HIGH-SPEED ANALOGUE-DIGITAL AND DIGITAL-ANALOGUE ELECTRO-OPTICAL CONVERTER

Abstract: 1. A high-speed, electro-optical analogue/digital converter, having a planar phase diffraction grid, where the analogue signal is connected, as electric voltage signal, to a grid-like electrode structure, and where the intensities of the individual, deflected light rays produce the dual digits of the digital output signal, characterized in that a plurality of planar Bragg deflectors, for each of which the light intensity of the diffracted rays is perioddependent upon the connected electric voltage with a different period, for the production of an equal number of ray positions, considered from the direction of the oncoming light beam, are arranged one beside another in this beam, where the Bragg deflectors are inclined in such manner that light hits are relevant grid structure at the respective Bragg angle.

Description: Schneller elektrooptischer Analog/Digital- bzw. Digital/ Analog-Wandler Die Erfindung betrifft einen schnellen elektrooptischen 4nalog/Digital- bzw. Digital/Analog-Wandler. An den Schnittstellen zwischen peripheren Geräten und I)atenverarbeitungsanlagen werden Datenwandler benötigt, die analoge Werte in für die Rechner verarbeitbare digitale Signale umwandeln und umgekehrt. Man verwendet dazu analog/Digital- bzw. Digital/analog-Wandler. Um auch grosse Datenmengen pro Zeiteinheit verarbeiten zu können, werden hohe Snforderungen an die Geschwindigkeit der Wandler gestellt. Bei den derzeit handelsüblichen Wandlern wird versucht, die Datenmenge aufuteilen und in vielen langsamen Wandlern parallel zu verarbeiten. Dies erfordert zum einen eine grosse anzahl Wandler und zum anderen eine relativ komplizierte Logik zur ezakten Aufteilung der Daten. Bei elektronischen N-Bit-Analog/Digital-Wandlern (Hoeschele Jr., D.F.: A nalog-to-Digital/Digital-to- Analog-Conversion Techniques, Wiley, New Pork 1968) wird ein zeitabhängiger analoger Spannungsverlauf für diskrete Zeiten, wobei die Intervalle zwischen zwei auf einanderfolgenden Zeiten jeweils # t betragen, mittels einer Unterteilung der Spannungshöhe in (2N-1) Stufen binär codiert. Bei schnellen Wandlereinrichtungen wird mit einer sample-and-hold-Schaltung nur für Zeiten erfasst und verarbeitet, bei denen das Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeiten n r # t beträgt, so dass n Wandler parallel geschaltet werden müssen. Je ge nauer das analoge Spannungssignal verarbeitet werden soll, desto feiner müssen die digitalen Unterteilungs- stufen des Analog/Digital-Wandler9 ausgelegt werden. Bei elektronischen Wandlern ist für jede Unterteilungsstufe ein Komparator notwendig, der das analoge Signal mit einer entsprechenden Referenz vergleicht. Ein elektronischer hnalog/Digital-Wandler benötigt für die Codierung eines analogen Signals in 4 Bit somit 15 Eompara- toren. Dazu kommt noch eine entsprechende Schaltung für die binäre Codierung der Komparatorausgangssignale. Mit einem elektrooptischen hnalog/Digital- bzw. Digital/ Änalog-Wandler ist es möglich, die potentiell hohen Geschwindigkeiten von optischen Bauelementen zu nutzen. Das Grundelement eines elektrooptischen Analog/Digital Wandlers ist ein elektrooptischer lntensitätsmodulator, dessen Ausgangsintensität sich periodisch mit einer angelegten, linear ansteigenden Spannung ändert. Dies ist analog der periodischen Änderung des Wertes einer Dualstelle bei binärer Codierung. Ein Bauelement, das diese Eigenschaft besitzt, ist z. B. ein Mach-Zehnder-Modulator (Keil, R.; Auracher, B.: Mach-Zehnder Waveguide Modulators in Ti-Diffused hiNbO3, Siemens Forschungsund Entwicklungsberichte 9 (1980), 26). Die Lichtausgangsintensität eines Mach-Zehnder-Modulators hängt vom Phasenunterschied des Lichts in den beiden Interferome- terarmen ab, der bei gleicher angelegter Spannung proportional zur Elektrodenlänge ist. Es wurde vorgeschlagen, eine Reihe von integriert-optischen Mach-Zehnder Modulatoren parallel aufzubauen, bei denen sich die Elektrodenlänge jeweils verdoppelt (Taylor, H.S Taylor, M.J.; Bauer, P.W.: Electro-optic analog-to-digital conversion using channel waveguide modulators, Applied Physics Letters 32 (1978), 559). In Figur 1 sind neben einem derartigen 4-Bit-Analog/Digital-Wandler di Bus- gangsintensitäten als Funktion einer linear ansteigenden Eingangsspannung dargestellt. Detektiert man die Lichtleistung in Abhängigkeit einer anliegenden Spannung U(t) in den vier Ausgängen und schaltet jeweils einen Komparator nach, so liegt an den Eomparatoraus- gängen bereits das codierte Signal ftir U(t) an. Nachteilhaft bei einem derartigen elektrooptischen Ana- log/Digital-Wandler sind folgende Schwierigkeiten: Die Justierung der Elektroden in bezug auf die Streifenwellenleiter, die Ankopplung eines Lasers an einen Streifenwellenleiter und schliesslich die verlustarme Lichtaufteilung auf die einzelnen Modulatoren bzw. die Modulatorarme. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen schnellen elektrooptischen Analog/Digital- bzw. Digital/Analog-Wandler anzugeben, der die beim Stand der Technik angefEhrten Nachteile nicht aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mehrere planare Bragg-Ablenker nebeneinander angeordnet sind. Bei einem schnellen elektrooptischen Analog/Digital Wandler sind mehrere planare Bragg-Ablenker zur Brzeu- gung von ebensovielen Strahlpositionen nebeneinander angeordnet. Ordnet man mehrere Bragg-Ablenker mit unterschiedlichen Gitterkonstanten nebeneinander an und leuchtet sie gleichzeitig aus, so erhält man ebensoviele Strahlpositionen. Die einzelnen Elektrodenstrukturen müssen dabei so geneigt sein, dass das Licht unter dem jeweiligen Bragg-Winkel auf die betreffende Gitterstruktur fällt. Das einfallende Licht kann durch eine Gitterstruktur in Teillichtstrahlen aufgeteilt werden, wobei diese Teillichtstrahlen dann auf die Bragg-Ablenker treffen. Diese Gitterstruktur kann z. B. durch Xtzen der Oberfläche oder durch Erzeugen eines Brechzahlgitters hergestellt werden. Die unterschiedliche Periodizität der Lichtintensität in den einzelnen Strahlpositionen ist ähnlich wie bei der Anordnung mit Mach-Zehnder-Modulatoren durch entsprechend unterschiedlich lange Ablenkerelektroden realisierbar. Der schnelle elektrooptische Wandler kann durch gemeinsame elektrische Ansteuerung von entsprechend ausgebildeten Ablenkern oder durch unterschiedliche elektrische Ansteuerung von entsprechend ausgebildeten Ablenkern unter Verwendung von Spannungsteilern betrieben werden. Werden die Elektrodenlängen der Bragg-Ablenker entsprechend bemessen, so wird die Amplitude der angelegten Spannung im Gray-Code verarbeitet. Bei einem schnellen elektrooptischen Digital/Analog Wandler sind die planaren Bragg-blenker einzeln ansteuerbar, wobei die einzelnen Bragg-Ablenker zur Fokussierung des Lichts auf einen Detektor unterschiedliche Gitterkonstanten und eine dem jeweiligen Bragg Winkel entsprechende Neigung aufweisen. An die Bragg-Ablenker kann jeweils eine Dualstelle angeschlossen werden. Entsprechend einem verwendeten binären Code soll mit den einzelnen Bragg-Ablenkern eine der jeweiligen Dualstelle entsprechende Lichtleistung ablenkbar sein. Die jeweilige Aufteilung des abzulenkenden Lichts kann sowohl durch entsprechend unterschiedliche Fingerzahl der einzelnen Elektroden als auch durch Spannungsteiler erfolgen. Bevorzugt wird die Umwandlung von SCD-codierten Signalen in eine analoge Lichtintensität. Ausftihrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Figur 1 zeigt einen elektrooptischen 4-Bit-Analog/Digi tal-Wandler nach dem Stand der Technik mit Mach Zehnder-Interferometern mit den jeweiligen Licht ausgangsintensitäten bei linear ansteigender Elektrodenspannung. Figur 2 zeigt die durchgehende und die abgelenkte Licht leistung als Funktion der Elektrodenspannung bei einem elektrooptischen Bragg-Ablenker. Figur 3 zeigt die Elektrodenanordnung eines elektroop tischen Analog/Digital-Wandlers mit Bragg-Ab- lenkern. Figur 4 zeigt eine Prinzipschaltung eines elektroopti schen 4-Bit-Analog/Digital-Wandlers. Figur 5 zeigt die Elektrodenanordnung eines elektroop tischen 4-Bit-Digital/nalog-Wandlers mit Bragg Ablenkern mit unterschiedlicher Singerzahl. Figur 6 zeigt die Elektrodenanordnung eines elektroop tischen 4-Bit-Digital/Analog-Wandlers mit Bragg Ablenker mit Spannungsteilern zur Aufteilung des Lichts. Figur 2 zeigt die durchgehende Lichtleistung 22 und die abgelenkte Lichtleistung 21 eines¸3ragg-Ablenk,ers als Funktion der Elektrodenspannung. Planare elektrooptische Bragg-Ablenker (Hammer, J.X.; Phillips, W.: Low-loss single-mode optical waveguides and efficient high-speed modulators of LiNb2Xa1¯x03 on LiaO3, Applied Physics Letters 24 (1974), 545) sind Bauelemente, bei denen die Intensität des abgelenkten Lichts ähnlich wie bei einem Mach-Zeknder-Modulator periodisch von der angelegten elektrischen Spannung abhängt. Die notwendige Rlektro- denspannung Ur zum Durchlaufen einer Lichtleistungsperiode ist umgekehrt proportional der Elektrödenlänge. Figur S zeigt die Elektrodenanordnung eines elektrooptischen Analog/Digital-Wandlers mit Bragg-Ablenkern. Die Elektrodenlängen sind dabei so gewählt, dass man bei gemeinsamer elektrischer Ansteuerung die gleiche Spannungsabhängigkeit der Lichtintensität wie bei der in Figur 1 gezeigten Anordnung erhält. Das auf die Elektroden- struktur 32 auftreffende Licht 31 wird in verschiedene Teilstrahlen 33 abgelenkt. Figur 4 zeigt den kompletten Aufbau eines derartigen 4 Bit-Analog/Digital-Wandlers. Das einfallende Licht 41 wird im elektrooptischen Wandler 42 durch z. B. eine linear ansteigende Spannung in vier modulierte Licht strahlen 43 aufgeteilt. Die einzelnen Lichtintensitäten werden von den Detektoren 44 empfangen, gegebenenfalls mittels der Verstärker 45 verstärkt und in jeweils einem Komparator 46 in Rechtecksignale umgewandelt. Das an den vier Komparatorausgängen anliegende Signal ist die im Gray-Code verarbeitete und in 4 Bit dargestellte Grösse der elektrischen Spannungsamplitude. Figur 5 zeigt die Elektrodenanordnung eines elektrooptischen 4-Bit-Digital/Analog-Wandlers mit Bragg-Ablen- kern 56,57,58,59 mit unterschiedlicher Bingerzahl. Werden Bragg-Ablenker verwendet, so ist es im Gegensatz zum Stand der Technik möglich, sowohl hnalog/Digital-Wandler als auch Digital/nalog-Wandler elektrooptisch aufzu- bauen. Mit einer relativ einfachen Anordnung von Bragg- Ablenker 52 ist es möglich, einen Digital/Analog-Wandler aufzubauen, der SCD-codierte Signale 53 direkt in eine analoge Lichtintensität 55 umwandelt. Die Elektrodenstruktur 52 besteht aus vier einzeln ansteuerbaren Bragg Ablenker 56, 57, 58, 59, an denen jeweils eine Dualstelle angeschlossen wird. Der Bragg-Ablenker 56 weist zwei, der Bragg-Ablenker 57 vier, der 13ragg-Ablenker 58 acht und der Bragg-Äblenker 59 sechzehn Elektrodenfinger auf. Lenkt man mit den einzelnen Ablenkern 56, 57, 58, 59 entsprechend der jeweiligen Dualstelle die ein- (mit Ablenker 56), zwei- (mit Ablenker 57), vier- (mit Ablenker 58) bzw. achtfache (mit Ablenker 59) LichtIeistung aus dem einfallenden Licht 51 ab, so entspricht die Summe der abgelenkten Lichtleistung 55 der binar codierten Grösse 53. Mit 54 ist der nichtabgelenkte, durchgehende Anteil des einfallenden Lichts 51 bezeichnet. In Figur 5 ist als beispiel fEr eine 3CD-codierte Grösse 53 das Signal U = U O 0 0 angegeben. Figur 6 zeigt die Elektrodenanordnung eines elektrooptischen 4-3it-Digital/Analog-Wandlers mit Bragg-Bblenkern 66, 67, 68, 69 mit Spannungsteilern 601, 602, 603, 604 zur Aufteilung des Lichts 61. Mit dieser Anordnung ist es möglich, einen Digital/nalog-Wandler aufzubauen, der BCD-codierte Signale direkt in eine analoge Lichtintensität 65 umwandelt. Die Elektrodenstruktur 62 besteht aus vier einzeln ansteuerbaren Bragg-Ablenkern 66, 67, 68, 69, an denen jeweils eine Dualstelle angeschlossen wird. Die Spannungsteiler 601, 602, 603, 604 sorgen dafür, dass entsprechend der jeweiligen Dualstelle mit dem Bragg-Ablenker 66 die einfache, mit dem Bragg-Ablenker 67 die zweifache, mit dem Bragg-Ablenker 68 die vierfache und mit dem Bragg-Ablenker 69 die achtfache Lichtleistung aus dem einfallenden Licht 61 abgelenkt wird. Die Summe der abgelenkten Lichtleistung 65 entspricht der binär codierten Grösse 63. Mit 64 ist der nichtabgelenkte, durchgehende Bn- teil des einfallenden Lichts 61 bezeichnet. Die Anordnungen nach Fig.5 und Fig. 6 können auch kombiniert werden. Der Spannungsteiler 604 kann bei entsprechender Ausbildung der Spannungsteiler 601, 602, 603 auch weggelassen werden. Vorteilhafterweise wird bei elektrooptischen Wandlern ein gepulster (mode-locked) Laser verwendet, so dass die sample-and-hold-Schaltung eingespart werden kann. 14 Patentansprüche 6 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Schneller elektrooptischer Malog/Digital- bzw. Digi tal/Analog-Wandler, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mehrere planare E3ragg-Ablenker nebeneinander angeordnet sind. 2. Schneller elektrooptischer Analog/Digital-Wandler, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mehrere planare Bragg-Ablenker zur Erzeugung von ebensovielen Strahlpositionen nebeneinander angeordnet sind. 3. Schneller elektrooptischer Malog/Digital-Wandler nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n s e i c h n e t , dass die Bragg-Ablenker unterschiedli- che Gitterkonstanten aufweisen und so geneigt sind, dass das Licht unter dem jeweiligen Braggwinkel auf die betreffende Gitterstruktur einfällt. 4. Schneller elektrooptischer analog/Digital-Wandler nach einem der Ansprüche 2 oder 3, d a d n r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das einfallende Licht durch eine Gitterstruktur in Teillichtstrahlen aufgeteilt wird, wobei diese Teillichtstrahlen dann auf die Bragg-Ablenker treffen. 5. Schneller elektrooptischer Analog/Digital-Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die unterschiedliche Periodizität der Lichtintensität in den einzelnen Strahlpositionen durch entsprechend unterschiedlich lange Ablenkerelektroden realisiert ist. 6. Schneller elektrooptischer Malog/Digital-Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h gemeinsame elektrische An- steuerung der Ablenker. 7. Schneller elektrooptischer Analog/Digital-Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h unterschiedliche elektrische Ansteuerung der Ablenker unter Verwendung von Span nungsteilern. 8. Schneller elektrooptischer hnalog/Digital-Wandler nach Anspruch6, d a d u r c h g e k e n n s e i c h n e t , dass die Elektrodenlängen so bemessen sind, dass die Amplitude der angelegten Spannung im Gray Code verarbeitet wird. 9. Schneller elektrooptischer Digital/Analog-Wandler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die planaren Bragg-Ablenker ein zeln ansteuerbar sind, wobei die einelnen 33ragg-Ablenker zur Fokussierung des Lichts auf einen Detektor unterschiedliche Gitterkonstanten und eine dem jeweiligen Rraggwinkel entsprechende Neigung aufweisen. 10. Schneller elektrooptischer Digital/Analaog-Wandler nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass an den 3ragg-Ablenkern jeweils eine Dualstelle angeschlossen wird. 11. Schneller elektrooptischer Digital/Analog-Wandler nach Anspruch 10, d a a u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass entsprechend einem verwendeten binären Code mit den einzelnen 3ragg-Ablenkern eine der jeweiligen Dualstelle entsprechende Lichtleistung ablenkbar ist. 12. Schneller elektrooptischer Digital/Analog-Wandler nach einem der Ansprüche 9 bis 11, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h unterschiedliche Finger- zahl der einzelnen 3ragg-Ablenker zur Aufteilung des Lichts. 13. Schneller elektrooptischer Digital/Analog-Wandler nach einem der Ansprüche 9 bis 12, g e k e n n z e i c h n e t d u.r c h Spannungsteiler zur Aufteilung des Lichts. 14. Schneller elektrooptischer Digital/Analog-Wandler nach Anspruch 12 oder 13, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Umwandlung BCD-codierter Signale. in eine analoge Lichtintensität.

Inventors: KEIL, RUDOLF, DIPL.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1981
Main classification: G02F7
IPC codes: G02F7, G02F1