WO2000013056A2 - Polarisationstransformator mit einstellbaren eigenmoden der polarisationselemente - Google Patents

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WO2000013056A2
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    • G02F2203/07—Polarisation dependent

Definitions

  • the invention relates to a polarization transformer according to the preamble of patent claim 1.
  • a polarization transformer serves to change the state of polarization of an electromagnetic, preferably optical, wave.
  • Polarization transformers which can be used both for m PMD capacitors and for other purposes, for example for setting a desired input polarization state at the input of a polarization-dependent optical amplifier, are known in principle and are, for example, m IEEE Journal of Light Wave Technology, Vol. 8, no 3 March 1990, or described.
  • liquid crystal crystal To control the polarization, liquid crystal
  • a polarization transformer consists of three retarders through which a light wave passes. Two retarders work as a unit independently of the third and are controlled by two independent control loops.
  • the disadvantage of the retarder is that nematic liquid crystals are used. These have a low response speed, which is not sufficient for commercial use.
  • the delay is variable while the eigenmodes are fixed. This means that when the delay limits are reached, resetting operations are required in operation, which are difficult to implement and can cause transmission errors.
  • the object of the invention is therefore to provide a polarization transformer which can be implemented with a few retarders and which does not require any reset processes. Should also be possible without a mechanically movable retarder.
  • the polarization transformer described can be implemented with little effort and low self-vaporization. By using a minimal number of retarders, the construction volume is also reduced.
  • the polarization transformer enables the so-called "endless" polarization control. This means that a certain initial polarization state can be transformed into any initial polarization state and that any given changes in this initial polarization state can be achieved directly, that is, without detours via further polarization states. The same applies correspondingly to the transformation of any variable transformation state to a specific fixed polarization state.
  • bit error rate of an optical data transmission system depends on the state of polarization and this in turn depends on fluctuations in the position Larization transmission behavior of a long fiber optic link is influenced, an infinite polarization control would cause short periods with very high bit error rates, while an endless polarization control can avoid this.
  • the inventive polarization transformer is theoretically ⁇ table with three different polarization elements, but m large areas need to be adjustable.
  • the appropriation of several polarizing elements let bigger To ⁇ tolerances to and comes with low E Vice ranges from.
  • the use of ferroelectric liquid crystal cells is also possible, so that movable elements are eliminated.
  • FIG. 1 shows a polarization ellipse
  • FIG. 2 shows a Pomcare ball
  • FIG. 3 shows a polarization transformer according to the invention
  • FIG. 9 a transmission device
  • Figure 10 shows a compensator for polarization mode dispersion.
  • the so-called Pomcare sphere has been used to represent polarization states.
  • a polarization state is represented by a normalized Stokes vector. Since the length of the vector for fully polarized light is 1, its endpoints are on the surface of the sphere.
  • FIG. 1 shows the so-called polarization lipse.
  • the axes x and y lie in a plane perpendicular to the direction of propagation of the axis z.
  • the electrical field strength components are labeled Ex and Ey, ⁇ denotes the elevation angle of the major axis c (Main direction of polarization) with respect to the x-axis and ⁇ the ellipticity angle.
  • the Poincare sphere lung denotes the S-axis represents the amount of horizontal or vertical polarization. Since double angles are plotted in the Poincare sphere, negative values on the Sl axis mean vertical polarization. Pl corresponds to a horizontal polarization state and P2 to a vertical polarization state.
  • the S2 axis stands for + 45 ° / -45 ° linear polarization and the S3 axis for right / left circular polarization.
  • Be ⁇ will be discussed further on this basis, the operation of the polarization transformer is illustrated.
  • FIG. 3 shows an embodiment of the polarization transformer PT.
  • the light wave LW arriving via an optical waveguide LWL is fanned out in a gradient lens L1 and passes through various polarization elements or retarders W1 to W6 in order to be combined in a second lens L2 and via a polarization-maintaining optical waveguide PMF (with a length that corresponds to a group delay time difference between the two polarizations obtained) to be coupled out.
  • Suitable retarders W1 to W6 are wave plates and particularly ferroelectric liquid crystal cells that are provided with electrodes and act as polarization elements by applying control voltages U1 to U6.
  • Each retarder has two eigenmodes that are orthogonal to each other and an approximately constant te transit time difference, called delay for short, between "fast” and “slow” eigenmodes.
  • a mental intermediate step is useful to facilitate understanding.
  • a prerequisite for the desired mode of operation is that the polarization transformer has, at least approximately, a total delay between its orthogonal eigenmodes corresponding to ⁇ rad, that is to say it can cause a polarization change of 90 ° in the case of horizontal or vertical input polarization.
  • the polarization transformer viewed as a homogeneous element, naturally also has orthogonal eigenmodes in addition to the delay mentioned.
  • the polarization transformation caused by it can therefore be specified in the form of a single rotation.
  • the axis of rotation runs through the two eigenmodes. In the example given, it lies on the plane formed by the axes S2 and S3 and the angle 2 ⁇ is specified between the positive S2 axis and the axis of the great circle.
  • the transfer of one polarization state to the other polarization state takes place in each case via a large circle GK (from any number of large circles).
  • FIG 4 smoothly to reduce given elevation angle linearly, to reach a value determined by 2 ⁇ defined ⁇ large circle to the desired polarization state. Since with the elevation angle in general the eigenmodes of the entire polarization transformer change a little at the same time, for example, emerge from the plane formed by the axes S2 and S3, the group of elevation angles that is read at the associated value 2 ⁇ is not exactly decisive, but rather a value group of elevation angles, which can be read from its neighbors, and which can be reduced linearly and evenly. In this case, the desired polarization state PB is nevertheless achieved.
  • Additional functionality which provides robustness to fluctuations of all types occurring during operation, for example temperature fluctuations, is obtained if, in the event of a delay of at least approximately ⁇ , the eigenmodes of the polarization transformer cannot only be set endlessly on a large circle of the Pomcare sphere, but also the neighborhood of this great circle.
  • a corresponding tolerance band TB, within which the eigenmodes of the polarization transformer can move with a set delay of ⁇ is shown schematically in FIG.
  • This additional functionality arises automatically, especially in cases where the polarization transformer consists of four or more individual retarder is composed by the individual control options of these retarders.
  • the functions shown for the elevation angles to be set fluctuate around mean values at which the input polarization passes through the polarization transformer unchanged. In this way it is ensured that all possible polarization states lying between the possible output polarizations mentioned can also be achieved by a corresponding value group with low amplitudes.
  • the elevation angles shown in FIG. 4 must be implemented taking into account non-imperfections and non-constant delays between the eigenmodes of the retarders and control voltages and are dependent on the runtime differences of the eigenmodes.
  • the advantage of this exemplary embodiment is the very small number of wave plates required; the relatively large maximum required adjustment of the eigenmodes is disadvantageous.
  • Ferroelectric liquid crystal cells which are particularly suitable for implementation, currently only have partial ranges of +/- 45 ° or less.
  • This polarization transformer has the advantage that only one type of wave plate or liquid crystal element is required, the last two of which are rotated by 90 °. The rotation by 90 ° swaps the slow and fast eigenmodes, so that the sign of the delay changes in relation to the original eigenmodes.
  • the maximum required adjustment ranges of the double elevation angle are approximately +/- 1.1 rad. This can already be achieved with ferroelectric liquid crystal cells (FLC). Instead of the deceleration mentioned, slightly different values (0.96 ... 1.1) x 2.123rad can be used.
  • the three rear wave plates are rotated by 90 ° in relation to the three front ones in order to be able to realize negative deceleration values with the same components.
  • Verzog proceedingssen bez resembled the central element to make symmetrical because, resulting in this way mög ⁇ lichst small maximum required setting ranges of the double--coupled elevation angle 2x ⁇ l, 2x ⁇ 2 ....
  • wave plates have linear eigenmodes, this does not apply unreservedly to ferroelectric liquid crystal cells, since these have chiral molecules and a helical molecular superstructure. Nevertheless, the invention can also be used without restriction in these cases, provided that the eigenmodes move on a great circle of the Pomcare sphere when a cell voltage is applied. In practice, this will not always be the case. Nevertheless, a polarization transformer according to the invention can also be easily implemented for such cases, for example with ferroelectric liquid crystal cells, if four or more liquid crystal cells are provided. Even the case where the Verzogerun ⁇ gen not constant ben remain at a change of the eigenmodes, is controlled by the additional degrees of freedom. With reference to FIG.
  • the points P1 and P2 on the Pomcare sphere are not or not exactly opposite one another.
  • the selectable function curves of the adjustable eigenmodes go with increasing number of retarders more and more sine curves about. Exact sine waveforms on all wave plates can only be achieved with an infinite number of wave plates.
  • a polarization transformer according to the invention can replace the previous polarization transformers, as described for example in patent application DE 36 31 798.5.
  • the use of the invention in the transmission-side compensation or, more precisely, the avoidance of polarization dispersion of the first order is possible in that the
  • Transmitting polarization corresponds to a polarization of the transmission path which is not subject to the polarization mode dispersion at the first location, a so-called "principal state of polarization".
  • ferroelectric liquid cells for example, can be built into the transmitting laser module at the same time. This is shown in principle in FIG Laser LA and a polarization transformer PT are combined.
  • the invention can also be used as a compensator for polarization mode dispersion.
  • a polarization transformer PT1, PT2, PT3, ... and a delay element, which has an approximately frequency-dependent large delay time between its principal states of polarization for example a piece of polarization-maintaining fiber PMF1, PMF2, PMF3, .. from a light wave Run through LW.
  • Such a compensator is preferably used at the receiver end at the end of the transmission path.
  • the input polarization is no longer the same as point P1 (FIG. 1).
  • the requirements for the polarization transformers are identical to those described above.

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Abstract

Der Polarisationstransformator (PT) enthält 3 bis 8 Polarisationselemente (W1, W2, ...), von denen mindestens 3 individuell angesteuert werden und bei dem die Eigenmoden so eingestellt werden können, daß sich zumindest insgesamt näherungsweise eine Laufzeitdifferenz zwischen den Eigenmoden von π rad ergibt. Durch lineare Änderung der Einstellwerte kann jeder Polarisationszustand erreicht werden.

Description

Beschreibung
Polarisationstransformator mit einstellbaren Eigenmoden der Polaπsationselemente
Die Erfindung betrifft einen Polarisationstransformator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Em Polarisationstransformator dient zur Veränderung des Po- larisationszustandes einer elektromagnetischen, vorzugsweise optischen Welle.
In der optischen Übertragungstechnik werden lange Lichtwel- lenleiter-Ubertragungstechniken eingesetzt. Die Lichtwellen- leiter sind herstellungsbedingt nicht vollständig isotrop, sondern schwach doppelbrechend. Wegen der großen Ubertra- gungslange ergibt sich hierdurch eine frequenzabhangige Pola- πsationstransformation, Polaπsationsmodendispersion (PMD) oder kurzer Polarisationsdispersion genannt. Diese fuhrt ms- besondere zur Verbreiterung gesendeter Impulse, wodurch die Ubertragungsdatenrate limitiert wird. Eine Kompensation wird dadurch erschwert, daß sich die Polarisationsmodendispersion durch unterschiedliche Temperaturen oder mechanische Beanspruchung verändert. Deshalb werden adaptive PMD- Kompensatoren benotigt, die, m den Ubertragungspfad eingefügt, die schädlichen Auswirkungen kompensieren sollen.
Polarisationstransformatoren, welche sowohl m PMD- Ko pensatoren als auch zu anderen Zwecken, beispielsweise der Einstellung eines gewünschten Emgangspolarisationszustandes am Eingang eines polarisationsabhangigen optischen Verstärkers, eingesetzt werden können, sind prinzipiell bekannt und beispielsweise m IEEE Journal of Light Wave Technology, Vol. 8, Nr. 3, March 1990, Page 459 - 465 oder beschrieben. Zur Steuerung der Polarisation werden Flussigkristall-
Retarder verwendet. Ein Polarisationstransformator besteht hier aus drei von einer Lichtwelle durchlaufenen Retardern. Zwei Retarder arbeiten als Einheit unabhängig vom dritten und werden von zwei unabhängigen Regelkreisen angesteuert. Der Nachteil des Retarders besteht darin, daß nematische Flussig- kristalle verwendet werden. Diese haben eine niedrige, für kommerziellen Einsatz nicht ausreichende Ansprechgeschwindigkeit. Außerdem ist die Verzögerung variabel, wahrend die Eigenmoden fest sind. Dies bedeutet, daß, wenn die Verzoge- rungsgrenzen erreicht sind, im Betrieb Rucksetzvorgange erforderlich sind, welche schwierig zu implimentieren sind und Ubertragungsfehler bewirken können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen mit wenigen Retardern realisierbaren Polarisationstransformator anzugeben, der keine Rucksetzvorgange erfordert. Ersoll auch ohne mechanisch beweglich Retarder realisierbar sein.
Diese Aufgabe wird durch einen Polarisationstransformator nach Anspruch 1 gelost.
Wesentlich bei diesem Polarisationstransformator ist, daß zumindest drei Polaπsationselemente unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Der beschriebene Polarisationstransformator laßt sich mit geringem Aufwand und niedriger Eigendampfung realisieren. Durch die Verwendung einer minimalen Anzahl von Retardern wird auch das Bauvolumen verringert. Der Polarisationstransformator ermöglicht die sog. "endlose" Polaπsati- onsregelung. Dies bedeutet, daß ein bestimmter Emgangspola- risationszustand m jeden beliebigen Ausgangspolarisationszu- stand transformiert werden kann, und daß beliebige vorgegebe- ne Änderungen dieses Ausgangspolarisationszustands auf direktem Wege erreicht werden können, also ohne Umwege über weitere Polarisationszustande . Entsprechendes gilt für die Transformation eines beliebigen variablen Transformationszustandes einem bestimmten festen Polaπsationszustand. Diese Eigen- schaff ist von besonderer Bedeutung, da die Bitfehlerrate eines optischen Datenubertragungssystems vom Polaπsationszu- stand abhangt und dieser seinerseits von Schwankungen des Po- larisationsubertragungsverhaltens einer langen Lichtwellen- leiterstrecke beeinflußt wird, eine nicht endliche Polarisa- tionsregelung kurze Perioden mit sehr hohen Bit-Fehlerraten bewirken wurde, wahrend eine endlose Polarisationsregelung dies vermeiden kann.
Der erfindungsgemaße Polarisationstransformator kommt theore¬ tisch mit drei verschiedenen Polarisationselementen aus, die jedoch m großen Bereichen verstellbar sein müssen. Die Ver- wendung von mehreren Polarisationselementen laßt größere To¬ leranzen zu und kommt mit geringen E stellbereichen aus. Auch ist die Verwendung von ferroelektrischen Flussigkri- stallzellen möglich, so daß bewegliche Elemente entfallen.
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Figuren naher beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 eine Polaπsationsellipse,
Figur 2 eine Pomcare-Kugel,
Figur 3 einen erf dungsgemaßen Polarisationstransformator,
Figur 4 bis 8 verschiedene Ansteuerdiagramme, Figur 9 eine Sendeeinrichtung und
Figur 10 einen Kompensator zur Polaπsationsmodendispersion.
Zur Darstellung von Polarisationszustanden hat sich die sog. Pomcare-Kugel bewahrt. Ein Polarisationszustand wird durch einen normierten Stokes-Vektor dargestellt. Da die Lange des Vektors für vollständig polarisiertes Licht gleich 1 ist, liegen seine Endpunkte auf der Kugeloberflache. Zum besseren Verständnis ist m Figur 1 zunächst die sog. Polaπsationsel- lipse dargestellt. Die Achsen x und y liegen m einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Achse z. Die elektrischen Feldstarkekomponenten sind mit Ex und Ey bezeichnet, θ bezeichnet den Erhebungswinkel der großen Hauptachse c (Hauptrichtung der Polarisation) gegenüber der x-Achse und ε den Elliptizitätswinkel. In der dreidimensionalen Datenstel¬ lung der Poincare-Kugel bezeichnet die Sl-Achse den Grad der horizontalen bzw. vertikalen Polarisation. Da in der Poin- care-Kugel die doppelten Winkel aufgetragen sind, bedeuten negative Werte auf der Sl-Achse eine vertikale Polarisation. Pl entspricht einem horizontalen Polarisationszustand und P2 einem vertikalen Polarisationszustand. Die S2-Achse steht entsprechen für +45°/-45° lineare Polarisation und die S3- Achse für rechts-/linkszirkulare Polarisation.
In die Poincare-Kugel sind außerdem der Äquator und die von den Achsen S2 und S3 aufgespannte Ebene eingezeichnet; die von den Achsen Sl und S3 aufgespannte Ebene wurde dagegen nur angedeutet .
Mittels einer "endlosen" Polarisationsregelung soll ein bestimmter Einganspolarisationszustand, beispielsweise Pl (Sl = 1) in jeden beliebigen Ausgangszustand transformiert und auch eine beliebige vorgegebene Änderung dieses Ausgangspolarisa- tionszustandes auf direktem Wege erreicht werden können. Be¬ vor hierauf weiter eingegangen wird, soll die Arbeitsweise des Polarisationstransformators näher erläutert werden.
In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel des Polarisation- stransformators PT dargestellt. Die über einen Lichtwellenleiter LWL ankommende Lichtwelle LW wird in einer Gradientenlinse Ll aufgefächert und durchläuft verschiedene Polarisationselemente oder Retarder Wl bis W6, um in einer zweiten Linse L2 zusammengefaßt zu werden und über einen polarisati- onserhaltenden Lichtwellenleiter PMF (mit einer Länge, die einer GruppenlaufZeitdifferenz zwischen den beiden erhaltenden Polarisationen liegt) ausgekoppelt zu werden. Als Retarder Wl bis W6 eignen sich Wellenplatten und besonders ferro- elektrische Flüssigkristallzellen, die mit Elektroden verse- hen sind und durch das Anlegen von Steuerspannungen Ul bis U6 als Polarisationselemente wirken. Jeder Retarder weist zwei zueinander orthogonale Eigenmoden und eine annähernd konstan- te Laufzeitdifferenz, kurz Verzögerung genannt, zwischen „schnellen" und „langsamen" Eigenmoden auf. Durch individuel¬ le Steuerung der Retarder mit unterschiedlichen Spannungen können von einem bestimmten Polaπsationszustand, beispiels- weise Pl (Sl = 1) ausgehend samtliche Punkte auf der Oberfla¬ che der Pomcare-Kugel, d.h. samtliche Polarisationszustande erreicht werden.
Zur Erleichterung des Verständnisses ist ein gedanklicher Zwischenschritt zweckmäßig. Eine Voraussetzung zur gewünschten Funktionsweise ist, daß der Polarisationstransformator zumindest naherungsweise eine gesamte Verzögerung zwischen seinen orthogonalen Eigenmoden entsprechend π rad besitzt, also im Fall horizontaler oder vertikaler Emgangspolansati- on eine Polarisationsanderung um 90° bewirken kann. In der
Darstellung auf der Pomcare-Kugel bedeutet dies, daß der Po- larisationszustand Pl auf der Achse Sl m den Polarisations- zustand P2 (Sl = -1) übergeführt werden kann, der dem Punkt Pl gegenüberliegend dargestellt ist. Der Polarisationstrans- formator, als homogenes Element betrachtet, besitzt neben der genannten Verzögerung naturlich auch orthogonale Eigenmoden. Die von ihm bewirkte Polarisationstransformation laßt sich deshalb m Form einer einzigen Drehung angeben. Die Drehachse verlauft durch die beiden Eigenmoden. Im angegebenen Beispiel liegt sie m der von den Achsen S2 und S3 gebildeten Ebene und der Winkel 2γ wird zwischen der positiven S2-Achse und der Achse des Großkreises angegeben. Die Überführung des einen Polarisationszustandes m den anderen Polansationszu- stand erfolgt jeweils über einen Großkreis GK (von beliebig vielen Großkreisen) .
In Figur 4 sind für einen Polarisators mit 3 Retardern Wl, W2, und W3 die Funktionen der Einstellwerte, hier die jeweiligen doppelten Erhebungswinkel 2xθl, 2xθ2 und 2xθ3 der em- zelnen Retarder, dargestellt, bei denen für die unterschiedlichsten Werte von 2γ (2γ entspricht der Schwenkung der Eigenmoden bzw. der Achse eines Großkreises um die Sl-Achse und gibt damit beliebige durch S = 1 und S = -1 gehende Großkrei¬ se an) ein linearer E gangs-Polarisationszustand Pl (Sl = 1) mit einem Erhebungswinkel von 0° auf der Ausgangsseite zu ei¬ nem Polarisationszustand mit einem Erhebungswinkel von π/2 (Sl= -1) wird, d.h. zu einem senkrechten Polarisationszustand wird.
Will man jedoch nicht diese maximale Änderung des Polarisati- onszustandes erreichen, sondern einen zur Kompensation erfor- derlich „Betriebs-Polarisationszustand" PB, so sind die m
Figur 4 angegebenen Erhebungswinkel gleichmäßig linear zu reduzieren, um auf einem bestimmten durch 2γ festgelegten Gro߬ kreis zum gewünschten Polarisationszustand zu gelangen. Da sich mit der Erhebungswinkel im allgemeinen auch gleichzeitig die Eigenmoden des gesamten Polarisationstransformators ein wenig verandern, beispielsweise aus der durch die Achsen S2 und S3 gebildeten Ebene heraustreten, ist nicht genau die Gruppe von Erhebungswinkeln maßgebend, die bei dem zugehörigen Wert 2γ abgelesen wird, sondern eine m deren Nachbar- schaff ablesbare Wertegruppe von Erhebungswinkeln, die gleichmäßig linear zu reduzieren ist. In diesem Fall gelangt man trotzdem zum gewünschten Polarisationszustand PB .
Zusätzliche Funktionalität, welche im Betrieb Robustheit ge- genuber auftretenden Schwankungen aller Arten, beispielsweise Temperaturschwankungen verschafft, erhalt man, wenn im Fall einer eingestellten Verzögerung von wenigstens naherungsweise π die Eigenmoden des Polarisationstransformators nicht nur auf einem Großkreis der Pomcare-Kugel endlos eingestellt werden können, sondern auch der Nachbarschaft dieses Großkreises. Ein entsprechendes Toleranzband TB, innerhalb dessen sich die Eigenmoden des Polarisationstransformators bei eingestellter Verzögerung von π bewegen können, ist schematisch m Figur 2 dargestellt. Diese zusätzliche Funktionalität er- gibt sich automatisch, insbesondere m solchen Fallen, m denen der Polarisationstransformator aus vier oder mehr Einzel- retardern zusammengesetzt ist, durch die individuellen An- steuermoglichkeiten dieser Retarder.
Man sieht, daß die Funktionsverlaufe der Erhebungswinkel als Funktion von 2γ stetig und periodisch (gleiche Anfangs- und Endwerte) sind. Um beispielsweise endlos variable Ausgangspo¬ larisationen zu erzeugen, welche die Zustande (a) zirkulär (S3 = 1), (b) linear mit Erhebungswinkel - π/4 (S2 = -1), (c) entgegengesetzt zirkulär (S3 = -1), (d) linear mit Erhebungs- wmkel π/4 (S2 = 1) und wiederum (e) linear mit Erhebungsw - kelπ/4 (S2 = 1) nacheinander und unter stetiger Änderung annimmt, sind fortlaufende Wertegruppen, welche bei fortlaufen¬ den Werten der waagerechten Achse abzulesen sind, unter linearer Reduzierung anzuwenden.
Die Wertegruppen für die einzelnen Polarisationszustande sind dem Figur 4 dargestellten Diagramm - außer für die Punkte Pl und P2 - demnach nicht direkt zu entnehmen, sondern für die der Ebene S2, S3 liegenden Punkte etwa zu halbieren.
Die dargestellten Funktionen für die einzustellenden Erhebungswinkel schwanken um Mittelwerte, bei denen die Eingangs- Polarisation den Polarisationstransformator unverändert passiert. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß auch alle zwischen den genannten möglichen Ausgangspolarisationen liegenden möglichen Polarisationenszustande durch eine entsprechende Wertegruppe mit geringen Amplituden erreicht werden können.
Die Figur 4 dargestellten Erhebungswinkel müssen unter Berücksichtigung von Nichtlmearitaten und nicht konstanten Verzogerungen zwischen den Eigenmoden der Retarder m Steuerspannungen umgesetzt werden und sind von den Laufzeitdiffe- renzen der Eigenmoden abhangig. In dem angegebenen Beispiel besitzen die Retarder Wl und W3 eine dem Winkel von φl = φ3 = 1,8947375 rad (Radiant) entsprechende Laufzeitdifferenz (Verzögerung) zwischen den Eigenmoden, der Retarder W2 eine Laufzeitdifferenz von 1.9427 rad.
Vorteilhaft an diesem Ausfuhrungsbeispiel ist die sehr geringe Anzahl von erforderlichen Wellenplatten; nachteilig ist der relativ große maximal erforderliche Einstellwmkel der Eigenmoden. Ferroelektπsche Flussigkristallzellen, die zur Realisierung besonders geeignet sind, besitzen zur Zeit nur Einsteilbereiche von +/-45° oder weniger.
Die großen Erhebungswmkel bzw. Emstellbereiche können wesentlich verkleinert werden, indem mehr als 3 Retarder vorgesehen sind. Figur 5 zeigt dies bei Verwendung von vier Retardern, deren Laufzeitdifferenzen für die Eigenmoden φl = φ2 = -φ3 - -φ4 = 2.123rad betragt. Dieser Polarisationstransformator hat den Vorteil, daß nur ein Typ von Wellenplatten oder Flussigkrisstallelemente erforderlich ist, von denen die beiden letzten um 90° verdreht werden. Durch die Drehung um 90° werden die langsamen und schnellen Eigenmoden vertauscht, so daß sich, bezogen auf die ursprünglichen Eigenmoden, das Vorzeichen der Verzögerung ändert. Wie anhand von Figur 5 ersichtlich ist, liegen die maximal erforderlichen Emstellbereiche der doppelten Erhebungswinkel bei etwa +/-1,1 rad. Dies laßt sich mit ferroelektrischen Flussigkristallzellen (FLC) bereits erreichen. Anstelle der genannten Verzögerung können auch etwas andere Werte (0,96 ...1,1) x 2.123rad verwendet werden.
In Figur 6 ist das entsprechende Wertediagramm für 5 Retarder dargestellt. Die Verzogerungen betragen für φl = φ5 =
1,2860 rad, φ2 = φ4 = 2.1823 rad, φ3 = 1.4939 rad. In Figur 7 ist das Wertediagramm eines anders ausgeführten Polaπsati- onskompensators dargestellt, dessen Verzogerungen φl = φ2 = φ3 = φ4 = φ5 = 1,27 rad betragen. Wegen der vor- handenen Freiheitsgrade können bei mehr als drei Polarisationselementen stets mehrere Satze von stetigen Funktionsverlaufen angegeben werden. Figur 8 zeigt die Werte für 6 Retarder. Die Verzogerungen be¬ tragen für φl = φ3 = -φ4 = -φβ = 1,8652 rad und für φ2 = -φ5 = 2,631 rad. Die hinteren drei Wellenplatten sind gegenüber den drei vorderen wiederum um 90° gedreht, um negative Verzo- gerungswerte mit den gleichen Bauelementen realisieren zu können. Es sind nur drei Funktionsverlaufe angegeben, die je¬ weils für einen Erhebungswinkel einer Wellenplatte und dessen negative Funktion für eine weitere Wellenplatte gelten.
Für Ausfuhrungsformen mit ungerader Elementeanzahl ist es gunstig die Verzogerungswerte bez glich des mittleren Elements symmetrisch zu gestalten, da sich auf diese Weise mög¬ lichst kleine maximal erforderliche Einstellbereiche der dop- pelten Erhebungswinkel 2xθl, 2xθ2,... ergeben.
Wahrend Wellenplatten lineare Eigenmoden besitzen, gilt dies für ferroelektπsche Flussigkristallzellen nicht uneingeschränkt, da diese chirale Moleküle und eine helikale Mole- kul-Superstruktur besitzen. Dennoch kann die Erfindung auch uneingeschränkt m diesen Fallen verwendet werden, sofern die Eigenmoden sich bei Anlegen einer Zellenspannung auf einem Großkreis der Pomcare-Kugel bewegen. In der Praxis wird dies nicht immer zu erfüllen sein. Dennoch laßt ein Polarisation- stransformator gemäß der Erfindung auch für solche Falle, beispielsweise mit ferroelektrischen Flussigkristallzellen problemlos realisieren, wenn vier oder mehr Flussigkristallzellen vorgesehen sind. Selbst der Fall, daß die Verzogerun¬ gen bei einer Veränderung der Eigenmoden nicht konstant blei- ben, wird durch die zusätzlichen Freiheitsgrade beherrschbar. Bezogen auf die Figur 2 kann es insbesondere m solchen Fallen notwendig werden, daß die Punkte Pl und P2 auf der Pomcare-Kugel nicht oder nicht genau gegenüber liegen. Wie aus den Darstellungen der Wertegruppen hervorgeht, gehen die wahlbaren Funktionsverlaufe der verstellbaren Eigenmoden mit zunehmender Anzahl von Retardern immer mehr m Sinusverlaufe über. Exakte Sinusverläufe an allen Wellenplatten sind jedoch erst bei unendlich vielen Wellenplatten erreichbar.
Ein erfindungsgemäßer Polarisationstransformator kann die bisherigen Polarisationstransformatoren, wie sie beispielsweise in der Patentanmeldung DE 36 31 798.5 beschrieben sind, ersetzen. Alternativ zu dieser Verwendung in einem Kompensator ist die Verwendung der Erfindung bei der sendeseitigen Kompensation oder, genauer gesagt, der Vermeidung von Polari- sationsdispersion erster Ordnung dadurch möglich, daß die
Sendepolarisation einer der Polarisationsmodendispersion erster Ort nicht unterworfenen Polarisation der Übertragungsstrecke, eines sog. „principal State of Polarisation" entspricht. Zu diesem Zwecke können beispielsweise ferroelektri- sehe Flüssigkeitszellen gleich in das Sendelasermodul mit eingebaut werden. Dies ist Figur 9 prinzipiell dargestellt, bei der ein Laser LA und ein Polarisationstransformator PT zusammengefaßt sind.
Die Erfindung kann auch als in einem Kompensator zur Polari- sationsmodendispersion eingesetzt werden. Dazu werden abwechselnd ein Polarisationstransformator PT1, PT2, PT3, ... und ein Verzögerungselement, welches eine näherungsweise frequenzabhängige große Verzögerungszeit zwischen seinen princi- pal states of Polarisation besitzt, beispielsweise ein Stück polarisationserhaltende Faser PMF1, PMF2, PMF3, .. von einer Lichtwelle LW durchlaufen. Ein solcher Kompensator wird bevorzugt empfängerseitig am Ende der Übertragungsstrecke eingesetzt. In den Fällen, wo beliebige und im allgemeinen meh- rere Polarisationen gleichzeitig am Eingang eines Polarisationstransformators anliegen, ist die Eingangspolarisation nicht mehr gleich dem Punkt Pl (Figur 1) . Die Anforderungen an die Polarisationstransformatoren sind aber trotzdem mit den vorstehend beschriebenen identisch.

Claims

Patentansprüche
1. Polarisationstransformator (PT) mit mehreren von einer Lichtwelle durchlaufenden einstellbaren Retardern (Wl - W6) , die zwei zueinander orthogonale Eigenmoden und zumindest eine annähernd konstante Laufzeitdifferenz zwischen diesen Eigen¬ moden aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest drei der Retarder (Wl, W2, W3) individuell an- gesteuert werden, daß wenigstens ein Retarder durch elektrostatische Felder innerhalb von Grenzen, also nicht endlos einstellbare Eigenmoden aufweisen kann, daß die Eigenmoden der Retarder (Wl, W2, W3) so eingestellt werden können, daß sich zumindest näherungsweise eine Laufzeitdifferenz zwischen den Eigenmoden entsprechend einer Phasendifferenz von π rad ergibt, daß die Überführung des ersten Polarisationszustandes (Pl) in den zweiten Polarisationszustandes (P2) zumindest annähernd über beliebige Großkreise (GK) einer Poincare-Kugel erfolgt, wobei diesen unterschiedliche Gruppen von Einstellwerten (2xθl, 2xθ2, 2xθ3, ...) der einzelnen Retarder (Wl, W2, W3, .. ) zugeordnet sind, und daß zwischen dem ersten Polarisationszustand (Pl) und dem zweiten Polarisationszustand (P2) zumindest annähernd entlang allen Großkreisen Änderungen des Polarisationszustandes durch zumindest annähernd lineare Änderungen der Einstellwerte (2xθl, 2xθ2, 2xθ3, ...) durchgeführt werden können.
2. Polarisationstransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überführung des ersten Polarisationszustandes (Pl) in den zweiten Polarisationszustandes (P2) über beliebige Großkreise (GK) einer Poincare-Kugel erfolgt.
3. Polarisationstransformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einstellung einer Verzögerung von π Eigenmoden einge- stellt werden können, die sich auf einem einen Großkreis ein¬ schließendem Toleranzband (TB) der Poincare-Kugel endlos va¬ riieren lassen.
4. Polarisationstransformator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine die Einstellwerte (2xθl, 2xθ2, 2xθ3, ...) der Retarder (Wl, W2, W3, ..) angebenden Funktionen nicht sinusförmig verläuft.
5. Polarisationstransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellwerte (2xθl, 2xθ2, 2xθ3, ...) um Mittelwerte, bei denen die Eingangspolarisation erhalten beleibt, variiert werden.
6. Polarisationstransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 3 bis 8 Retarder (Wl, W2, W3, ...) vorgesehen sind.
7. Polarisationstransformator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Retarder (Wl bis W6) mit zumindest annähernd gleichen Einstellmöglichkeiten ihrer Eigenmoden vorgesehen sind.
8. Polarisationstransformator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Retarder (Wl bis W8) Wellenplatten vorgesehen sind.
9. Polarisationstransformator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Retarder (Wl bis W8) ferroelektrische Flüssigkristal- lelemente vorgesehen sind.
10. Polarisationstransformator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß vier bis acht Flüssigkristallelemente vorgesehen sind.
11. Polarisationstransformator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß 3 Retarder (Wl, W2, W3 ) vorgesehen sind, die Laufzeitdif¬ ferenzen zwischen den Eigenmoden von zumindest annähernd φl = φ3 = 1,89947375 rad und φ2 = 1,9427 rad aufweisen.
12. Polarisationstransformator nach /Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vier Retarder (Wl, W2, W3, W4) vorgesehen sind, die Lauf- zeitdifferenzen zwischen den Eigenmoden von zumindest annähernd φl = φ2 = -φ3= -φ4 = 2,123 rad aufweisen.
13. Polarisationstransformator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß fünf Retarder (Wl, W2, W3, W4, W5) vorgesehen sind, die
Laufzeitdifferenzen zwischen den Eigenmoden von zumindest annähernd φl = φ5 = 1,2860 rad, φ2 = φ4 = 2.1823 rad und φ3= 1,4939 rad aufweisen.
14. Polarisationstransformator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß 6 Polarisationselemente (Wl, W2, W3, W4, W5, W6) vorgesehen sind, die Laufzeitdifferenzen zwischen den Eigenmoden von zumindest annähernd φl = φ3 = -φ4 = -φ5 = 1,8652 rad und, φ2 = -φ5 = 2.6310 rad aufweisen.
15. Polarisationstransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er bei einer optischen Ubertragungsstrecke zur Regelung der Sendepolarisation vorgesehen ist.
16. Polarisationstransformator (PT1, PT2, ...) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß er in Reihe mit einem dif ferentiellen Lauf zeitglied
(PMF1, PMF2, PMF3, ...) in Empfängernähe zur Regelung von Polarisationsmodendispersion vorgesehen ist.
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