DE2543484A1 - Optischer digital-analog-wandler - Google Patents
Optischer digital-analog-wandlerInfo
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Description
Aktenzeichen der Anmelderin: YO 974 006B
Die Erfindung betrifft einen optischen Üigital-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 übergängen zwischen Analog- und Digitalrechnern sind derartige Wandler erforderlich. Mit der ständig
steigenden Bedeutung optischer Verfahren bsi dar Datenverarbeitung
und -übertragung werden im immer größeren Umfang auch Vorrichtungen
erforderlich, die in optischer Form vorliegende
Digitalinformationen in irioptische Form vorliegende Analoginfonnationen
und umgekehrt umwandeln. Diese Aufgabe wurde bisher ira allgemeinen dadurch gelöst, daß die in optischer Form vorliegenden
Digitalinformationen zunächst mittels optisch-elektrischer
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— O —
Wandler in elektrische üigitalinformationen umgewandelt wurden,
die nach Umwandlung in elektrische Analoginforraationen wieder in optische Analogfunktionen umgewandelt wurden.
In der Literaturstelie "Applied Physics Letters" Vol. 21, Nr. 8,
Seite 394 (1972) und "Applied Phy3ic3 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 v/erden Experimente zur Verbesserung der Umwandlung von Licht in Forin
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 rneanderförmig die Lichtleiter
durchsetzenden elektrischen Leiter erzeugtr während gemäß dem zweiten
Aufsatz die magnetischen Felder durch entlang der Wellenleiter mit geeigneten Abständen angeordnete inselförxnige 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 Digital-Analog-Wandler
anzugeben/ der unter Ausnutzung der in den oben genannten beiden Aufsätzen beschriebenen physikalischen Gesetzmäßigkeiten
eine unmittelbare Umviandlung von in optischer Form
vorliegenden Digitalsignalen in in optischer Form vorliegende Analogsignale ermöglicht. Diese Aufgabe wird gemäß der im Anspruch
1 angegebenen Erfindung gelost.
Die 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 zeigenι
Fig. 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
TM TE
liegt, und wenn β und 3 die Fortpfl;
bzw. des TE Mode sind gilt die Beziehung
TfI TE
liegt, und wenn β und $ die Fortpflanzungskonstanten des TM
liegt, und wenn β und $ die Fortpflanzungskonstanten des TM
<ß™-3TE)
Die Eingabe und die Ausgabe des Wellenleiters wird bestimmt durch
Die Eingabe und die Ausgabe des Wellenleiters wird bestimmt durch
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JL. .Ji.
die Beziehungen
TM TM
X (SL) -1 cos χ - sin χ Ε (0)
Ε™(A) sin χ i cos χ ETfi(O)
2k
χ =
(»™-βΤΕϊ
wobei k die Kopplungsstärke ist, deren Vorzeichen von der Magnetisierungsrichtung
abhängt.
Besteht die Eingabe ausschließlich aus einem TM-Mode., nämlich
'PM TF
E (0) ψ 0, E (O) = O, so ist der umgewandelte TE-Mode am
Ausgang
ETE(S.) » E™{0) sin x.
Wird die Magnetisierungsrichtung umgekehrt, so ändert sin χ im
Matrixoperator das Zeichen.
Pflanzt sich der Lichtstrahl durch zwei Abschnitte fort, von denen
jeder die Länge l aufweist, und sind die Magnetisierungsrichtungen
in den beiden Abschnitten in bezug aufeinander gegenläufig, so besteht zwischen der Eingabe und der Ausgabe folgende Beziehung
TM 4· — TIVi
E(Jl , A ) -i CO3 χ -sin χ - i cos χ sin χ E (0)
SS
ETE(£+, Jl") sin χ i cos χ -sin χ i cos χ ETlä(0)
TM -i Cos 2x -i sin 2x EAU(0)
TP
-i sin 2x -cos 2x E (0)
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Besteht die Eingabe, wie angenommen, ausschließlich aus einem TM-Mode, so ist der am Ausgang auftretende umgewandelte TE-Mode:
ETE(£+, Z~) = -i E™(O) sin 2x
Die Amplitude des am Ausgang auftretenden TE-Mode wird demnach
nach Durchlaufen zweier der Abschnitte mit der Länge Jl doppelt so groß wie nach Durchlaufen eines Abschnittes sein.
Durchläuft das Licht weitere Abschnitte der Länge Jt mit abwechselnd
gegenläufig verlaufenden Feldern, so wird die Intensität des TE-Mode in jeder der aufeinanderfolgenden Stufen verdoppelt.
In einem Äusführungsbeispiel 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, A1 8 usw.
In zwei anderen Ausführungsbeispielen werden die periodischen magnetischen Felder mit Hilfe unterschiedlicher Vorrichtungen erzeugt. In einem Ausführungsbeispiel sind inselförmige Bereiche
aus Permalloy vorgesehen, während im zweiten Äusführungsbeispiel die elektrischen Felder durch einen raeanderförmigen elektrischen
Leiter erzeugt, bei dem die Anzahl der Kreuzvingspunkte 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-Multikpllkation selektiv erregen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Hoden-Wandler hintereinander in einem einzigen Kanal angeordnet, so daß
die Summation der einzelnen Stellen der Binäraahl 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 nichtinagnetischen Granat, beispielsweise aus einem GGG-Material
(Gd3Ga5O12) mit einer Brechzahl von 2,197. Der Dünnschichtwellenleiter
14 wird epitaxial aus der flüssigen Phase auf ein chemisch poliertes Substrat aufgewachsen. Die Dünnschicht hat die Zusammensetzung
(Gdn ,-Y«. ,.) (Fe.Ga1 JO1 o, 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
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 Dünnschichtwellenleiters ausgekuppelt. Kanal 1 wird durch die Gitter 26 und 36, Kanal 2 durch die Gitter 28 und 38 usw. eingeschlossen.
Die eine Wellenlänge von 1,15 um aufweisende Au3 gangs s trail lung
eines He-We Lasers wird steuerbar selektiv den Lichtleitern 16, 18, 20 und 22 zugeführt. Die entsprechenden Werte sind 2,2,
2 3 4
2 bzw. 2 . Mit Hilfe dieser drei Größen können 2 oder 16 Kombinationen
eingegeben werden, beginnend mit der Abwesenheit von Licht in allen vier Eingängen (0000) bis zum Vorhandensein 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 ankommende Licht im TK-Mode, während nur ein sehr geringer Bruchteil
im TE-Mode 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 Saphlrplättchen 6 4 wurde mit einer
Pennalloy-Schicht von etwa 3500 S 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 inselförmiyen Bereiche
weist eine Länge von 450 ™ i« Richtung der Fortpflanzung
des Lichts und von 900 um senkrecht dazu auf. Die Periodizität der inselförmigen Bereiche beträgt 900 ^m der Abstand zwischen
ihnen 450 ™ Die magnetischen Pole jedes inselförmigen Bereiches
sind parallel zu den Kanälen ausgerichtet. DaaSaphirplättchen 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
Permalloyinseln 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 63-1, 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 im 2 -Kanal angeordnet.
Im 2 -Kanal 1st der am Ausgang auftretende ΊΈ-Mode um 1 inkrementiert.
In jedem der nachfolgenden Kanäle erfolgt eine Inkrementierung von 2,4 bzw. 8des in die einzelnen Kanäle eingegebenen
Lichtes. Die Ausgabegitter 36, 38, 40 und 42 sammeln das Licht in den einzelnen Kanälen und übertragen es in die optischen Faserlichtleiter
46, 48r 50 bzw. 52. Eine an der Ausgangsseite dieser
Lichtleiter angeordnete Linse 74 sammelt und summiert dia 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:
TE TM TM
(1) E1 1*1 « Eiia(0) sin 2x = E1^(O)
<2x) « χ
Der am Ausgang des 2 -Kanals 58 auftretende TE-Mode wird definiert
durch:
(2) E2 TE » Ö™(0) sin 4x « E™(0) (4x) « 2x.
3 4
Die si den Ausgängen der 2 und 2 -Kanäle 60 und 62 auftretenden TE-Moden werden definiert durch:
Die si den Ausgängen der 2 und 2 -Kanäle 60 und 62 auftretenden TE-Moden werden definiert durch:
(3) E3 TE - 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 TH und TE-Moden
auf, von denen jedoch nur die TE-Moden ausgekoppelt werden. £in Analysator oder eine- in der Nähe der Auskoppe
!vorrichtung angeordnete leitende Schicht läßt nur den TM-Mode durch und unterdrückt den TM-Mode. Somit treten an den entsprechenden
Ausgängen der Kanäle TE entsprechend den Paktoren 1xf
2x, 4x bzw. 8x. Nach Aufsummierung ergibt ein Inkremente von χ
enthaltendes Analogsignal im Wert von 0 bis 15 x.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführurigsbeispiel ist ein an
sich bekannter meanderförmige verlaufender und den Dünnschicht-.wellenleiter
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, auf den 22-Kanal 160 acht Windungen und auf den 23-Kanal 162
sechzehn Windungen. Durch einen in diesem Leiter fließenden Strom werden die erforderlichen magnetischen Felder erzeugt. Da bei der
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dargestellten Anordnung das Leiters 1O2 die Ströme in aufeinanderfolgenden
Windungen in entgegengesetzten Richtungen fließen ändert sich auch die Richtung dar erzeugten r'u«»« tischen Felder
in der im Zusainmenhang mit der Beschreibung der rign. 1 und 2
angegebenen Welse. Auf diese Weise wird ein in die einzelnen
Kanäle eingegebener TM-Kode am Ausgang eiliger Kanäle oiiion einfachen,
einen zweifachen, einen vierfachen od.;r einen achtfachen
TE-Mode bewirken. Bei Zusammenfassung dieser Au3.;.%nqe·, in dor it»
dem Fign. 1 und 2 gezeigten Art, entsteht eiu cn;a digitalen Lingangswerten
analoger Ausgangswert.
Das in Fig. 4 dargestellte Auüführungabeiopi-i. besieht auu d^n
gleichen Substrat, der« gleichen Cünnschxchtv/ellonleiter und den gleichen
Vorrichtungen zur Einkopplung und Auskopplung des Lichtes
wie im Zusaratanhang mit der" Beschreibung dur Fign. 1, 2 und
3 angegeben. Anstelle mehrerar paralleler Kaiiale ist ein einziger
Kanal vorgesehen, dar hintereinander mehrere kiuzel.vicklungen
216, 218, 220 und 222 durchsetzt. Dio Wicklungen 210 bosteht aus
einem einzigen Leiter der den Kanal zweir-al kr<mut. Die Wicklung
21S weist vier wirksame Windunoen auf, wahrend die Wicklung 220
acht und die Wicklung 222 1G wirksame Wirulunt-en aufweist. He Abstände
zwischen den Sindungen behalten die 900 um Periode der vorgehend beschriebenen Vorrichtungen aufrecht. Jede der Wicklungen '.''-■
216, 218, 220 bzw. 222 wird mit Hilfe der gleichen Strouwerte erregt um gleiche magnetische Felder au erzeugen.'Auf diese Weise
erzeugt eine Kombination von elektrischen "tilnganysaiynalen am Ausgang des optischen Wellenleitors ein TL-Aueyanuosignal, das der
Summation der erregten digitalen Hingänge analog iut.
In allen vorbesehriebcnon Ausführungaboispielen lot der Absolutwert
der an den Ausgängen auftretenden TE-tierte ohne Bedeutung, so lange
das Verhältnis dieser Vierte zueinander beibehalten und ihre Größe
genügt, um eine einwandfreie Ermittlung oder sonstige Verwendung zu-gestatten. Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle d%r
magnetooptischen Dünneohichtwellenlsiter οlektrooptische Dünnschichtwellenleitür
zu verwenden*
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it
Claims (1)
- P A TE H TA N SPRUCH EJJ. 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 der», 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.2, 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 elektrooptischen Dünnschichtwellenleiter-Abschnitten zn Y Umwandlung des in einem Mode zugeführten Lichts in einen anderen Mode, Vorrichtungen (δ6-1, 66-2... 72-16, 102, 216, 218, 220, 222) zur Erzeugung von elektrischen Feldern deren Vorzeichen sich periodisch in Fortpflanzungarichtung des Lichtes in Abhängigkeit von den den einzelnen Abschnitten zugeordneten Gewichten entsprechend oft ändert, derart, daß jede Vorzeichenänderung des elektrischen Feldes einen Teil de3 eingegebenen Modes in einen anderen Mode umwandelt und durch eine Vorrichtung (74) zur Zusammenfassung der an denYO 974 OO6 B609828/0493einzelnen Ausgängen der einzelnen Wellenleiterabschnitta auftretenden Lichtintensitäten.3. Optischer Digital-Analog-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die liellenleiterabschnitte 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, 213, 220, 222) und Mittel zu ihrer selektiven Erregung vorgesehen sind, wobei jeder Wellenleiterabschnitt jeweils die ϊί-fache Anzahl von Kreuzungspunkten mit den elektrischen Leitern wie der vorhergehende Viellenlelterabschnitt 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 Hagnetfeldern nsit periodisch wechselndem Vorzeichen dienenden Bereichen (66-1...72-16) aus magnetischem Material, deren Anzahl dem den jeweiligen Abschnitt zugeordneten Gewicht proportional ist.YO 974 006 B60 98 28/0493-SSl. ^,7. Optischer Digital-Analog-Uandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen
der Erzeugung der Magnetfelder mit periodisch wechselnden Vorzeichen dienenden guer zu den Wellenleiterabschnitten
meanderförmig angeordneten elektrischen Leiter (102) , wobei jeder Wellenleiterabschniht jeweils die N-fache Anzahl von Kreuzungspunkten mit dem elektrischen Leiter wie der vorhergehende Wellenleiterabschnitt aufweist.8. Optischer Digital-Analog-Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Eingangssignal digital verschlüsselt ist.YO 974 006 B609828/0493-ta*Leerseite
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