NO168142B - Sirkulaer, dobbeltbrytende, dielektrisk boelgeleder - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår sirkulær, dobbeltbrytende, dielektrisk bølgeleder av den art som angitt i innledningen til krav 1.

I den senere tid har det vært en økende teknisk interesse for bølgeledere (eller optiske fibre) fremstilt av glassilislum-oksyd med svært lav dempning, kjennetegnet ved markert og rådgivende anisotropisk oppførsel.

Av grunner forbundet med den prinsipielle bruken av slik innretning for transmisjon har denne interessen blitt konsentrert på bølgelederne (med en lett unøyaktighet nå generelt akseptert ved løpende bruk) med en modus for transmisjon (altså monodale eller unimodale ledere) og kjennetegnet ved det faktum at de kan lede stråler i to forskjellige polarisasjonstilstander, som generelt og strengt tatt er kun elliptisk. Nesten alle til nå eller forutsebare anvendelser er konsentrert på to ekstreme tilfeller, en ved hvilken polarisasjonsellipsen er ekvivalent med to ortogonale linjer, og en ved hvilken de er ekvivalente med to eller flere seg utbredende i motsatte retninger. De er henvist til som lineær dobbeltbrytende ledere og sirkulære dobbeltbrytende ledere, henholdsvis. Det er blitt utført flere eksperimenter og der er tilstede en stor kunnskap på førstnevnte enn sistnevnte, men i den senere tid har også sistnevnte blitt gjort til gjenstand for et utall studier.

Foreliggende oppfinnelse angår den tekniske anvendelsen av sirkulære, dobbeltbrytende, dielektriske bølgeledere for sensorer og transdusere, nærmere bestemt er de nyttige ved konstruksjoner av måleinstrumenter eller langsomt seg endrende magnetiske felt. Det er imidlertid ikke vanskelig å forutse deres bruk også ved fremstilte komponenter for anvendelse ved endene av eller i bestemte deler av tele-kommunikasjonssystemer som anvender isotropiske eller lineære, dobbeltbrytende, optiske fibre som innretning for transmisjonen. Både i dette tilfelle og innenfor sensor- og transduserområdet er det svært viktig å betrakte problemet med forbindelsesnmlighetene mellom isotropiske bølgeledere og sirkulære, dobbeltbrytende bølgeledere.

For å tilveiebringe en sirkulær, dobbeltbrytende, dielektrisk bølgeleder på en enkel måte er det nødvendig å ha en materialkarakteristikk med hjelp av en tensor, som i et kartesisk, ortogonalt skjema har to ut-av-diagonal-elementer forskjellig fra null (nærmere bestemt imaginære og motsatte fortegn), og elementer av hoveddiagonalen lik hverandre.

Med glassilisiumoksyd kan ikke disse betingelsene bli tilveiebragt i en mikroskopisk målestokk, dvs. ved å virke på lokale kjemiske eller fysiske egenskaper til materialet.

Teknikken ved hjelp av hvilken sirkulæré, dobbeltbrytende bølgeledere kan bli tilveiebragt innebærer mekaniske operasjoner som sikrer at på en makroskopisk skala (dvs. på avstander merkbart større enn bølgelengden til de ledede strålene), idet de gjennomsnittlige egenskapene til bølge-lederne er ekvivalente med de til en innretning som har ovenfornevnte karakteristikker.

De mekaniske egenskapene kan bli redusert i det vesentlige til følgende to trinn: en struktur er tilveiebragt, som ulikt en isotropisk optisk bølgeleder, ikke er av symmetrisk natur som roterer rundt lengdeaksene eller forplantningsretningen, hvilken akse heretter vil bli kalt z-aksen,

strukturen er underlagt torsjon rundt aksen z og/eller viklet som en spiral på en sylinder hvis generatriser er parallelle med aksen z.

For bedre å forstå ulempene med sirkulære, dobbeltbrytende, optiske bølgeledere som er produsert til nå, idet disse ulempene er ment å overvinnes ved hjelp av foreliggende oppfinnelse, er det nødvendig med en fullstendig beskrivelse av de angjeldende bølgeledere, med henvisning til tegningene, hvor : Fig. la og lb viser enderlss av respektive kjente sirkulære, dobbeltbrytende, dielektriske bølgeledere.

Bølgelederne kan bli gruppert i to klasser:

a) bølgeledere ved hvilken seksjonen (til den sentrale kjernen, eller hele bølgelederen) er delt i m vinkelsektorer (normalt er m=8 eller et multippel av 8, for å unngå lineær dobbeltbrytning overlagret dobbeltbrytninger) med vekslende brytningsindekser ni og n2, med ni > n2. Torsjonen finner sted rundt aksen på hvilken de angjeldende sektorene konvergerer (Jfr, fig, l.a); b) bølgeledere ved hvilke kjerneseksjonen er elektrisk homogen, men ved hvilken kjernen så er spiralt viklet

rundt en akse utenom den til selve symmetrikjernen (Jfr. fig. l.b).

Ved bølgeledertypen "a" blir ledet elektromagnetisk energi fordelt over delen på en helt annen måte enn den funnet ved en isotropisk, monomodal optisk fiber.

Lysinnløps- og utløpsoperasjonene ved de to endene til en bølgelederlengde av "aM<->typen er derfor ledsaget av store tap. I teorien kan dette bli redusert delvis, men prisen er derimellomliggende bølgelederlengder med langsomt varierende karakteristikker, dvs. til en pris av en svært høy teknologi og 1 praksis nesten aldri mulig å oppnå.

Denne ulempen oppstår ikke ved bølgeledere av "b"-typen, men dette på bekostning av en betydelig reduksjon i den maksimale, sirkulære dobbeltbrytningsforenbarheten med maksimal torsjon over hvilken en fiber fremdeles kan føre lys. Det er faktisk et fall mellom en viss minimumsstigning 1 viklingen, idet en optisk fiber stråler lys istedenfor fører det. Ved en gitt ytre total ytelse krever således en anordning fremstilt med bølgeledere av typen "b" en mye større føringslengde enn tilfellet er ved bølgeledere av typen "a", med det følge av et betydelig tap forbundet med lengden på strålingskursen.

De to ovenfornevnte ulempene utelukker dem egentlig, men som følge av teknikkens stilling må en av de velges uten muligheter for kompromisser.

Foreliggende oppfinnelse tillater imidlertid å forskyve de to ulempene i forhold til hverandre på en styrbar måte for således å optimalisere ytelsen til hver anordning innenfor nominell karakteristikk.

Ovenfornevnte ulemper unngås ved hjelp av den innledningsvis nevnte sirkulære, dobbeltbrytende, dielektriske bølgeleder hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de øvrige uselvstendige kravene.

Den sentrale runde sonen kan ha dens radius så liten som ønsket.

I det mellomliggende området kan to tilliggende seksjoner ha vinkelbredder hvis sum er lik 4jt delt med det totale antall seksjoner.

Brytningsindeksen n2 til den ytre sonen kan være konstant, alternativt kan det variere i strålingsretningen.

Ved det mellomliggende området kan brytningsindeksene n3 og n4 til sektorene variere i invers proporsjonalt med kvadratet av avstanden fra bølgelederaksen med n3 mindre enn n4 for like avstander fra aksen.

Bølgelederen kan også vise en gradmesslg variasjon 1 brytningsIndeksene, såvel som størrelsen på områdene og seksjonene langs lengderetningen.

En sirkulær, dobbeltbrytende, dielektrisk bølgeleder kan også være anordnet, som består av en kaskadesekvens på et antall bølgeledere som definert ovenfor.

Et eksempel av oppfinnelsen er vist ved en utførelsesform på fig. 2.

Denne utførelsesformen består av en optisk bølgeleder ved hvilken brytningsindeksen, i tverrsnittet, har fordelinger som beskrevet nedenfor. Bølgelederen må være underlagt torsjon (f.eks. ved å blitt spunnet fra en for-form) rundt symmetriaksen til seksjonen.

Denne seksjonen er fremstilt som følgende:

der er en sirkulær, sentral sone med en utvendig radius a, ved hvilken brytningsindeksen er konstant (eller stort sett konstant), idet den er angitt som ni, der er en ytre sone begrenset internt av en omkrets med radiusen b, ved hvilken brytningsindeksen er konstant, den er angitt som n2, og i tillegg gjelder n2 < ni, mellomområdet (a > r > b) er delt i m vinkelseksjoner (m - 8 eller et multippel av 8, for grunner som allerede nevnt ovenfor), - vinkelseksjonene med Jevn posisjon (starten fra en egnet vinkelreferanse) har konstant brytningsindeks n3 (muligens sammenfallende med n2 og i et hvert tilfelle mindre enn ni),

vinkelseksjonene til oddet posisjon med en brytningsindeks n4 gradvis avtagende med økning i den radiale koordinaten r, som starter fra verdien ni (eller en verdi litt lavere enn dette) for r-a, ned til verdien n2 (eller en litt høyere verdi) for r-b. Brytningsindeksen n4 varierer i samsvar med proporsjonalitetsregelen for l/r<2>,

vlnkelbredden for hele (eller odde) seksjoner er en parameter for strukturkonstruksjonen.

For enkelhetens skyld, med henvisning til tilfellet m-8 og ved å anvende skyggelegging for grafisk fremstilling av brytningsindeksen (n MAX - mørk, n min - hvit), der ovenfornevnte vist med hjelp av skissen på fig. 2, ved hvilken bølgeledertverrsnittet er vist som en typisk "war cross"-form.

Et grunnleggende punkt ved oppfinnelsen er valget av regelen h/r<2> (n - proporsjonalitetskonstanten) for variasjonen i brytningsindeksen til de odde seksjonene. Dette kan i faktum demonstrert ved hjelp av den matematiske utledning, som starter fra Maxwell's ligninger, som er valg som tillater svært nøyaktig styring av regelen ved hjelp av hvilken ledet elektromagnetisk energi blir fordelt over bølgeledertverr-snittet, både i radial retning og i azimut retning.

Det følger fra denne at det er mulig innenfor på forhånd valgfrie etablerte grenser å tilveiebringe justering av "war cross"-føringsfeltet som de isotope bølgelederne avgir og mottar, og således minimaliserer tapene ved terminalforbin-delsene til den sirkulære dobbeltbrytende bølgelederen.

Nærmere bestemt, ved å påvirke konstruksjonsparametrene, som er:

brytningsindeksene ni, n2, n3,

radiusene a, b,

proporsjonalitetskonstanten h, og

- vlnkelbredden på de odde seksjonene <J>,

er det mulig å tilveiebringe ethvert kompromiss mellom ovenfornevnte justeringer (og følgelig reduksjonen av tapene ved endene av den anisotropiske bølgelederen) og den maksimale, sirkulære dobbeltbrytningskompatibiliteten med betingelsene som strukturen skulle lede energien uten å

stråle den ut (og følgelig graden av tapene fordelt langs bølgelederen).

For enkelhetens skyld er det ved beskrivelsen antatt at b er lik radiusen på kjernen til den mottagende bølgelederen og hvis kjerne og optiske kappe, av enkelhetens grunn, er antatt å ha brytningsindekser lik ni og n2, og det fremgår da at: - den tilveiebragte sirkulære dobbeltbrytningen øker med avtagende a, og avtar med (J) og øker med h,

justeringen forbedres dersom invers operasjon blir utført.

Dersom nødvendig, kan tverrsnittsparametrene (brytningsindekser og geometriske størrelser) bli gjort svært gradvis langs lengdeaksen, f.eks. for å tilveiebringe en startsone med utmerket justering fulgt av den annen sone med høyere sirkulær dobbeltbrytning.

Claims (7)

1. Sirkulær, dobbeltbrytende dielektrisk bølgeleder som er underlagt torsjon rundt sin symmetrilengdeakse og/eller er spiralviklet rundt en sylinder, idet tverrsnittet til bølgelederen har et område delt i 8, eller multipler av 8 vinkelseksjoner, idet de respektive vekslende seksjonene har forskjellige brytningsindekser n3 og n4, karakterisert ved at området er et mellomliggende område, som ligger mellom en sentral sirkulær sone og en ytre sone, som omgir nevnte mellomområde, at den sentrale, sirkulære sonen har en konstant eller hovedsakelig konstant brytningsindeks ni, at den ytre sonen har en brytningsindeks n2, at n3 er konstant eller varierer inverst proporsjonalt med kvadratet på avstanden fra aksen til bølge-lederen , at n4 varierer inverst proporsjonalt med kvadratet og avstanden fra aksen til bølgelederen, at ni er større enn n2 og også større enn n3, og at n4 ligger mellom ni og n2.

2. Bølgeleder ifølge krav 1, karakterisert ved at i det mellomliggende området av to tilliggende seksjoner har vinkelbredder hvis sum er lik 4n delt med det totale antall seksjoner.

3. Bølgeleder ifølge krav 1, karakterisert ved at brytningsindeksen n2 til den ytre sonen er konstant.

4. Bølgeleder Ifølge krav 1, karakterisert ved at brytningsindeksen n2 til den ytre sonen varierer 1 radial retning.

5. Bølgeleder ifølge krav 1, karakterisert ved at i mellomområdet varieres brytningsindeksene n3 og n4 til sektorene Invers proporsjonalt med kvadratet av avstanden fra aksen til bølgelederen, idet n3 er mindre enn n4 for like avstander fra nevnte akse.

6. Bølgeleder ifølge krav 1, karakterisert ved at bølgelederen viser variasjon av brytningsindeksene såvel som størrelsen på områdene og seksjoner langs lengderetningen .

7. Bølgeleder ifølge krav 1, karakterisert ved at bølgelederen innbefatter en kaskadesekvens av et antall bølgeledere.