专利名称：利用非共线补偿网络的外光调制的制作方法
技术领域：
本发明涉及光调制领域，具体涉及高速外光调制的方法和设备。
光调制器施加或调制RF(或微波)电信号到光束上，用于产生携带数据的调制光束。调制器直接调制光源中产生的光束，或调制器外调制产生之后的光束。通常是，通过调制光源的驱动电流完成直接调制。集成电吸收调制器也能调制光离开光源之后的光强。
可以利用与光源分开的外调制器完成外调制。外调制是有利的，因为它可以在非常宽的带宽上调制信号。外调制器通常是包含行波电极结构的电压控制器件，它与光波导紧密相邻。电极结构产生一个电场，它重叠在光波导上一段预定距离(相互作用长度)，并产生调制光信号的电磁相互作用。
铌酸锂(LN)电光外调制器越来越多地应用于调制光信号上的数据，这些光信号以非常高的数据速率和通过很长的距离被发射。铌酸锂调制器是有利的，因为它们可以在很宽的频率范围内调制光信号，它们利用极小的光频率偏移(频率“线性调频”)调制光信号，且它们工作在很宽的波长范围。对于密集波分复用(DWDM)宽带光通信系统，该系统利用多个光波长通过单根光纤发射光信号，这些特征是特别需要的。
以高数据速率和通过很长距离传输的调制器必须是高效率的，以避免使用昂贵的电子放大器和数字驱动器。此外，调制器必须是小型化的，为的是减小发射机卡上所需的空间。
铌酸锂晶体有传播通过该晶体的光信号与电信号之间的固有速度失配，它影响了调制效率。RF传播指数远远高于铌酸锂的光折射率。即，相对于光信号，铌酸锂晶体减慢了的RF信号，因此，RF信号需要较长的时间周期传播通过相互作用距离。RF信号与光信号变得不同相或“分离”。所以，调制是低效率的。相互作用距离越长，效率就越低。采用缓冲层可以减小速度的分离，然而，所需的相互作用距离是很长的。
图1表示现有技术电光器件10的顶视图，利用与光波导共线的相位反转部分，电光器件补偿传播通过该器件的光信号与电信号之间的速度失配。电光器件10包括光波导12和RF电极14，该电极放置在零度相位部分16和相位反转部分18。相位反转部分18周期性地翻转RF电极14到光波导12的两侧，在RF信号中产生相对于光信号的180度相移。放置的RF电极14是在零度相移部分16与180度相移部分18之间变更。选取这样的零度相移部分16长度，RF信号在相位反转部分18中翻转180度之前，它“分离”光信号约180度。
图2表示现有技术电光器件30的顶视图，利用共线但间歇的相互作用部分，电光器件30补偿传播通过该器件的光信号与电信号之间的速度失配。电光器件30包括光波导32和RF电极34，放置的RF电极34是在相对于光波导32的相互作用区36与非相互作用区38之间变更。选取这样的相互作用区36长度，当RF信号在共线方向被路由偏离光波导32和进入非相互作用区38之前，RF信号与光信号的“分离”高达180度的相移。选取这样的非相互作用区38长度，在非相互作用区38的末端，RF信号变成与光信号相位匹配。
电光器件补偿传播通过该器件的光信号与电信号之间的速度失配，现有技术电光器件的一个缺点是每单位长度相对低的调制效率。这是因为利用共线部分改变RF信号的相位，这些共线部分是以180度的间隔放置的。当RF信号与光信号之间的相位差接近180度时，随电极长度增量变化而产生的调制深度增量接近于零。所以，必须增加电光器件的总长度以获得所需的调制。增加铌酸锂器件的长度就增大了它的封装尺寸，由于发射机底板上的有限空间，增大尺寸是不可取的。现代技术DWDM系统由于它的大量信道数目有严格的空间要求。此外，因为需要较高的驱动电压，必须采用更昂贵和更大的功率源。
所以，本发明的一个主要目的是提供一种包括补偿网络的电光器件，相对于光信号上累积调制的相位或幅度，补偿网络至少改变电信号的相位或幅度，而没有引入很大的损耗或降低调制效率。这种补偿网络的另一个主要目的是补偿电信号与光信号之间的速度失配。这种补偿网络的另一个主要目的是补偿调制器衬底上的外扰动效应，例如，铌酸锂衬底上的温度效应。这种补偿网络的另一个主要目的是，该补偿网络是可拆卸的连接到电光器件，便于改变电光器件的频率响应。本发明的另一个主要目的是构造带这种补偿网络的调制器，它与现有技术宽带调制器结合使用以形成组合的调制器，能够产生宽带调制器的带宽延伸到窄带调制器区域。
本发明的一个主要发现是，可以构造带补偿网络的电光器件，该补偿网络暂时地引导电信号到相对于光信号传播方向的非共线方向路径上，这种补偿网络与现有技术相比有许多优点。例如，这种补偿网络能够改变相对于光信号的电信号相位，在引入很小损耗的同时，把速度失配效应减至最小。这种补偿网络还能够补偿电光器件上的外扰动效应。在本发明的一个实施例中，这种补偿网络用于构造这样一个调制器，提供每单位长度电极更高效率的调制。
所以，本发明的特征是，电光器件包括形成在诸如铌酸锂电光材料中的光波导。光波导沿第一传播方向传送光信号。电波导也形成在该电光材料中并相对于光波导共线放置，电波导与光波导进行电磁波通信。电波导也沿第一传播方向传送电信号。
此外，电光器件包括在结点处电耦合到电波导的补偿网络。补偿网络沿第二传播方向传送电信号，第二传播方向基本上是与第一传播方向非共线的。在一个实施例中，补偿网络至少包括其中之一电感电容“Pi”网络，行波耦合器，滤波器，和传输线变压器。
相对于结点处光信号上累积调制的相位或幅度，补偿网络设计成至少改变结点处的电信号相位或幅度，然后，返回改变的电信号到电波导。补偿网络可以是时间延迟网络或相位延迟网络。
在一个实施例中，补偿网络是改变电信号相位的相位延迟网络，因此，就增大电光器件的电光响应。在另一个实施例中，补偿网络是改变电信号相位的相位延迟网络，因此，结点处的电光相位与电波导输入端处的电光相位大致相同。
在另一个实施例中，补偿网络是这样一个相位延迟网络，相对于结点处光信号上累积调制的相位，相位延迟网络改变结点处电信号相位一个预定延迟量，该延迟量是在零度至180度的范围内可变。在这个实施例中，相对于结点处光信号上累积调制的相位，结点处电信号的相位可以改变成约为180度。
本发明补偿网络的一个优点是，每单位长度的电损耗可以设计成远远低于每单位长度电波导的电损耗，把RF损耗减至最小。补偿网络的另一个优点是，它是可拆卸的连接到电光器件，因此，该补偿网络可以被不同特性的另一种补偿网络代替。补偿网络的另一个优点是，该补偿网络的温度关系可以做成反比于电光材料的温度关系，用于补偿该电光材料中的温度非线性。
本发明的特征是一种包括多个补偿网络的电光调制器。光波导形成在诸如铌酸锂的电光材料中。光波导沿第一传播方向传送光信号。电波导形成在该电光材料中并相对于光波导以共线方向放置，电波导与光波导进行电磁波通信。电波导也沿第一传播方向传送电信号。多个补偿网络中的每个网络电耦合到多个结点中一个结点处的电波导。每个补偿网络沿第二传播方向传送电信号，第二传播方向基本上是与第一传播方向非共线的。
在工作时，相对于结点处光信号上累积调制的相位，多个补偿网络中的每个网络改变多个结点中各自结点处的电信号相位一个预定延迟量，然后，返回改变的电信号到电波导。预定延迟量是在零度至180度的范围内可变，在本发明的一个实施例中，预定延迟量大致为180度。在另一个实施例中，相对于各自结点处光信号上累积调制的相位，每个补偿网络改变各自结点处的电信号相位，因此，就增大电光器件的电光响应。
本发明的具体描述是在所附的权利要求书中。参照以下结合附图的描述，可以更好地理解本发明的以上和其他优点，其中
图1表示现有技术电光器件的顶视图，利用与光波导共线的相位反转部分，电光器件补偿传播通过该器件的光信号与电信号之间的速度失配。
图2表示现有技术电光器件的顶视图，利用共线但间歇的相互作用部分，电光器件补偿传播通过该器件的光信号与电信号之间的速度失配。
图3表示现有技术行波电光器件的电极剖面图，其中电信号和光信号是沿完全共线的路径传播。
图4表示按照本发明包括补偿网络的分段电光器件的顶视图，其中电信号沿与光信号非共线的路径传播。
图5a-c是现有技术非速度匹配调制器的电光响应矢量表示，该调制器有3种电极长度分别为L；2L；和3L。
图6是本发明非速度匹配调制器的电光响应矢量表示，该调制器改变调制信号，从而增大调制器的电光响应。
图7a-b是本发明调制器的电光响应矢量表示，该调制器分别有最佳和非最佳的调制效率。
图8是两种调制器的理论调制效率的比较曲线(1)按照本发明的分段电光调制器；和(2)优化的非速度匹配现有技术调制器。
图9是按照本发明的分段电光调制器与两个优化的速度匹配现有技术调制器的理论调制效率的比较曲线。
图3表示现有技术行波电光器件50的电极剖面图，其中电信号和光信号是沿完全共线的路径传播。衬底52是由诸如铌酸锂(LiNbO3)的电光材料构成的。许多现有技术器件采用X轴切割LiNbO3衬底。该器件包括完全放置在衬底52内的光波导54。光波导54可以是通过扩散钛到LiNbO3衬底52中形成的。电波导放置在带热电极56和基电极58的共平面型波导(CPW)结构中，热电极56位于CPW结构的中心，而基电极58位于热电极56的相郐两侧。两个基电极58与热电极之间有间隙60。典型的现有技术电光器件长度是20mm量级。
光和电调制信号分别沿光波导54和电波导56,58传播进入页平面。电调制信号产生从热电极56到基电极58的电场62。我们希望把所需的电调制信号幅度减至最小。通常选取很小的间隙60，使电波导56,58与光波导54之间有最大的电磁相互作用，因此，把所需的电调制信号幅度减至最小。
所需的电调制信号幅度是由电光器件的开关电压-长度积(Vpi-L)确定的，它是电极结构和电场62与光信号之间重叠程度的函数。对于图3所示的CPW结构，典型的现有技术电光器件的Vpi-L通常是40-50 Volt-mm。因此，对于电极为20mm长的电光器件，所需的电调制信号约为2 Volt。
现有技术电光器件50的一个缺点是，高调制频率下的RF损耗很大。对于LiNbO3，典型的RF损耗范围大约是从0.5至1dB/Sqrt(GHz)。所以，电波导56,58与光波导54之间电磁相互作用在高频下减小，从而增大了Vpi-L以及所需的电调制信号幅度。
现有技术电光器件的另一个缺点是，光信号速度和电调制信号速度是不同的。电调制信号的速度是由RF传播指数确定的，它可以高达3.5至4.0。光信号的速度是由光传播指数确定的，对于LiNbO3，它大约为2.1。RF指数与光传播指数的差别导致光信号与电调制信号之间严重的速度失配。这种速度失配导致光信号与电调制信号的不同相，从而减小或抵消累积的调制，和增大所需电调制信号的幅度。
一些现有技术电光器件包含放置在电极56,58与衬底52之间的缓冲层64，它的折射率小于衬底52的折射率。采用缓冲层64降低了RF指数，因为与衬底52合在一起的缓冲层64给出平均的有效RF指数，有效RF指数的大小是介于缓冲层64折射率与RF指数之间。然而，采用缓冲层降低了电光器件的效率，因为电场必须穿透较长的路径，因而减小了电场幅度。
图4表示按照本发明的分段电光器件100的顶视图。该器件包括形成在电光衬底103上的电光AM调制器102，在一个实施例中，衬底103是LiNbO3衬底。光波导104形成在图3中描述的衬底中，或采用其他现有技术中已知的方法。光波导104的光信号输入端106是用于接收入射的光束。光波导104分割成两条路径。
调制器102包含共平面型电波导108，它沿图3所示的热电极和基电极传送电调制信号。电波导108有第一共线部分110和第二共线部分112，其中电调制信号沿相对于光信号的共线方向传播。第一共线部分110在补偿点113处结束。
在本发明的一个实施例中，选取第一共线部分和第二共线部分的长度大致为这个长度，其中电调制信号与光信号之间的速度失配随附加的电极长度造成调制效率增量变化的重大退化。在本发明的另一个实施例中，选取第一共线部分和第二共线部分的长度大致为这个长度，其中电调制信号与光信号之间的速度失配是这样的，电调制信号相对于光信号上累积调制的相位是180度的不同相。
电波导108还有第一非共线部分114，第二非共线部分116，第三非共线部分118，和第四非共线部分120，其中电调制信号沿相对于光信号的非共线方向传播。带基电极123的调制信号输入波导122电耦合到第一非共线部分114。调制信号输入波导122可以放置在图4所示的单独衬底或调制器衬底103上。
电光器件100还包括补偿网络124，它由第二非共线部分116耦合到补偿点113。补偿网络124可以设计成提供任何类型的频率响应。在本发明的一个实施例中，补偿网络124设计成这样，它的频率响应增大调制效率。
补偿网络可以用很多个行波和集总单元结构实现，在本领域专业中称之为电感电容“Pi”网络，行波耦合器，滤波器，和传输线变压器。在一个实施例中，补偿网络124包括有一段长度的相位延迟部分，相对于光信号上累积调制的相位，它延迟电调制信号的相位。
在本发明的一个实施例中，补偿网络124设计成产生的频率响应特性随至少一个外部扰动而变化，该频率响应特性补偿这种扰动。例如，补偿网络124可以设计成产生的频率响应特性随温度变化，它补偿调制器衬底103中的温度变化效应。这可以通过改变补偿网络的物理长度，介电常数，或其他参数来完成。
在本发明的一个实施例中，补偿网络124放置在与调制器102分开的衬底126上，且可拆卸的连接到调制器102。这种特征可以使电光器件容易地被重新配置。例如，本发明的调制器可用在有可变带宽的光通信系统中。在这种系统中，把有所需频率响应的网络代替补偿网络，可以容易地改变带宽。
本发明的一个优点是，可以设计成这样的补偿网络124电极结构，它与调制器102的共平面型电波导比较有非常小的损耗。即，包括补偿网络124的电极可以是这样的结构，它有相对低电阻损耗的较宽导体和各个导体之间的较宽间隙，减小了趋肤效应损耗。此外，补偿网络124可以形成在与调制器102分开的低损耗衬底上。在一个实施例中，输入波导122和补偿网络124形成在陶瓷衬底上以减小RF损耗。
在本发明的一个实施例中，调制器102的共平面型电波导108终止于匹配阻抗128，它连接到第四非共线部分120的末端。终止电波导108可以消除或减小反射，这种反射增大返回到RF信号发生器的RF信号，RF信号发生器连接到输入端122。在图4所示的实施例中，匹配阻抗128是连接到衬底126的芯片电阻器。
在另一个实施例中，补偿网络124是直接形成在调制器衬底103上。在一个实施例中，补偿网络124是制作在铌酸锂衬底上，铌酸锂衬底可以直接形成在调制器衬底103或可以形成在分开的铌酸锂衬底上。在铌酸锂衬底上制作补偿网络124是有利的，因为铌酸锂对于寄生效应不太敏感，例如，与封装(未画出)的寄生耦合。在补偿网络制作在铌酸锂衬底上的一个实施例中，该补偿网络内的热电极宽度为100微米或更小。此外，在一个实施例中，输入端处的基电极是与输出端处的基电极隔离的，以防基电流绕过延迟线旁路。
在本发明的另一个实施例中，图4所示的电光器件与诸如图3所示的现有技术器件组合使用。这种组合形成一个组合的窄带和宽带调制器，可用于产生宽带调制器的带宽延伸到窄带调制器区域。
在工作时，光信号耦合到光波导104的光信号输入端106，而电调制信号耦合到调制信号输入波导122。光信号沿光波导104传播。电调制信号沿共平面型电波导108的第一非共线部分114传播，直至它与电波导108的第一共线部分110合并。然后，电调制信号沿着它与光信号电磁相互作用的第一共线部分110传播，从而调制光信号。
然后，电调制信号在补偿点113处偏离光波导108到达共平面型电波导108的第二非共线部分116，它把电调制信号引到补偿网络124。相对于光信号上累积调制的幅度或相位，补偿网络124至少分别改变电调制信号的幅度或相位，然后，返回补偿的调制信号到共平面型电波导108的第三非共线部分118。调制的光信号被光检测器(未画出)检测和被解调器(未画出)解调。
电波导108的第三非共线部分118上传播的补偿电调制信号与电波导108的第二非共线部分112合并。然后，补偿的调制信号沿着它与光信号电磁相互作用的第二共线部分112传播，从而调制光信号。
在一个实施例中，改变电调制信号的相位，使调制器的电光响应增大。电光响应的意思是，检测的调制器输出电压的幅度和相位与RF调制信号的幅度和相位之间的比率。电光响应代表部分调制器或整个调制器的光信号上累积的调制。现有技术非速度匹配调制器和按照本发明调制器的电光响应表示在以下的矢量图中。
图5a-c是现有技术非速度匹配调制器的电光响应矢量表示，该调制器有3种电极长度分别为L；2L；和3L。电光响应矢量的幅度代表调制强度，而电光响应矢量的相位代表输入的RF调制信号与光电检测器上检测的输出电压之间的相位关系。电光响应矢量Reo定义成光电检测器产生的电压与RF调制电压之间的比率，该光电检测器检测调制的光信号。
假设RF损耗可以忽略，调制器每个分段的电光响应幅度是相同的。然而，电光响应的相位(电光相位)是变化的，电光响应的相位是每个分段累积调制的RF相位。这是因为光信号与传播RF信号之间的速度失配。即，RF信号传播慢于光学模式，所以，电光相位变化是用每个分段矢量的逆时针旋转表示。频率越高和/或速度失配越大，相位的旋转就越快。由于速度失配，合成矢量Reo的幅度小于各个矢量的幅度之和。
电极长度为2L(图5b)和3L(图5c)的响应幅度被归一化成电极长度为L(图5a)的响应幅度。图5b表示在电极长度2L之后的电光相位改变180度。即使电极长度为2L调制器长度是电极长度为L调制器长度的两倍，电极长度为2L调制器的总电光响应仅仅比电极长度为L调制器的电光响应大40％。
图5c表示在电极长度3L之后的电光相位改变270度。实际上，电极长度为3L调制器的总电光响应减小到与电极长度为L调制器电光响应有相同的幅度(图5a)。若调制器的长度增大到4L(未画出)，其电光响应就变成零响应，因为对于图5所示的无损耗调制器，多个矢量描绘出一个圆。对于包含RF损耗的调制器，多个矢量描绘出一个螺旋状的路径。
图6是本发明非速度匹配调制器的电光响应矢量表示，该调制器改变调制信号，因而增大调制器的电光响应。图6所示的调制器有长度为L的4个分段，被3个补偿网络分开。3个补偿网络中的每个网络调整每个分段的电光相位，以获得各个电光响应矢量的相干叠加，从而增大调制。
对于图6所示的例子，只允许电光响应变化90°，则补偿网络改变相位超前θ，如图中所示。在本发明的一个实施例中，补偿网络包括产生相位滞后的时间延迟网络，其大小为360°-θ。例如，若θ=90°，则时间延迟网络产生270°的相位滞后。若在输入点略微下行的方向重新引入RF，则选取的实际相位延迟应当大于270°，为的是考虑到光的额外过度时间。
对于图6所示的例子，本发明的非速度匹配调制器有4个长度为L的分段，被3个补偿网络分开，每个网络引入270度的相位延迟，总的电光响应与现有技术比较有很显著的增大。如图5所描述的，电极长度为4L的现有技术调制器有零响应。与图1所描述的现有技术调制器比较，其中相位反转部分引入电光相位变化180度，图6中调制器的电光响应约增大40％。这个电光响应的增大导致检测的RF功率约增大3dB。
图7a-b是本发明调制器的电光响应矢量表示，该调制器分别有最佳和非最佳的调制效率。图7a表示本发明的非速度匹配调制器，它有3个长度为L的分段，被2个补偿网络分开，每个网络引入270度的相位延迟。
图7b表示本发明的非速度匹配调制器，它有3个长度为L的分段。第一个补偿网络引入270度的相位延迟。第二个补偿网络引入几乎0度的相位延迟，因此，第三分段末端处的电光响应与第三分段开始处的电光响应不同，从而减小总的电光响应。
因此，为了使调制器的总电光响应幅度最大，每个分段的合成矢量必须对齐，如图7a所示。对于相等分段的情况，若补偿网络设计成从一个分段开始到另一个分段开始的电光响应变化最小，则本发明调制器的总电光响应就最大。即，补偿网络设计成使补偿点处的电光相位基本上与该分段开始处的电光相位相同。对于非相等分段的情况，选取电光相位的值不同于该分段开始处的电光相位，可以使总的响应最大。然而，合成矢量对齐仍然是电光响应最大化的准则。
因此，本发明的一个特征是利用本发明电光器件调制光信号的方法。光信号沿第一传播方向的光信号路径传播。电调制信号也沿第一传播方向的电信号路径传播，其中电信号路径基本上是与光信号路径共线的，并与光信号路径进行电磁波通信。
然后，电信号耦合到电信号路径补偿点处基本非共线的路径。在基本非共线的路径上传送电信号，至少改变电路径补偿点处的电信号相位或幅度。从非共线路径耦合改变的电信号回到电信号路径。
在一个实施例中，改变电信号的相位，因此，调制器的电光响应幅度就增大。在一个实施例中，改变电信号的相位，因此，使补偿点处的电光相位与电极开始处的电光相位相同，从而使调制器的电光响应最大化。
本发明的另外特征是增大通信系统调制效率的方法。该方法包括光信号沿第一传播方向的光信号路径传播。电调制信号沿第一传播方向的电信号路径传播，其中电信号路径基本上是与光信号路径共线的，并与光信号路径进行电磁波通信。
然后，电信号耦合到电信号路径补偿点处基本非共线的路径。补偿点对应于这样一个点，光信号与电信号之间的速度失配产生相对于光信号上累积调制的电信号相移，它降低每单位长度的调制效率增量。沿基本非共线的路径传送电信号，改变电路径补偿点处的电信号相位，从而增大增量调制效率。然后，从非共线路径耦合改变的电信号回到电信号路径。
本发明的调制器利用时间延迟补偿网络增大调制效率，也减小了调制器工作在几乎最佳效率下的频率范围。这是因为时间延迟产生的相位滞后是与频率有关的。例如，对于本发明的调制器，它包括有时间延迟的补偿网络，这些补偿网络设计成如图7所示的使总电光响应最大化，若改变RF调制信号的频率，使延迟中的相位超前从90度改变成120度，则总的电光响应约减小9％。通过改变各分段之间补偿网络中的相位滞后量，可以减小本发明调制器与频率之间的关系。所以，在本发明的一个实施例中，选取各分段之间每个补偿网络中的相位滞后量，使特定带宽的电光响应最大化。
本发明的另外特征是通信系统的宽带调制方法。该方法包括光信号沿第一传播方向的光信号路径传播。电调制信号沿第一传播方向的电信号路径传播，其中电信号路径基本上是与光信号路径共线的，并与光信号路径进行电磁波通信。
然后，电信号在电路径的补偿点处耦合到基本非共线的路径。在基本非共线的路径传送电信号，就改变电路径补偿点处的电信号相位。在一个实施例中，改变电信号的相位，因此，使特定带宽的电光响应最大化。然后，从非共线的路径耦合改变的电信号回到电路径，从而增大调制器的频率响应。
图8是两种调制器的理论调制效率的比较曲线(1)按照本发明的分段电光调制器；和(2)优化的非速度匹配现有技术调制器。第一条踪迹150给出按照本发明电光调制器的某个调制量所需的RF功率理论数据，该调制器有被两个补偿网络分开的3个分段。补偿网络设计成改变相对于光信号上累积调制相位的电调制信号相位，因此，在补偿点处，电调制信号基本上是与光信号上的调制相位匹配的。第二条踪迹152给出优化的现有技术非速度匹配电光调制器的某个调制量所需的RF功率理论数据，该调制器有两个分段，但没有补偿网络。
按照本发明和现有技术优化的非速度匹配调制器的两种3分段调制器的理论调制效率是在相同的器件参数下确定的。两种器件是在6GHz工作下优化的。选取两种器件的电波导特性阻抗为20欧姆。选取两种器件的器件长度为21mm。选取两种器件的开关电压-长度积(Vpi-L)为50 Volt-mm。此外，选取两种器件的RF损耗为0.6dB/Sqrt-GHz。图8中曲线的纵坐标是16-Ppi，其中Ppi是调制pi弧度光所需的RF功率。该曲线图是归一化到16dBm作为0dB相对点。第一条踪迹150和第二条踪迹152有相同的参考值，因此，可以比较它们的绝对调制效率。
图8说明，在工作频率下按照本发明分段电光调制器的调制效率至少大于优化的现有技术非速度匹配电光调制器的调制效率3dB。此外，按照本发明分段器件的调制效率实际上是在较高的频率下增大，在12GHz工作频率下回到接近最佳值。与此对比，现有技术调制器的调制效率在工作频率以上快速下降。
图9是按照本发明的分段电光调制器与两个优化的速度匹配现有技术调制器的理论调制效率的比较曲线。第一条踪迹160给出按照本发明电光调制器调制效率的理论数据。该调制器有被2个补偿网络分开的3个分段，相对于光信号上累积调制的相位，补偿网络改变电调制信号的相位，因此，在补偿点处，电调制信号基本上是与光信号上累积调制相位匹配的。调制器是在6 GHz工作下优化的。选取的器件长度为21mm。选取的开关电压-长度积(Vpi-L)为50 Volt-mm。选取的RF损耗为0.6dB/Sqrt-GHz。此外，选取的特性阻抗为20欧姆。
第二条踪迹162给出优化的现有技术速度匹配电光调制器调制效率的理论数据。该调制器也是在6GHz下优化的。然而，选取的特性阻抗为38欧姆，这是速度匹配调制器的典型值。选取的开关电压-长度积(Vpi-L)为200 Volt-mm，以及选取的RF损耗为0.5dB/Sqrt-GHz，这也是速度匹配调制器的典型值。选取的器件长度为80mm(即，任意长度的调制器)。
第三条踪迹164给出另一个优化的现有技术速度匹配电光调制器调制效率的理论数据。除了器件长度不同以外，该调制器的器件参数与上述第二条踪迹162的器件参数完全相同。第三条踪迹164中给出的理论数据是对于21mm长的调制器，它与第一条踪迹160的器件有相同的长度，因此，可以更直接地把本发明调制器与现有技术速度匹配调制器进行比较。
参照图9中的第一条踪迹160，第二条踪迹162，和第三条踪迹164，本发明的调制器包括两个补偿网络，它在工作频率下有最高的调制效率(第一条踪迹160)。任意长度(80mm)的速度匹配调制器的调制效率(第二条踪迹162)在工作频率下比本发明调制器的调制效率约低2.5dB。21mm长度的速度匹配调制器的调制效率(第三条踪迹164)在工作频率下比本发明调制器的调制效率约低8dB。
可以按照已知的多种方法制造本发明的调制器。例如，光波导可以是形成在铌酸锂衬底中的Ti内扩散波导。可以把输入波导分割成两个波导以获得幅度调制，这两个波导重新组合形成Mach-Zehnder干涉仪(MZI)。可以利用直的波导部分获得相位调制(PM)。可以利用共平面型波导(CPW)或非对称共平面型波导(ACPW)在光电相互作用区和补偿网络中传送电信号。可以利用陶瓷衬底上的芯片电阻器终止电波导。
在一个实施例中，补偿网络是时间延迟网络，它制作在与MZI铌酸锂相同的衬底上。在另一个实施例中，补偿网络是时间延迟网络，它制作在单独的陶瓷或铌酸锂衬底上，该衬底经引线电路互连到铌酸锂器件。在一个实施例中，CPW和ACPW的热电极和基电极在时间延迟部分被加宽，以减小趋肤效应引起的RF损耗。
补偿网络可以产生任何范围内的电光相位变化。在一个实施例中，补偿网络产生270度与320度之间的电光相位变化。此外，可以采用任何数目的补偿网络，它取决于具体的应用。在一个实施例中，利用2个至5个补偿网络。
虽然本发明的具体展示和描述是参照几个特定的优选实施例，本领域专业人员应当知道，在不偏离所附权利要求书确定的本发明精神和范围条件下，可以对其形式和细节作各种变化。
权利要求
1．一种电光器件，包括a)形成在电光材料中的光波导，光波导沿第一传播方向传送光信号；b)形成在电光材料中并相对于光波导共线放置的电波导，电波导与光波导进行电磁波通信，电波导沿第一传播方向传送电信号；和c)在结点处电耦合到电波导的补偿网络，补偿网络沿第二传播方向传送电信号，第二传播方向基本上是与第一传播方向非共线的，相对于结点处的光信号相位或幅度，补偿网络至少分别改变结点处的电信号相位或幅度，然后，返回改变的电信号到电波导。
2．按照权利要求1的电光器件，其中补偿网络至少包括其中之一电感电容“Pi”网络，行波耦合器，滤波器，和传输线变压器。
3．按照权利要求1的电光器件，其中补偿网络包括全通电网络。
4．按照权利要求1的电光器件，其中补偿网络包括时间延迟网络。
5．按照权利要求1的电光器件，其中补偿网络包括相位延迟网络。
6．按照权利要求5的电光器件，其中相位延迟网络改变电信号的相位，因此，就增大电光器件的电光响应幅度。
7．按照权利要求5的电光器件，其中相位延迟网络改变结点处的电信号相位，因此，结点处的电光相位与电波导输入端处的电光相位大致相同。
8．按照权利要求5的电光器件，其中相位延迟网络改变结点处的电信号相位一个预定延迟量，该延迟量是在零度至180度的范围内可变。
9．按照权利要求5的电光器件，其中相位延迟网络改变结点处的电信号相位大致180度。
10．按照权利要求1的电光器件，其中每单位长度补偿网络的电损耗小于每单位长度电波导的电损耗。
11．按照权利要求1的电光器件，其中电光材料包括铌酸锂。
12．按照权利要求1的电光器件，其中补偿网络是可拆卸的连接到电光器件。
13．按照权利要求1的电光器件，其中补偿网络的温度关系反比于电光材料的温度关系。
14．按照权利要求1的电光器件，还包括耦合到电光器件的宽带调制器。
15．一种电光调制器，包括a)形成在电光材料中的光波导，光波导沿第一传播方向传送光信号；b)形成在电光材料中并相对于光波导共线放置的电波导，电波导与光波导进行电磁波通信，电波导沿第一传播方向传送电信号；和c)多个补偿网络，每个网络电耦合到多个结点中一个结点处的电波导，多个补偿网络中的每个网络沿第二传播方向传送电信号，第二传播方向基本上是与第一传播方向非共线的，其中多个补偿网络中的每个网络改变多个结点中各自结点处的电信号相位一个预定延迟量，因此，就增大调制器的电光响应幅度，然后，返回改变的电信号到电波导。
16．按照权利要求15的电光调制器，其中每个补偿网络改变各自结点处的电信号相位，因此，结点处的电光相位与电波导输入端处的电光相位大致相同。
17．一种调制光信号的方法，该方法包括a)沿第一传播方向的光信手路径传送光信号；b)沿第一传播方向的电信号路径传送电调制信号，电信号路径基本上是与光信号路径共线的，并与光信号路径进行电磁波通信；c)耦合电信号到电信号路径补偿点处的基本非共线路径；d)在基本非共线路径上传送电信号，至少改变电信号路径补偿点处的电信号相位或幅度；和e)从非共线路径耦合改变的电信号到电信号路径。
18．按照权利要求17的方法，其中至少改变补偿点处电信号相位或幅度的步骤包括改变补偿点处电信号相位的步骤，为的是增大电光响应。
19．按照权利要求18的方法，其中改变补偿点处电信号相位的步骤包括改变电信号的相位，因此，补偿点处的电光相位与光信号路径输入端处的电光相位大致相同。
20．一种增大调制效率的方法，该方法包括a)沿第一传播方向的光信号路径传送光信号；b)沿第一传播方向的电信号路径传送电调制信号，电信号路径基本上是与光信号路径共线的，并与光信号路径进行电磁波通信；c)在电路径的补偿点处耦合电信号到基本非共线的路径，其中补偿点对应于这样一个点，光信号与电信号之间的速度失配产生相对于光信号上累积调制的电信号相移，它降低每单位长度的调制效率增量；d)在基本非共线的路径传送电信号，改变电路径补偿点处的电信号相位，从而增大每单位长度的调制效率；和e)从非共线的路径耦合改变的电信号到电路径。
21．一种宽带调制方法，该方法包括a)沿第一传播方向的光信号路径传送光信号；b)沿第一传播方向的电信号路径传送电调制信号，电信号路径基本上是光信号路径共线的。并与光信号路径进行电磁波通信；c)在电路径的补偿点处耦合电信号到基本非共线的路径；d)在基本非共线的路径上传送电信号，相对于光信号上累积调制的相位，改变电路径补偿点处的电信号相位；和e)从非共线路径耦合改变的电信号到电路径，从而增大特定带宽的每单位长度调制效率。
全文摘要
描述一种电光器件,它包括:形成在电光材料中的光波导,光波导沿第一传播方向传送光信号。该电光器件还包括:形成在电光材料中的电波导,电波导相对于光波导共线放置,并与光波导进行电磁波通信,其中电波导也沿第一传播方向传送电信号。补偿网络电耦合到结点处的电波导,并沿第二传播方向传送电信号,第二传播方向与第一传播方向基本上是非共线的。在工作时,相对于结点处光信号上累积调制的相位或幅度,补偿网络至少改变结点处的电信号相位或幅度,然后,返回改变的电信号到电波导。
文档编号G02F1/03GK1313961SQ00800810
公开日2001年9月19日 申请日期2000年5月5日 优先权日1999年5月11日
发明者格利高里·J·迈克布莱恩, 卡尔·M·基萨, 埃德·伍顿 申请人:Jds尤尼费斯公司