NL8304435A

NL8304435A - Optische frequentieomzetter, evenals girometer voorzien van een dergelijke inrichting.

Info

Publication number: NL8304435A
Application number: NL8304435A
Authority: NL
Original assignee: Thomson Csf
Priority date: 1982-12-23
Filing date: 1983-12-23
Publication date: 1985-05-01
Also published as: GB2151806B; NL192466B; IT8368302A0; FR2555769A1; FR2555769B1; DE3346058C2; CA1255139A; DE3346058A1; NL192466C; GB2151806A; IT1160140B

Description

83A013

Korte aanduiding: Optische frequentieomzetter evenals giro- I

meter voorzien van een dergelijkeinrichtino. I

De uitvinding betreft een frequentieonzetinrichting I

in een geïntegreerde optiek. I

5 De klassieke optische frequentieomzetters zijn alge- I

meen bekend. De meest algemeen gebruikte frequentieomzetter I

is zeker die welke op akoesto-optische interactie is geba- I

seerd. In deze methode plant een akoestisch netwerk zich j

voort in een medium waarin periodieke variaties van de bre- I

10 kingsindex worden veroorzaakt in de vorm van een progressieve I

golf. Dit bewegende netwerk breekt het licht. Wanneer de I

interactielengte voldoende is kan een enkele orde overheersend I

zijn. In de gebroken orde (ii^) is de frequentie tü van de opti- I

sche golf gewijzigd met een waarde die gelijk is aan de I

15 frequentie Λ van de geluidsgolf. 1

Dus CIL = UJ + Ώ I

D

De afstoting van de basisfrequentie kan uitstekend I

zijn, daar de omgezette golf en de directe (niet gebroken) dan ruimtelijk gescheiden zijn.

20 Men kan dan bestuderen wat er plaats vindt in een ge

ïntegreerde optiek. Men duidt met deze naam monolithische constructies uit dunne lagen aan welke bestemd zijn voor de behandeling van lichtsignalen, waarbij de lagen zijn verkre- I

gen door de technieken van afzetting, diffusie en etsen door 25 maskeren, analoog aan die welke gebruikt worden bij de ver- I

vaardiging van elektronische geïntegreerde schakelingen. Met I

deze technieken kan men in het bijzonder lineaire construe- j ties vervaardigen die gekenmerkt worden door een grotere 8304435 £ , * 83A013 - 2 - brekingsindex dan die van het omgevende medium, en golfgelei-ders vormen waarlangs het licht zich voortplant met een reeks van totale terugkaatsingen of toenemende brekingen. Het is . bekend om dergelijke golfgeleiders te laten samenwerken door 5 deze over een gedeelte van hun baan evenwijdig aan elkaar te plaatsen teneinde gerichte koppelingen te vormen; dankzij het verschijnsel van de geleidelijk verdwijnende golf gaat de in de eerste geleiding getransporteerde energie toenemend over in de tweede geleider, en men neemt een maximum waar van de ]_0 overgedragen energie aan het einde van. een bepaalde lengte, de zgn. koppellengte, die afhankelijk is van meetkundige en optische parameters van de constructie en in het bijzonder van de waarde van de buigingsindex van de materialen die de twee geleiders vormen en van het medium dat deze scheidt, ver-15 volgens gaat de energie toenemend van de tweede geleider naar de eerste terug, enz. Het is eveneens bekend, door voor een van de materialen die de geleiders vormt, of het medium dat deze scheidt, een elektro-optisch materiaal toe te passen, waarbij de index onder invloed van een elektrisch veld wordt 20 gevarieerd, wat toestaat om door beïnvloeding van de koppellengte op elektrische wijze het deel van de energie te sturen dat van de ene geleider in de andere wordt overgedragen; men ziet dat het eveneens mogelijk is om een licht-modulator te verkrijgen door evenwijdig aan de geleider, die de lichtgeven-25 de golf transporteert, een stuk geleider aan te brengen waarin men een groter of kleiner deel van deze energie overbrengt.

Voorts bestaan er frequentieomzetters die bestemd zijn om uitgaande van een geleide, elektromagnetische straling met de frequentie CD een geleide elektromagnetische straling op te 30 wekken waarvan de frequentie het meervoud is van de frequentie (JU . Deze omzetters worden in het bijzonder gebruikt op het gebied van de geïntegreerde optiek, aldus aangeduid in analogie met de geïntegreerde elektronische schakelingen, welke monolithische constructies zijn die dunne lagen toepassen.

35 Omzetters van de hierboven beschreven soort zijn reeds als geïntegreerde optiek uitgevoerd, maar zij vereisen het gebruik van een vlakke golfgeleider en dit is niet toepasbaar op microgeleidingen. Men heeft reeds technieken voorge-s_teld die bij micro^eidingen bruikbaar zijn, waarbij men een 8 3 0 4 4 3 5 9e 83A013 - 3 - *v 1 ! elektro-optische modulatie kan toepassen; dit kan dan een serrodynesysteem of gebalanceerde modulator zijn. Een dergelijke optische frequentieomzetter omvat een golfgeleider die |

als fasemodulator wordt gebruikt en gestuurd wordt door een I

5 signaal dat zaagtandvormig is. Een dergelijk signaal heeft I

dezelfde invloed als een spanningshelling, welke een variatie I

van de index afhankelijk van de tijd toestaat. Dit kan ook I

een geluidsmodulatie zijn, waarin een golf van de TE-soort met I

een frequentieverandering wordt omgezet in een golf van de | 10 TM-soort. In dit geval staat de aanlegging van een dwarselek- ]

trisch veld de wijziging voor van de doorlaatband van een I

akoesto-optische omzetter van de TE-TM golf door colineaire j

interaktie van oppervlakte geluidsgolven en van een geleide I

optische golf. I

15 Deze twee technieken bezitten verschillende bezwaren: j

-De twee golven planten zich in een zelfde geleider I

voort (met frequentie uitgezonden golf en basisgolf) wat vraag- I stukken kan vormen van de scheiding hiertussen. 1

-In bepaalde gevallen is het rendement van de omzetting I

20 zeer nauw verbonden met de golfvorm (geval van serrodynezender ). I

-In het geval van een TE-TM omzetting is een van de I

vraagstukken die kunnen optreden de uiterste gevoeligheid van I

de inrichting voor de golflengte (variatie van β /rte” ^KTM^ I

welke overigens toestaat om dit soort inrichting als filter te I

25 gebruiken.

De inrichting volgens de uitvinding staat toe deze be- I

zwaren op te heffen. In feite zijn in deze inrichting de omge- I

zette en de niet-omgezette golven ruimtelijk gescheiden, daar de overspraak met eenvoudige meetkundige parameters is ver- I

30 bonden en willekeurig kan worden verminderd. Verder behouden I

de twee golven dezelfde polarisatie. Bovendien kan deze inrichting worden uitgebreid en worden gebruikt in het geval waarin men frequentiefliters wil vervaardigen.

De uitvinding betreft een optische frequentieomzetin- I

35 richting, voorzien van een vlak substraat dat uit een eerste I

materiaal is vervaardigd, en tenminste twee golfgeleiders met I

verschillende karakteristieken, waarvan de ene een invallende j

golf ontvangt, aangebracht aan het oppervlak van dit substraat, I

8304435 _ - - _ .....Λ 83A013 - 4 - * $ welke golfgeleiders over een vooraf bepaalde lengte onderling evenwijdig zijn en door een zodanige afstand zijn gescheiden, dat de straling van de invallende golf van de ene golfgeleider naar de andere kan worden overgedragen, met het kenmerk, 5 dat de inrichting middelen omvat voor het opwekken van een geluidsgolf die colineair is met de invallende golf die door een van de geleiders wordt getransporteerd, welke opwekkingsmiddelen zodanig tussen de twee golfgeleiders zijn aangebracht, dat deze frequentieomzetting wordt verkregen.

10 De uitvinding betreft bovendien een girometer die van een dergelijke inrichting is voorzien.

Andere kenmerken en voordelen zullen naar voren treden uit de onderstaande beschrijving, met verwijzing naar de bijgaande figuren, waarin: 15 _ fig.i tot 3 een inrichting volgens de bekende stand van de techniek tonen; - fig. 4 de inrichting volgens de uitvinding toont; - fig. 5 een inrichting van de bekende stand van de techniek toont; 20 - fig. 6 en 7 een stelsel tonen dat de inrichting volgens de uitvinding omvat.

- fig. 8 een variant van dit stelsel toont.

Fig.1 en 2 tonen resp. een doorsnede en een bovenaanzicht van een schakelaar die uit lineaire optiek is vervaar-25 digd. De twee lichtgolfgeleiders 1 en 2 zijn ingebracht in het substraat 3; het materiaal door middel waarvan de koppeling plaats vindt is dat van het substraat 3. Voor het inplanteren van de geleiders 1 en 2 is het, bij wijze van voorbeeld, mogelijk om titaan te diffunderen in een substraat 30 dat gevormd wordt door een plaatje monokristallijne lithium-niobaat (Li Nb 0^)- Het titaan substitueert in de diffusie-zone gedeeltelijk het niobium voor het geven van een gemengd composiet met de formule Li Ti Nb. 0-, dat een brekings-index heeft hoger dan dat van zuiver niobaat; deze gediffun-35 deerde zones welke een hogere index hebben dan die van het substraat, vormen de golfgeleiders 1 en 2. Wanneer de diffusie-temperatuur hoger is dan het Curie-punt van het materiaal profiteert men van de volgende afkoelingsfase om het plaatje 8304435 I * 83 AO13 - 5 - aan een gelijkvormig elektrisch veld te onderwerpen, zodanig dat het plaatje gelijkvormig wordt gepolariseerd en hierdoor een "mono-domein" structuur wordt gevormd.

Wanneer er een spanning wordt aangelegd tussen de 5 elektroden 10 en 20 ontstaat er een verdeling van de veld-lijnen die met verwijzing 4 in fig. 1 wordt aangegeven. De component van het veld volgens de richting C loodrecht op het. oppervlak 23 van het substraat heeft in de ene en de andere geleider dezelfde absolute waarde en een tegengestelde 10 richting, waardoor variaties worden veroorzaakt in de brekingsindex van dezelfde absolute waarde en van tegengesteld teken. Niettemin veroorzaakt de volgende aanwezigheid van een richting loodrecht op de asrichting C van het substraat, dat zijn buitengewone index draagt, van een veldcomponent die niet nul is, evenals het feit dat het aangelegde elektrische veld eveneens de waarde van de index laat variëren in het gedeelte van het substraat 22 tussen de twee geleiders, een bepaalde asymmetrie van het verschijnsel: de verkregen koppeling varieert volgens de polariteit van de tussen de elektroden 20 en 20 21 aangelegde spanning. De polariteit van de spanning die de maximum koppeling levert kan worden afgeleid van de kristallo-grafische oriëntatie van het materiaal dat het substraat vormt. Wanneer deze oriëntatie onbekend is is het buitengewoon gemakkelijk om proefondervindelijk de optimale polariteit te 25 bepalen voor een waarde van de lichtintensiteit die door een van de geleiders wordt overgedragen voor de twee polariteiten van tegengesteld teken.

Wanneer de metalen elektroden rechtstreeks aan het oppervlak van de geleidingen zijn aangebracht, kan de aanwe-30 zigheid van een geleidelijk verdwijnende golf die zich in het metalen medium voortplant, dat relatief absorberend is, ener-gie-verliezen in de koppeling veroorzaken. Ter voorkoming hiervan is het mogelijk om, zoals in fig. 1 is weergegeven, tussen de geleiders 1 en 2 en de elektroden 10 en 20 een 35 doorzichtige dielektrische laag 11 en 21 aan te brengen. Deze isolerende laag wordt in een materiaal uitgevoerd, dat een goede overdracht heeft voor de lichtgolflengte die door de geleider wordt getransporteerd, en"een brekingsindex kleiner dan die van de geleider. Siliciumoxide (S1O2) vormt een 8304435 ! * Λ 83Α013 - 6 - materiaal dat uitstekend geschikt is in het tevoren beschreven geval, waarin het substraat door lithiumniobaat wordt gevormd.

Deze twee geleiders zijn, zoals fig.2 toont, onderling 5 evenwijdig over een rechtlijnig gedeelte) van de lengte L afhankelijk van de parameter van deze koppellengte welke in het onderstaande zal worden vastgelegd; de afstand tussen de rechtlijnige evenwijdige delen heeft een waarde d die enkele golflengten (berekend in het medium dat de twee geleiders ]_0 scheidt) van het door de geleiders getransporteerde licht niet mag overschrijden. De twee geleiders zijn gevormd uit een zelfde elektro-optisch materiaal dat, bij onderwerping aan een elektrisch veld, een brekingsindex heeft die variabel is afhankelijk van de sterkte van het aangelegde veld. De 15 brekingsindex van dit materiaal wordt zodanig gekozen, dat hij zelfs in aanwezigheid van het aangelegde elektrische veld groter blijft dan de index van het materiaal dat het substraat 3 vormt,

Als gevolg van het elektro-optische karakter van het 20 materiaal dat de geleiders 1 en 2 vormt levert de verdeling van de veldlijnen in de geleiders veroorzaakt in het midden hiervan variaties van de brekingsindex die in hoofdzaak gelijk zijn in absolute waarde, maar van tegengesteld teken.

Wanneer een golf door een geleider wordt getranspor-25 teerd plant een gedeelte van de energie zich buiten de geleider voort, in het medium dat de geleider omgeeft, in de vorm van een geleidelijk verdwijnende golf; de amplitude van deze golf daalt exponentieel wanneer men zich van de wanden van de geleider verwijdert. Wanneer een tweede geleider evenwijdig 30 aan de eerste wordt aangebracht, vangt hij toenemend,door de schuinte van deze geleidelijk verdwijnende golf, de in de eerste geleider getransporteerde energie, en dit des te sneller naarmate de twee geleiders dichter bij elkaar zijn. Aan het einde van een bepaalde afstand, de zgn. koppellengte, die 35 tegelijkertijd afhankelijk is van de meetkundige en optische parameters van de twee geleiders en van het medium dat deze scheidt (en in het bijzonder van de brekingsindex daarvan), is een maximum aan energie van de eerste naar de tweede geleider overgedragen; voorbij deze lengte doet zich het omgekeerde 8 ^ 8 4 4 3 5 • · 83A013 - 7 - verschijnsel voor: de energie wordt geleidelijk van de tweede geleider naar de eerste overgedragen, totdat een minimale waarde in de tweede geleider is bereikt; elke wijziging van de index van een van de aanwezige media werkt vanzelfsprekend 5 in de ene of de andere richting, op de koppellengte.

In de inrichting die in fig.1 en 2 is weergegeven kan de lengte L gelijk worden gekozen aan de koppellengte in afwezigheid van dit aangelegde elektrische veld. Als gevolg van de volkomen symmetrie van de twee geleiders in de koppelzone 10 is de energieoverdracht van de eerste naar de tweede geleider {of van de tweede naar de eerste geleider) totaal. Het aanleggen van een spanning tussen de elektroden 20 en 21 vermindert de koppellengte, en een gedeelte van de energie wordt terug overgedragen van de tweede geleider naar de eerste (of 15 van de eerste naar de tweede). Het globale resultaat is dat naar gelang de vergroting van de spanning de van de eerste geleider naar de tweede(of van de tweede naar de eerste) overgedragen energie, gemeten aan het einde van de koppelzone, vermindert dat een waarde nul wordt bereikt. De koppeling 20 tussen de twee geleiders daalt hierdoor van 100% tot 0%, wanneer de aan de elektroden aangelegde spanning stijgt. Het resultaat zal identiek zijn wanneer men aan de lengte L een waarde geeft gelijk aan het oneven meervoud van de koppellengte onder een veld nul.

25 Het is eveneens mogelijk om aan de lengte L een waarde te geven gelijk aan een even meervoud van de koppellengte onder een veld nul. De aan de uitgang van de ene geleider naar de andere overgedragen energie stijgt dan vanaf nul, wanneer de tussen de elektroden aangelegde spanning 30 stijgt vanaf nul.

Men heeft hierdoor een inrichting verkregen., die op bevel van een elektrisch signaal toestaat om een gedeelte of de gehele energie die door een geleider wordt getransporteerd naar een andere geleider over te schakelen die hiermede in 35 de koppelzone samenwerkt.

Het spreekt vanzelf, dat wanneer men zich beperkt tot een van de twee geleiders met een stuk dat als minimale lengte de lengte L van de koppelzone heeft, deze inrichting toestaat om de door de andere geleider getransporteerde 8 3 0 4 4 3 5 * » 83A013 - 8 - energie tot 100% te moduleren.

In het geval, waarin deze twee geleiders verschillend zijn, kan een tussen deze twee geleiders aangebrachte periodieke constructie toestaan om de uitwisselingen hiertussen 5 te vergroten. Wanneer de in een geleider getransporteerde golf dezelfde voortplantingsnelheid heeft als een van de in de andere geleiders gebroken orden, is er in feite een ener-gieuitwisseling.

Voor het verkrijgen van deze uitwisseling kunnen ver-10 schillende middelen worden gebruikt, in het bijzonder het opwekken van een elektrisch veld tussen de twee elektroden door b.v. de periodieke constructies 18 en 29, die aan weerszijden zijn aangebracht van de twee golfgeleiders 5 en 6, zoals in fig. 3 is weergegeven. Een lichtgolf 24 die zich 15 in een eerste geleider voortplant opgewekt door koppeling ten gevolge van de aanwezigheid van een polarisatie Vq, een gekoppelde golf 25 die zich in de tweede geleider 6 zal voortplanten. Deze kan ook de uitvoering zijn van een netwerk dat in het substraat tussen de twee golfgeleiders is geëtst.

20 In de inrichting volgens de uitvinding is er een opwekking van geluidsgolven 12, door elektroden 13, 14 die de vorm hebben van in elkaar grijpende kammen, aan de klemmen waarvan een generator V is aangesloten, welke zich tussen de twee golfgeleiders voortplanten, zoals in fig.4 is weergegeven.

25 De elektroden kunnen echter zijn afgezet op een dunne laag 26 van een piezoelektrisch materiaal, b.v. zinkoxide (Zn0) dat zelf is afgezet op het substraat 3 dat uit een ander materiaal is samengesteld, b.v. siliciumoxide. De dunne laag 26 kan echter uit eenzelfde materiaal zijn vervaardigd als 30 het substraat, b.v. uit kristallijne kwarts, galliumarsenide of lithiumniobaat.

De inrichting volgens de uitvinding heeft het voordeel dat een regeling wordt toegestaan van de koppeling tussen de twee geleiders 5 en 6 die afhankelijk is van de frequentie 35 van de golfgeleiders. In feite staat deze akoesto-optische afbuiger een frequentietranslatie toe: De door een van de geleiders 5 getransporteerde lichtgolven die vervolgens door deze akoesto-optische golven worden gebroken, worden dan van frequentie omgezet/in de tweede geleider 6 overgedragen. Deze 8304435 83AQ13 - 9 - twee geleiders hebben overigens niet noodzakelijkerwijs de zelfde breedte. !

Wanneer men in feite een medium 30 beschouwt, waarin zich een bundel elastische golven 31 van de frequentie f 5 voortplant, zoals in fig.5 is weergegeven, en wanneer er in dit medium een invallende lichtbundel 32 wordt gezonden, verkrijgt men een samenstel 33 van gebroken lichtbundels met de frequenties F + kf; hierin is k een geheel positief of nega- I

tief getal.

10 In feite heeft de sinusvormige variatie van de index, J

die door de elastische golf wordt opgewekt, op de lichtgolf I

een soortgelijk effect als dat van een fasenetwerk; de licht- I

bundel 32 die in het kristal 30 evenwijdig indringt aan de vlakken van de elastische golven wordt gesplitst in verschil- | 15 lende bundels die symmetrisch hellen ten opzichte van de in- j

vallende bundel over de hoeken 0 - I

N I

sln eH - k J-

Hierin is A de steek van de golfvlakken en Λ de I

golflengte van de invallende bundel. De dikte e van de elas- I

20 tische bundel moet echter kleiner zijn dan een kritische I

waarde e . In feite worden de zijgolven opgewekt langs het

C I

gehele traject van de draaggolf binnen de ultrageluidsbundel I

en niet alleen aan de uitgang, aan het front. Wanneer men, I

in gedachten, de elastische bundel in dunne moten verdeelt die I

25 evenwijdig zijn aan de voortplantingsrichting is voor elk van I

deze moten de voorgaande spectraalanalyse geldig: de frequen- I

ties £ + k Cü en de voortplantingsrichting van de zijgol- I

ven zijn gelijk voor de abcismoten x en x + Jt . Wanneer men I

voor een bepaalde orde de bijdragen optelt van deze twee 30 moten met een afstand van & , is er een tegenovergestelde I

fase voor een afstand Jl = ——i— I

N Λ μ2

De interferentie van de golven die door de twee I

moten worden uitgezonden welke een afstand hebben van kan I

daardoor vernielend zijn. Wanneer de breedte van de bundel 35 groter is dan wordt de invloed van een moot opgeheven door I de moot op een afstand van Onder de beste omstandigheden mag daardoor de dikte e van de elastische bundel niet grote^ zijn dan een kritische waarde van de eerste orde: e * ¾—.

~ c 1 Λ 8304435

_________-M

83A013 - 10 -

Voor een inval onder de hoek van Bragg van de lichtbundel 32 ten opzichte van de elastische golfvlakken is de interaktie groter, daar hij toestaat om de interferenties constructief te maken voor de eerste orde van de hoekfre-^ quentie Ω +co ; hij levert daardoor slechts een enkele gebroken bundel.

De inrichting volgens de uitvinding past een gerichte koppeling toe, waarvan de twee geleidingen niet identiek zijn. In dit geval, wanneer P/K^ en /k de constanten zijn van voortplanting van de golven in deze twee geleiders van de koppeling, kan de relatieve energie in een van de geleiders wanneer men de andere heeft bekrachtigd worden geschreven:

E = -—~—-- sin2 \^/l + 2/4c2^ cL

1 +A^/4 c2 , 15 waarin L de interaktielengte is, c de koppelingsconstante met A|S = ^ ( β/κχ - |3/k2) waarin "X de golflengte is in vacuum. De relatieve energie die in deze geleider aanwezig is aan de uitgang van de koppeling hangt daardoor af van de drie parameters L, c 20 en Ap . WanneerA^ groot is ten opzichte van c ziet men in elk geval, wat L ook is, dat de maximaal uitgewisselde energie klein kan zijn. Wanneer b.v.

c =1,5 10~4 yUm λ ο,οοι 2* Γ 25 WO'00!? -4 en wanneer c =1,5 10 . 0,01

2T

Emax= 0,000017

Hierdoor zijn deze waarden zeer klein en kunnen nog 30 willekeurig worden verminderd door wijziging van de lengte L.

8304435 .Λ ' 83Α013 - 11 -

Men weet, dat wanneer men de constanten van voortplanting van deze twee geleiders periodiek laat variëren en wanneer de overeenkomstige periode goed wordt gekozen, men de uitwisseling kan vergroten tussen de twee geleiders door de 5 compensatie van Aldoor de vector K van het netwerk.

De interactie wordt dan, als gevolg van het moment-behoud geschreven als: * κ‘βζ

dus: I

1° ψ (^/K -p2/K>

Hierin is A de periode van het netwerk. I

Wanneer dit netwerk is gevormd, op de wijze zoals I

in de inrichting volgens de uitvinding weergegeven in fig.4 is I

uitgevoerd, door een geluidsgolf die zich colineair voortplant I

15 aan een lichtgolf, zal men dan een translatie van frequentie I

van de gekoppelde golf hebben. I

De werkzaamheid van de interactie hangt af van de I

waarde van de variatie van de index die door de geluidsgolf j wordt geïnduceerd en daardoor van het geïnjecteerde vermogen. 1

20 Men kan als voorbeeld een gerichte koppeling nemen die in I

lithiumniobaat (Li Nb 0^) door diffusie van titaan is uitge- I

voerd. De variatie van de index die met titaan overeenkomt I

3 I

is gewoonlijk in de orde van: Δη ~ 5 10~ . I

Men ziet dan in, dat men de twee geleiders kan uit- I

25 voeren met /K= 2 10 Dit kan worden verkregen door de I

breedte of/en dikte van het titaan voor de twee geleiders van I

de koppeling te veranderen. Voor een interactielengte van 1

10 mm zal de maximaal uitgewisselde energie zijn:A- 0,83 jtim, I

-4 I

EMAX ~ 4 10 .De lengte van de geluidsgolf die voor de com- j 30 pensatie nodig is zal zijn; 415 μπι, dus in het geval van lithiumniobaat (Li Nb 0^) een frequentie van omstreeks 7,2 MHz. De aan de uitgang van de tweede geleider (niet aanvankelijk bekrachtigd) opgevangen golf zal dan worden verkregen met een frequentietranslatie van 7,2 MHz en de maximum basis-35 hoeveelheid in deze geleider zal -33dB zijn ten opzichte van de totale lichtenergie.

De inrichting volgens de uitvinding kan eveneens 8304435 83A013 - 12 - worden vervaardigd door een van de geleiders door protonenuitwisseling en de andere door titaandiffusie te vervaardigen (of beide door protonenuitwisseling maar met verschillende karakteristieken). In dit geval kan men A£/k ai 0,1 verkrij-5 gen met een interactiegolflengte gelijk aan 10 mm, verkrijgt men een maximum uitgewisselde energie: -67 dB van de totale energie, met een geluidsgolflengte van 8,3 /im, dus een ge-luidsfrequentie in de orde van 361 MHz.

Hierdoor veroorzaakt in de inrichting volgens de uit-10 vinding, die in fig.4 is weergegeven, een in de eerste geleider gezonden golf 23 door koppeling de aanwezigheid van een golf 25 in de tweede geleider, van welke golf dan de frequentie wordt getransleerd.

Er zijn verschillende configuraties van geleidingen 15 mogelijk, met een substraat 3 uit lithiumniobaat bij voorbeeld. De twee geleiders worden vervaardigd door diffusie van titaan in het substraat. De in de twee geleiders geleide golven zijn ofwel twee TE golven of twee TM golven, men verkrijgt dan een

Aft in de orde van enkele 10“^.

K

20 Maar men kan ook een gekruiste interactie hebben, d.w.z. een TE golf in de eerste geleider en een TM golf in de tweede, of omgekeerd, men verkrijgt dan een Αβ_ in de orde

Λ 1 K

van 0,1.

Een van de twee geleiders kan worden verkregen door 25 diffusie van titaan en de tweede door protonenuitwisseling. Wanneer men een as C beschouwt, loodrecht op het oppervlak van het substraat, dan heeft men een TM golf in elk van de twee geleiders. Dit kunnen ook twee TE golven zijn. Men verkrijgt dan een Aft in de orde van 0,1. De twee geleiders

K

30 kunnen door protonenuitwisseling worden verkregen, maar hun karakteristieken moeten dan verschillend zijn. Men verkrijgt dan: Δβ«^0,1.

K

Door wijziging van de geluidsfrequentie, die van 10 tot 300 Megahertz kan variëren, kan men een afstembaar filter o e verkrijgen. In feite varieert de dubbele breking van het materiaal afhankelijk van de frequentie.

De doorlaatband van de inrichting volgens de uitvinding is afhankelijk van de interactielengte van licht golf- 8304435 83A013 - 13 - geluidgolf naarmate het aantal golfvlakken van de geluidsgolf groter is tijdens deze koppeling is de doorlaatband nauwer.

De beschreven inrichting kan daardoor als filter worden gebruikt en trekt b.v. profijt van de variatie van de 5 dubbele breking van een materiaal met de golflengte. Men kan zich dan voorstellen, dat er een TE(TM) golf in deze eerste geleider is en een TM(TE) golf in de tweede geleider, die door middel van de geluidsgolf worden gekoppeld. In het geval van lithiumniobaat heeft men: (Λ^/ΚΤΜ -Αβ/ΚΤΕ) i£, 0,1 en 10 dus opnieuw een geluidsgolf met een frequentie 361 MHz.

En dit filter is instelbaar daar het voldoende is om de frequentie van de geluidsgolf te veranderen.

In de inrichting volgens de uitvinding kan men elektroden aanbrengen, b.v. aan weerszijden van de twee geleiders 15 of op deze zelfde geleiders. Men kan voorts tussen de elektroden en het substraat een isolerende bufferlaag aanbrengen. Het tussen deze twee elektroden opgewekte elektrische veld staat dan de regeling toe van de inrichting volgens de uitvinding in zijn begintoestand of in zijn eindtoestand.

20 De inrichting volgens de uitvinding wordt toegepast op het terrein van de girometer met optische vezel.

Fig.6 toont schematisch een ringvormige interferometer volgens de bekende stand van de techniek. Een laserbron S zendt een bundel evenwijdige stralen 41 naar een scheidings-25 inrichting, die gevormd wordt door een half doorzichtig blad M.

Een bepaald aantal spiegels M^, M2, , bepalen een optische baan die de ring van de interferometer vormt. Deze ring kan b.v. worden vervaardigd met behulp van een monogolf 30 optische vezel; in feite wordt de gevoeligheid van de meting vergroot dankzij het gebruik van een lange optische baan.

Deze ring wordt opnieuw gesloten op de scheidingsinrichting M, die eveneens de rol speelt van en menginrichting en hierdoor een uitgangstak 43 bepaalt. De ring wordt daardoor door-35 lopen door de twee golven die zich in omgekeerde richting voortplanten: de ene volgens de wijzers van een uurwerk (richting 2), de andere tegen de wijzers van een uurwerk (richting 1). Deze twee golven worden gerecombineerd op het scheidings-jplad M. Het resultaat van deze recombinatie kan worden 8304435 83A013 - 14 - waargenomen in de uitgangstak 43, met behulp van de detector D. Een deel van de bundels wordt opgenomen in de ingangstak door het scheidingsblad M', en doorloopt opnieuw de filter-inrichting F. Aan de uitgang recombineren de twee golven zich 5 onder het scheidingsblad M'. Het resultaat van deze recombi-natie kan worden waargenomen in de uitgangstak 44. Het feit van de aanbrenging van de filterinrichting F in de ingangs-arm, van;, de interferometer maakt deze volkomen reciprook hij wordt dan doorlopen door een golf die in een enkele 10 optische golf is opgesloten. Deze filterinrichting wordt verkregen door een golffilter gevolgd door een polarisator. In feite doorloopt de invallende bundel 41 dit filter en de uittredende fractie heeft een enkelvoudige golf. Men kan daarom de uittredende bundel 43 beschouwen als overeenkomende met 15 de interferentie van de twee bundels die de golffilterinrichting niet hebben doorlopen, maar men kan ook het gedeelte van de bundels dat in de ingangsarm wordt teruggenomen beschouwen door het half doorzichtige bladj'M'. Dit gedeelte van de bundels doorloopt opnieuw de filterinrichting F. Aan 20 zijn uitgang hebben de twee bundels die men in de arm 44 zendt d.m.v. het halfdoorzichtige blad M' dezelfde golf, wat de interferometer ongevoelig maakt voor "reciproke " storingen.

Indien ΔΦ het faseverschil is tussen de twee golven die zich in omgekeerde richting in de ring voortplanten, en 25 Ps het optische uitgangsvermogen, dat men in de uitgangstak 44 kan meten, in afwezigheid van "niet reciproke " storing, A<j> is nul.

Wanneer men een girometer beschouwt die deze ringvormige interferometer toepast, zal een "niet reciproke " 30 storing worden opgewekt door het in draaiing brengen van de girometer. Het faseverschil A <j> is niet meer nul en men heeft Λ 4 waarin de rotatiesnelheid is en cK = k waarin k een constante is afhankelijk van de meetkundige afmetingen van de girometer, L de lengte van de optische baan, Λ de 35 golflengte van het licht dat door de laserbron S wordt uitgezonden, en C de lichtsnelheid in de ring 42. Wanneer de rotatiesnelheid -β stijgt, stijgt het faseverschil Δ φ in dezelfde verhoudingen, daar de coëfficiënt^ gelijk blijft. Het optische vermogen Pg ontwikkelt zich volgens een cosinusvormige 8304435

« I

, V 1

83A013 - 15 - I

wet. In feite is j V P1S + P2S + 2 Vpis P2s' COS ( Af>

waarin P^s overeenkomt met de richting 1 en ?2S met de rich- I

ting 2. De gevoeligheid van de meting voor een gegeven waarde I

5 wordt uitgedrukt door de afgeleide van Pg. 1 ϊΤΣψΎ "2 Vhs~*2? sin <4 f >

De gevoeligheid van de interferometer is zeer gering I

wanneer het f aseverschilA^ weinig van nul verschilt. Dit is I

10 het geval in een girometer wanneer men kleine rotatiesnel- 1

heden SI wil meten. De variatie van het optische vermogen I

in de uitgangstak wordt toegelicht door het diagram van fig.7. 1

Men kan de termen P^<, em ?2g gelijk beschouwen. Hier- I

uit volgt dat voor een faseverschil φ =7Γ , het gedetec- I

15 teerde vermogen minimaal is. Het gaat door een maximum I

PSmax voor Φ = 0 en voor 2 Tf enz. I

Voor de vergroting van de gevoeligheid van de inter- I

ferometer kan men een "niet reciprcke " constante schuinte I

in de fase van de twee golven inbrengen die in omgekeerde 20 richting rondlopen, zodanig dat het werkingspunt van de I

interferometer wordt verplaatst. I

In het geval van een functie die volgens een cosinus- I

vormige functie varieert wordt het punt van de hoogste gevoeligheid verkregen door de hoeken van (2k + 1) 12, waarin ^ k een geheel getal is. Men kan daardoor een schuinte kiezen die een fasevariatie op elke golf invoert van een absolute |

waarde van#/4 maar van verschillend teken. In afwezigheid I

van een "niet reciprcke " storing wordt het faseverschil I

dan I

30 metA<j> O = %/2

men plaatst zich dan op het punt A van fig.7. I

Zoals in fig.6 is weergegeven kan men dan op de baan van de golven in de ring 42 een fasemodulator 45 plaatsen, welke een reciproke effect veroorzaakt voor het verkrijgen 35 van een betere gevoeligheid van de inrichting. Deze modulator wordt op zodanige wijze bekrachtigd dat er een fasevariatie 8304435 83A013 - 16 - van de golf wordt veroorzaakt die deze doorloopt. Deze variatie is periodiek, waarbij zijn periode gelijk is aan 2 £, waarin ‘ÏT' de doorlooptijd is van een golf in de ring.

Het verschil wordt dan waarbij elk van de golven die in tegengestelde richting rondloopt deze faseverschuiving ondergaat wanneer hij de modulator doorloopt met | (t) = <|>(t + 2 t ).

10 Het werkingspunt beschrijft dan de kromme P^=s f (A<j> ) van fig.7 op symmetrische wijze tussen een paar uitersten.

De inrichting (modulator met reciproke fase) die de invoering toestaat van de storing φ (t) kan op voordelige wijze in twee inrichtingen 45 en 46 worden gesplitst, die elk 15 aan één einde van de baan liggen, zoals in fig.6 is weergegeven en waarbij de ene zorg voor de faseverschuiving^(t) en de andere voor de f aseverschuiving (^(t). Deze fase-modulatorinrichtingen die symmetrisch aan de twee einden van de. optische baan liggen kunnen tegengesteld werken. Deze 20 opstelling verzekert een bijkomende symmetrie van de verschijnselen, welke de fouten van de tweede orde vermindert die afkomstig zijn van eventuele nietlineariteiten van de modulators.

Het ideaal is het werken op de punten A en B van de kromme die in fig.7 is weergegeven, gedurende een eerste tijd 25 moet men om in A te werken hebben Φ, (t) = 2*. en <|£ (t) = - *74 en vervolgens <^(t)= - Τζί/4 en om^in het punt B

te werken.

Men kan dit resultaat verkrijgen door twee bloksig-nalen te gebruiken welke twee sterkten hebben van -X/4 en 30 +V/4.

Wanneer de fasemodulatiesignalen op de frequentie F

zijn, verkrijgt men wanneer de giroscoop niet draagt bij de detectie een signaal dat op de frequentie 2F is gecorrigeerd.

Wanneer daarentegen de giroscoop draait verkrijgt men de 35 frequenties F en 2F. Maar deze inrichting heeft het bezwaar dat hij geen nultechniek omvat. Verder is de meting niet lineair.

Wanneer men een nulmethode wil gebruiken moet men een _ nietreciproice „ effect beschouwen dat het effect ten gevolge 8304435 83A013 - 17 - van de rotatie compenseert. Men verkrijgt dan' een component bij de frequentie F van het gedetecteerde signaal die nul is.

Men meet dan de gewijzigde parameter, welke ons toestaat om de rotatiesnelheid te kennen.

5 Men kan het veld wijzigen dat aan de klemmen is aange legd van de modulator, wanneer deze elektro-optisch is. Men kan het frequentieverschil wijzigen van de zich voortplantende golven, wat éen faseverschil aan de uitgang van de detector: veroorzaakt. j 10 De inrichting volgens de uitvinding wordt toegepast

op het terrein van de girometer met optische vezel, waarin men over twee frequentieomzetters volgens de uitvinding kan beschikken in de twee armen die bij zodanige frequenties I

werken,dat de nietreciprociteit, welke ingevoerd wordt door I

15 het feit dat de twee golven in de interferometer niet I

dezelfde frequentie hebben, die compenseert welke veroorzaakt I

wordt door het Sagnaceffeet. 1

Men kan hierdoor twee omzetters 62 en 63 beschouwen, I

welke naast de modulatoren 45 en 46 zijn geplaatst, zoals in I

20 fig.6 is weergegeven. I

De inrichting volgens de uitvinding staat dan een I

digitale regeling toe. Wanneer men naast deze twee modulators I

twee frequentieomzetters plaatst, kan men komen tot de compen- I

satie van de frequentiecomponent F ten gevolge van het Sagnac- I

25 effect wanneer er rotatie is; aan de twee omzetters heeft men I

dan twee frequenties F^ en F^. I

In rust moet men dan hebben ^i*^* Wanneer giro- I

scoop bij een constante snelheid draait, is er een zweven van I

de frequentie van de frequenties F^en F£ en men kan dan het I

30 aantal zwevingen tellen. I

De vooruitgang die gemaakt is bij de vervaardiging van I

optische vezels met gering verlies staan het gebruik van I

optische vezels toe voor de vervaardiging van deze ringvormige Ί interferometers, zoals dit tevoren is vermeld. Een uitvoerings- I 35 voorbeeld van een ringvormige interferometer volgens de uit- I

vinding is in fig.8 weergegeven. De vezel 52 die om zichzelf I

is gewikkeld vormt de ring 42 van de interferometer. De ver- I

schillende takken van de interferometer zijn in geïntegreerde I

optiek uitgevoerd: de golfgeleiders zijn vervaardigd door I

8304435 > 83A013 - 18 - integratie in een substraat. Het substraat kan b.v. worden gekozen onder de volgende materialen: Lithiumniobaat of lithiumtantalaat, waarin men voor de vervaardiging van de 5 golfgeleiders, titaan of resp. niobium laat diffunderen.

De frequentieomzetter is gesplitst in twee omzetters 54 en 55 die aan de twee einden van de vezel zijn geplaatst. Deze omzetters zijn inrichtingen volgens de uitvinding die tevoren zijn beschreven en die toestaan, door wijziging van 10 de twee frequenties van de twee geluidgolven (58, 59) die door de elektroden (56, 57) zijn opgewekt, om het Sagnaceffect te compenseren. De fasemodulators 60 en 61 die zijn weergegeven door de elektroden welke aan weerszijden van elk van de geleiders zijn geplaatst, zijn in de lus geplaatst om de 15 ogenblikken te kennen waarop de gyroscoop draait: In feite detecteert men in dit geval een component van het signaal op de frequentie F, zoals tevoren is toegelicht.

De schelders van lichtstralingen zijn samengesteld uit golfgeleiders van monogolven die onderling zijn verbonden 20 voor het vormen van Ϋ, deze Y is onderling verbonden met een van hun takken die de rol speelt welke tevoren werd ingenomen door de halfdoorzichtige bladen in fig. 6. De geleider 48 speelt de rol van monogolffilter van fig.1, waarbij een pola-risator b.v. is verkregen door de metalisatie 49 van het 25 oppervlak van de substraat boven de geleider 48.

De inrichting volgens de uitvinding wordt eveneens toegepast in optische telecommunicatie voor het multiplexen/ ontmultiplexen van optische golven in golflengten.

S3M 4 35

Claims

83A013 - 19 -

1. Optische frequentieomzetter, voorzien van een vlak substraat (3) dat uit een eerste materiaal is vervaardigd, en tenminste twee golfgeleiders (5,6) met verschillende karakteristieken, waarvan de ene een invallende golf (23) ontvangt, aan-5 gebracht aan het oppervlak van dit substraat (3), welke golfgeleiders onderling evenwijdig zijn over een voorafbepaalde lengte en door een zodanige afstand zijn gescheiden, dat de straling van de invallende golf van de ene golfgeleider naar de andere kan worden overgedragen, met het kenmerk, dat deze 10 inrichting is voorzien van middelen voor het opwekken van een geluidsgolf die colineair is met de invallende golf welke door een van de geleiders wordt getransporteerd, welke opwekkingsmiddelen zodanig tussen de twee golfgeleiders zijn aangebracht, 1 dat deze frequentieomzetting wordt verkregen. I

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, I dat de middelen voor het opwekken van de geluidsgolf een dunne J laag:! (26) van een tweede piezoelektrisch materiaal omvatten, j dat aan het oppervlak van het substraat is afgezet en dat de 1 twee elektroden (13,14) die de vorm hebben van twee in elkaar I 20 grijpende kammen aan het oppervlak van het tweede materiaal I zijn aangebracht. I

3. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, I dat de opwekkingsmiddelen van de geluidsgolf twee elektroden I (13,14) omvatten die de vorm hebben van in elkaar grijpende I 25 kammen welke aan het oppervlak van het substraat (3) zijn I aangebracht. I

4. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het eerste materiaal uit lithiumniobaat is vervaardigd. I

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, 30 dat een van de twee geleiders tenminste is uitgevoerd als een I staaf die in het substraat is ingebracht, waarin titaan in het I litiumniobaat is ingebracht. I

6. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat tenminste een van de twee geleiders is vervaardigd door I 35 een staaf die in het substraat is ingebracht, waarbij H+ ionen I zijn gesubstitueerd voor de lithiumionen in het lithiumniobaat. I

7. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, I 8304435 * 83Α013 - 20 - κ dat hij middelen omvat voor het aanleggen van een modulerend veld op tenminste een van de geleiders, welke middelen worden verkregen door elektroden die aan weerszijden van deze geleiders zijn geplaatst.

8. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat deze middelen omvat voor het aanleggen van een modulerend veld op tenminste een van de geleiders, welke middelen zijn verkregen door op deze geleider aangebrachte elektroden.

9. Girometer voorzien van een optische interferome-10 trische inrichting, welke bestemd is voor het meten van een nietreciproke faseverschil dat ondergaan wordt door twee stralingen die in tegengestelde richting in een ringvormige golfgeleider rondlopen, welke een monochromatische lichtbron (S) omvat, fotodetectormiddelen van de interferentie van deze 15 stralingen (D,D') en optische scheidings- en mengmiddelen (M, M') die de einden van deze golfgeleider rechtstreeks met deze lichtbron en met de- fotodetectormiddelen verbinden, en optische faseverschuivingsmiddelen (45,46) met elektrische besturing die op deze stralingen inwerken, met het kenmerk, 20 dat in de ringvormige golfgeleider tenminste een inrichting is ingevoegd zoals is beschreven in een of meer van de conclusies 1 tot 8.

10. Girometer, waarvan de ring wordt gevormd door een optische vezel (52) en de energiebron (S), waarbij de schei- 25 dings- en mengmiddelen van golven en de detectiemiddelen(D' ) geheel uit vast medium zijn vervaardigd door integratie op een substraat, waarop twee golfgeleiders (50,51) zijn aangebracht die gekoppeld zijn en aan hun eerste einde zijn verbonden, resp. met de energiebron (S) en met de detectiemidde-30 len (D1), en aan hun tweede einden zijn verbonden met de einden van de optische vezel (52) en die omvat, geïntegreerd op het substraat, tenminste één paar elektroden (53) die aan weerszijden zijn aangebracht van een van de twee golfgeleiders voor het vormen van een fase (<j>) modulator met elektrisch-35 optisch effect; welke scheidingsmiddelen en mengmiddelen van de golven zijn verkregen door de integratie van de golfgeleiders op een substraat,welke golfgeleiders cfe vorm hebben van twee Y die onderling zijn verbonden door een van hun takken, met het kenmerk,dat hij tenminste een inrichting omvat, zoals beschreven is in een of meer van de conclusies 1 tot 8, aangebracht op deze substraat aan de twee tweede einden van de golÊ^efes. ff 7 n /, /, ? c