NO851594L - Fieroptisk frekvensskifter. - Google Patents

Description

Bakgrunn for oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelse vedrører generelt frekvensskiftere og spesielt fiberoptiske frekvensskiftere. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen en fiberoptisk frekvensskifter som kan brukes i et optisk roterende avfølingssystem for skifting av frekvensen for inngående lys til en frekvens som passer for den vinkelrotasjonshastighet som skal detekteres .

Et fiberoptisk ringinterferometer omfatter typisk en sløyfe av fiberoptisk materiale som rommer motvandrende lys-bølger. Etter å ha gått gjennom sløyfen, blir de motvandrende bølger kombinert slik at de konstruktivt eller destruktivt interfererer for dannelse av et optisk utsignal. Intensi-

teten av det optiske utsignal varierer som en funksjon av typen og graden av interferens, noe som er avhengig av den relative fase av de motvandrende bølger.

Fiberoptiske ringinterferometre har vist seg å være spesielt nyttige for rotasjonsavføling. Rotasjon av sløyfen skaffer en relativ faseforskjell mellom de motvandrende bølger i henhold til den kjente "Sagnac"-virkning, idet graden av faseforskjell er en funksjon av vinkelhastigheten for sløyfen. Det optiske utsignal som fremskaffes ved interferensen mellom de motvandrende bølger, varierer i intensitet som en funksjon av sløyfens rotasjonshastighet. Rotasjonsavføling utføres ved at der detekteres det optiske utsignal og det optiske utsignal behandles for bestemmelse av rotasjonshastigheten.

I den hensikt å kunne brukes for inerti-navigasjons-anvendelser må en rotasjonsavføler ha et meget bredt dynamisk område. Rotasjonsføleren må være i stand til å detektere rotasjonshastigheter så lave som 0,01 grader pr. time og så høyt som 1000 grader pr. sekund. Forholdet mellom den øvre grense og den nedre grense som skal måles, er tilnærmet 10<9>.

Utsignalet fra et fiberoptisk gyroskop med åpen sløyfe

er en sinusformet bølgeform. Sinusformen er ikke-lineær og angir ikke bare en eneste verdi, noe som skaffer vanskeligheter for oppnåelse for nøyaktige målinger. Amplituden fluktuerer

også fordi den er avhengig av flere parametre som kan variere.

Prinsippet med å bruke en voluminøs optisk roterende halvbølgeplate som en frekvensskifter er velkjent, og slike roterende halvbølgeplate-frekvensskiftere blir benyttet både ved mikrobølge- og optiske frekvenser. Optisk frekvensskifting kan utføres idet der føres et optisk signal gjennom et elektro-optisk krystall med en tredobbelt akse og påtrykkes et roterende elektrisk felt på krystallet. For å oppnå frekvensskifting blir den optiske stråle fortrinnsvis polarisert sirkulært og ført langs den tredobbelte akse for krystallet. Når der ikke påtrykkes noe felt, vil krystallet ikke fremvise noen dobbeltbrytning, og den stråle som kommer ut, er upå-virket. Når det påtrykte felt har den riktige halvbølge-amplitude og roterer i et plan normalt på den tredobbelte akse, funksjonerer krystallet som en roterende halvbølge-plate. Den stråle som kommer ut, har fått sin optiske frekvens skiftet og sin avføling av polaritet reversert. Frekvensskiftet er lik to ganger rotasjonshastigheten for det påtrykte felt. Fordi et jevnt roterende påtrykt felt ideelt resulterer i

en eneste ny frekvens i den utgående stråle, vil roterende feltfrekvens-skiftere bli omtalt som enkeltsidebånd-under-trykte bæremodulatorer ("single-side-band- suppressed-carrier"

(SSBSC) modulators").

Tidligere frekvensskiftere benytter ikke-lineære mellom-virkninger mellom akustiske og optiske bølger og er beheftet med smale båndbredder, vanskelige geometrier og krav til spesielle optiske fibre og er ute av stand til å skaffe den nøyaktighet som er nødvendig for flynavigasjon.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelse skaffer en fiberoptisk frekvensskifter som gjør det mulig å skifte frekvensen av inngående koherent lys over det dynamiske område som er nød-vendig for inerti-føringsanvendelser. En fiberoptisk frekvensskifter i henhold til oppfinnelsen gjør det mulig å skifte frekvensen enten over eller under innfrekvensen uten å fremskaffe uønskede harmoniske eller sidebånd. Videre blir graden av frekvensskift kontinuerlig variabel slik at frekvensen kan sveipes gjennom et forhåndsbestemt frekvensområde under styring av en oscillator. Oppfinnelsen kan også innbefatte et negativt tilbakeføringssystem fbr opprettholdelse av en ønsket utfrekvens.

En første utførelsesform for frekvensskifteren omfatter

en lengde av fiberoptisk materiale med et omgivende belegg eller kappe dannet av et vekselvirkningsmateriale som fortrinnsvis er et elektro-bundet ellr piezo-elektrisk aktivt materiale hovedsakelig konsentrisk med hensyn til fiberen. Elektroder er festet til omkretsen av vekselvirkningsmaterialet, og der er innlemmet elektroniske kretser for påtrykning av elektriske felter på elektrodene. Påtrykningen av elektriske felter på elektrodene skaffer elektriske felter i vekselvirkningsmaterialet, noe som bevirker at vekselvirkningsmaterialet vil trekke seg sammen på fiberen. Sammentrekning av vekselvirkningsmaterialet på fiberen klemmer fiberen og bevirker stress.indusert dobbeltbrytning. Den stressinduserte dobbeltbrytning kan styres slik at det påkjente parti av fiberen får en virkning som for en roterende halvbølgeplate på en innkommende lysbølge.

En annen utførelsesform for oppfinnelsen innbefatter

et magnetostriktivt materiale som er påført en lengde av den optiske fiber. Påtrykningen av magnetiske felter på det magnetostriktive materiale bevirker stressindusert dobbeltbrytning i den omsluttede lengde av den optiske fiber. Styring av de magnetiske felter med en oscillator bevirker et roterende stressfelt rundt fiberen slik at det påkjente parti av fiberen funksjonerer som en roterende halvbølgeplate.

En tredje utførelsesform for frekvensskifteren omfatter

en flerhet av elektroder som er plassert rundt en halvkobler. Halvkobleren innbefatter typisk en lengde av optisk fiber med et parti av belegget fjernet derfra for dannelse av et vekselvirkningsområde. En blokk av et elektro-optisk aktivt materiale er plassert ved siden av vekselvirkningsområdet og elektroder som er plassert rundt blokken av vekselvirkningsmaterialet og fiberen, blir benyttet for påføring av elektriske

felter på fiberen og blokken av det elektro-optisk aktive materiale for endring av deres brytningsindekser. Styring av de påtrykte elekriske felter bevirker at lengden av fiberen og den tilstøtende blokk av elektrb-optisk aktivt materiale funksjonerer som en roterende halvbølgeplate.

Oppfinnelsen innbefatter et tilbakekoblet styresystem

som reagerer på uønskede spektralkomponenter i ut-signalet for justering av frekvensskifteren for derved å sikre halv-bølgedrift, noe som eliminerer den innkommende optiske frekvens fra ut-strålen.

Oppfinnelsen innbefatter ytterligere en optisk FM-koder som skaffer en frekvensmodulert kodet ut-stråle.

Kort omtale av tegningsfigurene

Fig. la illustrerer en optisk fiber som er omgitt av

et elektrostriktivt eller magnetostriktivt materiale.

Fig. 1b illustrerer den optiske fiber ifølge fig. 1a

i deformert tilstand ved påtrykning av et felt på det materiale som omgir fiberen.

Fig. 2 viser skjematisk en roterende halvbølgeplate

med lysinnganger og -utganger.

Fig. 3 representerer grafisk mulige inn- og utsignaler for en roterende halvbølgeplate.

Fig. 4 viser skjematisk en første utførelsesform for

en frekvensskifter som innbefatter en optisk fiber innelukket i ét vekselvirkningsmateriale med elektroder forbundet med sin ytre flate.

Fig. 5 viser skjematisk en alternativ elektrodekonfigurasjon for en frekvensskifter i henhold til oppfinnelsen. Fig. 6 viser en annen alternativ elektrodekonfigurasjon for frekvensskifteren. Fig. 7 viser en optisk fiber som er omgitt av et magnetostriktivt materiale og en flerhet av magneter til å påtrykke magnetiske felter for dannelse av en frekvensskifter. Fig. 8 er et tverrsnitt av en halvkobler i kombinasjon med en blokk av elektro-optisk aktivt materiale og en flerhet av elektroder for dannelse av en frekvensskifter. Fig. 9 er et sideriss av halvkobleren på fig. 8 og viser det spor hvori fiberen er montert.

Fig. 10 eir et tverrsnitt gjennom halvkobleren ifølge

fig. 9 og viser sporet med en buet^ nedre flate.

Fig. 11 er et tverrsnitt gjennom halvkobleren på fig.

8 og viser en alternativ elektrodekonfigurasjon.

Fig. 12 er et blokkdiagram over et tilbakekoblingssystem for styring av frekvensutgangen fra frekvensskifterne vist på fig. 4-8, og

fig. 13 er et blokkdiagram over en optisk frekvens-modulator som innbefatter en frekvensskifter i henhold til fig. 4-8.

Beskrivelse av foretrukken utførelsesform

På fig. 1a er der vist en frekvensskifter 10 som innbefatter en optisk fiber 11 med en kjerne 12 og en kledning 14. Kledningen 14 har et belegg 16 dannet av enten et piezo-elektrisk eller elektrostriktivt materiale eller et magneto-str iktivt materiale. I fraværet av et påtrykt felt danner den optiske fiber 11 og belegget 16 konsentriske sirkler som vist på fig. 1a. Påtrykningen av et passende felt bevirker at belegget 16 trekker seg sammen om den optiske fiber 11

for derved å deformere både kjernen og kledningen 14 til hovedsakelig elliptiske former som vist på fig. 1b. Det er velkjent at det å påkjenne en optisk fiber endrer brytning-indeksen for fiberen og induserer dobbeltbrytning i fiberen på grunn av fotoelastisk virkning. Oppfinneren har oppdaget at riktig valg av lengden av den optiske fiber 11, tykkelsen av belegget 16 og størrelsen av det påtrykte felt vil fremskaffe en halvbølgefase-tilbakeholdelse i et sirkulært polarisert lysbølge-inngangssignal til den optiske fiber 11. Rotasjon av det påtrykte felt om den langsgående akse for fiberen 11 fremskaffer den samme virkning som rotasjon av en "bulk wave" halvbølgeplate i en elektromagnetisk bølge med mikro-bølge- eller optiske frekvenser. Dersom platen synes å dreie seg med en vinkelhastighet f, så vil ut-frekvensen bli skiftet med + 2f, avhengig av dreieretningen for halvbølgeplaten i forhold til retningen for den sirkulært polariserte bølge.

Rotasjon i retningen for polarisasjonen bevirker at frekvensen skifter fra en inn-frekvens på f til en ut-frekvens på f +

K o ^ o

2f. Rotasjon motsatt retningen av polarisasjonen reduserer frekvensen fra f til f - 2f. I begge tilfeller vil polarisa-o o

sjonen av ut-signalet bli reversert i forhold til inn-bølgen.

Fig. 2 representerer sirkulært polarisert inn-lys som faller inn på en halvbølgeplate 20 som dreier seg med en vinkelhastighet f. Inn-bølgen er vist med en frekvens f . Bølgen vandrer i den positive z-retning og har samme størrelse på polarisasjonsvektorene langs x- og y-aksene som ligger 90 grader ute av fase. Polarisasjonsvektoren synes derfor å dreie seg med vinkelhastigheten f om z-aksen i retning med urviserne når man ser mot vandreretningen. Halvbølgeplaten 20 roterer i den samme retning som polarisasjonsvektoren slik at ut-bølgen blir frekvensskiftet fra inn-frekvensen

f til å få en frekvens på f + 2f.

oco

Fig. 3 viser grafisk de mulige frekvensutganger fra faseskifteren 10 når denne blir drevet som et faseskift med enkeltsidebånd-undertrykket bærer. Dersom inn-frekvensen er f , så vil dreiningen av halvbølgeplaten ved en frekvens f i retning for polarisasjonen av inn-strålen fremskaffe et utsignal med f + 2f. Rotasjon av halvbølgeplaten 20 med frekvensen f i motsatt retning til polarisasjonen av den sirkulært polariserte ut-bølge fremskaffer en utfrekvens på f - 2f. Styring av dreiefrekvensen f tillater utfrekvensen av kvartbølgeplaten å omfatte et område på foi^<f>^s hvor ^maks er ^en"^^simale rotasjonsfrekvens for halvbølgeplaten 20. Fig. 4 viser en fiberoptisk faseskifter 21 hvor et piezo-elektrisk eller elektrostriktivt materiale danner en kappe 22 som omgir kledningen 14. Passende materialer for dannelse av kappen 22 er polyvinylidenfluorid, vanligvis betegnet PVF2 og zinkoksid ZnO. PVF2blir generelt påført fra en smelte på fiberen 11. En flerhet av elektroder 23-26 som er adskilt ved isolatorer 27, er påført som et belegg på kappen 22.

Et passende materiale for dannelse av elektrodene 23-26 er et hvilket som helst elektrisk ledende materiale som kan

påsprøytes eller males på kappen 22. Ved utførelsesformen

vist på fig. 4, bør laget av PVF2være 2-3 ganger diameteren av kledningen 14, slik at påtrykningen av et elektrisk felt på elektrodene 23-26 skaffer en roterende dobbeltbrytning

i fiberen 11. Elektrodene 25 og 26 er jordet, og elektroden 24 mottar et elektrisk signal med en frekvens f fra en oscillator 28. En faseskifter 30 er forbundet mellom oscillatoren 28 og elektroden 23. Utsignalet fra faseskifteren 30 er fortrinnsvis faseskiftet 90 grader fra innsignalet slik at elektrodene 23 og 24 får elektriske signaler med en faseforskjell på 90 grader påtrykket seg.

Dersom tykkelsen av PVF2_kappen er 2-3 ganger diameteren av fiberkledningen 14, så vil påtrykningen av de signaler som er 90 grader ute av fase på elektrodene 23 og 24 idet elektrodene 25 og 26 er jordet, fremskaffe to elektriske feltvektorer som er 90 grader ute av fase i PVF2-kappen 22. Det resulterende elektriske felt dreier seg ved oscillatorfrekvensen f. De elektriske feltvektorer bevirker at PVF2~materialet trekker seg sammen om fiberen 11 for dannelse av en hovedsakelig elliptisk konfigurasjon vist på fig. Ib.

Den roterende elektriske feltvektor virker på kappe-materialet 22 og fremskaffer en roterende kraftvektor. Den roterende kraftvektor fremskaffer et roterende påkjenningsfelt i kappen 22 og i fiberen 11. Den roterende påkjenning bevirker en roterende belastningsendring i kjernen av den optiske fiber 1 1 , noe som endrer brytningsindeks-en i retning for belastningen på grunn av den fotoelastiske virkning.

Det roterende påkjenningsfelt skaffer derfor en roterende dobbeltbrytning i fiberen 11. Det er velkjent at en lysbølge vandrer gjennom et dobbeltbrytende materiale for der å bli underkastet en faseskifting som er avhengig av dobbeltbrytningen.

Fig. 5 viser en annen fiberoptisk frekvensskifter 31

som utgjør en modifikasjon av frekvensskifteren 21 på fig.

4. En elektrode 32 er påført rundt omkretsen av fiberkledningen 14 og er jordet. Oscillatoren 28 er forbundet direkte med de motsatte elektroder 23 og 25 og er forbundet med elektrodene 24 og 26 via faseskifteren 30 med 90 graders faseskift. Fordelen med elektrodekonfigurasjonen vist på fig. 5 er frem-skaffelsen av sterkere elektriske felter i kappen 22 for det samme utsignal fra spenningsoscillatoren 28 og tykkelsen av kappen 22 sammenlignet med utførelsesformen ifølge fig. 4. Det elektriske felt i kappen 22 er avhengig av den inverse avstand mellom de jordede og ujordede elektroder. Dersom den jordede elektrode 32 er anordnet rundt fiberen som vist på fig. 5, innebærer det at avstanden mellom jordede og ujordede elektroder blir mindre enn ved utførelsesformen ifølge fig. 4.

Slik det er vist på fig. 6, er det mulig å fremskaffe

en frekvensskifter 33 i henhold til oppfinnelsen ved bruk av seks hovedsakelig like elektroder 34-39. Midtelektrodén 32 er jordet slik det fremgår av fig. 5. De ujordede elektroder 34-36 blir drevet av en oscillator f.eks. oscillatoren 28,

med tilstøtende elektroder drevet av signaler som er 120 grader ute av fase i forhold til hverandre. En 120 graders faseskifter 40 som er forbundet mellom oscillatoren 28 og elektroden 35 og en -120 graders faseskifter 41 forbundet mellom oscillatoren 28 og elektroden 36, skaffer den ønskede faseforskjell. Elektrodekonfigurasjonen ifølge fig. 6 tillater bruken av et tynnere lag for kappen 22 enn det er mulig ved utførelsesformen ifølge fig. 5. Elektrodene 23-26 og 32 ved utførelsesformen vist på fig. 5 benytter diametralt motsatte klemvirkninger på fiberen, og resultatet kan betraktes rett og slett som to perpendikulære fiberklemninger, men ingen roterende dobbeltbrytning dersom materialet i kappen 22 er mindre enn 2-3 ganger diameteren av fiberkledningen 14. Elek-trodekonf igurasjonen på fig. 6 anvender ikke to perpendikulære klemninger på fiberen, og derfor vil en drift av elektrodene 34 direkte fra oscillatoren 28 og av elektrodene 35 og 36 gjennom 120 graders faseskifteren resp. -120 graders faseskifteren enkelt fremskaffe et roterende felt og en roterende dobbeltbrytning i kappen 22 og fiberkjernen 14.

Ved riktig styring av spenningen av ut-oscillatoren

28 og riktig valg av tykkelsen og lengden av kappen 22 er det mulig å styre dobbeltbrytningen av lengden av fiberen 11 slik at den synes å være en roterende halvbølgeplate for en innkommende lysbølge. Lengden av kappen 22 blir bestemt delvis av de elektromagnetiske egenskaper hos fiberen 11

og det materiale som omfatter kappen 22. Andre betraktninger hva angår bestemmelsen av lengden av kappen 22 er de maksimale elektromagnetiske felter som påtrykkes kappen 22 og den di-elektriske nedbrytningsstyrke hos kappen 22. Dobbeltbrytningen hos fiberen er også en faktor som må tas med i betraktningen ved bestemmelse av dimensjonene på kappen 22. Det ideelle tilfelle er å ha den lengde av fiberen 11 som er innelukket i kappen 22 tilsynelatende svarende til en halv bølgelengde ved maksimalt påtrykt felt.

Fig. 7 viser en frekvensskifter 42 i henhold til oppfinnelsen, hvor der benyttes et magnetostriktivt materiale for dannelse av en kappe 44 rundt fiberkledningen 14. Den magnetostriktive kappe 44 kan være dannet av amorf Feg^ B2q~legering som er et metallisk glass med en forholdsvis høy magnetostriktiv utvidelseskoeffisient. Det metalliske glass-materiale kan enkelt påsprutes som et belegg på kledningen 14. Det er mulig å forme kappen 44 av en påsprutet film av nikkel som er polykrystallinsk med et stort antall av korn-bindinger. Fordelen med det amorfe metalliske glass over polykrystallinsk materiale er at det har egenskaper i stor grad av bløtmagnetisme, noe som gjør det mulig å nå magnetisk metning i et påtrykt felt som er mindre .enn det som er nød-vendig for oppnåelse av samme virkning i et krystallinsk materiale. En flerhet av elektromagneter 46-51 er anordnet i en hovedsakelig lik vinkelavstandsorientering rundt fiberen 11. Dersom man påfører signaler i riktig rekkefølge på elektromagnetene 46-51, blir der fremskaffet en rotasjonsdeformas jon av den magnetostriktive kappe 44 som på sin side fremskaffer en roterende påkjenning i fiberkjernen 12. Elektromagnetene 46-51, den magnetostriktive kappe 44 og den optiske fiber 11 vil derfor samvirke for fremskaffelse av en roterende halvbølgeplate for en innkommende lysbølge til fiberen 11.

Elektrostriktive og magnetostriktive materialer trenger ikke å ha konstruksjoner av høy orden i den hensikt å påkjenne fiberen 11 i nærværet av et påtrykt felt. Kappene 22 og 44

kan derfor fordelaktig påføres ved sprøytning. Etter påføring på fiberen 57 må kappene 22 og 44 bli polet for å oppnå ønsket innretting av interne felter. Materialet blir oppvarmet over Curie-temperaturen, og et passende ytre felt blir påtrykket for innretting av de molekylære felter. Materialet blir lang-somt avkjølet under påvirkning av det påtrykte felt. Riktig innretting av de molekylære felter sikrer at de etterfølgende påtrykte felter påkjenner fiberen 11 for deformasjon som vist på fig. 1b.

På fig. 8 er der vist en fiberoptisk frekvensskifter

52 som innbefatter en blokk 54 av elektro-optisk aktivt dobbeltbrytende materiale plassert ved siden av en halvkobler 56. Halvkobleren 56 omfatter en lengde av fiberoptisk materiale 57 som innbefatter en kjerne 55 og en kledning 59 anordnet i en uttagning 58 i et underlag 60 som fortrinnsvis er en kvartsblokk. Et parti av kledningen 59 er fjernet fra fiberen 57 ved den ytre kant av uttagningen eller sporet 58 for dannelse av et vekselvirkningsområde 62. Sporet 58 er fortrinnsvis konveks buet som vist på fig. 9. Sporet 58 kan ha et rektangulært tverrsnitt som vist på fig. 8, eller sporet 58 kan ha en bunnflate 66 som er buet slik det fremgår av fig. 10. Dannelsen av halvkobleren 56 innbefatter ordinært først å tildanne sporet 58 i underlaget 60, fiksering av fiberen 57 i sporet 58 og deretter sliping og polering av flaten 64 i underlaget 60 inntil den ønskede mengde av kledning 59 er blitt fjernet. Vekselvirkningsområdet 62 innbefatter en langstrakt plan flate på kjernen 59 i likhet med en ellipse. Tykkelsen av kledningen 59 er på sitt minste ved midtpartiet av vekselvirkningsområdet 62 og øker i tykkelse når avstanden målt langs lengden av fiberen 57 øker vekk fra midtpartiet av vekselvirkningsområdet 62.

Bare et forholdsvis lite parti 63 av blokken 54 hvor

det flyktige felt av lys som vandrer inn i fiberen trenger gjennom, påvirker dobbeltbrytningen av den optiske fiber 57.

Som vist med stiplet linje 61 er det aktuelle område en

bue med en radius på ca. 10 mikrometer med senter på kjernen 59. Bare fasekarakteristikkene for den inngående optiske bølge er av betydning med hensyn til vekselvirkningen av lys i fiberen 57 med blokken 54.

Blokken 54 kan være tildannet av et elektro-optisk aktivt dobbeltbrytende materiale, f.eks. litiumniobat. Fortrinnsvis er blokken 54 tildannet av materialer som natriumnitrit eller kalsiumditionat som har brytningsindekser i likhet med dem for fiberen 57. Når et dobbeltbrytende materiale blir plassert i det flyktige felt for lys som går gjennom en ikke-dobbeltbrytende fiber, blir den sammensatte konstruksjon dobbeltbrytende. Hovedaksen for det dobbeltbrytende materiale bestemmer hovedaksen for den sammensatte konstruksjon. Dersom fiberen 57 er en optisk fiber med singelmodus, vil den bare føre modi hvor de elektriske og magnetiske vektorer er hovedsakelig tverrstilt i forhold til vandreretningen for lys gjennom fiberen 57. Feltene for fiberen 57 er derfor rettet over fiberkjernen 55 og har flyktige felter i kledningen 59. Den flyktige bølge kan betraktes som å være dannet av to komponenter som er ortogonale i forhold til hverandre og til hovedaksen i blokken 54 av dobbeltbrytende elektro-optisk materiale.

Slik det videre fremgår av fig. 8, er en elektrode 68 plassert på bunnen av sporet 58 i berøring med kledningen 59. Elektroden 68 kan være flat slik det er vist på fig.

8, eller den kan svare til den buede form av kjernen 14 slik det fremgår av fig. 10 og 11.

Blokken 54 av elektro-optisk aktivt materiale har en flerhet av elektroder 70-72 festet til seg. Elektroden 70

er plassert over blokken 54 slik det fremgår av fig. 8 i en generelt parallell innretting med vekselvirkningsområdet 62. Elektrodene 71 og 72 er montert på endeflater henholdsvis

76 og 78 av blokken 54.

Slik det fremgår av fig. 8, er elektrodene 71 og 68 jordet. Utgangen fra oscillatoren 80 er forbundet direkte med elektroden 70 og en faseskifter 82. Faseskifteren 82 fremskaffer fortrinnsvis et utsignal som er faseskiftet 90 grader i forhold til innsignalet. Utsignalet fra faseskifteren 82 er forbundet med elektroden 72 slik at elektrodene 70

og 72 blir drevet av spenninger som er 90 grader ute av fase.

Dersom det dobbeltbrytende materiale 54 og lengden av vekselvirkningsområdet 62 er riktig valgt, så vil påtrykningen av spenning fra oscillatoren 80 direkte på elektroden 70

og på elektroden 72 gjennom faseskifteren 82 med elektrodene 71 og 68 jordet, i virkeligheten kunne tildanne en roterende halvbølgeplate i fiberen 57. Påtrykningen av spenninger som er 90 grader ute av fase på elektrodene 70 og 72, danner roterende elektriske felter som bevirker at det elektro-optisk aktive dobbeltbrytende materiale 54 fremskaffer deri en roterende dobbeltbrytning. Fordi dobbeltbrytningen av blokken 54 bestemmer dobbeltbrytningen av frekvensskifteren 52, så

vil lys som vandrer i fiberen 57 møte en roterende dobbeltbrytning når det vandrer gjennom det parti av kjernen 55

som ligger i nærheten av vekselvirkningsområdet 62. Sirkulært polarisert lys som vandrer gjennom vekselvirkningsområdet 62, blir underkastet et frekvensskift som beskrevet ovenfor.

Dersom der foreligger perturbasjoner i den roterende dobbeltbrytning eller i tilstanden av polarisasjon hos det utgående lys, så vil der fremkomme harmoniske under faseskift-operasjonen.

Det er mulig å danne en faseskifter for et flyktig felt uten å ha fiberen 57 montert på underlaget 60. Det ønskede parti av kledningen 59 kan være slipt vekk for dannelse av vekselvirkningsområdet 62. Elektroden 68 kan være festet direkte på fiberen 57, og elektrodene 70-72 festet til dobbelt-brytninsblokken 54.

Vekselvirkningsområdet 62 må fremkomme med en lengde

som er lik et ulike helt antall av halve bølgelengder for å fremskaffe en ut-bølge med frekvenser f +2f, hvor f er oscillatorfrekvensen. Dersom lengden av vekselvirkningsområdet 62 ikke utgjør et ulike helt antall av halve bølgelengder,

så vil en del av bærefrekvensen f bli overført gjennom frekvensskifteren 52.

Amplituden av de utgående signaler fra frekvensskifterne henholdsvis 21, 31, 33, 42 og 56 på fig. 4-8 er gitt ved

Intensiteten av den utgående bølge svarer til kvadratet av amplituden og er gitt ved: ■

Koeffisienten A er vanligvis meget større enn B slik at B<2>

er neglisjerbar. Fig. 12 illustrerer en tilbakekoblingssystem-styring 85 til styring av utfrekvensen fra en frekvensskifter 86 for minimering av den uønskede bærefrekvenskomponent. Frekvensskifteren 86 kan være en hvilken som helst av frekvensskifterne 21, 31, 33, 42 og 52 vist på fig. 4-8.

På frekvensskifteren 86 vil der falle inn en lysbølge

med frekvens f fra en lyskilde 90. Den innfallende bølge har en i retning med urviserne sirkulær polarisasjon sett i retning fra lyskilden 90 mot frekvensskifteren 86. Amplitude-utgangssignalet fra frekvensskifteren 86 er gitt ved ligning ( 1 ) . Leddet Be-^o*" representerer en uønsket del av bærer-inngangssignalet som har vandret gjennom frekvensskifteren 86. Ut-strålen fra frekvensskifteren 86 faller inn på en strålesplitter 92 som f.eks. kan overføre tilnærmet 90% av det innfallende lys rett gjennom, idet den reflekterer tilnærmet 10% av det innfallende lys på en -polarisator 94.

Den uønskede del av utgangssignalets intensitet har

den samme polarisasjon som utgangsbølgen samtidig som den ønskede del av utgangsintensiteten har motsatt polarisasjon. Polarisatoren 94 overfører bare en del av hver bølge. Utgangs-signalet fra polarisatoren 94 blir overført til en fotodetektor 96 som sender ut et feilsignal som indikerer det tredje ledd i ligning (3).

Feilsignalet danner innsignal til en låseforsterker

98. En spenningskilde 100 tilfører en spenning V til en spenningsstyrt oscillator 102 som fremskaffer en oscillerende spenning med en frekvens f som er en funksjon av V. Utsignalet fra den spenningsstyrte oscillator 102 blir forsterket ved hjelp av en forsterker 104 med varierende forsterkerforhold for fremskaffelse av et styresignal til frekvensskifteren og' til en dobler 106. Dobleren 106 fremskaffer et utsignal med en frekvens 2f til låseforsterkeren 98, noe som bevirker at låseforsterkeren 98 forsterker bare signaler med frekvens 2f som er frekvensen av det tredje ledd i ligning (3). Ut-signalet fra låseforsterkeren 98 er en spenning som er proporsjonal med 2AB, koeffisientene i det tredje ledd, 2AB cos (2ft) i ligning (3). Utsignalet fra låseforsterkeren 98 passerer igjennom et filter 108 til en komparator 110 som har en jordet inngang. Dersom spenningen som er proporsjonal med 2AB, dvs. inngangen til komparatoren 110 ikke er null, vil da komparatoren 110 fremskaffe en utgangsspenning som utgjør inngangen til forsterkerstyringen av forsterkeren 104 med variabel styrke som et negativt tilbakekoblingssignal for enten reduksjon eller økning av spenningen av styresignal-inngangen til frekvensskifteren 86. Det negative tilbakekoblingssignal bevirker en reduksjon i koeffisienten B som reduserer feilsignalet og bevirker utgangen fra frekvensskifteren til å få den ønskede frekvens. De fiberoptiske frekvensskiftere som er beskrevet heri, kan brukes til å danne en FM-koder som vist på fig. 13. Signaler av begge sirkulære polarisasjoner blir innsignaler med like størrelser til en frekvensskifter 118. Et modulasjons-signal med en tidsvarierende styrefrekvens f(t) blir innsignal fra en oscillator 112 til frekvensskifteren 110 for styring av rotasjonshastigheten. Utsignalet er et FM-kodet signal med størrelse

Det modulerte signal kan detekteres ved hjelp av en analysatorkrets 116 som kan være en lineær polarisator med vilkårlig polarisasjon og en detektor 114 og demoduleres ved blanding med et passende demodulasjonssignal som er tids-avhengig av 4f(t)t.

Claims (25)

1. Fiberoptisk frekvensskifter omfattende: en lengde av optisk fiber for^ fremføring av en lysbølge deri7 og organer til å fremskaffe en roterende dobbeltbrytning i nevnte lengde av den optiske fiber, idet lengden av den optiske fiber og den roterende dobbeltbrytning samvirker for dannelse av en roterende halvbølgeplate som skifter frekvensen for lysbølgeinn-signalet til den optiske fiber med pluss eller minus 2f, hvor f er vinkelfrekvensen for den roterende dobbeltbrytning.

2. Frekvensskifter som angitt i krav 1, karakterisert ved at den omfatter: et piezoelektrisk eller elektrostriktivt materiale som danner en kappe rundt den optiske fiberlengde, og organer til å danne et roterende elektromagnetisk felt i nevnte kappe for deformasjon av kappen og den optiske fiberlengde for derved å bevirke belastningsindusert dobbeltbrytning. deri .

3. Frekvensskifter som angitt i krav 2, karakterisert ved at formingsorganene omfatter: en flerhet av elektroder tildannet rundt kappen, og organer til å påtrykke spenninger med forhåndsbestemte faserelasjoner på elektrodene.

4. Frekvensskifter som angitt i krav 3, karakterisert ved at påføringsorganene omfatter: en oscillator for fremskaffelse av en ut-spenning med en frekvens f, og en 90 graders faseskifter forbundet med oscillatoren, idet utgangene fra oscillatoren og nevnte 90 graders faseskifter påføres de tilstøtende elektroder.

5. Frekvensskifter som angitt i krav 4, karakterisert ved at der er fire elektroder tildannet rundt kappen, idet den første av elektrodene er forbundet direkte med oscillatoren, en annen av elektrodene er forbundet med utgangen fra 90 graders faseskifteren, og de gjenværende to elektroder er jordet.

6. Frekvensskifter som angitt i krav 3, karakterisert ved at den ytterligere omfatter en jordet elektrode tildannet rundt den optiske fiberlengde slik at kappen befinner seg mellom flerheten av elektrodene og den jordede elektrode.

7. Frekvensskifter som angitt i krav 6, karakterisert ved at den ytterligere omfatter: en oscillator for fremskaffelse av en ut-spenning med en frekvens f, og en 90 graders faseskifter forbundet med oscillatoren, idet utgangene fra oscillatoren og 90 graders faseskifteren påtrykkes alternerende elektroder.

8. Frekvensskifter som angitt i krav 3, karakterisert ved at den ytterligere omfatter: seks elektroder tildannet rundt kappen og organer til å påtrykke spenninger som er 120 grader ute av fase på tre suksessive elektroder for dannelse av et roterende elektrisk felt i kappen, idet kappen reagerer på det roterende elektriske felt for å fremskaffe en roterende belastningsindusert dobbeltbrytning i den optiske fiberlengde.

9. Frekvensskifter som angitt i krav 1, karakterisert ved at den ytterligere omfatter: et magnetostriktivt materiale som danner en kappe rundt den optiske fiberlengde, en flerhet av vinkelavstandsorienterte elektromagneter anordnet rundt den magnetostriktive kappe og organer til suksessivt å påtrykke elektrisk strøm på elektromagnetene for fremskaffelse av en roterende sammen-trykkende kraft i den magnetostriktive kappe for å skaffe belastningsindusert dobbeltbrytning i den optiske fiberlengde.

10. Fiberoptisk frekvensskifter omfattende: en lengde av optisk fiber med en kjerne og en kledning, idet et parti av kledningen er fjernet fra den optiske fiber lengde for dannelse av et vekselvirkningsområde, en blokk med dobbeltbrytende materiale i nærheten av vekselvirkningsområdet, idet en lysbølge som brer seg i den optiske fiberlengde, har et flyktig felt som trenger inn i blokken, og organer til å styre dobbeltbrytningen av blokken for dannelse av en roterende dobbeltbrytning i den optiske fiberlengde for å bevirke at den optiske fiberlengde virker som en roterende halvbølgeplate ved lys som vandrer deri.

11. Frekvensskifter som angitt i krav 10, karakterisert ved at blokken av dobbeltbrytende materiale er et elektrooptisk aktivt materiale.

12. Frekvensskifter som angitt i krav 11, karakterisert ved at styreorganene omfatter: en flerhet av elektroder anordnet for påføring av elektriske felter på blokken, oscillatororganer til å drive i det minste én av nevnte flerhet av elektroder med en spenning med frekvens f, og organer til å drive i det minste en annen av flerheten av elektroder med en spenning av frekvens f som er faseskiftet 90 grader i forhold til den påtrykte spenning på den første elektrode, idet elektrodene og de påtrykte spenninger samvirker for dannelse av et roterende elektrisk felt i blokken for å skaffe en roterende dobbeltbrytning deri, idet det flyktige felt av en lysbølge som vandrer i den optiske fiberlengde, vekselvirker med den roterende halvbølge-dobbeltbrytning for å erfare en frekvensskiftning på +2f, idet lysbølgen vandrer gjennom den optiske fiberlengde.

13. Fiberoptisk frekvensskifter for skifting av et optisk inn-signal med en frekvens f for fremskaffelse av et optisk utsignal med en frekvens f -2f, idet f er graden av frekvensskift, omfattende: en lengde av optisk fiber, organer til å danne en roterende halvbølgeplate i den optiske fiberlengde, organer til å styre rotasjonshastigheten av halvbølge-platen for styring av forskjellen mellom frekvensinngangen til halvbølgeplaten og frekvensen av signalutgangen fra halv-bølgeplaten, og tilbakekoblingsorganer til å behandle utsignalet fra halvbølgeplaten for bibehold av intensiteten av komponentene i utsignalet med frekvensen f under en forhåndsbestemt terskelverdi.

14. Frekvensskifter som angitt i krav 13, karakterisert ved at styreorganene innbefatter: en spenningskilde for fremskaffelse av en frekvensstyre-spenning og en spenningsstyrt osclillator forbundet med spennings-kilden for å motta frekvensstyrespenningen derfra, idet den spenningsstyrte oscillator fremskaffer et styresignal med frekvens f for innføring til de roterende halvbølgeplate-dannende organer.

15. Frekvensskifter som angitt i krav 14, karakterisert ved at tilbakekoblingsorganene omfatter: et strålesplitterorgan plassert slik at utsignalet fra halvbølgeplaten faller inn på denne, idet strålesplitteren reflekterer en første del av det innfallende lys og overfører en annen del av lyset, polariseringsorganer for overføring av lys av hver polarisasjon i den reflekterte stråle, detektororganer til å fremskaffe et feilsignal som reak-sjon på det lys som har en uønsket polarisasjon overført ved polarisasjonsorganene og organer til å sammenligne feilsignalet med en referanse for fremskaffelse av et tilbakekoblingssignal for justering av forsterkningen av den nevnte forsterker med variabel forsterkning slik at halvbølgeplaten kan justeres for reduksjon av intensiteten i komponentene i det optiske utsignal med polarisasjon og frekvens av det optiske innsignal.

16. Frekvensskifter som angitt i krav 15, karakterisert ved at den ytterligere omfatter: en låseforsterker forbundet til å motta utsignalet fra detektoren, en frekvensdobler forbundet med låseforsterkeren for å fremskaffe et signal med en frekvens som er lik to ganger styresignalfrekvensen til låseforsterkeren slik at låseforsterkeren fremskaffer et utsignal som bare reagerer på signaler fra detektoren med frekvens 2f, og en komparator forbundet mellom låseforsterkeren og for-sterkningsstyringen av forsterkeren med variabel forsterkning, idet komparatoren fremskaffer et tilbakekoblingssignal for justering av forsterkningen av forsterkningsstyreforsterkeren dersom feilsignalet overskrider en terskelverdi.

17. Fremgangsmåte til å skifte en innkommende optisk frekvens med frekvens f til en utgående optisk frekvens f -2f, omfattende følgende trinn: å føre inn en lysbølge med den optiske innfrekvens til en valgt lengde av en optisk fiber, og indusere en dobbeltbrytende rotasjon ved frekvensen f i den optiske fiberlengde for dannelse av en'roterende halvbølgeplate i den optiske fiber.

18. Fremgangsmåt som angitt i krav 17, karakterisert ved at den ytterligere omfatter trinnene: å danne en piezoelektrisk kappe rundt den optiske fiberlengde for derved å fremskaffe en belastningsindusert dobbeltbrytning deri.

19. Fremgangsmåte som angitt i krav 18, karakterisert ved at den ytterligere,, omfatter trinnene: å plassere en flerhet av elektroder rundt kappen, og påtrykke spenninger med forhåndsbestemte faserelasjoner på selekterte elektroder.

20. Fremgangsmåte som angitt i krav 19, karakterisert ved at den ytterligere omfatter det trinn å danne en jordet elektrode på fiberen før dannelsen av kappen rundt fiberen.

21. Fremgangsmåte til å skifte en innkommende optisk frekvens med en frekvens f til en utgående optisk frekvens f -2f, omfattende følgende trinn: å fjerne et parti av kledningen fra en optisk fiberlengde for dannelse av et vekselvirkningsområde, å plassere en blokk av dobbeltbrytende materiale i nærheten av vekselvirkningsområdet slik at en lysbølgevandring i den optiske fiberlengde får et flyktig felt som strekker seg inn i blokken, og å styre dobbeltbrytningen hos blokken til en roterende dobbeltbrytning i den optiske fiberlengde for å bevirke at den optiske fiberlengde virker som en roterende halvbølgeplate på lys som sprer seg deri.

22. Fremgangsmåte som angitt i krav 21, karakterisert ved at styretrinnene omfatter følgende trinn: å arrangere en flerhet av elektroder for å påtrykke elektriske felter på blokken, å drive i det minste én av flerheten av elektroder med en spenning av frekvens f, og å drive i det minste en annen av flerheten av elektrodene med en spenning av frekvens f som er faseskiftet 90 grader i forhold til den påtrykte spenning på de første elektroder for derved å bevirke et roterende elektrisk felt i blokken som skaffer en roterende dobbeltbrytning deri, idet det flyktige felt av lysbølgen som brer seg i den optiske fiberlengde, vekselvirker med den roterende dobbeltbrytning for å erfare en frekvensskift på 2f.

23. Fremgangsmåte til å skifte en innkommende optisk frekvens av frekvens fQ til en utgående optisk frekvens fQ -2f, omfattende følgende trinn: å selektere en optisk fiberlengde, å danne en roterende halvbølgeplate i den optiske fiberlengde, å styre rotasjonshastigheten av halvbølgeplaten for styring av graden av frekvensskift, og å behandle utsignalet fra halvbølgeplaten for bibeholdelse av intensiteten av komponentene i det optiske utsignal med frekvensen f under en forhåndsbestemt terskelverdi. o

24. Fremgangsmåte som angitt i krav 23, karakterisert ved at styretrinnet omfatter følgende trinn: å fremskaffe et frekvensstyresignal, å påtrykke frekvensstyresignavl. <et> på en spenningsstyrt oscillator for fremskaffelse av et styresignal med frekvens f, og å påtrykke styresignalet på halvbølgeplaten for styring av dennes rotasjonshastighet.

25. Fremgangsmåte som angitt i krav 24, karakterisert ved at behandlingstrinnet innbefatter føl-gende trinn: å splitte det optiske utsignal fra halvbølgeplaten i første og andre deler, å polarisere den første del, å detektere utsignalet fra polarisatoren for fremskaffelse av et feilsignal, og å sammenligne feilsignalet med en referanse for fremskaffelse av et tilbakekoblingssignal for justering av forsterkningen av forsterkeren med variabel forsterkning for justering av halvbølgeplaten for reduksjon av intensiteten i komponentene i det optiske utsignal med polarisasjon og frekvens av det optiske innsignal.