DE3241945A1 - Elektrooptische wanderwellenbauelemente - Google Patents
Elektrooptische wanderwellenbauelementeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf elektrooptische Wanderwellenbauelemente
(travelling*-wave electrooptic devices)»
In den US-Patentschriften 4 005 927 und 4 251 130 sind
Torschaltungen mit Geschwindigkeitsanpassung . beschrie-
ben. Bei diesen Torschaltungen wird die Torfunktion durch
ein wanderndes (laufendes) elektrisches Modülationssignal erzeugt, welches sich synchron mit einem optischen Signal
ausbreitet.
Bei derartigen Torschaltungen im besonderen und bei elektrooptischen
Modulatoren im allgemeinen besteht das generelle Problem, daß die Brechungsindices des Substratmaterials,
in welchem das Tor gebildet wird, sehr stark bei den beiden interessierenden Frequenzen, d.h., der elektrischen
Signalfrequenz und der optischen Signalfrequenz, differenzieren.
Aus diesem Grund muß der elektrische Wellenpfad speziell ausgebildet werden, um die Forderung nach einer Geschwindigkeitsanpassung
zu erfüllen, was dazu führt, daß dann, wenn
die Geschwindigkeiten der beiden Signale nicht sorgfältig 30
aufeinander angepaßt sind, der Schalt- oder Modulations-Wirkungsgrad
beträchtlich abfällt. Diese unvollständige Anpassung der Geschwindigkeiten wird nachstehend als
"Walk-off" ("Auseinandergang") bezeichnet.
.kW *
· Al£erksss 9
Im weitesten Sinne besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die mit dem "Walk-off" verbundene Einschränkung ohne bedeutende
Vergrößerung oder Komplizierung der Elektrodenstruktur zu beseitigen.
Bei der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung wird die Wirkung des "Walk-off" bei elektrooptischen Wanderwellen-
(Laufwellen) -Bauelementen dadurch minimiert, daß an longitudinal im Abstand angeordneten Streckenabschnitten
eine Phasenverschiebung um 180° (d.h., eine Polaritätsumkehr) in der Wirkung erzeugt wird, welche das Modulations-
1^ signal auf den Betriebsparameter derartiger Bauelemente
besitzt. Auf diese Weise wird bei einem Wanderwellenmodulator mit einem Paar gekoppelter Wellenleiter, bei dem der
Kopplungsgrad durch Modulation der Differenz Δβ zwischen den Fortpflanzungskonstanten der beiden Wellenlei-
^O ter gesteuert wird, die Wirkung des "Walk-off" dadurch umgangen,
daß das Vorzeichen der Differenz Δβ an festgelegten Streckenabschnitten längs der gekoppelten Wellenleiter
umgekehrt wird. Bei einem Phasenschieber, bei welchem die relative Phase der TE- und TM-Moden durch Modulation der
^5 Differenz zwischen den Fortpflanzungskonstanten dieser
beiden Moden gesteuert wird, erfolgt in ähnlicher Weise an festgelegten, longitudinal im Abstand angeordneten
Streckenabschnitten eine Vorzeichenumkehr dieser Differenz.
Die Wirkung des "Walk-off" bei einem nach beiden Modenrichtungen arbeitenden TE/TM-Modenkonverter wird dadurch
minimiert, daß im Vorzeichen des elektrooptisch induzierten Kopplungskoeffizienten zwischen beiden Moden, d.h.,
35
'4 ·
.5.
des elektrooptisch modulierten Betriebsparameters dieses
Bauelementes, eine Phasenumkehr hervorgerufen wird.
5
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt;
Fig» 1 eine perspektivische Ansicht einer bekannten Wan-10
derwellen-Torschaltung mit Geschwindigkeitsanpassung;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Modulators;
Fig. 3 eine grafische Darstellung für die Änderungen der Differenz Δβ zwischen den Fortpflanzungskonstanten
zweier Wellenleiter, wie sie von Photonen vorgefunden
werden, welche in den Modulator unter zwei 20
unterschiedlichen Phasen des Modulationssignals
eintreten;
Fig. 4 eine grafische Darstellung der Änderungen der
Amplitude des Modulationssignals in Abhängigkeit 25
von der Zeit;
Fig. 5 und 6 schematische Schnitte durch den Modulator
gemäß Fig. 2 zur Veranschaulichung der Richtungen
des elektrischen Feldes innerhalb zweier benach-30
barter Streckenabschnitte längs des Modulators;
Fig. 7 und 8 grafische Darstellungen für die Änderung
der Differenz Δβ zwischen den Fortpflanzungskonstanten
zweier Wellenleiter in Abhängigkeit der Entfernung für den Fall, daß Photonen zu unter-
Äl«£eKsTress 9
fe.
schiedlichen Zeitpunkten in den Modulator eintreten;
Fig. 9 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß
ausgebildeten Phasenschiebers;
2Q Fig.10 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäß ausgebildeten
Modenkonverter;
Fig.11 den Amplituden-Frequenzgang von Bauelementen mit
unterschiedlicher Anzahl von Abschnitten, und
Fig.12 eine Draufsicht auf eine alternative Elektrodenform.
Modulatoren
Die Betriebsweise sowohl des bekannten Modulators mit Geschwindigkeitsanpassung gemäß Fig. 1 als auch des Modulators
gemäß Fig. 2 beruht auf der Steuerung des Wirkungsgrades
des Übergangs zwischen einem Paar gekoppelter Wellenleiter. Zu Zwecken der Erläuterung und Veranschaulichung
wird nachstehend Bezug genommen auf elektrische und optische Signale sowie auf elektrische und optische Wellenleiter.
Es versteht sich jedoch, daß der Erfindungsge-
QQ danke gleichermaßen auf jede Art zusammenwirkender Wellenleiter
unter Einschluß von beispielsweise Elektronenstrahlen, Solitonen, Phononen usw. anwendbar ist. Ferner kann
die Zusammenwirkung bei jeder beliebigen Frequenz auftreten. In Kenntnis dieser Fakten soll nunmehr auf Fig. 1
3g Bezug genommen werden, welche eine bekannte Torschaltung
mit Geschwindigkeitsanpassung der in der eingangs erwähnten
-τ- Airerness 9
I« · ♦
US-PS 4 251 130 beschriebenen Art zeigt. Die Torschaltung 5
umfaßt einen optischen Richtkoppler mit einem Paar im
wesentlichen identischer dielektrischer Wellenleiter 11
und 12, welche in ein elektrooptisches Substrat T3 mit geringerem
Brechungsindex eingebettet sind. Die Wellenleiter
11 und 12 sind über einen Streckenabschnitt L gekoppelt,
10
wobei der Kopplungskoeffizient pro Längeneinheit k und der
Kopplungsabschnitt L über die Gleichung
kL = π/2 '(-1)
miteinander in Beziehung stehen. Zur Änderung des Wirkungsgrades
des Übergangs zwischen den Wellenleitern 11 und sind Modulationsmittel vorgesehen, welche aus einem Paar
Elektroden 14 und 15 bestehen, die unmittelbar über den optischen Wellenleitern 11 bzw. 12 angebracht sind. Die
Elektroden 14, 15 bilden eine elektrische übertragungsleitung,
welche an ihrem ausgangsseitigem Ende mit einem
Widerstand 16 angeschlossen ist, dessen Größe gleich der
charakteristischen Impedanz der übertragungsleitung ist. An ihrem eingangsseitigen Ende wird die übertragungslei-
tung durch eine Signalquelle 17 mit Energie gespeist.
Bei Fehlen eines elektrischen Modulationssignals von der Quelle 17 sind die Fortpflanzungskonstanten ß. und ß2
der beiden Wellenleiter 11 und 12 gleich. Hierdurch wird
30
ein optisches Signal P-, das an das eine Ende des Wellenleiter 11 angelegt wird, vollständig auf den Wellenleiter
12 gekoppelt. Falls jedoch ein elektrisches Feld zwischen die Elektroden angelegt wird, werden die Fortpflanzungskonstanten
fä.. und ß- örtlich aufgrund des elektrooptischen
Ί
λ
:.. .:♦ .:. A"lfe;i2ness 9
?■
Effektes gestört. Hierdurch ändert sich an jeder Stelle χ längs des Kopplers die Fortpflanzungskonstante
in Abhängigkeit von der Zeit t. Unter der Annahme eines sinusförmigen elektrischen Signals der Periodendauer T
ergibt sich die Differenz Δβ zwischen den Ausbreitungskonstanten ß. und &2 durch die Gleichung
10
wobei λ die Weglänge des optischen Signals im freien
· Raum;
V £ die Phasengeschwindigkeit des elektrischen
Signals, und
Δη die maximale, von dem elektrischen Feld in jedem der beiden Wellenleiter hervorgerufene Brechungsindexänderung
bedeuten.
Die durch die Gleichung (2) ausgedrückte Störung pflanzt sich längs der optischen Wellenleiter zusammen mit dem
optischen Signal fort. Bei einem Koppler mit Geschwindigkeitsanpassung erfolgt die Ausbreitung der Störung und
des optischen Signals mit gleicher Geschwindigkeit. Das in das System zu jedem betrachteten Zeitpunkt eintre-30'
tende Licht findet somit überall die gleiche Differenz zwischen den Fortpflanzungskonstanten vor.Im einzelnen
findet das zu einem Zeitpunkt eintretende Licht, bei dem die Modulationsspannung gleich 0 ist, ein Δβ vor, welches
gleich 0 ist und 0 bleibt, was einen vollständigen Übergang der Energie zwischen den Wellenleitern zur Folge hat.
-3- Alferness 9
Zu allen übrigen Zeitpunkten besitzt Δβ einen endlichen
Wert, so daß zu diesen Zeitpunkten kein vollständiger 5
übergang des einfallenden Lichtes erfolgt.
Falls andererseits die elektrischen und optischen Wellen nicht synchronisiert sind, finden die in den Koppler eintretenden
Photonen ein sich Konstant änderndes Δβ vor. Durch eine geeignete Ausbildung des Kopplers läßt sich
jedoch dieser Effekt dazu verwenden, einen Koppler mit
alternierendem Δβ der in dem Aufsatz von H. Kogelnik und R.V. Schmidt "Switched Directional Couplers with alternating
Δβ", in "IEEE Journal of Quantum Electronics", Band QE-12, Nr. 7, JuIi 1976, Seiten 396 bis 401 beschriebenen
Art auszubilden. In allen Fällen müssen solche Bedingungen geschaffen werden, bei denen der Kopplungsgrad
in Abhängigkeit von der Zeit gesteuert wird.
Bei dem Modulator nach Fig. 2 sind Maßnahmen vorgesehen,
um bei einem Wanderwellen-Bauelement mit Geschwindigkeits-Fehlanpassung
den übergang der Signalleistung zwischen gekoppelten Wellenleitern zu steuern. Diese Maßnahmen liegen
in einer solchen Formgebung elektrischen Signaltoellen-25
pfades, das an geeignet beabstandeten Streckenabschnitten
längs des Modulationssignal^Wellenleiter das Äquivalent
einer 1 SO"-Phasenumkehr in der Differenz Δ β eingeführt wird. Die Wirkung dieser Maßnahme besteht
darin, die Wirkungen des "Walk-off" zwischen dem 30
optischen Signal und dem Modulationssignal aufgrund der Geschwindigkeits-Fehlanpassung aufzuheben. Positiv formu-.
liert bedeutet dies, daß die Phasenumkehrungen eine Ger
schwindigkeitsanpassung insoweit simulieren, als die '
Differenz Δβ, während sie keine Konstante über 35
den Kopplungsabschnitt darstellt, zumindest für diejenigen
-10- Al'ferness 9
Photonen, welche in das System unter einer bestimmten
Phasie des Modulationssignals eintreten, ihr Vorzeichen . nicht ändert. Hierdurch liegt von jedem Streckenabschnitt
für [Signale in geeigneter Phasenlage ein konstruktiver Beitrag anstelle eines Auslöschungseffektes vor, der ansons;t
aufgrund des "Walk-off" in Kauf genommen werden müßtb.
Bei idem Modulator gemäß Fig. 2 werden die vorstehend er-
■ wahrsten Phasenumkehrungen durch eine spezielle Anordnung
von Elektroden erzeugt. In gleicher Weise wie beim Stand der !Technik sind die gekoppelten Wellenleiter 20 und
21 j ein Paar im wesentlichen identischer, paralleler optischer Wellenleiterbereiche, die in ein Substrat 22
mit geringerem Brechungsindex eingebettet sind. Auf dem Substrat 22 und den optischen Wellenleitern 20, 21 sind
dreij elektrisch leitende Elektroden 23, 24 und 25 angebracht, welche sich gleichlaufend längs eines Streckenabschnittes
L der optischen Wellenleiter 20, 21 erstrecken, wobei der Streckenabschnitt L der in der Gleichung (1)
definierte Kopplungsabschnitt ist.
i
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Modulator bestehen die
Elektroden aus einer inneren, mäandrierenden Elektrode 23 und -zwei äußeren Fingerelektroden 24 und 25, welche zusammen
eine in gleicher Ebene liegende Streifenübertragungsleitung bilden.
Die innere Elektrode 23 mäandriert in der Weise, daß sie
abwechselnd über jeden der optischen Wellenleiter 20 und 21 Verläuft, wobei die seitlichen übergänge an gleichbeabstjandeten,
in Längsrichtung verlaufenden Streckenab-
O a*
-11- Alferness 9
schnitten % ,der sogenannten Kohgrenzlänge, auftreten/
welche durch die Gleichung
° " 2nrf L " Vo
ίο - -.-■.■■.
gegeben ist, wobei
λ ψ eine festgelegte elektrische Wellenlänge im
freien Raum;
nrf un<^ Vrf ^er e^fektive Brechungsindex bzw« die
Ausbreitungsgeschwindigkeit bei der bestimmten -
Wellenlänge, und
V die Ausbreitungsgeschwindigkeit des optischen
Signals
bedeuten. ■
Die äußeren Fingerelektroden 24 und 2-5 sind längs des
Kopplungsabschnittes derart positioniert, daß die Finger der betreffenden Elektroden über die von der inneren Elektrode
23 nicht bedeckten Abschnitte der optischen Wellen-25
leiter 20, 21 verlaufen. Beispielsweise verläuft längs des
ersten Streckenabschnitts X 1 die innere Elektrode 23 über
den Wellenleiter 21. Dementsprechend verläuft der Finger 24-1 der Elektrode 24 über den gleichlaufenden Abschnitt
£ des anderen Wellenleiters 20. Längs des zweiten Strecken-ου
■
abschnitts " 2 verläuft die innere Elektrode 23 über den
Wellenleiter 20, so daß der Finger 25-1 der Elektrode 25 über den entsprechenden Abschnitt des Wellenleiters 21 "
verläuft.
-Ϊ2-"
Älferhess 9
Um das elektrische Feld auf das Gebiet der optischen Wellenleiter einzugrenzen, ist der Abstand d.. zwischen der inneren
Elektrode 23 und dem angrenzenden Finger viel kleiner als der Abstand d~ zwischen der inneren Elektrode 23
und dem gleichlaufenden Abschnitt der äußeren Elektrode. Die Übergänge selbst sind so abrupt wie möglich ausgebildet.
Zu beachten ist, daß der Wert von d1 bei einem typischen
optischen Modulator nur einige wenige Mikrometer beträgt und damit um Größenordnungen kleiner ist als die
Wellenlänge des elektrischen Modulationssignals. Die Wellungen der Elektroden stellen daher eine unbedeutende
Störung längs des Ausbreitungspfades des Modulationssignals dar.
Wie nachstehend noch im einzelnen dargelegt werden soll, kann die Länge X1 der ersten und letzten Elektroden-Streckenabschnitte
jeden Wert kleiner als Z gemäß Gleichung (3) besitzen. Die restlichen Streckenabschnitte
^2' ^3 ···· sind andererseits alle gleich Z . Zu Zwecken
der Erläuterung sei jedoch angenommen, daß sämtliche Strek-
kenabschnitte gleich Z sind.
Die von den Elektroden gebildete übertragungsleitung wird
an ihrem eingangsseitigen Ende durch eine Signalquelle 30 mit Energie versorgt, und ist an ihrem ausgangsseitigen
Ende durch eine Impedanz 31, 32 abgeschlossen, welche gleich der charakteristischen Impedanz der übertragungsleitung
ist.
Wie vorstehend erläutert wurde, sind bei Fehlen eines Modulationssignals
von der Signalquelle 30 die Fortpflanzungskonstanten ß.. und ß« der optischen Wellenleiter 20 bzw. .
-IJ- - Alferness 9
21 gleich und über den gesamten Kopplungsabschnitt L konstant.
Ein am einen Ende des Wellenleiters 20 angelegtes optisches Signal P1 geht daher vollständig auf den zweiten
Wellenleiter 21 über und tritt an dessen anderem Ende als Signal P2 aus, wobei P2 = P-. Falls jedoch die Elektroden
mit Energie aus der Signalquelle 30 gespeist werden, stört
IQ das sich ergebende, längs der Elektroden ausbreitende
elektrische Feld örtlich die Fortpflanzungskonstanten ß..
und ß2 aufgrund des elektrooptischen Effektes. Die Fortpflanzungskonstanten
der beiden optischen Wellenleiter ändern sich daher an jedem Punkt längs des Kopplers in
IQ Abhängigkeit von der Zeit. Und zwar werden die beiden Fort1-pflanzungskonstanten
unterschiedlich beeinflußt, da die elektrischen Felder in den beiden Wellenleitern entgegengesetzt
gerichtet sind. Typischerweise wird die eine Fortpflanzungskonstante
vergrößert, und die andere verringert, und zwar jeweils bezüglich des Wertes bei fehlendem
Feld (Feldstärke Null). Der Gesamtleistungsübergang zwischen den beiden Wellenleitern, welcher sich
gemäß einer Funktion des Integrals der Differenz Δβ zwischen den Fortpflanzungskonstanten ß,. und ß2, also
Aß = ß1 - ß2, ändert, wird daher durch das elektrische
Signal moduliert.
Wie vorstehend ebenfalls bereits erläutert wurde, bleibt
bei der Torschaltung mit Geschwindigkeitsanpassung die Differenz Δβ, welche von den in den Eingangs-Wellenleiter
eintretenden Photonen angetroffen wird, über den gesamten Kopplungsabschnitt konstant, insoweit wie sich die optische
Welle und das Modulationssignal synchron ausbreiten. Im Falle einer Geschwindigkeitsfehlanpassung breiten sich
die beiden Wellen nicht synchron aus, was den "Walk-off"
Ak-
-Effekt hervorruft. Im betrachteten Beispielsfall, wo sich die optische Welle mit einer größeren Geschwindigkeit als
das elektrische Signal ausbreitet, besteht die Möglichkeit, daß die zu irgendeinem Zeitpunkt eintretenden Photonen
die sich ausbreitende elektrische Welle einholen. Hierdurch ändern sich bei Fehlen von Kompensationsmaßnahmen
IQ die elektrischen Feldänderungen und die davon hervorgerufenen,
von den Photonen in Abhängigkeit der Entfernung längs des Kopplers angetroffenen Δβ-Änderungen in einer
Weise, wie durch die Kurven 4 0 und 41 in Fig. 3 veranschaulicht ist. Die spezielle, mit der Kurve 4 0 wiedergegebene
Δβ-Änderung gilt für Photonen, welche zu dem Zeitpunkt eintreten, zu dem das Modulationssignal die Amplitude Null
besitzt, wie anhand der Kurve 50 in Fig.-4 veranschaulicht ist. Da sich das optische Signal schneller als das elektrische
Signal ausbreitet, holen diese Photonen diejenigen Abschnitte des zuvor angelegten Modulationssignals ein,
die in Fig. 4 auf der linken Seite der Abszisse, also für negative Zeiten aufgetragen sind. Insbesondere finden bei
einem Streckenabschnitt 2 Z die Photonen eine vollständige Modulationsspannungsperiode mit den entsprechenden
Δβ-Änderungen vor, wobei sich Z aus Gleichung (3) ergibt.
Es versteht sich, daß die Differenz Δβ für ein sinusförmiges
Modulationssignal ihr Vorzeichen innerhalb dieser räumlichen Periode ändert.
Eine ähnliche Δβ-Änderung tritt für Photonen auf, welche
zu anderen Zeitpunkten während der Modulationssignalperiode eintreten, wie anhand der Kurve 41 in Fig. 3 veranschaulicht
ist. Dies ist äquivalent der Phasenverschiebung im Modulationssignal, wie dieses anhand der Kurve 51
in Fig. 4 dargestellt ist.
Alferness--9
Beide Kurven 4 0 und 41 gemäß Fig. 3 zeigen die Wirkung des "Walk-off" auf die Differenz Δβ. Soweit der Durchgangswirkungsgrad eine Funktion des Integrals von Δβ über den
Kopplungsabschnitt ist, ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Gesamtwirkung eines alternierenden Δβ in der Minimierung
des integrierten Wertes von Δβ und damit des Durchgangs
ist, wobei der Durchgangswirkungsgrad η das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung gemessen längs
des gleichen Wellenweges ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 gilts .
1 - fT" (4)
Zur Vergrößerung von η ist es erforderlich, das Integral von Δβ zu maximieren. Dies erfolgt durch Umkehrung der
Wirkung des elektrischen Feldes auf Δβ. Dies bedeutet, daß immer dann, wenn eine Änderung im Vorzeichen der Differenz Δβ auftreten würde, wie sie von einem in das System
zu einem bestimmten Zeitpunkt eintretenden Photon angetroffen würde, die Elektroden so verlegt werden, daß die
gleiche Richtung des elektrischen Feldes in dem elektrooptischen Material und damit die gleiche Polarisation von
Δβ beibehalten wird. Dies ist anhand der Fig. 5 und 6 veranschaulicht, welche Querschnitte durch den Koppler längs
zweier benachbarter Streckenabschnitte zeigen. Beispielsweise zeigt Fig. 5 die Elektroden und die elektrische Feldverteilung,
wie sie längs des ersten Streckenabschnittes JL auftreten würde, wenn die innere Elektrode 23 bezüglich
der Fingerelektrode 24 und 25 positiv ist. Das Feld verläuft in erster Linie von der Elektrode 23 nach unten
durch den optischen Wellenleiter 21 und dann nach oben
-16- Alferness 9
durch den Wellenleiter 20 zur Elektrode 24. Im nächsten Streckenabschnitt % „ hat sich die Phase des elektrischen
^
Feldes aus der Sicht der gleichen Photonen aufgrund des
"Walk-off" umgekehrt, wie in Fig. 3 veranschaulicht ist. Die innere Elektrode 23 ist nunmehr bezüglich der Fingerelektroden
negativ, wie in Fig. 6 angedeutet ist. Da jedoch die innere Elektrode 23 innerhalb des Streckenabschnittes
Z j über den Wellenleiter 21 zu dem Wellenleiter
20 verschoben ist und die Fingerelektrode 25 nunmehr über ■ den Wellenleiter 21 verläuft, bleibt die Richtung des
elektrischen Feldes in den betreffenden Wellenleitern die gleiche, d.h., das elektrische Feld verläuft im Wellenleiter
21 nach unten und im Wellenleiter 20 nach oben. Was die Differenz Δβ anbelangt, stellt sich die erläuterte
Maßnahme so dar, als wenn sich die Phase des elektrischen Feldes längs der Elektroden umgekehrt hätte, was zu der
Δβ-Kurve 70 gemäß Fig. 7 führt. Man erkennt insbesondere,
daß im Hinblick auf die in das System eintretenden Photonen
die Differenz Δβ ihr Vorzeichen über dem gesamten Kopplungsabschnitt nicht ändert, wenn die Amplitude des
Modulationssignals gleich Null ist. Hierdurch wird das Integral von Δβ maximiert, was zu einer Maximierung des
Durchgangswirkungsgrades führt. Auf diese Weise und in diesem Sinne läßt sich eine Geschwindigkeitsanpassung
simulieren.
Andererseits ergibt sich für den Fall einer maximalen
30
Amplitude des Modulationssignals aus der Sicht der in das System eintretenden Photonen die in Fig. 8 veranschaulichte
Δβ-Verteilung, welche gleiche positive und negative Abschnitte aufweist. Für diesen Fall ist das Integral von
Δβ gleich Null, wodurch der Durchgangswirkungsgrad gemäß
35
Gleichung (4) entsprechend niedrig ist. Für andere Phasen
-J5?- Alferness 9
'AJ:
des Modulationssignals ändert sich der Durchgang zwischen
Null und dem maximalen Wert. Auf diese Weise wird eine
5
Modulation der optischen Welle erzielt.
Der Erfindungsgedanke kann ferner dazu benutzt werden,
die Wirkung des "Walk-off" bei einem Phasenschieber zu
umgehen. Bei einem derartigen Bauelement ist der elektrooptisch modulierte Betriebsparameter die Differenz zwischen
den Phasenkonstanten der TE- und TM-Moden der Wellenfortpflanzung.
Die nunmehr betrachtete Fig. 9 zeigt einen 15
Phasenschieber mit einem optischen Wellenleiterstreifen
60, der in ein Substrat 61 aus einem doppelbrechenden
Material mit geringerem Brechungsindex eingebettet ist, sowie mit Mitteln zum Modulieren der relativen Fortpflanzungskonstanten
der beiden Moden mit Hilfe des elektro-20
optischen Effektes. Bei dem Phasenschieber nach Fig. 9
erfolgt diese Modulation mit Hilfe eines Paares elektrisch leitender Fingerelektroden 62 und 63, welche auf dem Substrat
und dem Wellenleiterstreifen angebracht sind. Die
Elektroden erstrecken sich gleichlaufend über einen Strek-25
kenabschnitt L des optischen Wellenleiters und sind derart in Bezug zueinander angeordnet, daß die Finger 62-1, 62-2
62-N der Elektrode 62 und die Finger 63-1, 63-2
63-N ineinander verkämmt sind. Die Breite % jedes Fingers
längs der Wellenfortpflanzungsrichtung ist durch die Glei-30
chung (3) gegeben.
Die von den Elektroden gebildete übertragungsleitung wird
an ihrem eingangsseitigen Ende von einer Signalquelle 64
mit Leistung gespeist und ist an ihrem anderen Ende mit 35
einer Impedanz 65 abgeschlossen, welche gleich der charak-
-18- ■""" *"* "Alferness 9
teristischen Impedanz der übertragungsleitung ist.
Ein optisches Signal mit willkürlicher Polarisation, das sich längs des Streifens 60 fortpflanzt, läßt sich in
seiner Wirkung in zwei senkrecht zueinander polarisierte TE- und TM-Komponenten zerlegen. Für ein z-geschnittenes
Kristallmaterial ist die Phasenverschiebung für jede der beiden Moden proportional dem Integral von Δ0 über den
Streckenabschnitt L, wobei
/ν
Δί5ΤΜ ~ r33Ez;
r^2 un<3 r33 die elektrooptischen Koeffizienten
und 5
E die ζ-Komponente des Modulationssignals innerhalb
des Streifens 60
sind.
Aus den Fig. 7 und 8 sowie der vorstehenden Erläuterung 25
ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Phasenverschiebung für die bei den Nulldurchgängen des Modulationssignals
eintretenden Photonen maximal und für die eine Viertelperiode später eintretenden Photonen Null ist. Dementsprechend
läßt sich die resultierende Phasenverschiebung durch das elektrische Signal modulieren. Diese Phasenmodulation
läßt sich durch Verwendung geeigneter, vor und nach dem Phasenschieber angebrachter Polarisatoren in eine Intensitätsmodulation
umwandeln. Alternativ läßt sich eine Inter-
ferometer-Wellenleiterschaltung zusammen mit dem Phasen-35
schieber verbinden, um eine Intensitätsmodulation zu erzielen.
-1Ö-*
Alferness 9
Fig. 10 zeigt die Anwendung des Erfindungsgedankens auf einen nach beiden Modenrichtungen arbeitenden TE/TM-Modenkonverter
der beispielsweise in der US-PS 3 877 782 beschriebenen Art. Typischerweise umfaßt der Modenkonverter
einen Wellenleiterstreifen 70, welcher in ein Substrat 71 aus einem elektrooptischen Material mit geringerem Brechungsindex eingebettet ist. Längs eines Abschnittes L
des Streifens 70 ist ein Paar Elektroden 72, 73 in geeigneter Weise angebracht. Mit dem einen Ende der Elektroden
^g. ist eine Modulationssignalquelle 74 und mit dem anderen
Ende der Elektroden ist eine Abschlußimpedanz 75 zur Anpassung verbunden.
Wegen der von den beiden Moden angetroffenen Differenz der
Brechungsindices werden Fingerelektroden verwendet, um zwischen den optischen TE- und TM-Moden eine Phasenanpassung
herzustellen, wobei die räumliche Periode Λ der Finger
durch die Gleichung
1 [NTE - NTM J" J (6)
O U J
gegeben ist. In dieser Gleichung bedeuten:
λ die Wellenlänge der interessierenden optischen
Frequenz, und
NTE und N„M die effektiven Brechungsindices, die
von den TE- und TM-Moden angetroffen werden.
32A1945
Alferness 9
In Abhängigkeit von dem Schnitt des Substratmaterials sind die Elektrodenfinger entweder ineinander verkämmt oder
einander gegenüberliegend angeordnet, wie in Fig. 10 dargestellt ist.
Bei einem herkömmlichen Modenkonverter, bei welchem zwisehen
den Elektroden eine gleichförmige Potentialdifferenz aufgeprägt wird, ist die räumliche Periode Λ der Elektrodenfinger
typischerweise über die Länge der Elektroden gleichförmig, obwohl zur Verbreiterung der Bandbreite des
Konverter-Übertragungsmaßes eine gewisse räumliche Verjüngung vorgesehen werden kann. Bei einem Wanderwellen-Modenkonverter,
bei welchem die elektrischen und optischen Signale nicht in ihrer Geschwindigkeit angepaßt sind, muß indessen
das mit dem "Walk-off" verbundene zusätzliche Problem in Betracht gezogen werden. Insbesondere treten wie
im Falle des Modulators und des Phasenschiebers durch den
Umstand, daß das sich schneller fortpflanzende optische
Signal das sich langsamer fortpflanzende elektrische Signal überholt, aufeinanderfolgende Polarisationsumkehrungen
im elektrischen Feld in Abschnitten % (vgl. Fig. 3) und entsprechende Umkehrungen in dem resultierenden elektrooptischen
Effekt auf. Dies bedeutet, daß bei Fehlen gewisser Korrekturmaßnahmen jede im ersten Streckenabschnitt
H* auftretende Modenkonversion gleichgültig welcher Art
durch die Modenkonversion im zweiten Streckenabschnitt £~ungeschehen
gemacht würde. Um dies zu verhindern, wird das Äquivalent einer Phasenumkehrung von 180° in der Wirkung
des Modulationsfeldes auf den Moden-zu-Moden-Kopplungskoeffizienten
in geeigneten Abständen längs der Elektroden eingeführt. Im betrachteten Beispielsfalle ist die phasenangepasste
Komponente des Kopplungskoeffizienten gleich
-21- Alferness 9
k exp (j2nz/A). Um die Polarisationsumkehrung des elektrisehen
Feldes zu kompensieren wird durch Einfügen eines zusätzlichen Zwischenraums 72-1, 73-1, 72-2, 73-2, welcher
gleich Λ/2 ist und an den sich jeder der Streckenabschnitte %., Z-j . ... anschließt, eine kompensierende
Umkehrung im Kopplungskoeffizienten hervorgerufen. Damit
« ist der Kopplungskoeffizient in jedem aufeinanderfolgenden Streckenabschnitt das Negativ des bei Fehlen des zusätzlichen
Zwischenraumes vorhandenen Kopplungskoeffizienten.
Dies bedeutet, daß
wodurch sich die gewünschte Kompensation erzielen läßt.
Zu beachten ist, daß der Abstand Λ zwischen den Fingern
viel kleiner als die Kohärenzlänge % ist. Obwohl
daher jeder der Streckenabschnitte %., #~ und #3 im dargestellten
Beispielsfalle zur Aufnahme dreier Finger vorgesehen sind, sind generell viel mehr
als drei Finger pro Streckenabschnitt vorgesehen. Es ist
ferner darauf hinzuweisen, daß % nicht unbedingt ein exaktes ganzzahliges Vielfaches von Λ sein muß. In diesem
Falle wird derjenige Wert von X> gewählt, welcher einer
ganzen Anzahl von räumlichen Wellenlängen am nächsten ist. Dies entspricht einer sehr kleinen Änderung der vorgesehenen
Wellenlänge λ f des Modulationssignals.
Im Beispielsfalle von Fig. 10 endet jeder Streckenabschnitt
4L, Z~.... mit einem Zwischenraum, so daß ein
Zwischenraum hinzugefügt wird, um die zusätzliche halbe
-22- " " Alferness 9
Raumperiode zu erzielen. Man stellt jedoch fest, daß dann, wenn die Streckenabschnitte in einem Finger enden, die zusätzliche
halbe Raumperiode durch Zusatz eines zusätzlichen Fingers erzielt wird.
Ein quantitatives Maß für die Wirkungsweise der vorstehend
beschriebenen Bauelemente läßt sich dadurch erzielen, daß die Modulationsspannung E(z, t) als Funktion des Abstandes
ζ längs der Modulatorelektroden und der Zeit t wie folgt ausgedrückt wird:
E(z,t) = E0 sin (kz - cot - Φ) (8)
wobei E die maximale Amplitude des Modulationssignals
bedeuten | und | 2nnrf | *rffrf | |
20 | Wegen | Ir = | rf | : nrf |
25 | ||||
und
ω = 2nf f, erhält man:
E(z,t) = Eo sin 2ttir£ ( γ5- - t + φ') (9)
Die zum Zeitpunkt t eintretenden Photonen haben zu einem Zeitpunkt t einen Punkt ζ längs der Elektroden erreicht,
-23-:· ·:" '** "klferness 9
der durch die Gleichung
..:■■-
ζ = Vo(t - to) . (10)
gegeben ist.
O Durch Einsetzen von t aus Gleichung (10) in Gleichung (9)
erhält man: ·
E(Z, to) = EQ sin 2TTfrf [z (^- - ^) - tQ + Φο J (11)
15
Soweit der wirksame elektrooptische Effekt proportional der Elektrodenspannung ist, stellt die Gleichung (11) auch
ein Maß der Störung aus der Sicht dieser Photonen dar. Für diejenigen Photonen, aus deren Sicht kein Vorzeichenwechsel
des elektrooptischen Effektes bei deren Fortpflanzung auftritt, ist erforderlich, daß sich das Vorzeichen von
E(z,t ) bei Änderung von ζ nicht umkehrt. Wählt man den Ursprung der Zeitkoordinaten so, daß Φ' = 0 ist, so reduziert
sich für die zum Zeitpunkt t = 0 eintretenden Photonen die Gleichung (11) zu:
E(z,0) = E0 sin 2nfrf (^ ^-) z. (12)
rf ο
E(z,0) ändert das Vorzeichen nicht, falls
2nfrf (^ T7I) ζ
< π (13)
rf vo
oder falls _1
ζ < yl
(^L. - ^1) (14)
2f
rf
v
rf
v
o
ist.
-24- Alferness 9
Wegen
5 !rf ^f
frf " nrf
erhält man:
-1
10 . λ
ζ <
1 -
rf
(15)
Die Gleichung (15) stellt den Ausdruck für die durch die 15
obige Gleichung (3) gegebene Kohärenzlänge dar und verifiziert, was anhand der Fig. 7 und 8 gezeigt wurde. Dies
bedeutet, daß für einen festgelegten Ubergangsabschnitt % keine Vorzeichenumkehr von Δβ oder k für die an den
Nullstellen des Modulationssignals eintretenden Photonen erfolgt. Insbesondere ist für die Wellenlänge λ f des Modulationssignals,
welche der Kohärenzlänge Z entspricht, die Wirkung des "Walk-off" zwischen dem optischen Signal und
dem Modulationssignal für Elektrodenlängen kleiner oder gleich £ nicht wichtig.
Nimmt man die Gleichung (11) für ein Feld mit einem bestimmten
Wert f für die tatsächliche Frequenz f ^ des Modulationssignals
und fügt man in Abständen von 2 Polaritätsumkehrungen ein, wobei 2 aus der Gleichung (15) mit
dem Wert f für den vorgesehenen Wert der Modulationsfrequenz
f f berechnet wird, so läßt sich ein Maß für die effektive
Modulationstiefe durch Integration über die gesamte Elektrodenlänge L ableiten. Dies führt zu den beiden folgenden
Gleichungen:
35
35
-25- Alferness 9
(a) Für eine gerade Zahl von Umkehrungsabschnitten (d.h., L = £ (n+1), wobei η eine ungerade Zahl ist) gilt:
Edz = Vo {cos (n+1)a _ f°j^} cos [2TTfto *■ Cn+Da] (16)
(b) Für eine ungerade Anzahl von Umkehrungsabschnitten
(d.h., L = Z (n+1), wobei η eine gerade Zahl ist) gilt;
E Z
/ Edz = -2-2. {f£|-ga- sin(n+l)a} sin [2irfto - (n+l)a| (17)
/ Edz = -2-2. {f£|-ga- sin(n+l)a} sin [2irfto - (n+l)a| (17)
wobei α = nf/2f
Man stellt fest, daß jede der Gleichungen (16) und (17)
einen Amplitudenausdruck aufweist, welcher eine Punktion
der Modulationsfrequenz f ist, ferner einen zeitvariablen Term als ein Replikat des Modulationssignals und eine Phasenverschiebung
f welche eine Funktion der Modulationsfrequenz f/fQ ist. Man stellt ferner fest, daß für
ι
tQ = -ζ~ und f = f , d.h., für den in Fig. 8 wiedergege-
benen Zustand, der integrierte Wert von Δ3 gleich Null ist, wie aus Fig. 8 hervorgeht.
^O Fig. 11 zeigt die Änderungen des Amplitudengangs in Abhängigkeit von der normierten Modulationsfrequenz f/f
für Bauelemente mit zwei, vier und acht Abschnitten. Ferner sind die Ergebnisse für eine Elektrode der Länge 2&
ohne eine den "Walk-off" kompensierende Phasenumkehrung dargestellt. Wie hieraus ersichtlich ist, besteht die Wir-
-26- Alferness 9
kung einer Vergrößerung der Anzahl der Abschnitte darin,
daß das Modulationsband von einer Tiefpaßcharakteristik für keine Phasenumkehrungen zu einer Bandpaßcharakteristik
mit einer Mittenfrequenz f verschoben wird. Für den unkorrigierten Fall ist bei f = f keine optische Modulation
erzielbar. Bei Verwendung der vorgeschlagenen Elektrode vergrößert sich jedoch mit steigender Anzahl von
Abschnitten der Amplitudengang, während sich die Modulationsbandbreite
verringert. Auf diese Weise läßt sich das gewünschte Ziel erreichen. Die zusätzlichen Längen gestatten
die Verwendung geringerer Modulationsspannungen ohne daß eine Verringerung der Frequenz des Modulationssignals erforderlich ist.
Bei dem Modulator nach Fig. 2 sind die beiden äußeren Elektroden 24 und 25 als Fingerelektroden dargestellt und beschrieben.
In ähnlicher Weise sind auch die Elektroden 62 und 63 bei dem Phasenschieber nach Fig. 9 als Fingerelektroden
dargestellt und beschrieben. Es ist jedoch möglich, Teile dieser Elektroden wegzulassen, wobei dieses
Weglassen nur das Aussehen der Elektroden ändert, nicht aber deren Wirkungsweise beeinflußt. Beispielsweise zeigt
Fig. 12 Elektroden 62 und 63, bei denen die gepunkteten Teile 62-1, 62-2, 63-1 und 63-2 entfernt sind, wodurch
die Elektroden von einem Paar Fingerelektroden in ein Paar mäandrierender Elektroden gleichförmiger Breite umgewandelt
werden. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung stellen diese beiden Elektrodenformen Äquivalente
dar und sollen zeigen, daß die Erfindung unter Verwendung einer Vielzahl von Elektrodenformen angewandt werden
kann.
-27- Alferness
Bei der vorstehenden Beschreibung wurde zu Erläuterungszwecken unterstellt, daß sämtliche Streckenabschnitte die
gleiche Länge S, besitzen. Dabei wurde jedoch auch darauf
hingewiesen, daß der erste Streckenabschnitt und der letzte Streckenabschnitt gleich oder kleiner als £ sein
können. Falls beispielsweise der erste Streckenabschnitt kleiner als Z ist, ist die Wirkung das Äquivalent
einer Phasenverschiebung (Fig. 3f 7) des Modulationssignals
durch die verschobene vertikale Achse bzw. 43. Falls in ähnlicher Weise der letzte Streckenabschnitt
kleiner als Z ist, besteht die Wirkung in einer Beendigung des Beeinflussungsabschnittes an einer durch
die Achse 44 in Fig. 7 angegebenen Stelle. Bezüglich aller übrigen Gesichtspunkte besitzen jedoch die Bauelemente
die vorstehend beschriebene Wirkungsweise.
Claims (5)
- BLUMBACH . WESEB · 0E^GgN }-S ZWIRNERv-HOFFMAiMN"PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADENPatentconsult Radedcestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Palenlconsult Pateniconsull Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 .Telegramme PatentconsultWestern Electric Company, Incorporated Alferne£s9 New York, N. Y. 10038, USAPatentansprüche1J Elektrooptisches Wanderwellenbauelement, mit einem oder mehreren optischen Wellenleiter(n) und einem elektrischen Wellenleiter, der an den oder die optischen Wellenleiter angekoppelt ist, um mittels des elektrooptischen Effektes einen Parameter des oder der optischen Wellenleiter (s) örtlich zu modulieren, gekennzeichnet durch Mittel (24-1, 25-1; 62-1, 63-1, 62-2, 63-2; 72-1, 72-2, 73-1, 73-2) zum Erzeugen von Phasenverschiebungen um 180° in der Modulation des Parameters an longitudinal im Abstand angeordneten Streckenabschnitten [Z, bis *5;v ) längs des oder der optischen Wellenleiter(s)»
- 2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der elektrische Wellenleiter eine Vielzahl von Elektroden aufweist, welche eine planare Streifenübertragungsleitung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zum Erzeugen von Phasenverschiebungen um 180° Querversätze der Elektroden in Bezug auf den oder die optischen Wellenleiter vorgesehen sind,
- 3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, welches einen Phasenschieber darstellt, bei dem der oder die optische(n) Wellenleiter aus einem optischen Wellenleiter bestehen, wel-MUnchen: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dlpl.-Phys. Dr. (er. nat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dlpl.-Ing. . P. Bergen Prof. Dr. jur. Dipl.-Ing., Pot.-Ass., Pei.-Anw. bis 1979 . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dlpl.-W.-Ing.-2- *Alferne"ss 9eher einen in ein elektrooptisches Material mit geringeremBrechungsindex eingebetteten Streifen aufweist, da 5durch gekennzeichnet, daß der elektrische Wellenleiter zwei Elektroden (62, 63) aufweist, die sich abwechselnd über aufeinanderfolgende Längenabschnitte des Streifens (60) erstrecken.
- 4. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, welches einenModulator darstellt, bei dem der oder die optische(n) Wellenleiter ein Paar gekoppelter optischer Wellenleiter aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Wellenleiter eine Mittenelektrode (23) aufweist, welche zwischen einem Paar äußerer Elektroden (24, 25) angeordnet ist und eine Streifenübertragungsleitung bildet, die sich in Längsrichtung der optischen Wellenleiter (20, 21) erstreckt, wobei die Mittenelektrode(23) eine Mäanderform aufweist, die abwechselnd über Län-genabschnitte der optischen Wellenleiter (20, 21) verläuft.
- 5. Bauelement nach Anspruch 1, welches einen nach beiden Modenrichtungen arbeitenden TE/TM-Modenkonverter darstellt, bei dem der oder die optische(n) Wellenleiter aus einem einzigen optischen Wellenleiter bestehen und der elektrische Wellenleiter ein Paar Elektroden mit jeweils periodisch im Abstand angeordneten Fingern aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zum Erzeugen von Phasenverschiebungen um 180° inder Modulation des Parameters Phasenverschiebungen (72-1, 72-2, 73-1, 73-2) um 180° in der Periodizität der Finger vorgesehen sind.
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