NO860433L - Akusto-optisk frekvensforskyver. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en akusto-optisk frekvensforskyver og nærmere bestemt en fiberoptisk frekvensforskyver som anvender akustiske overflatebølger eller massive akustiske bølger.

Optisk frekvensforskyvning er typisk basert på Doppler-effekten, dvs. endringen i frekvensen på grunn av relativbevegelsen mellom kilden og observatøren. Frekvensen blir høyere og bølgelengden kortere når kilden blir beveget mot observatøren og frekvensen blir lavere og bølgelengden høyere når kilden blir beveget bort fra observatøren.

Doppler-effekten har blitt anvendt ved massiv optikk for å bevirke frekvensforskyvning i lysbølger reflektert fra bølgefrontene til akustiske bølger som forplanter seg gjennom optisk transparent massiv medium. Arealet til kompresjonen og fortynning bevirket av seg utbredende akustisk bølge, endrer brytningsindeksen i det massive mediumet slik at innkommende lys blir reflektert og/eller brutt. Bevegelsen av den akustiske bølgefronten bevirker en Doppler-forskyvning i det reflekterte og brutte lyset, slik at lyset blir forskjøvet i frekvens med en størrelse lik frekvensen til den akustiske bølgen.

Mens massiv optisk frekvensforskyvning er velkjent, er utviklingen av fiberoptisk frekvensforskyvning i dens spede barndom. Nylig ble en grov fiberoptisk frekvensforskyver beskrevet av Nosu et al., i en artikkel med tittelen "Acousto-Optic Frequency Shifter for Single Mode Fibers", publisert ved "The 47th International Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communications" i Tokyo 27.-30. juni 1983 og i Electronics Letters, vol. 19, nr. 20 (29. september 1983). En dobbeltbrytende en-modusfiber var anbrakt i piezoelektriske (PZT) sylindre i en akseforskjøvet posisjon. Hver PZT-sylinder var fylt med mineralolje. En stående trykkbølge i hver sylinder resulterte når sylindrene ble eksitert med sinusformede signaler for å bevirke elato-optisk kopling mellom polarisasjonsmodiene til fiberen for derved å danne sidebånd over og under den optiske bærebølgen. Hver sylinder genererte et sidebånd som var i fase og et annet som var ute av fase med sidebåndet av den andre sylinderen slik at et sidebånd ble styrket og et annet ble annulert.

Den såkalt Nosu-anordningen virker således ved å påføre et trykk til fiberen ved diskrete intervaller langs fiberen spesielt ved intervaller på 3/4 stollengde av fiberen. Den maksimale frekvensforskyvningen tilveiebrakt med Nosu-anordningen er lik maksimumhastigheten med hvilken PZT-sylindrene kan bli praktisk drevet. Størrelsen på den koplede energien mellom polarisasjonsmodiene ved hvert koplingspunkt, dvs. ved hver PZT-sylinder, er heller liten og for å kople en betydelig energi-mengde er det således nødvendig med et stort antall av disse PZT-sylindrene som gir en heller stor og generelt upraktisk anordning for bruk ved fiberoptiske systemer.

Som beskrevet i europeisk patentsøknad nr. 843008010.2, publisert under nr. 0144190 er det tilveiebrakt en alternativ tilnærming på frekvensforskyvning ved å sette ut en aktuell akustisk bølge (enten overflatebølge eller en massiv bølge) for å forplante i lengderetningen langs lengden av den optiske fiberen. Denne metoden har den fordelen at den tilveiebringer en kontinuerlig, i virkeligheten uendelig antall koplingspunkter som utbreder seg langs lengden av fiberen, da motsatt i forhold til diskrete statiske koplingspunkter med avstand anbrakte intervaller ved nevnte No su-anordning. Aktuelle akustiske bølger kan dessuten bli generert ved en frekvens som er høyere enn den som PZT-sylinderen til Nosu kan bli drevet ved og således er den aktuelle akustiske bølge-anordningen i stand til å gi et større antall frekvensforskyvninger enn No su - ano rdningen.

En begrensning ved akusto-optisk frekvensforskyvninger som anvender aktuelle akustiske bølger er at for maksimal kopling mellom modiene, skulle den akustiske bølgelengden være lik fiberstøtlengden. For de til nå kommersielt tilgjengelige sterkt dobbeltbrytende fibre, er det den minimale støtlengden i størrelsesorden av 1 mm. En akustisk bølgelengde på 1 mm korresponderer med en akustisk frekvens på ca. 1-5 MHz. Det er følgelig et behov innenfor teknikken for en fiberoptisk frekvensforskyver som anvender aktuelle akustiske bølger, men unngår denne begrensningen slik at maksimal mulig frekvensforskyvning ikke er begrenset av støtlengden i fiberen.

I europeisk patentsøknad nr. 85300904.1, publisert under nr. 0153124, er det beskrevet en fiberoptisk frekvensforskyver som anbringer en akustisk transduser relativt i forhold til en optisk fiber slik at bølgefrontene til den akustiske bølgen akustisk berører fiberen med en innfallsvinkel som er mindre enn 90 ° større enn 0 °. Bølgelengden til den akustiske bølgen er hovedsakelig lik støtlengden til den optiske fiberen ganger sinus til innfallsvinkelen. Innfallsvinkelen kan således bli valgt slik at korte bølgelengder til høyfrekvente akustiske bølger kan bli tilpasset med støtlengden til fiberen. Den maksimale mulige frekvensforskyvningen kan følgelig bli vesentlig øket.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en forbedring av basisprinsippet beskrevet i den ovennevnte europeiske patentsøknad ved å tilveiebringe en kompakt akusto-optisk frekvensforskyver som tilveiebringer en stor forskyvning i den optiske frekvensen, mens den anvender vesentlig all energi fra det akustiske signalet.

Ifølge foreliggende oppfinnelse blir det tilveiebrakt en fiberoptisk frekvensforskyver som innbefatter et akutisk ledende medium for forplantning av en akustisk bølge og en optisk fiber som har første og andre modus som forplanter lyset langs en sentral akse ved første og andre hastighet henholdsvis, idet fiberen er viklet rundt det akustisk ledende mediumet for å tilveiebringe flere vindinger av fiberen ved hvilke minst en del av fiberen ved hver av vindingene er anbrakt i akustisk takt med mediumet, idet hver del av fiberen er anbrakt slik at sentralaksen til fiberen ved hver del er ved en innfallsvinkel større enn 0°og mindre enn 90°relativt i forhold til forplantningsretningen til den akustiske bølgen når f or sky veren er i bruk.

Oppfinnelsen tilveiebringer også en fremgangsmåte for å forskyve frekvensen til et optisk signal, innbefattende forplantning av det optiske signalet ved en første frekvens gjennom flere vindinger til en optisk fiber som har en sentral akse og to forplantningsmodier, idet fiberen er viklet med i det minste en del av hver av vindingene i akustisk kontakt med et akustisk ledende medium og dirigering av et akustisk signal langs det akustisk ledende mediumet for å gi kontakt med de delene av vindingene slik at innfallsvinkelen til bølgefronten til det akustiske signalet i forhold til sentralaksen til fiberen er større enn 0° og mindre enn 90°, idet det akustiske signalet spenningspåkjenner fiberen for å bevirke optisk energi det optiske signalet som forplanter seg i en av modiene til å bli overført til andre av modiene og forskjøvet i frekvens til den andre frekvens.

Foreliggende oppfinnelse innbefatter en optisk fiber og et akustisk ledende medium for forplantning til et akutisk signal. Ved den foretrukne utførelsesformen er det akustiske mediumet formet som en stang og det akustiske signalet forplanter seg i lengderetningen ned stangen. Den optiske fiberen er viklet rundt stangen med flere vindinger slik at sentralaksen til fiberen er ved en vinkel relativ i forhold til bølgefronten til det akustiske signalet. Heretter er denne vinkelen henvist til som "innfallsvinkel".

Den optiske fiberen er anbrakt i akustisk kontakt med stangen for i det minste en del av flere vindinger, fortrinnsvis hver fibervinding, selv om det er foretrukket å tilveiebringe kontinuerlig akustisk kontakt gjennom hele antall fiberbindinger. Når det akustiske signalet forplanter seg gjennom stangen, bevirker det spenning på delen av fiberen i kontakt med stangen. Fibervinkelen i forhold til bølgefronten til det akutiske signalet er valgt slik at bølgelengden for det akustiske signalet er hovedsakelig lik støtlengden til et optisk signal ved den optiske fiberen ganger sinus til innfallsvinkelen.

Den optiske fiberen har fysikalske parametre valgt for å bevirke et optisk signal som forplanter seg derigjennom for å forplantes i en eller begge to forplantningsmodier. Forplantningsmodiene kan innbefatte polarisasjonsmodiene til en optisk dobbeltbrytende fiber av en-modus-typen eller den første og andre ordens modier til en ikke-dobbeltbrytende optisk fiber. Når det optiske signalet passerer gjennom delene til den optiske fiberen som er i akustisk kontakt med den akustiske bølgen forplantet av stangen, bevirker spenningen på fiberen bevirket av den akutiske bølgen optisk energi til å bli overført mellom forplantningsmodiene til fiberen. Den overførte energien blir forskjøvet i frekvens av frekvensen til det akustiske signalet. Anordningen omformer således lys av en frekvens til lys av en annen frekvens.

Den akustiske bølgen kan innbefatte enten en massiv bølge eller en overflatebølge. En massiv akustisk bølge utbreder seg gjennom stangen eller en akustisk overflatebølge som utbreder seg på stangen bevirker bølging på overflaten til stangen som akustisk berører fiberen og bevirker tidsvarierende spenninger i fiberen ved hvert punkt ved akustisk kontakt. Betraktet på en annen måte kan spesielle spenningspunkt bli betraktet som ikke tidsvarierende, men utbredende seg ned fiberen med en forplantningsfasehastighet avhengig av innfallsvinkelen.

Spenningene bevirker energien til å bli overført mellom to forplantnings - modi til det optiske signalet. For en gitt forplantningsavstand til den akustiske bølgen resulterer multippelfibervindingene i en vesentlig større mengde overført energi enn det som vil bli overført dersom den akustiske bølgen skulle forplante seg langs en enkel rett fiber.

Ved den foretrukne utførelsesformen er fiberen viklet på det akustiske mediumet slik at innfallsvinkelen til den akustiske bølgen med den optiske fiberen er konstant. Ved en konstant innfallsvinkel reagerer den akusto-optiske frekvensforskyveren på et relativt smalt område av de akustiske frekvensene. Ved alternative utførelsesformer av oppfinnelsen kan innfallsvinkelen til den akustiske bølgen på den optiske fiberen bli variert ved å vikle forskjellige deler av fiberen ved forskjellige stigninger relativt i forhold i forplantningsretningen til den akustiske bølgen. Deler av den optiske fiberen kan således bli gjort reagerende på forskjellige akustiske frekvenser. Vindingsstigningen kan bli gjort lineær variabel for å tilveiebringe en bredbåndet frekvensforskyver. Ved andre utførelsesformer kan vindingsstigningen bli variert med diskrete intervaller for å tilveiebringe en frekvensforskyver som reagerer på diskrete akustiske frekvenser.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et tverrsnitt av to ortogonale dobbeltbrytningsakser til en

sterkt dobbeltbrytende fiber av en-modus-typen.

Fig. 2 viser et riss i delvis tverrsnitt som skjematisk viser en polarisa-sjonskopler innbefattende en forhøyet konstruksjon for dannelse av vekselvis spenningspåkjente og ikke-spenningspåkjente områder ved den optiske fiber for å bevirke kopling mellom polarisasjons - modiene til slik optisk fiber.

Fig. 3 viser en kurve av et akustisk trykk i forhold til avstanden langs aksen til den optiske fiber, hvor det vises områder med kompresjon og fortynning bevirket av bølgefronten til en seg utbredende akustisk bølge som tilveiebringer korresponderende spennings- og ikke-spenningspåkjente områder i den optiske fiberen. Fig. 4 viser et skjematisk diagram av en optisk fiber og en akustisk transduser hvor akustisk bølgefronter generert av en slik transduser er rettet for å gi akustisk kontakt mot fiberen ved en vinkel i forhold til denne, og hvor det også er vist at for egnet fasetilpasning av den akustiske bølgen med støtmønster til fiberen skulle vinkel bli valgt slik at avstanden mellom tilliggende bølgefronter da målt langs fiberen er lik støtlengden til fiberen. Fig. 5 viser et diagram over forholdet mellom innfallsvinkelen, støt-lengden og akustisk bølgelengde nødvendig for egnet fasetilpasning for den akustiske bølgen i forhold til støtmønsteret til fiberen. Fig. 6 viser en kurve for akustisk frekvens som en funksjon av innfallsvinkelen hvor små innfallsvinkler tillater bruk av akustiske frekvenser som er heller høye og gir tilsvarende høye frekvensforskyvninger. Fig. 7 viser et sideriss av en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse hvor en massiv sylinderstang med en fiberskruelinje-formet viklet derpå ved en konstant stigning og en massiv bølgetransduser i ene enden av stangen for generering av en massiv akustisk bølge som utbreder seg i lengderetningen ned stangen. Fig. 8 viser skjematisk et tverrsnitt av den massive stangen på fig. 7 hvor det er vist virkningen på overflaten av stangen bevirket av området med fortynning og kompresjon av en massiv akustisk bølge. Fig. 9 viser et delvis perspektivriss av en alternativ utførelsesform av anordningen vist på fig. 7 ved hvilken stangen er hul og ved hvilken transduseren er en radialpolet piezoelektrisk anordning som genererer akustisk overførte bølger i stangen. Fig. 10 viser et delvis tverrsnittriss av utførelsesformen på fig. 9 hvor det er vist overflatebølgninger til den akustiske overflatebølgen generert av den radialt polede transduseren. Fig. 11 viser en vinding til fiberen til utførelsesformen på fig. 7 hvor det er vist det trigonometriske forholdet mellom fiberen og stangen. Fig. 12 viser et tverrsnittriss av en D-formet fiber med en elliptisk kjerne som anvendt ved den foretrukne utførelsesformen av oppfinnelsen. Fig. 13 viser skjematisk en anordning ved hvilken frekvensforskyveren ifølge foreliggende oppfinnelse kan bli anvendt som en enkelt sidebåndet modulator. Fig. 14 viser et perspektivriss av en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen som innbefatter en rektangulær stang og flere kantbundne transdusere.

Teorien for driften av foreliggende oppfinnelse skal til å begynne med bli beskrevet ved hjelp av den fysikalske konstruksjonen til utførelsesformer ved foreliggende oppfinnelse. Ytterligere informasjon med hensyn til teorien til frekvensforskyvning ved dobbeltbrytende optisk fiber kan bli funnet i "Acousto-optic Frequency Shifting in Birefringent Fiber", W.P. Risk et al., "Optics Letters", vol. 9, nr. 7, juli 1984, s. 309-311; "Single-Sideband Frequency Shifting in Birefringent Optical Fiber", W.P. Risk et al., SPIE, vol. 478, "Fiber Optics and Laser Sensors II", mai 1984, s. 91-97; og "Acousto-Optic Birefringent Fiber Frequency Shifters", W.P. Risk et al., "Integrated and Guided Wave Optics Conference", sponsorert av "Quantum Electronics Group of IEEE" og av "Optical Society of America", Kissimmee, Florida, (24.-26. april 1984).

Frekvensforskyveren ifølge foreliggende oppfinnelse anvender en dobbeltbrytende optisk fiber av en-modustypen 10, med en sentral kjerne 12 av relativt høy brytningsindeks og omgitt av en optisk kappe 14 av relativt lav brytningsindeks, som vist på fig. 1. En dobbeltbrytende fiber har som kjent to ortogonale hoved-dobbeltbrytende akser, som hver korresponderer med polarisasjonsmodusen eller den optiske banen gjennom fiberen. Disse aksene er merket X og Y på fig. 1. Lys som er lineært polarisert langs en av disse to aksene vil forbli lineært polarisert når den forplanter seg ned fiberen. Lys av enhver polarisasjon kan generelt bli ansett som en overlagring av disse to lineære polarisasjonsmodiene.

De to polarisasjonsmodiene til den dobbeltbrytende optiske fiberen av en-modustypen forplanter lys ved litt forskjellige hastigheter. Fasen til lyset i X-aksemodusen vil derfor endre seg relativt i forhold til den i Y-aksemodusen når lyset forplanter seg ned fiberen. Avstanden, målt i lengderetningen langs fiberen, nødvendig for lyset i en modus for å skille i fase med 360°relativt i forhold til lyset i den andre modusen er vanligvis henvist til som "støtlengden" til fiberen. Matematisk kan støtlengden bli definert som følgende:

hvor L er støtlengden, X er bølgelengden til lyset og An er forskjellen i brytningsindeks for de to polarisasjonsmodiene.

Fra likning 1 kan det bli sett at støtlengden er invert proporsjonal med forskjellen i brytningsindeks mellom modiene og således er den invers proporsjonal med dobbeltbrytningen til fiberen. Sterkt dobbelbrytende fibre har følgelig kortere støtlengde enn lavt dobbeltbrytende fibre. Fiberen 10 ifølge foreliggende oppfinnelse er en sterkt dobbeltbrytende fiber med en støtlengde i størrelsesorden av 1 mm. En vanlig teknikk for å fremstille sterkt dobbeltbrytende fibre er å trekke fiberen slik at kjernen har en elliptisk form som vist på kjernen 12 på fig. 1.

Sterkt dobbeltbrytende fibre er fordelaktige ved at polarisasjonsmodiene er veldefinert og polarisasjonen til det tilførte lyset vil således opprettholdes over relativt lange fiberlengder uten betydelig kopling av lys mellom polarisasjonsmodiene. Polarisasjonsmodiene til en sterkt dobbeltbrytende fiber kan således bli betraktet som uavhengige optiske baner gjennom fiberen, som er normalt ikke koplet slik at lyset ikke blir overført mellom dem.

Som beskrevet i europeisk patentsøknad nr. 84307920.3 (publikasjon nr. 0143583) og europeisk patentsøknad nr. 84308010.2 og en artikkel med tittel "Birefringent Fiber Polarization Coupler", "Optics Letters", vol. 8, nr. 12 (desember 1983), s. 656-658, selektiv kopling av lys mellom polarisasjonsmodiene til en dobbeltbrytende fiber av en-modustypen bli tilveiebrakt ved å tilføre en kraft til den dobbeltbrytende fiberen ved en vinkel på omkring 45°relativt i forhold til hovedaksen for dobbel-brytningen. En slik kraft kan bli tilført ved å skvise fiberen mellom to ambolter eller plater på motsatt side av fiberen. Tilførselen av slik kraft på dobbeltbrytningsaksene ved kraftpunktet bevirker at dobbeltbrytningsaksene blir dreiet over en liten vinkel. Da lyset satt ut i en lineær polarisasjonsmodus når den lokaliserte forstyrrelsen vil følgelig lyset dekomponeres til en overlagring av modier lineært polarisert langs de forstyrrede dobbeltbrytningsaksene, som effektivt kopler lys fra en polarisasjonsmodus til en annen. Det koplede lyset er ikke frekvens-forskjøvet på grunn av at spenningen i fiberen er statisk og ikke utbreder seg ned langs fiberen.

Ovennevnte skal forklares nærmere med henvisning til fig. 2 som skjematisk viser en konstruksjon 20 med forhøyninger idet den innbefatter flere forhøyninger 22, 24, 26 med avstand. Fiberen 10 er anbrakt mellom forhøyningene 22, 24, 26 og en basisblokk 28 slik at fiberen 10 kan bli skviset derimellom. Påføringen av kraften til konstruksjonen 20 i en retning normalt på aksene til fiberen 10 forstyrrer dobbeltbrytningsaksene ved hver av forhøyningene 22, 24, 26 og tilveiebringer vekselvis spenning spå kjente og ikke spenningspåkjente områder langs fiberen 10 som bevirker kopling mellom de to polarisasjonsmodiene til fiberen 10. For maksimal kopling mellom modiene er det foretrukket at forhøy-ningene 22, 24, 26 er anbrakt med en avstand lik støtlengden til inter-vallene og at lengden til hver forhøyning kan være en halv støtlengde. Tilfredsstilles disse betingelsene bevirkes det at koplingen til hver forhøyning 22, 24, 26 er kumulativ med koplingen ved andre forhøyninger 22, 24, 26. Ved å tilveiebringe tilstrekkelig antall forhøyninger 22, 24, 26 kan en 100% med lys innført til en av polarisasjonsmodiene bli koplet til den andre av polarisasjonsmodiene. En mer fullstendig beskrivelse av dette koplingsfenomenet kan bli funnet i ovenfor nevnte artikler og patentsøknader.

De vekselvis spenningspåkjente og ikke-spenningspåk jente områdene tilveiebrakt av konstruksjonen 20 med forhøyninger på fig. 2 kan vekselvis være tilveiebrakt av en aktuell seg utbredende akustisk bølge slik som at den akustiske bølgen 30 på fig. 3, som blir satt til å forplante seg i lengderetningen langs sentralaksen til fiberen 10. Periodi-teten til den seg utbredende akustiske bølgen 30 tilveiebringer vekslende områder med kompresjon og avtakning for således å tilveiebringe en korresponderende vekslende spenningspåkjente og ikke-spenningspåkjente områder i fiberen og således bevirke kopling mellom polarisasjonsmodiene til fiberen. For maksimal kopling er det foretrukket at bølgelengden til den akustiske bølgen 30 er valgt slik at den er lik støtlengden for fiberen. Siden den akustiske bølgen er sinusformet, vil hver av de vekslende områdene med kompresjon og avtakning så være en halv støtlengde i lengden og hver av de vekslende spenningspåkjente og ikke-spenningspåkjente områdene vil således være en halv støtlengde lange. Ut fra ovennevnte er det klart at den akustiske bølgen 30 på fig. 3 ved tilveiebringelse av vekselvis halvstøtlange spenningspåkjente og ikke-spenningspåkjente områder langs fiberen, koples kumulativt lys mellom polarisasjonsmodiene til fiberen på mye den samme måten som ved halvstøtlange forhøyninger 22, 24, 26 på fig. 2. Det skal dessuten bemerkes at mens en akustisk bølgelengde som er lik fiberstøtlengden er foretrukket for maksimal kopling, vil kumulativ kopling også forekomme dersom bølgelengden er et odde multippel av støtlengdene.

I motsetning til konstruksjonen 20 på fig. 2 ved hvilken fiber spenningene frembrakt av forhøyningene 22, 24, 26 er statiske, vil fiberspennings-mønsteret frembrakt av den seg utbredende akustiske bølgen 30 på fig. 3 utbrede seg nedover fiberen. Slike utbredelser av spenningsmønsteret bevirker at lyset koplet fra en polarisasjonsmodus til den andre blir forskjøvet i frekvens som mye som lyset fra en seg bevegende kilde er Doppler-forskjøvet. Den optiske bærebølgen og den akustiske bølgen er i virkeligheten heterodyn slik at den akustiske frekvensen av den optiske bærebølgefrekvensen kombinerer både additivt og subtrativt for å tilveiebringe sidebånd ved sum- og differansefrekvenser. Dersom den akustiske bølgen forplanter seg i samme retning som lyset, blir lyset koplet fra den hurtige polarisasjonsmodusen til den langsomme polarisasjonsmodusen forskjøvet opp i frekvens, mens lys som forplanter seg fra den lang somme polarisasjonsmodusen til den hurtige polarisasjonsmodusen blir forskjøvet ned i frekvens. Dersom den akustiske bølgen forplanter seg i en retning motsatt den til den optiske bærebølgen blir dette forholdet reversert slik at lyset koplet fra den hurtige modusen til den langsomme modusen blir forskjøvet nedover, mens lys koplet fra den langsomme modusen til den hurtige modusen blir forskjøvet oppover.

Frekvensforskjøvet kopling krever at den akustiske bølgen er i riktig fasetilpasning med støtmønsteret til de optiske modiene i fiberen. På fig.

3 forekommer slik fasetilpasning når den akustiske bølgelengden, da målt langs aksen til fiberen (i stedet for retningen til forplantningen av den akustiske bølgen) er lik støtlengden til fiberen. Sagt på en annen måte forplantningskonstanten til den hurtige modusen (lavere indeks), den langsomme modusen (høyere indeks) og den akustiske bølgen skulle tilfredsstille følgende forhold:

hvor ki er forplantningskonstanten til den hurtige modusen, k2er forplantningskonstanten til den langsomme modusen og ka er komponenten til den akustiske forplantningskonstanten langs fiberen.

Frekvensforskjøvet kopling av lys mellom polarisasjonsmodiene kan bli matematisk undersøkt ved å fremstille lyset i den hurtige optiske modusen som cos(cot - kjz), hvor co er vinkelfrekvensen til lyset, t er tiden og z er avstanden langs fiberaksen. Den akustiske bølgen kan bli fremstilt som cos(coat - kaz), hvor coa er vinkelfrekvensen til den akustiske bølgen. Samvirkningen mellom disse to bølgene fører til et produktuttrykk proporsjonalt med:

Det andre uttrykket til likningen 3 tilfredsstiller ikke fasetilpasningsbetingelsene til likning 2, og det er således ventet til signalet fremstilt av dette uttrykket vil dø bort. Det første uttrykket er imidlertid fasetilpasset til den langsomme modusen i samsvar med likningen 2 og eksplisivt indikeres at den langsomme modusen er forskjøvet oppover. En liknende analyse viser at dersom den langsomme modusen samvirker med den akustiske bølgen, er uttrykket for den resulterende samvirkning:

Det andre uttrykket til likningen 4, lik det andre uttrykket til likningen 3, er ikke fasetilpasset, det øvrige uttrykket er imidlertid fasetilpasset til den hurtige modusen i samsvar med likning 2 og eksplisivt beskrives en nedoverforskjøvet bølge.

Ut fra den foregående analyse fremgår det således at det øvre sidebåndet vil være inneholdt i en polarisasjon og det nedre sidebåndet vil bli inneholdt i den andre. Det ønskede sidebåndet kan bli valgt ved å la utgangslyset passere gjennom en polarisator.

Ovennevnte fasetilpasningskrav angir at for en akustisk bølge som forplanter seg i lengderetningen ned fiberen med bølgefronter normalt på fiberaksen, skulle den akustiske bølgefrekvensen være slik at dens bølgelengde er lik fiberstøtlengden. Siden fiberstøtlengdene er typisk i størrelsesorden av 1 mm eller mer, er den maksimalt tilgjengelige frekvensforskyvningen fra en slik forplantning av akustisk bølge i lengderetningen i størrelsesorden av kun et par MHz.

Fig. 4 viser en frekvensforskyver som omgår denne begrensningen ved å anbringe en akustisk transduser 40 for å frembringe en akustiske bølge 42, som forplanter i en retning, f.eks. som angitt med pilen 43 som er ved en vinkel til den sentrale aksen 48 for en sterkt dobbeltbrytende optisk fiber 46 av enkelmodustypen. Slik anbringelse bevirker at bølge-frontene 44 til bølgen 42 blir rettet med akustisk kontakt med den sterkt dobbeltbrytende akustiske fiberen 46 en vinkel 0 henvist til her som "innfallsvinkelen^Uttrykket innfallsvinkel er her definert som spiss-vinkelen mellom en bølgefront til en akustisk bølge som støter på fiberen og den langsgående sentrale aksen 48 til den fiberen. Bølgelengden Xa(som er målt i retning av forplantningen 43) til den akustiske bølgen 44 og innfallsvinkelen 0, er fortrinnsvis valgt slik at tilliggende bølgefronter 44 er anbrakt med avstand lik en fiberstøtlengde, L, som er målt i en retning langs fiberaksen 48. Støtlengdemellomrommet til bølgefrontene 44 tilfredsstiller fasetilpasningsbetingelsene sett ovenfor og komponenten til den akustiske forplantningen langs fiberaksen 48 vil således tilfredsstille likningen 2 ovenfor. Denne anordningen tillater bruk av mye kortere akustiske bølgelengder og således mye høyere akustiske frekvenser enn med en seg i lengderetningen forplantende akustisk bølge, mens fasetilpasningsbetingelsene fremdeles tilfredsstilles. Som vist på fig. 5, viser enkel trigonometri at fasetilpasningsbetingelsene vil bli tilfredsstillet når:

Ved å variere innfallsvinkelen 9, den akustiske bølgelengden og således kan følgelig den akustiske frekvensen lett bli endret. Likningen 5 kan bli omskrevet uttrykt i akustisk frekvens coa, som følgende:

hvor Va er forplantningshastigheten til den akustiske bølgen i retningen 43.

Fig. 6 viser grafisk forholdet mellom den akustiske frekvensen og innfallsvinkelen og viser at svært små innfallsvinkler (f.eks. et par grader eller deler av en grad) og den anvendte akustiske frekvensen kan være heller høy. Det skal bemerkes at den akustiske frekvensen er minimum når 0 er lik 90°(dvs. når de akustiske bølgefrontene er normale på fiberen). En innfallsvinkel på 3°vil f.eks. tillate bruk av en akustisk frekvens på 95 MHz for en fiber med en 1 mm støtlengde.

Anordningen på fig. 4 kan også bli analysert uttrykt i "forplantningsfasehastighet" til den akustiske bølgen. Uttrykket "forplantningsfasehastighet", som anvendt her, er definert som hastighet målt langs en bestemt mållinje (f.eks. retningen 43 eller aksen 48) med hvilken skjæringen av en bølgefront (f.eks. en av bølgefrontene 44) og måleaksen beveges. For en bestemt bølgefront 44 ville den bølgefronten ha en forplantningsfasehastighet som er særegen i forhold til måleaksen som er valgt. Forplantningsfasehastigheten langs linjen 43 er lik hastigheten med hvilken bølgefronten beveges langs linjen. Forplantningsfasehastigheten langs fiberaksen 48 er likeledes hastigheten med hvilken bølgefronten beveger seg langs denne aksen. Forplantningsfasehastigheten til den akustiske bølgen i retning av forplantningen 43 er uavhengig av innfallsvinkelen. Forplantningsfasehastigheten til de akustiske bølgefrontene i retning av fiberaksen 48 øker imidlertid når innfallsvinkelen avtar og avtar når innfallsvinkelen øker. Ved å rette bølgen 42 ved en vinkel relativt i forhold til fiberen 46, vil forplantningsfasehastigheten til bølgefrontene 44 være større i retningen langs fiberaksen 48 enn langs forplantningsretningen 43. For en gitt akustisk forplantningshastighet og frekvens gjelder generelt jo nærmere innfallsvinkelen er 0°, jo høyere er forplantningsfasehastigheten langs fiberaksen. Jo høyere forplantningsfasehastighet, desto høyere kan dessuten den akustiske frekvensen være, mens det fremdeles opprettholdes egnet fasetilpasningsbetingelser. Retningen av den akutiske bølgen ved en vinkel i forhold til fiberen øker således forplantningsfasehastigheten i retning av fiberaksen og derved tillates et høyt akustisk frekvenssignal å bli tilpasset med fiberen som har en relativt lang støtlengde.

Foreliggende oppfinnelse bygger på ovenfor beskrevne operasjonsteori ved å rette den akustiske bølgen ved en vinkel i forhold til fiberen for å tilveiebringe høye forplantningsfasehastigheter relativt i forhold til bølgefronten langs fiberaksen og således tilveiebringe høye frekvensforskyvninger. Oppfinnelsen anvender også en ny flervindingsfiber-konstruksjon for å øke virkningsgraden av energioverføringene mellom modiene uten å kreve en økning i den akustiske energien.

Fig. 7 viser en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. En dobbeltbrytende fiber 200 er skruelinjeformet viklet rundt overflaten 214 til et akustisk ledende medium 202 ved en konstant styringsvinkel 0 slik at fiberen er i kontinuerlig akustisk kontakt med overflaten 214 via flere vindinger anbrakt med avstand ved en stigningsavstand S. "Stigningsvinkelen" er vinkelen til fiberen 200 i forhold til et plan normal på lengdeaksen til det akustisk ledende medium 202 og er som nedenfor forklart lik innfallsvinkelen til den akustiske overflatebølge på fiberen 200. Ved denne foretrukne utførelsesformen er det akustiske ledende medium 202 en massiv stang med et sirkulært tverrsnitt med en diameter D. Stangen er fortrinnsvis en rett sirkulær sylinder (dvs. den har en jevn diameter). Ved hjelp av et eksempel kan stangen 202 bli formet av silisiumglass. Fiberen 200 er fortrinnsvis viklet på stangen 202 med en liten grad av strekk påført fiberen 200 for å tilveiebringe god akustisk kontakt mellom fiberen 200 og stangen 202. Fiberen 202 kan med fordel bli festet på stangen 202 ved hjelp av en bindende substans slik som epoksylim (ikke vist) eller andre i og for seg kjente innretninger. Strekket påført fiberen 200 blir fortrinnsvis opprettholdt mens limet herder.

En massiv bølgetransduser 204 er festet til ene enden av stangen 202 og er aktivert av en kilde (ikke vist) av høyfrekvent oscillerende spenning for å generere en massiv akustisk bølge som forplanter seg i retningen angitt av pilen 206. Ved den viste utførelsesformen, er retningen 206 sammenfallende med lengdeaksen til stangen 202.

Den massive transduseren 204 kan være en PZT (blyzirkonium titansurt salt)-skive, som typisk drives ved frekvensområde fra 1 til 20 MHz, en litiumniobat (LiNbO^)-skive som typisk drives i frekvensområdet fra mindre enn 1 MHz til større enn 1 GHz, en sinkoksydskive, som typisk drives i frekvensområdet fra 100 MHz til større enn 1 GHz, eller andre kjente transdusere. Når et oscillerende elektrisk signal blir tilført den piezoelektriske transduseren 204, utvides den og sammentrekkes den i retningen til den langsgående aksen til stangen 202 for å generere den massive akustiske bølgen. Den massive akustiske bølgen utbreder seg gjennom den massive stangen 202 i retningen angitt av pilen 206 for å bevirke rommessig periodisk kompresjon og strekking av stangen 202. Som det vil være kjent for fagmannen på området, vil den rommessig periodiske kompresjonen av strekkingen i stangen bevirke bølging av overflaten på stangen 202. Denne effekten er vist på fig. 8 for et kort segment av stangen 202. Områdene med kompresjon og reduksjon er bildemessig fremstilt med fantomlinjer 208, hvor kompresjonen er vist med linjer 208 tettliggende i området 210 og reduksjonen er vist med linjer 208 med stor avstand i områdene 212. Områdene til kompresjonen 210 bevirker ekspansjon av overflaten 214 til stangen 202, mens områdene med reduksjon 212 bevirker sammentrekking av overflatene 214 til stangen 202. Den vekslende kompresjonen og sammentrekkingen av overflaten 214 til stangen 202 bevirker bølgning vist som overdrevne overflatebølger 216, som utbreder seg langs overflaten 214 til stangen 202 i pilens 206 retning. Bølgingen av overflaten 214 til stangen 202 bevirker periodisk spenningspåkjenning av fiberen 200 som er viklet i akustisk kontakt med overflaten 214 til stangen 202. Spenningspåkjenningen påvirker fiberen på den måten beskrevet ovenfor i forbindelse med fig. 4.

Bølgingen bevirket av den akustiske bølgeforplantningen i retningen angitt med pilen 206 spenningspåkjenner frekvensmessig vindingene til fiberen 200. Viklingen til fiberen 200 som flere tett anbrakte vindinger rundt stangen 202 kan bevirke at de akustiske bølgefrontene påvirker en vesentlig lengde av fiberen 200, mens de utbreder seg i relativ kort avstand mellom vindingene. Med henvisning til fig. 7 igjen, er et sted A vist som et valgfritt sted på stangen 202 og fiberen 200 kan bli betraktet til å være begynnende ved en vinding til fiberen 200. Et sted B er valgt for å være på fiberen 200 og stangen 202 er viklet videre på fiberen 200 og således anbrakt med avstand fra stedet A i en retning angitt med pilen 206 med stigningsavstand S. En akustisk bølgefront som utbreder seg fra stedet A til stedet B langs den akustiske banen tilveiebrakt av stangen 202 vil utbrede seg i stigningsavstanden S og vil bestråle lengden med en vikling til fiberen 200 mellom stedet A og stedet B. Lengden til den optiske banen målt langs fiberaksen mellom stedet A og stedet B er således vesentlig lengre enn den akustiske banen målt aksialt langs stangen i retning av den akustiske forplantningen mellom stedet A og stedet B. Bølgefronten vil så utstråle en vikling av fiberen 200 begynnende ved stedet B fulgt av påfølgende viklinger av fiberen 200 når bølgefronten forplantes i retningen angitt med pilen 206. Hver del av hver bølgefront bevirker således spenningspåkjenning på en del av hver av vindingene for derved å tilveiebringe en kumulativ overføring av optisk signalenergi mellom to forplantningsmodier. Foreliggende oppfinnelse er spesielt fordelaktig ved tilveiebringelse av en relativt stor mengde med akustisk kontakt mellom fiberen 200 og de seg forplantende akustiske bølgefronter over en relativt kort akustisk forplantningsavstand. Anordningen kan således være heller kompakt. Den akustiske stangen gir en akustisk kanal for å motstå akustiske bølgefronter til forutbestemt akustisk bane.

Ved en annen foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er stangen formet som et hult rør som vist på fig. 9 for en stang 222. Fiberen 200 er viklet rundt den hule stangen 222 på samme måte som beskrevet ovenfor med henvisning til den massive stangen 202 på fig. 7. Den hule stangen 222 har en transduser 224 montert på en ende for generering av en akustisk bølge. Transduseren 224 kan være av en massiv bølgetype, slik som den beskrevet med henvisning til fig. 7. Den hule stangen 222 er heller fordelaktig ved at de massive akustiske bølgene generert av transduseren 224 vil forplante seg i den rørformede veggen til den hule stangen 222 slik at den akustiske energien vil bli mer konsentrert enn dersom bølgen blir forplantet gjennom massen til den massive stangen 202 (fig. 7). Det er antatt at den hule stangutførelsen på fig. 9 bevirker en større prosentdel av energi til de massive akustiske bølgene som skal bli overført til overflatebølgene som spenningspåkjenner fiberen 200. Transduseren 224 kan være skiveformet som vist på fig. 9 for å tilpasse formen til den hule sylindriske stangen 222, som således konsentrerer den elektriske energien kun på piezoelektrisk materiale i kontakt med enden av stangen 222.

Ved alternative utførelsesformer av anordningene vist på fig. 7 og 9, kan transduserne 204, 224 ved enden av stengene 202, 222 innbefatte kantforbundne transdusere eller andre innretninger kjent for fagmannen på området for å generere akustiske overflatebølger direkte. Bruken av overflatetrandusere er vist for den hule sylindriske stangen 222 i delvis tverrsnittriss på fig. 10. Transduseren 224, festet til ene enden av stangen 222 kan f.eks. innbefatte en radialpolet kantbundet overflate-bølgetransduser av piezoelektrisk materiale. Som vist i delvis tverrsnitt på fig. 10 genererer den radialpolede transduseren 224 bølger 238 i overflaten 234 til den sylindriske stangen 222 som forplanter seg ensrettet i retningen angitt av pilen 226. Ulikt overflatebølgene bevirket av en massiv akustisk bølge blir bølgene i overflaten 234 til den hule sylindriske stangen 222 på fig. 10 generert direkte av den radialpolede kantbundne transduseren 224.

Posisjonen og driften av radialpolede piezoelektriske trandusere er velkjent. En slik transduser kan kort sagt bli konstruert fra en tynn skiveformet masse av PZT som er oppvarmet som tillates å avkjøles ved tilstedeværelsen av sterkt elektrisk felt. I dette tilfellet er det elektriske feltet symmetrisk om midten av PZT-materialet. Som velkjent vil PZT-materialet bli polarisert i retningen av feltet, dvs. radialt når materialet avkjøles. Når et oscillerende elektrisk felt (ikke vist) blir tilført PZT-materialet, utvides materialet således og sammentrekkes langs dets radier for således periodisk å øke og avta i dets diameter og omkrets. Ved utførelsesformen på fig. 10 er den ytre omkretsen (dvs. kanten) til PZT-transduseren 224 bundet til den ytre omkretsen av stangen 222. Ut-videlsen og sammentrekningen av transduseren 224 bevirker således bølging av overflaten til stangen 222 som forplanter seg i retningen angitt av pilen 226 som beskrevet ovenfor.

Ved utførelsesformene ifølge foreliggende oppfinnelse er det foretrukket å anbringe et akustisk absorberende materiale (ikke vist), slik som svart voks ved enden av stengene 202, 222 motsatt transduseren 204, 224 for å absorbere akustisk energi til de akustiske bølgefrontene etter at de har forplantet seg lengden av stengene. Bakoverrettet refleksjoner av akustiske bølgefronter bevirket av uregelmessigheter i enden av stengene blir således i hovedsaken redusert eller eliminert.

Detaljer ved driften av en akusto-optisk frekvensforskyver konstruert med enten massiv sylindrisk stang 202 eller en hul sylindrisk stang 222 kan bli bedre forstått med henvisning til fig. 11. Fig. 11 viser en vinding til fiberen 200 på fig. 7 med fiberen viklet av stangen 202 for å vise det trigonometriske forholdet mellom størrelsene. Stedene A og B på fig. 11 korresponderer generelt med stedene A og B på fig. 7 og utgjør begyn-nelsen og slutten av en vindingslengde på fiberen 200. Som vist på fig. 7 føres hver vinding av fiberen ned stangen 202 med avstanden S som er henvist til som "stigningsavstanden" til vindingen. Lengden på fiberen ved hver vinding Lf (fig. 11) er bestemt av stigningsavstanden S og diameteren D til stangen 202. Som vist på fig. 11, danner lengden Lf hypotenusen til en rettvinklet trekant med sider lik henholdsvis S og nD. Lengden Lf kan bli bestemt ved hjelp av følgende likning:

Som det best fremgår av fig. 7, danner fiberen 200 en vinkel med et plan normalt på retningen til forplantningen 206 for den akustiske bølgen henvist til her som "stigningsvinkelen" G. Ved den foretrukne utførelses-formen er stigningsvinkelen altså lik innfallsvinkelen til bølgefrontene for den akustiske overflatebølgen på fiberen 200 og kan bli definert ved hjelp av følgende uttrykk:

Det skal bli bemerket at utfor likningen 5, beskrevet i forbindelse med fig. 5, vil egnet fasetilpasning forekomme når: hvor L er støtlengden til fiberen og Xaer den akustiske bølgelengden. Sett likningen 8 inn i likningen 5 kan den akustiske bølgelengden bli bestemt ut fra følgende likning:

Den akustiske frekvensen for egnet fasetilpasning kan derfor bli bestemt ut fra foregående likning som følgende:

hvor fa er den akustiske frekvens, Va er hastigheten til den akustiske bølgen på overflaten til stangen 202.

Ved et utførelseseksempel kan hastigheten til den akustiske bølgen være tilnærmet 6000 meter pr. sekund, diameteren D til stangen 202 kan være 12,7 mm (dvs. x 0,5"), stigningsavstanden eller mellomrommet S kan være 1,0 mm og støtlengden L kan være 1,65 mm. Disse størrelser kan bli satt inn i likningen 10 som følgende:

Et 145 MHz akustisk signal kan således bli forplantet nedover stangen 202 for å forskyve frekvensen til et optisk signal som forplanter seg i fiberen 200 med 145 MHz.

Antas det at fiberen 200 har en optisk kappediameter på 100 um (dvs. 0,1 mm), kan stigningen S være så liten som 0,1 mm ved å vikle vindingene slik at den optiske kappen til tilliggende vindinger er i kontakt. Settes 0,1 mm inn i likningen 10 for verdien S, fremkommer en teoretisk maksimumsfrekvens på 1450 MHz for den beskrevne utførelsesformen underlagt begrensningen til den akustiske båndbredden for den akustiske transduseren og stangen. Den teoretiske frekvensen kan bli øket ytterligere ved å øke diameteren til stangen 202 eller ved å erstatte en fiber 200 med en med mindre diameter på den optiske kappen. I ethvert tilfelle kan denne anordningen tilveiebringe en frekvensreduksjon betydelig høyere enn den som tidligere var mulig.

Den konstruksjonsmessige utførelsen av foreliggende oppfinnelse tillater at hver bølgefront utstråler lange lengder av den optiske fiberen og en relativt kort akustisk forplantningsavstand og således bevirker anvendelse av den akustiske energien. 145 MHz-anordningen beskrevet ovenfor kan således ha f.eks. 10 vindinger med fiber viklet på en 10,0 mm lengde av den 12,7 mm diameter store stangen 202. Enkel beregning viser at tilnærmet 399 mm av fiberen kan bli viklet på stangen 202 i denne lengden. Hver akustisk bølgefront som utbreder seg en avstand på 10,0 mm kan bestråles tilnærmet 399 mm av fiberen.

Vender man igjen tilbake til fig. 7, kan innfallsvinkelen til den akustiske bølgen på fiberen 200 bli variert for å variere mellomrommet S mellom fibervindingene. Forskjellige deler av fiberen på stangen 202 kan således bli gjort reagerende på forskjellige frekvenser. Stigningen til vindingen kan f.eks. bli variert over et antall vindinger slik at en tilstrekkelig lengde med fiber har støtlengde vesentlig tilpasset enhver av de aku stiske bølgelengdene i området av frekvensforskyvningen. Ved den foretrukne utførelsesformen beskrevet ovenfor er fibervindingene tilnærmet 24 støtlengder lange (dvs. n x 12,7 mm~1,65 mm). En vesentlig mengde energi blir således overført mellom hver av forplantningsmodiene i hver fibervinding.

For maksimal virkningsgrad ved overføring av energi mellom forplantningsmodiene til fibrene er det foretrukket at fiberen 200 på fig. 7 kan være en dobbeltbrytende fiber av enkelmodustypen som har to ortogonale polarisasjonsmodier slik som beskrevet ovenfor i forbindelse med fig. 1. Denne fiberen har en elliptisk kjerne som er anbrakt på overflaten til stangen 202 med hovedaksene til kjernen ved en vinkel tilnærmet 45" i forhold til stangens 202 overflate. En annen fibertype som har spesielle fordeler for bruk ved foreliggende oppfinnelse er en et D-formet tverrsnitt som vist på fig. 12. Denne D-formede fiberen er tilgjengelig fra Andrew Corporation, 10500 W. 153rd Street, Orland Park, Illinois 60462. Som vist på fig. 12 er den optiske kappen 262 til den D-formede fiberen 260 ikke sirkulær, men hae en flat overflate 264 på dens ene side. Fiberen 260 har også en elliptisk kjerne 266 som er orientert i den optiske kappen 242 med dens hovedakse X ved en vinkel 0 i forhold til den flate overflaten 264. Vinkelen ø er fortrinnsvis i hovedsaken lik 45°. Bruken av D-formet fiber 260 vist på fig. 12 forenkler i stor grad fremstillingen av foreliggende oppfinnelse siden den D-formede fiberen 260 vil naturelt orientere seg selv slik at den flate overflaten 264 er i kontakt med stangen 202 på fig. 7, som således anbringer hovedaksen til kjernen 2666 i forhold til overflaten til stangen 202. En beskrivelse av en D-formet fiber kan bli funnet i en artikkel av R.B. Dyott et al., "Self-Locating Elliptically Cored Fibre With An Accessible Guiding Region", "Electronics Letters", vol. 18, nr. 22, 28. oktober 1982, s. 980-981.

Den ovenfor beskrevne frekvensforskyver kan bli anvendt for å tilveiebringe modulert lys av en-sidebåndtypen. Med henvisning til fig. 13 er en inngangslysbølge Wj først sluppet gjennom et modalfilter, f.eks. en polarisator 272, for å sikre at lyset er lineært polarisert langs en av hovedaksene til dobbeltbrytningen for fiberen 200. En linse 274 er anvendt for å fokusere lyset fra polarisatoren 272 for å innføre det i enden av fiberen 200. Fiberen 200 er viklet på stangen 202 som beskrevet i forbindelse med fig. 7. Siden vindingen til fiberen 200 på stangen 202 kan gi noe statisk spenning i fiberen som kan forstøve dobbeltbrytningsaksene kan det være ønskelig å innbefatte en polarisasjonsstyrer 276 ved inngangsenden til fiberen 200 til å tillate en justering av polarisasjonen for å kompensere for enhver slik forstyrrelse av dobbeltbrytnings-aksen. En type dobbeltbrytende fiberpolarisasjonsstyrere av en-modus-typen, som er egnet for bruk i foreliggende oppfinnelse, er beskrevet i en artikkel av R. Ulrich og M. Johnson med tittelen "Single Mode Fiber Optical Polarization Rotator", Applied Optics, vol. 8, nr. 11 (1. juni 1979), s. 1857-1861.

Transduseren 204 på enden av stangen 202 er drevet av en kilde 282 til et oscillerende elektrisk signal med frekvensen fa for å frembringe akustiske bølger i stangen 202. Når lysbølgen forplanter seg gjennom vindingene til fiberen 200 rundt stangen 202, bevirker de akustiske bølgene at den blir i det minste delvis koplet fra modusen til hvilken den blir innført med den ortogonale modusen og slik koplet lys blir forskjøvet i frekvens med en størrelse lik den akustiske frekvensen fa i samsvar med beskrivelsen og henvisningen til fig. 3-11. Som angitt tidligere er retningen for frekvensforskyvningen (dvs. oppoverforskyvningen eller nedoverforskyvningen) ikke bare bestemt av om lyset er innført i den hurtige modusen eller i den langsomme modusen, men også av retningen til den akustiske bølgeforplantningen.

Lyset som går ut av fiberen 200 vil inneholde frekvensforskjøvet lys i en modus og dersom innført lys ikke var 100% koplet, ikke-forskjøvet lys i den andre modusen. Lyset blir så ført gjennom en linse 278 for kollima-sjonsformål og så gjennom et modalfilter f.eks. polarisatoren 280 orientert for å blokkere ikke-forskjøvet lys i den opprinnelige inngangs-modusen slik at kun forskjøvet lys blir sluppet gjennom polarisatoren 280 for å danne en utgangsbølge Wq. Selv om tegningen på fig. 14 viser massive optiske polarisatorer, er det klart at fiberoptiske polarisatorer av in-line-typen, slik som beskrevet i US patent nr. 4.386.822 kan være fordelaktige for mange anvendelser.

Selv om oppfinnelsen blir beskrevet ovenfor i forbindelse med en sylindrisk stang, kan andre stenger med andre tverrsnitt bli anvendt. F.eks. viser fig. 14 fiberen 200 viklet på en stang 242 som har et generelt firkantet tverrsnitt for således å tilveiebringe fire flate over-flater 244a, 244b, 244c, 244d. Fagmannen på området vil se at stangen 242 med fordel kan ha buede hjørner 246a, 246b, 246c, 246d for å unngå skarpe bøyninger i fiberen 200 når den blir viklet på stangen 242. Kurveradiusen til hjørnene 246a-d er valgt slik at lyset i fiberen 200 viklet på stangen 242 vil forbli vel ledet rundt hjørnene. Det rektangulære tverrsnittet for stangen 242 på fig. 14 har den spesielle fordelen at enkle kantbundne transdusere 248a, 248b, 248c, 248d kan bli anvendt for å generere akustiske overflatebølger på hver av de flate overflatene 244a-d. Transduserne 248a-d kan dessuten bli drevet individuelt ved forskjellige frekvenser eller amplituder for å variere mengden av energi overført mellom modiene og størrelsen på frekvensforskyvningen. Stigningsvinklene til vinklingene på hver av overflatene kan være de samme eller være forskjellige, men i ethvert tilfelle skulle imidlertid stigningsvinkelen være fortrinnsvis valgt til å passe med de ønskede akustiske frekvensene.

Foreliggende oppfinnelse kan også bli anvendt som en akustisk detektor som reagerer på en valgt frekvens eller et område av frekvenser ved å anvende de beskrevne utførelsesformene uten transduserne. Stangen eller andre akustiske ledende media er anbrakt i banen til den akustiske bølge orientert i retning på den akustiske forplantningen. Frekvensen til et lyssignal som forplanter seg gjennom den optiske fiberen viklet på stangen vil bli frekvensmessig forskjøvet ved hjelp av en akustisk bølge av egnet frekvens. Som angitt ovenfor kan frekvensforskyvningen ifølge foreliggende oppfinnelse bli viklet med forskjellige stigninger for å reagere på et område av akustiske frekvenser.

Ved å variere orienteringen av den akustiske detektoren til foreliggende oppfinnelse kan nemlig anvendes som en akustisk retningsfinner. Akustisk detektor vil ha den maksimale reaksjon, dvs. den største mengden av energi ved forskjøvet frekvens når orientert i retningen for forplantningen til den akustiske bølgen. Flere akustiske detektorer anbrakt i ortogonal orientering kan også bli anvendt som retningsfinnere ved å sammenlikne relative størrelser for reaksjon til hver av detektorene og beregning av den akustiske forplantningsretningen som korresponderer med størrelsen.

Selv om alle ovenfor nevnte utførelsesformer er blitt beskrevet for en dobbeltbrytende fiber av enkelmodustypen i hvilke frekvensforskjøvet lys er koplet mellom to polarisasjonsmodier til slik fiber, kan ikke dobbeltbrytende fiber alternativt bli anvendt ved foreliggende oppfinnelse. I tilfelle av ikke dobbeltbrytende fiber skulle fiberen bli valgt for å understøtte to modier, nemlig den første og andre ordens modien for den spesielle bølgelengden til det anvendte lyset. Ved fasetilpasning av støtlengdene mellom første og andre ordens modier til den akustiske bølgelengden, på samme måte som beskrevet for polarisasjonsmodiene med henvisning til fig. 4-11, vil frekvensforskjøvet lys være koplet mellom to modier, dvs. fra første ordens modus til andre ordens modus. Slik kopling er på grunn av forstørrelse av modiene bevirket av akustiske spenninger når de vandrer nedover fiberen. En mer detaljert forklaring av teorien for en slik modal kopling er beskrevet i europeisk patentsøknad nr. 84307920.3, publisert under nummeret 0143583, og i en artikkel "Two-Mode Fiber Model Coupler", R.C. Youngquist et al., Optics Letters, vol. 9, nr. 5, mai 1984, s. 177-179. En ikke dobbeltbrytende fiber kan således bli alternativt anvendt ved en modulator av en-sidebåndtypen som anvender foreliggende oppfinnelse. Inngangslyset skulle bli satt ut utelukkende i den andre ordens modusen til fiberen og et modalfilter, f.eks. en modusstripper (ikke vist) skulle være anbrakt ved utgangsenden til anordningen for å undertrykke andre ordens modusen slik at kun frekvensforskjøvet lys koplet med første ordens modusen blir ført ut fra anordningen.

Claims (14)

1. Fiberoptisk frekvensforskyver,karakterisert ved et akustisk ledende medium (202) for forplantning av en akustisk bølge, og en optisk fiber (200) med den første og andre modus som forplanter lys langs en sentral akse ved første og andre hastigheter henholdsvis, idet fiberen (200) er viklet rundt det akustisk ledende medium (202) for å tilveiebringe flere vindinger av fiberen ved hvilke i det minste en del av fiberen ved hver av vindingene er anbrakt i akustisk kontakt med mediumet, idet delen av fiberen som er anbrakt slik at den sentrale aksen av fiberen i hver del er ved en innfallsvinkel større enn 0° og mindre enn 90°relativt i forhold til forplantningsretningen til den akustiske bølgen når forskyveren er i bruk.

2. Fiberoptisk frekvensforskyver ifølge krav 1,karakterisertved at fiberen er en dobbeltbrytende fiber av en-modustypen.

3. Fiberoptisk frekvensforskyver ifølge krav 2,karakterisertved at fiberen har en kjerne (12) omgitt av en optisk kappe (14), idet den optiske kappen har en flat del orientert ved en forutbestemt vinkel i forhold til fiberens dobbeltbrytende akse, idet den flate delen er i akustisk kontakt med mediumet.

4. Fiberoptisk frekvensforskyver ifølge et av kravene 1-3,karakterisert vedat mediumet innbefatter en stang (202) og at fiberen er viklet rundt stangen.

5. Fiberoptisk frekvensforskyver ifølge krav 4,karakterisertved at fiberen er i hovedsak i kontinuerlig akustisk kontakt med overflaten til stangen over flere vindinger.

6. Fiberoptisk frekvensforskyver ifølge krav 4 eller 5,karakterisert vedat stangen er sylindrisk.

7. Fiberoptisk frekvensforskyver ifølge et hvilket som helst av kravene 4-6,karakterisert vedat fiberen er skruelinjeformet viklet på stangen.

8. Fiberoptisk frekvensforskyver ifølge krav 7,karakterisertved at mellomrommet mellom vindingene er konstant.

9. Fiberoptisk frekvensforskyver ifølge et hvilket som helst av kravene 4-7,karakterisert vedat vinkelen til vindingen til i det minste en del av fiberen på stangen er forskjellig fra vinkelen til vindingen til i det minste en annen del av fiberen.

10. Fiberoptisk frekvensforskyver ifølge et hvilket som helst av kravene 4-9,karakterisert vedat stangen er massiv.

11. Fiberoptisk frekvensforskyver ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat den innbefatter en akustisk transduser for generering av den akustiske bølgen.

12. Fremgangsmåte for forskyvning av frekvensen til et optisk signalkarakterisert ved forplantning av det optiske signalet ved en første frekvens gjennom flere vindinger en optisk fiber med en sentral akse og to modier for forplantning, idet fiberen er viklet i det minste med en del av hver vindingene i akustisk kontakt med det akustisk ledende medium, og retting av et akustisk signal langs det akustisk ledende mediumet for å kontakte en av vindingene slik at innfallsvinkelen til bølgefrontene for det akustiske signalet i forhold til sentralaksen til fiberen er større enn 0°og mindre enn 90°, og at det akustiske signalet spenningspåkjenner fiberen for å bevirke at optisk energi til det optiske signalet forplanter seg i en av modiene for å bli overført til den andre av modiene og forskjøvet i frekvens til den andre frekvens.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12,karakterisert vedat det som fiber anvendes en med en støtlengde for et lyssignal som forplanter seg i og at bølgelengden til den akustiske bølgen er hovedsakelig lik støtlengden til fiberen ganger sinus for innfallsvinkelen til i det minste en av delene.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 12,karakterisert vedat forskyvningen i frekvens for det optiske signalet er hovedsakelig lik frekvensen til det akustiske signalet.