DE69714889T2

DE69714889T2 - Optische polarisationsunabhängige nichtreziproke Anordnung

Info

Publication number: DE69714889T2
Application number: DE69714889T
Authority: DE
Inventors: Yujiro Katoh; Haruki Kozawaguchi; Toshihiro Shintaku; Naoto Sugimoto; Yoshiaki Tachikawa
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2017-03-01
Also published as: US5905823A; EP0793130B1; DE69714889D1; EP0793130A1

Description

Die folgende Erfindung betrifft eine optisch-nichtreziproke Schaltung (wie z. B. einen optischen Isolator oder einen optischen Zirkulator), der verwendet wird bei der optischen Kommunikation, optischen Messung etc. und ist anwendbar auf eine polarisationsunabhängige, optisch-nichtreziproke Schaltung.
JP-08-050261 beschreibt eine optisch-nichtreziproke Schaltung zum aufspalten/Kombinieren von Lichtstrahlen, die umfasst:
einen ersten optischen Pfad und einen zweiten optischen Pfad, durch welche erste und zweite abgespaltene Lichtstrahlen sich ausbreiten; eine erste Polarisations-Rotationsschaltung, vorgesehen an dem ersten optischen Pfad, einen ersten nicht- reziproken Rotator einschließend mit einem Faraday- Rotationswinkel θf1 und einem ersten reziproken Rotator, ausgebildet durch eine Halbwellenplatte mit einem langsamen Achsenwinkel θs1 in Bezug auf eine x-Achse in x-y- Koordinaten, eingerichtet innerhalb einer Ebene rechtwinklig zu einer Ausbreitungsichtung des Lichts, die vorgesehen ist relativ zum ersten abgespaltenen Licht; und eine zweite, an dem zweiten optischen Pfad vorgesehene Polarisations- Rotationsschaltung, einen zweiten reziproken Rotator einschließend, der ausgebildet ist durch eine Halbwellenplatte mit einem Langsamachsenwinkel θs2 in Bezug auf die x-Achse und einen zweiten nicht-reziproken Rotator mit einem Faraday-Rotationswinkel θf2, der bereitgestellt ist in Bezug auf das zweite Abspaltlicht;
wobei θf1, θf2, θs1 und θs2 erfüllen:
θs1, -θs2 = ±π/4 und
θf1, +θf2 = ±π/2 + 2nπ,
wobei n eine ganze Zahl ist.
Es wird auch bezuggenommen auf WO-A-93 20475 und auf Applied Optics, Band 23, Nr. 11, Seiten 1886-1889 und auf Journal of Lightwave Technology, Band 12, Nr. 1, Jan. 1994, Seiten 64- 67.
Fig. 1 der beiliegenden Zeichnungen zeigt ein Beispiel einer konventionellen polarisationsunabhängigen, optisch- nichtreziproken Schaltung in Form eines optischen Zirkulators, der Polarisationsstrahlaufspalter 1 und 2 umfasst, Faraday-Rotatoren 3 und 4 wie die aus YIG (vom englischsprachigen Ausdruck "Yttrium Iron Garnet" bzw. "Yttrium-Eisen-Granat") hergestellten, Magnete 5 und 6 zum jeweiligen Anwenden von Magnetfeldern auf die Faraday- Rotatoren 3 und 4, Halbwellenplatten 7 und 8 und Totalreflektionsspiegel 9 und 10.
Durch Koppeln der Faraday-Rotatoren 3 und 4 zum Rotieren der Polarisation um 45 Grad und der Halbwellenplatten 7 und 8 zum Kompensieren der Polarisationen um 45 Grad hat diese Schaltung der Fig. 1 einen Aufbau, in dem die Polarisation eines sich in rechter Richtung in der Zeichenebene ausbreitenden Lichts rotiert werden wird um 0 Grad während die Polarisation von einem sich in linker Richtung einer Zeichenebene ausbreitenden Lichts um 90 Grad rotiert werden wird.
Ein von einem Port-1 kommendes. Licht wird aufgespaltet von dem Polarisationsstrahlauf Spalter und eine s- Polarisationskomponente bzw. senkrechte Polarisationskomponente wird aufwärts reflektiert während eine p-Polarisationskomponente bzw. Horizontalpolarisationskomponente abwärts übertragen wird. Dann verlaufen die aufgespaltenen Strahlen jeweils durch die Spiegel 9 und 10, die Faraday-Rotatoren 3 und 4 und die Halbwellenplatten 7 und 8. Hier bleibt der Polarisationszustand durchgehend unverändert, weil es ein Licht ist, das sich in rechter Richtung ausbreitet. Dann werden die aufgespalteten Strahlen kombiniert von dem Polarisationsstrahlaufspalter 2 und ausgegeben aus einem Port-2.
Andererseits wird ein von dem Port-2 eintretendes Licht polarisiert und aufgespaltet durch den Polarisationsstrahlaufspalter 2 und die aufgespalteten Strahlen verlaufen jeweils durch die Halbwellenplatten 7 und 8 und die Faraday-Rotatoren 3 und 4. Hier wird der Polarisationszustand verändert durch Umsetzen der s- Polarisation in die p-Polarisation und der p-Polarisation in die s-Polarisation, weil es sich um ein Licht handelt, das sich in linker Richtung ausbreitet. Dann werden die aufgespalteten Strahlen kombiniert durch den Polarisationsstrahlaufspalter 1 und ausgegeben von einem Port-3. Auf diese Weise kehrt das von dem Port-2 kommende Licht nicht zurück zu dem Port-1, so dass diese Schaltung der Fig. 1 als ein optischer Zirkulator funktioniert.
Jedoch ist es in dieser konventionellen optisch nicht-reziproken Schaltung der Fig. 1 erforderlich, die Polarisationsstrahlaufspalter zu verwende, die sehr teuer sind und es ist auch erforderlich, die optische Achse und den Polarisationswinkel mit hoher Präzision einzustellen, so dass diese konventionelle optisch-reziproke Schaltung der Fig. 1 einhergeht mit einer geringen Zuverlässigkeit und sehr hohen Kosten. Zusätzlich ist diese konventionelle optisch- nichtreziproke. Schaltung der Fig. 1 nicht geeignet für eine integrierte Implementation, weil die Polarisationsstrahlaufspalter nicht geeignet sind für eine integrierte Implementation.
Fig. 2 zeigt ein anderes Beispiel einer konventionellen polarisationsunabhängigen, optisch-nichtreziproken Schaltung in Form eines optischen Isolators, der optische Fasern 11 und 12 umfasst, eine Linse 13, doppelbrechende Kristalle 14 und 15, ein magneto-optisches Material 16 und einen Kompensator 17.
Wie in einem Teil (b) der Fig. 2 gezeigt ist, wird ein von der optischen Faser 11 kommendes Licht aufgespaltet in einen Normalstrahl und eine Abnormalstrahl durch den doppelbrechenden Kristall 14. Dann wird die Polarisation jedes Strahls rotiert um π/2, wenn jeder Strahl durch das magneto-optische Material 16 verläuft und den Kompensator 17. Diese Strahlen werden wieder kombiniert durch den doppelbrechenden Kristall 15 und gekoppelt in der optischen Faser 12. Auch wird, wie in einem Teil (c) der Fig. 2 gezeigt, ein von der optischen Faser 12 kommendes Licht, d. h. ein rückwärtsausbreitendes Licht, aufgespaltet in den Normalstrahl und den Abnormalstrahl durch den doppelbrechenden Kristall 15 und diese Strahlen verlaufen durch den Kompensator 17 und das magneto-optische Material 16, aber die Polarisationsrichtung wird in diesem Fall nicht geändert, so dass diese Strahlen weiter aufgespaltet werden durch den doppelbrechenden Kristall 14 und nicht gekoppelt in die optische Faser 11.
In dieser konventionellen optisch nichtreziproken Schaltung der Fig. 2 wird der polarisationsunabhängige optisch Isolator realisiert, aber es ist erforderlich, die doppelbrechenden Kristalle zu verwenden, die sehr teuer sind, so dass diese konventionelle optisch-nichtreziproke Schaltung der Fig. 2 mit sehr hohen Kosten einhergeht.
Diesbezüglich gibt es einen Vorschlag eines optischen Zirkulators, der keine Polarisationsstrahlaufspalter benötigt, wie in der japanischen Patentanmeldung Nr. 6-184359 (1994) offenbart, aber dieser optische Zirkulator hat einen Aufbau, in dem Winkel reziproker Rotatoren und nichtreziproker Rotatoren beschränkt sind auf spezifische Werte, so dass es keinen Freiheitsgrad bezüglich seines Aufbaus gibt. Insbesondere sind in diesem optischen Zirkulator die Faraday-Rotationswinkel θf1 und θf zweier nichtreziproker Rotatoren beschränkt auf θf1 = θf2 = π/4, während der langsame Achsenwinkel in bezug auf die X-Achse θs1 = θs2 der Halbwellenplatte begrenzt sind auf θs1 = 3π/8 und θs2 = 5π/8.
Außerdem verwendet dieser optische Zirkulator Richtkoppler, aber die Richtkoppler haben im allgemeinen eine Polarisationsabhängigkeit, so dass die polarisationsabhängige Dämpfung (PDL vom englischsprachigen Ausdruck polarization dependent loss) nicht eliminiert werden kann in diesem optischen Zirkulator, in dem Polarisation sich nicht in sowohl dem TE als auch dem TM Modus ändert.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine polarisationsunabhängige, optisch-nichtreziproke Schaltung bereitzustellen, die nicht die Verwendung teurer Polarisationsstrahlauf Spalter benötigt, so dass sie nicht teuer ist und geeignet für eine integrierte Implementierung.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine polarisationsunabhängige, optisch-nichtreziproke Schaltung bereitzustellen, die nicht die Verwendung teuerer doppelbrechender Kristalle, optischer Abzweigschaltungen und eine Phasenabstimmung benötigt, so dass sie nicht teuer ist.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine polarisationsunabhängige, optisch-nichtreziproke Schaltung bereitzustellen, die nicht die Verwendung von Polarisationsstrahlaufspaltern erfordert und die in der Lage ist, einen großen Freiheitsgrad in ihrem Aufbau bereitzustellen und im Eliminieren der polarisationsabhängigen Dämpfung bedingt durch die Abzweigschaltungen wie zum Beispiel Richtkoppler.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine optisch-nichtreziproke Schaltung gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
Entsprechend einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine optisch-nichtreziproke Schaltung gemäß Anspruch 10 vorgesehen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung erkennbar, betrachtet in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen zeigt:
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Beispiels einer konventionellen optisch-nichtreziproken
Schaltung in Form eines optischen Zirkulators;
Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm eines anderen Beispiels einer konventionellen optisch- nichtreziproken Schaltung in Form eines optischen Isolators;
Fig. 3 ein Blockdiagramm der ersten. Grundkonfiguration einer optisch-nichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4A bis 4D Diagramme zum Erläutern des Betriebsprinzip der optisch-nichtreziproken Schaltung der Fig. 3;
Fig. 5 ein Blockdiagramm der zweiten Grundkonfiguration einer optisch-nichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ein Blockdiagramm der ersten Ausführungsform einer optisch-nichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ein Blockdiagramm der zweiten Ausführungsform einer optisch-nichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ein Blockdiagramm der dritten Ausführungsform einer optisch-nichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 ein Blockdiagramm der vierten Ausführungsform einer optisch-nichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 ein Blockdiagramm der fünften Ausführungsform einer optisch-nichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 ein Blockdiagramm der sechsten Ausführungsform einer optisch-nichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 ein Blockdiagramm einer siebten Ausführungsform einer für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen, optisch-nichtreziproken Schaltung;
Fig. 13 ein Blockdiagramm einer achten Ausführungsform einer für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen, optisch-nichtreziproken Schaltung;
Fig. 14 ein Blockdiagramm einer neunten Ausführungsform einer für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen, optisch-nichtreziproken Schaltung;
Fig. 15 ein Blockdiagramm einer zehnten Ausführungsform einer für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen, optisch-nichtreziproken Schaltung;
Fig. 16A Diagramme zum Erläutern des Betriebsprinzip der und 16B optisch-nichtreziproke Schaltung der Fig. 15;
Fig. 17 ein Blockdiagramm einer elften Ausführungsform einer für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen, optisch-nichtreziproken Schaltung;
Fig. 18 ein Blockdiagramm einer zwölften Ausführungsform einer für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen, optisch-nichtreziproken Schaltung;
Fig. 19 ein Blockdiagramm einer dreizehnten Ausführungsform einer für das Verständnis, der vorliegenden Erfindung nützlichen, optisch-nichtreziproken Schaltung;
Fig. 20 ein Blockdiagramm einer vierzehnten Ausführungsform einer für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen, optisch-nichtreziproken Schaltung;
Nun werden unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 die Grundprinzipien der optisch-nichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
Fig. 3 zeigt die erste Grundkonfiguration der optischnichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die optische Pfade 111 und 112 umfasst, Faraday-Rotatoren (FR1, FR2) 113 und 114, die jeweils als nichtreziproke Rotatoren in den optischen Pfaden 111 bzw. 112 funktionieren, Halbwellenplatten (HW1, HW2) 115 und 116, die jeweils als reziproke Rotatoren in den optischen Pfaden 111 bzw. 112 dienen, und Abzweigschaltungen (BR) 117 und 118 zum Aufspalten oder Kombinieren von optischen Strahlen, die sich ausbreiten durch die optischen Pfade 111 bzw. 112.
Hier wird eine Richtung einer Lichtausbreitung zur rechten Richtung angesehen als eine z-Achse, eine Achse senkrecht zu einer Ebene der optischen Pfade 111 und 112, die senkrecht zu der z-Achse verläuft, wird als eine x-Achse angenommen und eine Achse horizontal zu einer Ebene der optischen Pfade 111 und 112, die senkrecht verläuft zur z-Achse wird als y-Achse angenommen und eine Drehung im Uhrzeigersinn wird als eine positive Drehung angesehen. In bezug auf diese Koordinatenfestlegungen werden die Faraday-Rotationswinkel der Faraday-Rotatoren 113 und 114 bezeichnet als θf1 bzw. θf2, während die langsamen Achsenwinkel in bezug auf die x- Achse der Halbwellenplatten 115 und 116 bezeichnet werden mit θs1 bzw. θs2.
Es sei beispielsweise angenommen, dass die Faraday- Rotationswinkel der Faraday-Rotatoren 113 und 114 eingestellt sind auf θf1 = θf2 = π/4 und die langsamen Achsenwinkel in bezug auf die x-Achse der Halbwellenplatten 115 und 116 eingestellt sind auf θs1 = π/8 und θs2 = -π/8.
Nun werden die Arbeitsprinzipien der optisch-nichtreziproken Schaltung der Fig. 3 in diesem Beispielfall beschrieben werden unter. Bezugnahme auf die, Änderung des Polarisationszustandes, wie in den Fig. 4A bis 4D dargestellt.
(a) Vorwärtslicht entlang der x-Achse polarisiert (Fig. 4a): ein entlang der x-Achse polarisiertes Licht, das von links kommt, wird aufgespaltet in zwei Strahlen. Ein sich aufwärts ausbreitender Strahl wird rotiert um π/4 bei FR1 und um -π/4 bei HW1, so dass er zurückgeführt wird in seinen Ursprungszustand. Andererseits wird ein sich abwärts ausbreitender Strahl rotiert um -π/4 bei HW2 und um π/4 bei FR2, so dass er zurückgeführt wird in seinen Ursprungszustand. Zwei Strahlen mit identischer Phase werden dann kombiniert, um einen Gleichmodus (geleiteten Modus)zu bilden und ausgegeben zu werden von der ausgangsseitigen Abzweigschaltung.
(b) Vorwärtslicht polarisiert entlang der y-Achse (Fig. 4B): Ein entlang der y-Achse polarisiertes Licht, das von links kommt, wird aufgespalten in zwei Strahlen. Ein sich aufwärts ausbreitender Strahl wird rotiert um π/4 bei FR1 und um 3π/4 bei HW1, so dass er invers zu seinem Ursprungszustand ist. Andererseits wird ein sich abwärts ausbreitender Strahl rotiert um 3π/4 bei HW2 und um π/4 bei FR2, so dass er invers ist zu seinem Ursprungs zustand. Zwei Strahlen mit identisch invertierter Phase werden dann kombiniert zum Bilden eines Gleichmodus (geleiteter Modus) und ausgegeben an der ausgangsseitigen Abzweigschaltung.
(c) Rückwärtslicht, polarisiert entlang der x-Achse, (Fig. 4c): ein entlang der x-Achse polarisiertes Licht, das von rechts kommt, wird aufgespalten in zwei Strahlen. Ein sich aufwärts ausbreitender Strahl wird rotiert um π/4 bei HW1 und um π/4i bei FR1, so dass er um π/2 von seinem Ursprungszustand rotiert ist. Andererseits wird ein sich abwärts ausbreitender Strahl rotiert um π/4 bei FR2 und um 5π/4 bei HW2, so dass er um 3π/2 von seinem Ursprungs zustand rotiert ist Zwei Strahlen mit entgegengesetzten. Phasen werden dann kombiniert zum Bilden eines Ungleichmodus (nicht geleiteter. Modus) und an der ausgangsseitigen Abzweigschaltung abgeführt.
(d) Rückwärts licht, polarisiert entlang der y-Achse (Fig. 4D): ein entlang der Y-Achse polarisiertes Licht, das von rechts kommt, wird aufgespalten in zwei Strahlen. Ein sich aufwärts ausbreitender Strahl wird rotiert um 5π/4 bei HW1 und um π/4 bei FR1, so dass er rotiert wird um 3π/2 von seinem Ursprungszustand. Andererseits wird ein sich abwärts ausbreitender Strahl rotiert um π/4 bei FR2 und um π/4 bei HW2, so dass er um π/2 rotiert von seinem Ursprungszustand. Zwei Strahlen mit entgegengesetzten Phasen werden dann kombiniert zum Bilden eines Ungleichmodus (nicht geleiteter Modus) und werden an der ausgangsseitigen Abzweigschaltung abgeführt.
Auf diese Weise wird ein sich in rechter Richtung ausbreitendes Licht unter Beibehalten seiner ursprünglichen Leistung ausgegeben, während das sich in linker Richtung ausbreitende Licht seine Leistung abgeführt bzw. verschwendet hat, so dass der polarisationsunabhängige optische Isolator realisiert werden kann. Zusätzlich kann durch Auswählen kann θs1 = 3π/8 und θs2 = π/8 für die Halbwellenplatten 115 und 116 die Polarisation des abgehenden Lichts rotiert werden um π/2 in bezug auf das ankommende Licht, so dass es möglich ist, die Polarisationsabhängigkeit der Abzweigschaltung zu eliminieren.
Als nächstes werden die allgemeinen Bedingungen von θf1, θf2, θs1 und θs2 beschrieben unter Verwendung der Ausbreitungsmatrix. Wenn eine Amplitude eines ankommenden Lichts, das polarisiert ist entlang der x-Achse, als Ax bezeichnet wird und eine Amplitude eines entlang der y-Achse polarisierten ankommenden Lichts mit Ax, einer Amplitude eines entlang der x-Achse polarisierten abgehenden Lichts mit Bx und einer Amplitude eines entlang der y-Achse polarisierten abgehenden Lichts mit By, ist die Ausbreitungsmatrix T definiert durch die folgende Gleichung (1).
In der Konfiguration der Fig. 3 werden die Ausbreitungsmatrix TF für Vorwärts licht, das von dem Port-1 kommt und abgehendes Licht zu dem Port-2 ausgedrückt durch die folgende Gleichung (2).
Auch wird die Ausbreitungsmatrix TB für Rückwärts licht, das von dem Port-2 kommt und zum Port-1 abgeht, ausgedrückt durch die folgende Gleichung (3).
Die notwendigen Bedingungen, zum Ausgeben des Vorwärtslichtes ohne Verschwendung seiner Leistung, während die Leistung des Rückwärtslichtes gleich Null ist, sind, dass TF eine Einheitsmatrix wird und TB eine Nullmatrix. Durch Anwenden dieser Bedingungen auf, die obigen Gleichungen (2) und (3) können die allgemeinen Bedingungen für θf1, θf2, θs1 und θs2 erhalten werden als die folgenden Gleichungen (4) und (5).
θs1 - θs2 = ±π/4 (4)
θf1 + θf2 = ±π/2 + 2nπ, (5) (5)
(wobei n eine ganze Zahl ist).
Zusätzlich kann die Polarisationsabhängigkeit der Abzweigschaltung verbessert werden durch Konvertieren der Polarisation entlang der x-Achse in die Polarisation entlang der y-Achse und der Polarisation entlang der y-Achse in die Polarisation entlang der x-Achse. Die notwendige Bedingung, um dies zu erfüllen ist, dass alle diagonalen Elemente von TF Null sind. Durch Anwenden dieses Zusammenhangs auf die obige Gleichung (2) kann die zusätzliche Bedingung für θf1, θf2, θs1 und θs2 erhalten werden als die folgende Gleichung (6)
2θs1 - θf1 - 2θs2 - θf2 = π + 2 up (6)
(wobei m eine ganze Zahl ist)
Beispielsweise können, wenn θf1 = θf2 = π/4 gilt, entweder die Einstellungen der folgenden Gleichungen (7) und (8):
θs1 = 3π/8 + kπ/2 (7)
(wobei k eine ganze Zahl ist)
θs2 = π/8 + kπ/2 (8)
(wobei k eine ganze Zahl ist)
oder die Einstellungen der folgenden Gleichungen (9) und (10):
θs1 = π/8 + kπ/2 (9)
(wobei k eine ganze Zahl ist)
θs2 = 3π/8 + kπ/2 (10)
(wobei k eine ganze Zahl ist)
verwendet werden.
Fig. 5 zeigt die zweite Grundkonfiguration der optischnichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, in der die Vier-Anschlussabzweigschaltungen 119 und 120 die drei Anschlussabzweigschaltungen 117 und 118 in der Konfiguration der Fig. 3 ersetzen, um einen optischen Zirkulator zu bilden, in dem sowohl der Gleichmodus als auch der Ungleichmodus kombiniert/aufgespalten werden oder das obere Halblicht und das untere Halblicht sich gegenseitig stören.
In diesem optischen Zirkulator der Fig. 5 wird ein vom Port-1 kommendes Licht zum Port-2 ausgegeben, während ein vom Port-2 kommendes Licht zum Port-3 ausgegeben wird und ein vom Port-3 kommendes Licht zum Port-4 ausgegeben wird, während ein vom Port-4 kommendes Licht am Port-2 ausgegeben wird. Das Betriebsprinzip ist ähnlich dem oben unter Bezugnahme auf die Fig. 4A bis 4D beschriebenen.
Nun werden unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 14 einige Ausgestaltungsformen der optisch-nichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben.
Fig. 6 zeigt die erste Ausgestaltungsform der optischnichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die auf der ersten Grundkonfiguration der Fig. 3 beruht.
Diese optisch-nichtreziproke Schaltung der Fig. 6 umfasst einen magnetooptischen Wellenleiter 121 mit zwei Wellenleiterpfaden, y-Abzweigwellenleiter 122 und 123, die an beiden Seiten des magnetooptischen Wellenleiters 121 vorgesehen sind und Halbwellenplatten 124 und 125, die zwischen dem magnetooptischen Wellenleiter 121 und den y- Abzweigwellenleitern 122 und 123 jeweils angeordnet sind an jeweiligen Wellenleiterpfaden des magnetooptischen Wellenleiters 121, wobei ein Magnetfeld 126 angewendet wird auf den magnetooptischen Wellenleiter 121.
Der magnetooptische Wellenleiter 121 ist aus magnetooptischem Material YIG (vom englischsprachigen Ausdruck Yttrium Iron Garnet bzw. Yttrium-Eisengranat) hergestellt, das hergestellt ist zum Bilden zweier Wellenleiterpfade. Durch Anwenden des Magnetfeldes 126 zeigt dieser magnetooptische Wellenleiter 121 den nichtreziproken Faraday-Effekt. Das Material des magnetooptischen Wellenleiters 121 kann Ersatz-YIG sein. Als Material der Y-Abzweigwellenleiter 122 und 123 kann Granat, Quarz, Glas usw. verwendet werden.
Fig. 7 zeigt die zweite Ausführungsform der optischnichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die auf der ersten Grundkonfiguration der Fig. 3 beruht.
Diese nichtreziproke Schaltung der Fig. 7 umfasst einen magnetooptischen Wellenleiter 131 vom Interferometertyp, in dem zwei Wellenleiterpfade als nicht reziproke Rotatoren wirken und Y-Abzweigwellenleiter integral ausgebildet sind durch die magnetooptischen Wellenleiter und druckanwendende Schichten 132 und 133, die in dem magnetooptischen Wellenleiter 131 vom Interferometertyp vorgesehen sind in der Nähe der jeweiligen Wellenleitpfade, wo ein magnetisches Feld 134 angewendet wird auf den magnetooptischen Wellenleiter 131 vom Interferometertyp.
Die aus a-Si hergestellten druckanwendenden Schichten 132 und 133 bewirken: eine Dehnung an den jeweiligen Wellenleiterpfaden, um Funktionen der Halbwellenplatten zu realisieren.
In dieser zweiten Ausführungsform kann der druckanwendende Schichten 132 und 133 enthaltende magnetooptische Wellenleiter. 131 vom Interferometertyp integral hergestellt werden, so dass er geeignet ist, für optisch integrierte Implementation.
Fig. 8 zeigt die dritte Ausführungsform der optischnichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die auf der zweiten Grundkonfiguration nach Fig. 5 beruht.
Diese optisch-nichtreziproke Schaltung nach Fig. 8 umfasst einen magnetooptischen Wellenleiter 181 mit zwei Wellenleitpfaden, X-Abzweigwellenleiter 182 und 183, die an beiden Seiten des magnetooptischen Wellenleiters 181 vorgesehen sind, und jeweils eine Halbwellenplatte 184 und 185, die zwischen dem magnetooptischen Wellenleiter 181 und den X-Abzweigwellenleitern 182 und 183 an jeweiligen Wellenleitpfaden des magnetooptischen Wellenleiters 181 eingefügt sind, wo ein Magnetfeld 186 auf den magnetooptischen Wellenleiter 181 einwirkt.
Der magnetooptische Wellenleiter 181 ist ähnlich dem magnetooptischen Wellenleiter 121 der oben beschriebenen ersten Ausführungsform. Die X-Abzweigwellenleiter 182 und 183 kombinieren bzw. spalten den Gleichmodus und den Ungleichmodus ab.
Fig. 9 zeigt die vierte Ausführungsform der optischnichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die auf der zweiten Grundkonfiguration nach Fig. 5 beruht.
Diese optisch-nichtreziproke Schaltung nach Fig. 9 umfasst einen magnetooptischen Wellenleiter 191 vom Interferometertyp, in dem zwei Wellenleiterpfade als nichtreziproke Rotatoren funktionieren und X- Abzweigwellenleiter werden integral gebildet von dem magnetooptischen Wellenleiter und druckanwendende Schichten 192 und 193, die in dem magnetooptischen Wellenleiter 191 vom Interferometertyp in der Nähe der jeweiligen Wellenleitpfade vorgesehen sind, wo ein. Magnetfeld 194 angewendet wird auf den magnetooptischen Wellenleiter 191 vom Interferometertyp.
Die druckanwendenden Schichten 192 und 193 sind ähnlich den druckanwendenden Schichten 132 und 133 der zweiten oben beschriebenen Ausführungsform.
In dieser vierten Ausführungsform kann der die druckanwendenden Schichten 192 und 193 enthaltene magnetooptische Wellenleiter 191 vom Interferometertyp integral hergestellt werden, so dass er geeignet ist für die optische integrierte Implementation.
Fig. 10 zeigt die fünfte Ausführungsform der optischnichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die auf der zweiten Grundkonfiguration nach Fig. 5 beruht.
Diese optisch-nichtreziproke Schaltung nach Fig. 10 umfasst einen magnetooptischen Wellenleiter 141 mit zwei Wellenleitpfaden, Vier-Anschlussabzweigwellenleiter 142 und 143, die an beiden Seiten des magnetooptischen Wellenleiters 141 vorgesehen sind und Halbwellenplatten 144 und 145, die zwischen dem magnetooptischen Wellenleiter 141 und den Vier- Anschlussabzweigwellenleitern 142 und 143 jeweils eingefügt sind an jeweiligen Wellenleitpfaden des magnetooptischen Wellenleiters 141, wo ein Magnetfeld 146 angewendet wird auf den magnetooptischen Wellenleiter 121.
Der magnetooptische Wellenleiter 141 ist ähnlich dem magnetooptischen Wellenleiter 121 der ersten, oben beschriebenen Ausführungsform. Die Vier- Anschlussabzweigwellenleiter 142 und 143 sind durch Richtkopplerwellenleiter gebildet, die das obere Halblicht und das untere Halblicht veranlassen, sich gegenseitig zu stören.
Fig. 11 zeigt die sechste Ausführungsform der optischnichtreziproken Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die auf der zweiten Grundkonfiguration nach Fig. 5 basiert.
Die optisch-nichtreziproke Schaltung von Fig. 11 umfasst einen magnetooptischen Wellenleiter vom Interferometertyp, in dem zwei Wellenleitpfade funktionieren als nichtreziproke Rotatoren und Richtkoppler sind integral ausgebildet durch den magnetooptischen Wellenleiter und druckanwendende Schichten 152 und 153, die in dem magnetooptischen Wellenleiter 151 vom Interferometertyp vorgesehen sind in der Nähe der jeweiligen Wellenleitpfade, wo ein Magnetfeld 154 angewendet wird auf den magnetooptischen Wellenleiter 151 vom Interferometertyp.
Die druckanwendenden Schichten 152 und 153 sind ähnlich den druckanwendenden Schichten 132 und 133 der zweiten oben beschriebenen Ausführungsform.
In der sechsten Ausführungsform kann der druckanwendende Schichten 152 und 153 enthaltende magnetooptische Wellenleiter 151 vom Interferometertyp integral hergestellt werden, so dass er geeignet ist für die optisch integrierte Implementation.
Fig. 12 zeigt die siebte Ausführungsform, der zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen, optisch- nichtreziproken Schaltung, die auf der zweiten Grundkonfiguration nach Fig. 5 beruht.
Diese optisch-nichtreziproke Schaltung der Fig. 12 umfasst einen magnetooptischen Kristall 161, an einer unteren Hälfte der linken Seite und an einer oberen Hälfte der rechten Seite des magnetooptischen Kristalls 161 jeweils vorgesehene Halbwellenplatten 164 und 165 unmittelbar an den Halbwellenplatten 164 und 165 jeweils vorgesehenen Strahlaufspalter 162 und 163, und unmittelbar an der oberen Hälfte der linken Seite und der unteren Hälfte, der rechten Seite des magnetooptischen Kristalls 161 vorgesehene Spiegel 166 und 167, wo ein Magnetfeld 168 angewendet wird auf den magnetooptischen Kristall 161.
Diese siebte Ausführungsform hat eher einen Aufbau, in dem sich Lichtstrahlen durch den Raum ausbreiten als einen Wellenleiteraufbau der vorangegangenen Ausführungsform.
Fig. 13 zeigt die achte Ausführungsform der zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen, optisch- nichtreziproken Schaltung, die auf der zweiten Grundkonfiguration nach Fig. 5 beruht.
Diese optisch-nichtreziproke Schaltung der Fig. 13 umfasst einen magnetooptischen Kristall 171, an beiden Seiten des magnetooptischen Kristalls 171 vorgesehene optische Faserkoppler 172 und 173 und zwischen dem magnetooptischen Kristall 171 und den optischen Faserkopplern 172 und 173 jeweils vorgesehene und an einer unteren Hälfte der linken Seite und an einer oberen Hälfte der rechten Seite des magnetooptischen Kristalls 171 jeweils vorgesehene Halbwellenplatten 174 und 175, wo ein Magnetfeld 176 auf den magnetooptischen Kristall 171 angewendet wird.
In dieser achten Ausführungsform sind die Abzweigschaltungen und die optischen Pfade der Fig. 5 gebildet durch die bekannten optischen Faserkoppler 172 und 173, von denen jeder ausgebildet ist durch Schmelzverbinden zweier optischer Fasern. Spitzenkanten 172a und 173a der Optischen Fasern, die zu dem magnetooptischen Kristall 171 zeigen, haben vergrößerte Kerne, so dass die Streuung des ausgehenden Lichtstrahls unterdrückt werden kann. Wegen der Verwendung der optischen Fasern ist die optisch-nichtreziproke Schaltung der Fig. 13 leichter herzustellen. Als optische Fasern können übliche optische Fasern verwendet werden, aber es ist auch möglich, polarisationsaufrechterhaltende Fasern zu verwenden.
Fig. 14 zeigt die neunte Ausführungsform der zum, Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen, optisch- nichtreziproken Schaltung, die auf der zweiten Grundkonfiguration nach Fig. 5 beruht.
In dieser optisch-nichtreziproke Schaltung von Fig. 14 ist zusätzlich eine Phasenabstimmeinheit 177 vorgesehen in mindestens einer der die optischen Faserkoppler 172 und 173 im Aufbau der Fig. 13 bildenden optischen Fasern. Die Phasenabstimmeinheit 177 führt das Abstimmen der Phase mit Hilfe des Änderns des Brechungsindexes durch, beispielsweise durch Anwendung von ultravioletter Strahlung oder Wärme auf einen Teil der optischen Faser. Der Rest dieses Aufbaus der Fig. 14 und sein Betriebsablauf in dieser neunten Ausführungsform ist derselbe wie in der oben beschriebenen achten Ausführungsform.
Beachte, dass die Phasenabstimmeinheit dieser neunten Ausführungsform verwendet werden kann in Verbindung mit jeder der ersten bis achten oben beschriebenen Ausführungsformen.
Nun benötigt die optisch-nichtreziproke Schaltung irgendeiner der oben beschriebenen ersten bis achten Ausführungsformen die Verwendung von optischen Abzweigschaltungen und nutzt die Störung, so dass eine gewisse Phasenabstimmung in der Praxis unentbehrlich ist.
Nun werden unter Bezugnahme, auf die. Fig. 15 bis 20 weitere Ausführungsformen der optisch-nichtreziproken Schaltung, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlich sind und die gerichtet sind auf eine preiswerte optisch- nichtreziproke Schaltung, die nicht die Verwendung teurer doppelbrechender Kristalle, optischer Abzweigschaltungen und eine Phasenabstimmung, benötigt, genauer beschrieben.
Fig. 15 zeigt die zehnte Ausführungsform der zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen, optisch- nichtreziproken Schaltung, die auf der zweiten Grundkonfiguration nach Fig. 5 beruht.
Diese optisch-nichtreziproke Schaltung der Fig. 15 umfasst optische Einmodenfasern 221 und 222, Linsen 223 und 224 zwischen den optischen Einmodenfasern vorgesehen, einen an der oberen Hälfte eines Raums zwischen den Linsen 223 und 224 vorgesehenen Faraday-Rotator 225, einen an der unteren Hälfte eines Raumes zwischen den Linsen 223 und 224 vorgesehenen Faraday-Rotator 226, eine an der Seite der Linse 224 des Faraday-Rotators 225 vorgesehene Halbwellenplatte 227 und eine an der Seite der Linse 223 des Faraday-Rotators 226 vorgesehene Halbwellenplatte 228, wobei ein Magnetfeld 229 angewendet wird auf die Faraday-Rotatoren 225 und 226.
In dieser Konfiguration der Fig. 15 wird ein von der Einmodenfaser 221 kommendes Licht umgesetzt von der Linse 223 in einen Parallelstrahl 230 und eine obere Hälfte des Parallelstrahls 230 verläuft durch den Faraday-Rotator 225 und die Halbwellenplatte 227, während eine untere Hälfte des Parallelstrahls 230 durch die Halbwellenplatte 228 und den Faraday-Rotator 226 verläuft. Die untere und obere Hälfte des Parallelstrahls 230 werden dann kollimiert von der Linse 224 und in die optische Einmodenfaser 222 gekoppelt.
Andererseits wird ein von der optischen Einmodenfaser 222 kommendes Licht von der Linse 224 umgesetzt in einen Parallelstrahl 230 und eine obere Hälfte des Parallelstrahls 230 verläuft durch die Halbwellenplatte 227 und den Faraday- Rotator 225, während eine üntere Häfte des Parallelstrahls 230 durch den Faraday-Rotator 226 verläuft und die Halbwellenplatte 228. Die obere Hälfte und die untere Hälfte des Parallelstrahls 230 werden dann von der Linse 223 kollimiert und in die optische Einmodenfaser 221 gekoppelt.
Hier wird eine Richtung des sich in rechter Richtung ausbreitenden. Lichts als eine z-Achse genommen, x-Achse und y-Achse werden in geeigneter Weise festgelegt innerhalb einer Ebene senkrecht zu der z-Achse und eine Drehung im Uhrzeigersinn wird als positive Drehung angesehen. In bezug auf diese festgelegten Koordinaten werden die Faraday- Rotationswinkel der Faraday-Rotatoren 225 und 226 jeweils als θf1 und θf2 bezeichnet, während der Langsamachsenwinkel der Halbwellenplatten 227 und 228 in bezug auf die x-Achse jeweils bezeichnet wird als θs1 und θs2.
In dieser zehnten Ausgestaltung sind θf1, θf2, θs1 und θs2 eingestellt, um die folgenden allgemeinen Bedingungen zu erfüllen, die durch die oben beschriebenen Gleichungen (4) und (5) geliefert werden, nämlich die folgenden:
θs1 - θs2 = ±π/4 (4)
(5)
θf1 + θf2 = ±π/2 + 2nπ, (5)
(wobei n eine ganze Zahl ist)
Die Fig. 16A und 16B zeigen elektrische Feldverteilungen in A-A'-Ebene und D-D'-Ebene, angeordnet an den Spitzenkanten der optischen Einmodenfasern 221 und 222, wie in Fig. 15 dargestellt und Polarisationszustände des Parallelstrahls 230 in der B-B'-Ebene und der C-C'-Ebene, wie in Fig. 15 dargestellt für ein von der optischen Einmodenfaser 221 kommendes Licht bzw. ein von der optischen Einmodenfaser 222 kommendes Licht.
Wie in Fig. 16A gezeigt, ist die elektrische Feldverteilung eines von der, optischen Einmodenfaser 221 kommenden Lichts symmetrisch in dem Gleich bzw. geleiteten Modus in der A- A'-Ebene und nach dem Durchlaufen der lines 223 haben die obere Hälfte und die untere Hälfte des Parallelstrahls 230 dieselbe Polarisation in der B-B'-Ebene.
Dann haben, nachdem die obere Hälfte des Parallelstrahls 230 durch, den Faraday-Rotator 225 und die Halbwellenplatte 227 verlaufen ist, und die untere Hälfte des Parallelstrahls 230 durch die Halbwellenplatte 228 und den Faraday-Rotator 226 verlaufen ist, die obere Hälfte und die untere Hälfte des Parallelstrahls 230 noch dieselbe Polarisation in der C-C'- Ebene.
Folglich ist die elektrische Feldverteilung des von der Linse 226 kollimierten Lichtes ebenfalls symmetrisch im Gleich- bzw. geleiteten Modus in der D-D'-Ebene, so dass die obere Hälfte und die untere Hälfte des Lichts in die optische Einmodenfaser 222 gekoppelt werden.
Andererseits, wie in Fig. 16B gezeigt, ist die elektrische Feldverteilung eines von der optischen Einmodenfaser 222 kommenden Lichts symmetrisch im Gleich- bzw. geleiteten Modus in der D-D'-Ebene und nach Durchlaufen der Linse 224 haben die obere Hälfte und die untere Hälfte des Parallelstrahls 230 dieselbe Polarisation in der C-C'-Ebene.
Dann haben, nachdem die obere Hälfte des Parallelstrahls 230 durch die Halbwellenplatten 227 und den Faraday-Rotator 225 verlaufen ist und die untere Hälfte des Parallelstrahls 230 durch den Faraday-Rotator 226 und die Halbwellenplatte 228 verlaufen ist, die obere Hälfte und die untere Hälfte des Parallelstrahls 230 entgegengesetzte Polarisation in der B-B'-Ebene.
Folglich ist die elektrische Feldverteilung des von der Linse 223 kollimierten Lichts antisymmetrisch in dem Ungleich- bzw. nichtgeleiteten Modus in der A-A'-Ebene, so dass die obere Hälfte und die untere Hälfte des Lichts nicht in die optische Einmodenfaser 221 eingekoppelt werden sondern abgeführt werden.
Auf diese Weise ist der polarisationsunabhängige optische Isolator durch die. Konfiguration der Fig. 15 gemäß dieser zehnten Ausführungs form realisiert.
Fig. 17 zeigt die elfte Ausführungsform der für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen optischnichtreziproken Schaltung.
In dieser optisch-nichtreziproken Schaltung der Fig. 17 ersetzt ein einzelner Faraday-Rotator 231 zwei Faraday- Rotatoren 225 und 226 in der Konfiguration der Fig. 15. Der Rest dieser Konfiguration der Fig. 17 und ihr Betriebsablauf in dieser elften Ausführungsform sind dieselben wie in der oben beschriebenen zehnten Ausführungsform.
Fig. 18 zeigt die zwölfte Ausführungsform der für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen optisch- nichtreziproken Schaltung.
In dieser optisch-nichtreziproken Schaltung der Fig. 18 ersetzt eine einzelne Linse 232 die beiden Linsen 223 und 224 in der Konfiguration der Fig. 15. Der Rest dieser Konfiguration der Fig. 18 und ihr Betriebsablauf in dieser zwölften Ausführungsform sind dieselben wie in der oben beschriebenen zehnten Ausführungsform.
Fig. 19 zeigt die dreizehnte Ausführungsform der für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen optischnichtreziproken Schaltung.
In dieser optisch-nichtreziproken Schaltung* der Fig. 19 sind die Funktionen eines Paares aus einem Faraday-Rotator 225 und der Halbwellenplatte 227 und eines Paares aus dem Faraday- Rotator 226 und der Halbwellenplatte 228 in der Konfiguration der Fig. 15 in zwei Stufen bereitgestellt von einem Paar eines Faraday-Rotators 225A und einer Halbwellenplatte 227A und eines Paares eines Faraday-Rotators 226A und eine Halbwellenplatte 228A in der ersten Stufe und eines Paares eines Faraday-Rotators 225B und einer Halbwellenplatte 227B und eines Paares eines Faraday 226B und einer Halbwellenplatte 228B in der zweiten Stufe.
Hier wird eine Richtung, in der das Faraday-Rotator- Halbwellenplattenpaar in der ersten Stufe angeordnet ist, senkrecht eingerichtet zu einer Richtung, in der das Farady- Rotator-Halbwellenplattenpaar in der zweiten Stufe angeordnet ist, so dass die Faraday-Rotator-Halbwellenplattenpaare in der ersten Stufe das Licht in eine obere Hälfe und eine untere Hälfte teilen (entlang der x-Achse), während die Faraday-Rotator-Halbwellenplattenpaare in der zweiten Stufe das Licht in eine linke Hälfte und eine rechte Hälfte (entlang der y-Achse) teilen.
Mit dieser Konfiguration der Fig. 19 kann das Rückwärtslicht, das nicht vollständig in den Ungleich- bzw. nichtgeleiteten Modus umgesetzt wurde, in der ersten Stufe vollständig umgesetzt werden in den Ungleich- bzw. nichtgeleiteten geleiteten Modus in der zweiten Stufe, um die Isolation des Lichts zu verbessern. Da die erste Stufe und die zweite Stufe senkrecht zueinander angeordnet sind, wurde das Rückwärtslicht, das in der ersten Stufe in den Ungleich- bzw. nichtgeleiteten geleiteten Modus umgesetzt wurde, nicht umgesetzt in den Gleich- bzw. geleiteten Modus in der zweiten Stufe.
Der Rest dieser Konfiguration nach Fig. 19 und ihr Betrieb in dieser dreizehnten. Ausgestaltung sind dieselben wie in der oben beschriebenen zehnten Ausgestaltung.
Fig. 20 zeigt die vierzehnte Ausführungsform der für das Fig. 20 Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen optisch nichtreziproken Schaltung.
In dieser optisch-nichtreziproken Schaltung der Fig. 20 ersetzt, ein einzelner Faraday-Rotator 231A zwei Faraday- Rotatoren 225A und 226A der ersten Stufe in der Konfiguration der Fig. 15 und ein einzelner. Faraday-Rotator 231B ersetzt zwei Faraday-Rotatoren 225B und 226B der zweiten Stufe in der Konfiguration der Fig. 15. Der Rest dieser Konfiguration der Fig. 20 und ihr Betrieb in dieser vierzehnten Ausgestaltung sind identisch mit der oben beschriebenen zehnten Ausgestaltung.
Gemäß der optisch-nichtreziproken Schaltung der oben beschriebenen ersten bis neunten Ausgestaltungen werden, wie beschrieben, durch sequentielles Anwenden der nichtreziproken Rotation und der reziproken Rotation auf einen abgespalteten Teil des Lichts während des sequentiellen Anwendens der reziproken Rotation und der nichtreziproken Rotation auf einen anderen abgespalteten Teil des Lichts die abgespaltenen Teile des Lichts, die sich vorwärts ausbreiten kombiniert mit der identischen Polarisation, so dass das Licht ausgegeben wird unter Beibehaltung seiner ursprünglichen Energie, wohingegen die abgespalteten Teile des Lichts, die sich rückwärts ausbreiten, kombiniert werden mit entgegengesetzten Polarisationen, so dass das Licht nicht ausgegeben wird, da seine Energie verbraucht ist bzw. abgeführt. Folglich ist es möglich, eine preiswerte, optisch-nichtreziproke Schaltung zu realisieren, die geeignet ist für integrierte Implementationen, ohne die Verwendung von Polarisationsstrahlabspaltern erforderlich zu machen, die teuer sind und nicht geeignet für integrierte Implementationen.
Gemäß der oben beschriebenen optisch-nichtreziproken Schaltung der zehnten bis vierzehnten Ausführungsformen werden auch zu einer Zeit des Koppelns des Lichts zwischen zwei optischen Wellenleitern unter Verwendung einer Linse durch sequentielles Anwenden der nichtreziproken Rotation und der reziproken Rotation auf eine Hälfte des Lichts während dem sequentiellen Anwenden der reziproken Rotation und der nichtreziproken Rotation auf eine andere Hälfte des Lichts die Hälften des Lichts, die sich vorwärts ausbreiten kombiniert mit identischer Polarisation in den Gleich- bzw. geleiteten Modus und derart gekoppelt, dass das Licht ausgegeben wird unter Beibehaltung seiner ursprünglichen Energie, wohingegen die Hälften des sich rückwärts ausbreitenden Lichts kombiniert werden mit entgegengesetzten Polarisationen in dem Ungleich- bzw. nichtgeleiteten Modus und nicht gekoppelt werden, so dass das Licht nicht ausgegeben wird, da seine Energie verbraucht ist. Folglich ist es möglich, eine preiswerte, optisch-nichtreziproke Schaltung zu realisieren, die es nicht erfordert, teure doppelbrechende Kristalle, optische Verzweigungsschaltungen und eine Phasenabstimmung vorzusehen.
Darüber hinaus ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine polarisationsunabhängige optisch-nichtreziproke Schaltung zu realisieren, die in der Lage ist, einen großen Freiheitsgrad in ihrer Konfiguration bereitzustellen und die durch die Verzweigungsschaltungen wie Richtkoppler bedingte polarisationsabhängige Dämpfung zu eliminieren, selbst in einem Aufbau, der nicht die Verwendung eines Polarisationsstrahlaufspalters erfordert.
Es ist zu bemerken, dass es in jeder der oben beschriebenen ersten bis vierzehnten Ausgestaltungen auch möglich ist, einen Elektromagneten zum Zwecke des Anwendens des Magnetfeldes zu verwenden. In einem solchen Fall ist es, wie gemäß dem Stand der Technik wohlbekannt, möglich, die optisch-nichtreziproke Schaltungsfunktion zu realisieren als einen optischen Schalter oder einen optisch variablen Dämpfer durch Ändern einer Richtung und eines Betrags des auf den Elektromagneten angewendeten Stroms Die optisch- nichtreziproke Schaltung jeder der ersten bis vierzehnten oben beschriebenen Ausgestaltungen kann modifiziert werden um als optischer Schalter oder optisch variabler Dämpf er zu funktionieren durch Anwenden eines solchen Elektromagneten.
Es ist auch zu bemerken, dass neben diesen, bereits oben erwähnten, viele Modifikationen und Variationen der obigen Ausführungen vorgenommen werden können, ohne von den neuen und vorteilhaften Merkmalen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Entsprechend sind alle solche Modifikationen und Variationen angesehen als im Schutzbereich der beiliegenden Patentansprüche enthalten.

Claims

1. Optische nicht reziproke Schaltung zum Aufspalten /Kombinieren von Lichtstrahlen, umfassend:

einen ersten optischen Pfad (111) und einen zweiten optischen Pfad (112), durch welche erste und zweite abgespaltene Lichtstrahlen sich ausbreiten; eine erste Aufspalt/Kombinationsschaltung (117, 119, 172) vorgesehen an einer Endseite des ersten und zweiten optischen Pfades (111, 112) zum Aufspalten empfangenen Lichts in erste und zweite Aufspaltlichtstrahlen in einer ersten Richtung entlang erster und zweiter optischer Pfade (11, 112) und zum Kombinieren von Licht, das sich entlang der ersten und zweiten optischen Pfade (111, 112) ausbreitet, in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung;

eine erste Polarisations-Rotationsschaltung (113, 115), vorgesehen an dem ersten optischen Pfad (111), einen ersten nicht-reziproken Rotator (113) einschließend mit einem Faraday-Rotationswinkel θf1 und einem ersten reziproken Rotator (115), ausgebildet durch eine Halbwellenplatte mit einem langsamen Achsenwinkel θs1 in Bezug auf eine x-Achse in x-y-Koordinaten, eingerichtet innerhalb einer Ebene rechtwinklig zu einer Ausbreitungsrichtung des Lichts, die vorgesehen ist relativ zum ersten abgespaltenen Licht, und

eine zweite Polarisations-Rotationsschaltung (114, 116), die vorgesehen ist an dem zweiten optischen Pfad (112), einen zweiten reziproken Rotator (116) einschließend, der ausgebildet ist durch eine Halbwellenplatte mit einem Langsamachsenwinkel θs2 in Bezug auf die x-Achse und einen zweiten nicht-reziproken Rotator (114) mit einem Faraday-Rotationswinkel θf2, der bereitgestellt ist in Bezug auf das zweite Abspaltlicht;

wobei θf1, θf2, θs1 und θs2 erfüllen:

θs1, -θs2 = ±π/4 und

θf1, +θf2 = ±π/2 + 2nπ,

wobei n eine ganze Zahl ist,

dadurch gekennzeichnet, dass:

das erste abgespaltene Licht und das zweite abgespaltene Licht, die sich in der ersten Richtung ausbreiten, eine identische Polarisation haben und kombiniert sind zum Bilden eines geraden Modus, während das erste Abspaltlicht und das zweite Aufspaltlicht, die sich in der zweiten Richtung ausbreiten, entgegengesetzte Polarisationen haben und kombiniert sind, um einen ungeraden Modus zu bilden; und

die ersten und zweiten nicht-reziproken, Rotatoren (113, 114) jeweils einen magnetooptischen Wellenleiter (121, 131, 151, 181, 191) einschließen, der mindestens einen Teil des ersten und zweiten optischen Pfades (111, 112) bildet, auf den ein Magnetfeld (126, 134, 146, 54, 186, 194) angewendet wird in einer Richtung parallel zur Ausbreitungsrichtung des Wellenleiters.

2. Optische nicht-reziproke Schaltung nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten reziproken Rotatoren (115, 116) bereitgestellt werden durch druckanwendende Schichten (132, 133, 192, 193), die in der Nähe der ersten und zweiten optischen Pfade (111, 112) bereitgestellt sind, welche eine Verformung der ersten und zweiten optischen Pfade (111, 112) bewirken.

3. optische nicht reziproke Schaltung nach Anspruch 2, außerdem umfassend:

eine zweite Aufspalt/Kombinationsschaltung (118, 120), die an einer anderen Endseite der ersten und zweiten optischen Pfade (111, 112) vorgesehen ist zum Aufspalten von sich in der zweiten Richtung ausbreitenden Licht in erstes und zweites Aufspaltlicht und zum Ausgeben des ersten und zweiten Aufspaltlichts an den ersten und zweiten optischen Pfad (111, 112) und Kombinieren eines Lichts, das sich in der ersten Richtung entlang der ersten und zweiten optischen Pfade (111, 112) ausbreitet;

wobei der magnetooptische Wellenleiter (131, 151, 191), die druckanwendenden Filme (132, 133, 152, 153, 192, 193) und die ersten und zweiten Aufspalt/Kombinationsschaltungen (117, 118, 119, 120) integriert ausgebildet sind als eine magnetooptische Wellenleiterschaltung (131, 151, 191) vom Interferometertyp.

4. Optische nicht reziproke Schaltung nach Anspruch 1, außerdem umfassend: eine zweite Aufspalt/Kombinationsschaltung (118, 120, 173), die an einer anderen Endseite der ersten und zweiten optischen Pfade (111, 112) vorgesehen ist zum Aufspalten von Licht, das sich in der zweiten Richtung ausbreitet in das erste und zweite Aufspaltlicht und Ausgebendes ersten und zweiten Aufspaltlichts an die ersten und zweiten optischen Pfade (111, 112) und Kombinieren von Licht, das sich ausbreitet in der ersten Richtung entlang der ersten und zweiten optische Pfade (111, 112).

5. Optische nicht reziproke Schaltung nach Anspruch 4, wobei jede der ersten und zweiten Aufspalt/Kombinationsschaltungen (117, 118) eine y- Verzweigungsschaltung ist, so dass die optische nicht- reziproke Schaltung aus einem optischen Isolator besteht.

6. Optische nicht reziproke Schaltung nach Anspruch 4, wobei jede der ersten und zweiten Aufspalt/Kombinationsschaltungen (119, 120) eine Abzweigschaltung ist, so dass die optische nicht- reziproke Schaltung aus einem optischen Zirkulator besteht.

7. Optische nicht reziproke Schaltung nach Anspruch 4, wobei jede der ersten und zweiten Aufspalt/Kombinationsschaltungen (172, 173) ein optischer Faserkoppler ist.

8. Optische nicht-reziproke Schaltung nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der ersten und zweiten optischen Pfade (111, 112) eine Phaseneinstellschaltung (177) einschließt zum Einstellen einer Phase des Lichts, das sich durch mindestens einen von den ersten und zweiten optischen Pfaden (111, 112) ausbreitet.

9. Optischem nicht-reziproke Schaltung nach Anspruch 1, wobei θf1, θf2, θs1, und θs2 auch erfüllen:

2θs1 - θf1 - 2θs2 - θf2 = π + 2 mπ,

wobei m eine ganze Zahl ist.

10. Optische nicht reziproke Schaltung zum Aufspalten/Kombinieren von Licht, umfassend:

einen ersten optischen Pfad (111) und einen zweiten optischen Pfad (112), durch die sich erstes und zweites Aufspaltlicht ausbreitet;

einen ersten Richtkoppler (172), der vorgesehen ist an einer Endseite der ersten und zweiten optischen Pfade (111, 112) zum Aufspalten empfangenen Lichts in erstes und zweites Aufspaltlicht in einer ersten Richtung entlang erster und zweiter optischer Pfade (111, 112) und Kombinieren von Licht, das sich entlang der ersten und zweiten optischen Pfade (111, 112) ausbreitet in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung;

ein zweiter Richtkoppler (173) vorgesehen an einer anderen Endseite der ersten und zweiten optischen Pfade (111, 112) zum Aufspalten von Licht, das sich in der zweiten Richtung ausbreitet in das erste und zweite Aufspaltlicht und Ausgeben des ersten und zweiten Aufspaltlichts an erste und zweite optische Pfade (111, 112) und Kombinieren von Licht, das sich in der ersten Richtung entlang der ersten und zweiten - optischen Pfade (111, 112) ausbreitet;

eine erste Polarisations Rotationsschaltung (113, 115), die vorgesehen ist an dem ersten optischen Pfad (111) einschließlich eines ersten nicht-reziproken-Rotors (113) mit einem Faraday-Rotationswinkel θf1 und einem ersten reziproken Rotator (115), ausgebildet durch eine Halbwellenplatte mit einem Langsamachsenwinkel θs1 in Bezug auf eine x-Achse in x-y-Koordinaten, eingerichtet innerhalb einer-Ebene rechtwinklig zu einer Ausbreitungsrichtung des Lichtes, die relativ zum ersten Aufspaltlicht angeordnet ist; und

eine zweite Polarisations-Rotationsschaltung (114, 116), vorgesehen an dem zweiten optischen Pfad (112), einschließlich dem zweiten reziproken Rotator (116), ausgebildet durch eine Wellenplatte mit einem Langsamachsenwinkel θs1 in Bezug auf die x-Achse und einem zweiten nicht-reziproken Rotator (114) mit einem Faraday-Rotationswinkel θf2, die relativ zu dem zweiten Aufspaltlicht bereitgestellt sind;

wobei θf1, θf2, θs1 und θs2 erfüllen:

θs1, - θs2 = ±π/4 und

θf1, + θf2 = ±π/2 + 2nπ,

wobei n eine ganze Zahl ist, so dass das erste Aufspaltlicht und das zweite Aufspaltlicht für ein vorwärts ausgebreitetes Licht eingestellt und kombiniert sind, um zu interferieren bei einer identischen Polarisation, während das erste Aufspaltlicht und das zweite Aufspaltlicht für ein Licht, das sich rückwärts ausbreitet, eingestellt und kombiniert sind rückwärts Beeinflussen bei entgegengesetzten Polarisationen;

dadurch gekennzeichnet, dass

θf1, θf1, θs1 und θs2 nicht gleichzeitig erfüllen θs1 = 3π/8, θs2 = 5π/8 und θf1 = θf2 = π/4; und der erste und zweite nicht-reziproke Rotator (113, 114) jeweils einen magnetooptischen Wellenleiter (121, 131, 151, 181, 191) einschließt, der mindestens einen Teil des ersten und zweiten optischen Pfades bildet, auf den das magnetischen Feld (129, 134, 146, 154, 186, 194) angewendet wird.