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Akusto-optischer Modulator zur Modulation der Licht-
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intensität Die Erfindung betrifft einen akusto-optischen Modulator
zur Modulation der Lichtintensität.
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Die Entwicklung niedrigdämpfender Lichtleitfasern ermöglicht es, Nachrichten
optisch zu übertragen. Die Eigenschaften der verwendeten Lichtwellenleiter machen
diese besonders geeignet zur Verwendung in höheren Netzebenen von Fernsprechsystemen,
in denen gleichzeitig eine grössere Anzahl von Sprachsignalen in Zeitmultiplex-oder
Frequenzmultiplextechnik übertragen werden. Werden die Übertragungsleitungen in
höheren Netzebenen aus Lichtwellenleitern aufgebaut, so gewinnt aber auch schon
aus Gründen der Anwendung einer einheitlichen Übert-agungstechnik die Verwendung
von Lichtwellenleitern in den unteren Netzebenen bis zu den einzelnen Deilnehmerstatonen
an Interesse.
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Es ist demnach erstrebenswert, Nachrichtenendgeräte, insbesondere
Fernsprechstationen, zu realisieren, bei denen alle Funktionen ausschließlich auf
optischem Wege, also unter Ausschluß elektrischer Vorgänge auszuführen sind.
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Ein wesentliches Problem besteht dabei darin, akustische Signale in
optische Signale umzusetzen, so daß vom betreffenden Fernsprechteilnehmer erzeugte
Schallschwingungen zur Modulation des von einer zentralen Speisestelle, vorzugsweise
einer Vermittlungsstelle, zur Teilnehmerstation übertragenen Lichtes benutzt werden
können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen
akustisch-optischen Modulator anzugeben, der die direkte Umsetzung eines akustischen
Signals in ein optisches Signal gestattet.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß mit Hilfe einer Gradientenlinse
mit einer Linsenlänge, die ein Viertel der sog. Pitchlänge beträgt, und einer reflektierenden
Fläche, die einer der Stirnflächen der Gradientenlinse gegenüberliegt und durch
Schalleinwirkiing eine Winkelauslenkung erfährt, die Auskoppelbedingungen eingekoppelten
Speiselichtes zeitlich variert werden und damit eine Modulation der Lichtintensität
ermöglicht ist.
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Die genannte Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen akusto-optischen
Modulator zur Modulation der Lichtintensität gelöst, der dadurch gekennzeichnet
ist, daß eine Gradientenlinse mit einer Linsenlänge, die ein Viertel der Pitchlänge
beträgt, vorgesehen ist, deren erster Stirn fläche über eine Eingangsfaser Speiselicht
zuführbar und über eine Ausgangsfaser moduliertes Licht entnehmbar ist, daß ein
zumindest einflächig verspiegeltes, als Reflektor wirkendes Biegeplättchen vorgesehen
ist, das einseitig in einen Modulatorkörper derart eingespannt ist, daß es in
seiner
Ruhelage flächenparallel in einem Abstand, der geringfügig größer als eine zu erwartende
t+ximalauslenkung des Biegeplättchens ist, zu der zwi ten Stirnfläche der Gradientenlinse
positioniert ist, und daß eine Membran vorgesehen ist, die durch Schalleinwirkung
verursachte Schwingungen über einen Stößel auf das Biegeplättchen überträgt, so
daß der Strahlengang des Speiselichtes innerhalb der Gradientenlinse infolge des
durch eine Auslenkung des Biegep.lättchens veränderten Einfallswinkels an der Fläche
des Biegeplättchens in Bezug auf einen Bildpunkt auf der ersten Stirnfläche der
Gradientenlinse, der bei der vorgegebenen Linsenlänge aus einem Ort einer durch
die optische Achse der Eingangsfaser repräsentierten Punktlichtquelle gegeben ist,
verschiebbar ist, Die.Erfindung bietet den Vorteil, daß akustische Signale unmittelbar,
d.h, ohne Zuhilfenahme elektrischer Vorgänge, in optische Signale umwandelbar sind,
so daß ein lNachrichtenendgerät, insbesondere eine Fernsprechstation, realisierbar
ist, das zumindest für eine Vbertragung abgehender akustischer Signale auf rein
optischem Wege geeignet ist.
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Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen
angegebenen Merkmale gekennzeichnet.
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Im folgenden wird die Erfindung an Eand mehrerer, verschiedene-Ausfihrngsbeispiele
für die Erfindung betreffender Figuren erläutert.
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Fig. 1 zeigt die Schnittzeichnung eines gemäß der Erfindung realisierten
Ausführungsbeispiels für eine Sprechkapsel.
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Fig. 2 zeigt den für die direkte akustische Modulation wesentlichen
optischen Teil einer solchen Sprechkapsel.
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Fig. 3 zeigt ein erstes Ausfukurvagsbeispiel für die Dimensionierung
und die Anordnung einer das Speiselicht zuführenden Eingangsfaser und einer das
modulierte Licht ab führenden Ausgangsfaser.
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Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die Dimensionierung
und die Anordnung einer das Speiselicht zuführenden Eingangsfaser und einer das
modulierte Licht abführenden Ausgangsfaser.
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Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für die Dimensionierung
und die Anordnung einer das Speiselicht zuführenden Eingangsfaser und einer das
modulierte Licht abführenden Ausgangsfaser.
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Fig. 6 zeigt ein viertes Ausführngsbeispiel für die Dimensionierung
und die Anordnung einer das Speiselicht zuführenden Eingangsfaser und einer das
modulierte Licht abführenden Ausgangsfaser.
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Fig. 7 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel für die Dimensionierung
und die Anordnung einer das Speiselicht zuführenden Eingangsfaser und einer das
modulierte Licht abführenden 8usgangslichtleitung, die aus einem aus mehreren Fasern
aufgebauten Faserbündel besteht.
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Pig. 8 zeigt in Diagrammform beispielhaft den prinzipiellen zeitlichen
Verlauf einer Membranschwingung (h...), den dazugehörigen Stromverlauf eines herkömmlichen
Eohlemikrophons (J) und denPreitlichen Verlauf der Lichtintensität bei den gemäß
Fig. 3, 4, 5 bzw. 6 ausgeführten Anordnungen (Iaw Ib, 1c bzw. Id)-Wie bereits angegeben,
zeigt Fig. 1 die Schnittzeichnung eines gemäß der Erfindung realisierten Ausführungsbeispiels
für eine Sprechkapsel.
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Das beim Modulator über eine Eingangsfaser 7 ankommende unmodulierte
Speiselicht gelangt über eine Gradientenlinse 5 auf ein durch Schallschwingungen
angeregtes Biege-
plättcnen, das auf seiner der Gradientenlinse
5 zugewandten Seite verspiegelt ist. Das Biegeplättchen ist einseitigleingespannt
und kann über einen Stößel 2 von einer Membran 1 ausgelenkt werden. Der Stößel 2
wird hierzu am Ort maximaler Membranhübe befestigt. Das Biegeplättchen 3 ist so
eingespannt und dimensioniert, daß durch die Anregung über den Stößel 2 möglichst
große Winkelauslenkungen in Bezug auf die Stirnfläche der Gradientenlinse 5 eintreten.
Das reflektierte und damit durch die Schallschwingungen in seiner Ausbreitungsrichtung
modulierte Licht gelangt wieder in die Gradientenlinse 5 und wird durch sie in eine
Ausgangsfaser 8 eingekoppelt. Der zeitlich variable Einkoppelungsgrad ist dabei
abhängig von der jeweiligen Spiegelauslenkung, was anschließend noch näher erläutert
wird. Die Modulation der Ausbreitungsrichtung des Lichtes wird somit in eine Intensitätsmodulation
des wieder in einer Faser geführten Liahtes umgesetzt. Die Eingangsfaser 7 und die
Ausgangsfaser 8 sind in einer Faserhalterung 6 mit der Gradientenlinse 5 verbunden.
9 bezeichnet z.B. einen optischen Kleber. Die Basern müssen in definierter Lage
mit sehr engen Toleranzen in Bezug auf den Abstand der Faserachsen zueinander und
den Abstand der Faserachsen zur Linsenachse justiert sein. Diese Justierung kann
z.B. mit Hilfe von Führungsnuten vorgenommen werden, die in der Faserhalterung 6
angebracht sind. Für die Herstellung solcher Führunganuten existieren verschiedene
bekannte Techniken, z.B. das Vorzugsätzjn in Silizium.
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Bei dem gezeigten Ausfuhrungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen
Modulator ist im übrigen eine Schutzkappe 10 vorgesehen, die den Modulator vor störenden
Einwirkungen schützt.
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Fig. 2 zeigt wie bereits angegeben, den für die direkte akustische
Modulation wesentlichen optischen Teil eines
Modulators. Es ist
gezeigt, wie das in der Eingangsfaser 7 geführte Licht an der Stoßstelle Faser-Gradientenlinse
in einem Bereich vom Eingangsfaser-Kerndurchmesser DK7 um einen Ort PO in die Gradientenlinse
5 eintritt. Die Linsenlänge Z der Gradientenlinse wird zu Z = Zn/4 gewählt.
ist dabei die sog. Pitchlänge. A ist eine Konstante. Mit dieser Linsenlänge Z wird
das Licht einer Punktlichtquelle am Ort PO in einen Parallelstrahl an der gegenüberliegenden
Stirnfläche der Gradientenlinse transformiert. In einem geringen Abstand # in Ruhelage
von dieser ebenen Stirnfläche ist das Biegeplättchen 3 im Bereich maximaler Winkelauslenkung
angebracht. Der Abstand £ soll nur geringfügig größer als die bei einer auftretenden
Maximalauslenkung # max in Richtung Z eintretende Verschiebung des Biegeplättchens
3 sein. Mit P1 ist in Fig. 2 der Bildpunkt von PO für die Ruhelage bezeichnet. P2
bezeichnet den Durchstoßpunkt der Achse der Ausgangsfaser 8 in der Kontaktebene
der beiden Stirnflächen. Die Lage von P2 kann, wie i ç ig. 2 gezeigt oder hiervon
verschieden gewählt werden, vgl. Fig. 3, 4, 5 und 6. Ebenso können die Kerndurchmesser
DK7 und EK8 die Manteldurchmesser DXI7 und DM8 sowie die Achsabstände r7 und r8
der Paserachsen von der Linsenachse gleich oder verschieden gewählt werden, vgl.
ebenfalls Fig. 3, 4, 5 und 6.
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Um durch eine Auslenkung # eine möglt hst große Verschiebung # x des'-Bildpunktes
P1 hervorzurufen, ist die Pitchlänge Z0 groß zu wählen, denn zwischen den Koordinaten
des Punktes PO (x=r7) und seines Bildpunktes P1(x') best t die Beziehung x' = -x
+ # (n0 # A) = -x + #ZO/ (2 # n0). Die Winkel cL der bei PO eintretenden Strahlen
werden im Fall Z = ZO/4 transformiert in α' = - . n0 bedeutet den Brechungsindex
auf der Achse der Gradientenlinse. Mit n0 = 1,616 und ZO = 20,8 mm (Werte für einen
kommerziellen
Linsentyp) gehört zu einer Verschiebung # x = 100 µm eine Winkelauslenkung # = 2,8°.
Zur Abschätzung der erreichbaren Winkelauslenkungen # kann in erster Näherung von
der Gleichung für die statische Biegelinie einer fest eingespannten Membran ausgegangen
werden. Als Ort maximaler Winkelauslenkung ergibt sich daraus der Abstand
vom Mittelpunkt der Membran. BEr den Winkel # an'dieser Stelle gilt:
Dabei bedeuten: E = Elastizitätsmodul p = Schalldruck a = Membranradius h = Membrandicke
= = Poissonzahl Der geforderte Wert für # von etwa 30 ist für realistische Membrandaten
und Schalldrucke erreichbar, z.B. bei Verwendung des Werkstoffs "Kapton": E 3000
N/mm2 p = 2 µbar # 80 phon a = 20 mm h = 14 µm oder "Teflon": E 300 Nimm2 p = 2/ubar
a = 10 mm h = 20 um Fig. 3 zeigt, wie bereits erwähnt, ein erstes Ausführhngs beispiel
für die Dimensionierung und die Anordnung einer das SpeSelicht zuführenden Eingangsfaser
und einer das modulierte Licht abführenden Ausgangsfaser. Die Fasern
haben
gleiche Durchmesser. Die Faserachse der Ausgangsfaser 8 läuft durch P1, d.h. P2
. P1. In Ruhelage wird das aus der Eingangsfaser 7 kommende Licht mit dem bestmöglichen
Wirkungsgrad (q opt R: 10% geschätzt) in die Ausgangsfaser 8 eingekoppelt. Bei Modulation
durch Schalleinwirkung trifft das Licht nicht mehr vollständig auf den Kernbereich
der Ausgangsfaser 8 (Intensitätsmodulation des in 8 geführten Lichtes). Bei der
Anordnung gemäß Fig. 3 gelangt demnach ohne Schallsignal die maximale Lichtleistung
zum Detektor der Gegenstelle, vgN auch Fig. 8 (Ia) ). Die Frequenz des Schallsignals
wird verdoppelt, ist also bei der Gegenstelle wieder mit an sich bekannten Mitteln
zu halbieren. Diese Anordnung gemäß Fig. 3 ist besonders einfach zu realisieren
und ist zur Übertragung von Sprachsignalen geeignet.
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Fig. 4 zeigt, wie bereits erwähnt, ein zweites Ausführungsbeispiel
für die Dimensionierung und die Anordnung einer das Speiselicht zuführenden Eingangsfaser
und einer das modulierte Licht abführenden Ausgangsfaser. Eingangsfaser und Ausgangsfaser
haben gleiche Durchmesser. Der Faserkern der Ausgangsfaser 8 liegt unmittelbar neben
dem Bild des Kerns der Eingangsfaser 7. Ohne Modulation ist die empfangene Lichtleistung
bei dieser Anordnung am Detektor der Gegenstelle null. Erst bei Modulation wandert
das Bild des Kerns der Eingangsfaser 7 in den Kernbereich der Ausgangsfaser 8. Die
Frequenz des Schallsignals bleibt vorteilhafterweise unverändert, jedoch treten
Verzerrungen auf, weil nur die Bildpunktverschiebungen +Äx wirksam werden. Modulatoren
gemäß dieser Anordnung sind vorteilhaft in solchen Fällen einzusetzen, bei denen
eine digitale Signalübertragung auf der Grundlage des Abzählens von Schwingungsperioden
vorzunehmen ist.
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Fig. 5 zeigt, wie bereits erwähnt, ein drittes Ausführungsbeispiel
für die Dimensionierung und die Anordnung einerdas Speiselicht zuführenden Eingangsfaser
und einer das modulierte Licht abführenden Ausgangsfaser. Eingangsfaser 7 und Ausgangsfaser
8 haben verschiedene Durchmesser. Die Faserachse der Ausgangsfaser 8 verläuft wiederum
durch del Bildpunkt P1, dh. P2 = P1. Der Ausgangsfaser-Kerndurchmesser DKS ist größer
als der Durchmesser des Bildes des Eingangsfaser-Kerns. Er wird zweckmäßig so gewählt,
daß bei Modulation mit maximalem Schalldruck das Bild des Kerns der Eingangsfaser
7 noch im Kernbereich der Ausgangsfaser 8 liegt. Der Bildpunkt des Kerns der Eingangsfaser
7 ist bei Ruhelage des Biegeplättchens 3 mit einer Blende mit einem Blendendurchmesser
DB8 # K7 abgedeckt. Bei dieser Anordnung tritt ebenfalls eine Verdoppelung der Frequenz
des Schallsignals auf. vgl.
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Fig. 8 (Ic). . Die Anordnung ist technologisch aufwendiger als die
zuvor gezeigten Anordnungen, ist aber bezüglich der Winkeljustierung der Komponenten
zueinander besonders vorteilhaft.
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Fig. 6 zeigt, wie bereits erwähnt, ein viertes Ausführungsbeispiel
für die Dimensionierung und die Anordnung einer das Speiselicht zuführenden Eingangsfaser
und einer das modulierte Licht abführenden Ausgangsfaser.
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Die Faserkerndurchmesser sind wie in den Anordnungen gemäß Fig. 3
bzw. 4 gleich. Die Grenzfläche zwischen Faserkern und Fasermantel der Ausgangsfaser
8 verläuft durch den Bildpunkt P1. Die Frequenz des Schallsignals bleibt unverändert,
vgl. auch Fig. 8 (Id). ). Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft für die Modulation
von verzerrungsfrei zu übertragenden Analogsignalen, wie Sprach- oder Musiksignale
anwendbar.
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Fig. 7 zeigt, wie bereits erwähnt, ein fünftes Ausführungsbeispiel
für die Dimensionierung und die Anordnung einer das Speiselicht zuführenden Eingangsfaser
und einer das modulierte Licht abführenden Ausgangslichtleitung, die aus einem aus
mehreren Fasern aufgebauten Faserbündel besteht. Vorzugsweise werden für eine solche
Anordnung Fasern mit im Bereich der Ankoppelung an die Gradientenlinse dünnem Mantel
verwendet. Das Speiselicht kommt aus der Eingangsfaser 7 und gelangt nach der Modulation
in die umliegenden Bündelfasern 8 1 .. 8 6. Andere Anzahlen von Bündelfasern sind
ebenfalls realisierbar. Die gezeigte Anordnung ist technologisch besonders einfach
ausführbar.
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In einem Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Modulator ist
die Membran an ihrem Rand in einem an dem Modulatorkörper befestigten elastischen
Silikonring gelagert. Es sind jedoch auch andere bekannte Lager- bzw.
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Einspanntechniken für die Membran anwendbar.
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14 Patentansprüche 3 Figuren