DE3501975C2

DE3501975C2 -

Info

Publication number: DE3501975C2
Application number: DE3501975A
Authority: DE
Inventors: John R. Scituate Mass. Us Haavisto
Original assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Current assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 1984-03-02
Filing date: 1985-01-22
Publication date: 1991-12-19
Also published as: FR2560717B1; DE3501975A1; US4630885A; FR2560717A1; GB2155624A; JPS60247606A; GB8424423D0; JPH0583882B2; GB2155624B

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Mehrkanal-Wellen leiterresonator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und des Anspruchs 13. Ein solcher Wellenleiterresonator ist aus der WO 83/02 168 bekannt.

Es ist z. B. bekannt, passive optische Ringresonatoren als Rotationssensoren zum sehr genauen Bestimmen von Drehbe wegungen als einen Bestandteil von Trägheitsnavigationssy stemen zu verwenden. Die Empfindlichkeit solcher Vorrich tungen, in denen Licht in einem Ring zirkuliert, hängt di rekt von der effektiven Hohlraumlänge oder dem Umfang des Rings ab. Theoretisch haben deshalb Ringe mit größerem Um fang eine größere Empfindlichkeit. Bei einem Einringreso nator führt jedoch die Vergrößerung der effektiven Hohl raumlänge durch die Vergrößerung des Umfangs zu einem räumlichen größeren Sensor, was einen großen Nachteil dar stellt, wenn der Rotationssensor in Flugzeugen verwendet wird.

Die WO 83/02 168 zeigt einen optischen Mehrkanal-Wellen leiterresonator mit einem dielektrischen Eingangswellen leiter und einem dielektrischen Ausgangswellenleiter. Da rüber hinaus sind offene Wellenleiteranordnungen vorge sehen. Diese sind nicht geeignet die effektive Hohlraum länge gegenüber dem tatsächlichem Umfang des Wellenlei ters wesentlich zu erhöhen. Ebenfalls wird die Empfind lichkeit des Resonators nicht wesentlich erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen passiven Wellenleiterresonator anzugeben, dessen effektive Hohl räumlänge gegenüber dem tatsächlichem Umfang des Wellen leiterresonators um ein Vielfaches erhöht ist und dessen Empfindlichkeit gegenüber einem optischen Einkanalwellen leiterresonator wesentlich erhöht ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 13 gelöst.

Der optische Mehrkanalwellenleiterresonator weist einen Eingangswellenleiter, einen Ausgangswellenleiter und meh rere in sich wiederholenden Mustern angeordnete Wellen leiterringe auf. Die Wellenleiterringe können jede denk bare geschlossene Form wie z. B. eine Kreis-, Ellipsen-, Quadrat-Form haben, oder eine unregelmäßig geformte ge schlossene Kurve bilden. Die Eingangs- und Ausgangswel lenleiter sind so angeordnet, daß ein gedämpftes Koppeln von Licht in mindestens einen der Wellenleiter der sich wiederholenden Muster hinein oder aus diesem heraus statt findet. Der Umfang und die Anordnung der jeweiligen Wel lenleiterringe 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 Eingangswellen leiter durch Licht in dem mindestens einen Wellenleiter in dem sich wiederholenden Muster verstärkt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die sich wieder holenden Muster mehrere konzentrische dielektrische Wellen leiter auf, deren jeweiliger Umfang und deren Beabstandung untereinander so gewählt sind, daß zwischen ihnen eine ge dämpfte Kopplung stattfindet. Bei dieser Ausführungsform sind der dielektrische Eingangswellenleiter und der dielek trische Ausgangswellenleiter geradlinig ausgebildet und zu dem äußeren der konzentrischen Wellenleiter angerodnet, um Licht in den äußeren der konzentrischen Wellenleiter ge dämpft ein- und auszukoppeln. Die konzentrischen Wellenlei ter sind schwach miteinander gekoppelt, d.h. im wesent lichen sind nur unmittelbar benachbarte konzentrische Wellen leiter 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 ge stapelt anstelle einer zueinander konzentrischen Anordnung.

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

Fig. 1 eine Ausführungsform des Mehrkanal-Wellen leiterresonators mit konzentrisch zueinan der angeordneten Wellenleitern,

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

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

Die Funktionsweise eines optischen Mehrkanal-Wellenleiter resonators 10 basiert auf der synchronen Erregung der nor malen Moden der konzentrischen Wellenleiteranordnung 12 des Wellenleiterresonators 10. Die Wellenleiteranordnung 12 weist N konzentrisch zueinander angeordnete Wellenleiter ringe 14 auf. Ferner weist der Wellenleiterresonator gerad linige Ein- und Ausgangswellenleiter 16 bzw. 18 auf. Die dielektrischen Wellenleiter 14, 16 und 18 werden vorzugs weise aus verlustarmen Material, wie z. B. Zinkoxid herge stellt und auf einem Glassubstrat 20 (Fig. 2) angeordnet. Die Wellenleiter können ebenso aus dotiertem Plexiglas be stehen. Jeder der Wellenleiter 14, 16 und 18 stellt somit einen optischen, zum Transport von optischer Strahlung ge eigneten Leiter dar. Die Abstände zwischen dem geradlinigen Eingangs- bzw. Ausgangswellenleiter 16 bzw. 18 und dem äuße ren der konzentrischen Wellenleiter 14 sind so gewählt, daß diese Wellenleiter schwach miteinander gekoppelt sind. Eben so sind die konzentrischen Wellenleiter 14 untereinander schwach gekoppelt. Dies wird durch eine Beabstandung er reicht, die sicherstellt, daß die abklingenden Felder sich nur schwach überlappen, was nur zu einer nächsten Nachbar wechselwirkung führt. Das heißt, sich in dem Eingangswellen leiter 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 einge koppelt. Die Abstände zwischen den Eingangs- und Ausgangs wellenleitern 16 und 18 und dem äußeren der konzentrischen Wellenleiter 14 und der Abstand zwischen den konzentri schen Wellenleitern 14 selbst liegen im Bereich von 4 µm. Die Breite der Wellenleiter 14 beträgt ungefähr 4 µm und deren Höhe beträgt 6 µm. Die Wellenleiter 14 haben ein In dexdifferential im Bereich von 0,01 bis 0,02 und einen niedrigen Verlust von weniger als 0,001 cm^-1.

Licht, z. B. einer (nicht gezeigten) Laser-Lichtquelle, das sich in dem dielektrischen Eingangswellenleiter 16 fort pflanzt, 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 Wellen leiter 14 eingekoppelt. Dieser Vorgang setzt sich durch die gesamte Anordnung der konzentrischen Wellenleiter 14 fort. Das in die konzentrische Wellenleiteranordnung 14 einge koppelte Licht wird sich selbst durch die Reihe der konzen trischen 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 ge zeigten konzentrischen Ringen 14. ergeben sich N normale Moden für das innerhalb der konzentrischen Wellenleiter 14 zirkulierende Licht. Die ursprüngliche Verteilung von nor malen 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. Anderer seits muß das Licht in dem äußeren konzentrischen Wellen leiter 14 in Phase mit dem Licht in dem Eingangswellen leiter 16 schwingen. Die letztere Bedingung bedeutet ein fach, daß der Umfang des äußeren konzentrischen Wellenlei ters 14 gleich einem ganzen Vielfachen der Lichtwellenlänge entsprechen muß. Die erste Bedingung bedeutet, daß der Um fang des äußeren der konzentrischen Wellenleiter 14 ein gan zes Vielfaches der Kopplungslängen in dem Mehrkanal-Wellen leitersystem 10 betragen muß. Die Kopplungslänge ist eine Funktion der Wellenleiterparameter und des Abstands zwischen den konzentrisch angeordneten Wellenleitern 14. Anders aus gedrückt: Um geeignete Wellenleiter-Fortpflanzungskonstanten β₀ und Kopplungskonstanten K_i zu erzielen, muß die Erzeugung von Anregungen so erfolgen, daß die N Anregungen konstruktiv miteinander interferieren, um die normalen Moden des Mehr kanal-Wellenleiterresonators 10 zu erzeugen. Unter diesen Bedingungen lauten die zum Erhalt der normalen Moden not wendigen Resonanzbedingungen:

β₀(Np) = n₁π K_i(Np) = n₂π,

wobei die ganzen Zahlen n₁ und n₂ zueinander in Beziehung stehen und p der Umfang ist. Der Effekt der Normalmoden resonanz liegt darin, den Umfang des äußeren der konzentri schen Ringe 14 durch einen äquivalenten Umfang Np zu er setzen, wodurch der freie spektrale Bereich um einen Fak tor N reduziert wird, was zu einer höheren Empfindlichkeit der Anordnung führt, wenn der Mehrkanal-Wellenleiterresonantor 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 Bei spiel eine Anordnung mit N = 2, d.h. mit zwei konzentri schen 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_± = β₀ ± K. Wenn Licht in den äußeren der konzentrischen Wellenleiter 14 eingekoppelt wird, oszilliert die Energie zwischen den beiden Kanälen. Der Umfang des äußeren Wellen leiters ist so gewählt, daß das gesamte Licht nach einem Um lauf 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:

β₀ 2p = (2n₁ + 1)π; K2p = (2n₂ + 1)π oder

(β₀ + K)p = (n₁ + n₂ + 1)π; (β₀ - K)p = (n₁ - n₂)π.

In diesem Fall besteht folgende Beziehung zwischen den ganzen Zahlen n₁ und n₂:

β₀ = K (2n₁ + 1) / (2n₂ + 1).

An dieser Stelle muß bemerkt werden, daß der erfindungs gemäße Mehrkanal-Wellenleiterresonator keine konzentrischen Wellenleiterringe, wie in Fig. 1 gezeigt, aufweisen muß, sondern auch mit anderen sich wiederholenden Mustern aus geführt sein kann. Es ist nur notwendig, daß die Wellen leiterringe geschlossen sind und so angeordnet sind, daß unmittelbar benachbarte Ringe gedämpft miteinander gekoppelt sind. Eine solcher alternativen Ausführungsformen ist in Fig. 3 gezeigt. In Fig. 3 sind drei kreisförmige Wellen leiter 30 übereinander gestapelt angeordnet. Zur verein fachten Darstellung sind nur drei Wellenleiter gezeigt. Ein dielektrischer Eingangswellenleiter 32 und ein dielek trischer Ausgangswellenleiter 34 sind benachbart zu dem ober sten kreisförmigen dielektrischen Wellenleiter 30 mit einem für eine schwache gedämpfte Kopplung angepaßten Abstand an geordnet. In dem dielektrischen Eingangswellenleiter 32 pro pagierendes 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 kon zentrischen Wellenleiter. Bei dieser Anordnung ist also der effektive Umfang des Wellenleiters um einen Faktor 3 erhöht und die entsprechende Linienbreite bleibt unverändert, wo bei wiederum angenommen wird, daß nur geringe Verluste auf treten. Wie bei der in Verbindung mit Fig. 1 diskutierten Ausführungsform sind die Abstände zwischen dem Eingangs wellenleiter 32, dem Ausgangswellenleiter 34 und dem ober sten kreisförmigen Ring 30 sowie die Abstände der kreisför migen Wellenleiter 30 untereinander so gewählt, daß eine schwache oder nächste Nachbar gedämpfte Wellenkopplung statt findet.

Mit dem erfindungsgemäßen Mehrkanal-Wellenleiterresonator wird also die effektive Hohlraumlänge des optischen Resona tors vergrößert. Die Empfindlichkeit des Wellenleiterresona tors 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 be abstandeten Wellenleitern erhalten, zwischen denen eine gedämpfte Wellenkopplung stattfindet.

Claims

1. Optischer Mehrkanal-Wellenleiterresonator mit einem dielektrischen Eingangswellenleiter (16) und einem dielektrischen Ausgangswellenleiter (18) gekennzeichnet durch

- mehrere, geschlossene, gekoppelte dielektrische Wel lenleiterringe (14),
- wobei die Ein- und Ausgangswellenleiter (16, 18) mit einem der gekoppelten Wellenleiterringe (14) zum ge dämpften Koppeln von Lichtwellen in diesen Wellenlei terring 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 aus dem Eingangswellenleiter (16) durch das Licht in dem ei nen der Wellenleiterringe (14) verstärkt wird.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Ausgangswellenleiter (16, 18) geradli nig sind.

3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterringe (14) schwach gekoppelt sind.

4. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Wellenleiterringe (14) N beträgt, der äußere Wellenleiterring einen Umfang p hat und eine Fortpflanzungskonstante β₀ und eine Kopplungskonstante K nach den Gleichungen β₀(N_p) = n₁π und K(N_p) = n₂πbestimmt sind, wobei n₁ und n₂ ganze Zahlen sind.

5. Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß N = 2 ist und β₀ nach der Gleichung bestimmt ist.

6. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Wellenleiterringe aus dotiertem Plexiglas bestehen und auf einem Quarzsubstrat angeord net 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 ge dämpft miteinander gekoppelt sind.

9. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Wellenleiterringe (14) konzen trisch 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 Material bestehen.

12. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterringe (14) aus Zinkoxid bestehen.

13. Optischer Mehrkanal-Wellenleiterresonator mit einem dielektrischen Eingangswellenleiter (32) und einem dielektrischen Ausgangswellenleiter (34) gekennzeichnet durch

- mehrere, in sich wiederholenden Mustern angeordnete, geschlossene, gekoppelte dielektrische Wellenleiter (30),
- wobei die Ein- und Ausgangswellenleiter (32, 34) so angeordnet sind, daß Licht in mindestens einen der geschlossenen Wellenleiter (30) des sich wiederho lenden Musters hinein und aus diesem heraus gedämpft gekoppelt wird und
- wobei die Parameter und die Anordnung der geschlos senen Wellenleiter in dem sich wiederholenden Muster zum gedämpften Koppeln untereinander so gewählt sind, daß das Licht aus dem Eingangswellenleiter (32) durch Licht in dem mindestens einen der ge schlossenen 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.