特開 2025-47234 光変調器、通信システム、および処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025047234

(43)【公開日】2025-04-03

(54)【発明の名称】光変調器、通信システム、および処理方法

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/01 20060101AFI20250326BHJP

   H01Q 13/08 20060101ALI20250326BHJP

   H04B 10/516 20130101ALI20250326BHJP

   H04B 10/2575 20130101ALI20250326BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20250326BHJP

   G02B 6/125 20060101ALI20250326BHJP

【ＦＩ】

G02F1/01 C

H01Q13/08

H04B10/516

H04B10/2575 120

G02B6/12 361

G02B6/125

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023155610

(22)【出願日】2023-09-21

(71)【出願人】

【識別番号】504182255

【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】荒川 太郎

(72)【発明者】

【氏名】中澤 遼太郎

【テーマコード（参考）】

2H147

2K102

5J045

5K102

【Ｆターム（参考）】

2H147AB02

2H147AB11

2H147AB15

2H147AC01

2H147BA15

2H147BD01

2H147BD02

2H147BD03

2H147BE03

2H147DA08

2H147EA12A

2H147EA12B

2H147EA12C

2K102AA21

2K102BA02

2K102BB01

2K102BB04

2K102BC04

2K102DA04

2K102DB02

2K102DB04

2K102DD03

2K102EA01

5J045AA05

5J045DA10

5J045NA03

5K102AA51

5K102AB13

5K102AH02

5K102AH27

5K102PH01

5K102PH41

(57)【要約】

【課題】光変調器における導波路の光を効率よく適切に変調することのできる光変調器を提供する。
【解決手段】光変調器は、ギャップを設けた円形パッチアンテナと、前記ギャップに沿って設けられた導波路と、を備える。
【選択図】図１４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ギャップを設けた円形パッチアンテナと、
前記ギャップに沿って設けられた導波路と、
を備える光変調器。

【請求項2】

前記円形パッチアンテナの外形は、
真円である、
請求項１に記載の光変調器。

【請求項3】

前記円形パッチアンテナの外形は、
楕円である、
請求項１に記載の光変調器。

【請求項4】

前記円形パッチアンテナの外形部の径方向の長さは、
前記円形パッチアンテナが受信する電波の周波数で共振させる長さである、
請求項１に記載の光変調器。

【請求項5】

前記導波路の長さは、
前記円形パッチアンテナが電波と受信した際に発生させる電界の位相と、前記導波路が受ける光の位相とを整合させる長さである、
請求項１に記載の光変調器。

【請求項6】

前記導波路に隣接するように設けられ、上部に前記円形パッチアンテナが設けられる微小リング共振器、
を備える請求項１に記載の光変調器。

【請求項7】

請求項１から請求項６の何れか一項に記載の光変調器と、
光を電気に変調する光学電気変調器と、
前記光変調器と、前記光学電気変調器とを接続する光ファイバー網と、
を備える通信システム。

【請求項8】

ギャップを設けた円形パッチアンテナと、前記ギャップに沿って設けられた導波路と、 を備える光変調器は、
前記円形パッチアンテナが受信した電波によって発生する共振電界により、前記導波路に入射された入射光を変調する、
処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光変調器、通信システム、および処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

さまざまな分野で無線通信が用いられている。特許文献１には、関連する技術として、矩形パッチアンテナを用いた光変調器を備える通信システムに関する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】“Ｐｒｏｐｏｓａｌ ｏｆ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗｉｔｈ ａｒｒａｙ ｏｆ ｐｌａｎａｒ ａｎｔｅｎｎａｓ，”Ｙｕｓｕｋｅ Ｍｉｙａｚｅｋｉ ａｎｄ Ｔａｒｏ Ａｒａｋａｗａ ２０１９ Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ５８ ＳＪＪＥ０５．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、非特許文献１に関連する通信システムでは、受信した電波によって発生する共振電界で光変調器における導波路の光を変調する際に、電波の到来方向によって電界の振動方向（偏波）が異なるため、その共振電界の大きさが大きく減衰する場合がある。そのため、偏波に依らず光変調器における導波路の光を効率よく適切に変調することのできる技術が求められている。

【0005】

本開示の各態様は、上記の課題を解決することのできる光変調器、通信システム、および処理方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために、本開示の一態様によれば、光変調器は、ギャップを設けた円形パッチアンテナと、前記ギャップに沿って設けられた導波路と、を備える。

【0007】

上記目的を達成するために、本開示の別の態様によれば、通信システムは、上記の光変調器と、光信号を電気信号に復調する復調器と、前記光変調器と、前記復調器とを接続する光ファイバー網と、を備える。

【0008】

上記目的を達成するために、本開示の別の態様によれば、処理方法は、ギャップを設けた円形パッチアンテナと、前記ギャップに沿って設けられた導波路と、を備える光変調器は、前記円形パッチアンテナが受信した電波によって発生する共振電界により、前記導波路に入射された入射光を変調する。

【0009】

本開示の各態様によれば、光変調器における導波路の光を効率よく適切に変調することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本開示の一実施形態による通信システムの構成の一例を示す図である。

【図2】矩形パッチアンテナを集積した光変調器の構成の一例を示す第１の図である。

【図3】矩形パッチアンテナを集積した光変調器の構成の一例を示す第２の図である。

【図4】光変調器１００における導波路１００ｂの構成の一例を示す図である。

【図5】導波路１００ｂの真性コアＦＡＣＱＷの電界屈折率変化量の一例を示す図である。

【図6】矩形パッチアンテナの中央にギャップを設けた場合と設けない場合とにおいて発生する電界の違いを説明するための第１の図である。

【図7】矩形パッチアンテナの中央にギャップを設けた場合と設けない場合とにおいて発生する電界の違いを説明するための第２の図である。

【図8】ギャップを設けた矩形パッチアンテナおよびギャップを設けた円形パッチアンテナそれぞれで発生する共振電界の一例を示す図である。

【図9】ギャップを設けた矩形パッチアンテナおよびギャップを設けた円形パッチアンテナそれぞれにおける偏波度に対する光の位相変化量の一例を示す図である。

【図10】矩形パッチアンテナにおける電界と光の位相整合の考え方を説明するための図である。

【図11】ギャップを設けない円形パッチアンテナにおける電界と光の位相整合の考え方を説明するための第１の図である。

【図12】ギャップを設けない円形パッチアンテナにおける電界と光の位相整合の考え方を説明するための第２の図である。

【図13】ギャップを設けた円形パッチアンテナにおける電界と光の位相整合の考え方を説明するための図である。

【図14】ギャップを設けた円形パッチアンテナにおいて発生する電界を説明するための図である。

【図15】本開示の一実施形態による円形パッチアンテナ集積型光変調器の構成の一例を示す図である。

【図16】本開示の一実施形態によるギャップを設けた円形パッチアンテナの最適な寸法の一例を示す図である。

【図17】円形パッチアンテナに微小リング共振器を組み合わせた場合の円形パッチアンテナ集積型光変調器の構成の一部を示す第１の図である。

【図18】円形パッチアンテナに微小リング共振器を組み合わせた場合の円形パッチアンテナ集積型光変調器の構成の一部を示す第２の図である。

【図19】円形パッチアンテナに微小リング共振器を組み合わせた場合の円形パッチアンテナ集積型光変調器による位相変化量の一例を示す図である。

【図20】ギャップを設けた、楕円形の外形を有する円形パッチアンテナにおける共振電界の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。なお、以下の説明では、具体例として量子井戸（Ｆｉｖｅ－ｌａｙｅｒ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ、以下「ＦＡＣＱＷ」と記載）を用いた光変調器を挙げて説明する。しかしながら、本開示の実施形態による光変調器は、量子井戸（ＦＡＣＱＷ）を用いた光変調器に限定されない。本開示の実施形態による光変調器は、例えば、電気光学効果を起こすほかの材料で作られた光導波路であってもよい。
＜実施形態＞
（通信システムの構成）
本開示の一実施形態による通信システム１について図面を参照して説明する。通信システム１は、ギャップを設けた円形パッチアンテナで電波（例えば、ミリ波信号）を受信して生じた電界を導波路へ直接印加し、量子井戸（ＦＡＣＱＷ）構造による電界屈折率の変化により光を変調するアンテナを集積した光変調器を含むＲａｄｉｏ ｏｖｅｒ Ｆｉｂｅｒ（ＲｏＦ）である。図１は、本開示の一実施形態による通信システム１の構成の一例を示す図である。通信システム１は、図１に示すように、メトロネットワーク１０、光変調器２０、光ファイバー網３０、復調器４０、アンテナ５０、光サーキュレーター９０、および、送受信信号分離９１を備える。図１には、通信機器６０（例えば、携帯デバイス）が示されている。

【0012】

メトロネットワーク１０は、コンシューマや法人向けの様々なサービスを収容している。光変調器２０は、電気信号を光信号に変換する。光ファイバー網３０は、光信号を伝送する。復調器４０は、光信号を電気信号に変換する。復調器４０の例としては、フォトディテクター、フォトダイオードなどが挙げられる。アンテナ５０は、通信機器６０との間で電波（例えば、ミリ波信号）を送受信する。アンテナ５０は、ギャップを設けた円形パッチアンテナである。光サーキュレーター９０は、送受信する光信号を分離する。送受信信号分離９１は、送受信する電気信号を分離する。このような構成により、通信システム１は、メトロネットワーク１０が収容している様々なサービスを通信機器６０に提供する。そして、通信システム１における光変調器２０およびアンテナ５０が、円形パッチアンテナで電波（例えば、ミリ波信号）を受信して生じた電界を導波路へ直接印加し、量子井戸構造による電界屈折率の変化により光を変調するアンテナを集積した光変調器である。以下、ギャップを設けた円形パッチアンテナで電波（例えば、ミリ波信号）を受信して生じた電界を導波路へ直接印加し、量子井戸構造による電界屈折率の変化により光を変調するアンテナを集積した光変調器を、円形パッチアンテナ集積型光変調器７０と呼び、この円形パッチアンテナ集積型光変調器７０について主に説明する。

【0013】

（矩形パッチアンテナ）
本開示の一実施形態による円形パッチアンテナで電波（例えば、ミリ波信号）を受信して生じた電界を導波路へ直接印加し、量子井戸構造による電界屈折率の変化により光を変調するアンテナを集積した光変調器についての理解を容易にするために、まず、一般的に知られている矩形パッチアンテナについて説明する。

【0014】

図２は、矩形パッチアンテナを集積した光変調器１００の構成の一例を示す第１の図である。図３は、矩形パッチアンテナを集積した光変調器１００の構成の一例を示す第２の図である。光変調器１００は、例えば、非特許文献１に記載されている光変調器である。光変調器１００は、図２に示すように、アンテナ１００ａ、および導波路１００ｂを備える。アンテナ１００ａは、矩形パッチアンテナである。アンテナ１００ａは、図３に示すように、光導波路を介して、後述するＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板に接続される。光変調器１００では、アンテナ１００ａでミリ波信号を受信して生じた電界を、その下の導波路１００ｂへと直接印加して、導波路１００ｂに採用している量子井戸構造による電界印加時の屈折率変化（電界屈折率変化）の効果によって光を電波で直接変調している。

【0015】

図４は、光変調器１００における導波路１００ｂの構成の一例を示す図である。図４は、導波路１００ｂの断面を示している。導波路１００ｂは、図４に示すように、Ｆｅ－ＩｎＰ基板上にｎ形ＩｎＰ、真性ＩｎＧａＡｌＡｓ、真性コア五層非対称結合量子井戸（Ｆｉｖｅ－ｌａｙｅｒ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ、ＦＡＣＱＷ）、真性ＩｎＧａＡｌＡｓ、真性ＩｎＰ、ｐ形ＩｎＰを順に積層した構造となっている。

【0016】

図５は、導波路１００ｂの真性コアＦＡＣＱＷの電界屈折率変化量Δｎの一例を示す図である。導波路１００ｂは、真性コアＦＡＣＱＷにおいて、図５に示すような非常に大きな電界屈折率変化量Δｎが得られるよう、図４に示すような量子井戸構造となっている。

【0017】

その結果、光変調器１００は、真性コアＦＡＣＱＷに、アンテナ１００ａによって生じた共振電界を印加することによって真性コアＦＡＣＱＷの屈折率が変化し、真性コアＦＡＣＱＷを通る光の位相を受信電波によって直接変調する。

【0018】

図６は、矩形パッチアンテナ１００ａの中央にギャップを設けた場合と設けない場合とにおいて発生する電界の違いを説明するための第１の図である。図７は、矩形パッチアンテナ１００ａの中央にギャップを設けた場合と設けない場合とにおいて発生する電界の違いを説明するための第２の図である。図６の（ａ）の部分は、矩形パッチアンテナ１００ａにギャップを設けない場合の矩形パッチアンテナ１００ａの構成と、発生する電界の一例を示している。図６の（ｂ）の部分は、矩形パッチアンテナ１００ａの中央にギャップを設けた場合の矩形パッチアンテナ１００ａの構成と、発生する電界の一例を示している。また、図７の（ｂ）の部分は、図７の（ａ）の部分に示すＬ１からＬ２までの断面上の位置に応じた電界増幅率（受信電界の大きさを１としたきの増倍率）を示している。

【0019】

ギャップを設けない矩形パッチアンテナ１００ａの場合、図６の（ａ）の部分に示すように、矩形パッチアンテナ１００ａの端においてのみ共振電界が発生する。その一方で、矩形パッチアンテナ１００ａの中央にギャップを設けた場合、図６の（ｂ）の部分に示すように、矩形パッチアンテナ１００ａの外側の端に加えてギャップを設けた側の端にも共振電界が発生する。その結果、図７の（ｂ）の部分に示すように、ギャップを設けた側の端における電界増幅率が高くなる。

【0020】

導波路１００ｂは、図６の（ｂ）の部分や図７の（ａ）の部分に示すように、ギャップに沿って設けられる。そのため、矩形パッチアンテナ１００ａの中央にギャップを設けた場合、ギャップを設けない矩形パッチアンテナ１００ａに比べて、そのギャップを設けたことにより発生する共振電界を導波路１００ｂに印加させることが可能となる。その結果、矩形パッチアンテナ１００ａの中央にギャップを設けた場合、ギャップを設けない矩形パッチアンテナ１００ａに比べて、共振電界により、非常に大きく光を変調することが可能となる。

【0021】

（円形パッチアンテナ）
後述するように、中央にギャップを設けた矩形パッチアンテナ１００ａには、電界の振動方向（偏波）に対して特性が劣化する（具体的には、電界の振動方向の違いによって共振電界が小さくなる箇所がある）という欠点がある。そこで、本開示の一実施形態による通信システム１は、光変調器２０およびアンテナ５０として、ギャップを設けた円形パッチアンテナを含む円形パッチアンテナ集積型光変調器７０を備える。

【0022】

図８は、ギャップを設けた矩形パッチアンテナ１００ａおよびギャップを設けた円形パッチアンテナ５０それぞれで発生する共振電界の一例を示す図である。図８の（ａ）の部分は、ギャップを設けた矩形パッチアンテナ１００ａで発生する共振電界を示している。図８の（ｂ）の部分は、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０で発生する共振電界を示している。図８の（ｃ）の部分は、偏波面の角度θ（以下、偏波角θと記載）を示している。図８の（ａ）の部分に示すように、ギャップを設けた矩形パッチアンテナ１００ａでは、電波の偏波面（すなわち、共振電界の方向）によって共振長が変化するために、共振方向が変化すると共振電界の特性が劣化する（共振電界が小さくなる箇所がある）。それに対して、円形パッチアンテナ５０では、電波の偏波面（すなわち、共振電界の方向）によって共振長が変化しない。そのため、図８の（ｂ）の部分に示すように、円形パッチアンテナ５０で発生する共振電界は、矩形パッチアンテナ１００ａで発生する共振電界に比べて、電界の振動方向（偏波）が変化した場合であっても大きいままでほぼ一定である。すなわち、円形パッチアンテナ５０で発生する共振電界は、電界の振動方向（偏波）に対して特性が劣化しない。なお、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０では、そのギャップにより、上述した共振電界が大きくなるという効果に加えて、後述するような電界と光との位相を整合させることができるという効果が得られる。図８の（ｃ）の部分に示すように、偏波度θは、アンテナの中央から左向きを基準（すなわち、０度）とする角度で表される。

【0023】

図９は、ギャップを設けた矩形パッチアンテナ１００ａおよびギャップを設けた円形パッチアンテナ５０それぞれにおける偏波度θに対する光の位相変化量の一例を示す図である。ギャップを設けた矩形パッチアンテナ１００ａでは、図９に示すように、偏波度θが大きくなるにつれて位相変化量が低下する。一方、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０では、図９に示すように、偏波度θが大きくなっても光変調器２０における光の位相変化量が大きいままほぼ一定である。

【0024】

ここで、ギャップを設けた矩形パッチアンテナ１００ａとギャップを設けた円形パッチアンテナ５０による光の位相変化量に違いが生じる原因について説明する。図９に示す光の位相変化量は、変調時の位相変化量である。共振電界の大きさと光導波路における位相変化量は、屈折率変化量に概ね比例することが知られている。そのため、図９における縦軸は、光導波路に印加される共振電界の大きさを表していると考えることができる。電界の振動方向が矩形パッチアンテナ１００ａにとってベストな方向（θ＝０）である場合、矩形パッチアンテナ１００ａの光の位相変化量は、円形パッチアンテナ５０の光の位相変化量とほぼ同等である。また、偏波がベストな方向（θ＝０）から傾くほど、矩形パッチアンテナ１００ａにおける共振電界の大きさが小さくなる。そのため、矩形パッチアンテナ１００ａの位相変化量が小さくなる。一方、円形パッチアンテナ５０では、どの偏波の電波を受信した場合であっても、矩形パッチアンテナ１００ａにとってベストな方向（θ＝０）の場合の共振電界と同じ程度の共振電界を発生させ光導波路に印加させることができる。従って、円形パッチアンテナ５０では、どの偏波でも効率良く電波を受信できるため、さまざまな偏波の電波が到来する場合には、円形パッチアンテナ５０は、矩形パッチアンテナ１００ａに比べて、トータルで効率の良い位相変化を得ることができる。このように、円形パッチアンテナ５０では、電波の電界振動方向（偏波）にかかわらず光の位相変化特性をほぼ一定にできる。

【0025】

（電界と光の位相整合）
電界と光の位相整合の考え方について説明する。本開示の実施形態における「電界と光の位相整合」とは、「電波の振動周期と光がアンテナにおけるギャップ部分を通過する時間とを合わせる（一致させる）こと」である。図１０は、矩形パッチアンテナ１００ａにおける電界と光の位相整合の考え方を説明するための図である。図１０に示されているＴＲＦは、電波の振動周期を表している。つまり、ＴＲＦ／４は、電波の周期の４分の１の時間を表している。図１０の（ａ）の部分は、電界と光の位相整合を考慮しない場合（すなわち、矩形パッチアンテナ１００ａのギャップに沿って設けられる導波路１００ｂの長さが考慮されていない場合の一例であり、所望の長さに対して長い場合）の共振電界と光の進行とを示している。また、図１０の（ｂ）の部分は、電界と光の位相整合を考慮した場合（すなわち、矩形パッチアンテナ１００ａのギャップに沿って設けられる導波路１００ｂの長さが考慮されており、所望の長さとなっている場合）の共振電界と光の進行とを示している。なお、所望の長さとは、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２でちょうど光が導波路１００ｂを通過し終わる導波路１００ｂの長さである。

【0026】

時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝ＴＲＦ／２までの間、図１０の矩形パッチアンテナ１００ａの上方側の部分に正の共振電界が発生し、図１０の矩形パッチアンテナ１００ａの下方側の部分に負の共振電界が発生する。時刻ｔ＝０に矩形パッチアンテナ１００ａのギャップ部分に侵入した光は、時刻ｔ＝０以降正の位相変化を受け始める。そして、導波路１００ｂが所望の長さよりも長い場合、すなわち、図１０の（ａ）の部分に示すように、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２以降に光が導波路１００ｂ内部を通過している場合、図１０の（ａ）の部分に示すように、矩形パッチアンテナ１００ａの上方側の部分に負の共振電界が発生し、矩形パッチアンテナ１００ａの下方側の部分に正の共振電界が発生する。このように、導波路１００ｂが所望の長さよりも長い場合、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２以降にも光が導波路１００ｂ内部を通過することとなり、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝ＴＲＦ／２までの間に発生する共振電界とは逆の極性を有する共振電界が矩形パッチアンテナ１００ａに発生する。つまり、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２以降、光は、その逆の極性を有する共振電界により、負の位相変化を受け始める。その結果、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝ＴＲＦ／２までの間に発生した共振電界による光の位相変化が、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２以降に発生したその逆の極性を有する共振電界による光の位相変化により打ち消されることになる。

【0027】

一方、導波路１００ｂが所望の長さである場合、すなわち、図１０の（ｂ）の部分に示すように、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２に光が導波路１００ｂからちょうど出る場合、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２以降に矩形パッチアンテナ１００ａに発生した逆の極性を有する共振電界による光の位相変化は生じない。その結果、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝ＴＲＦ／２までの間に発生した共振電界による光の位相変化は、導波路１００ｂが所望の長さよりも長い場合のように、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２以降に打ち消されることはない。つまり、矩形パッチアンテナ１００ａにおいてギャップに沿って設けられる導波路１００ｂの長さは、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２でちょうど光がその導波路１００ｂを通過し終わる長さにすることが望ましいことがわかる。

【0028】

次に、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０における電界と光の位相整合の考え方について説明する。矩形パッチアンテナ１００ａにおいてギャップに沿って設けられる導波路１００ｂの長さは、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２でちょうど光がその導波路１００ｂを通過し終わる長さにすることが望ましい、という考えは、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０にも適用することができる。

【0029】

なお、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０における電界と光の位相整合の考え方の理解を容易にするために、ここでは、ギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａにおける電界と光の位相整合の考え方についても説明する。図１１は、ギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａにおける電界と光の位相整合の考え方を説明するための第１の図である。図１２は、ギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａにおける電界と光の位相整合の考え方を説明するための第２の図である。図１３は、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０における電界と光の位相整合の考え方を説明するための図である。まず、ギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａにおける電界と光の位相整合の考え方について、図１１、図１２を参照して説明する。図１１に示す導波路２００ｂは、ギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａの外周の図１１の上方側を左側から右側へ光が通過する構成となっている。それに対して、図１２に示す導波路２００ｂは、ギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａの外周の図１２の上方側を左側から右側へ光が通過し、ギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａの外周の図１２の下方側を通って左側に光が戻り出力される構成となっている。円形パッチアンテナ２００ａの外側の端部（すなわち、円形パッチアンテナ２００ａの外形部）は、円形パッチアンテナ２００ａが送受信する電波の周波数で共振するよう決定される。なお、ギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａは、所望の長さよりも長い導波路２００ｂを有する円形パッチアンテナの一例である。なお、図１１～図１３の説明において発生する共振電界は、一例であり、偏波角θ＝９０度の場合の共振電界を示している。

【0030】

まず、図１１に示すギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａにおける電界と光の位相整合の考え方について説明する。光が時刻ｔ＝０にギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａに侵入すると、ギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａは、時刻ｔ＝０以降正の位相変化を受け始め、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝ＴＲＦ／４までの間、図１１のギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａの図１１の上方側の部分に正の共振電界が発生し、図１１のギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａの図１１の下方側の部分に負の共振電界が発生する。時刻ｔ＝０にギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａに侵入した光は、時刻ｔ＝０以降正の位相変化を受け始める。ギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａでは、導波路２００ｂが所望の長さよりも長いため、図１１に示すように、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２以降に光が導波路２００ｂ内部を通過する。この場合、図１１に示すように、ギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａの図１１の上方側の部分に負の共振電界が発生し、ギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａの図１１の下方側の部分に正の共振電界が発生する。このように、導波路２００ｂが所望の長さよりも長い場合、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２以降にも光が導波路２００ｂ内部を通過することとなり、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝ＴＲＦ／２までの間に発生する共振電界とは逆の極性を有する共振電界がギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａに発生する。その結果、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝ＴＲＦ／２までの間に発生した正の共振電界による光の位相変化が、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２以降に発生したその逆の極性を有する負の共振電界による光の位相変化により打ち消されることになる。

【0031】

次に、図１２に示すギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａにおける電界と光の位相整合の考え方について説明する。時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝ＴＲＦ／４までの間、図１２のギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａの上方側の部分に正の共振電界が発生し、図１２のギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａの図１２の下方側の部分に負の共振電界が発生する。時刻ｔ＝０にギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａに侵入した光は、時刻ｔ＝０以降正の位相変化を受け始める。ギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａでは、導波路２００ｂが所望の長さよりも長いため、図１２に示すように、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２の時点で光はまだ導波路２００ｂの図１２の上側内部を通過する。時刻ｔ＝ＴＲＦ／２以降、共振電界は逆の極性となり、ギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａの図１２の上方側の部分に負の共振電界が発生し、ギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａの図１２の下方側の部分に正の共振電界が発生する。そのため、この場合、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝ＴＲＦ／２までの間に発生した正の共振電界による光の位相変化が、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２以降の負の共振電界による光の位相変化により打ち消されることになる。

【0032】

次に、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０における電界と光の位相整合の考え方について図１３を参照して説明する。図１３に示すように、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０では、導波路１００ｂはギャップに沿って設けられる。そのため、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０の場合、ギャップの長さを調整することにより、導波路１００ｂを所望の長さに調整することができる。この場合の所望の長さとは、光が時刻ｔ＝０にギャップを設けた円形パッチアンテナ５０に侵入した場合、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２で円形パッチアンテナ５０の図１３の上方側の導波路１００ｂをちょうど通過し終わり、その後、光が円形パッチアンテナ５０の図１３の下方側の導波路１００ｂを通って時刻ｔ＝ＴＲＦで導波路１００ｂを通過し終わる導波路１００ｂの長さである。時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝ＴＲＦ／４までの間、図１３のギャップを設けた円形パッチアンテナ５０の図１３の上方側のギャップの外側部分に正の共振電界、上方側のギャップの内側部分に負の共振電界が発生し、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０の図１３の下方側のギャップの外側部分に負の共振電界、下方側のギャップの内側部分に正の共振電界が発生する。導波路１００ｂが所望の長さに調整されたギャップを設けた円形パッチアンテナ５０の場合、図１３に示すように、時刻ｔ＝０にギャップを設けた円形パッチアンテナ５０の外側導波路に侵入した光は、時刻ｔ＝０以降正の位相変化を受け始める。そして、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２まで、光は、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０の図１３の上側の導波路１００ｂの部分を通過する。また、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２以降、光は、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０の図１３の下側の導波路１００ｂの部分を通過する。なお、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２以降、共振電界の極性が逆になり、図１３のギャップを設けた円形パッチアンテナ５０の図１３の上方側のギャップの外側部分に負の共振電界、上方側のギャップの内側部分に正の共振電界が発生し、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０の図１３の下方側のギャップの外側部分に正の共振電界、下方側のギャップの内側部分に負の共振電界が発生する。つまり、時刻ｔ＝ＴＲＦ／２以降も、光は、正の位相変化を受け続ける。その結果、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０の場合、逆の極性を有する共振電界による光の位相変化により変調の効果が打ち消されることはない。また、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０では、ギャップを設けた矩形パッチアンテナ１００ａや図１１に示すギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａに比べて、光が正の位相変化を受ける時間を２倍にすることができる。そのため、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０では、ギャップを設けた矩形パッチアンテナ１００ａや図１１に示すギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａに比べて、変調の効果が２倍に増大される（変調量が２倍になる）。

【0033】

図１４は、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０において発生する電界を説明するための図である。図１４の（ｂ）の部分は、図１４の（ａ）の部分に示すＬ１からＬ２までの断面上の位置に応じた電界増幅率を示している。

【0034】

円形パッチアンテナ５０の中央にギャップを設けた場合、図１４の（ｂ）の部分に示すように、円形パッチアンテナ５０の外側の端に加えてギャップを設けた円形パッチアンテナ５０の端にも共振電界が発生する。その結果、図１４の（ｂ）の部分に示すように、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０の端における電界増幅率が高くなる。その結果、中央にギャップを設けた円形パッチアンテナ５０では、ギャップを設けない円形パッチアンテナ２００ａに比べて、共振電界により、非常に大きく光を変調することが可能となる。なお、ギャップを設けていない円形パッチアンテナ２００ａの場合、アンテナの端に共振電界が発生しそれ以外のところでは共振電界が発生しない。

【0035】

（円形パッチアンテナ集積型光変調器）
図１５は、本開示の一実施形態による円形パッチアンテナ集積型光変調器７０の構成の一例を示す図である。円形パッチアンテナ集積型光変調器７０は、図１５に示すように、アンテナ５０、および導波路１００ｂを備える。アンテナ５０は、中央にギャップを設けた円形パッチアンテナである。アンテナ５０は、光導波路を介して、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板に接続される。円形パッチアンテナ集積型光変調器７０では、アンテナ５０で電波（例えば、ミリ波信号）を受信して生じた電界を、その下の導波路１００ｂへと直接印加して、導波路１００ｂに採用している量子井戸構造による電界屈折率変化の効果によって光を電波で直接変調している。円形パッチアンテナ集積型光変調器７０の構成は、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０の上述した利点を活かすために、図２に示す矩形パッチアンテナ１００ａの代わりに中央にギャップを設けた円形パッチアンテナ５０に置き換えた構成である。マッハ・ツェンダー干渉系となっており、差動動作（プッシュ・プル動作）により、効率の良い光強度変調が行える。

【0036】

上述したように、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０では、円形パッチアンテナ５０の外形部の径方向の長さを調整することにより、円形パッチアンテナ５０が送受信する電波の周波数で共振させることができ、かつ、ギャップを設ける位置を考慮する（すなわち、光位相変調部の長さを考慮する）ことにより、電界と光の位相を整合させることができる。例えば、電波の周波数をｆ、電界と光の位相を整合させるためのアンテナにおける光位相変調部の長さをＬとする。この場合、光がアンテナにおける光位相変調部の長さＬに相当する導波路１００ｂを通過する時間は、電波の１周期に等しい。そのため、アンテナにおける変調部の長さをＬは、式（１）のように表すことができる。

【0037】

【数1】

【0038】

ただし、ＴＲＦは電波の周期、ｃは真空中の光速、ｎは導波路１００ｂのコア層の群屈折率（例えば、図３における真性コアＦＡＣＱＷの群屈折率）である。電波の周波数ｆが６０ＧＨｚ（ＴＲＦ＝１／（６０×１０Ｅ－９）秒）とし、導波路１００ｂのコア層の群屈折率ｎとして導波路１００ｂの等価屈折率ｎ＝３．２３３を用いると、アンテナにおける変調部の長さＬは、式（１）から、Ｌ＝（３×１０Ｅ＋８）／３．２３３×１．６６７×１０Ｅ－１２≒１５４６．８マイクロメートルとなる。

【0039】

図１６は、本開示の一実施形態によるギャップを設けた円形パッチアンテナ５０の最適な寸法の一例を示す図である。図１６に示すギャップ半径は、電波と光の位相整合がとれ、電波の偏波角に依らず位相変化量が一定となるギャップ半径２４６マイクロメートルである。なお、図１６における円形パッチアンテナ５０の外形部の径方向の長さ３３０マイクロメートルは、電波の周波数ｆが６０ＧＨｚであり、導波路１００ｂのコア層の群屈折率ｎが３．２３３の場合の寸法である。

【0040】

以上、本開示の一実施形態による通信システム１について説明した。通信システム１の円形パッチアンテナ集積型光変調器７０（光変調器の一例）は、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０と、前記ギャップに沿って設けられた導波路１００ｂと、を備える。

【0041】

この円形パッチアンテナ集積型光変調器７０（光変調器の一例）により、円形パッチアンテナ５０のギャップに沿って導波路１００ｂが設けられることにより、ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０が受信する電波により発生する共振電界が電波の振動方向によらず強くほぼ一定の大きさとなる。また、その強くほぼ一定の大きさの共振電界により、導波路１００ｂにおける光を直接変調することができる。その結果、光変調器における導波路の光を効率よく適切に変調することができる。

【0042】

なお、本開示の別の実施形態による通信システム１の円形パッチアンテナ集積型光変調器７０は、円形パッチアンテナ５０に微小リング共振器８０を組み合わせるものであってもよい。図１７は、円形パッチアンテナ５０に微小リング共振器８０を組み合わせた場合の円形パッチアンテナ集積型光変調器７０の構成の一部を示す第１の図である。図１８は、円形パッチアンテナ５０に微小リング共振器８０を組み合わせた場合の円形パッチアンテナ集積型光変調器７０の構成の一部を示す第２の図である。

【0043】

微小リング共振器８０は、図１７に示すように、導波路１００ｂに隣接するように設けられる。微小リング共振器８０は、マイクロリング共振器である。図１８に示すように、その微小リング共振器８０の上部に、円形パッチアンテナ５０が設けられる。円形パッチアンテナ５０により、微小リング共振器８０のリング部に電界屈折率の変化が生じ位相変調が行われる。円形パッチアンテナ５０に微小リング共振器８０を組み合わせた場合の円形パッチアンテナ集積型光変調器７０は、微小リング共振器８０のリング部に導波路１００ｂから光が閉じ込められて、そのリング部を光が何回も繰り返し通過することにより共振するような構造となっている。リング部を光が何回も繰り返し通過することにより、共振時に光がリング部を通過する際に得られる位相変化量が増大する。そのため、リング部を光が１回通過することによる位相変化量が不十分な場合であっても、リング部を光が何回も繰り返し通過することにより、円形パッチアンテナ５０に微小リング共振器８０を組み合わせた場合の円形パッチアンテナ集積型光変調器７０では、大きな位相変化量となって光を取り出すことができる。微小リング共振器８０は円形である。そのため、円形パッチアンテナ５０を用いることにより、微小リング共振器８０全体に対して電界を印加することができる。また、円形パッチアンテナ５０においてギャップ位置（すなわち、アンテナにおける変調部の長さ）を調整することにより電界と光の位相を整合させることができる。その結果、円形パッチアンテナ５０に微小リング共振器８０を組み合わせた場合の円形パッチアンテナ集積型光変調器７０では、微小リング共振器８０を用いない場合に比べて、位相変化量を大きくすることができる。なお、位相整合しない場合、光がほとんど変調されなくなる。そのため、微小リング共振器を用いる場合に、位相整合がとれることは極めて重要である。

【0044】

図１９は、円形パッチアンテナ５０に微小リング共振器８０を組み合わせた場合の円形パッチアンテナ集積型光変調器７０による位相変化量φの一例を示す図である。αは導波路１００ｂの損失である。また、Ｋは導波路１００ｂと微小リング共振器８０の結合効率である。ギャップを設けた円形パッチアンテナ５０に微小リング共振器８０を組み合わせた場合の円形パッチアンテナ集積型光変調器７０では、図１９に示すように、微小リング共振器８０を用いないギャップを設けた円形パッチアンテナ５０を備える円形パッチアンテナ集積型光変調器７０や、微小リング共振器８０を用いないギャップを設けた矩形パッチアンテナ１００ａを備える光学電気変調器１００に比べて、大きな位相変化量φを得ることができる。

【0045】

また、本開示の別の実施形態による通信システム１の円形パッチアンテナ集積型光変調器７０は、ギャップを設けた、楕円形の外形を有する円形パッチアンテナ５０を備えるものであってもよい。図２０は、ギャップを設けた、楕円形の外形を有する円形パッチアンテナ５０における共振電界の一例を示す図である。ギャップを設けた、楕円形の外形を有する円形パッチアンテナ５０では、偏波面によってアンテナ長が変化するため共振周波数が変化する。よって、ギャップを設けた、楕円形の外形を有する円形パッチアンテナ５０を備える円形パッチアンテナ集積型光変調器７０では、偏波による共振周波数の選択性を持たせることができる。

【0046】

本開示のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例であり、開示の範囲を限定しない。これらの実施形態は、開示の要旨を逸脱しない範囲で、種々の追加、省略、置き換え、変更を行ってよい。

【0047】

なお、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

【0048】

（付記１）
ギャップを設けた円形パッチアンテナと、
前記ギャップに沿って設けられた導波路と、
を備える光変調器。

【0049】

（付記２）
前記円形パッチアンテナの外形は、
真円である、
付記１に記載の光変調器。

【0050】

（付記３）
前記円形パッチアンテナの外形は、
楕円である、
付記１に記載の光変調器。

【0051】

（付記４）
前記円形パッチアンテナの外形部の径方向の長さは、
前記円形パッチアンテナが受信する電波の周波数で共振させる長さである、
付記１から付記３の何れか１つに記載の光変調器。

【0052】

（付記５）
前記導波路の長さは、
前記円形パッチアンテナが電波と受信した際に発生させる電界の位相と、前記導波路が受ける光の位相とを整合させる長さである、
付記１から付記４の何れか１つに記載の光変調器。

【0053】

（付記６）
前記導波路に隣接するように設けられ、上部に前記円形パッチアンテナが設けられる微小リング共振器、
を備える付記１から付記５の何れか１つに記載の光変調器。

【0054】

（付記７）
付記１から付記６の何れか１つに記載の光変調器と、
光を電気に変調する光学電気変調器と、
前記光変調器と、前記光学電気変調器とを接続する光ファイバー網と、
を備える通信システム。

【0055】

（付記８）
ギャップを設けた円形パッチアンテナと、前記ギャップに沿って設けられた導波路と、 を備える光変調器は、
前記円形パッチアンテナが受信した電波によって発生する共振電界により、前記導波路に入射された入射光を変調する、
処理方法。

【符号の説明】

【0056】

１・・・通信システム
５・・・コンピュータ
６、２０５・・・ＣＰＵ
７・・・メインメモリ
８・・・ストレージ
９・・・インターフェース
１０・・・メトロネットワーク
２０、１００・・・光変調器
３０・・・光ファイバー網
４０・・・復調器
５０・・・アンテナ（ギャップを設けた円形パッチアンテナ）
６０・・・通信機器
７０・・・円形パッチアンテナ集積型光変調器
１００ａ・・・アンテナ（ギャップを設けた矩形パッチアンテナ）
１００ｂ・・・光導波路
２００ａ・・・アンテナ（ギャップを設けない円形パッチアンテナ）

【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】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】