專利名稱：光調(diào)制元件及通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光調(diào)制元件及通信系統(tǒng)，尤其是涉及用光來傳送無線中使用的數(shù)GHz以上高頻信號的光調(diào)制元件及通信系統(tǒng)。
直接調(diào)制是如

圖1(a)所示，通過直接調(diào)制驅(qū)動半導(dǎo)體激光器等光源的電流，調(diào)制從光源輸出的光本身強(qiáng)度的方式。因為直接調(diào)制不必在光源外部設(shè)置調(diào)制器，所以適于系統(tǒng)小型化，但難以在數(shù)GHz以上的高頻下進(jìn)行光調(diào)制，因此，半導(dǎo)體激光具有的線性調(diào)頻限制了長距離的光纖傳送。
相反，外部調(diào)制如圖1(b)所示，將從半導(dǎo)體激光器等光源輸出的光(輸出穩(wěn)定的光)輸入光調(diào)制元件，由光調(diào)制元件調(diào)制光的相位或強(qiáng)度。光的調(diào)制可使用光電效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、非光束形光學(xué)效應(yīng)等來進(jìn)行。
如上所述，因為直接調(diào)制半導(dǎo)體激光的方法難以實現(xiàn)超高速光調(diào)制，所以急于開發(fā)可高速動作的外部調(diào)制型元件。在外部調(diào)制型元件中，使夾具有波克爾斯效應(yīng)的電介質(zhì)結(jié)晶的光電光調(diào)制元件可在超高速下動作，另外，具有隨著調(diào)制但相位干擾少的優(yōu)點(diǎn)。因此，該光電光調(diào)制元件對高速信息傳送或長距離光纖通信等非常有效。另外，若用光電光調(diào)制元件來制作光波導(dǎo)路構(gòu)造，則可能一舉實現(xiàn)元件的小型化和效率化。
通常，光電光調(diào)制元件由光電結(jié)晶上作為調(diào)制電極(信號電極)傳輸調(diào)制信號的傳送線路、和形成于該傳送線路附近的光波導(dǎo)路構(gòu)成。另外，調(diào)制電極周圍感應(yīng)的電場使光波導(dǎo)路部分的折射率變化，從而使光波導(dǎo)路中傳輸?shù)墓獠ǖ南辔蛔兓?br> 在光電光調(diào)制元件中使用的通常結(jié)晶中，光電系數(shù)較小。光電系數(shù)是光調(diào)制的基本參數(shù)。因此，在光電光調(diào)制元件中，向光波導(dǎo)路有效施加電場是重要的。
圖2是表示光電光調(diào)制元件基本構(gòu)造的剖面圖。在具有光電效應(yīng)的結(jié)晶(光電結(jié)晶)基板表面區(qū)域形成光波導(dǎo)路，在光波導(dǎo)路上形成調(diào)制用電極。
光電結(jié)晶具有光學(xué)各向異性，折射率與施加的電場大小大致成正比地變化(波克爾斯效應(yīng))。因此，通過調(diào)節(jié)提供給調(diào)制電極的電位V，可使光波導(dǎo)路的折射率n變化。光波導(dǎo)路的折射率變化量Δn與施加于光波導(dǎo)路的電場E成正比。若光波導(dǎo)路的折射率僅變化Δn，則如圖2所示，輸出光的相位僅變化ΔΦ。通常相位變化量ΔΦ與電場強(qiáng)度E和光波導(dǎo)路的長度L之積成正比。
在光波導(dǎo)路中形成電場的調(diào)制信號從光調(diào)制元件外部經(jīng)輸入線路提供給光調(diào)制元件的電極，所以有效輸入調(diào)制信號是重要的。
下面，參照圖3來詳細(xì)說明現(xiàn)有的光調(diào)制元件。圖3是現(xiàn)有光調(diào)制元件的俯視圖，該光調(diào)制元件公開于美國專利5400416中。
圖3的光調(diào)制元件具備由具有光電效應(yīng)的材料構(gòu)成的基板101和形成于基板101表面部的光波導(dǎo)路112。光波導(dǎo)路112通過在基板101的一部分中熱擴(kuò)散金屬等形成。
在基板101的表面中，在光波導(dǎo)路112的左右兩側(cè)設(shè)置由鋁或金等金屬膜構(gòu)成的平行耦合線路13，在基板101的表面上，設(shè)置由金屬膜構(gòu)成的接地層114。平行耦合線路113由彼此平行的兩個線路113a、113b構(gòu)成。
在該現(xiàn)有例中，平行耦合線路113的各線路113a、113b通過單一線路124彼此耦合，在美國專利5400416中還公開了未耦合兩個線路113a、113b的構(gòu)造。
在部分線路113b中設(shè)置經(jīng)分接頭128連接的輸入端子129，在輸入端子129與接地層114之間連接高頻信號源119。
輸入光從光波導(dǎo)路112一側(cè)端部導(dǎo)入，通過光波導(dǎo)路112中位于平行耦合線路113的各線路113a、113b的間隙部116的部分后，作為輸出光，從光波導(dǎo)路112另一側(cè)端部輸出。此時，因為輸入端子129和平行耦合線路113變?yōu)榇艌鲴詈蠣顟B(tài)，所以若從高頻信號源119提供高頻信號，則高頻信號傳輸?shù)狡叫旭詈暇€路113的各線路113a、113b，在間隙部116中產(chǎn)生電場。對應(yīng)于電場強(qiáng)度，光波導(dǎo)路112的折射率隨光電效應(yīng)而變化。結(jié)果，輸出光的相位變化，該光調(diào)制元件作為相位調(diào)制器動作。
其中，在平行耦合線路中存在偶模式和奇模式兩種模式。另外，奇模式下構(gòu)成平行耦合線路的兩條線路電壓彼此反轉(zhuǎn)，所以在間隙部感應(yīng)非常大的電場。在圖3所示光調(diào)制元件中，由調(diào)制信號使奇模式在平行耦合線路113的各線路113a、113b中激勵，可進(jìn)行高效的光調(diào)制。
今后，為在光通信系統(tǒng)等中廣泛使用光調(diào)制元件，上述現(xiàn)有光調(diào)制元件的特性上還留有改善的余地。即，要求開發(fā)效率更高的光調(diào)制元件。
本發(fā)明的光調(diào)制元件具備光波導(dǎo)路，至少一部分由具有光電效應(yīng)的材料形成；調(diào)制電極，具有電磁耦合的第1和第2導(dǎo)體線路，向上述光波導(dǎo)路施加調(diào)制電場；導(dǎo)電層，與上述第1導(dǎo)體線路一起形成第1微波傳輸帶線路，與上述第2導(dǎo)體線路一起形成第2微波傳輸帶線路；電信號輸入部，向上述調(diào)制電極提供光調(diào)制用高頻信號；和連接部件，在兩端部相互連接上述第1和第2導(dǎo)體線路，上述第1和第2導(dǎo)體線路用作上述高頻信號的奇模式諧振器。
在最佳實施例中，上述光波導(dǎo)路具有至少兩個分支的分支光波導(dǎo)路，耦合上述兩個分支光波導(dǎo)路的光輸入部，和耦合上述兩個分支光波導(dǎo)路的光輸出部，將上述光波導(dǎo)路中施加上述調(diào)制電場的部分分成上述兩個分支光波導(dǎo)路，配置上述調(diào)制電極，使極性不同的電場影響上述兩個分支光波導(dǎo)路的每一個，上述調(diào)制電極用作調(diào)制輸入上述光波導(dǎo)路的光強(qiáng)度的強(qiáng)度調(diào)制器。
在最佳實施例中，配置上述調(diào)制電極，以調(diào)制上述光波導(dǎo)路中施加上述調(diào)制電場的部分的折射率，上述調(diào)制電極用作調(diào)制輸入上述光波導(dǎo)路的光相位的相位調(diào)制器。
在最佳實施例中，上述光波導(dǎo)路具有至少兩個剩余極化的極性不同的部分。
在最佳實施例中，上述光波導(dǎo)路形成于具有光電效應(yīng)的基板上。
在最佳實施例中，上述電信號輸入部具有與上述導(dǎo)電層一起形成微波傳輸帶線路的輸入線路，上述輸入線路連接于上述第1和第2導(dǎo)體線路之一上。
在最佳實施例中，上述電信號輸入部具有連接于傳輸上述光調(diào)制用高頻信號的線上的同軸連接器、和電連接上述同軸連接器和上述調(diào)制電極的中間連接部件。
本發(fā)明的另一光調(diào)制元件具備光波導(dǎo)路，至少一部分由具有光電效應(yīng)的材料形成；調(diào)制電極，具有彼此電磁耦合的第1和第2導(dǎo)體線路，向上述光波導(dǎo)路施加調(diào)制電場；導(dǎo)電層，與上述第1導(dǎo)體線路一起形成第1微波傳輸帶線路，與上述第2導(dǎo)體線路一起形成第2微波傳輸帶線路；和電信號輸入部，向上述調(diào)制電極提供光調(diào)制用高頻信號，上述光波導(dǎo)路具有至少兩個剩余極化的極性不同的部分，上述第1和第2導(dǎo)體線路用作上述高頻信號的奇模式諧振器。
在最佳實施例中，上述光波導(dǎo)路具有至少兩個分支的分支光波導(dǎo)路，耦合上述兩個分支光波導(dǎo)路的光輸入部，和耦合上述兩個分支光波導(dǎo)路的光輸出部，將上述光波導(dǎo)路中施加上述調(diào)制電場的部分分成上述兩個分支光波導(dǎo)路，配置上述第1和第2導(dǎo)體線路，使極性不同的電場影響上述兩個分支光波導(dǎo)路的每一個，上述導(dǎo)體線路用作調(diào)制輸入上述光波導(dǎo)路的光強(qiáng)度的強(qiáng)度調(diào)制器。
在最佳實施例中，配置上述調(diào)制電極，以調(diào)制上述光波導(dǎo)路中施加上述調(diào)制電場的部分的折射率，上述調(diào)制電極用作調(diào)制輸入上述光波導(dǎo)路的光相位的相位調(diào)制器。
在最佳實施例中，上述第1和第2導(dǎo)體線路還在至少一方端部具有彼此連接的連接部件。
在最佳實施例中，上述光波導(dǎo)路形成于具有光電效應(yīng)的基板上。
在最佳實施例中，上述電信號輸入部具有與上述導(dǎo)電層一起形成微波傳輸帶線路的輸入線路，上述輸入線路連接于上述第1和第2導(dǎo)體線路之一上。
在最佳實施例中，上述電信號輸入部具有連接于傳輸上述光調(diào)制用高頻信號的線上的同軸連接器、和電連接上述同軸連接器和上述調(diào)制電極的中間連接部件。
本發(fā)明的再一光調(diào)制元件具備光波導(dǎo)路，至少一部分由具有光電效應(yīng)的材料形成；調(diào)制電極，具有彼此電磁耦合的第1、第2和第3導(dǎo)體線路，向上述光波導(dǎo)路施加調(diào)制電場；導(dǎo)電層，與上述第1導(dǎo)體線路一起形成第1微波傳輸帶線路，與上述第2導(dǎo)體線路一起形成第2微波傳輸帶線路，與上述第3導(dǎo)體線路一起形成第3微波傳輸帶線路；和電信號輸入部，向上述調(diào)制電極提供光調(diào)制用高頻信號。
在最佳實施例中，上述光波導(dǎo)路具有至少兩個分支的分支光波導(dǎo)路，耦合上述兩個分支光波導(dǎo)路的光輸入部，和耦合上述兩個分支光波導(dǎo)路的光輸出部，將上述光波導(dǎo)路中施加上述調(diào)制電場的部分分成上述兩個分支光波導(dǎo)路，配置上述第1和第2導(dǎo)體線路，使極性不同的電場影響上述兩個分支光波導(dǎo)路一方，并且，配置上述第3和第2導(dǎo)體線路，使極性不同的電場影響上述兩個分支光波導(dǎo)路的另一方，上述導(dǎo)體電路用作調(diào)制輸入上述光波導(dǎo)路的光強(qiáng)度的強(qiáng)度調(diào)制器。
在最佳實施例中，配置上述調(diào)制電極，以調(diào)制上述光波導(dǎo)路中施加上述調(diào)制電場的部分的折射率，上述調(diào)制電極用作調(diào)制輸入上述光波導(dǎo)路的光相位的相位調(diào)制器。
在最佳實施例中，上述第1、第2和第3導(dǎo)體線路還在至少一方端部具有彼此連接的連接部件。
在最佳實施例中，上述光波導(dǎo)路具有至少兩個剩余極化的極性不同的部分。
在最佳實施例中，上述光波導(dǎo)路形成于具有光電效應(yīng)的基板上。
在最佳實施例中，上述電信號輸入部具有與上述導(dǎo)電層一起形成微波傳輸帶線路的輸入線路，上述輸入線路連接于上述第1和第3導(dǎo)體線路之一上。
在最佳實施例中，上述電信號輸入部具有連接于傳輸上述光調(diào)制用高頻信號的線上的同軸連接器、和電連接上述同軸連接器和上述調(diào)制電極的中間連接部件。
本發(fā)明的通信系統(tǒng)具備上述任意一種光調(diào)制元件、向上述光調(diào)制元件輸入光的輸入部和向上述光調(diào)制元件提供上述調(diào)制用高頻信號的控制部。
圖2是表示利用光電效應(yīng)的光外部調(diào)制動作原理的剖面圖。
圖3是表示光調(diào)制元件現(xiàn)有例的俯視圖。
圖4(a)是表示本實施例的光調(diào)制元件平面構(gòu)成的俯視圖，(b)是垂直橫切波導(dǎo)路的剖面圖，(c)是模式表示光調(diào)制元件的調(diào)制電極形成的電場強(qiáng)度分布的圖。
圖5(a)和(b)分別表示圖4(b)所示剖面中的偶模式和奇模式的電場(實線)及磁場(虛線)狀態(tài)的圖。
圖6是表示實施例1中用于電磁場模擬的平行耦合線路及輸入線路的平面尺寸及連接位置的俯視圖。
圖7是表示實施例1中由電磁場模擬得到的光調(diào)制元件在諧振狀態(tài)下的反射損耗特性的圖。
圖8(a)是表示實施例1中輸入平行耦合線路13的高頻信號波形的曲線，(b)是表示本實施例的光調(diào)制元件的輸出光強(qiáng)度/輸入光強(qiáng)度比的曲線，(c)是表示比較例的輸出光強(qiáng)度/輸入光強(qiáng)度比的曲線。
圖9(a)和(b)分別是表示具有在10GHz下諧振的電極構(gòu)造的光調(diào)制元件和具有在26GHz下諧振的電極構(gòu)造的光調(diào)制元件實施例的俯視圖。
圖10是表示圖9(a)所示實施例的反射損耗特性的曲線。
圖11是表示圖9(a)所示實施例的光輸出隨時間變化的曲線。
圖12是表示圖9(a)所示實施例的調(diào)制光光譜的曲線。
圖13是表示圖9(b)所示實施例中調(diào)制電極的反射特性(實測值)的曲線。
圖14是表示圖9(b)所示實施例的調(diào)制光光譜的曲線。
圖15(a)是表示本發(fā)明光調(diào)制元件實施例2的平面構(gòu)成的俯視圖，(b)是表示基板的剩余極化極性相反區(qū)域的俯視圖，(c)是表示平行耦合線路中電場強(qiáng)度分布的圖。
圖16(a)是本發(fā)明光調(diào)制元件實施例3的俯視圖，(b)是在模式2下的諧振情況的縱剖面圖，(c)是在模式3下的諧振情況的縱剖面圖。
圖17(a)是表示本發(fā)明光調(diào)制元件實施例4的上面圖，(b)是(a)的A0-A1剖面圖，(c)是表示同軸連接器中心導(dǎo)體210與中間連接部件211的連接的立體圖。
圖18是表示實施例4中的輸入線路部反射特性的曲線。
圖19是表示實施例4中的輸入線路部透射損耗的曲線。
圖20(a)是表示本發(fā)明光調(diào)制元件實施例5的上面圖，(b)為(a)的B0-B1剖面圖。
圖21是表示實施例5的一部分的立體圖。
圖22是表示實施例5中光調(diào)制元件設(shè)計參數(shù)值的分布圖。
圖23是表示對圖22的光調(diào)制元件進(jìn)行模擬的結(jié)果曲線。
圖24是表示對圖22的光調(diào)制元件進(jìn)行模擬的結(jié)果曲線。
圖25是表示本發(fā)明的光纖無線系統(tǒng)實施例構(gòu)成的構(gòu)成框圖。
圖中11-基板，12-光波導(dǎo)路，12a-分支光波導(dǎo)路，12b-分支光波導(dǎo)路，12x-入口側(cè)光波導(dǎo)路，12y-出口側(cè)光波導(dǎo)路，13-平行耦合線路，13a-線路，13b-線路，14-接地層，15-輸入線路，16-連接線路，17-間隙部，18a-分支點(diǎn)，18b-分支點(diǎn)，209-同軸連接器，210-同軸連接器中心導(dǎo)體，211-中間連接部件，212a、212b-基板固定夾具，213a、213b-光波導(dǎo)路的分支部分，214-第1連接部，215-第2連接部。
本實施例的光調(diào)制元件如圖4(a)所示，具有在具有光電效應(yīng)的基板11的表面部通過使用苯甲酸的質(zhì)子交換法等形成的光波導(dǎo)路12?；?1由例如鉭酸鋰(LiTaO3)單晶或鈮酸鋰(LiNbO3)單晶等材料形成。
光波導(dǎo)路12在兩個分支點(diǎn)18a、18b分支成兩個分支光波導(dǎo)路12a、12b。從入口側(cè)光波導(dǎo)路12x輸入的輸入光在一側(cè)分支點(diǎn)1 8a分支，在通過兩個分支光波導(dǎo)路12a、12b后，在另一側(cè)分支點(diǎn)18b耦合，進(jìn)入共同的出口側(cè)光波導(dǎo)路12y。這種構(gòu)成的光波導(dǎo)路12被稱為[馬赫-策德爾干涉儀型光波導(dǎo)路]。
在基板11上，設(shè)置由沿光波導(dǎo)路12的各分支光波導(dǎo)路12a、12b延伸的兩個線路13a、13b形成的平行耦合線路13。各線路13a、13b各內(nèi)側(cè)端形成為位于各分支光波導(dǎo)路12a、12b大致中央部正上方(圖4(b))。各線路13a、13b的兩端部經(jīng)連接線路16a、16b彼此連接。
在基板11上設(shè)置連接于平行耦合線路13一側(cè)線路13b上的輸入線路(供電線路)15，經(jīng)該輸入線路輸入調(diào)制用電信號(高頻信號)。
通過使用光刻法及蝕刻技術(shù)布圖由真空淀積法堆積的鋁或金等金屬構(gòu)成的膜，得到平行耦合線路13的各線路13a、13b、連接線路16a、16b及輸入線路15。在基板11的里面設(shè)置用同樣方法制作的接地層(接地的導(dǎo)電層)14。
雖在圖4(b)中未示出，但在線路13a、13b與基板11之間最好形成由SiO2等構(gòu)成的絕緣性緩沖層。
本實施例的光調(diào)制元件中的調(diào)制電極由電磁耦合的線路13a、13b和連接線路16a、16b構(gòu)成。另外，在線路13a與接地層14之間形成第1微波傳輸帶線路，在13b與接地層14之間形成第2微波傳輸帶線路。為了調(diào)制而輸入的電信號在這些微波傳輸帶線路中傳輸。
作為調(diào)制對象的光(激光)從入口側(cè)光波導(dǎo)路12x輸入，在通過各分支光波導(dǎo)路12a、12b時，如下受到調(diào)制作用。
在本實施例中，將調(diào)制光用的電信號(高頻信號)經(jīng)輸入線路15提供給平行耦合線路13的各線路13a、13b。此時，經(jīng)輸入線路15在平行耦合線路13中傳輸?shù)母哳l信號的波長由其頻率和基板的介電常數(shù)等確定。在本實施例中，對應(yīng)于輸入高頻信號的波長，將各線路13a、13b的長度或?qū)挾鹊仍O(shè)計參數(shù)設(shè)定為適當(dāng)?shù)闹?，所以若向輸入線路15提供規(guī)定的高頻信號，則在平行耦合線路13中產(chǎn)生諧振。
若產(chǎn)生這種諧振，則在平行耦合線路13的間隙部17中，形成圖4(b)中虛線所示的電場。此時，因為信號功率存儲在諧振器內(nèi)，所以電場強(qiáng)度極大。電場在諧振頻率下振動，其方向和強(qiáng)度周期變化。若在光波導(dǎo)路或其附近形成這種振動電場，則由于光電效應(yīng)，構(gòu)成分支光波導(dǎo)路12a、12b的材料的折射率對應(yīng)于電場強(qiáng)度周期變化。
在本實施例中，如圖4(b)所示，向分支光波導(dǎo)路12a和分支光波導(dǎo)路12b施加彼此上下反向的電場。因此，在基板11由例如由z切割的鉭酸鋰結(jié)晶形成的情況下，對通過兩個分支光波導(dǎo)路12a、12b的光提供彼此相反的相位變化。結(jié)果，在出口側(cè)光波導(dǎo)路12y中產(chǎn)生通過分支光波導(dǎo)路12a、12b的兩個光的干涉，該干涉導(dǎo)致輸出光強(qiáng)度變化。因此，本實施例的光調(diào)制元件可作為光強(qiáng)度調(diào)制器動作。
這里，說明平行耦合線路13的諧振模式。
本實施例中的平行耦合線路13的各線路13a、13b是彼此獨(dú)立的兩條平行傳送線路，電磁耦合地配置。由一側(cè)的線路13a和接地層14構(gòu)成1個傳送線路(微波傳輸帶線路)，由另一側(cè)的線路13b和接地層14構(gòu)成另1個傳送線路(微波傳輸帶線路)。這兩個傳送線路彼此平行且接近配置，所以電磁耦合，形成平行耦合線路13。
傳送線路不限于具有上述的構(gòu)成，也可具備往路和復(fù)路兩條線路，只要能夠傳輸電磁波便可。此時，往路和復(fù)路中的一側(cè)線路(本實施例中的線路13a或13b)是通常的線路電極(被稱為微波傳輸帶電極、熱電極等)，另一側(cè)線路是接地電極(本實施例中的接地層14)。
平行耦合線路13由也可單獨(dú)存在的兩個傳送線路彼此耦合構(gòu)成，所以作為諧振模式，存在彼此獨(dú)立的偶模式和奇模式這兩種傳輸模式。
圖5(a)和(b)分別模式表示圖4(b)所示剖面中的偶模式和奇模式的電場(實線)及磁場(虛線)。所謂偶模式是圖5(a)所示兩條線路電極的電壓相等(同相)的模式。在偶模式下，在各線路電極與接地電極之間形成電場，但在線路間的間隙部(圖4(b)所示間隙部17)中基本不形成電場。
相反，奇模式是圖5(b)所示耦合的兩條平行線路的電壓正負(fù)相反(反相)的模式。在奇模式下，不僅在各線路與接地電極之間、而且在線路間的間隙部(圖4(b)所示間隙部17)中形成電場。在耦合的兩個線路接近的情況下，在線路間的間隙部中形成非常大的電場。
在本實施例中，調(diào)節(jié)各線路13a、13b的長度和寬度、以及輸入線路與線路13b的連接位置，使平行耦合線路的各線路13a、13b中產(chǎn)生奇模式的諧振。具體而言，將各線路13a、13b的長度設(shè)定為高頻調(diào)制信號的波長的一半。另外，如后所述，將輸入線路15與線路13a的連接部位設(shè)定在適當(dāng)位置，以抑制奇模式的信號傳輸?shù)姆瓷?。因此，在平行耦合線路3中產(chǎn)生1/2波長的奇模式諧振，結(jié)果，在兩條線路13a、13b間的間隙部17中感應(yīng)大的電場，所以可非常高效地進(jìn)行光調(diào)制。
在本實施例中，由連接線路16a、16b連接平行耦合線路13的兩端，所以線路13a與線路13b間產(chǎn)生的電壓分布狀態(tài)如圖4(c)所示，是在線路13a、13b的兩端為0、中央為最大的三角函數(shù)狀。線路13a、13b間的電場方向在哪個部分都相同，所以橫貫1/2波長線路長度整體中，光在通過1個線路13a(或13b)下方的分支光波導(dǎo)路12a(或12b)中期間受到的相位變化不會被抵消，保持同步的繼續(xù)，所以可得到高的調(diào)制效率。
為了使本實施例的光調(diào)制元件適當(dāng)動作，必需由調(diào)制信號在平行耦合線路13中有效引起奇模式的諧振。在本實施例中，通過將輸入線路15連接于與輸入阻抗匹配的位置，可容易實現(xiàn)奇模式的諧振。
下面，對本實施例的光調(diào)制元件和具有現(xiàn)有構(gòu)造的光調(diào)制元件(比較例)說明通過電磁場模擬來分析元件特性的結(jié)果。
圖6是表示用于電磁場模擬的平行耦合線路及輸入線路的平面尺寸及連接位置的俯視圖。圖7是表示由電磁場模擬得到的光調(diào)制元件在諧振狀態(tài)下的反射損耗特性的曲線。
在該分析中，設(shè)基板11為厚度為0.4mm的z切割鉭酸鋰結(jié)晶(介電常數(shù)41)，平行耦合線路13的各線路13a、13b的寬度為0.05mm，間隙部17的寬度為0.02mm，輸入線路15的寬度為使特性阻抗變?yōu)?0Ω的0.05mm。構(gòu)成各線路13a、13b、16a、16b、15的材料為金，設(shè)膜厚為2微米。確定平行耦合線路13的各線路13a、13b的長度和輸入線路17-線路13b之間的連接位置，以便使用電磁場模擬，奇模式在10GHz下諧振，并且，在該頻率下，輸入輸入線路17的信號反射最小，換言之，輸入阻抗匹配。
結(jié)果，如圖6所示，平行耦合線路13的各線路13a、13b的長度變?yōu)?mm，輸入線路15的位置距平行耦合線路13中央0.69mm。此時，從圖6可知，在諧振點(diǎn)無輸入信號反射，基本所有信號功率都輸入諧振器。若以等角度映射法來計算，則此時的光調(diào)制效率變?yōu)橄騼蓷l分支光波導(dǎo)路中的光波提供π的相位差。換言之，使光輸出從0變到最大所需的功率約為0.43W。該功率與現(xiàn)有的光調(diào)制元件相比少，根據(jù)本實施例，可實現(xiàn)高的調(diào)制效率。
圖8(a)表示輸入平行耦合線路13的高頻信號波形，圖8(b)表示本實施例的光調(diào)制元件的輸出光強(qiáng)度/輸入光強(qiáng)度比，圖8(c)是表示比較例的輸出光強(qiáng)度/輸入光強(qiáng)度比。圖8(a)中曲線縱軸是高頻信號的電壓，橫軸是時間。圖8(b)和圖8(c)的曲線縱軸是輸出光強(qiáng)度與輸入光強(qiáng)度的比，橫軸是時間。忽視光波導(dǎo)路的損耗來計算輸出光強(qiáng)度與輸入光強(qiáng)度的比。
在向兩條分支光波導(dǎo)路之間施加π/2相位偏差的條件下，進(jìn)行模擬。在分析中用的比較例的光調(diào)制元件中，諧振頻率(10GHz)、線路113a、113b的寬度和厚度與本實施例的各線路13a、13b相同，并且，使光波導(dǎo)路112分支成兩個。設(shè)定各線路的長度(1.5mm)和輸入線路129-線路113之間的連接位置，以便使用電磁場模擬，奇模式在10GHz下諧振，輸入阻抗匹配。
若比較圖8(b)的曲線和圖8(c)的曲線，則可知本實施例的光調(diào)制元件的光調(diào)制效率比比較例的光調(diào)制效率提高得大。認(rèn)為在本實施例中，光調(diào)制效率提高的理由如下。
首先，由連接線路16a、16b來連接構(gòu)成平行耦合線路13的兩條線路13a、13b的兩端，從而如圖4(c)所示，可實現(xiàn)用作1/2波長諧振器的平行耦合線路13。相反，在圖3所示現(xiàn)有光調(diào)制元件的平行耦合線路113中，僅能實現(xiàn)1/4波長的諧振狀態(tài)。
因此，根據(jù)本實施例，在發(fā)生奇模式的諧振時，兩個連接線路16a、16b變?yōu)橹C振波節(jié)，但在圖3所示現(xiàn)有光調(diào)制元件的平行耦合線路113a、113b中，若取得奇模式的阻抗匹配，則開放端不是諧振波節(jié)，變?yōu)椴ǜ?。在本實施例中，因為可發(fā)生1/2波長的奇模式諧振，所以可向通過分支光波導(dǎo)路12a、12b中、具有相當(dāng)于高頻調(diào)制信號1/2波長長度的部分的光施加調(diào)制，與圖3的光調(diào)制元件相比，提高光調(diào)制效率。
下面，對照圖9(a)和圖9(b)來說明具有在10GHz下諧振的電極構(gòu)造的光調(diào)制元件和具有在26GHz下諧振的電極構(gòu)造的光調(diào)制元件的實施例。
上述兩個光調(diào)制元件分別具有圖9(a)和圖9(b)所示尺寸和分布的調(diào)制電極構(gòu)造。基板使用z切割LiTaO3(厚度0.4mm)，通過使用苯甲酸的質(zhì)子交換，在基板表面形成寬度為5微米的馬赫-策德爾型光波導(dǎo)路。
由厚度為0.13微米的SiO2層構(gòu)成的緩沖層覆蓋形成光波導(dǎo)路側(cè)的基板表面后，在該緩沖層上通過真空淀積法堆積鋁膜(厚度為0.9微米)。使用光刻法和蝕刻技術(shù)，布圖該鋁膜，同時形成由鋁構(gòu)成的平行耦合線路和輸入線路。平行耦合線路的寬度為50微米，間隙部的寬度為20微米，輸入線路的寬度為110微米。另外，在圖(a)和圖9(b)中，平行耦合線路的寬度和輸入線路的寬度的大小關(guān)系不反映實際比例。
在調(diào)制實驗中，使用波長為1.3微米的光來進(jìn)行。圖10中示出表示由測定求出的調(diào)制特性的曲線。圖10所示曲線中，縱軸表示反射損耗，橫軸表示頻率。另外，曲線中，實測數(shù)據(jù)由實線表示，通過電磁場模擬求出的數(shù)據(jù)由虛線表示。
根據(jù)圖10所示結(jié)果，可知作為表示諧振器信號功率的存儲度指數(shù)的無負(fù)載Q值約為30。這意味著將約為輸入諧振器的信號功率30倍的功率存儲在諧振器中。從該結(jié)果可確認(rèn)，通過使用本實施例的調(diào)制電極，可實現(xiàn)非常高的調(diào)制效率。
圖11中，縱軸表示光調(diào)制元件的輸出，橫軸表示時間。
從這些圖可知，得到了具備在10GHz的高頻率下諧振的調(diào)制電極的光調(diào)制元件。另外，接入100mW高頻信號時的調(diào)制指數(shù)為0.2rad。圖12示出調(diào)制光的光譜。
圖13是表示具有在26GHz下諧振電極的光調(diào)制元件中的調(diào)制電極的反射特性(實測值)的曲線。
從圖13所示結(jié)果可知無負(fù)載Q值約為60。根據(jù)該結(jié)果還可確認(rèn)，通過使用本實施例的調(diào)制電極，可實現(xiàn)非常高的調(diào)制效率。圖14示出調(diào)制光的光譜。
上述任一光調(diào)制元件都可產(chǎn)生奇模式下的諧振。雖然在平行耦合線路中也產(chǎn)生偶模式下的諧振，但即使電極構(gòu)造相同，在奇模式與偶模式之間，在諧振頻率或阻抗中也存在差異。在本實施例中，調(diào)節(jié)平行耦合線路的長度、間隙部的寬度、與輸入線路的連接位置等，使僅對規(guī)定頻率的高頻信號激勵奇模式。
(實施例2)下面，參照圖15(a)-(c)說明本發(fā)明的光調(diào)制元件的實施例2。圖15(a)表示本實施例的光調(diào)制元件的平面構(gòu)成，圖15(b)表示基板的剩余極化極性相反的區(qū)域。圖15(c)表示平行耦合線路中的電場強(qiáng)度分布。
本實施例的光調(diào)制元件如圖15(a)所示，具有在具有光電效應(yīng)的基板21的表面部通過使用苯甲酸的質(zhì)子交換法等形成的光波導(dǎo)路22。基板21由例如鉭酸鋰(LiTaO3)單晶或鈮酸鋰(LiNbO3)單晶等材料形成。
光波導(dǎo)路22構(gòu)成為在兩個分支點(diǎn)28a、28b分支成兩個分支光波導(dǎo)路22a、22b，從入口側(cè)光波導(dǎo)路22x輸入的輸入光在一側(cè)分支點(diǎn)28a分支，在通過兩個分支光波導(dǎo)路22a、22b后，在另一側(cè)分支點(diǎn)28b進(jìn)入共同的出口側(cè)光波導(dǎo)路12y。
在基板21上，設(shè)置由沿光波導(dǎo)路22的各分支光波導(dǎo)路22a、22b延伸的兩個線路23a、23b形成的平行耦合線路23。各線路23a、23b各內(nèi)側(cè)端形成為位于各分支光波導(dǎo)路22a、22b大致中央部正上方。并且，在基板21上設(shè)置連接于平行耦合線路23一側(cè)線路23b上、向平行耦合線路23施加引起諧振的輸入信號用的輸入線路25。由通過使用真空淀積法、光刻法及蝕刻等處理形成的鋁或金等金屬膜，分別構(gòu)成平行耦合線路23的各線路23a、23b、連接線路26a、26b及輸入線路25。在基板21的里面設(shè)置用金屬膜淀積法形成的接地層24。以上構(gòu)成基本上與實施例1的光調(diào)制元件相同。
在本實施例中，與實施例1不同，各線路23a、23b的兩端部彼此不連接，為開放端。另外，基板21分成彼此剩余極化的方向(光電系數(shù)的正負(fù))不同的兩個區(qū)域21a、21b(領(lǐng)域)。即，在本實施例中，位于構(gòu)成平行耦合線路23的兩個線路23a、23b各前半部分下方的區(qū)域和位于兩個線路23a、23b各后半部分下方的區(qū)域具有彼此極性不同的剩余極化。
在本實施例中，位于兩個線路23a、23b各后半部分下方的區(qū)域21a具有第1極性(正或負(fù))的剩余極化，此外的區(qū)域21b、即包含位于兩個線路23a、23b各前半部分下方的區(qū)域的區(qū)域211b具有第2極性(負(fù)或正)的剩余極化。換言之，區(qū)域21a的剩余極化具有與其它21b反轉(zhuǎn)的剩余極化。
輸入光從入口側(cè)光波導(dǎo)路22x輸入，在通過各分支光波導(dǎo)路22a、22b時，如下受到光調(diào)制作用。
若從輸入線路25輸入高頻信號，并在平行耦合線路23的各線路23a、23b中產(chǎn)生諧振，則在間隙部27中，產(chǎn)生與圖4(b)中虛線所示的電場一樣的電場。另外，由于光電效應(yīng)，構(gòu)成分支光波導(dǎo)路22a、22b的材料的折射率對應(yīng)于電場強(qiáng)度變化。在本實施例中，與實施例1一樣，向分支光波導(dǎo)路22a和分支光波導(dǎo)路22b施加彼此上下反向的電場。因此，在基板21由例如z切割(cut)鉭酸鋰結(jié)晶構(gòu)成的情況下，對通過兩個分支光波導(dǎo)路22a、22b的光提供彼此相反的相位變化。因此，在出口側(cè)光波導(dǎo)路22y中產(chǎn)生通過分支光波導(dǎo)路22a、22b的兩個光的干涉，該干涉導(dǎo)致輸出光強(qiáng)度變化，從而，本實施例的光調(diào)制元件可作為光強(qiáng)度調(diào)制器動作。
在本實施例中，因為平行耦合線路23的兩端為開放端，所以線路23a與線路23b間產(chǎn)生的電壓分布狀態(tài)如圖15(c)所示，是在線路23a、23b的中央為0、兩端符號相反為最大的三角函數(shù)狀。線路23a、23b間的電場方向在前半部分和后半部分相反。并且，若基板21整體的剩余極化的極性均勻，則在光通過平行耦合線路23的各線路23a、23b下方的各分支光波導(dǎo)路22a、22b期間，在前半部分和后半部分中提供相反的相位變化，所以相位變化被抵消，得不到高的調(diào)制效率。但是，在本實施例的光調(diào)制元件中，位于平行耦合線路23前半部分下方的基板21的區(qū)域21b與位于平行耦合線路23前半部分下方的基板21的區(qū)域21a中，電位光學(xué)系數(shù)的正負(fù)相反。結(jié)果，如圖15(c)的虛線所示，向通過各分支光波導(dǎo)路22a、22b的光提供實質(zhì)與向各線路23a、23b施加即使后半部分也與前半部分相同符號的電場的相同相位調(diào)制。因此，因為光在通過平行耦合線路23的線路23a(或23b)下方的分支光波導(dǎo)路22a(或22b)中期間受到的調(diào)制引起的相位變化不會被抵消，能夠保持同步的繼續(xù)，所以可得到高的調(diào)制效率。
在上述說明中，忽視光的行走時間。在實際的光調(diào)制元件中，因為光的速度有限，所以光感應(yīng)的電場強(qiáng)度與圖15(c)的實線不同。因此，區(qū)域21a的最佳圖案嚴(yán)格講與圖15(b)所示圖案不同。具體而言，基板21中的區(qū)域21a最好比各線路23a、23b的后半部分稍向下游側(cè)錯位高頻信號相位的延遲部分。
如圖15(b)所示，區(qū)域21a的圖案未必使寬面積的剩余極化相對其它區(qū)域21b反轉(zhuǎn)，僅使剩余極化反轉(zhuǎn)各分支光波導(dǎo)路22a、22b及其必要最小限度的外圍部分即可。
根據(jù)本實施例的光調(diào)制元件，通過在基板21上利用剩余極化方向的不同設(shè)置光電系數(shù)正負(fù)不同的區(qū)域21a、21b，可在通過分支光波導(dǎo)路22a、22b中期間受到的調(diào)制引起的相位變化不會被抵消，能夠同步地繼續(xù)。即，在本實施例中，通過在基板21中設(shè)置剩余極化的正負(fù)不同的區(qū)域，可發(fā)揮實施例1中連接各線路13a、13b兩端并構(gòu)成1/2波長的諧振器所得到的效果，從而可得到高的調(diào)制效率。
本實施例的光調(diào)制元件雖具有用作兩端開放的半波長諧振器的平行耦合線路23，但本發(fā)明不限于具有這種構(gòu)成的實施例。例如，也可設(shè)置用作兩端由連接線路連接的1濾長諧振器的平行耦合線路，使對應(yīng)于平行耦合線路各線路的后半部分的基板分支光波導(dǎo)路剩余極化的極性相對其它區(qū)域反轉(zhuǎn)。根據(jù)這種構(gòu)成，1個波長所受到的的光調(diào)制的相位變化不會被抵消，能夠形成同步。根據(jù)本實施例的光調(diào)制元件，在頻率相同的情況下，諧振器長是圖4所示光調(diào)制元件的諧振器長的2倍，所以提高調(diào)制效率。另外，通過使用更高次的諧振，可進(jìn)一步提高調(diào)制效率。
因此，通過使用奇模式的高次諧振，可飛躍提高調(diào)制效率。即使是具有平行耦合線路的一端連接、另一端開放的構(gòu)造的光調(diào)制元件，也可通過利用剩余極化的極性不同來發(fā)揮相同效果。
另外，剩余極化的極性反轉(zhuǎn)區(qū)域個數(shù)不限于1個。通過排列適當(dāng)個數(shù)的極化反轉(zhuǎn)區(qū)域，可加長調(diào)制電極。
(實施例3)下面，參照圖16(a)及圖16(b)來說明本發(fā)明光調(diào)制元件的實施例3。圖16(a)表示本實施例的光調(diào)制元件的平面構(gòu)成，圖16(b)是其縱剖面圖。
本實施例的光調(diào)制元件如圖16(a)所示，具有在鉭酸鋰(LiTaO3)單晶或鈮酸鋰(LiNbO3)單晶等具有光電效應(yīng)的基板31的表面部通過使用苯甲酸的質(zhì)子交換法等形成的光波導(dǎo)路32。光波導(dǎo)路32構(gòu)成為在兩個分支點(diǎn)38a、38b分支成兩個分支光波導(dǎo)路32a、32b，從入口側(cè)光波導(dǎo)路32x輸入的輸入光在一側(cè)分支點(diǎn)38a分支，在通過兩個分支光波導(dǎo)路32a、32b后，在另一側(cè)分支點(diǎn)38b進(jìn)入共同的出口側(cè)光波導(dǎo)路32y。
在基板31上，設(shè)置由沿光波導(dǎo)路32的各分支光波導(dǎo)路32a、32b延伸的三個線路33a、33b、33c形成的平行耦合線路33。各線路33a、33b各內(nèi)側(cè)端形成為位于各分支光波導(dǎo)路32a、32b大致中央部正上方。線路33c位于兩個線路33a、33b的中間。各線路33a、33b、33c的兩端部經(jīng)連接線路36a、36b彼此連接。并且，在基板31上設(shè)置連接于平行耦合線路33的一個線路33b上、向平行耦合線路33施加引起諧振的輸入信號用的輸入線路35。由通過使用真空淀積法、光刻法及蝕刻等處理形成的鋁或金等金屬膜，分別構(gòu)成平行耦合線路33的各線路33a-33c、連接線路36a、36b及輸入線路35。在基板31的里面設(shè)置用金屬膜淀積法形成的接地層34。
輸入光從入口側(cè)光波導(dǎo)路32x導(dǎo)入，在通過各分支光波導(dǎo)路32a、32b時，如下受到調(diào)制作用。
若從輸入線路35輸入高頻信號，在平行耦合線路33的各線路33a、33b、33c中產(chǎn)生諧振，則在各間隙部37a、37b中，產(chǎn)生圖16(b)中虛線所示的電場。另外，由于光電效應(yīng)，構(gòu)成分支光波導(dǎo)路32a、32b的材料的折射率對應(yīng)于電場強(qiáng)度變化。因此，在出口側(cè)光波導(dǎo)路32y中，產(chǎn)生通過分支光波導(dǎo)路32a、32b的兩個光的干涉，該干涉導(dǎo)致輸出光強(qiáng)度變化。因此，本實施例的光調(diào)制元件可作為光強(qiáng)度調(diào)制器動作。
這里，在圖16(a)和(b)所示具有3條線路33a-33c的平行耦合線路33中，通常存在3種傳輸模式1-3。
下表1用表示出模式1-3中的各線路33a-33c的電位符號。
表1

圖16(b)表示在表1所示模式2下產(chǎn)生諧振時的分支光波導(dǎo)路32a、32b附近的電場方向。從圖16(b)可知，因為向兩條分支光波導(dǎo)路32a、32b施加上下反向的電場，所以在光波中產(chǎn)生相位差，在出口側(cè)光波導(dǎo)路32y中產(chǎn)生干涉，故本實施例的光調(diào)制元件用作光強(qiáng)度調(diào)制器。
另一方面，圖16(c)表示在表1所示模式3下產(chǎn)生諧振時的分支光波導(dǎo)路32a、32b附近的電場方向。在模式3下諧振的情況下，分支光波導(dǎo)路32a、32b與三個線路33a、33b、33c的配置關(guān)系與圖16(a)和(b)所示配置關(guān)系稍有不同。具體而言，偏移分支光波導(dǎo)路32b的位置，使分支光波導(dǎo)路32a、32b中形成的電場方向相互反向。
因此，根據(jù)本實施例的構(gòu)成，在線路33a、33b、33c中總是相同電位的模式1中，不能用作光強(qiáng)度調(diào)制器。因此，本實施例的光調(diào)制元件設(shè)計成在模式1以外的模式2或3下諧振。
這里，為了避免光相互干涉，兩個分支光波導(dǎo)路32a、32b的間隔不能那樣窄，但為了設(shè)置線路33c，間隙部37a、37b的寬度與實施例1、2相比，變得很窄。因此，在間隙部37a、37b中產(chǎn)生強(qiáng)度非常大的電場。從而，通過本實施例的光調(diào)制元件，可得到高的調(diào)制效率。
另外，在本實施例中，說明了具有用作連接兩端的半波長諧振器的平行耦合線路的實例，但本發(fā)明不限于具有這種實施例。例如，也可具有如實施例2那樣兩端開放的平行耦合線路、或現(xiàn)有例的圖3所示一端連接、另一端開放的用作1/4波長型諧振器的平行耦合線路，來發(fā)揮本實施例的基本效果。
另外，在本實施例的光調(diào)制元件中，也可與實施例2一樣，在部分光波導(dǎo)路中設(shè)置極化反轉(zhuǎn)區(qū)域。通過在基板上設(shè)置剩余極化的極性不同的兩個區(qū)域，可一起發(fā)揮實施例2的效果和實施例3的效果。
(實施例4)下面，參照圖17(a)-17(c)來說明本發(fā)明光調(diào)制元件的實施例4。圖17(a)是表示本實施例的光調(diào)制元件平面構(gòu)成的上面圖，圖17(b)是圖17(a)的A0-A1線剖面圖。圖17(c)放大表示本實施例一部分的立體圖。
如圖17(a)和(b)所示，本實施例的光調(diào)制元件具備安裝同軸連接器209的第1基板固定用夾具(？)212a、和固定基板11的第2基板固定用夾具212b，將第1夾具212a固定在第2夾具212b上，以相對輸入線路15適當(dāng)配置同軸連接器的中心線210。第1夾具212a通過例如螺釘?shù)裙潭ㄔ诘?夾具212b上。
在同軸連接器的中心線210的前端部分安裝中間連接部件211，中心線210經(jīng)該中間連接部件211連接于輸入線路15。因此，在本實施例的光調(diào)制元件中，與上述實施例的不同之處在于電信號輸入部除輸入線路1 5外，還具有同軸連接器209和中間連接部件211。
在本實施例中，例如由同軸電纜來連接生成調(diào)制用高頻信號的外部驅(qū)動電路和光調(diào)制元件的同軸連接器?？稍谕S電纜在傳輸?shù)母哳l信號經(jīng)中間連接部件211提供給輸入線路15。
如圖17(c)所示，中間連接部件211具備具有彎曲以與同軸連接器的中心導(dǎo)體210外周連接的部分的第1連接部214、和具有接觸輸入線路15的平面狀部分的第2連接部215。
連接第1連接部214和第2連接部215的部分最好由彈性部件形成。通過使用這種彈性部件，可相對第1連接部214向下賦勢第2連接部215。因此，如圖17(b)所示，第2連接部215的底面壓緊輸入線路15的上面，容易確保第2連接部215與輸入線路15之間的電接觸。若采用這種構(gòu)成，則不必在第2連接部215與輸入線路15之間涂布導(dǎo)電性粘接劑，連接容易。第1連接部214與第2連接部215最好由一塊板狀導(dǎo)電體形成。
通過采用以上構(gòu)成，經(jīng)光連接器209提供給輸入線路15的高頻信號傳輸?shù)狡叫旭詈暇€路13，在線路13a與線路13b之間產(chǎn)生諧振。結(jié)果，在間隙部17中產(chǎn)生高頻振動電場，從而，由具有光電效應(yīng)的材料形成的光波導(dǎo)路12的折射率對應(yīng)于高頻信號變化。此時，在通過線路13a與線路13b下的光波導(dǎo)路中，如圖17(b)所示，形成彼此上下反向的電場，所以在各分支光波導(dǎo)路中傳輸?shù)墓庵行纬上辔徊睢?br> 圖18表示具有本實施例構(gòu)成的光調(diào)制元件的輸入線路15端部P的反射特性。從圖18可知，調(diào)制電極的諧振頻率為26GHz，在諧振頻率下輸入阻抗匹配。圖19是表示輸入線路15的透射損耗相對頻率的關(guān)系的曲線。
(實施例5)下面，說明本發(fā)明的光調(diào)制元件的實施例5。
本實施例的光調(diào)制元件雖具有與實施例4的光調(diào)制元件基本相同的構(gòu)成，但與實施例4中的光調(diào)制元件的不同之處在于在基板11上不設(shè)置輸入線路。
圖20(a)是表示本實施例的光調(diào)制元件的俯視圖，圖20(b)為其的B0-B1線剖面圖。
本實施例的光調(diào)制元件的電信號輸入部與實施例4一樣，具有同軸連接器209和中間連接部件211，但該中間連接部件211不經(jīng)輸入線路而直接連接到調(diào)制電極13上。
為了使光調(diào)制元件動作，必需通過向平行耦合線路13提供調(diào)制用高頻信號而在平行耦合線路13中有效引起奇對稱模式的諧振。這可通過將中間連接部件211連接于輸入阻抗匹配的任一位置來來實現(xiàn)。
圖21表示基板11上的平行耦合線路13與同軸連接器的中心導(dǎo)體210的連接狀態(tài)。同軸連接器的中心導(dǎo)體210和中間連接部件211具有圖17(c)所示構(gòu)成。如上所述，連接第1連接部214和第2連接部215的部分由彎曲的彈性部件形成，相對第1連接部214向下賦勢第2連接部215。因此，如圖17(b)所示，第2連接部215的底面壓緊平行耦合線路13的上面，確保第2連接部215與平行耦合線路13之間的電接觸。不必在第2連接部215與平行耦合線路13之間涂布具有導(dǎo)電性的粘接劑，連接容易。
將形成平行耦合線路13的基板11固定在基板固定用夾具212b上，將中間連接部件211及同軸連接器209固定在基板固定夾具212a上。通過使基板固定夾具212a相對基板固定夾具212b滑動，可使平行耦合線路13與中間連接部件211在適當(dāng)位置接觸。通過螺釘?shù)葘⒒骞潭▕A具212a固定在基板固定夾具212b上。
因為僅通過使中間連接部件211接觸平行耦合線路13，可就輸入調(diào)制用高頻信號，所以在測定平行耦合線路13的輸入反射特性后，可簡單調(diào)節(jié)中間連接部件211相對平行耦合線路13的連接位置?？赏ㄟ^微調(diào)夾具212a與夾具212b的旋入位置來調(diào)節(jié)連接位置。
下面，對本實施例的光調(diào)制元件說明通過電磁場模擬來進(jìn)行分析的結(jié)果。在該具體例中，使用厚度為0.400mm的z切割鉭酸鋰結(jié)晶(介電常數(shù)42)作為基板11，將平行耦合線路13的線路寬度設(shè)為0.05mm，間隙部的寬度為0.02mm。
設(shè)各線路的材料為鋁，構(gòu)成線路的鋁膜厚度為1微米。設(shè)中間連接部件為厚度為0.01mm、寬度為0.15mm的實施了鍍金處理的鈹銅。
設(shè)定平行耦合線路13的長度和與中間連接部件211的連接位置，以匹配輸入阻抗。具體而言，使用電磁場模擬，奇對稱模式在26GHz下諧振，并且確定在該頻率下，輸入同軸連接器的信號的反射最少。
結(jié)果，如圖22所示，平行耦合線路13的長度變?yōu)?.20mm，中間連接部件的連接位置距平行耦合線路13中央0.25mm。另外，設(shè)從基板固定用夾具212a到平行耦合線路13的距離為0.3mm。
圖23表示具有上述構(gòu)成的光調(diào)制元件中在中間連接部件211與平行耦合線路13的連接部的反射特性。從圖23可知，在諧振點(diǎn)無輸入信號的反射，基本全部信號功率都輸入平行耦合線路13。另外，可知即使在未設(shè)置輸入線路的情況下也不會影響諧振特性。
根據(jù)本實施例的構(gòu)成，可消除輸入線路的透射損耗。
在實施例5的光調(diào)制元件中，由于輸入線路15的存在而產(chǎn)生在26GHz的頻率下為0.5dB的透射損耗，但根據(jù)本實施例的構(gòu)成，不發(fā)生這種輸入線路引起的傳送損耗，可輸入高頻信號，可進(jìn)一步提高調(diào)制效率。因此，與設(shè)置輸入線路的情況相比，可使光輸出從0變化到最大必需的功率減少0.5dB。
根據(jù)圖22所示設(shè)計值來制作本實施例的光調(diào)制元件情況下、制作之后的輸入反射特性表示圖24虛線所示特性。此時，僅通過使中間連接部件211與平行耦合線路13的連接位置接近調(diào)制電極中心移動0.05mm，即可得到圖24實線所示輸入反射特性。即，在制作光調(diào)制元件后，即使由此制造過程差異而使輸入阻抗偏離設(shè)計值的情況下，也可通過調(diào)整中間連接部件211與平行耦合線路13的連接位置，可容易實現(xiàn)輸入阻抗匹配。
根據(jù)本實施例，不需設(shè)置輸入線路，便可向諧振型電極輸入信號，改善調(diào)制效率。另外，即使在元件制作后，也可進(jìn)行諧振型電極的輸入阻抗匹配。
在本實施例中，采用了具有短路兩端的半波長諧振器構(gòu)造的電極構(gòu)成，但本發(fā)明的調(diào)制電極不限于這種構(gòu)成，也可是具有諧振器構(gòu)造的調(diào)制電極。
在以上說明的各實施例中，雖然都在具有光電效應(yīng)的基板上形成光波導(dǎo)路，但本發(fā)明不限于這種構(gòu)成。也可采用在基板的表面區(qū)域中形成折射率比周圍高的芯部、并在芯部上形成由具有光電效應(yīng)的材料構(gòu)成的膜來作為接地部的構(gòu)成。此時，因為芯部中傳輸?shù)牟糠止饴┏龅浇拥夭?，所以通過使接地部的折射率變化，可調(diào)制芯部中傳輸?shù)墓獾南辔弧２槐赜删哂泄怆娦?yīng)的材料形成芯部。
另外，上述實施例中的光波導(dǎo)路具有馬赫策德爾干涉儀型的構(gòu)成，該馬赫-策德爾干涉儀型的構(gòu)成具有至少兩個分支的分支光波導(dǎo)路、耦合兩個分支光波導(dǎo)路的光輸入部、和耦合兩個分支光波導(dǎo)路的光輸出部，但本發(fā)明的光調(diào)制元件不限于具有這種構(gòu)成的光強(qiáng)度調(diào)制元件。即使本發(fā)明的光調(diào)制元件的光波導(dǎo)路是具有單一光波導(dǎo)路的情況，也可有效調(diào)制傳輸?shù)墓獾南辔?。這意味著本發(fā)明的光調(diào)制元件在調(diào)制光相位方面具有本質(zhì)的功能，通過使相位調(diào)制后的光干涉，可調(diào)制光強(qiáng)度。
第1、第2實施例的光調(diào)制元件在中途使光波導(dǎo)路分支成兩個并具有分支光波導(dǎo)路，但本發(fā)明不限于具有這種分支光波導(dǎo)路的光調(diào)制元件。例如，若將本發(fā)明適用于僅具有單一光波導(dǎo)路的光調(diào)制元件，則可得到用作相位調(diào)制器的光調(diào)制元件。此時，根據(jù)本發(fā)明，因為線路間的電壓符號(極性)均勻，光的相位變化不能抵消，故可提高光調(diào)制元件的光調(diào)制效率。
在實施例1-3的光調(diào)制元件中，將輸入線路直接連接于平行耦合線路的1個線路上，但本發(fā)明不限于具有這種構(gòu)成。例如，通過經(jīng)間隙使輸入線路的前端面對平行耦合線路的1個線路，也可進(jìn)行輸入耦合。尤其是在使用超導(dǎo)材料來作為構(gòu)成線路的材料的情況等中，在線路損耗小、諧振的無負(fù)載Q值高的情況等中，這種構(gòu)成尤其有效。
另外，連接平行耦合線路各線路的連接線路在附圖中描述成具有部分圓形狀，但因為連接線路可在短距離連接各線路彼此，所以即使是構(gòu)成部分多邊形等具有直線部分的形狀，也不會對光調(diào)制元件的特性產(chǎn)生壞影響。
元件的基板也可由鉭酸鋰結(jié)晶或鈮酸鋰等具有光電效應(yīng)的材料以外的光電結(jié)晶形成。最好由在苯甲酸中對光電結(jié)晶基板的表面實施質(zhì)子交換處理的方法形成光波導(dǎo)路，但也可由其它方法來制作光波導(dǎo)路。例如，為了與其它功能元件的集成化等，在必需利用鉭酸鋰單晶等以外基板的情況下，在基板上形成折射率比基板高、且具有光電效應(yīng)的材料構(gòu)成的膜，并也可將該膜用作光波導(dǎo)路。另外，在基板的表面區(qū)域形成折射率比周圍高的芯部，在芯部上形成由具有光電效應(yīng)的材料構(gòu)成的膜作為接地部，利用從芯部漏出的電場，通過接地部的折射率變化進(jìn)行光調(diào)制也一樣有效。另外，也可將平行耦合線路埋設(shè)在基板內(nèi)。
(實施例6)圖25是表示本發(fā)明的光纖無線系統(tǒng)構(gòu)成的框圖。
本實施例的光線無線系統(tǒng)50具備內(nèi)置實施例1-3的光調(diào)制元件的光調(diào)制解調(diào)器51。另外，可通過天線53，利用例如毫米波等傳輸波來直接進(jìn)行與通常的因特網(wǎng)等數(shù)據(jù)通信網(wǎng)或移動終端的通信、或接收來自CATV的信號等。在光調(diào)制解調(diào)器51中內(nèi)置光調(diào)制元件和光解調(diào)元件(例如發(fā)光二極管)。
另一方面，毫米波等頻率高的無線信號的長距離傳輸困難，并且信號易因物體而截斷。因此，也可使用無線裝置60及附設(shè)在無線裝置中的天線64來與數(shù)據(jù)通信網(wǎng)61、CATV62或移動電話系統(tǒng)63通信。此時，還具備光纖無線通信系統(tǒng)50、經(jīng)光纖70連接的光調(diào)制解調(diào)器55、及附設(shè)在其中的天線54。另外，可經(jīng)天線54、64及光調(diào)制解調(diào)器55，與無線裝置60之前收發(fā)信號。在光調(diào)制解調(diào)器55中內(nèi)置光調(diào)制元件和光解調(diào)元件(例如發(fā)光二極管)。
例如，在想進(jìn)行長度傳輸?shù)那闆r下，或在由墻等分隔的室內(nèi)傳送的時，通過光纖70傳送由毫米波等無線信號調(diào)制的光信號是有效的。
根據(jù)本發(fā)明的光調(diào)制元件的構(gòu)成，可提高用作相位調(diào)制器或光強(qiáng)度調(diào)制器的光調(diào)制元件的光調(diào)制效率，通過將該光調(diào)制元件配置在通信系統(tǒng)中，可進(jìn)行利用毫米波級高頻信號的通信。
權(quán)利要求
1.一種光調(diào)制元件，其特征在于具備光波導(dǎo)路，至少一部分由具有光電效應(yīng)的材料形成；調(diào)制電極，具有電磁耦合的第1和第2導(dǎo)體線路，向上述光波導(dǎo)路施加調(diào)制電場；導(dǎo)電層，與上述第1導(dǎo)體線路一起形成第1微波傳輸帶線路，與上述第2導(dǎo)體線路一起形成第2微波傳輸帶線路；電信號輸入部，向上述調(diào)制電極提供光調(diào)制用高頻信號；和連接部件，在兩端部相互連接上述第1和第2導(dǎo)體線路，使上述第1和第2導(dǎo)體線路作為上述高頻信號的奇模式諧振器發(fā)揮作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光調(diào)制元件，其特征在于上述光波導(dǎo)路具有至少兩個分支的分支光波導(dǎo)路，耦合上述兩個分支光波導(dǎo)路的光輸入部，和耦合上述兩個分支光波導(dǎo)路的光輸出部，將上述光波導(dǎo)路中施加上述調(diào)制電場的部分分成上述兩個分支光波導(dǎo)路，配置上述調(diào)制電極，使極性不同的電場影響上述兩個分支光波導(dǎo)路的每一個，并使上述調(diào)制電極作為調(diào)制輸入到上述光波導(dǎo)路中的光強(qiáng)度的強(qiáng)度調(diào)制器發(fā)揮作用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光調(diào)制元件，其特征在于配置上述調(diào)制電極，使其調(diào)制上述光波導(dǎo)路中施加上述調(diào)制電場的部分的折射率，并使上述調(diào)制電極作為調(diào)制輸入到上述光波導(dǎo)路中的光相位的相位調(diào)制器發(fā)揮作用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光調(diào)制元件，其特征在于上述光波導(dǎo)路具有至少兩個剩余極化的極性不同的部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光調(diào)制元件，其特征在于上述光波導(dǎo)路形成于具有光電效應(yīng)的基板上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光調(diào)制元件，其特征在于上述電信號輸入部具有與上述導(dǎo)電層一起形成微波傳輸帶線路的輸入線路，上述輸入線路連接于上述第1和第2導(dǎo)體線路之一上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光調(diào)制元件，其特征在于上述電信號輸入部具有連接于傳輸上述光調(diào)制用高頻信號的線上的同軸連接器、和電連接上述同軸連接器和上述調(diào)制電極的中間連接部件。
8.一種光調(diào)制元件，其特征在于具備光波導(dǎo)路，至少一部分由具有光電效應(yīng)的材料形成；調(diào)制電極，具有彼此電磁耦合的第1和第2導(dǎo)體線路，向上述光波導(dǎo)路施加調(diào)制電場；導(dǎo)電層，與上述第1導(dǎo)體線路一起形成第1微波傳輸帶線路，與上述第2導(dǎo)體線路一起形成第2微波傳輸帶線路；和電信號輸入部，向上述調(diào)制電極提供光調(diào)制用高頻信號，上述光波導(dǎo)路具有至少兩個剩余極化的極性不同的部分，上述第1和第2導(dǎo)體線路作為上述高頻信號的奇模式諧振器發(fā)揮作用。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光調(diào)制元件，其特征在于上述光波導(dǎo)路具有至少兩個分支的分支光波導(dǎo)路，耦合上述兩個分支光波導(dǎo)路的光輸入部，和耦合上述兩個分支光波導(dǎo)路的光輸出部，將上述光波導(dǎo)路中施加上述調(diào)制電場的部分分成上述兩個分支光波導(dǎo)路，配置上述第1和第2導(dǎo)體線路，使極性不同的電場影響上述兩個分支光波導(dǎo)路的每一個，并使上述導(dǎo)體線路作為調(diào)制輸入到上述光波導(dǎo)路中的光強(qiáng)度的強(qiáng)度調(diào)制器發(fā)揮作用。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光調(diào)制元件，其特征在于配置上述調(diào)制電極，使其調(diào)制上述光波導(dǎo)路中施加上述調(diào)制電場的部分的折射率，并使上述調(diào)制電極作為調(diào)制輸入到上述光波導(dǎo)路中的光相位的相位調(diào)制器發(fā)揮作用。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光調(diào)制元件，其特征在于上述第1和第2導(dǎo)體線路還在至少一方端部具有彼此連接的連接部件。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光調(diào)制元件，其特征在于上述光波導(dǎo)路形成于具有光電效應(yīng)的基板上。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光調(diào)制元件，其特征在于上述電信號輸入部具有與上述導(dǎo)電層一起形成微波傳輸帶線路的輸入線路，上述輸入線路連接于上述第1和第2導(dǎo)體線路之一上。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光調(diào)制元件，其特征在于上述電信號輸入部具有連接于傳輸上述光調(diào)制用高頻信號的線上的同軸連接器、和電連接上述同軸連接器和上述調(diào)制電極的中間連接部件。
15.一種光調(diào)制元件，其特征在于具備光波導(dǎo)路，至少一部分由具有光電效應(yīng)的材料形成；調(diào)制電極，具有彼此電磁耦合的第1、第2和第3導(dǎo)體線路，向上述光波導(dǎo)路施加調(diào)制電場；導(dǎo)電層，與上述第1導(dǎo)體線路一起形成第1微波傳輸帶線路，與上述第2導(dǎo)體線路一起形成第2微波傳輸帶線路，與上述第3導(dǎo)體線路一起形成第3微波傳輸帶線路；和電信號輸入部，向上述調(diào)制電極提供光調(diào)制用高頻信號。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光調(diào)制元件，其特征在于上述光波導(dǎo)路具有至少兩個分支的分支光波導(dǎo)路，耦合上述兩個分支光波導(dǎo)路的光輸入部，和耦合上述兩個分支光波導(dǎo)路的光輸出部，將上述光波導(dǎo)路中施加上述調(diào)制電場的部分分成上述兩個分支光波導(dǎo)路，配置上述第1和第2導(dǎo)體線路，使極性不同的電場影響上述兩個分支光波導(dǎo)路一方，配置上述第3和第2導(dǎo)體線路，使極性不同的電場影響上述兩個分支光波導(dǎo)路的另一方，并使上述導(dǎo)體電路作為調(diào)制輸入到上述光波導(dǎo)路中的光強(qiáng)度的強(qiáng)度調(diào)制器發(fā)揮作用。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光調(diào)制元件，其特征在于配置上述調(diào)制電極，使其調(diào)制上述光波導(dǎo)路中施加上述調(diào)制電場的部分的折射率，并使上述調(diào)制電極作為調(diào)制輸入到上述光波導(dǎo)路中的光相位的相位調(diào)制器發(fā)揮作用。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光調(diào)制元件，其特征在于上述第1、第2和第3導(dǎo)體線路還在至少一方端部具有彼此連接的連接部件。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光調(diào)制元件，其特征在于上述光波導(dǎo)路具有至少兩個剩余極化的極性不同的部分。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光調(diào)制元件，其特征在于上述光波導(dǎo)路形成于具有光電效應(yīng)的基板上。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光調(diào)制元件，其特征在于上述電信號輸入部具有與上述導(dǎo)電層一起形成微波傳輸帶線路的輸入線路，上述輸入線路連接于上述第1和第3導(dǎo)體線路之一上。
22.根據(jù)權(quán)利要求15或18所述的光調(diào)制元件，其特征在于上述電信號輸入部具有連接于傳輸上述光調(diào)制用高頻信號的線上的同軸連接器、和電連接上述同軸連接器和上述調(diào)制電極的中間連接部件。
23.一種通信系統(tǒng)，其特征在于具備權(quán)利要求1至22中任意一項所述的光調(diào)制元件；向上述光調(diào)制元件輸入光的輸入部；和向上述光調(diào)制元件提供上述調(diào)制用高頻信號的控制部。
全文摘要
提供一種可組裝在光通信系統(tǒng)中的高效率光調(diào)制元件。具備至少一部分由具有光電效應(yīng)的材料所形成的光波導(dǎo)路(12)；具有彼此電磁耦合的第1和第2導(dǎo)體線路(13a、13b)，向光波導(dǎo)路(12)施加調(diào)制電場的調(diào)制電極(13)；與第1導(dǎo)體線路(13a)一起形成第1微波傳輸帶線路，與第2導(dǎo)體線路(13b)一起形成第2微波傳輸帶線路的導(dǎo)電層(14)；向調(diào)制電極提供光調(diào)制用高頻信號的電信號輸入部(15)和在兩端部相互連接第1和第2導(dǎo)體線路(13a、13b)的連接部件(16a、16b)。使第1和第2導(dǎo)體線路(13a、13b)作為高頻信號的奇模式諧振器發(fā)揮作用。
文檔編號G02F1/225GK1467539SQ0313851
公開日2004年1月14日 申請日期2003年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月3日
發(fā)明者榎原晃, 小崎正浩, 矢島浩義, 義, 原晃, 浩 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社