DE3750539T2

DE3750539T2 - Vorrichtung zur Modulation von optischen Signalen.

Info

Publication number: DE3750539T2
Application number: DE3750539T
Authority: DE
Inventors: Alan Roy Beaumont; Richard Charles Booth; David George Cunningham; Barbara Elizabeth Daymond-John; Wiliam Andrew Stallard
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1986-10-24
Filing date: 1987-10-22
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2007-10-23
Also published as: DE3750539D1; GB8625486D0; EP0267708A1; US5004314A; JPH01501575A; CA1290435C; WO1988003278A1; EP0267708B1; ATE111613T1; ES2058122T3; JP2737133B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Modulationsvorrichtung für optische Signale.
Bekannte Modulationsvorrichtungen für optische Signale weisen erste und zweite optische Wellenleiter auf, die an einem Ende mit einer optische Signalteilervorrichtung verbunden sind, die Teile eines ankommenden optischen Signals in die Wellenleiter leitet, und mit dem anderen Ende mit einer optischen Signalvereinigungsvorrichtung, die die von den Wellenleitern empfangenen optischen Signale zur Interferenz führt; und eine erste Modulationseinrichtung, die auf ein erstes Steuerungssignal anspricht, um eine relative Phasenverschiebung zwischen Signalen in dem ersten und dem zweiten optischen Wellenleiter zu bewirken, wobei die erste Modulationseinrichtung eine relative Phasenverschiebung sowohl für TM- als auch TE-Modus-Signale bewirkt. Derartige Vorrichtungen werden nachfolgend als vorbeschrieben in Bezug genommen. Beispiele für vorbeschriebene, bekannte Vorrichtungen sind Lithiumniobat-integrierte optische Mach-Zehnder-Modulatoren.
Ein Hauptproblem bei den bekannten, vorbeschriebenen Modulationsvorrichtungen ist deren ausgeprägte Empfindlichkeit gegen Polarisation. In allen praktisch anzuwendenden Telekommunikationssystemen kann dies zu ernsthaften Beschränkungen führen, da der polarisationszustand des von einem optischen Wellenleiter, beispielsweise einer gewissen Länge einer optischen Faser, stammenden Signals in zufälliger Weise variieren kann. In früheren Vorschlägen zur Entwicklung eines gegen Polarisation unempfindlichen Modulators auf der Basis von Lithiumniobat kommt die Off-Axis-Ausbreitung zum Einsatz. Diese Ansätze weisen jedoch Nachteile aufgrund merklich erhöhter Einsetzverluste sowie aufgrund schwieriger Herstellung auf.
Polarisationsempfindlichkeit wirkt sich dahingehend aus, daß die Übertragungskennlinie der Vorrichtung für TM- und TE-Moden merklich unterschiedlich sind. Dies führt insbesondere zu einem Problem, wenn die Vorrichtung als optischer Schalter verwendet wird, für den eine Steuerungsfunktion mit zwei Zuständen, beispielsweise eine Spannung, festgelegt werden kann, die zwar einen Modus korrekt schaltet, die aber keine brauchbare Auswirkung auf den anderen Modus hat. Dies ist insbesondere dann ein Problem, wenn es gewünscht wird, den Schalter auszuschalten. Das Nichtzusammenfallen der Minima der zwei Übertragungskennlinien bedeutet, daß ein Anteil einer Nullmodus-Polarisation weiterhin durch die Vorrichtung läuft, wenn sie in den Aus-Zustand gesteuert wird.
Bekannte Modulationsvorrichtungen sind in der US-A 4 291 936 beschrieben, im I.E.E.E. Journal of Quantum Electronics, Band QE-17 Nr. 6, Juni 1981, S. 946-959, und in Optical Letters, Band 5, Nr. 5, Mai 1980, S. 176-178.
Erfindungsgemäß wird eine Modulationsvorrichtung für optische Signale angegeben mit ersten und zweiten optischen Wellenleitern, die mit ihrem einen Ende mit einer optischen Signalteilervorrichtung verbunden sind, die Teile eines einlaufenden optischen Signals in die Wellenleiter leitet, und mit ihrem anderen Ende mit einer optischen Signalvereinigungsvorrichtung, die die von den Wellenleitern empfangenen optischen Signale zur Interferenz bringt; einer ersten Modulationseinrichtung, die auf ein erstes Steuerungssignal anspricht und die eine relative Phasenverschiebung zwischen den Signalen im ersten und zweiten optischen Wellenleiter hervorruft, wobei die erste Modulationseinrichtung relative Phasenverschiebungen sowohl in TM- als auch in TE-Modus-Signalen bewirkt; und einer zweiten Modulationseinrichtung, die auf ein Voreinstellungssignal anspricht, um eine relative Phasenverschiebung zwischen Signalen eines Modus im ersten und zweiten Wellenleiter zu verursachen und das Signal des anderen Modus im wesentlichen unbeeinflußt zu lassen, dadurch gekennzeichnet, daß während der Benutzung die Übergangskennlinie der zwei Moden in bezug zueinander gemäß dem Voreinstellungssignal so verschoben werden können, daß die Minima der Übertragungskennlinie des TE- und des TM-Modus bei einem ersten vorbestimmten Betrag des ersten Steuerungssignals im wesentlichen zusammenfallen, und so, daß die Maxima der Übergangskennlinien des TE- und des TM-Modus bei einem zweiten vorbestimmten Betrag des ersten Steuerungssignals im wesentlichen zusammenfallen.
Die zweite Modulationsvorrichtung ist vorgesehen, um zwischen Signalen eines Modus im ersten und zweiten Wellenleiter eine zweite relative Phasenverschiebung hervorzurufen. Durch geeignete Wahl des zweiten Steuerungssignals kann es erreicht werden, daß ein Minimum der Übergangskennlinie des einen Modus im wesentlichen mit einem Minimum der Übergangskennlinie des anderen Modus zusammenfällt. Diese Eigenschaft findet insbesondere bei Vorrichtungen, die aus Lithiumniobat hergestellt werden, ihre Anwendung, insbesondere bei Z-geschnittenem Lithiumniobat, da die elektro-optischen Koeffizienten von Lithiumniobat, die mit der ersten Modulationseinrichtung wechselwirken, ein nahezu ganzzahliges Verhältnis haben (tatsächlich stehen sie im Faktor 3 zueinander). Wenn die Vorrichtung als Schalter verwendet werden soll, werden das erste und das zweite Signal jeweils durch einen ersten und einen zweiten Generator erzeugt, wobei der erste Generator ein Steuerungssignal mit zwei Zuständen erzeugt und der zweite Generator eine Vorspannung erzeugt, die so gewählt wird, daß die Maxima der Übergangskennlinie der TE- und TM-Moden im wesentlichen zusammenfallen, wenn das erste Steuerungssignal in einem ersten Zustand ist, und so, daß die Minima der Übergangskennlinien der TE- und TM-Moden im wesentlichen zusammenfallen, wenn das erste Steuerungssignal in einem zweiten Zustand ist. Somit kann das Steuerungssignal mit zwei Zuständen, das der ersten Modulationseinrichtung zugeführt wird, so ausgelegt werden, daß es zwischen Potentialen schaltet, die im gleichen Faktor 3 zueinander stehen, da dies näherungsweise die gleiche Auswirkung sowohl auf TM- als auch TE-Optikmoden haben wird.
Obwohl gemäß dieser Anmeldung die Maxima nicht genau zusammenfallen, ist dies insbesondere bei digitalen Signalen hinnehmbar.
Obwohl es theoretisch für einige Vorrichtungen möglich sein kann, daß die zweite Modulationseinrichtung den TM-Modus unabhängig vom TE-Modus beeinflußt, ruft die zweite Modulationseinrichtung vorzugsweise eine relative Phasenverschiebung zwischen den TE-Modus-Signalen in den zwei Wellenleitern hervor.
Üblicherweise weisen die erste und die zweite Modulationseinrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Felds auf, um jeweils elektrische Felder zu erzeugen, die zueinander und zum Wellenleiter näherungsweise rechtwinklig sind. Dann erstreckt sich das von der zweiten Modulationseinrichtung erzeugte elektrische Feld lediglich über einen der Wellenleiter. Üblicherweise wird die zweite Modulationseinrichtung ein im wesentlichen konstantes Vorspannungsfeld anlegen.
In dieser Beschreibung soll mit dem Ausdruck "optisch" derjenige Teil des elektromagnetischen Spektrums bezeichnet werden, der gemeinhin als der sichtbare Bereich bekannt ist, zusammen mit den Teilen des infraroten und ultravioletten Bereichs an den beiden Enden des sichtbaren Bereichs, die durch dielektrische optische Wellenleiter, wie etwa optische Fasern, übertragen werden können.
Vorzugsweise dann, wenn die Vorrichtung in einen optischen Schalter eingebaut wird, wird die Ausgabe der Vereinigungsvorrichtung in einen Einmoden-Wellenleiter gekoppelt. Dies ist eine einfache Möglichkeit, die Vorrichtung als Schalter einzurichten, da dann, wenn die erste Steuerungsfunktion einen Zustand einnimmt, lediglich Signale des ersten Modus oder höherer Moden in der Vereinigungsvorrichtung erzeugt werden und damit nicht vom Einmoden-Wellenleiter geleitet werden. Wenn die erste Steuerungsfunktion ihren anderen Zustand einnimmt, ergeben sich Moden nullter Ordnung, die durch den Einmoden-Wellenleiter eingeleitet werden.
Bezug nehmend auf die Zeichnungen wird nun ein Beispiel eines Schalters, der eine erfindungsgemäße Modulationsvorrichtung für optische Signale aufweist, beschrieben, es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht der Vorrichtung;
Fig. 2 graphisch die Übergangskennlinien für TM- und TE-Moden der Vorrichtung aus Fig. 1 für zwei verschiedene TE-Vorspannungs-Potentiale; und
Fig. 3 die Ausgaben für TE- und TM-Moden, wenn ein elektrischer Impuls einer Amplitude gleich dem Dreifachen der Schaltspannung für den TM-Modus an die Modulationselektroden angelegt wird.
Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen Mach-Zehnder-Modulator, der in der nachfolgend zu beschreibenden Weise modifiziert wurde. Der Modulator weist einen ersten und einen zweiten optischen Wellenleiter 1, 2 auf, die mittels herkömmlicher Ti-Diffusions-Technik aus Z-geschnittenem Lithiumniobat hergestellt wurden. Eine Oxidpufferschicht wird eingesetzt, um die Ausbreitungsverluste für den optischen TM-Modus zu verringern. Wie in einem herkömmlichen Modulator sind direkt über den optischen Wellenleitern 1, 2 Modulationselektroden 3, 4 ausgerichtet, so daß sichergestellt ist, daß als Ergebnis der Wechselwirkung der vertikalen Komponente des angelegten Felds und des r&sub3;&sub3;(32,2 · 10&supmin;¹²mV&supmin;¹) oder des r&sub1;&sub3;(10 · 10&supmin;¹²mV&supmin;¹) elektro-optischen Koeffizienten des Trägermaterials jeweils für die optischen TM- und TE-Moden eine elektro-optisch hervorgerufene Phasenverschiebung auftritt. Die Modulationselektronik wird von einem Modulationsspannungsgenerator 21 angesteuert, an den ein Modulationspotential angelegt wird, gegebenenfalls in Kombination mit einem Vorspannungspotential zur Erzeugung der benötigten Steuerungspotentiale.
Die optischen Wellenleiter 1, 2 sind mit den jeweiligen Armen 5, 6 eines optischen Strahlteilers 7 verbunden, der einen Eingangsarm 8 hat, längs dessen einlaufende optische Signale ankommen. Die Ausgangsenden der Wellenleiter 1, 2 sind jeweils mit Eingangsarmen 9, 10 eines Y-Kopplers 11 verbunden, der einen Ausgangsarm 12 hat, der mit einer optischen Einmoden-Faser 13 verbunden ist.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von herkömmlichen Vorrichtungen dadurch, daß sie auch ein zweites Elektrodenpaar 14, 15 aufweist, das so ausgerichtet ist, daß der Spalt zwischen den Elektroden 14, 15 nur den Wellenleiter 1 überspannt. Zwischen den Elektroden 14, 15 wird ein horizontales elektrisches Feld erzeugt, dessen Größe durch einen Vorspannungsgenerator 16 gesteuert wird, der ein Vorspannungspotential V&sub2; erzeugt. Dieses zweite Elektrodenpaar 14, 15 erzeugt aufgrund der Wechselwirkung der horizontalen Komponente des angelegten elektrischen Felds und des r&sub2;&sub2;(6,8 · 10&supmin;¹&sup0;mV&supmin;¹) elektro-optischen Koeffizienten eine elektro-optische Phasenverschiebung nur für den optischen TE-Modus, der längs des Wellenleiters 1 läuft.
Die Übergangskennlinie einer herkömmlichen Modulationsvorrichtung (identisch zur Vorrichtung in Fig. 1, wenn deren Vorspannungspotential V&sub2; Null ist) sind in Fig. 2 durch die Linien 17, 18 dargestellt. Die Linie 17 stellt die Kennlinie für den TM-Modus dar, während die Linie 18 die Kennlinie für den TE-Modus darstellt. Der Fig. 2 kann man entnehmen, daß im allgemeinen die Maxima und die Minima der Kennlinien nicht am gleichen Modulationspotential V&sub1; liegen. Dies ist insbesondere hinderlich, wenn die Vorrichtung als Schalter verwendet wird, da es wünschenswert ist, zwei Werte für das Modulationspotential V&sub1; auszuwählen, die dazu führen, daß das optische Signal in die optische Einmoden-Faser 13 eingekoppelt wird oder nicht. Im allgemeinen wird, wenn ein Einmodus in die Vorrichtung eingeleitet wird, ein optisches Signal durch die Einmoden-Faser 13 geleitet, wenn die Teile des Signals, die längs der Wellenleiter 1, 2 geleitet werden, bei der Ankunft am Y-Koppler 11 in Phase sind, da dies am Y-Koppler einen Modus nullter Ordnung erzeugt. Es erfolgt keine Leitung aufgrund der Ausbildung von Moden erster oder höherer Ordnung am Y-Koppler, wenn eine Phasenverschiebung von π zwischen den Signalen am Y-Koppler vorliegt. Diese unterschiedlichen Phasenverschiebungen können hervorgerufen werden, indem geeignete Potentiale V&sub1; an die Modulatorelektroden 3, 4 angelegt werden.
Aus Fig. 2 sieht man, daß die Potentiale, die in der herkömmlichen Vorrichtung für die Schaltung des TE-Modus geeignet sind, VE1 und VE2 sind. An diesen Potentialen nimmt jedoch der TM-Modus Zwischenwerte ein.
Um dem zu begegnen, wird durch den Generator 16 ein Vorspannungspotential V&sub2; erzeugt und an die Elektroden 14, 15 angelegt. Das Vorspannungspotential erzeugt zwischen den Elektroden 14, 15 ein elektrisches Feld, das zwischen dem TE-Modus-Signal im optischen Wellenleiter 1 und dem gleichen Signal im Wellenleiter 2 eine zusätzliche Phasenverschiebung hervorruft. Dies bewirkt, daß am Y-Koppler 11 die TE-Moden- Signale in anderer Weise interferieren und verschiebt in wirksamer Weise die Übergangskennlinie für den TE-Modus. Durch geeignetes Einstellen der Vorspannung V&sub2; kann die Übergangskennlinie so verschoben werden, daß sie eine Form ähnlich der durch Linie 19 in Fig. 2 angedeuteten einnimmt, wodurch ein Minimum der TE-Moden-Kennlinie 19 mit dem Minimum der TM-Moden-Kennlinie 17 zusammenfällt. Dies tritt bei einem bestimmten Potential des Modulationspotentials V&sub1; auf, in Fig. 2 ist es mit Voff bezeichnet. Aufgrund des nahezu ganzzahligen Verhältnisses zwischen den elektro-optischen Koeffizienten der TE- und TM-Moden, die mit dem zwischen den Modulatorelektroden 3, 4 erzeugten vertikalen Feld wechselwirken, haben die zwei Übertragungskennlinien 17, 19 bei einem anderen Potential Von näherungsweise zusammenfallende Maxima. Damit kann die Vorrichtung als Schalter betrieben werden, indem die Spannung V&sub1; auf eine der beiden Spannungen Voff oder Von eingestellt wird. In der Praxis wird ein Schaltsteuerungssignal über eine Leitung 20 dem Generator 21 zugeführt, der dem Signal eine geeignete Vorspannung zufügt, um den gewünschten Wert für V&sub1; zu erzeugen.
Bei der Verwendung als Intensitätsmodulator, wobei die modulierende Spannung V&sub1; an die Modulationselektroden 3, 4 gelegt wird, hängt die Ausgangsintensität I mit der Eingangsintensität I&sub0; wie folgt zusammen:
I = I&sub0;cos² (Φ/2)
wobei Φ der Phasenunterschied zwischen den zwei optischen Signalen ist, die sich in den zwei parallelen Wellenleiterarmen 1, 2 ausbreiten. In der Praxis ist die Phasenverschiebung Φ proportional zum vorhandenen elektro-optischen Koeffizienten rnm, so daß das optische Ansprechverhalten der Vorrichtung vom Polarisationszustand des optischen Modus abhängt.
Die beschriebene Vorrichtung wird für längs der Leitung 20 geführte analoge, modulierte Signale nach wie vor eine ausgeprägte Empfindlichkeit gegenüber Polarisation aufweisen, aber zeigt eine fast polarisationsunabhängige Wirkungsweise für digitalmodulierte Signale.
Fig. 3 zeigt die Ausgabe für die zwei orthogonalen Moden, wenn eine elektrische Impulsfolge einer Amplitude gleich dem Dreifachen der Schaltspannung für den TM-Modus an die Modulationselektroden angelegt wird. Die optische Ausgabe für den TM-Modus wird auf ihren Maximalwert gebracht, aufgrund der starken Übersteuerung des optischen Ansprechverhaltens treten jedoch an den steigenden und fallenden Flanken Überschwinger auf. Da die Überschwinger sich ausschließlich auf die steigende und fallende Flanke eines optischen Impulses beschränken, ist es unwahrscheinlich, daß sie bei Datenraten, bei denen die Anstiegs- und Abfallzeiten einer binären 1 weit geringer als die Bitzeit ist, z. B. 1 Gbit/s, zu merklichen Systemverschlechterungen führen. Für den TE-Modus erfolgt dagegen der Übergang auf die Spitze des optischen Impulses ohne Überschwinger, obwohl zusätzliche Einsetzverluste auftreten werden, da die Spitzen des optischen Ansprechens für die TE- und TM-Moden nicht exakt übereinstimmen, da r&sub3;&sub3; und r&sub1;&sub3; kein exakt ganzzahliges Verhältnis zueinander haben. In der Praxis wird der zusätzliche Verlust für den TE-Modus auf unter 0,1 dB abgeschätzt, wenn man die vorher genannten Werte für die elektro-optischen Koeffizienten r&sub1;&sub3;, r&sub3;&sub3; annimmt.

Claims

1. Modulationsvorrichtung für optische Signale mit ersten und zweiten optischen Wellenleitern (1, 2), die mit ihrem einen Ende mit einer optischen Signalteilervorrichtung (7) verbunden sind, die Teile eines einlaufenden optischen Signals in die Wellenleiter leitet, und mit ihrem anderen Ende mit einer optischen Signalvereinigungsvorrichtung (11), die die von den Wellenleitern empfangenen optischen Signale zur Interferenz bringt; einer ersten Modulationseinrichtung (3, 4), die auf ein erstes Steuerungssignal (V&sub1;) anspricht und die eine relative Phasenverschiebung zwischen den Signalen im ersten und zweiten optischen Wellenleiter hervorruft, wobei die erste Modulationseinrichtung relative Phasenverschiebungen sowohl in TM- als auch in TE-Modus- Signalen bewirkt; und einer zweiten Modulationseinrichtung (14, 15) , die auf ein Voreinstellungssignal (V&sub2;) anspricht, um eine relative Phasenverschiebung zwischen Signalen eines Modus im ersten und zweiten Wellenleiter zu verursachen und das Signal des anderen Modus im wesentlichen unbeeinflußt zu lassen, dadurch gekennzeichnet, daß während der Benutzung die Übergangskennlinien der zwei Moden in bezug zueinander gemäß dem Voreinstellungssignal (V&sub2;) so verschoben werden können, daß die Minima der Übergangskennlinie des TE- und des TM-Modus bei einem ersten vorbestimmten Betrag (Voff) des ersten Steuerungssignals (V&sub1;) im wesentlichen zusammenfallen, und so, daß die Maxima der Übergangskennlinien des TE- und des TM-Modus bei einem zweiten vorbestimmten Betrag (Von) des ersten Steuerungssignals (V&sub1;) im wesentlichen zusammenfallen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Modulationseinrichtung (14, 15) eine relative Phasenverschiebung zwischen Signalen des TE-Modus in den zwei Wellenleitern (1, 2) bewirkt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der sowohl die erste als auch die zweite Modulationseinrichtung (3, 4 und 14, 15) eine Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Felds zur Erzeugung jeweils elektrischer Felder aufweisen, die zueinander und zum Wellenleiter im wesentlichen rechtwinklig sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der sich das in der zweiten Modulationseinrichtung (14, 15) erzeugte elektrische Feld lediglich über einen (1) der Wellenleiter erstreckt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, hergestellt mit z-geschnittenem Lithium-Niobat.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Modulationseinrichtung (14, 15) dazu ausgelegt ist, zwischen den Signalen des genannten einen Modus eine im wesentlichen konstante relative Phasenverschiebung zu bewirken.

7. Optischer Schalter mit einer optischen Signalmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein erster und ein zweiter Generator (21, 16) jeweils ein erstes und zweites Steuerungssignal (V&sub1;, V&sub2;) erzeugen, wobei das erste Steuerungssignal (V&sub1;) zwei Spannungszustände (Von, Voff) hat und das zweite Steuerungssignal (V&sub2;) ein Vorspannungssignal ist, das so beschaffen ist, daß die Maxima der Übergangskennlinien des TE- und TM-Modus im wesentlichen zusammenfallen, wenn das erste Steuerungssignal auf einem ersten Zustand (Von) liegt, und so, daß die Minima der Übergangskennlinie des TE- und TM-Modus im wesentlichen zusammenfallen, wenn das erste Steuerungssignal in einem zweiten Zustand (Voff) ist.

8. Optischer Schalter nach Anspruch 7, bei dem der erste Generator (21) so beschaffen ist, daß dann, wenn sich das erste Steuerungssignal (V&sub1;) im ersten Zustand (Von) befindet, sowohl der TE- als auch der TM-Modus nullter Ordnung in der Vereinigungsvorrichtung (11) abgeschnitten werden, und dann, wenn sich das erste Steuerungssignal im zweiten Zustand (Voff) befindet, sich der TE- und des TM-Modus nullter Ordnung jeweils im wesentlichen auf maximaler Intensität befindet.

9. Optischer Schalter nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Ausgabe der Vereinigungsvorrichtung (11) auf einen Wellenleiter (13) für einen einzigen Modus geleitet wird.

10. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem das Verhältnis der Beträge des ersten und des zweiten Zustands (Von und Voff) des ersten Steuerungssignals (V&sub1;) bei etwa 3 liegt.