DE3613738C2 - - Google Patents
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- DE3613738C2 DE3613738C2 DE19863613738 DE3613738A DE3613738C2 DE 3613738 C2 DE3613738 C2 DE 3613738C2 DE 19863613738 DE19863613738 DE 19863613738 DE 3613738 A DE3613738 A DE 3613738A DE 3613738 C2 DE3613738 C2 DE 3613738C2
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Description
Die Erfindung betrifft eine optische
Signalübertragungsvorrichtung mit einem Laser und einem in
Reflexion betriebenen elektro-optischen Licht-Modulator
bestehend aus einem integrierten optischen
Lichtwellenleiterresonator, der als Kanal in einen
doppelbrechenden Kristall zwischen verspiegelten Flächen,
der Stirn- und Endfläche, durch Diffusion eingebracht 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 Lichtwellenleiterresonator beaufschlagbar ist, und in
beziehungsweise von dessen Stirnfläche eine
Eingangslichtwelle einkoppelbar und eine reflektierte Welle
abnehmbar ist, die mit einem Strahlteiler von der
Eingangslichtwelle abgelenkt und einem Signalempfänger mit
einer Auswerteschaltung zugeleitet wird.
Eine solche Signalübertragungsvorrichtung ist aus Series in
Optical Sciences 48 "Integrated Optics", Springer Verlag,
Berlin, Heidelberg, New York, 1985, S. 21 bis 25, bekannt.
Aus Physik in unserer Zeit, 14. Jahrgang, 1983, Nr. 6, S. 161
bis 163, ist es bekannt, einen Fabry-Perot-Resonator mit einem
nichtlinearen Medium im Durchlichtbetrieb als
fremdlichtgesteuerten Intensitäts-Modulator zu verwenden.
Weiterhin ist aus der EP-A1-54 411 eine Hintereinanderschaltung
eines Polarisators und eines 45-Grad-Faraday-Rotators ein sog. optischer Isolator,
bekannt.
Weiterhin ist aus EP-A1-1 40 578 ein elektrooptischer Licht-
Modulator bekannt, bestehend aus einem integrierten
optischen Lichtwellenresonator, der als Kanal in einen
doppelbrechenden Kristall zwischen verspiegelten
Stirnflächen durch Diffusion eingebracht 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
Strinfläche eine Eingangslichtwelle einkoppelbar und eine
Ausgangslichtwelle abnehmbar ist.
Aus dem o.g. Artikel in Series in Optical Sciences 48 "Integrated Opties", Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 1985, S. 21 bis 25, ist
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 Lichtwellenleiter-Resonator durch
das elektrische Modulationsfeld intensitätsmodulierte Licht
wurde von einem Detektor 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.
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
Absorption 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.
Ausgehend von der optischen Signalübertragungsvorrichtung gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist es Aufgabe der Erfindung, diese Signalübertragungs
vorrichtung derart weiterzubilden, daß sie
bei hoher Spannungs-Empfindlichkeit eine
geringe spezifische Modulationsleistung benötigt, einen
großen Modulationshub erbringt, und eine an die elektrische
Bandbreite angepaßte optische Bandbreite und darüber hinaus
einen hohen optischen Wirkungsgrad hat.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin,
daß das Reflexionsvermögen der Stirnfläche und der
Endfläche des Resonators in Verbindung mit seiner Kanallänge
und Absorption so gewählt sind, daß im Resonanzfall die
Intensität der reflektierten Welle praktisch gleich Null
ist, und daß der Strahlteiler aus einem Polarisator und
einem 45-Grad-Faraday-Rotator besteht, die die
Eingangslichtwelle nacheinander durchläuft und die die
reflektierte Welle so durchläuft, daß sie in dem Polarisator
abgelenkt und von der Eingangslichtwelle abgetrennt als
modulierte Welle ausgesendet 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 Lichtwellenleiter-Resonators seine
Zeitkonstanten 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 (S1, S2) 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 (E1, E2) 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 (S1, S2), 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 (M1) in die Eintrittsfläche (S1) 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
(S1) in den Kanal (K) aufgenommen und der nichtaufgenommene
Teil der Lichtenergie als Reflexlichtwelle (SM) reflektiert.
Diese läuft dann in umgekehrter Richtung durch die
Anpassungsoptik (M1), 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-Isolators kann im Prinzip jeglicher
Lichtverlust vermieden werden.
Ein geringer Teil des Lichtes tritt aus der Austrittsfläche
(S2) 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 (V1) zugeführt wird, mit dessen
Ausgangsspannungssignal der Regelerspannung (UC) die
Elektroden (E1, E2) beaufschlagt werden. Damit die Regelung
des Modulationspunktes nicht die Modulation durch den
Modulationsgenerator (MG), der die Modulationsspannung (UM)
an die Elektroden (E1, E2) liefert, beeinträchtigt wird, ist
die Regelerspannung (UC) über Filterglieder (R1, C1)
entkoppelt den Elektroden (E1, E2) zugeführt, und der
Modulationsspannungsanteil der Photosensorspannung ist mit
einem weiteren Filter (R2, C2) vor dem Vergleicher (V1)
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 (R1, C1; R2, C2) 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) abgenommen, in der Schaltung (F1)
gleichgerichtet und gefiltert und in einer Analogsignal-
Torschaltung (G1) jeweils mit einem bestimmten
Zustandssignal der digitalen Nachrichten-Modulation (UM)
durchgeschaltet und dem Vergleicher (V1) zugeführt wird. In
dem Fall wird die Modulation in dem bestimmten Zustand auf
einem Arbeitspunkt vorgegebener Steilheit gehalten. Das
vorherige Ausgangssignal des Vergleichers (V11) wird während
der Zeiten, in denen das Modulationssignal in einem anderen
Zustand ist, durch diesen gesteuert, in einer
Speicherschaltung (SP1) gehalten und weiterhin als
Regelsignal (UC1) verwandt. Vorzugsweise erfolgt die
Gleichrichtung und Filterung in dem Filter (F1)
phasengesteuert mit dem Hilfsmodulationssignal (MUH), wobei
ein Grundwellensignal (w1) und ein Oberwellensignal (w2) in
bekannter Weise erzeugt werden die dem Vergleicher (V11)
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 (w1), oder auf die Lage etwa in der Mitte
der Resonanzkurve auf die Bedingung des Wendpunktes, das
Verschwinden des verknüpften Oberwellensignals (w2),
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 (RV2) 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 (PD1, PD2) 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 (V2) 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,
RV2), 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 Absorption 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, MP1) 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 vorhergehende
maximale bzw. minimale Intensität bezogene Schwelle zu
bestimmen.
Fig. 6 zeigt einen Signalempfänger (PE), in dessen
Demodulator-Signalerkennungsschaltung das Signal des
Photosensors (PS1) 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
Widerstände (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
transienten Frequenzmodulation einher. Wird z. B. mit den
beiden Modulationsspannungen (UP1, UP2), die relativ nahe
beieinander zu beiden Seiten einer Resonanz liegen, zwecks
einer binären Phasenmodulation zwischen Modulationspunkten
(MP1, MP2) 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; IR1, IR2, IR3, IR4) 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 ein angepaßter 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 Modulationsimpulse 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
Amplitudenänderung 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 Schwellwert zugeführt wird, in
Analogie zu dem Demodulator in Fig. 6 geschieht.
Statt der Amplitudenänderungen kann auch vorteilhaft die
Phasenlage als Modulationskriterium genutzt 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. Eine
Schaltungsübersicht einer Empfangsschaltung (PE) für eine
derart modulierte Welle ist in Fig. 2 gezeigt. Darin ist
eine Interferenzvorrichtung (IF) gem. Fig. 5 enthalten, bei
der das modulierte Licht (MS) in einem Strahlenteiler (ST)
in zwei
Teilstrahlen (TS1, TS2) gespalten wird und ein Teilstrahl
(TS1) in einer Verzögerungsleitung (VL), deren
Verzögerungszeit einem verabredeten Bruchteil, z. B. der
Hälfte, der Modulationspulsdauer etwa entspricht, verzögert
wird und die Teilstrahlen (TS11, TS21) danach interferierend
einem Photosensor (PS1) 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 (12)
1. Optische Signalübertragungsvorrichtung mit einem Laser
und einem in Reflexion betriebenen elektro-optischen
Licht-Modulator bestehend aus einem integriert-optischen
Lichtwellenleiterresonator, der als Kanal (K) in einen
doppelbrechenden Kristall (KR) zwischen verspiegelten
Flächen, der Stirn- (S1) und Endfläche (S2), durch Diffusion
eingebracht ist und zu dem parallel Elektroden (E1, E2)
angeordnet sind, durch die der Kanal (K) mittels einer
angelegten Modulationsspannung (UM) mit einem elektrischen
Modulationsfeld zur Änderung der optischen Weglänge im Lichtwellen
leiterresonator beaufschlagbar ist, und in beziehungsweise von
dessen Stirnfläche (S1) eine Eingangslichtwelle (SE)
einkoppelbar und eine reflektierte Welle (SM) abnehmbar ist,
die mit einem Strahlteiler von der Eingangslichtwelle (SE)
abgelenkt und einem Signalempfänger (PE) mit einer
Auswerteschaltung zugeleitet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexionsvermögen der
Strinfläche (S1) und der Endfläche (S2) des Lichtwellenleiterresonators in
Verbindung mit seiner Kanallänge (KL) und Absorption so
gewählt sind, daß im Resonanzfall die Intensität (IR) der
reflektierten Welle praktisch gleich Null ist, und daß der
Strahlteiler aus einem Polarisator (PS) und einem
45-Grad-Faraday-Rotator (FR) besteht, die die
Eingangslichtwelle (SE) nacheinander durchläuft und die die
reflektierte Welle (SM) so durchläuft, daß sie in dem
Polarisator (PS) abgelenkt und von der Eingangslichtwelle
(SE) abgetrennt als modulierte Welle ausgesendet wird.
2. Optische Signalübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß vor der Stirnfläche (S1) des Lichtwellen
leiterresonators eine zweilinsige Anpassungsoptik (M1) angeordnet
ist.
3. Optische Signalübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem 45-Grad-
Faraday-Rotator (FR) und der Anpassungsoptik (M1) ein erster
polarisationserhaltender, doppelbrechender Lichtleiter (LL)
angeordnet ist.
4. Optische Signalübertragungsvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der doppelbrechende Kristall
(KR) in einem Thermostaten (TH) angeordnet ist und ein
Teillichtstrom der reflektierten Welle (SM) einem ersten
Photodetektor (PD1) zugeführt ist, dessen Ausgangssignal
nach einer Ausfilterung eines Modulationsanteils mit einem
Vergleichswert, der mit einem zweiten Photodetektor (PD2)
aus einem Teillichtstrom der Eingangslichtwelle (SE)
gewonnen ist, in einem Vergleicher (V2) in geeignetem
Verhältnis verglichen wird, dessen Ausgangssignal einer
Stromquelle (I) für den Laser (LA), der frequenzsteuerbar
ist, als ein Regelsignal zugeführt ist.
5. Optische Signalübertragungsvorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Teillichtstrom einer aus der
Endfläche (S2) des Lichtwellenleiterresonators austretenden
Transmissionslichtwelle (ST) einem dritten Photodetektor (PD)
zugeführt ist, dessen Ausgangssignal mit einem festen
Vergleichswert in einem Vergleicher (V1) in geeignetem
Verhältnis verglichen wird, dessen Ausgangssignal als Regelsignal den
Elektroden (E1, E2) additiv zu einer Modulationsspannung
(UM) zugeführt ist, wobei das Vergleichsverhältnis und die
Polarität dieses Regelsignals jeweils so gewählt sind, daß
ein Modulatorbetrieb auf einen vorgegebenen Modulationspunkt
(MM, MP1) bezüglich des Verlaufs einer Resonanz des Licht
wellenleiterresonators geregelt erfolgt.
6. Optische Signalübertragungsvorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß additiv zur Modulationsspannung
(UM) eine relativ zu dieser kleine, niederfrequente
Hilfsmodulationsspannung (MUH) den Elektroden (E1, E2) zugeführt ist
und aus dem Ausgangssignal des dritten Photodetektors (PD)
ein phasengesteuertes gleichgerichtetes Regelsignal
entnommen wird, wobei das Vergleichsverhältnis und die Polarität des
Regelsignals jeweils so gewählt sind, daß der
Modulatorbetrieb auf eine vorgegebene Steilheit oder eine
vorgegebene Krümmung des Resonanzverlaufs geregelt ist.
7. Optische Signalübertragungsvorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Steilheit oder
die vorgegebene Krümmung den Wert Null hat.
8. Optische Signalübertragungsvorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Polarisator (PS)
und dem Signalempfänger (PE) und/oder dem Laser (LA) und
dem Polarisator (PS) jeweils ein zweiter Lichtwellenleiter (LL1),
vorzugsweise aus Quarz, angeordnet ist und daß der Laser
(LA) Licht einer der bevorzugten Wellenlänge des zweiten
Lichtwellenleiters (LL1), nämlich die geringster Dispersion oder
geringster Dämpfung, sendet.
9. Optische Signalübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsspannung (UM)
jeweils zwischen zwei Spannungszuständen umzuschalten ist,
die den Lichtwellenleiterresonator in einen resonanznahen bzw.
einen resonanzfernen Zustand (MO, MU) zwecks einer binären
Intensitätsmodulation bringt, wobei vorzugsweise der eine
der Zustände jeweils eine Pulsdauer hat, die etwa 1 bis 2
Durchlaufzeiten einer Lichtwelle durch den Lichtwellenleiterresonator
entspricht, und daß die modulierte Welle (SM) dem
Signalempfänger (PE) mit einem Demodulator (DEM) und einem
Photodetektor (PS1) zugeführt ist, der einen Maximum- und
einen Minimumspeicher (63, 64) des Empfangssignals enthält,
deren Signale in einem vorgegebenen Verhältnis Vergleichern
(68, 69) zum laufenden Vergleich mit dem Empfangssignal
zugeführt sind, und daß die Ausgangssignale der Vergleicher
(68, 69) zur Markierung von Modulations-Signalübergängen der
binären Modulation dienen und einer bistabilen Schaltung
(70) zur Triggerung von deren Ein- bzw. Auszustand zugeführt
sind.
10. Optische Signalübertragungsvorrichtung nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsspannung (UM)
jeweils zwischen zwei Spannungszuständen (UP1, UP2) zwecks
einer binären Phasenmodulation zu schalten ist, die den
Lichtwellenleiterresonator jeweils in einen von zwei
resonanzfernen Zuständen (MP1, MP2) mit einer
Phasendifferenz der Reflexlichtwellen von etwa 150 Grad und
einer annähernd gleichen Reflexlichtintensität (RI),
versetzt, und daß die modulierte Welle einem Photodetektor
(PS1) des Signalempfängers (PE) zugeführt ist, dessen
Demodulator (DEM) einen Mittelwertbildner enthält, dessen
Mittelwertsignal in zwei vorgegebenen Verhältnissen zwei
Vergleichern zum laufenden Vergleich mit dem Empfangssignal
zugeführt ist, deren Ausgangssignale zur Markierung der
Signalübergänge der binären Modulation dienen und einer
bistabilen Schaltung (BT) zur Triggerung des Ein- und des
Auszustandes zugeführt sind.
11. Optische Signalübertragungsvorrichtung nach Anspruch
10, dadurch gekennzeichnet, daß der modulierten Welle (SM)
einer Welle gleicher mittlerer Frequenz in einem
Interferometer (IF) überlagert ist, dessen
Ausgangslichtwelle dem Photodetektor (PS1) des Signalempfängers (PE) zugeführt ist.
12. Optische Signalübertragungsvorrichtung nach Anspruch
11, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Interferometer (IF)
eine Teilwelle der modulierten Welle (SM) in einem
Strahlteiler (ST) in zwei gleiche Teilwellen (TS1, TS2)
getrennt ist, die jeweils über Verzögerungsstrecken (VL)
geführt sind, deren Durchlaufzeiten um eine solche Zeit
verschieden ist, daß deren Differenz einem vorgegebenen
Bruchteil der kürzesten Modulations-Pulsdauer entspricht, so
daß durch die Laufzeitunterschiede entsprechend der
Modulation jeweils ein Minimum oder ein Maximum der
Intensität der überlagerten Teilwellen (TS11, TS21)
auftritt, die dem Photodetektor (PS1) des Signalempfängers (PE) zugeführt sind.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19863613738 DE3613738A1 (de) | 1986-04-23 | 1986-04-23 | Signaluebertragungsvorrichtung mit integriert elektro-optischem lichtmodulator |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19863613738 DE3613738A1 (de) | 1986-04-23 | 1986-04-23 | Signaluebertragungsvorrichtung mit integriert elektro-optischem lichtmodulator |
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DE3613738A1 DE3613738A1 (de) | 1987-10-29 |
DE3613738C2 true DE3613738C2 (de) | 1992-02-06 |
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ID=6299345
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DE (1) | DE3613738A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7360827B2 (en) * | 2002-07-08 | 2008-04-22 | Focus Auto Design Inc. | Automobile sunroof deflector assembly |
DE102019004340A1 (de) * | 2019-06-22 | 2020-12-24 | Lorenz Hanewinkel | Interferometer |
Families Citing this family (2)
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DE3923502A1 (de) * | 1989-07-15 | 1991-01-24 | Messerschmitt Boelkow Blohm | Elektrooptische modulations- und demodulationseinrichtung |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPS57100410A (en) * | 1980-12-15 | 1982-06-22 | Fujitsu Ltd | Optical isolator |
GB8325720D0 (en) * | 1983-09-26 | 1983-11-16 | Plessey Co Plc | Electro-optic modulator |
-
1986
- 1986-04-23 DE DE19863613738 patent/DE3613738A1/de active Granted
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US7360827B2 (en) * | 2002-07-08 | 2008-04-22 | Focus Auto Design Inc. | Automobile sunroof deflector assembly |
DE102019004340A1 (de) * | 2019-06-22 | 2020-12-24 | Lorenz Hanewinkel | Interferometer |
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DE3613738A1 (de) | 1987-10-29 |
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