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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Übertragungssystem
für optische
Signale und auf eine verbesserte Struktur eines in ihm verwendeten
magnetooptischen Modulators, der den Faraday-Effekt ausnutzt und
dazu vorgesehen ist, einen optischen Strahl bis zu einer höheren Frequenz zu
modulieren.
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2. Stand der
Technik
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Die
meisten äußeren optischen
Modulatoren, die in typischen Übertragungssystemen
für optische
Signale eingesetzt werden, nutzen den elektrooptischen Effekt (d.h.
den Pockels-Effekt) aus. Insbesondere setzen die meisten Übertragungssysteme für optische
Signale zur Verwendung bei der optischen Kommunikation Lichtwellenleiter-Modulatoren ein,
die den elektrooptischen Effekt eines LiNbO3-Kristalls
ausnutzen (z.B. Nishihara u.a., "Optical
Integrated Circuit",
veröffentlicht
von Ohm Company, S. 298–304
(1985)). Die optischen Modulatoren, die den elektrooptischen Kristall
verwenden, erfahren jedoch DC-Drifts (z.B. Appl. Phys., Bd. 76,
Nr. 3, S. 1405–1408
(1994)) oder einen optischen Defekt und haben Schwierigkeiten, bei
langer Verwendung die Zuverlässigkeit
zu bewahren. Das Vermindern einer solchen charakteristischen Verschlechterung
ist mit einer Zunahme der Herstellungskosten verbunden.
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In
den letzten Jahren sind Übertragungssysteme
für optische
Signale vorgeschlagen worden, die über eine Antenne eine elektrische
Welle empfangen und diese in Form eines Hochfrequenzsignals an einen
elektrooptischen Modulator anlegen (z.B. japanische Patent-Erstveröffentlichungen
Nrn. 4-172261 und 10-186189).
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Magnetooptische
Modulatoren, die den magnetooptischen Effekt ausnutzen, sind mehrere
Jahre lang untersucht worden (z.B. Appl. Phys. Lett., Bd. 21, Nr.
8, S. 394–396
(1972)), jedoch sind sie noch nicht in praktischer Anwendung, da
ihre Ansprechfrequenzen niedriger als jene von – elektrooptischen Modulatoren
sind und somit für
die Verwendung als optische Magnetfeldsensoren oder Stromsensoren untersucht
werden (z.B. J. Appl. Phys, Bd. 53, Nr. 11, S. 8263–8265 (1982)
und National Technical Report, Bd. 38, Nr. 2, S. 127–133 (1992)).
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Die
japanische Patent-Erstveröffentlichung Nr.
7-199137 lehrt die Verwendung eines magnetooptischen Modulators
als Polarisationsmodulator in einem Übertragungssystem für optische
Signale. Die Ansprechrate des magnetooptischen Modulators beträgt jedoch
nur einige zehn kHz. Das US-Patent Nr. 6,141,140 lehrt die Verwendung
eines optischen Isolators als magnetooptischer Modulator, jedoch
ist seine Ansprechrate ebenfalls niedrig. Der Grund dafür ist, dass
typische optische Isolatoren gewöhnlich
mit einem Metallelement bedeckt sind oder Metallmagnete verwenden,
um ein magnetisches Gleichfeld daran anzulegen, so dass das Anlegen
eines Hochfrequenzfeldes zur Erzeugung eines Wirbelstroms führt, der
es schwierig macht, ein Hochfrequenzfeld mit einigen zehn kHz oder
mehr von außen
an den optischen Isolator anzulegen. Der optische Isolator wird in
der Praxis als optischer Modulator eingesetzt und besitzt den Nachteil,
dass das Verändern
des Grads des magnetooptischen Effekts (d.h. des Faraday-Effekts)
mittels eines äußeren Magnetfeldes
eine Rückleitung
des Lichts in eine unerwünschte
Richtung (z.B. zu einer Lichtquelle hin) bewirkt.
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In
den letzten Jahren werden auch magnetooptische Modulatoren erforscht,
die dazu vorgesehen sind, den Strom in einem elektrischen Halbleitersubstrat
zu messen, und bei denen ein Gleichfeld an eine magnetooptische
Kristallschicht angelegt wird (z.B. Appl. Phys. Lett., Bd. 68, Nr.
25, S. 3546–3548
(1996) und Extended Abstract (61. Jahrestreffen 2000), The Japan
Society of Applied Physics, Universität Tokio, 2000, 4p-Q-4).
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Die
meisten der typischen Übertragungssysteme
für optische
Signale sind so ausgebildet, dass sie den an einen Halbleiterlaser
angelegten Treiberstrom bei höheren
Frequenzen modulieren oder einen Lichtwellenleiter-Modulator verwenden,
der den elektrooptischen Effekt (d.h. den Pockels-Effekt) aufweist.
Das direkte Modulieren des an den Halbleiterlaser angelegten Treiberstroms
erfordert keinen speziellen Modulator, womit der Vorteil gegeben
ist, dass das Übertragungssystem
für optische
Signale in der Struktur einfach ist. Es ist jedoch schwierig, das
von dem Halbleiterlaser emittierte Licht bei Frequenzen zu modulieren,
die höher
als einige GHz sind. Zudem kann das Betätigen eines Treibers des Halbleiterlasers
bei höheren
Frequenzen wegen eines durch die Hochgeschwindigkeitsmodulation
bedingten Laserzwitscherns (Laser Chirp) zu einem Fehler in der
gewünschten
Modulationstätigkeit
oder zu Schwierigkeiten beim Übertragen
einer Ausgangsgröße über eine
weite Strecke führen.
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Ferner
enthält
ein optisches Signal in einem Übertragungsnetz
für optische
Signale, das aus einer großen
Anzahl von optischen Fasern besteht, ein Rauschen, das aus der Mehrfachreflexion
an optischen Teilen, die in jede Übertragungsleitung eingebaut
sind, entsteht. Um dieses Problem zu vermeiden, wird gelegentlich
eine Lichtquelle wie etwa eine LED mit einem breiten Emissionsspektrum
eingesetzt. Das Frequenzband, in dem die LED gespeist werden kann,
ist jedoch in der Größenordnung
von 100 MHz (siehe Hiroo Yonetsu, "Optical Communication Device Engineering", veröffentlicht
von Kogaku Shoin, S. 135–141
(1991)), weshalb ein spezieller optischer Modulator zum Modulieren
einer Ausgangsgröße der LED
bei Frequenzen, die höher
als 100 MHz sind, erforderlich ist.
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Lichtwellenleiter
nutzen den elektrooptischen Effekt aus. In diesem Fall ist der Pockels-Effekt zu
einer Hochgeschwindigkeitsmodulation eines Laserstrahls oder von
durch eine LED erzeugtem Licht fähig
und stößt nicht
auf das Problem des Zwitscherns (Chirping), steht jedoch dem Problem
der DC-Drifts und des optischen Defekts gegenüber. Das Beseitigen von diesen
bringt eine Erhöhung
der Herstellungskosten mit sich. Bei Übertragungssystemen für optische
Signale, bei denen ein von einer Antenne empfangenes Signal verwendet
wird, um einen optischen Strahl (d.h. eine optische Trägerwelle)
zu modulieren, ist ein Modulator gewöhnlich im Freien installiert
und hat somit das Problem der DC-Drifts und des optischen Defekts.
Ferner sind die meisten Lichtwellenleiter-Modulatoren, die den Pockels-Effekt ausnutzen,
für einen
Monomode entworfen. Es ist gewöhnlich
schwierig, einen Wellenleiter herzustellen, der einen größeren Kerndurchmesser
von einigen zehn μm
bis einigen hundert μm
aufweist. Die Lichtwellenleiter-Modulatoren stoßen somit auf das Problem,
dass es schwierig ist, die Ausgangsgröße einer LED, die zum Übertragen
einer ausreichenden Lichtmenge eine optische Faser mit einem größeren Kerndurchmesser
erfordert, die Ausgangsgröße eines
optischen Verstärkers,
der in der Leistung stark vergrößert ist,
oder die Ausgangsgröße eines
Faserlasers (dessen Kerndurchmesser größer als einige zehn μm ist) bei
hohen Geschwindigkeiten zu modulieren.
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Es
sind auch den Faraday-Effekt ausnutzende magnetooptische Modulatoren
erforscht worden, die parallel zu einer magnetooptischen Kristallschicht,
die in einer auf einem Halbleitersubstrat angefertigten Übertragungsleitung
oder einer Mikrostreifenleitung angebracht ist, ein Gleichfeld anlegen und
die Signalform des durch die Leitung fließenden Stroms – überwachen.
Die Struktur, die die Signalform des durch die Leitung auf dem Halbleitersubstrat
fließenden
Stroms überwacht
(z.B. Appl. Phys. Lett., Bd. 68, Nr. 25, S. 3546–3548 (1996), steht jedoch
dem Problem gegenüber,
dass die fehlende Einstellung der Impedanz der Übertragungsleitung auf dem
Substrat das Signalschwingen (Wave Ringing) verursacht. Die Struktur
verwendet keine optischen Fasern als optische Übertragungsleitung und ist
für Übertragungssysteme
für optische
Signale ungeeignet. Die andere Struktur, die die Signalform des durch
die Mikrostreifenleitung fließenden
Stroms misst (z.B. Extended Abstract (61. Jahrestreffen 2000), The
Japan Society of Applied Physics, Universität Tokio, 2000, 4p-Q-4), besitzt
einen Analysator, der hinter einer optischen Faser angeordnet ist,
die mit einem Ausgang eines magnetooptischen Elements verbunden
ist, und stellt das Problem, dass ein Vergrößern der Länge der optischen Faser bewirkt, dass
linear polarisiertes Licht eine zufällige Polarisation in der optischen
Faser erfährt,
was zu Schwierigkeiten beim Modulieren der Intensität einer
Ausgangsgröße des Analysators
führt.
Ferner sind die oben genannten magnetooptischen Modulatoren so ausgebildet,
dass sie das Gleichfeld in derselben Richtung wie jene, in der ein
Hochfrequenzfeld angelegt wird, anlegen. Das Anlegen eines Gleichfeldes, das
groß genug
ist, um die magnetooptische Kristallschicht in eine Monodomänenstruktur
zu verändern, bewirkt
ein magnetisches Sättigen
der magnetooptischen Kristallschicht, was zu einer Abnahme der Stärke eines
modulierten Ausgangssignals oder zu einem Fehler beim Ausgeben eines
modulierten Signals führt.
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Ein Übertragungssystem
für optische
Signale gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 ist aus US-A-3,495,189 bekannt.
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US-A-4,575,179
offenbart einen integrierten Prozessor für optische Signale, der die
Beugung von Licht durch magnetostatische Wellen (MSW) ausnutzt.
Der integrierte Prozessor für
optische Signale umfasst eine dünne
Schicht bzw. einen Dünnfilm, durch
den ein optischer Strahl geleitet wird. Um ein Mikrowellen-HF-Eingangssignal
zu empfangen, ist eine an der Oberfläche der Schicht gebildete Antenne
angefügt.
Das HF-Eingangssignal erregt in der dünnen Schicht eine MSW, um den
geleiteten optischen Strahl durch Braggsche Beugung zu beugen. Der
geleitete optische Strahl wird mittels des HF-Signals moduliert,
um eine Bandbreite von nur etwa 1 GHz zu erreichen. Ferner ist offenbart,
dass das Durchlassband der Strahlungsimpedanz der MSW-Antenne vergrößert werden
kann, indem Impedanzanpassungsnetze, dünne Streifenleitungsantennen
und dicke Ferritschichten verwendet werden.
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Ein
magnetooptisches Modulationssystem, das ein Element mit magnetooptischem
Effekt umfasst, ist in EP-A-0 627 613 offenbart. Das magnetooptische
Modulationssystem moduliert Licht das durch das Element mit magnetooptischem
Effekt wandert, indem ein Magnetfeld senkrecht zu dem Transmissionsweg
des Lichts angelegt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Hauptaufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes
der Technik zu vermeiden.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Struktur
eines magnetooptischen Modulators, der zur Modulation eines optischen Strahls
oder Trägers über einen
weiten Bereich fähig ist,
zu schaffen.
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Es
ist eine nochmals weitere Aufgabe der Erfindung ein mit einem magnetooptischen
Modulator ausgestattetes Übertragungssystem
für optische
Signale zu schaffen, das für
eine längere
Zeitperiode eine höhere
Zuverlässigkeit
besitzt und das zu einer Übertragung
eines optischen Signals ohne DC-Drifts und optischen Defekt fähig ist.
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Eine
Lösung
der oben genannten Aufgaben ist durch die Merkmale von Anspruch
1 gegeben.
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Das
Anlegen des Gleichfeldes an das magnetooptische Element und die
Verwendung der Impedanzeinstellvorrichtung zwischen dem Hochfrequenz-Signalgenerator,
der durch eine Antenne implementiert ist, die derart ausgebildet
ist, dass sie das Hochfrequenzsignal in der Form einer elektrischen Welle
empfängt
und das Hochfrequenzsignal an den Hochfrequenzgenerator überträgt, und
dem Hochfrequenzfeldgenerator ermöglicht, dass der magnetooptische
Modulator eine Modulation bei hohen Geschwindigkeiten erzeugt, die
durch herkömmliche magnetooptische
Modulatoren nicht erzielt werden kann. Die Verwirklichung einer
solchen Hochgeschwindigkeitsmodulation wird darauf zurückgeführt, dass
die Einstellung der Impedanz des Hochfrequenzfeldgenerators durch
die Impedanzeinstellvorrichtung dazu dient, eine wirksame Übertragung
des Hochfrequenzsignals an den Hochfrequenzfeldgenerator zu erreichen,
und dass das Anlegen des Hochfrequenzfeldes das Umwandeln einer
Multidomänenstruktur
des magnetooptischen Modulator in eine Monodomänenstruktur bewirkt. Gewöhnlich liegt
die Frequenzganggrenze der Bewegung einer Domänenwand zwischen Domänen eines
magnetooptischen Ele ments im Bereich von mehreren zehn bis mehreren
hundert MHz, so dass die Domänenwand auf
Frequenzen, die diesen Bereich überschreiten, nicht
reagiert. Es ist somit unmöglich,
ein solches magnetooptisches Element in einem optischen Modulator
für ein Übertragungssystem
für optische
Signale zu verwenden, von dem eine Reaktion bei hohen Geschwindigkeiten
gefordert wird. Dieses Problem kann durch die Struktur der Erfindung,
wie sie oben beschrieben worden ist, gelöst werden. Genauer gesagt,
das Anlegen des Gleichfeldes an das magnetooptische Element führt zu einer
Umsetzung der Mehrdomänenstruktur
in die Monodomänenstruktur, so
dass die Domänenwand
verschwindet, was zu einem Verschwinden der Bewegung der Domänenwand,
die ein Bestimmungsfaktor einer oberen Modulationsgrenzfrequenz
ist, führt,
wodurch die Geschwindigkeit der Modulation erhöht werden kann.
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In
der bevorzugten Form der Erfindung ist das magnetooptische Element
aus einem magnetooptischen Multidomain-Material hergestellt. Der Gleichfeldgenerator
erzeugt ein Gleichfeld, das größer als
ein Sättigungsfeld
des magnetooptischen Elements ist.
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Das
Anlegen des Gleichfeldes an das magnetooptische Element ist mit
90° ± 30° zu einer
Anlegerichtung des Hochfrequenzfeldes an das magnetooptische Element
orientiert.
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Die
Anlegerichtung des Hochfrequenzfeldes an das magnetooptische Element
kann in einer Richtung einer Achse einer leichten Magnetisierung
des magnetooptischen Elements orientiert sein.
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Die
Anlegerichtung des Hochfrequenzfeldes an das magnetooptische Element
kann im Wesentlichen parallel zu dem Lichttransmissionsweg des magnetooptischen
Elements orientiert sein, wodurch der Entmagnetisierungsfaktor des
magnetooptischen Elements minimal gemacht wird.
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Die
optische Faser ist durch eine optische Gradientenindexfaser oder
eine eine Polarisation haltende Faser implementiert.
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Der
optische Strahl wird mit 90° ± 15° in eine Eingabefläche des
magnetooptischen Elements des magnetooptischen Modulators eingegeben.
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Die
Lichtquelle ist durch eine LED oder einen Faserlaser implementiert.
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Zwischen
der Lichtquelle und dem magnetooptischen Modulator kann ein optischer
Verstärker angeordnet
sein.
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Zwischen
der Lichtquelle und dem magnetooptischen Modulator kann eine Linse
angeordnet sein.
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Es
kann ein Koppler vorgesehen sein, der über die optische Faser mit
dem magnetooptischen Modulator verbunden ist. An einer Stirnfläche des magnetooptischen
Elements entgegengesetzt zu der Eingabefläche kann ein Spiegel angeordnet
sein, um eine Rückleitung
des von dem magnetooptischen Element modulierten optischen Strahls
zu erzeugen. Der Koppler ist auch mit dem optischen Empfänger verbunden,
um die Rückleitung
des modulierten optischen Strahls zu dem optischen Empfänger zu
lenken.
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In
der bevorzugten Form der Erfindung ist das magnetooptische Element
aus einem magnetooptischen Material hergestellt, das bei fehlendem
Anlegen des Gleichfeldes eine Mehrdomänenstruktur besitzt. Der Gleichfeldge nerator
erzeugt ein Gleichfeld, das größer als
ein Sättigungsfeld
des magnetooptischen Elements ist.
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Das
Anlegen des Gleichfeldes an das magnetooptische Element kann mit
90° ± 30° zu einer
Anlegerichtung des Hochfrequenzfeldes an das magnetooptische Element
orientiert sein.
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Die
Anlegerichtung des Hochfrequenzfeldes an das magnetooptische Element
kann in einer Richtung einer Achse einer leichten Magnetisierung
des magnetooptischen Elements orientiert sein. Falls das magnetooptische
Element eine Länge
aufweist, kann die Anlegerichtung des Hochfrequenzfeldes an das magnetooptische
Element im Wesentlichen parallel zu der Länge des magnetooptischen Elements
orientiert sein, wodurch der Entmagnetisierungsfaktor des magnetooptischen
Elements minimal gemacht wird.
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Das
magnetooptische Element kann aus einem Volumenkristall, einem Polykristall-Sinterkörper, einer
Kristallschicht oder einem Schichtkörper, der Harz und in dem Harz
verteiltes magnetooptisches Material enthält, hergestellt sein.
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Das
magnetooptische Element kann aus einer bisubstituierten Granatkristallschicht
hergestellt sein.
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Die
Frequenz des Hochfrequenzfeldes beträgt 200 MHz oder mehr.
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Die
Impedanzeinstellvorrichtung kann durch ein elektrisches Filter,
das so ausgebildet ist, dass es den Durchgang eines Hochfrequenzsignals
mit einer im Voraus gewählten
Frequenz und sein Anlegen an den Hochfrequenzfeldgenerator ermöglicht,
oder durch einen Resonator, der so ausge bildet ist, dass er das
Hochfrequenzsignal mit der im Voraus gewählten Frequenz in Resonanz
treten lässt,
implementiert sein.
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Die
Impedanzeinstellvorrichtung kann alternativ durch ein elektrisches
Filter, das so ausgebildet ist, dass es den Durchgang von Hochfrequenzsignalen
mit wenigstens zwei verschiedenen Frequenzen und ihr Anlegen an
den Hochfrequenzfeldgenerator ermöglicht, oder durch einen Resonator,
der so ausgebildet ist, dass er die Hochfrequenzsignale mit den verschiedenen
Frequenzen in Resonanz treten lässt, implementiert
sein.
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Der
Gleichfeldgenerator kann durch Permanentmagnete implementiert sein.
Die Permanentmagnete sind jeweils aus einem Ferritmaterial, einem Sm-Co-basierten
Material oder einem Nd-Fe-B-basierten Material hergestellt.
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Der
Gleichfeldgenerator kann alternativ aus einem Elektromagneten und
einem Gleichstromgenerator, der dem Elektromagneten Strom zuführt, bestehen.
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Der
Gleichfeldgenerator kann geometrisch so entworfen sein, dass er
einen im Wesentlichen geschlossenen Magnetkreis bildet.
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Der
Polarisator, das magnetooptische Element und der Analysator können in
einem einzigen Substrat gefertigt sein.
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Der
Polarisator, das magnetooptische Element und der Analysator können zwischen
Ferulen, die fluchtend angeordnet sind, eingeschoben sein.
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Der
Hochfrequenzfeldgenerator kann an einer Stirnfläche des magnetooptischen Elements
installiert sein.
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Das
magnetooptische Element ist so orientiert, dass der optische Strahl
mit 90° ± 15° in eine Eingabefläche des
magnetooptischen Elements eingegeben wird.
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Der
Hochfrequenzfeldgenerator kann durch eine Spule implementiert sein,
deren kleinster Innendurchmesser in einem Bereich von 10 μm bis 1000 μm liegt.
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Das
magnetooptische Element kann alternativ aus einem Lichtwellenleiter
hergestellt sein, der aus einer Granatkristallschicht gebildet ist.
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Die
Impedanzeinstellvorrichtung kann aus einer TEM-Zelle und einem nicht
reflektierenden Abschlusswiderstand hergestellt sein.
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Die
Impedanzeinstellvorrichtung kann so ausgebildet sein, dass sie bei
einer gegebenen Frequenz in Resonanz tritt.
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Ferner
kann ein gegen elektromagnetische Wellen abschirmendes Gehäuse vorgesehen
sein, das den Polarisator, das magnetooptische Element und den Hochfrequenzfeldgenerator
abdeckt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird umfassender verständlich aus der im Folgenden
gegebenen genauen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen
der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung, die jedoch nicht so aufzufassen sind, dass sie die
Erfindung auf die spezifischen Ausführungsformen begrenzen, sondern
die lediglich der Erläuterung
und dem Verständnis
dienen.
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In
den Zeichnungen ist:
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1 ein
Blockschaltplan, der ein Übertragungssystem
für optische
Signale zeigt, das mit einem magnetooptischen Modulator gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung ausgestattet ist;
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2 ein
Blockschaltplan, der ein Übertragungssystem
für optische
Signale zeigt, das mit einem magnetooptischen Modulator gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung ausgestattet ist;
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3 ein
Blockschaltplan, der ein Übertragungssystem
für optische
Signale zeigt, das mit einem magnetooptischen Modulator gemäß der dritten Ausführungsform
der Erfindung ausgestattet ist;
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4 ein
Blockschaltplan, der ein Übertragungssystem
für optische
Signale zeigt, das mit einem magnetooptischen Modulator gemäß der vierten Ausführungsform
der Erfindung ausgestattet ist;
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5 ein
Blockschaltplan, der ein Übertragungssystem
für optische
Signale zeigt, das mit einem magnetooptischen Modulator gemäß der fünften Ausführungsform
der Erfindung ausgestattet ist;
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6 ein
Blockschaltplan, der ein Übertragungssystem
für optische
Signale zeigt, das mit einem magnetooptischen Modulator gemäß der sechsten
Ausführungsform
der Erfindung ausgestattet ist;
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7 ein
Blockschaltplan, der ein Übertragungssystem
für optische
Signale zeigt, das mit einem magnetooptischen Modulator gemäß der siebten
Ausführungsform
der Erfindung ausgestattet ist;
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8 eine
perspektivische Ansicht, die Anlegerichtungen eines Gleichfeldes
und eines Hochfrequenzfeldes an ein in der ersten Ausführungsform von 1 verwendetes
magnetooptisches Element zeigt;
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9 ein
Graph, der Frequenzgänge
bei Vorhandensein und bei Fehlen eines Gleichfeldes, das an ein
in der ersten Ausführungsform
von 1 verwendetes magnetooptisches Element angelegt wird,
zeigt;
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10 ein
Graph, der Frequenzgänge
eines magnetooptischen Elements bei Vorhandensein und bei Fehlen
einer Impedanzeinstellvorrichtung zeigt;
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11 ein
Blockschaltplan, der einen magnetooptischen Modulator gemäß der achten
Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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12 ein
Graph, der ein Beispiel von Frequenzkennlinien eines magnetooptischen
Modulators gemäß der neunten
Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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13 ein
Graph, der ein weiteres Beispiel von Frequenzkennlinien eines magnetooptischen Modulators
gemäß der neunten
Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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14 ein
Blockschaltplan, der einen magnetooptischen Modulator gemäß der zehnten
Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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15(a) eine perspektivische Ansicht, die einen
magnetooptischen Modulator gemäß der elften Ausführungsform
der Erfindung, von dem ein Gleichfeldgenerator entfernt ist, zeigt;
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15(b) eine perspektivische Ansicht, die einen
magnetooptischen Modulator der elften Ausführungsform zeigt;
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16 ein
Blockschaltplan, der einen magnetooptischen Modulator gemäß der zwölften Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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17(a) eine Vorderansicht, die eine Struktur eines
in einem magnetooptischen Modulator gemäß der dreizehnten Ausführungsform
der Erfindung installierten Hochfrequenzfeldgenerators zeigt;
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17(b) eine perspektivische Ansicht, die einen
magnetooptischen Modulator gemäß der dreizehnten
Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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18 ein
Blockschaltplan, der einen magnetooptischen Modulator gemäß der vierzehnten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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19(a) eine Draufsicht, die eine optische Modulationsvorrichtung
gemäß der fünfzehnten
Ausführungsform
der Erfindung zeigt; und
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19(b) eine perspektivische Ansicht, die einen
magnetooptischen Modulator gemäß der fünfzehnten
Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
den Zeichnungen, in denen Teile, die mit gleichen Ausdrücken bezeichnet
sind, in verschiedenen Ansichten gleiche oder ähnliche Strukturen besitzen,
sofern nicht anderweitig spezifiziert, und insbesondere in 1 ist
ein Übertragungssystem
für optische
Signale gezeigt, das mit einem magnetooptischen Modulator 150 gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung ausgestattet ist.
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Eine
optische Trägerwelle
oder Licht, das von einer Lichtquelle 101 emittiert wird,
wandert durch eine optische Faser 8 und tritt in den magnetooptischen
Modulator 150 ein, der den Faraday-Effekt eines magnetooptischen
Elements 1 ausnutzt. Der magnetooptische Modulator 150 besteht
aus einem Polarisator 2, dem magnetooptischen Element 1,
einem Analysator 3, einem Hochfrequenzfeldgenerator 5,
einer Impedanzeinstellvorrichtung 6 und einem Gleichfeldgenerator 4.
Das magnetooptische Element 1 ist beispielsweise aus einem
Volumenkristall, einem Polykristall-Sinterkörper, einer Kristallschicht, die
beispielsweise durch Dampfphasen-Epitaxie ausgebildet ist, oder
einem Schichtkörper,
der Harz und in dem Harz verteiltes ferromagnetooptisches Material
enthält,
hergestellt. Der Hochfrequenzfeldgenerator 5 dient zum
Anlegen eines Hochfrequenzfeldes an das magnetooptische Element 1.
Die Impedanzeinstellvorrichtung 6 dient zum Einstellen
der elektrischen Impedanz des Hochfrequenzfeldgenerators 5. Der
magnetooptische Modulator 150 spricht auf ein elektrisches
Signal (d.h. ein Hochfrequenz-Modulationssignal) an, dass von einem
Hochfrequenzgenerator 7 eingegeben wird, um das über die
optische Faser 8 übertragene
Licht als Funktion des Hochfrequenz-Modulationssignals zu modulieren. Das
modulierte Licht wird über
eine optische Faser 9 ausgegeben und in einem optischen
Empfänger 102 in
ein elektrisches Signal umgesetzt, das seinerseits durch einen Verstärker und
eine Signalverarbeitungsschaltung (nicht gezeigt) demoduliert wird.
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Die
Impedanzeinstellvorrichtung 6 dient zum Einstellen der
Impedanz des Hochfrequenzfeldgenerators 5, um eine wirksame Übertragung
des Signals von dem Hochfrequenzgenerator 7 an den Hochfrequenzfeldgenerator 5 herzustellen. 10 zeigt
einen Vergleich zwischen dem Vorhandensein und dem Fehlen der Impedanzeinstellvorrichtung 6.
In den gezeigten Fällen
ist der Hochfrequenzfeldgenerator 5 aus 16 bis
einigen zehn Draht windungen um das magnetooptische Element 1 gebildet.
Bei Fehlen der Impedanzeinstellvorrichtung 6 arbeitet der
magnetooptische Modulator 150 so, dass er ein Eingangssignal
nur bei Niederfrequenzen, die niedriger als etwa 1 MHz sind, moduliert,
und funktioniert somit nicht als optischer Modulator bei Frequenzen,
die höher
als mehrere MHz sind. Der Grund dafür ist, dass der Hochfrequenzfeldgenerator 5 gewöhnlich eine hohe
Induktivität
besitzt, um das Hindurchfließen
eines hochfrequenten Stroms auszuschließen. Die Frequenzkennlinie
verbessert sich bei Fehlen der Impedanzeinstellvorrichtung 6 auch
dann nicht, wenn, wie weiter unten besprochen wird, ein Gleichfeld
an das magnetooptische Element 1 angelegt wird.
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Mit
Bezug auf die 8 und 9 werden die
Auswirkungen des Anlegens eines Gleichfeldes an das magnetooptische
Element 1 besprochen. Gewöhnlich bewahren ferrimagnetische
Materialien und ferromagnetische Materialien wie etwa Ferrite, Granate
oder Übergangsmetalle
bei Fehlen eines Gleichfeldes eine Mehrdomänenstruktur. Insbesondere zeigen
magnetooptische Materialien wie etwa Ferrite und Granate eine Resonanz
mit der Bewegung von Domänenwänden bei
einer Frequenz, die zwischen einigen zehn oder eineigen hundert
MHz liegt und einer Modulationsfrequenz nahe kommt, die bei typischen Übertragungssystemen
für optische
Signale verwendet wird. Im Fachgebiet wird geglaubt, dass es unmöglich ist,
solche magnetooptischen Materialien für einen in Übertragungssystemen für optische
Signale eingesetzten magnetooptischen Modulator zu verwenden. Wir
haben jedoch herausgefunden, dass das Anlegen eines Gleichfeldes
an das magnetooptische Material zu einer verringerten Anzahl von
magnetischen Domänen
des Materials führt und
das Anlegen des Gleichfeldes bis zu einem Sättigungsfeld des Materials
zur Bildung einer Monodomänenstruktur
führt,
wodurch die nachteilige Auswirkung der Resonanz mit der Bewegung
der Domänenwände auf
die Modulation abgeschwächt
oder beseitigt wird.
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Im
Folgenden wird der Fall besprochen, in dem das Gleichfeld, wie in 8 gezeigt
ist, an das magnetooptische Element 81 unter einem gegebenen
Winkel (z.B. rechten Winkeln) zur Anlegerichtung des Hochfrequenzfeldes
an das magnetooptische Element 81 angelegt wird. Es sei
angemerkt, dass das Gleichfeld in der Gleichfeld-Anlegerichtung A,
wie in der Zeichnung gezeigt ist, der Gleichfeld-Anlegerichtung
B oder irgendeiner Richtung in einer Ebene, die die Gleichfeld-Anlegerichtungen
A und B enthält,
orientiert sein kann.
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Wenn
das Gleichfeld senkrecht zu dem Hochfrequenzfeld orientiert ist,
wird ein größerer Modulationsgrad
erzielt, jedoch nimmt der Modulationsgrad nicht stark zu, wenn die
Richtung des Gleichfeldes innerhalb 90° ± 30° zur Anlegerichtung des Hochfrequenzfeldes
liegt. Genauer gesagt, eine gewünschte
Auswirkung des Gleichfeldes wird erzielt, wenn dessen Richtung in
jenem Bereich liegt.
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Das
Anlegen des Gleichfeldes bewirkt, dass das magnetooptische Element 81 eine
Monodomänenstruktur
besitzt. Wenn das Hochfrequenzfeld an das magnetooptische Element 81 angelegt
wird, wird somit keine Resonanz mit der Bewegung der Domänenwände, deren
Resonanzfrequenz im Bereich von einigen zehn bis einigen hundert
MHz liegt, erzeugt. Ferner kann der magnetooptische Effekt (d.h.
die optische Modulation durch den Faraday-Effekt) korrekt beibehalten
werden, bis eine ferromagnetische Resonanzfrequenz des magnetooptischen
Elements 81 (einige GHz bis 100 GHz, je nach Stärke des
Vormagnetisierungsfeldes) erreicht ist. Genauer gesagt, unterhalb
der ferromagnetischen Resonanzfrequenz arbeitet der magnetooptische
Modulator 150 korrekt. Wenn die Richtung, in der sich das
Licht ausbreitet, zu der Richtung, in der das Hochfrequenzfeld an
das magnetooptische Element 81 angelegt wird, parallel ist,
bewirkt dies außerdem,
dass eine Komponente der Vektorsumme aus dem Gleichfeld und dem Hochfrequenzfeld
parallel zu dem Licht verläuft
und zu dem magnetooptischen Effekt oder der Modulation beiträgt.
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Demgemäß kann ein Übertragungssystem für optische
Signale, das eine Hochfrequenzmodulation eines Lichtstrahls herstellen
kann, durch Verwendung des magnetooptischen Modulators 150,
der so ausgebildet ist, dass er das Gleichfeld an das magnetooptische
Element 1 anlegt und ein Hochfrequenzsignal in den Hochfrequenzfeldgenerator 5 eingibt,
verwirklicht werden.
-
Die
Ausbreitungsrichtung des Lichts muss nicht immer parallel zu der
Anlegerichtung des Hochfrequenzfeldes an das magnetooptische Element 81 sein.
Der Einfluss von Licht, das an einer Stirnfläche des magnetooptischen Elements 81 oder
an Enden der optischen Fasern 8 und 9 reflektiert
wird, wird durch Auseinanderschieben der Ausbreitungsrichtung des
Lichts und der Anlegerichtung des Hochfrequenzfeldes innerhalb eines
Bereichs von ±15° beseitigt.
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9 zeigt
Frequenzkennlinien des in 1 gezeigten Übertragungssystems
für optische
Signale. Das magnetooptische Element 1 ist aus einer bisubstituierten
Granatkristallschicht hergestellt. Bei Fehlen des von dem Gleichfeldgenerator 4 erzeugten Gleichfeldes
tritt ein moduliertes optisches Signal bei etwa 200 MHz mit der
Bewegung von Domänenwänden in
Resonanz. Genauer gesagt, bei Modulationsfrequenzen über 200
MHz arbeitet der magnetooptische Modulator 150 nicht korrekt.
Wenn das Gleichfeld durch den Gleichfeldgenerator 4 an
das magnetooptische Element 1 angelegt wird, verbessert
sich im anderen Fall die Frequenzcha rakteristik. Insbesondere dann,
wenn ein Gleichfeld, das größer oder gleich
dem Sättigungsfeld
des magnetooptischen Elements 1 ist, an das magnetooptische
Element 1 angelegt wird, arbeitet der magnetooptische Modulator 150 so,
dass er eine Modulation bis zu etwa 30 GHz herstellt. Es sei angemerkt,
dass Hdc in den gesamten Zeichnungen die Anlegerichtung des Gleichfeldes
angibt.
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Die
Anlegerichtung des Hochfrequenzfeldes an das magnetooptische Element 81 kann
in Richtung seiner Achse einer leichten Magnetisierung orientiert
sein. Falls das magnetooptische Element 81 eine Länge aufweist,
kann außerdem
die Anlegerichtung des Hochfrequenzfeldes parallel zu der Länge des
magnetooptischen Elements 81 orientiert sein, was zu einem
Minimieren seines Entmagnetisierungsfaktors führt. Dadurch kann unter Anlegung
eines niedrigeren Grads des Hochfrequenzfeldes ohne weiteres ein
höherer
Grad der Modulation eines optischen Signals erzeugt werden.
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Die
Lichtquelle 101 kann aus einem Halbleiterlaser, einer LED
(Lichtemitterdiode) oder einem Faserlaser gebildet sein. Die optischen
Fasern 8 und 9 können aus einer Monomodefaser,
einer eine Polarisation haltenden Faser einer Gradientenindexfaser oder
einer optischen Faser mit großem
Durchmesser gebildet sein. Wenn die optische Faser 8 durch
die eine Polarisation haltende Faser implementiert ist und die Lichtquelle 101 durch
eine Lichtquelle wie etwa einen Halbleiterlaser, der linear polarisiertes Licht
emittiert, implementiert ist, wird die Polarisationsrichtung des
von der Lichtquelle 101 emittierten Lichts konstant gehalten,
bis das Licht das magnetooptische Element 1 erreicht, weshalb
der Polarisator 2 entfallen kann.
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Im
Folgenden wird mit Bezug auf 2 die zweite
Ausführungsform
beschrieben.
-
Das
von einer Lichtquelle 201 emittierte Licht tritt direkt
in eine Linse 28 ein und erreicht einen Polarisator 22.
Wenn die Linse 28 so beschaffen ist, dass sie parallele
Lichtstrahlen erzeugt, erleichtert sie die Sammlung der Strahlen
an einer optischen Faser 9, jedoch müssen Lichtstrahlen, die von
der Linse 28 ausgegeben werden, nicht immer parallel sein.
-
Das
in den Polarisator 22 eingegebene Licht unterliegt einer
linearen Polarisation und tritt dann in das magnetooptische Element 21 ein,
deren Polarisationsebene durch das von einem Hochfrequenzfeldgenerator 25 angelegte
Hochfrequenzfeld gedreht wird. Das Licht tritt dann in den Analysator 23 ein
und wird in der Intensität
wie durch die gedreht Polarisationsebene definiert verändert oder
moduliert. Das modulierte Licht tritt durch eine Linse 29 in die
optische Faser 9 ein und wird an einen optischen Empfänger 202 übertragen,
in dem es in ein elektrisches Signal umgesetzt wird, das seinerseits
durch einen Verstärker
und eine Signalverarbeitungsschaltung (nicht gezeigt) demoduliert
wird. Ein Gleichfeldgenerator 24, ein Hochfrequenzfeldgenerator 25, eine
Impedanzeinstellvorrichtung 26 und ein Hochfrequenz-Signalgenerator 27 sind
zu dem Gleichfeldgenerator 4, dem Hochfrequenzfeldgenerator 5,
der Impedanzeinstellvorrichtung 6 und dem Hochfrequenz-Signalgenerator 7 in 1 identisch,
weshalb deren Erläuterung
im Detail hier weggelassen ist.
-
Gewöhnlich kann
das von einer LED erzeugte Licht durch direktes Modulieren eines
Treiberstroms für
die LED nur bis zu 100 MHz moduliert werden. Die Verwendung des
magnetooptischen Modulators 250 dieser Ausführungsform
ermöglicht
jedoch das Modulieren des von der LED erzeugten Lichts bei einigen
GHz oder mehr. Der magnetooptische Modulator 250 kann daher
in einem Übertragungssystem für optische
Signale eingesetzt werden, bei dem mehrere optische Fasern verschlungen
sind, was dazu führt,
das aufgrund der Mehrfachreflexion von Licht an den Enden der optischen
Fasern ein optisches Rauschen entsteht.
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Die
Lichtquelle 210 kann durch einen Halbleiterlaser, der einen
linear polarisierten Lichtstrahl erzeugt, implementiert sein. In
diesem Fall beseitigt das Angleichen der Richtung einer Polarisationsebene
des von der Lichtquelle 201 erzeugten Lichts an jene des
Polarisators 22 den Bedarf an einem solchen.
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Im
Folgenden wird mit Bezug auf 3 die dritte
Ausführungsform
beschrieben.
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Das
von einer Lichtquelle 301 emittierte Licht wandert durch
eine optische Faser 320 und wird in einem optischen Verstärker 380 verstärkt. Das
verstärkte
Licht wandert durch eine optische Faser 321 und tritt in
einen magnetooptischen Modulator 350 ein. Der optische
Verstärker 380 kann
durch einen Lichtleitfaser-Verstärker
oder einen Halbleiter-Laserverstärker
implementiert sein. In dieser Ausführungsform wird der Lichtleitfaser-Verstärker zum
Erzeugen einer Intensitätsausgabe
verwendet. Dem magnetooptischen Element 31 wird von einem
Hochfrequenz-Signalgenerator 37 und einer Impedanzeinstellvorrichtung 36 ein
Modulationssignal zum Modulieren des eingegebenen Lichts bereitgestellt.
Das in dem magnetooptischen Modulator 350 modulierte Licht
wird über
eine optische Faser 322 an einen optischen Empfänger 302 übertragen
und in ein elektrisches Signal umgesetzt, das seinerseits durch
einen Verstärker
und eine Signalverarbeitungsschaltung (nicht gezeigt) demoduliert
wird. Die weiteren Anordnungen sind zu jenen in 1 identisch,
weshalb deren Erläuterung
im Detail hier weggelassen ist.
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In
dieser Ausführungsform
kann die Lichtquelle 301 aus einer LED oder einem Faserlaser
gebildet sein, deren ausgegebenes Licht bei hohen Geschwindigkeiten
durch Modulieren eines Treiberstroms in der LED oder einer Lichtpumpquelle
in dem Faserlaser gewöhnlich
schwierig zu modulieren ist. Der magnetooptische Modulator 350 dieser
Ausführungsform
kann das eingegebene Licht bei Geschwindigkeiten, die höher als
einige GHz sind, modulieren. Die Verwendung des optischen Verstärkers 380 ermöglicht die Übertragung
von moduliertem Licht mit hoher Leistung und hoher Geschwindigkeit, weshalb
ein von der optischen Faser 9 ausgegebenes optisches Signal
mit einer gewünschten
Leistung über
mehrere Nebenfasern an mehrere optische Empfänger verteilt werden kann.
Obwohl die mögliche
Anzahl von der Modulationsfrequenz des optischen Signals und der
Streckt, über
die die optische Faser überträgt, abhängt, ermöglicht die
Verwendung des Übertragungssystems
für optische
Signale nach 3 das Verteilen des optischen
Signals an 100 optische Empfänger, die sich etwa 1 km von
dem magnetooptischen Modulator 350 entfernt befinden.
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In 3 ist
der magnetooptische Modulator 350 hinter dem optischen
Verstärker 380 angeordnet, jedoch
kann er im Hinblick auf das Signal-Rauschverhältnis unmittelbar hinter der
Lichtquelle 310 angeordnet sein.
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Im
Folgenden werden mit Bezug auf die 4 bis 7 die
vierten bis siebten Ausführungsformen
besprochen.
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4 zeigt
ein Übertragungssystem
für optische
Signale gemäß der vierten
Ausführungsform, die
sich von der erste Ausführungsform
nach 1 nur darin unterscheidet, dass eine Antenne 430 als Hochfrequenz-Signalgenerator
verwendet wird. Die weiteren Anordnungen sind identisch, weshalb
deren Erläuterung
im Detail hier weggelassen ist.
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Die
Antenne 430 empfängt
ein Signal, das beispielsweise von einer Funk-Basisstation von Mobiltelephonen oder
tragbaren entfernten Datenstationen ausgegeben wird, und gibt es über die
Impedanzeinstellvorrichtung 46 an den Hochfrequenzfeldgenerator 45 aus.
Der Hochfrequenzfeldgenerator 45 erzeugt bei 200 MHz oder
mehr ein Hochfrequenzfeld. Dadurch kann das von der Antenne 430 empfangene
Signal auf einem in den magnetooptischen Modulator 450 eingegebenen
optischen Signal zu dem optischen Empfänger 402 befördert werden.
Wenn eine handelsübliche
Leistungsquelle verfügbar
ist, kann hinter der Antenne 430 und der Impedanzeinstellvorrichtung 46 ein
Hochfrequenzverstärker
installiert sein.
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5 zeigt
ein Übertragungssystem
für optische
Signale gemäß der fünften Ausführungsform, bei
dem anstelle eines magnetooptischen Übertragungsmodulators wie etwa
jenes Modulators, der jeweils bei den ersten bis vierten Ausführungsformen eingesetzt
wird, ein magnetooptischer Reflexionsmodulator 550 verwendet
wird. Durch die Verwendung des magnetooptischen Reflexionsmodulators 550 kann
ein Signal, das von einem aus einer Antenne gebildeten Hochfrequenz-Signalgenerator 57 empfangen
wird, über
eine einzige optische Faser 58 zu einem optischen Empfänger 502 befördert werden. Dies
führt zu
einer Senkung der Herstellungskosten des Systems.
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Der
magnetooptische Modulator 550 besitzt einen Spiegel 508,
der hinter einem magnetooptischen Element 51 eingebaut
ist. Ein optisches Signal, das aus dem magnetooptischen Element 51 austritt,
wird durch den Spiegel 508 reflektiert und tritt wieder
in einen Polarisator 52 ein, um in der Intensität moduliert
und über
einen Koppler 505 an den optischen Empfänger 502 ausgegeben
zu werden. Genauer gesagt, der Polarisator 52 dient auch
als Analysator, der das Übertragen
des modulierten optischen Signals durch die optische Faser 58 über einige
hundert Meter bis einige zehn Kilometer ermöglicht. Der Koppler 505 kann
ein herkömmlicher
Typ sein, weshalb seine Erläuterung
im Detail hier weggelassen ist.
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6 zeigt
ein Übertragungssystem
für optische
Signale gemäß der sechsten
Ausführungsform, die
sich von der fünften
Ausführungsform
nach 5 darin unterscheidet, dass eine Yagi-Antenne 630 als Hochfrequenz-Signalgenerator verwendet
wird, die dazu dient, einem magnetooptischen Element ein Hochfrequenz-Modulationssignal
bereitzustellen. Die weiteren Anordnungen sind zu jenen in 5 identisch,
weshalb deren Erläuterung
im Detail hier weggelassen ist.
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7 zeigt
ein Übertragungssystem
für optische
Signale, das eine Schleifenantenne 730 als Hochfrequenz-Signalgenerator
verwendet. Die weiteren Anordnungen sind zu jenen in 6 identisch, weshalb
deren Erläuterung
im Detail hier weggelassen ist. Die Verwendung der Schleifenantenne 730 führt zu einer
Verkleinerung der Antennenimpedanz, was eine Impedanzanpassung an
das stromgesteuerte magnetooptische Modulationselement erleichtert.
Alternativ kann eine Parabolantenne oder ein Hornstrahler verwendet
werden.
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11 zeigt
ein Übertragungssystem
für optische
Signale, das mit einem magnetooptischen Modulator gemäß der achten
Ausführungsform
der Erfindung ausgestattet ist.
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Das
von einer Lichtquelle emittierte Licht wandert durch eine optische
Faser 1108 und wird in einer Linse 1120 in einen
parallelen Lichtstrahl umgewandelt. Das aus der Linse 1120 austretende
Licht geht durch einen Polarisator 1102 und wird linear
polarisiert. Das linear polarisierte Licht tritt in ein magnetooptisches
Element 1101 ein, wobei eine Polarisations ebene durch eine
von einem Hochfrequenzfeldgenerator 1105 erzeugtes Hochfrequenzfeld
gedreht wird, worauf es durch einen Analysator 1103 geht
und als Funktion der Drehung der Polarisationsebene in der Intensität moduliert
wird. Das in der Intensität
modulierte Licht wird durch eine Linse 1121 an einem Ende
einer optischen Faser 1109 für die Übertragung an einen optischen
Empfänger
(nicht gezeigt) gebündelt.
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Die
Linse 1120 dient dazu, das über die optische Faser 1108 übertragene
Licht wirksam auf den Polarisator 1102 zu leiten. Die Linse 1121 dient
dazu, die Ausgangsgröße des Analysators 1103 wirksam auf
die optische Faser 1109 zu leiten. Falls jedoch der Polarisator 1102,
das magnetooptische Element 1101 und der Analysator 1103 in
der Dicke klein ausgebildet sind, was zu einem geringeren optischen Verlust
führt,
können
die Linsen 1120 und 1121 entfallen. Das Dünngestalten
des Polarisators 1102 kann dadurch erfolgt sein, dass er
aus polarisierendem Glass, einer dünnen Lage aus einem Metall
und dielektrischen Schichten, irgendeinem Kristall mit einer höheren Doppelbrechung
oder einem polarisiertes Licht trennenden Element wie etwa einem
Polarisationsaufteiler, der aus mehrere Schichten besteht, die aus
einem stärker
lichtbrechenden Material und einem schwächer lichtbrechenden Material
gebildet sind, hergestellt ist. Das Dünngestalten des magnetooptischen
Elements 1101 kann dadurch erfolgt sein, dass es aus einer
bisubstituierten Granatkristallschicht gebildet ist.
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Der
Gleichfeldgenerator 1104 gleicht in der Struktur und der
Arbeitsweise jenen in den obigen Ausführungsformen. Genauer gesagt,
der Gleichfeldgenerator 1104 dient dazu, ein Gleichfeld
an das magnetooptische Element 1101 anzulegen, um den Einfluss
einer Mehrdomänenstruktur
des magnetooptischen Elements 1101 auf die Modulation zu
mildern oder zu beseitigen. Die in der Zeichnung durch Hdc angegebene
Richtung des An legens des Gleichfeldes an das magnetooptische Element 1101 ist
im Prinzip nicht eingeschränkt,
jedoch kann sie, wenn sie mit der Anlegerichtung des durch den Hochfrequenzfeldgenerator 1105 an
das magnetooptische Element 1101 angelegten Hochfrequenzfeldes
zusammenfällt,
die Modulation außer
Stand setzen oder zu einem Fehler beim Erzeugen eines gewünschten
Modulationsgrads führen.
Das Gleichfeld ist vorzugsweise im Bereich von 90° ± 30° zur Anlegerichtung
des Hochfrequenzfeldes orientiert. Die Stärke des Gleichfeldes reicht
aus, um die Anzahl von Domänenwänden des
magnetooptischen Elements 1101 zu verringern, jedoch legt
der Gleichfeldgenerator 1104 in dieser Ausführungsform
ein Gleichfeld an das magnetooptische Element 1101 an,
das etwas größer als
dessen Sättigungsfeld
ist, um eine Monodomänenstruktur
zu haben.
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Die
Impedanzeinstellvorrichtung 1106 ist wie bei den obigen
Ausführungsformen
dazu vorgesehen, die Impedanz des Hochfrequenzfeldgenerators 1105 zu
modifizieren, um die Umwandlung von einem Hochfrequenzsignal von
einem Hochfrequenz-Signalgenerator (nicht gezeigt) in das Hochfrequenzfeld zu
verbessern und die Modulation bei einer gewünschten Frequenz herzustellen.
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Die
Richtung des Anlegens des Hochfrequenzfeldes an das magnetooptische
Element 1101 ist vorzugsweise in Richtung einer Achse einer
leichten Magnetisierung, d.h. die Richtung, die im Wesentlichen
senkrecht zu der bisubstituierten Granatkristallschicht des magnetooptischen
Elements 1101 ist, orientiert, wodurch unter Anlegung eines
niedrigeren Grads des Hochfrequenzfeldes ein höherer Modulationsgrad eines
optischen Signals hergestellt werden kann.
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Durch
die Verwendung des Gleichfeldes und der Impedanzeinstellvorrichtung 1106 wie
bei den obigen Ausführungsformen
kann ein optisches Signal bei Frequenzen, die höher als 200 MHz sind, moduliert
werden.
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Der
Hochfrequenzfeldgenerator 1105 ist durch eine Spule implementiert.
Beispielsweise arbeitet in Fällen,
in denen die Spule 50 Windungen, 15 Windungen, 5 Windungen oder
weniger besitzt, der magnetooptische Modulator dieser Ausführungsform so,
dass er das optische Signal bis zu 200 MHz, 1 GHz, 3 GHz bzw. 10
GHz moduliert.
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Im
Folgenden wird ein Übertragungssystem für optische
Signale besprochen, dass sich von jenem, das in 11 gezeigt
ist, nur in der inneren Struktur der Impedanzeinstellvorrichtung 1106 unterscheidet.
Die weiteren Anordnungen sind identisch, weshalb deren Erläuterung
im Detail hier weggelassen ist.
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Die
Impedanzeinstellvorrichtung 1106 ist dazu vorgesehen, eine
Resonanzfunktion oder eine Filterfunktion ausüben, die dazu dient, bei spezifischen
Frequenzen einen höheren
Modulationsgrad herzustellen. Die Impedanzeinstellvorrichtung 1106 kann
durch eine Resonanzschaltung, die eine Induktivität und eine
Kapazität
enthält
und so beschaffen ist, dass die Schaltung bei gegebenen Frequenzen zu
einer Resonanz fähig
ist, oder durch ein Filter, das Signale gegebener Frequenzen hindurch
lässt,
implementiert sein. 12 zeigt den Fall, in dem die
Resonanzfrequenzen 0,8 GHz und 1,2 GHz betragen. 13 zeigt
den Fall, in dem die Resonanzfrequenzen 0,8 GHz, 1,6 GHz und 2,4
GHz betragen. Die Verwendung der Impedanzeinstellvorrichtung 1106 begrenzt
ein Modulationsband, erzeugt jedoch bei der Mittenfrequenz des Modulationsbandes
einen höheren
Modulationsgrad. Bei dieser Ausführungsform
ist der Modulationsgrad im Vergleich zu dem Fall, in dem die Impedanzeinstellvorrichtung 1106 so beschaffen
ist, dass sie kaum zu einer Resonanz führt, um etwa 5 bis 10 dB oder
mehr höher.
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14 zeigt
ein Übertragungssystem
für optische
Signale gemäß der zehnten
Ausführungsform der
Erfindung, die sich von der neunten Ausführungsform nach 11 nur
in der Struktur eines Gleichfeldgenerators unterscheidet. Die weiteren
Anordnungen sind identisch, weshalb deren Erläuterung im Detail hier weggelassen
ist.
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Der
Gleichfeldgenerator besteht aus einem Gleichfeldgenerator 1450,
einer Gleichfeld-Erzeugungsspule 1451 und einem weichmagnetischen Kern 1452,
der so geformt ist, dass er einen Magnetkreis schließt. Die
Gleichfeld-Erzeugungsspule 1451 ist aus bis zu etwa 500
Drahtwindungen gebildet. Der Gleichfeldgenerator 1450 ist
so ausgebildet, dass er den Wert des der Gleichfeld-Erzeugungsspule 1451 zugeführten Stroms
wie erforderlich verändert,
wobei er dazu dient, die Stärke
des von der Gleichfeld-Erzeugungsspule 1451 erzeugten
Gleichfeldes im Bereich von 0 bis 1 Tesla (d.h. 0 bis 10000 Gauß) einzustellen
und dadurch ein Abstimmen der Stärke
des Gleichfeldes auf die Art des Materials des magnetooptischen
Elements 1401 zu ermöglichen.
Genauer gesagt, es ist möglich,
das Gleichfeld lediglich durch Einstellen des Wertes des von dem
Gleichfeldgenerator 1450 an die Gleichfeld-Erzeugungsspule 1451 gelieferten
Stroms zu steuern und dadurch eine durch eine Änderung der Umgebungstemperatur
verursachte Änderung
der Stärke
des Gleichfeldes zu kompensieren.
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Die 15(a) und 15(b) zeigen
einen magnetooptischen Modulator gemäß der elften Ausführungsform
der Erfindung, bei dem zwei Ferulen 1570 und 1571 außerhalb
eines Polarisators 1502, eines magnetooptischen Elements 1501 und
eines Analysators 1503 angeordnet sind. 15(a) zeigt den magnetooptischen Modulator, aus
dem ein Gleichfeldgenerator 1540 entfernt ist.
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Das über eine
optische Faser 1521 übertragene
Licht tritt in eine magnetooptische Modulatoranordnung, die aus
den Ferulen 1570 und 1571, dem Polarisator 1502,
dem magnetooptischen Element 1501 und dem Analysator 1503 besteht,
ein. Der Polarisator 1502, das magnetooptische Element 1501 und
der Analysator 1503 sind mittels eines Klebstoffs in Form
eines Chips ohne Linsen zusammengefügt. Der Chip ist zwischen Stirnflächen der
Ferulen 1570 und 1571 eingeschoben, an diese angestückt oder mit
diesen verklebt und durch eine geteilte Hülse 1580 festgeklemmt,
wie zwecks Sichtbarkeit der Innenseite der geteilten Hülse 1580 durch
eine unterbrochene angegeben ist.
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Die
Ferulen 1570 und 1571 und die geteilte Hülse 1580 sind
jeweils aus einem nicht magnetischen und nicht metallischen Material
wie etwa Keramik, Glas, Harz oder einer Mischung aus verschiedenen
Füllstoffen
und Harz, das mit dem Anlegen eines Hochfrequenzfeldes keinen Wirbelstrom
erzeugt, gefertigt. Der Hochfrequenzfeldgenerator 1505 ist
wie bei den obigen Ausführungsformen über die
Impedanzeinstellvorrichtung 1506 mit einem Hochfrequenz-Signalgenerator
(nicht gezeigt) gekoppelt, der in der Struktur zu jenem in den oben
genannten einzelnen Ausführungsformen
identisch ist.
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Der
in 15(b) gezeigte Gleichfeldgenerator 1540 ist
aus einem hohlen, zylindrischen Permanentmagneten gefertigt, in
dem ein Spalt ausgebildet ist, der Magnetpolflächen definiert, zwischen denen die
magnetooptische Modulatoranordnung installiert ist. Genauer gesagt,
der Gleichfeldgenerator 1540 ist so ausgebildet, dass er
einen Magnetkreis erzeugt, der bis auf den Spalt geschlossen ist.
Der Gleichfeldgenerator 1540 dieser Aus führungsform
kann ein im Vergleich zu dem in 11 gezeigten
aus Permanentmagneten gebildeten Gleichfeldgenerator 1104 relativ
starkes Gleichfeld erzeugen, das an das magnetooptische Element 1501 angelegt
wird. Es ist auch möglich,
die Größe des Gleichfeldgenerators 1540 zu
verkleinern und dennoch die Stärke
des Gleichfeldes auf einem Pegel zu halten, der im Wesentlichen
gleich jenem in dem Gleichfeldgenerator 1104 von 11 ist.
Ferner führt
die Verwendung des geschlossenen Magnetkreises zu einer Verkleinerung
des Entmagnetisierungsfaktors, was die thermische Stabilität des Gleichfeldes
sicherstellt und die Stärke
des Gleichfeldes für
eine lange Zeitperiode konstant hält. Dies führt zu einer größeren Zuverlässigkeit
des magnetooptischen Modulators.
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Der
magnetooptische Modulator dieser Ausführungsform dient zum Modulieren
eines optischen Signals bis zu 5 GHz. Wenn gefordert wird, die Reflexion
von Licht an den Stirnflächen
der Ferulen 1570 und 1571 zu minimieren oder zu
beseitigen, können diese
zu einem Winkel von etwa 15° oder
weniger zu ihren Mittellinien in Längsrichtung poliert sein und/oder
können
die Enden des Polarisators 1502, des magnetooptischen Elements 1501 und
des Analysators 1503 mit einer nicht reflektierenden Beschichtung überzogen
sein, das magnetooptische Element 1501 und der Analysator 1503 gemeinsam. Die
Verwendung der Ferulen 1570 und 1571, deren Stirnflächen geneigt
und poliert sind, des Polarisators 1502, des magnetooptischen
Elements 1501 und des Analysators 1503 mit den
nicht reflektierenden, beschichteten Enden führt zu einer Abnahme der Stärke des
zur Lichtquelle zurückgeführten Lichts
auf –40 dB
oder weniger. Im Fall einer preiswerten Halbleiterlaserquelle, die
so konstruiert ist, dass sie einen Laserstrahl ausgibt, der bei
hohen Geschwindigkeiten durch direkte Modulation schwierig zu modulieren
ist, haben wir beobachtet, dass keine optische Schwankung, die infolge
der Reflexion des Laserstrahls von der magnetooptischen Modulatoranordnung
entsteht, vorkommt und dass der Laserstrahl bis zu 5 GHz moduliert
werden kann.
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Die
weiteren Anordnungen sind zu jenen der obigen Ausführungsformen
identisch. Der magnetooptische Modulator dieser Ausführungsform
kann mit irgendeinem der oben beschriebenen Übertragungssysteme für optische
Signale verwendet werden.
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16 zeigt
einen magnetooptischen Modulator gemäß der zwölften Ausführungsform der Erfindung, bei
dem ein Polarisator 1602, ein magnetooptisches Element 1601,
ein Analysator 1603 und ein Gleichfeldgenerator 1604 in
einem einzigen Substrat 1690 gefertigt sind.
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Das
Substrat 1690 ist, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist,
mit einer rechtwinkligen Platte ausgebildet, die aus einem nicht
magnetischen Material wie etwa Harz, Harzfüllmasse-Verbundwerkstoff, Keramikmaterial
oder Glas gefertigt sein kann. In dieser Ausführungsform ist das Substrat 1690 aus
einem Glas-Epoxid als einem der Harzfüllmasse-Verbundwerkstoffe,
die maschinell durch eine Präzisions-Diamantsäge (auch
als Trennsäge
bezeichnet) leicht zu bearbeiten sind, gefertigt. Das Substrat 1690 weist
zwei Vertiefungen oder eine Kammer, die in einem Mittelabschnitt
einer seiner Oberflächen ausgebildet
sind, um Magnete eines Gleichfeldgenerators 1604 anzubringen,
und eine Rille, die sich horizontal erstreckt, wie in der Zeichnung
zu sehen ist, um optische Fasern 1608 und 1609 anzubringen,
auf. Der Einbau des Polarisators 1602, des magnetooptischen
Elements 1601, des Analysators 1603 und der optischen
Fasern 1608 und 1609 in das Substrat 190 erfolgt,
nachdem die Kammer für
den Einbau des Magneten und die Rille für den Einbau von optischen
Fasern ausgebildet sind, durch Anbringen einer einzigen optischen
Faser in der Rille für
den Einbau von optischen Fasern, Herausarbeiten dreier Rillen mittels
der Präzisions-Diamantsäge aus der
Oberfläche des
Substrats 1690 in einer zur optischen Faser quer verlaufenden
Richtung, um die optische Faser in vier Teile, nämlich die optischen Fasern 1602, 1610 und 1609 zu
unterteilen, und Anbringen des Polarisators 1602, des magnetooptischen
Elements 1601, des Analysators 1603 und der Magnete
des Gleichfeldgenerators 1604 in den Mittelabschnitten
der drei Rillen bzw. der Kammern für den Einbau von Magneten. Der
magnetooptische Modulator dieser Ausführungsform kann daher ohne
Notwendigkeit der Einstellung einer optischen Achse in Massenproduktion
hergestellt werden.
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Die
Magnete des Gleichfeldgenerators 1604 sind beispielsweise
Ferrit-Permanentmagnete,
die innerhalb eines durch den Hochfrequenzfeldgenerator 1605 erzeugten
Hochfrequenzfeldes keinen Wirbelstrom erzeugen.
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Die
Impedanzeinstellvorrichtung 1606 ist in der Struktur zu
jenen der obigen Ausführungsformen identisch
und außerhalb
des Substrats 1690 angeordnet, jedoch kann sie in dem Substrat 1690 gefertigt
sein.
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Der
Gleichfeldgenerator 1604 kann alternativ außerhalb
des Hochfrequenzfeldgenerators 1605 angeordnet sein, wodurch
die durch das Anlegen des Hochfrequenzfeldes verursachte Erzeugung
des Wirbelstroms vermieden wird. Der Gleichfeldgenerator 1604 kann
daher durch Permanentmagnete, die aus Sm-Co-basiertem Metall oder
einem Nd-Fe-B-basierten Metall hergestellt sind, implementiert sein.
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Der
magnetooptische Modulator dieser Ausführungsform kann mit irgendeinem
der oben beschriebenen Übertragungssysteme
für optische
Signale verwendet werden.
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Die 17(a) und 17(b) zeigen
einen magnetooptischen Modulator gemäß der dreizehnten Ausführungsform
der Erfindung.
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An
einem magnetooptischen Element 1702 ist ein Hochfrequenzfeldgenerator 1705 installiert. Genauer
gesagt, der Hochfrequenzfeldgenerator 1705 ist aus einer
Spule gebildet, die durch Freilegungs- und Ätztechniken an einer Oberfläche des magnetooptischen
Elements 1701 ausgebildet worden ist. Der Innendurchmesser
der Spule liegt vorzugsweise im Bereich von 10 μm bis 100 μm, um Licht, das aus einer optischen
Faser 1708, falls diese als Monomodenfaser implementiert
ist, austritt, zu bündeln.
Falls die optische Faser 1708 als Multimodenfaser (z.B.
als optische Gradientenindexfaser) oder als optische Faser mit großem Durchmesser
implementiert ist, beträgt
der Innendurchmesser der Spule vorzugsweise zwischen 100 μm bis 1000 μm. Das magnetooptische
Element 1701 ist aus einer (BiGdYLa)3(FeGa)5O12-Kristallschicht
gebildet. Die Achse einer leichten Magnetisierung dieser Granatkristallschicht
ist senkrecht zu deren Stirnflächen
orientiert, um eine Reaktion auf das Anlegen eines Niedrigpegel-Hochfrequenzfeldes
sicherzustellen. Die optische Faser 1709 kann wie die optische
Faser 1708 aus einer Monomodenfaser, einer Multimodenfaser
wie etwa der optischen Gradientenindexfaser oder einer optischen
Faser mit großem
Durchmesser gefertigt sein.
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Wie
in 17(b) deutlich gezeigt ist,
sind ein Polarisator 1702 und ein Analysator 1703 an
entgegengesetzten Oberflächen
des magnetooptischen Elements 1701 angebracht. Das über die
optische Faser 1708 übertragene
Licht wird durch eine Linse 1720 gebündelt, so dass ein kleinstmöglicher
Lichtstrahl auf das magnetooptische Element 1701 geformt
wird. Der Polarisator 1702 polarisiert das von der Linse 1720 eingegebene
Licht linear. Das linear polarisierte Licht geht durch das magnetooptische Element 1701 und
einen Mittelabschnitt des Hochfrequenzfeldgenerators 1705.
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Wenn
der kleinste Innendurchmesser des Mittelabschnitts des Hochfrequenzfeldgenerators 1705,
d.h. die Länge
der kürzeren
Seite der innersten Windung der Spule, zwischen 10 μm und 100 μm beträgt, kann
der Durchmesser eines Strahls, der durch die optischen Fasern 1708 und 1709,
die aus einer optischen Monomodenfaser gefertigt sind, geht, kleiner
als jener kleinste Innendurchmesser sein, wodurch eine wirksame
Modulation des Lichts hergestellt wird.
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Die
Stärke
des in der Mitte des Hochfrequenzfeldgenerators 1705 entwickelten
Feldes ist umgekehrt proportional zum Innendurchmesser des Hochfrequenzfeldgenerators 1705.
Falls der Wert des durch den Hochfrequenzfeldgenerator 1705 fließenden Stroms
konstant ist, nimmt somit der durch das magnetooptische Element 1701 erzeugte
Modulationsgrad mit der Abnahme des Innendurchmessers des Hochfrequenzfeldgenerators 1705 zu.
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Das
Licht wird nach seinem Durchgang durch das magnetooptische Element 1701 durch
den Analysator 1703 als Funktion der Drehung seiner Polarisationsebene
in der Intensität
moduliert und tritt dann durch eine konvergierende Linse 1721 in
die optische Faser 1709 ein.
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Der
Gleichfeldgenerator 1740 ist durch Nd-Fe-B-Permanentmagnete
implementiert, die dazu dienen, ein Gleichfeld an das magnetooptische Element 1701 parallel
zu dessen Stirnflächen
anzulegen.
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Die
Impedanzeinstellvorrichtung 1706 ist in der Struktur zu
jenen in den obigen Ausführungsformen
identisch und dient zum Einstellen der Impedanz des Hochfrequenzfeldgenerators 1705,
um eine wirksame Übertragung
eines Hochfrequenzsignals von einem Hochfrequenz-Signalgenerator
(nicht gezeigt) an den Hochfrequenzfeldgenerator 1705 sicherzustellen.
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Der
Hochfrequenz-Signalgenerator ist in der Struktur zu jenen in den
obigen Ausführungsformen identisch,
weshalb seine Erläuterung
im Detail hier weggelassen ist.
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Der
magnetooptische Modulator dieser Ausführungsform ist geeignet, eine
Trägerwelle,
deren Länge
1,31 μm
oder 1,55 μm
beträgt,
mit bis zu 1 GHz zu modulieren. Wenn das magnetooptische Element 1701 aus
einer (BiGdYLa)3(FeGa)5O12-Granatkristallschicht mit einer Dicke
von 60 μm
gebildet ist, nimmt der optische Verlust um einige dB übermäßig zu,
jedoch wird es möglich,
das Licht in einem Band von 0,7 bis 0,9 μm bis zu 1 GHz zu modulieren.
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Der
magnetooptische Modulator dieser Ausführungsform kann ähnlich wie
bei der zwölften
Ausführungsform
ohne Verwendung der Linsen 1720 und 1721 in einem
einzigen Substrat gefertigt sein. In diesem Fall wird es wegen des
Wegfalls der Linsen 1720 und 1721 für den Innendurchmesser
des Hochfrequenzfeldgenerators 1702 notwendig. Wenn die
Gesamtdicke des Polarisators 1702, des magnetooptischen
Elements 1701 und des Analysators 1703 kleiner
als etwa 0,6 mm ist, kann der kleinste Innendurchmesser des Hochfrequenzfeldgenerators 1705 im
Bereich zwischen 100 μm
und 1000 μm
liegen.
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18 zeigt
einen magnetooptischen Modulator gemäß der vierzehnten Ausführungsform
der Erfindung, bei dem ein magnetooptisches Element 1801 als
Lichtwellenleiter gestaltet ist.
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Das
magnetooptische Element 1801 (d.h. der Lichtwellenleiter)
besitzt eine Länge,
die sich in einer Ausbreitungsrichtung eines optischen Signals erstreckt,
und ist sowohl aus einer Monomodenstruktur als auch aus einer Multimodenstruktur
gefertigt. Gewöhnlich
ist der Grad des magneto optischen Effekts oder der Modulation zur
Länge eines
magnetooptischen Elements, durch das das Licht geht, proportional.
Wenn ein durch einen Hochfrequenzfeldgenerator 1805 erzeugtes
Hochfrequenzfeld im Pegel konstant ist, ist somit der Grad des magnetooptischen
Effekts umso größer, je
länger
das magnetooptische Element 1801 ist. Im Fall, dass ein
optischer Strahl unter rechten Winkeln in eine Eingabefläche des
magnetooptischen Elements 1801, das aus einer Granatkristallschicht
gefertigt ist, eingegeben wird, beträgt die Länge des magnetooptischen Elements 1801 vorzugsweise
einige μm
oder weniger. Ähnlich beträgt im Fall
eines YIG-(Y3Fe5O12)-Volumenkristalls die
Länge des
magnetooptischen Elements 1801 vorzugsweise 5 bis 10 mm.
Ferner ermöglicht
das Bilden des magnetooptischen Elements 1801 beispielsweise
aus Y3Fe5O12, (YGd)3Fe5O12 oder (TbY)3Fe5O12 auf
einem nicht magnetischen Granatsubstrat, das beispielsweise aus
Gd3Ga5O12 gebildet
ist, mittels der Flüssigphasen-Epitaxie
eine sich parallel zu einer Oberfläche des Substrats erstreckende
Länge des magnetooptischen
Elements 1801 von 10 bis 30 mm.
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Der
Drehwinkel einer Polarisationsebene des Lichts, das durch das magnetooptische
Element 1801 gegangen ist, ist zur Länge des magnetooptischen Elements 1801 proportional.
Die Struktur dieser Ausführungsform
kann einen Modulationsgrad erzeugen, der zehn mal größer als
gewöhnlich
ist, und ermöglicht
außerdem,
dass das magnetooptische Element 1801 entlang der Länge des
Lichtwellenleiters schmal und lang ist. Die Anlegerichtung des Hochfrequenzfeldes
an das magnetooptische Element 1801 ist im Wesentlichen
parallel zu der Länge des
magnetooptischen Elements 1801 orientiert, was zu einer
Verkleinerung seines Entmagnetisierungsfaktors führt und im Vergleich zu den
obigen Ausführungsformen
eine Verringerung des Grads des Hochfrequenzfeldes ermöglicht. Ähnlich kann
bei den obigen Ausführungsformen,
in denen das magnetooptische Element eine Länge aufweist, eine Verkleinerung
des Entmagnetisierungs faktors des magnetooptischen Elements erreicht
werden, indem die Hochfrequenz im Wesentlichen parallel zu der Länge des magnetooptischen
Elements angelegt wird.
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Die
Struktur dieser Ausführungsform
ermöglicht
die Herstellung eines magnetooptischen Modulators, der geeignet
ist, bis zu 1 GHz einen Modulationsgrad von 10% zu erzeugen.
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Der
Hochfrequenzfeldgenerator 1804 ist ähnlich wie bei den obigen Ausführungsformen
durch eine um das magnetooptische Element 1801 gewickelte
Spule implementiert. An Stirn- oder Hauptflächen des magnetooptischen Elements 1801 sind
ein Polarisator 1802 und ein Analysator 1803 installiert. Außerhalb
des Polarisators 1802 bzw. des Analysators 1803 sind
konvergierende Linsen 1820 und 1821 angeordnet.
Die weiteren Anordnungen sind zu jenen in den obigen Ausführungsformen
identisch, weshalb deren Erläuterung
im Detail hier weggelassen ist. Der magnetooptische Modulator dieser
Ausführungsform kann
mit irgendeinem der oben beschriebenen Übertragungssysteme für optische
Signale verwendet werden.
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Die 19(a) und 19(b) zeigen
einen magnetooptischen Modulator gemäß der fünfzehnten Ausführungsform
der Erfindung, bei dem der Hochfrequenzfeldgenerator und die Impedanzeinstellvorrichtung,
wie sie in den obigen Ausführungsformen verwendet
werden, durch eine transversalelektromagnetische Zelle (TEM-Zelle)
implementiert ist.
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Die
in dieser Ausführungsform
verwendete TEM-Zelle ist, wie in 19(b) gezeigt
ist, eine koaxiale TEM-Zelle, die einen hohlen, zylindrischen Körper besitzt,
durch den, wie durch eine unterbrochene Linie in der Zeichnung angegeben
ist, an seiner Mittellinie in Längsrichtung
ein Leiter 1952 ver läuft.
Der hohle, zylindrische Körper
besitzt konisch zulaufende Stirnwände, um die Reflexion oder
Dämpfung
eines Hochfrequenzfeldes innerhalb des hohlen, zylindrischen Körpers zu
vermeiden, und enthält
eine optische Modulationsvorrichtung 1910.
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Die
optische Modulationsvorrichtung 1910 besteht, wie in 19(a) deutlich gezeigt ist, aus Linsen 1920 und 1921,
einem Polarisator 1902, einem magnetooptischen Element 1901 und
einem Analysator 1903.
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Im
Betrieb wird das aus einer optischen Faser 1908 austretende
Licht in der Linse 1920 in einen parallelen Lichtstrahl
umgewandelt und geht durch den Polarisator 1902, um linear
polarisiert zu werden. Das linear polarisierte Licht wird durch
das magnetooptische Element 1901 der Drehung einer Polarisationsebene
als Funktion eines daran angelegten Hochfrequenzfeldes unterworfen
und dann durch den Analysator 1921 als Funktion der Drehung
der Polarisationsebene moduliert. Das aus dem Analysator 1903 austretende
Licht tritt in die Linse 1921 ein, um an einem Ende der
optischen Faser 1909 konvergiert zu werden. Falls der Polarisator 1902,
das magnetooptische Element 1901 und der Analysator 1903 ausreichend
dünn sind,
derart, dass sich das Kompensieren eines optischen Verlustes erübrigt, können die
Linsen 1920 und 1921 entfallen.
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Die
TEM-Zelle 1946 enthält
zwei Löcher 1954,
die beispielsweise durch Bohren in eine Wand ihres zylindrischen
Körpers
ausgebildet sind. Die Löcher 1954 sind
in einer Richtung, die zu der Länge des
Mittelleiters 1952 im Wesentlichen senkrecht ist, mit einem
gegebenen vertikalen Versatz von dieser, wie in der Zeichnung zu
sehen ist, ausgerichtet. Die optischen Fasern 1908 und 1909 sind
beispielsweise durch einen Klebstoff in den Löchern 1954 befestigt, um
die optische Modulationsvorrichtung 1910 in der TEM-Zelle 1946 zu
halten. Alternativ können
die Linsen 1920 und 1921 der optischen Modulationsvorrichtung 1910 in
den Löchern 1954 befestigt
sein, sofern sich das magnetooptische Element 1901 in einem
Mittelabschnitt der TEM-Zelle 1946 befindet.
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Wenn
von einem Hochfrequenz-Signalgenerator (nicht gezeigt), der zu jenen
in den obigen Ausführungsformen
in der Struktur identisch ist, ein Hochfrequenzsignal eingegeben
wird, erzeugt der Mittelleiter 1952 ein zu diesem (d.h.
zur Mittellinie der TEM-Zelle 1946 in Längsrichtung) koaxiales Hochfrequenzfeld.
Die Richtung des an das magnetooptische Element 1901 angelegten
Hochfrequenzfeldes stimmt daher mit der Längsrichtung der optischen Modulationsvorrichtung 1910 (d.h.
der Ausbreitungsrichtung des optischen Signals) im Wesentlichen überein.
Wenn die Anlegerichtung des Hochfrequenzfeldes an das magnetooptische
Element 1901 exakt mit der Ausbreitungsrichtung des optischen
Signals übereinstimmt,
erzeugt es den größten Modulationsgrad,
jedoch nimmt der Modulationsgrad nicht stark ab, wenn die Anlegerichtung
des Hochfrequenzfeldes innerhalb eines Bereichs von ±15° zur Ausbreitungsrichtung
des optischen Signals liegt. Genauer gesagt, die Anlegerichtung
des Hochfrequenzfeldes kann innerhalb eines Bereichs von ±15° senkrecht
zu den Stirnflächen
des magnetooptischen Elements 1901 orientiert sein.
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Ein
Gleichfeldgenerator besteht aus einem Gleichstromgenerator 1930,
einer Gleichfeld-Erzeugungsspule 1931 und einem weichmagnetischen Kern 1932 zum
Verbessern des Wirkungsgrads des Anlegens eines Gleichfeldes an
das magnetooptische Element 1901. Das an die optische Modulationsvorrichtung 1910 (z.B.
das magnetooptische Element 1901) angelegte Gleichfeld
durchquert die Seitenwand der optischen Modulationsvorrichtung 1910 in
irgendeiner Richtung im Bereich von ±30° zu einer senkrecht zur Anlegerichtung
des Hochfrequenzfeldes verlaufenden Linie.
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Das
Ende der TEM-Zelle 1946 ist durch einen Abschluss 1950,
der gewöhnlich
aus einem Widerstand gebildet ist, abgeschlossen, um die Reflexion
des Hochfrequenzsignals am Ende der TEM-Zelle 1946 zu vermeiden.
Falls die Ausgangsimpedanz des Hochfrequenz-Signalgenerators, die
Impedanz der TEM-Zelle 1946 und die Impedanz des Abschlusswiderstands 1950 aufeinander
abgestimmt sind, kann der magnetooptische Modulator dieser Ausführungsform
die Modulation über
einen weiten Bereich, von eine tiefen Frequenz bis zu einer hohen Frequenz,
z.B. von 0,1 MHz bis 2 GHz, ausführen.
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In
dieser Ausführungsform
ist die Impedanzeinstellvorrichtung, die zum Einstellen der Impedanz des
Hochfrequenzfeldgenerators dient, wie aus der obigen Abhandlung
hervorgeht, durch die TEM-Zelle 1946 und den Abschlusswiderstand 1950 implementiert.
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Anstelle
des Abschlusswiderstands 1950 kann das Ende der TEM-Zelle 1946 wie
ein koaxialer Resonator kurzgeschlossen sein oder einen daran angebrachten
Filterkreis besitzen, der eine Signalkomponente mit einer spezifischen
Frequenz reflektiert, wodurch ein starkes optisches Signal oder Hochleistungssignal
bei der spezifischen Frequenz moduliert werden kann.
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In
der Struktur dieser Ausführungsform
wird das Hochfrequenzfeld in einem gegen elektromagnetische Wellen
abgeschirmten Raum erzeugt, so dass es frei von äußerem hochfrequentem Rauschen
ist.
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Bei
jeder der oben genannten Ausführungsformen
kann eine typische elektromagnetische Metallabschirmung verwendet
werden, um eine unerwünschte
Abstrahlung des Hochfrequenzfeldes zu vermeiden. Der magnetooptische
Modulator dieser Ausführungsform
kann mit irgendeinem der oben beschriebenen Übertragungssysteme für optische
Signale verwendet werden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in Form der bevorzugten Ausführungsformen
offenbart worden ist, um das bessere Verständnis von ihr zu erleichtern,
kann der Erfindung selbstverständlich
in verschiedener Weise konkrete Form gegeben werden, ohne von dem
Prinzip der Erfindung anzuweichen. Daher sollte die Erfindung so
verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen
und Modifikationen zu den gezeigten Ausführungsformen, denen, ohne von
dem Prinzip der Erfindung, wie es in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist, konkrete
Form gegeben werden kann, umfasst.