DE3241945C2

DE3241945C2 -

Info

Publication number: DE3241945C2
Application number: DE3241945A
Authority: DE
Inventors: Rodney Clifford Holmdel N.J. Us Alferness
Original assignee: AT&T Technologies Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1981-11-16
Filing date: 1982-11-12
Publication date: 1993-09-23
Also published as: GB2109580B; GB2109580A; NL185311B; NL8204448A; IT1153030B; IT8224258A0; JPS635740B2; CA1191563A; FR2516667B1; NL185311C; DE3241945A1; JPS5890615A; US4448479A; FR2516667A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrooptische Wanderwellenbauelemente (traveling-wave elektrooptic devices).

In den US-Patentschriften 40 05 927 und 42 51 130 sind Torschaltungen mit Geschwindigkeitsanpassung beschrieben. Bei diesen Torschaltungen wird die Torfunktion durch ein wanderndes (laufendes) elektrisches Modulationssignal 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 aufeinander angepaßt sind, der Schalt- oder Modulationswirkungsgrad beträchtlich abfällt. Diese unvollständige Anpassung der Geschwindigkeiten wird nachstehend als "Walk-off" (Auseinandergang") bezeichnet.

Um dieses Problem des "Walk-off" zu lösen, sind in dem Aufsatz "Recent Development in High Speed Integrated Optical Gates" von P.L. Lin in Journal of Optical Communications 2 (1981), März, S. 2 bis 6, verschiedene Vorschläge erörtert, u. a. eine Geschwindigkeitsanpassung durch Erzeugen einer stehenden (elektrischen) Welle und eine Simulation des Musters einer stehenden Welle. Bei letzterem Vorschlag wird mittels einer mäandrierten Elektrodenstruktur das elektrische Signal dort vom Weg des optischen Signals weggeführt, wo die Phase des elektrischen Signals der gewünschten Modulation des optischen Signals abträglich ist. Damit bleiben bestimmte Abschnitte des optischen Signalwegs ohne Modulation.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die mit dem "Walk-off" verbundene Einschränkung 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 Modulationssignal 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 Wellenleiter 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 Differenz zwischen den Fortpflanzungskonstanten dieser beiden Moden gesteuert wird, erfolgt in ähnlicher Weise an festgelegtten, 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., des elektrooptisch modulierten Betriebsparameters dieses Bauelements, eine Phasenumkehr hervorgerufen wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bekannten Wanderwellen- 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 unterschiedlichen Phasen des Modulationssignals eintreten;

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Änderungen der Amplitude des Modulationssignals in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 5 und 6 schematische Schnitte durch den Modulator gemäß Fig. 2 zur Veranschaulichung der Richtungen des elektrischen Feldes innerhalb zweier benachbarter 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 unterschiedlichen Zeitpunkten in den Modulator eintreten;

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Phasenschiebers;

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 Erfindungsgedanke 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 Bezug genommen werden, welche eine bekannte Torschaltung mit Geschwindigkeitsanpassung der in der eingangs erwähnten US-PS 42 51 130 beschriebenen Art zeigt. Die Torschaltung umfaßt einen optischen Richtkoppler mit einem Paar im wesentlichen identischer dielektrischer Wellenleiter 11 und 12, welche in ein elektrooptisches Substrat 13 mit geringerem Brechungsindex eingebettet sind. Die Wellenleiter 11 und 12 sind über einen Streckenabschnitt L gekoppelt, 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 12 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 ausgangsseitigen Ende mit einem Widerstand 16 angeschlossen ist, dessen Größe gleich der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung ist. An ihrem eingangsseitigen Ende wird die Übertragungsleitung durch eine Signalquelle 17 mit Energie gespeist.

Bei Fehlen eines elektrischen Modulationssignals von der Quelle 17 sind die Fortpflanzungskonstanten β₁ und β₂ der beiden Wellenleiter 11 und 12 gleich. Hierdurch wird ein optisches Signal P₁, das an das eine Ende des Wellenleiters 11 angelegt wird, vollständig auf den Wellenleiter 12 gekoppelt. Falls jedoch ein elektrisches Feld zwischen die Elektroden angelegt wird, werden die Fortpflanzungskonstanten β₁ und β₂ örtlich aufgrund des elektrooptischen Effektes gestört. Hierdurch ändert sich an jeder Stelle x 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 β₁ und β₂ durch die Gleichung

wobei

λ_o die Weglänge des optischen Signals im freien Raum;
V_rf die Phasengeschwindigkeit des elektrischen Signals, und
Δn 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 eintretende 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.

Zu allen übrigen Zeitpunkten besitzt Δβ einen endlichen Wert, so daß zu diesen Zeitpunkten kein vollständiger 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, Juli 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 Signalwellenpfades, daß an geeignet beabstandeten Streckenabschnitten längs des Modulationsignal-Wellenleiter das Äquivalent einer 180°-Phasenumkehr in der Differenz Δβ eingeführt wird. Die Wirkung dieser Maßnahme besteht darin, die Wirkungen des "Walk-off" zwischen dem optischen Signal und dem Modulationssignal aufgrund der Geschwindigkeits-Fehlanpassung aufzuheben. Positiv formuliert bedeutet dies, daß die Phasenumkehrungen eine Geschwindigkeitsanpassung insoweit simulieren, als die Differenz Δβ, während sie keine Konstante über den Kopplungsabschnitt darstellt, zumindest für diejenigen Photonen, welche in das System unter einer bestimmten Phase 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 ansonst aufgrund des "Walk-off" in Kauf genommen werden müßte.

Bei dem Modulator gemäß Fig. 2 werden die vorstehend erwähnten Phasenumkehrungen durch eine spezielle Anordnung von Elektroden erzeugt. In gleicher Weise wie beim Stand der Technik sind die gekoppelten Wellenleiter 20 und 21 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 drei 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.

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 gleichbeabstandeten, in Längsrichtung verlaufenden Streckenabschnitten l_o, der sogenannten Kohärenzlänge, auftreten, welche durch die Gleichung

gegeben ist, wobei

λ_rf eine festgelegte elektrische Wellenlänge im freien Raum;
n_rf und V_rf der effektive Brechungsindex bzw. die Ausbreitungsgeschwindigkeit bei der bestimmten Wellenlänge, und
V_o die Ausbreitungsgeschwindigkeit des optischen Signals

bedeuten.

Die äußeren Fingerelektroden 24 und 25 sind längs des Kopplungsabschnittes derart positioniert, daß die Finger der betreffenden Elektroden über die von der inneren Elektrode 23 nicht bedeckten Abschnitte der optischen Wellenleiter 20, 21 verlaufen. Beispielsweise verläuft längs des ersten Streckenabschnitts l₁ 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 Streckenabschnitts l₂ 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.

Um das elektrische Feld auf das Gebiet der optischen Wellenleiter einzugrenzen, ist der Abstand d₁ zwischen der inneren Elektrode 23 und dem angrenzenden Finger viel kleiner als der Abstand d₂ 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 l₁ der ersten und letzten Elektroden- Streckenabschnitte jeden Wert kleiner als l_o gemäß Gleichung (3) besitzen. Die restlichen Streckenabschnitte l₂, l₃ . . . sind andererseits alle gleich l_o. Zu Zwecken der Erläuterung sei jedoch angenommen, daß sämtliche Streckenabschnitte gleich l_o 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 β₁ und β₂ der optischen Wellenleiter 20 bzw. 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 = P₁. Falls jedoch die Elektroden mit Energie aus der Signalquelle 30 gespeist werden, stört das sich ergebende, längs der Elektroden ausbreitende elektrische Feld örtlich die Fortpflanzungskonstanten β₁ und β₂ aufgrund des elektrooptischen Effektes. Die Fortpflanzungskonstanten der beiden optischen Wellenleiter ändern sich daher an jedem Punkt längs des Kopplers in Abhängigkeit von der Zeit. Und zwar werden die beiden Fortpflanzungskonstanten 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 β₁ und β₂, also Δβ = β₁-β₂, 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"- 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 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 40 und 41 in Fig. 3 veranschaulicht ist. Die spezielle, mit der Kurve 40 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 2l_o die Photonen eine vollständige Modulationsspannungsperiode mit den entsprechenden Δβ-Änderungen vor, wobei sich l_o 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.

Beide Kurven 40 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 gilt:

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 l₁ 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 durch den Wellenleiter 20 zur Elektrode 24. Im nächsten Streckenabschnitt l₂ hat sich die Phases 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 l₂ 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 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 Gleichung (4) entsprechend niedrig ist. Für andere Phasen des Modulationssignals ändert sich der Durchgang zwischen Null und dem maximalen Wert. Auf diese Weise wird eine Modulation der optischen Welle erzielt.

Phasenschieber

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 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 elektrooptischen 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 Streckenabschnitt 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 l_o jedes Fingers längs der Wellenfortpflanzungsrichtung ist durch die Gleichung (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 einer Impedanz 65 abgeschlossen, welche gleich der charakteristischen 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 Δβ über den Streckenabschnitt L, wobei

Δβ_TE ∼ r₁₃E_z;

Δβ_TM ∼ r₃₃E_z; (5)

r₁₃ und r₃₃ die elektrooptischen Koeffizienten und
E_z die z-Komponente des Modulationssignals innerhalb des Streifens 60

sind.

Aus den Fig. 7 und 8 sowie der vorstehenden Erläuterung ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Phasenverschiebung für die bei den Nulldurchgängen des Modulationssignals eintretenden Photonen maximal und für die eine Vierperiode 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 Interferometer- Wellenleiterschaltung zusammen mit dem Phasenschieber verbinden, um eine Intensitätsmodulation zu erzielen.

Modenkonverter

Fig. 10 zeigt die Anwendung des Erfindungsgedankens auf einen nach beiden Modenrichtungen arbeitenden TE/TM-Modenkonverter der beispielsweise in der US-PS 38 77 782 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 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

gegeben ist. In dieser Gleichung bedeuten:

λ_o die Wellenlänge der interessierenden optischen Frequenz, und
N_TE und N_TM die effektiven Brechungsindices, die von den TE- und TM-Moden angetroffen werden.

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 zwischen 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 l_o (vgl. Fig. 3) und entsprechende Umkehrungen in dem resultierenden elektrooptischen Effekt auf. Dies bedeutet, daß bei Fehlen gewisser Korrekturmaßnahmen jede im ersten Streckenabschnitt l₁ auftretende Modenkonversion gleichgültig welcher Art durch die Modenkonversion im zweiten Streckenabschnitt l₂ 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 k_oexp (j2πz/Λ). Um die Polarisationsumkehrung des elektrischen 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 l₁, l₂ . . . 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 l_o ist. Obwohl daher jeder der Streckenabschnitte l₁, l₂ und l₃ 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 l_o nicht unbedingt ein exaktes ganzzahliges Vielfaches von Λ sein muß. In diesem Falle wird derjenige Wert von l_o gewählt, welcher einer ganzen Anzahl von räumlichen Wellenlängen am nächsten ist. Dies entspricht einer sehr kleinen Änderung der vorgesehenen Wellenlänge λ_rf des Modulationssignals.

Im Beispielsfalle von Fig. 10 endet jeder Streckenabschnitt l₁, l₂ mit einem Zwischenraum, so daß ein Zwischenraum hinzugefügt wird, um die zusätzliche halbe 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 z längs der Modulatorelektroden und der Zeit t wie folgt ausgedrückt wird:

E(z, t) = E_o sin (kz - ωt - Φ) (8)

wobei

E_o die maximale Amplitude des Modulationssignals und

bedeuten.

Wegen

und

ω = 2πf_rf′

erhält man:

Die zum Zeitpunkt t_o eintretenden Photonen haben zu einem Zeitpunkt t einen Punkt z längs der Elektroden erreicht, der durch die Gleichung

z = V_o (t-t_o) (10)

gegeben ist.

Durch Einsetzen von t aus Gleichung (10) in Gleichung (9) erhält man:

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_o) bei Änderung von z nicht umkehrt. Wählt man den Ursprung der Zeitkoordinaten so, daß Φ_o=0 ist, so reduziert sich für die zum Zeitpunkt t_o = 0 eintretenden Photonen die Gleichung (11) zu:

E (z, 0) ändert das Vorzeichen nicht, falls

oder falls

ist.

Wegen

erhält man:

Die Gleichung (15) stellt den Ausdruck für die durch die obige Gleichung (3) gegegene Kohärenzlänge dar und verifiziert, was anhand der Fig. 7 und 8 gezeigt wurde. Dies bedeutet, daß für einen festgelegten Übergangsabschnitt l keine Vorzeichenumkehr von Δβ oder k für die an den Nullstellen des Modulationssignals eintretenden Photonen erfolgt. Insbesondere ist für die Wellenlänge λ_rf des Modulationssignals, welche der Kohärenzlänge l_o entspricht, die Wirkung des "Walk-off" zwischen dem optischen Signal und dem Modulationssignal für Elektrodenlängen kleiner oder gleich l_o nicht wichtig.

Nimmt man die Gleichung (11) für ein Feld mit einem bestimmten Wert f für die tatsächliche Frequenz f_rf des Modulationssignals und fügt man in Abständen von l_o Polaritätsumkehrungen ein, wobei l_o aus der Gleichung (15) mit dem Wert f_o für den vorgesehenen Wert der Modulationsfrequenz f_rf 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:

(a) Für eine gerade Zahl von Umkehrungsabschnitten (d. h., L=l_o(n+1), wobei n eine ungerade Zahl ist) gilt:
(b) Für eine ungerade Anzahl von Umkehrungsabschnitten (d. h., L=l_o(n+1), wobei n eine gerade Zahl ist) gilt: wobei α=πf/2f_o.

Man stellt fest, daß jede der Gleichungen (16) und (17) einen Amplitudenausdruck aufweist, welcher eine Funktion der Modulationsfrequenz f ist, ferner einen zeitvariablen Term als ein Replikat des Modulationssignals und eine Phasenverschiebung, welche eine Funktion der Modulationsfrequenz f/f_o ist. Man stellt ferner fest, daß für t_o = und f=f_o, d. h., für den in Fig. 8 wiedergebenen Zustand, der integrierte Wert von Δβ gleich Null ist, wie aus Fig. 8 hervorgeht.

Fig. 11 zeigt die Änderungen des Amplitudengangs in Abhängigkeit von der normierten Modulationsfrequenz f/f_o für Bauelemente mit zwei, vier und acht Abschnitten. Ferner sind die Ergebnisse für eine Elektrode der Länge 2l_o ohne eine den "Walk-off" kompensierende Phasenumkehrung dargestellt. Wie hieraus ersichtlich ist, besteht die Wirkung einer Vergrößerung der Anzahl der Abschnitte darin, daß das Modulationsband von einer Tiefpaßcharakteristik für keine Phasenumkehrungen zu einer Bandpaßcharakteristik mit einer Mittenfrequenz f_o verschoben wird. Für den unkorrigierten Fall ist bei f=f_o 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.

Bei der vorstehenden Beschreibung wurde zu Erläuterungszwecken unterstellt, daß sämtliche Streckenabschnitte die gleiche Länge l_o besitzen. Dabei wurde jedoch auch darauf hingewiesen, daß der erste Streckenabschnitt und der letzte Streckenabschnitt gleich oder kleiner als l_o sein können. Falls beispielsweise der erste Streckenabschnitt kleiner als l_o ist, ist die Wirkung das Äquivalent einer Phasenverschiebung (Fig. 3, 7) des Modulationssignals durch die verschobene vertikale Achse 42 bzw. 43. Falls in ähnlicher Weise der letzte Streckenabschnitt kleiner als l_o 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

1. 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 der elektrischen Welle um 180° an longitudinal im Abstand angeordneten Steckenabschnitten (l₁ bis l₅; l_o) längs des oder der optischen Wellenleiter(s), wobei die Phasenverschiebungen einen Abstand l_o von aufweisen, mit λ_rf als Wellenlänge, V_rf als Fortpflanzungsgeschwindigkeit und n_rf als Brechungsindex bei einer spezifizierten Frequenz der elektrischen Welle, sowie V_o als Fortpflanzungsgeschwindigkeit eines optischen Signals in dem oder den optischen Wellenleiter(n).

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, welcher einen in ein elektrooptisches Material mit geringerem Brechungsindex eingebetteten Streifen aufweist, dadurch 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 einen Modulator 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 Längenabschnitte 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° in der Modulation des Parameters Phasenverschiebungen (72-1, 72-2, 73-1, 73-2) um 180° in der Periodizität der Finger vorgesehen sind.