差動驅(qū)動光調(diào)制器的制作方法

專利名稱：差動驅(qū)動光調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用在光通信系統(tǒng)中的光調(diào)制器，尤其涉及可與低壓調(diào)制信號兼容的差動驅(qū)動光調(diào)制器。
在中長通信距離的電信市場中，光的外部調(diào)制需要光調(diào)制器。密集波分復(fù)用(DWDM)允許系統(tǒng)的信號負荷量增加40倍以上。每個DWDM信道成本的降低為電信設(shè)備制造商提供了競爭優(yōu)勢。每個信道需要調(diào)制器和合適的電氣RF驅(qū)動器。已經(jīng)開發(fā)出的調(diào)制器要求僅2-3V的開關(guān)信號，能用低成本的電氣驅(qū)動器作為輸入調(diào)制信號源。這些源也以低功率耗散為特征。
鈮酸鋰(LiNbO3)和半導(dǎo)體型的低開關(guān)電壓調(diào)制器是可利用的。鈮酸鋰器件用電光效應(yīng)在馬赫陳德爾干涉儀(MZI)內(nèi)部產(chǎn)生調(diào)相，同時半導(dǎo)體器件利用在MZI內(nèi)部的調(diào)相或者經(jīng)電吸附(EA)效應(yīng)直接對調(diào)制進行放大。半導(dǎo)體器件內(nèi)部的多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)具有固有的遠大于用鈮酸鋰觀察到的波長關(guān)系式。使半導(dǎo)體器件適于DWDM應(yīng)用所需的緊密過程控制難以實現(xiàn)，從而使得它們不能使用或者不適于很多中長通信距離DWDM的應(yīng)用。低開關(guān)電壓鈮酸鋰器件本身是寬帶比波長，但是，當(dāng)與半導(dǎo)體調(diào)制器相比時，由于每個晶片上的器件數(shù)量較少，成本較高。
美國專利US5,303,079公開了一種器件，其中在為波導(dǎo)提供基本相同的輸入光束的雙波導(dǎo)器件中實現(xiàn)外部調(diào)制，并對通過其電極的每個波導(dǎo)進行單獨、互斥控制。為每個波導(dǎo)提供控制信號，用于將調(diào)制線性調(diào)頻脈沖參數(shù)調(diào)整為理想的固定的非零值。將從波導(dǎo)引出的調(diào)制后的光波信號合并，形成適于在光纖中傳輸?shù)膯屋敵鲂盘?。但是，最初打算生產(chǎn)受控線性調(diào)頻脈沖的′079設(shè)備是用Z-切割的鈮酸鋰制造的，并且發(fā)現(xiàn)與低成本電驅(qū)動器一起使用非常有效。此外，其特性是本身是非波長依賴型的；所以，更適于用于DWDM應(yīng)用中。但是，′079設(shè)備需要緩沖層和電荷泄放層，這增加了生產(chǎn)成本。
美國專利US5,138,480公開了在X-切割的鈮酸鋰上的行進波光調(diào)制器。行進波光調(diào)制器的阻抗可以增大到理想輸入阻抗而不會對驅(qū)動電壓或調(diào)制器的速度匹配造成負面影響。這是在′480設(shè)備中通過將接地電極的寬度減小到不大于熱電極寬度的3倍來實現(xiàn)的。
美國專利5,101,450公開了光通信方法和設(shè)備，以高光譜效率在單光纖上用不同的光學(xué)載波頻率傳輸兩個或兩個以上光信號。每個光學(xué)載波用多個調(diào)制后的副載波調(diào)制。光調(diào)相器消去了每個光信號中的二階相互調(diào)制分量，從而允許光學(xué)載波頻率間隔2fmax1，其中fmax是最大調(diào)制頻率。在另一個實施例中，單邊帶光調(diào)制器消去了二階相互調(diào)制分量和一個信號邊帶，從而允許光學(xué)載波頻率隔開fmax。
現(xiàn)有技術(shù)包括利用電吸附(EA)或馬赫陳德爾干涉儀(MZI)光調(diào)制器的器件，裝配在InP這樣的半導(dǎo)體襯底上。這些半導(dǎo)體器件的驅(qū)動電壓適合輸出電壓約2伏的低成本電驅(qū)動器。但是，EA器件在從ON到OFF狀態(tài)的過渡過程中會遇到光波長中感應(yīng)的線性調(diào)頻脈沖。EA和MZI半導(dǎo)體器件的特性也是波長依賴型的，所以它們都難以為了應(yīng)用而制造，這些應(yīng)用例如密集波分復(fù)用(DWDM)，其中必須牢牢控制工作波長。
本發(fā)明的目的是提供一種在具有差動輸入的光通信系統(tǒng)中使用的光調(diào)制器。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種前面所述類型的光調(diào)制器，它與具有互補輸出的低成本、低電壓輸出電驅(qū)動器兼容。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種前面所述類型的光調(diào)制器，它允許使用X-切割的LiNbO3襯底，代替Z-切割的LiNbO3襯底。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種前面所述類型的光調(diào)制器，它去掉了現(xiàn)有技術(shù)器件中的緩沖層和電荷泄放層。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種前面所述類型的光調(diào)制器，其特征在于降低了制造成本。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種用在光信號通過其中的光通信系統(tǒng)中的電光調(diào)制器具有電光襯底，電光軸的方向與襯底的上表面平行。有適于接收光信號的光波導(dǎo)，光信號形成在襯底的上表面中。光波導(dǎo)具有彼此隔開的第一和第二腿。在襯底上表面上形成有第一和第二輸入電極，每個輸入電極配置成與其中相應(yīng)的一個光波導(dǎo)腿電光通信但實質(zhì)上不與其對準。調(diào)制器還包括形成在襯底上表面上的第一和第二接地電極，第一和第二接地電極與所述輸入電極中對應(yīng)的一個電極隔開并配置成與光波導(dǎo)腿中相應(yīng)的一個腿電光通信但實質(zhì)上不與其對準。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種用于調(diào)制通過光通信系統(tǒng)的光信號的電光調(diào)制設(shè)備，包括具有電光襯底的光調(diào)制器，電光軸的方向與襯底的上表面平行。有適于接收形成在襯底上表面中的光信號的光波導(dǎo)。光波導(dǎo)具有彼此隔開的第一和第二腿。有形成在襯底上表面上的第一和第二輸入電極，每個輸入電極配置成與光波導(dǎo)腿中相應(yīng)的一個腿電光通信但實質(zhì)上不與其對準。有形成在襯底上表面上的第一和第二接地電極，第一和第二接地電極與所述輸入電極中對應(yīng)的一個電極隔開并配置成與光波導(dǎo)腿中相應(yīng)的一個腿電光通信但實質(zhì)上不與其對準。設(shè)備還包括接收用于調(diào)制光束的調(diào)制信號的接口結(jié)構(gòu)。接口結(jié)構(gòu)配置成與光調(diào)制器第一和第二輸入電極電通信。


圖1是具有Z-切割鈮酸鋰襯底的現(xiàn)有技術(shù)光調(diào)制器的簡化示意圖。
圖2是圖1光調(diào)制器的另一個視圖，示出了負責(zé)調(diào)制的外加場的方向。
圖3是圖1光調(diào)制器的頂視圖，示出了從襯底相對側(cè)上路由選擇的電信號。
圖4是根據(jù)本發(fā)明制造的光調(diào)制器的簡化截面示意圖。
圖5是圖4光調(diào)制器的另一個簡化示意圖，示出了器件襯底中波導(dǎo)內(nèi)外加場的方向。
圖6是圖4光調(diào)制器的簡化示意圖，示出了輸入電信號的同側(cè)布線。
圖7是本發(fā)明提供的光調(diào)制器另一個實施例的簡化示意圖。
圖8是簡化示意圖，示出了與圖7的光調(diào)制器一起使用的信號換向帶狀線饋電裝置的一部分。
圖9是概略視圖，描繪了作為對圖4光調(diào)制器的調(diào)制信號中頻率函數(shù)的理想和不理想的調(diào)制響應(yīng)。
圖10是圖4光調(diào)制器的頂視圖，示出了用于降低調(diào)制信號中寄生RF模式的補充引線鍵合點(wire bond)。
圖11是部分RF接口結(jié)構(gòu)的截面簡化示意圖，示出了光調(diào)制器內(nèi)的電場路徑。
圖12是本發(fā)明提供的RF接口結(jié)構(gòu)一部分的截面簡化示意圖，示出了電場路徑。
圖13是根據(jù)本發(fā)明制造的光調(diào)制器的第二可替換實施例的簡化示意圖。
圖14是根據(jù)本發(fā)明制造的光調(diào)制器的部分電極結(jié)構(gòu)的頂視圖，具有倒相區(qū)域。
圖15是根據(jù)本發(fā)明制造的光調(diào)制器的部分電極結(jié)構(gòu)的頂視圖，具有利用5個電極的倒相區(qū)域。
圖16更詳細地描繪了在用于本發(fā)明所提供的光調(diào)制器的熱電極附近的電場。
如上所述，可以得到鈮酸鋰(LiNbO3)和半導(dǎo)體型的低開關(guān)電壓光調(diào)制器。低開關(guān)電壓鈮酸鋰器件具有固有的寬帶-波長特性，盡管當(dāng)與半導(dǎo)體光調(diào)制器相比較時，由于每個晶片上的器件較少，成本較高。圖1以簡化示意圖的形式示出了現(xiàn)有技術(shù)光調(diào)制器10的橫截面。
光調(diào)制器10制作在Z-切割的LiNbO3襯底12上，通過在輸入電極14和16上接收低壓開關(guān)(調(diào)制)信號來工作。接地電極18、20、22也包括在現(xiàn)有技術(shù)光調(diào)制器10中。器件中還包括電荷耗散層24和緩沖層26，它們都制作在襯底的上表面上和電極下面。還有與電極14和16對準形成的光波導(dǎo)28、30。
圖2示意性地示出了負責(zé)調(diào)制(通過電光效應(yīng))橫穿波導(dǎo)的外加光信號的外加場32、34。這些場平行于結(jié)晶Z軸36行進，方向分別如箭頭所示。
圖3示出了光調(diào)制器10的頂視圖。光調(diào)制器10的特征在于兩個輸入電極38和40，這兩個電極使器件與具有互補輸出的驅(qū)動器兼容。從圖3還可看到布置在光調(diào)制器10相鄰側(cè)面上的RF接口結(jié)構(gòu)42、44。每個RF接口包含RF導(dǎo)體。接口結(jié)構(gòu)42具有導(dǎo)體46和地48及50；接口結(jié)構(gòu)44具有導(dǎo)體52和地54、56。每個導(dǎo)體適于建立接地連接或者通過引線鍵合點57將其中一個輸入調(diào)制信號導(dǎo)入光調(diào)制器10。光調(diào)制器10是高度對稱的，在光波導(dǎo)的頂部具有用于每個接收到的調(diào)制信號的輸入(“熱”)電極。每個光波導(dǎo)形成MZI的一個臂。每個熱電極布置在波導(dǎo)的正上方導(dǎo)致波導(dǎo)中垂直場通量集中，使輸入調(diào)制信號的低開關(guān)電壓成為可能。
注意，圖1-3的光調(diào)制器所示每個波導(dǎo)中產(chǎn)生的垂直場的方向?qū)蓚€輸入電極來說都是相同的。即，在每個驅(qū)動器上正電壓產(chǎn)生的場方向與結(jié)晶Z軸方向相同，結(jié)晶Z軸與器件表面垂直。為了使器件與具有互補輸出的電驅(qū)動器兼容，外加場的這種對稱性是很關(guān)鍵的。不象其他的單輸入器件(X或Z切割)，MZI中的推挽效應(yīng)是通過電驅(qū)動器而不是通過電極極性建立的。外加電壓隨時間變化的分量在幅度上是相等的，但兩個輸入信號極性相反。
圖3示出了現(xiàn)有技術(shù)光調(diào)制器的另一個特征。從集成光學(xué)器件的相對側(cè)面對稱輸送電信號。這種對稱性保證進入兩個輸入端的電脈沖同時到達MZI。任何時間上的不匹配都導(dǎo)致MZI的一個臂在另一個臂之前接收脈沖，導(dǎo)致外加輸入信號電壓幅度的瞬時不平衡。這種瞬時不平衡導(dǎo)致在器件輸出端的瞬時脈沖調(diào)制或者線性調(diào)頻脈沖，這對接收器上光信號的質(zhì)量是有害的。脈沖的上升和下降沿也被加寬。
與低壓驅(qū)動器兼容的光調(diào)制器被其他負荷防礙。已知的采用Z-切割的LiNbO3襯底的光調(diào)制器需要用緩沖層來防止由電極負載造成光損失，需要用耗散層來防止干涉儀靜態(tài)工作(偏置點)的過漂移時間(drift-over time)。緩沖和電荷耗散層都增加光調(diào)制器的制造成本。此外，Z-切割的LiNbO3襯底在制造光調(diào)制器方面提出了技術(shù)挑戰(zhàn)。熱電效應(yīng)在制造光調(diào)制器過程中在以該方向切割的LiNbO3襯底上下表面上建立電荷。
此外，典型的現(xiàn)有技術(shù)中輸入電極的相反取向不便于剩下的光發(fā)射器的設(shè)計，且由于RF信號布線問題在發(fā)射器內(nèi)需要大量寶貴的空間。典型地，產(chǎn)生輸入調(diào)制信號的電驅(qū)動器線路的互補輸出電極在物理上彼此靠近。來自那些輸出電極的信號必須經(jīng)路由選擇到達光調(diào)制器上彼此隔得很遠的輸入電極。由于與上面提出的同樣的原因，這些電信號的轉(zhuǎn)接時間必須匹配，這要求必須將調(diào)制信號的額外延遲插入其中一條用于輸入電極的線路中。該額外延遲浪費了與光調(diào)制器相關(guān)聯(lián)的發(fā)射器卡上的空間，增大了每個發(fā)射器卡的整個尺寸。
相反，本發(fā)明通過允許用X-切割代替Z-切割的LiNbO3襯底得到器件為電信設(shè)備制造商提供了一種低成本方案。用X-切割的LiNbO3襯底對于2.5Gb/s光調(diào)制器來說不需要緩沖層，對2.5和10Gb/s光調(diào)制器來說不需要電荷耗散層。也簡化了晶片加工。
圖4示出了本發(fā)明最佳實施例的截面簡化示意圖。光調(diào)制器58包括X-切割的鈮酸鋰襯底60,Z結(jié)晶軸的方向如61所示。在襯底的上表面66上形成有第一和第二輸入電極62、64。在上襯底表面上設(shè)有接地電極68、70，與相應(yīng)的輸入電極隔開但相鄰。在襯底上形成光波導(dǎo)70、72，用于承載輸入光信號。與現(xiàn)有技術(shù)的光調(diào)制器不同，本發(fā)明的光波導(dǎo)不與輸入電極對準，基本與輸入和接地電極之間的隔開區(qū)74對齊。補充接地電極78也裝配在襯底表面上，與輸入電極64隔開預(yù)選距離。正如下文詳細描述的，補充電極是隨意的，只根據(jù)應(yīng)用包含在特定實施例中。
現(xiàn)在參考圖5，再次看圖4的光調(diào)制器的截面。箭頭80、82示出了輸入到輸入電極的調(diào)制信號所施加的襯底中場的方向。箭頭84、86指示了輸入電極及其相鄰的接地電極之間較弱的邊緣場的方向。對于X-切割的器件來說，電光活動(active)Z軸61橫向行進，從而能通過波導(dǎo)旁邊的電極進行有效調(diào)制而不用緩沖層。大多數(shù)的外加場通量在輸入電極和最鄰近的接地電極之間行進。兩個電極之間場通量集中允許電阻抗在30-40Ohm范圍內(nèi)，高于典型的用于單輸入X-切割的2.5Gb/s光調(diào)制器的傳統(tǒng)X-切割共面波導(dǎo)(CPW)的20-25Ohm。較高的阻抗與具有互補輸出電極(圖中未示出)的低成本電驅(qū)動器電路兼容。
圖5所示的補充接地電極使兩個輸入電極的電阻抗平衡。一些來自輸入電極62的邊緣場線到達接地電極的右側(cè)。離開那個輸入電極的額外通量增大了每單位長度的電容；與隔離的輸入和接地電極相比，導(dǎo)致那個輸入的電阻抗稍微低一些。補充接地電極從輸入電極64吸引一些邊緣場，降低其阻抗以便匹配另一個輸入電極的阻抗。平衡后的電阻抗確保調(diào)制器的兩個輸入電極在所有頻率調(diào)制效率相同以防止光的線性調(diào)頻脈沖。
圖6是圖4光調(diào)制器的簡化示意圖，示出了輸入電信號的同側(cè)布線。圖6示出了RF接口結(jié)構(gòu)90，該結(jié)構(gòu)在功能上與現(xiàn)有技術(shù)器件中的接口結(jié)構(gòu)類似，進入輸入電極的輸入信號準備提供給光調(diào)制器本身。但注意，本發(fā)明允許去掉現(xiàn)有技術(shù)光調(diào)制器所需的其中一個RF接口結(jié)構(gòu)。仔細選擇的RF接口結(jié)構(gòu)的輸入電極92、94電路徑長度不平衡補償集成光學(xué)器件的路徑長度不平衡，以便(RF)調(diào)制信號同時到達MZI。
在本發(fā)明的另一個實施例中，通過兩套CPW電極實現(xiàn)雙驅(qū)動功能，兩套電極是串聯(lián)的，但有兩個RF輸入電極獨立驅(qū)動。來自一個輸入的RF調(diào)制信號送入第一套電極的中央導(dǎo)體中。來自另一個輸入的RF信號送入第二套電極的外部導(dǎo)體中。
圖7是本發(fā)明所提供的光調(diào)制器的另一個實施例的簡化示意圖。光調(diào)制器98適于在兩個串聯(lián)CPW電極100、102上接收差動驅(qū)動(輸入調(diào)制器信號)。接地電極104、106鄰近電極100，而接地電極108、110鄰近電極102。這些電極都平行裝配在X-切割的LiNbO3襯底111上。同步驅(qū)動電極，但每個調(diào)制器信號中的數(shù)據(jù)內(nèi)容互補。
在該實施例中，第二輸入電極用與第一電極互補的輸入信號驅(qū)動，但被延遲光從第一電極起點行進到第二電極起點所需的時間。該延遲通過一短節(jié)傳輸線(未示出)就可以很容易地產(chǎn)生，其內(nèi)含物可以由用戶實現(xiàn)。或者，可以用光調(diào)制器外殼帶狀線延遲。帶狀線造成的調(diào)制信號的衰減和頻散可忽略不計。
表1概述了光調(diào)制器98的兩種可能配置參數(shù)；一個有緩沖層一個沒有，分別為UTP1和UTP2。在表1中還列出的是朗訊科技出售的現(xiàn)有技術(shù)器件的特性。由于每個電極僅需要產(chǎn)生π/2相移，所以每個調(diào)制器輸入信號的驅(qū)動電壓和功率給為Vπ/2和Pπ/2。驅(qū)動功率簡單地給為Pπ/2=V2π/2/4Z并假設(shè)從連接器到電極沒有損失。假設(shè)平直50ohm帶狀線(將輸入調(diào)制信號提供給電極)以及匹配的阻抗終端計算反射功率S11，這樣只有信號反射來自帶狀線電極接口。在某些應(yīng)用中，可以采用錐形帶狀線來改變阻抗，這樣可以改善S11。
表1不帶緩沖層的光調(diào)制器98的電極長度選為在12.5GHz給出3dB衰減。對于65mm長度的襯底來說，帶緩沖層的光調(diào)制器98的電極長度選得盡可能長同時仍有用于偏置電極、Y-分支和可以在電路中采用的空間模濾波器的空間。對于以上實施例，可以將緩沖層厚度選為在12.5GHz給出3dB衰減。
當(dāng)將光調(diào)制器與不同電極阻抗相比較時最好用Pπ/2作為品質(zhì)因數(shù)，原因是Vπ/2時輸入電極上的電壓，不是來自調(diào)制器信號源的連接器的電壓。由于光調(diào)制器98所需的驅(qū)動功率較高，所以需要作若干改裝以便將光調(diào)制器98包括在當(dāng)前生產(chǎn)光學(xué)系統(tǒng)中。當(dāng)與標準器件相比較時，光調(diào)制器98的優(yōu)點是降低了驅(qū)動電壓。缺點是需要兩個互補輸入信號。
象若干現(xiàn)有技術(shù)器件那樣，不帶緩沖層的光調(diào)制器98用輸入電極進行偏置，而帶緩沖層的光調(diào)制器98需要單獨的偏置電極113。對于希望使邏輯極性作成與已知器件相同的應(yīng)用中，可以用圖8所示的帶狀線饋電來翻轉(zhuǎn)第二輸入電極的極性。調(diào)制信號顯示在配置在接口結(jié)構(gòu)112上的主輸入電極115(微波傳輸帶)上。帶狀線饋電114包括由區(qū)域120隔開的兩個腿116、118。腿116、118與襯底119上的輸入電極122電連接。輸入電極122包括兩個由第128隔開的腿124、126。襯底上電極及其接口結(jié)構(gòu)或外殼上相應(yīng)元件之間的電連接通過傳統(tǒng)的引線鍵合點130來完成。
某些現(xiàn)有技術(shù)器件可以通過變化兩個電極的驅(qū)動電平的比來改變特征信號線性調(diào)頻脈沖。通過使兩個輸入電極顯示反向的線性調(diào)頻脈沖使光調(diào)制器98包含該特征。當(dāng)調(diào)制器信號的驅(qū)動電平相等時，總的線性調(diào)頻脈沖為零。通過改變調(diào)制器信號驅(qū)動電平的比改變由光調(diào)制器98顯示的線性調(diào)頻脈沖。
根據(jù)本發(fā)明提供的光調(diào)制器降低了制造差動輸入光調(diào)制器的成本，這種光調(diào)制器兼容低成本、具有互補輸出的低壓輸出電驅(qū)動器。通過消除了對緩沖和電荷泄放層的需要在某種程度上實現(xiàn)了成本降低。
本發(fā)明的實施例與現(xiàn)有技術(shù)相比有很多區(qū)別特征。在這些實施例中至少有四個電極；地-輸入信號-地-輸入信號或輸入信號-地-輸入信號-地。第二和第三電極之間的間隙大小足以使那些電極之間的邊緣場最小。結(jié)果，用相應(yīng)的波導(dǎo)優(yōu)化場疊加，電路顯示更高更理想的電極阻抗。
可以包括阻抗平衡第五電極來平衡邊緣場通量，使兩個RF輸入的電極阻抗相等。本發(fā)明允許集成光調(diào)制器的輸入電極和器件外殼放在同一側(cè)，從而增強整個器件的緊湊性。本發(fā)明的另一個特征是為了均衡連接器到馬赫陳德爾RF轉(zhuǎn)接時間允許增加外殼上連接器和調(diào)制器之間阻抗匹配結(jié)構(gòu)的長度。
本發(fā)明容易與現(xiàn)有技術(shù)區(qū)別?！?79器件這種器件需要緩沖層和電荷耗散層，而本發(fā)明不需要?！?50專利描述了兩個臂的馬赫陳德爾干涉儀(MZI)的獨立調(diào)制。但是，圖5、6、16、17和18揭示了那個專利和本發(fā)明器件之間的區(qū)別。在′450專利第7頁教導(dǎo)在圖5和6中中央電極是接地的，而信號加到外部電極上。
′450電極結(jié)構(gòu)不能用于以凈零相位調(diào)制產(chǎn)生強度調(diào)制。如果用帶互補輸出的電驅(qū)動器作為調(diào)制信號源，則將由于相對于結(jié)晶軸外加場的相反極性而抵消外加電壓的推挽特性(相反極性)。與本發(fā)明中兩個外加信號相對應(yīng)的外加場相對于外加電壓具有相同的極性和幅度，目的是推挽驅(qū)動電壓在臂式馬赫陳德爾干涉儀中產(chǎn)生凈相差。用Olshansky的專利中其他電極的其中一個電極作為接地電極可能導(dǎo)致產(chǎn)生強度調(diào)制的器件。但是，在這種情況下，在MZI兩個臂中的相位調(diào)制由于缺乏對稱性在幅度上是不同的。這導(dǎo)致在器件輸出端的凈相位調(diào)制，于是帶來對系統(tǒng)性能有害的線性調(diào)頻脈沖。
由于波導(dǎo)間隔緊湊，所以本發(fā)明的電極結(jié)構(gòu)(地-輸入電極-地-輸入電極-地)需要用比正常接地電極窄的電極。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以假定更窄的地可以導(dǎo)致RF調(diào)制信號沿行波電極向下傳播時額外損失。但注意′048公開了使用具有窄地的傳統(tǒng)三個電極(地-輸入電極-地)結(jié)構(gòu)的器件。在該專利中沒有描述RF傳播損失。但是，′048器件所包含的電極長度最好短到不能由于窄地電極而導(dǎo)致調(diào)制信號損失。
而且，′048專利沒有教導(dǎo)或暗示本發(fā)明所采用的更復(fù)雜的電極結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中地寬度的選擇可以是由于接地電極加寬而減少的RF信號傳播損失最小化和由于接地電極加寬而加強的邊緣場最小化之間的一個折衷。見本發(fā)明的圖5。在′048專利中沒有承認這個問題。
由于準對稱設(shè)計，本發(fā)明的制造成本較低，這允許用X-切割的LiNbO3襯底代替Z-切割的LiNbO3襯底。具有X-切割的LiNbO3襯底的光調(diào)制器根據(jù)操作速度可以需要也可以不需要緩沖層且不需要波導(dǎo)表面上的電荷泄放層。具有Z-切割LiNbO3襯底的光調(diào)制器在電極和光波導(dǎo)之間總是需要緩沖層和電荷耗散層，這兩個層都增加制造成本。此外，由于電荷聚集在+/-Z表面上，所以帶Z-切割LiNbO3的器件裝配問題更多，因此更為昂貴。
帶傳統(tǒng)共面波導(dǎo)(CPW)電極的器件例如圖1-3所示的那些器件具有相對寬的接地電極，接地電極具有(1)對RF電流的低電阻(2)彼此之間的高電容。這兩個特征降低了在器件中傳播的寄生RF模式的可能性。
當(dāng)一個或一個以上接地電極變成與其他接地電極上的電壓或器件外殼的金屬壁上的電壓不同時，在調(diào)制信號中出現(xiàn)寄生模式。這種非理想接地導(dǎo)致接地電極象熱電極一樣動作，允許RF能量在其中傳播(這通常不會出現(xiàn))。
在器件前后端部上的接地引線鍵合點例如引線鍵合點57實際上反射該RF能量，與本發(fā)明某些實施例中抑制它相反；從而建立諧振腔，在某些頻率上，器件對調(diào)制信號的響應(yīng)與理想的不同。圖9描繪了圖6器件對調(diào)制信號頻率的理想和非理想響應(yīng)。曲線132總體示出了器件的調(diào)制響應(yīng)。響應(yīng)曲線中傾角134-138和峰值140時寄生RF模式在接地電極中行進的結(jié)果。這些傾角和峰值可以是或可以不是特定基頻的某個倍數(shù)。
如圖4-6所見，本光調(diào)制器的接地電極通常比現(xiàn)有技術(shù)的接地電極窄，使得本器件在某些實施例中更易受前述問題的影響。所述問題可以通過在不同點處將接地電極彼此連接或者連接到外殼上得到解決，如圖10所示。
圖10是根據(jù)本發(fā)明提供的光調(diào)制器142的頂視圖，示出了用于減少調(diào)制信號中寄生RF模式的補充引線鍵合點144。光調(diào)制器142與圖6所描述的本光調(diào)制器實施例基本相同。接地電極146-149用芯片上引線鍵合點沿電極長度在1/4、1/2和3/4點處在電極本身之間和外殼表面150或接口地之間互連。這些低電阻引線鍵合點在那些特定點上強迫接地電極上的電壓相同且等于外殼地板上的電壓。
引線鍵合點不抑制寄生微波模式，但為它們提供反射點。在不用芯片上引線鍵合點的情況下，在器件(152,154)的端部反射寄生RF模式，其中強制接地電極為相同電壓。在調(diào)制響應(yīng)中傾角或峰值出現(xiàn)的最低頻率與反射點之間的電極長度成反比。在1/2點處的芯片上引線鍵合點提供附加反射點，導(dǎo)致第一諧振頻率加倍。在1/4和3/4點處的芯片上引線鍵合點再次將腔長度一分為二，使第一諧振頻率再次加倍。通過沿接地電極在充足位置上放置引線鍵合點，能將諧振移出有利害關(guān)系的頻帶。
抑制寄生RF模式的有害影響的另一個方法是通過利用改進的RF接口結(jié)構(gòu)簡單地避免激勵，所述改進的RF接口結(jié)構(gòu)將信號發(fā)射到熱電極上，又防止任何差動電壓出現(xiàn)在任何接地電極之間或任何接地電極和外殼地板之間。這兩種方法可以單獨使用也可以合起來使用，從而用本光調(diào)制器緩和寄生RF模式問題。
用級聯(lián)探針(提供幾乎理想的RF發(fā)射條件的測試設(shè)備)將RF調(diào)制信號發(fā)射到調(diào)制器中防止寄生模式受到激勵，正如圖9中所見的調(diào)制響應(yīng)-頻率曲線中缺乏非理想峰值和傾角所證明的。即使器件安裝在外殼中該結(jié)果也是成立的，在外殼中，器件靠近外殼地板。級聯(lián)發(fā)射具有兩個有利特征(1)與正被驅(qū)動的熱電極相鄰的接地電極與外殼保持相同電勢，(2)由于所有接地電流必須經(jīng)引線鍵合點到達級聯(lián)探針和增加電感的其他特征使有助于激勵寄生模式的接地電流回路最小化從而抑制這種模式。
用傳統(tǒng)外殼和RF接口結(jié)構(gòu)，接地電流可以找到電感與理想電流路徑一樣低的返回路徑。外殼中的該外來接地電流使外殼地電壓與調(diào)制器上的接地電極電壓不同，產(chǎn)生上文所述類型的寄生模式。因此，提供理想RF調(diào)制器信號發(fā)射具有兩個組成部分(1)電勢與外殼地相同的電極地以及(2)通過外殼金屬壁的最小額外接地電流。由于引線鍵合點總是具有某一電阻所以第一部分難以訪問；允許兩個地電勢稍微不同。通過強制額外接地電流取盡可能長的路徑比較容易實現(xiàn)第二特性。
圖11示出了RF接口結(jié)構(gòu)156，用于將RF調(diào)制信號發(fā)射到光調(diào)制器上。熱電極158和最近接地電極160之間的間隙與箭頭162所指示的接口結(jié)構(gòu)的厚度處于同一數(shù)量級。接口結(jié)構(gòu)通常由陶瓷材料制造。注意來自熱電極158的電場線164、165越到接地電極166和160以及RF接口結(jié)構(gòu)底部上的金屬噴鍍層168上。電場線到達接地電極166和到達金屬噴鍍層168導(dǎo)致在那些位置上的接地電流，這是一個不想要的特征。
圖12是本發(fā)明所提供的RF接口結(jié)構(gòu)一部分的截面簡化示意圖，示出了電場路徑。圖12所見是一個接口結(jié)構(gòu)170，在熱電極174和相鄰接地電極176之間有小間隙172。緊密間隙使到達接地電極178和底部接口結(jié)構(gòu)表面上的金屬噴鍍層180的場力線177最小，從而減小那些位置上的接地電流。換言之，接口結(jié)構(gòu)不支持被迫取較長電路徑的接地電流的存在。
圖13示出了根據(jù)本發(fā)明制造的RF接口結(jié)構(gòu)182的第二可替換實施例的簡化示意圖。接口結(jié)構(gòu)與圖12或圖11所示基本類似。上文詳細描述類型的接地電流也通過將鐵氧體管184放在部分或全部RF接口周圍而得到抑制。根據(jù)安培定律，任何經(jīng)接口結(jié)構(gòu)頂部的熱電極185進入經(jīng)外殼壁或表面187返回的電流回路在鐵氧體材料中建立磁通。磁通產(chǎn)生電感，所以使這些電流成分有大RF能量損失，從而抑制它們。同樣的原理可以適用于光調(diào)制器本身。通過在光調(diào)制器周圍放置鐵氧體管189(剖視圖中局部示出)，所有接地電流被迫經(jīng)上表面電極(186,188)返回，并防止經(jīng)外殼壁返回。圖13中，虛線箭頭190示出了接地電流的位置，該接地電流被鐵氧體管抑制。僅示出了接口結(jié)構(gòu)的一部分。僅示出了調(diào)制器上五個電極中的其中兩個。另外輸入電極的接口結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)的接口結(jié)構(gòu)未示出。
在光調(diào)制器設(shè)計中必須被訪問的另一個參數(shù)是帶寬，它由器件的頻率響應(yīng)定義。在很大程度上，光調(diào)制器帶寬由器件行進長度上光和電信號之間的速度差來限制。速度不匹配導(dǎo)致兩個行進信號(光和電)之間的相位不匹配。當(dāng)不采用緩沖層時，這種不匹配限制最大工作頻率。美國專利US4,448,479公開了一種器件，其中能通過沿電極長度在某一點上翻轉(zhuǎn)其極性來擴展器件帶寬。但是，′479專利的教導(dǎo)限制為那個器件。該專利沒有建議如何在最佳實施例的5個電極結(jié)構(gòu)中翻轉(zhuǎn)極性。
圖14局部示出了本發(fā)明的另一個實施例，該實施例的電極與最佳實施例的電極類似但特征在于倒相區(qū)。在圖14中，示出了根據(jù)本發(fā)明制造的光調(diào)制器192的電極結(jié)構(gòu)一部分的頂視圖。地(194-198)和熱(200,202)電極在倒相區(qū)206內(nèi)跨越器件的上表面204橫向移動，在倒相區(qū)，以這樣的方式相對于結(jié)晶z軸翻轉(zhuǎn)電極極性維持電極阻抗同時在調(diào)制信號沿軸208縱向翻轉(zhuǎn)時翻轉(zhuǎn)其極性。光信號轉(zhuǎn)接光波導(dǎo)210、212。箭頭214、216示出了調(diào)制信號所感應(yīng)的外加電場的方向。
圖15示出了一種與圖14所示實施例不同的的相位翻轉(zhuǎn)方法。在圖15中，示出了根據(jù)本發(fā)明制造的另一個光調(diào)制器218的電極結(jié)構(gòu)一部分的頂視圖，提供5個電極的倒相。在這種方法中，所有的接地電極220-224和熱電極226、228少量橫向平移，建立倒相區(qū)230。因此，波導(dǎo)232、234對具有相反極性的邊緣電場進行采樣。箭頭236、238示出了調(diào)制信號所感應(yīng)的外加電場的方向。
根據(jù)圖5所描述的光調(diào)制器希望在這些位置上的外加電場的方向非常弱，使倒相不能實現(xiàn)。但是，圖5的示意圖可能過于簡化。圖16更詳細地示意性描繪了圖15的光調(diào)制器218內(nèi)的電場。圖16所示是熱電極228和兩個最近接地電極222、224的橫截面圖，用于光調(diào)制器218的倒相區(qū)230。在熱電極228附近，就在熱電極228左側(cè)的場力線的子集240翻回并終止在最鄰近的接地電極222而不是更遠的附近的的接地電極224上。盡管信號極性被翻轉(zhuǎn)，但這些場力線導(dǎo)致光信號翻轉(zhuǎn)波導(dǎo)234中感應(yīng)的電光響應(yīng)比期望的更大。
雖然已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述，但是，應(yīng)當(dāng)知道，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不背離本發(fā)明的精神的條件下進行修改和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書限定。本文和附圖所述內(nèi)容是解釋性的而非限制性的。
權(quán)利要求
1．一種電光調(diào)制器，用在轉(zhuǎn)接光信號的光通信系統(tǒng)中，調(diào)制器包括電光襯底，電光軸的方向與襯底的上表面平行；光波導(dǎo)，適于接收光信號且形成在所述襯底的上表面中，所述光波導(dǎo)具有彼此隔開的第一和第二腿；第一和第二輸入電極，形成在所述襯底上表面且適于接收調(diào)制信號，每個所述輸入電極配置成與其中相應(yīng)的一個所述光波導(dǎo)腿電光通信但實質(zhì)上不與其對準；以及第一和第二接地電極，形成在所述襯底上表面，與所述輸入電極中對應(yīng)的一個電極隔開并配置成與所述光波導(dǎo)腿中相應(yīng)的一個腿電光通信但實質(zhì)上不與其對準。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的電光調(diào)制器，其中所述襯底還包括鈮酸鋰。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的電光調(diào)制器，其中所述襯底由X-切割的鈮酸鋰晶體制造。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的電光調(diào)制器，其中每個所述輸入電極和相應(yīng)的一個所述接地電極沿其中一個所述波導(dǎo)腿并排形成。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的電光調(diào)制器，還包括形成在所述上襯底表面上的補充接地電極，以平衡所述第一和第二輸入電極的電阻抗。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的電光調(diào)制器，其中所述輸入電極提供超過25ohm的電阻抗。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的電光調(diào)制器，其中兩個所述輸入電極都配置成接收鄰近所選擇的所述第一和第二光波導(dǎo)腿之一的所述調(diào)制信號。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的電光調(diào)制器，其中所述輸入電極沿所述光波導(dǎo)第一和第二腿順序配置。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的電光調(diào)制器，其中所述第一和第二輸入電極配置成適于接收第一和第二調(diào)制信號。
10．根據(jù)權(quán)利要求1的電光調(diào)制器，其中所述輸入電極配置成相對于所述接地電極的寬度比約為1∶3。
11．根據(jù)權(quán)利要求1的電光調(diào)制器，其中所述輸入電極包含共面波導(dǎo)電極(CPW)。
12．根據(jù)權(quán)利要求1的電光調(diào)制器，其中相對于所述光波導(dǎo)腿將所述第一輸入電極配置為中央電極，相對于所述光波導(dǎo)腿將所述第二電極配置為外部電極。
13．一種電光調(diào)制設(shè)備，用于調(diào)制通過光通信系統(tǒng)轉(zhuǎn)接的光信號，所述設(shè)備包括光調(diào)制器，具有電光襯底，電光軸的方向與襯底的上表面平行；光波導(dǎo)，適于接收光信號且形成在襯底上表面中；所述光波導(dǎo)具有彼此隔開的第一和第二腿；第一和第二輸入電極，形成在襯底上表面上，適于接收調(diào)制信號，每個所述輸入電極配置成與所述光波導(dǎo)腿中相應(yīng)的一個腿電光通信但實質(zhì)上不與其對準；以及第一和第二接地電極，形成在襯底上表面上，與所述輸入電極中對應(yīng)的一個電極隔開并配置成與所述光波導(dǎo)腿中相應(yīng)的一個腿電光通信但實質(zhì)上不與其對準；以及接口結(jié)構(gòu)，用于接收調(diào)制光束的調(diào)制信號，所述接口結(jié)構(gòu)配置成與所述光調(diào)制器第一和第二輸入電極電通信。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的電光調(diào)制設(shè)備，其中所述接口結(jié)構(gòu)還包括用于調(diào)整設(shè)備電阻抗值的裝置。
15．根據(jù)權(quán)利要求13的電光調(diào)制設(shè)備，其中所述接口結(jié)構(gòu)調(diào)整裝置包括不等長的第一和第二RF信號路徑。
16．根據(jù)權(quán)利要求13的電光調(diào)制設(shè)備，其中所述接口結(jié)構(gòu)還包括帶狀線。
17．根據(jù)權(quán)利要求16的電光調(diào)制設(shè)備，其中所述接口結(jié)構(gòu)帶狀線還包括Y型導(dǎo)體。
18．權(quán)利要求8的電光調(diào)制調(diào)制器還包括偏置電極。
19．根據(jù)權(quán)利要求17的電光調(diào)制設(shè)備，其中每個所述輸入電極還包括通過電氣地隔開的第一和第二區(qū)域。
20．根據(jù)權(quán)利要求16的電光調(diào)制設(shè)備，其中所述帶狀線還包括錐形帶狀線。
21．根據(jù)權(quán)利要求1的電光設(shè)備還包括用于使所述接地電極外部額外接地電流最小化的裝置。
22．根據(jù)權(quán)利要求21的電光設(shè)備，其中所述接地電流最小化裝置還包括在在所述第一和第二接地電極之間形成的導(dǎo)電路徑，沿所述路徑選擇一個位置使所述外來接地電流的頻率增大到超過所述調(diào)制信號的頻率。
23．根據(jù)權(quán)利要求22的電光調(diào)制器，其中所述導(dǎo)電路徑包括引線鍵合點。
24．根據(jù)權(quán)利要求13的電光調(diào)制器，還包括提供級聯(lián)發(fā)射所述調(diào)制信號的裝置。
25．根據(jù)權(quán)利要求13的電光調(diào)制器，還包括適于接收所述接地電極外面的外來接地電流所產(chǎn)生的磁通的外部導(dǎo)體，從而使所述外來接地電流產(chǎn)生大RF能量損失。
26．根據(jù)權(quán)利要求25的電光調(diào)制設(shè)備，其中所述外部導(dǎo)體還包括與部分所述電光調(diào)制設(shè)備隔開的鐵氧體管。
27．根據(jù)權(quán)利要求1的電光調(diào)制器，還包括倒相區(qū)，在所述倒相區(qū)中，所述輸入和接地電極的小部分沿所述襯底上表面與其大部分橫向?qū)ΨQ移位以便維持電極阻抗。
28．根據(jù)權(quán)利要求27的電光調(diào)制器，其中所述倒相區(qū)橫向移位具有一個幅度，以便對所述襯底內(nèi)感應(yīng)的具有相反極性的邊緣電場進行采樣。
29．根據(jù)權(quán)利要求1的電光調(diào)制器，還包括保持所述接地電極處于相同電壓的裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種差動輸入光調(diào)制器,適于帶互補輸出的電驅(qū)動器。一個實施例用X－切割的LiNbO3襯底,帶或不帶緩沖層,從而與采用Z－切割的LiNbO～襯底的一些已知器件相比能降低成本。這些現(xiàn)有技術(shù)器件既需要緩沖層又需要電荷泄放層。本發(fā)明還包括準對稱電極結(jié)構(gòu),其中外加場與襯底表面平行行進。
文檔編號G02F1/01GK1310807SQ99808872
公開日2001年8月29日 申請日期1999年7月20日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月24日
發(fā)明者卡爾·基薩, 格里高利·邁克布萊恩, 愛德華·伍頓 申請人:單相電信產(chǎn)品公司