DE2643682B2

DE2643682B2 - Vorrichtung zum Ein- bzw. Auskoppeln von Licht bei optischen Fasern

Info

Publication number: DE2643682B2
Application number: DE2643682A
Authority: DE
Inventors: Tatsuya Tokorozawa Kimura; Akira Kodaira Tokio Sugimura; Naoya Mito Uchida
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1975-09-29
Filing date: 1976-09-28
Publication date: 1978-04-13
Also published as: JPS5241541A; US4067643A; DE2643682A1; DE2643682C3; FR2325956B1; GB1504220A; FR2325956A1; JPS614085B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ein- bzw. Auskoppeln von Licht in eine bzw. aus einer optischen lichtleitenden Faser mit Kern- und Überzugsschicht durch die Überzugsschicht.

Bei einer konventionellen Vorrichtung für das Einkoppeln in eine optische Faser wird üblicherweise ein Eingangs-Lichtbündel entweder unmittelbar oder über ein optisches Linsensystem in die Faser durch deren Stirnfläche eingespeist. Eine derartige konventionelle Vorrichtung hat den offensichtlichen Nachteil, daß das Eingangs-Lichtbündel in die optische Faser nur durch eine der Stirnflächen und nicht an einer beliebigen dazwischenliegenden Stelle eingespeist werden kann.

Außerdem ist eine in der Art eines Analysators oder Monitors arbeitende Vorrichtung für das Auskoppeln aus einer optischen Faser erforderlich. Es sind aus dem Stand der Technik zwei Arten derartiger Vorrichtungen für das Auskoppeln bekannt. Bei der Vorrichtung gemäß der ersten Art wird aus der optischen Faser durch Anschneiden desjenigen Teils der optischen Faser, wo der Ausgang erwünscht ist, ein sich ausbreitendes Lichtbündel ausgekoppelt. Eine derartige Vorrichtung ist nachteilig, da ein Ausgangs-Lichtbündel nicht ohne Zerschneiden der optischen Faser ausgekoppelt werden kann. In einer zweiten derartigen Vorrichtung wird die optische Faser an einer gewünschten Stelle zu einer Kegelform zugearbeitet, um die Auskopplung des sich ausbreitenden Lichtbündels zu bewerkstelligen. In dieser Vorrichtung ist der Bearbeitungsvorgang schwierig und störanfällig, und die optische Faser kann danach nicht mehr in ihren ursprünglichen Zustand wiederhergestellt werden.

Im folgenden sind einige mit dem vorliegenden technischen Sachgebiet in Beziehung stehende Veröffentlichungen angegeben:

W. V. Smith »IBM Technical Disclosure Bulletin« 14, No. 2 Juli 1971,S.652.

sowie die US-PS 38 71 743,37 91 715 und 39 05 676.

Aus den Druckschriften »Bell System Technical Journal, Band 49, Seiten 1602 bis 1608, September 1970« und »Applied Physics Letters, Band 16, Seiten 523 bis 525, 15. Juni 1970« sind Gitterkoppler zur Einkopplung von Licht in einen Lichtleiter bekannt, bei denen ein der Erfindung ähnlicher Aufbau gegeben ist. Bei dieseii Gittcrkopplern tritt jedoch eine Wechselwirkung nur in der Überzugsschicht der optischen Faser auf. Darüber hinaus erfolgt bei den Gitterkopplern gemäß den beiden genannten Druckschriften eine stationäre Einkopplung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Nachteile bekannter Vorrichtungen überwunden werden, d. h. eine an beliebiger Stelle einer optischen Faser anzubringende und wieder zu lösende Vorrichtung für eine Ein- bzw. Auskopplung eines gewünschten leitungsgebundenen Schwingungstyps oder von Schwingungstypen eines sich ausbreitenden Lichtbündels soll geschaffen werden, wobei ein besserer Wirkungsgrad erzielt und eine Beschädigung der optischen Faser vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Insgesamt überwindet die Erfindung die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik dadurch, daß für den Eingang und den Ausgang einer optischen Faser Vorrichtungen geschaffen werden, die dafür verwendet werden können, daß ein gewünschter leitungsgebundener Schwingungstyp oder Schwingungstypen eines sich ausbreitenden Lichtbündels an einer beliebigen Stelle in die optische Faser eingespeist oder aus dieser ausgekoppelt werden, ohne daß ein Anschneiden oder Bearbeiten der Faser erforderlich ist. Mit knappen Worten und gemäß der Erfindung umfassen die Vorrichtungen für das Einkoppeln und das Auskoppeln in eine bzw. aus einer optischen Faser einen elektroakustischen Wandler für die Erzeugung einer ebenen akustischen Welle, die um einen Winkel gegenüber der Achse der optischen Faser geneigt ist, die in einem Quarzblock eingebettet ist. Der Zwischenraum zwischen der optischen Faser und dem Quarzblock ist mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, ausgefüllt, damit eine akustische Impedanzanpassung erzielt wird. Eine gewünschte Schwingung des sich ausbreitenden Lichtes kann durch Reflexion unter der Braggschen Bedingung durch einen Glasblock und durch ein optisches System ohne Durchschneiden oder Beschädigen der optischen Faser aus derselben ausgekoppelt oder in diese eingespeist werden.

Im folgenden wird zum besseren Verständnis die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. la und Ib Schaubilder zur Erläuterung der zwei Phasenvergleichsbedingungen zwischen den Wellenvektoren der leitungsgebundenen Schwingung, der Ausstrahlschwingung und der akustischen Wellenübertragung,

Fig. 2 ein Schaubild zur Erläuterung der Beziehung zwischen der normierten Frequenz V und dem Verhältnis CJC\ der Kopplungskonstanten,

Fig.3 eine perspektivische Ansicht der einen Ausführungsform einer Vorrichtung für den Ausgang einer optischen Faser gemäß der Erfindung,

Fig. 4a und 4b vergrößerte Teilansichten im Querbzw. Längsschnitt durch die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung für den Ausgang,

F i g. 5 ein Schaubild, das die Beziehung zwischen den Wellenvektoren der leitungsgebundenen Schwingung, der akustischen Welle und des Streulichtes in einer optischen Faser des Viel-Wellentyps offenbart,

Fig. 6 bis 11 Schaubilder zur Erläuterung verschiedenartiger Charakteristiken einer optischen Faser.

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung für den Ausgang einer optischen Faser, wobei gemäß der Erfindung ein elektroakustischer Wandler des konvergierenden Typs verwendet wird und

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung für den Eingang einer optischen Faser gemäß der Erfindung.

Zunächst wird eine Grundregel der Wechselwirkung zwischen einer akustischen Welle und einem Lichtbündei in einer optischen Faser erläutert. Eine optische Faser besteht im Zentrum aus Kernglas und in ihren äußeren Zonen aus Verbundglas. Zur Vereinfachung soll jedoch hier nur der optische Strahlenverlauf in einer Faser des Tafel- oder Plattentyps betrachtet werden, bei dem eine Platte aus Kernglas zwischen zwei Verbundglasplatten eingebettet ist. Bei einem solchen plattentypartigen optischen Strahlenverlauf reicht es aus, nur den Einfluß bei zweidimensionaler Ausbreitung der Wellen zu untersuchen. Die Wechselwirkung wird mit Hilfe einer gekoppelten Wellengleichung bestimmt, und die Phasenvergleichsbedingung ergibt sich aus den Lösungen dieser Gleichung. Anhand der Lösungen wurde festgestellt, daß zwei derartige Phasenvergleichsbedingungen, wie sie in den Vektorendiagrammen der Fig. la und Ib dargestellt sind, existieren. Bei derartigen Phasenvergleichsbedingungen wird das sich in einer leitungsgebundenen Schwingung ausbreitende Licht an der Kernoberfläche stark reflektiert und in eine Abstrahlschwingung geändert.

Unter der Annahme, das λ, ri\ und n₂ die Wellenlänge des in Vakuum ausgestrahlten Lichtes, die Brechungszahl eines optischen Faserkerns bzw. die Brechungszahl der Verbundplatten sind, dann gelten für die Wellenzahl k\ einer eben ausgebildeten Lichtwelle im Kern und für die Wellenzahl k₂ einer eben ausgebildeten Lichtwelle im Verbundbereich folgende Beziehungen:

Ai = 'ϊ' «,

ist. Diese Phasenvergleichsbcdingung ist durch folgende Gleichung bestimmt:

+ K = l<_2r.

wobei kir ein Wellenvektor des Lichtes in der Abstrahlschwingung im Verbundbereich und β die orthogonale Projektion auf die Faserachse des Wellenvektors kigin einer leitungsgebundenen Schwingung im

κι Kern sind. Unter der Annahme, daß in einer leitungsgebundenen Schwingung im Verbundbereich der Wellenvektor des Lichtes β ist, hat im Verbundbereich die Gleichung (4) als Braggsche Bedingung oder -Gesetz Gültigkeit.

ι "ι F i g. 2 ist ein Schaubild, in dem dargestellt ist, welche der in F i g. I a und 1 b gezeigten zwei Phasenverglcichsbedingungen in der Praxis vorherrscht. F i g. 2 zeigt eine Beziehung zwischen einem Verhältnis von zwei Koppelungskonstanten C2/C1 und der normierten

:ii Frequenz V, wobei C\ eine Kopplungskonstante zwischen der leitungsgebundenen Schwingung und der Abstrahlschwingjng ist, wenn die Phasenvergleichsbedingung nach Fig. 1 a, und C2, wenn die Bedingung nach Fig. Ib erfüllt sind.

2"i Der Wert der normierten Frequenz V, hier im folgenden als V-Zahl bezeichnet, in einer optischen Faserbahn ergibt sich aus der folgenden Gleichung:

Es besteht ein Bezug zwischen Fig. la und einem Ausdruck, der aus. der Berechnung der Wechselwirkung im Kern erhalten wird. Dieser Ausdruck genügt der sogenannten Braggschen Bedingung wie folgt:

K = k.

wobei kif, ein Wellenvektor des Lichtes im Kern in der leitungsgebunderien Schwingung, k\_r ein Wellenvektor des Lichtes in der Abstrahlschwingung und K ein Wellenvektor der akustischen Welle sind.

In ähnlicher Weise besteht ein Bezug zwischen Fig. Ib und einem Ausdruck, der aus der Berechnung der Wechselwirkung in dem Verbundbereich abgeleitet

wobei a der Radius des Faserkernes und λ die Wellenlänge des sich im Vakuum ausbreitenden Lichtes sind. Diese V-Zahl der normierten Frequenz ist ein Parameter für die konstruktive Auslegung der optischen Faser. In diesem Zusammenhang wird auf die Veröffentlichung Kapany und Burker mit der Bezeichnung »Optical Waveguides«, herausgegeben von Academic Press, verwiesen.

In einem Bereich, wo die V-Zahl kleiner als 1,57 ist, existiert nur eine einzelne Ausbreitungsform. Dieser Bereich wird als Einzeischwingungsbereich bezeichnet. Wird die V-Zahl größer als 1,57, so liegen eine größere Anzahl von Ausbreitungsformen proportional zu der Zunahme der V-Zahl vor.

In F i g. 2 ist durch eine horizontale, gestrichelte Linie, die durch den Punkt C₂IQ = 1 hindurchgeht, ein Bereich definiert, in dem die Phasenvergleichsbedingungen nach den Fig. la und Ib im selben Ausmaß vorliegen. Oberhalb der gestrichelten Linie, wo C2/C\>\, ist ein Bereich, in dem die Bedingungen nach Fig. Ib vorherrschen. Unterhalb der gestrichelten Linie, wo C2/C|<1, isi ein Bereich, in dem Bedingungen nach Fig. la vorherrschen.

In dem Einzelschwingungsbereich (vgl. Fig. 2), wo V kleiner als 1,57 ist, ist die Phasenvergleichsbedingung nach Fig. Ib heranzuziehen,da in diesem Bereich C₂IQ größer als 1 (C₂IQ>\) ist. In dem Viel-Wellenbereich, wo V größer als 1,57 ist (d. i. auf der rechten Seite von V= 1,57), treten nach und nach entsprechend der Zunahme der V-Zahl höhere Schwingungen auf. Jedoch laufen die meisten höheren Schwingungen durch den Bereich mit C₂IQ <!. Deshalb ist als eine gute Annäherung die Phasenvergleichsbedingung nach F i g. 1 a auch allein brauchbar.

Die Erfindung wird im folgenden zunächst anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung für den Ausgang einer optischen Viel-Wellen-Fa-

ser erläutert, die gemäß der Erfindung hergestellt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als Schwingungsanalysator verwendet werden. Gemäß der vorausgehenden Erläuterung reicht es aus, daß nur die Bedingung nach Fig. Ib bei einer Vorrichtung für den Ausgang einer optischen Viel-Wellen-Faser berücksichtigt wird.

F i g. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung für den Ausgang einer optischen Faser, und die Fig.4a und 4b sind auszugsweise vergrößerte Querschnittsansichten der Vorrichtung.

In Fig.3 ist ein elektroakustischer Wandler 10 auf einer geneigten Fläche 12 eines Quarzblockes 14 angebracht, der trapezförmige Seitenflächen 16 und rechteckförmige Stirnflächen 18 und 20 aufweist, wie am besten aus den Fig.4a und 4b ersichtlich ist. Der Quarzblock ist mit einer Nut 22 versehen, die nahezu denselben Radius wie eine optische Faser 24 aufweist, durch die das Licht, dessen Schwingungsverteilung nun analysiert werden soll, in einer Richtung von links nach rechts, wie durch den Pfeil Z gekennzeichnet, übertragen wird. Die optische Faser 24 hat einen Kern, der aus geschmolzenem Quarz hergestellt ist, dessen Brechungszahl beispielsweise 1,46 beträgt. In der ständigen Praxis ist die optische Faser sehr dünn. So beträgt beispielsweise der Kerndurchmesser in der Regel 100 μίτι. In den F i g. 4a und 4b ist die optische Faser für den Erläuterungszweck erheblich vergrößert dargestellt, und es wird darauf hingewiesen, daß diese Figur nicht in einem genau proportionalen Maßstab gezeichnet sind. Ein Glasblock 30 mit ebenfalls trapezförmigen Seitenflächen und einer kleineren Stirnfläche an derselben Seite wie der Quarzblock 14 ist derart angeordnet, daß die optische Faser 24 im Zusammenwirken mit dem Quarzblock 14 in seiner Nut 34 eingebettet ist. Dieser Glasblock 30 ist aus einem optischen Glas mit einer höheren Brechungszahl als die der Glasfaser 24 hergestellt. Die Brechungszahl des für den Glasblock 30 verwendeten Glases kann, sofern die Brechungszahl der Glasfaser — wie oben erwähnt — 1,46 beträgt, 1,51 für ein Lichtbündel betragen, das eine Wellenlänge von 6328 Ä hat.

Ein derartiges optisches Glas ist unter anderem unter der Handelsbezeichnung BK 7 bekannt.

Eine optisch transparente Bahn 26 mit einer höheren Brechungszahl als die der optischen Faser 24, beispielsweise eine Bahn aus Polyäthylen, die eine Brechungszahl von 1,476 aufweist, ist in der Nut 34 des Glasblockes 30 und rings um die untere halbe Mantelfläche der optischen Faser 24 angeordnet.

Zwischen der optischen Faser 24 und dem Quarzblock 14 ist mittels Kapillarkraft eine Anpassungsflüssigkeit 28 für die akustische Welle eingebracht. Diese Anpassungsflüssigkeit kann Wasser sein, das eine geringere absorbierende Wirkung für die akustische Welle und einen geringeren Spiegelungsverlust an den Grenzflächen zwischen dem Quarzblock 14 und der optischen Faser 24 aufgrund der geringen Differenz der akustischen Impedanz hat.

Es ist ein im wesentlichen parallel zu der geneigten unteren Begrenzungsfläche 36 des Glasblockes 30 verlaufender und mit dem optischen Ausgangs-Lichtbündel fluchtender Schlitz 38 vorgesehen, der in einem plattenartigen Glied ausgebildet ist, das von einer geeigneten Trageinrichtung 40 getragen wird. Unter dem Schlitz 38 ist eine Sammellinse 42 vorgesehen, die von einem geeigneten Gestell 44 gehalten ist. Ein Fotodetektor 46 wird von einem Gestell 48 im Bereich

um den Brennpunkt der Linse 42 gehalten.

Dadurch, daß der Radius der Nut 22 in dem Quarzblock 14 annähernd gleich dem Radius der optischen Faser 24 oder der Abstand sehr klein gehalten ist, kann die Linsenwirkung für die akustische Welle in dem dazwischen befindlichen Wasser 28 sehr klein gehalten werden, obgleich die Schallgeschwindigkeit im Wasser von der im Quarzblock 14 und in der optischen Faser 24 verschieden ist. Somit wird die ebene Wellenkomponente der akustischen Welle, die aus dem elektroakustischen Wandler abgeleitet wird, ohne irgendeine wesentliche Änderung dieser ebenen Wellenkomponente in die optische Faser 24 eingespeist.

Die oben beschriebene akustische Anpassung beruht auf einer sehr einfachen Technik, und es ist möglich, Ausgänge in jeder abweichenden Richtung gemäß den entsprechenden leitungsgebundenen Schwingungen zu erhalten. Dies wird später noch erläutert werden. Die Nut 22 in dem Quarzblock 14 in der Regel mit einem Radius von ΙΟΟμιτι kann durch Ziehen einer dicken Quarzröhre, damit der lichte Durchmesser des gezogenen Röhrchens sehr klein wird, und durch Schneiden des so gezogenen dünnen Röhrchens hergestellt werden.

Im Betrieb wird der elektroakustische Wandler 10 dessen Hauptmasse aus LiNbO3 oder einem dünnen Film aus ZnO bestehen kann, mit einer hochfrequenten elektrischen Spannung erregt, um eine akustische Welle im Ultraschallbereich zu erzeugen. Wie aus Fig.4b ersichtlich, ist der elektroakustische Wandler 10 auf der oberen Fläche des Quarzblockes 14 angebracht, die um einen Winke! tx zu der Achse der optischen Faser 24 geneigt ist. Die akustische Welle, die durch den Wandler 10 erzeugt wird und auf die optische Faser 24 auftrifft, wird ebenfalls um einen Winkel λ zu der Achse der Faser 24 geneigt. Dieser Winkel <x kann durch geeignete Wahl des Abstrahl- oder Neigungswinkels α des Quarzblockes 14 auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, was später noch erläutert wird. Jede der leitungsgebundenen Schwingungen des Lichtbündels, das durch die optische Faser 24 hindurchläuft, wird in der Faser durch die akustische Welle gemäß der Braggschen Bedingung reflektiert, und ein Teii oder das gesamte Lichtbündel wird nach unten durch den Glasblock 30 ausgestrahlt. Der Anteil des Lichtes, das durch den Schlitz 38 hindurchfäilt, wird durch die Linse 42 gesammelt und von dem Detektor 46 aufgefangen.

Durch Ändern der Frequenz der akustischen Welle, die durch den Wandler 10 erzeugt wird, kann jede der leitungsgebundenen Schwingungen des Lichtbündels, das durch die optische Faser 24 hindurchgeht, der Reihe nach nach außen abgestrahlt werden. Die Ausgangs-Lichtbündel können von dem Fotodetektor 46 aufgefangen werden, der eine Sekundäreffektfotodiode (avalanche photo-diode) sein kann, und die Schwingungen können danach in geeigneter Weise analysiert werden.

Bei einer anderen Ausführungsform wird die Frequenz der akustischen Welle in der Vorrichtung gemäß F i g. 3 festgehalten. Dabei können aber durch räumliches Verschieben des Schlitzes 38 und der Linse 42 die unterschiedlichen Schwingungen, die sich in der optischen Faser 24 ausbreiten, der Reihe nach ausgekoppelt werden. In diesem Fall werden die Schwingungen ebenfalls von dem Fotodetektor 46 wahrgenommen. Die Schwingungsaufnahme kann ebenso durch Anbringen eines fotografischen Filmes an dem Schlitz 38 und durch Herstellen eines Fernfeld-Strahlungsdiagramms des austretenden Streulichtes erzielt werden.

Die leitungsgebundenen Schwingungen in dem Kern einer optischen Faser des Verbundtyps mit einer Ausbreitungskonstanten β könner *.'—.J,· Ji^ ΓυΪ£ΐ.ιιΰι:ιι Gleichungen ausgedrückt werden:

Jm ( cos

.Im

sin

wobei

7m die Besselsche Funktion m-ter Ordnung,

r und Φ Positionskoordinaten !m zylindrischen Koordinatensystem,

ζ eine Bedingung, durch die die Richtung der optischen Faser angegeben wird,

m die Anzahl der Schwingungen bei einer vorgegebenen Winkelrichtung,

a der Radius des Kernes,

ω die Kreisfrequenz des Lichtes und

ίdie Zeit ist.

Eine detailliertere Formelentwicklung ist der Veröffentlichung von D. Marcuse mit dem Titel »Theory of Dielectric Optical Waveguide«, 1974, Academic Press, zu entnehmen.

Unter der Annahme, daß die Wellenzahl der ebenen Welle des Lichtbündels in einem Kern k\ ist, gilt für die normierte Ausbreitungskonstante u in der radialen Richtung folgende Beziehung:

ir — u [Iq - ih ■

Durch Erweitern der obigen Gleichung für die leitungsgebundene Schwingung, deren Ausbreitungskonstante β ist, unter Verwendung einer ebenen Welle, ergeben sich für die Viel-Wellenübertragung in einer optischen Faser folgende Gleichungen:

j cosm We'(··' '"'^u'^sl'" '"" '^;-)dM (8)

sin m (-) e'(··' '"um·* <n ,.-^d W. (O)

Näheres ist im Detail der Veröffentlichung von P. M. Morse und H. Fesback mit dem Titel »Method of Theoretical Physics«, 1953, McGraw Hill, zu entnehmen.

Im folgenden wird das Prinzip der Erfindung mit Bezug auf Fig.5 näher erläutert. Aus Fig.5 ist die Wellenvektorenbeziehung der leitungsgebundenen Schwingungen, einschließlich der akustischen Welle und der Streulichtwellen ersichtlich. In Fig.5 gibt die Richtung ζ die axiale Richtung der optischen Fasern wieder. Gemäß den Gleichungen (8) und (9) können die leitungsgebundenen Schwingungen, welche die Ausbreitungskonstante β haben, durch die Komponenten der Wellenvektoren ausgedrückt werden, die vom Ursprung Oausgehen und den Kreisbogen AA'schneiden, dessen Mittelpunkt auf der Achse ζ liegt und einen Radius von k\ · sin Θ ist der Ausbreitungswinkcl Θ durch folgende Gleichung definiert:

sin H =

Dies bedeutet, daß die Komponenten der Wellenvektoren so definiert sind, daß sie auf den Erzeugenden

i>iitc3 gci aucn M ciäiui iiiigcll ricgciä i^n/i liegen.

Eine ebene akustische Welle, die auf die optische

. Γ....;: ■■^r'-^:rr· hii-<.<· oinnr. .ri._wi«pn Neit?iine>iwinkel a mit der Achse der Faser. Es wird nun von der Bedingung ausgegangen, wo eine akustische Welle mit einem Wellenvektor K in die optische Faser unter einer geometrischen Beziehung, wie in Fig. 5 gezeigt,

ίο eingespeist wird, so daß die vektorielle_Summe von

einem Wellenvektor OÄ plus K gleich Oß'ist. Gemäß der Gleichung (3) bedeutet diese Bedingung, daß die Braggsche Bedingung erfüllt ist oder mit anderen Worten, das₍ reflektierte Lichtbündel in Richtung des

r, Vektors Oß'ist stärker als das diffuse Lichtbündel in irgendeiner anderen Richtung.

Da eine Bedingung besteht, daß

ist,

wobei /'die Frequenz der akustischen Welle und Wdie

2) Geschwindigkeit der akustischen Welle sind, kann das Lichtbündel dadurch ausgekoppelt werden, daß die akustische Frequenz f oder der absolute Wert des Wejlenvektors K so groß gemacht wird, daß der Vektor Oß nicht zu einer leitungsgebundenen Schwingung

jo wird. Die gewünschte Bedingung für die Frequenz f kann durch folgende Gleichung gegeben sein:

WIk₁ . <-)„,-(->

/> —»'s

sin

(10)

In diesem Fall ergibt sich der Neigungswinkel α aus folgender Gleichung:

_λ = θ + sin ' ■'.i.
/c, W

IM)

</Αί

Durch die Überwachung des so ausgekoppelten 4) Lichtes kann auf die Lichtstärke für die Schwingung, deren Ausbreitungskonstante β ist, geschlossen werden. Bei diesem Verfahren wird die Schwingung des Lichtes, um der Braggschcn Bedingung mit dem Wellenvektor K zu genügen, nicht nur durch den Vektor OÄ wiedergegeben, sondern durch alle den Ursprung Omit irgendeinem Punkt auf dem Kreis AC verbindenden Vektoren. So erfüllt beispielsweise der Vektor OG die Braggsche Bedingung, und reflektierte oder gestreute Vektoren verbinden den Ursprung Omit dem Kreis BD. Hier liegen beide Kreise AC und BD in parallelen Ebenen, die dutch die Punkte A und B hindurchgehen und normal zu dem Wellenvektor K liegen, und in einer Kugel mit dem Ursprung O und mit einem Radius k\. Die Schwingungen, die einen Ausbreitungskoeffizienten β oder geringer als β haben, werden alle aus dem optischen Kern ausgekoppelt oder abgezogen. Fernerhin — wie aus der F i g. 5 klar ersichtlich ist — weicht die Richtung des Lichtes, das aus der optischen Faser gemäß der Braggschen Bedingung reflektiert wird, in Abhängigkeit von dem Wert von β ab.

Sofern alle Schwingungen ausgekoppelt werden sollen, ist es erforderlich, die niedrigste, zu einer AusstrahlungsschwingL'ng rcflckticrbarc Schwingung

zu erzeugen. Gemäß F i g. 5 bedeutet dies, daß die Wellenvektoren folgender Gleichung genügen müssen:

OE 4 K = OM .

Vr^\rt\\n\-> tct (iiir r)incr»r ί"ί I ο i r h Π Π (T HlO f» rf O T*H f* ΓI ί Γ h r»

akustische Frequenz /"wie folgt bestimmbar:

/= ^W;^h 2.. ,12,

wobei W die Schallgeschwindigkeit der akustischen Welle und δ eine relative Brechungsindexdifferenz ist, die wie folgt definiert ist:

l) =

»1

(13)

Sofern in Gleichung (12) der Wert der Schallgeschwindigkeit im geschmolzenen Quarz für VK und der Wert der Brechungszahl des geschmolzenen Quarzes für /Ji eingesetzt werden, ändert sich die Frequenz f - wie aus Fig. 6 ersichtlich — gegenüber dem Wert von ö. In der Praxis liegt der Wert von <5 zwischen 0,05% und 1,0%, so daß der Frequenzbereich von 270 MHz bis 1200 MHz verwendet werden kann. Der Neigungswinkel oi des elektroakustisch^ Wandlers ist durch folgende Gleichung für die Erfüllung der Braggschen Bedingungen definiert:

: sm

2.1/ 2 k, W '

(14)

In F i g. 7 ist die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel ex. und der akustischen Frequenz f für eine optische Viel-Wellenfaser anhand eines Schaubildes dargestellt.

Aus Fig.8 ist der Reflexionswinkel einer jeden Schwingung im Kern zu entnehmen, sofern die akustischen Wellen von 390 MHz, 675 MHz und 870 MHz der Reihe nach auf Glasfasern ausgestrahlt werden, deren relative Brechungsindexdifferenzen δ 0,1, 0,3 bzw. 0,5% betragen. Das Licht wird gebrochen, wenn es den Kern verläßt und in den Verbundbereich eintritt, so daß der Ausstrahlwinkel des Lichtes aus dem Verbundbereich kleiner wird.

Wie bereits im Zusammenhang mit den F i g. 3 und 4a erläutert, ist zwischen der optischen Faser 24 und dem Glasblock 30 eine transparente Bahn 26 eingelegt, die eine höhere Brechungszahl als die optische Faser 24 aufweist und beispielsweise aus Polyäthylen hergestellt ist. Dadurch, daß die transparente und eine höhere Brechungszahl aufweisende Bahn vorgesehen und die Brechungszah! des Glasblockes 30 höher als die der optischen Faser 24 ist, kann das Streulicht ausgekoppelt werden. Sofern die Brechungszahlen der transparenten Bahn und des Glasblockcs niedriger sind als die der Glasfaser, wird das Licht, das auf die Grenzschicht des Verbundbereiches auftritt, total in die Glasfaser zurückreflektiert und kann nicht ausgekoppelt werden, obgleich die leitungsgebundene Schwingung in die Ausstrahlschwingung aufgrund der Braggschen Bedingung übergeht.

Die Einfallswinkelauflösung Δγ unter der Braggschen Bedingung wird durch die folgende Formel bestimmt:

\K\L

!sin

;■) - sin ;■„!

(15)

U c h i d a und N i i ζ e k i mit der Bezeichnung »Acoustic Deflection Materials and Techniques«; Proc IEEE Vr' «1 η 1073,1973 zi: entnehmen),
wobei Ldie Lange ücs eiui'.iiuuKUouM.-n'.-rii v»iii»iii..j,.J γ 11 der Braggsche Winkel ist, der durch folgende

\κ

sin γ,, =

Die Beziehung zwischen dem Auflösungswinkel Δγ und der akustischen Frequenz f (MHz) ist aus Fig. 9 ersichtlich. Verglichen mit dem zulässigen Führungswinkel einer optischen Faser, der in der Regel einige wenige Grade beträgt, wird die Auflösung für die Frequenzen über 10 MHz, die selbst weniger als 2 Grad gemäß Fig. 9 beträgt, zunehmend kleiner. Folglich ist die Vorrichtung für Frequenzen über 10 MHz gut geeignet als eine Vorrichtung für den Ausgang eines Schwingungsanalysators.

Ist die Braggsche Bedingung erfüllt, ist die Intensität der Braggschen Reflexion proportional dem Ausdruck

k, I Ii L

. ,Λ I
^SIn'( 2

(vgl. Uchida und Niizeki wie oben angegeben) wobei Δη die Änderung der Brechungszahl in Abhängigkeit vom akustisch-optischen Effekt ist und durch folgende Formel definiert ist:

I« =1 M₂PJl.

(16)

(detailliertere Angaben sind der Veröffentlichung von Hierbei ist P_A die Leistungsdichte der akustischen Welle und Λί> eine Wertungsziffer des akustisch-optischen Effekts, der durch das verwendete Material bestimmt ist.

Wenn für die optische Faser geschmolzenes Quarz verwendet wird, und unter der Annahme, daß die Wechselwirkung zwischen dem Lichtbündel und der akustischen Welle in einem Bereich von π 10 mm χ 0,1 mm erzielt wird, dann ist für eine 100%ige Reflexion eine akustische Wellenleistung von ca. 6,8 W erforderlich.

Wurden jedoch, wie in der aktuellen Praxis, z. B. ein elektro-akustischer 10-mmx0,l-mm-Wandler, ein ■>« Quarzblock mit einer Breite von 1 mm, eine optische Faser mit einem Radius von 100 μηι, Wasser zwischen der optischen Faser und dem Quarzblock mit einem Abstand von 50μπι und eine Eingangsleistung von 6,8 W für den elektro-akustischen Wandler in der η Vorrichtung, wie sie im wesentlichen aus Fig. 3 ersichtlich ist, verwendet, kann die akustische Ultraschallwelle durch Reflexion, Absorption oder Brechung während ihrer Übertragung gedämpft werden, und dadurch kann eine größere Eingangsleistung erfordcr-Mi lieh sein. Die obigen Verluste sind von frequenzabhängiger Natur, und der Aur.gangswirkungsgrad η in (%) ist in Fig. 10 über der akustischen Wellenfrequenz A(MIIz) aufgetragen. Bei dem oben Gesagten wurde angenommen, daß der Wirkungsgrad des Wandlers 100% h^r) beträgt.

Im folgenden wird nun eine Situation betrachtet, in der eine Schwingung niedrigster Ordnung oder eine solche SchwinKunß vorließt, die einen Ausbratuneswin-

kel von θ = 0 aufweist, und die gerade die Braggsche Bedingung mit einem Wellenvektpi· ACo in F i g. 5 erfüllt. Diese Situation kann wie folgt ausgedrückt werden:

OE + K_n =■· OF.

In diesem Fall wird die Braggsche Bedingung für die Schwingung mit einem Ausbreitungswinkel θ zu:

CM + K = Öß . "»

Da der Wandler festgelegt ist, verläuft K parallel zu Ko. Allein durch Ändern des absoluten Wertes von K, d. h. durch Ändern von | K\, ist es, um den Ausgang aller Schwingungen zu erz erzielen, folglich erforderlich, den Ausbreitungswinkel θ des reflektierenden Lichtes OF" der niedrigsten leitungsgebundenen Schwingung OE? größer als 2 Q_n, zu machen, wobei Q_m der Ausbreitungswinkel der höchsten leitungsgebundenen Schwingung ist. Bei Erhah der obigen Bedingung werden beide Vektoren OF und OB zu Ausstrahlschwingungen, und das Lichtbündel einer jeden Schwingung kann nacheinander durch Ändern des absoluten Wertes von K ausgekoppelt werden.

Mit anderen Worten, durch Festhalten des Winkels α 2> bei irgendeinem geeigneten Wert über Q_n, kann die folgende Beziehung aus der Gleichung (11) erzielt werden:

.. λ, W . j = -— sin (a - <-)).

(17)

Dies bedeutet, daß durch Ändern der Frequenz /der akustischen Welle verschiedenartige leitungsgebundene Schwingungen mit verschiedenen Ausbreitungswinkeln θ in der leitungsgebundenen Schwingung ausgekoppelt werden können. In diesem Fall kann die Frequenz /aus der Gleichung (17) von

₁
—— sin

^ sin- (λ -HJ

40

45

und der Ausbreitungswinke! θ von 0 in Q_n, geändert werden.

Sofern eine optische Faser mit einer Differenz zwischen den Brechungszahlen des Kernes und des Verbundbereiches ö von 1% (oder in einem zweiten Beispiel von 0,1%) betrachtet wird, beträgt der Winkel Q_n, ungefähr 8,1° (2,6°), und die maximale Frequenz /_m der akustischen Frequenz /sollte größer sein als

Jm =

k_xW . sin α > —— sin <-),„

55

Dies bedeutet, daß die maximale Frequenz f_m mehr als 2,5 GHz (780 MHz) betragen sollte. Der Wandler kann in einem Neigungswinkel <x von 8,1° (2,6°) bezogen auf die Achse der optischen Faser, wie aus F i g. 7 ersichtlich, angebracht sein, wenn die akustische Frequenz /=2,5 GHz (780 MHz) beträgt. Die Frequenz / kann über einen Bereich von 2,5GHz (780MHz) geändert werden. Durch Ändern der Frequenz / der akustischen Weile in einer derartigen Weise ist es möglich, daß alle leitungsgebundenen Schwingungen des Lichtbündels, die durch die optische Faser hindurchgehen, nur durch Ändern des absoluten Wertes I K\ des Wellenvektors K ausgekoppelt werden. Sofern die Vorrichtung bei einer Eingangsschwingung verwendet wird, die später noch erläutert werden wird, hat sie den Vorteil, daß sie dafür geeignet ist, alle leitungsgebundenen Schwingungen einzuspeisen.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Frequenz der durch den elektroakustischen Wandler erzeugten akustischen Welle derart ausgewählt, daß der Ausbreitungswinkel des reflektierten Lichtes der leitungsgebundenen, Licht in der optischen Faser übertragenden Schwingung niedrigster Ordnung gemäß der Braggschen Bedingung größer wird als der Ausbreitungswinkel Q_n, der lichtübertragenden Schwingung höchster Ordnung, und somit können unterschiedliche leitungsgebundene Schwingungen ausgekoppelt werden. Dies bedeutet, daß die Frequenz / der akustischen Welle und der Neigungswinkel <x für einen Wert von θ = 0 in den Gleichungen (10) und (11) gewählt werden.

Zum Beispiel karm aie Frequenz / der akustischen Welle bei einem geeigneten Wert größer als 1,23 GHz (beim zweiten Beispiel 390 MHz) für eine optische Faser festgehalten sein, deren relative Brechungsindexdifferenz ό = 1% (0,1 %) beträgt, wie aus F i g. 6 ersichtlich ist. Der Neigungswinkel ö des elektro-akustischen Wandlers ist so eingestellt, daß die Braggsche Bedingung für die niedrigste leitungsgebundene Schwingung bei der oben angegebenen Frequenz erfüllt ist, und somit alle verschiedenartigen Schwingungen ausgekoppelt werden können. In dem einen Beispiel ist ein 1,5-GHz-Wandler mit einem Neigungswinkel von 4,9° festgelegt, und in einem anderen Beispiel ist ein 400-M Hz-Umwandler bei einem Winkel von t,3° festgelegt. Eine grafische Darstellung des Neigungswinkels α als Funktion der Wandlerfrequenz ist in F i g. 7 gezeigt.

Das reflektierte Licht einer jeden Schwingung wird in jeweils einer anderen Richtung ausgestrahlt, so daß jede Schwingung nacheinander durch Bewegen der Linse zusammen mit dem Schlitz ausgekoppelt werden kann.

Sofern die Vorrichtung als Schwingungsanalysator verwendet wird, können der Schlitz und die Linse entfernt werden, und es kann eine fotografische Aufnahme des Fernfeld-Strahlungsdiagramms an der Schlitzstelle aufgenommen werden. Der Vorteil, nämlich die Ausgänge aller leitungsgebundenen Schwingungen zu erzielen, ist derselbe wie bei dem vorherigen Beispiel, bei dem der absolute Wert | K\ des Wellenvektors ^eingestellt wird.

Wie oben ausgeführt, kann die Vorrichtung gemäE der Erfindung als ein reiner optischer Monitoi verwendet werden. In diesem Fall wird nur ein Teil des übertragenden Lichtbündels an einer beliebigen Stell« der optischen Faser ohne Ändern oder Einwirken au: die leitungsgebundenen Schwingungen des Lichtbün dels ausgekoppelt.

Wie ferner oben erwähnt wurde, ist es vorteilhaft, da; Lichtbündel einzuspeisen oder auszukoppeln, indem di( Phasenvergleichsbedingung gemäß Fig. Ib im Fallt einer optischen Einzel-Schwingungs-Faser verwende wird. Die Phasenvergleichsbedingung lautet — in Forn einer Gleichung ausgedrückt — wie folgt:

f =

kl - 2 ßk₂ cos {ISO - ■* sin

(18)

In dieser Gleichung haben die Symbole dieselbe Bedeutung wie oben. Sofern der Neigungswinkel λ des Wandlers in einem geeigneten Bereich festgelegt ist, damit die Bedingung

< 1

erfüllt ist, dann wird die Frequenz /"als Funktion von β bestimmt. Durch Einstellen der Frequenz / der akustischen Welle kann somit, damit die Gleichung (18) für eine gewünschte leitungsgebundene Schwingung erfüllt ist, eine derartige Schwingung des Lichtes ausgekoppelt werden.

Wenn der 0-Wert einer Einzel-Schwingungs-Faser unbekannt ist, kann dieser durch Beobachten der Änderung der Lichtintensität des Ausganges bestimmt werden, wenn die Frequenz /geändert wird. Wenn die Lichtintensität des Ausgangs bei einem gewissen Wert der Frequenz /zu einem Maximum wird, dann kann der ß- Wert aus der Gleichung (18) errechnet werden.

Im folgenden wird nun eine Ausführungsform mit einem Neigungswinkel « von 45° betrachtet. Die Beziehung zwischen β und /ist grafisch in Fig. 11 dargestellt. Auf der Abszisse ist der Wert von ß, der durch fa normiert ist, d. h. ß/k₂, aufgetragen. Die leitungsgebundene Schwingung ist in dem Bereich ßlk2>\. Der Wert der relativen Brechungsindexdifferenz (5 einer optischen Faser liegt in der Praxis im Bereich von 1 % oder darunter, so daß ß/k₂ weniger als ca. 1,01 betragen kann.

Bei der Berechnung beträgt die Frequenz / der akustischen Welle für die Auskoppelung von Licht weniger als ungefähr 100 MHz und ist deshalb in einem vergleichsmäßig niedrigen Frequenzbereich. Da β und / lineare Funktionen sind, ist es ferner durch Ändern des Wertes von /zwischen 0 und 100 MHz und durch Aufzeichnen des Wertes von f, bei dem die maximale Lichtintensität ausgekoppelt wird, möglich, die Ausbreitungskonstante β der leitungsgebundenen Schwingung zu bestimmen, und somit kann die Vorrichtung als Schwingungsanalysator für eine einzelne Schwingung verwendet werden.

In den vorherigen Ausführungen ist der Wandler plattenförmig ausgebildet, und es wird eine ebene akustische Welle erzeugt. Durch Verwenden eines elektro-akustischen Wandlers 50 mit einer gekrümmten Oberfläche, wie in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 12 gezeigt, ist es möglich, die akustische Leistung in der optischen Faser noch mehr zu konzentrieren, wobei ein größerer Wirkungsgrad erzielt werden kann.

Sofern die Vorrichtung bei einer Eingangsschwingung verwendet werden soll, wird die akustische Ultraschallwelle in derselben Weise erzeugt, wie oben bereits erläutert, und das Eingangslichtbündel wird der Vorrichtung aus der Umkehrrichtung der Ausstrahlung des Ausgangslichtes zugeführt. Das Lichtbündel wird durch die akustische Welle gemäß der Braggschen Bedingung reflektiert und wird ein Teil oder die gesamte leitungsgebundene Schwingung in der optischen Faser. Die Richtung der Ausbreitung in der optischen Faser ist entgegengesetzt zu der in der Vorrichtung für den Ausgang. Eine elektromagnetische Welle ist mit Bezug auf die Zeit umkehrbar, so daß, sofern es möglich ist, die Wellenfront eines auftreffenden Lichtbündels mit der eines Ausgangslichtbündels — das sich aber in der Umkehrrichtung ausbreitet — zusammenfallen zu lassen, die Beziehung zwischen dem auftreffenden Licht und der leitungsgebundenen Schwingung dieselbe sein wird, wie die zwischen dem Ausgangslicht und der leitungsgebundenen Schwingung (wie oben entwickelt wurde).

-, Als eine beispielhafte Ausführungsform eines optischen Systems für die Erzeugung eines auftreffenden Lichtbündels, das eine umgekehrte Ausbreitungswellenfront gegenüber der eines Ausgangslichtbündels aufweist, wird nun eine optische Vorrichtung für den

in Eingang, bei der ein Hologrammkoppler verwendet wird, mit Bezug auf Fig. 13 beschrieben, die eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer derartigen Vorrichtung für den Eingang zeigt. Im folgenden wird zunächst die Art der Erzeugung eines Eingangsholo-

i) gramms erläutert. Durch Zuführen eines Lichtbündels zu der optischen Faser 24 in einer Richtung z, wie durch den Pfeil dargestellt, und durch Erzeugen einer akustischen Welle in dem Wandler 10, arbeitet die Vorrichtung wie eine Vorrichtung für den Ausgang, und

2» ein Ausgangsbündel tritt durch den Glasblock 30 aus. In diesem Fall ist eine fotografische Platte 52 für die Aufnahme eines Hologramms angeordnet (wie dargestellt), und ein Laserbündel wird von einem Lasergenerator 60 durch eine Linse 56 erzeugt, während der

2^r) Schlitz 38 beseitigt ist. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, erzeugen das Laserbündel und das Lichtbündel des Ausgangs ein Interferenzbild auf der fotografischen Platte 52. Die belichtete Platte wird dann entwickelt, damit ein Hologramm erhalten wird, das, im Falle einer

3d Eingangsschwingung, an derselben Stelle (52) angeordnet ist. Das Laserbündel wird wieder von dem Lasergenerator 60 durch die Linse 56 ausgestrahlt, die an einem Gestell 58 montiert ist, und der Schlitz 38 wird, wie in Fig. 13 dargestellt, in Stellung gebracht. Mit

r> dieser Anordnung wird ein Eingangslichtbündel erzeugt, welches sich genau in umgekehrter Richtung zu dem Ausgangslichtbündel ausbreitet, und das Eingangslichtbündel kann in die optische Faser durch geeignetes Erregen des Wandlers 10, wie oben entwickelt, eingespeist werden. Die Beziehung zwischen dem auftreffenden Eingangslichtbündel und der leitungsgebundenen Schwingung ist dieselbe wie zwischen dem Ausgangslichtbündel und der leitungsgebundenen Schwingung. Durch Ändern der Schlitzbreite oder der

4^r) Schlitzstellung und/oder der Frequenz der akustischen Welle kann das auftreffende Lichtbündel in die optische Faser entweder in einer Einzelschwingung oder mit allen in dem Lichtbündel vorhandenen Schwingungen zusammen eingespeist werden.

■50 Die Eingangsauflösung wird dieselbe sein wie die der Ausgangsschwingung. Die Eingangsleistung wird verglichen mit der Ausgangsleistung aufgrund der geringen Beugungsleistung des Hologramms etwas geringer sein. Wie in dem vorherigen erläutert, sind die Vorrichtun-

« gen für den Eingang und den Ausgang einer optischen Faser — gemäß der Erfindung — dafür geeignet, das Lichtbündel unter Anwenden der Braggschen Bedingung einzuspeisen oder auszukoppeln, und der bedeutende Vorteil besteht darin, daß das Licht eingespeist

bn oder ausgekoppelt werden kann, ohne ein Anschneiden oder Beschädigen der optischen Faser in Kauf nehmen zu müssen. Ferner sind keine festen oder dauerhaften Verbindungen zwischen dem Quarzblock und der optischen Faser erforderlich, wobei die Vorrichtung

h5 tragbar ist, und frei an einer beliebigen gewünschten Stelle für einen Gebrauch für die Eingangs- und Ausgangsschwingungen angeordnet werden kann.
Wird die Vorrichtung bei einer Ausgangsschwingung

verwendet, so ist es möglich, jede der sich ausbreitenden Lichtschwingungen gesondert auszukoppeln, so daß eine vollständige Schwingungsanalyse an jeder beliebigen gewünschten Stelle auf der optischen Faser möglich ist. Die Vorrichtung kann auch als optischer Monitor verwendet werden, wobei die Übertragungscharakteristiken der optischen Faser während der Herstellung derselben gemessen werden können. Derartige Messungen können in einer Rückkopplungsschleife für die Steuerung der Herstellung der Faser verwendet werden.

Wird die Vorrichtung bei einer Eingangsschwingung verwendet, so kann das Licht an jeder beliebigen Stelle der optischen Faser eingespeist werden, wobei die Vorrichtung für die Erfassung von Fehlern oder Störstellen oder als Übertragsprüfgerät für die Verbindung oder Justierung der optischen Faser verwendet werden kann. Durch eine kombinierte Verwendung der Eingangs- und Ausgangsschwingungen kann ein leistungsfähigeres Übertragungsprüfgerät geschaffen werden.
Gesonderte Vorrichtungen für den Eingang und

^r> Ausgang können in einem beliebigen Abstand auf einer optischen Faser montiert sein, wobei es möglich ist, ein Signal aus der Vorrichtung für den Eingang zu einer Vorrichtung für den Ausgang zu senden, so daß ohne Anschneiden der Faser ein Übertragungsbindeglied

in gebildet ist.

Da die Prinzipien der Erfindung nicht auf die Ausbreitung eines beliebigen besonderen Typs oder Schwingung eines Übertragungssignals begrenzt sind, ist es ersichtlich, daß der Erfindung eine bedeutende

ii Rolle und ein dementsprechendes Potential auf dem Feld der Breitband-Digital-Übertragung für Fernsprechsysteme zukommen.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Ein- bzw. Auskoppeln von Licht in eine bzw. aus einer optischen lichtleitenden Faser mit Kern- und Überzugsschicht durch die Überzugsschicht, dadurch gekennzeichnet, daß ein akustisch erregbarer Quarzblock (14) mit einer halbkreisförmigen Nut (22) vorgesehen ist, deren Radius im wesentlichen genau so groß ist wie der der langgestreckten, mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildeten optischen Faser (24), wobei der Quarzblock (14) eine geneigte, der Nut (22) gegenüberliegende obere Fläche (12) zum Erzielen Braggscher Reflexion aufweist, daß ein zum Modulieren des Lichts geeigneter elektroakustischer Wandler (10 bzw. 50) zum Erzeugen einer akustischen Welle vorgesehen ist, d?r an der oberen Fläche (12) befestigt ist, daß ein Glasblock (30) mit einer Brechungszahl, die größer als die der Überzugsschicht der optischen Faser ist, und mit einer halbkreisförmigen Nut (34) vorgesehen ist, deren Radius im wesentlichen genau so groß ist wie der der optischen Faser, wobei der Glasblock eine abgeschrägte, der Nut (34) gegenüberliegende Bodenfläche (36) aufweist, und der Quarzblock sowie der Glasblock unter Einbettung der optischen Faser zwischen ihnen in ihren jeweiligen Nuten an der Stelle, an der die Ein- bzw. Auskopplung erwünscht ist, so angeordnet sind, daß die abgeschrägten Flächen von Quarzblock und Glasblock einander abgewandt sind und die Enden (18 bzw. 32) mit den kleineren Stirnflächen an einer Seite zusammenliegen, daß eine optisch transparente Bahn (26) mit einer höheren Brechungszahl als die der Überzugsschicht vorgesehen ist, die zwischen der Nut des Glasblocks und der optischen Faser angeordnet ist, daß eine Flüssigkeit, wie Wasser zwischen der optischen Faser und dem Quarzblock vorgesehen ist, wobei die Dämpfung der akustischen Welle in dieser Flüssigkeit klein ist, und die Flüssigkeit ein? akustische Impedanz nahe der des Quarzblockes hat, so daß dadurch ein geringer Reflexionsverlust für eine akustische Welle erreicht ist, wobei durch den elektroakustischen Wandler eine akustische Welle mit einer gegenüber der Achse der optischen Faser, entlang der Licht in leitungsgebundenen Schwingungen ausgebreitet wird, geneigten Wellenfront erzeugbar ist, so daß dadurch reflektierendes Licht gemäß der Braggschen Bedin-

Γ)

2(1 gung zu einer Ausstrahlungsschwingung wird bzw. durch die akustische Welle ein Eingangslichtstrahl hervorgerufen wird, der gemäß der Braggschen Bedingung in die optische Faser eingespeist und darin in einer leitungsgebundenen Schwingung fortgepflanzt wird, und ein vom Glasblock trennbares optisches Aus- bzw. Eingangssystem, wobei das Ausgangssystem mit einem aus der optischen Faser ausgestrahlten Ausgangslichtstrahl bzw. das Eingangssystem auf einen Eingangslichtstrahl ausgerichtet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (24) eine Viel-Wellenfaser ist, bei der der gegenüber der Achse der optischen Faser gebildete Neigungswinkel α des elektroakustischen Wandlers (10) und die Frequenz f der akustischen durch den elektroakustischen Wandler erzeugten Welle derart gewählt sind, daß folgende Bedingungen erfüllt sind:

= « + sin "

und .. k,W .
/ > sin

.7

wobei k\ die Wellenzahl einer ebenen Lichtwelle im Kern einer optischen Faser, Wdie Geschwindigkeit der akustischen Welle, Θ der Ausbreitungswinkel der leitungsgebundenen Schwingungen des sich in der Faser ausbreitenden Lichts und Q_n, der Ausbreitungswinkel der leitungsgebundenen Schwingung der höchsten Ordnung sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (24) eine Einzel-Schwingungs-Faser ist und zum Erzeugen einer Ein■· bzw. Ausgsngsschwingung, deren Ausbreitungskonstante β ist, der gegenüber der Achse der optischen Faser gebildete Neigungswinkel λ des elektroakustisrhen Wandlers (10 bzw. 50) so wählbar ist, daß die Bedingung

k-,

cos \ < 1

erfüllt ist, wobei fo die Wellenzahl einer ebenen Welle in einem Verbundbereich der optischen Faser ist und die Frequenz / des elektroakustischen Wandlers durch folgende Bedingung definiert ist:

W 1 I f = iL-lU
2 .τ κ

< ß - 2 /■' k-, cos IHO-N- sin /if \k₂

wobei Wd'ie Geschwindigkeit der akustischen Welle ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des optischen Ein- bzw. Ausgangssystems festgelegt ist, λ mit einem Wert vorgegeben ist, der die folgende Bedingung erfüllt:

/' mit einem Wert vorgegeben ist, der folgende Bedingung erfüllt:

L W

sin (\ - W)

und Θ zwischen 0 und Q_n, variiert wird, wobei alle leitungsgebundenen Schwingungen in der Faser ausgekoppelt werden bzw. das Eingangslicht in die optische Faser in allen sich darin ausbreitenden leitungsgebundenen Schwingungen eingespeist wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Frequenz f in einem Bereich von

/>*' "sin "Τ

festgelegt ist und der Neigungswinkel α mit Bezug

auf den Wert von /' festgelegt ist, so daß folgende Bedingung erfüllt ist:

\ = sin

wobei durch Bewegen des optischen Ausgangssystems alle sich in der optischen Faser ausbreitenden leitungsgebundenen Schwingungen ausgekoppelt ii werden bzw. durch Bewegen des optischen Eingangssystems das Licht in allen sich in der Faser ausbreitenden leitungsgebundenen Schwingungen einlesbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- r zeichnet, daß der elektroakustische Wandler (50) eine gekrümmte Oberfläche für eine leistungsfähige Konzentration der Schalleisiung auf die optische Faser (24) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- _>i zeichnet, daß die Bahn (26) eine Polyäthylenfolie ist.