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HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein optisches Schaltungselement und insbesondere einen optischen
Isolator, der es dem Licht nur ermöglicht, in einer vorbestimmten
Richtung eine optische Nachrichtenübermittlungseinrichtung, Optikdateneinrichtung
und eine ähnliche
Einrichtung zu durchlaufen.
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Ein optischer Isolator umfasst typischerweise
einen Faraday-Rotor mit einem Magnetfeld, der in der Lage ist, die
Polarisationsebene des einfallenden Lichts um 45 Grad zu drehen,
und zwei Polarisatoren, die in Sandwichform auf beiden Seiten des
Faraday-Rotors, d. h. auf der Lichteinfallseite und auf der Lichtaustrittseite,
angeordnet sind. Ein solcher optischer Isolator zeigt einen geringen
Verlust in Vorwärtsrichtung,
in der Licht von der Einfallseite zu der Austrittsseite verläuft, und
zeigt einen großen
Verlust in der umgekehrten Richtung, in der Licht von der Austrittsseite
zu der Einfallseite zurückkehrt.
Somit hat der optische Isolator eine Funktion zum Senden von Licht
nur in einer Richtung, wobei das Senden von Licht in der entgegengesetzten
Richtung unterbunden wird.
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Es sind bereits verschiedene Typen
von optischen Isolatoren bekannt. Aus JP-U-7-17057 ist z. B. ein optischer Isolator
bekannt, der aufweist: einen Faraday-Rotor, bei dem es sich um ein
Parallelepiped handelt, dessen auf der Einfallseite befindliche Endfläche relativ
zu der optischen Achse geneigt ist und der die Polarisationsebene
von aus einem Halbleiterlaser austretendem Licht um 45 Grad dreht,
und eine Polarisations-/Isolationsfolie an einer Endfläche auf
der Austrittsseite des Faraday-Rotors. Die Polarisations-/Isolationsfolie
hat eine Polarisations-/Isolationseigenschaft, die P-Wellen durchlässt, S-Wellen jedoch
reflektiert, und sie kann durch alternierendes Laminieren von dielektri schen
Folien mit unterschiedlichen Brechungsindices und unterschiedlicher Dicke
gebildet sein.
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Bei herkömmlichen optischen Isolatoren
ist der Isolator aus einer Polarisations-/Isolationsfolie, die durch
Laminieren von dielektrischen Schichten hergestellt ist, sowie einem
Teiler für
polarisierte Strahlen, einem Polarisationsglas und einem doppeltbrechenden
Einkristall gebildet. Diese Polarisatoren sind jedoch alle aus teueren
Ausgangsmaterialien gefertigt und machen Arbeitsschritt erforderlich, wie
z. B. Schneiden, Polieren etc., was unvermeidlicherweise komplexe
Produktionsschritte und erhöhte Produktionskosten
zur Folge hat. Die Kosten für
die Herstellung des Polarisators belaufen sich auf ungefähr 50% der
Gesamtkosten für
die Herstellung des herkömmlichen
optischen Isolators. Es ist daher darauf gedrängt worden, die Kosten für die Herstellung des
Polarisators bei der Produktion der optischen Isolatoren zu senken.
Ein Reflexionspolarisator aus einer mehrschichtigen Polymerfolie
ist in WO 9517691 beschreiben. In
US
5574595 ist ein doppeltbrechender optischer Isolator mit
einem Glaskeil beschrieben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, einen optischen Isolator bereitzustellen, der
leicht herstellbar ist, wobei gleichzeitig ein gutes Ergebnis und
niedrige Kosten beibehalten werden, der jedoch einen Einsetzverlust
und einen Reflexionsverlust vergleichbar mit denen der herkömmlichen
optischen Isolatoren aufweist.
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Zusammenfassender Überblick über die
Erfindung
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Bei einer Ausführungsform betrifft die vorliegende
Erfindung einen optischen Isolator gemäß Anspruch 1.
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Bei einer weiteren Ausführungsform
betrifft die vorliegende Erfindung einen optischen Isolator gemäß Anspruch
5. Schließlich
betrifft die Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 7.
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Bei den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen optischen
Isolators sind die Bauteile vorzugsweise mit einen Kleber oder einem ähnlichen Verbindungsmittel
miteinander verbunden und einstückig
aneinander befestigt. Die Unteransprüche betreffen zusätzliche
Ausführungsformen
der Erfindung.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung genauer
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Schnittansicht eines optischen Isolators gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Schnittansicht der Wege des durchgelassenen Lichts durch den in 1 gezeigten optischen Isolator;
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3 eine
grafische Darstellung der optischen Charakteristiken des in 1 gezeigten optischen Isolators;
und
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4 eine
Schnittansicht des optischen Isolators gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Grundsätzlich hat der erfindungsgemäße optische
Isolator einen Aufbau, der dem des herkömmlichen optischen Isolators ähnlich ist.
Das heißt,
der erfindungsgemäße optische
Isolator umfasst mindestens einen Faraday-Rotor, der die Polarisationsebene
um 45 Grad drehen kann, und zwei Polarisatoren, die in Sandwichform
auf beiden Seiten des Faraday-Rotors, d. h. auf der Lichteinfallseite
und auf der Lichtaustrittseite, angeordnet sind.
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Bei den beiden in dem erfindungsgemäßen optischen
Isolator verwendeten Polarisatoren handelt es sich jeweils um Reflexions-
oder reflektierende Polarisatoren aus einer mehrschichtigen Polymerfolie,
und sie werden vorzugsweise in Form von Polarisationsfolien verwendet.
Um eine Unterscheidung zu ermöglichen,
wird der auf der Lichteinfallseite angeordnete Polarisator als erster
Polarisator bezeichnet, und wird der auf der Lichtaustrittsseite
angeordnete Polarisator als zweiter Polarisator bezeichnet. In der
nachfolgenden Beschreibung werden die erfindungsgemäßen Polarisatoren
besonders anhand der Reflexionspolarisationsfolie beschrieben.
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Die Reflexionspolarisationsfolie,
die vorzugsweise zum Durchführen
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist eine mehrschichtige
optische Folie, die in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung
(Kokai) Nr. 9-507308
beschrieben ist. Wie in der Veröffentlichung
beschrieben, wird diese mehrschichtige Folie durch alternierendes
Laminieren zweier Arten von unterschiedlichen Polymeren "A" und
"B" hergestellt. Das heißt,
die so erhaltene mehrschichtige Folie weist eine Struktur auf, bei der
die Schichten in der Reihenfolge --- A B A B --- laminiert sind.
Diese mehrschichtige Folie wird entlang einer Achse (X-Achse) mit
einem Ziehverhältnis
von ungefähr
5 : 1, jedoch nicht entlang einer anderen Achse (Y-Achse im rechten
Winkel zu der X-Achse) gezogen.
Daher wird die mehrschichtige Folie entlang der Y-Achse im wesentlichen
mit einem Ziehverhältnis
von 1 : 1 gezogen. In der vorliegenden Spezifikation wird die X-Achse
als "Ziehrichtung" und die Y-Achse als die "Querrichtung" bezeichnet.
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Beim Herstellen der oben genannten
mehrschichtigen Folie hat das eine Polymer "B" einen scheinbaren
Brechungsindex (z. B. 1.64), der sich in Abhängigkeit von dem Ziehen nicht
wesentlich verändert,
oder, mit anderen Worten, optisch isotrop ist. Das andere Polymer
"A" ist dasjenige, dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit
von dem Ziehvorgang verändert.
Die monoaxial gezogene Folie aus dem Polymer "A" zeigt z. B. einen
ersten Brechungsindex (z. B. 1.88) in Ziehrichtung und einen zweiten Brechungsindex
(z. B. 1.64.) in Querrichtung.
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Bei der polymeren mehrschichtigen
Folie ist der auf die planare Achse (parallel zu der Fläche der Folie)
bezogene Brechungsindex als effektiver Brechungsindex relativ zu
dem linear polarisierten einfallenden Licht definiert und verläuft die
Polarisationsebene parallel zu der planaren Achse. Daher zeigt die mehrschichtige
Folie --- A B A B -- nach dem Ziehen in Ziehrichtung einen großen Unterschied
in dem Brechungsindex der einzelnen Schichten (1.88 bis 1.64), in
Querrichtung jedoch einen im wesentlichen gleichen Brechungsindex
der einzelnen Schichten. Entsprechend kann die mehrschichtige Folie
als Reflexionspolarisationsfolie dienen, die polarisierte Komponenten
des einfallenden Lichts ausbreiten kann. Hier ist die oben genannte
Y-Achse als Ausbreitungsachse (oder Durchlässigkeitsachse) definiert,
und hat die Reflexionspolarisationsfolie durchlaufendes Licht eine
erste Polarisationsorientierung (oder Polarisationsrichtung).
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Andererseits handelt es sich bei
Licht; das die Reflexionspolarisationsfolie nicht durchlaufen hat,
um polarisiertes Licht mit einer zweiten Orientierung, die die erste
Polarisationsorientierung im rechten Winkel schneidet. Licht mit
einer solchen Polarisationsorientierung trifft entlang der X-Achse
auf eine Ebene der Folie auf und wird durch die Wirkung des Unterschieds
in dem Brechungsindex der einzelnen Schichten reflektiert. Daher
ist die X-Achse als Reflexionsachse definiert. Dabei ermöglicht die
Reflexionspolarisationsfolie eine Durchlässigkeit nur für solches
Licht, das eine ausgewählte
Polarisationsorientierung (oder Polarisationsrichtung) aufweist.
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Die optischen Eigenschaften (Reflexionseigenschaft
und Durchlässigkeitseigenschaft)
der Reflexionspolarisationsfolie variieren normalerweise in Abhängigkeit
von der optischen Dicke der verschiedenen Polymerschichten, die
die Reflexionspolarisationsfolie bilden. Wenn diese Polymerschichten
optische Dicken entsprechend mehreren Wellenlängen des Lichts aufweisen oder,
mit anderen Worten, von solchen Wellenlängen repräsentiert werden, dann reagieren
die optischen Eigenschaften spezifisch und effektiv in dem Band
(Wellenlängenband).
Wenn diese Schichten optische Dicken haben, die kleiner sind als
die Wellenlängen
von Licht, dann kann die strukturelle Interferenz zum Verbessern
der optischen Leistung der Reflexionspolarisationsfolie bei den ausgewählten Wellenlängen genutzt
werden.
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Eine gleichmäßige Schicht mit einer optischen
Dicke, die kleiner ist als die Wellenlänge von Licht eines sichtbaren
Spektrums, kann durch Anwendung von Verfahren, die in den nachfolgend
beschriebenen Anwendungsbeispielen dargestellt sind, ausgebildet
werden. Wenn die Dicke, der beiden Schichten "A" und "B" größer ist
als eine halbe Wellenlänge
des einfallenden Lichts (A + B > λ'/2), tritt eine
strukturelle Interferenz auf. In Abhängigkeit von der Halbwellenlängenbedingung
tritt eine strukturelle Interferenz eines Schmalbands bei einer
vorbestimmten Wellenlänge
auf. Die optische Leistung eines Breitbands kann durch Laminieren
oder Verbonden mehrerer Schmalband-Polymerschichten erreicht werden.
Eine erste Gruppe von Polymerschichten mit gleicher Dicke (A + B
= λ/2) kann
z. B. auf eine zweite Gruppe von Polymerschichten mit ungleicher
Dicke (A + B = λ'/2)
laminiert werden. Normalerweise können mehrere Hundert Polymerschichten (---
A B A B ---) einstückig
miteinander laminiert oder verbondet werden, um eine effektive Empfindlichkeit über ein
breites Band zu erzielen. Es ist wünschenswert, dass die Reflexionspolarisationsfolie
zum Reflektieren von Licht in einem beliebigen gewünschten Einfallswinkel
und einer beliebigen Wellenlänge dient.
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Normalerweise ist der Reflexionsfaktor
der Reflexionspolarisationsfolie vorzugsweise kleiner als 20%, besser
noch kleiner als 10% und am besten kleiner als 5% relativ zu linear
in einer parallel zu der Y-Achse verlaufenden Richtung polarisiertem
Licht. Der Reflexionsfaktor ist ein Durchschnittswert für eine gewünschte Wellenlängenzone.
und für
eine gewünschte
Einfallswinkelzone für
eine spezielle oder allgemeine Anwendung. Der Reflexionsfaktor der Reflexionspolarisationsfolie
zum linearen Polarisieren von Licht entlang der X- Achse sollte vorzugsweise
nicht kleiner sein als 30%, besser noch nicht kleiner als 60% bei
einem gewünschten
Einfallswinkel.
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Die Reflexionspolarisationsfolie
kann durch Herstellen einer Bahn mit den oben genannten alternierend
Laminierten Polymerschichten, nämlich
--- A B A B ---, unter Anwendung eines herkömmlichen Verfahrens zum Herstellen
einer mehrschichtigen Folie und nachfolgendes Ziehen erhalten werden. Wie
erforderlich, können
ferner ein drittes Polymer, ein viertes Polymer und weitere Polymere
zusätzlich zu
dem ersten Polymer "A" und dem zweiten Polymer "B" verwendet werden,
wodurch eine Polarisationsfolie mit diesen Polymerschichten gebildet
wird. Wenn drei oder mehr Arten von Polymeren in Kombination verwendet
werden sollen, kann die Reihenfolge der Laminierung der Polymerschichten
in Abhängigkeit von
den gewünschten
Effekt auf vielfache Weise verändert
werden.
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Obwohl das Polymermaterial nicht
unbedingt auf die nachstehenden Materialien beschränkt ist, umfassen
typische Beispiele für
das Polymermaterial, das in geeigneter Weise zum Herstellen der
Reflexionspolarisationsfolie verwendet wird, Isomere von Polyethylennaphthalat
(PEN), wie z. B. 2,6-, 1,4- 1,5-, 2,7- und 2,3-PEN; Polyalkylenterephthatlate,
wie z. B. Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Poly-1,4-Cyclohexandimethylenterephthalat;
Polyimide, wie z. B. Polyacrylimide, Polyetherimide; Polystyrole,
wie z. B. ataktisches Polystyrol; Polycarbonate; Polymethacrylate,
wie z. B. Polyisobutylmethacrylat, Polypropylmethacrylat, Polyethylmethacrylat
und Polymethylmethacrylat; Polyacrylate, wie z. B. Polybutylacrylat
und Polymethylacrylat; Cellulosederivate, wie z. B. Ethylcellulose,
Celluloseacetat, Cellulosepropionat, Celluloseacetatbutylat und Cellulosenitrat;
Polyalkylenpolymere, wie z. B. Polyethylenpropylen, Polybutylen,
Polyisobutylen, Poly(4-Methylpenten); fluorierte Polymere, wie z.
B. Perfluoralkoxylharz, Polytetrafluorethylen, fluoriertes Ethylen-Polypropylen-Copolymer,
Polyvinylidenfluorid, Polychlortrifluorethylen; chlorierte Polymere,
wie z. B. Polyvinylidenchlorid, Polyvinylchlorid; Polysulfone; Polyethersulfone;
Polyacrylnitril; Polyamide; Siliconharz; Epoxid harz; Polyvinylacetat;
Polyetheramide; Ionomerharz; Elastomere, wie z. B. Polybutadien, Polyisopren,
Neopren; Polyurethane; und ähnliches.
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Ferner kann als Polymermaterial ein
Copolymer anstelle der oben genannten Polymere oder in Kombination
mit diesen auf ähnliche
und vorteilhafte Weise verwendet werden. Das Copolymer, das hier verwendet
werden kann, kann ein Zweikomponenten-Copolymer, ein Dreikomponenten-Copolymer oder
ein anderes Copolymer sein. Bevorzugte Beispiele des Copolymers
umfassen:
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- (1) ein Copolymer aus Polyethylennaphthalat (PEN),
wie z. B. ein copolymerisiertes Polyester (sogenanntes Copolyester),
das z. B. aus einer 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7- und/oder 2,3-Naphthalendicarboxylsäure oder
einem Ester von einer davon synthetisiert sein kann;
zwei oder
mehr Säuren
aus der Gruppe von (a) Terephthalsäure oder Estern davon, (b)
Isophthalsäure
oder Estern davon, (c) Phthalsäure
oder Estern davon, (d) Alkandicarboxylsäure und (e) Cycloalkandicarboxylsäure (wie
z. B. Cyclohexandicarboxylsäure);
und
einem oder zwei oder mehr Glycolen aus der Gruppe von Alkanglycolen
und/oder Cycloalkanglykolen (z. B. Cyclohexandimethanoldiol);
- (2) ein Copolymer aus Polyalkylenterephthalat, wie z. B. ein
copolymerisiertes Polyester, das z. B. aus zwei oder mehr Säuren aus
folgender Gruppe synthetisiert ist: (a) Terephthalatsäure oder
Ester davon, (b) Isophthalsäure
oder. Ester davon, (c) Phthalsäure
oder Ester davon, (d) Alkandicarboxylsäure und (e) Cycloalkandicarboxylsäure (wie z.
B. Cyclohexandicarboxylsäure);
und
einem oder zwei oder mehr Gylcolen aus der Gruppe von Alkanglycolen
und/oder Cycloalkanglycolen (wie z. B. Cyclohexandimethanoldiol); und
- (3) ein Copolymer aus Styrol, wie z.B. Styrol-Butadien-Copolymer,
Styrol-Acrylnitril-Copolymer etc.
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Bei der Reflexionspolarisationsfolie
können die
die Polarisationsfolie bildenden Polymerschichten allein das oben
genannte Polymer oder Copolymer enthalten, oder sie können zwei
oder mehr Arten der Polymere und/oder Copolymere in einer beliebigen
Kombination als Mischung enthalten.
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Die die Polarisationsfolie bildenden
Polymerschichten weisen Dicken auf, die in Abhängigkeit von dem gewünschten
Polarisationseffekt in großem Maße veränderbar
sind, normalerweise jedoch von ungefähr 0,01 bis 0,70 μm. Wenn eine
Vielzahl solcher Polymerschichten laminiert wird, um eine Polarisationsfolie
zu bilden, werden die Polymerschichten in einer so kleinen Anzahl
wie möglich
laminiert, um die Durchlässigkeit
von Licht zu erhöhen
und die gewünschten
optischen Charakteristiken zu erhalten. Die Anzahl der laminierten
Polymerschichten in der Polarisationsfolie beträgt normalerweise weniger als 5.000,
vorzugsweise weniger als 1.000 und besser noch von 100 bis 500.
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Ferner ist die Dicke der Polarisationsfolie
in Abhängigkeit
von dem gewünschten
Polarisationseffekt und der Anzahl der laminierten Polymerschichten
in großem
Maße veränderbar,
sie liegt jedoch normalerweise zwischen ungefähr 0,5 μm bis 0,5 mm.
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Ferner kann der erfindungsgemäße mehrschichtige
Polymer-Polarisator Zusätze
enthalten, wie z. B. ein ultraviolettes strahlenabsorbierendes Mittel,
ein Oxidationsverhütungsmittel,
ein Schimmelverhütungsmittel,
ein Rostschutzmittel, ein feuchtigkeitsabsorbierendes Mittel, ein
Färbematerial,
ein phosphoreszierendes Material, ein Tensid u. ä., und zwar in einem solchen
Maße,
dass diese nicht den Effekt der Erfindung beeinträchtigen.
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Ferner kann eine lichtdurchlässige Schutzfolie
auf der Stirnfläche,
der Rückfläche oder
beiden Flächen
des Polarisators ausgebildet sein, solange sie den Effekt der vorliegenden
Erfindung nicht beeinträchtigt.
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Bei dem mehrschichtigen Polymer-Polarisator
sind die einzelnen Schichten aus doppeltbrechendem Polymermaterial
gefertigt. Daher kann linear polarisiertes Licht mit einer speziell
polarisierten Richtung durchgelassen werden, wodurch das linear
polarisierte Licht reflektiert wird und eine Überschneidung im rechten Winkel
erfolgt. Da das Polymermaterial fast kein Licht absorbiert, ist
der Verlust an linear polarisiertem Licht, das das Material durchläuft, sehr
gering.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung weist der Faraday-Rotor, der in Sandwichform
zwischen den ersten und zweiten Polarisatoren angeordnet ist, einen
45°-Faraday-Rotor
auf, der in der Lage ist, die Polarisationsebene um 45 Grad zu drehen.
In diesem Fall wird eine sich verjüngende Glasplatte gleichzeitig
zwischen dem Faraday-Rotor und dem zweiten Polarisator verwendet.
Der 45°-Faraday-Rotor
kann einen Aufbau aufweisen, der auf diesem Sektor generell verwendet wird,
und ist aus einer dicken Folie z. B. aus Bi-substituiertem Seitenerden-Fe-Granat,
wie z. B. GdBiFe-Granat, gebildet. Die sich verjüngende Glasplatte ist normalerweise
aus Glas mit einem Brechungsindex von ungefähr 1,45 bis 1,65, wie z. B.
Borsilikatglas, gefertigt: Die konische Verjüngung kann je nach optischem
System, in dem der optische Isolator verwendet wird, und dem gewünschten
Effekt variieren, sie liegt jedoch normalerweise zwischen 0,2 und
3°.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist der Faraday-Rotor einen sich verjüngenden
Faraday-Rotor auf. Der sich verjüngende
Faraday-Rotor kann einen Aufbau aufweisen, der auf diesem Sektor
generell verwendet wird, und ist aus einer dicken Folie z. B. aus
Eisubstituiertem Seitenerden-Fe-Granat, wie z. B. GdBiFe-Granat,
gebildet. Die konische Verjüngung
des sich verjüngenden
Faraday-Rotors kann je nach optischem System, in dem der optische
Isolator verwendet wird, und dem ge wünschten Effekt variieren, sie
liegt jedoch normalerweise zwischen 0,2 und 3°.
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Bei dem erfindungsgemäßen optischen
Isolator ist gewünscht,
dass die Bauelemente, wie z. B. Faraday-Rotor und Polarisatoren,
einstückig
ausgebildet sind und insbesondere unter Verwendung eines Klebers
miteinander verbunden sind. Obwohl es keine spezielle Beschränkung gibt,
sollte der hier verwendete Kleber vorteilhafterweise ein Kleber
mit großer
Transparenz und ausgezeichneter Klebekraft sein. Der Lichtdurchlässigkeitsfaktor
des hier verwendeten Klebers ist normalerweise nicht kleiner als 70%,
vorzugsweise nicht kleiner als 80% und besser noch nicht kleiner
als 85%.
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Als Kleber mit einer solchen großen Transparenz
wird vorzugsweise ein Acrylkleber mit einem großen Maß an Transparenz und einer
großen
Klebekraft verwendet. Der Acrylkleber ist ein Polymer, das ein Reaktionsmaterial
mit einem Acrylatmonomer mit einer Alkylgruppe mit 4 bis 14 Kohlenstoffatomen,
wie z. B. Isooctylacrylat, Butylacrylat oder 2-Ethylhexylacrylat,
und einem (Meth)acrylatmonomer mit einer polaren Gruppe, wie z.
B. (Meth)acrylsäure,
Carboxyl(meth)acrylat, Hydroxylalkyl(meth)acrylat oder N,N-Dialkylacrylamid,
oder eine Zusammensetzung mit einem solchen Polymer enthält. Wie
allgemein bekannt, ist "(Meth)acrylsäure" ein Ausdruck, der Acrylsäure und
Methacrylsäure umfasst;
und (Meth)acrylat u. ä.
werden entsprechend verwendet.
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Zum Verkleben der Elemente unter
Verwendung eines Acrylklebers oder eines anderen Klebers wird der
Kleber auf die Oberfläche
des einen Elements aufgebracht, um eine Kleberschicht zu bilden, und
dieses Element mit der Kleberschicht wird unter Druck mit einem
anderen Element verklebt. Die Kleberschicht hat eine Dicke von normalerweise
5 bis 100 μm
und vorzugsweise von 10 bis 50 μm.
Die Kleberschicht wird z. B. durch Auftragen einer Beschichtungslösung, die
das oben genannte Polymer oder die oben genannte Polymerzusammensetzung
enthält,
auf das Element ausgebildet. Die Polymerisation kann auf dem Element
erfolgen, nachdem die Beschichtungslösung, die das oben genannte
Reaktionsmaterial enthält,
darauf aufgebracht worden ist. Oder es kann ein filmartiger Kleber,
der auf einem separaten Abziehfilm ausgebildet ist, von dem Abziehfilm
auf das Element übertragen
werden. Die Kleberschicht kann die oben genannten verschiedenen
Zusätze
enthalten, soweit diese die Transparenz nicht beeinträchtigen.
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Bei dem erfindungsgemäßen optischen
Isolator sind zwei Polymer-Polarisatoren mit einer Polarisationsrichtung
des durchgelassenen Lichts von 45 Grad relativ zu dem linear polarisierten
Licht vor und hinter dem Faraday-Rotor angeordnet, um einen großen Verlust
in umgekehrter Richtung zu erhalten. Das heißt, der Verlust des so aufgebauten
optischen Isolators in umgekehrter Richtung variiert je nach dem
Lichtauslöschverhältnis des
Polarisators, der Abhängigkeit
des Faraday-Drehwinkels von der Wellenlänge des Lichts und der Temperatur.
Der bei der vorliegenden Erfindung verwendete Polymer-Polarisator
reflektiert jedoch Licht, das nicht durchgelassen worden ist, und
führt das
reflektierte Licht aus dem optischen System hinaus, wodurch es möglich wird, einen
großen
Verlust in umgekehrter Richtung zu erhalten.
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Es werden nun Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es
sei jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung keinesfalls
nur auf die folgenden Beispiele beschränkt ist.
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Beispiel 1
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1 zeigt
eine Schnittansicht eines optischen Isolators gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Bei dem schematisch dargestellten optischen
Isolator 10 handelt es sich bei einem ersten Polarisator 1 und
einem zweiten Polarisator 2 um Polarisatoren vom Reflexionstyp,
die aus der oben genannten mehrschichtigen Polymerfolie gebildet
sind und die so eingestellt sind, dass die Richtungen der Polarisation
von Licht, das die Polarisationsplatten durchlaufen hat, einen Winkel
von 45 Grad relativ zueinander bilden. Die Polarisationsplatten
haben jeweils eine Dicke von ungefähr 0,1 mm. Zwischen diesen
beiden Polarisationsplatten sind ein 45°-Faraday-Rotor 3 aus
einer dicken Folie aus GdBiFe-Granat und eine sich verjüngende Glasplatte 4 so
angeordnet, wie dargestellt. An den 45°-Faraday-Rotor 3 ist
ein Magnetfeld M in einer Richtung angelegt, in der das Licht lauft.
Die sich verjüngende
Glasplatte 4 hat einen Brechungsindex von 1,55 und einen
Kegelwinke) von 2 Grad. Ferner sind die Elemente unter Verwendung
eines Acrylklebers (Isooctylacrylat-Acrylsäure-Copolymer, Lichtdurchlässigkeitsfaktor
ungefähr
98%) miteinander verbunden (nicht gezeigt).
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Das Operationsprinzip des dargestellten
optischen Isolators 10 wird nachstehend anhand einer in 2 gezeigten Schnittzeichnung
erläutert,
in der die optischen Pfade des optischen Isolators in Vorwärtsrichtung
und in Umkehrrichtung gezeigt sind. Als erstes durchläuft Licht
L, das aus der Vorwärtsrichtung
auf den optischen Isolator 10 trifft, nacheinander den
ersten Polarisator 1, den 45°-Faraday-Rotor 3, die
sich verjüngende
Glasplatte 4 und den zweiten Polarisator 2 und
tritt in Richtung des optischen Pfads L2' aus. Hier wird das Licht
in einem gewissen Maße,
je nach dem. Verhältnis
eines Brechungsindex des Klebers, der die Elemente verbindet, und
eines Brechungsindex der den optischen Isolator 10 umgebenden
Luft, gebrochen.
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Andererseits wird eine polarisierte
Lichtkomponente des Lichts L2, die aus der
umgekehrten Richtung (in 2 von
der rechten Seite) auf den optischen Isolator 10 auftrifft,
von dem zweiten Polarisator 2 in Richtung des optischen
Pfads L3 reflektiert. Die polarisierte Lichtkomponente,
die nicht reflektiert wird, sondern durch den zweiten Polarisator 2 durchgelassen
wird, durchläuft
nacheinander die sich verjüngende
Glasplatte 4 und den 45°-Faraday-Rotor 3 und
trifft auf den ersten Polarisator 1 auf. Hier ist die Polarisationsrichtung
des Polarisators 1 um 90 Grad aus der Durchlässigkeitsrichtung
des Polarisators gedreht worden. Daher wird auf den Polarisator 1 auftreffendes
Licht wieder reflektiert, durchläuft
den Faraday-Rotor 3 und die sich verjüngende Glasplatte 4 und
erreicht den Polarisator 2. In dem Polarisator 2 wird
die Pola risationsrichtung des einfallenden Lichts um 90 Grad aus
der Durchlässigkeitsrichtung
des Polarisators 2 gedreht und somit das einfallende Licht reflektiert.
Als nächstes
durchläuft
das reflektierte Licht die sich verjüngende Glasplatte 4 und
den Faraday-Rotor 3 und trifft auf den Polarisator 1 auf.
Hier stimmt die Richtung des reflektierten, Lichts jedoch mit der
Durchlässigkeitsrichtung
des Polarisators 1 überein.
Daher wird das Licht in Richtung des optischen Pfads L4 durchgelassen.
Im Vergleich zu der Richtung L1 des aus
der Vorwärtsrichtung
einfallenden Lichts wird die Laufrichtung L4 des
Lichts um einen Winkel geneigt, der ungefähr dem Produkt aus zweimal
dem Kegelwinkel der sich verjungenden Glasplatte 4 und
dem Brechungsindex des Klebers gleich ist. Das heißt, dass
bei dem optischen System, in dem der schematisch dargestellte Isolator 10 angeordnet
ist, das aus der Umkehrrichtung einfallende Licht niemals mit dem
optischen Pfad des aus der Vorwärtsrichtung
einfallenden Lichts gekoppelt wird.
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3 zeigt
eine grafische Darstellung des oben beschriebenen Verhaltens. In
dieser grafischen Darstellung sind die optischen Charakteristiken
für den
Fall aufgetragen, in dem der in 1 gezeigte optische
Isolator 10 in dem optischen System eines parallelen Lichtstrahls
angeordnet ist, wobei eine Kurve I den Verlust von Licht in Vorwärtsrichtung
und eine Kurve II den Verlust von Licht in der Umkehrrichtung darstellt.
Wenn die Wellenlänge
z. B. 1.550 nm beträgt,
beträgt
der Verlust in Vorwärtsrichtung
ungefähr
0,34 dB und der Verlust in Umkehrrichtung ungefähr 41 dB. Dieses Ergebnis zeigt,
dass es der schematisch dargestellte Isolator 10 ermöglicht,
aufgrund seines Aufbaus einen merklich größeren Verlust in Umkehrrichtung
zu erreichen.
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Im Vergleich zu dem herkömmlichen
optischen Isolator ist der in 1 gezeigte
optische Isolator 10 durch Anwendung eines sehr einfachen
Produktionsverfahrens leicht herstellbar, wobei ein gutes Ergebnis
hinsichtlich der Produkte aufrechterhalten wird. Das heißt, da die
einzelnen Bauelemente mit einem Kleber miteinander verklebt sind,
kann eine Anzahl von optischen Isolatoren korrekt hergestellt werden,
wobei gleichzeitig in großem
Maße zum Senken der
Produktionskosten und Erhöhen
des Ergebnisses beigetragen wird. Wenn z. B. der Faraday-Rotor, die
sich verjüngende
Glasplatte und die beiden Polarisationsplatten mit viereckiger Form
und einer Seitenabmessung von 11 mm miteinander verklebt und dann
geschnitten werden, können
insgesamt 25 optische Isolatoren (jeweils mit einer viereckigen
Form und Seitenabmessungen von 1,7 mm) erhalten werden.
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Beispiel 2
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4 zeigt
eine Schnittansicht eines optischen Isolators gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Bei dem schematisch dargestellten Isolator 10 handelt
es sich bei dem ersten Polarisator 1 und dem zweiten Polarisator 2 um
Reflexionspolarisationsplatten aus der gleichen mehrschichtigen
Polymerfolie, die auch in dem vorstehenden Beispiel 1 verwendet
worden ist, und die Platten sind derart eingestellt, dass die Richtungen
der Polarisation von Licht, das durch die Polarisationsplatten durchgelassen
worden ist, einen Winkel von 45 Grad relativ zueinander bilden.
Zwischen diesen zwei Polarisatoren ist in Sandwichform ein sich
verjüngender
Faraday-Rotor 5 aus
einer dicken Folie aus GdBiFe-Granat angeordnet, wie dargestellt.
An den Faraday-Rotor 5 ist ein Magnetfeld H in der Richtung
angelegt, in der das Licht läuft.
Der Kegelwinkel des Faraday-Rotors 5 beträgt 2 Grad.
Die einzelnen Elemente sind unter Verwendung eines Acrylklebers
(Isooctylacrylat-Acrylsäure-Copolymer, Lichtdurchlässigkeitsfaktor
ungefähr
98%) miteinander verbunden (nicht gezeigt). Ferner ist eine nicht reflektierende
Beschichtung auf die Oberflächen
des ersten Polarisators 1 und des zweiten Polarisators 2 aufgebracht,
die der Luft ausgesetzt sind. Eine nicht reflektierende Beschichtung
für den
Kleber ist auch auf beide Flächen
des Faraday-Rotors 5 aufgebracht.
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Bei dem dargestellten optischen Isolator 10 ist
der Faraday-Rotor 5 sich verjüngend ausgebildet. Entsprechend
ist der Faraday-Drehwinkel in Abhängigkeit von dem Abstand zu
der Mittenachse 11 des optischen Isolators 10 für das durchgelassene
Licht variabel. Bei dem optischen System, in dem der optische Isolator
angeordnet ist, liegt der erforderliche Kegelwinkel jedoch normalerweise
zwischen ungefähr
1 und ungefähr
2 Grad. Bei einem solchen Kegelwinkel ermöglicht es eine dicke Folie
aus Bi-substituiertem Seltenerden-Fe-Granat, bei der der Faraday-Rotor eine
durchschnittliche Dicke von ungefähr 0,4 mm aufweist, einen großen Verlust
von mindestens 25 dB in Umkehrrichtung zu erreichen, wenn der Durchmesser
des Lichtstrahls 1 mm beträgt.
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Bei dem optischen Isolator des dargestellten Typs
wird, wenn eine dicke Folie aus Bi-substituiertem Seitenerden-Fe-Granat,
die kein externes Magnetfeld benötigt,
als Faraday-Rotor verwendet wird, ein kleiner optischer Isolator
realisiert, da der Polarisator eine Dicke von ungefähr 0,1 mm
hat. Ferner können
die optischen Isolatoren gleichzeitig und kostengünstig hergestellt
werden.
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Wenn der 45°-Faraday-Rotor eine Dicke von mindestens
1,5 mm aufweist, kann ferner eine Veränderung des Faraday-Drehwinkels
in der Lichtdurchlässigkeitsebene
z. B. bei der dicken Folie aus Bi-substituiertem Seltenerden-Granat, bei der der Wellenlängenabhängigkeit
Priorität
eingeräumt
wird, und bei dem CdMnMgTeSe-Kristall vernachlässigt werden und wird eine
verbesserte Isolierung erreicht.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht,
weisen bei dem optischen Isolator, bei dem der Faraday-Rotor in
Sandwichform zwischen zwei Polarisatoren angeordnet ist, wie oben
beschrieben, die verwendeten Polarisatoren erfindungsgemäß große Bereiche
auf, die keinen Arbeitsvorgängen
wie Polieren u. ä.
unterzogen werden müssen.
Ferner ermöglicht
es die Verwendung solcher Polarisatoren, optische Isolatoren durch
Anwendung eines einfachen Herstellverfahrens als Massenprodukt herzustellen,
wodurch die Produktionskosten reduziert werden.