专利名称：具有内部阻抗匹配的电光调制器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种电光调制器，尤其涉及具有用于和同轴连接器进行阻抗匹配的内部结构的光调制器。
电光调制器的操作基于电微波，或射频(RF)，调制信号和光信号之间的相互作用。一般通过利用调制器的波导材料的电光效应获得光调制器。所述电光效应包括，通过施加的电场，改变光信号在其中传播的光波导的折射率。在改变折射率的同时，产生通过波导传播的光信号的所需的相位调制。通过在波导干涉仪例如麦齐德(Mach-Zehnder)干涉仪的至少一个臂中使用上述的相位调制可以获得幅值调制器。
为了获得调制器，需要具有一种传输光信号的光波导和响应施加的RF信号而产生用于调制所述光信号的电场的电极结构。为了增加调制效果，即相对于施加的RF信号的幅值而发生的光信号的相位改变，光信号和电场之间的相互作用应当沿着一种平面微波导结构分布。使光束平行于平面微波导结构传输。用这种方式，光信号沿着微波导的整个长度经受由微波信号引起的相位改变。
这种基片和电极结构的一个例子如图3所示。图3是电光基片2的顶视图，其上具有光波导1。电极3沿着其整个长度产生电场。因而，通过波导1传播的光信号沿着电极3的整个长度被进行相位调制。
为了获得增加的调制效果，使用合适的电光基片引导光信号，在所述电光基片中，施加的RF电场可以引起折射率的显著改变。用于这种基片的材料的例子是LiNbO3。已知的欠佳的另一种材料是LiTaO3。
此外，传播的光和微波信号之间的耦合必须同步，以便使得由微波信号引起的相位改变沿着整个结构而逐渐增加。同步耦合可以借助于微波线路的合适的设计，即通过使线路的有效的指数等于光的有效指数来实现。这可以利用若干方法来实现，例如通过增加电极的厚度，并使电极在一个薄的、低介电常数的缓冲层上生成。
电极区域相对于同步传输和最大的电光相互作用而进行的优化通常导致具有非常小的宽度的线路，其不能直接地和平面-同轴过渡段相连。这个问题通常借助于传输线锥度来解决，如图3中的5所示。所述锥度以恒定的特征阻抗从小的调制器线路3引向调制器2的外部的相对大的尺寸。标准的同轴过渡段需要这个较大的尺寸作为接口。不过，调制器的合成的输入阻抗值大大小于标准的参考阻抗50欧姆，目前的同轴连接器和RF发生器是根据所述参考阻抗设计的。
这种在源和负载阻抗中的不匹配引起若干问题，因而源和负载阻抗应当“匹配”。按照一般的理解，阻抗匹配包括使源阻抗和负载阻抗基本相等，例如，从而使得从源传输到负载的电功率最大。在当前的实施方案中，源是RF发生器/同轴电缆，负载是光调制器电极。
在光调制器中，需要进行输入阻抗匹配，这是因为除了增加馈给调制器的输入电功率之外，还能够减少多重反射和信号失真。因为在基片中的折射率的改变直接和输入给调制电极的RF电功率相关，所以在阻抗匹配时，在给定的RF发生器功率下，可以达到的光调制的幅值也增加。
在电光调制领域内的专利公开了许多方案，其中包括提供外部的匹配网络，用于使光调制器及其各个调制信号源的的阻抗相匹配。
美国专利5189574(Day等人)描述了一种用于阻抗匹配的和电光调制器相连的可调谐的自适应外部电路。这种外部驱动电路被连接在信号发生器和调制器之间。所述驱动电路包括可以手动调节的分立元件，用于使调制器的阻抗和信号发生器的阻抗相匹配。
美国专利5572610(Toyohara)描述了一种阻抗匹配装置，用于匹配宽带波导形光学器件的控制信号源和信号电极的阻抗。
在微波领域中，“谐振”线路是一种和负载相连的其阻抗和线路本身的特征阻抗十分不同的线路。在电光调制器中，“热”(即传输RF信号)电极的特征阻抗一般是几十欧姆，例如20-50欧姆。对于谐振调制器的一般的配置是一个开路的RF电极(负载的阻抗“无穷大”)；和对地短路的RF电极(负载的阻抗为“0”)。其它的配置也是可能的，作为和具有几欧姆或者几千欧姆的阻抗的负载相连的RF电极。可以用于定义“谐振”的一个好的参数是Γ系数的模，其定义如下Γ=ZL-Z0ZL+Z0]]>其中，ZL是负载的阻抗，以及Z0是线路(RF电极)的特征阻抗。
｜Γ｜具有从0到1范围内的值。如果｜Γ｜=0，即如果ZL=Z0，则线路处于行进波的条件下。如果｜Γ｜～1，即如果ZL=0，或者ZL＞＞Z0，则满足谐振条件。下面将使用以下的谐振的实用定义如果｜Γ｜≥0.5，则调制器是谐振型的。优选的谐振条件相应于｜Γ｜＞0.8。
谐振调制器在某个谐振频率f0附近的窄带中是高效率的。这种高效率在几个GHz以上的频率附近被证实了，一般从0.5到5GHz，最好从1到4GHz。和谐振调制相关的一个典型频带在2GHz附近。谐振调制器的一种示例的应用是在2GHz下的相位调制，用于在电缆电视(CATV)系统中的受激布里渊散射(SBS)的抑制。在这种系统中，高的调制效率可以用于节约调制功率，使得产生较少的热量并减少和热稳定相关的问题。
关于用于SBS抑制的谐振的配置和相位调制的进一步的细节可以参阅WO99/09451。
如果调制器的结构是谐振型的，则在负载和线路之间的阻抗的不匹配便成为一个严重问题。在感兴趣的谐振频率附近，｜Γ｜值越接近1，问题就越糟。在这种情况下，即中心带宽阻抗几乎是虚数。本申请人已经确定，谐振调制器例如图3所示的谐振调制器的阻抗一般具有低于10欧姆的实部(电阻)和大于50欧姆的虚部(电抗)。在RF信号源和调制器之间的阻抗不匹配通过连接于一个外部的集中网络被方便地消除了。
美国专利4372643(Liu等人)披露了一种驻波、速度匹配的门，包括具有位于波导上方的一对电极的光学方向耦合器。电极形成电传输线，其在输入端由具有输出阻抗R的信号源激励。在一个实施例中，传输线由短路终结，并且使电极成比例，使得传输线的输入阻抗具有等于R的实部。传输线的虚部分量通过和传输线的输入端相连的外部阻抗谐振。
美国专利4850667(Djupsj_backa)涉及一种用于光电装置的电极结构。第一个细长的电极具有用于输入的微波信号的连接导体，借助于所述导体对光波进行调制。所述连接导体把第一电极划分为驻波导和行波导，通过一个电阻将其和U形的第二电极相连。在该专利中述及，如果输入的调制微波的频率和驻波导的谐振频率fc一致，则输入的调制微波在驻波导中具有最大的调制能力。在一个实施例中，所述连接导体接地。
美国专利5005932(Schaffner等人)描述了一种行波电光调制器，其具有断续相互作用型的周期电极结构。这种电极结构具有多个中间短线，用于保持RF驱动频率的相位和光信号同相。这种电极结构使得在微波频率以上的RF信号能够调制光信号。在调制器中进行阻抗变换和阻抗匹配，这有助于和RF源的连接，因为不需要额外的阻抗匹配电路。通过把输入与输出开口加工成锥形进行阻抗变换。通过比中部短线短的端部短线进行阻抗匹配。阻抗匹配短线用于把周期电极结构的阻抗变换为不受干扰的线性RF共平面波导的阻抗。阻抗变换部分用于把刚好在阻抗匹配短线外部由RF信号看的阻抗值变换为信号源和负载的阻抗值。
本申请人注意到，上述专利中披露的这些方法和电路以及电极结构不能用于谐振调制器，因为它们不能补偿谐振调制器的几乎是虚数的阻抗。
本申请人注意到，外部阻抗匹配网络需要附加的费用，这不仅因为匹配元件，而且因为单独的包封以及用作调制器和RF发生器之间的接口的连接器。同样，本申请人注意到，具有外部阻抗匹配网络的系统的总尺寸由于这些外部元件而增大。同时，由于元件值的改变和外部元件的寄生阻抗，外部匹配的可靠性和重复性低。
本发明人注意到，外部匹配，例如包括集中元件电容、电阻与/或电感的电路的封装内的简单的集成，在1-1.5GHz以上具有非常低的可靠性。在这种情况下，由用于在电路中焊接集中元件的带引起的寄生阻抗可以引起预期的谐振频率的漂移，使得整个调制器的阻抗值是不可预测的，并且使得在RF信号源和装置之间的阻抗匹配成为不可靠的。
本申请人已经发现，从空间、成本、性能和性能可重复性的观点看来，借助于被完全集成在光调制器内的匹配网络，可以提供有吸引力的解决方案。这种集成的匹配网络在用于制造调制器的同一个电光基片上利用选择的平面技术来实现。
本申请人还发现，如果调制器是谐振的，则可以根据短线结构利用简单的拓扑结构实现匹配网络。特别是，匹配网络可以被设置在调制器输入端和同轴连接器之间，并且可以部分地代替恒定的阻抗过渡段。
本发明人还发现，最终的从匹配部分引向同轴过渡部分的锥体可以是具有非最佳阻抗的，或者是具有一个给定的阻抗的，以便提供匹配部分中的附加的自由度。其可以用作匹配网络本身的一部分。通过合适地设计和使用内部匹配的平面波导，可以获得外部紧凑的结构，因而就安装、外部连接器的尺寸和位置而言，获得与基于外部阻抗匹配的前述的结构的完全的兼容性。
在一个方面，按照本发明的光传输系统包括用于产生光信号的光源；用于产生预定频率的RF信号的RF信号源，所述RF信号源具有阻抗；谐振光学相位调制器，用于按照RF信号调制光信号的相位；光放大器，用于把光信号放大到大于6dB的功率；光纤线路，用于传输被放大的和被相位调制的光信号。谐振光学相位调制器包括电光基片；形成在所述基片上的并具有可变的折射率的光波导；形成在基片上的和所述波导有关的有源调制器电极，用于在对电极施加调制信号时使折射率发生电光改变；形成在基片上的并向所述电极提供RF调制信号的接口；一个电结构，其形成在基片上并和接口以及电极相连，包括所述接口和所述电结构的光调制器的阻抗基本上等于所述RF信号源的阻抗。
在另一方面，按照本发明的谐振光学调制器包括电光基片，形成在所述基片上的并具有可变的折射率的光波导，以及形成在所述基片上的和所述波导相关的谐振有源调制器电极，用于在对电极施加在谐振频率附近的频率的调制信号时使折射率发生电光改变。调制器还包括形成在基片上的接口，其从一个信号源对电极提供调制信号，所述信号源具有阻抗，以及形成在基片上的并和所述接口以及电极相连的电结构，用于使光调制器的阻抗基本上等于信号源的阻抗。
最好是，有源调制器电极和地相连。
最好是，所述电结构包括被连接在接口和电极之间的延迟线，以及被在一端和接口相连的谐振短线。例如，谐振短线在第二端和地相连，或者在第二端开路。一般延迟线具有大于λ/40的长度，其中λ是在延迟线中在谐振频率下的RF信号的波长。
按照一个实施例，所述接口从信号源向下直到其和延迟线的连接处呈锥形。
信号源的阻抗一般是50欧姆。
最好是，谐振频率的范围为0.5-5GHz，1-4GHz更好。
在另一个方面中，按照本发明的谐振光学调制器包括电光基片，形成在所述基片上的并具有可变的折射率的光波导，以及具有一个接地端的形成在所述基片上的和所述波导相关的有源调制器电极，用于在对电极施加谐振频率下的调制信号时使折射率发生电光改变。所述调制器还包括形成在基片上的接口，用于从一个信号源对电极提供调制信号，形成在基片上的并被连接在接口和电极之间的第一电元件，以及形成在基片上的并被连接在接口和地之间的第二电元件。
所述电极、接口、第一电元件和第二电元件的总阻抗基本上等于信号源的阻抗。
一般地说，电极的阻抗主要具有虚部，并且接口、第一电元件和第二电元件中至少一个的阻抗抵销电极阻抗的虚部。
一般地说，信号源包括同轴连接器。
在第四方面，按照本发明的谐振光学调制器包括在电光基片中的用于调制光信号的装置，所述用于调制的装置被形成在所述基片上，用于从一个信号发生装置提供在谐振频率下的电调制信号的装置，所述用于提供的装置被形成在所述基片上，以及和用于提供的装置以及用于调制的装置相连的装置，用于使光学调制器的阻抗基本上等于信号发生装置的阻抗。所述用于使阻抗基本上相等的装置最好被形成在基片上。
在一个实施例中，用于调制的装置和地相连。
用于使阻抗基本相等的装置有利地包括被连接在用于提供的装置和用于调制的装置之间的用于延迟调制信号的装置，并且，最好所述用于使阻抗基本相等的装置还包括被连接在用于提供的装置和地之间的分流装置。
一般地说，用于提供的装置的宽度从信号发生装置向其和用于延迟的装置的连接处被减少。
一般地说，信号发生装置的阻抗是50欧姆。
在另一方面，按照本发明的电极结构，其用于被设置在延伸着光波导的电光基片上的光调制器，包括被对称地设置在接地平面的第一和第二部分之间的并且具有从基片的边缘朝向一个节点逐渐减少的宽度的第一电极。第二电极从所述节点沿一个方向延伸，并且连接接地平面的第一部分。第三电极从所述节点沿另一个方向延伸，并且具有靠近光波导的端部。第四电极和靠近光波导的第三电极的端部相连，并且平行于光波导而延伸，并和接地平面的第二部分相连。
最好是，从第一电极的输入端看，所述电极结构的阻抗基本上和与第一电极的输入端相连的信号源的阻抗相等。更好是，从节点看，第二、第三和第四电极的总阻抗基本上和与第一电极的输入端相连的信号源的阻抗相等。
在一个实施例中，第三电极包括至少两个垂直的部分。
一般地说，在第四电极中的调制信号调制通过光导行进的光信号。
应当理解，上述的一般性说明和下面的详细说明仅仅是示例性的和解释性的，用于对权利要求限定的本发明提供详细的解释。下面的说明和本发明的实施例说明了本发明的其它的优点和目的。
作为本发明的一部分的附图用于说明本发明的实施例，其和本说明一起，用于说明本发明的优点和原理。
图1是按照本发明的CATV传输系统的示意的表示；图2是图1所示的光调制器的详图；图3是要求外部阻抗匹配网络的常规的电光相位调制器的顶视图；图4是利用内装的阻抗匹配网络的电光相位调制器的顶视图；图5A是由图4的线5a-5a取的截面图；图5B是由图4的线5b-5b取的截面图；图6是利用内装的阻抗匹配网络的电光相位调制器的顶视图，图中具有各个部分的尺寸；图7是示例的相位调制器结构的顶视图；图8是具有内装的匹配网络的示例的电光调制器的输入反射系数随频率的变化曲线；图9是按照本发明的谐振幅值调制器的示意图；图10是表示图4的电光相位调制器中的元件的电路图。
现在参看本发明的不同的实施例，其中的一些例子示于附图中，由本发明的说明书可以说明。在附图中，在可能时，不同附图中的相同的标号表示相同的或者类似的元件。
按照本发明的CATV传输系统如图1所示。激光源200例如半导体激光源(例如DFB激光器)的输出端通过单线方式的光纤106和电光调制器100的输入端相连。激光源200的典型的波长值例如在1540-1560nm或者在1300-1320nm的范围内。光纤106最好是偏振保持光纤。
光调制器100被示意地示于图2，其尤其适用于CATV系统。调制器100被形成在平面基片101上。在基片表面，以本领域技术人员公知的方式形成有干涉仪的麦齐德(Mach-Zehnder)波导结构。平面基片和波导以本领域技术人员熟知的任何材料制成，例如下面材料系统中的一种或者它们的组合Ⅲ-Ⅴ或Ⅱ-Ⅵ族的半导体，Si，玻璃，硅石，聚合物，铁电与/电光材料。在优选实施例中，基片是x切口的锂铌酸盐晶体，波导通过钛扩散制成。
如图2所示，波导的结构可以包括在基片101的第一端的输入波导102，分叉110，例如Y分裂器，以及两个波导臂103和104。臂103和104紧靠在一起而形成方向耦合器105，然后再分开，使得在基片的末端终止(双输出调制器)。在基片末端的波导103和104之间的相对距离根据选用的用于使波导输出耦合到光纤的技术进行选择。波导距离的一个示例的值是140μm。按照另一个实施例，可以利用Y耦合器代替方向耦合器105。在这种情况下，一个波导终止在基片的末端(单输出调制器)。波导102，103，104在器件的操作波长下是单根形式的波导。
接地电极(未示出)被设置在基片101的下方。并和合适的电压基准(地基准)相连。RF电极108和偏置电极109被设置在波导臂103和104之间的基片101的中心区域。RF电极的长度最好在30和50mm之间。偏置电极的长度最好在5和15mm之间。按照没有示出的另一个实施例，对于RF电极和偏置电极使用一个电极。
Y分裂器110，波导臂103、104，方向耦合器105(或者在单输出结构中的Y耦合器)，RF电极108和偏置电极109形成幅值调制器。相位调制电极111被有利地设置在同一个基片101上，在输入波导102的一侧，用于通过SBS抑制信号调制输入的光信号的相位。波导102和相位电极111形成相位调制器。具体地说，相位调制器是一种如下面参照图3-8所述的谐振相位调制器。这种相位调制器也可以形成在单个的芯片上，其在光学上和上述的幅值调制器相连。
参看图1，携带信息的RF信号285，例如CATV信号被输入到调制器100，从而把信息加到光信号上。偏压290也被输入到调制器100，从而把其工作点设置在线性响应区域。在调制器100上提供用于SBS抑制信号280的附加的电输入。
众所周知，沿着光纤传播的光信号通过受激布里渊散射(SBS)可以产生辐射。这是一个当在光纤入口处的光功率超过给定的门限(对于具有小于20MHz的频谱带宽的窄带宽源一般大约为6dBm)时发生的非线性效应，这种现象可以在光纤的末端构成一种能够妨碍信号的正确接收的噪声源。
众所周知，例如从美国专利4560246和EP 565035可知，如果通过相位调制使传播的光信号的频带增加，在光纤中的受激布里渊散射发生时的门限光功率则增加。
双输出调制器100的两个输出分别和光纤线路220，230耦合，从而把调制的信号传输到各个分配站240，250。所述的分配站可以包括光耦合器，用于通过各个光纤线路260，270向接收装置265、275分裂并分配光信号。在接收装置中，光信号被转换为电信号并被发送到各个RF分配网络，或者直接发送给终端用户。如果调制器100是单输出的，则具有单纤维线路220和单分配站240。
光纤线路220，230，260，270最好是单模态的。不过可以有利地使用多模态的光纤，用于覆盖相对短的线路部分，例如在几千米的范围内。特别是，对于信号分配光纤网络(260，270)，可以使用多模态光纤。
可以在调制器100的一个或每个输出端提供光放大器205，210，例如掺铒光纤放大器，用于提升光信号和增加沿着光纤220、230的传输距离与/或用于增加要由光信号到达的接收装置265、275的数量。为了满足本领域技术人员熟知的信号分配网络的特定要求，可以按照已知技术沿着光纤220，230，260，270与/或在分配站240、250的输出端设置附加的光放大器(未示出)。对于在每个特定情况下提出的特殊要求，可以由本领域技术人员采用图1所示的示意的分配网络240，250，260，270，265，275，例如通过选择数量和结构合适的分配站、光纤和接收装置。
按照已知的关系，以这样的方式选择相位调制电信号的功率和频率，使得获得光信号的频带的必须的展宽。例如，30-35dBm的功率和大约2GHz的频率与放大器205、210的16dBm的输出功率，CATV信号的0-860MHz的带宽以及光纤220、230的大约50km的长度结合使用。现在讨论按照本发明的谐振光调制器。首先，说明常规的谐振相位调制器的结构个操作。
图3说明常规的电光谐振相位调制器10。光功率Popt在图的左侧从光纤(未示出)耦合进入光波导1。光信号通过调制器10的长度传播，并从图的右方输出。光波导1通过扩散，例如通过把钛扩散进入基片中，从而在电光基片2中被形成。电光基片2可以由一些可以利用电的方式改变折射率的合适的材料制成，其中包括LiNbO3。来自信号源(未示出)的微波调制信号被输入到最好呈锥形的共平面波导发射器5。锥形的发射器5在其较宽的一端能够容易地和来自调制信号源的常规的圆形同轴连接器连接，发射器5也可以叫做接口，其和有源调制器电极3相连。在谐振电极结构中，在靠近输出光功率的基片的端部，有源电极3通过和接地电极4相连而被短路。
因为电光效应而发生光信号的调制，所述电光效应是由于在有源电极3和接地平面4之间的电场引起的。调制器在不对称的共平面波导中被实现，并且光导在电极3和4之间延伸。在x切口、y传播的LiNbO3晶体的情况下，这使得电光相互作用最佳化。为了改善在光信号和微波信号之间的相位速度匹配，在基片的上表面上生成低介电常数的缓冲器层，并使用合适厚度的金属层(例如金(Au))作为电极。
为了实现好的窄带调制效率，一般如此设计被缩短的有源调制器共平面线路3，使得几乎在中心带频率f0下接近谐振。由于这个特点，中心带输入阻抗几乎是虚数，并且输入调制器反射系数S11(被定义为10L0g(Prefl/Pins)，其中Pins是从信号源可得到的RF功率，Prefl是反射的RF功率)接近于0(大约-2dB)。这意味着如果直接被施加到调制器，则从信号源可得到的中心带频率f0的功率将大部分被反射。因而，对于图3所示的常规电光谐振相位调制器一般使用外部阻抗匹配网络。外部网络一般被设置在输入端口5和同轴连接器之间。
图4表示本发明的另一个实施例，其中和图3相同的元件使用相同的标号。光调制器10包括锂铌酸盐基片2。虽然在图4中，在基片的端部和侧面之间所示为直角，但是实际上一般使用相对于垂直于侧表面的直线大约为6°的角度。在端部和侧面之间离开直角的这个小的偏差避免由于在光纤和集成的波导1之间的过渡区而在光纤中发生向后反射。
光调制器10可以按下述方式制造。例如通过钛的扩散在LiNbO3基片中形成绝缘的波导1。在锂铌酸盐基片和波导上形成SiO2或一些其它合适的低介电常数材料的缓冲层。然后例如使用掩模利用公知的光刻工艺在介电层上淀积金电极3-7。这种处理可以包括在介电层上淀积一层金属，在金属层上淀积一层光刻胶，使用构成所需的电极形状的掩模选择地使光刻胶曝光，刻蚀掉未被曝光的光刻胶覆盖的金属。如图3那样，在电极3和接地电极4之间也形成一个短路。
一般地说，电极3是在中心带频率f0接近谐振的线路。代替图4的短路结构，也可以使用如上所述的其它结构。
本申请人已经证实，按照本发明的调制器可被设计用于提供在范围为0.5-5GHz的谐振频率附近的高效的窄带调制。优选的操作频带的范围是1-4GHz。
按照本发明，锥形发射器5，短线6以及串联的延迟线7构成一个被完全集成在调制器内的阻抗匹配网络。如图4所示，短线6是和发射器5以及接地电极4相连的谐振微波线。按照另一个实施例，短线6可以是在其和发射器相对的一端开路的谐振线。延迟线7和发射器5以及有源电极3相连。短线6和串联的延迟线7的组合一般被称为一种电结构。发射器5一般可被称为接口。下面讨论阻抗匹配网络的等效电路图。
图10是表示图4所示的电光相位调制器中的元件的电路图。发射器5具有阻抗Z5；短线6具有阻抗Z6；延迟线7具有阻抗Z7；电极3具有阻抗Z3。所有这些阻抗都包括电阻(实部)和电感(虚部)分量。
由图10可见，光调制器10的总的输入阻抗应当等于调制信号源的阻抗。具体地说，几乎是虚数或者是电抗的有源电极3的阻抗Z3被短线6和延迟线7的布置所补偿。锥形的发射器5在同轴连接器和短线6、延迟线7、以及电极3的组合之间的过渡，二者具有相同的阻抗，发射器5(一般1-3mm长)引导调制信号通过电极，并且可以附带地完成在同轴连接器和电极之间的阻抗变换。
在4GHz以下的频率范围内，即RF信号的波长(在磷酸盐中)大于1.6cm时，在匹配网络6、7上的发射器5的效果小，因而其性能类似于简单线路的性能，而不管其几何形状。
在高频时，例如在10GHz时，发射器5开始具有一些相关的效果，因而可以用作匹配网络6、7的一部分。因而，在这个频率范围内，发射器的几何形状也成为重要的，必须仔细地设计。这种设计将使得发射器5能够提供在匹配部分的设计中的附加的自由度。
在RF波导中的调制RF信号的波长λ由关系λ=c/(f.Nm)给出，其中c是在真空中的光速，f是RF调制信号的频率，Nm是在频率f下RF波导的折射率。在LiNbO3调制器的短线、延迟线和电极中，折射率Nm可以取范围为3-5内的值，根据装置的参数，例如导体带的厚度和宽度、以及它们相对于晶体基片的取向而定。对于在1和4GHz之间的优选范围内的RF调制频率f，在RF波导中调制RF信号的波长λ例如可以具有大约1.6-10cm范围内的值。
在匹配几乎是虚数的谐振电极3的阻抗时，为了提供显著的匹配效果，延迟线7具有大于λ/40的长度。这相应于大于0.4-2.5mm的长度，对于上面示例的λ值，根据λ而定。延迟线7的长度最好大约为或者大于λ/20。
本申请人注意到，对于超过λ/2的长度，短线6和延迟线7的阻抗特性呈现周期性。为了减少在基片上的障碍物和简化调制器的设计，对于短线6和延迟线7，最好采用和给定的阻抗特性相应的尽可能短的长度。对于所述元件，这得到一个小于λ/2的优选长度，即小于8-50mm，对于上面示例的λ值，根据λ而定。
锥形发射器5、短线6以及串联线7的设计和优化过程从实验以及RF波导参数的理论特性开始，所述参数包括例如在一定的线路尺寸下的传播常数、衰减和阻抗。在这种设计并在对其进行优化之后，对于选择的元件的几何形状形成掩模，以便在基片上正确地形成元件3-7。
图5A表示从图4的线5a-5a取的用作调制器电极的不对称的共平面波导(ACPW)的截面图。图中示出了相对于电极3和接地电极4的光波导1的位置。尺寸W表示电极3的宽度，尺寸S表示电极3和接地电极4之间的间隙。匹配部分6和7具有和ACPW类似的截面。这种几何形状使得能够使用一个接地电极，主要为了使光调制器在芯片上占的面积最小。
图5B表示从图4的线5b-5b取的用作锥形发射器5的对称的共平面波导的截面图。为了具有好的调制器性能，最好把发射器5制成锥形，但非必须如此。在大约4GHz以下的频率范围内，利用直的发射器也可以获得好的结果。此外，发射器5可以包括直的部分和锥形的部分，例如如图7所示。对于发射器的唯一要求是共平面波导的对称性。需要一种对称的结构，以便使在使发射器和同轴连接器相连的外部过渡部分(未示出)发生的反射最小。这种对称结构仅仅由于同轴连接器本身的圆形对称而成为必须的。如果使用一些圆形同轴连接器之外的其它类型的连接器，则可以放宽锥形发射器5的对称要求。
图6表示光调制器的主要设计参数，即调制器长度L1，短线长度L2，延迟线长度L4(L4=L41+L42+L43+L44)和锥形长度L3。在确定调制器10的设计时其它的相关的参数是共平面波导间隙S，即电极3或5与接地电极4之间的距离，以及电极的带宽W，如图5A和5B所示。这种一般如图6所示的短线结构具有大约为1GHz的优选频率范围。在较低的频率下，要使用的短线的长度增大，从而引起整个芯片长度的增加。
本申请人已经在上面说明，如PCT申请WO99/09451披露的，通过调整微波信号的波长和电极3的长度之间的比，即λ/L1，可以使调制效率为最佳。电极3的长度L1可以被这样有利地选择，使得λ/L1在2.1和4.0之间，最好在2.3和3.1之间，大约为2.7为更好，这提供最佳的调制效率。此外，如果限制电极3的长度L1，则可以调整微波调制信号的波长λ，以便提供上述范围内的比。当按照本发明设计阻抗匹配网络时，可以考虑上述的设计因素。
设计了具有表1所示的几何参数的在2GHz附近工作的示例的相位调制器。这种相位调制器的结构如图7所示。图7所示的结构和图6的不同之处在于，L41是0(即不存在)。在图6中，为了避免在延迟线的部分L42和电极部分L1之间混淆，应当注意，在L42和接地电极之间的间隙是足够大的(一般大于50微米)，以便确保在该区域内的电光效应可以被忽略。在另一方面，由于较小的间隙S(一般5-15微米)，在电极的L1区域发生强的电光效应。此外，发射器5在其锥形部分的窄的一端包括直的部分。
表1
在上表中的所有的尺寸，L1，L2，L3，L41，L42，L43，L44，S和W相应于图5A，5B和图6所示的尺寸。对于发射器的S和W的较大的尺寸发生在芯片的边缘，而较小的尺寸发生在和延迟线以及短线的连接处。上述结构使用的芯片是2cm长，0.5cm宽和0.1cm厚；SiO2的厚度为0.5微米；Au电极的厚度是5微米。当然，上表和图7所示的尺寸是图4和图6所示的一般实施例的一种结构，但是不构成对本发明的限制。可以具有或者更简单或者更复杂的其它结构。
作为第二个例子，下表2确定了和图7类似的另一种几何结构，只是匹配网络的参数不同。
表2
在所述第二例的调制器中，有源电极加上延迟线7(没有短线6和输入锥体)的阻抗值(欧姆)被确定了，在频率2.1Ghz下，Z=3.16-j12.2在本例中，短线的阻抗是Z6=0.3+j11.7没有发射器和连接器过渡部分的调制器的相应的总输入阻抗是Z=33.9-j14.4考虑到输入发射器和连接器过渡部分，装置的输入阻抗ZIN达到更接近50欧姆的值。本申请人经过测量，对于第二例的调制器，在频率为2.1GHz下的输入阻抗是ZIN=49.4+j1.12这一输入阻抗和RF发生器的标准的50欧姆的阻抗匹配得很好。
图8表示在0-5GHz的带宽内对于按照表2的数据设计的调制器输入反射系数S11的测量的频率响应。这种测量是借助于常规的电网络分析仪进行的，带宽为0-7GHz，和焊到调制器芯片上的3.5mm的SMA连接器相连。如上所述，完全反射将产生S11=0dB，表示所有的输入功率都被反射掉。在反射系数中的一个缺口相应于对于调制器的功率传输效率的峰值。在下面的表3中给出一些反射缺口的值(在图8中可以看到两个)。
表3
特别是，在围绕中心频率f0=2.125GHzΔf=60GHz的带宽上达到了小于-12dB的返回损失S11。
对于表1所示的参数的调制器进行了相应的测量。在围绕中心频率f0=1.805GHz Δf=82GHz的带宽上达到了小于-12dB的返回损失S11(未示出数据曲线)。测量的在f0时的缺口深度是-42.8dB。
这意味着，在中心频率f0下，来自调制信号源的小于10-4的输入功率被调制器反射。Vπ的值，即产生180度相位调制所需的RF电压，利用由DFB激光器提供的1550nm的相位调制光的标准的频谱分析进行测量，在1.8GHz下仅为6.0V。与此相比，对于具有相同几何尺寸的RF电极但是没有匹配网络的调制器，在1.8GHz下测量的Vπ的值是8.5V，引起180度的相位调制所需的电压显著增加。
因而，对于给定的调制源功率，利用上述的匹配的阻抗可以使光信号的调制最大。从另一个方面来看，对于一个给定数量的所需的调制，所需的调制源功率被减到最小，从而引起较少的发热，因而减少装置的热稳定问题。不论从哪一方面来看，其结果是增加传输的功率，提高调制效率。增加调制效率的另一个优点在于可以使用成本较低的RF驱动器。
谐振电极结构也可以和幅值调制器相关而不和相位调制器相关。一般要求幅值调制器是宽带的而不是窄带的。不过，也可以使用谐振的、窄带的幅值调制器，例如用于脉冲整形，即按照特定的形状修正光脉冲。也可以使用谐振的窄带幅值调制器用于选通，即按照预定的时间窗对光脉冲进行时间过滤，例如在光分时多路传输(OTDM)系统中解除一个频道的多路传输。
图9所示是按照本发明的示例的谐振幅值调制器的示意图。图9所示的麦齐德干涉仪结构包括在磷酸盐晶体上的输入波导50，两个干涉仪臂51，52和输出波导53。Y形耦合器在光学上和具有干涉仪臂的输入(与输出)波导连接。谐振电极结构包括输入(锥形的)发生器5，具有两个短线6的短线结构，延迟线7和位于基片上的在两个波导臂51，52之间的区域内的热(RF)电极3。热电极3和在两个干涉仪臂开始向着输出波导成为锥形的区域内的地4呈短路连接。在热(RF)电极3和在“有源”区域(和波导臂平行的区域)内的接地电极4之间的间隙S大约为10微米。在短线6或延迟线7和接地电极4之间的间隙S大约为80-100微米。
显然，不脱离本发明的构思，本领域技术人员可以作出各种改变和改型，例如要被匹配的阻抗可以不是50欧姆。
由本说明书的讨论和其中披露的本发明的实施例，本领域技术人员显然可以作出其它的实施例。本说明书以及其中说明的例子仅仅用于说明本发明，本发明的构思和范围由所附的权利要求限定。
权利要求
1．一种光传输系统包括用于产生光信号的光源；用于产生预定频率的RF信号的RF信号源，所述RF信号源具有一个阻抗；谐振光学相位调制器，用于按照RF信号调制光信号的相位；光放大器，用于把光信号放大到大于6dB的功率；光纤线路，用于传输被放大的和被相位调制的光信号；其中谐振光学相位调制器包括电光基片；形成在所述基片上的并具有可变的折射率的光波导；形成在基片上的和所述波导有关的有源调制器电极，用于在对电极施加调制信号时使折射率发生电光改变；形成在基片上的并对所述电极提供RF调制信号的接口；一个电结构，其形成在基片上并和接口以及电极相连，包括所述接口和所述电结构的光调制器的阻抗基本上等于所述RF信号源的阻抗。
2．一种谐振光学调制器包括电光基片；形成在所述基片上的并具有可变的折射率的光波导；形成在所述基片上的和所述波导相关的有源调制器电极，用于在对电极施加在谐振频率附近的频率的调制信号时使折射率发生电光改变；形成在基片上的接口，其从一个信号源对电极提供调制信号，所述信号源具有一个阻抗；形成在基片上的并和所述接口以及电极相连的电结构，包括所述接口和所述电结构的光调制器的阻抗基本上等于所述信号源的阻抗。
3．如权利要求2所述的谐振光学调制器，其中有源调制器电极和地相连。
4．如权利要求2所述的谐振光学调制器，其中所述电结构包括被连接在接口和电极之间的延迟线。
5．如权利要求4所述的谐振光学调制器，其中电结构包括在第一端和接口相连的谐振短线。
6．如权利要求4所述的谐振光学调制器，其中延迟线具有大于λ/40的长度，其中λ是在延迟线中在谐振频率下的RF信号的波长。
7．如权利要求2所述的谐振光学调制器，其中谐振频率的范围为0.5-5GHz。
8．如权利要求7所述的谐振光学调制器，其中谐振频率的范围为1-4GHz。
9．一种谐振光学调制器，包括电光基片；形成在所述基片上的并具有可变的折射率的光波导；具有一个接地端的形成在所述基片上的和所述波导相关的有源调制器电极，用于在对电极施加谐振频率下的调制信号时使折射率发生电光改变；形成在所述基片上的接口，用于从一个信号源对电极提供调制信号；形成在基片上的并被连接在接口和电极之间的第一电元件，以及形成在基片上的并被连接在接口和地之间的第二电元件。
10．如权利要求9所述的谐振光学调制器，其中所述电极、接口、第一电元件和第二电元件的总阻抗基本上等于信号源的阻抗。
11．一种谐振光学调制器，包括在电光基片中的用于调制光信号的装置，所述用于调制的装置被形成在所述基片上；用于从一个信号发生装置提供在谐振频率下的电调制信号的装置，所述用于提供的装置被形成在所述基片上；以及和用于提供的装置以及用于调制的装置相连的装置，用于使光学调制器的阻抗基本上等于信号发生装置的阻抗，所述用于使阻抗基本上相等的装置被形成在基片上。
12．如权利要求11所述的谐振光学调制器，其中用于调制的装置和地相连。
13．如权利要求11所述的谐振光学调制器，其中用于使阻抗基本相等的装置包括被连接在用于提供的装置和用于调制的装置之间的用于延迟调制信号的装置。
14．如权利要求13所述的谐振光学调制器，其中所述用于使阻抗基本相等的装置还包括被连接在用于提供的装置和地之间的分流装置。
15．如权利要求13所述的谐振光学调制器，其中用于提供的装置的宽度从信号发生装置向其和用于延迟的装置的连接处被减少。
16．一种电极结构，其用于被设置在延伸着光波导的电光基片上的光调制器，包括被对称地设置在接地平面的第一和第二部分之间的并且具有从基片的边缘朝向一个节点逐渐减少的宽度的第一电极；从所述节点沿一个方向延伸，并且连接接地平面的第一部分的第二电极；从所述节点沿另一个方向延伸，并且具有靠近光波导的端部的第三电极；和靠近光波导的第三电极的端部相连，并且平行于光波导而延伸，并和接地平面的第二部分相连的第四电极。
17．如权利要求16所述的电结构，其中从第一电极的输入端看，所述电极结构的阻抗基本上和与第一电极的输入端相连的信号源的阻抗相等。
18．如权利要求17所述的电结构，其中从所述节点看，第二、第三和第四电极的总阻抗基本上和与第一电极的输入端相连的信号源的阻抗相等。
19．如权利要求16所述的电结构，其中第三电极包括至少两个垂直的部分。
20．如权利要求16所述的电结构，其中在第四电极中的调制信号调制通过光波导行进的光信号。
全文摘要
一种谐振光学调制器包括电光基片,形成在所述基片上的并具有可变的折射率的光波导,以及形成在所述基片上的和所述波导相关的谐振有源调制器电极,用于在对电极施加在谐振频率附近的频率的调制信号时使折射率发生电光改变。调制器还包括形成在基片上的接口,其从一个信号源对电极提供调制信号,并具有阻抗,以及形成在基片上的并和所述接口以及电极相连的电结构,用于使光调制器的阻抗基本上等于信号源的阻抗。所述电结构包括延迟线和形成在基片上的短线。
文档编号G02F1/00GK1287449SQ0011779
公开日2001年3月14日 申请日期2000年6月30日 优先权日1999年7月2日
发明者萨基欧·博索, 艾米利欧·卡萨西亚, 大卫·夫拉萨提, 基欧法尼·格黑欧恩, 阿尔杜·颇拉叟, 马可·皮罗拉 申请人:皮雷利·卡维系统有限公司