专利名称：电力驱动光移频器的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及一种电力驱动光移频器，尤其是用在光学系统中用以将在光波导 中传播的光信号的频率偏移至非常高的频率。
背景技术：
众所周知，自电话和电报的发展初期以来，通讯信号通常是通过铜线和电缆传输 的。但是近年来，越来越多的通讯信号以光束的形式通过光波导传输。多种外围设备已经 开发出来，例如基于光波导的连接器和转换器。尤其是被称为集成光路的技术已广泛用于 处理光通讯信号。采用这种技术，通讯信号以光束形式通过光波导传输，光波导形成于由电 光材料(例如铌酸锂(LiNb03))制成的基质中，由于铌酸锂的增强的电光特性以及低损耗 光波导的性能，它可能是应用最广泛的一种材料。尽管集成光路目前已广泛用于传输信号，但是由于制造具有适当特性的光移频器 (optical frequency shifter)很困难，对于以越来越高的频率工作的光学设备的持续需 求的满足因此受到了限制。图1示出光移频器的标准表示，所述光移频器具有光输入，用以接收具有输入光 频的输入光信号；电输入，用以接收具有微波频段的电频的RF电力驱动信号，用于电力驱 动光移频器；光输出，提供具有与输入光信号的输入光频相等的输出光频的输出光信号，输 入光信号的频率大于电力驱动信号的电频。图1还示出输入和输出光信号的光谱，以及电 力驱动信号的时间图。图2示出已知的光移频器1的示意性表示，主要包括光波导结构2，所述光波导 结构2以常规方式(例如选择性地将钛扩散于基质3)形成于由电光材料(通常为铌酸锂 (LiNb03))制成的基质3 (图3所示)中。基质3具有X切晶体结构(X-cut crystalline structure)，即具有X晶轴线 的晶体结构，X晶轴线正交于基质3的主表层3a(即最大区域的表层)；晶体结构的方向 (orientation)促使由电力驱动信号和输入光信号产生的电场和光场主要沿晶体结构的Z 晶轴线耦合，即相比于沿Z晶轴线的电光耦合，沿其它两个晶轴线的电光耦合可以忽略。事实上，电光效应促使电光材料的折射率发生空间改变，作为外加于此的电场强 度和方向的函数。尤其，折射率沿给定的空间方向的变化正比于电场沿该方向的强度。折 射率沿电光材料的三个晶轴线X、Y和Z的变化可以通过电光系数的3X3矩阵数量地乘以 电场向量来计算。如果是LiNb03晶体，3X3电光系数矩阵中具有最大值为r33( 30pm/V) 的电光系数，该系数使得经由沿Z晶轴线极化的电磁波作用的折射率变化相关于电场沿相 同轴线的分量。光波导结构2包括Y形波导结构4以及与其配套结合的反Y形波导结构5。Y形 波导结构4包括输入分支6，所述输入分支6配置为用以在使用时结合于输入光纤(未示 出)，以及一对从输入分支6分岔的相互光耦合的分支7。反Y形波导结构5包括一对相互 光解耦合的分支8，所述分支8结合至相应的Y形波导结构4的相互光耦合的分支7，并且合并入输出分支9，所述输出分支9配置为用以在使用时结合于输出光纤(未示出)。反Y 形波导结构5的相互光解耦合的分支8的其中之一构造为引起沿其传播的光学信号中n 弧度的相变。尤其，Y形波导结构4的两个相互光耦合的分支7相隔足够短的间距S (第一波导 间间隔)以确保相互的光耦合，范围通常在5至10 y m，而反Y形波导结构5的两个相互光 解耦合的分支8相隔足够大的间距D (第二波导间间隔)以防止相互的光耦合。并且，Y形 波导结构4的两个相互光耦合的分支7的耦合程度KrouP通过比例系数e_as成为第一波导间 间隔S的函数，其中a是耦合系数减少到距离为零时的推定值的分数1/e时距离的倒数。光移频器1进一步包括处于基质3的主表层3a之上的导电电极结构10，所述导电 电极结构10具有1-30 u m的厚度并由金或类似金属以常规方式形成，处于Y形波导结构4 的相互光耦合的分支7之上。尤其，如图3所示，电极结构10包括设置在Y形波导结构4的相互光耦合分支7 之间的内电极11，以及在内电极11的对称的两侧设置在相互光耦合分支7外侧的一对外电 极12。在基质3的主表层3a与电极结构10之间设置有电介质(例如Si02)过渡层13，用 以防止或最小化电极结构10对光功率的吸收。外电极12通常接地，而内电极11设有电力驱动信号，所述电力驱动信号具有电频 率Q和动量0 n，并使得在内电极11和外电极12之间加载有RF驱动电压。RF驱动电压 生成内电极11和外电极12之间相反的电场；所述具有相反方向的电场的方向分别大致平 行于主表层3a (以及Z晶轴线)并且横贯相互光耦合分支7中的相应的一个。仅当电光系 数具有不可忽略的值r33，这些相反的电场减少Y形波导结构4的相互光耦合分支7中相反 的折射率的变化。输入光信号由传播率为Ns，光频为《s，并且动量为0s的一个对称模式形成，并 且在光移频器1的输入分支6被接收，所述输入光信号沿Y形波导结构4传播，Y形波导结 构4由于其分支之间的相互光耦合而被输入光信号当作一个整体波导利用，所述整体波导 能够支持两个不同的超模，这两个不同的超模具有相对奇偶性，称作对称超模和反对称超 模。由于没有其它现象，即没有固有的不对称和/或电微扰，所以只有对称超模将传播而不 引起反对称超模。因此，只有一个对称超模开始沿Y形波导结构4传播，所述对称超模具有 与输入光信号的功率相同的功率，传播率为Ns，光频为《s，并且动量为3 s。传播期间，对称超模经过前述相对的折射率的变化，并且因此导致对称超模的能 量部分地传输至反对称超模，除了对称超模以外，反对称超模也开始传播。反对称超模的频 率《A等于对称超模的频率再上移应用于内电极11的电力驱动信号的频率Q (coA = cos+Q)，动量等于对称超模的动量0 s再上移应用于内电极11的电力驱动信号的动 量旦八^二日计日。“由于动量守恒的约束)，并且反对称超模具有传播率Na。因此，在Y形波导结构4的输出端既表现了残余的对称超模还表现了反对称超模， 它们进入反Y形波导结构5，在反Y形波导结构5的每个分支中分别传播了合成光信号，所 述合成光信号具有输入光信号一半的功率并且由具有两个相同符号的波形半周的对称模 式、以及具有两个相反符号的波形半周的反对称模式组成。在沿反Y形波导结构5传播期 间，引起两个合成光信号的其中之一的n弧度的相变，因此在反Y形波导结构5的输出分 支9处，两个合成的光信号合并，使得一个具有频率《A的输出光信号中反对称模式的两个
5半周的相加，以及残余的对称模式的两个半周的相消。光移频器1的谐振频率Q，即电力驱动信号的电频Q，是由光移频器本身的设计 规格所决定的，当所述电力驱动信号的电频Q应用于光移频器的电力输入时产生最大偏 移效率，并且尤其光移频器1的谐振频率Q正比于Y形波导结构4的相互光耦合分支7的 耦合程度Ktoup ；而耦合程度KrouP与e_as成比例，其中S是相互光耦合分支7的第一波导间 间距，由以下等式给出 <formula>formula see original document page 6</formula>因此可能因相互光耦合分支7的第一波导间间距S的减小而导致工作频率的增 加。
发明内容
申请人:认为，由于将Y形波导结构的相互光耦合分支的波导间间距减小至一定值 以下是困难的(不是不可能)，所以对增加光移频器的谐振频率、以及加强频率偏移的持续 的需求是很难满足的。实际上，如上文所述，为了由电力驱动信号和输入光信号所产生的电场和光场的 电光耦合，因此实现频率偏移，就需要在Y形波导结构的相互光耦合分支中传播的光信号 经过相反的折射率变化，以激励反对称超模。为了实现这个目的，相互光耦合分支设于内电 极和外电极之间，其中电场平行于Z晶轴线并且具有相反的方向。过度减小Y形波导结构的相互光耦合分支的波导间间距将会导致相互光耦合分 支被设置于内电极之下，其中电场平行于X晶轴线并且方向相同，因此阻止了电场与光场 之间任何的电光耦合。针对上述情况，申请人注意到，光移频器目前的结构阻碍了由已知光移频器能够 实现的谐振频率的增加以及频率偏移的加强。因此本发明的目的是提供一种改进的光移频器，其克服了已知光移频器的局限， 因此使得光学设备能够实现更高的工作频率。该目的由本发明实现，在于本发明涉及一种由所附权利要求所限定的光移频器。本发明通过以下方式实现了上述目的利用电光基质，所述电光基质具有Z切晶 体结构并且包括两个相对极化的部分(oppositely poledportions)，即Z晶轴线方向相反 的两部分；以及将内电极居中设于两个相对极化部分之间的边界之上；以及最终将Y形波 导结构的相互光耦合分支设于内电极之下，彼此非常接近并且处于边界的相对两边，从而Y 形波导结构的相互光耦合分支被分别设于基质的具有相反方向的Z晶轴线的部分之中。基质的两个部分中的Z晶轴线的相反的方向促使电光系数r33在这些部分中具有 相反的值，并且因此，即使Y形波导结构的相互光学耦合分支被设于基质区域(内电极之 下)，其中电场平行于Z晶轴线并且朝向相同的方向，在Y形波导结构的相互光耦合分支中 传播的光信号发生相反的折射率的变化，因此激励反对称超模并且实现了所需频率偏移。在另一方面，Y形波导结构的相互光耦合分支的波导间间距的显著减小，使得耦合程度KrouP显著增大，并且因此光移频器的谐振频率Q也显著增大。
为了更好的理解本发明，下面将参照附图(全部未按比例)，仅以示例的方式而非 限定，描述优选实施例，其中图1示出光移频器的标准表示，以及关于其电信号和光信号的波形图；图2示出已知光移频器的示意性表示，以及沿其传播的光模的示意性表示；图3示出图2的光移频器部分的截面图；以及图4示出根据本发明的优选实施例的光移频器部分的截面图。
具体实施例方式以下内容用以使本领域技术人员能够实施并使用本发明。在不背离本发明所要求 保护的范围的情况下，实施例的多种变化对于本领域技术人员是容易理解的。因此，本发明 并不是要以示出的实施例为限定，而是涵盖与这里所描述的以及所附权利要求所限定的原 理和特征相一致的最广泛的范围。图4示出根据本发明的优选实施例的光移频器部分的截面图，其中与图3中相同 的附图标记和符号表示相同的元件，这里将不再重复描述。如图4所示，基质3的晶体结构具有Z切方向，即晶体结构具有Z晶轴线，所述Z晶 轴线正交于基质3的主表层3a，在主表层3a之上设有导电电极结构10。这样的基质结构使 得由电力驱动信号和输入光信号所产生的电场和光场主要沿晶体结构的X晶轴线相耦合， 即相比较于沿X晶轴线的电光耦合，沿其它两个晶轴线的电光耦合是可以忽略的。实际上， 在这种情况下，具有最大值的3X3电光系数矩阵中的电光系数r33将沿X晶轴线极化的电 磁波引起的折射率的变化与电场沿相同轴线的分量相联系。此外，基质3至少在设有电极结构10的区域内是预先处理过的，以致包括两个相 对极化的部分20、21，即具有相反方向的Z晶轴线的部分(如图4中以箭头示意性示出)； 相反的方向使得两个相对极化的部分20、21的电光系数r33具有相反的值，因此导致沿Z晶 轴线同等定向(equally oriented)的电场引起相反的折射率的变化。此外，电极结构10的内电极11被设于基质3的两个相对极化部分20、21之间的 边界22之上，并且Y形波导结构4的相互光耦合分支7被设于内电极11之下，彼此非常接 近(相互间隔第一波导间间距S)，并且处于边界22的相对两边。因此，相互光耦合分支7 被设于基质3的相应的部分，这两部分具有相反方向的Z晶轴线以及电光系数r33的相反的 值。此外，相互光耦合分支7被电场横贯，所述电场沿Z晶轴线同等定向，由供应至内电极 11的电力驱动信号所产生(外电极12接地)。从而，再次引起Y形波导结构4的相互光耦 合分支7中相反的折射率的变化，因此允许能量从对称超模向反对称超模传输。在本发明 的当前实施例中，Y形波导结构4的相互光耦合分支7之间的第一波导间间距S在1至5 y m 范围内。从以上内容，可以直接认识到，基质3的Z切晶体结构以及基质3划分为具有相反 的电光系数的两个相对极化的部分20、21，使得能够将相互光耦合分支7设于内电极11之 下的已知光移频器所不能允许的位置。
所以，相互光耦合分支7被间隔一定距离而设置，所述距离远小于已知的光移频 器中的距离。如此，能够得到Y形波导结构4的相互光耦合分支7的更高的耦合程度KrouP， 并且因此实现工作频率的更高的增长。最后，很显然，可以对本发明做出多个调整和改变，所述调整和改变包含在本发明 所附权利要求所限定的范围内。尤其是基质3能够由其它Z切电光材料制成，例如钽酸锂(LiTa03)或磷酸钛氧钾 (KTP)。
权利要求
一种光移频器(1)，包括电光基质(3)，具有主表层(3a)；光波导结构(2)，形成于所述基质(3)中并且具有两个波导部分(7)，所述波导部分(7)相互间隔间距(S)以确保它们之间的相互光耦合；以及电极结构(10)，设于所述基质(3)的所述主表层(3a)之上，并且至少具有第一电极(11)，其特征在于，所述基质(3)具有Z切晶体结构，其中Z晶轴线正交于所述主表层(3a)，并且所述基质(3)包括两个相对极化的部分(20、21)，所述两个相对极化的部分(20、21)分别具有相反方向的所述Z晶轴线；并且其中，所述两个波导部分(7)被设于所述第一电极(11)之下，分别处于所述两个相对极化的部分(20、21)的相应的一个之中。
2.根据权利要求1所述的光移频器，其特征在于，所述电极结构(10)可操作地向所述 波导部分(7)加载同等定向的电场。
3.根据上述任一项权利要求所述的光移频器，其特征在于，所述基质(3)由铌酸锂制成。
4.根据上述任一项权利要求所述的光移频器，其特征在于，所述相对极化的部分(20、 21)由边界(22)分隔开，所述第一电极(11)被设于所述边界(22)之上，并且所述两个波导 部分(7)被设于所述边界(22)的相对两边。
5.根据上述任一项权利要求所述的光移频器，其特征在于，所述电极结构(10)包括两 个第二电极(12)，所述两个第二电极(12)分别设于所述两个相对极化部分(20、21)的相应 的一个之上，并且对称地处于所述第一电极(11)的相对两边。
6.根据权利要求5所述的光移频器，其特征在于，所述两个第二电极(12)被连接至参 考信号，并且所述第一电极(11)被连接至所述光移频器(1)的电力驱动信号输入。
7.根据上述任一项权利要求所述的光移频器，其特征在于，所述光波导结构(2)包括Y 形波导结构(4)和与其配套结合的反Y形波导结构(5)；其中所述Y形波导结构(4)包括 输入分支(6)以及所述波导部分(7)，所述输入分支(6)构造为用以结合光信号输入，所述 波导部分(7)从所述输入分支(6)分岔，并且所述反Y形波导结构(5)包括一对结合至所 述波导部分(7)的相互光解耦合分支(8)，并且所述相互光解耦合分支(8)合并入输出分支 (9)，所述输出分支(9)构造为用以结合至光信号输出。
8.根据权利要求7所述的光移频器，其特征在于，所述反Y形波导结构(5)的所述相互 光解耦合分支(8)中的一个被构造为以引起沿其传播的光信号中η弧度的相变。
9.一种用于制造光移频器(1)的方法，包括提供具有主表层(3a)的电光基质(3)；形成位于所述基质(3)之中的光波导结构(2)，所述光波导结构(2)具有两个波导部分 (7)，它们相互间隔间距(S)以确保它们之间的相互光耦合；以及形成位于所述基质(3)的所述主表层(3a)之上的电极结构(10)，所述电极结构(10) 至少具有第一电极(11)，其特征在于，提供电光基质包括形成具有Z切晶体结构的所述基质(3)，所述Z切晶体结构具有正交于所述主表层 (3a)的Z晶轴线，并且处理所述基质(3)以形成两个相对极化的部分(20、21)，所述两个相对极化的部分(20、21)分别具有相反方向的所述Z晶轴线；以及形成所述光波导结构(2)包括将所述两个波导部分(7)设于所述第一电极(11)之下， 分别处于所述两个相对极化部分(20、21)的相应的一个之中。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基质(3)由铌酸锂制成。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述相对极化部分(20、21)由边界 (22)相分隔，并且形成电极结构(10)包括将所述第一电极(11)设于所述边界之上，并且设 置所述两个波导部分(7)包括将所述两个波导部分(7)设于所述边界(22)的相对两边。
12.根据上述权利要求9至11任一项所述的方法，其特征在于，形成电极结构(10)包 括将两个第二电极(12)分别设于所述两个相对极化部分(20、21)中相应的一个之上，所述 两个第二电极(12)对称处于所述第一电极(11)的相对两边。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，形成电极结构(10)进一步包括连接所 述两个第二电极(12)至参考信号，并且连接所述第一电极(11)至所述光移频器(1)的电 力驱动信号输入。
全文摘要
本发明公开了一种光移频器(1)，包括具有主表层(3a)的电光基质(3)；所述基质(3)中形成的具有两个波导部分(7)的光波导结构(2)，两个波导部分(7)间隔间距(S)以确保它们之间相互的光耦合；以及设于基质(3)的主表层(3a)之上的电极结构(10)，其至少具有第一电极(11)。所述基质(3)具有Z切晶体结构，其中Z晶轴线正交于主表层(3a)，并且所述基质(3)包括两个相对极化的部分(20、21)，它们具有相反方向的Z晶轴线；两个波导部分(7)设于第一电极(11)之下，分别位于两个相对极化的部分(20、21)中相应的一个之中。
文档编号G02F1/225GK101821673SQ200780101078
公开日2010年9月1日 申请日期2007年8月14日 优先权日2007年8月14日
发明者安娜·玛丽亚·菲奥雷洛, 莫罗·瓦拉西, 马西米利亚诺·迪斯彭扎 申请人:塞莱斯系统集成公司