DE2908752A1

DE2908752A1 - Optisches transmissionsfilter

Info

Publication number: DE2908752A1
Application number: DE19792908752
Authority: DE
Inventors: Mark Dr Johnson; Thomas J Watson
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1979-03-06
Filing date: 1979-03-06
Publication date: 1980-09-18
Also published as: US4341442A; FR2451044A1; FR2451044B1; GB2049215A; GB2049215B

Description

Max-Planck-Gesellschaft 5.12.1978

zur Förderung der Wissenschaften e.V. P 78 121 2908752

OPTISCHES TRANSHISSIONSFILTER

Die Erfindung geht aus von einem optischen Transmissionsfilter nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Ein solches Filter ist beispielsweise durch eine doppelbrechende ,zwischen zwei parallelen,linearen Polarisatoren angeordnete Kristallplatte realisierbar.Die Filtereigenschaft einer solchen Anordnung kommt wie folgt zustande: der in Richtung des Lichtweges erste Polarisator bestimmt den Polarisationszustand,mit dem ein Licht aus einem breiten Spektralbereich umfassender Lichtstrom in den Kristall eintritt.Dieser Lichtstrom wird aufgrund der Doppelbrechung des Kristallmaterials,die ohne Beschränkung der Allgemeinheit als eine lineare Doppelbrechung angenommen sein möge,in zwei Lichtströme mit orthogonalem Polarxsationszustand aufgespalten,die sich mit unterschiedlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem Kristall fortpflanzender aus dem Kristall austretende, durch überlagerung der beiden Teillichtströme resultierende Lichtstrom hat dann im allgemeinen eine elliptische Polarisation.Der zweite,ausgangsseitige Polarisator ist nur für die parallel zu seiner Polarisationsebene verlaufende Lichtstromkomponente durchlassig,deren Betrag sinusförmig mit der Phasenverzögerung variiert,die der eine Teillichtstrom aufgrund der Doppelbrechung des Kristalls gegenüber dem anderen erfährt.Da diese Verzögerung ihrerseits,abgesehen von Änderungen der wirksamen BrechungsIndizes,die durch die Materialdispersion des Kristallmaterials zustande kommen,etwa umgekehrt proportional zur Wellenlänge des einfallenden Lichtes ist,entsteht im Ergebnis eine sinusförmige Abhängigkeit der

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Transmission von der Wellenlänge.

Die Transmission eines solchen Filters ist bei vorgegebener WellenlängeA des mit definiertem linearem Polarisationszustand in den doppelbrechenden Kristall eingekoppelten Lichtes maximal,wenn die durch den Unterschied der optischen Weg längen, für die beiden orthogonalen Polarisationszustände bedingte relative Phasenverschiebung 21T oder ein ganzzahliges Vielfaches 2I]Tp ist,d.h.wenn gilt:

₌ P (D,

wobei ρ die Ordnung bezeichnet,in der das Filter bei der ge gebenen Wellenlänge }\ betrieben wird.

Diese Bedingung ist für benachbarte Wellenlängen^.. = ebenfalls erfüllt,wenn gilt:

_a p;1 · (2)

Die WellenlängenabständeAA _Λ _o ^der Transmissionsmaxima von dem Transmissionsmaximum des Filters für die Wellenlänge "S ist dann gegeben durch die Beziehung:

~r

Man erkennt,daß ein vorgegebener Mindestabstand ΔΑ der Transmiss ionsmaxima eines solchen Filters nur dann eingehalten werden kann,wenn die Ordnung,in der das Filter betrieben wird, nicht größer ist als ein Maximalwert P_max*äer sich aus der

Beziehung(3)für den Wellenlängenabstand Αλ^ für die "größere"

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Wellenlänge A₁ ergibt,wenn diese Beziehung nach ρ aufgelöst wird.Es gilt dann:

λ . + ΔΧ (4).

Δλ

Dies bedeutet,daß ein solches Transmissionsfilter,das bei einer Wellenlänge J\ von 48o nm einen Abstand A^ der Transmiss ionsmaxima von ca 2o nm haben soll,höchstens mit einer Ordnung ρ = 25 betrieben werden darf.

Aus der Beziehung(1)folgt unmittelbar,daß eine als doppelbrechender Körper in einem bei der Wellenlänge % = 5oo nm in der 25,Ordnung betriebenen Transmissionsfilter der eingangs genannten Art eingesetzte Calcit-Platte(Δ η ca ο,16) mit planparallelen Oberflächen eine Dicke d von ca o,o81ram haben muß.Diese Dicke muß weiter,damit das Filter befreidigend arbeitet,auf ca 1/1oo der sogenannten λ - Dicke d»,die angibt,innerhalb welcher Schichtdicke eine Phasenverzögerung von 2 Tf zwischen den beiden orthogonalen Polarisationszustnden auftritt,im vorliegenden also auf 3o nm bzw.1/17 der Wellenlänge konstant sein.Es ist also eine hochgenaue Bearbeitung der Kristallplatte erforderlieh,die naturgemäß in sehr hohen Herstellungskosten für ein solches Filter resultiert.Dies gilt auch dann noch,wenn man anstelle einer Calcit-Platte eine Quarz-Platte als doppelbrechenden Körper verwendet,bei der der unterschied Δ η der für die beiden orthogonalen Polarisationszustände maßgeblichen Brechungsindizes ca o,o1 ist,sodaß die 7S ~ Dicke im entsprechenden Fall ca 5o 000 nm und die für die Dikke d der Quarz-Platte hinnehmbare Toleranz ca 5oo nm beträgt und damit "lediglich"in der Größenordnung der Wellenlänge des auszufilternden Lichtes liegt.

Dieser Nachteil der schwierigen und kostenintensiven Fertigung solcher Kristallplatten schlägt natürlich insbesondere bei sol-

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chen Pilteranordnungen zu Buche,bei denen zur Erzielung geringerer Bandbreiten der Transmissionsmaxiraa mehrere Kristallplatten entlang des Lichtweges in einem Stapel angeordnet und solchermaßen "hintereinandergeschaltefsind.

Eine erste derartige mehrschichtige Anordnung ist das von Lyot vorgeschlagene Filter{B.Lyot Ann.Astrophys.7(1),2 (1944)) Das Lyot-Filter umfaßt beispielsweise N in Richtung des Lichtweges hintereinander gestapelte Platten,die jeweils in der doppelten Ordnung der vorhergehenden Platte benutzt sind.Jede Platte ist zwischen rechtwinklig gekreuzten Polarisatoren angeordnet. Die optischen Achsen der doppelbrechenden Verzögerungsplatten verlaufen unter 45° zu den durch die Polarisatoren markierten Polarisationsebenen«Man erzielt einen Transmissionsvorlauf mit stark ausgeprägten Transmissionsmaxima,deren Wellenlängenabstand durch die Platte mit der geringsten Schichtdicke bestimmt ist,deren Bandbreite mit zunehmender Plattenzahl abnimmt,sowie mit schwach ausgeprägten Nebenmaxima zwischen den Hauptmaxima.Die mit einem Lyot-Filter mit bis zu 1o Platten erreichbaren Transmissions-Bandbreiten liegen zwischen 5 und o,5 A.

Ähnlich geringe Bandbreiten lassen sich mit einem von Sole vorgeschlagenen mehrschichtigen Doppelbreehungs-Transmissionsf ilter(I.Solc,Czechoslov.Cosopis pro Fysiku,3,366(1953) ;4,6o7,669<1954) } erzielen.In einer einem Lyot-Filter mit N Platten etwa äqui-^ ''" valenten Ausführung hat das Sole-Filter beispielsweise m Platten gleicher Dicke d,die derjenigen der dünnsten Platte des Lyot-Filters entspricht.Der gesamte Plattenstapel ist insgesamt zwischen nur zwei Polarisatoren angeordnet.Die optischen Achsen der einzelnen Kristallplatten verlaufen parallel zu den Plattenoberflächen und rechtwinklig zurAusbreitungsrichtung des Lichts.In einer ersten Gestaltung des Sole-Filters

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sind die optischen Achsen der einzelnen Kristallplatten fächerförmig um den Winkel

4 ⁺ CM)! (5) ■ ■

gegeneinander versetzt mit

s ■ £

worin ia die Anzahl der Platten gleicher Dicke bedeutet,und die Polarisatoren stehen parallel.

In einer zweiten,äquivalenten Gestaltung stehen die optischen Achsen aufeinander folgender Kristallplatten alternierend unter dem Winkel

^j = i-1)^j+1(§/2) (7)

wobei für $ wiederum die Beziehung (6)gilt,und die Polarisatoren, zwischen denen der Plattenstapel angeordnet ist, sind gekreuzt.

Bezüglich weiterer Eigenschaften des Lyot-Filters sowie des "Fächer-Sole- und des "gefalteten"Sole-Filters sei außerdem auf die vergleichende Darstellung von John.W.Evans(Journal of the optical society of America,Vol.48,No.3,März 1958,Seiten 142ff)verwiesen.

Man erkennt,daß sowohl das Lyot-Filter wie auch die Sole-Filter wegen der Vielzahl der benötigten Kristallplatten, die mit der eingangs erwähnten Genauigkeit bearbeitet sein müssen und wegen der genauen Einhaltung der Orientierung der optischen Achsen der Kristallplatten äußerst aufwendig und damit teuer in der Herstellung sind und daß es praktisch völlig ausgeschlossen ist,daß ein Benutzer eines solchen

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Filters dieses auf eine für seine Zwecke geeignete Wellenlänge einstellen oder gegebenenfalls abstimmen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher,Filter der eingangs genannten Art so zu gestalten,daß sie wesentlich einfacher und preisgünstiger in der Herstellung sind,und daß zumindest ein im Umgang mit optischem Gerät erfahrener Benutzer die Möglichkeit hat,sein Filter selbst auf einen geeigneten Transmissionsbereich einstellen zu können.

Diese Aufgabe sird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch diese Merkmale werden im Vergleich mit den bekannten, eine oder mehrere doppelbrechende Kristallplatten umfassenden Filtern zumindest die folgenden Vorteile erzielt:

Durch die Verwendung schwach-doppelbrechender optischer Fasern, deren mit der ?\ -Dicke des bei den bekannten Doppelbrechungsfiltern verwendeten Kristallmaterials zu vergleichende " Ά -Länge"einen Mindestwert von ca 1 cm hat,ist man in einem für die Verarbeitung solcher Fasern zu einem Transmissionsfilterjgünstigen Bereich,in dem insbesondere die für die Faserlänge geforderte Toleranz von ca 1/1oo ihrer % -Länge ohne besondere Schwierigkeiten eingehalten werden kann.Die erforderliche Faserlänge auf 1/Io nun genau abzumessen und die Faser auf die erforderliche Länge abzuschneiden oder an einer beispielsweise durch Anritzen des Fasermantels geschaffenen Soll-Bruchstelle abzubrechen ist ohne Schwierigkeit möglich,wobei im Bereich des Faserkerns eine in sehr guter Näherung rechtwinklig zur Faserlängsachse verlaufende Bruchfläche entsteht. Von besonderem Vorteil ist dabei der im Vergleich zum Außendurchmesser der Faser relativ geringe Kerndürchmesser einer Monomode-Faser,sodaß,auch wenn die Bruchflächen nicht exakt planparallel sind,hieraus resultierende Flächenkrüiranungen der Faser in ihrem Kernbereich dennoch vernachlässigbar sind,was

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nötig ist,um die Form des Lichtstrahls nicht zu verzerren.Eine auf die erforderliche Länge gebrachte optische Faser bedarf für den Einsatz in einem Doppelbrechungsfilter keiner weiteren Nachbearbeitung.

Insbesondere ist die Herstellung zu den mehrschichtigen Kristallfiltern analoger,schmalbandiger faseroptischer Transmissionsfilter ganz wesentlich vereinfacht,sodaß diese einer billigen Fertigung in großen Stückzahlen zugänglich sind,was insbesondere im Hinblick auf einen Einsatz solcher Filter in faseroptischen Multiplex-Informations-übertragungssystemen,bei denen eine Vielzahl solcher Filter benötigt wird,von Bedeutung ist.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Filters kann sowohl eine herstellungsbedingte Eigen-Doppelbrechung als auch eine durch Quetschung oder Biegung der Faser induzierte lineare Doppelbrechung ,aber auch eine der Faser durch Torsion aufgeprägte zirkuläre Doppelbrechung ausgenutzt werden,sowie eine durch Kombination linearer und zirkularer Doppelbrechung erzielte elliptische Doppelbrechung.

Durch die Merkmale des Anspruchs 6 ist ein durch kombinierte Ausnutzung der linearen Eigendoppelbrechung einer sich einstückig zwischen parallelen Polarisatoren erstreckenden Faser und einer einzelnen Abschnitten der Faser durch Torsion aufgeprägten elliptischen Doppelbrechung auf elegante Weise realisierbares,dem "Fächer-Sole -Filter"analoges faseroptisches Transmissionsfilter angegeben.

Durch die Merkmale der Ansprüche 7 und 8 sind dem Fächer-Solc-Filter bzw.dem Falten-Solc-Filter analoge faseroptische Transmissionsfilter angegeben,bei denen die in aufeinanderfolgenden Abschnitten der optischen Faser erforderliche lineare Doppelbrechung durch Quetschung der Faser in den geeigneten Richtungen erzielt ist.

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Bei Filtern,bei denen die Doppelbrechung durch Quetschen der optischen Faser erzielt ist,besteht die vorteilhafte Möglichkeit,durch Variation der pro Längeneinheit wirksamen Quetschkraft, die Filter stufenlos durchzustimmen

Durch die Merkmale der Ansprüche 9 und 1o sind ebenfalls dem "Fächer"-Solc-Kristallfilter und dem "Falten"-Solc-Filter analoge Filter gemäß der Erfindung angegeben,bei denen die für die Filterwirkung erforderliche Doppelbrechung durch Biegung der Monomode-Faser entlang schleifenförmiger B tfinen erzeilt ist,die so verlegt sein können,daß eine vorteilhaft kurze Baulänge der Filter gegeben ist,die dann im wesentlichen durch den Durchmesser der schleifenförmigen Verlegungsbahnen bestimmt ist.

Das erfindungsgemäße faseroptische Transmissionsfilter bzw. eine Mehrzahl solcher,auf diskrete Wellenlängen abgestimmter Filter eignet sich vorzüglich für faseroptische Nachrichtenübertragungssysteme,um die von mehreren Halbleiterlasern ausgesandten und in eine einzige optische Monomode-übertragungsfasereingekoppelten Lichtsignale wieder voneinander zu trennen und bietet damit die Möglichkeit,die hohe mögliche Informations-übertragungskapazität eines optischen Nachrichtenübertragungssystems voll auszunutzen.

Durch die Merkmale der Ansprüche 11 und 12,gegebenenfalls in der Gestaltung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 13 sind zu diesem Zweck geeignete,mit Hilfe des erfindungsgemäßen Transmissionsfilters auf einfache Weise realisierbare Anordnungen angegeben.

Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.Es zeigen:

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Fig.1 ein bekanntes,aus m doppelbrechenden Kristallplatten aufgebautes Sole-Filter,

Fig.2 die Winkelverteilung der optischen Aschsen der Kristallplatten eines "Fächer"-Sole-Filters,

Fig.3 Transmissionskurven zur Erläuterung eines Solc-Filers,

Fig.4 ein aus einer abschnittsweise verdrillten optischen Faser aufgebautes Filter nach der Erfindung,

Fig.5 eine Poincare-Kugel zur Erläuterung der Wirkungsweise des Filters gemäß Fig.4,

Fig.6 eine Ansicht der Poincare-Kugel in Richtung des Pfeils 89 der Fig.5,

Fig.7 eine zwischen parallelen Quetschbacken zur Erzeugung linearer Doppelbrechung gequetschte optische Festkernfaser ,

Fig.8 eine zur Erzeugung linearer Doppelbrechung gebogene optische Faser,

Fig.9 eine Quetschvorrichtung zur Erzeugung definiert orientierter linearer Doppelbrechung in aufeinanderfolgenden Abschnitten einer optischen Faser,

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Fig.io eine Ansicht der Quetschvorrichtung gemäß Fig.9 in Richtung der Längsachse der optischen Faser,

Fig.11 eine in Windungen verlegte optische Faser zur
Erzielung eines "Falten"-Solc-Filters,

Fig. 12 eine faseroptische Anordnung für die Nachrichtenübermittlung mit mehreren Transmissionsfiltern nach der Erfindung,in schematischer Darstellung,und

Fig.13 . die Transmissionskurven der Filter der Anordnung . gemäß Fig.12.

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Die Fig.1 zeigt in schematischer Darstellung ein an sich bekanntes Sole-Filter 2o,das aus m doppelbrechenden Kristallplatten 21 und zwei linearen Polarisatoren 22 und 23 aufgebaut ist.Die Kristallplatten sind auf ca 1/1oo ihrer für eine bestimmte Wellenlänge des das Filter durchsetzenden Lichtes Charakteristischen,bereits eingangs definierten Λ-Dicke d^ planparallel geschliffen und in der aus der Fig.1 ersichtlichen Anordnung mit den einander zugewandten planparallelen Oberflächen/ aneinander anliegend und rechtwinklig zur zentralen Achse 24 des das Filter 2o durchsetzenden Lichtbündels in einem sich in Längsrichtung dieser Achse 24 erstreckenden Stapel zwischen dem Eintrittspolarisator 22 und dem Austrittspolarisator 23 angeordnet.Die in der Fig.2 dunch die Pfeile 26 markierten optischen Achsen der die Platten 21 bildenden doppelbrechenden Kristalle verlaufen parallel zu den aneinander anliegenden Plattenflächen 27.

In der als "Fächer"-Solc-filter bezeichneten Gestaltung zeichnen die beiden Polarisatoren 22 und 23 dieselbe^beispielsweise horizontale Polarisationsrichtung aus,die in der Fig.1 durch die Doppelpfeile 2S bzw.29 markiert ist,und die optischen Achsen 26 entlang welcher die Kristallplatten 21 keine Doppelbrechung zeigen sind in der aus der Fig.2 ersichtlichen Anordnung fächerförmig um die zentrale Achse 24 angeordnet,gemäß der eingangs gegebenen Beziehung(5),wobei der Winkel,den die optischen Achsen 26 mit der durch den Eintrittspolarisator 22 festgelegten Polarisationsrichtung 28 einschließen,in Richtung des Lichtweges 24 gesehen,von Platte zu Platte um denselben Betrag § = ß"/ 2m zunimmt.Ein solches Filter 2o zeigt für weißes,unpolarisiertes Licht,das über den Eintrittspolarisator 22 in den Plattenstapel 22 eintritt,eine wellenlängenabhängige Transmission,deren qualitativer Verlauf durch die untere Transmissionskurve 31 der Fig.3 wiedergegeben ist,wobei die auf 1 normierte relative Transmission T über der Wellenlänge \ aufgetragen ist.

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-U-

Die Transmission T hat stark ausgeprägte,schmalbandige Hauptmaxima/mit der Transmission T = 1 bei denjenigen Wellenlängen ^. ,für die· die Beziehung(1)mit ganzzahligem ρ erfüllt ist, und deren Abstand auf der Wellenlängenskala durch die Beziehungen (3) bzw. (2) gegeben ist.Zwischen diesen Maxima 32 liegen auf der Wellenlängenskala äqaidistant verteilt wesentlich weniger stark ausgeprägte Nebenmaxima 33 und 34,die voneinander bzw.von den Hauptmaxima 32 durch dazwischenliegende Null-Durchgänge 36' der Transmission T abgesetzt sind.

Insgesamt ist die relative Transmission des Filters 2o durch die folgende Beziehung:

wiedergegeben,in der die Größe durch den Ausdruck

")( = arc cos Γ cos y'cos |J (9)

und § wiederum durch die Beziehung(6)gegeben sind und

(1o)

die sogenannte Halbverzögerung der doppelbrechenden Kristallplatten 21 bezeichnet,wobei d und Δ η die eingangs definierte Bedeutung haben.

In der Pig,3 ist zum Vergleich auch eine Transmissionskurve mit im wesentlichen sinusquadratförmigem Verlauf eingezeichnet, die sich ergäbe,wenn anstelle von m Kristallplatten 21 nur eine einzige solche Kristallplatte zwischen den beiden Polarisatoren 22 und 23 angeordnet wäre.Man erkennt,daß in diesem Falle die Transmissionsmaxima 38 dieser Transmissionskurve 37 denselben Wellenlängenabstand haben wie die Hauptmaxima 32 der

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Transmissionskurve 31 für das mehrschichtige Sole-Filter 2o gemäß Fig.!,jedoch ist die Bandbreite sehr viel größer und entspricht,zwischen den Null-Durchgängen 39 der Transmissionskurve 37 gemessen etwa dem Wellenlängenabstand der Transmissionsmaxiina 38.

Die Fig.4 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen Transmissionsfilters 4o,dessen Eigenschaften denjenigen des bekannten Sole-Filters 2o gemäß Fig.1 analog sind_#wobei auch die vorstehend gegebenen Beziehungen analog gelten.

Zentraler Bestandteil des faseroptischen Transmisslonsfilters4o ist eine aus Quarzglas bestehende Festkernfaser 41,die mit einer linearen Eigendoppelbrechung von beispielsweise Too rad/m behaftet ist.Die optische Faser 41 ist eine sogenannte Monomode-Faser_rin der sich Licht nur in zwei zueinander orthogonalen Polarxsationszuständen ausbreiten kann,was der Fall ist,wenn

2 2
gilt: Itfa/'h (n - η ) «£ 2,4 ,wobei n„ den Brechungsindex des Faserkerns und η den Brechungsindex des Fasermantels bezeichnen. Vor zugsweise ist die optische Faser 41 eine schwach leitende Monomode-Faser,für die der Unterschied der Brechungsindizes η und n„ lediglich ca o,5% ist»Der Kerndurchmesser der Faser beträgt ca 5iLm und ihr Außendurchmesser ca 1oo Ä-m. Die optische Faser 41 hat einen gestreckt-geradlinigen Verlauf und ist an einer Reihe von Einspannstellen 42,43,44 unverdrehbar festgehalten.Die hierfür erforderlichen Haltevorrichtungen sind in der Fig.4 durch an einer optischen Bank in definierten Abständen festlegbare Halteringe 47 symbolisiert.

Im konkreten Fall können diese Haltevorrichtungen jedoch auch

zweck
eine andere^entsprechende Gestaltung haben,die es erlaubt,die optische Faser 41 in den noch näher zu erläuternden Abstandsrelationen zu fixieren.

Durch die Einspannstellen 42,43 und 44 ist die optische Faser in m Verzögerungsabschnitte 48,49 und 5o und{m-1)zwischen je

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StO

zwei solcher Verzögerungsabschnitte 48,49 bzw.So angeordnete Kopplungsabschnitte 51 unterteilt.Die Funktion der Verzögerungsabschnitte 48,49und 5o ist derjenigen der Kristallplatten 21 des Sole-Filters 2o analog,während die Kopplungsabschnitte 51 die Funktion haben,die Verzögerungsabschnitte mit der der Fig.2 entsprechenden Verteilung ihrer mit den optischen Achsen 26 der Kristallplatten 21 zu vergleichenden Richtungen aneinander anzuschließen,ohne daß hierzu die Faser in einzelne Teilstücke getrennt werden muß.

Die zwischen je zwei Kopplungsabschnitten 51 angeordneten Verzögerungsabschnitte 48 haben jeweils dieselbe Länge,die bei vorgegebener Wellenlänge ?\,, für die das Filter 4o ein Transmissionsmaximum haben soll,gleich dem(p+1)-fachen ihrer mit der 7*^ -Dicke d^ der Kristallplatten 21 zu vergleichenden^-Länge Ι«., ist,die durch die Beziehung

gegeben ist,wobei on den Unterschied der für die beiden in der Faser möglichen orthogonalen Polarisationszustände wirksamen Brechungsindizes angibt,der in der Größenordnung von 1o liegt.

Die Länge des ersten Verzögerungsabschnitts 48 in den mittels einer Abbildungsoptik 52 von einer Lichtquelle 53 ausgesandtes, "weißes"Licht mit dem durch die Stellung eines linearen Polarisators 54 bestimmten linearen Polarisationszustand einkoppelbar ist, ist dann gleich dem (p+1/4)-fachen der ^-Länge ITT"" und die Länge des letzten Verzögerungsabschnittes 5o gleich dem (p+3/4)-fachen der λ-Länge zu wählen.Die Längen der Kopplungsabschnitte sind untereinander gleich.Ihre geeignete Länge wird im Folgenden näher bestimmt.Die Länge der einzelnen Faserabschnitte 48-51 ist mit einer Toleranz von ca.I*,/1oo behaftet. Den Kopplungsabschnitten 51 ist durch Verdrillen der Faser in der Mitte zwischen den Einspannstellen 42 um einen bestimmten-■ , Winkelbetrag eine bezüglich ihrer recht-

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winklig zur Längsachse 56 der optischen Faser 51 verlaufenden Quermittelebenen 57 symmetrische elliptische Doppelbrechung aufgeprägt,die aus der linearen Eigendoppelbrechung pder Faser und aus einer durch die Torsion aufgeprägten zirkulären Doppelbrechung ^ resultiert.Die Kopplungsabschnitte 51 zeigen damit,in Richtung des Lichtweges gesehen,in ihrem jeweils ersten Teilabschnitt 58 eine linkselliptische und in dem anschließenden Teilabschnitt 59 derselben Länge eine rechtselliptische Doppelbrechung.Die Wirkung dieser komplementären elliptischen Doppelbrechung der Kopplungsabschnitte 51 und der 1*1-/4 betragenden "überlänge"des ersten Verzögerungsabschnittes 48 sowie der insgesamt2l*_k betragenden Überlängen der Verzögerungsabschnitte 49 und der 3/4 1, betragenden Überlange des letzten Verzögerungsabschnittes 5o auf den Polarisationszustand des sich in der optischen Faser 41 ausbreitenden Lichtes der Wellenlänge 7\. wird im folgenden anhand der Figuren 5 und 6 näher erläutert:

Die Fig5 zeigt eine sogenannte Poincare-Kugel 61,auf der die möglichen linearen Polarisationszustände durch Punkte des Äquators 62,die beiden möglichen zirkulären Polarisationszustände (linkzirkulare Polarisation L und rechtszirkulare Polarisation R) durch den Nordpol 63 bzw.den Südpol 64 und die darüberhinaus möglichen links- bzw.rechts-elliptischen Polarisationszustände durch die übrigen oberhalb bzw.unterhalb des Äquators 62 angeordneten Punkte der Kugeloberfläche repräsentiert sind.

Eine in der optischen Faser 41 vorhandene lineare Doppelbrechung ist durch einen in der Äquatorialebene 66 liegenden Vektor 67 darstellbar,dessen Richtung die durch die beiden Punkte 68 und 69 repräsentierten linearen Polarisations-Eingangszustände markiert,bei deren Einkopplung in die optische Faser 41,über ihre Länge gesehen,keine Veränderung des Polarisationszustandes des eingekoppelten Lichtes auftreten würde. Die Richtung 20 _ wird von derjenigen Achse 71 aus gezählt, der als Polarisations-Eigenzustände,die durch die Punkte 72 und 73 repräsentiert sind,die "horizontaler"bzw."vertikaler"Fo-

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S3

larisation des einfallenden Lichtes zugeordnet sind.Ist die optische Faser 41 so orientiert,daß sie als Polarisations-Eigenzustände die Polarisationszustande 72 und 73 hat,und wird in die optische Faser 41 Licht mit einem anderen,beispielsweise dem durch den Punkt 74 repräsentierten linearen Polarisationszustand eingekoppelt,dann liegen die entlang der optischen Faser 41 nacheinander auftretenden Polarisationszustande auf einem Kreis 76 um den Polarisations-Eigenzustand72, der entlang der optischen Faser 41 mit einer umso größeren "Winkelgeschwindigkeit" # -gegebenenfalls mehrfach- durchlaufen wird,je stärker die durch den zum Punkt 72 hinweisenden Vektor 77 repräsentierte lineare Doppelbrechung ist.Gemäß Fig.5 ist angenommen,daß dabei der Kreis 76 im Gegenuhrzeigersinn durchlaufen wird.Eine zirkuläre Doppelbrechung öT,die einer optischen Faser 41 beispielsweise durch Verdrillung um ihre Längsachse aufgeprägt oder aber auch eine Eigen-Doppelbrechung sein kann,ist im Bild der Poincare-Kugel 61 als ein in Richtung der polaren Achse 63,64 weisender Vektor.78 bzw.79 darstellbar ,wobei der zum Nordpol 63 hinweisende Vektor 78 linkszirkulare Doppelbrechung und der zum Südpol 34 hinweisende Vektor 79 rechtszirkulare Doppelbrechung anzeigt,deren Betrag jeweils durch die Länge der Vektoren gegeben ist.Wenn die zirkuläre Doppelbrechung Ov durch Verdrillen der Faser mit einem bestimmten TorsionsgradT*,gemessen in rad/m,erzielt ist,dann haben die Vektoren 78 und 79 eine Länge,deren Betrag durch die Beziehung

gegeben ist ,wobei fürOi*-gilt:

O^ = g^#/f , und (13)

wobei g ein konstanter Faktor ist,der für übliche Quarzglasfasern zwischen o.13 und o.16 liegt.

Wenn eine optische Faser lediglich eine rein zirkuläre Doppelbrechung

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zeigt,und wird in diese Faser Licht mit einem beliebigen Polarisationszustand etwa dem durch den Punkt So der Poincare-Kugel repräsentierten elliptischen Polarisationszustand eingekoppelt ,so liegen die entlang der optischen Faser auftretenden Polarisationszustände auf einem zum Äquator 62 parallelen Kreis 81,der mit einer durch den Betrag des Vektors 78 bestimmten Winkelgeschwindigkeit durchlaufen wird.

Zeigt die optische Faser 41 eine beispielsweise durch den Vektor 77 repräsentierte lineare Eigen-Doppe !brechung und ist ihr außerdem durch eine geeignete Torsion die durch den Vektor 78 repräsentierte zirkuläre Doppelbrechung aufgeprägt, dann zeigt die Faser 41 insgesamt eine elliptische Doppelbrechung,die sich gemäß Fig.5 durch vektorieile Addition der Vektoren 77 und 78 zu dem resultierenden Vektor 82 ergibt, dem der Folarisations-Eigenzustand 83 auf der Kugeloberfläche entspricht.Wird der Faser 41 anstatt der durch den Vektor repräsentierten linkszirkulären Doppelbrechung die durch den Vektor 79 repräsentierte rechtszirkulare Doppelbrechung gleichen Betrages aufgeprägt,dann entsteht in Verbindung mit der durch den Vektor 77 repräsentierten linearen Eigen-Doppelbrechung die durch den Vektor 84 wiedergegebene elliptische Doppelbrechung mit dem dem Punkt 86 der Kugel 61 entsprechenden Polarisations-Eigenzustand,der bezüglich der Äquatorialebene symmetrisch zu dem Polarisations-Eigenzustand 83 liegt.Wird in die Faser 41 Licht mit beispielsweise dem linearen Polarisationszustand 74 eingekoppelt,so "liegen" die entlang der optischen Faser 41 auftretenden Polarisationszustände im einen Fall auf einem mit dem Polarisations-Eigenzustand 83 konzentrischen Kreis 87 und im anderen Fall auf dem mit dem dazu symmetrischen Polarisations-Eigenzustand 86 konzentrischen Kreis 88,wobei diese Kreise 87 und 88 in dem gewählten speziellen Fall mit derselben,durch den Betrag der Vektoren 82 bzw.84 angegebenen Winkelgeschwindigkeit im Gegenuhrzeigersinn durchlaufen werden.

Die Länge der mit Torsions-induzierter elliptischer Doppel-

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brechung i\ behafteter Teilabschnitte 58 und 59 der Kopplungsabschnitte 51 ist jeweils gleich der halben,bei der als vorgegeben angenommenen elliptischen Doppelbrechung maßgeblichen *λ -Länge L,, gewählt,die kürzer ist,als die 0\ -Länge L_x in den

Tj_-K ^Λ

Verzögerungsabschnitten 48,49 und 5o der Faser 41,in denen nur die lineare Doppelbrechung β Wirksam ist.Bei vorgegebenem Torsionsgrad T und vorgegebener linearer Doppelbrechung /J ist das Verhältnis Ι^ν/ΐη], dieser "X- Längen untejEerücksichtigung der Beziehungen(12und 13)durch die Beziehung

a^k

(14)

gegeben,wenn g=O,13 gilt.

Die Änderung des linearen Polarisationszustandes entlang der Teilabschnitte 58 und 59 erfolgt dann längs eines fr'-Bogens, der die jeweiligen elliptischen Polarisations—Eigenzustände 83 oder 84 umgebenden Kreise 87 bzw,88.

Zur weiteren Erläuterung der Wirkungsweise des Filters 4o gemäß Fig.4 sei nunmehr auf die Fig.6 verwiesen,die eine Ansicht der Poincare-Kugel 61 in Richtung des Pfeils 89 zeigt.Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei angenommen,daß der Polarisations-Eigenzustand des ersten Verzögerungsabschnittes 48 der horizontale Polarisationszustand 72 sei,und daß das Azimuth 20_ des in den ersten Verzögerungsabschnitt eingekoppelten Polarisationszustandes /gleich dem doppelten Wert der Elliptizität der beiden elliptischen Polarisations-Eigenzu-

stände 83 und 86 sei,die etwa 4°betragen möge.Der Polarisationszustand entwickelt sich dann entlang der optischen Faser 41 wie folgt:

Licht der Wellenlänge λι,/das mit dem Polarisationszustand 74 in die optische Faser 41 eingekoppelt worden ist,hat,nachdem es in dem ersten Verzögerungsabschnitt 48 die Strecke ρ " 1-^ zurückgelegt hat,wieder den durch den Eintritts-Polarisator 54

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ausgezeichneten Polarisationszustand 74»nachdem auf dieser Strecke p-mal der Kreis 76 durchlaufen worden ist.Auf dem restlichen,bis zur ersten Einspannstelle 42,auf die der erste Kopplungsabschnitt 51 folgt,reichenden Endabschnitt 91 der Länge lju,/4 ändert sich die Polarisation vom linearen Polarisationszustand 74 bis zu dem auf dem Großkreis durch die Pole 63 und 64 liegenden Polarisationszustand 92.In dem anschliessenden ersten Teilabschnitt 58 des ersten Kopplungsabschnitts 51, in dem die Faser 41 die links-elliptische Doppelbrechung mit dem Polarisations-Eigenzustand 83 hat,ändert sich die Polarisation des Lichtes von dem elliptischen Polarisationszustand 92 entlang eines Halbkreises 93 mit dem Winkelradius 2 W" _ bis zu dem Polarisationszustand 72,der beim speziellen Fallbeispiel dem Zustand horizontaler Polarisation entspricht.In dem anschliessenden zweiten Teilabschnitt 59 des ersten Kopplungsabschnittes 51 ändert sich die Polarisation vom linearen Polarisationszustand 72 entlang eines zweiten Halbkreises 95 mit dem Winkelradius 2ψ_Β auf der Einheitskugel 62 bis zu dem "unterhalb" der Äquatorialebene 62 liegenden rechts-elliptischen Polarisations— zustand 94,der an der zweiten Einspannstelle 42 des ersten Kopplungsabschnitts 51 erreicht ist.In dem auf diese Einspannstelle 42 folgenden Anfangsabschnitt 96 der Länge 3/4 ^. des nun folgenden zweiten Verzogerungsabschnitts 49 ändert sich die Polarisation des die optische Faser 41 zersetzenden Lichtes vom rechts-elliptischen Polarisationszustand 94 aus noch einmal entlang des Kreises 76,der die Achse 71 des horizontalen Polarisationszustandes 72 konzentrisch umgibt,bis zu dem linearen Polarisationszustand 97,der nunmehr auf der in der Ansicht der Fig.6 linken Hemisphäre der Poincare-Kugel 61 liegt und von dem in die optische Faser 41 eingekoppelten Polarisationszustand 72 den azimuthalen 4"iF_R = 2p#_B hat.Nach der weiteren Länge ρ " 1λ, des zweiten Verzogerungsabschnitts 4 ist nach p-maligem Umlauf des Polarxsationszustandes entlang des Kreises 76 wieder derselbe Polarisationszustand 97 erreicht. In dem anschließenden,bis zur nächsten Einspannstelle 42 reichenden Endabschnitts 98 der Länge Ιλι,/4 ändert si'ch die Polarisation von Polarisationszustand 97 aus entlang des Kreises

030038/0109 ^/2°

Sb

-ν- 2308752

bis zu dem rechtselliptischen Polarisationszustand 94.In dem sich anschließenden ersten Teilabschnitt 58 des nächsten Kopplungsabschnitts 51 hat die optsiche Faser 41 wiederum dieselbe links-elliptische Doppelbrechung wie im ersten Teilabschnitt des ersten Kopplungsabschnitts,und die Polarisation ändert sich zwischen dem rechts-elliptischen Polarisationszustand 94 und einem in der Mitte des zweiten Kopplungsabschnitts erreichten links-elliptischen Polarisationszustand 99 entlang eines Halbkreises 1o1,der auf der Oberfläche der Poincare-Kugel 61 den links-elliptischen Polarisations-Eigenzustand 83 konzentrisch umgibt und den Winkelradius 6Ί|(α bzw.30 „ hat.In dem sich hieran anschließenden zweiten Teilabschnitt 59 des zweiten Kopplungsabschnitts 51 ändert sich die Polarisation des Lichtes zwischen dem links-elliptischen Polarisationszustand 99 und einem rechts-elliptischen Polarisationszustand 1o2 entlang eines Halbkreises 1o3/der die Richtungsachse des den rechts-elliptischen Polarisations-Eigenzustand-Vektor konzentrisch umgibt und den Winkelradius 1Ο"ψ"_Β hat.Von diesem rechtselliptischen Polarisationszustand 1o2 aus ändert sich die Po-' larisation in dem nun folgenden dritten Verzögerungsabschnitt, der dieselbe Länge hat wie der zweite in dem Anfangsabschnitt der Länge 3/4 I^ entlang eines 3/4-Kreises 1o4,der den horizontalen Polarisations-Eigenzustand 72 konzentrisch umgibt, bis zu dem linearen Polarisationszustand 1o6,der von dem an der entsprechenden Stelle des vorhergehenden Verzögerungsabschnitts erreichten Polarisationszustand 97 wiederum den azimuthalen Abstand 8Ii^ bzw.4^„ hat.Im anschließenden Abschnitt der Länge pl^_k des dritten Verzögerungsabschnittes erfolgt nun die Polarisationsänderung entlang des Voll-Kreises 1o4,der p-mal im Gegenuhrzeigersinn durchlaufen wird.In der zur vorstehenden Erläuterung genau analogen Weise erfolgt nun die Änderung des Polarisationszustandes entlang der weiteren Verzögerungsabschnitte 49,wobei sich lediglich der Radius der mit den elliptischen Polarisations-Eigenzuständen 83 und 86 bzw.des linearen Polarisations-Eigenzustandes 72 konzentrischen Kreise in der aus der Fig.6,auf deren Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird,ersichtlichen Weise ändert.Der letzte

/21

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Verzögerungsabschnitt 5o ist um Ιλι,/4 kürzer als die vorhergehenden Verzögerungsabschnitte 49 gleicher Länge,mit der Folge,daß das am Ende der Faser über eine Kollimatoriinse 1o7 auf den dem Polarisator 23 gemäß Fig.1 analogen Austritts-Polarisator 1o8 und einem geeigneten photoelektrischen Detektor 1o9 auskoppelbare Licht einen linearen Polarisationszustand hat.

Die azimuthalen Abstände der am Ende eines jeden Verzögerungsabschnittes erreichten linearen Polarisationszustande 97,106... voneinander ist jeweils 8IjC₁ bzw.42L.Die zwischen den einzelnen Verzögerungsabschnitten 48,49 und 5o angeordneten Kopplungsabschnitte51 mit der durch Verdrillung aufgeprägten elliptischen Doppelbrechung sind somit in ihrer Wirkung der bei einem Sole-Filter 2o gemäß Fig.1 vorgesehenen fächerförmigen Orientierung der optischen Achse 26 der einzelnen Kristallplatten 21 völlig analog,wenn man durch Einstellung eines geeigneten Torsionsgrades T*den azimuthalen Abstand der jeweils am Ausgang der einzelnen Verzögerungsabschnitte erreichten linearen Polarisationszustände gemäß den Beziehungen (5) und {6) einstellt.

Wie man anhand der Fig.5 unmittelbar erkennt,gilt für 21Ϊ die Beziehung:

= tg ¹ ( (15)

bzw.unter Berücksichtigung der Beziehung

. (16)

Der gemäß der Beziehung (6) einzustellende Wert 2V/vm des genannten azimuthalen Abstandes muß gleich dem 4-fachen Wert des durch die Beziehung( 16)angegebenen Winkels sein,sodaß gilt:

£ = ΊΓ/2ΐα = 81L « 4tg~¹ (-1,87T?A) bzw.

—1

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mit T = ²^¹Ak.

Durch den Torsionsgrad gemäß der Beziehung(17)ist dann gemäß der Beziehung(14) auch die Länge der Kopplungsabschnitte 51 festgelegt.

Eine lineare Doppelbrechung mit der für die Filterwirkung in der Art eines Fächer-Solc-Filters oder eines Falten-Solc-Filters erforderlichen Orientierung gemäß den Beziehungen(5)oder (7)kann einer optischen Faser 11o auch durch Quetschung und/ oder Biegung aufgeprägt werden.Wenn die Faser in der aus der Fig.7 ersichtlichen Weise zwischen Quetschbacken 111 und 112 mit rechtwinklig zu ihrer Längsachse 113 angreifender Kraft, die in der Fig.8 durch die entgegengesetzt gerichteten Pfeile 114 und 116 symbolisiert ist,gequetscht wird,verlaufen die Achsen 117 und 118,entlang derer die optische Faser den größten bzw.den kleinsten Brechungsindex aufweist,in der Richtung 114, 116 der angreifenden Quetschkraft und rechtwinklig dazu.Die bei einer Faser Ho mit einem Durchmesser von looyint zur Erzielung einer Doppelbrechung von ca 2fl7m erforderliche Quetschkraft beträgt ca 1N,wobei es im Prinzip gleichgültig ist,ob diese Kraft "punktförmig'Oder über eine größere Länge einander gegenüberliegender Mantellinien der Faser verteilt angeordnet ist.

Wenn eine optische Faser 12o beispielsweise in der aus der Fig.8 ersichtlichen Weise mit gekrümmtem,gegebenenfalls schleifenförmigem Verlauf in einer Ebene 121 verlegt ist,treten ebenfalls zwei Achsen 122 und 123 auf,die Extremalwerten des wirksamen Brechungsindex entsprechen ,wobei die dem Maximalwert des Brechungsindex zugeordnete Achse 122 in der radialen Richtung des wirksamen Krümmungsradius und die dem Minimalwert des Brechungsindex zugeordnete Achse 123 senkrecht zur Biegungsebene 121 verläuft.Der Betrag der durch Biegung der Faser. 12o erzielten linearen Doppelbrechung ist vom Krümmungsradius der Faser abhängig und somit durch geeignete Wahl desselben einstellbar.Bei Festkernfasern ist die lineare Doppelbrechung näherungsweise dem Quadrat des reziproken Krümmungsradius pro-

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portional,darüber hinaus aber auch vom Durchmesser der Faser selbst abhängig.Bei einer in geschlossenen kreisförmigen Windungen,mit einem Durchmesser von etwa 1o era verlegten Quarzglasfaser mit einem Faserdurchmesser von ca 1oo*.m wird eine Doppelbrechung P> von ca 4i!^Windung erzielt.Die Figuren 9 und 1o zeigen den prinzipiellen Aufbau einer Quetschvorrichtung 124, mit der aufeinanderfolgenden,gleich langen Abschnitten einer optischen Faser 11o gleich große Beträge linearer Doppelbrechung mit der für die Realisierung eines faseroptischen FaI-ten-Solc-Filters erforderlichen Orientierung der Doppelbrechungsachsen 117,118 aufprägbar sind,gemäß der Beziehung(6).

124
Die Quetschvorrichtung/umfaßt zwei Quetschzangen 126 und 127, die in der Fig.9 in Draufsicht und in der Fig.1Q ind einer Ansicht in Richtung der Längsachse 128 der optischen Faser dargestellt sind,auf deren Einzelheiten ausdrücklich verwiesen sei.Die Quetschzangen 126 und 127 sind von einander gegenüberliegenden Seiten aus an der geradlinig gestreckt verlaufenden optischen Faser 11o ansetzbar,derart,daß die die optische Faser unter-und übergreifenden Quetschbackenpaare 129, 13o der einen Quetschzange 126 und die Quetschbackenpaare 131, 132 der anderen Quetschzange 127 in Längsrichtung der optischen Faser 11o gesehen,abwechselnd an dieser angreifen.Die Zangenspalt-Mittelebenen 133 und 134,die durch die zentrale Achse 128 der optischen Faser und die Schwenkachsen 136 bzw. 137 der Zangenbacken 129-132 der beiden Quetschzangen 126 und 127 markiert sind,schließen miteinander den Winkel I8o°-

ein,wobei § durch die Beziehung(6)gegeben ist,d.h.beim dargestellten Ausführungsbeispiel mit insgesamt 6 alternierend angreifenden Quetschbackenpaaren 129,13ο bzw.131,132, 3o beträgt.

Die Quetschkräft«die in Richtung der Pfeile 138,139 bzw.14o, 141 angreifen sind beispielsweise mittels an den Quetschzaagen und 127 angreifender Zugschrauben 142 und 143 definiert einstellbar.Es versteht sich,daß die Quetschvorrichtung und die Mittel zur

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Einstellung und Orientierung der an der optischen Faser 1To angreifenden Quetschkräfte auch auf andere,äquivalente Weise verwirklicht sein können.

Eine hierzu analoge Anordnung zur Realisierung eines faseroptischen Falten-Solc-Pilters zeigt die Fig.11.Die für die Filterwirkung erforderliche Doppelbrechung ist hier einer optischen Faser 12o durch Biegung der Faser 12o aufgeprägt.Die

12p

optische Faser/ist in geschlossenen Windungen 144 und 145 verlegt, die ineinander übergehend alternierend auf verschiedenen Windungsebenen 146 bzw.147 angeordnet sind,die wiederum den Winkel 18o°- f miteinander einschließen.Jede Windung 144 bzw. 145 entspricht dabei wiederum einem Verzögerungsabschnitt bestimmter Länge.Ansteile einer einzelnen Windung können auch . mehrere Windungen umfassende Windungsgruppen vorgesehen sein, die dann insgesamt einen Verzögerungsabschnitt bilden.Für die Verlegung der optischen Faser 12o,ist es günstig,daß man die Windungen 144 auf der einen Windungsebene 146 und die Windungen auf der anderen Windungsebene 147 mit entgegengesetztem Windungssinn verlegen kann.

Es versteht sich,daß man die vorstehend erläuterten Maßnahmen zur Erzielung der erforderlichen Doppelbrechung und/oder zur Ankopplung der doppelbrechenden Verzögerungsabschnitte aneinander auch kombiniert ausnutzen kann.Beispielsweise läßt sich ein Fächer-Solc-Filter auch dadurch erzielen,daß man an einer gestreckten optischen Faser die Quetschkräfte mit fächerförmig verteilten Angriffsrichtungen anlegt.Ebenso ist es möglich, Verzögerungsabschnitte,denen die erforderliche Doppelbrechung durch Biegung erteilt ist,wobei die den einzelnen Verzögerungsabschnitten entsprechenden Windungen oder Biegeschleifen in einer gemeinsamen Ebene liegen,durch Kopplungsabschnitte aneinander zu koppeln,die in der in Verbindung mit der Fig.4 beschriebenen Weise realisisert sind,und es besteht auch die Möglichkeit,ein faseroptisches Fächer-Solc-Filter mit gewundenen Verzögerungsabschnitten dadurch zu realisiseren_#daß

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die Windungen in fächer-oder sternförmig angeordneten Ebenen verlegt sind.

Die Fig.12 zeigt in schematischer Darstellung eine aus faseroptischen Transmissionsfiltern nach der Erfindung,die im einzelnen den anhand der Figuren 4 bzw.9-11 beschriebenen Aufbau haben können,aufgebaute faseroptische Anordnung 15o,mit der ein über eine einzige optische Faser 151 geleiteter Signallichtstrom, der mehrere innerhalb einer kleinen Bandbreite tfX als monochromatisch anzusehende Teillichtströme verschiedener Wellenlänge umfaßt,praktisch verlustfrei in seine Komponenten zerlegbar ist. Die Anordnung 15o eignet sich beispielsweise für ein faseroptisches Nachrichtenübermittlungssystem,um die als Träger für verschiedene Informationen ausgenutzten Teillichtströme verschiedener Wellenlänge,die üblicherweise in einer für die jeweilige Informtion charakteristischen Weise gepulst sind,voneinander zu separieren und getrennt verarbeiten zu können.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Einfachheit halber davon ausgegangen,daß der Signallichtstrom'152 vier Teillichtströme umfasse,deren spektrale Intensitätsverteilung um die zentralen Wellenlängen X₁ , X» X UmI¹X₄ durch die schmalbandigen Intensitätsmaxima 153 des ersten Kurbenzuges der Fig.13 wiedergegeben ist,aufideren Einzelheiten ausdrücklich verwiesen sei.Weiter sei angenommen,daß die durch die optische Faser 151 geleiteten Teillichtströme vollständig polarisiert sind.Die Anordnung 15o enthält vier faseroptische Transmissionsfilter bis 157,deren Transmissionsverhalten in der aus der Fig.3 ersichtlichen Weise derart an die spektrale Verteilung der Teillichtströme angepaßt ist,daß jeweils nur ein Transmissionsmaximum 32(vgl.Fig.3)der Filter 154-157 mit einer der Signallichtwellen "λ* - %λ zusammenfällt.Der dargestellte Verlauf der den vorzugsweise in derselben Ordnung betriebenen Filtern 154-157 zugeordneten Transmissionskurven läßt sich durch geeignete Wahl und/oder Abstimmung der Doppelbrechungseigenschaften der optischen Fasern erzielen.

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Der Aufbau der Filteranordnung 15o gemäß Fig.12,auf deren Einzelheiten ausdrücklich verwiesen sei,ist so getroffen,daß der sämtliche Teillichtströme umfassende Signallichtstrom 152 zunächst in das Filter 154 eingekoppelt wird,dessen wirksames Transmissionsmaximum 32 auf die Wellenlänge ¹A. abgestimmt ist. Der für die zweckentsprechende Funktion des ersten Filters erforderliche lineare Polarisationszustand des in dieses Filter eingekoppelten Lichtes wird durch geeignete Einstellung eines optischen Phasenkompensators,beispielsweise eines Solei-Babinet Kompensators 158 erreicht,wobei die Polarisationsebene des aus dem Kompensator 158 austretenden,in die optische Faser des ersten Filters 154 eingekoppelten Lichtes die Bezugsebene für diejenigen Richtungen bildet,unter denen der optischen Faser des Filters 154 durch seitlichen Druck,Biegung o.dgl.die vorerwähnten Doppelbrechungseigenschaften aufgeprägt sind.Den mit dem Austrittspolarisator 1o8 gemäß Fig.4 zu vergleichenden Austrittspolarisator des ersten Filters 154 bildet ein Polarisationsprisma,das beispielsweise im außerordentlichen Ausgangspfad den Teillichtstrom der Wellenlänge "X₁,auf die das erste Filter 154 abgestimmt ist,auf einen ersten Detektor 1 6o lenkt und über seinen ordentlichen Ausgangspfad die restlichen Teillichtströme der Wellenlängen ^₂'^ ^un<^ ^4 ^m^^t linearem Polarisationszustand in die optische Faser des zweiten Filters 155 einkoppelt. Den Austrittspolarisator des zweiten Filters 155 bzw.den Eintrittspolarisator des dritten Filters 156 bildet ein weiteres Zwei-Ausgangs-Polarisationsprisma/das den Teillichtstrom der Wellenlänge Ά-j auf einen weiteren Detektor 162 und die restlichen Teillichtströme der Wellenlänge^, und ¹^₄ in das dritte Filter 156 einkoppelt.Ein drittes,den Austrittspolarisator des dritten Filters 156 bildendes Zwei-Ausgangs-Polarisationsprisma 163 vermittelt schließlich über seinen außerordentlichen und seinen ordentlichen Ausgangs-Lichtpfad die für den getrennten Nachweis der restlichen Teillichtströme der Wellenlängen /\~ und Q^₄ mittels der Detektoren 164 und 166 erforderliche räumliche Trennung dieser beiden Teillichtströme.Das in der Fig.12 gestrichelt eingezeichnete vierte Filter 157 ist nur erforderlich, wenn über ein weiteres Polarisationsprisma 167 auf andere Wellen-

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längen (TU·..9^) abgestimmte Filter in analoger Weise nachgeschaltet werden sollen.Im Rahmen der Anordnung 15o geeignete Polarisationsprismen sind beispielsweise das Rochon-Prismardas Senarmont-Prisma und das Wollaston-Prisma.

Eine dem Einsatzzweck der Anordnung 15o gemäß Fig.12 entsprechende Anordnung kann auch dadurch realisisert sein,daß der den Gesamtlxchgtstrom führenden optischen Faser 151 eine Mehrfaeh-Strahlenteiler-Anordnung nachgeschaltet ist,die den primären Lichtstroia 152 in eine der Anzahl der Teillichtströme verschiedener Wellenlänge entsprechende Anzahl von räumlich getrennten Lichtströmen etwa gleicher Intensität aufspaltet,wobei dann im Lichtweg jedes dieser Lichtströme ein an die auszufilternde Wellenlänge angepaßte Schmalband-Transmissionsfilter gemäß der Erfindung vorgesehen ist.

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Claims

Max-Planck-Gesellschaft P 78 121

zur Förderung der Wissenschaften

PATENTANSPRÜCHE

Optisches Transmissionsfilter mit mindestens einem in Richtung des Lichtweges gesehen zwischen charakteristische Polarisationszustände auszeichnenden Polarisatoren angeordneten doppelbrechenden Körper,dessen Ausdehnung in Richtung des Lichtweges gesehen ausreichend groß ist»daß für mindestens eine Wellenlänge des eingekoppelten Lichtes die Phasenverzögerung zwischen orthogonalen Polarisationszuständen mindestens 2 ψ beträgt,

dadurch gekennzeichnet,daß als doppe!brechender Körper eine optische Monomode-Faser(41;11o;12o)vorgesehen ist,deren Doppelbrechung ausreichend niedrig gewählt ist,daß die ^ -Länge,innerhalb welcher die sich mit orthogonalem Polarisationszustand in der Faser ausbreitenden Lichtströme eine Phasenverzögerung von 2TT gegeneinander erfahren, mindestens ca 1 cm beträgt.

2. Transmissionsfilter nach Anspruch 1>

dadurch gekennzeichnet,daß die Monomode-Faser(41)eine lineare Doppelbrechung aufweist,wobei der Unterschied Δη der für die beiden orthogonalen Polarisationszustände des sich in der Faser(41 Jausbreitenden Lichtes maßgeblichen Brechungsindizes mindestens 1o beträgt.

3. Transmissionsfilter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß der optischen Faser(11o)durch Quetschung mindestens eines Abschnittes der Faser eine lineare Doppelbrechung aufgeprägt ist,

4. Transmissionsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß die Faser(12o)zur Äufprägung einer linearen Doppelbrechung gebogen und/oder in Windungen verlegt ist.

/2

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5. Transmissionsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß die optische Faser(41 ;11o;12o) eine durch Torsion um ihre Längsachse induzierte zirkuläre bzw.elliptische Doppelbrechung aufweist.

6. Transmissionsfilter nach Anspruch 5 in Verbindung mit Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,daß die optische Faser(41)eine lineare Eigen-Doppelbrechung /3 aufweist und durch über ihre Länge verteilt angeordnete Stützstellen(42,43,44),an denen sie festgehalten ist,in eine Anzahlm von. Verzögerungsabschnitten{48,49,5o)und eine Anzahl von zwischen je zwei solcher Verzögerungsabschnitte verlaufender Kopplungsabschnitte (51 ) unterteilt ist,wobei die zwischen den Kopplungsabschnitten (51 )angeordneten Verzögerungsabschnitte(49)dieselbe Länge haben,die für eine bestimmte Wellenlänge ^Jc des eintretenden Lichtes gleich dem (p+1)-fachen der ^-Länge I¹Ti _k ist,die eine Phasenverschiebung orthogonaler Polarisationszustände um 2Tf zur Folge hat,und der zwischen dem Eintritts-Polarisator(54)und dem ersten Kopplungsabschnitt (51 ) angeordnete erste Verzögerungsabschnitt(48) eine Länge von (p+1/4)!^. und der zwischen dem letzten Kopplungsabschnitt(51)und dem Austritts-Polarisator(1o8) angeordnete Verzögerungsabschnitt(5o)eine Länge von (ρ+3/4) hat,daß die Kopplungsabschnitte(51)in ihren Quermitte!ebenen (57) gegenüber den festgehaltenen Enden mit einem Torsion sgr ad Έ gemäß der Beziehung

Z³ α. Λ\

verdrillt sind,

wobei ξ = »/2m beträgt und g einen konstanten Faktor bezeichnet, der für Quarzfasern zwischen o,13 und o,16 beträgt,und daß die Länge Lv, der Kopplungsabsehnitte(51)gemäß der Beziehung

ι - ¹^*

I 2

gewählt ist.

030038/0109 ^

Transmissionsfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß die optische Faser(11o)zwischen dieselben linearen Polarisationszustände markierenden Polarisatoren angeordnet ist und an einer Anzahl m über ihre Länge oder einen Teil ihrer Länge verteilt angeordneten Stellen oder Abschnitten gequetscht ist,wobei die Richtung,unter denen die Quetschkräfte angreifen fächerförmig um die Achse der Faser verteilt sind und die Winkelabstände O- dieser Angriffsrichtungen von der Polarisationsebene des in die Faser eingekoppelten Polarisationszustandes durch die Beziehung

gegeben ist,mit j = 1,2...πι ganzzahlig und

JL

⁵ 2m

8. Transmissionsfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß die optische Faser zwischen gekreuzten Polarisatoren angeordnet und in einer Anzahl m über ihre Länge verteilt angeordneter Stellen gequetscht ist,wobei die Angriffsrichtung o>. der Quetschkräfte bezüglich der Polarisationsebene des eingekoppelten Polarisations zustandes in Längsrichtung der Faser gesehen,alterniert , gemäß der Beziehung:

mit 5 = -^- und j= 1,2,...m ganzzahlig.

9. Transmissionsfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,daß Abschnitte einer ansonsten, doppelbrechungsgfreien optischen Faser(12o),die zwischen parallelen Polarisatoren angeordnet ist,in Windungen(144,145) verlegt sind,die,ineinander übergehend,in verschiedenen_f sich entlang einer zentralen Achse schneidenden Ebenen(146,147)

/4

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verlegt sind,deren Winkelstellung bezüglich der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes durch die Beziehung

mit I = ff/m und j = 1,2,...m,ganzzahlig

gegeben ist,wobei die Faser(12o)in den einzelnen Ebenen mit gleichen Windungszahlen und Durchmessern verlegt ist.

10. Transmissionsfilter nach Anspruch 4/init einem zwischen gekreuzten Polarisatoren verlaufenden,in aneinander anschließenden Windungen vorzugsweise gleichen Durchmessers verlegten optischen Faser,

dadurch gekennzeichnet,daß sich mit alternierendem Windungssinn aneinander anschließende Windungen{144,145) oder Windungsgruppen mit gleicher Windungszahl in zwei verschiedenen Ebenen(146 und 147)verlegt sind,die symmetrisch bezüglich der Polarisationsebene des in die Faser eingekoppelten Polarisationszustandes angeordnet sind und den Winkel TT ~ S einschließen,wobei t = — ist,wenn m die Anzahl der alternierend auf der einen oder der anderen Ebene angeordneten Windungen bzw.Windungsgruppen bezeichnet.

11. Faseroptische Anordnung für die Nachrichtenübertragung

mit einer optischen Faser,die einen Signallichtstrom führt, der als Träger für verschiedene Informationssignale Teillichtströme verschiedener Wellenlänge umfaßt,und mit einer Anzahl von Filtern zur Trennung und Auskopplung der einzelnen Teillichtströme,

dadurch gekennzeichnet,daß die optische Faser ausgangs— seitig mit einem Verzweigungselement oder einer mehrfach-Strahlenteiler-Anordnung versehen ist,die den die Teillichtströme umfassenden primären Lichtstrom in eine der Anzahl der Teillichtströme entsprechende Anzahl von räura-

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Hch getrennten Lichtströmen etwa gleicher Intensität aufspaltet,und daß im Lichtweg jedes dieser Lichtströme ein an die jeweils eine auszufilternde Wellenlange Ά-, ^2' 3 ^oc3er ^4 angepaßtes Schmalband-Transraiss ions filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.

12. Faseroptische Anordnung zur Aussonderung monochromatischer Lichtstromkomponenten verschiedener Wellenlängen

1' 2'* * ^{aus e}^^nem mehrere solcher Komponenten umfassenden Lichtstrom unter Verwendung faseroptischer Transmissionsfilter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 1o

dadurch gekennzeichnet,daß mindestens ein Filter{154 bzw. 155}vorgesehen ist,in den ein mindestens einzelne der monochromatischen Lichtstromkomponenten umfassender Lichtstrom einkoppelbar ist,

daß der Austrittspolarisator dieses Filters als Zwei-Ausgangs-Polarisationsprisma(159 bzw.161)ausgebildet ist,über dessen einen Ausgangslichtpfad der Teillichtstrom derjenigen Wellenlänge,auf die das Filter eingestellt ist,einem Detektor(16o bzw.162)zugeleitet ist, und daß der um diesen verminderte Teillichtstrom über den zweiten Äusgangslichtpfad des Polarisationsprismas(159 bzw.161) das gleichzeitig den Eintrittspolarisator für ein weiteres Filter(155 bzw.156)bildet,in dessen optische Faser einkoppelbar ist,und daß der Austrittspolarisator(161 bzw.163) dieses weiteren Filters(155 bzw.156)ebenfalls als Zwei-Ausgangs-Polarisationsprisma(161 bzw.163)ausgebildet ist,wobei derjenige Ausgangslichtstrom des weiteren Polarisationsprismas (161 bzw.163),der nur Licht derjenigen Wellenlänge enthält auf die das weitere Filter(155 bzw.156)abgestimmt ist,einem Detektor zugeleitet ist,und der andere Ausgangslichtstrom,falls er nur noch monochromatisches Licht enthält,ebenfalls einem Detektor(164 bzw.166)zugeleitet ist, ansonsten aber in die Faser eines weiteren zur. Abtrennung eines Teillichtstromes definierter Wellenlänge vorgesehenen Filters(156 bzw.157)einkoppelbar ist.

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13. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 11 oder Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,daß die zum Ausfiltern der einzelnen Teillichtströme eingesetzten faseroptischen Transmissionsfilter (154-1 57) bei der auszufilternden Wellenlänge in derselben Ordnung ausgenutzt sind,wobei der Wellenlängenabstand der Teillichtströme größer ist als die Bandbreite der Transmissionsmaxima(32)der Filter und wobei der Spektralbereich,über den die Teillichtströme verteilt sindy um mindestens die Bandbreite der Transmissionsmaxima(32)der Filter (154-1 57) kleiner ist als der kleinste Wellenlängen-r abstand Δλ. zwischen zwei Transmissionsmaxima(32).

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