NO309748B1 - Elektro-optisk modulator og fremgangsmåte for modulering av et optisk signal - Google Patents

Description

Generelt sett angår denne oppfinnelse elektro-optiske modulatorer for modulering av optiske signaler og, mer bestemt, en elektro-optisk modulator som er avstemt når det gjelder fasehastighet. Nærmere "bestemt vedrører oppfinnelsen en elektro-optisk modulator som angitt i ingressen av vedlagte patentkrav 1. Dessuten vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte for modulering av et optisk signal ved bruk av en slik elektro-optisk modulator.

Vandrebølgeintegrerte elektro-optiske modulatorer er kjent på området til frembringelse av amplitudemodulasjon og fasemodulasjon av et optisk signal. Elektro-optiske modulatorer blir i alminnelighet anvendt sammen med fiberoptiske forbindelsesledd som er blitt stadig viktigere for et antall anvendelser som innbefatter millimeter-bølgekommunikasjoner og radarsystemer. En egen elektro-optisk modulator er i alminnelighet nødvendig ved fiberoptiske forbindelsesledd for millimeterbølge siden direkte modulasjon av et faststoff lasersignal i alminnelighet ikke er mulig over mikrobølge-frekvenser.

Elektro-optiske modulatorer innbefatter vanligvis en optisk bølgeleder formet som et substrat og med overliggende elektrodestruktur av metall. Elektro-optiske modulatorer som er fremstilt i substratmateriale der de optiske hastigheter og mikrobølgefasehastigheter er like byr på muligheter for meget brede båndbredder for modulasjonen. For viktige elektro-optiske substratmaterialer som f.eks. litiumniobat (LiNb03), finnes det en iboende mistilpasning mellom de optiske hastigheter og RF-mikrobølgehastigheter. Siden det optiske signals fasehastighet i litiumniobat er nesten det dobbelte av hastigheten for mikrobølgedrivsignalet begynner størrelsen på fasemodulasjonen og bli forringet når faseforskjellen mellom de optiske signaler og drivsignalene øker. Dette fenomen blir ofte betegnet som fase-"bortvandring". Denne mistilpasning når det gjelder hastighet nødvendiggjør kompromisser når det gjelder utformning. På den ene side vil den maksimalt oppnåelige drivfrekvens avta når modulator-lengden øker. På den annen side er det for å senke drivspen-ningen og den energi som kreves, i alminnelighet nødvendig med en lenger anordningslengde. Det må derfor gjøres et kompromiss mellom maksimum drivfrekvens og den nødvendige drivkraft.

Tidligere forsøk, se eksempelvis Rod C. Alferness et al. "Velocity-Matching Techniques for Integrated Optic Traveling V/ave Switch/Modulators" , IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. GE-20, No. 3, mars 1984, sidene 301-309, er blitt utført for å utligne denne iboende mistilpasning når det gjelder hastighet. Periodiske elektrodestrukturer er blitt benyttet i koplanare elektro-optiske modulatorer og blir generelt betegnet som periodisk fasereverserende elektroder eller intermittent interaksjonelektroder. Kjente periodiske elektrodeutførelser innbefatter ubalanserte overføringslinjer som er asymmetriske om en forplantningsakse. Dette kan imidlertid føre til uforenelighet med de balanserte linje-overganger til andre senderkomponenter for fiberoptiske forbindelsesledd.

Et forholdsvis nærliggende eksempel på en elektro-optisk modulator er omhandlet i US patent nr. 5005932 (Schaffner et al) som tilhører samme patentfamile som EP-A-427092. Denne tidligere kjente modulator får hastighetstilpasning mellom det optiske signal og RF signalet ved å benytte vandrebølge-elektroder med periodiske diskontinuiteter. Selv om denne løsning stort sett er mulig for de fleste anvendelser kan diskontinuitetene selv skape refleksjon av deler av RF-signalet tilbake mot kilden sammen med elektromagnetisk spredning av deler av RF-signalet i litiumniobatsubstratet. Som en følge av dette vil slike tidligere kjente løsninger i alminnelighet være forbundet med disse tap, særlig ved høye frekvenser f.eks. de som ligger i millimeter-bølgeområdet. En elektro-optisk modulator ifølge ingressen i krav 1 er kjent fra EP-A-427092.

Det er derfor ønskelig å komme frem til en forbedret elektro-optisk modulator som ikke har de uønskede RF-refleksjoner eller spredning slik tilfellet er i tidligere kjente utførelser. Særlig er det ønskelig å komme frem til en forbedret teknikk til tilbakestilling av faseforskjellen i integrerte mikro-optiske modulatorer for millimeterbølger der modulatorene har mistilpasning når det gjelder hastighet mellom RF og optiske signaler.

Dette formål oppnås med en elektro-optisk modulator som har de kjennetegnende trekk som fremgår av patentkrav 1. Fremgangsmåten for modulering av et optisk signal ved bruk av en slik elektrooptisk modulator er definert i krav 9.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en elektro-optisk modulator som kompenserer for fasehastighets-feiltilpasning mellom et optisk signal og et RF signal. Modulatoren innbefatter en optisk bølgeleder utformet i et ferroelektrisk substrat og koblet til en optisk inngang. En RF bølgeleder er dannet på substratet for å påtrykke et elektrisk felt i et område nær ved den optiske bølgelederen for å modulere et optisk signal. Det ferroelektriske substrat har periodisk inverterte og ikke-inverterte områder som kompenserer for faseforskjeller i modulasjonsområdet. I en foretrukket utførelse er RF bølgelederen koblet til et Mach-Zehnder interferometer for optiske bølgeledere for å frembringe amplitudemodulasjon (AM) av det optiske signal.

Øvrige utførelsesformer av modulatoren og fremgangsmåten fremgår av de uselvstendige patentkravene.

Andre formål og fordeler ved oppfinnelsen vil bli klarere ved lesning av etterfølgende beskrivelse under henvisning til tegningene der: Fig. 1 viser en vanlig i og for seg kjent periodisk fasereverserende elektro-optisk modulator sett ovenfra, Fig. 2 viser en elektro-optisk modulator i en utførelsesform for oppfinnelsen, sett ovenfra,

Fig. 3 viser et snitt tatt etter linjen 3-3 på fig. 2,

Fig. 4 er en grafisk gjengivelse som viser frekvensfølsom-heten for ett eksempel på en elektro-optisk modulator i henhold til foreliggende oppfinnelse, Fig. 5 viser en elektro-optisk modulator i henhold til en alternativ utførelse av foreliggende oppfinnelse, sett ovenfra, og

Fig. 6 er et snitt tatt etter linjen 6-6 på fig. 5.

En eksisterende elektro-optisk modulator 10 er vist på fig. 1. Den tidligere kjente elektro-optiske modulator 10 som her er vist er en periodisk fasereverserende (PPE) modulator som er fremstilt på et litiumniobat (LiNbC^) substrat 12. Den tidligere kjente PPR modulator 10 innbefatter et integrert optisk Mach-Zehnder interferometer for gjennomføring av et optisk signal og en periodisk fasereverserende (PPR) elektrode for påtrykning av et elektrisk felt på det optiske signal for å innføre fasemodulasjonen i dette.

Ifølge det som er tidligere kjent innbefatter Mach-Zehnder interferometeret et par optiske bølgelederkanaler 16, 18 utformet i substratet 12 der deler av kanalene ligger parallelt med hverandre. Interferometeret innbefatter videre en optisk inngangsbane 14 som fører til en Y-overgang 15 som er inngang og som på sin side deler et optisk inngangssignal 13 mellom den første og den andre optiske bølgeleder 16 og 18. Interferometeret omfatter likeledes en Y-overgang 27 som er utgang og som fører utgangene fra de første og andre optiske bølgeledere 16 og 18 sammen og gir et amplitudemodulert (AM) utgangssignal 29 til en modulatorutgangsbane 28.

PPR elektroden har en aktiv senterleder 22 og et par jordkoblede ledere 24a og 24b som påtrykker et RF elektrisk felt over det optiske signal 13. Senterlederen 22 er anbragt over et område mellom de optiske bølgeledere 16 og 18. Paret av jordkoblede ledere 24a og 24b er anbragt over et område på utsidene av de optiske bølgeledere 16 og 18. Senterledere 22 får dermed RF signalet fra en strømkilde 23, mens de jordkoblede ledere 24a og 24b i alminnelighet er koblet til den lave jordreferanse.

Det optiske inngangssignal 13 forplanter seg således gjennom de optiske bølgeledere 16 og 18 og reagerer sammen med RF inngangssignalet 25 for å frembringe fasemodulasjon i dette. Det er imidlertid generelt kjent at fasehastigheten for et RF elektrisk signal som regel er mindre enn fasehastigheten for et optisk signal med en tilnærmet faktor på 0,6 i litiumniobat. Hvis derfor modulatoren 10 er lang nok, vil faseforskjellen mellom RF signalet og den innførte modulasjon av det optiske signal nå 180 grader ved et eller annet punkt. For å kompensere for denne faseforskjell er den vanlige løsning å benytte periodisk fasereverserende elektroder for å vende om retningen for det elektriske felt i forhold til det optiske signal ved å forflytte deler 20 av elektroden rundt de optiske bølgeledere 16 og 18. Virkningen av dette er å gjøre den samlede faseforskjell mellom modulasjonen av det optiske signal 13 og RF signalet 25 til 360 grader og dermed på nytt tilpasse RF signalet og det optiske signal.

Den tidligere kjente løsning krever da en elektrode som har luftgap 21 med elektrodeforflytninger 20 ved punkter der faseforskjellen mellom det elektriske RF signal og modulasjonen av det elektriske signal 25 når en 180° forskjell. I den tidligere nevnte løsning kreves det imidlertid at RF signalet 25 blir fysisk forflyttet rundt sidene av de optiske bølgeledere 16 og 18 med periodiske diskontinuiteter for elektroden. Ved meget høye frekvenser vil de tidligere kjente diskontinuiteter generelt sett føre til at en brøkdel av RF signalet 25 blir reflektert tilbake til RF kilden 23 og en brøkdel av RF signalet 25 blir spredt inn i substratet 12. Følgelig vil denne tilbakerefleksjon og spredning resultere i et uønsket signaltap.

Det skal nu vises til figurene 2 og 3 der det er gjengitt en periodisk reverserende elektro-optisk modulator 30 som er utført i henhold til foreliggende oppfinnelse. Den periodisk områdeinverterende elektro-optiske modulator 30 er fremstilt på +Z siden av et litiumniobat (LiNb03) substrat 32 i henhold til en foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse. Substratet har et ferroelektrisk område med utvalgte partier formet for å danne motstående retningsforandringer. Modulatoren 30 innbefatter et integrert optisk Mach-Zehnder interferometer for styring av et optisk signal 56 gjennom modulatoren 30. Modulatoren 30 innbefatter videre en asymmetrisk, koplanar bølgelederelektrode for vandrebølger til påtrykning av et elektrisk felt over det optiske signal 56 for å innføre fasemodulasjon i det optiske signal 56 i hver bølgeleder.

Interferometeret innbefatter et optisk inngangspunkt 34 som skal motta et optisk inngangssignal 56 og et utgangspunkt 44 som frembringer et amplitudemodulert (AM) optisk utgangssignal 60. Interferometeret innbefatter videre en inngangs Y-overgang 36 som deler det optiske inngangssignal 56 mellom et par optiske bølgelederkanaler 38 og 40. Paret av optiske bølgelederkanaler 38 og 40 har deler som er plassert stort sett parallelt med hverandre. Interferometeret har likeledes en utgangs Y-overgang 42 som sammenfører paret av optiske bølgelederkanaler 38 og 40 og disse fører så på sin side til utgangspunktet 44.

Interferometeret og tilhørende optiske bølgelederkanaler 38 og 40 er fremstilt i litiumniobatsubstratet 32 ved å diffundere titan inn i substratet 32 for å danne de optiske bølgelederkanaler 38 og 40 ifølge vanlige teknikker som er kjent på dette området. De optiske bølgelederkanaler 38 og 40 er utført med partier som er anordnet stort sett parallelt med hverandre og som har én eller flere motsatt rettede retningsforandringer i det ferroelektriske området. I tillegg blir fortrinnsvis et silisiumdioksid bufferlager 62 påført på toppen av substratet 32 for å forhindre optiske tap fra de optiske bølgelederkanaler 38 og 40, hvilke tap ellers ville kunne oppstå p.g.a. metallelektrodene 46 og 48.

Den asymmetriske, koplanare bølgelederelektrode for vandre-bølge er utformet på toppen av bufferlagre 62 i et område som stort sett ligger over de første og andre bølgeleder-kanaler 38 og 40. Vandrebølgeelektroden innbefatter en aktiv ledende linje 46 og en ledende jordlinje 48. Den aktive ledende linje 46 er koblet til en RF kraftkilde 58 for å motta det elektriske RF signal 59. Den ledende linje 48 til jord er på den annen side jordkoblet. Den aktive, ledende linje 46 er forskjøvet fra den ledende jordlinje 48 og danner, som et resultat av dette, et aktivt modulasjonsområde 50 og bevirker påtrykning av et RF elektrisk felt over modulasjonsområdet 50. Det elektriske felt fører dermed til at det optiske inngangssignal 56 blir fasemodulert i hver av de optiske bølgelederkanaler 38 og 40.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er modulatoren 30 fremstilt på et substrat 32 som har et ferroelektrisk område med inverterte partier 54 og ikke-inverterte partier 52. De inverterte og ikke-inverterte partier 54 og 52 av det ferroelektriske område blir fastlagt under fremstillings-prosessen ved fotolitografiske teknikker som er i og for seg kjent. En slik teknikk er beskrevet I en artikkel av Shintaro Miyazawa, med tittelen "Ferroelectric Domain Inversion in Ti-Diffused LiNbC>3 Optical Waveguide", J. Appl. Phys., 50 (7), juli 1979, sidene 4599-4603. Ved å gjøre dette blir et tynt titanlag på omtrent 500Å pådampet innenfor hvert parti som skal formes til inverterte partier 52. Titan blir så dif fundert på substratet 32 ved en temperatur over Curie-temperaturen for titaniumdopet litiumniobat ved omtrent 1000 grader Celsius, slik at inversjonen av det ferroelektriske området kan finne sted.

De inverterte og ikke-inverterte partier 52 og 54 er valgt slik at de skaper fasekompensering i punkter som er valgt ut langs de optiske bølgelederkanaler 38 og 40 der faseforskjellen mellom modulasjonen av det optiske inngangssignal 56 og det elektriske RF signal 59 blir på 180°. Denne kompen-sering forandrer således fortegnet på den induserte fasemodulasjon av det optiske signalet 56 slik at den samlede faseforskjell mellom modulasjonen av det optiske signal 56 og det elektriske RF signal 59 blir på 360° og signalene er tilbake i fase. Dette gjør det mulig for modulatoren 30 å oppnå fortsatt modulasjonsforsterkning.

Under drift mottar den periodisk områdereverserende elektro-optiske modulator 30 et optisk inngangssignal 56 som passerer gjennom de optiske bølgelederkanaler 38 og 40. Det elektriske RF signal 59 påtrykkes via en RF strømkilde 58 for å frembringe et elektrisk felt som på sin side innfører fasemodulasjon på det optiske inngangssignal 56. Ved dette blir det optiske inngangssignal 56 mottatt ved et inngangspunkt 34 som fører til en inngangs Y-overgang 36 som deler det optiske inngangssignal 56 jevnt mellom første og andre optiske bølgelederkanaler 38 og 40.

De optiske bølgelederkanaler 38 og 40 har deler som strekker seg stort sett parallelt med hverandre og der det optiske inngangssignalet 56 blir underkastet det elektriske felt i det aktive modulasjonsparti 50. Når det optiske signal 56 passerer gjennom hver av de optiske bølgelederkanaler 38 og 40, blir det optiske signal 56 i hver kanal fasemodulert. Ved dette passerer det optiske signal 56 gjennom inverterte partier 54 og ikke-inverterte partier 52 i det ferroelektriske området innenfor det aktive modulasjonsområde 50. Hver overgang mellom invertert parti 54 og ikke-inverterte partier 52 forandrer fortegnet for den innførte fasemodulasjon i det optiske signal. Dette utligner for en faseforskjell på 180° mellom modulasjonen av det optiske signal 56 og av det elektriske RF signal 59, som skyldes fasehastig-hetens feiltilpasning mellom RF signaler og optiske signaler.

De optiske bølgeledere 38 og 40 er ført sammen ved en utgang Y-overgang 42 som fører til et utgangspunkt 44. De fasemodulerte optiske signaler blir således ført sammen og kombinert via utgangs Y-overgangen 42 for å få til et amplitudemodulert (AM) utgangssignal 60. Prinsippet med å føre sammen paret av fasemodulerte optiske signaler for å danne et amplitudemodulert signal er velkjent på dette området og behøver derfor ikke noen videre forklaring. Det skulle være klart at om man ønsker et fasemodulert utgangssignal, kan en enkel optisk bølgeleder anvendes i stedet for de første og andre optiske bølgeledere 38 og 40 uten å avvike fra oppfinnelsens ånd.

I henhold til et eksempel på den foretrukne utførelse av foreliggende oppfinnelse, er beregnede data for ytelse gjengitt i en graf som viser relativ optisk modulasjon 64 over et normalisert frekvensområde på fig. 4. Dette spesielle eksempel gjelder et aktivt modulasjonsparti 50 hvori det optiske inngangssignal 56 blir underkastet syv periodisk inverterte og ikke-inverterte partier 52 og 54 ved en frekvens på omtrent 60 GHz. Dette betyr at modulatoren 30 sørger for fasekompensering samlet seks ganger. Grafen viser således meget høy ytelse for amplitudemodulasjon av et optisk signal med minimale tap.

Ifølge flg. 4 er frekvensen normalisert til konstruksjons-frekvensen på 60 GHz og den optimale modulasjon 64 er normalisert til spissverdien. Den periodisk områdereverserende modulator 30 har en båndpassvirkning fordi ved normaliserte frekvenser bort fra 1,0 blir fasemodulasjonen av det optiske signal forandret med 180" ved grensene for det inverterte/ikke-inverterte område, men faseforskjellen mellom det optiske signal og RF signalet er Ikke 180° ved grensene. Det eksisterer derfor en rest i feiltilpasningen når det gjelder fase ved begynnelsen av hver modulasjonsseksjon og oppsamling av denne resterende fasemistilpasning fører til forringelse av modulatorens reaksjon.

På figurene 5 og 6 er det vist en alternativ utførelse av en periodisk områdereverserende elektro-optisk modulator utført i henhold til foreliggende oppfinnelse. Denne alternative utførelse av den elektro-optiske modulator 70 er fremstilt med en elektro-optisk polymer 78 som kan innbefatte et organisk polymert ikke-lineært optisk materiale som f.eks. 4-dimetylamino 4'-nitrostilben (DANS). Et ledende jordplan 74 er anbragt på silisiumsubstratmaterialet 94 for å danne en RF overføringslinje i form av en mikroremse. Et dekklag 76 er anbragt på det ledende jordplan 74 og har en tykkelse på omtrent fire (4) mikron. Et elektro-optisk polymerlag 78 er anbragt på toppen av dekklaget 76 og har en foretrukket tykkelse på omtrent to (2) mikron. Et andre dekklag 80 er videre anbragt på toppen av det elektrooptiske polymerlag 78.

Det elektrooptiske polymerlag 78 inneholder et par optiske bølgelederkanaler 32' og 40' som er utformet med fotoblek-ningsteknikker som er kjent på dette område. En slik fotoblekingsteknikk er beskrevet i en artikkel av D.G. Girton, m.fl., under tittelen "20 GHz Electro-Optic Polymer Mach-Zehnder Modulator", Appl. Phys. Lett. 58 (16), april 22, 1991, sidene 1730-32. Inverterte og ikke-inverterte partier 86 og 88 er utformet i de optiske bølgelederkanaler 38' og 40' ved å føre sammen den elektrooptiske polymer 78 med et elektrisk felt for å rette inn de ferroelektriske områder tilsvarende. Et par aktive, ledende linjer 90 og 92 er dannet på toppen av det andre dekklag 80 for å indusere et elektromagnetisk felt fra hver av de ledende linjer 90 og 92 til det jordledende plan 74. Som en følge av dette passerer det elektriske felt direkte gjennom hver av de optiske bølge-lederkanaler 38' og 40' for å frembringe fasemodulasjon ved disse.

På grunnlag av det foregående vil man se at foreliggende oppfinnelse setter brukeren i stand til å oppnå en forbedret elektro-optisk modulator (30 eller 70) som utligner feiltilpasningen når det gjelder fasehastighet. Selv om denne oppfinnelse her er beskrevet sammen med bestemte eksempler på denne, er det ikke her hensikten at dette skal være noen begrensning bortsett fra som definert i de vedlagte patentkrav.

Claims (10)

1. Elektro-optisk modulator som omfatter: - et ferroelektrisk substrat (12,72), - optisk bølgelederanordning (36, 38, 38', 40, 40') dannet i nevnte substrat, - optisk inngangsanordning (56, 34) som er optisk koblet til nevnte optiske bølgelederanordning for å koble et optisk inngangssignal til den optiske bølgelederanordning, - optisk utgangsanordning (44, 60) som er optisk koblet til nevnte optiske bølgelederanordning (36, 38, 38', 40, 40'), RF bølgelederanordninger (46, 48, 90, 92) dannet på nevnte substrat, slik at det elektriske felt kan påtrykkes nevnte optiske bølgelederanordning, og - elektrisk drivkildeanordning (58, 59) for å koble et RF elektrisk signal til RF bølgelederanordningen, karakterisert ved at: nevnte ferroelektriske substrat (12, 72) har et flertall av periodisk anordnede områder (52, 54, 86, 88), idet polarisa-sjonen i tilliggende områder er i motsatte retninger, og at nevnte optiske bølgelederanordning (36, 38,38', 40, 40') er i det minste delvis dannet i nevnte periodisk anordnede områder.

2. Modulator som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte optiske bølgelederanordning (36, 38, 38', 40, 40') omfatter minst to hovedsakelig parallelle, optiske bølgelederkanaler.

3. Modulator som angitt i ett av kravene 1 eller 2, karakterisert ved at nevnte RF bølgelederanordninger (46, 48,90, 92) omfatter en koplanar bølgeleder som innbefatter : en første metallisk leder (46) for å motta nevnte RF elektriske signal, og en andre metallisk jordleder (48) som er koblet til jord og adskilt fra nevnte første metalliske leder (46) for å generere nevnte elektriske felt mellom disse.

4. Modulator som angitt i krav 3, karakterisert ved at nevnte i alt vesentlig parallelle, optiske bølgelederkanaler (36, 38, 38', 40, 40') er plassert i alt vesentlig innenfor et modulatoraktivt område (50) som er avgrenset av nevnte første og andre metalliske ledere (46, 48, 90, 92).

5. Modulator som angitt i ett av de foregående krav, karakterisert ved at nevnte periodiske anordnede områder (52, 54, 86, 88) er i alt vesentlig parallelle.

6. Modulator som angitt i ett av de foregående krav, karakterisert ved at nevnte substrat (12, 72) omfatter litiumniobat (LiNbOs).

7. Modulator som angitt i ett av kravene 1-5, karakterisert ved at nevnte substrat (12, 72) omfatter en polymer.

8. Modulator som angitt i ett av de foregående krav, karakterisert ved at nevnte periodisk anordnede områder (52,54, 86, 88) er plassert til å kompensere for faseforskjell mellom nevnte modulerte optiske signaler og nevnte RF signal med hovedsakelig 180 grader.

9. Fremgangsmåte for å modulere et optisk signal ved bruk av en elektro-optisk modulator ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved: å tilføre et optisk inngangssignal til det optiske inngangs-middel (56, 34), og å generere et elektrisk signal over nevnte optiske bølge-lederanordning innenfor et aktivt modulasjonsområde (50) ved bruk av nevnte elektriske drivkilde for derved å bevirke fasemodulasjon.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, karakterisert ved dessuten å omfatte trinnene: å splitte nevnte optiske inngangssignal mellom første og andre optiske bølgelederkanaler, og å kombinere nevnte fasemodulerte optiske signaler fra hver av nevnte første og andre optiske bølgelederkanaler for å tilveiebringe et amplitudemodulert utgangssignal (60).