DE69014767T2

DE69014767T2 - Optischer Modulator.

Info

Publication number: DE69014767T2
Application number: DE69014767T
Authority: DE
Inventors: Hideto Iwaoka; Hiroshi Miyamoto
Original assignee: Optical Measurement Technology Development Co Ltd
Current assignee: Optical Measurement Technology Development Co Ltd
Priority date: 1989-08-15
Filing date: 1990-08-15
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: DE69014767D1; EP0413568A2; US5061030A; EP0413568A3; EP0413568B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen optischen Modulator, der Materialien verwendet, deren Refraktionsindex sich ändert, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird.
Es sind optische Modulatoren bekannt geworden, die den elektrooptischen Effekt von LiNbO&sub3; oder LiTaO&sub3; ausnutzen, deren Refraktionsindex sich ändert, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird.
Fig. 3 zeigt im Schnitt einen konventionellen optischen Modulator, der LiNbO&sub3; verwendet. In der Figur ist ein optischer Wellenleiter 2 auf einem LiNbO&sub3;-Substrat 1 ausgebildet, eine SiO&sub2;-Pufferschicht 3 wird auf der Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet, und Elektroden 4, 4' sind auf der Oberfläche der SiO&sub2;-Pufferschicht 3 längs des optischen Wellenleiters 2 vorgesehen, um ein elektrisches Hochfrequenzfeld an den Wellenleiter 2 über die Pufferschicht 3 einwirken zu lassen.
Wenn hochfrequente Wellen, insbesondere Mikrowellen, zwischen den Elektroden 4, 4' von dem Auftreffende des Wellenleiters 2 zugeführt werden, wirken die Elektroden 4, 4' als eine übertragungsleitung zum übertragen der Hochfrequenz längs des optischen Wellenleiters 2. Der Refraktionsindex des Wellenleiters 2 ändert sich durch das elektrische Feld der Hochfrequenz, um Phasenmodulation für das Licht hervorzurufen, das durch seine Innenseite sich ausbreitet. Wenn die Phasengeschwindigkeit des Lichtes und die Phasengeschwindigkeit der Hochfrequenz aneinander angepaßt werden können (oder genauer gesagt, wenn die Gruppengeschwindigkeiten derselben angepaßt werden können), kann die Modulationsbandbreite ausgedehnt werden.
Es war iedoch beim Stand der Technik schwierig, die Phasengeschwindigkeit (Gruppengeschwindigkeit) der Hochfrequenz und die Phasengeschwindigkeit (Gruppengeschwindigkeit) des Lichtes aneinander anzupassen, weil der effektive Index für die Hochfrequenz hoch war.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 0 152 996 offenbart einen optischen Modulator im wesentlichen wie in Fig. 3 dargestellt mit der Ausnahme, daß die isolierende Pufferschicht in erste und zweite Bereiche aufgeteilt ist und der erste Bereich der isolierenden Pufferschicht den optischen Wellenleiter von der überlagerten Sendeleitungselektrode von der gleichen Breite ist wie die Sendeleitungselektrode.
Die Erfindung schafft einen optischen Modulator mit einer breiteren Modulationsbandbreite als beide Komponenten nach dem Stand der Technik.
Die Erfindung schafft einen optischen Modulator, umfassend ein Substrat aus einem Material, dessen Refraktionsindex sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes ändert, einen entweder auf oder innerhalb des Substrats ausgebildeten optischen Wellenleiter, isolierende Zwischenschichtmittel, die an der Oberfläche des optischen Wellenleiters und des Substrats ausgebildet sind, und ein Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes, das ein elektrisches Hochfrequenzfeld an den optischen Wellenleiter durch die isolierenden Zwischenschichtmittel anlegt und eine erste Elektrode umfaßt, angeordnet längs des optischen Wellenleiters, und eine zweite Elektrode umfaßt, angeordnet parallel zu der ersten Elektrode, wobei das isolierende Zwischenschichtmittel einen ersten Bereich umfaßt, ausgebildet zwischen der ersten Elektrode und dem optischen Wellenleiter, und einen zweiten Bereich im Abstand von dem ersten, ausgebildet zwischen der zweiten Elektrode und dem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte erste Bereich eine Breite besitzt, die kleiner ist als die Breite der ersten Elektrode.
Genauer gesagt, umfaßt eine isolierende Pufferschicht vorzugsweise den ersten Bereich, gebildet zwischen einer Elektrode auf der Seite des optischen Wellenleiters (nachstehend als "die erste Elektrode" bezeichnet) und dem optischen Wellenleiter in einer Breite, die enger ist als die Breite der ersten Elektrode, und einen zweiten Bereich, gebildet zwischen einer anderen Elektrode, vorgesehen parallel zu der ersten Elektrode (nachstehend als "die zweite Elektrode" bezeichnet) und dem Substrat. Der zweite Bereich wird vorzugsweise so ausgebildet, daß er eine Breite hat äquivalent zu dem der zweiten Elektrode oder schmaler.
Wenn angenommen wird, daß keinerlei Substrat vorgesehen ist, keinerlei optischer Wellenleiter oder isolierende Pufferschicht (mit anderen Worten, nur die beiden Elektroden schweben in einem Vakuum), werden Elektroden vorzugsweise in einer solchen Form und Anordnung gebildet, daß sie im wesentlichen die Beziehung erfüllen C&sub0; = 1/(c n&sub0; Z&sub0;), worin die Kapazität zwischen den Elektroden mit C&sub0; bezeichnet wird, der Refraktionsindex des Lichtes, übertragen durch den optischen Wellenleiter n&sub0;, die Geschwindigkeit des Lichtes c und die charakteristische Impedanz, erforderlich für die beiden Elektroden Z&sub0;. Wenn das Substrat, der optische Wellenleiter und der isolierende Puffer hinzugefügt werden, werden sie vorzugsweise in einer Form und Anordnung ausgebildet und aus einem Material, daß die Beziehung erfüllt ist C = n&sub0;/(Z&sub0; c), worin die Kapazität zwischen den Elektroden als C ausgedrückt wird.
Wenn die Lichtgeschwindigkeit ausgedrückt wird in der Einheit m/s und die charakteristische Impedanz Z&sub0; inΩ, wird die Einheit von C&sub0; und C F/m.
Da die isolierende Pufferschicht nur unter den Elektroden ausgebildet ist, kann das elektrische Feld konzentriert werden auf einen Bereich des optischen Wellenleiters, um die Modulation durch eine relativ niedrige Spannung bei Hochfrequenz zu ermöglichen.
Der wirksame Index für die Hochfrequenz kann reduziert werden durch Entfernen einer isolierenden Pufferschicht aus den Bereichen, bei denen es sich nicht um den Bereich des optischen Wellenleiters handelt, um eine Modulation breiterer Bandbreite zu ermöglichen.
Die charakteristische Impedanz der Anordnung wird nun erörtert. Es wird angenommen, daß die Anordnung eine solche Struktur aufweist, daß ein optischer Wellenleiter gebildet wird innerhalb eines Substrats des Materials, dessen Refraktionsindex sich ändert durch Anlegen einer elektrischen Spannung, wobei eine erste Elektrode längs des optischen Wellenleiters in der Breite W angeordnet ist und mit der Dicke t&sub1;, eine zweite Elektrode angeordnet ist an einer Position im Abstand G von der ersten Elektrode mit der Dicke t&sub1;, wobei eine isolierende Pufferschicht ausgebildet ist zwischen dem Substrat und der ersten Elektrode mit einer Breite a und der Dicke t&sub2;, und eine weitere isolierende Pufferschicht vorgesehen ist zwischen der zweiten Elektrode und dem Substrat mit der Dicke t&sub2;. Das Substrat und der optische Wellenleiter werden angenommen als aus einem festen Material und fester Struktur bestehend.
Es gelten dann die folgenden Beziehungen, wobei der effektive Index dieser Anordnung für Mikrowellen als nm bezeichnet wird, die charakteristische Impedanz der Elektrode Z&sub0; [Ω] und die Modulationsbandbreite Δf [Hz]
worin C : die Kapazität zwischen den Elektroden ist (Einheit, F/m),
C&sub0; : die Kapazität ist, wenn die Elektroden allein als im Vakuum schwebend angenommen würden (Einheit, F/m),
c : Lichtgeschwindigkeit (Einheit, m/s),
n&sub0; : Refraktionsindex des Lichtes (keine Einheit),
L : Wechselwirkungslänge zwischen dem Licht und der Hochfrequenz (Einheit, m).
Wenn der wirksame Index nm für Mikrowellen mit dem Refraktionsindex n&sub0; des Lichtes zusammenfällt, stimmt die Phasengeschwindigkeit der Mikrowellen überein mit der Phasengeschwindigkeit des Lichts. Die Modulationsbandbreite Δf wird dann unendlich, wie durch Gleichung (3) gezeigt. Damit die Beziehung von nm = n&sub0; zutrifft, ist es erforderlich, eine nachstehende Beziehung wegen Gleichung (2) einzuführen.
C&sub0; = 1/(c n&sub0; Z&sub0;) .......... (4)
Wegen der Gleichungen (1) und (4) ist es erforderlich, daß die folgende Beziehung gilt
C = n&sub0;/(Z&sub0; c) ......... (5)
Eine Anordnung wird so konstruiert, daß sie eine Struktur aufweist, die die Bedingungen bezüglich der Kapazität C und C&sub0;, gegeben durch die beiden Gleichungen, erfüllt.
Der Wert der Kapazität C&sub0; hängt nur ab von den Elektroden, wenn nur von der Struktur der Anordnung ausgehend betrachtet. Um den Wert der Kapazität C&sub0;, erhalten durch Gleichung (4), zu erfüllen, müssen die Formen der Elektroden oder, genauer gesagt, die Breite W der ersten Elektrode, die Distanz G zwischen der ersten und der zweiten Elektrode und die Dicke t der beiden Elektroden bestimmt werden.
Nach Festlegung der Formen der Elektroden werden die Dicke t&sub2; und die Breite a der isolierenden Pufferschicht konstruiert unter gebührender Beachtung der Struktur des Wellenleiters und des Substrats in einer Weise, um die Gleichung (5) unter den obigen Bedingungen zu erfüllen.
FIG. 1 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung einer Ausführungsform des optischen Modulators gemäß der Erfindung.
FIG. 2 ist eine Schnittansicht des optischen Modulators.
FIG. 3 ist eine Schnittansicht eines optischen Modulators nach dem Stand der Technik für Vergleichszwecke.
FIG. 4 ist eine Graphik zur Darstellung der Modulationsbandbreite in berechneten Werten der Ausführungsform und nach dem Stand der Technik in Abhängigkeit von der Breite einer isolierenden Pufferschicht.
FIG. 5 bis 8 sind Graphiken zur Darstellung der Kapazitäten C&sub0; für Sätze von ausgewählten W, G und t&sub1;.
FIG. 9 ist eine Graphik zur Darstellung von Beispielen für Sätze von W, G und t&sub1;, die die Bedingungen für C&sub0; erfüllen.
FIG. 10 bis 13 sind Graphiken zur Darstellung der Beziehung zwischen t&sub2; und C gegenüber ausgewählten Sätzen von W, G und T&sub1;.
FIG. 14 ist eine Graphik zur Darstellung der Beziehung zwischen W und T&sub2;, wodurch die Bedingungen für C erfüllt werden.
FIG. 15 ist eine Graphik zur Darstellung der Beziehung zwischen a und C bei ausgewählten W, G, t&sub1; und t&sub2;.
FIG. 16 ist eine Graphik zur Darstellung von Vergleichsbeispielen der Sätze von W, G und t&sub1; zum Erfüllen der Bedingungen für C&sub0;.
FIG. 17 bis 20 sind Graphiken zur Darstellung der Beziehungen zwischen t&sub2; und C gegenüber ausgewählten W, G und t&sub1;.
FIG. 21 ist eine Graphik zur Darstellung der Beziehung zwischen W und t&sub2; zum Erfüllen der Bedingungen für C.
FIG. 1 zeigt eine Ausführungsform des optischen Modulators gemäß der Erfindung in Perspektive und FIG. 2 denselben im Schnitt.
Der optische Modulator umfaßt ein LiNbO&sub3;-Substrat 1, einen optischen Wellenleiter 2, ausgebildet innerhalb des Substrats 1, eine SiO&sub2;-Pufferschicht 3, ausgebildet auf der Oberfläche des optischen Wellenleiters 2 und des Substrats 1, und Elektroden 4, 4', die ein elektrisches Hochfrequenzfeld auf den optischen Wellenleiter 2 anlegen über die Pufferschicht 3. An jedem Ende der Elektroden 4, 4' ist eine Leistungsquelle 5 angeschlossen, während die anderen Enden durch einen Abschluß 6 verbunden sind.
Wenn eine Hochfrequenzwelle, insbesondere eine Mikrowelle, an den entsprechenden Enden der Elektroden 4, 4' von der Leistungsquelle 5 eingespeist wird, wird die Hochfrequenz längs der Elektroden 4, 4' bis zum Erreichen des Abschlusses 6 übertragen, der die anderen Enden der Elektroden verbindet. Das elektrische Hochfrequenzfeld wird übertragen auf den optischen Wellenleiter 2 über die SiO&sub2;-Pufferschicht 3 zum Andern des Refraktionsindex in dem Bereich. Dies ändert die Phase des Lichtes, das durch den optischen Wellenleiter 2 übertragen wird.
Die Modulationsempfindlichkeit wird bestimmt durch den überlappungszustand zwischen der Leistungsverteilung des Lichtes und des elektrischen Hochfrequenzfeldes, und Niederspannungsbetrieb wird möglich durch Konzentrieren des elektrischen Hochfrequenzfeldes auf den Bereich mit einer stärkeren Leistung des Lichtes.
Die Modulationsbandbreite wird beschränkt durch die Differenz zwischen der Phasengeschwindigkeit des Lichtes und der Phasengeschwindigkeit der Hochfrequenz. Da der Refraktionsindex des Lichtes generell niedriger ist als der der Hochfrequenz, ist die Phasengeschwindigkeit des Lichtes höher als jene der Hochfrequenz. Wenn deshalb die Struktur angepaßt wird zum Reduzieren des Refraktionsindex der Hochfrequenz, wird die Modulationsbandbreite vergrößert.
In dieser Ausführungsform wird die SiO&sub2;-Pufferschicht 3 zwischen den Elektroden 4, 4' und dem LiNbO&sub3;-Substrat 1 in einer Breite ausgebildet, die schmaler ist als die Breite der Elektroden 4, 4'.
Wenn die entsprechende Breite der Elektroden 4, 4' mit W, W' bezeichnet wird und die entsprechende Breite der beiden Reihen von SiO&sub2;- Pufferschichten 3 in Kontakt mit den Elektroden 4, 4' als a beziehungsweise a', gilt die folgende Beziehung.
a < W, a' < W'.
Die Struktur ermöglicht, das elektrische Hochfrequenzfeld in den SiO&sub2;-Pufferschichten 3 an den Boden oder den Bereich des optischen Wellenleiters 2 zu konzentrieren, um den Betrieb bei niedriger Spannung zu ermöglichen. Durch Eliminieren der SiO&sub2;-Pufferschichten 3 aus den Bereichen außerhalb des optischen Wellenleiters 2, kann der wirksame Index der Hochfrequenz reduziert werden, um Breitbandmodulation zu ermöglichen.
Die Graphik in FIG. 4 zeigt einen Vergleich zwischen dem erfinderischen Ausführungsbeispiel und der Anordnung nach dem Stand der Technik, worin die Dicke der SiO&sub2;-Pufferschicht 3, gebildet zwischen dem optischen Wellenleiter 2 und der Elektrode 4, verwendet wird als ein Parameter, die Breite a auf der Horizontalachse aufgetragen ist und das berechnete Verhältnis der erfindungsgemäßen Modulationsbandbreite gegenüber der Modulationsbandbreite nach dem Stand der Technik gemäß FIG. 2 und 3 auf der Vertikalachse aufgetragen ist. In dieser Berechnung wird die Breite der Elektrode W exemplifiziert zu 10 um, der Abstand G zwischen zwei Elektroden 4, 4' als 10 um und die Dicke derselben t&sub1; als 3,0 um sowohl beim Stand der Technik als auch bei dieser Ausführungsform.
Wenn beispielsweise die entsprechende Dicke t&sub2; der SiO&sub2;-Pufferschicht 3 1 um ausmacht und die Breite a 4 um, kann die Bandbreite erweitert werden um das mehr als 2,4-fache gegenüber dem Stand der Technik.
Obwohl das Material, dessen Refraktionsindex sich ändert bei Anlegen eines elektrischen Feldes, LiNbO&sub3; in der vorangehenden Beschreibung ist, kann LiTaO&sub3; verwendet werden, um in ähnlicher Weise die Erfindung zu realisieren.
Um einen optischen Wellenleiter auf dem Substrat aus einem solchen Material herzustellen, wird gewöhnlich ein Ti-Diffusionsverfahren ausgenutzt zur Änderung des Refraktionsindex eines Abschnitts des Substrats. Der optische Wellenleiter wird deshalb innerhalb des Substrats ausgebildet. Der optische Wellenleiter kann jedoch auch auf das Substrat auflaminiert werden, und die Erfindung ist in ähnlicher Weise in einem solchen Falle anwendbar. Als isolierende Pufferschicht kann SiO&sub2; ersetzt werden durch Aluminiumoxid oder Nitridschicht.
Der optische Modulator gemäß dieser Erfindung kann nicht nur verwendet werden als ein optischer Phasenmodulator als solcher, sondern kann auch eingefügt werden in einen der optischen Pfade eines Mach-Zehnder-Interferometers als ein Komponententeil eines Lichtleistungsmodulators.
Wie oben angegeben, ermöglicht der optische Modulator gemäß dieser Erfindung den Betrieb bei niedriger Spannung mit einer einfachen Struktur und reduziert den effektiven Index für die Hochfrequenz zur Verbesserung der Anpassung in der Geschwindigkeit mit dem Licht wie auch die Ausdehnung der Modulationsfrequenzbandbreite.
Die obige Beschreibung berücksichtigte die nicht charakteristische Impedanz der Elektroden. Es ist am effizientesten, die charakteristische Impedanz der Elektroden mit der charakteristischen Impedanz eines Hochfrequenzversorgungssystems in Übereinstimmung zu bringen, um optische Modulatoren der im Stand der Technik gezeigten Struktur oder gemäß der Erfindung mit niedriger elektrischer Leistung zu betreiben. Beispielsweise beträgt die charakteristische Impedanz eines weitverbreiteten Koaxialkabels ca. 50Ω und die charakteristische Impedanz der Elektroden ist vorzugsweise an dieses Niveau angepaßt. Die Anordnung nach dem Stand der Technik jedoch mußte diese charakteristische Impedanz herabsetzen, um eine vollständige Phasenanpassung zu erzielen. Obwohl die charakteristische Impedanz auf 50Ω reduziert werden könnte, war keine Phasenanpassung möglich. Die Gestaltung gemäß der Erfindung kann die Bedingungen für vollständige Phasenanpassung erfüllen.
Zu diesem Zweck sollten die Elektroden 4, 4' so geformt werden, daß sie die Formen und eine Intervalldistanz zwischen ihnen in einer Weise haben, daß die Kapazität C&sub0; im wesentlichen die oben erwähnte Gleichung (4) erfüllt für den Refraktionsindex n&sub0;, und die Lichtgeschwindigkeit c der Lichtübertragung durch den optischen Wellenleiter 2 und die charakteristische Impedanz, erforderlich zwischen den Elektroden 4, 4', wenn angenommen wird, daß das Substrat 1, der optische Wellenleiter 2 und die SiO&sub2;-Pufferschichten 3 nicht vorhanden sind. Das Substrat 1, der optische Wellenleiter 2 und die Pufferschichten 3 sind in solcher Weise auszubilden und aus solchem Material, daß die Kapazität C zwischen 4, 4' im wesentlichen die oben erwähnte Gleichung (5) erfüllt, wenn diese drei Komponenten vorhanden sind.
Die Gleichung (5) ist eine Formel, abgeleitet aus der Bedingung nm = n&sub0; oder der Bedingung der Übereinstimmung der Phasengeschwindigkeit des Lichtes mit der Phasengeschwindigkeit der Mikrowellen. Generell ist der Refraktionsindex n&sub0; des Lichtes kleiner als der Refraktionsindex nm der Mikrowellen, und die Phasengeschwindigkeit von Licht ist höher als die Phasengeschwindigkeit der Hochfrequenz. Um die Bedingung nm = n&sub0; zu erfüllen, muß die Struktur den Refraktionsindex der Hochfrequenz absenken. Um die Bedingung nm = n&sub0; zu erfüllen, ist es effizient, die Isolationspufferschicht aus den Bereichen zu entfernen, die nicht jene sind, auf denen die Elektroden 4, 4' vorhanden sind. Insbesondere wenn die Breite einer Elektrode 4 mit W bemessen wird, ist es wünschenswert, die Breite a der SiO&sub2;-Pufferschicht 3 zwischen der Elektrode 4 und dem optischen Wellenleiter 2 wie unten festzulegen.
a< W ......... (6)
Spezifische Daten werden gegeben für einen typischen Fall, wo das Substrat 1 eine z-Platte aus LiNbO&sub3; ist, die charakteristische Impedanz Z&sub0; 50Ω beträgt und das Licht von 1,55 um Wellenlängeband übertragen wird durch den optischen Wellenleiter 2. Der Refraktionsindex n&sub0; des optischen Wellenleiters 2 für 1,55 um wird ausgedrückt zu n&sub0;= 2,136.
Um die Beziehungen von Z&sub0; = 50Ω und nm = n&sub0; = 2,136 zu etablieren, ist es offensichtlich, daß die Beziehungen (7) und (8), unten angegeben, abgeleitet werden aus den Gleichungen (4) und (5) oder den Gleichungen (1) und (2).
C&sub0; = 3,12 x 10&supmin;¹¹11 F/m (7)
C = 1,42 x 10&supmin;¹&sup0; F/m (8)
Abmessungen der Anordnung werden ausgewählt, um diese Bedingungen zu erfüllen.
Zunächst werden, basierend auf der Bedingung für die Kapazität C&sub0;, ausgedrückt durch Gleichung (7), die Formen der Elektroden 4, 4' oder die Breite W einer Elektrode 4, die Distanz G zwischen den Elektroden 4, 4' und die Dicke t&sub1; derselben ausgewählt. In der folgenden Beschreibung werden W, G und t&sub1; in der Einheit von um ausgedrückt. Es erfolgt eine Beschreibung von Fällen mit praktischen Abmessungen von
6 um ≤ W ≤ 12 um, 4 um ≤ G ≤ 12 um .......... (9)
FIG. 5 bis 8 zeigen berechnete Werte für die Kapazität C&sub0; für die Breite W einer Elektrode 4, den Abstand G zwischen den Elektroden 4, 4' und der Dicke t&sub1; derselben. In den Graphiken ist die Kapazität C&sub0; dargestellt über der Dicke t&sub1; der Elektroden 4, 4', wenn der Wert von W auf 6, 8, 10 beziehungsweise 12 um gesetzt wird und G auf 4, 6, 8, 10 beziehungsweise 12 um.
Diese berechneten Werte erhält man nach dem Verfahren der finiten Elemente, und die Richtung der Breite der Elektrode 4 wird mit x bezeichnet, die Richtung der Lichtausbreitung mit y und die Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Substrats 1 mit z (optische Achse) unter den nachstehenden Bedingungen.
Die relative Permissivität von SiO&sub2; = 3,75
Die relative Permissivität von LiNbO&sub3; &epsi;z = 43, &epsi;x = &epsi;y = 28
Wie in FIG. 5 bis 8 gezeigt, kann die Kapazität C&sub0; ausgedrückt werden in einer linearen Gleichung wie nachstehend, falls die Werte von W und G bestimmt sind.
C&sub0; = mt&sub1; + b [F/m] ......... (10)
Wenn die Abhängigkeit von G untersucht wurde mit dem Wert W festliegend, hat es sich gezeigt, daß es eine quadratische Beziehung wie nachstehend angegeben gibt.
m = a&sub1;G² + a&sub2;G +a&sub3; ......... (11)
b = a&sub1;'G² + a&sub2;'G + a&sub3;' ......... (12)
Wenn die Gleichungen (10) und (11) berechnet werden für jeden Wert von W, kann die Abhängigkeit von W bezüglich m außer Betracht gelassen werden und die nachstehenden Werte werden erhalten.
Für b existiert die Abhängigkeit von W und diese Beziehung kann als linear angesehen werden, so daß die nachstehenden Beziehungen erhalten werden.
Deshalb wird die Kapazität C&sub0; für die Breite W der Elektrode 4 den Abstand G zwischen den Elektroden 4, 4' und die Dicke t&sub1; derselben wie nachstehend ausgedrückt.
Wie oben erwähnt, wird C&sub0; ausgedrückt in F/m und W, G und t&sub1; in um. Die Breite W, der Abstand G und die Dicke t&sub2; werden so ausgewählt, um die obige Gleichung zu erfüllen oder um mit dem Wert der obigen Gleichung mit dem Wert der Gleichung (7) zusammenzufallen.
FIG. 9 ist eine Graphik zur Darstellung eines Beispiels eines Satzes von W, G und t&sub1;, welche die Gleichung (7) erfüllen. Die Graphik erhält man durch Aufzeichnen der Punkte, ausgedrückt durch C&sub0; = 3,12 x 10&supmin;¹¹ F/m, gezeigt in FIG. 5 bis 8. Sie wird angenähert aus der Graphik wie nachstehend angegeben
1,68G - 0,25W - 0,8 - t&sub1; = 0 (16)
Nach so erfolgendem Auswählen eines Satzes von W, G und t&sub1;, werden die Dicke t&sub2; und die Breite a der SiO&sub2;-Pufferschicht 3 ausgewählt, um die Gleichung (8) zu erfüllen.
FIG. 10 bis 13 zeigen die Werte der Kapazität C für die Dicke t&sub2; der Pufferschicht 3, wenn die Werte von W, t&sub1; und G ausgewählt wurden, um die Gleichung (7) zu erfüllen. Die Werte werden erhalten durch das Verfahren der finiten Elemente, ähnlich wie die Berechnung der Kapazität C&sub0;. In jeder der Graphiken zeigt die Kurve, die einen größeren Wert für C für denselben Satz von W, G und t&sub1; aufweist, den Wert, erhalten, wenn die SiO&sub2;-Schicht über die Gesamtoberflächedes Substrats 1 vorgesehen ist (auf der Oberfläche, wo die Elektroden 4, 4' vorgesehen sind). Die Kurve mit einem kleineren C andererseits zeigt den Wert, den man erhält, wenn keine SiO&sub2;-Schicht vorgesehen ist oder wenn die Elektroden 4, 4' oberhalb des Substrats 1 schweben (dies ist nur ein fiktiver Fall).
Wenn beispielsweise W = 10 um ist, wie in FIG. 12 gezeigt, und die Bedingung erfüllt ist, daß t&sub2; < 0,5 um ist, kann der Wert der Kapazität C, wie in Gleichung (8) gezeigt, nicht erhalten werden, und selbst unter der Bedingung, daß t&sub2; > 1,9 um ist, kann die Gleichung (8) nicht erfüllt werden. Wenn jedoch 0,5 um ≤ t&sub2; ≤ 1,9 um gilt, wenn der Wert der Kapazität C reduziert wird durch Abtragen der SiO&sub2;-Schicht von der Oberfläche mit Ausnahme des Bereiches, wo die Elektroden 4, 4' vorgesehen sind, kann die Gleichung (8) erfüllt werden. Mit anderen Worten gilt die Gleichung (8) nicht, wenn die Schicht über der gesamten Oberfläche verbleibt.
Der Wert der Kapazität C hängt hauptsächlich ab von der Breite W der Elektrode 4, der Dicke t&sub2; und der Breite a der SiO&sub2;-Pufferschicht 3. Deshalb erfolgt eine Näherung in einer Weise ähnlich der Ableitung der Gleichung (15) für die Kapazität Cnon-ins für den Fall, wo die SiO&sub2;- Pufferschicht 3 als nicht existierend angenommen wird, und für die Kapazität Cfull-ins für den Fall, wo die Schicht 3 angenommen wird, als über der gesamten Oberfläche des Substrats 1 und dem optischen Wellenleiter 2 zu existieren. Das Ergebnis wird wie nachstehend erhalten.
worin W und t&sub2; in der Einheit um ausgedrückt werden und Cnon-ins und Cfull-ins in der Einheit von F/m.
Die Kapazität C der Anordnung, die in der Praxis hergestellt wird, wird wie nachstehend ausgedrückt.
Demgemäß sind die nachstehenden Bedingungen erforderlich, wenn die Gleichung (8) berücksichtigt wird.
FIG. 14 zeigt die Beziehung von W und t&sub2;, aus der die Gleichung (20) erhalten wird, innerhalb des Bereichs, begrenzt durch Gleichung (9). W und t&sub2; sollten die nachstehende Beziehung haben. Sie werden ausgedrückt in der Einheit von um.
FIG. 15 zeigt die Änderungen der Kapazität C über der Breite a der SiO&sub2;-Pufferschicht 3, wenn W, G, t&sub1; und t&sub2; ausgewählt werden, um die obigen Bedingungen zu erfüllen. In dem gezeigten Beispiel betragen W = 10 um, G = 10 um, t&sub1; = 13 um und t&sub2; = 1um. Im Bereich von a ≤ W gilt die nachstehende Beziehung im wesentlichen. Wenn deshalb a = 5 ≤m, wird die Gleichung (8) beinahe erfüllt.
Wenn umgekehrt W = 10 um, G = 10 um, t&sub1; = 13 um, t2 = 1 um, a = 5 um und L = 1 cm, werden der Refraktionsindex nm für die Mikrowellen, die charakteristische Impedanz Z&sub0; und die Modulationsbandbreite Δf wie unten ausgedrückt, um beinahe die gewünschten Bedingungen zu erfüllen.
nm = 2,139, Z&sub0; = 50,6 [Ω], Δf = 3,700 [GHz
FIG. 16 bis 21 zeigen Beispiele der Berechnung, um einen optischen Modulator von Z&sub0; = 40Ω und Refraktionsindex nm = 2,272 zu erhalten. Diese Graphiken zeigen die berechneten Werte ähnlich zu jenen der FIG. 9 bis 14.
Basierend auf den Gleichungen (2) und (1) sollten sie die nachstehenden Bedingungen erfüllen.
FIG. 16 zeigt ein Beispiel des Satzes von W, G und t&sub1;, der die Gleichung (7)' erfüllt, während FIG. 17 bis 20 den Wert von C wiedergeben für t&sub2;, wenn der Satz von W, G und t&sub1; ausgewählt wird, um die Gleichung (7)' zu erfüllen, während FIG. 21 die Beziehung zwischen W und t&sub2; darstellt.
In der obigen Erläuterung erfolgte eine Beschreibung des Falles, wo Licht von 1,55 um durch einen optischen Wellenleiter einer z-Platte LiNbO&sub3; übertragen wird. Die Erfindung kann jedoch in ähnlicher Weise selbst dann realisiert werden, wenn andere Kristallorientierung oder ein anderes Material wie LiTaO&sub3; als optischer Wellenleiter verwendet werden. Darüber hinaus kann die Erfindung realisiert werden, wenn Licht anderer Wellenlänge übertragen wird unter der Bedingung, daß der Refraktionsindex des Lichtes n&sub0; bekannt ist. Die Beziehung zwischen der übertragenen Wellenlänge und dem Refraktionsindex des Lichtes ist nachstehend gezeigt. Wellenlänge (um) Refraktionsindex n&sub0;
Die charakteristische Impedanz Z0 kann auf einen von 50Ω abweichenden Wert eingestellt werden insoweit, als sie an die charakteristische Impedanz der Leistungsversorgung anzupassen ist.
Alle obigen Berechnungen wurden für den Fall ausgeführt, wo der optische Wellenleiter innerhalb eines Substrats gebildet wird, doch die Erfindung kann in ähnlicher Weise realisiert werden für den Fall, wo der optische Wellenleiter auf ein Substrat auflaminiert ist.
Die in der vorangehenden Erläuterung beschriebene Erfindung kann im wesentlichen die Phasengeschwindigkeit der Hochfrequenz, die als Modulationssignal angelegt wird (Gruppengeschwindigkeit), an die Phasengeschwindigkeit des Lichtes anpassen, das ein Träger ist, und kann ferner die charakteristische Impedanz der Elektroden an die charakteristische Impedanz des Leistungsversorgungssystems anpassen. Mit anderen Worten kann diese Erfindung die Modulationsbandbreite ausdehnen durch Anpassen der Phasengeschwindigkeiten (Gruppengeschwindigkeiten). Sie ist effizient, indem eine Niederspannungsaussteuerung durch Anpassen von Impedanzen ermöglicht wird.

Claims

1. Ein optischer Modulator, umfassend ein Substrat (1) aus einem Material, dessen Refraktionsindex sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes ändert, einen entweder auf oder innerhalb des Substrats ausgebildeten optischen Wellenleiter (2), isalierende Zwischenschichtmittel (3), die an der Oberfläche des optischen Wellenleiters und des Substrats ausgebildet sind, und ein Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes, das ein elektrisches Hochfrequenzfeld an den optischen Wellenleiter durch die isolierenden Zwischenschichtmittel anlegt und eine erste Elektrode (4) umfaßt, angeordnet längs des optischen Wellenleiters (2), und eine zweite Elektrode (4') umfaßt, angeordnet parallel zu der ersten Elektrode, wobei das isolierende Zwischenschichtmittel einen ersten Bereich umfaßt, ausgebildet zwischen der ersten Elektrode und dem optischen Wellenleiter, und einen zweiten Bereich im Abstand von dem ersten, ausgebildet zwischen der zweiten Elektrode und dem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte erste Bereich eine Breite besitzt, die kleiner ist als die Breite der ersten Elektrode.

2. Ein optischer Modulator nach Anspruch 1, bei dem der zweite Bereich eine Breite hat, die gleich oder schmaler ist als die Breite der genannten zweiten Elektrode.

3. Ein optischer Modulator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Formen der ersten und zweiten Elektrade und ihr Abstand voneinander so sind, daß C&sub0; = 1/(c n&sub0; Z&sub0;) wird, worin C&sub0; die statische Kapazität für den Fall ist, wo das Substrat, der optische Wellenleiter und das isolierende Zwischenschichtmittel als inexistent angenommen werden, n&sub0; der Refraktionsindex des optischen Wellenleiters bezüglich der Lichtübertragung ist, c die Lichtgeschwindigkeit ist und Z&sub0; die charakteristische Impedanz ist, erforderlich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, und daß die Formen und Materialien des Substrats des optischen Wellenleiters und der isolierenden Zwischenschichtmittel im wesentlichen die Bedingung C = n&sub0;/(Z&sub0; c) erfüllen, worin C die statische Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ist.

4. Ein optischer Modulator nach Anspruch 3, bei dem das Substrat eine Platte aus LiNbO&sub3; ist, die charakteristische Impedanz Z&sub0; 50 Ω beträgt und im wesentlichen die Beziehungen C&sub0; = 3,12 x 10&supmin;¹¹ F/m und C = 1,42 x 10&supmin;¹&sup0; F/m einhält für die Übertragung von Licht mit 1,55um Wellenlänge durch den optischen Wellenleiter.

5. Ein optischer Modulator nach Anspruch 4, bei dem die durch die unten wiedergegebene Gleichung ausgedrückte Beziehung zwischen der Breite W der ersten Elektrode, der Dicke t&sub1; der ersten Elektrode und dem Abstand G zwischen der ersten und der zweiten Elektrode eingehalten wird:

worin G, t&sub1; und W in um ausgedrückt sind.

6. Ein optischer Modulator nach Anspruch 4, bei dem das Material der isolierenden Zwischenschichtmittel SiO&sub2; ist, die Kapazität Cnon-ins zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, wenn die Isolationsschichtmittel weggedacht werden, in Beziehung mit der Dicke t&sub2; der lsolationsschichtmittel und der Breite W der ersten Elektrode gemäß folgender Gleichung in Beziehung steht:

und bei dem die Kapazität Cfull-ins zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, unter der Annahme, daß das Isolationsschichtmittel über der Gesamtoberfläche des Substrats und dem optischen Wellenleiter vorliegt,

die Beziehung erfüllt:

worin W und t&sub2; in um ausgedrückt sind.

7. Ein optischer Modulator nach Anspruch 6, bei dem die Dicke t&sub2; der isolierenden Zwischenschichtmittel mit der Breite W der ersten Elektrode über den Ausdruck in Beziehung steht:

0,0425W + 0,09 < t&sub2; < 0,183W + 0,102, worin W und t&sub2; in um

ausgedrückt sind.

8. Ein optischer Modulator nach Anspruch 1, bei dem der genannte erste Bereich, ausgebildet zwischen der genannten ersten Elektrode und dem genannten optischen Wellenleiter, eine Minimumbreite aufweist, die es ermöglicht, im wesentlichen den optischen Wellenleiter abzudecken.

9. Ein optischer Modulator nach Anspruch 1 oder Anspruch 8, bei dem der genannte erste Bereich, ausgebildet zwischen der genannten ersten Elektrode und dem genannten optischen Wellenleiter, eine Minimumbreite von etwa 0,2W aufweist, worin W die Breite der genannten ersten Elektrode ist.

10. Ein optischer Modulator nach Anspruch 1 oder Anspruch 8 oder Anspruch 9, bei dem die genannte erste Elektrode eine Breite W von zwischen etwa 6um und etwa 12um aufweist und eine Dicke t&sub1; von zwischen etwa 5um und etwa 20um, daß der genannte erste Bereich eine Dicke t&sub2; von zwischen etwa 0,5um und etwa 1,2um aufweist und der Abstand G der genannten ersten und zweiten Elektrode zwischen etwa 4um und etwa 12um liegt, wobei alle Grenzwerte eingeschlossen sind.

11. Ein optischer Modulator nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die genannte erste Elektrode eine Breite W von etwa 10um und eine Dicke t&sub1; von etwa 13um hat, der genannte erste Bereich eine Dicke t&sub2; von etwa 1um und der Abstand G der ersten und der zweiten Elektrode etwa 10um beträgt.

12. Ein Interferometer mit einem optischen Modulator, wie in einem der vorangehenden Ansprüche beansprucht.