CN1764862A - 光调制器和光调制方法 - Google Patents

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Abstract

在具有电/光相互作用区域(11)的光调制器件(10)中，电信号线(3)与电信号输入端(2a)相连，另一电信号线(4a)与电信号输出端(2b)相连，以及反射控制电路(5)与所述另一电信号线(4a)相连。此反射控制电路(5)是必然反射来自光调制器件(10)的相互作用区域(11)的输出电信号的阻抗元件。这使其能够提高可以改善E/O(电/光)响应特性的上限频率，并改善E/O响应的频率特性的平坦度，而不会恶化E/O响应的绝对值。

Description

光调制器和光调制方法
技术领域
本发明涉及一种光调制器，利用电信号对输入光信号进行调制，并输出调制光信号。
背景技术
光调制器通常是利用如外部电、磁、机械、声和光手段等来改变(调制)承载信息的光信号的强度、相位、偏振态、波长/频率、传播方向等的器件。在这些器件中，从操作速度(操作带宽)和可控性的观点来看，通常广泛地应用利用电手段来调制光信号的强度或相位的器件。
调制光强度的器件的典型示例是：电吸收调制器，通过向所述器件施加电场，控制材料的光吸收系数，来调制在形成了所述器件的材料中传播的光的强度(透射或吸收光)；和马赫-曾德调制器，通过利用马赫-曾德干涉仪的干涉效应，以强度变化替代由场施加所引起的器件材料的折射率变化和由此得到的光信号的相位变化。
尽管电吸收调制器和马赫-曾德调制器使用不同的物理现象作为器件操作机制，但是当将其看作输入调制电信号而输出调制光信号的器件时，二者都是一方面作为包括光信号输入和输出端的光器件而另一方面作为包括电信号输入和输出端的电器件的器件。从作为光器件的观点来看，上述光信号强度的调制比(即消光比)是光调制器的一个重要性能指标。
另一方面，在考虑光调制器的操作带宽时，应当注意作为电器件的一方面。例如，传统的电吸收调制器具有如下电极结构：该器件的操作带宽由CR时间常数限定，其中C是作为集总元件的器件电容，以及R是负载电阻。在这种情况下，必须减小器件电容，以增大器件的操作带宽。但是，例如，如果缩短器件长度(光信号传播方向上的长度)，以减小器件电容，则消光比下降。同样，例如，如果增加器件厚度(施加电信号的电场的方向上的长度)，则驱动电压增加。
因此，最近提出通过将器件的电极结构从集总元件型变为行波型(分布元件型)来极大地消除上述CR时间常数的带宽限制。行波型电极结构是其中将电信号(微波)电极形成为分布元件型传输线(如共面线或微带线)并且此传输线和光信号波导彼此平行地形成的结构。在这种结构中，可假定器件的操作带宽由在器件中传播的电信号和光信号之间的相位速度差确定，所以可以期望极宽频带上的特性。实际上，行波型电极结构器件实现了超宽带特性，例如E/O(电/光)响应的3dB下降带宽为50GHz或更大。
如上所述，行波型电极结构器件在传输线上传播电信号，以及传输线通常具有特性阻抗(Z0)，所以实质上将传输线的特性阻抗与电信号驱动系统的端接电阻器的阻抗匹配，以便有效地传输电信号。标准电信号驱动系统是50-Ω系统(即，端接电阻器是50Ω)。
在将行波型电极结构光调制器看作具有传输线的电器件时，器特性阻抗Z0通常为大约25Ω，所以从50-Ω驱动系统看，其类似于低阻抗线，并且产生了阻抗失配。如果发生此阻抗失配，在将信号输入光调制器时，作为微波的调制电信号的一部分被反射，所以不能将外部输入微波有效地提供给光调制器中的电/光相互作用区域。结果，恶化了频率特性的平坦度或降低了E/O响应的3dB下降带宽。
作为改进光调制器中的阻抗失配问题的方法，提出了如图30所示的结构，其中连接光调制单元10中的电/光相互作用区域11和输入端接电阻器81的电信号线3和连接电/光相互作用区域11和输出端接电阻器91的电信号线4是具有大约100Ω的特性阻抗Z0的高阻抗线(Electronic Letters，2003年5月1日，第39卷、第9号、第733～735页)。
在这种结构中，在将光调制单元10的低阻抗线(大约25Ω的Z0)和于低阻抗线串联的高阻抗线(大约100Ω的Z0)整体看作一个器件时，可以将有效特性阻抗看作单个线路的特性阻抗的平均值，所以与50-Ω驱动系统匹配的阻抗是可能的。由于这降低了对微波的输入反射系数(S11)和输出反射系统(S22)，并且从电信号驱动系统(驱动器电路)的输入端接侧输入光调制器的微波被有效地传输到电信号驱动系统的输出端接侧，向光调制器中的电/光相互作用区域施加微波电压的效率增加。结果，能够改善E/O响应的频率特性的平坦度。
作为改善E/O响应的频率特性的平坦度的另一方法，提出了一种使输出端接电阻器(负载电阻器)的数值小于光调制器的特性阻抗的数值的结构(例如日本专利未审公开No.11-183858)。这种使输出端接电阻器的数值不同于光调制器的特性阻抗的数值的方法有意地产生电信号输出端接侧的阻抗失配，并且不仅将来自驱动器电路的入射电信号，而且将由输出端接侧的阻抗失配所产生的反射电信号，用作要施加到光调制器中的电/光相互作用区域上的电信号。这使其能够控制E/O响应的频率特性的轮廓(形状)，改进平坦度，并增加3dB下降带宽。
发明内容
在上述利用串联高阻抗线的阻抗匹配技术中，输入电信号的波长必须比包括作为低阻抗线的光调制单元和高阻抗线在内的整个器件的物理长度长。这是因为如果电信号波长等于或小于整个器件的物理长度，则不再能够将整个器件的有效特性阻抗看作单个线路的特性阻抗的平均值。
因此，利用串联高阻抗线的阻抗匹配技术存在以下问题：可施加的电信号的波长具有其下限，换句话说，可施加的电信号的频率具有其上限。实际上，当输入微波的频率为大约25GHz或更低时，通过串联高阻抗线，E/O响应特性得以改善，而对于具有更高频率的输入微波，E/O响应特性急剧恶化。
同样，在使用减小输出端接电阻器数值的阻抗失配技术中，E/O响应的频率特性的平坦度得以改善，但这是通过减小E/O响应在低频侧的绝对值从而减小与E/O响应在高频侧的绝对值的相对差异来实现的。E/O响应的绝对值的减小意味着动态消光比的恶化，因而是不希望的。
因此，本发明的主要目的是提出一种光调制器，能够提高光调制器的E/O响应特性的上限频率。
本发明的另一目的是提供一种光调制器，其能够平坦频率特性，而不恶化E/O响应的绝对值。
为了实现上述目的，根据本发明的光调制器的特征在于包括：光调制器件，具有光信号输入端子和输出端子、电信号输入端子和输出端子、以及其中输入光信号和电信号彼此相互作用的电/光相互作用区域；电信号线，与电信号输出端子相连；以及反射控制电路，与电信号线相连，所述反射控制电路包括必然反射从光调制器件的相互作用区域输出的电信号的阻抗元件。
在本发明中，提升了调制电信号的反射的阻抗元件与电连接电/光相互作用区域和输出端接电阻器的电信号线相连，从而提高了能够改善E/O(电/光)响应特性的上限频率，并改善了E/O响应的频率特性的平坦度，而不会恶化其绝对值。
传统上，为了加宽如电吸收调制器等的操作带宽，实质上为了减小器件电容的目的，缩短器件长度，但减小器件长度不可避免地降低了消光比。但是，在本发明中，能够消除这种折中关系，并独立地控制和设计光调制器的操作带宽和消光比。
在本发明中，电抗组件X或电阻组件R(更一般地，阻抗Z＝R+jX，其中j是虚数单位)与连接了光调制器的电/光相互作用区域和电信号驱动系统的输出端接电阻器的电信号线并联，从而增加了控制输入光调制器的输入电信号或从光调制器输出的输出电信号的反射的自由度。这极大地增加了针对输入(调制)电信号设计输出(调制)光信号的响应特性的自由度。
在上述使用串联高阻抗线的阻抗匹配技术中，只针对连接了光调制器的电/光相互作用区域和端接电阻器的电信号线的特性阻抗值和线路长度，获得了控制电信号的反射的自由度。同样，在上述使用减小端接电阻值的阻抗失配技术中，只针对与电信号线串联的输出端接电阻器的数值，获得了控制电信号的反射的自由度。即，在传统技术中，只针对与连接了光调制器的电/光相互作用区域和端接电阻器的电信号线串联的元件，获得了控制电信号的反射的自由度。与此相反，本发明通过利用与电信号线并联的元件，同样增加了控制电信号的反射的自由度。
此外，本发明中电信号的反射控制不仅包括简单地抑制电信号的反射，即阻抗匹配，还包括电信号的反射的提升，即阻抗失配。更具体地，将阻抗与连接了光调制器的电/光相互作用区域和输出端接电阻器的电信号线并联，当与未连接此阻抗的情况进行比较时，这样做增加了电信号的反射系数，至少在特定的频率区域中。本发明通过利用上述对电信号的反射的提升(产生反射电信号)，针对输入(调制)电信号，改善了输出(调制)光信号的响应特性，而且本发明中的并联阻抗(并联电抗、并联电阻)实现了与普通阻抗匹配(抑制电信号的反射)不同的功能。
应当注意，即使在将电感电抗与连接了光调制器的电/光相互作用区域和输出端接电阻器的电信号线串联时，在与未连接电感电抗的情况进行比较时，电信号的输出反射系数仍然增加，至少在特定的频率区域中。
附图说明
图1是示出了根据本发明的光调制器的第一实施例的结构的视图；
图2是示出了图1的实际结构的透视图；
图3A是示出了开路端短截线结构的视图；
图3B是示出了接地电容器的视图；
图3C是示出了接地电感器的视图；
图4是示出了根据第一实施例的光调制器的E/O响应的频率相关性的曲线图；
图5是示出了在连接和未连接电路配置B的反射控制电路时、光调制器的电信号的反射系数的频率相关性的曲线图；
图6是示出了在连接和未连接电路配置B的反射控制电路时、光调制器的电信号的透射系数的频率相关性的曲线图；
图7是示出了其中连接了电路配置C的反射控制电路的光调制器的结构的视图；
图8是示出了在连接和未连接电路配置C的反射控制电路时、光调制器的E/O响应的频率相关性的曲线图；
图9是示出了根据第二实施例的光调制器的结构的视图；
图10是示出了在连接和未连接电路配置D的反射控制电路时、光调制器的电信号的反射系数的频率相关性的曲线图；
图11是示出了在连接和未连接电路配置D的反射控制电路时、光调制器的E/O响应的频率相关性的曲线图；
图12是示出了根据第三实施例的光调制器的结构的视图；
图13是示出了第三实施例的实际示例的透视图；
图14是示出了在连接和未连接电路配置E和F的反射控制电路时、光调制器的E/O响应的频率相关性的曲线图；
图15是包括多级电抗元件的电路的示意图；
图16是示出了其中连接了电路配置G的反射控制电路的光调制器的结构的视图；
图17示出了在连接和未连接电路配置G的反射控制电路时、光调制器的E/O响应的频率相关性的曲线图；
图18是示出了在连接和未连接电路配置G的反射控制电路时、光调制器的电信号的反射系数的频率相关性的曲线图；
图19是示出了在连接和未连接电路配置G的反射控制电路时、光调制器的电信号的透射系数的频率相关性的曲线图；
图20是示出了其中连接了电路配置H的反射控制电路的光调制器的结构的视图；
图21是示出了在连接和未连接电路配置H的反射控制电路时、光调制器的E/O响应的频率相关性的曲线图；
图22A是示出了其中连接了电路配置I的反射控制电路的光调制器的结构的视图；
图22B是示出了其中连接了电路配置J的反射控制电路的光调制器的结构的视图；
图22C是示出了其中连接了电路配置K的反射控制电路的光调制器的结构的视图；
图23是示出了在连接和未连接电路配置I的反射控制电路时、光调制器的E/O响应的频率相关性的曲线图；
图24是示出了在连接和未连接电路配置I的反射控制电路时、光调制器的电信号的反射系数的频率相关性的曲线图；
图25是示出了在连接和未连接电路配置J和K的反射控制电路时、光调制器的E/O响应的频率相关性的曲线图；
图26是示出了其中连接了电路配置M的反射控制电路的光调制器的结构的视图；
图27是示出了在连接和未连接电路配置M的反射控制电路时、光调制器的E/O响应的频率相关性的曲线图；
图28是示出了根据第五实施例的光调制器的结构的视图；
图29是示出了在连接和未连接电路配置N的反射控制电路时、光调制器的E/O响应的频率相关性的曲线图；以及
图30是示出了传统光调制器的结构的视图。
具体实施方式
下面，将参照附图，对本发明的实施例进行详细描述。
本发明的特征在于：将反射控制电路与连接到如图1所示的光调制器件10的电信号输出侧的第二电信号线4a相连。
[第一实施例]
图1示出了本发明光调制器的第一实施例，此光调制器具有：光调制器件10，包括光信号输入端1a、光信号输出端1b、电信号输入端2a、电信号输出端2b和其中输入光和电信号彼此相互作用的电/光相互作用区域11。
而且，第一电信号线3与上述光调制器件10的电信号输入端2a相连，以及形成了反射控制电路RCNT的一部分的第二电信号线4a与电信号输出端2b相连。
位于电信号驱动系统的输入端接侧8的(等效)输入端接电阻器81与第一电信号线3相连。
反射控制电路RCNT位于光调制器件10和输出端接电阻器91之间，并且必然反射来自光调制器件10的输出电信号。反射控制电路包括与第二电信号线4a并联的阻抗元件5。在下述每个实施例中，将在必要的情况下，对信号线进行解释。
第二电信号线4a与作为本发明的特征的反射控制电路RCNT的阻抗元件5相连，并通过电信号线4b与位于电信号驱动系统的输出端接侧9的输出端接电阻器91相连。图2示出了具有行波型电极结构的电吸收调制器的实际结构，其中电信号线4a和4b均为形成在半绝缘InP衬底上的共面线路。在本实施例中，集成光调制器件10和反射控制电路RCNT。
此外，形成了光调制器件10的电/光相互作用区域11根据提供给电信号输入端2a的电信号来调制从光信号输入端1a提供的光信号。例如，电/光相互作用区域11具有形成在半绝缘InP衬底上的n-InP/MQW/p-InP层叠结构(MQW是InGaAlAs/InAlAs的多量子阱结构)。
而且，如上所述，反射控制电路RCNT的阻抗元件5与第二电信号线4a相连。反射控制电路RCNT通常由阻抗组件构成。在本实施例中，阻抗组件是连接在线路与地之间的电抗组件。
在此光调制器中，通过第一电信号线3将在电信号驱动系统的输入端接侧8产生的调制电信号输入光调制器件10，在电/光相互作用区域11中调制来自光信号输入端1a的输入光信号，并作为调制光信号从光信号输出端1b输出。调制电信号通过第二电信号线4a和反射控制电路RCNT的阻抗元件5传输到电信号驱动系统的输出端接侧9。
假设上述电抗组件是由传输线形成的开路端短截线(开路短截线)。假设Z0是形成短截线的线路的特性阻抗，而θ是电长度，则从作为主要线路的第二电信号线4a看到的阻抗Z为：
Z＝-jZ0cotθ                     ……(1)
其中j是虚数单位。从等式(1)可知，从主要线路看到的开路端短截线的阻抗是纯虚数，所以开路端短截线具有纯电抗分量。
应当注意，开路端短截线的电抗分量是电长度θ的周期函数，因此根据电信号的频率变为负值(容性)或正值(感性)。因此，根据所使用的频率或光调制器的微波反射特性，如图3B或3C所示，也可以并联作为具有纯电抗分量的集总元件的电容器或电感器，代替开路端短截线(图3A)。或者，可以使用短路端短截线(短路短截线)结构，代替开路端短截线结构。
当要使用电感器或短路端短截线结构时，如果需要，还可以插入禁止直流的电容器。
图4示出了在图1所示的结构中、E/O(电/光)响应的频率特性的仿真结果，即在将用于控制电信号的反射的反射控制电路RCNT的阻抗元件5与光调制器件10的电信号输出侧相连。即，图4示出了本实施例的光调制器的E/O响应的频率相关性。
在此仿真中，将其中电/光相互作用区域11的长度为100μm的、具有行波型电极结构的电吸收调制器用作光调制器件10，并且将输入端接电阻器81和输出端接电阻器91的数值设置为50Ω。而且，电信号线4a和4b以及形成了反射控制电路RCNT的阻抗元件5(开路端短截线)都是具有特性阻抗Z0＝50Ω的共面线路，并按照以下两种方式来改变线路长度。此后，将包括具有这两组线路长度的电信号线4a和4b以及阻抗组件的电路称作电路配置A和B。
(L1，L2，Lstub)＝(650μm，100μm，100μm)：电路配置A
(L1，L2，Lstub)＝(390μm，100μm，230μm)：电路配置B
可以将由共面线路形成的电信号线4a和阻抗元件5(开路端短截线)单片地集成在其上形成了光调制器件10的半绝缘InP衬底上。在这种情况下，信号线4a与光调制器件10的、由共面线路形成的电信号输出端2b直接相连，如图2所示。
应当注意，在此仿真中，第一电信号线3是简单的电连接。
图4所示的E/O响应特性表示了输入微波的频率为45MHz到100GHz时的结果。
如图4中的空心方块所示，根本未连接电信号反射控制电路RCNT时的E/O响应(即光调制器件10本身的E/O响应)随着输入微波频率的增加单调减小，以及3dB下降带宽为大约67GHz。
与此相反，当连接包括阻抗组件的反射控制电路RCNT时，如图4所示，可以极大地改变E/O响应特性。例如，在电路配置A(由图4中的实心圆点表示)中，E/O响应特性的平坦度在20到45GHz附近的区域中得到改善。同样，在电路配置B(由图4中的实心三角表示)中，E/O响应特性的绝对值在从35到80GHz的高频区域中极大地增加。
图5在E/O响应特性上具有明显峰值效应的电路配置B中，与未连接反射控制电路RCNT时的反射系数一起，示出了电信号的输入反射系数S11和输出反射系数S22的频率相关性。即，图5示出了在连接和未连接电路配置B的反射控制电路RCNT时、电信号的反射系数的频率相关性。在未连接反射控制电路RCNT时，器件结构相对于输入和输出对称，所以S11＝S22。应当注意，反射系数的反射平面在输入端接点和输出端接点处。
在使用光调制器的电路中，与使用晶体管等的普通电路不同，尽管反射控制电路RCNT只与电信号的输出侧相连，也可以控制输入反射系数S11。如图5所示，在输入微波频率为大约25到50GHz的区域中，在连接反射控制电路RCNT(电路配置B)时的S11和S22的数值小于在未连接反射控制电路RCNT时的反射系数。通过反映出这一点，如图4所示的电路配置B的E/O响应在25到50GHz的区域中随着频率的增加而增加。
如图5所示，在连接电路配置B时，在E/O响应中发生峰值的55GHz附近的频率处，连接了电路配置B时的S11实质上等于未连接反射控制电路RCNT时的S11。同时，连接电路配置B时的S22的数值大于未连接反射控制电路RCNT时的S22。这意味着：在E/O响应中发生峰值的频率附近，特别是在输出侧发生电阻抗失配。这清楚地表现在如图6所示的电信号的透射系数S21的频率相关性上。图6示出了在连接和未连接电路配置B的反射控制电路RCNT时、光调制器的电信号的透射系数的频率相关性。
如图6所示，通过反映上述阻抗失配，连接了电路配置B时的S21的数值在55GHz附近明显小于未连接反射控制电路RCNT时的S21的数值。
如上所述，通过不仅使用简单的阻抗匹配还使用阻抗失配，即提升电信号的反射，可以改善E/O响应特性。在电路配置B中，反射控制电路RCNT将来自光调制器件10的输出电信号向光调制器件10反射(产生了反射信号)，并叠加在电信号驱动系统的输入端接侧8产生的调制电信号上。结果，增加了将信号电压施加到电/光相互作用区域上的效率，并实现了E/O响应在高频侧的峰值。前述减小了输出端接电阻器的数值的传统阻抗失配技术不能改善高频侧的E/O响应(包括绝对值)。
(比较示例1)
为了清楚展现根据本实施例的并联阻抗组件的作用，图8示出了在通过如图7所示、从电路配置B中单独去除电抗组件的结构中的E/O响应的频率特性仿真结果，即在其中形成了反射控制电路RCNT的线路的长度如下的电路配置C中。即，图8示出了在连接和未连接电路配置C的反射控制电路RCNT时、光调制器的E/O响应的频率相关性。
(L1，L2，Lstub)＝(390μm，100μm，0μm)：电路配置C
应当注意，在图7所示的光调制器中，与图1相同的参考数字表示与图1所示的光调制器中相同的组件，并将适当地省略对其的解释。
如图8所示，在其中串联连接具有特性阻抗Z0＝50Ω的线路的电路配置C中，与未连接反射控制电路RCNT的情况相比，E/O响应根本没有变化。这是因为电信号驱动系统是50-Ω系统，所以即使在具有特性阻抗Z0＝50Ω的线路与此驱动系统相连时，也根本不会影响微波的反射。
上述仿真结果证明了：本实施例中能够极大地改变E/O响应特性的主要因素是反射控制电路RCNT的并联阻抗组件。
[第二实施例]
下面，将参照图9，对本发明的第二实施例进行描述。
在第一实施例中，通过将阻抗组件与光调制单元的电信号输出侧并联来产生反射电信号。在本实施例中，通过将作为反射控制电路RCNT的感抗与光调制单元的电信号输出侧串联来产生反射电信号。
图9示出了根据本实施例的光调制器的结构，其中与图1中相同的参考数字表示与图1所示的光调制器中相同的组件，并将适当地省略对其的解释。
如图9所示，与第二电信号线4串联的元件71是电感器。假设L是电感值，且ω是角频率，则元件71具有+ωL的感抗分量。此后，将这样连接元件71的电路配置称为电路配置D。
应当注意，可以通过焊接线等容易地实现电感器。
图10与未连接元件71是的反射系数一起，示出了在图9中、元件71的电感值为L＝0.04nH时、电信号的输入反射系数S11和输出反射系数S22的频率相关性。即，图10示出了在连接和未连接电路配置D的反射控制电路RCNT时、光调制器的电信号的反射系数的频率相关性。在未连接反射控制电路RCNT时，器件结构相对于输入和输出对称，所以S11＝S22。
如图10所示，在电路配置D的反射控制电路RCNT与光调制器相连时，即在感抗与光调制器件10的电信号输出侧串联时，与未连接反射控制电路RCNT的情况相比，可以在大约30GHz或更高的频率区域中，增加输出反射系数S22。图11示出了E/O响应的频率特性仿真结果。即，图11示出了在连接和未连接电路配置D的反射控制电路RCNT时、光调制器的E/0响应的频率相关性。
如图11所示，在连接电路配置D的反射控制电路RCNT时，E/O响应在图10中输出反射系数S22增加(反射电信号增加)的频率区域中得到改善。
[第三实施例]
下面，将参照图12，对本发明的第三实施例进行描述。
本实施例等价于其中作为反射控制电路RCNT，将电抗与光调制单元的电信号输出侧并联且将元件71(感抗)与光调制单元的电信号输出侧串联的结构，即等价于上述第一和第二实施例的组合。
图12示出了根据本实施例的光调制器的结构，其中与图1中相同的参考数字表示与图1所示的光调制器中相同的组件，并将适当地省略对其的解释。图13示出了实际示例，其中分别形成光调制器件10和反射控制电路RCNT，并通过焊接线711a到711c相连。在图13所示的这个实际示例中，串联传输线4a和4b以及开路端短截线结构5由半绝缘InP衬底上的共面线路形成。如图2所示的光调制器件10和反射控制电路RCNT是单片集成的，而本实施例的光调制器件10和反射控制电路RCNT是通过混合连接相连的。
参照图12，元件71直接与光调制器的电/光相互作用区域11的电信号输出侧相连。设L是电感值，且ω是角频率，则元件71具有+ωL的感抗分量。
将元件71的电感值固定为L＝0.04nH，且按照如下两种方式改变第二电信号线4a和作为由共面线路形成且具有特性阻抗Z0＝50Ω的阻抗组件的电抗元件(开路端短截线)的长度。此后，将包括具有这两组线路长度的第二电信号线4a和阻抗组件(电抗元件)的电路称作电路配置E和F。
(L1，L2，Lstub)＝(650μm，100μm，70μm)：电路配置E
(L1，L2，Lstub)＝(30μm，100μm，210μm)：电路配置F
图14示出了E/O响应的频率特性仿真结果。即，图14示出了在连接和未连接电路配置E和F的反射控制电路RCNT时、光调制器的电信号的反射系数的频率相关性。
在本实施例中，与第一和第二实施例相比，两个元件(即并联元件和串联元件)与连接了光调制器件10的电/光相互作用区域11和输出端接电阻器的电信号线相连，所以改善E/O响应特性的效果更为明显，因为增加了控制电信号的反射的自由度。
例如，在电路配置E中(由图14中的实心圆点表示)，平坦度得以改善，而并未恶化E/O响应的绝对值，直到大约40GHz的频率区域。同样，在电路配置F中(由图14中的实心三角表示)，即使是在大约100GHz的超高频区域中，E/O响应也得到了极大的改善，并且这种情况下的3dB下降带宽达到100GHz。
从而，改善了E/O响应特性，因为与第一和第二实施例中一样，提升了电信号的输出反射系数。
应当注意，尽管在第一和第二实施例中，只有作为要并联的反射控制电路的阻抗组件是电抗元件，为了增加E/O响应特性的设计自由度，如图15所示并联连接两个或多个元件的多级结构也是有效的。图15示意性地示出了包括多级电抗元件的电路。
当如图15所示增加并联连接的电抗组件的数目时，通过电抗组件的增加，增加了控制(提升)电信号的反射的自由度，并且这样做增加了E/O响应特性的设计自由度。
(比较示例2)
在上述第一和第三实施例中，作为反射控制电路RCNT的并联电抗元件与光调制器的电信号输出侧相连。因此，下面将对其中将具有并联电抗元件的、电路配置G的反射控制电路RCNT与电信号输入侧相连的光调制器进行解释。图16示出了其中连接了电路配置G的反射控制电路RCNT的光调制器的结构。
应当注意，在图16中，与图1相同的参考数字表示与图1所示的光调制器中相同的组件，并将适当地省略对其的解释。
图17示出了如下设置图16中的第一电信号线3和由具有特性阻抗Z0＝50Ω的共面线路形成的、作为反射控制电路RCNT的电抗元件(开路端短截线)的长度时，E/O响应的频率特性仿真结果。即，图17示出了在连接和未连接电路配置G的反射控制电路RCNT时、光调制器的E/O响应的频率相关性。
(L3，L4，Lstub)＝(130μm，100μm，210μm)：电路配置G
如图17所示，即使在将并联电抗元件与光调制器件10的电信号输入侧相连时，仍能改善E/O响应，而且在电路配置G中，可以在大约40到70GHz的频率区域中获得改善E/O响应的效果。
图18和19示出了电路配置G的反射控制电路RCNT中、电信号的输入反射系数S11和输出反射系数S22的频率相关性以及电信号的透射系数S21的频率相关性。即，图18是示出了在连接和未连接电路配置G的反射控制电路RCNT时、光调制器的电信号的反射系数的频率相关性的曲线图，以及图19示出了在连接和未连接电路配置G的反射控制电路RCNT时、光调制器的电信号的透射系数的频率相关性。
如图18所示，在图17中发现E/O响应改善效果的40到70GHz的频率区域内，连接了电路配置G的反射控制电路RCNT时的S11和S22的数值均小于未连接反射控制电路RCNT时的S11和S22，而这表明在此频率区域中获得了阻抗匹配。
与此相对应，如图19所示，在40到70GHz的频率区域内，连接了电路配置G的反射控制电路RCNT时的S21的数值大于未连接反射控制电路RCNT时的S21。因此，E/O响应的改善和电信号的透射系数S21的改善几乎具有完全的对应关系。
这种现象与其中通过阻抗失配来改善E/O响应的电路配置B的反射控制电路RCNT的情况(第一实施例)形成鲜明对比。在电路配置B中，在E/O响应特性中发现显著峰值的频率区域内(图4和图6)，电信号的透射系数S21显然发生恶化。
利用阻抗匹配的E/O响应改善技术抑制了调制电信号的输入和输出端处的反射，并将输入光调制器的电信号有效地传输到输出侧，从而将信号电压有效地提供给光调制器中的电/光相互作用区域。结果，改善了E/O响应特性。因此，设计理念实质上与利用晶体管等普通电路中的阻抗匹配的设计理念相同，通过抑制电信号在输入和输出端处的反射，改善了透射系数S21，即电信号从输入侧到输出侧的增益，而且这种设计理念只考虑了在光调制器中传播(透射过)的电信号。
另一方面，利用阻抗失配的E/O响应改善技术通过叠加光调制器中的传输(入射)电信号和通过阻抗失配产生的反射电信号来控制对光调制器的信号电压施加，因此具有设计自由度比利用阻抗匹配的技术大得多得优点。实际上，在如图16所示、使用阻抗匹配的结构(电路配置G)中，只能将E/O响应改善到如图17所示的程度。与此相反，如图1所示、利用阻抗失配的结构(电路配置A或B)可以极大地改变E/O响应特性，如图4所示。
(比较示例3)
在前述第二实施例中，将作为反射控制电路RCNT的感抗与光调制器件10的电信号输出侧相连。因此，下面将对其中将具有感抗的电路配置H与光调制器件10的电信号输入侧相连的光调制器进行解释。图20示出了连接有电路配置H的反射控制电路RCNT的光调制器的结构。
应当注意，在图20中，与图9相同的参考数字表示与图9所示的光调制器中相同的组件，并将适当地省略对其的解释。
图21示出了在元件71(电感器)的电感值为L＝0.04nH时、E/O响应的频率特性仿真结果。即，图21示出了在连接和未连接电路配置H的反射控制电路RCNT时、光调制器的E/O响应的频率相关性。
如图21所示，在感抗与光调制器件10的电信号输入侧串联时，随着输入微波频率的增加，E/O响应恶化。这是因为由随着频率的增加而增加的Z＝+jωL表示的阻抗组件与光调制器件10的电信号输入侧相连，所以在电信号驱动系统中产生的微波在其到达光调制器件10中的电/光相互作用区域11之前衰落。
[第四实施例]
下面，将参照图22A到22C，对本发明的第四实施例进行描述。
在本实施例中，并联电阻作为反射控制电路RCNT与连接至光调制器件10的电信号输出端2b的电信号线4相连。
图22A、22B和22C示出了其中分别连接了电路配置I、J和K的反射控制电路RCNT的光调制器的结构。应当注意，在图22中，与图1相同的参考数字表示与图1所示的光调制器中相同的组件，并将适当地省略对其的解释。还应当注意的是，在图22中，输入端接电阻器81和输出端接电阻器91的数值均为50Ω。
在如图22A所示的电路配置I的反射控制电路RCNT中，作为反射控制电路RCNT的并联电阻连接在第二电信号线4和地之间。
在如图22B所示的电路配置J的反射控制电路RCNT中，除了并联电路之外，串联电阻7与电信号线4上比并联电阻更靠近光调制器件10的部分相连，作为反射控制电路5。
在如图22C所示的电路配置K的反射控制电路RCNT中，除了作为反射控制电路RCNT的并联电阻之外，串联电阻与电信号线4上比并联电阻更靠近输出端接电阻器的部分相连。
图23与未连接反射控制电路RCNT时、光调制器件本身的E/O响应特性一起，示出了如图22A所示的电路配置I中的E/O响应特性的频率特性仿真结果。即，图23示出了在连接和未连接电路配置I的反射控制电路RCNT时、光调制器的电信号的E/O响应的频率相关性。应当注意，在此仿真中，假定了与第一实施例中相同的光调制器件10，并将反射控制电路RCNT的并联电阻的数值设置为67Ω。
如图23所示，当并联电阻作为反射控制电路RCNT与光调制器件10的电信号输出侧相连时，能够在将端接电阻器的数值保持在50Ω时，降低E/O响应在低频侧的绝对值，而增加E/O响应在高频侧的绝对值，从而极大地改善了频率特性的平坦度。在传统技术中，为了改善E/O响应的频率特性的平坦度，必须减小输出端接电阻器(负载电阻器)的数值。然而，在本实施例中，并联电阻的添加消除了将电信号驱动系统的阻抗从作为标准值的50Ω加以改变的需要。
图24与未连接反射控制电路RCNT时的反射系数一起，示出了电路配置I中的电信号的输入反射系数S11和输出反射系数S22。即，图24示出了在连接和未连接电路配置I的反射控制电路RCNT时、光调制器的电信号的反射系数的频率相关性的曲线图。在未连接反射控制电路RCNT时，器件结构相对于输入和输出对称，所以S11＝S22。
在使用光调制器的电路中，与使用晶体管等的普通电路不同，尽管反射控制电路RCNT只与电信号的输出侧相连，也可以控制输入反射系数S11。如图24所示，在输入微波频率为大约40GHz或更小的区域中，连接了反射控制电路(电路配置I)时的S11的数值与未连接反射控制电路RCNT的情况相反，即随着频率的增加减小。尤其是在大约25GHz或更小的区域中，通过连接反射控制电路RCNT，提升了电信号在输入侧的反射。
与此相反，如图23所示，在大约40GHz或更小的区域内，连接了反射控制电路(电路配置I)时的E/O响应随着频率的增加而增加。
如上所述，在其中只有并联电阻作为反射控制电路RCNT与光调制器件10的电信号输出侧相连的电路配置I中，可以改善E/O响应的频率特性的平坦度，但E/O响应的绝对值在低频侧减小。
与其中只有并联电阻作为反射控制电路RCNT与光调制器件10的电信号输出侧相连的电路配置I相反，通过如电路配置J和K中那样，除并联电阻之外还连接串联电阻7，可以改善包括E/O响应特性的绝对值在内的特性。图25示出了电路配置J和K的E/O响应仿真结果。即，图25示出了在连接和未连接电路配置J和K的反射控制电路RCNT时、光调制器的E/O响应的频率相关性。
应当注意，在图25所示的仿真中，作为电路配置J和K中的每一个的反射控制电路RCNT的并联电阻的数值为67Ω，即与电路配置I中相同的数值，电路配置J的串联电阻7的数值为5Ω，而电路配置K的串联电阻7的数值为25Ω。
如图25所示，在除了并联电阻之外，还将串联电阻7用作反射控制电路RCNT时，能够在将端接电阻器的数值保持为50Ω时，改善E/O响应特性，尤其是平坦度，包括E/O响应的绝对值，并且增加了3dB下降带宽。
(比较示例4)
在上述第四实施例中，将电阻与光调制器件10的电信号输出侧并联。因此，下面将对其中将具有电阻的电路配置M与光调制器件10的电信号输入侧相连的光调制器进行解释。图26示出了连接有电路配置M的反射控制电路RCNT的光调制器的结构。
应当注意，在图26中，与图22相同的参考数字表示与图22所示的光调制器中相同的组件，并将适当地省略对其的解释。
图27示出了在作为反射控制电路RCNT的并联电阻为67Ω时、E/O响应的频率特性仿真结果。即，图27示出了在连接和未连接电路配置M的反射控制电路RCNT时、光调制器的E/O响应的频率相关性。
如图27所示，当并联电阻作为反射控制电路RCNT与光调制器件10的电信号输入侧相连时，E/O响应的绝对值急剧减小，所以这种结构不适合于实际系统。E/O响应这样恶化是因为电阻组件与光调制器件10的电信号输入侧相连，所以在电信号驱动系统中产生的微波在其到达光调制器件10中的电/光相互作用区域11之前衰落，并且未将信号电压有效地施加到电/光相互作用区域11上。
[第五实施例]
下面，将参照图28，对本发明的第五实施例进行描述。
本实施例等价于其中电阻与光调制器的电信号输出侧并联且感抗与光调制器的电信号输出侧串联的结构，即等价于第二和第四实施例的组合。
图28示出了根据本实施例的光调制器的结构。应当注意，在图28中，与图9和22中相同的参考数字表示与图9和22所示的光调制器中相同的组件，并将适当地省略对其的解释。
参照图28，与第二电信号线4串联的元件71是电感器。假设L是电感值，且ω是角频率，则元件71具有+ωL的感抗分量。而且，将作为反射控制电路RCNT的并联电阻和串联电阻7与第二电信号线4上比元件71更靠近输出端接电阻器的部分相连。此后，将此电路配置称作电路配置N。
图29示出了在其中连接了如图28所示的电路配置N的光调制器中、在元件71的电感值为L＝0.04nH且作为反射控制电路RCNT的并联电阻和串联电阻7分别为67和25Ω时、E/O响应的频率特性仿真结果。即，图29示出了在连接和未连接电路配置N的反射控制电路RCNT时、光调制器的E/O响应的频率相关性。
在如图29所示的电路配置N中，能够极大地改善包括其绝对值在内的E/O响应特性，并可以在以大约40GHz为中心的极为宽广的频率区域内，发现E/O响应峰值效应。在能够实现这种峰值时，例如，即使在电驱动光调制器的驱动器电路的输出电压幅度随着频率的增加而减小的情况下，仍然可以有利地均衡来自光调制器的光输出，直到大约40GHz的频率范围。
应当注意，在如图28所示的电路配置N中，连接了串联电阻7，但即使不连接此串联电阻，仍能获得相同的效果。
还应当注意的是，E/O响应特性在图29所示的低频区域中随着频率的增加而增加，主要是由于与第四实施例中一样的电信号输入反射系数S11的轮廓。
尽管已经通过第一到第五实施例，对本发明进行了解释，当然还可以自由地组合这些实施例。而且，在第一到第五实施例的每一个中，都以电吸收调制器作为示例，来解释光调制器件，但本发明也可以应用于基于其他操作机制的光调制器件，如利用材料的折射率变化的马赫-曾德光调制器件。这是因为本发明涉及提供给光调制器件的电/光相互作用区域的电信号的控制，而不是电/光相互作用区域中的操作机制。

Claims (16)

1、一种光调制器，其特征在于包括：
光调制器件，具有光信号输入和输出端子、电信号输入和输出端子、以及其中输入光和电信号彼此相互作用的电/光相互作用区域；
电信号线，与所述电信号输出端子相连；以及
反射控制电路，与所述电信号线相连，
所述反射控制电路包括必然反射从所述光调制器件的所述相互作用区域输出的电信号的阻抗元件。
2、根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于所述阻抗元件是连接在所述电信号线和地之间的电抗元件。
3、根据权利要求2所述的光调制器，其特征在于所述电抗元件是具有短截线结构的元件。
4、根据权利要求2所述的光调制器，其特征在于所述反射控制电路还包括与从所述光调制器件延伸出来的所述电信号线串联的另一阻抗组件。
5、根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于所述反射控制电路的所述阻抗组件是与所述电信号线串联的感抗。
6、根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于所述反射控制电路的所述阻抗组件是连接在所述电信号线和地之间的电阻。
7、根据权利要求6所述的光调制器，其特征在于所述反射控制电路还包括与从所述光调制器件延伸出来的所述电信号线串联的另一电阻。
8、根据权利要求4所述的光调制器，其特征在于与所述电信号线串联的所述阻抗组件是感抗。
9、根据权利要求2所述的光调制器，其特征在于所述电信号线与输出端接电阻器相连。
10、根据权利要求6所述的光调制器，其特征在于所述电信号线与输出端接电阻器相连。
11、根据权利要求9所述的光调制器，其特征在于与所述电信号线相连的所述输出端接电阻器的电阻值为50Ω。
12、根据权利要求10所述的光调制器，其特征在于与所述电信号线相连的所述输出端接电阻器的电阻值为50Ω。
13、根据权利要求9所述的光调制器，其特征在于与将电信号输入所述相互作用区域的电信号线相连的电信号驱动系统的输入端接电阻器和所述输出端接电阻器具有相等的电阻值。
14、根据权利要求10所述的光调制器，其特征在于与将电信号输入所述相互作用区域的电信号线相连的电信号驱动系统的输入端接电阻器和所述输出端接电阻器具有相等的电阻值。
15、一种光调制方法，其特征在于利用：
光调制器件，具有光信号输入和输出端子、电信号输入和输出端子、以及其中输入光和电信号彼此相互作用的电/光相互作用区域；
电信号线，与所述电信号输出端子相连；和
反射控制电路，与所述电信号线相连，以及
通过以包括阻抗元件的所述反射控制电路必然反射从所述光调制器件的所述相互作用区域输出的电信号，并将所产生的反射电信号与所述输入电信号叠加，获得叠加电信号，以所述叠加电信号调制所述输入光信号。
16、根据权利要求15所述的光调制方法，其特征在于所述反射控制电路的所述阻抗元件是连接在所述电信号线和地之间的电抗元件。
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