路（給電線路）１５が設けられており、この入力線路を介して、変調用電気信号（高周波信号）が入力される。
【００４９】
平行結合線路１３の各線路１３ａ、１３ｂ、接続線路１６ａ、１６ｂ及び入力線路１５は、真空蒸着法によって堆積されたアルミニウムや金などの金属からなる膜をフォトリソグラフィ及びエッチング技術を用いてパターニングすることによって得られる。基板１１の裏面には、同様の方法で作製されたグランドプレーン（接地された導電層）１４が設けられている。
【００５０】
なお、図４（ｂ）には示されていないが、線路１３ａ、１３ｂと基板１１との間には、ＳｉＯ2などからなる絶縁性のバッファ層が形成されていることが好ましい。
【００５１】
本参考形態の光変調素子における変調電極は、電磁気的に結合した線路１３ａ、１３ｂ、および接続線路１６ａ、１６ｂによって構成されている。そして、線路１３ａとグランドプレーン１４との間には第１のマイクロストリップ線路が形成され、線路１３ｂとグランドプレーン４との間には第２のマイクロストリップ線路が形成されている。変調のために入力された電気信号は、これらのマイクロストリップ線路を伝搬する。
【００５２】
変調対象となる光（レーザ光）は、入口側光導波路１２ｘから入力され、各分岐光導波路１２ａ、１２ｂを通過する際に、以下のようにして変調作用を受ける。
【００５３】
なお、本参考形態では、光を変調するための電気信号（高周波信号）を入力線路１５を介して平行結合線路１３の各線路１３ａ、１３ｂに供給する。このとき、入力線路１５を介して平行結合線路１３を伝搬する高周波信号の波長は、その周波数や基板の誘電率などによって決まる。本参考形態では、各線路１３ａ、１３ｂの長さや幅などの設計パラメータが入力される高周波信号の波長に応じて適切な値に設定されているため、所定の高周波信号を入力線路１５に与えると、平行結合線路１３で共振が生じる。
【００５４】
このような共振が生じると、平行結合線路１３の間隙部１７には、図４（ｂ）に点線で示すような電界が形成される。このとき、信号電力が共振器内に蓄積されるため、電界の強度が極めて大きくなる。この電界は、共振周波数で振動し、その向きおよび強度が周期的に変化する。このような振動電界が光導波路またはその近傍に形成されると、電気光学的効果により、分岐光導波路１２ａ、１２ｂを構成する材料の屈折率が電界強度に応じて周期的に変化する。
【００５５】
本参考形態では、図４（ｂ）に示すように、分岐光導波路１２ａおよび分岐光導波路１２ｂに互いに上下逆方向の電界が印加される。このため、基板１１が例えばｚカットのタンタル酸リチウム結晶から形成されている場合、２つの分岐光導波路１２ａ、１２ｂを通る光に対して、互いに逆の位相変化が与えられる。その結果、出口側光導波路１２ｙでは、分岐光導波路１２ａ、１２ｂを通過した２つの光の干渉が生じ、この干渉によって出力光の強度が変化する。こうして、本参考形態の光変調素子は、光強度変調器として動作することになる。
【００５６】
ここで、平行結合線路１３における共振モードについて説明する。
【００５７】
本参考形態における平行結合線路１３の各線路１３ａ、１３ｂは、互いに独立した２本の平行伝送線路であり、電磁気的に結合するように配置されている。一方の線路１３ａとグランドプレーン１４とによって１つの伝送線路（マイクロストリップ線路）が構成され、他方の線路１３ｂとグランドプレーン１４とによってもう１つの伝送線路（マイクロストリップ線路）が構成されている。これらの２つの伝送線路は、互いに平行かつ近接して配置されているため、電磁気的に結合し、平行結合線路１３が形成される。
【００５８】
伝送線路は、上記の構成を有するものに限定されず、往路と復路との２本の線路を備え、電磁波が伝搬可能なものであればよい。その場合、往路と復路のうちの一方の線路（本参考形態における線路１３ａ又は１３ｂ）が通常の線路電極（ストリップ電極、ホット電極などと呼ばれる）であり、他方の線路が接地電極（本参考形態におけるグランドプレーン１４）である。
【００５９】
平行結合線路１３は、単独でも存在しうる２つの伝送線路が互いに結合することにより構成されているため、共振モードとして、互いに独立な偶モードと奇モードの２種類の伝搬モードが存在する。
【００６０】
図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ、図４（ｂ）に示す断面における偶モードおよび奇モードの電界（実線）および磁界（破線）を模式的に示している。偶モードとは、図５（ａ）に示すように、２本の線路電極の電圧が等しい（同相の）モードである。偶モードでは、各線路電極と接地電極との間に電界が形成されるが、線路間の間隙部（図４（ｂ）に示す間隙部１７）にはほとんど電界が形成されない。
【００６１】
これに対し、奇モードは、図５（ｂ）に示すように、結合した２本の平行線路の電圧の正負が逆の（逆相の）モードである。奇モードでは、電界が、各線路と接地電極との間だけでなく、線路間の間隙部（図４（ｂ）に示す間隙部１７）にも形成される。結合した２つの線路が接近している場合には、線路間の間隙部に特に大きな電界が形成される。
【００６２】
本参考形態では、平行結合線路の各線路１３ａ、１３ｂに奇モードの共振が生じるように、各線路１３ａ、１３ｂの長さおよび幅、ならびに入力線路と線路１３ｂとの接続位置を調節している。具体的には、各線路１３ａ、１３ｂの長さを、高周波変調信号の波長の半分に設定している。また、後述するように、奇モードの信号伝搬の反射を抑制するように、入力線路１５と線路１３ａとの接続箇所を適切な位置に設定している。このため、平行結合線路３に１／２波長の奇モード共振が生じ、その結果、２本の線路１３ａ、１３ｂ間の間隙部１７には大きな電界が誘起されるため、極めて高い効率の光変調が可能となる。
【００６３】
なお、本参考形態では、平行結合線路１３の両端が接続線路１６ａ、１６ｂによって接続されているため、線路１３ａと線路１３ｂとの間に生じる電圧の分布状態は、図４（ｃ）に示すように、線路１３ａ、１３ｂの両端で０、中央で最大となる三角関数状である。線路１３ａ、１３ｂ間の電界の向きは、どの部分でも同じであるため、１／２波長の線路長の全体に亘って、光が１つの線路１３ａ（又は１３ｂ）の下方の分岐光導波路１２ａ（又は１２ｂ）中を通過する間に受けた位相変化が相殺されることなく、足し合わされ続けるので、高い変調効率が得られる。
【００６４】
本参考形態の光変調素子を適切に動作させるためには、変調信号によって平行結合線路１３に奇モードによる共振を効率よく起こさせる必要がある。本参考形態では、入力インピーダンスと整合のとれる位置に入力線路１５を接続することで、奇モードによる共振を容易に実現することができる。
【００６５】
以下、本参考形態の光変調素子および従来の構造を有する光変調素子（比較例）について、電磁界シミュレーションにより、素子特性を解析した結果を説明する。
【００６６】
図６は、電磁界シミュレーションに用いた平行結合線路及び入力線路の平面寸法及び接続位置を示す平面図である。図７は、電磁界シミュレーションによって得られた光変調素子の共振状態における反射損特性を示すグラフである。
【００６７】
この解析において、基板１１を、厚さ０．４ｍｍのｚカットのタンタル酸リチウム結晶（比誘電率４１）とし、平行結合線路１３の各線路１３ａ、１３ｂの幅を０．０５ｍｍとし、間隙部１７の幅を０．０２ｍｍとし、入力線路１５の幅を特性インピーダンスが５０Ωとなるよう０．０５ｍｍとした。各線路１３ａ、１３ｂ、１６ａ、１６ｂ、１５を構成する材料は金であり、膜厚は２μｍとしている。平行結合線路１３の各線路１３ａ、１３ｂの長さと、入力線路１７−線路１３ｂ間の接続位置とは、電磁界シミュレータを用いて、奇モードが１０ＧＨｚで共振し、かつ、その周波数で、入力線路１７に入力された信号の反射が最も少なくなるよう、言い換えれば、入力インピーダンスが整合するように決定した。
【００６８】
その結果、図６に示すように、平行結合線路１３の各線路１３ａ、１３ｂの長さは３ｍｍ、入力線路１５の位置は平行結合線路１３の中央から０．６９ｍｍとなる。この場合、図６からわかるように、共振点で入力信号の反射はなくなり、ほぼすべての信号電力が共振器に入力されている。等角写像法による計算によると、この場合の光変調効率は、２本の分岐光導波路中の光波にπの位相差を与えることになる。言い換えれば、光出力を０から最大まで変化させるのに必要な電力は約０．４３Ｗとなることがわかった。この電力は、従来の光変調素子に比べて少なく、本参考形態によれば、高い変調効率を実現できる。
【００６９】
図８（ａ）は、平行結合線路１３に入力する高周波信号の波形を示し、図８（ｂ）は、本参考形態の光変調素子の出力光強度／入力光強度の比を示し、図８（ｃ）は、比較例の出力光強度／入力光強度の比を示している。図８（ａ）のグラフの縦軸は、高周波信号の電圧であり、横軸は時間である。図８（ｂ）および図８（ｃ）のグラフの縦軸は、入力光強度に対する出力光強度の比であり、横軸は時間である。入力光強度に対する出力光強度の比は、光導波路の損失を無視して計算した。
【００７０】
２本の分岐光導波路の間にはπ／２位相バイアスを印加している条件のもとで、シミュレーションを行った。解析に用いた比較例の光変調素子において、共振周波数（１０ＧＨｚ）、線路１１３ａ、１１３ｂの幅および厚さは、本参考形態の各線路１３ａ、１３ｂと同じとし、かつ、光導波路１１２を２つに分岐させている。各線路の長さ（１．５ｍｍ）と、入力線路１２９−線路１１３間の接続位置は、電磁界シミュレータを用いて、奇モードが１０ＧＨｚで共振し、入力インピーダンスが整合するように設定している。
【００７１】
図８（ｂ）のグラフと図８（ｃ）のグラフとを比較すると、本参考形態の光変調素子の光変調効率が、比較例の光変調効率よりも大きく向上していることがわかる。本参考形態で光変調効率が向上する理由は、以下のとおりであると考えられる。
【００７２】
まず、平行結合線路１３を構成する２本の線路１３ａ、１３ｂの両端を接続線路１６ａ、１６ｂによって接続したことにより、図４（ｃ）に示すように、１／２波長の共振器として機能する平行結合線路１３を実現することができる。これに対し、図３に示す従来の光変調素子の平行結合線路１１３では、１／４波長の共振状態しか実現できない。
【００７３】
このように、本参考形態によれば、奇モードの共振を生じさせた時、２つの接続線路１６ａ、１６ｂが共振の節となり得るが、図３に示す従来の光変調素子における平行結合線路１１３ａ、１１３ｂでは、奇モードのインピーダンス整合をとると、開放端が共振の節ではなく腹になる。本参考形態では、１／２波長の奇モード共振を生じさせることができるため、分岐光導波路１２ａ、１２ｂのうち、高周波変調信号の１／２波長に相当する長さを有する部分を通過する光に変調を加えることができ、図３の光変調素子に比べて光変調効率が向上する。
【００７４】
次に、図９（ａ）および図９（ｂ）を参照しながら、１０ＧＨｚで共振する電極構造を有する光変調素子と２６ＧＨｚで共振する電極構造を有する光変調素子の参考例を説明する。
【００７５】
上記２つの光変調素子は、それぞれ、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すサイズおよびレイアウトの変調電極構造を有している。基板は、ｚカットのＬｉＴａＯ3（厚さ０．４ｍｍ）を用い、安息香酸を用いたプロトン交換により、基板表面に幅５μｍのマッハツェンダ型の光導波路を形成した。
【００７６】
光導波路が形成された側の基板表面を厚さ０．１３μｍのＳｉＯ2層からなるバッファ層によって覆った後、そのバッファ層上に真空蒸着法によってアルミニウム膜（厚さ０．９μｍ）を堆積した。フォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いて、このアルミニウム膜をパターニングし、アルミニウムからなる平行結合線路や入力線路を同時に形成した。平行結合線路の幅は５０μｍ、間隙部の幅を２０μｍ、入力線路の幅は１１０μｍとした。なお、図９（ａ）および（ｂ）では、平行結合線路の幅と入力線路の幅の大小関係は実際のスケールを反映してない。
【００７７】
変調の実験では、波長１．３μｍの光を用いて行った。測定によって求めた変調特性を示すグラフを図１０に示す。図１０に示すグラフは、縦軸が反射損を示し、横軸が周波数を示している。また、グラフ中において、実測データは実線で示され、電磁界シミュレーションによって求めたデータは破線で示されている。
【００７８】
図１０に示す結果から、共振器の信号電力の蓄積度を示す指数である無負荷Ｑ値が約３０であることがわかった。これは、共振器に入力された信号電力の約３０倍の電力が共振器に蓄積されていることを意味している。この結果から、本参考形態の変調電極を用いることにより、極めて高い変調効率を実現できることが確認された。図１１は、縦軸が光変調素子の出力を示し、横軸は時間を示している。
【００７９】
これらの図からわかるように、１０ＧＨｚの高い周波数で共振する変調電極を備えた光変素子が得られた。なお、１００ｍＷの高周波信号を投入したときの変調指数は０．２ｒａｄであった。変調光のスペクトルを図１２に示す。
【００８０】
図１３は、２６ＧＨｚで共振する電極を有する光変調素子における変調電極の反射特性（実測値）を示すグラフである。
【００８１】
図１３に示す結果から、無負荷Ｑ値が約６０であることがわかった。この結果からも、本参考形態の変調電極を用いることにより、極めて高い変調効率を実現できることが確認された。変調光のスペクトルを図１４に示す。
【００８２】
上記何れの光変調素子でも、奇モードでの共振が生じている。平行結合線路では、偶モードでの共振も生じ得るが、同一の電極構造においても、奇モードと偶モードとの間に共振周波数やインビーダンスに差異が存在する。所定周波数の高周波信号に対して奇モードのみが励振されるように、本実施例では、平行結合線路の長さ、間隙部の幅、入力線路との接続位置などが調節されている。
【００８３】
（参考形態２）
次に、図１５（ａ）から（ｃ）を参照しながら、本発明の光変調素子の第２の参考形態を説明する。図１５（ａ）は、本参考形態に係る光変調素子の平面構成を示し、図１５（ｂ）は、基板の残留分極の極性が逆の領域を示している。図１５（ｃ）は、平行結合線路における電界強度の分布を示している。
【００８４】
本参考形態に係る光変調素子には、図１５（ａ）に示すように、電気光学効果を有する基板２１の表面部に安息香酸を用いたプロトン交換法などを用いて形成された光導波路２２を有している。基板２１は、例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）単結晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）単結晶などの材料から形成される。
【００８５】
光導波路２２は、２箇所の分岐点２８ａ、２８ｂで２つの分岐光導波路２２ａ、２２ｂに分岐しており、入口側光導波路２２ｘから入力された入力光が一方の分岐点２８ａで分岐して２つの分岐光導波路２２ａ、２２ｂを通過した後、他方の分岐点２８ｂで共通の出口側光導波路２２ｙを進むように構成されている。
【００８６】
基板２１の上には、光導波路２２の各分岐光導波路２２ａ、２２ｂに沿うように延びる２つの線路２３ａ、２３ｂからなる平行結合線路２３が設けられている。各線路２３ａ、２３ｂの各内側端は、各分岐光導波路２２ａ、２２ｂのほぼ中央部の直上に位置するように形成されている。さらに、基板２１の上には、平行結合線路２３の一方の線路２３ｂに接続され平行結合線路２３に共振を起こさせる入力信号を印加するための入力線路２５が設けられている。平行結合線路２３の各線路２３ａ、２３ｂ、接続線路２６ａ、２６ｂ及び入力線路２５は、真空蒸着法、フォトリソグラフィ及びエッチングなどのプロセスを用いて形成されたアルミニウムや金などの金属膜によってそれぞれ構成されている。また、基板２１の裏面には、金属膜の蒸着法などを用いて形成されたグランドプレーン２４が設けられている。以上の構成は、基本的には、第１の参考形態の光変調素子と同じである。
【００８７】
本参考形態では、第１の参考形態とは異なり、各線路２３ａ、２３ｂの両端部が互いに接続されることなく開放端となっている。また、基板２１は、互いに残留分極の方向（電気光学係数の正負）が異なる２つの領域２１ａ、２１ｂ（ドメイン）に分かれている。つまり、本参考形態においては、平行結合線路２３を構成する２つの線路２３ａ、２３ｂの各前半部分の下方に位置する領域と、２つの線路２３ａ、２３ｂの各後半部分の下方に位置する領域とは、互いに極性が異なる残留分極を有している。
【００８８】
本参考形態では、２つの線路２３ａ、２３ｂの各後半部分の下方に位置する領域２１ａが第１極性（正又は負）の残留分極を有していおり、それ以外の領域２１ｂ、つまり２つの線路２３ａ、２３ｂの各前半部分の下方に位置する領域を含む領域２１ｂが第２極性（負又は正）の残留分極を有している。言い換えると、領域２１ａの残留分極は他の領域２１ｂとは反転した残留分極を有している。
【００８９】
入力光は、入口側光導波路２２ｘから導入され、各分岐光導波路２２ａ、２２ｂを通過する際に、以下のように、光変調作用を受ける。
【００９０】
入力線路２５から高周波信号が入力されて、平行結合線路２３の各線路２３ａ、２３ｂに共振が生じると、間隙部２７には図４（ｂ）に点線で示すような電界と同様の電界が生じる。そして、電気光学的効果により、分岐光導波路２２ａ、２２ｂを構成する材料の屈折率が電界強度に応じて変化する。本参考形態においては、第１の参考形態と同様に、分岐光導波路２２ａと分岐光導波路２２ｂには互いに上下逆方向の電界が印加される。このため、基板２１が例えばｚカットのタンタル酸リチウム結晶等により構成されている場合、２つの分岐光導波路２２ａ、２２ｂを通る光には互いに逆の位相変化が与えられる。したがって、出口側光導波路２２ｙでは、分岐光導波路２２ａ、２２ｂを通過した２つの光の干渉が生じ、この干渉によって出力光の強度が変化することにより、本参考形態の光変調素子は光強度変調器として動作する。
【００９１】
本参考形態では、平行結合線路２３の両端が開放端となっているので、線路２３ａと線路２３ｂとの間に生じる電圧の分布状態は、図１５（ｃ）に示すように、線路２３ａ、２３ｂの中央で０、両端で符号が逆で最大となる三角関数状である。したがって、線路２３ａ、２３ｂ間の電界の向きは、前半部分と後半部分とでは逆である。もし、基板２１全体の残留分極の極性が均一であるとすると、光が平行結合線路２３の各線路２３ａ、２３ｂの下方の各分岐光導波路２２ａ、２２ｂを通過している間は、前半部分と後半部分とでは逆の位相変化が与えられるので、位相変化がキャンセル（相殺）されて、高い変調効率が得られない。しかし、本参考形態の光変調素子においては、平行結合線路２３の前半部分の下方に位置する基板２１の領域２１ｂと、平行結合線路２３の前半部分の下方に位置する基板２１の領域２１ａとでは、電位光学係数の正負が逆である。その結果、図１５（ｃ）の点線に示すように、各線路２３ａ、２３ｂに後半部分でも前半部分と同じ符号の電界を印加したのと実質的に同じの位相変調が、各分岐光導波路２２ａ、２２ｂを通過する光に与えられる。したがって、光が平行結合線路２３の線路２３ａ（又は２３ｂ）の下方の分岐光導波路２２ａ（又は２２ｂ）中を通過する間に受けた変調による位相変化が相殺されることなく足し合わされ続けるので、高い変調効率が得られる。
【００９２】
以上の説明では、光の走行時間を無視している。実際の光変調素子では、光の速度が有限であるため、光の感じる電界強度は、図１５（ｃ）の実線とは異なる。このため、領域２１ａの最適なパターンは、厳密には、図１５（ｂ）に示すパターンとは異なる。具体的には、基板２１中の領域２１ａが各線路２３ａ、２３ｂの後半部分よりも高周波信号の位相の遅れ分だけやや下流側にずらせておくことが好ましい。
【００９３】
なお、領域２１ａのパターンは、図１５（ｂ）に示すように、必ずしも広い面積の残留分極を他の領域２１ｂとは反転させる必要はなく、各分岐光導波路２２ａ、２２ｂ及びその必要最小限の周辺部分だけ残留分極を反転させておけばよい。
【００９４】
本参考形態の光変調素子によると、基板２１に、残留分極の向きの相違を利用して電気光学係数の正負が相異なる領域２１ａ、２１ｂを設けることにより、分岐光導波路２２ａ、２２ｂ中を通過する間に受けた変調による位相変化が相殺されることなく足し合わされ続けるようにすることができる。つまり、本参考形態においては、第１の参考形態において各線路１３ａ、１３ｂの両端を接続して、１／２波長の共振器を構成することにより得た効果を、基板２１中に残留分極の正負が異なる領域を設けることにより、発揮することができ、高い変調効率が得られる。
【００９５】
なお、本参考形態の光変調素子は、両端が開放された半波長共振器として機能する平行結合線路２３を有しているが、本発明はこのような構成を有する参考形態に限定されない。例えば、両端が接続線路によって接続された１波長共振器として機能する平行結合線路を設け、平行結合線路の各線路の後半部分に対応する基板の分岐光導波路の残留分極の極性を他の領域とは反転させておいてもよい。そのような構成によれば、１波長分だけ受けた光変調の位相変化を相殺することなく足しあわせることができる。本参考形態の光変調素子によれば、周波数が同じ場合、共振器長が図４に示す光変調素子の共振器長の２倍になるため、その分、変調効率が向上する。また、より高次の共振を用いることにより、変調効率を更に高めることが可能である。
【００９６】
このように、奇モードによる高次共振を用いることによって、変調効率を飛躍的に高めることが可能である。平行結合線路の一端が接続され、他端が開放された構造を有する光変調素子であっても、残留分極の極性の相違を利用することにより、同じ効果を発揮することができる。
【００９７】
なお、残留分極の極性が反転した領域の個数は１つに限定されない。適切な個数の分極反転領域を配列することにより、変調電極を長くすることができる。
【００９８】
（実施形態１）
次に、図１６（ａ）および図１６（ｂ）を参照しながら、本発明の光変調素子の第３の実施形態を説明する。図１６（ａ）は、本実施形態に係る光変調素子の平面構成を示し、図１６（ｂ）は、その縦断面図である。
【００９９】
本実施形態に係る光変調素子には、図１６（ａ）に示すように、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3 ）単結晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）単結晶などの電気光学効果を有する基板３１の表面部に、安息香酸を用いたプロトン交換法などを用いて形成された光導波路３２が設けられている。光導波路３２は、２箇所の分岐点３８ａ、３８ｂで２つの分岐光導波路３２ａ、３２ｂに分岐しており、入口側光導波路３２ｘから入力された入力光が一方の分岐点３８ａで分岐して２つの分岐光導波路３２ａ、３２ｂを通過した後、他方の分岐点３８ｂで共通の出口側光導波路３２ｙを進むように構成されている。
【０１００】
また、基板３１の上には、光導波路３２の各分岐光導波路３２ａ、３２ｂに沿うように延びる３つの線路３３ａ、３３ｂ、３３ｃからなる平行結合線路３３が設けられている。各線路３３ａ、３３ｂの各内側端は、各分岐光導波路３２ａ、３２ｂのほぼ中央部の直上に位置するように形成されている。また、線路３３ｃは、２つの線路３３ａ、３３ｂの中間に位置している。各線路３３ａ、３３ｂ、３３ｃの両端部は、接続線路３６ａ、３６ｂを介して互いにつながっている。さらに、基板３１の上には、平行結合線路３３の１つの線路３３ｂに接続され平行結合線路３３に共振を起こさせる入力信号を印加するための入力線路３５が設けられている。平行結合線路３３の各線路３３ａ〜３３ｃ、接続線路３６ａ、３６ｂ及び入力線路３５は、真空蒸着法、フォトリソグラフィ及びエッチングなどのプロセスを用いて形成されたアルミニウムや金などの金属膜によってそれぞれ構成されている。また、基板３１の裏面には、金属膜の蒸着法などを用いて形成されたグランドプレーン３４が設けられている。
【０１０１】
入力光は、入口側光導波路３２ｘから導入され、各分岐光導波路３２ａ、３２ｂを通過する際に、以下のように、光変調作用を受ける。
【０１０２】
入力線路３５から高周波信号が入力されて、平行結合線路３３の各線路３３ａ、３３ｂ、３３ｃに共振が生じると、各間隙部３７ａ、３７ｂには図１６（ｂ）に点線で示すような電界が生じる。そして、電気光学的効果により、分岐光導波路３２ａ、３２ｂを構成する材料の屈折率が電界強度に応じて変化する。したがって、出口側光導波路３２ｙでは、分岐光導波路３２ａ、３２ｂを通過した２つの光の干渉が生じ、この干渉によって出力光の強度が変化することにより、本実施形態の光変調素子は光強度変調器として動作する。
【０１０３】
ここで、図１６（ａ）および（ｂ）に示すような３本の線路３３ａ〜３３ｃを有する平行結合線路３３においては、通常、３種類の伝搬モード１〜３が存在する。
【０１０４】
以下の表１は、モード１〜３における各線路３３ａ〜３３ｃの電位の符号を表にして示している。
【０１０５】
【表１】
図１６（ｂ）は、表１に示すモード２で共振を生じさせた場合の分岐光導波路３２ｂ、３２ｂ付近における電界の方向を示している。図１６（ｂ）からわかるように、２本の分岐光導波路３２ａ、３２ｂには上下逆方向の電界が印加されるので、光波に位相差が生じ出口側光導波路３２ｙで干渉を生じるので、本実施形態の光変調素子は、光強度変調器として機能する。
【０１０７】
一方、図１６（ｃ）は、表１に示すモード３で共振を生じさせた場合の分岐光導波路３２ｂ、３２ｂ付近における電界の方向を示している。モード３で共振させる場合は、分岐光導波路３２ｂ、３２ｂと、３つの線路３３ａ、３３ｂ、３３ｃとの配置関係が、図１６（ａ）および（ｂ）に示す配置関係とは少し異なっている。より具体的には、分岐光導波路３２ｂ、３２ｂに形成される電界の向きが相互に反対になるように、分岐光導波路３２ｂの位置がシフトしている。
【０１０８】
このように、本実施形態の構成によれば、線路３３ａ、３３ｂ、３３ｃの全てが常に同電位になるモード１では、光強度変調器としては機能しない。このため、本実施形態の光変調素子は、モード１以外のモード２または３で共振するように設計される。
【０１０９】
ここで、２つの分岐光導波路３２ａ、３２ｂの間隔は、光の相互干渉を回避するためにそれほど狭くできないが、間隙部３７ａ、３７ｂの幅は、線路３３ｃが設けられているために、第１、第２の実施形態に比べ、遙かに狭くなる。したがって、間隙部３７ａ、３７ｂには非常に大きな強度の電界が生じる。よって、本実施形態の光変調素子により、高い変調効率が得られる。
【０１１０】
なお、本実施形態においては、両端が接続された半波長共振器として機能する平行結合線路を有する例について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではない。例えば、第２の参考形態のように、両端が開放された平行結合線路や、従来例の図３に示す一端が接続され他端が開放された１／４波長型共振器として機能する平行結合線路を有する光変調素子によっても、本実施形態の基本的な効果を発揮することは可能である。
【０１１１】
また、本実施形態の光変調素子においても、第２の参考形態と同様に、分極反転領域を光導波路の一部に設けても良い。基板に残留分極の極性が相異なる２つの領域を設けることにより、第２の参考形態の効果と第１の実施形態の効果を併せて発揮ざせることができる。
【０１１２】
（参考形態３）
次に、図１７（ａ）から１７（ｃ）を参照しながら、本発明による光変調素子の第３の参考形態を説明する。図１７（ａ）は、本参考形態の光変調素子の平面構成を示す上面図であり、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のＡ０−Ａ１線断面図である。図１７（ｃ）は、本参考形態の一部を拡大して示す斜視図である。
【０１１３】
本参考形態の光変調素子は、図１７（ａ）および（ｂ）に示されるように、同軸コネクタ２０９が取り付けられた第１の基板固定用冶具２１２ａと、基板１１が固定された第２の基板固定用冶具２１２ｂとを備えており、同軸コネクタの中心線２１０を入力線路１５に対して適切に配置するようにして、第１の冶具２１２ａを第２の冶具２１２ａに固定する。第１の冶具２１２ａは、例えばネジなどによって第２の冶具２１２ｂに固定される。
【０１１４】
同軸コネクタの中心線２１０の先端部分には、中間接続部材２１１が取り付けられており、この中間接続部材２１１を介して、中心線２１０は入力線路１５に接続される。このように本参考形態の光変調素子では、その電気信号入力部が入力線路１５とは別に同軸コネクタ２０９および中間接続部材２１１を有している点で前述の参考形態とは異なっている。
【０１１５】
本参考形態では、変調用高周波信号を生成する外部駆動回路と、光変調素子の同軸コネクタとは、例えば同軸ケーブルによって接続される。同軸ケーブルを伝搬してきた高周波信号は、中間接続部材２１１を介して、入力線路１５に与えられる。
【０１１６】
中間接続部材２１１は、図１７（ｃ）に示されるように、同軸コネクタの中心導体２１０の外周と接するように曲げられた部分を有する第１接続部２１４と、入力線路１５に接触する平面状部分を有する第２接続部２１５とを備えている。
【０１１７】
第１接続部２１４と第２接続部２１５とを連結する部分は、弾性部材から形成されていることが好ましい。このような弾性部材を用いることにより、第２接続部材２１５を第１接続部材２１４に対して下方に付勢することができる。このため、図１７（ｂ）に示すように、第２接続部２１５の底面が入力線路１５の上面を押圧し、第２接続部２１５と入力線路１５との間の電気的接触が確保しやすくなる。このような構成を採用すると、第２接続部２１５と入力線路１５との間に、導電性の接着剤を塗布する必要がなく、接続が容易になる。なお、第１接続部２１４と第２接続部２１５とは、一枚の板状導電体から形成されることが好ましい。
【０１１８】
以上の構成を採用することにより、光コネクタ２０９を介して入力線路１５に与えられた高周波信号は、平行結合線路１３に伝搬し、線路１３ａと線路１３ｂとの間で共振を生じさせる。この結果、間隙部１７に高周波の振動電界が生じるため、電気光学効果を有する材料から形成されている光導波路１２の屈折率は高周波信号に応じて変化する。このとき、線路１３ａ及び線路１３ｂの下を通る光導波路には、図１７（ｂ）に示すように、互いに上下逆方向の電界が形成されるため、各分岐光導波路を伝搬する光に位相差が形成される。
【０１１９】
図１８は、本参考形態の構成を有する光変調素子の入力線路１５の端部Ｐにおける反射特性を示している。図１８からわかるように、変調電極の共振周波数は、２６ＧＨｚであり、共振周波数において入力インピーダンスが整合している。図１９は、入力線路１５の周波数に対する透過損出の関係を示すグラフである。
【０１２０】
（参考形態４）
次に、本発明による光変調素子の第４の参考形態を説明する。
【０１２１】
本参考形態の光変調素子は、第３の参考形態における光変調素子とほぼ同様の構成を有しているが、基板１１上に入力線路を設けられていない点で、第３の参考形態における光変調素子とは異なっている。
【０１２２】
図２０（ａ）は、本参考形態の光変調素子を示す平面面図であり、図２０（ｂ）は、そのＢ０−Ｂ１線断面図である。
【０１２３】
本参考形態の光変調素子の電気信号入力部は、参考形態３と同様に、同軸コネクタ９コネクタ２０９および中間接続部材２１１を有しているが、この中間接続部材２１１が変調電極１３に入力線路を介することなく直接的に接続されている。
【０１２４】
光変調素子を動作させるためには、変調用の高周波信号を平行結合線路１３に供給することによって平行結合線路３に奇対称モードによる共振を効率よく引き起こす必要がある。このことは、中間接続部材２１１を入力インピーダンス整合のとれる位置に接続することにより、実現することができる。
【０１２５】
図２１は、基板１１上の平行結合線路１３と同軸コネクタの中心導体２１０との接続状態を示している。同軸コネクタの中心導体２１０および中間接続部材２１１は、図１７（ｃ）に示す構成を有している。前述のように、第１接続部２１４と第２接続部２１５とを連結する部分は、湾曲した弾性部材から形成されており、第１接続部材２１４に対して第２接続部材２１５を下方に付勢している。このため、第２接続部２１５の底面が平行結合線路１３の上面を押圧し、第２接続部２１５と平行結合線路１３との間の電気的接触が確保される。第２接続部２１５と平行結合線路１３との間に、導電性を有する接着剤を塗布する必要がなく、接続が容易である。
【０１２６】
平行結合線路１３の形成された基板１１は、基板固定用冶具２１２ｂに固定されており、中間接続部材２１１及び同軸コネクタ２０９は、基板固定冶具２１２ａに固定されている。基板固定用冶具２１２ａを基板固定冶具２１２ｂに対してスライドさせることにより、平行結合線路１３と中間接続部材２１１とを適切な位置で接触させることができる。基板固定用冶具２１２ａは、ネジなどによって基板固定用冶具２１２ｂに固定される。
【０１２７】
平行結合線路１３に中間接続部材２１１を接触させるだけで、変調用高周波信号の入力が可能となるため、平行結合線路１３における入力反射特性を測定した後に、平行結合線路１３に対する中間接続部材２１１の接続位置を調節することが簡単に行える。この接続位置の調節は、冶具２１２ａと冶具２１２ｂのねじ止め位置を微調整することによって行うことができる。
【０１２８】
次に、本参考形態の光変調素子について、電磁界シミュレーションによる解析を行った結果を説明する。この具体例では、基板１１として、厚さ０．４００ｍｍのｚカットタンタル酸リチウム結晶（比誘電率４２）を用い、平行結合線路１３の線路幅を０．０５ｍｍ、間隙部の幅を０．０２ｍｍに設定した。
【０１２９】
各線路の材料は、アルミニウムとし、線路を構成するアルミニウム膜の厚さは１μｍに設定した。中間接続部材は、厚さ０．０１ｍｍ、幅０．１５ｍｍの金メッキ処理を施したベリリウム銅とした。
【０１３０】
平行結合線路１３の長さと中間接続部材２１１との接続位置は、入力インピーダンスが整合するように設定した。具体的には、電磁界シミュレーターを用いて、奇対称モードが２６ＧＨｚで共振し、かつその周波数で、同軸コネクタに入力した信号の反射が最も少なくなるように決定した。
【０１３１】
その結果、図２２に示すように、平行結合線路１３の長さは１．２０ｍｍ、中間接続部材の接続位置は平行結合線路１３の中央から０．２５ｍｍとした。また、基板固定用冶具２１２ａから平行結合線路１３までの距離は０．３０ｍｍとした。
【０１３２】
図２３は、上記構成を有する光変調素子における中間接続部材２１１と平行結合線路１３との接続部での反射特性を示す。図２３からわかるように、共振点で入力信号の反射はなくなり、ほとんど全ての信号電力が平行結合線路１３に入力されている。また、入力線路を設けない場合においても共振特性に影響がないことがわかる。
【０１３３】
本参考形態の構成によれば、入力線路における透過損失をなくすことができる。
【０１３４】
参考形態３の光変調素子では、入力線路１５の存在により、２６ＧＨｚの周波数で０．５ｄＢの透過損出が生じたが、本参考形態の構成によれば、このような入力線路による伝送損失を発生させることなく、高周波信号の入力が可能となり、変調効率をさらに向上させることができる。このため、入力線路を設ける場合に比べて、光出力を０から最大にまで変化させるのに必要な電力を、０．５ｄＢ減少させることが可能となる。
【０１３５】
本参考形態の光変調素子を、図２２に示す設計値に従って作製した場合における作製直後における入力反射特性が、図２４の破線で示すような特性を示したとする。この場合、中間接続部材２１１と平行結合線路１３との接続位置を０．０５ｍｍだけ変調電極の中心に近づけるように移動させるだけで、図２４の実線で示す入力反射特性を得ることができる。すなわち、光変調素子の作製後に、製造プロセスのばらつきなどに起因して入力インピーダンスが設計値からシフトした場合でも、中間接続部材２１１と平行結合線路１３の接続位置を調整することにより、入力インピーダンスを整合させることが容易に実現できる。
【０１３６】
本参考形態によれば、入力線路を設けることなく、共振型電極に信号を入力し、変調効率を改善することができ、また、素子作成後であっても共振型電極の入力インピーダンスの整合を行うことができる。
【０１３７】
なお、本参考形態では、両端を短絡した半波長共振器構造を有する電極構成を採用しているが、本発明における変調電極は、このような構成を有するものに限定されず、共振器構造を有する変調電極であればよい。
【０１３８】
以上に説明してきた各参考形態および実施形態では、何れも、電気光学効果を有する基板中に光導波路を形成しているが、本発明は、このような構成にも限定されない。基板の表面領域に周囲よりも屈性率の高いコア部を形成し、コア部の上にクラッド部として電気光学効果を有する材料からなる膜を形成する構成を採用してもよい。この場合、コア部を伝搬する光の一部がクラッド部に染み出すため、クラッド部の屈性率を変化させることにより、コア部を伝搬する光の位相を変調することができる。コア部は電気光学効果を有する材料から形成されている必要は無い。
【０１３９】
また、上記参考形態および実施形態における光導波路は、分岐された少なくとも２つの分枝光導波路と、２つの分枝光導波路を結合する光入力部と、２つの分枝光導波路を結合する光出力部とを有するマッハツェンダ干渉計型の構成を有しているが、本発明の光変調素子は、このような構成を有する光強度変調素子に限定されない。本発明による光変調素子の光導波路が単一の光導波路を有する場合であっても、伝搬する光の位相を効率的に変調することができる。この意味では、本発明の光変調素子は、光の位相を変調する点に本質的な機能を有しており、位相の変調された光を干渉させることによって光強度をも変調させることが可能である。
【０１４０】
なお、第１、第２の参考形態の光変調素子は、光導波路を途中で２つに分岐させて分岐光導波路を有しているが、本発明は、このような分岐光導波路を有する光変調素子に限定されない。例えば、単一の光導波路のみを有する光変調素子に本発明を適用すると、位相変調器として機能する光変調素子が得られる。その場合でも、本発明によれば、線路間における電圧の符号（極性）が均一となり、光の位相変化が相殺されることがないので、光変調素子の光変調効率の向上を図ることができる。
【０１４１】
第１、第２の参考形態および第１の実施形態に係る光変調素子では、入力線路が平行結合線路の１つの線路に直接接続されているが、本発明は、そのような構成を有するものに限定されない。例えば、入力線路の先端を平行結合線路の１つの線路に間隙を介して対向させることによって、入力結合させることも可能である。特に、線路を構成する材料として超伝導材料を用いた場合など、線路の損失が小さく、共振の無負荷Ｑ値が高い場合などはこのような構成が、特に有効である。
【０１４２】
また、平行結合線路の各線路を接続している接続線路は、添付図面において部分円形状を有しているように描かれているが、接続線路は各線路同士を短い距離で接続できればよいので、多角形の一部を構成するなど、直線部分を有する形状であっても、光変調素子の特性に悪影響を及ぼすことはない。
【０１４３】
素子の基板は、タンタル酸リチウム結晶やニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料以外の電気光学結晶から形成されたものであってもよい。光導波路は、電気光学結晶基板の表面に対して安息香酸中でプロトン交換処理を施す方法によって好適に形成されるが、光導波路は、他の方法で作製されてもよい。例えば、他の機能素子との集積化などのために、タンタル酸リチウム単結晶など以外の基板を利用する必要がある場合には、基板上に、基板よりも屈折率が高く、かつ、電気光学効果を有する材料からなる膜を形成し、その膜を光導波路として用いることもできる。また、基板の表面領域に周囲よりも屈折率の高いコア部を形成し、コア部の上に、クラッド部として電気光学効果を有する材料からなる膜を形成することにより、コア部からしみ出した電界を利用してクラッド部の屈折率変化によって光変調を行うことも同様に有効である。また、平行結合線路は、基板内に埋設されていてもよい。
【０１４４】
（実施形態２）
図２５は、本発明によるファイバ無線システムの構成を示すブロック構成図である。
【０１４５】
本実施形態のファイバ無線システム５０は、第１〜第３の実施形態の光変調素子を内蔵した光変復調器５１を備えている。そして、アンテナ５３により、通常のインターネット等のデータ通信網や、携帯端末との通信、あるいは、ＣＡＴＶからの信号の受信等を、例えばミリ波の搬送波を用いて直接行うことができる。なお、光変復調器５１には、光変調素子とともに光復調素子（例えばフォトダイオード）が内蔵されている。
【０１４６】
一方、ミリ波等の周波数の高い無線信号は長距離の伝送は困難であり、かつ、物体による信号の遮断を受けやすい。そこで、データ通信網６１や、ＣＡＴＶ６２や、携帯電話システム６３との通信を、無線装置６０及び無線装置に付設されたアンテナ６４を用いて行うこともできる。その場合、ファイバ無線通信システム５０と光ファイバ７０を介して接続される光変復調器５５と、これに付設されるアンテナ５４とをさらに備えておく。そして、アンテナ５４、６４及び光変復調器５５を介して、無線装置６０との間で、信号の授受を行うことができる。光変復調器５５には、光変調素子とともに光復調素子（例えばフォトダイオード）が内蔵されている。
【０１４７】
例えば長距離伝送を行いたい場合や、壁等で仕切られた屋内での伝送の際には、ミリ波等の無線信号で変調された光信号を光ファイバ７０を通して伝送することが効果的である。
【０１４８】
【発明の効果】
本発明の光変調素子の構成によれば、位相変調器又は光強度変調器として機能する光変調素子の光変調効率の向上を図ることができ、この光変調素子を通信システムに配置することにより、ミリ波レベルの高周波信号を利用した通信が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は、光の直接変調を説明するための図であり、（ｂ）は光の外部変調を説明する
ための図である。
【図２】 電気光学効果を利用した光の外部変調の動作原理を示す断面図である。
【図３】 光変調素子の従来例を示す平面図である。
【図４】 （ａ）は、本参考形態に係る光変調素子の平面構成を示す平面図、（ｂ）は、その導波
路を垂直に横切る断面図、（ｃ）は、この光変調素子の変調電極が形成する電界の強度分
布を模式的に示す図である。
【図５】 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図４（ｂ）に示す断面における偶モード、および奇
モードの電界（実線）及び磁界（破線）の状態を示す図である。
【図６】 第１の参考形態において、電磁界シミュレーションに用いた平行結合線路及び入力線路
の平面寸法及び接続位置を示す平面図である。
【図７】 第１の参考形態において、電磁界シミュレーションによって得られた光変調素子の共振
状態における反射損特性を示す図である。
【図８】 （ａ）は、第１の参考形態における平行結合線路１３に入力する高周波信号の波形を示
すグラフであり、（ｂ）は、本参考形態の光変調素子の出力光強度／入力光強度の比を示
すグラフであり、（ｃ）は、比較例の出力光強度／入力光強度の比を示すグラフである。
【図９】 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、１０ＧＨｚで共振する電極構造を有する光変調素子
および２６ＧＨｚで共振する電極構造を有する光変調素子の参考例を示す平面図である。
【図１０】 図９（ａ）に示す参考例の反射損特性を示すグラフである。
【図１１】 図９（ａ）に示す参考例の光出力の時間変化を示すグラフである。
【図１２】 図９（ａ）に示す参考例の変調光スペクトルを示すグラフである。
【図１３】 図９（ｂ）に示す参考例における変調電極の反射特性（実測値）を示すグラフである。
【図１４】 図９（ｂ）に示す参考例の変調光のスペクトルを示すグラフである。
【図１５】 （ａ）は、本発明による光変調素子の第２の参考形態の平面構成を示す平面図、（ｂ）
は、基板の残留分極の極性が逆の領域を示す平面図、（ｃ）は、平行結合線路における電
界強度の分布を示す図である。
【図１６】 （ａ）は、本発明による光変調素子の第１の実施形態の平面図、（ｂ）は、モード２で
共振する場合の縦断面図であり、（ｃ）は、モード３で共振する場合の縦断面図である。
【図１７】 （ａ）は、本発明による光変調素子の第３の参考形態を示す上面図であり、（ｂ）は、
（ａ）のＡ０−Ａ１断面図であり、（ｃ）は同軸コネクタ中心導体２１０と中間接続部材
２１１の接続を示す斜視図である。
【図１８】 第３の参考形態における入力線路部の反射特性を示すグラフである。
【図１９】 第３の参考形態における入力線路部の透過損失を示すグラフである。
【図２０】 （ａ）は、本発明による光変調素子の第４の参考形態を示す上面図であり、（ｂ）は、
（ａ）のＢ０−Ｂ１断面図である。
【図２１】 第４の参考形態の一部を示す斜視図である。
【図２２】 第４の参考形態における光変調素子の設計パラメータ値を示すレイアウト図である。
【図２３】 図２２の光変調素子について行ったシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図２４】 図２２の光変調素子について行ったシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図２５】 本発明によるファイバ無線システムの実施形態の構成を示すブロック構成図である。
Claims (4)
- 少なくとも一部が電気光学効果を有する基板に形成されており、そして２つの分岐光導波路を具備している光導波路と、
前記基板の表面に形成され、電磁気的に互いに結合した第１、第２、および第３の導体線路を有し、前記光導波路に変調電界を印加する変調電極と、
前記基板の裏面に形成され、前記第１の導体線路とともに第１のマイクロストリップ線路を形成し、前記第２の導体線路とともに第２のマイクロストリップ線路を形成し、前記第３の導体線路と共に第３のマイクロストリップ線路を形成する接地導電層と、
前記変調電極に光変調用高周波信号を供給する電気信号入力部と、
を備え、
前記第３の導体線路は、第１の導体線路および第２の導体線路の間に挟まれ、
前記第１の導体線路の内側端は、一方の前記分岐光導波路の直上に位置しており、
前記第２の導体線路の内側端は、他方の前記分岐光導波路の直上に位置しており、
前記第１の導体線路と第２の導体線路には異なる符号の電位が印加され、
前記第３の導体線路の電位は０である
光変調素子。 - 前記第１、第２、および第３の導体線路を、少なくとも一方の端部において、相互に接続する接続部材をさらに有している、請求項１に記載の光変調素子。
- 前記電気信号入力部は、前記接地導電層とともにマイクロストリップ線路を形成する入力線路を有しており、
前記入力線路は、前記第１の導体線路に接続されている、請求項１に記載の光変調素子。 - 請求項１から３のいずれかに記載された光変調素子と、
前記光変調素子に光を入力する入力部と、
前記光変調素子に前記変調用高周波信号を供給する制御部と、
を備えた通信システム。
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