NO870065L - Piezoelektrisk belastningshus og fremgangsmaate. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår generelt apparatur og fremgangsmåter for

å påtrykke en kraft på et stykke fiberoptisk materiale, og spesielt apparater og fremgangsmåter for å klemme sammen en optisk fiber for å regulere brytningsindeksene til fiberen og dermed polarisasjonen av den optiske bølge som forplanter seg i fiberen. Enda mer spesielt angår oppfinnelsen en ramme for en fiberklemme og en fremgangsmåte til å montere denne for å anvende kompresjonskrefter på tvers av et stykke optisk fiber for å frembringe spenningsindusert dobbeltbrytning til regulering av polarisasjonen av lys ledet av fiberen.

Et visst kjennskap til polarisasjon av lys og forplantning

av lys i en optisk fiber vil lette forståelsen av den foreliggende oppfinnelse. Det er velkjent at en lysbølge kan representeres av et tidsvarierende elektromagnetisk felt som består av ortogonale elektriske og magnetiske feltvektorer med en frekvens lik lysbølgens frekvens. En elektromagnetisk bølge som forplanter seg gjennom en ledende struktur kan beskrives ved et sett av normalmoder. Normalmodene er de tillate for-delinger av de elektriske og magnetiske felter i den ledende struktur, f.eks. en fiberoptisk bølgeleder. Normalmodene er direkte forbundet med energi forde 1 ingene i strukturen. Normalmodene er generelt representert av matematiske funksjoner som beskriver feitkomponentene i bølgen uttrykt ved'frekvens og romfordeling i den ledende struktur. De spesifikke funksjoner som beskriver normalmodene for en bølgeleder avhenger av bølge-lederens geometri. For en optisk fiber, hvor den ledende bølge er begrenset til en struktur med et sirkulært tverrsnitt av faste dimensjoner, vil bare felter med visse frekvenser og romfordelinger forplante seg uten sterk svekking. Bølgene med feltkomponenter som forplanter seg i alt vesentlig usvekket er normalmodene. Bølger som svekkes sterkt kalles generelt "sv innmode r". En énmodefiber vil forplante bare én romfordeling av energi for et signal med gitt frekvens.

Ved beskrivelse av normalmodene er det hensiktsmessig å henvise til retningen av de elektriske og magnetiske felter relativt til retningen av bølgens forplantning. Hvis bare den elektriske feltvektor er perpendikulær på forplantningsretningen, som vanligvis kalles den optiske akse, så sies bølgen å være 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 normalmodene behøver en bestemt retning av feitkomponentene og i en TE-mode kan det elektriske feltet f.eks. ha enhver retning som er perpendikulær på den optiske akse.

Retningen av den elektriske feltvektor i en elektromagnetisk bølge er bølgens polarisasjon. Generelt vil en bølge ha random-polarisasjon med en jevn fordeling av de elektriske feltvektorer pekende i alle retninger som er tillatt for hver mode. Hvis alle de elektriske feltvektorer i en bølge bare peker i en bestemt retning, er bølgen lineært polarisert. Hvis det elektriske felt består av to ortogonale elektriske feltkomponenter med samme størrelse, er det elektriske feltet sirkulært polarisert fordi det elektriske nettofeltet da er en vektor som roterer rundt den optiske akse med en vinkelhastighet lik frekven-sen av bølgen. Hvis de to lineære polarisasjoner er ulike, har bølgen en elliptisk polarisasjon. Generelt kan en vilkårlig polarisasjon representeres av enten summen av to ortigonale lineære polarisasjoner, to motsatt rettede sirkulære polarisasjoner eller to motsatt rettede elliptiske polarisasjoner med ortogonale store halvakser.

Hastigheten av 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 sies å være dobbe1tbrytende . Polarisasjonen av signalet som forplanter seg gjennom en énmodefiber blir undertiden betegnet som en mode. En standard optisk énmodefiber kan ses som en tomodefiber fordi den vil forplante to bølger av samme frekvens og romfordeling med to ortogonale polarisasjoner.

To forskjellige polarisasjoneskomponenter av samme normalmode kan forplante seg gjennom et dobbe1tbrytende materiale ufor-andret bortsett fra en forskjell i hastigheten for de to polarisasjoner. Sirkulær dobbeltbrytning, lineær dobbeltbrytning og elliptisk dobbeltbryting beskrives hver med henvisning til forskjellige polarisasjonsmoder. Hvis et materiale viser sirkulær dobbeltbrytning uttrykkes polarisasjonen av en lysbølge som en kombinasjon av to kontraroterende komponenter. En av de sirkulære polarisasjoner blir betegnet som "høyrehånds-sirkulær" mens den andre betegnes som "venstrehånds-sirkul ær" . I et ikke-dobbeltbrytende materiale går både høyrehånds og venstrehånds sirkulære polarisasjoner med samme hastighet. De kontraroterende elektriske feltvektorer for sirkulært polariserte komponenter av lys representerer polar isasjonsmodene for sirkulær dobbeltbrytning. Hvis lyset er lineært polarisert, er de sirkulære po 1arisasjonsvektorer i fase med hverandre og har samme amplityde. Hvis lyset er elektrisk polarisert, lhar de sirkulære polarisasjonsvektorer ulike ampletyder. Generelt kan et elliptisk polarisert lys ha forskjellig grad av elliptisitet og polarisasjonen kan strekke seg fra lineært polarisert ved de ene ytterpunkt til sirkulært polarisert ved det andre ytterpunkt .

I et sirkulært dobbe1tbrytende materiale er forplantningshastigheten til en sirkulær polarisasjonsvektor større enn forplantningshastigheten til den kontraroterende polar isasjons-vektor. Sirkulær dobbeltbryting gjør at en bølge roterer eller dreier seg når den forplanter seg gjennom mediet. I et materiale som er lineært dobbeltbrytende vil tilsvarende forplantningshastigheten for lys i en av de lineært polariserte moder være større enn forplantningshastigheten av lys i den andre normalt lineært polariserte mode. Elliptisk dobbeltbrytning finner sted når både lineær dobbeltbryting og sirkulær dobbeltbrytning eksisterer ved et punkt i et materiale som lyset forplanter seg'gjennom. Den elliptiske dobbeltbrytning påvirker polarisasjonen av lys på en kompleks måte som delvis avhenger av de relative størrelser av den lineære dobbeltbrytning og den sirkulære dobbeltbrytning.

For å oppsummere kan polarisert lys representeres av to sirkulært polariserte bølger med korrekt fase og amplityde. Alterna-tivt kan lyset representeres av enten elliptiske, roterende komponenter eller ved perpendikulært lineært polariserte komponenter av det elektriske felt.

Der finnes en rekke dobbeltbrytende materialer. Avhengig av deres struktur og orientering til lys som forplanter seg gjennom dem, er f.eks. visse krystaller sirkulært dobbeltbrytende og andre krystaller er lineært dobbeltbrytende. Andre krystall-arter, f.eks. kvarts, kan ha både sirkulær dobbeltbrytning og lineær dobbeltbrytning slik at de frembringer elliptisk dobbeltbrytning av en lysbølge som forplanter seg i en korrekt valgt retning.

Graden av dobbeltbrytning blir her brukt i betydningen forskjellen mellom to brytningsindekser for et medium som leder en lysbølge. Regulering av graden av dobbeltbrytning tillater styring av polarisasjonen av et lyssignal som leveres fra et stykke fiberoptisk materiale. Hvis bølgen forplantet av fiberen består av to lineære polar isasjoneskomponenter vil økning eller minsking av forskjellen mellom brytningsindeks en for fiberen gi mulighet for å regulere den optiske lengde av fiberen for hver av de to polarisasjoner. Hvis fiberen er dobbeltbrytende vil de to po 1ar isasjonskomponenter forskyves i fase når de forplanter seg langs fiberen. Da lyshastigheten i en optisk viber er v=c/n, hvor c er lysets hastighet i fritt rom og n er brytnings indeksen for fiberen, vil polar isasjonskomponenten med en lavere brytnings indeks ha en mindre gangtid i fiberen enn kompo-nenten med en høyere brytningsindeks. Et dobbeltbrytende medium roterer derfor po 1 ar isasjonsplanet til et optisk signal som forplanter seg i det.

Det er vel kjent at bruk av en kompresjonskraft på et stykke optisk fiber langs en akse på tvers av fiberen forandrer brytnings ind eks ene for fiberen ved hjelp av den fotoelastiske effekt, noe som resulterer i en spenningsindusert dobbeltbrytning. Forskjellige innretninger for å påføre tverrgående kompresjonskrefter på optiske fibere er kjent i teknikken. En slik innretning er beskrevet i SPIE Vol. 425, pp. 111-113 av DePaula et al. Denne innretningen omfatter en optisk fiber anordnet mellom to piezoe1ektr i ske transduktorer av kvarts drevet i fase av et elektrisk signal. Når drivsignalet er null er fiberen ikke spent. Når drivsignalet ikke er null, presses fiberen mellom kvartsplåtene og undergår en forandring i dobbeltbrytning. Styring av kraften anvendt på fiberen vil derfor styre graden av dobbeltbrytning.

En annen metode for å styre polarisasjonen av en lysbølge er beskrevet i US patentskrift nr. 4,389,090, utstedt 21. juni 1983 til LeFevre, overdratt til Board of Trustees ved Leland Stanford Jr. University. LeFevre viser en rekke utførelser

av en polarisasjonsregulator som alle benytter et eller flere stykker av optisk fiber anordnet i en kveil med relativt liten radius for å spenne fiberen tilstrekkelig til å fremkalle dobbeltbrytning. Rotasjon av kveilens plan over forhåndsbestemte vinkler frembringer en styrt forandring i polarisasjonen av lyset ledet av fiberen.

Konstruksjon av en slik innretning som en fiberoptisk rotasjonssensor krever presis styring av polarisasjonen av de optiske signaler ledet av en optisk fiber.

Kveilene beskrevet av LeFevre gir tilstrekkelig polarisasjonsstyring i noen tilfeller, men slike polarisasjonsregulatorer er imidlertid best egnet til bruk under statiske forhold hvor polarisasjonen bare skal forandres med en forhåndsbestemt verdi. I en fiberoptisk rotasjonssensor går to motforp1antende bølger med samme polarisasjon gjennom et kveilet parti av en optisk fiber. Optiske polarisatorer eliminerer uønskede polarisasjoner fra systemet. Signaler levert til hver polarisator passerer først gjennom en po lar i sasjonsregulator for å sikre at bare lys med den ønskede polarisasjon leveres til polarisatoren for å unngå unødig tap av signalintensitet. LeFevres polarisasjonsregulator forandrer enhver levert polarisasjon med en forhåndsbestemt verdi slik at hvis polarisasjonen av inngangssignalet til po 1ari sasjonsregulatoren forandrer seg, så vil polarisasjonen av utgangssignalet fra polarisasjonsregulatoren også forandre seg.

US Patentsøknad nr. 557,844 fra George A. Pavlath, overdratt til Litton Systems, Inc. viser et fiberoptisk system som omfatter en polarisator som leder lys av ønsket polarisasjon i en fiber og som stråler lys med en uønsket polarisasjon ut av fiberen. Det utstrålte signal faller på en fotodetektor som frembringer et feilsignal som forsterkes før det leveres til en po 1ar isasjonsregulator som omfatter en rekke fiberklemmer. Fiberklemmene består av piezoe1ektri ske aktuatorer som påfører fiberen spenninger for å regulere polarisasjonen av lyset som faller på po 1ar i satoren. Systemet minimerer fe i 1signalene slik at polarisasjonen av inngangssignalet til po 1ar isatoren hovedsakelig er den ønskede polarisasjon.

Vansker har oppstått ved konstruksjon av fiberklemmer egnet

til å danne en polarisasjons-reguiator for å levere lys med den ønskede polarisasjon som inngang til polarisatorer i et optisk rotasjonsfølende system. For å skaffe den ønskede grad av polar isasjonsregulering med fiberklemmer kreves forbelastning av fiberen. Bruk av et passende elektrisk signal på en aktuator tillater belastningen på fiberen enten å økes eller minskes, noe som gir fullstendig styring av fiberens dobbeltbrytning. Imidlertid er den tillatelige deformasjon ved rom-temperatur ca. 1,0% før brudd finner sted. For en glassfiber med 75 mikrometers diameter er denne deformasjonen bare ca. 0,75 mikrometer. Tidligere innretninger for å forbelaste fiberen har benyttet kiler eller skruer som ikke har den nødvendige presisjon eller følsomhet for å forbelaste fiberen uten en betydelig risiko for å brekke fiberen. En slik innretning omfatter en justeringsskrue med omtrent 32 gjenger pr. cm inn-

rettet med en piezoeiektrisk aktuatbr dannet av blyzirkonat-titanat (PZT). Den piezoelektriske aktuator virker på en fiber holdt mellom to trykkplater. Dreiing av skruen for å føre den mot fiberen påkjenner fiberen.

En annen innretning av denne art omfatter en ramme med en skrue-drevet kile orientert slik at en plan overflate av kilen kommer i kontakt med en annen kile som holder en PZT-transduktor inn-til en trykkplate som overfører kraft fra transduktoren til fiberen. Dreiing av skruen for å føre kilen fremover i rammen perpendikulært på fiberen presser transduktoren mot fiberen og skaffer en forbe1 astning.

Den foreliggende oppfinnelse skaffer en fiberklemme som gir

en forbelastning på en optisk fiber og en fremgangsmåte for å montere fiberklemmen for å påføre en kompressiv sideveis forbelastning på en fiber uten å risikere brudd av fiberen.

Da fiberen er forbelastet, kan dens dobbeltbrytning varieres ved enten å øke eller minske den kompressive belastning utover forbelastningen.

Oppfinnelsen skaffer et bimodulært konstruksjonssys tem som tillater en trinnovergang mellom to distinkte faser. En av disse fasene er en "myk" forbelastning som lett kan justeres uten brudd av fiberen. Den første fase har en svak kraftdef-1 eksjonshelning og den annen har en bratt kraftdefleksjons-helning. Den første fase tillater følsom belastning og forhindrer brudd av fiberen på grunn av sin mykhet.

Den andre fase er et stivt system som effektivt retter signal-defleksjonene inn i fiberen for å skaffe polarisasjonsstyring. Trinnovergangen fra den første til den annen' fase oppnås ved fas tspenningsvirkni ngen av innretningen anvendt på tvers av forbe1astningskraften. Da den relative geometri av strukturen opprettholdes, er spenningen i systemet uforstyrret og en forandring eller forskyvning av initi a1beiastningen unngås.

Fiberen holdes mellom to lastplater med overflater i kontakt med fiberen og profilert for å hindre brudd av fiberen. En kjent statisk forbelastning påføres rammen, idet deler av rammen kan beveges for å overføre forbelastninger til fiberen. Delene av rammen er festet ved hjelp av egnede anordninger slik at forbelastningen forblir på fiberen.

I en piezoe 1 ektrisk transduktor holdes i en ramme og en passende spenning forbindes med den piezoe 1ektr iske transduktor for å frembringe en variasjon av kraften på fiberen over eller under forbelastningen. Derfor varieres brytningsindeksene til relativt til hverandre ved hjelp av den fotoelastiske effekt.

En første foretrukket utførelse omfatter rammen et par generelt L-formede elementer som fortrinnsvis er boltet sammen. Bena omslutter den piezoe1 ektr i ske transduktor, lastplatene

og fiberen. Boltene går gjennom huller i bena. Hullene gir tilstrekkelig klaring rundt bolten for å tillate relativ lengde-forskyvning av de L-formede elementene når fiberklemmen monteres. De L-formede elementene beveges relativt til hverandre for å plassere fiberen i kompresjon før boltene strammes.

En fjærst i ftinnretning' benyttes til å regulere graden av forbelastning påført fiberen. Fjærsti ftinnretningen omfatter en skrue me'd en fjærforspent stift som rager ut fra skruens spiss. Fjærsti ftinnretningen inkluderer en monteringsbrakett for å montere den på et ben på en av de L-formede elementene. Skruen føres frem til kontakt med et ben på det andre L-formede element for å presse fiberen sammen. En kjent kraft er nødvendig for å presse stempelet en forhåndsbestemt strekning som tillater påføring av en kjent forbelastning på fiberen.

En annen utførelse av rammen omfatter en generelt U-formet element med et par av utadrettede ben. En endeplate monteres mellom bena og transduktoren, lastplatene og fiberen holdes mellom endeplaten og det nedre parti av det U-formede element. Bolter strekker seg gjennom bena på det U-formede element og gjennom endeplaten som har passasjer for å motta boltene med tilstrekkelig klaring til å tillate bevegelse av endeplaten mellom bena for å komprimere fiberen før boltene strammes.

En polarisasjonsregulator kan konstrueres med en rekke fiberklemmer utført i henhold til oppfinnelsen. En første fiberklemme plasseres på et fotstykke med aksen til sin piezoelektriske transduktor med en vinkel på f.eks. 22,5° medsols fra vertikalen En annen fiberkiemme plasseres på et fotstykke med aksen til sin piezoe1ektri ske transduktor med en vinkel på 22,5° motsols fra vertikalen slik at den første og annen fiberkiemme frembringer krefter på fiberen som møtes med en vinkel pa o 45 o til hverandre..En tredje, fiberkiemme dannes hovedsakelig på samme måte som den første fiberkiemme. Dé tre fiberklemmene anordnes for å påføre krefter langs et fiberstykke for å variere dettes dobbeltbrytning. Hver fiberkiemme er formet for å gi en frem- og tilbakeføring på 20Y radianer i polarisasjon av signalet ledet av fiberen.- Det ble vist at den ovenfor be-skrevne anordning av fiberklemmer formet i henhold til oppfinnelsen gir muligheten av å regulere polarisasjonen av lys ledet av fiberen og generere et utgangssignal med en gitt polarisasjon for en vilkårlig inngangspo 1ari sasjon.

Fig. 1 er et perspektivriss som viser den generelle konstruksjon av en fiberkiemme omfattende en ramme dannet i henhold til den foreliggende oppfinnelse og viser en optisk fiber og en piezoe 1ektrisk transduktor festet i rammen,

fig. 2 viser et oppriss forfra av fiberklemmen på fig. 1 og hvordan gis en forbe1astning,

fig. 3 er et oppriss av fiberklemmen på fig. 1 og 2 og viser den optiske fiber festet mellom et par av lastplater og en anordning for å justere forbe1astningen anvendt på fiberen,

fig. 4 viser et perspektivriss av en piezoe1 ektr isk transduktor på fig. 1 og 2 og en skjematisk illustrasjon av kretsopp 1egget for å tilføre denne spenning,

fig. 5A er et tverrsnitt som viser fordelingen av krefter anvendt på fiberen på fig. 1-3,

fig. 5B viser et forstørret utsnitt av fig. 5A,

fig. 5C er et tverrsnitt som viser påføringen av to like, motsatt rettede linjekrefter og resulterende spenninger på den optiske fiber på fig. 5A og 5B,.

fig. 5D er et perspektivriss som viser spenninger i fiberen på fig. 5C og 5D,

fig. 6 er et oppriss som viser en annen rammekonstruksjon for en fiberkiemme utført i henhold til oppfinnelsen og viser på-føringen av en forbelastningskraft på rammen og den optiske fiber,

fig. 7 er et delvis tverrsnitt av fiberklemmen på fig. 6 og viser en justeringsanordning for å regulere mengden av forbelastningen påført fiberen,

fig. 8 er et tverrsnitt av en skrue for å påføre en forbelastning på de optiske fibere på fig. 1-3 og 6,

fig. 9 er et perspektivriss av en polar isasjonsregulator dannet av tre fiberklemmer i henhold til oppfinnelsen, og fig. 10 viser grafisk de to påkjente tilstandene for fiberen.

På fig. 1 og 2 omfatter en fiberkiemme 10 en ramme 12, en piezo-elektrisk transdukter 14, en første lastplate 16 og en annen lastplate 18. En optisk fiber 20 er festet mellom lastplatene 16 og 18 for å motta krefter langsetter når den piezoe 1ektriske transduktor 14 ekspanderer eller trekker seg sammen aksialt.

Rammen 12 omfatter et par generelt L-formede stempler 22 og 24. Stemplet 22 omfatter et første ben 26 og et annet ben 28 som strekker seg generelt perpendikulært bort fra det første ben

26. Det annet stempel 24 omfatter et ben 30 og et ben 32 som fortrinnsvis er forbundet til henholdsvis bena 26 og 28 med passende festeanordninger slik som en rekke bolter 34 og 35. Bena 22 og 26 er fortrinnsvis parallelle med henholdsvis bena 30 og 32. Som best vist på fig. 2 er lastplaten 16 fortrinnsvis dannet i et stykke med benet 26 og har generelt en plan overflate 40 som ligger mot den optiske fiber 20. Den annen lastplate 18 har et par av generelt parallelle plane overflater 42 og 44. Overflaten 44 er parallell med overflaten 42. Fiberen 20 er festet i kompresjon mellom overflatene 40 og 44 som vender mot hverandre . Som best vist på fig. 3 har overflatene 40 og 44 fortrinnsvis avrundete kanter 46 og 48 resp., ved steder hvor fiberen 20 går inn i eller ut fra klemmen 10. De avrundete kanter 46, 48 gir en gradvis påføring av kompresjonskraften langs stykket av fiberen 20 for å hindre brudd av fiberen når den går inn i eller ut av klemmen 10. Som best vist på fig. 1 og 3 er den piezoe 1ektr i ske transduktor 14 festet mellom overflaten 42 på lastcellen 18 og overflaten 49 på benet 32 av stemplet 24 slik at lengdeaksen av transduktoren 14 er parallell med bena 22 og 30. Følgelig vil påføring av en passende spenning over den piezoe1ektriske transduktor 14 frembringe en kompresjonskraft på fiberstykket 20 holdt mellom lastplatene 16 og 18.

P4 "I- 4 er den piezoe1ektri ske transduktor 14 fortrinnsvis dannet av .„ rekk. lag 14A, 14B etc. av ,t piezoelek_ tri.K ««eriaie slik som blyzirkona11i tanat (PZI, .ed en tyk-kelse pa omtrent 1,0-0,5 „„,. lage„e 14A, 14B etc. er vist5„, sirkulære skiver, „en de kan også vare rektangulære. En pas «nde spenningskUde 50 son, genererer en spenning V er for bundet „ed lagene 144, 14B etc. slik at det elektriske feit i Hvert lag har sa™, retning. Et materiale s„„ har den piezo elektriske egenskap utvider seg eller trekker seg sammen i retning av det utvendig påførte elektriske felt med en dimen-sjonsforandring proporsjonal med størrelsen av det elektriske felt. For en gitt spenning V og en lagtykkelse d er det elektriske felt E gitt ved E=V/d. Påføring av en spenning V over hver av de tynne lagene 14A, 14B etc. frembringer en større 1engdeforandring i den piezoe 1ektriske transduktor 14 enn hva som ville vært tilfelle hvis spenningen V bare ble påført over hele lengden av den piezoe1ektri ske transduktor 14.

Fig. 5A viser påføringen av en tverrgående kraft F på den optiske fiber 20 for å frambringe dobbeltbrytning. En kort for-klaring av naturen av spenningsindusert dobbeltbrytning følger for å vise forholdet mellom kraften påført fiberen 20 og graden av faseforskyvning frembragt i -fiberen og for å vise bestem-melsen av graden av forbelastning som er nødvendig for å skaffe styring av fasen av optiske signaler ledet av fiberen 20.

Når en kraft påføres radielt inneholder langs lengden av en sylinder deformere sylinderen slik at kraften fordeles langs et stykke b som vist på fig. 5B. Ved den foreliggende oppfinnelse er det ikke ønsket å brekke fiberen 20, derfor antas det at deformasjonen av fiberen 20 er innenfor dens elastiske grense. Det er velkjent at en elastisk sylinder belastet på tvers har et kontaktområde b slik at

hvor

d = fiberdiameteren

f = kraften pr. lengdeenhet på fiberen,

v-,= Poissons forhold for glass er 0,17,

v = Poissons forhold for stål er 0,27,

11 2

E = Youngs modulus for glass = 6,51 x 10 dyn/cm , og

12 2

E^= Youngs modulus for stål = 2,08 x 10 dyn/cm .

Diameteren av fiberen 20 er typisk ca. 75-80 yim , og kraften

pr. lengdeenhet er typisk omtrent 6-9 N/cm. Ved å sette fiberdiameteren til 75 um og sette de numeriske verdier gitt ovenfor inn i ligning 1 vises det at for en kraft pr. lengdeenhet på 6 N/cm er kontaktområdet b = 1,495 x 10 cm = 1,495 pm. For en kraft på 10 N/cm er. kontaktområdet b = 1,93 x 10~<4>cm = l,9 3)lliw

Beregningen viser at diameteren av fiberen 20 er omtrent femti ganger lengden av kontaktområdet b. Derfor kan den påførte kraft approksimeres som en linjekraft som vist på fig. 5C.

Det er vel kjent fra standardverk om elastisitet at to gjensidig perpendikulære spenninger crl og o"2 oppstår ved påføring av like og motsatt rettede kompresjonskrefter på en elastisk sylinder. Spenningene kan beregnes som

Spenningene al og cr2 gitt ovenfor i ligningene 2 og 3 er hovedspenningene ved fibersenteret og er henholdsvis parallelle og perpendikulære med den påførte kraft. Retningen av hovedspenningene er hovedaksene for dobbeltbrytning i fiberen 20.

Fra begrepet brytningsindeks-e11ipso iden fås det optiske faseforskyvning A9|| parallelt med den påførte kraft som

hvor konstantene P.. er de fotoelasti ske konstanter for fiberen 20. Den optiske faseforskyvning perpendikulær på den påførte kraft er Den frembragte dobbeltbrytning A(3 er forskjellen mellom fase-forskyvningene parallell og perpendikulær på den optiske akse og er lik Bruk av ligningene 4 og 5 i ligning 6 gir den frembragte dobbeltbrytning uttrykt ved fibrenes fysiske parametere, følge-lig Det er nødvendig å bestemme hovedspenningene e ^ og e^for å forutsi den frembragte dobbeltbrytning forårsaket av å påkjenne fiberen 20 som forklart ovenfor. Relasjonen mellom deforma-sjonene, spenningene og Poissons forhold for fiberen kan uttrykkes på matriseform som hvor spenningene o*l, o-2 og cr3 er gjensidig perpendikulære med spenningene crl og cr2 på tvers av fiberen 20 og spenningen cr3 aksialt langsetter fiberen 20 som vist på fig. 5d. Det ble funnet at spenningen o~3 langs aksen til fiberen 20 er negli-sjerbar samm.eniignet med spenningene crl og cr2 på tvers av fiberen 20 slik at spenningene e^og e^kan beregnes som Forskjellen mellom spenningene e^og e er som reduserer seg til

Ligning 7 viser at den nødvendige kraft for en dobbeltbrytning på 2. 1Z radianer er f = 6,115 x 10 5dyn eller 6,115 Newton.

Man må huske at uttrykkene og de numeriske verdier benyttet ovenfor er for likespente og kvas istat i ske forhold. Fiberklemmen på fig. 1 har en flat frekvensrespons fra likespenning til 10 kHz. Når en kraft på 6 Newton påføres fiberen 20 må fiberen

20 og den piezoeiektr iske transdukter 14 betraktes som et enkelt system. Hvis den piezoe1ektriske transduktéren 14 er en PZT-søyle, må PZT utvikle en kraft på omtrent 20,4 Newton for å levere en kraft på 6,1 Newton til fiberen 20. Hvis den blokkerte kraft utviklet av PZT betegnes F B og kraften på fiberen betegnes F er den tilnærmede relasjon mellom den blokkerte kraft utviklet av PZT og den kraften som reellt leveres til fiberen 20

Faktoren 0,3 skyldes at elastisiteten av PZT fiberen 20 og rammen virker som et elastisk system.

For å skaffe fullstendig styring av polarisasjonen av et optisk signal som .forplanter seg i fiberen 20 påføres en aksial forbelastning på den piezoe 1ektr iske transduktor 14. Den aksiale forbeiastning gir et statisk arbeidspunkt slik at både økninger og minskninger av den aksiale belastning på den piezoe1 ektr i ske transduktor 14 vil ha en virkning på polarisasjonen av signalet.

Rammen 10 og den piezoe 1ektri ske transduktor 14 må bære en valgt forbelastning slik at den piezoe1ektriske transduktor 14 kan pådras til å presse sammen fiberen 20 for å generere den ønskede dobbeltbrytning for en forandring i polarisasjonen av et optisk signal ledet av fiberen 20. Det ble vist at et stykke optisk fiber under sideveis kompresjon av den piezoelektriske transduktor 14 vil frembringe en po 1arisasjonsfor-sinkelse i det optiske signal proporsjonalt med det elektriske felt påført den piezoelektriske transduktor 14. Den påførte forbe1astning kan være en forhåndsbestemt statisk belastning eller en variabel forhåndsbelastning bestemt av en trykkfølende innretning som polererer påført belastning med po1arisasjonsfor-sinkelsen.

På fig. 1-3, 6 og 8 forbelaster en fjærstiftinnretning 51 fiberen 20 i kompresjon mellom lastplatene 16 og 18. Fjærstiftinnretningen 51 omfatter en L-formet monteringsbrakett 24 som festes på en ende av benet 30 og strekker seg over benet 32.

En monteringsskrue 53 fester fjærstiftinnretningen 51 til benet 28. En gjenget passasje 56 i monteringsbraketten 52 er plassert over benet 32 koaksialt med den piezoe 1ektri ske transduktor

14. En skrue 57 i den gjengede passasje 56 omfatter et hult kammer 58 til montering av en spiralfjær 59 og en hul aksel 63 som holder et stempel 60. Spiralfjæren 59 forspenner stempelet 60 som har en ende 61 som vanligvis rager ut fra en ende 62 på skruen 57. Fjæren 59 er kalibrert slik at en kjent kraft er nødvendig for å bevege stempelet 60 inn i kammeret 58. Skruen føres frem mot en ytre overflate av benet 32 med en kraft tilstrekkelig til å bevege stempelet 60 inn i kammeret 58 .

Som vist på fig. 1-3 settes bolter 34, 35 inn gjennom tilsvarende passasjer 66, 68 i bena 28 og 30 resp. Boltene 34 gripes ved gjenger i en passasje 69 i benet 32 og boltene 35 gripes

ved gjenger i en passasje 70 i benet 26. Passasjene 66, 68

er noe langstrakte som vist på fig. 1-3 for å skaffe justering av stillingen av stempelet 22 relativt til stempelet 24.

Det ble vist at en statisk forbelastning omtrent 20 newton

på rammen 12 gir et passende statisk arbeidspunkt for den piezoelektriske transduktor 14 for å regulere polarisasjonen av optiske signaler ledet av fiberen 20. Påføring av 20 newton på rammen for sideveis sammenpressing av fiberen 20 resulterer 2

i et trykk på 879 kp/cm påført et stykke på omtrent 1,27 cm av fiberen 20. Dette trykket forårsaker en deformasjon på omtrent 0,12 u. Etter at den ønskede forbelastning er påført rammen 12 ved en korrekt fremføring av den passende kalibrerte fjærstiftinnretning 51 mot benet 32, strammes boltene 34, 35 sikkert uten å forstyrre den langsgående geometri av fiberklemmen 10. Etter at boltene 34, 35 er festet kan monteringsskruen 53 fjer-nes fra benet 28.

Forbelastningen på 20 newton kan trygt påføres fiberen 20 som har en typisk bruddbe1 astning større enn 40 newton. Bruddbe-lastningen svarer til et trykk på omtrent 1314 kp/cm 2 i fiberen, godt ovenfor.det virkelige trykk påført fiberen 20. For å oppnå polarisasjonsforandringer på + 2^Ci det optiske signalet ledet av fiberen. 20 må den piezoe 1ektr iske transduktor 14 enten utvide seg eller t.rekke seg sammen for å øke eller minske kraften på fiberen 20. Den piezoe 1 ektr i ske transduktor 14 og spenningski 1 den V kan hensiktsmessig være dannet for å samvirke for å påføre ytterligere 7 newton på fiberen 20 og for å trekke seg sammen for å redusere kraften på fiberen 20 til 13 newton. Derfor virker fiberklemmen 10 slik at den leverer krefter +_

7 newton omkring det statiske arbeidspunkt på 20 newton.

Fig. 6 og 7 viser en annen ramme 71 for å holde fiberen 20

med en gitt forbelastning. Rammen 71 omfatter et fotparti 72 dannet generelt som et Uformet element mgd ben 74 og 76 som strekker seg utover. En endeplate 78 kan festes mellom bena 74, 76 med passende bolter 80 for å feste den piezoe1ektr i ske

transduktor 14 og fiberen 20 i sideveis kompresjon mellom par lasteplater som beskrevet med henvisning til fig. 1-3. Endeplaten 78 omfatter par passasjer 82 som boltene 80 strekker seg gj ennom.

Som best vist på fig. 7 er diameteren av passasjen 82 større enn diameteren av bolten 80 for å gi en klaring som tillater justering av kompresjonskraften på fiberen 20. Som vist på

fig. 6 benyttes fjærstiftinnretningen 51 til å forbelaste fiberen 20 på en måte som er lik den som er beskrevet med henvisning til fig. 1-3. Etter at fiberen er forbelastet av fjærstiftinnretningen 51, festes boltene 80 til rammen 70 for å opprett-holde kraften på fiberen 20.

Fig. 9 viser de tre fiberklemmene 82, 84 montert på en enkel fiber 86 for å danne en polarisasjonsregulator 88. Klemmene 82-84 er montert på fotstykket 86-88 resp. Fiberklemmen 82

har et benparti 90 som hviler på en plan skrå overflate 94

av fotstykket 86 slik at lengdeaksen av klemmen heller 22,5° medsols fra vertikalen. Klemmen 84 er montert på overflaten 96 på fotstykket 88. Overflatene 94 og 96 er parallelle slik at aksene av klemmene 82 og 84 er parallelle. Klemmen 83 er montert på en overflate 98 orientert 45° motsols fra vertikalen. Følgelig danner lengdeaksen av klemmen 83 en vinkel på 45° med lengdeaksene til klemmene 82 og 84.

Aksene av klemmene 82, 84 er orientert som vist på fig. 9 og beskrevet ovenfor fordi det er funnet at for generelt å skaffe fullstendig styring av polarisasjonen av et optisk signal ledet av fiberen 86, bør fiberklemmene 82 og 84 påføre parallelle kompresjonskrefter på fiberen hvor kraften av fiberklemmen 83 bør danne en vinkel på 45° til kraften av fiberklemmene 82 og 84. Et passende kontrollsystem (ikke vist) overvåker polarisasjonen levert til og fra polarisasjonsregulatoren 88 for å regulere graden av spenning som påføres hver fiberkiemme 82-84. Hvis fiberen ikke er dobbeltbrytende er det mulig å benytte bare fiberklemmene 82, 83 for å styre polarisasjonen av det optiske signal ledet av fiberen 86. I virkelig bruk er fiberen 86 altid noe dobbeltbrytende slik at alle de tre fiberklemmene 82-84 er nødvendige.

Fig. 10 viser grafisk relasjonen mellom belastningen på fiberen 20 i den statiske tilstand når bare forbelastningen påføres og belastningen påføres av bare én av fiberklemmene.Den statiske tilstand blir referert til som "fase 1 og den aNDre lasttil-standen refereres til som "fase 2". Grafene er ikKe i samme skala. I realiteten er grafen for fase 1 nesten horisontal og grafen for fase 2 nesten vertikal. På fig. 10 repreSEnterer symbolet K den strukturelle fjærhastighet for systemeT under kompresjon.

Oppfinnelsen skaffer en bimOdulært strukturelt system som tillater en trinnovergang mellom to distinkte faser. Fase 1 er en "myk" forbelastning som lett kan justeres uten å brekke fiberen 20. Den første fase muliggjør følsom belastning og forhindrer brudd av fiberen på grunn av sin mykhet.

Fase to er et stivt system som effektivt retter signaldeflek-sjonene inn i fiberen for å skaffe polar isasjonsstyring. Trinnovergangen fra den første fase til den annen fase oppnås ved fastsp enningsvirkningen av innretningen påført på tvers av forbelastningskraften.. Da den relative geometri av konstruk-sjonen oppretteholdes er systemspenningen uforstyrret og man unngår enhver forandring eller forspenning av initialbelast-n i ngen.

Claims (9)

1. Klemmapparat for å påføre en transvers kompresjonskraft på et stykke optisk fiber som forplanter et optisk signal, karakterisert ved at apparatet omfatter et første stempel, et annet stempel forbundet med første stempel, en transduktor festet mellom det første og annet stempel og med det optiske fiberstykket festet mellom det første stempel og transduktoren, en anordning for å påføre en forhåndsbestemt transvers komp resjonskraft på det optiske fiberstykket.og en anordning for å pådra transduktoren til å ekspandere eller trekke seg sammen for selektivt å øke eller minske kompresjonskraften på den optiske fiber for å regulere polarisasjonen av det optiske signal.

2. Apparat i henhold til krav 1, karakterisert ved at transduktoren omfatter en søyle av piezoe1ektrisk materiale, og en anordning for å påføre en kontro 11sp enning til søylen av det piezoe1 ektriske materialet.

3. Apparat i henhold til krav 1, karakterisert ved at det dessuten omfatter en første lastplate montert på det første stempelet og en annen lastplate montert på transduktoren slik at stykket av optisk fiber holdes mellom den første og annen lastplate idet både den første og annen lastplate har plane partier som vendes mot hverandre med kanter formet til å spre nærmeste steder hvor stykkene av optisk fiber kommer inn og ut av området mellom den første og annen lastplate.

4. Apparat i henhold til krav 1, karakterisert ved at stemplene omfatter en anordning for å velge den forhåndsbestemte kraft som skal på-føres stykket av optisk fiber.

5. Apparat i henhold til krav 1, karakterisert ved at valganordningen omfatter festeanordninger dannet for inngrep med én av stemplene, idet den andre av stemplene har en passasje seg igjennom for å motta festeanordningen for å feste stemplene til hverandre, idet passasjen gir et justeringsområde av stillingene til stemplene relativt til hverandre.

6. Fremgangsmåte for å regulere dobbe 1tbrytni ngen av et optisk signal ledet av et stykke optisk fiber, karakterisert ved at den omfatter følgende tri nn: plassering av et stykke optisk fiber mellom et første stempel og en transduktor, montering av et annet stempel til det første stempel med transduktoren, og feste av den optiske fiber mellom første og annet stempel, idet første og annet stempel kan beveges relativt til hverandre, påføring av en kjent kompresjonskraft til første og annet stempel for å presse transduktoren og lengden av det optiske fiberstykket sammen mellom stemplene slik at en forhåndsbestemt kompresjonskraft påføres det optiske fiberstykke for å frembringe en forhåndsbestemt dobbeltbrytning i det optiske fiberstykket, og sammenfestning første og annet stempel for å holde den forhåndsbestemte kompresjonsbelastning på< det optiske fiberstykke etter at den kjente kompresjonskraft er fjernet fra stemplene.

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 6, karakterisert ved at den dessuten omfatter et trinn for å montere et stykke av optisk fiber mellom et par lastplater forbundet mellom transduktoren og ut første s temp e1 .

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 6, karakterisert ved at den dessuten omfatter et trinn for å ekspandere eller trekke sammen transduktoren for å variere kompresjonsbelastningen på stykke av den optiske fiber over eller under den forhåndsbestemte kompresjonsbelastning for å regulere dobbe1tbrytningen i stykket av optisk fiber.

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, karakterisert ved at den dessuten omfatter et trinn for å montere et stykke av den optiske fiber mellom et par lastplater forbundet mellom transduktoren og det første stempel.