DE4340089A1 - Polarisation analyser - Google Patents
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- G02B5/30—Polarising elements
- G02B5/3083—Birefringent or phase retarding elements
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Polarisationsanalysator nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 4.The invention relates to a polarization analyzer according to the The preamble of claims 1 and 4.
Die Erfindung fällt hauptsächlich in das Gebiet der optischen Nachrichtentechnik im Bereich der Elektrotechnik, eng gekoppelt mit der Physik. Sie ist aber nicht nur für optische Wellen, sondern für alle elektromagnetischen Wellen anwendbar.The invention is mainly in the field of optical Telecommunications in the field of electrical engineering, closely linked with physics. But it's not just for optical waves, but applicable to all electromagnetic waves.
Ein Polarisationsanalysator der genannten Art ist aus Electronics Letters, 8. Oktober 1987, Band 23, No. 21, Seiten 1113-1115 bekannt. In diesem Polarisationsanalysator tritt das einfallende Licht, dessen Polarisationszustand gemessen werden soll, durch einen Retarder aus Lithiumniobat. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an den Lithiumniobatkristall wird der Retarder mit einer Verzögerung Φ betrieben, vorzugsweise Φ = π/2. Die Verzögerung Φ ist die Differenz der Änderungen der Wellenphasen zweier zueinander orthogonaler Polarisationszustände, der Eigenmoden, beim Durchtritt durch den Retarder. Einer der Eigenmoden wird also gegenüber dem anderen verzögert oder retardiert.A polarization analyzer of the type mentioned is out Electronics Letters, October 8, 1987, volume 23, no. 21, pages 1113-1115 known. This occurs in this polarization analyzer incident light, the polarization state of which is measured through a retarder made of lithium niobate. By applying of an electric field on the lithium niobate crystal Retarders operated with a delay Φ, preferably Φ = π / 2. The delay Φ is the difference in the changes in the Wave phases of two orthogonal to each other Polarization states, the eigenmodes, when passing through the retarder. One of the eigenmodes is therefore opposite to that others delayed or delayed.
Um den mathematischen Aufwand bei der Beschreibung der Polarisation gering zu halten, werden die Zusammenhänge im folgenden mittels normierter Stokes-Parameter und Poincar´- Kugel dargestellt. Diese Darstellung ergibt sich beispielsweise aus R.M.A. Azzam, N.M. Bashara, "Ellipsometry and polarized light", North-Holland Publishing Company, Amsterdam, New York, Oxford, 1977. Die Poincar´-Kugel sei hier zusätzlich auf den Radius I normiert. Zur Erleichterung des Verständnisses der folgenden, aus dem genannten Werk bereits bekannten mathematischen Darstellung von Polarisation ist in Fig. 1 eine Poincar´-Kugel nebst Bezugszeichen dargestellt. Die Poincar´- Kugel stellt auf ihrem Äquator alle linearen Polarisationszustände dar, die Pole sind rechts- bzw. linkszirkulare Polarisation und die übrigen Punkte sind allgemeine elliptische Polarisationen. In der hier gewählten Vorzeichenkonvention liegen bei Kennzeichnung durch den Elliptizitätswinkel ε im Fall 0 < 2ε π/2 rechtselliptische, im Fall 0 < 2ε - π/2 linkselliptische Polarisationen vor. Lineare Polarisationszustände, deren Erhebungswinkel sich physikalisch um den Winkel R unterscheiden, liegen auf dem Äquator der Poincar´-Kugel auf Längengraden, die sich um den Winkel 2R unterscheiden. Die kartesischen Ortskoordinaten der Poincar´-Kugel sind die normierten Stokes-Parameter S₁, S₂, S₃ einer vollständig polarisierten Welle. Für vollständig polarisiertes Licht erfüllen die normierten Stokes-Parameter die BedingungIn order to keep the mathematical effort in describing the polarization low, the relationships are shown below using standardized Stokes parameters and Poincar´ sphere. This representation results, for example, from RMA Azzam, NM Bashara, "Ellipsometry and polarized light", North Holland Publishing Company, Amsterdam, New York, Oxford, 1977. The Poincar´ sphere is also standardized to radius I here. In order to facilitate the understanding of the following mathematical representation of polarization, which is already known from the aforementioned work, a Poincar´ sphere and reference numerals are shown in FIG . The Poincar´ sphere shows all linear polarization states on its equator, the poles are right or left circular polarization and the other points are general elliptical polarizations. In the sign convention chosen here, the ellipticity angle ε indicates right-elliptical polarizations in the case of 0 <2ε π / 2 and left-elliptical polarizations in the case of 0 <2ε - π / 2. Linear polarization states, the elevation angles of which differ physically by the angle R, lie on the equator of the Poincar´ sphere at degrees of length which differ by the angle 2R. The Cartesian coordinates of the Poincar´ sphere are the standardized Stokes parameters S₁, S₂, S₃ of a fully polarized wave. For fully polarized light, the standardized Stokes parameters meet the condition
Der OrtsvektorThe location vector
bezeichnet einen Punkt auf der
Oberfläche der Poincar´-Kugel. Das hochgestellte "T" dient hier
zur Kennzeichnung der Transposition von Vektoren. Es gilt:denotes a point on the
Surface of the Poincar´ sphere. The superscript "T" is used to identify the transposition of vectors. The following applies:
[1 0 0]T = lineare Polarisation mit 0° Erhebungswinkel
(horizontale Polarisation)
[-1 0 0]T = lineare Polarisation mit 90° Erhebungswinkel
(vertikale Polarisation)
[0 1 0]T lineare Polarisation mit 45° Erhebungswinkel
[0 -1 0]T = lineare Polarisation mit 45° Erhebungswinkel
[0 0 1]T = rechtszirkulare Polarisation
[0 0 -1]T = linkszirkulare Polarisation[1 0 0] T = linear polarization with 0 ° elevation angle (horizontal polarization)
[-1 0 0] T = linear polarization with 90 ° elevation angle (vertical polarization)
[0 1 0] T linear polarization with 45 ° elevation angle
[0 -1 0] T = linear polarization with 45 ° elevation angle
[0 0 1] T = right circular polarization
[0 0 -1] T = left circular polarization
Bezüglich der Wahl positiver bzw. negativer Vorzeichen bestehen in der Literatur Diskrepanzen, was für den Erfindungsgedanken jedoch unerheblich ist.Regarding the choice of positive or negative signs in the literature discrepancies what the inventive idea is irrelevant.
Eine beliebige Polarisation kann durch einen Punkt auf der Oberfläche der Poincar´-Kugel dargestellt werden oder, gleichwertig, durch den entsprechenden Ortsvektor. Der von einem idealen Polarisator transmittierte Anteil T der Lichtintensität beträgtAny polarization can be represented by a point on the Surface of the Poincar´ sphere or equivalent, by the corresponding location vector. The of an ideal polarizer transmitted portion T of Light intensity is
wobei δ der Winkel zwischen dem Punkt auf der Poincar´-Kugel mit dem Ortsvektor a der die Polarisation des einfallenden Lichts darstellt, und dem Punkt mit dem Ortsvektor -p der die transmittierte oder schwach gedämpfte Polarisation des Polarisators darstellt, sei. Dieser Winkel läßt sich bekanntlich auch durch das Skalarprodukt zweier normierter Ortsvektoren ausdrücken:where δ is the angle between the point on the Poincar´ sphere with the location vector a, which represents the polarization of the incident light, and the point with the location vector - p, which represents the transmitted or weakly attenuated polarization of the polarizer. As is known, this angle can also be expressed by the scalar product of two normalized position vectors:
cos δ = A · P cos δ = A * P
Die Ausgangspolarisation -A eines Retarders geht aus der Eingangspolarisation E des Retarders durch eine Drehung hervor. Auf der Oberfläche der Poincar´-Kugel wird der Punkt E durch eine Drehung um den Winkel Φ in den Punkt A übergeführt, wobei die Drehachse durch den VektorThe output polarization -A of a retarder results from the input polarization E of the retarder by rotation. On the surface of the Poincar´ sphere, point E is converted into point A by a rotation through angle Φ, the axis of rotation being converted by the vector
dargestellt sei, der außerdem durch D²₁ + D²₂ + D²₃ = 1 auf die Länge 1 normiert sei. Man bezeichnet den Winkel Φ als Verzögerung des Retarders und die Vektoren und - als schnellen bzw. langsamen Eigenmodus des Retarders. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei die Drehrichtung so definiert, daß der schnelle Eigenmodus sei. Genaugenommen ist die Bezeichnung "schneller" Eigenmodus nur dann physikalisch sinnvoll, wenn die Verzögerung positiv ist. In mathematischer Schreibweise läßt sich eine solche Drehung bekanntlich durch die Matrixgleichung A = E ausdrücken. Die hochgestellte Schlange wird hier zur Kennzeichnung der Matrixeigenschaft eingesetzt.is shown, which is also normalized by D²₁ + D²₂ + D²₃ = 1 to length 1 . The angle Φ is called the retarder's deceleration and the vectors and - the retarder's fast or slow eigenmode. Without restricting the generality, the direction of rotation is defined so that the fast self-mode is. Strictly speaking, the term "faster" self-mode only makes physical sense if the delay is positive. As is known, such a rotation can be expressed in mathematical notation by the matrix equation A = E. The superscript snake is used here to indicate the matrix property.
Die den Retarder oder Polarisationsanalysator kennzeichnende Drehmatrix ist die die Zeilen und Spalten 2 bis 4 umfassende 3 × 3-Untermatrix der in dem genannten Werk der Autoren R.M.A. Azzam, N.M. Bashara ebenfalls beschriebenen Mueller-Matrix. Die Auswahl dieser Zeilen und Spalten ist ausreichend, da davon ausgegangen wird, daß die zur Beschreibung verwendeten Stokes- Parameter S₁, S₂, S₃ normiert sind, d. h. bereits durch den leistungsproportionalen zusätzlichen, nullten Stokes-Parameter S₀ geteilt wurden. Dämpfung ist hier und im folgenden der Einfachheit halber nicht berücksichtigt. Die Drehmatrix (D₁, D₂, D₃, Φ) eines einzelnen Retarders mit dem schnellen EigenmodusThe rotation matrix which characterizes the retarder or polarization analyzer is the 3 × 3 sub-matrix comprising the rows and columns 2 to 4 of the Mueller matrix likewise described in the above-mentioned work by the authors RMA Azzam, NM Bashara. The selection of these rows and columns is sufficient, since it is assumed that the Stokes parameters S 1, S 2, S 3 used for the description are normalized, ie have already been divided by the power-proportional additional, zero Stokes parameter S St. Attenuation is not taken into account here and in the following for the sake of simplicity. The rotation matrix (D₁, D₂, D₃, Φ) of a single retarder with the fast self-mode
und der Verzögerung Φ ist gegeben durchand the delay is Φ given by
In diesem Fall wird der die Eingangspolarisation darstellende Punkt E auf der Poincar´-Kugel auf einer Kreisbahn um einen positiven Winkel Φ im Uhrzeigersinn in Blickrichtung des schnellen Eigenvektors gedreht, mit dem Punkt A- als Resultat. Ist Φ negativ, so ist der langsame Eigenmodus oder -vektor. In der Literatur sind verschiedene Definitionen im Umlauf, die das Vorzeichen von Verzögerungen, das Vorzeichen des Erhebungswinkels linearer Polarisationen, eine Vertauschung rechts- und linkselliptischer (und -zirkularer) Polarisationen, die Drehrichtung auf der Poincar´-Kugel betreffen.In this case, the point E representing the input polarization on the Poincar´ sphere is rotated clockwise on a circular path by a positive angle Φ in the direction of the fast eigenvector, with the point A - as a result. If Φ is negative, then it is the slow eigenmode or vector. In the literature, there are various definitions in circulation that relate to the sign of delays, the sign of the elevation angle of linear polarizations, a reversal of right and left elliptical (and circular) polarizations, the direction of rotation on the Poincar´ sphere.
Bei Verwendung anderer als der hier gegebenen Definitionen sind die entsprechenden Vorzeichen von Verzögerungen und anderen Größen wie Winkelkoordinaten und Vektoren, welche als Punkte auf der Poincar´-Kugel Retarder-Eigenmoden darstellen, zu invertieren.When using definitions other than those given here the corresponding signs of delays and others Sizes such as angular coordinates and vectors, which are points represent retarder eigenmodes on the Poincar´ sphere, too invert.
Ein elektrooptisches Bauelement, welches ein allgemeiner Retarder ist, bei dem ein Eigenmodus D und die Verzögerung Φ in der entsprechenden Matrix frei gewählt werden können, ist z. B. im IEEE Journal of Quantum Electronics, Band 25, No. 8, August 1989, S. 1898-1906 beschrieben.An electro-optical component, which is a general Retarder is in which an eigen mode D and the delay Φ can be freely selected in the corresponding matrix e.g. B. in the IEEE Journal of Quantum Electronics, Volume 25, No. 8th, August 1989, pp. 1898-1906.
Im bekannten Polarisationsanalysator wird der Retarder als elektrooptische rotierende Wellenplatte der Verzögerung Φ, vorzugsweise Φ=π/2 betrieben. Der schnelle Eigenmodus ist als Funktion der Zeit t veränderbar. Der langsame Eigenmodus ist, wie bei allen Retardern, orthogonal zum schnellen polarisiert, liegt auf der Poincar´-Kugel also antipodal zum schnellen, und verändert sich ebenfalls als Funktion der Zeit t. Eine geeignete Darstellungsform für den Stand der Technik ist die MatrixIn the known polarization analyzer, the retarder is used as electro-optical rotating wave plate of delay Φ, preferably operated Φ = π / 2. The quick self mode is as Function of time t changeable. The slow self mode is as with all retarders, polarized orthogonally to fast, is on the Poincar´ ball so antipodal for fast, and also changes as a function of time t. A a suitable form of presentation for the prior art is matrix
Für Φ = π/2 erhält man den SpezialfallFor Φ = π / 2 you get the special case
Diese Matrix beschreibt gleichzeitig eine mit der Kreisfrequenz ω/2 physikalisch rotierende Viertelwellenplatte. Die Spitze des Vektors befindet sich hier stets auf dem Äquator der Poincar´-Kugel, also auf einem Großkreis der Poincar´-Kugel. Die Spitze des Vektors -, die den langsamen Eigenmodus bezeichnet, befindet sich natürlich auf demselben Großkreis der Poincar´-Kugel.This matrix simultaneously describes one with the angular frequency ω / 2 physically rotating quarter-wave plate. The tip of the vector is always on the Equator of the Poincar´ sphere, i.e. on a great circle of the Poincar´ ball. The tip of the vector - which is the slow one Designated self mode is of course on the same Great circle of the Poincar´ sphere.
Im Strahlengang hinter dem Retarder ist ein Polarisator mit dem stärker transmittierten, oder, anders ausgedrückt, schwächer gedämpften Eigenmodus p eingefügt. Ein Photodetektor hinter dem Polarisator detektiert die IntensitätIn the beam path behind the retarder, a polarizer with the more transmitted, or, in other words, weaker damped mode p is inserted. A photodetector behind the polarizer detects the intensity
Der lineare Polarisator, dessen Hauptachse horizontale Polarisation ist, besitzt den stärker transmittierten Eigenmodus E = [1, 0, 0]T. Die Auswertung ergibt für ein Eingangssignal mit der Polarisation E = [SE1, SE2, SE3]T die IntensitätThe linear polarizer, the main axis of which is horizontal polarization, has the more transmitted eigenmode E = [1, 0, 0] T. The evaluation gives the intensity for an input signal with the polarization E = [S E1 , S E2 , S E3 ] T
Für Φ = π/2 erhält man den SpezialfallFor Φ = π / 2 you get the special case
Das gegenüber Formel (1) in Electronics Letters, 8. Oktober 1987, Band 23, No. 21, Seiten 1113-1115 invertierte Vorzeichen des Terms mit SE3 ist auf eine unterschiedliche Definition zurückzuführen. Durch phasensynchrone Demodulation der Wechselanteile cos(2ωt),sin(2ωt) bzw. sin(ωt) mittels Synchrondemodulatoren, mittels sogenannter "lock-in"- Verstärker, mittels geeignet getakteter Abtasteinrichtungen oder ähnlicher Einrichtungen erhält man Signale, welche proportional zu den normierten Stokes-Parametern SE1, SE2 bzw. SE3 der Eingangspolarisation sind. Dieses aus der Meß- und Nachrichtentechnik bekannte Auswerteverfahren wird mitunter auch als phasenempfindliche Gleichrichtung bezeichnet.Compared to formula (1) in Electronics Letters, October 8, 1987, volume 23, no. 21, pages 1113-1115 inverted sign of the term with S E3 is due to a different definition. By phase-synchronous demodulation of the alternating components cos (2ωt), sin (2ωt) and sin (ωt) by means of synchronous demodulators, by means of so-called "lock-in" amplifiers, by means of suitably clocked sampling devices or similar devices, signals are obtained which are proportional to the standardized Stokes -Parameters S E1 , S E2 and S E3 of the input polarization. This evaluation method known from measurement and communications technology is sometimes also referred to as phase-sensitive rectification.
Bei diesem Stand der Technik ergibt sich der Nachteil, daß sehr hohe Spannungen zum Betrieb erforderlich sind. Dies ist aufwendig und verhindert die Verwendung hoher Kreisfrequenzen ω. Deshalb können schnelle Polarisationsänderungen nicht detektiert werden. Alternativ kann man die rotierende Wellenplatte integriert-optisch verwirklichen, wie im Tagungsband der Optical Society of America (OSA) zum Topical Meeting on Integrated and Guided-Wave Optics, IGWO ′88, 28.-30. März 1988, Santa Fe, Beitrag ME4, S. 111-114 angegeben. Nachteilig ist in der dort angegebenen Realisierung die Tatsache, daß eine Elektrode auf der gesamten Länge des Retarders auf dem Wellenleiter verläuft, was im allgemeinen zu polarisationsabhängiger Dämpfung führt. Durch polarisationsabhängige Dämpfung wird aber die Meßgenauigkeit deutlich beeinträchtigt. This prior art has the disadvantage that very high voltages are required for operation. This is complex and prevents the use of high angular frequencies ω. Therefore, rapid changes in polarization cannot can be detected. Alternatively, you can use the rotating one Realize wave plate integrated optically, as in Optical Society of America (OSA) conference proceedings on the Topical Meeting on Integrated and Guided-Wave Optics, IGWO ′88, 28-30 March 1988, Santa Fe, contribution ME4, pp. 111-114. The disadvantage in the implementation given there is Fact that an electrode runs the entire length of the Retarders running on the waveguide, which is generally too leads to polarization-dependent attenuation. By Polarization-dependent attenuation becomes the measuring accuracy significantly impaired.
Desweiteren kann mit den bekannten Realisierungen eines Polarisationsanalysators keine wellenlängenselektive Polarisationsanalyse vorgenommen werden. Dies ist in manchen Anwendungsfällen jedoch erwünscht.Furthermore, one can with the known realizations Polarization analyzer no wavelength selective Polarization analysis can be made. This is in some Use cases however desired.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Polarisationsmessung oder -analyse so vorzunehmen, daß die Verwendung hoher Spannungen nicht erforderlich ist, daß durch Verwendung auch hoher Kreisfrequenzen ω die Analyse schneller Polarisationsänderungen ermöglicht wird, daß bei integriert- optischer Ausführung auf einem möglichst geringen Teil des Wellenleiters Elektroden verlaufen.The invention has for its object a Polarization measurement or analysis so that the Using high voltages does not require that Using even high angular frequencies ω the analysis faster Changes in polarization are made possible that with integrated optical design on the smallest possible part of the Waveguide electrodes run.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Polarisationsanalysator der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 4 angegebenen Merkmale gelöst.This task is based on a polarization analyzer of the type mentioned at the beginning by those in the characterizing part of claims 1 and 4 specified features.
Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß zum Betrieb keine hohen Spannungen verwendet werden müssen, wodurch die Verwendung hoher Kreisfrequenzen ω technisch leichter möglich ist. Bei Verwendung integrierter Optik sind Elektroden lediglich auf einem vergleichsweise geringen und kurzen Teil des Wellenleiters aufgebracht, was eine mögliche schädliche Polarisationsabhängigkeit der Wellenleiterdämpfung unterdrückt. Außerdem ermöglichen bestimmte Ausführungsbeispiele eine wellenlängenselektive Polarisationsmessung. Diese Vorteile treffen besonders für die Ausführungsbeispiele gemäß Ansprüchen 2 bis 4 zu.The arrangement according to the invention has the advantage that for operation no high voltages need to be used, making the Using higher angular frequencies ω technically easier is. If integrated optics are electrodes only on a comparatively small and short part of the waveguide, which is a possible harmful Polarization dependence of the waveguide attenuation suppressed. In addition, certain embodiments allow one wavelength selective polarization measurement. These advantages meet especially for the embodiments according to claims 2 to 4 to.
Bei der Verwendung eines akustooptischen Retarders sind bei einem typischen Ausführungsbeispiel etwa 1% des integrierten Wellenleiters mit Elektroden belegt. Die Polarisationsmessung ist wellenlängenselektiv und die Kreisfrequenz ω liegt in einem typischen Ausführungsbeispiel bei 2π · 170MHz, was die Messung auch sehr schneller Polarisationsänderungen erlaubt. When using an acousto-optic retarder are at a typical embodiment, about 1% of the integrated Waveguide covered with electrodes. The polarization measurement is wavelength selective and the angular frequency ω is in a typical embodiment at 2π · 170MHz, which the Measurement of very fast changes in polarization allowed.
Eine Verwendung eines sinusförmigen Steuersignals bzw. sinusförmiger Steuersignale, welche sich technisch einfach herstellen lassen, ist gleichfalls vorteilhaft möglich.Use of a sinusoidal control signal or sinusoidal control signals, which are technically simple Having it produced is also advantageously possible.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.Advantageous developments of the invention are in the Subclaims executed.
Die Erfindung wird anhand von Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigenThe invention is illustrated by way of example with reference to figures explained. Show it
Fig. 1 eine Poincar´-Kugel zur Verdeutlichung der verwendeten mathematischen Beschreibungsweise von Polarisation, Fig. 1 is a Poincar' ball to illustrate the manner of using the mathematical description of polarization,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Polarisationsanalysators mit Auswerteelektronik, und Fig. 2 is a block diagram of a polarization analyzer with evaluation electronics, and
Fig. 3 einen integrierten akustooptischen Retarder. Fig. 3 shows an integrated acousto-optical retarder.
In Fig. 2 sind Signalflußrichtungen durch gerichtete Pfeile symbolisiert. Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel weist ein Eingangstor E auf, durch welches eine optische Welle zunächst in einen Retarder R eingestrahlt wird. Wegen der Allgemeingültigkeit der Maxwell′schen Gleichungen muß es sich natürlich nicht um eine optische Welle handeln; vielmehr ist die Erfindung auch für andere Teile des elektromagnetischen Spektrums verwendbar. Der Retarder R, ausgeführt als integrierter akustooptischer Retarder, ist im Detail in Fig. 3 dargestellt. Wegen in der Praxis verwendbaren sehr hohen Frequenzen ω, beispielsweise 170 MHz, können auch sehr kurzzeitige Polarisationsmessungen durchgeführt werden. Vorteilhaft ist auch, daß nur ein einziges elektrisches Ansteuersignal benötigt wird.In Fig. 2 signal flow directions are symbolized by directional arrows. The exemplary embodiment shown in FIG. 2 has an entrance gate E through which an optical wave is first radiated into a retarder R. Because of the generality of Maxwell's equations, it obviously does not have to be an optical wave; rather, the invention can also be used for other parts of the electromagnetic spectrum. The retarder R, designed as an integrated acousto-optical retarder, is shown in detail in FIG. 3. Because of the very high frequencies ω that can be used in practice, for example 170 MHz, very short-term polarization measurements can also be carried out. It is also advantageous that only a single electrical control signal is required.
Zur Realisierung eines akustooptischer Retarders R wird gemäß Fig. 3 ein Quader aus Lithiumniobat verwendet. Sein zeitveränderbarer schneller Eigenmodus liegt im Betrieb immer auf einem Großkreis der Poincar´-Kugel, der die linearen Polarisationen mit 45° und -45° Erhebungswinkel sowie rechts- und linkszirkulare Polarisation enthält. Auf der Oberseite des Kristallquaders ist ein optischer Wellenleiter W angebracht, beispielsweise durch Eindiffundieren von Titan. Er verbindet Eingangstor E mit Ausgangstor A. Der Wellenleiter und die Ausbreitungsrichtung der optischen Welle verlaufen in x-Richtung, der Schnitt in y-Richtung.A cuboid made of lithium niobate is used according to FIG. 3 to implement an acousto-optical retarder R. In operation, its time-changeable, fast mode is always on a great circle of the Poincar´ sphere, which contains the linear polarizations with 45 ° and -45 ° elevation angles as well as right and left circular polarization. An optical waveguide W is attached to the top of the crystal cuboid, for example by diffusing in titanium. It connects entrance gate E with exit gate A. The waveguide and the direction of propagation of the optical wave run in the x direction, the section in the y direction.
Gleich hinter dem Eingangstor E ist auf der Oberfläche des Kristalls ein elektroakustischer Wandler WA aufgebracht. Vorteilhaft ist hier die Verwendung eines unidirektionalen Wandlers, welcher nur in Richtung des Ausgangstors A akustische Oberflächenwellen abstrahlt, nicht aber rückwärts in Richtung des Eingangstors E. Der optische Wellenleiter zwischen elektroakustischem Wandler WA und Ausgangstor A stellt den Retarder R dar, was durch Bemaßungspfeile symbolisiert ist. An Eingangstor E und Ausgangstor A ist jeweils ein akustischer Absorber AAE bzw. AAA vorgesehen, damit die akustische Welle nicht reflektiert werden kann. Die Strecke zwischen eingangsseitigem Absorber AAE und elektroakustischem Wandler WA ist idealerweise gleich Null, und wird in der Praxis möglichst klein gemacht. Die Absorber AAE und AAA können entfallen, wenn durch andere Maßnahmen sichergestellt ist, daß sich akustische Wellen lediglich vom Wandler WA zum Ausgangstor A ausbreiten. Beispielsweise kann der eingangsseitige Absorber AAE bei Verwendung eines unidirektionalen Wandlers WA entfallen. Zur Vermeidung optischer Reflexionen sind Eingangstor E und Ausgangstor A vorteilhaft mit je einer Entspiegelungsschicht versehen. Auch schräge Stirnflächen sind zum Ablenken und Unschädlichmachen akustischer wie auch optischer Reflexionen geeignet. Würden optische oder akustische Wellen reflektiert, so würde das erwünschte Retarderverhalten beeinträchtigt. Vorteilhaft wird die akustische Welle ebenfalls in einem Wellenleiter, einem akustischen Wellenleiter, geführt, wodurch sich einerseits ein geringer Leistungsbedarf ergibt und andererseits die akustischen Absorber AAE, AAA klein sein können. Die akustischen Absorber AAE, AAA können auch größer sein als in Fig. 3 gezeichnet. Der elektroakustische Wandler WA weist ein Elektrodenpaar auf, wobei jede der beiden Elektroden fingerförmige Fortsätze aufweist und in Ausbreitungsrichtung der Welle abwechselnd ein Finger der einen und ein Finger der anderen Elektrode auftreten. An electroacoustic transducer WA is applied directly behind the entrance gate E to the surface of the crystal. It is advantageous here to use a unidirectional transducer, which emits surface acoustic waves only in the direction of the output port A, but not backwards in the direction of the input port E. The optical waveguide between the electroacoustic transducer WA and the output port A represents the retarder R, which is symbolized by dimension arrows . An acoustic absorber AAE or AAA is provided at each of the entrance gates E and exit gates A so that the acoustic wave cannot be reflected. The distance between the input-side absorber AAE and the electroacoustic transducer WA is ideally zero, and is made as small as possible in practice. The absorbers AAE and AAA can be omitted if it is ensured by other measures that acoustic waves only propagate from the transducer WA to the output gate A. For example, the input-side absorber AAE can be omitted when using a unidirectional converter WA. To avoid optical reflections, entrance gate E and exit gate A are each advantageously provided with an anti-reflective layer. Inclined faces are also suitable for distracting and rendering harmless acoustic and optical reflections. If optical or acoustic waves were reflected, the desired retarder behavior would be impaired. The acoustic wave is also advantageously guided in a waveguide, an acoustic waveguide, which on the one hand results in a low power requirement and on the other hand the acoustic absorbers AAE, AAA can be small. The acoustic absorbers AAE, AAA can also be larger than shown in FIG. 3. The electroacoustic transducer WA has a pair of electrodes, each of the two electrodes having finger-shaped extensions and alternately a finger of one electrode and a finger of the other electrode appearing in the direction of propagation of the wave.
Während eine Elektrode geerdet werden kann, was durch das Symbol 0 dargestellt ist, wird die andere mit einer Spannung beaufschlagt, welche proportional zu cos(ωt) ist. Die Ansteuerschaltung, bestehend aus Mitteln AN1, muß zum Betrieb des Retarders R lediglich eine einzige sinusförmige Spannung erzeugen. Üblicherweise beträgt die erforderliche Ansteuerleistung einige 10 mW bis einige 100 mW. Vom bidirektionalen elektroakustischen Wandler WA breiten sich entlang des Wellenleiters W akustische Wellen in Richtung Eingangstor E und in Richtung Ausgangstor A aus. Die in Richtung Eingangstor E laufende akustische Welle wird jedoch gleich nach Verlassen des Wandlers WA im eingangsseitigen Absorber AAE absorbiert. Durch die akustischen Dichteschwankungen des Kristallmaterials kommt es zu Modenkonversion zwischen transversal elektrischen und transversal magnetischen optischen Wellen. Die Kreisfrequenz ω muß so gewählt werden, daß die akustische Wellenlänge im Kristall gleich der Schwebungslänge zwischen transversal elektrischen und transversal magnetischen optischen Wellen ist, oder, in anderen Worten, gleich der Schwebungslänge zwischen linear mit Erhebungswinkeln von 0° und 90° polarisierten Eigenmoden des Wellenleiters W ist.While an electrode can be grounded by what Icon 0 is shown, the other with a voltage which is proportional to cos (ωt). The Control circuit, consisting of means AN1, must be in operation of the retarder R only a single sinusoidal voltage produce. Usually the required is Driving power some 10 mW to some 100 mW. From bidirectional electroacoustic transducers WA are spreading along the waveguide W towards acoustic waves Entrance gate E and towards exit gate A. In the However, the acoustic wave going towards the entrance gate E becomes immediately after leaving the converter WA in the input side Absorber AAE absorbed. Through the acoustic There are fluctuations in the density of the crystal material Mode conversion between transversal electrical and transverse magnetic optical waves. The angular frequency ω must be chosen so that the acoustic wavelength in the Crystal equal to the beat length between transverse electrical and transverse magnetic optical waves, or, in other words, equal to the beat length between linearly polarized with elevation angles of 0 ° and 90 ° Eigen mode of the waveguide W is.
Deshalb ist dieser Polarisationsanalysator selektiv bezüglich der optischen Wellenlänge. Nur die Polarisation von Signalen einer bestimmten optischen Wellenlänge wird analysiert; die Polarisationen von Signalen anderer optischer Wellenlängen bleiben im wesentlichen unanalysiert. Diese Eigenschaft läßt sich vorteilhaft nützen.Therefore, this polarization analyzer is selective with respect to the optical wavelength. Only the polarization of signals a certain optical wavelength is analyzed; the Polarizations of signals of other optical wavelengths remain essentially unanalysed. This property leaves take advantage of.
Aufgrund der Wahl von Kristallschnitt und Ausbreitungsrichtung ist der Wellenleiter stark doppelbrechend; die erforderliche Gleichheit von Schwebungslänge und akustischer Wellenlänge wurde gerade erläutert. Unter den oben erwähnten zeitveränderbaren Eigenmoden des Retarders sind jedoch nicht die linear mit Erhebungswinkeln von 0° und 90° polarisierten Eigenmoden des Wellenleiters W zu verstehen, sondern die Eigenmoden, die sich bei der gewählten Kombination aus Kreisfrequenz ω und optischer Wellenlänge im Betrieb ergeben. Bezüglich dieses für normale Verwendung wesentlichen Betriebs des Retarders ist eine Verzögerung der Größe Φ = π gerade dann erreicht, wenn eingangsseitige lineare Polarisation mit 0° Erhebungswinkel ausgangsseitig in lineare Polarisation mit 90° Erhebungswinkel umgewandelt wird. Eine Verzögerung der Größe Φ = π/2 entspricht bezüglich der Leistung hälftiger Polarisationskonversion. Dieser akustooptische Retarder wird oft als akustooptischer TE-TM-Wandler bezeichnet.Due to the choice of crystal cut and direction of propagation the waveguide is highly birefringent; the required Equality of beat length and acoustic wavelength has just been explained. Among those mentioned above however, time-changeable eigenmodes of the retarder are not which linearly polarized with elevation angles of 0 ° and 90 ° To understand eigenmodes of the waveguide W, but the Eigenmode, which are in the selected combination Angular frequency ω and optical wavelength in operation. Regarding this operation essential for normal use of the retarder is a delay of size Φ = π just then reached when linear polarization at 0 ° on the input side Elevation angle on the output side in linear polarization with 90 ° Elevation angle is converted. A delay in size Φ = π / 2 corresponds to half in terms of performance Polarization conversion. This acousto-optical retarder will often referred to as an acousto-optical TE-TM converter.
Als Funktion des Ortes entsteht im doppelbrechenden Wellenleiter W eine Phasenverschiebung zwischen linearer Polarisation mit 0° und 90° Erhebungswinkel. Die Modenkonversion wird durch das mit der Schallgeschwindigkeit sich ausbreitende Gitter der Kristalldichteschwankung vermittelt. Deshalb findet Modenkonversion statt, bei welcher die Phase der konvertierten Polarisation sich als Funktion der Zeit linear ändert. In anderen Worten, die konvertierte Polarisation erfährt eine optische Frequenzverschiebung um die Frequenz ω/2π. Die Richtung der Frequenzverschiebung hängt davon ab, ob sich akustische und optische Wellen in dieselbe Richtung oder in Gegenrichtung ausbreiten, und davon, ob die eingangsseitige linearpolarisierte Welle 0° oder 90° Erhebungswinkel besitzt.As a function of the place, birefringent arises Waveguide W is a phase shift between linear Polarization with 0 ° and 90 ° elevation angle. The Mode conversion is achieved by the speed of sound spreading grids of crystal density fluctuation mediated. That is why fashion conversion takes place, at which the phase of the converted polarization changes as a function of Time changes linearly. In other words, the converted one Polarization undergoes an optical frequency shift around the Frequency ω / 2π. The direction of the frequency shift depends depending on whether acoustic and optical waves are in the same Spread in the opposite direction, and whether the linear polarized wave 0 ° or 90 ° on the input side Has elevation angle.
Dieser akustooptische Retarder wird durch die Matrix (O, cos(ωt), sin(ωt),Φ) =This acousto-optical retarder is through the matrix (O, cos (ωt), sin (ωt), Φ) =
gekennzeichnet, wobei das Vorzeichen des Terms ωt davon abhängt, ob akustische und optische Welle in derselben Richtung oder in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten. In einem alternativen Ausführungsbeispiel wäre also der Wandler WA neben dem ausgangsseitigen Absorber AAA angebracht und würde akustische Wellen in Richtung Eingangstor E abstrahlen. Die Eigenmoden dieses Retarders R liegen auf demjenigen Großkreis der Poincar´-Kugel, welcher lineare Polarisationen mit 45° und -45° Erhebungswinkel sowie rechts- und linkszirkulare Polarisationen enthält.characterized, the sign of the term ωt thereof depends on whether acoustic and optical wave in the same direction or spread in opposite directions. In one alternative embodiment would be the converter WA next to the output-side absorber AAA and would Radiate acoustic waves towards entrance gate E. The eigenmodes of this retarder R lie on that Great circle of the Poincar´ sphere, which has linear polarizations with 45 ° and -45 ° elevation angle as well as right and contains left circular polarizations.
Nach Verlassen durch das Ausgangstor A tritt die Welle, deren Polarisation zu bestimmen ist, durch einen Polarisator P. Der schwach gedämpfte Eigenmodus dieses Polarisators P ist linear polarisiert und besitzt einen Erhebungswinkel von 45° oder -45°. Bei Verwendung des Erhebungswinkels 45° wird er durch den normierten Stokes-Vektor P- = [0, 1, 0]T gekennzeichnet. Hinter dem Polarisator P ist, wie beim Stand der Technik, ein Photodetektor DET vorgesehen, welcher einen zur Leistung oder Intensität I der transmittierten optischen Welle proportionalen Photostrom abgibt. Diese Intensität ergibt sich in normierter Darstellung aus dem bisher Gesagten zuAfter leaving through the exit gate A, the wave, the polarization of which is to be determined, passes through a polarizer P. The weakly damped eigenmode of this polarizer P is linearly polarized and has an elevation angle of 45 ° or -45 °. When using the elevation angle 45 °, it is characterized by the standardized Stokes vector P - = [0, 1, 0] T. A photodetector DET, which emits a photocurrent proportional to the power or intensity I of the transmitted optical wave, is provided behind the polarizer P, as in the prior art. This intensity results in a standardized representation from what has been said so far
und mit der eingangsseitigen Polarisation E = [SE1, SE2, SE3]T zuand with the polarization E = [S E1 , S E2 , S E3 ] T on the input side
Für Φ = π/2 erhält man den SpezialfallFor Φ = π / 2 you get the special case
Gegenüber dem Stand der Technik sind in dieser Formel die drei normierten Stokes-Parameter lediglich zyklisch vertauscht. Wie beim Stand der Technik erhält man die Stokes-Parameter durch phasenempfindliche Gleichrichtung, Synchrondemodulation, Anwendung eines sogenannten "lock-in"-Verstärkers oder ähnliche Operation.Compared to the prior art, the three are in this formula standardized Stokes parameters only exchanged cyclically. As in the prior art, the Stokes parameters are obtained through phase-sensitive rectification, synchronous demodulation, Use of a so-called "lock-in" amplifier or the like Surgery.
Wie beim Stand der Technik wird im Betrieb die Verzögerung Φ vorzugsweise gleich π/2 oder gleich -π/2 gemacht. Die Verwendung einer Verzögerung Φ, deren Betrag größer ist als π, ist zwar möglich, aber in vielen Fällen nicht vorteilhaft: Wegen der Periodizität von cosΦ und sinΦ kann man dieselben zu cos(2ωt), sin(2ωt) und sin(ωt) proportionalen Wechselsignalanteile der Intensität I nämlich auch durch eine Verzögerung Φ, deren Betrag π nicht übersteigt, erhalten. Je kleiner der Betrag der Verzögerung Φ ist, desto niedriger sind aber die Amplituden der zur Ansteuerung des Retarders R notwendigen Steuergrößen, was in der Regel vorteilhaft ist. Im Ausführungsbeispiel ist lediglich eine solche Steuergröße erforderlich, nämlich die zu cos(ωt) proportionale Ansteuerspannung. Wie beim Stand der Technik sollte die Verzögerung Φ nicht gleich einem Vielfachen des Werts π gewählt werden. Ist die Verzögerung Φ nämlich identisch mit einem geradzahligen Vielfachen von π, so sind die zu cos(2ωt), sin(2ωt) und sin(ωt) proportionalen Wechselsignalanteile der Intensität I stets gleich Null, so daß sich durch deren Auswertung die Stokes-Parameter nicht ermitteln lassen. Ist die Verzögerung Φ gleich einem ungeradzahligen Vielfachen von π, so ist der zu sin(ωt) proportionale Wechselsignalanteil der Intensität I gleich Null, so daß auch in diesem Fall die Polarisationsanalyse Einschränkungen unterliegt. Im Betrieb wird also die Verzögerung vorzugsweise Φ gleich einem mit einem Vielfachen des Werts π nicht identischen Wert gemacht, insbesondere gleich π/2 oder gleich -π/2.As in the prior art, the delay Φ preferably made equal to π / 2 or equal to -π / 2. The Using a delay Φ whose amount is greater than π, is possible, but in many cases not advantageous: Because of the periodicity of cosΦ and sinΦ one can do the same proportional to cos (2ωt), sin (2ωt) and sin (ωt) Alternating signal components of intensity I namely also by a Delay Φ, the amount of which does not exceed π, received. Each the smaller the amount of delay Φ, the lower but the amplitudes for controlling the retarder R necessary control variables, which is usually advantageous. in the An exemplary embodiment is only such a control variable required, namely that proportional to cos (ωt) Control voltage. As with the prior art, the delay Φ should not can be chosen equal to a multiple of the value π. Is the Delay Φ namely identical to an even number Multiples of π, they are too cos (2ωt), sin (2ωt) and sin (ωt) proportional Alternating signal components of intensity I always zero, so that the Stokes parameters do not differ due to their evaluation have it determined. Is the delay Φ equal to one odd multiples of π, then that is to sin (ωt) proportional alternating signal component of intensity I equal to zero, so that in this case too the polarization analysis Restrictions apply. So in operation the Delay preferably Φ equal to a multiple of the value π is not made an identical value, in particular equal to π / 2 or equal to -π / 2.
Für die genannte Signalauswertung sind in Fig. 2 zweite Mittel AN2 vorgesehen. Diese zweiten Mittel enthalten einen ersten Phasenschieber PH1, welcher aus dem zu cos(ωt) proportionalen Steuersignal des elektroakustischen Wandlers ein zu sin(ωt) proportionales erstes Demodulationssignal SIG1 generiert. Dieses erste Demodulationssignal SIG1 und ein intensitätsproportionales Signal I des Detektors DET werden zwei Eingängen eines ersten Multiplizierers M1 zugeführt. Dessen Ausgangssignal wird durch ein erstes Tiefpaßfilter TP1 von Frequenzkomponenten etwa im Bereich von ω/2π und höher gereinigt, so daß am Ausgang dieses ersten Tiefpaßfilters TP1 ggf. nach geeigneter Normierung ein zu SE1 proportionales Signal zur Verfügung steht. Second means AN2 are provided in FIG. 2 for the aforementioned signal evaluation. These second means contain a first phase shifter PH1, which generates a first demodulation signal SIG1, which is proportional to sin (ωt), from the control signal of the electroacoustic transducer which is proportional to cos (ωt). This first demodulation signal SIG1 and an intensity-proportional signal I of the detector DET are fed to two inputs of a first multiplier M1. Its output signal is cleaned by a first low-pass filter TP1 from frequency components in the range of ω / 2π and higher, so that a signal proportional to S E1 is available at the output of this first low-pass filter TP1, if necessary after suitable normalization.
Aus dem ersten Demodulationssignal SIG1 wird mittels eines Frequenzverdopplers V ein zu cos(2ωt) proportionales zweites Demodulationssignal SIG2 gewonnen.The first demodulation signal SIG1 is converted by means of a Frequency doubler V a second proportional to cos (2ωt) Demodulation signal SIG2 obtained.
Dieses zweite Demodulationssignal SIG2 und das intensitätsproportionale Signal I werden zwei Eingängen eines zweiten Multiplizierers M2 zugeführt. Dessen Ausgangssignal wird durch ein zweites Tiefpaßfilter TP2 von Frequenzkomponenten etwa im Bereich von ω/2π und höher gereinigt, so daß am Ausgang dieses zweiten Tiefpaßfilters TP2 ggf. nach geeigneter Normierung ein zu SE2 proportionales Signal zur Verfügung steht. In Fig. 2 ist desweiteren ein zweiter Phasenschieber PH2 vorgesehen, welcher aus dem zu cos(2ωt) proportionalen zweiten Demodulationssignal SIG2 ein zu sin(2ωt) proportionales drittes Demodulationssignal SIG3 generiert. Dieses dritte Demodulationssignal SIG3 und das intensitätsproportionale Signal I werden zwei Eingängen eines dritten Multiplizierers M3 zugeführt. Dessen Ausgangssignal wird durch ein drittes Tiefpaßfilter TP3 von Frequenzkomponenten etwa im Bereich von ω/2π und höher gereinigt, so daß am Ausgang dieses dritten Tiefpaßfilters TP3 ggf. nach geeigneter Normierung ein zu SE3 proportionales Signal zur Verfügung steht.This second demodulation signal SIG2 and the intensity-proportional signal I are fed to two inputs of a second multiplier M2. Its output signal is cleaned by a second low-pass filter TP2 of frequency components in the range of ω / 2π and higher, so that a signal proportional to S E2 is available at the output of this second low-pass filter TP2, if necessary after suitable normalization. In FIG. 2, a second phase shifter PH2 is also provided, which generates a third demodulation signal SIG3 proportional to sin (2ωt) from the second demodulation signal SIG2 proportional to cos (2ωt). This third demodulation signal SIG3 and the intensity-proportional signal I are fed to two inputs of a third multiplier M3. Its output signal is cleaned by a third low-pass filter TP3 from frequency components in the range of ω / 2π and higher, so that a signal proportional to S E3 is available at the output of this third low-pass filter TP3, if necessary after suitable normalization.
Signallaufzeiten werden vorteilhaft durch Einfügung geeigneter Verzögerungsleitungen an anderer Stelle und/oder durch entsprechende Auslegung der Phasenschieber PH1, PH2 berücksichtigt und bezüglich ihrer Auswirkungen kompensiert. Es ist vorteilhaft, das vom Photodetektor DET abgegebene Signal vor der Einspeisung in die Multiplizierer M1, M2, M3 zu verstärken. Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses und somit zur Bestimmung des Polarisationszustands selbst bei Vorliegen geringer optischer Leistungen des optischen Eingangssignals ist es ferner vorteilhaft, vor den Multiplizierern Bandpaßfilter mit den Mittenfrequenzen ω/2π (für den ersten Multplizierer M1) bzw. 2ω/2π (für den zweiten Multiplizierer M2 und den dritten Multiplizierer M3) vorzusehen. Um das Signal-Rausch-Verhältnis noch weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, die auszuwertenden Komponenten des intensitätsproportionalen Signals I bei den Frequenzen ω/2π und 2ω/2π zunächst nach dem Heterodynverfahren durch elektrische Mischer oder Multiplizierer auf eine gemeinsame (oder zwei verschiedene), bevorzugt niedrig gewählte Zwischenfrequenzen umzusetzen. Bei dieser Zwischenfrequenz (bzw. diesen Zwischenfrequenzen) erfolgt dann eine schmalbandige Filterung zur Verbesserung des Signal-Rausch- Verhältnisses. Dies ist vorteilhaft, weil zum einen die Frequenz ω/2π variabel, etwa proportional zur optischen Frequenz und etwa umgekehrt proportional zur gerade auszuwertenden optischen Wellenlänge gewählt werden muß, und andererseits bei niedrigeren Frequenzen schmalbandige Filter leicht realisiert werden können. An dieser Proportionalität erkennt man die optische Wellenlängenselektivität, und somit auch gleichermaßen optische Frequenzselektivität dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung.Signal delays are advantageously made by inserting more suitable ones Delay lines elsewhere and / or through appropriate design of the phase shifters PH1, PH2 taken into account and compensated for their effects. It is advantageous for the signal emitted by the photodetector DET before feeding into multipliers M1, M2, M3 reinforce. To improve the signal-to-noise ratio and thus to determine the polarization state itself Presence of low optical powers of the optical Input signal, it is also advantageous before Multipliers bandpass filters with the center frequencies ω / 2π (for the first multiplier M1) or 2ω / 2π (for the second Multiplier M2 and the third multiplier M3) to provide. To further increase the signal-to-noise ratio improve, it is advantageous to evaluate the components of the intensity-proportional signal I at the frequencies ω / 2π and 2ω / 2π by the heterodyne method electric mixer or multiplier on a common (or two different), preferably chosen low Implement intermediate frequencies. At this intermediate frequency (or these intermediate frequencies) then one narrowband filtering to improve signal-to-noise Ratio. This is advantageous because, on the one hand, the Frequency ω / 2π variable, roughly proportional to the optical Frequency and roughly inversely proportional to the straight optical wavelength to be evaluated must be selected, and on the other hand, narrow-band filters at lower frequencies can be easily realized. This proportionality one recognizes the optical wavelength selectivity, and thus also optical frequency selectivity this equally Embodiment of the invention.
Vorteilhafte Anwendung wellenlängen- und frequenzselektiver Polarisationsmessung ergibt sich etwa bei der Bestimmung der Polarisationsdispersion von Lichtwellenleitern. Um diese Messung durchzuführen, speist man ein bezüglich der optischen Frequenz variables Lichtsignal einer bestimmten Polarisation in den zu untersuchenden Lichtwellenleiter ein. Es ist zweckmäßig, dazu ein breitbandiges optisches Rauschsignal einzusetzen, welches beispielsweise aus einem unterhalb der Schwelle betriebenen Laser oder aus einem optischen Verstärker unter Zwischenschaltung eines Polarisators entnommen wird. Mit einem erfindungsgemäßen Polarisationsanalysator bestimmt man durch Veränderung der Frequenz ω/2π die Polarisation am Ausgang des Lichtwellenleiters selektiv bezüglich der optischen Frequenz. Die Stärke der gemessenen Polarisationsänderungen pro Frequenzeinheit ist ein Maß für die zu ermittelnde Polarisationsdispersion des Lichtwellenleiters.Advantageous application of wavelength and frequency selective Polarization measurement results approximately when determining the Polarization dispersion of optical fibers. Around To carry out measurement, one feeds in with regard to the optical Frequency variable light signal of a certain polarization in the optical fiber to be examined. It is advisable to use a broadband optical noise signal, which for example consists of a below the threshold powered laser or from an optical amplifier under Interposition of a polarizer is removed. With a polarization analyzer according to the invention is determined by Changing the frequency ω / 2π the polarization at the output of the Optical fiber selectively with respect to the optical frequency. The strength of the measured changes in polarization per Frequency unit is a measure of that to be determined Polarization dispersion of the optical fiber.
Eine weitere Anwendung der Frequenzselektivität kann darin bestehen, daß der Retarder R mit einem mehrfrequenten Steuersignal betrieben wird und daß die Wechselsignalanteile der Intensität I gleichzeitig bei mehreren Frequenzen und den dazugehörigen doppelten Frequenzen ausgewertet werden, um die Polarisationen optischer Signale bei mehreren optischen Frequenzen gleichzeitig zu ermitteln. Im einfachsten Fall wird dazu der akustooptische Retarder mit einem zu cos(ω₁t) + cos(ω₂t) proportionalen Signal des Mittels AN1 angesteuert, wobei ω₁ und ω₂ zwei elektrische Kreisfrequenzen sind, welche den zu untersuchenden optischen Spektralbereichen entsprechen. In den Mitteln AN2 werden die zu cos(2ω₁t), sin(2ω₁t) und sin(ω₁t) proportionalen Wechselsignalanteile der Intensität I zur Analyse der Polarisation der der Kreisfrequenz ω₁ entsprechenden optischen Spektralanteile sowie die zu cos(2ω₂t), sin(2ω₂t) und sin(ω₂t) proportionalen Wechselsignalanteile der Intensität I zur Analyse der Polarisation der der Kreisfrequenz ω₂ entsprechenden optischen Spektralanteile ausgewertet.Another application of frequency selectivity can be found in it exist that the retarder R with a multi-frequency Control signal is operated and that the alternating signal components the intensity I simultaneously at several frequencies and the associated double frequencies are evaluated to the Polarizations of optical signals in several optical To determine frequencies at the same time. In the simplest case, the acousto-optical retarder is also used a signal of the means proportional to cos (ω₁t) + cos (ω₂t) AN1 driven, where ω₁ and ω₂ two electrical Circular frequencies are the optical ones to be examined Spectral ranges correspond. In the AN2 funds they become cos (2ω₁t), sin (2ω₁t) and sin (ω₁t) proportional Alternating signal components of intensity I for the analysis of Polarization of the optical frequency corresponding to the angular frequency ω₁ Spectral components as well as those for cos (2ω₂t), sin (2ω₂t) and sin (ω₂t) proportional alternating signal components of intensity I to Analysis of the polarization of the angular frequency ω₂ corresponding optical spectral components evaluated.
Das in den Fig. 2 und 3 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nur eines von vielen möglichen. Befindet sich zwischen dem Ende des Retarders R, in Fig. 3 gekennzeichnet durch eine Stelle im ausgangsseitigen Absorber AAA, und dem Ausgangstor A eine nichtvernachlässigbare Länge des doppelbrechenden Wellenleiters W mit zeitinvarianten Eigenmoden gleich linearen Polarisationen mit Erhebungswinkeln von 0° und 90°, so kann diese Länge als weiterer Retarder durch die MatrixThe embodiment of the invention shown in FIGS. 2 and 3 is only one of many possible. If there is a non-negligible length of the birefringent waveguide W with time-invariant eigenmodes equal to linear polarizations with elevation angles of 0 ° and 90 °, between the end of the retarder R, indicated by a location in the output-side absorber AAA in FIG. 3, and the output gate A this length as a further retarder through the matrix
gekennzeichnet werden. Dabei ist ψ die Verzögerung dieser Länge des Wellenleiters W. Die Wirkung in Kette geschalteter Retarder wird durch Multiplikation der entsprechenden Matrizen berechnet. Die Intensität ergibt sich dann zube marked. Here is ψ the delay of this length of the waveguide W. Die The effect of retarder connected in chain is due to Multiplication of the corresponding matrices calculated. The Then intensity results
Wie man aus den zwei angegebenen Ausdrücken sieht, ist es zur Auswertung der normierten Stokes-Parameter ausreichend, entweder die Amplituden der Signalkomponenten cos(2ωt), sin(2ωt), cos(ωt), sin(ωt) zu bestimmen und daraus durch Gewichtung mit cos ψ, ± sin ψ Linearkombinationen zu bilden, oder direkt die Amplituden der Signalkomponenten cos(2ωt + ψ),sin(2ωt + ψ),sin(ωt + ψ) zu bestimmen. WegenAs you can see from the two expressions given, it is for Sufficient evaluation of the standardized Stokes parameters, either the amplitudes of the signal components cos (2ωt), sin (2ωt), cos (ωt), sin (ωt) to determine and from it by weighting with cos ψ, ± sin ψ linear combinations form, or directly the amplitudes of the signal components cos (2ωt + ψ), sin (2ωt + ψ), sin (ωt + ψ). Because of
kann man durch diese Art der Auswertung auch einen Polarisator P berücksichtigen, dessen schwach gedämpfter Eigenmodus eine beliebige Polarisation desjenigen Großkreises der Poincar´- Kugel ist, auf welchem die Eigenmoden des Retarders R liegen. Ähnlich geht man vor, falls zwischen dem Eingangstor E und dem Wandler WA eine nicht vernachlässigbare Länge des doppelbrechenden Wellenleiters W mit zeitinvarianten Eigenmoden gleich linearen Polarisationen mit Erhebungswinkeln von 0° und 90°, oder ein beliebiger anderer Retarder zu berücksichtigen ist. you can also use this type of evaluation to use a polarizer Consider P, whose weakly damped eigenmode is a arbitrary polarization of the great circle of the Poincar´ Is a sphere on which the eigenmodes of the retarder R lie. The procedure is similar if the entrance gate E and the Converter WA a non-negligible length of the birefringent waveguide W with time-invariant eigenmodes equal linear polarizations with elevation angles of 0 ° and 90 °, or any other retarder is.
Auf diese Weise kann man nicht nur für den geschilderten Spezialfall, sondern ganz allgemein, einen zwischen dem Retarder R und dem den schwach gedämpften Eigenmodus P aufweisenden Polarisator P gelegenen weiteren Retarder mit der Drehmatrix stets so berücksichtigen, als ob er nicht vorhanden sei und der Polarisator den schwach gedämpften Eigenmodus (′P) aufwiese.In this way, not only for the special case described, but quite generally, a further retarder with the rotation matrix located between the retarder R and the polarizer P having the weakly damped natural mode P can always be taken into account as if it were not present and the polarizer had the weakly damped eigenmode (′ P ).
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung findet man beispielsweise wie folgt in der FormelFurther embodiments of the invention can be found for example as follows in the formula
ist der Term P · (E) von besonderem Interesse. Sei eine 3 × 3-Matrix, bestehend aus orthonormalen Vektoren, so giltthe term P · ( E ) is of particular interest. Let be a 3 × 3 matrix consisting of orthonormal vectors
-1 = T und T = T = , -1 = T and T = T =,
wobei die Einheitsmatrix sei.where is the unit matrix.
Auch die Matrix sei aus orthonormalen Vektoren aufgebaut. Also istThe matrix is also made up of orthonormal vectors. So is
Dies bedeutet: Aus dem Stand der Technik oder den soeben erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung wähle man zunächst eine Kombination von Retarder, gekennzeichnet durch die Matrix , Polarisator, gekennzeichnet durch den schwach gedämpften Eigenmodus P, und Mitteln AN1 und AN2 aus, welche die Analyse der Eingangspolarisation mit dem Stokes-Vektor E gestattet. Nun bleibt die Funktion der Anordnung unverändert, wenn man statt dessen einen Polarisator mit dem schwach gedämpften Eigenmodus (P-) und einen Retarder, welcher durch die Matrix (T) gekennzeichnet ist, und eine Eingangspolarisation E′ = (E) verwendet. Wird das Signal, dessen Polarisation zu analysieren ist, an den Eingang des Retarders, welcher durch die Matrix (T) gekennzeichnet ist, gelegt, so findet man die wahre Eingangspolarisation E′ = (E) dadurch heraus, daß man die von der Anordnung scheinbar gemessene Polarisation E- durch geeignete Mittel, welche Koeffizientenmultiplizierer und Addierer oder Subtrahierer zur Bildung von Linearkombinationen aufweisen, mit der Matrix multipliziert, so daß man die wahre Eingangspolarisation E′ = (E) erhält. This means: From the prior art or the embodiment of the invention just explained, first choose a combination of retarder, characterized by the matrix, polarizer, characterized by the weakly damped eigenmode P , and means AN1 and AN2, which analyze the input polarization allowed with the Stokes vector E. Now the function of the arrangement remains unchanged if instead a polarizer with the weakly damped eigenmode ( P -) and a retarder, which is characterized by the matrix ( T ), and an input polarization E ′ = ( E ) are used. If the signal, the polarization of which is to be analyzed, is applied to the input of the retarder, which is identified by the matrix ( T ), the true input polarization E ′ = ( E ) is found by apparently removing the arrangement measured polarization e - multiplied by suitable means, which coefficient multiplier and adder or subtractor comprise the formation of linear combinations with the matrix, so as to obtain the true input polarization e '= (e).
In der Praxis kann es schwierig sein, den Polarisator P so auszubilden, daß sein schwach gedämpfter Eigenmodus genau auf demjenigen Großkreis der Poincar´-Kugel liegt, auf welchem die Eigenmoden des Retarders R liegen. Diese Schwierigkeit tritt beispielsweise dann auf, wenn ein linearer Polarisator mit (physikalischem) Erhebungswinkel γ gegenüber der Horizontalen verwendet wird, dessen schwach gedämpfter Eigenmodus der normierte Stokes-Vektor [cos(2γ), sin(2γ), 0]T ist, und wenn dieser Erhebungswinkel nicht γ = 45° beträgt. Nur für γ = 45° liegt nämlich dieser Stokes-Vektor auf dem durch einen Retardereigenmodus [0, cos(ωt), sin(ωt)]T gegebenen Großkreis.In practice, it can be difficult to design the polarizer P so that its weakly damped eigenmode lies exactly on the great circle of the Poincar´ sphere on which the eigenmodes of the retarder R lie. This difficulty arises, for example, when a linear polarizer with a (physical) elevation angle γ with respect to the horizontal is used, the weakly damped eigenmode of which is the standardized Stokes vector [cos (2γ), sin (2γ), 0] T , and if this elevation angle is not γ = 45 °. Only for γ = 45 ° does this Stokes vector lie on the great circle given by a retard eigen mode [0, cos (ωt), sin (ωt)] T.
Befindet sich dagegen zwischen dem Ausgang des Retarders R und dem Polarisator P ein weiterer Retarder mit Verzögerung ζ, der beispielsweise durch die Drehmatrix (0,1,0,ζ) gegeben ist, so läßt sich dessen Verzögerung ζ stets so wählen, daß die erfindungsgemäße Funktion des Polarisationsanalysators sichergestellt ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 läßt sich quasi ohne Mehraufwand ein solcher weiterer Retarder einsetzen: Man vertauscht Eingangstor E und Ausgangstor A des Lithiumniobatchips, so daß der elektroakustische Wandler WA in der Nähe des Ausgangstors A liegt. Beaufschlagt man nun die nicht geerdete Wandlerelektrode mit einer Steuerspannung, welche nicht nur einen zu cos(ωt) proportionalen Wechselanteil, sondern auch einen additiven Gleichanteil enthält, so wirkt der elektroakustische Wandler WA im flächig eng begrenzten Bereich der fingerförmigen Elektroden gleichzeitig als elektrooptischer Retarder mit der Matrix (0,1,0,ζ). Die Verzögerung ζ ist proportional zu der zur Wechselspannung addierten Gleichspannung. Die bei zusätzlich angelegter Gleichspannung auftretende zusätzliche Funktion des elektroakustischen Wandlers WA als elektrooptischer Retarder ergibt sich aus einem Spezialfall des im IEEE Journal of Quantum Electronics, Band 25, No. 8, August 1989, S. 1898-1906 beschriebenen Retarders. Statt der beschriebenen Doppelnutzung des Wandlers WA kann man zur Realisierung des genannten weiteren Retarders natürlich auch einen weiteren Wandler vorsehen. If, on the other hand, there is another retarder with delay ζ between the output of the retarder R and the polarizer P, which is given, for example, by the rotation matrix (0,1,0, ζ), its delay ζ can always be selected so that the inventive one Function of the polarization analyzer is ensured. In the exemplary embodiment in FIG. 3, such a further retarder can be used virtually without additional effort: the input gate E and output gate A of the lithium niobate chip are interchanged, so that the electroacoustic transducer WA is in the vicinity of the output gate A. If one now applies a control voltage to the ungrounded transducer electrode, which contains not only an alternating component that is proportional to cos (ωt), but also an additive direct component, the electroacoustic transducer WA simultaneously acts as an electro-optical retarder in the area of the finger-shaped electrodes with a narrow area Matrix (0,1,0, ζ). The delay ζ is proportional to the DC voltage added to the AC voltage. The additional function of the electroacoustic transducer WA as an electro-optical retarder, which occurs when the DC voltage is additionally applied, results from a special case of the IEEE Journal of Quantum Electronics, Volume 25, No. 8, August 1989, pp. 1898-1906 described retarder. Instead of the double use of the converter WA described, it is of course also possible to provide a further converter for realizing the further retarder mentioned.
In der Praxis kann es schwierig sein, einen optischen Wellenleiter W zu implementieren, der auf der gesamten Länge dieselbe Doppelbrechung aufweist. Dadurch rotieren die schnellen Eigenmoden des Retarders R nicht mit konstanten Winkelgeschwindigkeiten auf der Poincar´-Kugel, oder der Retarder R ist gar als Kettenschaltung mehrerer Retarder mit unterschiedlichen Eigenmoden zu betrachten. Als Abhilfe gegen solcherweise unbefriedigende Funktion ist es vorteilhaft, ein Elektrodenpaar oder mehrere Elektrodenpaare seitlich des Wellenleiters W aufzubringen. Durch Anlegen individuell einzujustierender statischer Spannungsdifferenzen zwischen je zwei gegenüberliegenden Elektroden, welche den Wellenleiter zwischen sich einschließen, läßt sich auf elektrooptischem Weg gerade diejenige Doppelbrechung hinzufügen bzw. wegnehmen, die aufgrund von Fabrikationsfehlern auf dem betreffenden Stück des Wellenleiters fehlt bzw. zuviel ist.In practice it can be difficult to find an optical one To implement waveguide W of the entire length has the same birefringence. As a result, the rotate fast eigenmodes of the retarder R not with constant Angular velocities on the Poincar´ sphere, or the Retarder R is even included as a chain connection of several retarders to consider different eigenmodes. As a remedy against such unsatisfactory function, it is advantageous to a Electrode pair or several electrode pairs on the side of the To apply waveguide W. By creating individually static voltage differences to be adjusted between each two opposite electrodes which make up the waveguide enclose between them can be done electro-optically just add or remove the birefringence that due to manufacturing defects on the piece in question Waveguide is missing or is too much.
Ein dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 äquivalentes Bauelement kann elektrooptisch realisiert werden. Die Implementierung eines solchen Retarders ist im Tagungsband der Third European Conference on Integrated Optics, ECIO ′85, Berlin, 6.-8. Mai 1985, Springer-Verlag, Herausgeber H.-P. Nolting und R. Ulrich, S. 158-163 dargestellt. Im Fall dieser elektrooptischen Realisierung können die ersten Mittel AN1 zum erfindungsgemäßen Betrieb des Retarders R zwei Wechselsignale mit 90° Phasenverschiebung zueinander erzeugen, also beispielsweise Signale, welche proportional sind zu cos(ωt) bzw. sin(ωt).A component equivalent to the exemplary embodiment in FIG. 3 can be implemented electro-optically. The implementation of such a retarder is described in the conference proceedings of the Third European Conference on Integrated Optics, ECIO ′85, Berlin, 6-8. May 1985, Springer-Verlag, publisher H.-P. Nolting and R. Ulrich, pp. 158-163. In the case of this electro-optical implementation, the first means AN1 for operating the retarder R according to the invention can generate two alternating signals with a 90 ° phase shift with respect to one another, that is to say, for example, signals which are proportional to cos (ωt) or sin (ωt).
Die ersten Mittel AN1 können Oszillatoren, Verstärker, Impulsformer und ähnliche bekannte Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Signale aufweisen.The first means AN1 can oscillators, amplifiers, Pulse shapers and similar known devices for generation electrical signals.
Hälftige Modenkonversion des Retarders R entspricht jeweils einer Retarderverzögerung von π/2, volle Modenkonversion entspricht einer solchen von π.Half the mode conversion of the retarder R corresponds to each a retarder delay of π / 2, full mode conversion corresponds to that of π.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung wird beispielsweise ein Retarder R und ein Polarisator P eingesetzt, dessen schneller Eigenmodus bzw. schwach gedämpfter Eigenmodus auf einem Großkreis der Poincar´-Kugel liegen, der die linearen Polarisationen mit 0° und 90° Erhebungswinkel sowie sowie rechts- und linkszirkulare Polarisation enthält.In a further alternative embodiment of the invention For example, a retarder R and a polarizer P used, its quick self-mode or weakly damped Eigen mode on a great circle of the Poincar´ sphere, the the linear polarizations with 0 ° and 90 ° elevation angles as well as right and left circular polarization contains.
Die beschriebenen Bauelemente kann man auch dadurch realisieren, daß man an dem im IEEE Journal of Quantum Electronics, Band 25, No. 8, August 1989, S. 1898-1906 beschriebenen allgemeinen Retarder jeweils einen der drei Steuerelektrodensätze wegläßt oder spannungslos läßt und die übrigen beiden Steuerelektrodensätze mit zwei Wechselsignalen mit 90° Phasenverschiebung zueinander betreibt.The components described can also be used realize that the IEEE Journal of Quantum Electronics, Volume 25, No. 8, August 1989, pp. 1898-1906 described general retarders each one of the three Control electrode sets omits or leaves dead and the remaining two sets of control electrodes with two alternating signals operates with a 90 ° phase shift to one another.
Gemeinsam ist den genannten Retardern ferner, daß sie als Frequenzverschieber genutzt werden können, wenn ihre Eigenmoden mit konstanter Winkelgeschwindigkeit auf dem genannten Großkreis der Poincar´-Kugel umlaufen. Für die genannten akustooptischen Bauelemente ist dies stets der Fall. Ebenso kann man durch diskrete akustooptische oder andere Frequenzverschieber das Äquivalent eines Retarders konstruieren, wie etwa aus Electronics Letters, 27. August 1987, Band 23, No. 18, S. 924-925 bekannt ist.It is also common to the retarders mentioned that they as Frequency shifters can be used when their eigenmodes with constant angular velocity on the above Orbit the great circle of the Poincar´ sphere. For the above this is always the case with acousto-optical components. As well can be done by discrete acousto-optical or other Frequency shifter the equivalent of a retarder construct, such as from Electronics Letters, August 27 1987, volume 23, no. 18, pp. 924-925 is known.
Claims (9)
- - vor diesem Retarder (R),
- - zwischen diesem Retarder (R) und diesem Polarisator (P) und/oder
- - hinter diesem Polarisator (P)
- - in front of this retarder (R),
- - Between this retarder (R) and this polarizer (P) and / or
- - behind this polarizer (P)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE19934340089 DE4340089A1 (en) | 1993-09-29 | 1993-11-24 | Polarisation analyser |
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Publications (1)
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ID=25930023
Family Applications (1)
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| DE19934340089 Withdrawn DE4340089A1 (en) | 1993-09-29 | 1993-11-24 | Polarisation analyser |
Country Status (1)
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| DE (1) | DE4340089A1 (en) |
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| OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
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