SE463739B - Foerfarande och anordning att oeka bandbredden i en hoeghastighetsmodulator - Google Patents

Description

10 15 50 2 aífiï f? T! C! . - u ' ' J den fasskililnåd mellan optisk signal och mikrovågssignal som uppstår genom skillnaden i utbredningshastighet. Samtidigt är det med hänsyn till driveffekten (dvs den mikrovågseffekt som åtgår för modulationen) önskvärt att använda så lång interaktionssträcka och därmed så långa transmissionsledare som möjligt.

Enligt ovan leder olikheten i utbredningshastigheterna till en relativ fasför- skjutning mellan mikrovåg- och ljussignal och då denna fasförskjutning är 1800 och större fås en försämring av modulationsegenskaperna vid fortsatt koppling över resten av interaktionssträckan, dvs. en bandbreddsbegränsning. En minsk- ning av interaktionssträckan för att motverka en sådan försämring medför enligt ovan att driveffekten måste ökas. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att reducera inverkan av den fasförskjutning som uppstår mellan en modulerande mikrovågssignal (med allmänt låg utbredningshastighet) och en modulerad optisk signal med högre utbredningshastighet än mikrovågssignalen med bibehållande av en tillräckligt lång interaktionssträcka, dvs att med bibehållen driveffekt öka bandbredden, respektive att vid bibehållen bandbredd minska driveffekten.

I enlighet med det föreslagna förfarandet sker en polvändning av den modul- erande signalen efter det att den modulerande signalen, pg a skillnaden i utbredningshastighet, fasvridits 1800 relativt den optiska signalen. Härigenom uppnås en sådan förändring av den modulerande signalen att denna, trots att interaktionssträckan motsvarar Zflf fasskillnad, kan ge en modulation av den optiska signalen. F örfarandet är därvid kännetecknat så som framgår av patentkravets l kännetecknande del.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall närmare beskrivas med hänvisning till bifogad ritning, där figur l visar en höghastighetsmodulator i form av en integrerad optisk krets av känt utförande; figur 2 visar ett tvärsnitt av kretsen enligt figur l; figurerna 3 och 4 visar i diagram ljusenergins fördelning i kretsen enligt figur 1; figur 5 visar ett diagram över modulerande mikrovågssignaler som uppträder i kretsen enligt figurl; 'I 10 15 20 25 30 3 ä :fj '1 f; C13 figur 6 visar ett kopplingsschema över en elektrodstruktur hos en rflæk pbläir-l modulator som utnyttjar förfarandet enligt uppfinningen; figur 7 visar i ett diagram spänningsfördelningen utmed elektroderna i rikt- kopplarmodulatorn enligt figur 6.

UTFÜRING SF ORMER Figur 1 visar en höghastighetsmodulator bestående av en s k optisk riktkopplare med ett par identiska och plana vågledare (s k strip-lines) 4 och 5, vilka leder en modulerande mikrovågssignal som modulerar en inkommande ljussignal genom den optiska vågledaren l från exempelvis en laserdiod. De båda ljusledarna 1 och 2 i modulatorn är placerade så nära varandra att inmatat ljus genom exempelvis ledaren l utmed sträckan Û-L kan kopplas över till ledaren 2. De plana vågledarna 4 och 5 är anslutna till varandra via ett belastningsmotstånd 6.

Längden L hos vardera ledaren 4,5 utgör den s k interaktionssträckan.

En mikrovågssignalv matas över ingången till ena ledaren 4. Mikrovågssig- nalenv antages sinusformad och kommer vid sin utbredning utmed inter- aktionssträckanL att påverka ljusets koppling mellan de båda ljusledarnal och 2, varvid ljussignal kan fås över utgången hos ledaren 2, varigenom modul- ering kan erhållas.

Figur 2 visar ett tvärsnitt av kretsen enligt figur l utmed snittet A-A. På ett substrat 7 av litiumniobat (LiNbüz) har medelst Ti-indiffusion de två ljus- ledarna l och 2 med högre brytningsindex än litiumniobatet skapats. Ovanpå den plana övre ytan är de båda vågledarna 4 och 5 anordnade i form av strip-lines (av aluminium).

Om det i figur l antages att signalen v är en ren likspänning (f=Û, v=V0) fas en fördelning av ljusenergin genom ledarna l, 2 som visat i figur 3 och 4, i ett visst tidsögonblick. Figur 3 visar fallet v=VÛ=0 och det framgår att vid interaktions- sträckans början l=0, dvs. vid ingången till vågledaren l leder denna fiber allt ljus. Under intervallet 0 vågledare 2 så att vid l=L vågledaren 2 leder allt ljus. Under intervallet L/ 2 kommer ljus från fiber 2 att kopplas över till fiber 1 på liknande sätt. Man får således en växelvis övergång av ljus från den ena vågledaren till den andra utmed interaktionssträckan Û-L. 1D 15 20 25 30 ö ' 7 9 Pålägges en likspänning över ljusledarna 1, 2 kommer denna att påverka kopp- lingen mellan vågledarna 1 och 2 så att för en viss spänning v=VÛfÛ Sker ingen överkoppling mellan ledarna, ljusstyrkan (-energin) kommer endast att svagt variera enligt figur 4.

Av det ovanstående framgår således att det ljus som erhålles över utgången av exempelvis vågledare l kan moduleras av en modulerande spänning v över ingången till ljusledarna l, 2 enligt figur 1. I det fall att denna signal utgörs av en mikrovågssignal, vars våglängd Ãm>>L uppstår inga problem med sådan modulering av ljuset.

Då emellertid frekvensen hos mikrovågssignalen vid höghastighetsmodulering ökas så att fasskillnaden mellan ljus och mikrovågssignal närmar sig 277' efter interaktionssträckan L uppstår problem att erhålla modulering, eftersom något positivt (eller negativt) bidrag svarande mot spänning VÛ (-V0) even Sem ger modulation ej kan erhållas. Detta p g a att vid en hel period av fasskillnaden mellan mikrovågssignalen v och ljuset de positiva och de negativa halvvågorna upphäver varandra och modulationsverkan försvinner. Detta innebär en band- breddsbegränsning hos modulatorer av den typ som visats i figur l.

Figur 5 avser att närmare åskådliggöra ovannämnda problem med bandbredds- begränsningen. Diagrammet enligt figur 5 visar tre olika mikrovågssignaler vl, V2, V3 med olika frekvens. Signalen vl som har lägst frekvens har en våg- längd Ål som i figuren är större (i verkligheten mycket större) än inter- aktionssträckan L. Denna signal ger uppenbarligen för varje fasläge 0-3600 ett positivt bidrag inom interaktionssträckan och således fås en egentlig modulation enligt figur l. Signalen V2 har så hög frekvens att skillnaden i utbredningstid över sträckan L motsvarar en mikrovågsperiod Tm, vilket medför att ingen resulterande förändring inom interaktionssträckan L sker. Detta gäller för varje fasläge hos mikrovågen. Således fås ingen egentlig modulation.

Om frekvensen hos mikrovågssignalen ökas ytterligare, signalen V3, ger detta visserligen ett nettotillskott (streckad yta i figur 5). Detta tillskott är emeller- tid i praktiken obetydligt för att få modulering och därmed innebära ökning av bandbredden. 10 15 20 25 30 5 I enlighet med uppfinningen föreslås en metod att öka bandbiišëæåliilän höghastighetsmodulator av i figur l visat slag genom att förändra den modu- lerande signalen under interaktionssträckan så att effektiv modulering åstad- kommes även för mikrovågssignaler, vilkas frekvens är så hög att skillnaden i utbredningstid över stäckan L motsvarar en mikrovågsperiod enligt ovan. Nämn- da förändring kan åstadkommas genom exempelvis en polväxling av signalen efter halva interaktionssträckan så att denna efter polvändningen blir likriktad (i figur 5 antydd med streckade linjer hos V2), varigenom erforderligt nettotill- skott kan erhållas.

Figur 6 visar en optisk riktkopplarmodulator av samma slag som figur l men modifierad enligt det föreslagna förfarandet. Mikrovågsingången är via en kondensator Cl ansluten till den plana vågledaren som i detta fall har delats upp i två delar ha respektive lib, vilka är anslutna till varandra över en kondensator C. En positiv likspänning +E är via en induktans Ll ansluten mellan kondensatorn Cl och ingången till vågledardelen 4a. Delarna 4a, 4b är plana strip-lines liksom i kretsen enligt figur l. Utgången av vågledardelen 4b är över en kondensator CZ och en belastning 6 ansluten till utgången av vågledaren 5, vilken är av samma utförande som motsvarnde vågledare i figur l. En negativ likspänning -E är via en induktans Lz ansluten till utgången av vågledar- delen 4b, och ingången till vågledaren5 är jordad. Liksom i kretsen enligt figur 1 löper optiska vågledare l och 2 parallellt med vågledardelarna 4a, lib respektive vågledaren 5. Genom de båda spänningarna +E och -E har kretsen enligt figur5 förspänts positivt och negativt relativt jord, varigenom en polväxling av en inkommande mikrovågssignal efter halva interaktionssträckan åstadkommíts.

Figurerna 7-10 visar mikrovågens spänningsfördelning utmed interaktionssträc- kan för fyra olika faslägen relativt ljuset, dvs. vid två skilda tidsögonblick.

Figur 7a-l0a visar förspänningarnas +EI, -E fördelning, fig. 7b-lÛb mikrovågens fördelning (om ej någon förspänning används) och figur 7c-l0c den totala spänningsfördelningen för de olika faslägena 00, 900, 1800 och 2700.

När fasvridningen är Do (figur 7a-c) kommer bidraget från förspänningarna +E och -E att samverka med mikrovågssignalen och då fasvridningen blivit 1800 (figur 9a-c) kommer likspänningsbidraget att motverka mikrovågssignalen. För 10 15 759 de båda faslägena 900 och 2700 sker en samverkan under en halvperiod och motverkan under nästa halvperiod, vilka upphäver varandra. Ytorna under respektive kurvor enligt figurerna 7c-lÛc kommer således att variera från ett maximivärde (vid 00 fasskillnad) till ett minimivärde (vid 1800 fasskillnad).

Denna variation i ytorna ger den önskade modulationen av den optiska signalen.

Datorsimuleringar för ovan integrerade optiska riktkopplare har visat att den nya elektrodstrukturen får en bandpasskaraktär samt att dess bandbredd ökar till ungefär det dubbla gentemot den kända elektrodstrukturen enligt figur l med samma fysiska längd (L). Den optiska modulationen sjunker dock något i det aktuella fallet med den nya elektrodstrukturen. Detta innebär att man måste höja den elektriska modulationseffekten motsvarande om den optiska modulationen ut från riktkopplaren skall hållas konstant.

En förändring av mikrovågen utefter interaktionssträckan som ger upphov till modulation av ljussignalerna kan även uppnås utan användning av förspänningar, dvs. då E=Û i figurerna 7-10. Figur ll visar elektrodstrukturen för en sådan modulator, där samma hänvisningsbeteckningar bibehållits som i figur 6.

Claims (3)

10 10 15 -p . C”- C, J \~'.i (_ L! xí) 7 PATENTKRAV

1. Förfarande att i en optisk höghastighetsmodulator av vandringsvågtyp öka den tillgängliga bandbredden vid modulering av en optisk signal genom inverkan utmed en viss interaktionssträcka av en modulerande signal (v) med lägre frekvens än den optiska signalen, varvid interaktionssträckans längd (L) motsva- rar en löptidsskillnad mellan modulerande signal och ljus på ett helt antal perioder hos den modulerande signalen, och varvid interaktionssträckan (L) uppdelats i åtminstone två lika delar k ä n n e t e c k n a t av att den module- rande signalen (v) efter genomlöpning av halva interaktionssträckan svarande mot åtminstone en halv mikrovågsperiod i relativ urfasning förskjutes genom att förspänna det ena avsnittet med en positiv polaritet (+E) och det andra avsnittet med en negativ polaritet (-E), så att en förändring av den moduleran- de signalen i beroende av dess fasläge erhålles, varigenom modulation av den optiska utsignalen uppnås.

2. Anordning för utförande av förfarandet enligt patentkrav 1, vid en optisk riktkopplarmodulator av vandringsvågtyp vilken utgörs av två parallellt löpande plana metalliska vågledare (4a,4b,5), vilkas längd definierar en interaktione- sträcka (L) och med en ingång över vilken en modulerande mikrovågssignal (v) uppträder, vilka vågledare är förbundna via ett belastningsmotstånd (6), och optiska vågledare (1,2), för att leda en optisk signal med en viss frekvens är anordnade parallellt med nämnda metalliska vågledare, varvid den optiska signalen i beroende av mikrovågssignalen kopplas från den ena vågledaren (1) till den andra (2), och varvid åtminstone den ena metalliska vågledaren är uppdelad i två lika långa avsnitt (liaßb), k ä n n e t e c k n a t av att en positiv förspänning (+E) är ansluten till det ena avsnittet (ha) och en negativ förspän- ning (-E) är ansluten till det andra avsnittet (lab) för att åstadkomma en spänningsförskjutning av den modulerande signalen (v), samt att de båda avsnit- ten (4a,4b) är förbundna medelst ett kopplingselement (c) för den modulerande signalen (v).

3. Anordning enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda kopplingselement utgörs av en kondensator (c) som genomkopplar den module- rande signalen (v) men spärrar för nämnda förspänningar (+E,-E).