DE2054703B2 - Optische vorrichtung fuer kohaerente strahlung mit einem ringresonator - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung für kohärente Strahlung mit einem Ringresonator, der mittels zweier benachbarter teildurchlässiger Spiegel einen Ein- und Austritt der optischen Strahlung in ein und derselben Geraden ermöglicht.

Eine bekannte Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise in der Zeitschrift »journal of Applied Physics«, Band 40, Nr. 2, Febr. 1969, Seite 559 beschrieben und dient zur Absonderung von zwei Frequenzen aus einer Gruppe von drei Frequenzen von Wellen, die in ein und demselben Sinne in dem Ringresonator umlaufen. Die bekannte Vorrichtung ist jedoch nicht als optischer Trenner oder Interferenzisolator verwendbar.

Nun ist es in der Optik allgemein üblich, Trenner oder Isolatoren zu verwenden, um eine Rückwirkung zwischen einem optischen Oszillator und seinem optischen Nachverstärker zu vermeiden. In ähnlicher Weise erfordern optische Radarsysteme die Trennung der ausgesendeten Welle von der empfangenen oder reflektierten Welle. Bekannte optische Trenner enthalten meist lineare Polarisatoren, welche durch ein Faraday-drehendes Material oder eine ähnliche Vorrichtung voneinander getrennt sind. So durchläuft das Licht, weiches sich in eine Richtung ausbreitet, einen Polarisator mit einer Drehung der Polarisationsebene um 45°, um dann einen Ausgangspolarisator zu durchlaufen. Das Licht, das aus der entgegengesetzten Richtung einfällt, durchläuft zunächst den Ausgangspolarisator und wird mit seiner Polarisationsebene um 45° gegensinnig gedreht und ist dann beim Eintritt in den Eingangspolarisator um 90° phasenverschoben. In dieser Weise wird nur das Licht, welches sich in der gewünschten Richtung ausbreitet, hindurchgelassen, während das Licht, welches sich in entgegengesetzter Richtung ausbreitet, nicht übertragen wird Die Drehung der Polarisationsebene um 45° erfordert jeweils ein Faraday-drehendes Bauteil, welches eine Drehung von 22,5° erlaubt; dies wieder erfordert sehr hohe magnetische Felder oder extrem lange Faradaydrehende Bauteile oder beides. Da der maximale magnetische Fluß begrenzt ist, welcher in einer Faraday-Zelle aufrechterhalten werden kann, muß eine beträchtliche Weglänge im Faraday-drehenden Bauteil vorgesehen sein. Dadurch wird eine merkliche Energiemenge absorbiert, was z. B. den Betrieb von bekannten optischen Isolatoren bei einer Wellenlänge von 10 μπι auf einen Leistungsbereich von ungefähr 3 Watt begrenzt. Des weiteren ist das Vorwärts-Rückwärts-Verhältnis auf rund 20 db begrenzt, d. h, das Verhältnis der Übertragung in Vorwärtsrichtung und Rückwärtsrichtung ist ungefähr 100 zu 1. Außerdem durchläuft die reflektierte Energie das Faraday-drehende Bauteil, wvidurch hohe Anforderungen an die Wärmeableitung gestellt werden.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine optische Vorrichtung der eingangs kurz beschriebenen Art so auszubilden, daß sie als optischer Interferenzoszillator verwendbar ist, der sich durch einfachen Aufbau und vergleichsweise geringe Energieabsorption auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur verlustarmen optischen Trennung optischer Strahlung gleicher Frequenz aber entgegengesetzter Richtung im Ringresonator ein an sich bekanntes anisotropes Bauteil angeordnet ist, welches in der einen Übertragungsrichtung eine hohe Durchlässigkeit und in eier dazu entgegengesetzten Übertragungsrichtung eine geringe Durchlässigkeit für die optische Strahlung gleicher Frequenz aufweist.

Eine solchermaßen ausgebildete optische Vorrichtung besitzt bei Verwendung als optischer Interferenzoszillator eine extrem niedrige Energieabsorption im Verhältnis zu dem Vorwärts-Rückwärts-Verhältnis.

Eine sehr kleine Differenz der optischen Weglänge für die in der einen und die in der anderen Richtung im Ringresonator umlaufenden Wellen bewirkt, daß nur für die in der einen Richtung umlaufende Welle der Ringresonator mit Resonanzfrequenz angefacht wird, während für die in der anderen Richtung umlaufende Welle deren Frequenz außerhalb der für diesen Umlaufsinn geltenden Resonanzfrequenz des Ringresonators liegt. Da die Feinheit- und Kontrastfaktoren von der Faraday-Drehung mit Ausnahme eines für die Aufspaltung der Resonanzfrequenzen bezüglich der beiden Umlaufrichtungen notwendigen Mindestbetrages unabhängig sind, kann eine sehr niedrige Energieabsorption mit hohen Feinheits- und Kontrastfaktoren erzielt werden. Eine optische Vorrichtung der hier vorgeschlagenen Art ist folglich nicht hinsichtlich der Leistung, welche übertragen werden kann, begrenzt. Die vorliegende Erfindung findet eine vorteilhafte Anwendung beim Trennen von Oszillatoren und Nachverstärkern und zum Trennen der ausgesendeten und zu empfangenden Wellen in optischen Radarsyste-

men oder anderen mit optischen Frequenzen arbeitenden Systemen.

Nachfolgend werden Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Ventils,

F i g. 2 ein vereinfachtes Schema eines interferometrischen optischen Ventils nach der vorliegenden Erfindung,

F ig.3 eine Darstellung der Lichtübertragung (T) durch die Ausführungsform der F i g. 2 als Funktion der Frequenz (f),

Fig.4 eine vereinfachte Darstellung einer Anwendung der vorliegenden Erfindung zum Trennen eines optischen Oszillators von seinem optischen Nachverstärker,

F i g. 5 eine vereinfachte Darstellung der Anwendung der Vorrichtung zum Trennen der ausgesendeten und empfangenen Wellen an einei gemeinsamen optischen Antenne und

F i g. 6 die Hintereinanderschaltung zweier optischer Ventile.

Ein optisches Ventil bedeutet für das Licht, was die Diode für den elektrischen Strom darstelle. Wie aus F i g-1 zu entnehmen ist, wird eine Welle, welche von links nach rechts wandert, durch das optische Ventil 10 übertragen, während eine Welle, die von rechts nach links wandert, von dem optischen Ventil 10 nicht hindurchgelassen, sondern beispielsweise reflektiert wird.

In Fig. 2 ist ein interferometrisches, optisches Ventil 11 nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Es umfaßt einen geschlossenen optischen Weg, welcher von zwei teildurchlässigen Spiegeln 12, 14 und einem vollreflektierenden Spiegel 16 begrenzt ist. An irgendeiner Stelle des optischen Weges, beispielsweise zwischen den Spiegeln 12 und 16, befindet sich ein Bauteil 18, 20, 22 mit richtungsabhängiger Anisotropie. In der bevorzugten Ausführungsform ist die richtungsabhängige Anisotropie eine solche, welche eine verschiedene optische Weglänge für Wellen bereitstellt, die im Uhrzeigersinn bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn in dem von den Spiegeln 12,14, 16 begrenzten optischen Weg umlaufen. Zum Beispiel kann für richtungsabhängige Anisotropie ein Faraday-drehendes Bauteil 18 enthalten, welches von zwei Viertelwellenlängenplatten 20,22 flankiert ist. Bekanntlich enthält das Faraday-drehende Bauteil ein geeignetes Material, welches von einem axialen magnetischen Fluß durchsetzt ist. So ist z. B. für Licht im sichtbaren oder dem sichtbaren benachbarten Ultraviolettbereich Quarz geeignet; für Infrarotstrahlung, wie sie z. B. von einem CO2- Laser bei einer Wellenlänge von 10,6 μηι emittiert wird, ist Indium-Antimonid (ImSb) oder Gallium-Arsenid (GaAs) geeignet. Viertelwellenlängenplatten, welche für die verschiedenen Lichtfrequenzen geeignet sind, sind bekannt.

Die Lichtübertragung der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform ist in F i g. 3 in ausgezogenen Linien als Funktion der Frequenz dargestellt. Die Lichtübertragung durch das Anisotropinterferometer ist durch die gestrichelte Linie 26 dargestellt. Man erkennt, daü eine Reihe von gleich weit voneinander entfernten Resonanzuellen 28 bis 30 vorliegt, welche durch gleich große Frequenzintervalle getrennt sind, die durch die Größe des Interferometers, d. h. dessen optische Weglänge, gekennzeichnet sind. Der Abstand 3i wird freier Spektralbereich R des Interferometers genannt. Die Linienbreite 32 (d) der übertragenen Wellen ist eine Funktion der Güte Q des Interferometers. Insbesondere

O - ^R

Die Güte eines Interferometers ist parametrisch von den Verlusten entlang des optischen Wegs des Interferometers abhängig. In dem Fall der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform sind die Verluste eine

ίο Funktion der Güte der Spiegel und des Absorptionsgrades in den Viertelwellenlängenplatten und in dem Faraday-drehenden Bauteil. Die ausgezogenen Linien 34 der F i g. 3 sind ein Diagramm der Übertragung von Licht als Funktion der Frequenz in der Vorrichtung der F i g. 2 (d. h. einschließlich der richtungsabhängigen Anisotropie der vorliegenden Erfindung). Das Faradaydrehende Bauteil bewirkt, daß die Resonanzfrequenz für die im Uhrzeigersinn umlaufende Welle von der Resonanzfrequenz für die in entgegengesetzter Richtung umlaufende Welle getrennt wird, wie es in der F i g. 3 dargestellt ist. Dies rührt in an sich bekannter Weise von der wirksamen, verschiedenen, optischen Weglänge für Wellen her, die in entgegengesetzten Richtungen durch das Faraday-drehende Bauteil hindurchlaufen. Ob die Resonanzfrequenz für die im Uhrzeigersinn umlaufende Welle niedriger oder höher als die Resonanzfrequenz für die entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufende Welle ist, hängt von der Ausrichtung des axialen, magnetischen Feldes im Faraday-drehenden Bauteil ab. Auf jeden Fall wird die eine Welle (entweder die im Uhrzeigersinn oder die entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufende Welle) eine höhere Übertragung bei den in F i g. 3 mit 36 und 38 bezeichneten Frequenzen aufweisen, und die andere Welle (die entgegen dem Uhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn umlaufende Welle) wird eine höhere Übertragung bei den in der Fig.3 mit 40 bis 42 bezeichneten Frequenzen haben. So wird eine hohe Übertragung bei den angegebenen Frequenzen nur für die Welle, welche in der gegebenen Richtung läuft, auftreten: man muß also, wenn man die Übertragung für die im Uhrzeigersinn umlaufende Welle mißt, den Spiegel 12 als Eingang benutzen und, wenn man die Übertragung der Vorrichtung für die entgegen den Uhrzeigersinn umlaufende Welle messen will, den Spiegel 14 als Eingang benutzen. Die Darstellung der Fig.3 ist eine zusammengesetzte Darstellung dieser

beiden Übertragungskurven.

Die vorliegende Vorrichtung kann nutzbringend beim

so Trennen eines optischen Verstärkers von einem optischen Sender (Laseroszillator), wie sie in F i g. 4 dargestellt sind, benutzt werden. Dort ist ein optischer Sender 44, welcher eine spektral relativ reine Welle erzeugt, von einem optischen Verstärker 46, der eine Hochleistungslaserstrahlung bei der Frequenz des optischen Senders 44 erzeugt, mit Hilfe eines optischen Ventils U nach der vorliegenden Erfindung getrennt. Das optische Ventil 11 besteht aus einem optischen Viertor-Zirkulator, wovon ein Eingangstor 48 eine

no Vorwärtswelle vom optischen Sender 44 aufnimmt und das Tor 50 die Vorwärtswelle zum optischen Verstärker durchläßt. Alle Strahlung, die gegebenenfalls vom optischen Verstärker 46 ausgeht und zurück zum optischen Sender 44 wandert, wird vom Tor 50

fts aufgenommen, jedoch vom optischen Ventil 11 reflektiert. Genauer gesagt, sh wird durch das Tor 52 entweichen, worauf sie in einem Absorber vernichtet werden kann oder einfach ignoriert wird.

Wenn die Parameter des optischen Ventils II in bezug auf die Frequenz des optischen Senders 44 richtig eingestellt sind, erfährt das Licht, welches durch das Tor 48 eintritt und von links nach rechts in der Fig.4 wandert, im Uhrzeigersinn um den geschlossenen Weg des optischen Ventils 11 eine hohe Übertragung, während umgekehrt das Licht gleicher Frequenz, welches durch das Tor 50 eintritt und den Lichtweg entgegen dem Uhrzeigersinn durchläuft, eine niedrige Übertragung erfährt, vorausgesetzt, daß die Resonanzlinienbreite des optischen Ventils kleiner als der vom Faraday-drehenden Bauteil bewirkte freie Spektralbereich ist.

In einer praktischen Ausführung kann die Vorrichtung nach F i g. 4 ein Frequenzhaltesystem 56 aufweisen. Solche Systeme sind an sich bekannt und können z. B. Mittel zur Modulation der Weglänge des optischen Ventils sowie einen Synchrondetektor oder Frequenzhalteverstärker besitzen, welcher die Amplitude und die Phase des vom Spiegel 12 als Folge der Modulation reflektierten Lichtes Überwacht und eine Differenzbildung zwischen der Vorwärtsfrequenz (im Uhrzeigersinn in F i g. 1) des optischen Ventils 11 und der Frequenz des Laseroszillators 44 vornimmt. Eine Menge solcher Systeme sind bekannt, und eine große Anzahl ist geeignet, die Betriebsfrequenzen des optischen Ventils 11 und des optischen Senders 44 in bekannter Weise zu stabilisieren. Ein Beispiel eines solchen Systems in einer Mikrowellenausführung ist von R. V. Pound in Rev. Sei. Inst, Bd. 17, Nr. 11, Nov. 1946, Seite 490 bis 505, und ein optisches System ist von M. S. L i ρ s e 11 in Applied Optics, Bd. 5, Nr. 5, Mai 1966, Seite 823 bis 826, beschrieben.

Eine andere Anwendung ist in F i g. 5 dargestellt, in welcher das optische Ventil 11 zwischen einen optischen Sender 60 und eine optische Antenne 62 geschaltet ist. Dies ermöglicht es der optischen Antenne, optische Leistung nach außen zu übertragen und optische Signale, etwa solche, die von Zielen bei Radaranwendungen reflektiert werden, aufzunehmen, wobei die empfangene optische Welle zur Weiterverarbeitung in einem optischen Empfänger 64 abgetrennt wird. Diese Anwendung entspricht der Verwendung eines Richtungskopplers im Mikrowellenradar. In F i g. 5 wird das Tor 48 des als Viertorzirkulator wirkenden optischen Ventils als Eingangstor für die Sendesignale benutzt und das Tor 50 als Eingangstor für das zu empfangende Signal. Die Vorrichtung der F i g. 5 kann auch in einem Fernmeldesystem eingesetzt werden, anstatt in einem Radarsystem. Wenn also eine gemeinsame optische Antenne für sowohl auszusendende als zu empfangende Wellen benutzt wird und die Trennung derselben gewünscht ist, kann das optische Ventil 11 mit Erfolg benutzt werden. Es ist also ein interferometrisches, optisches Ventil geschaffen, das in einer bevorzugten

ίο Ausführungsform die Form eines Zirkulators mit vier Toren besitzt. Wesentlicher Bestandteil ist ein Ringresonator, in dessen Lichtweg ein Bauteil mit richtungsabhängiger Anisotropie angeordnet ist Man erkennt, daß das anisotrope Bauteil zwischen einem teildurchlässigen Spiegel und einem vollreflektierenden Spiegel angeordnet ist. jedoch kann dieses Bauteil auch an einer anderen Stelle des Interferometers angeordnet sein. In ähnlicher Weise, obschon ein Dreispiegelinterferometer dargestellt ist, können andere bekannte Vorrichtungen in bestimmten Fällen mit Erfolg eingesetzt werden. Ein interferometrisches, optisches Ventil der hier angegebenen Art kann bei verschiedenen Frequenzen, welche von der Art der Viertelwellenlängenplatten und des Faraday-drehenden Bauteils abhängen, benutzt werden.

2s Die Parameter des Ringresonators, wie etwa Güte, Kontrastfaktor, freier Spektralbereich und Linienbreite, werden nach den auf diesem Gebiete gültigen Regeln bestimmt. Die Vorrichtung kann in einer großen Zahl von Einrichtungen und Systemen benutzt werden. Es wurde vorstehend schon die Trennung eines optischen Senders und eines optischen Verstärkers und die Trennung eines optischen Senders und eines optischen Empfängers, welche an einer gemeinsamen Antenne arbeiten, beschrieben. Jedoch kann die Vorrichtung mit Erfolg in irgendeinem anderen System benutzt werden, in welchem die Trennung zwischen in entgegengesetzter Richtung wandernden optischen Wellen benutzt wird. Die Wirkungen der vorgeschlagenen Vorrichtung können auch durch Kaskadenschaltung von zwei oder mehreren optischen Ventilen 11', 11" usw. mit gleichen oder verschiedenen Parametern in entsprechender Weise zusammengesetzt werden, wie es bei der Kaskadenschaltung von Mikrowellenfilter geschieht.

Eine solche Anordnung ist schematisch in Fig.6 der Zeichnung angegeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Optische Vorrichtung für kohärente Strahlung mit einem Ringresonator, der mittels zweier benachbarter teildurchlässiger Spiegel einen Ein- und Austritt der optischen Strahlung in ein und derselben Geraden ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß zur verlustarmen optischen Trennung optischer Strahlung gleicher Frequenz aber entgegengesetzter Richtung im Ringresonator (12,14,16) ein an sich bekanntes anisotropes Bauteil angeordnet ist, welches in der einen Übertragungsrichtung eine hohe Durchlässigkeit und in der dazu entgegengesetzten Übertragungsrichtung eine geringe Durchlässigkeit für die optische Strahlung gleicher Frequenz aufweist.

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das anisotrope Bauteil als optisches Ventil mit Faraday-Drehung (18, 20, 22) ausgebildet ist.

3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das anisotrope Bauteil in einem Zweig, der nicht die Gerade für den Licht-Ein- und -Austritt enthält, angeordnet ist.

4. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringresonator (12,14,16) zwischen einem optischen Oszillator (44) und einem optischen Nachverstärker (46) angeordnet ist.

5. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringresonator (12,14,16) zwischen einem optischen Oszillator (60) und demjenigen optischen Bauteil (Antenne 62) angeordnet ist, über das sowohl die Abstrahlung als auch der Empfang erfolgt.