DE68916921T2 - Optischer Frequenz-Umsetzer und dessen Anwendung in einem Modulator. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Vorrichtungen, die die Veränderung der Frequenz einer Lichtwelle erlauben. Sie betrifft außerdem die Modulatoren, die eine solche Vorrichtung verwenden, um eine als Trägerwelle verwendete Lichtwelle zu modulieren.
• Es sind elektrooptische Modulatoren bekannt, die in integrierter Optik verwirklicht sind und die Amplitudenmodulation eines Lichtsignals ausgehend von einem elektrischen Modulationssignal ermöglichen. In einem solchen Modulator, der insbesondere aus einem Artikel von C.M. Gee u.a., veröffentlicht in Applied Optics, 22 (1983), Seiten 2034 -2037, bekannt ist und der in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, kommt das zu modulierende Lichtsignal über eine Faser 101 an einer auf der Oberfläche eines Substrats 102 befindlichen integrierten optischen Schaltung an. Diese optische Schaltung enthält ein Interferometer vom Mach-Zehnder-Typ, das zwei Arme 103 und 104 enthält, in denen sich das Lichtsignal aufteilt und die nicht miteinander verbunden sind. Auf der Oberfläche des Substrats erstrecken sich längs eines der Arme des Interferometers zwei Elektroden 105 und 106. Das elektrische Modulationssignal V wird an die Versorgungsanschlüsse dieser Elektroden angelegt. Da das Substrat aus einem elektrooptischen Material wie etwa Lithium-Niobat verwirklicht ist, verändert sich der Index des von den Elektroden umgebenen Arms aufgrund des Pockels-Effektes. Auf diese Weise ist das Signal, das den der Wirkung der Elektroden unterworfenen Arm durchlaufen hat, am Vereinigungspunkt der beiden Arme in bezug auf das Signal, das den anderen Arm durchlaufen hat, phasenverschoben, wobei die Intensität des Signals, das sich aus der Summe dieser beiden Signale ergibt, vom Wert dieser Phasenverschiebung abhängt. Somit wird am Ausgang der integrierten Schaltung eine Amplitudenmodulation der optischen Intensität des Signals erhalten. Unter bestimmten Umständen verschwindet die Trägerwelle, so daß nur noch die beiden Seitenlinien vorhanden sind, die einer Umsetzung der Frequenz des optischen Eingangssignals durch gleichzeitige Erhöhung und Absenkung dieser Frequenz symmetrisch zur Anfangsfrequenz entspricht. Dieses Signal wird dann von einer Ausgangslichtleitfaser 107 aufgenommen, um auf die gewünschte Weise verwendet zu werden.
• Es sind außerdem optische Amplitudenmodulatoren bekannt, wie sie etwa in Fig. 2 gezeigt sind, in denen das optische Signal ebenfalls über eine Eingangsfaser 201 an einer integrierten Schaltung auf der Oberfläche eines elektrooptischen Substrats 202 ankommt. Auch in diesen Modulatoren teilt sich das optische Signal auf zwei Leiter 204 und 203 auf, die jedoch über eine Länge L einer Strecke, die gleich einigen Wellenlängen ist, nahe beieinanderliegen. Auf diese Weise wird auf dieser Strecke eine optische Kopplung zwischen den Leitern erhalten. Diese entfernen sich anschließend voneinander, so daß keine Kopplung mehr stattfindet, wobei sie zwei Ausgangsfasern 207 und 217 anregen. Längs der beiden Arme 203 und 204 erstrecken sich zwei Elektroden 205 bzw. 206 in der Weise, daß sie diese Arme jeweils abdecken. Dadurch können die optischen Indizes dieser Leiter durch den elektrooptischen Effekt modifiziert werden, wenn an die diese Elektroden speisenden Anschlußklemmen eine Spannung V angelegt wird. Bei einem solchen Aufbau wird in Abhängigkeit von der Polarität der angelegten Spannung der Index einer der beiden Leiter erhöht, während derjenige des anderen Leiters abgesenkt wird. Für diese Vorrichtung, die "Y-Koppler" genannt wird, ist eine charakteristische Länge der Kopplung zwischen den beiden Leitern definiert, die Lc genannt wird und die umso kürzer ist, je stärker die Kopplung ist. Wenn die Länge L des Kopplers derart ist, daß gilt: L = L = Lc/ 2, wird in den Ausgangsfasern 207 und 217 eine Lichtintensität erhalten, die sich in Abhängigkeit von der Spannung V angenähert sinusförmig ändert, wie in der Graphik von Fig. 3 gezeigt ist. Wenn dann die Spannung V in der Weise verändert wird, daß sie im mittleren, im wesentlichen geradlinigen Teil dieser Graphik bleibt, kann somit das von der Eingangsfaser 201 eingeleitete Licht amplitudenmoduliert werden. Die Ausgangssignale in den Ausgangsfasern 207 und 217 sind zueinander komplementär.
• Es wird angemerkt, daß diese Vorrichtungen nur die Amplitudenmodulation ermöglichen, ohne die Frequenz der Lichtsignale zu modifizieren. In diesem Fall werden aufgrund der Modulation symmetrische Seitenbänder erhalten, was in keiner Weise einer Frequenzumsetzung entspricht.
• Yasumitsu Miyazaki und Nobuo Goto haben in 1987 ULTRASONICS SYMPOSIUM, veröffentlicht in der Zeitschrift IEEE unter der Referenznummer 0090-5607/87/0000-0471, eine akustooptische Vorrichtung vorgeschlagen, die ein Schalten der optischen Signale auf selektive Weise in Abhängigkeit von der Frequenz erlaubt. Diese Vorrichtung ermöglicht, eine bestimmte optische Umsetzungswirkung zu erhalten, die zu einer Einseitenband- Modulation äquivalent ist. Indessen ist diese Vorrichtung, in der die Frequenzumsetzung durch Indexmodulation unter der Wirkung von Schallwellen erhalten wird, hinsichtlich der Frequenz eingeschränkt, ferner erfolgt ihre Verwirklichung in einer schwierig auszuführenden Technologie.
• Um die Erhaltung einer wirklichen optischen Umsetzung zu ermöglichen, schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zur optischen Umsetzung der optischen Frequenz nach Anspruch 1 vor.
• Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden deutlich in der folgenden Beschreibung, die anhand eines nichtbeschränkenden Beispiels mit Bezug auf die beiliegenden Figuren gegeben wird, von denen:
• - Fig. 1 und 2 elektrooptische Modulatoren des Standes der Technik zeigen;
• - Fig. 3 Signalkurven im Modulator von Fig. 2 zeigt;
• - Fig. 4 einen Modulator gemäß der Erfindung zeigt;
• - Fig. 5 und 6 Graphiken der Wellenzahl im Abschnitt 2 des Modulators von Fig. 4 zeigen;
• - Fig. 7 bis 11 Ausführungsvarianten der Modulatoren gemäß der Erfindung zeigen;
• - Fig. 12 das Schema einer optischen Verbindung zeigt, welche einen Modulator gemäß der Erfindung verwendet; und
• - Fig. 13 einen Doppelmodulator gemäß der Erfindung zeigt.
• Die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung gemäß der Erfindung enthält ein Substrat 402 aus elektrooptischem Material wie etwa Lithium-Niobat, auf dessen Oberfläche eine optische Schaltung und Steuerelektroden integriert sind. Diese integrierten Elemente können auf vier Hauptabschnitte aufgeteilt sein, die mit 1 bis 4 numeriert sind und die ebensovielen verschiedenen Funktionen entsprechen.
• Der Abschnitt 1 enthält eine symmetrische Eingangsverbindungsstelle, die aus einem Lichtleiter 411 gebildet ist, der sich in zwei Zweige 412 und 413 aufteilt. Diese symmetrische Verbindungsstelle ermöglicht die gleichmäßige Aufteilung des auftreffenden Lichtstroms, der über die ihrerseits mit dem Leiter 411 verbundene Eingangslichtleitfaser 401 ankommt, auf die beiden Zweige 412 und 413.
• Der Abschnitt 2 enthält zwei Lichtleiter 422 und 423, die über eine Strecke L&sub1; parallel und in einem Abstand d&sub1; voneinander verlaufen. Die Arme 412 und 413 der Eingangsverbindung sind mit den Leitern 422 und 423 verbunden, wodurch es möglich ist, den symmetrischen Modus der durch diese beiden Leiter gebildeten Struktur anzuregen. Es ist nämlich bekannt, daß in einer solchen Struktur zwei eigentümliche Modi übertragen werden können, der symmetrische Modus und der antisymmetrische Modus. Dieser Ausdruck, der in der betrachteten Technik bekannt ist, hat seinen Ursprung in der Oszillation von Pendeln. Wenn diese gemeinsam und in Phase oszillieren, ist ihre Bewegung symmetrisch, wenn sie entgegengesetzt und damit gegenphasig oszillieren, ist ihre Bewegung antisymmetrisch. Es besteht daher eine Äquivalenz zwischen Symmetrie und gleichphasiger Schwingung einerseits und Antisymmetrie und gegenphasiger Schwingung andererseits, in der Fachsprache sind jedoch die erstgenannten Ausdrücke geläufiger. Bei Abwesenheit anderer Phänomene, insbesondere von Asymmetrien und elektrooptischen Effekten, wird nur der symmetrische Modus übertragen, ohne daß der antisymmetrische Modus angeregt wird.
• Zwei z.B. metallische leitende Elektroden 424 und 425 erstrecken sich oberhalb der beiden Leiter 422 bzw. 423 über die Strecke L&sub1;. Diese Elektroden haben die Form von Bändern, deren Breite und deren Dicke sowie deren sie trennender Abstand derart sind, daß sie eine elektrische Übertragungsleitung bilden, die eine bestimmte charakteristische Impedanz von beispielsweise 50 Ohm besitzt. Diese Leitung ist an einem ihrer Enden, demjenigen, an dem die optische Energie in den Leitern in der Figur ankommt, über einen Widerstand 403, dessen Wert gleich demjenigen der charakteristischen Impedanz der Leitung ist, zu einer Schleife geschaltet. Sie wird am anderen Ende durch eine elektrische Spannung V(t,F) angeregt, die in diesem Ausführungsbeispiel über einen Anschluß 404 an einer der Elektroden und über Masse an der anderen Elektrode angelegt wird.
• Unter der Wirkung der auf diese Weise angelegten Spannung und der elektrooptischen Wirkung, die von dieser in das Sustrat eingeführt wird, entsteht längs der Leiter zwischen den beiden Modi eine Kopplung. Diese Kopplung führt durch eine Energieübertragung vom symmetrischen Modus in den antisymmetrischen Modus, welcher je nach Länge der Wechselwirkung und je nach Spannungswert mehr oder weniger hervorgehoben wird.
• Gemäß der Erfindung bilden die beiden Elektroden 424 und 425, die über ihre charakteristische Impedanz 403 zu einer Schleife geschaltet sind, eine Übertragungsleitung, in der eine progressive Welle entsteht, die von der Spannung V(t,F) angeregt wird, deren Frequenz vorzugsweise hoch ist, beispielsweise in der Größenordnung von 10 GHz. Diese progressive Welle kann wie im gezeigten Beispiel kontraprogressiv sein, d.h., daß die elektromagnetische Welle sich in zur Lichtwelle entgegengesetzter Richtung bewegt, oder sie kann koprogressiv sein, wenn die Position der Ausgangsimpedanz und die Versorgungsanschlüsse vertauscht sind.
• Gemäß der Erfindung ist die Umwandlung des Modus von einer Umsetzung der optischen Frequenz begleitet, die gleich der Frequenz der elektromagnetischen Welle ist. Es werden daher am Ausgang der beiden Leiter 422 und 423, die sich am Ende der Strecke L&sub1; voneinander entfernen, so daß nach dieser Strecke keine Kopplung mehr stattfindet, Lichtwellen erhalten, die in bezug auf die eintreffende Welle frequenzverschoben und zueinander phasenverschoben sind, wobei diese Phasenverschiebung gleich π ist, wenn die Transformation vom symmetrischen Modus zum antisymmetrischen Modus beendet ist.
• Diese beiden Ausgänge sind im Abschnitt 3 mit zwei Lichtleitern 432 und 433 verbunden, die auf einer Strecke L&sub2; parallel und in einem Abstand d&sub2; voneinander verlaufen, welcher ausreicht, damit diese beiden Leiter nicht miteinander gekoppelt sind.
• Auf der gesamten Länge dieser Leiter erstrecken sich zwei Elektroden 434 bzw. 435. An diese Elektroden wird über einen Anschluß 405, der mit einer der Elektroden verbunden ist, und über einen mit der anderen Elektrode verbundenen Masseanschluß eine elektrische Gleichspannung V&sub0; angelegt. Auf diese Weise verändert sich der Index des Substrats auf Höhe der Leiter in entgegengesetzten Richtungen, so daß zwischen den beiden Lichtwellen, die sich in jedem der Leiter ausbreiten, eine Phasenverschiebung erhalten wird, welche die Phasenverschiebung kompensiert, die zwischen diesen beiden Lichtwellen am Ausgang des Abschnittes 2 vorhanden ist und vom Übergang vom symmetrischen Modus zum antisymmetrischen Modus herrührt, so daß eine Rückkehr vom antisymmetrischen Modus zum symmetrischen Modus stattfindet.
• Die Ausgänge der Leiter 432 und 433 sind in einem Abschnitt 4 mit zwei Armen 442 und 443 verbunden, die in einem gemeinsamen Punkt zusammenlaufen, um einen Ausgangsleiter 441 zu bilden. Dieser Abschnitt, der eine symmetrische Ausgangsverbindungsstelle bildet, die der Verbindungsstelle 1 ähnlich ist, jedoch entgegengesetzt wirkt, ermöglicht die Bildung der Summe der Lichtwellen, die sich in den Abschitten 2 und 3 getrennt voneinander bewegt haben und am Ausgang des Abschittes 3 wieder zueinander in Phase gebracht worden sind.
• Ein Lichtwellenleiter 407 ermöglicht das Sammeln der aus dem Leiter 441 austretenden Lichtenergie und deren Eingabe in die Anwendungsschaltungen.
• Es wird angemerkt, daß in dem somit beschriebenen Ausführungsbeispiel die Polarisation in den beiden Leitern völlig gleich ist und je nach der kristallographischen Orientierung des Substrats 402 und der Geometrie der Elektroden entweder TM oder TE sein kann.
• Sobald längs der eine begrenzte Kopplung erzeugenden elektromagnetischen Leitung eine progressive Welle vorhanden ist, finden eine mehr oder weniger vollständige Umwandlung vom symmetrischen Modus zum antisymmetrischen Modus und daher eine Umsetzung der Frequenz in der antisymmetrischen Lichtwelle statt. Der Wirkungsgrad der Vorrichtung ist selbstverständlich um so besser, je vollständiger die Umwandlung ist, wobei er dann maximal ist, wenn der symmetrische Modus am Ausgang des Abschnittes 2 verschwunden ist und nur der asymmetrische Modus übrigbleibt.
• Dies ist der Fall, wenn im Abschnitt 2 eine räumlich stationäre Wechselwirkung vorhanden ist, bei der die räumliche Abhängigkeit der Kopplung der beiden Modi vom Abstand aufgehoben ist.
• Diese Bedingung kann durch eine Beziehung zwischen den Übertragungskonstanten oder Wellenzahlen 2π/λ der drei vorhandenen Wellen ausgedrückt werden:
• - der optischen Welle im symmetrischen Modus, deren Wellenzahl βs ist;
• - der optischen Welle im antisymmetrischen Modus bei Abwesenheit der elektromagnetischen Welle, deren Wellenzahl βa ist;
• - der elektromagnetischen Welle, deren Wellenzahl B ist.
• Wenn das Vorzeichen + für die kontraprogressive elektromagnetische Welle verwendet wird und wenn das Vorzeichen - verwendet wird, wenn sie koprogressiv ist, lautet diese Beziehung folgendermaßen:
• In dieser Formel ist die Frequenz ν der einfallenden optischen Welle gegeben durch ω = 2πν, während die Frequenz F der elektromagnetischen Welle gegeben ist durch Ω = 2πF.
• Diese Bedingung ist in den Fig. 5 und 6 vektoriell dargestellt, wobei Fig. 5 einer koprogressiven Welle und Fig. 6 einer kontraprogressiven Welle entspricht.
• Die Wellenzahlen βs und βa werden ihrerseits ausgehend von der Wellenzahl β erhalten, welche diejenige der Lichtwelle bei Abwesenheit einer optischen Kopplung ist.
• Bei Vorhandensein der optischen Kopplung gilt βs = β + k und βa = β - k. k ist ein Kopplungsparameter, der zum Ausdruck bringt, welcher Art die "Kraft" der Kopplung zwischen den beiden Leitern ist. Dieser Parameter k hängt vom Abstand d&sub1; zwischen den Leitern ab und ist in erster Näherung proportional zu exp(-d&sub1;/d&sub0;), wobei d&sub0; auf bekannte Weise durch die Eigenschaften der Leiter festgelegt ist.
• Aus diesen Beziehungen wird daher βs - βa = 2k abgeleitet.
• Es wird außerdem gezeigt, daß die obenerwähnte Kopplungslänge Lc lautet: Lc = π/2k.
• Daraus wird ersichtlich, daß sie einer räumlichen Phasenverschiebung von π zwischen den beiden Modi entspricht, weil (βs - βa)Lc = π ist.
• Wenn die Wellenzahlen als Funktion der Frequenz und der Geschwindigkeit der Welle im betrachteten Medium ausgedrückt werden, lautet die oben betrachtete Gleichheit folgendermaßen (wobei c&sub0; die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen im Vakuum ist, n der Index der nicht geführten optischen Wellen im betrachteten Medium ist und N der äquivalente Index der Höchstfrequenz-Welle im Leiter ist):
• In dieser Formel steht + für die kontraprogressive Welle und - für die koprogressive Welle.
• Diese Formel erlaubt daher die Bestimmung entweder des Abstandes d&sub1; zwischen den Leitern des Abschnittes 2, mit dem eine Frequenzumsetzung F erhalten wird, oder aber der Frequenzumsetzung F, die für eine bestimmte Struktur erhalten werden kann, in der d&sub1; einen vorgegebenen Wert hat.
• In diesem letzteren Fall, in dem die Struktur festgelegt ist, wird festgestellt, daß die Frequenz F und daher die Kreisfrequenz Ω für eine kontraprogressive Welle kleiner als für eine koprogressive Welle sind.
• In einem numerischen Beispiel lauten die Werte für ein Substrat aus Lithium-Niobat im Z-Schnitt bei einer Übertragung im TM-Modus n = 2,12 und N = 4,25. Für eine Frequenz F = 10 GHz beträgt der zwischen den Innenkanten der beiden Leiter erforderliche Zwischenraum ungefähr 3 Mikrometer, was ein mit den heute bekannten Technologien ohne weiteres verwirklichbarer Wert ist.
• Die Lichtenergie ist sowohl am Ausgang des Abschnittes 2 als auch des Abschnittes 3 zwischen dem symmetrischen Modus und dem antisymmetrischen Modus verteilt, wobei nur der antisymmetrische Modus einer Frequenzumsetzung unterworfen ist. Es ist somit für einen maximalen Wirkungsgrad wünschenswert, daß die Überführung des symmetrischen Modus in den antisymmetrischen Modus sowohl im Abschnitt 2 als auch im Abschnitt 3 so vollständig wie möglich ist. Wenn diese Überführung vollständig ist, wird davon gesprochen, daß ein totaler Übergang zwischen den Modi stattgefunden hat.
• Damit ein solcher totaler Übergang stattfindet, muß die Phasenverschiebung zwischen dem Eingang und dem Ausgang eines jeden dieser Abschnitte in der Praxis wegen der erhaltenen Abmessungen gleich π sein.
• Die Phasenverschiebung längs jedes Abschnittes ist gleich (2π/λ)ΔnL = βΔnL, wobei L die Wechselwirkungslänge, d.h. L&sub1; oder L&sub2;, und Δn die Veränderung des optischen Index des Substratmaterials unter der Wirkung des durch die Elektroden angelegten elektrischen Feldes ist.
• In dem gezeigten Beispiel, in dem die Elektroden den beiden Leitern überlagert sind, ist das elektrische Feld vertikal orientiert und ist entsprechend der üblichen Schreibweise mit E&sub3; bezeichnet. Der Wert von n ist dann durch die bekannte Beziehung Δn n³R&sub3;&sub3;E&sub3;A gegeben, in der R&sub3;&sub3; der elektrooptische Koeffizient ist, der insbesondere in Abhängigkeit von der Kristallorientierung wirksam ist, und A ein Koeffizient ist, der das normierte Integral des Stroms des Produkts der optischen und elektromagnetischen Felder durch einen Querschnitt für einen einzigen, kopplungsfreien Leiter darstellt.
• Es wird somit festgestellt, daß die Bedingung des totalen Übergangs die beiden Parameter L und E&sub3; ins Spiel bringt. Der Wert von E&sub3; ist für den Abschnitt 2 durch die Spitzenamplitude des durch das Signal V(t,F) sich ergebenden elektrischen Feldes und für den Abschnitt 3 durch den Wert der konstanten Spannung V&sub0; bestimmt. Es ist klar, daß bei gleichen Werten dieser beiden Felder die Längen L&sub1; und L&sub2; gleich sind.
• In einem numerischen Beispiel ist für ein Feld E&sub3; = 10&sup5; V/m, einen Koeffizienten A = 1, einen Index n = 2,12, einen Koeffizienten R&sub3;&sub3; = 30 10&supmin;¹² m/V und eine Wellenzahl β = 2 10&sup6; rad/m die Länge L = 3 cm, was einen Wert darstellt, der mit den üblichen Technologien ohne weiteres verwirklicht werden kann.
• Selbstverständlich ist der Pegel des Ausgangssignals bei einer bestimmten Frequenz F maximal, wenn die obigen Bedingungen (Bedingung der Stationarität und Bedingung des totalen Übergangs) erfüllt sind. Wenn sich die Frequenz F ändert, beispielsweise weil sie auf eine beliebige Weise moduliert wird, sinkt der Signalpegel ab, wodurch wie für jede Vorrichtung ein Durchlaßband ΔF bestimmt wird.
• Das Halbwerts-Durchlaßband ist durch die Formel gegeben:
• In dem numerischen Beispiel, das den oben angegebenen Werten entspricht, wird für eine kontraprogressive Welle 3,7 GHz erhalten.
• In dem somit beschriebenen Ausführungsbeispiel bewirkt der Abschnitt 3 zwischen den in den beiden Leitern 432 und 433 laufenden Lichtwellen eine Phasenverschiebung um π.
• Gemäß einer Ausführungsvariante wird eine räumliche Trennung des symmetrischen Modus und des antisymmetrischen Modus bewerkstelligt, deren Gegenphasigkeit dann nicht mehr hinderlich ist.
• Hierzu wird eine asymmetrische Verbindungsstelle mit zwei Ausgängen mit unterschiedlichen Breiten verwendet, in der der symmetrische Modus aus dem größten Leiter hervorgeht. In Fig. 7 sind die Abschnitte 3 und 4 einer solchen Vorrichtung gezeigt. Die integrierten Lichtleiter 732 und 733, die mit den integrierten Leitern 422 und 423 des Abschnittes 2 verbunden sind, nähern sich einander an, um sich zu vereinigen und in Form der Leiter 742 und 743, mit denen sie ein X bilden, wieder zu verteilen. Der Zweig 742 dieses X ist größer als der Zweig 743. Aus eben diesem schmalen Zweig 743 tritt auf bekannte Weise der antisymmetrische Modus aus, der von der Ausgangslichtleitfaser 407 aufgenommen wird.
• Ein anderes Mittel besteht darin, auf die Herstellung der Lichtleiter einzuwirken. Diese werden gewöhnlich durch Diffusion eines Materials wie etwa Titan auf die Oberfläche des Substrats verwirklicht. Die Phasenverschiebung des Abschnittes 3 kann dann dadurch erhalten werden, daß auf die Dicke der Titanschicht oder auf ihre Breite Einfluß genommen wird. Ebenso kann eine auf der Oberfläche des Substrats, auf einen der Leiter oder in unmittelbarer Nähe desselben niedergeschlagene dielektrische Schicht verwendet werden, weil bekannt ist, daß eine solche Schicht die Parameter des Leiters verändert. Es ist dann einfach, diese Parameter einzustellen, indem eine wahlweise Abtragung dieser Schicht beispielsweise mittels eines Lasers ausgeführt wird.
• Es kann auch eine unter dem Namen "X switch" bekannte Vorrichtung verwendet werden. Diese Vorrichtung, die in Fig. 9 gezeigt ist, besteht darin, die Leiter 932 und 933, die mit den Leitern 422 bzw. 423 verbunden sind, an einem Punkt 901 zu kreuzen. Oberhalb und unterhalb dieses Kreuzungspunkts sind Elektroden 901 und 902 angeordnet, wovon eine mit Masse und die andere mit einer Steuerspannung V&sub1; verbunden ist. Unter diesen Bedingungen und für einen geeigneten Wert von V&sub1;, der auf bekannte Weise bestimmt wird, geht der symmetrische Modus nur aus einem dieser Leiter hervor und wird von der Ausgangslichtleitfaser 407 aufgenommen.
• Sämtliche der obenbeschriebenen Ausführungsformen entsprechen einem Z-Schnitt des elektrooptischen Kristalls, d.h. einem Schnitt, bei dem die Achse C zur Oberfläche senkrecht ist, sowie einem Übertragungsmodus TM der Lichtwelle, d.h. einem Modus, in dem das elektrische Feld zu dieser Oberfläche senkrecht ist. Dadurch kann der elektrooptische Koeffizient R&sub3;&sub3; mit dem höchsten Wert verwendet werden. Es können andere Kombinationen von Kristallschnitten und Übertragungsmodi der optischen Welle verwendet werden, wobei für bestimmte von ihnen ebenfalls dieser Koeffizient R33 verwendet werden kann. Dies ist insbesondere für einen X- oder Y-Schnitt und einen TE-Modus der Fall. Um dann auf diesen TE-Modus einzuwirken, ist es erforderlich, daß das elektrische Feld in bezug auf die Oberfläche des Kristalls horizontal angelegt wird, indem beispielsweise wie in Fig. 10 drei Elektroden verwendet werden. In dieser Fig. 10, in der nur der Mittelabschnitt 2 gezeigt ist, befindet sich die mit der Spannung V(t,F) verbundene Steuerelektrode 114 zwischen den zwei Leitern 422 und 423, außerdem sind zwei Elektroden 115 und 125 vorhanden, die mit Masse verbunden sind und sich beiderseits dieser zwei Leiter 422 und 423 befinden, wodurch es möglich ist, auf gleicher Höhe der Leiter ein zur Oberfläche des Substrats 402 paralleles elektrisches Feld zu erhalten.
• In einer anderen Variante ist es möglich, im Abschnitt 2 nur einen einzigen Leiter zu verwenden, wie in Fig. 11 gezeigt ist. Man kann nämlich einen Lichtleiter im Doppelmodus betreiben, d.h. mit zwei Modi, die sich gleichzeitig und getrennt in diesem Leiter ausbreiten. Dann kann über den elektrooptischen Effekt ein Übergang vom symmetrischen zum antisymmetrischen Modus zwischen diesen beiden Ausbreitungsmodi erhalten werden, so daß es möglich ist, unter Berücksichtigung der weiter oben betrachteten Bedingungen eine Frequenzumsetzung zu erhalten.
• Hierzu wird wie in Fig. 11 ein einziger Leiter 421 verwendet, der dann direkt durch einen einzigen Leiter 411 des Abschnittes 1 angeregt wird, welcher seinerseits durch eine Eingangslichtleitfaser 401 gespeist wird. Der Abschnitt 1 wird tatsachlich auf seine einfachste Darstellung zurückgeführt. Für die Eingabe des Höchstfrequenz-Signals wird eine einzige Mittelelektrode 124 verwendet, die sich auf der Oberfläche des Leiters erstreckt und mit dem Signal V(t,F) gespeist wird. Damit das elektrische Feld an den Leiter zufriedenstellend symmetrisch angelegt wird, ist die Mittelelektrode 124 von zwei mit Masse verbundenen Elektroden 135 und 145 umgeben. Diese Anordnung ist von der ähnlichen Anordnung von Fig. 10 wohl zu unterscheiden, weil der Leiter 421 unterhalb der Elektrode 124 verläuft und das an diesen Leiter angelegte Feld zur Oberfläche des Substrats 402 senkrecht ist, wobei das Vorhandensein der beiden Elektroden 135 und 145 einfach dazu vorgesehen ist, eine Symmetrie dieses Feldes zu gewährleisten, während in Fig. 10 die Leiter 422 und 423 nicht von den Elektroden abgedeckt sind und das elektrische Feld hier horizontal ist.
• Der Leiter 421 am Ausgang des Abschnittes 2 teilt sich dann in zwei Zweige auf, um die Leiter 432 und 433 des Abschnittes 3 zu speisen.
• In einem solchen Fall ist die Betriebsfrequenz F fest, weil der Abstand d dem einzigen Leiter eigentümlich ist. Da dieser Abstand d sehr klein ist, ist der Wert des Koeffizienten k sehr groß, was ebenfalls für die Frequenz F gilt.
• Diese Frequenz kann eingestellt werden, indem wie weiter oben gesehen auf die verschiedenen Parameter der Ausführung des Leiters Einfluß genommen wird und indem insbesondere die bekannte Protonenaustauschtechnik verwendet wird.
• Eine andere Ausführungsform eines einzigen Doppelmodusleiters besteht darin, gleichzeitig die beiden Modi TE und TM zu verwenden. In dem Leiter findet eine progressive elektrooptische Kopplung zwischen den Modi TE und TM statt. Die Stationaritätsbeziehung lautet β&spplus;TE - βTM + B = 0. Die Differenz der den Modi TE, TM entsprechenden Indizes ist zu groß, wobei für die Änderung der Indizes zwei Techniken kombiniert werden, die Diffusion von Titan und der Protonenaustausch, damit die Stationaritätsbeziehung bei der gewünschten Frequenz erfüllt ist.
• Diese Technik ist insbesondere beschrieben in einem Artikel, der von M. de MICHELI und Koll. in der Zeitschrift "Optics Communication" Bd. 42, Nr. 2, Seiten 101-103, 15. Juni 1982 unter dem Titel "Fabrication and Characterization of Titanium in diffused proton exchanged (TIPE) waveguides in Lithium Niobate" veröffentlicht worden ist.
• Eine Modulationsvorrichtung wie oben beschrieben erlaubt beispielsweise die Übertragung eines Signals V(t) durch Überlagerung von zwei optischen Signalen, wie in Fig. 12 gezeigt ist. Hierzu wird von einer Laserquelle 150 ausgegangen, die ein im wesentlichen monochromatisches Lichtsignal E&sub0; mit der Frequenz ν emittiert. Dieses Signal wird in zwei Signale aufgeteilt, um auf gleiche Weise zwei Lichtleitfasern 151 und 152 anzuregen. Die Lichtleitfaser 151 ist mit einem Modulator 153 gemäß der Erfindung verbunden, der ein Modulationssignal V(t)ej2πt empfängt. Das auf diese Weise modulierte Signal wird von einer Ausgangslichtleitfaser 154 aufgenommen, welche es an eine Empfangsphotodiode 155 leitet. Diese Photodiode empfängt außerdem das von der Lichtleitfaser 152 kommende Signal, welches das Bezugssignal bildet und mit dem im Modulator 153 frequenzverschobenen Signal in Interferenz tritt. Das elektrische Signal am Ausgang der Diode 155 ist daher zur Modulation V(t) proportional.
• Ein Vorteil dieser Übertragungsvorrichtung ist, daß sich das Nutzsignal, das sich in der Faser 154 ausbreitet, außerhalb der Hauptlinie der Laserquelle liegt, weil die Modulationsfrequenz F wegen der Tatsache, daß die Umsetzung der optischen Frequenz erfindungsgemäß groß ist, größer als die Breite des Bandes B des Laseroszillators ist.
• Ein solcher Modulator kann auch dazu dienen, die Höchstfrequenz-Oszillatoren in den Radarantennen mit elektronischer Strahlschwenkung auf optischem Weg zu speisen oder eine Batterie von frequenzverschobenen Kanälen anhand eines einzigen Lasers zu verwirklichen, um bei den Übertragungen durch Lichtleitfasern, die in Netzen mit sehr großer Kapazität verwendet werden, kohärente Systeme mit Frequenzmultiplexierung zu verwirklichen.
• Es wird außerdem bemerkt, daß eine solche Frequenzumsetzung in der Tat einer Modulation vom Einseitenband-Typ entspricht. Diese Vorrichtung kann somit als Modulator vom Einseitenband- Typ angesehen werden, der besonders leistungsfähig ist, weil der Frequenzabstand 10 GHz annehmen kann.
• In einer anderen Ausführungsvariante, die schematisch in Fig. 13 gezeigt ist, wird die Elektrode 424 mit zwei Höchstfrequenz-Oszillatoren 451 und 452 gespeist, die über Zirkulatoren 453 bzw. 454 mit den beiden Enden dieser Elektrode verbunden sind. Da die Umsetzungsfrequenz je nach Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle in bezug auf die elektrooptische Welle unterschiedlich ist, kann somit für einen der Höchstfreqenz-Generatoren eine der kontraprogressiven Welle entsprechende Frequenz F&sub1; und für die andere eine der koprogressiven Welle entsprechende Frequenz F&sub2; verwendet werden. Auf diese Weise werden am Ausgang zwei Lichtwellen erhalten, wovon die eine die Frequenz ν + F&sub1; und die andere die Frequenz ν - F&sub2; besitzt. Das Verhältnis der Frequenzverschiebung ist gleich (N + n)/(N - n), ferner ist sie in den weiter oben beschriebenen numerischen Beispielen im wesentlichen gleich 3. Indessen kann dieses Verhältnis verkleinert werden, indem für das Substrat eine Schichtstruktur verwendet wird, die beispielsweise eine Dünnschicht aus Niobat enthält, die auf SiO&sub2; abgelagert ist, wodurch der Index N verringert wird.
• Eine solche Vorrichtung erlaubt die Übertragung zweier Oszillatoren mit einer einzigen Vorrichtung oder zweier Kanäle, die im Einseitenband mit Frequenzmultiplexierung betrieben werden. Die zwei Umsetzungen können außerdem zeitlich gesteuert werden, um die kohärente Echometrie durch Interferenz der beiden Echos auszuführen, nachdem sie mit Hilfe einer differentiellen Ausbreitungsverzögerung in zeitliche Koninzidenz zurückgebracht worden sind. Der Nutzen dieser Vorrichtung besteht dann darin, ein verhältnismäßig sehr hohes Durchlaßband zu erhalten.
• Es ist auch möglich, für die Vorrichtung gemäß der Erfindung eine Frequenzabstimmung auszuführen, indem die in Fig. 8 gezeigte Ausführungsvariante verwendet wird.
• In dieser Variante sind die Leiter 422 und 423 durch verschiedene Elektroden 464 bzw. 474 sowie durch zwei Elektroden 465 bzw. 475, die mit Masse verbunden sind und sich beiderseits dieser Mittelelektroden erstrecken, abgedeckt. Die Mittelelektroden 464 und 474 werden mit einer Spannung V&sub0; gespeist, wobei diese Speisung über eine Sperrinduktivität 456 erfolgt, die ermöglicht, den Durchgang von Höchstfrequenz-Signalen zu vermeiden, die angelegt werden, wie weiter unten ersichtlich wird.
• Auf diese Weise können durch Verändern von V&sub0; der Kopplungsparameter k zwischen den beiden Leitern und somit die Betriebsfrequenz verändert werden.
• Das Umsetzungs-Höchstfrequenz-Signal V(t,F) wird dann an die Elektrode 464 über einen Kopplungskondensator 455 angelegt, der ermöglicht, den Kurzschluß der Gleichspannung V&sub0; zu vermeiden; mit der Sperrinduktivität 456 kann vermieden werden, daß die Höchstfrequenz-Spannung zum Gleichspannungs-Generator geschickt wird. Ein Kondensator 457 ermöglicht, die Elektroden 474 und 475 auf dem gleichen Mikrowellenpotential zu halten, indem sie vom Standpunkt der Gleichspannung aus entkoppelt sind.
• Die somit in ihren unterschiedlichen Varianten beschriebenen Modulatoren gemäß der Erfindung haben den Hauptvorteil, daß sie vom Einseitenband-Typ sind, wodurch es möglich ist, die Nachteile zu vermeiden, die von der Spiegelfrequenz der bekannten optischen Modulatoren, die vom Zweiseitenband-Typ sind, herrühren.
• Außerdem sind im Gebiet der Lichtleiter diese Vorrichtungen die einzigen, die die wirksame Erzeugung einer sehr hohen Frequenzumsetzung erlauben, welche insbesondere zum Gebiet der Mikrowellen gehört.

Claims (10)

1. Optische Frequenzumsetzungsvorrichtung mit, integriert auf einem Substrat (402) aus elektrooptischem Material, zwei Lichtwellenleitern (422, 423), die über eine Länge L1 im wesentlichen parallel zueinander und in einem Abstand d1 voneinander verlaufen, Mitteln (411 bis 413) zum Einführen einer optischen Anfangswelle mit der Frequenz ν in die zwei Leiter im symmetrischen Modus und wenigstens zwei Elektroden (424, 425), die sich über die Strecke L1 längs der Leiter erstrecken, um eine Höchstfrequenz-Übertragungsleitung zu bilden, die durch eine charakteristische Impedanz (403) zu einer Schleife geschaltet ist und durch ein Höchstfrequenzsignal mit einer Frequenz F gespeist werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert von d1 eine optische Kopplung zwischen den zwei Leitern (422, 423) ermöglicht und daß die Werte von L1, d1 und F einen Übergang der übertragenen optischen Welle vom symmetrischen Modus in den antisymmetrischen Modus mit einer Frequenzumsetzung der optischen Welle im antisymmetrischen Modus ermöglichen, damit diese optische Welle eine Frequenz hat, die gleich einem der zwei Werte ν + F oder ν - F ist, und daß die Vorrichtung ferner Mittel (432, 435) zum anschließenden Überführen des antisymmetrischen Modus der in der Frequenz verschobenen optischen Welle in einen symmetrischen Modus enthält, so daß auf diese Weise die Wirkungen der Gegenphasigkeit zwischen den sich in den zwei Leitern ausbreitenden Wellen vermindert werden, um am Ausgang ein optisches Signal erhalten zu können, das eine Frequenz hat, die gleich einem der zwei Werte ν + F oder ν - F ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie nur zwei Elektroden (424, 425) aufweist und daß sich diese über die Strecke L&sub1; über den Leitern erstrecken, damit an diese ein elektrisches Feld senkrecht zur Oberfläche des Substrats angelegt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie drei Elektroden enthält, von denen eine (114) auf der Oberfläche des Substrats zwischen den zwei Leitern (422, 423) angeordnet ist, während die zwei anderen (115, 125) auf der einen bzw. der anderen Seite der zwei Leiter (422, 423) angeordnet sind, so daß an diese zwei Leiter ein elektrisches Querfeld angelegt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Leiter zu einem einzigen im Doppelmodus arbeitenden Leiter zusammengeführt sind, der eine auf diesem Doppelmodusleiter angeordnete Mittelelektrode (124) sowie zwei beiderseits dieses Leiters angeordnete seitliche Elektroden (135, 145) aufweist, um an den Leiter ein elektrisches Feld senkrecht zur Oberfläche des Substrats (402) anzulegen, das ermöglicht, einen Übergang symmetrisch/antisymmetrisch zwischen den zwei Ausbreitungsmoden im Inneren des Leiters zu erzielen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum anschließenden Konvertieren des antisymmetrischen Modus in den symmetrischen Modus zwei Lichtwellenleiter (432, 433) aufweisen, die über eine Länge L&sub2; im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und durch einen Abstand D&sub2; voneinander getrennt sind, der keine Kopplung der zwei Leiter zuläßt, und ferner zwei Elektroden (434, 435) aufweist, die sich auf der Oberfläche dieser Leiter erstrecken und mit elektrischen Gleichspannung V&sub0; gespeist werden können, die erlaubt, an die Leiter ein elektrisches Feld senkrecht zur Oberfläche des Substrats (402) anzulegen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum anschließenden Konvertieren des asymmetrischen Modus in den symmetrischen Modus eine asymmetrische Zusammenführung mit zwei Ausgängen (742, 743) unterschiedlicher Breite aufweisen, in der der antisymmetrische Modus aus dem engsten Leiter kommt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum anschließenden Konvertieren des antisymmetrischen Modus in den symmetrischen Modus zwei in X-Form gekreuzte Leiter (932, 933) und zwei Elektroden (901, 902) aufweisen, die an diesem Kreuzungspunkt angeordnet sind, um eine Steuerspannung V&sub1; zu empfangen, die es ermöglicht, den symmetrischen Modus in einen der Leiter (933) zu lenken.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (451 bis 454) enthält, die mit jedem Ende der Höchstfrequenz-Übertragungsleitung verbunden sind, die von den auf dem Substrat angebrachten Elektroden (424, 425) gebildet ist, mit denen diese Leitungen mit einer kontraprogressiven und/oder einer koprogressiven Welle gespeist werden kann.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (455 bis 457) zum gleichzeitigen Speisen der Elektroden (464, 465, 474, 475) mit einem Höchstfrequenz-Signal mit der Frequenz F und einer elektrischen Gleichspannung V&sub0; enthalten, womit die Kopplung zwischen den zwei Leitern und folglich der Betriebsfrequenz der Vorrichtung verändert werden kann.

10. Optischer Einseitenband-Modulator, der eine Vorrichtung (153) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 enthält.