光制御素子
【課題】
低駆動電圧化及び小型化が可能な光制御素子を提供することであり、特に、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。
【解決手段】
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。
低駆動電圧化及び小型化が可能な光制御素子を提供することであり、特に、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。
【解決手段】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
このような問題を解消するため、本出願人は、他の出願において、図２に示す光制御素子を提案した。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の制御信号が給電されていることを特徴とする。
【００１３】
図２では、光導波路２は、分岐導波路２１，２２を有するＭＺ干渉計を構成している。また、制御電極は、共振型電極３１，３２となる１本の信号電極とそれを取り囲む接地電極を有し、信号電極（共振型電極）の両端は、接地電極から開放されているが、両端を接地電極に短絡しても良いし、一方の端部を接地電極に短絡することも可能である。共振型電極の長さは、Ｌで表示されている。
【００１４】
さらに、図２では、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４１，４２による給電位置は、前記２つの共振型電極について、互いに点対称（定点Ｏを中心とする点対称）となるように設定されている。
【００１５】
図３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３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。
【００１６】
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３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。このような状態においては、仮に、共振型電極間にクロストーク（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。このような状態を「奇(対称)モード結合」状態と呼んでいる。
【００１７】
図２や図３に示した光制御素子を利用することで、パルサー変調器などの光変調器において、画期的な低駆動電圧化と小型化が見込むことが可能となる。しかしながら、このような光制御素子の問題点は、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ことである。このため、光制御素子を駆動するには、差動ドライバの使用と外部位相器の使用などが必要となり、装置全体が高コストなものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００９−５３４４４号公報
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】Mark Yu and Anand Gopinath, "Velocity Matched Resonant Slow-Wave Structure for Optical Modulator", Proceedings of Integrated Photonics Research (IPR), ITuH7-1, pp.365-369, Palm Springs, California, March 22, 1993
【非特許文献２】Roger Krahenbuhl and M. M. Howerton, "Investigations on Short-Path-Length High-Speed Optical Modulators in LiNbO3 With Resonant-Type Electrodes", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.19, No. 9, pp.1287-1297, SEPTEMBER 2001
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
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、低駆動電圧化及び小型化が可能な光制御素子を提供することであり、特に、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。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、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、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、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。
【００２２】
請求項２に係る発明は、請求項１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。
【００２３】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２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。
【００２４】
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれか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２本に分岐した分岐配線部を有し、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。
【００２５】
請求項５に係る発明は、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。
【００２６】
請求項６に係る発明は、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。
【発明の効果】
【００２７】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明により、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、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、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、低駆動電圧化及び小型化が可能な光制御素子を提供することができる。しかも、各共振型電極への制御信号の供給は、１本の入力配線部を複数に分岐した分岐配線部を使用するため、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。
【００２８】
請求項２に係る発明により、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。
【００２９】
請求項３に係る発明により、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。
【００３０】
請求項４に係る発明により、給電電極は、１本の入力配線部を２本に分岐した分岐配線部を有し、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。
【００３１】
請求項５に係る発明により、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できる。
【００３２】
請求項６に係る発明により、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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】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。
【図２】本出願人が他の出願で提案した光制御素子の一例（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３】図２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４】本発明の光制御素子に係る実施例を説明する図である。
【図５】本発明の光制御素子に係る他の実施例を説明する図である。
【図６】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７】ＭＺ干渉計の一部に共振型電極を偏在させた構成を説明する図である。
【図８】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。
【図９】本発明の光制御素子に駆動回路を接続した様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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４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。
【００３５】
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。本発明の光制御素子では、図４のように、二電極構造であり、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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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とのクロストークにより発生する電界との状態（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。
【００４１】
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、それぞれに同相等しい大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。
【００４２】
本発明の光制御素子では、図４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。
【００４３】
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４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。
【００４４】
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、給田電極（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、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。
【００４５】
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、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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
図４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３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。
【００５０】
図３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。
【００５１】
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。
【００５２】
図４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４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。
【００５３】
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４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５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。
【００５４】
図６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６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。
【００５５】
図６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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
したがって、それぞれの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。
【００６１】
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。
【００６２】
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６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。
【００６３】
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。
【００６４】
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７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８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８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。
【００６５】
本発明の光制御素子を駆動するには、図９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。
【００６６】
また、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
【産業上の利用可能性】
【００６７】
以上説明したように、本発明によれば、低駆動電圧化及び小型化が可能な光制御素子を提供することであり、特に、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。
【符号の説明】
【００６８】
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
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
このような問題を解消するため、本出願人は、他の出願において、図２に示す光制御素子を提案した。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の制御信号が給電されていることを特徴とする。
【００１３】
図２では、光導波路２は、分岐導波路２１，２２を有するＭＺ干渉計を構成している。また、制御電極は、共振型電極３１，３２となる１本の信号電極とそれを取り囲む接地電極を有し、信号電極（共振型電極）の両端は、接地電極から開放されているが、両端を接地電極に短絡しても良いし、一方の端部を接地電極に短絡することも可能である。共振型電極の長さは、Ｌで表示されている。
【００１４】
さらに、図２では、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４１，４２による給電位置は、前記２つの共振型電極について、互いに点対称（定点Ｏを中心とする点対称）となるように設定されている。
【００１５】
図３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３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。
【００１６】
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３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。このような状態においては、仮に、共振型電極間にクロストーク（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。このような状態を「奇(対称)モード結合」状態と呼んでいる。
【００１７】
図２や図３に示した光制御素子を利用することで、パルサー変調器などの光変調器において、画期的な低駆動電圧化と小型化が見込むことが可能となる。しかしながら、このような光制御素子の問題点は、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ことである。このため、光制御素子を駆動するには、差動ドライバの使用と外部位相器の使用などが必要となり、装置全体が高コストなものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００９−５３４４４号公報
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】Mark Yu and Anand Gopinath, "Velocity Matched Resonant Slow-Wave Structure for Optical Modulator", Proceedings of Integrated Photonics Research (IPR), ITuH7-1, pp.365-369, Palm Springs, California, March 22, 1993
【非特許文献２】Roger Krahenbuhl and M. M. Howerton, "Investigations on Short-Path-Length High-Speed Optical Modulators in LiNbO3 With Resonant-Type Electrodes", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.19, No. 9, pp.1287-1297, SEPTEMBER 2001
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
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、低駆動電圧化及び小型化が可能な光制御素子を提供することであり、特に、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。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、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、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、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。
【００２２】
請求項２に係る発明は、請求項１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。
【００２３】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２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。
【００２４】
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれか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２本に分岐した分岐配線部を有し、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。
【００２５】
請求項５に係る発明は、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。
【００２６】
請求項６に係る発明は、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。
【発明の効果】
【００２７】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明により、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、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、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、低駆動電圧化及び小型化が可能な光制御素子を提供することができる。しかも、各共振型電極への制御信号の供給は、１本の入力配線部を複数に分岐した分岐配線部を使用するため、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。
【００２８】
請求項２に係る発明により、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。
【００２９】
請求項３に係る発明により、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。
【００３０】
請求項４に係る発明により、給電電極は、１本の入力配線部を２本に分岐した分岐配線部を有し、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。
【００３１】
請求項５に係る発明により、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できる。
【００３２】
請求項６に係る発明により、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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】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。
【図２】本出願人が他の出願で提案した光制御素子の一例（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３】図２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４】本発明の光制御素子に係る実施例を説明する図である。
【図５】本発明の光制御素子に係る他の実施例を説明する図である。
【図６】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７】ＭＺ干渉計の一部に共振型電極を偏在させた構成を説明する図である。
【図８】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。
【図９】本発明の光制御素子に駆動回路を接続した様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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４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。
【００３５】
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。本発明の光制御素子では、図４のように、二電極構造であり、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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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とのクロストークにより発生する電界との状態（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。
【００４１】
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、それぞれに同相等しい大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。
【００４２】
本発明の光制御素子では、図４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。
【００４３】
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４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。
【００４４】
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、給田電極（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、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。
【００４５】
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、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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
図４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３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。
【００５０】
図３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。
【００５１】
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。
【００５２】
図４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４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。
【００５３】
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４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５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。
【００５４】
図６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６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。
【００５５】
図６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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
したがって、それぞれの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。
【００６１】
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。
【００６２】
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６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。
【００６３】
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。
【００６４】
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７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８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８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。
【００６５】
本発明の光制御素子を駆動するには、図９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。
【００６６】
また、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
【産業上の利用可能性】
【００６７】
以上説明したように、本発明によれば、低駆動電圧化及び小型化が可能な光制御素子を提供することであり、特に、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。
【符号の説明】
【００６８】
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
【特許請求の範囲】
【請求項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、
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、
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光制御素子。
【請求項２】
請求項１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】
請求項１又は２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４】
請求項１乃至３のいずれか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２本に分岐した分岐配線部を有し、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５】
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６】
請求項１乃至６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。
【請求項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、
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、
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光制御素子。
【請求項２】
請求項１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】
請求項１又は２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４】
請求項１乃至３のいずれか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２本に分岐した分岐配線部を有し、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５】
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６】
請求項１乃至６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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２５２９４２（Ｐ２０１１−２５２９４２Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２４６０８（Ｐ２０１０−１２４６０８）
【出願日】平成２２年５月３１日（２０１０．５．３１）
【出願人】（０００１８３２６６）住友大阪セメント株式会社 (1,342)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月３１日（２０１０．５．３１）
【出願人】（０００１８３２６６）住友大阪セメント株式会社 (1,342)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]