DE3013335C2 - - Google Patents

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.