Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein
optische Isolatoren und insbesondere optische Isolatoren,
bei denen ein Resonanzhohlraum verwendet wird, um eine
wesentliche Verkleinerung zu erreichen.
Hintergrund der Erfindung
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Optische Isolatoren werden benötigt, um den
Wiedereintritt von reflektierter optischer Strahlung in eine
optische Vorrichtung wie beispielsweise einen Laser zu
verhindern. In optischen Kommunikationssystemen wird die
Funktion eines Lasers durch Reflexionen optischer Energie
in den Laser beeinträchtigt, indem sie
Amplitudenschwankungen, Modentrennung, Frequenzverschiebungen und
Verschmälern der Linienbreite bewirken. In gegenwärtigen
optischen Kommunikationssystemen werden optische
Isolatoren am Ausgang eines Lasers verwendet, um zu
vermeiden, daß Licht in den Laser zurückreflektiert wird.
Solche Isolatoren werden allgemein als Faraday-Isolatoren
bezeichnet und bedienen sich der Grundsätze
linearpolarisierter (auch planpolarisiert genannter)
elektromagnetischer Energie in Verbindung mit Faraday-Drehung.
Häufig werden zwei Isolatoren zusammen benutzt, um bis zu
60 dB Isolation bereitzustellen. Wenn er für den Betrieb
mit optischer Energie mit einer Wellenlänge von 1,5 µm
ausgelegt ist, wird der optische Isolator typisch eine
Länge von mehreren Zentimetern besitzen und 8 optische
Flächen erfordern. Heutige optische Isolatoren sind groß
und massiv im Verhältnis zu optischen Fasern und können
daher nicht leicht in einen Baustein eingebaut oder zu
einem Bestandteil einer Lichtleitfaser werden.
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In Applied Optics, Band 3, Seiten 1079-1083,
September 1964, "Resonant Optical Faraday Rotator", auch
als Sonderschrift 4851 von Bell Telephone System
abgedruckt, wird von R. Rosenberg und anderen ein optischer
Rotator offenbart, in dem sich ein
Faraday-Rotatormaterial zwischen zwei einen Resonanzhohlraum bildenden
Spiegeln befindet. Der Drehungsbetrag könnte im
Vergleich zu dem, einem einzigen Durchlauf durch das
Rotatormaterial entsprechenden, hundertfach erhöht
werden.
Zusammenfassung der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßer Isolator entspricht dem in
Anspruch 1 angegebenen. Im Gebrauch wird der
Resonanzhohlraum so eingestellt, daß er für zirkularpolarisiertes
Licht, das die Vorrichtung in Vorwärtsrichtung
durchlaufendem Licht entspricht, resonant ist, aber für
zirkularpolarisiertes Licht mit der entgegengesetzten
Polarisation, das in der umgekehrten Richtung
durchlaufendem Licht entspricht, nicht resonant ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines
üblichen optischen Isolators nach dem Faraday-Effekt;
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Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des
Aufbaus einer Ausführungsform nach den Grundsätzen der
Erfindung;
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Fig. 3 ist eine Ansicht eines Resonanzhohlraumes;
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Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer
Vorrichtung mit dem erfindungsgemäßen optischen Isolator,
und
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Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer
weiteren Vorrichtung mit dem erfindungsgemäßen optischen
Isolator.
Detaillierte Beschreibung
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Fig. 1 stellt einen optischen Isolator dar, in
dem der Faraday-Dreheffekt bei planpolarisierter
optischer Empfangsenergie angewandt wird, um optische
Energie in einer Richtung durchzulassen und optische
Energie in der anderen Richtung zu sperren. Die
Vorrichtung umfaßt ein zwischen einem Eingangs-Linear- oder-
Planpolarisator 10 eingefügtes gyrotropisches Medium 12
und einen Ausgangs-Linear- oder-Planpolarisator 14. Das
gyrotropische Medium 12 befindet sich innerhalb eines
durch den Pfeil 16 dargestellten magnetischen
Längsfeldes. Das gyrotropische Medium ist durch eine
Verdet-Konstante V gekennzeichnet, die als die Drehung
der Polarisationsebene der optischen Energie pro
Längeneinheit pro Einheit angelegten Feldes definiert wird. Die
Drehung der planpolarisierten optischen Energie bei ihrem
Durchlaufen des gyrotropischen Mediums wird durch
folgenden Ausdruck gegeben:
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θF=V Hd
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wobei
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V die Verdet-konstante; und
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H das Magnetfeld ist.
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Bei einigen Stoffen wie Yttriumeisengranat (YIG)
sättigt die Faradaydrehung bei einem angelegten
Magnetfeld, wobei die Drehung durch folgenden Ausdruck gegeben
wird:
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θF=aFL
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wobei aF die gesättigte spezifische Drehung und
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L die Länge des gyrotropischen Mediums ist.
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Bei einer Wellenlänge von 1,5 µm und einem
Magetfeld von ca. 1 kgauß (das leicht von einem
Samarium-Kobalt-Magneten erhältlich ist) ergibt eine
Länge von 2,6 mm typisch eine Drehung von 45º in YIG, dem
verbreitetsten Isolatormaterial im Bereich 1,3 µm
- 1,5 µm-Bereich des Spektrums.
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Den optischen Isolator rückwärts durchlaufendes
Licht durchläuft den linearen Polarisator 14, der in
einem Winkel orieniert ist; und die aus dem Polarisator
14 austretende linearpolarisierte optische Rückenergie
ist in diesen Winkel orientiert. Die linearpolarisierte
optische Energie tritt dann in den Faraday-Rotator 12
ein, der dann die Ebene der linearpolarisierten optischen
Energie um den Winkel θF dreht. Die linearpolarisierte
optische Energie vom Faraday-Rotator tritt dann in den
Polarisator 10 ein, der so orientiert ist, daß er das
Licht vom Faraday-Rotator blockiert. In den meisten
Isolatoren sind die Faraday-Rotatoren so ausgelegt, daß
sie die Ebene der polarisierten optischen Energie um 45º
drehen.
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Vorwärts durchläuft das Licht 18 den Polarisator
10 und wird im Winkel des Polarisators 10
linearpolarisiert. Dieses nach rechts laufende Licht durchläuft
dann den Faraday-Rotator, wo es weiter in derselben
Richtung wie die Drehung der Polarisationsebene der nach
links laufenden optischen Energie gedreht wird. Wenn der
Faraday-Rotator so ausgelegt ist, daß er die
Polarisationsebene der linearpolarisierten optischen Energie um
45º dreht, dann ist die aus dem Faraday-Rotator 12
austretende optische Energie parallel zum Polarisator 14
polarisiert und wird voll übertragen.
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YIG oder ähnliche Granate enthaltende optische
Isolatoren haben erwiesenermaßen niedrigen Verlust (ca.
1 dB) und verhältnismäßig gute Isolation (-30 dB). Sie
sind jedoch aufgrund der langen, im Faraday-Rotator
benötigten Weglänge von 0,5 bis 3 mm verhältnismäßig
groß.
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In der vorliegenden Erfindung wird der Faraday-
Rotator für einmaligen Durchgang durch ein sich innerhalb
einer Resonanzvorrichtung befindendes gyrotropisches
Medium ersetzt. Kurz gesagt, kann die Gesamtlänge des
Mediums dadurch reduziert werden, daß die optische
Energie mehrere Male innerhalb des gyrotropischen Mediums
hin- und herreflektiert wird, da die
Faraday-Gesamtdrehung eine Summierung jeder durch jeden Durchlauf
verursachten Drehung ist. Dadurch, daß das gyrotropische
Medium zwischen zwei (entweder dielektrische oder
metallische) Spiegel gelegt wird, die auf der Oberfläche
abgelagert sind, oder durch Verwendung eines verteilten
Gitterreflektors in einer Wellenleiterstruktur werden
mehrfache Reflexionen erhalten. Wenn die optische Hin-
und Rücklauflänge des Weges der optischen Energie eine
Ganzzahl von Wellenlängen beträgt, sagt man, daß die
Vorrichtung resonant und bei Abwesenheit von Verlusten
transparent ist.
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Beispielsweise wird, wenn die Reflexionen mittels
Spiegeln erhalten werden, die Durchlässigkeit der
Struktur bei Resonanz durch folgenden Ausdruck gegeben
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wobei
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L der Einzelwegverlust im Resonator und
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R das Reflexionsvermögen der Spiegel darstellt.
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Die Anzahl von Durchläufen N, für die der
austretende Strahl auf die Hälfte derer des ersten Strahls
reduziert ist, wird durch folgenden Ausdruck gegeben:
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Resonanz kann daher zur Verstärkung des Faraday-Effektes
benutzt werden.
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Der hier offenbarte optische Isolator, in dem ein
gyrotropisches Medium innerhalb eines Resonanzhohlraumes
optische Energie dazu veranlaßt, das gyrotropische Medium
mehrere Male anstatt nur einmal zu durchlaufen, kann mit
linearpolarisierter optischer Energie benutzt werden,
vorausgesetzt, man versteht die Grundsätze der
Funktionsweise. Insbesondere kann linearpolarisierte optische
Energie in einem gyrotropischen Medium in der Gegenwart
eines Magnetfeldes als Summe zweier Komponenten angesehen
werden, die jeweils aus zirkularpolarisierter optischer
Energie bestehen und jeweils entgegengesetzte
Drehrichtungen besitzen. Die zwei Komponenten besitzen
gleiche Amplituden. Im gyrotropischen Medium läuft die
optische Energiekomponente mit positiver Drehung mit
einier Geschwindigkeit die sich von der der optischen
Energie mit negativer Drehung unterscheidet, und die
Ebene der eintreffenden polarisierten optischen Energie
wird in der Richtung der Drehung der Komponente mit der
höheren Geschwindigkeit gedreht. Anders gesagt, ist die
Drehung der Polarisationsebene linearpolarisierter
optischer Energie in einem Faraday-Medium das Ergebnis
des Unterschiedes im Brechungsindex des Mediums für
links- und rechtszirkulare Polarisationen. So wird bei
Durchlaufen eines gyrotropischen Mediums eine Komponente
relativ zur anderen verzögert. Wenn die Verzögerung einen
Phasenunterschied von 90º bewirkt, tritt das Licht als
linearpolarisierte optische Energie mit einem um 45º aus
seiner Ursprungspolarisationsebene gedrehten
Polarisationswinkel aus. Es ist einleuchtend, daß die
Amplitude der zwei Komponenten dafür gleich sein muß.
Wenn sie es nicht sind, wird das austretende Licht
elliptisch polarisiert sein und der Isolator funktioniert
nicht wie beschrieben.
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So scheint es auf ersten Blick, daß ein Isolator
mit einem Resonanzhohlraum Schwierigkeiten bereiten kann,
wenn er mit linearpolarisierter optischer Energie benutzt
wird, da die effektiven Brechungszahlen für die rechts-
und linkszirkularpolarisierten Komponenten
unterschiedlich sind, und ein Resonanzhohlraum nicht
gleichzeitig für die beiden Wellen resonant sein kann.
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Eine Lösung besteht darin, den Resonanzhohlraum
so abzustimmen, daß sich die Resonanzfrequenz des
Hohlraumes mittig zwischen den Resonanzfrequenzen für die
links-und rechtszirkularpolarisierte optische Energie
befindet. In diesem Fall wird die übertragene Stärke für
links- und rechtszirkularpolarisierte optische Energie
gleich sein, und die übertragene optische Energie wird
linearpolarisiert sein. Die Drehung der
Polarisationsebene wird durch folgenden Ausdruck gegeben:
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wobei
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F die Finesse und
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R das Reflexionsvermögen der Spiegel ist.
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Die Annäherung gilt für
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Es ist zu bemerken, daß es einen
Einfügungsverlust geben wird, da der Resonanzhohlraum nicht in
Resonanz betrieben wird. Es hat sich herausgestellt, daß
der Durchlässigkeitsverlust zirka 50% beträgt, wenn eine
Drehung von 45º erreicht wird.
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Ein weiterer Ansatz besteht darin, die rechts-
und linkszirkularpolarisierte optische Energie bei zwei
getrennten Resonanzen der Struktur, einer für jeden
effektiven Brechungsindex, zu betreiben. Bei dieser
Betriebsweise sind die Verluste minimal. Die Länge des
Resonanzhohlraumes muß jedoch so gewählt werden, daß
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2(nR-nL)L=Nλ
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wobei
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nR und nL Brechungszahlen für Rechtspolarisation
bzw. Linkspolarisation sind,
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N eine Ganzzahl und
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λ die Wellenlänge ist.
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Wie oben bemerkt, sind die Verluste im optischen
Isolator minimal, jedoch beträgt die Länge des
Resonanzhohlraumes annähernd das Doppelte der für einen
nichtresonanten optischen Isolator benötigten Länge.
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Eine attraktivere Betriebsweise ist die Benutzung
der Vorrichtung mit zirkularpolarisierter optischer
Energie und Abstimmung des Resonanzhohlraumes auf die
Resonanzspitze entweder der linkszirkularpolarisierten
optischen Energie oder der rechtszirkularpolarisierten
optischen Energie. Fig. 2 stellt eine Struktur dar, die
nach den Grundsätzen dieser Betriebsweise funktioniert.
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Der optische Isolator enthält einen
Resonanzhohlraum 30, der aus einem zwischen
Reflexionsflächen
34, 36 liegenden gyrotropischen Medium 32
besteht. In der Figur hat das gyrotropische Medium die
Form eines Films auf einem Tragglied. Die
Reflexionsflächen können entweder dielektrische oder metallische
Spiegel sein, die auf den beiden Endflächen abgelagert
sind, oder sie können verteilte Gitterreflektoren in
einer Wellenleiterstruktur sein. Der Abstand zwischen den
Spiegeln 34, 36 wird so eingestellt, daß er einen
Resonanzhohlraum für die vom Eintrittsende des optischen
Isolators empfangene zirkularpolarisierte optische
Energie bildet. Am Eintrittsende des optischen Isolators
ist ein erster linearer Polarisator 38 positioniert, und
Austrittsende des optischen Isolators ist ein zweiter
linearer Polarisator 40 positioniert. Zwischen dem ersten
linearen Polarisator 38 und dem Resonanzhohlraum 30
befindet sich ein erstes Polarisationswandelmittel 42,
wie beispielsweise eine 1/4-Wellen-Platte, und zwischen
dem Resonanzhohlraum 30 und dem zweiten linearen
Polarisator 40 befindet sich ein zweites
Polarisationswandelmittel 44, wie beispielsweise eine 1/4-Wellen-
Platte.
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Die Grundbetriebsart des neuen verbesserten, in
Fig. 2 dargestellten optischen Isolators unterscheidet
sich deutlich von der des in Fig. 1 dargestellten
üblichen optischen Isolators. In Fig. 2 durchläuft von
links, der Vorwärtsrichtung, kommende optische Energie 46
den ersten linearen Polarisator 38, der in einem
vorbestimmten Winkel orientiert ist, und die aus dem
Polarisator 38 austretende linearpolarisierte optische
Energie ist in diesen Winkel orientiert. Die
linearpolarisierte optische Energie wird danach in
zirkularpolarisierte optische Energie umgewandelt, indem
sie durch die 1/4-Wellen-Platte 42 durchgeführt wird,
deren lichtstarke Achse in einem Annäherungswinkel, d.h.
45º relativ zur Achse des linearen Polarisators 38,
orientiert ist. Die zirkularpolarisierte optische Energie
von der 1/4-Wellen-Platte 42 durchläuft den
teilreflektierenden Spiegel 34 und tritt in den
Resonanzhohlraum 30 ein, der für diese Polarisation resonant ist.
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Nach mehrmaliger Hin- und Rückreflektion der optischen
Energie im Hohlraum tritt sie durch den
teilreflektierenden Spiegel 36 des Resonanzhohlraumes aus. Die
austretende optische Energie besitzt dieselbe
Zirkularpolarisation, die sie bei ihrem Eintritt in den Hohlraum besaß.
Die optische Energie vom Resonanzhohlraum 30, die
zirkularpolarisiert ist, wird in linearpolarisierte optische
Energie umgewandelt, indem sie durch die zweite
1/4-Wellen-Platte 44 durchgeführt wird, deren lichtstarke
Achse im entsprechenden Winkel orientiert ist. Danach
wird die linearpolarisierte optische Energie von der
1/4-Wellen-Platte 44 zum zweiten linearen Polarisator 40
geleitet, der so orientiert ist, daß er die empfangene
optische Energie durchläßt.
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Von rechts nach links d.h. in die rückwärtige
Richtung, laufende optische Energie durchläuft den
linearen Polarisator 40 und tritt als im Winkel des
Polarisators 40 orientierte linearpolarisierte optische
Energie aus. Dieses Licht wird dann durch 1/4-Wellen-
Platte 44 durchgeführt und tritt als zirkularpolarisierte
optische Energie mit einer Drehrichtung aus, die der bei
Betrachtung in derselben Richtung entlang der Achse des
optischen Isolators von links nach rechts laufenden
optischen Energie entgegengesetzt ist. So besitzt die
zurücklaufende zirkularpolarisierte optische Energie eine
andere Drehung als die vorwärtslaufende
zirkularpolarisierte optische Energie. Die Felder
zirkularpolarisierter optischer Energie mit einer Drehrichtung werden
sich je nach der Richtung des Magnetfeldes 16 in
derselben Richtung drehen, wie die Präzession der
magnetischen Momente im Faraday-Material, und die Felder
zirkularpolarisierter optischer Energie mit der anderen
Drehrichtung werden sich in der entgegengesetzten
Richtung der Präzession der magnetischen Momente drehen.
So wird sich der Brechungsindex für das den
Resonanzhohlraum von links durchlaufende zirkularpolarisierte
Licht vom Brechungsindex für die den Resonanzhohlraum von
rechts durchlaufende zirkularpolarisierte optische
Energie unterscheiden. Dies tritt deshalb ein, da
Polarisator und 1/4-Wellen-Platte in Kombination dem in
unterschiedlichen Richtungen laufenden Licht eine
unterschiedliche Drehrichtung aufzwingen. Da die von rechts
ausgehende optische Energie den Resonanzhohlraum mit
unterschiedlichen Geschwindigkeiten als die von links
ausgehende optische Energie durchlaufen wird, werden sich
die Resonanzfrequenzen der beiden zirkularpolarisierten
Strahlen voneinander unterscheiden. In der
Ausführungsform der Fig. 2 ist der Resonanzhohlraum so ausgelegt,
daß er für die von links nach rechts laufende
zirkularpolarisierte optische Energie resonant ist. So wird er
für die von rechts nach links laufende
zirkularpolarisierte optische Energie nicht resonant sein, und
die optische Energie von rechts wird um einen Betrag
abgeschwächt, der von der resonanten Finesse und dem
Unterschied zwischen den Resonanzfrequenzen anhängig ist.
So läßt die Vorrichtung der Figur 3 von links nach rechts
laufende optische Energie durch und blockiert von rechts
nach links laufende optische Energie.
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Fig. 3 stellt einen Resonanzhohlraum der Art dar,
die in einer die Grundsätze dieser Erfindung verwendenden
Vorrichtung benutzt werden kann. Der Resonanzhohlraum
besteht aus Bi-dotierten YIG-Kristallfilmen auf einem
Gadolinium-Gallium-Granat(GGG-)Substrat 54. Die Filme
haben eine Stärke von 2 µm und tragen dielektrische
Mehrschichtspiegel 50, 52 mit einem R von ca. 97,5%. Für
die Sättigungsmagnetisierung beträgt die Gesamtdrehung
des die beiden Filme senkrecht durchlaufenden Lichtes
ca. 1/3 Grad pro Durchlauf. Es ist zu bemerken, daß in
den Filmen keine bedeutende lineare Doppelbrechung
auftreten sollte, da lineare Doppelbrechung die Faraday-
Drehung nachteilig beinflussen kann.
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In Fig. 4 wird eine weitere Ausführungsform eines
optischen Isolators nach den Grundsätzen der vorliegenden
Erfindung offenbart, in der der Resonanzhohlraum der
Hohlraum eines Fabry-Perot-Faserinterferometers ist. Eine
erste Lichtleitfaser 60 ist axial zu einer zweiten
Lichtleitfaser 62 ausgerichtet und von dieser beabstandet.
Zwischen den Enden der beiden Lichtleitfasern befindet
sich ein Dünnfilm 64 aus Bi-dotiertem YIG. Die Enden 66,
68 der Lichtleitfasern stützen teilreflektierende
Spiegel, und um die Enden der beiden Fasern und das
gyrotropische Medium 64 ist eine Hülse 70 gleitbar
positioniert, um die Baugruppe zueinander ausgerichtet zu
halten. Der Film aus Bi-dotiertem YIG kann zweckmäßig an
einem der teilreflektierenden Spiegel befestigt sein. Um
das erforderliche Magnetfeld bereitzustellen, ist ein
Ringmagnet 72 um die Hülse herum positioniert. An einem
Ende der Faser 60 ist ein erstes Glied 74 sicher
befestigt und an der Faser 62 ist ein zweites Glied 76
sicher befestigt. Ein piezoelektrisches Glied 78, das mit
Anlegen eines Potentials seine Größe verändert, ist starr
mit den ersten und zweiten Gliedern 74, 76 verkoppelt, um
den Abstand zwischen den zwei Gliedern 74, 76 zu steuern.
Anlegen eines entsprechenden Potentials an das
piezoelektrische Glied 78 bewirkt, daß sich seine Größe
und daher der Abstand zwischen den zwei Gliedern 74, 76
verändert. So kann durch Anlegen eines entsprechenden
Potentials an das piezoelektrische Glied 78 der Abstand
zwischen den Enden der beiden Fasern 60, 62 vergrößert
oder verringert werden, um einen Hohlraum mit der
erforderlichen Länge bereitzustellen. Polarisatoren und
1/4-Wellen-Platten können in Faserform hergestellt
werden, und ein Polarisator und eine 1/4-Wellen-Platte
können daher an der Stelle 80 in die Faser 60 und an der
Stelle 82 in die Faser 62 eingebaut werden. Unter
Anwendung der Grundsätze der vorliegenden Erfindung ist
es daher nunmehr möglich, einen optischen Isolator
bereitzustellen, der nur aus Faser besteht.
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1845 entdeckte Michael Faraday, daß ein
Glasblock, wenn er einem magnetischen Streufeld ausgesetzt
wird, optisch aktiv wird, d.h. zirkulare Doppelbrechung
besitzt. Wenn planpolarisiertes Licht in einer zum
angelegten Magnetfeld parallelen Richtung durch Glas
durchgeführt wird, wird die Polarisationsebene gedreht.
Seit der damaligen Entdeckung von Faraday ist diese
Erscheinung in vielen Festkörpern, Flüssigkeiten und
Gasen beobachtet worden. Es wird daher offenbar, daß
unter Verwendung der Grundsätze der vorliegenden
Erfindung der Resonanzhohlraum aus Einmoden-Silikatglasfasern
hergestellt werden kann. In Fig. 5 wird beispielsweise
eine Einmodenfaser 90 so aufgebaut, daß sie zwei
Reflexionsflächen 92, 94, einen ersten linearen
Polarisator und eine 1/4-Wellen-Platte bei 96 sowie einen
zweiten linearen Polarisator und eine 1/4-Wellen-Platte
bei 98 enthält. Ein Streckglied 100, das aus zwei sicher
an die Faser im Bereich des Resonanzhohlraumes
angekoppelten Armen 102, 104 bestehen kann, die gezielt so
gesteuert werden, daß sie die Lichtleitfaser entweder
elektronisch oder mechanisch strecken, kann die Länge des
Resonanzhohlraumes auf eine gewünschte Frequenz
einstellen. Um den Resonanzhohlraum herum, der die Faser
selbst als gyrotropisches Medium benutzt, kann ein
Ringmagnet 106 positioniert sein, um das notwendige
Magnetfeld bereitzustellen. Sollte in der Faser lineare
Doppelbrechung vorliegen, können Kompensationsmaßnahmen
erforderlich sein.