专利名称：用于电光调制器的具有射频信号监测功能的集成终端的制作方法
用于电光调制器的具有射频信号监测功能的集成终端 对相关申请的交叉引用
本发明要求于2006年10月19日提交的60/862,062号美国专利申请的优先权，在 此通过参考将其合并入本申请中。技术领域[2]本发明涉及一种用于电光调制器的集成射频终端，在用于射频信号监测时，该集成 射频终端既可用作射频终端又可用作射频功率分配器。发明背景[3]为了正确操作电光调制器，输入端口 (大多数情况下是输入连接器)处的最小射频 反射是一个重要技术指标。如果射频反射太高，可使射频信号源的操作不稳定，或由于 给信号通道加入反相反射伪差而破坏信号的保真性。在封装电光调制器中有许多反射 源，但主要由三个位置产生，即，射频终端、输入连接器到输入板之间的界面和输入板 到调制器芯片之间的界面。[4]射频终端的主要功能是在工作频带范围上与电光调制器电极的阻抗电匹配，以确保 在电光调制器的输入端口处具有最小的射频反射。输入连接器是封装电光调制器连接到 外界的接口 。输入板是调制器芯片和输入连接器之间的接口 。射频终端吸收残余射频功 率使对电光调制器的工作产生最小的扰动。[5]如果射频终端的阻抗和在工作频带范围上的电光调制器的阻抗正好匹配，就没有射 频功率反射回射频输入端口 。在工作频带范围上的合适阻抗特性大概是射频终端的最重 要特征。作为用于电光调制器的好的射频终端，还要考虑其他一些重要特征，如射频功 率处理(或耗散)能力、温度稳定性、易加工、小尺寸、低成本和低寄生参数等。[6] —般在射频段的电信号被送入输入连接器。输入板提供输入连接器和电光调制器芯 片之间的电转换，其中，通过电光效应，在光波导中传播的光波被在电极中传播的电波 或射频波调制。未使用的或残余的电或射频功率被排卸到电极末端的射频终端。如图1所示是一个简化的现有技术的光通信系统100的例子，其采用本发明的电光 调制器107。光通信系统100包括发射器110、接收器109和传输介质108,该传输介质 108将发射器IIO连接到接收器109。传输介质通常为光纤。[8]发射器110包括一个激光器104，其根据从激光控制器103接收的激光控制信号来 工作。[9]透镜光纤，或尾纤113接收光信号112。透镜光纤113与隔离器105耦合，以减少 向激光器104的光学反射。在一个实施例中，光学隔离器105与偏振器(未示出)结合 以进一步减少向激光器104的光学反射。在另一个实施例中，透镜光纤113直接与电光 调制器107耦合，而不通过隔离器105。[10]电光调制器107接收来自激光器104的经输入光纤106传输的光学信号112。电光 调制器107包括两个波导114和115。控制器102独立控制每个波导114和115,或采 用一个信号对它们进行控制。在电光调制器107的输入端116处接收光学信号112，并 在每个波导114和115中对该光学信号112进行调制。来自每个波导114和115的调制 光信号在电光调制器107的输出端117被合成为一个调制光信号。电光调制器107可以 执行调幅、或调相、或其组合，以对所接收的光信号112的光进行线性调频。被合成、 被调制的光信号通过光纤108传输到接收器109.[11]控制器102接收来自数据源101经传输线118传输的数字数据信号，并响应所接收 信号而产生调制控制信号。该调制控制信号经导线119和120被引入电光调制器107。 调制控制信号指示光信号112的预定调制值和所需调制啁啾参数。例如，电光调制器107 接收调制控制信号，相应地，每个波导114和115的相对传播速率发生改变，以产生所 需的调制啁啾参数值。单个控制信号可不对称地与波导114和115相互作用，而产生一 个固定调啾值。[12]控制器102也加入一个经导线121传输到电光调制器107的偏置信号，以设置其工 作点。偏置信号可以是预设的或响应不断变化的环境条件生成，如温度、偏压漂移或积 聚在电光波导附近的电荷。[13]上述现有技术的系统的电光调制器107中，可以加入根据本发明的在此披露的射频 终端，这是有利的，附加的射频输出监测线122可以将所述射频终端连接到射频探测或 监测电路123。[14]图2是图1中的光通信系统100的现有技术的封装电光马赫*曾德尔 (Mach-Zehnder)调制器的俯视平面图。光缆206与调制器芯片207的光输入端216光 连通。光缆206将来自光源或激光器(未示出)的光信号提供到输入端216。光信号由 第一光Y-连接器225分成两个相等的信号。射频电极226和227形成电传输线，以将 射频信号从电输入端口 201传送到电输出端口 202。射频信号经连接到电输入端口 201 的射频互连板228，由外部信号源来提供。分开的光信号沿光波导229和230传播，并 被射频信号的电场调制。射频信号与分开的光信号的相互作用或调制的距离被称为相互 作用距离，并主要由调制器设计决定。[15]使用的主要有两大类型的铌酸锂(LiNb03 )电光Mach-Zehnder (MZ)调制器，X 切和Z切型，图2仅显示X切型。[16]第二光Y-连接器231将两分开光信号合成单个调制光信号。耦合至调制器芯片207 上的光输出端217上的光缆208,将合成光信号传送到光通信系统的的后续段(未示出)。[17]调制器芯片207包括基片234,在一实施例中，该基片由X切型铌酸锂(LiNb03 ) 制成，约1000微米厚。在另一实施例中，调制器芯片207由Z切型铌酸锂(LiNb03) 制成。[18]光波导229和230可通过将钛扩散到基片234中制成。在一实施例中，在基片234 上作出条或沟(未示出)，在沟中沉积钛，然后升温以使钛扩散到基片，从而制得光波 导229和230。光波导229和230约7微米宽，3微米深。[19]总之，现有技术射频终端板235位于电极226和227的电输出端口以吸收未使用或 残余射频功率。[20]根据本发明的在此披露的射频终端板235也可以包括集成射频监测输出端口 236， 该端口紧凑和易加工，有利地应用于探测、监测或反馈电路中。常用的用于电光调制器的射频终端是集总元件和厚或薄的薄膜电阻。用于电光调 制器的集总元件电阻通常是表面安装的，如图3所示。如图4所示的作为射频终端的厚 或薄的薄膜电阻由混合电路技术制造。[22]图3a和图3b分别是俯视平面图和A-A'剖面图，示出了对应于图2中射频终端板 235的现有技术射频终端板335。射频终端板335通常在陶瓷基片236上制成，也可用 物理和电学性能类似的其它材料制得。射频传输线337的一短段，或是共面波导(CPW) 或是微带线，从位于射频终端板335边缘的终端输入端口 302延伸到射频终端339。射 频终端339可以是电阻，或是电阻和电抗无源元件的复杂电路。在这个实施例中示出的 是一集总元件形式的表面安装电阻。接地电极338通过通孔340连接到电接地板341。 图2中的调制器芯片207的电输出端口 202与终端输入端口 302之间的电连接一般是通 过金线连接的。[23]集总元件电阻的主要缺点是需要另外的焊接处理和可能具有高的寄生微波参数。[24]图4a和图4b分别是图2中射频终端板235的替代形式的俯视图和剖视图。该射频 终端板435除了射频终端339外与图3a中的终端板具有相似的元件。射频终端439是 连接在射频终端线437和接地电极438之间的薄或厚的薄膜电阻。射频终端也可由电阻 和电抗的薄或厚的薄膜元件的复杂电路形成。接地电极438通过通孔440与电接地板441 连接。图2的调制器芯片207的电输出端口 202与终端输入端口 402之间的电连接一 般是通过金线连接的。[25]如图4所示，作为射频终端的厚或薄的薄膜电阻可用混合电路技术制得，相比集总 元件电阻，该电阻易于大容量生产，成本低、容易加工，重复性好，尺寸小，但是，很 难在可感知电带宽上得到 一 个好的阻抗匹配。[26]厚或薄的薄膜终端的形状对它的频率特性和固有寄生效应有极大的影响。射频终端 不仅是射频功率吸收器，也是电光调制器电极和电接地之间的转换部件。不同的几何形 状极大地影响终端阻抗匹配，特别是当终端元件的长度和尺寸足够大以致影响在高频时 的射频阻抗时。锥形是电磁波转换的理想形状。在图5的实施例中，在两个具有很大不 同的电/射频特性的传输线之间的电/射频转换器被设计成锥形。[27]图5是图4a中射频终端板435的另 一种形式的现有技术的俯视图。射频传输线537 从终端输入口 502延伸到射频终端539,所述射频终端是具有分布阻抗的薄或厚薄膜电 阻。锥形的射频终端539,窄的一头位于射频终端线537的一端，宽的一头连接到接地 电极538。梯形射频终端539的锥面可以是线性的、两次、指数或其它渐变曲线以确保 射频功率的平均耗散，从而使射频反射最小。[28]在光纤通信系统中，用于电光调制器的前端射频信号探测装置的一般结构包括位于 电光调制器输入连接器前方的可从市场获得的射频功率分配器/耦合器。在该应用中，耦 合器通常有高耦合率，也就是说，射频功率的大部分通过主通道进入电光调制器，只有 一小部分(例如1%)的射频功率进入耦合通道，用于监测射频信号。由耦合通道拾取 的这一小部分射频功率经由射频分配器/耦合器上的射频连接器，并被送入射频信号探测 或监测电路的输入端口。然后，锥形射频信号被一个(单个式)或两个(平衡式)射频 二极管探测到，所探测的信号可被用作射频信号探测电路的输入信号。[29]这种装置的主要缺点是额外的射频功率损失和体积大。在输入信号通过射频调制器 前， 一些射频功率由于分接而损失。额外的分配器/耦合器需要更大的空间，并使加工成 本增力口。[30]对于光纤通信系统中的电光调制器， 一种试图解决功率损失问题的装置是后端射频 探测方案。射频功率分配器/耦合器位于射频调制器的输出端口。在该应用中，耦合器通 常也有高耦合率，也就是说，射频功率的大部分通过主通道进入电光调制器，只有一小 部分(例如1%)的射频功率进入耦合通道。当从电光调制器出来的未使用的射频信号 被送入射频分配器/耦合器的输入端，射频功率的大部分通过主通道进入大容量射频电阻 终端，通常50欧姆。由耦合通道拾取的这一小部分射频功率被送入射频信号探测或监 测电路的输入端口，在该端口，锥形射频信号可以被一个(单个式)或两个(平衡式) 射频二极管探测到。[31]采用混合PCB技术，也可将包括射频二极管和无源元件的射频探测电路集成到陶 瓷基片上的射频终端板中。[32]上述实施例中，监测靠近电光调制器的射频环境需要大量而且可能很贵的部件，如 射频功率分配器/耦合器和附带连接器，这些部件本身可能是寄生阻抗源和反射源。 发明内容[33]本发明的目的是提供一种集成于同一芯片上的，具有用于监测的射频分接头的终 端，从而获得较宽调制频带上的改进性能。[34]因此，本发明涉及一种具有内置监测端口的射频终端，此端口能够在紧凑和低寄生 配置下用来优化电光调制器或相似器件的性能。[35]此发明的另一方面涉及一种基于分布电阻的射频终端，此电阻有一个特定的形状使 射频终端的输入阻抗和监测端口的输出阻抗可以根据具体的需要进行调节。
[36]下文将参照附图对本发明进行更为详细的介绍，附图所示为优选实施方式，其 中[37]图1为现有技术的光通信系统的示意框图，所述系统包括激光二极管、外部调制 器和光电探测器二极管，该系统在光纤或类似的光波导中传输光信号的领域中是众所周 知的；[38]图2示出了典型的现有技术的封装电光(EO)调制器，包括调制器芯片、输入互连 和射频(RF)终端；[39]图3a和3b分别为现有技术的平面图和剖面图，示出了用于电光调制器的通常为表 面安装的集总元件电阻器；[40]图4a和4b分别为现有技术的平面图和剖面图，示出了作为射频终端的厚膜或薄 膜的电阻器；[41]图5为现有技术的锥形的平面图，该锥形用于具有两种截然不同的电/射频特性的 传输线之间的电/射频转换；[42]图6为根据本发明的用于电光调制器的等效的RF信号监测电路；[43]图7为根据本发明的被组合到一个元件中的射频终端和射频功率分配器的平面 图；以及[44]图8为梯形分布电阻的平面图，其显示了设计尺寸。
具体实施方式
[45]此处描述的本发明将射频终端和射频功率分配器电阻集成到一个元件中。主要目的 是使集成元件集成到射频终端，使其在工作频段具有低射频反射和低寄生参数的优秀射 频特性。作为集成终端电阻，它也可以作为射频功率/电压分配器。除了优越的电特性和 射频性能，这样的装置的其它优点还有易于设计、体积小、容易生产、好的温度稳定性 和低成本。[46]同时具有射频终端和射频信号监测的优化改进方案在图6中作为等效电路示出。 残余的射频功率通过输入端口 652从EO调制器进入到射频芯片651，从输入端口 652 传导到射频功率/电压分配器655。在这种配置中的RF功率/电压分配器通常由两个 电阻656, 657组成，电阻656和657之间的比率根据所需要的分接值或分配率决定。 分接的残余R F功率从监测输出端口 658输出。RF终端电阻653被连接在输入端口 652 和才矣地端654之间。[47]因为RF芯片651被连接到EO调制器的电传输线输出电极，所以EO调制器的残 余RF功率不会引起EO调制器的额外RF功率损耗。RF功率监测器的RF功率/电压 分配器655的两个电阻656, 657可以是集总元件或薄/厚膜电阻，并和RF终端电阻 653连同RF信号监测电路被集成到同一PCB板上。因此，这种设计可以大大减小部件 的尺寸和生产的成本。[48]然而，在所述方案中，射频终端电阻653和包括电阻656, 657的RF功率/电压 分配器655是分立的元件但并联，如图6所示。这两个元件对电的/RF性能有截然不 同的要求。RF终端电阻653通常被设计用来在工作频带完成与输入端口 652的良好匹 配，而包含电阻656, 657的RF功率/电压分配器655有其自身的要求，例如稳定的检 出率(pickoff ratio )、易于调整或设置电阻值和易于将监测输出端口 658处的适当的源 阻抗提供给监测二极管或其他电子元件。在电路中将宽频RF终端设计成与高质量RF 功率/电压分配器并联是很难的。[49]图7示出了集成RF终端板735的俯视平面图。来自EO调制器(未在图中显示) 的残余RF功率输入到与射频传输线737连接的输入端口 702。通常情况下，连接EO 调制器电输出电极到RF传输线或CPW 737采用多线连接，EO调制器接地电极和终端 接地板748也采用多线连接。终端接地板748通过通孔750和终端接地连接。[50]集成RF电阻739的结构是逐渐加宽的变宽锥体，和相反的逐渐变窄的变窄锥体。 阻抗材料的纵向切片的传递电阻和结构的宽度成反比，随着锥体特性阻抗逐渐增加，渐 增或渐减的宽度可以使电阻不断减小。锥形结构可以使传输波的RF阻抗改变，同样， 阻抗锥体被用来将一个RF阻抗与另一个RF阻抗匹配。例如，可以利用锥形传输线将 50欧姆的同轴电缆变为75欧姆的同轴电缆。结果，因为阻抗慢慢降低，功率沿着结构 的长度慢慢损耗。当在此结构中，圆锥的结构是逐渐变窄，阻抗沿着长度而增加，仍继 续消耗RF功率。圓锥变宽变窄结构可以提供无损失阻抗和有损失阻抗(损失阻抗会导 致射频功率损失)的结合和优化的RF阻抗匹配。[51]射频电阻739的形状近似于顶部被截平的风箏，从射频传输线737延伸到第二接 地板738,它可以被看作是具有变化宽度的电传输线。其宽度单调增加，直到中间段760， 在中间段760的宽度是不变的，然后宽度单调减小，直到第二接地板738,第二接地板 738依次通过通孔740接终端接地端。[52]射频分接头输出端口由射频分接头电极762 (优选金属棒)提供，分接头电极762 被连接到位于中间段760的射频电阻739的两侧。射频电阻739的锥形边缘761， 763 可以定制以获得所需的特性，例如在最小射频反射下射频功率的平滑消耗的特性。锥形 边缘的外形761, 763可以通过线性、二次、指数和任何其它随着传输线距离而渐变的 函数得到。[53]射频电阻739可以由有确定薄膜电阻值的炭填充聚合物形成。电阻的精确目标阻抗 值可以通过激光微加工实现。[54]射频功率分配率或分束率可以通过调整射频电阻739的上部和下部的梯形尺寸实 现。从射频分接头电极762分接的射频功率被输入到射频信号检测电路(未在图中显示)。 采用混合PCB技术，也可以将包括射频二极管和无源元件的射频信号检测电路集成到 陶瓷基片734上的射频终端板735中。[55]分束率的值一般在-6dB和-20( 之间，但大多数实际应用优选大约-lOdB。[56]对于输入端口 702，输入阻抗值用来提供与电光(EO)光调制器上的传输线电极阻抗 匹配的最佳射频。而阻抗值随具体的EO调制器设计变化，范围通常是大约30欧姆到 75欧姆，大多数铌酸锂的典型值是40欧姆。射频分接头电极762在另 一方面逐渐工作 到标准50欧姆射频电路，所以它们的源阻抗被设计用来匹配该值。 [57]如图8所示，形状近似于可能带有曲边的不对称菱形的射频电阻839的直流/低频 阻值，可以用积分方程式或通过下面的公式对水平方向的小切片求和估算得到[58] Ri = SRs*Sh/[t*f(xO][59] Rs是阻抗材料的薄膜阻值，Sh是片的高度，t是阻抗材料的厚度，f(Xi)是第i片 的曲线函数。[60] 输入终端827形成顶部，接地终端828形成底部，分接头终端在射频电阻829的 两侧。圆形边860， 870可以是直线，也可以是根据函数f(Xi)的向内的曲线，如虚线861， 871所示。[61]射频电阻839由三部分两个近似的梯形结构和一个中心长方形结构组成，如图 8所示。利用上面的公式，可以分别计算上部和下部的直流/低频阻值R,和R2。类似的， 也可以计算长方形部分的阻值Rr。因此总的直流/低频阻值是Rl, R2和R r的总和。[62]射频信号检测电路正常操作所需的电压分配率由R!/( R!+ R》决定。在此结构中， 总的高度H是两个梯形部分高度ln ，h2和长方形高度h3的总和。射频终端其它参数是 宽度W和薄膜电阻值Rs 。[63]通过调整宽度W,三部分的高度ht ,h2和h3,薄膜电阻值Rs,所需要的射频终端 的总阻值和射频信号检测的电压/功率分配率的值可以分别优化。[64]已经描述了作为EO调制器应用的集成射频终端，其具有用于射频信号监测的射频 终端和射频功率/电压分配器的功能。终端阻值和功率分配值可以被分别调整和同时被优 化。单器件显示了优越的射频/电特性，也就是宽工作频带和低寄生参数。带有两个分接 头的集成射频终端或相似的形状可以实现在最低反射下从EO调制器电极的阻抗到接地 端进行平滑转变。[65]此处所披露的所述集成射频终端也可以被用作单独的器件或用在其它类型的集成 光调制器中，例如在半导体材料上和在任何电光或光电器件上的电吸收(EA)和电光 马赫*曾德尔调制器(EO MZ),这些应用只需要射频终端或需要射频终端和射频功率/ 电压分配器的组合。[66]总之，所披露的用于光调制器的射频终端，包括具有从光调制器接收残余射频调制 信号的输入端口的衬底芯片；包括衬底芯片上的一个可以提供电直流和射频回路的地连 接；包括衬底芯片上的阻抗传输线，所述传输线具有宽度和长度，所述长度从输入终端 延伸到接地终端，以吸收所述残余射频调制信号，其中，所述输入终端被连接到所述输 入端口 ，所述接地终端被连接到所述地连接；还包括在村底芯片上的射频分接头输出端 口 ，所述射频分接头输出端口被连接到阻抗传输线的中间段的边缘，用于按残余射频调 制信号的分束率耦合输出射频监测信号。分束率的范围一般为大约-6dB至U -20dB。[67]阻抗传输线的宽度可以有一个从地端到中间段的变宽锥形和一个从中间段到射频 输入端的变窄锥形。[68]变宽锥形或变窄锥形可以由线性、二次和指数轮廓函数中的一个决定。变宽锥形或 变窄锥形可以由激光微加工来调节。[69]阻抗传输线可以由薄膜或厚膜阻抗材料制成。碳填充聚合物是适合于阻抗传输线 的材料。[70]阻抗传输线路可以是共面波导或微带线。[71] 射频分接输出端口的阻抗范围为大约30欧姆到75欧姆。[72]村底芯片由陶瓷或半导体组成。可采用混合PCB技术生产衬底芯片。
权利要求
1.一种用于光调制器的射频终端，其包括衬底芯片，其具有从所述光调制器接收残余射频调制信号的输入端口；在所述衬底芯片上的接地，用以提供电直流和射频回路；在所述衬底芯片上的阻抗传输线，所述传输线具有宽度和长度，所述长度从输入终端延伸到接地终端，以吸收所述残余射频调制信号，其中，所述输入终端被连接到所述输入端口，所述接地终端被连接到所述接地；以及在所述衬底芯片上的射频分接头输出端口，所述输出端口被连接到阻抗传输线中间段的边缘，以按残余射频调制信号的分束率耦合输出射频监测信号。
2. 如权利要求1所述的射频终端，其特征在于，所述阻抗传输线的宽度具有从所述接 地终端到所述中间段的变宽锥形和从所述中间段到所述射频输入端口的变窄锥形。
3. 如权利要求2所述的射频终端，其特征在于，所述变宽锥形或变窄锥形由轮廓函数 确定，所述轮廓函数为线性、二次和指数轮廓函数中的一个。
4. 如权利要求2所述的射频终端，其特征在于，所述阻抗传输线包括阻抗材料，所述 阻抗材料选自薄膜和厚膜中的一个。
5. 如权利要求4所迷的射频终端，其特征在于，所述阻抗材料包括炭填充聚合物。
6. 如权利要求2所述的射频终端，其特征在于，所述变宽锥形或所述变窄锥形是激光 加工的。
7. 如权利要求2所述的射频终端，其特征在于，所述阻抗传输线是共面波导和微带线 中的一个。
8. 如权利要求2所述的射频终端，其特征在于，所述分束率在大约-6dB和-20dB之间。
9. 如权利要求2所述的射频终端，其特征在于，所述射频分接头输出端口的阻值在大 约30欧姆和75欧姆之间。
10. 如权利要求2所述的射频终端，其特征在于，所述衬底芯片包括陶覺和半导体中的 一个。
11. 如权利要求2所述的射频终端，其特征在于，所述村底芯片由混合PCB技术制造。
全文摘要
本发明涉及一种射频终端，该射频终端用于在电光(EO)光调制器上的传输线电极终端减少电信号反射。所披露的终端包括一个射频分接头，该射频分接头可以在EO调制器上监测射频功率和反射情况。集成终端/分接头也可以和探测电路集成(例如射频二极管和无源元件)，以提高性能、降低生产成本和实现更加紧凑而有效的封装。
文档编号H04B10/12GK101166063SQ20071016322
公开日2008年4月23日 申请日期2007年10月19日 优先权日2006年10月19日
发明者姜文彦, 格雷戈里·麦克布赖恩, 约瑟夫·P.·法里纳 申请人:Jds尤尼弗思公司