KR920007288B1 - 음향-광학 주파수 전이기. - Google Patents

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내용 없음.

Description

음향-광학 주파수 전이기

제1도는 단일 모우드 고 복굴절성 광학 섬유의 복굴절성의 2개의 직교축을 도시한 횡단면도.

제2도는 이러한 광학 섬유의 편광 모우드들 사이를 결합시키도록 광학 섬유내에 선택적인 응력을 받은 영역과 응력을 받지 않은 영역이 생기게 하기위한 릿지 구조물을 포함하는 편광 결합기를 부분적으로 전달 하여 개략적으로 도시한 횡단면도.

제3도는 광학 섬유내에 대응 응력을 받은 영역 및 응력을 받지 않은 영역을 제공하는 진행 음파의 파두에 의해 생긴 압축 및 희박 영역들을 도시한, 광학 섬유의 축을 따른 거리 대 음압의 그래프도.

제4도는 광학 섬유를 어떤 각도로 파두들에 음향학적으로 접촉시키게 한 변환기에 의해 발생된 음파두를 도시하고, 음파를 광학 섬유의 비트 패턴에 양호하게 위상 정합시키기 위해 광학 섬유를 따라 측정된 바와 같은 연접 파두들 사이의 거리가 광학 섬유의 비트 길이와 동일하도록 각도가 선택되어야 한다는 것을 도시한, 광학 섬유 및 음향 변화기의 개략도.

제5도는 음파를 광학 섬유의 비트 패턴에 양호하게 위상정합시키는데 필요한 입사각, 비트 길이 및 음향 파장 사이의 관계를 도시한 도면.

제6도는 작은 입사각이 매우 높은 음향 주파수를 사용하여 이에 대응하게 높은 주파수 전이를 발생시키는 것을 도시한, 입사각의 함수로서 음향 주파수를 도시한 그래프도.

제7도는 벌크 음파를 사용하고 이러한 입사각으로 광학섬유와 음향학적으로 접촉하는 음파를 발생시키도록 필요한 입사각으로 경사진 표면을 갖고 있는 광학 섬유의 한 측에 대해 있는 웨지-형 블럭을 포함하는 본 발명의 주파수 전이기의 양호한 실시예를 부분적으로 도시한 횡단면도.

제8도는 본 발명의 주파수 전이기가 단일 측파대 변조기를 제공하기 위해 사용될 수 있는 배열을 도시한 개 략도 .

제9도는 표면 음파를 사용하고, 광학 섬유를 누르는 평면을 갖고 있는 가중 블럭 및 이러한 평면내에서 단일 방향으로 전달되는 표면 음파를 발생시키기 위한 가장 자리 접착 변환기를 포함하는 본 발명의 선택적인 실시예를 부분적으로 도시한 횡단면도.

제10도는 광학 섬유가 평면에 접착되고, 전단파 변환기가 이러한 평면내에서 표면 음파를 발생시키기 위해 사용되는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 사시도.

제11도는 에폭시 수지에 의해 평면에 접착된 제10도의 광학 섬유의 횡단면을 도시한 개략도.

제12도는 파두들이 광학 섬유에 대해 각을 이루고 있더라도, 음파의 에너지를 광학 섬유의 축 밑으로 우선적으로 안내하도록 비등방성 물질로된 기질을 사용하는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 및 46 : 광학 섬유 12 : 중심 코어 (core)

14 : 피복물 20 : 릿지(ridge)구조물

22, 24 및 26 : 릿지 28 : 기부블럭 (base block)

30 및 42 : 음파 40 : 음향 변환기

48 : 축 50 : 벌크(bulk)음파 변환기

52 : 압력판 56 : 웨지-형(wedge-shaped)블럭

58 : 장방형 사변(hypotenuse surface)

60 : 장방형 제1측면 62 : 장방형 제2측면

64 : 삼각형 단부 표면 66 : 압전물질 박판(slab)

68 및 70 : 전극 72 : 편광기

74 및 78 : 렌즈(lens) 76 : 편광 제어기

80 : 출력 편광기

본 발명은 음향-광학 주파수 전이기에 관한 것으로, 특히 표면 음파 또는 벌크 음파를 사용하는 광학 섬유 주파수 전이기에 관한 것이다.

전형적으로, 광학 주파수 전이는 소오스(Source)와 관찰자 사이의 상패 이동으로 인해 주파수가 변한다는 도플러 효과(Doppler effect)에 기초를 두고있다 소오스가 관찰자를 향해 이동될 때 주파수는 더 높아지고 파장은 더 높아지며, 소오스가 관찰자로부터 멀리 떨어져 이동될 때 주파수는 더 낮아지고 파장은 더 길어 진다.

지금까지, 도플러 효과는 광학적으로 투명한 벌크 매질을 통해 전달되는 음파의 파두(wave front)로 부터 반사된 광파를 주파수 전이시키기 위해 벌크 광학내에 사용되어 왔다. 진행 음파에 의해 생긴 압축(compression) 및 희박(rarefaction) 영역들은 입사 광선이 반사 및 굴절되도록 벌크 매질내의 굴절률을 변화시킨다. 음파두의 운동은 반사 및 굴절 광선내의 도플러 전이를 야기시키므로, 광선이 음파의 주파수와 동일한 크기만큼 주파수 전이된다.

벌크 광학 주파수 전이기들은 공지되어 있지만, 광학 섬유 주파수 전이기의 개량은 초보 단계에 있다. 최근, 1983년 6월 27-30일에 도오꾜오에서 개최된 47차 집적 광학 및 광학 섬유 통신에 관한 국제회의(International Conference on ntegrated Optics and Optical Fiber Co㎜unications)에서 노수(Nosu)등에 의해 발표된 "단일 모우드 광학 섬유용 음향-광학 주파수 전이기(Acousto-Optic Frequency Shifter for Single Mode Fibers)"라는 명칭의 논문 및 1983년 9월 29일자 전자 공학지 (Electronics Letters) 제19권, 제20호에 기본적인 광학 섬유 주파수 전이기가 기술되었다. 복굴절성 단일 모우드 광학 섬유는 광물성 기름으로 채워진 모세관 내에 배치되었고, 이 모세관은 오프(off)축 위치내의 압전(Piezoelectric, PZT) 실린더(cylinder)내에 배치되었다. 이 PZT 실린더는 광물성 기름으로 채워졌다. 실린더가 정현파 신호로 여기될 때, 각각의 실린더내의 정재 압력파는 광학 섬유의 편광 모우드를 사이를 탄성-광학(elasto-optic) 결합시킴으로써 광학캐리어 상하에 축파대가 생기게 하였다. 각각의 실린더는 다른 실린더에 의해 생긴 축 파대와 동상인 축파대와 이상인 다른 축파대를 발생시켰으므로, 한 축파대는 보강되고 다른 축파대는 상쇄 되었다.

그러므로, 노수 장치는 광학 섬유를 따라 불연속 기간에, 상세하게 말하자면 광학 섬유의 3/4 비트 길이의 기간에 광학 섬유에 압력을 제공함으로써 작동한다. 노수 장치로 얻을 수 있는 최대 주파수 전이는 PZT 실린더가 실제로 구동될 수 있는 최대 비와 동일한다. 또한, 각각의 결합 지점에서, 즉 각각의 PZT 실린더에서 편광 모우드들 사이에 결합된 전력의 양은 매우 작게 되므로, 상당량의 전력을 결합하기 위해서, 많은 수의 PZT 실린더가 필요하게 되어, 광학 섬유 시스템에 사용하기에 매우 다루기가 힘들고 비실용적인 장치가 생기게 된다.

선택적인 주파수 전이 방법은 광학 섬유의 길이를 따라 길이 방향으로 전달하기 위해 실제 음파(표면파 또는 벌크파)를 발사하는 것이다. 이 방법은 노수 장치의 간격을 두고 떨어진 기간에, 불연속적인 정적 결합 지점과 반대로, 광학 섬유의 길이를 따라 진행하는 연속적인 무한한 다수의 결합 지점을 제공한다는 장점을 갖고 있다. 또한, 실제 음파는 노수의 PZT 실린더가 구동될 수 있는 것보다 더 높은 주파수에서 발 생될 수 있으므로, 이러한 실제 음파 장치는 노수 장치보다 더 많은 양의 주파수 전이를 할 수 있다.

실제 음파를 사용하는 음향 광학 주파수 전이기의 한 제한은, 모우드들 사이의 최대 결합의 경우에, 음향 파장이 광학 섬유 비트 길이와, 동일해야 한다는 것이다. 현재 시판중인 고 복굴절성 광학섬유의 경우에는, 최소 비트 길이가 1㎜ 정도이다. 1㎜의 음향 파장은 약 1-5MHz의 음향 주파수에 대응한다. 따라서, 이 기술분야에서는 실제 음파를 사용하고, 최대의 가능한 주파수 전이가 광학 섬유의 비트 길이에 의해 제한되지 않도록 이 제한을 회피하는 광학 섬유 주파수 전이기가 필요하다.

본 발명은 광파를 안내하기 위한 광학 섬유와 음파를 발생 시키기 위한 음향 변환기로 구성된 광학 섬유 주파수 전이기에 관한 것이다. 광학 섬유는 제1 및 제2속도로 광선을 각각 전달하는 제1 및 제2모우드(또는 광학경로)를 갖고 있다. 양호한 실시예에서, 광학 섬유는 2개의 편광 모우드를 갖고 있는 복굴절성 광학 섬유이나, 광학 섬유는 제1 및 제2등급 모우드를 갖고 있는 비복굴절성 광학 섬유로도 될 수 있다. 음향 변환기는 음파의 파두가 0°이상이고 90°미만인 입사각 θ로 광학 섬유와 음향학적으로 접촉하도록 광학 섬유에 관련해서 배치된다. 그러므로, 음파의 파두들은 광학 섬유에 수직으로 되지 않고 평행하게 되지도 않으며 각을 이루고 있게 된다.

음파의 파장은 비트 길이에 위상 정합되도록 양호하게 선택되어야 한다. 본 발명에서, 이러한 위상 정합은 음파의 전달방향의 음향 파장이 광학 섬유의 비트 길이 곱하기 입사각의 sine값과 동일할때 생긴다. 이때 음파의 파두들은 모우드들 사이의 최대 결합의 경우에 필요한 비트 길이 기간에 광학 섬유와 음향학적으로 접촉하게 된다.

파두들을 광학 섬유의 길이 아래에서 길이 방향으로 보내지 않고 광학 섬유에 관련해서 각을 이루고 보냄으로써, 음향 파장은 광학 섬유 비트 길이보다 짧게 되고 적당히 위상 정합되므로, 지금까지 가능했던 것보다 더 높은 음향 주파수를 사용할 수가 있다. 그러므로, 부수적인 변수로서 입사각을 도입하면, 음향 파장이 광학 섬유의 비트 길이와 동일하게 되는 상술한 제한을 극복하게 된다.

음향 변환기는 벌크 음파 장치나 표면 음파 장치로 될 수 있다. 양호한 실시예에서, 변환기는 벌크파가 표면파보다 더 높은 주파수에서 발생될 수 있기 때문에 벌크 음파 변환기이다. 표면파 변환기가 사용되면, 표면파가 여기되는 표면과 음향 접촉하도록 광학섬유가 배치되어야 한다. 바람직한 경우에, 변환기는 음파의 입사각을 선택적으로 변형시키도록 광학섬유에 관련해서 조정가능하게 장착될 수 있으므로, 주파수 전이량을 변화시킬 수 있다. 본 발명은 주파수 전이량을 최소한 2배 증가시키기 때문에 30°이하로부터 미소각까지의 입사각에서 매우 유용하게 사용될 수 있다. 초 고주파수 전이의 경우에는 1°이하의 입사각이 양호하다.

음파의 음향 접촉은 음파의 파두에 수직인 방향이 아니라 광학 섬유의 축을 따라 음파의 음향 에너지를 선택적으로 안내하기 위해 비등방성 물질로된 기질을 사용함으로써 증가될 수 있다.

본 발명은 한 모우드내의 모든 광선을 주파수 전이기에 입력시키고, 광파의 최소한 일부분이 주파수 전이 되어 다른 모우드에 결합되도록 음파와 광파를 헤테로다이닝 함으로써 단일 축파대 주파수 전이기로서 사용 될 수 있다. 이 결합되어 주파수 전이된 광선은 주파수 전이기로 부터의 이 다른 모우드내의 출력으로 되고, 원래 모우드내에 남아있는 다른 광선은, 예를들어 이러한 나머지 광선이 출력되지 못하도록 모달 휠터에 의해 억압된다. 예를들어, 복굴절성 광학 섬유가 사용되면, 입력광선의 편광은 적당하게 조정된 편광기와 편광 제어기에 의해서 한 편광 모우드내에 배타적으로 있는 광선을 발사시키도록 조정될 수 있다. 초기에 발사된 모우드의 광선 출력은 편광기에 의해 억압될 수 있다.

이제부터 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 이 특징 및 그 외의 다른 특징들에 대해서 상세하게 기술하겠다.

본 발명의 동작 원리에 대해서 먼저 설명하고, 본 발명의 실제 구성에 대해서는 다음에 설명하겠다.

양호한 실시예에서, 본 발명의 주파수 전이기는 제1도에 도시한 바와 같이 굴절률이 비교적 높은 중심 코어(12)와, 굴절률이 비교적 낮은 주위 피복물(14)를 갖고 있는 복굴절성 단일 모우드 광학 섬유(10)을 사용한다. 공지되어 있는 바와 같이, 복굴절성 광학 섬유는 편광 모우드 또는 광학 섬유를 통과하는 광학 통로에 각각 대응하는 2개의 복굴절 직교원축을 갖고 있다. 이 축들은 제1도에 X 및 Y로 표시되어 있다. 이 2개의 축들 중에 한 축을 따라 선형으로 편광된 광선은 광학 섬유 아래로 전달될 때 계속해서 선형으로 편광된다. 일반적으로, 편광 광선은 2개의 선형 편광 모우드들이 중첨된 것이라고 생각할 수 있다.

복굴절성 단일 노우드 광학 섬유의 2개의 편광 모우드들은 약간 상이한 속도로 광선을 전달한다. 그러므로, X축 모우드 내의 광선의 위상은 광선이 광학 섬유 아래로 전달될 때 Y축 모우드의 것에 관련해서 변화된다. 다른 모우드내의 광선에 관련해서 360°만큼 동상으로 한 모우드내의 광선을 분리시키는데 필요한, 광학 섬유를 따라 길이방향으로 측정된 거리는, 통상적으로 광학섬유의 비트 길이(beat length)라고 불리운 다. 수학적으로, 이 비트 길이는 다음과 같이 표시된다.

여기서, L은 비트 길이이고, λ는 광선의 파장이며, △n은 2개의 편강 모우드들의 굴절률 차이이다.

식(1)로부터, 비트 길이가 모우드들 사이의 굴절률의 차이에 반비례하므로, 광학섬유의 복굴절성에 반비례한다는 것을 알 수 있다. 결국, 고 복굴절성 광학섬유는 저 복굴절성 광학 섬유보다 짧은 비트 길이를 갖는다. 양호한 실시예의 광학 섬유(10)은 1㎜정도의 비트 길이를 갖고 있는 고복굴절성 광학 섬유이다. 고 복굴절성 광학 섬유를 제조하기 위한 통상적인 기술은 코어가 제1도에 코어(12)로 도시한 바와 같이 타원형으로 되도록 광학섬유를 연발하는 것이다.

고 복굴절성 광학섬유는 편광 모우드가 양호하게 정해지므로, 인가된 광선의 편광이 편광 모우드들 사이에 광선을 크게 결합시키지 않고서 광학섬유의 비교적 긴 길이에 걸쳐서 유지된다는 장점이 있다. 그러므로, 고복굴절성 광학 섬유의 편광 모우드들은, 광선이 이 모우들 사이로 이송되도록 결합되지 않는, 광학 섬유를 통하는 각각의 광학 통로라고 볼 수가 있다.

광학 논문지 (Optics Letters), 제8권, 제12호(1983년 12월), 656-658페이지의 "복굴절성 광학섬유 편광 결합기"란 명칭의 기사에 기술된 바와 같이, 복굴절성 단일 모우드 광학 섬유의 편광 모우드들 사이의 선택적인 광선 결합은 복굴절성의 원축에 관련해서 약45°각으로 복굴절성 광학 섬유에 힘을 가함으로써 달성될 수 있다. 이러한 힘은 광학섬유의 대향 측상의 2개의 철침(anvil) 또는 판 사이에 광학섬유를 압착시킴으로써 인가될 수 있다. 이러한 힘을 인가하면, 힘의 지점에서 복굴절성 축을 섬동하게 하여, 복굴절성 축이 작은 각만큼 회전하게 한다. 결국, 한 선형 편광 모우드로 발사된 광선이 국부적인 섭동을 하게 되면, 광건은 섭동된 복굴절성 축을 따라 선형으로 편광된 모우드들의 중첩위치로 분해되어, 효율적으로 광선을 한 편광 모우드로 부터 다른 모우드로 결합시키게 된다. 결합된 광선은 광학섬유 내의 응력이 정적 상태로 있기 때문에 주파수 전이되기 않고, 광학섬유 아래로 진행하지 않는다.

상술한 내용들은 간격을 두고 떨어진 다수의 릿지 (22, 24, 26)을 포함하는 릿지 구조물(20)을 개략적으로 도시한 제2도를 참조함으로써 더욱 용이하게 이해할 수 있다. 광학섬유(10)은 릿지(22, 24, 26)과 기부 블럭(28) 사이에 배치되므로, 광학섬유(10)이 이들 사이에서 압착될 수 있다. 광학섬유(10)의 축에 수직인 방향으로 릿지 구조물(20)에 힘을 인가아면, 각각의 릿지(22, 24, 26)에서 복굴절성 축이 섭동하게 되고, 광학섬 유(10)의 2개의 편광 모우드들 사이를 결합시키는 광학섬유(10)을 따른 선택적인 응력을 받은 영역 및 응력을 받지 않은 영역을 제공하게 된다. 모우드들 사이의 최대 결합의 경우에, 릿지(22, 24, 26)은 비트 길이 간격으로 떨어져 배치되는 것이 좋고, 각각의 릿지의 길이는 1/2 비트 길이로 되는 것이 좋다. 이 조건들을 만족시키게 되면, 각각의 릿지 (22, 24, 26)에서의 결합이 다른 릿지(22, 24, 26)에서의 결합과 누적되게 된다. 릿지 (22, 24, 26)의 갯수를 충분히 제공함으로써, 한 편광 모우드의 광선 입력이 다른 편광 모우드로 100%결합될수 있다. 이 결합 현상의 상세한 설명은 본 명세서에 참고문헌으로 사용된 상기 논문기사 및 특허출원서에서 찾아 볼 수 있다.

제2도의 릿지 구조물(20)에 의해 제공된 선택적인 응력을 받은 영역 및 응력을 받지 않은 영역들은 광학 섬유(10)의 축을 따라 길이 방향으로 전달하도록 발사되는 제3도의 음파(30)과 같은 실제 진행 음파에 의해 선택적으로 제공된다. 진행 음파(30)의 주기성은 광학섬유내에 대응하는 선택적인 응력을 받은 영역 및 응력을 받지 않은 영역을 제공하여 광학섬유의 편광 모우드들 사이의 결합을 야기시키기위해 선택적인 압축 영역 및 희박 영역을 제공한다. 최대 결합의 경우에는, 음파(30)의 파 길이가 광학섬유의 비트 길이와 동일 하도록 선택되는 것이 양호하다. 음파가 정현파이기 때문에, 각각의 선택적인 것이 양호하다. 음파가 정현파이기 때문에, 각각의 선택적인 압축 영역 및 희박 영역은 길이가 1/2 비트 길이로 되므로, 각각의 선택적인 응력을 받은 영역 및 응력을 받지 않은 영역도 길이가 1/2 비트 길이로 된다. 상술한 설명으로부터, 광 학섬유를 따라 선택적인 1/2 비트 길이의 응력을 받은 영역 및 응력을 받지 않은 영역을 제공함으로써 제3도의 음파(30)이 제2도의 1/2 비트 길이의 릿지(22, 24, 26)과 동일한 식으로 광학섬유의 편광 모우드들 사이의 광선을 누진적으로 결합한다는 것을 알 수 있다. 부수적으로, 광학 섬유 비트 길이와 동일한 음파길이가 최대 결합을 위해 양호한 동안, 파장이 비트 길이의 홀수배인 경우에도 누진적인 결합이 생길 수 있다는 것을 알 수 있다.

릿지(22, 24, 26)에 의해 발생된 광학섬유 응력들이 정적 상태로 있는 제2도의 릿지 구조물(20)과 반대로, 제3도의 진행음파(30)에 의해 발생된 광학 섬유 응력 패턴은 광학 섬유 아래로 진행한다. 이러한 응력 패턴 진행은 한 모우드로부터 다른 모우드에 결합된 광선이 이동 소오스로부터의 광선이 도플러 전이될 정도로 많이 주파수 전이되게 한다. 효율적으로, 광학 캐리어파와 음파는 음향 주파수와 광학 캐리어 주파수가 합 및 차 주파수에서 축파대를 제공하도록 가산적으로 및 감산적으로 결합하다록 헤테로 다인된다. 음파가 광선과 동일한 방향을 전달되면, 신속 편광 모우드로부터 저속 편광 모우드에 결합된 광선의 주파수가 상향 전이되고, 저속 편광 모우드로부터 신속 편광 모우드로 전달되는 광선의 주파수는 하향 전이된다. 음파가 광학 캐리어의 것과 반대방향으로 전달되면, 이 관계들은 반대로 되므로, 신속 모우드로부터 저속 모우드에 결합된 광선은 하향 전이되고, 저속 모우드로부터 신속 모우드에 결합된 광선은 상향 전이된다.

주파수 전이 결합의 경우에는 음파가 광학섬유내의 광학 모우드들의 비트 패턴에 적절하게 위상 정합되어야 한다. 본 발명에서, 이러한 위상 정합은(음파의 전달 방향이 아니라) 광학섬유의 축을 따라 측정된 바와 같은 음향 파장이 광학섬유의 비트 길이와 동일할 때 생긴다. 상이하게 나타난 신속 모우드(저 굴절률), 저 속 모우드(고 굴절률) 및 음파의 전달 상수는 다음의 관계를 만족시켜야 한다.

여기서 K₁은 신속 모우드의 전달 상수이고, K₂는 저속 모우드의 전달 상수이며, K_a는 광학 섬유를 따르는 음 전달 상수의 성분이다.

편광 모우드들 사이에 광선을 주파수 전이 결합시키는 것은 cos(Wt-K₁z)로서 신속 광학 모우드내의 광선을 나타냄으로써 수학적으로 검사될 수 있는데, 역시서 w는 광선의 각 주파수이고, t는 시간이며, z는 광학섬유 축을 따르는 거리이다. 음파는 cos(W_at-K_aZ)로서 표시될 수 있다. 이 2개의 파들의 상호작용은

에 비례하는 적(product)항을 만든다.

식(3)의 제2항은 식(2)의 위상 정합 조건을 만족시키지 못하므로, 이 항으로 나타난 신호는 흐려지는 것으로 예상된다. 그러나, 제1항은 식(2)에 따라서 저속 모우드와 위상 정합되고, 저속 모우드가 상향 전이되는 것을 명확히 나타낸다. 이와 유사한 분석은 저속 모우드가 음파와 상호작용하는 경우에, 최종적인 상호작용의 표면이

로 되는 것을 나타낸다.

식(3)의 제2항과 마찬가지로, 식(4)의 제2항은 위상 정합되지 않으나, 나머지항은 식(2)에 따라서 신속 모우드와 위상 정합되고 하향 전이파를 명확히 나타낸다.

그러므로, 상술한 분석으로 부터, 상 측파대가 한 편광내에 포함되고 하측파대가 다른 편광내에 포함된다는 것을 알 수 있다. 바람직한 축파대는 편광기를 통해 출력 광선을 보냄으로써 선택될 수 있다.

상술한 위상 정합 필요성은, 파두가 광학 섬유 축에 수직이고 광학 섬유 아래로 길이방향으로 전달되는 음파의 경우에, 음파 주파수의 파장이 광학 섬유 비트 길이와 동일하도록 되어야 한다는 것을 나타낸다. 광학 섬유 비트 길이는 전형적으로 1㎜ 이상이기 때문에, 이러한 길이방향으로 전달되는 음파로 부터의 최대 유용주파수 전이는 단지 수 ㎒정도로 된다.

제4도에 도시한 바와 같이, 본 발명의 주파수 전이기는 고 복굴절성 단일 모우드 광학 섬유(46)의 축(48)과 각을 이루고 있는 화살표(43)으로 표시된 바와 같은 방향으로 전달되는 음파(42)를 발생시키도록 음향 변환기(40)을 배치함으로써 이 제한을 극복한다. 이러한 배치는 파(42)의 파두(44)가 본 명세서에서 "입 사각"이라고 규정한 각 θ로 고복굴절성 단일 모우드 광학섬유(46)과 음향학적으로 접촉하도록 보내지게 한다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이, "입사각"이란 광학 섬유상에 충돌하는 음파의 파두와 이 광학섬유의 종축 사이의 호각을 말한다. 음파(42)의 [전달방향(43)에서 측정된] 파장λa와 입사각 θ는 인접한 파두(44)가 광학섬유 축(48)을 따르는 방향에서 측정된 한 광학 섬유 비트 길이 L만큼 간격을 두고 떨어지도록 양호하게 선택된다. 파두(44)의 이 비트 길이 간격은 상술한 위상 정합조건을 만족시키므로, 광학 섬유 축(48)을 따르는 음향 전달성분을 상기 식(2)를 만족시키게 된다. 이 배열은 상당히 짧은 음향파장을 사용할 수 있게 하므로, 지금까지 사용했던 것보다도 더 높은 음향 주파수를 사용하여 위상 정합 조건을 만족시킬 수 있게 한다. 제5도에 도시한 바와 같이, 간단한 삼각법은 위상 정합조건이

일때 만족된다는 것을 나타낸다. 따라서, 입사각 θ를 변화시킴으로써 음향 파장과 음향 주파수를 손쉽게 변화시킬 수 있다. 식(5)는 다음과 같이 음향 주파수 Wa의 항으로 다시 표시될 수 있다.

여기서, Va는 음파의 전달 속도이다. 제6도는 음향 주파수와 입사각 사이의 관계를 그래프식으로 도시하고, 매우 작은 입사각(예, 수 도 또는 미소 도)의 경우에, 사용된 음향 주파수가 매우 높게 될 수 있는 것을 도시한 도면이다. 음향 주파수는 θ가 90°일때(즉, 음향 파두가 광학 섬유에 수직일때) 최소로 있게 된다. 일예로서, 입사각 3°는 비트 길이가 1㎜인 광학섬유의 경우에 95㎒의 음향 주파수를 사용할 수 있게 된다. 또한, 음향 변환기(40, 제4도)를 조정가능하게 장착함으로써, 입사각은 광학섬유(46)을 방해하지 않고서 변화될 수 있으므로, 가변 광학섬유 주파수 전이기를 만들게 된다. 이러한 조정가능한 장착방법은 선택된 주파수에서 적당히 위상 정합하기 위해 입사각을 동조시키기에도 유리하다.

광학 섬유(46)에 관련해서 각이 있게 파(42)를 보냄으로써, 파(42)의 전달 위상 속도는 전달 방향(43)을 따르는 것보다 광학 섬유 축(48)을 따른 방향으로 더 높게 된다. 본 명세서에 사용된 바와같이, "전달 위상 속도"란 파두의 교차점[예, 파두(44)의 교차점]과 축정축(48)을 이동시키는 특정한 축정선[예, 방향(43) 또는 축(48)]을 따라 축정된 속도를 말한다.

양호하게도, 크기 d로 표시된 바와 같은 전달 방향(43)에서 측정된 음향 변환기 (40)과 광학섬유(46) 사이의 최소 공간은 최소한 파(42)의 프레스넬(Fennel) 영역의 길이와 동일하므로, 파(42)는 프라운호퍼(Fraunhofer) 영역내의 광학섬유(46)과 접촉한다. 공지되어 있는 바와 같이, 프레스넬 영역의 길이는 변환기의 구조 뿐만아니라 파(42)의 파장에 의해서 결정된다.

프라운호퍼 영역에서는, 파가 프라운호퍼 영역으로 들어간후에 신속하게 분기됨으로써 세기가 감소되는 경향이 있지만, 파두가 프레스넬 영역에서 보다 더 양호하게 정해진다. 파(42)는 프레스넬 영역과 프라운호퍼 영역 사이의 접점에서 최대 세기로 양호하게 정해지고, 어떤 응용의 경우에는, 이러한 접점에 광학섬유를 배치하는 것이 양호하다.

본 발명의 주파수 전이기는 벌크파 장치나 표면파 장치로 구성될 수 있으나, 양호한 실시예에서는 벌크파 장치를 사용하는데, 그 이유는 이 벌크파 장치가 표면파 보다 더 높은 주파수에서 벌크파를 발생시키어 더 높은 주파수 전이를 할 수 있게 하기 때문이다. 제7도에 도시한 바와같이, 양호한 실시예는 벌크 음파 변환기(50)과 알루미늄 블럭 또는 압압판(52), 및 이들 사이의 단일 모우드 복굴절성 광학섬유(54)로 구성된다. 변환기(50)과 압압판(52)는 변환기(50)과 광학섬유(54)의 음량 접촉을 양호하게 하기 위해 광학 섬유(54)를 그 양측면으로부터 누르도록 기계적으로 결합되거나 함께 고정된다. 양호하게도, 압압판(52)는 최소한 변환기(50)의 대응 길이만큼 긴 길이를 따라 광학섬유(54)를 누른다. 변환기(50)과 판(52)를 기계적으로 결합시키기 위해 너트 및 볼트(도시하지 않음)와 같은 그외의 다른 적당한 장치가 사용될 수도 있다. 양호하게도 이러한 볼트는 광학섬유(54)상의 정적 압력을 조종할 수 있도록 스프링 부하되어야 한다. 또한, 음향 접촉을 증가시키기 위해서 광학 섬유(54)와 변환기(50)사이에 음향 결합 겔(gel, 도시하지 않음)을 인가하는 것도 유리하다. 특정한 예에 의하면, 결합 겔은 펜실베니아주, 레비스타운에 소재한 에코우 라보라토리스 사에서 시판하고 있는 소노트랙(Sonotrak)진단의약 초음파 주사 결합제이다. 광학 섬유상에 나온 정적 압력은 양호한 음향 접촉을 하기에 충분하도록 조심스럽게 조종되어야 한다. 압력이 너무 많으면, 편광 모우드들 사이에 비-주파수 전이 광선의 상당량이 바람직하지 못하게 결합될 수 있다.

양호한 실시예의 변환기(50)은 단면이 삼각형으로 되고 용응 석영으로된 웨지형 블럭(56)으로 형성된다. 웨지형 블럭(56)은 5개의 평평한 표면, 즉, 장방형의 직각 삼각형 사변(58), 장방형의 제1측면(60), 장방형의 제2측면(62), 및 제7도에 단1개만 도시된 한쌍의 삼각형 단부 표면(64)를 갖고 있다. 한쌍의 삼각형 단부 표면(64)를 갖고 있다. 그러므로, 직각 삼각형 사변(58)은 삼각형 단면의 사변을 형성하고, 서로 직각을 이루는 측면(60, 62)는 삼각형 단면의 측연부를 형성한다. 블럭(56)은 삼각형 사변(58)이 광학섬유(54)와 접촉하도록 배치되므로, 복굴절성 축은 사변(58)에 관련해서 45°로 있게 된다. 단부 표면(64)는 사변(58) 및 표면(60, 62)와 수직으로 되고, 광학섬유(54)의 종축에 평행하게 된다. 측면(60)은 사변(58)과 각 θ를 형성한다. 측면(62)는 이 각 θ와 대향한다.

압전(PZT)물질로된 박판(66)은 2개의 전극(68, 70)사이에 접합되고, 전극(70)은 석영 블럭(56)의 제1측면(60)에 접합된다. PZT박판(66)의 단부는 전극들이 전기 신호 발생기 (도시하지 않음)에 의해 구동될때 PZT박판(66)이 광학섬유(54)의 종축에 관련해서 각 θ로 석영 웨지를 통해 진행하는 평평한 파두를 갖고 있는 종방향 벌크파를 여기시키도록 발진하도록 석영 블럭(56)의 제1측면(60)에 직각으로 되어 있다. 입사 음파는 각 θ와 음향주파수의 적당한 선택을 통해, 제4도를 참조하여 기술한 바와같이, 2개의 광학 모우드를 결합하도톡 적당히 위상 정합된다. 유리하게도, 웨지(56)내의 반사들은 광학 모우드들의 비트 패턴에 적당히 위상 정합되지 않기 때문에 상당한 의사 측파대를 발생시키지 않는다.

상술한 주파수 전이기는 단일 측파대 변조 광선을 제공하는데 사용될 수 있다. 제8도를 참조하면, 입력 광파 Wi는 우선 광선이 광학섬유(54)의 한 복굴절성 원축을 따라 선형으로 편광되도록 편광기(72)와 같은 모달(modal)휠터를 통과한다. 이미 기술한 바와같이, 주파수 전이의 방향(즉, 상향 전이 또는 하향전이)는 광선이 신속 모우드로 입력되는지 저속 모우드로 입력되는지의 여부 뿐만아니라 음파 전달 방향에 의해서 결정된다. 렌즈(74)는 광학 섬유(54)의 단부로 삽입하기 위해 편광기(72)로 부터 광선을 집속시키는데 사용 된다. 변환기(50)과 판(52)의 기계적인 결합은 복굴절성 축을 섭동할 수 있는 정적 응력을 광학섬유 내에 발생시키기 때문에, 편광을 최종적으로 조정함으로써 복굴절성 축의 이러한 섭동을 보상하기 위해 음향 변환기 바로 앞에 편광 제어기 (76)이 제공된다. 본 발명에 사용하기에 적당한 복굴절성 단일 모우드 광학섬유 편광 제어기의 한 형태는 응용 광학지(Applied Optics), 제8권, 제11호(1979년 6월 1일), 1857-1861페이지에 알. 울리치와 엠. 존슨(R. Ulrich와 M. Johnson)이 "단일 모우드 광학 섬유 편광 회전기"란 제목으로 쓴 기사에 기술되어 있다.

광선이 광학 섬유 주파수 전이기를 통해 전달하면, 이 광선은 제3도 내지 제7도를 참조하여 기술한 바와같이, 이 광선이 입력되는 모우드로부터 이러한 결합된 광선이 음향 주파수와 동일한 양만큼 주파수 전이 되는 모우드로 최소한 부분적으로 결합된다. 그러므로, 광학섬유(54)에서 나오는 광선은 한 모우드내의 주파수 전이된 광선을 포함하게 되고, 입력 광선이 100% 결합되지 않는 경우에 다른 모우드내의 비-전이 광선을 포함하게 된다. 이때 광선은 시준(collimation)목적을 위해 렌즈(78)을 통과한 다음, 원래 모우드내의 비-전이 광선을 차단시키도록 배향된 편광기(80)과 같은 모달 휠터를 통과하므로, 전이된 광선만이 출력파 Wo를 형성하도록 편광기(80)에 의해 통과된다. 제8도에는 벌크 광학 편광기가 도시되어 있으나, 이 분야에 숙련된 기술자들은 미합중국 특허 제4,386,822호에 기술된 바와앝은 인-라인 광학섬유 편광기가 여러 분야에 유리하게 응용될 수 있다는 것을 알 수 있다.

제7도의 광학 섬유 주파수 전이기는 제8도에 도시한 것과 유사한 배열을 사용하는 단일 측파대 변조기로서 검사되었다. 변환기(50)은 2.25W의 전력으로 15㎒에서 구동되었다. 입사각은 13.5°이었고 광학 섬유 비트 길이는 632.8㎜에서 1.65㎜이었다. 632.8㎜캐리어 및 바람직하지 못한 측파대는 바람직한 측파대 이하로 20db이상 양호하게 억압되었다. 판과 변환기에 의한 광학 섬유상의 입력 편광 및 정적 응력은 입력 광학 캐리어 주파수의 출력 광선이 주파수 전이기에서 나올때 입력 편광으로 있도록 조심스럽게 조정 되었으므로, 이것은 출력 편광기(80)을 정확히 조정함으로써 억압될 수 있다.

응용시에 양호하게 될 수 있는 본 발명의 선택적인 실시예는 제9도에 도시되어 있다. 제7도의 벌크파 장치와는 달리, 제9도의 장치는 표면 음파 주파수 전이기이다. 이 장치는 단일 모우드 복굴절성 광학 섬유(92)를 지지하기 위해 알루미늄과 같은 물질로된 장방형 하부 기부 블럭(90)을 포함한다. 알루미늄으로된 장방형 상부 블럭(94)는 광학섬유의 상부에 배치되므로, 광학섬유(92)는 하부 블럭(90)의 평평한 상부 표면(96)과 상부 블럭(94)의 평평한 하부 표면(98)사이에 있게 된다. 압력은 양호한 음향 접촉을 제공하도록 블럭(90, 94)의 표면(96, 98)로 각각 광학 섬유(92)를 누르기 위해 상부 블럭(94)의 상부 표면(100)에 인가된다. 이러한 압력은 상부 표면(100)에 추(도시하지 않음)를 제공함으로써 달성될 수 있다. 이 추와 상부 블럭 (94)자체의 중량에 의해 제공된 압력을 제외하면, 상부 블럭(90)과 하부 블럭(94)사이에 기계적인 결합이 없게 된다. 제7도의 변환기에 의하면, 표면(98)과 광학 섬유(92)사이의 음향 결합 겔이 음향 접촉을 개량 시킬 수 있다.

연부 접합 PZT변환기(102)는 상부 블럭(94)의 측면(104)에 접합된다. 이 변환기(102)는 PZT박판의 면에 접합된 전극(도시하지 않음)을 갖고 있다. 전극들이 AC신호로 구동되면, 상부 블럭(94)의 하부 표면(98)에 직각 방향으로 단부가 있는 PZT는 제9도내에 파(106)으로 도시한 바와같은 표면 음파를 상부 블럭(94)의 하부 표면(98)상에서 유도하도록 발진하게 된다. 변환기(102)는 제9도에서 볼 수 있는 바와같이 하부 좌측 모서리에 있는 블럭의 한 모서리에, 즉 하부 표면(98)과 측면(104)사이의 접점에 배치된다. 이 하부 좌측 모서리는 정방형으로 되어 있고, 상부 블럭의 나머지 모서리는 반사를 감소시키도록 원형으로 되어 있다. 원형 모서리는 상부 블럭(94)내에 벌크파를 여기시킬 가능성도 감소시킨다. 바람직하지 못한 표면 음파를 억압시키는 것은 상부 블럭 (94)의 표면상에 완충 물질(107)을 배치시킴으로써 달성될 수 있다. 이러한 물질은 변환기(102)로부터 대각선으로, 즉 상부 표면(100)이 측면(108)과 접합되는 제9도의 상부 우측 모서리에 배치될 수 있다. 이 완충물질(107)은 표면(104, 100 및 108)을 따라 진행하는 표면 음파를 흡수하므로, 표면(98)을 따라 전달되는 표면파 만이 파(106)으로 된다. 특정한 예에 의하면, 물질(107)은 캘리포니아주 베르논에 소재한 존스-맨빌레(Johns-Manville)에서 시판하고 있는 덕스-씰 (Dux-Seal)로 될 수 있다.

연부 접합 표면 음파 변환기들은 이 분야에 공지되어 있고, IEEE회보, 1976년 5월호, 627-630페이지에 "연부 접합 변환기의 SAW성분 응용(Applications of Edge Bonded Transducers to SAW Components)"란 제목의 기사와 같은 다수의 출판물에 기술되어 있다.

제9도에 도시한 표면파(106)이 하부 표면(98)로 전달될때, 파동하는 하부 표면(98)은 광학 섬유와 초기 접촉하도록 힘을 받음으로써, 광학섬유 내에 진행 응력 패턴을 발생시킨다. 제3도 내지 제6도를 참조하여 기술한 바와같이, 표면 음파(106)의 주파수(또는 파장)이 광학 섬유(92)의 비트 길이와 위상 정합되면, 광선은 광학 섬유(92)의 한 편광 모우드로부터 다른 편광 모우드로 결합되므로, 이러한 결합 광선은 음파(106)의 주파수와 동일한 양만큼 주파수 전이된다. 또, 상부 블럭(94)의 상부 표면(100)에 인가된 압력은 양호한 음향 접촉을 제공할 정도로 되어야 하는데, 그 이유는 이러한 압력이 하부 표면(98)의 길이를 통해 광학섬유의 복굴절성 축을 섭동시키기 때문이다. 단일 측파대 변조는 제8도에 도시한 동일 배열을 사용함으로써 달성될 수 있다. 유사한 배열을 사용한 검사 결과, 광학섬유의 비트 길이와 동일한 음향 파장(632.8㎚에서 1.65㎜)를 발생시키는 1.45㎒의 주파수에서 변환기가 구동되도록 도전되었다. 바람직하지 못한 측파대는 30db이상 억압되는 것으로 측정되었다.

여러가지의 주파수 전이량은 표면파(106)의 파두들이 선택된 입사각에서 광학섬유(92)와 음향학적으로 접촉하도록 하부 블럭에 관련해서 상부 블럭을 회전시킴으로써 제9도의 표면파 장치를 사용하여 이루어질 수 있는데, 이 표면파(106)의 파두들은 제4도를 참조하여 상세하게 기술한 바와같이 특정한 음파장에서 광학 섬유의 비트 길이와 위상 정합되어야 한다. 블럭(94)의 이러한 회전식 재배치는 상부 블럭(94)와 하부 블럭(90)이 함께 기계적으로 결합되지 않기 때문에 용이하게 이루어질 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 광학 섬유(110)은 예를 들어 에폭시 접합제 또는 인듐 접합제에 의하여 실리콘으로된 기부 블럭(112)의 상부 표면에 부착된다. 실리콘은 비교적 고속으로 표면파를 전달시키기 때문에 유리하다. 전단파 변환기(114)는 예를들어 화살표(118)로 표시된 바와같은 방향으로 광학섬유(110)을 향해 블럭(112)의 평평한 상부 표면(116)을 따라 전달하기 위한 표면 음파를 발생시키는데 사용된다. 전단 파 변환기는 이 분야에 공지되어 있고, 직각 삼각형으로 된 단면을 갖고 있는 석영으로된 웨지형 블럭으로 구성될 수 있다. 도시한 실시예에서, LiNbO₃판은 웨지형 블럭(114)의 사변 또는 표면(122)에 접합된다.

전극(도시하지 않음)들은 판(120)이 표면(122)에 평행 방향으로 전단 편광되도록 판(120)상에 배치된다. 전극에 적당한 AC 구동 신호를 인가하면, 판(120)내에서 발진을 야기시키게 되어 석영 블럭내에 전단파를 발생시키게 된다. 전단파들은 웨지 (114)의 형태에 의해 결정된 각으로 블럭(112)의 상부표면(116)을 향해 하향으로보내진다. 전단파들은 표면(116)내에서 표면 음파를 유도하여, 화살표(118)로 표시한 방향으로 광학 섬유를 향해 전달시킨다. 전단파 웨지 변환기의 상세한 설명은 미시간주 앤아버, 앤. 지브 로드, 300에 소재한 유니버시티 마이크로필름 인터내쇼날(University Microfilms International)로부터 캘리포니아주, 스탠포드에 소재한 스탠포드 유니버시티, 에드워드엘. 진크론 실험실(Edward L. Ginzton Laboratory), 더블유. 더블유. 한센 실험 보고 사무실(W.W Hansen Laboratories Reports Office)를 통해 시판하고 있는 진크론 실험 보고서 2973호(1979년 5월)에 프라서(Fraser)가 쓴"효율적인 광대역 초음파 변환기의 설계"란 제목의 보고서에서와 같은 문헌에 기술되어 있다. 종방향 파웨지 변환기를 사용하는 선택적인 방법은 응용물리학지(Applied Physics Letters), 제32권, 제11호(1978년 6월 1일), 698-700페이지에 프라서 등이 쓴"효율적인 광대역 웨지 변환기의 설계"란 제목의 기사와, ASTM회보, TP 127(1954년 5월), 81-84페이지에 쿠크(Cook)등이 쓴 "초음파 주파수의 표면파"란 제목의 기사에 기술되어 있다.

제10도에 도시한 주파수 전이기는 광학섬유를 자유롭게 장착하는 것이 광학섬유를 제위치에 유지하기 위한 정적 응력에 좌우되지 않으므로, 복굴절성 축의 섭동이 감소되거나 제거된다는 장점이 있다. 부수적으로, 화살표(118)로 표시한 표면 음파의 전달 방향, 즉 입사각은 블럭(114)와 표면(116)이 기계적으로 결합 되지 않기 때문에 표면(116)상에 웨지형 블럭(114)를 재배치시킴으로써 변화될 수 있다. 그러므로, 제10도 의 실시예는 가변주파수 전이를 할 수 있고, 바람직한 특정한 주파수에서 위상 정합하는데 필요한 입사각을 만들도록 표면음파의 전달 방향을 조종함으로써 선택된 주파수 전이가 얻어질 수 있다. 측면(124, 125)로부터 음파의 역반사를 방지하기 위해 블럭 (112)의 측면(124, 125)를 따라 블랙 왁스(black wax)와 같은 흡수 물질(도시하지 않음)를 양호하게 배치할 수 있다.

제11도에 도시한 바와같이, 광학 섬유(110)을 표면(116)에 부착시키는 한 방법은 에폭시 접합제와 같은 접합물질(126)에 의한 것이다. 표면(116)과 광학섬유(110)사이의 음향 접촉을 양호하게 하기 위해서, 접합제(126)이 경화되는 동안 일정한 힘으로 표면(116)을 향해 광학 섬유(110)을 누르도록 광학섬유 상부에 추에 의해 압력을 인가하는 것이 양호하다. 이러한 추는 접합제가 경화되고 난후 주파수 전이기로서 장치를 사용하기 전에 제거되어야 한다. 추가 제거되면, 접합 물질(126)은 양호한 음향 접촉을 위해 표면(116)을 향해 광학 섬유를 빼내도록 장력을 갖게된다. 부수적으로, 광학섬유(110)은 복굴절성 축이 제11도에 도시한 바와같이 표면(116)에 관련해서 45°로 되도록 부착되어야 한다.

음파의 전달 위상 속도는 제4도를 참조하여 기술한 바와같이 여러개의 축을 따라 측정될 수 있으나, "위상 전달 방향"이란 음향파두에 수직인 방향을 말하고, 본 명세서에서 설명하기 위해서 사용된다. 그러므로, 제4도의 위상 전달 방향은 화살표(43)으로 도시되어 있고, 제10도의 대응하는 위상 전달 방향은 화살표(118)로 도시되어 있다. 음파가 석영과 같은 등방성 물질을 통해 전달되면, 음향에너지 유동 또는 전달 방향은 위상 전달 방향과 동일하게, 즉 음향 파두에 수직인 방향으로 된다. 그러나, 음파가 비등방성 물질로 되면, 음향 에너지 전달 방향은 위상 전달 방향과 다르게 된다. 이 분야에서 숙련된 기술자들에게 공지되어 있는 바와같이, 비등방성 물질의 에너지 전달 방향은 물질의 원자 또는 결정 구조에 의해 결정된다. 그러므로, 등방성 물질과는 달리, 비등방성 물질은 음향 에너지가 위상 전달 방향과 동일하지 않은 에너지 전달 방향으로 본 명세서에서 참조한 방향으로 차동적으로 전달되게 한다. 일반적으로, 각각의 위상 전달 방향은 대응하는 에너지 전달 방향을 갖게 되는데, 이 두 방향은 모두 결정 구조물과 변환기의 상대 배향에 좌우된다.

제10도의 실리콘 블럭(10)는 비등방성이므로, 매우 약하기 때문에, 위상 전달 방향과 에너지 전달 방향은 거의 유사하게 된다. 또한, 바람직한 경우에, 표면(116)에서의 원자 구조의 배향은 실리콘이 등방성 물질로서 작용하도록 선택될 수 있다.

비등방성 물질의 음향 전달 특성은 광학 섬유와 음향 파두의 음향 접촉을 증가시키기 위해 본 발명에 유리하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 제12도를 참조하면, 기질(140)은 LiNbO₃와 같은 강-비등방성 물질로 된 얇은 스트립으로 형성될 수 있다. 광학 섬유(142)는 이 광학섬유(142)의 종축이 제12도에 화살표(144)로 표시된 비등방성 기질(140)의 에너지 전달 방향과 평행하게 되도록(예를 들어, 제11도를 참조하여 기술한 방법으로)기질(140)의 표면(143)상에 장착된다. 도시한 실시예에서, 기질(140)은 종방향 측면(146)이 광학 섬유(142)의 축과 에너지 전달방향(144)에 평행한 얇은 장방형 스트립으로 형성된다. 표면 음파(148)은 인터디지탈(interdigital)변환기(150)에 의해 발생된다. 이 분야에 숙련된 기술자들은 이 변환기(150)이 바람 직한 에너지 전달방향(144)와 바람직한 위상 전달 방향(152)를 발생시키기 위해 기질 표면(143)의 결정구조 에 관련해서 적당히 배치되어야 한다는 것을 알수 있다. 본 발명에서, 변환기는 방향(144)로 표면(143)을 따라 종방향으로 음파 에너지를 전달하도록 배치된다. 변환기(150)은 또 음파의 위상 전달 방향(152)가 광 학섬유(142)와 입사각 θ로 되도록 배치된다. 그러므로, 음파(148)의 파두(149)가 [제4도의 파두(44)와 동일한 방법으로]광학 섬유(142)에 관련된 각으로 보내지게 되지만, 이 파두들의 음향 에너지는 방향(144)로 광학섬유 아래로 종방향으로 전달된다. 이것은 음향 파두(149)가 광학섬유-기질 공유영역의 길이를 통해서 광학섬유(142)와 음향학적으로 접촉되게 한다. 음파(148)의 음향 에너지가 방향(144)가 아니고 방향(152)로 전달되면, 파두(149)는 이러한 공유영역을 통해서 광학섬유(142)와 접촉하기에 충분한 길이로 되지 않고, 변환기(150)과 대향한 단부(154)가 아니라 기질(140)의 측면(146)으로 전달된다. 그러므로, 기질(140)용으로 비등방성 물질을 사용하는 것이 매우 이롭다는 것을 알 수 있다.

이 분야에 숙련된 기술자들은 인터디지탈 변환기(150)이 단부(154)와 대향한 기질(140)의 단부(160)에서 기질(140)과 광학섬유(142)사이의 표면(143)에 직접 접합되는 얇은 전극(156, 158)로 구성될 수 있다는 것을 알 수 있다. 인터디지탈 변환기는 이 분야에 공지되어 있고, IEEE회보 "마이크로파 원리 및 기술"제 MTT-17권, 제11호, 856-864페이지 및 865-873페이지(1969년 11월)에 더블유. 알 스미스(W.R. Smith)등이 쓴 "등가회로 모델의 사용에 의한 인터디지탈 표면파 변환기의 분석" 및 "인터디지탈 변환기로 표면파 지연선의 설계"란 제목의 기사에 기술되어 있다. 인터디지탈 변환기의 전극들은 제12도에 도시한 바와같이 다른 전극의 전기적으로 접속된 휭거형 (finger-like)돌출부의 유사한 셋트에 삽입되는 한 셋트의 전기적으로 접속된 휭거형 돌출부로 각각 구성된다. 전극(156, 158)은 표면 음파(148)을 발생시키는 기질(140)내에서의 발진을 야기시키도록 A.C.신호 발생기에 의해 구동된다. 제10도를 참조하여 기술한 바와같이, 음파(148)의 바람직하지 못한 반사를 방지하기 위해 단부(154)에서 기질(140)의 연부를 따라, 블랙왁스와 같은 음향 흡수 물질(도시하지 않음)을 배치하는 것이 양호하다.

상술한 모든 실시예들은 주파수 전이된 광선이 복굴절성 단일 모우드 광학 섬유의 2개의 편광 모우드 사이에 결합되는 복굴절성 단일 모우드 광학 섬유에 대해서 기술되어 있으나, 선택적으로, 비복굴절성 광학 섬유가 본 발명에 사용될 수도 있다. 비복굴절성 광학섬유의 경우에, 광학섬유는 2개의 모우드, 즉 사용된 광선의 특정한 파장에 대한 제1 및 제2등급 모우드를 지지하도록 선택되어야 한다. 제4도 내지 제6도를 참조하여 편광 모우드에 대해 기술한 것과 동일한 방식으로, 음향 파장에 제1 및 제2등급 모우드 사이의 비트 길이를 위상 정합함으로써, 주파수 전이된 광선은 2개의 모우드들 사이에, 즉 제1등급 모우드로부터 제2등급 모우드로 결합된다. 이러한 결합은 모우드들이 광학섬유 아래로 진행할때 음향 응력에 의해 야기된 모우드들의 섭동으로 인한 것이다. 이러한 모달 결합의 원리의 상세한 설명은 본 명세서에 참조 문헌으로 사용된 광학 논문지(Optics Letters), 제9권, 제5호, 1984년 5월, 177-179페이지에 알.씨.영퀴스트 (R.C.Youngquist)등이 쓴 "2-모우드 광학섬유 모달 결합기"란 제목의 기사에 기술되어 있다. 그러므로, 비복굴절성 광학섬유가 제8도의 단일 측파대 변조기에 선택적으로 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 경우에, 편광 제어기(76)과 편광기(72, 80)은 필요하지 않다. 입력 광선은 광학 섬유의 제2등급 모우드에서 배타적으로 발사되어야 하고, 모우드 스트리퍼(도시하지 않음)와 같은 모달 휠터는 제1등급 모우드에 결합된 주파수 전이된 광선만이 장치로부터 출력되도록 제2등급 모우드를 억압하기 위해 장치의 외단부에 배치되어야 한다.

Claims (15)

1. 제1 및 제2속도로 광선을 전달하는 제1 및 제2모우드를 갖고 있는 광학섬유, 및 음파를 발생시키고 음파의 파두가 0°이상 90°이하의 입사각으로 광학섬유와 음향학적으로 접촉하도록 광학 섬유에 관련해서 배치된 음향 변환기로 구성된 것을 특징으로 하는 광학섬유 주파수 전이기.
2. 제1항에 있어서, 광학섬유가 복굴절성 단일 모우드 광학섬유이고, 제1 및 제2모우드가 복굴절성 단일 모우드 광학섬유의 2개의 직교 편광 모우드인 것을 특징으로 하는 광학섬유 주파수 전이기.
3. 제1항에 있어서, 음파의 파장이 광학섬유의 비트 길이 곱하기 입사각의 sine값과 거의 동일한 것을 특징으로 하는 광학섬유 주파수 전이기.
4. 제1항에 있어서, 음파가 벌크 음파인 것을 특징으로 하는 광학섬유 주파수 전이기.
5. 제1항에 있어서, 표면을 가진 부재를 포함하고, 광학섬유가 이 표면과 음향 접촉하여 배치되며, 음파가 이 표면을 따라 전달되는 표면 음파를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학섬유 주파수 전이기.
6. 제5항에 있어서, 변환기가 음파의 입사각을 선택적으로 변화시키도록 광학섬유에 관련해서 위치를 조종하기 위해 이동식으로 장착되는 것을 특징으로 하는 광학섬유 주파수 전이기.
7. 제1항에 있어서, 입사각이 30°이하인 것을 특징으로 하는 광학섬유 주파수 전이기 .
8. 제1항에 있어서, 광학섬유의 축을 따라 음파의 음향 에너지를 차동적으로 안내하기 위한 기질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 섬유 주파수 전이기.
9. 제1항에 있어서, 기질이 비등방성물질로 형성된 것을 특징으로 하는 광학섬유 주파수 전이기.
10. 제1항에 있어서, 결합된 광선이 음파의 주파수의 동일한 양만큼 주파수전이 되도록 음파가 제1모우드의 광선 입력을 제2모우드에 결합시키는 것을 특징으로 하는 광학 섬유 주파수 전이기.
11. 제10항에 있어서, 제1모우드내의 주파수 전이기로부터의 출력 광선을 억압시키기 위한 모달 휠터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학섬유 주파수 전이기.
12. 2개의 모우드를 갖소 있는 광학섬유를 포함하는 광학섬유 주파수 전이기에 의해 발생된 주파수 전이량을 증가시키는 방법에 있어서, 음파를 발생시키는 수단, 및 0°이상 90°이하의 입사각으로 음파의 파두가 광학섬유와 음향 접촉하도록 음파를 보내어, 2개의 모우드들 중의 한 모우드의 광학섬유 광선 입력을 2개의 모우드들 중의 다른 모우드에 결합시키고 음파의 주파수와 동일한 양만큼 주파수 전이시키는 수단을 포함하 는 것을 특징으로 하는 주파수 전이량 증가방법.
13. 제12항에 있어서, 음파의 파장이 광학 섬유의 비트 길이 곱하기 입사각의 sine값과 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제12항에 있어서, 음파가 벌크음파인 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제12항에 있어서, 음파가 주파수 전이를 야기시키기 위해 광학섬유를 음향학적으로 접촉시키도록 보내져서, 음파의 위상 전달 방향이 광학섬유와 각을 이루게 되고, 음파의 에너지 전달 방향이 광학섬유에 거의 평행하게 되는 것을 특징으로 하는 방법 .

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