DE3604571A1 - HF PHASE SHIFT, REALIZED AS AN INTEGRATED-OPTICAL COMPONENT - Google Patents

Description

M.C.Bone 6-1M.C.Bone 6-1

HF-Phasenschieber, realisiert als integriert-optischesHF phase shifter, implemented as an integrated optical

Bauet ementBuild ement

Die Erfindung betrifft einen HF-Phasenschieber, der als \/\/ integriert-optisches Bauelement realisiert ist. Solche HF-Phasenschieber werden unter anderem für MikroweIleneinrichtungen wie z. B. phasengesteuerte Antennen benötigt. Phasengesteuerte Antennen werden beispielsweise bei Radargeräten eingesetzt. Das Konzept der phasengesteuerten Antennen ist bereits seit einiger Zeit bekannt und seine Vorteile wurden schon gründlich erörtert. Trotzdem wird es bei relativ wenig Radargeräten angewandt. Ein Hauptgrund für die geringe Durchsetzung ist, daß die Größe, das Gewicht und die Kosten für die programmierbaren flikrowellenphasenschieber sehr hoch sind. Es sind nämlich für jedes Element einer Antennenzeile Mikrowellenphasenschieber notwendig. Diese Phasenschieber müssen eine große HF-Leistung genau schalten und der Verlust darf nur sehr gering sein. Ein weiterer und ähnlich gewichtiger Grund ist das GewichtThe invention relates to an RF phase shifter as a \ / \ / integrated optical device is realized. Such RF phase shifters are used, among other things, for microwell devices such as e.g. B. phased antennas required. Phase-controlled antennas are used, for example, in radar devices. The concept of phased antennas has been known for some time and its advantages have been thoroughly discussed. Nevertheless, it is used with relatively few radars. A major reason for the low enforcement is that the size, weight and cost of the programmable microwave phase shifters are very high. This is because microwave phase shifters are necessary for each element of an antenna array. These phase shifters must switch a large amount of RF power precisely and the loss must only be very small. Another and similarly weighty reason is weight

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und die umständliche Handhabung von Koaxialkabeln, die nur einen geringen Verlust aufweisen dürfen, und die notwendig sind, um die HF-Sender mit den einzelnen Phasenschiebern zu verbinden.and the awkward handling of coaxial cables that only may have a small loss, and which are necessary to the RF transmitter with the individual phase shifters connect to.

In letzter Zeit nahm die Verwendung von optischen Komponenten bei phasengesteuerten Antennen zu. Ausgangspunkt war das Ersetzen der Koaxialkabel durch Lichtleitfasern. Dies geschah zum Einsparen von Gewicht. Weiterhin wurde hier von dem Nutzen der optischen Bauelemente, insbesondere der optischen übertragungsleitungen, Gebrauch gemacht, nämlich geringer Verlust, große Bandbreite, elektrische Isolation, keine EM-Abstrahlung, kein übersprechen, große Zuverlässigkeit (bedingt durch die Verwendung von mehreren leichten redundanten Signalwegen). Ist einmal der Schritt zur Optik gemacht, dann ist der übergang zur optischen Steuerung der Mikrowellenphase und der Modulation der optischen Wellen mit Signalen im Mikrowellenbereich nicht nur möglich sondern sehr wünschenswert. Dann ist der Weg frei für das Beseitigen der Mikrowellenphasenschieber von dem Antennenkopf. Dadurch wird ein großer Anteil an Gewicht eingespart und weiterhin erreicht man, daß die Antenneηpositionierung genauer erfolgen kann und daß die Stabilität durch die Verwendung von mehr Bit pro Phaseneinstellung vergrößert wird.Lately the use of optical components has increased with phased antennas too. The starting point was to replace the coaxial cables with optical fibers. This was done to save weight. Furthermore, the benefits of the optical components, in particular the optical transmission lines, made use of, namely low loss, large bandwidth, electrical isolation, no EM radiation, no crosstalk, great reliability (due to the use of of several light redundant signal paths). is Once the step towards optics has been made, the transition to optical control of the microwave phase and the Modulation of optical waves with signals in the microwave range not only possible but very desirable. Then the way is clear for eliminating the microwave phase shifters from the antenna head. As a result, a large proportion of weight is saved and continues to be achieved one that the antenna positioning can be done more precisely and that the stability through the use is increased by more bits per phase adjustment.

Die gängigsten Methoden zur Erzeugung der Mikrowellenmodulation auf dem optischen Träger ist die direkte Amplitudenmodulation über die Lasersteuerschaltung oder eine externe Amplitudenmodulation, z. B. ein LiNbO, Mach-Zehnder-Modulator. Wenn eine Amplitudenmodulation verwendet wird dann ist die Mikrowellenmodulation nicht durch eine Änderung der Phase des optischen Trägers änderbarThe most common methods of generating microwave modulation on the optical carrier is the direct amplitude modulation via the laser control circuit or a external amplitude modulation, e.g. B. a LiNbO, Mach-Zehnder modulator. If amplitude modulation is used then the microwave modulation is not through a change in the phase of the optical carrier can be changed

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a ö t. &a ö t. &

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(was der FaLL wäre, wenn eine EinseitenbandmoduLation verwendet werden würde) und deshaLb müssen andere Mittel eingesetzt werden.(which would be the case if single sideband modulation was used would be) and therefore other means must be used will.

Die Erfindung gibt eine Lösung an, mit der es möglich ist, auf einfache und elegante Weise die Phasenregelung durchzuführen. The invention provides a solution with which it is possible to carry out phase control in a simple and elegant way.

Der als integriert-optisches Bauelement realisierte HF-Phasenschieber enthält einen Körper aus einem stark doppeLbrechenden elektrooptischen Material. In ihm ist ein Lichtwellenleiter realisiert. Auf der Oberfläche des Körpers ist an seinem einen Ende in der Nähe des Lichtwellenleiters eine Elektrode angeordnet, die als TEtr^TM Modenwandler dient. Die Länge des Lichtwellenleiters, gemessen von der Elektrode an, ist so gewählt, daß die Modulationskomponenten zweier zueinander orthogonal polarisierter Lichtwellen, die sich in dem Lichtwe I LenLei ter unverkoppelt mit unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten ausbreiten, an der Stelle, an der sie aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt werden, zueinander in Phasenquadratur sind. Bei der weiteren Verarbeitung dieser Komponenten erfolgt eine vektorielle Addition. Dadurch wird die Modulationsfrequenz, die dem Lichtstrahl aufgeprägt ist, um den gewünschten Wert phasenverschoben.The HF phase shifter implemented as an integrated optical component contains a body made of a highly birefringent electro-optical material. There is one in it Optical fiber implemented. On the surface of the body an electrode is arranged at one end in the vicinity of the optical waveguide, which is called a TEtr ^ TM mode converter serves. The length of the optical fiber, measured from the electrode is chosen so that the modulation components of two mutually orthogonally polarized Light waves that are uncoupled in the light source propagate with different phase velocities, at the point where they come out of the fiber optic cable are coupled out, are in phase quadrature to one another. In the further processing of these components takes place a vector addition. This will set the modulation frequency, which is impressed on the light beam, phase-shifted by the desired value.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen bei spi e Lswei se näher erläutert. Es zeigt:The invention is based on the drawings at spi e Lswei se explained in more detail. It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des HF-Phasenschi ebe rs,Fig. 1 is a schematic representation of the HF-Phasenschi ebe rs,

Fia. 2 ein Ausführungsbeispiel mit einem Polarisations wandle r,Fig. 2 shows an embodiment with one polarization walk r,

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■" ^; " 3Β0Α*57"1■ "^;" 3Β0Α * 57 "1

Figurencharacters

3a u. 3b einen abstimmbaren Polarisationswandler,3a and 3b a tunable polarization converter,

Fig. 4 eine schematische DarsteLLung für einen optischen Phasenschieber, undFig. 4 is a schematic representation for an optical Phase shifter, and

Figurencharacters

5 und 6 Diagramme zur ErLäuterung der Funktionsweise5 and 6 diagrams to explain how it works

Es wird zunächst auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bezug genommen. Der HF-Phasenschieber, der reaLisiert ist aLs integriert-optisches Bauelement, besteht aus einem Körper 1 aus einem stark doppeLbrechenden eLektrooptisehen Material, z. B. Lithiumniobat (LiNbO,). In der Nähe der pLanaren OberfLäche 2 ist ein Monomode-LichtweLLenLei ter vorgesehen. Dieser Wellenleiter 3 kann dadurch erzeugt werden, daß man Titan in die pLan.are OberfLäche des Körpers 1 eindiffundiert. OberhaLb des LichtweLLenLeiters wird auf die planare OberfLäche eine ELektrode 4 aufgebracht, durch die es mögLich ist, eLektrooptisch eine TE^t^TM Modenwand Lung durchzuführen. Diese ELektrode ist in der Nähe des einen Endes des Bauelementes angeordnet.The exemplary embodiment according to FIG. 1 is first referred to referred to. The RF phase shifter that has been implemented as an integrated optical component, consists of one Body 1 from a strongly birefringent electro-optic lens Material, e.g. B. Lithium Niobate (LiNbO,). Near the PLANAR SURFACE 2 is a single mode fiber optic cable intended. This waveguide 3 can thereby be generated be that you can get titanium into the flat surface of the body 1 diffused. OVER THE LIGHT WAVE GUIDE an electrode 4 is applied to the planar surface, by means of which it is possible to electro-optically generate a TE ^ t ^ TM mode wall lung perform. This electrode is arranged in the vicinity of one end of the component.

Die Enden des BaueLements 1 sind zum Anschluß an eine LichtLeitfaser vorbereitet. Von der einen Seite des BaueLements aus erfoLgt eine Verbindung des LichtweLLenLeiters 3 mit einem modulierten Laser 5 und vom anderen Ende erfoLgt eine Verbindung eines Photodetektors 6 mit dem e r wähnten LichtweLLenleiter 3. Die Betriebsweise ist wie folgt: Monochromatisches Licht, amp LitudenmoduLiert mit der Frequenz f, tritt vom Laser 5 aus und wird in den Lichtwellenleiter 3 eingekoppelt. Der TEiIJTM ModenwandlerThe ends of the component 1 are for connection to a Optical fiber prepared. From one side of the building element off the fiber optic cable is connected 3 with a modulated laser 5 and from the other end there is a connection of a photodetector 6 to the one mentioned Fiber optic cable 3. The mode of operation is like follows: monochromatic light, amplitude modulated with the frequency f, emerges from the laser 5 and is in the Optical fiber 3 coupled. The TEiIJTM mode converter

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3"604'57Ί3 "604'57"

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wird dann dazu verwendet, das Licht von den TE- in den TM-Mode zu wandeln oder umgekehrt, und zwar so, daß das Verhältnis zwischen der Leistung mit der TE-Po larisation zu der Leistung mit der TM-Polarisation gleich R ist. Wenn die Wellenausbreitung in dem Bauelement in Y-Richtung erfolgt, dann muß der Lithiumniobatkrist a 11 entweder in der X- oder Z-Richtung geschnitten sein. Erfolgt die Wellenausbreitung in der X-Richtung, dann muß das Lithiumniobat entweder in der Y- oder der Z-Richtung geschnitten sein.is then used to bring the light from the TE into the To convert TM mode or vice versa, in such a way that the relationship between the power with the TE polarization to the power with the TM polarization is equal to R. if the wave propagation in the component takes place in the Y-direction, then the lithium niobate crystal a 11 must either be in the Be cut in the X or Z direction. If the wave propagates in the X-direction, then the lithium niobate must be cut in either the Y or the Z direction.

Dann breiten sich die beiden zueinander orthogonal polarisierten Wellen (TE und TM) unverkoppelt aus und zwar mit unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten (V_n und V ). Die Phasengeschwindigkeiten sind bestimmt durch die Brechungsindice (n_n und η ) des stark doppelbrechenden Lithiumniobat-Krist a I Is. Ist die Länge des Kristalls gleich L, dann ist am Ausgang des Lichtwellenleiters die relative Zeitverzögerung (T) zwischen den ursprünglich koinzidenten Punkten auf den TE- und TM-Moden gegeben durch:Then the two mutually orthogonally polarized waves (TE and TM) propagate uncoupled and with different phase velocities (V _n and V). The phase velocities are determined by the refractive indices (n _n and η) of the strongly birefringent lithium niobate crystal a I Is. If the length of the crystal is L, then the relative time delay (T) between the originally coincident points on the TE and TM modes given by:

T= mit AV=(Vn-V₆)T = with AV = (Vn-V ₆ )

Für eine gegebene Modulationsfrequenz f ist diese zeitliche Verzögerung äquivalent zu einer Phasenverzögerung von 2 1Tf T Radianten. Wenn die zwei orthogonalen Moden in einem Photodetektor 6 zur gleichen Zeit verarbeitet werden, dann werden die Modulationskomponenten vektoriell addiert. Dann sind - wenn beispielsweise 2 ITf TT gleich -» ist - die beiden Modulationskomponenten in Phasenquadratur und dann ist die Phase des verarbeiteten Modulationssignals einfach gleich tan (R); siehe Fig. 5. Wenn 2 T f T 9 röße r als -^- ist, dann ist die Vektorrelation wie in der Fig. 6 dargestellt. Deshalb reduziertFor a given modulation frequency f, this is temporal Delay equivalent to a phase delay of 2 1Tf T radians. When the two orthogonal modes are in a photodetector 6 are processed at the same time, then the modulation components are vectorially added. Then - if for example 2 ITf TT equal - »is - the two modulation components in Phase quadrature and then the phase of the processed Modulation signal simply equals tan (R); see fig. 5. If 2 T f T 9 is greater than - ^ -, then the vector relation as shown in FIG. Therefore reduced

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sich die Regelung der Phase von f auf die Regelung von R, was wiederum bestimmt ist durch eine G Leichspannungsrege I-spannung für den TE^p^TM Modenwandler.the regulation of the phase of f is based on the regulation of R, which in turn is determined by a G light voltage excitation I voltage for the TE ^ p ^ TM mode converter.

Hauptvorteile dieser Anordnung sind der geringe optische OS Einfügungsverlust (bedingt durch die einfache Realisierung des geraden Wellenleiters) und die effiziente Verwendung optischer Signale und die integrierte Realisierung, die es möglich macht, von einem einzelnen Wafer zahlreiche Bauelemente herzustellen. Es ist auch nicht notwendig, wie bei anderen Realisierungen, zwei Weglängen mit einer genau vorgegebenen Weglängendifferenz zu haben. Deshalb ist es nicht erforderlich, das Abschneiden und das Polieren der Fasern mit extremer Genauigkeit durchzuführen; ein Faktor der insbesondere von Vorteil ist, wenn sich die üblichen Modulationsfrequenzen immer mehr in den Millimeterwellenbereich verschieben.The main advantages of this arrangement are the low optical quality OS insertion loss (due to the simple implementation straight waveguide) and efficient use optical signals and the integrated realization that it makes possible numerous components from a single wafer to manufacture. It is also not necessary, as in other realizations, two path lengths with one exactly to have predetermined path length difference. Therefore it is not necessary to cut and polish the Perform fibers with extreme accuracy; a factor which is particularly advantageous when the usual modulation frequencies are moving more and more into the millimeter wave range move.

Nimmt man eine optische Wellenlänge von 0,85 ^m an, dann ist es mit einer WeLLenLängenLeiterLänge von 60 mm möglich, eine Phasenregelung von 0 bis 90 bei f = 50 GHz durchzuführen. Kürzere We IlenLei ter längen ermöglichen den Betrieb bei Frequenzen über 50 GHz. Es ist möglich, den MikroweILenfrequenzbereich unter 50 GHz auszudehnen bei der Verwendung von (a) größeren Substraten oder (b) geeigneten Längen von starken doppelbrechenden 5 (polarisationserhaltenden) optischen Fasern. Um das Bauelement mit einem entfernten Photodetektor zu verbinden (was bei der Steuerung von phasengesteuerten Radarantennen der Fall ist) ist eine größere Länge einer gewöhnlichen Monomode-Lichtleitfaser vorgesehen. Diese hat im allgemeinen eine sehr niedrige Doppelbrechung und fügt typische'-weise bei 15 GHz nicht mehr als 0,15 Phasenverschiebung pro 100 tn hinzu.Assuming an optical wavelength of 0.85 ^ m, then it is possible with a shaft length conductor length of 60 mm, to carry out a phase control from 0 to 90 at f = 50 GHz. Enable shorter shaft conductor lengths operation at frequencies above 50 GHz. It is possible to extend the micro wave frequency range below 50 GHz when using (a) larger substrates or (b) suitable lengths of strong birefringent ones 5 (polarization maintaining) optical fibers. To connect the device to a remote photodetector (What about controlling phased radar antennas the case) is a greater length of an ordinary one Single mode optical fiber provided. This has in general a very low birefringence and typically adds no more than 0.15 phase shift at 15 GHz added per 100 tn.

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Bei dem allgemeinen Fall, bei dem die dem Bauelement zugeführte optische Welle eine gegebene jedoch nicht vorgegebene bestimmte Polarisation aufweist, ist der I - 0 Phasenschieber 7 (Fig. 4) notwendig und zwar vor dem TEi±TM Modenwandler, um zu ermöglichen, daß der gesamte Bereich von 100 % der Po larisations rege lung zur Verfugung steht.In the general case where the component supplied optical wave has a given but not given specific polarization, is the I - 0 phase shifter 7 (Fig. 4) is necessary before the TEi ± TM mode converter to enable the entire Area of 100% for polarization control available stands.

Um zu erreichen, daß der TE5p*TM Modenwandler angepaßt ist an eine besondere Ha Ib Leiter läserque I Ie ist ein abstimmbarer Modenwandler vorgesehen, wie in Fig. 3 dargestellt. Der optische Wellenleiter 3 ist jetzt teilweise überlagert von einer Masseelektrode 10. Parallel zu dieser ist auf der einen Seite eine Abstimmelektrode 11 und auf der anderen Seite die Wandlerelektrode 12 angeordnet. Das dominierende elektrische Feld E ist das Modenwand le rfe Id,To make the TE5p * TM mode converter match to a special Ha Ib ladder läserque I Ie is a tunable Mode converter provided as shown in FIG. The optical waveguide 3 is now partially superimposed from a ground electrode 10. Parallel to this is on on one side a tuning electrode 11 and on the other Side the transducer electrode 12 arranged. The dominant one electric field E is the mode wall le rfe Id,

das gesteuert wird durch eine Gleichspannung V.. Das sekundäre Feld E ist das Abstimmfeld. Es ist zu bemerken, daß das Abstimmfeld nur eine geringere Auswirkung hat und dieses ist notwendig, damit keine genaue Abstimmung des Bauelements an eine spezielle Laserquelle erforderlich ist. Es ist beispielsweise möglich, daß das Bauelement auf eine Wellenlänge von 820 nm ausgelegt ist, während der Laser, der an dieses Bauelement angekoppelt ist, eine Wellenlänge von 821 nm haben kann.that is controlled by a DC voltage V .. The secondary Field E is the voting field. It is to be noted that the voting field has only a minor effect and this is necessary so that no precise matching of the component to a special laser source is required is. It is possible, for example, that the component is designed for a wavelength of 820 nm, during the Laser coupled to this component can have a wavelength of 821 nm.

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Claims (4)

in t> & -· ο ' V _ ft ffi Q " 3Β0457Ί INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK M.C.Bone-G.R.Adams 6-1 Patentansp rüchein t> & - o 'V _ ft ffi Q "3Β0457Ί INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK M.C.Bone-G.R.Adams 6-1 patent claims 1. HF-Phasenschieber, realisiert aLs integriert-optisches Bauelement, 1. HF phase shifter, implemented as an integrated optical component , dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß ein monokristalliner, stark doppelbrechender Körper (1) aus elektro-optischem Material vorgesehen ist, daß in ihm ein Honomodelichtwe I lenLeiter (3) realisiert ist, daß dieser in der Nähe von und parallel zu einer ebenen Oberfläche (2) dieses Körpers angeordnet ist, daß die räumliche Orientierung dieses Lichtwellenleiters in einer vorbestimmten Richtung in Bezug auf die Kristallachsen erfolgt, daß auf der planaren Oberfläche in der Nähe des einen Endes des Lichtwellenleiters eine Elektrode (4) angeordnet ist, daß an die Elektrode eine G Leichspannungsrege lspannung angelegt ist, und daß hierdurch für einen mono-by g e k e η η ζ e i c h η e t that a monocrystalline, strongly birefringent body (1) made of electro-optical Material is provided that in it a Honomodelichtwe I lenLeiter (3) is realized that this near and parallel to a flat surface (2) this body is arranged so that the spatial orientation of this optical waveguide in a predetermined Direction is in relation to the crystal axes, that an electrode (4) is arranged on the planar surface in the vicinity of one end of the optical waveguide is that a G light voltage control voltage is applied to the electrode is created, and that as a result, for a mono- ZT/Pi-Sm/R, 29.01.1986
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P242A chromatischen Lichtst rah L, der den Lichtwellenleiter, ausgehend von dem Ende, an dem die ELektrode angeordnet ist, durchLäuft, eine τ p4 ^^-M Modenwand Lung durchgeführt werden kann, und daß die Länge des LichtweLLenLeiters von der ELektrode aus in der Ausbreitungsrichtung des LichtstrahLs so bemessen ist, daß zwischen den TE- und TM-Moden des LichtstrahLs beim AuskoppeLn aus dem WeLLenLeiter des HF-Phasenschiebers eine gewünschte Phasenbeziehung auftritt. chromatic light beam, which runs through the optical waveguide, starting from the end at which the electrode is arranged, a τ p4 ^ ^- M mode wall lung can be carried out, and that the length of the optical waveguide from the electrode in the direction of propagation of the light beam is dimensioned so that a desired phase relationship occurs between the TE and TM modes of the light beam when it is decoupled from the wave guide of the RF phase shifter. 2. HF-Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der ELektrode und deren Ansteuerung so gewählt sind, daß für den Lichtstrahl eine optische Phasenverschiebung erfoLgt bevor eine TE»—*TM Modenumwand-Lung erfolgt»2. RF phase shifter according to claim 1, characterized in that the shape of the electrode and its control are chosen so that there is an optical phase shift for the light beam before a TE »- * TM mode conversion lung he follows" 3. HF-Phasenschieber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des doppeLbrechenden Wellenleiters als Lichtleitfaser realisiert ist.3. RF phase shifter according to claim 1 or 2, characterized in that that part of the birefringent waveguide is realized as an optical fiber. 4. HF-Phasenschieber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Modenwandler zusätzlich Abstimmelektroden (11) aufweist, mit denen eine Abstimmung auf gewünschte optische Wellenlängen möglich ist.4. RF phase shifter according to one of claims 1 to 3, characterized in that the mode converter additionally has tuning electrodes (11) with which a vote to desired optical wavelengths is possible. ZT/Pi-Sm/R, 29.01.1986
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