DE69011030T2

DE69011030T2 - Polarisationsunabhängiger optischer Isolator.

Info

Publication number: DE69011030T2
Application number: DE69011030T
Authority: DE
Inventors: Ralph Stephen Jameson
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1989-10-04
Filing date: 1990-09-25
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2010-09-26
Also published as: EP0421654A1; EP0421654B1; JP2710451B2; DE69011030D1; US5033830A; JPH03150524A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen polarisationsunabhängigen optischen Polarisator und insbesondere einen optischen Isolator, der lediglich eine doppelbrechende optische Einrichtung benötigt.

Beschreibung des Standes der Technik

Optische Isolatoren finden eine breite Vielfalt von Anwendungen in Lichtwellen-Kommunikationssystemen. Generell werden Isolatoren verwendet, um reflektierte Anteile eines übertragenen Signals vom Wiedereintreten in die übertragende Einrichtung abzuhalten. Viele frühe Isolatorenkonstruktionen verwenden eine polarisationsselektive Einrichtung, um die unerwünschten Reflexionen zu entfernen. Unter manchen Umständen, bei welchen die Transmissionssysteme unvorhergesehene, nicht steuerbare Änderungen der Polarisation verursachen, so daß der Polarisationszustand des empfangenen Signals unbekannt ist, geht man davon aus, daß diese frühen Einrichtungen für eine Verwendung nicht geeignet sind. Somit wurden große Anstrengungen unternommen, einen Isolator zu entwickeln, der polarisationsunabhängig ist.
Eine herkömmlicher polarisationsunabhängiger optischer Isolator wird in dem Artikel "Polarization-Independent Isolator for Fiber Optics", erschienen in The Transactions of the IECE of Japan, Band E62, Nr. 7, Juli 1979, Seiten 516-7 von T. Matsumoto beschrieben. In Matsumotos Isolator besteht die Anordnung aus einem Faraday-Rotator und Kompensator (λ/2- Platte), die zwischen einem Paar doppelbrechender Kristallplatten gleicher Dicke eingesetzt ist. Es ist auf dem Fachgebiet bekannt, daß die Funktion einer doppelbrechenden Platte darin besteht, ein einfallendes optisches Signal in ein Paar orthogonaler Strahlen zu teilen. Zusätzlich funktioniert eine doppelbrechende Platte dahingehend, daß ein Strahl (als "extraordinärer" oder "E"-Strahl bezeichnet) von dem anderen (als "ordinärer" oder "O"-Strahl bezeichnet) physikalisch voneinander getrennt werden, wenn diese durch die Platte treten. Dieses Phänomen des räumlichen Versatzes wird oft als "Auswandern" ("Walkoff") bezeichnet. In Matsumotos Isolator wird ein in die erste doppelbrechende Platte eintretendes Signal in orthogonale Bestandteile zerlegt. Die Strahlen werden dann gedreht, wenn diese durch den Kompensator und Faraday-Rotator treten. Die beiden Strahlen treten dann in die zweite doppelbrechende Platte (mit einer physikalischen Anpassung an die erste Platte, die so eng wie möglich ist) ein, wo diese zum Bilden eines Ausgangssignals vereinigt werden. Da ein Faraday-Rotator eine nichtreziproke Einrichtung ist, wird ein beliebiges Signal, das in der Rückwärts-(Isolations-)Richtung durch den Isolator tritt physikalisch in orthogonal polarisierte Signale zerlegt, wenn dieses durch beide doppelbrechende Platten tritt. Ein bei dieser Anordnung auftretendes Problem besteht darin, daß die Dicke der doppelbrechenden Platten im wesentlichen identisch sein muß, da eine beliebige Abweichung den Leistungspegel der wiedervereinigten Signale beeinflussen wird.
Bei einer alternativen herkömmlichen Konstruktion wird der Kompensator von Matsumotos Anordnung durch eine zusätzliche doppelbrechende Platte einer speziellen Dicke ersetzt. Diese spezielle Konstruktion wird in dem Artikel "Polarization Independant Isolator Using Spatial Walkoff Polarizers" von K.W. Chang et al, erschienen in IEEE Photonics Technical Letters, Band 1, Nr. 3, März 1989 auf den Seiten 68-70 beschrieben. In dieser Anordnung besteht der Isolator aus einer ersten doppelbrechenden Platte der Dicke 2L, einem Faraday-Rotator und einem Paar doppelbrechender Platten der Dicke L, die alle in einer Tandemanordnung angeordnet sind. Da die Dicke dieser letztgenannten zwei Platten lediglich 1/ 2 mal diejenige der ersten ist, werden die zwei orthogonalen Strahlen wiedervereinigt, wenn diese in Vorwärtsrichtung fortschreiten. Da der Faraday-Rotator eine nichtreziproke Einrichtung ist, werden die Strahlen in der Rückwärtsrichtung weitere beabstandet, wenn diese durch die erste doppelbrechende Platte treten. Wie bei Matsumotos Konstruktion ist jedoch die Fähigkeit, die Dicke der doppelbrechenden Platten präzise zu steuern entscheidend für das Erreichen niedriger Verluste in der Vorwärtsrichtung und adäquater Isolation in der Rückwärtsrichtung.
Daher besteht ein Bedarf beim Stand der Technik an einem polarisationsunabhängigen Isolator, der gegenüber physikalischen Anmessungen der optischen Elemente weniger empfindlich ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung ist auf das beim Stand der Technik verbleibende Bedürfnis gerichtet, daß einen polarisationsunabhängigen optischen Isolator betrifft, insbesondere einen Isolator betrifft, der lediglich eine doppelbrechende Platte benötigt, um die Isolation in der Rückwärtsrichtung zu erreichen.
Eine beispielhafte Ausführungsform des Isolators der vorliegenden Erfindung umfaßt eine doppelbrechende Platte, ein Paar gestapelter reziproker Rotatoren, einen nichtreziproken Rotator und eine reflektierende Einrichtung, die alle in einer Tandemanordnung, d.h. doppelt angeordnet sind. Im Betriebszustand tritt ein vorwärts fortschreitendes Signal in die doppelbrechende Platte ein, wo dieses in zwei orthogonal polarisierte Strahlen geteilt wird (nachstehend bezeichnet als O- und E-Strahlen). Wenn die Strahlen durch die doppelbrechende platte fortschreiten, wird der E- Strahl räumlich um einen vorbestimmten Betrag in Abhängigkeit von der Dicke der Platte versetzt. Die Strahlen treten dann durch einen ersten reziproken Rotator, der eine α&sup0; Drehung (im Gegenuhrzeigersinn) bei jedem Strahl durchführt. Die gedrehten Strahlen treten in den nichtreziproken Rotator (beispielsweise ein Faraday-Rotator bzw. ein Faraday-Dreher) ein, wo diese eine zusätzliche Drehung von θ&sup0; in Gegenuhrzeigerrichtung erfahren. Nachfolgend zu dieser Drehung treffen die Strahlen auf der reflektierenden Einrichtung auf, welche die Strahlen zurück in den nichtreziproken Rotator lenkt. Die Reflexion verursacht, daß die Signale ihre räumlichen Orte ändern, aber die gleiche Polarisation wie vor der Reflexion behalten. Da der Faraday-Rotator nichtreziproker Natur ist, werden beide Signale wiederum durch einen zusätzlichen Winkel θ&sup0; im Gegenuhrzeigersinn gedreht. Die strahlen treten dann durch den zweiten reziproken Rotator, welcher die Signale im Gegenuhrzeigersinn um einen Winkelversatz von β&sup0; dreht, wobei die Größe von α+20+β = 90º ist. Daher verursacht die Summe der Drehungen das Vertauschen sowohl des Polarisationszustandes als auch des Ortes. Der Strahl, der nun die "E"-Orientierung aufweist (der ursprüngliche O-Strahl) erfährt einen weiteren räumlichen Versatz, wenn die Strahlen ein zweites Mal durch die doppelbrechende Platte treten, um sich so mit dem Strahl der "O"-0rientierung zu vereinigen. Die vereinigten Strahlen werden dann durch eine geeignete Ausgangsöffnung übertragen, d.h. diese werden in die optische Ausgangsfaser geführt. In der Rückwärts-(Isolations-)Richtung ist die Summe der Drehungen 2θ-α-β oder 0º, da eine nichtreziproke Einrichtung (θ) und ein Paar reziproker Einrichtungen (α und β) verwendet werden. Das Ergebnis dieser Drehung besteht darin, daß die Strahlen ihre Original- Polarisationszustände behalten werden und der gleiche Strahl wird einen Versatz bei jedem Durchtreten der doppelbrechenden Platte erleiden. Daher wird keine Wiedervereinigung auftreten und die Strahlen werden die geeignete Öffnung verfehlen, d.h. diese werden den Eingang der optischen Faser verfehlen.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht, wie vorstehend erwähnt, in der Verwendung einer einzelnen doppelbrechenden Platte. Daher ist die Dicke der doppelbrechenden Platte nicht weiter eine kritische Konstruktionsgröße. Zusätzlich gestattet die Senkung der Anzahl doppelbrechender Platten es, den optischen Isolator der vorliegenden Erfindung, kompakter als viele herkömmliche Anordnungen aufzubauen.
Die Verwendung einer reflektierenden Einrichtung führt dazu, daß der Isolator der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung mit einem Ende (d.h. Eingangs/Ausgangsfasern auf der gleichen Seite der Einrichtung) ist, welches ein Vorteil in manchen Situationen darstellt.
Andere und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden während des Verlaufs der nachfolgenden Beschreibung und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.

Figurenbeschreibung

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften erfindungsgemäßen optischen Isolators,
Fig. 2 umfaßt eine Serie von Strahlendarstellungen, welche die Trennung und Rekombination eines optischen Signals beim Durchtreten des Isolators aus Fig. 1 in Vorwärts-(Übertragungs-)Richtung erfährt,
Fig. 3 umfaßt eine Serie von Strahlendarstellungen, welche die Trennung eines optischen Signals beim Durchtreten des optischen Isolators aus Fig. 1 in der Rückwärts-(Isolations-)Richtung erfährt.
Fig. 4 zeigt eine beispielhafte reflektierende Einrichtung, die eine fokussierende Linse zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Isolator umfaßt,
Fig. 5 zeigt eine alternative linsenfreie Reflexionseinrichtung zur Verwendung in dem Isolator der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 zeigt einen beispielhaft aufgebauten Isolator der vorliegenden Erfindung und
Fig. 7 zeigt eine grafische Darstellung, die sowohl Signalverluste (vorwärts) und Isolation (rückwärts) als Funktion der Wellenlänge für einen beispielhaften erfindungsgemäßen Isolator darstellt.

Detaillierte Beschreibung

Ein beispielhafter polarisationsunabhängiger optischer Isolator 10 der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Wie gezeigt tritt ein optisches Eingangssignal I aus der optischen Faser 12 und tritt in eine doppelbrechende Platte 14 ein. Die Strahldarstellung A aus Fig. 2 zeigt das Eingangssignal I in der mit "A" in Fig. 1 bezeichneten Position. Während der nachfolgenden Beschreibung entsprechen die Strahldarstellungs-Bezeichnungen aus Fig. 2 den gleich bezeichneten Orten in Isolator 10 aus Fig. 1. Die doppelbrechende Platte 14 wird nachfolgend im Detail beschrieben, deren Funktion besteht darin, das Eingangssignal I in orthogonale Komponenten, die als O-Strahl und als E-Strahl bezeichnet sind, zu spalten, wobei die E-Strahl-Komponente einen räumlichen Versatz erfährt, wenn diese durch die Dicke T der doppelbrechenden Platte 14 tritt. Dieser Versatz ist in der Strahldarstellung B aus Fig. 2 dargestellt. Die getrennten O- und E-Strahlen treten danach in eine λ/2-Kompensationsplatte 16 ein, deren optische Achse unter einem Winkel von α/2 in Grad in Bezug auf die Richtung der Polarisation des O-Strahls orientiert ist und deren Funktion darin besteht, die Richtung der Polarisation beider Strahlen um einen Winkel α&sup0; zu drehen. Zum Zwecke der Beschreibung wird angenommen, daß die optische Achse der λ/2-Platte 16 unter einem Winkel α/2 = 0º orientiert ist, so daß die Richtung der Polarisation der O- und E-Strahlen unbeeinflußt bleibt, wenn diese durch die Platte 16 treten, wie im Strahlendiagramm C der Fig. 2 dargestellt. Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, treten die O- und E-Strahlen, welche die Platte 16 verlassen, als nächstes durch einen nichtreziproken Rotator 18. Für den verbleibenden Verlauf dieser Beschreibung wird der nichtreziproke Rotator 18 als "Faraday- Rotator" bezeichnet. In dieser speziellen Ausführungsform ist der Faraday- Rotator 18 so konstruiert, daß er eine Drehung im Gegenuhrzeigersinn von θ=22,5º bei jedem Strahl durchführt. Die Stellungen der O- und E-Strahlen beim Austreten aus dem Faraday-Rotator 18 sind in der Darstellung D aus Fig. 2 gezeigt.
Beim Austreten aus dem Faraday-Rotator 18 werden die Strahlen als nächstes auf die reflektierende Einrichtung 20 auftreffen, die in einer beispielhaften Ausführungsform des Isolators 10 eine Linse 22 und einen konkaven Spiegel 24 umfaßt. Wie nachstehend im Detail beschrieben wird, sind andere Anordnungen für die reflektierende Einrichtung 20 möglich. Zurückkehrend zur Beschreibung des Isolators 10 ist festzuhalten, daß die aus dem Faraday-Rotator 18 tretenden O- und E-Strahlen durch den Spiegel 24 reflektiert und durch die Linse 22 in den Faraday-Rotator 18 zurück fokussiert werden. Wie in der Strahldarstellung E aus Fig. 2 gezeigt, verursacht der Reflexionsvorgang den Austausch der physikalischen Orte der O- und E-Strahlen, obwohl jeder die gleiche Polarisation wie vor der Reflexion behält. Da ein Faraday-Rotator eine nichtreziproke Einrichtung ist, führt der zweite Durchgang durch den Rotator 18 zu einer zweiten Verdrehung im Gegenuhrzeigersinn um 22,5º jedes Strahls, d.h. der vollständige Durchgang durch den Faraday-Rotator 18 bewirkt eine 45º- Drehung im Gegenuhrzeigersinn jedes Strahls. Die aus dem Faraday-Rotator 18 austretenden Signale sind in der Strahldarstellung F aus Fig. 2 gezeigt. Diese Strahlen treten dann durch eine zweite Kompensationsplatte 26, deren optische Achse unter einem Winkel von β=α-22,5º in Bezug auf die Richtung der Polarisation des O-Strahls orientiert ist. Mit dieser Orientierung wird jeder Strahl eine zusätzliche 45º-Drehung im Gegenuhrzeigersinn erleiden, wenn dieser durch die Platte 26 in dieser Richtung tritt. Die Strahldarstellung D zeigt die O- und E-Strahlen, wenn diese aus der Kompensationsplatte 26 treten. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 2 zu erkennen ist, führt diese letztgenannte 45º-Drehung dazu, daß die Strahlen ihre Polarisationszuständen Bezug auf ihre ursprüngliche Orientierung (in der Strahldarstellung B gezeigt) austauschen. Somit wird bei ihrem zweiten Durchtreten durch die doppelbrechende Platte 14 der E-Strahl (nun bei 180º) durch das doppelbrechende Material unbeeinflußt bleiben. Da jedoch der O- Strahl nun um 90º gedreht ist, wird dieser einen räumlichen Versatz beim Durchtreten der doppelbrechenden Platte 14 erleiden. Der Versatz wird in der entgegengesetzten Richtung sein (wie durch die Pfeile in den Strahldarstellungen B und G gezeigt), da eine doppelbrechende Platte eine reziproke Einrichtung ist. Somit werden am Ausgang der doppelbrechenden Platte 14 sich O- und E-Strahlen wiedervereinigen, um das ursprüngliche Signal, wie in der Strahldarstellung H aus Fig. 2 gezeigt, auszubilden. Dieses Signal wird dann in die Ausgangsfaser 28 geführt.
In der Rückwärts-(Isolations-)Richtung tritt ein optisches Signal (typischerweise eine Nebenreflexion des Eingangssignals I) aus der optischen Faser 18 und tritt durch den Isolator 10 in entgegengesetzter Richtung auf die optische Faser 12 zu. Eine Serie von Strahldarstellungen, welche die Funktion des Isolators 10 in Bezug auf das Signal S darstellt, ist in Fig. 3 gezeigt. Im speziellen verhält sich ein aus der optischen Faser 28 austretendes optisches Signal S wie in der Strahldarstellung HR aus Fig. 3 gezeigt (die Zufügung des Buchstabens "R" zu den Strahldarstellungsorten zeigt an, daß das Signal in der "Rückwärts"- Richtung fortschreitet). Beim ersten Durchgang durch die doppelbrechende platte 14 wird der E-Strahl in einer positiven Richtung auswandern, wie in der Strahldarstellung GR gezeigt. Die getrennten Strahlen treten dann durch die zweite Kompensationsplatte 26, welche in dieser Richtung jeden Strahl in Uhrzeigerrichtung um 450 drehen wird. Diese Stellungen sind in der Strahldarstellung FR aus Fig. 3 gezeigt. Der erste Durchgang durch den Faraday-Rotator 18 dreht als nächstes jeden Strahl um 22,5º in Gegenuhrzeigerrichtung so, daß der O-Strahl nun bei -22,5º und der E-Strahl bei 67,5º ist. Die Strahlen werden dann durch die reflektierende Einrichtung 20 in den Faraday-Rotator 18 refokussiert und reflektiert. Wie in der Strahldarstellung DR aus Fig. 3 gezeigt, verursacht die Reflexionseinrichtung 20 den Austausch der physikalischen Orte (während die gleichen Polarisationszustände beibehalten werden), wenn diese in den Faraday-Rotator 18 wieder eintreten. Der Faraday-Rotator 18 wird sowohl den O- als auch den E-Strahl um zusätzliche 22,5º in Gegenuhrzeigerrichtung drehen. Somit wird beim Austreten aus dem Faraday-Rotator 18 der O-Strahl bei 180º sein und der E-Strahl bei 90º sein, wie in der Strahldarstellung CR aus Fig. gezeigt. Die Strahlen treten dann durch eine erste Kompensationsplatte 16. Wie vorstehend beschrieben kann die Kompensationsplatte 16 so ausgerichtet sein, daß die Strahlen bei 0 und 90º unbeeinflußt durchtreten. Die Strahldarstellung BR zeigt diese Position beider Strahlen, wenn diese aus der ersten Platte 16 austreten.
Beim Vergleich der Strahldarstellungen GR und CR aus Fig. 3 wird klar, daß die Funktion des Faraday-Rotators 18 in diesem Falle die Drehung der Strahlen in ihre ursprünglichen Polarisationszustände zurück bewirkt. Daher wird der E-Strahl wiederum einen räumlichen Versatz erleiden, wenn dieser durch die doppelbrechende Platte 14 tritt. Beim Voranschreiten in dieser Richtung wird der E-Strahl in negativer Richtung auswandern, wie im Strahldiagramm AR aus Fig. 3 gezeigt. Der Versatz des E-Strahls führt zur weiteren Trennung der Signalbestandteile, so daß keines in die Faser 12 eintreten wird, wodurch die an die Faser 12 gekoppelten Einrichtungen von sich entlang der Faser 28 ausbreitenden Rückreflexionen befreit werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann die Reflexionseinrichtung des erfindungsgemäßen Isolators mit oder ohne Linse ausgebildet sein. Der Unterschied des Ablaufs bei diesen beiden Anordnungen kann durch Vergleich der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Reflexionseinrichtungen erkannt werden. Fig. 4 zeigt die Funktion der Reflexionseinrichtung 20 aus Fig. 1. In diesem falle besteht die Reflexionseinrichtung 20 aus einer Linse 22 und einem Spiegel 24. Wie in Fig. 4 dargestellt, ist die Anordnung entlang der Ebene des Spiegels 24 so "entfaltet", daß die rechte Seite der Figur den virtuellen Raum darstellt. Die Linse 22v, die in Fig. 4 als Phantom dargestellt ist, ist so das virtuelle Bild der Linse 22. Das Fokussystem der Reflexionseinrichtung 20 ist sowohl telezentrisch (so daß der Ausgangsstrahl koaxial zum Kernbereich der Ausgangsfaser 28 ist) und hat ebenfalls eine Einheitsvergrößerung (so daß eine korrekte Anpassung der Modengröße zwischen dem Strahl und der Faser 28 existiert). Diese beiden Kriterien werden dadurch erfüllt, daß der Spiegel 24 im Fokus der Linse 22 angeordnet ist. Die korrekte Fokussierung aus der Eingangsfaser 12 zur Ausgangsfaser 28 wird durch Auswahl der Krümmung des Spiegels, so daß dieser so eng wie möglich an die berechnete Krümmung des sich ausbreitenden Strahls angepaßt ist, wenn dieser durch den Isolator 10 tritt, erreicht.
Eine beispielhafte linsenfreie Reflexionseinrichtung ist in Fig. 5 dargestellt. Wiederum wird diese Anordnung entlang der Ebene des Spiegels 14 so "entfaltet", daß die rechte Seite der Figur virtuellen Raum darstellt. Wie gezeigt wird ohne eine fokussierende Linse ein Winkelversatz γ zwischen der Achse der Faser 28 und dem Ausgangsstrahl erzeugt (wobei der Winkel γ in Fig. 5 der Klarheit wegen übertrieben dargestellt ist). Um merkliche Einkoppelungsverluste zu vermeiden, sollte der Winkelversatz klein gehalten werden, in der Größenordnung von ungefähr einem Grad. Um diesen geringen Versatz zu erzeugen, sollte der Spiegel 24 relativ weit von den fasern 12, 28 entfernt angeordnet sein, wodurch die gesamte Größe des Isolators 10 zunimmt. Im Hinblick auf die Kompaktheit wird die Fokussierungsanordnung aus Fig. 4 als bevorzugte Alternative betrachtet.
Fig. 6 zeigt einen beispielhaft gepackt dargestellten Isolator 30, der gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist. Fasern 12 und 28 werden innerhalb einer Faserpreßklemme 32 so gehalten, daß die abgestreiften Enden der Fasern 12, 28 durch den hohlen Körper der Preßklemme 32 treten und innerhalb eine Kapillarrohrs 34 gehalten sind. Der Abstand zwischen den Fasern, so wurde herausgefunden, beeinflußt die Einkoppelungsverluste am Eingang der Faser 28. Für Monomodefasern wird eine Beabstandung von ungefähr 375 um zwischen den Fasern eine akzeptable Größe des Verlustes bereitstellen.
Der in Fig. 6 dargestellte gepackte Isolator 30 umfaßt eine optische Unterbaugruppe 36, die eine Anzahl der benötigten optischen Komponenten in einem einzelnen Gehäuse enthält. Im speziellen umfaßt die Unterbaugruppe 36 eine doppelbrechende Platte 38, wobei die Platte 38 aus einem geeigneten doppelbrechenden Material ausgebildet sein kann. Kalzit- und Rutilkristalle sind zwei derart gut bekannte doppelbrechende Materialien, die beim Aufbau optischer Isolatoren oft verwendet werden. Jeder stellt einen Versatzwinkel zwischen den O- und E-Strahlen von ungefähr 5,7º bereit, wenn dieser mit der optischen Achse unter 45 zur Kristalloberfläche geschnitten ist. Somit erfordert ein Strahlversatz von 20 um (größer als zwei Faserkerndurchmesser - ausreichend zur Bereitstellung von Isolation in der Rückwärtsrichtung) lediglich eine Plattendicke T von 200 um. Ein Isolator der vorliegenden Erfindung, der mit einer doppelbrechenden Platte von ungefähr 450 um Dicke ausgebildet ist, so wurde herausgefunden, stellt eine Isolation von mehr als -40dB zur Verfügung.
Nachfolgend wird zur Beschreibung der Unterbaugruppe 36 zurückgekehrt; ein Paar aus einer ersten und einer zweiten Kompensationsplatte 40, 42 ist an der doppelbrechenden Platte 38 in der in Fig. 6 dargestellten Weise befestigt (geklebt). Für die korrekte Funktion des Isolators ist es kritisch, daß das Paar orthogonaler Strahlen durch die getrennten Kompensationsplatten in der Vorwärts- und der Rückwärtsstrecke laufen. Daher darf der Strahl nach dem Austreten der doppelbrechenden Platte 38 nicht zu divergent werden, bevor dieser in die erste Kompensationsplatte 40 eintritt. Dies kann erreicht werden durch Anordnen der optischen Unterbaugruppe 36 in relativ enger Nähe zur Faserpreßklemme 34.
Die optische Unterbaugruppe 36 umfaßt ferner die optische Komponente 44 eines Faraday-Rotators 46, die an den Kompensationsplatten 40, 42 befestigt ist. Der magnetische Abschnitt des Faraday-Rotators 46 ist wie in Fig. 6 dargestellt angeordnet. Die Komponente 44 des Faraday- Rotators 46 kann einen Ytrium-Eisengranat-(Y&sub3;Fe&sub5;O&sub1;&sub2;,YIG-)Kristall umfassen, von welchem auf dem Fachgebiet bekannt ist, daß er einen großen Faraday- Effekt aufweist und besonders nützlich ist, da dieser im Wellenlängenbereich von 1,1 bis 6 um bei Raumtemperatur transparent ist. Ein YIG-Kristall 44 erfordert ein magnetisches Feld von wenigstens 180º Gauss, um die Sättigung der Faraday-Drehung sicherzustellen. Ein Samarium- Kobalt-(SmCo-)Magnet 48 (mit einer Energiedichte von 2,2x10&sup7;G-Oe), so wurde herausgefunden, stellt ein adäquates Feld für die YIG-Sättigung zur Verfügung. Wie in Fig. 6 dargestellt, ist der Magnet 48 die optische Unterbaugruppe 36 umgebend angeordnet. Alternativ kann ein Wismuthsubstituierter dicker Granatfilm als Faraday-Rotator-Material verwendet werden. Ein Wismuth-substituierter Film kann in manchen Fällen bevorzugt werden, da eine geringere Dicke den gleichen Grad an Drehung erreichen kann. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 6 zu sehen ist, wird die optische Unterbaugruppe 36 durch Anbringen einer Linse 50 an die optische Komponente 44 des Faraday-Rotators 46 vervollständigt. Um die Packungsgröße zu minimieren, wird eine kleine Linse 50β mit einer kurzen Fokuslänge bevorzugt. Beispielsweise kann eine Linse mit sich änderndem Brechungsindex verwendet werden.
Bei Zusammenbau kann die doppelbrechende Platte 38, die gepaarten Kompensationsplatten 40, 42, das Faraday-Material 44 und die Linse 50 mechanisch ausgerichtet und miteinander verklebt werden. Beide Flächen des Materials 44 und der doppelbrechenden Platte 38 sind antireflexions(AR)beschichtet (für den Kleber), so wie es die Endfläche der Linse 50 (für Luft) ist. Der Magnet 48 wird in einen Magnetkörper 52 geklebt, der über die optische Unterbaugruppe 36 gepaßt ist. Ein konkaver Spiegel 54 wird durch einen dünnen Klebstoffilm an seiner flachen Seite durch einen Film aus Klebstoff in einem Spiegelhalter 56 gehalten, der in eine äußere Hülse 58 eingepaßt ist. Der Halter 56 kann dann axial (Z-Richtung) justiert werden und seitlich (X- und Y-Richtung) justiert werden, um letztliche optische Ausrichtung durchzuführen.
Fig. 7 zeigt eine grafische Darstellung, die sowohl Signalverluste (in der Übertragungsrichtung) als auch Isolation in der Rückwärtsrichtung (als Funktion der Wellenlänge> für einen beispielhaften erfindungsgemäßen optischen Isolator zeigt. In diesem speziellen Beispiel wurde eine YIG-Film mit einer 24º-Drehung bei i,54 um (20ºC) verwendet, was dazu führte, daß der Isolator eine Spitzenisolation bei 1,59 um hatte. Wie dargestellt war dieser Spitzenisolationswert ungefähr -41dB mit einer mittleren Isolation von -25dB im Wellenlängenbereich von 1450 bis 1650 nm. Der Verlust war geringer als -2dB über denselben Bereich.
Es ist festzuhalten, daß die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft sind und verschiedene Abwandlungen durch Fachleute auf dem Gebiet durchgeführt werden können. Im speziellen können viele verschiedene Fokussierungssysteme verwendet werden, solange der sich vorwärts ausbreitende Strahl in das nichtreziproke Rotationselement zurück gerichtet wird.

Claims

1. Polarisationsunabhängiger optischer Isolator (10) mit

einer doppelbrechenden Platte (14) zum Trennen eines optischen Signals, das durch diese tritt in erste und zweite Strahlen mit ersten und zweiten orthogonalen Polarisationen, wobei der Strahl der ersten Polarisation eine räumliche Versetzung in einer ersten Richtung beim Durchtreten der doppelbrechenden Platte in einer ersten Übertragungsrichtung erfährt und eine räumliche Versetzung in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung beim Durchtreten der doppelbrechenden Platte in einer zweiten, einer Isolationsrichtung erfährt,

einer nichtreziproken Dreheinrichtung (18), deren Funktion darin besteht, den ersten und zweiten Strahl um einen vorbestimmten Winkel θ in entweder der Transmissionsrichtung oder der Isolationsrichtung zu drehen,

dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator ferner umfaßt:

eine reflektierende Einrichtung (20) zum Umlenken des ersten und zweiten orthogonalen Strahls, die aus der nichtreziproken Dreheinrichtung (18) treten, zurück in die nichtreziproke Dreheinrichtung (18), wobei die Reflexion bewirkt, daß der erste und zweite Strahl ihren physikalischen Ort miteinander tauschen,

eine erste reziproke Dreheinrichtung (16), die zwischen der doppelbrechenden Platte (14) und der nichtreziproken Dreheinrichtung (18) so angeordnet ist, daß sie den ersten und zweiten orthogonalen Strahl, die aus der doppelbrechenden Platte (14) austreten, in der Ausbreitungsrichtung schneidet und die aus der nichtreziproken Dreheinrichtung (18) austretenden Strahlen in der Isolationsrichtung schneidet, wobei die erste reziproke Dreheinrichtung (16) so funktioniert, daß die Strahlen in der Transmissionsrichtung um einen vorbestimmten Winkel α gedreht werden und in der Isolationsrichtung gedreht um -α gedreht werden und

einer zweiten reziproken Dreheinrichtung (26), die zwischen der doppelbrechenden Platte (14) und der nichtreziproken Dreheinrichtung (18) so angeordnet ist, daß sie die aus der nichtreziproken Dreheinrichtung (18) in der Transmissionsrichtung austretenden Strahlen schneidet und die aus der doppelbrechenden Platte (14) in Isolationsrichtung austretenden Strahlen schneidet, wobei die zweite reziproke Dreheinrichtung (26) so funktioniert, daß die Strahlen um einen vorbestimmten Winkel β in der Transmissionsrichtung und um -β in der Isolationsrichtung gedreht werden, wobei die Summe α+2θ+β in der Transmissionsrichtung ungefähr gleich 90º ist, so daß der erste und der zweite Strahl den Poliarisationszustand miteinander beim Durchtreten des Isolators (10) in der Transmissionsrichtung tauschen, und wobei in der Isolationsrichtung die Summe 2θ-α-β ungefähr 0º gleicht, so daß der erste und der zweite Strahl den Polarisationszustand beim Durchtreten des Isolators (10) in Isolationsrichtung beibehalten.

2. Polarisationsunabhängiger optischer Isolator (10) nach Anspruch 1, in welchem die nichtreziproke Dreheinrichtung (18) einen Faraday-Rotator umfaßt.

3. Polarisationsunabhängiger optischer Isolator (10) nach Anspruch 2, in welchem der Faraday-Rotator einen Ytrium-Eisen-Granatfilm und einen diesen Film umgebenden Samarium-Kobalt-Magneten umfaßt.

4. Polarisationsunabhängiger optischer Isolator (10) nach Anspruch 2, in welchem der Faraday-Rotator einen Wismuth-substituierten Granatfilm und einen diesen Film umgebenden Samarium-Kobalt-Magneten umfaßt.

5. Polarisationsunabhängiger optischer Isolator (10) nach Anspruch 2, in welchem der Faraday-Rotator so funktioniert, daß jeder Strahl um einen vorbestimmten Winkel 9 von ungefähr 22,5º gedreht wird.

6. Polarisationsunabhängiger optischer Isolator (10) nach Anspruch 1, in welchem die erste und zweite reziproke Dreheinrichtung (16; 20) eine erste und eine zweite Kompensationsplatte umfaßt, wobei die optische Achse der ersten Kompensationsplatte unter einem Winkel von ungefähr 22,5º in Bezug auf die zweite Kompensationsplatte ausgerichtet ist.

7. Polarisationsunabhängiger optischer Isolator (10) nach Anspruch 6, in welcher die erste und die zweite Kompensationsplatte λ/2-Quarzplatten sind.

8. Polarisationsunabhängiger optischer Isolator (10) nach Anspruch 1, in welchem die reflektierende Einrichtung (20) einen konkaven Spiegel (24) umfaßt, um im wesentlichen eine Anpassung an die Krümmung eines durch den ersten und den zweiten orthogonalen Strahl ausgebildeten expandierenden Strahls zu erreichen.

9. Polarisationsunabhängiger optischer Isolator (10) nach Anspruch 8, in welchem die reflektierende Einrichtung (20) ferner eine Fokuslinse (22) umfaßt, die zwischen der nichtreziproken Dreheinrichtung (18) und dem konkaven Spiegel (24) angeordnet ist, wobei der konkave Spiegel (24) im Fokus der Linse (22) positioniert ist.

10. Polarisationsunabhängiger optischer Isolator (10) nach Anspruch 9, in welchem die Linse (22) eine Linse mit sich änderndem Brechungsindex umfaßt.