NO853275L - Elektrisk svitsjet fiberoptisk retningskobler. - Google Patents

Description

Oppfinnelsens bakgrunn

Den foreliggende oppfinnelse vedrører generelt apparater

og fremgangsmåter for kobling av optiske signaler fra én optisk fiber til en annen optisk fiber. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen fiberoptiske koblere for kobling av optiske sig-

naler fra én fiber til en annen ved hjelp av flyktig feltkobling. Enda mer spesielt vedrører oppfinnelsen apparater og fremgangsmåter for elektrisk styring av koblingen av optiske signaler fra én optisk fiber til en annen.

En singelmodus fiberoptisk kobler omfatter typisk et

organ med fire porter, omfattende et par optiske fibre med et vekselvirkningsområde hvor en del eller alt det lys som blir ført inn ved hjelp av en fiber, kobles inn i den annen fiber og sprer seg vekk fra vekselvirkningsområdet. Sprederetningen inn i vekselvirkningsområdet har ingen virkning på den grad av lyskobling som finner sted mellom fibrene. Imidlertid kan lys bare kobles i foroverretningen eller i sprederetningen, hvilket innebærer at reversibel kobling mellom tilstøtende ender av de to fibre ikke finner sted.

En optisk fiber omfatter en kjerne og en kledning med

en brytningsindeks for kledningen som er mindre enn den for kjernen. Kledningen kan fremskaffe et eneste trinn av reduksjon med hensyn til brytningsindeks, eller kledningen kan omfatte en flerhet av lag av materiale med forskjellige brytnings-indekser anordnet slik at der foreligger flere grader av reduksjon med hensyn til brytningsindeksen når avstanden fra kanten av fiberkjernen øker. I forbindelse med både trinnindeks-

og graderingsfibre vil lys spre seg hovedsakelig i kjernen,

fordi de totale indre refleksjoner ved kjerne/klednings-grense-skiktet forhindrer lys fra å krysse grenselaget fra kjernen inn i kledningen. Imidlertid vil man ved løsning av Maxwells ligninger og anvendelse av passende, velkjente grensebetingelser med hensyn til komponentene i det elektriske felt som foreligger normalt og tangensialt i forhold til kjerne/klednings-mellom-skiktet, få som resultat at et felt som avtar eksponensielt med økende radius, sprer seg i kledningen. Disse kjennskaper med hensyn til fiberoptisk teknikk betegner vanligvis dette eksponensielt avtagende felt det flyktige felt.

Det er velkjent at lys kan kobles fra en første fiber

til en annen fiber dersom den annen fiber ligger i det flyktige felt for det lys som vandrer i den første fiber. Vekselvirkningsområdet i en singelmoduskobler innbefatter typisk fiberlengder hvor deler av kledningen er blitt fjernet ved sliping og polering av fibrene eller ved kjemisk etsing av en lengde av snodde fibre. Når lys føres inn i en kobler som er tildannet ved plassering av to polerte fibre ved siden av hverandre, vil graden av kobling være avhengig av fibrenes spredningskonstanter, lengden av vekselvirkningsområdet og avstanden mellom fiberkjernene.

For å gjøre behandlingen av fibrene lettere og å styre graden av den fjernede kledning, kan fibrene være montert i et buet spor i et passende substrat, vanligvis tildannet av smeltet kvarts. Substratet blir slipt vekk i nærheten av et konvekst utovervendende parti av fiberen. Substratet og fiberen blir slipt og polert for å kunne opptre optisk flate. Typisk er slipehastigheten kjent, og den dybde som kledningen --fjernes til, blir styrt ved måling av varigheten av slipe-operas jonen.

Der er tilgjengelig allfiber-optiske koblere med lave ~innføringstap. Imidlertid er tidligere kjente allfiber-koblere ikke svitsjbare for styring av koblingen av et signal fra én optisk fiber til en annen. En usvitsjbar fiberoptisk retningskobler som egner seg til bruk i singelmodusanvendelser,

er beskrevet av Bergh, Kotler og Shaw, "Electronics Letters, Vol. 16, nr. 7, Mars 1980, s. 260-261. Fordi allfiber-optiske koblere tidligere ikke har vært svitsjbare, har de hatt be-grenset anvendelse i forbindelse med kommunikasjonssystemer og ved andre anvendelser hvor svitsjing er vesentlig.

En annen type optisk kobler benytter to optiske bølge-ledere med integrert optikk og parallelle strimler. Noen koblere med integrert optikk kan svitsjes fra DC til multigigahertz områder, men slike koblere har høye innføringstap ved forbindelse mellom parallellstrimmel-bølgelederne og optiske fibre. Der ønskes lave innføringstap for å unngå uaksepterbar signaldemp-ning. Innføringstap er spesielt viktig ved svitsjesystemer hvor et signal kan vandre gjennom to eller flere koblere etter hverandre. En parallellstrimmel-optisk kobler med integrert optikk er beskrevet av Kogelnic og Schmidt, IEEE Journal of quantum Electronics, vol. QE-12, nr. 7, juli 1976, 396-401.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelse råder bot på de vanskelig-heter man har hatt i forbindelse med bruken av tidligere til-gjengelige optiske koblere, idet der fremskaffes en allfiber-kobler som er elektronisk svitsjbar for styring av den prosent av et optisk signal som kobler fra en fiber til en annen fiber. Den svitsjbare fiberoptiske kobler ifølge oppfinnelsen innbefatter et par svitsjbare halvkoblere. Hver svitsjbar halvkobler kan innbefatte et substrat, fortrinnsvis dannet av smeltet kvarts med et buet spor deri. En optisk fiber blir plassert i det buede spor, og substratet blir slipt og polert for å

få en optisk flat overflate som innbefatter sporet og et parti av den optiske fiber, hvorfra et parti av kledningen er blitt fjernet for dannelse av et vekselvirkningsområde. Et spor eller et hulrom blir dannet i overflaten av substratet motsatt vekselvirkningsområdet. Sporet trenger seg inn i kledningen av fiberen motsatt vekselvirkningsområdet, slik at et veksel-virkningsmater iale , f.eks. et elektrooptisk aktivt krystall, med en brytningsindeks som varierer som reaksjon på et ytre påtrykt felt, kan monteres i substratet i tilknytning til fiberen. Oppfinnelsen innbefatter organer, f.eks. en elektrode, som er plassert ved siden av det elektrooptisk aktive krystall for påføring av et passende elektromagnetisk felt for endring av brytningsindeksen hos materialet.

De to halvkoblere er plassert sammen i et overflateforhold slik at de optisk flate overflater som innbefatter partier av fiberkjernene, ligger ved siden av hverandre. Fiberene er sammenkoblet ved hjelp av flyktig feltkobling, slik at lys som til å begynne med kommer inn i én fiber, kan kobles inn i den annen fiber med en koblingsvirkningsgrad som er kontinuerelig variabel fra hovedsakelig null til 100%. Koblingen mellom fibrene er avhengig av forplantningskonstantene hos de to fibre.

Påtrykningen av elektriske felt på halvkoblerne på motsatte sider av vekselvirkningsområdet varierer forplantningskonstanten hos de to fibre. En riktig plassering av de elektrooptisk aktive krystaller tillater en samtidig økning av forplantningskonstanten hos den ene fiber og en reduksjon i forplantningskonstanten hos den annen fiber. En slik styring av forplantningskonstantene tillater styring av koblingsvirkningsgraden. Elektrisk styring av koblingsvirkningsgraden ved påføring av et passende felt på halvkobleren tillater selektiv kobling eller svitsjing av et optisk signal fra én fiber til en annen.

Kort omtale av tegningsfigurene

Fig. 1 er en skjematisk representasjon av en optisk fiber med en fast forplantningskonstant. Fig. 2 representerer skjematisk en optisk fiber hvis forplantningskonstant er forstyrret av et vekselvirkningsmateriale. Fig. 3 viser skjematisk en optisk fiber med en forplantningskonstant som er en funksjon av den spenning som påføres vekselvirkningsmaterialet på fig. 5.

Fig. 4 er et tverrsnitt av en svitsjbar retningskobler

i henhold til oppfinnelsen.

Fig. 5 er et grunnriss av den svitsjbare retningskobler på fig. 1.

Fig. 6 er et tverrsnitt tatt etter linjen 6-6 på fig.

5. Fig. 7 er et tverrsnitt gjennom en alternativ elektrodekonfigurasjon av den svitsjbare retningskobler på fig. 4. Fig. 8 viser skjematisk en annen utførelsesform for en svitsjbar retningskobler med en trinnvis reversibel endring av forplantningskonstanten. Fig. 9 er et svitsjediagram for den svitsjbare retningskobler ifølge fig. 1, og

fig. 10 er et svitsjediagram for den svitsjbare retningskobler på fig. 7.

Omtale av foretrukne utførelsesformer

På fig. 1 er der vist en optisk fiber 10 med en kjerne

12 og en kledning 14. Den optiske fiber 10 har en forplant-ninskonstant 8 som er bestemt av fiberoppbygningen og bølgelengden av det lys som brer seg deri. Dersom et materiale med en brytningsindeks som er forskjellig fra brytningsindeksen for kledningen 14, blir plassert i det flyktige felt for lysutbredelse i fiberen 10, så vil forplantningskonstanten for fiberen 10

bli forstyrret til en ny verdi 8'. Fig. 2 representerer den fiber 10 som har et vekselvirkningsmateriale 16 med en brytningsindeks n, og som rager inn i kledningen 14 for å forstyrre forplantningskonstanten. Forplantningskonstanten for fiberen 10 kan reduseres eller økes fra sin uforstyrrede verdi. Fig.

3 representerer brytningsindeksen for vekselvirkningsmaterialet

16 som en funksjon av spenning, n(v) som bevirker at forplantningskonstanten 8' er en funksjon av spenning 8'(v) når spenningen påføres vekselvirkningsmaterialet. Dersom spenningen blir styrt, vil forplantningskonstanten for fiberen 10 kunne varieres på en kjent styrt måte.

Fig. 4-6 viser en svitsjbar fiberoptisk kobler 20 i

henhold til oppfinnelsen. Den fiberoptiske kobler 20 innbefatter et par av optiske fibre 21 og 24. Den optiske fiber 21 har en kjerne 22 med en omgivende kledning 23, og den optiske fiber 24 har en kjerne 25 med en omgivende kledning 26. De optiske fibre 21 og 24 er montert i et par buede spor henholdsvis 27 og 28, dannet i et par substrater henholdsvis 30 og 32. For enkelhets skyld er substratene 30 og 32 vist med hovedsakelig rektangulære overflater. Fig. 5 og 6 viser fibrene

21 og 24 i forstørret målestokk for syns skyld.

De to fibre 21 og 24 er fortrinnsvis dannet for å kunne forplante en singelmodus av elektromagnetisk energi. Slike singelmodus optiske fibre er velkjente innen teknikkens område. Paret av buede spor 27 og 28 er fortrinnsvis dannet i optiske flate, motvendende overflater av paret av substrater, henholdsvis 30 og 32. Substratet 30 med fiberen 21 montert i sporet 27 omfatter en koblingshalvdel 34, og substratet 32 med fiberen

24 montert i sporet 28 omfatter en koblingshalvdel 36.

De buede spor 27 og 28 har fortrinnsvis hver en krumningsradius som er meget stor sammenlignet med diametrene av fibrene 21 og 24. Breddene på sporene 27, 28 er noe større enn diametrene for fibrene 21, 24 for derved å tillate fibrene 21 og 24 når disse er montert i sporene, å svare til de baner som er definert ved bunnveggene av sporene henholdsvis 27 og 28. Dybdene av sporene 27 og 28 varierer fra et minimum ved midt-områdene for substratene henholdsvis 30 og 32, til et maksimum ved deres kanter. Variasjonen i spordybde tillater at de optiske fibre 21 og 24, når disse er anordnet i hvert sitt spor henholdsvis 27 og 28, til gradvis å konvergere mot midtpartiet og divergere mot kantene av substratene 30, 32, noe som elimi-nerer eventuelle skarpe avbøyninger eller brå retningsendringer for fibrene 21, 24 som måtte bevirke effekttap gjennom modus-forstyrrelser. Sporene 27 og 28 kan ha rektangulært tverrsnitt, men det skal forstås at andre passende tverrsnittsformer,

f.eks. U-form eller V-form, som kan romme fibrene 21, 24,

kan benyttes.

Ved midtpartiene av substratene 30, 32 i den viste utfør-elsesform er dybdene på sporene 27, 28 som rommer fibrene henholdsvis 21, 24, mindre enn diametrene for fibrene 21,

24 etter fremstilling av koblingshalvdelene henholdsvis 34,

36. Ved kantene av substratene 30, 32 er dybdene av sporene 27, 28 fortrinnsvis i det minste så store som diameteren av de respektive fibre 21 og 24. Fiberoptisk materiale blir fjernet fra hver av fibrene 21, 24, dvs. ved sliping og polering,

for dannelse av hovedsakelig oval-formede, plane overflater i kledningene 22 og 25 som ligger i samme plan med tilsvarende oveflater 33, 35 av substratene 30, 32. Overflatene 33, 35

hvor det fiberoptiske materiale er blitt fjernet, danner et vekselvirkningsområde 38. Således vil den mengde av fiberoptisk materiale som er fjernet, øke gradvis fra null mot kantene av substratene 30, 32 til et maksimum henimot midtpartiene av disse. Denne avskrånede fjerning av fiberoptisk materiale gjør det mulig at fibrene 21, 24 kan konvergere og divergere gradvis, noe som er fordelaktig med hensyn til å unngå tilbake-virkende refleksjon og overskytende lysenergitap.

Ved den viste utførelsesform er koblingshalvdelene 34

og 36 hovedsakelig like og blir montert ved plassering av motvendende overflater av substratene 30 og 32 sammen, slik at de motvendende flater av fibrene 21 og 24 sidestilles i et motvendende forhold.

Lys overføres mellom fibrene 21, 24 ved hjelp av flyktig feltkobling ved vekselvirkningsområdet 38. Det er funnet at skal man sikre en riktig flyktig feltkobling, må den mengde av materiale som fjernes fra fibrene 21, 24, styres omhyggelig, slik at mellomrommet mellom kjernene 22 og 25 av fibrene henholdsvis 21 og 24, ligger innenfor ehforhåndsbestemt kritisk sone. De flyktige felter for lysforplantning i fibrene 21, 24'strekker seg en kort avstand inn i kledningene, henholdsvis 23 og 26 og avtar raskt i størrelse med avstander utenfor kjernene, henholdsvis 22 og 25. Således bør man fjerne tilstrekkelig materiale for å sikre overlapping mellom de flyktige felter for fibrene 21 og 24. Dersom man fjerner for lite materiale, vil kjernene 22 og 25 ikke være tilstrekkelig nær hverandre for å tillate at de flyktige felter bevirker den ønskede vekselvirkning for de førte modi, og man vil således få en utilstrekkelig kobling som resultat.

På den annen side vil fjerning av for meget materiale endre forplantningskarakteristikkene for fibrene, noe som resulterer i tap av lysenergi på grunn av modusforstyrrelse. Imidlertid, når avstanden mellom kjernene 22 og 25 ligger innenfor den kritiske sone, vil hver fiber 21, 24 motta en tilstrekkelig del av energien fra det flyktige felt fra den annen fiber for oppnåelse av god kobling uten betydelig energitap. Den kritiske sone innbefatter det område hvori de flyktige felter for fibrene 21 og 24 overlapper med tilstrekkelig styrke for å skaffe flyktig feltkobling, dvs. hver kjerne 22, 25 ligger innenfor det flyktige felt hos den annen. Imidlertid, som tidligere angitt, vil der opptre modusforstyrrelse når kjernene 22, 25 bringes i for tett nærhet av hverandre. F.eks. tror man at for svakt førte modi, f.eks. HE^ modus

i singelmodusfibre, begynner modusforstyrrelse å opptre når tilstrekkelig materiale blir fjernet fra fibrene 21, 24 for

blottleggelse av fiberkjernene 22, 25. Således er den kritiske sone definert som kjerneavstanden hvor de flyktige felter overlapper med tilstrekkelig styrke til å bevirke kobling uten vesentlig modusforstyrrelse som induserer energitap.

Utstrekningen av den kritiske sone 38 for en spesiell kobler 20 er avhengig av et antall av innbyrdes relaterte faktorer, f.eks. parametrene av selve fiberen og geometrien

av kobleren 20. Dersom fibrene 21 og 24 er singelmodusfibre med trinnindeksprofiler, vil dessuten den kritiske sone 38

være meget smal. I den svitsjbare singelmodus-fiberkobler 20 er den nødvendige avstand fra senter til senter mellom fibrene 21, 24 ved midtpartiet av vekselvirkningssonen 38 typisk mindre enn noen få (f.eks. 2-3) kjernediametre.

Fortrinnsvis er fibrene 21 og 24 (1) lik hverandre; (2) har samme krumningsradius ved vekselvirkningsområdet 38; og (3) har like mengder fiberoptisk materiale fjernet derfra for dannelse av vekselvirkningsområdet 38. Således opptrer de optiske fibre 21, 24 symmetrisk gjennom vekselvirkningsområdet 38 i planet for deres motvendende flater, som er sammen-fallende ved overlapping. De to fibre 21 og 24 vil derfor, dersom de forblir uforstyrret, ha samme forplantningskarak-teristikker ved vekselvirkningsområdet 38, hvilket gjør at man unngår reduksjon i kobling som er knyttet til ulike for-plantningskarakteristikker.

Som det også er vist på fig. 4-6, innbefatter den svitsjbare koblingshalvdel 34 en spalte 40 i substratet 27 som strekker seg inn i fiberen 21 motsatt vekselvirkningsområdet 38. Koblingshalvdelen 36 innbefatter en lignende spalte 42. Spaltene 40 og 42 trenger seg inn i kledningene, henholds-

vis 22 og 25, til dybder som er tilnærmet lik tykkelsen av den kledning som er fjernet under slipe- og poleringstrinnene for fremskaffelse av vekselvirkningsområdet 38.

Et krystall 44 som fortrinnsvis er dannet av et elektrooptisk aktivt materiale, er plassert inne i spalten 40. Krystallet 44 er dannet av et materiale med en brytningsindeks som er en funksjon av et ytre påtrykt elektrisk felt som er en funksjon av en spenning v påført krystallet 38. Således er brytningsindeksen for det elektrooptisk aktive materiale en funksjon n(v) av den spenning som påtrykkes. Spalten 40 strekker seg inn i kledningen 23 en avstand som er tilstrekkelig for krystallet 44 å forstyrre forplantningskonstanten av fiberen 21 .

En elektrode 46 er plassert over krystallet 44 for påtrykning av et elektrisk felt. Elektroden 46 kan dannes ved på-sprøyting av et passende elektrisk ledende materiale på krystallet 44. Elektroden 46 kan også kappes til fra et ark av en passende elektrisk leder, f.eks. et metall, og kan deretter monteres på krystallet 40 ved hjelp av et klebemiddel.

Et krystall 48 i likhet med krystallet 44 er montert

i spalten 42 i substratet 28. Krystallet 48 strekker seg inn

i kledningen 26 i nærheten av vekselvirkningsområdet 38, og en elektrode 52, i likhet med elektroden 46, er montert i nærheten av krystallet 48.

Brytningsindeksene for krystallene 44 og 48 i fraværet

av et påtrykt felt er fortrinnsvis noe lavere enn brytningsindeksene for kledningene 22 og 25, som fortrinnsvis er hovedsakelig like. Krystallene 44 og 48 er fortrinnsvis isotropiske, men kan også være dobbeltbrytende. Passende materialer for krystallene 44 og 48 innbefatter natriumpentaborat KB^Og»4H20 og kaliumditianat K2S20g. De spalter 40 og 42 som krystallene henholdsvis 46 og 48 er montert i, kan passende tildannes ved sammenbinding av de optisk flate overflater av substratene 27 og 28, hvoretter man utfører sliping og polering innover fra de motsatt vendende overflater 51 og 53, som vender i motsatte retninger fra de motvendende overflater som danner vekselvirkningsområdet 38.

De to halvkoblere 34 og 36 kan holdes sammen ved hjelp

av et passende klebemiddel eller en klemanordning (ikke vist), eller de kan plasseres i et passende holdemateriale som holder dem i ønsket stilling i forhold til hverandre. Den svitsjbare kobler 20 kan være tildannet med eller uten substratene 27

og 28, som kan benyttes bare til å holde de individuelle fibre 21 og 24 i riktig stilling under slipe- og poleringsopera-sjonene. Fibrene 21 og 24 kan fjernes fra substratene henholdsvis 27 og 28, etter at slipingen og poleringen er utført,

og fibrene 21 og 24, krystallene 44 og 48 og elektrodene 46

og 52 kan settes sammen for dannelse av den svitsjbare kobler 20.

En spenningskilde 56 leverer en styrespenning til elektroden 46 mens elektroden 52 er jordet. Det elektriske felt som påtrykkes krystallene 44 og 48, er tilnærmet lik styrespenningen dividert med avstanden mellom elektrodene 46 og 52. Krystallene 44 og 48 er slik anordnet at en av dem, f.eks. krystallet 48, blir dreiet 180° om en linje parallell med fibrene 21, 24 i planet for vekselvirkningsområdet 38 i forhold til det annet krystall 44. Resultatet av denne rotasjon er at krystallaksene for hver av krystallene 44 og 48 vil komme på linje med punktet for det påtrykte felt i motsatte retninger. Kjernen 22 i fiberen 21 bør være nærmere krystallet 44 enn krystallet 48; eller tilsvarende, kjernen 25 for fiberen 24

bør være nærmere krystallet 48 enn krystallet 44. Når fibrene 21 og 24 og krystallene 44 og 48 er anordnet som beskrevet,

vil påtrykning av en spenningsforskjell på elektrodene 46

og 52 bevirke en endring av brytningsindeksen for krystallet 44, hvilket primært påvirker forplantningskonstanten hos fiberen 21, mens endringer i brytningsindeksen for krystallet 58 påvirker forplantningskonstanten hos fiberen 24.

Virkningen av det påtrykte elektriske felt på krystallene 44 og 48 når disse er anordnet som beskrevet, er å øke brytningsindeksen for et av krystallene, f.eks. krystallet 44,

og å redusere brytningsindeksen for det annet krystall 48.

Den asymmetriske variasjon av brytningsindeksene for krystallene 42 og 48 bevirker en asymmetrisk endring i forplantningskonstantene for fibrene 21 og 24. For det konstruktive arrangement som er omtalt, vil forplantningskonstanten for fiberen 21

øke, mens den for fiberen 24 vil avta. Den asymmetriske endring i forplantningskonstantene varierer den mengde av lys som blir koblet mellom fibrene 21 og 24. Reversering av polariteten av styrespenningen reverserer endringen i forplantningskonstantene .

En riktig styring av størrelsen og polariteten av spenningen tillater selektiv.svitsjing av en hvilken som helst brøkdel mellom 0 og 100% av det lys som brer seg i en av fibrene 21 og 24 til den annen fiber. Koblingseffekten kan varieres mellom 0 og 100% ved påtrykk av styrespenninger på tilnærmet 10-30 volt, avhengig av lengden L av vekselvirkningsområdet. Elektrodene 46 og 52 kan være vandrebølgeelektroder i likhet med mikrobølge-strimmellinje-bølgeledere som tillater varia-sjoner i styrespenning ved mikrobølgefrekvenser, noe som gir høye svitsjehastigheter.

Den fysikalske teori for svitsjekarakteristikkene for

den svitsjbare kobler er den samme som for den svitsjbare kobler som bruker to parallelle bølgeledere med parallelle strimler som beskrevet av Kogelnic og Schmidt, "IEEE Journal of Quantum Electronics", vol. QE-12, nr. 7, juli 1976, og teorien vil derfor ikke.bli omtalt i detalj her.

Det koherente lys i fiberen 21 kan representeres ved

en kompleks amplitude R(z) og det i fiberen 24 ved en kompleks amplitude S(z). Det er antatt at energiutvekslingen mellom fibrene 21, 24 er en kodireksjonell koblet bølgeprosess som kan beskrives ved følgende ligninger for en koblet bølge:

hvor betegnelsen "merket" indikerer derivering med hensyn til z, som er valgt til å være forplantningsretningen, 6 = AB/2, og k er koblingskoeffisienten. For vilkårlige inn-amplituder Rq og Sq vil løsningen på ligningene (1) og (2) for de koblede bølger passende kunne skrives på matriseform som

hvor stjernen indikerer en kompleks konjugert, og indeksen

1 refererer til et eneste par av elektroder 46 og 52 med jevn AB = B1- B2- Problemet går ut på å løse ligningene for de koblede bølger for matriseelementene i vekselvirkningsområdet 38 hvor z = L. For z = L kan matrisen

kan kalles overføringsmatrisen for kobleren 20. Overførings-matrisen for kobleren 20 når endringen i forplantningskonstanten er -AB, har formen

Den svitsjbare kobler 20 krysskobler lys mellom fibrene

21 og 24 når A = 0. Forplantning rett igjennom finner sted når B = 0.

"Disse betingelser for fullstendig krysskobling og rett igjennom-forplantning for den svitsjbare kobler 20 på fig. 4-7 er vist på svitsjediagrammet på fig. 9, hvor verdiene 2kL/iTog AB L/tt = 2L6 /it utgjør koordinatene. De isolerte punkter på vertikalaksen angitt ved triangler representerer tilstander hvor fullstendig krysskobling finner sted. De konsen-triske buer angitt ved sirkler representerer tilstander hvor der finner sted forplantning rett igjennom uten noen kobling mellom fibrene 21 og 24. Verdien for 2kL/iTfor elektrodeoppbyg-ningen for den svitsjbare kobler 20 er hovedsakelig uavhengig av den påtrykte spenning, men AB er en funksjon av spenning og kan styres elektrisk.

Fig. 7 anskueliggjør en alternativ elektrodeoppbygning

for kobleren 20. Krystallene 44 og 48 er plassert i nærheten av heholdsvis fiber 21 og 24 som omtalt ovenfor. Imidlertid kan et par elektroder 58, 60 være forbundet med motsatte ender av krystallet 44. Påtrykking av et elektrisk felt E på krystallet 44 samtidig som elektroden 60 er jordet, fremskaffer en endring i brytningsindeksen hos krystallet 44 på grunn av den elektrooptiske effekt. Et par elektroder 62, 64 kan være fastgjort til motsatte ender av krystallet 48, slik at på-trykkingen av et elektrisk felt med elektroden 64 jordet frem-

skaffer en endring i brytningsindeksen hos krystallet 48. Dersom elektrodene 60 og 64 er jordet, mens en positiv spenning blir påtrykket elektrodene 58 og 62, så vil endringene i brytningsindeksene ha motsatt fortegn dersom krystallaksene angitt ved pilene på krystallene 44 og 48 står på linje i motsatt retning i forhold til det påtrykte elektriske felt E. Dersom krystallaksene står på linje i samme retning, så vil motsatt rettede elektriske felter påtrykkes krystallene 44 og 48.

I hvert tilfelle blir resultatet en asymmetrisk endring i forplantningskonstantene for fibrene 21 og 24, noe som tillater elektronisk styring av de lysmengder som blir krysskoblet og som forplanter seg rett igjennom. Elektrodene 58, 60, 62

og 64 tillater bruken av lavere styrespenninger som kan svitsje kobleren 20 mellom tilstandene rett igjennom og fullstendig krysskobling og påfører hovedsakelig intet elektrisk felt direkte på fibrene 21 og 24.

Fig. 8 viser en svitsjbar retningskobler 66 med en veksel-virkningslengde L dividert i et par seksjoner 68 og 70 som hver har en lengde L/2. Seksjonen 68 innbefatter et par motsatt orienterte krystaller 72 og 74, og seksjonen 70 innbefatter et par krystaller 76 og 78 som kan være orientert i samsvar med krystallene 72 og 74. Seksjonen 68 innbefatter en elektrode 80 som befinner seg ved siden av krystallet 72 og en elektrode

82 ved siden av krystallet 74. På lignende måte innbefatter seksjonen 70 en elektrode 84 i nærheten av krystallet 76 og en elektrode 86 i nærheten av krystallet 78. Ved den ovenfor omtalte konfigurasjon får seksjonene 68 og 70 påtrykket styrespenninger med motsatt polaritet på elektrodeparene 80, 82

og 84, 86.

Et signal som kommer fra venstre i fiberen 21, slik det fremgår på fig. 8, vil først se en endring i forplantningskonstanten, nemlig AB i seksjonen 68, fulgt av en endring i forplantningskonstanten på -AB i seksjonen 70. Byttingen av fortegn med hensyn til endringen i forplantningskonstanten kan også oppnås ved at man lar krystallparene 72, 74 og 76,

78 være orientert motsatt, og ved påtrykning av spenninger av den samme polaritet på elektrodene 80 og 82, samtidig som elektrodene 84 og 86 er jordet. Overføringsmatrisen for kobleren 66 er produktet av overføringsmatrisene for de to seksjoner

68 og 70 og er gitt ved

De enkleste matematiske tilfelle foreligger når de to endringer med hensyn til forplantningskonstant har samme størrelse.

Matriseelementene for kobleren 58 er gitt ved

Løsning på ligningene for koblede bølger for den segmen-terte elektrodekonfigurasjon for kobleren 66 på fig. 8 viser at der foreligger flere spenninger for både forplantning rett igjennom og fullstendig krysskobling. Svitsjediagrammet for kobleren 58 er angitt på fig. 10. Linjene og punktene som er angitt med triangler, representerer tilstander for fullstendig krysskobling, mens linjene og punktene som er angitt med sirkler, representerer tilstander for forplantning rett igjennom.

Det eneste par av elektroder 46 og 52 krever høy nøyaktig-het ved fremstilling av kobleren 20 for å kunne gi den korrekte koblingslengde L, i den hensikt å gi mulighet for fullstendig krysskobling. Spenningsjusteringer kan ikke kompensere for fabrikasjonsfeil ved kobleren 20. Imidlertid krever fremstill-ingen av kobleren 66 ikke slik streng styring med hensyn til vekselvirkningslengden, fordi en spenningsjustering kan skaffe flere lett oppnåelige punkter for både forplantning rett igjennom og fullstendig krysskobling. Den alternerende endring i forplantningskonstant som fremskaffes ved kobleren 66, tillater en variasjon av 2kL/iTmellom forskjellige områder, f.eks. 1-3,

for oppnåelse av fullstendig krysskobling. Fig. 10 anskuelig-gjør også den nødvendige endring i forplantningskonstant og derfor den nødvendige spenningsjustering for innstilling av

kobleren 66 mellom to punkter for fullstendig krysskobling.

En økning av antallet av elektrodeseksjoner til tre eller

flere fremskaffer resultater som ligner dem for kobleren 66

med de to elektrodeseksjoner 68 og 70. En hvilken som helst segmentert elektrodekonfigurasjon skaffer en karakteristisk familie av kurver som representerer tilstander av rett igjennom-forplantning og fullstendig krysskobling. En segmentert elek-trodekonf iguras jon skaffer alltid i det minste én ikke-null spenning som skaffer 100% krysskobling og en som skaffer rett igjennom-forplantning. Tilstøtende elektroder i en hvilken som helst segmentert elektrodekonfigurasjon bør separeres ved en passende isolator 85. For å oppnå 100% krysskobling bør det første elektrodesegment som en aktuell bølge møter, fortrinnsvis skaffe minst 50% kobling mellom fibrene 21 og 24.

Selv om oppfinnelsen er omtalt med hensyn til spesielle foretrukne utførelsesformer, skal det forstås at disse spesielle utførelsesformer bare er eksempler og at oppfinnelsens omfang og idé er ytterligere definert i de vedføyde krav.

Claims (23)

1. Svitsjbar fiberoptisk retningskobler for selektiv kobling av optiske signaler mellom en første optisk fiber med en første kjerne, en første kledning og en første forplantningskonstant, og en annen optisk fiber med en annen kjerne, en annen kledning og en annen forplantningskonstant, karakterisert ved at den omfatter: organer til å danne et vekselvirkningsområde hvor et flyktig felt av lys som forplanter seg i hver av de optiske fibre, vekselvirker med den annen av de optiske fibre, og styreorganer til styring av vekselvirkningen for hver av den første og annen optiske fiber med det flyktige felt av lys som forplanter seg i den annen av de optiske fibre for styring av lyskoblingen mellom de optiske fibre.

2. Kobler som angitt i- krav 1, karakterisert ved at styreorganene innbefatter organer til å øke en av den første og annen forplantningskonstant i forhold til den annen.

3. Kobler som angitt i krav 1, karakterisert ved at organene til å danne et vekselvirkningsområde omfatter en lengde av den første fiber og en lengde av den annen fiber, hvor den første kledning og den annen kledning er tildannet med slike tykkelser at det flyktige felt av lys som forplanter seg i hver av de optiske fibre, strekker seg inn i kjernen av den annen av de optiske fibre.

4. Kobler som angitt i krav 1, karakterisert ved at styreorganene innbefatter: en første blokk av et vekselvirkningsmateriale anordnet i nærheten av vekselvirkningsområdet og organer til å påtrykke et elektrisk felt på den første blokk for styring av den relative størrelse av den første og annen forplantningskonstant.

5. Kobler som angitt i krav 4, karakterisert ved at den ytterligere innbefatter en annen blokk av et vekselvirkningsmateriale anordnet i nærheten av vekselvirknings området, idet den første og annen blokk samvirker for økning av en av den første og annen forplantningskonstant, mens den annen konstant reduseres.

6. Kobler som angitt i krav 4, karakterisert ved at vekselvirkningsmaterialet er elektrooptisk aktivt slik at materialets brytningsindeks er en funksjon av det påtrykte elektriske felt.

7. Kobler som angitt i krav 5, karakterisert ved at vekselvirkningsmaterialet er elektrooptisk aktivt slik at brytningsindeksen er en funksjon av det.påtrykte elektriske felt.

8. Kobler som angitt i krav 7, karakterisert ved at den ytterligere innbefatter: en første elektrode anordnet i nærheten av den første blokk, en -annen elektrode anordnet i nærheten av den annen blokk og organer til å påtrykke en potensialforskjell over den første og annen elektrode.

9. Kobler som angitt i krav 1, karakterisert v ed at organene for dannelse av mellomkoblingsområdet omfatter: en lengde av den første fiber hvor kledningen har en første generelt plan flate tildannet deri, en lengde av den annen fiber hvor kledningen har en annen hovedsakelig plan flate tildannet deri, og organer til å bibeholde den første og annen hovedsakelig plane flate i en tilstøtende stilling, slik at lys som forplanter seg i den første og annen fiber, fremskaffer et flyktig felt som strekker seg inn i den annen av den første og annen optiske fiber.

10. Kobler som angitt i krav 9, karakterisert ved at den første kledning innbefatter en tredje hovedsakelig plan overflate som er hovedsakelig parallell med den første hovedsakelig plane flate for montering av den første blokk av vekselvirkningsområdet i nærheten av den første optiske fiber, slik at den første blokk befinner seg innenfor det flyktige felt av lys som forplanter seg i den første optiske fiber, og at den annen kledning innbefatter en fjerde hovedsakelig plan overflate som er hovedsakelig parallell med den annen hovedsakelig plane overflate for montering av den annen blokk av vekselvirkende materiale i nærheten av den annen optiske fiber, slik at den annen blokk befinner seg innenfor det flyktige felt av lys som forplanter seg i den annen optiske fiber.

11. Kobler som angitt i krav 10, karakterisert ved at den første og annen blokk av materiale innbefatter et elektrooptisk aktivt materiale med en brytningsindeks som er en funksjon av et ytre påtrykt elektrisk felt.

12. Kobler som angitt i krav 11, karakterisert ved at den innbefatter: en første elektrode som befinner seg i nærheten av den første blokk, en annen elektrode som befinner seg i nærheten av den annen blokk, og organer til å påtrykke en spenning på den første og annen blokk.

13. Kobler som angitt i krav 12, karakterisert ved at den første og annen blokk er slik orientert at et påtrykt elektrisk felt øker brytningsindeksen for en av blokkene, mens den reduserer indeksen for den annen blokk.

14. Kobler som angitt i krav 1, karakterisert ved at styreorganene innbefatter organer for elektronisk svitsjing mellom tilstander for hovedsakelig rett igjennom-forplantning og tilstander for hovedsakelig 100% krysskobling av lys mellom den første og annen optiske fiber.

15. Kobler som angitt i krav 14, karakterisert ved at den innbefatter en bryter som øker en av den første eller annen forplantningskonstant i forhold til den annen.

16. Kobler som angitt i krav 15, karakterisert ved at den innbefatter en flerhet av svitsjepartier som fremskaffer suksessive forskjeller i den første og annen forplantningskonstant med alternerende fortegn.

17. Kobler som angitt i krav 16, karakterisert ved at hvert svitsjeparti innbefatter: et par elektrooptisk aktive krystaller som befinner seg i nærheten av vekselvirkningsområdet, idet krystallene har et par krystallakser som er orientert motsatt, slik at et påtrykt elektrisk felt øker brytningsindeksen for et av krystallene, samtidig som brytningsindeksen for det annet krystall blir redusert.

18. Fremgangsmåte for svitsjing av optiske signaler mellom et par optiske fibre, idet hver fiber omfatter en kjerne, en kledning og en forplantningskonstant, karakterisert ved følgende trinn: å danne et vekselvirkningsområde hvor kjernen for hver av de optiske fibre vekselvirker med det flyktige felt av lys som forplanter seg i den annen optiske fiber, og å styre forplantningskonstantene for de optiske fibre for selektiv kobling av lys derimellom.

19. Fremgangsmåte som angitt i krav 18, karakterisert ved at styretrinnene innbefatter følgende trinn: å plassere en første blokk av.vekselvirkningsmateriale med en brytningsindeks som er en funksjon av et påtrykt elektromagnetisk felt i nærheten av den første optiske fiber, å plassere en annen blokk av et vekselvirkningsmateriale med en brytningsindeks som er en funksjon av et påtrykt elektromagnetisk felt i nærheten av den annen optiske fiber, og å påtrykke et elektromagnetisk felt på blokkene av vekselvirkningsmateriale for styring av forplantningskonstantene for de optiske fibre for styring av mengden av lys som blir koblet fra en av de optiske fibre til den annen optiske fiber.

20. Fremgangsmåte som angitt i krav 19, karakterisert ved at styretrinnene innbefatter følgende trinn: å danne en første plan flate på den første optiske fiber, å danne en annen plan flate på den første optiske fiber parallell med den første plane flate, å danne en tredje plan flate på den annen optiske fiber, å danne en fjerde plan flate på den annen optiske fiber parallell med den tredje plane flate, å plassere den første og tredje plane flate ved siden av hverandre, slik at det flyktige felt av lys som forplanter seg i en av de optiske fibre, vekselvirker med kjernen av den annen optiske fiber, å montere den første blokk i nærheten av den annen plane flate, å montere den annen blokk i nærheten av den fjerde plane flate, og å påtrykke et elektrisk felt på den første og annen blokk.

21. Fremgangsmåte for svitsjing av optiske signaler mellom et par optiske fibre, idet hver fiber omfatter en kjerne, en kledning og en forplantningskonstant, karakterisert ved følgende trinn: å forme et vekselvirkningsområde hvor lys kan kobles mellom fiberkjernene ved hjelp av en flyktig feltkobling, å oppdele vekselvirkningsområdet i en flerhet av segmenter, og å styre den relative størrelse av forplantningskonstantene for styring av graden av lys som blir koblet mellom de optiske fibre.

22. Fremgangsmåte som angitt i krav 21, karakterisert ved at den innbefatter trinnene å alternativt øke og redusere forplantningskonstanten for den første optiske fiber samtidig som der alternerende reduseres og økes forplantningskonstanten for den annen optiske fiber i suksessive segmenter .

23. Fremgangsmåte som angitt i krav 22, karakterisert ved at den ytterligere innbefatter det trinn å elektrisk styre forskjellen mellom forplantningskonstantene i hver av segmentene for selektiv svitsjing av de optiske fibre mellom tilstander for rett igjennom-forplantning og fullstendig krysskobling av lys mellom de optiske fibre.