DE3852842T2

DE3852842T2 - Fiberoptischer, zwischen Moden koppelnder Einseitenband-Frequenzumsetzer.

Info

Publication number: DE3852842T2
Application number: DE3852842T
Authority: DE
Inventors: James N Blake; Helge E Engan; Byoung Y Kim; Herbert J Shaw
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1987-05-11
Filing date: 1988-04-28
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2008-04-29
Also published as: EP0291200A2; DE3852842D1; US4832437A; EP0291200A3; EP0291200B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf faseroptische Vorrichtungen und insbesondere auf Vorrichtungen, die Lichtenergie von einem optischen Signal, das in eine optische Faser in einer Mode bei einer Frequenz eingespeist wird, auf eine andere Mode bei einer verschobenen Frequenz koppeln.

Hintergrund der Erfindung

Faseroptische Frequenzumsetzer oder -verschieber sind Vorrichtungen, die für eine Vielzahl faseroptischer Sensor- und Signalverarbeitungsanwendungen nützlich sind, wie beispielsweise in faseroptischen Gyroskopen und dergleichen. Es wurde gezeigt, beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung 84 308 010.2, die am 20. November 1984 eingereicht und am 12. Juni 1985 unter der Veröffentlichungsnummer 0 144 190 veröffentlicht wurde und die auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, daß Licht, das in einer Ausbreitungsmode einer Faser ausgesendet wird, auf eine andere Ausbreitungsmode gekoppelt und durch die Ausbreitung einer akustischen Welle entlang der Länge der Faser zur Erzeugung einer periodischen Dehnung der Faser in der Frequenz verschoben werden kann. Das Licht wird in der Frequenz um einen Betrag gleich der Frequenz der akustischen Welle verschoben.
Wie in der oben genannten parallel anhängigen Anmeldung dargestellt wurde, wird Licht, das in einer ersten Ausbreitungsmode in der Faser mit einer ersten Phasengeschwindigkeit und mit einer ersten Frequenz wandert, in eine zweite Ausbreitungsmode bei einer zweiten Phasengeschwindigkeit gekoppelt, die größer ist als die erste Phasengeschwindigkeit, und in der Frequenz nach unten verschoben, wenn sich die akustische Welle entlang der Faser in der gleichen Richtung ausbreitet, in der sich ein optisches Signal durch die Faser ausbreitet. In ähnlicher Weise wird das Licht in eine langsamere Ausbreitungsmode bei einer höheren Frequenz gekoppelt, wenn sich das Licht ursprünglich in einer schnelleren Ausbreitungsmode in der Faser ausbreitet. Wenn sich andererseits die akustische Welle entlang der Faser in einer Richtung ausbreitet, die der Richtung entgegengesetzt ist, in der sich ein optisches Signal durch die Faser ausbreitet, wird Licht, das in einer langsameren Ausbreitungsmode wandert, in eine schnellere Ausbreitungsmode gekoppelt und in der Frequenz nach oben verschoben. In ähnlicher Weise wird Licht, das in einer schnelleren Ausbreitungsmode entgegengesetzt zu der Richtung der Ausbreitung einer akustischen Welle wandert, in eine langsamere Ausbreitungsmode gekoppelt und in der Frequenz nach unten verschoben.
Damit eine optimale Kopplung in dem in der oben genannten parallel anhängigen Anmeldung beschriebenen Frequenzverschieber auftritt, sollten die akustischen Wellenlängen in der Ausbreitungsrichtung des optischen Signals durch die Faser im wesentlichen gleich der Schwebungslänge eines optischen Signals sein, das durch die Faser wandert. Wie bekannt ist, wandert Licht mit einer unterschiedlichen Phasengeschwindigkeit für jede der verschiedenen Ausbreitungsmoden durch die Faser, wenn das Licht in mehr als einer Ausbreitungsmode durch eine Faser wandert. Licht, das in der langsameren Ausbreitungsmode wandert, wandert mit einer niedrigeren Phasengeschwindigkeit als Licht in einer schnelleren Ausbreitungsmode. Somit hat ein Lichtsignal, das eine feste Frequenz hat, in der schnelleren Ausbreitungsmode eine größere Wellenlänge als in der langsameren Ausbreitungsmode. Während sich das Licht entlang der Länge der Faser ausbreitet, entwickelt sich daher eine Phasendifferenz zwischen dem Licht in den zwei Moden. In räumlich periodischen Abständen befindet sich das Licht in den zwei Moden in Phase. Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Stellen, an denen das Licht in Phase ist, wird als die Schwebungslänge der Faser für die zwei Moden bei einer bestimmten Frequenz bezeichnet.
Für die in der oben genannten parallel anhängigen Anmeldung beschriebenen Vorrichtungen ist es die Schwebungslänge, die zu der akustischen Wellenlänge passen muß, um eine optische Kopplung der Energie zwischen den Moden zu erzielen. Das Licht, das sich entlang einer Faser in einer Ausbreitungsmode ausbreitet, wird in Licht umgewandelt, das sich in einer zweiten Ausbreitungsmode ausbreitet, indem eine periodische, wandernde Wellenkompressionskraft entlang eines Abschnitts der Länge der Fasern aufgebracht wird. Eine ausführlichere Beschreibung dieser Technik findet sich in "Single-Sideband Frequency Shifting in Birefringent Optical Fiber", W.P. Risk, et al, SPIE Vol. 478 - Fiber Optic and Laser Sensors II (1984), Seiten 91 - 97.
In der europäischen Patentanmeldung Nr. 87 300 269.5, die am 13. Januar 1987 eingereicht wurde, aber noch nicht veröffentlicht ist, und die auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, wurde darüber hinaus ein verbessertes Verfahren zur Frequenzverschiebung eines optischen Signals offenbart, das sich in einer optischen Multimodenfaser ausbreitet. Die in der oben genannten parallel anhängigen Anmeldung offenbarte Erfindung gestattet eine effizientere Verwendung der in die Faser eingespeisten Energie zur Bewirkung der Kopplung und hat eine größere optische Bandbreite, wodurch ein größerer Frequenzbereich möglich wird.
Die in der europäischen Patentanmeldung Nr. 87 300 269.5 offenbarte Erfindung enthält eine optische Multimodenfaser, die zwei räumliche Ausbreitungsmoden hat. Ein optisches Signal wird in einer der zwei Ausbreitungsmoden in die Faser eingespeist. Eine Modulationsenergiequelle wird an einen Abschnitt der Faser angelegt, um periodisch Mikrokrümmungen in der Faser zu bilden, um eine Biegewelle einer ersten Ordnungsgruppe zu induzieren, die sich entlang der Länge der Faser in der Form wandernder Mikrokrümmungen ausbreitet, die eine Mikrokrümmungsausbreitungsgeschwindigkeit haben. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Frequenz der Mikrokrümmungswelle werden derart ausgewählt, daß eine Mikrokrümmungsausbreitungskonstante vorliegt, die im wesentlichen gleich der Differenz der Ausbreitungskonstanten der zwei Ausbreitungsmoden für das innerhalb der Faser wandernde optische Signal ist. Somit ist die Ausbreitungswellenlänge der wandernden Mikrokrümmungswelle im wesentlichen gleich der Schwebungslänge zwischen den zwei Ausbreitungsmoden des optischen Signals innerhalb der Faser. Der zusätzliche Effekt davon, daß die Mikrokrümmungen die Mikrokrümmungswelle enthalten, besteht darin, daß ein in die optische Faser bei einer ersten Frequenz in einer der zwei Ausbreitungsmoden eingespeistes optisches Signal mit einem optischen Signal in der anderen der zwei Ausbreitungsmoden bei einer zweiten Frequenz gekoppelt wird, die entweder die Summe von oder die Differenz zwischen der ersten Frequenz und der Frequenz der wandernden Mikrokrümmung ist.
Wie in den in der europäischen Patentanmeldung Nr. 87 300 269.5 offenbarten Vorrichtungen dargestellt ist, kann das optische Signal entweder in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode niedrigerer Ordung oder einer Ausbreitungsmode höherer Ordnung (z.B. LP&sub1;&sub1;) in die optische Faser eingespeist werden. Wenn sich die periodische Mikrokrümmungswelle entlang der Länge der Faser in der gleichen Richtung ausbreitet, in der sich das optische Signal in der Faser ausbreitet, wird die optische Energie in der LP&sub0;&sub1;-Mode erster Ordnung bei einer ersten Phasengeschwindigkeit in eine Mode höherer Ordnung (z.B. die LP&sub1;&sub1;-Mode) bei einer höheren Phasengeschwindigkeit gekoppelt und in der Frequenz von der ersten Frequenz auf eine zweite Frequenz nach unten verschoben, die niedriger ist als die erste Frequenz. Die zweite Frequenz ist gleich der Differenz zwischen der ersten Frequenz und der Frequenz der periodischen Mikrokrümmungswelle. Wenn die optische Energie in die Faser in der LP&sub1;&sub1;-Mode zweiter Ordnung eingespeist wird und sich in der gleichen Richtung ausbreitet wie die Ausbreitung der periodischen Mikrokrümmungswelle, wird optische Energie von der LP&sub1;&sub1;-Mode zweiter Ordnung in die LP&sub0;&sub1;-Mode erster Ordnung gekoppelt, mit einer Verschiebung der Frequenz nach oben in eine zweite Frequenz und einer entsprechenden Abnahme der Phasengeschwindigkeit. Die zweite Frequenz ist in diesem Fall gleich der Summe der ersten Frequenz und der Frequenz der periodischen Mikrokrümmungswelle.
Wenn die optische Energie in die Faser eingespeist wird und sich in der entgegengesetzten Richtung wie die Ausbreitungsrichtung der periodischen Mikrokrümmungswelle ausbreitet, wird andererseits optische Energie, die bei einer ersten Frequenz in die LP&sub1;&sub1;-Mode höherer Ordnung eingespeist wird, in die LP&sub0;&sub1;-Mode erster Ordnung bei einer zweiten Frequenz gekoppelt, die niedriger ist als die erste Frequenz, wobei die Phasengeschwindigkeit abnimmt. Die zweite Frequenz ist gleich der ersten Frequenz abzüglich der Frequenz der wandernden periodischen Mikrokrümmungswelle. In ähnlicher Weise wird optische Energie, die bei einer ersten Frequenz in der LP&sub0;&sub1;-Mode erster Ordnung in die Faser eingespeist wird und sich in einer Richtung entgegengesetzt zu der Ausbreitungsrichtung der wandernden Mikrokrümmungswelle ausbreitet, von der LP&sub0;&sub1;-Mode erster Ordnung in die LP&sub1;&sub1;-Mode zweiter Ordnung gekoppelt und in der Frequenz von der ersten Frequenz in eine zweite Frequenz nach oben verschoben, die gleich der Summe der ersten Frequenz und der Frequenz der periodischen Mikrokrümmung ist, wobei die Phasengeschwindigkeit erhöht wird. Die europäische Patentanmeldung Nr. 87 300 269.5 wird durch Bezugnahme darauf hier aufgenommen.
Obwohl die in der europäischen Patentanmeldung Nr. 87 300 269.5 offenbarte Erfindung ein effizientes Verfahren zur Verschiebung der Frequenz eines optischen Signals schafft, das sich in einer optischen Multimodenfaser ausbreitet, wurde gefunden, daß sie für die Verschiebung eines optischen Signals in einer doppelbrechenden optischen Einzelmodenfaser mangelhaft ist, die Licht in zwei verschiedenen Polarisationsmoden ausbreitet. Es entstand somit das Bedürfnis für ein Verfahren zur Verschiebung der Frequenz eines optischen Signals, das sich in einer doppelbrechenden optischen Einzelmodenfaser ausbreitet, sowie für eine Vorrichtung dafür, die über einen weiten Bereich optischer Frequenzen und über einen weiten Bereich von Modulationsfrequenzen arbeitet.
Optics Letters, Vol. 11, No. 6, Juni 1986, B.Y. Kim et al, "All-fiber acousto-optic frequency shifter", Seiten 389 - 391, offenbart eine Multimodenfaser mit einer Biegewellenausbreitung erster Ordnung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber bekannten Verfahren zur Verschiebung der Frequenz eines optischen Signals, das sich in einer optischen Faser ausbreitet, insbesondere in einer optischen doppelbrechenden Einzelmodenfaser.
Die vorliegende Erfindung besteht aus der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und dem Verfahren gemäß Patentanspruch 17, und sie bewirkt eine effizientere Verwendung der in die Faser zur Bewirkung der Kopplung eingespeisten Energie.
Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung eine größere optische Bandbreite haben und ist somit über einen größeren Frequenzbereich einsetzbar.
Das periodische seitliche Paar von Quetschkräften hat die Wirkung eines zentripetalen Paars von Quetschkräften, wodurch bewirkt wird, daß sich die Biegewelle zweiter Ordnung innerhalb der Faser ausbreitet. Vorzugsweise ist die zentripetale Quetschkraft unter einem Winkel von im wesentlichen 45º bezüglich der Achsen der Doppelbrechung der optischen doppelbrechenden Einzelmodenfaser ausgerichtet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Frequenz der wandernden Biegewelle werden so ausgewählt, daß eine Ausbreitungskonstante der wandernden Biegewelle vorliegt, die im wesentlichen gleich der Differenz der Ausbreitungskonstanten der zwei Ausbreitungsmoden für das optische Signal ist, das innerhalb der Faser wandert. Somit ist die Ausbreitungswellenlänge der wandernden Biegewelle im wesentlichen gleich der Schwebungslänge zwischen den zwei Ausbreitungsmoden des optischen Signals innerhalb der Faser. Der zusätzliche Effekt davon, daß die Quetschkräfte die wandernde Quetschwelle aufweisen, bewirkt, daß ein in die optische Faser bei einer ersten Frequenz in einer der zwei Ausbreitungsmoden eingespeistes optisches Signal mit einem optischen Signal in der anderen der zwei Ausbreitungsmoden bei einer zweiten Frequenz gekoppelt wird, die entweder die Summe von oder die Differenz zwischen der ersten Frequenz und der Frequenz der wandernden Biegewelle ist.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, daß sie über einen weiten Bereich optischer Frequenzen und über einen weiten Bereich von Modulationsfrequenzen arbeitet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die periodische Quetschwelle durch zwei Hörner in die Faser eingespeist, die an diametral gegenüberliegenden Stellen an der Faser mit einem Abschnitt der Faser verbunden sind. Die Hörner schwingen bei einer Frequenz, die derart ausgewählt wird, daß eine Serie periodischer Quetschkräfte erzeugt wird, die eine Ausbreitungskonstante haben, die im wesentlichen gleich der Differenz in den Ausbreitungskonstanten der zwei Ausbreitungsmoden in der optischen Faser ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Hörner akustische Hörner, die über einen Quarzglasstab an die optische Faser gekoppelt sind. Der Quarzglasstab jedes akustischen Horns hat ein erstes Ende, das im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die optische Faser hat und das nur zu einer Seite der optischen Faser hin verschmolzen ist. Der Quarzstab hat ein zweites Ende, das wesentlich größer ist als das erste Ende und an dem ein piezoelektrischer Wandler (PZT) angebracht ist. Wenn ein elektrisches Signal an den PZT angelegt wird, breitet sich eine akustische Welle von dem zweiten Ende des Quarzstabs zu dem ersten Ende hin aus und bewirkt somit, daß eine Schwingung in die optische Faser induziert wird. Die von den zwei akustischen Hörnern induzierten Schwingungen erzeugen ein Paar von Quetschkräften auf die optische Faser. Die Quetschwelle breitet sich von dem ersten Ende des Quarzstabs weg als eine Serie periodischer Quetschwellen in der optischen Faser aus.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle entlang der Lange der Faser ist abhängig von den Querschnittsabmessungen der optischen Faser. Somit ist die Wellenlänge der akustischen Welle abhängig von den Querschnittsabmessungen der Faser sowie von der akustischen Frequenz. In alternativen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung hat die optische Faser in dem Frequenzverschieber Querschnittsabmessungen, die entlang der Länge der Faser variieren. Die Faser weist somit mehrere verschiedene Stellen auf, wobei die Frequenz der akustischen Welle, die eine Wellenlänge hat, die zu der optischen Schwebungslänge paßt, entsprechend den Querschnittsabmessungen variiert. Dieses ermöglicht, daß die akustische Frequenz variiert wird, während ein Bereich auf der Faser geschaffen wird, in dem eine wesentliche Kopplung für jede der Frequenzen auftritt.
Eine Querschnittsabmessung der optischen Faser kann vorteilhafterweise in diskreten Schritten variiert werden, um mehrere Faserabschnitte zu schaffen, die Kopplungsbereiche definieren. Ein erster Abschnitt hat vorzugsweise einen größeren äußeren Durchmesser als ein zweiter Bereich, so daß eine wandernde Biegewelle bei einer ersten akustischen Frequenz eine erste akustische Geschwindigkeit in dem ersten Abschnitt entsprechend einer akustischen Wellenlänge hat, die zu der optischen Schwebungslänge in der Faser paßt, und so daß eine wandernde Biegewelle bei einer zweiten Frequenz im wesentlichen die gleiche akustische Wellenlänge in dem zweiten Abschnitt der Faser hat und somit ebenfalls zu der optischen Schwebungslänge paßt. Ein optisches Signal in der Faser kann wahlweise in der Frequenz verschoben werden, indem die akustische Frequenz der wandernden Biegewellen ausgewählt wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das akustische Horn vorzugsweise ein längliches Element mit einem Hohlraum in der Nähe des größeren Endes, um eine Ausbreitung resonanter Moden in dem länglichen Element zu unterdrücken. Der Hohlraum kann vorteilhafterweise mit einem akustischen Dämpfungsmaterial gefüllt sein.
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verständlicher.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer zwischen zwei Platten eingequetschten doppelbrechenden Faser.
Fig. 2a und 2b zeigen den Effekt der Quetschkräfte auf die Achsen der Doppelbrechung der Faser aus Fig. 1.
Fig. 3 zeigt ein ω-k Diagramm, in dem die Frequenz ω als eine Funktion der Ausbreitungskonstante k für die in die Faser aus Fig. 1 abgegebenen akustischen und optischen Wellen dargestellt ist.
Fig. 4a ist eine perspektivische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, das so gebildet ist, daß die wandernde Biegewelle zweiter Ordnung in der optischen Faser erzeugt wird, wobei die Biegewelle zweiter Ordnung durch zwei akustische Hörner in die Faser induziert wird, die eine seitliche, d.h. zentripetale Quetschkraft auf die Faser ausüben.
Fig. 4b zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei der Generator der Biegewellen zweiter Ordnung aus zwei Stapeln von PZTs besteht, die eine seitliche oder zentripetale Quetschkraft auf die Faser ausüben.
Fig. 5 ist eine Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, die ein akustisches Horn mit einem Hohlraum zur Unterdrückung resonanter Moden zeigt.
Fig. 6 ist eine bildliche Darstellung, die die räumliche Verschiebung des Querschnitts der Faser darstellt, die durch die Ausbreitung einer Biegewelle zweiter Ordnung innerhalb der Faser erzeugt wird.
Fig. 7 ist eine bildliche Darstellung, die die räumlichen Verschiebungen in einer Faser darstellt, die durch die Ausbreitung einer Biegewelle zweiter Ordnung entlang der Länge der Faser erzeugt werden.
Fig. 8a zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das eine optische Faser verwendet, die mehrere Abschnitte unterschiedlicher Radien hat, um Wechselwirkungsbereiche zu schaffen, die auf mehrere akustische Frequenzen reagieren.
Fig. 8b zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei sich der Radius der optischen Faser fortschreitend verändert.
Fig. 9a ist ein Diagramm des Kopplungswirkungsgrads ke als Funktion von a/LB für die Kopplung von Licht von einer Mode in die andere Mode durch Wechselwirkung mit einer wandernden akustischen Welle, die sich in der Faser ausbreitet.
Fig. 9b ist ein Diagramm der normalisierten Frequenz (synchrone Frequenz) von fLB/Cext als Funktion von a/LB.
Fig. 10a, 10b, 10c und 10d sind Diagramme der Phasengeschwindigkeit gegen fa/ct für Biegewellen, wobei die Modenzahl n gleich 2 für das Poisson-Verhältnis von 0,1, 0,2, 0,3 bzw. 0,4 ist.
Fig. 11 ist ein Diagramm berechneter Phasengeschwindigkeit gegen fa/ct für Biegewellen zweiter Ordnung, die sich in einer typischen Quarzglasfaser ausbreiten.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung

Eine ideale optische Faser mit perfekter zylindnscher Symmetrie hat zwei entartete fundamentale Moden, die orthogonal polarisiert sind. In tatsächlichen Fasern treten Asymmetrien auf, die die Entartung aufheben, wodurch häufig sogenannte "Einzelmoden"-Fasern "bimodal" gemacht werden. Geometrische Verformungen wie Knicke und Krümmungen sowie Materialinhomogenitäten können eine Kopplung zwischen diesen zwei Moden induzieren. Das Ergebnis ist es, daß, wenn linear polarisiertes Licht verwendet wird, um nur eine dieser zwei Moden anzuregen, ein Teil der Leistung in die andere Mode gekoppelt wird, wodurch der Polarisationszustand des Lichts in der Faser verändert wird. Diese Kopplung ist außerdem gegenüber Umgebungseinflüssen empfindlich, so daß der Polarisationszustand am Ausgang nicht nur von demjenigen am Eingang verschieden ist, sondern er kann sich auch in der Zeit verändern. In Systemen, in denen ein Signal durch Interferenztechniken detektiert wird, kann diese Veränderung des Polarisationszustands zu einem unerwünschten Signal-Fading führen. Die Beibehaltung eines bestimmten Polarisationszustands ist außerdem wichtig bei der Verbindung von Fasern mit einer integrierten Optik sowie bei nicht linearen Faseroptikanwendungen.
Ein Weg, diese Probleme zu umgehen, ist es, die Entartung absichtlich aufzubrechen. Die resultierende Differenz in den Ausbreitungskonstanten der zwei Moden bewirkt, daß die Kopplung zwischen den Polarisationen eliminiert wird. Eine derartige Faser wird "doppelbrechende" oder "polarisationserhaltende" Faser genannt. Die Asymmetrie, die benötigt wird, um die Entartung stark aufzubrechen, kann sich aus einer geometrischen Asymmetrie des Kerns der Faser, einer Asymmetrie des Brechungsindexprofils oder durch eine asymmetrische Spannung in der Faser ergeben.
Wie oben beschrieben wurde, trägt eine doppelbrechende Faser zwei orthogonal polarisierte Moden. Die Richtungen der linearen Polarisation dieser Moden werden die Hauptachsen der Faser genannt. Diese linear polarisierten Moden breiten sich unverändert in der Phase durch die Faser aus. Jedes andere Eingangssignal besteht aus einer Kombination dieser zwei Moden. Beispielsweise besteht Licht, das unter 45º zu den Hauptachsen linear polarisiert ist, aus einem gleichen Anteil beider Moden, die anfänglich in Phase sind. Wenn sich die zwei Moden durch die Faser ausbreiten, sammeln sie eine Phasendifferenz an, da ihre Ausbreitungskonstanten nicht gleich sind. Die Entfernung, die benötigt wird, eine Phasendifferenz von 2 π anzusammeln, wird die "Schwebungslänge" genannt und ist gegeben als LB = λ&sub0;/Δni, wobei λ&sub0; die optische Wellenlänge und Δni die Differenz im Brechungsindex für die zwei Polarisationen ist.
Wenn eine doppelbrechende Faser 100 zwischen flachen Platten 104, 106 unter einem Winkel φ zu der Achse Y gequetscht wird, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, verdreht die durch die Quetschung induzierte Doppelbrechung die Hauptachsen X, Y in dem belasteten Bereich und stört den Wert der Doppelbrechung. Unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Bedingungen kann gezeigt werden, daß der Winkel θ, um den sich die Hauptachsen X, Y drehen, und die gestörte Doppelbrechung Δn' gegeben sind durch:
wobei φ der Winkel relativ zu der Achse Y ist, unter dem der Druck aufgebracht wird, Δni die spezifische Doppelbrechung der Faser ist und Δnp die druckinduzierte Doppelbrechung ist. Der Wert von Δnp ist gegeben durch Δnp = an³Cf/2d, wobei a = 1.58 für runde Fasern, n ist der Brechungsindex, C = 3,36 x 10¹²m²/N, d ist der Faserdurchmesser, und f ist die auf die Faser ausgeübte Kraft pro Längeneinheit. Wenn der Druck bei 0º oder bei 90º aufgebracht wird, werden die Hauptachsen nicht verdreht und die Störung der Doppelbrechung ist der dominante Effekt. Wenn der Druck unter 45º aufgebracht wird, ist die Drehung der dominante Effekt und die Änderung der Doppelbrechung wird zweiter Ordnung.
Es wird jetzt Bezug genommen auf Fig. 2a, in der die Kopplung dargestellt ist, die durch das Quetschen einer optischen Faser 100 zwischen zwei Platten 104 und 106 induziert wird. Fig. 2b ist ein optisches Diagramm, das die zwei Polarisationskomponenten des optischen Signals in dem unbelasteten Bereich und dem belasteten Bereich zeigt.
In AA ist das optische Signal als linear entlang der Hauptachse Y polarisiert dargestellt. Innerhalb des belasteten Bereichs, der durch die Bezugsbuchstaben B und C begrenzt wird, kann es als eine Überlagerung von Komponenten entlang der verdrehten Hauptachsen X', Y' dargestellt werden (Abschnitt BB). Diese zwei Komponenten nehmen eine Phasendifferenz auf, während sie sich durch den belasteten Bereich ausbreiten, da sie aufgrund der Doppelbrechung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten wandern. Wenn der belastete Bereich eine Länge hat, die gleich der halben Schwebungslänge der optischen Faser ist, erhöht sich die Phase einer Komponente relativ zu der anderen um π Radian, wie es bei CC dargestellt ist. Wenn das Ende des belasteten Bereichs erreicht wird, wird das Licht in Komponenten entlang der unbelasteten Hauptachsen aufgelöst. Wie bei DD dargestellt ist, ist es das Ergebnis, daß ein Teil der Leistung, der sich ursprünglich in einer Polarisation befindet, an die andere übertragen wird. Eine vollständigere Beschreibung der Kopplung von Polarisationsmoden findet sich in dem Artikel von W. P. Risk et al mit dem Titel "Acoustic Fiber Optic Modulators", Ultrasonics Symposium, 1984.
Ein räumlich periodisches Belastungsmuster kann darüber hinaus eine Kopplung zwischen den zwei Polarisationsmoden induzieren.
Diese Leistungsübertragung ist nur kumulativ, wenn die räumliche Periode des Belastungsmusters der Schwebungslänge der Faser entspricht. Die Schwebungslänge ist definiert als LB = λ/(n&sub1; - n&sub2;), wobei λ die optische Wellenlänge und n&sub1; und n&sub2; die Brechungsindizes für die zwei Polarisationsmoden der Faser sind. Das Belastungsmuster bewirkt eine Kopplung am effektivsten, wenn es unter einem Winkel von ungefähr 45º relativ zu den Hauptachsen der Doppelbrechung der Faser aufgebracht wird. Eine detailliertere Beschreibung der Kopplung von Polarisationsmoden ist in dem Artikel von R. C. Youngquist et al offenbart, der den Titel trägt "Birefringent Fiber Polarization Coupler", Opties Letters, Vol. 8, Nr. 12, Seiten 656 bis 658, Dezember 1983.
Wenn das periodische Belastungsmuster durch eine wandernde akustische Welle erzeugt wird, wird die Frequenz des von einer Polarisationsmode in die andere gekoppelten Lichts durch die Frequenz der akustischen Welle verschoben. Eine frequenzverschobene Kopplung erfordert, daß die akustische Welle in geeigneter Weise in der Phase an das Schwebungsmuster der optischen Moden in der Faser angepaßt ist. Eine derartige Phasenanpassung tritt auf, wenn die entlang der Faserlänge gemessene akustische Wellenlänge gleich der Schwebungslänge LB für die Polarisationsmoden der Faser ist. Anders ausgedrückt ist die Phasenanpassungsbedingung erfüllt, wenn k&sub2; = k&sub1; + ka, wobei k&sub1; die optische Ausbreitungskonstante für Licht ist, das sieh in der schnelleren Mode der Faser ausbreitet (niedrigerer Brechungsindex), k&sub2; die Ausbreitungskonstante der langsameren Mode der Faser ist (höherer Brechungsindex), und ka die Ausbreitungskonstante der akustischen Welle ist, die sich in der Faser ausbreitet. Wenn die akustische Welle in der gleichen Richtung wandert wie das Licht, wird Licht, das in die schnelle Mode der Faser bei der Frequenz ω ausgesendet wird, in die langsame Mode gekoppelt und in der Frequenz auf ω + ωa nach oben verschoben (oberes Seitenband). Licht, das in die langsame Mode bei der Frequenz ω ausgesendet wird, wird in die schnelle Mode gekoppelt und in der Frequenz auf ω - ωa nach unten verschoben (unteres Seitenband). Wenn die Richtung der akustischen Welle umgekehrt wird, erscheint die nach oben verschobene Welle in der schnellen Mode und die nach unten verschobene Welle in der langsamen Mode. Diese Beziehungen können unter Verwendung des in Fig. 3 dargestellten ω - k- Diagramms leicht dargestellt werden. Eine detailliertere Beschreibung dieses Frequenzverschiebungsverfahrens findet sich in der parallel anhängigen europäischen Patentanmeldung EP 85 300 904.1, die unter der Veröffentlichungsnummer 0 153 124 am 28. August 1985 veröffentlicht wurde und den Titel trägt "Acousto-Optic Frequency Shifter". Dieses Dokument wurde auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen und es wird hier durch Bezugnahme darauf einbezogen. Die in dieser parallel anhängigen Anmeldung beschriebenen Vorrichtungen zeigen dieses Prinzip, indem sie akustische Oberflächenwellen und akustische Volumenwellen (bulk acoustic waves) verwenden, die sich in einem Medium außerhalb der Faser, aber in akustischem Kontakt mit der Faser ausbreiten.
Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die in den Fig. 4a und 4b dargestellt sind, verwenden akustische Biegewellen zweiter Ordnung, um eine Frequenzverschiebung in einer doppelbrechenden Faser zu erzeugen. Im allgemeinen breitet sich die Biegewelle zweiter Ordnung in einer Weise aus, die eine wandernde Quetschkraft auf die Faser ausübt und bewirkt, daß das Licht von einer Polarisationsmode in eine andere gekoppelt wird. In beiden Ausführungsbeispielen ist die akustische Welle darauf beschränkt, sich in der Faser auszubreiten. In einem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 4a gezeigt ist, wird die Biegewelle zweiter Ordnung durch zwei akustische Hörner 202 und 204 erzeugt, die an Stellen 212 bzw. 214 an der doppelbrechenden Faser 200 angebracht sind. Die doppelbrechende Faser kann wahlweise eine Faser mit einem elliptischen Kern sein.
Die akustischen Hörner 202 und 204 sind insbesondere derart ausgelegt, daß sie das oben beschriebene periodische Belastungsmuster erzeugen. Die akustischen Hörner 202, 204 in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind identisch und diametral gegenüberliegend angeordnet, wobei sie jeweils einen Stab aus Quarzglas aufweisen, der einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt über seine Länge hat. Das Horn 202 wird im folgenden detaillierter beschrieben, aber es ist zu berücksichtigen, daß das Horn 204 im wesentlichen die gleichen Merkmale und Eigenschaften wie das Horn 202 hat.
Ein erstes Ende 222 des Horns 202 hat einen Durchmesser, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Faser 200 ist. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Durchmesser der Faser 200 und des ersten Endes 222 des Horns 202 beispielsweise ungefähr gleich 100 um. Vorzugsweise sind das Horn 202 und die optische Faser 200 an der Stelle 212 miteinander verschmolzen, um einen guten akustischen Kontakt zwischen der Faser 200 und dem ersten Ende 222 des Horns 202 zu schaffen.
Das Horn 202 hat ein zweites Ende 232, das einen Durchmesser hat, der wesentlich größer ist als der Durchmesser des ersten Endes 222. Das zweite Ende 232 kann beispielsweise einen Durchmesser von ungefähr 2 mm haben. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Horn 202 aus einem Stab aus festem Quarzglas geformt, der einen anfänglichen Durchmesser von 2 mm oder mehr hat, wobei der Quarzstab in eine Form gezogen wird, die sich schrittweise von dem zweiten Ende 232 zu dem kleineren ersten Ende 222 verjüngt.
Ein Wandler 242 aus piezoelektrischem Material ist mit dem zweiten Ende 232 des Horns 202 in einer Weise verbunden, wie sie in Fachkreisen bekannt ist. Wenn ein elektrisches Signal, das schematisch durch einen Signalgenerator 310 dargestellt ist, an den PZT 242 angelegt wird, expandiert und kontrahiert sich der PZT 242 in den durch den doppelseitigen Pfeil 246 angegebenen Richtungen und erzeugt eine Serie akustischer Wellenfronten, die sich durch das Horn 202 von dem zweiten Ende 232 zu dem ersten Ende 212 ausbreiten, wie es durch einen Pfeil 218 angedeutet ist. An dem ersten Ende 212 wird die akustische Energie in dem Horn 202 an der Stelle 212 direkt in die optische Faser 200 gekoppelt, um eine Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Faser 200 zu bewirken. In dem in Fig. 4a dargestellten speziellen Ausführungsbeispiel sind die zwei Hörner an gegenüberliegenden Seiten der Faser 200 an den Stellen 212 bzw. 214 angeordnet. Die jeweils durch die Wandler 242 und 244 induzierten Schwingungen in der Faser 200 erzeugen eine wandernde Biegewelle zweiter Ordnung, wie es oben beschrieben wurde, die sich von den Stellen 212, 214 weg ausbreitet.
Der feste Quarz des Horns 202 wirkt als ein akustischer Trichter, der die an dem zweiten Ende 232 entwickelte akustische Energie konzentriert. Wenn das zweite Ende 232 einen Durchmesser von etwa 20 mal dem Durchmesser des ersten Endes 222 hat, ist somit in dem dargestellten Beispiel die dem ersten Ende 222 zugeführte akustische Energie pro Einheitsfläche ungefähr 400 mal die dem zweiten Ende 232 zugeführte akustische Energie pro Einheitsfläche. Darüber hinaus wird im wesentlichen die gesamte dem zweiten Ende 232 zugeführte akustische Energie zu dem ersten Ende 222 geleitet und dazu verwendet, die wandernde Biegewelle zweiter Ordnung in die Faser 200 zu induzieren.
In beiden in den Fig. 4a und 4b dargestellten Ausführungsbeispielen ist ein Signalgenerator 310 mit den PZTs 242, 244 verbunden. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4a weist weiterhin einen ersten Dämpfer 330 in der Nähe der Stellen 212, 214 auf, um die Wanderung der Biegewelle zweiter Ordnung in der Faser 200 in eine Richtung zu begrenzen, die durch einen Pfeil 332 angedeutet ist, der von dem Dämpfer 330 wegzeigt. Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 4a enthält außerdem vorzugsweise einen zweiten Dämpfer 340, um die Ausbreitung der Biegewelle zweiter Ordnung über eine vorgegebene Länge der Faser hinaus zu unterdrücken. In dem in der Fig. 4b dargestellten Ausführungsbeispiel sind die zwei Hörner 202 und 204 durch zwei Stapel von PZTs 402, 404 ersetzt, die an Stellen 412 bzw. 414 an der Faser angebracht sind. Die zwei Wandlerstapel erzeugen die akustische Biegewelle zweiter Ordnung in einer ähnlichen Weise, wie es oben beschrieben wurde.
Das oben beschriebene akustische Horn 202 arbeitet zufriedenstellend. Zusätzlich zu der erwünschten primären Longitudinalmode wurden jedoch auch Resonanzmoden an dem kleinen Ende 222 des Horns 202 beobachtet. Diese Resonanzmoden können unterdrückt werden, indem das Horn aus einem Quarzglasrohr derart gezogen wird, daß das Horn in der Mitte von dem Grundteil mit großem Durchmesser zu dem Hals an dem Ende des Übergangsbereichs hohl ist. Fig. 5 zeigt ein hohles akustisches Horn 404, das einen hohlen Bereich 408 in einem Grundteil 410 hat. Der hohle Bereich 408 des Horns 404 endet in einem Halsabschnitt 412. Der Halsabschnitt endet an einem kleinen Ende 414. Das kleine Ende 414 ist, wie oben beschrieben, mit der optischen Faser 400 verbunden. Der hohle Bereich 408 unterdrückt die Resonanzmoden in dem Horn 404. Eine Unterdrückung der Resonanzmoden kann weiterhin dadurch verstärkt werden, daß dcr hohle Bereich 408 mit einem akustischen Dämpfungsmaterial gefüllt wird.
Die Hörner aus den Fig. 4a und 4b haben erfolgreich akustische Biegewellen mit Amplituden von mehreren 10 Nanometern auf die optische Faser 200 abgegeben.
In diesen beiden Ausführungsbeispielen wird Licht zwischen Polarisationsmoden der Faser gekoppelt und durch eine wandernde periodische Störung der Faserdoppelbrechung in der Frequenz verschoben, wie es in der oben genannten parallel anhängigen Patentanmeldung mit der Seriennummer 581.176 beschrieben ist. Das wandernde periodische Belastungsmuster in der vorliegenden Erfindung wird jedoch durch eine akustische Welle geschaffen, die sich in der Faser ausbreitet. Die akustische Welle weist vorzugsweise die niedrigste Mode der n = 2 Gruppe akustischer Biegewellcn auf. Diese Mode hat eine räumliche Verschiebungsvariation ähnlich der räumlichen Verschiebung, die durch eine wandernde periodische seitliche, d.h. zentripetale Quetschkraft in einer Faser erzeugt wird. Die quetschende räumliche Verschiebung dieser Wellenmode ist eine inhärente Eigenschaft von Biegewellen zweiter Ordnung, die sich in stabförmigen Medien ausbreiten.
Fig. 6, die eine Querschnittsdarstellung entlang der Linien A-A in Fig. 4a ist, zeigt detaillierter, wie das Verfahren zur Erzeugung von Biegewellen zweiter Ordnung in einer Faser ausgeführt wird. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei akustische Hörner 502, 504 an gegenüberliegenden Seiten der Faser 500 an den Stellen 508 bzw. 510 angeordnet. PZTs 503, 505 bewirken, daß longitudinale akustische Wellen an den Enden 508, 510 der akustischen Hörner 502, 504 erzeugt werden. Die an den Enden der akustischen Hörner erzeugten longitudinalen Wellen üben eine seitliche Kraft entlang des Durchmessers der Faser in der Richtung der Pfeile 516, 518 aus, mit anderen Worten ein zentripetales Kräftepaar 516, 518. Wie dargestellt ist, werden diese Kräfte 516, 518 unter einem Winkel bezüglich der Doppelbrechungsachsen (X, Y) der Faser 500 angelegt. Vorzugsweise haben die durch die Pfeile 516, 518 repräsentierten Kräfte eine gleiche Amplitude aber entgegengesetzte Richtung, und sie wirken unter einem Winkel von im wesentlichen 45º in bezug auf die Doppelbrechungsachsen. Diese Bedingungen können erreicht werden, indem die an die akustischen Hörner angebrachten PZTs 503, 505 mit dem gleichen Signalgenerator 507 angetrieben werden. Dieses stellt sicher, daß die Kräfte 516, 518 in Phase sind und etwa die gleiche Amplitude haben. Ein Anlegen der zentripetalen Kräfte entlang der Richtung der Pfeile 516, 518 bewirkt, daß die Querschnittsabmessungen der Faser 500 verzerrt werden, wie es durch das Faserprofil 500' dargestellt ist.
Fig. 7 stellt eine Seitenansicht der Faser 500 dar, die die Ausbreitung des verzerrten Profils 500' zeigt, das durch die akustischen Hörner erzeugt und innerhalb der Faser 500 als Biegewellen zweiter Ordnung ausgebreitet wird. Die an die Faser angelegten Kräfte 516, 518 verzerren die Faser räumlich und erzeugen die akustischen Biegewellen, die sich innerhalb der Faser 500 in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten, wie es durch die Pfeile 520 und 522 dargestellt ist.
Die Phasenanpaßbedingung zur Kopplung zwischen Moden wird erfüllt, wenn die akustische Wellenlänge, wie sie entlang der Richtung der Faser gemessen wird, der Schwebungslänge LB der Faser gleicht. In einer typischen doppelbrechenden Einzelmodenfaser ist die Schwebungslänge LB ungefähr 2 mm, so daß eine Phasenanpassung eintritt, wenn die Wellenlänge der akustischen Biegewelle zweiter Ordnung ebenfalls ungefähr 2 mm ist.
Zwei alternative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Fig. 8a und 8b dargestellt. Die Frequenzverschieber der Fig. 8a und 8b weisen zwei akustische Hörner 660, 661 auf, die jeweils ein Ende 670, 671 haben, das an eine optische Faser 662a (Fig. 8a) oder 662b (Fig. 8b) angebracht ist. Anders als die zuvor beschriebenen optischen Fasern der Fig. 1 bis 7 haben die optischen Fasern 662a und 662b der Fig. 8a und 8b keine einheitlichen äußeren Ummantelungsdurchmesser. Vielmehr hat die optische Faser 662a mehrere Abschnitte, die unterschiedliche äußere Ummantelungsdurchmesser haben. Die optische Faser 662a ist beispielsweise derart dargestellt, daß sie einen ersten Abschnitt 672 mit einem ersten äußeren Durchmesser, einen zweiten Abschnitt 674 mit einem zweiten äußeren Durchmesser und einen dritten Abschnitt 676 mit einem dritten äußeren Durchmesser hat. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel beträgt der erste äußere Durchmesser 42,5 um, der zweite äußere Durchmesser 26,5 um und der dritte äußere Durchmesser 16um. Die Faser 662b der Fig. 8b hat eine schrittweise Verjüngung in dem äußeren Ummantelungsdurchmesser der Faser von einem relativ großen äußeren Durchmesser (z.B. 42,5 um) zu einem relativ kleinen äußeren Durchmesser (z.B. 16 um). Die Frequenzverschieber der Fig. 8a und 8b weisen Mittel zum wahlweisen Verschieben der Frequenz eines optischen Signals, das sich in der Faser 662a und 662b ausbreitet, durch eine von mehreren akustischen Frequenzen auf, während ein optimaler oder nahezu optimaler akusto-optischer Kopplungswirkungsgrad in den Fasern 662a und 662b aufrechterhalten wird.
In diesen Ausführungsbeispielen werden die in Fig. 4a gezeigten Dämpfer 330 und 340 nicht länger benötigt. Die akustischen Hörner 660, 661 koppeln akustische Longitudinalmodenwellen an der mit dem Buchstaben B bezeichneten allgemeinen Position in die Faser 662a. Ein Paar Pfeile 964, 966, die innerhalb des Faserabschnitts 672 in entgegengesetzte Richtungen zeigen, deuten an, daß akustische Biegewellen in der Faser 662a durch das akustische Horn 660 angeregt werden, die sich in beiden Richtungen entlang der Faser 662a ausbreiten. Der in Fig. 8a gezeigte Abschnitt der optischen Faser 662a besteht aus vier Bereichen. Der erste Bereich 672 zwischen einer Stelle A und einer Stelle C ist der volle Radius der Faser a&sub0;. Der zweite Bereich 674 zwischen einer Stelle C und einer Stelle D wurde auf einen Faserradius von a&sub1; geätzt, der geringer ist als a&sub0;. Der Bereich 676 zwischen einer Stelle D und einer Stelle E wurde weiter auf einen Faserradius a&sub2; geätzt, der geringer ist als a&sub1;. Ein vierter Bereich 678 zwischen einer Stelle E und einer Stelle F wurde nicht geätzt und hat den ursprünglichen Faserradius a&sub0;.
Eine vollständige Beschreibung der allgemeinen Lösungen der akustischen Wellengleichungen in festen, kreisförmigen Stäben, die aus einem isotropen, homogenen Material bestehen, sowie der Beziehungen zwischen dem Stabradius und der akustischen Amplitude für eine gegebene Leistung finden sich in der oben genannten parallel anhängigen europäischen Anmeldung Nr. 87 300 269.5.
Kurz zusammengefaßt ist der akusto-optische Kopplungswirkungsgrad definiert als ke = C&sub1;ut(ac P), wobei C&sub1; eine Konstante ist, ut die Transversalamplitude ist, ac der Radius des optischen Faserkerns ist, und P die Leistung ist, die durch den Faserquerschnitt fließt. P ist weiterhin gegeben durch
P= cg sEdS
wobei S der Faserquerschnitt ist, cg die Gruppengeschwindigkeit der wandernden Welle darstellt und E die zeitlich gemittelte Energiedichte der wandernden Welle ist.
Fig. 9a stellt den Kopplungswirkungsgrad ke dar, für die Kopplung von Licht, das in einer Mode wandert, in die andere Mode durch Wechselwirkung mit einer wandernden akustischen Biegewelle zweiter Ordnung, die sich in einer Multimodenfaser ausbreitet. Obwohl sich die folgenden Daten auf eine Multimodenfaserausbreitung beziehen, gelten die abgeleiteten Ergebnisse im wesentlichen für eine Einzelmodenfaserausbreitung. Die folgenden Figuren 9a und 9b werden daher nur zu Illustrationszweckcn verwendet.
Für konstante Kerneigenschaften, d. h. eine konstante Schwebungslänge LB, zeigt Fig. 9a, daß der Kopplungswirkungsgrad für eine gegebene Eingangsleistung beträchtlich erhöht werden kann, indem der äußere Radius a&sub0; der Faser verringert wird. Für niedrige Werte von a&sub0;/LB ist ke proportional zu (a&sub0;LB)-2,5.
Eine Verringerung des äußeren Radius der Faser bewirkt eine Abnahme der Phasengeschwindigkeit der akustischen Biegewelle, die sich in der Faser ausbreitet. Wenn die Frequenz des akustischen Signals festgehalten wird, erzeugt diese Abnahme in der Phasengeschwindigkeit eine entsprechende Abnahme in der akustischen Wellenlänge innerhalb von Bereichen der Faser mit relativ kleineren Radien.
Die Schwebungslänge der Faser wird durch die Eigenschaften des zentralen Kerns bestimmt. Daher verändert eine Reduzierung des Radius der Faser durch Entfernung nur des äußeren Ummantelungsbereichs die Schwebungslänge der Faser nicht.
Da eine wesentliche kumulative Kopplung des optischen Signals zwischen den zwei Ausbreitungsmoden der Faser nur auftritt, wenn die akustische Wellenlänge im wesentlichen gleich der Schwebungslänge der Faser ist, muß die akustische Frequenz entsprechend verringert werden, um eine akustische Wellenlänge aufrechtzuerhalten, die im wesentlichen gleich dieser Schwebungslänge ist. Diese Beziehung zwischen der Frequenz der akustischen Welle fA, die als die Synchronfrequenz definiert wird, normalisiert auf die Schwebungslänge (Lb), und der Längsschwingungsgeschwindigkeit (extensional velocity) (cext = (Y/ξ)½, wobei Y das Young-Modul und ξ die Dichte der Faser ist) ist in Fig. 9b dargestellt. Die Synchronfrequenz fA ist linear proportional zu dem Radius für kleine Werte des normalisierten Radius a/Lb.
Man sieht, daß an der mit 900 bezeichneten Stelle in Fig. 9a für einen Faserradius a = 42,5 um der Kopplungswirkungsgrad ungefähr 0,071 W-½ beträgt, und daß an der Stelle 910 in Fig. 9b eine akustische Frequenz fA von ungefähr 8 MHz eine akustische Welle in der Faser mit einer Wellenlänge erzeugt, die ungefähr gleich der Faserschwebungslänge von 265 um ist.
Unter der Annahme, daß der äußere Faserradius geätzt oder auf andere Weise auf ungefähr 16 um reduziert ist, sieht man aus Fig. 9a, daß der Kopplungswirkungsgrad an der mit 920 bezeichneten Stelle auf ungefähr 0,5 W-½ ansteigt, ungefähr siebenmal größer als der Kopplungswirkungsgrad der nicht geätzten Faser mit einem Radius von 42,5 um. Die Kurve aus Fig. 9b zeigt, daß die akustische Frequenz, die eine akustische Welle mit einer Wellenlänge gleich der Faserschwebungslänge erzeugt, ungefähr 4,0 MHz beträgt, was an der Stelle 930 dargestellt ist.
In ähnlicher Weise zeigt Fig. 9a für einen Faserradius von ungefähr 26,5 um einen Kopplungswirkungsgrad von ungefähr 0,17 W-½ an einer Stelle 94(), und Fig. 9b zeigt, daß eine akustische Frequenz von ungefähr 6,0 MHz eine akustische Wellenlänge gleich der Schwebungslänge der Faser mit einem Wert von 265 um an der Stelle 950 erzeugt.
Somit ist in den Fig. 9a und 9b deutlich dargestellt, daß der Kopplungswirkungsgrad und die Synchronfrequenz mit dem Radius der Faser variieren. Die vorliegende Erfindung verwendet diese Eigenschaften von Fasern, um einen faseroptischen Breitband-Frequenzverschieber zu schaffen. Die Erfindung verwendet diese Eigenschaften weiterhin dazu, die akustische Welle in die Faser zu koppeln, ohne äußere Dämpfer zu verwenden, um die akustische Welle auf den Kopplungsbereich der Faser zu begrenzen.
Berechnungen haben gezeigt, daß durch ein Reduzieren des Faserradius und ein Konstanthalten des Kernradius die Kopplungslänge für eine vorgegebene akustische Leistung erheblich verringert werden kann. Das bedeutet, daß die Bandbreite der akusto-optischen Kopplungswechselwirkung erhöht werden kann, indem der Faserradius reduziert wird. Alternativ kann akustische Leistung reduziert werden, wenn die Kopplungslänge konstant gehalten wird. Wenn der Faserradius reduziert wird, wird die Betriebsfrequenz reduziert, um zu der Schwebungslänge zu passen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 9a ist der Kopplungswirkungsgrad in dem ersten Bereich 672 in Fig. 8a kleiner als der Kopplungswirkungsgrad in dem zweiten Bereich 674, der wiederum geringer ist als der Kopplungswirkungsgrad in dem dritten Bereich 676. Der vierte Bereich 678 mit dem Radius a&sub0; hat den gleichen Kopplungswirkungsgrad wie der erste Bereich 672, da diese beiden Bereiche den gleichen Radius haben.
Aufgrund des niedrigen Kopplungswirkungsgrads in dem ersten Bereich 672 bewirkt die akustische Biegewelle, die sich in der Richtung des Pfeils 966 ausbreitet, im wesentlichen keine akusto-optische Kopplung zwischen Moden, wenn die Anregung an der Stelle B stattfindet. Ebenso bewirkt die akustische Biegewelle, die sich in der Richtung des Pfeil s 964 ausbreitet, im wesentlichen keine Kopplung, während sich die akustische Biegewelle innerhalb des ersten Bereichs 672 ausbreitet.
Wenn die sich in der Richtung 964 ausbreitende akustische Biegewelle den zweiten Bereich 674 und den dritten Bereich 676 erreicht, erhöht sich der akusto-optische Kopplungswirkungsgrad beträchtlich, wie es in der oben erwähnten europäischen Patentanmeldung Nr. 87 300 269.5 dargestellt ist. Der Kopplungswirkungsgrad in dem vierten Bereich 678 ist klein verglichen mit demjenigen in den Bereichen 674 und 676, was wiederum im wesentlichen in keiner Kopplung resultiert. Der Vorteil dieser Anordnung ist es, daß akustische Wellendämpfer entlang der Faser an den Enden des Abschnitts CDE nicht länger benötigt werden, da keine wesentliche akusto-optische Wechseiwirkung außerhalb der Region des zweiten Bereichs 674 und des dritten Bereich 676 auftritt.
Eine zweite Eigenschaft der in Fig. 8a gezeigten Anordnung ist es, daß die akustische Frequenz, die benötigt wird, um eine akustische Welle zu erzeugen, deren Wellenlänge zu der Faser-Schwebungslänge in dem zweiten Bereich 674 mit dem Faserradius a&sub1; paßt, unterschiedlich von der Frequenz ist, die benötigt wird, um die Schwebungslänge in dem dritten Bereich 676 anzupassen. Somit ist es möglich, daß die gleiche Vorrichtung zur Frequenzverschiebung des Lichts durch zwei oder mehr Frequenzen verwendet wird.
Der Radius der Faser in dem zweiten Bereich 674 kann für eine Frequenz optimiert werden, und seine Länge kann so ausgewählt werden, daß eine 100%-Kopplung bei dieser Frequenz erzielt wird. Um die Bandbreite der Kopplungswechselwirkung zu erhöhen, kann der dritte Bereich 676 in Radius und Länge für eine andere Frequenz optimiert werden. In ähnlicher Weise erhöht ein Hinzufügen mehrerer Faserbereiche mit unterschiedlichen Radien und Längen die Bandbreite des Frequenzverschiebers entsprechend.
Eine gleichmäßige Veränderung des Faserradius über den gesamten Wechselwirkungsbereich ist in Fig. 8b dargestellt. In Fig. 8b verändert sich der Durchmesser der Faser 662b schrittweise von einem Durchmesser d&sub1; in einem ersten Bereich 980, in dem die Faser 662b an die akustischen Hörner 660, 661 gekoppelt ist, auf einen zweiten Durchmesser d&sub2; an einer Stelle 984, der kleiner ist als der erste Durchmesser d&sub1;. Wie früher ausgeführt wurde, ist eine exakte Anpassung der Schwebungslänge und der akustischen Wellenlänge so lange nicht notwendig, wie eine vollständige Kopplung innerhalb einiger Schwebungslängen der Faser erreicht wird. Dieses minimiert den Phasen-Fehlanpassungsfehler, der durch die Fehlanpassung der akustischen Wellenlänge mit der Faser-Schwebungslänge in dem Kopplungsbereich erzeugt wird. Die in Fig. 8b dargestellte Verjüngung kann daher ausreichend so schrittweise erfolgen, daß die akustische Wellenlänge innerhalb einer Fascrlänge, in der eine 100%-Kopplung auftritt, nicht merklich von der Faserschwebungslänge abweicht. Die Konfiguration aus Fig. 8b gestattet eine kontinuierliche Abstimmung der Frequenzverschiebung zwischen einer Frequenz f&sub1; entsprechend dem Faserdurchmesser d&sub1; und einer Frequenz f&sub2; entsprechend dem Faserdurchmesser d&sub2;.
Der optimale Winkel der Verjüngung oder die Rate der Veränderung des Faserradius als Funktion der Länge entlang der Faserlängsachse kann durch ein empirisches Verfahren ermittelt werden. Das Verfahren enthält die Messung des Kopplungswirkungsgrads für eine Anzahl verschiedener Verjüngungswinkel für eine festgehaltene akustische Frequenz und die Auswahl des Winkels, der den maximalen Kopplungswirkungsgrad erzeugt.
Die Größe der durch die mit einer Faser wechselwirkenden akustischen Wellen erzeugten akusto-optischen Frequenzverschiebung ist gleich der Frequenz der akustischen Welle. Die Frequenz der akustischen Welle ist gegeben durch f = c/λ, wobei λ die Wellenlänge und c die Phasengeschwindigkeit der akustischen Welle innerhalb der Faser ist. Im allgemeinen sind Frequenzverschieber so konstruiert, daß sie eine bestimmte Frequenzverschiebung erzeugen. Aufgrund der Phasenanpaßbedingung muß die akustische Wellenlänge gleich der Schwebungslänge der Faser sein. Die Auswahl einer bestimmten akustischen Frequenz hängt daher von der Steuerung und der Auswahl der Phasengeschwindigkeit in Übereinstimmung mit dieser Beziehung ab. Die Fig. 10a bis 10d zeigen die Abhängigkeit der normalisierten Phasengeschwindigkeit der akustischen Welle crel als Funktion von fa/ct für die fünf niedrigsten Moden der Gruppe der Biegewellen zweiter Ordnung, wobei crel die normalisierte Phasengeschwindigkeit ist, die als c/cext definiert wird, a der Faserradius ist, f die akustische Frequenz ist und ct und cext Konstanten sind, die für das Ausbreitungsmedium charakteristisch sind. Die Fig. 10a bis 10d zeigen, daß für n = 2 Biegemoden alle Moden bei niedrigen Werten von fa/ct abgeschnitten werden und daß für große Werte von fa/ct die niedrigste Mode sich der Oberflächenwellengeschwindigkeit annähert, während die anderen Moden sich der Transversalwellengeschwindigkeit ct annähern. Die Fig. 10a bis 10d stellen die Verhältnisse für ein Poisson-Verhältnis von 0,1, 0,2, 0,3 und 0,4 dar. Diese Längen sind typisch für Biegemoden, wobei n größer ist als 1.
Die allgemeinen Lösungen der akustischen Wellengleichungen in festen kreisförmigen Stäben, die aus einem isotropen homogenen Material bestehen, sind wie oben erwähnt im Detail in der in Bezug genommencn parallel anhängigen europäischen Patentanmeldung Nr. 87 300 269.5 dargelegt.
Fig. 11 ist eine Kurve ähnlich den Kuren der Fig. 10a bis 10d, die die niedrigste Ausbreitungsmode einer Biegewelle zweiter Ordnung darstellt, die sich in einer typischen Quarzglasfaser ausbreitet. Unter Verwendung dieser Kurve können typische Faserdurchmesser berechnet werden, die bestimmten akustischen Frequenzen einer akustischen Welle entsprechen, die eine Wellenlänge von 2 mm hat. Die folgende Tabelle gibt die Faserdurchmesser, die diese Kriterien erfüllen, für drei repräsentative Frequenzen an, berechnet für zwei verschiedene Werte des Parameters fa/ct:
Die mit A und B an der Kurve bezeichneten Stellen entsprechen Werten von fa/ct von ungefähr 0,5 bzw. 0,35. Die Werte in dieser Tabelle zeigen, daß der Frequenzverschieber der vorliegenden Erfindung, der eine doppelbrechende Einzelmodenfaser mit einer Schwebungslänge von 2 mm verwendet, die Frequenz von Licht, das zwischen Polarisationsmoden gekoppelt wird, um 2 MHz, 5 MHz und 10 MHz verschiebt, wenn der Radius der Faser 0,94 mm, 0,38 mm bzw. 0,19 mm beträgt, wenn für fa/ct der Wert 0,5 gewählt wird. Die gleichen Frequenzverschiebungen, d.h. 2 MHz, 5 MHz und 10 MHz, können ebenso mit einer Faser erzeugt werden, die Radien von 0,66 mm, 0,26 mm bzw. 0,13 mm hat, wenn für den Wert von fa/ct 0,35 gewählt wird.
Die Bandbreite des vorliegenden Frequenzverschiebers kann als der Frequenzbereich definiert werden, innerhalb dem eine Frequenzverschiebung auftritt. Außerhalb dieses Bereichs von Frequenzen findet im wesentlichen keine frequenzverschobene Kopplung statt. Es kann gezeigt werden, daß die Bandbreite der vorliegenden Erfindung, die an einer bestimmten Stelle entlang der Kurve in Fig. 11 arbeitet, proportional zu der Steigung der Kurve an dieser bestimmten Stelle ist. Wie man leicht erkennt, ist die Steigung am Punkt A wesentlich kleiner als die Steigung am Punkt B, woraus folgt, daß die Bandbreite der Vorrichtung, die Faserradien und Frequenzen entsprechend Punkt A verwendet, wesentlich größer als die Bandbreite für die ähnliche Vorrichtung ist, die Faserradien und Frequenzen entsprechend Punkt B verwendet. Beispielsweise ist die Bandbreite für einen 10 MHz Frequenzverschieber mit einem Faserradius von 0,19 mm (Punkt A) wesentlich größer als die Bandbreite für einen 10 MHz Frequenzverschieber mit einem Faserradius von 0,13 mm (Punkt B). Bandbreiten zwischen diesen zwei Werten treten an Stellen entlang der Kurve auf, die Werten von fa/ct zwischen denen von Punkt A und Punkt B entsprechen. Somit erkennt man, daß eine gewünschte Bandbreite bei einer bestimmten Frequenz durch eine geeignete Wahl des Faserradius ausgewählt werden kann.
Der Kopplungswirkungsgrad der vorliegenden Erfindung ist eine Funktion des Betrags an akustischer Energie, die benötigt wird, damit im wesentlichen die gesamte optische Energie, die sich in einer Polarisationsmode ausbreitet, in die andere Polarisationsmode gekoppelt wird. Eine Vorrichtung mit niedrigem Wirkungsgrad benötigt mehr akustische Eingangsleistung, um den gleichen Betrag optischer Kopplung zu bewirken, als eine Vorrichtung mit höherem Wirkungsgrad.
Eine Kopplung zwischen Polarisationsmoden tritt als ein Ergebnis der Störung der Doppelbrechung der Faser auf. Da die Doppelbrechung der Faser hauptsächlich durch die Eigenschaften des Faserkerns bestimmt wird, hängt der Kopplungswirkungsgrad eng mit dem Betrag an akustischer Energie zusammen, die in dem Bereich des Kerns konzentriert ist und für eine Störung des Kerns zur Verfügung steht.
Bei niedrigen Frequenzen wird die Wellenenergie von Biegewellen über den Querschnitt der Faser verteilt. Da sich der Kern im Mittelpunkt der Faser oder in dessen Nähe befindet, wird er hauptsächlich durch den Anteil der Wellenenergie beeinflußt, der sich in dem Kern der Faser oder in dessen Nähe ausbreitet. Während die Frequenz der Biegewelle ansteigt, wird die Wellenenergie zunehmend in der Nähe der Oberfläche der Faser konzentriert. Für sehr hohe Frequenzen breitet sich die Biegewelle aus, wobei nahezu ihre gesamte Energie innerhalb weniger Wellenlängen von der Faseroberfläche konzentriert ist. Offensichtlich bewirken diese Oberflächenverschicbungen keine große Belastung des Kerns der Faser, und sie haben somit eine minimale Auswirkung auf eine durch die Störung des Faserkerns erzeugte Kopplung. Es ergibt sich somit, daß der Wirkungsgrad der Kopplung von der Frequenz der Biegewelle abhängig ist, wobei Wellen mit niedrigerer Frequenz wirkungsvoller in einer Störung des Faserkerns sind als Wellen mit höherer Frequenz.
Ein relativer Kopplungswirkungsgrad hängt außerdem von den relativen Durchmessern der Fasern ab. Der Durchmesser einer Faser beeinflußt nicht notwendigerweise deren Schwebungslänge, da die Schwebungslänge ein Merkmal ist, das hauptsächlich durch den Kern bestimmt wird. Damit besteht der Unterschied zwischcn zwei Fasern mit der gleichen Schwebungslänge aber unterschiedlichen äußeren Durchmessern hauptsächlich in der Dicke der Ummantelung, die den Kern umgibt. Für eine maximale durch Einquetschen der Faser bewirkte Störung des Kerns wird vorzugsweise die Faser mit kleinerem Durchmesser verwendet, da die akustische Quetschenergie pro Einheitsfläche der Faser in einer kleineren Faser für die gleiche akustische Eingangsenergie größer ist, einfach aufgrund der Geometrie der Faser. Beispielsweise ist die Energie pro Einheitsfläche in einer Faser mit einem Radius von 0,94 mm ungefähr zweimal so groß wie die Energiedichte in einer Faser mit einem Radius von 0,66 mm. Unter der Annahme der gleichen Eingangsenergie wird der Kern der kleineren Faser um ein größeres Maß gestört als der Kern der größeren Faser, und damit liefert die kleinere Faser einen höheren Kopplungswirkungsgrad.
Während hier bevorzugte Ausführungsbeispiele dieser Erfindung offenbart worden sind, erkennt der Fachmann, daß Veränderungen und Modifikationen darin vorgenommen werden können, ohne daß von dem Schutzumfang dieser Erfindung abgewichen wird, wie er in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Koppeln optischer Energie zwischen optischen Ausbreitungsmoden in einer optischen Faser, mit

- einer optischen Faser (200, 400, 500, 662a, 662b), die eine erste optische Ausbreitungsmode und eine zweite optische Ausbreitungsmode für sich darin ausbreitende optische Signale hat, und

- einem Generator (202, 204, 402, 404, 502, 504, 660, 661) zum Erzeugen einer wandernden Biegewelle in der optischen Faser, wobei die Energie der wandernden Biegewelle auf die optische Faser begrenzt ist, wobei die wandernde Biegewelle auf die Faser einwirkt, wobei die Wellenlänge der Biegewelle im wesentlichen gleich der Schwebungslänge der Faser (200) für die optischen Signale ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser eine doppelbrechende Einzelmodenfaser ist, die erste und zweite Polarisationsmoden hat, daß der Biegewellengenerator ein Generator für Biegewellen der zweiten Ordnung zum Erzeugen einer wandernden Biegewelle zweiter Ordnung in der Faser ist, die die Faser so verformt, daß ein periodisches seitliches Paar von Quetschkräften auf die Faser ausgeübt wird, und daß der Generator angeordnet ist, um eine Wellenlänge für die Biegewelle der zweiten Ordnung zu erzeugen, die Licht veranlaßt, von einer der Moden in die andere der Moden gekoppelt und in der Frequenz verschoben zu werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (202) einen Signalgenerator (310, 507) zum Verändern der Frequenz der Biegewelle aufweist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in der ersten Ausbreitungsmode wandernde optische Energie eine erste optische Frequenz und eine erste Phasenausbreitungsgeschwindigkeit hat, und daß die zu der zweiten Ausbreitungsmode gekoppelte optische Energie eine zweite optische Frequenz und eine zweite Ausbreitungsgeschwindigkeit hat, wobei die zweite optische Frequenz im wesentlichen gleich entweder der Summe oder der Differenz der ersten optischen Frequenz und der Frequenz der Biegewelle ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite optische Frequenz gleich der ersten optischen Frequenz plus der Frequenz der Biegewelle ist, wenn die optische Energie sich in der gleichen Richtung ausbreitet wie die Biegewelle und die erste Phasenausbreitungsgeschwindigkeit größer ist als die zweite Phasenausbreitungsgeschwindigkeit, und daß die zweite optische Frequenz gleich der ersten optischen Frequenz minus der Frequenz der Biegewelle ist, wenn die optische Energie sich in der gleichen Richtung ausbreitet wie die Biegewelle und die erste Phasengeschwindigkeit kleiner ist als die zweite Phasengeschwindigkeit.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Bereichs, über den eine wesentliche Kopplung auftritt, klein ist im Vergleich zu der Länge der Faser (200), wobei die Stelle des Bereichs längs der Faser (200) variiert, wenn die Frequenz der Biegewelle variiert wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator der Biegewelle der zweiten Ordnung wenigstens ein erstes (202, 502, 660) und ein zweites (204, 504, 661) akustisches Horn aufweist, die an der Faser an im wesentlichen diametral gegenüberliegenden Stellen angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der akustischen Hörner (202, 204) ein längliches Glied aufweist, das ein erstes Ende (222, 224) hat, das mechanisch mit der optischen Faser gekoppelt ist, und ein zweites Ende (232, 234) hat, das von dem ersten Ende (222, 224) entfernt angeordnet ist, wobei die zweiten Enden (232, 234) der ersten und zweiten akustischen Hörner (202, 204) jeweils darauf angeordnet einen ersten und einen zweiten piezoelektrischen Wandler PZT (242, 244) haben, wobei die Wandler (242, 244) mit dem Generator (310, 507) verbunden sind, der auf ein daran angelegtes elektrisches Signal anspricht, um eine akustische Welle zu erzeugen, die von dem zweiten Ende des Gliedes zu dem ersten Ende des Gliedes wandert, um dadurch die Biegewelle in der optischen Faser (200) zu induzieren.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende (232, 234) des Gliedes in jedem der Wandler größer ist als das erste Ende (222, 224) des Gliedes, so daß die akustische Energie pro Flächeneinheit, die auf die optische Faser aufgebracht wird, größer ist als die akustische Energie pro Flächeneinheit, die in dem zweiten Ende des Glieds durch den Wandler angeregt wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Wandler (242, 244) in dem Glied akustische Wellen mit Längsmoden anregt, die seitliche Kräfte an dem Umfang der Faser (200) erzeugen, Wobei die seitlichen Kräfte in Phase und von etwa gleicher Amplitude sind und dadurch das Paar der Quetschkräfte erzeugen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Wandler akustische Oberflächenwellen an dem zweiten Ende (232, 234) anregt, wobei das Glied die Energie der Oberflächenwellen umwandelt, um die akustischen Wellen mit Längsmode an dem ersten Ende (222, 224) des Gliedes zu erzeugen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied einen Zylinder aufweist, der an dem zweiten Ende (242, 244) hohl ist und an dem ersten Ende (222, 224) voll ist, wobei der Übergang zwischen dem hohlen Ende und dem vollen Ende eine sanfte Verjüngung ist, und daß der Zylinder in jedem der akustischen Hörner (202, 204) mit einem akustischen Dämpfungsmaterial gefüllt ist, um Resonanzmoden in jedem der Hörner (202, 204) zu unterdrücken.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung des Quetschkräftepaares unter einem Winkel von im wesentlichen 45º in bezug auf die Achsen der Doppelbrechung der Faser ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator der Biegewelle wenigstens einen ersten Satz (402) und einen zweiten Satz (404) von PZTs aufweist, wobei die ersten und zweiten Sätze diametral gegenüber der Faser angeordnet sind, wobei die PZTs in jedem der Sätze übereinander gestapelt sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Biegewelle von den Querschnittsdimensionen der Faser abhängig ist, und wobei die Faser verjüngt ist, um zu veranlassen, daß die Ansbreitungsgeschwindigkeit längs der Länge der Faser variiert.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirksamkeit der Kopplung zwischen den beiden Moden von den Querschnittsdimensionen der Faser abhängig ist, wobei die Wirksamkeit für kleinere Durchmesser der Faser höher ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die wandernde Biegewelle die niedrigste Mode der Gruppe von akustischen Biegewellen zweiter Ordnung aufweist.

17. Verfahren zum Koppeln der optischen Energie eines optischen Signals, das in der ersten Ausbreitungsmode mit einer ersten Frequenz und mit einer ersten Phasenausbreitungsgeschwindigkeit wandert, zu einer zweiten Ausbreitungsmode mit einer zweiten Frequenz und mit einer zweiten Phasenausbreitungsgeschwindigkeit, mit den Schritten:

- Eingeben des optischen Signals in ein erstes Ende einer optischen Faser (200), und

- Ausbreiten einer wandernden Biegewelle längs einer Länge der optischen Faser (200), wobei die Biegewelle auf die Faser einwirkt, wobei die Wellenlänge der Biegewelle so gewählt ist, daß sie im wesentlichen gleich der Schwebungslänge der Faser für das optische Signal ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser eine doppelbrechende Einzelmodenfaser ist, die erste und zweite Polarisationsmoden hat, daß die Biegewelle eine wandernde Biegewelle einer zweiten Ordnung ist, und daß das wandernde Kräftepaar die Faser so verformt, daß ein wanderndes periodisches seitliches Paar von Quetschkräften auf die Faser ausgeübt wird und einen Teil der optischen Energie in der ersten Polarisationsmode veranlaßt, zu der zweiten Polarisationsmode gekoppelt und in der Frequenz um eine Frequenzgroße verschoben zu werden, die gleich der Frequenz der Biegewelle ist.

18. Verfahren zum Koppeln der optischen Energie zwischen optischen Ausbreitungsmoden in einer optischen Faser nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch den Schritt des Aufbringens der periodischen Quetschkraft auf die Faser unter einem Winkel in bezug auf die Achsen der Doppelbrechung der Faser, wobei der Winkel vorzugsweise etwa 45º ist.