WO2004001500A1

WO2004001500A1 - 光信号−電気信号変換装置

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Publication number: WO2004001500A1
Application number: PCT/JP2003/007831
Authority: WO
Inventors: Hiroyuki Furuya; Akira Enokihara
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2003-06-19
Publication date: 2003-12-31
Also published as: CN1662849A; CN100349060C; US20050232539A1; AU2003242483A1; JPWO2004001500A1; JP3810420B2; US7283704B2

Abstract

　本発明の光信号−電気信号変換装置は、信号を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、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とを備えている。

Description

明細書

光信号一電気信号変換装置技術分野

本発明は、非線形光学効果を用い光信号一電気信号変換装置に関する。背景技術

従来、光信号を電気信号に変換する装置としては、フォ卜マルチプライヤーに代表される電子管、ま 7 はフォ卜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 <、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。このめ、光通信用の受光素子として用途にはほとんど用いられてし、ない。

これに対して半導体受光素子は、小型で消費電力ち小さいため、光通信を含め広い分野で甩いられている。半導体受光素子の中でも、 p i n型フォ卜ダイオード（p i n— P D ) 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麻答が可能なアバランシェフォ卜ダイオード（A P D ) が用いられている。近年では、麻答速度を改善した p i n型フォ卜ダイオードち開発されており、これらの半導体受光素子は、現状の通信速度（帯域ぐ 6 ◦ G H z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 1 O O G H z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 j 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 ¾答速度が、光信号の入射によつ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。

p i nフォ卜ダイオードの揚合、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。フォトダイォ一ドの答速度を決定する遅延時間はホールのドリフ卜速度によって規定される。このよろに、半導体受光素子の) 答速度は、半導体材料に固有のキャリア移動度、印加電圧、ドリフ卜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、 1 0〇G H zを超える速度で変調された光信号を正確に検知できる^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一電気信号変換装置を提供することにある。発明の.開示

本発明の光信号一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 /S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に廂じたサイドバンド信号を含んでいる。

好ましし、実施形態において、前記光導波路は、誘電体基板上、ま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。

好ましし、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卜リップ線路によって説ザ腐れている。

好ましい実施形態において、前記光信号は、変調周波数は 1 O G H z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（L i Nb〇₃) 、タンタル酸リチウム（L i Ta〇₃) 系材料、リン酸チタニルカリウム（KT i 〇P〇₄) 系材料、希土類力ルシゥムォキシボレー卜（R EC a₄〇（B〇₃) ₃ RE :希土類元素）系材料、 DAST (4—ジメチルアミノー N—メチル一4一スチルバゾリゥムートシレート）、および、 3RDCVXY (ジシァノビ二ル終端ージメチル置換ージァゾ）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。

好ましし、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。図面の簡単な説明

図 1は、本発明による光信号一電気信号変換装置の実施形態を示す斜視図である。

図 2は、本発明による光信号一電気信号変換装置の他の実施形態を示す斜視図である。図 3は、本発明による光信号一電波信号変換装置の更に他の斜視図である。

図 4 (a) は、図 3の光信号一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 5 (a) は、図 3の光信号一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 6は、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。発明を実施するための最良の形態本発明では、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一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二 ε E + P_Nし · · （式 1 )

ここで、 Dは電気変位ベクトル（電束密度）、 εは誘電率、 Εは電界、 Ρ_ΝΙ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べクトル 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_Nし二 PC (²) E · E · · · (式 2)

ここで、 X ^{(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 E い E ₂の和によって表されるちのとする。

E 1 = E 0 -, c o s (ω -) t— c ₁ r卞 ^ 、

E ₂= E ₀₂ c o s (ω ₂ t— ₂ r + ₂) · · · kJS 3 ) ここで、 ω ·!および ω₂は光の周波数、 tは時間を、 ·!および ₂は光の波数， Φ 1 および 2は位相である。

式 3を用 ( 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。二 Εοι ^ ο ο θ ^ιω! — κ _Λ ΐ + _Λ)

+ 2 Ε₀ι Ε₀2 θ θ 3 (ω₁ t— κ _Λ r + ^ -, ) · c ο s (ω ₂ t— 2 r + 2)

+ E

c o s 2 θ = 2 c o s ²0— 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二 1/2(E₀₁ ²+E₀₂ ²) · · (項 A)

+ 1/2E₀₁ ² cosi . t-Zf , τ+Ζ ) · · (項 Β) + 1/2E₀₂ ² cos(2o½t— 2 ₂「+2^)₂) · · (項 C) +E₀₁ · E₀₂ c o 3[(ω·ι+ω₂) t—{K^-\-K₂) r + { -_ι+φ₂)'} (HD) + Ε₀₁·Ε₀₂ cos[(Wi— ω₂) t

(項 E) • · ，式（5)

式 5の項 Aは光整流の項を示している。ま、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し、る。

本発明では、式 5に示される非線形光学効果のち、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 26GH z帯の信号で変調された光 (中心周波数 1. 5 m)には、〇. 1 9nm離れ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 _mH zとすると、サイドバンドが発生する波長； I _{s b}は、以下の式 6にて表される。

j_fc =ん + Δλ

Δλ = Λ.一- c + f^ C + f_{m c} · · (式 6) c:光速

A_c：光中心波長

/„:変調信号の周波数

本発明の光信号一電気信号変換装置では、このサイドバンドの波長え _{s b}と光の中心波長； L。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。 ^ω _η = _sb一 co_c

つまり

1 1 f

K K_b K . . . (式 ^{7 )} io_m :変調信号の角周波数

サイドバンドの角周激

co_c：中心波長の角周波数

変調信号の波長

：サイドバンドの波長

c：中心波長ここでは、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一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面を参照しながら、本実施形態の光信号一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一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 1 0 1 と、基板 1 0 1 の上面に形成された光導波路 1 0 2と、基板 1 0 1 の上面において光導波路 1 〇 1 を挟んで对向する位置に設けられた一対の電極 1 〇3、 1 〇4とを有してし、る。検出するべき光信号は、光導波路 1 0 2の入射部 1 0 2 aに入射し、光導波路 1 0 2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 1 〇3、 1 〇4は、光導波路 1 02に発生する電界が及^ 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 1 〇 2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 1 03及び 1 〇4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 1 〇1として、ニオブ酸リチウム (L i N b〇₃) 基板を好適に用いることができる。基板 1 01の材料は、ニオブ酸リチウム（L i Nb〇₃) に限られず、タンタル酸リチウム（L i T aO_s) 、リン酸チタニルカリウム（KT i〇 P〇₄) 、希土類カルシウム才キシボレー卜（RECa₄〇 (BO ₃) a RE ：希土類元素）、 DAST (4—ジメチルアミノー N— メチル一4—スチルバゾリゥ厶一卜シレート）、 3RDCVXY (ジシァノビニル終端ージメチル置換ージァゾ）などであってもよし、。

次に、図 1に示す光信号一電気信号変換装置の製造方法を説明する。

まず、基板 1 〇1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 1 〇 1 に対して純水、アセトン、アルコ一ル等の液中で超音波洗浄を施す。

次に、基板 1 〇 1 の上面にフォトリソグラフィ法により、光導波路 1 〇2の位置と形状を規定するレジス卜マスクを形成した後、レジス卜マスクの上に電子ビーム蒸着法で T i膜を蒸着する。 T i膜の厚さは、例えば 4〇〜5 0 n mに設定される。

次に、リフ卜オフ法でレジス卜マスクを剥離することにより、 T i膜のち、光導波路 1 〇 2が形成されるべき領域以外の領域の部分を除去する。こして、光導波路 1 0 2が形成されるべき領域を規定するよにパターニングされた T iが形成される。 T i膜を作製する方法は、電子ビーム蒸着法に限られず、 R Fマグネ卜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 T iが表面に存在する状態の基板 1 0 2を管状炉に導入し、基板 1 0 2の表面領域に T i 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 1 0 1 は石英管の中に設置された石英ボート内にセッ卜される。石英管内の雰囲気としては、拡散処理開始の 5時間、水蒸気を含湿度 8 0 %以上の A rガスが用いられる。 5時間経過後は、水蒸気を含まる湿度 8 0 %以上の〇₂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 1 〇0 0 °C程度に設定される。 T i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 1 〇 1 に生じ結晶の酸素欠損を補うためである。こして、基板 1 O 1上に光導波路 1 02が形成される。光導波路 1 02の形成方法は、 T i拡散法に限られず、 V (バナジウム）、 N i (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 1 01 として、 DAST (4—ジメチルァミノ一 N—メチル一 4ースチルバゾリゥム一トシレート）、 3RDCVXY (ジシァノビニル終端ージメチル置換ージァゾ）などの有機系の非線形光学材料を用いる揚合、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 1 02の幅および深さは、本実施形態では、いずれち 5 ;um程度であるが、光導波路 1 02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 1 02に沿って延びる電極 1 03及び 1 04を形成する。具体的には、まず、光導波路 1 〇 2が形成された基板 1 0 1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、ゲルマ二ゥム、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後、種の方法で導電膜をパターニグすることにより、電極 1 〇3、 1 〇4を形成する。電極 1 03、 1 04のパターニングは、リフ卜オフ法によって行ってもよい。なお、電極 1〇3、 1 04を形成する前に、保護膜として機能する S i〇₂、 H f 〇₂、 S i Nなどの薄膜を基板 1〇 1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 1 05 (50 Ω) 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 1〇5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 _{e f f}は、式 8に示すよに、発生する電気信号のパワーに対して 2乗で比例する。 . . . （、式 8)ノ

：比例定数

d_eff ：非線形光学定数

：結晶の長さ

：入力光①のパワー

P₂：入力光②のパワー

：入力光①に対する屈折率

n₂：入力光②に対する屈折率

«_{3 :}出力に対する屈折率（誘電率の平方）

λ₃：出力の波長上記の入力光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。以上のことかから、実効的非線形光学定数 d _{e f f}が大きいきい材料を用し、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_{e f f} は、無機の非線形光学材料よりち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 _{e f f} を有する無機結晶での 1つであるし i Nb〇₃結晶の実効的非線形光学定数 d_{e f f}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_{e f f} は 1 OOOpmZVであり、 L i N b

〇₃結晶の実効的非線形光学定数 d _{e f f}の 3〇倍以上の高い値である。このため、本実施形態の基板まは光導波路の材料には、 DA

S T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 _{e f f} は光の入射方向に依存して変化する。このめ、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 X y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 _{e f f} の変化を表す式が異なるめ、その結晶の種類により実効的非線形光学定数 d _{e f f}が大きくなる角度を選択する必要がある。

例えば L i N b〇₃結晶では、単軸性結晶 · 点群 32である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。

d _eff = d cos 2Θ sin 3φ · · · (式 9) ここで、 0は光の入射方向の誘電主軸の X Ζ面内に投影される成分と Ζ軸とのなす角、 ^は光の入射方向の誘電主軸の X Ζ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一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 _{e f f} 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に示す装置の構成を略同様である。すなわち、本実施形態の光信号一電気信号変換装置は、基板 201と、基板 201の上面に形成されだ光導波路 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 203 a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、 2〇5は、光導波路 2〇2に発生する電界が及^領域内に設けられている。また、電極 204、 2〇5の一端は、終端抵抗 206によって相互接続それている。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 2〇 1上に堆積し後、フォトリソグラフィぉ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卜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 2〇 2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 = 2 L。は、以下の式（1 0) または（1 1 ) で算出される。

L_c=A_m/2 (n_g— n_m) · · (式 1 0)

L_c二 1 /2 f _m (1 /v_m-1 /v_g) · · (式 1 1 )

ここて、 L_cはコヒ一レンス長、 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、； L_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 H e - N eレーザ光を用い、 f _m : 26GH z、 v_m： 6. 4X1 0⁷m/s 、 v _g ： 1. 36X1 0⁸m/sであるため、コヒ一レンス長は 2. 4mm、分極反転周期は 4. 了 mmとなる。

分極反転構造 202を形成しだ後、基板 2C に対して純水、ァセトン、アルコール等の液中で超音波洗浄を施す。その後の製造ェ程は、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一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一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ちに、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 3〇 2が形成されている。基板 3〇 1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 303 a、 3〇3 b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 3〇 3a、 303 bは、光導波路 3〇 2に発生する電界が及^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 30了には終端抵抗 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厚生を更に詳しく説明する。図 4 (a) は、本実施形態の光信号一電気信号変換装置から共振器を取り除い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) の B 一 B' 部分図である。

図 4 (b) に示すように、筐体 309内に保持され基板 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光信号のコヒ一レン卜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 3 〇 2は、波長 633 n m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金属製ケースであり、基板 301 の光信号入出力部分に対麻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めには、筐体 309は図示しないカバ一部によって基板 3〇 1 の上面を覆う形状を有することが好ましし、。

電極 3〇 3 (3〇 3 a、 303 b) は、図 4 (c) に示すように、光導波路 302に)、つて形成され、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 3〇 3 a、 303 b 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 3〇 1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 5 O 3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、筐体 501 には、高誘電率誘電体 5〇 3のスリッ卜 5〇 5に対向する位置に電磁波放射のめのスリッ卜 5〇 4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 5〇 2 a、 5〇 2 b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斜視図である。図 6からわかるよに、マイクロス卜リップ線路 5 02 a, 502 bの一端は、それぞれ、アルミナ基板 6〇2 a、 6 02 b上に形成されており、ボンディングワイヤ 6〇 5 a、 605 bを介して電極 303 a、 303 b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 303 a、 3〇3 bに有機され電気信号は、図 6のボンディングワイヤ 605 a、 605 bを介してマイクロストリップ線路 502 a、 503 a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ィツチを誘電体共振器 3〇 4に設けることが好ましい。このスィ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。スィッチを開放することにより、共振器内で増幅され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卜 5〇 5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のスリツ卜 5〇 4が配置されているため、マイクロストリップ線路 502 a、 502bを伝播してき電気信号は電磁波に変換され、スリット 5 04から共振器の外部を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、 TM_{11 (}5モードで共振するように設計されている。例えば 26GH zの電気信号を電磁波として放射する場合、スリット 5〇4の長さは約 3mm、幅は〇. 6mmに設定される。

真空の誘電率を ε。、誘電体共振器 304の内部の比誘電率 ε _r を 24、スリツ卜 5〇 4における比誘電率 ε「を 1 とすると、電束密度 Dは ε「 ε。Εに等しく、誘電体共振器 304の内部でもスリッ卜 504の部分でち一定である。このため、電界 Ε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 D AST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 80 VZm程度であるが、本実施形態の共振器を用いることにより、 200〇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 Mg Y i 0₃-C aT i 〇₃系セラミクッスから形成される。断面は 1 mm角、長手方向の長さは o m m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 1 5mmの矩形形状を有している。筐体 5 C と高誘電率誘電体 5〇 3との間は PT F Eで充填され構造となっている。

高誘電率誘電体 503は、 Z r— T i〇₄ · B a T i〇₃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。誘電体材料によつて誘電率が異なるめ、筐体 5〇 1の寸法および誘電体共振器 3 〇 4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、 TlVh <5モードで共振するように設計されているが、 T E ,。モードなどの他のモードで共振するように設計してち良い。ま、本実施形態では、電磁波放射機構として機能するスリツ卜 5〇 4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、電波の放射衋を大きくすることが可能である。共振器 304 の筐体 501に設けたスリツ卜 504は、スロッ卜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、スリッ卜 504を誘電体アンテナとして動作させてちょい。以上説明してきたよに、上記の各実施形態の光信号一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、各種通信機器ゆ電気機器間での情報の授受を行際に、それらの通信機器に組み込ことが容易である。

このように、本発明の実施形態によれば、光ファイバ一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る、通信機器ゆ電気機器を無線によって相互に制御すること簡単に行える。また、既存の電化製品を無線で制御するネッ卜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、本発明で用いる種の材料ゆ素子の構成は、上述の実施形態に限定されなし、ことは言うまでちない。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一電気信号変換装置を実現することができる。産業上の利用可能性

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、高速な麻答が達成できる。ま、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項高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一電波信号変換装置を提供することができる。

Claims

請求の範囲

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/ S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、

を備え光信号一電気信号変換装置。

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 に記載の光信号一電気信号変換

3. 前記光信号は、変調周波数 f _mにじサイドバンド信号を含んでいる請求項 1まは 2に記載の光信号一電気信号変換装置

4. 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請求項 1 に記載の光信号一電気信号変換装置。

5. 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請求項 4 に記載の光信号一電気信号変換装置。

6. 前記共振器に連結され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 5に記載の光信号一電気信号変換装置。

7. 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 4に記載と光信号一電気信号変換装置。

8. 前記共振器と前記電極とは、前記誘電体基板に形成されマイクロス卜リップ線路によって接続されている、請求項 7に記載の記載と光信号一電気信号変換装置。

9. 前記光信号は、変調周波数は 1 O G H z以上である請求項 1 に記載の光信号一電気信号変換装置。

1 0. 前記光導波路に結合した光入射部を更に備えて ( る請求項 1 に記載の光信号一電気信号変換装置。

1 1 . 前記非線形光学材料は、ニオブ酸リチウム（L i N b〇 3) 、タンタル酸リチウム（L i T a〇₃) 系材料、リン酸チタニルカリウム（K T i 〇P 0₄) 系材料、希土類カルシウムォキシボレ ―卜（R EC a₄〇 (B0₃) 3 RE :希土類元素）系材料、 DA ST (4—ジメチルアミノー N—メチル一4—スチルバゾリゥ厶一卜シレ一卜）、および、 3RDCVXY (ジシァノビニル終端一ジメチル置換ージァゾ）からなる群から選択された材料である請求項 5に記載の光信号一電気信号変換装置。

1 2. 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に記載の光信号一電気信号変換装置。

1 3. 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に記載の光信号一電気信号変換装置。

14. 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 4に記載の光信号一電気信号変換装置。