TWI294223B - Conversion between optical and radio frequency signals - Google Patents

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TWI294223B TW092101475A TW92101475A TWI294223B TW I294223 B TWI294223 B TW I294223B TW 092101475 A TW092101475 A TW 092101475A TW 92101475 A TW92101475 A TW 92101475A TW I294223 B TWI294223 B TW I294223B
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Description

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、實施方式及圖式簡單說明) ο)
(發明說明應敘明·發明所屬之技術領域、先前技術、内容 技術領域 本發明係關於射頻調變光學輻射，具體而言，係關於產 生調變光學信號的裝置及於光學信號上偵測所調變的射 頻信號之裝置。 先前技術 射頻調變光纖系統（如美國專利說明書5 917 636中所說 明者）可使行動網路涵蓋寬廣的區域。此類系統可接受資 料率及自由頻譜範圍的不斷增加，且可擴展所安裝的設傭 及基礎設施。此類系統的頻率增加可降低網路之射頻部分 所用的天線及裝置之尺寸，並增加整個系統的頻寬。對於 155百萬位元/秒及更高的資料率，二頻譜範圍62至63 ^沿及 65至66 GHz (二者均為國際電信聯盟未分配）已在nbs專案 (RACE 2067)的架構内視為特別適用於此類系統。 本發明可應用於此類頻率範圍及其他頻率，尤其是（但 並非排他地）所謂的亳米射頻範圍，其中空中無線電信號 的波長為1至1 〇亳米。此類無線電信號很容易由空氣及常 用的建築材料吸收，因此將無線電信號調變為光學信號特 別有利於傳輸，該光學信號係在光纖中從來源傳送至所謂 的「超微細胞」，此處可偵測到該無線電信號，若需要， 該無線電信號可輻射較短的距離。 為使光纖中色散所引起的問題減至最小，最好係藉由結 合二相位相關的光學載波，來產生調變光學信號，該等光 學載波係在雙重頻率雷射發射器中產生，且頻率偏移係等 O:\83\83164-960201.doc- 7 - 1294223
(2) 於所需的無線電載波信號之微波頻率。然後藉由光纖傳送 該二光學信號，並在一偵測器中還原該無線電信號❶例如， 關於微波理論及技術之IEEE期刊（IEEE Transactions on
Microwave Theory and Techniques)第 44 卷，第 10 號，第 1716 至 1724 頁的論文「光纖微波及亳米波連結中的色散」及關於微波 理論及技術之IEEE期刊第46卷，第458至468頁中的論文「根 據遠端外差式偵測之多功能光纖微波連結」說明暸此種系 統 。 圖1為此種通訊系統的範例，可用於根據本發明之系統 中’該通訊系統包括在發射端的一主雷射1，其藉由一光 纖2連接至射頻調變器3，而該射頻調變器3則依次藉由光 纖4連接至一分光器5«來自分光器5的二光學信號係藉由 光纖6連接至從雷射7，從雷射7被調諧至頻率相差之數量 係等於無線電信號頻率，該二從雷射7係當作濾波器，以 產生相位高度相關且具有較高頻譜純度的光學信號。從雷 射7的輸出係在光纖輸出線路9上傳輸之前連接至重組裝 置8。在接收端，該系統包括一偵測器1 〇，其可接收光纖 線路9中的光學信號，並解調變無線電信號。 調變器3及偵測器1 0最好係有效地產生及偵測射頻調變 光學信號。已根據半導體材料的使用提出許多的建議，其 中光學及無線電波可在該等材料中進行互動。因此，美國 專利說明書5 917 636揭露了電吸收層·的使用，其包括多量子 井結構之InGaAsP，其實體尺寸較所用的無線電信號小甚多。 關於微波理論及技術之IEEE期刊（IEEE Transactions on O:\83\83164-960201.doc- 8 -
1294223 (3)
Microwave Theory and Technique)第 47卷，第 1265至1281頁的論文「 超寬基頻/高頻之光感測器」揭露了可供互動之光感測器 材料的使用，並結合各種波導及射頻信號的行進波結構。 同樣地，偵測器材料的尺寸亦較射頻波長小甚多。 IEEE光子技術通訊（IEEE Photonics Technology Letters)第 11卷， 第54至56頁之論文「高頻率聚合物調變器與積體鰭片線路 轉變及低 V；r」（High frequency polymer modulators with integrated finline transitions and low V；：)揭露了光學信號之射頻調變器中 非線性光學聚合物材料的使用，該材料係位於二電極之間 ，該等電極可終止射頻微帶波導。該論文中所說明的無線 電信號偵測器為光感測器。 在已知的系統中，由於系統效率以及提供穩定的電壓給 光二極體及光電晶體裝置之需求，出現了系統的效率在較 高頻率處進一步降低問題，尤其是在（例如）大於1〇〇 GHz 的頻率處。 已發現在設計適當的射頻調變器及偵測器裝置（尤其是 被動裝置）以用於此類系統中時，關鍵的因素係關於電吸 收材料的選擇，亦係關於該類裝置各部分間的麵合。 發明内容 本發明係提供附圖中所說明的在光學與射頻信號間轉 換之裝置。 實施方式 附圖係說明根據本發明的一項具體實施例之裝置，用以 在光學與射頻信號之間進行轉換。圖2至6所示的該裝置為 O:\83\83164-960201.doc-9- 1294223 (4)
光學/射頻偵測器，且本發明的此項具體實施例係參考一 偵測器來作說明；然而，應明白相似的設計原理亦可應用 於一調變器，其可使用射頻信號調變光學信號。該類設計 原理亦可應用於一收發器，亦即接收一第一無線電信號所 調變的光學信號，偵測該第一無線電信號，並使用別處發 射的一第二無線電信號調變該等光學信號。 具體而言，圖1係說明上述之通訊系統，其包括一調變 器3及一偵測器1 0。根據本發明的此項具體實施例，該系 統的偵測器1 〇屬於附圖2至6中所說明的類型。在本發明的 較佳具體實施例中，該調變器亦屬於圖2至6中的類型，但 使用單一光學輸入信號及射頻輸入信號，而不是偵測器的 二光學輸入信號及射頻輸出信號。 如圖2所示，該偵測器為一被動偵測器，其包括一光學 脊狀波導。例如，〈光波技術期刊（Journal of Light Wave Technology)〉第16卷，第1851至1853頁中的論文「具有大型橫 斷面之半導體波導的單模式狀況」說明瞭光學脊狀波導的 結構。 所用的光學波導係根據不同折射率之二媒體間的介面 處全反射的原理。如圖3所示，光學脊狀波導包括較高及 較低緩衝層1 1及1 2。有一光電核心位於較高及較低緩衝層 1 1及1 2之間，且與此二層緊密接觸，光電核心包括：一層 1 3，其厚度實質上係小於光學輻射的波長；及一脊1 4，其 厚度係與光學輻射的波長相當，而寬度則係大於光學輻射 的波長。在此項範例中，光學輻射的長度為1.55微米，層 O:\83\83164-960201.doc-10-
1294223 13的厚度為0.2微米，脊14的厚度為1.5微米，而脊的寬度 則為4微米。 在本發明的此項具體實施例中，光電波導1 3、1 4的互動 材料使光學信號成分的傳播具有二階非線性光學極化特 徵，具體而言，該互動材料為在主矩陣聚合物材料中具有 非中心對稱互動特徵的雙極性材料。此種適當的互動材料 包括電氣定向之重氮苯。在較佳具體實施例中，電氣定向 之重氮苯為活性發色團（chromophore)「分散紅1」，其嫁接於 聚甲基丙烯酸曱脂作為主矩陣（「PMMA-DR1」）。圖4為 PMMA-DR1的化學式，該化學式的左側為主動雙極性DR1， 而右側則為主PMMA。將此種類型的一分子放置於電場中 ，該分子即定向為與電場對齊。從非結晶材料開始，可獲 得定向材料，其中統計而言，極性分子以相似的方向導引 ，以提供二階非線性光學極化特性，具體而言即為非中心 對稱特性。 存在對紅外線輻射透明的其他非對稱中心材料。除了其 他定向雙極性材料外，可產生錕酸裡及多層中大多數III-V 及II-VI材料，其具有適當的二階非線性光學極化特徵。然 而，在此項較佳具體實施例中，光電核心1 3、1 4係形成於 PMMA-DR1 中。 在製造該裝置的較佳具體實施例中，增加金屬層（將在 下文說明）後，將組件加熱至光電核心聚合物的玻璃轉換 點，即大約120攝氏度。有一稠密電場施加於用作電極的 金屬層。當溫度朝著環境溫度降低時，該電場實質上係繼 O:\83\83164-960201.doc- 11 - 1294223
(6) 續保持。 在本發明的較佳具體實施例中，緩衝層1 1及1 2係以摻氟 聚合物「AV014」及「AVO01」的形式產生，其在以下論文中 說明’即1998年第7屆國際塑膠光纖討論會第316至323頁發 表的論文「光學裝置之低反射率低損失掺氟自動橫向連接 聚合物波導的製造」（Fabrication of low refractive index low loss fluorinated self-cross linking polymer waveguides for optical devices) o 該類材料係根據其反射率所選擇，且其反射率小於光電核 心的反射率。在此項範例的光學輻射波長為155微米時， PMMA-DR1的折射率為丨5965，AV〇〇1的折射率為14466，而 AV014的折射率則為丨4Q09。 光電核心脊1 4係藉由各自的線性膠帶（未顯示）與輸入 及輸出光纖（未顯示）連接，由此可將光纖的形狀及尺寸（ 通常直彳至為1 〇微米）調整為光電核心脊丨4的形狀（矩形橫 斷面）及尺寸（大約4微米），同時降低插入及擷取損耗。 圖式中所顯示的裝置亦包括一無線電信號波導，其係位 於與光電核心所引起的光學波導耦合之行進波内。可使用 各種無線電信號波導，如：帶線，其中的帶係在二接地平 面之間延伸；或共面波導，其中的帶係在與二橫向接地帶 相同的平面内延伸；或接地共面波導，其中共面波導係平 打於接地平面延伸。然而，在該較佳具體實施例中，無線 電指號波導為微帶波導，其包括寬度約為丨5微米的一帶， 可與寬度約為4微米的光學波導光電核心脊1 4相比，且與 光電核心脊14對面的接地平面金屬層16並列。適當選擇帶 O:\83\83164-960201.doc-12- 1294223 ⑺ 1 5與接也平面層i 6的間隔及寬度’使無線電信號頻率（此 項範例中為60 GHz)處微帶的阻抗可與標準波導（如wri5波 導I ’ 目比wri5波導之標準尺寸如下： 截止頻率 如圖3所示，帶15與較高緩衝器u的上表面並列貼近， 而接地平面1 6則與較低缓衝層丨2的下表面並列貼近。微帶 15與光學波導緊密耦合之長度至少約等於無線電信號的 長度，亦即在此項範例中無線電信號頻率6〇 (3沿處至少為 5毫米；在本發明的較佳具體實施例中，此頻率的光學/ 無線電互動長度為1.3 cm釐米。以此方式，即可完成行+進 波耦合’尤其對裝置的效率更為有效。 適當選擇裝置中元件的尺寸及所用材料的特徵，使光學 波導中光學信號成分的傳播速率實質上係等於益線電俨 號波導中無線電信號的傳播速率。此夕卜，此特徵對於制 (或調變器的調變）效率非常重要。 以下將說明三波混合互動的行為❶首先，馬克士威等式 的非線性運算式係用以說明三波之間的互動。 ’ { b加碑梦㈣，的 t robEΨ) ψ)： (1) Ε及Η分別為電場及感應場。，代表非線性極化，且可 定義如下： K) = eo (%)] Θ f {ωι) Θ ^ ( } ωιί^ω{ O:\83\83164-960201.doc-13 - (2) 1294223 ⑻
«iik代表不同的頻率，而χ則代表傳播媒體的非線性感受 性。為了求解等式（1)，可使用引導模式，其中如下式所示 ’不同的場係根據局部模式所組成的正交基底來分割： 一 v. 耘1 运 1 (3) 具有正上標及負上標的場分別為傳播場及非傳播場。 為電磁場的輻射部分。然後，使用分解的正交特 性， 可從（1)及（3)推斷出每 dAt dz dA^ dz dA^ 狀"PC叼很1PS雙 3ViXeff A^A\e^kz jrj2 xe^f .43AJ β^*ΔΛ2 imx6ff AiA2e^Akz m m < E\E\* 1 E\ > Vl <El\Ei> < ElEl* I E\ > 772 <^|^> (4) <J^El\El> Vd < El \Ei > 係數η代表三場的重疊。最後，藉由在系統（4 )的處理中 引進複數值Ak，來考慮傳播媒體的吸收。 在本發明的較佳具體實施例中，接地平面1 6係由一層金 所構成，該層金係沈積於一層鈦之上，而該層鈦本身係沈 積於當作支撐的一層矽石17之上。 如圖2、5、6及7所示，平行於光學波導丨4延伸且與之並 列的微帶無線電信號波導1 5係與外部無線電信號波導連 接，其中一個外部無線電信號波導在圖5及6的1 8處顯示為 WR15類型（射頻為50至75 GHz的標準波導）。在本發明的較佳 具體實施例中，WR15波導係垂直延伸至微帶無線電信號 O:\83\83164-960201.doc-14 - 1204^1修(k)王替換頁 ——抓一月厂 波導15及光學波導14的長度，且與接地平面16平行。 轉換無線電信號波導元件2 0及2 1係由接地平面1 6的材 料所構成，並呈現出逐漸變化的橫斷面，以使微帶的傳播 特徵與WR15波導匹配。具體而言，波導元件2〇及21包括 在接地平面1 6中的剩13八形「Vivaldi天線」開口 ，該等喇叭 開口較小一端的寬度係與微帶1 5相近，而較大一端的寬度 係與波導WR15(如18)對應的寬度（「高度」）相近。vivald& 線2 1係與接收器電路元件（例如重發電路）連接，而Vivaldi 天線20則與為微帶15提供匹配負載的一 η元件連接，以確 保其在平衡狀況下發揮作用。 微帶元件1 5係穿過Vivaldi天線2 0及2 1的較小端，且間隔 為堆疊緩衝層11及12與光電層13、14的厚度。如圖2、5 及6所示之本發明的具體實施例中，微帶丨5包括延伸部分 2 2及2 3，其係與無線電信號耦合中的微帶1 5之一部分平行 ，但有間隔，且微帶1 5與光學波導1 4具有無線電信號耦合 關係。Vivaldi天線2 0及2 1的較小端亦與光學波導1 4隔開。 然而，圖7在本發明的一項替代性具體實施例中，Vivaldi 天線2 0及2 1的較小端係位於光學波導丨4的正下方，且微帶 1 5完全符合光學波導1 4，並與之呈無線電信號耦合關係。 為了改善裝置的頻率範圍，無線電信號頻率共振器24 、25為象限（或「扇」）形共振器，作為微帶15兩端的延伸 ，而共振器2 6、2 7則作為vivaidi天線2 0及2 1較小端處開口 的延伸。共振器係設計為適當的尺寸，以便在運作射頻處 提供分別與微帶1 5及Vivaldi天線2 0、2 1之阻抗匹配的終止 O:\l3\83164-960823.doc -15 - 12 树 阻抗。其可使對應7C件中無線電信號的傳播平面之終止反 射係數有效地減至最小。 如圖6所示’在本發明的較佳具體實施例中，對於6〇 GHz 的無線載波#號而5 ’ Vivaldi天線2 0及2 1最好係在較小一 端寬7· 8微米，而在較大一端則寬1879毫米，且長3毫米。 Vivaldi天線之無線電信號頻率共振器2 6及2 7的半徑最妤為 0.56毫米’而微帶之共振器24及25的半徑最好為0.62毫米。 在如圖2及7的運作中，頻率相差一數量的二個光學信號 成分係提供給光學波導1 4的光學輪入，其中該數量係對應 於無線電信號載波頻率。該二光學信號係在光電核心1 4 的二階非線性光學極化材料中互動。微帶丨5及接地平面j 6 與光學波導1 4緊密耦合，使射頻信號在微帶丨5中感應。微 帶1 5連同其在圖2所示之具體實施例中的延伸部分22及2 3 ，及在如圖4所示之WR15波導内延伸的Vivaldi天線20及21 係將射頻信號傳送至WR15波導18，並在該波導中接收無 線電信號。 在相似結構的調變裝置（如3 )中，WR15波導中所傳播的 無線電信號（其具有光學波導中所傳播的單一光學成分） 調變該光學成分，以在光學波導的輸出處傳播二光學信號。 圖式中偵測器裝置的電信號之輪出功率係與射頻的平 方成正比，因此該裝置的效率實質上係高於效率隨頻率降 低的其他裝置。無線電信號的輪出亦與互動連結的平方成 正比，同時與光學信號之輸入功率的平方成正比：因此， 该裝置更有效’光學信號更稠密，但對於互動連結而言’ O:\83\83164-960823.doc -16 - 1294223 ⑼
光學波導中光學信號的吸收會限制最佳互動連結的長度。 圖式簡單說明 圖1為根據本發明的一項具體實施例之通訊系統的示意 方塊圖， 圖2為根據本發明的一項較佳具體實施例之偵測器組件 的簡化透視圖， 圖3為圖2之偵測器的橫斷面圖， 圖4為圖2之偵測器所用之主矩陣中雙極性重氮苯材料 的化學式， 圖5為圖2之偵測器的透視圖， 圖6為圖2之偵測器元件的平面圖，以及 圖7之簡化透視圖係與圖2相似，用以說明根據本發明 的另一項較佳具體實施例之偵測器組件。 圖式代表符號說明 1 主雷射 2 光纖 3 射頻調變器 4 光纖 5 分光器 6 光纖 7 從雷射 8 重組裝置 9 輸出線路 1〇(圖1) 偵測器 O:\83\83164-960201.doc-17- 1294223 (12)
11 緩衝層 12 緩衝層 13 層 14 脊 15 帶 16 接地平面金屬層 17 層 18 WR15波導 20 > 21 波導元件 22 > 23 延伸部分 24 - 25 共振器 26 > 27 共振器 O:\83\83164-960201.doc- 18-

Claims (1)

  1. 號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(96年8月） 拾、申請專利範圍 \ … 、 1 . 一種用於光學與射頻信號之間轉換的裝置，其包括：一 光學波導（11至14)，可傳播二個光學信號成分，該等二個 光學信號成分的頻率相差一對應於一射頻之量額；以及 一第一無線電信號波導元件（15、16)，用於以該射頻傳播 一無線電信號，該第一無線電信號波導元件係與該先學 波導之一互動區域（14)耦合，該互動區域（14)包含一第一 材料，致使該等光學信號成分與該無線電信號之間在其中 發生互動， 其特徵為一第二無線電信號波導元件（20、21)連接該 第一無線電信號波導元件（15、16)與一第三無線電信號 波導元件（18)，該第二無線電信號波導元件（20、21)具有 一逐漸變化的橫斷面，以適應該等第一（15、16)及第三（18) 無線電信號波導元件的傳播特徵，且射頻信號共振器構 件（24至27)係與該等第一及第二無線電信號波導元件連 接。 2 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中該第一無線電信號 波導元件（15、16)係以行進波方式耦合該光學波導之該 互動區域（14) 〇 3.如申請專利範圍第2項之裝置，其中該互動區域（14)及該 行進波耦合之該無線電信號波導元件（15、16)係延伸超 過該光學波導的一長度達至少與該無線電信號波導元 件（15、16)中該無線電信號的波長一樣大。 1294223 ν 4 .如前述申請專利範圍中任一項之裝置，其中該互動區域 (14)中該等光學信號成分之傳播速度實質上係等於該無 線電信號波導（1 5、16)中該無線電信號的傳播速度。 5 .如前述申請專利範圍第1、2或3項之裝置，其中該第一 無線電信號波導元件（15、16)包括一拉長的部件（15)，該 部件中至少有一部分係與該互動區域（14)並列，且該共 振器構件（24、25)包括阻抗匹配增大的部分，以終止該拉 長部件（15)的每一端。 6.如前述申請專利範圍第1、2或3項之裝置，其中該共振 器構件（26、27)包括一阻抗匹配增大部分，以終止該第二 無線電信號波導元件（20、21)的一端。 7 .如前述申請專利範圍第1、2或3項之裝置，其中該第二 (20、21)及第三（18)無線電信號波導元件係橫向延伸至該 第一無線電信號波導元件（15)。 8 .如前述申請專利範圍第1、2或3項之裝置，其中該光學 波導（11至14)包括一脊（14)，其係形成於該第一材料中一 具有一不同傳播特徵之材料（11)的介面處，該第一材料 具有適當的尺寸，使該等光學信號成分可沿著該脊（14)傳 播。 9.如前述申請專利範圍第1、2或3項之裝置，其中該第一 無線電信號波導元件（15、16)包括一導電帶（15)，其係與 該互動區域（14)的一側並列，並沿著該側延伸，且包括 另一導電元件（16)，其係與該互動區域（14)的另一側並列 ，並沿著該另一側延伸。 O:\83\83164-960823.doc
    12 ^令哺彻正機頁 10. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中該另一導電元件（16) 亦橫向延伸至該互動區域（14)，且該第二無線電信號波 導元件（20、21)包括一形成於該另一導電元件（16)中之寬 度逐漸變化的開口。 11. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該開口包括一第一 部分，其寬度從一第一端朝一第二端逐漸增加，該第一 端並列於且耦合至該第一無線電信號波導元件（15)，且 該共振器構件（26、27)包括該第一部分之一延伸，以終止 該第一端。 12. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該開口之該第一部 分通常為喇叭形。 ， 13·如前述申請專利範圍第1、2或3項之裝置，其中該第三 無線電信號波導元件（18)包括一拉長的波導，其具有實 質上平行的導電壁，且該第二無線電信號波導元件（20 、21)係在與其耦合的該拉長波導内伸出。 14. 如前述申請專利範圍第1、2或3項之裝置，其中該第一 材料使該光學信號的傳播具有一二階非線性光學極化特 徵。 15. 如申請專利範圍第14項之裝置，其中該第一材料包括一 雙極性材料，其使該等光學信號具有非中心對稱互動特 徵。 16. 如申請專利範圍第14項之裝置，其中該第一材料包括一 主矩陣聚合物材料中的一重氮苯發色團材料，其具有定 向的電氣特徵。 O:\83\83164-960823.doc
    12%023s: _ 一..一.一'-一一 J 17. —種光學/射頻偵測器，其包括如申請專利範圍第1、2 或3項之裝置、包含一主雷射（1)、一光纖（2、4、6)、一 射頻調變器（3)、一分光器（5)、一從雷射（7)、一重組裝 置（8)、一光纖輸出線路（9)以及一偵測器（10)之構件（1 至10)以為該光學波導（11至14)提供該等二個光學信號成 分以及與該無線電信號波導（15、16)耦合以接收該無線 電信號的構件。 18. —種用以調變一光學信號的調變器，其包括如申請專利 範圍第1、2或3項之裝置、包含一主雷射（1)以及一光纖 (2)的構件（1、2)以為該互動區域（14)提供該光學信號 以及用以為該無線電信號波導（15、16)提供該無線電信 號的構件，以在該互動區域（14)中調變該光學信號，並 產生該等二個光學信號成分，該等二個光學信號成分係 在該光學波導（11至14)内傳播。 O:\83\83164-960823.doc 4- 1294223 第092101475號專利申請案 史文圖式替換頁⑽年元月） 金 15 L I \////////////"///////7Λ 較高缓衝層 T 11 14 13 S 光電核心 較低緩衝層 12 K 金 欽 17 矽石
    1294223 陸、(一 義麵||*|^1*^議1讎1««麵__*11|§111»&_麵1_*«** (二）、本代表圖之元件代表符號簡單說明： 14 光學波導 15 帶 16 接地平面金屬層 17 層 20 ^ 21 波導元件 22 > 23 延伸部分 24 > 25 共振器 26 ^ 27 共振器
    O:\83\83164-960201.doc-5-
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