DE2539075A1

DE2539075A1 - Optischer digital-analog-wandler

Info

Publication number: DE2539075A1
Application number: DE19752539075
Authority: DE
Inventors: Samuel Chin-Chong Tseng
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-12-31
Filing date: 1975-09-03
Publication date: 1976-07-08
Also published as: JPS5180150A; USB537722I5; GB1475468A; DE2543484A1; FR2296866A1; US3985423A; FR2296866B1

Description

Böblingen, den 15. August 1975 pr/bs

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 974 006

Optischer Digital-Analog-Wandler

Die Erfindung betrifft einen optischen Digital-Analog-Wandler zur Umwandlung eines verschlüsselten, aus unterschiedlich gewichteten Elementen bestehenden Digitalsignals in ein Analogsignal .

Auf vielen Gebieten der Technik, insbesondere auf den Gebieten der Prozeßüberwachung und Prozeßsteuerung werden Digital-Analog-Wandler und Analog-Digital-Wandler benötigt. Diese im allgemeinen als elektronische Vorrichtungen ausgebildeten Wandler dienen beispielsweise als Verbindung zwischen analoganzeigenden Meßgeräten und digital arbeitenden Computern oder zwischen digital arbeitenden Computern und durch Analogsignale betätigten Steuervorrichtungen. Auch bei Obergängen zwischen Analog- und Digitalrechnern sind derartige Wandler erforderlich. Mit der ständig steigenden Bedeutung optischer Verfahren bei der Datenverarbeitung und -übertragung werden im immer größeren Umfang auch Vorrichtungen erforderlich, die in optischer Form vorliegende Digitalinformationen in !^optische Form vorliegende Analoginformationen und umgekehrt umwandeln. Diese Aufgabe wurde bisher im allgemeinen dadurch gelöst, daß die in optischer Form vorliegenden Digitalinformationen zunächst mittels optisch-elektrischer

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Wandler in elektrische Digitalinformationen umgewandelt wurden, die nach Umwandlung in elektrische Analoginformationen wieder in optische Analogfunktionen umgewandelt wurden.

In der Literaturstelle "Applied Physics Letters" Vol. 21, Nr. 8, Seite 394 (1972) und "Applied Physics Letters, Vol. 24, Nr. 6, Seite 265 werden in Aufsätzen von Tien et al und von Tseng et al Verfahren zur optischen Modemumwandlung durch periodisch auftretende magnetische Felder beschrieben. In beiden Aufsätzen werden Experimente zur Verbesserung der Umwandlung von Licht in Form von TE-Modem in Licht in Form von TM-Modem durch Anwendung pereridodischer magnetischer Felder auf einen magnetooptischen Dünnschichtwellenleiter beschrieben. Gemäß dem ersten Artikel werden die elektrischen Felder durch einen meanderförmig die Lichtleiter durchsetzenden elektrischen Leiter erzeugt, während gemäß dem zweiten Aufsatz die magnetischen Felder durch entlang der Wellenleiter mit geeigneten Abständen angeordnete inselförmige Bereiche aus !magnetischem Material erzeugt werden. Die beiden obengenannten Aufsätze gehen im wesentlichen von der Aufgabestellung aus, Licht zu modulieren, d.h., die Anwesenheit oder die Abwesenheit sowie die Intensität von Licht zu steuern.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen optischen Digitalnalog-Wandler anzugeben, der unter Ausnutzung der in den oben 'genannten beiden Aufsätzen beschriebenen physikalischen Gesetz-

mäßigkeiten eine unmittelbare Umwandlung von in optischer Form vorliegenden Digitalsignalen in in optischer Form vorliegende {Analogsignale ermöglicht. Diese Aufgabe wird gemäß der im An-Ispruch 1 angegebenen Erfindung gelöst.

pie erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich gegenüber dem vorbekannten Stand der Technik nicht nur durch größte Einfachheit und geringstem Raumbedarf sondern auch dadurch aus, daß die Umwandlung mit Lichtgeschwindigkeit erfolgt.

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Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Flg. 1 die schematische Ansicht der Draufsicht eines

Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht durch das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel in Richtung einer Linie 2-2;

Fign. 3 und 4 schematische Darstellungen der Draufsichten von

zwei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung.

Die in den oben genannten beiden Aufsätzen diskutierte Modenumwandlung in magnetooptischen Dünnschichtwellenleitern ist wegen der unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten der TE und TM Moden auf wenige Prozent beschränkt. In den oben genannten Aufsätzen wird angegeben, wie dieser Nachteil durch Anwendung eines in Fortpflanzungsrichtung sich periodisch ändernden magnetischen Feldes vermieden werden kann.

In einem magnetooptischen Wellenleiter, in dem die Magnetisierungsrichtung entweder in Fortpflanzungsrichtung des übertragenen Lichtes oder senkrecht sowohl zur Schicht als auch zum Lichtstrahl liegt, und wenn β und β die Fortpflanzungskonstanten des TM bzw. des TE Mode sind gilt die Beziehung

Die Eingabe und die Ausgabe des Wellenleiters wird bestimmt durch

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die Beziehungen

E™(£) -1 cos χ - sin χ Ε™(0)

E™(Ä) sin χ i cos χ E™(0)

2k

wobei k die Kopplungsstärke ist, deren Vorzeichen von der Magnetisierungsrichtung abhängt.

Besteht die Eingabe ausschließlich aiis einem TM-Mode, nämlich

E™(0) ,

Ausgang

E (O) ? Of E (0) = 0_f so ist der umgewandelte TE-Mode am

E^TE(A) - E™(0) sin x.

Wird die Magnetisierungsrichtung umgekehrt, so ändert sin χ im Matrixoperator das Zeichen.

Pflanzt sich der Lichtstrahl durch zwei Abschnitte fort _f von denen jeder die Länge Jt aufweist, und sind die Magnetisierungsrichtungen in den beiden Abschnitten in bezug aufeinander gegenläufig, so besteht zwischen der Eingabe und der Ausgabe folgende Beziehung

TM + ·« TM

E^xra(£, I) -icosx -sin χ - i cos χ sin χ E^1M(0)

TE "Ι" ·"■ TE

E (A , % ) sin χ i cos χ -sin χ i cos χ E (0) -i Cos 2x -i sin 2x E™(0)

-i sin 2x -cos 2x E^X£l(0)

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Besteht die Eingabe, wie angenommen, ausschließlich aus einem TM-Mode, so ist der am Ausgang auftretende umgewandelte TE-Mode:

E^TEa⁺, ä") - -i E™(O) sin 2x

Die Amplitude des am Ausgang auftretenden TE-Mode wird demnach nach Durchlaufen zweier der Abschnitte mit der Länge A doppelt so groß wie nach Durchlaufen eines Abschnittes sein.

Durchläuft das Licht weitere Abschnitte der Länge I mit abwechselnd gegenläufig verlaufenden Feldern, so wird die Intensität des TE-Mode in jeder der aufeinanderfolgenden Stufen verdoppelt.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird einer Vielzahl von parallel angeordneten Kanälen selektiv Licht in Übereinstimmung mit der Darstellungweise von binären Zählen zugeführt. Jeder Kanal hat die doppelte Anzahl von Moden-Konvertern wie der vorhergehende Kanal. Bei Eingabe einer bestimmten Lichtintensität in jeden einzelnen Kanal erfolgt in diesem eine Moden-Umwandlung im Verhältnis 1, 2, 4, 8 usw.

In zwei anderen Ausführungsbeispielen werden die periodischen magnetischen Felder mit Hilfe unterschiedlicher Vorrichtungen erzeugt. In einem Ausführungsbeispiel sind inseiförmige Bereiche aus Permalloy vorgesehen, während im zweiten Ausführungsbeispiel die elektrischen Felder durch einen meanderförmigen elektrischen Leiter erzeugt, bei dem die Anzahl der Kreuzungspunkte mit den einzelnen Kanälen der Folge der Binärzahlen entspricht. In einem anderen Ausführungsbeispiel erfolgt die digitale Eingabe in Form von elektrischen Signalen, die die einzelnen durch die meanderförmig verlaufenden elektrischen Leiter gebildeten Windungen zur Verwirklichung der gewünschten Moden-Multikplikation selektiv erregen. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Moden- j Wandler hintereinander in einem einzigen Kanal angeordnet, so daß j

die Summation der einzelnen Stellen der Binärzahl in einem einzigen Kanal erfolgt.

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Das in den Fign. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel besteht aus einem Plättchen, das seinerseits aus einem Substrat 12 und einem Dünnschichtwellenleiter 14 besteht. Das Substrat 12 besteht aus einem nichtmagnetischen Granat, beispielsweise aus einem GGG-Material (Gd₃Ga₅O₁₂) mit einer Brechzahl von 2,197. Der Dünnschicht wellenleiter 14 wird epitaxial aus der flüssigen Phase auf ein chemisch poliertes Substrat aufgewachsen. Die Dünnschicht hat die Zusammensetzung (Gd_{Q 5}Y_{2 5}) (Fe₄Ga₁)O₁₂, eine Dicke von 6 bis 8 um, eine Brechzahl von 2,1 und eine in der Schichtebene und parallel zur Fortpflanzungsrichtung des Lichtes orientierte Magnetisierung.

Das Licht wird in die Dünnschicht mit Hilfe von einzelnen Lichtleitungen 16, 18, 20 und 22 sowie von Kopplungsgittern 26, 28, 30 und 32 eingegeben. Die Gitter sind in die Oberfläche der Dünnschicht 14 eingearbeitet, ihre Gitterkonstante beträgt 1,2 um.

Mit Hilfe von Gittern 36, 38, 40 und 42 und Lichtleitern 46, 48, 50 und 52 wird die Strahlung aus dem Kanälen 56, 58, 60 und 62 des Dünnsohicshtwellenleiters ausgekuppelt. Kanal 1 wird durch die ■Gitter 26 und 36, Kanal 2 durch die Gitter 28 und 38 usw. eingeschlossen.

jDie eine Wellenlänge von 1,15 um aufweisende Aus gangs strahlung eines He-Ne Lasers wird steuerbar selektiv den Lichtleitern 16, 18, 20 und 22 zugeführt. Die entsprechenden Werte sind 2°, 2 , I2² bzw. 2³. Mit Hilfe dieser drei Größen können 2⁴ oder 16 Kombinationen eingegeben werden, beginnend mit der Abwesenheit von Licht in allen vier Eingängen (OOOO) bis zum Verhandensein von Licht in allen vier Eingängen (1111). Den Koppelgittern wird nur der TM-Mode des Lasers zugeführt.

Bei Abwesenheit von Richtungsänderungen des Feldes im Verlauf der Kanäle ist im wesentlichen das gesamte am Ausgang eines Kanals jankommende Licht im TM-Mode, während nur ein sehr geringer Bruchjteil im TE-Mpde ist. Zur Sicherstellung einer Umwandlung gemäß den

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Zweierpotenzen wird der Dünnschichtwellenleiter einem Magnetfeld mit periodisch wechselnder Richtung ausgesetzt. Das erfolgt gemäß der Erfindung durch eine Vielzahl von im Bereich der einzelnen Kanäle angeordneter inseiförmiger magnetischer Bereiche.

Das in Fig. 2 dargestellte Saphirplättchen 64 wurde mit einer Permalloy-Schicht von etwa 3500 Ä Dicke durch Aufsprühen versehen. Diese Schicht wurde auf photolithographischem Wege zur Erzeugung einer Reihe von permanentmagnetischen inselförmigen Bereichen 68-1, 68-2, 68-3, 68-4 .... geätzt. Jede dieser inselförmigen Bereiche weist eine Länge von 4'8/u.*** in Richtung der Fortpflanzung des Lichts und von 36/*·** senkrecht dazu auf. Die Periodizität der inselförmigen Bereiche beträgt "&& jb«**' <j_er Abstand zwischen ihnen -//^A-*** · Die magnetischen Pole jedes inselförmigen Bereiches sind parallel zu den Kanälen ausgerichtet, DasjSaphirplättchen 64 mit den darauf befindlichen magnetischen inselförmigen Bereichen aus Permalloy wird mit geringem Druck an den Eisengranat-Dünnschichtwellenleiter befestigt, wobei die einzelnen Magnete den Wellenleiter berühren. Es ist aber auch möglich, die einzelnen PermalloyinseIn unmittelbar auf den Dünnschichtwellenleiter aufzubringen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die inselförmigen Bereiche 61-1 und 66-2 im 2 -Kanal, die inselförmigen Bereiche 68-1, 68-2, 68-3 und 68-4 im 2¹-Kanal, die inselförmigen Bereiche 70-1 bis 70-8 im 2 -Kanal und die inselförmigen Bereiche 72-1 bis 72-16

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im 2 -Kanal angeordnet.

Im 2 -Kanal ist der am Ausgang auftretende TE-Mode um 1 inkrementiert. In jedem der nachfolgenden Kanäle erfolgt eine Inkrementierung von 2, 4 bzw. 8des in die einzelnen Kanäle eingegebenen Lichtes. Die Auegabegitter 36, 38, 40 und 42 sammeln das Licht in den einzelnen Kanälen und Übertragen es in die optischen Faserlichtleiter 46, 48, 50 bzw. 52. Eine an der Ausgangsseite dieser Lichtleiter angeordnete Linse 74 sammelt und summiert die an den Ausgängen der Lichtleiter auftretenden Lichtintensitäten und richtet sie auf eine Auswertvorrichtung 76.

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Der am Ausgang des 2 -Kanals 56 auftretende TE-Mode wird definiert durch:

(1) E₁^ = E^(O) sin 2x - E™(0) (2x) <* χ

1
Der am Ausgang des 2 -Kanals 58 auftretende TE-Mode wird definiert durch:

(2) B₂^ = E™(0) sin 4x = E™(0) (4x) « 2x.

3 4
Die ai den Ausgängen der 2 und 2 -Kanäle 60 und 62 auftretenden TE-Moden werden definiert durch:

(3) B₃^ β E™(0) sin 8x = E™(0) (8x) « 4x

(4) E₄ ^TE = E™(0) sin 16x = E™(0)(16x)<* 8x.

Dabei treten am Ausgang der Wellenleiterkanäle sowohl TM und TE-Moden auf f von denen jedoch nur die TE-Moden ausgekoppelt werden.

&xti Analysator, oder einer, in der Nähe der Auskoppelvorrichtung angeordnete;ν leitende.» Schicht läßt nur den TM-Mode durch und unterdrückt den TM-Mode. Somit treten an den entsprechenden Ausgängen der Kanäle TE entsprechend den Faktoren 1x, 2x, 4x bzw. Sx. Nach Auf summierung ergibt ein Inkremente von χ enthaltendes Analogsignal im Wert von 0 bis 15 x.

Bei dem in Fig, 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein an sich bekannter meanderförmiger verlaufender und den Dünnschichtwellenleiter 14 berührender Leiter 102 vorgesehen. Die Lichteingabe erfolgt in der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Weise Durch die stufenförmige Anordnung des Leiters entfallen auf den 2 -Kanal 156 zwei Windungen, auf den 2 -Kanal 158 vier Windungen,

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auf den 2 -Kanal 160 acht Windungen und auf den 2 -Kanal 162 sechzehn Windungen. Durch einen in diesem Leiter fließenden Strom werden die erforderlichen magnetischen Felder erzeugt. Da bei der

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_ Q —

dargestellten Anordnung des Leiters 102 die Ströme in aufeinanderfolgenden Windungen in entgegengesetzten Richtungen fließen ändert sich auch die Richtung der erzeugten magnetischen Felder in der im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fign. 1 und 2 angegebenen Weise. Auf diese Weise wird ein in die einzelnen Kanäle eingegebener TM-Mode am Ausgang dieser Kanäle einen einfachen, einen zweifachen, einen vierfachen oder einen achtfachen TE-Mode bewirken. Bei Zusammenfassung dieser Ausgänge, in der in den Fign. 1 und 2 gezeigten Art, entsteht ein den digitalen Eingangswerten analoger Ausgangswert.

Das in Fig. 4 dargestellte Äusführungsbeispiel besteht aus dem gleichen Substrat, dem gleichen Dünnschichtwellenleiter und den gleichen Vorrichtungen zur Einkopplung und Auskopplung des Lichtes wie im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fign. 1, 2 und 3 angegeben. Anstelle mehrerer paralleler Kanäle ist ein einziger Kanal vorgesehen, der hintereinander mehrere Einzelwicklungen 216, 218, 220 und 222 durchsetzt. Die Wicklungen 216 besteht aus einem einzigen Leiter der den Kanal zweimal kreuzt. Die Wicklung 218 weist vier wirksame Windungen auf, während die Wicklung 220 acht und die Wicklung 222 16 wirksame Windungen aufweist. DLe Abstände zwischen den Windungen behalten die 36 um Periode der vorgehend beschriebenen Vorrichtungen aufrecht. Jede der Wicklungen 216, 218, 220 bzw. 222 wird mit Hilfe der gleichen Stromwerte erregt um gleiche magnetische Felder zu erzeugen. Auf diese Weise erzeugt eine Kombination von elektrischen EingangsSignalen am Ausgang des optischen Wellenleiters ein TE-Ausgangssignal, das der Summation der erregten digitalen Eingänge analog ist.

In allen vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Absolutwert der an den Ausgängen auftretenden TE-Werte ohne Bedeutung, so lange das Verhältnis dieser Werte zueinander beibehalten und ihre Größe gentigt, um eine einwandfreie Ermittlung oder sonstige Verwendung zn gestatten. Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle der magnetooptischen Dünnschichtwellenleiter elektrooptische Dünnschichtwellenleiter zu verwenden.

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Claims

- Patentansprüche

Optischer Digital-Analog-Wandler zur Umwandlung eines verschlüsselten, aus unterschiedlich gewichteten Elementen bestehenden Digitalsignals in ein Analogsignal, gekennzeichnet durch eine der Anzahl der Elemente des zu verarbeitenden Digitalcodes entsprechende Anzahl von magnetooptischen Dünnschichtwellenleiter-Abschnitten zur Umwandlung des in einem Mode zugeführten Lichts in einen anderen Mode, Vorrichtungen (66-1, 66-2...72-16; 102, 216, 218, 220 und 222) zur Erzeugung von Magnetfeldern, deren Vorzeichen sich periodisch in Fortpflanzungsrichtung des Lichtes in Abhängigkeit von den. den einzelnen Abschnitten zugeordneten Gewichten entsprechend oft ändert, derart, daß jede Vorzeichenänderung des magnetischen Feldes einen Teil des eingegebenen Modes in einen anderen Mode umwandelt,und durch eine Vorrichtung (74) zur Zusammenfassung der an den Ausgängen der einzelnen Wellenleiterabschnitte auftretenden Lichtintensitäten.

Optischer Digital-Analog-Wandler zur Umwandlung eines verschlüsselten, aus unterschiedlich gewichteten Elementen be- | stehenden Digitalsignals in ein Analogsignal, gekennzeichnet durch eine der Anzahl der Elemente des zu verarbeitenden Digitalcodes entsprechende Anzahl von elektrooptischen Dünnschichtwellenleiter-Abschnitten Χ4(# Umwandlung des in einem Mode zugeführten Lichts in einen anderen Mode, Vorrichtungen (66-1, 66-2... 72-16, 102, 216, 218, 220, 222) zur Erzeugung von elektrischen Feldern deren Vorzeichen sich periodisch in Fortpflanzungsrichtung des Lichtes in Abhängigkeit von den den einzelnen Abschnitten zugeordneten Gewichten entsprechend oft ändert, derart, daß jede Vorzeichenänderung des elektrischen Feldes einen Teil des eingegebenen Modes in einen anderen Mode umwandelt und durch eine Vorrichtung (74) zur Zusammenfassung der an den

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einzelnen Ausgängen der einzelnen Wellenleiterabschnitte auftretenden Lichtintensitäten.

3. Optischer Digital-Analog-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterabschnitte aus parallel zueinander angeordneten Kanälen (56, 58, 60, 62; 156, 158, 160, 162) bestehen.

4. Optischer Digital-Analog-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterabschnitte aus seriell hintereinander angeordneten Kanälen bestehen und daß die Wellenleiterabschnitte meanderförmig kreuzende elektrische Leiter (216, 218, 22O, 222) und Mittel zu ihrer selektiven Erregung vorgesehen sind, wobei jeder Wellenleiterabschnitt jeweils die N-fache Anzahl von Kreuzungspunkten mit den elektrischen Leitern wie der vorhergehende Wellenleiterabschnitt aufweist.

5. Optischer Digital-Analog-Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der einzelnen Elemente des Digitalcodes durch Vorhandensein oder durch NichtVorhandensein von Licht definiert werden.

6. Optischer Digital-Analog-Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch entlang der einzelnen Wellenleiterabschnitte angeordnete zur Erzeugung von Nagnetfeldern mit periodisch wechselndem Vorzeichen dienenden Bereichen (66-1...72-16) aus magnetische» Material, deren Anzahl dem den jeweiligen Abschnitt zugeordneten Gewicht proportional ist.

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7. Optischer Digital-Analog-Wandler nach einem oder mehreren der ^qgchergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen
der Erzeugung der Magnetfelder mit periodisch wechselnden Vorzeichen dienenden quer zu den Wellenleiterabschnitten
meaaäearförmig angeordneten elektrischen Leiter (102) , wobei jeder Wellenleiterabschnitt jeweils die N-fache Anzahl IOn Kretizungspunkten mit dem elektrischen Leiter wie der vorhergehende Wellenleiterabschnitt aufweist.

8. Optischer Digital-Analog-Wandler nach einem oder mehreren der vornergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das öjprfcische Eingangssignal digital verschlüsselt ist.

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