DE3013335C2 - - Google Patents
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
- G02F1/33—Acousto-optical deflection devices
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Description
Die Erfindung betrifft einen akustooptischen Richtkoppler nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiger Richtkoppler ist bekannt aus der AT 3 39 072. Der dort
beschriebene Richtkoppler ist insbesondere für optische integrierte
Schaltungen anwendbar und besteht aus einem Substrat, auf dessen
Oberfläche mit Hilfe von optischer Dünnschichttechnologie zwei
dünne streifenförmige Lichtwellenleiter angebracht sind. Diese
sind parallel angeordnet und besitzen einen geringen gegenseitigen
Abstand. Die Lichtwellenleiter sind überdeckt von einer
Dünnschicht aus piezoelektrischem Material, auf welcher sich
kammförmige Übertrager befinden zur Erzeugung von akustischen
Oberflächenwellen in der piezoelektrischen Dünnschicht sowie den
darunter liegenden Lichtwellenleitern. Die Oberflächenwellen
ändern die optischen Ausbreitungskonstanten (Fortpflanzungsvektoren)
der Lichtwellenleiter derart, daß ein Überkoppeln von
Lichtwellen von einem Lichtwellenleiter auf den anderen Lichtwellenleiter
möglich wird.
Aus IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol., 14 Nr. 2, Juli
1971, Seite 652, ist weiterhin ein optischer Schalter bekannt für
Lichtwellenleiter mit einem parabolischem Verlauf des Brechungsindexes.
Dabei wird bei zwei parallel verlaufenden Lichtwellenleitern
ein gemeinsamer lichtdurchlässiger Block eingesetzt, in
welchen durch einen externen akustischen Strahl derartige Schallwellen
erzeugbar sind, daß ein Umschalten von Lichtwellen, welche
in den Lichtwellenleitern geführt werden, zwischen den Lichtwellenleitern
ermöglicht wird.
Weitere akustooptische Modulatoren sind aus der Literatur bekannt
und werden z. B. in den Druckschriften "A Review of Acoustooptical
Deflection and Modulation Devices", Proc. IEEE 54, No. 10, Seiten
1391 bis 1401 (October 1966) von E. I. Gordon und "Acoustooptic
Devices and Application", 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 Lichtschranken 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" 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 und daher unwirtschaftlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen
Richtkoppler anzugeben, der kostengünstig einsetzbar ist in faseroptischen
Anordnungen.
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche
beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen bzw. Ausführungsformen
der Erfindung.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Die
Fig. 1 bis 3 erläutern das Prinzip der Erfindung. Die Fig. 4
bis 7 zeigen Ausführungsbeispiele.
Fig. 1 zeigt zur Erläuterung des Prinzips die schematische Darstellung
einer Anordnung, 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 Longitudinalschwingungen
angeregt. Diese Schwingungen breiten sich vom Wandler 2
ausgehend entlang dem Lichtwellenleiter 1 in Form einer expontiell
abklingenden Wellenbewegung aus. Aufgrund der mit den
Longitudinalschwingungen des Lichtwellenleiters 1 verbundenen
Längenänderung sowie aufgrund der Druckschwankungen 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",
Optics Letters 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 ω a und der
Wellenzahl k a wird an der akustischen Welle mit der Kreisfrequenz
Δω und der Wellenzahl Δ k reflektiert. Die reflektierte
Lichtwelle mit der Kreisfrequenz ω b und der Wellenzahl
k b breitet sich in negativer x-Richtung aus.
Für die Frequenzen gilt die Beziehung
ω b = ω a + Δ ω (1)
Außerdem soll die Wellenzahlbedingung
k b = Δ k - k a (2)
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 o die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit, n der effektive
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 v « c o )
Für
n = 1,5, c o = 3 × 10⁸ ms-1, v = 5 × 10³ ms-1
und
ω a /2π = 3 × 10¹⁴ Hz folgt Δ l/2π = 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 Δ ω
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 Ausführungsform,
bestehend aus einem Lichtwellenleiter 1 und einem
elektroakutischen Wandler 2. Der Lichtwellenleiter 1 ist
als einwellige Lichtleitfaser, die auch Monomode-Lichtwellenleiter genannt wird, mit einem Kern 3 und einem
Mantel 4 ausgebildet, und mit einer Stirnfläche mit dem
Wandler 2 in Kontakt.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform.
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.
Bei den bisher behandelten Ausführungsformen von Modulatoren
ist die erforderliche hohe Modulationsfrequenz Δ ω
eventuell nachteilig. Fig. 4 zeigt die schematische Darstellung
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung,
welche mit wesentlich niedrigeren Modulationsfrequenzen Δ ω
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. 4 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 Lichtwellen zwischen
11 und 12 auftritt. Sind k₁ und k₂ die Wellenzahlen der in
11 und 12 fortschreitenden Lichtwellen und ω₁ und ω₂ die
Kreisfrequenzen der Lichtwellen, so gelten die Beziehungen
Für die akustische Welle mit der Frequenz Δ ω und der Wellenzahl
Δ k gilt der Zusammenhang nach Gleichung (5). Schreiten
alle Wellen in positiver x-Richtung fort und wird des weiteren
ohne Einschränkung der Allgemeinheit n₂ < n₁ vorausgesetzt,
so lautet für die durch akustische Wechselwirkung
von 11 nach 12 und/oder 12 nach 11 übergekoppelte Lichtwelle
die Frequenzbeziehung
ω₂ = ω₁ + Δ ω (9)
und die Wellenzahlbedingung
k₂ = k₁ - Δ k (10)
wobei Gleichung (10) nicht exakt erfüllt sein muß. Aus den
Gleichungen (5), (7) bis (10) folgt:
Für
ω₁/2π = 3 × 10¹⁴ Hz, v = 5 × 10³ ms-1 (11)
und n₂ - n₁ = 0,005 gilt z. B. Δ ω/2π = 25 MHz. Man kommt
also bei einer Anordnung nach Fig. 4 mit wesentlich kleineren
Modulationsfrequenzen Δ ω aus.
Wegen Gleichung (9) funktioniert die Anordnung nach Fig. 4
als Einseitenbandmodulator. Wird die Lichtwelle bei 11
links eingekoppelt und bei 12 rechts ausgekoppelt, so wird
die optische Frequenz um Δ ω erhöht. Wird die Lichtwelle bei
12 links eingekoppelt und bei 11 rechts ausgekoppelt, so
wird die Frequenz um Δ ω verringert. Werden die Lichtwellen
in der Anordnung nach Fig. 4 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
ω₂ = ω₁ - Δ ω (9a)
k₂ = k₁ - Δ k (10a).
Sind die Gleichungen (10) bzw. (10a) 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. 5 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform einer Anordnung
nach Fig. 4. 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
Wandler 14 sowie der akustische Absorber 15
angebracht. Fig. 6 zeigt den Querschnitt durch eine Aufsicht
auf die Anordnung nach Fig. 5.
Fig. 7 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
einer Anordnung nach Fig. 4. Die beiden Lichtwellenleiter
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 14 wird
eine in positiver x-Richtung fortschreitende akustische
Welle auf den Lichtleitfasern angeregt.
Claims (5)
1. Akustooptischer Richtkoppler, zumindest bestehend aus
- - mindestens zwei eng nebeneinander gekoppelten Lichtwellenleitern sowie
- - mindestens einem elektroakustischen Wandler, durch welchen in den Lichtwellenleitern derartige Schallwellen anregbar sind, daß eine Überkopplung von Lichtwellen von dem einen in den anderen Lichtwellenleiter stattfindet,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Lichtwellenleiter (11, 12) als Monomode-Lichtleitfasern ausgebildet sind,
- - daß der Wandler (14) mindestens eine Durchgangsbohrung besitzt,
- - daß die Lichtleitfasern (11, 12) durch die Durchgangsbohrung des Wandlers (14) hindurchgehen und fest mit dem Wandler (14) gekoppelt sind und
- - daß durch den Wandler (14) in den Lichtleitfasern (11, 12) Longitudinalwellen anregbar sind, welche sich in Längsrichtung (x-Richtung) der Lichtleitfasern (11, 12) ausbreiten und welche die Überkopplung der Lichtwellen ermöglichen.
2. Akustooptischer Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern (11, 12)
in einen Körper (13) eingebettet
sind, daß an einem Ende des Körpers (13) der
elektroakustische Wandler (14) befestigt ist, welcher
im Körper (13) akustische Wellen anregt, und daß am anderen
Ende des Körpers (13) ein akustisches Dämpfungsglied
(15) angebracht ist.
3. Akustooptischer Richtkoppler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die effektiven Brechungsindizes n₁ und n₂
für die in den beiden Lichtleitfasern (11 bzw.12)
fortschreitenden Lichtwellen unterschiedlich sind, so daß
ohne Anregung einer akustischen Welle keine oder nur eine
geringe Überkopplung von Lichtwellen auftritt.
4. Akustischer Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Lichtleitfasern (11, 12)
über eine Länge L
angeschliffen und miteinander verbunden sind.
Priority Applications (1)
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DE19803013335 DE3013335A1 (de) | 1980-04-05 | 1980-04-05 | Akustooptischer modulator |
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---|---|---|---|
DE19803013335 DE3013335A1 (de) | 1980-04-05 | 1980-04-05 | Akustooptischer modulator |
Publications (2)
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DE3013335A1 DE3013335A1 (de) | 1981-10-08 |
DE3013335C2 true DE3013335C2 (de) | 1989-11-16 |
Family
ID=6099398
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19803013335 Granted DE3013335A1 (de) | 1980-04-05 | 1980-04-05 | Akustooptischer modulator |
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1980
- 1980-04-05 DE DE19803013335 patent/DE3013335A1/de active Granted
Also Published As
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DE3013335A1 (de) | 1981-10-08 |
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