光変調素子および通信システム
本発明の光変調素子は、電気光学効果を有する材料から形成された光導波路２ａ〜２ｄと、光導波路２ａ〜２ｄを伝搬する光に変調用電気信号を印加するための変調電極３とを備えた光変調素子である。この光変調素子は、等価屈折率が光伝搬方向に沿って周期的に変化する周期構造を更に備えており、この周期構造は、光導波路２ａ、２ｂを伝搬する光の群速度を低下させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、光通信システムや光信号処理システムなどに好適に用いられる光変調素子と、当該光変調素子を備えた通信システムに関している。
【背景技術】
光変調素子は、高速光通信や光信号処理システムにおいて基本となる素子であり、将来、超高速（３０ＧＨ以上）で動作できる光変調素子の必要性が益々増大するものと考えられる。
従来、利用されてきた半導体レーザによる直接変調では、超高速光変調に対応することが困難であるため、最近では、高速動作が可能な外部変調型の素子の開発が急がれている。中でも、特に大きなポッケルス効果を有する誘電体結晶を用いた電気光学型の光変調素子は、超高速動作が可能であり、光変調に伴う光信号の位相の乱れも少ないことから、高速情報伝送や長距離光ファイバ通信などに非常に適している。さらに、光導波路構造を用いれば、小型化と高効率化とを一挙に実現できる可能性がある。
一般に、電気光学効果を用いた光変調素子は、電気光学結晶上に設けられた変調電極として機能する伝送導体線路と、伝送導体線路の近傍に形成された光導波路とを備えている。変調用の高周波信号を変調電極に与えることにより、変調電極の周辺に誘起される電界に応じて光導波路部分の屈折率が変化すると、光導波路中を伝搬する光波の位相が変化する。
光変調の効率を決める基本となるパラメータの１つである電気光学係数は、通常の結晶では比較的小さい。従って、電気光学効果を利用する光変調素子で高い変調効率を実現するためには、電界を光導波路に効率よく印加することが重要となる。
図１４は、文献（ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．Ｖｏｌ．ＱＥ−１３，ｎｏ．４，ｐｐ２８７−２９０，１９７７）に記載されている従来の光変調素子を示す斜視図である。この光変調素子は、電気光学効果を有する結晶材料の基板１の表面に形成された光導波路（２ａ〜２ｄ）と、光導波路（２ａ〜２ｄ）を伝搬する光に変調用の電気信号（変調波）を印加するための変調電極３とを備えている。変調電極３は、互いに平行な２つの導体線路３ａ、３ｂによって構成されたコプレナー導体線路構造を有している。
光導波路２ａ〜２ｄは、変調されるべき光（入力光）が導入される入口側光導波路部分２ｃ、変調光が出力される出口側光導波路部分２ｄ、および、入口側光導波路部分２ｃと出口側光導波路部分２ｄとを結合する２つの分岐導波路部分２ａ、２ｂを有している。
光導波路２ａ〜２ｄは、２箇所の分岐点７ａ、７ｂで２つの分岐導波路２ａ、２ｂに分岐しており、入口側光導波路２ｃから入力された入力光が一方の分岐点７ａで分岐して２つの分岐導波路２ａ、２ｂを通過した後、他方の分岐点７ｂで共通の出口側光導波路２ｄを進むように構成されている。
なお、変調電極３を構成する導体線路３ａ、３ｂの内側端は、各分岐導波路２ａ、２ｂのほぼ中央部の直上に位置しており、導体線路３ａ、３ｂの各々一端には変調用高周波の信号源４が接続され、他端には終端抵抗５が接続されている。
信号源４から高周波信号（変調波）が変調電極３に供給されると、変調波は、変調電極３上に光伝搬方向と方向に伝搬し、間隙部６に電界を形成する。このため、電気光学効果により、分岐導波路２ａ、２ｂを構成する材料の屈折率が電界強度に応じて変化する。分岐導波路２ａと分岐導波路２ｂとには互いに上下逆方向の電界が印加されるので、基板１が例えばｚカットのニオブ酸リチウム結晶により構成されている場合、２つの分岐導波路２ａ、２ｂを通る光には互いに逆の位相変化が与えられる。
図１４に示す光変調素子によれば、変調電極３を伝搬する変調波と光導波路２を伝搬する光波とが同一方向に進行することにより、光波と信号波との相互作用が増し、高い効率の光変調が可能となる。
しかしながら、ニオブ酸リチウムに代表される電気光学結晶の電気光学定数は非常に小さいため、変調電極３を延長して数ｃｍ程度の長さにしても、充分な変調を得るには、数ボルト程度の高い電圧を電気光学結晶に印加しなければならない。光変調素子を小型化し、また、必要な変調電圧を低減するためには、光波と電気光学材料との相互作用を向上させることが必要である。
一方、電気光学結晶の屈折率が約２．１であるのに対し、マイクロ波に対する誘電率が２０〜４０程度と非常に高いため、光の速度がマイクロ波の速度に対して２倍以上も高く、その結果、進行波型電極の光変調素子において光と信号波の速度整合がとれないという問題がある。速度整合がとれない場合、変調電極を長く設定しても、適切な変調が実現できず、変調効率が劣化することになる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、主たる目的は、光通信システムに好適に用いられる変調効率の高い光変調素子を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、効率的に光変調が可能な小型の光変調素子を備えた通信システムを提供することにある
【発明の開示】
本発明の光変調素子は、電気光学効果を有する材料から形成された光導波路と、前記光導波路を伝搬する光に変調用電気信号を印加するための変調電極とを備えた光変調素子であって、等価屈折率が光伝搬方向に沿って周期的に変化する周期構造であって、前記光導波路を伝搬する光の群速度を低下させる周期構造を更に備えている。
好ましい実施形態において、前記周期構造は、前記光導波路の表面に設けられた複数の凹部および／または凸部によって構成されている。
好ましい実施形態において、前記周期構造は、前記光導波路の表面に設けられた複数の溝によって構成されている。
好ましい実施形態において、前記周期構造は、前記光導波路の表面に設けられた複数の穴によって構成されている。
好ましい実施形態において、前記光導波路に設けられた前記溝または前記穴の個数は１００以上である。
好ましい実施形態において、前記溝または孔の深さは、前記導波路の厚さの５０％以下である。
好ましい実施形態において、前記周期構造は、誘電体膜によって覆われている。
好ましい実施形態において、前記周期構造は、前記光導波路上に設けられた誘電体膜のパターンから形成されている。
好ましい実施形態において、前記周期構造は、前記光伝搬方向に沿って直列的に配列された第１領域および第２領域と、前記第１領域および前記第２領域の間に設けられた中間部分とを含んでいる。
好ましい実施形態において、前記周期構造の光伝搬方向における等価屈折率の変化の周期は、変調されるべき光の前記光導波路内における波長λの１／４以上１／２以下の範囲の数値に設定されている。また、前記周期構造の光伝搬方向における等価屈折率の変化の周期は、前記数値の奇数倍の長さでも有効である。
好ましい実施形態において、前記中間部分の光伝搬方向の長さは、約１／２λである。前記中間部分の光伝搬方向の長さは、１／２λの整数倍であってもよい。
好ましい実施形態において、前記光導波路は、変調されるべき光が入力される入口側光導波路部分と、変調光が出力される出口側光導波路部分と、前記入口側光導波路部分と前記出口側光導波路部分とを結合する少なくとも２つの分岐導波路部分とを有しており、前記変調電極は、各分岐導波路部分を伝搬する光に前記変調用電気信号を印加する少なくとも２本の導体線路を有しており、各分岐導波路部分を伝搬してきた光の前記出口側光導波路部分における干渉を利用して光強度を変調する。
好ましい実施形態において、前記光導波路は、変調されるべき光が入力する一端と変調光が出力する他端とを有する単一の光導波路であり、前記変調電極は、前記光導波路に前記変調用電気信号を印加する少なくとも２本の導体線路を有しており、前記光導波路を伝搬してきた光の位相を、前記変調用電気信号に応じて変調する。
好ましい実施形態において、前記光導波路は、電気光学結晶基板に形成されている。
好ましい実施形態において、前記光導波路は、前記電気光学結晶基板の表面に形成されたリッジに形成されている。
好ましい実施形態において、前記光導波路は、基板に支持された電気光学効果を有する材料から形成されている。
好ましい実施形態において、前記光導波路を伝搬する光の群速度は、前記電極を伝わる高周波の位相速度の０．５倍以上２倍以下に調節されている。
好ましい実施形態において、前記光導波路を伝搬する光の群速度は、前記周期構造が形成されていない光導波路を伝搬する光の群速度の５０％以下に設定されている。
本発明の通信システムは、上記いずれかの光変調素子と、前記光変調素子から出力された変調光を伝送する光ファイバと、前記光変調素子に変調用電気信号を与える手段とを備えている。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による光変調素子の第１の実施形態を示す斜視図である。
図２（ａ）は、図１に示す光変調素子の平面図であり、図２（ｂ）は領域Ａの書拡大図、図２（ｃ）は、領域Ａの断面図である。
図３（ａ）は、本発明の第１の実施形態における群速度に関する計算に用いた周期構造モデルを示す断面図であり、図３（ｂ）は、前記周期構造モデルの光透過特性を示し、図３（ｃ）は、この周期構造モデルを伝搬する光波の遅延時間を示すグラフである。
図４（ａ）は、本発明による光変調素子の第２の実施形態の平面図であり、図４（ｂ）は領域Ａの拡大平面図、図４（ｃ）は、領域Ａの拡大断面図である。
図５は、本発明による光変調素子の第３の実施形態の平面図である。
図６（ａ）は、本発明による光変調素子の第４の実施形態の平面図であり、図６（ｂ）は領域Ａの拡大平面図、図６（ｃ）は、領域Ａの拡大断面図であり、図６（ｄ）は、領域Ａの他の形態の拡大断面図である。
図７（ａ）は、本発明による光変調素子の第５の実施形態の平面図であり、図７（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図である。
図８は、第５の実施形態で使用するエッチングマスクを示す平面図である。
図９は、第５の実施形態におけるリッジ導波路の断面図である。
図１０は、第５の実施形態におけるリッジ導波路の長手方向に平行な断面図である。
図１１（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、リッジ導波路が形成された種々の基板の断面図である。
図１２は、凹部が配列されたリッジ導波路を示す斜視図である。
図１３は、本発明による通信システムの実施形態を示す図である。
図１４は、光変調素子の従来例を示す斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
（実施形態１）
以下、本発明による光変調素子の第１の実施形態を説明する。
まず、図１を参照する。本実施形態の光変調素子は、電気光学効果を有する材料から形成された光導波路２ａ〜２ｄと、光導波路２ａ〜２ｄを伝搬する光波に変調用の電気信号（変調波）を印加するための変調電極３とを備えている。本実施形態の光変調素子に特徴的な点は、等価屈折率が光伝搬方向に沿って周期的に変化する周期構造を有している点にあるが、この点は後に詳しく説明する。
本実施形態の光導波路２ａ〜２ｄは、前述した従来の光変調素子（図１４）と同様に、変調されるべき光（入力光）が導入される入口側光導波路部分２ｃ、変調光が出力される出口側光導波路部分２ｄ、および、入口側光導波路部分２ｃと出口側光導波路部分２ｄとを結合する２つの分岐導波路部分２ａ、２ｂを有している。本実施形態の光変調素子によって変調可能な入力光の波長範囲は、例えば０．６μｍ〜１．５μｍである。
本実施形態の光導波路２ａ〜２ｄは、電気光学効果を有する基板１の表面部に形成されている。すなわち、光導波路２ａ〜２ｄは、基板１の主面に垂直な方向に光を閉じ込めることができるように、他の部分よりも屈折率が相対的に高められた領域から構成されている。光導波路２ａ〜２ｄの厚さ（基板１の主面に垂直な方向のサイズ）は、例えば１〜５μｍである。なお、基板１は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）単結晶やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）単結晶などの電気光学材料から形成される。
光導波路２ａ〜２ｄは、基板１の上面における選択された領域に対して、安息香酸を用いたプロトン交換処理を行うか、あるいは、金属チタンを熱拡散するなどの方法で形成され得る。このような処理は、光導波路の平面レイアウトを規定する開口部を有するマスクで基板１の上面を覆った後に行われ得る。マスクの開口部のレイアウトを変更することにより、任意形状の光導波路を形成することが可能である。
本実施形態における光導波路２ａ〜２ｄは、２箇所の分岐点７ａ、７ｂで２つの分岐導波路部分２ａ、２ｂに分岐しているため、入口側光導波路部分２ｃから入力された光は、一方の分岐点７ａで分岐して２つの分岐導波路部分２ａ、２ｂを伝搬する。そのとき、分岐導波路部分２ａ、２ｂを伝搬する光がそれぞれ変調電極３ａ、３ｂによる変調を受けることになる。そして、他方の分岐点７ｂで共通の出口側光導波路部分２ｄを進むとき、干渉して光強度が変調される。
本実施形態の変調電極３は、非対称コブレナー電極であり、分岐導波路部分２ａ、２ｂの各々を伝搬する光に対して変調用の電気信号（例えば１Ｇ〜１００ＧＨｚの高周波信号）を印加する２本の導体線路３ａ、３ｂを有する。分岐導波路部分２ａ、２ｂに沿って延びる２つの導体線路３ａ、３ｂのうち、導体線路３ａはホット電極、導体線路３ｂはグランド電極として機能する。
導体線路３ａ、３ｂの内側端は、分岐導波路部分２ａ、２ｂのほぼ中央部の直上に位置するように配置されている。各導体線路３ａ、３ｂの両端部は、基板１の側面に延びている。導体線路３ａ、３ｂの一端は信号源４に接続され、他端は終端抵抗５に接続されている。より詳細には、導体線路３ａの一端と信号源４とは入出力導体線路１１ａによって接続され、導体線路３ａの他端と終端抵抗５とは入出力導体線路１１ｂによって接続されている。
導体線路３ａ、３ｂおよび入出力導体線路１１ａ、１１ｂは、真空蒸着法などの薄膜堆積技術によって基板１上に導電性薄膜を形成した後、この薄膜をフォトリソグラフィ及びエッチング技術によってパターニングすることによって形成され得る。このような導電性薄膜は、好ましくはアルミニウムや金から形成される。
入口側光導波路部分２ｃから導入された光は、各分岐導波路２ａ、２ｂを通過する際に、以下のようにして変調作用を受ける。
まず、入力導体線路１１ａに外部の駆動回路から変調用電気信号（周波数：１〜１００ＧＨｚ）を入力することにより、変調電極３の各導体線路３ａ、３ｂに変調信号が伝搬する。導体線路３ａ、３ｂ上を変調用電気信号が伝わることにより、導体線路３ａと導体線路３ｂとの間隙部６に電界が生じる。この電界が分岐導波路２ａ、２ｂを構成する電気光学材料に及ぶと、電気光学的効果により、その部分の屈折率が変化する。屈折率の動的な変化は、分岐導波路２ａ、２ｂに及ぶ電界の強度に応じて異なる。
本実施形態では、分岐導波路２ａと分岐導波路２ｂとに互いに上下逆方向の電界が印加される。このため、基板１が例えばｚカットのニオブ酸リチウム結晶により構成されている場合、２つの分岐導波路２ａ、２ｂを通る光には互いに逆の位相変化が与えられる。その結果、出口側光導波路２ｄでは、分岐導波路２ａ、２ｂを通過した２つの光の干渉が生じ、この干渉によって光強度が変化する。こうして、本実施形態の光変調素子は光強度変調器として動作することになる。
本実施形態では、前述したように、分岐導波路２ａ、２ｂに周期的構造が設けられ、それによって光波の群速度が低減されている。
以下、図２（ａ）から（ｃ）を参照しながら、この周期的構造を詳細に説明する。図２（ａ）は、図１の光変調素子の平面図、図２（ｂ）は、その領域Ａの拡大平面図、図２（ｃ）は、図２（ｂ）の断面図である。
図２（ａ）では、簡単のため、変調電極３の記載を省略し、光導波路２ａ〜２ｄの全体に参照符号「２」を記載している。分岐導波路２ａ、２ｂの各々について周期構造が形成されているため、以下において、一方の分岐導波路２ｂの領域Ａに形成された周期構造のみを説明する。
本実施形態の周期構造は、図２（ｂ）および（ｃ）に示すよう、複数の溝８によって構成されている。より詳細には、この周期構造は、光伝搬方向に沿って直列的に配列された２つの領域（第１領域および第２領域）に大きく分けられており、第１領域と第２領域との間には中間部９が配置されている。
第１および第２領域では、光導波路２を完全に横切る深さの溝８が周期的に配列されている。このため、光導波路２を左側から右側に向かう光波は、光導波路を構成している基板材料部分と、溝の内部とを交互に透過してゆく。このとき光波の感じる屈折率は、基板材料部分と溝内部とで周期的に変化する。基板１の上面が誘電体膜で覆われていない場合、溝８の内部は空気で満たされるため、溝８の内部の屈折率は空気の屈折率（約１）に等しい。一方、基板材料部分の屈折率は、基板がＬｉＮｂＯ３から形成されているとき、２．１程度である。ただし、基板材料部分の屈折率は、用いる基板材料の種類によって異なり、また、光導波路に印加される変調電界の大きさによって変化する。
周期構造の第１および第２領域における等価屈折率の変化の周期（光伝搬方向の周期）は、変調されるべき光の光導波路内における波長λの１／４以上１／２以下の範囲に設定されている。溝８の周期が１／２λ程度の場合、溝８の幅は１／４λ程度に設定することが好ましい。中間部９では、この周期的屈折率変化が途切れている。中間部９の光伝搬方向サイズは、１／２λ程度に設定されることが好ましいが、０．４λ以上０．６λ以下の範囲にあればよい。また、第１および第２流域における溝８の周期および幅は、上記の大きさの奇数倍の大きさを有していてもよい。溝８の周期および幅が、それぞれ、そのような大きさを有していても、同様の効果を発揮する。さらに、中間部９の光伝搬方向サイズは、１／２λの整数倍であってもよい。中間部９の光伝搬方向サイズが１／２λの整数倍であっても、同様の効果が発揮される。
本実施形態では、第１および第２領域の各々に８本の溝８が等間隔で存在しているが、等価屈折率の周期的な変化は、溝の配列以外によっても形成することができる。たとえば、基板１の表面に突出した部分（凸部）を周期的に配列してもよいし、穴などの凹部を配列してもよい。あるいは、凹部と凸部の組み合わせを配列してもよい。
本実施形態で用いる溝８は、基板１の表面をエッチングによって形成することができる。具体的には、まず、基板１の表面をレジスト層で覆った後、公知のフォトリソグラフィ工程で現像・露光を行うことにより、溝の配列パターニングを規定する開口部を有するレジストマスクを形成する。次に、レジストマスクの開口部によって露出する基板表面をエッチングすることにより、基板１の表面に溝８を形成することができる。溝８の深さは、このときのエッチング条件で調節することができる。また、溝８の幅や周期（配列ピッチ）は、フォトリソグラフィ工程で形成するレジストマスクのパターンによって任意に設定することができる。
基板１がＬｉＮｂＯ３などの電気光学効果を有する材料から形成されている場合、溝８を形成するためのエッチングは、フッ素系ガスプラズマＲＩＥ（反応性イオンエッチング）やＩＣＰ（誘導結合プラズマ）によって行なうことができる。ＩＣＰによる場合、還元性の強いＣＦ４、ＢＣｌ３、Ｃ４Ｆ８などのガスを用いれば、０．５μｍ／分のレートで基板１をエッチングすることができる。この方法では、感光性レジストに対する選択比１を実現できる。
従来、厚さ１／４λの複数の誘電体層が積層された構造を厚さ１／２λの薄膜を介して重ねた素子が波長フィルタとして動作することが知られている。このような波長フィルタは、ある波長の光に対して共振を引き起こすことができる。本実施形態の光変調素子においては、光導波路２に複数の溝８を周期的に配列することにより、特定波長（λ）の光を光変調素子内で共振させ、光導波路を伝搬する光波の群速度を低減することができる。１つの光導波路上に形成される溝８の数は、例えば１００個以上に設定され、好ましくは、１０００個以上に設定される。
次に、図３（ａ）から（ｃ）を参照しながら、本実施形態の周期構造によって得られる群速度の低減効果を計算する。
光導波路２において溝８が形成されている部分は、図３（ａ）に示すように屈折率の異なる複数の層１１、１２が積層された誘電体積層フィルタの構造と光学的に等価であると考えられる。この等価な構成を有するモデルを用いて、本実施形態における光導波路を伝搬する光波の群速度を計算した。モデルの具体的なパラメータは以下のとおりである。
層１１：屈折率２．１の電気光学材料層（ＬｉＮｂＯ３）
厚さ： ８９ ｎｍ
層１２：屈折率１．５の低屈折率材料層（ＳｉＯ２）
厚さ： １２５ｎｍ
中間部層：屈折率１．５の低屈折率材料層（ＳｉＯ２）
厚さ： ２５０ ｎｍ
上記の８周期の積層膜は、本実施形態における周期構造の第１および第２領域に対応し、中間部層は中間部分９に対応している。
図３（ｂ）および（ｃ）は、計算結果を示すグラフである。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す周期構造の光透過特性を示し、図３（ｃ）は、この周期構造を伝搬する光波の遅延時間を示している。いずれのグラフも、横軸は光波の波長である。
上記周期構造における平均の屈折率を有する均一な空間を光が伝搬するのに要する時間は、計算によると、約０．０２ピコ秒（ｐｓ）である。これに対し、図３（ａ）に示す周期構造を透過する光波の遅延時間は、図３（ｃ）からわかるように、最大で約１０ｐｓに達している。
このように、図３（ａ）に示すような周期的構造を光導波路内に設ければ、光波の遅延時間を約５００倍に増大することが可能である。遅延時間が５００倍に増加するということは、光波の群速度が１／５００になることを意味し、実効的な光路長は実際の光路長の約５００倍になる。
本実施形態の光変調素子において、図３（ａ）〜（ｃ）に示す周期構造を設けることにより、現実の素子サイズは拡大することなく、実効的な光路長を数１００倍またはそれ以上に拡大できるため、変調効率を格段に増大させることが可能となる。具体的には、従来の光変調素子では数ｃｍは必要であった素子長が、本実施形態によれば、数ｍｍ程度に縮小可能である。
（実施形態２）
以下、本発明による光変調素子の第２の実施形態を説明する。
本実施形態の光変調素子は、光導波路に設けた周期構造以外の点で、第１の実施形態の構成と同様の構成を有している。このため、以下においては、本実施形態の周期構造について詳細を説明し、他の部分についても説明を繰り返さないものとする。
前述したように、エッチングマスクのパターンやエッチングの条件を調節することにより、溝８の深さ、幅および間隔を制御できる。そして、溝８の深さ、幅および間隔を調整することにより、光導波路２を伝搬する光波の群速度特性を制御することができる。
光波の自由空間速度をｖ０、光導波路の屈折率をｎとすると、溝８が設けられていない光導波路中の光波の群速度はｖ０／ｎ程度になるが、溝８を設けることにより光導波路中の光波の群速度をｖ０／ｎよりも小さくすることができる。
本実施形態では、光導波路２を伝搬する光波の群速度と、光変調のために電極に印加する変調用電気信号の位相速度を整合させている。
一般に、電気光学結晶の基板材料として広く用いられているニオブ酸リチウムの屈折率ｎは２程度である。したがって、これらの電気光学結晶基板内に形成した光導波路中の光波の群速度は、０．５ｖ０程度になる。
一方、変調電極３を伝搬する変調波の位相速度は、近似的に２ｖ０／（１＋εｒ１／２）で表される。ここで、εｒは基板１の比誘電率である。基板１がニオブ酸リチウム結晶から形成されている場合、この結晶の異方性を考慮すると、比誘電率εｒは約３１である。したがって、変調電極３を伝搬する変調波の位相速度は近似的に０．３ｖ０になる。
以上のことからわかるように、溝８が設けられていない通常の光導波路２では、光波の群速度が変調波の位相速度の約２倍の大きさに達する。この速度差は、光変調効率の低下を招く。例えば、図８に示す従来の光変調素子では、光波が変調波の約２倍の群速度で光導波路を伝搬するので、ある時刻ｔ１に光導波路に入力された光波は、伝搬するにしたがって、時刻ｔ１よりも過去の時刻ｔ０（ｔ０＜ｔ１）に入力された変調波の電界を感じることになる。光導波路に入力された光波の感じる変調波の電界の極性は、伝搬距離がある長さを超えると逆転し、光波に与えられた位相変調がキャンセルされてしまう。
本実施形態では、光導波路２に設けた溝８の深さ、幅および間隔を調整することにより、光導波路２における光波の群速度を適度に減少させ、変調波の位相速度とほぼ一致させている。このため、光導波路における領域Ａを従来例よりも延長しても、速度差に起因する位相変調のキャンセルを回避しながら相互作用長を拡大して変調効率を大幅に上昇させることが可能になる。
従来、このような速度差を緩和するため、変調電極３の上方にシールドプレートを配置するか、あるいは、変調電極３の厚さを数μｍ以上という極めて大きな値に設定することにより、変調波の位相速度を高める試みが行われてきた。
これに対して本発明の光変調素子は、変調波の位相速度を高める代わりに、光導波路２を伝搬する光波の群速度を低下させ、両速度を整合させている点に際立った特徴を有している。このような光波の群速度の低減を、本実施形態では、比較的浅い溝８を光導波路２上に形成することによって達成している。
また、本実施形態では、光波の群速度減少によって速度整合を実現するため、素子長も短縮でき、従来よりも素子を小型化できる。
本実施形態では、図４（ａ）に示すように、１／２波長周期で溝８の配列された４つの単位領域が各分岐導波路２ａ、２ｂに沿って直列的に配列されている。図４（ｂ）は、これらの単位領域の列のうち、図４（ａ）の領域Ａの構成を示している。図４（ｂ）に示す中間部分９を挟んで複数の単位領域を直接的に配列することにより、長い距離にわたって群速度の低い部分を形成することが可能になる。図では、各分岐導波路に４つの単位領域を設けているが、更に多数の単位領域を設けてもよい。
溝８の深さは、目的とする光変調素子の特性に合わせて調整される。溝８の深さが浅すぎると、光導波路を伝搬する光波の群速度が充分に低下しないため、変調波と光波との間で速度整合が実現しにくくなる。このため、溝８の深さは、光導波路厚さの５％以上に設定されることが好ましい。ただし、本発明の周期構造を用いて光波の群速度を低下させるとともに、公知の手段により、変調波の位相速度を増加させてもよい。この場合、溝８の深さは、光導波路厚さの２０％以上に設定すればよい。
なお、溝８の深さは、最大でも光導波路を伝搬する光波の電磁界が存在する深さ（通常は５μｍ程度）で十分であるが、これを超えて大きな値に設定されても良い。第１の実施形態では、図２（ｃ）に示すように溝８の深さを光導波路の厚さよりも大きく設定しているため、等価屈折率変化の振幅が最大化されている。このように深い溝８を光導波路に形成すると、光波の群速度は、変調波の位相速度よりも遥かに小さくなるため、速度整合はとれなくなる。
したがって、本実施形態の光変調素子のように、速度整合をとる場合には、比較的浅い溝８を形成することになる。光導波路の厚さに比べて例えば半分の深さの溝８を形成した場合、光導波路を伝搬する光波、溝８が形成されている部分において、溝８の内部の屈折率と溝８の下部に位置する基板材料の屈折率によって決まる実効的な屈折率を感じることになる。溝８の深さが小さくなるほど、基板材料の寄与が多くなり、実効的な屈折率は基板材料の屈折率に近づくが、溝８が深くなるほど、基板材料の寄与が小さくなり、実効的な屈折率は溝８の内部の屈折率（空気または溝８の内部を埋める誘電体材料の屈折率）に近づく。
本実施形態では、光波の群速度と変調波の位相速度をマッチングさせるために、溝の深さを光導波路の厚さ（高屈性領域の厚さ）よりも小さく設定しているが、実施形態１における光変調素子のように、光波の群速度を変調波の群速度よりも充分に低く設定するような場合でも、溝の深さを光導波路の厚さよりも小さく設定してよい。溝の深さを浅くすることにより、溝形成のために必要な微細加工が容易になり、また、エッチング工程時間を短縮できる利点がある。溝の深さ（または後述する穴の深さ）は、光導波路（高屈折領域）の厚さの５０％以下であっても、光の群速度を充分に低減する効果が得られる。
（実施形態３）
次に、図５を参照しながら、本発明の光変調素子の第３の実施形態を説明する。
前述の実施形態は、いずれも、マッハツェンダー干渉計型の光導波路構造を備えており、干渉を利用した光強度変調器として機能しているが、本実施形態の光変調素子は、図５に示すように、前述の各実施形態における溝８と同様の溝８が形成された単一の光導波路２を備えている。
本実施形態の光変調素子によっても、光導波路２を伝搬する光波の群速度を減少させることができるので、不図示の変調電極によって光導波路２に変調電界を印加すれば、変調効率の高い小型の光位相変調器として動作することができる。このような光導波路構造を有する光変調素子においても、光波の群速度低減による前述の効果が発揮される。
（実施形態４）
以下、図６（ａ）から（ｄ）を参照しながら、本発明による光変調素子の第４の実施形態を説明する。
本実施形態の光変調素子には、図６（ａ）に示すように、基本的な構成は、第１または第２の実施形態の構成と同様である。本実施形態と他の実施形態との主要な相違点は、本実施形態の周期構造が溝ではなく穴によって構成されていることにある。
以下、本実施形態の周期構造を詳細に説明する。
図６（ａ）に示すように、分岐導波路２ａ、２ｂには、複数の穴１０が形成されている。この穴１０は、溝８と同様の機能を発揮し、穴１０の数、幅、周期、および深さを調節することにより、光波の群速度を適切に制御することができる。図６（ｄ）に示すように比較的浅い穴１０を形成した場合は、光波と変調波と間で速度整合を実現できる。一方、図６（ｃ）に示すように比較的深い穴１０を形成した場合は、穴１０のない場合に比べて光波の群速度が数１００分の１以下に小さくできるため、素子長を格段に短縮した小型の光変調素子を製造できる。
穴１０の径は、１／４λ程度に設定され、配列の周期は１／２λ程度に設定されることが好ましい。中間部分９の長さは、１／２λ程度に設定される。このような周期構造を設けることにより、波長λの光波の群速度を低い損失で減少させることができる。
本実施形態によれば、光導波路に複数の穴１０を周期的に配列することにより、第１または第２の実施形態と同様の効果を発揮させることができるので、溝を規定するマスクパターンよりも単純なマスクパターンを用いて周期構造を形成できる。
なお、基板１の主面に平行な穴の断面は、円に限定されず、楕円、多角形であってもよい。また、基板の主面に垂直な穴の断面は、矩形に限定されず、テーパまたは逆テーパを有する形状であってもよい。また、本実施形態では、各分岐導波路部分に沿って１列に並んだ穴を形成しているが、各分岐導波路部分に対して複数列の穴、蛇行するように配置された穴を形成してもよい。
（実施形態５）
上記の各実施形態では、いずれも、上面の平坦な基板内に光導波路を形成しているが、本発明はこのような例に限定されない。光導波路は、基板の上面に形成したリッジに形成してもよい。
以下、リッジ導波路が設けられた基板を有する光変調素子の実施形態を説明する。
まず、図７（ａ）および（ｂ）を参照する。図７（ａ）は、本実施形態の光変調素子の上面図であり、図７（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図である。
本実施形態における基板１０１の表面には、エッチングによってリッジ状に加工された光導波路１０２が形成されている。基板１０１は、他の実施形態における基板と同様に、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）単結晶，ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）単結晶などの電気光学効果を有する材料から形成され得る。本実施形態の基板１０１は、ｚ軸に垂直な面（ｚ面）でカットされたＬｉＮｂＯ３ウエハから形成されている。
光導波路１０２は、２箇所の分岐点１０７ａ、１０７ｂで２つの分岐導波路１０２ａ、１０２ｂに分岐しており、入口側導波路１０２ｃから入力された入力光が一方の分岐点１０７ａで分岐して２つの分岐導波路１０２ａ，１０２ｂを通過した後、他方の分岐点１０７ｂで共通の出口側導波路１０２ｄを進むように構成されており、導波路によるマッハツェンダー干渉計として動作する。
リッジ状の光導波路１０２ａ、１０２ｂは、それぞれ、複数の溝が周期的に配列された周期構造１０３ａ、１０３ｂを有しており、その一部が変調電極１０４によって覆われている。
本実施形態の光変調素子を用いて、ミリ波などの高い周波数帯で変調を行なう場合は、基板１０１における電磁界の不要な共振を抑制するため、基板１０１の厚さを５０μｍ以上３００μｍ以下の範囲内に設定することが好ましい。この場合、全体が薄い基板１０１を使用する代わりに、基板１０１の一部を薄くエッチングすることにより、その部分の厚さを１０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内に調節しても良い。
基板１０１の製造は、例えば、次のようにして行なうことができる。まず、ＬｉＮｂＯ３ウエハを洗浄した後、電子ビーム蒸着装置により、金属ＴｉをＬｉＮｂＯ３ウエハの表面上に厚さが例えば５０ｎｍになるまで蒸着する。この後、１０００℃で１０時間程度、ＬｉＮｂＯ３ウエハを加熱することにより、ウエハ表面から深さ１〜５μｍ程度（例えば３μｍ）までの領域にＴｉを拡散させる。この工程により、ウエハ表面に光導波路として機能し得る領域（相対的に屈折率の高い部分）を形成することができる。Ｔｉが拡散された領域とＴｉが拡散されていない領域との間にある境界部には、例えば０．０２程度の屈折率差（Δｎ＝０．０２）が形成される。
この後、図８に示すように、リッジ導波路の平面レイアウトを規定する形状を有するエッチングマスク（例えばフォトレジストマスク）２０１をウエハ上に形成する。次に、フッ素系ガスとアルゴンガスを使用したドライエッチングでマスク開口部２０２からウエハ表面を部分的にエッチングすることにより、エッチングマスク２０１の下方にリッジ状の光導波路１０２を形成することができる。このエッチングは、前述した溝８や穴１０を形成するためのエッチングと同様にして行なうこどかできる。
図９は、ひとつのリッジ状の光導波路１０２の断面を模式的に示す図である。本実施形態で形成するリッジ導波路の幅（リッジ幅）は、例えば５μｍ程度、リッジ導波路の高さ（リッジ高さ）は例えば２μｍ程度である。この場合、リッジ導波路の全体が、Ｔｉの拡散した高屈折領域から構成されることになる。なお、リッジ高さを高屈折領域の厚さよりも大きく設定する場合、リッジ状に加工されたウエハ表面の上部が光導波路として機能することになる。
リッジ幅は、光との結合効率を高めるため、１μｍ以上に設定されることが好ましいが、光導波路内の光伝搬モードがシングルモードとなるためには、６μｍ以下に設定することが好ましい。なお、リッジ高さは、例えば１μｍ以上２０μｍ以下の範囲に設定される。
なお、光導波路の全てがリッジ形状を有している必要はなく、その一部、例えば周期構造が形成される部分のみをリッジ形状に加工しても良い。あるいは、ウエハ表面において、２つの分岐光導波路ので挟まれた領域（内側）のみをエッチングすることによって凹部を形成しても良い。その場合、２つの分岐光導波路の間隔を短くすることができるため、印加電界が増加し、変調効率が大きくなる。
上記の方法でリッジ導波路を形成した後、リッジ導波路の形成方法と同様の方法により、リッジ導波路を微細加工して周期構造を形成する。本実施形態では、リッジ状の光導波路１０２の上部に複数の溝を形成する。溝は、導波路の長手方向に沿って周期的に配列される。溝深さ、溝幅、および溝間隔は、それぞれ、例えば６００ｎｍ、５μｍ、３μｍである。溝の深さは、リッジ高さよりも小さく設定されてもよいし、大きく設定されても良い。
図１０は、上記の溝が形成された導波路の長手方向に平行な断面を示す図である。溝が形成された部分４０１（等価屈折率２．０９７）と、溝が形成されていない部分４０２（等価屈折率２．１４６）との間に、等価屈折率に差が生じ、周期構造１０３が形成される。
基板１０１の上には、図７に示すように、光導波路１０２の各分岐導波路１０２ａ，１０２ｂに沿うように２つの線路１０４ａ，１０４ｂおよび接地電極１０６からなる変調電極１０４が設けられている。この変調電極は、平行結合線路として機能し、奇モードが励振されるように設計されている。各線路１０４ａ、１０４ｂの各内側端は、各分岐導波路１０２ａ，１０２ｂのほぼ中央部の直上に位置するように形成されている。変調電極１０４の各線路１０４ａ，１０４ｂは、真空蒸着法，フォトリソグラフィ及びエッチングなどのプロセスを用いて形成されたアルミニウムや金などの金属膜によってそれぞれ構成されている。
なお、変調電極１０４ａ、１０４ｂの間隔は小さいほど導波路への印加電界を大きくすることができる。一方、導波路間の間隔が小さすぎると双方を導波する光を分離できないため、分岐導波路１０２ａ、１０２ｂにおいて、変調電極１０４が形成されている（導波路が平行な）区間における導波路１０２ａ、１０２ｂ間の間隔は５〜２０μｍの間とすることが望ましい。より望ましくは８〜１５μｍとすることが望ましい。
また、印加電界の方向は結晶の誘電主軸であるｚ軸と並行とすることが望ましく、結晶基板の方位と電極配置について、この状態を満たせばさまざまな態様を取ることが可能である。
なお、本実施形態では、図１１（ａ）に示すように基板１０１にＴｉ拡散を行い、高屈折率層５０１を形成することにより、基板１０１の主面に垂直な方向の屈折率差を設けている。このようにする代わりに、図１１（ｂ）に示すように、基板１０１により屈折率が低い第２の基板５０２を接合してもよい、また、図１１（ｃ）に示すように、エアギャップ５０４を形成することによって屈折率差を設けてもよい。図１１（ｃ）に示す構成では、屈折率の低い第２の基板５０２に代え、基板５０１と同一材料の基板５０３と接合させてもよい。
図１１（ｂ）に示す構成による場合は、第２の基板として、第１の基板とは屈折率が異なる材料からなる基板を用いる必要があるが、図１１（ｃ）に示す構成による場合は、同一材料からなる基板を用いることが可能になる。
なお、導波路１０２に溝を設けて、導波路１０２の一部分の等価屈折率を変化させる代わりに、図１２に示すように、導波路１０２に少なくとも一つ以上の穴（凹部）６０１を設けることにより、周期構造１０３を形成してもよい。
なお、特開２００２−１９６２９６号公報は、フォトニック結晶によって形成された光導波路を有する光変調器を開示している。この光変調器では、光を基板主面に垂直な方向に閉じ込める構造を有していないため、光が基板の深さ方向に拡散し、大きな減衰が生じるという問題が生じると考えられる。
また、特開２００２−２９６６２８号公報は、フォトニックバンドギャップ構造を有する全光機能素子を開示しているが、この素子は、微細加工の容易な化合物半導体を用いて作製されている。
（光変調素子の他の実施形態）
上記の各実施形態では、溝や穴などの凹部を光導波路の表面に形成しているが、前述したように、光導波路上に凸部を配列してもよい。凸部から構成される周期構造は、例えば、基板１の主面上に誘電体膜を堆積した後、その誘電体膜をパターニングすることによって形成され得る。パターニングされた誘電体膜は、光伝搬方向に沿って周期的に配列された穴または溝を有しており、光導波路を伝搬する光波に対して等価的な屈折率変化を感じさせることができる。
誘電体膜は、誘電率の高い材料から形成することが好ましい。誘電率が高いほど、群速度の減少効果が向上するからである。
パターニングされた誘電体膜によって周期構造を形成する場合、基板そのものをエッチングする工程が不要になる。基板をエッチングすることによって、溝や穴などの凹部を形成する場合、その深さの調節が難しい。しかし、基板上に堆積した誘電体膜をパターニングする場合は、エッチング条件の調節によって誘電体膜を選択的にエッチングすることが可能であり、高さの揃った凸部の配列を基板上に再現性良く形成することが容易である。
また、光導波路に物理的な凹凸を形成する代わりに、光導波路の選択された領域に金属を熱拡散し、あるいは、プロトン交換処理を施すことにより、光導波路に等価屈折率が周期的に変化する構造を設けることも可能である。この場合における等価屈折率の変化率は、光導波路を部分的かつ周期的にエッチングした場合に比べて格段に小さくなるため、光波の群速度を大きく低下させることは難しい。
具体例として、光導波路の下端よりも深い溝を周期的に形成し、溝の内部を空気が満たしている周期構造を考える。このような周期構造では、光導波路の屈折率が２．１であるとすると、溝の内部における屈折率は約１であるため、周期構造の屈折率変化の振幅（屈折率の最大値で規格化した値）は、約０．５になる。溝の深さを浅くするか、あるいは、溝の内部を適当な誘電体材料で埋めることにより、周期的な屈折率変化の振幅を０．５以下の任意の値に調節することが可能である。これに対して、金属の熱拡散などによって屈折率を周期的に変化させた場合、周期的な屈折率変化の振幅は０．０００１〜０．０１程度と小さい。
上記の各実施形態では、タンタル酸リチウム結晶やニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料の基板を用いているが、他の電気光学結晶を用いてもよい。
なお、基板中に光導波路を形成する方法として、上記の各実施形態では、電気光学結晶基板の表面部に金属チタンを熱拡散する方法を用いている。この方法は、高性能な光導波路を形成する最も有効な方法であるが、必ずしもこの方法に限定されるものではない。例えば、他の機能素子との集積化などのために、ニオブ酸リチウム単結晶など以外の基板を利用する必要がある場合には、基板上に、基板よりも屈折率が高く、かつ、電気光学効果を有する材料からなる膜を形成し、その膜を光導波路として用いることもできる。
また、基板の表面領域に周囲よりも屈折率の高いコア部を形成し、コア部の上に、クラッド部として電気光学効果を有する材料からなる膜を形成することにより、コア部からしみ出した電界を利用してクラッド部の屈折率変化によって光変調を行っても良い。
（通信システムの実施形態）
次に、図１３を参照しながら、本発明によるファイバ無線システムの実施形態を説明する。本実施形態のファイバ無線システム５０は、上述した光変調素子を内蔵した光変復調器５１を備えている。そして、アンテナ５３により、通常のインターネット等のデータ通信網や、携帯端末との通信、あるいは、ＣＡＴＶからの信号の受信等を、例えばミリ波の搬送波を用いて直接行なうことができる。なお、光変復調器５１には、光変調素子とともに光復調素子（例えばフォトダイオード）が内蔵されている。
一方、ミリ波等の周波数の高い無線信号は長距離の伝送は困難であり、かつ、物体による信号の遮断を受けやすい。そこで、データ通信網６１や、ＣＡＴＶ６２や、携帯電話システム６３との通信を、無線装置６０及び無線装置に付設されたアンテナ６４を用いて行なうこともできる。その場合、ファイバ無線通信システム５０と光ファイバ７０を介して接続される光変復調器５５と、これに付設されるアンテナ５４とをさらに備えておく。そして、アンテナ５４、６４及び光変復調器５５を介して、無線装置６０との間で、信号の授受を行なうことができる。光変復調器５５には、光変調素子とともに光復調素子（例えばフォトダイオード）が内蔵されている。
例えば長距離伝送を行ないたい場合や、壁等で仕切られた屋内での伝送の際には、ミリ波等の無線信号で変調された光信号を光ファイバ７０によって伝送することが効果的である。
【産業上の利用可能性】
本発明によれば、周期構造によって光波の群速度を低減することにより、光変調素子の変調効率を向上させることができる。本発明の光変調素子を通信システムに用いることにより、ミリ波レベルの変調用電気信号を利用した通信が可能になる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【技術分野】
本発明は、光通信システムや光信号処理システムなどに好適に用いられる光変調素子と、当該光変調素子を備えた通信システムに関している。
【背景技術】
光変調素子は、高速光通信や光信号処理システムにおいて基本となる素子であり、将来、超高速（３０ＧＨ以上）で動作できる光変調素子の必要性が益々増大するものと考えられる。
従来、利用されてきた半導体レーザによる直接変調では、超高速光変調に対応することが困難であるため、最近では、高速動作が可能な外部変調型の素子の開発が急がれている。中でも、特に大きなポッケルス効果を有する誘電体結晶を用いた電気光学型の光変調素子は、超高速動作が可能であり、光変調に伴う光信号の位相の乱れも少ないことから、高速情報伝送や長距離光ファイバ通信などに非常に適している。さらに、光導波路構造を用いれば、小型化と高効率化とを一挙に実現できる可能性がある。
一般に、電気光学効果を用いた光変調素子は、電気光学結晶上に設けられた変調電極として機能する伝送導体線路と、伝送導体線路の近傍に形成された光導波路とを備えている。変調用の高周波信号を変調電極に与えることにより、変調電極の周辺に誘起される電界に応じて光導波路部分の屈折率が変化すると、光導波路中を伝搬する光波の位相が変化する。
光変調の効率を決める基本となるパラメータの１つである電気光学係数は、通常の結晶では比較的小さい。従って、電気光学効果を利用する光変調素子で高い変調効率を実現するためには、電界を光導波路に効率よく印加することが重要となる。
図１４は、文献（ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．Ｖｏｌ．ＱＥ−１３，ｎｏ．４，ｐｐ２８７−２９０，１９７７）に記載されている従来の光変調素子を示す斜視図である。この光変調素子は、電気光学効果を有する結晶材料の基板１の表面に形成された光導波路（２ａ〜２ｄ）と、光導波路（２ａ〜２ｄ）を伝搬する光に変調用の電気信号（変調波）を印加するための変調電極３とを備えている。変調電極３は、互いに平行な２つの導体線路３ａ、３ｂによって構成されたコプレナー導体線路構造を有している。
光導波路２ａ〜２ｄは、変調されるべき光（入力光）が導入される入口側光導波路部分２ｃ、変調光が出力される出口側光導波路部分２ｄ、および、入口側光導波路部分２ｃと出口側光導波路部分２ｄとを結合する２つの分岐導波路部分２ａ、２ｂを有している。
光導波路２ａ〜２ｄは、２箇所の分岐点７ａ、７ｂで２つの分岐導波路２ａ、２ｂに分岐しており、入口側光導波路２ｃから入力された入力光が一方の分岐点７ａで分岐して２つの分岐導波路２ａ、２ｂを通過した後、他方の分岐点７ｂで共通の出口側光導波路２ｄを進むように構成されている。
なお、変調電極３を構成する導体線路３ａ、３ｂの内側端は、各分岐導波路２ａ、２ｂのほぼ中央部の直上に位置しており、導体線路３ａ、３ｂの各々一端には変調用高周波の信号源４が接続され、他端には終端抵抗５が接続されている。
信号源４から高周波信号（変調波）が変調電極３に供給されると、変調波は、変調電極３上に光伝搬方向と方向に伝搬し、間隙部６に電界を形成する。このため、電気光学効果により、分岐導波路２ａ、２ｂを構成する材料の屈折率が電界強度に応じて変化する。分岐導波路２ａと分岐導波路２ｂとには互いに上下逆方向の電界が印加されるので、基板１が例えばｚカットのニオブ酸リチウム結晶により構成されている場合、２つの分岐導波路２ａ、２ｂを通る光には互いに逆の位相変化が与えられる。
図１４に示す光変調素子によれば、変調電極３を伝搬する変調波と光導波路２を伝搬する光波とが同一方向に進行することにより、光波と信号波との相互作用が増し、高い効率の光変調が可能となる。
しかしながら、ニオブ酸リチウムに代表される電気光学結晶の電気光学定数は非常に小さいため、変調電極３を延長して数ｃｍ程度の長さにしても、充分な変調を得るには、数ボルト程度の高い電圧を電気光学結晶に印加しなければならない。光変調素子を小型化し、また、必要な変調電圧を低減するためには、光波と電気光学材料との相互作用を向上させることが必要である。
一方、電気光学結晶の屈折率が約２．１であるのに対し、マイクロ波に対する誘電率が２０〜４０程度と非常に高いため、光の速度がマイクロ波の速度に対して２倍以上も高く、その結果、進行波型電極の光変調素子において光と信号波の速度整合がとれないという問題がある。速度整合がとれない場合、変調電極を長く設定しても、適切な変調が実現できず、変調効率が劣化することになる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、主たる目的は、光通信システムに好適に用いられる変調効率の高い光変調素子を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、効率的に光変調が可能な小型の光変調素子を備えた通信システムを提供することにある
【発明の開示】
本発明の光変調素子は、電気光学効果を有する材料から形成された光導波路と、前記光導波路を伝搬する光に変調用電気信号を印加するための変調電極とを備えた光変調素子であって、等価屈折率が光伝搬方向に沿って周期的に変化する周期構造であって、前記光導波路を伝搬する光の群速度を低下させる周期構造を更に備えている。
好ましい実施形態において、前記周期構造は、前記光導波路の表面に設けられた複数の凹部および／または凸部によって構成されている。
好ましい実施形態において、前記周期構造は、前記光導波路の表面に設けられた複数の溝によって構成されている。
好ましい実施形態において、前記周期構造は、前記光導波路の表面に設けられた複数の穴によって構成されている。
好ましい実施形態において、前記光導波路に設けられた前記溝または前記穴の個数は１００以上である。
好ましい実施形態において、前記溝または孔の深さは、前記導波路の厚さの５０％以下である。
好ましい実施形態において、前記周期構造は、誘電体膜によって覆われている。
好ましい実施形態において、前記周期構造は、前記光導波路上に設けられた誘電体膜のパターンから形成されている。
好ましい実施形態において、前記周期構造は、前記光伝搬方向に沿って直列的に配列された第１領域および第２領域と、前記第１領域および前記第２領域の間に設けられた中間部分とを含んでいる。
好ましい実施形態において、前記周期構造の光伝搬方向における等価屈折率の変化の周期は、変調されるべき光の前記光導波路内における波長λの１／４以上１／２以下の範囲の数値に設定されている。また、前記周期構造の光伝搬方向における等価屈折率の変化の周期は、前記数値の奇数倍の長さでも有効である。
好ましい実施形態において、前記中間部分の光伝搬方向の長さは、約１／２λである。前記中間部分の光伝搬方向の長さは、１／２λの整数倍であってもよい。
好ましい実施形態において、前記光導波路は、変調されるべき光が入力される入口側光導波路部分と、変調光が出力される出口側光導波路部分と、前記入口側光導波路部分と前記出口側光導波路部分とを結合する少なくとも２つの分岐導波路部分とを有しており、前記変調電極は、各分岐導波路部分を伝搬する光に前記変調用電気信号を印加する少なくとも２本の導体線路を有しており、各分岐導波路部分を伝搬してきた光の前記出口側光導波路部分における干渉を利用して光強度を変調する。
好ましい実施形態において、前記光導波路は、変調されるべき光が入力する一端と変調光が出力する他端とを有する単一の光導波路であり、前記変調電極は、前記光導波路に前記変調用電気信号を印加する少なくとも２本の導体線路を有しており、前記光導波路を伝搬してきた光の位相を、前記変調用電気信号に応じて変調する。
好ましい実施形態において、前記光導波路は、電気光学結晶基板に形成されている。
好ましい実施形態において、前記光導波路は、前記電気光学結晶基板の表面に形成されたリッジに形成されている。
好ましい実施形態において、前記光導波路は、基板に支持された電気光学効果を有する材料から形成されている。
好ましい実施形態において、前記光導波路を伝搬する光の群速度は、前記電極を伝わる高周波の位相速度の０．５倍以上２倍以下に調節されている。
好ましい実施形態において、前記光導波路を伝搬する光の群速度は、前記周期構造が形成されていない光導波路を伝搬する光の群速度の５０％以下に設定されている。
本発明の通信システムは、上記いずれかの光変調素子と、前記光変調素子から出力された変調光を伝送する光ファイバと、前記光変調素子に変調用電気信号を与える手段とを備えている。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による光変調素子の第１の実施形態を示す斜視図である。
図２（ａ）は、図１に示す光変調素子の平面図であり、図２（ｂ）は領域Ａの書拡大図、図２（ｃ）は、領域Ａの断面図である。
図３（ａ）は、本発明の第１の実施形態における群速度に関する計算に用いた周期構造モデルを示す断面図であり、図３（ｂ）は、前記周期構造モデルの光透過特性を示し、図３（ｃ）は、この周期構造モデルを伝搬する光波の遅延時間を示すグラフである。
図４（ａ）は、本発明による光変調素子の第２の実施形態の平面図であり、図４（ｂ）は領域Ａの拡大平面図、図４（ｃ）は、領域Ａの拡大断面図である。
図５は、本発明による光変調素子の第３の実施形態の平面図である。
図６（ａ）は、本発明による光変調素子の第４の実施形態の平面図であり、図６（ｂ）は領域Ａの拡大平面図、図６（ｃ）は、領域Ａの拡大断面図であり、図６（ｄ）は、領域Ａの他の形態の拡大断面図である。
図７（ａ）は、本発明による光変調素子の第５の実施形態の平面図であり、図７（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図である。
図８は、第５の実施形態で使用するエッチングマスクを示す平面図である。
図９は、第５の実施形態におけるリッジ導波路の断面図である。
図１０は、第５の実施形態におけるリッジ導波路の長手方向に平行な断面図である。
図１１（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、リッジ導波路が形成された種々の基板の断面図である。
図１２は、凹部が配列されたリッジ導波路を示す斜視図である。
図１３は、本発明による通信システムの実施形態を示す図である。
図１４は、光変調素子の従来例を示す斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
（実施形態１）
以下、本発明による光変調素子の第１の実施形態を説明する。
まず、図１を参照する。本実施形態の光変調素子は、電気光学効果を有する材料から形成された光導波路２ａ〜２ｄと、光導波路２ａ〜２ｄを伝搬する光波に変調用の電気信号（変調波）を印加するための変調電極３とを備えている。本実施形態の光変調素子に特徴的な点は、等価屈折率が光伝搬方向に沿って周期的に変化する周期構造を有している点にあるが、この点は後に詳しく説明する。
本実施形態の光導波路２ａ〜２ｄは、前述した従来の光変調素子（図１４）と同様に、変調されるべき光（入力光）が導入される入口側光導波路部分２ｃ、変調光が出力される出口側光導波路部分２ｄ、および、入口側光導波路部分２ｃと出口側光導波路部分２ｄとを結合する２つの分岐導波路部分２ａ、２ｂを有している。本実施形態の光変調素子によって変調可能な入力光の波長範囲は、例えば０．６μｍ〜１．５μｍである。
本実施形態の光導波路２ａ〜２ｄは、電気光学効果を有する基板１の表面部に形成されている。すなわち、光導波路２ａ〜２ｄは、基板１の主面に垂直な方向に光を閉じ込めることができるように、他の部分よりも屈折率が相対的に高められた領域から構成されている。光導波路２ａ〜２ｄの厚さ（基板１の主面に垂直な方向のサイズ）は、例えば１〜５μｍである。なお、基板１は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）単結晶やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）単結晶などの電気光学材料から形成される。
光導波路２ａ〜２ｄは、基板１の上面における選択された領域に対して、安息香酸を用いたプロトン交換処理を行うか、あるいは、金属チタンを熱拡散するなどの方法で形成され得る。このような処理は、光導波路の平面レイアウトを規定する開口部を有するマスクで基板１の上面を覆った後に行われ得る。マスクの開口部のレイアウトを変更することにより、任意形状の光導波路を形成することが可能である。
本実施形態における光導波路２ａ〜２ｄは、２箇所の分岐点７ａ、７ｂで２つの分岐導波路部分２ａ、２ｂに分岐しているため、入口側光導波路部分２ｃから入力された光は、一方の分岐点７ａで分岐して２つの分岐導波路部分２ａ、２ｂを伝搬する。そのとき、分岐導波路部分２ａ、２ｂを伝搬する光がそれぞれ変調電極３ａ、３ｂによる変調を受けることになる。そして、他方の分岐点７ｂで共通の出口側光導波路部分２ｄを進むとき、干渉して光強度が変調される。
本実施形態の変調電極３は、非対称コブレナー電極であり、分岐導波路部分２ａ、２ｂの各々を伝搬する光に対して変調用の電気信号（例えば１Ｇ〜１００ＧＨｚの高周波信号）を印加する２本の導体線路３ａ、３ｂを有する。分岐導波路部分２ａ、２ｂに沿って延びる２つの導体線路３ａ、３ｂのうち、導体線路３ａはホット電極、導体線路３ｂはグランド電極として機能する。
導体線路３ａ、３ｂの内側端は、分岐導波路部分２ａ、２ｂのほぼ中央部の直上に位置するように配置されている。各導体線路３ａ、３ｂの両端部は、基板１の側面に延びている。導体線路３ａ、３ｂの一端は信号源４に接続され、他端は終端抵抗５に接続されている。より詳細には、導体線路３ａの一端と信号源４とは入出力導体線路１１ａによって接続され、導体線路３ａの他端と終端抵抗５とは入出力導体線路１１ｂによって接続されている。
導体線路３ａ、３ｂおよび入出力導体線路１１ａ、１１ｂは、真空蒸着法などの薄膜堆積技術によって基板１上に導電性薄膜を形成した後、この薄膜をフォトリソグラフィ及びエッチング技術によってパターニングすることによって形成され得る。このような導電性薄膜は、好ましくはアルミニウムや金から形成される。
入口側光導波路部分２ｃから導入された光は、各分岐導波路２ａ、２ｂを通過する際に、以下のようにして変調作用を受ける。
まず、入力導体線路１１ａに外部の駆動回路から変調用電気信号（周波数：１〜１００ＧＨｚ）を入力することにより、変調電極３の各導体線路３ａ、３ｂに変調信号が伝搬する。導体線路３ａ、３ｂ上を変調用電気信号が伝わることにより、導体線路３ａと導体線路３ｂとの間隙部６に電界が生じる。この電界が分岐導波路２ａ、２ｂを構成する電気光学材料に及ぶと、電気光学的効果により、その部分の屈折率が変化する。屈折率の動的な変化は、分岐導波路２ａ、２ｂに及ぶ電界の強度に応じて異なる。
本実施形態では、分岐導波路２ａと分岐導波路２ｂとに互いに上下逆方向の電界が印加される。このため、基板１が例えばｚカットのニオブ酸リチウム結晶により構成されている場合、２つの分岐導波路２ａ、２ｂを通る光には互いに逆の位相変化が与えられる。その結果、出口側光導波路２ｄでは、分岐導波路２ａ、２ｂを通過した２つの光の干渉が生じ、この干渉によって光強度が変化する。こうして、本実施形態の光変調素子は光強度変調器として動作することになる。
本実施形態では、前述したように、分岐導波路２ａ、２ｂに周期的構造が設けられ、それによって光波の群速度が低減されている。
以下、図２（ａ）から（ｃ）を参照しながら、この周期的構造を詳細に説明する。図２（ａ）は、図１の光変調素子の平面図、図２（ｂ）は、その領域Ａの拡大平面図、図２（ｃ）は、図２（ｂ）の断面図である。
図２（ａ）では、簡単のため、変調電極３の記載を省略し、光導波路２ａ〜２ｄの全体に参照符号「２」を記載している。分岐導波路２ａ、２ｂの各々について周期構造が形成されているため、以下において、一方の分岐導波路２ｂの領域Ａに形成された周期構造のみを説明する。
本実施形態の周期構造は、図２（ｂ）および（ｃ）に示すよう、複数の溝８によって構成されている。より詳細には、この周期構造は、光伝搬方向に沿って直列的に配列された２つの領域（第１領域および第２領域）に大きく分けられており、第１領域と第２領域との間には中間部９が配置されている。
第１および第２領域では、光導波路２を完全に横切る深さの溝８が周期的に配列されている。このため、光導波路２を左側から右側に向かう光波は、光導波路を構成している基板材料部分と、溝の内部とを交互に透過してゆく。このとき光波の感じる屈折率は、基板材料部分と溝内部とで周期的に変化する。基板１の上面が誘電体膜で覆われていない場合、溝８の内部は空気で満たされるため、溝８の内部の屈折率は空気の屈折率（約１）に等しい。一方、基板材料部分の屈折率は、基板がＬｉＮｂＯ３から形成されているとき、２．１程度である。ただし、基板材料部分の屈折率は、用いる基板材料の種類によって異なり、また、光導波路に印加される変調電界の大きさによって変化する。
周期構造の第１および第２領域における等価屈折率の変化の周期（光伝搬方向の周期）は、変調されるべき光の光導波路内における波長λの１／４以上１／２以下の範囲に設定されている。溝８の周期が１／２λ程度の場合、溝８の幅は１／４λ程度に設定することが好ましい。中間部９では、この周期的屈折率変化が途切れている。中間部９の光伝搬方向サイズは、１／２λ程度に設定されることが好ましいが、０．４λ以上０．６λ以下の範囲にあればよい。また、第１および第２流域における溝８の周期および幅は、上記の大きさの奇数倍の大きさを有していてもよい。溝８の周期および幅が、それぞれ、そのような大きさを有していても、同様の効果を発揮する。さらに、中間部９の光伝搬方向サイズは、１／２λの整数倍であってもよい。中間部９の光伝搬方向サイズが１／２λの整数倍であっても、同様の効果が発揮される。
本実施形態では、第１および第２領域の各々に８本の溝８が等間隔で存在しているが、等価屈折率の周期的な変化は、溝の配列以外によっても形成することができる。たとえば、基板１の表面に突出した部分（凸部）を周期的に配列してもよいし、穴などの凹部を配列してもよい。あるいは、凹部と凸部の組み合わせを配列してもよい。
本実施形態で用いる溝８は、基板１の表面をエッチングによって形成することができる。具体的には、まず、基板１の表面をレジスト層で覆った後、公知のフォトリソグラフィ工程で現像・露光を行うことにより、溝の配列パターニングを規定する開口部を有するレジストマスクを形成する。次に、レジストマスクの開口部によって露出する基板表面をエッチングすることにより、基板１の表面に溝８を形成することができる。溝８の深さは、このときのエッチング条件で調節することができる。また、溝８の幅や周期（配列ピッチ）は、フォトリソグラフィ工程で形成するレジストマスクのパターンによって任意に設定することができる。
基板１がＬｉＮｂＯ３などの電気光学効果を有する材料から形成されている場合、溝８を形成するためのエッチングは、フッ素系ガスプラズマＲＩＥ（反応性イオンエッチング）やＩＣＰ（誘導結合プラズマ）によって行なうことができる。ＩＣＰによる場合、還元性の強いＣＦ４、ＢＣｌ３、Ｃ４Ｆ８などのガスを用いれば、０．５μｍ／分のレートで基板１をエッチングすることができる。この方法では、感光性レジストに対する選択比１を実現できる。
従来、厚さ１／４λの複数の誘電体層が積層された構造を厚さ１／２λの薄膜を介して重ねた素子が波長フィルタとして動作することが知られている。このような波長フィルタは、ある波長の光に対して共振を引き起こすことができる。本実施形態の光変調素子においては、光導波路２に複数の溝８を周期的に配列することにより、特定波長（λ）の光を光変調素子内で共振させ、光導波路を伝搬する光波の群速度を低減することができる。１つの光導波路上に形成される溝８の数は、例えば１００個以上に設定され、好ましくは、１０００個以上に設定される。
次に、図３（ａ）から（ｃ）を参照しながら、本実施形態の周期構造によって得られる群速度の低減効果を計算する。
光導波路２において溝８が形成されている部分は、図３（ａ）に示すように屈折率の異なる複数の層１１、１２が積層された誘電体積層フィルタの構造と光学的に等価であると考えられる。この等価な構成を有するモデルを用いて、本実施形態における光導波路を伝搬する光波の群速度を計算した。モデルの具体的なパラメータは以下のとおりである。
層１１：屈折率２．１の電気光学材料層（ＬｉＮｂＯ３）
厚さ： ８９ ｎｍ
層１２：屈折率１．５の低屈折率材料層（ＳｉＯ２）
厚さ： １２５ｎｍ
中間部層：屈折率１．５の低屈折率材料層（ＳｉＯ２）
厚さ： ２５０ ｎｍ
上記の８周期の積層膜は、本実施形態における周期構造の第１および第２領域に対応し、中間部層は中間部分９に対応している。
図３（ｂ）および（ｃ）は、計算結果を示すグラフである。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す周期構造の光透過特性を示し、図３（ｃ）は、この周期構造を伝搬する光波の遅延時間を示している。いずれのグラフも、横軸は光波の波長である。
上記周期構造における平均の屈折率を有する均一な空間を光が伝搬するのに要する時間は、計算によると、約０．０２ピコ秒（ｐｓ）である。これに対し、図３（ａ）に示す周期構造を透過する光波の遅延時間は、図３（ｃ）からわかるように、最大で約１０ｐｓに達している。
このように、図３（ａ）に示すような周期的構造を光導波路内に設ければ、光波の遅延時間を約５００倍に増大することが可能である。遅延時間が５００倍に増加するということは、光波の群速度が１／５００になることを意味し、実効的な光路長は実際の光路長の約５００倍になる。
本実施形態の光変調素子において、図３（ａ）〜（ｃ）に示す周期構造を設けることにより、現実の素子サイズは拡大することなく、実効的な光路長を数１００倍またはそれ以上に拡大できるため、変調効率を格段に増大させることが可能となる。具体的には、従来の光変調素子では数ｃｍは必要であった素子長が、本実施形態によれば、数ｍｍ程度に縮小可能である。
（実施形態２）
以下、本発明による光変調素子の第２の実施形態を説明する。
本実施形態の光変調素子は、光導波路に設けた周期構造以外の点で、第１の実施形態の構成と同様の構成を有している。このため、以下においては、本実施形態の周期構造について詳細を説明し、他の部分についても説明を繰り返さないものとする。
前述したように、エッチングマスクのパターンやエッチングの条件を調節することにより、溝８の深さ、幅および間隔を制御できる。そして、溝８の深さ、幅および間隔を調整することにより、光導波路２を伝搬する光波の群速度特性を制御することができる。
光波の自由空間速度をｖ０、光導波路の屈折率をｎとすると、溝８が設けられていない光導波路中の光波の群速度はｖ０／ｎ程度になるが、溝８を設けることにより光導波路中の光波の群速度をｖ０／ｎよりも小さくすることができる。
本実施形態では、光導波路２を伝搬する光波の群速度と、光変調のために電極に印加する変調用電気信号の位相速度を整合させている。
一般に、電気光学結晶の基板材料として広く用いられているニオブ酸リチウムの屈折率ｎは２程度である。したがって、これらの電気光学結晶基板内に形成した光導波路中の光波の群速度は、０．５ｖ０程度になる。
一方、変調電極３を伝搬する変調波の位相速度は、近似的に２ｖ０／（１＋εｒ１／２）で表される。ここで、εｒは基板１の比誘電率である。基板１がニオブ酸リチウム結晶から形成されている場合、この結晶の異方性を考慮すると、比誘電率εｒは約３１である。したがって、変調電極３を伝搬する変調波の位相速度は近似的に０．３ｖ０になる。
以上のことからわかるように、溝８が設けられていない通常の光導波路２では、光波の群速度が変調波の位相速度の約２倍の大きさに達する。この速度差は、光変調効率の低下を招く。例えば、図８に示す従来の光変調素子では、光波が変調波の約２倍の群速度で光導波路を伝搬するので、ある時刻ｔ１に光導波路に入力された光波は、伝搬するにしたがって、時刻ｔ１よりも過去の時刻ｔ０（ｔ０＜ｔ１）に入力された変調波の電界を感じることになる。光導波路に入力された光波の感じる変調波の電界の極性は、伝搬距離がある長さを超えると逆転し、光波に与えられた位相変調がキャンセルされてしまう。
本実施形態では、光導波路２に設けた溝８の深さ、幅および間隔を調整することにより、光導波路２における光波の群速度を適度に減少させ、変調波の位相速度とほぼ一致させている。このため、光導波路における領域Ａを従来例よりも延長しても、速度差に起因する位相変調のキャンセルを回避しながら相互作用長を拡大して変調効率を大幅に上昇させることが可能になる。
従来、このような速度差を緩和するため、変調電極３の上方にシールドプレートを配置するか、あるいは、変調電極３の厚さを数μｍ以上という極めて大きな値に設定することにより、変調波の位相速度を高める試みが行われてきた。
これに対して本発明の光変調素子は、変調波の位相速度を高める代わりに、光導波路２を伝搬する光波の群速度を低下させ、両速度を整合させている点に際立った特徴を有している。このような光波の群速度の低減を、本実施形態では、比較的浅い溝８を光導波路２上に形成することによって達成している。
また、本実施形態では、光波の群速度減少によって速度整合を実現するため、素子長も短縮でき、従来よりも素子を小型化できる。
本実施形態では、図４（ａ）に示すように、１／２波長周期で溝８の配列された４つの単位領域が各分岐導波路２ａ、２ｂに沿って直列的に配列されている。図４（ｂ）は、これらの単位領域の列のうち、図４（ａ）の領域Ａの構成を示している。図４（ｂ）に示す中間部分９を挟んで複数の単位領域を直接的に配列することにより、長い距離にわたって群速度の低い部分を形成することが可能になる。図では、各分岐導波路に４つの単位領域を設けているが、更に多数の単位領域を設けてもよい。
溝８の深さは、目的とする光変調素子の特性に合わせて調整される。溝８の深さが浅すぎると、光導波路を伝搬する光波の群速度が充分に低下しないため、変調波と光波との間で速度整合が実現しにくくなる。このため、溝８の深さは、光導波路厚さの５％以上に設定されることが好ましい。ただし、本発明の周期構造を用いて光波の群速度を低下させるとともに、公知の手段により、変調波の位相速度を増加させてもよい。この場合、溝８の深さは、光導波路厚さの２０％以上に設定すればよい。
なお、溝８の深さは、最大でも光導波路を伝搬する光波の電磁界が存在する深さ（通常は５μｍ程度）で十分であるが、これを超えて大きな値に設定されても良い。第１の実施形態では、図２（ｃ）に示すように溝８の深さを光導波路の厚さよりも大きく設定しているため、等価屈折率変化の振幅が最大化されている。このように深い溝８を光導波路に形成すると、光波の群速度は、変調波の位相速度よりも遥かに小さくなるため、速度整合はとれなくなる。
したがって、本実施形態の光変調素子のように、速度整合をとる場合には、比較的浅い溝８を形成することになる。光導波路の厚さに比べて例えば半分の深さの溝８を形成した場合、光導波路を伝搬する光波、溝８が形成されている部分において、溝８の内部の屈折率と溝８の下部に位置する基板材料の屈折率によって決まる実効的な屈折率を感じることになる。溝８の深さが小さくなるほど、基板材料の寄与が多くなり、実効的な屈折率は基板材料の屈折率に近づくが、溝８が深くなるほど、基板材料の寄与が小さくなり、実効的な屈折率は溝８の内部の屈折率（空気または溝８の内部を埋める誘電体材料の屈折率）に近づく。
本実施形態では、光波の群速度と変調波の位相速度をマッチングさせるために、溝の深さを光導波路の厚さ（高屈性領域の厚さ）よりも小さく設定しているが、実施形態１における光変調素子のように、光波の群速度を変調波の群速度よりも充分に低く設定するような場合でも、溝の深さを光導波路の厚さよりも小さく設定してよい。溝の深さを浅くすることにより、溝形成のために必要な微細加工が容易になり、また、エッチング工程時間を短縮できる利点がある。溝の深さ（または後述する穴の深さ）は、光導波路（高屈折領域）の厚さの５０％以下であっても、光の群速度を充分に低減する効果が得られる。
（実施形態３）
次に、図５を参照しながら、本発明の光変調素子の第３の実施形態を説明する。
前述の実施形態は、いずれも、マッハツェンダー干渉計型の光導波路構造を備えており、干渉を利用した光強度変調器として機能しているが、本実施形態の光変調素子は、図５に示すように、前述の各実施形態における溝８と同様の溝８が形成された単一の光導波路２を備えている。
本実施形態の光変調素子によっても、光導波路２を伝搬する光波の群速度を減少させることができるので、不図示の変調電極によって光導波路２に変調電界を印加すれば、変調効率の高い小型の光位相変調器として動作することができる。このような光導波路構造を有する光変調素子においても、光波の群速度低減による前述の効果が発揮される。
（実施形態４）
以下、図６（ａ）から（ｄ）を参照しながら、本発明による光変調素子の第４の実施形態を説明する。
本実施形態の光変調素子には、図６（ａ）に示すように、基本的な構成は、第１または第２の実施形態の構成と同様である。本実施形態と他の実施形態との主要な相違点は、本実施形態の周期構造が溝ではなく穴によって構成されていることにある。
以下、本実施形態の周期構造を詳細に説明する。
図６（ａ）に示すように、分岐導波路２ａ、２ｂには、複数の穴１０が形成されている。この穴１０は、溝８と同様の機能を発揮し、穴１０の数、幅、周期、および深さを調節することにより、光波の群速度を適切に制御することができる。図６（ｄ）に示すように比較的浅い穴１０を形成した場合は、光波と変調波と間で速度整合を実現できる。一方、図６（ｃ）に示すように比較的深い穴１０を形成した場合は、穴１０のない場合に比べて光波の群速度が数１００分の１以下に小さくできるため、素子長を格段に短縮した小型の光変調素子を製造できる。
穴１０の径は、１／４λ程度に設定され、配列の周期は１／２λ程度に設定されることが好ましい。中間部分９の長さは、１／２λ程度に設定される。このような周期構造を設けることにより、波長λの光波の群速度を低い損失で減少させることができる。
本実施形態によれば、光導波路に複数の穴１０を周期的に配列することにより、第１または第２の実施形態と同様の効果を発揮させることができるので、溝を規定するマスクパターンよりも単純なマスクパターンを用いて周期構造を形成できる。
なお、基板１の主面に平行な穴の断面は、円に限定されず、楕円、多角形であってもよい。また、基板の主面に垂直な穴の断面は、矩形に限定されず、テーパまたは逆テーパを有する形状であってもよい。また、本実施形態では、各分岐導波路部分に沿って１列に並んだ穴を形成しているが、各分岐導波路部分に対して複数列の穴、蛇行するように配置された穴を形成してもよい。
（実施形態５）
上記の各実施形態では、いずれも、上面の平坦な基板内に光導波路を形成しているが、本発明はこのような例に限定されない。光導波路は、基板の上面に形成したリッジに形成してもよい。
以下、リッジ導波路が設けられた基板を有する光変調素子の実施形態を説明する。
まず、図７（ａ）および（ｂ）を参照する。図７（ａ）は、本実施形態の光変調素子の上面図であり、図７（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図である。
本実施形態における基板１０１の表面には、エッチングによってリッジ状に加工された光導波路１０２が形成されている。基板１０１は、他の実施形態における基板と同様に、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）単結晶，ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）単結晶などの電気光学効果を有する材料から形成され得る。本実施形態の基板１０１は、ｚ軸に垂直な面（ｚ面）でカットされたＬｉＮｂＯ３ウエハから形成されている。
光導波路１０２は、２箇所の分岐点１０７ａ、１０７ｂで２つの分岐導波路１０２ａ、１０２ｂに分岐しており、入口側導波路１０２ｃから入力された入力光が一方の分岐点１０７ａで分岐して２つの分岐導波路１０２ａ，１０２ｂを通過した後、他方の分岐点１０７ｂで共通の出口側導波路１０２ｄを進むように構成されており、導波路によるマッハツェンダー干渉計として動作する。
リッジ状の光導波路１０２ａ、１０２ｂは、それぞれ、複数の溝が周期的に配列された周期構造１０３ａ、１０３ｂを有しており、その一部が変調電極１０４によって覆われている。
本実施形態の光変調素子を用いて、ミリ波などの高い周波数帯で変調を行なう場合は、基板１０１における電磁界の不要な共振を抑制するため、基板１０１の厚さを５０μｍ以上３００μｍ以下の範囲内に設定することが好ましい。この場合、全体が薄い基板１０１を使用する代わりに、基板１０１の一部を薄くエッチングすることにより、その部分の厚さを１０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内に調節しても良い。
基板１０１の製造は、例えば、次のようにして行なうことができる。まず、ＬｉＮｂＯ３ウエハを洗浄した後、電子ビーム蒸着装置により、金属ＴｉをＬｉＮｂＯ３ウエハの表面上に厚さが例えば５０ｎｍになるまで蒸着する。この後、１０００℃で１０時間程度、ＬｉＮｂＯ３ウエハを加熱することにより、ウエハ表面から深さ１〜５μｍ程度（例えば３μｍ）までの領域にＴｉを拡散させる。この工程により、ウエハ表面に光導波路として機能し得る領域（相対的に屈折率の高い部分）を形成することができる。Ｔｉが拡散された領域とＴｉが拡散されていない領域との間にある境界部には、例えば０．０２程度の屈折率差（Δｎ＝０．０２）が形成される。
この後、図８に示すように、リッジ導波路の平面レイアウトを規定する形状を有するエッチングマスク（例えばフォトレジストマスク）２０１をウエハ上に形成する。次に、フッ素系ガスとアルゴンガスを使用したドライエッチングでマスク開口部２０２からウエハ表面を部分的にエッチングすることにより、エッチングマスク２０１の下方にリッジ状の光導波路１０２を形成することができる。このエッチングは、前述した溝８や穴１０を形成するためのエッチングと同様にして行なうこどかできる。
図９は、ひとつのリッジ状の光導波路１０２の断面を模式的に示す図である。本実施形態で形成するリッジ導波路の幅（リッジ幅）は、例えば５μｍ程度、リッジ導波路の高さ（リッジ高さ）は例えば２μｍ程度である。この場合、リッジ導波路の全体が、Ｔｉの拡散した高屈折領域から構成されることになる。なお、リッジ高さを高屈折領域の厚さよりも大きく設定する場合、リッジ状に加工されたウエハ表面の上部が光導波路として機能することになる。
リッジ幅は、光との結合効率を高めるため、１μｍ以上に設定されることが好ましいが、光導波路内の光伝搬モードがシングルモードとなるためには、６μｍ以下に設定することが好ましい。なお、リッジ高さは、例えば１μｍ以上２０μｍ以下の範囲に設定される。
なお、光導波路の全てがリッジ形状を有している必要はなく、その一部、例えば周期構造が形成される部分のみをリッジ形状に加工しても良い。あるいは、ウエハ表面において、２つの分岐光導波路ので挟まれた領域（内側）のみをエッチングすることによって凹部を形成しても良い。その場合、２つの分岐光導波路の間隔を短くすることができるため、印加電界が増加し、変調効率が大きくなる。
上記の方法でリッジ導波路を形成した後、リッジ導波路の形成方法と同様の方法により、リッジ導波路を微細加工して周期構造を形成する。本実施形態では、リッジ状の光導波路１０２の上部に複数の溝を形成する。溝は、導波路の長手方向に沿って周期的に配列される。溝深さ、溝幅、および溝間隔は、それぞれ、例えば６００ｎｍ、５μｍ、３μｍである。溝の深さは、リッジ高さよりも小さく設定されてもよいし、大きく設定されても良い。
図１０は、上記の溝が形成された導波路の長手方向に平行な断面を示す図である。溝が形成された部分４０１（等価屈折率２．０９７）と、溝が形成されていない部分４０２（等価屈折率２．１４６）との間に、等価屈折率に差が生じ、周期構造１０３が形成される。
基板１０１の上には、図７に示すように、光導波路１０２の各分岐導波路１０２ａ，１０２ｂに沿うように２つの線路１０４ａ，１０４ｂおよび接地電極１０６からなる変調電極１０４が設けられている。この変調電極は、平行結合線路として機能し、奇モードが励振されるように設計されている。各線路１０４ａ、１０４ｂの各内側端は、各分岐導波路１０２ａ，１０２ｂのほぼ中央部の直上に位置するように形成されている。変調電極１０４の各線路１０４ａ，１０４ｂは、真空蒸着法，フォトリソグラフィ及びエッチングなどのプロセスを用いて形成されたアルミニウムや金などの金属膜によってそれぞれ構成されている。
なお、変調電極１０４ａ、１０４ｂの間隔は小さいほど導波路への印加電界を大きくすることができる。一方、導波路間の間隔が小さすぎると双方を導波する光を分離できないため、分岐導波路１０２ａ、１０２ｂにおいて、変調電極１０４が形成されている（導波路が平行な）区間における導波路１０２ａ、１０２ｂ間の間隔は５〜２０μｍの間とすることが望ましい。より望ましくは８〜１５μｍとすることが望ましい。
また、印加電界の方向は結晶の誘電主軸であるｚ軸と並行とすることが望ましく、結晶基板の方位と電極配置について、この状態を満たせばさまざまな態様を取ることが可能である。
なお、本実施形態では、図１１（ａ）に示すように基板１０１にＴｉ拡散を行い、高屈折率層５０１を形成することにより、基板１０１の主面に垂直な方向の屈折率差を設けている。このようにする代わりに、図１１（ｂ）に示すように、基板１０１により屈折率が低い第２の基板５０２を接合してもよい、また、図１１（ｃ）に示すように、エアギャップ５０４を形成することによって屈折率差を設けてもよい。図１１（ｃ）に示す構成では、屈折率の低い第２の基板５０２に代え、基板５０１と同一材料の基板５０３と接合させてもよい。
図１１（ｂ）に示す構成による場合は、第２の基板として、第１の基板とは屈折率が異なる材料からなる基板を用いる必要があるが、図１１（ｃ）に示す構成による場合は、同一材料からなる基板を用いることが可能になる。
なお、導波路１０２に溝を設けて、導波路１０２の一部分の等価屈折率を変化させる代わりに、図１２に示すように、導波路１０２に少なくとも一つ以上の穴（凹部）６０１を設けることにより、周期構造１０３を形成してもよい。
なお、特開２００２−１９６２９６号公報は、フォトニック結晶によって形成された光導波路を有する光変調器を開示している。この光変調器では、光を基板主面に垂直な方向に閉じ込める構造を有していないため、光が基板の深さ方向に拡散し、大きな減衰が生じるという問題が生じると考えられる。
また、特開２００２−２９６６２８号公報は、フォトニックバンドギャップ構造を有する全光機能素子を開示しているが、この素子は、微細加工の容易な化合物半導体を用いて作製されている。
（光変調素子の他の実施形態）
上記の各実施形態では、溝や穴などの凹部を光導波路の表面に形成しているが、前述したように、光導波路上に凸部を配列してもよい。凸部から構成される周期構造は、例えば、基板１の主面上に誘電体膜を堆積した後、その誘電体膜をパターニングすることによって形成され得る。パターニングされた誘電体膜は、光伝搬方向に沿って周期的に配列された穴または溝を有しており、光導波路を伝搬する光波に対して等価的な屈折率変化を感じさせることができる。
誘電体膜は、誘電率の高い材料から形成することが好ましい。誘電率が高いほど、群速度の減少効果が向上するからである。
パターニングされた誘電体膜によって周期構造を形成する場合、基板そのものをエッチングする工程が不要になる。基板をエッチングすることによって、溝や穴などの凹部を形成する場合、その深さの調節が難しい。しかし、基板上に堆積した誘電体膜をパターニングする場合は、エッチング条件の調節によって誘電体膜を選択的にエッチングすることが可能であり、高さの揃った凸部の配列を基板上に再現性良く形成することが容易である。
また、光導波路に物理的な凹凸を形成する代わりに、光導波路の選択された領域に金属を熱拡散し、あるいは、プロトン交換処理を施すことにより、光導波路に等価屈折率が周期的に変化する構造を設けることも可能である。この場合における等価屈折率の変化率は、光導波路を部分的かつ周期的にエッチングした場合に比べて格段に小さくなるため、光波の群速度を大きく低下させることは難しい。
具体例として、光導波路の下端よりも深い溝を周期的に形成し、溝の内部を空気が満たしている周期構造を考える。このような周期構造では、光導波路の屈折率が２．１であるとすると、溝の内部における屈折率は約１であるため、周期構造の屈折率変化の振幅（屈折率の最大値で規格化した値）は、約０．５になる。溝の深さを浅くするか、あるいは、溝の内部を適当な誘電体材料で埋めることにより、周期的な屈折率変化の振幅を０．５以下の任意の値に調節することが可能である。これに対して、金属の熱拡散などによって屈折率を周期的に変化させた場合、周期的な屈折率変化の振幅は０．０００１〜０．０１程度と小さい。
上記の各実施形態では、タンタル酸リチウム結晶やニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料の基板を用いているが、他の電気光学結晶を用いてもよい。
なお、基板中に光導波路を形成する方法として、上記の各実施形態では、電気光学結晶基板の表面部に金属チタンを熱拡散する方法を用いている。この方法は、高性能な光導波路を形成する最も有効な方法であるが、必ずしもこの方法に限定されるものではない。例えば、他の機能素子との集積化などのために、ニオブ酸リチウム単結晶など以外の基板を利用する必要がある場合には、基板上に、基板よりも屈折率が高く、かつ、電気光学効果を有する材料からなる膜を形成し、その膜を光導波路として用いることもできる。
また、基板の表面領域に周囲よりも屈折率の高いコア部を形成し、コア部の上に、クラッド部として電気光学効果を有する材料からなる膜を形成することにより、コア部からしみ出した電界を利用してクラッド部の屈折率変化によって光変調を行っても良い。
（通信システムの実施形態）
次に、図１３を参照しながら、本発明によるファイバ無線システムの実施形態を説明する。本実施形態のファイバ無線システム５０は、上述した光変調素子を内蔵した光変復調器５１を備えている。そして、アンテナ５３により、通常のインターネット等のデータ通信網や、携帯端末との通信、あるいは、ＣＡＴＶからの信号の受信等を、例えばミリ波の搬送波を用いて直接行なうことができる。なお、光変復調器５１には、光変調素子とともに光復調素子（例えばフォトダイオード）が内蔵されている。
一方、ミリ波等の周波数の高い無線信号は長距離の伝送は困難であり、かつ、物体による信号の遮断を受けやすい。そこで、データ通信網６１や、ＣＡＴＶ６２や、携帯電話システム６３との通信を、無線装置６０及び無線装置に付設されたアンテナ６４を用いて行なうこともできる。その場合、ファイバ無線通信システム５０と光ファイバ７０を介して接続される光変復調器５５と、これに付設されるアンテナ５４とをさらに備えておく。そして、アンテナ５４、６４及び光変復調器５５を介して、無線装置６０との間で、信号の授受を行なうことができる。光変復調器５５には、光変調素子とともに光復調素子（例えばフォトダイオード）が内蔵されている。
例えば長距離伝送を行ないたい場合や、壁等で仕切られた屋内での伝送の際には、ミリ波等の無線信号で変調された光信号を光ファイバ７０によって伝送することが効果的である。
【産業上の利用可能性】
本発明によれば、周期構造によって光波の群速度を低減することにより、光変調素子の変調効率を向上させることができる。本発明の光変調素子を通信システムに用いることにより、ミリ波レベルの変調用電気信号を利用した通信が可能になる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する材料から形成された光導波路と、前記光導波路を伝搬する光に変調用電気信号を印加するための変調電極とを備えた光変調素子であって、
等価屈折率が光伝搬方向に沿って周期的に変化する周期構造であって、前記光導波路を伝搬する光の群速度を低下させる周期構造を更に備えた光変調素子。
【請求項２】
前記周期構造は、前記光導波路の表面に設けられた複数の凹部および／または凸部によって構成されている、請求項１に記載の光変調素子。
【請求項３】
前記周期構造は、前記光導波路の表面に設けられた複数の溝によって構成されている、請求項２に記載の光変調素子。
【請求項４】
前記周期構造は、前記光導波路の表面に設けられた複数の穴によって構成されている、請求項２に記載の光変調素子。
【請求項５】
前記光導波路に設けられた前記溝または前記穴の個数は１００以上である請求項３または４に記載の光変調素子。
【請求項６】
前記溝または孔の深さは、前記導波路の厚さの５０％以下である、請求項３または４に記載の光変調素子。
【請求項７】
前記周期構造は、誘電体膜によって覆われている請求項１に記載の光変調素子。
【請求項８】
前記周期構造は、前記光導波路上に設けられた誘電体膜のパターンから形成されている請求項１に記載の光変調素子。
【請求項９】
前記周期構造は、
前記光伝搬方向に沿って直列的に配列された第１領域および第２領域と、
前記第１領域および前記第２領域の間に設けられた中間部分と、を含んでいる、請求項１に記載の光変調素子。
【請求項１０】
前記周期構造の光伝搬方向における等価屈折率の変化の周期は、変調されるべき光の前記光導波路内における波長λの１／４以上１／２以下の範囲の数値、または、前記数値の奇数倍に設定されている、請求項１に光変調素子。
【請求項１１】
前記中間部分の光伝搬方向の長さは、約１／２λ、または１／２λの整数倍である請求項１０に記載の光変調素子。
【請求項１２】
前記光導波路は、
変調されるべき光が入力される入口側光導波路部分と、
変調光が出力される出口側光導波路部分と、
前記入口側光導波路部分と前記出口側光導波路部分とを結合する少なくとも２つの分岐導波路部分とを有しており、
前記変調電極は、各分岐導波路部分を伝搬する光に前記変調用電気信号を印加する少なくとも２本の導体線路を有しており、
各分岐導波路部分を伝搬してきた光の前記出口側光導波路部分における干渉を利用して光強度を変調する請求項１に記載の光変調素子。
【請求項１３】
前記光導波路は、変調されるべき光が入力する一端と変調光が出力する他端とを有する単一の光導波路であり、
前記変調電極は、前記光導波路に前記変調用電気信号を印加する少なくとも２本の導体線路を有しており、
前記光導波路を伝搬してきた光の位相を、前記変調用電気信号に応じて変調する請求項１に記載の光変調素子。
【請求項１４】
前記光導波路は、電気光学結晶基板に形成されている請求項１に記載の光変調素子。
【請求項１５】
前記光導波路は、前記電気光学結晶基板の表面に形成されたリッジに形成されている請求項１に記載の光変調素子。
【請求項１６】
前記光導波路は、基板に支持された電気光学効果を有する材料から形成されている請求項１に記載の光変調素子。
【請求項１７】
前記光導波路を伝搬する光の群速度は、前記電極を伝わる高周波の位相速度の０．５倍以上２倍以下に調節されている、請求項１に記載の光変調素子。
【請求項１８】
前記光導波路を伝搬する光の群速度は、前記周期構造が形成されていない光導波路を伝搬する光の群速度の５０％以下に設定されている、請求項１に記載の光変調素子。
【請求項１９】
請求項１に記載の光変調素子と、
前記光変調素子から出力された変調光を伝送する光ファイバと、
前記光変調素子に変調用電気信号を与える手段と、
を備えた通信システム。
【請求項１】
電気光学効果を有する材料から形成された光導波路と、前記光導波路を伝搬する光に変調用電気信号を印加するための変調電極とを備えた光変調素子であって、
等価屈折率が光伝搬方向に沿って周期的に変化する周期構造であって、前記光導波路を伝搬する光の群速度を低下させる周期構造を更に備えた光変調素子。
【請求項２】
前記周期構造は、前記光導波路の表面に設けられた複数の凹部および／または凸部によって構成されている、請求項１に記載の光変調素子。
【請求項３】
前記周期構造は、前記光導波路の表面に設けられた複数の溝によって構成されている、請求項２に記載の光変調素子。
【請求項４】
前記周期構造は、前記光導波路の表面に設けられた複数の穴によって構成されている、請求項２に記載の光変調素子。
【請求項５】
前記光導波路に設けられた前記溝または前記穴の個数は１００以上である請求項３または４に記載の光変調素子。
【請求項６】
前記溝または孔の深さは、前記導波路の厚さの５０％以下である、請求項３または４に記載の光変調素子。
【請求項７】
前記周期構造は、誘電体膜によって覆われている請求項１に記載の光変調素子。
【請求項８】
前記周期構造は、前記光導波路上に設けられた誘電体膜のパターンから形成されている請求項１に記載の光変調素子。
【請求項９】
前記周期構造は、
前記光伝搬方向に沿って直列的に配列された第１領域および第２領域と、
前記第１領域および前記第２領域の間に設けられた中間部分と、を含んでいる、請求項１に記載の光変調素子。
【請求項１０】
前記周期構造の光伝搬方向における等価屈折率の変化の周期は、変調されるべき光の前記光導波路内における波長λの１／４以上１／２以下の範囲の数値、または、前記数値の奇数倍に設定されている、請求項１に光変調素子。
【請求項１１】
前記中間部分の光伝搬方向の長さは、約１／２λ、または１／２λの整数倍である請求項１０に記載の光変調素子。
【請求項１２】
前記光導波路は、
変調されるべき光が入力される入口側光導波路部分と、
変調光が出力される出口側光導波路部分と、
前記入口側光導波路部分と前記出口側光導波路部分とを結合する少なくとも２つの分岐導波路部分とを有しており、
前記変調電極は、各分岐導波路部分を伝搬する光に前記変調用電気信号を印加する少なくとも２本の導体線路を有しており、
各分岐導波路部分を伝搬してきた光の前記出口側光導波路部分における干渉を利用して光強度を変調する請求項１に記載の光変調素子。
【請求項１３】
前記光導波路は、変調されるべき光が入力する一端と変調光が出力する他端とを有する単一の光導波路であり、
前記変調電極は、前記光導波路に前記変調用電気信号を印加する少なくとも２本の導体線路を有しており、
前記光導波路を伝搬してきた光の位相を、前記変調用電気信号に応じて変調する請求項１に記載の光変調素子。
【請求項１４】
前記光導波路は、電気光学結晶基板に形成されている請求項１に記載の光変調素子。
【請求項１５】
前記光導波路は、前記電気光学結晶基板の表面に形成されたリッジに形成されている請求項１に記載の光変調素子。
【請求項１６】
前記光導波路は、基板に支持された電気光学効果を有する材料から形成されている請求項１に記載の光変調素子。
【請求項１７】
前記光導波路を伝搬する光の群速度は、前記電極を伝わる高周波の位相速度の０．５倍以上２倍以下に調節されている、請求項１に記載の光変調素子。
【請求項１８】
前記光導波路を伝搬する光の群速度は、前記周期構造が形成されていない光導波路を伝搬する光の群速度の５０％以下に設定されている、請求項１に記載の光変調素子。
【請求項１９】
請求項１に記載の光変調素子と、
前記光変調素子から出力された変調光を伝送する光ファイバと、
前記光変調素子に変調用電気信号を与える手段と、
を備えた通信システム。
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００１５５９
【国際公開日】平成１７年１月６日（２００５．１．６）
【発行日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１１１０５（Ｐ２００５−５１１１０５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００９３０６
【国際出願日】平成１６年６月２４日（２００４．６．２４）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１７年１月６日（２００５．１．６）
【発行日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００９３０６
【国際出願日】平成１６年６月２４日（２００４．６．２４）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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