專利名稱：光信號(hào)－電信號(hào)變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用非線性光學(xué)效應(yīng)的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，作為將光信號(hào)變換成電信號(hào)的裝置，廣泛使用著以光電倍增器為代表的電子管或光電二極管為代表的半導(dǎo)體受光元件。電子管是利用“外部光電效應(yīng)”檢出光信號(hào)的元件，半導(dǎo)體受光元件則是利用在半導(dǎo)體內(nèi)的“內(nèi)部光電效應(yīng)”檢出光信號(hào)。
電子管的檢出靈敏度(信號(hào)放大率)高，作為物理化學(xué)用的元件，至今仍被經(jīng)常使用。但是體積大，動(dòng)作需要高壓電源。因此，作為光通信用的受光元件，幾乎派不上用場。
與此不同，半導(dǎo)體受光元件的體積小，耗電量少，所以在包括光通信在內(nèi)的眾多領(lǐng)域得到使用。即使在半導(dǎo)體受光元件中，pin型光電二極管(pin-PD)由于便宜，所以在許多地方廣泛使用。而在高速光通信中，則使用可以高速響應(yīng)的雪崩光電二極管(APD)。近幾年來，還開發(fā)出改善了響應(yīng)速度的pin型光電二極管。這些半導(dǎo)體受光元件，在目前的通信速度(頻段＜60GHz頻帶)中基本上可以不礙事地使用。
可是，在通信速度超過100GHz的超高頻頻段中，半導(dǎo)體受光元件卻存在著不能充分響應(yīng)的問題。這是因?yàn)榘雽?dǎo)體受光元件的響應(yīng)速度，受到光信號(hào)射入后產(chǎn)生的載流子的遷移率的制約的緣故。
pin型光電二極管則在光射入光電二極管的光吸收層后，生成電子-空穴對(duì)?？昭ǖ倪w移率小于電子的遷移率。決定光電二極管的響應(yīng)速度的延遲時(shí)間，取決于空穴的漂移速度。這樣，半導(dǎo)體受光元件的響應(yīng)速度，就取決于半導(dǎo)體材料固有的載流子的遷移率、外加電壓、漂移距離等。但是人們認(rèn)為即使進(jìn)一步加大這些參數(shù)，也難以使能夠正確檢知以超過100GHz的速度調(diào)制的光信號(hào)的響應(yīng)速度得到提高。

發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)的發(fā)明，就是為了解決上述問題而研制的，其主要目的是提供可以將高速調(diào)制的光信號(hào)變換成電信號(hào)的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置。
本發(fā)明的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置，具有取得并傳輸經(jīng)調(diào)制的光信號(hào)的光波導(dǎo)線路；在所述光波導(dǎo)線路中傳輸所述光信號(hào)時(shí)，在非線性光學(xué)效應(yīng)的作為下在所述光波導(dǎo)線路中產(chǎn)生的電場作用的區(qū)域中，在隔著所述光波導(dǎo)線路的相對(duì)位置上設(shè)置的一對(duì)電極。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，還具有與所述一對(duì)電極耦合的共振器，該共振器取得所述一對(duì)電極在所述電場的作用下感應(yīng)的電信號(hào)后激發(fā)。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述光信號(hào)，包含與調(diào)制頻率fm對(duì)應(yīng)的邊帶信號(hào)。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述光波導(dǎo)線路，在介電體基板上或所述介電體基板中形成；所述電極被所述介電體基板支承。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述光波導(dǎo)線路及所述介電體基板的至少一部分，由非線性光學(xué)材料構(gòu)成；所述光信號(hào)在所述光波導(dǎo)線路中傳輸時(shí)，利用光整流效應(yīng)，產(chǎn)生所述電場。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，還具有與所述共振器耦合電磁波發(fā)射器，將所述電信號(hào)作為無線信號(hào)發(fā)射。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述共振器及所述電磁波發(fā)射器，與所述基板一體化。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述共振器和所述電極，被在所述介電體基板上形成的微波傳輸帶線路連接。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述光信號(hào)的調(diào)制頻率在10GHz以上。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，還具有與所述光波導(dǎo)線路耦合的光入射部。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述非線性光學(xué)材料，是從由鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)等材料、磷酸鈦鉀系材料(KTiOPO4)、稀土類鈣氧化硼酸脂(RECa4O(BO3)3RE稀土類元素)系材料、DAST(4-二甲胺基-N-甲基-4-苯乙烯基吡啶鎓-對(duì)甲苯磺酸鹽)及3RDCVXY(二氰基乙烯基末端-二甲基置換一重氮基)組成的材料組中選擇的材料。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述光波導(dǎo)線路，具有極化方向與其它部分的極化方向不同的周期性的極化倒相結(jié)構(gòu)。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，還具有將所述一對(duì)電極電連接的電阻。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，還具有納入所述介電體基板的殼體。


圖1是表示本發(fā)明的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置的實(shí)施方式的立體圖。
圖1是表示本發(fā)明的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置的實(shí)施方式的立體圖。
圖2是表示本發(fā)明的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置的其它實(shí)施方式的立體圖。
圖3是表示本發(fā)明的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置的另一個(gè)其它實(shí)施方式的立體圖。
圖4(a)是表示從圖3的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置中拆下共振器后的主要部件的立體圖；(b)是其A-A’線剖面圖，(c)是B-B’剖面圖。
圖5(a)是圖3的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置中的介電體共振器天線的立體圖，(b)是其A-A’線剖面圖。
圖6是表示圖3的裝置中的電極和介電體共振器的連接的立體圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明不是利用被光照射而激活的載流子的漂移，而是利用非線性光學(xué)效應(yīng)，將光信號(hào)變換成電信號(hào)。因此，響應(yīng)速度不受許多載流子的漂移速度的限制。
下面，首先講述本發(fā)明的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置的動(dòng)作原理。
具有非線性光學(xué)效應(yīng)的材料的極化，可用下列公式1表示。
D＝εE+PNL…(公式1)式中D是電位移矢量(電通量密度)，ε是介電常數(shù)，E是電場，PNL是非線性極化。
非線性光學(xué)效應(yīng)的材料中的電位移矢量D，如公式1所示，是通常的介電常數(shù)ε及電場E的乘積與非線性極化PNL之和。非線性極化PNL的項(xiàng)，如果只考慮2次的非線性光學(xué)效應(yīng)，就可以用以下的公式2表示。
PNL＝x(2)E·E …(公式2)式中x(2)是2次的非線性極化率。
射入非線性光學(xué)材料的光，采用用以下的公式3表示的2個(gè)電場E1、E2之和表示的光。
E1＝E01cos(ω1t-k1r+φ1)、E2＝E02cos(ω2t-k2r+φ2)…(公式3)式中ω1及ω2是光的頻率，t是時(shí)間，k1及k2是光的波數(shù)，φ1及φ2是相位。
使用公式3后，公式2中的電場E的平方，可以表示如下E·E＝(E1+E2)·(E1+E2)＝E012cos2(ω1t-k1r+φ1)+2E01E02cos(ω1t-k1r+φ1)·cos(ω2t-k2r+φ2)+E022cos2(ω2t-k2r+φ2)…(公式4)如果使用cos2θ＝2cos2θ-1的關(guān)系，那么公式4可以用下面的公式5的A項(xiàng)+B項(xiàng)+C項(xiàng)+D項(xiàng)+E項(xiàng)表示E·E＝1/2(E012+E022)··(項(xiàng)A)+1/2E012cos(2ω1t-2k1r+2φ1)··(項(xiàng)B)+1/2E022cos(2ω2t-2k2r+2φ2)··(項(xiàng)C)+E01·E02cos[(ω1+ω2)t-(k1+k2)r+(φ1+φ2)]··(項(xiàng)D)+E01·E02cos[(ω1-ω2)t-(k1-k2)r+(φ1-φ2)]··(項(xiàng)E)…(公式5)公式5的A項(xiàng)，表示光整流的項(xiàng)。另外，公式5的B項(xiàng)及C項(xiàng)表示發(fā)生第2高頻，D項(xiàng)表示發(fā)生和頻，E項(xiàng)表示發(fā)生差頻。
在本發(fā)明中，利用公式5表示的非線性光學(xué)效應(yīng)中E項(xiàng)產(chǎn)生的效應(yīng)，將光信號(hào)變換成電信號(hào)。下面，對(duì)此進(jìn)一步詳述。
在光調(diào)制元件的作用下，例如，在離中心頻率以26GHz的信號(hào)調(diào)制的光(中心頻率1.5μm)0.19nm的位置，產(chǎn)生叫做“邊帶”的峰值。一般地說，如果設(shè)調(diào)制信號(hào)的頻率為fmsbHz，那么邊帶產(chǎn)生的波長λsb可以用下面的公式6表示λsb＝λc+ΔλΔλ=λc-CλcC+fmπ=fmλc2C+fmλc]]>…(公式6)C光速λc光中心波長fm調(diào)制信號(hào)的頻率在本發(fā)明的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置中，利用該邊帶的波長λsb和光的中心波長λc產(chǎn)生的差頻(公式7)，進(jìn)行向調(diào)制信號(hào)的變換。
ωm＝ωsb-ωc即1λm=1λsb-1λc=fmC]]>…(公式7)ωm調(diào)制信號(hào)的頻率ωsb邊帶的角頻率ωc中心波長的角頻率λm調(diào)制信號(hào)的波長λsb邊帶的波長λc中心波長在這里，為了方便起見，考慮2個(gè)不同頻率(波長)的光射入非線性光學(xué)材料中的情況。但1個(gè)頻率(波長)的光射入時(shí)也一樣。
下面，講述采用本發(fā)明的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置的優(yōu)選實(shí)施方式。
(第1實(shí)施方式)首先，參照?qǐng)D1，講述本發(fā)明的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。
本實(shí)施方式的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置，具有由非線性光學(xué)材料形成的介電體基板101；在基板101的上面形成的光波導(dǎo)線路102；在基板101的上面，在隔著光波導(dǎo)線路102的相對(duì)位置上設(shè)置的一對(duì)電極103、104。
應(yīng)該檢測的光信號(hào)，射入光波導(dǎo)線路102的射入部102a，在光波導(dǎo)線路102中從圖中左側(cè)向右側(cè)傳輸。這時(shí)，在非線性光學(xué)效應(yīng)中的差頻發(fā)生效應(yīng)的作用下，產(chǎn)生電場。一對(duì)電極103、104設(shè)置在光波導(dǎo)線路102中產(chǎn)生的電場作用的區(qū)域內(nèi)。
采用本實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)后，可以通過電極103及104，檢出光信號(hào)在光波導(dǎo)線路102中由圖中的左側(cè)向右側(cè)傳輸時(shí)產(chǎn)生的電場的變化。該電場，如前所述，是在非線性光學(xué)效應(yīng)中的差頻發(fā)生后在光波導(dǎo)線路及其附近形成的。為了在這種差頻發(fā)生后將光信號(hào)變換成電信號(hào)，需要使輸入的光信號(hào)具有邊帶信號(hào)的調(diào)制信號(hào)，。
在本實(shí)施方式中，作為介電體基板101，可以適當(dāng)使用鈮酸鋰(LiNbO3)基板。基板101的材料，不限于鈮酸鋰(LiNbO3)，還可以使用鉭酸鋰(LiTaO3)、磷酸鈦鉀系材料(KTiOPO4)、稀土類鈣氧化硼酸脂(RECa4O(BO3)3RE稀土類元素)、DAST(4-二甲胺基-N-甲基-4-苯乙烯基吡啶鎓-對(duì)甲苯磺酸鹽)及3RDCVXY(二氰基乙烯基末端-二甲基置換一重氮基)等。
下面，講述圖1所示的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置的制造方法。
首先，對(duì)基板101，在純水、丙酮、乙醇等液體中，對(duì)基板101進(jìn)行超聲波清洗。然后，再在醋酸中進(jìn)行時(shí)間為1分鐘以內(nèi)的超聲波清洗。
接著，采用光刻蝕術(shù)，在基板101的上面形成規(guī)定光波導(dǎo)線路102的位置和形狀的抗蝕劑掩膜，然后在抗蝕劑掩膜上，采用電子束蒸鍍法蒸鍍Ti膜。Ti膜的厚度，例如設(shè)定為40～50nm。
再接著，采用吊下法剝離抗蝕劑掩膜，從而清除Ti膜中應(yīng)該形成光波導(dǎo)線路102的區(qū)域以外的區(qū)域的部分。這樣，就形成布圖規(guī)定應(yīng)該形成光波導(dǎo)線路102的區(qū)域的Ti。制造Ti膜的方法，不限于電子束蒸鍍法，還可以采用RF磁控管濺射法等濺射法。
接著，將表面存在布圖的Ti狀態(tài)的基板102裝入管狀爐內(nèi)，使Ti在基板102的表面區(qū)域擴(kuò)散。管狀爐內(nèi)，具有加熱器和被加熱器加熱的石英管，基板101固定在石英管中設(shè)置的石英舟皿內(nèi)。作為石英管內(nèi)的氣體介質(zhì)，在擴(kuò)散處理開始后的前5個(gè)小時(shí)，使用包含水蒸汽的濕度80％以上的Ar氣體。5個(gè)小時(shí)之后，將氣體介質(zhì)切換成包含水蒸汽的濕度80％以上的O2氣體，加熱1小時(shí)左右。加熱溫度，例如，設(shè)定1000℃左右。只在Ti擴(kuò)散處理工序中的最后1小時(shí)里在氧氣氣體介質(zhì)中加熱的理由，是為了彌補(bǔ)基板101上生成的結(jié)晶的缺氧。
這樣，在基板101上形成光波導(dǎo)線路102。光波導(dǎo)線路102的形成方法，不限于Ti擴(kuò)散法，還可以使用擴(kuò)散V(鈀)、Ni(鎳)、Cu(銅)等過渡性金屬的方法，也可以采用在安息香酸的溶鹽中浸泡24小時(shí)左右，進(jìn)行質(zhì)子交換的方法。
作為基板101，使用DAST(4-二甲胺基-N-甲基-4-苯乙烯基吡啶鎓-對(duì)甲苯磺酸鹽)及3RDCVXY(二氰基乙烯基末端-二甲基置換一重氮基)等有機(jī)類的非線性光學(xué)材料時(shí)，最好采用由紫外線照射引起的折射率變化(光析出)法，形成光波導(dǎo)線路。
此外，光波導(dǎo)線路102的寬度及深度，在本實(shí)施方式中，都是5μm左右。但光波導(dǎo)線路102的寬度及深度，可以根據(jù)波導(dǎo)的光信號(hào)的波長最佳化。
接著，形成順著光波導(dǎo)線路102延伸的電極103及104。具體地說，首先，在形成光波導(dǎo)線路102的基板101的上面，用電子蒸鍍法蒸鍍鋁膜。電極的材料，不限于鋁，還可以使用鉑、金、鈦、鍺、鎳等的單體或合金。堆積金屬或其它導(dǎo)電性材料的膜后，用種種方法在導(dǎo)電膜上布圖，從而形成電極103、104。電極103、104的布圖，也可以采用吊下法進(jìn)行。
此外，在形成電極103、104之前，最好在基板101整個(gè)上面形成起保護(hù)膜作用的SiO2、HfO2、SiN等薄膜。
然后，跨過終端電阻105(50Ω)，連接電極103及104的一端，完成圖1的裝置。利用終端電阻105，可以象行波型光調(diào)制器的電極那樣，緩和光和電信號(hào)的相位速度的差異。
非線性光學(xué)材料的有效性的非線性光學(xué)常數(shù)deff，如公式8所示，對(duì)產(chǎn)生的電信號(hào)的功率而言，具有平方倍的比例關(guān)系。
P=Adeff2L2P1P2n1n2n3λ3(sinxx)2]]>…(公式8)A比例常數(shù)
deff非線性光學(xué)常數(shù)L結(jié)晶的長度P1入射光①的功率P2入射光②的功率n1對(duì)入射光①的折射率n2對(duì)入射光②的折射率n3對(duì)輸出的折射率(感應(yīng)率的平方)λ3輸出的波長上述的輸入光①，是輸入傳輸線路的光信號(hào)的中心頻率的信號(hào)；輸入光②，是邊帶的信號(hào)。
因此，最好使用有效性的非線性光學(xué)常數(shù)deff大的材料形成光波導(dǎo)線路。一般地說，與無機(jī)的非線性光學(xué)材料相比，有機(jī)的非線性光學(xué)材料的非線性光學(xué)常數(shù)deff高，所以使用有機(jī)的非線性光學(xué)材料的裝置，光信號(hào)的檢出靈敏度得到提高，由光向電信號(hào)的變換效率增大。具有比較大的有效性的非線性光學(xué)常數(shù)deff的無機(jī)結(jié)晶之一的LiNbO3結(jié)晶的有效性的非線性光學(xué)常數(shù)deff，是30pm/V左右。與此相對(duì)，有機(jī)結(jié)晶之一的DAST結(jié)晶的有效性的非線性光學(xué)常數(shù)deff，是1000pm/V左右，是LiNbO3結(jié)晶的有效性的非線性光學(xué)常數(shù)deff的30倍以上的高值。因此，在本實(shí)施方式的基板或光波導(dǎo)線路的材料中，可以適當(dāng)使用DAST材料。
此外，有效性的非線性光學(xué)常數(shù)deff隨著光的入射方向而變化。因此，使用鈮酸鋰·鉭酸鋰類非線性光學(xué)結(jié)晶時(shí)，光的入射方向，最好是感應(yīng)主軸的xy面內(nèi)。
不僅鈮酸類非線性光學(xué)結(jié)晶，在有效的非線性光學(xué)結(jié)晶中，表示光對(duì)結(jié)晶的入射角度和有效性的非線性光學(xué)常數(shù)deff的變化的公式，隨其結(jié)晶具有的結(jié)晶系(點(diǎn)群·空間群)的不同而不同，因此，需要根據(jù)其結(jié)晶的種類，選擇有效性的非線性光學(xué)常數(shù)deff變大的角度。
例如，在LiNbO3結(jié)晶中，因?yàn)槭菃屋S性結(jié)晶·點(diǎn)群32，所以表示結(jié)晶的角度和有效性的非線性光學(xué)常數(shù)deff的公式9，成為如下所示deff＝d11cos2θsin3φ …(公式9)式中θ是光的入射方向在感應(yīng)主軸的xz面內(nèi)投影的成分與z軸的夾角，φ是光的入射方向在感應(yīng)主軸的xz面內(nèi)投影的成分與x軸的夾角。
在本發(fā)明的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置中，通過將極化顛倒結(jié)構(gòu)引入光波導(dǎo)線路部分，從而能夠進(jìn)一步緩和光信號(hào)和電信號(hào)的相位速度的差異。引入極化顛倒結(jié)構(gòu)后，可以進(jìn)行模擬速度整合。與利用光對(duì)結(jié)晶的角度進(jìn)行速度整合時(shí)相比，可以獲得較大的有效性的非線性光學(xué)常數(shù)deff。引入極化顛倒結(jié)構(gòu)后，可以提高靈敏度，并且提高由光信號(hào)向電信號(hào)的變換效率。
(第2實(shí)施方式)下面，參閱圖2，講述具有使極化周期性地顛倒的結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)線路的第2實(shí)施方式。
本實(shí)施方式的基本結(jié)構(gòu)，除了具有極化顛倒結(jié)構(gòu)202的光波導(dǎo)線路203外，與圖1所示裝置的結(jié)構(gòu)大致相同。即本實(shí)施方式的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置，具有基板201；在基板201的上面形成的光波導(dǎo)線路203；在基板201的上面，在隔著光波導(dǎo)線路203的相對(duì)位置上設(shè)置的一對(duì)電極204、205。射入位于光波導(dǎo)線路203的一端的射入部203a的光信號(hào)，在光波導(dǎo)線路203中由圖中的左側(cè)向右側(cè)傳輸時(shí)，在非線性光學(xué)效應(yīng)中的差頻發(fā)生效應(yīng)的作用下，產(chǎn)生電場。一對(duì)電極204、205設(shè)置在光波導(dǎo)線路203產(chǎn)生的電場的作用區(qū)域內(nèi)。另外，電極204、205的一端通過終端電阻206相互連接。
本裝置的各部的材料、尺寸及制造方法，基本上和第1實(shí)施方式講述的一樣。不同之處是進(jìn)行了極化顛倒結(jié)構(gòu)202的制作，所以下面對(duì)此加以講述。
在本實(shí)施方式中，首先，采用電子束蒸鍍法，在基板201上蒸鍍金屬電極。更具體地說，在基板201的上面，形成梳狀電極；在背面形成前面電極。作為金屬電極的材料，最好使用鉑、金、鈦、鍺、鎳等的單體或合金。梳狀電極通過在基板201上堆積金屬膜后，再采用圖刻蝕術(shù)及腐蝕技術(shù)進(jìn)行布圖后制作。但也可以在基板上形成布過圖的抗蝕劑掩膜后，堆積金屬膜，利用吊下法形成。
梳狀電極形成后，在基板201的上面?zhèn)入姌O和背面?zhèn)入姌O之間，形成電場，使光波導(dǎo)線路203的特定區(qū)域中的極化的方向，與其它區(qū)域中的極化的方向相反。
極化顛倒周期Λ＝2LC，可以用下面的公式(10)或(11)求出。
Lc＝λm/2(ng-nm)…(公式10)Lc＝1/2fm(1/vm-1/vg)…(公式11)式中LC是相干長，ng是光的折射率，nm是電波的折射率，Vg是光的群速度，Vm是電波的相位速度，λm是電磁波的波長，fm是電波的頻率。
在本實(shí)施方式中，作為光信號(hào)，使用He-Ne激光，由于是fm26GHz、Vm6.4×107m/s、Vg1.36×108m/s，所以相干長成為2.4mm，極化顛倒周期成為4.7mm。
形成極化顛倒結(jié)構(gòu)202后，在純水、丙酮、乙醇等液體中對(duì)基板201實(shí)施超聲波清洗。以后的制造工序，和第1實(shí)施方式講過的一樣。
在上述各實(shí)施方式中，并不特別限定通過電極檢出電信號(hào)的結(jié)構(gòu)?？梢圆捎帽娝苤母哽`敏度檢出電路放大電氣信號(hào)?？墒牵谏鲜龈鲗?shí)施方式中的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置中，由光信號(hào)變換的電信號(hào)非常微弱，所以最好具有簡單將其放大的結(jié)構(gòu)。
下面，講述利用共振器將由光信號(hào)變換的電信號(hào)放大的實(shí)施方式。
(第3實(shí)施方式)下面，講述本發(fā)明的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置的第3實(shí)施方式。在本實(shí)施方式中，在將極化顛倒結(jié)構(gòu)引入光波導(dǎo)線路部分的同時(shí)，還使天線(電磁波發(fā)射器)通過共振器與電極連接。本實(shí)施方式中的周期性的極化顛倒結(jié)構(gòu)，與第2實(shí)施方式中的結(jié)構(gòu)一樣。
下面，參照?qǐng)D3，講述本實(shí)施方式的裝置。
本裝置將基板301裝在殼體309內(nèi)。在基板301上，和第2實(shí)施方式一樣，形成具有周期性的極化顛倒結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)線路302。在基板301的上面，在隔著光波導(dǎo)線路302的相對(duì)位置上形成一對(duì)電極303a、303b。射入位于光波導(dǎo)線路302的一端的射入部的光信號(hào)，在光波導(dǎo)線路302中由圖中的左側(cè)向右側(cè)傳輸時(shí)，在非線性光學(xué)效應(yīng)的作用下，產(chǎn)生電場。一對(duì)電極303a、303b設(shè)置在光波導(dǎo)線路302產(chǎn)生的電場的作用區(qū)域內(nèi)。
在位于光射出側(cè)308的部分中，設(shè)置著具有電磁波發(fā)射機(jī)構(gòu)的介電體共振器304；在光射入側(cè)307上，形成終端電阻305(50Ω)。
現(xiàn)在，參照?qǐng)D4(a)～(c)，更詳細(xì)地講述本實(shí)施方式的裝置的結(jié)構(gòu)。圖4(a)是表示從本實(shí)施方式的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置中拆下共振器后的主要部件的立體圖；(b)是其A-A’線剖面圖，是(c)的B-B’局部圖。
如圖4(b)所示，在安裝在殼體309內(nèi)的基板301的光波導(dǎo)線302中，形成極化顛倒結(jié)構(gòu)403。極化顛倒結(jié)構(gòu)403，是將基板材料的極化方向顛倒的區(qū)域周期性地配置而成。配置的周期，設(shè)定成與輸入的光信號(hào)的相干長相等。本實(shí)施方式中的光波導(dǎo)線路302，設(shè)計(jì)成為傳輸波長633nm的光信號(hào)。
殼體309，是覆蓋基板301的底面及側(cè)面的金屬匣子，在與基板301的光信號(hào)輸出入部位對(duì)應(yīng)的部位形成缺口。為了減少外界的電磁波的影響，殼體309最好具有利用圖中未示出的罩子覆蓋基板301的上面的形狀。
電極303(303a、303b)如圖4(c)所示，沿光波導(dǎo)線路302形成，能夠檢出光波導(dǎo)線路302產(chǎn)生的微小的電場。本實(shí)施方式中的電極303a、303b的一部分，從基板301的上面埋入內(nèi)部。但不具有這種結(jié)構(gòu)的電極也行。例如也可以使用通過在基板301的上面堆積的金屬膜上布圖后獲得的電極。
下面，參照?qǐng)D5(a)及(b)，講述介電體共振器部及電磁場發(fā)射機(jī)構(gòu)。圖5(a)表示介電體共振器的簡要結(jié)構(gòu)，圖5(b)是圖5(a)的A-A’線剖面圖。
介電體共振器304具有從外部遮蔽共振器內(nèi)部的電磁場的金屬殼體501，和配置在殼體501內(nèi)部的高介電常數(shù)的介電體503。在高介電常數(shù)的介電體503和殼體501之間，插入介電常數(shù)相對(duì)較低的材料(例如商品各為特氟隆(注冊(cè)商標(biāo))的材料)，用該低介電常數(shù)的材料，包圍、保持高介電常數(shù)的介電體503。
本實(shí)施方式的高介電常數(shù)的介電體503，分作2個(gè)部分，在其間隙中，形成旨在使共振器內(nèi)部的電磁場增大的縫隙505。另外，在殼體501中，在與高介電常數(shù)的介電體503的縫隙505相對(duì)位置上，設(shè)置著旨在發(fā)射電磁波的縫隙504。
介電體共振器304的高介電常數(shù)介電體503，如圖6所示，與微波傳輸帶線路502a、502b電磁性地結(jié)合。圖6是從另一個(gè)角度看圖3所示的本實(shí)施方式的裝置的立體圖。由圖6可知微波傳輸帶線路502a、502b的一端，分別在氧化鋁基板602a、602b上形成，通過接合線605a、605b與電極303a、303b的支線連接。
光信號(hào)在光波導(dǎo)線路中傳播時(shí)，電極303a、303b感應(yīng)的電信號(hào)，通過圖6的接合線605a、605b，傳遞給微波傳輸帶線路502a、502b，導(dǎo)入介電體共振器304的內(nèi)部。介電體共振器304的各種參數(shù)設(shè)計(jì)成使該電信號(hào)在介電體共振器304的內(nèi)部共振。
為了通過共振，在介電體共振器304的內(nèi)部有效地積蓄電信號(hào)的能量，最好在在介電體共振器304上設(shè)置選擇性開閉縫隙505的開關(guān)。該開關(guān)閉合時(shí)，抑制電磁場的外部漏泄，提高共振器的Q值，使電信號(hào)的能量放大。將開關(guān)斷開時(shí)，具有在共振器內(nèi)放大能量的電信號(hào)，就被作為電磁波，向共振器的外部發(fā)射。
在開放狀態(tài)的縫隙505中，介電常數(shù)與共振器的內(nèi)部相比，急劇變小，所以經(jīng)過高介電常數(shù)的介電體503傳播來的電信號(hào)的電磁場，在縫隙505的部位急劇增大。這樣一來，由于在電場增大的部位附近，配置殼體501的縫隙504，所以在微波傳輸帶線路502a、502b上傳播來的電信號(hào)，變換成電磁波，由縫隙504發(fā)射到共振器的外部。
本實(shí)施方式中的介電體共振器304，設(shè)計(jì)成以TM11δ振蕩型共振。例如，將26GHz的電信號(hào)作為電磁波發(fā)射時(shí)，縫隙504的長度設(shè)定為長度約3mm、寬度為0.6mm。
如果設(shè)真空介電常數(shù)為ε0，介電體共振器304的內(nèi)部的電容率εr為24，縫隙504中的電容率εr為1，那么電通量密度D就等于ε0εrE，在介電體共振器304的內(nèi)部和縫隙504的部位都是恒定的。因此，電場E從電容率高的共振器內(nèi)部通過縫隙504到達(dá)共振器外部時(shí)，大小被加大24倍。另外，在介電體共振器304的內(nèi)部，由于積蓄電場能，所以可以利用共振器將產(chǎn)生的電場能本身加大。在本實(shí)施方式中，可以將介電體共振器304的Q值設(shè)定為2000左右。
由DAST結(jié)晶形成基板301時(shí)，光信號(hào)在光波導(dǎo)線路中傳播時(shí)，電極間產(chǎn)生的電場是80μV/m左右。但使用本實(shí)施方式的共振器后，可以將大小提高到超過2000倍。
高介電常數(shù)的介電體503，例如，由MgYiO3-CaTiO3系陶瓷形成。斷面為1mm見方，長度是5mm。
本實(shí)施方式中的殼體501，例如，具有斷面為3mm見方、長度為15mm的矩形形狀。在殼體501和高介電常數(shù)的介電體503之間，成為用PTFE充填的結(jié)構(gòu)。
高介電常數(shù)的介電體503，還可以使用以Zr-TiO4·BaTiO3為代表的介電體陶瓷材料。由于介電常數(shù)因介電體材料而異，所以需要變更殼體501的尺寸及介電體共振器304的尺寸。
在本實(shí)施方式中，設(shè)計(jì)成用TM11δ振蕩型共振，但也可以設(shè)計(jì)成用TE10振蕩型等其它振蕩型共振。另外，在本實(shí)施方式中，將作為電磁波發(fā)射機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用的縫隙504，設(shè)置在共振器304的殼體501中。但以使共振器殼體不接地的狀態(tài)設(shè)置導(dǎo)體電極后，就能加大電波的發(fā)射量。設(shè)置在共振器304的殼體501中的縫隙504，作為縫隙天線動(dòng)作。但還可以在縫隙504中再設(shè)置其它介電體共振器，使縫隙504作為介電體天線動(dòng)作。
綜上所述，采用上述的各實(shí)施方式的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置后，通過在光波導(dǎo)線路中輸入、傳播光信號(hào)，從而可以將光信號(hào)變換成電信號(hào)。而且，由于利用共振器將該電信號(hào)放大，所以可以正確檢出超高速調(diào)制光。
另外，將光波導(dǎo)線路、電極、共振器及天線在基材上一體化后，可以使裝置小型化，所以在各種通信機(jī)器及電器之間進(jìn)行信息的收發(fā)時(shí)，易于裝入那些通信機(jī)器中。
這樣，采用本發(fā)明的實(shí)施方式后，易于使通過光纖等光信號(hào)輸送單元送來的光信號(hào)變換成無線信號(hào)。能夠輕而易舉地通過無線方式對(duì)通信機(jī)器及電器進(jìn)行相互控制。另外，可以進(jìn)一步促進(jìn)用無線方式控制現(xiàn)有的電氣產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)家電的普及。
采用上述實(shí)施方式后，由于使用光導(dǎo)波線路檢出光信號(hào)，所以可以通過模擬速度整合，提高靈敏度及變換效率。特別是使用周期性的極化顛倒結(jié)構(gòu)后，可以通過適當(dāng)設(shè)計(jì)極化顛倒周期及光導(dǎo)波線路、介電體共振器，將其應(yīng)用于檢出任意波長及頻率的光信號(hào)。
此外，毫無疑問，本發(fā)明使用的各種材料及元件的結(jié)構(gòu)，并不限于上述實(shí)施方式。使用上述介電體材料、非線性光學(xué)材料以外的材料，可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置。
采用本發(fā)明后，可以不利用電荷(載流子)的漂移將光信號(hào)變換成電信號(hào)，所以能夠?qū)崿F(xiàn)高速響應(yīng)。另外，利用共振器放大由光信號(hào)變換的電信號(hào)，將其作為電磁波由天線發(fā)射，從而實(shí)現(xiàn)由光信號(hào)向電信號(hào)的高效率的變換。采用本發(fā)明后，可以提供小型、可以高速動(dòng)作的光信號(hào)-電信號(hào)變換裝置。
權(quán)利要求
1.一種光信號(hào)—電信號(hào)變換裝置，具有取得并傳輸經(jīng)調(diào)制的光信號(hào)的光波導(dǎo)線路；和在所述光波導(dǎo)線路中傳輸所述光信號(hào)時(shí)，在非線性光學(xué)效應(yīng)的作為下在所述光波導(dǎo)線路中產(chǎn)生的電場所作用的區(qū)域中，在隔著所述光波導(dǎo)線路的相對(duì)位置上設(shè)置的一對(duì)電極。
2.如權(quán)利要求1所述的光信號(hào)—電信號(hào)變換裝置，其特征在于還具有與所述一對(duì)電極耦合的共振器，該共振器取得所述一對(duì)電極在所述電場的作用下感應(yīng)的電信號(hào)后激發(fā)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光信號(hào)—電信號(hào)變換裝置，其特征在于所述光信號(hào)，包含與調(diào)制頻率fm對(duì)應(yīng)的邊帶信號(hào)。
4.如權(quán)利要求1所述的光信號(hào)—電信號(hào)變換裝置，其特征在于所述光波導(dǎo)線路，形成在介電體基板上或所述介電體基板中；所述電極被所述介電體基板支承。
5.如權(quán)利要求4所述的光信號(hào)—電信號(hào)變換裝置，其特征在于所述光波導(dǎo)線路及所述介電體基板的至少一部分，由非線性光學(xué)材料構(gòu)成；所述光信號(hào)在所述光波導(dǎo)線路中傳輸時(shí)，利用光整流效應(yīng)，產(chǎn)生所述電場。
6.如權(quán)利要求5所述的光信號(hào)—電信號(hào)變換裝置，其特征在于還具有與所述共振器連接電磁波發(fā)射器，將所述電信號(hào)作為無線信號(hào)發(fā)射。
7.如權(quán)利要求4所述的光信號(hào)—電信號(hào)變換裝置，其特征在于所述共振器及所述電磁波發(fā)射器，與所述基板一體化。
8.如權(quán)利要求7所述的光信號(hào)—電信號(hào)變換裝置，其特征在于所述共振器和所述電極，被在所述介電體基板上形成的微波傳輸帶線路連接。
9.如權(quán)利要求1所述的光信號(hào)—電信號(hào)變換裝置，其特征在于所述光信號(hào)的調(diào)制頻率在10GHz以上。
10.如權(quán)利要求1所述的光信號(hào)—電信號(hào)變換裝置，其特征在于還具有與所述光波導(dǎo)線路耦合的光入射部。
11.如權(quán)利要求5所述的光信號(hào)—電信號(hào)變換裝置，其特征在于所述非線性光學(xué)材料，是從由鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)系材料、磷酸鈦鉀(KTiOPO4)系材料、稀土類鈣氧化硼酸脂(RECa4O(BO3)3RE稀土類元素)系材料、DAST(4-二甲胺基-N-甲基-4-苯乙烯基吡啶鎓-對(duì)甲苯磺酸鹽)及3RDCVXY(二氰基乙烯基末端-二甲基置換一重氮基)組成的材料組中選擇的材料。
12.如權(quán)利要求1所述的光信號(hào)—電信號(hào)變換裝置，其特征在于所述光波導(dǎo)線路，具有極化方向與其它部分的極化方向不同的周期性的極化倒相結(jié)構(gòu)。
13.如權(quán)利要求1所述的光信號(hào)—電信號(hào)變換裝置，其特征在于還具有將所述一對(duì)電極電連接的電阻。
14.如權(quán)利要求4所述的光信號(hào)—電信號(hào)變換裝置，其特征在于還具有納入所述介電體基板的殼體。
全文摘要
本發(fā)明的光信號(hào)－電信號(hào)變換裝置，具有傳輸信號(hào)的光波導(dǎo)線路；在所述光波導(dǎo)線路中傳輸所述光信號(hào)時(shí)，在所述光波導(dǎo)線路中產(chǎn)生的電場作用的區(qū)域中，在隔著所述光波導(dǎo)線路的相對(duì)位置上設(shè)置的一對(duì)電極；與所述一對(duì)電極耦合的共振器，該共振器取得所述一對(duì)電極在所述電場的作用下感應(yīng)的電信號(hào)后激發(fā)。
文檔編號(hào)G02F1/35GK1662849SQ0381454
公開日2005年8月31日 申請(qǐng)日期2003年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月25日
發(fā)明者古屋博之, 榎原晃 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社