NO861259L - Formdobbeltbrytende sperrepolarisator og polarisasjonsmetode. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår generelt apparater og fremgangs-måter til polarisasjon av lys og spesielt apparater og frem-gangsmåter til polarisasjon av lys som forplanter seg i en optisk fiber. Enda mer spesielt angår oppfinnelsen en form-dobbeltbrytende fiberoptisk polarisator og metoder for å fremstille og benytte denne.

En polarisator er en innretning som fjerner utvalgte polarisasjonskomponenter fra en lysbølge. Et visst kjennskap til forplantning og polarisasjon av lyset i en optisk fiber vil lette forståelsen av både den foreliggende oppfinnelse og teknkkens stand. Det skal derfor gis en kort redegjørelse for fiberoptiske bølgeledere, normale forplantningsmoder for lys i slike bølgeledere og polarisasjon av lys.

Det er velkjent at en lysbølge kan representeres av

et tidsvarierende elektromagnetisk felt som omfatter ortogonale elektriske og magnetiske feltvektorer med en frekvens lik lysbølgens frekvens. Enhver elektromagnetisk bølge som forplanter seg gjennom en lederstruktur, kan beskrives ved et sett av normalmoder. Normalmodene er de tillatte fordelinger til de elektriske og magnetiske felter i lederstrukturen, f.eks. en fiberoptisk bølgeleder. Feltfordelingene er direkte forbundet med energifordelingen i strukturen. Normalmodene er generelt representert ved matematiske funksjoner som beskriver feltkomponentene i bølgen uttrykt ved frekvens og romlig fordeling i lederstrukturen. De spesifikke funksjoner som beskriver normalmodene til en bølgeleder, avhenger av bølgelederens geometri. I en optisk fiber, hvor den ledede bølge er begrenset til en struktur med sirkulært tverrsnitt av faste dimensjoner, vil bare felt med visse frekvenser og romlige fordelinger forplante seg uten stor svekking. Bølgene med feltkomponenter som forplantes usvekket, er normalmodene.

Ved beskrivelse av normalmodene er det hensiktsmessig

å referere til retningen av de elektriske og magnetiske felter relativt til bølgens forplantningsretning. Hvis bare den elektriske feltvektor er perpendikulær på forplantningsretningen, som vanligvis kalles den optiske akse, så er bølgen i en transvers elektrisk (TE) mode. Hvis bare den magnetiske feltvektor er perpendikulær på den optiske akse, er bølgen en transvers

magnetisk (TM) mode. Hvis både de elektriske og magnetiske feltvektorer er perpendikulære på den optiske akse, så er bølgen en transvers elektromagnetisk (TEM) mode. Ingen av de normale moder krever en bestemt retning på feltkomponenten, og f.eks. i en TE-mode kan det elektriske felt ha enhver retning som er perpendikulær på den optiske akse.

Retningen til den elektriske feltvektor i en elektromagnetisk bølge er bølgens polarisasjon. Generelt vil en bølge ha vilkårlig polarisasjon ved at der er en jevn fordeling av elektriske feltvektorer som peker i alle retninger som er tillatt for hver mode. Om alle elektriske feltvektorer i et bølgepunkt bare peker i én bestemt retning, er bølgen lineært polarisert. Om det elektriske felt består av to ortogonale elektriske feltkomponenter med samme størrelse og 90° ute av fase, er det elektriske felt sirkulært polarisert,

fordi det elektriske nettofelt da er en vektor som roterer rundt den optiske akse med en vinkelhastighet lik bølgefre-kvensen. Hvis de to lineære polarisasjoner har ulike 'størrelser og faser som hverken er like eller motsatte, er bølgen'elliptisk polarisert. Generelt kan enhver vilkårlig polarisasjon angis ved enten summen av to ortogonale lineære polarisasjoner,

to motsatt rettede sirkulære polarisasjoner eller to motsatt rettede elliptiske polarisasjoner med ortogonale store halv-akser.

Hastigheten til et optisk signal avhenger av brytningsindeksen til mediet som lyset forplanter seg gjennom. Visse materialer har forskjellige brytningsindekser for forskjellige polarisasjoner. Et materiale som har to brytningsindekser kalles dobbeltbrytende. Polarisasjonen til signalet som forplantes langs en én-modes optisk fiber, blir undertiden benevnt som en mode. En standard én-modes optisk fiber kan betraktes som en to-modefiber, fordi den vil forplante to bølger med samme frekvens og romlige fordeling, men med to forskjellige polarisasjoner. To forskjellige polarisasjonskomponenter til den samme normalmode kan forplante seg uforandret gjennom et dobbeltbrytende materiale, bortsett fra en forskjell i hastigheten til de to polarisasjoner.

Graden av dobbeltbrytning er benyttet i betydningen forskjellen mellom to brytningsindekser til et medium som leder en lysbølge. Kontroll av graden av dobbeltbrytning tillater kontroll av polarisasjonen til et lyssignal som gis ut fra et stykke fiberoptisk materiale. Om bølgen forplantet ved en fiber består av to lineære polarisasjonskomponenter,

gir økning eller minskning av forskjellen mellom brytningsindeksene til fiberen mulighet for å kontrollere fiberens optiske lengde for hver av de to polarisasjoner. Om fiberen er dobbeltbrytende, vil de to polarisasjonskomponenter forskyves i fase mens de forplantes langs fiberen. Da lyshastigheten i en optisk fiber er v = c/n, hvor c er lyshastigheten i fritt rom og n er fiberens brytningsindeks, vil polari sasjonskompo-nenten med den lavere brytningsindeks ha en mindre gangtid i fiberen enn komponenten som har den høyere brytningsindeks. Mange fiberoptiske systemer har driftskarakteristikker som

i høy grad er avhengig av polarisasjonen til lyset ledet av den optiske fiber. Slike systemer omfatter optiske gyroskoper og interferometriske sensorer. For å fremskaffe målinger med ønsket nøyaktighet, er det viktig at lyset bare har en enkelt polarisasjon, for bare lysbølger med samme polarisasjon frembringer de ønskede interferensmønstre.

Optisk bølgeoppførsel i skikt av to materialer som har forskjellige brytningsindekser og optisk og periodisk lagdeling, skiller seg fra den i et ensformet medium. Om tykkelsen til hvert lag er tilstrekkelig liten sammenlignet med lysets bølge-lengde og antallet skikt er tilstrekkelig stort, er det sammen-satte medium dobbeltbrytende. Form-dobbeltbrytning forekommer ved et ordnet arrangement av lag av optisk isotrope materialer med dimensjoner som er store sammenlignet med materialenes molekyler, men små sammenlignet med den optiske bølgelengde som forplantes i fiberen.

Di fferensialsvekkende metallkledde fiberoptiske polarisatorer basert på forskjellen mellom omtrent to størrelses-ordner i svekkingskoeffisientene til TE- og TM-modene er beskrevet i kjent teknikk. Slike polarisatorer benytter et forholdsvis tykt metallbelegg over en del av kjernen til en optisk fiber som kledningen, er fjernet fra. Når bølgen treffer delen av kledningen med metallbelegget, forandres fordelingen av de elektromagnetiske felter slik at en lineær polarisasjon svekkes i langt sterkere grad enn en annen lineær polarisasjon.

Elektriske feltkomponenter perpendikulære på metallbelegget forårsaker ohmsk oppvarming i metallet og svekkes, hurtig. Elektriske feltkomponenter parallelle til metallbelegget svekkes med bare ca. 1% av svekkingen til de perpendikulære elektriske felter. Tidligere kjente metallkledde polarisatorer behøver en stor vekselvirkningslengde for å oppnå et høyt ekstinksjonsforhold. For å oppnå et høyt ekstinksjonsforhold pådrar imidlertid disse differensialsvekkingspolarisatorer seg et høyt innskuddstap. Ekstinksjonsforholdet til en polarisator er et mål på dens effektivitet med hensyn til reduksjon av intensiteten til en uønsket polarisasjon relativt til den for en ønsket polarisasjon. Innskuddstapet er forholdet mellom effekten til den ønskede polarisasjon tapt ved.å forskyve polarisatoren, relativt til initialeffekten til den ønskede polarisasjon.

Selv med forholdsvis lang vekselvirkningslengde gir polarisatorer basert på differensialsvekking ekstinksjonsforhold på omtrent 24 dB når innskuddstapet begrenses til en akseptabel størrelse.

Da differensialsvekkingspolarisatorer omdanner energien

i den uønskede polarisasjon til varme, kan intensiteten til bølgen med uønsket polarisasjon ikke overvåkes ved hjelp av en fotodetektor. Derfor er en differensialsvekkingspolari-sator uegnet til bruk sammen med en polarisasjonsregulator og et tilbakekoblingssystem for å gi optimal intensitet av den ønskede polarisasjon.

Tidligere fiberoptiske polarisatorer omfatter en krystallpolarisator i hvilken et stykke av det fiberoptiske materiale som en del av kledningen er blitt fjernet fra for å frembringe et vekselvirkningsområde, plasseres nær et dobbeltbrytende krystall. Det dobbeltbrytende krystall velges slik at det har en første brytningsindeks som er større eller lik fiber-kjernens for den uønskede polarisasjon og en andre brytningsindeks lik eller noe mindre enn fiberkledningens for polarisa-sinnen som er ønsket fomlantet i fiberen. En eksDonensielt utsvingende del av feltet ledet av fiberen, strekker seg forbi kjernegrensen inn i kledningen. Denne utsvingningsdel av feltet kalles " svinnfe1tet". Svinnfeltet til lyset ledet av fiberen vekselvirker med det dobbeltbrytende krystall, og lyset til en uønsket polarisasjon kobles til det dobbeltbrytende medium og forplanter seg ikke i fiberen forbi vekselvirkningsområdet. Lys med den ønskede polarisasjon påvirkes ikke av det dobbeltbrytende krystall og ledes av fiberen.

Selv om krystallpolarisatoren er i stand til å levere

de ønskede ekstinksjonsforhold med lavt innskuddstap, er drifts-karakteristikkene til slike polarisatorer temperaturavhengige. Temperaturavhengigheten til slike innretninger skyldes hovedsakelig temperaturavhengigheten til krystallets brytningsindekser. Hvis den andre brytningsindeks til krystallet forandrer seg med temperaturen, slik at det overstiger brytningsindeksen til kledningen, så opphører krystallinnretningen å fungere som en polarisator. Om brytningsindeksen til krystallet blir betydelig mindre enn kledningens, da vil noe av den uønskede polarisasjon reflekteres på grenseflaten mellom krystallet og fiberen og forblir derfor i fiberen istedenfor å kobles inn i krystallet. Et fiberoptisk gyroskop behøver en polarisator med et ekstinksjonsforhold større enn 100 dB.

En krystallpolarisator som er innstilt til å gi et ekstinksjonsforhold på 100 dB ved 24°C, kan ha et ekstinksjonsforhold på bare 24-30 dB om temperaturen øker til 30°C.

Form-dobbeltbrytende polarisatorer som nytter svinn-feltkobling for å danne en volumbølge fra den uønskede polarisasjon er kjent i teknikken. Form-dobbeltbytende svinnfelt-polarisatorer krever en presis indekstilpasning mellom kjernen og kledningens brytningsindekser. Slik presis kontroll av brytningsindeksene er vanskelig å oppnå.

Den foreliggende oppfinnelse frembringer en polarisator som gir et forbedret ekstinksjonsforhold for den uønskede polarisasjon og et forbedret innskuddstap for den ønskede polarisasjon. En polarisator i henhold.til oppfinnelsen frembringer et høyt ekstinksjonsforhold med meget lavere innskuddstap enn tidligere kjente optiske polarisatorer med differensialsvekking, uten å ha temperaturavhengigheten til svinnfelt-

polarisatorer.

Apparatet til oppfinnelsen omfatter et stykke optisk fiber som en del av kledningen er blitt fjernet fra for å

danne et vekselvirkningsområde. Fiberen er fortrinnsvis krummet i vekselvirkningsområdet slik at fibertykkelsen øker gradvis bort fra vekselvirkningsområdets senter langs fiberens lengde. Tilstrekkelig materiale er fjernet fra fiberen ved vekselvirkningsområdet slik at det dannes en plan, blottlagt del av fiberkjernen. En plan kledningsdel omgir den blottlagte kjernedel. En form-dobbeltbrytende stabel plasseres på de plane kjerne- og klednings-deler.

Den form-dobbeltbrytende stabel er slik dannet at brytningsindeksen for polarisasjoner parallelle med den polerte del av fiberen er tilnærmet lik kjernens brytningsindeks. Brytningsindeksen til den form-dobbeltbrytende stabel er for polarisasjonen normalt på den polerte del av fiberen omtrent lik brytningsindeksen til kledningen.

En fotodetektor kan nyttes til å frembringe et feilsignal fra lyset som stråles fra fiberen. Kontrollkretser behandler feilsignalet for å drive en polarisasjonsregulator som justerer polarisasjonen til lysinngangen til sperrepolarisatoren for å minimere feilsignalet.

Metoden for å frembringe polarisatoren til oppfinnelsen omfatter fremstilling av en koblerhalvdel, som fortrinnsvis omfatter et stykke optisk fiber montert i et krumt spor i et passende substrat. Substratet kan med fordel være dannet av en blokk av kvartsglass. Det krumme spor dannes ved hjelp av velkjente optiske slipemetoder. Fiberen kan holdes i sporet ved hjelp av et egnet klebemiddel, og deretter slipes og poleres overflaten til substratet nær ved den konvekst krumme del av fiberen slik at der dannes en optisk plan flate. Slipingen og poleringen fjerner hele kledningen i vekselvirkningsområdet og en del av fiberkjernen i vekselvirkningsområdet.

Den form-dobbeltbrytende stabel dannes fortrinnsvis

på den polerte del av fiberen ved å avsette vekslende lag av materiale med forskjellige brytningsindekser. Brytningsindeksene til den dobbeltbrytende struktur på komposittform avhenger av tykkelsene og brytningsindeksene til lagene.

Den form-dobbeltbrytende stabel kan fremstilles som

en separat komponent og plasseres deretter nær den polerte del av fiberen. En indekstilpasset olje kan inkluderes mellom den form-dobbeltbrytende stabel og fiberen. Fig. 1 er et oppriss i utsnitt av en fiberoptisk polarisator i henhold til oppfinnelsen og viser en form-dobbeltbrytende stabel på en optisk fiber, plassert i et krummet spor i et substrat. Fig. 2 er et utsnitt av et enderiss av den fiberoptiske polarisator på fig. 1.

Fig. 3 er et grunnriss av en koblerhalvdel inkludert

i den fiberoptiske polarisator på fig. 1 og 2, og viser plane overflater i kjernen og kledningen til en optisk fiber som er inkludert i koblerhalvdelen.

Fig. 4 er et oppriss av en optisk bølgeleder mellom

et overlag og et substrat.

Fig. 5 er en skjematisk gjengivelse av et feedback-kon-trollsystem for å kontrollere polarisasjonen til lysinngangen til polarisatoren på fig. 1. Fig. 6 er et utsnitt av et tverrsnitt som illustrerer karakteristikkene til den form-dobbeltbrytende stabel på fig.

1 og 2, og

fig. 7 illustrerer grafisk dobbeltbryting til en form-dobbeltbrytende stabel av materiallag med forskjellige brytningsindekser.

Idet der henvises til fig. 1 og 2, omfatter en form-dobbeltbrytende polarisator 10 i henhold til oppfinnelsen en koblerhalvdel 12 som omfatter en optisk fiber 14 plassert i et krummet spor 16 i et substrat 18. En form-dobbeltbrytende stabel er plassert ved et generelt plant vekselvirkningsområde 28 i den optiske fiber 14.

Med henvisning til fig. 1, 2 og 5 stråles lys polarisert parallelt til planet til vekselvirkningsområdet 28 fra fiberen 14. Lys polarisert normalt på planet til vekselvirkningsområdet

28 forplantes i fiberen 14 forbi vekselvirkningsområdet 28

for å frembringe utgangssignalet til polarisatoren 10.

Med henvisning til fig. 5 går den utstrålte energi til bølgens parallelle polarisasjonskomponent gjennom den form-dobbeltbrytende stabel 20, hvis lyset faller inn fra venstre. En del av den utstrålte energi faller på en fotodetektor 50

som gir ut en elektrisk strøm som respons på den innfallende optiske intensitet. En elektronisk kontrollkrets 52 behandler fotodetektorutgangen og leverer kontrollsignaler til et fiberoptisk polarisasjonsregulatorsystem 54, som justerer polarisa-sjonsinngangen til polarisatoren 10 for å minimere kontroll-signalet. Den optiske gjennomgang til polarisatoren 10 har derfor i hovedsaken en enkelt, forutbestemt polarisasjon.

Polarisasjonskontrollsystemet 54 omfatter fortrinnsvis

en flerhet av fiberklemmer 56-58 forbundet med kontrollkretsen 52. Fiberklemmene 56-58 er fortrinnsvis strukturelt identiske. Fiberklemme 56 omfatter f.eks. et par av piezoelektriske aktua-torer 62, 64 som gir respons på spenninger fra kontrollkretsen 52 for å forandre kompresjonskraften på fiberen 14 fra en forbelastning. Fiberklemmene 56 og 58 er fortrinnsvis innrettet slik at de spenninger de frembringer, innrettes parallelt med hverandre og perpendikulært på fiberen 14. Fiberklemmen 57 gir en spenning som er perpendikulær på fiberen 14 og som også har en vinkel på 45° til spenninger frembragt av fiberklemmene 56 og 58.

Den optiske fiber 14 er et dobbeltbrytende medium, hvilket betyr at brytningsindeksen er polarisasjonsavhengig. Graden av dobbeltbrytning er her brukt i betydningen forskjellen mellom to brytningsindekser til et medium som leder en lysbølge. Kontroll av graden av dobbeltbrytning tillater kontroll av polarisasjonen til et lyssignal levert fra et stykke fiberoptisk materiale. Om bølgen forplantet av fiberen 14 består av to lineære polarisasjonskomponenter, gir økning eller minskning av forskjellen mellom brytningsindeksene en metode til å kontrollere den optiske veilengde i fiberen for hver av de to polarisasjoner. Om fiberen 14 er dobbeltbrytende, så

vil de to polarisasjonskomponenter faseforskyves mens de forplantes langs fiberen. Da lyshastigheten i en optisk fiber er v = c/n, hvor c er lyshastigheten i fritt rom og n er

brytningsindeksen, vil polarisasjonskomponenten med en lavere brytningsindeks ha en større hastighet og derfor en mindre gjennomløpstid i fiberen enn komponenten med den høyere brytningsindeks. Kontroll av brytningsindeksene til fiberen 14 kontrollerer derfor polarisasjonen til lysinngangen til polarisatoren 10.

Det er vel kjent at påføring av en kompresjonskraft

på en del av en optisk fiber 14 langs en akse på tvers av denne forandrer brytningsindeksene på grunn av den fotoelastiske effekt, noe som resulterer i spenningsindusert dobbeltbrytning. Generelt er det nødvendig med tre fiberklemmer for å omdanne

en vilkårlig polarisasjon til en forutbestemt polarisasjon som gis som inngang til polarisatoren 10. Om det ikke er noen nevneverdig dobbeltbrytning i lengden av fiberen 14 mellom de nærliggende fiberklemmene 56-58, da er det bare nødvendig med to fiberklemmer for å kontrollere polarisasjonen til lysinngangen til polarisatoren 10.

Polarisatoren 10 er i stand til å levere en utgang som har en forutbestemt polarisasjon av de motforplantende' bølger i fiberen 14. Hvis lys av blandet polarisasjon faller på polarisatoren 10 fra høyre, da stråles den uønskede polarisasjon ut fra fiberen 14, mens den ønskede polarisasjon forblir i denne. En andre fotodetektor 66 frembringer et elektrisk signal som angir intensiteten til den utstrålte polarisasjon. En andre kontrollkrets 70 behandler utgangen fra fotodetektoren 66 og gir kontrollsignaler til en flerhet av fiberklemmer 73-75 som i hovedsak er identiske med fiberklemmene 56-58 beskrevet ovenfor. Polarisatoren 10 frembringer feilsignaler fra to motforplantende bølger i det samme område i fiberen 14, slik at alle optiske signaler som kommer fra polarisatoren 10, har den samme polarisasjon.

Fig. 1-3 viser hvordan et krummet spor 16 dannes i en optisk plan overflate 24 på substratet 18. Det krumme spor 16 har en krumningsradius som er stor sammenlignet med diameteren til fiberen 14. Fig. 1 viser krumningsradiusen til fiberen i overdreven størrelse relativt til fiberdiameteren for bedre å illustrere vekselvirkningen mellom lys ledet av fiberen 14 og den form-dobbeltbrytende stabel 20. Bredden til sporet 16 er litt større enn fiberdiameteren for å tillate fiberens 14 tilpasning til veien definert av bunnveggen til sporet 16. Dybden til sporet 16 varierer fra et minimum henholdsvis ved senteret til substratet 18 og til et maksimum ved dets kanter. Den gradvise krumning til fiberen 14 forhindrer skarpe bøyninger eller andre brå forandringer i retningen til fiberen 14 for å unngå effekttap gjennom modefor-styrrelser.

Sporet 16 kan ha et rektangulært tverrsnitt som vist

på fig. 2. Det må imidlertid forstås at andre tverrsnittsformer slik som U-formede eller V-formede kan benyttes ved fremstilling av koblerhalvdelen 12. Ved senteret til substratet 18 er dybden til sporet 16 mindre enn diameteren til fiberen 14. Ved kantene 18a, 18b til substratet 18 er dybden til sporet 14 fortrinnsvis minst så stort som fiberdiameteren.

Fiberen 14 har en sentral kjerne 30 og en kledning 32. Brytningsindeksen til kjernen 30 er større enn kledningens, slik at det meste av lyset ledet av kjernen reflekteres inn-, vendig ved grenseflaten mellom kjerne og kledning. Fiberoptisk materiale fjernes fra fiberen 14 ved en eller annen egnet metode, slik som lepping, for å frembringe en ovalt formet plan overflate 26 i kledningen 32 vist på fig. 3. Overflaten 26 er koplanar med den optisk plane overflate 24 til substratet

18. Tilstrekkelig kledning fjernes for å danne en ovalt formet plan overflate 34 i kjernen 32. Plane overflater 26 og 34

er konsentriske og har like former som er tilnærmet elliptiske. Overflatene 26 og 34 er ikke eksakt elliptiske, da de ikke

er kjeglesnitt.

Overflaten 26 danner et vekselvirkningsområde hvori

lys forplantet av fiberen 14 vekselvirker med den form-dobbeltbrytende stabel 20. Mengden av fiberoptisk materiale som er fjernet, øker gradvis fra null nær kantene 18a, 18b til substratet 18 til en maksimumsmengde ved dettes senter. Den av-smalnende fjerning av fiberoptisk materiale gjør at fiberen 14 konvergerer og divergerer gradvis relativt til vekselvirkningsområdet 28, noe som er fordelaktig for å unngå tilbake-refleksjoner og unødig tap av lysenergi i vekselvirkningsområdet 28.

Om fiberen 14 er utført for å forplante optisk energi

med bare én enkelt mode, har kjernen 30 normalt et sirkulært tverrsnitt som er omtrent 5 mm i diameter. Kledningen 32 gir normalt en brytningsindeksfordeling som er anordnet symmetrisk rundt kjernen 30. Hvis brytningsindeksen til kledningen 32

er symmetrisk med hensyn på kjernen 30, da vil omtrent hele den optiske energi ledet av fiberen 14 begrenses til kjernen 30 hvis kjerneindeksen er større enn kledningsindeksen. Har imidlertid fiberen en asymmetrisk brytningsindeksfordeling,

har kjernen 30 en sperrediameter d, slik at om fiberen 14

har en del hvor kjernediameteren er mindre enn sperrediameteren, da kan ikke den optiske energi begrenses til kjernen 30 alene. Polarisatoren 10 nytter denne sperreegenskapen til å fjerne polarisasjoner parallelle med vekselvirkningsområdet 28 fra fiberen 14.

Begrepene symmetri og asymmetri for brytningsindeksene forklares med henvisning til fig. 4. Kjernen 30 har en brytningsindeks n . Et overlag 40 vist ovenfor kjernen 30 har en brytningsindeks n^, og et substrat 42 vist under kjernen 30 har en brytningsindeks n^- Om n^= n^, da er brytningsindeksene symmetriske med hensyn på kjernen 30, og energien vil i hovedsak bli totalreflektert innvendig som vist ved grenseflatene mellom kjernen 30 og overlaget 40 og mellom kjernen 30 og overlaget 42. Om n^ ^ n^, så er brytningsindeksene asymmetriske og kjernen 30 har en sperrediameter som forklart ovenfor.

Idet der igjen henvises til fig. 1, forårsaker asymmetrien il brytningsindeksen ved vekselvirkningsområdet at polarisasjonskomponenter parallelle til den plane overflate 26 ut-stråles fra fiberen, hvis et optisk signal med blandet polarisasjon faller inn på polarisatoren 10 fra venstre. I henhold til vanlig praksis er forplantningsretningen z-aksen. Idet der antas et høyrehånds koordinatsystem, peker x-aksen inn i planet på fig. 1 og y-aksen ligger i planet og er perpendikulær på både x- og z-aksene. Da brytningsindeksene til den formdobbeltbrytende stabel 20 i hovedsak er lik kledningens for polarisasjon perpendikulært på vekselvirkningsområdet, forblir denne polarisasjon ledet av kjernen ved indre reflek-sjon. Polarisasjonskomponenten normalt på overflaten utsettes for en reduksjon i kjernens tverrsnittsflate, som øker svinn-feltdelen til den ledede bølge.

Substratet 18 kan fremstilles av ethvert passende stivt materiale. I en foretrukken utførelse består substratet 18

av en generelt rektangulær blokk av sammensmeltet kvartsglass med omtrent 2,54 cm's lengde, 2,54 cm's bredde og en tykkelse på 1,016 cm. Fiberen 14 kan festes i det krummede spor 16

med et passende klebemiddel (ikke vist), slik som epoksyharpiks. Kvartssubstratet 18 har fortrinnsvis en termisk ekspansjons-komponent lik den til fiberen 14, noe som er viktig for å opprettholde strukturell integritet om substratet 18 og fiberen 14 utsettes for en eller annen varmebehandling under fremstilling eller bruk.

Den form-dobbeltbrytende stabel 20 kan dannes direkte

på vekselvirkningsområdet 28 til koblerhalvdelen 12. Alternativt kan den form-dobbeltbrytende stabel 20 fremstilles som en separat komponent som deretter plasseres nær vekselvirkningsområdet 28. Et indekstilpasset fluid kan plasseres mellom den formdobbeltbrytende stabel 20 og fiberen 14.

Med henvisning til fig. 6 består en periodisk flerlags dielektrisk struktur 20 av et flertall av alternerende lag 82, 84 med forskjellige brytningsindekser. Tykkelsene t^og X.^ til henholdsvis lagene 82, 84 er mindre enn bølgelengden

til lyset som skal forplantes i fiberen 14. I et optisk rota-sjonsfølende system (ikke vist) er den optiske bølgelengde typisk ca. 820 nm.

Flerlagsstrukturen 20 har polarisasjonsavhengige brytningsindekser. For å gjøre det enkelt antas det at en lineært polarisert planbølge med sitt elektriske felt i z-retningen forplanter seg langs x-aksen, som peker ut av planet på fig. 1. I henhold til velkjente grensebetingelser får elektromagnetiske bølger på dielektriske grenseflater må normalkomponenten til den elektriske forskyvningsvektor D være kontinuerlig,

slik at

og derfor hvor og e er de to materialers dielektriske konstanter. Det midlere elektriske felt over en periode av den lagdelte struktur 10 er Den effektive dielektriske konstant e zfor en bølge polarisert i z-retningen er derfor For å lette notasjonen defineres tykkelsesbrøkene f^ og som Ved bruk av ligningene (6) og (7) i ligning (5) fås Tangentialkomponenten til en bølge polarisert i y-retningen må være kontinuerlig slik at Middelverdien til den elektriske forskyvning over en periode er Fra definisjonen av den elektriske forskyvning uttrykt ved tykkelsesbrøkene f^ og f^, er den dielektriske konstant e for en bølge polarisert i y-retningen gitt ved

Ligningene (8) og (13) kan benyttes til å beregne brytningsindeksene i z- og y-retningene. Fra definisjonen av brytningsindeksen

hvor£q er permitiviteten til romt rom.

Ved bruk av ligningene (14), (15) og (16) i ligningene (8) og (13) fås

Et dobbeltbrytende krystall har en ordinær brytningsindeks n^og en ekstraordinær brytningsindeks ng. En bølge polarisert langs den optiske akse, som konvensjonelt er z-aksen, møter den ekstraordinære brytningsindeks n . Om den ekstraordinære indeks er større enn den ordinære indeks, skal dobbeltbrytningen være positiv, og hvis den ekstraordinære indeks er mindre enn den ordinære indeks, er dobbeltbrytningen negativ. I det foreliggende tilfelle har den flerlags dielektriske struktur 10 brytningsindekser n^, n^ og n^, slik at

hvilket betyr at den ordinære indeks n^ er større enn den ekstraordinære indeks n^. Derfor er den flerlags dielektriske struktur 10 analog til en enaksig krystall med negativ dobbeltbrytning.

Ligningene (17) og (18) viser at de dobbeltbrytende egenskaper kan syntetiseres ved riktig valg av materialer til lagene 82 og 84 slik at de får særskilte brytningsindekser og ved riktig valg av tykkelsesbrøkene f^ og f^. Dobbeltbrytningen til lagstrukturen 20 kalles "form-dobbeltbrytning", da den effektive dielektriske konstant har en verdi for alle polarisasjoner parallelle til lagene 82 og 84 og en annen verdi for polarisasjoner perpendikulære på lagene 82 og 84. Brytningsindeksen for polarisasjon langs z-aksen er mindre

enn brytningsindeksen for polarisasjon langs y-aksen.

Fig. 7 illustrerer forskjellen An = n^ - n for brytningsindeksene til ordinære og ekstraordinære bølger som en funksjon av tykkelsesbrøken. Grafen på fig. 7 representerer form-dobbeltbrytningen som fås når laget 82 er dannet med A^O^og laget 84 er dannet med AlF^. Materialene benyttet til å danne lagene

82 og 84 avhenger av indeksene til kjernen og kledningen til fiberen 14. En typisk kjerneindeks er ca. 1,458, og en typisk kledningsindeks er omtrent 1,452. Kjerne- og kledningsindeksene bør være i området mellom brytningsindeksene til lagene 82

og 84. Følgelig er det for vanlige optiske fibre funnet at ^ 2^ 2' Som ^ar en brytningsindeks på ca. 1,42, er egnet til å danne laget med lav indeks og at GeG^som har en brytningsindeks på 1,59, er egnet til å danne laget med høy indeks.

Om fiberen 14 har tilstrekkelig høye indekser for kjerne og kledning, kan Si02*som har en brytningsindeks på 1,453, brukes til å danne laget med lav indeks.

Til forskjell fra vanlige optiske fibre vil den form-dobbeltbrytende stabel 20 opprettholde polarisasjonstilstanden til en bølge som forplanter seg i den. I den form-dobbeltbrytende stabel 20 er forskjellen mellom brytningsindeksene til de to polarisasjoner tilstrekkelig stor til at der er en betydelig forskjell mellom forplantningskonstantene til bølger som har de to ortogonale polarisasjoner. Forskjellen mellom forplantningskonstantene eliminerer nedbrytningen i forplantningskonstantene mellom polarisasjonstilstandene og forhindrer bølger med én polarisasjon å kobles med den andre polarisasjon under ordinære forhold. Kobling av energi mellom bølgene krever at bølgene har hovedsakelig den samme hastighet. Om hastighetene er forskjellige, er der ingen nevneverdig kobling mellom de to tilstander.

Form-dobbeltbrytning begynner å vise seg når den kombinerte tykkelse mellom to nærliggende lag av stabelen 20 er lik eller litt mindre enn den optiske bølgelengde i lagene 82, 84. Terskelen for form-dobbeltbrytning er derfor lik eller litt mindre enn den optiske bølgelengde i lagene 82, 84. Terskelen for form-dobbeltbrytning er således

For å sikre form-dobbeltbrytning bør M være betydelig mindre enn terskelen, f.eks.

Tykkelsesbrøkene f^ og f.^bestemmes fra beskrankningen om

at dobbeltbrytningen skal være An = 0,004. Den virkelige tykkelse til lagene 82 og 84 bestemmes fra tykkelsesbrøkene og beskrankningen om at de kombinerte tykkelsene vil være en utvalgt brøk, slik som en åttendedel, av bølgelengden til lyset som polariseres.

I det følgende er beskrevet prosesser for å frembringe form-dobbeltbrytende stabler 20 som imøtekommer kravene om å vise en asymmetrisk brytningsindeksfordeling på parallelle polarisasjoner og en symmetrisk brytningsindeksfordeling på perpendikulære polarisasjoner.

Et flytende glass med lav viskositet, vanligvis kjent som sol-gel, kan dannes slik at det omfatter B2°3'En dråpe sol-gel plasseres på et substrat og spinnes deretter med en vinkelhastighet tilstrekkelig til å danne et tynt væskeskikt. Væsken tørkes, fortrinnsvis ved oppvarming, slik at den danner et lag av B^ O^. En annnen sol-gel dannes slik at det omfatter GeC>2, og trinnene beskrevet ovenfor gjentas slik at der frembringes et lag av Ge02på laget av . Alternerende lag av de to materialer fremstilles inntil det ønskede totale antall er frembragt.

GeG^- og I^O^-lagene kan frembringes på en enkel måte, velkjent i teknikken, ved vekselvis å sprute GeC^- og B^ O^-skikt på et substrat. GeG^-laget kan også fremstilles ved å belegge substratet med et Ge-lag og oksidere det til Ge02

i en rørovn på en måte som er velkjent i teknikken.

Om indeksene til kjernen og kledningen tillater bruk

av silisiumdioksid, kan veletablerte optiske fabrikasjons-metoder benyttes til å fremstille Si02~plater fra rene Si02~masser.

For visse indeksprofiler for kjernen og kledningen kan det være mulig å danne den dobbeltbrytende stabel fra alternerende lag av kalsiumfluorid, CaF2, og silisiumoksid, SiO. CaF2har en brytningsindeks n^= 1,43, og SiO har en indeks n2= 1,70. Med en tykkelse = 632Å på CaF^-laget og en tykkelse t2= 74Å på SiO-laget har den resulterende stabel brytningsindekser nz = 1,4525 og n^= 1,4607. Både CaF2og SiO-lagene kan frembringes ved sprutemetoder velkjent i teknikken.

Det kan være nødvendig å teste stabelen 20 for å forsikre seg om at brytningsindeksene til kompositten er egnet til å realisere den foreliggende oppfinnelse. En metode som er velkjent innen optisk teknikk benytter et ellipsometer til å måle brytningsindeksen. Metoden omfatter i hovedtrekk bruk av en lysstråle med kjent retning og polarisasjon på stabelen 20/ og måling av polarisasjonene og vinklene til de reflekterte og bøyde stråler.

Claims (12)

1. Polarisator til å forplante et optisk signal med en valgt polarisasjon i en optisk fiber som har en sentral kjerne og en kledning som omgir den sentrale kjerne og til å stråle optiske signaler med andre polarisasjoner fra den optiske fiber, karakterisert ved at den omfatter et vekselvirkningsområde dannet på et stykke av den optiske fiber og et materiale med en asymmetrisk brytningsindeksfordeling i vekselvirkningsområdet for bølger av en første polarisasjon slik at bølger av den første polarisasjon stråler fra den optiske fiber og som danner en symmetrisk brytningsindeksfordeling i vekselvirkningsområdet til bølger av en andre polarisasjon, slik at bølgene til den andre polarisasjon ledes i fiberen gjennom vekselvirkningsområdet.

2. Polarisator i henhold til krav 2, karakterisert ved at vekselvirkningsområdet omfatter en plan kjernedel av den optiske fiber uten noen kledning og en plan kledningsdel som omgir den plane kjernedel og en vekselvirk-ningsanordning bestående av en stabel av form-dobbeltbrytende materiale nær den plane kjernedel.

3. Polarisator i henhold til krav 2, karakterisert ved at stabelen til det form-dobbeltbrytende materiale har en første brytningsindeks som i hovedsak er den samme som brytningsindeksen til kjernen for polarisasjoner parallelle med vekselvirkningsområdet og en andre brytningsindeks som i hovedsak er den samme som brytningsindeksen til kledningen for polarisasjoner perpendikulære på vekselvirkningsområdet .

4. Polarisator i henhold til krav 1, karakterisert ved at den ytterligere omfatter: et par fotodetektorer for å frembringe et elektrisk signal som angir intensiteten til lys emittert fra den optiske fiber for å danne et feilsignal som respons på lys utstrålt fra den optiske fiber, og tilbakekoblingsapparat som gir respons på feilsignalet for å justere polarisasjonen til lys som gis inn til vekselvirkningsområdet .

5. Polarisator i henhold til krav 4, karakterisert ved at den ytterligere omfatter et apparat for å kontrollere brytningsindeksene til et stykke av den optiske fiber for å justere polarisasjonen til lys som gis inn til vekselvirkningsområdet.

6. Polarisator i henhold til krav 5, karakterisert ved at apparatet for å kontrollere brytningsindeksene til et stykke av den optiske fiber omfatter et apparat for å presse den optiske fiber sammen for å frembringe spenningsindusert dobbeltbrytning.

7. Fremgangsmåte for å polarisere lys som forplanter seg i en optisk fiber med en sentral kjerne og en kledning som omgir kjernen, karakterisert ved at den omfatter følgende trinn: dannelse av et vekselvirkningsområde i et stykke av den optiske fiber, dannelse av en asymmetrisk brytningsindeksfordeling for optiske bølger med en første polarisasjon, slik at bølgene med den første polarisasjon stråles fra den optiske fiber ved vekselvirkningsområdet, og opprettholdelse av en symmetrisk brytningsindeksfordeling for optiske bølger med en andre polarisasjon, slik at bølgene med den andre polarisasjon ledes i den optiske fiber gjennom vekselvirkningsområdet.

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 7, karakterisert ved at trinnet for å danne vekselvirkningsområdet omfatter et trinn for fjerning av materiale fra den optiske fiber for å frembringe en plan kjernedel som ikke har noen kledning.

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, karakterisert ved at den ytterligere omfatter et trinn for å plassere et vekselvirkningsmateriale bestående av alternerende lag av materialer med forskjellige brytningsindekser nær en del av den plane kjernedel.

10. Fremgangsmåte i henhold til krav 9, karakterisert ved at den omfatter trinn for å danne et feilsignal som respons på lys utstrålt fra den optiske fiber og for å justere polarisasjonen til lys gitt inn til veksel-virkningsanordningen som respons på feilsignalet.

11. Fremgangsmåte i henhold til krav 10, karakterisert ved at den ytterligere omfatter et trinn for å plassere minst én fotodetektor i den optiske vei til lys emittert fra den optiske fiber ved vekselvirkningsområdet, for å frembringe et elektrisk signal som angir intensiteten til lys emittert fra den optiske fiber.

12. Fremgangsmåte i henhold til krav 11, karakterisert ved at justeringen av polarisasjonen av lysinngangen til vekselvirkningsområdet omfatter styring av brytningsindeksene til en del av den optiske fiber.