DE4005557A1

DE4005557A1 - Faseroptischer intensitaetsmodulator und einen solchen modulator enthaltendes optisches kommunikationssystem

Info

Publication number: DE4005557A1
Application number: DE19904005557
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Marten; Konrad Dr Boehm
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1990-02-22
Filing date: 1990-02-22
Publication date: 1991-08-29

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Intensitätsmo dulator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein einen solchen Modulator enthaltendes optisches Kommu nikationssystem.

Ein derartiger Modulator ist beispielsweise Gegenstand ei nes von J.F. Ryley et.al. beim International Microwave Symposium, Brazil, Juli 1989 im Beitrag "Proposed High Speed on-fiber intensity modulator", Konferenzberichte S. 757-762, gemachten Vorschlags zur Intensitätsmodula tion mit sehr hoher Modulationsfrequenz.

Ryley et.al. schlagen hierzu vor, bei einer Multimodefaser über den halben Umfang das Mantelmaterial zu entfernen und auf den freigelegten Teil des Faserkerns eine erste innere Elektrode, eine optisch aktive Schicht aus Polymermaterial und eine zweite, äußere Elektrode aufzubringen. Durch ein elektrisches Feld zwischen den beiden Elektroden kann der Brechungsindex des optisch aktiven Material steuerbar ge ändert werden, wodurch die Lichtführungseigenschaft und damit die Dämpfung des so präparierten Faserabschnitts be einflußt werden können. Ein an die Elektroden angelegtes Modulationssignal führt so zu einer Intensitätsmodulation des den Faserabschnitt durchlaufenden Lichts.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen einfacher aufgebauten Modulator der im Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1 beschriebenen Art anzugeben.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die weiteren Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausge staltungen und Weiterbildungen der Erfindung sowie auf op tische Kommunikationssysteme unter Einsatz solcher Modula toren.

Der erfindungsgemäße Modulator ist besonders einfach her stellbar und handhabbar. Bei der Herstellung des Lichtlei terabschnitts mit D-förmigem Querschnitt kann auf die be kannten Verfahren zur Herstellung von D-Typ-Lichtleiterfa sern wie sie beispielsweise für Polarisatoren eingesetzt werden, verwiesen werden. Die Planfläche ist besonders vorteilhaft für die Anordnung des optisch aktiven Materi als sowie evtl. weiterer Schichten, z. B. für Kontakte. Die Herstellung einer D-Typ-Faser erfolgt durch Ausziehen ei ner Faser aus einer entsprechend geformten und aufgebauten Vorform.

Optisch aktive Materialien in dem Sinne, daß der Brech ungsindex steuerbar veränderlich ist, sind an sich be kannt. Es werden beispielsweise bereits Dünnfilmfolien aus Polymeren nach entsprechender Strukturierung als optische Planarwellenleiter eingesetzt. Die Molekülausrichtung ist hierbei isotrop (disordered mode). Werden derartige Folien auf eine bestimmte Temperatur, z. B. ca. 140°C erwärmt, so kann durch eine planare Elektrodenanordnung und ein ent sprechendes elektrisches Feld eine anisotrope Molekülaus richtung (ordered mode) bewirkt werden. Diese Formierung wird im Abkühlvorgang "eingefroren" und die Folie wird op tisch aktiv in dem Sinne, daß über ein elektrisches Feld der Brechungsindex beeinflußbar wird.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschau licht. Die Zeichnungen sind schematisch und im Regelfall nicht maßstäblich. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Modulator;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Anordnung mit einem solchen Modulator und einer Lichtleitfaser;

Fig. 3 eine planare Anordnung mit mehreren Modulatoren;

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Modulator in der An ordnung nach Fig. 3;

Fig. 5 ein optisches Kommunikationssystem mit Intensi tätsmodulatoren.

Bei dem Modulator nach Fig. 1 ist ein Lichtleiter mit ei nem Kern 1 und einem Mantel 2 vorgesehen. Der Lichtleiter besitzt einen D-förmigen Querschnitt, wobei die Planarflä che 20 der Mantelfläche in geringem Abstand, typischer weise 1-3 µm, vom Kern 1 verläuft. Auf der Planarfläche 20 ist eine Schichtenfolge aus einer dünnen Zwischenschicht 4, einer Schicht 3 aus dem optisch aktiven Material und einer Deckelektrode 5 angeordnet. Die Zwischenschicht 4 ist typischerweise 100 nm dick und für die vorgesehene Betriebswellenlänge transparent. Sie besteht aus elektrisch leitenden Mate rial, z. B. SnO₂ oder ITO, und bildet die Gegenelektrode zu der Deckelektrode 5. Die lichtführenden Eigenschaften des Lichtleiters für senkrecht zur Planarfläche polarisiertes Licht sind wesentlich bestimmt durch die Eigenschaften der Schicht 3 aus dem optisch aktiven Material. Für gute Lichtführung, d. h. geringe Durchgangsdämpfung des Licht leiters ist n₃ < n_k mit n₃, n_k als Brechungsindizes der Schicht 3 bzw. des Kerns 1. Zur Abstimmung der Brechungsindizes kann sowohl bei Einsatz vom Standard-Lichtleitfasermaterial für den Lichtleiter 1, 2 für die Schicht 3 ein Material mit ausreichend niedrigem Brechungsindex oder bei Verwendung von derzeit noch gebräuchlicherem optisch aktivem Material mit Brechungsindex von n₃=1,55...1,6 ein Kernmaterial, z. B. GeO₂, mit entsprechend höherem Brechungsindex n_k ge wählt werden.

Durch ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden 4 und 5 kann der Brechungsindex n₃ auf n₃ < nk erhöht werden, wodurch die optische Welle aus dem Kernbereich ausbricht und die Durchgangsdämpfung steigt (Dunkelmodulation). Der erreichbare Modulationshub zwischen minimaler und maxima ler Durchgangsdämpfung ist hoch und liegt beispielsweise bei m=80%.

Der Aufbau ist prinzipiell gleich für optisch aktive Mate rialien, deren Brechungsindex ohne Feld größer als n_k ist und durch Anlegen eines Feldes unter n_k gesenkt werden kann.

Vorteilhafte Verfahrensschritte zur Herstellung des Modu lators wie z. B. Aufdampftechniken für die transparente Zwischenschicht, Beschichtungstechniken für Polymere (Schleudern, Tauchen), Strukturierungsverfahren (Plas maätzen, Ionenstrahlätzen) usw. sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und daher nicht im Detail be schrieben.

Bei der in Fig. 2 skizzierten Anordnung ist der sich über eine Länge A von größenordnungsmäßig 1 cm erstreckende Mo dulator aus Kern 1, Mantel 2, Elektroden 4 und 5 sowie op tisch aktivem Material 3 in Verbindung mit einer Licht leitfaser mit Kern 1′ und Mantel 2′ abgebildet. Die Kerne 1, 1′ von Modulator und Lichtleitfaser sind fluchtend ausge richtet. Der Modulator ist als reflektierender Modulator mit einer Verspiegelung 6 an einem Ende ausgeführt. Bei transmittierendem Betrieb des Modulators entfällt die Ver spiegelung 6 und es ist auf beiden Seiten des Modulators ein optisches Element, vorzugsweise je eine Lichtleitfaser vorgesehen. Der Spalt zwischen Modulator und Lichtleitfa ser kann in bekannter Weise mit Glaslot oder dergleichen ausgefüllt sein.

Die Kombination eines faseroptischen Modulators in Verbin dung mit zu- und abführenden Lichtleitfasern ist wegen der einfachen Ausrichtmöglichkeit und der geringen Koppelver luste besonders günstig. Eine genaue Ausrichtung wird auf einfache Weise erreicht durch Einlegen des Modulator- Lichtleiters und der Lichtleitfaser in eine durchgehende V-förmige Nut eines mechanisch stabilen Trägers, was aus der Fig. 3 und 4 noch deutlich wird.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung mit mehreren Modulatoren, de ren Planarflächen in einer Ebene liegen. Die Lichtleiter der Modulatoren sind in V-förmige Nuten 9 eines Trägerkör pers 7 eingelegt, welche auch zur Aufnahme von zu- und ab führenden Lichleitfasern vorgesehen sind. Fig. 4 zeigt die Lage der Lichtleiter mit Mantel 2 und Kern 1 in den Nuten 9 im Detail.

Eine Trägerplatte 8, z. B. aus SiO₂-Glas, trägt an ihrer Unterseite "vergraben" die Deckelektroden 5 für die ein zelnen Modulatoren und die individuellen Zuleitungen 50 zu den Deckelektroden, sowie das optisch aktive Material 3 als ganzflächige Schicht und die dünne elektrisch leitende Zwischenschicht 4 als eine allen Modulatoren gemeinsame Gegenelektrode zu den individuellen Deckelektroden 5. Die Trägerplatte 8 wird auf die planare Oberfläche des Träger körpers 7 und die coplanar dazu verlaufenden Planflächen der in die Nuten eingelegten Lichtleiter aufgesetzt, so daß wieder die zu Fig. 1 ausführlich beschriebene Schicht struktur der Modulatoren entsteht. Als Trägerkörper ist besonders ein einkristallines Silizium-Substrat mit 100- Kristalloberfläche geeignet. Die Nuten sind dann mit hoher Präzision und auf einfache Weise mittels die Kristallori entierung auszunutzender anisotroper Ätzverfahren her stellbar. Alternativ zu der skizzierten Anordnung mit Trä gerplatte können die Schichten 3 und 4 und die Deckelek troden 5 mit Zuleitungen 50 auch auf dem Substrat 7 und den in die Nuten 9 eingesetzten Lichtleitern abgeschieden werden.

Eine bedeutsame Eigenschaft des erfindungsgemäßen Modula tors ist die Polarisationsselektivität, da im wesentlichen nur die senkrecht zur Planfläche polarisierte Komponente des im Lichtleiter geführten Lichts moduliert wird. Hier durch kann die parallel zur Planfläche polarisierte Kompo nente ummoduliert bleiben oder bevorzugterweise durch einen anderen Polarisator mit um 90° gedrehter Planfläche moduliert werden, wobei Modulatoren mit gegeneinander ge drehter Planfläche unabhängig voneinander betreibbar sind. Es können in einem Lichtweg oder einem Netz von Lichtwegen auf diese Weise Lichtwellen orthogonaler Polarisation gleichzeitig mit unabhängiger Modulation benutzt und so die Übertragungskapazität verdoppelt werden. Auf die Pola risationserhaltung bei der Übertragung ist zu achten, z. B. durch Benutzung von polarisationserhaltenden Monomodefa sern. Die Modulatoren eignen sich besonders zum Einsatz in optischen Kommunikationssystem und können dort vor al lem modulierte aktive Elemente, z. B. Halbleiterlaser er setzen. Ein vorteilhafter Aufbau eines solchen optischen Netzes ist in Fig. 5 skizziert.

Faseroptische Netze im Nahverteilungsbereich (LAN, z. B. Bürokommunikation, Anlagensteuerung, antonome Systeme) werden häufig durch eine Vielzahl elektrooptischer Schnittstellen (Teilnehmeranschluß) geprägt. Durch die kurzen Leitungslängen (L<1 km) werden die Kosten durch die Endstellen und nicht durch das Verteilnetz bestimmt. Auf grund der geringen Längen entstehen nur unwesentliche Lei tungsverluste, d. h. die optischen Pegel liegen auf ent sprechend hohem Niveau. Wenn man das optische Leistungs budget unter der Vorgabe üblicher Sendeleistungen bzw. Empfangsempfindlichkeiten betrachtet, so kann man einen Überschuß an optischer Leistung in derartigen Netzstruktu ren feststellen. Diese Leistungsreserve kann genutzt wer den, um die Anzahl optischer Sender im Netz drastisch zu reduzieren. Da die Präzisionskopplung Laser- Lichtleitfa ser einen wesentlichen Kostenanteil jeder Endstelle aus macht, ist bei einer hohen Endstellenzahl mit erheblichen Einsparungen zu rechnen, wenn anstelle mehrerer modulier ter Lichtquellen eine einzige Lichtquelle in Verbindung mit mehreren Modulatoren benutzt werden, wobei die Licht quelle, vorzugsweise ein Laser zuerst als ummoduliert an genommen sei. Die beschriebenen Modulatoren eigenen sich wegen der geringen minimalen Durchgangsdämfpung von <1 dB besonders für eine solche Netzgestaltung. Vorzugsweise werden reflektierende Modulatoren (vgl. Ausführungen zu Fig. 2) eingesetzt.

Angenommen sei ein optisches Sternnetz N1 mit einem passi ven Monomode-Sternkoppler SK. Als Lichtquelle ist für das gesamte Netz lediglich ein einziger Halbleiterlaser H vor gesehen, der über den Sternkoppler alle Netzteilnehmer T1...T10 über bidirektionale Anschlüsse B der Teilnehmer gleichmäßig mit ummodulierten Licht speist. Das über die Anschlüsse B in ein Teilnehmergerät gespeiste Licht wird einem reflektierenden Modulator M zugeführt.

Ein aktives Teilnehmergerät reflektiert über den Anschluß B moduliertes Licht zum Sternkoppler B, wo es gleichmäßig auf Empfangsleitungen E aufgeteilt und über Empfangsan schlüsse I optischen Empfängern (Photodioden) P aller Teilnehmer zugeleitet wird. Jeder Teilnehmer kann jeden anderen Teilnehmer erreichen, ohne selbst mittels einer aktiven Lichtquelle Licht ins Netz einzuspeisen. Besondere Vorteile der skizzierten Anordnung sind:

1. Durch niedrige optische Pegel keine optische Rückwir kung auf den Laser (vorzugsweise Single-Mode-Laser).
2. Die kostenintensive Laser-Faserkopplung kommt nur ein mal vor.
3. Durch niedrige optische Pegel ist der Übergang zu wei teren Sternnetzen auch ohne Lasersender, sondern nur mit Leuchtdioden möglich (in Fig. 5 angedeutet durch weiteres Netz N2, Transceiver mit Link-Manager, Photodioden P und Leuchtdioden LED).
4. Durch zusätzliche Modulation des zentralen HL-Lasers H kann vom dezentralen, nichtdeterministischen Betrieb auf zentralen Betrieb mit Vergabe von Zugangsberechtigungen (Token passing, deterministischer Betrieb) übergangen wer den.
Das optische Kommunikationssystem kann weiters vorteilhaf terweise in einer Radar-Gruppenantenne mit aktiven Strah lern als Steuernetzwerk zur Übertragung von modulierten HF-Signalen an die Strahlerelemente dienen sowie in einem Gruppenstrahler-Lidar-System zur direkten Strahlerspeisung soweit die geringe übertragene Leistung in Anwendungsfall genügt.

Claims

1. Faseroptischer Intensitätsmodulator, bestehend aus ei nem Lichtleiter-Abschnitt, bei welchem das Mantelmaterial teilweise durch optisch aktives Material ersetzt ist, des sen Brechungsindex steuerbar veränderbar ist, dadurch ge kennzeichnet, daß der Lichtleiter-Abschnitt einen D-förmigen Querschnitt mit einer parallel zur Längsachse des Lichtleiters liegenden Planfläche (20) aufweist und daß das aktive Material (3) auf der Planfläche angeordnet ist.

2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Material mittels eines elektrischen Feldes steuerbar ist, daß eine elektrisch leitende transparente Zwischenschicht (4) zwischen der Planfläche (20) und dem aktiven Material (3) eine erste Elektrode bildet und die zweite Elektrode (5) auf dem aktiven Material angeordnet ist und daß das elektrische Feld zwischen den beiden Elek troden liegt.

3. Modulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß mehrere Modulatoren mit in einer Ebene liegender Planfläche vorgesehen sind und eine der Elektroden als für alle Modulatoren gemeinsame Elektrode ausgeführt ist (Fig. 3).

4. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Material und ggf. die Elek troden auf einer mechanisch stabilen Trägerplatte (8) angeordnet sind.

5. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch aktive Material ein Poly mer ist.

6. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter eine Monomode-Glasfa ser ist.

7. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende des Lichtleiters verspiegelt ist (6).

8. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiterabschnitt zusammen mit einem oder zwei vollummantelten Lichtleitern in einer V-förmigen Nut (9) eines mechanischstabilen Trägers (7) angeordnet ist.

9. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lichtleiterabschnitte mit um 90° gegeneinander verdrehten Planflächen im Lichtweg hinter einander angeordnet und unabhängig voneinander steuerbar sind.

10. Optisches Kommunikationssystem mit Lichtleitern und mindestens einer Lichtquelle, gekennzeichnet durch die Verwendung mindestens eines faseroptischen Modulators, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche.

11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Netz mit Sternstruktur vorgesehen ist.

12. System nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich net, daß der Modulator als reflektierender Modulator mit einem bidirektionalen Anschlußlichtleiter ausgeführt ist.

13. System nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Steuersystem für eine Radar-Gruppenstrahlerantenne mit einer Mehrzahl von Modu latoren handelt.

14. System nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Speisesystem für eine LIDAR-Gruppenstrahleranordnung handelt.