DE3013335A1

DE3013335A1 - Akustooptischer modulator

Info

Publication number: DE3013335A1
Application number: DE19803013335
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-techn. 7900 Ulm Russer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-04-05
Filing date: 1980-04-05
Publication date: 1981-10-08
Also published as: DE3013335C2

Description

Akustooptischer Modulator Die Erfindung betrifft einen akustooptischen Modulator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Akustooptische Modulatoren nutzen die Wechselwirkung von Licht- und Schallwellen in transparenten Festkörpern aus.
Akustooptische Modulatoren sind aus der Literatur bekannt und werden z. B. in den Druckschriften TIA Review of Acoustooptical Deflection and Modulation Devices", Proc. IEEE 54 No. 10, Seiten 1391 bis 1401 (October 1966) von E, I. Gorden und "Acoustooptic Devices and Applications", IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics SU-23, No. 1, Seiten 2 bis 22 (Januar 1976) von I. C. Chang beschrieben. Akustooptische Modulatoren werden zur Ablenkung und/oder zur Modulation von Lichtstrahlen verwendet. Bei der Modulation von Lichtstrahlen können Amplitude, Frequenz und Phase des Lichtes beeinflußt werden. Außer den konventionellen Ausführungen akustooptischer Modulatoren, welche in der oben zitierten Literatur beschrieben werden, sind auch integriert optische Ausführungen bekannt (siehe z. B. die Druckschrift: "Giga-Hertz Modulators using Bulk Acousto-Optic Interactions in Thin Film Waveguides't von G. Brandt, M. Gottlieb, R.W. Weinert, erschienen im Konferenzbericht: AGARD 1977- Electromagnetic Wave Propagation Panel/Avionics Panel, Joint Symposium, London, 16. - 20. Mai 1977, Seiten 20-1 bis 20-9).
Die Verwendung sowohl konventionell optischer als auch planarer integriert optischer akustooptischer Modulatoren in faseroptischen Anordnungen ist aufwendig. Aufgabe der Erfindung ist daher die Realisierung eines faseroptischen akustooptischen Modulators oder eines integriert optischen Modulators mit Wellenleitcrstruktur.
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen bzw.
Ausführungsformen der Erfindung.
FIG. 1 zeigt zur Erläuterung des Prinzips die schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, bestehend aus einem Lichtwellenleiter 1 und einem elektroakustischen Wandler 2. Der elektroakustische Wandler 2 setzt ein elektrisches Signal in akustische Schwingungen um und wird z. B. in bekannter Weise durch einen piezoelektrischen Wandler realisiert. Der Lichtwellenleiter 1 wird durch den elektroakustischen Wandler 2 zu akustischen Longitudinal schwingungen angeregt. Diese Schwingungen breiten sich vom Wandler 2 ausgehend entlang dem Lichtwellenleiter 1 in Form einer exponentiell abklingenden Wellenbewegung aus. Aufgrund der mit den Longitudinalschwingungen des Lichtwellenleiters 1 verbundenen Längenänderung sowie aufgrund der Druckschwankungen darin wird die optische Weglänge im Lichtwellenleiter moduliert. Der Effekt entspricht einer Brechungsindexmodulation durch die fortschreitende akustische Welle. Eine Beschreibung dieses bekannten Effektes wird z. B. in der Druckschrift "Proposal for Detection of Magnetic Fields through Magnetostrictive Perturbation of Optical Fibers", OpticsLetters 5, No. 3, Seiten 87 bis 89 (März 1980) von A. Yariv und H. V. Winsor gegeben.
Eine in positiver x-Richtung durch den Lichtwellenleiter 1 ankommende Lichtwelle mit der Kreisfrequenz tn und der a Wellenzahl k wird an der akustischen Welle mit der Kreisa frequenz Ao und der Wellenzahl Ak reflektiert. Die reflektierte Lichtwelle mit der Kreisfrequenz ob und der Wellenzahl kb breitet sich in negativer x-Richtung aus.
Für die Frequenzen gilt die Beziehung b a Außerdem soll die Wellenzahlbedingung kb = hk - k (2) a annähernd erfüllt sein. Nur in diesem Fall kann ein nennenswerter Anteil der Lichtwelle an der akustischen Welle reflektiert werden.
Zwischen den Wellenzahlen und den Kreisfrequenzen gelten die Beziehungen wobei c die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit, n der effektive-0 Brechungsindex für die Lichtwelle im Lichtwellenleiter 1 und v die Schallgeschwindigkeit für die Ausbreitung von Longitudinalwellen in 1 sind. Aus den Gleichungen (1) ... (5) folgt (mit v4t cO) Für n = 1.5 c = 3 x 108 ms , v = 5 x 103 ms 1 und a>a /27t = 3 x 10 Hz folgt Ax /2s = 15 GHz. Derartig hohe Modulationsfrequenzen können mit elektroakustischen Wandlern extrem kleiner Abmessungen prinzipiell realisiert werden.
Die Anordnung nach FIG. 1 wirkt als Einseitenbandmodulator, da nach Gleichung (1) die reflektierte Welle eine um Ao höhere Frequenz hat als die einfallende Welle. Amplitude und Phasenlage der reflektierten Welle hängen von Amplitude und Phasenlage der akustischen Welle ab.
FIG. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, bestehend aus einem Lichtwellenleiter 1 und einem elektroakustischen Wandler 2. Der Lichtwellenleiter 1 ist als einwellige Lichtleitfaser mit einem Kern 3 und einem Mantel 4 ausgebildet, und mit einer Stirnfläche mit dem Wandler 2 in Kontakt.
FIG. 3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungeform der Erfindung. Der Lichtwellenleiter 1 ist wie in FIG. 2 als einwellige Lichtleitfaser mit dem Kern 3 und dem Mantel 4 ausgebildet. Der Lichtwellenleiter 1 ist in eine Bohrung eines elektroakustischen Wandlers 2 eingebettet. Dadurch werden Reflexionen der Lichtwelle an der Faserendfläche vermieden.
FIG. 4 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Zwischen dem Lichtwellenleiter 1 und dem elektroakustischen Wandler 2 ist ein optischer Absorber 5 angeordnet, welcher eine Reflexion der Lichtwelle an der Endfläche des Lichtwellenleiters 1 verhindert. Die durch den Wandler 2 angeregte akustische Schwingung wird im optischen Absorber 5 nicht oder nur unwesentlich gedämpft.
FIG. 5 zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung nach FIG. 3,bei der das Ende des Lichtwellenleiters 1 durch einen optischen Absorber 5 optisch reflexionsfrei abgeschlossen ist.
FIG. 6 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der der Lichtwellenleiter 1 in bekannter Weise in integriert optischer Technik auf einem Substrat 6 aufgebracht ist. Ein elektroakustischer Wandler 2 regt im Substrat 6 akustische Wellen an.
Bei den bisher behandelten Ausführungsformen von Modulatoren ist die erforderliche hohe Modulationsfrequenz Ax eventuell nachteilig. FIG. 7 zeigt die schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, welche mit wesentlich niedrigeren Modulationsfrequenzen Ax auskommt. Zwei Lichtwellenleiter 11 und 12 sind in bekannter Weise zu einem Richtkoppler vereinigt. Die beiden Richtkoppler 11 und 12 sind in einen Körper 13 eingebettet.
An einem Ende des Körpers 13 ist ein elektroakustischer Wandler 14 vorgesehen, welcher im Körper 13 eine in x-Richtung fortschreitende akustische Welle anregt. Durch das akustische Dämpfungsglied 15 ist der Körper 13 akustisch reflexionsfrei abgeschlossen.
Die in x-Richtung fortschreitenden akustischen Wellen beeinflussen die Transmission der. in 11 und/oder 12 angeregten Lichtwellen und/oder die Überkopplung der Lichtwellen von 11/12 nach 12/11.
Es ist vorteilhaft, die Anordnung nach FIG. 7 in der Weise auszubilden, daß vom elektroakustischen Wandler 14 im Körper 13 in x-Richtung fortschreitende akustische Longitudinalwellen angeregt werden.
Es ist des weiteren vorteilhaft, die Lichtwellenleiter 11 und 12 in der Weise auszubilden, daß die effektiven Brechungsindizes n1 und n2 für die in den Lichtwellenleitern 11 und 12 fortschreitenden Lichtwellen unterschiedlich sind, so daß ohne Anregung einer akustischen Welle keine oder nur eine geringe Überkopplung von Lichtwallen zwischen 11 und 12 auftritt. Sind k1 und k2 die Wellenzahlen der in 11 und 12 fortschreitenden Lichtwellen und a>1 und 2 die Kreisfrequenzen der Lichtwellen, so gelten die Beziehungen Für die akustische Welle mit der Frequenz ## und der Wellenzahl Ak gilt der Zusammenhang nach Gleichung (5). Schreiten alle Wellen in positiver x-Richtung fort und wird des weiteren ohne Einschränkung der Allgemeinheit n2> nj vorausgesetzt, so lautet für die durch akustische Wechselwirkung von 11 nach 12 und/oder 12 nach 11 übergekoppelte Lichtwelle die Frequenzbeziehung #2 = #1 + #1 (9) und die Wellenzahlbedingung k2 = k1 + #k (10), wobei Gleichung (10) nicht exakt erfüllt sein muß. Aus den Gleichungen (5), (7) bis (10) folgt: Für #1/2# = 3 x 1014 Hz, v = 5 x 103 ms-1 (11) und n2 - nl = 0.005 gilt z. B. A/2x = 25 MHz.. Man kommt also bei einer Anordnung nach Fig. 7 mit wesentlich kleineren Modulationsfrequenzen ## aus.
Wegen Gleichung (9) funktioniert die Anordnung nach FIG. 7 als Einseitenbandmodulator. Wird die Lichtwelle bei 11 links eingekoppelt und bei 12 rechts ausgekoppelt, so wird die optische Frequenz um Aw erhöht. Wird die Lichtwelle bei 12 links eingekoppelt und bei 11 rechts ausgekoppelt, so wird die Frequenz um no verringert. Werden die Lichtwellen in der Anordnung nach FIG. 7 links eingekoppelt und rechts ausgekoppelt, so daß die Lichtwelle(n) in negativer x-Richtung fortschreitet (fortschreiten) und der akustischen Welle entgegenläuft (entgegenlaufen), so gelten an Stelle von Gleichung (9), (10) die Gleichungen #2 = #1 - ## (9a) k2 1 k1 - Ak (10a).
Sind die Gleichungen (10) bzw. (lOa) exakt erfüllt, so ist bei geeigneter Wahl der akustischen Amplitude eine 100-°%ige Überkopplung der optischen Welle von 11 (12) nach 12 (11) möglich.
FIG. 8 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform einer Anordnung nach FIG. 7. Die Lichtwellenleiter 11 und 12 sind in bekannter Weise als einwellige Lichtleitfasern ausgebildet. Aus den Lichtleitfasern, die über eine Länge L angeschliffen und miteinander verbunden sind, und dem ein- oder mehrteiligen Körper 13 besteht der optische Richtkoppler. An beiden Enden von 13 sind der elektroakustische Wandler14 sowie der akustische Absorber 15 angebracht. FIG. 9 zeigt den Querschnitt durch eine Aufsicht auf die Anordnung nach FIG. 8.
FIG. 10 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform einer Anordnung nach FIG. 7. Die beiden LichtwellznLeiter 11 und 12 sind hier ebenfalls als einwellige Lichtleitfasern ausgebildet. 11 und 12 sind über die Länge L bis in Kernnähe angeschliffen und aneinandergeklebt oder aneinandergeschweißt. Sie sind in eine Bohrung des elektroakustischen Wandlers 14 eingebettet. Durch den Wandler 1 wird eine in positiver x-Richtung fortschreitende akustische Welle auf den Lichtleitfasern angeregt.
FIG. 11 zeigt eine Anordnung nach FIG. 7, die in bekannter Weise in integriert optischer Bauweise ausgebildet ist.
Die Lichtwellenleiter sind in bekannter Weise auf einem Substrat 16 realisiert. Das Substrat 16 wird durch den elektroakustischen Wandler 14 zu akustischen Schwingungen angeregt.
FIG. 12 zeigt eine Anordnung bestehend aus einem optischen Richtkoppler 17 mit N Eingangstoren T1*...TN und N Ausgangstoren TN+1....T2N und N erfindungsgemäßen Modulatoren M. ... . M1....MN steuern Phase und Amplitude der reflektierten Lichtwellen. An einem oder mehreren Toren Tl..t..TN werden Lichtwellen eingekoppelt.
An den übrigen Toren T1 TN werden reflektierte Lichtwellen ausgekoppelt, wobei deren Phase, Amplitude und Frequenz über die M1 MN gesteuert wird.

Claims

Patentansprüche 1. Akustooptischer Modulator mit einem oder mehreren optisch verkoppelten Lichtwellenleiter(n) und einem oder mehreren elektroakustischen Wandlern, dadurch gekennzeichnet, daß durch den (die) elektroakustische(n) Wandler (2, 14) Schallwellen in dem (den) Lichtwellenleiter(n) (i, 11, 12) angeregt werden und die Lichtwellen in dem (den) Lichtwellenleiter(n) (1, 11, 12) an den Schallwellen gestreut werden und dadurch in den (die) Lichtwellenleiter (1, 11, 12) zurückgestreut werden und/oder von einem (mehreren) Lichtwellenleiter(n) (1, 11, 12) in einen (mehrere) andere(n) Lichtwellenleiter (1, 11, 12) gekoppelt werden.
2. Akustooptischer Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine einwellige Lichtleitfaser (1) mit einem Kern (3) und einem Mantel (4) an einer Stirnfläche mit dem elektroakustischen Wandler (2) in Kontakt ist.
3. Akustooptischer Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine einwellige Lichtleitfaser (1) in eine Bohrung des elektroakustischen Wandlers (2) eingebettet ist.
4. Akustooptischer Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Stirnfläche des Lichtwellenleiters (1) und dem Wandler (2) ein optischer Absorber (5) angeordnet ist.
5. Akustooptischer Modulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Lichtwellenleiters (1) durch einen optischen Absorber (5) abgeschlossen ist.
6. Akustooptischer Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtwellenleiter (1) in integriert optischer Technik auf einem Substrat (6) aufgebracht ist und daß ein elektroakustischer Wandler (2) im Substrat (6) akustische Wellen anregt.
7. Akustooptischer Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lichtwellenleiter (11, 12) zu einem Richtkoppler vereinigt und in einen Körper (13) eingebettet sind, daß an einem Ende des Körpers (13) ein elektroakustischer Wandler (14) vorgesehen ist, welcher im Körper (13) akustische Wellen anregt, und daß am anderen Ende des Körpers (13) ein akustisches Dämpfungsglied (15) angebracht ist.
8. Akustooptischer Modulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die effektiven Brechungsindizes n1 und n2 für die in den beiden Lichtwellenleitern (11 bzw. 12) fortschreitenden Lichtwellen upterschiedlich sind, so daß ohne Anregung einer akustischen Welle keine oder nur eine geringe Überkopplung von Lichtwellen auftritt.
9. Akustooptischer Modulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtwellenleiter (11, 12) einwellige Lichtleitfasern sind, die über eine Länge L angeschliffen und miteinander verbunden sind.
10. Akustooptischer Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einwellige Lichtleitfasern (11, 12) über eine Länge L angeschliffen und miteinander verbunden sind und in eine Bohrung eines elektroakustischen Wandlers (14) eingebettet sind.
11. Akustooptischer Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lichtwellenleiter (11, 12) in integriert optischer Bauweise als Richtkoppler auf einem Substrat (16) angeordnet sind und daß ein elektroakustischer Wandler (14) im Substrat (16) akustische Schwingungen anregt.
12. Akustooptischer Modulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen optischen Richtkoppler (17) mit N Eingangstoren (T1 bis TN) und N Ausgangstoren (TN+1 bis T2N) sowie N elektroakustischen Wandlern (M1 bis