特許 6297024 電気光学変調器および電気光学距離測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6297024

(24)【登録日】2018年3月2日

(45)【発行日】2018年3月20日

(54)【発明の名称】電気光学変調器および電気光学距離測定装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/035 20060101AFI20180312BHJP

   G01S 7/481 20060101ALI20180312BHJP

   G01S 17/08 20060101ALI20180312BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/035

   G01S7/481 Z

   G01S17/08

【請求項の数】11

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2015-506057(P2015-506057)

(86)(22)【出願日】2013年3月6日

(65)【公表番号】特表2015-519598(P2015-519598A)

(43)【公表日】2015年7月9日

(86)【国際出願番号】CH2013000035

(87)【国際公開番号】WO2013155636

(87)【国際公開日】20131024

【審査請求日】2015年3月26日

(31)【優先権主張番号】12405037.8

(32)【優先日】2012年4月16日

(33)【優先権主張国】EP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】502121236

【氏名又は名称】ライカ・ジオシステムズ・アクチェンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＬＥＩＣＡ ＧＥＯＳＹＳＴＥＭＳ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ポルト，アンリ

(72)【発明者】

【氏名】モッテ，アレクサンドル

(72)【発明者】

【氏名】ルティ，トーマス

(72)【発明者】

【氏名】ベッケム，ブルクハルト

【審査官】 佐藤 宙子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−１９４２６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１２８６２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２３６７８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２９５１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１５−５１９５４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第３４２４５３１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 Design and Performance of the Bidirectional Optical Single-Sideband Modulator，Journal of Lightwave Technology，２００３年 ４月，VOL.21,NO.4，1071-1082

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／００−１／１２５，１／２１−７／００

Ｇ０１Ｓ ７／４８１

Ｇ０１Ｓ １７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気光学変調器であって、非線形の光学材料からなる導波路（２）と、電極線（３）とを含み、前記電極線（３）は、電圧が電極線（３）に印加されたときに導波路（２）の変調領域（１７）において電界を発生させることにより、導波路（２）を通過する光の位相を変調させるように配置され、
・ 変調領域（１７）を通過する光の進行方向の前方の電気光学応答は、前記進行方向の後方の電気光学応答と同じであり、
・ 電気光学応答は帯域通過特性または低域通過特性を有し、
前記電気光学変調器は、高周波変調器であり、
・ 電極線（３）は第１の分岐（３ａ）および第２の分岐（３ｂ）を含み、各分岐は、
− 初めに、以下、分岐の延在部と称される距離にわたって、導波路（２）に対して平行に、第１の線区域（１１）の始端から終端にまで延び、
− 次いで、第１の線区域（１１）とは逆の方向に、同じ距離だけ、導波路（２）に対して平行に、第２の線区域（１２）の始端から終端にまで延び、
− 分岐（３ａ；３ｂ）の第１の線区域および第２の線区域（１１，１２）は、導波路（２）の同じ変調サブ領域（１７ａ；１７ｂ）に影響を及ぼし、
・ 第１の線区域（１１）の始端から第２の線区域（１２）の終端までのマイクロ波信号の伝搬時間は両方の分岐に関して同じである、電気光学変調器。

【請求項2】

変調の重心は変調周波数とは無関係であり、変調の重心は、前記導波路に沿った位置に関する位相変調の積分で割られた、位置と単位長当たりの位相変調との積の前記導波路に沿った位置に関する積分として規定される、請求項１に記載の電気光学変調器。

【請求項3】

・ 変調領域（１７）は変調の重心によって分割された第１のサブ領域（１７ａ）および第２のサブ領域（１７ｂ）を含み、電極線（３）は、第１のサブ領域（１７ａ）を一方向に通過する光に対して、第２のサブ領域（１７ｂ）を逆方向に通過する光に対するのと同じ変調をもたらすことができる、請求項１または２に記載の電気光学変調器。

【請求項4】

・ 各々の分岐は、第２の線区域（１２）の終端から、
− 第３の線区域（１３）において、第１の線区域（１１）と同じ方向に、同じ距離だけ、導波路（２）に対して平行に延び、
・ 第１の線区域（１１）の始端から第３の線区域（１３）の終端までのマイクロ波信号の伝搬時間は両方の分岐に関して同じである、請求項１に記載の電気光学変調器。

【請求項5】

電極線（３）は、第１の分岐（３ａ）と第２の分岐（３ｂ）との間に中間点（１６）を含み、電極線（３）は、電気マイクロ波信号源に接続されると、導波路（２）において、中間点（１６）に対して対称的な電界分布を発生させることができる、請求項１から４のいずれかに記載の電気光学変調器。

【請求項6】

第１および第２の分岐（３ａ，３ｂ）を含む電極線（３）の形状は、中間点を通過する面であって導波路（２）に対して垂直である面に対して鏡面対称である、請求項５に記載の電気光学変調器。

【請求項7】

第１の分岐および第２の分岐（３ａ，３ｂ）を含む電極線（３）の形状は、中間点を通過する軸であって電極線（３）が位置する面に対して垂直である軸を中心として回転対称を有する、請求項５に記載の電気光学変調器。

【請求項8】

信号発生器（６）を含み、前記信号発生器（６）は、電極線（３）の端子に電圧を印加することによって、電極線（３）の分岐（３ａ，３ｂ）においてマイクロ波信号を発生させるように構成され、マイクロ波信号の周波数は中心周波数に位置するかまたは中心周波数付近に位置し、中心周波数は、各々の分岐（３ａ、３ｂ）において信号の中心波長に対応し、各々の分岐（３ａ，３ｂ）においては、マイクロ波信号の中心波長または中心波長の整数倍は分岐の延在部の２倍に等しい、請求項１から７のいずれか一項に記載の電気光学変調器。

【請求項9】

導波路（２）および電極線（３）が配置される表面とは反対側にある、基板（１）の底面（１５）は、少なくともＲａ＝０．３マイクロメートルの程度にまで粗面化されるか、またはくさび型にされ、すなわち、反対側の表面に対して傾斜させられる、請求項１から８のいずれか一項に記載の電気光学変調器。

【請求項10】

請求項１から９のいずれか一項に記載の電気光学変調器を含む電気光学距離測定装置であって、
電気光学距離測定装置はさらに、電極線（３）の端子に電圧を印加することにより、電極線（３）の分岐（３ａ，３ｂ）においてマイクロ波信号を発生させるように構成された信号発生器（６）を含み、マイクロ波信号の周波数は中心周波数に位置するかまたは中心周波数付近に位置し、中心周波数は、各々の分岐（３ａ，３ｂ）において、信号の中心波長に対応し、各々の分岐（３ａ，３ｂ）においては、マイクロ波信号の中心波長または中心波長の整数倍は分岐の延在部の２倍に等しい、電気光学距離測定装置。

【請求項11】

請求項１０に記載の電気光学距離測定装置であって、
光を放出する光源（１０１）と、請求項１から９のいずれか一項に記載の電気光学変調器とを備え、前記電気光学変調器は、光源（１０１）によって放出された光が、距離測定装置から放出される前に、導波路（２）の変調領域（１７）を第１の方向に通過するように、かつ、距離測定装置の外側にある目標物から反射した後の出射光が、導波路（２）の変調領域（１７）を、第１の方向とは逆の第２の方向に通過するように、距離測定装置に配置され、
電気光学距離測定装置はさらに、電極線（３）の端子に電圧を印加することにより、電極線（３）の分岐（３ａ，３ｂ）においてマイクロ波信号を発生させるように構成された信号発生器（６）を含み、マイクロ波信号の周波数は中心周波数に位置するかまたは中心周波数付近に位置し、中心周波数は、各々の分岐（３ａ，３ｂ）において、信号の中心波長に対応し、各々の分岐（３ａ，３ｂ）においては、マイクロ波信号の中心波長または中心波長の整数倍は分岐の延在部の２倍に等しい、電気光学距離測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、対応する独立請求項のプリアンブルに記載される電気光学変調器および電気光学距離測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＵＳ５，１２９，０１７、ＵＳ５，０５０，９４８、ＵＳ５，１３８，４８０、ＵＳ５２７８９２４、ＷＯ０２０９７５２６およびＪＰ９２３６７８３Ａは、進行波電極を備えた集積（コプレーナ導波路またはＣＰＷ）光学変調器を開示する。変調器はマッハ・ツェンダー（Mach-Zehnder）変調器として構成される。すなわち、光ビームが２部分に分割にされ、光の一方の部分が位相変調され、２つの部分が再結合され、その結果、再結合させた部分の振幅が位相変調に合わせて変調される。光は変調器を１回だけ通過する、すなわち、一方向にしか通過しない。

【0003】

「共振タイプの電極を備えたＬｉＮｂＯ３での短路長の高速光学変調器についての研究（Investigations on short path length high speed optical modulators in LiNbO3 with resonant type electrodes; R. Krahenbuhl, M.M. Howerton, Journal of Lightwave Technology; Vol 19, No. 9, pp.1287-1297, 2001）」においては、活性電極長を短くして変調効率を高めることを目的とするさまざまな種類の共振電極構造が記載されている。図示される電極位相は、マッハ・ツェンダー変調器に限定される。

【0004】

「ＬｉＮｂＯ３での高感度集中素子帯域通過変調器（High-sensitivity lumped-element bandpass modulators in LiNbO3; G. E. Betts, L.M. Johnson, C. H. Cox; IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, Vol. 7, no. 12, pp. 2078-2083, Dec. 1989）」においては、集積マッハ・ツェンダー変調器に基づいた帯域通過変調器が記載されている。

【0005】

「双方向光学単側波帯変調器の設計および性能（Design and performance of the bidirectional optical single-sideband modulator; A. Loayssa et. al., Journal of Lightwave Technology, Vol 21, No. 4, pp. 1071-1082, April 2003）」においては、標準的な単一電極マッハ・ツェンダー変調器および受動型光ファイバ構成要素を用いる光学単側波帯変調を実現するのに用いられる双方向光学単側波帯変調器に関する研究が記載されている。電気光学変調器は、高周波電極を双方向に駆動することによって動作させられる。すなわち、１つの信号が同じ電極の両端に供給される。

【0006】

図１は、先行技術に従って絶対距離を測定するための距離測定装置を概略的に示す。光源１０１は、典型的には可視範囲または赤外線範囲の光を放出し、中心波長λを有し、光源のスペクトル幅Δλは、低コヒーレンス光の放出を確実にするのに十分なほどに幅が広い。広帯域の光源１０１が放出した並列光ビームは偏光ビームスプリッタ１０２を照らし、これにより、透過したビームのうちの１本に関して確実に直線偏光状態にする。偏光されたビームは、両側に電極１０４を備えた電気光学結晶１０３を通過する。電極１０４は、電気光学結晶１０３の主な結晶軸のうちの１本に対して平行に電界を加えることを可能にする。周波数ｆを有する正弦波電気信号を信号源１０８によって発生させて、電極１０４に加える。この電界は、結晶の低速光学軸と高速光学軸との間に屈折率差の変化をもたらす。こうして、２つの直交波の間に位相変調がもたらされる。

【0007】

電気光学結晶１０３の出力において、４分の１波長板１０５が、その軸を電気光学結晶１０３の主軸に対して４５°に配向した状態で配置される。４分の１波長板１０５を通過した後の光ビームは、測定されるべき距離に沿って進み、目標物に到達する。コーナーミラー１０６または他の反射要素が目標物に固定されており、これに光が反射して光源に戻っていく。４分の１波長板１０５を２回通過した後、戻ってくる光の２つの直交波が９０°回転し、２回目には逆方向に電気光学結晶１０３と交差する。出ていく光と戻ってくる光との干渉に従って振幅が変調された最終的なビームは、受光器１０７によって捕捉される。

【0008】

たとえばこの原則に従った関連する距離測定装置が、たとえば、ＥＰ０２０５４０６、ＥＰ０３１３５１８、ＥＰ−Ａ−１６４７８３８、ＷＯ９７／１８４８６およびＥＰ特許出願番号１０４０５０７８から公知である。絶対距離測定のためのフィゾー法（Fizeau method）の作用を説明するために、上記出願の内容全体が引用により援用されている。

【0009】

基本的には、レーザまたは広帯域光源から光ビームを発生させ、収束光学ユニットによって、光を直線的に偏光させるための偏光ビームスプリッタ上に誘導し、次いで、電気光学変調器、λ／４リターダおよび出口光学ユニットによって測定経路上に誘導する。測定経路に沿って戻ってくる光は、上述の要素を通過して偏光ビームスプリッタにまで到達し、後者（偏光ビームスプリッタ）によって検出器にまで誘導される。評価ユニットは、検知器信号に基づいて測定経路の長さを決定するための役割を果たす。

【0010】

本願の文脈において重要なことは、この方法においては、出ていく測定光および戻ってくる測定光が変調器において変調される点である。上記変調の頻度を変えることによって、検出された測定光ビームの最低限の強度（または実質的に同義的には、強度の導関数のゼロ交差）が決定される。測定装置と逆反射体または半協働的（semi-cooperative）目標物との間の測定経路の長さは最低周波数から決定される。半協働的目標物は、たとえば拡散反射によって、入射光の少なくとも一部を入射光の方向に沿って戻らせる。

【0011】

フィゾー原理に基づいた距離測定装置の最新の実現例では、バルク結晶がポッケルス効果（Pockels-effect）を示す電気光学変調器が用いられる。（〜１ｍｍの結晶幅に対して）十分に変調させるのに必要な数１００Ｖの電圧を実現するために、変調器は〜１Ｗの駆動電力を必要とし、結晶は電気共振器に配置される。特定の変調周波数を設定することにより、共振器の機械的調整が必要となり、こうして、測定率が（たとえば２０Ｈｚに）制限される。

【0012】

距離測定装置において集積光学変調器を用いることによって測定を速めることが望ましい。しかしながら、距離測定装置の測定原理は、光が変調器を２回、相対する方向に通過することを必要とするので、公知の単回通過変調器は好適ではない。

【0013】

したがって、本発明の目的は、出ていく光および戻ってくる光がともに同じ変調器を通過する上述の距離測定装置において用いることができる電気光学変調器を製造することである。

【0014】

本発明のさらに別の目的は、出ていく光および戻ってくる光の両方が横断する集積光学変調器を用いる距離測定装置を製造することである。

【0015】

本発明のさらに別の目的は、公知の変調器よりも低変調電圧および低消費電力で動作させることが可能な電気光学変調器を備えた距離測定装置を製造することである。

【0016】

これらの目的は、対応する独立請求項に従った電気光学変調器および距離測定装置によって達成される。

【0017】

電気光学変調器は、非線形の光学材料からなる導波路と、電極線とを含む。電極線は、電極線に電圧が加えられたときに導波路の変調領域において電界を発生させ、これにより、導波路を通過する光の位相を変調させるように配置される。ここでは、
・ 変調領域の前方の電気光学応答（forward electro-optic response）は後方の電気光学応答（backward electro-optic response）と同じである（言いかえれば、変調器を一方向に通過する光および逆方向に通過する光に対する位相シフトなどの効果は同じである）。

【0018】

・ 使用された変調周波数範囲での電気光学応答は平坦な（たとえば低域通過または帯域通過）特徴を有する。

【0019】

これら２つの特性を組合せることにより、２つの光ビームが互いに反対方向に変調器を通過する適用例において変調器を使用することが可能となる。この場合、２本のビームが、たとえばＧＨｚ範囲の高周波数で、本質的に同じ態様で変調されることが重要である。このマイクロ波周波数範囲においては、信号の波長は、電極線の寸法とほぼ同じである。

【0020】

注：「帯域通過特性」は、一般に知られているように、直流電圧が電極線に印加されたときに電気光学応答が本質的にゼロになり、周波数が上昇するのに応じて最大値にまで上昇し、次いで少なくとも１回低下することを意味する。

【0021】

注：光導波路は、電磁波を光学スペクトルで誘導する物理的構造である。一般的なタイプの光導波路は光ファイバおよび矩形導波路を含む。光導波路においては、選択された光モードだけが導波路の長さに沿って伝搬することができる。というのも、導波路の横方向寸法（すなわち、光が伝搬する導波路の長さに対して直交する寸法）が光のほんの数波長の範囲内にあるからである。

【0022】

これとは対照的に、バルク結晶または体積結晶（volume crystal）においては、横方向寸法は、結晶を通過する光ビームの直径または光の波長よりも著しく大きく、光をさまざまなモードで伝搬させる場合も結晶の寸法の影響を受けない。結晶の種類に応じて、光は、当然、結晶の他の特性（屈折、分散など）によって影響を受ける可能性がある。導波路とは異なり、バルク結晶または体積結晶は光誘導機能を備えていない。

【0023】

このため、導波路と電極とがほんのわずかしか離れていないこのような集積光学変調器では、十分に変調させるのに必要な電界強度がわずか数ボルトの変調電圧で実現され、結果として駆動電力が劇的に低下し、外部共振器や、時間のかかるその機械的調整が不要となる。

【0024】

一実施形態においては、変調の重心は変調周波数とは無関係である。変調の重心は導波路に沿った点である。その位置ｙ_ＣＯＧは、導波路に沿った位置に関する位相変調の積分で割られた、位置ｙと単位長ａ当たりの位相変調との積の導波路に沿った位置に関する積分として規定される。

【0025】

【数1】

【0026】

ここで、ｙ１およびｙ２は、導波路軸Ｙに沿った変調領域の開始位置および終端位置である。結果として、変調の重心によって導波路が２区域に分割され、両方の区域における光の変調合計は同じとなる（一方の区域における変調合計は、その区域に沿った変調の積分である）。

【0027】

距離測定装置は電気光学変調器を含む。これにより、高い測定速度、高精度および低消費電力で距離測定装置を動作させることが可能となる。

【0028】

一実施形態においては、距離測定装置は光を放出する光源を含み、電気光学変調器は、光源によって放出された光が、距離測定装置から放出される前に電気光学変調器を第１の方向に通過するように、そして、距離測定装置の外側にある目標物から反射した後の出射光が第１の方向とは逆の第２の方向に電気光学変調器を通過するように、距離測定装置に配置される。

【0029】

一実施形態においては、変調領域は第１のサブ領域および第２のサブ領域を含む。電極線は、第１のサブ領域を一方向に通過する光に対して、第２のサブ領域を逆方向に通過する光に対するのと同じ変調をもたらすことができる。

【0030】

一実施形態においては、電極線は第１の分岐および第２の分岐を含む。各分岐は、
・ 初めに、以下分岐の延在部と称される距離にわたって、導波路に対して平行に、第１の線区域の始端から終端にまで延び、
・ 次いで、第１の線区域とは逆方向に、同じ距離だけ、導波路に対して平行に、第２の線区域の始端から終端にまで延び、
・ 第１の線区域の始端から第２の線区域の終端までのマイクロ波信号（すなわち、両方の分岐のための同じマイクロ波信号）の伝搬時間は、どちらの分岐に関しても同じである。

【0031】

したがって、たとえば光路が平行に延びる２つの別個の導波路に分割されているマッハ・ツェンダー集積光学変調器とは対照的に、電極は単一の導波路に沿って光を変調するように配置される。一実施形態においては、各々の分岐に関して、別個の線区域（２つ以上）が導波路の同じ変調領域に沿って延びている。たとえば、第１の分岐における２つ以上の線区域が導波路の第１の変調サブ領域に沿って延び、第２の分岐における２つ以上の線区域が導波路の第２の変調サブ領域に沿って延びる。

【0032】

電気信号が電極線に印加されると、各々の分岐に関して、第１の線区域および第２の線区域から（および場合によっては、分岐の第３の線区域またはさらには同じ分岐のさらに別の区域から）の電界が重ね合わされて、導波路に沿った同じ領域に影響を及ぼす。

【0033】

一実施形態においては、変調器は導波路を１つだけ含んでもよく、この導波路に沿って変調が行なわれる。この場合、導波路のさらなる分割および／または導波路の結合は行なわれない。

【0034】

電極線と導波路とは、第１の線区域と第２の線区域との間の電圧差が導波路において電界をもたらすように、相対的に配置される。第１の線区域の終端は第２の線区域の始端に電気的に接続される。

【0035】

一実施形態においては、
・ 各々の分岐は、第２の線区域の終端から、
− 第１の線区域と同じ方向に、同じ距離だけ、導波路に対して平行に第３の線区域において延び、
・ 第１の線区域の始端から第３の線区域の終端までのマイクロ波信号の伝搬時間は、どちらの分岐の場合も同じである。

【0036】

変調領域に影響を及ぼす（実施形態に応じて）２つまたは３つの線区域からの電界を重ね合わせることにより、結果として、導波路における電界が定常波のように振動することとなり、これらの線の長さに沿って対称的になり、さらに対称的な光学応答をもたらす。

【0037】

一実施形態においては、電極線は、第１の分岐、第２の分岐、およびこれら２つの分岐間の中間点を含み、電極線は、電気的なマイクロ波信号源に接続されると、中間点に対して対称的な導波路において電界分布を発生させることができる。中間点は、２つの分岐間の幾何学的中心であってもよいが、必ずしもそうである必要はない。

【0038】

結果として、変調区域の長さに沿って一方向に導波路を通過する光は、同時に逆方向に通過する光と全体的に同じ位相シフトを経験する（これは、変調区域に沿った時間依存の電圧誘起位相シフト（voltage induced phase shift）と位置依存の電圧誘起位相シフトとの積分である）。言いかえれば、前方の電気光学応答は後方の電気光学応答と同じである。

【0039】

分岐の電気的特性に関するこのような対称的な構成は、光学回路において光の伝搬の前方および後方について同じ電気光学応答を得ることを可能にする。電気的特性に関する対称的な構成は、分岐の幾何学的対称性によって、または分岐の電気的特性の対称性によってのみ得られてもよい。

【0040】

したがって、一実施形態においては、第１の分岐および第２の分岐を含む電極線の形状は中間点に対して対称的である。電極線の形状は、中間点を通過する面であって導波路に対して垂直である面に対して鏡面対称であってもよい。代替的には、電極線の形状は、中間点を通過する軸であって電極線が位置する面に対して垂直である軸を中心として回転対称を有していてもよい。

【0041】

一実施形態においては、電気光学変調器は信号発生器を含む。当該信号発生器は、電極線の端子に電圧を印加することによって、電極線の分岐においてマイクロ波信号を発生させるように構成される。マイクロ波信号の周波数は中心周波数に位置するかまたは中心周波数付近に位置する。中心周波数は、各々の分岐においては、信号の中心波長に対応する。各々の分岐においては、マイクロ波信号の中心波長または中心波長の整数倍は分岐の延在部（extension）の２倍に等しい。信号のこのような使用は、好ましくは距離測定装置において実現される。

【0042】

一実施形態においては、導波路および電極線が配置される面（上面）とは反対側にある基板の底面は、少なくともＲａ＝０．３μｍの程度にまで、好ましくはＲａ＝０．５μｍ〜０．７μｍの範囲内で粗面化されるか、または、底面は上面に対して平行ではない（くさび型である）。これにより、圧電効果によって基板において生じる可能性のある機械的共振が抑制されるかまたは排除される。

【0043】

要約すると、電気光学変調器は、以下の特徴のうち１つ以上を含む：
・ 複屈折の電気光学結晶。

【0044】

・ 通常軸（ordinary axis）および異常軸（extraordinary axis）は光の伝搬方向に対して直交する。

【0045】

・ 光の伝搬方向は通常軸のうちの１つに対して平行である。
・ 結晶方位は、最も高い電気光学係数を用い、かつ２つの交差した偏光間の差動的な電気光学位相変調を最大限にするように選択される。

【0046】

・ 光導波路は結晶の表面に組込まれている。
・ 導波路は、偏光の両方の状態を支持することができる。

【0047】

・ 差動位相変調に含まれる電気光学係数と相互作用させるように外部電界を引き起こすために、ひとまとめにされた２つの共面電極が導波路とは別個にパターン化される。

【0048】

・ 対称的な構成は、光学回路における光伝搬の前方および後方に関して同じ電気光学応答を得ることを可能にする。

【0049】

・ ２本の電極線は、所望の周波数での帯域通過作用を可能にするように、それぞれの端部が短絡されている。

【0050】

・ 各電極線の長さは、この所望の周波数での応答を最適化するために、線において伝搬するマイクロ波信号の波長と等しくなり得る。

【0051】

・ 結晶は圧電性であり得る。音波共振は、電極の上面から基板の底面までの間に発生させてもよい。一定の表面粗さを達成するよう研削すること、底面に溝を機械加工すること、または底面をくさび型に（傾斜付け）することにより、共振条件を排除することができる。

【0052】

・ 変調器は、パッケージングされると、ケースハウジングにおいてマイクロ波共振を発生させることができる。装置および電極の表面におけるマイクロ波吸収体により、マイクロ波共振の発生を回避することができる。

【0053】

本発明の主題は、概略的に示される添付の図面において図示される例示的な実施形態に関連付けて、以下の文脈においてより詳細に説明されるだろう。

【図面の簡単な説明】

【0054】

【図1】絶対距離を測定するための光学距離測定装置の構造を示す図である。

【図2a】距離測定装置において測定された信号の周波数依存性を示す図である。

【図2b】距離測定装置において測定された信号の周波数依存性を示す図である。

【図3】このような対称的な電極を備えた集積位相変調器を示す図である。

【図4a】帯域通過応答を有する集積位相変調器を示す図である。

【図4b】帯域通過応答を有する集積位相変調器を示す図である。

【図5】図４ａおよび図４ｂの変調器の電気光学位相変調の振幅の周波数応答を示す図である。

【図6】帯域通過変調器のさらなる実施形態を示す図である。

【図7】帯域通過変調器のさらなる実施形態を示す図である。

【図8】帯域通過変調器のさらなる実施形態を示す図である。

【図9】帯域通過変調器のさらなる実施形態を示す図である。

【図10】帯域通過変調器のさらなる実施形態を示す図である。

【図11】帯域通過変調器のさらなる実施形態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0055】

原則的に、同一の部分には図面において同じ参照符号が付されている。
規則：位相変調器は電気光学結晶を用いる。変調の指数により、いわゆる半波電圧Ｖπが規定されるだろう。半波電圧は、電気光学変調器の特徴であり、透過光の光学位相をπラジアンだけ変えるために結晶に印加される必要のある電圧に対応している。

【0056】

電気光学変調器の導波構成は以下のとおりである：直線形の光導波路が結晶面に形作られて、断面の幅および高さが数マイクロメートルである狭い通路に光を閉じ込めることを可能にする。共面電極は、数マイクロメートルの隙間を空けて導波路の付近に配置され、これにより導波路に強電界を加えることを可能にする。半波電圧は、バルク結晶変調器の場合よりもはるかに低いほんの数ボルトにまで下げることができる。

【0057】

導波変調器（guided wave modulators）は、たとえばニオブ酸リチウムでは、この低電圧構成のおかげで、超高周波数で動作可能である。共面導波路（ＣＰＷ：coplanar waveguides）マイクロ波線で作られた特別な進行波電極により、導波路において伝搬する光波とＣＰＷ線において伝搬するマイクロ波との間に位相整合条件を得ることが可能となる。これらの波はともに、同じ方向に同じ速度で移動する。一般的に、高速進行波の集積光学変調器においては、マイクロ波電気信号は、変調器の一方側では、導波路の光入力付近において、ＣＰＷ線の入力ストリップに供給される。マイクロ波線の端部は光導波路出力の付近に設定される。しかしながら、このような構成は、光が２回目には逆方向に変調器を通過するような距離測定装置での使用には適していない。帰路において、光は、逆方向に伝搬する電気信号と相互に作用する。結果として、高周波数では、前方および後方への電気光学応答が大きく異なっている。

【0058】

図１におけるような距離計測構成において集積位相変調器を用いると、受光器１０７の出力における平均的な電力Ｐ（ｆ）の形状が、変調周波数の関数として、図２ａに示される曲線と同様になることが分かる。主な特性は、Ｐ（ｆ）のゼロが適所にとどまることである。理想的には、曲線は対称的であるが、これは、曲線のゼロ点を決定することを必要とする距離測定のための前提条件となる。ゼロ点を決定するための一方法においては、ゼロ点自体を決定するのではなく、同じ電力Ｐ（ｆｋａ）＝Ｐ（ｆｋｂ）を有するゼロ点の左側および右側における２点が決定される。次に、ゼロ点の周波数は、曲線が対称的であると想定した場合、（ｆｋａ＋ｆｋｂ）／２として計算される。しかしながら、マイクロ波電極の幾何学的性質および物理的性質に応じて、ゼロ点のまわりの曲線の形状は非対称的になる可能性がある。これは図２ｂにおいて示される。これにより、距離測定に歪みが生じる。基準Ｐ（ｆｋａ）＝Ｐ（ｆｋｂ）であれば、この非対称性により、最終的な（ｆｋａ＋ｆｋｂ）／２が正確なｆｋとは異なるものになる可能性があり、絶対距離Ｌの決定に誤差が生じる可能性がある。

【0059】

さらに、電極が電極線の中間部分によって給電される場合、Ｐ（ｆ）がゼロに等しくなり、光伝搬の前方および後方の両方に関して変調器の応答の完全な対称性が回復されることを証明することができる。さらに、変調の重心は、変調周波数とは無関係に同じ位置にとどまる。

【0060】

このため、実現可能な設計としては、２本の平行な線が電極のちょうど中心に設定された入力電気ストリップによって給電され、光の伝搬方向とは全く無関係に応答を行う装置に完全な対称性をもたらす。

【0061】

図３は、このような対称的な電極を備えたこのような集積位相変調器を示す。基板２１においては、導波路２２が埋込まれ、共面電極対２３が導波路２２に電界を与えるように配置される。電極対２３の一方の電極は信号発生器２６から入力ストリップ２４によって給電され、他方の電極は出力ストリップ２５によって終端抵抗器配列２７に接続される。

【0062】

この方式の欠点は、変調器電極が、インピーダンス、損失、有効なマイクロ波指数などの線特徴には依存しないがその静電容量には依存する周波数応答を有するひとかたまりの電極として記載され得る点である。このような電極は、電気光学変調応答に低域通過フィルタ特徴を与え、結果として、高周波数（たとえばＧＨｚ範囲）で機能させるのに適さないものとなる。この効果は、電極長を短くすることによって限られた程度にまで抑制することができるであろうが、必要な半波電圧Ｖπを上昇させることになるだろう。

【0063】

図４ａおよび図４ｂは、これらの不利点を克服し、帯域通過応答を呈する変調器を示す。変調器は、複屈折の電気光学結晶からなる基板１を含む。使用可能な材料は、たとえば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）またはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などの強誘電体結晶である。結晶方位は、異常屈折率ｎ_ｅの主軸Ｚが光の伝搬方向に対して９０°で位置合わせされるように選択される。この条件であれば、これらの波の間に広帯域源のコヒーレンス長よりも長い光遅延を導入するために、かつ、たとえば寄生的な光リターンロスからの如何なるスプリアス干渉をも防ぐために、入射光は、常に、光が一偏光状態であれば異常屈折率ｎ_ｅに、そして光が９０°の偏光状態であれば通常屈折率ｎ_ｏにされるだろう。

【0064】

方位配列は、Ｘカット構成においてはＬｉＮｂＯ３の基板であり、Ｙ軸は光の伝搬方向に対して平行であり、Ｘ軸は基板の表面に対して直交し、異常光学軸Ｚは、表面に対して平行であり光の伝搬方向に対して直交している。この構成は、「Ｘカット、Ｙ伝搬およびＺ横軸」と略される。

【0065】

結晶の表面においては、直線的な導波路２が基板１において拡散される。これは、ニオブ酸リチウムの場合にはチタンの拡散によって得ることができるが、但し、導波路を準備するにはさまざまな金属を用いることができる。

【0066】

したがって、基板は、まず、偏光の両方の状態をサポートする上述の光導波路２と、導波路２に対して平行な電極線３の区域１１および１２であるコプレーナストリップとを含む。Ｘカット結晶は、線区域１１および１２を導波路２の両側に配置することを可能にする。電極として作用する区域１１と区域１２との間の隙間は、金属層による誘導光学場の如何なる減衰をも回避するために、導波路幅よりもわずかに大きい。この方式であれば、金属電極は、Ｚカット、Ｙ伝搬、Ｘ横軸の構成（「Ｚカット」構成と略される）の場合に必要となり得る如何なる誘電性緩衝層もなしに、基板表面に直接堆積させることができる。

【0067】

電極は２本の電極線３、第１の分岐３ａおよび第２の分岐３ｂを含む。これらの分岐はともに、入力ストリップ４から始まり、出力ストリップ５で終端する（ともにマイクロストリップ型である）が、導波路２に沿って互いに逆方向に延在する。分岐の各々は、一方端が入力ストリップ４に接続され導波路２に沿って延びる第１の線区域１１を含む。他方の端部においては、第１の線区域１１は、線端部の短絡によって、第２の線区域１２に接続される。第２の線区域１２は導波路２に沿って戻り、出力ストリップ５に接続されている。入力ストリップ４は、信号発生器６に電気的に接続され、当該信号発生器６によって給電され、出力ストリップ５は、電極の特性インピーダンスに整合させることのできるインピーダンスを有する抵抗器７などの終端要素に電気的に接続される。入力ストリップ４および出力ストリップ５は、電極の長さに沿って中間点１６に位置し、好ましくは対称的な形状にされ、各々がＴ−カプラ８によって、第１の線区域１１の始端および第２の線区域１２の終端にそれぞれ取付けられる。

【0068】

「電極の長さ」または「電極長」という語が、全体として導波路２に沿った電極の延在部を示すのに用いられるのに対して、分岐３ａおよび３ｂの各々が、蛇行した分岐に沿って測定される長さを有していることに留意されたい。各分岐がそれ自体に沿ってちょうど１回だけ折り返して戻ってくるこの対称的な実施形態においては、電極の長さは分岐３ａ、３ｂの各々の長さと同じである。第２の線区域１２の長さと等しい第１の線区域１１の長さは「分岐の延在部」と称することとする（なぜなら、これは、分岐がそれ自体を折り返して戻ってくる前に一方向に延在する長さであるからである）。

【0069】

電極線３上の電気信号は線の付近に電界を発生させる。導波路２のうち、導波路２に沿って通過する光がこの電界によって影響を受けている区域は、変調領域１７と称することとする。その長さは、本質的には、導波路２に沿った電極の長さであり、言いかえれば、第１の分岐および第２の分岐の延在部の合計である。各々の分岐３のために、２つの区域１１および１２の電界が重ね合わされ、結果として重ね合わされた電界または全体の電界が変調領域１７に影響を及ぼすこととなる。第１の分岐３ａは、第１のサブ領域１７ａにおける光に影響を及ぼし、第２の分岐３ｂは、変調領域１７の第２のサブ領域１７ｂにおける光に影響を及ぼす。本願において示される実施形態においては、電極長は本質的には変調領域１７の長さと等しく、各々の分岐３ａおよび３ｂの延在部は対応するサブ領域１７ａおよび１７ｂの長さと等しい。

【0070】

図４ｂはＸＺ面に沿った断面を示す。既に記載した要素に加えて、この図は、電極線を担持し粗面を有する面とは反対側にある底面１５を概略的に示す。粗面は、電気信号が電極線３に加えられたときに生じる可能性のある音響共振をなくすかまたは少なくとも抑制する。

【0071】

電極３のこの設計により、高周波数での帯域通過変調が可能となる。入力ストリップ４はＴ−カプラ８への信号を担持する。Ｔ−カプラ８は、入来する電気マイクロ波信号を、電極線３の２つの出力分岐３ａおよび３ｂに至る２つのバランスのとれた部分へと分割する。これらの２つの分岐３ａ、３ｂは、入来するマイクロ波を、第１の分岐３ａのために前方に、そして第２の分岐３ｂのために後方に伝搬させる。分岐３ａおよび３ｂは各々、第一近似（first approximation）においては、マイクロ波が所与の有効なマイクロ波指数および所与の特性インピーダンスで伝搬するマイクロストリップ線として見なすことができる。誘導されたマイクロ波は、送出側の各第１の線区域１１の端部における短絡に到達すると、電極の各分岐３ａ、３ｂにおける第２の線区域１２に沿って、互いに逆方向に伝搬して、第１の分岐３ａの場合には後方に進み、第２の分岐３ｂの場合には前方に進む。

【0072】

低周波数では、マイクロ波の波長が電極長と比べて長く、電圧電位が前方および後方に（第２の分岐の場合にはそれぞれ後方および前方に）沿った伝搬中には変化しないことが分かるだろう。このため、電位の差は変化しないままであり、ほぼゼロに等しくなる。したがって、電気光学変調は光導波路において伝搬する光には適用されない。

【0073】

変調信号の周波数が高くなると、各電極分岐の長さはマイクロ波信号の波長と比べて無視できるものではなくなる。少なくとも１つの周波数のために、各分岐３ａ、３ｂにおいて、第１の線区域１１に沿って伝搬する電界と、第２の線区域１２に沿って伝搬する（短絡によって反射される）電界とは位相が逆の状態である。この状況においては、線区域間の電圧の差が最大限にされる。この状況は、電気波長Ｌ_１が分岐の延在部の２倍に等しくなったときに発生する。言いかえれば、Ｌ_１は、中間点１６から、分岐がそれ自体を折り返して戻ってくる短絡箇所までの距離の２倍に等しい。２つの分岐３ａ、３ｂのこの対称的な構成においては、これはまた、Ｌ_１が電極の長さに等しいことを意味する。この状況は、Ｌ_１の整数分だけ、すなわち、Ｌ_１／２、Ｌ_１／３、Ｌ_１／４などの分だけ繰り返される。Ｌ_１およびその整数分付近の波長に関しては、電圧の差が正弦関数に従って徐々に小さくなる。

【0074】

図５は、電気光学位相変調Δφ（ｆ）の振幅の周波数応答を概略的に示す。変調器において伝搬する光波に適用される位相変調の振幅は、

【0075】

【数2】

【0076】

に比例する。
この場合、ｌは電極長であり、ここでは変調領域１７の長さに等しく、β_ｍは他の変数に応じた係数である。

【0077】

第１の最大値（1st maximum）の位置を推定することができる。

【0078】

【数3】

【0079】

ｃは光の速度であり、ｎ_ｍは電極線３のマイクロ波（屈折）率、すなわち、光の速度に対する電波速度の比である。

【0080】

最後に、各電極線３の各分岐３ａおよび３ｂにおいて伝搬する波は、出力Ｔ−カプラ上で出力ストリップ５に再結合する。線の特性インピーダンスに整合させた終端抵抗器７は、電源６に対する電気的なリターンロスを最小限にするために信号を吸収することができる。

【0081】

具体的な実施形態においては、変調器は以下の特徴を含む：
・ 複屈折ニオブ酸リチウム基板
・ サイズ：長さ２５ｍｍ、厚さ０.５ｍｍ、幅２ｍｍ
・ 構成：Ｘカット、Ｙ伝搬、Ｚ横軸（「Ｘカット構成」と略される）
・ 波長８００ｎｍ
・ 普及した技術におけるチタン
・ ８００ｎｍでの光導波路単一モード
・ 共面のＣｒ−Ａｕ薄膜電極
・ 電極のリング構成
・ 電極ギャップ１２μｍ
・ リングの一分岐の長さは線におけるマイクロ波の実効波長と等しく（例：２ＧＨｚの中心周波数の場合には２０ｍｍ）、分岐の延在部の２倍に等しい。

【0082】

・ 単一の入力マイクロストリップおよび単一の出力マイクロストリップ
・ 圧電音響共振を防ぐための背面の高粗度
・ ケースハウジングによって引き起こされるマイクロ波共振の形成を防ぐために、チップの表面にまたは表面上に配置されたマイクロ波吸収体。

【0083】

図６ａおよび図６ｂは、図４ａおよび図４ｂと本質的に同じ特徴を有する別の実施形態の斜視図および断面図を示しているが、電気的に接地された接地面１８は、電極と共面であり、本質的に電極によって覆われない位置で基板１を覆っている。この接地面１８は、伝搬特性、特に、電極線３に沿ったマイクロ波信号の速度、を変えることを可能にする。

【0084】

図７ａおよび図７ｂは、図４ａおよび図４ｂと本質的に同じ特徴を有する別の実施形態の斜視図および断面図を示すが、以下の点を除く。

【0085】

・ 構成：Ｚカット、Ｙ伝搬、Ｘ横軸（「Ｚカット構成」と略される）
・ 電極分岐のＳ字形構成
・ 上述のように、各々の分岐の延在部の２倍は、印加されるマイクロ波の実効波長と等しいが、分岐がそれ自体を２回折り返しているので、分岐の長さは分岐の延在部の３倍と等しくなる。

【0086】

・ 単一の入力マイクロストリップおよびデュアル末端線出力マイクロストリップ。
より詳細には、この実施形態においては、平面電極線３は２つの分岐３ａおよび３ｂを含み、各々の分岐は、入力ストリップ４のＴ−カプラ８を始端として、
・ 導波路２に沿って平行に、かつ、導波路２の第１の側において、最初の方向に延びる第１の線区域１１と、
・ 導波路２に沿って平行に、かつ、導波路２の上方において、最初の方向とは逆の方向に延びる第２の線区域１２と、
・ 導波路２に沿って平行に、かつ導波路２を挟んで第１の側とは反対側にある導波路２の第２の側において、最初の方向に延びる第３の線区域１３と、
・ 終端抵抗に接続されるべき出力ストリップ１４とを備える。

【0087】

図８および図９は、分岐３ａ、３ｂが、従来の実施形態の鏡面対称ではなく、中間点１６に対して点対称または回転対称を有するＺカット構成における変調器のさらなる実施形態を示す。図８においては、２つの分岐は図９における共通の入力ストリップ４によって給電される。各分岐は別個の入力ストリップ４、４′を有する。入力ストリップおよび出力ストリップの役割は逆にすることができる。第１の分岐と第２の分岐との間の中間点１６における隙間は、分岐同士を互いからＹ方向に間隔を空けた状態で、図示されるよりも大きくすることができる。

【0088】

Ｚカット構成についての対称的な実施形態においては、図７ａ、図７ｂ、図８および図９におけるように、各々の分岐３ａ、３ｂは、それ自体に沿ってちょうど２回折り返しており、分岐３ａ、３ｂの各々の長さ（すなわち、第１の線区域１１、第２の線区域１２および第３の線区域１３の長さの合計）は、それぞれの分岐の延在部の３倍である。電極線３に加えられるマイクロ波信号の波長は、好ましくは、分岐の延在部の２倍である。代替的には、マイクロ波信号の波長の整数倍は分岐の延在部の２倍に等しい。

【0089】

さらなる非対称的な実施形態においては、第１の分岐３ａおよび第２の分岐３ｂは対称的ではなく、異なる幾何学的形状、たとえば異なる断面を有する。結果として、これらは異なるマイクロ波屈折率を有する。なぜなら、マイクロ波の伝搬速度は、特に幾何学的形状に依存するからである。これにより、さらには、異なる形状の分岐におけるマイクロ波信号の波長が異なるものとなる。ここでは、先の実施形態については、「マイクロ波信号の波長」が実効波長、すなわちそれぞれの伝導線に現れた場合の信号の波長、を示すことに留意されたい。分岐を構成するマイクロストリップの幅を広げることにより、分岐に沿って移動するマイクロ波の速度が低下することとなる。マイクロ波信号を出力テーパに同時に到達させるために、かつ導波路２において同じ変調をもたらすために、その分岐における信号の速度で割った分岐の延在部は両方の分岐に対して同じでなければならない。

【0090】

結果として、これらのさらなる実施形態においては、分岐の延在部は異なる波長に適合される。このため、たとえば分岐を狭くすることによってマイクロ波信号がより高速で移動している分岐は、信号が分岐の長さに沿って移動するのにかかる時間を同じままに維持するために、より長くされる。２つの分岐は幾何学的に対称的ではないが、導波路２を通過する光に対する電気光学変調効果は対称的であり、光が導波路２を通過する方向にかかわらず同じである。このような幾何学的に非対称的な電極分岐についての例を以下の２つの図に示す。

【0091】

図１０は、第１の分岐３ａが第２の分岐３ｂよりも細い伝導ストリップを含んでいるＸカット構成を示す。これに対応して、第１の分岐３ａの延在部、第１のサブ領域１７ａは第２の分岐３ｂの延在部よりも長い。（上述のすべての実施形態に関しても）以下の関係が適用される。

【0092】

・ 両方の分岐においては、マイクロ波信号の波長（またはその整数倍）は、分岐の延在部の２倍である。

【0093】

・ 電極長は、２つの分岐３ａ、３ｂの異なる延在部の合計である。
これらの関係は、第１の分岐３ａが第２の分岐３ｂよりも厚い伝導ストリップを備えているＺカット構成を示す図１１にも適用される。

【0094】

これらの関係は、分岐を囲む材料の誘電特性を変えることによって、または、接地面１８などの電極線３に沿ったマイクロ波伝搬に影響を及ぼすさらなる要素によってマイクロ波信号速度が変更される構成（図示せず）にも適用される。信号速度のこのような変更は、対称的に配置された要素（すなわち、両方の分岐上の対応する対称的な要素）によって、または、２つの分岐上に異なる要素を備えることによって、もたらされてもよいが、信号伝搬に対して同じ効果が及ぼされる。

【0095】

上記に示される集積変調器のうちの１つを利用する距離測定装置は、好ましくは、図１の距離測定装置と同様の構造を有し、図１の距離測定装置と同様に動作させられるが、バルク電気光学結晶１０３は、集積変調器のうちの１つと置換えられてもよい。信号源１０８は、信号を発生させるように、好ましくは、変調器の各分岐３ａ、３ｂにおける波長（またはその整数倍）がそれぞれの分岐３ａ、３ｂの延在部の２倍となるＧＨｚ範囲のマイクロ波信号を発生させるように構成される。

【0096】

一実施形態においては、マイクロ波信号の中心周波数は、たとえば、２ＧＨｚ〜３ＧＨｚの範囲内である。変調帯域幅は、たとえば、数１００ＭＨｚの範囲内にある。これは、距離測定に適用するのに十分に適している。

【0097】

本発明の現在好ましい実施形態において本発明を記載してきたが、本発明がこれらに限定されず、添付の特許請求の範囲内でさまざまに具体化および実施され得ることが明確に理解される。たとえば、これまでに示された実施形態は入力ストリップに接続された単一の源および出力に接続された終端抵抗を用いるのに対して、代替的な実施形態は、一般化されたインピーダンスまたは出力に接続された第２の源を有し得る。

【図1】

【図2a-2b】

【図3】

【図4a】

【図4b】

【図5】

【図6a】

【図6b】

【図7a】

【図7b】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】