專利名稱：：具有預(yù)定的頻率線性調(diào)頻的光學(xué)調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種具有預(yù)定的頻率線性調(diào)頻的光學(xué)調(diào)制器，更具體地說，涉及(但并不限于)在光學(xué)通信系統(tǒng)中使用的具有預(yù)定的頻率線性調(diào)頻(frequencychirp)的π電光Mach-Zehnder光學(xué)調(diào)制器或定向耦合器。正如大家所公知，色散是任何波導(dǎo)介質(zhì)的基本特性，比如在光學(xué)通信系統(tǒng)中使用的光纖。色散使不同的波長以不同的速度傳播，這時(shí)由于材料介質(zhì)的特性和波導(dǎo)機(jī)理的緣故。在通信系統(tǒng)中，最基本的是，對(duì)要通信的數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)流的載波進(jìn)行調(diào)制以將載波的頻率分成一個(gè)或多個(gè)邊帶。因此在邊帶彼此相移時(shí)在較長的光纖中的色散使數(shù)據(jù)隨著距離漸漸失真。色散具有加寬或擴(kuò)展數(shù)據(jù)脈沖的作用，而這種作用限制了光纖通信系統(tǒng)的工作范圍和/或工作數(shù)據(jù)率。在光學(xué)通信中，大家公知的是使用如下的方法來調(diào)制光學(xué)載波(i)直接調(diào)制光源，最典型的是半導(dǎo)體激光器，或者(ii)外部調(diào)制，在這種外部調(diào)制中光源連續(xù)運(yùn)行，使用外部調(diào)制器調(diào)制它的光輸出。在直接調(diào)制中調(diào)制激光器的驅(qū)動(dòng)電流，由此改變產(chǎn)生所需光輸出的強(qiáng)度調(diào)制以及相關(guān)的光學(xué)頻率調(diào)制的有效區(qū)的折射率。相關(guān)的光學(xué)頻率調(diào)制公知為線性調(diào)頻。通過下式定量地計(jì)算線性調(diào)頻參數(shù)α線性調(diào)頻參數(shù)α=2I[∂φ∂t/∂I∂t]]]>公式1這里I是強(qiáng)度，是光學(xué)相位φ的變化率，是強(qiáng)度的變化率。由于色散的緣故激光線性調(diào)頻進(jìn)一步限制了在光學(xué)通信中的工作范圍和/或數(shù)據(jù)率。由于半導(dǎo)體激光通常容易產(chǎn)生較強(qiáng)的線性調(diào)頻，因此可取的是使用外部調(diào)制，特別是在長途高位速率強(qiáng)度調(diào)制的光纖通信中使用電光干涉調(diào)制器。外部調(diào)制器(特別是Mach-Zehnder調(diào)制器)的特別優(yōu)勢在于，(i)它們的線性調(diào)頻較低，(ii)它們能夠運(yùn)行在較高的調(diào)制頻率下(已經(jīng)證實(shí)可以運(yùn)行在超過100GHz下)，(iii)它們的光/電壓特性很好，并且奇數(shù)階對(duì)稱，這種奇數(shù)階對(duì)稱消除了偶數(shù)階諧波失真結(jié)果，以及(iv)由于它們的光源連續(xù)運(yùn)行在較高的穩(wěn)定的功率下，因此它的光輸出較高，并且具有能夠理想地適合于波分多路復(fù)用(WDM)系統(tǒng)的光譜純度。雖然光調(diào)制器能夠以零線性調(diào)頻調(diào)制光信號(hào)，因此能夠使光纖的色散的影響最小化，但是工作范圍和/或長途光纖通信的數(shù)據(jù)率仍然受色散的限制。為克服這種問題并得到最佳的系統(tǒng)性能，已經(jīng)提出了使用調(diào)制器應(yīng)用較小的容易控制的負(fù)線性調(diào)頻來補(bǔ)償纖維分散(AHGnauk等人的“Didspersionpenaltyreductionusingopticalmodulatiorswithadjustablechirp”IEEEPhoton.Technol.Lett.vol3(1991))。在提高光級(jí)并結(jié)合由于在調(diào)制器中的凈折射率增加引起的光頻下降(折射率越高，導(dǎo)致傳播越慢，由此導(dǎo)致相位滯后增加和頻率越低)或者相反時(shí)，實(shí)現(xiàn)了負(fù)線性調(diào)頻。負(fù)線性調(diào)頻參數(shù)的最佳值取決于光纖的類型和長，通常范圍為α＝-0.5至-1.0。產(chǎn)生負(fù)線性調(diào)頻的方法取決于調(diào)制器的類型。調(diào)制器在廣義上是那些在本質(zhì)上為電吸收或電折射特性的器件。電吸收器件利用半導(dǎo)體材料的帶隙波長附近的材料的透明度的變化，并提供了具有非線性特性的簡單的ON/OFF選通。由于在反向偏壓節(jié)區(qū)中吸收光，因此它們易于在較高的光功率下造成電壓雪崩而失控。存在與電吸收相關(guān)的電折射效應(yīng)，這種效應(yīng)導(dǎo)致了較高程度的線性調(diào)頻。它們也是與波長高度相關(guān)。電折射(通常稱為電光)調(diào)制器使用作為一定的材料的特性的電場感應(yīng)的折射率變化。它們通常基于干涉計(jì)并且能夠利用單片平面光學(xué)波導(dǎo)技術(shù)來在長達(dá)幾厘米的距離上將光限制到調(diào)制電場的附近，因此非常微弱的電光效應(yīng)能夠積累。在OFF狀態(tài)下并不能吸收先，但是重新將它導(dǎo)向到不同的端口。包括定向耦合器的這種級(jí)別的調(diào)制器不僅用于調(diào)制，而且還能夠在光學(xué)通信系統(tǒng)中用于切換和光學(xué)通信。主要類型的光電光學(xué)調(diào)制器使用如在附圖1中示意性地所示的Mach-Zehnder干涉計(jì)結(jié)構(gòu)。Mach-Zehnder光學(xué)調(diào)制器包括分解施加到輸入4中的光以使相等部分的光沿著兩個(gè)波導(dǎo)臂6，8傳播的分光器2和組合光以在兩個(gè)輸出12，14中的一個(gè)上產(chǎn)生輸出的組合器10。由電光材料制成的每個(gè)臂6，8具有一個(gè)或多個(gè)調(diào)制電極以光沿著臂傳輸具有可選擇的相移。正如大家所公知，一旦在組合器10中進(jìn)行組合，在臂6，8之間電感應(yīng)的±90相對(duì)相移使光整個(gè)地切換到輸出12，14中的一個(gè)或另一個(gè)輸出中。光透射相對(duì)于調(diào)制電壓Vmod的響應(yīng)具有周期性的升余弦形式。強(qiáng)度調(diào)制源于組合器10對(duì)在干涉儀的不同的臂6，8上的相位調(diào)制之間的不同的作用。在輸出12，14上的任何凈相位調(diào)制源自共有的并在兩個(gè)輸出中相同的相位調(diào)制。對(duì)于在接近線性(50∶50)工作點(diǎn)周圍較小的范圍通過下式確定Mach-Zehnder調(diào)制器的線性調(diào)頻參數(shù)Mach-Zehnder線性調(diào)頻αMZ=VL1+VL2VL1-VL2]]>式2這里VL1是第一波導(dǎo)臂6的電壓長度乘積，VL2是第二波導(dǎo)臂8的電壓長度乘積。電壓長度乘積包括符號(hào)。從總的相位調(diào)制的有效源中，不同的和相同的相位調(diào)制分量相對(duì)比。因此，具有剩余相位調(diào)制(線性調(diào)頻)的強(qiáng)度調(diào)制器在其它的方面比相應(yīng)的零線性調(diào)頻器件具有更低的效率。如現(xiàn)在所描述，Mach-Zehnder調(diào)制器可以以不同的方式運(yùn)行。在第一驅(qū)動(dòng)方法(稱為單邊驅(qū)動(dòng))中，單個(gè)的RF調(diào)制驅(qū)動(dòng)電壓Vmod施加到僅僅一個(gè)臂的調(diào)制電極上。這就得到了±1的線性調(diào)頻參數(shù)?？梢哉J(rèn)為RF驅(qū)動(dòng)電壓等效于+Vmod/2的微分電壓，該電壓疊加在Vmod/2的公共電平上并得到了非零的線性調(diào)頻參數(shù)。強(qiáng)度調(diào)制與Vmod成比例，并且要求驅(qū)動(dòng)調(diào)制器的RF功率與V2mod成比例。在第二驅(qū)動(dòng)方法(稱為雙驅(qū)動(dòng)推挽法)中，獨(dú)立的、相等的且相反的RF驅(qū)動(dòng)電壓±Vmod/2分別施加到兩個(gè)臂中。這種驅(qū)動(dòng)方法產(chǎn)生了零線性調(diào)頻和與Vmod成比例的強(qiáng)度調(diào)制。所要求的RF驅(qū)動(dòng)功率與V2mod/4+V2mod/4成比例，即單邊驅(qū)動(dòng)的一半。在第三驅(qū)動(dòng)方法(稱為串聯(lián)推挽法)中，兩個(gè)臂的驅(qū)動(dòng)電極串聯(lián)連接并以單RF驅(qū)動(dòng)電壓Vmod驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電壓的一半出現(xiàn)在每個(gè)臂上，并且它們反相作用以得到與上述兩驅(qū)動(dòng)方法相同強(qiáng)度的調(diào)制，但沒有線性調(diào)頻。RF功率要求與單邊驅(qū)動(dòng)的要求相同，但調(diào)制器具有該帶寬的兩倍，因?yàn)镽F源的電容減半。最后，在稱為并行推挽法的第四驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)臂的驅(qū)動(dòng)電極平行交接并由單RF源驅(qū)動(dòng)電壓Vmod/2驅(qū)動(dòng)。在這種結(jié)構(gòu)中，臂反相工作以得到與上述的驅(qū)動(dòng)方法相同的強(qiáng)度但沒有線性調(diào)頻。對(duì)這種驅(qū)動(dòng)的RF功率要求僅僅是對(duì)單邊方法的功率要求的四分之一。然而，RF源的電容是單邊驅(qū)動(dòng)的電容的兩倍，因此調(diào)制器具有該帶寬的大約一半的帶寬。下文的表1總結(jié)了所描述的不同的驅(qū)動(dòng)方法它們的線性調(diào)頻參數(shù)、帶寬和功率。在該表中所有的附圖都?xì)w一化為單邊驅(qū)動(dòng)方法。在電光調(diào)制器設(shè)計(jì)中所要求的驅(qū)動(dòng)電壓和帶寬相互作用，因?yàn)檫@兩者與驅(qū)動(dòng)電極的長度成反比。然而，根據(jù)帶寬功率比(特征附圖)，單位線性調(diào)頻系數(shù)將總是2倍。表1各種Mach-Zehnder調(diào)制器驅(qū)動(dòng)方法的線性調(diào)頻參數(shù)、功率、帶寬和強(qiáng)度調(diào)制的“指標(biāo)數(shù)字。”在光學(xué)通信中使用的特別優(yōu)選的調(diào)制器形式是以GaAs/AlGaAs制造的Mach-Zehnder調(diào)制器。由于制造的緣故，這種類型的調(diào)制器正好在波導(dǎo)之下具有以n-型摻雜的半導(dǎo)體材料形式的在兩個(gè)波導(dǎo)臂之間的固有地內(nèi)置的電背向連接，需要這種連接限制施加到波導(dǎo)區(qū)的電場。因此，GaAs/AlGaAs電光調(diào)制器的本身的驅(qū)動(dòng)法是串聯(lián)的推挽法，因此這種調(diào)制器設(shè)計(jì)不經(jīng)修改不能產(chǎn)生線性調(diào)頻。上述類型的光學(xué)調(diào)制器的發(fā)展在高速光學(xué)通信方面特別有用，并且它是一種行波GaAs/AlGaAs電光調(diào)制器。正如大家公知，這種類型的調(diào)制器Mach-Zehnder調(diào)制器，在該Mach-Zehnder調(diào)制器中調(diào)制電極分為沿每個(gè)波導(dǎo)的臂的長度設(shè)置的多個(gè)電極段。應(yīng)用共面?zhèn)鬏斁€給該電極段施加電極所依賴的調(diào)制電壓并在與光學(xué)波導(dǎo)相同的方向上以RF行波的形式傳播。反過來該電極段提供給傳輸線提供了電容性負(fù)載，由此獲得了慢波特性。通過適當(dāng)?shù)剡x擇負(fù)載線路，行進(jìn)的RF調(diào)制電壓的相位速度和光波導(dǎo)的群速可以精確地匹配，以使調(diào)制在波導(dǎo)區(qū)的長度上單調(diào)地積累。這就導(dǎo)致了比應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的Mach-Zehnder調(diào)制器可能的程度高得多的光學(xué)調(diào)制。與標(biāo)準(zhǔn)的GaAs/AlGaAs電光調(diào)制器一樣，這些器件在兩個(gè)臂之間具有固有的背向連接，由此以串聯(lián)的推挽方式驅(qū)動(dòng)，并且不能產(chǎn)生線性調(diào)頻。雖然在理論上可以給兩個(gè)臂施加不同的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電壓以產(chǎn)生理想的線性調(diào)頻，但是在實(shí)際應(yīng)用中，特別在最高的位速率通信系統(tǒng)中，這樣做不切實(shí)際也不理想。例如，不同的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電壓要求兩個(gè)完全匹配的RF源或者非常均衡的RF分光器，在每秒幾十千兆比特的非常高的位速率下不切實(shí)際。此外，在非常高的頻率行波結(jié)構(gòu)中使用不同的驅(qū)動(dòng)電壓也不切實(shí)際，因?yàn)樗箅p向傳輸驅(qū)動(dòng)線，而這種傳輸驅(qū)動(dòng)線要求調(diào)制器大得多以防止在線之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的耦合。這種耦合對(duì)調(diào)制器的頻率響應(yīng)的均勻性有損害。還提出了相對(duì)于在鈮酸鋰Mach-Zehnder調(diào)制器中的波導(dǎo)臂非對(duì)稱地設(shè)置調(diào)制電極以使在臂之間的電光效率不平衡，由此產(chǎn)生固定量的線性調(diào)頻(PJiang和A0’Donnell“LiNbO3Mach-ZehnderModulatorswithfixedNegatiVeChirp”，IEEEPhotonicsTech.Lett.，Vol.8(10)，1996)。正如大家所公知，在鈮酸鋰調(diào)制器中，它是放置在產(chǎn)生電光效應(yīng)的非擴(kuò)散波導(dǎo)附近的共面電極的邊緣電場。產(chǎn)生線性調(diào)頻的這種技術(shù)僅適合于調(diào)制器，在該調(diào)制器中調(diào)制電極并不固有地與光波導(dǎo)固定地對(duì)齊，并且因此不適合于GaAs調(diào)制器，在這種GaAs調(diào)制器中由于制造工藝的原因電極和波導(dǎo)固有地對(duì)齊。因此需要一種能夠產(chǎn)生預(yù)定量的頻率線性調(diào)頻的光學(xué)調(diào)制器，可取的是該頻率線性調(diào)頻在零和±1之間，這種大小的頻率線性調(diào)頻部分地降低了對(duì)公知的裝置的限制。本發(fā)明試圖提供一種能夠產(chǎn)生預(yù)定的頻率線性調(diào)頻的GaAs/AlGaAsMach-Zehnder電光調(diào)制器。根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生具有預(yù)定的頻率線性調(diào)頻的調(diào)制光學(xué)輸出的光學(xué)調(diào)制器包括光學(xué)分光裝置，該光學(xué)分光裝置接收要調(diào)制的光輸入信號(hào)并將其分解為兩個(gè)光信號(hào)以沿著由光電材料制成的兩個(gè)波導(dǎo)臂傳輸；光學(xué)組合裝置，該光學(xué)組合裝置接收兩個(gè)光信號(hào)并將其組合成所說的調(diào)制光輸出；與每個(gè)波導(dǎo)臂相關(guān)的至少一個(gè)電極對(duì)，所說的電極對(duì)電串聯(lián)連接以響應(yīng)施加到其中的單電信號(hào)反相調(diào)制所說的光信號(hào)的相位；其特征在于電容性元件，它連接到一個(gè)臂的電極對(duì)以改變單電信號(hào)的分割以使在一個(gè)臂的電極對(duì)上的電信號(hào)的幅值不同于在另一臂的電極對(duì)上的電信號(hào)的幅值，由此在調(diào)制的光學(xué)輸出中產(chǎn)生預(yù)定的頻率線性調(diào)頻。提供電容性元件能夠使本發(fā)明的光學(xué)調(diào)制器能夠?qū)崿F(xiàn)在0和±1之間的線性調(diào)頻參數(shù)并能夠以在單邊和推挽驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)之間的中間方式驅(qū)動(dòng)。將會(huì)理解的是，提供產(chǎn)生預(yù)定的頻率線性調(diào)頻的電容性元件以用于具有兩個(gè)或更多的波導(dǎo)的任何電光裝置，響應(yīng)電信號(hào)在這種波導(dǎo)中的一個(gè)波導(dǎo)的折射率相對(duì)于另一波導(dǎo)的折射率變化。在本發(fā)明作為調(diào)制器而不是開關(guān)裝置運(yùn)行時(shí)，本發(fā)明也能夠應(yīng)用于光學(xué)調(diào)制器的其它的形式，特別是應(yīng)用于定向耦合器。因此，根據(jù)本發(fā)明第二方面，產(chǎn)生具有預(yù)定的頻率線性調(diào)頻的調(diào)制光學(xué)輸出的的光學(xué)調(diào)制器包括彼此鄰近地設(shè)置的由電光材料制成的以在波導(dǎo)之間允許光學(xué)耦合的兩個(gè)光學(xué)波導(dǎo)，和與每個(gè)光學(xué)波導(dǎo)相關(guān)的至少一個(gè)電極對(duì)，所說的電極對(duì)電串聯(lián)連接以響應(yīng)施加到電極對(duì)的單電信號(hào)使在波導(dǎo)之間的反相耦合不同步；其特征在于電容性元件，該電容性元件連接到一個(gè)波導(dǎo)的電極對(duì)以改變單電信號(hào)的分割以使在一個(gè)波導(dǎo)的電極對(duì)上的電信號(hào)的幅值不同于在另一波導(dǎo)的電極對(duì)上的電信號(hào)的幅值，由此在調(diào)制的光學(xué)輸出中產(chǎn)生預(yù)定的頻率線性調(diào)頻。有利的是，電容元件與所說的臂的電極對(duì)并聯(lián)連接，并且單電信號(hào)施加到串聯(lián)推挽結(jié)構(gòu)的電極對(duì)中?？商鎿Q的是，電容元件與所說的臂的電極對(duì)串聯(lián)連接，并且該電信號(hào)施加到并聯(lián)推挽結(jié)構(gòu)的電極對(duì)中。本發(fā)明應(yīng)用于集中和行波兩種實(shí)施方式中。因此一個(gè)實(shí)施例包括沿每個(gè)波導(dǎo)臂設(shè)置的多個(gè)電極對(duì)；連接到一個(gè)臂的每個(gè)電極對(duì)的相應(yīng)的電容元件和與電極對(duì)電連接的每個(gè)臂相關(guān)的傳輸線，其中設(shè)置電極對(duì)以使電信號(hào)的相位速度在它沿著傳輸線行進(jìn)時(shí)與光學(xué)信號(hào)的光群速基本匹配。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，光調(diào)制器以III-V半導(dǎo)體材料比如GaAs和AlGaAs制成?？商鎿Q的是，它可以以任何電光介質(zhì)制造。便利地，該電容元件或每個(gè)電容元件包括附加電極對(duì)，在用于導(dǎo)向在調(diào)制器中的光信號(hào)的材料層上提供該附加的電極對(duì)，其中所說的附加的電極對(duì)設(shè)置在所說的材料的區(qū)域上以使它基本不影響通過相關(guān)的波導(dǎo)臂的光信號(hào)的相位。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，產(chǎn)生具有預(yù)定的頻率線性調(diào)頻的調(diào)制光學(xué)輸出的光學(xué)調(diào)制器包括光學(xué)分光裝置，該光學(xué)分光裝置接收要調(diào)制的光輸入信號(hào)并將其分解為兩個(gè)光信號(hào)以沿著由光電材料制成的兩個(gè)波導(dǎo)臂傳輸；光學(xué)組合裝置，該光學(xué)組合裝置接收兩個(gè)光信號(hào)并將其組合成所說的調(diào)制光學(xué)輸出；多個(gè)電極對(duì)，這些電極對(duì)與每個(gè)波導(dǎo)臂相關(guān)并沿每個(gè)波導(dǎo)臂設(shè)置以響應(yīng)施加到該電極對(duì)的單電信號(hào)相對(duì)于沿著另一個(gè)波導(dǎo)臂傳輸?shù)墓庀辔徊煌卣{(diào)制在一個(gè)波導(dǎo)臂中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的相位，以及與這些電極對(duì)電連接到其中的每個(gè)臂相關(guān)的傳輸線；其中在每個(gè)波導(dǎo)臂上的相應(yīng)的電極對(duì)電串聯(lián)連接并連接到傳輸線以使電信號(hào)的相位速度在它沿著傳輸線行進(jìn)時(shí)基本與光信號(hào)的光學(xué)群速匹配；其特征在于一個(gè)或多個(gè)所選擇的電極對(duì)，它從與它的相關(guān)的波導(dǎo)移開以使該電極對(duì)或每個(gè)電極對(duì)基本不影響光信號(hào)的相位，以在調(diào)制的光學(xué)輸出中產(chǎn)生預(yù)定的頻率線性調(diào)頻。順便指出，每個(gè)所選擇的電極對(duì)中的一個(gè)電極相對(duì)于它的相關(guān)的波導(dǎo)橫向地移開以使通過所說的波導(dǎo)的光信號(hào)的相位基本不受移開的電極的影響，但其中電極對(duì)的電特性與還沒有移開的其它的那些電極對(duì)的電特性基本相同?？扇〉氖?，光學(xué)調(diào)制器以III-V半導(dǎo)體材料比如GaAs和AlGaAs制成?？商鎿Q的是，它可以以任何電光介質(zhì)制造。為更好地理解本發(fā)明，參考附圖僅以舉例的方式描述根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)方面的三個(gè)光學(xué)調(diào)制器，在附圖中附圖1所示為公知的Mach-Zehnder光學(xué)調(diào)制器的平面示意圖；附圖2示意性地示出了沿附圖1的線“AA”的在GaAs/AlGaAs中所制造的Mach-Zehnder光學(xué)調(diào)制器的剖面端視圖；附圖3所示為附圖2的調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路的附圖；附圖4所示為附圖3的驅(qū)動(dòng)電路和調(diào)制器的交流等效電路；附圖5示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的第一方面沿附圖8的線“BB”的光學(xué)調(diào)制器的剖面端視圖；附圖6所示為附圖5的調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電路圖；附圖7所示為附圖6的驅(qū)動(dòng)電路和調(diào)制器的交流等效電路；附圖8示意性地示出了調(diào)制電極和電容元件電極的附圖5的調(diào)制器的平面視圖；附圖9所示為根據(jù)本發(fā)明的第一方面行波光學(xué)調(diào)制器的平面視圖的示意性表示；附圖10所示為附圖9的光學(xué)調(diào)制器的各種預(yù)定線性調(diào)頻參數(shù)的光學(xué)調(diào)制深度相對(duì)于頻率的曲線圖；附圖11所示為根據(jù)本發(fā)明的第二方面行波光學(xué)調(diào)制器的平面視圖的示意性表示；附圖12所示為包括驅(qū)動(dòng)電路的附圖11的光學(xué)調(diào)制器的剖面端視圖；以及附圖13所示為附圖12的驅(qū)動(dòng)電路和調(diào)制器的交流等效電路。為有助于理解本發(fā)明的光學(xué)調(diào)制器，首先描述以GaAs/AlGaAs制造的公知的Mach-Zehnder光學(xué)調(diào)制器。在附圖2中示出了沿附圖1的“AA”剖的這種調(diào)制器的端視圖。光學(xué)調(diào)制器20按順序包括未摻雜的(半絕緣的)砷化鎵(GaAs)襯底22、導(dǎo)電摻雜的n-型鋁砷化鎵(AlGaAs)層24、更深的未摻雜的砷化鎵層26、更深的未摻雜的AlGaAs層28和金屬導(dǎo)電層30。GaAs層26在AlGaAs層24和28之間提供了具有折射率的反差的光學(xué)波導(dǎo)介質(zhì)，以及GaAs層26提供了垂直限制，由此將光限制在層26內(nèi)傳播。調(diào)制器的光學(xué)波導(dǎo)臂(4，6，參見附圖1)限定在GaAs層26內(nèi)，將GaAs層26有選擇性地蝕刻在AlGaAs層28的兩個(gè)臺(tái)面(臺(tái)階區(qū))32，34。臺(tái)面32，34提供了將光限制在臺(tái)面下的區(qū)域的平面內(nèi)的有效的折射率反差。如在附圖2中所示，光限制在兩個(gè)平行通路中，即傳輸過如圖所示的紙面并通過虛線36，38所示的波導(dǎo)臂。金屬層30適當(dāng)?shù)貓D形化以覆蓋臺(tái)面32，34，并構(gòu)成了每個(gè)波導(dǎo)臂的相應(yīng)的調(diào)制電極40，42。電極40，42具有波導(dǎo)臂的長度。由于希望使用串聯(lián)推挽法驅(qū)動(dòng)調(diào)制器，因此要求由導(dǎo)電n-型摻雜AlGaAs層24的區(qū)域44構(gòu)成的背板電極自由浮動(dòng)在RF調(diào)制電壓的中點(diǎn)上，并且不被釘扎在地電位上。為確保這種情況，通過層24，26，28蝕刻兩個(gè)溝槽46，48，并與波導(dǎo)臂的軸線平行。為確保背板電極44的良好的電絕緣，在半絕緣GaAs襯底22中蝕刻較小距離的蝕刻絕緣溝槽46，48。通過在導(dǎo)電金屬化層30中的多股薄膜金屬結(jié)構(gòu)40a，42a形成到調(diào)制器電極40，42的電連接，這種多股薄膜金屬結(jié)構(gòu)40a，42a在絕緣溝槽46，48上形成到相應(yīng)的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電壓線40b，42b的空氣橋。如圖2所示，左手邊的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電壓線40b包括RF調(diào)制驅(qū)動(dòng)線，而右手邊的調(diào)制驅(qū)動(dòng)線42b包括調(diào)制驅(qū)動(dòng)電壓地。參考附圖3，所示為運(yùn)行附圖2的光學(xué)調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電路。為使直流偏置電壓能夠施加到背板電極44上同時(shí)允許背板在RF調(diào)制頻率上保持浮動(dòng)，如圖所示地連接直流耦合電容器Cd50、電感器Ld52和驅(qū)動(dòng)電阻器Rd65。在實(shí)際中電容器50由肖特基接觸金屬化實(shí)現(xiàn)，而電感器Ld52和驅(qū)動(dòng)電阻器Rd65實(shí)現(xiàn)為不包括調(diào)制電極的導(dǎo)進(jìn)和導(dǎo)出的波導(dǎo)焊道的窄的溝隔離區(qū)。如附圖3所示，將調(diào)制RF電壓Vmod施加到串聯(lián)的調(diào)制電極40，42，而同時(shí)在并聯(lián)結(jié)構(gòu)中施加偏置電壓。這種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)確保了在RF調(diào)制電壓的整個(gè)周期中維持在該器件的耗散層上(即，在層24，26，28上)的反向偏置狀態(tài)。參考附圖4，所示為用于調(diào)制器和附圖3的驅(qū)動(dòng)電路的交流等效電路。與半絕緣GaAs和AlGaAs層26，28連接的調(diào)制電極40，42和背板電極44在電路上等效于兩個(gè)串聯(lián)的電容器56，58，由此將這種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)稱為串聯(lián)推挽結(jié)構(gòu)。參考附圖5，所示為根據(jù)本發(fā)明的第一方面能夠給它調(diào)制的光信號(hào)施加所選擇量的頻率線性調(diào)頻的光學(xué)調(diào)制器。該結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上與參考附圖2已經(jīng)描述的結(jié)構(gòu)相同，但它進(jìn)一步包括在AlGaAs層28內(nèi)形成的附加臺(tái)面結(jié)構(gòu)60。結(jié)構(gòu)60與每個(gè)臺(tái)面32，34相同，但是在該結(jié)構(gòu)之下的GaAs36的區(qū)域在光學(xué)上并不連接到波導(dǎo)臂，因此從不會(huì)傳導(dǎo)光。結(jié)構(gòu)60與調(diào)制電極42平行并與其長度相同。在該結(jié)構(gòu)的頂部的金屬化層62構(gòu)成了第一電極，該第一電極結(jié)合在下面的背板電極44a構(gòu)成了無源電容元件。電容元件在電上與由調(diào)制電極/背板電極所構(gòu)成的電容器相同。這種電極62電連接到調(diào)制電極42。參考附圖6，可以理解但是這種附加的電容元件60，62電等效于與右手側(cè)的波導(dǎo)臂的電容并聯(lián)的電容。正如上文所指出，在電極26之下的GaAs26中沒有傳導(dǎo)光，因此在光學(xué)上調(diào)制器的對(duì)稱性不受影響。由于電容元件對(duì)沿著波導(dǎo)臂傳輸?shù)墓庑盘?hào)沒有直接影響，因此在下文中將其稱為無源電容器元件。正如從附圖7中可以看出，附加的無源電容元件70與一個(gè)臂的調(diào)制電極并聯(lián)，降低了該臂的電抗的影響。結(jié)果，在該調(diào)制器的這個(gè)臂上出現(xiàn)了調(diào)制電壓的降低的部分，而在另一臂上出現(xiàn)了相應(yīng)地增加的部分。因此，降低了施加給沿著第一(在附圖7中的右手)臂傳輸?shù)墓庑盘?hào)的電光相移，同時(shí)增加了沿著另一臂傳輸?shù)墓庑盘?hào)的電光相移。作為這種不平衡的差分相移的結(jié)果，在組合兩個(gè)光信號(hào)時(shí)在該光信號(hào)輸出上保持了預(yù)定量的相位調(diào)制。這變換為頻率線性調(diào)頻。由于電容性元件是無源的，因此線性調(diào)頻的大小是固定的，并且取決于該元件的電容。參考附圖8，在該平面視圖中示出了調(diào)制電極40，42和無源電容元件的電極62；將會(huì)理解的是每個(gè)電極的每單位電容取決于電極的寬度。通過電極62的寬度可以改變無源電容元件的電容?？蛇x擇的是，如附圖8所示，可以使調(diào)制電極42和電極62的長度不相等以降低電容元件所要求的結(jié)構(gòu)的尺寸。通過上文的等式2，通過下式可以得出附圖8的所施加的調(diào)制器的線性調(diào)頻參數(shù)|α|=11+2[CCg-L2L1]]]>等式3這里L(fēng)1是電極40，62的長度，L2是電極42的長度，C是調(diào)制電極40，42的每單位長度的電容，Cg是電極62的每單位長度的電容。從等式3中可以看出，在Cg＝0時(shí)沒有線性調(diào)頻產(chǎn)生，這與調(diào)制電極L1，L2的相對(duì)長度無關(guān)。這就因?yàn)楣鈱W(xué)調(diào)制器本身相對(duì)于電極的長度是自平衡調(diào)制電極越短電容越小，因此，在沒有Cg的情況下，采集更大比例的調(diào)制RF電壓，由此精確地補(bǔ)償了較短的長度。線性調(diào)頻的符號(hào)取決于光/電壓特性的范圍，并且在兩個(gè)互補(bǔ)輸出中的一個(gè)輸出為正，而另一個(gè)輸出為負(fù)。通過無源元件的寬度基本可以選擇線性調(diào)頻的程度。實(shí)際上，附加的電容元件意味著，在單邊和推挽結(jié)構(gòu)之間的中間方式驅(qū)動(dòng)調(diào)制器，并且僅要求單RF調(diào)制驅(qū)動(dòng)電壓。參考附圖9，所示為根據(jù)本發(fā)明的第一方面的行波光學(xué)調(diào)制器的平面視圖。在本實(shí)施例中，將調(diào)制驅(qū)動(dòng)電極40，42劃分為沿著每個(gè)波導(dǎo)臂的長度設(shè)置的多個(gè)離散的段401-405，421-425。此外，提供所分段的無源電容元件621-625，并將其連接到一個(gè)臂的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電極421-425。這種結(jié)構(gòu)同樣得到了在波導(dǎo)臂上下降的不同大小的調(diào)制RF電壓，由此在光學(xué)輸出中產(chǎn)生了線性調(diào)頻。參考附圖10，所示為光學(xué)調(diào)制深度(分貝(dB)左側(cè)坐標(biāo))和微波有效指數(shù)(右側(cè)坐標(biāo))相對(duì)于分別具有0，-0.33，-0.51和-0.68的預(yù)定的線性調(diào)頻參數(shù)的行波調(diào)制器的頻率的曲線。線80表示具有零線性調(diào)頻的調(diào)制器的情況，即沒有附加的無源電容元件。線82，84和86是用于分別具有-0.33，-0.51和-0.68的線性調(diào)頻值的光學(xué)調(diào)制器。對(duì)于這些調(diào)制器中的每個(gè)調(diào)制器，無源電容元件的電極621-625具有相等的長度，并且通過改變電極的寬度W可以實(shí)現(xiàn)不同的線性調(diào)頻參數(shù)。本領(lǐng)域的普通的人員將會(huì)理解的是，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)所描述的光學(xué)調(diào)制器進(jìn)行修改。例如，雖然可取的是以GaAs/AlGaAs制造調(diào)制器，但是通過使用適當(dāng)?shù)闹圃旒夹g(shù)還可以以其它的III-V半導(dǎo)體材料或其它的電光材料制造它。此外，雖然本發(fā)明具體涉及電光光學(xué)調(diào)制器，但是將會(huì)理解的是可以將用于產(chǎn)生預(yù)定的頻率線性調(diào)頻的電容元件用于具有兩個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)的其它的電光器件中，在這些波導(dǎo)中一個(gè)波導(dǎo)的折射率響應(yīng)電信號(hào)相對(duì)于另一個(gè)波導(dǎo)的折射率改變。例如，可以設(shè)想的是，在本發(fā)明作為調(diào)制器而不是開關(guān)器件運(yùn)行時(shí)本發(fā)明可應(yīng)用于電光定向耦合器。在這種器件中兩個(gè)波導(dǎo)彼此靠近以在它們之間允許光耦合。在每個(gè)波導(dǎo)上提供電極，并使得，由于在波導(dǎo)之間的折射率的相對(duì)變化的緣故，通過給推挽結(jié)構(gòu)的電極施加電信號(hào)從而使在兩個(gè)波導(dǎo)之間的耦合不同步。這種不同步導(dǎo)致了沿著該波導(dǎo)或每個(gè)波導(dǎo)傳輸?shù)墓庑盘?hào)的調(diào)制。根據(jù)本發(fā)明，無源電容元件連接到一個(gè)波導(dǎo)的電極以改變電信號(hào)的分割，以使在一個(gè)波導(dǎo)上的電信號(hào)的幅值不同于在另一個(gè)波導(dǎo)的電極上的電信號(hào)的幅值，由此在該電信號(hào)中產(chǎn)生了預(yù)定的頻率線性調(diào)頻。進(jìn)一步應(yīng)該理解的是，雖然在以串聯(lián)的推挽結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器件時(shí)電容元件描述為與一個(gè)波導(dǎo)的電極并聯(lián)，但是在使用并聯(lián)推挽驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)它也可以與一個(gè)波導(dǎo)的電極串聯(lián)。此外，也可以設(shè)計(jì)成使用可變電容元件，比如積分變?nèi)荻?jí)管或參量二極管，以使通過施加適當(dāng)?shù)闹绷髌珘嚎梢杂羞x擇性地調(diào)整頻率線性調(diào)頻。參考附圖11-13，這些附圖所示為根據(jù)本發(fā)明的第二方面的進(jìn)一步的行波光學(xué)調(diào)制器，在這種光學(xué)調(diào)制器中通過將單邊與平衡的推挽元件結(jié)合可以以量化或數(shù)字的方式積累所需的頻率線性調(diào)頻。在附圖11中，在每個(gè)波導(dǎo)臂4，6上示出了五個(gè)調(diào)制電極401-405，421-425。對(duì)于5個(gè)一組的首先的4個(gè)調(diào)制電極，接地側(cè)的電極421-424移開以使它不再與它的相應(yīng)的波導(dǎo)臂6相重疊。結(jié)果，以單邊的方式驅(qū)動(dòng)這些電極元件401-404，421-424，因此產(chǎn)生了±1的線性調(diào)頻參數(shù)。在每個(gè)第五調(diào)制電極對(duì)405，425中，兩個(gè)電極與它們相應(yīng)的波導(dǎo)臂4，6重疊，因此以串聯(lián)的推挽結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)這一組，由此產(chǎn)生零線性調(diào)頻。通過選擇應(yīng)用±1線性調(diào)頻的電極段與產(chǎn)生零線性調(diào)頻的電極段的比例，可以實(shí)現(xiàn)所需的線性調(diào)頻參數(shù)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，保持了標(biāo)準(zhǔn)的推挽調(diào)制器設(shè)計(jì)的RF對(duì)稱，因?yàn)檎{(diào)制電極僅僅移離了波導(dǎo)而不是已經(jīng)增加的附加無源電容。移開的電極(在下文中稱為虛電極)與重疊于波導(dǎo)的調(diào)制電極，在下文稱為有效電極，具有相同的寬度，以避免在電極段的不同類型之下的材料的RF電壓的任何沖突。對(duì)于總共具有N個(gè)有效電極和虛電極的調(diào)制器，其中M個(gè)電極具有推挽結(jié)構(gòu)，N-M個(gè)電極具有單邊驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，線性調(diào)頻參數(shù)表示如下α=N-MN+M]]>等式4因此，對(duì)于所示的實(shí)施例，其中N＝5，M＝1，獲得了±0.6667的線性調(diào)頻參數(shù)。這種結(jié)構(gòu)的特定的優(yōu)點(diǎn)在于，僅僅通過將接地側(cè)電極移開波導(dǎo)已經(jīng)產(chǎn)生了虛電極，電結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的推挽結(jié)構(gòu)仍然基本相同。由于虛電極通過將其降在非有效的虛的波導(dǎo)部分上而放棄了RF調(diào)制驅(qū)動(dòng)電位的一半，因此運(yùn)行調(diào)制器所需的驅(qū)動(dòng)電壓增加。然而，調(diào)制器在電上等效于標(biāo)準(zhǔn)的推挽結(jié)構(gòu)，因此它保持了增強(qiáng)帶寬的所有的優(yōu)點(diǎn)。因此，與第一方面的發(fā)明一樣，僅僅增加驅(qū)動(dòng)電壓而不是降低帶寬就可實(shí)現(xiàn)有選擇性地施加線性調(diào)頻。權(quán)利要求1.一種產(chǎn)生具有預(yù)定的頻率線性調(diào)頻的調(diào)制光學(xué)輸出的光學(xué)調(diào)制器，包括光學(xué)分光裝置(2)，該光學(xué)分光裝置接收要調(diào)制的光輸入信號(hào)并將其分解為兩個(gè)光信號(hào)以沿著由光電材料制成的兩個(gè)波導(dǎo)臂(4，6)傳輸；光學(xué)組合裝置(8)，該光學(xué)組合裝置接收兩個(gè)光信號(hào)并將其組合成所說的調(diào)制光輸出；與每個(gè)波導(dǎo)臂相關(guān)的至少一個(gè)電極對(duì)(40，42/44)，所說的電極對(duì)電串聯(lián)連接以響應(yīng)施加到其中的單電信號(hào)(Vmod)反相調(diào)制所說的光信號(hào)的相位；其特征在于電容性元件(60，62)，它連接到一個(gè)臂(6)的電極對(duì)(42/44)以改變單電信號(hào)(Vmod)的分割，以使在一個(gè)臂(6)的電極對(duì)上的電信號(hào)的幅值不同于在另一臂(4)的電極對(duì)上的電信號(hào)的幅值，由此在調(diào)制的光學(xué)輸出中產(chǎn)生預(yù)定的頻率線性調(diào)頻。2.一種產(chǎn)生具有預(yù)定的頻率線性調(diào)頻的調(diào)制光學(xué)輸出的的光學(xué)調(diào)制器，包括彼此鄰近地設(shè)置的由電光材料制成的以在波導(dǎo)之間允許光學(xué)耦合的兩個(gè)光學(xué)波導(dǎo)，和與每個(gè)光學(xué)波導(dǎo)相關(guān)的至少一個(gè)電極對(duì)，所說的電極對(duì)電串聯(lián)連接以響應(yīng)施加到電極對(duì)的單電信號(hào)使在波導(dǎo)之間的反相耦合不同步；其特征在于電容性元件，該電容性元件連接到一個(gè)臂的電極對(duì)以改變單電信號(hào)的分割，以使在一個(gè)臂的電極對(duì)上的電信號(hào)的幅值不同于在另一臂的電極對(duì)上的電信號(hào)的幅值，由此在調(diào)制的光學(xué)輸出中產(chǎn)生預(yù)定的頻率線性調(diào)頻。3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的光學(xué)調(diào)制器，其中電容性元件(60，62)與所說的臂(6)的電極對(duì)(42/44)并聯(lián)連接，其中單電信號(hào)(Vmod)施加到串聯(lián)的推挽結(jié)構(gòu)的電極對(duì)。4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的光學(xué)調(diào)制器，其中電容性元件(60，62)與所說的臂(6)的電極對(duì)(42/44)串聯(lián)連接，其中電信號(hào)(Vmod)施加到并聯(lián)的推挽結(jié)構(gòu)的電極對(duì)。5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的光學(xué)調(diào)制器，包括沿每個(gè)波導(dǎo)臂(4，6)設(shè)置的多個(gè)電極對(duì)(40，42/44)；連接到一個(gè)臂(6)的每個(gè)電極對(duì)(42/44)的相應(yīng)的電容元件(60，62)和與每個(gè)臂(4，6)相關(guān)的傳輸線(40b，42b)，所述電極對(duì)(40，42，62)電連接到所述每個(gè)臂(4，6)，其中將電極對(duì)設(shè)置成使電信號(hào)的相位速度在它沿著傳輸線行進(jìn)時(shí)與光學(xué)信號(hào)的光群速基本匹配。6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的且以III-V半導(dǎo)體材料制造的光學(xué)調(diào)制器。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的且以GaAs和AlGaAs制造的光學(xué)調(diào)制器。8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的光學(xué)調(diào)制器，其中該電容元件或每個(gè)電容元件(60)包括附加電極對(duì)(62/44)，其被提供在調(diào)制器中用于導(dǎo)向光信號(hào)的材料層(26)上，其中所說的附加的電極對(duì)設(shè)置在所說的材料的區(qū)域上以使它基本不影響通過相關(guān)的波導(dǎo)臂的光信號(hào)的相位。9.一種產(chǎn)生具有預(yù)定的頻率線性調(diào)頻的調(diào)制光學(xué)輸出的光學(xué)調(diào)制器，包括光學(xué)分光裝置(2)，該光學(xué)分光裝置接收要調(diào)制的光輸入信號(hào)并將其分解為兩個(gè)光信號(hào)以沿著由光電材料制成的兩個(gè)波導(dǎo)臂(4，6)傳輸；光學(xué)組合裝置(8)，該光學(xué)組合裝置接收兩個(gè)光信號(hào)并將其組合成所說的調(diào)制光學(xué)輸出；多個(gè)電極對(duì)(401-405，421-425/44)，這些電極對(duì)與每個(gè)波導(dǎo)臂(4，6)相關(guān)并沿每個(gè)波導(dǎo)臂設(shè)置以響應(yīng)施加到該電極對(duì)的單電信號(hào)(Vmod)相對(duì)于沿著另一個(gè)波導(dǎo)臂傳輸?shù)墓庀辔徊煌卣{(diào)制在一個(gè)波導(dǎo)臂中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的光相位，以及與這些電極對(duì)電連接到其中的每個(gè)臂相關(guān)的傳輸線(40b，42b)；其中在每個(gè)波導(dǎo)臂上的相應(yīng)的電極對(duì)電串聯(lián)連接并連接到傳輸線以使電信號(hào)的相位速度在它沿著傳輸線行進(jìn)時(shí)基本與光信號(hào)的光學(xué)群速匹配；其特征在于一個(gè)或多個(gè)所選擇的電極對(duì)(421-424)，其從它的相關(guān)的波導(dǎo)移開以使該電極對(duì)或每個(gè)電極對(duì)基本不影響光信號(hào)的相位，以在調(diào)制的光學(xué)輸出中獲得預(yù)定的頻率線性調(diào)頻。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)調(diào)制器，其中每個(gè)所選擇的電極對(duì)中的一個(gè)電極(421-424)相對(duì)于它的相關(guān)的波導(dǎo)(6)橫向地移開以使通過所說的波導(dǎo)的光信號(hào)的相位基本不受移開的電極的影響，但其中電極對(duì)的電特性與還沒有移開的其它電極對(duì)的電特性基本相同。11.根據(jù)權(quán)利要求9或權(quán)利要求10所述的且以III-V半導(dǎo)體材料制造的光學(xué)調(diào)制器。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的且以GaAs和AlGaAs制造的光學(xué)調(diào)制器。全文摘要一種產(chǎn)生具有預(yù)定的頻率線性調(diào)頻的調(diào)制光學(xué)輸出的光學(xué)調(diào)制器，包括光學(xué)分光裝置，該光學(xué)分光裝置接收要調(diào)制的光輸入信號(hào)并將其分解為兩個(gè)光信號(hào)以沿著由光電材料制成的兩個(gè)波導(dǎo)臂(36，38)傳輸；光學(xué)組合裝置，該光學(xué)組合裝置接收兩個(gè)光信號(hào)并將其組合成所說的調(diào)制光輸出；與每個(gè)波導(dǎo)臂(36，38)相關(guān)的至少一個(gè)電極對(duì)(40/44，42/44)，所說的電極對(duì)電串聯(lián)連接以響應(yīng)施加到其中的單電信號(hào)(V文檔編號(hào)G02F1/015GK1434929SQ0181081公開日2003年8月6日申請(qǐng)日期2001年3月21日優(yōu)先權(quán)日2000年4月6日發(fā)明者R·G·沃克爾申請(qǐng)人:布克哈姆技術(shù)公共有限公司