DE3613738A1 - Signaluebertragungsvorrichtung mit integriert elektro-optischem lichtmodulator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Signalübertragungsvorrichtung mit einem elektro-optischen Modulator bestehend aus einem integrierten optischen Lichtwellenresonator, der in einen doppelbrechenden Kristall zwischen verspiegelten Stirnflächen durch Diffusion einebracht ist und zu dem parallel Elektroden angeordnet sind, durch die der Kanal mittels einer angelegten Modulationsspannung mit einem elektrischen Modulationsfeld zur Änderung der optischen Weglänge im Resonator beaufschlagbar ist und in dessen Stirnflächen eine Eingangslichtwelle einkoppelbar und eine Ausgangslichtwelle abnehmbar ist.

Es ist aus H. George et al., Sensor Applications of Low Finesse Integrated Optical Fabry-Perot Resonators, Springer Verlag, Series in Optical Sciences 48, p. 21-25, 1985, eine Vorrichtung bekannt, bei der parallel zu einem titandotierten Lithiumniobat-Lichtwellenleiter-Resonator Elektroden angeordnet sind, die mit einer Modulations- Spannung fester Frequenz und konstanter Amplitude beaufschlagt werden, wodurch die Transmission und Reflexion des Lichtwellenleiters für monochromatisches Licht entsprechend der Modulationsspannung verändert wird. Das von einem Laser eingespeiste und im Wellenleiter-Resonator durch das elektrische Modulationsfeld intensitätsmodulierte Licht wurde von einem Sensor empfangen und ausgewertet, wobei aus dem Gehalt an Grund- und Oberwellenanteil des Modulations- Frequenzsignals die Steilheit und die Krümmung der Resonatorkennlinie im jeweiligen Arbeitspunkt ermittelt wurde, aus der jeweils eine Temperaturänderung des Wellenleiters, die in analoger Weise wie eine Änderung der Modulationsspannung den Wellenleiter beeinflußt, ermittelt wurde. Eine Nachrichtensignal- Modulation zur Signal- oder Nachrichtenübertragung war nicht vorgesehen.

Aus GMR/Ber. 3 (VDI/VDE Ges. für Meß- und Regeltechnik) Langen/FFm, 10/84, W. Sohler, "Meßtechnische Anwendungen integriert optischer Resonatoren" ist es bekannt, einen Wellenleiterresonator mit verspiegelten Stirnflächen im Durchlichtbetrieb als spannungsgesteuerten Intensitäts- Modulator zu verwenden, wobei ein maximaler Modulationshub von 75% bei einer Modulationsspannung von 0,3 V erreicht wurde.

Ebenso ist aus Proc. of ECOC, European Conference of Optical Communication, Stuttgart 1984, W. J. Stewart et al, "Electro-Optic Resonant Waveguide Modulation", bekannt, einen elektro-optischen Wellenleiter-Resonator mit Stirnflächenverspiegelung aus dielektrischen Beschichtungen als spannungsgesteuerten Intensitäts-Modulator im Durchlichtbetrieb zu verwenden. Dabei war das Ziel, die optische Bandbreite an die elektrische anzupassen, um hohe Spannungsempfindlichkeit zu erreichen.

Dieser bekannte Betrieb von Wellenleiter-Resonatoren als spannungsgesteuerte Intensitäts-Modulatoren im Transmissionsbetrieb hat den Nachteil, daß von der auf der einen Stirnseite eingespeisten Lichtleistung je nach dem Grad der Verspiegelung und der dadurch erreichten Finesse wegen der unvermeidlichen Verluste durch Streuung und Absorbtion maximal nur zwischen 5 und 1 Prozent als moduliertes Nutzsignal von der anderen Stirnseite bei Resonanz abgegeben werden; somit haben diese Modulatoren einen sehr geringen optischen Wirkungsgrad.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektro-optischen Modulator zu offenbaren, der bei hoher Spannungs- Empfindlichkeit, eine geringe spezifische Modulations- Leistung benötigt, einen großen Modulationshub erbringt, eine an die elektrische Bandbreite angepaßte optische Bandbreite und darüberhinaus einen hohen optischen Wirkungsgrad hat.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß die von der Stirnfläche reflektierte Reflexlichtwelle mit optischen Trennmitteln von der Eingangslichtwelle getrennt wird und als modulierte Welle ausgesendet und ggf. einem Signalempfänger zugeleitet wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Wegen der abnehmenden Dämpfung mit zunehmender Wellenlänge ist der Wirkungsgrad des neuartigen Modulators entsprechend zunehmend höher als die vorbekannter integriert elektro- optischer Modulatoren, die auf anderer Wirkungsweise beruhen.

Es ist vorteilhaft möglich, durch die Auslegung der Länge und der Finesse des Wellenleiter-Resonators die Zeitkonstanten des Resonators so festzulegen, daß jeweils die optische Bandbreite des Modulators bei vorgegebener Spannungs-Empfindlichkeit so groß wie möglich ist.

Es ist weiterhin vorteilhaft möglich, die Lichtquelle und den Empfänger über einen Lichtleiter mit dem Modulator zu koppeln, wodurch dieser völlig potentialgetrennt und somit unbeeinflußt von der Lichtquellen- und Lichtempfänger- Elektronik betrieben werden kann.

Für den Betrieb des Modulators in Verbindung mit einer Glasfaserübertragungsstrecke wird vorteilhaft eine Quarzglasfaser benutzt, die eine Nullstelle der optischen Dispersion bei 1,3 Mikrometern Wellenlänge und eine minimale Dämpfung bei 1,5 Mikrometern Wellenlänge aufweist, so daß der Modulator und die Lichtquelle, je nach Anwendung, bei einer dieser bevorzugten Wellenlängen oder nahe dieser betrieben und dafür optimal dimensioniert werden.

Zur Stabilisierung des Arbeitspunktes des Modulators wird zweckmäßig eine Regelschaltung, je nach den Gegebenheiten der Anwendung, vorteilhaft am Modulatorteil oder an der Lichtquelle steuernd angeordnet, wie sie in H. George et al., a. a. O. in ähnlicher Weise für einen Sensorbetrieb des Wellenleiter-Resonators vorgesehen war.

Sofern eine Impulsmodulation vorgesehen ist, werden vorteilhaft die kurzzeitigen überproportionalen Intensitäts- und/oder Phasenänderungen der dynamischen Übergangsvorgänge zwischen zwei Modulationszuständen zur Auswertung im Demodulator der empfangenen Lichtwelle genutzt, wobei jeweils ein vollständiges Abklingen der Übergangszustände nach einem jeweils detektierten Impuls nicht abzuwarten ist, wodurch eine weitere Steigerung der Modulationsrate erreichbar ist.

Die auftretende Phasenmodulation kann vorteilhaft genutzt werden, insbes. dann, wenn auf der Übertragungsstrecke die Amplitude beeinflussende Störungen auftreten und, z. B. durch Fremdlicht, den Empfang beeinträchtigen, wobei zur Demodulation ein Interferenzverfahren benutzt wird, das auch vorteilhaft mit einem verzögerten Empfangswellenteil arbeitet, und somit weitgehend von Schwankungen der Quellfrequenz und einer Übertragungslaufzeit-Schwankung unabhängig eine Modulationsdetektion ermöglicht. Eine Referenzlichtquelle wird dadurch erübrigt, und vorteilhaft wird der Bau eines integriert optischen Interferometers ermöglicht.

In den Fig. 1 bis 7 sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Wirkungsweisen schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Modulator-Wellenleiter-Resonator;

Fig. 2 zeigt eine Modulatorvorrichtung;

Fig. 3 zeigt eine weitere Modulatorvorrichtung ausschnittweise;

Fig. 4 zeigt Modulationskennlinien;

Fig. 5 zeigt eine Empfänger- und Demodulatorvorrichtung für phasenmodulierte Lichtsignale;

Fig. 6 zeigt einen Empfänger-Demodulator für Intensitäts- Pulsmodulation;

Fig. 7 zeigt die dynamischen Intensitätsverläufe bei verschiedenen Modulationsimpulshöhen.

Fig. 1 zeigt in einem doppelbrechenden Kristall (KR), der vorzugsweise aus Lithiumniobat besteht, einen bekannten Wellenleiterkanal (K), der sich zwischen den verspiegelten Stirn- bzw. Endflächen (S 1, S 2) erstreckt. Die Kanaltiefe (KT) ist z. B. 5 Mikrometer und die Kanalbreite (KS) etwa 10 Mikrometer. Dieser Kanal wird beispielsweise durch Eindiffundieren eines Titanstreifens einer Breite (B) von 5 Mikrometern in den Kristall (KR) erzeugt. Beidseitig parallel zum Kanal (K) sind die Elektroden (E 1, E 2) auf den Kristall (KR) aufgebracht, so daß mit einer an diese angelegten elektrischen Spannung ein elektrisches Feld in dem Kanal (K) erzeugt wird, das dessen optische Eigenschaften, u. a. den Brechungsindex, verändert. Eine Lichtwelle einer optischen Mode wird durch ein elektrisches Feld in seiner Wellenlänge im Kristall durch die Brechungsindexänderung verändert.

Abhängig von der Bearbeitung der Endflächen (S 1, S 2), die durch Polieren und evtl. aufgebrachte dielektrische Reflektoren in einem weiten Bereich mit unterschiedlichen Reflektivitäten zwischen 14% und 99,9% herstellbar sind, können bei jeweils geeignet abgestimmter Phasenlage stehende Wellen mit einer Resonanzüberhöhung entsprechend der, durch die Reflektivitäten und die Verluste bestimmten, Finesse von etwa 2 und bis zu 200, bei der Wellenlänge von 1,52 Mikrometern eines He-Ne-Lasers, erreicht werden. Bei Resonanz und hoher Finesse ergibt sich eine entsprechend hohe Empfindlichkeit der Phasenlage des Lichtes auf Spannungsänderungen zwischen den Elektroden. Weiterhin ist bei hoher Finesse durch die lange Zeit für die vielen Lichtwellen-Durchläufe jeweils die Auf- und Abbauzeit der Amplitude bestimmt, wodurch die Modulationsbandbreite bestimmt ist. So wird z. B. bei einer Kanallänge (KL) von 4 cm und einer Finesse von 10 eine Modulationsbandbreite von etwa 600 MHz bei einem spezifischen Leistungsbedarf von 3 Mikrowatt/MHz erreicht. Bei einer Finesse von 100 ist die Modulations-Bandbreite jedoch nur etwa 60 MHz.

Fig. 2 zeigt eine Modulatorvorrichtung mit einem Schaltschema. Als Lichtquelle dient ein Laser (LA), dessen Lichtwelle in einem Polarisator (PS), z. B. einem Glan- Thomson-Polarisator, polarisiert, dann in einem Faraday- Rotator (FR) um 45 Grad in der Polarisation gedreht und ggf. über einen Lichtleiter (LL) mit einer doppelbrechenden, die Polarisation erhaltenden, Faser oder unmittelbar über eine Anpassungsoptik (M 1) in die Eintrittsfläche (S 1) des Wellenleiterkanals (K) eingespeist wird und zwar so, daß die Polarisationsebene des Lichtes der Kristallorientierung angepaßt ist, wobei der größte elektro-optische Koeffizient beim Modulatorbetrieb ausgenutzt wird. Abhängig von der Genauigkeit der Übereinstimmung eines Vielfachen der Wellenlänge des Lichtes mit der Kanallänge, d. h. abhängig von der Nähe des Betriebszustandes zum Resonanzzustand, wird mehr oder weniger Lichtenergie durch die Eintrittsfläche (S 1) in den Kanal (K) aufgenommen und der nichtaufgenommene Teil der Lichtenergie als Reflexlichtwelle (SM) reflektiert. Diese läuft dann in umgekehrter Richtung durch die Anpassungsoptik (M 1), ggf. den Lichtleiter (LL), den 45 Grad-Rotator (FR), wo sie um weitere 45 Grad in der Polarisation gedreht wird, und dann durch den Polarisator, wo sie reflektiert wird und getrennt von der Eingangslichtwelle (SE) abgenommen werden kann. Durch den Einsatz des Faraday-Isolator kann im Prinzip jeglicher Lichtverlust vermieden werden.

Ein geringer Teil des Lichtes tritt aus der Austrittsfläche (S 2) als Transmissionsstrahl (ST) aus, dessen Intensität um so größer ist, je höher der Pegel durch Resonanz im Kristall Steigt. Zur Stabilisierung der Modulationsverhältnisse ist der Transmissionsstrahl (ST) in eine Regelvorrichtung (RV) auf einen Photosensor (PD) geführt, dessen Ausgangssignal einem, mit einer Referenzspannung (UR) andererseits beaufschlagten, Vergleicher (V 1) zugeführt wird, mit dessen Ausgangsspannungssignal, der Regelspannung (UC) die Elektroden (E 1, E 2) beaufschlagt werden. Damit die Regelung des Modulationspunktes nicht die Modulation durch den Modulationsgenerator (MG), der die Modulationspannung (UM) an die Elektroden (E 1, E 2) liefert, beeinträchtigt wird, ist die Regelspannung (UC) über Filterglieder (R 1, C 1) entkoppelt den Elektroden (E 1, E 2) zugeführt, und der Modulationsspannungsanteil der Photosensorspannung ist mit einem weiteren Filter (R 2, C 2) vor dem Vergleicher (V 1) ausgefiltert. Da der übliche Spannungsbereich eines Vergleichers nur eine beschränkte Temperaturänderung ausgleichen kann, ist der Wellenleiter-Resonator (K) zusätzlich in einen Thermostaten (TH) eingebaut, dessen Heizung (HZ) abhängig vom Signal des Temperatursensors (TS) durch die Regelschaltung (RT) beaufschlagt wird.

Die Temperaturregelung arbeitet durch die Zeitkonstante der Heizung relativ langsam. Um Größenordnungen schneller arbeitet die Regelvorrichtung (RV), so daß die Zeitkonstanten der Filter (R 1, C 1; R 2, C 2) im Bereich von Millisekunden gewählt werden. Die Modulationsfrequenz liegt Größenordnungen über den Grenzfrequenzen der Filter, wobei davon ausgegangen wird, daß die Modulation keine niederfrequente oder statische Komponente enthält.

Sofern auch quasistatische Signale zur Nachrichten- Modulation verwandt werden sollen, wird, wie in Fig. 3 dargestellt, eine Hilfsmodulationsspannung (MUH) additiv zur Nachrichten-Modulation (UM) hinzugefügt, deren Signal von dem Photosensor (PD 1) abgenommen, in der Schaltung (F 1) gleichgerichtet und gefiltert und in einer Analogsignal- Torschaltung (G 1) jeweils mit einem bestimmten Zustandssignal der digitalen Nachrichten-Modulation (UM) durchgeschaltet und dem Vergleicher (V 1) zugeführt wird. In dem Fall wird die Modulation in dem bestimmten Zustand auf einem Arbeitspunkt vorgegebener Steilheit gehalten. Das vorherige Ausgangssignal des Vergleichers (V 11) wird während der Zeiten, in denen das Modulationssignal in einem anderen Zustand ist, durch diesen gesteuert, in einer Speicherschaltung (SP 1) gehalten und weiterhin als Regelsignal (UC 1) verwandt. Vorzugsweise erfolgt die Gleichrichtung und Filterung in dem Filter (F 1) phasengesteuert mit dem Hilfsmodulationssignal (MUH), wobei ein Grundwellensignal (w 1) und ein Oberwellensignal (w 2) in bekannter Weise erzeugt werden die dem Vergleicher (V 11) über die Torschaltung zugeführt werden, wobei der Vergleich je nach dem gewünschten Arbeitspunkt, z. B. im Resonanzpunkt auf die Maximumbedingung, das Verschwinden des verknüpften Grundwellensignals (w 1), oder auf die Lage etwa in der Mitte der Resonanzkurve auf die Bedingung des Wendpunktes, das Verschwinden des verknüpften Oberwellensignals (w 2), ausgeführt wird.

Soweit nicht eine feste Laserfrequenz vorgegeben ist, sondern ein in seiner Frequenz stromsteuerbarer Halbleiter- Laser verwandt wird, kann, wie in Fig. 2 gezeigt, alternativ in einer Regelvorrichtung (RV 2) eine Regelung des Modulator- Arbeitspunktes durch eine frequenzverändernde Steuerung des Lasers erfolgen, da die Lichtwellenlänge in dem Wellenleiterkanal (K) frequenzabhängig ist. Hierzu wird mit den Photosensoren (PD 1, PD 2) jeweils ein Teillichtstrom von dem Laserstrahl (SE) und dem reflektierten Lichtstrahl in elektrische Signale umgesetzt. Diese werden nach Ausfilterung der hochfrequenten Modulation durch ein Filter (F) in geeignetem Verhältnis verstärkt auf die Eingänge eines Vergleichers (V 2) geführt, dessen Ausgangssignal eine steuerbare Stromquelle (I) beaufschlagt, dessen Strom den Laser steuert. Bei dieser Betriebsart wird der Arbeitspunkt des Modulators relativ zum Resonanzzustand gehalten; jedoch ändert sich die Laserlicht-Amplitude geringfügig stromabhängig bei einer Reglerverstellung.

Die beiden verschiedenen Arten der Regelsignalerzeugung, die nämlich auf einem Vergleich der durch Filterung gemittelten modulierten Signalamplitude mit einem festen Referenzwert bzw. mit der unmodulierten Signalamplitude basieren, können alternativ auch umgekehrt für die Regelung der Spannung an den Elektroden des Kanals bzw. die Regelung des Laserstroms eingesetzt werden. Auch die Photosensoren können an anderen geeigneten Stellen im Strahlengang angeordnet werden. Im allgemeinen genügt eine der beiden Regelvorrichtung (RV, RV 2), die Temperaturdrift des Kanals und Veränderungen der Laserfrequenz auszuregeln, falls der Thermostat und die Stromquelle des Lasers mit üblicher Genauigkeit arbeiten.

Fig. 4 zeigt die Modulationskennlinien für die Intensität der Reflexionswelle bezüglich der Modulationsspannung (UM) eines Wellenleiter-Resonators. Außerdem ist die Phasenlage (PR) der reflektierten Lichtwelle aufgetragen.

Die Intensität (IR) des Reflexlichtes relativ zur Eingangswellen-Intensität ist in den Resonanzen (RE) minimal. Sie ist durch geeignete Anpassung der Reflektivitäten der Endflächen des Resonators in Verbindung mit der Länge und der Absorbtion im Wellenleiter-Resonator im Idealfall jeweils bei Resonanz praktisch gleich Null. Bei Fehlanpassung außerhalb der Resonanzen steigt die Reflexlichtintensität (IR) stark an und beträgt bei völliger Fehlanpassung fast 100% der einfallenden Lichtintensität. Das reflektierte Licht hat eine um ein Vielfaches höhere Intensität als die durchlaufende Transmissionswelle, die nur wenige Prozent beträgt. Somit ist im Falle der Verwendung angepaßter Resonatoren der optische Modulationswirkungsgrad vergleichsweise für die Reflexion mehrfach höher als für die Transmission.

Bei einer noch höheren Finesse des Kanals ist die Steilheit der Flanken der Resonanzkurve noch höher, so daß bei einem eingeschränkten Modulationsgrad, z. B. im Bereich von 25 bis 75 Prozent der Amplitude um einen Modulations-Punkt, der bei 50 Prozent der Gesamtamplitude liegt, ein noch höherer Modulations-Wirkungsgrad einer Intensitätsmodulation erreicht wird. Dieser höhere Wirkungsgrad wird allerdings mit einer längeren Einschwingzeit des Resonators und der Reflexwellen-Intensität bis zum Erreichen der Endamplitude erkauft. Nach einem Übergang von einem oberen, resonanzferneren Modulationspunkt (MO) zu einem unteren, resonanznäheren Modulationspunkt (MU) vergehen erst viele Durchlaufzeiten des Lichtes durch den Resonator, bis annähernd der Pegel erreicht ist, den das reflektierte Licht im Endzustand annimmt. Im umgekehrten Fall ist es ähnlich. Dabei ergibt sich ein entsprechend langes, zwischen Null und einem Mehrfachen der Maximalintensität liegendes überschwingen, soweit am jeweiligen vorhergehenden Modulationspunkt eine ausreichende Stabilisierung der Resonanzverhältnisse erreicht war.

Die Stabilisierung der Arbeitspunkte (MM, MP 1) wird durch eine der beschriebenen Regelschaltungen oder beide im Zusammenwirken erreicht. Ein Gleichspannungsanteil oder niederfrequente Anteile in der Modulationsspannung lassen sich bei einer Digitalkodierung in bekannter Weise durch geeignete Kodewahl und ergänzende Ausgleichskodes vermeiden. Wird ein pulslängen-moduliertes Spannungssignal verwandt, so ist es bei der Dekodierung der empfangenen intensitätsmodulierten Lichtsignale zur Erreichung geringer Dekodier- Verzerrungen zweckmäßig, die Zeitpunkte der Durchgänge der Intensitätssignale durch jeweils eine auf die vorhergende maximale bzw. minimale Intensität bezogene Schwelle zu bestimmen.

Fig. 6 zeigt einen Signalempfängers (PE), in dessen Demodulator-Signalerkennungsschaltung das Signal des Photosensors (PS) über zwei Gleichrichter (61, 62) den Speicherkondensatoren (63, 64), die als Maximum- und Minimumspeicher dienen, zugeführt wird, so daß in diesen die maximalen und minimalen Signalspannungs-Werte gespeichert werden. Zwischen den Kondensatoren ist eine Spannungsteiler-Kette von Widerständen (65, 66, 67) angeordnet, von der geeignete Vergleichsschwellwerte Vergleichern (68, 69) zugeführt werden, denen andererseits das Empfangssignal selbst zugeführt ist und die so jeweils den Übergang von dem einen zum anderen Modulationszustand schon während der Übergangszustände signalisieren. Diese Vergleicherausgangs-Signale sind auf dynamische Eingänge eines Flipflop (70) geschaltet, an dessen Ausgang das demodulierte Signal praktisch ohne Übergangszeitverzerrungen abgenommen werden kann. Die Zeitkonstante, die die Wiederstände (65, 66, 67) mit den Kondensatoren (63, 64) bilden, ist groß gegenüber den Modulationsimpulsdauern.

Bei der Modulation findet auch eine Phasenmodulation der Transmissions- und der Reflexionswellen statt. Der Phasenwinkel (PR) für die Reflexlichtwelle ist im eingeschwungenen Zustand dargestellt. Der Übergang zwischen den Phasen bei einer Phasenmodulation geht mit einer transierten Frequenzmodulation einher. Wird z. B. mit den beiden Modulationsspannungen (UP 1, UP 2), die relativ nahe beieinander zu beiden Seiten einer Resonanz liegen, zwecks einer binären Phasenmodulation zwischen Modulationspunkten (MP 1, MP 2) beidseitig des Fußes der Resonanzkurve, also bei hohen Reflexlichtpegeln, gearbeitet, so tritt jeweils eine Phasendrehung der reflektierten Welle um einen relativ hohen Phasenhub (PH) von etwa 150 Grad vor- bzw. zurückdrehend auf.

Die betrachtete reflektierte Welle setzt sich im einzelnen aus einem unmittelbar reflektierten Wellenanteil und einem aus dem Wellenleiter austretenden Wellenanteil zusammen. Diese beiden Wellenanteile überlagern sich, so daß Intensitätsverläufe (IR; IR 1, IR 2, IR 3, IR 4) jeweils nach dem Aufschalten eines Modulationsfeldes bzw. einer Modulationsspannung unterschiedlicher Höhe auftreten, wie sie in Fig. 7 dargestellt sind. Die aus dem Wellenleiter austretenden, in der beschriebenen Weise durch eine elektrische Feldstärkenänderung beeinflußten, Lichtwellen überlagern sich mit den unmittelbar reflektierten Lichtwellen, wobei durch Addition oder Subtraktion je nach Amplitude und Phasenlage der beiden Wellen kurzzeitig eine Erhöhung bis zur Verdoppelung oder eine Erniedrigung bis zur Auslöschung der Summenamplitude auftritt und weiter ein Abklingen des Überschwingens und ein Pendeln der Amplitude bzw. Intensitäten bis zum Erreichen eines Endwerts zu beobachten ist. Es wurde eine angepaßte Resonator verwendet, der eine Länge von 4,7 cm und eine Dämpfung von 0,1 dB/cm aufwies. Die Modulationsspannungen wurden so gewählt, daß sich jeweils ausgehend von einem Resonanzpunkt die Umlaufphase um 2(Pi)/3,75, 2(Pi)/7,5, 2(Pi)/15, 2(Pi)/30 bei einer Modulationsspannung von Werten zwischen 1,2 V und 0,3 V ergaben.

Diese Effekte lassen sich insbes. bei einer Pulsmodulation bei geeigneter Wahl der Dauer und des Mindestabstandes der elektrischen Modulationssimpulse im Verhältnis zum Resonanzverhalten des optischen Kanals und der Wahl der Modulationspunkte vorteilhaft für eine Erhöhung der Modulationsrate und für eine Verbesserung des Signal- Rauschverhältnisses nutzen. Die Analyse der genannten Einschwing-Intensitätsänderungen ist im Empfänger außerordentlich einfach, da jeweils nur die Amplitudenveränderung über bzw. unter eine vorgegebene Schwelle relativ zum Mittelwert zu prüfen ist, was durch einfache Vergleicher, denen der Mittelwert des Signales jeweils durch geeignete Spannungsteiler als Schwellert zugeführt wird, in Analogie zu dem Demodulator in Fig. 6 geschieht.

Statt der Amplitudenänderungen kann auch vorteilhaft die Phasenlage als Modulationskriterium genutz werden. Eine optische Phasenmodulation hat den Vorteil, daß stets mit einem hohen, praktisch konstanten, Reflexlicht-Pegel gearbeitet wird, der durch die Regelvorrichtung festgelegt ist. Bei Umschaltung zwischen zwei Modulationszuständen mit einem digitalen Ansteuersignal, wird dessen Amplitude zweckmäßig so gewählt, daß die Amplituden in beiden Zuständen praktisch gleich sind. Eine Niederfrequenz- oder Gleichstromkomponente in der Modulationsspannung ist nicht störend, da die Phasenverhältnisse dadurch nicht verändert werden, soweit die Arbeitspunktstabilisierungen verwendet werden. Eine Modulation mit einem Spannungshub, der eine Phasendrehung um 180 Grad bewirkt, ist wegen der günstigen Demodulation durch interferierende Auslöschung besonders vorteilhaft.

Die Demodulation der Phasenmodulation läßt sich vorteilhaft weitgehend unabhängig von vergleichsweise langsamen Laufzeitänderungen in der Übertragungsstrecke, die durch Temperaturänderungen oder mechanische Veränderungen und Schwingungen auftreten können, vornehmen, indem die Phase differentiell durch Interferenz aufeinanderfolgender Wellenabschnitte fortlaufend ausgewertet wird. Hierzu dient eine Interferenzvorrichtung (IF), gem. Fig. 5, bei der das modulierte Licht (MS) in einem Strahlenteiler (ST) in zwei Teilstrahlen (TS 1, TS 2) gespalten wird und ein Teilstrahl (TS 1) in einer Verzögerungsleitung (VL), deren Verzögerungszeit einem verabredeten Bruchteil, z. b. der Hälfte, der Modulationspulsdauer etwa entspricht, verzögert wird und die Teilstrahlen (TS 11, TS 21) danach interferierend einem Photosensor (PS 1) zugeführt werden, dessen Ausgangssignal in bekannter Weise einer Schwellwertschaltung (SS) zur weiteren Auswertung zugeführt wird. Der Photosensor liefert bei jeder, infolge des Ein- bzw. Ausschaltens des Modulationsspannungsimpulses auftretenden, Vor- oder Rückdrehung der Phase ein Signalminimum oder -maximum; die Drehrichtung der Phase ist daraus jedoch nicht zu erkennen. Deshalb wird zweckmäßig der Schwellwertschaltung (SS) eine bistabile Triggerschaltung (BT) nachgeschaltet, von der das ursprüngliche, binäre bzw. phasenmodulierte, Signal wieder abgenommen werden kann. Da die Interferenz mit einem um etwa 100 Picosekunden verzögerten Strahlteil erfolgt, sind wesentlich langsamere Phasendrehungen, die z. B. durch mechanische Schwingungen oder thermische Abstandsveränderungen in der Modulationsvorrichtung entstehen, ohne Auswirkung auf den Demodulationsvorgang. Die Differenz der Lichtwege wird zweckmäßig so gewählt, daß in einem der Modulationszustände ein Maximum oder eine weitgehende Auslöschung der Wellen bei der Überlagerung auftritt. Es kann auch eine Stabilisierungsschaltung der Lichtwegdifferenz vorteilhaft vorgesehen werden, was durch eine Temperaturregelung der Verzögerungsstrecke in bekannter Weise erfolgen kann. Der optische Teil der Anordnung läßt sich vorteilhaft als integriertes optisches Interferometer aufbauen. Statt einer Interferenz mit einem verzögerten Wellenzug kann auch zur Demodulation eine Interferenz nach dem bekannten optischen Heterodynverfahren mit einer Referenzwelle einer synchronisierten Hilfslichtquelle vorgenommen werden, die dazu jedoch zusätzlich benötigt wird.

Claims (13)

1. Signalübertragungsvorrichtung mit einem elektro-optischen Licht-Modulator bestehend aus einem integrierten optischen Lichtwellenresonator, der als Kanal (K) in einen doppelbrechenden Kristall (KR) zwischen verspiegelten Stirnflächen (S 1, S 2) durch Diffusion eingebracht ist und zu dem parallel Elektroden (E 1, E 2) angeordnet sind, durch die der Kanal (K) mittels einer angelegten Modulationsspannung mit einem elektrischen Modulationsfeld zur Änderung der optischen Weglänge im Resonator (K) beaufschlagbar ist und in dessen Stirnflächen (S 1, S 2) eine Eingangslichtwelle (SE) einkoppelbar und eine Ausgangslichtwelle abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Stirnfläche (S 1) refektierte Reflexlichtwelle (SM) mit optischen Trennmitteln (PS, FR) von der Eingangslichtwelle (SE) getrennt und so als modulierte Welle ausgesendet und ggf. einem Signalempfänger (PE) mit einem Demodulator (DEM) zugeleitet wird.

2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Trennmittel ein Polarisator (PS) und ein 45 Grad Foraday Rotator sind, die die Eingangslichtwelle (SE) nacheinander durchläuft, bevor sie auf die Stirnfläche (S 1) trifft und die von der Reflexlichtwelle (SM) in umgekehrter Folge durchlaufen werden, wobei sie, z. B. um 90 Grad, abgelenkt aus dem Polarisator (PS) austritt und abgestrahlt wird.

3. Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Stirnfläche (S 1) eine zweilinsige Anpassungsoptik (M 1) angeordnet ist und ggf. zwischen dem Rotator (FR) und der Anpassungsoptik (M 1) ein polarisationserhaltender, doppelbrechender Lichtleiter (LL), vorzugsweise als Lichtleiterfaser, angeordnet ist.

4. Modulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der doppelbrechende Kristall (KR) in einem Thermostaten (TH) angeordnet ist und ein Teillichtstrom der Reflexlichtwelle (SM) oder einer aus einer zweiten Stirnfläche (S 2) des Resonators (K) austretende Transmissionslichtwelle (ST) einem Photosensor (PD 1, PD) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal nach Ausfilterung eines Modulationsanteils mit einem Vergleichswert, der fest ist oder mit einem zweiten Photosensor (PD 2) aus einem Teillichtstrom der Eingangslichtwelle (SE) gewonnen ist, in einem Vergleicher (V 1, V 2) in geeignetem Verhältnis verglichen wird, dessen Ausgangssignal den Elektroden (E 1, E 2) addivitv zu einer Modulationsspannung (UM) oder als Steuersignal einer Stromquelle (I), die einen frequenzsteuerbaren Laser (LA), dessen Licht als Eingangslichtwelle (SE) dient, zugeführt wird, wobei das Vergleichsverhältnis und die Polarität dieses Regelsignals jeweils so gewählt sind, daß ein Modulationsbetrieb auf einen vorgegebenen Modulationspunkt (MM, MP 1) bezüglich des Verlaufs einer Resonanz des Wellenleitrresonators geregelt ist.

5. Modulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß additiv zur Modulationsspannung (UM) eine relativ zu dieser kleine, niederfrequente Hilfsmodulationsspannung (MUH) den Elektroden zugeführt wird und aus dem Ausgangssignal des Photosensors (PD 1, PD) phasengesteuert gleichgerichtet und zur Regelung genutzt wird, wobei das Vergleichsverhältnis und die Polarität des Regelsignals jeweils so gewählt ist, daß der Betrieb auf eine vorgegebene Steilheit oder Krümmung des Resonanzverlaufs, vorzugsweise der Steilheit oder Krümmung Null, geregelt ist.

6. Modulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Modulators und dem Empfänger (PE) und/oder dem Laser (LA) und dem Polarisator (PS) ein Lichtwellenleiter (LL, LL 1), vorzugsweise aus Quarz, angeordnet ist und daß der Laser (LA) Licht einer der bevorzugten Wellenlänge des Lichtwellenleiters, nämlich geringster Dispersion oder geringster Dämpfung, sendet.

7. Modulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektivität der Endflächen (S 1, S 2) des Resonators (K) in Verbindung mit der Kanallänge (KL) und seiner Absorbtion so gewählt ist, daß im Resonanzfall die Intensität (IR) der Reflexlichtwelle praktisch gleich Null ist.

8. Demodulator zur Signalübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Empfangssignal einer intensitätsmodulierten Lichtwelle von einem Photosensor (PS) des Signalempfängers (PE) einem Maximum und einem Minimumspeicher (63, 64) zugeführt wird, deren Signale in einem vorgegebenen Verhältnis Vergleichern (68, 69) zum laufenden Vergleich mit dem Empfangssignal zugeführt wird und deren Ausgangssignale zur Merkierung der Modulations-Signalübergänge einer binären Modulation dienen und vorzugsweise einer bistabilen Schaltung (70) zur Triggerung von deren Ein- bzw. Auszustand zugeführt werden.

9. Demodulator zur Signalübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Empfangssignal von einem phasenmodulierten Lichtsignal von einem Photosensor (PS) des Signalempfängers (PE) einem Mittelwertbildner zugeführt wird, dessen Signal in vorgegebenen Verhältnissen Vergleichern zum laufenden Vergleich mit dem Empfangssignal zugeführt wird, deren Ausgangssignale zur Markierung der Signalübergänge einer binären Modulation dienen und vorzugsweise einer bistabilen Schaltung zur Triggerung des Ein- bzw. Auszustandes zugeführt werden.

10. Demodulator zur Signalübertragungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die empfangene modulierte Reflexlichtwelle (SM) einer Welle gleicher mittlerer Frequenz in einem Interferometer (IF) überlagert wird, dessen Ausgangslichtwelle dem Photosensor (PS 1) des Demodulators zugeführt wird.

11. Demodulator zur Signalübertragungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilwelle von der empfangenen modulierten Refexlichtwelle (SM) in einem Strahlteiler (ST) in zwei gleiche Teilwellen (TS 1, TS 2) getrennt wird, die jeweils über Verzögerungsstrecken (VL) geführt werden, deren Durchlaufzeiten um eine solche Zeit verschieden ist, daß deren Differenz einem vorgegebenen Bruchteil, z. B. der Hälfte, der kürzesten Modulations- Pulsdauer entspricht, und durch die Laufzeitunterschiede ein Minimum oder Maximum der Intensität bei Überlagerung auftritt, und wonach die Teilwellen (TS 11, TS 21) dem Photosensor (PS 1) zugeführt werden.

12. Verfahren zum Betrieb der Signalübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsspannung (UM) jeweils zwischen zwei Spannungszuständen umgeschaltet wird, die den Lichtwellenresonator in einen resonanznahen bzw. einem resonanzfernen Zustand (MO, MU) zwecks Intensitätsmodulation bringt, wobei vorzugsweise der eine der Zustände jeweils eine Pulsdauer hat, die etwa 1 bis 2 Durchlaufzeiten einer Lichtwelle durch den Resonator (K) entspricht.

13. Verfahren zum Betrieb der Signalübertragungsvorrichtung, vorzugsweise nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsspannung (UM) jeweils zwischen zwei Spannungszuständen (UP 1, UP 2) umgeschaltet wird, die den Lichtwellenresonator (K) jeweils in einen von zwei resonanzfernen Zuständen (MP 1, MP 2) mit einer Phasendifferenz der Reflexlichtwellen von z. B. 150 Grad, vorzugsweise 180 Grad, und einer Reflexlichtintensität (RI), die vorzugsweise gleich und annähernd 100 Prozent ist, versetzt.