FR2661256A1 - Integrated electrooptic modulator component - Google Patents
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Abstract
Description
Composant modulateur électro-optique intégré
La présente invention concerne un composant modulateur électro-optique intégré.Integrated electro-optical modulator component
The present invention relates to an integrated electro-optical modulator component.
Elle peut s'appliquer de façon générale, sauf indication contraire, à tous les composants de ce type, qui sont principalement les modulateurs de phase, les interféromètres de Mach-Zehnder, les coupleurs COBRA (Coupleur Optique Binaire RApide) et les coupleurs à jonction Y. It can be applied in general, unless otherwise indicated, to all components of this type, which are mainly phase modulators, Mach-Zehnder interferometers, COBRA couplers (Binary Optical Coupler FAST) and junction couplers Y.
De la même façon, le composant de l'invention peut être utilisé pour réaliser les différents types de modulation que l'on sait réaliser avec ces divers composants, à savoir les modulations de phase, d'amplitude ou de fréquence, ces différentes modulations pouvant d'ailleurs avoir pour effet de réaliser une fonction de commutation logique. In the same way, the component of the invention can be used to carry out the different types of modulation which it is known to carry out with these various components, namely the phase, amplitude or frequency modulations, these different modulations being able to moreover, they have the effect of providing a logic switching function.
Ces différents aspects de l'art antérieur sont exposés dans un article de Y. Bourbin, A. Énard, C. Moronvalle, M. Werner et M. Papuchon intitulé Modulation hyperfréquence en optique intégrée, paru dans la Revue Technique Thomson-CSF, Vol. 19, n" 3-4, septembre-décembre 1987, pages 519 à 550. These different aspects of the prior art are exposed in an article by Y. Bourbin, A. Énard, C. Moronvalle, M. Werner and M. Papuchon entitled Microwave modulation in integrated optics, published in the Revue Technique Thomson-CSF, Vol . 19, no. 3-4, September-December 1987, pages 519 to 550.
De façon générale, un tel composant comporte essentiellement un guide d'onde optique recevant une onde lumineuse à moduler, ainsi qu'une ligne de transmission électrique alimentée par un signal électrique hyperfréquence modulant. In general, such a component essentially comprises an optical waveguide receiving a light wave to be modulated, as well as an electrical transmission line supplied by a modulating microwave electrical signal.
Pour réaliser la modulation, on applique sur une certaine longueur (dite longueur d'interaction ) du guide d'onde un champ électrique qui sera l'image du signal présent sur la ligne de transmission et qui, par interaction électro-optique, va provoquer entre l'onde électrique et l'onde optique un transfert d'énergie ayant pour effet une modulation de cette dernière. To achieve the modulation, an electric field is applied to a certain length (called interaction length) of the waveguide which will be the image of the signal present on the transmission line and which, by electro-optical interaction, will cause between the electric wave and the optical wave an energy transfer having the effect of a modulation of the latter.
Dans un type particulier de composant, auquel appartient le composant de l'invention, on utilise une configuration dans laquelle on propage le signal hyperfréquence modulant sur la ligne de transmission sous forme d'une onde progressive, et on applique le champ de modulation électro-optique par une pluralité d'électrodes modulatrices localisées réparties le long du guide d'onde et réunies à des points localisés correspondants sur la ligne de transmission. In a particular type of component, to which the component of the invention belongs, a configuration is used in which the modulating microwave signal is propagated on the transmission line in the form of a traveling wave, and the electro-modulation field is applied. optical by a plurality of localized modulating electrodes distributed along the waveguide and joined at corresponding localized points on the transmission line.
L'utilisation d'une ligne hyperfréquence à onde progressive procure une importante largeur de bande de modulation, et les électrodes multiples réparties constituent des éléments suffisamment courts pour qu'il n'y ait pas propagation en leur sein, tout en recouvrant efficacement le guide pour obtenir la meilleure modulation. The use of a traveling wave microwave line provides a large modulation bandwidth, and the multiple distributed electrodes constitute elements short enough so that there is no propagation within them, while effectively covering the guide. to get the best modulation.
Une telle configuration est par exemple décrite dans un article de U. Langmann et D. Hoffmann intitulé Capacitively
Loaded Transmission Line for Subnanosecond Stepped ss Operation of an Integrated Optical Directional Coupler Switch, paru dans le 1982 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest,
Dallas, Texas, USA, 15-17 juin 1982, pages 110 à 112.Such a configuration is for example described in an article by U. Langmann and D. Hoffmann entitled Capacitively
Loaded Transmission Line for Subnanosecond Stepped ss Operation of an Integrated Optical Directional Coupler Switch, published in the 1982 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest,
Dallas, Texas, USA, June 15-17, 1982, pages 110 to 112.
Cependant, les composants de ce type présentent un fonctionnement limité en haute fréquence. However, components of this type have limited operation at high frequencies.
Cette limitation est due à deux causes principales: la capacité du système d'électrodes et le temps de transit de l'onde optique sous ces électrodes. This limitation is due to two main causes: the capacity of the electrode system and the transit time of the optical wave under these electrodes.
En premier lieu, les électrodes servant à appliquer le champ électrique de commande constituent électriquement une capacité, avec une valeur linéique qui est typiquement de plusieurs centaines de picofarads au mètre, ce qui aboutit à une capacité de l'ordre de 10 pF avec les longueurs d'interaction actuelles de l'ordre de quelques centimètres. Cette capacité contribue à former un filtre passe-bas avec la résistance de charge, typiquement de 50 Q, que requièrent la plupart des générateurs de signaux. First, the electrodes used to apply the electric control field electrically constitute a capacitance, with a linear value which is typically several hundred picofarads per meter, which results in a capacitance of the order of 10 pF with the lengths. interaction factors of the order of a few centimeters. This capacity contributes to forming a low-pass filter with the load resistance, typically 50 Q, that most signal generators require.
On se heurte ainsi à une première limitation en fréquence, avec des fréquences de coupure voisines de quelques centaines de mégahertz, qui atteignent, selon l'état de l'art actuel, un maximum de 3 GHz pour des composants dont on peut penser qu'une compensation inductive a lieu. We thus come up against a first frequency limitation, with cutoff frequencies close to a few hundred megahertz, which reach, according to the current state of the art, a maximum of 3 GHz for components which one might think that inductive compensation takes place.
La seconde limitation provient du temps que met la lumière à parcourir le guide sous les électrodes. En effet, l'effet électro-optique résulte d'une interaction entre deux phénomènes propa gatifs (lumineux et électrique), et on démontre que l'efficacité de la modulation est étroitement reliée au désaccord de phase que présentent les deux ondes guidées. C'est donc la différence entre les indices de propagation optique et électrique qui fixera la limitation en fréquence. The second limitation comes from the time it takes for light to travel through the guide under the electrodes. Indeed, the electro-optical effect results from an interaction between two propa gative phenomena (light and electric), and it is shown that the efficiency of the modulation is closely related to the phase mismatch presented by the two guided waves. It is therefore the difference between the optical and electrical propagation indices which will set the frequency limitation.
A cet égard, on distingue le comportement du dispositif selon que les ondes sont co-propagatives (c'est-à-dire que l'onde électrique se propage dans le même sens que l'onde optique) ou contrapropagatives (c'est-à-dire que l'onde électrique se propage en sens inverse de l'onde optique) : dans le premier cas, l'efficacité de modulation est d'autant plus grande que les indices respectifs sont proches et, dans le second cas, elle est d'autant plus grande que les indices sont grands. In this regard, we distinguish the behavior of the device according to whether the waves are co-propagative (that is to say that the electric wave propagates in the same direction as the optical wave) or counterpropagative (that is that is, the electric wave propagates in the opposite direction to the optical wave): in the first case, the modulation efficiency is all the greater the closer the respective indices and, in the second case, it the larger the indices are.
En particulier, dans le cas du niobate de lithium qui est l'un des matériaux les plus avantageux pour la réalisation de composants modulateurs compte tenu de ses coefficients électro-optiques très importants pour son activité Pockels (c'est-à-dire sa forte variation d'indice en fonction du champ électrique appliqué), la dispersion des constantes diélectriques, qui conditionne les vitesses des ondes aux fréquences optiques ou aux fréquences électriques de modulation, est relativement importante. In particular, in the case of lithium niobate which is one of the most advantageous materials for the production of modulator components given its very important electro-optical coefficients for its Pockels activity (i.e. its high variation of index according to the applied electric field), the dispersion of the dielectric constants, which conditions the velocities of the waves at the optical frequencies or the electric modulation frequencies, is relatively important.
Avec un tel matériau, et dans le cas de lignes sans pertes, la limite ultime de modulation, rapportée à la longueur d'interaction, est de l'ordre de 6 à 9 GHz.cm, en fonction de la structure guidante utilisée. With such a material, and in the case of lossless lines, the ultimate modulation limit, related to the interaction length, is of the order of 6 to 9 GHz.cm, depending on the guiding structure used.
Dans le cas d'une configuration co-propagative (qui est la plus fréquemment utilisée), diverses solutions ont été proposées pour réduire ce désaccord de phase, par exemple par emploi de structures d'électrodes apériodiquement renversées, par intervention de phénomènes résonnants, par réduction de l'épaisseur du substrat et utilisation de matériaux d'indices judicieusement choisis (ce qui complique beaucoup la fabrication), ou par interposition entre les électrodes et le substrat d'un matériau, lui aussi judicieusement choisi, ce qui en général détériore le guidage ou l'efficacité de la modulation. In the case of a co-propagative configuration (which is the most frequently used), various solutions have been proposed to reduce this phase mismatch, for example by using aperiodically reversed electrode structures, by the intervention of resonant phenomena, by reduction of the thickness of the substrate and use of materials with judiciously chosen indices (which greatly complicates manufacture), or by interposition between the electrodes and the substrate of a material, also judiciously chosen, which generally deteriorates the guidance or the efficiency of the modulation.
Aucune solution satisfaisante n'a été jusqu'à présent trouvée pour contrôler ce désaccord de phase, puisqu'actuellement les meilleures performances de bande passante sont de l'ordre de 40 GHz, et avec des longueurs d'interaction très courtes (de l'ordre de 2 mm) impliquant des puissances de modulation très élevées, typiquement de plusieurs watts. No satisfactory solution has so far been found to control this phase mismatch, since currently the best bandwidth performances are of the order of 40 GHz, and with very short interaction lengths (from 2 mm) involving very high modulation powers, typically several watts.
À ces problèmes de limitation de la bande passante vient s'ajouter une difficulté de conception tenant à la nécessaire adaptation d'impédance de la ligne de transmission électrique, qui doit avoir pour conséquence d'éviter des réflexions d'énergie et donc de mélanger des interactions co-propagatives ou contra-propagatives, selon le cas, entre l'onde optique et l'onde électrique de commande. In addition to these bandwidth limitation problems, there is a design difficulty due to the necessary impedance adaptation of the electrical transmission line, which must have the consequence of avoiding energy reflections and therefore of mixing co-propagative or counter-propagative interactions, as the case may be, between the optical wave and the electric control wave.
En effet, lorsque l'on rajoute des éléments discrets capacitifs (les électrodes modulatrices localisées) régulièrement répartis le long d'une ligne, on change l'impédance de cette dernière et, dans le cadre d'une approximation quasi-statique (approximation dite des modes TEM), l'impédance caractéristique est inversement proportionnelle à la racine carrée de la capacité linéique de la ligne.Par ailleurs, on montre aussi, notamment par l'utilisation de transformations conformes telles que la transformation de Schwartz Kristoffel, que l'impédance de la ligne est inversement proportionnelle à l'indice de tonde électrique : de la sorte, le fait de charger une ligne par des capacités revient à augmenter l'indice de l'onde de commande, ce qui contribue à accroître le désaccord de phase et pénalise donc le fonctionnement du modulateur dans le cas figure d'une interaction co-propagative. Indeed, when we add discrete capacitive elements (localized modulating electrodes) regularly distributed along a line, we change the impedance of the latter and, within the framework of a quasi-static approximation (so-called approximation TEM modes), the characteristic impedance is inversely proportional to the square root of the linear capacitance of the line. Furthermore, we also show, in particular by the use of conformal transformations such as the Schwartz Kristoffel transformation, that the line impedance is inversely proportional to the electrical probe index: in this way, charging a line with capacitors amounts to increasing the index of the control wave, which contributes to increasing the phase mismatch and therefore penalizes the operation of the modulator in the case of a co-propagative interaction.
La présente invention a pour but de remédier à ces limitations en proposant une structure de composant modulateur électro-optique intégré dans laquelle on puisse ajuster la vitesse de phase de l'onde hyperfréquence de manière à optimiser le désaccord de phase en fonction du mode d'interaction mis en jeu dans le composant. The object of the present invention is to remedy these limitations by proposing an integrated electro-optical modulator component structure in which the phase speed of the microwave wave can be adjusted so as to optimize the phase mismatch according to the mode of interaction involved in the component.
Plus précisément, l'invention vise un composant du type connu exposé dans l'article précité de Langmann et Hoffinann, c'est à-dire comprenant:
- un guide d'onde optique, recevant une onde lumineuse
à moduler,
- une ligne de transmission électrique, alimentée par
un signal hyperfréquence modulant et propageant
celui-ci sous forme d'une onde progressive, et
- des moyens d'interaction électro-optique, comprenant
une pluralité d'électrodes modulatrices localisées
réparties le long du guide d'onde et réunies à des
points localisés correspondants sur la ligne de trans
mission,
ces électrodes appliquant au guide d'onde un champ
électrique de modulation propre à provoquer une
interaction électro-optique entre l'onde optique et
l'onde progressive électrique de commande.More specifically, the invention relates to a component of the known type exposed in the aforementioned article by Langmann and Hoffinann, that is to say comprising:
- an optical waveguide, receiving a light wave
to modulate,
- an electrical transmission line, powered by
a modulating and propagating microwave signal
this in the form of a traveling wave, and
- electro-optical interaction means, comprising
a plurality of localized modulating electrodes
distributed along the waveguide and joined to
corresponding localized points on the trans line
mission,
these electrodes applying a field to the waveguide
electric modulation capable of causing
electro-optical interaction between the optical wave and
the electric control progressive wave.
Selon l'invention, ce composant est caractérisé en ce que, ladite interaction étant co-propagative ou bien contra-propagative selon les sens respectifs de propagation de l'onde optique et de l'onde électrique, on détermine le matériau de la zone d'interaction électrooptique et la configuration des électrodes modulatrices de manière à réduire, dans le cas d'une interaction co-propagative, ou à accroître, dans le cas d'une interaction contra-propagative, l'écart entre, d'une part, l'indice électrique corrigé par la capacité linéique des électrodes modulatrices et, d'autre part, l'indice optique dans la zone d'interaction électro-optique. According to the invention, this component is characterized in that, said interaction being co-propagative or counter-propagative depending on the respective directions of propagation of the optical wave and the electric wave, the material of the area d is determined. electrooptical interaction and the configuration of the modulating electrodes so as to reduce, in the case of a co-propagative interaction, or to increase, in the case of a counter-propagative interaction, the difference between, on the one hand, the electrical index corrected by the linear capacity of the modulating electrodes and, on the other hand, the optical index in the electro-optical interaction zone.
Dans un premier mode de réalisation, correspondant au cas de l'interaction co-propagative, le substrat du composant est un substrat composite constitué d'un premier matériau dans la zone portant la ligne de transmission et d'un second matériau, différent du premier, dans la zone d'interaction électro-optique, la constante diélectrique du premier matériau étant plus faible que celle du second matériau, de manière que, dans la zone d'interaction électrooptique, l'indice électrique, corrigé par la capacité linéique des électrodes modulatrices, présente une valeur essentiellement égale à celle de l'indice optique dans cette même zone. In a first embodiment, corresponding to the case of co-propagative interaction, the component substrate is a composite substrate made up of a first material in the area carrying the transmission line and of a second material, different from the first , in the electro-optical interaction zone, the dielectric constant of the first material being lower than that of the second material, so that, in the electro-optical interaction zone, the electrical index, corrected by the linear capacitance of the electrodes modulators, has a value essentially equal to that of the optical index in this same area.
En d'autres termes, on distingue le problème de la propa gation de l'onde hyperfréquence (impédance et pertes) de celui de l'efficacité de modulation, ce qui amène à déterminer les paramètres du composant de la manière suivante:
- choix d'un matériau optique;
- compte tenu de la nature de ce matériau et de la
structure d'électrodes choisie, détermination des
dimensions des électrodes pour obtenir l'efficacité de
modulation électro-optique voulue;
- une fois déterminées les caractéristiques de ces élec
trodes, calcul du facteur correctif que l'on devra appli
quer à l'indice électrique, puis à l'impédance caracté
ristique d'une ligne non chargée pour obtenir l'impé
dance de la ligne chargée; et
- choix du matériau électrique et de la configuration de
la ligne de manière à obtenir l'impédance voulue.In other words, we distinguish the problem of the propagation of the microwave wave (impedance and losses) from that of the modulation efficiency, which leads to determine the parameters of the component as follows:
- choice of an optical material;
- taking into account the nature of this material and the
chosen electrode structure, determination of
dimensions of the electrodes to obtain the efficiency of
desired electro-optical modulation;
- once the characteristics of these electors have been determined
trodes, calculation of the corrective factor to be applied
quer to the electrical index, then to the character impedance
ristic of an unloaded line to get the impé
dance of the loaded line; and
- choice of electrical material and configuration of
the line so as to obtain the desired impedance.
Dans le second mode de réalisation de l'invention, l'interaction électro-optique est une interaction contra-propagative et ledit composant est un coupleur à jonction Y fonctionnant en mode de résonance intrinsèque. In the second embodiment of the invention, the electro-optical interaction is a counter-propagative interaction and said component is a Y-junction coupler operating in intrinsic resonance mode.
On utilise dans ce cas le phénomène, exposé plus haut, par lequel les éléments capacitifs contribuent à augmenter le désaccord de phase, pour accroître l'efficacité de modulation qui, dans le cas d'une interaction contra-propagative, sera d'autant meilleure que l'écart entre les indices électriques et optiques sera important. In this case, the phenomenon described above is used, whereby the capacitive elements contribute to increasing the phase mismatch, in order to increase the modulation efficiency which, in the case of a counter-propagative interaction, will be all the better. that the difference between the electrical and optical indices will be significant.
Dans ce cas, le composant peut être réalisé soit sur un substrat unique, soit sur un substrat hybride, comme pour le premier mode de réalisation, c'est-à-dire que le substrat du composant sera un substrat composite constitué d'un premier matériau dans la zone portant la ligne de transmission et d'un second matériau, différent du premier, dans la zone d'interaction électro-optique, la constante diélectrique du premier matériau étant plus élevée que celle du second matériau, de manière à maximiser, dans la zone d'interaction électro-optique, l'écart entre la valeur de l'indice électrique, corrigé par la capacité linéique des électrodes modulatrices, et celle de l'indice optique dans cette même zone. In this case, the component can be produced either on a single substrate, or on a hybrid substrate, as for the first embodiment, that is to say that the component substrate will be a composite substrate consisting of a first material in the zone carrying the transmission line and a second material, different from the first, in the electro-optical interaction zone, the dielectric constant of the first material being higher than that of the second material, so as to maximize, in the electro-optical interaction zone, the difference between the value of the electrical index, corrected by the linear capacity of the modulating electrodes, and that of the optical index in this same zone.
Lorsque, dans l'un ou l'autre des modes de réalisation, on prévoit un substrat hybride, il est avantageux de prévoir un certain nombre de caractéristiques préférentielles selon lesquelles, notamment:
- ledit premier matériau est l'alumine;
- ledit second matériau est un matériau du groupe com
prenant le niobate de lithium et les semiconducteurs 111-V;
- le second matériau est juxtaposé et collé au premier
matériau ou, en variante, il est superposé et collé au
premier matériau ou, selon une autre variante encore,
le premier matériau et le second matériau sont dispo
sés selon un empilement de couches obtenu au cours
d'étapes successives d'un même processus de fabrica
tion.When, in one or other of the embodiments, a hybrid substrate is provided, it is advantageous to provide a certain number of preferential characteristics according to which, in particular:
- said first material is alumina;
- said second material is a material from the group com
taking lithium niobate and 111-V semiconductors;
- the second material is juxtaposed and glued to the first
material or, alternatively, it is superimposed and glued to the
first material or, according to yet another variant,
the first material and the second material are available
sés according to a stack of layers obtained during
successive stages of the same manufacturing process
tion.
Par ailleurs, dans tous les cas, on peut avantageusement choisir de réaliser la partie électrique hyperfréquence en technologie microruban (technologie microstrip) sur un substrat portant, sur l'une de ses faces, une métallisation formant plan de masse et, sur la face opposée, la ligne de transmission et les électrodes modulatrices. Furthermore, in all cases, it is advantageously possible to choose to produce the microwave electrical part in microstrip technology (microstrip technology) on a substrate carrying, on one of its faces, a metallization forming a ground plane and, on the opposite face , the transmission line and the modulating electrodes.
Cette technologie présente, par rapport à la technologie à électrodes coplanaires asymétriques utilisée pour la quasi-totalité des composants de l'art antérieur, l'avantage d'une beaucoup plus grande compacité et d'un très bon recouvrement du champ optique et du champ électrique. This technology has, compared to the asymmetric coplanar electrode technology used for almost all of the components of the prior art, the advantage of a much greater compactness and a very good overlap of the optical field and the field electric.
#
On va maintenant décrire en détail l'invention, en référence aux figures annexées.#
We will now describe in detail the invention, with reference to the accompanying figures.
La figure 1 est une vue en plan d'un composant modulateur de phase réalisé conformément au premier mode de réalisation précité de l'invention. FIG. 1 is a plan view of a phase modulator component produced in accordance with the aforementioned first embodiment of the invention.
La figure 2 est une vue en coupe, selon II-II de la figure 1, de ce même composant. Figure 2 is a sectional view, along II-II of Figure 1, of the same component.
La figure 3 est une vue en plan d'un composant modulateur de phase réalisé conformément au second mode de réalisation précité de l'invention. FIG. 3 is a plan view of a phase modulator component produced in accordance with the aforementioned second embodiment of the invention.
La figure 4 illustre une variante de réalisation de la figure 1. FIG. 4 illustrates an alternative embodiment of FIG. 1.
La figure 5 est une vue en coupe du composant de la figure 4, prise selon la ligne V-V de la figure 4. FIG. 5 is a sectional view of the component of FIG. 4, taken along the line V-V of FIG. 4.
#
La figure I illustre le cas d'un modulateur de phase simple réalisée selon les enseignements de l'invention.#
Figure I illustrates the case of a simple phase modulator produced according to the teachings of the invention.
L'homme du métier comprendra que l'on peut extrapoler les enseignements de l'invention à la réalisation de composants plus complexes tels que des interféromètres de Mach-Zehnder, des coupleurs COBRA et des coupleurs à jonction Y, composants qui comprennent tous au moins une branche fonctionnant sur le principe de la modulation de phase. Those skilled in the art will understand that the lessons of the invention can be extrapolated to the production of more complex components such as Mach-Zehnder interferometers, COBRA couplers and Y-junction couplers, components which all include at least a branch operating on the principle of phase modulation.
Ce composant comporte essentiellement un guide d'onde optique 1 recevant en entrée (flèche 2) une onde optique à moduler et délivrant en sortie (flèche 3) une onde optique modulée, ainsi qu'une ligne de transmission électrique 4 alimentée par une source 5 délivrant un signal hyperfréquence modulant et propageant celui-ci sous forme d'une onde progressive dans le sens indiqué par la flèche 6. This component essentially comprises an optical waveguide 1 receiving at the input (arrow 2) an optical wave to be modulated and delivering at the output (arrow 3) a modulated optical wave, as well as an electrical transmission line 4 supplied by a source 5 delivering a microwave signal modulating and propagating it in the form of a progressive wave in the direction indicated by the arrow 6.
La référence 7 désigne l'impédance de charge sur laquelle est fermée la ligne, qui utilise également, comme on peut le voir sur la figure 2, un plan de masse 8 situé sur la face opposée du substrat (technologie microruban). The reference 7 designates the load impedance on which the line is closed, which also uses, as can be seen in FIG. 2, a ground plane 8 located on the opposite face of the substrate (microstrip technology).
Pour réaliser l'interaction électro-optique, on prévoit audessus du guide d'onde 1 une pluralité d'électrodes modulatrices localisées 9 qui, prises ensemble, recouvrent le guide 1 sur une longueur d'interaction Lc. Pour éviter qu'une onde progressive ne se propage à l'intérieur de chacune de ces électrodes, on donne à chacune de celles-ci une longueur notablement inférieure à la longueur d'onde du signal hyperfréquence, typiquement une longueur de l'ordre d'un dixième de la longueur d'onde du signal électrique transmis par la ligne 4. Chacune de ces électrodes est reliée à un point homologue 10 de la ligne 4 par l'intermédiaire d'une liaison électrique 11. To perform the electro-optical interaction, a plurality of localized modulating electrodes 9 are provided above the waveguide 1 which, taken together, cover the guide 1 over an interaction length Lc. To prevent a traveling wave from propagating inside each of these electrodes, each of these is given a length significantly less than the wavelength of the microwave signal, typically a length of the order of one tenth of the wavelength of the electrical signal transmitted by the line 4. Each of these electrodes is connected to a homologous point 10 of the line 4 via an electrical connection 11.
De façon caractéristique de l'invention, le composant de ce mode de réalisation est réalisé sur un substrat composite formé de deux matériaux différents 12 et 13, la ligne de transmission 4 étant réalisée sur le substrat du matériau 12 (qui, pour cette raison, sera désigné matériau électrique ) et le guide d'onde 1 étant réalisé sur le substrat en matériau 13 (qui, pour cette raison, sera désigné matériau optique ). Characteristically of the invention, the component of this embodiment is produced on a composite substrate formed of two different materials 12 and 13, the transmission line 4 being produced on the substrate of the material 12 (which, for this reason, will be designated electrical material) and the waveguide 1 being produced on the substrate made of material 13 (which, for this reason, will be designated optical material).
De préférence, mais de façon non exclusive, le matériau optique est le niobate de lithium LiNbO3 et le matériau électrique est l'alumine AI2O3, ces matériaux étant choisis l'un pour ses excellentes propriétés optiques et l'autre pour ses excellentes propriétés électriques. Preferably, but not exclusively, the optical material is lithium niobate LiNbO3 and the electrical material is alumina AI2O3, these materials being chosen one for its excellent optical properties and the other for its excellent electrical properties.
L'impédance d'une ligne, dans le cas de l'approximation des modes TEM (approximation quasi-statique mentionnée plus haut) est reliée à sa capacité par les relations suivantes:
Zo= Za [Ca/COlll2, avec
Za =Ca/é,
c étant la vitesse de la lumière dans le vide,
CO étant la capacité de la ligne, et
Za et C a étant l'impédance et Ia capacité de cette même
ligne dans le cas où le diélectrique serait remplacé par de
l'air.The impedance of a line, in the case of the TEM mode approximation (quasi-static approximation mentioned above) is related to its capacity by the following relationships:
Zo = Za [Ca / COlll2, with
Za = Ca / é,
c being the speed of light in a vacuum,
CO being the capacity of the line, and
Za and C a being the impedance and the capacity of this same
line in the event that the dielectric is replaced by
the air.
Lorsqu'on la charge par des éléments, tels que les électrodes de modulation 9, qui sont petits devant la longueur d'onde et peuvent être assimilées à une capacité linéique C P son impédance devient:
Z = Z0 / [1+(C 0p/C0) = Za / [((1+#r)/2)(1+C0p/C0)],
sur étant la constante diélectrique relative du substrat sur
lequel est formé la ligne (ici, le substrat électrique 12).When it is charged by elements, such as the modulation electrodes 9, which are small compared to the wavelength and can be assimilated to a linear capacitance CP, its impedance becomes:
Z = Z0 / [1+ (C 0p / C0) = Za / [((1 + # r) / 2) (1 + C0p / C0)],
on being the relative dielectric constant of the substrate on
which line is formed (here, the electrical substrate 12).
On voit ainsi, comme on l'a indiqué au début de la présente description, que l'impédance de la ligne va diminuer lorsque
C va augmenter.It is thus seen, as indicated at the beginning of this description, that the line impedance will decrease when
C will increase.
L'indice électrique nel de l'onde hyperfréquence, quant à lui, va être multiplié par le facteur (1+C0p/C0). The electrical index of the microwave wave, on the other hand, will be multiplied by the factor (1 + C0p / C0).
Du fait que l'indice électrique propre de la ligne vaut [(1+erY2J112 (la propagation ayant lieu moitié dans l'air, moitié dans le substrat, puisqu'il s'agit d'une ligne formée en surface du substrat), l'indice électrique corrigé par la capacité linéique des électrodes modulatrices devient:
nel = [((1+#r)/(1+C0p/C0) ]1/2
Ces relations établies, on calcule isolément chaque électrode 9 de manière à moduler efficacement la lumière guidée, ce qui va déterminer le paramètre C0p.Because the proper electrical index of the line is equal to [(1 + erY2J112 (the propagation takes place half in the air, half in the substrate, since it is a line formed on the surface of the substrate), the electrical index corrected by the linear capacity of the modulating electrodes becomes:
nel = [((1 + # r) / (1 + C0p / C0)] 1/2
These relationships established, each electrode 9 is calculated in isolation so as to efficiently modulate the guided light, which will determine the parameter C0p.
Ce paramètre étant ainsi déterminé, si l'on veut satisfaire les conditions d'accord de phase et d'adaptation d'impédance sur une charge ZL, on doit vérifier les relations:
nel = nOp,
Z=ZL, et
ZL = Za/n0P.This parameter being thus determined, if one wants to satisfy the conditions of phase agreement and impedance adaptation on a load ZL, one must check the relations:
nel = nOp,
Z = ZL, and
ZL = Za / n0P.
Ce qui peut s'écrire sous la forme: ((1+#r)/2)(1+C0p /(Ca(1+#r)/2)) = n0p
Ce qui entraîne:
er =2(n0p-cC0pZLn0p)-1
On choisira le matériau électrique (qui détermine er), le matériau optique (qui détermine n0p), la géométrie des électrodes (qui détermine C0p) et l'impédance de charge (ZL) pour que cette relation se trouve vérifiée ou approchée au mieux.Which can be written in the form: ((1 + # r) / 2) (1 + C0p / (Ca (1 + # r) / 2)) = n0p
Which leads to:
er = 2 (n0p-cC0pZLn0p) -1
We will choose the electric material (which determines er), the optical material (which determines n0p), the geometry of the electrodes (which determines C0p) and the impedance of charge (ZL) so that this relation is checked or approached at best.
On veillera cependant, puisqu'il faut que r soit toujours supérieur à l'unité, à ce que la condition:
C0p < (ZL/c)(n0p - 1/n P)
soit toujours vérifiée, ce qui revient à dire que, si la capacité des électrodes modulatrices placées sur le matériau optique est trop forte, on ne pourra pas réaliser l'accord de phase ou l'adaptation d'impédance. ll faudra dans ce cas soit modifier la configuration des électrodes pour réduire Cop > soit choisir une impédance de charge ZL plus faible si l'on veut pouvoir trouver un matériau de permittivité ex satisfaisant.However, we must ensure that since r is always greater than unity, that the condition:
C0p <(ZL / c) (n0p - 1 / n P)
is always verified, which amounts to saying that if the capacity of the modulating electrodes placed on the optical material is too high, it will not be possible to achieve phase matching or impedance matching. In this case, you must either modify the configuration of the electrodes to reduce Cop> or choose a lower charge impedance ZL if you want to be able to find a material of satisfactory permittivity.
A titre d'exemple, on peut considérer un guide formé dans un matériau semiconducteur III-V tel que InGaAsP/InP, propageant un mode unique, d'indice effectif n0p 3,3. La ligne sera chargée sur ZL = 25 # et fabriqué sur un substrat en alumine de permit tivité r = 9,7). Les capacités de charge constituées par les électrodes modulatrices vaudront alors C0p =1 nF/m. As an example, one can consider a guide formed in a III-V semiconductor material such as InGaAsP / InP, propagating a single mode, of effective index n0p 3.3. The line will be loaded on ZL = 25 # and manufactured on an alumina substrate with perm tivity r = 9.7). The charge capacities constituted by the modulating electrodes will then be worth C0p = 1 nF / m.
On peut montrer que, dans un tel exemple, il est possible de moduler à 4 GHz un coupleur directionnel à jonction Y utilisant ces guides mis en interaction sur une longueur de 1 cm, donc avec des puissances de commande modérées. It can be shown that, in such an example, it is possible to modulate at 4 GHz a directional coupler with Y junction using these guides interacted over a length of 1 cm, therefore with moderate control powers.
On pourrait également utiliser comme matériau optique le niobate de lithium LiNbO3, qui présente un indice optique effectif nOp = 2,2 et dont les propriétés optiques avantageuses sont bien connues de l'homme du métier. One could also use as optical material lithium niobate LiNbO3, which has an effective optical index nOp = 2.2 and whose advantageous optical properties are well known to those skilled in the art.
La figure 3 illustre le second mode de réalisation de l'invention, dans lequel on utilise une interaction non plus co-propagative mais contra-propagative, c'est-à-dire que, pour un même sens de propagation de l'onde lumineuse (flèches 2, 3), l'onde progressive électrique de commande se propage en sens inverse de l'onde optique, comme indiqué par la flèche 14 (dont le sens est inversé par rapport à celui de la flèche 6 de la figure 1 correspondant au premier mode de réalisation). FIG. 3 illustrates the second embodiment of the invention, in which an interaction is no longer co-propagative but counter-propagative, that is to say that, for the same direction of propagation of the light wave (arrows 2, 3), the electric progressive control wave propagates in the opposite direction to the optical wave, as indicated by arrow 14 (the direction of which is reversed with respect to that of arrow 6 of FIG. 1 corresponding in the first embodiment).
Cette interaction contra-propagative est en particulier caractéristique des coupleurs à jonction Y fonctionnant en mode de résonance intrinsèque. This counter-propagative interaction is in particular characteristic of Y-junction couplers operating in intrinsic resonance mode.
On se reportera à ce sujet à un article de Y. Bourbin,
M. Papuchon, O. Prat, A. Énard et C. Moronvalle intitulé Principes de résonance intrinsèque aux hyperfréquences en optique intégrée, paru dans la Revue Technique Thomson-CSF, Vol. 19, no 3-4, septembre-décembre 1987, pages 575 à 596, qui explique les aspects théoriques aussi bien que pratiques du fonctionnement et de la réalisation d'un tel composant, qui fait par ailleurs l'objet du FR-A2 618 273 intitulé Modulateur/commutateur électro-optique intégré à réponse passe-bande, au nom de Thomson-CSF.We will refer to this subject in an article by Y. Bourbin,
M. Papuchon, O. Prat, A. Énard and C. Moronvalle entitled Principles of intrinsic microwave resonance in integrated optics, published in the Thomson-CSF Technical Review, Vol. 19, no 3-4, September-December 1987, pages 575 to 596, which explains the theoretical as well as practical aspects of the operation and production of such a component, which is also the subject of FR-A2 618 273 entitled Integrated band-pass response electro-optical modulator / switch, on behalf of Thomson-CSF.
La structure du composant est comparable, dans son ensemble à celle du composant de la figure 1 (les mêmes références numériques désignant des éléments semblables), les électrodes modulatrices 9 étant disposées au-dessus de l'un des deux guides 1, 1' constituant les deux branches du coupleur en Y. The structure of the component is comparable, as a whole to that of the component of FIG. 1 (the same reference numerals designating similar elements), the modulating electrodes 9 being arranged above one of the two guides 1, 1 'constituting the two branches of the Y coupler.
Contrairement au cas précédent, il est possible de réaliser la ligne 4 et les guides optiques 1,1' sur un même substrat 12 qui sera le substrat optique (typiquement, le niobate de lithium), dont le matériau sera le siège de l'interaction contra-propagative entre les phénomènes optique et électrique. Unlike the previous case, it is possible to produce the line 4 and the optical guides 1.1 ′ on the same substrate 12 which will be the optical substrate (typically, lithium niobate), the material of which will be the seat of the interaction counter propagative between optical and electrical phenomena.
Si l'on suppose par exemple une capacité de 250 pF/m pour les électrodes modulatrices 9, une fréquence de résonance de 10 GHz et une largeur de bande de 1 GHz, il est possible, par la présence des électrodes localisées répartie, d'augmenter le désaccord de phase de manière à renforcer le phénomène de résonance intrinsèque. If, for example, a capacity of 250 pF / m is assumed for the modulating electrodes 9, a resonance frequency of 10 GHz and a bandwidth of 1 GHz, it is possible, by the presence of the distributed localized electrodes, to increase the phase variance so as to reinforce the phenomenon of intrinsic resonance.
Pour le niobate de lithium, qui présente déjà un indice électrique propre (de l'ordre de 4,2) plus élevé que l'indice optique propre (de l'ordre de 2,2) on peut accroître encore cet écart d'indices, en faisant passer, par l'effet de la capacité linéique des électrodes modulatrices, l'indice électrique effectif à une valeur de l'ordre de 7,3. For lithium niobate, which already has a clean electrical index (of the order of 4.2) higher than the clean optical index (of the order of 2.2), this difference in indices can be further increased , by passing, by the effect of the linear capacity of the modulating electrodes, the effective electrical index to a value of the order of 7.3.
Bien qu'il soit évidemment plus simple d'utiliser un seul et même matériau (le matériau optique) pour le substrat 12, on pourrait néanmoins utiliser deux matériaux différents pour la partie électrique et pour la partie optique, comme cela est symbolisé par la ligne en trait interrompu 15. Although it is obviously simpler to use one and the same material (the optical material) for the substrate 12, one could nevertheless use two different materials for the electrical part and for the optical part, as symbolized by the line dashed line 15.
On choisira alors, dans ce dernier cas, la constante diélectrique du matériau électrique 12 pour qu'elle soit supérieure (et non plus inférieure, comme dans le cas du premier mode de réalisation de la figure 1) à celle du matériau optique, ceci afin de pouvoir maximiser l'écart entre l'indice optique et l'indice électrique. We will then choose, in the latter case, the dielectric constant of the electrical material 12 so that it is greater (and no longer lower, as in the case of the first embodiment of FIG. 1) than that of the optical material, this in order to be able to maximize the difference between the optical index and the electrical index.
Lorsque, dans l'un ou l'autre des modes de réalisation, on utilise deux matériaux différents pour le substrat optique et pour le substrat électrique, plusieurs configurations relatives de ces deux substrats peuvent être envisagés. When, in one or other of the embodiments, two different materials are used for the optical substrate and for the electrical substrate, several relative configurations of these two substrates can be envisaged.
Une première configuration est celle illustrée figures 1 et 2, dans laquelle le substrat en matériau optique 13 est juxtaposé au substrat en matériau électrique 12, avec par exemple collage entre ces deux matériaux dans leur zone de contact. A first configuration is that illustrated in FIGS. 1 and 2, in which the substrate made of optical material 13 is juxtaposed with the substrate made of electrical material 12, with for example bonding between these two materials in their contact zone.
Une autre configuration possible est celle illustrée figures 4 et 5, dans laquelle les deux matériaux 12 et 13 ne sont plus juxtaposés mais superposés, le matériau optique 13 constituant un bloc posé par-dessus le substrat de matériau électrique 12 et collé (par exemple) à celui-ci, les électrodes modulatrices 9 étant formées sur ce second bloc 13. Another possible configuration is that illustrated in FIGS. 4 and 5, in which the two materials 12 and 13 are no longer juxtaposed but superimposed, the optical material 13 constituting a block placed over the substrate of electrical material 12 and bonded (for example) to it, the modulating electrodes 9 being formed on this second block 13.
Cette disposition permet notamment d'utiliser pour la ligne hyperfréquence une structure classique d'électrodes coplanaires asymétriques, c'est-à-dire avec un plan de masse 16 formé sur la même face du substrat 12 que la ligne de transmission proprement dite 4. This arrangement makes it possible in particular to use for the microwave line a conventional structure of asymmetrical coplanar electrodes, that is to say with a ground plane 16 formed on the same face of the substrate 12 as the transmission line proper 4.
Dans une autre configuration (non représentée), on pourrait également former, au cours d'une même série d'étapes de pro cessus, un empilement de couches en matériaux différents, de manière à obtenir une structure semblable à celle des figures 4 et 5, mais sous forme monolithique. Cet empilement peut notamment être obtenu par épitaxie. In another configuration (not shown), one could also form, during the same series of process steps, a stack of layers of different materials, so as to obtain a structure similar to that of FIGS. 4 and 5 , but in monolithic form. This stack can in particular be obtained by epitaxy.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9005077A FR2661256A1 (en) | 1990-04-20 | 1990-04-20 | Integrated electrooptic modulator component |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9005077A FR2661256A1 (en) | 1990-04-20 | 1990-04-20 | Integrated electrooptic modulator component |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2661256A1 true FR2661256A1 (en) | 1991-10-25 |
Family
ID=9395946
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9005077A Withdrawn FR2661256A1 (en) | 1990-04-20 | 1990-04-20 | Integrated electrooptic modulator component |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2661256A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8078014B1 (en) * | 2008-09-22 | 2011-12-13 | Hrl Laboratories, Llc | High-speed electro-optical modulator |
| US9335568B1 (en) | 2011-06-02 | 2016-05-10 | Hrl Laboratories, Llc | Electro-optic grating modulator |
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|---|---|---|---|---|
| DE3218626C1 (en) * | 1982-05-18 | 1983-07-21 | Ulrich Dr.-Ing. 4330 Mülheim Langmann | Controllable integrated-optical components |
| US4693549A (en) * | 1985-04-04 | 1987-09-15 | United Technologies Corporation | Optically buffered waveguide modulator |
-
1990
- 1990-04-20 FR FR9005077A patent/FR2661256A1/en not_active Withdrawn
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