SE523350C2 - Modulatorsändare för fiberoptisk kommunikation vid höga hastigheter - Google Patents

Description

523 350 specificerade för varje kommersiell standard, såsom SONET (_s_ynchronous gptical gçlwork) eller Ethernet (IEEE 802.3).

Transistorerna i den elektriska drivkretsen liksom i den optoelektriska enheten ger begränsningar i sändarens arbetskapacitet. Dessa begränsningar beror på en kombination av interna laddnings- och transittider.

De båda enheternas transistorer ger ytterligare begränsningar i högsta möjliga ER. Å ena sidan begränsar risken för lavingenombrott den maximala spänning som transistorerna kan hantera. Å andra sidan kräver den optoelektriska enheten en minimispänning för att ge tillräckligt ER. Maximal operationshastighet för alla slags transistorer, bipolära eller FET, i ett givet halvledarmaterial bestäms av .transistorns geometriska utsträckning. Ökad hastighet kräver i allmänhet mindre storlekar, vilket i sin tur sänker lavingenombrotts- spänningarna för komponenterna.

Således måste en kompromiss alltid göras mellan hastighet och spänning för alla transistorer av ett specifikt material. Denna kompromiss refereras oftast till som Johnson-gränsen.

När dimensionerna reduceras för ljusmodulatorer, såsom vanliga elektroabsorbtionsmodulatorer (EAM) eller elektroabsorbtions- modulatorer av vandringsvågstyp (TWEAM), för att öka deras respektive maximala operationshastighet, kommer även den spänning som krävs för ett visst ER att öka. Detta beror på att storleksreduktionen förkortar den distans över vilken ljusfältet och det elektriska fältet kan interagera.

Därför blir en kombinerad elektrisk drivkrets och optoelektrisk enhet begränsad vad avser en kombination av hastighet och utsläckningsförhållande. Det är nämligen nödvändigt att göra en spänningskompromiss mellan den elektriska drivkretsen och den optoelektriska enheten.

Det finns två fundamentalt olika men tämligen rättframma angreppssätt för att kringgå problemet med spänningens 10 15 20 25 30 (II fx) (JJ CN (11 CI) . .ån koppling mellan den elektriska drivkretsen och den optoelektriska enheten. Antingen kan halvledarmaterialet i den elektriska drivkretsen ändras, så att transistorerna får ett större bandgap och således kan hantera högre spänningar innan_ lavingenombrott uppstår, eller sä kan den optoelektriska enheten förbättras för att ge större bandbredd redan vid en relativt låg drivspänning.

Angreppssätt 1: Dagens vanliga transistorer för höga hastigheter har kollektor eller drain-områden av kisel (t.ex.

CMOS-transistorer (gomplementary metal-gxide _s_emiconductor) och SiGe bipolära transistorer) eller lnGaAs (t.ex. i SHBT (single heterojunction bipolar 1ransistor)). CMOS-kretsar, där transistorerna har brytfrekvenser i storleksordningen 100 GHz och typiskt är mindre än 0.10 um stora, är i allmänhet begränsade till matningsspänningar under 1.5 V. Bipolära kiseltransistorer med brytfrekvenser över 100 GHz förväntas ha genombrottsspänningar kollektor-emitter under 2.0 V, och de ännu snabbare lnP-baserade SHBT:erna med brytfrekvenser över 200 GHz har genombrottsspänningar strax över 1 V. I forskningssammanhang har dock bipolära transistorer med brytfrekvenser på 200-300 GHz och genombrottsspänningar runt 5 V demonstrerats.

Angreppssätt 2: För TWEAM:er kan förhållandet mellan bandbredd och drivspänning förbättras genom att längden på modulatordelen kortas. Tabellen nedan exemplifierar några typiska state-of-the-art-värden för detta.

Längd (pm) lade-BW (GHz) [ER (de för 1v) 950 14 40 450 43 22 250 67 12 Även om väsentliga förbättringar görs enligt endera eller båda dessa angreppssätt måste en spänningskompromiss ändå till slut göras.

Känd teknik inkluderar även ett antal alternativa angreppssätt 10 15 20 25 30 35 (.J'1 |\\) (N LN LH CD - -Gu för att uppnå effektiva fiberoptiska modulatorer för höga hastigheter. Exempelvis kan multipla konsekutiva modulatorsteg användas för generering av de optiska pulserna.

G. L. Li m.f|. ger ett första exempel i artikeln ”Ultrahigh-Speed Travelling-Wave Electroabsorption Modulator - Design and Analysis”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techni- ques, volym 47, n-r 7, -sid 1177 - 1183, juli 1999. Artikeln beskriver i första hand en kretsmodell för TWEAM:er. Dock presenterar dokumentet även en passiv version av en modulator med ett flertal kaskadkopplade sektioner. Den optiska vågledaren inkluderar här relativt långa passiva delar mellan ganska korta modulerande sektioner. Trots att tanken bakom denna konstruktion är att matcha hastighet/fördröjning mellan det elektriska och det optiska fältet vid den standardiserade inimpedansen (50 ohm) misslyckas den med att uppnå den nödvändiga reduktionen av drivspänningen.

V. Kaman m.f|., "lntegrated Tandem Electroabsorption Modulators for High-Speed OTDM Applications", IEEE Photonic Technology Letters, volym 12, nr 11, sid 1471 - 1473, november 2000, beskriver en optisk kortpulsgenerator- och demultiplexerlösning för OTDM-system (gptical time division multiplex) som opererar vid bit-hastigheter over 100 Gb/s. Dock föreslås ingen faktisk modulatorstruktur. Dessutom kräver OTDM-signalerna RZ-format (return to gero), vilket är mindre bandbreddseffektivt än det oftare använda NRZ-formatet (gon- geturn to gero) och därför inte är lika kommersiellt attraktivt.

US 5798856 beskriver en optisk pulsgenerator som innefattar två eller flera kaskadkopplade EAM:er. Minst en modulator av en första uppsättning modulatorer producerar en sekvens av korta optiska pulser. En följande modulator kan sedan blockera eller släppa igenom dessa optiska pulser baserat på en informationssignal, på så sätt att en optisk utsignal representerar denna information. Dokumentet visar även ett konstruktionsexempel där en laserdiod integreras på samma substratstruktur som modulatorerna. Dock kräver alla de 10 15 20 25 30 (_11 ND CN CN (Ti CD - u.. föreslagna utförandena jämförelsevis hög spänningsamplitud för att representera informationssignalen. Detta resulterar i sin tur i stora förluster och problem relaterade till effektförluster.

Dessutom är den genererade optiska signalen i RZ-format, vilket såsom ovan nämnts använder bandbredden relativt dåligt.

SAMMANFATTNING-AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma en effektiv optoelektrlsk sändarlösning, som minskar ovan nämnda problem och således innebär en väsentlig förbättring av förhållandet mellan sändarens bandbredd och utsläcknings- förhållande.

Detta syfte uppnås enligt en aspekt av uppfinningen genom en optoelektrisk sändare såsom tidigare beskrivits, vilken kännetecknas av att den innefattar en elektrisk transmissions- ledning för mottagning av en första elektrisk signal. Den optoelektriska sändaren inkluderar även minst en andra drivkrets för mottagning av en fördröjd version av den första elektriska signalen via den elektriska transmissionsledningen.

Som svar på den fördröjda signalen producerar den minst en andra drivkretsen minst en andra förstärkt elektrisk signal.

Dessutom är en kontinuerlig optisk vågledare inkluderad i den optoelektriska sändaren. Den optiska vågledaren tar emot en optisk signal med konstant intensitet, den första förstärkta elektriska signalen och den minst en andra förstärkta elektriska signalen, och producerar som svar på dessa signaler en resulterande optisk signal som innefattar samma information som den elektriska signalen.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen inkluderar den kontinuerliga optiska vågledaren en modulatorsektion för var och en av drivkretsarna. Dessa modulatorsektioner tar emot var sin förstärkt elektrisk signal. De tar dessutom emot var sin optisk signal via den optiska vågledaren. Som svar på de mottagna signalerna producerar varje modulatorsektion var sin 10 15 20 25 30 01 ß.) (JJ (N 01 CI) modulerad optisk signal. Den resulterande optiska signalen motsvarar en samverkan mellan dessa optiska signaler.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen inkluderar den elektriska transmissionsledningen ett fördröjande element mellan den första drivkretsen och var och en av de minst en andra drivkretsarna. Varje sådant fördröjningselement ger en bestämd-fördröjning av den elektriska signalen, vilken är ekvivalent med den fördröjning som var och en av modulatorsektionerna ger för den modulerade optiska signalen.

Således överensstämmer de elektriska signalerna från den minst en andra drivkretsen i fas med den första modulerade optiska signalen (liksom med varandra).

Enligt ytterligare en föredragen utföringsforrn av uppfinningen tar transmissionsledningens första ände emot den första elektriska signalen, och ett termineringsmotstånd i en andra ände av transmissionsledningen terminerar all kvarvarande energi i den första elektriska signalen. På detta sätt undviks oönskade stående vågor i transmissionsledningen.

Syftet uppnås enligt en annan aspekt av uppfinningen genom en metod för konvertering av en elektrisk signal till en optisk signal, såsom tidigare beskrivits, vilken kännetecknas av följande procedursteg: produktion av en första fördröjd elektrisk signal genom fördröjning av den första elektriska signalen i proportion till en processfördröjning i produktionen av den första modulerade optiska signalen, på så sätt att en förstärkt version av den första fördröjda elektriska signalen överensstämmer i fas med den första modulerade optiska signalen, förstärkning av den första fördröjda elektriska signalen till en andra förstärkt elektrisk signal, modulering av den första modulerade optiska signalen med avseende på den andra förstärkta elektriska signalen till en andra modulerad optisk signal, och formande av en resulterande optisk signal genom samverkan mellan åtminstone den första modulerade optiska signalen och den andra modulerade optiska signalen. 10 15 20 25 30 s nå..

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar den föreslagna metoden även de ytterligare stegen att: producera minst en andra fördröjd elektrisk signal genom fördröjning av den första elektriska signalen i proportion till processfördröjningen i produktionen av den andra modulerade optiska signalen på så sätt att en förstärkt version av den andra fördröjda elektriska signalen överensstämmer i fas med den andra modulerade optiska signalen, förstärkning av den andra fördröjda elektriska signalen till en tredje förstärkt elektrisk signal, modulering av den andra modulerade optiska signalen med avseende på den tredje förstärkta elektriska signalen till en tredje modulerad optisk signal, och formande av den resulterande optiska signalen genom samverkan mellan den första, den andra och den tredje modulerade optiska signalen.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen repeteras de fördröjande, förstärkande, modulerande och samverkande stegen med avseende på minst en ytterligare cykel, och i den resulterande optiska signalen ingår även en fjärde modulerad optisk signal.

Den föreslagna multisektions-modulatorstrukturen erbjuder för ett givet utsläckningsförhållande en signalspänningsamplitud som är väsentligen lägre än för någon känd multisektions- modulatorstruktur. Detta garanterar i sin tur förbättrade hastighets- och frekvensprestanda oberoende av modulatortyp, transistorteknologi och halvledarmaterial.

Transistorerna i modulatorns drivkretsar kan således samtidigt ha en så hög övre frekvensgräns och låg genombrottsspänning att transistorer av godtyckligt halvledarmaterial kan användas vid höga bit-hastigheter.

En ytterligare konsekvens av uppfinningen är att konstruktörer av optoelektriska sändare ges en större frihetsgrad vid valet av sändarens inimpedans. Denna impedans kan nämligen nu väljas till ett värde som skiljer sig från modulatorsektionens karakteristiska impedans. 10 15 20 25 (Ti I\J (N LN 0-1 CJ Slutligen tillåter uppfinningen överföring av elektriskt tidsmultiplexade optiska utsignaler av NRZ-format vid bit- hastigheter över 100 Gb/s. Detta är bättre än alla kända alternativa konstruktioner.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen kommerwnu att förklaras närmare med hjälp av föredragna utföringsformer, vilka beskrivs som exempel, och med hänvisning till de bifogade ritningarna. visar ett allmänt blockschema över en känd konstruktion av en optoelektrisk sändare, Figur 1 visar ett kretsschema över en i sig känd optoelektrisk sändare med en sektion, Figur 2 visar en graf representerande en spänningspuls som levereras av drivkretsen i figur 2, Figur 3a Figur 3b visar en graf representerande en motsvarande optisk puls som produceras av den optoelektriska sändaren i figur 2, visar ett kretsschema över en optoelektrisk sändare enligt en utföringsform av uppfinningen, Figur 4 visar en graf representerande spänningspulser som levereras av den optoelektriska sändarens i figur 4 drivkretsar, Figur 5a Figur 5b visar en graf representerande motsvarande optiska pulser som produceras av den optoelektriska sändaren ifigur4,och Figur6 illustrerar, med hjälp av ett flödesschema, en allmän metod enligt uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 (Ill I\J (N CN (fl CD o :Lg- BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFlNNlNGEN Figur 1 visar ett allmänt blockschema över en känd optoelektrisk sändare 100 som kan inkludera en optoelektrisk modulator 120 av godtycklig typ. En optisk signalkälla 110, exempelvis en halvledarlaser, i sändaren 100 producerar en optisk grundsignal Bo, vilken i sig saknar informationsinnehåll. Den optiska grundsignalen BO kan ha vilket format som helst som är användbart i den specifika tillämpningen. Den optoelektriska modulatorn 120 tar också emot en elektrisk signal Se som representerar information. Med hjälp av den optoelektriska modulatorn 120 modulerar den elektriska signalen Se den optiska grundsignalen Bo så att en optisk utsignal S0 produceras som representerar samma information som den elektriska signalen Se. I de flesta fall tar en optisk fiber 121 emot den optiska utsignalen S., och vidarebefordrar denna till de avsedda slutmottagarna.

Figur 2 visar ett kretsschema över en i sig känd optoelektrisk sändare av TWEAM-typ med en sektion. Den optiska grundsignalen Bo i figur 1 utgör här en optisk signal med konstant intensitet CWO, som kan ha genererats av en halvledarlaser. "Den konstanta optiska signalen CWO matas direkt till en optisk vågledare 221 som även fungerar som en modulatorsektion. Den optiska vågledaren 221 har en längd L, typiskt i storleksordningen 250-1000 um, och termineras av ett termineringsmotstånd 222 i närheten av sin utgång.

Utöver den optiska signalen med konstant intensitet CWO tar den optiska vågledaren 221 även emot en förstärkt elektrisk signal V' från en drivkrets 223. Drivkretsen 223 tar i sin tur emot en första elektrisk signal V och producerar som svar den förstärkta elektriska signalen V' med motsvarande karakteristik. Alla spänningsvariationer i ingångsspänningen V reflekteras således av ekvivalenta variationer i den förstärkta elektriska signalen V'.

Specifikt ger en spänningspuls med en viss amplitud och längd en ekvivalent puls i den förstärkta elektriska signalen V', 10 15 20 25 30 35 525 350 10 exempelvis med en amplitud av storleksordningen Av, initierad vid en första tidpunkt t1 och avslutad vid en andra, något senare, tidpunkt. Figur 3a visar en grafisk representation av en sådan puls.

När denna puls når den optiska vågledaren 221 interagerar den optiska signalens CW., ljusfält med den elektriska signalens V' elektriska fält. - Som -ett resultat av detta produceras en modulerad optisk signal Poppv, vilken representerar nämnda första elektriska signals V puls. Figur 3b visar en graf över den senare pulsen. Dock startar på grund av överföringstiden genom den optiska vågledaren 221 den optiska signalpulsen Popw först en tid ö efter den första elektriska signalens V puls. Tiden ö är i allmänhet proportionell mot vågledarens 221 längd L. Den optiska signalen Popw har ett högt tillstånd P, dBm och ett lågt tillstånd P0 dBm (där enheten ”dBm” innebär decibel relativt 1 milliwatt = 10* watt), vilket gör att ER för den optiska signalen Poppv blir ER = P1 - P0, där ER uttrycks i dB.

Uppfinningen kombinerar existerande tekniker för optimering av frekvensbeteendet för den elektriska drivkretsen och den optoelektriska enheten med existerande tekniker för ökning av den uppnäeliga effekten på den optiska signalen, för att uppnå en mycket hög transmissionshastighet för den optoelektriska sändaren. » Figur 4 visar ett kretsschema över en optoelektrisk sändare enligt en utföringsform av uppfinningen. Även om den utföringsform som skall beskrivas hänför sig till modulatorer av TWEAM-typ kan uppfinningen appliceras lika väl på andra typer av modulatorer. Exempelvis kan koncentrerade elektro- absorbtionsmodulatorer (EAM) eller Mach-Zender-modulatorer kaskadkopplas enligt den föreslagna principen. Den förra typen av modulatorer har de flesta kännetecken gemensamma med TWEAM:er, dock är deras bandbredd något smalare. Den senare typen av modulatorer är flera storleksordningar större och kräver i allmänhet högre drivspänningar. De generella arbetsprinciperna motsvarar dock de som gäller för TWEAM:er. l 10 15 20 25 30 (fl DJ (N 'I ll CD 11 artikeln "Modeling and Optimization of Traveling-Wave LiNbO3 Interface Modulators", IEEE Journal of Quantum Electronics, volym 27, nr 3, mars 1991, beskriver H. Chung m.f|. utmärkande drag för denna typ av modulatorer.

Uppfinningen kan dessutom användas för förbättring av prestanda för framtida tekniker för utveckling av frekvensbeteende för- den elektriska drivkretsen och den optoelektriska enheten och/eller ökning av uppnåelig optisk effekt.

Den optoelektriska sändaren i figur 4 innefattar en optisk signalkälla 410, en kontinuerlig optisk vågledare 421, en elektrisk transmissionsledning 424 och en uppsättning drivkretsar 423a - 423c.

Den optiska signalkällan 410 levererar en optisk signal med konstant intensitet CW., till den optiska vågledaren 421. En första elektrisk signal Se som representerar information matas till en första ände av den elektriska transmissionsledningen 424.

En första drivkrets 423a tar också emot den första elektriska signalen Se.

Den första elektriska signalen Se kan ha godtyckligt format och således bära "informationen enligt godtycklig representation.

Exempelvis kan spänning lägre än en första nivå representera ett lågt tillstånd, motsvarande en binär och spänning högre än en andra nivå representera ett högt tillstånd, motsvarande en binär (De första och andra nivåerna kan naturligtvis sammanfalla). Således kan den binära sekvensen ”010” symboliseras av en spänningspuls Se som först är låg, sedan ökar till ett högt tillstånd och till sist återgår till ett lågt tillstånd.

Figur 5a visar en graf över en sådan spänningspuls S; efter förstärkning i den första drivkretsen 423a. Denna första förstärkta elektriska signal, d.v.s. spänningspulsen S'e, har en amplitud mellan ett lågt tillstånd och ett högt tillstånd av storleksordningen Av/3. 10 15 20 25 30 35 523 350 12 Den första förstärkta signalen S'e matas till den optiska fibern 421, där ljusfälten och de elektriska fälten interagerar såsom beskrivits med hänvisning till figur 2 ovan, och en första modulerad optisk signal s'e produceras i vågledaren 421. Den konstanta optiska signalen CWe och den första förstärkta elektriska signalen S'e antas interagera över en längd L av vågledaren 421. På änden av denna modulatorsektion är ett första termineringsmotstånd 422a anslutet. Såsom tidigare nämnts kommer den första modulerade optiska signalen s'e att vara lätt fördröjd relativt den första elektriska signalen Se till en grad ö som beror av längden L.

Ett första fördröjningselement 424a i den elektriska transmissionsledningen 424 fördröjer den första elektriska signalen Se till en sådan grad att en första fördröjd signal Sem, efter att ha passerat genom en andra drivkrets 423b, överensstämmer i fas med den första modulerade optiska signalen s'e. Analogt med att fördröjningen 8 beror av den första modulatorsektionens längd L korresponderar det första fördröjningselementet 424a typiskt mot en specifik längd på den elektriska transmissionsledningen 424. Den andra drivkretsen 423b tar emot den första fördröjda signalen Sef" och producerar som svar på denna en andra förstärkt elektrisk signal Se", vilken matas till denkontinuerliga optiska vågledaren 421. Den andra förstärkta elektriska signalen Se" leds in i vågledaren 421 på så sätt att den överensstämmer i fas med den första modulerade optiska signalen s'e. Analogt med den första modulatorsektionen är ett andra termineringsmotstånd 422b anslutet till den optiska vågledaren 421 vid sektionens ände.

Ljusfältet för en samverkan mellan den konstanta optiska signalen CWe och den första modulerade optiska signalen s'e interagerar med det elektriska fältet för den andra förstärkta elektriska signalen Se". Som ett resultat av detta produceras en andra modulerad optisk signal s"e i vågledaren 421.

Analogt med det första fördröjningselementet 424a fördröjer ett andra fördröjningselement 424b i den elektriska transmissions- 10 15 20 25 30 35 523 zsqï,üE,,3 u" 13 ledningen 424 den första elektriska signalen Se ytterligare och till en sådan grad att en andra fördröjd signal Sedz, efter att ha passerat genom en tredje drivkrets 423c, överensstämmer i fas med den andra modulerade optiska signalen s"°. Den tredje drivkretsen 423c tar emot den andra fördröjda signalen Se” och producerar som svar en tredje förstärkt elektrisk signal Sem, vilken matas till den kontinuerliga optiska vågledaren 421.

Den tredje förstärkta elektriska signalen Se” leds in i vågledaren 421 på så sätt att den överensstämmer i fas med den andra modulerade optiska signalen s"° (liksom den första modulerade optiska signalen s'°). Återigen interagerar ett ljusfält som är en samverkan mellan den optiska signalen med konstant intensitet CWO, den första modulerade optiska signalen s',, och den andra modulerade optiska signalen s"° med den tredje förstärkta elektriska signalens S'"e elektriska fält, och en tredje modulerad optisk signal s"'° genereras i vågledaren 421.

Analogt med de första och andra modulatorsektionerna är även ett tredje termineringsmotstånd 4220 anslutet till den optiska vågledaren 421 vid den tredje sektionens ände.

Dessutom terminerar ett termineringsmotstånd 425, anslutet till den elektriska transmissionsledningens 424 motsatta ände 424c gentemot var den första elektriska signalen Se matas in, all kvarvarande energi Se” i den första elektriska signalen Se. På detta sätt undviks oönskade stående vågor i transmissions- ledningen 424. l princip kan de ovan beskrivna fördröjande, förstärkande, modulerande och samverkande stegen repeteras ett godtyckligt antal gånger. Dock kan på grund av exempelvis förluster i den elektriska transmissionsledningen 424 tre eller fyra modulatorsektioner antas vara effektivast, åtminstone vad avser drivkretsar baserade på bipolära transistorer. Den här exemplifierade modulatorstrukturen inkluderar endast tre modulatorsektioner, vilket således innebär att en resulterande optisk signal So som matas ut från den optoelektriska sändaren är en samverkan mellan den första sy, den andra s",, och den 10 15 20 25 30 35 (rt h.) (N (N cm CD o u... 14 tredje s"'° modulerade optiska signalen.

Alla relationer mellan längderna på modulatorsektionerna 421a, 421b och 421c är dessutom tänkbara. Dock är för de flesta implementationer samma längd L för de respektive sektionerna 421a - 421c optimalt. Detta antagande har gjorts i detta exempel, på så sätt att den totala aktiva längden på den kontinuerliga vågledaren 421 är 3L.

För att ytterligare belysa arbetsprincipen och fördelarna med den optoelektriska sändaren enligt figur 4 visar figurerna 5a och 5b grafer representerande förhållanden mellan tid och amplitud för de involverade signalerna. Eftersom den resulterande optiska signalen S., är en samverkan mellan de modulerade optiska signalerna s'°, s",, och sm., för ett givet ER, t.ex. P1 - P0, behöver varje modulatorsektion 421a - 421c endast ta emot en insignalspuls med en amplitud mellan sitt låga och sitt höga tillstånd av storleksordningen Av/3. Figur 5a visar den första förstärkta elektriska signalpulsen S; som en obruten linje, den andra förstärkta elektriska signalpulsen 8"., som en prickad linje och den tredje förstärkta elektriska signalpulsen Swe som en streckad linje. Pulserna är något förskjutna i tid beroende pà de fördröjningar som förorsakas av fördröjningselementen 424a respektive 424b: Figur- 5b visar motsvarande optiska pulser som produceras av modulatorsektionerna 421a - 421c och som propagerar genom vågledaren 421. På grund av fördröjningarna i modulatorsektionerna 421a - 421c är även dessa pulser förskjutna i tid. En obruten linje representerar här den första modulerade optiska signalen s'°, vars ER uppskattningsvis är (P, - P0)/3 (i dB). På samma sätt representerar en prickad linje summan av den första modulerade optiska signalen s'° och den andra modulerade optiska signalen s"°, vars ER uppskattningsvis är 2(P1 - P0)/3 (i dB), och slutligen representerar en streckad linje den resulterande optiska signalen S., (d.v.s. summan av den första s'°, den andra s"° och den tredje sm., modulerade optiska signalen), vars ER är P1 - P0 10 15 20 25 30 (II h.) CN CN (Ti CD 15 (i dB).

Man kan således dra slutsatsen att jämfört med en enkelsektions-TWEAM med ett visst ER kan varje drivkrets på en analog multisektionsmodulator ha en relativt låg signalspänningsamplitud för respektive modulatorsektion, typiskt hälften eller lägre, beroende på antal modulatorsektioner. Totalt ER blir fortfarande»tillräckligt högt eftersom den resulterande optiska signalen S., är en samverkan mellan de individuella optiska utsignalerna s',,, s",, och s'”° från modulatorsektionerna.

Företrädesvis realiseras den föreslagna optoelektriska sändaren genom att två separata chip hybridmonteras och kopplas elektriskt så att alla parasiterande influenser minimeras. Ett första integrerat halvledarchip kan innehålla den elektriska transmissionsledningen och drivkretsarna, medan ett andra integrerat halvledarchip kan innehålla den optiska signalkällan och den kontinuerliga optiska vågledaren.

Ett chip av det senare slaget kan, i TWEAM-fallet, direkt baseras på en enkelsektions-TWEAM-konstruktion med integrerade termineringsmotstånd. Dock bör metallelektroden på mesans topp avbrytas för en kort distans (i storleksordningen 10 um) för att åstadkomma en resistans mellan närliggande modulatorsektioner vilken är väsentligen större än terminerings- motståndet för varje sektion. På detta sätt undviks risken att vågor propagerar bakåt längs med modulatorn. Dock kan det epitaxiella lagret fortsätta längs med hela TWEAM- modulatorstrukturens längd. Behandlingen av ett multisektions- TWEAM-chip blir således identiskt med behandlingen av ett enkelsektions-TWEAM-chip. Det är fördelaktigt om signal- och jordkontakter för de båda chipen monteras kant till kant med en minimal distans, så att bondningsparasiter reduceras.

Enligt en alternativ utföringsform av uppfinningen integreras enheter på ett enda halvledarchip.

Nedan följer relevanta numeriska jämförande exempel med 10 15 20 523 350 10 hänvisning till TWEAM-tekniken för att demonstrera den föreslagna modulatorstrukturens användbarhet. Bit-hastighet har valts till 10 Gb/s, 25 Gbls, 40 Gbls, 50 Gb/s, 100 Gb/s respektive 160 Gb/s. Indikerad bandbredd relaterar till en modulatorsektion av längden 1.0 mm, 0.6 mm, 0.4 mm, 0.3 mm, 0.15 mm respektive 0.08 mm. Bandbredderna är anpassade (med viss marginal) till motsvarande bit-hastighet. De indikerade spänningarna motsvarar en obalanserad spänningsamplitud över utsignalen från en drivkrets. Värdena för enkelsektions- modulatorerna har endast uppmätts för längderna 0.25 mm, 0.45 mm och 0.95 mm, övriga värden har extrapolerats fram. ER- värdena har antagits vara 3 dB eller bättre för datakommunikation (Ethernet) vid 10 Gb/s och 4><25 = 2><50 = 100 Gb/s, och 10 dB för telekommunikation vid 10 Gb/s, 40 Gb/s och 160 Gb/s. ^ Bit-hast Modulatorstruktur Längd BW ER 3dB ER 10dB (Gb/s) (#sektioner) (mm) (GHz) (mV) (mV) Enkel 1.0 13 70 240 10 Multipel f- * --- --- Enkel 0,3 32 100 340 25 Multipel 2 >< 0.3 32 so 110 Enkel 0.4 49 150 510 40 Multipel 3 >< 0.4 49 so , 110 i Enkel 0.3 se 210 700 50 Multipel 3 k 0.3 se 10 230 Enkel 0.15 110 430 1400 100 Multipel 3 >< 0.15 110 140 430 Enkel 0.03 210 730 2300 160 Multipel 3 >< 0.03 210 230 360 Multipel 4 >< 0.03 210 200 350 *) Ingen väsentlig vinst Naturligtvis kräver multisektionsmodulatorer speciellt konstruerade drivkretsar med samma antal utgångar som det finns modulatorsektioner. Detta kan till viss grad komplicera lösningen. Dock är det utan tvekan värt besväret, då för varje given hastighet ER förbättras med minst en faktor två (se tabellen ovan). Det bör även noteras att det är föredraget att 10 15 20 25 30 35 (Ii “i çsll LN (Il CD 17 tillverka anslutningarna mellan drivkretsarnas utgångar och modulatorsektionerna med mycket låga serieinduktanser för höga hastigheter. Detta är särskilt viktigt om de individuella modulatorsektionerna har relativt låga impedanser, exempelvis 20 - 30 ohm. Eftersom drivkretsarna matas via en elektrisk transmissionsledning med fördröjningar som matchar respektive fördröjningar längs modulatorn kan förlustproblem uppstå vid höga hastigheter riärtransistorer med ett ledande substrat, såsom kisel, används.

Som summering kommer den allmänna metoden enligt uppfinningen nu att beskrivas med hänvisning till flödesschemat i figur 6.

Två parallella steg 601 och 602 tar emot en första elektrisk signal Se respektive en optisk signal med konstant intensitet CWO. Ett steg 603 som följer steget 601 förstärker den första elektriska signalen Se till en första förstärkt signal S'e. Ett steg 604 modulerar den konstanta optiska signalen CWO som tas emot i steget 602 med den första förstärkta elektriska signalen S; och producerar därmed en första modulerad optisk signal s',,.

Ett efterföljande steg 605 producerar en första fördröjd elektrisk signal SJ" genom fördröjning av den första elektriska signalen Se på så sättatt en förstärkt version av den första fördröjda elektriska signalen SQ" överensstämmer i fas med den första modulerade optiska signalen s”o. Efter detta effektuerar ett steg 606 förstärkningen av den första fördröjda elektriska signalen Se” till en andra förstärkt signal S"e. Ett följande steg 607 modulerar sedan en signal som är en samverkan mellan den konstanta optiska signalen CWO och den första modulerade optiska signalen s'° med den andra förstärkta signalen S", På detta sätt produceras en andra modulerad optisk signal s"° (analogt med steget 604 ovan).

Ett efterföljande steg 608 kontrollerar om ytterligare moduleringssteg bör appliceras, och returnerar i så fall proceduren direkt till stegen 601 och 602. l annat fall fortsätter proceduren till ett steg 609 där den första modulerade optiska 10 15 20 U'1 PO O~l Lnl (Il C21 o nu 18 signalen s',, och den andra modulerade optiska signalen s"° samverkar till en resulterande optisk signal So för utmatning. Om proceduren går igenom stegen 601 - 607 en eller flera ytterligare gånger inkluderas minst en tredje modulerad optisk signal s”'° i den resulterande optiska signalen S0. Såsom tidigare nämnts kan ett godtyckligt antal n sådana loopar göras i enlighet med uppfinningen. Även om flödesschemat i figur 6 refererar till en sekventiell följd av steg utförs i praktiken alla stegen samtidigt, men för olika oerhört små signalenheter. Den beskrivna sekventiella proceduren är således sann endast för varje sådan signalenhet.

Begreppet innefattar/innefattande specificerar när det används i denna beskrivning närvaro av angivna särdrag, heltal, steg eller komponenter. Dock utesluter inte denna term närvaro eller addition av ett eller flera ytterligare särdrag, heltal, steg eller komponenter eller grupper av dessa.

Uppfinningen är inte begränsad till de i figurerna beskrivna utföringsformerna, utan kan fritt varieras inom ramen för patentkraven.

Claims (17)

10 15 20 25 30 523 350 19 < ÄNDRADE KRAV > PATENTKRAV

1. En optoelektrísk sändare som tar emot en första elektrisk signal (Se) och som svar producerar en resulterande optisk signal (Se) vilken innehåller samma information som den första elektriska signalen (Se), där sändaren innefattar: en optisk signa|.källa.(410) som producerar en optisk signal med konstant intensitet (CWe), en första drivkrets (423a) som tar emot den första elektriska signalen (Se) och som svar producerar en första förstärkt elektrisk signal (S'e), kännetecknad av att den innefattar: en elektrisk transmissionsledning (424) som tar emot den första elektriska signalen (Se), i minst en andra drivkrets (423b, 423c) som tar emot en fördröjd version av den första elektriska signalen (Se'"; Sedz) via den elektriska transmissionsledningen (424; 424a) och som svar på denna signal (Se“"; Sedz) producerar minst en andra förstärkt elektrisk signal (S"e, S”'e), samt en kontinuerlig optisk vågledare (421) som tar emot den optiska signalen med konstant intensitet (CWe), den första förstärkta elektriska signalen (S'e) och den minst en andra förstärkta elektriska signalen (S"e, S'"e) och som svar på de mottagna signalerna (CWe, S'e, S”e, S"'e) producerar den resulterande optiska signalen (Se), varvid den minst en andra förstärkta elektriska signalen (Se", Se'") leds in i den kontinuerliga optiska vågledaren (421) på så sätt att den överensstämmer i fas med en redan modulerad optisk signal (s'e) däri, vilken resulterar ur den första förstärkta elektriska signalen (S'e).

2. En optoelektrísk sändare enligt krav 1, k ä n n ete c k n a d a v att den kontinuerliga optiska vågledaren (421) inkluderar en modulatorsektion (421a-421c) för var och en av drivkretsarna (423a-423c), där varje modulatorsektion (421a-421c) 10 15 20 25 30 (fl “l Os! (Al Uli CD . un; 20 < ÄNDRADE KRAV > tar emot var sin förstärkt elektrisk signal (S'o, S”o, S"'o), tar emot minst en optisk signal (CWo, s'o, s”o) och som svar producerar en modulerad optisk signal (so, s"o, s'"o), så att den resulterande optiska signalen (So) motsvarar en samverkan mellan dessa modulerade optiska signaler (so, s"o, s"'o).

3. En optoelektrisk sändare enligt något av kraven 1 eller 2, kännetecknad av att en första ände av den elektriska transmissionsledningen (424) tar emot den första elektriska signalen (So), och ett termineringsmotstånd (425) i den andra änden av den elektriska transmissionsledningen (424) terminerar all kvarvarande energi (Sod3) i den första elektriska signalen (So).

4. En optoelektrisk sändare enligt något avkraven 2 eller 3, kännetecknad av att den första elektriska transmissions- ledningen (424) inkluderar ett fördröjningselement (424a, 424b) mellan den första drivkretsen (423a) och var och en av de minst en andra drivkretsarna (423b, 423c), varvid varje fördröjningselement (424a, 424b) ger en fördröjning av den elektriska signalen (So) som är ekvivalent med den fördröjning som var och en av modulatorsektionerna (421a - 421c) ger av den modulerade “optiska signalen (so, s"o, s"'o).

5. En optoelektrisk sändare enligt något av föregående krav, kännetecknad av att den elektriska transmissionsledningen (424), den första drivkretsen (423a) och den minst en andra drivkretsen (423b, 423c) är integrerade på ett första halvledarchip, och den optiska signalkällan (410) och den kontinuerliga optiska vågledaren (421) är integrerade på ett andra halvledarchip.

6. En optoelektrisk sändare enligt något av kraven 1 - 4, kännetecknad av att den elektriska transmissionsledningen (424), den första drivkretsen (423a), den minst en andra drivkretsen (423b, 423c) den optiska signalkällan (410) och den 10 15 20 25 525 350 21 < ÄNDRADE KRAV > kontinuerliga optiska vågledaren (421) samtliga är integrerade på ett enda halviedarchip.

7. En optoeiektrisk sändare enligt något av kraven 2 - 6, k ä n n e t e c k n a d a v att modulatorsektionerna (421a - 421c) är elektroabsorbtionsmodulatorer av vandringsvågstyp.

8. En optoeiektrisk sändare enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d a v att modulatorsektionerna (421a - 421c) är koncentrerade elektroabsorbtionsmodulatorer.

9. En optoeiektrisk sändare enligt något av kraven 2 - 6, kä n n eteckn ad a v att modulatorsektionerna (421a - 421c) är Mach-Zender-modulatorer. i

10. En optoeiektrisk sändare enligt något av föregående krav, kännetecknad av att den resulterande optiska signalen har NRZ-format (non-return to zero).

11. En metod att konvertera en elektrisk signal till en optisk signal som innehåller samma information som den elektriska signalen, innefattande stegen: mottagning av en första elektrisk signal (Se), mottagning av en optisk signal med konstant intensitet (CVVOX förstärkning av den första elektriska signalen (Se) till en första förstärkt elektrisk signal (Se), modulering av den optiska signalen med konstant intensitet (CWO) med avseende på den första förstärkta elektriska signalen (SQ) till en första modulerad optisk signal (s'°), kännetecknad av stegen: produktion av en första fördröjd elektrisk signal (Sf) genom fördröjning av den första elektriska signalen (Se) i proportion till en processfördröjning i produktionen av den första modulerade 10 15 20 25 30 525 350 u o u an: 22 < ÄNDRADE KRAV > optiska signalen (s'e), på så sätt att en förstärkt version (S"e) av den första fördröjda elektriska signalen (Sed1) överensstämmer i fas med den första modulerade optiska signalen (s'e), förstärkning av den första elektriska signalen (Se*") till en andra förstärkt elektrisk signal (S"e). modulering av åtminstone den första modulerade optiska signalen (s'e) med avseende på den andra förstärkta elektriska signalen (S"e) till en andra modulerad optisk signal (s"e), samt formande av en resulterande optisk signal (Se) genom samverkan mellan åtminstone den första modulerade optiska signalen (s'e) och den andra modulerade optiska signalen (s"e).

12. En metod enligt krav 11, kännetecknad av de ytterligare stegen: ' produktion av minst en andra fördröjd elektrisk signal (Sedz) genom fördröjning av den första elektriska signalen (Se) i proportion till en processfördröjning i produktionen av den andra modulerade optiska signalen (s"e) på så sätt att en förstärkt version (S"'e) av den andra fördröjda elektriska signalen (Sedz) överensstämmer i fas med den andra modulerade optiska signalen (s"e), förstärkning -aav den andra fördröjda elektriska signalen (Sen) till en tredje förstärkt elektrisk signal (S'”e), modulering av åtminstone den andra modulerade optiska signalen (s"e) med avseende på den tredje förstärkta elektriska signalen (S"'e) till en tredje modulerad optisk signal (sme), samt formande av en resulterande optisk signal (Se) genom samverkan mellan åtminstone den första modulerade optiska signalen (s'e), den andra modulerade optiska signalen (s"e) och den tredje modulerade optiska signalen (s"'e).

13. En metod enligt krav 12, kännetecknad av repetition av de fördröjande, förstärkande, modulerande och samverkande stegen i minst en ytterligare cykel. 10 523 350 23 < ÄNDRADE KRAV >

14. En metod enligt något av kraven 11 - 13, kännetecknad av att moduleringsstegen involverar elektroabsorbtions-modula- tion av vandringsvågstyp.

15. En metod enligt något av kraven 11 - 13, kännetecknad av att moduleringsstegen involverar koncentrerad elektroabsorb- tionsmodulation._

16. En metod enligt något av kraven 11 -13,kännetecknad av att moduleringsstegen involverar Mach-Zender-modulation.

17. En metod enligt något av kraven 11 - 16, kännetecknad av att den resulterande optiska signalen (S0) har NRZ-format (non-return to zero). i