JP6739808B2

JP6739808B2 - 光ｓｓｂ変調器

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Publication number: JP6739808B2
Application number: JP2018501676A
Authority: JP
Inventors: 村田　博司; 博司村田
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Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2020-08-12
Anticipated expiration: 2037-02-20
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Description

本発明は、光波を無線信号で変調することによりＳＳＢ（ＳｉｎｇｌｅＳｉｄｅＢａｎｄ）変調された光信号を出力する光ＳＳＢ変調器に関する。

ミリ波は、次世代無線の有力候補である。特に、６０ＧＨｚ帯は、各種規格も定めらており、Ｇｂｐｓ伝送（つまり、大容量通信）が容易である。ミリ波無線では、セルサイズが小さくなるために、無線信号を光信号に変換して光ファイバーで伝送するＲａｄｉｏ−ｏｖｅｒ−Ｆｉｂｅｒ（ＲｏＦ）方式が有効である。ＲｏＦミリ波無線システムを構築するためには、ミリ波無線信号を光信号に変換する光強度変調器が重要である。

光強度変調器は、両側波帯（ＤｏｕｂｌｅＳｉｄｅＢａｎｄ；ＤＳＢ）変調器であるが、光ＤＳＢ変調器で変調された信号を光ファイバーで伝送すると、光ファイバーの波長分散により強度変調信号が位相変調信号に変換される状況が生じ得る。それゆえ、信号をフォトダイオード等で検波・復調することが困難になる。また、ＤＳＢ信号には冗長性があり、情報伝送のためには、ＳＳＢ信号で十分である。光ＳＳＢ信号では波長分散による問題も生じない。

そこで、従来、ミリ波帯無線信号から光ＳＳＢ変調信号を生成する光ＳＳＢ変調器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の技術によれば、マッハツェンダー型光導波路が形成された電気光学結晶基板に分極反転構造を設けることで、低電力で駆動可能であり、小型の構成であっても、１０ＧＨｚ以上の高周波域で高効率に動作する光ＳＳＢ変調器が実現される。

特開２００７−３３３７５３号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、低電力ではあるものの、駆動のために最低限の電力が必要とされ、電源を必要とするという問題がある。さらに、特許文献１の技術では、光ＳＳＢ変調信号が出力されるものの、その光ＳＳＢ変調信号には不要な側波帯が残留している（つまり、不要な側波帯の抑圧度が十分ではない）という問題もある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、電源を必要とすることなく、かつ、不要な側波帯が従来よりも抑圧された光ＳＳＢ変調信号を生成する光ＳＳＢ変調器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る光ＳＳＢ変調器は、光波を無線信号で変調することによりＳＳＢ（ＳｉｎｇｌｅＳｉｄｅＢａｎｄ）変調された光信号を出力する光ＳＳＢ変調器であって、誘電性材料からなる電気光学結晶基板と、前記電気光学結晶基板に形成され、第１光導波路及び第２光導波路を有するマッハツェンダー型光導波路と、前記無線信号を受信するアンテナと、前記アンテナに接続され、前記第１光導波路及び前記第２光導波路のそれぞれに沿って設けられた第１共振型電極及び第２共振型電極とを備え、前記電気光学結晶基板には、前記第１光導波路を進行する光波に対してｃｏｓ変調を与えるように前記第１共振型電極に対向する領域の一部に分極反転構造が形成され、かつ、前記第２光導波路を進行する光波に対してｓｉｎ変調を与えるように前記第２共振型電極に対向する領域の一部に分極反転構造が形成され、前記第１光導波路及び前記第２光導波路の一方の光路は、他方の光路よりも、前記光波におけるπ／２の位相差に相当する長さだけ長い。

これにより、第１共振型電極及び第２共振型電極には、アンテナで受信された無線信号が供給されるので、特許文献１の技術で必要とされた、第１共振型電極及び第２共振型電極に無線信号を供給するための変調信号源及び可変直流電圧源等の電源が不要となる。さらに、本発明の光ＳＳＢ変調器では、第１光導波路及び第２光導波路にπ／２の位相差に相当する光路差（光バイアス）を与えるために、これらの光路長に差を設けているので、光波にバイアス電圧を印加する方法と異なり、電源を必要としない。よって、本発明の光ＳＳＢ変調器は、電源を必要とすることなく、無線信号から光ＳＳＢ変調信号が生成される。

さらに、本発明の光ＳＳＢ変調器によれば、アンテナによって受信された無線信号が第１共振型電極及び第２共振型電極に供給される。より具体的には、前記第１光導波路及び前記第２光導波路は、互いに並行して延在するように前記電気光学結晶基板上に形成され、前記第１共振型電極及び前記第２共振型電極は、それぞれ前記第１光導波路及び前記第２光導波路に沿って、互いに並行して延在するように前記電気光学結晶基板上に設けられ、前記アンテナは、前記電気光学結晶基板上に設けられ、前記第１共振型電極に直交するように接続される第１アンテナ素子、及び、前記第２共振型電極に直交するように接続される第２アンテナ素子を有し、前記第１アンテナ素子と前記第２アンテナ素子とは、前記電気光学結晶基板上において、前記第１共振型電極及び前記第２共振型電極に対して、対称の位置に設けられてもよい。

これにより、第１共振型電極及び第２共振型電極の一方だけに対して変調信号を供給する特許文献１の技術と異なり、第１共振型電極及び第２共振型電極の両方に対して変調信号が供給されて第１共振型電極及び第２共振型電極において強くて歪の少ない変調電界が発生するので、第１光導波路及び第２光導波路を進行する光波に対して歪の少ないｃｏｓ変調及びｓｉｎ変調が施され、特許文献１の技術よりも不要な側波帯が抑圧された光ＳＳＢ変調信号が生成される。

また、前記第１アンテナ素子が前記第１共振型電極と接続される接続点は、前記第１共振型電極における、前記第１アンテナ素子と前記第１共振型電極とがインピーダンス整合する複数の接続点のうち、前記第１共振型電極の端部に最も近い接続点であり、前記第２アンテナ素子が前記第２共振型電極と接続される接続点は、前記第２共振型電極における、前記第２アンテナ素子と前記第２共振型電極とがインピーダンス整合する複数の接続点のうち、前記第２共振型電極の端部に最も近い接続点であってもよい。

これにより、第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子はそれぞれ第１共振型電極及び第２共振型電極とインピーダンス整合する複数の接続点のうち第１共振型電極及び第２共振型電極の端部に最も近い接続点で接続されて整合されるので、第１共振型電極及び第２共振型電極で不要な共振が生じることが抑制されるともに第１共振型電極及び第２共振型電極で強い変調電界が生じ、出力される光ＳＳＢ変調信号に不要な側波帯が残留してしまうことが抑制される。

また、前記アンテナ、前記第１共振型電極、前記第２共振型電極及び前記分極反転構造を一組の変調部とした場合に、前記第１光導波路及び前記第２光導波路に沿う複数の箇所のそれぞれに、前記変調部が設けられてもよい。より具体的には、前記変調部は、前記光波が進行する方向に沿って並ぶ第１変調部、第２変調部、第３変調部及び第４変調部を、この並び順で、含み、前記第１変調部及び前記第３変調部を構成する前記分極反転構造は、同一の第１分極反転構造を有し、前記第２変調部及び前記第４変調部を構成する前記分極反転構造は、前記第１分極反転構造とは異なる、同一の第２分極反転構造を有してもよい。

これにより、第１光導波路及び第２光導波路を進行する光波は、複数の箇所に設けられた変調部によって変調を受けるので、一つの変調部によって変調を受ける場合に比べ、それぞれ、より歪みの少ないｃｏｓ変調及びｓｉｎ変調を受けて合波され、不要な側波帯がより抑圧された光ＳＳＢ変調信号が生成される。また、複数の変調部において同一の方向から入射する無線信号に対して最も強い光ＳＳＢ変調信号が生成されるので、無線信号の入射方向についての指向性が強くなる。

本発明により、電源を必要とすることなく、かつ、不要な側波帯が従来よりも抑圧された光ＳＳＢ変調信号を生成する光ＳＳＢ変調器が提供される。

よって、本発明に係る光ＳＳＢ変調器は、小型で、かつ、無給電で動作する無線−光信号変換デバイスであり、ミリ波帯による次世代無線通信システムの構築が期待される今日において、実用的価値は極めて高い。

図１は、実施の形態における光ＳＳＢ変調器の構成を示す外観図である。図２は、実施の形態における光ＳＳＢ変調器のアンテナ及び共振型電極の大きさ及びレイアウトの一例を示す図である。図３は、実施の形態における光ＳＳＢ変調器の動作原理を説明する図である。図４は、実施の形態における光ＳＳＢ変調器のアンテナ電極の動作を示す図である。図５Ａは、時刻ｔ＝ｔ０において、光ＳＳＢ変調器の第１変調部の第１共振型電極の中心に位置する光波が第１共振型電極上に立つ２波長分の定在波による変調電界を見る電界分布を説明する図である。図５Ｂは、時刻ｔ＝ｔ０＋Ｔ／４において、光ＳＳＢ変調器の第１変調部の第２共振型電極の中心に位置する光波が第２共振型電極上に立つ２波長分の定在波による変調電界を見る電界分布を説明する図である。図５Ｃは、時刻ｔ＝ｔ０において、光ＳＳＢ変調器の第２変調部の第１共振型電極の中心に位置する光波が第１共振型電極上に立つ２波長分の定在波による変調電界を見る電界分布を説明する図である。図５Ｄは、時刻ｔ＝ｔ０＋Ｔ／４において、光ＳＳＢ変調器の第２変調部の第２共振型電極の中心に位置する光波が第２共振型電極上に立つ２波長分の定在波による変調電界を見る電界分布を説明する図である。図６は、実施の形態における光ＳＳＢ変調器のアンテナの共振特性を示す図である。図７は、実施の形態における光ＳＳＢ変調器の共振型電極の給電位置を変化させたときの給電点での反射係数を説明する図である。図８は、実施の形態における光ＳＳＢ変調器のアンテナ電極の電界についての解析結果を示す図である。図９は、実施の形態における光ＳＳＢ変調器の動作を確認するための実験装置の構成を示すブロック図である。図１０は、図９に示される実験装置による実験結果を示す図である。図１１は、図１０におけるＵＳＢを復調して得られた無線信号の周波数依存性（実験結果）を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、工程、工程の順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

図１は、実施の形態における光ＳＳＢ変調器１０の構成を示す外観図である。ここでは、光ＳＳＢ変調器１０の上方斜めから見た透視的な外観図（図１の（ａ））と、図１の（ａ）における破線枠で囲まれた面で切断して得られる断面図（図１の（ｂ）とが図示されている。また、本図には、説明の便宜のために、互いに直交するｘ軸、ｙ軸及びｚ軸も示されている。

光ＳＳＢ変調器１０は、光波をミリ波等の無線信号５で変調することによりＳＳＢ変調された光信号（光ＳＳＢ変調信号）を出力する電気光学変調器であり、図１の（ａ）に示されるように、主要な構成要素として、誘電性材料からなる電気光学結晶基板１２と、電気光学結晶基板１２に形成され第１光導波路３１及び第２光導波路３２を有するマッハツェンダー型光導波路３０と、無線信号５を受信するアンテナ２１と、アンテナ２１に接続され第１光導波路３１及び第２光導波路３２のそれぞれに沿って設けられた第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂとを備える。なお、第１共振型電極２２ａと第２共振型電極２２ｂとを合わせて、共振型電極２２と呼ぶ。

電気光学結晶基板１２には、第１光導波路３１を進行する光波に対してｃｏｓ変調を与えるように第１共振型電極２２ａに対向する領域の一部に分極反転構造２３が形成され、かつ、第２光導波路３２を進行する光波に対してｓｉｎ変調を与えるように第２共振型電極２２ｂに対向する領域の一部にも分極反転構造２３が形成されている。なお、「分極反転構造」とは、自発分極の向きが周りと異なる（例えば、分極反転構造が施された箇所の自発分極の向きがｚ軸の正方向で、周りがｚ軸の負方向となる）構造をいう。また、「第１光導波路３１を進行する光波に対してｃｏｓ変調を与え、かつ、第２光導波路３２を進行する光波に対してｓｉｎ変調を与える」とは、第１光導波路３１を進行する光波と第２光導波路３２を進行する光波とに対して、位相がπ／２（つまりＴ／４）ずれたタイミングで位相変化量が最大となるように変調を施すことをいう。Ｔは、無線信号５の周波数（対象周波数）に対応する周期である。

また、光ＳＳＢ変調信号を生成するために、第１光導波路３１及び第２光導波路３２には、光波におけるπ／２の位相差（１／４波長分の長さ）に相当する光路差（光バイアス）が与えられている。つまり、第１光導波路３１及び第２光導波路３２の一方（本実施の形態では、第１光導波路３１）の光路が、他方（本実施の形態では、第２光導波路３２）の光路よりも、光波におけるπ／２の位相差に相当する長さだけ長くなるように、第１光導波路３１の一部に湾曲部３１ａが形成されている。

なお、マッハツェンダー型光導波路３０は、図面に向かって左端部（ｙ軸の負方向の端部）に光波が入力又は出力される第１ポート３０ａを有し、右端部（ｙ軸の正方向の端部）に光ＳＳＢ変調信号が出力又は入力される第２ポート３０ｂを有する（本実施の形態では、第１ポート３０ａを入力ポートとし、第２ポート３０ｂを出力ポートとして使用している）。また、第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂは、定在波共振型電極であり、分極反転構造２３によって変調位相を制御しやすいように、対象周波数における２波長分の長さを有し、互いに両端が短絡されている。

ここで、第１光導波路３１及び第２光導波路３２は、互いに並行（ここでは、ｙ軸方向に並行）して延在するように電気光学結晶基板１２に形成されている。また、第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂは、それぞれ第１光導波路３１及び第２光導波路３２に沿って、互いに並行して（ここでは、ｙ軸方向に並行して）電気光学結晶基板１２上（ここでは、下面）に延在するように設けられている。そして、アンテナ２１は、電気光学結晶基板１２上（ここでは、下面）に設けられ、平面視において、第１共振型電極２２ａに直交する（ここでは、ｙ軸方向に延びる）ように接続される第１アンテナ素子２１ａ、及び、第２共振型電極２２ｂに直交するように接続される第２アンテナ素子２１ｂを有する。第１アンテナ素子２１ａと第２アンテナ素子２１ｂとは、電気光学結晶基板１２上（ここでは、下面）において、第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂに対して、対称（線対称）の位置に設けられている。

より具体的には、第１アンテナ素子２１ａが第１共振型電極２２ａと接続される接続点は、第１共振型電極２２ａにおける、第１アンテナ素子２１ａと第１共振型電極２２ａとがインピーダンス整合する複数の接続点のうち、第１共振型電極２２ａの端部（ここでは、第１ポート３０ａに近い端部）に最も近い接続点である。同様に、第２アンテナ素子２１ｂが第２共振型電極２２ｂと接続される接続点は、第２共振型電極２２ｂにおける、第２アンテナ素子２１ｂと第２共振型電極２２ｂとがインピーダンス整合する複数の接続点のうち、第２共振型電極２２ｂの端部（ここでは、第１ポート３０ａに近い端部）に最も近い接続点である。

なお、本実施の形態では、アンテナ２１、第１共振型電極２２ａ、第２共振型電極２２ｂ及び分極反転構造２３を一組の変調部とした場合に、第１光導波路３１及び第２光導波路３２に沿う複数の箇所のそれぞれに、４つの変調部（第１変調部２０ａ、第２変調部２０ｂ、第３変調部２０ｃ及び第４変調部２０ｄ）が、この並び順で、設けられている。ここで、第１変調部２０ａ及び第３変調部２０ｃを構成する分極反転構造２３は、同一の第１分極反転構造を有し、一方、第２変調部２０ｂ及び第４変調部２０ｄを構成する分極反転構造２３は、第１分極反転構造とは異なる、同一の第２分極反転構造を有する。

このような複数の変調部（アレイアンテナ電極と分極反転構造）により、第１光導波路３１及び第２光導波路３２を進行する光波は、複数の箇所に設けられた変調部によって変調を受けるので、一つの変調部によって変調を受ける場合に比べ、それぞれ、より歪みの少ないｃｏｓ変調及びｓｉｎ変調を受けて合波され、不要な側波帯がより抑圧された光ＳＳＢ変調信号が生成される。また、複数の変調部において同一の方向から入射する無線信号５に対して最も強い光ＳＳＢ変調信号が生成されるので、無線信号５の入射方向についての指向性が強くなる。

また、光ＳＳＢ変調器１０は、図１の（ｂ）に示されるように、最上層から、電気光学結晶基板１２、バッファ層１４、接着剤１６及びベース基板１８で構成される積層構造を有する。

電気光学結晶基板１２は、強誘電性の材料（例えば、ｚ−ｃｕｔＬｉＮｂＯ_３又はｚ−ｃｕｔＬｉＴａＯ_３）からなる厚さ約５０μｍの平板状の基板である。電気光学結晶基板１２の下面に、第１光導波路３１及び第２光導波路３２を有するマッハツェンダー型光導波路３０が形成されている。また、電気光学結晶基板１２には、第１共振型電極２２ａに対向する領域の一部に分極反転構造２３が形成され、第２共振型電極２２ｂに対向する領域の一部にも分極反転構造２３が形成されている。

バッファ層１４は、電気光学結晶基板１２の下面を覆う絶縁層であり、例えば、厚さ０．２μｍのＳｉＯ_２からなる薄膜である。バッファ層１４の下面には、アンテナ２１、第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂが設けられている。第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂは、それぞれ、第１光導波路３１及び第２光導波路３２の直下に設けられる。本実施の形態では、第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂは、それぞれ、断面視における端部の直上に第１光導波路３１及び第２光導波路３２が位置するように、バッファ層１４の下面に設けられている。

接着剤１６は、アンテナ２１、第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂが設けられたバッファ層１４とベース基板１８とを接着する部材であり、例えば、紫外線硬化型樹脂からなる接着剤である。

ベース基板１８は、光ＳＳＢ変調器１０の実効誘電率を減少させてアンテナ２１及び共振型電極２２の性能を向上させるため、並びに、アンテナ２１、第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂが設けられたバッファ層１４が形成された電気光学結晶基板１２に外力が加わったときに割れてしまうことを防止するために補強する基板であり、例えば、底面にグランドパターンが施された、厚さ約２５０μｍのＳｉＯ_２からなる基板である。

以上のように構成された本実施の形態における光ＳＳＢ変調器１０は、次の工程で、製造される。つまり、図１の（ｂ）に示される断面図を上下反転した状態で、下層（つまり、電気光学結晶基板１２）から上層に向けて、製造していく。

まず、電気光学結晶基板１２を準備し、電気光学結晶基板１２上の所望の部分にパルス電圧を選択的に印加することにより、分極反転構造２３を形成する。次に、分極反転構造２３を施した電気光学結晶基板１２の表面に、安息香酸プロトン交換法によりマッハツェンダー型光導波路３０を形成する。第１光導波路３１及び第２光導波路３２は、例えば、幅約４μｍ、深さ約１．５μｍである。

次に、電気光学結晶基板１２の表面全域にＳｉＯ_２からなるバッファ層１４を形成し、バッファ層１４の上に、フォトリソグラフィ技術によって、第１光導波路３１及び第２光導波路３２の直上の位置にそれぞれアルミニウム製の第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂを作製するとともに、アルミニウム製のアンテナ２１を作成する。アンテナ２１及び共振型電極２２の大きさ及びレイアウト例は、図２に示される通りであり、本実施の形態では、５９ＧＨｚ（ミリ波）の無線信号５を対象周波数として共振する値に設計されている。つまり、第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂは、内側間の距離が３０μｍ、外側間の距離が９０μｍとなるように、間隔をおいて互いに並行して延在する長さが２．４６０ｍｍ（電気長が２波長分）の直線部で構成される。第１アンテナ素子２１ａ及び第２アンテナ素子２１ｂは、長さが５４６μｍ（電気長が半波長）の辺で囲まれた正方形の放射板と、幅が５０μｍの配線パターンとで構成されるパッチアンテナとして形成され、それぞれ、第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂの長手方向（ｙ軸方向）の中心から１．１０ｍｍずれた位置で第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂに接続される。また、４つの変調部（第１変調部２０ａ、第２変調部２０ｂ、第３変調部２０ｃ及び第４変調部２０ｄ）は、３．５０ｍｍ間隔で配置される。なお、これらのアンテナ２１及び共振型電極２２の大きさ及びレイアウト、並びに、４つの変調部の間隔は、下層（バッファ層１４、電気光学結晶基板１２及びベース基板１８）の誘電率等から定まる実効誘電率を考慮し、５９ＧＨｚの無線信号５に共振する値になっている。共振の詳細は、図５Ａ〜図８を用いて後述する。

最後に、アンテナ２１、第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂが形成されたバッファ層の表面に接着剤１６を塗布し、そこに、底面にグランドパターンが施されたベース基板１８を、グランドパターンが施されていない面が接着されるように、貼り合わせる。

このようにして、本実施の形態における光ＳＳＢ変調器１０が製造される。

次に、以上のようにして製造された本実施の形態における光ＳＳＢ変調器１０の動作原理及び特徴的な構成について説明する。

図３は、本実施の形態における光ＳＳＢ変調器１０の動作原理を説明する図である。本図には、マッハツェンダー型光導波路３０を進行する光波のスペクトル４１〜４４も併せて図示されている。なお、スペクトル４１〜４４を表す軸において、Ｒｅが付された軸は実数成分を示し、Ｉｍが付された軸は虚数成分を示し、ｆが付された軸は周波数を示す。

マッハツェンダー型光導波路３０の第１ポート３０ａから入射された光波は、分波されて第１光導波路３１及び第２光導波路３２のそれぞれを進行する。

第１光導波路３１及び第２光導波路３２のそれぞれを進行する光波は、第１変調部２０ａ〜第４変調部２０ｄにおいて、互いに位相がπ／２ずれたタイミングで位相変化量が最大となるように変調を受ける。つまり、第１光導波路３１を進行する光波は、第１変調部２０ａ〜第４変調部２０ｄにおいて、上方から入射した無線信号５がアンテナ２１で受信されて第１共振型電極２２ａで生じた定在波による変調電界及び第１共振型電極２２ａに対向して設けられた分極反転構造２３により、ｃｏｓ変調を受け、スペクトル４１で示される信号成分をもつ光波となった後、湾曲部３１ａでπ／２の位相分だけ遅延され、その結果、スペクトル４２で示される信号成分をもつ光波となる。一方、第２光導波路３２を進行する光波は、第１変調部２０ａ〜第４変調部２０ｄにおいて、上方から入射した無線信号５がアンテナ２１で受信されて第２共振型電極２２ｂで生じた定在波による変調電界及び第２共振型電極２２ｂに対向して設けられた分極反転構造２３により、ｓｉｎ変調を受け、スペクトル４３で示される信号成分をもつ光波となる。

その後、第１光導波路３１を進行してきた、スペクトル４２で示される信号成分をもつ光波と、第２光導波路３２を進行してきた、スペクトル４３で示される信号成分をもつ光波とは、第１光導波路３１及び第２光導波路３２の合流箇所で合成され、その結果、片側の側波帯がキャンセルされ、スペクトル４４で示される信号成分をもつ光ＳＳＢ変調信号となって、第２ポート３０ｂから出力される。

図４は、本実施の形態における光ＳＳＢ変調器１０の第１変調部２０ａ〜第４変調部２０ｄのそれぞれを構成するアンテナ電極（アンテナ２１と共振型電極２２とを合わせたもの）の動作を示す図である。ここでは、４つの変調部（第１変調部２０ａ〜第４変調部２０ｄ）のうちの一つの変調部を構成するアンテナ電極の動作が示されている。また、無線信号５は、上方から（Ｚ軸の負方向に進行して）光ＳＳＢ変調器１０に入射している。

この場合、第１アンテナ素子２１ａ及び第２アンテナ素子２１ｂには、図４において、横軸をｘ軸、縦軸を電圧（Ｖ）とするグラフに示されるように、同相の電圧が誘起され、その結果、第１アンテナ素子２１ａから第２アンテナ素子２１ｂに向かう矢印で示されるように、同一方向（ｘ軸方向）に電流が流れる。これにより、第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂに対して、奇対称に給電が行われ、奇モードで選択的に励起される。

図５Ａ〜図５Ｄは、本実施の形態における光ＳＳＢ変調器１０の変調部（第１変調部２０ａ〜第４変調部２０ｄ）を構成する分極反転構造２３によるｃｏｓ変調及びｓｉｎ変調の原理を説明するための図である。

図５Ａは、時刻ｔ＝ｔ０において、第１変調部２０ａの第１共振型電極２２ａの中心（ｙ軸方向の中心）に位置する光波が第１共振型電極２２ａ上に立つ２波長分の定在波による変調電界を見る電界分布を説明する図である。図５Ａの（ａ）は、電気光学結晶基板１２に分極反転構造２３が設けられていない場合に、時刻ｔ＝ｔ０において第１変調部２０ａの第１共振型電極２２ａの中心に位置する光波が見る変調電界の分布を示す。本実施の形態では、図５Ａの（ｂ）に示されるように、第１変調部２０ａの第１共振型電極２２ａ上に立つ２波長分の定在波のうちの先の一波長分（ｙ軸上の負の領域）に対向する電気光学結晶基板１２中の領域に分極反転構造２３が設けられている。よって、第１共振型電極２２ａ上に立つ２波長分の定在波のうちの先の一波長分の位相が反転され、時刻ｔ＝ｔ０において第１変調部２０ａの第１共振型電極２２ａの中心に位置する光波が見る変調電界は、図５Ａの（ｃ）に示されるように、変調の極性が揃った分布となる。これによって、第１光導波路３１を進行する光波が進行する際に逆の符号をもつ変調電界中を進行することによって累積的な変調成分がキャンセルされてしまう走行時間効果が補償され、第１光導波路３１を進行する光波は、累積的な変調作用を受ける。

図５Ｂは、時刻ｔ＝ｔ０＋Ｔ／４において、第１変調部２０ａの第２共振型電極２２ｂの中心（ｙ軸方向の中心）に位置する光波が第２共振型電極２２ｂ上に立つ２波長分の定在波による変調電界を見る電界分布を説明する図である。図５Ｂの（ａ）は、電気光学結晶基板１２に分極反転構造２３が設けられていない場合に、時刻ｔ＝ｔ０＋Ｔ／４において第１変調部２０ａの第２共振型電極２２ｂの中心に位置する光波が見る変調電界の分布を示す。本実施の形態では、図５Ｂの（ｂ）に示されるように、第１変調部２０ａの第２共振型電極２２ｂ上に立つ２波長分の定在波のうちの最初の１／４波長及び最後の１／４波長に対向する電気光学結晶基板１２中の領域に分極反転構造２３が設けられている。よって、第２共振型電極２２ｂ上に立つ２波長分の定在波のうちの最初の１／４波長及び最後の１／４波長の位相が反転され、時刻ｔ０＋Ｔ／４において第１変調部２０ａの第２共振型電極２２ｂの中心に位置する光波が見る変調電界は、図５Ｂの（ｃ）に示されるように、変調の極性が揃った分布となる。これによって、第２光導波路３２を進行する光波は、走行時間効果が補償され、累積的な変調作用を受ける。

図５Ｃは、時刻ｔ＝ｔ０において、第２変調部２０ｂの第１共振型電極２２ａの中心（ｙ軸方向の中心）に位置する光波が第１共振型電極２２ａ上に立つ２波長分の定在波による変調電界を見る電界分布を説明する図である。図５Ｃの（ａ）は、電気光学結晶基板１２に分極反転構造２３が設けられていない場合に、時刻ｔ＝ｔ０において第２変調部２０ｂの第１共振型電極２２ａの中心に位置する光波が見る変調電界の分布を示す。本実施の形態では、図５Ｃの（ｂ）に示されるように、第２変調部２０ｂの第１共振型電極２２ａ上に立つ２波長分の定在波のうちの後の一波長分（ｙ軸上の正の領域）に対向する電気光学結晶基板１２中の領域に分極反転構造２３が設けられている。よって、第１共振型電極２２ａ上に立つ２波長分の定在波のうちの後の一波長分の位相が反転され、時刻ｔ＝ｔ０において第２変調部２０ｂの第１共振型電極２２ａの中心に位置する光波が見る変調電界は、図５Ｃの（ｃ）に示されるように、変調の極性が揃った分布となる。これによって、第１光導波路３１を進行する光波は、走行時間効果が補償され、累積的な変調作用を受ける。

図５Ｄは、時刻ｔ＝ｔ０＋Ｔ／４において、第２変調部２０ｂの第２共振型電極２２ｂの中心（ｙ軸方向の中心）に位置する光波が第２共振型電極２２ｂ上に立つ２波長分の定在波による変調電界を見る電界分布を説明する図である。図５Ｄの（ａ）は、電気光学結晶基板１２に分極反転構造２３が設けられていない場合に、時刻ｔ＝ｔ０＋Ｔ／４において第２変調部２０ｂの第２共振型電極２２ｂの中心に位置する光波が見る変調電界の分布を示す。本実施の形態では、図５Ｄの（ｂ）に示されるように、第２変調部２０ｂの第２共振型電極２２ｂ上に立つ２波長分の定在波のうちの２つ目の１／４波長及び３つ目の１／４波長に対向する電気光学結晶基板１２中の領域に分極反転構造２３が設けられている。よって、第２共振型電極２２ｂ上に立つ２波長分の定在波のうちの２つ目の１／４波長及び３つ目の１／４波長の位相が反転され、時刻ｔ０＋Ｔ／４において第２変調部２０ｂの第２共振型電極２２ｂの中心に位置する光波が見る変調電界は、図５Ｄの（ｃ）に示されるように、変調の極性が揃った分布となる。これによって、第２光導波路３２を進行する光波は、走行時間効果が補償され、累積的な変調作用を受ける。

なお、第３変調部２０ｃの分極反転構造２３は、第１変調部２０ａの分極反転構造２３と同じ構造であり、第４変調部２０ｄの分極反転構造２３は、第２変調部２０ｂの分極反転構造２３と同じ構造である。

このように、本実施の形態における光ＳＳＢ変調器１０の４つの変調部（第１変調部２０ａ〜第４変調部２０ｄ）では、１／４周期ずれたタイミングで位相変化量が最大となるように、第１光導波路３１及び第２光導波路３２に対して分極反転が施されているので、第１光導波路３１及び第２光導波路３２を進行する光波に対して、それぞれ、ｃｏｓ変調及びｓｉｎ変調が等価的に与えられる。

図６は、本実施の形態における光ＳＳＢ変調器１０のアンテナ２１の共振特性を示す図である。ここでは、電磁界シミュレータ（ＨＦＳＳ（Ansoft Corporationの登録商標））を用いて、上述したサイズのアンテナ２１の片側の素子（第１アンテナ素子２１ａ又は第２アンテナ素子２１ｂ）を対象とした共振特性（反射係数）を解析した結果が示されている。横軸は周波数であり、縦軸は解析で得られた反射係数Ｓ_１１である。本図から分かるように、上述したサイズのアンテナ２１は、５９ＧＨｚで共振する。

図７は、本実施の形態における光ＳＳＢ変調器１０の共振型電極２２の給電位置を変化させたときの給電点での反射係数を説明する図である。図７の（ａ）は、給電位置を説明する図である。図７の（ｂ）は、上記電磁界シミュレータを用いて、給電位置を変えたときの給電点における反射係数を解析した結果を示す図である。横軸は周波数であり、縦軸は解析で得られた反射係数Ｓ_１１である。

本解析では、図７の（ａ）に示されるように、第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂの給電位置として、長手方向（ｙ軸方向）の中心から左側（ｙ軸の負方向）にずれた距離Δｙを変えている。図７の（ｂ）に示されるように、Δｙ＝１．１０ｍｍのときに、反射係数Ｓ_１１が最小となった。このΔｙ＝１．１０ｍｍで示される給電点は、アンテナ２１と共振型電極２２とがインピーダンス整合する（本実施の形態では、共振型電極２２の入力インピーダンスが５０Ωとなる）複数の接続点のうち、共振型電極２２の左側の端部（第１ポート３０ａに近い端部）に最も近い接続点である。なお、第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂの給電位置として、長手方向の中心から右側（ｙ軸の正方向）にずれた距離（−Δｙ）を変えた場合についても、同様の結果が得られる。つまり、上記複数の接続点のうち、共振型電極２２の右側の端部（第２ポート３０ｂに近い端部）に最も近い接続点を給電位置とした場合にも、反射係数Ｓ_１１が最小となる。

この解析結果から、第１アンテナ素子２１ａ及び第２アンテナ素子２１ｂはそれぞれ第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂとインピーダンス整合する複数の接続点のうち第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂの端部に最も近い接続点で接続されて整合されるので、第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂで不要な共振が生じることが抑制されるともに第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂで強い変調電界が生じ、出力される光ＳＳＢ変調信号に不要な側波帯が残留してしまうことが抑制される。

図８は、本実施の形態における光ＳＳＢ変調器１０のアンテナ電極（アンテナ２１と共振型電極２２とを合わせたもの）の電界についての解析結果を示す図である。横軸は共振型電極２２における位置を示し、縦軸は、その位置における共振型電極２２での電界の増倍率、つまり、アンテナ２１に誘起されたｘ軸方向における入射電界Ｅ_０に対する共振型電極２２で生じた定在波によるｚ軸方向の電界Ｅ_ｚの比（Ｅ_ｚ／Ｅ_０）を示している。

本図から分かるように、入射電界の約１３０倍もの極めて強い電界で、かつ、ｃｏｓ波形及びｓｉｎ波形に近い歪の少ない電界が共振型電極２２で生じている。このように、本実施の形態における光ＳＳＢ変調器１０のアンテナ電極の構造により、第１共振型電極及び第２共振型電極の一方だけに対して変調信号を供給する従来技術と異なり、第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂの両方に対して変調信号が供給されて第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂにおいて定在波共振が生じ、極めて強くて、かつ、歪の少ない変調電界が発生するので、第１光導波路３１及び第２光導波路３２を進行する光波に対して歪の少ないｃｏｓ変調及びｓｉｎ変調が施され、従来技術よりも不要な側波帯が抑圧された光ＳＳＢ変調信号が生成される。

図９は、本実施の形態における光ＳＳＢ変調器１０の動作を確認するための実験装置の構成を示すブロック図である。

光ＳＳＢ変調器１０の第１ポート３０ａには、搬送波として、レーザー素子５０から出射された１．５〜１．６μｍの波長のレーザーが、レンズ５１で集光された後に、入射される。

また、光ＳＳＢ変調器１０のアンテナに向けて、変調信号として、発振器６０から出力された約６０ＧＨｚの無線信号が増幅器６１で増幅された後に、ホーンアンテナ６２を介して、供給される。

光ＳＳＢ変調器１０の第２ポート３０ｂから出力される光波（光ＳＳＢ変調信号）は、レンズ５２で集光された後に、光ファイバー５３を介して光スペクトラムアナライザ５５に入力され、周波数分析される。

図１０は、図９に示される実験装置による実験結果を示す図である。ここでは、図９における光スペクトラムアナライザ５５で得られたスペクトラムの例を示す図である。

図１０の（ａ）は、光波（つまり、搬送波）として１５３４ｎｍの波長のレーザーを用いてＬＳＢ（下側側波帯）を抑圧した光ＳＳＢ変調信号を生成した場合におけるスペクトルが示されている。ＵＳＢ（上側側波帯）については、搬送波のピークよりも４９．２８ｄＢ低い値でピークが観測され、一方、ＬＳＢ（下側側波帯）については、ほとんど観測されておらず、強く抑圧されていることが分かる。

図１０の（ｂ）は、光波（つまり、搬送波）として１５６５．５ｎｍの波長のレーザーが用いてＵＳＢ（上側側波帯）を抑圧した光ＳＳＢ変調信号を生成した場合におけるスペクトルが示されている。ＬＳＢ（下側側波帯）については、搬送波のピークよりも４９．５０ｄＢ低い値でピークが観測され、一方、ＵＳＢ（上側側波帯）については、ほとんど観測されておらず、強く抑圧されていることが分かる。

図１１は、図１０におけるＵＳＢ（上側側波帯）を復調して得られた実験結果としての無線信号の周波数依存性（丸印のプロット）を示す図である。

以上の実験結果から分かるように、本実施の形態における光ＳＳＢ変調器１０によれば、無線信号によって光波が変調され、不要な側波帯が抑圧された光ＳＳＢ変調信号が生成される。

以上、本発明の光ＳＳＢ変調器について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、上記実施の形態では、光ＳＳＢ変調器１０に、４つの変調部（第１変調部２０ａ、第２変調部２０ｂ、第３変調部２０ｃ及び第４変調部２０ｄ）が設けられたが、１つの変調部だけが設けられてもよい。１つの変調部だけが設けられる場合であっても、上述した特徴的な構造を有するアンテナ電極によって、第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂの両方に対して変調信号が供給されて第１共振型電極２２ａ及び第２共振型電極２２ｂにおいて定在波共振が生じ、極めて強くて、かつ、歪の少ない変調電界が発生するので、第１光導波路３１及び第２光導波路３２を進行する光波に対して歪の少ないｃｏｓ変調及びｓｉｎ変調が施され、従来技術よりも不要な側波帯が抑圧された光ＳＳＢ変調信号が生成される。そして、１つの変調部だけが設けられた光ＳＳＢ変調器は、複数の変調部が設けられた光ＳＳＢ変調器に比べ、無線信号の入射方向についての指向性が緩和される。

また、上記実施の形態では、光ＳＳＢ変調器１０のアンテナ２１は、パッチアンテナであったが、これに限られず、他のタイプの平面アンテナ、例えば、ダイポールアンテナ等であってもよい。

また、上記実施の形態では、光ＳＳＢ変調器１０のアンテナ２１及び共振型電極２２は、５９ＧＨｚの無線信号５を対象とするサイズ及びレイアウト例が示されたが、本形態における光ＳＳＢ変調器１０は、少なくとも１０ＧＨｚ〜６０ＧＨｚで動作することが確認されている。原理的には、上記実施の形態における光ＳＳＢ変調器１０は、３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの無線信号を対象とした場合であっても動作し、上記実施の形態と同様の効果を発揮し得る。

また、上記実施の形態では、第１光導波路３１及び第２光導波路３２にπ／２の位相差に相当する光路差（光バイアス）を与えるために、第１光導波路３１に湾曲部３１ａが設けられたが、これに代えて、第２光導波路３２に同様の湾曲部が設けられてもよい。

本発明に係る光ＳＳＢ変調器は、小型で、かつ、無給電で動作する無線−光信号変換デバイスとして、例えば、ミリ波無線を光信号に変換して伝送するＲｏＦ方式の伝送システムにおける変調器として、利用できる。

５無線信号
１０光ＳＳＢ変調器
１２電気光学結晶基板
１４バッファ層
１６接着剤
１８ベース基板
２０ａ〜２０ｄ変調部
２１アンテナ
２１ａ第１アンテナ素子
２１ｂ第２アンテナ素子
２２共振型電極
２２ａ第１共振型電極
２２ｂ第２共振型電極
２３分極反転構造
３０マッハツェンダー型光導波路
３０ａ第１ポート
３０ｂ第２ポート
３１第１光導波路
３１ａ湾曲部
３２第２光導波路
５０レーザー素子
５１、５２レンズ
５３光ファイバー
５５光スペクトラムアナライザ
６０発振器
６１増幅器
６２ホーンアンテナ

Claims

光波を無線信号で変調することによりＳＳＢ（ＳｉｎｇｌｅＳｉｄｅＢａｎｄ）変調された光信号を出力する光ＳＳＢ変調器であって、
誘電性材料からなる電気光学結晶基板と、
前記電気光学結晶基板に形成され、第１光導波路及び第２光導波路を有するマッハツェンダー型光導波路と、
前記無線信号を受信するアンテナと、
前記アンテナに接続され、前記第１光導波路及び前記第２光導波路のそれぞれに沿って設けられた第１共振型電極及び第２共振型電極とを備え、
前記電気光学結晶基板には、前記第１光導波路を進行する光波に対してｃｏｓ変調を与えるように前記第１共振型電極に対向する領域の一部に分極反転構造が形成され、かつ、前記第２光導波路を進行する光波に対してｓｉｎ変調を与えるように前記第２共振型電極に対向する領域の一部に分極反転構造が形成され、
前記第１光導波路及び前記第２光導波路の一方の光路は、他方の光路よりも、前記光波におけるπ／２の位相差に相当する長さだけ長い
光ＳＳＢ変調器。
前記第１光導波路及び前記第２光導波路は、互いに並行して延在するように前記電気光学結晶基板上に形成され、
前記第１共振型電極及び前記第２共振型電極は、それぞれ前記第１光導波路及び前記第２光導波路に沿って、互いに並行して延在するように前記電気光学結晶基板上に設けられ、
前記アンテナは、前記電気光学結晶基板上に設けられ、前記第１共振型電極に直交するように接続される第１アンテナ素子、及び、前記第２共振型電極に直交するように接続される第２アンテナ素子を有し、
前記第１アンテナ素子と前記第２アンテナ素子とは、前記電気光学結晶基板上において、前記第１共振型電極及び前記第２共振型電極に対して、対称の位置に設けられている
請求項１記載の光ＳＳＢ変調器。
前記第１アンテナ素子が前記第１共振型電極と接続される接続点は、前記第１共振型電極における、前記第１アンテナ素子と前記第１共振型電極とがインピーダンス整合する複数の接続点のうち、前記第１共振型電極の端部に最も近い接続点であり、
前記第２アンテナ素子が前記第２共振型電極と接続される接続点は、前記第２共振型電極における、前記第２アンテナ素子と前記第２共振型電極とがインピーダンス整合する複数の接続点のうち、前記第２共振型電極の端部に最も近い接続点である
請求項２記載の光ＳＳＢ変調器。
前記アンテナ、前記第１共振型電極、前記第２共振型電極及び前記分極反転構造を一組の変調部とした場合に、前記第１光導波路及び前記第２光導波路に沿う複数の箇所のそれぞれに、前記変調部が設けられている
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ＳＳＢ変調器。
前記変調部は、前記光波が進行する方向に沿って並ぶ第１変調部、第２変調部、第３変調部及び第４変調部を、この並び順で、含み、
前記第１変調部及び前記第３変調部を構成する前記分極反転構造は、同一の第１分極反転構造を有し、
前記第２変調部及び前記第４変調部を構成する前記分極反転構造は、前記第１分極反転構造とは異なる、同一の第２分極反転構造を有する
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光ＳＳＢ変調器。