Способ аналого-цифрового преобразования оптических сигналов

Способ аналого-цифрового преобразования оптических сигналов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к области оптоэлектроники ,в частности, к способам преобразования аналоговых сигналов в цифровой код, и предназначено для использования в оптических системах сбора, обработки и передачи информации. Целью изобретения является увеличение точности преобразования за счет устранения погрешности интегрирования, обусловленной затуханием электрического сигнала по длине полосковых электродов электрооптического модулятора (ЭОМ). Вводится рассогласование по электрооптическому взаимодействию поля электродов с полем световой волны канального оптического волновода ЭОМ, причем относительное изменение интеграла перекрытия по длине электродов имеет обратную зависимость от пространственного затухания электрического сигнала. Изменение интеграла перекрытия реализуют путем аподизации геометрии электродов, например, за счет выполнения ЭОМ с переменным расстоянием между оптическим волноводом и электродами по их длине, путем выполнения ЭОМ с переменными по длине электродов шириной этих электродов и расстоянием между ними, путем нанесения на поверхность электродной структуры ЭОМ диэлектрического покрытия с изменяющейся по длине электродов толщиной. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я114 02 Р 7/00

Р". гп„.„-." P,1;11

Гй1сяЬ, i, *",,) . "il3

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4328291/31-25 (22) 16. 11,87 (46) 30.07. 89. Бюл, № 28 (71) Воронежский государственнл|й университет им. Ленинского комсомола (72) В, А. Щульгин, В, Н. Гунькин и В.Б, бредов (53) 535.8(088.8) (56) Бекер P,А, и др. Широкополосные электрооптические волноводные аналого-цифровые преобразователи, Т ° 72, ТИИЭР, 1984, № 7, с. 71.

Авторское свидетельство СССР № 1246368, кл. G 02 F 7/00, 1984. (54) СПОСОБ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИП1АЛОВ (57) Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к способам преобразования аналоговых сигналов в цифровой код, и предназначено для ис-! пользования в оптических системах сбора, обработки и передачи информации. Целью изобретения является увеличение точности преобразования за

Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к способам преобразования аналоговых сигналов в цифровой код, и может быть использовано в оптических системах сбора, обработки и передачи информации.

Цель изобретения — увеличение точности преобразования, Изменение напряжения вдоль оптического волновода позволяет компенсировать неравномерность преобразова„„SU „„1497606 А 1 счет устранения погрешности интегрирования, обусловленной затуханием электрического сигнала по длине полосковых электродов электрооптического модулятора (30M), Вводится рассогласование по электрооптическому взаимодействию поля электродов с полем световой волны канального оптического волновода ЭОМ, причем относительное изменение интеграла перекрытия по длине электродов имеет обратную зависимость от пространственного затухания электрического сигнала. Изменение интеграла перекрытия реализуют путем аподизации геометрии электродов, например за счет выполнения ф

ЭОМ с переменным расстоянием между оптическим волноводом и электродами по их длине, путем выполнения 30М с переменными по длине электродов шириной этих электродов и расстоянием между ними, путем нанесения на поверхность электродной структуры ЭОМ диэлектрического покрытия с изменяющейся по длине электродов толщиной, 5 ил. ния вдоль направления распространения оптических сигналов в оптоэлектронных модуляторах, вызванную изменением

gp константы распространения З(так как величина управляющего электрического поля Е уменынается вдоль длины оптического модулятора иэ-за уменьшения напряжения в электродах, вызванного омическими потерями), Изменение др константы распространения р управляемых волн может быть

14<.3 76

I36 4 и и<<геi13«ii 33 «наменателе (3) ранен 1, II -за Iit«plllipoi«I<«4 н формуле (2), запишем 331<ражение (3) н виде е

op= "5 5 Е (Е„(dy«(5) где — <ф -СО ,2

К 1 n,r.z>

А =р -- = — - — ---- = const.

27э 21 выражено с лом<«шью и 3 1< «1п<я ди элект2 рической константы J(13 ) <33333<73<;I< у < ной как

=-Л n .г ..Е, (1) 5 показатель 3«реломлепия подложки идол ь оси Z; электрооптический коэффициент вдоль оси Z ны электрического поля управ- 10 олн Е<э, оптического диффузно<2(П ) где и

z z и неличи ляемых н го нолновода, равного:

2у Г Y 21

Е „= ------- — — ехр --(--)

Ъ

Ч

15 ехр(— (<7. — 2 3/иэ ) 1, 1?) где Z — координата максимума электрического поля Е „„;

w w — размеры оптического нолноноЧ да по осям Y и Z, 20 следующим образом .

1(<эу (п ) (оо(dy S (Е<эо(dz с константой распространения н свободном пространстве К = "-, где (4), 30 га 4 2 d 2 g 11/2t

+(- — + у + z + 2у z + --(у — z )!

1М 2 (6) 2yz+--(у-z))

2 2 <1 2 2 1 <12

2 для планарной электродной структуры 40 по формуле, известной из теории электричества, величины изменения константы распространения Лрпри различных расстояниях а между электродами и расстояниях d между электродами и 45 оптическим нолноводом для o<íoø< Hèÿ размера волнонода по оси у к размеру по оси Z, равного 0,5. Величина d учитывает как смещение <1 z по оси z так и глубину залегания нолновода

> . ()

На фиг. 2-4 приведены возможные варианты устройств, реализующих предлагаемь«й способ1 на фиг ° 5 — сечение

А-А на <«эиг, 4.

На фиг. 2-5 обозначены. — оптические диффузионные канальные нолноноды> 2 — подложка из злектрооптического матери 311<3; 3 — электроды, длина волны излучения, Учитывая, что

g(n ) = рЕ, где р = -- п r = const

2 z zz (-- + у — у )

d 2 2

Е

1(/2 а 4 (16

Так как напряжение в электродах U и напряжеHHocTь электрического поля

Е, пересекающего оптический волнонод при неизменной геометрии электродов, находятся н пропорциональной зависимости, то уменьшение напряжения вдоль длины электродов, вызванное потерями в них, дает такое же падение напряженности электрического поля Е вдоль onTIIческого волновода, которое меньшает дp (формула (5)).

Изменение структуры поля аподизацией электродов позволяет увеличить

Е при неизменном напряжении У, в результатете че го дос ти гает ся выр аннинание dP вдоль длины нолновода.

На фиг, l представлены результаты вычислений по формуле (5) с подстановкой н нее значений Е, для диффузионных нолноводов из формулы (2) и обеспечивающие режим бегущей волны;

4 — согласующее сопротивление нагрузки; 5 — полупроводниковый лазер; 6 источник управляющего напряжения; 7диэлектрическое покрытие; 8 — фотоприемник; 9 — компаратор;

Общими для всех вариантов устройств являются подложка 2 из электрооптического материала, например ниобата лития, диффузионные волноводы 1, сформиронанные диффузией титана в ниобат лития, источник 6 управляющего напряжения и согласующее сопротивление 4, подключенные к электродам 3, лазер 5, фотоприемник 8 и компаратор 9. В одном из вариантов устройств нанесено диэлектрическое покрытие 7, например ZnO.

Во всех вариантах устройств реа-. лизации способа пропускают оптический процессе распространения л волноводах оптический сигнал взаимодействует с электрическим полем бегущей волны, создаваемым системой электродов 3.

Амплитуду выходного оптического сигнала преобразуют в электрический сиг— нал с помощью фотоприемника 8 и далее подают на компаратор 9, С целью обеспечения равноменного изменения

gp постоянной распространения р вдоль линии электродов, вызванного управляющим сигналом от источника 6, электродную структуру изготавливают с различным расстоянием между электродами вцоль длины оптического волновода

1 (фиг, 3) и (или) различным взаимным расположением электродов и оптического волновода (Фиг, 2), и (или) с различной толщиной диэлектрического покрытия (фиг ..4, 5) вдоль длины оптического волновода.

Приведем три примера использования предлагаемого способа для конструирования оптоэлектронных модуляторов, Для всех примеров используются интерферометрические модуляторы МахаЦандера, одномодовые оптические вол- З0 новоды которых сфОрмированы в подложке из монокристалла ниобата лития путем диффузии титана в приповерхностный слой. В этом случае ур = О (волновод находится в приповерхностном слое) и тогда d = и z, Допустимые потери в волноводах оптических модуляторов не должны превышать нескольких десятков милливатт, что составляет примерно 2 ДБ. Прини- 40 мая потери модулирующего напряжения в 2 дБ, а длину электродов модулятора, например, 4 см, получаем коэффициент затухания в них р(р= 0,5 дБ/см и закон затухания электрического поля 4 оптического волновода

ы,х

1 (х) = 10 = 10, (8) где х — компонента прямоугольной системы координат, направленная вдоль длины оптического вол- 50 новода, т.е, Е (х) = Е фх) = Г 10, (9) где Š— напряженность управляющего р электрического поля при отсутствии потерь в электро- 55 дах.

Для учета уменьшения д а (х), вызванного уменьшением напряженности поля Е вследствие потерь в электроз

5 l 49 76( сигнал от лазер.-1 5 через сltc Tåìó диф<Ьузионньгх канальных волцоводон l . В

Ерл + Ер

Е ! (l l) эФФ где Сэр в эффективная диэлектрическая проницаем< сть, E„ — относительная диэлектричес" кая проницаемость подложки;

Есъс пл а эффективная циэлектрическая проницаемост пространства л зазоре t«жду электродами

>6 е дах, ллепем л формулу (5) коэффициент г" (х ) то Гда формул » (5 ) з апи шется н лиде

Р юР ар= А f ((1;(х)Е (х,у,z)) в-Ф р

1 I F, I (х,v ° 7.)() с)е ° (10)

П р и и е р 1, Из семейства кривых, данин к на фиг, 1, находим, что изменение Rçëèìíoãо расположения электродов модулятора относительно оптического волновода вдоль оси Z от расстояния, равного О, 8 ширины волновода w до положения, когда

z волновод находится строго между электродами (d = О), приводит к монотонному увеличению д р(в относительных единицах) от 0,699 до 0,880, т.е, на

2 дГ, это свидетельствует о том, что смещ ние электродов относительно оптического волнолода у входных зажимов должно быть равно 0,8 ширины волновода с дальнейшим уменыпением его к выходным зажимам и равенством нулю на конце электродов. Промежуточные значения смещения для всех примеров определяются также из формулы (5) по известным значениям затухания в конкретном сечении лолновода, Пример 2, Тот же результат. можно получить, если изменить расстояние между электродами а, а оптический лолновод оставить строго посередине (фиг, 3), Так, если относительную величину зазора, равную 1,41 размера волнолода по оси Zq уменьшить до 1, то d(y увели п1тся в „259 раэ, т,е, на 2 дБ, это свидетельствует о том, что у входных з ажимов электродов величина зазора между электродами должна составлять 1, 41 размера волновода по оси 2, указанная величина уменьшится к выходу до размера, равного размер. волновода, Пример 3, Для устройства с переменной толщиной диэлектрического покрытия можно испольэовать формулу для компланарного волцовода на диэлектрической поверхности (фиг. 4) 149 7606

Е (х,y, ) а(х)

d(x) c(x) с частичным заполнением ди-1лсктрикс в; с — т Jill/Ill;\ диэлектрического покрытия; относительная диэлектричеси> кая проницаемость пленки, Возьмем подложку из ниобата лития („= 30) в направлении оси Z гленку из ".»0 (E Я, 8) . В этом случае, меняя отношение коэффициента заполнения с/а от до 0,096, получаем увеличение др в 1,258 раз, т.е, на 2 дБ, Следовательно, от входных зажимов к концу электродов коэффициент заполне- 15 ния с /а изменяется от 1 до 0,096, Промежуточные значения расстояния а для примера 2 и с/а для примера 3 находят так же, как и для примера 1, из известных значений затухания в конкретном сечении волновода, Из приведенных примеров видно> что уменьшение Изменения константы распространения др > вызванного потерями

Fi электродах, можно полностью компен- 25 сировать уменьшением расстояния между электродами и оптическим волноводом d(x) и (или) расстояния между электродами а(x) и (или) уменьшением толщины диэлектрического покрытия с с(х). С учетом потерь в электродах

Е зависит не только от у и z но и от х, d, а, с. Формулу (10) удобнее записать в виде

О е др=g(x)A $ tЕ ta(x),d(x),с(х), y>z) 1Еос ) (x,y ° z)dydz. (12)

Согласно (12) d p = cons t > если р рр

1 F.,(a(x),д(х),c(xl,у,z)

-рр рр

-1 40

«1Е„ ° (х,у, z)dydz = А (х), (13) или, имея в виду, что Е в сечении, нормальном к оси Х, задается величинами а(х), d(x), с(х), запишем уравнение (12) в виде р О

) (E (х,у,г) Ео>1 (х,у,z)dydz

= А (х) . (14) Уравнение (13) определяет взаим50 ную зависимость расстояния между электродами a(x), расстояния между электродами и оптическим волноводом

Й(х), толщины диэлектрического IloKpII тия с(х) и закона затухания сигнала из-за потерь в электродах (х), За55 давая значения одних из этих параметров, с 11с мощью уравнения (13) на— ходят зна 1е11ия других но всех 11о11»речных сечениях вдоль длины нолноводов.

Использование изобретения позволяет повысить точность функциональноro преобразования АЦП с интегрирующей выборкой, так как устраняются ошибки, вызванные неравномерностью изменения

alp константы распространения р, Конкретные значения повышения точности функционального преобразования зависят от вида аналогового сигнала, подлежащего аналого-цифровому преобразовании.

Фо р мул а и з о б р е т е ни я

Способ анало го-цифрово го преобразования оптических сигналов, заключающийся в. том, что пропускают оптический сигнал одновременно через набор оптических волноводов, сформированных в подложке из электрооптического материала, управляют оптическим сигналом в каждом волноводе электри- . ческим полем бегущей волны с помощью системы Электродов, преобразуют полученный набор оптических сигналов в электрические напряжения и сравнивают их с пороговыми уровнями, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью увеличения точности преобразования, дополнительно изменяют напряженность управляющего электрического поля по сечению каждого оптического волновода путем аподизации геометрии элект1 родов, при этом закон изменения напряженности удовлетворяет соотношению о р

Е (B(x)>d(x)c(x) ° у> )*

"JEîof (x y,z)dydz = А (х), где х — направление вдоль оптического волновода;

y — направление, нормальное к подложке;

z — направление, нормальное к .у и лежащее в плоскости подложки напряженност ь электрического поля управляемых волн в оптическом волноводе; расстояние между электродами в сечении х; расстояние между электродами и оптическим волноводом; толщина диэлектрического по крытия в сечении х;! 4976(16

0.9

0,8

0.7

Q,l

1 2

Фиг. 2

Е (а(х), d(x) с(х), у, z ) — напряженность электрического

5 поля управляющих волн, создаваемых электродами с параметрами à, d, с в сечении х;

g (х) — закон затухания Е вдоль длини оптического волновода, А — const.

1497606

Составитель В, Аджалов

Редактор А, Лежнина Техред М,Ходанич Корректор M. Максимишинец

Заказ 4443/49 Тираж 513 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101