Компланарный волновод электрооптического модулятора бегущей волны на базе интерферометра Маха-Цендера
COPLANAR WAVEGUIDE OF ELECTROOPTIC MODULATOR OF TRAVELING OF WAVE ON BASIS OF MACH-ZEHNDER INTERFEROMETER

Данное изобретение относится к области интегральных оптоэлектронных компонентов, применяемых в области оптической связи, в частности, к компланарным волноводам электрооптических модуляторов бегущей волны на базе интерферометра Маха-Цендера, и может быть использовано для амплитудной модуляции лазерного излучения, обработки и передачи оптической информации.
Известны электрооптические модуляторы света на базе интерферометра Маха-Цендера, изготовленные в интегрально-оптическом исполнении (см., например, заявка WO 03/089984, МПК G02F 1/313). В таких моделях свет распространяется в оптических волноводах, которые сформированы либо напылением на подложку волноводного слоя из материала с сильными электрооптическими свойствами, либо путем локальной диффузии поверхности монокристаллической подложки с целью образования волноводных каналов, при этом волноводный эффект возникает из-за увеличения показателя преломления в зоне канала. Амплитудная модуляция лазерного излучения в этих моделях обеспечивается компланарными волноводами, выполненными в виде размещенных на подложке центрального и заземляющих электродов, образующих зону модуляции.
К недостаткам упомянутого выше аналога следует отнести понижение качества модуляции, обусловленное отражением части модулирующего сигнала обратно в активную зону, как правило, возрастающее с повышением частоты.
min
max
Наиболее близким к заявленному техническому решению - прототипом - является компланарный волновод электрооптического модулятора бегущей волны на базе интерферометра Маха-Цендера, предназначенного для работы в диапазоне частот от f до f с допустимым соотношением помеха/сигнал (SIR), выполненный в виде размещенных на подложке центрального и заземляющих электродов различного сечения, образующих последовательно расположенные зону ввода электрического сигнала в компланарный волновод, активную зону модуляции, образованную параллельными участками центрального и заземляющих электродов равной длины, и зону поглощения электромагнитной волны, включающую заземляющий резистор, сопротивление R которого в рабочей полосе частот равно волновому сопротивлению Z волновода (заявка US 2004/0062466, МПК G02F 1/035).
К недостаткам прототипа следует отнести его ограниченные по рабочей частоте эксплуатационные возможности, обусловленные наличием отражения модулирующего сигнала из зоны поглощения обратно в активную зону. Эти отражения обусловлены наличием в зоне поглощения (у согласующего заземляющего резистора и токопроводящих дорожек, обеспечивающих присоединение заземляющего резистора к компланарному волноводу) паразитных индуктивности и емкости. Как правило, отражения возрастают с ростом частоты, однако из-за наличия как паразитной индуктивности, так и паразитной емкости, возможен резонансный рост отражений на отдельных частотах.
min
max
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, - снижение соотношения помеха/сигнал SIR в рабочем диапазоне частот от f до f.
Технический результат - улучшение качества модуляции.
min
max
min
max
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что компланарный волновод электрооптического модулятора бегущей волны на базе интерферометра Маха-Цендера, предназначенного для работы в диапазоне частот от f до f с допустимым уровнем SIR, выполненный в виде размещенных на подложке центрального и заземляющих электродов различного сечения, образующих последовательно расположенные зону ввода электрического сигнала в компланарный волновод, активную зону модуляции, образованную параллельными участками центрального и заземляющих электродов равной длины, и зону поглощения электромагнитной волны, включающую заземляющий резистор, сопротивление R которого в рабочем диапазоне частот равно волновому сопротивлению Z волновода, на участке между активной зоной и зоной поглощения электромагнитной волны снабжен дополнительной зоной поглощения длиной L'', в которой электроды выполнены того же сечения и ориентации, что и в активной зоне из материала с удельным сопротивлением ρ'' с соблюдением во всем диапазоне частот от f до f условия:
где:
SIR - максимально допустимое соотношение помеха/сигнал при модуляции [безразмерная величина];
- погонный коэффициент затухания в дополнительной зоне поглощения на частоте f (формула применима при условии, что скин-слой меньше половины ширины центрального электрода - частоты более нескольких ГГц) [Нп/м];
К'' - коэффициент, зависящий от конфигурации (сечения) дополнительной зоны поглощения (К''=К для компланарного волновода) [безразмерная величина];
Z - волновое сопротивление компланарного волновода [Ом];
h - высота электродов компланарного волновода (всех, поскольку технологически, если специальными условиями не предусмотрено иное, высота центрального и заземляющих электродов одинакова) [м];
ρ'' - удельное сопротивление материала электродов в дополнительной зоне поглощения [Ом*м];
min
max
f - текущая частота от f до f [Гц];
Г - модуль коэффициента отражения на частоте f, характеризующий отражения из зоны поглощения, возникающие из-за наличия паразитных индуктивностей и емкостей у резистора и конструктивных элементов, соединяющих согласующий резистор с компланарным волноводом [безразмерная величина];
- затухание электрического сигнала в компланарном волноводе [Нп/м];
ρ - удельное сопротивление материала электродов [Ом*м];
К≈1 - коэффициент, учитывающий краевые эффекты [безразмерная величина];
ξ=4πnf/c - коэффициент рассогласования для отраженного электрического сигнала [1/м];
с - скорость света [м/с];
L - длина активной зоны компланарного волновода [м];
n - коэффициент преломления для необыкновенной оптической волны в направлении распространения для кристалла электрооптического модулятора [безразмерная величина].
Изобретение поясняется изображениями, где
на Фиг. 1 представлен принципиальный образ электрооптического модулятора бегущей волны на базе интерферометра Маха-Цендера с заявленным компланарным волноводом;
на Фиг. 2 - сечение Е-Е на Фиг. 1;
на Фиг. 3 - график зависимости модуля коэффициента отражения Г от частоты типичного модулятора для которого рассчитаны зависимости соотношения помеха/сигнал (SIR) на Фиг. 4-6;
на Фиг. 4 - зависимость соотношения помеха/сигнал (SIR) от частоты для прототипа (длина дополнительной зоной поглощения L''=0);
на Фиг. 5 - зависимость соотношения помеха/сигнал (SIR) от частоты при длине дополнительной зоны поглощения меньше заявленной;
на Фиг. 6 - зависимость соотношения помеха/сигнал (SIR) от частоты при длине дополнительной зоны поглощения, соответствующей заявленной.
Позиции, проставленные на изображениях, означают следующее:
1 - оптический волновод;
2 - кристалл модулятора;
3 - подложка;
4 - центральный электрод;
5 - заземляющий электрод;
6 - заземляющий резистор;
7 - стык согласующего резистора с центральным электродом;
8 - источник модулирующего электрического сигнала.
Ниже раскрывается конструкция заявленного технического решения.
Электрооптический модулятор бегущей волны на базе интерферометра Маха-Цендера (Фиг. 1) включает организованный аналогично прототипу оптический волновод 1, размещенный в кристалле модулятора 2, оптические сигналы в котором преобразуются воздействием электрических сигналов в компланарном волноводе, который включает подложку 3 центральный 4 и заземляющие 5 электроды различного сечения, образующие последовательно расположенные зону А ввода модулирующего электрического сигнала в компланарный волновод от источника 8, активную зону В модуляции, образованную параллельными участками центрального 4 и заземляющих 5 электродов равной длины, и зону поглощения С электромагнитной волны, включающую заземляющий резистор 6, сопротивление R которого в рабочей полосе частот равно волновому сопротивлению Z волновода. На участке между активной зоной В и зоной поглощения С электромагнитной волны, компланарный волновод снабжен дополнительной зоной поглощения D, в которой электроды 4,5 выполнены того же сечения и ориентации, что и в активной зоне, но из более резистивного материала, чем в активной зоне. Суть изобретения сводится к следующему.
Как было отмечено выше, в компланарном волноводе при переходе сигнала (электромагнитной волны) из активной зоны В в зону поглощения С, которая сформирована резистором 6 и его стыком 7 с центральным электродом 4 (иногда, помимо резистора, эта зона может дополнительно содержать емкостные и/или индуктивные элементы), наблюдается отражение (шум) модулирующего сигнала обратно в активную зону В. Величина и характер этого отражения (шума) различны для разных частот, что будет рассмотрено ниже.
Оценить величину этого отражения, которое можно рассматривать как помеху, возможно следующим образом.
Напряженность электрического поля прямой волны на конце копланарного волновода модулятора:
где
0
Е - напряженность электрического поля прямой волны на входе копланарного волновода модулятора [В/м].
Напряженность электрического поля обратной волны на конце компланарного волновода модулятора:
где
- коэффициент отражения по напряжению волны в конце копланарного волновода модулятора (в общем виде комплексное число).
Отражения из зоны согласующего резистора (согласующего элемента), возникают из-за наличия паразитных индуктивностей и емкостей резистора и конструктивных элементов, соединяющих согласующий резистор с компланарным волноводом, т.е. нагрузка компланарного волновода модулятора носит активно-реактивный характер. Общее выражение для коэффициента отражения по напряжению волны в конце компланарного волновода:
где
= комплексное волновое сопротивление копланарного волновода, которое с достаточно высокой точностью может рассматриваться как чисто активное и равное Z [Ом],
- комплексное сопротивление нагрузки компланарного волновода модулятора.
В качестве примера на Фиг. 3. приведен график зависимости модуля коэффициента отражения Г от частоты модулятора для которого рассчитаны зависимости соотношения помеха/сигнал (SIR) на Фиг. 4-6.
Как будет показано ниже выражение для отношения помеха/сигнал в выходном оптическом сигнале модулятора Маха-Цендера (SIR) в линейном режиме, при рассмотрении электрооптического воздействия обратной волны как помехи (во избежание сомнений здесь и по тексту термины «помеха» и «шум» идентичны) при модуляции, выглядит следующим образом:
где
SIR - максимально допустимое соотношение помеха/сигнал при модуляции [безразмерная величина];
I*(f) - электрооптическое воздействие обратной волны [Вт/В];
I(f) - электрооптическое воздействие прямой волны [Вт/В];
Отсюда следует однозначная взаимосвязь допустимого уровня отношения помеха/сигнал (шума) от  коэффициента отражения модулирующего сигнала обратно в активную зону В.
max
min
max
Согласно изобретению, существенно повысить частотный порог (f) и улучшить качество модуляции позволяет введение в конструкцию компланарного волновода дополнительной зоны поглощения D длиной L'', в которой электроды 4,5 выполнены того же сечения и ориентации, что и в активной зоне В, из материала с удельным сопротивлением ρ'' с соблюдением во всем диапазоне частот от f до f условия:
Заявленное условие может быть подтверждено ниже представленным расчетом.
Выходная интенсивность света для модулятора Маха-Цендера определяется выражением:
Δϕ - разность фаз между оптическими каналами модулятора Маха-Цендера.
0
n - коэффициент преломления в отсутствии поля;
r - электрооптический коэффициент в направлении светового потока;
Е - напряженность электрического поля в оптических каналах модулятора Маха-Цендера;
L - длина активной зоны модулятора Маха-Цендера;
λ - длина волны света.
Из приведенных соотношений видно, что
максимум крутизны для которого будет при cosΔϕ=0, при этом модуль производной cos'Δϕ=1, таким образом, выражение для выходной интенсивности света может быть упрощено и записано в виде:
Для учета затухания и рассогласования оптической и электрической волн в модуляторе Маха-Цендера, выражение (3) должно быть записано в виде интеграла (без учета собственного затухания световой волны)
α - погонное затухание в компланарном волноводе модулятора Маха-Цендера;
ξ - погонное рассогласование оптической и электрической волн на участке dx;
ξ х=2 πτ/Т, где
τ - разбег по времени между оптической и электрической волнами на участке dx на расстоянии х;
Т=1/f, где
f - частота электрической волны (сигнала);
где
N - коэффициент преломления для электрической волны (сигнала).
c
N=с/v, где
c
v - скорость электрической волны (сигнала);
с - скорость света.
0
Следовательно ξ=2πf(n-N)/c и интеграл для прямой волны принимает вид:
0
поскольку Е-напряженность электрического поля в начале компланарного волновода модулятора Маха-Цендера.
Такой интеграл (5) может быть выражен следующим образом:
Для прямой волны:
или
Для обратной волны:
Таким образом, общее выражение для зависимости выходной интенсивности света от частоты входного электрического сигнала для прямой волны модулятора Маха-Цендера определяется выражением:
Для обратной волны общее выражение зависимости выходной интенсивности света от частоты входного электрического сигнала определяется выражением:
0
*
В выражении (9) E - напряженность электрического поля обратной волны, распространяющейся от конца компланарного волновода модулятора Маха-Цендера к началу, на конце волновода (т.е. точки входа обратной волны).
Упростим выражения (8) (9) для двух случаев:
оп
c
а) для прямой волны при условии v=v;
c
оп
б) для обратной волны при условии v=-v.
оп
c
а) При условии v=v ξ(f)=0, и выражение (8) приобретает вид:
или
c
оп
б) Для обратной волны, при v=-v;  получим:
кон
0
0
Напряженность электрического поля прямой волны на конце компланарного волновода модулятора Е=Е exp(-α(f)L), и связана с Е* следующим образом:
Далее, рассматривая электрооптическое воздействие обратной волны как помеху при модуляции, можно получить выражение для отношения помеха/сигнал (SIR) в выходном оптическом сигнале модулятора Маха-Цендера:
Из выражения (14) можно сформулировать требования к модулю коэффициента отражения - Г, при допустимом SIR:
min
max
min
max
Согласно изобретению, когда в диапазоне рабочих частот от f до f соотношение (15) не выполняется, следует уменьшить отраженную волну, разместив на участке между активной зоной и зоной поглощения электромагнитной волны дополнительную зону поглощения длиной L'', в которой, для исключения отражений от стыка этой дополнительной зоны с активной зоной, электроды выполнены того же сечения и ориентации, что и в активной зоне, из материала с удельным сопротивлением ρ'' с соблюдением во всем диапазоне частот от f до f условия:
Тогда из (16) получим заявленное условие:
В соответствии с изложенным в качестве доказательства достижения заявленного технического результата средствами предложенного технического решения, рассмотрим пример расчетных зависимостей соотношения сигнал/помеха (SIR) от частоты для следующих значений длин дополнительной зоной поглощения L''. При этом требуемое соотношение помеха/сигнал SIR принято больше - 30 Дб.
L''=0 - соответствует прототипу, данные представлены на Фиг. 4;
т.е. длина дополнительной зоны поглощения принята средней между прототипом и заявленным решением, данные представлены на Фиг. 5;
т.е.
длина дополнительной зоны поглощения принята в соответствии с заявленным решением, данные представлены на Фиг. 6.
min
max
Графические данные на Фиг. 4-6 наглядно свидетельствуют, что задача, на решение которой направлено настоящее изобретение - снижение соотношения помеха/сигнал SIR в рабочем диапазоне частот от f до f - решена, а заявленный технический результат - улучшение качества модуляции - достигнут.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверх суммарного) технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к области интегральных оптоэлектронных компонентов, применяемых в области оптической связи, в частности, к компланарным волноводам электрооптических модуляторов бегущей волны на базе интерферометра Маха-Цендера, и может быть использовано для амплитудной модуляции лазерного излучения, обработки и передачи оптической информации;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.