NO319957B1

NO319957B1 - Optical modulator

Info

Publication number: NO319957B1
Application number: NO20030435A
Authority: NO
Inventors: Kjetil Johannessen
Original assignee: Sinvent As
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2005-10-03
Also published as: NO20030435D0; WO2004068220A1; NO20030435L

Description

Denne oppfinnelsen angår en optisk modulator, for eksempel som er egnet for bruk et aggressivt miljø, i tillegg til et system omfattende denne modulatoren og bruk av modulatoren som detektor. This invention relates to an optical modulator, for example, which is suitable for use in an aggressive environment, in addition to a system comprising this modulator and the use of the modulator as a detector.

På grunn av de relativt store avstandene blir ofte fiberoptiske overføringsteknikker foretrukket mellom kontrollstasjoner og utstyr nær oljebrønner og lignende installasjoner. I oljebrønner er det imidlertid aggressive miljøer med høye temperaturer som gjør vanlig utstyr ubrukelig. Med temperaturer i området 85°C til 200°C kan i praksis ikke halvlederkomponenter med små båndgap brukes, slik at svært få optoelektroniske komponenter kan brukes. De eneste tilgjengelige elektrooptiske elementene som kan håndtere slike temperaturer er basert på silisium, hvilket begrenser de anvendte bølgelengdene til 800nm-området, og dermed overføringsraten gjennom optiske fibrer brukt for kommunikasjon mellom det tempererte miljøet og det varme miljøet. Som kjent er I300nm og 1550nm områdene langt mer egnet for overføring over store avstander ved høye rater {>1 Gb/s) i konvensjonelle optiske fibrer, og teknologien og utstyret, så som kabler, for denne bruken er lett tilgjengelig. Due to the relatively large distances, fiber optic transmission techniques are often preferred between control stations and equipment near oil wells and similar installations. In oil wells, however, there are aggressive environments with high temperatures that render ordinary equipment useless. With temperatures in the range of 85°C to 200°C, semiconductor components with small band gaps cannot be used in practice, so that very few optoelectronic components can be used. The only available electro-optic elements that can handle such temperatures are based on silicon, which limits the wavelengths used to the 800nm range, and thus the transmission rate through optical fibers used for communication between the temperate environment and the hot environment. As is well known, the I300nm and 1550nm ranges are far more suitable for transmission over long distances at high rates {>1 Gb/s) in conventional optical fibers, and the technology and equipment, such as cables, for this use are readily available.

Hvis bare passive målinger kan utføres er det en løsning å bruke optiske sensorer, slik som sensoren beskrevet i US 5.032.026. Dette er imidlertid upraktisk i de fleste anvendelser på grunn av den begrensede tilgangen på slike komponenter og det store antallet optiske koblinger som blir nødvendig hva et stort antall sensorer skal brukes. If only passive measurements can be carried out, a solution is to use optical sensors, such as the sensor described in US 5,032,026. However, this is impractical in most applications due to the limited availability of such components and the large number of optical links that become necessary when a large number of sensors are to be used.

Hvis kontrollmuligheter må brukes, for eksempel for styring av elektroniske innretninger i brønnen ved å gi tilbakemelding for elektronisk styring er det i dag ingen praktiske systemer for å sørge for overføring av optiske signaler mellom overflateinstallasjonene og de elektroniske instrumentene plassert i et aggressivt og varmt miljø. If control options must be used, for example for controlling electronic devices in the well by providing feedback for electronic control, there are currently no practical systems to ensure the transmission of optical signals between the surface installations and the electronic instruments placed in an aggressive and hot environment.

Formålet med denne oppfinnelsen er å tilveiebringe en effektiv modulator for optisk kommunikasjon mellom elektroniske innretninger plassert i et varmt miljø og et temperert miljø. Oppfinnelsen er kjennetegnet slik som angitt i de vedlagte kravene.. The purpose of this invention is to provide an efficient modulator for optical communication between electronic devices located in a warm environment and a temperate environment. The invention is characterized as stated in the attached claims.

Oppfinnelsen tilveiebringer en modulator med en potensiell kapasitet på The invention provides a modulator with a potential capacity of

>lMb/s med en bitfeilrate på <10"<4> og som tolererer aggressive miljøer med temperaturer <200°C. >lMb/s with a bit error rate of <10"<4> and which tolerates aggressive environments with temperatures <200°C.

Denne oppfinnelsen bruker fortrinnsvis en optisk modulator som kan modulere et optisk signal som respons på elektriske signaler. Den foretrukne utførelsen er basert på modulasjon av koblingen av lys transmittert fra det tempererte miljøet tilbake til dette, dermed utgjørende en modulert refleksjon av lyset. Modulatoren er basert på det diffraktive elementet beskrevet i US 5311360. Modulatoren beskrevet i dette patentet har ikke tilstrekkelig effektivitet til å sørge for kobling inn i en optisk fiber. Det er et tilleggsformål med denne oppfinnelsen å sørge for en optisk modulator som kan modulere et innkommende signal fra en optisk fiber ved å reflektere derte tilbake til en optisk fiber som respons på et påtrykket elektrisk signal. Denne modulatoren er av en type som er beskrevet i US 5311360 inkluderende et delvis reflekterende og delvis transparent gitter plassert med en viss avstand fra en reflekterende flate, og videre kjennetegnet av at det omfatter minst én optisk fiber for transmittering av lyset til og/eller fra modulatoren, i hvilken gitteret utgjøres av et mønster som tilveiebringer en diffraktiv linse og at avstanden mellom gitteret og den reflekterende overflaten er innrettet til å bli modulert av det påtrykte elektriske signalet. This invention preferably uses an optical modulator which can modulate an optical signal in response to electrical signals. The preferred embodiment is based on modulation of the coupling of light transmitted from the temperate environment back to it, thus constituting a modulated reflection of the light. The modulator is based on the diffractive element described in US 5311360. The modulator described in this patent does not have sufficient efficiency to ensure coupling into an optical fiber. It is an additional object of this invention to provide an optical modulator which can modulate an incoming signal from an optical fiber by reflecting back onto an optical fiber in response to an applied electrical signal. This modulator is of a type described in US 5311360 including a partially reflective and partially transparent grating placed at a certain distance from a reflective surface, and further characterized by the fact that it comprises at least one optical fiber for transmitting the light to and/or from the modulator, in which the grating is constituted by a pattern which provides a diffractive lens and that the distance between the grating and the reflective surface is arranged to be modulated by the applied electrical signal.

US patentsøknad nr 2002/0039463 beskriver en detektor som baserer seg på endring av innbyrdes avstand mellom et gitter og en reflekterende flate. Denne er imidlertid ikke egnet for omforming av elektriske signaler til optiske signaler, og kan derfor ikke brukes i de ovennevnte anvendelsene. Videre er koblingen av signalet mot detektorene dårligere fordi gitteret er lineært og ikke fokuserende, slik at det kreves forholdsvis stor intensitet på det innkommende lyset. US patent application no. 2002/0039463 describes a detector which is based on changing the mutual distance between a grid and a reflective surface. However, this is not suitable for converting electrical signals into optical signals, and therefore cannot be used in the above-mentioned applications. Furthermore, the connection of the signal to the detectors is poorer because the grating is linear and not focusing, so that a relatively high intensity of the incoming light is required.

US patent 5796880 beskriver en elektrooptisk modulator for kobling av lys mellom optiske fibrer. Denne baserer seg på deformasjon av en overflate for å endre denne optiske egenskaper. Også denne mangler fokuserende gitterstruktur, noe som derfor krever optiske linser for å gi tilstrekkelig god kobling, noe som utgjør en kompliserende og fordyrende løsning som er mindre egnet i aggressive og utsatte miljøer. I tillegg er deformasjonen av overflaten mindre fleksibel. US patent 5898517 beskriver en løsning der modulatoren består av et piezoelektrisk element som endrer lengden på en optisk fiber som inneholder et Bragg-gitter. Begge disse utgjør mer kompliserte løsninger som dermed er mindre egnet for utsatte miljøer, og ingen av dem omfatter et gitter som bedrer koblingseffektiviteten ved bruk av et fokuserende diffraktivt gitter. US patent 5796880 describes an electro-optical modulator for coupling light between optical fibres. This is based on deformation of a surface to change its optical properties. This too lacks a focusing grating structure, which therefore requires optical lenses to provide sufficiently good coupling, which constitutes a complicating and expensive solution that is less suitable in aggressive and exposed environments. In addition, the deformation of the surface is less flexible. US patent 5898517 describes a solution where the modulator consists of a piezoelectric element that changes the length of an optical fiber containing a Bragg grating. Both of these constitute more complicated solutions that are thus less suitable for exposed environments, and neither of them includes a grating that improves the coupling efficiency by using a focusing diffractive grating.

Det er et formål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe en modulator særlig egnet for aggressive miljøer basert på et diffraktivt gitter med en kontrollerbar optisk koblingseffektivitet. Dette oppnås med en modulator som spesifisert i de vedlagte kravene. It is an object of this invention to provide a modulator particularly suitable for aggressive environments based on a diffractive grating with a controllable optical coupling efficiency. This is achieved with a modulator as specified in the attached requirements.

Slike diffraktive giftere kan lages ved litografiske prosesser ved å lage reflekterende mønstre i bestemte områder. Det reflekterende gitteret kan lokaliseres på overflaten av et transparent medium i form av f. eks en tynt metall- (for eksempel gull-) film på et glass-substrat. Eller gitteret kan dannes som fingre eller land mellom åpninger i en membran-struktur (for eksempel silisium eller silisiumnitrid på silisium) MEMS-teknologi. I tilfellet med et reflekterende mønster vil den andre reflekterende flaten, normalt et uniformt speil, beveges. Denne strukturen er enklere å lage men kan være vanskeligere å oppnå med tilstrekkelig høy båndbredde hvis den ikke opereres under vakuum. I tilfellet med en membran eller fingre vil disse normalt bevege seg relativt til en stasjonær reflektoroverflate og fordelen ved at en mindre masse skal beveges. Et eksempel på hvordan et slikt gitter kan produseres er gitt i US 5.311.360. Such diffractive couplers can be made by lithographic processes by creating reflective patterns in specific areas. The reflective grating can be located on the surface of a transparent medium in the form of, for example, a thin metal (eg gold) film on a glass substrate. Or the lattice can be formed as fingers or land between openings in a membrane structure (for example silicon or silicon nitride on silicon) MEMS technology. In the case of a reflective pattern, the second reflective surface, normally a uniform mirror, will be moved. This structure is easier to make but may be more difficult to achieve with sufficiently high bandwidth if not operated under vacuum. In the case of a diaphragm or fingers, these will normally move relative to a stationary reflector surface and the advantage of a smaller mass being moved. An example of how such a grating can be produced is given in US 5,311,360.

Ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen utgjør det diffraktive gitteret en diffraktiv linse med en fast brennvidde, men der effektiviteten avhenger av avstanden mellom gitteret og den reflekterende flaten. Et eksempel som viser denne typen linse er vist i internasjonal patentsøknad nr. PCT/NO02/00422, der en diffraktiv linse er implementert i en trykksensor. According to a preferred embodiment of the invention, the diffractive grating forms a diffractive lens with a fixed focal length, but where the effectiveness depends on the distance between the grating and the reflecting surface. An example showing this type of lens is shown in International Patent Application No. PCT/NO02/00422, where a diffractive lens is implemented in a pressure sensor.

Denne oppfinnelsen vil bli bedre beskrevet nedenfor med henvisning til de vedlagte tegningene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler.. This invention will be better described below with reference to the attached drawings, which illustrate the invention by means of examples.

Figur 1 illustrerer opplinken i et system for overføring av signaler fra det Figure 1 illustrates the uplink in a system for transmitting signals from it

aggressive miljøet til det tempererte miljøet. aggressive environment to the temperate environment.

Figur 2 illustrerer en foretrukket utførelse av modulatoren ifølge oppfinnelsen. Figure 2 illustrates a preferred embodiment of the modulator according to the invention.

Figur 3 illustrerer en andre utførelse av oppfinnelsen. Figure 3 illustrates a second embodiment of the invention.

Figur 4 illustrerer en tredje utførelse av oppfinnelsen. Figure 4 illustrates a third embodiment of the invention.

Det optiske systemet i figur 1 for innhenting av signaler fra det aggressive miljøet, heretter kalt "opplinken", vil fortrinnsvis operere ved optiske bølgelengder i området fra omtrent 1300nm til 1550nm, slik at det tillates relativt store overføringsrater gjennom den optiske fiberen over lange avstander. I andre anvendelser kan andre bølgelengder foretrekkes, for eksempel i 800-900nm området hvis silisiumbaserte lasere skal brukes, eller omtrent 670nm hvis plastlasere skal brukes. The optical system in figure 1 for obtaining signals from the aggressive environment, hereinafter called the "uplink", will preferably operate at optical wavelengths in the range from approximately 1300nm to 1550nm, so that relatively large transmission rates are permitted through the optical fiber over long distances. In other applications, other wavelengths may be preferred, for example in the 800-900nm range if silicon-based lasers are to be used, or approximately 670nm if plastic lasers are to be used.

I figur 1 emitterer en senderenhet 1 et optisk signal ved en valgt bølgelengde gjennom fiberen til en modulatorenhet 2 i det aggressive miljøet. Modulatorenheten inkluderer en optisk modulator 20 som modulerer et innkommende optisk signal som respons på et påtrykket elektrisk signal 13 fra instrumenter i det aggressive miljøet. Det utsendte optiske signalet blir modulert av en optisk modulator og det resulterende modulerte signalet blir sendt tilbake til det tempererte miljøet der en detektor 14 med tilhørende elektroniske kretser mottar og tolker signalet fra instrumentene i det aggressive miljøet. In Figure 1, a transmitter unit 1 emits an optical signal at a selected wavelength through the fiber to a modulator unit 2 in the aggressive environment. The modulator unit includes an optical modulator 20 which modulates an incoming optical signal in response to an applied electrical signal 13 from instruments in the aggressive environment. The emitted optical signal is modulated by an optical modulator and the resulting modulated signal is sent back to the temperate environment where a detector 14 with associated electronic circuits receives and interprets the signal from the instruments in the aggressive environment.

Det emitterte optiske signalet kan være kontinuerlig eller modulert. Modulasjonen er særlig nyttig for noen opplegg for multipleksing. Posisjonen til modulatorene kan optimeres for tidsdelt multipleksing der en kort optisk puls returnert fra en modulator ikke overlapper pulsene fra en av de andre modulatorene og dermed kan adskilles ved detektoren. Dette gjør det mulig for multipleksede modulatorer å sende ved sine maksimale operasjonsbåndbredder mens den totale transmitterte båndbredden blir multiplisert med antallet modulatorer. Energibudsjettet vil imidlertid lide. The emitted optical signal can be continuous or modulated. The modulation is particularly useful for some multiplexing schemes. The position of the modulators can be optimized for time division multiplexing where a short optical pulse returned from one modulator does not overlap the pulses from one of the other modulators and can thus be separated at the detector. This allows multiplexed modulators to transmit at their maximum operating bandwidths while the total transmitted bandwidth is multiplied by the number of modulators. However, the energy budget will suffer.

Figur 2 illustrerer en foretrukket utførelse av den optiske modulatoren i figur 1. Modulatoren er koblet til den optiske fiberen 6 og transmitterer optiske signaler fra emitteren, der det optiske signalet forplanter seg fra den optiske fiberenden gjennom et glasslegeme 21. På motsatt side av glasslegemet er det anordnet et diffraktivt element som i det illustrerte eksempelet i det vesentlige utgjøres av et reflekterende gitter 22 og en reflekterende flate 24 som er adskilt av et hulrom. Dimensjonene på hulrommet velges avhengig av lysets bølgelengde, for eksempel med en minimumsavstand på Vi bølgelengde definert av avstandsstykket 23. Figure 2 illustrates a preferred embodiment of the optical modulator in Figure 1. The modulator is connected to the optical fiber 6 and transmits optical signals from the emitter, where the optical signal propagates from the optical fiber end through a glass body 21. On the opposite side of the glass body is it arranged a diffractive element which in the illustrated example essentially consists of a reflective grating 22 and a reflective surface 24 which is separated by a cavity. The dimensions of the cavity are chosen depending on the wavelength of the light, for example with a minimum distance of Vi wavelength defined by the spacer 23.

Som beskrevet i US 5.311.360 and PCT/NO02/00422 vil de diffraktive elementene 22,23,24 svitsje mellom to forskjellige modi, illustrert i illustrasjonene 26 og 27 av lysintensitetene ved fiberendene. Når lyset reflektert fra gitteret på den første overflaten 22 og reflektoren på den andre overflaten 24 er i fase vil elementet virke hovedsakelig som en reflekterende overflate og den dominerende refleksjonen vil være ved den transmitterende fiberenden 6. Dette er illustrert i illustrasjonen 26 i hvilken intensiteten er størst symmetrisk rundt den første fiberenden 6. As described in US 5,311,360 and PCT/NO02/00422, the diffractive elements 22,23,24 will switch between two different modes, illustrated in illustrations 26 and 27 by the light intensities at the fiber ends. When the light reflected from the grating on the first surface 22 and the reflector on the second surface 24 are in phase, the element will act mainly as a reflecting surface and the dominant reflection will be at the transmitting fiber end 6. This is illustrated in illustration 26 in which the intensity is greatest symmetrical around the first fiber end 6.

De i det minste delvis reflekterende flatene er i deet vesentlige plane og parallelle, men kan, imidlertid omfatte små trekk eller relieffer for å øke fokuseringseffektiviteten ved å redusere fasefeilen fra hvert reflekterende element, så som et Fresnel-ringsystem. Ifølge en utførelse av oppfinnelsen kan begge flater omfatte et reflekterende gitter som, når de er plassert ved en valgt avstand fra hverandre, utgjør en reflekterende Fresnel-linse, der fokuseringseffektiviteten til denne da er avhengig av avstanden mellom flatene, slik som er diskutert i PCT/NO02/00422. The at least partially reflecting surfaces are substantially planar and parallel, but may, however, include small features or reliefs to increase focusing efficiency by reducing the phase error from each reflecting element, such as a Fresnel ring system. According to one embodiment of the invention, both surfaces may comprise a reflective grating which, when placed at a selected distance from each other, constitutes a reflective Fresnel lens, the focusing efficiency of which then depends on the distance between the surfaces, as discussed in PCT /NO02/00422.

Når fasene til lyset reflektert fra gitteret på den første overflaten 22 og den andre flaten 24 er motsatte blir det ingen refleksjon tilbake til fiberenden 6, og hovedrelfeksjonen er plassert ved en avstand fra sentrum avhengig av gitteret i tillegg til lysets bølgelengde. Ved å posisjonere en andre fiberende 7 ved denne posisjonen kan lys reflektert fra det diffraktive elementet kobles til den andre optiske fiberen 7 og dermed bli transmittert tilbake til det tempererte miljøet, som illustrert i den andre illustrasjonen 27. When the phases of the light reflected from the grating on the first surface 22 and the second surface 24 are opposite, there is no reflection back to the fiber end 6, and the main reflection is located at a distance from the center depending on the grating in addition to the wavelength of the light. By positioning a second fiber end 7 at this position, light reflected from the diffractive element can be coupled to the second optical fiber 7 and thus be transmitted back to the temperate environment, as illustrated in the second illustration 27.

Dermed kan man, ved å modulere avstanden mellom gitteretoverflaten 22 og den reflekterende flaten 24, modulere koblingen av lyset fra den første til den andre fiberenden. Thus, by modulating the distance between the grating surface 22 and the reflective surface 24, the coupling of the light from the first to the second fiber end can be modulated.

Som indikert i figur 3 trenger ikke gitteret å være et lineært gitter med lik avstand mellom de reflekterende og transparente delene. Ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er gitteret forsynt med et mønster som utgjør en fase linse slik at det diffraktive elementet, når avstanden mellom gitteret og den reflekterende overflaten er vesentlig forskjellig fra d- nX/ 2 der n er et heltall, utgjør en reflekterende linse som fokuserer lyset mottatt fra den første fiberenden 6 mot den andre fiberenden 7. På denne måten blir koblingseffektiviteten bedre siden den er på sitt maksimale når avstanden er i området nk/ 2+ X/ 4 eller alternativt avsyanden blir svært stor (avhengig av designvalg). Slike diffraktive linser er beskrevet mer i detalj i PCT/NO02/00422, som er inkludert her ved referanse. As indicated in Figure 3, the grating need not be a linear grating with equal spacing between the reflective and transparent portions. According to a preferred embodiment of the invention, the grating is provided with a pattern that forms a phase lens so that the diffractive element, when the distance between the grating and the reflecting surface is significantly different from d-nX/ 2 where n is an integer, forms a reflecting lens which focuses the light received from the first fiber end 6 towards the second fiber end 7. In this way, the coupling efficiency is improved since it is at its maximum when the distance is in the range nk/ 2+ X/ 4 or alternatively the deviation becomes very large (depending on the design choice) . Such diffractive lenses are described in more detail in PCT/NO02/00422, which is incorporated herein by reference.

Illustrasjonene 26 og 27 illustrerer hvordan tilstanden til modulatoren endres fra en mulig, men svak, kobling tilbake til den første fiberen 6 når modualtorens tilstande er "0", dvs oppfører seg som et speil, til en sterk, fokusert kobling til den andre fiberenden når status til modulatoren er "1", dvs når modulatoren virker som en faselinse. Avhengig av midlene for å endre avstanden mellom flatene kan både en kontinuerlig justering av koblingen eller en av/på-svitsjing være mulig. Illustrations 26 and 27 illustrate how the state of the modulator changes from a possible, but weak, coupling back to the first fiber 6 when the modulator's states are "0", i.e. behaving like a mirror, to a strong, focused coupling to the second fiber end when status of the modulator is "1", i.e. when the modulator acts as a phase lens. Depending on the means for changing the distance between the surfaces, both a continuous adjustment of the coupling or an on/off switching may be possible.

Ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er avstanden mellom gitteroverflaten 22 og flaten 24 kontrollert av en aktuator 25, som gir bevegelser som respons på elektriske signaler. Aktuatoren er av en hvilken som helst konvensjonell type som er egnet for bruk i høytemperatur-miljøer, for eksempel et piezoelektrisk element ellerelektrostatisk MEMS-element. According to a preferred embodiment of the invention, the distance between the grid surface 22 and the surface 24 is controlled by an actuator 25, which provides movements in response to electrical signals. The actuator is of any conventional type suitable for use in high temperature environments, for example a piezoelectric element or electrostatic MEMS element.

Avstandsstykket kan definere en valgt avstand som utgjør et endestopp ved en maksimum eller minimum koblingseffektivitet eller ved maksimal følsomhet, avhengig av anvendelsen. Aktuatoren 25 kan dermed justere koblingen kontinuerlig mellom maksimum og minimum kobling ved den avstanden som defineres med avstandsstykket 23 som referansepunkt. The spacer can define a selected distance that constitutes an end stop at a maximum or minimum coupling efficiency or at maximum sensitivity, depending on the application. The actuator 25 can thus adjust the coupling continuously between maximum and minimum coupling at the distance defined with the spacer 23 as reference point.

Ifølge en alternativ utførelse av oppfinnelsen kan aktuatoren være av en ikke-elektrisk type, for å gi respons på påvirkninger som gir endringer i avstandene mellomoverflatene. For eksempel kan aktuatoren ganske enkelt være et løsbart lim. Den andre overflaten vil da ganske enkelt forsvinne og dermed endre den optiske koblingen på en detekterbar måte. Ifølge denne anvendelsen kan dermed modulatoren ifølge oppfinnelsen brukes utgjøre en optisk detektor. According to an alternative embodiment of the invention, the actuator can be of a non-electric type, in order to respond to influences that cause changes in the distances between the surfaces. For example, the actuator may simply be a releasable adhesive. The other surface will then simply disappear and thus change the optical coupling in a detectable way. According to this application, the modulator according to the invention can thus be used to constitute an optical detector.

Det reflekterende gitteret på overflaten 22 kan lages på enhver konvensjonell måte og kan utgjøres av et dielektrisk eller metallisk lag på et glasslegeme. Den reflekterende flaten kan også være av enhver tilgjengelig type egnet for høytemperatur-miljø. The reflective grating on the surface 22 can be made in any conventional way and can be constituted by a dielectric or metallic layer on a glass body. The reflective surface can also be of any available type suitable for a high temperature environment.

Figur 3 illustrerer en utførelse av modulatoren ifølge oppfinnelsen i hvilken bare én optisk fiber blir brukt, og i hvilken det diffraktive elementet er laget som en faselinse innrettet til å fokusere lyset mer eller mindre nøyaktig effektivt tilbake til fiberen, og dermed modulere lyset som transmitteres tilbake til det tempererte miljøet.. Figure 3 illustrates an embodiment of the modulator according to the invention in which only one optical fiber is used, and in which the diffractive element is made as a phase lens arranged to focus the light more or less accurately efficiently back to the fiber, and thus modulate the light that is transmitted back to the temperate environment..

For digital kommunikasjon er hovedinteressen å lage et veldefinert null-nivå og et forholdsvis godt definert 1-nivå. For å fa lav feilrate er det viktig at 1-nivået er høyt i forhold til 0-nivået. En måte å lage et bra 0-nivå er i prinsippet å lage en godt fokuserende struktur. Hvis halvparten av den reflekterte effekten er forskjøvet med pi i fase vil et reflektert mønster med et hull i midten dannes. Den optiske fiberen, særlig en singelmodus-fiber, har et svært lite akseptområde. Hvis fiberen er plassert ved hullet i sentrum blir koblingen sterkt redusert og går faktisk null ved symmetrilinjen. Også lyset på de to sidene av symmetrilinjen er ut av fase og kansellerer ved kobling inn i en enkelt modus i den mottagende fiberen. Dette er illustrert i figur 4, som viser "fokus på" 32 og "fokus av" stadier med akseptområdet 30 i en singelmodus fiber, tilsvarende av- og på-stadiene i illustrasjonene 26 og 27 i figur 2 ved den andre koblingsinnretningen 7 i modulatoren. For digital communication, the main interest is to create a well-defined zero level and a relatively well-defined 1 level. In order to get a low error rate, it is important that the 1 level is high compared to the 0 level. One way to create a good 0 level is in principle to create a good focusing structure. If half of the reflected power is shifted by pi in phase, a reflected pattern with a hole in the middle will be formed. The optical fiber, especially a single-mode fiber, has a very small acceptance range. If the fiber is placed at the hole in the center, the coupling is greatly reduced and actually goes to zero at the line of symmetry. Also, the light on the two sides of the line of symmetry is out of phase and cancels when coupled into a single mode in the receiving fiber. This is illustrated in figure 4, which shows "focus on" 32 and "focus off" stages with the acceptance region 30 in a single mode fiber, corresponding to the off and on stages in illustrations 26 and 27 of figure 2 at the second switching device 7 in the modulator .

Det er et krav at den mottakende fiberen er godt plassert over hakket i linjen for å gi et godt null-nivå. På den andre siden kan 1-nivået lages med ganske tolerante marginer både i posisjon og endringer som termisk ekspansjon. Dette resulterer i at funksjonen er godt egnet for digital kommunikasjon. For ikke-digitale anvendelser kan det være vanskelig å kontrollere koblingsnivået i forhold til bevegelse for å danne for eksempel en lineær respons. It is a requirement that the receiving fiber is well positioned above the notch in the line to provide a good zero level. On the other hand, the 1-level can be made with fairly tolerant margins both in position and changes such as thermal expansion. This results in the function being well suited for digital communication. For non-digital applications, it can be difficult to control the coupling level in relation to movement to form, for example, a linear response.

En utførelse av oppfinnelsen som implementerer dette er illustrert i figur 4, der det reflekterende mønsteret er delt i to seksjoner 33,34 ved siden av hverandre. De to delene kan beveges litt av aktuatoren 25 og uavhengig av hverandre enten ut av planet, der endestoppet 23 fortrinnsvis definerer 0-nivået. Alternativt kan den bevegelige delen flyttes i en hvilken som helst romlig retning, men generelt må bevegelsen være lenger for å gi et faseskift på en halv bølgelengde som kreves av den mottagende fiberen. Aktuatoren 25 i det illustrerte eksempelet er fortrinnsvis innrettet til å gi bevegelser i størrelsesorden % av den anvendte bølgelengden. Dessuten kan den mottakende fiberen være den samme fiberen som den emitterende fiberen hvis dette er foretrukket, slik som i figur 3. An embodiment of the invention which implements this is illustrated in figure 4, where the reflective pattern is divided into two sections 33,34 next to each other. The two parts can be moved slightly by the actuator 25 and independently of each other either out of the plane, where the end stop 23 preferably defines the 0 level. Alternatively, the moving part can be moved in any spatial direction, but generally the movement must be longer to provide a half-wavelength phase shift required by the receiving fiber. The actuator 25 in the illustrated example is preferably arranged to provide movements of the order of % of the used wavelength. Also, the receiving fiber can be the same fiber as the emitting fiber if this is preferred, as in Figure 3.

En annen mulig implementasjon er at halvparten av mønsteret er på overflaten 22 av glass-substratet, som vist i figur 3, og den andre halvdelen på den bevegelige strukturen.24 med området på glass-substratet klart over den bevegelige strukturen. En hellende grenseflate i forhold til fasefronten vil redusere den påkrevde bevegelsen, men komplisere utformingen av den primære reflekterende strukturen. Another possible implementation is that half of the pattern is on the surface 22 of the glass substrate, as shown in Figure 3, and the other half on the movable structure.24 with the area of the glass substrate clearly above the movable structure. A sloping interface relative to the phase front will reduce the required motion, but complicate the design of the primary reflective structure.

Modulatoren som er beskrevet her primært i forbindelse med optiske fibere. Dette basert på anvendelsen som er nevnt over. Inngangs- og utgangs-midlene 6,7 kan imidlertid også utgjøres av andre løsninger, så som andre bølgeledertyper eller av detektormidler koblet til modulatoren, avhengig av modulatorens anvendelse. The modulator that is described here primarily in connection with optical fibers. This is based on the application mentioned above. However, the input and output means 6,7 can also be constituted by other solutions, such as other waveguide types or by detector means connected to the modulator, depending on the modulator's application.

Claims

1. Optical modulator suitable for use in an aggressive environment, comprising: at least one optical connector, for example for connecting an optical fiber (6) to the modulator (20), for transmitting light to and/or from the modulator, a first partial reflective, substantially planar, surface (22,33) provided with a reflective grating, wherein the reflective grating forms a pattern to provide a diffractive lens of a selected focal length, a second at least partially reflective surface (24,34) which is parallel to the first surface and located at a selected distance from the first surface, and which is connected to an actuator (25) for converting a received influence into movements between the surfaces, where the distance between the surfaces is arranged to provide a controlled coupling of the light reflected from said surfaces to said at least one optical coupling in that the efficiency of said diffractive lens depends on the distance between the first and second surfaces.

2. Modulator according to claim 1, where the actuator (25) is an electrical transducer designed to convert an electrical signal into changes in the distance between the surfaces.

3. Modulator according to claim 1, where the first surface (22) is partially transparent and the second surface (24) is placed below the first surface, thereby reflecting light transmitted through the first surface.

4. Modulator according to claim 1, comprising two optical links, where the diffractive lens is arranged to focus light transmitted from the first optical link to the second.

5. Modulator according to claim 1, comprising one optical link where the diffractive lens on the first surface (22) is arranged to focus light transmitted from the optical link back to it.

6. Modulator according to claim 1, where the first and second surfaces (33, 34) are placed next to each other without overlapping, where each surface comprises a part of said diffractive lens, where the relative position between the lens parts thus defines the effectiveness of the lens focusing ability.

7. Modulator according to claim 1, where the first surface (22,33) consists of a first set of reflective elements placed in a first plane, and that the second surface (24,34) consists of a second set of elements placed in a second plane, where the relative positions of the planes are adjustable by adjusting the positions of the second set of reflective elements.

8. Modulator according to claim 1, wherein the reflective grating on the first surface (22) is provided on a glass body (21) which is connected on its opposite side to the optical coupling, and in which the second reflective surface (24) is separated from the first at least partially reflecting surface of a cavity.

9. Modulator according to claim 1, where the two surfaces are separated by a spacer (23) which defines a selected distance between the surfaces, for example selected to provide maximum coupling to the optical coupling for transmission of signals to the temperate environment.

10. Modulator according to claim 1, where the actuator (25) is a piezoelectric transducer.

11. Modulator according to claim 1, comprising an optical coupling where the modulation is provided by changing the efficiency of the reflection in the 0th order of the diffraction grating back to the coupling.

12. Modulator according to claim 1, comprising two optical links in which the modulation is provided by changing the efficiency of the reflection in the Nth order of the diffraction grating from the first to the second optical link.

13. System for the transmission of signals between electrical equipment placed in an aggressive environment, for example with temperatures above about 85°C and instruments placed in a temperate environment, for example with temperatures below about 85°C, comprising a modulator (20) which stated in claim 1, comprising: at least one optical fiber (6,7) connected to said coupling means for the transmission of signals between the temperate environment and the modulator, at least one laser source (1) connected to at least one of said at least one optical fiber (6, 7) for the emission of light in a selected wavelength range, for example in the range 1200-1700nm through the optical fiber, where the laser source is placed in the tempered environment, a detector (14) arranged to receive light with the emitted wavelength and placed in it the temperate environment, where the detector is connected to said at least one optical fiber for receiving light from the modulator, and converting the received light into a corresponding electrical signal.

14. Use of a modulator according to claim 1 as a detector, where said actuator (25) consists of sensor means which are sensitive to changes in the environment, such as temperature, in that the sensor reacts to the changes by changing the distance between the surfaces.

15. Application according to claim 14, wherein the actuator (25) is made up of a releasable adhesive, thereby reacting to said impact upon removal of one of the surfaces.