KR20060059863A - 광변조기 및 광변조 방법 - Google Patents

광변조기 및 광변조 방법 Download PDF

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KR20060059863A
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히로키 나카지마
다카유키 야마나카
히데키 후카노
유이치 아카게
무네히사 다무라
다다시 사이토
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니폰덴신뎅와 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 따르면, 전기/광 상호작용 영역(11)을 갖는 광변조 소자(10)에서,전기신호선(3)은 전기신호 입력단(2a)에 접속되고, 또 다른 전기신호선(4a)은 전기신호 출력단(2b)에 접속되며, 반사제어회로(5)는 다른 전기신호선(4b)에 접속된다. 이러한 반사제어회로(5)는 광변조 소자(10)의 상호작용 영역(11)으로부터 출력 전기신호를 적극적으로 반사하는 임피던스 소자이다. 이는 E/O(전기입력 대 광출력) 응답특성이 향상될 수 있는 상한 주파수를 올릴 수 있게 하며, E/O 응답의 절대값을 저하시키 않고도 E/O 응답의 주파수 특성의 평탄성을 향상시킬 수 있다.
광변조기, 반사제어회로(RCNT), E/O 응답특성

Description

광변조기 및 광변조 방법{Optical Modulator And Optical Modulation Method}
본 발명은 전기신호를 이용하여 입력 광신호를 변조하고, 변조된 광신호를 출력하는 광변조기(optical modulator)에 관한 것이다.
광변조기는 일반적으로, 예를 들어, 외부의 전기적, 자기적, 기계적, 음향적 및 광학적 수단을 사용하여 정보를 전달하는 광신호의 강도, 위상, 편광상태, 파장/주파수, 진행방향 등을 변경(변조)시키는 소자이다. 이 소자중에, 전기적 수단을 사용하여 광신호의 강도 또는 위상을 변조시키는 소자가 동작속도(동작 대역폭) 및 제어성(controllability)의 관점에서 종래에 광범위하게 사용되었다.
광강도를 변조시키는 장치의 대표적인 예로는 소자에 전기장을 인가하여 재료의 광흡수 계수를 제어함으로써 소자를 구성하는 재료에 전파되는 광의 강도를 변조하는 (광을 투과하거나 흡수하는) 전계흡수형 광변조기(electroabsorption modulator) 및 전기장 인가에 의해 야기된 소자 재료의 굴절률 변화와 이에 수반된 광신호의 위상변화를 마하젠더(Mach-Zehnder) 간섭계의 간섭효과를 이용한 강도 변화로 치환하는 마하젠더 변조기이다.
전계흡수형 광변조기 및 마하젠더 변조기는 소자의 동작기구로서 다른 물리 적 현상을 이용하지만, 변조 전기신호를 입력하고 변조된 광신호를 출력하는 소자로서 간주되는 경우에, 양자는 광신호 입력단 및 출력단를 포함하는 광소자로서의 측면과 전기신호 입력단 및 출력단를 포함하는 전기소자로서의 측면을 갖는 소자이다. 상술한 광신호의 강도의 변조비, 즉, 소광비(extinction ratio)는 광소자로서의 측면이라는 관점에서 광변조기의 하나의 중요한 성능지수이다.
한편, 광변조기의 동작 대역폭이 고려되는 경우에, 전기소자로서의 측면에 유의해야 한다. 예를 들어, 종래 전계흡수형 광변조기는 장치의 동작 대역폭이 CR 시상수(time constant)에 의해 제한되는 전극구조를 가지며, 여기서 C는 집중정수(lumped element)로서 소자용량(device capacitance)이고 R은 부하저항이다. 이 경우, 소자용량은 소자의 동작 대역폭을 확대시키기 위해 감소되어야만 한다. 그러나, 예를 들어, 소자길이(광신호가 전파되는 방향으로의 길이)가 소자용량을 감소시키기 위해 단축되면, 소광비도 감소된다. 또한, 예를 들어, 소자두께(전기신호의 전기장이 전파되는 방향으로의 길이)가 증가하면, 구동전압도 증가한다.
따라서, 장치의 전극구조를 집중정수형에서 진행파형(분포정수형)으로 변경함으로써 상술한 CR 시상수에 의한 대역폭 제한을 크게 완하시키는 것이 최근에 제안되었다. 진행파형의 전극구조는 전기신호(마이크로파)용 전극이 공면선로(coplanr line) 또는 마이크로스트립 선로(microstrip line)와 같은 분포정수형 전송선로에 형성되는 구조이며, 이러한 전송선로와 광신호 도파관은 서로 평행하게 형성된다. 이 구조에서, 소자의 동작 대역폭은 소자에 전파되는 전기신호 및 광신호 사이의 위상속도차에 의해 결정되므로, 매우 광범위한 대역에 걸친 특성이 기대 될 수 있다. 실제로, 진행파형 전극구조 소자에 의해 E/O(전기입력 대 광출력) 응답의 3db 하강 대역폭(3dB-down bandwidth)이, 예컨대, 50 GHz이상의 초광대역 특성이 구현된다.
상술한 바와 같이, 진행파형 전극구조 소자는 전송선로상에 전기신호를 전파시키고, 전송선로는 일반적으로 특성 임피던스(characteristic impedance) Z0를 가지므로, 전기신호를 효율적으로 전송하기 위해 상기 선로의 특성 임피던스를 전기신호 구동시스템의 종단 저항의 임피던스와 일치시키는 것이 필수적이다. 표준 전기신호 구동시스템은 50Ω 시스템이다(즉, 종단저항이 50Ω이다).
진행파형 전극구조 광변조기가 전송선로를 갖는 전기소자로서 간주되는 경우, 그 특성 임피던스 Z0는 일반적으로 약 25Ω이므로, 50Ω 구동시스템으로부터 저임피던스 선로인 것처럼 보이며, 이는 임피던스 부정합을 야기한다. 이러한 임피던스 부정합이 발생하면, 신호가 광변조기에 입력될 때 마이크로파로서 변조 전기신호의 일부가 반사되므로, 외부 입력 마이크로파가 광변조기내의 전기/광 상호작용 영역에 효율적으로 제공되지 않게 된다. 이는 결과적으로 E/O 응답의 주파수 특성에서의 평탄성을 저하시키거나 3dB 하강 대역폭을 저하시킨다.
광변조기에서의 임피던스 부정합의 문제를 향상시키는 방법으로서, 도 30에 도시된 바와 같이, 광변조기부(10)내의 전기/광 상호작용 영역(11)을 연결시키는 전기신호선(3), 입력 종단저항(81), 전기/광 상호작용 영역(11)을 연결시키는 전기신호선(4), 및 출력 종단영역(91)이 약 100Ω의 특성 임피던스 Z0를 갖는 고임피던 스 선로가 되는 구성이 제안되었다(Electronic Letters 2003년 5월 1일, Vol. 39, No.9, pp.733-735).
이 구성에서, 광변조기부의 저임피던스 선로(약 25Ω의 Z0)(10) 및 상기 저임피던스 선로와 직렬로 연결된 고임피던스 선로(약 100Ω의 Z0)가 전체로서 한 소자가 되게 고려되는 경우, 개별 선로의 특성 임피던스의 평균값으로서 유효 특성 임피던스를 간주할 수 있으므로, 50Ω 구동시스템과 정합하는 임피던스가 가능해진다. 이는 마이크로파에 대해 입력 반사계수(S11)와 출력 반사계수(S22)를 감소시키기 때문에, 그리고 전기신호 구동시스템(드라이버 회로)의 입력 종단측에서 광변조기로의 마이크로파 입력이 상기 전기신호 구동시스템의 출력 종단측으로 효율적으로 전송되기 때문에, 상기 광변기내의 전기/광 상호작용 영역으로의 마이크로파 전압의 인가 효율이 증가된다. 그 결과, E/O 응답의 주파수 특성의 평탄성을 향상시킬 수 있다.
E/O 응답의 주파수 특성의 평탄성을 향상시키는 또 다른 방법으로서, 출력 종단저항(부하저항)의 값을 광변조기의 특성 임피던스의 값보다 더 작게 하는 구성이 제안되었다(예를 들어, 일본특허공개공보 제11-183858호). 출력 종단저항의 값이 광변조기의 특성 임피던스의 값과 다르게 하는 이 방법은 전기신호의 출력 종단측상에 임피던스 부정합을 의도적으로 발생시키고, 광변조기에서의 전기/광 상호작용 영역에 인가되는 전기신호로서, 구동회로로부터의 입사 전기신호 뿐만 아니라 출력 종단측상에 임피던스 정합에 의해 발생된 반사 전기신호를 사용한다. 이는 E/O 응답의 주파수 특성의 프로파일(형태)을 제어하고, 평탄성을 향상시키며, 3db 하강 대역폭을 증가시키게 할 수 있다.
상술한 고임피던스 선로의 직렬 연결을 이용한 임피던스 정합기술에서, 입력 전기신호의 파장은 저임피던스 선로 및 고임피던스 선로로서 양쪽 광변조부를 포함하는 전체 소자의 물리적 길이보다 더 길어야만 한다. 이는 전기신호 파장이 전체 소자의 물리적 길이와 같거나 더 작다면, 전체 소자의 유효한 특성 임피던스가 각 선로의 특성 임피던스의 평균값으로서 더 이상 간주될 수 없기 때문이다.
따라서, 고임피던스 선로의 직렬연결을 사용한 임피던스 정합기술은 적용가능한 전기신호의 파장이 하한을 갖게 되는, 다시 말해, 적용가능한 전기신호의 주파수가 그 상한을 갖게 되는 문제를 갖는다. 실제로, E/O 응답특성은 입력 마이크로파의 주파수가 약 25 GHz 이하인 경우 고임피던스 선로의 직렬 접속에 의해 향상되고, E/O 응답특성은 고주파수를 갖는 입력 마이크로파에 대해 급격히 저하된다.
또한, 출력 종단저항 값에서의 감소를 이용한 임피던스 부정합 기술에서, E/O 응답의 주파수 특성의 평탄성이 향상되지만, 이는 저주파수측상의 E/O 응답의 절대값을 감소시킴으로써 달성되므로, 고주파수측상의 E/O 응답의 절대값과는 상대적 차이를 줄이게 된다. E/O 응답의 절대값에서의 감소는 동적 소광비의 저하를 의미하며, 따라서 바람직하지 못하다.
그러므로, 본 발명의 주 목적은 광변조기의 E/O 응답특성의 상한 주파수를 올릴 수 있는 광변조기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 E/O 응답의 절대값을 저하시키지 않고도 주파수 특성을 평탄하게 할 수 있는 광변조기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 광변조기는 광신호 입력단과 출력단, 전기신호 입력단과 출력단, 및 입력 광신호와 전기신호가 서로 상호작용하는 전기/광 상호작용 영역을 갖는 광변조 소자; 상기 전기신호 출력단에 접속되는 전기신호선; 및 상기 전기신호선에 접속된 반사제어회로를 구비하고, 상기 반사제어회로는 상기 광변조 소자의 상기 상호작용 영역으로부터 출력된 전기신호를 적극적으로 반사하는 임피던스 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 변조 전기신호의 반사를 조장하는 임피던스 소자가 전기/광 상호작용 영역 및 출력 종단저항을 전기적으로 접속시키는 전기신호선에 접속됨으로써, E/O(전기입력 대 광출력) 응답특성이 향상될 수 있는 상한 주파수를 상승시키게 하고 그 절대값을 저하시키지 않고도 E/O 응답의 주파수 특성의 평탄성을 향상시키게 한다.
종래, 예를 들어, 전계흡수형 광변조기의 동작 대역폭을 넓히기 위해, 소자 커패시턴스를 감소시킬 목적으로 소자 길이를 단축시키는 것이 필수적이지만, 소자 길이를 감소시킴으로써 소광비가 불가피하게 낮아진다. 그러나, 본 발명에서는, 이러한 상쇄 관계를 없앨 수 있으며, 광변조기의 동작 대역폭 및 소광비를 별개로 제어하고 디자인할 수 있다.
본 발명에서, 리액턴스(reactance) 성분 X 또는 전기저항 성분 R(더 일반적으로, 임피던스 Z = R +jX, 여기서, j는 허수단위)이 광변조기의 전기/광 상호작용 영역 및 전기신호 구동시스템의 출력 종단저항을 접속시키는 전기신호선에 병렬 접속됨으로써, 광변조기로의 입력 전기신호 또는 상기 광변조기로부터의 출력 전기신호의 반사를 제어하기 위한 자유도를 증가시키게 된다. 이는 입력(변조) 전기신호에 대한 출력(변조된) 광신호의 응답특성에 있어 디자인의 자유도를 크게 증가시킨다.
상술한 고임피던스 선로의 직렬접속을 이용한 임피던스 정합 기술에서, 전기신호의 반사를 제어하기 위한 자유도는 광변조기의 전기/광 상호작용 영역 및 종단저항을 접속시키는 전기신호선의 특성 임피던스 값 및 선 길이에 대해서만 구해진다. 또한, 상술한 종단 저항값에서의 감소를 이용한 임피던스 부정합 기술에서, 전기신호의 반사를 제어하기 위한 자유도는 전기신호선과 직렬접속된 출력 종단저항의 값에 대해서만 구해진다. 즉, 종래 기술에서, 전기신호의 반사를 제어하기 위한 자유도는 광변조기의 전기/광 상호작용 영역 및 종단저항을 접속시키는 전기신호선과 직렬접속된 소자에 대해서만 구해진다. 대조적으로, 본 발명은 또한 전기신호선에 병렬접속된 소자를 사용하여 전기신호의 반사를 제어하기 위한 자유도를 증가시킨다.
게다가, 본 발명에서 전기신호의 반사제어는 전기신호 반사의 단순한 억제, 즉, 임피던스 정합 뿐만 아니라 전기신호 반사의 조장, 즉, 임피던스 부정합을 포함한다. 특히, 임피던스는 광변조기의 전기/광 상호작용 영역 및 출력 종단저항을 접속시키는 전기신호선에 병렬로 접속되며, 이는 이러한 임피던스가 접속되지 않은 경우에 비해 적어도 소정의 주파수 영역에서 전기신호의 반사계수를 증가시킨다. 본 발명은 상술한 바와 같이 전기신호 반사의 조장을 이용함으로써 입력(변조) 전기신호에 대한 출력(변조된) 광신호의 응답특성을 향상시키고, 본 발명의 병렬 임피던스(병렬 리액턴스, 병렬 전기저항)는 통상의 임피던스 정합(전기신호 반사의 억제)의 기능과는 다른 기능을 달성한다.
유도성 리액턴스가 광변조기의 전기/광 상호작용 영역 및 출력 종단저항을 접속시키는 전기신호선과 직렬접속되더라도, 어떠한 유도성 리액턴스도 접속되지 않은 경우에 비해, 적어도 소정의 주파수 영역에서 전기신호의 출력반사 계수가 증가된다.
도 1은 본 발명에 따른 광변조기의 제 1 실시예의 구성을 도시한 도면이다;
도 2는 도 1의 실제 구조를 도시한 사시도이다;
도 3a는 선단개방 스터브 구조를 도시한 도면이다;
도 3b는 접지된 커패시터를 도시한 도면이다;
도 3c는 접지된 인덕터를 도시한 도면이다;
도 4는 제 1 실시예에 따른 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다;
도 5는 회로구성 B의 반사제어회로가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 전기신호의 반사계수의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다;
도 6은 회로구성 B의 반사제어회로가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 전기신호의 투과계수의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다;
도 7은 회로구성 C의 반사제어회로가 접속되는 경우의 광변조기의 구성을 도시한 도면이다;
도 8은 회로구성 C의 반사제어회로가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다;
도 9는 제 2 실시예에 따른 광변조기의 구성을 도시한 도면이다;
도 10은 회로구성 D의 반사제어회로가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 전기신호의 반사계수의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다;
도 11은 회로구성 D의 반사제어회로가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다;
도 12는 제 3 실시예에 따른 광변조기의 구성을 도시한 도면이다;
도 13은 제 3 실시예에 따른 실시예를 도시한 도면이다;
도 14는 회로구성 E 및 F의 반사제어회로가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다;
도 15는 리액턴스 소자의 다단 구성을 포함하는 회로의 개략 사시도이다;
도 16은 회로구성 G의 반사제어회로가 접속되는 경우의 광변조기의 구성을 도시한 도면이다;
도 17은 회로구성 G의 반사제어회로가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다;
도 18은 회로구성 G의 반사제어회로가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 전기신호의 반사계수의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다;
도 19는 회로구성 G의 반사제어회로가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 전기신호의 투과계수의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다;
도 20은 회로구성 H의 반사제어회로가 접속되는 경우의 광변조기의 구성을 도시한 도면이다;
도 21은 회로구성 H의 반사제어회로가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다;
도 22a는 회로구성 I의 반사제어회로가 접속되는 경우의 광변조기의 구성을 도시한 도면이다;
도 22b는 회로구성 J의 반사제어회로가 접속되는 경우의 광변조기의 구성을 도시한 도면이다;
도 22c는 회로구성 K의 반사제어회로가 접속되는 경우의 광변조기의 구성을 도시한 도면이다;
도 23은 회로구성 I의 반사제어회로가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다;
도 24는 회로구성 I의 반사제어회로가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 전기신호의 반사계수의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다;
도 25는 회로구성 J 및 K의 반사제어회로가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다;
도 26은 회로구성 M의 반사제어회로가 접속되는 경우의 광변조기의 구성을 도시한 도면이다;
도 27은 회로구성 M의 반사제어회로가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다;
도 28은 제 5 실시예에 따른 광변조기의 구성을 도시한 그래프이다;
도 29는 회로구성 N의 반사제어회로가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다;
도 30은 종래 광변조기의 구성을 도시한 도면이다.
첨부도면을 참조로 본 발명의 실시예를 아래에 상세히 설명한다.
본 발명은 반사제어회로가 도 1에 도시된 광변조 소자(10)의 전기신호 출력측에 접속되는 제 2 전기신호선(4a)에 접속되는 것을 특징으로 한다.
[제 1 실시예]
도 1은 본 발명의 광변조기의 제 1 실시예를 도시한 것으로, 이 광변조기는 광신호 입력단(1a), 광신호 출력단(1b), 전기신호 입력단(2a), 전기신호 출력단(2b), 및 입력 광신호 및 전기신호가 서로 상호작용하는 전기/광 상호작용 영역(11)을 포함하는 광변조 소자(10)를 구비한다.
또한, 제 1 전기신호선(3)은 상술한 광변조 소자(10)의 전기신호 입력단(2a)에 접속되고, 반사제어회로 RCNT의 한 부분을 형성하는 제 2 전기신호선(4a)은 전기신호 출력단(2b)에 접속된다.
전기신호 구동시스템의 입력 종단측(8)상에 (동일한) 입력 종단저항(81)이 제 1 전기신호선(3)에 접속된다.
반사제어회로 RCNT는 광변조 소자(10) 및 출력 종단저항(91) 사이에 위치되고, 상기 광변조 소자(10)로부터 출력 전기신호를 적극적으로 반사시킨다. 반사제어회로는 제 2 전기신호선(4a)에 대하여 병렬인 임피던스 소자(5)를 포함한다. 아래에 설명되는 각 실시예에서는, 신호선은 필요한 경우에 설명할 것이다.
제 2 전기신호선(4a)은 본 발명을 특정짓는 하는 반사제어회로 RCNT의 임피던스 소자(5)에 접속되고, 전기신호선(4b)을 통해 전기신호 구동시스템의 출력 종단측(9)상의 출력 종단저항(91)에 접속된다. 도 2는 진행파형 전극구조를 갖는 전계흡수형 광변조기의 실제 구조를 도시한 것으로, 상기 광변조기에서 전기신호선(4a 및 4b) 모두는 반절연성 InP 기판상에 형성된 공면선로이다. 이 실시예에서, 광변조 소자(10) 및 반사제어회로 RCNT는 일체로 형성된다.
또한, 광변조 소자(10)를 형성하는 전기/광 상호작용 영역(11)은 전기신호 입력단(2a)에 제공된 전기신호에 따라 광신호 입력단(1a)으로부터 제공된 광신호를 변조시킨다. 전기/광 상호작용 영역(11)은, 예를 들어, 반절연성 InP 기판상에 형성된 n-INP/MQW/p-INP(MQW는 InGaAlAs/InAlAs의 다중양자 우물구조임)의 적층구조를 갖는다.
또한, 상술한 바와 같이, 반사제어회로 RCNT의 임피던스 소자(5)가 제 2 전기신호선(4a)에 접속된다. 반사제어회로 RCNT는 일반적으로 임피던스 성분으로 구성된다. 이 실시예에서, 임피던스 성분은 선로 및 접지 사이에 접속된 리액턴스 성분이다.
이러한 광변조기에서, 전기신호 구동시스템의 출력 종단측(8)상에 발생된 변 조 전기신호는 제 1 전기신호선(3)을 통해 광변조 소자(10)에 입력되고, 전기/광 상호작용 영역(11)에서 광신호 입력단(1a)으로부터의 입력 광신호를 변조시키며, 변조된 광신호로서 광신호 출력단(1b)으로부터 출력된다. 변조 전기신호는 제 2 전기신호선(4a)을 통해 전기신호 구동시스템의 출력 종단측(9) 및 반사제어회로 RCNT의 임피던스 소자(5)로 전송된다.
상술한 리액턴스 성분은 전송선로에 의해 형성된 선단개방 스터브(open-end stub)(오픈 스터브)를 상정한다. Z0를 스터브를 형성하는 선로의 특성 임피던스라 하고 θ를 전기길이라고 하면, 주 선로로서 제 2 전기신호선(4a)으로부터 볼 때의 임피던스 Z는
Figure 112005049690906-PCT00001
이며, 여기서 j는 허수단위이다. 식(1)로부터 명백한 바와 같이, 주 선로로부터 볼 때 선단개방 스터브의 임피던스는 순수한 허수이므로, 선단개방 스터브는 순수한 리액턴스 성분을 갖는다.
선단개방 스터브의 리액턴스 성분은 전기길이 θ의 주기함수이며, 이에 따라 전기신호의 주파수에 따라 음(용량성) 또는 양(유도성)이 됨을 유의하라. 따라서, 도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 사용된 주파수 또는 광변조기의 마이크로파 반사특성에 따라, 순수한 리액턴스 성분을 갖는 집중정수로서 커패시터(capacitor) 또는 인덕터(inductor)가 또한 선단개방 서터브 대신에 병렬로 접속될 수 있다(도 3a). 대안으로, 선단단락 스터브(short-end stub)(단락 스터브) 구조가 선단개방 스터브 구조 대신에 사용될 수 있다.
인덕터 또는 선단단락 스터브 구조가 사용되는 경우, 필요하다면 직류를 억제하는 커패시터가 또한 삽입될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 구성의, 즉, 전기신호의 반사를 제어하기 위한 반사제어회로 RCNT의 임피던스 소자(5)가 광변조 소자(10)의 전기신호 출력측에 접속되는 경우의, E/O(전기입력 대 광출력) 응답의 주파수 특성 시뮬레이션의 결과를 도시한 것이다. 즉, 도 4는 제 1 실시예의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 것이다.
이 시뮬레이션에서, 전기/광 상호작용 영역(11)의 길이가 100㎛인 진행파형 전극구조를 갖는 전계흡수형 광변조기를 광변조 소자(10)로서 상정하였고, 입력 종단저항(81) 및 출력 종단저항(91)의 양 값을 50Ω으로 설정하였다. 또한, 모든 전기신호선(4a 및 4b)과 반사제어회로 RCNT를 형성하는 임피던스 성분(선단개방 스터브)(5)은 특성 임피던스 Z0=50Ω을 갖는 공면선로였으며, 선로 길이는 아래와 같이 2가지 방식으로 변경되었다. 이러한 2세트의 선로 길이를 갖는 전기신호선(4a 및 4b)과 임피던스 성분을 포함하는 회로를 이하 회로구성 A 및 B라 한다.
(L1, L2, L스터브) = (650㎛, 100㎛, 100㎛): 회로구성 A
(L1, L2, L스터브) = (390㎛, 100㎛, 230㎛): 회로구성 B
공면선로에 의해 형성된 전기신호선(4a)과 리액턴스 소자(5)(선단개방 스터 브)는 광변조 소자(10)가 형성되는 반절연성 InP 기판상에 하나로 집적될 수 있다. 이 경우, 신호선(4a)은 도 2에 도시된 광변조 소자(10)의 공면선로에 의해 형성된 전기신호 출력단(2b)에 직접 접속된다.
제 1 전기신호선(3)은 이 시뮬레이션에서 간단한 전기적 연결임을 유의하라.
도 4에 도시된 E/O 응답특성은 입력 마이크로파의 주파수가 45MHz 내지 100GHz인 경우의 결과를 나타낸 것이다.
도 4에서 흰색 사각형으로 표시한 바와 같이, 전기신호 반사제어회로 RCNT가 전혀 접속되지 않은 경우의 E/O 응답, 즉, 광변조 소자(10) 자체의 E/O 응답은 입력 마이크로파 주파수가 증가함에 따라 단조 감소되며, 3db 하강 대역폭은 약 67GHz이다.
대조적으로, 임피던스 성분을 포함하는 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우, E/O 응답특성은 도 4에 잘 도시된 바와 같이 크게 변경될 수 있다. 예를 들어, (도 4에서 검은색 원으로 표시된) 회로구성 A에서, E/O 응답특성의 평탄성은 20 내지 45GHz 부근 영역에서 향상된다. 또한, (도 4에서 검은색 삼각형으로 표시된) 회로구성 B에서, E/O 응답특성의 절대값은 35 내지 80GHz의 고주파수 영역에서 크게 증가된다.
도 5는 E/O 응답특성에 있어서 현저한 피킹효과(peaking effect)를 갖는 회로구성 B에서, 반사제어회로 RCNT가 접속되지 않은 경우의 반사계수와 함께, 전기신호의 입력반사 계수 S11과 출력반사 계수 S22의 주파수 의존성을 도시한 것이다. 즉, 도 5는 회로구성 B의 반사제어회로 RCNT가 접속된 경우 및 접속되지 않은 경우 의 전기신호의 반사계수의 주파수 의존성을 도시한 것이다. 반사제어회로 RCNT가 접속되지 않은 경우, 소자 구조는 입력 및 출력에 대해 대칭적이므로, S11 = S22 이다. 반사계수의 기준면은 입력 종단 및 출력 종단에 있음을 유의하라.
트랜지스터 등을 사용한 통상의 전기회로에서와는 달리, 광변조기를 사용한 회로에서, 반사제어회로 RCNT가 전기신호의 출력측에만 접속되더라도 입력반사 계수 S11이 또한 제어된다. 도 5에 잘 도시된 바와 같이, 입력 마이크로파 주파수가 약 25 내지 50GHz인 영역에서, 반사제어회로 RCNT(회로구성 B)가 접속된 경우의 S11 및 S22의 값은 반사제어회로 RCNT가 접속되지 않은 경우의 반사계수보다 더 작다. 이를 반영시킴으로써, 도 4에 도시된 회로구성 B의 E/O 응답은 주파수가 25 내지 50GHz인 영역에서 증가함에 따라 증가되는 경향이 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 회로구성 B가 접속된 경우의 E/O 응답에서 피킹이 발생하는 55GHz 부근의 주파수에서, 회로구성 B가 접속된 경우의 S11은 반사제어회로 RCNT가 접속되지 않은 경우의 S11과 실질적으로 같다. 또한, 회로구성 B가 접속된 경우의 S22는 반사제어회로 RCNT가 접속되지 않은 경우의 S22 보다 더 크다. 이는 E/O 응답에서 피킹이 발생하는 주파수 부근에서, 전기 임피던스 부정합이 특히 출력측상에 발생함을 의미한다. 이는 도 6에 도시된 전기신호의 투과계수 S21의 주파수 의존성에서 명확히 나타난다. 도 6은 회로구성 B의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우에 광변조기의 전기신호의 투과계수의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다.
도 6에 잘 도시된 바와 같이, 회로구성 B가 접속된 경우 S21의 값은 상술한 임피던스 부정합을 반영함으로써 55GHz 부근에서 반사제어회로 RCNT가 접속되지 않은 경우의 S21의 값보다 명백히 더 낮다.
상술한 바와 같이, E/O 응답특성은 단순한 임피던스 정합 뿐만 아니라 임피던스 부정합, 즉, 전기신호의 반사의 조장을 적극적으로 이용함으로써 향상될 수 있다. 회로구성 B에서, 광변조 소자(10)로부터의 출력전기신호는 반사제어회로 RCNT에 의해 (반사된 신호가 발생되는) 상기 광변조 소자(10)를 향해 반사되고, 전기신호 구동시스템의 입력 종단측(8)상에 발생된 변조 전기신호상에 중첩된다. 이는 전기/광 상호작용 영역으로의 신호전압 인가 효율성을 결과적으로 향상시키고, 고주파수 측상의 E/O 응답에서의 피킹을 구현한다. 출력 종단저항의 값을 감소시키는 상술한 종래 임피던스 부정합 기술은 고주파수 측상의 (절대값을 포함한) E/O 응답을 향상시킬 수 없다.
(비교예 1)
이 실시예에 따른 병렬 임피던스 성분의 역할을 명확히 하기 위해, 도 8은 도 7에 도시된 바와 같이 회로구성 B로부터 리액턴스 성분만을 제거함으로써 얻은 구성에서, 즉, 반사제어회로 RCNT를 형성하는 선로길이가 아래와 같은 회로구성 C에서, E/O 응답의 주파수 특성 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 즉, 도 8은 회로구성 C의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 것이다.
(L1, L2, L스터브) = (390㎛, 100㎛, 0㎛): 회로구성 C
도 7에 도시된 광변조기에서, 도 1에서와 동일한 참조번호는 도 1에 도시된 광변조기와 동일한 구성을 나타내며, 이에 따른 적절한 설명은 생략된다.
도 8에 잘 도시된 바와 같이, 특성 임피던스 Z0 = 50Ω을 갖는 선로가 직렬로 연결되는 회로구성 C에서, E/O 응답은 반사제어회로 RCNT가 접속되지 않은 경우에 비하면 전혀 변하지 않았다. 이는 전기신호 구동시스템이 50Ω 시스템이기 때문에, 특성 임피던스 Z0 = 50Ω을 갖는 선로가 이 구동 시스템에 직렬로 접속되더라도, 마이크로파의 반사가 전혀 영향을 끼치지 못한다.
상기 시뮬레이션 결과는 이 실시예에서의 E/O 응답특성을 크게 변경시킬 수 있는 주요 인자가 반사제어회로 RCNT의 병렬 임피던스 성분임을 입증한다.
[제 2 실시예]
도 9를 참도로 아래에 본 발명의 제 2 실시예를 설명한다.
제 1 실시예에서, 반사된 전기신호는 광변조부의 전기신호 출력측에 병렬로 임피던스 성분을 접속시킴으로써 발생된다. 제 2 실시예에서, 반사된 전기신호는 광변조부의 전기신호 출력측에 직렬로 반사제어회로 RCNT로서 유도성 리액턴스를 접속시킴으로써 발생된다.
도 9는 제 2 실시예에 따른 광변조기의 구성을 도시한 것으로, 도 1과 동일한 참조번호는 도 1에 도시된 광변조기와 동일한 구성요소를 나타내며, 이에 대한 적절한 설명은 생략한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제 2 전기신호선(4)과 직렬 접속된 소자(71)는 인덕터이다. L을 인덕턴스 값이라 하고, ω를 각주파수라 하면, 소자(71)는 +ωL의 유도성 리액턴스 성분을 갖는다. 따라서, 상기 소자(71)가 접속되는 회로구성을 이하 회로구성 D라 한다.
인덕터는 본딩 와이어(bonding wire) 등에 의해 용이하게 구현될 수 있다.
도 10은 소자(71)가 접속되지 않은 경우의 반사계수와 함께, 도 9에서 소자(71)의 인덕턴스 값이 L=0.04nH일 때, 전기신호의 입력 반사계수 S11 및 출력 반사계수 S22의 주파수 의존성을 도시한 것이다. 즉, 도 10은 회로구성 D의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 전기신호의 반사계수의 주파수 의존성을 도시한 그래프이다. 반사제어회로 RCNT가 접속되지 않은 경우, 소자 구조는 입력 및 출력에 대해 대칭이므로, S11 = S22 이다.
도 10에 잘 도시된 바와 같이, 회로구성 D의 반사제어회로 RCNT가 광변조기에 접속되는 경우, 즉, 유도성 리액턴스가 광변조 소자(10)의 전기신호 출력측과 직렬로 접속되는 경우, 출력 반사계수 S22는 반사제어회로 RCNT가 접속되지 않은 경우에 비해 약 30GHz 이상의 주파수 영역에서 증가될 수 있다. 도 11은 E/O 응답의 주파수 특성 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 즉, 도 11은 회로구성 D의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 것이다.
도 11에 잘 도시된 바와 같이, 회로구성 D의 반사제어회로 RCNT가 광변조기에 접속되는 경우, E/O 응답은 출력반사 계수 S22가 도 10에서 증가되는 (반사된 전기신호가 증가되는) 주파수 영역에서 향상된다.
[제 3 실시예]
도 12를 참도로 본 발명의 제 3 실시예를 아래에 설명한다.
제 3 실시예는 반사제어회로 RCNT로서, 광변조부의 전기신호 출력측에 리액턴스가 병렬로 접속되고 소자(71)가 직렬로 접속되는 구성, 즉, 상술한 제 1 및 제 2 실시예의 조합과 동일하다.
도 12는 제 3 실시예에 따른 광변조기의 구성을 도시한 것으로, 도 1과 동일한 참조번호는 도 1에 도시된 광변조기와 동일한 구성성분을 나타내며, 이에 대한 적절한 설명은 생략한다. 광변조 소자(10) 및 반사제어회로 RCNT가 각각 형성되며, 본딩 와이어(711a 내지 711c)에 의해 접속되는 실제 예가 도 13에 도시되어 있다. 도 13에 도시된 이 실제 예에서, 직렬 전송선(4a 및 4b) 및 선단개방 스터브 구조(5)가 반절연성 InP 기판상의 공면선로에 의해 형성된다. 도 2에 도시된 광변조 소자(10) 및 반사제어회로 RCNT는 하나로 집적되는 반면에, 제 3 실시예의 광변조 소자(10) 및 반사제어회로 RCNT은 하이브리드 접속(hybrid connection)에 의해 연결된다.
도 12를 참조하면, 소자(71)는 광변조기의 전기/광 상호작용 영역의 전기신호 출력측에 직접 접속된다. L을 인덕턴스 값이라 하고 ω를 각주파수라 하면, 소자(71)는 +ωL의 유도성 리액턴스 성분을 갖는다.
소자(71)의 인덕턴스 값은 L=0.04nH로 고정되었으며, 특성 임피던스 Z0=50Ω을 갖는 공면선로에 의해 형성된 제 2 전기신호선(4a) 및 임피던스 성분으로서 리액턴스 소자(선단개방 스터브)의 길이를 아래와 같이 2가지 방식으로 변경하였다. 이러한 2세트의 선로 길이를 갖는 제 2 전기신호선(4a) 및 임피던스 성분(리액턴스 소자)을 갖는 회로를 이하 회로구성 E 및 F라 한다.
(L1, L2, L스터브) = (650㎛, 100㎛, 70㎛): 회로구성 E
(L1, L2, L스터브) = (30㎛, 100㎛, 210㎛): 회로구성 F
도 14는 E/O 응답의 주파수 특성 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 즉, 도 14는 회로구성 E 및 F의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 것이다.
제 1 및 제 2 실시예와 비교하면, 제 3 실시예에서는, 2개의 소자, 즉, 병렬접속된 소자 및 직렬 접속된 소자가 광변조 소자(10) 및 출력 종단저항의 전기/광 상호작용 영역(11)을 접속시키는 전기신호선에 접속되므로, 전기신호의 반사를 제어하기 위한 자유도가 증가되기 때문에, E/O 응답특성을 향상시키는 효과가 더 탁월해질 수 있다.
예를 들어, (도 14에서 검은 원으로 표시된) 회로구성 E에서, 평탄성은 약 40GHz의 주파수 영역까지 E/O 응답의 절대값을 저하시킴이 없이 향상된다. 또한, (도 14에서 검은 삼각형으로 표시된) 회로구성 F에서, E/O 응답은 약 100GHz의 초고주파수 영역에서 조차도 크게 향상되며, 이 경우 3db 하강 대역폭은 100GHz에 달한다.
따라서, 전기신호의 출력반사계수가 제 1 및 제 2 실시예서와 같이 조장되기 때문에 E/O 응답특성이 향상된다.
병렬 접속되는 반사제어회로로서 유일한 임피던스 성분은 제 1 및 제 2 실시 예에서의 리액턴스 소자이지만, 도 15에 도시된 바와 같이 2이상의 소자들이 병렬접속되는 다단 구성도 또한 E/O 응답특성의 디자인의 자유도를 증가시키는데 효과적임을 유의하라. 도 15는 다단 리액턴스 소자를 포함하는 회로를 개략적으로 도시한 것이다.
도 15에 도시된 바와 같이 병렬 접속되는 리액턴스 성분의 수가 증가되는 경우, 전기신호의 반사를 제어(조장)하기 위한 자유도는 리액턴스 성분에서의 증가로 인해 증가되며, 이는 E/O 응답특성의 디자인의 자유도를 증가시킨다.
(비교 실시예 2)
상술한 제 1 및 제 3 실시예에서, 반사제어회로 RCNT로서 병렬 리액턴스 소자가 광변조기의 전기신호 출력측에 접속된다. 따라서, 병렬 리액턴스 소자를 갖는 회로구성 G의 반사제어회로 RCNT가 전기신호 입력측에 접속되는 광변조기를 아래에 설명한다.
도 16에서, 도 1과 동일한 참조번호는 도 1에 도시된 광변조기와 동일한 구성성분을 나타내며, 이에 대한 적절한 설명은 생략함을 유의하라.
도 17은 도 16에서 특성 임피던스 Z0=50Ω을 갖는 공면선로에 의해 형성된 제 1 전기신호선(3) 및 반사제어회로 RNCTN로서 리액턴스 소자(선단개방 스터브)의 선로 길이가 아래와 같이 설정되는 경우 E/O 응답의 주파수 특성 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 즉, 도 17은 회로구성 G의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 것이다.
(L3, L4, L스터브) = (130㎛, 100㎛, 210㎛): 회로구성 G
도 17에 잘 도시된 바와 같이, E/O 응답은 병렬 리액턴스 소자가 광변조 소자(10)의 전기신호 입력측에 접속될 때에도 향상될 수 있고, 회로구성 G로 약 40 내지 70 GHz의 주파수 범위내에 E/O 응답의 향상효과가 얻어질 수 있다.
도 18 및 도 19는 전기신호의 입력반사계수 S11 및 출력반사계수 S22의 주파수 의존성 및 회로구성 G의 반사제어회로 RCNT에서 전기신호의 투과계수 S21의 주파수 의존성을 도시한 것이다. 즉, 도 18은 회로구성 G의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 전기신호의 반사계수의 주파수 의존성을 도시한 도면이고, 도 19는 회로구성 G의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 전기신호의 투과계수의 주파수 의존성을 도시하고 있다.
도 18에 잘 도시된 바와 같이, E/O 응답의 향상효과가 도 17에서 발견된 40 내지 70 GHz의 주파수 영역에서, 회로구성 G의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우의 S11 및 S22 값 모두는 회로구성 G의 반사제어회로 RCNT가 접속되지 않은 경우의 S11 및 S22 값 보다 더 작으며, 이는 임피던스 정합이 이러한 주파수 영역에서 얻어짐을 나타낸다.
이에 대응하는, 도 19에 잘 도시된 바와 같이, 회로구성 G의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우의 S21의 값은 상기 반사제어회로 RCNT가 40 내지 70 GHz의 주파수 영역에서 접속되지 않은 경우의 S21의 값보다 더 크다. 따라서, E/O 응답의 향상 및 전기신호의 투과계수 S21의 향상은 거의 완전한 대응관계를 이룬다.
이 현상은 임피던스 부정합에 의한 E/O 응답을 향상시키는 회로구성 B의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우(제 1 실시예)와는 매우 대조를 이룬다. 회로구성 B에서, 전기신호의 투과계수 S21는 큰 피킹이 E/O 응답특성에서 발견되는 주파수 영역에서 명백히 저하된다(도 4 및 도 6을 참조).
임피던스 정합을 이용한 E/O 응답의 향상기술은 변조 전기신호의 입력 및 출력단에서의 반사를 억제시키고, 광변조기에 입력된 전기신호를, 출력측으로, 효율적으로 투과시킴으로써, 광변조기내의 전기/광 상호작용 영역에 신호전압을 효율적으로 공급하게 한다. 그 결과, E/O 응답특성이 향상된다. 따라서, 디자인 개념은 입력단 및 출력단에서 전기신호의 반사를 억제함으로써 입력측에서 출력측으로 전기신호의 투과계수 S21, 즉, 이득(gain)을 향상시키는 트랜지스터 등을 사용하는 통상의 전기회로에서 임피던스 정합에 대한 디자인 개념과 실질적으로 동일하며, 이 디자인 개념은 광변조기내에 진행되는(광변조기를 통해 투과되는) 전기신호만을 고려한 것이다.
한편, 임피던스 부정합을 이용한 E/O 응답의 향상기술은 광변조기내의 투과(입사) 전기신호 및 임피던스 부정합에 의해 발생된 반사된 전기신호를 중첩시킴으로써 광변조기로의 신호전압 인가를 제어하고, 이에 따라 디자인의 자유도가 임피던스 정합을 이용한 기술의 자유도보다 훨씬 더 큰 이점을 갖는다. 실제로, 도 16에 도시된 바와 같은 임피던스 정합을 사용한 구성(회로구성 G)에서, E/O 응답은 도 17에 도시된 정도로만 향상될 수 있다. 대조적으로, 도1에 도시된 임피던스 부정합을 이용한 구성(회로구성 A 또는 B)은 도 4에 잘 도시된 바와 같이 E/O 응답 특성을 크게 변경시킬 수 있다.
(비교예 3)
상술한 제 2 실시예에서, 반사제어회로 RCNT로서 유도성 리액턴스가 광변조 소자(10)의 전기신호 출력측에 직렬 접속된다. 따라서, 유도성 리액턴스를 갖는 회로구성 H가 광변조 소자(10)의 전기신호 입력측에 접속되는 광변조기를 아래에 설명한다. 도 20은 회로구성 H의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 광변조기의 구성을 도시한 것이다.
도 20에서, 도 9와 동일한 참조번호는 도 9에 도시된 광변조기와 동일한 구성요소를 나타내고, 이에 대한 적절한 설명은 생략된다.
도 21은 소자(71)(인덕터)의 인덕턴스 값이 L=0.04nH인 경우 E/O 응답의 주파수 특성 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 즉, 도 21은 회로구성 H의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 것이다.
도 21에 잘 도시된 바와 같이, 유도성 리액턴스가 광변조 소자(10)의 전기신호 입력측에 직렬 접속되는 경우, 입력 파이크로파 주파수가 증가함에 따라 E/O 응답이 저하된다. 주파수의 증가와 함께 증가되는 Z=+jωL로 표시된 임피던스 성분이 광변조 소자(10)의 전기신호 입력측에 접속되기 때문에, 광변조 소자(10)내의 전기/광 상호작용 영역(11)에 도달하기 전에 전기신호 구동시스템에서 발생된 마이크로파는 감쇄된다.
[제 4 실시예]
도 22a 내지 도 22c를 참조로 본 발명의 제 4 실시예를 아래에 설명한다.
제 4 실시예에서, 병렬 전기저항은 광변조 소자(10)의 전기신호 출력단(2b)에 접속되는 전기신호선(4)에 반사제어회로 RCNT로서 접속된다.
도 22a, 도 22b 및 도 22c는 각각 회로구성 I, J, 및 K의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 광변조기의 구성을 도시한 것이다. 도 22에서, 도 1과 동일한 참조번호는 도 1에 도시된 광변조기와 동일한 구성성분을 나타내며, 이에 대한 적절한 설명은 생략함을 유의하라. 도 22에서, 입력 종단저항(81) 및 출력 종단저항(91) 모두가 50Ω임을 또한 유의하라.
도 22a에 도시된 회로구성 I의 반사제어회로 RCNT에서, 반사제어회로 RCNT가 로서의 병렬 전기저항이 제 2 전기신호선(4) 및 접지 사이에 접속된다.
도 22b에 도시된 회로구성 J의 반사제어회로 RCNT에서는, 병렬 전기저항 뿐만 아니라, 반사제어회로(5)로서 병렬 전기저항보다 광변조 소자(10)에 더 가까운 전기신호선(4) 부분에 직렬 전기저항이 접속된다.
도 22c에 도시된 회로구성 K의 제어회로에서는, 반사제어회로 RCNT로서 병렬 전기저항 뿐만 아니라, 병렬 전기저항보다 출력 종단저항에 더 가까운 전기신호선(4) 부분에 직렬 전기저항이 접속된다.
도 23은 반사제어회로 RCNT가 접속되지 않은 경우 광변조 소자 자체의 E/O 응답 특성과 함께, 도 22a에 도시된 회로구성 I에서 E/O 응답특성의 주파수 특성 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 즉, 도 23은 회로구성 I의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 것이다. 이 시뮬레이션에서, 제 1 실시예와 동일한 광변조 소자(10)가 상정되었고, 반사제어회로 RCNT의 병렬 전기저항의 값은 67Ω으로 설정되었다.
도 23에 잘 도시된 바와 같이, 병렬 전기저항이 광변조 소자(10)의 전기신호 출력측에 반사제어회로 RCNT로서 접속되는 경우, 저주파수측상의 E/O 응답의 절대값을 감소시킬 수 있고 고주파수측상의 E/O 응답의 절대값을 증가시킬 수 있는 반면에, 종단저항의 값은 50Ω으로 유지되므로, 이에 의해 주파수 특성의 평탄성을 크게 향상시키게 된다. 종래 기술에서, 출력 종단저항(부하저항)의 값은 자체적으로 E/O 응답의 주파수 특성의 평탄성을 향상시키기 위해 감소되어야만 한다. 그러나, 제 4 실시예에서는, 병렬저항의 추가로 전기신호 구동시스템의 임피던스를 표준값인 50Ω으로부터 변경할 필요가 없게 된다.
도 24는 반사제어회로 RCNT가 접속되지 않은 경우의 반사계수와 함께 회로구성 I에서 전기신호의 입력반사계수 S11 및 출력반사계수 S22의 주파수 의존성을 도시한 것이다. 즉, 도 24는 회로구성 I의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 전기신호의 반사계수의 주파수 의존성을 도시한 것이다. 반사제어회로 RCNT가 접속되지 않은 경우, 소자 구조는 입력 및 출력에 대해 대칭적이므로, S11 = S22 이다.
광변조부를 사용한 회로에서는, 트랜지스터 등을 사용한 통상의 전기회로에서와는 달리, 반사제어회로 RCNT가 전기신호 출력측에만 접속되더라도 입력 반사계수 S11이 제어될 수 있다. 도 24에 잘 도시된 바와 같이, 입력 마이크로파 주파수는 약 40GHz 이하인 영역에서, 반사제어회로(회로구성 I)가 접속되는 경우 S11의 값은 반사제어회로 RCNT가 접속되지 않은 경우에서의 S11과는 반대된다; 즉, 주파수가 증가함에 따라 감소된다. 특히, 약 25GHz 이하의 영역에서, 반사제어회로 RCNT를 접속시킴으로써 입력측상의 전기신호의 반사가 조장된다.
대조적으로, 도 23에 도시된 바와 같이, 반사제어회로(회로구성 I)가 접속되는 경우 E/O 응답은 약 40GHz 이하의 영역에서 주파수가 증가함에 따라 증가된다.
상술한 바와 같이, 병렬 전기저항만이 광변조 소자(10)의 전기신호 출력측에 반사제어회로 RCNT로서 접속되는 회로구성 I에서, E/O 응답의 주파수 특성의 평탄성이 향상될 수 있으나, E/O 응답의 절대값은 저주파수측상에서 감소된다.
병렬 전기저항만이 광변조 소자(10)의 전기신호 출력측에 반사제어회로 RCNT로서 접속되는 경우의 회로구성 I와는 대조적으로, 회로구성 J 및 K로서 병렬 전기저항 뿐만 아니라 직렬 전기저항(7)을 접속시킴으로써 E/O 응답특성의 절대값을 포함하는 특성이 향상될 수 있다. 도 25는 회로구성 J 및 K의 E/O 응답의 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 즉, 도 25는 회로구성 J 및 K의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 것이다.
도 25에 도시된 시뮬레이션에서, 각각의 회로구성 J 및 K의 반사제어회로 RCNT로서 병렬 전기저항의 값은 67Ω, 즉, 회로구성 I에서와 동일한 값이고, 회로구성 J의 직렬 전기저항(7)은 5Ω이며, 회로구성 K의 직렬 전기저항(7)의 값은 25Ω임을 유의하라.
도 25에 잘 도시된 바와 같이, 병렬 전기저항 뿐만 아니라 직렬 전기저항(7) 이 반사제어회로 RCNT로서 사용되는 경우, E/O 응답의 절대값을 포함하는 E/O 응답특성, 특히 평탄성을 향상시킬 수 있으며, 3db 하강 대역폭을 증가시킬 수 있는 반면에, 종단저항의 값은 50Ω으로 유지된다.
(비교예 4)
상기 제 4 실시예에서, 전기저항은 광변조 소자(10)의 전기신호 출력측에 병렬 접속된다. 따라서, 전기저항을 갖는 회로구성 M의 반사제어회로 RCNT가 광변조 소자(10)의 전기신호 입력측에 접속되는 광변조기를 아래에 설명한다. 도 26은 회로구성 M의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 광변조기의 구성을 도시한 것이다.
도 26에서, 도 22와 동일한 참조번호는 도 22에 도시된 광변조기와 동일한 구성요소를 나타내고, 이에 대한 적절한 설명은 생략된다.
도 27은 반사제어회로 RCNT로서 병렬 전기저항의 값이 67Ω인 경우 E/O 응답의 주파수 특성 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 즉, 도 27은 회로구성 M의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 것이다.
도 27에 잘 도시된 바와 같이, 병렬 전기저항은 광변조 소자(10)의 전기신호 입력측에 반사제어회로 RCNT로서 접속되는 경우, E/O 응답의 절대값이 크게 감소되므로, 이 구성은 실제 시스템에 적합하지 않다. 따라서, E/O 응답은 전기저항 성분이 광변조 소자(10)의 전기신호 입력측에 접속되기 때문에 저하되므로, 광변조 소자(10)내의 전기/광 상호작용 영역(11)에 도달하기 전에 전기신호 구동시스템에서 발생된 마이크로파가 붕괴되고, 어떠한 신호전압도 효과적으로 전기/광 상호작용 영역(11)에 인가되지 못한다.
[제 5 실시예]
도 28을 참조로 본 발명의 제 5 실시예를 아래에 설명한다.
제 5 실시예는 광변조기의 전기신호 출력측에 전기저항이 병렬로 그리고 유도성 리액턴스가 직렬로 접속되는 구성, 즉, 제 2 실시예 및 제 4 실시예의 조합과 동일하다.
도 28은 제 5 실시예에 따른 광변조기의 구성을 도시한 것이다. 도 28에서, 도 9 및 도 22와 동일한 참조번호는 도 9 및 도 22에 도시된 광변조기와 동일한 구성성분을 타나내고, 이에 대한 적절한 설명은 생략함을 유의하다.
도 28을 참조하면, 제 2 전기신호선(4)과 직렬 접속된 소자(71)는 인덕터이다. L을 인덕턴스 값이라 하고 ω를 각주파수라 하면, 소자(71)는 +ωL의 유도성 리액턴스 성분을 갖는다. 또한, 반사제어회로 RCNT로서 병렬 전기저항 및 직렬 전기저항(7)이 제 2 전기신호선(4)의 부분에 접속되며, 상기 신호선은 상기 소자(71)보다 출력 종단저항에 더 가깝다. 이 회로구성을 이하 회로구성 N이라 한다.
도 29는 소자(71)의 인덕턴스 값이 L=0.04nH 이고 반사제어회로 RCNT로서 병렬 전기저항 및 직렬 전기저항의 값이 도 28에 도시된 회로구성 N이 접속되는 광변조기내에서 각각 67 및 25Ω인 경우, E/O 응답의 주파수 특성 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 즉, 도 29는 회로구성 N의 반사제어회로 RCNT가 접속되는 경우 및 접속되지 않은 경우의 광변조기의 E/O 응답의 주파수 의존성을 도시한 것이다.
도 29에 잘 도시된 바와 같이 회로구성 N에서, 절대값을 포함하는 E/O 응답 특성이 크게 향상될 수 있고, E/O 응답 피킹효과는 약 40GHz 부근을 중심으로 매우 광범위한 주파수 영역에 걸쳐서 발견된다. 이와 같은 피킹이 구현될 수 있는 경우, 예를 들어, 광변조기를 전기적으로 구동하는 구동기 회로(driver circuit)의 출력 전압진폭이 주파수의 증가에 따라 감소하는 경우에서 조차도, 약 40GHz의 주파수 범위까지 광변조기로부터의 광출력이 이점적으로 등화될 수 있다.
직렬 전기저항(7)이 도 28에 도시된 회로구성 N에 접속되지만, 이 직렬 전기저항이 접속되지 않더라도 동일한 효과가 구해질 수 있음을 유의하라.
또한 E/O 응답특성은 제 4 실시예에서와 같이 주로 전기신호의 입력반사계수 S11의 프로파일(profile)로 인해 도 29에서 저주파수 영역내의 주파수 증가에 따라 증가함을 유의하라.
본 발명은 제 1 내지 제 5 실시예로서 상술되었으나, 물론 이들 실시예를 자유롭게 조합하는 것도 가능하다. 또한, 광변조 소자는 각각의 제 1 내지 제 5 실시예에서 예로서 전계흡수형 광변조기를 취함으로써 설명되었으나, 본 발명은 또 다른 동작기구를 기초로 한 광변조 소자, 예를 들어, 재료의 굴절률 변화를 이용하는 마하젠더 광변조 소자에 적용될 수 있다. 이는 본 발명이 전기/광 상호작용 영역내의 동작기구보다는 광변조 소자의 전기/광 상호작용 영역에 공급된 전기신호의 제어와 관계있기 때문이다.
본 발명의 상세한 내용에 포함됨.

Claims (16)

  1. 광신호 입력단과 출력단, 전기신호 입력단과 출력단, 및 입력 광신호와 전기신호가 서로 상호작용하는 전기/광 상호작용 영역을 갖는 광변조 소자;
    상기 전기신호 출력단에 접속되는 전기신호선; 및
    상기 전기신호선에 접속된 반사제어회로를 구비하고,
    상기 반사제어회로는 상기 광변조 소자의 상기 상호작용 영역으로부터 출력된 전기신호를 적극적으로 반사하는 임피던스 소자(impedance element)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광변조기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 임피던스 소자는 상기 전기신호선 및 접지 사이에 접속된 리액턴스 소자(reactance element)인 것을 특징으로 하는 광변조기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 리액턴스 소자는 스터브 구조(stub structure)를 갖는 소자인 것을 특징으로 하는 광변조기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 반사제어회로는 상기 광변조 소자로부터 연장되는 상기 전기신호선과 직렬 접속된 또 다른 임피던스 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광변조기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사제어회로의 상기 임피던스 성분은 상기 전기신호선과 직렬 접속된 유도성 리액턴스인 것을 특징으로 하는 광변조기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사제어회로의 상기 임피던스 성분은 상기 전기신호선 및 접지 사이에 접속된 전기저항인 것을 특징으로 하는 광변조기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 반사제어회로는 상기 광변조 소자로부터 연장되는 상기 전기신호선과 직렬 접속된 또 다른 전기저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광변조기.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 전기신호선과 직렬 접속된 상기 임피던스 성분은 유도성 리액턴스인 것을 특징으로 하는 광변조기.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기신호선이 출력 종단저항에 접속되는 것을 특징으로 하는 광변조기.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 전기신호선이 출력 종단저항에 접속되는 것을 특징으로 하는 광변조기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기신호선에 접속된 상기 출력 종단저항의 저항값이 50Ω인 것을 특징으로 하는 광변조기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전기신호선에 접속된 상기 출력 종단저항의 저항값이 50Ω인 것을 특징으로 하는 광변조기.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 상호작용 영역에 전기신호를 입력하는 전기신호선에 접속된 전기신호 구동시스템의 입력 종단저항 및 상기 출력 종단저항이 동일한 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 광변조기.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 상호작용 영역에 전기신호를 입력하는 전기신호선에 접속된 전기신호 구동시스템의 입력 종단저항 및 상기 출력 종단저항이 동일한 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 광변조기.
  15. 광신호 입력단과 출력단, 전기신호 입력단과 출력단, 및 입력 광신호와 전기신호가 서로 상호작용하는 전기/광 상호작용 영역을 갖는 광변조 소자; 상기 전기신호 출력단에 접속되는 전기신호선; 및 상기 전기신호선에 접속된 반사제어회로를 사용하여,
    임피던스 소자를 포함하는 상기 반사제어회로에 의해 상기 광변조 소자의 상호작용 영역으로부터 출력된 전기신호를 적극적으로 반사시키고, 생성된 반사 전기신호와 상기 입력 전기신호를 중첩함으로써 얻은 중첩된 전기신호에 의해 상기 입력 전기신호를 변조하는 것을 특징으로 하는 광변조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 반사제어회로의 임피던스 소자는 상기 전기신호선 및 접지 사이에 접속된 리액턴스 소자인 것을 특징으로 하는 광변조 방법.
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