DE69814509T2

DE69814509T2 - Modulator mit einer optischen Faser, wobei ein gepolter Abschnitt derselben als elektrooptisches Element dient, sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE69814509T2
Application number: DE69814509T
Authority: DE
Inventors: Hisashi Ootsu-shi Minemoto; Nobuki Katano-shi Itoh; Daisuke Hirakata-shi Ishiko; Satoshi Hirakata-shi Ishizuka
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2018-03-28
Also published as: EP0867743B1; US6008927A; JPH10325944A; KR100297951B1; EP0867743A2; DE69814509D1; KR19980080784A; JP4097764B2; EP0867743A3

Description

Diese Erfindung betrifft einen Modulator mit einer optischen Faser, wobei eine optische Faser einen gepolten Abschnitt aufweist, der als ein elektrooptisches Element dient und einen nicht linear optischen Effekt zweiter Ordnung besitzt, und auch ein Verfahren zur Herstellung des Modulators mit einer Faser. Der Modulator mit einer optischen Faser der Erfindung ist nicht nur als ein Sensor anwendbar, sondern auch als eine optische Schaltvorrichtung und ein Modulator mit einer optischen Faser für Kommunikationssysteme.
Bekannte elektrooptische Elemente, die in Sensoren mit einer optischen Faser zur Messung einer Spannung oder in Modulatoren mit einer optischen Faser verwendet werden, sind zum Beispiel aus optischen Kristallen aus LiNbO₃ (im Weiteren hierin einfach als LN bezeichnet), Bi₁₂SiO₂₀ (im Weiteren hierin als BSO abgekürzt), Bi₁₂GeO₂₀ (im Weiteren hierin als BGO abgekürzt), und Ähnlichem hergestellt. Gemäß "Optical Fiber Sensors (Sensoren mit einer optischen Faser)" (veröffentlicht von Ohm Co., Ltd. und herausgegeben von Takayosi Ohkoshi (1986), S. 149 bis 153), haben Spannungssensoren mit einer optischen Faser hohe Isolationseigenschaften, und wurden speziell für die Messung hoher Spannung entwickelt.
In den letzten Jahren wurden, um die Anzahl von optischen Elementen, die in Sensoren mit einer optischen Faser verwendet werden, zu verringern, Studien an Sensoren mit einer optischen Faser von dem Typ durchgeführt, bei dem Linsen und Spiegel von dem Sensor weggelassen werden, und stattdessen ein magnetooptisches Element oder ein elektruoptisches Element in die Lichtstrecke einer optischen Faser eingebaut wird. Dieser Sensortyp wird zum Beispiel in den offengelegten japanischen Patentanmeldungen Nr. 5-297086, 6-74979, und 8-21982, deren entsprechende europäische Patentanmeldung – EP 0717 294 – die Grundlage des Oberbegriffes der vorliegenden Erfindung bildet, beschrieben. In jüngster Zeit wurde herausgefunden, dass sich, wenn ein optischer Faserblock gepolt wird, ein nicht linear optischer Effekt zweiter Ordnung entwickelt. Unter Verwendung des gepolten Blocks sind nun optische Modulationsvorrichtungen hergestellt worden, die zum Beispiel von A. C. Liu et al. in Opt. Lett. Vol. 19, S. 466–468 (1994), von T. Fujiwara et al. in IEEE Photonics Lett. Vol. 7, S. 1177 bis 1 179 (1995), und in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 9-230293 beschrieben wurden.
Mit Sensoren oder Modulatoren mit einer optischen Faser, die LN verwenden, was repräsentativ für ein nicht linear optisches Material zweiter Ordnung ist, ist es jedoch notwendig, dass ein Eingangsstrahl so gesteuert wird, dass er einen Winkel einer axialen Abweichung bei etwa 0, 1 bis 0,2 oder darunter bildet, wie in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 344562 und in "Optical Fiber Sensors" (veröffentlicht von Ohm Co., Ltd. und herausgegeben von Takayosi Ohkoshi (1986), Seite 153) beschrieben.
Probleme im Zusammenhang mit diesen Sensoren werden unter Bezugnahme auf 8a und 8b beschrieben. 8a zeigt schematisch ein Funktionsprinzip eines typischen Spannungs- (oder elektrischen Feld-)-Sensors mit einer optischen Faser. In 8a wird ein zufällig polarisierter Eingangsstrahl, der von einer optischen Faser übertragen wird. zu einem Polarisator geleitet, wobei eine linear polarisierte Strahlkomponente allein übertragen wird. Der durch eine λ/4-Platte übertragene Strahl wird in einen zirkular polarisierten Strahl umgewandelt, da die Phasendifferenz des Strahls relativ zu den jeweiligen hauptsächlichen dielektrischen Achsen bei π/2 auftritt. Weiter unterliegt der Strahl, wenn er durch ein elektrooptisches Element hindurch geleitet wird, einer Phasendifferenz entsprechend einer Spannung, die an das Element angelegt ist, und wird in verschiedene Formen verändert, von einem zirkular polarisierten Strahl bis zu einem linear polarisierten Strahl. Dies wird insbesondere in 8a als der Zustand eines polarisierten Ausgangsstrahls gezeigt. Nach der Übertragung durch einen Analysator wird die Veränderung in dem polarisierten Zustand als eine Veränderung in der Strahlintensität beobachtet. In 8a zeigen P und t der schattierten Skizzen jeweils eine Strahlintensität und eine Zeit an, und die Skizzen zeigen, dass ein Strahl mit gegebener Leistung eingegeben wird, und ein modulierter Strahl jeweils an den abgebildeten Positionen ausgegeben wird.
8b ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Strahlausgangsstärke und der Phasendifferenz oder der optischen Asymmetrie eines Sensors mit einer Faser zeigt. Die Übertragungsmenge von Ausgangslicht bzw. des Ausgangsstrahls wird durch die Phasendifferenz des Strahls auf der Grundlage eines elektrooptischen Effektes und einer optischen Asymmetrie bestimmt (bestimmt durch eine λ/4-Platte). Die Intensität des Ausgangsstrahls wird durch eine SIN-Funktion ausgedrückt. Wenn die optische Asymmetrie durch π/2 oder durch ein ungeradzahliges Vielfaches von π/2 gegeben ist, kann ein Abschnitt der SIN-Funktion, welcher gute Linearität zeigt, verwendet werden. Andererseits wird, wenn die optische Asymmetrie von π/2 abweicht, d. h., wenn die optische Asymmetrie bei 3 π/4 liegt, die Ausgangswellenform verzerrt. Darüber hinaus wird, wenn die optische Asymmetrie beträchtlich abweicht (z. B., wenn die optische Asymmetrie bei Null liegt), nicht nur die Ausgangswellenform beträchtlich verzerrt, sondern auch ein Modulationsgrad wird sehr niedrig, wie dies insbesondere in 8b gezeigt wird. Mit LN zeigt sich keinerlei Doppelbrechungserscheinung, wenn ein Strahl von dessen Kristallachse (z-Achse) hindurch geleitet wird. Es tritt nur eine Phasendifferenz von π /2 auf, die von der λ/4-Platte verursacht wird, so dass Modulationssignale, welche frei von jeglicher Verzerrung sind, wie geplant erhalten werden können. Wenn jedoch ein Eingangsstrahl von der z-Achse abgelenkt wird, erscheint eine große Phasendifferenz auf Grund der großen spontanen oder natürlichen Doppelbrechung von LN, wodurch veranlasst wird, dass die optische Asymmetrie von einer ursprünglichen abgelenkt wird. Als ein Ergebnis entstehen die Probleme, dass die Wellenform verzerrt wird, und der Modulationsgrad leidet an einer großen Temperaturveränderung auf Grund der großen Veränderung der spontanen Doppelbrechung in Abhängigkeit von der Temperatur.
Um diese Probleme zu lösen, kann es sinnvoll sein, Kristalle zu verwenden, die frei von spontaner Doppelbrechung sind. Bekannte nicht linear optische Materialien und Kristalle, die frei von spontanen Doppelbrechungen sind, umfassen zum Beispiel BGO, BSO, Bi₄Ge₃O₁₂ und Ähnliches. Jedoch haben sowohl BGO als auch BSO jeweils die Fähigkeit zur optischen Drehung (d. h., die Wirkung, dass die Ebene der Polarisation im Verhältnis zur Kristalllänge gedreht wird), so dass die Kristalllänge nicht groß sein kann, mit dem dazugehörigen Problem, dass der Modulationsgrad eines Strahls nicht optional gesetzt werden kann und der Modulationsgrad nicht ausreichend erhöht werden kann, wie zum Beispiel in dem oben erwähnten "Optical Fiber Sensors", herausgegeben von T. Ohkoshi, S. 152 bis 153, beschrieben wird. Andererseits schließt Bi₄Ge₃O₁₂ in unerwünschter Weise eine DC-Drift bei hohen Temperaturen ein, was somit das Problem darstellt, dass keine stabile Temperaturkennlinie sichergestellt wird, wenn es als ein optischer Modulator verwendet wird. Dies wird insbesondere zum Beispiel von O. Kamada (Jp. J. Appl. Phys. Vol. 32 (1993), S. 4288 bis 4291) berichtet.
In einem Sensor mit einer optischen Faser von dem Typ, bei dem ein gewöhnliches elektrooptisches Element in einer optischen Faser in Position gebracht wird, wird keine Linse verwendet. Dementsprechend ist es notwendig, einen negativen Einfluss zu unterdrücken, der durch die Divergenz eines Strahls verursacht wird, was es unmöglich macht, eine ausreichend große Kristalllänge zu nehmen. Dementsprechend erhebt sich in dem Fall, dass LN, welches eine relativ große elektrooptische Konstante besitzt, als ein elektrooptisches Element verwendet wird, das Problem, dass die Empfindlichkeit für die Verwendung als ein Sensor mit einer optischen Faser nicht ausreicht. Alternativ bestehen, wenn flüssige Kristalle verwendet werden, insofern Probleme, als die Ansprechgeschwindigkeit sehr niedrig wird, eine abrupte Änderung der Spannung nicht genau gemessen werden kann, und solche flüssigen Kristalle verfestigt werden können, wenn sie bei niedrigen Temperaturen verwendet werden.
Wo ein Teil einer optischen Faser gepolt und als ein elektrooptisches Element verwendet wird, erhebt sich ein Problem, wie es im Fall eines Sensors zu erfahren ist, bei dem ein LN-Kristall als ein elektrooptisches Element verwendet wird und ein einfallender Strahl von einer optischen Achse (z-Achse) abgelenkt wird. Insbesondere entwickelt sich, wenn eine optische Faser an einem Teil derselben zur Verwendung als ein elektrooptisches Element gepolt wird, nicht nur ein nicht linear optischer Effekt (elektrooptischer Effekt), sondern auch die Anisotropie des Brechungsindex (spontane Doppelbrechung). Wenn eine solche gepolte Faser in einem Sensor mit einer optischen Faser verwendet wird, ist es schwierig, einen vorgesehenen Sensor mit einer Faser zu erhalten. Diese Schwierigkeit tritt in bekannten optischen Modulatoren, bei welchen eine Veränderung im Brechungsindex auf der Grundlage des elektrooptischen Effektes einer der hauptsächlichen dielektrischen Achsen genützt wird, nicht auf, und wurde tatsächlich bisher überhaupt noch nicht bemerkt.
In einem optischen Modulator, wie er zum Beispiel in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 9-230293 vorgeschlagen wird, wird der elektrooptische Effekt allein berücksichtigt, und eine optische Verrichtung, um die spontane Doppelbrechung zu behandeln, findet keine Erwähnung. Dementsprechend besitzt der resultierende Modulator schlechte Linearität. In diesem Beispiel werden zwei Löcher in dem Mantelabschnitt einer optischen Faser hergestellt, um Elektroden in dieselben einzusetzen. Als ein Ergebnis wird spontane Doppelbrechung entwickelt, welche der Anisotropie des sektionalen Aufbaus der optischen Faser zugeschrieben wird, und welche viel größer ist als die spontane Doppelbrechung, die gemäß der Polungsbehandlung entwickelt wird. Diese optische Faser besitzt eine solche Funktion als eine so genannte "die Polarisation erhaltende Faser", und der polarisierte Zustand eines Strahls, der von anderen Abschnitten als von den hauptsächlichen dielektrischen Achsen (d. h., einer Linie, die ein Paar von Löchern verbindet, und eine Richtung senkrecht zu der Linie) eingegeben wird, wird sehr instabil. Wenn eine solche optische Faser unter variierenden Temperaturbedingungen steht oder ein äußerer Druck daran angelegt wird, verändert sich der Polarisationszustand des Strahls beträchtlich. Wenn diese optische Faser als ein elektrooptisches Element verwendet wird, und ein Strahl, dessen Polarisationsrichtung sich von den hauptsächlichen dielektrischen Achsen tinterscheidet, in die Faser eingeleitet wird, verändert sich der Modulationsgrad in großem Maße durch eine Veränderung der Temperatur von zum Beispiel nur einigen Grad Celsius. Somit hat das elektrooptische Element eine sehr schlechte Temperaturkennlinie und eine hohe Verzerrungsrate.
Es ist dementsprechend ein Ziel der Erfindung, einen Modulator mit einer optischen Faser bereitzustellen, welcher eine optische Faser mit einem gepolten Abschnitt umfasst, wobei der Abschnitt als ein elektrooptisches Element mit einem elektrooptischen Effekt und einer Funktion als eine λ/4-Platte dient.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Modulator mit einer optischen Faser bereitzustellen, welcher eine optische Faser mit einem Abschnitt umfasst, welcher so gepolt ist, dass ein Absolutwert δ einer Phasendifferenz relativ zu einem übertragenen Strahl zu dem Zeitpunkt, wenn kein elektrisches Feld oder keine Spannung an den gepolten Abschnitt angelegt ist, ein ungeradzahliges Vielfaches von π/2 beträgt, wodurch der Modulator mit einer optischen Faser gute Linearität aufweist.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Modulator mit einer optischen Faser bereitzustellen, welcher eine optische Faser mit einem Abschnitt umfasst, der so gepolt ist, dass ein Absolutwert einer Phasendifferenz relativ zu einem übertragenen Strahl zu dem Zeitpunkt, wenn kein elektrisches Feld oder keine Spannung an den gepolten Abschnitt angelegt ist, im Wesentlichen Null ist, wodurch der Modulator mit einer optischen Faser eine gute Temperaturkennlinie und gute Linearität ohne Abweichung der optischen Asymmetrie bei unterschiedlichen Temperaturen besitzt.
Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, einen optischen Modulator bereitzustellen, welcher geringe bzw. keine Probleme mit der DC-Drift hat, wie sie im Fall von Sensoren erfahren wird, die einen isotropen Kristall wie etwa Bi₄Ge₃O₁₂ verwenden.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Modulator mit einer optischen Faser bereitzustellen, welcher eine optische Faser mit einem länglichen, gepolten Abschnitt umfasst, welcher als ein elektrooptisches Element dient, wodurch der Sensor mit einer optischen Faser zu einem integrierten, linsenlosen Typ wird, der eine große Empfindlichkeit aufweist.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Modulator mit einer optischen Faser bereitzustellen, welcher eine U-förmige optische Faser mit einer flachen Unterseite derselben und mit einem gepolten Abschnitt ein der flachen Unterseite umfasst, wodurch die Richtungen des Strahleingangs und des Strahlausgangs parallel zueinander werden, und der Modulator eine breitgefächerten Nutzen als ein Sensor in verschiedenen Gebieten aufweist.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, Verfahren zur Herstellung solcher Modulatoren und Sensoren mit einer optischen Faser, wie sie oben erwähnt werden, bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Modulator mit einer optischen Faser eine optische Faser, ein Substrat, das ein Nutmuster aufweist, in dem die optische Faser fixiert ist, und eine Modulationseinheit, die einen Polarisator, ein elektrooptisches Element und einen Analysator umfasst, die in einer Lichtstrecke der optischen Faser in dieser Reihenfolge ausgerichtet sind, worin das elektrooptische Element aus einem gepolten Abschnitt der optischen Faser hergestellt wird, und wobei, wenn kein elektrisches Feld auf das elektrooptische Element wirkt, d. h. wenn das elektrooptische Element in einem von einem elektrischen Feld freien Zustand ist, ein Absolutwert δ einer Phasendifferenz eines Strahles, der durch das elektrooptische Element hindurch geleitet wird, im folgenden Bereich liegt: (m/2 – 1/6) π ≤ δ ≤ (m/2 + 1/6)π, wobei m eine ungerade Zahl ist.
Vorzugsweise ist δ derart, dass π/3 ≤ δ ≤ 2 n/3.
Vorzugsweise wird der gepolte Abschnitt durch geeignete Polung aus nur einer Richtung senkrecht zu der Lichtstrecke gebildet. Es ist anzumerken, dass der oben definierte Absolutwert erhalten werden kann, wenn ein Abschnitt einer optischen Faser aufeinander folgend aus zwei unterschiedlichen Richtungen vertikal zu der Lichtstrecke unter gesteuerten Polungsbedingungen gepolt wird, obwohl die Polungsbedingungen komplizierter sind als jene für die Polung aus nur einer Richtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird auch ein Modulator mit einer optischen Faser bereitgestellt, der eine optische Faser, ein Substrat, das ein Nutmuster aufweist, in dem die optische Faser fixiert ist, und eine Modulationseinheit umfasst, die einen Polarisator, ein elektrooptisches Element und einen Analysator umfasst, die in einer Lichtstrecke der optischen Faser in dieser Reihenfolge ausgerichtet sind, wobei eine Wellenplatte zwischen dem Polarisator und dem elektrooptischen Element oder zwischen dem elektrooptischen Element und dem Analysator vorgesehen ist, worin das elektrooptische Element aus einem gepolten Abschnitt der optischen Faser hergestellt ist, und dass, wenn das elektrooptische Element in einem von einem elektrischen Feld freien Zustand ist, ein Absolutwert δ1 einer Phasendifferenz eines Strahls, der durch die Wellenplatte und das elektrooptische Element hindurch geleitet wird, im folgenden Bereich liegt: (n/2 – 1/6)π ≤ δ1 ≤ (n/2 + 1/6)π, wobei n eine ungerade Zahl ist. Vorzugsweise ist δ1 derart, dass π/3 ≤ δ1 ≤ 2 π/3 ist.
Der gepolte Abschnitt, der in dieser Ausführungsform als das elektrooptische Element dient, wird durch aufeinander folgende Polung aus zwei unterschiedlichen Richtungen erhalten. Die zwei unterschiedlichen Richtungen sollten vorzugsweise im Wesentlichen in einem Bereich von 90 Grad +/– 10 Grad senkrecht zu einander stehen.
In beiden Ausführungsformen kann die optische Faser gerade sein, oder sie kann in einer U-Form mit einer flachen Unterseite gestaltet sein. In dem letzten Fall ist die Modulationseinheit an der flachen Unterseite angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Modulators mit einer optischen Faser bereitgestellt, der eine optische Faser, ein Substrat, das ein Nutmuster aufweist, in dem die optische Faser fixiert ist, und eine Modulationseinheit umfasst, die einen Polarisator, ein elektrooptisches Element und einen Analysator aufweist, die in einer Lichtstrecke der optischen Faser in dieser Reihenfolge ausgerichtet sind, worin das elektrooptische Element aus einem Abschnitt der optischen Faser hergestellt wird, welcher gepolt wird, während ein Zustand eines polarisierten Strahles, der durch den gepolten Abschnitt hindurch geleitet wird, beobachtet wird, so dass, wenn der gepolte Abschnitt in einem von einem elektrischen Feld freien Zustand ist, ein Absolutwert δ einer Phasendifferenz eines Strahles, der durch den gepolten -Abschnitt hindurch geleitet wird, im folgenden Bereich liegt (m/2 – 1/6)π ≤ δ ≤ (m/2 + 1/6)π wobei m eine ungerade Zahl ist.
In diesem Fall ist der Absolutwert δ vorzugsweise so, dass π/3 ≤ δ ≤ 2/3π ist, wobei m eine ungerade Zahl ist.
Darüber hinaus kann der Abschnitt der optischen Faser, um den oben definierten Absolutwert sicherzustellen, in einer solchen Weise gepolt werden, dass, wenn an das in den Modulator eingebaute elektrooptische Element ein elektrisches Wechselstromfeld angelegt wird, eine Verzerrungsrate der Modulationssignale eines Strahls unmittelbar nach dem Durchgang durch den Analysator der Modulationseinheit im Wesentlichen bei einem Minimum liegt. In diesem Verfahren wird der Abschnitt der optischen Faser vorzugsweise aus nur einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Lichtstrecke in einem Bereich von 90° +/– 10° gepolt.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Modulators mit einer optischen Faser bereitgestellt, der eine optische Faser, ein Substrat, das ein Nutmuster aufweist, in dem die optische Faser fixiert ist, und eine Modulationseinheit umfasst, die einen Polarisator, ein elektrooptisches Element und einen Analysator aufweist, die in einer Lichtstrecke der optischen Faser in dieser Reihenfolge ausgerichtet sind, wobei eine Wellenplatte zwischen dem Polarisator und dem elektrooptischen Element oder zwischen dem elektrooptischen Element und dem Analysator vorgesehen ist, worin das elektrooptische Element aus einem gepolten Abschnitt der optischen Faser hergestellt ist, welcher aufeinander folgend aus zwei unterschiedlichen Richtungen im Wesentlichen senkrecht zu der Lichtstrecke in einem Bereich von 90 +/– 10 Grad gepolt wird, während für jede Aufbringung des elektrischen Feldes oder der elektrischen Spannung ein Polarisationszustand eines Strahles beobachtet wird, der sowohl durch eine Wellenplatte, die die gleiche optische Phasendifferenz wie die zuerst erwähnte Wellenplatte aufweist, und den gepolten Abschnitt hindurch geleitet wird, so dass, wenn der gepolte Abschnitt in einem von einem elektrischen Feld freien Zustand ist, ein Absolutwert δ1 einer Phasendifferenz eines Strahles, der durch den gepolten Abschnitt hindurch geleitet wird, im folgenden Bereich liegt: (n/2 – 1/6)π ≤ δ1 ≤ (n/2 + 1/6)π, wobei n eine ungerade Zahl ist.
Noch bevorzugter ist δ1 so, dass π/3 ≤ δ1 2 ≤ π/3 ist.
In dieser Ausführungsform kann die Polung so bewirkt werden, dass, wenn an das in den Modulator eingebaute elektrooptische Element ein elektrisches Wechselstromfeld angelegt wird, eine Verzerrungsrate der Modulationssignale des Strahls unmittelbar nach dem Durchgang durch den Analysator in der Modulationseinheit im Wesentlichen bei einem Minimum liegt.
In beiden Verfahren kann die optische Faser gerade sein, oder sie kann in einer U-Form mit einer flachen Unterseite gestaltet sein. In dem letzten Fall wird der Modulator effektiv als ein Spannungs- oder elektrischer Feldsensor mit einer optischen Faser verwendet.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen und die beiliebenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Ansicht ist, die einen Modulator mit einer optischen Faser gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
2a bis 2d jeweils schematische Ansichten sind, die ein Verfahren zur Polung einer optischen Faser gemäß der Erfindung veranschaulichen;
3 eine schematische Ansicht ist, die einen Modulator mit einer optischen Faser gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
4a bis 4e jeweils schematische Ansichten sind, die ein unerfahren zur Herstellung eines Modulators mit einer optischen Faser, der als ein elektrischer Feld- oder Spannungssensor geeignet ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen;
5a bis 5d jeweils schematische Ansichten sind, die ein Verfahren zur Herstellung einer in U-Form gestalteten optischen Faser veranschaulichen;
6a bis 6d jeweils schematische Ansichten sind, die ein Verfahren zur Herstellung eines Modulators mit einer optischen Faser, der als ein elektrischer Feld- oder Spannungssensor geeignet ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen;
7a und 7b jeweils schematische Ansichten sind, die ein Funktionsprinzip eines elektrooptischen Elementes gemäß der Erfindung veranschaulichen; und
8a bzw. 8b eine schematische Ansicht sind, die eine Anordnung eines herkömmlichen Sensors mit einer optischen Faser zeigt, bzw. ein Graph, der ein Funktionsprinzip des Sensors mit einer Faser zeigt.
Wenn sie gepolt werden, entwickeln Glas oder optische Fasern nicht nur einen nicht linear optischen Effekt (oder elektrooptischen Effekt), sondern auch eine Anisotropie des Brechungsindex.
Es wird nun Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, und insbesondere auf die 7a und 7b genommen, wobei darin ein Funktionsprinzip eines elektrooptischen Elementes gezeigt wird, das in einem Modulator mit einer optischen Faser gemäß der Erfindung verwendet werden kann, wenn das elektrooptische Element als Teil einer optischen Faser gebildet wird.
In 7a wird ein elektrooptisches Element B in der Form eines kubischen Blockes aus einem nicht linear optischen Material gezeigt, welcher zum Beispiel aus Glas oder einer optischen Faser, die gepolt werden kann, hergestellt wurde. Der Block wird mit Elektroden entlang der x- und y-Achsen versehen, wie dargestellt. Obwohl in 7a die x- und y-Achsen so dargestellt werden, dass sie in rechten Winkeln zueinander geschnitten werden, ist der Schnitt in rechten Winkeln nicht immer notwendig. In diesem Zusammenhang jedoch, wo die x- und y-Achsen an Winkeln in einem Bereich von 90 +/– 10 Grad geschnitten werden, ist es unwahrscheinlich, dass die Polung entlang der y-Achse von den Ergebnissen einer anfänglichen Polungsbehandlung entlang der x-Achse beeinflusst wird, was eine einfache Steuerung der Polungsbehandlung entlang der y-Achse sicherstellt. Die z-Achse wird im Wesentlichen in rechten Winkeln bezüglich der x- bzw. y-Achse geschnitten.
Da eine optische Faser an einem Teil derselben gepolt wird, um ein elektrooptisches Element in der optischen Faser bereitzustellen, wird in der praktischen Umsetzung der Erfindung die Richtung der Ausbreitung eines Strahls, d. h. eine axiale Richtung der optischen Faser, als eine z-Achse bestimmt.
Für die Polung wird der kubische Block zum Beispiel auf eine Temperatur von 150 bis 300°C erwärmt, gefolgt von der Aufbringung eines elektrischen Feldes im Bereich von 1 × 10⁴ bis 1 × 10⁶ V/cm. Wenn die Polungsbehandlung entlang der x-Achse durchgeführt wird, wird die elektronische Polarisation entlang der x-Achse groß. Als ein Ergebnis wird ein Brechungsindex nx relativ zu einem entlang der x-Achse polarisierten Strahl (d. h., ein Strahl, dessen elektrisches Feld in der Richtung der x-Achse schwingt) erhöht, wie dies insbesondere in 7b gezeigt wird.
Während des Verlaufs der Polungsbehandlung wird der gepolte Block in ein optisches System eingebaut, wie in 8a dargestellt, ohne Verwendung jeglicher λ/4-Platte, und die Polarisationsebene eines Eingangsstrahls (d. h. eines linear polarisierten Strahls) wird auf einen Winkel von 45° gesetzt, gesehen von der x-Achse in Richtung der y-Achse, wobei ein Zustand des polarisierten Strahls beobachtet wird. Wenn der Strahl, der durch das elektrooptische Element hindurch geleitet wird, aus einem zirkular polarisierten Strahl besteht, wie dies in der Mitte des Zustandes des polarisierten Strahls in 8a abgebildet ist, ist die Polungsbehandlung abgeschlossen. Der hierin verwendete Begriff "zirkular polarisierter Strahl" bedeutet, dass eine Phasendifferenz des durch die hauptsächlichen dielektrischen Achsen der x- und y-Achsen übertragenen Strahls π/ 2 oder ein ungeradzahliges Vielfaches von π/2 beträgt. Das auf diese Weise hergestellte elektrooptische Element ist eines, das einen elektrooptischen Effekt und die Funktion als ein Element besitzt, welches als eine Wellenplatte dient, die in der Lage ist, dem System eine optische Asymmetrie zu verleihen. Dementsprechend zeigt der resultierende Modulator mit einer optischen Faser gute Linearität ohne Verwendung irgendeiner λ/4-Platte, wenn das elektrooptische Element verwendet wird. leer Grad der optischen Asymmetrie sollte vorzugsweise π/2 betragen, was ein idealer Wert ist, oder ein ungeradzahliges Vielfaches desselben. In diesem Zusammenhang jedoch, wenn es nicht notwendig ist, eine Verzerrung einer Ausgangswellenform zu vermeiden, kann der Absolutwert δ der Phasendifferenz von dem idealen Wert in einem Bereich von etwa +/– π/6 abweichen. In diesem Bereich weicht ein Modulationsgrad nicht: von einem vorbestimmten, geplanten Wert ab, und ein solcher Modulator ist verwendbar. Somit kann ein Modulator mit einer optischen Faser mit guten Eigenschaften ohne Verwendung irgendeiner Wellenplatte gefertigt werden, wenn ein Block einer optischen Faser zur Verwendung als ein elektrooptisches Element auf eine solche Weise gepolt wird, dass die Phasendifferenz eines Strahls, der durch den gepolten Abschnitt in einem von einem elektrischen Feld freien Zustand übertragen wird, gemäß der folgenden Ungleichung ausgedrückt wird, wobei δ ein Absolutwert der Phasendifferenz ist: (m/2 – 1/6) π ≤ δ ≤ (m/2 + 1/6)π, wobei m eine ungerade Zahl ist.
Wenn die Phasendifferenz groß ist, leidet der Modulationsgrad an einer großen Temperaturveränderung auf Grund der großen Veränderung der spontanen Doppelbrechung in Abhängigkeit von der Temperatur, so dass ein kleinerer Wert von m zu einem stabileren Modulator mit einer optischen Faser führt. Dementsprechend wird es bevorzugt, das elektrooptische Element, das aus einem optischen Faserblock hergestellt wird, zu verwenden, der so gepolt ist, dass der Absolutwert δ der Phasendifferenz gemäß der folgenden Ungleichung gegeben ist: π/3 ≤ δ ≤ 2/3 π.
Der Modulator, der ein solches Element wie oben erwähnt verwendet, zeigt eine stabilere Temperaturkennlinie.
Anstatt der Beobachtung des gepolten Zustands des Ausgangsstrahls, kann die Polungsbehandlung so abgeschlossen werden, dass eine Verzerrungsrate des resultierenden Strahlausgangs im Wesentlichen minimiert wird, wenn eine AC-Spannung an das elektrooptische Element angelegt wird. Die Minimierung der Verzerrungsrate kann einfach durch einen Spektralanalysator bestätigt werden. Diese Beobachtung macht es möglich, ein elektrooptisches Element herzustellen, welches die oben definierten Ungleichungen in Bezug auf den Absolutwert δ erfüllt.
Wenn der Abschnitt einer optischen Faser entlang der x-Achse gepolt wurde, wird er als Nächstes entlang der y-Achse durch Anlegen eines elektrischen Feldes in derselben Weise wie oben beschrieben gepolt. Diese Polung erlaubt, dass sich ein Brechungsindex ny relativ zu einem Strahl mit einer entlang der Richtung der y-Achse polarisierten Strahlkomponente erhöht, wie in 7b dargestellt. Um die Polung entlang der y-Achse zu bestätigen, so dass nx = ny ist, wird der in beiden Richtungen entlang der x- und der y-Achse gepolte Block der optischen Faser in dem optischen System von 8a in Position gebracht, wobei eine Wellenplatte in Position gebracht wird, um einen gepolten Zustand des Blocks, der als ein elektrooptisches Element dient, zu beobachten. Während eine Polungszeit und eine Polungsspannung geeignet ausgewählt werden, wird die Polungsbehandlung fortgesetzt, bis der durch das elektrooptische Element übertragene Strahl polarisiert ist, um einen zirkular polarisierten Strahl bereitzustellen. Der Absolutwert δ1 der gesamten in der Wellenplatte und dem elektrooptischen Element erzeugten Phasendifferenz ist ein geradzahliges Vielfaches von π/2. Es wird angemerkt, dass der Absolutwert δ der Phasendifferenz, die durch das elektrooptische Element allein erzeugt wird, ein geradzahliges Vielfaches von π/2 ist.
Dementsprechend sollte, wo eine optische Faser gepolt wird, um ein elektrooptisches Element bereitzustellen, die Polung so bewirkt werden, dass der Absolutwert δ1 der Phasendifferenz eines Strahls, der durch eine Wellenplatte und das elektrooptische Element übertragen wird, durch die folgende Ungleichung ausgedrückt wird, wobei ein im Wesentlichen optisch isotropes elektrooptisches Element erhalten werden kann: (n/2 – 1/6)π ≤ δ1 ≤ (n/2 + 1/6)π, wobei n eine ungerade Zahl ist.
Wenn die Phasendifferenz groß ist, leidet der Modulationsgrad an einer großen Temperaturveränderung auf Grund der großen Veränderung der spontanen Doppelbrechung in Abhängigkeit von der Temperatur, so dass ein kleinerer Wert von n zu einem stabileren Modulator mit einer optischen Faser führt. Dementsprechend wird es bevorzugt, dass der Absolutwert δ1 der Phasendifferenz, die durch die Wellenplatte und das elekt rooptische Element übertragen wird, durch die folgende Ungleichung gegeben ist: π/3 ≤ δ1 ≤ 2/3π.
Wegen der Einfachheit der Konstruktion wird eine λ/4-Platte als eine Wellenplatte verwendet. Es ist jedoch nicht prinzipiell notwendig, dass die Wellenplatte aus einer λ/4-Platte besteht. Insbesondere dient der resultierende Modulator, soweit der Absolutwert δ1 der Phasendifferenz, die sowohl durch die Wellenplatte als auch durch das elektrooptische Element übertragen wird, die oben angeführten Ungleichungen erfüllt, in zufriedenstellender Weise als ein Modulator mit einer optischen Faser. Wenn in diesem Zusammenhang jedoch die Wellenplatte aus einer λ/4-Platte besteht und δ1 = π/2 ist, befindet sich das elektrooptische Element in einem Zustand, in dem nur wenig spontane Doppelbrechung entlang der Richtung der Strahlübertragung erscheint. In diesem Zustand, wenn nx = ny, ist es möglich, dass die in dem elektrooptischen Element erzeugte Doppelbrechung relativ zu dem Strahl, der sich entlang der z-Achse ausbreitet, im Wesentlichen Null wird (d. h., ein Strahl mit einer Polarisationsrichtung entlang der x- oder y-Achse, oder entlang einer Richtung zwischen der x- und der y-Achse). Wenn die Polungsbehandlung; entlang beider Richtungen der x- und y-Achsen durchgeführt wird, wird nz klein, wie in 7b dargestellt. Wenn optisch isotropes Glas gepolt wird, liegt eine Veränderung des Brechungsindex gewöhnlich auf einem Niveau von 0,001 oder darunter. Andererseits beträgt das Ausmaß der Doppelbrechung von LN (d. h., eine Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Brechungsindex) etwa 0,09, was um zwei Größenordnungen größer ist als jenes des nicht linear optischen Materials, d. h. des gepolten Blocks einer optischen Faser. Dies bedeutet, dass die Genauigkeit im Winkel eines auf das nicht linear optische Material einfallenden Strahls um etwa zwei Größenordnung größer wird als die Genauigkeit von LN. Dies erlaubt eine viel einfachere Fertigung des elektrooptischen Elementes. Darüber hinaus wird die Temperaturveränderung der Doppelbrechung kleiner als in dem Fall, in dem nx nicht gleich ny ist, da das elektrooptische Element in Bezug auf den Strahl, der sich entlang der z-Achse ausbreitet, isotrop ist. Insbesondere in dem Fall, dass ein Brechungsindex sich in Abhängigkeit von der Veränderung der Temperatur ändert, wird die Beziehung von nx ≡ ny aufrecht erhalten. Dementsprechend wird die optische Asymmetrie des elektrooptischen Elementes so klein, dass ein Modulator mit einer optischen Faser hergestellt werden kann, der einen Spannungs-(elektrischen Feld-)sensor mit einer sehr guten Temperaturkennlinie umfasst. Natürlich kann der Modulator mit einer optischen Faser nicht nur als der Sensor verwendet werden, sondern auch als eine Schaltvorrichtung oder eine Modulationsvorrichtung für Kommunikationssysteme, welche eine gute Temperaturkennlinie und eine geringe Verzerrung besitzen.
Anstatt den gepolten Zustand des Ausgangsstrahls für den Abschluss der Polungsbehandlung zu beobachten, kann eine Wechselspannung an das elektrooptische Element angelegt werden, so dass die Polung zu dem Zeitpunkt abgeschlossen ist, wenn die Verzerrungsrate eines Strahlausgangs bei einem Minimum liegt. In diesem Fall kann ein Modulator mit einer optischen Faser gefertigt werden, in welchem die Phasendifferenz eines Strahls, der durch die Wellenplatte und das elektrooptische Element übertragen wird, in einem Bereich von (π/2 – 1/6)π ≤ δ 1 ≤ (π/2 + 1/6)π, vorzugsweise π/3 ≤ δ1 ≤ 2/3 π, in Bezug auf einen Absolutwert derselben liegt.
Wo eine optische Faser an einem Teil derselben als das elektrooptische Element verwendet wird. kann das elektrooptische Element wie gewünscht ohne Verwendung irgendeiner Linse verlängert werden. Demgemäß kann ein Modulator mit einer optischen Faser mit einem weiten Modulationsgrad realisiert werden.
Besonders wenn eine optische Faser in U-Form mit einer flachen Unterseite gestaltet wird, kann der Strahleingang auf dieselbe Weise wie der Strahlausgang geleitet werden, was es möglich macht, einen besonders kleinen Sensor mit einer optischen Faser herzustellen.
Unter Verwendung des Blockes eines nicht linear optischen Materials wird oben das fundamentale Prinzip, wie ein gepolter Block als ein elektrooptisches Element funktioniert, beschrieben. In der praktischen Umsetzung der Erfindung wird ein Teil oder Abschnitt einer optischen Faser, kein Block derselben, so wie er ist, gepolt, und wird dann in Modulatoren mit einer optischen Faser als ein elektrooptisches Element angeordnet.
Es wird nun auf die 1 und 2a bis 2c Bezug genommen, welche einen Modulator mit einer optischen Faser gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Modulators veranschaulichen.
Zuerst wird unter Bezugnahme auf 2a bis 2c veranschaulicht, wie eine optische Faser gepolt wird.
Zuerst wird eine optische Faser 21 mit einer Hülse 201 an gegenüberliegenden Enden derselben vorgesehen, wie in 2a dargestellt. Die optische Faser, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann von einem beliebigen Typ optischer Fasern sein, die gepolt werden kön nen. Eine solche optische Faser umfasst üblicherweise Siliziumoxid. Vorzugsweise wird die optische Faser aus einer Glaszusammensetzung umfassend Siliziumoxid, und Ge und/oder Blei, hergestellt, und ist bekannt als optische Germanosilikat- oder Bleisilikatfaser. Falls sie vorhanden sind, können Ge und/oder Blei in der optischen Faser in einer Menge von 5 bis 20 Gew.-% bezogen auf die gesamte Zusammensetzung in der Form von Oxiden oder Fluoriden vorliegen. Andere zusätzliche Oxide oder Fluoride von Metallen wie etwa Te, Bi, Sn und Ähnliche können ebenfalls in der Glaszusammensetzung in Gesamtmengen bis zu 40 Gew.-% bezogen auf die Zusammensetzung vorliegen.
Die optische Faser 21 kann entweder eine optische Single Mode-Faser oder eine optische Multi Mode-Faser sein. Wenn eine LED-Strahlquelle verwendet wird, wird eine optische Multi Mode-Faser bevorzugt, da eine größere Menge des Strahls durch die Faser verbracht wird. Die optische Faser besitzt einen solchen Aufbau, welcher einen Kern aus der oben erwähnten Glaszusammensetzung mit einem Durchmesser von zum Beispiel 200 um und eine Mantelschicht mit einer Dicke von zum Beispiel 250 μm, die mit einer Ummantelung 202 bedeckt ist, umfasst. Der Kernabschnitt kann zum Beispiel mit GeO₂ dotiert werden, um dessen Brechungsindex zu verstärken, wie dies im Stand der Technik bekannt ist.
In einem nächsten Schritt, der in 2b dargestellt wird, wird die Ummantelung 202 der optischen Faser 21 an einem Abschnitt derselben entfernt, um einen von der Ummantelung freien, blanken Abschnitt 22 zu liefern. Der blanke Abschnitt 22 besteht aus dem Kern und der Mantelschicht, ist aber frei von jeglicher Ummantelung und Pufferschicht, obwohl ein Oberflächenbehandlungsmittel an der Mantelschicht abgelagert sein kann, wie es verwendet wird, um einen engen Kontakt zwischen der Mantelschicht und der Pufferschicht zu erlauben.
Wie in 2c dargestellt, wird der blanke Abschnitt 22 in einer Nut eines Heizgerätes 23 fixiert, so dass ein zu polender Abschnitt zwischen einem Paar von Elektroden 20, 20' angeordnet wird. In 2c wird der Abschnitt 22 so gesetzt, dass er entlang einer x-Achse wie dargestellt gepolt wird, und die in der Fig. angezeigte y-Achse ist eine Richtung, die so bestimmt ist, dass sie im Wesentlichen senkrecht zu der x-Achse in einem Bereich von 90 +/– 10 Grad verläuft, und die z-Achse ist als eine Richtung bestimmt, entlang welcher ein Strahl sich ausbreitet. Die z-Achse steht im Wesentlichen in einem Bereich von 90 +/– 10 Grad normal auf die x- oder y-Achse.
In diesem Zustand wird die optische Faser gerade gehalten, wodurch im Wesentlichen parallel gerichtetes Licht als ein Eingangsstrahl hindurch geleitet wird, um zu bestätigen, dass der Zustand eines polarisierten Strahls während des Verlaufs der Ausbreitung durch die optische Faser in Ordnung ist.
Der zu polende Abschnitt 24 wird auf eine Temperatur im Bereich von 150 bis 350°C durch das Heizgerät 23 erwärmt, gefolgt vom Anlegen einer Spannung von zum Beispiel 5 kV von einer elektrischen Versorgung 25, über eine Zeit von 30 bis 100 Minuten, wenn ein Abstand von 5 mm zwischen den Elektroden liegt. Auf diese Weise wird die Polungsbehandlung entlang der x-Achse durchgeführt.
Das Anlegen der Spannung wird gestoppt, um zu bestätigen, dass der Abschnitt in einem zufriedenstellenden Ausmaß gepolt wurde, während der Polarisationszustand eines Strahls beobachtet wird. Insbesondere wird die Polungsbehandlung wiederholt, bis eine Phasendifferenz des Strahls, der durch den gepolten Abschnitt in einem Zustand, in welchem keine Spannung an denselben angelegt ist, übertragen wird, in einem Bereich von (m/2 +/– 1/6)π liegt. Es ist anzumerken, dass der zu polende Abschnitt 24 eine einer Elektrodenlänge entsprechende Länge aufweist, und sie durch Veränderung der Elektrodenlänge beliebig in der Länge verändert werden kann. Im Allgemeinen liegt die Länge eines gepolten Abschnittes in einem Bereich von 0,3 bis 5 cm, in Abhängigkeit vom Einsatzzweck. Die Polung entlang der x-Achse wird oben beschrieben. Die Richtung kann entlang der y-Achse liegen, welche ebenfalls im Wesentlichen vertikal zu der Lichtstrecke oder der z-Achse steht.
Die optische Faser mit dem gepolten Abschnitt, wie oben beschrieben, wird verwendet, um einen linearen Modulator mit einer optischen Faser, wie in 1 gezeigt, herzustellen.
In 1 wird ein Modulator M mit einer optischen Faser gezeigt, umfassend ein Substrat 10 mit einer geraden Nut 11 und einer optischen Faser 12 mit einem blanken Faserabschnitt 13 und einem gepolten Abschnitt 14, der mit einer Elektrode 15 an gegenüberliegenden Seiten des Abschnittes 14 versehen ist. Der gepolte Abschnitt 14 dient als ein elektrooptisches Element. Das Substrat 10 besitzt zwei weitere Nuten 17a, 17b, die senkrecht zu der zuerst erwähnten geraden Nut 11 gebildet sind. Ein Polarisator 18 ist in die Nut 17a eingesetzt, und ein Analysator 19 ist in die Nut 17b eingesetzt, so dass der Polarisator 18, das elektrooptische Element 14 und der Analysator 19 in einer Lichtstrecke der optischen Faser 12 ausgerichtet sind. Eine Stromversorgung V besitzt Leitungen 20a, 20b, und die Leitung 20a ist elektrisch an die obere Elektrode 15 angeschlossen. Die Leitung 20b ist elektrisch an die andere Elektrode 15 (nicht dargestellt) angeschlossen, welche an einen entsprechenden Ab schnitt des Substrates 10 angebracht ist, welcher auf etwa 0,1 mm dünner gemacht wurde.
Das Substrat 10 kann aus Isoliermaterialien wie etwa Glas, Keramik, Harzen und Ähnlichem hergestellt sein. In Anbetracht der guten Verarbeitbarkeit und der Isolierungseigenschaften wird ein Glas-Epoxidharz-Substrat bevorzugt. Für die Fertigung des Modulators M wird zuerst das Substrat 10 bereitgestellt, und die Nut 11 wird in dem Substrat 10 durch eine Blattkreissäge gebildet. Die optische Faser 12 ist an der Nut 11 durch einen Keramik- oder Epoxidharz-Haftvermittler befestigt.
Nach der Fixierung werden die Nuten 17a, 17b in dem Substrat 10 an gegenüberliegenden Enden des gepolten Abschnittes 14 durch eine Blattkreissäge hergestellt, so dass der blanke Abschnitt 13 der optischen Faser 12 ebenfalls weggeschnitten wird. Die optischen Elemente 18, 19 werden in die Lichtstrecke der optischen Faser 12 eingesetzt. In der Praxis sind der Polarisator 18 und der Analysator 19 in einer herkömmlichen Weise an die Nuten 17a, 17b gebondet und in diesen fixiert.
Schließlich werden die Elektroden 15 an gegenüberliegenden Seiten des gepolten Abschnittes 14 angeordnet, wobei eine der Elektroden 15 an einen Abschnitt an einer unteren Seite des Substrates 10 gebondet wird, welcher zuvor dünner gemacht wurde.
Beim Betrieb wird ein Strahl von der LED als ein Eingangsstrahl von einem Ende der optischen Faser 12 wie gezeigt hindurch geleitet, und eine Wechselspannung von 1000 V wird an das elektrooptische Element 14 über die Leitungen 20a, 20b angelegt, die an die jeweiligen Elektroden 15 angeschlossen sind, um einen Modulationsgrad eines Ausgangsstrahls zu bestimmen, wodurch offengelegt wird, dass ein Modulationsgrad 1,8% mit einer Verzerrungsrate von 1% beträgt. Die Verzerrungsrate verschlechtert sich, wenn der Absolutwert δ der Phasendifferenz des Strahls, der durch das elektrooptische Element übertragen wird, von m × π/2 abweicht, aber in einem Bereich von +/– π/6 relativ zu einem voreingestellten Wert ist eine Verringerung des Modulationssignals nicht wahrnehmbar. Somit kann das elektrooptische Element in dem Modulator mit einer optischen Faser verwendet werden. Wenn der Modulator mit einem Modulationsgrad von 1,8% des Weiteren der Messung einer Temperaturkennlinie in einem Bereich von –20 bis +80°C unterzogen wird, liegt die Variation innerhalb von +/– 5% relativ zu einem als 100% angenommenen Modulationsgrad bei Raumtemperatur. Der gepolte Abschnitt dient in diesem Beispiel sowohl als Wellenplatte als auch als elektrooptisches Element, daher ist eine Wellenplatte nicht notwendig. Wenn darüber hinaus der Modulator M hohen Temperaturen von 70°C oder darüber ausgesetzt wird, wird im Gegensatz zu einem optischen Modulator mit einer Kristallplatte aus Bi₄Ge₃O₁₂ keine DC-Drift beobachtet, wodurch eine stabile Temperaturkennlinie sichergestellt wird.
Im Vorangegangenen wird die Polungsbehandlung durch Erwärmen einer optische Faser und Anlegen einer hohen Spannung an die erwärmte Faser durchgeführt. Die Polung kann in ähnlicher Weise vorangehen, wenn ein hohes elektrisches Feld an eine optische Faser angelegt wird, während sie UV-Licht ausgesetzt wird. Alternativ können andere Verfahren verwendet werden, einschließlich des Koronapolungsverfahrens oder eines Verfahrens der Polung unter Hochvakuum- und Hochtemperaturbedingungen.
Ein Modulator mit einer optischen Faser und dessen Fertigung nach weiteren Ausführungsformen wird unter Bezugnahme auf 2c und 2d und 3 beschrieben, wobei eine Wellenplatte in Kombination mit einem elektrooptischen Element verwendet wird.
In derselben Art wie in der unter Bezugnahme auf 1 und 2a bis 2c veranschaulichten Ausführungsform wird eine optische Faser gerade gehalten, und es wird bestätigt, dass der Polarisationszustand eines Strahls, der durch sich durch die Faser ausbreitet, in Ordnung ist. Die Richtung der anfänglichen Polung wird als die x-Achse genommen, und eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zur x-Achse in einem Bereich von 90 Grad +/– 10 Grad wird als die y-Achse genommen. Die Richtung eines sich ausbreitenden Strahls wird als die in 2c dargestellte z-Achse genommen. Der an der optischen Faser 21 zu polende Abschnitt 24 wird auf eine Temperatur von 300°C durch das Heizgerät 23 aufgeheizt und durch Anlegen einer Spannung von 5 kV (bei einem Elektrodenabstand von 0,5 mm) über 100 Minuten gepolt, um den Abschnitt 24 entlang der x-Achse, wie in 2c gezeigt, zu polen.
Danach wird die optische Faser um die z-Achse herum in einem Bereich von 90 Grad +/– 10 Grad gedreht, gefolgt von einer Polung bei 300°C über 30 Minuten durch Anlegen einer Spannung von 5 kV, wie in 2d dargestellt. In der Folge wird die so gepolte Faser auf Raumtemperatur zurückgeführt, bei weicher ein linear polarisierter Strahl von der linken Endfläche der optischen Faser, wie von 2d gesehen, eingegeben wird, um einen Polarisationszustand eines Ausgangsstrahls zu beobachten. Für die Beobachtung wird der Strahl so eingegeben, dass die Ebene der Polarisation des linear polarisierten Eingangsstrahls auf einen Winkel von 45° gesetzt wird, gesehen von der x-Achse in Richtung der y-Achse. Wenn eine Elliptizität des Ausgangsstrahls größer als ein vorgesehener Wert ist, wird die Polung weiter fortgesetzt. Nach Rückführung der weiter gepolten Faser auf Raumtemperatur wird der Zustand eines polarisierten Strahls auf dieselbe Weise wie oben beschrieben beobachtet, und die Polung wird abgeschlossen, wenn der übertragene Strahl aus einem linear polarisierten Strahl besteht.
In diesem Zustand von 2d wird eine λ/4-Platte in die Lichtstrecke an der Strahleingabeseite eingesetzt. Es wurde herausgefunden, dass ein Modulationsgrad 1,5% beträgt, wenn ein Potential von 1000 V an das aus einem sowohl von der x- als auch von der y-Achse gepolten Abschnitt 24' hergestellte elektrooptische Element angelegt wird.
Die so gepolte optische Faser wird in einem optischen Modulator M, der in 3 dargestellt wird, in derselben Weise angeordnet, wie unter Bezugnahme auf 1 veranschaulicht. In 3 zeigen gleiche Bezugszahlen wie in 1 jeweils gleiche Teile oder Elemente an, wobei die Bezugszahl 18' in 3 den Polarisator + die λ/4-Platte anzeigt, und die Bezugszahl 14' ein elektrooptisches Element anzeigt, das aus dem Abschnitt einer optischen Faser hergestellt wurde, der aus zwei unterschiedlichen Richtungen gepolt wurde, wie dies oben beschrieben wurde.
Wenn an den Modulator M eine Wechselspannung von 1000 V angelegt wird, werden Signale mit einem Modulationsgrad von 1,4% erhalten. Die Verzerrungsrate liegt sehr niedrig innerhalb von 0,8%. Darüber hinaus ist eine Variation des Modulationsgrades des Modulators in dem Temperaturbereich von –20 bis +80°C mit +/– 1,5% relativ zu einem als 100% angenommenen Modulationsgrad bei Raumtemperatur sehr gut. Wenn darüber hinaus der Modulator M hohen Temperaturen von 70°C oder darüber ausgesetzt wird, wird im Gegensatz zu einem optischen Modulator mit einer Kristallplatte aus Bi₄Ge₃O₁₂ keine DC-Drift beobachtet, wodurch eine stabile Temperaturkennlinie sichergestellt wird.
Wenn der Absolutwert δ1 der Phasendifferenz eines Strahls, der durch eine Wellenplatte mit derselben optischen Phasendifferenz wie die Wellenplatte, die in der Wellenplatte + Polarisator 18 verwendet wird, und das elektrooptische Element übertragen wird, ein ungeradzahliges Vielfaches von π/2 ist, wird eine gute Linearität erhalten. Wenn ferner eine Abweichung von dem ungeradzahligen Vielfachen von π/2 innerhalb von +/– π/ 6 liegt, können modulierte Signale erhalten werden, und ein solcher Modulator kann als ein Modulator oder ein Sensor mit einer optischen Faser verwendet werden. Die Temperaturkennlinie ist am besten, wenn der Absolutwert δ1 gleich π/2 ist.
Die Wellenplatte + das elektrooptische Element 18 können in ihrer Reihenfolge umgekehrt werden, solange die hauptsächliche dielektrische Achse der Wellenplatte und jene des elektrooptischen Elementes mit einander zusammenfallen. Zum Beispiel kann die Wellenplatte an den Analysator angebracht werden. Dies gilt für andere Ausführungsformen, welche sowohl eine Wellenplatte als auch ein elektrooptisches Element umfassen.
Es wird nun auf die 4a bis 4e und 5a bis 5d Bezug genommen, welche eine Anwendung eines Modulators mit einer optischen Faser als einen Sensor mit einer optischen Faser gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen.
Ein Modulator M mit einer optischen Faser, der in 4e dargestellt wird, umfasst ein Substrat 40, welches ein Nutmuster 41 besitzt, das aus drei Nuten 41a, 41b, 41c, und Nuten 42, 43, die im Wesentlichen senkrecht zu der Nut 41c gebildet sind, besteht, und eine U-förmige optische Faser 4r mit einem blanken Abschnitt 44a und einer flachen Unterseite 44b. Ein Polarisator 45, ein elektrooptisches Element 46 mit einem Paar von Elektroden 47, 47' an gegenüberliegenden Seiten des Elementes 46, und ein Analysator 48 sind aufeinander folgend in dieser Reihenfolge ausgerichtet, so dass die optischen Achsen dieser Elemente in einer Lichtstrecke der optischen Faser 44 liegen. Das elektrooptische Element 46 wird aus einem Abschnitt der optischen Faser 44 hergestellt, welcher in einer Richtung vertikal zu einer Lichtstrecke, in welcher sich ein Strahl in der optischen Faser 44 ausbreitet, gepolt wird. Die Elektroden 47 bzw. 47' sind an Leitungen 50 bzw. 50' angeschlossen, welche an eine Leistungsversorgung (nicht dargestellt) angeschlossen sind. Der Modulator M mit einer optischen Faser, der in einer hybriden Weise integrierte einzelne Elemente besitzt, wird wie in 4e dargestellt angeordnet.
Für die Fertigung des Modulator M wird zuerst das Substrat 40 vorgesehen, wie in 4a dargestellt. Das Substrat 40 wird in Anbetracht der Tatsache, dass das Substrat 40 erwärmt wird, wenn die optische Faser 44 an einem Teil derselben gepolt wird, aus einem wärmebeständigen Material wie etwa BK7-Glas hergestellt.
Danach werden die Nuten 41a, 41b und 41c unter Verwendung einer Blattkreissäge hergestellt, um ein Nutmuster 41 zu bilden, wie in 4b dargestellt. Zur selben Zeit werden Nuten 49, 49' gebildet, in welche die Elektroden 47, 47' eingeführt werden, um einen zu polenden Abschnitt 46a dazwischen anzuordnen.
Die optische Faser 44, welche eine U-Form mit einer flachen Unterseite 44b besitzt, wird separat auf eine im Folgenden hierin beschriebene Weise hergestellt. Die optische Faser 44 besitzt einen blanken Abschnitt 44a, von welchem eine Ummantelung entfernt wurde.
Die optische Faser 44 wird in das Nutmuster 41 eingesetzt und wie in 4c dargestellt an das Substrat 40 gebondet. Die Bondingmittel, die für diesen Zweck verwendet werden, können keramische Bondingmittel sein, die Aluminiumoxid- und/oder Siliziumoxidpulver umfassen.
Die Fertigung der geformten optischen Faser 44 wird unter Bezugnahme auf 5a bis 5d beschrieben.
Zuerst wird eine gerade optische Faser 44' wie in 5a dargestellt vorgesehen, und eine Ummantelung wird von einem Teil der Faser 44' entfernt, um eine blanke Faser 44'a wie in 5b dargestellt bereitzustellen. Die optische Faser 44' ist an ihren gegenüberliegenden Enden mit einer Hülse 52 versehen. Die blanke optische Faser 44a besitzt zum Beispiel einen Siliziumoxidkern mit einem Durchmesser von 200 um und eine Mantelschicht, die den Kern damit bedeckt und einen Durchmesser von 250 μm besitzt. Der Kern ist mit GeO₂ dotiert, um einen Brechungsindex zu erhöhen. Dieser Fasertyp hat eine Erweichungstemperatur von 900 bis 1000 °C. Dementsprechend kann die blanke Faser 44a wie gewünscht durch die Verwendung eines Mikrogasbrenners 54 in einer Weise, wie sie in 5c dargestellt wird, geformt werden, um eine U-förmige Faser 44 mit einer flachen Unterseite 44b zu schaffen, wie in 5d dargestellt. Diese Uförmige Faser 44 wird in 4c verwendet.
Es wird nun auf die 4d und 4e Bezug genommen. In 4d werden die Nuten 42, 43 durch eine Blattkreissäge hergestellt, durch welche ein Teil der optischen Faser 44 in dem Nutmuster 41 entfernt wird. Der Polarisator 45 und der Analysator 48 werden in die Nuten 42 bzw. 43 eingesetzt und an das Substrat 40 gebondet.
In der Folge wird ein Paar von Elektroden 47, 47' aus einem dünnen rostfreien Stahlblech jeweils in die Nuten 49, 49' eingesetzt, wie in 5e dargestellt. Der Abstand zwischen den Elektroden 47, 47' beträgt zum Beispiel 1 mm. Leitungsdrähte 50 bzw. 50' sind elektrisch an die Elektroden 47 bzw. 47' an einem Ende derselben angeschlossen, und sind an eine Leistungsversorgung für die Polungsbehandlung oder für die Messung eines Modulationsgrades an dem anderen Ende eines jeden Drahtes angeschlossen.
Wenn eine optische Faser von einer Lichtquelle (nicht dargestellt) an ein Ende der optischen Faser 44 angeschlossen wird und eine weitere optische Faser von einer Licht aufnehmenden Vorrichtung (nicht dargestellt) an das andere Ende der optischen Faser 44 angeschlossen wird, kann ein System zur Messung eines Modulationssignals des Modulators M mit einer optischen Faser angeordnet werden.
Ein Heizgerät (nicht dargestellt) ist eng mit einem oberen Abschnitt des Substrates 40 in Kontakt gebracht, wie in 4e zu sehen ist. Das Substrat wird in einer Atmosphäre aus trockenem Stickstoff auf 200°C aufgeheizt, und der Abschnitt 46 der optischen Faser 44, an welchem die Elektroden 47, 47' angebracht sind, wird durch Anlegen eines Potentials von 10 kV über zum Beispiel 30 Minuten gepolt. Für die Anwendung werden die Leitungsdrähte 50, 50' für die Polung an eine Leistungsversorgung (nicht dargestellt) angeschlossen.
Als Nächstes wird die Polung abgebrochen, und der Anschluss der Leitungsdrähte 50, 50' wird auf eine Leistungsversorgung für die Messung eines Modulationsgrades geändert. Eine Wechselspannung von 1000 V wird über die Elektroden angelegt, um eine Verzerrungsrate eines Modulationssignals zu messen. Wenn die Verzerrungsrate größer als beabsichtigt ist, wird die Polung in einer wie oben beschriebenen Weise weiter fortgesetzt, bis die Verzerrungsrate 1% oder darunter beträgt, wenn eine Wechselspannung von 1000 V daran angelegt wird. Der resultierende Modulator wird auf Raumtemperatur abgekühlt, um die Polungsbehandlung abzuschließen. Wenn an ihn eine Wechselspannung von 1000 V angelegt wird, besitzt der auf diese Weise erhaltene Modulator mit einer optischen Faser einen Modulationsgrad von 1,0% und eine Verzerrungsrate von 0,8 % relativ zu einer Wechselstromwellenform einer SIN-Welle. Bei diesem Modulator wird der Abschnitt der optischen Faser nur in einer Richtung gepolt und dient sowohl als elektrooptisches Element als auch als Wellenplatte. Dementsprechend können Modulationssignale mit guter hinearität ohne die Verwendung irgendwelcher Wellenplatten erhalten werden.
Dieser Typ eines Modulators mit einer optischen Faser besitzt eine Strahleingangs- und -ausgangsrichtung, welche zueinander parallel sind. Somit kann die Größe des Modulators im Vergleich zu den Modulatoren von 1 und 3 verkleinert werden, und so ist der Modulator besonders als ein Sensor geeignet.
Noch eine weitere Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 5c bis 5d und 6a bis 6d veranschaulicht. In 6a bis 6d werden gleiche Bezugszahlen wie in 4a bis 4d verwendet, um jeweils gleiche Teile oder Elemente zu bezeichnen.
Ein Modulator M mit einer optischen Faser dieser Ausführungsform ist ähnlich dem unter Bezugnahme auf 4a bis 4d veranschaulichten Modulator, mit der Ausnahme, dass ein Abschnitt einer optischen Faser von zwei unterschiedlichen Richtungen entlang der x- und y-Achsen gepolt wird, wie in 2c und 2d oder in 7a veranschaulicht wird, und dass eine Wellenplatte verwendet wird. Der Abschnitt der optischen Faser ist in dieser Ausführungsform so gepolt, dass die Phasendifferenz eines Strahls, der durch eine λ/4-Platte und das elektrooptische Element übertragen wird, zum Beispiel gerade π/2 beträgt.
Die optische Faser wird an einem Abschnitt derselben auf eine Art gepolt, wie sie in 2a bis 2d veranschaulicht ist.
Die so gepolte Faser wird gemäß dem in 5c und 5d dargestellten Verfahren geformt. Insbesondere wird die optische Faser durch den Mikrogasbrenner 54 erhitzt, um eine U-förmige optische Faser mit einer flachen Unterseite 44b zu bilden. Um keine Hitze auf den gepolten Abschnitt aufzubringen, werden zwei Ecken der U-Form innerhalb einer kurzen Zeit, zum Beispiel von 10 bis 30 Sekunden verarbeitet, während die Brennerspitze geschlossen wird, um eine feine Flamme zu verwenden.
In 6a wird ein Substrat 40 dargestellt. In diesem Fall wird das Substrat nicht erhitzt und kann aus einem Glas-Epoxidharz hergestellt sein. Ein Nutmuster 41 wird wie in der vorhergehenden Ausführungsform hergestellt. Die U-förmige optische Faser 44 wird in das Nutmuster 41 eingesetzt und wie in 6b dargestellt an das Substrat 40 gebondet. Es sind Nuten 42, 43 gebildet, um optische Elemente darin einzusetzen. Das heißt, ein Polarisatorelement 45a aus einem Polarisator und eine λ/4-Platte, die aus Quarz hergestellt und integral mit dem Polarisator kombiniert ist, wird in der Nut 42 fixiert, und ein Analysator 48 wird wie in 6d dargestellt in der Nut 43 fixiert.
Ein gepolter Abschnitt 46a der optischen Faser 41 ist mit einer Elektrode 60 an einer Oberseite derselben verbunden. Eine weitere Elektrode (nicht dargestellt) ist an eine Rückseite des Substrates 40 an einen auf eine Dicke von etwa 0,2 mm bearbeiteten Abschnitt gebondet, um dadurch einen Modulator mit einer optischen Faser zu erhalten, wie er in 6d dargestellt wird. In 6d werden die Leitungsdrähte, die an die Elektroden angeschlossen sind, der Einfachheit halber nicht dargestellt.
Es wurde herausgefunden, dass ein Modulationsgrad 1,4% beträgt, wenn eine Wechselspannung von 1000 V an den Modulator angelegt wird. Die Verzerrungsrate in Bezug auf die Spannung der SIN-Welle beträgt 0,5% oder weniger. Wenn der Sensor ferner einer Messung einer Temperaturkennlinie in einem Bereich von –20 bis +80°C unterzogen wird, liegt die Variation innerhalb von +/– 2% relativ zu einem Modulationsgrad bei Raumtemperatur, der mit 100% angenommen wird. Dies ist deshalb der Fall, weil die Differenz im Brechungsindex an dem gepolten Abschnitt der optischen Faser im Wesentlichen Null ist, und das elektrooptische Element in einem Zustand frei von Doppelbrechung ist, so dass keinerlei Abweichung einer optischen Asymmetrie auftritt, wie sie durch die Temperaturkennlinie der Doppelbrechung verursacht wird. Wenn darüber hinaus der Sensor hohen Temperaturen von 70°C oder darüber ausgesetzt wird, wird im Gegensatz zu einem optischen Modulator mit einer Kristallplatte aus Bi₄Ge₃O₁₂ keine DC-Drift beobachtet, wodurch eine stabile Temperaturkennlinie sichergestellt wird.
Es ist anzumerken, dass jegliche Messung der Unterdrückung eines optischen Verlustes an den gebogenen Abschnitten der geformten optischen Fasern unter Bezugnahme auf 4a bis 4e und 6a bis 6d nicht erfolgt. Wenn es erwünscht ist, einen optischen Verlust zu minimieren, kann ein dielektrischer mehrschichtiger Film oder eine Metallpastenbeschichtung zur Strahlreflexion an den gebogenen Abschnitten gebildet werden.

Claims

Modulator mit einer optischen Faser, der eine optische Faser (12), ein Substrat (10), das ein Nutmuster (11) aufweist, in dem die optische Faser fixiert ist, und eine Modulationseinheit umfasst, die einen Polarisator (18), ein elektrooptisches Element und einen Analysator (19) umfasst, die in einer Lichtstrecke der optischen Faser in dieser Reihenfolge ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrooptische Element aus einem gepolten Abschnitt (14) der optischen Faser hergestellt ist, und dass, wenn das elektrooptische Element in einem von einem elektrischen Feld freien Zustand ist, ein Absolutwert δ einer Phasendifferenz eines Strahls, der durch das elektrooptische Element hindurch geleitet wird, im folgenden Bereich liegt (m/2 –1/6)π ≤ δ≤ (m/2 + 1/6)π, wobei m eine ungerade Zahl ist.
Modulator mit einer optischen Faser nach Anspruch 1, wobei der Absolutwert δ derart ist, dass π/3 ≤ δ ≤ 2π/3.
Modulator mit einer optischen Faser nach Anspruch 1 oder 2, wobei der gepolte Abschnitt aus einer Richtung senkrecht zur Lichtstrecke gepolt ist.
Modulator mit einer optischen Faser nach Anspruch 1, der ferner eine Wellenplatte zwischen dem Polarisator und dem elektrooptischen Element oder zwischen dem elektrooptischen Element und dem Analysator umfasst.
Optischer Modulator nach Anspruch 4, wobei der Absolutwert δ derart ist, dass π/3 ≤ δ ≤ 2π/3.
Optischer Modulator nach Anspruch 4 oder 5, wobei der gepolte Abschnitt einer ist, der aus zwei unterschiedlichen Richtungen gepolt ist.
Optischer Modulator nach Anspruch 6, wobei die beiden unterschiedlichen Richtungen im Wesentlichen vertikal zueinander in einem Bereich von 90° ± 10° stehen.
Modulator mit einer optischen Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die optische Faser gerade ist.
Modulator mit einer optischen Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die optische Faser eine U-Form mit einer flachen Unterseite aufweist, in die die Modulationseinheit eingesetzt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Modulators mit einer optischen Faser, der eine optische Faser (12), ein Substrat (10), das ein Nutmuster (11) aufweist, in dem die optische Faser fixiert ist, und eine Modulationseinheit umfasst, die einen Polarisator (18), ein elektrooptisches Element und einen Analysator (19) aufweist, die in einer Lichtstrecke der optischen Faser in dieser Reihenfolge ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrooptische Element aus einem Abschnitt (14) der optischen Faser hergestellt wird, mit dem Schritt, dass der Abschnitt der optischen Faser gepolt wird, während ein Zustand eines polarisierten Strahles, der durch den gepolten Abschnitt hindurch geleitet wird, beobachtet wird, so dass, wenn der gepolte Abschnitt in einem von einem elektrischen Feld freien Zustand ist, ein Absolutwert δ einer Phasendifferenz eines Strahles, der durch den gepolten Abschnitt hindurch geleitet wird, in dem folgenden Bereich liegt (m/2 – 1/6)π ≤ δ ≤ (m/2 + 1/6)π, wobei m eine ungerade Zahl ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Absolutwert δ derart ist, dass π/3 ≤ δ ≤ 2/3π.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Polung derart bewirkt wird, dass, wenn ein elektrisches Wechselstromfeld an das elektrooptische Element, das in den Modulator eingebaut ist, angelegt wird, eine Verzerrungsrate eines Modulationssignals des Strahls unmittelbar nach der Übertragung durch das elektrooptische Element auf einem Minimum liegt.
Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, wobei der Abschnitt aus einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Lichtstrecke in einem Bereich von 90° ± 10° gepolt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Modulator mit einer optischen Faser ferner eine erste Wellenplatte zwischen dem Polarisator und dem elektrooptischen Element oder zwischen dem elektrooptischen Element und dem Analysator umfasst, und wobei die Polung bewirkt wird, indem aufeinander folgend ein elektrisches Feld oder eine elektrische Spannung aus zwei unterschiedlichen Richtungen im Wesentlichen senkrecht zu der Lichtstrecke in einem Bereich von 90° + 10° angelegt werden, während für jede Aufbringung des elektrischen Feldes oder der elektrischen Spannung ein Polarisationszu stand eines Strahles beobachtet wird, der durch eine Wellenplatte hindurch geleitet wird, die die gleiche optische Phasendifferenz wie die zuerst erwähnte Wellenplatte und der gepolte Abschnitt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Absolutwert δ derart ist, dass π/3 ≤ δ ≤ 2π/3.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Polung derart bewirkt wird, dass, wenn ein elektrisches Wechselstromfeld an das elektrooptische Element angelegt wird, eine Verzerrungsrate eines Modulationssignals des Strahles unmittelbar nach der Übertragung durch den Analysator minimiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei die optische Faser gerade ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei die optische Faser zu einer U-Form mit einer flachen Unterseite geformt wird, in die die Modulationseinheit eingesetzt wird.