專利名稱：電力驅(qū)動光移頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種電力驅(qū)動光移頻器，尤其是用在光學系統(tǒng)中用以將在光波導 中傳播的光信號的頻率偏移至非常高的頻率。
背景技術(shù)：
眾所周知，自電話和電報的發(fā)展初期以來，通訊信號通常是通過銅線和電纜傳輸 的。但是近年來，越來越多的通訊信號以光束的形式通過光波導傳輸。多種外圍設(shè)備已經(jīng) 開發(fā)出來，例如基于光波導的連接器和轉(zhuǎn)換器。尤其是被稱為集成光路的技術(shù)已廣泛用于 處理光通訊信號。采用這種技術(shù)，通訊信號以光束形式通過光波導傳輸，光波導形成于由電 光材料(例如鈮酸鋰(LiNb03))制成的基質(zhì)中，由于鈮酸鋰的增強的電光特性以及低損耗 光波導的性能，它可能是應(yīng)用最廣泛的一種材料。盡管集成光路目前已廣泛用于傳輸信號，但是由于制造具有適當特性的光移頻器 (optical frequency shifter)很困難，對于以越來越高的頻率工作的光學設(shè)備的持續(xù)需 求的滿足因此受到了限制。圖1示出光移頻器的標準表示，所述光移頻器具有光輸入，用以接收具有輸入光 頻的輸入光信號；電輸入，用以接收具有微波頻段的電頻的RF電力驅(qū)動信號，用于電力驅(qū) 動光移頻器；光輸出，提供具有與輸入光信號的輸入光頻相等的輸出光頻的輸出光信號，輸 入光信號的頻率大于電力驅(qū)動信號的電頻。圖1還示出輸入和輸出光信號的光譜，以及電 力驅(qū)動信號的時間圖。圖2示出已知的光移頻器1的示意性表示，主要包括光波導結(jié)構(gòu)2，所述光波導 結(jié)構(gòu)2以常規(guī)方式(例如選擇性地將鈦擴散于基質(zhì)3)形成于由電光材料(通常為鈮酸鋰 (LiNb03))制成的基質(zhì)3 (圖3所示)中?；|(zhì)3具有X切晶體結(jié)構(gòu)(X-cut crystalline structure)，即具有X晶軸線 的晶體結(jié)構(gòu)，X晶軸線正交于基質(zhì)3的主表層3a(即最大區(qū)域的表層)；晶體結(jié)構(gòu)的方向 (orientation)促使由電力驅(qū)動信號和輸入光信號產(chǎn)生的電場和光場主要沿晶體結(jié)構(gòu)的Z 晶軸線耦合，即相比于沿Z晶軸線的電光耦合，沿其它兩個晶軸線的電光耦合可以忽略。事實上，電光效應(yīng)促使電光材料的折射率發(fā)生空間改變，作為外加于此的電場強 度和方向的函數(shù)。尤其，折射率沿給定的空間方向的變化正比于電場沿該方向的強度。折 射率沿電光材料的三個晶軸線X、Y和Z的變化可以通過電光系數(shù)的3X3矩陣數(shù)量地乘以 電場向量來計算。如果是LiNb03晶體，3X3電光系數(shù)矩陣中具有最大值為r33( 30pm/V) 的電光系數(shù)，該系數(shù)使得經(jīng)由沿Z晶軸線極化的電磁波作用的折射率變化相關(guān)于電場沿相 同軸線的分量。光波導結(jié)構(gòu)2包括Y形波導結(jié)構(gòu)4以及與其配套結(jié)合的反Y形波導結(jié)構(gòu)5。Y形 波導結(jié)構(gòu)4包括輸入分支6，所述輸入分支6配置為用以在使用時結(jié)合于輸入光纖(未示 出)，以及一對從輸入分支6分岔的相互光耦合的分支7。反Y形波導結(jié)構(gòu)5包括一對相互 光解耦合的分支8，所述分支8結(jié)合至相應(yīng)的Y形波導結(jié)構(gòu)4的相互光耦合的分支7，并且合并入輸出分支9，所述輸出分支9配置為用以在使用時結(jié)合于輸出光纖(未示出)。反Y 形波導結(jié)構(gòu)5的相互光解耦合的分支8的其中之一構(gòu)造為引起沿其傳播的光學信號中n 弧度的相變。尤其，Y形波導結(jié)構(gòu)4的兩個相互光耦合的分支7相隔足夠短的間距S (第一波導 間間隔)以確保相互的光耦合，范圍通常在5至10 y m，而反Y形波導結(jié)構(gòu)5的兩個相互光 解耦合的分支8相隔足夠大的間距D (第二波導間間隔)以防止相互的光耦合。并且，Y形 波導結(jié)構(gòu)4的兩個相互光耦合的分支7的耦合程度KrouP通過比例系數(shù)e_as成為第一波導間 間隔S的函數(shù)，其中a是耦合系數(shù)減少到距離為零時的推定值的分數(shù)1/e時距離的倒數(shù)。光移頻器1進一步包括處于基質(zhì)3的主表層3a之上的導電電極結(jié)構(gòu)10，所述導電 電極結(jié)構(gòu)10具有1-30 u m的厚度并由金或類似金屬以常規(guī)方式形成，處于Y形波導結(jié)構(gòu)4 的相互光耦合的分支7之上。尤其，如圖3所示，電極結(jié)構(gòu)10包括設(shè)置在Y形波導結(jié)構(gòu)4的相互光耦合分支7 之間的內(nèi)電極11，以及在內(nèi)電極11的對稱的兩側(cè)設(shè)置在相互光耦合分支7外側(cè)的一對外電 極12。在基質(zhì)3的主表層3a與電極結(jié)構(gòu)10之間設(shè)置有電介質(zhì)(例如Si02)過渡層13，用 以防止或最小化電極結(jié)構(gòu)10對光功率的吸收。外電極12通常接地，而內(nèi)電極11設(shè)有電力驅(qū)動信號，所述電力驅(qū)動信號具有電頻 率Q和動量0 n，并使得在內(nèi)電極11和外電極12之間加載有RF驅(qū)動電壓。RF驅(qū)動電壓 生成內(nèi)電極11和外電極12之間相反的電場；所述具有相反方向的電場的方向分別大致平 行于主表層3a (以及Z晶軸線)并且橫貫相互光耦合分支7中的相應(yīng)的一個。僅當電光系 數(shù)具有不可忽略的值r33，這些相反的電場減少Y形波導結(jié)構(gòu)4的相互光耦合分支7中相反 的折射率的變化。輸入光信號由傳播率為Ns，光頻為《s，并且動量為0s的一個對稱模式形成，并 且在光移頻器1的輸入分支6被接收，所述輸入光信號沿Y形波導結(jié)構(gòu)4傳播，Y形波導結(jié) 構(gòu)4由于其分支之間的相互光耦合而被輸入光信號當作一個整體波導利用，所述整體波導 能夠支持兩個不同的超模，這兩個不同的超模具有相對奇偶性，稱作對稱超模和反對稱超 模。由于沒有其它現(xiàn)象，即沒有固有的不對稱和/或電微擾，所以只有對稱超模將傳播而不 引起反對稱超模。因此，只有一個對稱超模開始沿Y形波導結(jié)構(gòu)4傳播，所述對稱超模具有 與輸入光信號的功率相同的功率，傳播率為Ns，光頻為《s，并且動量為3 s。傳播期間，對稱超模經(jīng)過前述相對的折射率的變化，并且因此導致對稱超模的能 量部分地傳輸至反對稱超模，除了對稱超模以外，反對稱超模也開始傳播。反對稱超模的頻 率《A等于對稱超模的頻率再上移應(yīng)用于內(nèi)電極11的電力驅(qū)動信號的頻率Q (coA = cos+Q)，動量等于對稱超模的動量0 s再上移應(yīng)用于內(nèi)電極11的電力驅(qū)動信號的動 量旦八^二日計日?！坝捎趧恿渴睾愕募s束)，并且反對稱超模具有傳播率Na。因此，在Y形波導結(jié)構(gòu)4的輸出端既表現(xiàn)了殘余的對稱超模還表現(xiàn)了反對稱超模， 它們進入反Y形波導結(jié)構(gòu)5，在反Y形波導結(jié)構(gòu)5的每個分支中分別傳播了合成光信號，所 述合成光信號具有輸入光信號一半的功率并且由具有兩個相同符號的波形半周的對稱模 式、以及具有兩個相反符號的波形半周的反對稱模式組成。在沿反Y形波導結(jié)構(gòu)5傳播期 間，引起兩個合成光信號的其中之一的n弧度的相變，因此在反Y形波導結(jié)構(gòu)5的輸出分 支9處，兩個合成的光信號合并，使得一個具有頻率《A的輸出光信號中反對稱模式的兩個
5半周的相加，以及殘余的對稱模式的兩個半周的相消。光移頻器1的諧振頻率Q，即電力驅(qū)動信號的電頻Q，是由光移頻器本身的設(shè)計 規(guī)格所決定的，當所述電力驅(qū)動信號的電頻Q應(yīng)用于光移頻器的電力輸入時產(chǎn)生最大偏 移效率，并且尤其光移頻器1的諧振頻率Q正比于Y形波導結(jié)構(gòu)4的相互光耦合分支7的 耦合程度Ktoup ；而耦合程度KrouP與e_as成比例，其中S是相互光耦合分支7的第一波導間 間距，由以下等式給出 <formula>formula see original document page 6</formula>因此可能因相互光耦合分支7的第一波導間間距S的減小而導致工作頻率的增 加。

發(fā)明內(nèi)容
申請人:認為，由于將Y形波導結(jié)構(gòu)的相互光耦合分支的波導間間距減小至一定值 以下是困難的(不是不可能)，所以對增加光移頻器的諧振頻率、以及加強頻率偏移的持續(xù) 的需求是很難滿足的。實際上，如上文所述，為了由電力驅(qū)動信號和輸入光信號所產(chǎn)生的電場和光場的 電光耦合，因此實現(xiàn)頻率偏移，就需要在Y形波導結(jié)構(gòu)的相互光耦合分支中傳播的光信號 經(jīng)過相反的折射率變化，以激勵反對稱超模。為了實現(xiàn)這個目的，相互光耦合分支設(shè)于內(nèi)電 極和外電極之間，其中電場平行于Z晶軸線并且具有相反的方向。過度減小Y形波導結(jié)構(gòu)的相互光耦合分支的波導間間距將會導致相互光耦合分 支被設(shè)置于內(nèi)電極之下，其中電場平行于X晶軸線并且方向相同，因此阻止了電場與光場 之間任何的電光耦合。針對上述情況，申請人注意到，光移頻器目前的結(jié)構(gòu)阻礙了由已知光移頻器能夠 實現(xiàn)的諧振頻率的增加以及頻率偏移的加強。因此本發(fā)明的目的是提供一種改進的光移頻器，其克服了已知光移頻器的局限， 因此使得光學設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更高的工作頻率。該目的由本發(fā)明實現(xiàn)，在于本發(fā)明涉及一種由所附權(quán)利要求所限定的光移頻器。本發(fā)明通過以下方式實現(xiàn)了上述目的利用電光基質(zhì)，所述電光基質(zhì)具有Z切晶 體結(jié)構(gòu)并且包括兩個相對極化的部分(oppositely poledportions)，即Z晶軸線方向相反 的兩部分；以及將內(nèi)電極居中設(shè)于兩個相對極化部分之間的邊界之上；以及最終將Y形波 導結(jié)構(gòu)的相互光耦合分支設(shè)于內(nèi)電極之下，彼此非常接近并且處于邊界的相對兩邊，從而Y 形波導結(jié)構(gòu)的相互光耦合分支被分別設(shè)于基質(zhì)的具有相反方向的Z晶軸線的部分之中。基質(zhì)的兩個部分中的Z晶軸線的相反的方向促使電光系數(shù)r33在這些部分中具有 相反的值，并且因此，即使Y形波導結(jié)構(gòu)的相互光學耦合分支被設(shè)于基質(zhì)區(qū)域(內(nèi)電極之 下)，其中電場平行于Z晶軸線并且朝向相同的方向，在Y形波導結(jié)構(gòu)的相互光耦合分支中 傳播的光信號發(fā)生相反的折射率的變化，因此激勵反對稱超模并且實現(xiàn)了所需頻率偏移。在另一方面，Y形波導結(jié)構(gòu)的相互光耦合分支的波導間間距的顯著減小，使得耦合程度KrouP顯著增大，并且因此光移頻器的諧振頻率Q也顯著增大。


為了更好的理解本發(fā)明，下面將參照附圖(全部未按比例)，僅以示例的方式而非 限定，描述優(yōu)選實施例，其中圖1示出光移頻器的標準表示，以及關(guān)于其電信號和光信號的波形圖；圖2示出已知光移頻器的示意性表示，以及沿其傳播的光模的示意性表示；圖3示出圖2的光移頻器部分的截面圖；以及圖4示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的光移頻器部分的截面圖。
具體實施例方式以下內(nèi)容用以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┎⑹褂帽景l(fā)明。在不背離本發(fā)明所要求 保護的范圍的情況下，實施例的多種變化對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是容易理解的。因此，本發(fā)明 并不是要以示出的實施例為限定，而是涵蓋與這里所描述的以及所附權(quán)利要求所限定的原 理和特征相一致的最廣泛的范圍。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的光移頻器部分的截面圖，其中與圖3中相同 的附圖標記和符號表示相同的元件，這里將不再重復描述。如圖4所示，基質(zhì)3的晶體結(jié)構(gòu)具有Z切方向，即晶體結(jié)構(gòu)具有Z晶軸線，所述Z晶 軸線正交于基質(zhì)3的主表層3a，在主表層3a之上設(shè)有導電電極結(jié)構(gòu)10。這樣的基質(zhì)結(jié)構(gòu)使 得由電力驅(qū)動信號和輸入光信號所產(chǎn)生的電場和光場主要沿晶體結(jié)構(gòu)的X晶軸線相耦合， 即相比較于沿X晶軸線的電光耦合，沿其它兩個晶軸線的電光耦合是可以忽略的。實際上， 在這種情況下，具有最大值的3X3電光系數(shù)矩陣中的電光系數(shù)r33將沿X晶軸線極化的電 磁波引起的折射率的變化與電場沿相同軸線的分量相聯(lián)系。此外，基質(zhì)3至少在設(shè)有電極結(jié)構(gòu)10的區(qū)域內(nèi)是預先處理過的，以致包括兩個相 對極化的部分20、21，即具有相反方向的Z晶軸線的部分(如圖4中以箭頭示意性示出)； 相反的方向使得兩個相對極化的部分20、21的電光系數(shù)r33具有相反的值，因此導致沿Z晶 軸線同等定向(equally oriented)的電場引起相反的折射率的變化。此外，電極結(jié)構(gòu)10的內(nèi)電極11被設(shè)于基質(zhì)3的兩個相對極化部分20、21之間的 邊界22之上，并且Y形波導結(jié)構(gòu)4的相互光耦合分支7被設(shè)于內(nèi)電極11之下，彼此非常接 近(相互間隔第一波導間間距S)，并且處于邊界22的相對兩邊。因此，相互光耦合分支7 被設(shè)于基質(zhì)3的相應(yīng)的部分，這兩部分具有相反方向的Z晶軸線以及電光系數(shù)r33的相反的 值。此外，相互光耦合分支7被電場橫貫，所述電場沿Z晶軸線同等定向，由供應(yīng)至內(nèi)電極 11的電力驅(qū)動信號所產(chǎn)生(外電極12接地)。從而，再次引起Y形波導結(jié)構(gòu)4的相互光耦 合分支7中相反的折射率的變化，因此允許能量從對稱超模向反對稱超模傳輸。在本發(fā)明 的當前實施例中，Y形波導結(jié)構(gòu)4的相互光耦合分支7之間的第一波導間間距S在1至5 y m 范圍內(nèi)。從以上內(nèi)容，可以直接認識到，基質(zhì)3的Z切晶體結(jié)構(gòu)以及基質(zhì)3劃分為具有相反 的電光系數(shù)的兩個相對極化的部分20、21，使得能夠?qū)⑾嗷ス怦詈戏种?設(shè)于內(nèi)電極11之 下的已知光移頻器所不能允許的位置。
所以，相互光耦合分支7被間隔一定距離而設(shè)置，所述距離遠小于已知的光移頻 器中的距離。如此，能夠得到Y(jié)形波導結(jié)構(gòu)4的相互光耦合分支7的更高的耦合程度KrouP， 并且因此實現(xiàn)工作頻率的更高的增長。最后，很顯然，可以對本發(fā)明做出多個調(diào)整和改變，所述調(diào)整和改變包含在本發(fā)明 所附權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。尤其是基質(zhì)3能夠由其它Z切電光材料制成，例如鉭酸鋰(LiTa03)或磷酸鈦氧鉀 (KTP)。
權(quán)利要求
一種光移頻器(1)，包括電光基質(zhì)(3)，具有主表層(3a)；光波導結(jié)構(gòu)(2)，形成于所述基質(zhì)(3)中并且具有兩個波導部分(7)，所述波導部分(7)相互間隔間距(S)以確保它們之間的相互光耦合；以及電極結(jié)構(gòu)(10)，設(shè)于所述基質(zhì)(3)的所述主表層(3a)之上，并且至少具有第一電極(11)，其特征在于，所述基質(zhì)(3)具有Z切晶體結(jié)構(gòu)，其中Z晶軸線正交于所述主表層(3a)，并且所述基質(zhì)(3)包括兩個相對極化的部分(20、21)，所述兩個相對極化的部分(20、21)分別具有相反方向的所述Z晶軸線；并且其中，所述兩個波導部分(7)被設(shè)于所述第一電極(11)之下，分別處于所述兩個相對極化的部分(20、21)的相應(yīng)的一個之中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光移頻器，其特征在于，所述電極結(jié)構(gòu)(10)可操作地向所述 波導部分(7)加載同等定向的電場。
3.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的光移頻器，其特征在于，所述基質(zhì)(3)由鈮酸鋰制成。
4.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的光移頻器，其特征在于，所述相對極化的部分(20、 21)由邊界(22)分隔開，所述第一電極(11)被設(shè)于所述邊界(22)之上，并且所述兩個波導 部分(7)被設(shè)于所述邊界(22)的相對兩邊。
5.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的光移頻器，其特征在于，所述電極結(jié)構(gòu)(10)包括兩 個第二電極(12)，所述兩個第二電極(12)分別設(shè)于所述兩個相對極化部分(20、21)的相應(yīng) 的一個之上，并且對稱地處于所述第一電極(11)的相對兩邊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光移頻器，其特征在于，所述兩個第二電極(12)被連接至參 考信號，并且所述第一電極(11)被連接至所述光移頻器(1)的電力驅(qū)動信號輸入。
7.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的光移頻器，其特征在于，所述光波導結(jié)構(gòu)(2)包括Y 形波導結(jié)構(gòu)(4)和與其配套結(jié)合的反Y形波導結(jié)構(gòu)(5)；其中所述Y形波導結(jié)構(gòu)(4)包括 輸入分支(6)以及所述波導部分(7)，所述輸入分支(6)構(gòu)造為用以結(jié)合光信號輸入，所述 波導部分(7)從所述輸入分支(6)分岔，并且所述反Y形波導結(jié)構(gòu)(5)包括一對結(jié)合至所 述波導部分(7)的相互光解耦合分支(8)，并且所述相互光解耦合分支(8)合并入輸出分支 (9)，所述輸出分支(9)構(gòu)造為用以結(jié)合至光信號輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光移頻器，其特征在于，所述反Y形波導結(jié)構(gòu)(5)的所述相互 光解耦合分支(8)中的一個被構(gòu)造為以引起沿其傳播的光信號中η弧度的相變。
9.一種用于制造光移頻器(1)的方法，包括提供具有主表層(3a)的電光基質(zhì)(3)；形成位于所述基質(zhì)(3)之中的光波導結(jié)構(gòu)(2)，所述光波導結(jié)構(gòu)(2)具有兩個波導部分 (7)，它們相互間隔間距(S)以確保它們之間的相互光耦合；以及形成位于所述基質(zhì)(3)的所述主表層(3a)之上的電極結(jié)構(gòu)(10)，所述電極結(jié)構(gòu)(10) 至少具有第一電極(11)，其特征在于，提供電光基質(zhì)包括形成具有Z切晶體結(jié)構(gòu)的所述基質(zhì)(3)，所述Z切晶體結(jié)構(gòu)具有正交于所述主表層 (3a)的Z晶軸線，并且處理所述基質(zhì)(3)以形成兩個相對極化的部分(20、21)，所述兩個相對極化的部分(20、21)分別具有相反方向的所述Z晶軸線；以及形成所述光波導結(jié)構(gòu)(2)包括將所述兩個波導部分(7)設(shè)于所述第一電極(11)之下， 分別處于所述兩個相對極化部分(20、21)的相應(yīng)的一個之中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述基質(zhì)(3)由鈮酸鋰制成。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述相對極化部分(20、21)由邊界 (22)相分隔，并且形成電極結(jié)構(gòu)(10)包括將所述第一電極(11)設(shè)于所述邊界之上，并且設(shè) 置所述兩個波導部分(7)包括將所述兩個波導部分(7)設(shè)于所述邊界(22)的相對兩邊。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求9至11任一項所述的方法，其特征在于，形成電極結(jié)構(gòu)(10)包 括將兩個第二電極(12)分別設(shè)于所述兩個相對極化部分(20、21)中相應(yīng)的一個之上，所述 兩個第二電極(12)對稱處于所述第一電極(11)的相對兩邊。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，形成電極結(jié)構(gòu)(10)進一步包括連接所 述兩個第二電極(12)至參考信號，并且連接所述第一電極(11)至所述光移頻器(1)的電 力驅(qū)動信號輸入。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光移頻器(1)，包括具有主表層(3a)的電光基質(zhì)(3)；所述基質(zhì)(3)中形成的具有兩個波導部分(7)的光波導結(jié)構(gòu)(2)，兩個波導部分(7)間隔間距(S)以確保它們之間相互的光耦合；以及設(shè)于基質(zhì)(3)的主表層(3a)之上的電極結(jié)構(gòu)(10)，其至少具有第一電極(11)。所述基質(zhì)(3)具有Z切晶體結(jié)構(gòu)，其中Z晶軸線正交于主表層(3a)，并且所述基質(zhì)(3)包括兩個相對極化的部分(20、21)，它們具有相反方向的Z晶軸線；兩個波導部分(7)設(shè)于第一電極(11)之下，分別位于兩個相對極化的部分(20、21)中相應(yīng)的一個之中。
文檔編號G02F1/225GK101821673SQ200780101078
公開日2010年9月1日 申請日期2007年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月14日
發(fā)明者安娜·瑪麗亞·菲奧雷洛, 莫羅·瓦拉西, 馬西米利亞諾·迪斯彭扎 申請人:塞萊斯系統(tǒng)集成公司