DE3501975A1

DE3501975A1 - Optischer mehrkanal-wellenleiterresonator

Info

Publication number: DE3501975A1
Application number: DE19853501975
Authority: DE
Inventors: John R. Scituate Mass. Haavisto
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1984-03-02
Filing date: 1985-01-22
Publication date: 1985-09-05
Also published as: GB2155624A; US4630885A; JPS60247606A; FR2560717A1; GB8424423D0; DE3501975C2; GB2155624B; FR2560717B1; JPH0583882B2

Description

Northrop Corporation
Norwood, Massachusetts, o2o62 V.St.A.

Optischer Mehrkanal-Wellenleiterresonator

Die Erfindung betrifft einen optischen Wellenleiterresonator und insbesondere einen optischen Mehrkanal-Wellenleiterresonator.

Es ist z. B. bekannt, passive optische Ringresonatoren als Rotationssensoren zum sehr genauen Bestimmen von Drehbewegungen als einen Bestandteil von Trägheitsnavigationssystemen zu verwenden. Die Empfindlichkeit solcher Vorrichtungen, in denen Licht in einem Ring zirkuliert, hängt direkt von der effektiven Hohlraumlänge oder dem Umfang des Rings ab. Theoretisch haben deshalb Ringe mit größerem Umfang eine größere Empfindlichkeit. Bei einem Einringresonator führt jedoch die Vergrößerung der effektiven Hohlraumlänge durch die Vergrößerung des Umfangs zu einem räumlich größeren Sensor, was einen großen Nachteil darstellt, wenn der Rotations-

sensor in Flugzeugen verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen passiven Ring-Wellenleiterresonator anzugeben, dessen effektive Hohlraumlänge gegenüber dem tatsächlichen Umfang des Wellenleiterresonators um ein Vielfaches erhöht ist und dessen Empfindlichkeit gegenüber einem optischen Einkanalwellenleiterresonator um mehrere Größenordnungen erhöht ist, der ferner relativ leicht herzustellen ist und eine hohe Lebensdauer besitzt.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Erfindungsgemäß weist der optische Mehrkanalwellenleiterresonator einen Eingangswellenleiter, einen Ausgangswellenleiter und mehrere in sich wiederholenden Mustern angeordnete Wellenleiterringe auf. Die Wellenleiterringe können jede denkbare geschlossene Form wie z. B. eine Kreis-, Ellipsen-, Quadrat-Form haben, oder eine unregelmäßig geformte geschlossene Kurve bilden. Die Eingangs- und Ausgangswellen-

*) leiter sind so angeordnet, daß ein gedämpftes Koppeln von Licht in mindestens einen der Wellenleiter der sich wiederholenden Muster hinein oder aus diesem heraus stattfindet. Der Umfang und die Anordnung der Jeweiligen Wellenleiterringe in den sich wiederholenden Mustern der Wellenleiterringe sind so gewählt, daß eine gedämpfte Kopplung zwischen den Wellenleiterringen untereinander stattfindet und ebenfalls so, daß Licht im Eingangswellenleiter durch Licht in dem mindestens einen Wellenleiter in dem sich wiederholenden Muster verstärkt wird.

(engl.· evanescent coupling)

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die sich wiederholenden Muster mehrere konzentrische dielektrische Wellenleiter auf, deren jeweiliger Umfang und deren Beabstandung untereinander so gewählt sind, daß zwischen ihnen eine gedämpfte Kopplung stattfindet. Bei dieser Ausführungsform sind der dielektrische Eingangswellenleiter und der dielektrische Ausgangswellenleiter geradlinig ausgebildet und zu dem äußeren der konzentrischen Wellenleiter angeordnet um Licht in den äußeren der konzentrischen Wellenleiter gedämpft ein- und auszukoppeln. Die konzentrischen Wellenleiter sind schwach miteinander gekoppelt, d. h. im wesentlichen sind nur unmittelbar benachbarte konzentrische Wellenleiter gedämpft miteinander gekoppelt. Die dielektrischen Wellenleiterringe werden bevorzugt aus einem verlustarmen Material, wie z. B. Glas hergestellt.

Bei einer anderen Ausführungsform sind die Wellenleiter in den sich wiederholenden Mustern mit Abstand zueinander gestapelt anstelle einer zueinander konzentrischen Anordnung.

Im folgenden werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen optischen Mehrkanal-Wellenleiterresonators anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform des Mehrkanal-Wellenleiterresonators mit konzentrisch zueinander angeordneten Wellenleitern,

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Bezugslinien 2-2 durch den in Fig. 1 gezeigten Wellenleiterresonator, und

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Mehrkanal-Wellenleiterresonators, in dem die Wellenleiter gestapelt sind.

Die Funktionsweise eines optischen Mehrkanal-Wellenleiterresonators 10 basiert auf der synchronen Erregung der normalen Moden der konzentrischen Wellenleiteranordnung 12 des Wellenleiterresonators 10. Die Wellenleiteranordnung 12 weist N konzentrisch zueinander angeordnete Wellenleiterringe 14 auf. Ferner weist der Wellenleiterresonator geradlinige Ein- und Ausgangswellenleiter 16 bzw. 18 auf. Die dielektrischen Wellenleiter 14 , 16 und 18 werden vorzugsweise aus verlustarmem Material , wie z. B. Zinkoxid hergestellt und auf einem Glassubstrat 20 (Fig. 2) angeordnet. Die Wellenleiter können ebenso aus dotiertem Plexiglas bestehen. Jeder der Wellenleiter 14, 16 und 18 stellt somit einen optischen, zum Transport von optischer Strahlung geeigneten Leiter dar. Die Abstände zwischen dem geradlinigen Eingangs- bzw. Ausgangswellenleiter 16 bzw. 18 und dem äußeren der konzentrischen Wellenleiter 14 sind so gewählt, daß diese Wellenleiter schwach miteinander gekoppelt sind. Ebenso sind die konzentrischen Wellenleiter 14 untereinander schwach gekoppelt. Dies wird durch eine Beabstandung erreicht, die sicherstellt, daß die abklingenden Felder sich nur schwach überlappen, was nur zu einer nächsten Nachbarwechselwirkung führt. Das heißt, sich in dem Eingangswellenleiter 16 fortpflanzendes Licht wird nur in den äußeren der konzentrischen Wellenleiter 14 eingekoppelt. Analog wird das in den konzentrischen Wellenleitern 14 propagierende Licht nur in die nächst benachbarten Wellenleiter eingekoppelt. Die Abstände zwischen den Eingangs- und Ausgangswellenleitern 16 und 18 und dem äußeren der konzentrischen

Wellenleiter 14 und der Abstand zwischen den konzentrischen Wellenleitern 14 selbst liegen im Bereich von 4/U. Die Breite der Wellenleiter 14 beträgt ungefähr 4 /a und deren Höhe beträgt 6 Ai. Die Wellenleiter 14 haben ein Indexdifferential im Bereich von 0,01 bis 0,02 und einen niedrigen Verlust von weniger als 0,001 cm .

Licht, z. B. einer (nicht gezeigten)Laser-Lichtquelle,das sich in dem dielektrischen Eingangswellenleiter 16 fortpflanzt, wird in den äußeren der konzentrischen Wellenleiter 14 über die gedämpfte Wellenkopplung eingekoppelt. Während das Licht in dem äußeren der konzentrischen Wellenleiter 14 zirkuliert, wird ein Teil des Lichtes in den nächsten Wellenleiter 14 eingekoppelt. Dieser Vorgang setzt sich durch die gesamte Anordnung der konzentrischen Wellenleiter 14 fort. Das in die konzentrische Wellenleiteranordnung 14 eingekoppelte Licht wird sich selbst durch die Reihe der konzentrischen Ringe umverteilen und gegebenenfalls zum äußeren der konzentrischen Wellenleiter 14 zurückkehren. Ferner wird ebenfalls Licht von dem äußeren konzentrischen Wellenleiter 14 in den Ausgangswellenleiter 18 eingekoppelt und anschließend weiterverarbeitet.

Bei einem Aufbau mit N Wellenleitern, wie den in Fig. 1 gezeigten konzentrischen Ringen 14, ergeben sich N normale Moden für das innerhalb der konzentrischen Wellenleiter 14 zirkulierende Licht. Die ursprüngliche Verteilung von normalen Moden entsteht, wenn sich Licht in den konzentrischen Wellenleitern 14 ausbreitet. Um einen Verstärkungseffekt mit dem in die konzentrischen Wellenleiter 14 eintretenden Licht zu erreichen, so daß die Anordnung als Resonator arbeitet, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein. Einerseits muß in der

Anordnung konzentrischer Wellenleiter Licht in dem äußeren konzentrischen Wellenleiter 14- im Bereich der Eingangs- und Ausgangswellenleiter 16 bzw. 18 vorhanden sein. Andererseits muß das Licht in dem äußeren konzentrischen Wellenleiter 14 in Phase mit dem Licht in dem Eingangswellenleiter 16 schwingen. Die letztere Bedingung bedeutet einfach, daß der Umfang des äußeren konzentrischen Wellenleiters 14 gleich einem ganzen Vielfachen der Lichtwellenlänge entsprechen muß. Die erste Bedingung bedeutet, daß der Umfang des äußeren der konzentrischen Wellenleiter 14 ein ganzes Vielfaches der Kopplungslängen in dem Mehrkanal-Wellenleitersystem 10 betragen muß. Die Kopplungslänge ist eine Funktion der Wellenleiterparameter und des Abstand? zwischen den konzentrisch angeordneten Wellenleitern 14. Anders ausgedrückt: Um geeignete Wellenleiter-Fortpflanzungskonstanten ß₀ und Kopplungskonstanten K- zu erzielen, muß die Erzeugung von Anregungen so erfolgen, daß die N Anregungen konstruktiv miteinander interferieren, um die normalen Moden des Mehrkanal-Wellenleiterresonators 10 zu erzeugen. Unter diesen Bedingungen lauten die zum Erhalt der normalen Moden notwendigen Resonanzbedingungen:

β/Νρ) = η,, 7Γ K₁(Np) = n₂7T,

wobei die ganzen Zahlen n^. und n^ zueinander in Beziehung stehen und ρ der Umfang ist. Der Effekt der Normalmodenresonanz liegt darin, den Umfang des äußeren der konzentrischen Ringe 14 durch einen äquivalenten Umfang Np zu ersetzen, wodurch der freie spektrale Bereich um einen Faktor N reduziert wird, was zu einer höheren Empfindlichkeit der Anordnung führt, wenn der Mehrkanal-Wellenleiterresonator 10 z. B. als ein Rotationssensor verwendet wird. Dies ist

darin begründet, daß die effektive Resonatorhohlraumlänge der gedämpft gekoppelten konzentrischen Wellenleiter 14 um einen Faktor erhöht ist, der sich N, der Gesamtzahl der konzentrischen Wellenleiter 14, nähert.

Zum besseren Verständnis des hier beschriebenen Mehrkanal-Wellenleiterresonatorsystems 10 wird im folgenden als Beispiel eine Anordnung mit N = 2, d. h. mit zwei konzentrischen Wellenleitern erläutert. In diesem Fall bestehen die normalen Moden aus gleichen Feldamplituden in Jedem der beiden konzentrischen Wellenleiter, die entweder in Phase (gerade) oder außer Phase (ungerade) zueinander schwingen. Die Fortpflanzungskonstanten sind in diesem Fall β = β + K. Wenn Licht in den äußeren der konzentrischen Wellenleiter 14 eingekoppelt wird, oszilliert die Energie zwischen den beiden Kanälen. Der Umfang des äußeren Wellenleiters ist so gewählt, daß das gesamte Licht nach einem Umlauf in den inneren Ring eingeführt ist. Eine normale Mode kann existieren, wenn die richtige Phasenbeziehung zwischen dem inneren und dem äußeren Ring aufrechterhalten wird. Diese Bedingungen können ausgedrückt werden durch:

ß_Q 2p = (21^+1)1*; K2p = (2n₂+1)7T oder ( ß_Q + K)p = (n1+n2+1)7r * (^₀ - K) ρ = (n1-n2)7T . In diesem Fall besteht folgende Beziehung zwischen den ganzen

Zahlen n^ und n~:

= K

An dieser Stelle muß bemerkt werden, daß der erfindungsgemäße Mehrkanal-Wellenleiterresonator keine konzentrischen Wellenleiterringe , wie in Fig. 1 gezeigt_;aufweisen muß, sondern auch mit anderen sich wiederholenden Mustern ausgeführt sein kann. Es ist nur notwendig, daß die Wellenleiterringe geschlossen sind und so angeordnet sind, daß unmittelbar benachbarte Ringe gedämpft miteinander gekoppelt sind. Eine solcher alternativen Ausführungsformen ist in Pig· 3 gezeigt. In Fig. 3 sind drei kreisförmige Wellenleiter 30 übereinander gestapelt angeordnet. Zur vereinfachten Darstellung sind nur drei Wellenleiter gezeigt. Ein dielektrischer Eingangswellenleiter 32 und ein dielektrischer Ausgangswellenleiter 34 sind benachbart zu dem obersten kreisförmigen dielektrischen Wellenleiter 30 mit einem für eine schwache gedämpfte Kopplung angepaßten Abstand angeordnet. In dem dielektrischen Eingangswellenleiter 32 propagierendes Licht koppelt über eine gedämpfte Wellenkopplung in den obersten der konzentrischen Wellenleiter 30 ein. Das sich in dem obersten Wellenleiter 30 fortpflanzende Licht wird sich durch die anderen beiden kreisförmigen Wellenleiter 30 umverteilen und gegebenenfalls zum obersten kreisförmigen Wellenleiter zurückkehren. Dieser Fall ist vollkommen analog zu dem in Verbindung mit Fig. 1 diskutierten Fall der konzentrischen Wellenleiter. Bei dieser Anordning ist also der effektive Umfang des Wellenleiters um einen Faktor 3 erhöht und die entsprechende Linienbreite bleibt unverändert, wobei wiederum angenommen wird, daß nur geringe Verluste auftreten. Wie bei der in Verbindung mit Fig. 1 diskutierten Ausführungsform sind die Abstände zwischen dem Eingangswellenleiter 32, dem Ausgangswellenleiter 34 und dem obersten kreisförmigen Ring 30 sowie die Abstände der kreisförmigen Wellenleiter 30 untereinander so gewählt, daß eine schwache oder nächste Nachbar gedämpfte Wellenkopplung stattfindet .

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Mit dem erfindungsgemäßen Mehrkanal-Wellenleiterresonator wird also die effektive Hohlraumlänge des optischen Resonators vergrößert. Die Empfindlichkeit des Wellenleiterresonators ist also bei Verwendung als ein Rotationssensor um ein Vielfaches größer als wenn nur eine Vorrichtung mit einem Wellenleiterring verwendet würde· Die erzielten Ergebnisse werden durch die Anordnung von mehreren voneinander eng beabstandeten Wellenleitern erhalten, zwischen denen eine gedämpfte Wellenkopplung stattfindet.

Die Erfindung betrifft nicht nur die hier dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern umfaßt auch alle dem Durchschnittsfachmann geläufigen Modifikationen und Abänderungen, die unter den Schutzbereich der Ansprüche fallen.

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- Leerseite

Claims

Ansprüche

Optischer Mehrkanal-Wellenleiterresonator gekennzeichnet durch

- einen dielektrischen Eingangswellenleiter (16) ,

- einen dielektrischen Ausgangswellenleiter (18), und

- mehrere gekoppelte dielektrische Wellenleiterringe (14-),

- wobei die Ein- und Ausgangswellenleiter (16, 18) mit einem der gekoppelten Wellenleiterringe (14) zum gedämpften Koppeln von Lichtwellen in diesen Welütenleiterring hinein und aus diesem heraus gekoppelt sind und

- wobei der jeweilige Umfang der Wellenleiterringe (14-) und deren Abstände zueinander zum gedämpften Koppeln untereinander so gewählt sind, daß das Licht im Eingangswellenleiter (16) durch das Licht in dem einen der Wellenleiterringe (14-) verstärkt wird.
2. Resonator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Ein- und Ausgangswellenleiter (16, 18) geradlinig sind·
3· Resonator nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wellenleiterringe (14-) schwach gekoppelt sind.

65-81-102-CM/Wa
4. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet,

daß die Anzahl der Wellenleiterringe (14) N beträgt, der äußere Wellenleiterring einen Umfang ρ hat und eine Fortpflanzungskonstante ß_Q und eine Kopplungskonstante K nach den Gleichungen

/3₀(N_p) = τι_ΛΤΐ und K(N_p) - n₂ 7Γ bestimmt sind, wobei n,, und np ganze Zahlen sind.
5. Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß N = 2 ist und ß_Q nach der Gleichung

2η.+1

ßo - ^K C SE^ >

bestimmt ist.
6. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5» *■ dadurch gekennzeichnet,

daß die dielektrischenWellenleiterringe aus dotiertem Plexiglas bestehen und auf einem Quarzsubstrat angeordnet sind.
7. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß der Umfang des äußeren Wellenleiterrings etwa 30 cm beträgt.
8. Resonator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet,

daß nur unmittelbar benachbarte Wellenleiterringe gedämpft miteinander gekoppelt sind.
9. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die dielektrischen Wellenleiterringe (14) konzentrisch angeordnet sind.
10. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

daß die gekoppelten Wellenleiterringe (14) kreisförmig sind.
11. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,

daß die Wellenleiterringe (14) aus einem verlustarmen elektromagnetischen Material bestehen.

"•ο"·
12. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 11,

dadurch gekennzeichnet, *

daß die Wellenleiterringe (14) aus Zinkoxid bestehen. ^
13. Optischer Mehrkanal-Wellenresonator, gekennzeichnet durch

- einen dielektrischen Eingangswellenleiter (32),

- einen dielektrischen Ausgangswellenleiter (34) und

- mehrere, in sich wiederholenden Mustern angeordnete Wellenleiter (30),

- wobei die Ein- und Ausgangswellenleiter (32, 34) so angeordnet sind, daß Licht in mindestens einen der Wellenleiter (30) des sich wiederholenden Musters hinein oder aus diesem heraus gedämpft gekoppelt wird und

- wobei die Parameter und die Anordnung der Wellenleiter in dem sich wiederholenden Muster zum gedämpften Koppeln untereinander so gewählt sind, daß das Licht in dem Ein-

gangswellenleiter (32) durch Licht in dem mindestens einen der Wellenleiter verstärkt wird.

14·. Resonator nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,

daß das sich wiederholende Muster von Wellenleitern einen Stapel gedämpft gekoppelter Wellenleiterringe (30) mit gleichem Durchmesser aufweist.