NO853387L - Akustisk-optisk modulasjon. - Google Patents

Description

Oppfinnelsens bakgrunn

Den foreliggende oppfinnelse vedrører optisk kommunikasjon og følersystemer. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte og et apparat til modulering av fasen av optisk energi overført ved hjelp av en optisk fiber.

En fasemodulator er en vesentlig komponent i forbindelse med kommunikasjon- eller følersystemer hvor informasjon over-føres ved hjelp av elektromagnetiske bølger. En fasemodulator tillater tilføyelsen av detekterbare faseskifter på et elektromagnetisk bæresignal. Faseskiftene kan dekodes ved en mottager, og den detekterte informasjon kan ekstraheres derfra.

Elektromagnetiske bølger har frekvensavhengige egenskaper. Således representerer synlig lys, infrarød, mikrobølge- og millimeterbølgeenergi forskjellige fysiske manifestasjoner av det elektromagnetiske fenomen. Som et resultat av frekvens-egenskaper vil fremgangsmåter og organer til å utføre forhånds-valgte endringer i fasen av en elektromagnetisk bølge være avhengig av bølgens frekvens.

En meget lovende kommunikasjon- og følerteknologi er avhengig av overføringen av passende modulert lysenergi gjennom optiske fibre. Denne fiberoptiske teknologi tilbyr muligheten av sikre overføringer ved båndbredder og frekvenser som ligger vel utenfor dem som tidligere er blitt oppnådd ved andre elektromagnetiske systemer.

Tidligere er der gjort forsøk på å utvikle en fasemodulator for bruk i forbindelse med fiberoptiske følersystemer, idet disse har vært avhengig av elektromagnetiske systemer som påfører krefter på den optiske fiber for endring av brytnings-indeksene. I hovedsak vil slike mekaniske krefter påvirke fiberen på en forhåndsbestemt måte. Påkjenningen bevirker en ønsket faseendring ved hjelp av fotoelastiske egenskaper hos fibermaterialet.

Eksempler på elektromagnetiske fremgangsmåter for modulering av fasen for optisk energi som vandrer gjennom en optisk fiber, innbefatter organer av den type som er kjent som "klem-mere" og "strekkere". Slik navnene antyder, vil disse organer påføre forskjellige typer av fysiske påkjenninger på den optiske fiber. I en klemmer vil plater av deformerbart materiale, f.eks. PZT, en piezoelektrisk keramikksammensetning, være anordnet på hver side av fiberen. Kappen blir fjernet fra fiberen, hvilket blottlegger kledningen direkte mot trykk fra PZT-platene. PZT-materialet som er en keramikk som defor-merer seg som reaksjon på en påtrykt spenning, er slik anordnet at den som reaksjon på et forhåndsbestemt elektrisk signal overfører en kraft til den optiske fiber i en retning på tvers av den optiske akse. Denne kraft bevirker at kjernen i den optiske fiber blir mer sammentrykket, noe som øker brytningsindeksen for det parti som overfører energien. Som et resultat vil forplantningskonstanten for lys i fiberen bli endret i nærheten av klemmeren, og fasen for et slikt lys blir endret på en forhåndsbestemt måte. Matematisk vil det faseskift Af som er utført av klemmeren, bli styrt fortrinnsvis ved følgende forhold:

hvor:

X = bølgelengde for lyskilde,

An = endring i fiberkjernens brytningsindeks, og

L = fiberlengde.

I en strekker er den optiske fiber spunnet rundt en sylinder av piezoelektrisk materiale med metallbelagte indre og ytre flater som virker som elektroder. Riktig påtrykning av spenning på det radialt-polte piezoelektriske materiale bevirker styrbar ekspansjon og kontraksjon av sylinderens omkrets. Som et resultat vil lengden av den optiske fiber som er spunnet om overflaten av sylinderen, bli endret for å gjøre forhåndsbestemte faseendringer av det lys som vandrer gjennom den optiske fiber. Det forhold som beskriver skiftet i fase for lys som vandrer gjennom en optisk fiber i nærheten av en strekker, er:

hvor.:

n = fiberkjernens brytningsindeks, og AL = lengdeendring av fiber.

Strekkeren komprimerer fiberkjernen og endrer derfor kjernens brytningsindekser, noe som endrer fasen av lyset. Imidlertid vil den faseendring som fremskaffes ved endringen

av banelengden, dominere over den faseendring som skyldes den økte kjernedensitet.

De organer som er omtalt ovenfor kan ved mekanisk på-kjenning av den optiske fiber fremskaffe irreversible og uønskede permanente konstruksjonsmessige endringer. Dessuten har disse elektromekaniske organer frekvensområder som er begrenset av den mekaniske responstid hos det drivende piezoelektriske materiale, noe som gjør at de i praksis bare tjener som lavfrekvensorganer (mindre enn 5 megahertz). Båndbredde-restriksjoner begrenser i alvorlig grad området for den praktiske bruk av en modulator. Kommunikasjonssystem-båndbredder definerer informasjonsinnholdet i overføringene. Høy operasjons-frekvens øker følernøyaktigheten, idet virkningen av lavfre-kvent omgivelsesstøy reduseres til et minimum.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelse råder bot på ulempene ved

den kjente teknikk ved å skaffe et apparat for modulasjon av fasen for lys når dette vandrer langs en optisk fiber. Apparatet innbefatter organer til å fremskaffe en samlet akustisk bølge ("bulk acoustic wave") og organer til å utsende den akustiske bølge til et valgt parti av den optiske fiber.

Oppfinnelsen skaffer videre en fremgangsmåte for modulasjon av fasen for det lys som forplanter seg via en optisk fiber. Fremgangsmåten innbefatter de trinn å fremskaffe en akustisk bølge og å avsende den akustiske bølge til fiberen, slik at bølgen vekselvirker med det lys som føres av fiberen.

Fasemodulatoren kan utnyttes som en vesentlig komponent

i en optisk frekvensskifter. Oppfinnelsen innbefatter organer til å generere akustiske bølger og organer til å utsende bølger til selekterte partier av en optisk fiber.

Trekkene og fordelene ved den foreliggende oppfinnelse

vil fremstå tydeligere fra den følgende detaljerte beskrivelse. Denne beskrivelse er utarbeidet i forbindelse med og står

i forhold til det vedføyde sett med tegningsfigurer som

anskueliggjør oppfinnelsen. I beskrivelsen og på tegningsfigurene er der gitt henvisningstall for forskjellige trekk ved oppfinnelen, idet make henvisningstall til tegningsfigurene og den detaljerte beskrivelse har gjennomgående å gjøre med like oppfinnelsestrekk.

Kort omtale av tegningsfigurene

Fig. 1 er et perspektivriss av en fasemodulator i henhold til oppfinnelsen. Fig. 2 er et tverrsnitt gjennom fasemodulatoren tatt etter linjen 2-2 på fig. 1. Fig. 3 er et tverrsnitt av fasemodulatoren tatt etter linjen 3-3 på fig. 1.

Fig. 4 er et perspektivriss med noen deler fjernet av

en alternativ utførelsesform for en fasemodulator i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 5 anskueliggjør en frekvensskifter tildannet av

en flerhet av fasemodulatorer i henhold til fig. 4.

Omtale av foretrukken utførelsesform

På fig. 1 er der vist et perspektivisk riss av en fasemodulator 10 i henhold til oppfinnelsen. Fra fig. 1 kan man få en anelse av den ytre geometri av en av de to foretrukne utførelsesformer for det organ som er innlemmet deri.

Modulatoren 10 innbefatter generelt en blokk 14 av kvarts eller annet passende mekanisk og optisk inert materiale. En hovedsakelig plan transduktor 18 er festet til oversiden av blokken 14 ved hjelp av et lag 16 av epoksyharpiks eller et annet passende klebemiddel. En optisk fiber 12 er fiksert inne i en bueformet kanal 19 vist på fig. 2 og 3 inne i blokken 14. Fiberen 12 kan omfatte en dopet kjerne og en omgivende kledning av smeltet silisiumoksid eller lignende innlemmet i en beskyttende plastisk kappe. Detaljer av fiberen 12 som ikke er vist på fig. 1, vil bli omtalt senere. Den bueformede kanal 19 som den optiske fiber 12 er ført gjennom, omfatter en åpning i den øvre overflate av blokken 14, noe som tillater en fiksering av et parti av fiberen 12 til anlegg mot transduktoren 18.

Fig. 2 og 3 er henholdsvis lengdesnitt og tverrsnitt

av modulatoren 10 tatt etter henholdsvis linjene 2-2 og 3-

3 på fig. 1. Den bueformede kanal 19 for den optiske fiber er best vist på fig. 2. Fiberen 12 omfatter en passende dopet kjerne 12 som er omgitt av en kledning 22. Slik det er vel kjent innen teknikkens stilling, vil forholdet mellom de forskjellige brytningsindekser for kjernen 20 og kledningen 22 avgrense lys som føres langs fiberen 12 hovedsakelig innenfor kjernen 22 med minimale tap. Utenfor blokken 14 er der anordnet en kappe 24 av passende materiale, innbefattende enten metall eller plast og omhyllende den optiske fiber 12 for å skaffe omgivelsesbeskyttelse og ytterligere minimalisere tapene.

Den foreliggende oppfinnelses lære kan likeens anvendes overfor optiske fibre av både isotropisk og anisotropisk (f.eks. dobbeltbrytende) optisk karakter.

Transduktoren 18 er fortrinnsvis tildannet av et lag

av piezoelektrisk materiale 26 som er lagt mellom en øvre elektrode 28 og en nedre elektrode 30 av passende ledende materiale, f.eks. aluminium. Et foretrukket piezoelektrisk materiale til bruk i modulatoren 10 er litiumniobat.

Det piezoelektriske lag 26 fremskaffer en akustisk bølge som sprer seg i en retning vinkelrett på den plane overflate av transduktoren 16 ved påtrykk av en spenning av vekslende polaritet fra en kilde 32. Materialet i laget 26 kan være anordnet for vibrasjon enten ortogonalt eller i samme retning som fiberen 12 for fremskaffelse av longitudinale eller skjær-modi av akustisk bølgeenergi.

Slik det vil bli omtalt i detalj i det følgende, vil vibrasjon av laget 26 fremskaffe en akustisk bølge som forplanter seg i en retning vinkelrett på den optiske akse av fiberen 12. Slik det er velkjent vil bølgelengden av senter-sekvensen av denne totale akustiske bølge være lik halvparten av tykkelsen av laget 26. Elektrodene 28 og 30 kan være til-'dannet med tykkelser som passer den praktiske utøvelse av denne oppfinnelse ved hjelp av vakuumavsetning eller lignende tynnfilmteknikk.

I tverrsnitt er den buede kanal 19 inne i blokken 14 avgrenset av en konveksformet bunnkant 34 og en diskontinuerlig kant som innbefatter konkave kiler 40 og 42. Nedre og øvre kanter 36 og 38 av et kontinuerlig lag 39 av epoksy eller et annet passende klebemiddel som omsirkler fiberen 12 (trukket av kappen 24) kan man se på fig. 1 som innskutt mellom fiberen og henholdsvis den øvre og nedre flate av den buede kanal 19. Klebemiddellaget 39 fastholder fiberen 12 inne i blokken 14.

Fiberen 12 innbefatter et hovedsakelig avflatet parti

som danner et vekselvirkningsområde 46 ved den øvre flate av kledningen 22. Vekselvirkningsområdet 46 er fortrinnsvis tildannet ved polering av fiberen 12 for fjerning av et parti av kledningen 22 med en passende slipesammensetning. Vekselvirkningsområdet 46 er fastholdt til den plane nedre elektrode 30 ved hjelp av et klebemiddellag 49 som kan være et hvilket som helst passende klebemiddel, f.eks. en epoksyharpiks. Det avflatede parti 46 skaffer et vekselvirkningsområde mellom transduktoren 18 og fiberen 12 for overføring av en samlet akustisk bølge til kjernen 22. Som en generell anvisning kan en fiber 12 med en ytre kledningsdiameter på 125 mikrometer og en krumningsradius på ca. 20 cm bli polert til en maksimum dybde på tilnærmet 10 mikrometer ved forming av et vekselvirkningsområde 46 som har en lengde på ca. 18-20 cm.

Lys fra en kilde, f.eks. en laser (ikke vist), blir over-ført gjennom fiberen 12 langs en optisk bane som er definert av kjernen 20. De forskjellige brytningsindekser for kjernen 20 og kledningen 22 begrenser vandringen av den optiske energi til kjernen. Kjerneindeksen er større enn kledningsindeksen, og lys som forplanter seg gjennom kjernen 20, faller inn på kjerne/klednings-grenseskiktet under en vinkel som er mindre enn den kritiske vinkel for total indre refleksjon. Derfor vil hovedsakelig alt det lys som transporteres av fiberen 12, forbli i kjernen 20 på grunn av intern refleksjon ved kjerne/klednings-mellomskiktet. Når dette lys passerer gjennom partiet av fiberen 12 inne i blokken 14, og spesielt det parti som befinner seg i nærheten av vekselvirkningsområdet 46,

vil lyset samvirke med den samlede akustiske bølge som

fremskaffes ved vibrasjon av den piezoelektriske transduktor 18 som reaksjon på spenningen av varierende polaritet som påføres elektrodene 28 og 30 på hver side av det piezoelektriske lag 26.

Størrelsen og materialene i den nedre elektrode 30, klebemiddellaget 49 og det piezoelektriske lag 26 er slik valgt at deres kombinerte akustiske impedans passer til den akustiske impedans av det parti av fiberen 12 som befinner seg motsatt vekselvirkningsområdet 46. Tilpassede akustiske impedanser sikrer at maksimal akustisk energi blir overført til kjernen 20 i fiberen 12 som reaksjon på den energi som påføres fase-modulasjonssystemet 10. En foretrukken utførelsesform har et lag av piezoelektrisk materiale 26, f.eks. krystallisk litiumniobat (LiNbO^) med en tykkelse i størrelsesorden 100 mikrometer og har aluminiumelektroder med tykkelsesorden 2000 ångstrøm.

Således vil den akustiske impedans av laget 26 forhånds-dominere oppbygningen av anordningen, og de relative dimensjoner vist på fig. 2 og 3 er følgelig noe fortegnet for oversiktens skyld. Oppfinnelsen er imidlertid tenkt å omfatte et fullt variasjonsområde med hensyn til relative konstruksjonsmessige utførelse av modulatoren 10, slik det er definert ved kravene som er vedheftet denne beskrivelse.

Som det er velkjent innen teknikkens stilling, vil veksel-virkningen mellom den vandrende akustiske bølge og den optiske energi som føres av fiberen 12, bevirke et forhåndsbestemt resulterende faseskift i den overførte optiske energi. Dette faseskift er et resultat av den velkjente akustisk-optiske effekt som forandrer dipol-momentene inne i materialet av fiberkjernen 20 uten at materialet påkjennes fysisk. Størrelsen av dette faseskift er primært en funksjon av den energi som påføres systemet ved hjelp av kilden 32 og lengden av vekselvirkningsområdet 46.

Faseskiftet blir utført i henhold til ligning (1). Den akustiske bølge som utsendes av transduktoren 18, gir opphav til en forhåndsbestemt endring An hva angår brytningsindeksen for fibermediet. Denne endring i brytningsindeks er en direkte funksjon av amplituden av en akustisk påkjennings-bølge frem-skaffet inne i fiberen 12. Størrelsen av denne amplitude A

er

hvor:

P = akustisk bølgeeffekt,

V = hastighet av akustisk bølge i fibermedium, og

d = fiberdensitet.

Den akustiske bølgeeffekt P er en funksjon av den energi som tilføres av kilden 32. Fordi der foreligger en liten grad av innføringstap, blir den akustiske bølgeeffekt noe lavere enn inngangseffekten. Innføringstapet representerer virknings-graden av energiomformningen ved denne del av prosessen.

Den totale virkningsgrad for fasemodulasjon i henhold til prosessen og apparatet ifølge den foreliggende oppfinnelse målt som kvotienten av det induserte faseskift A$ dividert med tilført effekt for drift av kilden 32 er betydelig høyere enn. det som er tilgjengelig ved hjelp av elektromekaniske systemer og fremgangsmåter som er beskrevet tidligere. De elektromekaniske systemer har iboende begrensninger på grunn av apparatenes mekaniske egenskaper.

Fig. 4 er et perspektivisk riss med deler delvis skåret bort av en alternativ fasemodulator 48 som virker i henhold til de akustiske prinsipper som er tidligere omtalt. Imidlertid skal det forstås at fasemodulatoren 48 på fig. 4 er kjenne-tegnet ved en forenklet konstruksjon som øker den akustiske effektdensitet ved fiberkjernen. Fasemodulatoren 48 omfatter en generelt sylindrisk konstruksjon som er innrettet til å omfatte et kappeløst vekselvirkningsområde 53 av den optiske fiber 12a, hvilket omfatter bare kjernen 20 og kledningen 22.

En piezoelektrisk transduktor 51 som svarer til den plane transduktor 18, er festet til og omhyller et forhåndsbestemt parti av kledningen 22. Transduktoren 51 innbefatter en ytre elektrode 52, en indre elektrode 54 og en langstrakt sylindrisk seksjon 50 av piezoelektrisk materiale. Den indre elektrode 52 innbefatter et forholdsvis kort sylindrisk overheng 56

som skaffer en passende lokasjon for en pute (ikke vist) for

forenkling av elektrisk kontakt mellom den indre elektrode

52 og en ikke vist spenningskilde. Med hensyn til den lett tilgjengelige ytre elektrode 54 så er det ikke nødvendig med et område svarende til overhenget 56.

Fasemodulatoren 48 gir fordeler med hensyn til reduserte kostnader og forbedret virkningsgrad. Fasemodulatoren 48 kan fremstilles ved først å fjerne beskyttelseskappen for å blott-legge kledningen 22 av den optiske fiber. Den indre elektrode som innbefatter overhenget 56, blir deretter avsatt på kledningen 22 ved vakuumavsetning eller lignende. Den sylindriske seksjon 50 blir fortrinnsvis fremstilt fra et antall geler som når de tørkes og bearbeides generelt som omtalt nedenfor, danner et piezoelektrisk keramisk lag. Gelformen som utgjør en stiv, porøs dispersjon av partikler av størrelse 10-1000 Ångstrøm, som hver inneholder 10 3 -10 6atomer, tillater fremstil-lingen av et uendelig antall av laggeometrier, innbefattende den her omtalte sylindriske form. Geler for dannelse av seksjon 50 innbefatter et antall av medlemmer av "Sol Gel"-familien. Sol-geler innbefatter silisiumoksidgeler som inneholder en eller flere metall-organiske sammensetninger, alkohol som løsningsmiddel og en passende katalysator for regulering av porøsitet og hardhet av den tørkede film. En passende Sol Gel til bruk ved fasemodulatoren 48 innbefatter SiG^og Pb( ZrxTi ^ _X)C>3. Det porøse, faste dielektriske filmlag for seksjonen 50 er tildannet i nærheten av den indre metall-elektrode 54 ved hjelp av en dyppebelegningsprosess.

Den optiske fiber blir flere ganger dyppet i den viskøse Sol Gel-oppløsningen. Tykkelsen av hvert belegg er styrt ved hjelp av vanlige spinne- og langsomme trekketeknikker. Etter at en passende total våt tykkelse er oppnådd, blir belegget bakt under fjerning av væskeinnholdet for fremskaffelse av en keramisk film med god kvalitet. Til forskjell fra det forholdsvis dyre krystallinske NiO^ for den plane transduktor 18 tillater oppbygningen og den store flyktighet for væske-fasen i gel-sammensetningén dannelse av et sylindrisk lag av fast materiale ved temperaturer langt under smeltepunktet for den optiske fiber. Den ytre elektrode 52 blir deretter vakuumavsatt på laget 50.

Fiberen innbefattende den faste dielektriske film blir deretter nedsenket i et bad med varm silisiumolje. En høy spenning blir påtrykket mellom elektrodene 52 og 54 for inn-retting av dipolene i den sylindriske seksjon 50, slik at det piezoelektriske materiale får sine poler innrettet for symmetrisk innoverrettet og utoverrettet radial vibrasjon.

En kilde for vekselstrøm (ikke vist) blir elektrisk forbundet mellom elektrodene 52 og 54 av transduktoren 51.

Den sylindriske transduktor 51 blir dannet ved kombina-sjonen av elektrodene 52, 54. Den sylindriske seksjon 50 får man til å vibrere innover og utover ved en forhåndsbestemt frekvens som reaksjon på oscillasjonssignalene fra kilden,

noe som fremskaffer en samlet akustisk bølge. Den samlede akustiske bølge blir ført inn i den optiske fiber 12a, hvilket bevirker en akustisk påkjenningsbølge å vandre i en retning vinkelrett på forplantningsretningen av den optiske energi langs den optiske fiber 12a. Bølgefrontene for denne akustiske bølge blir rettet radialt under dannelse av en flerhet av sirkler som er konsentriske med hensyn til den optiske fiber 12a. Diameteren av hver vandrende påkjenningsbølgefront avtar monotont med tiden.

Den akustiske virkningsgrad for fasemodulatoren 48 er forbedret i forhold til den for det plane organ 10 med hensyn til to strukturelle forhold. For det første strekker vekselvirkningsområdet for fiberen 12a og transduktoren 51 seg over hele lengden av den sylindriske seksjon 50. Der foreligger ikke noen påtagelig separasjon mellom kledningen 22 og transduktoren 51 over denne lengde. Således vil hele den sylindriske transduktor 51 avgi den akustiske bølge til fiberen 12a.

Fordi bølgene med akustisk energi samler seg ved kjernen 20, vil dessuten spredning av akustisk energi som forekommer i forbindelse med den tidligere utførelsesform etter at den modulerende akustiske bølgefront passerer kjernen 20, bli unngått. Isteden blir den akustiske bølgeenergi effektivt reflektert fra den flate i fasemodulatoren 48 som avgir den aktustiske bølge. Ved passende valg av frekvens som påføres den sylindriske transduktor 51, i kombinasjon med størrelsen og akustisk impedans for den optiske fiber 12a, dvs. i virkelig-heten et resonanshulrom, vil det derfor være mulig å sikre at den reflekterte energi forsterker energiinnholdet i de nylig avsendte modulerende bølgefronter.

Den styrte vibrasjon av den piezoelektriske transduktor ifølge den foreliggende oppfinnelse som befinner seg ved siden av den optiske fiber, tjener til å avgi en passende akustisk bølge til fiberen. Denne virkning på fiberen er ulik det som er resultatet fra induserte bevegelser fra plater av piezoelektrisk materiale som danner en klemmer (ikke vist). Mens en klemmer fremskaffer elektrooptisk et faseskift ved fiber-deformasjon, vil således den foreliggende oppfinnelse fremskaffe et faseskift ved hjelp av en akustisk-optisk prosess.

Forskjellen mellom de virkninger som fremskaffes, skriver seg fra den tynne og således mangel på volum av den piezoelektriske transduktor i henhold til oppfinnelsen i forhold til platene av piezoelektrisk materiale i en klemmer. Mens platene i en klemmer normalt har en størrelsesorden i området millimeter til centimeter, ligger tykkelsen av den piezoelektriske transduktor med tynn film for faseskifteren ifølge oppfinnelsen i området mikrometer (fortrinnsvis mindre enn 10 mikrometer), dvs. tilnærmet tre størrelsesordener tynnere. Som et resultat av denne betydelige forskjell vil vibrasjons-bevegelsen av den piezoelektriske transduktor ifølge oppfinnelsen i nærheten av den optiske fiber ikke målbart komprimere fiberkjernen, men isteden vil en del av den energi som tilføres faseskifteren, bli absorbert av det kapasitive piezoelektriske materiale, samtidig som en frekvensavhengig del blir omformet til akustisk bølgeenergi. Denne prosess finner ikke sted i en klemmer. Isteden vil hovedsakelig all den energi som tilføres klemmeren, bli lagret i de dielektriske klemmerplater som deretter utfører det arbeid som endrer fiberkjernens brytningsindeks .

Fig. 5 er et delvis skjematisk riss av en singel sidebånd-frekvensskifter 59 som innbefatter en flerhet av akustisk-optiske faseskiftere i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Frekvensskifteren 59 har de fordeler for en individuell faseskifter ifølge oppfinnelsen som omtalt ovenfor, og gir dessuten ytterligere fordeler, innbefattende en enkel oppbygning, konstruksjon og forbedret virkningsgrad i forhold til kjente frekvensskiftere.

Frekvensskifteren 59 i en allfiber-anordning innbefatter for illustrasjonens skyld tretten faseskiftere 60, 62, 64,

66, 68, 70, 72, 74, 76, 76, 80, 82 og 84 som omslutter en dobbeltbrytende optisk fiber 58. Den ytre kappe er skrellet av fra fiberen 58 og hver faseskifter har en hovedsakelige sylindrisk form som vist på fig. 4. De indre elektroder av faseskifterne er forbundet med en felles jordbus 86.

De ytre elektroder av faseskifterne er elektrisk drevne ved hjelp av en trefaset kraftforsyning (ikke vist) som skaffer fasespenningene ,°9^3- Slik det er vist, vil disse drivende sinusformede spenningsbølgeformere, som ligger med faseforskjell 120 grader, drive faseskifterne som er anordnet på avstand langs den dobbeltbrytende fiber 58. Hva angår driv-spenningene, er faseskifterne gruppert i "celler" på tre. Dersom man beveger seg langs fiberen 58, vil det ses at den første faseskifter for hver celle drives av en felles sinus-bølgeform , den annen faseskifter av en annen felles bølgeform $2 som ligger 120 grader foran den første felles spennings-bølgeform, og den tredje faseskifter av en tredje felles spen-ningsbølgef orm som ligger nok 120 grader foran den annen felles spenningsbølgeform. Faseskifterne er jevnt fordelt langs fiberen 58, idet avstanden B mellom faseskiftere som er i fase, er lik en støtlengde. Som det er kjent, utgjør støtlengden av en dobbeltbrytende fiber det samme som bølge-lengden Aq i fritt rom av lys som forplanter seg i fiberen dividert med dobbeltbrytningen An for fiberen. Dobbeltbrytningen er videre spesifisert som forskjellen i brytningsindeksen for lys med ortogonale polariserte retninger som vandrer gjennom den dobbeltbrytende fiber.

I henhold til velkjent optisk teori vil et arrangement

med faseskiftere som er oppbygget som omtalt ovenfor, bevirke et forhåndsbestemt frekvensskift ved den optiske overføring, idet der induseres en vandrende akustisk bølge i kjernen for den dobbeltbrytende fiber 58. Som ved tilfellet av faserespons for den optiske overføring er størrelsen av frekvensskiftet

proporsjonal med toppverdien av tre fasespenninger som driver flerheten av f asemodulatorer- som danner frekvensskifteren.

Slik det vil forstås videre, vil signalet etter at det har passert gjennom frekvensskifterområdet av fiberen, bli skiftet opp i frekvens ved hjelp av frekvensen for den induserte vandrende akustiske bølgeform. Faseforholdet for de drivende spenninger eliminerer uønskede harmoniske fra utgangssignalet, hvilket innebærer et singel-sidebånd. En slik singel-sidebånd-frekvensmodulasjon er et generelt ønskelig trekk for en frekvensskifter og er spesielt fordelaktig ved konstruksjonen av avanserte rotasjonsfølersystemer. Videre vil rekkeopp-bygningen av alle fiberorganer sikre at overføringssignal-

tap blir redusert til et minimum, hvilket er et ytterligere mål for enhver føler- eller kommunikasjonssystemkonstruksjon.

Det er således åpenbart at oppfinnelsen skaffer et forbedret apparat og fremgangsmåte for modulasjon av fasen for optisk energi som vandrer i en optisk fiber. Modulatoren som bygger på akustisk-optiske prinsipper hva angår driften, er fri for de iboende mangler ved tidligere kjente teknikker som bygger på mekaniske og materialle egenskaper. Videre vil organet være lett å fremstille og skaffer en vesentlig komponent for meget avanserte frekvensskiftere.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet under henvisning til foreløpige foretrukne utførelsesformer, skal oppfinnelsen ikke være begrenset til disse. Isteden er oppfinnelsens omfang definert ved det følgende kravsett og tilhørende ekvivalenter.

Claims (18)

1. Apparat for modulasjon av fasen av lys som føres gjennom en optisk fiber, karakterisert ved organer for fremskaffelse av en akustisk bølge og organer for ut-sendelse av den akustiske bølge til et forhåndsbestemt parti av fiberen.

2. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at organene for fremskaffelse av en akustisk bølge innbefatter et piezoelektrisk element og organer for å fremskaffe vibrasjon av det piezoelektriske element.

3. Apparat som angitt i krav 2, karakterisert ved at organene for å fremskaffe vibrasjon av det piezo-elekriske element innbefatter en første elektrode i nærheten av en første overflate av det piezoelektriske element og den optiske fiber, en annen elektrode i nærheten av den motsatte flate av elementet og en spenningskilde med vekslende polaritet med forhåndsbestemt frekvens forbundet med hver av elektrodene.

4. Apparat som angitt i krav 3, karakterisert ved at den første elektrode, den annen elektrode og det piezoelektriske element danner en hovedsakelig plan transduktor .

5. Apparat som angitt i krav 4, karakterisert ved at den optiske fiber innbefatter et avflatet parti i nærheten av den første elektrode.

6. Apparat som angitt i krav 5, karakterisert ved at den kombinerte akustiske impedans av det piezoelektriske element og den første elektrode passer til den akustiske impedans for den optiske fiber.

7. Apparat som angitt i krav 3, karakterisert ved at den første elektrode, den annen elektrode og det piezoelektriske element danner en hovedsakelig sylindrisk transduktor.

8. Fremgangsmåte for modulasjon av fasen av lys som føres gjennom en optisk fiber, karakterisert ved trinnene å fremskaffe en akustisk bølge med forhåndsbestemt frekvens og overføring av den akustiske bølge slik at den vekselvirker med lyset.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, karakterisert ved at det trinn å fremskaffe en energibølge er ytterligere karakterisert ved de trinn å forbinde en transduktor i nærheten av fiberen, og å drive transduktoren ved en forhåndsbestemt frekvens.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, karakterisert ved at transduktoren innbefatter et piezoelektrisk element.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 10, karakterisert ved at det piezoelektriske element omfatter et hovedsakelig plant krystallinsk element.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 10, karakterisert ved at det piezoelektriske element er hovedsakelig sylindrisk.

13. Fremgangsmåte som angitt i krav 12, karakterisert ved at det piezoelektriske element er en tynn filmkeramikk.

14. Frekvensskifter for modulasjon av frekvensen av lys som føres gjennom en dobbeltbrytende optisk fiber, karakterisert ved organer til å fremskaffe en vandrende akustisk bølge, samt organer til å overføre den vandrende akustiske bølge til et forhåndsvalgt parti av fiberen.

15. Frekvensskifter som angitt i krav 14, karakterisert ved at organene til å fremskaffe en vandrende akustisk bølge innbefatter en flerhet av piezoelektriske elementer som er anordnet på avstand langs fiberen, samt organer til å indusere ut av fase-vibrasjon for hvert av de piezoelektriske elementer.

16. Frekvensskifter som angitt i krav 15, karakterisert ved at hvert av organene til å fremskaffe ut av fase-vibrasjon ytterligere innbefatter en første elektrode i nærheten av en første flate av elementet og den optiske fiber, en annen elektrode i nærheten av den motsatte flate av elementet og en spenningskilde med alternerende polaritet med forhåndsbestemt frekvens forbundet til hver av elektrodene.

17. Frekvensskifter som angitt i krav 16, karakterisert ved at den første elektrode, den annen elektrode og det piezoelektriske element danner en hovedsakelig sylindrisk transduktor.

18. Frekvensskifter som angitt i krav 17, karakterisert ved at hver av de piezoelektriske elementer er anordnet på avstand svarende til en støtlengde fra det tilstøtende piezoelektriske element, samtidig som tilstøtende piezoelektriske elementer blir vibrert med en faseforskjell på 120 grader.