NO852090L - Lysmodulator omfattende en optisk resonator - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår modulatorer og mer spesielt modulatorer av den type som er betegnet som elektro-optiske modulatorer, i hvilke et optisk signal som passerer gjennom en optisk fiber blir modulert ved påtrykning av en spenning over elektroder plassert nær fiberen.

Det er et formål med denne oppfinnelse å tilveiebringe elektro-optiske modulatorer i hvilke modulasjonen av det optiske signal forbedres i sammenligning med tidligere kjente teknik-ker .

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en elektro-optisk modulator omfattende en optisk resonator og en elektrisk påvirkbar modulasjonsanordning innrettet til å avstedkomme et elektrisk eller magnetisk felt over en optisk transmisjonsvei for den optiske resonator under påvirkning av et påtrykket modulerende signal, slik at under drift blir et optisk inngangssignal intensivert og modulert samtidig.

Det skal her bemerkes at modulasjonen av et inngangssignal skjer ved magneto-optiske eller elektro-optiske effekter.

Fortrinnsvis omfatter modulasjonsanordningen et flertall elektroder på tvers av og nær den nevnte transmisjonsvei slik at det optiske signal blir modulert under påvirkning av et inngangssignal i forma av en elektrisk spenning.

Den nevnte resonator kan være en Fabry-Perot-resonator omfattende to halvt gjennomsiktige speil og et substrat som omslutter en resonanskavitet, og de nevnte elektroder er plassert på hver sin side av resonanskaviteten.

Det kan være anordnet et ytterligere halvt-gjennomsiktig speil som danner en annen selvstendig resonanskavitet i substratet, hvilken annen kavitet kan ha et ytterligere par modulasjons-elektroder.

Et flertall par modulasjons-elektroder kan være anordnet mellom par av speil for å bevirke modulasjon av høyere ordens resonans for resonanskaviteten. Modulatoren kan være forsynt med elektro-optisk kobling slik at et flertall forskjellig polariserte signaler kan kobles for å avstedkomme en enkeltsidebånd-modulert utgang.

I en utførelsesform omfatter modulatoren en sløyferesonator og modulasjonsanordningen er en elektrisk ledende sløyfe som omgir den optiske vei, idet den elektrisk ledende sløyfe under

drift virker som en strømsløyfe.

Elektro-optiske modulatorer i henhold til oppfinnelsen

skal nå beskrives i form av rene eksempler under henvisning til tegningene, hvor: Figur 1 skjematisk viser en elektro-optisk ringmodulator,

Figur 2 viser skjematisk en Fabry-Perot-resonator,

Figur 3 viser en karakteristikk for transmisjonsrespons

som funksjon av optisk bølgelengde for en elektro-optisk modulator i henhold til oppfinnelsen,

Figurene 4 til 8 viser skjematisk forskjellige elektro-optiske modulatorer i henhold til oppfinnelsen, Figur 9 viser en frekvensrespons-karakteristikk for modulatoren på figur 7, Figurene 10a og 10b viser skjematisk en annen elektro-optisk modulator i henhold til oppfinnelsen, Figurene lia og 11b viser frekvensrespons-karakteristikker som illustrerer virkemåten av modulatorene på figur 10, og Figur 12 er en oppskåret illustrasjon av konstruksjonen av en av de elektro-optiske modulatorer på figurene 4 til 7.

Det henvises først til figur 1. I ringmodulatorer av kjent type blir et optisk bærebølgesignal overført gjennom en optisk fiber 10. En ringresonator som også er av kjent type har to plater 12, 14 som påtrykkes en potensial-differanse V-, V+ for å modulere det intensiverte signal. "Løs" kobling mellom ring-resonatoren 16 og den optiske fiber 10 bevirker derved modulasjon av det overførte signal.

Det henvises nå til figur 2. I Fabry-Perot-resonatoren bringes et optisk signal som forplanter seg i en optisk vei 20, til å komme i resonans mellom speil 22, 24 og blir dermed intensivert eller forsterket. Det skal her bemerkes at den optiske vei 20 innenfor rammen av Fabry-Perot-resonatoren f.eks. kan være en bølgeleder eller en optisk fibervei.

Ved å innføre to plate-elektroder i anordning på figur 1 kan det optiske resonans-signal i veien 20 også moduleres ved elektro-optiske effekter. En slik anordning skal omtales i det følgende under henvisning til figur 5.

Denne oppfinnelse omfatter også mer komplekse anordninger som forbedrer funksjonen av ovennevnte grunnleggende modulatorer. Tilførelse av en annen passiv resonator til de grunnleggende modulatorer gir f.eks. et enkeltsidebånd-modulasjonssystem som under tiden er betegnet som et frekvensskift-system.

Anvendelse av to resonatorer med modulert kobling vil

også forbedre modulasjonsfunksjonen og bruk av to uavhengige modulerte resonatorer kan avstedkomme enveis transmisjon og skiliefunksjoner.

Oppfinnelsen omfatter også bruk av høyere resonansfrekvens-er i modulatoren slik det fremgår av det følgende.

Under henvisning til figur 12 omfatter modulatoren et substrat 30 som innbefatter en Fabry-Perot-resonator med en bølge-leder 31 og to speil 32, 33. Til den grunnleggende Fabry-Perot-resonator er det tilføyet to elektroder 34, 35 som blir påtrykket et modulerende signal iform av en elektrisk spenning. Følgelig vil et optisk signal som påtrykkes inngangen, forlate anordningen som en modulert optisk utgang. Det skal her bemerkes at de to elektroder 34, 35 ligger på hver sin side av kaviteten i Fabry-Perot-resonatoren. Det vil innses at plas-seringen av elektrodene 34, 35 innenfor rammen av substratet 30 gir et elektrisk felt over kaviteten i resonatoren. Således kan elektrodene plasseres på den kant som ligger nærmest bølgeled-eren 31 eller lengre bort enn det som er vist på tegnings-figuren.

For å vurdere egenskapene ved anordningen på figur 12 er det nødvendig å definere forskjellige parametre. Vedrørende disse betegner "n" brytningsindeksen for substratet 30, "R" speil-refleksjonsevnen eller -faktoren og "L" lengden av bølge-lederen 31 mellom speilene 32, 33.

Antas det nå at "c" er lyshastigheten og "w" er den optiske frekvens av et påtrykt inngangssignal og - for en første analyse

- ved å se bort fra effektene av lengden av elektrodene 34, 3 5 vil så en normalisert optisk frekvens d defineres som:

Sees det bort fra tap er den umodulerte transmisjon i anordningen gitt ved For lavfrekvens-fasemodulasjon og små signaler er forsterkningen sammenlignet med en konstruksjon uten speil, gitt av

I en intensitetsmodulator blir det ikke frembragt noen modulasjon hvis speilene fjernes. En intensitetsmodulator skal derfor betraktes under henvisning til den konstruksjon som er vist på figur 13, hvis funksjon vil være innlysende.

I dette tilfelle er forsterkningen gitt av

Avhengigheten av den optiske frekvens d er blitt satt ut av betraktning for sammenligningsstrukturen.

Disse avhengigheter er vist på figur 14 som gir optimale

■(som funksjon av d) forsterkninger som funksjon av speilreflek-sjonsevnen R og på figur 15 for en speilrefleksjonsevne på 0,8. Det skal bemerkes at intensitetsmodulatoren frembringer en null og en fasereversering i området ved C = 0. Kurvene følger ellers Fabry-Perot-transmisjonskurven som også er vist.

De viste resultater gjelder bare for modulasjonssignaler hvis frekvens er lav og som frembringer en ubetydelig forskyvning av d i sidebåndene. Hvis dette ikke er slik så blir res-ponsen mer kompleks og for en liten modulasjonsdybde analyseres den som:

hvor er den optiske frekvens

er modulasjonsfrekvensen

Leddene kan beskrives som:

(1) Anordningens transmisjon av bærebølgen (umodulert) ved

(2) - (6) Modulasjonsleddet.

(2) Drivfrekvensmodulasjonen w -1

(3) Forsterkningsleddet = (1-R)

(4) Den påtrykte modulasjonsdybde ^

(5) Et ikke tidsavhengig ledd som bestemmer modulasjonsart (dvs. fase/amplityde). (6) Anordningens bærebølgetransmisjon på sidebåndene fra modulasjonen ved ( w^- w^)

Leddene (2) - (6) blir så gjentatt ved -(v^+w^).

Tilstedeværelsen av dette siste ledd gjør det klart at modu-las jonsf orsterkningen vil avta når sidebåndene beveger seg ned på transmis jonskurven (figur 15) bort fra en w-^@cr = 0, men denne forsterkning vil bli gjenvunnet når sidebåndene ved (vs^-w^) nærmer seg andre Fabry-Perot-resonanser, slik som tidligere nevnt.

Selv om den ovenstående analyse bare gjelder strukturen på figur 12, vil lignende oppførsel opptre i anordninger som bruker resonatorer av andre typer, spesielt med speil integrert i substratet, en ringresonator eller en resonator dannet ved å an-bringe et kontinuerlig gitter langs bølgelederens lengde L.

Det skal bemerkes at i en anordning som vist på figur 12, hvor substratet 30 er dobbeltbrytende og hvor "n" avhenger av inngangspolarisasjon, vil den påtrykte modulasjon koble (i det minste svakt) de to polarisasjoner. Da anordningen effektivt inneholder to kaviteter med litt forskjellige resonanser, vil påtrykning av en avledet frekvens ft (se figur 16) bevirke at noe av inngangslyset ved den ene polarisasjon i sin resonans w-^vil opptre som utgang i den annen polarisasjon ved en frekvens (wl + fi). Da imidlertid lite eller ingen resonans vil opptre ved (wl -fl) blir det oppnådd en enkeltsidebånd-modulator med polarisasjons-separerte utganger.

Anordningen på figur 12 er vist skjematisk på figur 5 hvor

lignende betegnelser av komponenter og deler er anvendt.

Det henvises nå til figur 4. Som nevnt ovenfor vil to uavhengig modulerte resonatorer frembringe ikke-resiproke funk-sjoner, dvs. bare enveis transmisjon. I anordningen på figur 4 er det således anordnet to sett modulasjonsplater 26, 27 og 28, 29 i de respektive Fabry-Perot-resonanskaviteter.

Betraktes igjen figurene 1 og 2 og videre under henvisning til figur 3 og med økning av den modulasjon som påtrykkes disse anordninger, vil den således induserte optiske frekvensforskyv-ning bringe resonatorene ut av resonans og dermed redusere effektiviteten av anordningene. Dette tilsvarer forskyvning av resonansen nedad i en passiv resonator som vist ved utgang 1 på figur 3.

Denne respons vil imidlertid ta seg opp igjen hvis den på-trykkede frekvens er lik resonatorens resonansavstand slik at begge modulasjoner frembringer sidebånd som også er på resonans eller dersom elektrodene er hensiktsmessig konfigurert som vist på figurene 5, 6 og 7. I denne forbindelse brukes anordningen på figur 5 bare for første resonans, figur 6 for annen resonans og figur 7 for tredje resonans.

De anordninger som dannes slik gir en meget hurtig respons med begrenset båndbredde, hvilket er nyttig i en slik anvendelse som ved frekvensmultiplekserte telekommunikasjons-fiberoptik.

Det henvises nå til figur 8. Istedenfor en resonator an-vendes det en enkeltpasserings-sløyfe av en optisk bølgeleder 30, enten en fiber eller en sløyfe dannet på et substrat. Resonansen opptrer nå ved den frekvens som svarer til den tid lyset trenger for å fullføre en rundgang i sløyfen 30. Egenskapene er for-øvrig tilsvarende dem som finnes i resonanstypen, bortsett fra at den elektro-optiske drivinnretning erstattes av to driv-kretser 32, 34 med 90° forskyvning for å gi noen skillevirkning eller -formasjon. Det vil innsees at drivkretsene 32, 34 under drift virker som strømsløyfer og i dette tilfelle blir modulasjon bevirket ved magneto-optiske effekter.

Hvis anordningen er en optisk fiber så utbalanserer en eksisterende (kjent) innretning den periodiske variasjon i føl-somhet som skyldes fibrenes dobbeltbrytning med periodisiteten av viklingen (i det kjente tilfelle for å avstedkomme en Faraday-isolator). En feil mellom disse to perioder vil frem bringe en forskyvning av frekvensresponsen (figur 9b), som for-ringer likestrømytelsen, men forbedrer den ved en annen frekvens som vist på figurene 9a og 9b.

Det henvises nå til figurene 10a og 10b. En elektro-optisk modulator omfatter et første og et annet speil 40, 42 og plate-elektroder 44, 46. Hvis man betrakter lys-stråler med forskjellig polarisasjon El og E2 så vil den kavitet som dannes av de to speil effektivt ha to ulike lengder Li, L2 for de to forskjellig polariserte stråler som vist på figur 10b ved A og

B.

Som det fremgår av figurene lia og 11b vil kaviteten danne resonanser ved forskjellige frekvenser for de to polarisasjoner El, E2 som følge av de to lengder Li, L2 slik det fremgår av figur 10b.

En påtrykt spenning over plate-elektrodene 44, 46 vil bevirke kobling av A og B og følgelig ved å påtrykke en høyfre-kvent spenning med en frekvens - w_ (se figur lia) blir det tilveiebragt en modulert kobling som fortrinnsvis er svak.

Følgelig frembringer anordningen følgende utgang fra inngangen :

Små utganger ved andre frekvenser kan dannes.

Claims (9)

1. Elektro-optisk modulator omfattende en optisk resonator> i karakterisert ved at en elektrisk påvirkbar modulasjonsanordning (34, 35) er arrangert til å avstedkomme et elektrisk eller magnetisk felt over en optisk transmisjonsvei (31) i den optiske resonator under påvirkning av et påtrykket modulasjonssignal, slik at under drift blir et optisk inngangssignal intensivert og samtidig modulert.

2. Modulator ifølge krav 1, karakterisert ved at modulasjonsanordningen omfatter et flertall elektroder (34, 35) på tvers av og nær transmisjonsveien (31) slik at det optiske signal blir modulert under påvirkning av et inngangssignal i form av en elektrisk spenning.

3. Modulator ifølge krav 2, karakterisert ved at den optiske resonator er en Fabry-Perot-resonator omfattende to halvt gjennomsiktige speil (32, 33) og et substrat (30) som omslutter en resonanskavitet (31), og de nevnte elektroder (34, 35) er plassert på hver sin side av resonanskaviteten (31).

4. Modulator ifølge krav 3, karakterisert ved at det er anordnet et ytterligere halvt gjennomsiktig speil som danner en annen fullstendig resonanskavitet i substratet, hvilken annen kavitet er omsluttet av det ytterligere speil og et av speilene i det nevnte par speil.

5. Modulator ifølge krav 3, karakterisert ved at et ytterligere par modulator-elektroder (28, 29) er plassert med en elektrode på hver side av den annen resonanskavitet for derved å muliggjøre ytterligere modulasjon av et optisk inngangssignal .

6. Modulator ifølge et av kravene 2 til 5, karakterisert ved at et flertall elektrodepar er plassert innenfor rammen av det nevnte par speil for å bevirke modulasjon av høy-ere resonansorden for resonanskaviteten.

7. Modulator ifølge et av kravene 3 til 6, karakterisert ved at det er tilveiebragt elektro-optisk kobling slik at et flertall forskjellig polariserte optiske signaler (El, E2) kan kobles for å avstedkomme en enkeltsidebånds-modulert utgang.

8. Modulator ifølge krav 1, karakterisert ved at resonatoren omfatter en sløyferesonator (30) og modulasjonsanordningen er en elektrisk ledende sløyfe (32) som omslutter den optiske vei og den elektrisk ledende sløyfe (32) under drift virker som en strømsløyfe.

9. Modulator ifølge krav 8, karakterisert ved at et flertall elektrisk ledende sløyfer omgir den optiske vei for å tillate påtrykning av et flertall modulerende elektriske signaler.