WO2011152397A1

WO2011152397A1 - 光制御素子

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Publication number: WO2011152397A1
Application number: PCT/JP2011/062485
Authority: WO
Inventors: 将之本谷; 市川　潤一郎; 村田　博司
Original assignee: 住友大阪セメント株式会社
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2011-12-08
Also published as: CN102918448B; US20130071059A1; CN102918448A; US9057893B2

Abstract

　低駆動電圧で安定動作することが可能な光制御素子を提供する。　電気光学効果を有する基板１と、該基板に形成された複数の光導波路２と、該基板に設けられ、該光導波路を伝搬する光の位相を制御するための制御電極３とを有する光制御素子において、該制御電極は、同じ共振周波数を有する少なくとも共振型電極３１，３２と、該共振型電極の各々に制御信号を給電する給電電極４１，４２とを備え、各共振型電極の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに奇モード結合が可能なように設定され、各共振型電極には、該給電電極により同相又は所定位相差を有する制御信号が給電されていることを特徴とする。

Description

光制御素子

　本発明は、光制御素子に関し、特に、光導波路を伝搬する光波を変調する共振型電極を備えた光制御素子に関する。

　無線に用いられる数ＧＨｚ以上の高周波信号を光伝送するための光変調器や、長距離伝送において、データ変調とともに用いられる光クロック生成用のパルサー変調器などの光通信システムの送信装置に、共振型光変調器のような光制御素子が利用されている。共振型光変調器には、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板材料が利用され、共振型電極を有する制御電極を用いて、基板に形成された光導波路の屈折率を変化させて、その光導波路を伝搬する光の強度や位相を変調するよう構成されている。

　共振型電極では、給電点から特定の周波数の電気信号を入力すると、その電極に電気信号の定在波が生じる。このように、共振型光変調器は、電気信号の共振現象を利用しているので、特定の周波数を入力したときに、特に効率良く動作し、一般に進行波型光変調器よりも電極単位長さ当りの変調効率が良い。

　このような特性があるため、従来の共振型光変調器の電極の長さが、電気信号の１波長分よりも短くなるように設計された例が多い。しかしながら、光導波路を伝搬する光の速度と作用部の電極を伝搬する制御信号の速度がほぼ一致した条件では、電極を長くすることが可能であり、制御信号の減衰にも影響を受けるが、電極の長さに応じた駆動電圧の改善が得られる。

　非特許文献１には、速度整合と共振型電極の併用が効率改善に有効であること開示され、また、非特許文献２には、ニオブ酸リチウムを基板に用いた共振電極型光変調器が記載されており、電気信号の屈折率（ｎｍ）をほぼ2.2（ニオブ酸リチウムの光に対する屈折率は約2.2）とすることで、良好な特性が得られた事例が紹介されている。

　一方、光と電気信号の速度が一致しない条件では、電極の長さを十分長くすることができず、単位長さあたりの変調効率が高くても、結果として全体の変調効率を良くすることができない。そのため、変調器の効率を表すパラメータである半波長電圧Ｖπが概ね１０Ｖ以上となり、非常に高い電圧を印加しなければ、十分な動作が得られない。

　また、光導波路の一部を２つの経路に分岐させ、マッハツェンダー（ＭＺ）干渉計構造とし、２つの分岐光を干渉させれば、光の強度変調器として動作する。長距離伝送において、データ変調とともに用いられる光クロック生成用のパルサー変調器などにおいては、２つの分岐光での光の位相変化量が、同じ大きさで逆符号の位相変化で動作させることによって得られる、波長チャープがゼロとなる状態が望ましく、ＭＺ干渉計のそれぞれの分岐導波路に同じ大きさで逆符号の信号を印加する構成が取られている。しかも、このような各分岐導波路に対応する２つの電極に互いに逆符号の信号を印加する場合（「二電極型」という。）には、駆動電圧を下げる効果もある。

　これらのことから、光と制御信号の速度の整合がとれた長い共振型電極を用いて、二電極型のＭＺ変調器を構成すれば、劇的な低駆動電圧化が実現できることが期待される。しかしながら、共振型電極は共振周波数の信号に対しては、効率が高く電界が非常に強いため、周辺の導電性物質との結合（信号のクロストーク）が顕著である。両制御電極の信号がクロストークした状況では、制御信号の位相が乱れ、所望の光変調が得られない。

　特に、同じ周波数に対して共振条件満たす要素（部品）に対しては、信号が結合しやすい。二電極型のＭＺ光変調器については、各分岐導波路に対応する制御電極には、基本構造が同じ電極を採用する。このため、共振型電極を構成する場合には、各制御電極（共振型電極）は共に同じ周波数の共振周波数となり、結合（信号のクロストーク）が顕著となる。しかも、速度整合した長い電極を用いる場合は、電極が長いため、両電極間の結合の影響がさらに顕著になる。

　ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板に、コプレーナ型の電極を形成して作製した光変調器の場合の、複数電極間の制御信号のクロストーク防止策については、特許文献１のように溝を形成する例がある。一般に、制御電界の強度は、制御電極からの距離が大きくなるにつれて小さくなる。これは、基板や電極の構造にも依存する現象であるが、図１に示すように、導波路間隔が約１５０μｍの場合には、他方の光導波路に及ぼす電界の強さは約１％程度であり、約３００μｍの場合には約０．２％、約４００μｍの場合には約０．１％程度であることも、開示されている。

　このように、ＭＺ干渉計の２つの分岐光導波路の間隔を大きくとることは、デバイスのサイズやコストの面で不利である。また、特許文献１に示される溝を形成する手法は、一定の改善は見込めるものの、防止の追加構造の加工など、デバイスの製造コストの面で不利である。

　他方、二電極型のＭＺ光変調器のように、２系列の制御信号を同相かつ同じ大きさで給電する必要がある場合には、光制御素子を駆動するため、差動ドライバの使用と外部位相器の使用が必要となり、装置全体が高コストなものとなる。

特開２００９－５３４４４号公報

Mark Yu and Anand Gopinath, "Velocity Matched ResonantSlow-Wave Structure for Optical Modulator", Proceedings of IntegratedPhotonics Research (IPR), ITuH7-1, pp.365-369, Palm Springs, California, March22, 1993 Roger Krahenbuhl and M. M. Howerton, "Investigations onShort-Path-Length High-Speed Optical Modulators in LiNbO3 With Resonant-TypeElectrodes", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.19, No. 9, pp.1287-1297,SEPTEMBER 2001

　本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、低駆動電圧で安定動作することが可能な光制御素子を提供することであり、特に、２つの共振型電極を用いて、両電極間のクロストーク（結合）が発生しても安定動作が可能な光制御素子を提供することである。さらに、低コストな駆動系部品の使用による低コスト化が可能な光制御素子を提供することである。

　上記の課題を解決するため、本発明は以下のような技術的特徴と有している。
（１）電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された複数の光導波路と、該基板に設けられ、該光導波路を伝搬する光の位相を制御するための制御電極とを有する光制御素子において、該制御電極は、同じ共振周波数を有する少なくとも２つの共振型電極と、該共振型電極の各々に制御信号を給電する給電電極とを備え、各共振型電極の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに奇モード結合が可能なように設定され、各共振型電極には、該給電電極により同相又は所定位相差を有する制御信号が給電されていることを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の光制御素子において、該給電電極は、１本の入力配線部を複数に分岐した分岐配線部を有し、該分岐配線部により各共振型電極に制御信号が給電されていることを特徴とする。

（３）上記（１）又は（２）に記載の光制御素子において、該光導波路は、単一又は複数のマッハツェンダー干渉計を構成し、前記２つの共振型電極は、該マッハツェンダー干渉計を構成する２つの分岐導波路に対応して配置されていることを特徴とする。

（４）上記（３）に記載の光制御素子において、前記２つの共振型電極の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに点対称となるように設定されていることを特徴とする。

（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光制御素子において、該共振型電極は、１本の信号電極とそれを取り囲む接地電極から構成され、該信号電極の２つの端部は、該接地電極に対して、共に開放されているか、又は共に短絡されているか、あるいは一方が短絡され他方が開放されているかのいずれかであること特徴とする。

（６）上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の光制御素子において、該所定位相差は、所定周波数を有する制御信号に対して、２πの整数倍であることを特徴とする。

（７）上記（２）に記載の光制御素子において、各分岐配線部における該給電電極のインピーダンスと、各共振型電極の該給電位置におけるインピーダンスとは、該入力配線部における該給電電極のインピーダンスの略２倍に設定されていることを特徴とする。

（８）上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の光制御素子において、該共振型電極は、１本の信号電極を有し、該信号電極の長さは、所定周波数を有する制御信号が該信号電極上に形成する波長より、長いことを特徴とする。

（９）上記（１）乃至（８）のいずれかに記載の光制御素子において、該共振型電極は、１本の信号電極を有し、該信号電極への給電位置は、共振型電極のインピーダンスと該給電位置に接続される該給電電極のインピーダンスとが同じになる位置であることを特徴とする。

（１０）上記（１）乃至（９）のいずれかに記載の光制御素子において、該給電位置は、該共振型電極の中心に最も近い位置に設定されていることを特徴とする。

　本発明は、上記（１）のように、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された複数の光導波路と、該基板に設けられ、該光導波路を伝搬する光の位相を制御するための制御電極とを有する光制御素子において、該制御電極は、同じ共振周波数を有する少なくとも２つの共振型電極と、該共振型電極の各々に制御信号を給電する給電電極とを備え、各共振型電極の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに奇モード結合が可能なように設定され、各共振型電極には、該給電電極により同相又は所定位相差を有する制御信号が給電されているため、仮に共振型電極間にクロストーク（結合）が発生しても、他方の電極に結合した分と同じ分の電界エネルギーを同相で受け取るため、結合が無いときと同じように働き、安定した光変調動作が可能である。しかも、これは両電極間の結合の大小を問わず同じとなる。よって、低駆動電圧で安定動作することが可能な光制御素子を提供することが可能となる。

　本発明は、上記（２）のように、給電電極は、１本の入力配線部を複数に分岐した分岐配線部を有し、該分岐配線部により各共振型電極に制御信号が給電されているため、所定の位相差（同相を含む）を有し、かつ同じ大きさ有する制御信号を、極めて簡便に形成することができ、差動ドライバや外部位相器などの高価な機器の使用が不要となり、低コスト化した光制御素子を提供することが可能となる。

　本発明は、上記（３）のように、光導波路は、単一又は複数のマッハツェンダー干渉計を構成し、２つの共振型電極は、該マッハツェンダー干渉計を構成する２つの分岐導波路に対応して配置されているため、共振型電極を利用した二電極型の光変調器など、より低駆動電圧の光制御素子を提供することが可能となる。

　本発明は、上記（４）のように、２つの共振型電極の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに点対称となるように設定されているため、共振型電極間のクロストーク（結合）が発生しても、常に同相状態で電界エネルギー授受するため、結合が無いときと同じように安定動作することが可能となる。

　本発明は、上記（５）のように、共振型電極は、１本の信号電極とそれを取り囲む接地電極から構成され、該信号電極の２つの端部は、該接地電極に対して、共に開放されているか、又は共に短絡されているか、あるいは一方が短絡され他方が開放されているかのいずれかであるため、同じ長さの信号電極を利用しても多様な波長の共振型電極を形成することが可能となる。しかも、信号電極の２つの端部を共に開放、又は共に短絡する場合には、各共振型電極の信号電極は、端部が揃って平行に配置される。このため、２つの共振型電極を並べて配置した際の全体の長さを最小限にすることができる。しかも、マッハツェンダー干渉計に利用する場合には、各分岐導波路に信号電極が電界を印加する作用部分の位置が、マッハツェンダー干渉計の光波の伝搬方向である光軸に対して線対称となるため、波長チャープをゼロとする光制御素子を実現することが可能となる。

　本発明は、上記（６）のように、所定位相差は、所定周波数を有する制御信号に対して、２πの整数倍であるため、同相の制御信号を共振型電極に給電した場合と同じ動作を、容易に実現することが可能となる。

　本発明は、上記（７）のように、各分岐配線部における給電電極のインピーダンスと、各共振型電極の給電位置におけるインピーダンスとは、入力配線部における給電電極のインピーダンスの略２倍に設定されているため、入力配線部に供給された制御信号がインピーダンス不整合などにより、分岐配線部や共振型電極で反射することが抑制され、制御信号による変調効率を高め、より一層の低駆動電圧化を実現することが可能となる。

　本発明は、上記（８）のように、共振型電極は、１本の信号電極を有し、信号電極の長さは、所定周波数を有する制御信号が該信号電極上に形成する波長より、長いため、より低電圧駆動が可能な光制御素子を提供することが可能となる。

　本発明は、上記（９）のように、共振型電極は、１本の信号電極を有し、該信号電極への給電位置は、該共振型電極のインピーダンスと該給電位置に接続される該給電電極のインピーダンスとが同じになる位置であるため、信号電極への制御信号の入力に際して、インピーダンス不整合などによる反射も抑制し、低駆動電圧の光制御素子を提供することができる。

　本発明は、上記（１０）のように、給電位置は、共振型電極の中心に最も近い位置に設定されているため、電極の製造誤差に基づく特性のばらつきを抑制し、さらには、各共振型電極が光導波路に及ぼす電界強度分布をほぼ同じとすることができるため、波長チャープを抑制できる。

特許文献１に開示された、電界の強さと距離（光導波路の間隔）との関係を示すグラフである。本発明の光制御素子に係る第１の実施例（信号電極の両端を接地電極から開放したもの）を説明する図である。図２の光制御素子の電極の概観を示す図である。図３の光制御素子の断面構造を示す図である。本発明の光制御素子に係る第２の実施例（信号電極の両端を接地電極に短絡したもの）を説明する図である。図２及び図２０の光制御素子における信号電極の長さが半波長λ／２（λ：信号波長）の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトルの様子を説明する図である。図６と同様の場合で、上側の共振型電極のみに制御信号を入力した際に、少し離れた下側の共振型電極にクロストーク現象が発生する様子を説明する図である。図７と同様の場合で、上側の共振型電極と下側の共振型電極とが近接した場合に、クロストーク現象が発生する様子を説明する図である。図６と同様の場合で、各共振型電極に制御信号を入力した際に、少し離れた他方の共振型電極にクロストーク現象が発生する様子を説明する図である。図９と同様の場合で、上側の共振型電極と下側の共振型電極とが近接した場合に、クロストーク現象が発生する様子を説明する図である。共振型電極の信号電極（信号電極の両端を接地電極から開放したもの）の長さが３λ／２（λ：信号波長）の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトルの様子を説明する図である。図５の光制御素子における信号電極の長さがλ（λ：信号波長）の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトルの様子を説明する図である。共振型電極の信号電極（接地電極に対し、信号電極の左端を短絡し、右端を開放したもの）の長さが３λ／４（λ：信号波長）の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトルの様子を説明する図である。共振型電極の信号電極（接地電極に対し、信号電極の左端を開放し、右端を短絡したもの）の長さが３λ／４（λ：信号波長）の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトルの様子を説明する図である。図１３と図１４の共振型電極を組み合わせた一例を説明する図である。ＭＺ干渉計の一部に本発明の一実施例に係る共振型電極を偏在させた構成を説明する図である。共振型電極の一部のみを光導波路に作用する作用部とする構成を説明する図である。本発明の光制御素子に制御信号を入力する駆動回路を配置した様子を説明する図である。本発明の光制御素子に制御信号を入力する駆動回路を配置した様子を説明する他の図である。本発明の光制御素子に係る応用例を説明する図である。本発明の光制御素子に係る他の応用例を説明する図である。共振型電極の信号電極（信号電極の両端を接地電極から開放したもの）の長さが３λ／２（λ：信号波長）の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトルの様子を説明する図である。ＭＺ干渉計の一部に本発明の応用例に係る共振型電極を偏在させた構成を説明する図である。共振型電極の一部のみを光導波路に作用する作用部とする構成を説明する図である。本発明の一応用例に係る光制御素子に駆動回路を接続した様子を示す図である。

　以下、本発明の光制御素子について、詳細に説明する。
　本発明の光制御素子は、図２又は図５などに示すように、電気光学効果を有する基板１と、該基板に形成された複数の光導波路２と、該基板に設けられ、該光導波路を伝搬する光の位相を制御するための制御電極３とを有する光制御素子において、該制御電極は、同じ共振周波数を有する少なくとも共振型電極３１，３２と、該共振型電極の各々に制御信号を給電する給電電極４１，４２とを備え、各共振型電極の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに奇モード結合が可能なように設定され、各共振型電極には、該給電電極により同相又は所定位相差を有する制御信号が給電されていることを特徴とする。

　電気光学効果を有する基板１としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）結晶が好適に利用される。

　光導波路は、基板にリッジを形成する方法や基板の一部の屈折率を調整する方法、又は両者を組み合わせた方法で形成することが可能である。リッジ型導波路では、光導波路となる基板部分を残すように、その他の部分を機械的に切削したり、化学的にエッチングを施すことで除去する。また、光導波路の両側に溝を形成することも可能である。屈折率を調整する方法では、Ｔｉなどを熱拡散法したり、プロトン交換法などを利用することで、光導波路に対応する基板表面の一部の屈折率を、基板自体の屈折率より高くなるよう構成する。

　信号電極や接地電極などの制御電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。また、各電極は、必要に応じて、基板との間にＳｉＯ２膜などのバッファ層を介して配置されている。バッファ層には、光導波路を伝搬する光波が、制御電極により吸収又は散乱されることを防止する効果を有している。また、バッファ層の構成としては、必要に応じ、薄板の焦電効果を緩和するため、Ｓｉ膜などを組み込むことも可能である。

　本発明の光制御素子においては、制御電極に少なくとも２つの共振型電極を形成し、双方の共振型電極がクロストークしても、制御信号（変調信号）の変調効率に影響がない構成を採用している。このためには、以下の２つの要件が必要となる。
（１）双方の共振型電極は基本的に同じ形状であり、互いに奇(対称)モード結合する条件にあること。
（２）双方の共振型電極には、同相の信号が給電されること。

　共振型電極は、主として、１本の信号電極とそれを取り囲む接地電極から構成される。そして２つの共振型電極の組み合わせとしては、後述するように、信号電極の両端が共に接地電極から開放されている「両端開放－両端開放」か、又は信号電極の両端が共に接地電極に短絡されている「両端短絡－両端短絡」の組み合わせが好ましい形態の一つであるが、本発明の光制御素子はこれに限らず、「両端開放－両端短絡」、「両端開放－一方短絡他方開放」、又は「両端短絡－一方短絡他方開放」など種々の組み合わせが可能であることはいうまでもない。

　２つの共振型電極は基本的に同じ形状の電極であるため、共振周波数は同じであり、結合しやすい条件となっている。通常、この電極を、ＭＺ干渉計の中心軸（光伝搬方向）に対して対称となるように配置すると、共振型電極を構成する１本の信号電極上の位置により、信号電極に供給された制御信号による電界と、他方の共振型電極が形成する電界からのクロストークにより発生する電界とでは、電界の状態（電界ベクトルの方向）が異なるため、制御信号は複雑に干渉して、共振型電極（特に、１本の信号電極）上の制御信号の正常な伝搬が妨げられる。

　一方、双方の共振型電極を、結合しても奇モード結合となる条件に配置し、それぞれに同相で等しい大きさの信号を給電した場合には、他方に結合した分と同じ分の電界エネルギーを同相で受け取るため、結合が無いときと同じように働く。これは両電極間の結合の強弱を問わず、同じである。

　双方の共振型電極が結合しても奇モード結合となる条件になるよう配置するには、図２に示すような構成にする。つまり、各共振型電極は、同じ形状であり、ＭＺ干渉計の作用部（各共振型電極が形成する電界が光導波路に作用する部分）から等距離の平面上に位置する任意の点を回転中心として、１８０°回転対称（点対称。図２の定点Ｏを参照）となる位置に配置してある。各共振型電極の１本の信号電極（３１，３２）の給電点（給電位置）には、同相で同じ大きさの制御信号が、給電電極４１，４２を用いて給電されている。

　図６は、図２の光制御素子における共振型電極（信号電極）の長さＬが半波長λ／２（λ：信号波長）の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトル（矢印）の様子を説明する図である。図６の給電位置とインピーダンスとの関係を示すグラフからも明らかなように、信号電極（共振型電極）３１，３２の両端が接地電極３３から開放されている場合で、当該信号電極の長さが、信号波長の半波長分である場合には、インピーダンスが５０Ωとなる給電位置が２つ存在する。

　しかも、同相の制御信号を入力しても、この給電位置が異なる場合には、図６の上側の共振型電極と下側の共振型電極に示した電界ベクトルのように、特定タイミングにおける電界ベクトルは互いに逆向きとなる。

　図７及び図８は、上側の共振型電極のみに制御信号を給電した場合の電界ベクトルの形成状況を説明する図であり、下側の共振型電極に形成される電界ベクトルは、上側の共振型電極からのクロストーク（結合）によるものである。このように、クロストークでは、位相がπずれた信号（電界ベクトル）が励起される。励起される電界ベクトルの大きさも、２つの共振型電極の間隔が狭い場合（図８）の方がより大きくなる。

　ここで、図６のように制御信号を供給し、各共振型電極に発生する電界ベクトルと、図７又は８のように、一方の共振型電極が他方の共振型電極に励起する電界ベクトル（クロストーク）とを重ね合わせて見ると、図９又は図１０に示すように、双方の共振型電極間にクロストーク（結合）が起こっても奇（対称）モードとなるため、それぞれの電極上の制御信号（給電による電界ベクトル）が乱されることはなく、所望の光変調を行うことができる。当然、クロストークの影響は、図１０のように共振型電極間の間隔が狭い場合には顕著となるが、信号電極に給電されて発生する電界とクロストークにより励起される電界が同じ方向であるため、クロストークによる変調の乱れは発生しない。

　図１１に示すように、信号電極（共振型電極）３１，３２の電極長が、制御信号の波長より長い共振型電極においては、特定のインピーダンス値を有し、かつ、同様の共振動作をする励振点（給電位置）が複数ある。したがって、給電位置については、同じ条件の共振を励振する点であれば、どの励振点を用いても良い。ただし、２つの共振型電極における個々の給電位置は互いに近い位置にある方が、光導波路の伝搬方向における各共振型電極が形成する電界の強度分布がほぼ同じとなるため、例えばＭＺ干渉計の場合には、波長チャープをゼロにすることが可能となり、より好ましい。

　図３に、本発明の光制御素子に用いられる実際の電極の構成を簡単に示す。二電極構造であるため、基板としては、Ｚカット型のＬＮ基板が最も適している。光導波路はＭＺ干渉計型の形状とする。従来技術では、制御信号の干渉の影響を小さくするため、信号電極間（ホット電極間）が４００μｍ以上の間隔となるよう、分岐光導波路の間隔も大きくとる必要があったが、本発明の光制御素子ではその必要はない。むしろ、導波路間隔を狭くすることにより光制御素子自体を小型化できるため、従来の共振型変調ではクロストーク（結合）が顕著となる１００μｍ以下でもよい。

　共振型電極の形状は、好ましくはコプレーナ（ＣＰＷ）構造（信号電極を接地電極が挟む構成）とし、光導波路を伝搬する光信号の速度と電極を伝搬する制御信号の速度が、ほぼ等しくなるよう構成する。両者の伝搬速度がほぼ等しい場合（速度整合条件がほぼ満たされる場合）には、信号電極（共振型電極）の長さを制御信号の共振周波数の波長より長くすることができ、駆動電圧の低減に有利である。

　なお、共振型電極は、上述したＣＰＷ構造に限らず、ＣＰＳ（信号電極の片側に接地電極を設ける構成）、Ｇ－ＣＰＷ（基板の表面にＣＰＷを形成すると共に、基板の裏面に接地電電極を設ける構成）など種々の構成が採用可能である。給電電極についても、共振型電極と同様に種々の構成が採用可能であるが、給電電極と共振型電極との電気的な接続を容易にするため、同じ種類の構成を採用することが好ましい。また、給電電極には、必要に応じて、給電電極の途中にコンデンサーや抵抗等を設け、フィルター回路などを併設することも可能である。

　本発明の光制御素子では、図４（図３の点線Ｃ－Ｃ’における断面図）に示すように、さらなる駆動電圧の低減を目的として、制御信号が光導波路部に効果的に印加されるリッジ型光導波路としている。当然、光導波路は、リッジ形状に基板を形成するだけでなく、必要に応じて該リッジ部分にＴｉの熱拡散などを施し、屈折率を調整することを併用することも可能である。また、非ＣＰＷ構造の電極であっても、非リッジ型導波路であっても、速度整合がほぼ満たされる構成であれば、どのような、電極タイプや光導波路であっても良い。

　図２又は３では、信号電極（共振型電極）３１，３２は、両端が接地電極から開放されているタイプを用いた。給電位置は、信号電極（共振型電極）の中心でなく、非対称な位置に設けられている。ここでは、信号電極（共振型電極）上でインピーダンスが５０Ω（通常は５０Ωが一般的であるが、必ずしもこのインピーダンス値に限定されない。）となる位置のうち、信号電極（共振型電極）の中心に最も近い位置を給電点とし、駆動回路とはインピーダンス整合回路を用いずに直接制御信号を給電している。これは、電極の端の方に給電した場合に比べ、製造プロセスの再現性の問題で、電極の端の形状などがばらついた際の特性の変化が少ないからである。

　次に、図５は、本発明の光制御素子の第２の実施例を示している。図２の実施例との違いは、図２に示した実施例では、信号電極（共振型電極）の両端を接地電極から開放しているが、図５では、当該両端は接地電極に短絡されている。

　図５の実施例においても、図２と同様に、双方の共振型電極は、互いに同じ形状であり、ＭＺ干渉計の中心を回転中心として、１８０°回転対称（点対称）となる位置に配置し、同相で同じ大きさの制御信号が給電されている。この条件では、それぞれの信号電極（共振型電極）３１，３２の位置での電界は、同じ大きさ逆符号の電界となっている。このため、図５のような電極配置条件や制御信号の給電の条件を満足すれば、仮に、双方の共振型電極間に結合が起こっても奇（対称）モードとなるため、それぞれの信号電極（共振型電極）上の制御信号が乱されることはない。

　図１２は、図５の光制御素子における信号電極の長さＬがλ（λ：信号波長）の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトルの様子を説明する図である。図１２の給電位置とインピーダンスとの関係を示すグラフからも明らかなように、信号電極（共振型電極）３１，３２の両端が接地電極３３に短絡されている場合で、当該信号電極の長さＬが、信号波長の１波長分である場合には、インピーダンスが５０Ωとなる給電位置が４つ存在する。

　しかも、同相の制御信号を入力しても、この給電位置が図１２に示すような関係（点対称）となる場合には、図１２の上側の共振型電極と下側の共振型電極に示した電界ベクトルのように、特定タイミングにおける電界ベクトルは互いに逆向きとなる。なお、給電位置として、互いに信号電極（共振型電極）の端部に近い給電位置を選択することも可能であるが、製造プロセスの再現性の問題で、電極の端の形状などがばらついた際の特性の変化が大きくなり、また、光の伝搬方向に対する２つの共振型電極が形成する各電界強度分布が異なり易く、波長チャープをゼロにする観点からも好ましくない。

　さらに、共振型電極を構成する信号電極には、接地電極に対して、一端を開放し、他端を短絡するものがある。図１３及び図１４に示すように、共振型電極の信号電極の長さＬが３λ／４（λ：信号波長）の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトルの様子を説明する図であり、特に、図１３は、接地電極に対し、信号電極の左端を短絡し、右端を開放したものを示し、図１４は、接地電極に対し、信号電極の左端を開放し、右端を短絡したものを示している。

　図１３及び図１４のように、このような形状の共振型電極であっても、インピーダンスが５０Ωとなる給電位置が３つ存在する。しかも、この給電位置によって、共振型電極に発生する特定タイミングにおける電界ベクトルは、異なる向きのものを選択することが可能である。

　しかしながら、図１３に例示した各共振型電極の一つと、図１４に例示した各共振型電極の一つとを点対称に組み合わせても、互いに奇モード結合する関係に配置にするためには、図１５に示すように、両者をずらして配置することが必要であり、光制御素子自体が大きくなると共に、光波の伝搬方向に対して異なる位置で光変調が行われるため、波長チャープをゼロにすることが難しい。

　なお、共振型電極の配置を点対称に拘らない場合には、例えば、図１３の符号１と５のケースを組み合わせることで、奇モード結合を行うことは可能である。

　また、ＭＺ干渉計を構成する光導波路に対する共振型電極の位置は、上述したように、ＭＺ干渉計の中心に一致するように、２つの共振型電極を配置するもの限定されず、例えば、図１６に示すように、ＭＺ干渉計の分岐導波路の一部に共振型電極３１，３２が偏在するように構成したり、また、図１７に示すように、共振型電極の一部のみを分岐導波路と重なるように配置し、共振型電極が光導波路に作用する作用部（範囲Ｓ）と非作用部とから構成されるよう配置することも可能である。なお、図１７のような場合には、非作用部の共振型電極の形状や配置は、上述した共振型電極全体が作用部となるものと比較し、設計の自由度が増加する。

　本発明の光制御素子を駆動するには、各共振型電極に同位相で同じ周波数の制御信号を印加する。図１８に示すように、２系統の駆動回路を利用し、各共振型電極３１，３２の給電電極４１，４２に、制御信号（矢印）を入力する。駆動回路の例としては、信号源からの所定周波数の信号をドライバ１（ドライバ２）に入れ、所定の信号電圧に増幅した後、ノイズを除去する帯域フィルタ１（帯域フィルタ２）を介して、光制御素子の給電電極４１，４２に入力する。また、図１９に示すように、一つの駆動回路を用いて、２つに制御信号を分け、各共振型電極３１，３２に供給することも可能である。ただし、この場合には、給電する制御信号の位相を調整するため、位相調整器を少なくとも一方の給電線路に介在させることが望ましい。当然、給電線の長さを予め同相となるよう調整することも可能であり、その場合には、位相調整器を省略することも可能となる。

　続いて、本発明に係る光制御素子の応用例について、詳細に説明する。
　本発明の光制御素子は、図２０に示すように、電気光学効果を有する基板１と、該基板に形成された複数の光導波路２と、該基板に設けられ、該光導波路を伝搬する光の位相を制御するための制御電極３とを有する光制御素子において、該制御電極３は、同じ共振周波数を有する少なくとも２つの共振型電極３１，３２と、該共振型電極の各々に制御信号を給電する給電電極４１，４２とを備え、各共振型電極３１，３２の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに奇モード結合が可能なように設定され、該給電電極は、１本の入力配線部４０を複数に分岐した分岐配線部４１，４２を有し、各共振型電極には、該分岐配線部により同相又は所定位相差を有する制御信号が給電されていることを特徴とする。

　電気光学効果を有する基板１としては、先に説明した実施例と同様であり、図２０に示す光制御素子のように、光導波路上に共振型電極を配置する構成が、最も効果的な変調が期待できるため、Ｚカット型の基板が好ましい。また、光導波路、制御電極、共振型電極についての材料、製法、構造等についても、先に説明した実施例と同様に種々の技術を用いることが可能である。

　本発明の光制御素子では、図２０に示すように、制御信号を二分岐し、位相を合わせて、それぞれの共振型電極３１，３２に給電する。それぞれの給電点へは、同相で共振する周波数帯の制御信号が給電されるように、分岐後の経路を分岐配線の屈折率を調整し、同一基板上に配置する。そして、これにより、差動電極や外部位相調整器など高価な部品が不要となる。なお、周波数帯とは６ｄＢ以内の帯域をいう。

　光制御素子（チップ）の外部から給電される入力配線部４０のインピーダンスがＺ０の場合、図２０のように、分岐損失なしで等しく二分岐した各分岐配線部４１，４２のインピーダンスは、インピーダンス整合を図るため、２Ｚ０と大きくなる。
　本発明では、「略２倍」と表示しているが、この意味は、２倍の関係が最も分岐損失を低減できるが、本発明の作用効果が期待できる実用的な範囲において、インピーダンス値がこの２倍から幾分異なっても、本発明は許容可能であることを意味している。なお、好ましい許容範囲は、２倍に対し±２０％程度以内、反射を±１０％程度以内に抑えることが望ましい。

　分岐された制御信号は、共振型電極３１，３２に供給されるが、共振型電極は、給電電極（分岐配線部）４１，４２による給電点（給電位置）によって、インピーダンスが異なっており、場所により０Ωからほぼ無限大のインピーダンスを有している。このため、分岐配線部のインピーダンスの大きさによらず、適切な給電位置を選ぶことにより、給電電極のインピーダンスと共振型電極のインピーダンスとを整合させることが可能であり、反射損失が無く、適切な給電を行うことができる。これは、給電先が共振型電極だからこそ実現できる技術である。

　電極長が信号の波長より長い共振型電極においては、同様の共振動作をする励振点が複数ある。したがって、給電位置については、同じ条件の共振を励振する点を給電点とすることも可能であり、位相差の調整組み合わせは、多くのバリエーションがある。

　光導波路にＭＺ干渉計の形状を採用する場合、従来は、制御信号の干渉の影響を小さくするため、電極間（ホット電極間）が４００μｍ以上の間隔となるよう、分岐光導波路の間隔も大きくとる必要があったが、本発明ではその必要はない。クロストークが顕著となる１００μｍ以下でもよい。このため、光制御素子の小型化を実現することができる。

　共振型電極の形状が、信号電極を挟む又は取り囲むように接地電極を配置する、コプレーナ型（ＣＰＷ）構造とし、光導波路を伝搬する光信号の速度と電極を伝搬する制御信号の速度が、ほぼ等しくなる作製条件を用いる。

　ほぼ速度が等しい場合（速度整合条件がほぼ満たされる場合）、電極の長さを制御信号の共振周波数の波長より長くすることができ、駆動電圧の低減に有利である。ここでは、さらなる駆動電圧の低減を目的として、制御信号が光導波路部に効果的に印加されるリッジ型光導波路としている。当然、非ＣＰＷ構造の電極であっても、非リッジ型導波路であっても、速度整合がほぼ満たされる構成であれば、どのような、電極タイプや光導波路であって良い。

　図２０で示した光制御素子では、共振型電極として、１本の信号電極（共振型電極）の両端が接地電極から開放されている形状を用いた。給電位置は、共振型電極の中心でなく、図６に示すように、共振型電極のインピーダンス及び共振型電極に形成される電界ベクトルの強度波形を考慮して、上下の共振型電極では、非対称（図面の横方向の直線に対して対称ではない）な位置に設けられている。

　図６では、共振型電極上でインピーダンスが５０Ωとなる位置のうち、共振型電極の中心に最も近い位置を給電点としているが、上述したように、給電電極が、入力配線部を分岐して２つの分岐配線部を形成する場合には、通常、外部機器とは５０Ωでインピーダンス整合を図っているため、共振型電極の給電点は、主にインピーダンスが１００Ωとなる位置であって、共振型電極の中心に最も近い位置を給電点としていることが好ましい。光制御素子の外部にある駆動回路とは、本発明において、インピーダンス整合回路を用いずに直接制御信号を給電することが可能である。

　また、共振型電極の中心に最も近い位置を給電点とすることにより、電極の端の方に給電した場合に比べ、製造プロセスの再現性の問題で、電極の端の形状などがばらついた際の特性の変化が少ないという、利点もある。さらに、各共振型電極が光導波路に及ぼす電界強度分布をほぼ同じとすることができるため、波長チャープを抑制できる。

　図２０に示すように、２つの共振型電極は、同じ形状であり、ＭＺ干渉計の作用部（各共振型電極が形成する電界が光導波路に作用する部分）から等距離の平面上に位置する任意の点を回転中心として、１８０°回転対称（点対称。図２０の定点Ｏを参照）となる位置に配置してある。各共振型電極の１本の信号電極（３１，３２）の給電点（給電位置）には、同相で同じ大きさの制御信号が、給電電極４１，４２を用いて給電されている。

　また、電極長が信号の波長より長い共振型電極においては、同様の共振動作をする励振点が複数ある。図２０の例では、電極の中心に近い点を給電位置としているが、図２１の様にこの位置と同じ励振作用が得られる位置を給電点（ａ１～ａ３のいずれかと、ｂ１～ｂ３のいずれかを選択可能）とすることも可能である。したがって、長い共振型電極の場合、それぞれの給電点の選択にはいろいろな組み合わせが存在する。

　図２２は、一本の信号電極を有する共振型電極について、信号電極（信号電極の両端を接地電極から開放したもの）の長さが３λ／２（λ：信号波長）の場合、給電位置とインピーダンスとの関係及び、特定タイミングにおける電界ベクトルの様子を説明する図である。共振型電極は、位置によってインピーダンスが異なっており、図２２の上側のグラフに示すように、場所により０Ωからほぼ無限大のインピーダンスを有する。

　図２２では、１００Ωのインピーダンスを実現する給電位置は、電界ベクトルの方向も考慮すると、一つの電界ベクトルのパターンで３箇所、合計６箇所ある。そして２つの共振型電極が形成する電界ベクトルが図３に示すように互いに逆向きとなるように、各共振型電極の給電位置が設定される。

　このように、分岐配線のインピーダンスの大きさによらず、適切な給電位置を選ぶことにより、インピーダンス整合が実現でき、反射損失無く適切な給電が行える。なお、各分岐配線部における、それぞれの配線の長さと配線の制御信号に対する屈折率の積は等しくなるように、設定され、同相状態で共振型電極に入力されるよう構成されている。

　給電電極の構造は、ここではＣＰＷ（信号電極を挟むように接地電極を配置する構成）となっているが、ＣＰＳ（信号電極の片側に接地電極を配置する構成）、Ｇ－ＣＰＷ（基板の表面にＣＰＷを形成し、裏面に接地電極を配置する構成）であってもストリップラインであっても、あるいは、これらの組み合わせであってもかまわない。また、制御信号の損失を抑えるため、途中で電極の構造を変化させる場合には、インピーダンスを一定にするように設定する。

　共振型電極についても同様に、ＣＰＷ、ＣＰＳ、Ｇ－ＣＰＷの何れの構成を採用しても良い。ただし、共振型電極と給電電極との接続を容易とするため、両者は同じ構造の電極構成を採用することが好ましい。また、給電電極の分岐配線部は、例えば、カプラー、ハイブリッド等の給電線の配線が不連続であっても、電気的に連続であれば可能である。

　本発明の光制御素子が採用する電極配置条件、制御信号給電の条件であれば、たとえ両電極間に結合が起こっても奇対称モードとなるため、各共振型電極上の制御信号が乱されることはない。

　本発明の光制御素子は、光導波路にＭＺ干渉計を採用する場合には、各分岐光導波路における光の位相変化量は、同じ大きさの逆符号となり、ＭＺ干渉計の光出力部では波長チャープのないＯＮ・ＯＦＦパルス光信号が生成される。この波長チャープのないＯＮ・ＯＦＦパルス光信号は、光クロックとしてもっとも望ましい特性である。

　また、本発明の光制御素子を、共振型変調器でなく、光パルサー（光クロック生成器）として使用する場合については、各共振型電極の給電点への位相差をゼロ（同相）でなく、２πの整数倍とすることができることは、いうまでもない。しかも、上述したように、効果がほぼ等価な給電点の選択と、２πの整数倍を満たす位相差の組み合わせにより、制御電極（共振型電極や給電電極）の形状や配置の自由度が増し、製品設計も容易なものとなる。

　なお、位相を２πずらすために必要な配線の長さは、給電電極の屈折率が共振型電極と同じ電極の場合、図２２に示す共振型電極上における同じ励振効果をもつ点の間隔と同じになる。よって、給電電極を共振型電極とほぼ同じ構成とすれば、給電電極の配置には都合が良い。

　以上では、直線状の信号電極（共振型電極）を中心に説明したが、これに制限されることはなく、分岐導波路が湾曲、屈曲している場合には、導波路に応じて、共振電極を湾曲、屈曲させれば良い。また、分岐光導波路にかかる作用効率が同じであり、互いに奇モード結合される位置に配置される要件を満たせば、それぞれの信号電極（共振型電極）は、直線型に限らず、リング型であっても差し支えない。

　また、ＭＺ干渉計を構成する光導波路に対する共振型電極の位置は、上述したように、ＭＺ干渉計の中心に一致するように、２つの共振型電極を配置するもの限定されず、例えば、図２３に示すように、ＭＺ干渉計の分岐導波路の一部に共振型電極３１，３２が偏在するように構成したり、また、図２４に示すように、共振型電極の一部のみを分岐導波路と重なるように配置し、共振型電極が光導波路に作用する作用部（範囲Ｓ）と非作用部とから構成されるよう配置することも可能である。なお、図２４のような場合には、非作用部の共振型電極の形状や配置は、上述した共振型電極全体が作用部となるものと比較し、設計の自由度が増加する。

　本実施例の光制御素子を駆動するには、図２５に示すように、一つの駆動回路で構成することが可能となる。駆動回路の例としては、信号源からの所定周波数の信号をドライバに入れ、所定の信号電圧に増幅した後、ノイズを除去する帯域フィルタを介して、光制御素子の入力配線部４０に入力する。本発明と異なる、２系列の制御信号を同相かつ同じ大きさで給電する光制御素子では、差動ドライバや外部位相器などが必要であるが、本発明の光制御素子は、一つの駆動回路のみで駆動することが可能となり、装置全体を低コスト化することが可能となる。

　本発明の光制御素子では、従来は同時併用が不可能であった、共振型長尺電極の採用と二電極配置構造との併用が可能になったばかりでなく、クロストーク（結合）を利用し、変調効率の劇的改善と電極間のギャップの縮小による小型化などの効果も合わせて得られる。

　本発明の光制御素子をパルサーに適用した場合には、以下のような効果も期待できる。
・高速、超低電圧、小型パルサー実現
・消費電力の画期的削減
・低コストな駆動系の使用による、ユーザーのコスト削減
・周辺回路を含めたサイズダウン、集積度の改善
・サイズダウンによるデバイス取れ数増加によるコストダウン

　以上説明したように、本発明によれば、低駆動電圧で安定動作することが可能な光制御素子を提供することが可能になり、特に、２つの共振型電極を用いて、両電極間のクロストーク（結合）が発生しても安定動作が可能な光制御素子を提供することが可能となる。さらに、低コストな駆動系部品の使用による低コスト化が可能な光制御素子を提供することが可能となる。

１　電気光学効果を有する基板
２　光導波路
２１，２２　分岐導波路
３　制御電極
３１，３２　信号電極（共振型電極）
３３　接地電極
４１，４２　給電電極

Claims

　電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された複数の光導波路と、該基板に設けられ、該光導波路を伝搬する光の位相を制御するための制御電極とを有する光制御素子において、
　該制御電極は、同じ共振周波数を有する少なくとも２つの共振型電極と、該共振型電極の各々に制御信号を給電する給電電極とを備え、
　各共振型電極の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに奇モード結合が可能なように設定され、
　各共振型電極には、該給電電極により同相又は所定位相差を有する制御信号が給電されていることを特徴とする光制御素子。
　請求項１に記載の光制御素子において、該給電電極は、１本の入力配線部を複数に分岐した分岐配線部を有し、該分岐配線部により各共振型電極に制御信号が給電されていることを特徴とする光制御素子。
　請求項１又は２に記載の光制御素子において、該光導波路は、単一又は複数のマッハツェンダー干渉計を構成し、前記２つの共振型電極は、該マッハツェンダー干渉計を構成する２つの分岐導波路に対応して配置されていることを特徴とする光制御素子。
　請求項３に記載の光制御素子において、前記２つの共振型電極の形状及び形成位置、並びに各共振型電極への給電電極による給電位置は、互いに点対称となるように設定されていることを特徴とする光制御素子。
　請求項１乃至４のいずれかに記載の光制御素子において、該共振型電極は、１本の信号電極とそれを取り囲む接地電極から構成され、該信号電極の２つの端部は、該接地電極に対して、共に開放されているか、又は共に短絡されているか、あるいは一方が短絡され他方が開放されているかのいずれかであること特徴とする光制御素子。
　請求項１乃至５のいずれかに記載の光制御素子において、該所定位相差は、所定周波数を有する制御信号に対して、２πの整数倍であることを特徴とする光制御素子。
　請求項２に記載の光制御素子において、各分岐配線部における該給電電極のインピーダンスと、各共振型電極の該給電位置におけるインピーダンスとは、該入力配線部における該給電電極のインピーダンスの略２倍に設定されていることを特徴とする光制御素子。
　請求項１乃至７のいずれかに記載の光制御素子において、該共振型電極は、１本の信号電極を有し、該信号電極の長さは、所定周波数を有する制御信号が該信号電極上に形成する波長より、長いことを特徴とする光制御素子。
　請求項１乃至８のいずれかに記載の光制御素子において、該共振型電極は、１本の信号電極を有し、該信号電極への給電位置は、該共振型電極のインピーダンスと該給電位置に接続される該給電電極のインピーダンスとが同じになる位置であることを特徴とする光制御素子。
　請求項１乃至９のいずれかに記載の光制御素子において、該給電位置は、該共振型電極の中心に最も近い位置に設定されていることを特徴とする光制御素子。