SE463740B - Elektrooptisk modulator - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 g,- .w ~ o ca FIGURFÖRTECKNING Uppfinningen skall beskrivas närmare i anslutning till en ritning där figur 1 i perspektiv snett ovanifran visar en elektrooptisk Mach-Zehnder- modulator med elektroderna utformade på känt sätt, figur 2 visar en elektrooptisk modulator i genomskärning, figur 3 visar den kända modulatorn i planvy uppifrån med elektroderna kopplade som vandringsvàgelektroder och anslutna till en moduleringsspänning U, figur 4a-c visar diagram med hastighetsjämförelse mellan en ljusvag och en modulerande mikrovàg, figur Sa-d visar diagram som anger den kända modulatorns modulerande förmåga vid olika modulationsfrekvenser hos spänningen U, figur 6 visar i planvy uppifrån den uppfinningsenliga modulatorn med elektro- derna kopplade som vandringsvagelektroder och anslutna till modulerings- spänningen U, figur 7a-d visar diagram som anger den uppfinningsenliga modulatorns modu- lerande förmaga vid olika modulationsfrekvenser hos spänningen U, figur 8 visar ett diagram för jämförelse av den kända och den uppfimingsenliga modulatorn, figur 9 visar i planvy uppifrån ett ytterligare utföringsexempel av den upp- fimingsenliga modulatorn, figur lÛa visar ett diagram med tva intill varandra liggande elektriska pulser, figur lüb visar ett diagram med den kända modulatorns pulssvar för dessa pulser och figur 1Ûc visar ett diagram med den uppfinningsenliga modulatorns pulssvar för dessa pulser.

FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM I figur l visas i perspektiv en känd elektrooptisk Mach-Zehnderrnodulator. En skiva l av elektrooptiskt material, exempelvis litiumniobat, har vid sin övre yta 2 ljusvågledare 3. Dessa har högre brytningsindex än skivan och kan åstad- kommas genom att exempelvis titan diffunderas in till ett visst djup i skivan l.

Fran en gemensam ingang 5 förgrenar sig ljusvagledarna Y-formigt till tva parallella vagledare 3a och 3b, vilka Y-formigt sammanföres till en gemensam utgång 6. Skivan har pà den övre ytan tre metallelektroder 4 vilka sträcker sig längs vagledarna 3a och 3b. Med hjälp av elektroderna kan ett elektriskt fält E 10 15 20 25 30 35 fortplantas längs elektroderna med en hastighet Vu = ljushastigheten och Er är den effektiva dielektricitetskonstantfen för elektro- 3 al, as i skivan såsom visas i figur 2. Då detta fält passerar genom de två parallella vågledarna 3a och 3b, sker en liten förändring av vågledarnas brytningsindex n, vilken är huvudsakligen proportionell mot den elektriska fältstyrkan. Vid den visade elektriska fältbilden har förändringen av brytnings- indexet n varandra motsatt tecken i vågledarna 3a och 3b. Den skillnad i optisk väglängd som härvid uppstår mellan vågledarna utnyttjas för att modulera en ljusvåg P med konstant amplitud och våglängd, som anslutes till modulatorns ingång 5. Ljusvågen P delas upp och undergår i vågledarna Ba och 3b en inbördes fasförskjutning beroende på skillnaden i optisk våglängd, innan de åter över- lagras vid utgången 6 till en ljussignal Pm. Genom att ljusvågorna i vågledarna har samma amplitud och genom ett lämpligt val av elektrodspänning kan ljusvågorna fasförskjutas en halv ljusvåglängd så att ljuset vid överlagringen helt utsläckes.

I figur 3 visas modulatorn enligt figur 1 kopplad såsom en högfrekvens- modulator. Elektroderna 4, s k vandringsvågelektroder, betraktas som trans- missionsledningar vilka har en längd L och är reflektionsfritt avslutade genom ett mostånd R. Till elektroderna är anslutna en högfrekvenssignal U vilken ° där Co är derrëa 4. Ljusvågorna i ljusvågledarna 3a och 3b fortplantas med en hastighet C , varvid det gäller att Vu < C. Detta ger upphov till den s k "walk- offefekten" som med ett exempel skall förklaras i anslutning till figur 4. I denna figur betecknar E det elektriska fältet, vilket åstadkommas av en signal Ul med en frekvens fl, och X betecknar läget utmed elektroden 4. I figur 4a visas det elektriska fältet E i ett visst ögonblick då en foton i ljusvågledaren 3b precis nått fram till elektroden 4. Fotonens läge markeras i figuren med en pil och det elektriska fältet i närheten av fotonen har markerats med heldragen linje. Den elektriska fältstyrkan genom ljusvågledaren 3b vid fotonen är i detta läge E = Û.

Ifigur 4b har fotonen med hastigheten C nått läget X = L/2 medan signalen Ul med hastigheten Vu endast nått ett läge X = X1. Frekvensen fl är i exemplet så vald att i detta läge fotonen påverkas av det elektriska fältets toppvärde El. I figur 4c har signalen Ul nått ett läge X = X2, medan fotonen har nått till elektrodens slut X = L så att moduleringen upphör eller ändrar tecken vilket brukar benämnas "walk-off". Signalen Ul har förskjutits en halv våglängd efter fotonen och det elektriska fältet vid fotonen är E = 0. Den elektriska fältstyrka 1.571 'T/ßf LÉÜC: [bid 10 15 2D 25 30 35 4 i exemplet ovan som påverkar ljusvågledaren 3b vid fotonen under dess transport genom vågledaren visas i figur Sb. Här betecknar E. den elektriska fältstyrkan, X betecknar läget utmed elektroden 4 och L betecknar elektrodens längd. Den totala fasförskjutningen av ljusvågen motsvaras, enligt beskrivningen till figur 2, av den skuggade ytan under kurvan i figuren. Denna yta motsvarar den fasförskjutning av ljusvågen som signalen Ul förmår åstadkomma. Signalen Ul måste ha ett bestämt toppvärde för att de två interfererande ljusvågorna vid modulatorns utgång 6 skall vara fasförskjutna en halv våglängd, så att de helt utsläcker varandra. I figur Sa visas det elektriska fältet i ljusvågledarna då signalen U är en likspänning UU. I figur Sc visas det elektriska fält som påverkar en foton i ljusvågledarna då elektroderna är anslutna till en signal UZ vars frekvens valts så att fz 'rå 1,3 x fl. Ljusvågorna i vågledarna 3a och 3b fasförskjutes vid frekvensen fz inbördes fram till ett läge X3 på det sätt som beskrivits i anslutning till figur Sh. Vid läget X3 inträffar "walk-off" och fasförskjutningen mellan ljusvågorna minskar under ljusets fortsatta transport från läget X3 till slutet. av elektroden X = L. Den resulterande fasförskjutníngen motsvaras av den skuggade ytan, som är skillnaden mellan ytorna över och under X-axeln. För att den resulterande fasförskjutningen skall vara tillräcklig för en modulering av ljusvågen P måste vid frekvensen f2 signalen UZ ha ett toppvärde som väsentligt överstiger toppvärdet för signalen Ul. Detta är en stor nackdel hos den ovan beskrivna kända högfrekvensmodulatorn, då det är svårt att alstra högfrekvenssignaler med stort toppvärde. I figur Sd visas det elektriska fält som påverkar en foton i ljusvågledarna då elektroderna är anslutna till en signal U), med en frekvens f3 = 2 x fl. Vid frekvensen f; inträffar "walk-off" vid ett läge X =L/2 och den resulterande ytan är noll.

Någon modulering av ljusvågen P sker inte och frekvensen f; är den övre gränsfrekvensen för denna kända högfrekvensmodulator.

I figur 6 visas ett utföringsexempel av en högfrekvensmodulator enligt upp- finningen. En skiva lU av elektrooptiskt material, exempelvis litiumniobat har, liksom vid den kända modulatorn, ljusvågledare 13 som diffunderats in till ett visst djup i skivan. Modulatorn har en ingång 15 från vilken vågledaren förgrenas Y-formígt till två parallella vågledare l3a och 13b, vilka Y-formigt sammanföres till en utgång 16. För att alstra det elektriska fältet E i vågledarna har modulatorn tre elektroder lila, llib och làc av den ovannämnda typen vandringsvågelektroder som är uppdelade i två sektioner. I figuren 10 15 20 25 30 35 f? :ry / zíU 4- 6 5 5 betecknar X läget utmed elektroderna och d betecknar ett avstånd mellan en av ljusvågledarna l3a eller l3b och den närmsta långsidan av den intilliggande elektroden. I den första sektionen med en längd Ll, närmast ingången 15, ligger ljusvågledaren l3a under elektroden lita, på det sätt som visas i genomskärníng i figur 2, och på avståndet d från den intilliggande elektroden l4b. Ljusvåg- ledaren l3b ligger under elektroden l4b och på avståndet d från elektroden llic.

Vid läget X = Ll, där Ll >2L-, är elektroderna förskjutna i sidled så att vågledaren l3a ligger under elektroden llib och på avståndet d från elektroden lisa. Vågledaren l3b ligger under elektroden l4c och på avståndet d från elektroden l4b. Denna förskjutning av elektroderna i sidled medför att, om elektroderna anslutes till likspänningen UU, det elektriska fältets E riktning genom ljusvågledarna kommer att kastas om vid läget X = Ll såsom markeras i figuren med symbolerna $ och ® . Förskjutningen av elektroderna i sidled medför att effekten av "walk-off" motverkas och att den övre gränsfrekvensen kan höjas, såsom skall förklaras i anslutning till figur 7d under jämförelse med figuren Sd. I figur 7a-d betecknar X läget utmed elektroderna och E betecknar den elektriska fältstyrka genom vågledarna 13a och l3b vilken påverkar en foton som transporteras genom vågledarna. Elektroderna llib och l4c är anslutna till den tidigare nämnda högfrekventa signalen U3 med frekvensen f3.

Som nämndes i anslutning till figur Sd inträffar vid denna frekvens "walk-off" vid läget X = L/Z. Vid den kända modulatorn, med den i figur 4 beskrivna elektrodstrukturen, minskar fasförskjutningen under ljusets hela fortsatta tran- sport från X = L/2 fram till elektrodens slut, X = L, så att modulationseffekten helt upphör. Vid den beskrivna, uppfinningsenliga elektrodstrukturen omkastas tecknet för det elektriska fältet E vid läget X = Ll där elektroderna är sidoförskjutna. Detta medför att fasförskjutningen mellan ljusvågorna i våg- ledarna l3a och l3b på nytt ökar vid ljusets transport från läget X = Ll till elektrodernas slut, X = L. Den totala fasförskjutningen mellan ljusvågorna motsvaras på detta sätt, vid den valda frekvensen f3, av den i figur 7d skuggade ytan. I figurerna 7a och 7b visas hur sidoförskjutningen av elektroderns långsidor påverkar fasförskjutningen vid den modulerande signalen UU, som är likspänning, resp Ul med frekvensen fl. Den totala fasförskjutníngen vid ett visst toppvärde hos signalen U, motsvarande de streckade ytorna, är vid dessa frekvenser mindre för den uppfinningsenliga modulatorn än för den kända modulatorn. Vid högre frekvenser, exempelvis frekvenserna fz och f; enligt figur 7c resp 7d, har den uppfinningsenliga modulatorn större fasförskjutning än 10 15 20 25 30 (__¿'~._l s, J .En E) 6 den kända modulatorn. Denna ovan gjorda jämförelse av modulatorerna kan uttryckas genom ett s k godhetstal G som är kvoten mellan modulatorns bandbredd och den erforderliga spänningen hos signalen U. I nedanstående tabell jämföres nagra modulatorer pa detta sätt sätt. Med Ll betecknas längden för den langa sektionen av elektroderna vilka har den totala längden L och med D betecknas ett relativt matt på fasförskjutningen da signalen U är en lik- spänning.

Ll/ L D G 1.00 0.24 14.2 0.90 0.20 15.6 0.80 0.15 18.9 0.75 0.13 21.1 0.70 0.10 18.4 0.60 0.05 18.2 I Figur 8 visas ett diagram med tabellens värden pa godhetstalet G som funktion av kvoten Ll/L. Av diagrammet framgar att, för en uppfinningsenlig modulator med Ll/L = 0.77, godhetstalet G är ungefär 50 % större än för den kända modulatorn med Ll/L = 1. Enligt tabellen är fasförskjutningen vid likspänning för modulatorn med Ll/L = 0.77 sämre än för den kända modulatorn, vilket ur praktisk synvinkel delvis uppväges av att det är lättare att alstra en stor likspänning än en högfrekvent växelspänníng med stort toppvärde. Värden pa Ll/L < 0.7 är inte av intresse da godhetstalet G är nästan konstant för lägre värden och talet D, som uttrycker lagfrekvensegenskaper är mycket litet.

Den ovan beskrivna uppfinningsenliga modulatorn har enligt figur 6 elektroder vilka i den andra sektionen närmast modulatorns utgang förskjutits i sidled under en sträcka som är mindre än L/z. Denna sidoförskjutning av elektrodernas langsidor kan enligt uppfinningen även göras närmast modulatorns ingang 15 sa att den andra sektionen har längden Ll >2k. Genom ett resonemang, mot- svarande det som gjordes ovan i anslutning till figur 7c, kan visas att en sadan modulator far samma fasförskjutande egenskaper som modulatorn i det valda utföringsexemplet. I figur 9 visas ett ytterligare utföringsexempel av en modulator enligt uppfinningen. Modulatorn omfattar en skiva 20 av elektro- optiskt material vilken har ljusvagledare 23 som diffunderats in till ett visst 10 15 2D 25 30 35 f; šš “TU .r 4- 'o i; 7 7 djup i skivan. Vågledarna har en ingång 25 och förgrenas Y-formigt till två parallella vågledare 23a och 23b, vilka Y-formigt sammanföres till en utgång 26. Modulatorn har på skivans yta tre elektroder, 24a, 24b och 24c av längden L, vilka är av den nämnda typen vandringsvågelektroder och vilka delats upp i tre sektioner. l figuren betecknar X läget utmed elektroderna och d betecknar ett avstånd mellan en av ljusvågledarna 23a eller 23b och ena långsidan av en intilliggande elektrod. I den första sektionen, med en längd Lz, ligger ljusvåg- ledaren 23a under elektroden 24a, på det sätt som visas i figur 2, och på avståndet d från den intilliggande elektroden 24b. Ljusvågledaren 23b ligger under elektroden 24b och på avståndet d från den intilliggande elektroden Zlic.

Vid läget X = Lz är elektroderna förskjutna i sidled så att vagledaren 23a i den andra sektionen med längden Ll ligger under elektroden 24b och på avståndet d från elektroden 24a. Vågledaren 23b ligger under elektroden 24c och på avståndet d från elektroden 24b. Vid läget X = Ll+L2 är elektroderna sidoförskjutna på nytt så att elektroderna i den tredje sektionen, med en längd L3, har samma sidoläge i förhållande till ljusvågledarna 23a och 23b som i den första sektionen. Genom ett reseonemang motsvarande det som gjordes ovan i anslutning till figur 7d, kan visas att den i anslutning till figur 9 beskrivna uppfinningsenliga modulatorn får huvudsakligen samma fasförskjutande egen- skaper som modulatorn i det valda utföringsexemplet enligt figuren 6.

Vid många användningar av högfrekvensmodulatorer, exempelvis informations- överföring, är det väsentligt att modulatorn har gott pulssvar. Därmed avses att modulatorn avger en skarpt avgränsad ljuspuls om en skarpt avgränsad elektrisk puls tillföres till modulatorns elektroder. Som tidigare nämnts finns det modulatorer vilka har hög övre gränsfrekvens vid en kontinuerlig högfrekvent elektrisk insignal, men vilka har mycket dåligt pulssvar för enstaka elektriska pulser på elektroderna. Den uppfinningsenliga modulatorn har förutom hög övre gränsfrekvens även gott pulssvar såsom med ett exempel visas i figur 10. I denna figur jämföres pulssvaret för den kända modulatorn enligt figur 3 och den uppfinningsenliga modulatorn med Ll/L = 0.75. Till modulatorernas elektroder anslutes en dubbelpuls vars utseende visas i figur 1Ua. I denna figur betecknar V pulsens spänning och T betecknar tiden i pikosekunder ps, där l ps = IT12 sekunder. Avståndet mellan pulsernas toppar är 75 ps och pulsbredden vid halva toppspänningen är 50 ps. Pulssvaret för den kända modulatorn visas i figur lüb och för den uppfinningsenliga modulatorn i figur lÛc. I dessa figurer betecknar I Cñ (_ f-'J -lim “1 . f- 8 ljuspulsens intensitet och T betecknar tiden i ps. Ljuspulserna för den upp- finningsenliga modulatorn är skarpt avgränsade från varandra. Ljuspulserna från den kända modulatorn är breda och flyter ihop så att de av en mottagande enhet kommer att detekteras som endast en puls. Den uppfinningsenliga modulatorns goda pulssvar vid höga pulsfrekvenser förklaras av ett den första pulsen genom elektrodernas sidoförskjutníng ger ett negativt bidrag till moduleringen, vilket motverkar den positiva moduleríngen i början av den andra pulsen. Den totala modulerande effekten mellan pulserna blir liten, sa att pulserna blir skarpt avgränsade från varandra så som visas í figur lÛ c.

Claims (1)

10 '15 G* (_34 * 'J 9 PATENTKRAV Elektrooptisk modulator för att alstra en optisk signal omfattande två ljus- vågledare vilka är förbundna med varandra vid en ingång och en utgång och vilkas skillnadsmodulering avkännes vid utgången och tre plattformade elek- troder vilka är anordnade huvudsakligen parallellt med varandra på sådant sätt att två intill varandra belägna elektroder genom sina långsidor avgränsar ett avlångt mellanrum med högst tre sektioner vilka är förskjutna i sidled i förhållande till varandra på sådant sätt att den ena långsidan i en av sektionerna är belägen ungefär i förlängningslinjen av den andra långsidan i den' intilliggande sektionen, att ljusvågledarna är belägna i nämnda förlängnings- linjer så att de moduleras i motsatt fas i två intill varandra belägna sektioner av en modulerande spänning vilken är ansluten mellan den mellersta elektroden och de båda yttre elektroderna k ä n n e t e c k n a d därav att förhållandet mellan längderna av de nämnda högst tre sektionerna (L1,L2,L3) är sådant att kvoten mellan den längsta sektionens längd (Ll) och elektrodernas (Zita-c) längd (L) ligger i intervallet 0.70 till 0.95 och företrädesvis är omkring 0.77.