WO1998003895A1 - Elektrooptischer phasenmodulator mit richtungsunabhängiger impulsantwort - Google Patents

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WO1998003895A1
WO1998003895A1 PCT/EP1997/003847 EP9703847W WO9803895A1 WO 1998003895 A1 WO1998003895 A1 WO 1998003895A1 EP 9703847 W EP9703847 W EP 9703847W WO 9803895 A1 WO9803895 A1 WO 9803895A1
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electro
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optical
optical phase
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PCT/EP1997/003847
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Günter SPAHLINGER
Manjeet S. Ner
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Litef Gmbh
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    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
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    • G—PHYSICS
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    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
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    • G02F2201/122—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 electrode having a particular pattern

Definitions

  • the invention relates to an electro-optical phase modulator with an integrated optical waveguide and at the field side at a constant mutual distance from the optical axis along the waveguide arranged modulation electrodes.
  • an integrated optical chip (IO chip) is often used, which usually has an integrated polarizer on the input side, then a Y-branch and two equally spaced along the optical axes after the Y-branching arranged electrodes of two phase modulators in a certain configuration, which modulate the two light beams radiated into the ends of a fiber coil in the opposite direction in a certain manner, which will be explained in more detail below.
  • phase modulators or digital phase shifters are described in US 5 137 359, US 5 237 629 and US 5 400 142.
  • An FOG with this type of phase modulator is sensitive to interference signals interspersed in the phase modulator.
  • MIOC modulating IO chip
  • Interference signals that couple into the MIOC path can cause bias errors under certain circumstances.
  • periodic interference signals have an effect if the gyro sampling clock is mis-matched with the transit time of the light through the fiber.
  • a misalignment also leads to further interference effects, such as, for example, an increased random mandrel walk.
  • these effects should not be examined here.
  • T the sampling clock of the system and at the same time the period of a coupling interference voltage
  • T 0 the deviating transit tent of light
  • ⁇ (t) the phase modulation produced by the modulator
  • ⁇ s (t) the Sagnac phase.
  • This signal is filtered by a filter arranged in the data path and then sampled, the nth sample value y n being calculated by a weighted averaging in the interval ((n-1) T, nT].
  • Weighting function is the impulse response h reflected on the time axis (t) of the filter.No contributions occur outside the interval, even if the impulse response does not disappear there, because due to the statistical modulation, demodulated signal components outside the interval mentioned are uncorrelated
  • ⁇ (t) is periodically continued according to ⁇ (t) ⁇ (t + nT).
  • the invention is based on the object of an electro-optical phase modulator for fiber-optic interferometers. to create in particular for fiber optic gyroscopes in which the sensitivity to interfering interference signals observed so far has been completely or at least largely eliminated.
  • the starting point for the invention is the knowledge that the sensitivity of electro-optical phase modulators of the type mentioned can theoretically be reduced to zero if the time of the working cycle of the interferometer or gyro with the orbital period of the light from the first phase modulator via the fiber spool to the opposite one Phase modulator is brought into line. It has been recognized that this is necessary. To take measures to ensure that the phase modulator has the same impulse response in both directions of light travel.
  • the technical teaching of the invention can thus be characterized for an electro-optical phase modulator with an integrated optical waveguide and on both sides at a constant mutual distance from the optical axis along the waveguide arranged modulation electrodes in that the electrodes are arranged so that the spatiotemporal spread of the potentials on the electrodes and the electric field between the electrodes produce a symmetrically distributed impulse response.
  • This basic idea of the invention is suitable for both analog and digital phase modulators when used in FOGs.
  • a digital phase modulator is then that a plurality of pairs of electrodes which can be driven in parallel and which are linearly graduated in terms of their longitudinal extent are provided with a counterelectrode arranged between these binary-graduated electrodes, each binary stage consisting of two sub-electrodes and the points of symmetry of all binary stages matching, such that that the complete electrode arrangement generates a symmetrically distributed impulse response.
  • phase modulators are explained which, according to the invention, provide the same impulse response in both directions of passage of the light.
  • u (t) is the reset voltage (or interference voltage) acting on the phase modulator
  • ⁇ the electro-optical transmission factor
  • ⁇ s (t) the Sagnac phase
  • T the light transit time from the center to the center of the phase modulators through the coil of the FOG.
  • the light coming from a light source D is split at a Y branch Y into two parts, which then pass through the modulators m j and m2, then through the coil S and then again through the two modulators m j , m 2 .
  • the light rays are under a mutual phase shift
  • ⁇ m is the phase generated by the modulators and ⁇ s is the Sagnac phase. Both modulators are driven by the same voltage u (t). Let the transit time of the light from the center of the modulator m j to the center of the modulator m 2 be T Q. Then for the phase ⁇ m with opposite polarity of the two modulators:
  • ⁇ m ⁇ f (/) * w (+ ou (/) * «(/) - ⁇ f (* u (t - T 0 ) - ⁇ 2 " (* u (- T Q ) (18)
  • ⁇ n ⁇ (t) is the electro-optic impulse response of the modulators for the direction of passage from left to on the right side there is.
  • the asterisk * indicates the folding:
  • FIG. 2 shows an electro-optical phase modulator, according to the invention as a system with a distributed impulse response
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the electrode arrangement for a basic solution variant of an electro-optical digital phase modulator with an optimally distributed impulse response according to the invention
  • FIG. 4 shows another basic embodiment of an electrode arrangement for a digital phase modulator, which corresponds to the symmetry requirements according to the invention with regard to the spatiotemporal spread of applied potentials;
  • FIG. 5A shows a schematic representation of the electrode arrangement of analog phase modulators according to the invention, FIG. 5A illustrating a mirror-symmetrical and FIG. 5B a point-symmetrical electrode arrangement.
  • Phase modulators which correspond to the invention are in principle constructed as shown in FIG. 2.
  • the optically active area characterized by the illustrated rectangle R., runs along the x-axis extending from right to left. its extent being limited by the interval [- o- * Q ].
  • the control voltage u (t) now couples with an impulse response h (x, t) that is dependent on x into each point of the active region and generates an incremental phase shift there.
  • v is the speed of light propagation in the active area.
  • the second option leads to
  • the phase modulator of the type according to the invention in particular for a fiber-optic gyroscope, can be produced as an integrated optical component (chip), an optical waveguide being diffused into a suitable material, in particular Ll b ⁇ 3 or LiTa ⁇ 3.
  • This waveguide has an optical refractive index that is dependent on an applied electric field. The necessary electrical field is generated by the electrodes arranged on the surface of the module parallel to the waveguide.
  • FIG. 3 shows an electrode arrangement corresponding to the first case explained above (equation (23)) for an active channel 1 of the symmetrically constructed pair of phase modulators m ⁇ or m 2 .
  • 2 denotes electrode connections for the binary-controllable electrodes of the digital modulator.
  • Reference note 4 identifies a counter electrode which is assigned to both modulators m j , ⁇ i2.
  • the distributed impulse response word h (x. T) is therefore dependent on the spatiotemporal distribution of the generated electric field.
  • the symmetry requirements for the distributed impulse responses h n (x. T) derived in the previous section can be met by symmetrical electrode arrangements on the phase modulator, whereby the spatiotemporal spread of the potentials on the electrodes must also satisfy the symmetry requirements. This applies both to digital (FIGS. 3 and 4) and to analog modulators (FIG. 5A. B).
  • the optical waveguide is represented by the arrow running in the middle between the electrodes (active channel 1). Only one of the two modulators is shown, the other must be designed accordingly.
  • the second case leads to an electrode layout in which the electrode geometries of the two modulators are separated by rotating them by 180 °.
  • Flg. 4 shows the basic illustration of such an electrode layout.
  • the active channel of the modulator is m ⁇ with 10
  • the active channel of the modulator is m 2 with 1 1.
  • 12 the common counterelectrode with 13 the binary electrode array of the modulator m j and with 14 the binary electrode array of the modulator m 2 rotated in its arrangement.
  • the invention allows at least two types of electrode layouts for Sagnac interferometers. both from analog and from digital phase modulators, so that the influence of periodic interference signals is reliably suppressed with ideal work cycle tuning.

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Abstract

Ein erfindungsgemäßer elektrooptischer Phasenmodulator insbesondere zur Verwendung in einem faseroptischen Kreisel (FOG) ist, sofern die Umlaufzeit des Lichts in Übereinstimmung mit dem Arbeitstakt gebracht wird, dadurch ausgezeichnet, daß dieselbe Impulsantwort in beiden Durchlaufrichtungen des Lichts gewährleistet ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die Modulationselektroden (13, 14...) in Relation zu einer gemeinsamen Gegenelektrode (12) so angeordnet sind, daß die raumzeitliche Ausbreitung der Potentiale auf den Modulationselektroden und des elektrischen Felds zwischen den Elektroden eine stets symmetrisch verteilte Impulsantwort erzeugen.

Description

Elektrooptischer Phasenmodulator mit richtungsunabhängiger
Impulsantwort
Die Erfindung betrifft einen elektrooptischen Phasenmodulator mit integriert optischem Wellenleiter und beldseitfg in konstantem gegenseitigem Abstand von der optischen Achse entlang des Wellenleiters angeordneten Modulationselektroden.
Phasenmodulatoren dieser Gattung werden in erster Linie in faseroptischen Sagnac-Interferometern, die das eigentliche Drehratenmej3instrument bei faseroptischen Kreiseln (FOGs = Fiber Optic Gyroscopes) bilden, oder auch als Kernelement bei anderen interferometrischen Meßeinrichtungen verwendet, etwa bei Mach-Zehnder-Interferometern.
Die der Erfindung zugrunde liegende Problematik und Aufgabenstellung sei jedoch im folgenden mit Bezug auf einen faseroptischen Kreisel (FOG) erläutert.
Bei faseroptischen Kreiseln moderner Bauart wird häufig ein integriert optischer Chip (IO-Chip) verwendet, der auf der Eingangsseite in der Regel einen integrierten Polarisator, sodann eine Y-Verzweigung und zwei gleichabständig entlang der optischen Achsen nach der Y-Verzweigung in bestimmter Konfiguration angeordnete Elektroden zweier Phasenmodulatoren aufweist, welche die beiden in die Enden einer Faserspule in Gegenrichtung eingestrahlten Lichtstrahlen in bestimmter, welter unten näher erläuterten Weise modulleren. Verschiedene Ausfύh- rungsvarianten solcher Phasenmodulatoren oder digitaler Phasenschieber sind in den Druckschriften US 5 137 359. US 5 237 629 und US 5 400 142 beschrieben. Ein FOG mit dieser Art von Phasenmodulator weist eine Empfindlichkeit gegenüber in den Phasenmodulator eingestreuten Störsignalen auf.
Die Elnkopplung solcher Störsignale in den den Phasenmodulator enthaltenden MIOC-Pfad (MIOC = Modulierender IO-Chip) läjit sich, wie nachfolgend erläutert. analysieren.
Störsignale, die in den MIOC-Pfad einkoppeln, können unter bestimmten U - ständen Bias-Fehler hervorrufen. Im folgenden soll untersucht werden, wie sich periodische Störsignale auswirken, wenn eine Fehlabstimmung des Kreisel-Abtasttakts gegenüber der Durchlaufzeit des Lichts durch die Faser vorliegt. Neben einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber derartigen Einkopplungen bewirkt eine Fehlabstimmung noch weitere Störeffekte, wie beispielsweise erhöhten Ran- dorn -Walk. Diese Effekte sollen hier jedoch nicht untersucht werden. Um dem Leser die Möglichkeit zu geben, sich mit der Funktionsweise von Sagnac-Interfero- metern mit Random-Modulation und geschlossenem, rückstellendem Regelkreis vertraut zu machen, sei auf die europäischen Patente EP 0 498 902 und EP 0 551 537 verwiesen.
Um die Auswirkung von Störeinkopplungen bei Fehlabstimmung erfassen zu können, genügt es, das Sagnac-Interferometer bei geöffneter Regelschleife zu betrachten (vgl. Fig. 1). Es sei T der Abtasttakt des Systems und gleichzeitig die Periode einer einkoppelnden Störspannung, T0 sei die davon abweichende Durch- laufzelt des Lichts, φ(t) sei die durch den Modulator hervorgebrachte Phasenmodulation und φs(t) sei die Sagnac-Phase. Unter Vernachlässigung von Gleichspannungskomponenten und Verstärkungsfaktoren im Detektorpfad gilt für das Ausgangssignal y(t) des Interferometers:
y(t) = cos(φ(t) - φ(t - T0) + φs(t» ( 1) Nimmt man nun an, daj3 durch eine geeignete, im Takte T wirkende, dem Signal φ(t) überlagerte Modulationsspannung in bekannter Weise eine Aussteuerung an die Wendepunkte der Interferometerkennlinie vorgenommen und das jeweils wirksame Vorzeichen der Steigung der Kennlinie durch ein ebenfalls im Takte T wirkendes Demodulatorsignal kompensiert wird, dann kann das Interferometer näherungsweise durch eine Kennlinie
y(t) = Sin(φ(t) - φ(t - T0) + φ3(t)) (2)
ohne Modulations- und Demodulatlonssignale beschrieben werden. Die Näherung gilt strenggenommen nur für T = T0. Für T ≠ T0 treten in schmalen Übergangsbereichen zusätzliche Transienten auf, die in der obigen Gleichung nicht berücksichtigt sind. Da diese Transienten lediglich zu einer Erhöhung des Ran- dom-Walk beitragen, und um die Rechnung zu vereinfachen, sei die Gültigkeit von (2) auch für T ≠ T0 unterstellt, sofern die Fehlabstimmung nicht zu groß ist. Eine weitere Vereinfachung ergibt sich durch Linearisierung der Sinusfunktion:
y(t) = φ(t) - φ(t - T0) + φs(t) (3)
Dieses Signal wird durch ein im Datenpfad angeordnetes Filter gefiltert und dann abgetastet, wobei sich der n-te Abtastwert yn durch eine gewichtete Mittelung im Intervall ((n - 1)T, nT] berechnet. Gewichtungsfunktion ist die an der Zeitachse gespiegelte Impulsantwort h(t) des Filters. Außerhalb des Intervalls entstehen keine Beiträge, selbst wenn die Impulsantwort dort nicht verschwindet, weil auf- grund der statistischen Modulation demodulierte Signalanteile außerhalb des genannten Intervalls unkorreliert sind. Damit ist
T yn = 1 h(t)y(nT - t)dt (4)
0
Die Funktion h(t) sei o.B.d.A. so normiert, daß
T
J h(t)dt = 1 (5)
0
gelte. Die gemittelte Drehrate ergibt sich aus lim — _ y — LV -r ι *- (6)
Damit Ist
h(t)φ,'nT - t)dt
Figure imgf000006_0001
(7) Bei hinreichend stationären Signalen ist die Mittelwertbildung über eine Folge xn unabhängig von einer Indexverschiebung, d. h. es Ist
Figure imgf000006_0002
Damit kann im zweiten Integral von (7) der Index n durch n + 1 ersetzt werden. Es sei ΔT = T0 - T die Taktverstimmung. Dann wird
1 lim h(t)(φ(nT - t) - φ(nT - Δ7" - ι))dt + / (r)φ, {nT - t)dt v— IV -r I T- ! (9)
Bei genügend kleinem ΔT ist φ'(t)ΔT = φ(t) - φ(t-ΔT) . Mit dieser Näherung ergibt sich schließlich
Figure imgf000006_0003
Es sei nun φ(t) = φ(t + nT) ein mit T periodisches Signal. Ferner sei φs(t) = φs = const. Dann ist
y = | h(t)φ'(-t)ΔTdt + φs ( 1 1) 0
B e i s i e l
Als Beispiel sei angenommen, daß h(t) = 2/T ist für t < T/2 und h(t) = 0 für t > T/2. Für φ(t) gelte im Bereich t e (0. T) φ(t) = φ0 für t 6 [0. T/4) v t 6 [3T/4. T) und φ(t) = -φ0 für t e [T/4. 3T/4). Außerhalb des Bereichs t s (0. T) werde φ(t) gemäß φ(t) φ(t+nT) periodisch fortgesetzt.
y - T (12)
Figure imgf000007_0001
Die gemessene Phase y ist also der relativen Verstimmung ΔT/T und der Amplitude der Einstreuung φo proportional. Nimmt man als relative Verstimmung 100 ppm (ΔT/T = 10"4) und als Amplitude der Einstreuung φ0 = 2π- 10"2 an. dann ist bei einem Kreisel mit einer 2π-Drehrate von 2000°/s der durch die Einstreuung verursachte Bias-Fehler:
O = 2∞0° 4 6 36C° = 28.8Vh (13) h - 10
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrooptischen Phasenmodulator für faseroptische Interferometer. insbesondere für faseroptische Kreisel zu schaffen, bei dem die bisher beobachtete Empfindlichkeit gegenüber eingestreuten Störsignalen vollständig oder zumindest weitgehend beseitigt ist.
Ausgangspunkt für die Erfindung ist die Erkenntnis, daß die Empfindlichkeit von elektrooptischen Phasenmodulatoren der genannten Art sich theoretisch auf Null reduzieren läßt, wenn die Zeit des Arbeitstakts des Interferometers bzw. Kreisels mit der Umlaufzeit des Lichts vom ersten Phasenmodulator über die Fa- serspule bis zum gegenüberliegenden Phasenmodulator in Übereinstimmung gebracht wird. Es wurde erkannt, daß es hierzu notwendig ist. Maßnahmen zu treffen, die sicherstellen, daß der Phasenmodulator in beiden Durchlaufrichtungen des Lichts die selbe Impulsantwort besitzt.
Die technische Lehre der Erfindung läßt sich damit für einen elektrooptischen Phasenmodulator mit Integriert optischem Wellenleiter und beidseitig in konstantem gegenseitigem Abstand von der optischen Achse entlang des Wellenleiters angeordneten Modulationselektroden dadurch kennzeichnen, daß die Elektroden so angeordnet sind, daß die raumzeitliche Ausbreitung der Potentiale auf den Elektroden und des elektrischen Felds zwischen den Elektroden eine symmetrisch verteilte Impulsantwort erzeugen. Dieser Grundgedanke der Erfindung eignet sich sowohl für analoge als auch für digitale Phasenmodulatoren beim Einsatz in FOGs.
Für einen digitalen Phasenmodulator gilt dann als bevorzugte Ausführungsform, daß mehrere Paare parallel ansteuerbarer, hinsichtlich ihrer Längserstreckung binär abgestufte Elektroden mit einer zwischen diesen binär abgestuften Elektroden angeordneten Gegenelektrode vorgesehen werden, wobei Jede Binärstufe aus zwei Teilelektroden besteht und die Symmetriepunkte aller Binärstufen übereinstimmen, derart, daß die komplette Elektrodenanordnung eine symmetrisch ver- teilte Impulsantwort erzeugt.
Im folgenden werden die Bedingungen abgeleitet und einzelne Bauformen für Phasenmodulatoren erläutert, die erfindungsgemäß in beiden Durchlaufrichtungen des Lichts dieselbe Impulsantwort liefern.
Bei den heute verwendeten Bauformen solcher Phasenmodulatoren auf integriert optischen Chips, besonders bei den digitalen Varianten (vgl. US 5 137 359), wird in der Regel die im folgenden abgeleitete Symmetriebedingung nicht erfüllt. Bei hochgenauen faseroptischen Meßeinrichtungen, insbesondere bei FOGs, Ist da- mit der erforderliche Abgleich der Abtasttaktzeit an die Lichtdurchlaufzeit nicht möglich.
Es werden zunächst die Bedingungen für ein ideales moduliertes Sagnac-Interfe- rometer beschrieben:
Beim Idealen modulierten Sagnac-Interferometer ist die Auslesefunktion am Photodetektor nach der Demodulation unter Weglassung der Modulationssignale, unabhängig vom Modulationsverfahren wie oben bereits dargestellt:
y(t) = αu(t) - αu(t - T0) + φ3(t) ( 14)
Dabei ist u(t) die am Phasenmodulator wirkende Rückstellspannung (bzw. Störspannung) , α der elektro-optlsche Übertragungsfaktor, φs(t) die Sagnac-Phase und T0 die Lichtdurchlaufzeit vom Mittelpunkt zum Mittelpunkt der Phasenmo- dulatoren durch die Spule des FOG. Im folgenden sei u(t) = u(t+T) ( 15)
eine mit dem Arbeitstakt T periodische Störspannung. Hiermit, und mit φs = 0 wird
y(t) = α(u(t) - u(t - T0 + T)) ( 16)
Bei idealer Abstimmung T = T0 wird als y(t) =s 0.
Der Aufbau eines realen faseroptischen Interferometers ist in Flg. 1 der beigefügten Zeichnungen dargestellt.
Das von einer Lichtquelle D stammende Licht wird an einer Y-Verzweigung Y in zwei Teile aufgespalten, die dann die Modulatoren mj und m2, alsdann gegensin- nlg die Spule S und dann nochmals die beiden Modulatoren mj, m2 durchlaufen. Die Lichtstrahlen werden unter einer gegenseitigen Phasenverschiebung
φ = φm + φs (17)
wieder vereinigt, wobei φm die durch die Modulatoren erzeugte Phase und φs die Sagnac-Phase ist. Beide Modulatoren werden durch dieselbe Spannung u(t) angesteuert. Die Laufzeit des Lichts vom Mittelpunkt des Modulators mj zum Mittelpunkt des Modulators m2 sei TQ. Dann ergibt sich für die Phase φm bei gegensinniger Polung der beiden Modulatoren:
φm = αf(/) * w( + ou (/) * «(/) - αf( * u(t - T0) - α2 "( * u( - TQ) (18)
Hierbei ist αn +(t) die elektrooptische Impulsantwort des Modulators mn (n = 1 , 2) in der Durchlaufrichtung von rechts nach links, während αn~(t) die elektroopti- sehe Impulsantwort der Modulatoren für die Durchlaufrichtung von links nach rechts Ist. Der Stern * kennzeichnet die Faltung:
α(t) • u(t) = J α(τ)u(t - τ)dτ ( 19)
Falls nun das Interferometer mit T = TQ betrieben und mit einer in T periodischen Spannung u(t) beaufschlagt wird, ergibt sich >•(/) = (α*(/) + ;{t) - a;(r) - :(t)) < u(t) (20)
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf Zeichnungen In weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 den bereits oben kurz erläuterten prinzipiellen Aufbau eines realen Sagnac-Interferometers;
Fig. 2 einen elektrooptischen Phasenmodulator, erfindungsgemäß als System mit verteilter Impulsantwort;
Fig. 3 in schematischer Darstellung die Elektrodenanordnung für eine grundsätzliche Lösungsvariante eines elektrooptischen digitalen Phasenmodulators mit optimiert verteilter Impulsantwort gemäß der Erfindung;
Fig. 4 eine andere grundsätzliche Ausführungsform einer Elektrodenanordnung für einen digitalen Phasenmodulator, der hinsichtlich der raumzeitlichen Ausbreitung angelegter Potentiale den Symmetrieanforderungen gemäß der Erfindung entspricht; und
Fig. 5A. B in schematischer Darstellung die Elektrodenanordnung analoger Phasenmodulatoren gemäß der Erfindung, wobei Fig. 5A eine spiegelsymmetrische und Fig. 5B eine punktsymmetrische Elektrodenanordnung veranschaulichen.
Phasenmodulatoren, die der Erfindung entsprechen, seien prinzipiell wie in Fig. 2 dargestellt aufgebaut. Der optisch aktive Bereich, gekennzeichnet durch das dargestellte Rechteck R. verlaufe entlang der sich von rechts nach links erstreckenden x-Achse. wobei seine Ausdehnung durch das Intervall [- o- *Q] be- grenzt sei. Die Steuerspannung u(t) kopple nun mit einer von x abhängigen Impulsantwort h(x, t) in jeden Punkt des aktiven Bereichs ein und erzeuge dort eine inkrementelle Phasenverschiebung. Wenn nun v die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im aktiven Bereich sei. werden die elektrooptischen Impulsantworten:
Figure imgf000011_0001
und
αa;-α(t>) = J hhn(--xx,, tt-- --))ddxx (22)
- / ■
Das Ziel ist. y(t) In (20) zu Null zu machen. Hierfür gibt es gemäß der Erfindung zwei Möglichkeiten. Im ersten Fall wählt man
; - (23)
Das wird gemäß (21) und (22) erfüllt für
hn(x, t) = hn(-x. t) (24)
Die zweite Möglichkeit führt zu
a; = cς ( 5)
Daraus folgt
h x(x. t) = h2(-x. t) (26)
wodurch automatisch auch
h2(x. t) = h ^-x. t) (27)
und damit
: - a (28)
erfüllt wird. Daraus folgt schließlich y(t) = 0.
Die Symmetrieanforderungen für ein Elektroden-Layout, das die Bedingungen der Erfindung erfüllt, wird nachfolgend erläutert: Der Phasenmodulator der erfindungsgemäßen Art, insbesondere für einen faseroptischen Kreisel, kann als integrierter optischer Baustein (Chip) hergestellt sein, wobei ein optischer Wellenleiter in ein geeignetes Material, insbesondere Ll bθ3 oder LiTaθ3, eindiffundiert wird. Dieser Wellenleiter hat einen optischen Brechungsindex, der von einem angelegten elektrischen Feld abhängig ist. Das notwendige elektrische Feld wird durch die auf der Oberfläche des Bausteins parallel zum Wellenleiter angeordneten Elektroden erzeugt.
Ein dem oben erläuterten ersten Fall (Gleichung (23)) entsprechende Elektroden- anordnung zeigt Fig. 3 für einen aktiven Kanal 1 des symmetrisch aufgebauten Paars von Phasenmodulatoren m ^ oder m2. Mit 2 sind Elektrodenanschlüsse für die binär ansteuerbaren Elektroden des digitalen Modulators bezeichnet. Bezugshinweis 4 kennzeichnet eine beiden Modulatoren m j , πi2 gemeinsam zugeordnete Gegenelektrode.
Die verteilte Impulsanotwort h(x. t) ist demnach von der raumzeitlichen Verteilung des erzeugten elektrischen Felds abhängig. Die im vorangegangenen Abschnitt hergeleiteten Symmetrieforderungen für die verteilten Impulsantworten hn(x. t) können erfüllt werden durch symmetrische Elektrodenanordnungen auf dem Phasenmodulator, wobei auch die raumzeitliche Ausbreitung der Potentiale auf den Elektroden den Symmetrieforderungen genügen muß . Dies gilt sowohl für digitale (Fig. 3 und 4) als auch für analoge Modulatoren (Fig. 5A. B) .
Bei digitalen Modulatoren (vgl. Flg. 3) wird fürjede Bitwertigkeit eine eigene Elek- trodenanordnung vorgesehen, wobei die Gewichtungen durch entsprechende Flächenverhältnisse realisiert werden. Die Symmetriebedingungen müssen für Jedes einzelne Bit erfüllt werden, wobei die Symmetriepunkte aller Bits übereinstimmen müssen, so daß letzten Endes die Symmetriebedingung für die komplette Elektrodenanordnung erfüllt ist.
Für die beiden genannten Lösungsfälle ergeben sich für digitale Modulatoren demnach die folgenden Anordnungen:
Im ersten Fall müssen die Modulatoren ein zur Achse x = 0 spiegelsymmetrisches Elektroden-Layout besitzen, so daß auch eine zu dieser Achse raumzeitlich symmetrische Ausbreitung garantiert ist. Daraus ergibt sich für einen digitalen Mo- dulator beispielsweise das in Flg. 3 gezeigte Layout. Der optische Wellenleiter ist durch den in der Mitte zwischen den Elektroden verlaufenden Pfeil (aktiver Kanal 1) dargestellt. Gezeigt ist nur einer der beiden Modulatoren, der andere muß entsprechend ausgeführt sein.
Der zweite Fall führt zu einem Elektroden-Layout, bei dem die Elektrodengeometrien der beiden Modulatoren durch Drehung um 180° auseinander hervorgehen. Flg. 4 zeigt die Prinzipdarstellung eines solchen Elektroden-Layouts. In der Prinzipdarstellung ist mit 10 der aktive Kanal des Modulators m^ , mit 1 1 der aktive Kanal des Modulators m2. mit 12 die gemeinsame Gegenelektrode, mit 13 das binäre Elektroden-Array des Modulators mj und mit 14 das in seiner Anordnung um 180° gedrehte binäre Elektroden-Array des Modulators m2 bezeichnet.
Die entsprechenden Verhältnisse für die spiegelsymmetrische bzw. die punkt- symmetrische Gestaltung des Elektroden-Layouts für analoge Phasenmodulatoren erfindungsgemäßer Art sind für den Fachmann aus den Fig. 5A bzw. 5B unmittelbar erkennbar.
Aufgrund der Erfindung lassen sich mindestens zwei Arten von Elektroden-Lay- outs für Sagnac -Interferometer. und zwar sowohl von analogen wie auch von digitalen Phasenmodulatoren, so realisieren, daß bei idealer Arbeitstaktabstimmung der Einfluß von perodischen Störsignalen zuverlässig unterdrückt wird.

Claims

Patentansprϋche 1. Elektrooptischer Phasenmodulator mit integriert optischem Wellenleiter und beidseitlg in konstantem gegenseitigem Abstand von der optischen Achse entlang des Wellenleiters angeordneten Modulationselektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2; 13, 14) so angeordnet sind, daß die raum- zeitliche Ausbreitung der Potentiale auf den Elektroden und des elektrischen Felds zwischen den Elektroden eine symmetrisch verteilte Impulsantwort erzeugt.
2. Elektrooptischer Phasenmodulator nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch mehrere Paare parallel ansteuerbarer, hinsichtlich ihrer Flächenverhältnisse binär abgestufter Elektroden und eine zwischen diesen binär abgestuften Elektroden angeordnete Gegenelektrode, wobei jede Binärstufe aus zwei Teilelektroden besteht und die Symmetriepunkte aller Binärstufen übereinstimmen, derart, daß die komplette Elektrodenanordnung eine symmetrisch verteilte Im- pulsantwort erzeugt.
3. Anordnung mit mindestens einem elektrooptischen Phasenmodulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Phasenmodulatoren zusammen mit einer Y- Verzweigung in einem IO-Chip integriert sind.
4. Elektrooptischer Phasenmodulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Modulationselektroden des einen Phasenmodulators (mi) gegenüber der Anordnung der Modulationselektroden des anderen Phasenmodulators (m2) um 180° gedreht ist.
5. Elektrooptischer Phasenmodulator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Polarisator im IO-Chip integriert ist.
6. Elektrooptischer Phasenmodulator nach Anspruch 5, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Polarisator durch Protonenaustauschtechnik zusammen mit dem integrierten Wellenleiter in einem LiNbOß- oder LiTaθ3-Substrat erzeugt worden ist.
7. Verwendung eines elektrooptischen Phasenmodulators nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Teil des optischen Aufbaus eines faseroptischen Sagnac-Interferometers ist.
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