DE60312595T2

DE60312595T2 - Resonanter elekro-optischer Modulator zur Erzeugung kurzer optischer Pulse

Info

Publication number: DE60312595T2
Application number: DE60312595T
Authority: DE
Inventors: Akira Nara-shi Enokihara; Masahiro Moriguchi-shi Kosaki; Hiroyoshi Kyoto-shi Yajima
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2023-06-04
Also published as: EP1708018B1; US6819472B2; CN100334483C; US20030223669A1; EP1369741A1; EP1708018A2; EP1708018A3; DE60330717D1; DE60312595D1; CN1467539A; EP1369741B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Modulator und ein Kommunikationssystem, das den optischen Modulator enthält. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung einen optischen Modulator, der verwendet wird, um ein RF-Signal, das eine Frequenz von einigen GHz oder mehr hat, mittels Lichtwellenkommunikationstechnik zu übertragen, und betrifft außerdem ein Kommunikationssystem, das einen solchen optischen Modulator enthält.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Hui et al.: „Electrode Optimization for High-Speed Travelling-Wave integrated Optic Modulators", Journal of Light-Wave Technology, IEE, New Wellenleiterork, US, Band 16, Nr. 2, 01. Februar 1998, Seite 232 bis 238 offenbart eine Elektrodenoptimierung für schnelle, integrierte optische Wanderwellenmodulatoren, wobei in einem koplanaren Design zwei oder drei Elektroden auf einem von Titan diffundierten optischen LiNbO₃-Wellenleiter, der sich in einem LiNbO₃-Kristall befindet, bereitgestellt sind.
US 5,530,777 offenbart eine weitere optische Modulationsvorrichtung, die ein Substrat und ein dielektrisches Element mit einer ersten und einer zweiten Fläche, die einander gegenüberliegen, umfasst. Dabei erstreckt sich ein optischer Wellenleiter auf der ersten Fläche des dielektrischen Elements und hat einen elektrooptischen Effekt. Des Weiteren sind eine erste und eine zweite Parallelleitung elektromagnetisch miteinander gekoppelt und weisen eine Mikrostreifen-Leitungsstruktur auf.
Krähenbrühl et al.: „Investigations on Short-Path-Length High-Speed Optical Modulators in LiNbO₃ with Resonant-Type Electrodes", Journal of Lightwave Technology, Band 19, Nr. 9, 09. September 2001, Seite 1287 bis 1297 offenbart verschiedene Typen von resonanten Elektrodenstrukturen, um die aktive Elektrodenlänge zu reduzieren und die Modulationseffizienz des schnellen optischen Modulators des Resonanztyps mit kurzer Reichweite zu verbessern. Das darin vorgeschlagene Design ist koplanaren Typs.
Ein System zum Austauschen oder Verarbeiten von Information unter Verwendung eines optischen Signals muss die Phase oder die Intensität des Lichts mittels eines elektrischen Signals (beispielsweise mit einem RF-Signal, das in dem Mikrowellen- oder Millimeterwellenband liegt) modulieren. Für diesen Zweck kann das Licht entweder durch eine direkte Modulationstechnik oder durch eine externe Modulationstechnik moduliert werden.
Die direkte Modulationstechnik ist ein Verfahren des Änderns der Intensität des Lichts, das von einer Lichtquelle (beispielsweise einer Halbleiterlaserdiode) emittiert wird, durch direktes Verändern der Menge des Treiberstroms, der der Lichtquelle zugeführt wird, wie in 1A gezeigt. Die direkte Modulationstechnik trägt zum Reduzieren der Gesamtgröße eines Kommunikationssystems bei, weil außerhalb der Lichtquelle keine Modulatoren bereitgestellt werden müssen. Jedoch ist es mit diesem Verfahren schwierig, das Licht bei einer Hochfrequenz von einigen GHz oder mehr zu modulieren. Zusätzlich kann die faseroptische Fernübertragung auf Grund eines Chipping-Phänomens, das bei Halbleiterlaserstrahlung oft beobachtet wird, nur unter eingeschränkten Bedingungen ausgeführt werden.
Andererseits wird bei der externen Modulationstechnik Licht, das von einer Lichtquelle, wie beispielsweise einer Halbleiterlaserdiode emittiert wird (d. h. Licht mit einer stabilisierten Ausgangsleistung), in einen optischen Modulator eingegeben, der die Phase oder die Intensität des Lichts moduliert, wie in der 1B gezeigt. Bei dieser Technik kann das Licht durch Nutzung von elektrooptischen Effekten, akustooptischen Effekten, magnetooptischen Effekten oder nichtlinearen optischen Effekten moduliert werden.
Wie oben beschrieben, ist es schwierig, mit dem Verfahren des direkten Modulierens des Ausgangs einer Halbleiterlaserdiode ultraschnelle Lichtmodulation zu erreichen. Deshalb wird derzeit ein externer Modulator intensiv erforscht und entwickelt, weil ein Bauteil dieses Typs normalerweise schnelle Lichtmodulation erreicht. Von den verschiedenen externen Modulatorentypen kann ein elektrooptischer Modulator, der dielektrische Kristalle verwendet, die Taschenwirkung aufweisen, mit einer derartig hohen Geschwindigkeit arbeiten und verursacht dennoch im Ergebnis der Modulation wenig Phasenstö rung. Aus diesem Grund kann dieser elektrooptische Modulator sehr effektiv bei der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, bei faseroptischer Fernkommunikation und bei anderen Anwendungen eingesetzt werden. Wenn eine optische Wellenleiterstruktur unter Verwendung eines solchen elektrooptischen Modulators aufgebaut ist, kann der Modulator mit einer kleinen Größe umgesetzt werden und gleichzeitig effizient genug betrieben werden.
Ein elektrooptischer Modulator enthält normalerweise eine Übertragungsleitung, die als eine modulierende Elektrode (oder Signalelektrode) auf elektrooptischen Kristallen bereitgestellt ist, um ein modulierendes Signal durch diese hindurch auszubreiten, und einen optischen Wellenleiter, der nahe der Übertragungsleitung bereitgestellt ist. Bei diesem elektrooptischen Modulator wird der Brechungsindex des optischen Wellenleiters durch ein elektrisches Feld geändert, das um die modulierende Elektrode herum zu induzieren ist, wodurch die Phase der Lichtwelle, die sich durch den optischen Wellenleiter ausbreitet, moduliert wird.
Die in einem solchen elektrooptischen Modulator normalerweise verwendeten Kristalle haben einen sehr kleinen elektrooptischen Koeffizienten. Der elektrooptische Koeffizient ist ein Parameter, der die Basis der optischen Modulation bildet. Dementsprechend sollte ein elektrooptischer Modulator ein elektrisches Feld so effizient wie möglich auf den optischen Wellenleiter anlegen.
Die 2 ist eine Querschnittsansicht, die die Grundstruktur des elektrooptischen Modulators zeigt. Wie in der 2 gezeigt, ist ein optischer Wellenleiter auf der Oberfläche eines Substrats bereitgestellt, das aus Kristallen besteht, die elektrooptische Effekte haben (d. h. elektrooptische Kristalle), und auf dem optischen Wellenleiter ist eine modulierende Elektrode bereitgestellt.
Die elektrooptischen Kristalle weisen optische Anisotropie auf und ändern ihre Brechungsindizes im Wesentlichen proportional zu der Stärke des auf dieselben angelegten elektromagnetischen Feldes (d. h., sie weisen den Tascheneffekt auf). Infolgedessen kann durch Regulieren des auf die modulierende Elektrode angelegten Potenzials V der Brechungsindex des optischen Wellenleiters geändert werden. Die Veränderung von Δn in dem Brechungsindex des optischen Wellenleiters ist proportional zu der Stärke des elektrischen Feldes E, das auf den optischen Wellenleiter angelegt wird. Wenn sich der Brechungsindex des optischen Wellenleiters um Δn ändert, verschiebt sich die Phase des ausgegebenen Lichts um ΔΦ, wie in der 2 gezeigt. Die Phasenverschiebung ΔΦ ist normalerweise proportional zu dem Produkt der Stärke des elektrischen Feldes E und der Länge L des optischen Wellenleiters.
Um in dem optischen Wellenleiter ein elektrisches Feld zu erzeugen, wird mittels der Eingangsleitung extern (d. h. von außerhalb des optischen Wellenleiters) der Elektrode des optischen Modulators ein modulierendes Signal zugeführt. Infolgedessen ist es wichtig, das modulierende Signal so effizient wie möglich einzuspeisen.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf die 3 eine spezielle Konfiguration eines herkömmlichen optischen Modulators in weiteren Einzelheiten beschrieben. Die 3 ist eine Draufsicht eines herkömmlichen optischen Modulators, wie in dem US-Patent Nr. 5,400,416 offenbart.
Wie in der 3 gezeigt, enthält der optische Modulator ein Substrat 101, das aus einem elektrooptischen Material besteht, und einen optischen Wellenleiter 112, der auf der Oberfläche des Substrats 101 beispielsweise durch thermisches Diffundieren eines Metallelements in Richtung eines Abschnitts des Substrats 101 ausgebildet werden kann.
Auf dem Substrat 101 ist eine parallel gekoppelte Leitungsstruktur 113, die durch Strukturieren eines Metallfilms aus Aluminium, Gold oder anderen geeigneten Metallen erhalten wird, auf der linken und auf der rechten Seite des optischen Wellenleiters 112 bereitgestellt. Andererseits ist auf der Rückseitenfläche des Substrats 101 eine Masseplatte 114, die ebenso durch Strukturieren eines Metallfilms erhalten wird, bereitgestellt. Die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 113 enthält zwei Leitungen 113a und 113b, die sich parallel zueinander erstrecken.
In dem in der 3 dargestellten Beispiel sind die beiden Leitungen 113a und 113b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 113 mittels einer einzelnen Leitung 124 aneinander gekoppelt. Jedoch offenbart das oben erwähnte US-Patent Nr. 5,400,416 außer dem eine Struktur, in der die zwei Leitungen 113a und 113b nicht miteinander gekoppelt sind.
Des Weiteren ist ein Eingangsanschluss 129 so bereitgestellt, um mittels eines Abgriffs 128 an einen Abschnitt der Leitung 113b angeschlossen zu werden. Eine RF-Signalquelle 119 ist zwischen den Eingangsanschluss 129 und die Masseplatte 114 geschaltet.
Eingehendes Licht wird durch ein Ende des optischen Wellenleiters 112 eingebracht, durch einen Abschnitt des optischen Wellenleiters 112 in den Zwischenraum 116 zwischen den zwei Leitungen 113a und 113b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 113 weitergeleitet und dann als das ausgehende Licht durch das andere Ende des optischen Wellenleiters 112 ausgegeben. Währenddessen sind der Eingangsanschluss 129 und die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 113 magnetisch miteinander gekoppelt. Infolgedessen breitet sich ein RF-Signal, das von der RF-Signalquelle 119 zugeführt wird, durch die jeweiligen Leitungen 113a und 113b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 113 aus, um in dem Zwischenraum 116 zwischen den Leitungen 113a und 113b ein elektrisches Feld zu erzeugen. Entsprechend der Stärke dieses elektrischen Feldes ändert sich auf Grund der elektrooptischen Effekte der Brechungsindex des optischen Wellenleiters. Im Ergebnis ist die Phase des ausgehenden Lichts moduliert. Auf diese Weise kann der vorliegende optische Modulator als ein Phasenmodulator arbeiten.
Die parallel gekoppelte Leitungsstruktur arbeitet entweder im Gleichtaktmodus oder im Gegentaktmodus. Im Gegentaktmodus weisen die Spannungen der zwei Leitungen, die in der parallel gekoppelten Leitungsstruktur enthalten sind, zueinander entgegengesetzte Polaritäten auf und induzieren infolgedessen ein sehr großes elektrisches Feld dazwischen. Der in der 3 gezeigte optische Modulator erreicht durch das Betreiben der zwei Leitungen 113a und 113b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 113 im Gegentaktmodus in Reaktion auf das modulierende Signal hocheffiziente Lichtmodulation.
Damit jedoch ein derartiger optischer Modulator umfangreicher in einem Kommunikationssystem genutzt werden kann, ist die Leistung des optischen Modulators noch immer nicht vollständig ausreichend, sondern muss in vielerlei Hinsicht noch verbessert wer den. Das bedeutet, dass es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen noch effizienteren optischen Modulator bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit dem optischen Modulator nach Anspruch 1 gelöst.
Um die oben beschriebenen Probleme zu überwinden, stellen bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung einen hocheffizienten optischen Modulator bereit, der beispielsweise in einem optischen Kommunikationssystem effektiv verwendet werden kann.
Ein nicht erfindungsgemäßer optischer Modulator enthält einen optischen Wellenleiter, eine modulierende Elektrode, eine leitende Schicht, einen Eingabeabschnitt für ein elektrisches Signal und Verbinderelemente. Wenigstens ein Teil des optischen Wellenleiters besteht bevorzugt aus einem elektrooptischen Material. Die modulierende Elektrode enthält bevorzugt eine erste Leiterleitung und eine zweite Leiterleitung, die elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind, und legt bevorzugt an einen Abschnitt des optischen Wellenleiters ein elektrisches Feld an. Die leitende Schicht bildet bevorzugt jeweils eine erste Mikrostreifenleitung mit der ersten Leiterleitung und eine zweite Mikrostreifenleitung mit der zweiten Leiterleitung. Durch den Abschnitt zum Eingeben des elektrischen Signals wird der modulierenden Elektrode bevorzugt ein RF-Signal zugeführt. Die Verbinderelemente verbinden bevorzugt die erste und die zweite Leiterleitung an beiden Enden davon. In diesem optischen Modulator wirken die erste und die zweite Leiterleitung bevorzugt als ein Gegentaktmodus-Resonator für das modulierende RF-Signal.
In einem nicht erfindungsgemäßen Beispiel enthält der optische Wellenleiter bevorzugt wenigstens zwei optische Wellenleiter-Verzweigungen, einen optischen Eingangsabschnitt, der die beiden Verzweigungen zusammenführt, und einen optischen Ausgangsabschnitt, der die beiden Verzweigungen ebenso zusammenführt. Bevorzugt wird der Abschnitt des optischen Wellenleiters, auf den das modulierende elektrische Feld angelegt wird, in die zwei optischen Wellenleiter-Verzweigungen unterteilt. Die modulierende Elektrode ist bevorzugt so bereitgestellt, um die elektrischen Felder jeweils mit zueinander entgegengesetzten Polaritäten auf die beiden optischen Wellenleiter-Verzweigungen anzulegen, und wirkt bevorzugt als ein Intensitätsmodulator zum Modulieren der Intensität des Lichts, das in den optischen Wellenleiter eingegeben wurde.
Ein nicht erfindungsgemäßer optischer Modulator enthält bevorzugt einen optischen Wellenleiter, eine modulierende Elektrode, eine leitende Schicht und einen Abschnitt zum Eingeben eines elektrischen Signals. Wenigstens ein Abschnitt des optischen Wellenleiters ist bevorzugt aus einem elektrooptischen Material. Die modulierende Elektrode enthält bevorzugt eine erste Leiterleitung und eine zweite Leiterleitung, die elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind, und legt bevorzugt auf einen Abschnitt des optischen Wellenleiters ein modulierendes elektrisches Feld an. Die leitende Schicht bildet bevorzugt jeweils mit der ersten Leiterleitung eine erste Mikrostreifenleitung und mit der zweiten Leiterleitung eine zweite Mikrostreifenleitung. Durch den Eingabeabschnitt für ein elektrisches Signal wird der modulierenden Elektrode bevorzugt ein modulierendes RF-Signal zugeführt. Bei diesem optischen Modulator enthält der optische Wellenleiter bevorzugt wenigstens zwei Abschnitte, die remanente Polarisationen mit zueinander entgegengesetzten Polaritäten aufweisen, und die erste und die zweite Leiterleitung wirken bevorzugt als ein Gegentaktmodus-Resonator für das modulierende RF-Signal.
In einem erfindungsgemäßen Beispiel enthält der optische Wellenleiter bevorzugt wenigstens zwei optische Wellenleiter-Verzweigungen, einen optischen Eingangsabschnitt, der die beiden Verzweigungen zusammenführt, und einen optischen Ausgangsabschnitt, der ebenso die beiden Verzweigungen zusammenführt. Der Abschnitt des optischen Wellenleiters, auf den das modulierende elektrische Feld angelegt wird, ist bevorzugt in zwei optischen Wellenleiter-Verzweigungen unterteilt. Die erste und die zweite Leiterleitung sind bevorzugt so bereitgestellt, um jeweils elektrische Felder mit zueinander entgegengesetzten Polaritäten auf die zwei optische Wellenleiter-Verzweigungen anzulegen, und wirken bevorzugt als ein Intensitäts-Modulator zum Modulieren der Intensität des Lichts, das in den optischen Wellenleiter eingegeben wurde.
Ein optischer Modulator gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung enthält bevorzugt einen optischen Wellenleiter, eine modulierende Elektrode, eine leitende Schicht und einen Abschnitt zum Eingeben eines elektrischen Signals. Bevorzugt ist wenigstens ein Teil des optischen Wellenleiters aus einem elektrooptischen Material. Die modulierende Elektrode enthält bevorzugt eine erste Leiterleitung, eine zweite Leiterleitung und eine dritte Leiterleitung, die elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind, und legt bevorzugt ein modulierendes elektrisches Feld an den genannten Abschnitt des optischen Modulators an. Die leitende Schicht bildet bevorzugt jeweils mit der ersten Leiterleitung eine erste Mikrostreifenleitung und mit der zweiten Leiterleitung eine zweite Mikrostreifenleitung aus. Durch den Eingabeabschnitt für ein elektrisches Signal wird ein modulierendes RF-Signal bevorzugt der modulierenden Elektrode zugeführt.
In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung enthält der optischer Modulator bevorzugt wenigstens zwei optische Wellenleiter-Verzweigungen, einen optischen Eingangsabschnitt, der die zwei Verzweigungen zusammenführt, und einen optischen Ausgangsbereich, der die Verzweigungen ebenso zusammenführt. Bevorzugt ist der Teil des optischen Wellenleiters, auf den das modulierende elektrische Feld angelegt wird, in die zwei optischen Wellenleiter-Verzweigungen unterteilt. Die Leiterleitungen sind bevorzugt so angeordnet, um elektrische Felder mit zueinander entgegengesetzten Richtungen auf die zwei optischen Wellenleiter anzulegen. Der Modulator ist bevorzugt eingerichtet, um die Intensität von Licht, das in den optischen Wellenleiter eingegeben wurde, zu modulieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung enthält der optische Modulator bevorzugt des Weiteren ein Verbinderelement, das die erste, die zweite und die dritte Leiterleitung wenigstens an einem Ende davon miteinander verbindet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung enthält der optische Wellenleiter bevorzugt wenigstens zwei Abschnitte, die remanente Polarisationen mit zueinander entgegengesetzten Polaritäten aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist der optische Wellenleiter bevorzugt in einem Substrat bereitgestellt, das aus einem elektrooptischen Material ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung enthält der Abschnitt zum Eingeben eines elektrischen Signals eine Eingangsleitung, die eine weitere Mikrostreifenleitung mit der leitenden Schicht bildet, und die Eingangsleitung ist bevorzugt an eine von der ersten und der dritten Leiterleitung angeschlossen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung enthält der Abschnitt zum Eingeben eines elektrischen Signals bevorzugt einen Koaxialverbinder, der mit einer Leitung verbunden ist, durch die sich das modulierende RF-Signal ausbreitet, und ein Zwischenverbindungselement, das den Koaxialverbinder und die modulierende Elektrode miteinander verbindet.
Ein Kommunikationssystem gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung enthält bevorzugt den optischen Modulator nach einer der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung, einen Eingabeabschnitt zum Eingeben von Licht in den optischen Modulator und einen Steuerabschnitt zum Zuführen des modulierenden RF-Signals zu dem optischen Modulator.
Weitere Merkmale, Elemente, Prozesse, Schritte, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen deutlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B sind jeweils schematische Darstellungen, die die Grundideen der direkten Modulation und der externen Modulation von Licht zeigen.
2 zeigt schematisch, wie ein optischer Modulator durch Nutzung von elektrooptischen Effekten als ein externer Modulator arbeitet.
3 ist eine Draufsicht, die einen herkömmlichen optischen Modulator darstellt.
4A ist eine Draufsicht, die einen Aufbau für einen optischen Modulator gemäß einem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
4B ist eine Querschnittsansicht eines in der 4A gezeigten optischen Modulators, von einer Ebene betrachtet, die den Wellenleiter davon in rechten Winkeln schneidet.
4C zeigt schematisch eine Feldstärkenverteilung, die durch die modulierende Elektrode des in der 4A gezeigten optischen Modulators gebildet wird.
5A zeigt schematisch die Verteilung des elektrischen Feldes (wie durch die durchgezogenen Pfeile angedeutet) und die Verteilung des Magnetfeldes (wie durch die gestrichelten Pfeile angedeutet) in dem in 4B gezeigten Querschnitt, während die parallel gekoppelte Leitungsstruktur in dem Gleichtaktmodus arbeitet.
5B zeigt schematisch die Verteilung des elektrischen Feldes (wie durch die durchgezogenen Pfeile angedeutet) und die Verteilung des Magnetfeldes (wie durch die gestrichelten Pfeile angedeutet) in dem in 4B gezeigten Querschnitt, während die parallel gekoppelte Leitungsstruktur in dem Gegentaktmodus arbeitet.
6 ist eine Draufsicht, die die Flächengrößen einer parallel gekoppelten Leitungsstruktur und einer Eingangsleitung zeigt, die bei der elektromagnetischen Simulation für den optischen Modulator des ersten Vergleichsbeispiels verwendet wurden, und die Position, an der die Eingangsleitung an die parallel gekoppelte Leitungsstruktur angeschlossen wurde.
7 ist ein Diagramm, das die Reflexionsverlust-Kennlinie des optischen Modulators des ersten Vergleichsbeispiels in dem resonanten Zustand auf Basis der Ergebnisse der elektromagnetischen Simulationen zeigt.
8A ist ein Diagramm, das die Wellenform des RF-Signals zeigt, das in die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 13 in dem optischen Modulator des ersten Vergleichsbeispiels eingegeben wird.
8B ist ein Diagramm, das das Intensitätsverhältnis des ausgehenden Lichts zu dem eingehenden Licht in dem optischen Modulator des ersten Vergleichsbeispiels zeigt.
8C ist ein Diagramm, das das Intensitätsverhältnis des ausgehenden Lichts zu dem eingehenden Licht in dem optischen Modulator des Vergleichsbeispiels zeigt.
9A ist eine Draufsicht, die einen optischen Modulator, der eine Elektrodenstruktur enthält, die Resonanz bei 10 GHz erzeugt, als ein spezielles Beispiel des ersten Vergleichsbeispiels zeigt.
9B ist eine Draufsicht, die einen optischen Modulator, der eine Elektrodenstruktur enthält, die Resonanz bei 26 GHz erzeugt, als ein weiteres Beispiel des ersten Vergleichsbeispiels zeigt.
10 ist ein Diagramm, das die Reflexionsverlust-Kennlinie des in der 9A gezeigten optischen Modulators zeigt.
11 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die optische Ausgangsleistung des in der 9A gezeigten optischen Modulators im Zeitverlauf ändert.
12 ist ein Diagramm, das das Spektrum des Lichts zeigt, das durch den in 9A gezeigten optischen Modulator moduliert wurde.
13 ist ein Diagramm, das die tatsächlich gemessene Reflexionsverlust-Kennlinie der modulierenden Elektrode in dem in 9B gezeigten optischen Modulator zeigt.
14 ist ein Diagramm, das das Spektrum des Lichts zeigt, das durch den in 9B gezeigten optischen Modulator moduliert wurde.
15A ist eine Draufsicht, die einen Aufbau für einen optischen Modulator gemäß einem nicht erfindungsgemäßen zweiten Vergleichsbeispiel zeigt.
15B ist eine Draufsicht, die eine Substratdomäne zeigt, die remanente Polarisierung mit einer umgekehrten Polarität aufweist.
15C ist ein Diagramm, das die Verteilung der elektrischen Feldstärke in der in der 15A gezeigten parallel gekoppelten Leitungsstruktur zeigt.
16A ist eine Draufsicht, die einen Aufbau für einen optischen Modulator gemäß einer ersten speziellen Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
16B ist eine vertikale Querschnittsansicht des in der 16A gezeigten optischen Modulators in einer Situation, in der Resonanz in Modus 2 erzeugt wurde.
16C ist eine vertikale Querschnittsansicht des in der 16A gezeigten optischen Modulators in einer Situation, in der Resonanz in Modus 3 erzeugt wurde.
17A ist eine Draufsicht, die einen Aufbau für einen optischen Modulator gemäß einem nicht erfindungsgemäßen dritten Vergleichsbeispiel zeigt.
17B ist eine Querschnittsansicht des optischen Modulators, betrachtet von der in der 17A gezeigten Ebene XVIIb-XVIIb.
17C ist eine Perspektivansicht, die zeigt, wie ein Koaxialverbinder-Kernleiter 210 und ein Zwischenverbindungselement 211 miteinander verbunden werden können.
18 ist ein Diagramm, das die Reflexionsverlust-Kennlinie an der Eingangsleitung des optischen Modulators des dritten Vergleichsbeispiels zeigt.
19 ist ein Diagramm, das den Übertragungsverlust an der Eingangsleitung in dem optischen Modulator des dritten Vergleichsbeispiels zeigt.
20A ist eine Draufsicht, die einen Aufbau für einen optischen Modulator gemäß einem nicht erfindungsgemäßen vierten Vergleichsbeispiel zeigt.
20B ist eine Querschnittsansicht des optischen Modulators, betrachtet von der in der 20A gezeigten Ebene XXb-XXb.
21 ist eine Perspektivansicht, die einen Abschnitt des optischen Modulators des vierten Vergleichsbeispiels zeigt.
22 ist eine Draufsicht, die einen Aufbau für den optischen Modulator des vierten Vergleichsbeispiels zusammen mit beispielhaften Design-Parameterwerten zeigt.
23 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse von Simulationen zeigt, die an dem in der 22 gezeigten optischen Modulator ausgeführt wurden.
24 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse von Simulationen zeigt, die an dem in der 22 gezeigten optischen Modulator ausgeführt wurden.
25 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration des faseroptischen Übertragungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
VERGLEICHSBEISPIEL 1
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 4A bis einschließlich 4C ein optischer Modulator gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Beispiel Nr. 1 beschrieben. Die 4A stellt einen planaren Aufbau des optischen Modulators dieses Vergleichsbeispiels dar. Die 4B stellt einen Querschnitt davon dar, betrachtet von einer Ebene, die den Wellenleiter davon in rechten Winkeln schneidet. Die 4C zeigt schematisch eine Feldstärkeverteilung, die durch die modulierende Elektrode des in der 4A gezeigten optischen Modulators gebildet wird.
Wie in der 4A gezeigt, enthält der optische Modulator dieses Vergleichsbeispiels einen Wellenleiter 12, der beispielsweise durch einen Protonenaustauschprozess unter Verwendung von Benzoesäure in dem Oberflächenbereich eines Substrats 11 ausgebildet werden kann. Das Substrat 11 besteht bevorzugt aus einem elektrooptischen Material, wie zum Beispiel Lithiumtantalat-Einkristallen (LiTaO₃-Einkristallen) oder Lithiumniobat-Einkristallen (LiNbO₃-Einkristallen).
Der optische Wellenleiter 12 ist in an zwei Verzweigungspunkten 18a und 18b in zwei Wellenleiter-Verzweigungen 12a und 12b unterteilt. Bei diesem Wellenleiter 12 geht das Licht durch einen optischen Eingangsabschnitt 12x ein und wird dann an dem ersten Verzweigungspunkt 18a in zwei Lichtstrahlen geteilt. Danach werden die zwei Lichtstrahlen jeweils durch die zwei Wellenleiter-Verzweigungen 12a und 12b weitergeleitet und anschließend an dem letztgenannten Verzweigungspunkt 18b zusammengeführt. Danach geht das kombinierte Licht durch den gemeinsamen optischen Ausgangsabschnitt 12y des Wellenleiters 12 in Richtung des Ausgangsanschlusses. Ein Wellenleiter 12 mit einer solchen Konfiguration wird als ein Mach-Zehnder-Interferometertyp-Wellenleiter bezeichnet.
Auf dem Substrat 12 ist eine parallel gekoppelte Leitungsstruktur 12 bereitgestellt, die die zwei Leitungen 13a und 13b enthält, die sich entlang den Wellenleiter-Verzweigungen 12a und 12b des Wellenleiters 12 erstrecken. Wie in der 4B gezeigt, sind diese zwei Leitungen 13a und 13b so ausgelegt, dass jede dieser Leitungen 13a und 13b ihren Innenrand genau über der Mittellinie ihrer zugehörigen Wellenleiter-Verzweigung 12a oder 12b positioniert hat. Diese zwei Leitungen 13a und 13b sind an beiden Enden davon mittels Verbinderleitungen 16a und 16b verbunden.
Des Weiteren ist auf dem Substrat eine Eingangsleitung (d. h. Speiseleitung) 15 bereitgestellt und mit einer Leitung 13b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 verbunden. Zu Modulationszwecken wird ein elektrisches Signal (d. h. ein RF-Signal) durch diese Eingangsleitung 15 zugeführt.
Die zwei Leitungen 13a und 13b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13, die Verbinderleitungen 16a und 16b und die Eingangsleitung 15 werden bevorzugt beispielsweise durch das Aufbringen eines Films aus Aluminium oder aus jedem anderen geeigneten Material durch einen Zerstäubungsprozess und anschließendes Strukturieren des Films mittels Fotolithografie- und Ätztechniken erhalten. Bevorzugt wird durch einen ähnlichen Prozess eine Masseplatte (d. h. eine geerdete leitende Schicht) 14 auf der Rückseitenfläche des Substrats 11 ausgebildet.
Obwohl in der 4B nicht gezeigt, ist bevorzugt zwischen den Leitungen 13a und 13b und dem Substrat eine elektrisch isolierende Pufferschicht, beispielsweise aus SiO₂, bereitgestellt.
Bei dem Wellenleiter dieses Vergleichsbeispiels wird die modulierende Elektrode von den Leitungen 13a und 13b und den Verbinderleitungen 16a und 16b, die elektromagnetisch miteinander gekoppelt werden, gebildet. Zwischen der Leitung 13a und der Masseplatte 14 wird eine erste Mikrostreifenleitung ausgebildet und zwischen der Leitung 13b und der Masseplatte 14 wird eine zweite Mikrostreifenleitung ausgebildet. Durch diese beiden Mikrostreifenleitungen breitet sich ein elektrisches Signal aus, das in diesen optischen Modulator zu Modulationszwecken eingegeben wurde.
Das zu modulierende Licht (beispielsweise ein Laserstrahl) wird durch den optischen Eingangsbereich 12x des Wellenleiters 12 eingegeben und dann, während es durch die jeweiligen Wellenleiter-Verzweigungen 12a und 12b geht, folgendermaßen moduliert.
In diesem Vergleichsbeispiel wird das elektrische Signal (d. h. das RF-Signal) für optische Modulation der jeweiligen Leitung 13a und 13b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 mittels der Eingangsleitung 15 zugeführt. In diesem Fall kann die Wellenlänge des RF-Signals, das sich durch die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 13 mittels der Eingangsleitung 15 ausbreitet, beispielsweise durch seine Frequenz und die dielektrische Konstante des Substrats bestimmt werden. In diesem Vergleichsbeispiel werden verschiedene Design-Parameter, einschließlich der Länge und der Breite der jeweiligen Leitung 13a und 13b, angemessen durch die Wellenlänge des RF-Signals bestimmt. Dementsprechend bewirkt die Eingabe eines vorbestimmten RF-Signals in die Eingangsleitung 15 in der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 Resonanz.
Sobald diese Resonanz eingerichtet wurde, wird in dem Zwischenraum 17 der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 ein elektrisches Feld erzeugt, wie durch den gestrichelten Pfeil in der 4B angedeutet. In diesem Fall wird die Signalleistung in dem Resonator akkumuliert und deshalb hat das elektrische Feld eine sehr große Stärke. Dieses elektrische Feld schwingt bei der Resonanzfrequenz, um seine Richtungen und Stärken periodisch zu ändern. Wenn ein derartiges Feld auf einem Wellenleiter oder um diesen herum vorhanden ist, ändert sich der Brechungsindex des Materials der Wellenleiter-Verzweigungen 12a und 12b auf Grund der elektrooptischen Effekte periodisch mit der elektrischen Feldstärke.
In diesem Vergleichsbeispiel wird auf die Wellenleiter-Verzweigung 12a ein elektrisches Feld nach unten angelegt, jedoch auf die Wellenleiter-Verzweigung 12b ein elektrisches Feld nach oben angelegt, wie in der 4B gezeigt. Das heißt, dass die elektrischen Felder auf diese Verzweigungen 12a und 12b in zueinander entgegengesetzten Richtungen angelegt werden. Dementsprechend wird, wenn das Substrat 11 aus z-geschnittenen Lithiumtantalat-Kristallen gefertigt ist, die in dem Licht, das durch eine Wellenleiter-Verzweigung 12a übertragen wird, erzeugte Phasenverschiebung umkehrt zu derjenigen sein, die in dem Licht, das durch die andere Wellenleiter-Verzweigung 12b übertragen wird, erzeugt wird. Im Ergebnis kommt es an dem optischen Ausgangsabschnitt 12y des Wellenleiters 12 zwischen den Lichtstrahlen, die durch die zwei Wellenleiter-Verzweigungen 12a und 12b übertragen wurden, zu Interferenz. Diese Interferenz ändert schließlich die Intensität des ausgehenden Lichts. Auf diese Weise arbeitet der optische Modulator dieses Vergleichsbeispiels als ein Lichtintensitätsmodulator.
Im Folgenden wird der Resonanzzustand der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 beschrieben.
In diesem Vergleichsbeispiel sind die zwei Leitungen 13a und 13b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 voneinander unabhängige parallele Übertragungsleitungen und so ausgelegt, um elektromagnetisch miteinander gekoppelt zu sein. Eine Übertragungsleitung (d. h. eine Mikrostreifenleitung) wird durch eine Leitung 13a der zwei Leitungen und die Masseplatte 14 ausgebildet und die andere Übertragungsleitung (d. h. eine Mikrostreifenleitung) wird durch die andere Leitung 13b und die Masseplatte 14 ausgebildet. Diese zwei Übertragungsleitungen sind nahe beieinander angeordnet, so dass sie parallel zueinander sind, und werden elektromagnetisch miteinander gekoppelt, um die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 13 zu definieren.
Die Übertragungsleitungen sind jedoch nicht wie in den 4A und 4B angeordnet, sondern können jede andere Anordnung haben, solange jede Übertragungsleitung ein Paar von parallelen Leitern enthält, die entgegengesetzt gerichtete Ströme führen können und elektromagnetische Wellen ausbreiten können. In diesem Fall kann einer von dem Vorwärts- und dem Rückwärtsweg (d. h. die Leitung 13a oder 13b) in diesem Vergleichsbeispiel eine normale Leitungselektrode (die als „Streifenelektrode" oder „heiße Elektrode" bezeichnet wird) sein, während der andere Weg eine Masseelektrode (d. h. die Masseplatte 14 in diesem Vergleichsbeispiel) sein kann.
Die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 13 wird durch Koppeln der zwei Übertragungsleitungen miteinander, von denen jede als eine Mikrostreifenleitung arbeiten kann, ausgebildet. Infolgedessen umfassen die Resonanzmodi der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 zwei unabhängige Modi, d. h. den Gleichtaktmodus und den Gegentaktmodus.
Die 5A zeigt schematisch die Verteilung des elektrischen Feldes (wie durch die durchgezogenen Pfeile angedeutet) und die Verteilung des magnetischen Feldes (wie durch die gestrichelten Pfeile angedeutet) in dem in der 4B gezeigten Querschnitt, während die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 13 in dem Gleichtaktmodus arbeitet. Die 5B zeigt schematisch die Verteilung des elektrischen Feldes (wie durch die durchgezogenen Pfeile angedeutet) und die Verteilung des magnetischen Feldes (wie durch die gestrichelten Pfeile angedeutet) in dem in der 4B gezeigten Querschnitt, während die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 13 in dem Gegentaktmodus arbeitet. In dem Gleichtaktmodus (d. h. dem gemeinsamen Modus) ist die Spannung, die auf eine der zwei Leitungselektroden angelegt wird, gleich der Spannung, die auf die andere Elektrode angelegt wird, wie in der 5A gezeigt. In dem Gleichtaktmodus wird von jeder der zwei Leitungselektroden und der Masseelektrode ein elektrisches Feld ausgebildet, jedoch wird in dem Zwischenraum zwischen den Leitungen nahezu kein magnetisches Feld ausgebildet (d. h. in dem in der 4B gezeigten Zwischenraum).
Dagegen haben in dem Gegentaktmodus (oder entgegengesetzten Modus) die Spannung der einen der zwei gekoppelten parallelen Leitungen und die Spannung, die auf die andere Leitung angelegt wird, zueinander entgegengesetzte Polaritäten, wie in der 5B gezeigt. In dem Gegentaktmodus werden nicht nur zwischen jeder Leitung und der Masseelektrode, sondern auch in dem Zwischenraum zwischen den Leitungen (d. h. dem in der 4B gezeigten Zwischenraum 17) elektrische Felder ausgebildet. Wenn die zwei gekoppelten Leitungen ausreichend nahe zueinander angeordnet werden, wird in dem Zwischenraum zwischen diesen zwei Leitungen ein sehr großes elektrisches Feld ausgebildet.
In diesem Vergleichsbeispiel werden die Länge und die Breite der zwei Leitungen 13a und 13b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 und der Verbindungspunkt zwischen der Eingangsleitung 15 und der Leitung 13b so angepasst, dass die Gegentaktmodus-Resonanz in diesen zwei Leitungen 13a und 13b erzeugt wird. Spezieller ist die Länge der Leitung 13a und 13b festgelegt, um ungefähr die Hälfte der Wellenlänge des modulierenden RF-Signals zu sein. Außerdem wird, wie später beschrieben wird, der Verbindungspunkt der Leitung 15 mit der Leitung 13b an einer angemessenen Position festgelegt, um die ungewollte Reflexion des Signals, das in dem Gegentaktmodus ausgebreitet wird, zu minimieren. Daher wird die Halbwellen-Gegentaktmodus-Resonanz in der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 erzeugt, wodurch in dem Zwischenraum 17 zwischen den zwei Leitungen 13a und 13b ein sehr großes elektrisches Feld erzeugt wird. Im Ergebnis kann das Licht sehr effizient moduliert werden.
In diesem Vergleichsbeispiel sind die zwei Leitungen 13a und 13b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 an beiden Enden davon mittels der Verbinderleitungen 16a und 16b miteinander verbunden. Dementsprechend wird die Spannung, die zwischen den Leitungen 13a und 13b zu erzeugen ist, als eine trigonometrische Funktion verteilt, so wie diejenige, die in der 4C gezeigt wird, in der die Spannung an beiden Enden der Leitungen 13a und 13b null ist, jedoch am Mittelpunkt der Leitungen 13a und 13b ihren Spitzenwert erreicht. Das zwischen den Leitungen 13a und 13b erzeugte elektrische Feld hat überall dieselbe Richtung. Infolgedessen heben sich, während das eingehende Licht durch die optische Wellenleiter-Verzweigung 12a oder 12b geht, die Phasenverschiebungen davon nie auf, sondern werden entlang der gesamten Länge der Leitungen 13a und 13b (d. h. der halben Länge des modulierenden RF-Signals) kontinuierlich miteinander addiert. Im Ergebnis wird hohe Modulationseffizienz erreicht.
Um den optischen Modulator dieses Vergleichsbeispiels angemessen zu betreiben, muss die Gegentaktmodus-Resonanz durch das modulierende Signal effizient in der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 bewirkt werden. In diesem Vergleichsbeispiel ist die Eingangsleitung 15 an einer Position angeschlossen, an der die Eingangsimpedanzen gut miteinander übereingestimmt werden können. Infolgedessen wird die Gegentaktmodus-Resonanz problemlos erreicht.
Die Erfinder haben die Eigenschaften des optischen Modulators dieses Vergleichsbeispiels und eines optischen Modulators mit einer herkömmlichen Struktur (als ein Vergleichsbeispiel) durch eine elektromagnetische Feldsimulation analysiert. Im Folgenden werden die Ergebnisse beschrieben.
Die 6 ist eine Draufsicht, die die Flächengrößen einer parallel gekoppelten Leitungsstruktur und einer Eingangsleitung, die bei der elektromagnetischen Feldsimulation verwendet wurden, und die Position, an der die Eingangsleitung mit der parallel gekoppelten Leitungsstruktur verbunden wurde, zeigt. Die 7 ist eine Kurve, die die Reflexionsverlust-Kennlinie des optischen Modulators in dem Resonanzzustand auf Basis der Ergebnisse der elektromagnetischen Simulationen zeigt.
Bei der Analyse bestand das Substrat 11 aus z-geschnittenen Lithiumtantalat-Kristallen (mit einer dielektrischen Konstante von 41) von einer Dicke von ungefähr 0,4 mm, wobei die zwei Leitungen 13a und 13b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 jede eine Breite von ungefähr 0,05 mm hatten, der Zwischenraum 17 zwischen den Leitungen 13a und 13b eine Breite von ungefähr 0,02 mm hatte und die Eingangsleitung 15 eine Breite von ungefähr 0,05 mm hatte, um so eine charakteristische Impedanz von ungefähr 50 Ω zu haben. Die jeweiligen Leitungen 13a, 13b, 16a, 16b und 15 wurden aus Gold gefertigt und hatten eine Dicke von ungefähr 2 μm. Die Länge der zwei Leitungen 13a und 13b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 und der Verbindungspunkt, an dem die Eingangsleitung 15 mit der Leitung 13b verbunden wurde, wurden mit einem elektromagnetischen Feldsimulator so bestimmt, dass die Gegentaktmodus-Resonanz bei einer Frequenz von ungefähr 10 GHz eingerichtet war und dass die Reflexion des Signals, das in die Eingangsleitung 15 eingegeben worden war, bei dieser Frequenz minimiert wurde (d. h. so, dass die Eingangsimpedanzen miteinander übereingestimmt waren).
Im Ergebnis hatten die zwei Leitungen 13a und 13b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 eine Länge von 3 mm und die Eingangsleitung 15 wurde an einen Punkt angeschlossen, der ungefähr 0,69 mm von der Mittellinie der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 entfernt war, wie in der 6 gezeigt. In diesem Fall wurde das Eingangssignal nicht mehr von dem Resonanzpunkt reflektiert, sondern nahezu die gesamte Signalleistung wurde in den Resonator eingegeben, wie der 6 entnommen wer den kann. Entsprechend den Ergebnissen konformer Abbildungsberechnungen würde die Lichtmodulationseffizienz in diesem Vergleichsbeispiel eine Phasenverschiebung von π Grad in der Lichtwelle, die sich durch die zwei optischen Wellenleiter-Verzweigungen ausbreitet, erbringen. Mit anderen Worten konnte festgestellt werden, dass die Leistung, die zuzuführen ist, um die optische Ausgangsleistung von 0 auf ihren Spitzenwert zu erhöhen, ungefähr 0,43 W ist, was wesentlich niedriger als bei dem herkömmlichen optischen Modulator ist. Infolgedessen wird gemäß diesem Vergleichsbeispiel eine hohe Modulationseffizienz erreicht.
Die 8A zeigt die Wellenform des RF-Signals, das in die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 13 einzugeben ist. Die 8B zeigt das Intensitätsverhältnis des ausgehenden Lichts zu dem eingehenden Licht in dem optischen Modulator dieses Beispiels, während die 8C das Intensitätsverhältnis des ausgehenden Lichts zu dem eingehenden Licht des Vergleichsbeispiels zeigt. In dem in der 8A gezeigten Diagramm stellt die Ordinate die Spannung des RF-Signals dar und die Abszisse stellt die Zeit dar. In den in den 8B und 8C gezeigten Diagrammen stellt die Ordinate das Intensitätsverhältnis des ausgehenden Lichts zu dem eingehenden Licht dar und die Abszisse stellt die Zeit dar. Das Intensitätsverhältnis des ausgehenden Lichts zu dem eingehenden Licht wurde unter Vernachlässigung des in dem optischen Wellenleiter verursachten Verlustes berechnet.
Die Simulationen wurden mit einem auf die zwei Wellenleiter-Verzweigungen angelegten π/2-Phasenbias durchgeführt. In dem optischen Modulator des bei dieser Analyse verwendeten Vergleichsbeispiels waren die Resonanzfrequenz (von 10 MHz) und die Breite und die Dicke der Leitungen 113a und 113b dieselben wie die der Leitungen 13a und 13b des optischen Modulators dieses Vergleichsbeispiels und der Wellenleiter 112 wurde ebenso in zwei Verzweigungen unterteilt, wie bei dem optischen Modulator des Vergleichsbeispiels. Andererseits wurden die Länge (von 1,5 mm) jener Leitungen 113a und 113b und der Verbindungspunkt, an dem die Eingangsleitung 15 an die Leitung 113b angeschlossen wurde, durch einen elektromagnetischen Feldsimulator so bestimmt, dass die Gegentaktmodus-Resonanz bei 10 GHz erzeugt wurde und dass die Eingangsimpedanzen im Wesentlichen miteinander übereingestimmt waren.
Ein Vergleichen der in den 8B und 8C gezeigten Diagramme ergibt, dass die Lichtmodulationseffizienz dieses Vergleichsbeispiels wesentlicher höher war als die des herkömmlichen optischen Modulators. Es wird davon ausgegangen, dass die Gründe, aus denen die optische Modulationseffizienz durch dieses Vergleichsbeispiel verbessert wurde, die Folgenden sind.
Zunächst sind die zwei Leitungen 13a und 13b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 an beiden Enden davon mittels der Verbinderleitungen 16a und 16b verbunden. Infolgedessen kann die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 13 als ein Halbwellenresonator wirken, wie in der 4C gezeigt. Im Gegensatz dazu erreicht die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 113 des in der 3 gezeigten herkömmlichen optischen Modulators nur Viertelwellenresonanz.
Infolgedessen können bei dem optischen Modulator dieses Vergleichsbeispiels die zwei Verbinderleitungen 16a und 16b als Schwingungsknoten für die Resonanz wirken, wenn die Gegentaktmodus-Resonanz erzeugt wird. Bei dem in der 3 gezeigten herkömmlichen optischen Modulator wirken jedoch, wenn Gegentaktmodus-Impedanzübereinstimmung erreicht ist, die offenen Enden der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 113 als Schwingungsbäuche für die Resonanz und nicht als Schwingungsknoten. Der optische Modulator dieses Vergleichsbeispiels kann eine Halbwellen-Gegentaktmodus-Resonanz erzeugen. Deshalb kann das Licht, das sich durch einen Abschnitt der Wellenleiter-Verzweigung 12a oder 12b ausbreitet, das eine Länge hat, das der halben Wellenlänge des modulierenden RF-Signals entspricht, moduliert werden und es erhöht infolgedessen die optische Modulationseffizienz, wenn mit dem in der 3 gezeigten herkömmlichen optischen Modulator verglichen.
Im Folgenden werden spezielle Beispiele eines nicht erfindungsgemäßen Beispiels unter Bezugnahme auf die 9A und 9B beschrieben. Der in der 9A gezeigte optische Modulator hat eine Elektrodenstruktur, die Resonanz bei 10 GHz erzeugt, während der in der 9B gezeigte optische Modulator eine Elektrodenstruktur hat, die bei 26 GHz Resonanz erzeugt.
Die modulierenden Elektroden dieser zwei optischen Modulatoren wurden wie jeweils in den 9A und 9B gezeigt ausgelegt und bemessen. Spezieller wurde das Sub strat davon aus z-geschnittenen LiTaO₃-Kristallen (mit einer Dicke von ungefähr 4 mm) gefertigt. Ein optischer Mach-Zehnder-Wellenleiter mit einer Breite von ungefähr 5 μm wurde durch einen Protonenaustauschprozess unter Verwendung von Benzoesäure auf der Fläche des Substrats gebildet.
Die Fläche des Substrats, auf der der Wellenleiter ausgebildet wurde, wurde mit einer Pufferschicht aus SiO₂ mit einer Dicke von ungefähr 0,13 μm beschichtet. Dann wurde durch einen Zerstäubungsprozess ein Aluminiumfilm bis zu einer Dicke von ungefähr 0,9 μm auf die Pufferschicht aufgebracht. Danach wurde der Aluminiumfilm durch Fotolithografie- und Ätztechniken strukturiert, wodurch gleichzeitig eine parallel gekoppelte Leitungsstruktur und eine Eingangsleitung aus Aluminium ausgebildet wurden. Die parallel gekoppelte Leitungsstruktur hatte eine Breite von ungefähr 50 μm, der Zwischenraum zwischen den Leitungen hatte eine Breite von ungefähr 20 μm und die Eingangsleitung hatte eine Breite von 110 μm. Es ist zu beachten, dass die parallel gekoppelte Leitungsstruktur und die Eingangsleitung in den in den 9A und 9B gezeigten optischen Modulatoren nicht in ihrem tatsächlichen Maßstab dargestellt sind.
Das eingehende Licht mit einer Welle von ungefähr 1,3 μm wurde durch diese optischen Modulatoren experimentell moduliert. Die 10 ist ein Diagramm, das die berechneten und tatsächlichen Modulationskennlinien des optischen Modulators zeigt. In der 10 stellt die Ordinate den Reflexionsverlust dar und die Abszisse stellt die Frequenz dar. Außerdem sind in der 10 die tatsächlich erfassten Daten durch eine durchgezogene Kurve dargestellt, während die Daten, die durch die elektromagnetische Feldmanipulation erhalten wurden, durch die gepunktete Linie dargestellt sind.
Die in der 10 gezeigten Resultate offenbaren, dass der nicht geladene Q-Wert, der ein Index ist, der den Grad an Signalleistung anzeigt, die in einem Resonator akkumuliert wird, ungefähr 30 war. Dies bedeutet, dass die Leistung, die in dem Resonator akkumuliert wurde, ungefähr 30-mal so groß war wie die Leistung, die in den Resonator eingegeben wurde. Auf Basis dieser Ergebnisse bestätigten die Erfinder, dass durch das Verwenden der modulierenden Elektrode dieses Vergleichsbeispiels eine sehr hohe optische Modulationseffizienz erreicht wurde.
Die 11 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die optische Ausgangsleistung der optischen Modulatoren im Zeitverlauf ändert.
Wie den 10 und 11 entnommen werden kann, konnte ein optischer Modulator, der eine modulierende Elektrode enthält, die Resonanz so hoch wie bei 10 GHz produziert, erhalten werden. Wenn das RF-Signal dem optischen Modulator mit einer Leistung von ungefähr 100 mW zugeführt wurde, ergab der Modulator einen Modulationsindex von ungefähr 0,2 rad. Die 12 zeigt das Spektrum des Lichts, das durch einen solchen optischen Modulator moduliert wurde.
Die 13 ist ein Diagramm, das die tatsächliche Reflexionskennlinie einer modulierenden Elektrode zeigt, die Resonanz bei 26 GHz erzeugt.
Die in der 13 gezeigten Resultate offenbaren, dass der nicht geladene Q-Wert ungefähr 60 war. Auf Basis dieser Resultate bestätigten die Erfinder, dass unter Verwendung der modulierenden Elektrode dieses Vergleichsbeispiels sehr hohe optische Modulationseffizienz erreicht wurde. Die 14 zeigt das Spektrum des Lichts, das durch einen solchen optischen Modulator moduliert wurde.
Jeder dieser optischen Modulatoren erzeugte Resonanz in dem Gegentaktmodus. In einer parallel gekoppelten Leitungsstruktur kann die Resonanz ebenso in einem Gleichtaktmodus erzeugt werden. Jedoch können sich selbst dann, wenn dieselbe Elektrodenstruktur verwendet wird, die Resonanzfrequenz oder die Impedanz abhängig davon, ob die Resonanz in dem Gegentaktmodus oder in dem Gleichtaktmodus erzeugt wird, ändern. Deshalb werden in diesem Vergleichsbeispiel die Länge der parallel gekoppelten Leitungsstruktur, die Breite des Zwischenraums und der Verbindungspunkt der Eingangsleitung so eingerichtet, dass in Reaktion auf ein RF-Signal mit einer vorgegebenen Frequenz nur Gegentaktmodus-Resonanz erzeugt wird.
VERGLEICHSBEISPIEL 2
Im Folgenden wird ein optischer Modulator gemäß einem zweiten nicht erfindungsgemäßen Beispiel unter Bezugnahme auf die 15A bis einschließlich 15C beschrieben. Die 15 zeigt ein Flächenlayout für den optischen Modulator dieses zweiten Vergleichsbeispiels. Die 15B zeigt eine Domäne des Substrats, in der die Polarität der remanenten Polarisierung umgekehrt ist. Die 15C zeigt die Verteilung der elektrischen Feldstärke auf einer parallel gekoppelten Leitungsstruktur.
Wie in der 15A gezeigt, enthält der optische Modulator dieses Vergleichsbeispiels einen optischen Wellenleiter 22, der beispielsweise durch einen Protonenaustauschprozess unter Verwendung von Benzoesäure auf der Fläche eines Substrats 21 ausgebildet werden kann. Das Substrat 21 ist bevorzugt aus einem elektrooptischen Material, wie zum Beispiel Lithiumtantalat-Einkristallen (LiTaO₃-Einkristallen) oder Lithiumniobat-Einkristallen (LiNbO₃-Einkristallen), gefertigt.
Der Wellenleiter 22 ist an zwei Verzweigungspunkten 28a und 28b in zwei optische Wellenleiter-Verzweigungen 22a und 22b unterteilt. In diesem optischen Wellenleiter 22 wird das eingehende Licht durch einen optischen Eingabeabschnitt 22x davon eingegeben und dann an dem ersten Verzweigungspunkt 28a in zwei Lichtstrahlen getrennt. Als Nächstes werden die zwei Lichtstrahlen jeweils durch die zwei optischen Wellenleiter-Verzweigungen 22a und 22b weitergeleitet und dann an dem letztgenannten Verzweigungspunkt 28b zusammengeführt. Danach bewegt sich das kombinierte Licht durch den gemeinsamen optischen Ausgangsabschnitt 22y in Richtung auf den Ausgangsanschluss.
Auf dem Substrat 21 ist eine parallel gekoppelte Leitungsstruktur 23 bereitgestellt, die zwei Leitungen 23a und 23b enthält, die sich entlang den Wellenleiter-Verzweigungen 22a und 22b des optischen Wellenleiters 22 erstrecken. Diese zwei Leitungen 22a und 22b des Wellenleiters 22 sind so eingerichtet, dass jede dieser Leitungen 23a und 23b ihren Innenrand genau über der Mittellinie ihrer zugehörigen optischen Wellenleiter-Verzweigung 22a oder 22b positioniert hat. Des Weiteren ist eine Eingangsleitung 25 auf dem Substrat bereitgestellt und an eine Leitung 23b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 23 angeschlossen. Durch diese Eingangsleitung 25 wird ein elektrisches Signal (d. h. ein RF-Signal) zugeführt, um in der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 23 Resonanz zu erzeugen. Die zwei Leitungen 23a und 23b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 23 und die Eingangsleitung 25 werden bevorzugt durch Aufbringen eines Films aus Aluminium, Gold oder jedem anderen geeigneten Metall durch einen Zerstäubungsprozess und anschließendes Strukturieren des Films, beispielsweise mittels Fotolithografie- und Ätztechniken, erhalten. Bevorzugt wird durch einen gleichartigen Prozess eine Masseplatte (d. h. eine geerdete leitende Schicht) auf der Rückseite des Substrats 21 ausgebildet. In dieser Hinsicht ist der optische Modulator dieses zweiten Vergleichsbeispiels derselbe wie das Gegenstück des oben beschriebenen ersten Vergleichsbeispiels.
Bei dem zweiten Vergleichsbeispiel sind jedoch im Gegensatz zu dem oben beschriebenen ersten Vergleichsbeispiel beide Enden der zwei Leitungen 23a und 23b nicht geschlossen, sondern offen. Außerdem ist das Substrat 21 in zwei Domänen 21a und 21b unterteilt, in denen die remanente Polarisierung zueinander entgegengesetzte Richtungen hat (d. h., die elektrooptische Koeffizienten mit zueinander entgegengesetzten Polaritäten haben). Das bedeutet, dass in diesem Vergleichsbeispiel die Substratdomäne 21b, die sich unter der ersten Hälfte der zwei Leitungen 23a und 23b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 23 befindet, und die Substratdomäne 21a, die sich unter der zweiten Hälfte der zwei Leitungen 23a und 23b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 23 befindet, remanente Polarisierungen mit zueinander entgegengesetzten Polaritäten aufweisen.
Bei diesem Vergleichsbeispiel weist die Substratdomäne 21a, die unter der zweiten Hälfte der zwei Leitungen 23a und 23b angeordnet ist, eine remanente Polarisierung mit einer ersten Polarität (d. h. positiv oder negativ) auf, während die verbleibende Substratdomäne 21b, die eine Domäne enthält, die sich unter der ersten Hälfte der zwei Leitungen 23a und 23b befindet, eine remanente Polarisierung mit einer zweiten Polarität (d. h. negativ oder positiv) aufweist. Das heißt, dass die remanente Polarisierung der Domäne 21a umgekehrt wie die der Domäne 21b ist.
Das eingehende Licht, das durch den optischen Eingangsbereich 22x des Wellenleiters 22 eingebracht wurde, wird, während es sich durch die zwei Wellenleiter-Verzweigungen 22a und 22b ausbreitet, der folgenden Modulation unterzogen.
Die Eingabe eines RF-Signals in die Eingangsleitung 25 bewirkt Resonanz in den zwei Leitungen 23a und 23b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 23. Sobald die Resonanz eingerichtet wurde, wird in dem Zwischenraum 27 der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 23 ein elektrisches Feld erzeugt, wie durch den gestrichelten Pfeil in der 4B angedeutet. Anschließend ändert sich auf Grund der elektrooptischen Effekte der Brechungsindex des Materials der optischen Wellenleiter-Verzweigungen 22a und 22b mit der elektrischen Feldstärke. In diesem Vergleichsbeispiel wird ein elektrisches Feld nach unten auf die Wellenleiter-Verzweigung 22a angelegt, jedoch ein elektrisches Feld nach oben auf die Wellenleiter-Verzweigung 22b angelegt, wie in dem oben beschriebenen ersten Vergleichsbeispiel. Das bedeutet, dass auf diese Verzweigungen 22a und 22b elektrische Felder in zueinander entgegengesetzten Richtungen angelegt werden. Dementsprechend wird, wenn das Substrat 21 beispielsweise aus z-geschnittenen Lithiumtantalat-Kristallen gefertigt ist, die in dem Licht, das durch die Wellenleiter-Verzweigung 22a übertragen wird, erzeugte Phasenverschiebung umgekehrt zu derjenigen sein, die in dem Licht, das durch die anderen Wellenleiter-Verzweigung 22b übertragen wird, erzeugt wird. Im Ergebnis kommt es an dem optischen Ausgangsabschnitt 22y des optischen Wellenleiters 22 zwischen den Lichtstrahlen, die durch die zwei optischen Wellenleiter-Verzweigungen 22a und 22b übertragen wurden, zu Interferenz. Diese Interferenz ändert schließlich die Intensität des ausgehenden Lichts. Auf diese Weise arbeitet der optische Modulator dieses Vergleichsbeispiels als ein Lichtintensitätsmodulator.
Bei diesem Vergleichsbeispiel sind beide Enden der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 23 offen. Dementsprechend wird die Spannung, die zwischen den Leitungen 23a und 23b zu erzeugen ist, als eine trigonometrische Funktion verteilt, wie die in der 15C gezeigte, in der die Spannung an dem Mittelpunkt der Leitungen 23a und 23b null ist und an beiden Enden davon ihre Spitzen mit den entgegengesetzten Vorzeichen erreicht. Infolgedessen ist die Richtung des zwischen den ersten Hälften der Leitungen 23a und 23b gebildeten elektrischen Feldes entgegengesetzt zu der des zwischen den zweiten Hälften der Leitungen 23a und 23b gebildeten elektrischen Feldes. Angenommen, das Gesamtsubstrat 21 weist eine remanente Polarisierung auf, die dieselbe Polarität hat. In diesem Fall werden die in dem Licht, das sich durch die optische Wellenleiter-Verzweigung ausbreitet, erzeugten Phasenverschiebungen einander aufheben und die erwünschte hohe optische Modulationseffizienz kann nicht erreicht werden. Dies deshalb, weil die Phasenverschiebung, die in dem Licht erzeugt wird, das sich durch die erste Hälfte der optischen Wellenleiter-Verzweigung 22a oder 22b unter der ersten Hälfte der Leitung 23a oder 23b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 23 ausbreitet, umgekehrt wie diejenige ist, die in dem Licht erzeugt wird, das sich durch die zweite Hälfte der optischen Wellenleiter-Verzweigung 22a oder 22b unter der zweiten Hälfte der Leitung 23a oder 23b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 23 ausbreitet. Jedoch haben bei dem optischen Wellenleiter dieses Vergleichsbeispiels die unter der ersten Hälfte der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 23 angeordnete Substratdomäne 21b und die unter zweiten Hälfte der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 23 angeordnete Substratdomäne 21a elektrooptische Koeffizienten mit zueinander entgegengesetzten Vorzeichen. Das heißt, wie durch die gestrichelte Kurve in der 15C angedeutet, dass das Licht selbst dann, wenn sich das Licht durch die zweite Hälfte der optischen Wellenleiter-Verzweigung 22a oder 22b unter der zweiten Hälfte der Leitungen 23a oder 23b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 23 ausbreitet, im Wesentlichen ebenso der Phasenmodulation ausgesetzt ist, wie das Licht, das sich durch die erste Hälfte der optischen Wellenleiter-Verzweigung 22a oder 22b ausbreitet, obwohl die in der ersten und in der zweiten Hälfte angelegten elektrischen Felder zueinander entgegengesetzte Vorzeichen haben. Infolgedessen heben die in dem Licht, das sich durch die optische Wellenleiter-Verzweigung 22a oder 22b unter der Leitung 23a oder 23b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 23 ausbreitet und dabei moduliert wird, erzeugten Phasenverschiebungen einander nicht auf, sondern werden miteinander addiert und infolgedessen wird die erwünschte hohe optische Modulationseffizienz erreicht.
In der vorhergehenden Beschreibung wurde die Übergangszeit des Lichts nicht berücksichtigt. In einem tatsächlichen optischen Wellenleiter wird die Feldstärke jedoch durch das Licht unterschiedlich von der in der 15C gezeigten durchgezogenen Kurve erfasst, da die Geschwindigkeit des Lichts endlich ist. Dementsprechend ist, streng genommen, die beste Struktur der Domäne 21a von der in der 15B gezeigten verschieden. Genauer gesagt, wird die Substratdomäne 21a bevorzugt um die Phasenverzögerung des RF-Signals geringfügig nach rechts (oder stromabwärts) in Bezug auf den Beginn der zweiten Hälfte der Leitungen 23a und 23b verschoben.
Es ist zu beachten, dass die remanente Polarisierung nicht über den gesamten Bereich der Domäne 21a umgekehrt sein muss, wie in der 15B gezeigt. Es ist lediglich erforderlich, die remanente Polarisierung genau unter den zwei optischen Wellenleiter-Verzweigungen 22a und 22b und in einem erforderlichen Mindestbereich, der die zwei optischen Wellenleiter-Verzweigungen 22a und 22b umgibt, umzukehren.
Bei dem optischen Wellenleiter dieses Vergleichsbeispiels ist das Substrat 21 mit den zwei Domänen 21a und 21b versehen, die durch Ausnutzung der Differenz in der Richtung der remanenten Polarisierung elektrooptische Koeffizienten mit den entgegengesetzten Vorzeichen haben. Deshalb heben die Phasenverschiebungen, die in dem Licht erzeugt werden, das sich durch die erste und die zweite Hälfte der optischen Wellenleiter-Verzweigungen 22a und 22b ausbreitet und durch diese moduliert wird, einander nie auf, sondern werden miteinander addiert. Das bedeutet, dass in diesem Vergleichsbeispiel die Effekte des ersten Vergleichsbeispiels, die durch Bereitstellen des Halbwellenresonators, mit beiden Enden der Leitungen 13a und 13b miteinander verbunden, erhalten werden, durch Bereitstellen jener zwei Substratdomänen 21a und 21b, die remanente Polarisationen mit zueinander entgegengesetzten Polaritäten aufweisen, erreicht werden können. Im Ergebnis wird ebenso die erwünschte hohe optische Modulationseffizienz erreicht.
Der optische Wellenleiter dieses zweiten Vergleichsbeispiels enthält die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 23, die als ein Halbwellenresonator mit beiden Enden offen arbeitet. Jedoch kann beispielsweise die als ein Vollwellenresonator funktionierende parallel gekoppelte Leitungsstruktur durch Verbinden beider Enden der Leitung miteinander mittels Verbinderleitungen, wie in dem oben beschriebenen ersten Vergleichsbeispiel, bereitgestellt werden, dann können die erste und die zweite Hälfte eines optischen Wellenleiters auf einer ersten und auf einer zweiten Domäne, verbunden mit der ersten und der zweiten Hälfte der Leitung der parallel gekoppelten Leitungsstruktur, remanente Polarisierungen mit zueinander entgegengesetzten Polaritäten aufweisen. Selbst dann heben die aus der optischen Modulation resultierenden Phasenverschiebungen einander nicht auf, sondern können miteinander addiert werden. Wenn vorausgesetzt ist, dass die Frequenz dieselbe ist, hat der optische Wellenleiter dieses Vergleichsbeispiels einen Resonator, der annähernd doppelt so lang ist, wie der des in der 4A gezeigten optischen Wellenleiters ist, und erhöht infolgedessen die optische Modulationseffizienz. Des Weiteren kann die optische Modulationseffizienz weiter erhöht werden, wenn Resonanz höherer Ordnung erzeugt wird.
Durch Verwendung einer solchen oben beschriebenen Gegentaktmodus-Resonanz höherer Ordnung kann die optische Modulationseffizienz signifikant erhöht werden. Wenn die Differenz in der Polarität der remanenten Polarisierungen genutzt wird, kann selbst ein optischer Wellenleiter dessen parallel gekoppelte Leitungsstruktur an einem Ende geschlossen ist, jedoch an dem anderen Ende offen ist, dieselben Effekte erreichen.
Es ist zu beachten, dass die Anzahl der Substratdomänen, in der die Polarität der remanenten Polarisierung umgekehrt wird, nicht unbedingt eine bestimmte ist, sondern angemessen festgelegt werden kann. Durch das Einrichten der angemessenen Anzahl solcher Domänen mit umkehrter Polarisierung kann die Länge der modulierenden Elektrode vergrößert werden.
AUSFÜHRUNG 1
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 16A und 16B ein optischer Modulator gemäß einer ersten speziellen Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die 16A zeigt ein Flächenlayout für den optischen Modulator dieser ersten bevorzugten Ausführung. Die 16A ist eine vertikale Querschnittsansicht davon.
Wie in der 16A gezeigt, enthält der optische Modulator dieser bevorzugten Ausführung einen optischen Wellenleiter 32, der beispielsweise durch einen Protonenaustauschprozess unter Verwendung einer Benzoesäure auf der Fläche des Substrats 31 ausgebildet werden kann. Das Substrat 31 besteht bevorzugt aus einem elektrooptischen Material, wie zum Beispiel Lithiumtantalat-Einkristallen (LiTaO₃-Einkristallen) oder Lithiumniobat-Einkristallen (LiNbO₃-Einkristallen). Der optische Wellenleiter 32 ist in an zwei Verzweigungspunkten 38a und 38b in zwei optische Wellenleiter-Verzweigungen 32a und 32b unterteilt. Bei diesem optischen Wellenleiter 32 geht das Licht durch einen optischen Eingangsabschnitt 32x ein und wird dann an dem ersten Verzweigungspunkt 38a in zwei Lichtstrahlen geteilt. Danach werden die zwei Lichtstrahlen jeweils durch die zwei optischen Wellenleiter-Verzweigungen 32a und 32b weitergeleitet und anschließend an dem letztgenannten Verzweigungspunkt 38b zusammengeführt. Danach geht das kombinierte Licht durch den gemeinsamen optischen Ausgangsabschnitt 32y in Richtung des Ausgangsanschlusses.
Auf dem Substrat 31 ist eine parallel gekoppelte Leitungsstruktur 33 bereitgestellt, die drei Leitungen 33a, 33b und 33c enthält, die sich entlang den optischen Wellenleiter-Verzweigungen 32a und 32b des optischen Wellenleiters 32 erstrecken. Diese drei Lei tungen 33a, 33b und 33c sind so bereitgestellt, dass jede der zwei äußeren Leitungen 33a und 33b ihre Innenkante genau über der Mittellinie ihrer zugehörigen optische Wellenleiter-Verzweigung 32a oder 32b angeordnet hat und dass die innere Leitung 33c im Wesentlichen auf der Mittelinie zwischen den zwei äußeren Leitungen 33a und 33b positioniert ist. Diese drei Leitungen 33a, 33b und 33c sind an beiden Enden davon mittels Verbinderleitungen 36a und 36b miteinander verbunden. Des Weiteren ist auf dem Substrat 31 eine Eingangsleitung 35 bereitgestellt und an die Leitung 33b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 33 angeschlossen. Durch diese Eingangsleitung 35 wird ein elektrisches Signal (d. h. ein RF-Signal) zugeführt, um in der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 33 Resonanz zu erzeugen. Diese drei Leitungen 33a, 33b und 33c der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 33, die Verbinderleitungen 36a und 36b und die Eingangsleitung 35 werden bevorzugt durch Aufbringen eines Films aus Aluminium, Gold oder jedem anderen geeigneten Metall durch einen Zerstäubungsprozess und anschließendes Strukturieren des Films, beispielsweise mittels Fotolithografie- und Ätztechniken, erhalten. Bevorzugt wird durch einen gleichartigen Prozess eine Masseplatte (d. h. eine geerdete leitende Schicht) auf der Rückseite des Substrats 31 ausgebildet.
Das eingehende Licht, das durch den optischen Eingangsbereich 22x des Wellenleiters 22 eingebracht wurde, wird, während es sich durch die zwei optischen Wellenleiter-Verzweigungen 32a und 32b ausbreitet, der folgenden Modulation unterzogen.
Die Eingabe eines RF-Signals in die Eingangsleitung 35 bewirkt Resonanz in den jeweiligen Leitungen 33a, 33b und 33c der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 33. Sobald die Resonanz eingerichtet wurde, wird in den Zwischenräumen 37a und 37b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 33 ein elektrisches Feld erzeugt, wie durch die gestrichelten Pfeile in der 16B angedeutet. Anschließend ändert sich auf Grund der elektrooptischen Effekte der Brechungsindex des Materials der optischen Wellenleiter-Verzweigungen 32a und 32b mit der elektrischen Feldstärke. Im Ergebnis interferieren an dem optischen Ausgangsabschnitt 32y des Wellenleiters 32 die Lichtstrahlen, die durch die zwei Wellenleiter-Verzweigungen 32a und 32b übertragen wurden. Diese Interferenz ändert schließlich die Intensität des ausgehenden Lichts. Auf diese Weise arbeitet der optische Modulator dieses Vergleichsbeispiels als ein Lichtintensitätsmodulator.
Die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 33, die die drei Leitungen 33a, 33b und 33c enthält, wie in den 16A und 16B gezeigt, hat normalerweise die folgenden drei Ausbreitungsmodi.
Dabei bezeichnen +, – und 0 die Vorzeichen von Potenzialen auf den jeweiligen Leitungen 33a, 33b und 33c in diesen drei Modi.
Die 16B zeigt die Richtungen von elektrischen Feldern, die um die Verzweigungen 32a und 32b herum in einer Situation erzeugt werden, in der in dem in Tabelle 1 gezeigten Modus 2 Resonanz erzeugt wurde. Wie aus der 16B ersichtlich, wird auf eine optische Wellenleiter-Verzweigung 32a ein elektrisches Feld nach unten angelegt, jedoch auf die andere optische Wellenleiter-Verzweigung 32b ein anderes elektrisches Feld nach oben angelegt. Infolgedessen wird zwischen den Lichtwellen, die sich durch die zwei optischen Wellenleiter-Verzweigungen 32a und 32b ausbreiten, eine Phasendifferenz erzeugt, um an dem optischen Ausgangsabschnitt 32y des optischen Wellenleiters 32 Interferenz zu erzeugen. Daher kann der optische Wellenleiter dieser bevorzugten Ausführung als ein Lichtintensitätsmodulator arbeiten.
Dagegen zeigt die 16C die Richtungen von elektrischen Feldern, die um die optischen Wellenleiter-Verzweigungen 32a und 32b herum in einer Situation erzeugt werden, in der in dem in Tabelle 1 gezeigten Modus 3 Resonanz erzeugt wurde. Bei Erzeugen von Resonanz im Modus 3 ist die Anordnungsbeziehung zwischen den optischen Wellenleiter-Verzweigungen 32a und 32b und den drei Leitungen 33a, 33b und 33c geringfügig verschieden von der, die die 16A und 16B zeigen. Genauer gesagt, ist die optische Wellenleiter-Verzweigung 32b derartig verschoben, dass die elektrischen Felder, die um die optischen Wellenleiter-Verzweigungen 32a und 32b herum erzeugt werden, zueinander entgegengesetzte Richtungen aufweisen.
Wie oben bei dem Modus 1 beschrieben, in dem alle drei Leitungen 33a, 33b und 33c immer dasselbe Potenzial haben, arbeitet der optische Wellenleiter dieser bevorzugten Ausführung nicht als ein Lichtintensitätsmodulator. Infolgedessen ist der optische Wellenleiter dieser bevorzugten Ausführung ausgelegt, um Resonanz in Modus 2 oder 3, jedoch nicht in Modus 1, zu erzeugen.
In diesem Fall kann der Zwischenraum zwischen den optischen Wellenleiter-Verzweigungen 32a und 32b nicht so schmal sein, um Kopplung der Lichtwellen zu vermeiden. Auf Grund des Vorhandenseins der mittleren Leitung 33c wird die Breite der Zwischenräume 37a und 37b jedoch sehr viel schmaler als die des ersten oder zweiten oben Beschriebenen. Infolgedessen wird in den Zwischenräumen 37a und 37b ein elektrisches Feld mit einer sehr hohen Stärke erzeugt. Im Ergebnis erreicht der optische Wellenleiter dieser bevorzugten Ausführung die erwünschte hohe optische Modulationseffizienz.
Der optische Modulator dieser ersten bevorzugten Ausführung enthält die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 33, die als ein Halbwellenresonator arbeitet, mit geschlossenen Enden. Jedoch sind die Effekte dieser bevorzugten Ausführung grundsätzlich auch durch den optischen Wellenleiter des zweiten Vergleichsbeispiels, der die parallel gekoppelte Leitungsstruktur mit offenen Enden enthält, oder selbst durch den herkömmlichen optischen Wellenleiter erreichbar, der die als Viertelwellenresonator arbeitende parallel gekoppelte Leitungsstruktur enthält, mit einem geschlossenen Ende und einem offenen Ende, wie in der 3 gezeigt.
Bei dem optischen Wellenleiter dieser bevorzugten Ausführung kann ein Teil des optischen Wellenleiters außerdem einen Bereich umgekehrter Polarisierung haben wie in dem oben beschriebenen zweiten Vergleichsbeispiel. Durch das Bereitstellen von zwei Domänen für das Substrat, die remanente Polarisierung mit zueinander entgegengesetzten Polaritäten aufweisen, sind die Effekte des zweiten Vergleichsbeispiels und der ersten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung in Kombination erreichbar.
Vergleichsbeispiel 3
Im Folgenden wird ein nicht erfindungsgemäßer optischer Modulator unter Bezugnahme auf die 17A bis einschließlich 17C beschrieben. Die 17C ist eine Drauf sicht, die ein Layout des optischen Modulators dieses Vergleichsbeispiels zeigt. Die 17B ist eine Querschnittsansicht des optischen Modulators, gesehen von der in der 17A gezeigten Ebene XVIIb-XVIIb. Die 17C ist eine Perspektivansicht, die einen Teil des optischen Modulators in einem größeren Maßstab zeigt.
Wie in den 17A und 17B gezeigt, enthält der optische Modulator dieses Vergleichsbeispiels eine erste Substrat-Fixierungsvorrichtung 212a, in die ein Koaxialverbinder 209 eingepasst ist, und eine zweite Substrat-Fixierungsvorrichtung 212b, auf der das Substrat 11 gehalten wird. Die erste Substrat-Fixierungsvorrichtung 212a ist so auf der zweiten Substrat-Fixierungsvorrichtung 212b fixiert (beispielsweise aufgeschraubt), dass der Kernleiter 210 des Koaxialverbinders 209 in Bezug auf eine Eingangsleitung 15 auf einer angemessenen Position angeordnet ist.
Ein Zwischenverbindungselement 211 ist an dem Ende des Kernleiters 210 des Koaxialverbinders befestigt und verbindet dadurch den Kernleiter 210 mit der Eingangsleitung 15. Bei dem optischen Modulator dieses Vergleichsbeispiels enthält der Abschnitt zum Eingeben des elektrischen Signals davon im Gegensatz zu dem optischen Modulator des ersten oder zweiten Vergleichsbeispiels nicht nur die Eingangsleitung 15, sondern außerdem den Koaxialverbinder 209 und das Zwischenverbindungselement 211.
In diesem Vergleichsbeispiel kann der Koaxialverbinder des optischen Modulators beispielsweise mittels eines Koaxialkabels an einen externen Treiber angeschlossen werden, der ein modulierendes RF-Signal erzeugt. Das RF-Signal wird durch das Koaxialkabel gesendet und dann durch das Zwischenverbindungselement 211 in die Eingangsleitung 15 eingespeist.
Wie in der 17C gezeigt, enthält das Zwischenverbindungselement einen ersten Verbindungsabschnitt 214 und einen zweiten Verbindungsabschnitt 215. Der erste Verbindungsabschnitt 214 ist ringförmig nach oben gebogen, um in engem Kontakt mit dem Außenumfang des Kernleiters 210 des Koaxialverbinders 210 zu sein. Der zweite Verbindungsabschnitt 215 ist ein flacher Abschnitt, der mit der Eingangsleitung 15 in Kontakt ist.
Der restliche Abschnitt des Zwischenverbindungselements 211, der den ersten und den zweiten Verbindungsabschnitt 214 und 215 miteinander verbindet, ist bevorzugt aus einem elastischen Material. Durch Verwenden eines solchen elastischen Abschnitts kann eine Federkraft in Richtung nach unten auf den zweiten Verbindungsabschnitt 215 in Bezug auf den ersten Verbindungsabschnitt 214 aufgebracht werden. Infolgedessen drückt der Boden des zweiten Verbindungsabschnitts 215 auf die obere Fläche der Eingangsleitung 15, wie in der 17B gezeigt, und richtet dadurch den elektrischen Kontakt zwischen dem zweiten Verbindungsabschnitt 215 und der Eingangsleitung 15 problemloser ein. Bei einer solchen Anordnung kann der zweite Verbindungsabschnitt 215 problemloser elektrisch mit der Eingangsleitung 15 verbunden werden, ohne ein leitendes Klebemittel zwischen dem zweiten Verbindungsabschnitt 215 und der Eingangsleitung 15 zu verwenden. Es ist zu beachten, dass der erste und der zweite Verbindungsabschnitt 214 und 215 bevorzugt aus einem einzelnen Plattenleiter gefertigt sind.
Bei dem optischen Modulator mit einer solchen Konfiguration wird mittels des Koaxialverbinders 209 ein RF-Signal in die Eingangsleitung 15 eingespeist und breitet sich dann durch die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 13 aus, wodurch Resonanz zwischen den zwei Leitungen 13a und 13b davon erzeugt wird. Im Ergebnis wird in dem Zwischenraum 17 ein hochfrequent schwingendes elektrisches Feld erzeugt. Infolgedessen ändert sich der Brechungsindex des optischen Wellenleiters 12, der aus einem elektrooptischen Material besteht, mit dem RF-Signal. In diesem Fall werden nach oben und nach unten elektrische Felder auf die optischen Wellenleiter-Verzweigungen unter den Leitungen 13a und 13b der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 angelegt, wie in der 17B gezeigt. Infolgedessen wird zwischen den Lichtwellen, die sich durch die zwei optischen Wellenleiter-Verzweigungen ausbreiten, eine Phasendifferenz erzeugt.
Die 18 zeigt die Reflexionskennlinie des optischen Modulators dieses Vergleichsbeispiels an dem Ende P der Eingangsleitung 15. Wie in der 18 gezeigt, hat die modulierende Elektrode eine Resonanzfrequenz bei 26 GHz, bei der die Impedanzen miteinander übereingestimmt werden. Die 19 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich der Übertragungsverlust mit der Frequenz des RF-Signals, das in die Eingangsleitung 15 eingespeist worden ist, ändert.
VERGLEICHSBEISPIEL 4
Im Folgenden wird ein nicht erfindungsgemäßer optischer Modulator beschrieben.
Der optische Modulator dieses vierten Vergleichsbeispiels hat dieselbe Konfiguration wie das Gegenstück des oben beschriebenen dritten Vergleichsbeispiels, ausgenommen dass auf dem Substrat 11 keine Eingangsleitung bereitgestellt ist.
Die 20a ist eine Draufsicht, die ein Layout für den optischen Modulator dieses Vergleichsbeispiels zeigt, und die 20B ist eine Querschnittsansicht des optischen Modulators, gesehen von der in der 20A gezeigten Ebene XXb-XXb.
Wie bei dem oben beschriebenen dritten Vergleichsbeispiel enthält der Abschnitt zum Eingeben eines elektrischen Signals des optischen Modulators dieses Vergleichsbeispiels ebenso den Koaxialverbinder 209 und das Zwischenverbindungselement 211. In diesem Vergleichsbeispiel ist das Zwischenverbindungselement 211 jedoch direkt an die modulierende Elektrode angeschlossen, ohne dass eine Eingangsleitung zwischen diese eingefügt ist.
Um den optischen Modulator zu betreiben, muss durch das Zuführen eines modulierenden RF-Signals zu der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 effizient Gegentaktmodus-Resonanz in der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 erzeugt werden. Die Gegentaktmodus-Resonanz kann durch das Anschließen des Zwischenverbindungselements 211 auf einer Position, an der die Eingangsimpedanzen miteinander in Übereinstimmung gebracht werden können, eingerichtet werden.
Die 21 ist eine Perspektivansicht, die darstellt, wie der Kernleiter 210 des Koaxialverbinders an die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 13 auf dem Substrat 11 angeschlossen werden kann. Der Kernleiter 210 des Koaxialverbinders und das Zwischenverbindungselement 211 können die in der 17C gezeigten Konfigurationen aufweisen. Wie oben beschrieben, ist die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsabschnitt 214 und 215 ein gekrümmter elastischer Abschnitt, der eine Federkraft nach unten auf den zweiten Verbindungsabschnitt 215 in Bezug auf den ersten Verbindungsabschnitt 214 aufbringt. Infolgedessen drückt der Boden des zweiten Verbindungsabschnitts 215 auf die obere Fläche der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13, wie in der 21 gezeigt, und richtet dadurch den elektrischen Kontakt zwischen dem zweiten Verbindungsabschnitt 215 und der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 ein. Bei einer solchen Anordnung kann der zweite Verbindungsabschnitt 215 problemlos elektrisch mit der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 verbunden werden, ohne ein leitendes Klebemittel zwischen dem zweiten Verbindungsabschnitt 215 und der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 zu verwenden.
Wie in der 21 gezeigt, wird das Substrat 11, das darauf die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 13 trägt, auf der zweiten Substrat-Fixierungsvorrichtung 212b gehalten. Andererseits sind das Zwischenverbindungselement 211 und der Koaxialverbinder 209 in die erste Substrat-Fixierungsvorrichtung 212a eingepasst. Durch Schieben der ersten Substrat-Fixierungsvorrichtung 212a relativ zu der zweiten Substrat-Fixierungsvorrichtung 212b können die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 13 und das Zwischenverbindungselement 211 auf der angemessenen Position in elektrischen Kontakt kommen. Beispielsweise kann die erste Substrat-Fixierungsvorrichtung 212a auf die zweite Substrat-Fixierungsvorrichtung 212b geschraubt werden.
In diesem Vergleichsbeispiel kann das modulierende RF-Signal nur durch Kontakt des Zwischenverbindungselements 211 mit der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 eingegeben werden. Infolgedessen kann der Verbindungspunkt des Zwischenverbindungselements 211, selbst nachdem die Eingangsreflexionscharakteristik der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 gemessen worden ist, problemlos eingerichtet werden. Der Verbindungspunkt kann durch geringfügiges Verschieben der Position, in der die erste und die zweite Substrat-Fixierungsvorrichtung 212a und 212b aufeinander geschraubt sind, feineingestellt werden.
Die Erfinder haben die Leistung des optischen Modulators dieses Vergleichsbeispiels durch elektromagnetische Feldsimulationen analysiert. Die Ergebnisse werden im Folgenden beschrieben. Bei einem speziellen Beispiel wurde das Substrat aus z-geschnittenen Lithiumtantalat-Kristallen (mit einer dielektrischen Konstante von 42 und einer Dicke von ungefähr 0,40 mm) gefertigt. Die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 13 wies eine Leitungsbreite von ungefähr 0,05 mm auf und der Zwischenraum davon hatte eine Breite von ungefähr 0,02 mm.
Diese Leitungen bestanden aus einem Aluminiumfilm mit einer Dicke von ungefähr 1 μm. Das Zwischenverbindungselement wurde aus einem vergoldeten Beryllium-Kupferlegierung mit einer Dicke von ungefähr 0,01 mm und einer Breite von ungefähr 0,15 mm gefertigt.
Die Länge der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 und der Verbindungspunkt, an dem das Zwischenverbindungselement 211 an die Leitung 13 angeschlossen wurde, wurden durch eine elektromagnetische Feldsimulation so bestimmt, dass die Gegentaktmodus-Resonanz bei einer Frequenz von ungefähr 26 GHz eingerichtet wurde und dass die Reflexion des Signals, das durch den Koaxialverbinder 209 eingespeist wurde, bei dieser Frequenz minimiert wurde (d. h. so, dass die Eingangsimpedanzen miteinander übereingestimmt waren).
Im Ergebnis hatte die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 13 eine Länge von ungefähr 1,20 mm und das Zwischenverbindungselement 211 wurde an einen Punkt angeschlossen, der ungefähr 0,25 mm von dem Mittelpunkt der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 entfernt lag, wie in der 22 gezeigt. Außerdem war der Abstand von der Substrat-Fixierungsvorrichtung 212a zu der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 ungefähr 0,30 mm.
Die 23 zeigt die Reflexionskennlinie des optischen Modulators mit einer solchen Konfiguration an dem Punkt, an dem das Zwischenverbindungselement 211 an die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 13 angeschlossen wurde. Wie der 23 entnommen werden kann, wurde kein Signal mehr reflektiert und nahezu die gesamte Signalleistung wurde an dem Resonanzpunkt erfolgreich in die parallel gekoppelte Leitungsstruktur 13 eingegeben. Daraus ergab sich, dass sich die Resonanzkennlinie selbst dann, wenn keine Eingangsleitung bereitgestellt war, kaum änderte. Infolgedessen kann der optische Modulator dieses Vergleichsbeispiels den normalerweise durch die Eingangsleitung verursachten Übertragungsverlust eliminieren.
Der oben beschriebene optische Modulator des dritten Vergleichsbeispiels verursachte auf Grund des Vorhandenseins der Eingangsleitung 15 bei der Frequenz von 26 KHz einen Übertragungsverlust von ungefähr 0,5 dB. Jedoch kann gemäß diesem Vergleichsbeispiel das RF-Signal nahezu vollständig eingegeben werden, ohne einen sol chen Verlust durch die Eingangsleitung zu bewirken, und die optische Modulationseffizienz kann weiter erhöht werden. Dementsprechend kann im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel, das die Eingangsleitung enthält, die elektrische Leistung, die erforderlich ist, um den optischen Ausgang von 0 auf seinen Höchstwert zu erhöhen, um ungefähr 0,5 dB verringert werden.
Angenommen, der optische Modulator dieses Vergleichsbeispiels würde die Eingangsreflexionskennlinie, wie durch die gestrichelte Kurve in der 24 dargestellt, gleich nachdem der optische Modulator entsprechend den in der 22 gezeigten Designwerten fertiggestellt war, aufweisen. In diesem Fall kann die durch die durchgezogene Kurve in der 24 dargestellte modifizierte Eingangsreflexionskennlinie erreicht werden, indem lediglich der Verbindungspunkt des Zwischenverbindungselements 211 um ungefähr 0,05 mm zu der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 in Richtung Mittelpunkt der modulierenden Elektrode verschoben wird. Das heißt, dass die Eingangsimpedanz selbst dann, wenn die Eingangsimpedanz gleich nachdem der optische Modulator fertiggestellt ist, von ihrem Designwert auf eine prozessbedingte Abweichung verschoben wurde, noch immer problemlos mit dem erwünschten Wert übereingestimmt werden kann, indem lediglich der Verbindungspunkt des Zwischenverbindungselements 211 mit der parallel gekoppelten Leitungsstruktur 13 feineingestellt wird.
Gemäß diesem Vergleichsbeispiel kann das Signal in die modulierende Elektrode eingegeben werden und die optische Modulationseffizienz kann erhöht werden, ohne dass eine Eingangsleitung bereitgestellt wird. Außerdem kann die Eingangsimpedanz der modulierenden Elektrode selbst nachdem der optische Modulator fertiggestellt ist, mit ihrem erwünschten Wert in Übereinstimmung gebracht werden.
Der optische Modulator des vierten Vergleichsbeispiels arbeitet als ein Halbwellenresonator mit geschlossenen Enden. Alternativ kann jede andere modulierende Elektrode mit einer Resonatorstruktur verwendet werden.
In den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung wird der optische Wellenleiter auf der Fläche des Substrats, das aus einem elektrooptischen Material besteht, ausgebildet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese speziellen bevorzugten Ausführungen beschränkt. Alternativ kann ein Kernbereich mit ei nem höheren Brechungsindex als sein Umgebungsbereich auf der Fläche des Substrats ausgebildet werden und ein aus elektrooptischem Material bestehender Cladding-Bereich kann auf dem Kernbereich bereitgestellt werden. In diesem Fall leckt das Licht, das sich durch den Kernbereich ausbreitet, teilweise in den Cladding-Bereich. Dementsprechend kann durch Ändern des Brechungsindexes des Cladding-Bereichs die Phase des Lichts, das sich durch den Kernbereich ausbreitet, moduliert werden. Der Kernbereich muss nicht aus einem elektrooptischen Material gefertigt sein.
Außerdem hat in den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungen der optische Wellenleiter eine Konfiguration des Mach-Zehnder-Interferometertyps, der wenigstens zwei optische Wellenleiter-Verzweigungen, einen optischen Eingangsabschnitt, der die zwei Verzweigungen zusammengeführt, und einen optischen Ausgangsabschnitt, der die Verzweigungen ebenso zusammengeführt, enthält. Jedoch ist der optische Modulator der vorliegenden Erfindung nicht auf einen Lichtintensitätsmodulator mit einer derartigen Konfiguration beschränkt. Beispielsweise kann die Phase des sich ausbreitenden Lichts selbst dann, wenn der optische Modulator der vorliegenden Erfindung keine Verzweigungen enthält, noch immer effektiv moduliert werden. In diesem Sinne ist die wesentliche Funktion des optischen Modulators der vorliegenden Erfindung das Modulieren der Phase von Licht, das sich durch diesen hindurch ausbreitet. Dadurch, dass ermöglicht wird, dass diese Lichtwellen miteinander interferieren, kann der optische Modulator ebenso die Lichtintensität modulieren.
Bei den optischen Modulatoren der oben beschriebenen ersten bevorzugten Ausführung ist die Eingangsleitung direkt an eine der drei Leitungen der parallel gekoppelten Leitungsstruktur angeschlossen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch keinesfalls auf eine solche bevorzugte Ausführung beschränkt. Eingangskopplung kann beispielsweise ebenso durch Gegenüberstellen des Endes der Eingangsleitung mit einer der mehreren Leitungen der parallel gekoppelten Leitungsstruktur mit einem zwischen diesen bereitgestellten Zwischenraum erreicht werden. Diese Anordnung ist sehr effektiv, insbesondere dann, wenn diese Leitungen relativ geringen Verlust bewirken und einen relativ hohen ungeladenen Q-Wert in der Resonanz aufweisen (d. h., wenn diese Leitungen aus supraleitendem Material bestehen).
In den Zeichnungen sind die Verbinderleitungen, die die mehreren Leitungen der parallel gekoppelten Leitungsstruktur miteinander verbinden, als kreisförmig oder wenigstens teilweise kreisförmig dargestellt. Jedoch müssen die Verbinderleitungen die jeweiligen Leitungen nur in einem ausreichend kurzen Abstand miteinander verbinden. Deshalb wird die Leistung des optischen Modulators selbst dann nicht beeinträchtigt, wenn die Verbinderleitungen lineare Abschnitte haben (beispielsweise in einer Vieleckform).
Des Weiteren besteht das Substrat des optischen Modulators in den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungen aus Kristallen eines elektrooptischen Materials, wie zum Beispiel aus Lithiumtantalat-Kristallen oder aus Lithiumniobat-Kristallen. Alternativ kann das Substrat auch aus Kristallen anderer elektrooptischer Materialien bestehen. Außerdem wird in den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungen der optische Wellenleiter bevorzugt durch einen Protonenaustauschprozess in Benzoesäure auf der Fläche des elektrooptischen Substrats ausgebildet. Jedoch kann der optische Wellenleiter ebenso durch jeden anderen Prozess ausgebildet werden. Wenn beispielsweise kein aus elektrooptischen Kristallen (zum Beispiel Lithiumtantalat-Kristallen) bestehendes Substrat verwendet wird, um den optischen Modulator und andere Funktionselemente zusammen auf dem Substrat zu integrieren, dann kann ein Film eines elektrooptischen Materials mit einem höheren Brechungsindex als das Substrat auf dem Substrat ausgebildet werden und dann in einen alternativen optischen Wellenleiter strukturiert werden. Als eine weitere Alternative kann ein Kernbereich mit einem höheren Brechungsindex als sein Umgebungsabschnitt auf der Fläche des Substrats ausgebildet werden und ein Film aus einem elektrooptischen Material kann als ein Cladding-Bereich auf dem Kernbereich bereitgestellt werden. Selbst so ist die optische Modulation effektiv erreichbar, indem die Abweichung in dem Brechungsindex des Cladding-Bereichs genutzt wird, der auf das elektrische Feld, das aus dem Kernbereich leckt, reagiert. Darüber hinaus kann die parallel gekoppelte Leitungsstruktur ebenso in das Substrat eingebettet werden.
AUSFÜHRUNG 2
Die 25 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines faseroptischen Übertragungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Das faseroptische Übertragungssystem 50 dieser bevorzugten Ausführung enthält optische Modulatoren/Demodulatoren 51, von denen jeder den optischen Modulator der oben beschriebenen bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung enthält. In diesem Übertragungssystem können RF-Signale von einem Datenkommunikationsnetzwerk, wie zum Beispiel dem Internet, über verschiedene elektronische Geräte, wie zum Beispiel Mobiltelefone oder ein CATV-Netzwerk durch die Antennen 53, direkt empfangen und gesendet werden. Diese Kommunikation kann auf einer Trägerwelle, wie zum Beispiel einer Millimeterbandwelle, durchgeführt werden. Jeder dieser optischen Modulatoren/Demodulatoren enthält nicht nur den optischen Modulator, sondern außerdem einen optischen Demodulator (beispielsweise eine Fotodiode).
Jedoch ist es normalerweise schwierig, ein RF-Signal mit einer hohen Frequenz, die im Millimeterwellenband liegt, über eine große Entfernung vollständig zu übertragen und oftmals wird es durch verschiedene Objekte blockiert. Dementsprechend kann die Kommunikation mit dem Kommunikationsnetzwerk 61, dem CATV-Netzwerk 62 oder dem Mobiltelefonsystem 63 auch mittels eines RF-Senders/-Empfängers 60, der eine Antenne 64 enthält, ausgeführt werden. In diesem Fall muss ein optischer Modulator/Demodulator 55 mit einer Antenne 54 durch faseroptische Bündel 70 an das faseroptische Übertragungssystem 50 angeschlossen werden. Dann können mit dem RF-Sender/-Empfänger 60 mittels der Antennen 54 und 64 und des optischen Modulators/Demodulators 55 Signale ausgetauscht werden. Der optische Modulator/Demodulator 55 enthält nicht nur den optischen Modulator, sondern auch einen optischen Modulator/Demodulator (beispielsweise eine Fotodiode).
Beim Übertragen eines optischen Signals entweder über eine große Entfernung oder im Inneren eines Gebäudes durch Gebäudewände wird das optische Signal, beispielsweise bevor es sich durch die faseroptischen Bündel 70 ausbreitet, bevorzugt mit einem RF-Signal moduliert, das in dem Millimeterwellenband liegt.
Gemäß den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung erreicht der optische Modulator, der als ein Intensitätsmodulator arbeitet, signifikante Erhöhung der optischen Modulationseffizienz. Infolgedessen können durch Nutzung eines solchen optischen Modulators in einem optischen Kommunikationssystem Informationen sehr effizient als ein RF-Signal ausgetauscht werden, das beispielsweise in dem Millimeterwellenband liegt.
Während die vorliegende Erfindung in Bezug auf bevorzugte Ausführungen derselben beschrieben wurde, liegt es für einen Fachmann in dieser Technik auf der Hand, dass die offenbarte Erfindung auf zahlreiche Weisen modifiziert werden kann und viele Ausführungsformen annehmen kann, die sich von den oben speziell beschriebenen unterscheiden. Dementsprechend ist beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle Modifikationen der Erfindung abdecken.

Claims

Optischer Modulator, der umfasst: einen optischen Wellenleiter (32), wobei wenigstens ein Bereich desselben aus elektro-optischem Material besteht und er zwei optische Wellenleiter-Verzweigungen (32a, 32b) enthält; ein modulierende Elektrode (33), die eine erste Leiterleitung (33a) und eine zweite Leiterleitung (33b) enthält, die so eingerichtet sind, dass sie ein modulierendes elektrisches Feld an den Bereich des optischen Wellenleiters (32) anlegen; eine geerdete leitende Schicht (34), die auf einer Ebene ausgebildet ist, die sich von der Ebene unterscheidet, auf der die erste und der zweite Leiterleitung (33a, 33b) ausgebildet sind, und die eine erste Mikrostreifenleitung mit der ersten Leiterleitung (33a) bzw. eine zweite Mikrostreifenleitung mit der zweiten Leiterleitung (33b) bildet; und einen Abschnitt (35) zum Eingeben eines elektrischen Signals, der so eingerichtet ist, dass er der modulierenden Elektrode (33) ein modulierendes RF-Signal zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass die modulierende Elektrode (33) des Weiteren umfasst: eine dritte Leiterleitung (33c), die zwischen der ersten und der zweiten Leiterleitung (33a, 33b) angeordnet ist, und die zusammen mit der geerdeten leitenden Schicht (34) eine dritte Mikrostreifenleitung bildet, die mit der ersten und der zweiten Mikrostreifenleitung verbunden ist, wobei die drei Mikrostreifenleitungen eine resonante Stehwellen-Elektrodenkonfiguration bilden; und dadurch, dass die zwei optischen Wellenleiter-Verzweigungen wenigstens teilweise unter den zwei äußersten Leiterleitungen (33a, 33b) angeordnet sind.
Optischer Modulator nach Anspruch 1, wobei der optische Wellenleiter enthält: einen optischen Eingabebereich (38a), der die zwei Verzweigungen zusammenführt; und einen optischen Ausgabebereich (38b), der die zwei Verzweigungen ebenfalls zusammenführt, und wobei der Bereich des optischen Wellenleiters (32), der aus einem elektrooptischen Material besteht und an den das modulierende elektrische Feld angelegt wird, in die zwei optischen Wellenleiter-Verzweigungen (32a, 32b) unterteilt ist, und wobei die Leiterleitungen (33a, 33b) so eingerichtet sind, dass sie elektrische Felder mit einander entgegengesetzten Richtungen an die zwei optischen Wellenleiterverzweigungen (32a) anlegen und der optische Modulator so eingerichtet ist, dass er die Intensität von Licht moduliert, das in den optischen Wellenleiter (32) eingegeben worden ist.
Optischer Modulator nach Anspruch 1, der des Weiteren ein Verbinder-Element (36a) umfasst, dass die erste, die zweite und die dritte Leiterleitung (33a, 33b, 33c) wenigstens an einem Ende derselben miteinander verbindet.
Optischer Modulator nach Anspruch 1, wobei der optische Wellenleiter wenigstens zwei Bereiche (21a, 21b) enthält, die remanente Polarisationen mit zueinander entgegen gesetzten Polaritäten aufweisen.
Optischer Modulator nach Anspruch 1, wobei der optische Wellenleiter in einem Substrat (21, 31) vorhanden ist, das aus dem elektro-optischen Material besteht.
Optischer Modulator nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt zum Eingeben eines elektrischen Signals eine Eingangsleitung (35) enthält, die eine weitere Mikrostreifenleitung mit der Leitungsschicht (34) bildet, und die Eingangsleitung (35) mit der ersten oder zweiten Leiterleitung (33a, 33b) verbunden ist.
Optischer Modulator nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt zum Eingeben eines elektrischen Signals enthält: einen Koaxialverbinder (209), der mit einer Leitung verbunden ist, durch die sich das modulierende RF-Signal ausbreitet; und ein Zwischenverbindungselement (211), das den Koaxialverbinder (209) und die modulierende Elektrode (33) miteinander verbindet.
Kommunikationssystem, das umfasst: den optischen Modulator nach Anspruch 1; einen Eingabeabschnitt zum Eingeben von Licht in den optischen Modulator; und einen Steuerabschnitt zum Zuführen des modulierenden RF-Signals zu dem optischen Modulator.