DE10001014A1

DE10001014A1 - Einrichtung zur digitalen Phasen- und/oder Amplitudenmodulation einer Lichtwelle

Info

Publication number: DE10001014A1
Application number: DE2000101014
Authority: DE
Inventors: Dirk Giggenbach
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2000-01-12
Filing date: 2000-01-12
Publication date: 2001-07-26
Anticipated expiration: 2020-01-13
Also published as: DE10001014B4

Abstract

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung zur digitalen Phasen- und/oder Amplitudenmodulation einer Lichtwelle wird je nach gewünschtem Modulationszustand mittels einer optischen Wellenleiter-Schaltereinrichtung (12) ein Zweig aus zwei oder mehreren monomodigen Übertragungszweigen (10, 11) einer Lichtwellenleiterstruktur (8) ausgewählt, wobei die Zweige den verschiedenen vorgesehenen Modulationszuständen angepaßte und zugeordnete unterschiedliche Übertragungseigenschaften in Phase und/oder Amplitude aufweisen. Derartige Modulationseinrichtungen lassen sich in kohärent-optischen Daten- und Nachrichtenübertragungssystemen verwenden. Das Modulatorprinzip eignet sich auch für den Sonderfall "reine Amplitudenmodulation" für Direktübertragung, insbesondere mit einem nachgeschalteten Faserverstärker.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur digitalen Phasen- und/oder Amplitudenmodulation einer Lichtwelle unter Verwen dung eines optischen Wellenleiters, in welchem die zu modu lierende Lichtwelle geführt ist und der einen von einer Steu ergröße gesteuerten Mechanismus zum gezielten Einstellen des Modulationszustandes der Lichtwelle enthält.

In kohärent-optischen Daten- und Nachrichtenübertragungssy stemen wird die zu übermittelnde Information auf die Grund schwingung einer Lichtwelle aufmoduliert. Bei der optischen Phasenmodulationsübertragung geschieht dies durch Beeinflus sung des Phasenzustandes der optischen Welle. Dazu passiert die Welle einen optischen Phasenmodulator. Dieser besteht in einer typischen Ausführungsform aus einem integriert-opti schen Wellenleiter, in dem die zu modulierende Lichtwelle ge führt wird, und enthält einen Mechanismus zum aktiven Ver schieben des Phasenzustandes, üblicherweise durch Beeinflus sung des Brechungsindex des Wellenleiters mit einer von außen anzulegenden elektrischen Spannung.

Damit läßt sich der Phasenzustand der Welle in vorherbestimm barer Weise ändern, wobei in der Änderung der Phase dann die zu übermittelnde Information enthalten ist, welche nach Durchlaufen der Übertragungsstrecke beim Empfänger wieder zu rückgewonnen werden kann (J. Franz: "Optische Übertragungssy steme mit Überlagerungsempfang", Springer Verlag Berlin, 1988, Seiten 14 bis 19).

Die Phasenänderung kann typischerweise 180° betragen (BPSK; Binary Phase Shift Keying) oder in noch kleineren Abstufungen erfolgen, z. B. in vier 90°-Abstufungen (QPSK; Quadrature Pha se Shift Keying). Es ist auch eine kombinierte Amplituden- und Phasenmodulation möglich, z. B. 16QAM (16-Zustands-Quadratur-Amplitudenmodulation), womit dann der gesamte Phasen- und Amplitudenraum der optischen Welle als Modulationsgebiet zur Verfügung steht.

Für optische Phasenmodulatoren sind bisher im wesentlichen zwei Bauformen bekannt, nämlich der sogenannte Bulk-Modulator und der so bezeichnete integriert-optische Phasenmodulator (IOPM).

Beim Bulk-Modulator passiert eine ungeführte, also freistrah lende Lichtwelle einen Kristall, auf den über Elektroden von außen ein elektrisches Feld einwirkt. Aufgrund dieses elek trischen Feldes ändert sich der Brechnungsindex des Kristalls und entsprechend mit der Elektrodenansteuerspannung auch der Phasenzustand der passierenden Welle.

Beim Integriert-Optischen Phasenmodulator (IOPM), der in S. Betti, G. Marchis, E. Iannone: "Coherent Optical Communi cation Systems", John Wiley & Sons, Seite 148ff beschrieben ist, wird die zu modulierende optische Welle monomodig in ei nem Wellenleiter geführt und zwar typischerweise in einer ge ätzten Wellenleiterstruktur in einem Lithium-Niobat(LiNbO₃)- Kristall. Der Brechungsindex des wellenleitenden Materials und damit die Phase des geführten Lichtes wird wiederum durch ein über Elektroden erzeugtes E-Feld beeinflußt.

In diesem Zusammenhang wird auf Fig. 1 hingewiesen, in der diese typische Bauform eines konventionellen IOPMs sche matisch dargestellt ist. In einen Lithium-Niobat(LiNbO₃)-Kri stall 1 ist eine optische Wellenleiterstruktur 2 geätzt, in der eine monomodige optische Welle geführt wird. Auf beiden Seiten eines Bereiches der Wellenleiterstruktur 2 sind sich gegenüberliegend zwei Elektroden 3 und 4 angebracht, von denen die Elektrode 3 an ihrem ausgangsseitigen Ende mit einem Abschlußwiderstand 5 versehen ist. Der Elektrode 3 wird an ihrem eingangsseitigen Ende von außen über einen Ansteuerein gang 6 ein elektrisches Ansteuersignal zugeführt, so daß zwi schen den beiden Elektroden 3 und 4 ein entsprechendes elek trisches Feld entsteht, das den Brechungsindex der Wellenlei terstruktur 2 im Elektrodenbereich und damit die Phase des darin geführten Lichtes beeinflußt.

An die beiden Enden der Wellenleiterstruktur 2 sind üblicher weise Glasfasern zum Zu- und Fortleiten des optischen Signals angeklebt. Eine derartige Bauform eignet sich besonders für Glasfaser-Übertragungssysteme, da die Lithium-Niobat(LiNbO₃)- Wellenleiterstruktur zu monomodigen Glasfasern kompatibel ist. Daher werden diese IOPMs üblicherweise auch schon vom Hersteller am Ein- und Ausgang mit Glasfaserstücken versehen. Die Durchgangsverluste für die passierende optische Welle beim IOPM betragen typischerweise 3 dB und mehr, was haupt sächlich auf die Wellenleiterübergänge von der eingangsseiti gen Glasfaser zum Lithium-Niobat(LiNbO₃)-Substrat und wieder zurück in eine ausgangsseitige Glasfaser bedingt ist.

Die IOPM-Bauform wird gegenüber der Bulk-Bauweise im allge meinen bevorzugt, da sie kleiner ist, geringere Ansteuerspan nungen benötigt, einen geringeren Leistungsverbrauch hat, hö here Modulationsfrequenzen ermöglicht und mit der Glasfaser technik kompatibel ist. Der Bulk-Modulator hat dagegen zwar geringere optische Durchgangsverluste als der IOPM, wird aber nur in speziellen Anwendungen eingesetzt.

Bei den bisher bekannt gewordenen IOPMs besteht jedoch auch eine Reihe von Nachteilen.

So hat die Erfahrung mit den IOPMs verschiedener Hersteller gezeigt, daß die Fertigungsqualität starken Schwankungen un terliegt. Gewisse Parameter wie die für eine 180°-Phasenumta stung nötige Ansteuerspannung werden bereits vom Hersteller mit einer Unsicherheit von bis zu 70% angegeben, und oftmals wird die geforderte Bandbreite nicht eingehalten, weil die Elektrodenstruktur nicht optimal gefertigt worden ist.

Diese Fehler werden vom Hersteller oft nicht bemerkt, da zu ihrer Erkennung ein aufwendiger Testaufbau erforderlich wäre, auf welchen meist verzichtet wird. Die Endkontrolle erfolgt vielmehr anhand anderweitiger, einfacher vorzunehmender Mes sungen, welche aber keine sichere Aussage über die Modulati onsfähigkeiten der Komponente garantieren. Daneben gelingt es den Herstellern zumeist nicht, den geforderten elektrischen Wellenwiderstand der Elektroden von 50 Ω einzuhalten. Dies führt zu starken Reflexionen am elektrischen Ansteuereingang und damit ebenfalls zu Signalformverschlechterungen.

Ein Nachteil der bisherigen IOPMs besteht auch darin, daß sich aufgrund der unterschiedlichen Laufzeiten des elektri schen und des optischen Signals bandbegrenzende Effekte bei den verwendeten Modulatorbauformen ergeben. Dies bedeutet, daß nicht beliebig schnelle elektrische Datensignale auf die optische Welle aufmoduliert werden können. Die Grenze, d. h. die 3 dB-Grenzfrequenz, hierfür liegt je nach Aufwand momen tan bei einigen GHz bis etwa 20 GHz.

Ein weiterer Nachteil der bisherigen IOPMs besteht darin, daß bei höherstufigen digitalen Modulationsverfahren, die also wie beispielsweise QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) mehr als zwei Phasenzustände der Welle aufweisen und bei denen so mit Phasenübergänge von 270° nach 0° und umgekehrt vorkommen, der Phasenkreis nicht einfach mittels eines 90°-Sprunges geschlossen werden kann, da die Elektrodenansteuerspannung nicht beliebig erhöht werden kann. Vielmehr muß ein 270°-Sprung ausgeführt werden, was länger dauert als ein 180°- oder ein 90°-Sprung und daher zu einer schlechteren Si gnalform führt, da der Phasenzustand der Welle in endlicher Zeit drei Viertel des Phasenkreises passiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, im Vergleich zu den bisher bekannten optischen Modulatoren für zwei- bis n- stufige optische Phasen- und/oder Amplitudenmodulations verfahren geeignetere digital arbeitende Modulationseinrich tungen zu schaffen.

Gemäß der Erfindung, die sich auf eine Einrichtung der ein gangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch ge löst, daß der Wellenleiter zwischen einer zuführungsseitigen Verzweigung und einer ausgangsseitigen Vereinigung in zwei oder mehr (n) parallele monomodige Zweige aufgeteilt ist, daß die Zweige den verschiedenen vorgesehenen Modulationszustän den angepaßte und zugeordnete unterschiedliche Übertra gungseigenschaften in Phase und/oder Amplitude aufweisen und daß im Bereich der zuführungsseitigen Verzweigung als Mecha nismus zum gezielten Einstellen des Modulationszustandes der Lichtwelle eine durch die Steuergröße gesteuerte optische Wellenleiter-Schaltereinrichtung vorgesehen ist, mit welcher jeweils derjenige Zweig zur Durchschaltung auswählbar ist, der die dem jeweils gewünschten Modulationszustand zugeordne ten Übertragungseigenschaften in Phase und/oder Amplitude aufweist.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht demnach darin, die Lichtwelle nicht linear zur Ansteuerspannung von Elektro den zu verändern, sondern je nach gewünschtem Modulationszu stand mittels der optischen Wellenleiter-Schaltereinrichtung einen Zweig aus einer Anzahl von vorhandenen optisch monomo digen Übertragungswegen auszuwählen.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den sich direkt oder indirekt auf den Pa tentanspruch 1 rückbeziehenden Unteransprüchen angegeben.

Als Wellenleiter-Schaltereinrichtung zur Auswahl des jeweili gen Zweiges sind in vorteilhafter Weise elektrisch oder op tisch ansteuerbare integriert-optische Schalter, also z. B. sogenannte "Photonic Switches" oder "Optical Switches", vor gesehen. Optische Wellenleiter-Schalter sind seit einigen Jahren Gegenstand der Forschung und Entwicklung und es wurden bereits für die hier beschriebene Anwendung geeignete Schal ter (Y. Silberberg und P. Perlmutter: "A Digital Electrooptic Switch" in "Photonic Switching", Seiten 95ff, Herausgeber: T. K. Gustafson und P. W. Smith, Springer Verlag, 1987) auf der Basis von LiNbO₃-Wellenleitern demonstriert.

Derartige Schalter sollen später für das Routing in digitalen Vermittlungsstationen in Glasfasernetzen eingesetzt werden. Sie ermöglichen in der hier beschriebenen Verwendung ein sehr schnelles Einstellen jedes erwünschten Phasen- und Amplitu den-Zustandes des passierenden Lichtes.

Dies ist besonders vorteilhaft, da die bisher hierfür verwen deten IOPMs auf Lithium-Niobat-Basis aufgrund der ausgedehn ten Elektrodenstruktur an ihre Geschwindigkeitsgrenzen stoßen und dadurch das Signal bereits im Sender eine sehr nichtidea le Signalformung erfährt. Eine Verringerung der Übertragungs fehler ist also durch die optischen Schalter direkt möglich. Die bei den konventionellen, linearen Phasenmodulatoren pro blematischen Phasenübergänge von 270° auf 0° und umgekehrt sind mit der Einrichtung nach der Erfindung ebenso sauber auszuführen wie alle anderen Übergänge.

Da der Phasen- und Amplitudenzustand der Welle durch einen Zweig schon bei der Fertigung festgelegt wird, muß bei der Modulatoransteuerung nicht mehr auf ein sauberes Ansteuersi gnal geachtet werden wie bei den bisherigen Modulatoren, bei denen sich ein unsauberes elektrisches Ansteuersignal direkt in den Zustand des optischen Signals überträgt. Vielmehr müs sen bei der Modulationseinrichtung nach der Erfindung nur die digitalen Signale zur Ansteuerung der optischen Schalter be reitgestellt werden. Diese digitale Form der Ansteuerung kommt auch einer parallelisierten digitalen Signalverarbei tung entgegen und verringert somit Übertragungsraten und Bandbreiten in der Ansteuer- und Signalverarbeitungselektro nik.

Die Baugröße einer Modulationseinrichtung nach der Erfindung läßt sich ebenfalls geringer halten als bei den bisher einge setzten IOPMs, da die Pfadlänge beliebig kurz sein kann. Im Minimalfall kommen nur die Abmessungen der Schalter- und Wel lenleiter-Zusammenführungen zum Tragen. Bei den bisher ver wendeten IOPMs dagegen benötigt allein die Elektrodenstruktur eine Mindestlänge von 20 bis 40 mm.

Die Ansteuerung der konventionellen IOPMs benötigt relativ hohe Leistungen, was besonders bei leistungskritischem Ein satz wie z. B. bei Weltraumanwendungen von Nachteil ist. Der Leistungsverbrauch bei gemäß der Erfindung ausgebildeten Mo dulationseinrichtungen ist dagegen niedriger anzusetzen.

Zur Einstellung verschiedener digitaler Phasenmodulationszu stände weisen die Zweige der Einrichtung nach der Erfindung unterschiedliche optische Laufzeiten auf. Die Laufzeitunterschiede in den verschiedenen Zweigen sind vorteilhaft in ganzzahligen Teilen der Wellenlänge des hindurchgeführten Lichts abgestimmt, so daß dann Phasenmodulationssprünge von λ/2, λ/4,

oder dergleichen möglich sind.

Die optischen Laufzeitunterschiede in den verschiedenen Zwei gen können durch eine Weglängenunterschiede ergebende asymme trische Struktur der Zweige hergestellt und durch unter schiedliche Dotierungen der Zweige beim Herstellungsprozeß abgestimmt werden. Es kann auch herstellungsmäßig eine Viel zahl von unterschiedliche Laufzeit aufweisenden Pfaden vorge sehen werden, wobei dann aus diesen Pfaden diejenigen als zu verwendende Zweige ausgewählt werden, die passende Laufzeiten aufweisen, wogegen die restlichen Pfade blindgeschaltet wer den. Zum Feinabgleich (Bias) der Laufzeitunterschiede in den verschiedenen Zweigen sind an den Zweigen zur Ausnutzung des elektro-optischen Effektes zusätzliche Elektroden vorgesehen, welche während des Betriebs von außen mit Spannung versorgt werden.

Zur Durchführung einer BPSK(Binary Phase Shift Keying)-Modulation sind zweckmäßigerweise zwei parallele Zweige vorgesehen, deren Weglängen sich um eine halbe Wellen länge (λ/2) oder um ein ungeradzahliges Vielfaches

davon unterscheiden, wobei dann die im Be reich der zuführungsseitigen Verzweigung angeordnete optische Wellenleiter-Schaltereinrichtung je nach gewünschtem Phasen modulationszustand einen der beiden an der ausgangsseitigen Vereinigung wieder zusammenlaufenden Zweige durchschaltet.

Zur Durchführung einer QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)-Modulation sind zweckmäßigerweise vier parallele Zweige vorgesehen, deren Weglängen sich jeweils um eine vier tel Wellenlänge (λ/4) unterscheiden, wobei dann die im Be reich der zuführungsseitigen Verzweigung angeordnete optische Wellenleiter-Schaltereinrichtung je nach gewünschtem Phasen modulationszustand einen der vier an der ausgangsseitigen Vereinigung wieder zusammenlaufenden Zweige durchschaltet.

Im Fall von vier parallelen Zweigen kann die Wellenleiter- Schaltereinrichtung aus drei 1 × 2-Umschaltern, von denen einer mit seinem Eingang an der Wellenleiter-Zuführung angeschlos sen ist und die parallel nachfolgenden beiden anderen mit ih ren Ausgängen an die vier parallel verlaufenden Zweige ange schlossen sind, oder sie kann aus einem Vierfach-Schalter be stehen, der mit seinem Eingang an die Wellenleiter-Zuführung angeschlossen ist und dessen vier Ausgänge an die vier paral lel verlaufenden Zweige angeschlossen sind.

Für eine Einstellung verschiedener digitaler Amplitudenmodu lationszustände können die Zweige unterschiedliche optische Dämpfungen oder Verstärkungen aufweisen.

Es ist bei einer Einrichtung nach der Erfindung auch eine Kombination von Zweigen unterschiedlicher optischer Dämpfun gen oder Verstärkungen mit Zweigen unterschiedlicher Laufzei ten zur Realisierung eines Modulators für Modulationsverfah ren mit gleichzeitiger digitaler Phasen- und Amplitudenmodu lation, beispielsweise QAM (Quadrature Amplitude Modulation), möglich.

Als Aufbaumaterial für die Wellenleiter- und Schalter-Struk tur kann in vorteilhafter Weise ein für integrierte Optik üb liches Material wie beispielsweise Lithium-Niobat verwendet werden.

Nach der Vereinigung kann dem Wellenleiter in einer Modula tionseinrichtung nach der Erfindung vorteilhaft ein optischer Verstärker, z. B. ein sogenannter EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier), nachgeschaltet werden.

Einrichtungen nach der Erfindung finden in vorteilhafter Wei se Verwendung als Modulator in einem kohärent-optischen Da ten- und Nachrichtenübertragungssystem.

Das Modulationsprinzip ist jedoch nicht nur auf kohärente Übertragung beschränkt, sondern eignet sich auch auf den Son derfall "reine Amplitudenmodulation" für Direktübertragung (also kein Überlagerungsempfang mit Lokaloszillator), insbe sondere mit einem nachgeschalteten Faserverstärker (EDFA). Obwohl es bereits gute, etablierte Intensitätsmodulatoren gibt, ist mit der beschriebenen Methode ebenfalls eine einfa che Intensitätsmodulation möglich.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Zeichnungen dar gestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die bereits im Zusammenhang mit der Würdigung des Standes der Technik beschriebene typische Bauform ei nes herkömmlichen Integrierten Optischen Phasenmodula tors (IOPM),

Fig. 2 die Prinzipdarstellung eines geschalteten digitalen optischen Phasenmodulators für BPSK (Binary Phase Shift Keying; Binäre Phasenmodulation) nach der Erfin dung,

Fig. 3 die Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbei spiels eines geschalteten digitalen optischen Phasen modulators für QPSK (Quadrature Phase Shift Keying; Quadratur-Phasenmodulation) nach der Erfindung, und

Fig. 4 die Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbei spiels eines geschalteten digitalen optischen Phasen modulators für QPSK (Quadrature Phase Shift Keying; Quadratur-Phasenmodulation) nach der Erfindung.

In Fig. 2 ist als einfachstes Ausführungsbeispiel einer opti schen Modulationseinrichtung nach der Erfindung ein geschal teter digitaler optischer Phasenmodulators für BPSK (Binary Phase Shift Keying; Binäre Phasenmodulation) dargestellt. Bei dieser Einrichtung enthält die in einen Lithium- Niobat(LiNbO₃)-Kristall 7 geätzte Wellenleiterstruktur 8, in die eine monomodige Lichtwelle aus einer Glasfaser 9 einge koppelt wird, zwei Zweige 10 und 11 mit um eine halbe Wellen länge (= λ/2) unterschiedlichen optischen Weglängen oder ei nem ungeradzahligen Vielfachen davon

wobei λ die Wellenlänge des zu modulierenden Lichtes ist.

Je nach gewünschtem Phasenzustand wird mit einem optischen Schalter 12 in einem zuführungsseitigen Verzweigungsbereich 13 einer der beiden Zweige 10 oder 11 zur Übertragung ausge wählt. Der Zweig 11 hat eine um eine halbe Wellenlänge länge re Laufzeit als der Zweig 10, was durch das Rechteck 14 sym bolisiert ist und durch nachher noch beschriebene Mittel ex akt erreicht werden kann. Nach der Zusammenführung der beiden Zweige 10 und 11 in einem ausgangsseitigen Vereinigungsbe reich 15 wird das Signal wieder in eine Glasfaser 16 einge koppelt. Die Ansteuerung des optischen Schalters 12 wird entweder mittels elektrischer oder aber mittels optischer An steuersignale 17 vorgenommen. Letztere Möglichkeit ("All-Optical Switch) ist insbesondere im Zusammenhang mit zukünftigen optischen Logikschaltungen interessant.

Das in Fig. 2 dargestellte Prinzip läßt sich beliebig erwei tern, z. B. zu einem QPSK(Quadrature Phase Shift Keying; Qua dratur-Phasenmodulator)-Modulator, wie er in Fig. 3 und in davon etwas abweichender Form in Fig. 4 dargestellt ist.

Bei der Einrichtung in Fig. 3 besteht die in einen Lithium- Niobat(LiNbO₃)-Kristall 18 geätzte Wellenleiterstruktur 19, in die eine monomodige Lichtwelle aus einer Glasfaser 20 ein gekoppelt wird, aus zwei Vorzweigen 21 und 22, vier Zweigen 23, 24, 25 und 26 mit um eine viertel Wellenlänge (= λ/4) un terschiedlichen optischen Weglängen, wobei λ die Wellenlänge des zu modulierenden Lichtes ist, und zwei Nachzweigen 27 und 28.

Je nach gewünschtem Phasenzustand wird in einem zufüh rungsseitigen Verzweigungsbereich 29 mit einem ersten opti schen Schalter 30 einer der beiden Vorzweige 21 oder 22 und mit den beiden nachfolgenden optischen Schaltern 31 und 32 einer der vier Zweige 23, 24, 25 oder 25 zur Übertragung der Lichtwelle ausgewählt. Der Zweig 24 hat eine um eine viertel Wellenlänge längere Laufzeit als der Zweig 23, was durch das Rechteck 33 symbolisiert ist. Der Zweig 25 hat eine um eine viertel Wellenlänge längere Laufzeit als der Zweig 24, was durch das Rechteck 34 symbolisiert ist, und der Zweig 24 hat seinerseits eine um eine viertel Wellenlänge längere Laufzeit als der Zweig 25, was durch das Rechteck 35 symbolisiert ist.

Die durch die Rechtecke 33, 34 und 35 symbolisierten Lauf zeitunterschiede in den Übertragungszweigen können durch nachher noch beschriebene Mittel exakt erreicht werden. Nach der Zusammenführung der vier Zweige 23, 24, 25 und 26 zu den beiden Nachzweigen 27 und 28 und nach der Zusammenführung der beiden Nachzweige 27 und 28 in einem ausgangsseitigen Verei nigungsbereich 36 wird das Signal wieder in eine Glasfaser 37 eingekoppelt. Die Ansteuerung der optischen Schalter 30, 31 und 32 wird entweder mittels elektrischer oder aber mittels optischer Ansteuersignale 38 vorgenommen. Letztere Möglich keit ("All-Optical Switch) ist auch für dieses Ausführungs beispiel insbesondere im Zusammenhang mit zukünftigen opti schen Logikschaltungen interessant.

Allgemein gilt für Konfigurationen mit derartigen 1 × 2-Umschaltern Folgendes. Da zu jedem Zeitpunkt immer nur ein Zweig durchgeschaltet sein darf, ist nicht für jeden der Umschalter ein Ansteuersignal notwendig, sondern nur Log₂[Pfadanzahl-1] bzw. Log₂[Umschalter-Anzahl], und zwar je weils zum nächsten ganzen Wert aufgerundet.

Beim in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die in einen Lithium-Niobat(LiNbO₃)-Kristall 39 geätzte Wellen leiterstruktur 40, in die eine monomodige Lichtwelle aus ei ner Glasfaser 41 eingekoppelt wird, vier Zweige 42, 43, 44 und 45 mit um eine viertel Wellenlänge (= λ/4) unterschiedli chen optischen Weglängen, wobei λ die Wellenlänge des zu mo dulierenden Lichtes ist. Je nach gewünschtem Phasenzustand wird mit einem optischen Vierfach-Schalter 46 in einem zufüh rungsseitigen Verzweigungsbereich 47 einer der vier Zweige 42, 43, 44 oder 45 zur Übertragung der Lichtwelle ausgewählt.

Der Zweig 43 hat eine um eine viertel Wellenlänge längere Laufzeit als der Zweig 42, was durch das Rechteck 48 symboli siert ist. Der Zweig 44 hat eine um eine viertel Wellenlänge längere Laufzeit als der Zweig 43, was durch das Rechteck 49 symbolisiert ist, und der Zweig 45 hat seinerseits eine um eine viertel Wellenlänge längere Laufzeit als der Zweig 44, was durch das Rechteck 50 symbolisiert ist. Die durch die Rechtecke 48, 49 und 50 symbolisierten Laufzeitunterschiede in den Übertragungszweigen können durch nachher noch be schriebene Mittel exakt erreicht werden.

Nach der Zusammenführung der vier Zweige 42, 43, 44 und 45 in einem ausgangsseitigen Vereinigungsbereich 51 wird das Signal wieder in eine Glasfaser 52 eingekoppelt. Die Ansteuerung des optischen Vierfach-Schalters 46 wird entweder mittels elek trischer oder aber mittels optischer Ansteuersignale 53 vor genommen. Letztere Möglichkeit ("All-Optical Switch) ist auch für dieses Ausführungsbeispiel insbesondere im Zusammenhang mit zukünftigen optischen Logikschaltungen interessant.

Zusammen mit verschiedenen, beispielsweise durch unterschied liches Dotieren realisierbaren Durchgangsdämpfungen in den Wellenleiterzweigen ist auch eine geschaltete Amplitudenmodu lation möglich, womit alle höherstufigen digitalen Modula tionsverfahren (n-QAM) realisierbar sind.

Falls es fertigungstechnische Probleme bei der exakten Ein stellung der Weglängen im Substrat gibt, kann auch eine spä tere Abstimmung der verschiedenen Zweige vorgenommen werden. Diese kann z. B. passiv durch nachträgliches, zu einer Bre chungsindexänderung führendes Dotieren eines Wellenleiter zweiges erfolgen, und zwar so lange, bis die optischen Weglängen stimmen.

Die Abstimmung kann auch über einen Wellenleiterzweig aktiv durch eine Elektrode vorgenommen werden, an der eine dauer haft angelegte Spannung die richtige optische Weglänge ein stellt. Ein anderes Vorgehen bestünde darin, jeweils bei der Herstellung sehr viele Pfade vorzusehen und später beim Ab gleichen die zueinander passenden als die zu verwendenden Zweige herauszusuchen und die restlichen Pfade blind zu schalten. Diese Maßnahmen sind aber alle nur nötig, falls sich die Herstellung der Wellenleiterstrukturen auf exakte Längen als Hindernis erweisen sollte.

Da das Licht in der Wellenleiterstruktur gedämpft wird, ist es manchmal zweckmäßig, einen optischen Verstärker, z. B. ei nen EDFA ((Erbium-Doped Fiber Amplifier), nachzuschalten, was jedoch von den Anforderungen an die zu übertragende Lichtlei stung abhängt.

Bezugszeichenliste

1

Lithium-Niobat(LiNbO₃

)-Kristall

2

Wellenleiterstruktur

3

,

4

Elektroden

5

Abschlußwiderstand

6

Ansteuereingang

7

Lithium-Niobat(LiNbO₃

)-Kristall

8

Wellenleiterstruktur

9

Glasfaser

10

,

11

Zweige

12

Schalter

13

Verzweigung, Verzweigungsbereich

14

Rechteck

15

Vereinigung, Vereinigungsbereich

16

Glasfaser

17

Ansteuersignale

18

Lithium-Niobat(LiNbO₃

)-Kristall

19

Wellenleiterstruktur

20

Glasfaser

21

,

22

Vorzweige

23

,

24

,

25

,

26

Zweige

27

,

28

Nachzweige

29

Verzweigungsbereich

30

Optischer Schalter

31

,

32

Optische Schalter

33

,

34

,

35

Rechtecke

36

Vereinigungsbereich

37

Glasfaser

38

Ansteuersignale

39

Lithium-Niobat(LiNbO₃

)-Kristall

40

Wellenleiterstruktur

41

Glasfaser

42

,

43

,

44

,

45

Zweige

46

Optischer Vierfach-Schalter

47

Verzweigungsbereich

48

,

49

,

50

Rechtecke

51

Vereinigungsbereich

52

Glasfaser

53

Ansteuersignale

Claims

1. Einrichtung zur digitalen Phasen- und/oder Amplitudenmodu lation einer Lichtwelle unter Verwendung eines optischen Wel lenleiters, in welchem die zu modulierende Lichtwelle geführt ist und der einen von einer Steuergröße gesteuerten Mechanis mus zum gezielten Einstellen des Modulationszustandes der Lichtwelle enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellen leiter (8; 19; 40) zwischen einer zuführungsseitigen Verzwei gung (13; 29; 47) und einer ausgangsseitigen Vereinigung (15; 36; 51) in zwei oder mehr parallele monomodige Zweige (10, 11; 23 bis 26; 42 bis 45) aufgeteilt ist, daß die Zweige den verschiedenen vorgesehenen Modulationszuständen angepaßte und zugeordnete unterschiedliche Übertragungseigenschaften in Phase und/oder Amplitude aufweisen und daß im Bereich der zu führungsseitigen Verzweigung als Mechanismus zum gezielten Einstellen des Modulationszustandes der Lichtwelle eine durch die Steuergröße gesteuerte optische Wellenleiter-Schalterein richtung (12; 30, 31, 32; 46) vorgesehen ist, mit welcher je weils derjenige Zweig zur Durchschaltung auswählbar ist, der die dem jeweils gewünschten Modulationszustand zugeordneten Übertragungseigenschaften in Phase und/oder Amplitude auf weist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wellenleiter-Schaltereinrichtung (12; 30, 31, 32; 46) zur Auswahl des jeweiligen Zweiges (10, 11; 23 bis 26; 42 bis 45) elektrisch oder optisch ansteuerbare integriert-optische Schalter, also z. B. sogenannte "Photonic Switches" oder "Optical Switches", vorgesehen sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Zweige (10, 11; 23 bis 26; 42 bis 45) zur Einstellung verschiedener digitaler Phasenmodulationszustände unterschiedliche optische Laufzeiten aufweisen.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitunterschiede in den verschiedenen Zweigen (10, 11; 23 bis 26; 42 bis 45) in ganzzahligen Teilen der Wellen länge (λ) des hindurchgeführten Lichts abgestimmt sind, so daß dann Phasenmodulationssprünge von λ/2, λ/4,
oder der gleichen möglich sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, daß die optischen Laufzeitunterschiede in den verschie denen Zweigen (10, 11; 23 bis 26; 42 bis 45) durch eine Weglängenunterschiede ergebende asymmetrische Struktur der Zweige hergestellt sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, daß die optischen Laufzeitunterschiede in den verschie denen Zweigen (10, 11; 23 bis 26; 42 bis 45) durch unter schiedliche Dotierungen der Zweige beim Herstellungsprozeß abgestimmt sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, daß herstellungsmäßig eine Vielzahl von jeweils unter schiedliche Laufzeit aufweisenden Pfaden vorgesehen ist und daß aus diesen Pfaden diejenigen als zu verwendende Zweige (10, 11; 23 bis 26; 42 bis 45) ausgewählt sind, die passende Laufzeiten aufweisen, und die restlichen Pfade blindgeschal tet sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß zum Feinabgleich (Bias) der Laufzeitunterschiede in den verschiedenen Zweigen (10, 11; 23 bis 26; 42 bis 45) an den Zweigen zur Ausnutzung des elektro-optischen Effektes zusätzliche Elektroden vorgesehen sind, welche wäh rend des Betriebs von außen mit Spannung versorgt werden.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Durchführung der BPSK(Binary Phase Shift Keying)-Modulation zwei parallele Zweige (10, 11) vor gesehen sind, deren Weglängen sich um eine halbe Wellenlänge (λ/2) oder um ein ungeradzahliges Vielfaches
davon unterscheiden, und daß die im Bereich der zuführungs seitigen Verzweigung (13) angeordnete optische Wellenleiter- Schaltereinrichtung (12) je nach gewünschtem Phasenmodula tionszustand einen der beiden an der ausgangsseitigen Verei nigung (15) wieder zusammenlaufenden Zweige durchschaltet.

10. Einrichtung nach einem Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Durchführung der QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)-Modulation n (mit n = 1, 2, 3 . . .) parallele Zweige (23, 24, 25, 26; 42, 43, 44, 45) vorgesehen sind, deren Weglängen sich jeweils um eine viertel Wellenlänge (λ/4) un terscheiden, und daß die im Bereich der zuführungsseitigen Verzweigung (29; 47) angeordnete optische Wellenleiter- Schaltereinrichtung (30, 31, 32; 47) je nach gewünschtem Pha senmodulationszustand einen der n an der ausgangsseitigen Vereinigung (36; 51) wieder zusammenlaufenden Zweige durch schaltet.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter-Schaltereinrichtung aus (n - 1) 1 × 2- Umschaltern (30, 31, 32) besteht, von denen einer (30) mit seinem Eingang an der Wellenleiter-Zuführung angeschlossen ist und die parallel nachfolgenden (n - 2) anderen (31, 32) mit ihren Ausgängen an die n parallel verlaufenden Zweige (23, 24, 25, 26) angeschlossen sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter-Schaltereinrichtung aus einem (n - 1)-fach- Schalter (46) besteht, der mit seinem Eingang an die Wellen leiter-Zuführung angeschlossen ist und dessen (n - 1) Ausgänge an die (n - 1) parallel verlaufenden Zweige (42, 43, 44, 45) angeschlossen sind.

13. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Zweige zur Einstellung verschiedener digitaler Amplitudenmodulationszustände unterschiedliche optische Dämp fungen oder Verstärkungen aufweisen.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Kombination mit einem der Ansprüche 3 bis 12 zur Realisierung eines Modulators für Modulationsverfahren mit gleichzeitiger digitaler Phasen- und Amplitudenmodulation, beispielsweise QAM (Quadrature Amplitude Modulation).

15. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß als Aufbaumaterial für die Wellen leiter- und Schalter-Struktur ein für integrierte Optik übli ches Material wie beispielsweise Lithium-Niobat verwendet wird.

16. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß dem Wellenleiter nach der Vereini gung ein optischer Verstärker, z. B. ein sogenannter EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier), nachgeschaltet ist.

17. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet durch eine Verwendung als Modulator in einem ko härent-optischen Daten- und Nachrichtenübertragungssystem.