Способ аналого-цифрового преобразования оптических сигналов Советский патент 1989 года по МПК G02F7/00 

выражено с iioMoinhio ичм1М(рпия диэлектрической к(5нстпиты J(n ), опреде-лрл- ной как

/1(п;) - п ,(1)5

где. п 2- покязатоль iipciiONuieitHH подложки вдоль оси Z;

г.- злектрооптический коэффициент вдоль оси Z,

и величины электрического поля управ ляемых волн Ego оитическсзго диффузного волновода, равного:

Е ,2i... ь , - - -

W-jW-j W

ехр

-,: 1

(Z - Z)/wj j, (2) где Zo координата максимума электрического поля ЕОС,;

W , W - размеры оптического волновода по осям Y и Z, следующим образом:

К

dy S CnblE j dz

2/J

5 dy lE,,rdz

- oo -e

(3)

с константой распространения в сззо п1

пространстве К -, где Д длина волны излучения. Учитывая, что

ЗСп) Е., где .

.1 г- 2

/3 - - const.

н ипгегрпл и чнлменателе (3) равен и-з-ч.ч нормировки в формуле (2), затом пырлжепне (3) в виде с «

d/3 А j J F. dydz, (5) где

л А /i

- л -tv

. 1

к ПгГгг

2/3

2Г

- const.

10

15

20

25

30

Так как напряжение в электродах U и напряженность электрического поля Е,, пересекающего оптический волновод при неизменной геометрии электродов, находятся в пропорциональной зависимости, то уменьшение напряжения вдоль длины электродов, вызванное по- в них, дает такое же падение напряженности электрического поля Е вдоль оптического волновода, которое уменычает 4/э (формула (5)),

Изменение структуры поля аподиза- цией электродов позволяет увеличить ;2 неизменном напряжении U, в ре- чультате чего достигается выравнивание d/J вдоль длины волновода.

На фиг. I представлены результаты вычислений по формуле (5) с подстановкой в нее значений Едд для диффузионных волноводов из формулы (2) и

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.

Е-.

для планарной электродной структуры по формуле, известной из теории электричества, величины изменения константы распространения при различных расстояниях а между электродами и расстояниях d между электродами и оптическим волноводом для отношения размера волновода по оси У к размеру по оси Z, равного 0,5, Величина d учитывает как смещение аz по оси z, так и глубину залегания волновода VQ d Ы + (dz Y . (7)

На фиг, 2-4 приведены возможные варианты устройств, реализующих предлагаемый способ; на фиг. 5 - сечение А-А на Лиг, 4.

На фиг, 2-5 обозначены: 1 - оптические диффузионные канальные волноводы; 2 - подложка из электрооптического материллл; 3 - электроды.

(6)

обеспечивающие режим бегущей волны; 4 - согласующее сопротивление нагрузки; 5 - полупроводниковый лазер; 6 - источник управляющего напряжения; 7 - диэлектрическое покрытие; 8 - фотоприемник; 9 - компаратор;

Общими для всех вариантов уст- . ройств являются подложка 2 из электрооптического материала, например ни- обата лития, диффузионные волноводы 1, сформированные 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 устройствpea- лизации способа пропускают оптический

514

сигнал от 5 через r-.истему днф (Ьузионньгх канальных волнонодов I . Р, процессе распространения в волноводах оптический сиг нал взаимодействуе с электрическим полем бегущей нолны, 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 Л( постоянной распространения /5 вдол линии электродов, вызванного управляющим сигналом от источника 6, электродную структуру изготавливают с различным расстоянием между электродами вдоль длины оптического волновода (фиг, 3) и (или) различным взаимным расположением электродов и оптического волновода (фиг. 2), и (или) с различной толщиной диэлектрического покрытия (фиг. Л, 5) вдоль длины оптического волновода.

Приведем три примера использования предлагаемого способа для конструирования оптоэлектронных модуляторов. Для всех примеров используются интерферометрические модуляторы Маха- Цандера, одномодовые оптические волноводы которых сформированы в подложке из монокристалла ниобата лития путем диффузии титана в приповерхностный слой. В этом случае у О (волновод находится в приповерхностном слое) и тогда d Дг.

Допустимые потери в волноводах оптических модуляторов не должны превышать нескольких десятков милливатт, что составляет примерно 2 дБ. Принимая потери модулирующего напряжения в 2 дБ, а длину электродов модулятора, например, 4 см, получаем коэффициент затухания в них aig 0,5 дБ/см и закон затухания электрического поля оптического волновода

с.Х

-0,02SX

(х) 10 о 10 , (8) где X - компонента прямоугольной системы координат, направленная вдоль длины оптического волновода, т.е.

Е,(х)

Е

г„(х)

Е, -10

-а,оих

.(9)

Z где Е - напряженность упрлвляюще -б

злектрического поля при отсутствии потерь в электродах.

Для учета уменьшения /5(х), вызванного уменьшением напряженности поля р вследствие потерь в электро

66

дах, ппеасм в формулу (5) коэффициент Sr(x), тогда фopмyJIa (5) запишется в виде о «г

4,8 А 5 (x)E(x.y,z)«

. (x.y,z)dydz.(10)

Пример 1. Из семейства кривых, данных на фиг. I, находим, что изменение взаимного расположения электродов модулятора отггосительно оптического волновода вдоль оси Z от расстояния, равного 0,8 (пирины волновода W , до положения, когда волновод находится строго между электродами (d 0), ттриводит к монотонному увеличению д(в относительных единицах) от 0,699 до 0,880, т.е. на 2 дР, это свидетельствует о том, что смещение электродов относительно оптического волновода у входных зажимов должно быть равно 0,8 ширины волновода с дальнейшим уменьшением 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 волновода.

Пример 2. Тот же результат, можно получить, если изменить рассто

кий волновод оставить строго посередине (фиг. 3). Так, если относительную величину зазора, равную 1,41 раз-55Г7

мера волновода по оси Z, уменьшить до 1, то й/3 увеличится в 1,259 раз, т.е. на 2 дБ, это свидетельствует о том, что у входных зажимов электро- 4Q дов величина зазора между электродами должна составлять 1,41 размера волновода по оси Z, указанная величина уменьшится к выходу до размера, равного размеру волновода.

Пример 3. Для устройства с переменной ()й диэлектрического покрытия можно использовать формулу для компланарного волновода на диэлектрической поверхности (фиг. 4)

45

50

55

-э где (11)

р1

t пя + п ,

эффективная диэлектрическая проницпе мелеть; относительная диэлектрическая проницаемость подложки;

эффективная диэлектрическая проницаемост ь пространства в зазоре между электродами

с члстичным заполнением дн- злектрикоп;

с - TciJiiiuiiia диэлектрического покрытия;

i - относительная диэлектрическая проницаемость пленки. Возьмем подложку из ниобата лития ( п 0) 15 направлении оси Z, пленку из ; ,пО ( Гпл 8,8). В этом случае, меняя отношение коэффициента заполнения с/а от 1 до 0,096, получаем увеличение 4/ в 1,258 раз, т.е. на 2 дБ Следовательно, от входных зажимов к концу электродов коэффициент заполнения 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 /j/э, вызванного потерями в электродах, можно полностью компенсировать уменьшением расстояния между электрода и и оптическим волноводом d(x) и (или) расстояния между электродами а(х), 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 X, d, а, с. Формулу (10) удобнее записать в виде

о

j/i «(x)A i lE2ja(x),d(x),c(x),

y,,,y,z)dydz. (12) Согласно (12) Л( const, если

01 (,y,

nEo,. (x,y,z)dydz ), (13) или, имея в виду, что Е- в сечении, нормальном к оси X, задается величинами а(х), d(x), с(х), запишем уравнение (12) в виде

.l (x,y,z)dydz (14)

5 E.,(x,y.z)|Eo

(Х).

Уравнение (13) определяет взаимную зависимость расстояния между электродами а(х), расстояния между электродами и оптическим волноводом d(x), толгщны диэлектрического покрытия с(х) и закона затухания сигнала из-за потерь и электродах «(х). Задавая значения одних из этих параметров, с помс)щьн) уравнения (13) находят значения друт их во всех )

5

0

5

0

5

0

5

речных сечениях вдоль длины волноводов.

Использование изобретения позволяет повысить точность функцион;шьного преобразования АЦП с интегрирующей выборкой, так как устраняются ошибки, вызванные неравномерностью изменения j3/3 константы распространения /з . Конкретные значения повышения точности функционального преобразования зависят от вида аналогового сигнала, подлежащего аналого-цифровому преобразованию.

Формула изобретения

Способ аналого-цифрового 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 электрическим полем бегущей волны с помощью системы Электродов, преобразуют полученный набор оптических сигналов в электрические напряжения и сравнивают их с пороговыми уровнями, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности преобразования, дополнительно изменяют напряженность управляющего электрического поля по сечению каждого оптического волновода путем аподизации геометрии электродов, при этом закон изменения напряженности удовлетворяет соотношению

0ее

1 (x),d(x)c(x),y,zJ.

|Eo7l -(x,y,z)dydz (х), где X - направление вдоль оптического волновода; у - направление, нормальное к

подложке;

z - направление, нормальное к -у и лежащее в плоскости подложки;

0

5

Е )

ос(

а(х) d(x) с(х)

напряженность 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;

ZlWz d2-yl / 2, ФивЛ

фиг. 2

Aia&

с . 5 ixV г

- . 3