JP4952934B2

JP4952934B2 - 光変調器

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Publication number: JP4952934B2
Application number: JP2007259923A
Authority: JP
Inventors: 英伸浜田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-10-06
Filing date: 2007-10-03
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2027-10-03
Also published as: JP2008112151A

Description

本発明は、光通信に使用される光変調器および光変調方法に関する。例えば、光を表面プラズモンとの相互作用で強度変調する光変調器および光変調方法に関する。

光通信における光変調方法として、光源を駆動電流で変調する直接変調方式と、伝搬光を外部物理量で制御された伝送路中の電子や分極などと相互作用させて変調する間接変調方式がある。

直接変調方式は、光源の閾値電流と容量の存在により高速変調に限界があるため、高速変調を行わせるためには間接変調方式が用いられる。

間接変調方式の代表例として、ＬｉＮｂＯ_３やＫＴＰなどの電気光学材料を利用して位相変調した直交偏波を干渉で強度変調に置換する透過型と、表面プラズモン（ＳＰ）とフォトンの共鳴を利用して透過光量を変調するモード結合型がある。

ただし、透過型は、現在の材料では感度を実用レベルにするためには１０μｍ幅まで電極間隔を狭くするために導波路化が必要である。このような狭い電極間隔を実現するためには製造コストがかかり高価格になってしまうので、コスト面においてモード結合型の方が有利である。

モード結合型として、金属と絶縁体との界面に印加する高周波電圧によって絶縁体を共振して、金属と絶縁体との界面上に局在する表面プラズモンを発生させ、その絶縁体に隣接して設けられた導波路の伝搬光と結合させることにより伝搬光を変調するものがある（例えば、特許文献１参照）。

図１３は、特許文献１に開示されている表面プラズモン波変調器の側断面図を示している。

この表面プラズモン波変調器１１０は、２つの金属電極１１８Ａ、１１８Ｂと、この間に挟まれている光電材料１２０と、光電材料１２０の層に対向する被覆材料１１４の２つの層と、この２つの被覆材料１１４の層間に挟まれている単一モードの平らなウエーブガイド１１２より成る平らな多層構造である。また、金属電極１１８Ａと被覆材料１１４の間には、薄いバッファ層１１６（０．１μｍ）が設けられている。

ウエーブガイド１１２は、ガラスなどの透明な材料で形成されており、その厚さは６μｍと極端に薄いので、その内部に生じる光波のモードは１つのみである。

光電材料１２０は、ウエーブガイド１１２よりも屈折率の低い光電ポリマーで形成されており、金属電極１１８Ａ、１１８Ｂに印加される電圧によって光電材料１２０の屈折率が変化する。

表面プラズモン波変調器１１０内には、ウエーブガイド１１２によるコアモードと、金属電極１１８Ａと光電材料１２０の層の間の界面における表面プラズモン波界面モードの２つの異なるモードが生じる。ガイドされたコアモードからのエネルギーは、２つのモードの相速度が合致したとき表面プラズモン波界面モードに共振的に結合される。この相合致条件は、電界を加えて光電材料１２０の屈折率を変化させることによって制御される。

光波のＴＭ偏光成分が表面プラズモン波界面モードに結合される。したがって、入射光がＴＭ偏光されていれば、そのパワーは上記の相合致条件によって表面プラズモン波界面モードに結合される。したがって、出力パワーレベルは、光電材料１２０に加えられる電界によって制御される。
特開平５−３１３１０８号公報

しかしながら、従来の表面プラズモン波変調器では、絶縁体膜（光電材料１２０）と金属膜との界面上に局在する表面プラズモンを被変調光と共鳴させるために、絶縁体膜として、被変調光が伝搬する導波路（ウエーブガイド１１２）よりも低屈折率材料を選択する必要があり、材料選択の幅が狭かった。導波路材料として一般に使用されるガラスや樹脂の屈折率（１．５程度）より低屈折率の絶縁体材料は非常に種類が少なく、また、電気光学定数の大きな高誘電体を使用できないという問題があった。

以下に、この問題を説明するために、表面プラズモンと導波モードの共鳴による光変調メカニズムについて分散特性を使用して説明する。

まず、誘電体層−金属層の２層構造において、誘電体層に光が入射する場合について説明する。

図１４（ａ）は、誘電体層−金属層の２層構造に光が入射した場合の断面模式図を示しており、図１４（ｂ）は、誘電体層−金属層の２層構造における誘電体層中のフォトンと表面プラズモンの分散特性を示している。

誘電体層１３０中を進行するフォトンの分散曲線１３２の傾きは、図１４（ｂ）に示すように誘電体層１３０の屈折率で決まる直線となる。これに対し、誘電体層１３０と金属層１３１との界面上に局在する表面プラズモンの分散曲線１３３は、フォトンの分散曲線１３２よりも常に波数が大きく、プラズマ周波数に漸近する曲線を描き、誘電体層のフォトンの分散曲線１３２とは交点を持たない。つまり、互いに隣接する誘電体のフォトンと金属界面上に局在する表面プラズモンは原理的に結合できない。

次に、低屈折率誘電体層−金属層−高屈折率誘電体層の３層構造において、誘電体層に光が入射する場合について説明する。

図１５（ａ）は、低屈折率誘電体層−金属層−高屈折率誘電体層の３層構造に光が入射した場合の断面模式図を示しており、図１５（ｂ）は、低屈折率誘電体層−金属層−高屈折率誘電体層の３層構造における誘電体層中のフォトンと表面プラズモンの分散特性を示している。

図１５（ｂ）に示すように、高屈折率誘電体層１３５から光が入射した場合、高屈折率誘電体層１３５中を進行するフォトンの分散曲線１４１と、高屈折率誘電体層１３５と金属層１３６との界面上に局在する表面プラズモン１３８の分散曲線１４２とは、交点を持たない。また、低屈折率誘電体層１３４から光が入射した場合を考えると、低屈折率誘電体層１３４中を進行するフォトンの分散曲線１３９と、低屈折率誘電体層１３４と金属層１３６との界面上に局在する表面プラズモン１３７の分散曲線１４０とは、交点を持たない。このように、２層構造の場合と同様に、互いに隣接する誘電体のフォトンと金属界面上に局在する表面プラズモンとは結合できない。

一方、低屈折率誘電体のフォトンの分散曲線１３９は、高屈折率誘電体のフォトンの分散曲線１４１よりも、常に周波数が高く、また、低屈折率誘電体層と金属層との界面上に局在する表面プラズモンの分散曲線１４０は、高屈折率誘電体層と金属層との界面上に局在する表面プラズモンの分散曲線１４２よりも、常に周波数が高い。したがって、図１５（ｂ）に示すように、高屈折率誘電体のフォトンの分散曲線１４１と、低屈折率誘電体層と金属層との界面上に局在する表面プラズモンの分散曲線１４０とは交点を持つ。すなわち、３層構造の場合には、高屈折率誘電体のフォトンと、低屈折率誘電体層と金属層との界面上に局在する表面プラズモンが結合できる。

図１３に示した表面プラズモン波変調器１１０のウエーブガイド（導波路）１１２、金属電極１１８Ａ、光電材料１２０が、それぞれ、図１５（ａ）に示す３層構造の、高屈折率誘電体層１３５、金属層１３６、低屈折率誘電体層１３４に相当する。表面プラズモン波変調器１１０では、光電材料１２０にウエーブガイド１１２よりも屈折率が低い材料を用いているので、ウエーブガイド１１２中のフォトンが、光電材料１２０と金属電極１１８Ａとの界面上に局在する表面プラズモンと結合できる。

しかし、表面プラズモン波変調器１１０において、光電材料１２０にウエーブガイド１１２よりも屈折率が高い材料を用いた場合には、ウエーブガイド１１２中のフォトンの分散曲線が図１５（ｂ）の低屈折率誘電体のフォトンの分散曲線１３９に相当し、金属電極１１８Ａとバッファ層１１６との界面上に局在する表面プラズモンの分散曲線、および金属電極１１８Ａと光電材料１２０との界面上に局在する表面プラズモンの分散曲線が、それぞれ、図１５（ｂ）の低屈折率誘電体層と金属層との界面上に局在する表面プラズモンの分散曲線１４０、および高屈折率誘電体層と金属層との界面上に局在する表面プラズモンの分散曲線１４２に相当するので、これらの分散曲線は交点を持たない。つまり、この場合には、ウエーブガイド１１２中を進行してきた光は、金属電極１１８Ａのいずれの面の表面プラズモンとも結合できない。

したがって、特許文献１の表面プラズモン波変調器１１０の構成では、光電材料１２０としてウエーブガイド１１２よりも屈折率が低い材料を用いなければならばならない。

一方、電気光学定数の大きな材料の方が、屈折率を変化させるのに印加する電圧を小さくでき、制御もしやすくなる。さらに、駆動電源も小さくできるので、小型化ができ、変調速度も速くできる。

しかし、一般的に電気光学定数の大きな材料はガラスや樹脂よりも高屈折率材料であるため、特許文献１の表面プラズモン波変調器１１０の構成では、誘電体層（光電材料１２０）として電気光学定数の大きな材料を使用できなかった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するもので、金属膜に近接する材料の屈折率に依存せず、表面プラズモンと伝搬光が共鳴できる光変調器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、第１の本発明は、伝搬光が入射する導波路と、
前記導波路に隣接した、少なくとも前記導波路の伝搬方向に周期構造を有する金属層と、
前記金属層の前記導波路が隣接する面とは反対側の面に隣接し、電気光学効果を有する誘電体層とを備え、
前記導波路は、前記伝搬方向に垂直な少なくとも一つの方向についてマルチモード伝搬可能なマルチモード導波路であり、
前記周期構造の周期は、前記伝搬方向に沿った、前記伝搬光の波長の０．５倍より大きく１．５倍より小さい２次元周期である光変調器である。

また、第２の本発明は、上記導波路に入射する前記伝搬光は、直線偏光である、上記第１の本発明の光変調器である。

また、第３の本発明は、上記伝搬光は、複数の波長で伝搬する波長多重光である、上記第１の本発明の光変調器である。

本発明により、金属膜に近接する材料の屈折率に依存せず、表面プラズモンと伝搬光が共鳴できる光変調器を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１のモード結合型光変調器の構成を示す模式側断面図であり、図１（ｂ）は、このモード結合型光変調器の分散特性の概要図を示している。

本実施の形態１のモード結合型光変調器は、図１（ａ）に示すように、２次元周期金属層２と、２次元周期金属層２の一方の面に隣接する電気光学効果を有する電気光学材料層３と、２次元周期金属層２のもう一方の面に隣接する導波路１で構成されている。

なお、２次元周期金属層２が、本発明の、導波路の伝搬方向に周期構造を有する金属層の一例にあたり、電気光学材料層３が、本発明の、電気光学効果を有する誘電体層の一例にあたる。

２次元周期金属層２は、面方向（面に平行な方向）に、伝搬光の波長程度の周期の２次元周期構造を有する金属層である。また、導波路１は、入力光５の波長に対して、２次元周期金属層２と電気光学材料層３との界面上に局在する表面プラズモン８と共鳴可能な共鳴モード７を有する導波路である。また、電気光学材料層３は、ＬｉＮｂＯ_３やＫＴＰなどの高屈折率の電気光学材料で形成されており、外部変調電界４が印加される。２次元周期金属層２は、金や銀など、光変調器の金属層として一般的に用いられる材料で形成されている。なお、２次元周期金属層２の周期構造の具体例については、後述する。

図１４および図１５を用いて上記で説明したように、誘電体中の伝搬光と表面プラズモンを共鳴させるためには、誘電体層−金属層−誘電体層の３層構造において、伝搬光が進行する誘電体よりも屈折率の低い誘電体を金属層を介して設ける必要があった。これは、金属層として、図１３の表面プラズモン波変調器１１０の平らな金属電極１１８Ａのように、周期構造を有しないものを用いていたためである。

そこで、図１５に示すような誘電体層−金属層−誘電体層の３層構造において、金属層の面方向に波長程度の周期構造、例えば凹凸や穴などを上述したように周期的に配列して形成すると、高屈折率の誘電体層と金属層間の界面上に局在する表面プラズモンの分散曲線は、第１ブリルアンゾーン（−π／ａ＜ｋ＜π／ａ、ここで、ａは上記周期構造の周期である。）で表すことができる。このときのｋ＞０側（光の伝搬方向）の表面プラズモンの分散曲線４２は、図１（ｂ）に示すように、従来の平らな金属層を用いた場合と同様の正の相関関係を表す進行波の０次の分散曲線４２ａと、負の相関関係を表す後退波の１次の分散曲線４２ｂとなる。

なお、電気光学材料層３と２次元周期金属層２間の界面上に局在する表面プラズモン８の低周波数領域の正の相関関係の分散曲線の傾きは、電気光学材料層３の屈折率に逆比例し、高周波領域の負の相関関係の分散曲線は、低周波数領域の分散曲線に対して付随的（従属的に）に決まる。

一方、ガラスや樹脂などの低屈折率材料で構成される導波路１のフォトンの導波モードの分散曲線４０は、図１（ｂ）に示すように、各導波モードにおいて、波数と周波数が正の線形の相関関係となる。モード次数に従ってその傾きは小さくなる。フォトンの導波モードの分散曲線４０で示す直線４０ａと曲線４０ｂは、最大の傾きと最小の傾きの導波モードの分散曲線を示している。他の導波モードの分散曲線は、これらの直線４０ａと曲線４０ｂの間に存在する。

図１（ｂ）より、フォトンの導波モードの分散曲線４０のうちのフォトンの共鳴モードの分散曲線４１は、電気光学材料層３と２次元周期金属層２間の界面上に局在する表面プラズモンの分散曲線４２と、伝搬光周波数ω０で共鳴点４３を持つことができる。ここで、フォトンの共鳴モードの分散曲線４１は、表面プラズモンの分散曲線４２のうちの後退波の１次の分散曲線との間に共鳴点４３を持つので、伝搬光は、進行方向と逆向きの表面プラズモン８と結合することになる。

なお、図１の表面プラズモン８に示す矢印の向きは、表面プラズモンの伝搬方向を示しており、図１では伝搬光と同じ「正方向」のみを示しているが、上記したように２次元周期金属層２に周期構造を形成させていることにより、表面プラズモン８は、「正方向」だけではなく、伝搬光と逆向きの「負方向」の向きにも生じる。そして、その「負方向」の向きの表面プラズモン８が、伝搬光と結合する。

ただし、伝搬光周波数ω０で表面プラズモン８とフォトンが所望の結合ができるように導波路１を設計する必要がある。

このように、表面プラズモン８が伝搬光と共鳴する（共振する）ことにより、表面プラズモン８と結合するフォトンの導波モード（共鳴モード７）は透過量が減るので、電気光学材料層３に外部電界を加えて屈折率を変化させることにより表面プラズモンの分散曲線４２を共鳴点４３近傍で変化させ、透過量を変化させることができる。したがって、図１（ａ）に示すように、外部変調電界４の電界強度に応じて、導波路１を透過した出力光６の光量を変化させることができる。

ここで、表面プラズモン８はＴＭモードなので、透過光量が変化するフォトンの共鳴モード７は共鳴するＴＭ波の導波モードのみである。しかし、一般的に必要な光変調度は１０％以下であるため、共鳴する波が特定のＴＭモードのみであっても、光変調度に必要な光量変化は十分に得られる。

図２は、直線偏光を入力光とした、本実施の形態１のモード結合型光変調器の構成を示す模式側断面図である。図１（ａ）と同じ構成部分には、同じ符号を用いている。

図２に示すように、導波路１の伝搬光を直線偏光入力光９、例えばＴＭモードのみにすれば、その出力光２０は、透過光量は減るが変調度は上がる。また、導波路１を伝搬するＴＭモードとＴＥモードの比を調整することで変調度を調整することも可能である。

図３は、本実施の形態１の他の構成のモード結合型光変調器の構成を示す模式側断面図である。図１（ａ）と同じ構成部分には、同じ符号を用いている。

図３の光変調器は、電気光学材料層３を挟むように、２次元周期金属層２と対向する位置に電極１０を形成している。

このモード結合型光変調器は、２次元周期金属層２と電極１０間に外部変調電圧１１を印加することにより、電気光学材料層３に印加される電界を変化させて、伝搬光の光量を変化させる。

図３のような構成とすることにより、電気光学材料層３を薄くすることで、印加電界を高め、変調度を高めることができる。

次に、２次元周期金属層２の周期構造の具体例（２次元周期金属層２ａ〜２ｆ）について説明する。

図４（ａ）、図４（ｂ）は、それぞれ、２次元周期金属層２の周期構造の一例（２次元周期金属層２ａ、２ｂ）を示す斜視図、およびＡ−Ａ断面図を示している。また、図４（ｃ）〜図４（ｆ）は、その他の周期構造の一例（２次元周期金属層２ｃ〜２ｆ）の断面斜視図を示している。図４（ｃ）〜図４（ｆ）は、いずれも、図４（ａ）、図４（ｂ）のＡ−Ａ位置に相当する断面を含む斜視図を示している。なお、これらのいずれの図も、周期構造を説明するための図であり、周期構造の一部分のみを記載している。

２次元周期金属層２に形成される周期構造は、伝搬光と結合する側の表面プラズモンに影響を与える場所に形成されていればよい。したがって、周期構造は、２次元周期金属層２の全面にわたって形成されていてもよいし、表面プラズモンに影響を与えられる場所であれば、その一部のみに形成されていてもよい。

図４（ａ）は、２次元周期金属層２の表面に凸部を周期的に形成させた例を示しており、図４（ｂ）は、２次元周期金属層２の表面に穴を周期的に形成させた例を示している。

図４（ａ）、図４（ｂ）ともに、周期構造を正方格子状に形成させた例を示しているが、その他の周期構造であってもよい。ただし、対称性が高い方が表面プラズモンに与える効果が大きいので、正三角格子状や正方格子状に形成するのが望ましい。

２次元周期金属層２が薄い場合には、例えば、図４（ｃ）のように凹凸が両面に対応して形成されるような形状にしてもよい。また、図４（ｂ）では、底部を有する穴２０１が形成された２次元周期金属層２ｂを示したが、これに限らず例えば、図４（ｄ）に示すように貫通孔２０２を有する２次元周期金属層２ｄのような形状にしてもよい。また、図４（ｅ）に示すように、２次元周期金属層２ｅの内部に、周期的に空洞２０３を設けた構造にしてもよい。

また、面方向に２次元の周期構造を形成させるのに限らず、光の伝搬方向に周期性があれば、１次元の周期構造であってもよい。例えば、図４（ｆ）のように、光の伝搬方向にのみ周期性を持つような形状であってもよい。

また、２次元周期金属層２に形成させる周期構造は、伝搬光と結合する側の表面プラズモンに影響を与えられれば、いずれの面に形成されていてもよいし、もちろん両面に形成されていてもよく、図４（ｅ）のように内部に形成されていてもよい。

また、図１（ｂ）では、伝搬光と結合できるのは表面プラズモンの１次の分散曲線、つまり０．５＜ａ／λ＜１．０（ここで、λは光の波長である。）であるとしたが、感度は低下するが２次の分散曲線との結合も可能なので、０．５＜ａ／λ＜１．５でも良い。また、電気光学材料の屈折率が導波路よりも低い場合は、０次の分散曲線、つまりａ／λ＜０．５でも良い。

従って、これらを総合すると、上記周期構造の周期ａは、０．１＜ａ／λ＜１．５の条件を満たすのが望ましい。言い換えれば、本明細書で説明する「伝搬光の波長程度の周期」とは、伝搬光と結合する側の表面プラズモンに影響を与えられる長さの周期を言うが、伝搬光の波長の０．１倍〜１．５倍程度の周期とするのが望ましい。

表面プラズモンの分散曲線は、周期構造の形状によって変わる。また、２次元周期金属層２の材質や厚さによっても変わる。これらの条件の組み合わせにより、所望の伝搬光の波長に結合させることができる。

以上に説明したように、本実施の形態１のモード結合型光変調器は、導波路１と電気光学材料層３の間の金属層を波長程度の周期構造を形成させた２次元周期金属層２としたことにより、電気光学材料層３として、一般的な導波路材料であるガラスや樹脂に比べて高屈折率のＬｉＮｂＯ_３やＫＴＰなどの高い電気光学定数を有する高誘電体を使用できる。なぜなら本実施の形態によれば、導波路１中の伝搬モードと共鳴可能な、電気光学材料層３と２次元周期金属層２との界面上に局在する表面プラズモン８の高次モードが励振できるからである。つまり、本実施の形態によれば、電気光学材料層３として、光変調に最適な電気光学材料を選択できる。

また、従来のモード結合型の光変調器の構成では、コア自身を高屈折率なＬｉＮｂＯ_３やＫＴＰなどの高い電気光学定数を有する高誘電体とし、これらの高誘電体に直接光を通さなければならなかったが、本実施の形態１の光変調器では、高誘電体に直接光を通す必要が無いので、光学グレードを使用する必要がなく低価格化ができる。

（実施の形態２）
図５（ａ）は、本発明の実施の形態２のモード結合型光変調器の構成を示す模式側断面図であり、図５（ｂ）は、このモード結合型光変調器の分散特性の概要図を示している。なお、図１と同じ構成部分には、同じ符号を用いている。

本実施の形態２のモード結合型光変調器は、波長多重伝送に用いられる。導波路２１の伝搬光に複数の波長を使用し、複数波長（ω１〜ωｎ）を有する波長多重入力光１２が入力され、複数波長（ω１〜ωｎ）を有する出力光２３を出力する。

波長多重伝送の場合、波長毎に共鳴モード２２が異なるため、図５（ｂ）に示すように、フォトンの導波モードの分散曲線４０のうちのフォトンの共鳴モードの分散曲線４４が複数になるので、フォトンの共鳴モードの分散曲線４４は、表面プラズモンの分散曲線４２の、多重光の周波数範囲６１である共鳴帯４５上の複数の位置で交点を持つ。つまり、この場合、複数の波長（周波数）に対してフォトンと表面プラズモンが複数の共鳴点を持つ必要がある。

しかし、それらの全ての波長に対して共鳴させることはできない。そのため、共鳴点に一致する波長の変調度は高く、共鳴点から離れるほど波長の変調度は低下するので、多重光間で変調度のバラツキが生じてしまう。このバラツキは、固有モード数を増加させて連続的に固有モードが生じるように導波路２１の断面形状を大きく（マルチモード化）したり屈折率を高くするなど設計することで改善することができる。

（実施の形態３）
図６（ａ）は、本発明の実施の形態３のモード結合型光変調器の構成を示す模式側断面図であり、図６（ｂ）は、このモード結合型光変調器の分散特性の概要図を示している。なお、図１と同じ構成部分には、同じ符号を用いている。

本実施の形態３のモード結合型光変調器の導波路は、複数の固有モードを伝搬するマルチモード（ＭＭ）導波路３５であり、ＭＭ導波路３５の入射側にビーム変換部１３を備えている。それ以外の構成は、図１に示した実施の形態１のモード結合型光変調器と同様である。

ＭＭ導波路３５は、固有モード毎に方向が異なる複数の導波モードを有する。したがって、図６（ｂ）に示すように、フォトンの導波モードの複数の分散曲線４６のうち、伝搬光周波数ω０で表面プラズモンの後退波の１次の分散曲線４２ｂと交点を持つ、フォトンの共鳴モードの分散曲線４７が１つ存在する。尚、本発明の「マルチモード方向」は、例えば、伝搬方向に垂直な方向に対応している。

有限長のＭＭ導波路３５内で全ての固有モードを、励振可能な範囲７１で励振すれば、波数軸上（ｋ空間上）で連続的に固有モードが得られる。ゆえに、本実施の形態３のモード結合型光変調器では、ビーム変換部１３によって、ＭＭ導波路３５に入力される入力光５のビーム径を、ＭＭ導波路３５断面に比べて極小にし、空間周波数を多くして全固有モードを励振させている。

図５に示す実施の形態２のような波長多重光を伝搬する構成の場合には、ビーム変換部によって入力光を極小にすることによる効果が非常に大きいので、そのような構成の場合にはビーム変換部を設けるのが望ましい。

なお、全固有モード励振の場合、モード分散の問題が生じる。０次モードと高次モードの間では群速度分散が大きいので、０次などの低次モードのみを低減すれば、このモード分散の問題を緩和できる。

ビーム変換部１３によって小さく絞ったビームを、ＭＭ導波路３５の光軸からずれた位置から入射させたり、ＭＭ導波路３５の光軸に対して角度ズレさせて入射させることで、０次などの低次モードのみを低減できるので、モード分散の問題を緩和できる。

（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４のモード結合型光変調器の構成を示す斜視図である。なお、図１と同じ構成部分には、同じ符号を用いている。

本実施の形態４のモード結合型光変調器は、その側断面図は図１（ａ）と同様であるが、図１（ａ）に示す導波路１の層が、図７に示すように、クラッド１５に囲まれたＹ分岐導波路１４となっている。

図７に示すように、２次元周期金属層２５の一方の面に隣接して電気光学効果を有する電気光学材料層２６が配置され、２次元周期金属層２５のもう一方の面に隣接して、Ｙ分岐導波路１４およびクラッド１５が配置されている。

実施の形態１の光変調器と同様に、Ｙ分岐導波路１４は、ガラスや樹脂などの低屈折率材料で形成されており、電気光学材料層２６は、ＬｉＮｂＯ_３やＫＴＰなどの高屈折率の電気光学材料で形成されている。

Ｙ分岐導波路１４に入射した入力光５は、電気光学材料層２６と２次元周期金属層２５との界面上に局在する表面プラズモン２８と結合することにより、外部変調電界４の変化に応じて透過量が変化するとともに、２つに分岐して、Ｙ分岐導波路１４の２つの出力部から光量が変調された出力光２７が出力される。

図７に示すようなＹ分岐導波路１４を使用する場合、近接する２次元周期金属層２５と電気光学材料層２６の形状も、Ｙ分岐導波路１４と同じＹ字型の形状でよいが、その場合にはＹ分岐導波路１４の形状に加工する工程が必要となるため、本実施の形態４では、図７に示すように、Ｙ分岐導波路１４の周囲のクラッド１５を含んだ単純な四角形の形状としている。

２次元周期金属層２５および電気光学材料層２６の形状は、それぞれ、Ｙ分岐導波路１４の部分を含むような形状であれば、これ以外の形状であってもよい。

このように、Ｙ分岐導波路１４の伝搬光を変調することで、分岐機能と変調機能を同時に持つことが可能となる。

なお、Ｙ分岐だけでなく、図７の構成でＹ分岐導波路１４に代えて他の各種の形状の導波路とした場合にも、その導波路固有の機能だけでなく変調機能も持たせることができる。

（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５のモード結合型光変調器の構成を示す斜視図である。なお、図１と同じ構成部分には、同じ符号を用いている。

本実施の形態５のモード結合型光変調器は、その側断面図は図１（ａ）と同様であるが、図１（ａ）に示す導波路１の層を、図８に示すように、幅方向の出力ビーム分布を制御できるマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路１６としている。

図８に示すように、２次元周期金属層２９の一方の面に隣接して電気光学効果を有する電気光学材料層３０が配置され、２次元周期金属層２９のもう一方の面に隣接して、ＭＭＩ導波路１６が配置されている。

ＭＭＩ導波路１６は、一様な所定の屈折率を有しており、導波路幅１７と光路長１８に特定の関係を持たせることにより、幅方向の出力ビーム分布を制御して、入力光５を２分岐して出力光３１を出力できるようにしている。

ＭＭＩ導波路１６に入射した入力光５は、電気光学材料層３０と２次元周期金属層２９との界面上に局在する表面プラズモン３２と結合することにより、外部変調電界４の変化に応じて透過量が変化し、ＭＭＩ導波路１６の出力部からは、光量が変調された２つに分岐した出力光３１が出力される。

このように、２分岐機能を持つＭＭＩ導波路１６の伝搬光を変調することで、分岐機能と変調機能を同時に持つことが可能となる。

マルチモード干渉は、分岐だけでなく分波、空間多重伝送など各種機能を実現できる。したがって、図８の構成でＭＭＩ導波路１６に代えて他の各種機能を持つＭＭＩ導波路とすることにより、そのＭＭＩ導波路が有する機能に同時に変調機能を付加することができ、各種機能を集積した光回路の簡素化ができる。

（実施の形態６）
図９（ａ）は、本発明の実施の形態６のモード結合型光変調器の構成を示す模式側断面図であり、図９（ｂ）は、このモード結合型光変調器の分散特性の概要図を示している。なお、図１と同じ構成部分には、同じ符号を用いている。

本実施の形態６のモード結合型光変調器の導波路は、伝搬光の垂直な方向に屈折率が変化する屈折率分布を有する屈折率分布（ＧＩ）型導波路１９であり、それ以外の構成は、図１に示した実施の形態１のモード結合型光変調器と同様である。

ＧＩ型導波路１９は、少なくとも膜厚方向の中心で最大値を有し、その中心からの距離に従って放物線状に屈折率が低下する屈折率分布を有している。図９（ａ）に示すＧＩ型導波路１９内の濃淡（ドットの粗密で表した）は、屈折率の違いを表しており、濃い部分（ドットの密の部分）が淡い部分（ドットの粗の部分）に比べて屈折率の高いことを表している。

２次元的にＧＩ化したＧＩ型導波路１９の光路長と集光パラメータの平方根の積を、ほぼπ／２の整数倍にすることで、レンズ機能を持たせ、入力側と出力側の光結合を容易にすることができる。このような設定とすることにより、図９（ａ）に示すように、入力光５は、表面プラズモン８と結合して強度変調されるとともに、ＧＩ型導波路１９の出力位置で集光され、ビーム径の小さな出力光３３が出力される。

なお、ＧＩ型導波路１９の分散特性は、図９（ｂ）のフォトンの導波モードの分散曲線４８に示すように、各導波モードの傾きが等しくなる。それ以外は実施の形態１と同様で、フォトンの導波モードの分散曲線４８のうちのフォトンの共鳴モードの分散曲線４９が、２次元周期金属層２と電気光学材料層３との界面上に局在する表面プラズモン８の分散曲線４２と共鳴点５０を有する。

なお、ＧＩ型導波路１９の作製には、ポリシランなどの材料（ポリシランを主成分とする材料を含む）が使用できる。

ポリシランは、紫外線露光や熱処理によって起こる硬化時の酸化反応により、高屈折率のポリシラン構造が低屈折率のシロキサン構造に変化する。この酸化反応を利用して、例えば、屈折率が一様なポリシランに、位置によって紫外線透過率が異なる透過率分布を有するマスク板を介して紫外線を照射することにより、照射される位置によって紫外線の強度を変化させて、ポリシラン内に紫外線の強度に対応した屈折率の分布を形成させることができる。

尚、図９（ａ）に示したＧＩ型導波路の概念図に含まれる、より具体的な構成としては、例えば、図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示す様に、チャンネル導波路２０１のコア２０１上に接して２次元周期構造金属層２と電気光学材料層３を積層したものや、図１１（ａ）〜図１１（ｃ）に示すＧＩ型光ファイバーを利用したものが挙げられる。図１１（ａ）は、ＧＩ型光ファイバー（コア）３０１に対して、コア周囲に接して、２次元周期構造金属層２と電気光学材料層３を同心円状に積層したものである。また、図１１（ｂ）は、ＧＩ型光ファイバー（コア）３０１の一部に接して、２次元周期構造金属層２と電気光学材料層３を積層したものである。また、図１１（ｃ）には、ＧＩ型光ファイバー３０２のクラッド層が厚い場合は、光ファイバー３０２の一部を平面研磨した研磨面３０４上に、コアに接して、２次元周期構造金属層２と電気光学材料層３を積層した例が示されている。

図１０（ａ）〜図１１（ｃ）の例では、コアの中心軸からの距離に応じて屈折率が低下する屈折率分布を示している。しかしこれに限らず、例えば、板状のＧＩ型導波路２０１のコアの厚み方向の中央の基準平面上で屈折率が最大であって、その基準平面から２次元周期金属層２側のコアの側面、及び、その反対側のコアの側面に向かうに従って、屈折率が低下する屈折分布（図示省略）を有していても良い。

また、図１０（ａ）、図１０（ｂ）では、屈折率が、コアの中心軸からコアの各辺に近づくに従って減少している。そして、その屈折率の分布を模式的に示した同図では、同じ屈折率の領域が、中心ではほぼ小さな四角形状であり、その領域が周囲に向かうに従って、あたかも相似形的に徐々に大きな四角形状に変化している様子が示されている。

これに対して、図１１（ａ）〜図１１（ｃ）では、同じ屈折率の領域が、中心ではほぼ小さな円形状であり、その領域が周囲に向かうに従って、あたかも相似形的に徐々に大きな同心円形状に変化している様子を示している。

また、図１０（ａ）、図１０（ｂ）の場合、上記の様な屈折率分布に限らず、例えば、中心は図１１（ａ）に示す様に、同じ屈折率の領域が、ほぼ小さな円形状であり、その領域が周囲に向かうに従って、図１０（ａ）に示す様に、徐々に大きな四角形状に変化する分布でも良い（図示省略）。

以上に説明したように、本発明の光変調器および光変調方法は、導波路と電気光学材料層の間の金属層に波長程度の周期構造を形成させたことにより、導波路材料として一般的なガラスや樹脂に比べて高屈折率なＬｉＮｂＯ_３やＫＴＰなどの高い電気光学定数を有する高誘電体を、電気光学材料層に使用しても、導波路中の伝搬モードと共鳴可能な電気光学材料層と金属層との界面上に局在する表面プラズモンの高次モードが励振できるので、電気光学材料層として光変調に最適な電気光学材料を選択できる。つまり、電気光学材料層として、電気光学定数の大きな高誘電体を使用できる。

尚、電気光学材料層３として、ＬｉＮｂＯ_３結晶３’を使用する場合、図１２に示す様に、ＬｉＮｂＯ_３結晶３’の方位として、伝搬方向をＹ軸方向にして積層方向をＸ軸方向にする（図１２では、ＬｉＮｂＯ_３結晶３’の方位４０１として表した）か、伝搬方向をＸ軸あるいはＹ軸方向にして、積層方法をＺ軸方向にする（図１２では、ＬｉＮｂＯ_３結晶３’の方位４０２として表した）と感度を高くできる。

また、上記実施の形態５では、入力光５が１つで、出力光３１が複数の場合について、説明したが、これに限らず例えば、入力光５が複数で、出力光３１が１つの構成も上記実施の形態の構成を適用することにより可能である。その場合の構成図は、図８の入力光と出力光を互いに逆に読み替えれば良い。

本発明に係る光変調器は、金属膜に近接する材料の屈折率に依存せず、表面プラズモンと伝搬光が共鳴できる効果を有し、光を表面プラズモンとの相互作用で強度変調するモード結合型光変調器等として有用である。

（ａ）本発明の実施の形態１のモード結合型光変調器の構成を示す模式側断面図、（ｂ）本発明の実施の形態１のモード結合型光変調器の分散特性の概要図本発明の実施の形態１のモード結合型光変調器において、入力光として直線偏光を使用した場合の構成を示す模式側断面図本発明の実施の形態１の、他の構成のモード結合型光変調器の構成を示す模式側断面図本発明の実施の形態１のモード結合型光変調器の２次元周期金属層の周期構造の一例を示す斜視図および断面図本発明の実施の形態１のモード結合型光変調器の２次元周期金属層の周期構造の一例を示す斜視図および断面図本発明の実施の形態１のモード結合型光変調器の２次元周期金属層の、周期構造の一例の断面を含む斜視図本発明の実施の形態１のモード結合型光変調器の２次元周期金属層の、周期構造の一例の断面を含む斜視図本発明の実施の形態１のモード結合型光変調器の２次元周期金属層の、周期構造の一例の断面を含む斜視図本発明の実施の形態１のモード結合型光変調器の２次元周期金属層の、周期構造の一例の断面を含む斜視図（ａ）本発明の実施の形態２のモード結合型光変調器の構成を示す模式側断面図、（ｂ）本発明の実施の形態２のモード結合型光変調器の分散特性の概要図（ａ）本発明の実施の形態３のモード結合型光変調器の構成を示す模式側断面図、（ｂ）本発明の実施の形態３のモード結合型光変調器の分散特性の概要図本発明の実施の形態４のモード結合型光変調器の構成を示す斜視図本発明の実施の形態５のモード結合型光変調器の構成を示す斜視図本発明の実施の形態６のモード結合型光変調器の構成を示す模式側断面図本発明の実施の形態６の図９（ａ）に示すモード結合型光変調器の分散特性の概要図（ａ）本発明の実施の形態６のモード結合型光変調器の一例として、チャンネル導波路を用いた構成を示す概略斜視図、（ｂ）図１０（ａ）の構成例の断面図（ａ）本発明の実施の形態６のモード結合型光変調器の一例として、ＧＩ型光ファイバーを利用した構成例の断面図、（ｂ）本発明の実施の形態６のモード結合型光変調器の一例として、ＧＩ型光ファイバーを利用した構成例の断面図、（ｃ）本発明の実施の形態６のモード結合型光変調器の一例として、ＧＩ型光ファイバーを利用した構成例の断面図本発明の一実施の形態のモード結合型光変調器に用いるＬｉＮｂＯ_３結晶の方位の選び方を説明する図従来の、モード結合型の間接変調方式の表面プラズモン波変調器の側断面図（ａ）誘電体層−金属層の２層構造に光が入射した場合の断面模式図、（ｂ）誘電体層−金属層の２層構造における誘電体層中のフォトンと表面プラズモンの分散特性を示す図（ａ）低屈折率誘電体層−金属層−高屈折率誘電体層の３層構造に光が入射した場合の断面模式図、（ｂ）低屈折率誘電体層−金属層−高屈折率誘電体層の３層構造における誘電体層中のフォトンと表面プラズモンの分散特性を示す図

符号の説明

１、２１導波路
２、２５、２９２次元周期金属層
３、２６、３０電気光学材料層
３’ ＬｉＮｂＯ_３結晶
４外部変調電界
５入力光
６、２０、２７、３１、３３出力光
２３出力光（ω１〜ωｎ）
７、２２、２４共鳴モード
８、２８、３２表面プラズモン
９直線偏光入力光
１０電極
１１外部変調電圧
１２波長多重入力光（ω１〜ωｎ）
１３ビーム変換部
１４Ｙ分岐導波路
１５クラッド
１６マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路
１７導波路幅
１８光路長
１９屈折率分布（ＧＩ）型導波路
３５マルチモード（ＭＭ）導波路
４０、４６、４８フォトンの導波モードの分散曲線
４１、４４、４７、４９フォトンの共鳴モードの分散曲線
４２金属と電気光学材料層との界面上に局在する表面プラズモンの分散曲線
４３、５０共鳴点
４５共鳴帯

Claims

伝搬光が入射する導波路と、
前記導波路に隣接した、少なくとも前記導波路の伝搬方向に周期構造を有する金属層と、
前記金属層の前記導波路が隣接する面とは反対側の面に隣接し、電気光学効果を有する誘電体層とを備え、
前記導波路は、前記伝搬方向に垂直な少なくとも一つの方向についてマルチモード伝搬可能なマルチモード導波路であり、
前記周期構造の周期は、前記伝搬方向に沿った、前記伝搬光の波長の０．５倍より大きく１．５倍より小さい２次元周期である光変調器。
前記導波路に入射する前記伝搬光は、直線偏光である、請求項１に記載の光変調器。
前記伝搬光は、複数の波長で伝搬する波長多重光である、請求項１に記載の光変調器。