SE467330B - Saett att linearisera en oeverfoeringsfunktion hos en modulatoranordning samt modulatoranordning med lineariserad oeverfoeringsfunktion - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 35 ~<1 w ca vars utgàende ljusvág moduleras med en extern modulator. En härvid ofta använd modulatortyp är en s k Mach-Zehnder modulator, vilken i sin grundform har en sinusliknande överföringsfunktion.

Denna överföringsfunktion kan lineariseras exempelvis pá det sätt som visas i en artikel i SPIE vol. 1102 Optical Technology for Microwave Applications IV (1989) av J.J.Pan: "High Dynamic Range Microwave Electro-Optic Modulators". Artikeln beskriver i anslutning till dess figur 3 en modulator med tvâ parallellkopp- lade elektrooptiska Mach-Zehnder modulatorer. En inkommande ljusvåg uppdelas mellan modulatorerna och moduleras i den ena av Mach-Zehnder modulatorerna av en elektrisk:mikrovágssignal med en önskad grundfrekvens. På grund av att modulatorn är icke lineär uppstår övertoner av grundfrekvensen i den modulerade ljus- signalen. Ett icke önskat bidrag frán den första uppträdande övertonen, med i. detta fall tre gånger grundfrekvensen, kom- penseras bort. Detta sker genom att den inkommande ljusvågen moduleras i den andra av Mach-Zehnder modulatorerna och ljusvá- gorna från de båda, modulatorerna överlagras vid. modulatorns utgång. Genom val av bl a modulationsspänningarna till de båda modulatorerna kan det oönskade bidraget för första övertonen.helt kompenseras bort. I en artiel av P.R. Ashley och W.S.C. Chang: "Linearization technique for a guidedwave electrooptic Bragg modulator", Proceedings IGWO '86, poster paper'THCC 12, beskrives en lineariserad Bragg-modulator. Denna modulator har två parallellkopplade Bragg-element och dess överföringsfunktion kompenseras för den första uppträdande övertonen. Kompensationen sker på ett motsvarande sätt som för det ovan beskrivna parallellkopplade Mach-Zehnder modulatorerna.

De ovan nämnda modulatorerna har nackdelen att det endast är den första uppträdande övertonen som kompenseras. Ytterligare övertoner kan kompenseras bort genom att flera modulatorelement parallellkopplas. Sådana modulatorer är emellertid komplicerade och det visar sig att det uppnådda förbättringarna är små. För vissa tillämpningar är det t o m så att en helt okompenserad Mach-Zehnder modulator ger lägre intermodulationsdistorsion än en på det ovan angivna sättet kompenserad modulator. 10 15 20 25 30 467 330 nnnoeönnnsn rön uprrrnnrusan Föreliggande uppfinning löser det ovanstående svårigheterna med intermodulationsdistorsionen mellan skilda kanaler vid modulation av en konstant bärvàg. Uppfinningstanken är att det är kröknings- radien hos modulatorns överföringsfunktion som skall betraktas och inte på det kända sättet övertonerna hos den modulerade signalen. Utsignalen hos en icke lineär delmodulator kompenseras till en lineariserad överföringsfunktion genom överlagring av en utsignal frán åtminstone ytterligare en icke lineär delmodulator.

På konventionellt sätt eftersträvas en stor medellutning hos den inom ett lämpligt valt intervall hos modulatorns styrsignal. Härigenom erhålles lineariserade överföringsfunktionen god modulation på bärvágen med rimlig amplitud hos styrsignalen.

Inom detta intervall för styrsignalen betraktas enligt uppfin- ningen den lineariserade överföringsfunktionens krökningsradie.

Denna radie skall inom det valda intervallet ha ett så stort värde som möjligt för en optimalt utförd modulator.

Fzsunrönmacxnxne Ett utföringsexempel av uppfinningen skall beskrivas närmare nedan i anslutning till figurer av vilka figur 1 visar en planvy av en uppfinningsenlig modulatoranord- ning, figur 2 visar ett diagram med överföringsfunktioner, figur 3 visar ett diagrannmed störningsnivåer för'modulatoranord- ningen och figur 4 visar en planvy av en alternativ utföringsform av uppfinningen.

FÖREDRAGEN urrönïncsronu I figur 1 visas en uppfinningsenlig, elektrooptisk modulatoran- ordning. Denna är uppbyggd på en enkristallin skiva 1 av .4-67 350 10 15 20 25 30 35 litiumniobat vilken vid sin övre yta har två delmodulatorer 2 och 3. Dessa modulatorer år enligt exemplet Mach-Zehnder modulatorer.

En beskrivning av Mach-Zehnder modulatorer återfinnes i exempel- vis Appl. Phys. Lett. 33(l1), 1 December 1978, W.K. Burns m.f1.: "Interferometric waveguide modulator with polarization-indepen- dent operation". Modulatoranordningen har två fasförskjutare 4, en effektdelare 5 och en förbindelseanordning 6 för del- modulatorerna 2 och 3.

Effektdelaren 5 är en riktkopplare som har en ingång 8 vilken är ansluten till en laserdiod 7, en första utgång 9 som är ansluten till en ingång 10 hos delmodulatorn 2 och en andra utgång 11 som är ansluten till en ingång 12 hos delmodulatorn 3. Effektdelaren 5 har elektroder Sa i sitt interaktionsområde, med vars hjälp fördelningen av ljuseffekten till de båda delmodulatorerna kan påverkas. Fasförskjutarna 4 har elektroder 4a med vars hjälp brytningsindexet i fasförskjutarnas 'vågledare kan förändras.

Delmodulatorn 3 har utgång 13 som via förbindelseanordningen 6 är ansluten till en utgång 14 hos modulatoranordningen. Delmodula- torn 2 har på motsvarande sätt en utgång 15 vilken är förbunden med utgången 14. De båda delmodulatorerna har var sin styranord- ning omfattande en mittelektrod 16 och tvâ ytterelektroder 17. I mellanrummet mellan elektroderna sträcker sig de respektive modulatorernas båda vågledare 18. Skivan 1 av litiumniobat har sin kristallografiska x-axeln vinkelrät mot skivans övre yta, y- axeln är parallell med vågledarna 18 och z-axeln är vinkelrät mot vågledarna 18 såsom visas med ett koordinatsystem x, y, z i figuren. Detta val av kristallaxlarnas orientering medför att vågledarna på känt sätt skall vara förlagda mellan elektroderna 16 och 17 såsom visas i figuren.

Effektdelarens 5 ena elektrod 5a är ansluten till jordpotential och dess två andra elektroder är anslutna till en styrspänning U1, genom vilken effektdelningen styres. Ytterelektroderna 17 hos modulatorerna är alla anslutna till jordpotential och mittelektroderna 16 är förbundna med varandra genom en elektrisk förbindelseledning 19. Denna är i. sin tur förbunden med en schematisk visad styrsignalkälla 20, vilken ger en för båda 511 10 15 20 25 30 35 5 467 330 delmodulatorerna gemensam modulerad styrsignal V. En från laserdioden 7 avgiven bårvåg S1 uppdelas i effektdelaren 5 och moduleras i delmodulatorerna 2 och 3 till modulerade delvågor S2 respektive S3. Delvågorna överlagras i förbindelseanordningen 6 till en resulterande modulerad våg S4, vilken avges från utgången 14.

De båda delmodulatorerna 2 och 3 har var och en en överförings- funktion mellan styrsignalen V och effekten hos den modulerade delvâgen S2 respektive S3 som följer sinusliknande funktioner. En sådan funktion visas med en kurva A i figur 2, vilken gäller för delmodulatorn 2. V är den nämnda modulerande styrsignalen och symbolen P betecknar ljuseffekt, vilken för kurvan A är den modulerade delvågens S2 effekt. Delmodulatorn 2 betraktas såsom huvudmodulator för bârvâgen S1. Den olineära överföringsfunktio- nen A lineariseras genom överlagring av den modulerade delvâgen S3 från betraktas som kompen- sationsmodulator. Överföringsfunktionen A för delmodulatorn 2 är delmodulatorn 3, vilken med god noggrannhet given genom ett matematiskt samband: P2 ° (l-a) {o,s + 0,5 sin (1 - v/v fr) } när modulatorn styrs ut kring överföringsfunktionens inflek- tionspunkt. P2 är i detta samband ljuseffekten hos delvâgen S2 och Pin är ljuseffekten hos bärvágen S1. Hed a betecknas andelen ljuseffekt till delmodulatorn 3 och (1-a) andelen ljuseffekt till delmodulatorn 2. Argumentet för sinusfunktionen innehåller en spänning Vw, vid 'vilken ljuseffekten P2=0. Sinusfunktionens argument kan också uttryckas genom en fasvinkel A ø = 6-V-L-k, där k är en materialkonstant för skivan 1, L år delmodulatorns 2 längd och 6 är en överlappsfaktor mellan det elektriska fältet från elektrodernas 16 och 17 och den optiska modens elektriska fält. Sinusfunktionens argument A Q benåmnes ibland ackumulerad fas och uttrycker i matematiska termer det som ur fysikalisk synvinkel är modulatorns fasvridande verkan pá bärvågen.

Delmodulatorn 3 har en överföringsfunktion liknande överförings- funktionen för delmodulatorn 2. Modulatoranordningen i figur 1 har en lineariserad överföringsfunktion mellan den modulerande #67 530 10 15 20 25 30 35 styrsignalen V och den utgående resulterande vägens S4 effekt P4 vilken är given genom ett samband P4= Pin-(1-a) (0.5 + 0.5 sin (n - V/Vf) } i i Pin - a - (0.5 + 0.5 sin (b - n - V/Vw) } 0) I detta samband uttryckes med symbolen b längdförhällandet mellan elektroderna hos delmodulatorn 3 och delmodulatorn 2. Den lineariserade överföringsfunktionen anges i figur 2 med en kurva B. Med beteckningen i anges att de båda delmodulatorernas utgående delvâgor S2 och S3 är i fas med varandra respektive motfas. Denna fas mellan delvágorna kan styras med en spänning U2, som är ansluten till den ena av elektroderna 4a hos de respektive fasförskjutarna 4. Den andra av elektroderna 4a är ansluten till jordpotential.

För att erhålla god utstyrning hos modulatoranordningen är det ett önskemål att den lineariserade överföringsfunktionen B har stor medellutning inom ett intervall V0 för styrsignalen V. Inom detta intervall för styrsignalen kan det ställas ett krav att intermodulationsdistorsionen skall underskrida ett önskat värde.

Enligt uppfinningen är det härvid en krökningsradie R hos den lineariserade överföringsfunktionen B som är avgörande för intermodulationsdistorsionen. Om denna distorsion skall under- skrida det önskade värdet skall krökningsradiens längd överskrida ett minsta värde. Krökningsradien R är schematiskt markerad i figur 2. Det bör noteras att den verkliga krökningsradiens längd avsevärt överstiger den i figuren angivna längden, vilket antyds med radiens streckade linje.

I utföringsexemplet enligt figur 1 har modulatoranordningen två frihetsgrader för att påverka överföringsfunktionen B med dess krökningsradie R. Den ena frihetsgraden är effektdelningen mellan delmodulatorerna 2 och 3, faktorn a. Effektdelningen påverkas i effektdelaren .S genom spänningen U1 som är ansluten över riktkopplarnas elektroder Sa. Den frihetsgraden är längdförhâllandetmellandelmodulatorernaselektroder,faktorn b.

Med denna faktor påverkas argumentet för den ena sinusfunktionen i den lineariserade överföringsfunktionen. Det bör noteras att andra 10 15 20 25 30 35 467 330 argumenten för sinusfunktionerna kan pâverkas på andra sätt, nämligen genom val av skilda styrsignaler för de båda del- modulatorerna eller genom val av skilda överlappsfaktorer 6. I föreliggande utföringsexempel har valts att hälla 6 och V lika för båda delmodulatorerna och utföra dessa med elektroder av olika längder. Detta är ett med nuvarande teknik enkelt sätt att påverka argumentet för sinusfunktionen. En och samma schablon utnyttjas vid tillverkningen av de båda delmodulatorerna och schablonen avmaskas till olika längder. Överlappsfaktorn 6 blir härigenom automatiskt lika för båda delmodulatorerna. Att utnyttja skilda schabloner till de olika delmodulatorerna för att påverka faktorn 6 är möjligt, men det är med nuvarande teknik mycket svårt att härmed erhålla tillräcklig noggrannhet i värdet v på 6. Det är också med nuvarande teknik svårt att alstra en stor styrspänning som har tillräcklig linearitet till såväl fas som amplitud. Den maximala amplituden hos den spänning som kan alstras utnyttjas fullt ut i modulatoranordningen enligt figur 1. Överföringsfunktionen för modulatoranordningen i figur 1 anges av det relativt enkla sambandet ( 1) ovan. I detta samband kan värdena på parametrarna a och b beräknas analytisk och den önskade lineariserade Överföringsfunktionen B fastställas. Härvid utnyttjas det förhållandet att krökningsradien R kan åtminstone approximativt uttryckas som en kvot mellan, i tâljaren, ett uttryck innehållande överföringsfunktionens första derivata och, i nämnaren, andra derivatan för funktionen. Beloppet på andra devivatan minimeras i ett utstyrningsintervall V0 genom att ett samband mellan parametrarna a och b uppställes. Med detta val av parametrarna a och b maximeras första devivatan i samma inter- vall. Detta innebär att krökningsradien, R, för Överföringsfunk- tionen, B, maximerats i det aktuella intervallet. Man kan nu, exempelvis inter- modulationsdistorsionen underskrider det önskadke värdet i genom simulering , kontrollera att intervallet. Om så inte är fallet kan ett nytt mindre utstyr- ningsintervall väljas inom vilket proceduren upprepas. En på ovan beskrivet sätt optimerad överföringsfunktion för modulatoranord- ningen i figur 1 följer sambandet 467 350 8 10 15 20 25 30 35 P4/Pin = { 9/ (9+\f 3) } (0.5 + 0.5 sin (1r - V/VW) } - - ( J' 3/(94 s) 1 (0.5 + o.s sin (J: - fr - v/vf) } e) Med hjälp av spänningen U2 på fasförskjutarnas elektroder 4a tillses att de modulerade delvågorna S2 och S3 är i motfas mot varandra såsom föreskrives av minustecknet mellan de båda paren- teserna i sambandet (2).

Den optimerade modulatoranordningen alstrar störningar vars nivåer framgår av figur 3. I denna figur visas ett diagram som på abskissan har modulatorns modulationsdjup, betecknat D. På ordinatan anges störningens effektnivå I i dB i förhållande till grundtonen hos den modulerande styrsignalen V. Denna grundton har en frekvens som betecknas med f. Modulationsdjupet D är kvoten mellan den modulerade ljusvågens amplitud och maximal möjlig amp- litud hos ljusvàgen. För en helt lineär modulator är modulations- djupet direkt proportionellt mot styrsignalens amplitud. I diagrammet anges med två kurvor 3f och 5f effektnivàn för den tredje och den femte övertonen hos den resulterande modulerade vågen S4. Det bör observeras att modulatorn inte har beräknats med utgångspunkt från att enskilda övertoner skall släckas ut.

Diagrammet visar endast egenskaper hos den uppfinningsenliga modulatorn, och dess egenskaper redovisas med hjälp av nivån hos den tredje och femte övertonen. Överföringfunktionen för modulatoranordningen i figur 1 anges av sambandet 2 ovan. I detta samband är faktorn a, effektfördel- ningen, och b, längdförhållandet mellan delmodulatorerna, valda på ett optimalt sätt. För ett visst modulationsdjup I erhålles de minsta möjliga störningarna enligt figur 3. Det är emellertid möjligt att åstadkomma en uppfinningsenlig modulatoranordning, vars störningar underskrider de i figur 3 angivna. En sådan modulatoranordning är mera komplicerad och har ytterligare en ellerflerapmrallellkoppladedelmodulatorer.Överföringsfunktio- nen för denna mera komplicerade modulatoranordning beräknas på det sätt som beskrivits ovan. Krökningsradien R hos den lineari- seradeöverföringsfunktionenberäknasinomumstyrningsintervallet V0. Ett minsta värde för krökningsradien R bestämmas för att hålla störningarna under en bestämd nivå. Modulatoranordningens f! 10 15 20 25 30 35 467 330 överföringsfunktion anpassas så att krökningsradien R överskrider detta minsta värde. Denna anpassning sker såsom beskrivits ovan genom val av parametrarna i överföringsfunktionen, exempelvis val av effektdelningen, förhållandet mellan styrspänningarnas värden eller förhållandet mellan delmodulatorernas längder. Den mera komplicerade modulatoranordningen har ett flertal parametrar vilket ger möjlighet till en förbättrad anpassning av över- föringsfunktionen och minskade störningar. I utföringsexemplet i figur 1 har den lineariserade överföringsfunktionen beräknats analytiskt. För den mera komplicerade modulatoranordningen kan en sådan analytisk beräkning vara svår att genomföra och andra metoder, exempelvis numeriska metoder, kan tillgripas. Även för modulatoranordningar vars delmodulatorer var och en har komplice- rade överföringsfunktioner kan numeriska metoder tillgripas vid parametervalen, för att bestämma överföringsfunktionen.

Ett exempel på en modulatortyp med komplicerad överföringsfunk- tion är s k absorptionsmodulatorer. Dessa har en ljusvågledare av halvledarmaterial, vilken göres mer eller mindre transparent genom påverkan av en elektrisk ström eller spänning. Vid denna påverkan utnyttjar man olika materialparametrar och modulatorer baserade på Stark-skift samt Franz-Keldysh effekt är de van- medför att överföringsfunktioner är svåra att uttrycka i sluten analytisk form. ligaste. Materialparametrarna mokdulatorernas En alternativ utföringsform av uppfinningen skall i korthet beskrivas i anslutning till figur 4. I denna figur visas en Bragg-modulator med lineariserad överföringsfunktion. På ett underlag 31 av elektrooptiskt material är belägna två del- modulatorer 32 och 33. Dessa är båda Bragg-element med var sin uppsättning gitterformade elektroder 34 respektive 35 med fingrar 34a respektive 35a. Mellan elektroderna är ansluten en moduleran- de styrsignal VB respektive c - VB. Delmodulatorn 32 har en elektrodlängd LB och en elektrodbredd D - (l-a) och delmodulatorn 33 har en elektrodlängd b - LB och en elektkrodbredd D - a. En plan ljusvåg, en bärvâg W, infaller mot modulatoranordningens 467 550 10 15 20 10 elektroder 34,35 under en infallsvinkel GB. Genom diffraktion med en ytakustisk eller bulkakustisk våg som alstras av elektroderna avböjes en del av ljusvågens W effekt och en modulerad våg WH lämnar modulatorn under vinkeln GB såsom visas i figuren. Den modulerade vågen WM utgör en överlagring av avböjda delljusvågor från de båda delmodulatorerna 32 och 33. Den infallande bärvågens W effekt uppdelas i förhållandet a till (1-a) genom elektrodernas skilda bredder. Bragg-elementen har sinusformade överföringsfunk- tioner liksom de ovannämnda Mach-Zehnder modulatorerna. I argumenten för dessa sinusfunktioner finnes, liksom ovan, de modulerande styrssignalerna VB och c - LB och b - figur 4 lineariseras på samma sätt som beskrivits för utförings- formen enligt figur 1. Överföringsfunktionens krökningsradie betraktas och en optimering sker genom val av parametrarna a, b VB samt elektrodlängderna LB. Överföringsfunktionen för modulatoranordningen i och c. Vid ett val c=1 erhålles på samma sätt som ovan a= JB / (9+f3) och b=f3. Bragg-elementen kan moduleras även med hjälp av ljudvàgor som sändes genom underlaget 31. Ljudvågorna har sin vágfront parallell med elektrodfingrarna 34a, 35a och alstrar mekanisk deformation av underlagets material. Härigenom uppstår ett gitter i underlaget 31 vilket orsakar ljusets diffraktion vinkeln GB och ljusvàgen W moduleras med hjälp av ljudvâgen.

Claims (4)

10 15 20 25 30 467 330 11 P Ä T E N T K R Å V

1. Sätt att linearisera en överföringsfunktion hos en modulator- anordning med åtminstone tvâ delmodulatorer, vilka var och en har en överföringsfunktion som avviker från ett lineärt förlopp, vilket sätt omfattar följande förfarandesteg: - bärvágor anslutes till ingångar hos delmodulatorerna, - modulerande styrsignaler anslutes till styranordningar' hos delmodulatorerna, varvid styrsignalernas amplituder är propor- tionella mot ett gemensamt styrsignalvärde, - bärvågorna moduleras av styrsignalerna till modulerade delvàgor, vilka avges från utgångar hos delmodulatorerna, - de modulerade delvågorna överlagras till en resulterande modulerad våg i en förbindelseanordning mellan delmodulatorernas utgångar och - den lineariserade överföringsfunktionen mellan effekten hos den resulterande modulerade vågen och det gemensamma styrsignalvärdet tilldelas en önskad medellutning inom ett intervall för styrsig- nalvärdet k ä n n e t e c k n a t därav att sättet ytterligare omfattar följande förfarandesteg: - fastställande av ett minsta värde för längden av en kröknings- radie (R) hos den lineariserade överföringsfunktionen (B) inom intervallet (V0) för styrsignalvärdet (V) och - val av ett effektförhàllande mellan bärvågorna (a, 1-a) till delmodulatorerna (2,3), val av ett amplitudförhàllande mellan delmodulatorernas styrsignaler (V) och val av parametrar (L,b) hos delmodulatorernas överföringsfunktioner, genom. vilka. val krökningsradiens (R) längd överskrider det nämnda minsta värdet.

2. Modulatoranordning med lineariserad överföringsfunktíon för utförande av sättet enligt patentkrav 1, omfattande - åtminstone två delmodulatorer, vilka vardera har dels en ingång för en bârvåg och en utgång för en modulerad delvåg, dels en styranordning för en modulerande styrsignal, - en förbindelseanordning mellan delmodulatorernas utgångar till en för modulatoranordningen gemensam utgång, i vilken en 467 550 10 15 20 25 30 35 12 resulterande modulerad väg alstras genom överlagring av de modulerade delvágorna, - en styrsignalanordníng, vilken är ansluten till- delmodulatorer- nas styranordningar och håller de modulerande styrsignalernas amplituder proportionella mot ett gemensamt styrsignalvärde, varvid var och en av delmodulatorerna har en överföringsfunktion mellan den modulerade delvågens effekt och den modulerande styrsignalens amplitud, vilken överföringsfunktion avviker från ett linj ârt förlopp och varvid modulatoranordningens linearisera- de överföringsfunktion mellan den resulterande modulerade vägens effekt och det gemensamma styrsignalvärdets amplitud inom ett intervall för styrsignalvärdet har en önskad medellutning, k ä n n e t e c k n a d därav att den lineariserade överförings- funktionen (B) inom intervallet (V0) för styrsignalvârdet (V) har en krökningsradie (R) vars längd överstiger ett minsta värde, vilket minsta värde är bestämt genom anordnande av ett effektförhâllande (a, l-a) mellan bärvágorna till delmodulatorer- na (2,3) , genom anordnande av parametervârden (L, b) för del- modulatorernas ( 2,3) överföringsfunktioner och genom anordnande av ett amplitudförhàllande mellan delmodulatorernas styrsignaler (V) -

3 . Modulatoranordning enligt patentkrav 2 , varvid modulatoranord- ningen omfattar två delmodulatorer, en huvudmodulator och en kompensationsmodulator vilka utövar en fasvridande verkan på bärvâgen enligt sinusformade vilka överföringsfunktioner moduleras kring sina inflexionspunkter, kânnetecknad därav - att effekten hos bärvâgen till huvudmodulatorn (2) förhåller sig till effekten hos bärvâgen till kompensationsmodulatorn (3) som 9 till 1/'3 och - huvudmodulatorns (2) fasvridande verkan på bärvâgen förhåller sig till kompensationsmodulatorns (3) fasvridande verkan som 1 till Ja. överföringsfunktioner ,

4 . Modulatoranordning enligt patentkrav 3, varvid delmodulatorer- na är med ljusvàgledare försedda Mach-Zehnder modulatorer, vars 13 467 330 styranordningar omfattar elektroder belägna utmed ljusvágledarna, kännetecknad därav - att en och samma modulerande styrsignal (V) är ansluten till båda delmodulatorernas (2,3) elektkroder (16) och - att elektrodernas ( 16) längd hos huvudmodulatorn (2) och kompensationsmodulatorn (3) förhåller sig som 1 till vf 3.