DE68923072T2

DE68923072T2 - Optischer Wandler.

Info

Publication number: DE68923072T2
Application number: DE68923072T
Authority: DE
Inventors: Andrzej Peczalski
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1988-12-27
Filing date: 1989-12-19
Publication date: 1996-02-08
Anticipated expiration: 2009-12-20
Also published as: EP0376124A3; EP0376124A2; DE68923072D1; EP0376124B1; US4991920A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Wandler gemäß dem Gattungsbegriff des unabhängigen Anspruches und insbesondere auf optische Wandler, die einen Graycode in einen Binärcode wandeln. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf optische Graycode/Binärcode-Wandler mit sehr hoher Geschwindigkeit für die Umsetzung von Signalen aus einem ersten Graycode in einen zweiten Binärcode und umgekehrt.
Die Binärcode-Darstellung von Informationssignalen ist im Stand der Technik wohl bekannt. Zwei weithin benutzte Codes sind der herkömmliche Binärcode und der reflektierte Binärcode, welcher ebenfalls als Graycode bezeichnet wird. Sowohl die Binär- als auch die Graycodes werden oftmals in den anderen Code aus vorteilhaften Gründen bei der Signalverarbeitung umgesetzt. Der Graycode wird in großem Maß bevorzugt da die Umkehrung eines Einzelbits (d.h. ein Bitfehler) nicht zu einem großen quantitativen Fehler führt.
Die Umwandlung von Signalen aus dem Graycode (G) in den Binärcode (B) kann wie folgt ausgedrückt werden:
Bo = Go und
Bn = Gn Bn-1 für n≥1,
Gn = Bn Bn-1 für n≥1
wobei " "eine Exklusiv-ODER-Funktion ist, "0" das signifikanteste Bit ist, und wobei bei einem Anwachsen von n das Bit weniger signifikant wird.
Figur 1 ist eine Wahrheitstabelle, die die Dezimalzahlen und den entsprechenden Vier-Bit-Graycode und Binärcode zeigt. Verschiedene Lösungen sind entwickelt worden, um Signale von einem Code in den anderen umzusetzen. Eine Lösung bestand darin, digitale Logiktechniken zu verwenden, die die Exklusiv-ODER- Logikfunktionen einschließen, um die Umsetzungen zu verwirklichen. Verschiedene andere mühsame Techniken, einschließlich quasi-optischer Schaltkreise, die die Exklusiv-ODER-Funktion enthalten, sind benutzt worden, um die Umsetzung von einem Code in den anderen zu verwirklichen.
Aus ELECTRONICS, Band 55, Nr. 4, Februar 1982, Seiten 48-50 ist ein schnelles ODER-Gatter bekannt, das nur mit Licht arbeitet, wobei optische Eingangssignale, die sich in ersten und zweiten parallel angeordneten optischen Wellenleitern fortpflanzen, innerhalb eines dritten optischen Wellenleiters kombiniert werden, der zwischen jenen ersten und zweiten Wellenleitern angeordnet ist. Phasen-Verschiebeelektroden, die an eine Spannung angeschlossen sind, sind vorgesehen in bezug auf einen der ersten oder zweiten Wellenleiter, um eine Phasenverschiebung innerhalb des Signales hervorzurufen, das durch den Wellenleiter geführt wird. Mit einer Phasenverschiebung von 180º kann die Vorrichtung als ein Exklusiv-ODER-Gatter arbeiten.
Ferner ist aus ELETRONICS LETTERS, Band 18, Nr. 25, Dezember 1982, Seiten 1099-1100 ein Analog/Digital-Wandler bekannt, der integrierte elektroloptische Interferometer vom Mach-Zehnder-Typ verwendet, wobei die Interferometer mit einer symmetrischen Elektrodenanordnung für eine relative Amplituden- und Phasensteuerung versehen sind.
Ausgehend von dem vorstehend angegebenen Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen rein optischen Wandler anzugeben, der mit extrem hoher Geschwindigkeit arbeitet und eine verbesserte Wirkungsweise aufgrund seiner Auslegung aufweist. Diese Aufgabe wird gelöst gemäß den kennzeichneten Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wandlers können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen eleganten Graycode-Umsetzer mit extrem hoher Geschwindigkeit (d.h. Hunderte von Gigahertz) unter Einschluß der Exklusiv-ODER-Funktion. Die grundlegende Erfindung ist ein Umsetzer bzw. Dekodierer, wobei sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangssignale rein optischer Natur sind. Es gibt keine elektronische Umsetzung oder Umwandlung von Signalen innerhalb des Wandlers. Die Erfindung ist neben anderem eine Grundlage für einen optischen Analog/Digital-(N/D)-Wandler, der von sich aus ein digitales Graycode-Signal erzeugt. Die Erfindung ist ebenfalls eine Grundlage für einen Digital/Analog-(D/A)-Wandler. Viele andere Schaltkreise können die vorliegende Erfindung verwirklichen, um die Vorteile der Geschwindigkeit und Verfeinerung zu erzielen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine 4 Bit-GraylBinärcode/Wahrheitstabelle.
Figur 2 veranschaulicht einen grundlegenden optischen Wandler der vorliegenden Erfindung.
Figur 3 ist eine Exklusiv-ODER-Wahrheitstabelle entsprechend den Eingängen und Ausgängen des optischen Wandlers in Figur 2.
Figur 4 ist eine monolithisch integrierte Schaltkreisausführung des Wandlers in Figur 2.
Figur 5 ist ein Schema eines monolithisch integrierten opto-elektronischen Wandlers.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Figur 2 zeigt einen optischen Exklusiv-ODER-Schaltkreis 10. Das Lichtsignal 12 tritt in den Licht-Wellenleiter bzw. die Lichtführung 14 ein, und das Lichtsignal 16 tritt in den Licht-Wellenleiter bzw. die Lichtführung 18 des Schaltkreises 10 ein. Die Lichtsignale 12 und 16 sind gleichphasig und besitzen vorzugsweise die gleiche Amplitude. Die relativen Amplituden der Signale 12 und 16 sind einstellbar. Ein Leiter 20 ist vorzugsweise in gleichem Abstand von den Lichtführungen 14 und 18 positioniert. Der Leiter 20 kann physikalisch in der Nähe der Lichtführungen 14 und 18 angeordnet sein. Eine Gleichstrom (DC)- Steuerspannung (Vc) von bis zu ungefähr 10 Volt wird dem Leiter 20 zugeführt. Aufgrund der Gleichspannung strahlt der Leiter 20 ein elektrisches Feld ab, der die Phase der eingehenden Lichtsignale 12 und 16 beeinflußt bzw. verschiebt. Die elektrooptischen Einwirkungen auf die Signale 12 und 16 sind entgegengesetzt so daß, wenn die Signale 12 und 16 sich den Lichtführungen 14 und 18 entlangbewegen, die Signale 12 und 16 unter Umständen um 180º aus der Phase zueinander gelangen (π oder ein ungerades Vielfaches von π), wobei die Länge des Leiters 20 an der Abmessungslinie 22 in Figur 2 endet. Die Koppellänge des Leiters 20 und der Lichtführungen 14 und 18 ist im Millimeterbereich, zum Beispiel von 3 Millimetern. Die Gleichspannung Vc kann eingestellt werden, so daß die Phasen der Signale um 180º aus der Phase sind, wenn sie die Linie 22 erreichen. Hinter dem Leiter 20 und der Linie 22 verändern sich die Phasen der Lichtsignale 12 und 16 nicht (d.h., die Signale 12 und 16 behalten eine Phasenverschiebung von 180º), wenn die Signale 12 und 16 auf den Leitern 14 und 18 entsprechend weiterwandern. Zwischen den Lichtführungen 14 und 18 ist eine Lichtführung 24 positioniert. Die Lichtführung 24 weist vorzugsweise einen gleichen Abstand von den Lichtführungen 14 und 18 auf. Die Lichtführung 24 kann sich physikalisch in der Nähe der Lichtführungen 14 und 18 befinden. Die Lichtführungen 14 und 18 sind wirksam optisch mit der Lichfführung 24 gekoppelt. Figur 2 zeigt die Lichtführungen 14, 18 und 24 parallel zueinander liegend und benachbart zueinander, um die optische Kopplung zu bewirken. Die Koppellänge des Bereiches 26 der Lichtführung 24 und der Lichtführungen 14 und 18 ist erneut im Millimeterbereich, zum Beispiel drei Millimeter. Der Ausgang 28 ist durch das sich ergebende Licht vorgegeben, das von den Lichtführungen 14 und 18 eingekoppelt wird. Wenn die Lichtsignale 12 und 16 die gleiche Größe aufweisen und im Koppelbereich 26 außer Phase sind, so heben sich die Lichtsignale, die in die Lichtführung 24 eingekoppelt werden, gegeneinander auf und der Ausgang 28 wird eine Größe von 0 aufweisen. Wenn nur eine Lichtführung 14 oder 18 ein Lichtsignal 12 oder 16 überträgt, wird der Ausgang 28 entsprechend ein Signal gemäß dem Signal 12 oder 16 aufweisen. Die Exklusiv-ODER-Wahrheitstabelle von Figur 3 zeigt die Beziehung der Eingangssignale 12 und 16 zu dem Ausgangssignal 28, wobei "0" für kein Lichtsignal und "1" für ein Lichtsignal steht. Es sei vermerkt, daß der optisch geschaltete Exklusiv-ODER-Koppler 10 keine elektroloptische oder optischelektrische Umwandlung oder Umsetzung von Signalen von den Eingängen zu dem Ausgang aufweist.
Die Vorrichtung 10 kann mit Lichtführungen verwirklicht werden, die aus einer Vielzahl von Materialien in verschiedenen Weisen aufgebaut werden. Optische Fasern, halbisolierende Materialien oder bloß brechende oder reflektierende optische Steuerung von Lichtsignalen kann verwendet werden, um die Erfindung aufzubauen und/oder zu verwirklichen. Ein monolithisch integrierter Halbleiterschaltkreis 40 einer integrierten Optik kann die Vorrichtung 10 enthalten. Figur 4 zeigt eine Querschnittsansicht eines monolithischen Aufbaues der Vorrichtung 10, welche eine symmetrische koplanare Wanderwellenelektrode 32 ist, die auf einer Struktur aufgebracht ist, die aus Erhebungs-Lichtwellenleitern besteht. Die Lichtsignale 12 und 16 können in das Material 30 aus AlyGa&sub1;-yAs durch anschlußbefestigte Laserdioden oder optische Fasern eingeführt werden. Die Signale 12 und 16 werden durch das Material 30 geführt. Eine vertikale Eingrenzung der Signale 12 und 16 wird verwirklicht mit halbisolierenden Materialien 34 und 36 aus AlxGa&sub1;-xAs, die einen gegenüber dem Material 30 unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen. Ferner begrenzen Erhebungen 38 und 39 entsprechend die Lichtsignale bzw. Strahlen 12 und 16 aufgrund der größeren Gesamtdicke des Materials 34 gegenüber der Dicke d des Materials 30 in anderen Bereichen, und veranlassen die Lichtstrahlen darunter in dem Material 30 direkt unter den Erhebungen 38 und 39 zu verbleiben. Die Kanten der Lichtstrahlen 12 und 16 sind ungefähr auf die Erhebungsbreiten WL der Erhebungen 38 und 39 ausgerichtet.
Die Elektrode 32 mit einer Breite We führt die DC-Steuerspannung Vc und erzeugt ein elektrisches Feld zusammen mit den geerdeten Elektroden 42 und 44 und beeinflußt hierdurch die Phasenbeziehung der Signale 12 und 16 in der gleichen Weise wie die Elektrode 20 in Figur 2. Die symmetrische koplanare Linie, wie sie durch die Wanderwellenelektrode 32 und die Elektroden 42 und 44 vorgegeben ist, verursacht eine entgegengesetzte Phasenverschiebung in den Lichtstrahlen 12 und 16. Die Elektroden 32, 42 und 44 enden an einem Punkt, wo die Lichtstrahlen 12 und 16 180º außer Phase sind. Die Strahlen 12 und 16 werden in einen Ausgang eingekoppelt, der eine Exklusiv-ODER-Funktion der Lichtstrahlen 12 und 16 besitzt. Die Erhebungen 38 und 39 der Struktur 40 entsprechen den Wellenleitern 14 und 18 der Struktur 10. Die Vorrichtung 10 kann ebenfalls in einer Wellenleiter-Erhebungstechnologie aus LiNbO&sub3; entsprechend der zuvor beschriebenen Wellenleiter-Erhebungstechnologie in AlGaAs hergestellt werden.
Figur 5 ist ein Schema eines monolithischen optisch-elektronischen Wandlers 50, der die Vorrichtung 10 enthält. Ein Laser 52 gibt ein Lichtsignal zu einem 3 Dezibel (dB)-Koppler 54 aus, der das Signal zu gleichen Anteilen auf die Lichtführungen 58 und 60 entsprechend aufspaltet, die das nächste am wenigsten signifikante Bit und das nächste am meisten signifikante Bit repräsentieren. Die Kanal-Intensitätssteuerung 56 ist eine Gleichspannung, die die Aufspaltungsfunktion des Kopplers 54 fein einstellt, so daß Signale gleicher Intensität zu den Lichtführungen 58 und 60 verlaufen. Die Leitung 62 führt ein 60 Gigahertz-Signal zu dem Koppler 54 und moduliert die Lichtsignale auf den Leitungen 58 und 60. Die Kopplung der Leitung 62 mit dem Koppler 54 muß dergestalt sein, daß eine Anpassung der elektrischen und optischen Geschwindigkeiten erfolgt, so daß ein Minimum an Signalauswanderung vorliegt. Das modulierte Lichtsignal auf dem Leiter 58 geht zu dem 3 dB-Koppler 64, welcher das Signal in zwei gleiche Signale aufspaltet, von denen eines auf den Leiter 58 gesendet wird, der den nächst weniger signifikanten Bitkanal repräsentiert und von denen das andere auf den Leiter 66 gesandt wird, der den nächst signifikanteren Bitkanal repräsentiert. Die Intensitätssteuerung 68 stellt den Koppler 64 ein, so daß das Signal gleichmäßig aufgespalten wird. Das Signal zu dem Koppler 70 wird in zwei Signale aufgespalten, von denen eines zu dem Leiter 60 des nächst signifikanteren Bitkanales und das andere zu dem Leiter 72 verläuft, der den signifikantesten Bitkanal repräsentiert. Die Intensitätssteuerung 74 bewirkt eine Feineinstellung des Kopplers 70.
Eine Kanal-Abgleichsteuerung 76 dient der Feineinstellung der Aufspaltung der modulierten Lasersignale für jeden der Eingänge bzw. Arme des Mach-Zehnder- Interferometers, das den A/D-Wandler 80 bildet. Ein mit bis zu 30 GHz abgetastetes Analogsignal wird auf einer Leitung 78 zu dem A/D-Wandler 80 gebracht, der ein Interferometer, wie beispielsweise ein Mach-Zehnder- Interferometer, für jeden der vier Bit-Kanäle besitzt. Die Elemente eines jeden Interferometers sind abgeglichen für eine Geschwindigkeitsanpassung der elektrischen Signale und der Lichtsignale. Der Wandler 80 wandelt die abgetasteten Analogsignale auf der Leitung 78 in digitale Signale um. Der Ausgang des Wandlers 80 ist ein Ausgang im Graycode, der weiter zu dem optischen Graycode/Binärcode-Umsetzer 82 verläuft, der drei Einrichtungen 10 umfaßt, wie sie in Figur 2 veranschaulicht sind. Die optischen Signalausgänge des Umsetzers 82 verlaufen zu Hochgeschwindigkeits-InPl/InGaAs/InP- Fotodioden 84, in denen die optischen Signale in elektrische Signale umgesetzt werden, die durch verteilte Breitbandverstärker 86 verstärkt werden. Die Ausgänge der Verstärker 86 verlaufen zu einstellbaren Mikrowellen- Dämpfungsgliedern 88, deren Ausgänge miteinander verbunden sind, um einen analogen Ausgang vorzugeben. Der Umsetzer 82 und die optisch/elektrischen Wandler 90 ergeben zusammen vier Bit-D/A-Wandler mit sehr hoher Geschwindigkeit, die optische Graycode/Binärcode-Umsetzer enthalten. Der analoge Ausgang des Wandlers 90 verläuft zu einer Empfangseinrichtung 92, die eine Anzeige, wie beispielsweise ein 70 GHz-Hypres-Abtastsystem sein kann.

Claims

1. Optischer Wandler, aulweisend:

einen ersten Lichtleiter (14) zum Führen eines ersten Lichtsignales (12);

einen zweiten Lichtleiter (18) zum Führen eines zweiten Lichtsignales (16);

eine Phasenschieberelektrode (20), die an eine Gleichspannung angeschlossen ist, um die Phase der ersten und zweiten Lichtsignale zu verschieben; und

einen Summen-Lichtleiter (24), der an den ersten und zweiten Lichtleiter angeschlossen ist, um die ersten und zweiten Lichtsignale zu summieren, wobei die ersten und zweiten Lichtleiter (12, 14; 16, 18) und der Summen-Lichtleiter (24, 28) in integrierter optoelektronischer Technologie hergestellt sind und wobei die Phasenschieberelektrode (20) die Phase zwischen den ersten und zweiten Lichtsignalen so verschiebt, daß die ersten und zweiten Lichtsignale um 180º außer Phase in bezug aufeinander sind; und

der Summen-Lichtleiter (24) nur dann zu einem Ausgang von Null aufgrund der gegenseitigen Aufhebung der phasenverschobenen ersten und zweiten Signale führt, wenn die ersten und zweiten Lichtsignale auf den ersten und zweiten Lichtleitern entsprechend vorliegen und nur dann zu einem Signalausgang (28) führt, wenn nur das erste oder das zweite Lichtsignal auf den ersten und zweiten Lichtleitern entsprechend vorliegt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschieberelektrode (20; 32, 42, 44) in enger Nachbarschaft und äquidistant zu beiden ersten und zweiten Lichtleitern (12, 10) in koplanarer Geometrie der integrierten elektrooptischen Technologie angeordnet ist, wobei die Gleichspannung steuerbar ist, um die Phase der ersten und zweiten Lichtsignale (12, 16) auf die relative Phasendifferenz von 180º zu verschieben.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter in AlGaAs-Wellenleitererhebungs-Technologie hergestellt sind.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter in LiNbO&sub3;-Wellenleitererhebungs-Technologie hergestellt sind.

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:

der erste Lichtleiter eine erste optische Faser (14) ist;

der zweite Lichtleiter eine zweite optische Faser (18) ist; und

der Summen-Lichtleiter eine dritte optische Faser (24) in enger Nachbarschaft zu den ersten und zweiten optischen Fasern ist.

5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,daß:

die Länge der Elektrode (20) in enger Nachbarschaft zu den ersten und zweiten optischen Fasern (14, 18) ungefahr 3 mm beträgt; und

die Länge der dritten optischen Faser (24) in enger Nachbarschaft zu den ersten und zweiten optischen Fasern ungefähr 3 mm beträgt.

6. Wandler nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch:

eine erste mit dem ersten Lichtleiter verbundene Abgleichvorrichtung (54, 64) zur Einstellung der Intensität des ersten Lichtsignales; und

eine zweite mit dem zweiten Lichtleiter verbundene Abgleichvorrichtung (54, 70) zur Einstellung der Intensität des zweiten Lichtsignales, so daß die wirksamen Intensitäten der ersten und zweiten Lichtsignale einander gleich sind und sich aufheben, wenn die ersten und zweiten Lichtsignale 180º außer Phase sind und in die dritte optische Faser eingekoppelt werden.

7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Abgleichvorrichtungen (54; 64, 70) spannungsgesteuerte 3-Dezibel-Koppler sind.