NO851016L - Optisk stapel-fiber polarisator - Google Patents

Description

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Den foreliggende oppfinnelse vedrører generelt apparater og fremgangsmåter for polarisering av lys og spesielt fiberoptiske apparater og fremgangsmåter for fremskaffelse av lys med en forhåndsbestemt polarisasjon.

'Det er vel kjent at ved mange fiberoptiske systemer er

det ønskelig å ha lys av en kjent polarisasjonstilstand ved valgte punkter som inn-signaler til komponenter hvis drift er polarisasjonsavhengig, i den hensikt å redusere feil til et minimum. PolarisasjonstUstanden er spesielt viktig i et apparat, f.eks. en optisk fiberrotasjonsføler. Ved et polarisert optisk fiberrotasjonsavfølingssystem kan avdriftsfeil pga. endringer i polarisasjonen bestemmes ved kvaliteten av polarisatoren.

En lineær polarisasjonstilstand i en fiberoptisk rotasjons-føler blir typisk oppnådd med noen typer lineære polarisatorer, f.eks. den fiberoptiske polarisator som er omtalt i US patentskrift 4 386 822 (Bergh). Inn-signalet for den polariserte til-stand til polarisatoren er generelt vilkårlig. Polarisatoren fører lys med uønsket polarisasjon ut av fiberen og tillater lys med bare en selektert ønsket polarisasjon å vandre gjennom fiberen. I ovennevnte patentskrift er det angitt at en fiberoptisk polarisator innbefatter en lengde av optisk fiber montert i et buet spor i et kvartssubstrat. Substratet og en del av den optiske fiber er slipt og polert for fjerning av en del av omhyllingen fra fiberen for dannelse av et vekselvirkningsområde. Fiberpartiet i sporet er buet konvekst når man ser mot den polerte flate. Det dobbeltbrytende krystall er montert på substratet over vekselvirkningsdmrådet i umiddelbar nærhet av kjernen for det fiberoptiske materiale. Krystallet er slik plassert at det delvis krysser lysbanen som brer seg i den optiske fiber, slik at kortvarig feltkobling kobler lys av uønsket polarisasjon fra den optiske fiber og inn i krystallet.

Det dobbeltbrytende krystall har forskjellige bølgehastig-heter for bølger med forskjellige polarisasjoner. Med polarisasjoner hvor bølgehastigheten i krystallet er lavere enn bølge-hastigheten i den optiske fiber, vil det lys som bæres av den optiske fiber eksitere en samlet bølge i krystallet som bevirker

lys å unnslippe fra den optiske fiber inn i krystallet.

Der eksiteres ingen samlet bølge i krystallet for polariserin-ger som har bølgehastigheter i krystallet større enn i fiberen, slik at lys med slike polarisasjoner forblir ført inn i den optiske fiber. Brytningsindeksene for krystallet er slik at en bølge med en polarisasjon langs en av hovedaksene for krystallet vil spre seg langsommere i krystallet enn i den optiske fiber, og en bølge med en polarisasjon langs en annen hovedakse vil spre seg med større hastighet i krystallet enn i den optiske fiber.

Et forbedret apparat til å fremskaffe lys med en kjent polarisasjon innbefatter en polarisasjonsstyreenhet plassert i fiberen mellom lyskilden og polarisatoren, idet polarisasjonsstyreenheten blir justert for å skaffe lys med en ønsket polarisasjon som inngangssignal til polarisatoren. I et typisk system vil imidlertid polarisasjonstilstand-inngangssignalene til polarisasjonsstyreenheten variere pga. den optiske fibers føl-somheter overfor omgivelsene. Variasjoner i temperatur og trykk, vibrasjoner og eldring av materialene kan bevirke betydelige endringer i polarisasjonsutgangssignalene fra polarisasjonsstyreenheten til polarisatoren. I et system som innbefatter en polarisasjonsstyreenhet som er fiksert for å variere polarisasjonen av lysinngangssignalet med en forhåndsbestemt mengde, vil derfor den polarisasjon av lysinngangssignalet til polari-sas j onsstyreenheten som varierer med tid, bevirke signalfading.

Andre problemer som knytter seg til tidligere kjente polarisatorer er at naturlig forekommende krystaller ikke omfatter ønskede brytningsindekser fordi hvert naturlig forekommende krystall bare har visse brytningsindekser bestemt ved den krys-tallinske struktur, og det er vanskelig på passende måte å binde krystallet til substratet. Krystallene er ikke stabile hva angår omgivelsene, hvilket innebærer en annen feilkilde.

En annen forbedret polarisator innbefatter et tilbakekob-lingssystem til å detektere det lys som kobles ut av fiberen og representerer et feilsignal. Feilsignalet blir brukt til å justere polarisasjonen av lysinngangssignalet til polarisatoren for å bringe den mengde av lys som kobles ut av systemet, til et minimum.

Effektiviteten av slike polarisatorer er meget avhengig

av brytningsindeksen for krystallet. Uheldigvis vil brytningsindeksene for dobbeltbrytende krystaller være meget temperatur-følsomme. I den hensikt å kunne passe for inertiføringsanvendel-ser må en roterende føler ha en grad av temperaturstabilitet fordi slike rotasjonsfølere må kunne operere over et temperatur-område fra -65° til +85°C i henhold til standard militære spesi-fikasjoner. Slike ekstreme temperaturer kan erfares ved luft-fartøyer og missiler, når disse opererer mellom lave og høye bakkeavstander.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

Den foreliggende oppfinnelse råder bot på de vanskeligheter som knytter seg til tidligere kjente polarisatorer ved å skaffe en polarisator som omgivelsesmessig er stabil, lett å binde til substratet og har brytningsindekser som kan styres mellom visse grenser.

Den stabile polarisator ifølge den foreliggende oppfinnelse innbefatter en optisk fiber montert i et buet spor i et substrat, slik det er omtalt i US patentskrift 4 386 822. Istedenfor å bruke naturlig forekommende krystall innbefatter imidlertid den foreliggende oppfinnelse alternerende lag av to forskjellige typer glass som er sammenholdt for dannelse av en lagsammensetning med en ytterflate av sammensetningen som er festet til substratet. De to forskjellige glasstyper har forskjellige brytningsindekser og danner et fasegitter. Gitterperioden er valgt til å være mindre enn halve den optiske bølge-lengde slik at der ikke opptrer spredning, men fasegitterdan-nelsen vil fremskaffe forskjellige brytningsindekser avhengig av hvorvidt lysvandringen i fiberen blir polarisert parallelt med eller vinkelrett på gitrene. Brytningsindeksene for glassene og dimensjonene på gitrene er valgt slik at de simulerer et dobbeltbrytende krystall. De termiske følsomheter hva angår brytningsindeksene for glassene er tilpasset dem for fiberen for å oppnå stabil drift under store temperaturvariasjoner. Brytningsindeksene for glassene og tykkelsene på lagene er valgt for å skaffe en fiberoptisk polarisator av høy kvalitet og med små tap og med en reduksjonsfaktor på minst 100 dB.

KORT OMTALE AV TEGNINGSFIGURENE

Fig. 1 er et tverrsnitt gjennom en del av en kjent polarisator innbefattende dobbeltbrytende krystall plassert i nærheten av det vekselvirkende parti av en halvkobler. Fig. 2 er et tverrsnitt gjennom en del av en annen kjent polarisator innbefattende en halvkobler med en tynn metallisk film anordnet på substratet over vekselvirkningsområdet. Fig. 3 er et tverrsnitt gjennom en del av den optiske stapelfiberpolarisator i henhold til oppfinnelsen, innbefattende en halvkobler med et fasegitter som omfatter alternerende lag av forskjellige glass festet til substratet over vekselvirkningsområdet .

Fig. 4 er et oppriss i større målestokk av et utsnitt

av fasegitteret på fig. 3 og anskueliggjør periodisiteten og de dimensjonelle særtrekk ved dette.

Fig. 5 er et. diagram over forskjellen mellom brytningsindeksene for fasegitteret på fig. 1 som funksjon av forholdet mellom tykkelser av dielektriske lag.

OMTALE AV FORETRUKKEN UTFØRELSESFORM

Konstruksjonsmessige og funksjonelle fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil komme bedre til uttrykk ved først å forklare oppbygningen og virkemåten for to tidligere kjente polarisatorer.

På fig. 1 innbefatter en polarisator 10 en halvkobler

12 som omfatter et substrat 14, fortrinnsvis dannet av en kvarts-blokk med et buet spor 16 uttatt deri. En lengde av en optisk fiber 18 med en kjerne 20 og en omhylning 22 er festet i sporet 16. En del av substratet 12 er blitt slipt og polert ned for dannelse av en flate 24 som strekker seg inn i omhyllingen eller belegget 22. Slipe- og poleringsoperasjonen fjerner et parti av belegget 22 for dannelse av et langstrakt vekselvirknings-parti 26. Et dobbeltbrytende krystall 28 med optisk flat over-flate 30 er montert på overflaten 24 av substratet 12. I vekselvirkningspartiet 26 vil det kortvarige lysfelt som brer seg i fiberen 18, vekselvirke med det dobbeltbrytende krystall 28.

Dersom fiberen 18 er en singelmodusfiber, så vil de eneste modi som brer seg, være dem hvor retningene for de elektriske og magnetiske felter stå tilnærmet vinkelrett på vandreretningen for bølgen gjennom fiberen 18. På fig. 1 representerer vektor 32 vandreretningen for lys gjennom fiberen 18 og vektor 34 representerer en polarisasjon vinkelrett på vandreretningen for lysbølgen. Vandreretningen og den vinkelrette polarisasjon lig-ger i papirplanet. Den innsirklede prikk 36 representerer en polarisasjonsvektor parallelt med grensesnittet 24 mellom fiberen 18 og det dobbeltbrytende krystall 28 ved vekselvirkningspartiet 26 og står vinkelrett på papirplanet.

Krystallet 28 er slik anordnet at for lys som er polarisert vinkelrett på krystallfibergrensesnittet 24, vil brytningsindeksen for krystallet 28 være mindre enn brytningsindeksen for fiberen 28. Derfor vil lys som brer seg i den optiske fiber 18 med en polarisasjon vinkelrett på krystallfibergrensesnittet 24, forbli i den optiske fiber 18 pga. de totale indre reflek-sjoner ved krystallfibergrensesnittet 24. Brytningsindeksen for krystallet 28 for polarisasjoner parallelt med krystallfibergrensesnittet 24 er valgt til å være større enn brytningsindeksen for den optiske fiber 18, slik at lys som er polarisert parallelt med krystallfibergrensesnittet 24 kobles ut av den optiske fiber og inn i det dobbeltbrytende krystall 28. Vektor 38 på fig. 1 representerer polarisasjonsretningen for lys som er polarisert vinkelrett på krystallfibergrensesnittet 24, og som er kommet forbi vekselvirkningspartiet 26 og ut av polarisatoren 10. Det innsirklede punkt 40 representerer lys med polarisasjon parallelt med krystallfibergrensesnittet 24, hvilket in-dikerer polarisasjon av lys som har kommet ut av den optiske fiber 18 og gjennom det dobbeltbrytende krystall 28.

Av det ovenstående vil det fremgå at relevante parametre for bestemmelse av polarisasjonsutgangssignaler fra polarisatoren 10 innbefatter innpolarisasjonskomponenter vinkelrett og parallelt med krystallfibergrensesnittet 24, brytningsindeksen for fiberen, brytningsindeksen i det dobbeltbrytende krystall 28 for lys polarisert vinkelrett på krystallfibergrensesnittet 24 og brytningsindeksen for lys i krystallet 28 for lys som er polarisert parallelt med krystallfibergrensesnittet 24 .

De vanskeligheter som knytter seg til det begrensede område for brytningsindekser for krystaller og omgivelsesustabili-teten hos brytningsindeksene for tilgjengelige krystaller, be-grenser anvendbarheten for polarisatoren 12 og dennes variasjoner i roterende følersystemer.

Fig. 2 representerer en polarisator 46 som er konstruert for å unngå de termiske og mekaniske vanskeligheter som knytter seg til krystallet 28. Polarisatoren 46 innbefatter en halvkobler 12 hovedsakelig make til halvkobleren 12 på fig. 1. En tynn metallisk film 48 er avsatt på overflaten 24 for å dekke vekselvirkningsområdet 26. Den metalliske film 48 som kan være en aluminiumfilm som eksempel absorberer all polarisasjon som ikke foreligger vinkelrett derpå. Polarisatoren 46 overfører derfor bare polarisasjoner vinkelrett på mellomskiktet mellom det ledende ark 48 og fiberen 18 som er dielektrisk. En verifikasjon av overføringen og absorpsjonskarakteristikkene hos polarisatoren 46 innbefatter det å løse de elektromagnetiske grenseverdi-problemer ved fibermetallfilmgrensesnittet.

Typisk har polarisatoren 46 et svinnforhold på bare 20-30 dB. Svinnforholdet hos polarisatoren utgjør forholdet mellom intensiteten av det lys i den uønskede polarisasjonsmodus som tilbakeholdes i den optiske fiber 18, og intensiteten av det lys i ønsket polarisasjonsmodus som tilbakeholdes i fiberen 18, idet man antar like inngangssignaler i polarisasjonene parallelt med og vinkelrett på det ledende ark 48 i polarisatoren 46. Innføringstapet for polarisatoren 46 er temmelig høy, typisk 2-3 dB. Ved fiberoptiske rotasjonsfølere er det velkjent at en feilkilde eksisterer, som er proporsjonal med kvadratroten av svinnforholdet. En polarisator med et 100 dB svinnforhold har derfor en feilkildestørrelse på ca. 10 i forhold til inn-signalet. For rotasjonsfølere med stor nøyaktighet må feilkilden være så liten som mulig. Hittil kjente filmpolarisatorer kan ikke nyttes for fiberoptisk rotasjonsføleranvendelser pga. det forholdsvis lave svinnforhold og de høye innføringstap.

På fig. 3 er der vist en stapelpolarisator i henhold til oppfinnelsen som innbefatter en halvkobler 12 og et fasegitter 52 dannet av et første dielektrisk materiale 54 med en første dielektrisitetskonstant og et annet dielektrisk materiale 56 med en annen dielektrisitetskonstant. Det er funnet at det å fremskaffe en sammensatt gitterkonstruksjon med alternerende lag av første og andre dielektriske materialer 54, 56 frem-skaffer en anordning som virker som et homogent dobbeltbrytende materiale. Tykkelsen av to tilstøtende lag av dielektriske materialer 54, 56 betegnes som perioden P for fasegitteret 52. Et gitter med en periodisitet som er mindre enn halvparten av bølge-lengden av den aktuelle utstråling, vil ikke fremskaffe noen diffraksjonsordener. Egenskapene hos det kunstig fremskaffede dobbeltbrytende materiale er avhengig av profil, tykkelse og linje/mellomrom-forhold hos fasegitteret 52. Ved bruk av kjent submikrometerfremstillingsteknologi er det mulig å fremskaffe fasegitteret 52 med en periodisitet som er hovedsakelig mindre enn halvparten av bølgelengden av koherentlys som vanligvis benyttes ved anvendelser for fiberoptiske sensorer.

På fig. 4 er avstanden P vist i større målestokk. Det

er passende å uttrykke tykkelsen av det første dielektriske lag 54 som en brøkdel q av perioden P, slik at tykkelsen av det første dielektriske lag 54 er gitt ved qP. Ved en typisk anvendelse er perioden P 1.000 A og tykkelsen qP av det annet dielektriske materiale 100 A. I en artikkel av Flanders "Sub-micrometer Periodicity Gratings as Artificial Anisotropic Di-electrics", Appl. Phys. Lett. 42(6) 15. mars 1983 blir der omtalt fremstilling av et dielektrisk gitter med 240 nm periode. Det første dielektriske lag 54 kan passende være tildannet av silisiumdioksidglass, og det annet dielektriske lag 56 kan være titandioksidglass. Brytningsindeksene for lagene 54 og 56 bør skille seg fra dem for belegget 22.

Omstendelig beregning av de elektromagnetiske egenskaper hos fasegitteret i det optiske område er vanskelig. Problemet er i stor grad forenklet ved å anta at gitterperioden er meget smalere enn den optiske bølgelengde. I strengeste grad er det å kreve perioden til å være meget mindre enn bølgelengden vanskelig å oppfylle i noen områder av spekteret, spesielt det synlige område og områder med bølgelengder kortere enn bølgelengdene for det synbare spekter. Dersom perioden er mindre enn halvparten av bølgelengden, vil der imidlertid ikke opptre diffraksjonsordener, og fasegitteret vil virke som et anisotrop medium selv om aktuelle målte verdier av brytningsindeksene ikke stemmer nøyaktig med resultatene av den forenklede analyse.

For analysens skyld kan fasegitteret behandles som et periodisk stratifisert medium som er lagvis anordnet mellom to homogene dielektriske materialer, idet det ene utgjøres av fiberbelegget og det annet utgjør luft. Det er mulig å beregne de optiske egenskaper for periodisk stratifisert medium ved bruk av teorien for elektromagnetiske Block-bølger. Problemet innbefatter i bunn og grunn tilpasning av de elektromagnetiske grensebetingelser ved hvert grensesnitt. Det er velkjent fra Maxwell's ligninger at komponenter i den elektromagnetiske felt-vektor parallelt med lagene kan være kontinuerlige, og at kompo-nentene i de elektriske feltvektorer vinkelrett på grensesnit-tene er diskontinuerlige og knytter seg til brytningsindekser for materialene i henhold til

hvor og E_ er de perpendikulære komponenter for det elektriske felt på de to sider av et dielektrisk grensesnitt, og n.^ og n ? er brytningsindeksene for de to dielektriske materialer.

Tykkelsen av belegget 22 ved vekselvirkningsområdet 26

må være slik at det flyktige lysfelt som vandrer i fiberen 18, vekselvirker med det dobbeltbrytende fasegitter 52, slik at lys av en selektert polarisasjon kobler seg ut av fiberen 18

og inn i fasegitteret 52, samtidig som lys fra en annen selektert polarisasjon forblir i fiberen 18. Lys som er polarisert parallelt med fasegitteret 52, er vist til å være utkoblet fra fiberen 28, mens lys polarisert vinkelrett på fasegitteret 52 forblir i fiberen 18. Imidlertid er det mulig å konstruere fasegitteret 52 slik at der bare overføres parallelle polarisasjoner i fiberen 18 og der kobles ut perpendikulære polarisasjoner.

Fordi vandreretningen for bølgen i fiberen og vekselvirkningsområdet er hovedsakelig vinkelrett på lagene i det første og annet dielektriske materiale, er det mulig å behandle grense-verdiproblemer som et sett av periodisk dielektriske bølge-ledere. Begge analyser av problemet gir det samme resultat dersom perioden er meget mindre enn bølgelengden for vandringen parallelt med lagene. Resultatet er at for de effektive brytningsindekser hvor n,(for elektriske felter parallelt med lagene og nj_ for elektriske felter vinkelrett på lagene, blir

Fig. 5 viser en nedtegning av Ln - n^ - nj_ for AlF^med n^

= 1,39 og Al203med n ? - 1,63. Resultatet er et sammenhengende område av An for en hvilken som helst n^, og at An kan være forholdsvis stor når er forholdsvis stor.

Det er mulig å danne passende fasegittere på fiberbelegget og substratet ved påsprutning av alternative lag av silisium-dioksid og titandioksid.

Andre måter å tildanne gitteret 52 på innbefatter en hvilken som helst teknologi til forming av tynne filmer, f.eks.

en våt kjemisk prosess som innbefatter alternativ dypping av fiberen eller et substrat i sol-gel og tørking for dannelse av et ønsket antall av lag, epitaksial vekst og molekylarione-stråle.

Claims (9)

1. En optisk stapelfiberpolarisator til å motta et inngående optisk signal med en vilkårlig polarisasjon og å skaffe et ut-gående optisk signal med bare en eneste selektert polarisasjon, omfattende: en lengde av fiberoptisk materiale med en kjerne og et belegg som omgir kjernen, idet et parti av belegget har en tykkelse som danner et vekselvirkningsområde, samtidig som belegget har en forhåndsbestemt brytningsindeks, et fasegitter plassert i nærheten av vekselvirkningsområdet og innbefattende i det minste et lag av et første dielektrisk materiale med en første brytningsindeks og i det minste et lag av et annet dielektrisk materiale med en annen brytnings indeks, idet de første og andre brytningsindekser er forskjellige fra beleggets brytningsindeks, og idet brytningsindeksen for fasegitteret og lengden av det fiberoptiske materiale er slik valgt at lyset med selektert polarisasjon brer seg i det fiberoptiske materiale og andre polarisasjoner underkastes en vekselvirkning med fasegitteret ved vekselvirkningsområdet for utkobling fra det fiberoptiske materiale.

2. Polarisator som angitt i krav 1, karakterisert ved at fasegitteret innbefatter en flerhet av vekslende lag av det første dielektriske materiale med en første tykkelse og det annet dielektriske materiale med en annen tykkelse.

3. Polarisator som angitt i krav 2, karakterisert ved at den selekterte polarisasjonsmodus som skal føres inn i det fiberoptiske materiale er vinkelrett på fasegitteret ved vekselvirkningsområdet.

4. Polarisator som angitt i krav 3, karakterisert ved at den omfatter et underlag med et spor uttatt deri, idet lengden av det fiberoptiske materiale som er montert i sporet er slik at belegget danner en hovedsakelig plan flate som vender utover fra sporet ved vekselvirkningsområdet .

5. Polarisator som angitt i krav 1, karakterisert ved at brytningsindeksene for fasegitteret er hovedsakelig like temperaturavhengig som beleggets brytningsindeks.

6. Fremgangsmåte for polarisering av lys, karakterisert ved at den omfatter følgende trinn: å forme en lengde av fiberoptisk materiale med en kjerne og et belegg som omgir kjernen, idet et parti av belegget har en tykkelse som er valgt for å danne et vekselvirkningsområde, å plassere et lag av et første dielektrisk materiale med en første brytningsindeks i nærheten av vekselvirkningsområdet og å plassere i det minste ett lag av et annet dielektrisk materiale med en annen brytningsindeks i nærheten av det første lag.av det dielektriske materiale, idet lagene av det første og annet dielektriske materiale danner en sammensatt dielektrisk konstruksjon med en brytningsindeks som er slik at den første selekterte polarisasjonsmodus brer seg i det fiberoptiske materiale mens en lengde av en annen polarisasjon kobler ut fra det fiberoptiske materiale.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert ved at den ytterligere innbefatter trinnet å forme fasegitteret fra de elektriske materialer med brytningsindekser som har en temperaturavhengighet hovedsakelig make til temperaturavhengigheten av brytningsindeksen for belegget slik at temperaturfluktuasjoner innenfor et forhåndsbestemt område har hovedsakelig ingen virkning på polarisasjonen av lys som brer seg utover vekselvirkningsområdet.

8. Fremgangsmåte for polarisering av lys, karakterisert ved at den omfatter følgende trinn: å danne en lengde av fiberoptisk materiale med en kjerne og et belegg som omgir kjernen idet et parti av belegget har en tykkelse som er valgt for å danne et vekselvirkningsområde, å plassere et fasegitter i nærheten av vekselvirkningsområdet som har fasegitterbrytningsindekser for lys av en første polarisasjonsmodus og henholdsvis en annen polarisasjonsmodus valgt slik at lyset med den første polarisasjon sprer seg i fiberen mens lys av den annen polarisasjon samvirker med fasegitteret ved vekselvirkningsområdet for utkobling fra det fiberoptiske materiale til fasegitteret.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, karakterisert ved at den ytterligere omfatter det trinn å tildanne fasegitteret fra dielektriske materialer med brytningsindekser som hovedsakelig har samme temperaturav-hengigheter som brytningsindeksen for belegget slik at tempera-turf luktuas j oner innenfor et forhåndsbestemt område hovedsakelig ikke har noen virkning på polarisasjonen av lys som brer seg i det fiberoptiske materiale ut over vekselvirkningsområdet.