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CN100334483C - 光调制元件及通信系统 - Google Patents

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CN100334483C
CN100334483C CNB031385125A CN03138512A CN100334483C CN 100334483 C CN100334483 C CN 100334483C CN B031385125 A CNB031385125 A CN B031385125A CN 03138512 A CN03138512 A CN 03138512A CN 100334483 C CN100334483 C CN 100334483C
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Abstract

提供一种可组装在光通信系统中的高效率光调制元件。具备：至少一部分由具有光电效应的材料所形成的光波导路(12)；具有彼此电磁耦合的第1和第2导体线路(13a、13b)，向光波导路(12)施加调制电场的调制电极(13)；与第1导体线路(13a)一起形成第1微波传输带线路，与第2导体线路(13b)一起形成第2微波传输带线路的导电层(14)；向调制电极提供光调制用高频信号的电信号输入部(15)和在两端部相互连接第1和第2导体线路(13a、13b)的连接部件(16a、16b)。使第1和第2导体线路(13a、13b)作为高频信号的奇模式谐振器发挥作用。

Description

光调制元件及通信系统
技术领域
本发明涉及一种光调制元件及通信系统，尤其是涉及用光来传送无线中使用的数GHz以上高频信号的光调制元件及通信系统。
背景技术
在使用光信号进行通信或信息处理的系统中，必需用电信号(例如微波或毫米波等高频信号)来调制光的相位或强度。在这种光的调制方法中，有直接调制和外部调制。
直接调制是如图1(a)所示，通过直接调制驱动半导体激光器等光源的电流，调制从光源输出的光本身强度的方式。因为直接调制不必在光源外部设置调制器，所以适于系统小型化，但难以在数GHz以上的高频下进行光调制，因此，半导体激光具有的线性调频限制了长距离的光纤传送。
相反，外部调制如图1(b)所示，将从半导体激光器等光源输出的光(输出稳定的光)输入光调制元件，由光调制元件调制光的相位或强度。光的调制可使用光电效应、声光效应、磁光效应、非光束形光学效应等来进行。
如上所述，因为直接调制半导体激光的方法难以实现超高速光调制，所以急于开发可高速动作的外部调制型元件。在外部调制型元件中，使夹具有波克尔斯效应的电介质结晶的光电光调制元件可在超高速下动作，另外，具有随着调制但相位干扰少的优点。因此，该光电光调制元件对高速信息传送或长距离光纤通信等非常有效。另外，若用光电光调制元件来制作光波导路构造，则可能一举实现元件的小型化和效率化。
通常，光电光调制元件由光电结晶上作为调制电极(信号电极)传输调制信号的传送线路、和形成于该传送线路附近的光波导路构成。另外，调制电极周围感应的电场使光波导路部分的折射率变化，从而使光波导路中传输的光波的相位变化。
在光电光调制元件中使用的通常结晶中，光电系数较小。光电系数是光调制的基本参数。因此，在光电光调制元件中，向光波导路有效施加电场是重要的。
图2是表示光电光调制元件基本构造的剖面图。在具有光电效应的结晶(光电结晶)基板表面区域形成光波导路，在光波导路上形成调制用电极。
光电结晶具有光学各向异性，折射率与施加的电场大小大致成正比地变化(波克尔斯效应)。因此，通过调节提供给调制电极的电位V，可使光波导路的折射率n变化。光波导路的折射率变化量Δn与施加于光波导路的电场E成正比。若光波导路的折射率仅变化Δn，则如图2所示，输出光的相位仅变化ΔΦ。通常相位变化量ΔΦ与电场强度E和光波导路的长度L之积成正比。
在光波导路中形成电场的调制信号从光调制元件外部经输入线路提供给光调制元件的电极，所以有效输入调制信号是重要的。
下面，参照图3来详细说明现有的光调制元件。图3是现有光调制元件的俯视图，该光调制元件公开于美国专利5400416中。
图3的光调制元件具备由具有光电效应的材料构成的基板101和形成于基板101表面部的光波导路112。光波导路112通过在基板101的一部分中热扩散金属等形成。
在基板101的表面中，在光波导路112的左右两侧设置由铝或金等金属膜构成的平行耦合线路13，在基板101的表面上，设置由金属膜构成的接地层114。平行耦合线路113由彼此平行的两个线路113a、113b构成。
在该现有例中，平行耦合线路113的各线路113a、113b通过单一线路124彼此耦合，在美国专利5400416中还公开了未耦合两个线路113a、113b的构造。
在部分线路113b中设置经分接头128连接的输入端子129，在输入端子129与接地层114之间连接高频信号源119。
输入光从光波导路112一侧端部导入，通过光波导路112中位于平行耦合线路113的各线路113a、113b的间隙部116的部分后，作为输出光，从光波导路112另一侧端部输出。此时，因为输入端子129和平行耦合线路113变为磁场耦合状态，所以若从高频信号源119提供高频信号，则高频信号传输到平行耦合线路113的各线路113a、113b，在间隙部116中产生电场。对应于电场强度，光波导路112的折射率随光电效应而变化。结果，输出光的相位变化，该光调制元件作为相位调制器动作。
其中，在平行耦合线路中存在偶模式和奇模式两种模式。另外，奇模式下构成平行耦合线路的两条线路电压彼此反转，所以在间隙部感应非常大的电场。在图3所示光调制元件中，由调制信号使奇模式在平行耦合线路113的各线路113a、113b中激励，可进行高效的光调制。
今后，为在光通信系统等中广泛使用光调制元件，上述现有光调制元件的特性上还留有改善的余地。即，要求开发效率更高的光调制元件。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可组装在光通信系统中的高效率光调制元件。
本发明的光调制元件，包括：光波导路，形成于至少一部分具有光电效应的基板上，上述光波导路具有两个分支光波导路；调制电极，形成于上述基板的表面，并具有彼此电磁耦合的第1、第2和第3导体线路，向上述光波导路施加调制电场；接地导电层，形成于上述基板的背面，与上述第1导体线路一起形成第1微波传输带线路，与上述第2导体线路一起形成第2微波传输带线路，与上述第3导体线路一起形成第3微波传输带线路；和电信号输入部，向上述调制电极提供光调制用高频信号；上述第3导体线路被夹于上述第1导体线路和上述第2导体线路之间；上述第1导体线路的内侧端位于上述两个分支光波导路中的一个分支光波导路的大致中央部正上方；上述第2导体线路的内侧端位于上述两个分支光波导路中的另一个分支光波导路的大致中央部正上方；上述第1导体线路和上述第2导体线路被施加不同符号的电位；上述第3导体线路的电位为0，上述第1、第2和第3导体线路还在至少一方端部具有彼此连接的连接部件。
在最佳实施例中，上述光波导路具有：至少两个分支的分支光波导路，耦合上述两个分支光波导路的光输入部，和耦合上述两个分支光波导路的光输出部，将上述光波导路中施加上述调制电场的部分分成上述两个分支光波导路，配置上述调制电极，使极性不同的电场影响上述两个分支光波导路的每一个，上述调制电极用作调制输入上述光波导路的光强度的强度调制器。
在最佳实施例中，配置上述调制电极，以调制上述光波导路中施加上述调制电场的部分的折射率，上述调制电极用作调制输入上述光波导路的光相位的相位调制器。
在最佳实施例中，上述光波导路具有至少两个剩余极化的极性不同的部分。
在最佳实施例中，上述光波导路形成于具有光电效应的基板上。
在最佳实施例中，上述电信号输入部具有与上述导电层一起形成微波传输带线路的输入线路，上述输入线路连接于上述第1和第2导体线路之一上。
在最佳实施例中，上述电信号输入部具有连接于传输上述光调制用高频信号的线上的同轴连接器、和电连接上述同轴连接器和上述调制电极的中间连接部件。
本发明的另一光调制元件具备：光波导路，至少一部分由具有光电效应的材料形成；调制电极，具有彼此电磁耦合的第1和第2导体线路，向上述光波导路施加调制电场；导电层，与上述第1导体线路一起形成第1微波传输带线路，与上述第2导体线路一起形成第2微波传输带线路；和电信号输入部，向上述调制电极提供光调制用高频信号，上述光波导路具有至少两个剩余极化的极性不同的部分，上述第1和第2导体线路用作上述高频信号的奇模式谐振器。
在最佳实施例中，上述光波导路具有：至少两个分支的分支光波导路，耦合上述两个分支光波导路的光输入部，和耦合上述两个分支光波导路的光输出部，将上述光波导路中施加上述调制电场的部分分成上述两个分支光波导路，配置上述第1和第2导体线路，使极性不同的电场影响上述两个分支光波导路的每一个，上述导体线路用作调制输入上述光波导路的光强度的强度调制器。
在最佳实施例中，配置上述调制电极，以调制上述光波导路中施加上述调制电场的部分的折射率，上述调制电极用作调制输入上述光波导路的光相位的相位调制器。
在最佳实施例中，上述第1和第2导体线路还在至少一方端部具有彼此连接的连接部件。
在最佳实施例中，上述光波导路形成于具有光电效应的基板上。
在最佳实施例中，上述电信号输入部具有与上述导电层一起形成微波传输带线路的输入线路，上述输入线路连接于上述第1和第2导体线路之一上。
在最佳实施例中，上述电信号输入部具有连接于传输上述光调制用高频信号的线上的同轴连接器、和电连接上述同轴连接器和上述调制电极的中间连接部件。
本发明的再一光调制元件具备：光波导路，至少一部分由具有光电效应的材料形成；调制电极，具有彼此电磁耦合的第1、第2和第3导体线路，向上述光波导路施加调制电场；导电层，与上述第1导体线路一起形成第1微波传输带线路，与上述第2导体线路一起形成第2微波传输带线路，与上述第3导体线路一起形成第3微波传输带线路；和电信号输入部，向上述调制电极提供光调制用高频信号。
在最佳实施例中，上述光波导路具有：至少两个分支的分支光波导路，耦合上述两个分支光波导路的光输入部，和耦合上述两个分支光波导路的光输出部，将上述光波导路中施加上述调制电场的部分分成上述两个分支光波导路，配置上述第1和第2导体线路，使极性不同的电场影响上述两个分支光波导路一方，并且，配置上述第3和第2导体线路，使极性不同的电场影响上述两个分支光波导路的另一方，上述导体电路用作调制输入上述光波导路的光强度的强度调制器。
在最佳实施例中，配置上述调制电极，以调制上述光波导路中施加上述调制电场的部分的折射率，上述调制电极用作调制输入上述光波导路的光相位的相位调制器。
在最佳实施例中，上述第1、第2和第3导体线路还在至少一方端部具有彼此连接的连接部件。
在最佳实施例中，上述光波导路具有至少两个剩余极化的极性不同的部分。
在最佳实施例中，上述光波导路形成于具有光电效应的基板上。
在最佳实施例中，上述电信号输入部具有与上述导电层一起形成微波传输带线路的输入线路，上述输入线路连接于上述第1和第3导体线路之一上。
在最佳实施例中，上述电信号输入部具有连接于传输上述光调制用高频信号的线上的同轴连接器、和电连接上述同轴连接器和上述调制电极的中间连接部件。
本发明的通信系统具备上述任意一种光调制元件、向上述光调制元件输入光的输入部和向上述光调制元件提供上述调制用高频信号的控制部。
附图说明
图1(a)是说明光的直接调制的图，(b)是说明光的外部调制的图。
图2是表示利用光电效应的光外部调制动作原理的剖面图。
图3是表示光调制元件现有例的俯视图。
图4(a)是表示本实施例的光调制元件平面构成的俯视图，(b)是垂直横切波导路的剖面图，(c)是模式表示光调制元件的调制电极形成的电场强度分布的图。
图5(a)和(b)分别表示图4(b)所示剖面中的偶模式和奇模式的电场(实线)及磁场(虚线)状态的图。
图6是表示实施例1中用于电磁场模拟的平行耦合线路及输入线路的平面尺寸及连接位置的俯视图。
图7是表示实施例1中由电磁场模拟得到的光调制元件在谐振状态下的反射损耗特性的图。
图8(a)是表示实施例1中输入平行耦合线路13的高频信号波形的曲线，(b)是表示本实施例的光调制元件的输出光强度/输入光强度比的曲线，(c)是表示比较例的输出光强度/输入光强度比的曲线。
图9(a)和(b)分别是表示具有在10GHz下谐振的电极构造的光调制元件和具有在26GHz下谐振的电极构造的光调制元件实施例的俯视图。
图10是表示图9(a)所示实施例的反射损耗特性的曲线。
图11是表示图9(a)所示实施例的光输出随时间变化的曲线。
图12是表示图9(a)所示实施例的调制光光谱的曲线。
图13是表示图9(b)所示实施例中调制电极的反射特性(实测值)的曲线。
图14是表示图9(b)所示实施例的调制光光谱的曲线。
图15(a)是表示本发明光调制元件实施例2的平面构成的俯视图，(b)是表示基板的剩余极化极性相反区域的俯视图，(c)是表示平行耦合线路中电场强度分布的图。
图16(a)是本发明光调制元件实施例3的俯视图，(b)是在模式2下的谐振情况的纵剖面图，(c)是在模式3下的谐振情况的纵剖面图。
图17(a)是表示本发明光调制元件实施例4的上面图，(b)是(a)的A0-A1剖面图，(c)是表示同轴连接器中心导体210与中间连接部件211的连接的立体图。
图18是表示实施例4中的输入线路部反射特性的曲线。
图19是表示实施例4中的输入线路部透射损耗的曲线。
图20(a)是表示本发明光调制元件实施例5的上面图，(b)为(a)的B0-B1剖面图。
图21是表示实施例5的一部分的立体图。
图22是表示实施例5中光调制元件设计参数值的分布图。
图23是表示对图22的光调制元件进行模拟的结果曲线。
图24是表示对图22的光调制元件进行模拟的结果曲线。
图25是表示本发明的光纤无线系统实施例构成的构成框图。
图中：11-基板，12-光波导路，12a-分支光波导路，12b-分支光波导路，12x-入口侧光波导路，12y-出口侧光波导路，13-平行耦合线路，13a-线路，13b-线路，14-接地层，15-输入线路，16-连接线路，17-间隙部，18a-分支点，18b-分支点，209-同轴连接器，210-同轴连接器中心导体，211-中间连接部件，212a、212b-基板固定夹具，213a、213b-光波导路的分支部分，214-第1连接部，215-第2连接部。
具体实施方式
(实施例1)
下面，参照图4(a)-图4(c)来说明本发明的光调制元件的实施例1。图4(a)表示本实施例的光调制元件平面构成，图(b)表示垂直横切波导路的剖面。图4(c)模式表示光调制元件的调制电极形成的电场强度分布。
本实施例的光调制元件如图4(a)所示，具有在具有光电效应的基板11的表面部通过使用苯甲酸的质子交换法等形成的光波导路12。基板11由例如钽酸锂(LiTaO3)单晶或铌酸锂(LiNbO3)单晶等材料形成。
光波导路12在两个分支点18a、18b分支成两个分支光波导路12a、12b。从入口侧光波导路12x输入的输入光在一侧分支点18a分支，在通过两个分支光波导路12a、12b后，在另一侧分支点18b耦合，进入共同的出口侧光波导路12y。这种构成的光波导路12被称为[马赫-策德尔干涉仪型光波导路]。
在基板11上，设置由沿光波导路12的各分支光波导路12a、12b延伸的两个线路13a、13b形成的平行耦合线路13。各线路13a、13b各内侧端形成为位于各分支光波导路12a、12b大致中央部正上方(图4(b))。各线路13a、13b的两端部经连接线路16a、16b彼此连接。
在基板11上设置连接于平行耦合线路13一侧线路13b上的输入线路(供电线路)15，经该输入线路输入调制用电信号(高频信号)。
通过使用光刻法及蚀刻技术布图由真空淀积法堆积的铝或金等金属构成的膜，得到平行耦合线路13的各线路13a、13b、连接线路16a、16b及输入线路15。在基板11的背面设置用同样方法制作的接地层(接地的导电层)14。
虽在图4(b)中未示出，但在线路13a、13b与基板11之间最好形成由SiO2等构成的绝缘性缓冲层。
本实施例的光调制元件中的调制电极由电磁耦合的线路13a、13b和连接线路16a、16b构成。另外，在线路13a与接地层14之间形成第1微波传输带线路，在13b与接地层14之间形成第2微波传输带线路。为了调制而输入的电信号在这些微波传输带线路中传输。
作为调制对象的光(激光)从入口侧光波导路12x输入，在通过各分支光波导路12a、12b时，如下受到调制作用。
在本实施例中，将调制光用的电信号(高频信号)经输入线路15提供给平行耦合线路13的各线路13a、13b。此时，经输入线路15在平行耦合线路13中传输的高频信号的波长由其频率和基板的介电常数等确定。在本实施例中，对应于输入高频信号的波长，将各线路13a、13b的长度或宽度等设计参数设定为适当的值，所以若向输入线路15提供规定的高频信号，则在平行耦合线路13中产生谐振。
若产生这种谐振，则在平行耦合线路13的间隙部17中，形成图4(b)中虚线所示的电场。此时，因为信号功率存储在谐振器内，所以电场强度极大。电场在谐振频率下振动，其方向和强度周期变化。若在光波导路或其附近形成这种振动电场，则由于光电效应，构成分支光波导路12a、12b的材料的折射率对应于电场强度周期变化。
在本实施例中，如图4(b)所示，向分支光波导路12a和分支光波导路12b施加彼此上下反向的电场。因此，在基板11由例如由z切割的钽酸锂结晶形成的情况下，对通过两个分支光波导路12a、12b的光提供彼此相反的相位变化。结果，在出口侧光波导路12y中产生通过分支光波导路12a、12b的两个光的干涉，该干涉导致输出光强度变化。因此，本实施例的光调制元件可作为光强度调制器动作。
这里，说明平行耦合线路13的谐振模式。
本实施例中的平行耦合线路13的各线路13a、13b是彼此独立的两条平行传送线路，电磁耦合地配置。由一侧的线路13a和接地层14构成1个传送线路(微波传输带线路)，由另一侧的线路13b和接地层14构成另1个传送线路(微波传输带线路)。这两个传送线路彼此平行且接近配置，所以电磁耦合，形成平行耦合线路13。
传送线路不限于具有上述的构成，也可具备往路和复路两条线路，只要能够传输电磁波便可。此时，往路和复路中的一侧线路(本实施例中的线路13a或13b)是通常的线路电极(被称为微波传输带电极、热电极等)，另一侧线路是接地电极(本实施例中的接地层14)。
平行耦合线路13由也可单独存在的两个传送线路彼此耦合构成，所以作为谐振模式，存在彼此独立的偶模式和奇模式这两种传输模式。
图5(a)和(b)分别模式表示图4(b)所示剖面中的偶模式和奇模式的电场(实线)及磁场(虚线)。所谓偶模式是图5(a)所示两条线路电极的电压相等(同相)的模式。在偶模式下，在各线路电极与接地电极之间形成电场，但在线路间的间隙部(图4(b)所示间隙部17)中基本不形成电场。
相反，奇模式是图5(b)所示耦合的两条平行线路的电压正负相反(反相)的模式。在奇模式下，不仅在各线路与接地电极之间、而且在线路间的间隙部(图4(b)所示间隙部17)中形成电场。在耦合的两个线路接近的情况下，在线路间的间隙部中形成非常大的电场。
在本实施例中，调节各线路13a、13b的长度和宽度、以及输入线路与线路13b的连接位置，使平行耦合线路的各线路13a、13b中产生奇模式的谐振。具体而言，将各线路13a、13b的长度设定为高频调制信号的波长的一半。另外，如后所述，将输入线路15与线路13a的连接部位设定在适当位置，以抑制奇模式的信号传输的反射。因此，在平行耦合线路3中产生1/2波长的奇模式谐振，结果，在两条线路13a、13b间的间隙部17中感应大的电场，所以可非常高效地进行光调制。
在本实施例中，由连接线路16a、16b连接平行耦合线路13的两端，所以线路13a与线路13b间产生的电压分布状态如图4(c)所示，是在线路13a、13b的两端为0、中央为最大的三角函数状。线路13a、13b间的电场方向在哪个部分都相同，所以横贯1/2波长线路长度整体中，光在通过1个线路13a(或13b)下方的分支光波导路12a(或12b)中期间受到的相位变化不会被抵消，保持同步的继续，所以可得到高的调制效率。
为了使本实施例的光调制元件适当动作，必需由调制信号在平行耦合线路13中有效引起奇模式的谐振。在本实施例中，通过将输入线路15连接于与输入阻抗匹配的位置，可容易实现奇模式的谐振。
下面，对本实施例的光调制元件和具有现有构造的光调制元件(比较例)说明通过电磁场模拟来分析元件特性的结果。
图6是表示用于电磁场模拟的平行耦合线路及输入线路的平面尺寸及连接位置的俯视图。图7是表示由电磁场模拟得到的光调制元件在谐振状态下的反射损耗特性的曲线。
在该分析中，设基板11为厚度为0.4mm的z切割钽酸锂结晶(介电常数41)，平行耦合线路13的各线路13a、13b的宽度为0.05mm，间隙部17的宽度为0.02mm，输入线路15的宽度为使特性阻抗变为50Ω的0.05mm。构成各线路13a、13b、16a、16b、15的材料为金，设膜厚为2微米。确定平行耦合线路13的各线路13a、13b的长度和输入线路17-线路13b之间的连接位置，以便使用电磁场模拟，奇模式在10GHz下谐振，并且，在该频率下，输入输入线路17的信号反射最小，换言之，输入阻抗匹配。
结果，如图6所示，平行耦合线路13的各线路13a、13b的长度变为3mm，输入线路15的位置距平行耦合线路13中央0.69mm。此时，从图6可知，在谐振点无输入信号反射，基本所有信号功率都输入谐振器。若以等角度映射法来计算，则此时的光调制效率变为向两条分支光波导路中的光波提供π的相位差。换言之，使光输出从0变到最大所需的功率约为0.43W。该功率与现有的光调制元件相比少，根据本实施例，可实现高的调制效率。
图8(a)表示输入平行耦合线路13的高频信号波形，图8(b)表示本实施例的光调制元件的输出光强度/输入光强度比，图8(c)是表示比较例的输出光强度/输入光强度比。图8(a)中曲线纵轴是高频信号的电压，横轴是时间。图8(b)和图8(c)的曲线纵轴是输出光强度与输入光强度的比，横轴是时间。忽视光波导路的损耗来计算输出光强度与输入光强度的比。
在向两条分支光波导路之间施加π/2相位偏差的条件下，进行模拟。在分析中用的比较例的光调制元件中，谐振频率(10GHz)、线路113a、113b的宽度和厚度与本实施例的各线路13a、13b相同，并且，使光波导路112分支成两个。设定各线路的长度(1.5mm)和输入线路129-线路113之间的连接位置，以便使用电磁场模拟，奇模式在10GHz下谐振，输入阻抗匹配。
若比较图8(b)的曲线和图8(c)的曲线，则可知本实施例的光调制元件的光调制效率比比较例的光调制效率提高得大。认为在本实施例中，光调制效率提高的理由如下。
首先，由连接线路16a、16b来连接构成平行耦合线路13的两条线路13a、13b的两端，从而如图4(c)所示，可实现用作1/2波长谐振器的平行耦合线路13。相反，在图3所示现有光调制元件的平行耦合线路113中，仅能实现1/4波长的谐振状态。
因此，根据本实施例，在发生奇模式的谐振时，两个连接线路16a、16b变为谐振波节，但在图3所示现有光调制元件的平行耦合线路113a、113b中，若取得奇模式的阻抗匹配，则开放端不是谐振波节，变为波腹。在本实施例中，因为可发生1/2波长的奇模式谐振，所以可向通过分支光波导路12a、12b中、具有相当于高频调制信号1/2波长长度的部分的光施加调制，与图3的光调制元件相比，提高光调制效率。
下面，对照图9(a)和图9(b)来说明具有在10GHz下谐振的电极构造的光调制元件和具有在26GHz下谐振的电极构造的光调制元件的实施例。
上述两个光调制元件分别具有图9(a)和图9(b)所示尺寸和分布的调制电极构造。基板使用z切割LiTaO3(厚度0.4mm)，通过使用苯甲酸的质子交换，在基板表面形成宽度为5微米的马赫-策德尔型光波导路。
由厚度为0.13微米的SiO2层构成的缓冲层覆盖形成光波导路侧的基板表面后，在该缓冲层上通过真空淀积法堆积铝膜(厚度为0.9微米)。使用光刻法和蚀刻技术，布图该铝膜，同时形成由铝构成的平行耦合线路和输入线路。平行耦合线路的宽度为50微米，间隙部的宽度为20微米，输入线路的宽度为110微米。另外，在图(a)和图9(b)中，平行耦合线路的宽度和输入线路的宽度的大小关系不反映实际比例。
在调制实验中，使用波长为1.3微米的光来进行。图10中示出表示由测定求出的调制特性的曲线。图10所示曲线中，纵轴表示反射损耗，横轴表示频率。另外，曲线中，实测数据由实线表示，通过电磁场模拟求出的数据由虚线表示。
根据图10所示结果，可知作为表示谐振器信号功率的存储度指数的无负载Q值约为30。这意味着将约为输入谐振器的信号功率30倍的功率存储在谐振器中。从该结果可确认，通过使用本实施例的调制电极，可实现非常高的调制效率。
图11中，纵轴表示光调制元件的输出，横轴表示时间。
从这些图可知，得到了具备在10GHz的高频率下谐振的调制电极的光调制元件。另外，接入100mW高频信号时的调制指数为0.2rad。图12示出调制光的光谱。
图13是表示具有在26GHz下谐振电极的光调制元件中的调制电极的反射特性(实测值)的曲线。
从图13所示结果可知无负载Q值约为60。根据该结果还可确认，通过使用本实施例的调制电极，可实现非常高的调制效率。图14示出调制光的光谱。
上述任一光调制元件都可产生奇模式下的谐振。虽然在平行耦合线路中也产生偶模式下的谐振，但即使电极构造相同，在奇模式与偶模式之间，在谐振频率或阻抗中也存在差异。在本实施例中，调节平行耦合线路的长度、间隙部的宽度、与输入线路的连接位置等，使仅对规定频率的高频信号激励奇模式。
(实施例2)
下面，参照图15(a)-(c)说明本发明的光调制元件的实施例2。图15(a)表示本实施例的光调制元件的平面构成，图15(b)表示基板的剩余极化极性相反的区域。图15(c)表示平行耦合线路中的电场强度分布。
本实施例的光调制元件如图15(a)所示，具有在具有光电效应的基板21的表面部通过使用苯甲酸的质子交换法等形成的光波导路22。基板21由例如钽酸锂(LiTaO3)单晶或铌酸锂(LiNbO3)单晶等材料形成。
光波导路22构成为在两个分支点28a、28b分支成两个分支光波导路22a、22b，从入口侧光波导路22x输入的输入光在一侧分支点28a分支，在通过两个分支光波导路22a、22b后，在另一侧分支点28b进入共同的出口侧光波导路12y。
在基板21上，设置由沿光波导路22的各分支光波导路22a、22b延伸的两个线路23a、23b形成的平行耦合线路23。各线路23a、23b各内侧端形成为位于各分支光波导路22a、22b大致中央部正上方。并且，在基板21上设置连接于平行耦合线路23一侧线路23b上、向平行耦合线路23施加引起谐振的输入信号用的输入线路25。由通过使用真空淀积法、光刻法及蚀刻等处理形成的铝或金等金属膜，分别构成平行耦合线路23的各线路23a、23b、连接线路26a、26b及输入线路25。在基板21的背面设置用金属膜淀积法形成的接地层24。以上构成基本上与实施例1的光调制元件相同。
在本实施例中，与实施例1不同，各线路23a、23b的两端部彼此不连接，为开放端。另外，基板21分成彼此剩余极化的方向(光电系数的正负)不同的两个区域21a、21b(领域)。即，在本实施例中，位于构成平行耦合线路23的两个线路23a、23b各前半部分下方的区域和位于两个线路23a、23b各后半部分下方的区域具有彼此极性不同的剩余极化。
在本实施例中，位于两个线路23a、23b各后半部分下方的区域21a具有第1极性(正或负)的剩余极化，此外的区域21b、即包含位于两个线路23a、23b各前半部分下方的区域的区域211b具有第2极性(负或正)的剩余极化。换言之，区域21a的剩余极化具有与其它21b反转的剩余极化。
输入光从入口侧光波导路22x输入，在通过各分支光波导路22a、22b时，如下受到光调制作用。
若从输入线路25输入高频信号，并在平行耦合线路23的各线路23a、23b中产生谐振，则在间隙部27中，产生与图4(b)中虚线所示的电场一样的电场。另外，由于光电效应，构成分支光波导路22a、22b的材料的折射率对应于电场强度变化。在本实施例中，与实施例1一样，向分支光波导路22a和分支光波导路22b施加彼此上下反向的电场。因此，在基板21由例如z切割(cut)钽酸锂结晶构成的情况下，对通过两个分支光波导路22a、22b的光提供彼此相反的相位变化。因此，在出口侧光波导路22y中产生通过分支光波导路22a、22b的两个光的干涉，该干涉导致输出光强度变化，从而，本实施例的光调制元件可作为光强度调制器动作。
在本实施例中，因为平行耦合线路23的两端为开放端，所以线路23a与线路23b间产生的电压分布状态如图15(c)所示，是在线路23a、23b的中央为0、两端符号相反为最大的三角函数状。线路23a、23b间的电场方向在前半部分和后半部分相反。并且，若基板21整体的剩余极化的极性均匀，则在光通过平行耦合线路23的各线路23a、23b下方的各分支光波导路22a、22b期间，在前半部分和后半部分中提供相反的相位变化，所以相位变化被抵消，得不到高的调制效率。但是，在本实施例的光调制元件中，位于平行耦合线路23前半部分下方的基板21的区域21b与位于平行耦合线路23前半部分下方的基板21的区域21a中，电位光学系数的正负相反。结果，如图15(c)的虚线所示，向通过各分支光波导路22a、22b的光提供实质与向各线路23a、23b施加即使后半部分也与前半部分相同符号的电场的相同相位调制。因此，因为光在通过平行耦合线路23的线路23a(或23b)下方的分支光波导路22a(或22b)中期间受到的调制引起的相位变化不会被抵消，能够保持同步的继续，所以可得到高的调制效率。
在上述说明中，忽视光的行走时间。在实际的光调制元件中，因为光的速度有限，所以光感应的电场强度与图15(c)的实线不同。因此，区域21a的最佳图案严格讲与图15(b)所示图案不同。具体而言，基板21中的区域21a最好比各线路23a、23b的后半部分稍向下游侧错位高频信号相位的延迟部分。
如图15(b)所示，区域21a的图案未必使宽面积的剩余极化相对其它区域21b反转，仅使剩余极化反转各分支光波导路22a、22b及其必要最小限度的外围部分即可。
根据本实施例的光调制元件，通过在基板21上利用剩余极化方向的不同设置光电系数正负不同的区域21a、21b，可在通过分支光波导路22a、22b中期间受到的调制引起的相位变化不会被抵消，能够同步地继续。即，在本实施例中，通过在基板21中设置剩余极化的正负不同的区域，可发挥实施例1中连接各线路13a、13b两端并构成1/2波长的谐振器所得到的效果，从而可得到高的调制效率。
本实施例的光调制元件虽具有用作两端开放的半波长谐振器的平行耦合线路23，但本发明不限于具有这种构成的实施例。例如，也可设置用作两端由连接线路连接的1滤长谐振器的平行耦合线路，使对应于平行耦合线路各线路的后半部分的基板分支光波导路剩余极化的极性相对其它区域反转。根据这种构成，1个波长所受到的的光调制的相位变化不会被抵消，能够形成同步。根据本实施例的光调制元件，在频率相同的情况下，谐振器长是图4所示光调制元件的谐振器长的2倍，所以提高调制效率。另外，通过使用更高次的谐振，可进一步提高调制效率。
因此，通过使用奇模式的高次谐振，可飞跃提高调制效率。即使是具有平行耦合线路的一端连接、另一端开放的构造的光调制元件，也可通过利用剩余极化的极性不同来发挥相同效果。
另外，剩余极化的极性反转区域个数不限于1个。通过排列适当个数的极化反转区域，可加长调制电极。
(实施例3)
下面，参照图16(a)及图16(b)来说明本发明光调制元件的实施例3。图16(a)表示本实施例的光调制元件的平面构成，图16(b)是其纵剖面图。
本实施例的光调制元件如图16(a)所示，具有在钽酸锂(LiTaO3)单晶或铌酸锂(LiNbO3)单晶等具有光电效应的基板31的表面部通过使用苯甲酸的质子交换法等形成的光波导路32。光波导路32构成为在两个分支点38a、38b分支成两个分支光波导路32a、32b，从入口侧光波导路32x输入的输入光在一侧分支点38a分支，在通过两个分支光波导路32a、32b后，在另一侧分支点38b进入共同的出口侧光波导路32y。
在基板31上，设置由沿光波导路32的各分支光波导路32a、32b延伸的三个线路33a、33b、33c形成的平行耦合线路33。各线路33a、33b各内侧端形成为位于各分支光波导路32a、32b大致中央部正上方。线路33c位于两个线路33a、33b的中间。各线路33a、33b、33c的两端部经连接线路36a、36b彼此连接。并且，在基板31上设置连接于平行耦合线路33的一个线路33b上、向平行耦合线路33施加引起谐振的输入信号用的输入线路35。由通过使用真空淀积法、光刻法及蚀刻等处理形成的铝或金等金属膜，分别构成平行耦合线路33的各线路33a-33c、连接线路36a、36b及输入线路35。在基板31的背面设置用金属膜淀积法形成的接地层34。
输入光从入口侧光波导路32x导入，在通过各分支光波导路32a、32b时，如下受到调制作用。
若从输入线路35输入高频信号，在平行耦合线路33的各线路33a、33b、33c中产生谐振，则在各间隙部37a、37b中，产生图16(b)中虚线所示的电场。另外，由于光电效应，构成分支光波导路32a、32b的材料的折射率对应于电场强度变化。因此，在出口侧光波导路32y中，产生通过分支光波导路32a、32b的两个光的干涉，该干涉导致输出光强度变化。因此，本实施例的光调制元件可作为光强度调制器动作。
这里，在图16(a)和(b)所示具有3条线路33a-33c的平行耦合线路33中，通常存在3种传输模式1-3。
下表1用表示出模式1-3中的各线路33a-33c的电位符号。
表1
线路33a 线路33c 线路33b
模式1 + + +
模式2 + 0 -
模式3 + - +
图16(b)表示在表1所示模式2下产生谐振时的分支光波导路32a、32b附近的电场方向。从图16(b)可知，因为向两条分支光波导路32a、32b施加上下反向的电场，所以在光波中产生相位差，在出口侧光波导路32y中产生干涉，故本实施例的光调制元件用作光强度调制器。
另一方面，图16(c)表示在表1所示模式3下产生谐振时的分支光波导路32a、32b附近的电场方向。在模式3下谐振的情况下，分支光波导路32a、32b与三个线路33a、33b、33c的配置关系与图16(a)和(b)所示配置关系稍有不同。具体而言，偏移分支光波导路32b的位置，使分支光波导路32a、32b中形成的电场方向相互反向。
因此，根据本实施例的构成，在线路33a、33b、33c中总是相同电位的模式1中，不能用作光强度调制器。因此，本实施例的光调制元件设计成在模式1以外的模式2或3下谐振。
这里，为了避免光相互干涉，两个分支光波导路32a、32b的间隔不能那样窄，但为了设置线路33c，间隙部37a、37b的宽度与实施例1、2相比，变得很窄。因此，在间隙部37a、37b中产生强度非常大的电场。从而，通过本实施例的光调制元件，可得到高的调制效率。
另外，在本实施例中，说明了具有用作连接两端的半波长谐振器的平行耦合线路的实例，但本发明不限于具有这种实施例。例如，也可具有如实施例2那样两端开放的平行耦合线路、或现有例的图3所示一端连接、另一端开放的用作1/4波长型谐振器的平行耦合线路，来发挥本实施例的基本效果。
另外，在本实施例的光调制元件中，也可与实施例2一样，在部分光波导路中设置极化反转区域。通过在基板上设置剩余极化的极性不同的两个区域，可一起发挥实施例2的效果和实施例3的效果。
(实施例4)
下面，参照图17(a)-17(c)来说明本发明光调制元件的实施例4。图17(a)是表示本实施例的光调制元件平面构成的上面图，图17(b)是图17(a)的A0-A1线剖面图。图17(c)放大表示本实施例一部分的立体图。
如图17(a)和(b)所示，本实施例的光调制元件具备安装同轴连接器209的第1基板固定用夹具(？)212a、和固定基板11的第2基板固定用夹具212b，将第1夹具212a固定在第2夹具212b上，以相对输入线路15适当配置同轴连接器的中心线210。第1夹具212a通过例如螺钉等固定在第2夹具212b上。
在同轴连接器的中心线210的前端部分安装中间连接部件211，中心线210经该中间连接部件211连接于输入线路15。因此，在本实施例的光调制元件中，与上述实施例的不同之处在于电信号输入部除输入线路15外，还具有同轴连接器209和中间连接部件211。
在本实施例中，例如由同轴电缆来连接生成调制用高频信号的外部驱动电路和光调制元件的同轴连接器。可在同轴电缆在传输的高频信号经中间连接部件211提供给输入线路15。
如图17(c)所示，中间连接部件211具备具有弯曲以与同轴连接器的中心导体210外周连接的部分的第1连接部214、和具有接触输入线路15的平面状部分的第2连接部215。
连接第1连接部214和第2连接部215的部分最好由弹性部件形成。通过使用这种弹性部件，可相对第1连接部214向下赋势第2连接部215。因此，如图17(b)所示，第2连接部215的底面压紧输入线路15的上面，容易确保第2连接部215与输入线路15之间的电接触。若采用这种构成，则不必在第2连接部215与输入线路15之间涂布导电性粘接剂，连接容易。第1连接部214与第2连接部215最好由一块板状导电体形成。
通过采用以上构成，经光连接器209提供给输入线路15的高频信号传输到平行耦合线路13，在线路13a与线路13b之间产生谐振。结果，在间隙部17中产生高频振动电场，从而，由具有光电效应的材料形成的光波导路12的折射率对应于高频信号变化。此时，在通过线路13a与线路13b下的光波导路中，如图17(b)所示，形成彼此上下反向的电场，所以在各分支光波导路中传输的光中形成相位差。
图18表示具有本实施例构成的光调制元件的输入线路15端部P的反射特性。从图18可知，调制电极的谐振频率为26GHz，在谐振频率下输入阻抗匹配。图19是表示输入线路15的透射损耗相对频率的关系的曲线。
(实施例5)
下面，说明本发明的光调制元件的实施例5。
本实施例的光调制元件虽具有与实施例4的光调制元件基本相同的构成，但与实施例4中的光调制元件的不同之处在于在基板11上不设置输入线路。
图20(a)是表示本实施例的光调制元件的俯视图，图20(b)为其的B0-B1线剖面图。
本实施例的光调制元件的电信号输入部与实施例4一样，具有同轴连接器209和中间连接部件211，但该中间连接部件211不经输入线路而直接连接到调制电极13上。
为了使光调制元件动作，必需通过向平行耦合线路13提供调制用高频信号而在平行耦合线路13中有效引起奇对称模式的谐振。这可通过将中间连接部件211连接于输入阻抗匹配的任一位置来来实现。
图21表示基板11上的平行耦合线路13与同轴连接器的中心导体210的连接状态。同轴连接器的中心导体210和中间连接部件211具有图17(c)所示构成。如上所述，连接第1连接部214和第2连接部215的部分由弯曲的弹性部件形成，相对第1连接部214向下赋势第2连接部215。因此，如图17(b)所示，第2连接部215的底面压紧平行耦合线路13的上面，确保第2连接部215与平行耦合线路13之间的电接触。不必在第2连接部215与平行耦合线路13之间涂布具有导电性的粘接剂，连接容易。
将形成平行耦合线路13的基板11固定在基板固定用夹具212b上，将中间连接部件211及同轴连接器209固定在基板固定夹具212a上。通过使基板固定夹具212a相对基板固定夹具212b滑动，可使平行耦合线路13与中间连接部件211在适当位置接触。通过螺钉等将基板固定夹具212a固定在基板固定夹具212b上。
因为仅通过使中间连接部件211接触平行耦合线路13，可就输入调制用高频信号，所以在测定平行耦合线路13的输入反射特性后，可简单调节中间连接部件211相对平行耦合线路13的连接位置。可通过微调夹具212a与夹具212b的旋入位置来调节连接位置。
下面，对本实施例的光调制元件说明通过电磁场模拟来进行分析的结果。在该具体例中，使用厚度为0.400mm的z切割钽酸锂结晶(介电常数42)作为基板11，将平行耦合线路13的线路宽度设为0.05mm，间隙部的宽度为0.02mm。
设各线路的材料为铝，构成线路的铝膜厚度为1微米。设中间连接部件为厚度为0.01mm、宽度为0.15mm的实施了镀金处理的铍铜。
设定平行耦合线路13的长度和与中间连接部件211的连接位置，以匹配输入阻抗。具体而言，使用电磁场模拟，奇对称模式在26GHz下谐振，并且确定在该频率下，输入同轴连接器的信号的反射最少。
结果，如图22所示，平行耦合线路13的长度变为1.20mm，中间连接部件的连接位置距平行耦合线路13中央0.25mm。另外，设从基板固定用夹具212a到平行耦合线路13的距离为0.3mm。
图23表示具有上述构成的光调制元件中在中间连接部件211与平行耦合线路13的连接部的反射特性。从图23可知，在谐振点无输入信号的反射，基本全部信号功率都输入平行耦合线路13。另外，可知即使在未设置输入线路的情况下也不会影响谐振特性。
根据本实施例的构成，可消除输入线路的透射损耗。
在实施例5的光调制元件中，由于输入线路15的存在而产生在26GHz的频率下为0.5dB的透射损耗，但根据本实施例的构成，不发生这种输入线路引起的传送损耗，可输入高频信号，可进一步提高调制效率。因此，与设置输入线路的情况相比，可使光输出从0变化到最大必需的功率减少0.5dB。
根据图22所示设计值来制作本实施例的光调制元件情况下、制作之后的输入反射特性表示图24虚线所示特性。此时，仅通过使中间连接部件211与平行耦合线路13的连接位置接近调制电极中心移动0.05mm，即可得到图24实线所示输入反射特性。即，在制作光调制元件后，即使由此制造过程差异而使输入阻抗偏离设计值的情况下，也可通过调整中间连接部件211与平行耦合线路13的连接位置，可容易实现输入阻抗匹配。
根据本实施例，不需设置输入线路，便可向谐振型电极输入信号，改善调制效率。另外，即使在元件制作后，也可进行谐振型电极的输入阻抗匹配。
在本实施例中，采用了具有短路两端的半波长谐振器构造的电极构成，但本发明的调制电极不限于这种构成，也可是具有谐振器构造的调制电极。
在以上说明的各实施例中，虽然都在具有光电效应的基板上形成光波导路，但本发明不限于这种构成。也可采用在基板的表面区域中形成折射率比周围高的芯部、并在芯部上形成由具有光电效应的材料构成的膜来作为接地部的构成。此时，因为芯部中传输的部分光漏出到接地部，所以通过使接地部的折射率变化，可调制芯部中传输的光的相位。不必由具有光电效应的材料形成芯部。
另外，上述实施例中的光波导路具有马赫-策德尔干涉仪型的构成，该马赫-策德尔干涉仪型的构成具有至少两个分支的分支光波导路、耦合两个分支光波导路的光输入部、和耦合两个分支光波导路的光输出部，但本发明的光调制元件不限于具有这种构成的光强度调制元件。即使本发明的光调制元件的光波导路是具有单一光波导路的情况，也可有效调制传输的光的相位。这意味着本发明的光调制元件在调制光相位方面具有本质的功能，通过使相位调制后的光干涉，可调制光强度。
第1、第2实施例的光调制元件在中途使光波导路分支成两个并具有分支光波导路，但本发明不限于具有这种分支光波导路的光调制元件。例如，若将本发明适用于仅具有单一光波导路的光调制元件，则可得到用作相位调制器的光调制元件。此时，根据本发明，因为线路间的电压符号(极性)均匀，光的相位变化不能抵消，故可提高光调制元件的光调制效率。
在实施例1-3的光调制元件中，将输入线路直接连接于平行耦合线路的1个线路上，但本发明不限于具有这种构成。例如，通过经间隙使输入线路的前端面对平行耦合线路的1个线路，也可进行输入耦合。尤其是在使用超导材料来作为构成线路的材料的情况等中，在线路损耗小、谐振的无负载Q值高的情况等中，这种构成尤其有效。
另外，连接平行耦合线路各线路的连接线路在附图中描述成具有部分圆形状，但因为连接线路可在短距离连接各线路彼此，所以即使是构成部分多边形等具有直线部分的形状，也不会对光调制元件的特性产生坏影响。
元件的基板也可由钽酸锂结晶或铌酸锂等具有光电效应的材料以外的光电结晶形成。最好由在苯甲酸中对光电结晶基板的表面实施质子交换处理的方法形成光波导路，但也可由其它方法来制作光波导路。例如，为了与其它功能元件的集成化等，在必需利用钽酸锂单晶等以外基板的情况下，在基板上形成折射率比基板高、且具有光电效应的材料构成的膜，并也可将该膜用作光波导路。另外，在基板的表面区域形成折射率比周围高的芯部，在芯部上形成由具有光电效应的材料构成的膜作为接地部，利用从芯部漏出的电场，通过接地部的折射率变化进行光调制也一样有效。另外，也可将平行耦合线路埋设在基板内。
(实施例6)
图25是表示本发明的光纤无线系统构成的框图。
本实施例的光线无线系统50具备内置实施例1-3的光调制元件的光调制解调器51。另外，可通过天线53，利用例如毫米波等传输波来直接进行与通常的因特网等数据通信网或移动终端的通信、或接收来自CATV的信号等。在光调制解调器51中内置光调制元件和光解调元件(例如发光二极管)。
另一方面，毫米波等频率高的无线信号的长距离传输困难，并且信号易因物体而截断。因此，也可使用无线装置60及附设在无线装置中的天线64来与数据通信网61、CATV62或移动电话系统63通信。此时，还具备光纤无线通信系统50、经光纤70连接的光调制解调器55、及附设在其中的天线54。另外，可经天线54、64及光调制解调器55，与无线装置60之前收发信号。在光调制解调器55中内置光调制元件和光解调元件(例如发光二极管)。
例如，在想进行长度传输的情况下，或在由墙等分隔的室内传送的时，通过光纤70传送由毫米波等无线信号调制的光信号是有效的。
根据本发明的光调制元件的构成，可提高用作相位调制器或光强度调制器的光调制元件的光调制效率，通过将该光调制元件配置在通信系统中，可进行利用毫米波级高频信号的通信。

Claims (3)

1.一种光调制元件，包括：
光波导路，形成于至少一部分具有光电效应的基板上，上述光波导路具有两个分支光波导路；
调制电极，形成于上述基板的表面，并具有彼此电磁耦合的第1、第2和第3导体线路，向上述光波导路施加调制电场；
接地导电层，形成于上述基板的背面，与上述第1导体线路一起形成第1微波传输带线路，与上述第2导体线路一起形成第2微波传输带线路，与上述第3导体线路一起形成第3微波传输带线路；和
电信号输入部，向上述调制电极提供光调制用高频信号；
上述第3导体线路被夹于上述第1导体线路和上述第2导体线路之间；
上述第1导体线路的内侧端位于上述两个分支光波导路中的一个分支光波导路的大致中央部正上方；
上述第2导体线路的内侧端位于上述两个分支光波导路中的另一个分支光波导路的大致中央部正上方；
上述第1导体线路和上述第2导体线路被施加不同符号的电位；
上述第3导体线路的电位为0，
上述第1、第2和第3导体线路还在至少一方端部具有彼此连接的连接部件。
2.根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于：
上述电信号输入部具有与上述接地导电层一起形成微波传输带线路的输入线路，
上述输入线路与上述第1导体线路连接。
3.一种通信系统，包括：
权利要求1或2所述的光调制元件；
向上述光调制元件输入光的输入部；和
向上述光调制元件提供上述调制用高频信号的控制部。
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