DE3435304A1

DE3435304A1 - Verfahren und vorrichtung zur vergroesserung der bandbreite eines hochgeschwindigkeitsmodulators

Info

Publication number: DE3435304A1
Application number: DE19843435304
Authority: DE
Inventors: Anders Gustav Solna Djupsjöbacka; Lars Helge Huddinge Thylen
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1983-10-10
Filing date: 1984-09-26
Publication date: 1985-04-11
Also published as: SE8305572D0; FR2553203A1; FR2553203B1; JPS60114820A; GB8424789D0; GB2148023A; US4658224A; SE8305572L; SE463739B; GB2148023B

Description

HOFFMANN · EITLE & PARTNER

PATENT- UND RECHTSANWÄLTE PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. W. EITLE . DR. RER. NAT. K. HOPFMANN · DIPL.-ΙΝβ. W. LEHN DIPL.-INa. K. FCICHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN . DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS · DIPL.-INQ. K. GDRG DIPL.-ING. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE

- 4 - 40 834 q/gt

TELEFONAKTIEBOLAGET L M ERICSSON Stockholm / Schweden

Verfahren und Vorrichtung zur Vergrößerung der Bandbreite eines Hochgeschwindigkeitsmodulators

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergrößerung der Bandbreite eines Hochgeschwindigkeitsmodulators, in dem die Modulation eines Lichtsignales mit konstanter Frequenz geschaffen wird mit der Hilfe eines Information tragenden Mikrowellensignals. Das Verfahren und die Vorrichtung sind jedoch nicht begrenzt auf das Modulieren mit Hilfe von Mikrowellensignalen. Es sollte auch in erster Linie anwendbar sein für die.Ausnützung solcher Signale, da die Bandbreitenbegrenzung hier das größte Problem ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll in einem Modulator verwendet werden, der aus einer integrierten optischen Schaltung einer für sich bekannten Ausführung besteht, die später in Verbindung mit den Fig. 1 bis 4 deutlicher beschrieben wird. Optische sogenannte Richtungskoppler sind bereits in der Literatur beschrieben (z.B. IEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE 17, No. 6, June 1981). Diese Koppler umfassen zwei optische Leiter, die parallel über einen sogenannten Wechselwirkungsabstand angeordnet sind, in denen ein optisches Signal durch einen

Leiter auf den anderen Leiter längs des Wechselwirkungsabstandes gekoppelt werden kann. Dieses Koppeln kann durch die Aktion oder Wirkung einer Spannung von geeigneter Größe eingeleitet bzw. betätigt werden. Ein solcher Richtungskoppler kann modifiziert werden, um einen Hochgeschwindigkeitsmodulator zu bilden, wobei die Spannung dann durch ein Modulierungssignal von sehr hoher Frequenz ersetzt wird, d.h. durch ein Mikrowellensignal. Das Mikrowellensignal wird parallel zu den optischen Leitern angelegt. Aus diesem Grund werden gewöhnlich Transmissionsleiterelektroden, z.B. coplanare Bandleitungen verwendet.

In einem optischen Hochgeschwindigkeitsmodulator der erfindungsgemäßen Art läuft das Licht in den wellenführenden Kanälen parallel zu den Mikrowellensignalen in beiden Transmissions- bzw. Übertragungsleiterelektroden, jedoch mit unterschiedlichen Fortpflanzungswerten. Dieser Unterschied in dem Fortpflanzungswert oder -betrag zwischen der Mikrowelle und dem Licht in den Kanälen begrenzt die Bandbreite der optischen Schaltung so, daß je größer die Differenz in dem Fortpflanungsbetrag ist, um so größer auch die Differenz in der akkumulierten Phasendifferenz zwischen der Mikrowelle und dem Licht nach einem vorgegebenen Abstand sein wird, und um so geringer die Bandbreite sein wird. Es ist daher vorteilhaft den Wechselwirkungsabstand so klein als möglich zu halten, um die Phasendifferenz zwischen dem optischen Signal und dem Mikrowellensignal zu reduzieren, welche aufgrund der Differenz beim Fortpflanzungsbetrag auftritt. Gleichzeitig ist es in bezug auf die treibende Kraft, d.h. aufgrund der Mikrowellenleistung, die für die Modulation benötigt wird, wünschenswert, einen so lang als möglichen Wechselwirkungsabstand zu verwenden und somit lange Übertragungsleiter.

In Übereinstimmung mit dem oben genannten führt die Differenz in den Fortpflanzungsbeträgen zu einer relativen Phasenverschiebung zwischen der Mikrowelle und dem Lichtsignal. Wenn diese Phasenverschiebung 180° und mehr beträgt, gibt es eine Verschlechterung und Störung der Modulationseigenschaften in einer fortgesetzten Kopplung über den restlichen Wechselwirkungsabstand, d.h. eine Bandbreitenbegrenzung. Die Reduzierung des Wechselwirkungsabstandes zur Entgegenwirkung einer solchen Verschlechterung resultiert gemäß dem oben genannten dahingehend, daß die Antriebsleistung vergrößert werden muß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Wirkung der Phasenverschiebung zu reduzieren, die zwischen einem Modulationsmikrowellensignal (mit im allgemeinen geringer Fortpflanzungsrate) und einem modulierten optischen Signal mit einer gegenüber dem Mikrowellensignal größeren Fortpflanzungsrate, während ein ausreichend langer Wechselwirkungsabstand gehalten werden soll, d.h. die Bandbreite für eine aufrechterhaltene Antriebsleistung vergrößert werden soll oder für eine aufrechterhaltene Bandbreite die Antriebsleistung verringert werden soll.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren.findet eine Polumkehr des Modulationssignales statt, nachdem das Modulationssignal relativ zum optischen Signal um 180° phasenverschoben wurde, und zwar aufgrund der Differenz in dem Fortpflanzungsbetrag. Es wird somit eine Änderung des Modulationssignales erhalten, derart, daß es trotz des Wechselwirkungsabstandes entsprechend einer Phasendifferenz von 2ΤΓ eine Modulation des optischen Signales ergeben

kann. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Im folgenden wird die Erfindung im Detail anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Hochgeschwindigkeitsmodulator in der Form einer integrierten optischen Schaltung einer bekannten Ausführungsform,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Schaltung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 und 4 Diagramme der Lichtenergieverteilung in

der Schaltung gemäß Fig. 1,

Fig. 5 ein Diagramm von Modulationsmikrowellensignalen, wie sie in der Schaltung gemäß Fig. 1 auftreten,

Fig. 6 ein Schaltungsdiagramm einer Elektrodenstruktur in einem Richtungskopplermodulator, in dem das Verfahren der erfindungsgemäßen Art angewendet wird,

Fig. 7 bis 10 Diagramme der Spannungsverteilung längs der Elektroden in dem Modulator gemäß Fig. 6, und
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Fig. 11 eine Elektrodenstruktur einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Hochgeschwindigkeitsmodulator, der aus einem sogenannten optischen Richtungskoppler mit einem Paar von identischen und-planaren Wellenleitern oder sogenannten Bandleitungen 4 und 5 besteht, die ein Modulationsmikrowellensignal aufnehmen, das das über den optischen Wellenleiter 1, d.h. von einer Laserdiode, ankommende Lichtsignal moduliert. Beide Lichtleiter 1 und 2 des Modulators sind so dicht in bezug zueinander angeordnet, daß das eingeleitete Licht, d.h. über den Leiter 1 längs des Abstandes 0-L auf den Leiter 2 gekoppelt werden kann. Die planaren Wellenleiter 4 und 5 sind miteinander über einen Lastwiderstand 3 verbunden. Die Länge L jedes Wellenleites 4 und 5 ist der sogenannten Wechselwirkungsabstand.

Ein Mikrowellensignal ν wird an den Eingang des Leiters 4 angelegt. Dieses Signal ν wird als sinusförmig angenommen. Während seiner Fortpflanzung längs des Wechselwirkungsabstandes L bewirkt es die Kopplung des Lichtes zwischen beiden Lichtleitern 1 und 2. Das Lichtsignal ist am Ausgang des Leiters 2 erhältlich. Es ermöglicht somit die Modulation.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der Schaltung gemäß Fig. 1 längs der Schnittlinie A-A. Auf einem Substrat 7 von Lizium-Niobat (LiNO^) wurden die zwei Lichtleiter 1 und 2 mit einem höheren Brechnungsindex als das Lizium-Niobat mit Hilfe einer Ti-Diffusion geschaffen. Beide Wellenleiter 4 und 5 sind auf der Spitze der planaren oberen Oberfläche angeordnet und zwar in Form von Streifenleitungen (Aluminium).

Wenn in Fig. 1 angenommen wird, daß das Signal ν eine reine Gleichspannung ist (f = 0, ν = V ) wird eine Verteilung der

Lichtenergie durch die Leiter 1 und 2 (dargestellt in den Fig. 3 und 4) in einem gegebenen Augenblick erhalten. Fig. 3 veranschaulicht den Fall: ν = V_Q = O. Es kann hieraus gesehen werden, daß diese Phase das gesamte Licht am Anfang des Wechselwirkungsabstandes b = O leitet, d.h. am Eingang des Lichtleiters 1. Während bzw. innerhalb des Intervalles 0<l<L/2 findet eine Kopplung des Lichtes vom Lichtleiter 1 auf den Lichtleiter 2 statt, so daß bei I=L der Lichtleiter 2 das gesamte Licht leitet. Innerhalb des Intervalles L/2<KL wird das Licht vom Leiter 2 auf den Leiter 1 in ähnlicher Weise gekoppelt. Somit erhält man eine alternierende Übertragung des Lichtes von einem Lichtleiter auf den anderen längs des Wechselwirkungsabstandes 0-L.

Wenn eine Wechselspannung über die Lichtleiter 1 und 2 angelegt wird, verursacht bzw. bewirkt diese die Kopplung zwischen den Lichtleitern 1 und 2, so daß bei einer vorgegebenen Spannung ν = V_Q = 0 keine Kopplung zwischen den Leitern besteht, so daß die Lichtstärke (oder Lichtenergie) sich nur schwach entsprechend Fig. 4 ändert.

Aus dem oben genannten kann gesehen werden, daß das Licht, das am Ausgang erhalten wird, z.B. vom Lichtleiter 1, mit einer Modulationsspannung ν am Eingang der Lichtleiter 1 und 2 gemäß Fig. 1 moduliert werden kann. In dem Fall, in dem dieses Signal ein Mikrowellensignal bildet, wobei die Wellenlänge*^ >>L ist, treten keine Probleme mit einer solchen Lichtmodulation auf.

Wenn jedoch die Frequenz des Mikrowellensignales bei einer Hochgeschwindigkeitsmodulation vergrößert wird so, daß die Phasendifferenz zwischen dem Licht und dem Mikrowel-

lensignal sich dem Wert 2lKnach dem Wechselwirkungsabstand L nähert, treten Probleme beim Erzielen der Modulation auf, da irgendein.positiver (oder negativer) Beitrag, der der Spannung Vq ^""^vn^ entspricht und der die Modulation bewirkt, nicht erzielt werden kann. Dies liegt daran, daß für die gesamte Periode der Phasendifferenz zwischen dem Mirkowellensignal ν und dem Licht die positiven und negativen Halbwellen einander sperren bzw. aufheben, so daß die Modulationswirkung verschwindet. Dies signifiziert eine Bandbreitenbegrenzung der Modulatoren des in Fig. 1 dargestellten Typs.

Die Erfindung gemäß Fig. 5 verdeutlicht sehr viel inten-, siver die oben erwähnten Probleme in bezug auf die Bandbreitenbegrenzung. Das Diagramm in Fig. 5 veranschaulicht drei unterschiedliche Mikrowellensignale V₁ , v~ und v., mit unterschiedlichen Frequenzen. Das Signal V₁ mit der geringsten Frequenz weist eine Wellenlänge ^₁ auf, die in der Fig. (sehr viel größer als in der Wirklichkeit) ist als der Wechselwirkungsabstand L. Das Signal gibt einen positiven Beitrag für jede Phasenposition 0 bis 360° innerhalb des Wechselwirkungsabstandes. Man erhält so eine richtige Modulation entsprechend Fig. 1. Das Signal v~ weist eine solche hohe Frequenz auf, daß die Differenz in der Fortschreitung oder Fortpflanzungszeit längs des Abstandes L einer Mikrowellenperiode Tm entspricht, was bedeutet, daß innerhalb des Wechselwirkungsabstandes L keine resultierende Änderung stattfindet. Dies gilt für jede Phasenposition der Mikrowelle. Somit wird keine richtige Modulation erhalten.

Wenn die Frequenz des Mikrowellensignales ν weiter ansteigt bis zum Signalverlauf V₃, erhält man in der Tat

eine reine oder scharfe Addition (gestrichelte Fläche in Fig. 5). In der Praxis ist diese Addition jedoch zu unbedeutend, um eine Modula-tion zu erhalten und damit ein Ansteigen in der Bandbreite.
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Es wird ein Verfahren in Übereinstimmung mit der Erfindung zur Vergrößerung der Bandbreite eines Hochgeschwindigkeit smodulators der in Fig. 1 dargestellten Art dadurch ermöglicht, daß das Modulationssignal innerhalb des Wechselwirkungsabstandes verändert wird, so daß eine effektive oder wirksame Modulation für Mikrowellensignale geschaffen wird. Die Frequenz dieser Signale ist so groß, daß die Differenz der Fortpflanzungszeit über den Abstand L einer Mikrowellenperiode in Übereinstimmung mit dem vorhergesagten entspricht. Diese Änderung kann z.B. durch eine Polumkehr des Signales nach der Hälfte des Wechselwirkungsabstandes vorgesehen werden, so daß das Signal nach der Eolumkehr (angedeutet in Fig. 5 durch Schraffieren von v_?) gleichgerichtet wird, wobei auf diese Weise die notwendige wirksame Addition ermöglicht wird.

Fig. 6 zeigt einen optischen Richtungskopplermodulator derselben Art wie in Fig. 1, jedoch gemäß dem erfinderischen Verfahren modifiziert. Der Mikrowelleneingang ist über einen Kondensator C. mit dem planaren Wellenleiter verbunden, der in zwei Teile 4a und 4b in diesem Falle aufgeteilt wurde. Diese Teile sind miteinander über einen Kondensator C verbunden. Eine positive Gleichspannung +E wird über eine Induktivität L₁ zwischen dem Kondensator C. und

3Q dem Eingang des Wellenleiterteiles 4a angelegt. Die Teile 4a und 4b sind planare Bandleitungen sowie in der Schaltung gemäß Fig. 1. Der Ausgang des Wellenleiterteiles 4b ist mit dem Ausgang des Wellenleiters 5 über einen Kondensator

C^ und eine Last 6 verbunden, wobei der Wellenleiter 5 die gleiche Implementierung aufweist als der entsprechende Wellenleiter in Pig. 1. Eine negative Gleichspannung -E wird über eine Induktivität L2 an den Ausgang des Wellenleiterteiles 4b angelegt. Der Eingang des Wellenleiters 5 ist geerdet. Sowie in der Schaltung gemäß Fig. 1 sind die optischen Wellenleiter 1 und 2 parallel zu den Wellenleiterteilen 4a, 4b und dem Wellenleiter 5. Mit Hilfe der beiden Spannungen +E und -E ist die Schaltung gemäß Fig. 5 positiv und negativ in bezug auf die Erde vorgespannt, wodurch eine Polumkehr eines ankommenden Mikrowellensignales nach der Hälfte des Wechselwirkungsabstandes geschaffen wurde.

Die Fig. 7 bis 10 veranschaulichen die Mikrowellenspannungsverteilung längs des Wechselwirkungsabstandes für vier Phasenlagen in bezug auf das Licht, d.h. in zwei unterschiedlichen Augenblicken. Die Fig. 7a bis 10a veranschaulichen die Verteilung der Vorspannungen +E, -E, die Fig. 7b bis 10b die Verteilung der Mikrowelle (wenn keine Vorspannung verwendet wird) und die Fig. 7c bis 10c die gesamte Spannungsverteilung für die unterschiedlichen Phasenpositionen 0°, 90°, 180° und 270'

I O

Wenn die Phasenverschiebung 0° ist (Fig. 7a-c) arbeitet der Beitrag von den Vorspannungen +E und -E mit dem Mikrowellensignal zusammen. Wenn die Phasenverschiebung 180° wird (Fig. 9a-c) wirkt der Gleichspannungsbeitrag dem Mikrowellensignal entgegen. Ein Zusammenwirken findet während einer Halbperiode statt für beide Phasenverschiebungen 90° und 210°, während eine Entgegenwirkung während der nächsten Halbperiode stattfindet, die sich gegenseitig löschen. Die Bereiche unter den entsprechenden Kurven

gemäß den Fig. 7c bis 10c ändern sich daher von einem
Maximumwert (bei 0° Phasenverschiebung) zu einem Minimumwert (bei 180° Phasenverschiebung). Diese Veränderung in den Bereichen ergibt die gewünschte Modulation des optisehen Signales.

Computersimulationen des vorgenannten integrierten optischen Richtungskopplers haben gezeigt, daß die neue Elektrodenstruktur einen Bandpaßcharakter ergibt und daß ihre Bandbreite näherungsweise zweimal so groß ist verglichen mit der bekannten Elektrodenstruktur von Fig. 1 mit der gleichen physikalischen Länge L. Die optische Modulation senkt sich etwas im tatsächlichen Falle mit der neuen
Elektrodenstruktur. Dies bedeutet, daß der elektrische

Modulationseffekt entsprechend vergrößert werden muß, wenn die optische Modulation aus dem Richtungskoppler konstant gehalten werden soll.

Eine Veränderung der Mikrowelle längs des Wechselwirkungsabständes, die zum Ansteigen der Modulation der Lichtsignale beiträgt, kann auch erreicht werden, ohne daß Vorspannungen benützt werden, d.h. wenn E = 0 in den Fig.
7 bis 10. Fig. 11 verdeutlicht eine Elektrodenstruktur
eines solchen Modulators, in dem die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden wie in Fig. 6.

Λΐ.

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Claims

PATENT-UND RECHTSANWÄLTE PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ING. W. LEHN DIPL.-1NG. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN · DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS · DIPL.-ING. K. GORG DIPL.-ING. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE 40 834 q/gt TELEFONAKTIEBOLAGET L M ERICSSON Stockholm / Schweden Verfahren und Vorrichtung zur Vergrößerung der Bandbreite eines Hochgeschwind'igkeitsmodulators PATENTANSPRÜCHE :

1. Verfahren zur Vergrößerung der verfügbaren Bandbreite bei der Modulation eines optischen Signales in einem optischen Hochgeschwindigkeitsmodulator vom Wanderwellentyp mit Hilfe eines Signales (v) von geringerer Frequenz als das optische Signal längs eines vorgegebenen Wechselwirkungsabstandes, wobei die Länge (L) des Wechselwirkungsabständes einer Fortpflanzungszeitdifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem Licht für eine ganze Anzahl von Perioden des Modulationssignales entspricht, wobei der Wechselwirkungsabstand (L) zumindest in zwei gleiche Teile unterteilt wird, dadurch gekennzeichnet , daß das Modulationssignal (v) nach dem Passieren der Hälfte des Wechselwirkungsabstandes, welches zumindest einer Hälfte einer Mikrowellenperiode in der relativen Phasenverschiebung entspricht, durch Vorspannen eines Abschnittes mit einer positiven Spannung (+E) und des

anderen Abschnittes mit einer negativen Spannung (-E) geschiftet wird, so daß eine Änderung des Modulationssignales in bezug auf-, ihre Phasenposition erzielt wird, wodurch die Modulation des optischen Ausgangsignales erreicht wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, in dem ein optischer Richtungskopplungsmodulator vom Wanderwellentyp vorgesehen ist, der aus zwei parallelen planaren metallischen Wellenleitern (4a, 4b, 5) besteht, dessen Länge einen Wechselwirkungsabstand (L) definiert und mit einem Eingang, an dem ein Modulationsmikrowellensignal (v) auftritt, wobei die Wellenleiter über einen Lastwiderstand (6) verbunden sind und mit optischen Leitern (1, 2) zum Leiten eines optischen Signales mit einer vorgegebenen Frequenz, die parallel zu den metallischen Wellenleitern angeordnet sind, wobei das optische Signal von einem Wellenleiter (1) auf den anderen (2) in Abhängigkeit von dem Mikrowellensignal übertragen bzw. gekoppelt wird, und wobei mindestens ein metallischer Wellenleiter in zwei gleichlange Abschnitte (4a, 4b) unterteilt ist,
dadurch gekennzeichnet , daß eine positive Vorspannung (+E) mit einem Abschnitt (4a) verbunden ist, während eine zweite Vorspannung (-E) mit dem anderen Abschnitt (4b) verbunden ist, um eine Spannungsverschiebung des Modulationssignales (ν) zu bewirken und daß beide Abschnitte (4a, 4b) mittels eines Kopplungselementes (c) für das Modulationssignal (v) miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß das Kopp-

lungselement aus einem Kondensator (C) besteht, welcher das Modulationssignal (v) überträgt, die Vorspannungen (+E, -E) hingegen abblockt.