DE4021293A1

DE4021293A1 - Bistabiler optischer schalter

Info

Publication number: DE4021293A1
Application number: DE4021293A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dipl Phys D Fuerstenau
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1990-07-04
Filing date: 1990-07-04
Publication date: 1992-01-16
Also published as: GB2247126A; GB2247126B; GB9114375D0; US5117471A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Schalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einem optischen Schalter der genannten Art (DE-OS 38 18 865) ist es möglich, ein sich kontinuierlich änderndes Eingangssignal in diskrete Ausgangszustände in Form von Lichtintensitäten oder elektrischen Spannungen umzuwandeln. Grundlage ist hierbei eine Hysterse-Kurve, die sich aus der (G-u*)-Eingangs-Ausgangs-Charakteristik ergibt, auf der als Funktion des Proportionalitätsfaktors stationäre Werte der Ausgangsintensitäten erreicht werden, die für die Digitalisierung benutzt werden. In der praktischen Ausführungsform wird die Ausgangsspannung den Elektroden des multistabiles Element verwendeten Zweiarm-Interferometers aufgeschaltet, so daß diese dann bis auf den der eingespeisten Lichtintensität entsprechenden stationären Wert auf der Hysterese-Kurve angesteuert werden. Die den Elektroden des multistabilen Elementes als Steuergröße aufgeschaltete verstärkte Spannung ist dann proportional zur Lichtintensität und stellt den anzuzeigenden Meßwert für die Intensität des dem multistabilen Element zugeführten Lichtes dar.

Bei einer weiteren bekannten Anordnung (IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-14, Nr. 8, August 1978, Seiten 577 bis 580), die einen integriert optischen 2×2-Koppler aufweist, wird das aus einem der beiden Ausgangsarme austretende Licht auf eine Photodiode geleitet, deren Ausgangsspannung nach Verstärkung auf die Elektroden des elektrooptischen Modulators zurückgeführt wird, der die Phasenfehlanpassung der beiden austretenden Lichtwellen im Koppelbereich des Lichtkopplers beeinflußt.

Der Vorteil dieser bekannten Anordnungen besteht darin, daß die für das bistabile Verhalten erforderliche Nichtlinearität durch die Übertragungscharakteristik des bistabilen Elementes realisiert ist und kein nichtlineares optisches Material benötigt wird, das relativ hohe optische Eingangsleistungen erfordert.

Der Nachteil dieser bekannten Anordnungen besteht darin, daß es sich hier um optoelektrische Schalter handelt, also Schalter, bei denen eine elektrische Rückkopplung auf den Schalter selbst erforderlich ist. Die erreichbaren Schaltgeschwindigkeiten sind damit beschränkt. Komplexere Aufbauten mit einer Mehrzahl verschalteter bistabiler elektrooptischer Schalter erfordern sowohl optische als auch elektrische Verschaltungen, durch die die Realisierungsmöglichkeiten drastisch eingeschränkt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen bistabilen optischen Schalter zu schaffen, bei dem im Schalter selbst keine elektrischen Komponenten erforderlich sind und der trotzdem ohne nichtlineare optische Materialien auskommt, beispielsweise ein Schalter mit einem Ja-Nein-Ausgang oder einem Entweder-Oder-Ausgang.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 herausgestellten Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Schalter entspricht die Anordnung dem elektrooptischen Typ insoweit als kein nichtlineares optisches Material benötigt wird. Die Steuerung geschieht hier jedoch über die Lichtquelle und nicht über einen elektrooptischen Modulator, so daß eine rein optische Verschaltung mehrerer bistabiler Schalter und damit auch rein optische logische Schaltungen mit den damit verbundenen sehr hohen Schaltgeschwindigkeiten möglich sind.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und nachstehend im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt die elektrische und optische Schaltung eines bistabilen optischen Schalters in einer ersten Ausführungsform mit einem Zweiarm-Interferometer vom Mach-Zehnder-Typ als bistabilem Element.

Fig. 2 zeigt eine ähnliche Schaltung mit einem Michelson- Zweiarm-Interferometer als bistabilem Element.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm einer typischen Hysterese-Kurve mit den stationären Werten der Ausgangsintensitäten als Funktion des Proportionalitätsfaktors.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform einer Schaltung mit einem Zweiarm-Interferometer vom Michelson-Typ als bistabilem Element.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 ist eine als Laserdiode 2 ausgebildete Lichtquelle vorgesehen, der ein optischer Isolator 4 nachgeschaltet ist, aus dem die Lichtleistung P_o einem elektrooptischen Phasenmodulator 6 aufgegeben ist, der hier als Zweiarm-Interferometer vom Mach-Zehnder-Typ ausgebildet ist. Dieser Modulator ist von bekannter Bauart und weist eine an Erde liegende Grundelektrode 8 und zwei Steuerelektrode 10 auf, an denen eine Modulationsspannung u_M anliegt, über welche die Lichtintensität P_in am Eingang des bistabilen Elementes variierbar ist. Der Ausgang 12 des Modulators 6 ist mit einem Eingang 14 eines bistabilen Elementes 16 verbunden, das als Zweiarm-Interferometer vom Mach-Zehnder-Typ ausgebildet ist. Die Verbindung zwischen dem Modulator 6 und dem bistabilen Element 16 ist über eine polarisationserhaltende Einmodenfaser 18 hergestellt, so daß der eigentliche optische Schalter 16 sich beliebig weit entfernt von Lichtquelle 2 und Modulator 10 befinden kann. Bei kompakter integriert optischer Ausführung kann der Ausgang 12 auch direkt am Eingang 14 anliegen.

Das bistabile Element 16 weit zwei Interferometer-Arme 20, 22 auf, die ungleich lang sind und zwar mit einem Längenunterschied in der Größenordnung der 10² bis 10⁴fachen Wellenlänge des Lichtes der Laserdiode 2, wobei der Interferometerarm 22 der längere Arm ist. Die Lichtwelle wird am Eingang 14 über einen Verzweiger 24 zu je 50% auf die beiden ungleich langen Arme 20, 22 des Mach- Zehnder-Interferometers aufgeteilt. Nach dem Passieren der Interferometerarme wird in einem 2×2-Koppler 26 durch Überlagerung der beiden Lichtwellen ein Interferenzsignal erzeugt. Aus der Theorie der Zweistrahl-Interferometer ist bekannt, daß in den beiden Ausgangsarmen 28, 30 des Kopplers 26 jeweils ein um πrad (=180°) phasenverschobenes Interferenzsignal zu beobachten ist. Dieses Signal liegt an den beiden Ausgängen 32, 34 an als Signale I und II, d. h. das Signal I am Ausgang 32 zeigt maximale Intensität (konstruktive Interferenz), wenn am Ausgang 34 das Signal II mit minimaler Intensität (destruktive Interferenz) anliegt.

Aus wenigstens einem der Ausgangsarme 28, 30 wird über einen Verzweiger 36 ein geringer Bruchteil der Ausgangsintensität des Ausgangsarmes 30 in einen weiteren Ausgangsarm 38 eingekoppelt, an dessen Ausgang 40 eine Glasfaser 42 angeschlossen ist, über die das über den Verzweiger 36 ausgekoppelte Licht einer Photodiode 44 zugeleitet wird. Die Ausgangsspannung u der Photodiode ist einem Verstärker 46 mit dem Verstärkungsfaktor g aufgeschaltet, wobei die mit der Rückkoppelverzögerungszeit T verstärkte Ausgangsspannung der Photodiode 44 auf die Stromversorgung 48 der Laserdiode 2 aufgeschaltet ist. Diese Stromversorgung mit dem durch die konstante Vorspannung u_B konstanten Offset-Strom i_B bestimmt die Grundwellenlänge der Laserdiode. Über die Rückkopplung der am Ausgang 40 aus dem Element 16 ausgekoppelten Intensität wird der Laserdiodenstrom δi+i_B und damit die Wellenlänge des von der Laserdiode 2 abgegebenen Lichtes moduliert. Auf die Abhängigkeit der Wellenlänge des von der Laserdiode abgegebenen Lichtes von dem die Laserdiode speisenden Strom wird weiter unten im einzelnen eingegangen.

Zur Erzielung konstanter Arbeitsbedingungen ist die Stromversorgung der Laserdiode weiter mit einer Temperaturstabilisierungseinheit 50 versehen, mit der die Temperaturschwankungen der auf einem Peltier-Kühler montierten Laserdiode auf besser als 10-2 K stabilisiert wird. Über die Temperatur läßt sich darüber hinaus auch die Grundwellenlänge über einen gewissen Bereich verschieben.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist statt eines Mach-Zehnder- Interferometers ein Michelson-Interferometer 52 vorgesehen. Die übrigen Bauelemente entsprechen denen nach Fig. 1. Insoweit wird auf die Beschreibung der Fig. 1 verwiesen.

Das am Eingang 54 anliegende Licht wird über einen 2×2-Koppler 56 auf die beiden ungleich langen Arme 58, 60 des Interferometers aufgeteilt. Die Endflächen dieser beiden Arme sind in üblicher Weise verspiegelt. Bei einer integriert optischen Ausführung kann die Stirnseite 61 des Substrates, in der die Spiegel angeordnet sind, mit einem Absatz mit einer Länge 1 ausgebildet sein, durch die die größere Länge des Interferometerarmes 60 erreicht wird. Aus den über die Endverspiegelung reflektierten Lichtwellen wird in dem 2×2-Koppler 56 durch Überlagerung der beiden Lichtwellen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ein Interferenzsignal erzeugt. Dieses tritt dabei je nach Phasenlage aus den Eingängen I bzw. II aus, die jeweils über Verzweiger 64 bzw. 66 an den Eingangslichtleiter 62 bzw. den Ausgangslichtleiter 68 angeschlossen sind. Das aus dem Ausgangslichtleiter 68 am Ausgang 70 des Interferometers 52 austretende Licht wird über die Glasfaser 42 der Photodiode 44 zugeleitet. Auch mit dieser Anordnung läßt sich bei Verwendung eines der Ausgänge I, II ein Ja-Nein-Signal und bei Verwendung beider Ausgänge ein Entweder-Oder-Signal abnehmen.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen liegt eine Wellenlängenmodulation mit der Eingangslichtleistung P_in als Schaltparameter vor.

Hierfür gilt folgendes.

Die oben unter Bezug auf Fig. 1 und 2 beschriebenen Anordnungen sind nichtlineare, rückgekoppelte Systeme mit Zeitkonstante τ und Rückkoppelverzögerungszeit T. Zur Ermittlung der stationären Zustände werden sie beschrieben durch die rekursive Gleichung

P_n ist die Ausgangsleistung an der Photodiode zur Zeit t_n; µ ist der Interferenzkontrast (Modulationsindex) des Interferometers; T ist die Interferometertransmission; σ ist der Abschwächungsfaktor des Intensitätsmmodulators 6: σP_o=P_in; i_B ist der konstante Offset-Strom durch die Laserdiode; g ist ein Verstärkungsfaktor, der Umwandlungsfaktor der Interferometer-Ausgangsleistung in Photodiodenstrom, K₁ der Umwandlungsfaktor von Laserdiodenstrom in Laserausgangsleistung P_LD=K₁ (i_B+g P_n)=P_o+g P_n; K₂ beschreibt als Proportionalitätsfaktor zwischen Lichtleistung und Phase den Zusammenanhang zwischen der von Diodenstrom und -temperatur abhängigen Lichtwellenlänge und der von dieser aufgrund der optischen Längendifferenz ΔL der Lichtwellen abhängigen Phasendifferenz der Lichtwellen in den beiden Interferometerarmen.

Die Phasendifferenz aufgrund der Längendifferenz beträgt

Die Variation dieser Phasendifferenz durch Wellenlängenmodulation ist gegeben durch (bei Vernachlässigung der Dispersion n(λ)):

Da λ im Bereich zwischen den Modensprüngen der Laserdiode etwa proportional zu Diodenstrom und -temperatur ist und diese Parameter ihrerseits proportional zur Ausgangsleistung aus dem Interferometer variieren, läßt sich die gesamte Phasendifferenz zur Zeit t_n schreiben als:

Der konstante Phasenanteil ΔΦ = Φ_B = -b i_B ist durch die optische Längendifferenz der Interferometerarme sowie die Wellenlänge (bzw. den LD-Strom) im modulationsfreien Fall (i = i_B) gegeben.

Eine schnelle Wellenlängenmodulation der Laserdiode ist nur über den Strom möglich, so daß für den Fall konstanter Temperatur gilt:

Damit ist der Proportionalitätsfaktor K₂ aus (1) definiert durch K₂=b g . Die Änderung der Wellenlänge mit dem Strom für eine feste Lasermode der Ordnung m ist im Fall einer temperaturstabilisierten Laserdiode von der Größenordnung

T_WS ist die Temperatur der Wärmesenke. Eine Phasenänderung von π wird dann erreicht durch

Damit ergibt sich mit (2) z. B. für eine maximale Wellenlängenänderung von δλ=0,2 nm im Fall eines Mach-Zehnder-Interferometers einer erforderliche Längendifferenz der Interferometerarme von (Wellenlänge λ=830 nm, Brechungsindex n=1,46)

ΔL=2,4 mm (8)

d. h. daß die Lichtintensität durch eine Wellenlängenerhöhung von 0,2 nm sprungartig von einem Ausgangsarm des Interferometers auf den anderen geschaltet werden kann. Aufgrund der bekannten Hysterese- Charakteristik bistabiler Anordnungen, die im Diagramm in Fig. 3 dargestellt ist, bewirken kleine Änderungen der Wellenlänge (abgesehen vom kritischen Wert an der Sprungstelle) keine merklichen Änderungen der Ausgangsintensität. Zur Umschaltung auf den ursprünglichen Ausgangskanal muß die Wellenlänge unter den Wert am letzten Umschaltpunkt zurückgenommen werden. Als Steuerparameter zum Umschalten des bistabilen Elementes wird die Lichtintensität P_in=σP_o benutzt, die durch den elektrooptischen Intensitätsmodulator 6 durch Änderung der an den Elektroden 10 anliegenden Modulationsspannung u_M varriert werden kann.

Die Funktionsweise des bistabilen Interferometers 16 bzw. 52 kann mit Hilfe der Gleichungen (1) und (4) erklärt werden. Für stationäre Zustände des Systems müssen beide Gleichungen gleichzeitig erfüllt sein, so daß die zulässigen Lösungen durch die Schnittpunkte der beiden entsprechenden Graphen gegeben sind. In normierter Schreibweise ergeben sich aus (1) und (4) die beiden Gleichungen für die stationäre normierte Ausgangsspannung u*

als Interferometer-Charakteristik (mit G=σTK₁ g, U_π η/K₂) und

für die durch die Rückkopplung in Zusammenhang mit der Interferometer- Asymetrie bedingte Abhängigkeit der Phase von der Ausgangsleistung. Beide Gleichungen müssen gleichzeitig erfüllt sein für mögliche Zustände des Systems.

Schnittpunkte (stationäre Fixpunkte) zwischen der periodischen Interferometer-Charakteristik (9) und der Geraden (10) existieren nur für

als Bedingung für die dimensionslose Eingangsgröße G. Unter diesen Bedingungen kann durch die Änderung von P_in zwischen verschiedenen stationären Zuständen hin- und hergeschaltet werden.

Als Gleichung für die stationären Fixpunkte erhält man aus (1) in normierter Schreibweise

Gleichung (12) beschreibt die typische hystereseförmige Abhängigkeit der stationären Fixpunkte u* vom Steuerparameter G bzw. der Eingangsleistung, wie sie in Fig. 3 an einem Beispiel dargestellt sind. Das Umschalten zwischen stationären Zuständen durch Änderung von P_in ist durch die Pfeile angedeutet.

Das obige Beispiel einer Wellenlängenänderung von 0,2 nm erfordert eine Änderung des Laserdiodenstroms von δ=20 mA. Dabei kann sich die optische Ausgangsleistung der Diode um mehr als den Faktor 2 ändern. Dies ist in Gleichung (1) berücksichtigt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die Gesamtanordnung ähnlich der nach Fig. 2. Während bei den vorstehend besprochenen Ausführungsformen zum Umschalten des bistabilen Elementes 52 mittels Wellenlängenänderung über den Modulator 6 die Lichtintensität P_in verändert wird, arbeitet die Ausführungsform nach Fig. 4 mit einer konstanten Lichteingangsleistung P_in und dem Offset-Strom i_B als Steuerparameter. Die Lichtwellenlänge wird über die Offset-Spannung u_B, die an der Stromversorgung 48 der Laserdiode 2 anliegt, verändert. Zur Erzielung einer konstanten Lichtleistung σP_LD findet eine bistabile Anordnung Verwendung, in der unter Ausnutzung der nichtlinearen (cos-förmigen) Eingangs-Ausgangs-Charakteristik des elektrooptisch rückgekoppelten Mach-Zehnder-Interferometers, das als Modulator verwendet wird, wiederum eine hier elektrooptisch erzeugte Hysterese die Stabilisierung bewirkt. Dazu wird aus dem Modulator 6 über eine parallelgeschaltete Ausgangsleitung 72 ein Teil des Lichtes ausgekoppelt und auf die Photodiode 74 gerichtet. Die Ausgangsspannung der Photodiode wird mit dem Faktor g verstärkt und mit der Rückkoppelverzögerungszeit T auf die Elektroden 10 des Modulators 6 aufgeschaltet. Anstelle einer bistabilen Schaltung zur Stabilisierung von P_LD kann auch eine konventionelle Regelschaltung verwendet werden. Der elektrooptische Intensitätsmodulator 6 ist dabei in eine Regelschleife zur Steuerung von σ eingebunden, die z. B. durch Soll-Ist-Wert-Vergleich (Vergleich eines vorgegebenen Laserdioden-Offsetstroms e_PS mit der Eingangsleistung σP_LD) und entsprechende Änderung der Modulatorspannung σP_LD konstant hält.

Claims

1. Optischer Schalter mit einer Lichtquelle, einem als Zweiarm- Interferometer ausgebildeten elektrooptischen Phasenmodulator und einem dem Modulator nachgeschalteten zweiten Zweiarm- Interferometer als multistabilem Element mit einem Ausgang für einen Lichtanteil, dem eine Photodiode nachgeschaltet ist, deren Ausgangsspannung nach Verstärkung als Steuergröße verwendet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Zweiarm-Interferometer (16; 52) mit Interferometerarmen (20, 22; 58, 60) mit optischen Weglängenunterschieden zwischen den beiden Interferometerarmen in der Größenordnung des 10² bis 10⁴fachen der Wellenlänge des Lichtes der Lichtquelle (2) ausgebildet ist und wenigstens einen zweiten den Signalausgang bildenden Ausgang (32, 34) aufweist, der parallel zu dem Ausgang (40) angeordnet ist, der mit der Photodiode (44) verbunden ist,
daß die verstärkte Ausgangsspannung der Photodiode der Stromversorgung (48) der Lichtquelle (2) als Steuerspannung aufgeschaltet ist,
daß die Wellenlänge des von der Lichtquelle abgegebenen Lichtes durch eine Änderung der Steuerspannung (u_M) des Modulators (6) oder der Vorspannung (u_B) der Stromversorgung (48) der Lichtquelle (2) so veränderbar ist, daß das Ausgangssignal (I, II) zwischen zwei stabilen, um πrad phasenverschobenen Interferenzsignalen (I, II) wechselt.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (6) mit zwei parallelen Ausgängen (12, 72) versehen ist, von denen einer (12) mit dem zweiten Zweiarm-Interferometer verbunden (53) und dem anderen eine Photodiode (74) nachgeschaltet ist, deren Ausgangsspannung nach Verstärkung dem Modulator als Steuerspannung zur Erzielung einer konstanten Lichtintensität am ersten Ausgang des Modulators aufgeschaltet ist, und daß für die Stromversorgung (48) der Lichtquelle (2) eine variable Vorspannung (u_B) vorgesehen ist.

3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (6) als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet ist.

4. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Zweiarm-Interferometer (16) als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet ist.

5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Zweiarm-Interferometer (52) als Michelson-Interferometer ausgebildet ist.