JP2000507718A

JP2000507718A - セグメント化電極を備えた線形式光変調器

Info

Publication number: JP2000507718A
Application number: JP9535277A
Authority: JP
Inventors: スケイ、ハルヴァー
Original assignee: Crystal Technology Inc
Current assignee: Crystal Technology Inc
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-03-13
Publication date: 2000-06-20
Also published as: WO1997037278A1; US5671302A; AU2581597A; US5854862A; TW384403B; EP0890133A1

Abstract

(57)【要約】セグメント化電極および非平行導波路構造を用いて実現された複数個の光変調器（８１０，８２０）は光カプラを用いてカスケード接続され、全体的な電気光学的伝導機能の線形化を提供する。カスケード接続された光変調器の各々は比較的小寸の複数個のセグメント（８４０，８４２，８４４）に分割された電極構造を有している。これらのセグメントは隣接するマイクロ波配線基板上の結合ワイヤおよび伝送路を介して接続される。前記光変調器の各々は傾斜された一対の導波路（４１４，４１６）を含むことにより、例えばリプルなどの音響効果を減少する非平行導波路構造に帰着する。複数個の小寸セグメントを用いて前記電極構造を実現することにより、単一個の長寸電極構造を用いた場合と比較して高い感度が達成される。非平行導波路とセグメント化電極との組合せは、例えば１ＧＨｚを超えても比較的に大きく且つフラットな周波数応答を提供する。前記電極構造はまた、該電極構造の実効静電容量を最小化すべく設計され、これにより、中実電極を用いたデバイスと比較して本発明の光変調器の帯域幅を広げている。

Description

【発明の詳細な説明】セグメント化電極を備えた線形式光変調器発明の分野本発明は変調器に関し、より詳細には、傾斜導波路を備えた集積型電気光学的変調器に関する。発明の背景光ファイバ通信システムにおいては、集積型電気光学的変調器の用途が拡大している。斯かるシステムは、従来の電磁気的通信ラインの代替物として開発されつつある。現在の光ファイバ通信システムとしては、例えば、高出力で低雑音のレーザ源を外部の広帯域幅変調器と組合せて含むものもある。また、種々の構造の光変調器が既に公知となっている。公知の構造の中でも、同一の光源から発するコヒーレントな光ビームもしくは光成分の間の干渉を利用したものがある。斯かる変調器は、各光ビームを組合せる前にそれらを相互に選択的に位相シフトし、組合せられた光ビームに所望の強度変調を掛けている。この点に関し、特にニオブ酸リチウムもしくはタンタル酸リチウムなどの電気光学的効果を呈する光学材料を採用した集積型光強度変調器は多くの利点を提供することから、その重要性が増すと共に、高性能アナログ式光ファイバリンクにおいて一般的になりつつあることを挙げておく。斯かる変調器の用途としては、限定的なものとしてでは無く、ケーブルテレビ、アンテナ・リモーティングおよびフェーズド・アレイ・レーダが挙げられる。斯かるシステムにおける共通の問題は、そのダイナミックレンジが、相互変調歪みと、変調器の非線形性による高調波歪みとにより制限されることである。公知の変調器設計態様の第１のものは、図１中に参照番号１００により示されている。図１は、進行波形態変調器として知られたものを示している。図示された如く、公知の進行波変調器は、着信導波路セグメントもしくはチャネル１１０、Ｙ入力導波路カプラ１１２、上下の導波路セグメント１１４、１１６、Ｙ出力導波路カプラ１１８、および、出力導波路セグメント１１９を備えて成る。上下の外部電極１０５、１０６は平行に且つ上下の導波路セグメント１１４、１１６に近接して配置される。また、上下の導波セグメント１１４、１１６間に位置せしめられた中央電極１０３には、ＲＦ入力１０２が連結される。中央電極１０３は、例えば５０オームの抵抗器などの終端インピーダンス１０４に連結される。一方、この終端インピーダンス１０４は接地されている。進行波形態における変調電子信号は、着信導波路セグメント１１０を介して入力されると共に出力導波路セグメント１１９を介して出力される光波信号と共線的に進行する。斯かる設計態様においては、最適な周波数応答を得る為には良好に形成された単一の入力のみが可能である。進行波形態の周波数応答は、電極構造により構成された共面的伝送路の特性インピーダンスと、マイクロ波信号および光波信号が電極構造の丈に沿って伝搬するときの両信号間の時的遅延の差と、により制限される。通常、終端インピーダンスに対する良好な整合を得ると共に差分遅延を小さくする為には、電極と基体との間の誘電緩衝層、並びに、極めて厚寸の金属被覆が必要とされる。而して、長寸の電極構造を用いて高い変調感度を与えることもある。斯かる構造を有する変調器においては、緩衝層の特性に依存するものではあるが、基体の加熱により不安定性の問題が生じ得る。上述した進行導波変調器の形態は、達成され得る帯域幅に関して他の設計態様と比較して幾つかの利点を提供するが、幾つかの不都合点も有している。実際問題として、進行波形態を用いて構成された変調器は、実現することが困難且つ至難な設計態様の制約を受ける。即ち、５０オームに近い特性ＲＦインピーダンスを備えた共面的マイクロ波伝送路を設計することは困難であろう。従って、進行波形態を用いること無く、例えば１ＧＨｚおよびそれ以上の比較的広い帯域幅をサポートし得る光変調器に対する要望がある。図２を参照すると、別の公知の光変調器、即ち、参照番号２００で表されるマッハ-ツェンダー強度変調器が示されている。光変調器２００は、入力導波路セグメント２１０、Ｙ分岐導波路カプラ２１２、上下の導波路セグメント２１４、２１６、Ｙ分岐導波路カプラ２１８、および、出力導波路セグメント２１９を備えて成る。図示された様に、導波路セグメント２１４、２１６間に配置された単一個の中央給電電極２０７が駆動電極として用いられる。該中央電極２０７は接地面２０９により囲繞されている。上側導波路セグメント２１４は中央電極２０７と接地面２０９の上部との間に位置せしめられる一方、下側導波路セグメント２１６は中央電極２０７と接地面２０９の下部との間に位置せしめられている。図２に示された様に、中央電極２０７および終端インピーダンス２０４に対してはＲＦ入力２０２が連結されている。一方、この終端インピーダンス２０４は接地されている。図２に示された電極配置構成は、光導波変調器の電極を駆動する一般的な手法である。この手法は、接地面２０９により囲繞された単一個の中央電極２０７を使用すると共に、中央電極２０７は中央から給電することによりインダクタンスおよび抵抗を最小化している。電極２０７は、低いＲＦ駆動周波数では本質的に容量的挙動を呈するが、高周波数にては相互接続インダクタンスにより変化せしめられる。電極２０７の静電容量と組み合わされた電子ＲＦ駆動信号源の内部抵抗は、このタイプの変調器の周波数応答を制限するＲＣ回路を形成する。図２に示された要素結合変調器形態は、Ｃを電極構造の静電容量、Ｒを例えば抵抗２０４などの駆動源抵抗とすれば、ｆ_c＝１／（ＲＣ）という固有遮断周波数ｆ_cを有している。Ｃが小さくなるにつれ、上方周波数は高くなり得る。而して、Ｃの値を小さくするには電極の相互作用長さを短くすることが必要であるが、これは変調器の感度を低下せしめるものである。同様に、接続結線の漂遊容量およびインダクタンスは、実際の高周波性能を制限する。更に広い帯域幅を有する光変調器に対する需要も増大していることから、要求された更に広い帯域幅をサポートし得るべく小さな静電容量値を有する新たな光変調器に対する要望が在る。一方、導波路と、基体および／または電極の残りの部分と、を構成する光学材料は、音響波を伝導するだけでなく音響波を生成し得るが、これは、平行電極２０９に対して種々の電界を掛けた結果として生成される音響波を含むものである。斯かる音響作用および相互作用は、変調器２００の周波数応答に悪影響を与えるリプルもしくは微細構造に帰着する。この分野においては、電極結合式変調器の周波数特性および線形性を改善する試みが数多く為されて来た。Ｆａｒｉｎａに対する米国特許第５，１９３，１２８号は複数の導波路の使用を記述しているが、これらの導波路は、中実中央電極を使用する光変調器内で当該導波路に沿って漸進的に変化する横手方向距離により相互に離間されている。斯かる傾斜導波路を使用すると、２個の平行導波路を使用した場合と比較して、問題となる周波数範囲内において種々の光周波数に影響を与える光出力信号の雑音歪みは減少され且つ／又は拡散される。これによる効果は、変調器の作動の間に生成される音響波の効果に付随する光出力信号の雑音歪みを除去しないまでも減少し、これにより、傾斜導波路の使用無しで実現し得るよりもフラットな周波数応答を提供することである。図３を参照すると、音響効果を減少することにより光出力信号のリプル量を減少する傾斜導波路を備えた公知の電極結合式光変調器３００が示されている。光変調器３００は、入力導波路セグメント３１０、Ｙ分岐導波路セグメント３１２、上下の連続傾斜導波路セグメント３１４、３１６、出力Ｙ分岐導波路カプラ３１８、および、出力導波路セグメント３１９を有している。図示された如く、単一個の中実中央電極３０７は導波路セグメント３１４、３１６間に位置せしめられている。中実中央電極３０７は駆動電極として使用されている。中央電極３０７は接地面３０９により囲繞されている。上側導波路セグメント２１４は電極２０７と接地面３０９の上部との間に位置せしめられる一方、下側導波路セグメント２１６は中央電極３０７と接地面３０９の下部との間に位置せしめられている。図３に示された如く、中央電極３０７および終端インピーダンス３０４に対してはＲＦ入力３０２が結合されている。一方、終端インピーダンス３０４は接地されている。上述した如き光導波変調器を実現せんとする公知の取り組みは或る程度は成功しているが、最近における更に拡大された帯域幅に対する要請に鑑みた場合、公知の電極結合式変調器を用いて為し得るよりも更に拡大された帯域幅をサポートし得る優れた光導波変調器に対する要望がある。更に、光導波変調器は、略々フラットな周波数応答と、線形化出力とを有するのが望ましい。同様に、変調器は進行波形態を使用すること無く実現され得るのが望ましい。発明の要約本発明は変調器に関し、より詳細には、集積型電気光学的変調器により生成された光の線形化に関する。本発明のひとつの好適実施例に依れば、セグメント化電極および非平行導波路構造を用いて実現された複数個の光変調器は光カプラを用いてカスケード接続され、全体的な電気光学的伝導機能の線形化を提供する。カスケード接続された光変調器の各々は、比較的小寸の複数個のセグメントに分割された電極構造を有している。これらのセグメントは、隣接するマイクロ波配線基板上の結合ワイヤおよび伝送路を介して接続される。上記光変調器の各々は傾斜された一対の導波路を含むことにより、例えばリプルなどの音響効果を減少する非平行導波路構造に帰着する。複数個の小寸セグメントを用いて上記電極構造を実現することにより、単一個の長寸電極構造を用いた場合と比較して高い感度が達成される。非平行導波路とセグメント化電極との組合せは、例えば１ＧＨｚを超えても比較的に大きく且つフラットな周波数応答を提供する。上記電極構造はまた、該電極構造の実効静電容量を最小化すべく設計され、これにより、中実電極を用いたデバイスと比較して本発明の光変調器の帯域幅を広げている。本発明の付加的特徴および実施例は、以下の詳細な説明にて記述される。図面の簡単な説明図１は進行波形態で実現された公知の光変調器を示す全体概略図である。図２は要素結合形態で実現された公知の光変調器を示す全体概略図である。図３は要素結合形態で実現されて傾斜導波路および中実中央電極を含む公知の光変調器を示す全体概略図である。図４は本発明の一実施例に従って実現された、マルチプレート中央電極を含む光変調器を示す全体概略図である。図５乃至図７は本発明の種々の実施例に従って実現された、傾斜式光導波路および分割式電極を含む種々の光変調器を示す全体概略図である。図８乃至図１０は傾斜導波路および分割式電極を備えた光変調器の複数個を相互に連結した種々の線形化光変調器を示す全体概略図である。詳細な説明図４を参照すると、本発明の第１実施例に従って実現された光変調器４００が示されている。図示された如く、光変調器４００は、基体４３０上に実現された導波路／電極構造４０３と、プリント配線基板４０１上に配置されたＲＦ入力端子４０２およびインピーダンス４０４とを備えて成る。基体４３０は例えば、ニオブ酸リチウム結晶、または、光に対する伝導性を有すると共に電気光学的特性および圧電特性の両者を有する同様の光学材料とされ得る。導波路／電極構造４０３は、入力導波路セグメント４１０、第１Ｙ分岐導波路カプラ３１４、上下の傾斜導波路セグメント４１４、４１６、第２Ｙ分岐導波路カプラ４１８、および、出力導波路セグメント４１９を備えて成る。作動の間において、ミリワットにより表されるパワーレベルを典型的に有する入力光波は入力導波路セグメント４１０に付与され、光波は第１Ｙ分岐導波路カプラ４１２により上側傾斜導波路セグメント４１４および下側傾斜導波路セグメント４１６に分割して送られる。上側傾斜導波路セグメント４１４を介して進行する光波は第２Ｙ分岐導波路カプラ４１８および出力導波路セグメント４１９を介して進行し、光波出力を与える。同様に、下側傾斜導波路セグメント４１６を介して進行する光波も、第２Ｙ分岐導波路カプラ４１８および出力導波路セグメント４１９を介して進行する。導波路セグメント４１０、４１２、４１４、４１８および４１９は連続的導波路を形成し、導波路セグメント４１０、４１２、４１６、４１８および４１９も同様であることを銘記されたい。図４に示された如く、上側傾斜導波路セグメント４１４の頂部の比較的近傍には、比較的狭幅で長寸の一対の上側外部電極４０６、４０７が位置せしめられ、これらの電極は導波路セグメント４１４の傾斜外郭形状に追随する形状とされている。同様に、下側傾斜導波路セグメント４１６の底部の比較的近傍には、狭幅で長寸の一対の下側外部電極４０８、４０９が位置せしめられ、これらの電極は導波路セグメント４１６の傾斜外郭形状に追随する形状とされている。また、上側傾斜導波路セグメント４１４の底部と下側傾斜導波路セグメント４１６の頂部との比較的近傍には、狭幅で長寸な上下一対の中央電極４２０、４２１が位置せしめられる。電極４２０、４２１は夫々、導波路セグメント４１４、４１６の傾斜外郭形状に追随する形状とされている。上下の中央電極４２０、４２１を相互に連結すべく、電極セグメント４２２が使用される。図示された如く、中央電極４２０、４２１の内で電極セグメント４２２により相互に連結されていない部分は、基体材料４３０の一部により相互に離間されている。電極セグメント４２２は入力端子４０２に連結されている。この様にして、電極セグメント４２２、４２０、４２１には、変調電圧Ｖ（ｔ）が接続される。電極セグメント４２２、４２０、４２１にはＤＣバイアス電圧を接続しても良い。プリント配線基板４０１上に配置されたインピーダンス４０４は、入力端子４０２およびアースに連結されている。上下の外部電極対（４０６、４０７）、（４０８、４０９）は夫々、基準電位源に接続されており、この実施例ではアースである。図示実施例において電極セグメント４１１、４１３は上下の外部電極対を相互に接続し、それらが同一の基準電位になることを確かなものとしている。導波路および電極要素は基体４３０上に形成され得るが、これは、例えばチタンを基体４３０に拡散することにより導波路セグメントを形成すると共に、例えば導体を基体上に析出することにより電極を形成して行われ得る。入力導波路セグメント４１０に付与された光波信号は、第１Ｙ分岐導波路カプラ４１２により実質的に均等に分割される。従って、一方の半分は上側導波路セグメント４１４を介して進行すると共に、他方の半分は下側導波路セグメント４１６を介して進行する。上側導波路セグメント１１４を介して進行する光は、上側外部電極対４０６、４０７と上側内部電極セグメント４２０との間を通過する。また、下側導波路セグメント４１６を介して進行する光は、下側外部電極対４０８、４０９と下側内部電極セグメント４２１との間を通過する。変調電圧Ｖ（ｔ）は、基体４３０の屈折率を変化せしめる。この結果、上下の導波路セグメントを介して通過する光の速度が変化する。上側導波路セグメント４１４における速度変化は、下側導波路セグメント４１６内で生ずる速度変化と逆である。従って、上側導波路セグメント内における速度がＶ（ｔ）の変化に応じて増大したとすれば、下側導波路セグメント内における速度はＶ（ｔ）の同一の変化に応じて減少する。上側導波路セグメント４１４を介して進行する光と下側導波路セグメント４１６とを介して進行する光との間で生成された位相差は、光を変調するものである。上側導波路セグメント４１４および下側導波路セグメント４１６からの光は、第２Ｙ分岐導波路カプラ４１８を介して通過して相互に結合され、出力導波路セグメント４１９から出力される変調光信号を形成する。この変調光出力信号は同相成分のみを含む、と言うのも、該実施例においては第２Ｙ分岐導波路カプラ４１８が、変調光の直角位相成分を基体４３０内に吸収する変調器の役割を果たすからである。当業者には明らかな様に、光変調器４００は、変調光の品質に関して例えばリプルなどの音響効果を減少する傾斜導波路を含む電極要素結合式変調器として特徴付けられる。上述の如く、このタイプの変調器の遮断周波数は、Ｃを全体電極構造の静電容量、Ｒを例えば抵抗４０４などの駆動源抵抗とすれば、ｆ_c＝１／（ＲＣ）という式により決定される。図３および図４に示された電極構造の比較から明らかな様に、図４に示された本発明の実施例は、公知のデバイスに見られる中実中央電極と対照的に電極セグメント４２０、４２１および４２２を備えたマルチプレート中央電極構造として特徴付られ得るものを使用している。中央電極構造をその様に構成したことにより、静電容量効果は減少される。これにより、変調器４００の電極構造全体の全体静電容量Ｃは減少される。また、中実中央電極と対照的なマルチプレート中央電極アセンブリを用いたことから、光変調器４００を通過しつつある光波信号を変調する機能に悪影響を殆どもしくは全く与えること無しに、全体静電容量Ｃの減少が達成され得る。従って、本発明のマルチプレート中央電極アセンブリによれば、中実中央電極を有する類似の光変調器を用いた場合に可能な周波数信号よりも高い周波数信号が許容される。故に、本発明の一実施例に依れば、中実中央電極を用いた類似の変調器により可能な帯域幅よりも大きな帯域幅を備えた変調器を形成すべく、マルチプレート中央電極が用いられる。図５には、本発明の別実施例に従って実現された光変調器５００が示されている。図４と同様のもしくは類似する要素は図４にて使用されたのと同一の参照番号を用いると共に、簡潔さの為に再度の詳述は行わない。図５を参照すると、光変調器５００はプリント配線基板５０１を備えることが理解される。それはまた、基体４３０上に構成された導波路／電極アセンブリ５０３も備えている。既述の光変調器と異なり、光変調器５００は複数個の別体の電極セグメント５４０、５４２、５４４を備えた電極構造を使用している。それはまた、音響効果を減少すべく傾斜導波路を使用すると共に、図示実施例においては実効静電容量を最小化すべくマルチプレート中央電極を使用している。従って、導波路／電極アセンブリ５０３は、傾斜導波路およびセグメント化電極を有する光変調器として記述され得る。電極セグメント５４０、５４２、５４４の各々は、外部電極５７０により形成される領域もしくは区画により形成される。図５に示される如く、外部電極５７０は、比較的に狭幅で長寸の一連の上側外部電極セグメント５７１、５７２、５７３、５７４、５７５、５７６により形成されている。外部電極５７０の上部は上側長寸導波路セグメント４１４の頂部に比較的近接して位置せしめられると共に、導波路セグメント４１４の傾斜外郭形状に追随する形状とされている。外部電極５７０の下部は、比較的に狭幅で長寸の一連の下側外部電極セグメント５８４、５８５、５８６により形成されている。外部電極５７０の下部は下側長寸導波路セグメント４１６の底部に比較的近接して位置せしめられると共に、導波路セグメント４１６の傾斜外郭形状に追随する形状とされている。前後の側のセグメント５８０、５８３および仕切セグメント５８１、５８２は電極５７０の上下のセグメントと組み合わされて、電極セグメント５４０、５４２、５４４を形成する。第１の電極セグメント５４０は、外部電極セグメント５７１、５７２、５８１、５８４および５８０により形成される。第２の電極セグメント５４２は、外部電極セグメント５７３、５７４、５８２、５８５および５８１により形成される。第３の電極セグメント５４４は、外部電極セグメント５７５、５７６、５８３、５８６および５８２により形成される。電極セグメント５４０、５４２、５４４の各々は、マルチプレート中央電極アセンブリを含んでいる。第１電極セグメント５４０の中央電極アセンブリは、上側長寸導波路セグメント４１４の底部と下側長寸導波路セグメント４１６の頂部に夫々近接して位置せしめられた第１の対の狭幅で長寸の上下の中央電極５５０、５５１から成る。電極５５０、５５１は夫々、導波路セグメント４１４、４１６の傾斜外郭形状に追随する形状とされている。上下の中央電極５５０、５５１を相互に対して且つ第１リード線５９０に対して連結すべく、連結電極セグメント５５２が使用される。第２および第３の電極セグメント５４２、５４４の中央電極アセンブリは、第１電極セグメント５４０の中央電極アセンブリと同様の手法で構成される。第２および第３の電極セグメント５４２、５４４の中央電極アセンブリは、第１の対の狭幅で長寸の上下の中央電極（５５４、５５５）、（５５８、５５９）から成っている。上側中央電極５５４、５５８は夫々、上側長寸導波路セグメント４１４の底部に近接して位置せしめられる一方、下側中央電極５５５、５５９は夫々、下側長寸導波路セグメント４１６の頂部に近接して位置せしめられている。電極（５５４、５５８）、（５５５、５５９）は夫々、導波路セグメント４１４、４１６の傾斜外郭形状に追随する形状とされている。上下の中央電極対の電極（５５４、５５５）、（５５８、５５９）を相互に対して且つ第２および第３のリード線５９１、５９２に夫々連結すべく、連結電極セグメント５５６、５７６が使用される。上記で論じた如く、本明細書中で以下においてマルチプレート設計と称される本発明の中央電極の設計態様は、中実中央電極を使用した場合よりも低い静電容量を提供する。但し、図５に示された本発明の実施例は、中実中央電極もしくはマルチプレート中央電極のいずれを用いても実現し得ることを銘記されたい。図示された如く、外部電極５７０は基準電位に連結されるが、図５に示された実施例では例えばアースである。第１乃至第３のリード線５９０、５９１、５９２の各々は、プリント配線基板５０１上に配置された変調用の対応電源に連結される。図５に示される如くプリント配線基板５０１は、Ｌを正数とした場合にＬ／２のインダクタンスを有する第１インダクタ５３１に連結されたＲＦ入力端子５０２を備えている。従って、第１インダクタの出力側は、第１電極セグメント５４０の中央電極アセンブリを変調する為に使用される電圧源の役割を果たす。一方、インダクタ５３１は、第１リード線５９０と、インダクタンスＬを有する第２インダクタ５３２とに対して連結される。第２インダクタ５３２の出力は、リード線５９１と、インダクタンスＬを有する第３インダクタ５３３に連結される。従って、第２インダクタ５３２の出力側は、第２電極セグメント５４２の中央電極アセンブリを変調すべく使用される電圧源の役割を果たす。第３インダクタ５３３の出力は、第３リード線５９２と、第４インダクタ５４４の入力とに対して連結されている。第４インダクタ５４４はＬ／２のインダクタンスを有する一方、終端インピーダンス５０４に対して連結されている。終端インピーダンス５０４は接地され、導波路／変調器構造５０３の外部電極５７０も同様である。上記で論じた如く、本発明の変調器５００は傾斜導波路およびセグメント化電極形態を活用し、広い帯域幅と比較的にフラットな周波数応答を有する光変調器を提供する。変調器５００は、この極めて望ましい結果を複雑な緩衝層および／または厚寸の金属膜被覆技術を要すること無く達成する、という利点を有している。広い帯域幅およびフラットな周波数応答を有することに加え、本発明の変調器５００は高い変調感度を有するという利点も有している。図５のセグメント化電極の実施例においては、全体の電極構造が複数の結合要素セグメント５４０、５４２、５４４に分割されている。電気的に光変調器５００は低域階梯回路として作用し、この場合、第１乃至第３の電極セグメント５４０、５４２、５４４は夫々の相互作用長さl₁、l₂およびl₃と、静電容量Ｃとを有する。図示実施例においては、電極セグメント５４０、５４２、５４３はl₁、l₂ 、l₃が全て同じ長さｌである如く設計されている。第１乃至第３の電極セグメント５４０、５４２、５４４は実効インダクタンスＬを以て接続されると共に、例えば抵抗Ｒを有する負荷抵抗などのインピーダンス５０５に終結している。最適な整合の為に、Ｒは例えば５０オームである外部インピーダンスに近いものとし、且つ、以下の式も満足せねばならない：而して、セグメント化電極式変調器５００の理論的な遮断周波数は：ｆ_c＝１／（Ｒ／Ｃ）であり、これは単一要素に対するものと同様である一方、ｎを電極セグメント５４０、５４２、５４４の個数とすれば感度は（ｎ×l）に比例する。従って、セグメント化電極式の光変調器は単一個の電極を有する実施例と比較して感度が高くなるが、これは、電極セグメント５４０、５４２、５４４の個数に等しい割合だけ高くなり、図５に示された実施例の場合には３である。３個の電極セグメントが使用されているが、任意の個数ｎのセグメントを使用し得ることは理解される。尚、セグメント化電極式変調器５００の光変調応答は必ずしも、等価低域フィルタの応答により与えられる整合応答に従うものでは無いことを銘記すべきである。光応答もまた、最初の電極セグメント５４０と最後の電極セグメント５４４との間で光波信号と比較した場合の電子信号の差分遅延により制限される。セグメント化電極式変調器５００のこの特性は、進行波形態を用いて実現された変調器のそれと類似している。セグメント化電極式変調器の臨界周波数は：ｆ_cd=［１／（ＲＣ）］×［１／［（ｎ−１）（１−ａ）］］であり、式中、ａ＝l₁／（ｃ₁ＲＣ）且つ、 l₁＝実効全体相互作用電極長さ＝l₁＋l₂＋l₃ であり、Ｃ₁＝導波路内の光波速度であり：ａもまた次式により近似され：ａ〜ｃ_eＺ_e／（ｃ₁Ｒｋ) 式中、ｃ_e＝電極構造に沿ったマイクロ波速度、Ｚ_e＝等価共面的伝送路の特性インピーダンス、であり、且つｋ＝（ｎ−１）^1/1 ₁＝電極「フィル係数（ｆｉｌｌｆａｃｔｏｒ）」である。従って、光変調器５００の適切な作用の為には：ｆ_cd≧ｆ_c であることが必要である。セグメント化電極と組合せて傾斜導波路を活用することにより本発明の光変調器５００は、音響効果に依るリプルを最小限とし乍ら広範でフラットな周波数応答の利点を提供する。図６には、傾斜導波路およびセグメント化電極を使用した本発明の別の実施例に従って実現された光変調器６００が示されている。光変調器６００の要素の内で図５のものと同一もしくは類似のものは同一の参照番号を用いて示されており、再度の詳述は行わない。図６を参照すると、光変調器６００は、第１プリント配線基板６０１、第２プリント配線基板６５０、および、導波路／電極アセンブリ６０３を備えることが理解される。導波路／電極アセンブリ６０３は、基体４３０上に構成される。第１プリント配線基板６０１は、導波路／電極アセンブリ６０３に対して変調電圧信号を供給するＲＦ整合配線基板である。第１プリント配線基板６０１は、ＲＦ入力伝送路６１３と、複数の結合ワイヤ６５０、６５４、６６８、６８２と、複数の高インピーダンス伝送路片６５２、６６６、６６９、６８０、６８４と、ＲＦ出力伝送路６０６と、ＲＦ出力伝送路６０６の整合終端の為のチップ抵抗器６０７と、複数の接地端子６６１と、を含んでいる。図６に示された如く、ＲＦ入力伝送路６１３は結合ワイヤ６５０、６５４および第１の高インピーダンス伝送路片６５２により第２の高インピーダンス伝送路片６６６に連結されている。結合ワイヤ６９１は、第２の高インピーダンス伝送路片６６６を、基体４３０上の第１電極セグメント６４０の中央電極アセンブリに連結する。各結合ワイヤ６６８および高インピーダンス伝送路片６６９は、第２の高インピーダンス伝送路片６６６を高インピーダンス伝送路片６８０に連結する。結合ワイヤ６９２は高伝送路片６８０を第３の中央電極アセンブリ６３３に連結する。各結合ワイヤ６８２および高インピーダンス伝送路片６８４は、伝送路片６８０をＲＦ出力伝送路６０６に結合する。一方、ＲＦ出力伝送路６０６は、該ＲＦ出力伝送路の整合終端の為のチップ抵抗器６０７に連結される。第２プリント配線基板６５０は、ＤＣバイアス伝送路６５１を備えたＤＣ（直流）バイアス配線基板である。ＤＣバイアス伝送路６５１は、基体４３０上に配置された第２のマルチプレート中央電極アセンブリ６３２に連結される。導波路／電極アセンブリ６０３は、バイアス電極セグメント６４２の回りに配置された２個のＲＦ変調電極セグメント６４０、６４４を備えて成る。第１および第２の変調電極セグメント６４０、６４４並びにバイアス電極セグメント６４２は、外部電極６７０により生成された区画により形成される。この外部電極６７０は結合ワイヤ６６０によりアース６６１に連結されている。而して、第１のマルチプレート中央電極セヤンブリ６３１は第１電極セグメント６４０の内側に配置され、第２のマルチプレート電極アセンブリ６３２はバイアス電極セグメント６４２の内側に配置され、且つ、第３のマルチプレート中央電極アセンブリ６３３は第２変調電極セグメント６４４の内側に配置されている。導波路／電極アセンブリ６０３の各導波路は複数個の導波路セグメントから構成されるが、これは、入力導波路セグメント４１０、第１Ｙ分岐導波路カプラ４１２、上側長手導波経路、下側長手導波経路、第２Ｙ分岐導波路カプラ４１８、および、出力導波路セグメント４１９を含むものである。この上側長手導波経路は、第１傾斜上側導波路セグメント６２０、略直線状の上側導波路セグメント６２２、および、第２傾斜上側導波路セグメント６２４を含んでいる。同様に、下側長手導波経路は、第１傾斜下側導波路セグメント６２６、略直線状の下側導波路セグメント６２８、および、第２傾斜導波路セグメント６３０を含んでいる。第１および第２の上下の傾斜導波路セグメント６２０、６２４、６２６、６３０は、直線状の上下の導波路セグメント６２２、６２８の回りに対称的に配置される。バイアス電極セグメント６４２により導入されたバイアス信号は、例えばＲＦ変調信号が引起こす如きリプルに帰着する音響信号を生成しないことから、バイアス電極セグメント６４２を貫通する各導波路を傾斜する必要は無い。従って、図６に示された実施例においては、第１および第２のＲＦ変調電極セグメント６４０、６４４内の各導波路および各電極セグメントのみが傾斜されている。図６に示された光変調器は帯域幅およびフラットな周波数応答に関して、図５に示された変調器と同様の利点を有している。但し、図６に示された光変調器６００は、必要に応じてＤＣバイアス電極セグメント６４２の中央電極アセンブリ６３２に対してバイアス電圧を掛けることによりＤＣバイアスレベルの調節を許容する、という付加的な利点を有している。図６の実施例においては個々のインダクタでは無く外部整合用の高インピーダンスマイクロ波伝送路片を使用したことから、図５に示された個々のインダクタを使用したものよりも信頼性の高い周波数動作、並びに、製造する上での容易さおよび再現性が実現される。実効インダクタンスは、伝送路片を接続すべく使用される結合ワイヤの長さおよび位置により調整され得る。図７を参照すると、本発明の実施例に係る更なる光変調器７００が示されている。光変調器７００は光変調器６００と類似している。但し、光変調器６００と異なり、光変調器７００の第１プリント配線基板７０１は、螺旋状の高インピーダンス伝送路片７０２、７０３、７０４を使用している。螺旋状の高インピーダンス伝送路片を使用したことにより、直線状の伝送路片と比較した場合、単位長さ当りの実効インダクタンスは大きくなる。これにより、図６に示された実施例と比較して、プリント配線基板７０１上のスペースを節約できる。螺旋状の伝送路片７０２、７０３、７０４の単位長さ当りのインダクタンスが増大することから、直線状の伝送路片が使用された場合と比較して更に大きな同調範囲が一層容易に達成される。伝送路片を相互に連結すべく用いられた結合ワイヤ６５０、６５４、６６８、６８２、７１０、７１３および７１３は、伝送路片間の整合を調節する為に使用され得る。上記で論じた如く、例えばケーブルテレビ信号のアナログ伝送に使用されるデバイスに対し、光変調器の線形化の重要性は大きい。多くの公知システムは、５００ＭＨｚまでの帯域幅にて容易に達成可能な線形化に対する電子的手段に依存している。しかし乍ら、５００ＭＨｚを超えると電子的に線形化を行うのは困難である。上述すると共に例えば図５乃至図７に示された本発明の光変調器の各々は、５００ＭＨｚを超える帯域幅が可能である。従って、本発明の変調器と共に使用されて例えば１ＧＨｚ以上の信号に適用され得る線形化方法に対する要望がある。最良の線形化を達成する為には、フラットな周波数応答が必要である。従って、傾斜導波路およびセグメント化電極を取入れた本発明の光変調器は、高周波においてさえも良好な線形化を達成する上で極めて有用である。本発明に係る種々の実施例に依れば、言及することにより明示的に援用される米国特許第５，１４８，５０３号および米国特許第５，２４９，２４３号に記述された線形化手法が、傾斜導波路およびセグメント化電極を取入れた本発明の光変調器と組み合わされる。上記で引用した特許に記述された線形化手法は、カスケード連結された複数の光変調器による信号出力線形化の最大化に寄与する手法を以て、これらの光変調器に依存している。図８を参照すると、信号出力の線形化を増大する手法でカスケード接続された光変調器８１０、８２０が示されている。図８と図５との比較により理解される如く、変調器８１０、８２０は図５に関して上述した光変調器と類似している。即ち、第１および第２の変調器８１０、８２０は両者共に、傾斜導波路およびセグメント化電極の配置構成を用いている。図示された如く、光変調器８１０および８２０は、夫々、第１、第２、第３、第４の複数のインダクタ（８０２、８０３、８０４、８０５）および（８１４、８１６、８１７）と、終端インピーダンス８０６、８１９とを有している。第１および第２の変調器８１０、８２０のインダクタンスおよび終端インピーダンスは、異なる値を有し得る。但し、作動周波数帯域に亙る良好な線形性の為には、２個の変調器８２０、８３０が可及的に同一であることが重要である。変調器８１０、８２０の電極および導波路構造は、３個の電極セグメント（８４０、８４２、８４４）、（８４６、８４７、８４８）を用いて構成されている。変調器８１０、８２０は図５の変調器５００と類似していることから、変調器８１０、８２０と変調器５００との間の差異を除き、変調器８１０、８２０の更なる詳細は記述しない。図８に示された如く、光変調器８１０の入力導波路は変調器５００と同様にＹ分岐導波路カプラ４１２を含んでいる。しかし乍ら、本発明に従って複数個の変調器８１０、８２０のカスケード接続を実現すべく、光変調器８１０の出力にはＹ分岐導波路セグメントは使用されない。代わりに、図８に示された型の干渉カプラ構造が使用される。第１カプラ８５０は、上側導波路セグメント８３８および下側導波路セグメント８３６を備えて成る。上側導波路セグメント８３８は、第１変調器８１０の上側導波路セグメント４１４と第２変調器８２０の上側導波路セグメント４１４とに対して連結され、これにより、第１および第２の変調器８０２、８１０の上側導波路セグメント４１４同士の間に連続的導波路構造を形成する。カプラ８５０の下側導波路セグメント８３６は、第１および第２の変調器８１０、８２０の下側長寸導波路セグメント４１６同士を連結すべく使用される。作動の間、下側水平導波路セグメント８３６を介して進行する光の一部は、上側導波路セグメント８３８に連結されるその光エネルギの半分を有するのが理想的である。下側導波路セグメント８３６からの残りの光は次に第２変調器８２０の下側長寸導波路セグメント４１６内に進行する。光は上下の長寸導波路セグメント４１４、４１６を通過し、第１カプラ８５０と同様に作動する第２カプラ８６０に入る。第２カプラ８６０の上側導波路セグメント８３９からの光出力はカスケード接続された変調器８１０、８２０の線形化光出力を呈する。作動の間、各ステージに印加される変調電圧の振幅、および、各ステージに印加されるＤＣバイアスのレベルは、変調光出力信号の線形性を増大すべく調節される。光出力信号の線形性は、ＲＦ信号ＲＦ１およびＲＦ２に夫々接続された２個の光変調器８１０、８２０のカスケード接続を用いることで達成される。適切な作動の為には、ＲＦ１／ＲＦ２の割合を最適に調節すると共に、変調器８１０、８２０の出力における第１および第２の導波路カプラ８５０、８６０を一定のレンジとせねばならない。ＲＦ１／ＲＦ２の適切な割合および変調器８１０、８２０の適切な出力範囲は、上記米国特許第５，１４８，５０３号中で論ぜられたものと同一もしくは類似したものである。図９を参照すると本発明の別実施例が示されており、線形化された光出力信号を提供すべく複数の光変調器９１０、９２０が相互に連結されている。光変調器９１０、９２０の設計態様は、図６に関して記述された変調器６００と類似している。変調器９１０、９２０は各々、２個の変調電極セグメント９４０、９４４とバイアス電極セグメント９４７とを含んでいる。図６に示された実施例と異なり、図９の実施例においては、バイアス電極セグメント９４７は傾斜導波路および傾斜電極を含んでいる。光変調器９１０、９２０は、図８に示された光変調器８１０、８２０と同様の手法によるカスケード配置構成を以て相互に連結されている。図９の実施例において、ＲＦ信号はＲＦパワー分配器９１５に連結されたＲＦ入力９１２に対して供給される。一方、ＲＦパワー分配器９１５は、第１変調器９１０のＲＦ入力と、例えば０.１ｄＢもしくはそれ以上の分解能を有する調節可能な減衰器の入力に連結される。使用の間、調節可能な減衰器は最適な線形化に対して調節される。この調節可能な減衰器９１６の出力は、第２変調器９２０のＲＦ入力に結合される。ＤＣバイアス信号に関し、第１および第２の変調器９１０、９２０のバイアス伝送路６５１にバイアス信号を供給すべく、バイアス調節回路９２８が使用される。図９に示されたカスケード接続による配置構成を用いることにより、１ＧＨｚより相当に高い周波数においても線形化が達成され得る。上記で論じた如く、個々のインダクタでは無く外部整合用の高インピーダンスマイクロ波伝送路片を使用したことから、個々のインダクタを使用したものよりも優れた信頼性および再現性が提供される。而して、実効インダクタンスは伝送路片を接続すべく使用される結合ワイヤの長さおよび位置により調整され得る。図１０を参照すると本発明の更なる別実施例が示されており、線形化された光出力信号を提供すべく、複数個の光変調器１０１０、１０２０がカスケード配置により相互連結されている。光変調器１０１０、１０２０は変調器９１０、９２０と同様であるが、変調用配線基板を構成する為に必要なスペース量を減少すべく、螺旋状伝送路を使用している。従って、変調器１０１０、１０２０の更なる詳細は論じないが、但し、図９および図１０において他の図面の要素と同一の参照番号を付された要素は、同一のもしくは類似した要素を指すことを意図していることを銘記されたい。上述した本発明の実施例の多くは、３個のセグメントを有するセグメント化電極を用いて記述されたが、本発明の教示は任意の個数のセグメントを有する変調器に対しても応用され得ることを銘記されたい。更に、上述した手法に従って任意の個数の変調器を相互連結し、カスケード接続された変調器から線形化された光出力を提供しても良い。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９８年６月２３日（１９９８．６．２３）【補正内容】請求の範囲１．ａ）電気光学的材料性の基体と、ｂ）上記基体内に形成されると共にカスケード接続された複数個のマッハ− ツェンダー型電気光学的変調器であって、該複数個の電気光学的変調器は、ｂｉ）上記基体内に形成されると共に長手方向において相互に実質的に同延的に延在する第１および第２の導波路セグメントの対と、ｂｉｉ）該第１および第２の導波路を実質的に囲繞すると共に、該第１および第２の導波路セグメントの対が貫通延伸する複数個のｎ区画を形成する複数個の外部電極セグメントを含む外部電極アセンブリと、ｂｉｉｉ）複数個のｎ中央電極アセンブリであって、ｎ内部電極アセンブリの各々はｎ区画の各々の内部に夫々配置され、中央電極アセンブリの各々は、第１および第２の導波路セグメントの部分の間に位置せしめられる、複数個のｎ内部電極アセンブリと、ｃ）該複数個の電気光学的変調器の各々の中央電極アセンブリの第一の組に連結された変調電圧源と、ｄ）上記複数個の電気光学的変調器の各々の内部電極アセンブリの少なくともひとつに対して連結された直流バイアス電圧源と、ｅ）上記カスケード接続された電気光学的変調器のチェーンの最初のものは、入力光信号を受信する入力導波路カプラ手段を更に含んでおり、ｆ）上記カスケード接続された電気光学的変調器のチェーンの最後のものは、変調光出力信号を提供する出力導波路カプラ手段を更に含んでおり、ｇ）直流バイアス源から内部電極アセンブリに供給されたバイアス電圧が、変調光出力信号の線形性を最大化する所定のレベルに維持されるべく、上記内部電極アセンブリに供給される上記バイアス電圧を制御する手段とを備えて成る線形変調光信号を提供する為の電気光学的変調器において、上記マッハ−ツェンダー変調器は、ｈ）上記第１および第２の導波路セグメントは非平行導波路構造に帰着すべく傾斜せしめられ、ｉ）上記複数個の外部電極セグメントは、上記導波路セグメントの傾斜外郭形状に追随すべき外郭形状とされ、且つ、ｊ）上記変調電圧源に連結された上記中央電極アセンブリの各々は、上記導波路セグメントの傾斜外郭形状に追随すべき外郭形状とされると共に、上記マッハ−ツェンダー変調器の平面に直交して対称的に配設されていることを特徴とする電気光学的変調器。２．前記複数個の内部電極アセンブリに対して供給された変調電圧を調節して変調光出力信号の線形性を最大化する手段を更に備えて成る請求項１に記載の電気光学的変調器。３．入力光信号を受信する前記入力導波路カプラ手段はＹ分岐型干渉変調器である請求項１に記載の電気光学的変調器。４．前記複数個の変調器のひとつは、入力ステージの役割を果たすＹ分岐型干渉変調器と、出力ステージの役割を果たす２×１カプラ・スイッチ型干渉変調器とを含む請求項１に記載の電気光学的変調器。５．前記２×１変調器は、前記変調光出力信号の線形性を最大化すべき形態とされたカプラ型入力導波路を含む請求項４に記載の電気光学的変調器。６．前記変調電圧源は、変調電圧信号入力と、相互に直列に接続された複数個の伝送路片と、該複数個の伝送路片に連結された終端インピーダンスとを含む請求項３に記載の電気光学的変調器。７．前記複数個の伝送路片は結合ワイヤを用いて相互に連結されている請求項６に記載の電気光学的変調器。８．前記伝送路片は螺旋状伝送路片である請求項７に記載の電気光学的変調器。９．前記内部電極アセンブリの各々は中実電極である請求項３に記載の電気光学的変調器。１０．前記内部電極アセンブリの各々は、相互に連結された複数個の電極セグメントを含む請求項３に記載の電気光学的変調器。１１．前記第１および第２の導波路セグメントの間の距離は、前記複数個の電気光学的変調器の各々の中央近傍にて最大である請求項１に記載の電気光学的変調器。１２．前記内部電極アセンブリの各々は、前記第１および第２の導波路セグメントの対の長手方向に延伸する第１および第２の内部長寸電極セグメントであって、少なくともそれらの丈の一部に沿って相互に離間された第１および第２の内部長寸電極セグメントを含む請求項１１に記載の電気光学的変調器。１３．前記第１および第２の内部電極セグメントの各々は、前記第１および第２の導波路の形状に追随すべき外郭形状とされている請求項１２に記載の電気光学的変調器。１４．前記内部電極アセンブリの各々は、前記第１および第２の導波路セグメントの対の長手方向に直交する方向に延伸する内部接続電極セグメントを更に含む請求項１２に記載の電気光学的変調器。１５．前記外部電極アセンブリおよび前記内部電極アセンブリは前記基体上に電極材料を析出することにより形成される請求項１４に記載の電気光学的変調器。

Claims

【特許請求の範囲】１．光学材料性の基体と、前記基体内に形成されると共にカスケード接続された複数個のマッハ-ツェンダー型電気光学的変調器であって、該複数個の電気光学的変調器は、ｉ．前記基体内に形成されると共に長手方向において相互に実質的に同延的に延在する第１および第２の導波路セグメントの対であって、該第１および第２の導波路セグメントの行程の相当の部分に沿って漸進的に変化する横手方向距離により離間された第１および第２の導波路セグメントの対と、ｉｉ．該第１および第２の導波路を実質的に囲繞すると共に、該第１および第２の導波路セグメントの対が貫通延伸する複数個のｎ区画を形成する複数個の外部電極セグメントを含む外部電極アセンブリと、ｉｉｉ．複数個のｎ内部電極アセンブリであって、ｎ内部電極アセンブリの各々はｎ区画の各々の内部に夫々配置され、内部電極アセンブリの各々の少なくとも一部は、該内部電極アセンブリの各々が配置される区画を貫通延伸する第１および第２の導波路セグメントの部分の間に位置せしめられる、複数個のｎ内部電極アセンブリと、該複数個の電気光学的変調器の各々の内部電極アセンブリの第一の組に連結された変調電圧源と、前記複数個の電気光学的変調器の各々の内部電極アセンブリの少なくともひとつに対して連結された直流バイアス電圧源と、前記カスケード接続された電気光学的変調器のチェーンの最初のものは、入力光信号を受信する入力導波路カプラ手段を更に含んでおり、前記カスケード接続された電気光学的変調器のチェーンの最後のものは、変調光出力信号を提供する出力導波路カプラ手段を更に含んでおり、直流バイアス源から内部電極アセンブリに供給されたバイアス電圧が、変調光出力信号の線形性を最大化する所定のレベルに維持されるべく、前記内部電極アセンブリに供給される前記バイアス電圧を制御する手段とを備えて成る線形変調光信号を提供する為の電気光学的変調器。２．前記複数個の内部電極アセンブリに対して供給された変調電圧を調節して変調光出力信号の線形性を最大化する手段を更に備えて成る請求項１に記載の電気光学的変調器。３．入力光信号を受信する前記入力導波路カプラ手段はＹ分岐型干渉変調器である請求項１に記載の電気光学的変調器。４．前記複数個の変調器のひとつは、入力ステージの役割を果たすＹ分岐型干渉変調器と、出力ステージの役割を果たす２×１カプラ・スイッチ型干渉変調器とを含む請求項１に記載の電気光学的変調器。５．前記２×１変調器は、前記変調光出力信号の線形性を最大化すべき形態とされたカプラ型入力導波路を含む請求項４に記載の電気光学的変調器。６．前記変調電圧源は、変調電圧信号入力と、相互に直列に接続された複数個の伝送路片と、該複数個の伝送路片に連結された終端インピーダンスとを含む請求項３に記載の電気光学的変調器。７．前記複数個の伝送路片は結合ワイヤを用いて相互に連結されている請求項６に記載の電気光学的変調器。８．前記伝送路片は螺旋状伝送路片である請求項７に記載の電気光学的変調器。９．前記内部電極アセンブリの各々は中実電極である請求項３に記載の電気光学的変調器。１０．前記内部電極アセンブリの各々は、相互に連結された複数個の電極セグメントを含む請求項３に記載の電気光学的変調器。１１．前記第１および第２の導波路セグメントの間の距離は、前記複数個の電気光学的変調器の各々の中央近傍にて最大である請求項１に記載の電気光学的変調器。１２．前記内部電極アセンブリの各々は、前記第１および第２の導波路セグメントの対の長手方向に延伸する第１および第２の内部長寸電極セグメントであって、少なくともそれらの丈の一部に沿って相互に離間された第１および第２の内部長寸電極セグメントを含む請求項１１に記載の電気光学的変調器。１３．前記第１および第２の内部電極セグメントの各々は、前記第１および第２の導波路の形状に追随すべき外郭形状とされている請求項１２に記載の電気光学的変調器。１４．前記内部電極アセンブリの各々は、前記第１および第２の導波路セグメントの対の長手方向に直交する方向に延伸する内部接続電極セグメントを更に含む請求項１２に記載の電気光学的変調器。１５．前記外部電極アセンブリおよび前記内部電極アセンブリは前記基体上に電極材料を析出することにより形成される請求項１４に記載の電気光学的変調器。