DE69630343T2

DE69630343T2 - Einrichtung zum Modulieren und Wandeln eines Signals elektromagnetischer Wellen in ein optisches Signal und ein dieselbe verwendendes Kommunikationssystem

Info

Publication number: DE69630343T2
Application number: DE69630343T
Authority: DE
Inventors: Takehiro Hirakata-shi Yamamoto
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-08-08
Filing date: 1996-08-07
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2016-08-08
Also published as: JP3411947B2; DE69630343D1; JPH0951307A; EP0758090A2; EP0758090B1; EP0758090A3; US5799116A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal um Funkwellen in Lichtsignale zu wandeln, und sie betrifft ein Kommunikationssystem unter Verwendung derselben.
In den letzten Jahren wurde die Frequenz von auf dem Rundfunkgebiet verwendeten Funkwellen zunehmend erhöht, wie es typischerweise bei Satellitenrundfunk erkennbar ist. Andererseits erhöhen Fortschritte in der Sozialwirtschaft den Bedarf an Funkwellen, wie für verschiedene Mobilkommunikationssysteme und für Datenkommunikation unter Verwendung von Funkwellen, da schnurlose Datenterminals verbreitet werden. Der aktuelle Bereich der Funkwellen wird jedoch gesättigt, weswegen sich diese Gebiete der Forderung gegenübersehen, die Frequenz zu erhöhen und breitbandiger zu arbeiten.
Indessen wurde auf dem Gebiet von Kabelnetzwerksystemen der Aufbau optischer Fasernetzwerke für ein breitbandiges Übertragungsnetz vorwärtsgetrieben, das es ermöglicht, Daten in Massen mit hoher Geschwindigkeit zu handhaben. Angesichts diesem sozialen Hintergrund entsprechenden Strömungen besteht Bedarf am Aufbau eines integrierten Systems, das beide Vorteile nutzt, d. h. die Zweckdienlichkeit eines Funkübertragungssystems gemeinsam mit dem Funktionsvermögen der Fähigkeit einer Massenübertragung in einem Übertragungssystem mit optischen Fasern. Als spezielles System hat in jüngerer Zeit ein solches Aufmerksamkeit auf sich gezogen, bei dem Massen an Information, die einem optischen Trägersignal überlagert werden, über eine optische Faser zu einer Basisstation übertragen werden, wobei die Vermittlung der Information zwischen der lokalen Station und den Terminals unter Verwendung hochfrequenter Funkwellen ausgeführt wird.
Ein derartiges System benötigt O/E-Wandlermodule, die ein Lichtsignal in der Basisstation in ein Funkwellensignal wandeln, und auch E/O-Wandlermodule, die das Funkwellensignal in ein Lichtsignal wandeln, weswegen bei Vergrößerung des Systems die Anzahl der Wandlermodule in der Anlage der Basis station zunimmt. Daher hängt die Realisierung des Systems stark davon ab, wie die Wandlermodule vereinfacht und verkleinert werden können. Bisher wird ein Funksignal zunächst in ein elektrisches Signal gewandelt, das seinerseits dazu verwendet wird, die Lichtquelle zu modulieren. Wenn es jedoch z. B. möglich wird, ein Funksignal direkt in ein Lichtsignal zu wandeln, ohne dass der Schritt des Wandelns des Funksignals in ein elektrisches Signal erforderlich ist, ist es möglich, den elektrischen Teil zu verschlanken und dadurch das E/O-Wandlermodul zu vereinfachen (wobei elektromagnetische Wellen direkt in ein Lichtsignal gewandelt werden können). D. h., dass es möglich wird, ein System zu erhalten, in dem der optische Abschnitt und die anderen elektrischen Teile effizient verschmolzen sind.
Als bekanntes Beispiel zum direkten Wandeln elektromagnetischer Wellen (elektrischer Felder im freien Raum) in Lichtsignale offenbaren die Offenlegung Hei 2 Nr. 184,772 zu einer japanischen Patentanmeldung die Offenlegung Hei 5 Nr. 2,043 zu einer japanischen Patentanmeldung usw. Feldantennen, bei denen ein optischer Kristall dazu verwendet werden soll, die Raumverteilung usw. unerwünschter Strahlung (elektromagnetischer Störwellen) genau zu messen. Ferner ist in der Offenlegung Hei 7 Nr. 20,178 zu einer japanischen Patentanmeldung ein Störsignal-Sensorkopf mit einer integrierten Antenne offenbart.
Die Grundkonstruktion des Ersteren ist in der 1 dargestellt. In dieser Figur bezeichnen Bezugszahlen die folgenden Komponenten: eine Lichtquelle 1; eine Linse 2; optische Faserkabel 3; eine Linse 4; ein Polarisator 5; ein Kristall 6, der den elektrooptischen Effekt zeigt; Sensorstäbe 7 und 7'; ein Phasenkompensator 8; ein Analysator 9; eine Linse 10; ein optischer Detektor 11 und ein Empfänger 12. Der Abschnitt mit den Komponenten 4 bis 10, der durch die gestrichelte Linie umgeben ist, bildet einen optischen Modulator 13. Mit 16, 16' sind optische Modulationselektroden gekennzeichnet.
Bei diesem Beispiel aus dem Stand der Technik wird ein Lichtsignal von der Lichtquelle 1 über das optische Faserkabel 3 in den optischen Modulator 13 eingegeben, wo das Lichtsignal durch den den elektrooptischen Effekt zeigenden Kristall 6 bei der durch die Sensorstäbe 7 und 7' erfassten Intensität, zwischen den optischen Modulationselektroden 16 und 16', moduliert wird. Dann wird das Signal erneut über das optische Faserkabel 3 an den optischen Detektor 11 übertragen. Das modulierte Lichtsignal wird im optischen Detektor in ein elektrisches Signal gewandelt und im Empfänger 12 empfangen.
Beim obigen optischen Modulator 13 wählt der Polarisator 5 linear polarisierte Wellenkomponenten mit einem Winkel der Polarisationsebenen von 45° zur optischen Achse des den elektrooptischen Effekt zeigenden Kristalls 6 aus dem vom optischen Faserkabel 3 emittierten Licht aus und gibt sie in den Kristall 6 aus. Das auf den Kristall 6 fallende Licht wird mit der von den Sensorstäben 7 und 7' gelieferten Spannung moduliert und in Form elliptisch polarisierter Wellen ausgegeben. Die elliptisch polarisierte Wellenkomponente wird vom Analysator 9 erfasst, wodurch ein in der Intensität moduliertes Lichtsignal erhalten wird. Dabei kann die Beziehung zwischen der angelegten Spannung E und dem modulierten Signal Vm durch die folgende Formel (1) repräsentiert werden: Vm = αVi{1 + sin(βE)} (1)wobei Vi die Amplitude des Lichtsignals ist und α und β Wandlungskoeffizienten sind. Aus der Formel (1) ergibt es sich, dass dann, wenn βE sehr klein ist, die Intensität des gewandelten Signals proportional zur Stärke des angelegten Felds (der angelegten Spannung E) ist.
Die 2 zeigt ein Beispiel für eine spezielle Konstruktion des obigen optischen Modulators 13. In dieser Figur bezeichnen die Bezugszahlen die folgenden Komponenten: eine Linse 4; ein Polarisator 5; ein den elektrooptischen Effekt zeigender Kristall 6; Sensorstäbe 7 und 7'; ein Phasenkompensator 8; ein Analysator 9; eine Linse 10; eine die Polarisation aufrecht erhaltende optische Faser 14, die in der schematischen Ansicht mit der Lichtquelle verbunden ist; eine optische Einzelmodefaser 15, die in der schematischen Ansicht mit dem optischen Detektor verbunden ist; optische Modulationselektroden 16 und 16' und ein Modulatorgehäuse 17.
Als den elektrooptischen Effekt zeigender Kristall 6 ist bei dieser Konstruktion LiNbO₃ verwendet, und dieser Kristall 6 ist im Zwischenraum zwischen den zwei Metallstäben für die in Reihe geordneten Sensorstäbe 7 und 7' untergebracht. Zwei LiNbO₃-Kristalle sind so miteinander verbunden, dass ihre optischen Achsen rechtwinklig aufeinander stehen. Diese Anordnung dient zum Kompensieren einer Variation der natürlichen Doppelbrechung, die von einer Temperaturvariation der Umgebung abhängt.
Die 3 zeigt ein anderes Beispiel einer speziellen Konstruktion des obigen optischen Modulators 13. In dieser Figur bezeichnen dieselben Bezugszahlen wie in der 2 dieselben Komponenten. Sei diesem Beispiel ist, anstelle eines optischen Kristalls als optischer Modulator 13 bei der obigen Konstruktion, ein Bauteil vom Typ eines optischen Wellenleiters, das ein Mach-Zehnder-Interferometer bildet, verwendet. Daher wird bei dieser Konstruktion kein Polarisator, Analysator oder Phasenkompensator benötigt.
Da es der Zweck dieser Antenne jedoch ist, genau die Frequenzcharakteristik der Störwellen über einen breitbandigen Bereich zu messen, sollte die Empfängerempfindlichkeit über einen bestimmten breitbandigen Bereich der Frequenzen (einige hundert Hz bis einige GHz) gleichmäßig gemacht sein. Demgemäß ist dieses Bauteil so konstruiert, dass es dieser Forderung genügt. Anders gesagt, ist dieses Bauteil nicht dazu geeignet, als Antenne für Funkwellenkommunikation verwendet zu werden, wo nur ein spezieller Frequenzbereich resonant gemacht und mit hoher Empfindlichkeit empfangen werden soll.
Ferner sind, wie es in der 1 dargestellt ist, ziemlich große Metallsensorstäbe 7 und 7' rechtwinklig zum optischen Modulatorabschnitt vorhanden, weswegen diese Geometrie des Gesamtteils der Sensorstäbe und des optischen Modulators 13, oder die Größe des Abschnitts zum Wandeln einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal, zu einer Erschwerung dahingehend führt, dass dem Erfordernis genügt werden könnte, dass das E/O-Wandlermodul kompakt ist und effizient arbeitet, um ein integriertes System zu erhalten, bei dem sowohl die Zweckdienlichkeit hinsichtlich der Funkkommunikation als auch die Funktionsfähigkeit betreffend eine Massenübertragung bei optischer Phasenkommunikation am besten genutzt sind.
Bei der in der Offenlegung Hei 7 Nr. 20,178 zu einer japanischen Patentanmeldung offenbarten Konfiguration kann, da den Sensorstäben entsprechende Teile am Kristallsubstrat ausgebildet sind, das Bauteil kompakt hergestellt werden, jedoch ist es nur dazu vorgesehen, Störsignale usw. zu messen. D. h., dass diese Konfiguration keine solche ist, die für eine spezielle Frequenz oder eine spezielle Richtung hohe Empfindlichkeit zeigen würde. Demgemäß hat dieses Bauteil keinerlei Funktion hinsichtlich einer Datenkommunikation.
Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal zur Datenkommunikation zu schaffen, die das Funksignal direkt in das Lichtsig nal wandelt und über einen kompakten und flachen Abschnitt zum Wandeln einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal verfügt, und auch ein Daten-Kommunikationssystem unter Verwendung dieser Vorrichtung zu schaffen.
US-A-5 076 655 offenbart eine Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Der Modulator ist dazu vorgesehen, Licht in einem externen elektromagnetischen Feld mit gut definierter Frequenz und hoher Intensität zu modulieren, wobei z. B. der Modulator innerhalb eines Mikrowellenleiters angeordnet ist.
"Photonic systems for antenna applications", IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 36, Nr. 5, S. 30–38 (1994) offenbart ein Verfahren zum direkten Modulieren eines durch eine Halbleiterlaserdiode erzeugten Laserstrahls unter Verwendung eines HF-Signals. Die Modulation erfolgt durch direktes Anwenden des HF-Signals auf den Strom, der die Laserdiode in der Durchlassrichtung vorbelastet.
Gemäß einer ersten Erscheinungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal mit Folgendem geschaffen:

– mindestens einem Paar optischer Wellenleiterpfade, die auf dem Substrat ausgebildet, parallel zueinander angeordnet und an ihren Enden verbunden sind;
– Elektroden, die entlang der optischen Wellenleiterpfade ausgebildet sind und im Gebrauch eine Antenne zum Erfassen elektrischer Feldsignale um den Außenraum herum bilden;
– einer Lichtzuführeinrichtung zum Zuführen von Licht zu den optischen Wellenleiterpfaden; und
– einer Lichtsignal-Empfangseinrichtung zum Erfassen von von den optischen Wellenleiterpfaden ausgegebenem Licht und zum Verarbeiten desselben;
– wobei das durch die Wellenleiterpfade laufende Licht direkt durch ein Information tragendes elektrisches Feldsignal moduliert wird; dadurch gekennzeichnet,
– dass die Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal zur Datenkommunikation dient;
– und dass die Vorrichtung ferner über eine metallische Reflexionsplatte zum Reflektieren elektrischer Felder verfügt, die auf derjenigen Fläche des Substrats vorhanden ist, die von der Fläche abgewandt ist, auf der die Elektroden ausgebildet sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bilden die Elektroden einen Antennentyp, der aus Folgendem ausgewählt ist:

(a) Dipolantenne;
(b) Leiterfleckantenne;
(c) Yagi-Antenne und
(d) Halbwellen(λ/2)-Dipolantenne, in der mehrere Dipolantennenelemente mit verschiedenen Längen entlang den optischen Wellenleiterpfaden angeordnet sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtzuführeinrichtung von einem Typ, der aus Folgendem ausgewählt ist:

(a) Einrichtung zum Zuführen unmodulierten Lichts mit konstanter Intensität;
(b) Einrichtung zum Zuführen von Licht mit einer vorbestimmten Frequenz und
(c) Einrichtung zum Zuführen von Licht von einer Lichtquelle über eine optische Faser.

Gemäß einer zweiten Erscheinungsform der Erfindung ist ein Daten-Kommunikationssystem mit Folgendem geschaffen:

– einem Netzwerk optischer Fasern;
– einer Basisstation in diesem optischen Fasernetzwerk;
– einer in der Basisstation angeordneten Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal und
– einem Terminal, an das ein von der Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal in Form einer elektromagnetischen Welle übertragen wird;
– wobei die Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal eine solche ist, wie sie in einem der vorstehenden Ansprüche definiert ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform empfängt die Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal im Gebrauch elektromagnetische Wellen von einem Satelliten und wandelt die empfangenen Wellen, in Gebrauch, in ein Lichtsignal, damit dieses an das Netzwerk geliefert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform bildet die Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal in Gebrauch eine Empfangsantennenvorrichtung für Satellitenrundfunk und es bildet ein Satellitenrundfunk-Empfangssystem, das im Gebrauch das Empfangssignal von Satelliten zu Satellitenrundfunkempfängern über optische Fasern überträgt.
Gemäß diesen Konfigurationen ist es möglich, ein Informations-Funksignal mit einem speziellen Band von Frequenzen von einem Terminal mit hoher Empfindlichkeit zu empfangen und es dem optischen Fasernetzwerk zuzuführen. Außerdem ist es möglich, wenn der Abschnitt zum Wandeln einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal so ausgebildet ist, dass er über Mischerfunktion verfügt, das Empfangssignal in ein Zwischenfrequenzsignal herabzuwandeln, während das Signal als Lichtsignal verbleibt. Auf Grundlage des Heterodyn-Demodulationsschemas muss das gewünschte Signal im Zwischenfrequenzsignal vorhanden sein, dessen Frequenz niedriger als die des ursprünglichen Signals ist. Da das System nur das Zwischenfrequenzsignal erfassen muss, kann die für den optischen Detektor erforderliche Frequenzcharakteristik drastisch gelindert werden, so dass es möglich ist, ein effektives System zu erhalten, in dem Schaltkreise für elektromagnetische Wellen, Licht und Elektrizität gekoppelt und zusammengefasst sind.
Ferner wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal bei der Erfindung als Maßnahme zum Empfangen einer elektromagnetischen Welle von einem Satelliten und zum Wandeln derselben in ein an das optische Fasernetzwerk zu lieferndes Lichtsignal verwendet. Da alle aktuellen Antennenbauteile über eine Abwärtswandlerschaltung verfügen müssen, ist die Struktur kompliziert. Gemäß der Erfindung ist es möglich, da die Abwärtswandlerschaltung in die im Gebäude untergebrachte Vorrichtung als Tunerschaltung usw. eingebaut werden kann, das Empfangsantennenbauteil für Satellitenrundfunk drastisch kompakt und einfach auszubilden, so dass diese Konfiguration Vorteile hinsichtlich des Installationsraums im Freien als auch hinsichtlich der Zuverlässigkeit zeigt.
1 ist eine Ansicht, die eine bekannte Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal zeigt;
2 ist eine Ansicht, die einen optischen Modulator in der 1 zeigt;
3 ist eine Ansicht, die ein anderes Beispiel eines optischen Modulators aus dem Stand der Technik zeigt;
4 ist ein Ansicht, die eine Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal zeigt;
5 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A' in der 4;
6 ist eine Ansicht, die einen anderen optischen Modulator zeigt;
7 ist eine Ansicht, die eine andere Variation eines optischen Modulators zeigt;
8 ist ein Kurvenbild, das die Frequenzcharakteristik des optischen Modulators der 7 zeigt;
9 ist eine Schnittansicht, die einen erfindungsgemäßen optischen Modulator zeigt;
10A ist ein Diagramm, das eine Eigenschaft des in der 3 dargestellten optischen Modulators des Beispiels aus dem Stand der Technik zeigt;
10B ist ein Diagramm, das eine Eigenschaft des in der 6 dargestellten optischen Modulators zeigt;
11 ist eine Ansicht, die eine Leiterfleck-Antennenkonstruktion eines erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
12 ist eine Ansicht, die eine Yagi-Antennenkonstruktion eines erfindungsgemäßen optischen Modulators zeigt;
13 ist eine Ansicht, die eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum Wandeln und modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal zeigt;
14 ist ein Blockdiagramm, das ein erfindungsgemäßes Daten-Kommunikationssystem zeigt; und
15 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration zeigt, bei der das erfindungsgemäßen Daten-Kommunikationssystem bei einem Empfangssystem für Satellitenrundfunk angewandt ist.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
Die 4 und 5 zeigen eine Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren eines Signals. Eine Lichtquelle 1 verwendet bei diesem Beispiel einen Halbleiterlaser, jedoch besteht keine Beschränkung nur hierauf. Die Bezugszahlen 2 und 3 bezeichnen eine Linse bzw. optische Faserkabel. Mit 4 und 10 sind Linsen gekennzeichnet, die auf der Eingangs- und Ausgangsseite eines optischen Modulators 13 angebracht sind und an der Vorder- bzw. Rückwand eines Gehäuses 17 des optischen Modulators 13 befestigt sind. Der optische Modulator 13 besteht aus Folgendem: einem Substrat 20 mit dem elektrooptischen Effekt; einem Paar optischer Wellenleiterpfade P1 und P2, die auf dem Substrat 20 ausgebildet sind und parallel angeordnet, jedoch an ihren Enden verbunden sind; und Elektroden 18 und 18' für optische Modulation, die entlang dieser optischen Wellenleiterpfade P1 und P2 ausgebildet sind. Der Durchmesser der optischen Wellenleiterpfade P1 und P2 beträgt ungefähr einige μm, und diese Pfade sind um einige μm bis einige zehn μm beabstandet. Die Elektroden 18 und 18' verfügen auch über Antennenfunktion zum Erfassen elektrischer Feldsignale im Außenraum um den optischen Modulator 13 herum.
Damit das optische System kompakt ist und im optischen Modulator 13 integrierbar ist, werden die optischen Wellenleiterpfade P1 und P2 auf dem den elektrooptischen Effekt zeigenden Substrat 20 hergestellt, um dadurch ein Mach-Zehnder-Interferometer zu bilden. Wie es in der 5 dargestellt ist, die in der durch eine Linie A-A' in der 4 gekennzeichneten Schnittebene aufgenommen ist, werden optische Wellenleiterpfade P1 und P2 dadurch erzeugt, dass ein Film aus metallischem Titan (Ti) von einigen μm Breite auf dem LiNbO₃-Substrat 20 hergestellt wird, das mit einschlägiger Orientierung zugeschnitten wurde, und es einem Wärmediffusionsprozess bei 1.000°C für ungefähr 10 Stunden ausgesetzt wird.
Nach Herstellung der optischen Wellenleiterpfade P1 und P2 wird auf dem Substrat 20 eine Pufferschicht (Mantelschicht der optischen Wellenleiterpfade) 21 aus einem Isolator wie SiO₂ von ungefähr 1 μm Dicke hergestellt, um Übertragungsverluste von Licht zu verhindern. Ferner wird auf der Pufferschicht 21 ein metallischer Abscheidungsfilm aus Au, Cu oder Al usw. von ungefähr 1 bis 5 μm Dicke hergestellt. Dieser Film wird hergestellt, um dann einer Ätzbehandlung unterzogen zu werden, so dass Elektroden 18 und 18' für optische Modulation hergestellt werden.
Wie es in der 4 dargestellt ist, werden entlang jedem der optischen Wellenleiterpfade P1 und P2 drei L-förmige Halbwellen(λ/2)-Dipolantennen integral ausgebildet. Im Allgemeinen beträgt λ/2 an Luft 1,5 cm, wenn die Frequenz des Empfangssignals 10 GHz beträgt, und der Wert beträgt 5 mm, wenn die Frequenz 30 GHz beträgt. In der Praxis ist, aufgrund des Verkürzungseffekts betreffend die Wellenlänge in dielektrischen Materialien, die Größe W der Antenne, oder der Wert λ/2, im Wesentlichen auf eine Größe verringert, die durch Teilen dieser Längen (1,5 cm und 5 mm) durch die Wurzel der Dielektrizitätskonstante des unter den Elektroden verwendeten Materials berechnet wird. Diese Länge L des Speiseteils der Antenne (der Teil, der parallel zum optischen Wellenleiterpfad verläuft) beträgt ungefähr λ/2 bis λ/5.
Wie es in der 7 dargestellt ist, ist es möglich, wenn Antennenelemente 19a, 19b und 19c integral so ausgebildet sind, dass ihre Größen W₁, W₂ und W₃ geringfügig variieren, eine kombinierte Frequenzcharakteristik (d) zu erhalten, die dadurch erzeugt wird, dass drei verschiedene Resonanzfrequenz-Charakteristiken (a), (b) und (c) überlagert werden, wie es in der 8 dargestellt ist. Daher ist es möglich, die Empfangsbandbreite eines Abschnitts zum Wandeln einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal zu vergrößern. Hierbei kennzeichnen (a), (b) und (c) in der Figur die Charakteristiken der Antennenelemente 19a, 19b bzw. 19c.
Es ist zu beachten, dass es möglich ist, anstatt mehrere Halbwellen(λ/2)-Dipol-Antennenelemente zu integrieren, wie oben angegeben, eine Struktur mit einem einzelnen Antennenelement, wie in der 6 dargestellt, bei Bedarf zu verwenden.
Gemäß der Erfindung ist es, wie es durch die 9 veranschaulicht ist, durch Anbringen einer Reflexionsplatte 22 aus Metall an der Rückseite des LiNbO₃-Substrats 20 an einer Position mit dem Abstand 'd' entfernt von der Oberseite möglich, den Antennengewinn zu vergrößern.
Da die Stabilitätsqualität des LiNbO₃-Substrats 20 nur bis zu einigen Millimetern gewährleistet werden kann, sollte der Abstand 'd' abhängig von der verwendeten Wellenlänge dadurch eingestellt werden, dass eine Abstandshalt erschicht 23 aus einem Isolator wie SiO₂ so angebracht wird, dass sie ungefähr λ/4 beträgt. Da λ/4 an Luft 7,5 mm beträgt, wenn die Frequenz 10 GHz beträgt, und da der Wert 2,5 mm beträgt, wenn die Frequenz 30 GHz beträgt, muss die Dicke der Abstandshalterschicht 23 höchstens einige Millimeter betragen, wenn der oben genannte Effekt der Verkürzung der Wellenlänge berücksichtigt wird.
Hierbei ist es nicht mehr erforderlich, die Abstandshalterschicht 23 anzubringen, wenn das Substrat 20 nicht aus LiNbO₃ hergestellt wird, sondern es z. B. aus einem organischen Material usw. hergestellt wird, das billig ist, selbst wenn die Dicke groß wird, und es ist möglich, für stabile Qualitätscharakteristiken zu sorgen, da alleine die Verwendung des Substrats 20 für den Abstand 'd' sorgt.
Nun wird die Funktion der so aufgebauten Ausführungsform erläutert. In der 4 ist dafür gesorgt, dass ein von der Lichtquelle 1 emittiertes unmoduliertes Lichtsignal auf das optische Faserkabel 3 fällt, das z. B. aus die Polarisation aufrecht erhaltenden optischen Fasern besteht. Das über dieses optische Faserkabel 3 übertragene Lichtsignal durchläuft den den elektrooptischen Effekt zeigenden optischen Modulator 13. Ein äußeres elektrisches Feld erzeugt zwischen den Elektroden 18 und 18' zur optischen Modulation, die als Antennen wirken, eine Spannung. Diese Spannung erzeugt im optischen Wellenleiterpfad des LiNbO₃ mit eindiffundiertem Ti, der den optischen Modulator 13 bildet, ein starkes elektrisches Feld (durch gestrichelte Linien in der 5 dargestellt), und demgemäß variiert die Dielektrizitätskonstante innerhalb des Wellenleiterpfads.
Aus diesem Grund legen zwei Lichtquellen, die sich über verschiedene Wege, nämlich die Wellenleiterpfade P1 und P2, ausbreiten, verschiedene Entfernungen zurück, wodurch zwischen den beiden eine Zeitverzögerung erzeugt wird, so dass an ihrem Zusammentreffpunkt eine Interferenz zwischen den zwei Lichtwellen auftritt. Die Interferenz zwischen den Lichtwellen variiert abhängig von der angelegten Spannung und kann dadurch durch die folgende Formel repräsentiert werden: Pout = (Pin/2){1 + sin(πV/Vπ)} (2)wobei P_out die Lichtsignal-Ausgangsleistung ist, P_in die Licht-Eingangsleistung ist, V die angelegte Spannung ist, V_π die Halbwellenspannung ist. Die Halbwellenspannung bedeutet, dass dann, wenn diese Spannung zwischen die Elektroden gelegt wird, die durch die angelegte Spannung erzeugte Phasendifferenz π/2 beträgt. Hierbei kann, wenn V ausreichend klein gegenüber V_π ist, die Formel (2) wie folgt umgeschrieben wird: Pout = {Pin/2)(1 + πV/Vπ) (3)
Wie es aus dem Obigen ersichtlich ist, erfährt die Lichtwelle eine Modulation der optischen Intensität, die proportional zur Stärke des äußeren elektrischen Felds ist.
Das so modulierte Lichtsignal wird nun über das ausgangsseitige optische Faserkabel 3, das z. B. aus optischen Einzelmodefasern besteht, an einen optischen Detektor 11 übertragen, der an einer Position entfernt vom optischen Modulator liegt, wo das Lichtsignal in ein elektrisches Signal gewandelt wird, das seinerseits in einem Empfänger 12 erfasst wird.
Auf diese Weise hängt die Intensitätsmodulation, die ein Lichtsignal von der Lichtquelle 1 erfährt, von der Stärke des äußeren elektrischen Felds ab, weswegen diese Ausführungsform als Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal arbeiten kann. Als Ersatzmaterialien für das den elektrooptischen Effekt zeigende Substrat, neben dem bei dieser Ausführungsform verwendeten, ist es möglich, anorganische Materialien wie LiTaO₃, BaTiO₃ sowie organische Materialien wie im elektrischen Feld ausgerichtete Polymere (ein Material, bei dem eine organische Substanz, die einen großen nichtlinearen elektrooptischen Effekt zweiter Ordnung zeigt, mit einem Polymer mit niedriger Dielektrizitätskonstante gekoppelt oder in dieses diffundiert wird und das sich ergebende Material einem Ausrichtungsprozess in einem elektrischen Feld unterzogen wird, so dass es eine große elektrooptische Konstante zeigt) usw. zu verwenden.
Die 10A und 10B veranschaulichen, dass die obige Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Beispiel aus dem Stand der Technik stärkere Richteigenschaften abhängig von einem elektrischen Feldsignal im Außenraum zeigt. Hierbei zeigt die 10A den Fall des in der 3 dargestellten Beispiels aus dem Stand der Technik, und die 10B zeigt den Fall des in der 6 dargestellten Beispiels. In diesen Figuren ist mit 30 eine Quelle für elektromagnetische wellen bezeichnet.
Als Nächstes sind in den 11 und 12 andere spezielle Beispiele der Elektroden für optische Modulation mit Antennenfunktion dargestellt. (Diese befinden sich nur dann innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche, wenn sie mit einer Reflexionsplatte 22 gemäß der Lehre der 9 versehen sind.) Die 11 zeigt eine Konfiguration, bei der Antennenelemente vom Leiterflecktyp integriert sind. Die Größe, oder die Länge und die Breite eines Leiterflecks 24 betragen beide ungefähr λ/2 (λ/2 an Luft beträgt 1,5 cm, wenn die Frequenz des Empfangssignals 10 GHz beträgt, und der Wert beträgt 5 mm, wenn die Frequenz 30 GHz beträgt, wobei außerdem der oben genannte Verkürzungseffekt betreffend die Wellenlänge zu berücksichtigen ist), und der Abstand zwischen den Leiterflecken beträgt ungefähr λ. Im Fall dieses Beispiels ist ein Paar dreier in Reihe geschalteter Elemente vorhanden, und ein elektrisches Feld wird über Speiseleitungen 25 und 25' an die optischen Wellenleiterpfade angelegt. Durch Erhöhen der Anzahl integrierter Leiterflecke ist es möglich, die Stärke des angelegten elektrischen Felds weiter zu erhöhen, und so ist es möglich, das Licht mit höherer Effizienz zu modulieren.
Die 12 zeigt eine Konfiguration mit der Funktion einer Yagi-Antenne mit fünf Elementen. Die Größen der Elemente sind die Folgenden: ein Element A weist eine Länge von ungefähr λ/2 auf.; ein Element R ist etwas länger als das Element A; und Elemente D1, D2 und D3 sind etwas kürzer als das Element A. Diese Elemente sind ungefähr λ/4 parallel voneinander beabstandet. Das Anlegen elektrischer Felder erfolgt nur über das Element A. Diese Anordnung zeigt starke Richteigenschaften der Empfangsempfindlichkeit, und sie zeigt den höchsten Gewinn oder die maximale Empfindlichkeit für das elektrische Feld, das daran in der Richtung des Pfeils in der Figur anliegt. Der Gewinn differiert abhängig von der Anzahl der aufbauenden Elemente; bei diesem Beispiel, bei dem fünf Elemente integriert sind, kann für jedes λ/2-Dipol-Antennenelement ein Leistungsgewinn von ungefähr 10 dB erwartet werden.
So wird es möglich, eine Vorrichtung zur Wandlung und Modulation einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal bereitzustellen, die einen kompakten Abschnitt zum hocheffizienten Wandeln einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal aufweist, wobei die Elektroden zur optischen Modulation so konzipiert und hergestellt werden, dass sie Antennenfunktion zeigen, wie bei den obigen Ausführungsformen, was in Übereinstimmung mit den benötigten Bedingungen erfolgt (wie des genutzten Frequenzbands und den Richteigenschaften hinsichtlich elektromagnetischer Wellen).
(Zweite Ausführungsform)
Die 13 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Die spezielle Konstruktion der Vorrichtung ist dieselbe wie in der 4.
Ein Unterschied gegenüber der ersten Ausführungsform besteht darin, dass das Licht, das von der Lichtquelle an den optischen Modulator 13 zu liefern ist, bei der ersten Ausführungsform über einen weiten Frequenzbereich konstante Amplitude aufweist (was bedeutet, dass das Licht nicht moduliert wurde), jedoch ist das Licht von der Lichtquelle bei der Zweiten Ausführungsform monochromatisch, und es zeigt die Frequenz f₁ (Winkelfrequenz ω₁).
Wenn das Lichtsignal in den optischen Modulator 13 eingegeben wird, wird es durch eine hochfrequente Welle mit der Winkelfrequenz ω₂ (Frequenz f₂) moduliert. Hierbei ist, wenn angenommen wird, dass die Eingangslichtleistung ein sinusförmig intensitätsmoduliertes Signal ist, wie durch P_in = P₁sinω₁t + P_B repräsentiert (hierbei ist eine Gleichvorspannung P_B addiert, da P_in nicht negativ werden darf) und eine hochfrequente Welle (eine an den optischen Modulator anzulegende Spannung) durch V = V₁cosω₂t repräsentiert ist, die Lichtsignal-Ausgangsleistung P_out entsprechend der Formel (3) wie folgt repräsentiert: Pout = {PB + P1sinω1t + (πPBV1/Vπ)cosω2t + (πP1V1/2Vπ)[sin(ω1 + ω2)t + sin(ω1 – ω2)t]}/2 (4)
Der erste Term in der Formel (4) ist eine Gleichspannungskomponente; der zweite Term ist die Primärwellenkomponente der Frequenz der Eingangslichtleistung; der dritte Term ist die Primärwellenkomponente der Frequenz der hochfrequenten Welle; der vierte Term ist die Summenfrequenzkomponente der Eingangslichtleistung und der hochfrequenten Welle; und der fünfte Term ist die Differenzfrequenzkomponente zwischen der Eingangslichtleistung und der hochfrequenten Weile.
D. h., dass es hinsichtlich des Abschnitts zum Wandeln den elektrooptischen Effekt zeigende (optischer Modulator 13) möglich ist, nicht nur ein Signal einer hochfrequenten Welle zu empfangen, sondern auch gleichzeitig ein Zwischenfrequenz(Frequenzkomponentendifferenz)-Signal für das Heterodyn-Demodulationsschema zu erzeugen. Dies bedeutet kein Erfordernis einer Mischeinrichtung auf elektrischer Grundlage. Da nur die in eine niedrige Frequenz gewandelte Zwischenfrequenzkomponente im Stadium der optischen Erfassung benötigt wird, zeigt diese Struktur gegenüber der Konfiguration, bei der die Grundwellenkomponente direkt erfasst wird, einen Vorteil; es kann nämlich die für den optischen Detektor 11 benötigte Frequenzcharakteristik drastisch gelindert werden. Bei Satellitenrundfunk gehört z. B., wenn angenommen wird, dass die Frequenzen f₁ und f₂ zu den Bändern von 11 GHz bzw. 12 GHz gehören, die Zwischenfrequenz |f₁ – f₂| zum 1-GHz-Band.
(Drittes Ausführungsform)
Die Verwendung der obigen erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal ermöglicht ein System, bei dem Schaltkreise für elektromagnetische Wellen, Licht und Elektrizität effizient gekoppelt sind. Die 14 zeigt ein Beispiel für ein Kommunikationssystem, das die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal verwendet. In der Figur verfügt das System über Folgendes: eine zentrale Steuerstation 31; eine Steuer-Basisstation 32; eine Funkbasisstation 33 und ein Terminal 34. Die Steuer-Basisstation 32 besteht aus einer Steuerung 35 zum Austauschen von Signalen mit der zentralen Steuerstation 31; einer Lichtquelle 1; einem optischen Detektor 11 und einem Lichtsignalempfänger 12. Die Lichtquelle 1 gibt unter Anweisung durch die Steuerung 35 ein Lichtsignal aus. Dieses Lichtsignal wird über ein optisches Faserkabel 3 an die Funk-Basisstation 33 übertragen.
Die Funk-Basisstation 33 weist Folgendes auf: ein O/E-Wandlermodul 36, das das über das optische Faserkabel 3 übertragene Lichtsignal in ein elektrisches Signal wandelt; eine Antenne 37 und einen Abschnitt 38 zum Wandeln einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal. Das O/E-Wandlermodul 36 besteht aus einem optischen Detektor 39 und einem optischen Signalempfänger 40.
Das in ein elektrisches Signal gewandelte Signal wird von der Antenne 37 als Funksignal abgestrahlt. Dieses Signal wird vom Terminal 34 empfangen und ihm verarbeitet. Der Abschnitt 38 zum Wandeln einer elektromagnetischen Weile in ein optisches Signal besteht aus dem oben genannten erfindungsgemäßen optischen Modulator 13. Dieser Abschnitt 38 empfängt, während er das Lichtsignal von der Lichtquelle 1 empfängt, das von einer Antenne 41 des Terminals 34 abgestrahlte Funksignal direkt, so dass das Lichtsignal mit dem Funksignal moduliert wird. Das modulierte Signal wird an die optische Faser 3 geliefert. Die Information vom Terminal 34 wird durch den optischen Detektor 11 und den Lichtsignalempfänger 12 erfasst und dann an die Steuerung 35 geliefert.
(Vierte Ausführungsform)
Als Nächstes zeigt die 15 ein Beispiel eines Kommunikationssystems, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal bei einem Satellitenrundfunk-Empfangsnetzwerk angewandt ist. In dieser Figur ist mit 42 ein Kommunikations- oder Rundfunksatellit bezeichnet. Die elektromagnetische Welle von diesem Satelliten 42 wird durch eine auf dem Dach eines Gebäudes 60 installierte Empfangsantennenvorrichtung 43 empfangen. Diese Empfangsantennenvorrichtung 43 verfügt über den erfindungsgemäßen optischen Modulator 13, so dass die elektromagnetische Welle direkt in ein Lichtsignal gewandelt werden kann. Die Empfangsantennenvorrichtung 43 ist mit dem optischen Faserkabel verbunden, das das Netzwerk bildet.
Das optische Faserkabel besteht aus innerhalb des Gebäudes 60 vorhandenen Abschnitten 3b sowie außerhalb vorhandenen Abschnitten 3a. Die Bezugszahlen 44 und 46 kennzeichnen innerhalb des Gebäudes 60 installierte Gebäudefunk-Basisstationen. Diese Funk-Basisstationen 44 und 46 verfügen über ähnliche Struktur wie die in der 14 dargestellte Funk-Basisstation 33, so dass es möglich ist, mit Informationsterminals 45a, 45b wie PCs usw. oder einem tragbaren Terminal 47 wie einem Taschentelefon usw. Funksignale auszutauschen.
In diesem Fall verfügen, ähnlich wie beim unter Bezugnahme auf die 14 beschriebenen Fall, die Funk-Basisstationen 44 und 46 über optische Modulatoren 13, so dass Funkwellensignale von den Terminals 45a, 45b und 47 direkt in Lichtsignale gewandelt werden. Umgekehrt wird, wenn Funksignale auf die Terminals 45a, 45b und 47 einwirken, das Lichtsignal vom Kabel 3b durch den optischen Detektor und den Lichtsignalempfänger in ein elektrisches Signal gewandelt, und danach wird das gewandelte Signal von der Antenne abgestrahlt.
Mit 48 ist eine Gebäudesteuerungs-Basisstation gekennzeichnet, an die ein Monitordisplay 49 angeschlossen ist. Diese Gebäudesteuerungs-Basisstation 48 tauscht über ein externes optisches Faserkabel 3a Signale mit einer externen Steuerungsstation 50 aus.
Wie oben beschrieben, sind, gemäß der Erfindung, auf einem den elektrooptischen Effekt zeigenden Substrat hergestellte Elektroden so ausgebildet, dass sie als Erfassungsantenne für ein elektrisches Feldsignal im Außenraum wirken, damit durch einen optischen Wellenleiter laufendes Licht direkt moduliert wird. Diese Konfiguration zeigt die folgenden Vorteile:

(1) Es wird möglich, für Signale in einem speziellen Frequenzbandbereich dadurch einen hochempfindlichen Empfang zu realisieren, dass der Resonanzeffekt betreffend den hochfrequenten Empfangsbereich, wie durch die Antennengröße bestimmt, genutzt wird. Außerdem wird es möglich, eine Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal zu schaffen, die über einen hocheffizienten Abschnitt zum Wandeln einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal verfügt, was durch Konzipieren und Herstellen der Elektroden zur optischen Modulation in solcher Weise erfolgt, dass sie über Antennenfunktion in Übereinstimmung mit dem genutzten Frequenzband und Richtfunktion betreffend elektromagnetische Wellen verfügen.
(2) Da das Lichtsignal und das elektrische Feld im Außenraum herum dadurch gemischt werden können, dass ein Lichtsignal von einer Lichtzuführeinrichtung, mit einer spezifizierten Frequenz, zugeführt wird, ist es möglich, das Lichtsignal direkt in ein Zwischenfrequenzsignal herabzuwandeln, wodurch es überflüssig, einen Mischvorgang in einer elektrischen Schaltungseinrichtung auszuführen, was es ermöglicht, den elektrischen Schaltungsabschnitt verkleinert auszuführen. Ferner kann die für den optischen Detektor benötigte Frequenzcharakteristik drastisch gelindert werden, so dass es möglich ist, elektrische Schaltkreise für elektromagnetische Wellen, Licht und Elektrizität gemeinsam zu koppeln.

Wegen dieser Vorteile ist durch die Erfindung in erfolgreicher Weise eine Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal mit einem kompakten und effizienten Abschnitt zum Wandeln einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal mit Antennenfunktion für Funkkommunikation geschaffen, obwohl die herkömmlich bekannten elektrischen Feldantennen unter Verwendung eines optischen Systems nicht zu diesem Zweck verwendet werden konnten. Ferner ist es durch Nutzen dieser Vorteile möglich, ein hocheffizientes System aufzubauen, in dem Funkvorrichtungen und optische Fasernetzwerke synthetisch integriert sind.

Claims

Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal, mit: – einem Substrat (20), das den elektrooptischen Effekt zeigt; – mindestens einem Paar optischer Wellenleiterpfade (P1, P2), die auf dem Substrat (20) ausgebildet, parallel zueinander angeordnet und an ihren Enden verbunden sind; – Elektroden (18, 18'; 19a, 19b; 24; A, D1, D2, D3), die entlang der optischen Wellenleiterpfade (P1, P2) ausgebildet sind und im Gebrauch eine Antenne zum Erfassen elektrischer Feldsignale um den Außenraum herum bilden; – einer Lichtzuführeinrichtung (1, 4) zum Zuführen von Licht zu den optischen Wellenleiterpfaden; und – einer Lichtsignal-Empfangseinrichtung (11, 12) zum Erfassen von von den optischen Wellenleiterpfaden ausgegebenem Licht und zum Verarbeiten desselben; – wobei das durch die Wellenleiterpfade (P1, P2) laufende Licht direkt durch ein Information tragendes elektrisches Feldsignal moduliert wird; dadurch gekennzeichnet, – dass die Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal zur Datenkommunikation dient; – und dass die Vorrichtung ferner über eine metallische Reflexionsplatte (22) zum Reflektieren elektrischer Felder verfügt, die auf derjenigen Fläche des Substrats (20) vorhanden ist, die von der Fläche abgewandt ist, auf der die Elektroden ausgebildet sind.
Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal nach Anspruch 1, bei der die Elektroden einen Antennentyp bilden, der aus Folgendem ausgewählt ist: (a) Dipolantenne; (b) Leiterfleckantenne; (c) Yagi-Antenne und (d) Halbwellen(λ/2)-Dipolantenne, in der mehrere Dipolantennenelemente mit verschiedenen Längen entlang den optischen Wellenleiterpfaden angeordnet sind.
Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal nach Anspruch 1, bei der die Lichtzuführeinrichtung einen aus dem Folgenden ausgewählten Typ bildet: (a) Einrichtung zum Zuführen unmodulierten Lichts mit konstanter Intensität; (b) Einrichtung zum Zuführen von Licht mit einer vorbestimmten Frequenz und (c) Einrichtung zum Zuführen von Licht von einer Lichtquelle über eine optische Faser.
Daten-Kommunikationssystem mit: – einem Netzwerk optischer Fasern (3); – einer Basisstation (22) in diesem optischen Fasernetzwerk; – einer in der Basisstation angeordneten Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal und – einem Terminal (34), an das ein von der Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal in Form einer elektromagnetischen Welle übertragen wird; – wobei die Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal eine solche ist, wie sie in einem der vorstehenden Ansprüche definiert ist.
Daten-Kommunikationssystem nach Anspruch 4, bei dem die Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal im Gebrauch elektromagnetische Wellen von einem Satelliten (42) empfängt und die empfangenen Wellen, in Gebrauch, in ein Lichtsignal wandelt, damit dieses an das Netzwerk geliefert wird.
Daten-Kommunikationssystem nach Anspruch 4, bei dem die Vorrichtung zum Wandeln und Modulieren einer elektromagnetischen Welle in ein optisches Signal in Gebrauch eine Empfangsantennenvorrichtung für Satellitenrundfunk bildet und es ein Satellitenrundfunk-Empfangssystem bildet, das im Gebrauch das Empfangssignal von Satelliten zu Satellitenrundfunkempfängern über optische Fasern überträgt.