DE2238336C3

DE2238336C3 - Optischer Impulsmodulator

Info

Publication number: DE2238336C3
Application number: DE2238336A
Authority: DE
Inventors: Tien Pei Middletown N.J. Lee
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1971-08-09
Filing date: 1972-08-04
Publication date: 1981-08-27
Also published as: DE2238336A1; FR2148538B1; DE2238336B2; JPS4835847A; US3724926A; JPS578448B2; FR2148538A1; GB1374870A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Impulsmodulator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei bekannten pulscodemodulierten Nachrichtensystemen, welche als Informationsträger Lichtwellen verwenden, sind zur Signalverarbeitung an den Endanschlüssen und an Zwischenverstärkerpunkten längs des Übertragungsweges optische Impulsmodulatoren vorgesehen, welche jedoch mit einer unzureichenden Geschwindigkeit arbeiten und daher die Gesamtlaufzeit der Information innerhalb des Nachrichtensystems unnötig verlängern.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, bei einem optischen Impulsmodulator der eingangs genannten Art die Arbeitsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des optischen Impulsmodulators nach Anspruch 1 ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäß aufgebauten Modulator; und

Fig. 2 bis 5 erläuternde Darstellungen von Signalen, die an den in Fi g. 1 gezeigten Modulator angelegt bzw. von ihm abgeleitet werden.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist

ein optischer Hochgeschwindigkeits-PCM-Moduiator ein Paar von pn-Flächendioden auf, weiche mit

Antireflexionsbelägen zur Verhinderung stimulierter

s Emission versehen sein können. Eine der Dioden dient als Verstärker. Die zweite Diode, welche unmittelbar neben der ersten Diode angeordnet ist dient als sättigbarer Absorber.

Im Betrieb werden optische Impulse synchron mit

ίο einem binär verschlüsselten Informationssignal in die Verstärkerdiode eingekoppelt Das binär verschlüsselte Informationssignal bildet Vorspannungsimpulse, weiche die Verstärkung des Verstärkers von 1 bei dem einen Binärzustand, (d. h. »0«) auf einen viel größeren Wert

is für den anderen Binärzustand (d.h. »1«) erhöhen. Die optischen Impulse werden sodann zur zweiten Diode gekoppelt welche die verstärkten Impulse mit relativ geringer Dämpfung, jedoch die kleineren, unverstärkten Impulse mit höherer Dämpfung überträgt wodurch das Leistungsverhältnis zwischen die beiden Binärzustände darstellenden optischen Impulsen vergrößert wird. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ergaben sich Bitfrequenzen in der Größenordnung von 500 MHz und höher.

In F i g. 1 ist ein optisches System mit einer optischen Signalquelle 13, einem Binärverschlüssler 14 und einem Modulator 10 dargestellt Letzterer weist einen optischen Signalverstärker U mit einer zwischen zwei Weiten umschaltbaren Verstärkung und einem sättigba-

jo ren optischen Signalabsorber 12 auf, dessen Dämpfung gegenüber optischer Wellenenergie von der an ihn angelegten optischen Leistung umgekehrt abhängig ist Insbesondere weist der Modulator 2 pn-Flächendioden und eine Einrichtung zum getrennten Vorspannen jeder

3s dieser Dioden auf. Die Art des getrennten Vorspannen wird nachfolgend noch genauer erläutert werden.

Kurz gesagt ist eine in Vorwärtsrichtung betriebene Flächendiode in der Lage, Strahlungsenergie zu emittieren; wenn sie in einem geeigneten Resonator liegt finden Schwingungen statt Ohne einen Resonator oder durch Steuerung der Stärke der angelegten Vorspannung entsteht anstelle eines Oszillators ein Verstärker. Bevorzugt sind die Enden der zum Verstärker U und zum sättigbaren Absorber 12 gehörigen Diodenstrukturen mit Antireflexionsbelägen versehen, um der Möglichkeit der Entstehung von Oszillationen bzw. Schwingungen vorzubeugen. In jeder anderen Hinsicht können die Dioden beliebige Diodenlaserstrukturen der in der US-PS 33 63 195 beschriebe- nen Art sein. Insbesondere weist der Verstärker ein Halbleitermaterial auf, dessen massiver Körper 15 von einem Leitungstyp η ist, wobei eine dünne Oberflächenschicht 16 des entgegengesetzten Leitungstyps ρ zur Bildung eines pn-Übergangs 17 auf dem massiven Körper 15 angeordnet ist. Der Absorber 12, der bevorzugt aus demselben Halbleitermaterial wie der Verstärker besteht weist in ähnlicher Weise einen η-leitenden Teil auf, der zweckmäßigerweise als Verlängerung des η-leitenden massiven Körpers 15 des

bo Verstärkers 11 ausgebildet ist und durch eine dünne Oberflächenschicht 18 aus p-leitendem Material zur Bildung eines pn-Übergangs 19 belegt ist.

Der Strom für die Vorspannung wird mit Hilfe von dünnen, langgestreckten metallischen Elektroden 20

b5 bzw. 21, die auf den p-leitenden Schichten 16 bzw. 18 angeordnet sind, und eine Metallelektrode 22 auf der Unterseite des gemeinsamen η-leitenden massiven Teils 15 in die Dioden injiziert.

Die Verwendung von langgestreckten Elektroden 20 und 21 begrenzt die »aktive« Obergangszone wirksam auf den Zwischenbereich der Elektrode. Um die vom Verstärker 11 emittierte Strahlungsenergie in der wirksamsten Weise in die aktive Zone des Absorbers 12 einzukuppeln, sind die Längsabmessungen der Elektroden 20 und 21 koaxial ausgerichtet und die pn-Übergänge 17 und 19 so angeordnet, dad sie in einer gemeinsamen Ebene liegen. Dies wird zweckmäßigerweise mit Hilfe der in F i g. 1 gezeigten monolithischen Struktur erreicht

Die optische Signalquelle 13 erzeugt einen fortlaufenden Zug bzw. eine fortlaufende Folge optischer Impulse. Diese können von einem Einzelinjektionslaser, der aus demselben Material wie der Modulator 10 hergestellt ist, in der von T. P. Lee und J. R. Roldan in einem Artikel mit dem Titel »Subnanosecond Light Pulses From GaAs Injection Lasers«, November 1969 in I.E.E.E. Journal of Quantum Electronics, Seiten 551, 552 beschriebenen Weise erzeugt werden oder mit Hilfe eine;; Doppelabschnitt-Injektionslasers, wie er von Lee und Roldan in einem Artikel mit der Bezeichnung »Repetitively Q-Switching Light Pulses From GaAs Injection Lasers With Tandem Double-Section Stripe Geometry«, Juni 1970, Seiten 339—352 in der vorgenannten Zeitschrift beschrieben wurde.

Ein Zeitgabesignal, das ebenfalls von der Signalquelle 13 erzeugt wird, wird an den Binärverschlüssler angelegt, um die Informationsimpulse mit den optischen Impulsen zu synchronisieren. In alternativer Ausführung kann eine getrennte Zeitgeberquelle verwendet werden, wobei ein erstes Zeitgabe- bzw. Taktsignal an die optische Quelle 13 zur Entwicklung eines optischen Impulszuges angelegt wird, dessen Folgefrequenz mit der Zeitgabequelle synchronisiert ist Gleichzeitig wird ein zweites Signal aus der Zeitgabequelle zum Synchronisieren des Binärverschlüsslers verwendet.

Der Verschlüssler 14 nimmt ein Informationssignal auf und setzt es in ein binär verschlüsseltes Signal um, das sodann zur Vorspannung der Elektroden 20 bis 22 des Verstärkers 11 angekoppelt wird. Außerdem wird eine Gleichstrom-Vorspannungsquelle 23 mit den Elektroden 20 bis 22 verbunden. Eine zweite Gleichstrom-Vorspannungsquelle 24 wird gegebenenfalls mit den Vorspannungselektroden 21 bis 22 des sättigbaren Absorbers 12 verbunden.

Während des Betriebes werden die aus der Quelle 13 abgeleiteten optischen Impulse in die aktive Übergangszone des Verstärkers 11 gerichtet. Gleichzeitig wird das binär verschlüsselte Informationssignal über einen Kopplungskondensator 30 an den Verstärker zum Vorspannen der Elektroden 20 bis 22 angelegt. Die optischen Impulse sind durch den Impulszug gemäß Fig.2 und das Informationssignal durch die Impulse gemäß F i g. 3 dargestellt. Zu Erläuterungszwecken ist eine Reihe von Pausenschritten und Impulsen dargestellt, welche ein Acht-Bit-Binärwort 00011010 bilden.

Der Verstärker wird von einer Quelle 23 in Vorwärtsrichtung derart vorgespannt, daß er ohne eine zusätzliche Vorspannung vom Informationssignal angenähert eine Verstärkung von eins entwickelt. Diese Maßnahme wird in erster Linie zum Minimalisieren der Verstärkerlaufzeit bzw. -verzögerung getroffen. Bekanntlich ist für den Aufbau der für die Verstärkung notwendigen Besetzungsumkehr eine begrenzte Zeit notwendig. Diese Zeitverzögerung wird im vorliegenden Fall durch »Vorspannen« des Verstärkers auf angenähert die Verstärkung I minimalisiert. Im Ergebnis ist die Amplitude der optischen Impulse am Ausgangsende des Verstärkers 11 bei Fehlen eines Informationssignalimpulses im wesentlichen gleich der Amplitude der Eingangsimpulse. In der Darstellung gemäß Fig.3 entspricht dies der Bedingung, die während der Zeitschlitze 1, 2, 3, 6 und 8 besteht. Demgemäß umfaßt die Verstärker-Ausgangsimpulsfolge, die durch den Impulszug gemäß F i g. 4 dargestellt ist, während der oben angegebenen Zeitschlitze

ίο optische Impulse mit im wesentlichen der gleichen Amplitude wie die Eingangsimpulsfolge. Während der Zeitschlitze 4, 5 und 7 vergrößern dagegen die Informationssignalimpulse die Vorspannung in Vorwärts- bzw. Durchlaßrichtung im Verstärker und damit

i) dessen Verstärkung. Die optischen Ausgangsimpulse während der Zeitschlitze 4,5 und 7 sind daher, wie aus dem Impulszug gemäß F i g. 4 hervorgeht, viel größer.

Nach der Modulation der Folge optischer Impulse entsprechend der binär verschlüsselten Information wird das optische Signal durch den sättigbaren Absorber geschickt, der das Leistungsverhältnis zwischen den die beiden Binärzustände darstellenden optischen Impulsen vergrößert Der sättigbare bzw. steuerbare Absorber 12 ist entweder ohne Vorspannung oder in Sperrichtung vorgespannt, so daß die optischen Impulse kleinerer Amplitude, welche die Zeitschlitze 1, 2,3,6 und 8 belegen, in hohem Maße bedämpft werden. Die Impulse großer Amplitude sind dagegen ausreichend groß, um den sättigbaren Absorber über den

μ Sättigungsbereich hinaus zu treiben, wodurch die durch den Absorber hervorgerufene Dämpfung erheblich verringert wird. Dadurch erfahren die Impulse in den Zeitschlitzen 4, 5 und 7 eine im Vergleich zu der Dämpfung der Impulse in den anderen Zeitschlitzen

J5 relativ geringe Dämpfung und es ergibt sich die in F i g. 5 dargestellte Impulsfolge. Es ist zu sehen, daß die den Zwischenzeiten des Informationssignals entsprechenden optischen Impulse weit stärker als den Tastzeiten entsprechenden Impulse des Informationssignals gedämpft werden, so daß das Leistungsverhältnis, welches das Verhältnis der Intensität der optischen Impulse für die beiden Binärzustände ist auf diese Weise vergrößert wird.
Eine weitere Verbesserung des Leistungsverhältnisses kann durch gleichzeitiges Ankoppeln des Informationssignals an die Vorspannungselektroden des sättigbaren Absorbers erreicht werden. Diese mögliche Anordnung ist in F i g. 1 durch die gestrichelte Verbindungslinie 31 angedeutet Wenn diese Anordnung gewählt wird, wird die Vorspannung in Sperrichtung des sättigbaren Absorbers stets dann verringert, wenn der Verstärker in seinem Zustand hoher Verstärkung betrieben wird. Dies hat den Effekt, daß die Dämpfung des sättigbaren Absorbers in seinem Zustand geringer Dämpfung weiter verringert wird, wodurch die Amplitude der optischen Impulse in den Zeitschlitzen 4, 5 und 7 vergrößert wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Q-geschalteter GaAs-Laser als optische Signalquelle

fco verwendet. Eine derartige Quelle kann eine fortlaufende Folge von Impulsen bei einer Irnpulsvollfrequenz von 500 MHz, in einer Impulsbreite von 100 Picosekunden und einer Spitzenimpulsleistung von 100 mW erzeugen.

Die nachfolgend angegebene Tabelle I umfaßt drei

b5 Fläci.endiodentypen, welche als Verstärker verwendet werden können. Ferner sind die zur Erzeugung der Verstärkung 1 und der Verstärkung iOdb. welche die beiden Signalzuslände definieren, für Dioden mit

aktiven Übergangszonen in der Größenordnung von 5 χ 10-⁵Cm²angegeben.

Tabelle I Verstärker

Diffundierter Übergang GaAs

Einzel-Hctcro-Übergang Ga₁AI, ~, As

Doppel-Helero- Übcrgang Ga_vAI,_,As

Strom für Verstärkung Strom für 10 db-Verstärkung

5 A

«7,5

0,5A =0,7

0,05 A = 0,12

Tabelle Il beschreibt drei sättigbare Absorber mit denselben drei Flächendiodentypen, wobei die angegebenen Absorberlängen unter der Annahme geschätzt sind, daß die Eingangsimpulse am Verstärker eine Spitzenleistung von 100 mW haben und wobei die Verstärkungen des Verstärkers für die beiden Binärzustände 1 und 10 db betragen.

Tabelle II Sättigbarer Absorber

Diffun	Einzel-	Doppel-
dierter	Hetero-	Hetero-
Übergang	Ubcrgang	Ubergang
GaAs	Ga^AI,-.. As	Ga₁AI,-,As

Maximaler Absorptionskoeffizient a pro cm

100

50

10 Diffundierter
Übergang
GaAs

t:in/cl-Ilctcro-Übcrgang Ga_xAI, ,As

Doppclllclcro-Übcrgiing Ga,Ali ,As

Absorberlänge

Minimal-

leistung

Ausgang

Maximal-

leistung

Ausgang

0,04 cm 0,08 cm 0,4 cm 0,018 W 0,018 W 0,018 W

0,600 W 0,600 W 0,600 W

Zu Erläuterungszwecken wird ein Modulator mit einem Verstärker mit diffundiertem Obergang und einem sättigbaren Absorber mit diffundiertem Über gang betrachtet Bei einem Binärzustand des Informa tionssignals werden 5 A des Stroms in Vorwärtsrichtung an den Verstärker angelegt, der daraufhin die einfallenden optischen Impulse mit der Verstärkung 1 durchläßt Die 0,1 W optischen Impulse werden dann bis auf 0,018 W vom sättigbaren Absorber gedämpft

Für den anderen Binärzustand wird der Verstärkerstrom vergrößert, um eine Verstärkung von 10 db zu erzielen. Das an den sättigbaren Absorber angelegte Signal ist dann 1 Watt, wodurch sich ein Ausgangssignal

jo von 0,600 W ergibt Das Verhältnis der Ausgangsleistungen für die beiden Signalzustände, d. h. das sogenannte Löschverhältnis der Modulation beträgt dann 0,600/ 0,018 oder etwa 25 db.

Alternativ können andere Arten von sättigbaren

J5 Absorbern verwendet werden, wenn sie auf die in Betracht stehende Frequenz ansprechen und bei einer optischen Leistung zwischen den beiden angegebenen Binärzuständen in den Sättigungszustand fibergehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Impulsmodulator zum binären Modulieren eines von einer optischen Signalquelle gelieferten optischen Signalimpulszuges entsprechend der aus einem BinärverschlOssler abgeleiteten Information, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator einen optischen Wellenverstärker (11) mit einer pn-Flächendiode, dessen Verstärkung durch die angekoppelten elektrischen Ausgangssignale des Binärverschlüsslers selektiv für bestimmte optische Impulse zwischen zwei verschiedenen Werten umschaltbar ist, und einen mit der Diode in Kaskade geschalteten, sättigbaren optischen Absorber (12) aufweist, dessen Dämpfung optischer Wellenenergie bei hoher Amplitude dieser Wellenergie abnimmt

2. Optischer Impulsmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker außer an den Binärverschlüssler (14) auch an eine Vorspannungsquelle (23), welche ihn für optische Impulse auf eine erste Verstärkung einstellt, ankoppelbar ist

3. Optischer Impulsmodulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der sättigbare Absorber eine zweite pn-Flächendiode ist

4. Optischer Impulsmodulator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß der sättigbare Absorber an eine entsprechend dem Informationssignal modulierte Vorspannung angekoppelt ist

5. Optischer Impulsmodulator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die erste pn-Flächendiode (15, 16, 17) und/oder die zweite pn-Flächendiode (15, 18, 19) mit Antireflexionsbelägen zur Verhinderung stimulierter Emission versehen sind/ist