DE3018751C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen akustooptischen Modulator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Modulator ist bekannt aus der Druckschrift: Frequenz 32 (1978) 12, Seiten 356-363. Dort wird ein sogenanntes Optophon beschrieben, d. h. ein optisches Übertragungssystem für Sprache. Dieses System arbeitet mit Lichtleitfasern. Die akustooptische Wandlung ("Mikrofon") sowie die optoakustische Wandlung ("Lautsprecher") erfolgen dabei lediglich mit Hilfe passiver optischer Bauelemente. Für die akustooptische Wandlung werden dabei eine Eingangs- und eine Ausgangs-Lichtleitfaser benutzt, die an einer Stirnfläche einer sogenannten Gradienten-Stablinse hohlraumfrei angekoppelt sind. In einem kleinen Abstand von der gegenüberliegenden Stirnfläche befindet sich eine reflektierende Kunststoff-Membran, welche durch den Schalldruck der Sprache bewegbar ist. Das in der Eingangs-Lichtleitfaser geführte unmodulierte Licht gelangt über die Gradienten-Stablinse auf die schwingende Membran und wird durch die Gradienten-Stablinse derart in die Ausgangs-Lichtleitfaser eingekoppelt, daß dort ein intensitätsmoduliertes Licht entsteht, das dem optoakustischem Wandler ("Lautsprecher") zugeführt wird.

Aus der FR 23 04 935 ist ein schaltbarer optischer Verzweiger bekannt, der als integriert optisches Bauelement aufgebaut ist. Dabei ist auf einem ebenen Substrat eine schichtförmige Lichtlei­ terstruktur aufgebracht. Diese besteht aus einem Eingangs-Lichtleiter, der sich in mehrere Ausgangs-Lichtleiter aufspaltet. An dieser Verzweigungsstelle ist ein piezoelektrischer Wandler derart angebracht, daß in der Eingangs-Lichtleitfaser geführtes Licht wahlweise auf einen der Ausgangs-Lichtleitfasern schaltbar ist. Ein solcher Verzweiger ist auch als Intensitäts-Modulator verwendbar.

Aus der DE-OS 24 08 890 ist weiterhin eine Anordnung bekannt, die als optischer Phasen- oder Amplitudenmodulator verwendbar ist. Aus der DE-OS 24 08 890 ist bekannt gegenüber einem elektroakustischen Wandler eine akustische Absorptionseinrichtung anzubringen.

Ausgehend von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Auspruchs 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen akustooptischen Modulator anzugeben, bei dem Hohlräume zwischen den Lichtwellen abbildenden und den Lichtwellen modulierenden Systemen weitestgehend vermieden sind, der einfach zu justieren ist, der mit einfachen Mitteln zwischen Lichtleitfasern einfügbar ist und der eine Frequenzmodulation des Lichts ermöglicht, insbesondere bei der Verwendung in einem Ringinterferometer.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß der akustooptische Modulator sehr betriebssicher ist auch bei thermischen und/oder mechanischen Belastungen sowie gewichts- und volumensparend hergestellt werden kann.

Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 bis 3 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Modulators.

Fig. 1 zeigt den Aufbau des akustooptischen Modulators nach der Erfindung. Der Modulator besteht aus einer Gradientenstablinse 20 mit einem oder mehreren Lichtwellen abbildenden Bereichen 21 bzw. 21′ und mindestens einem Lichtwellen ablenkenden und/oder modulierenden Bereich 22. Die Gradientenstablinse 20 ist beispielsweise ein einziger optischer Stab oder aus mehreren Teilstäben zusammengefügt. Im letzteren Fall ist jeder einzelne optische Teilstab speziell für den geforderten Einsatzbereich ausgebildet, d. h., entweder als Lichtwellen abbildender Bereich oder als Lichtwellen modulierender Bereich. Das Zusammenfügen wird beispielsweise durch formschlüssiges Zusammenpressen, Verkitten oder Verschmelzen der einzelnen Teilstäbe erreicht. Dies muß so geschehen, daß an den Fügestellen der einzelnen Teilstäbe keine Hohlräume, beispielsweise Luft- oder Gasblasen, entstehen, die störende Modulationen erzeugen. Eine derartige Gradientenstablinse 20 ist beispielsweise ein optischer Stab mit kreisförmigen Querschnitt.

Die Längsachse des Stabes ist zugleich die optische Achse 31 der einfallenden Lichtwellen und geht durch den Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Stabes, auf der sie senkrecht steht. Derartige optische Stäbe haben beispielsweise auf ihrer Querschnittsfläche in radialer Richtung einen annähernd parabolischen Verlauf ihrer für Lichtwellen wirksamen Brechzahl. Eine genaue Beschreibung gibt der Artikel von T. Uchida et al, "Optical Characteristics of a light focusing fiber guide and its applications" IEEE Journal of Quantum Electronics QE6, Okt. 1970, Seiten 606 bis 612. Hat die vom Radius r des Stabquerschnitts abhängige Brechzahl n(r) den annähernd parabolischen Verlauf n(r) ≈ n _o (1-r² · A/2), wobei n _o die Brechzahl auf der optischen Achse 31 und A eine vom Stabmaterial und Stabquerschnitt abhängige Konstante bedeuten, so erhält beispielsweise ein in diesen Stab eingekoppelter Lichtstrahl einen sinusförmigen Strahlveraluf mit der Strahlperiode p = 2π/√ . Soll nun der Lichtwellen abbildende Bereich 21 beispielsweise die an der Koppelstelle 25 nahezu punktförmig eingekoppelten Lichtstrahlen in ein paralleles Lichtstrahlbündel abbilden, so erfordert dies eine Länge L des optischen Stabes von L = p/4 = π/(2√ ) oder ungeradzahligen Vielfachen davon. Solche Stäbe sind beispielsweise aus käuflichen optischen Linsen der Firma Nippon Sheet Glass Co., Ltd., Osaka (Japan) herstellbar, die derzeit unter dem Handelsnamen Selfoc erhältlich sind.

Durch eine beschriebene Dimensionierungsvorschrift für die Länge des Stabes wird eine annähernd verlustfreie Ankopplung der Lichtwellen an die optischen Verbindungen 23 und 24 erreicht. Dies geschieht an den Koppelstellen 25 und 26, die vorteilhafterweise außerhalb der Längsachse 31 des Stabes liegen, um, bezogen auf die Linie A-A′, einen symmetrischen Strahlengang zu erreichen. Das Ausbreitungsgebiet der Lichtwellen ist durch ausgezogene und punktierte Linien dargestellt. Der die Lichtwellen modulierende Bereich 22 wird erzeugt von mindestens einem elektroakustischen Wandler 27 mit den elektrischen Anschlüssen 28. Das Dämpfungsmaterial 30 auf der gegenüberliegenden Seite des Wandlers 27 verhindert dort eine eventuell störende Reflexion der akustischen Wellen 29. Wird in dem Bereich 22 nur ein einziges Lichtwellen modulierendes akustisches Wellenfeld 29 mit der Modulationsfrequenz f _m erzeugt, so wirkt die Anordnung nach Fig. 1 als Einseitenbandmodulator für Lichtwellen mit der Frequenz F, denn die Frequenz F _m des modulierten Lichtes ist um ± f _m versetzt gegenüber der Frequenz F des unmodulierten Lichtes. Bei dieser Anordnung ist die Modulationsfrequenz f _m beschränkt auf den Frequenzbereich f _m = f _o ± Δ f, wobei f _o die mittlere Modulationsfrequenz und Δ f eine im allgemeinen kleine Frequenzabweichung von f _o bedeuten.

Bei manchen Anwendungen, beispielsweise Ringinterferometern, werden Modulatoren benögtigt, die die Frequenz F des Lichtes ändern in dem Bereich F ± Δ F, wobei Δ eine im allgemeinen kleine Frequenzabweichung von F bedeutet. Dies geschieht in einer Anordnung gemäß Fig. 2, die, an der in Fig. 1 mit A und A′ bezeichneten Stelle, einen Querschnitt durch den modulierten Bereich 22 zeigt.

Zwei elektroakustische Wandler 27 und 27′ sind beispielsweise derart an der Gradientenstablinse 20 befestigt, daß sie zwei linear unabhängige und räumlich versetzte akustische Wellenfelder 29 und 29′ erzeugen, die im wesentlichen senkrecht aufeinander stehen und im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Lichtwellen angeordnet sind. In Fig. 2 ist die Ausbreitungsrichtung der Lichtwellen senkrecht zur Zeichenebene, durch einen Punkt 10′, dargestellt. Dämpfungsmaterial 30 und 30′, an den den Wandlern gegenüberliegenden Stellen, verhindert eine störende Reflexion der akustischen Wellen an der Oberfläche des Körpers 20.

Die Funktion eines derartigen Modulators wird mit Hilfe der Fig. 1 erläutert. Der elektroakustische Wandler 27 erzeugt beispielsweise ein akustisches Wellenfeld 29, das durch die zugehörige Modulationsfrequenz f gekennzeichnet ist. In der dargestellten Anordnung werden die unmodulierten Lichtwellen an dem akustischen Wellenfeld 29 reflektiert. Dabei erhöht sich die Frequenz F des unmodulierten Lichtes auf F + f. In der Anordnung der Fig. 1 werden nun lediglich der akustische Wandler 27 und das Dämpfungsmaterial 30 gegeneinander ausgetauscht. Durch diese Maßnahme wird die Ausbreitungsrichtung des akustischen Wellenfeldes 29 um 180° geändert. Werden nun unmodulierte Lichtwellen an diesem akustischen Wellenfeld reflektiert, so erniedrigt sich die Frequenz F des unmodulierten Lichtes auf F - f. In der Anordnung der Fig. 2 haben die akustischen Wellenfelder 29 bzw. 29′ die zugehörigen Modulationsfrequenzen f bzw. f′. Die Ausbreitungsrichtungen der akustischen Wellenfelder 29 und 29′ sind, wie vorher beschrieben, so gewählt, daß Lichtwellen nacheinander an den akustischen Wellenfeldern 29 bzw. 29′ reflektiert werden. Es entstehen beispielsweise positive bzw. negative Verschiebungen der Frequenz des Lichtes. Aus der Frequenz F des unmodulierten Lichtes entsteht nach einer derartigen Reflexion die Frequenz F _m = F + f - f′ des modulierten Lichtes. Ist f größer bzw. kleiner als f′, so wird die Frequenzdifferenz Δ F = f - f′ positiv bzw. negativ. Derartige Modulatoren ändern die Frequenz F des Lichtes in dem Frequenzbereich F ± Δ F. Bei Ringinterferometern sind beispielsweise die Modulationsfrequenzen f und f′ annähernd gleich groß. Der Betrag der Frequenzdifferenz Δ F ist daher klein gegen den Betrag jeder der Modulationsfrequenzen f bzw. f′. Außerdem wird durch die akustischen Wellenfelder 29 und 29′ beispielsweise eine räumliche Ablenkung der Lichtwellen erreicht dergestalt, daß eine der Koppelstellen 25 bzw. 26 außerhalb der Zeichenebene der Fig. 1 liegt. Der mit Hilfe der Fig. 2 beschriebene Lichtwellen modulierende Bereich 22 ist entweder ein Bestandteil der Gradientenstablinse 20 oder als selbständiger akustooptischer Modulator ausgebildet, der unabhängig benutzt werden kann, beispielsweise als selbständiges optisches Bauelement zur Modulation von Lichtwellen.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen akustooptischen Modulators. Die Bezeichnungen entsprechen denen der Fig. 1 und 2. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Ein- und Auskopplung der Lichtwellen nur über eine Koppelstelle 25. Die eine Endfläche 32 der Gradientenstablinse 20 ist so gestaltet, beispielsweise verspiegelt, daß sie die modulierten Lichtwellen reflektiert. Es ist dabei vorteilhaft, wenn lediglich der Bereich 32 a verspiegelt wird, an dem die Lichtwellen reflektiert werden. Die Gradientenstablinse 20 und der modulierende Bereich 22 sind in ihrer Länge so dimensioniert, daß die reflektierten Lichtwellen annähernd verlustfrei aus der Koppelstelle 25 austreten. Die Trennung von unmodulierten und modulierten Lichtwellen erfolgt in der optischen Weiche 33, die beispielsweise ein symmetrischer Richtkoppler ist, und die über den optischen Leiter 34 mit der Koppelstelle 25 des Modulators verbunden ist. Ein optischer Leiter 35 der optischen Weiche 33 dient als Zuleitung der unmodulierten Lichtwellen, während ein optischer Leiter 36 die modulierten Lichtwellen von der optischen Weiche 33 wegleitet.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die optischen Leiter Lichtleitfasern sind, insbesondere einwellige Lichtleitfasern, wobei die Koppelstellen so ausgebildet sind, daß die Ein- und Auskopplung der Lichtwellen nahezu verlustfrei erfolgt.

Des weiteren kann der Aufbau des Modulators so kompakt ausgeführt werden, daß er als integriertes Bauelement zwischen Lichtleitfasern, insbesondere einwelligen Lichtleitfasern, eingefügt werden kann.

Claims (7)

1. Akustooptischer Modulator, mindestens bestehend aus einer Gradientenlinse, die eine zur Ausbreitungsrichtung der Lichtwellen parallele optische Achse sowie in darauf senkrechten Richtungen einen annähernd parabolischen Verlauf des Brechungsindex besitzt und deren Länge in Richtung der optischen Achse so gewählt ist, daß mindestens ein optischer Leiter nahezu verlustlos an eine der zwei Endflächen ankoppelbar ist, und einer Wandlervorrichtung, die mit der Gradientenlinse derart gekoppelt ist, daß die Lichtwellen die Gradientenlinse vor und nach der Wechselwirkung mit der Wandlervorrichtung durchlaufen und daß in einem der optischen Leiter ein von Schallwellen abhängiges moduliertes optisches Signal entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse eine Gradientenstablinse mit kreisförmigem Querschnitt (20) ist, daß in der Wandlervorrichtung zwei elektroakustische Wandler (27, 27′) derart an der Gradientenstablinse befestigt sind, daß zu beiden Seiten eines modulierenden Bereichs (22) ein abbildender Bereich (21) angrenzt und daß in der Gradientenstablinse zwei bezüglich ihrer Ausbreitungsrichtung im wesentlichen aufeinander senkrecht stehende akustische Wellenfelder (29, 29′), die im wesentlichen senkrecht auf der optischen Achse stehen, erzeugbar sind.

2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der abbildenden Bereiche (21) gleich einem ungeradzahligen Vielfachen von π/(2 · √ ) gewählt ist, wobei A eine Konstante ist, die das Herstellungsmaterial und den Querschnitt des abbildenden Bereichs (21) kennzeichnet.

3. Modulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche (32) der Gradientenstablinse (20), die der die Koppelstelle (25) aufweisenden Endfläche (37) gegenüberliegt, reflektierende Flächenteile (32 a) besitzt, die keine störenden Reflexionen der Lichtwellen erzeugen.

4. Modulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf den den elektroakustischen Wandlern (27, 27′) gegenüberliegenden Mantelflächen der Gradientenstablinse (20) Dämpfungsmaterial (30, 30′) für die akustischen Wellen befestigt ist.

5. Modulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der optischen Leiter (23, 24, 34) als Monomode-Lichtleitfaser ausgebildet ist.

6. Modulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelstellen (25, 26) außerhalb der optischen Achse (31) liegen.

7. Modulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei den akustischen Wellenfeldern (29, 29′) der Betrag der Differenz ihrer akustischen Wellenlängen klein ist gegen jede einzelne akustische Wellenlänge.