NL9200634A

NL9200634A - Optische hybride.

Info

Publication number: NL9200634A
Application number: NL9200634A
Authority: NL
Original assignee: Nederland Ptt
Priority date: 1992-04-03
Filing date: 1992-04-03
Publication date: 1993-11-01
Also published as: EP0564043B1; EP0564043A1; DE69306633D1; JP2586985B2; JPH0618732A; ES2096190T3; DE69306633T2; ATE146604T1

Description

Titel: Optische hybride A. Achtergrond van de uitvinding 1. Gebied van de uitvinding

De uitvinding ligt op het gebied van optisch coherente detectie technieken. Zij betreft een optische hybride, en een coherent optische ontvanger, waarin de optische hybride wordt toegepast.

2. Stand van de techniek

Optisch coherente detectie onder gebruikmaking van fasediversiteit maakt basisband detectie mogelijk zonder genoodzaakt te zijn ’phase-locked-loop’ (PPL) toe te passen, zoals dat wel het geval bij homodyne detectie. Aangezien zo een efficiënt gebruik kan worden gemaakt van de electrische en optische bandbreedte, is fasediversnelt daardoor zeer geschikt voor meerkanaals coherente optische communicatie met hoge bitsnelheden (è lGbit/s). Ook overwegingen met betrekking tot de onderdrukking van ruis, zoals thermische ruis, maken de toepassing van fasediversiteit bij hoge bitsnelheden aantrekkelijk.

Voor het terugwinnen van de amplitude en de fase van een coherent optisch signaal wordt bij fasediversiteit gebruik gemaakt van optische hybriden. Een optische hybride is een mxn multipoort met m signaalingangen en n sig-naaluitgangen, waarbij m,n^2, welke aan twee of meer van de uitgangen coherente producten van aan twee of meer van de ingangen aangeboden signalen af geeft met onderling goed gedefinieerde faseverschillen. Er zijn twee typen van dergelijke optische hybriden voor fasediversiteit. Hybriden van het eerste type, het polarisatietype genoemd, realiseren in het algemeen de gewenste faseverschillen tussen uitgangssignalen met verschillende polarisaties, dit in tegenstelling tot die van het tweede type, het koppeltype genoemd, waarbij de faseverschillen tussen uitgangssignalen met dezelfde polarisatie worden gerealiseerd. Van het koppeltype zijn verscheidene varianten bekend.

Een eerste variant berust op de geschikte onderlinge koppeling van een aantal parallelle golfgeleiders om de gewenste faseverschuiving van 90° te bewerkstelligen. Een dergelijke optische hybride, waarbij vier glasvezels in een smeltkoppeling volgens een vierkante doorsnede zijn geordend, is bijvoorbeeld bekend uit referentie [1], Een tweede variant, bekend uit referentie [2], is een soortgelijke poort bestaande uit een planaire strookvormige geleider met twee ingangen en vier uitgangen, welke equivalent is met vier planair geordende, gekoppelde glasvezels. Een derde variant, bekend uit referentie [3], is een 3x3-poort die, weliswaar qua koppeling verwant met de eerste variant, echter faseverschillen van 120° bewerkstelligt. In referentie [4] is een algemene S-matrix theorie ontwikkeld voor omkeerbare 3x3 vezelkoppelaars, zowel verliesvrije als niet verliesvrije. De theorie wordt toegepast op een opto-elec-trische 90°-hybride met een 3x3-koppelaar, die equivalent is met de hiervoor genoemde derde variant, welke hybride deel uit maakt van een homodyne ontvanger met drie fotodiodes en een ’Costas loop’.

De gevoeligheid van al deze bekende varianten van de multipoorten van het koppeltype is gelijk als alle signalen aan de uitgangszijde van Zo’n multipoort voor de detectie worden gebruikt en thermische ruis daarbij zoveel mogelijk is onderdrukt. Het gebruik van meer dan twee detectoren daarbij maakt een ontvanger evenwel complex en bovendien duur. Wordt bovendien gebalanceerde detectie toegepast, dan resulteert dit in een afnemende bandbreedte van de ontvanger en een toename van thermische ruis. Het is derhalve gewenst om bij de detectie niet meer dan twee detectoren te hoeven gebruiken. Voor een twee-detectoren ontvanger zijn de bekende optische hybriden echter niet optimaal. In de bekende mxn-poorten met 90° faseverschil van het koppeltype is de ’throughput’ steeds ^25%, hetgeen wil zeggen, dat van het signaalvermogen aan de ingang nooit meer dan 25% in elk der gebruikte uitgangen wordt uitgekoppeld. Aangezien voor fasediversiteit bruikbare optische hybriden tevens bruikbaar zijn voor ’image rejection’ heterodyne ontvangers, zoals bijvoorbeeld bekend uit referentie [4], geldt voor dergelijke ontvangers dezelfde beperking met betrekking tot de ’throughput5.

B. Samenvatting van de uitvinding

De uitvinding beoogt te voorzien in een optische hybride met een hogere ’throughput’, welke derhalve gunstiger is voor toepassing in een twee-detectoren ontvanger voor coherent optische detectie. Uit theoretische analyse van een passieve, niet noodzakelijk verliesvrije 2x2-poort blijkt, dat er bij een faseverschil van 90° toch een koppelverhouding R van maximaal ca 29% mogelijk is. De uitvinding realiseert dit bij een optische hybride van het koppeltype.

Een optische hybride met een eerste en een tweede ingangspoort respectievelijk voor het inkoppelen van een eerste en een tweede lichtsignaal, en met een eerste en een tweede uitgangspoort respectievelijk voor het uitkoppelen van een eerste en een tweede uitgangssignaal, waarbij de uitgangssignalen respectievelijk een eerste en een tweede coherent product van elk der ingangssignalen insluiten met een onderling faseverschil van ca. 90°, heeft daartoe volgens de uitvinding het kenmerk, dat de hybride een 3x3 koppelin- richting van drie koppelende golf geleiders omvat met drie ingangen en drie uitgangen, waarbij twee van de ingangen de ingangspoorten, en twee van de uitgangen de uitgangspoorten vormen, waarbij de vermogenstransmissie van elk der ingangspoorten naar elk der uitgangspoorten groter is dan 25%. Zij berust voorts op het inzicht, dat er met een niet-verliesvrije 2x2-poort steeds een verliesvrije 3x3-poort correspondeert met de juiste overdrachtsverhoudin-gen en faseverschil tussen twee ingangen en twee uitgangen, waarbij in de overige overdrachtsverhoudingen de overdrachtsverliezen tussen de genoemde twee uitgangen en twee ingangen zijn verdisconteerd. Bijvoorkeur heeft de uitvinding daartoe het kenmerk, dat de koppelinrichting een in hoofdzaak -verliesloze 3x3 koppelinrichting is, waarbij de overdrachtscoëfficiënten voor de vermogensoverdracht van een i-de ingangspoort naar een j-de uitgangspoort van de 3x3 koppelinrichting in hoofdzaak zijn gegeven door een overdrachts-matrix: r h |0,293 0,414 0,293| (pi;j) = 10,414 0,172 0,4141 , waarin i,j=l,2,3.

10,293 0,414 0,2931

L J

Voorts beoogt de uitvinding te voorzien in een coherente optische ontvanger waarin de optische hybride volgens de uitvinding wordt toegepast.

C. Referenties [1] A.R.L. Travis and J.E. Carroll:"Possible fused fibre in-pha-se/quadrature measuring multiport", Electronics Letters, lOth October 19S5, Vol. 21, No. 21, pp 954, 955; [2] Th. Niemeier and R. Ulrich:"Quadrature outputs from fiber interferometer with 4x4 coupler", Opties Letters, October 1986,

Vol. 11, No. 10, pp 677-679; [3] A.W. Davis et al.:"Coherent optical receiver for 680 Mbit/s using phase diversity", Electronics Letters, 2nd January 1986, Vol. 22,

No. 1, pp 9-11; [4] J. Pietzsch:"Scattering matrix analysis of 3x3 fiber couplers", Joum. Lightwave Technology, Vol. 7, No. 2, February 1989, pp. 303-307; [5] C.J. Mahon:"Experimental verification of novel optical heterodyne image rejection receiver with polarization control", ECOC ’90 Amsterdam, Vol. 1, pp. 389-392; [6] S. Somekh, in:"Introduction to integrated opties", editor M.K. Barnoski, Cpt. 11, Plenum Press, 1974.

D. Korte beschrijving van de tekening

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht onder verwijzing naar een tekening bestaande uit de volgende figuren:

Fig. 1 toont een blokschema van een algemene als optische hybride toepasbare 2x2-poort;

Fig. 2 toont het verloop van de bovengrens van de overdracht R als functie van de fasehoek Ψ van een optische hybride volgens Fig. 1;

Fig. 3 toont een diagram van een coherent optische ontvanger met een koppeltype hybride volgens de uitvinding;

Fig. 4 toont een dwarsdoorsnede van een golfgeleiderstructuur van een geïntegreerde versie van de in Fig. 3 getoonde hybride 30.

E. Beschrijving van uitvoerinesvoorbeelden

In Fig. 1 is een blokschema weergegeven van een algemene 2x2-poort, welke als optische hybride bekend is. Een dergelijke poort heeft twee ingan- gen 1 en 2 en twee uitgangen 3 en 4, en een overdracht (eng.: throughput) R en een fasehoek Ψ. Worden op ingangen 1 en 2 van deze poort respectievelijk ingangssignalen E1 en E2 met amplituden en É2 resp., en met een willekeurig onderling faseverschil Φ aangeboden, te weten: E-j(t) = É., cos (ot) (la) E2(t) = É2 cos (ot + Φ) (lb) dan zijn de signalen aan de uitgangen 3 en 4 te schrijven als Ea(t) = R1/z ^ cos (ot) + É2 cos (ot + Φ)} (2a)

Eb(t) = R1/z ^É1 cos (ot) + É2 cos (ot + Φ + Ψ)} (2b)

Is een dergelijke poort passief, dan is het totale uitgangsvermogen altijd kleiner dan of gelijk aan het ingangsvermogen voor elke waarde van de amplituden É15 É2 en faseverschil Φ. Als Éa en Éb respectievelijk de amplituden van de uitgangssignalen Ea(t) en Eb(t) voorstellen, dan geldt derhalve: | Ba!2 +1 ê„ l2 s! é, 12 +1 é2 l2 (3)

Uit combinatie van de uitdrukkingen (2a), (2b) en (3) kan worden afgeleid, dat R <; {4 cos2(7/4)}'1 (4)

De uitdrukking (4) definieert een bovengrens voor de overdracht R als functie van de fasehoek Ψ van de hybride. Het verloop van deze bovengrens is weergegeven in Fig. 2. In deze figuur corresponderen: punt A (Ψ = 0°, R = 25%) met een bekende polarisatietype optische hybride samengesteld uit vier Y-juncties; punt B (Ψ = 120°, R = 33,3%) met een bekende symmetrische 3x3 koppelaar; punt C (Ψ = 180°, R = 50%) met een bekende symmetrische 2x2 koppelaar. Punt D (Ψ = 90°, R = 29,3%) correspondeert althans theoretisch met een optische hybride met een faseverschuiving van 90°, hierna 90°-hybride genoemd, en een overdracht van meer dan 25%.

Een optische hybride met een overdracht van 29,3% kan worden beschouwd als een verliesvrije, partiëel symmetrische 3x3-koppelaar, waarvan de qua symmetrie centraal gelegen ingangspoort en uitgangspoort niet worden gebruikt. De overdrachtscoëfficiënten voor de vermogensoverdracht tussen elke van de drie ingangspoorten en elke van de drie uitgangspoorten van een dergelijke verliesvrije 3x3-koppelaar worden gegeven door een overdrachtsma-trix: |0,293 0,414 0,293! (Pij) = |0,414 0,172 0,414! , waarin i,j=l,2,3.

|0,293 0,414 0,293! i_ _)

Als eigenschappen van deze overdrachtsmatrix kunnen worden genoemd, dat zij symmetrisch is om elk der diagonalen, en dat de som van de overdrachtscoëfficiënten in elke rij en in elke kolom gelijk is aan één. Worden van een 3x3-koppelaar met een dergelijke overdrachtsmatrix alleen de ingangen i= 1 en 3, en de uitgangen j= 1 en 3 gebruikt, dan blijkt overeenkomstig de S-matrix theorie als ontwikkeld in referentie [4], en meer speciaal vergelijking (9) daarin, juist de gewenste fasehoek Ψ=90° op te treden.

Hierna zal een uitvoeringsvorm van een op de genoemde overdrachtsmatrix gebaseerde optische 90°-hybride van het koppeltype worden beschreven, zoals die kan worden toegepast in een coherent detectiesysteem met twee fotodetectoren. Uitgegaan wordt van een symmetrische 3x3-richtkoppelaar bestaande uit drie golfgeleiders, welke tussen eventuele aan- en afvoersecties in een koppelgebied over een zekere koppellengte x parallel lopen. Symmetrisch wil zeggen, dat in het koppelgebied een van de geleiders meer centraal is gelegen ten opzichte van de twee andere, in hoofdzaak identieke golfgeleiders. De identieke golf geleiders hebben een propagatieconstante β en de centrale golfgeleider heeft een daarvan afwijkende propagatieconstante β+δ, waarbij δ zowel positief als negatief kan zijn. Verder wordt er van uitgegaan, dat een rechtstreekse koppeling tussen de identieke golfgeleiders in het koppelgebied is te verwaarlozen ten opzichte van de koppeling tussen elk der identieke golf geleiders en de centrale golfgeleider. Op basis van de zogeheten "Weak coupled Mode Theory" (WCMT), zoals bijvoorbeeld bekend uit referentie [6], kan het gedrag van de geleide modi van de lichtgolven in de golfgeleiders van een dergelijke richtkoppelaar worden beschreven door een stelsel van gekoppelde differentiaal-vergelijkingen: d/dx(*l) = -ifiXl · ikX2 d/dx(x2) ~ 'ikXl -ί(β+δ)Χ2 * ikX3 (5) d/dx(X3) = ’ik*2 "1β*3

In dit stelsel is Xj de amplitudo van de geleide modus in de golfgeleider j (j=l,2,3). Het stelsel is zo opgezet, dat j=l,3 corresponderen met de identieke golfgeleiders en j=2 met de centraal gelegen golfgeleider. k is de koppelcon-stante, die de mate van de koppeling aangeeft tussen signalen in elk van de twee identieke golfgeleiders en in de centrale golfgeleider. Het stelsel is analytisch oplosbaar met als randvoorwaarden de waarden van elke amplitudo Xj aan de ingang van de richtkoppelaar. Door de oplossingen van dit stelsel voor verschillende randvoorwaarden aan de ingang met hun complex geconjugeerde te vermenigvuldigen worden de elementen van een overdrachtsmatrix (qy) verkregen. De overdrachtsmatrices (py) en (q^) worden, althans binnen een zekere nauwkeurigheid, identiek als: x-k = 1,20565 en δ/k = 1,043 (6)

Dit resultaat is onafhankelijk van propagatieconstante β. Een 3x3-richtkop-pelaar, waarbij de koppellengte x, het verschil in propagatieconstante δ en de koppelconstante k aan de relaties (6) voldoen, zal de gevraagde overdrachts- matrix bezitten, waarbij de overdrachtscoëfficiënten een nauwkeurigheid bezitten van beter dan 5 -10'4.

Hoewel in principe uitvoeringen mogelijk zijn zowel op basis van vezelkop-pelaars als in geïntegreerde vorm, zal het uitvoeringsvoorbeeld zich beperken tot een geïntegreerde versie, welke met bekende integratietechnieken kan worden gerealiseerd, op basis van daarbij gebruikelijke golfgeleidermaterialen en -structuren. Het uitvoeringsvoorbeeld zal zich daarbij verder beperken tot een geïntegreerde versie op InP met golfgeleiders van het dijktype (eng.: ridge type).

In Fig. 3 is een diagram weergegeven van een coherente optische ontvanger voor fasediversiteit met een 90°-hybride 30 van het koppeltype, waarbij de golfgeleiderstructuur van de hybride is getoond in een bovenaanzicht. Deze hybride 30 heeft een eerste signaalingang 31 voor een ontvangen signaal en een tweede signaalingang 32 voor een oscillatorsignaal afkomstig van een lokale oscillator 33. Verder heeft de hybride een eerste signaaluitgang 34 en een tweede signaaluitgang 35 respectievelijk optisch gekoppeld met een eerste fotodetector 36 en een tweede fotodetector 37. De hybride 30 bezit een centrale golf geleider 38 en twee in hoofdzaak identieke golfgeleiders 39 en 40, welke eikaars gespiegelde zijn ten opzichte van de centrale golfgeleider. De centrale golfgeleider 38 heeft een propagatieconstante (β+δ), die afwijkt van de propagatieconstante (β) van de golfgeleiders 39 en 40, hetgeen in de figuur tot uiting is gebracht door een verschil in breedte. In een koppelzone 41 lopen de golfgeleiders 38, 39 en 40 parallel over een zekere lengte x.

Fig. 4 toont een dwarsdoorsnede ter hoogte van de koppelzone 41 van een op basis van InP geïntegreerde versie van de hybride 30. De golfgeleiders zijn van het dijktype. Tussen een substraat 42 en een bovenlaag 43, beide van InP, bevindt zich een lichtgeleidende laag 44 van InGaAsP van dikte t. De bovenlaag 43 vertoont plaatselijk over de hele lengte van de golfgeleiders 38, 39 en 40 dijkvormige verhogingen 43.1, 43.2 en 43.3. met een vaste hoogte h bij een totale hoogte H. De met de golfgeleiders 39 en 40 corresponderende dijkvormige verhogingen 43.2 en 43.3 hebben een breedte w, die met de golfgeleider 38 corresponderende heeft een breedte w\ In de koppelzone 41 hebben de dijkvormige verhogingen onderlinge afstanden d. Voor een dergelijke geïntegreerde versie van een hybride met een overdrachtsmatrix welke een goede benadering is van de overdrachtsmatrix (p-) zijn bij een toegepaste golflengte van 1,5μπι voor de lichtsignalen de volgende waarden illustratief: - brekingsindex van InP n^ = 3,1754, - brekingsindex van InGaAsP n2 - 3,4116, - x = 4,8mm, t = 0,473μπι, H = 0,390/nn, h = 0,200μηι, d = 5,00μιη, w = 3,00μιη, w’= 3,069μπι.

Simulatie van de signaalpropagatie van een TE gepolariseerd signaal ingekoppeld via de golfgeleider 39 aan de enezijde van de koppelzone 41 van een door de gegeven waarden gedefinieerde 3x3-richtkoppelaar toonde aan dat ca 28,4% van het ingekoppelde signaalvermogen uittrad via de golfgeleider 39 en ca 29,2% via de golfgeleider 40 aan de andere zijde van de koppelzone 41 bij een faseverschil tussen de beide uittredende signalen van ca 45°. Inkoppe-ling van een zelfde signaal in de golfgeleider 40 leverde het ’gespiegelde’ resultaat, dus met een faseverschil van ca -45°.

Met verdere optimalisatie van de golfgeleiderstructuren zal naar verwachting de hierboven afgeleide bovengrens voor de overdracht nog dichter kunnen worden benaderd. Daarbij dient tevens de invloed van de aanvoer- en afvoer-secties van de golfgeleiders 38, 39 en 40 buiten de koppelzone 41 in het ontwerp te worden meegenomen, aangezien ook daarin enige koppeling plaats vindt. Dit kan geschieden door de differentiaalvergelijkingen op te lossen met een variërende waarde voor de koppelconstante k. Dit zal echter slechts geringe veranderingen in de relaties (6) voor x en δ opleveren, daar de waarde van k exponentieel afneemt met het groeien van de afstand tussen de golfgeleiders buiten de koppelzone 41.

Claims

1. Optische hybride met een eerste en een tweede ingangspoort respectievelijk voor het inkoppelen van een eerste en een tweede lichtsignaal, en met een eerste en een tweede uitgangspoort respectievelijk voor het uitkoppelen van een eerste en een tweede uitgangssignaal, waarbij de uitgangssignalen respectievelijk een eerste en een tweede coherent product van elk der ingangssignalen insluiten met een onderling faseverschil van ca. 90°, met het kenmerk, dat de hybride een 3x3 koppelinrichting van drie koppelende golfgeleiders omvat met drie ingangen en drie uitgangen, waarbij twee van de ingangen de ingangspoorten, en twee van de uitgangen de uitgangspoorten vormen, waarbij de vermogenstransmissie van elk der ingangspoorten naar elk der uitgangspoorten groter is dan 25%.

2. Optische hybride volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de koppelinrichting een in hoofdzaak verliesloze 3x3 koppelinrichting is, waarbij de overdrachtscoëfficiënten voor de vermogensoverdracht van een i-de ingangspoort naar een j-de uitgangspoort van de 3x3 koppelinrichting in hoofdzaak zijn gegeven door een overdrachtsmatrix: Γ ~\ |0,293 0,414 0,293| (Pjj) = |0,414 0,172 0,414| , waarin i,j=l,2,3. )0,293 0,414 0,293| L -1

3. Optische hybride volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk, dat de koppelinrichting een koppelzone omvat waarin de drie golfgeieiders over een lengte x in hoofdzaak parallel lopen, twee van de golfgeleiders in hoofdzaak identiek zijn, en met een vlak van symmetrie bezit door de derde golf geleider, dat althans in de koppelzone de derde golf geleider een verschil δ in propagatieconstante vertoont met de propagatieconstanten van de twee in hoofdzaak identieke golf geleiders, en dat de twee identieke golfgeleiders in hoofdzaak gelijke koppelingen met koppelconstante k bezitten met de derde golfgeleider in de koppelzone.

4. Optische hybride volgens conclusie 3 met het kenmerk, dat de koppellengte x, het verschil in propagatieconstante δ en de koppelconstante k althans bij benadering voldoen aan de relaties x k = 1,20565 en δ/k = 1,043.

5. Optische hybride volgens één der conclusies 1,-,4, met het kenmerk, dat de koppelinrichting een vezelkoppelaar is.

6. Optische hybride volgens één der conclusies 1,-,4, met het kenmerk, dat de koppelinrichting een geïntegreerde optische koppelaar is.

7. Coherent optische ontvanger omvattende een optische lokale oscillator, een optische hybride met twee ingangspoorten voor het inkoppelen van de aangepaste signalen en een aantal n*2 uitgangspoorten voor het uitkoppelen van in fase verschillende coherente producten van de beide ingekoppelde signalen, en detectiemiddelen voor het detecteren van de coherente producten en het afgeven van twee onderling 90° in fase verschillende uitgangssignalen, met het kenmerk, dat de detectiemiddelen slechts twee fotodetectoren omvatten, elk gekoppeld met een der uitgangspoorten van de optische hybride, en dat de vermogenstrans-missie van elk der ingangspoorten van de optische hybride naar elk van de met de fotodetectoren gekoppelde uitgangspoorten groter is dan 25%.

8. Ontvanger volgens conclusie 6 met het kenmerk, dat de optische hybride een hybride volgens een der conclusies 1,-,6.