JP2000507718A - セグメント化電極を備えた線形式光変調器 - Google Patents
セグメント化電極を備えた線形式光変調器Info
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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20
7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、
fc=1/(RC)
という固有遮断周波数fc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2
09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3
18、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30
7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2
07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、41
8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、4
16、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4
16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、42
1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、4
21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4
16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4
08、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41
6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4
18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、
fc=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5
03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57
0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、5
73、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58
4、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、54
2、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、41
6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41
4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5
32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54
4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50
0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54
0、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:
fc=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5
40、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:
fcd=[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〜ceZe/(c1Rk)
式中、
ce=電極構造に沿ったマイクロ波速度、
Ze=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(fill factor)」
である。
従って、光変調器500の適切な作用の為には:
fcd≧fc
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、6
54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68
0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64
2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6
70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6
33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4
12、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6
22、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6
40、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6
00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、5
00MHz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、80
3、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(8
40、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8
60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、8
20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9
1
0、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、92
0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 (1)
- 【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。
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