IT8368302A1

IT8368302A1 - Dispositivo convertitore ottico di frequenza e girometro comprendente tale dispositivo

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Publication number: IT8368302A1
Application number: ITTO1983A068302A
Authority: IT
Original assignee: Thomson Csf
Priority date: 1982-12-23
Filing date: 1983-12-14
Publication date: 1985-06-14
Also published as: FR2555769B1; DE3346058A1; NL8304435A; IT8368302A0; NL192466B; NL192466C; GB2151806A; FR2555769A1; GB2151806B; DE3346058C2; CA1255139A; IT1160140B

Description

TESTO DELLA DESCRIZIONE

L'invenzione riguarda un dispositivo convertitore

di frequenza in ottica integrata.

I convertitori di frequenza in ottica classica sono

ben noti. Il convertitore di frequenza pi? generalmente

utilizzato ? certamente quello basato sull'interazione acustico-ottica. In tale metodo una rete acustica che si propaga in un mezzo crea delle variazioni periodiche dell'indice

di rifrazione sotto la forma di un'onda progressiva. Tale

rettaloin movimento diffrange la luce. Se l'interazione ? sufficientemente lunga, un solo ordine pu? essere predominante. Nell'ordine diffratto (co^) la frequenza (0 dell'onda ai ottica ? stata modificata di una quantit? uguale alla fre cA,

quenza fi dell'onda acustica.

<! d vi Si ha u) = u; SI ,

D

La reiezione della frequenza fondamentale pu? essere

eccellente, poich? l'onda convertita e l'onda diretta (non

diffratta) sono allora spazialmente separate.

Si pu? allora dunque studiare ci? che avviene in

ottica integrata. Con questo termine si indicano strutture

monolitiche a strati sottili destinate al trattamento dei

segnali luminosi, le quali sono ottenute mediante tecniche

di deposizione, diffusione ed incisione per mascheratura,

analoghe a quelle utilizzate nella realizzazione dei circuiti elettronici integrati. In particolare mediante tali tecni

che si sanno realizzare strutture lineari caratterizzate da un indice di riffrazione superiore a quello del mezzo dell'ambiente circostante, e formanti guide d'onda lungo le quali la luce si propaga mediante una successione di riflessioni totali o di ??-?frazioni progressive. E' noto di associare due siffatte guide d'onda disposte parallelamente 1?una all'altra su una parte dei loro percorsi per realizzare degli accoppiatori direzionali; grazie al fenomeno dell'onda evanescente, l?energia trasportata nella prima guida passa progressivamente nella seconda guida, e si osserva un massimo di energia trasferita al termine di una certa lunghezza definita lunghezza di accoppiamento, che dipende dai parametri geometrici ed ottici della struttura, .e in particolare dal valore degli indici di rifrazione dei materiali costituenti le due guide e del mezzo che le separa, quindi l'energia rifluisce progressivamente dalla seconda guida nella prima, e cos? di seguito. E' altres? noto, utilizzando come uno dei materiali costituenti le guide ovvero il mezzo che le separa, un materiale elettroottico, di farne variare l'indice sotto l'azione di un campo elettrico, il che permette, agendo sulla lunghezza di accoppiamento, di controllare elettricamente la frazione di energia trasferita da una guida all'altra; si constata che ? parimenti possibile realizzare un modulatore di luce disponendo parallelamente alla guida che trasporta l'onda luminosa uno spezzone di guida nella quale si trasferir? una frazione

pi? o meno grande di tale energia.

Inoltre esistono convertitori di frequenza destinati

a generare, a partire da una radiazione elettromagnetica

guidata di frequenza to , una radiazione elettromagnetica

guidata la cui frequenza ? un multiplo della frequenza iJ . Tali convertitori sono utilizzati in particolare nel campo

dell'ottica integrata, che ? cos? definita per analogia con i circuiti elettronici integrati che sono strutture monolitiche realizzate con strati sottili.

Convertitori del tipo precedentemente descritti) sono gi? stati realizzati in ottica integrata, tuttavia

essi richiedono l'impiego di una guida d'onda planare, e

ci? non ? applicabile alle microguide. Sono gi? state proposte tecniche utilizzabili con microguide, nelle quali si

pu? utilizzare una modulazione elettroottica; si pu? tratta?

re allora di un sistema serrodina o un modulatore equilibra?

to. Un tale convertitore ottico di frequenza comprende una

guida d'onda utilizzata a modulatore di fase e comandata

mediante un segnale avente la forma di un dente di sega.

Un siffatto segnale ha gli stessi effetti di una rampa di

tensione che permetta una variazione dell'indice in funzione

del tempo.

Pu? trattarsi anche di una modulazione acustica

nella quale un'onda del tipo TE ? convertita in un?onda

\

di tipo TM con un cambiamento di frequenza.

In questo caso l'applicazione di un campo elettrico trasversale permette di modificare la banda passante di

un convertitore acustico-ottico di modo TE-TM mediante l'interazione nella stessa direzione di onde acustiche di superficie e di un'onda ottica guidata.

Tali due tecniche presentano svaria-t<ir inconvenienti:

- le due onde si propagano nella stessa guida (onda traslata in frequenza ed onda fondamentale), il che pu?

porre dei problemi di separazione fra loro;

in certi casi l'efficacia della conversione ? assai legata alla forma d'onda (caso del traslatore serrodina) ;

- nel caso di una conversione TE-TM uno dei problemi che si possono incontrare ? rappresentato dall'estremit? sensibilit? del dispositivo con la lunghezza d'onda (variazione di A / - & / ) che pu? peraltro permettere di utilizzare tale tipo di dispositivo come filtro.

Il dispositivo secondo l'invenzione permette di ovviare a tali inconvenienti. In effetti in tale dispositivo le onde convertite e non convertite sono separate spazialmente, poich? la diafonia ? legata a dei parametri geometrici semplici e pu? essere arbitrariamente diminuita. Per

di pi? le due onde conservano la medesima polarizzazione. ?IH0 Inoltre tale dispositivo pu? essere esteso ed utilizzato

nel caso in cui si desidera realizzare filtri in frequenza. L'invenzione ha per oggetto un dispositivo ottico convertitore di frequenza comprendente un substrato piano realizzato in un primo materiale, ed almeno due guide d'onda di caratteristiche differenti, di cui una riceve un'onda incidente, disposte sulla superficie di tale substrato, tali guide d'onda essendo parallele fra loro su una lunghezza predeterminata e separate da una distanza tale che la radiazione dell'onda incidente sia trasferibile da una guida d'onda ad un'altra, caratterizzato dal fatto che tale dispositivo comprende mezzi di generazione di un'onda acustica colineare con l'onda incidente propagata da una delle guide; tali mezzi di generazione essendo disposti tra le due guide d'onda in modo da realizzare la suddetta conversione di frequenza .

L'invenzione ha inoltre per oggetto un girometro comprendente un siffatto dispositivo.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi appariranno nella descrizione che segue, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- le figure 1 a 3 illustrano un dispositivo secondo la tecnica anteriore;

-- la figura 4 illustra il dispositivo secondo l'invenzione;

- la figura 5 illustra un dispositivo secondo la tecnica anteriore;

- le figure 6 e 7 illustrano un sistema comprendente il dispositivo secondo l'invenzione;

- la figura 8 illustra una variante di tale sistema. Le figure 1 e 2 rappresentano rispettivamente una vista in sezione ed una vista dall'alto di un commutatore realizzato in ottica lineare. Le due guide d'onda luminose 1 e 2 sono inserite nel substrato 3; il materiale per il tramite del quale si realizza l'accoppiamento ? quello costituente il substrato 3. Per impiantare le guide 1 e 2 ? possibile, a titolo di esempio, far diffondere del titanio in un substrato costituito da una piastrina monocristallina di niobato di litio (Li Nb 0 ). Il titanio, nella zona di diffusione, si sostituisce parzialmente al niobio per formare un composto misto avente la formula Li Ti Nb 0 , x 1-x 3 presentante un indice di .rifrazione superiore a quello del niobato puro; tali zone diffuse, di indice superiore a quello del substrato, costituiscono le guide d'onda 1 e 2. Se la temperatura di diffusione ? superiore al punto di Curie del materiale, si approfitta della successiva fase di raffreddamento per sottoporre la piastrina ad un campo elettrico uniforme, in modo da polarizzare uniformemente la piastrina e da creare cos? una struttura "monodominio".

Quando una tensione viene applicata fra gli elettrodi 10 e 20, si crea una distribuzione di linee di campo indicata con il numero di riferimento 4 nella figura 1. La componente del campo secondo la direzione C perpendicolare alla superficie 23 del substrato nell'una e nell'altra guida ha il medesimo valore assoluto e direzione opposta, determinando variazioni dell'indice di rifrazione di medesimo valore assoluto e di segni contrari. Non di meno l'esistenza di una componente di campo non nulla secondo una direzione perpendicolare alla direzione dell'asse C del substrato, che determina il suo indice straordinario, nonch? il fatto che il campo elettrico applicato fa parimenti variare il valore dell'indice nella parte del substrato 22 compresa tra le due guide, determina una certa disimmetria del fenomeno: l'accoppiamento ottenuto varia secondo la polarit? della tensione applicata fra gli elettrodi 20 e 21. La polarit? della tensione che realizza l'accoppiamento massimo pu? essere dedotta dall'orientamento cristallografico del materiale che compone il substrato. Se tale orientamento ? sconosciuto, ? estremamente facile determinare sperimentalmente la polarit? ottimale mediante una misura di intensit? luminosa trasmessa da una delle guide per due polarit? in segni contrari.

Se gli elettrodi metallici sono disposti direttamente sulla superficie delle guide, l'esistenza di un'onda evanescente che si propaga nel mezzo metallico, relativamente assorbente, pu? determinare delle perdite di energia nell'accoppiatore. Per evitare tali perdite ? possibile intercalare, nel modo rappresentato nella figura 1, uno strato dielettrico trasparente 11 e 21 tra le guide 1 e 2 e gli elettrodi 10 e 20. Tale strato isolante ? realizzato in un materiale presentante una buona trasmissione per la lunghezza d'onda luminosa propagata dalla guida, ed un indice di rifrazione inferiore a quello della guida. La silice (SiO^) costituisce un materiale perfettamente adatto nel caso precedentemente descritto in cui il substrato ? costituito da del niobato di litio.

Le due guide mostrate nella figura 2 sono parallele fra loro su un tratto rettilineo di lunghezza L, funzione del parametro definito "lunghezza di accoppiamento" che sar? definito pi? avanti; la distanza fra le parti parallele rettilinee presenta un valore d che non deve superare qualche lunghezza d'onda (calcolata nel mezzo che separa le due guide) della luce trasportata dalle guide. Le due guide sono costituite da uno stesso materiale elettro-ottico che, sottoposto ad un campo elettrico, possiede un indice di rifrazione variabile in funzione del valore del campo applicato. L'indice di rifrazione di tale materiale ? dunque scelto in modo tale che, anche in presenza del campo elettrico applicato, esso rimane superiore all'indice del materiale costituente il substrato 3.

A causa del carattere elettro-ottico del materiale costituente le guide 1 e 2, la distribuzione delle linee di campo nelle guide produce in queste delle variazioni dell'indice di rifrazione sensibilmente uguali in valore assoluto , ma di segni contrari.

Ora, quando un'onda ? trasportata da una guida, una parte dell'energia si propaga al difuori della guida, nel mezzo che la circonda, sotto forma di onda evanescente; l'ampiezza di tale onda decresce esponenzialmente mano mano che ci si allontana dalle pareti della guida. Se parallelamente alla prima ? disposta una seconda guida, essa capta progressivamente, per il tramite di tale onda evanescente, l'energia veicolata nella prima guida, e ci? avviene tanto pi? rapidamente quanto pi? le guide sono ravvicinate. Dopo una certa data distanza, detta lunghezza di accoppiamento, che dipende a sua volta dai parametri geometrici ed ottici delle due guide e del mezzo che le separa (ed in particolare dagli indici di rifrazione) un massimo di energia viene trasferito dalla prima guida nella seconda; oltre tale lunghezza, si produce il fenomeno inverso: l'energia si trasferisce progressivamente dalla seconda guida alla prima, sino a raggiungere un valore minimale nella seconda guida; qualsiasi modificazione dell'indice di uno dei mezzi agisce evidentemente in un senso o nell'altro, sulla lunghezza di accoppiamento.

Nel dispositivo illustrato nelle figure 1 e 2, la lunghezza L pu? essere scelta uguale alla lunghezza di accoppiamento in assenza di tale campo elettrico applicato. Data

la perfetta simmetria delle due guide nella zona di accoppiamento, il trasferimento di energia ? totale dalla prima

guida alla seconda guida (o dalla seconda verso la prima).

La applicazione di una tensione tra gli elettrodi 20 e 21

diminuisce la lunghezza di accoppiamento, e una parte dell'energia ? ritrasferita dalla seconda guida verso la prima

(o dalla prima verso la seconda). Il risultato globale

? allora che mano a mano che viene aumentata la tensione,

l'energia trasferita dalla prima guida verso la seconda

(o dalla seconda verso la prima) misurata all'estremit?

della zona di accoppiamento, diminuisce sino a raggiungere

un valore nullo. L'accoppiamento tra le due guide decresce

cos? dal 100% allo 0% quando la tensione applicata agli

elettrodi cresce. Il risultato sar? identico se la lunghezza

L assume un valore uguale ad un multiplo dispari della lunghezza di accoppiamento in presenza di campo nullo. a?CCiCl3:E?IA&PEKAH?i-.

SAp... E1 parimenti possibile attribuire alla lunghezza

L un valore uguale ad un multiplo pari della lunghezza di

accoppiamento sotto campo nullo. L'energia trasferita all'uscita, da una guida all'altra, cresce allora a partire da

zero, quando la tensione applicata fra gli elettrodi cresce

a partire da zero.

Si ? dunque cos? realizzato un dispositivo il quale,

sotto il controllo di un segnale elettrico, permette di commutare parte dell'energia trasportata da una guida verso un'altra guida ad essa associata nella zona di accoppiamento.

tfa allora da s? che se si limita 1'una delle due guide ad un tratto avente come lunghezza minima la lughezza L della zona di accoppiamento, tale dispositivo permette di modulare al 100% l'energia trasportata dall?altra guida.

Nei casi in cui le due guide sono differenti, una struttura periodica realizzata fra tali due guide pu? permettere di aumentare gli scambi fra loro. In effetti quando l'onda veicolata in una guida ha la stessa velocit? d? propagazione di uno degli ordini diffratti dall'altra guida si ha allora uno scambio di energia.

Per realizzare tale scambio possono essere impiegati svariati mezzi, in particolare la creazione di un campo elettrico tra due elettrodi per esempio d? strutture periodiche 18 e 29 depositate da una parte e dall'altra delle due guide d'onda 5 e 6, come mostrato nella figura 3. Un'onda luminosa 24 che si propaga nella prima guida crea ^per accoppiamento dovuto alla presenza di una polarizzazione V , un'onda accoppiata 25 che va a propagarsi nella seconda guida 6. Ci? pu? essere anche la realizzazione di un; reticolo, inciso nel substrato tra le due guide d'onda. Nel dispositivo secondo l'invenzione si ha la creazione di onde acustiche 12, mediante elettrodi 13 e 14 aventi la forma di pettini compenetrati, agli estremi dei quali ? collegato un genera?

tore V, le quali onde si propagano tra le due guide d'onda

come ? mostrato nella figura 4. Tuttavia gli elettrodi posso?

no essere depositati su uno strato sottile 26 di un materia?

le piezoelettrico, ad esempio ossido di zinco (ZnO) deposita-J

to esso stesso sul substrato 3 composto da un altro materia?

le, ad esempio da silice. Peraltro lo strato sottile 26

pu? essere realizzato nel medesimo materiale del substrato,

ad esempio quarzo cristallino, arseniuro di gallio oppure

niobato di litio.

Il dispositivo secondo l'invenzione presenta il

vantaggio di permettere una regolazione dell'accoppiamento

tra le due guide 5 e 6, il quale ? funzione della frequenza

delle onde acustiche. In effetti tale deflettore acustico-ot-

tico permette una traslazione in frequenza: le onde luminose

guidate da una delle guide 5 e quindi fatte diffrangere

da tali onde acustico-ottiche vengono allora convertite

in frequenza e trasmesse nella seconda guida 6. Tali due

guide non hanno peraltro necessariamente la medesima larghezza.

In effetti se si considera un mezzo 30 nel quale

si propaghi un fascio di onde elastiche 31 di frequenza

f, come ? illustrato nella figura 5, se un fascio luminoso

incidente 32 viene inviato su tale mezzo si ottiene un com?

plesso 33 di fasci diffratti di frequenze F kf?, k essendo un numero intero positivo o negativo.

In effetti, la variazione sinusoidale dell'indice,

generata dall'onda elastica, sull'onda luminosa fornisce

un effetto analogo a quello di una rete di fase: il fascio

luminoso 32 che penetra nel cristallo 30 parallelamente

ai piani delle onde elastiche ? separato in svariati fasci

inclinati simmetricamente rispetto al fascio incidente di

angoli 0 :

N

, ?

sin??.N,=k?X

? essendo il passo dei piani d'onda e \ la 1un-

ghezza d'onda del fascio incidente. Tuttavia lo spessore

e del fascio elastico deve essere inferiore ad un valore

critico e . In effetti le onde laterali sono generate lungo

tutto il tragitto dell'onda portante all'interno del fascio

di ultrasuoni e non solamente all'uscita, sulla frontiera.

Se si divide idealmente il fascio elastico in tranci sottili

paralleli alla direzione di propagazione, per ciascuno di mmimmtF?ASIII-SAp... essi ? valida l'analisi spettrale precedente: le frequenze

Q+ k u) e la direzione di propagazione delle onde

laterali sono le stesse per i tranci di ascisse x ed x L

Se per _un dato ordine si sommano i contributi di tali due

tranci 'distanti ( , si ha opposizione di fase per una distan-

za - ?2 1

N = _T N

L'interferenza delle onde emesse tra i due tranci distanti t pu? dunque essere distruttiva. Se la larghezza del fascio ? superiore a Z

annullato da quello situato a distanza jj, Nelle migliori condizioni, lo spessore e del fascio elastico non deve dunque superare un valore critico del primo ordine:

2

Per un incidenza ad angolo di Bragg del fascio luminoso 32 rispetto ai piani d'onda elastici, l'interazione risulta massima poich? essa permette di rendere costruttive le interferenze per il primo ordine di frequenza angolare fi ? ; essa non fornisce dunque che un solo fascio deviato .

Il dispositivo secondo l'invenzione utilizza un accoppiatore direzionale le due guide del quale non sono identiche. In questo caso se ?/?. e ?/? sono le costanti

1 2

di propagazione dei modi in tali due guide dell'accoppiatore, l'energia relativa in una delle guide quando si sar? eccitata l'altra pu? essere espressa come:

1+ ??*/4c cL ;1 ?32 c2 ;dove L ? la lunghezza di interazione, c ? la costante di accoppiamento con ;= ( g/Ki _ ?/?2) ;dove ? ? la lunghezza d'onda nel vuoto. L'energia relativa ;presente in tale guida all'uscita dell'accoppiatore dipende ;dunque da tre parametri. L, c e ?? . Se ?? ? rilevante ;rispetto a c, si vede che comunque, quale che sia L, l'ener? ;gia massima scambiata pu? essere modesta. Ad esempio se: ;c = 1,5104 yum ;~ ?0 = 0,001 ;;E MAX = ?>0017 ;e se c = 1,5 IO"4 ;=0.0? ;EMAX = 0,000017 ;Tali valori sono dunque molto modesti e possono ;essere ulteriormente ridotti a piacere modificando la lun? ;ghezza L. ;E1 noto che, se si fa variare in modo periodico ;le costanti di propagazione delle due guide e se il periodo ;corrispondente ? ben scelto, si pu? aumentare lo scambio ;tra le due guide compensando il mediante il vettore K della rete o reticolo. ;In vista della conservazione dei momenti, per l'inte? ;razione si pu? dunque scrivere: ;V K= ?2 ;e ^ (Bj/K- S2/K)?^ ;? essendo il periodo della rete. ;Cos?, se tale rete ? formata nel modo realizzato ;nel dispositivo secondo l'invenzione rappresentato nella ;figura 4, mediante un'onda acustica che si propaga nella ;stessa direzione dell'onda ottica, si otterr? allora una ;traslazione di frequenza dell'onda accoppiata. ;L'efficienza o efficacia di interazione dipende ;dal valore della variazione dell'indice indotta dall'onda ;acustica, e dunque dalla potenza iniettata. Si pu? prendere ;come esempio un accoppiatore direzionale realizzato in nioba? ;to di litio (Li Nb 0 ) per diffusione di titanio. La varia? ;zione dell'indice corrispondente al titanio ? abitualmente ;-3 ;dell'ordine di: ? n - 510 ;S? comprende allora che si possono realizzare le ;;_3 ;due guide con = 210 . Ci? pu? essere ottenuto modi O0 ;ficando la larghezza o/e lo spessore del titanio per tali ;-aS I (J e due guide dell'accoppiatore. Per una lunghezza di interazioeS? ne di 10 mi?i, l'energia massima scambiata sar?: con ? = O -4 ;= 0,03 yum, E = 410 .La lunghezza d?onda acustica neces- ;saria per la compensazione sar?: 415 pm, sia nel caso del ;niobato di litio (Li Nb 0 ) con una frequenza di circa 7,2 ;MHz. L'onda raccolta all'uscita della seconda guida (non ;eccitata inizialmente) sar? dunque ottenuta con una trasla? ;zione in frequenza di 7,2 MHz e la quantit? massima di fonda- ;mentale in tale guida sar? di -33dB relativamente all'ener? ;gia ottica totale. Il dispositivo secondo l'invenzione pu? / parimenti essere realizzato fabbricando una delle guide ;per scambio protonico, e l'altra per diffusione di titanio ;(oppure entrambe per scambio protonico ma con caratteristi? ;che differenti). In questo caso si pu? ottenere ?? /K - 0,1 ;con una lunghezza di interazione pari a 10 mm, si- ottiene ;un'energia massima scambiata: -67 dB dell'energia totale, ;con una lunghezza d'onda acustica di 8,3 jum con una frequen? ;za acustica dell'ordine di 361 MHz. ;Cosi, nel dispositivo secondo l'invenzione illustra? ;to nella figura 4, un'onda 23 inviata nella prima guida ;determina per accoppiamento l'esistenza di un'onda 25 nella ;seconda guida, tale onda essendo allora traslata in fre? ;quenza. ;Svariate configurazioni di guide sono possibili, ;con un substrato 3 in niobato di litio, ad esempio. Le due ;guide sono ottenute per diffusione di titanio nel substrato. ;Se le onde guidate nelle due guide sono due onde TE oppure ;due onde TM si ottiene allora un dell'ordine di qual- I ;K ;-3 ;che 10 ;Si pu? tuttavia avere una interazione incrociata, ;vale a dire un'onda TE nella prima guida, ed un'onda TM ;nella seconda, o viceversa, e si ottiene allora un ?? delie ;l'ordine di 0,1. ;Una delle due guide pu? essere ottenuta per diffusio? ;ne di titanio, e la seconda per scambio protonico. Se si ;considera un asse C perpendicolare alla superficie del substrato si ha allora'un'onda TM in ciascuna delle due guide. Si potrebbero anche avere due onde TE. Si ottiene allora un ?? /K dell'ordine di 0,1. ;Le due guide possono essere ottenute per scambio protonico, ma le loro caratteristiche debbono essere in tal caso differenti. Si pu? ottenere allora: ??/? - 0,1. ;Giocando sulla frequenza acustica, che pu? variare da 10 a 300 MHz, si pu? ottenere un filtro accordabile. In effetti la birifrangenza del materiale varia in funzione della frequenza. ;La banda passante del dispositivo secondo l'invenzione ? funzione cfella lunghezza di interazione onda ottica - onda acustica, e pi? elevato ? il numero di fronti d'onda dell'onda acustica "visti" nel corso dell'accoppiamento, pi? ? stretta la banda passante. Il dispositivo qui descritto pu? dunque essere utilizzato come filtro mettendo a profitto, ad esempio, la variazione della birifrangenza di un materiale in funzione della lunghezza d'onda. Si pu? allora immaginare che l'onda sia un'onda TE(TM) nella prima guida ed un'onda TM(TE) nella seconda guida accoppiate per il tramite dell'onda acustica. Nel? caso del niobato di litio si ha: (?? /KTM - ^3/KTE) ? 0,1' e dunque nuovamente un'onda acustica di frequenza circa uguale a 361 MHz, E tale filtro ? regolabile, poich? ? sufficiente cambiare la frequenza dell'onda acustica. ;Nel dispositivo secondo l'invenzione si possono depositare elettrodi, ad esempio da una parte e dall'altra delle due guide, oppure sulle guide medesime. Peraltro si pu? depositare uno strato tampone di isolamento tra gli elettrodi ed il substrato. Il campo elettrico creato tra tali due elettrodi permette allora la regolazione del dispositivo secondo l'invenzione nel suo stato iniziale oppure nel suo stato finale. ;Il dispositivo secondo 1'invenzione trova la sua applicazione nel campo dei girometri in fibra ottica. ;La figura 6 rappresenta schematicamente un interferometro ad anello secondo la tecnica anteriore. Una sorgente laser S invia un fascio di raggi ocralleli 41 verso un dispositivo separatore costituito' da una lamina semi-trasparente M. ;Un certo numero di specchi M , M , M definiscono 1 2 3 ;un percorso ottico formante l'anello dell'interferometro. Tale anello pu? essere realizzato ad esempio con l'aiuto di una fibra ottica monomodale; in effetti la sensibilit? della misura ? accresciuta grazie all'impiego di un percorso ottico lungo. Tale anello ? richiuso sul dispositivo separatore M che svolge parimenti il ruolo di dispositivo mescolatore, e definisce cos? un ramo di uscita 43. L'anello ? dunque percorso da due onde che si propagano in sensi inver? si: l'una nel senso orario (senso 2) l'altro nel senso antiorario (senso 1). Tali due onde si ricombinano sulla lamina separatrice M. Il risultato di tale ricombinazione pu? essere osservato nel ramo di uscita 43 mediante un rivelatore ;D. Una parte dei fasci ? ripresa nel braccio di ingresso ;alla Lamina separatrice M', e riattraversa il dispositivo ;di filtraggio S. All'uscita le due onde si ricombinano sulla lamina separatrice ?'. Il risultato di questa ricombinazione ;pu? essere osservato nel ramo di uscita 44. Il fatto di intercalare il dispositivo di filtraggio F nel braccio di ingresso dell'interferometro, rende quest'ultimo strettamente reciproco: esso ? allora percorso da un'onda contenuta ;in un solo modo ottico. Tale dispositivo di filtraggio ? realizzato mediante un filtro di modo seguito da un polarizzatore. In effetti il fascio incidente 41 attraversa il filtro e la frazione che ne esce ? un modo unico. ;Si pu? dunque sia considerare il fascio emergente ;43 corrispondente all?interferenza dei due fasci come se ;non avesse attraversato il dispositivo di filtraggio di ;modo, ma si pu? anche considerare la parte dei fasci che ;? ripresa nel braccio di ingresso dalla lamina semi-trasparente M. Tale parte dei fasci riattraversa il dispositivo ;di filtraggio F. Alla sua uscita i due fasci che si inviano ;nel braccio 44 a mezzo della lamina semi-trasparente M1 ;sono contenuti nel medesimo modo, il che rende 1'interfero- fp metro insensibile alle perturbazioni "reciproche". ;Se ?? ? la differenza di fase fra le due onde che ;si propagano in senso inverso nell'anello e P la potenza S ;ottica d'uscita che si pu? misurare nel braccio d'uscita ;44, in assenza di perturbazione "non reciproca" ?? e nulla. ;Se si considera un girometro utilizzante tale interi ;ferometro ad anello, una perturbazione "non reciproca" viene ;ad essere creata mediante la messa in rotazione del girome? ;tro. La differenza di fase ?? non ? pi? nulla e si ha ?? = ;= ? ? dove ? ? la velocit? di rotazione e 0? "= k dove ;k ? una costante dipendente dalla geometria del girometro, ;I, la lunghezza del percorso ottico, ? la lunghezza d'onda ;delia luce emessa dalla sorgente laser S, e C la velocit? ;della luce nell'anello 42. Quando la velocit? di rotazione ;? aumenta, la differenza di fase Acjiaumenta nelle medesime ;proporzioni, poich? il coefficiente oi- rimane costante. ;La potenza ottica Ps si evolve secondo una legge 'coeinusoi- ;dale . Infatti ;PS = P1S P2S 2 ^ Cos ( ?? ) ;dove P corrisponde al senso 1 e P al senso 2. La sensibi-1S 2S ;lit? della misura per un dato valore ?? ? espressa dalla ;derivata P : ;S ;dP5 \ /- 1 ;d(? ?)?= "2 v Pis P2S sin ? ^ La sensibilit? dell'inferometro ? molto modesta ;e la differenza di fase ? poco diversa da zero. Questo ? il caso che si verifica in un girometro quando si desidera ;misurare modeste .velocit? di rotazione ? . La variazione ;della potenza ottica nel ramo d'uscita ? mostrata dal dia? ;gramma della figura 7. ;I termini P e P si possono considerare uguali. ;1S 2S ;11e consegue che per una differenza di fase ? ? = TT , la ;potenza rivelata ? minima. Essa passa per un massimo P ;Smax ;per A <ji - o e per 2 TT , e cos? di seguito. ;Per aumentare la sensibilit? dell'interferometro ;si pu? introdurre un angolo di "obliquit?" (biais) "non ;reciproco" costante nella fase delle due onde circolanti ;in sensi inversi, in modo da spostare al punto di funziona? ;mento dell'interferometro. R44 ;Nel caso di una funzione variabile in modo cosinu? ;soidale, il punto di pi? elevata sensibilit? ? ottenuto -*?tui <D o in corrispondenza degli angoli (2k 1)?lf/2, con k numero u <es> oCJT> intero. Si pu? dunque scegliere un angolo di obliquit? che

introduce una variazione di fase su ciascuna onda, con valo?

re assoluto ugnalea ir/4, ma di segni contrari. In assenza

di perturbazione "non reciproca" la differenza di fase divie?

ne allora

?? '= ?? ?? o con- ??? = ??/2 ' - '

ci'si'trova~allor? al punto A della'figura 7.'

Come ? illustrato nella figura 6 si pu? introdurre

allora sul percorso delle onde nell'anello 42 un modulatore

di fase 45 introducendo un effetto reciproco per ottenere una migliore sensibilit? del dispositivo. Tale modulatore ? eccitato in modo da creare una variazione di fase dell'onda che lo attraversa. Tale variazione ? periodica, il suo periodo essendo pari a 2 -f , dove T ? il tempo di percorso di un'onda nell'anello.

La differenza diviene allora

??'= ??+?(?-?)

ove ciascuna delle onde circolanti in senso inverso subisce tale defasaggio quando attraversa il modulatore con

? (t)= ?(t+ 2 ?).

Il punto di funzionamento descrive allora la curva = f (?6) della figura 7, in modo simmetrico tra una O

coppia di punti estremi.

Il dispositivo (modulatore di fase reciproco) che permette di introdurre la perturbazione <j>(t) pu? vantaggiosamente essere scisso in due dispositivi 45 e 46 situati ciascuno ad una estremit? della traiettoria come ? mostrato nella figura 6, ed assicurando l'uno lo sfasamento ?^(t) e l'altro lo sfasamento ? (t). Tali dispositivi modulatori di fase situati simmetricamente alle due estremit? della traiettoria ottica possono essere in opposizione. Tale disposizione assicura una simmetrizzazione supplementare dei fenomeni la quale riduce gli errori del secondo ordine derivanti da eventuali non-linearit? dei modulatori.

L'ideale ? di lavorare nei punti A e B della curva illustrata nella figura 7: in un primo tempo per lavorare

in A si deve avere (t) = Tf/4 e ? (t) = - t/4 e in seguito cj>^(t) = ? 11/A e ?>^(t) - ??/4 per lavorare nel punto

B.

Si pu? ottenere tale risultato utilizzando due segnali squadrati aventi due livelli - ??/4 e Tf/4.

Se i segnali di modulazione di fase sono alla frequenza F, se il giroscopio non ruota si ottiene alla rivelazione un segnale raddrizzato alla frequenza 2F. Per contro

se il giroscopio ruota si ottengono delle frequenze F e

2F. Tuttavia tale dispositivo presenta l'inconveniente di

non comprendere una tecnica di zero. Per di pi? la misura

non ? lineare.

Se si vuole utilizzare un metodo di zero, si deve considerare un effetto non reciproco che compensi l'effetto dovuto alla rotazione. Si deve ottenere allora una componente alla frequenza F del segnale rivelato, che sia nullo.

Si misura allora il parametro modificato che ci permette

di conoscere la velocit? di rotazione.

r

Si pu? giocare sul campo applicato ai cap? degli

elettrodi del modulatore se quest'ultimo ? elettro-ottico.

Si pu? giocare sulla differenza di frequenza dei modi che

si propagano, che comportano lo sfasamento in uscita del

V

rivelatore . I.X Il dispositivo secondo l'invenzione trova la sua

applicazione in questo campo del girometro in fibra ottica,

in cui si possono disporre due convertitori di frequenza

secondo l'invenzione sui due bracci lavoranti a delle fre?

quenze tali che la non-reciprocit?, introdotta dal fatto

che le due onde nell'interferometro non hanno la medesima

frequenza, compensa quella dovuta ?all'effetto Sagnac.

Si possono allora considerare cos? due convertitori

62 e 63 disposti a fianco dei modulatori 45 e 46, come ?

mostrato nella figura 6.

Il dispositivo secondo l'invenzione permette allora

una regolazione digitale. Cos?, se a lato dei due modula-XS

tori si dispongono due convertitori di frequenza, si pu? ?<? u. arrivare a compensare la componente di frequenza F dovuta

-?s fla.

all'effetto Sagnac quando si/una rotazione; sui due converti tz ? tori si hanno allora due frequenze F e F , ?j

1 2

ca A riposo si deve avere F = . Quando il giroscopio i-3

T

ruota ad una velocit? costante si ha un battimento in fre?

quenza delle frequenze F^ e F^, e si pu? allora conteggiare

il numero di battimenti.

I progressi realizzati nell'ottenimento di fibre

ottiche a basse perdite autorizzano l'impiego delle fibre

ottiche per realizzare tali interferometri ad anello, come

si ? detto in precedenza. Un esempio di realizzazione di

un interferometro ad anello secondo l'invenzione ? illustra

to nella figura 8. La fibra 52 avvolta su se stessa forma l'anello 42 dell'interferometro. I differenti rami dell'interferometro sono realizzati in ottica integrata: le guide d'onda sono realizzate per integrazione su un substrato. Il substrato pu? essere scelto ad esempio fra i materiali seguenti: niobato di litio oppure tantalato di litio, nei quali, per realizzare le guide d'onda, si sono fatti diffondere del titanio oppure, rispettivamente, del niobio.

Il convertitore di frequenza ? scomposto in due convertitori 54 e 55 disposti alle due estremit? della fibra. Tali convertitori sono i dispositivi secondo l'invenzione, precedentemente descritti, i quali permettono, giocando sulle due frequenze delle due onde acustiche (53, 53) generate-dagli elettrodi (56, 57) di compensare l'effetto Sagnac. I modulatori di fase 60 e 61 rappresentati dagli elettrodi depositati da una parte e dall'altra di ciascuna delle guide d'onda sono disposti nell'anello per permettere di conoscere i momenti in cui il giroscopio ruota: in effetti in questo caso 2? rivela una componente del segnale alla frequenza F, come ? stato spiegato in precedenza.

I separatori di radiazioni ottiche sono composti da guide d'onda monomodali collegate fra loro per formare delle Y, e tali Y, essendo collegate fra loro ad una delle loro estremit?, svolgono il ruolo precedentemente svolto dalle lamine semi-trasparenti della figura 6. La guida 48 svolge il ruolo del filtro monomodale della figura 1,.un polarizzatore essendo realizzato per esempio mediante metallizzazione 49 della superficie del substrato al disopra della guida 48.

Il dispositivo secondo l'invenzione trova inoltre applicazioni nel campo delle telecomunicazioni ottiche per multiplare/demultiplare onde ottiche in lunghezza d'onda.

Claims

RIVENDICAZIONI

1 Dispositivo ottico convertitore di frequenze, COITI? prendente un substrato piano (3) realizzato con un primo materiale, ed almeno due guide d'onda di caratteristiche differenti (5, 6), delle quali l'una riceve un'onda incidente (23), disposta sulla superficie di tale substrato (3), tali guide d'onda essendo fra loro parallele su una lunghezza predeterminata e separate da una distanza tale che la radiazione dell'onda incidente sia trasferibile da una guida d'onda ad un'altra, caratterizzato dal fatto che tale dispositivo comprende mezzi di generazione di un'onda acustica colineare con l'onda incidente trasportata da una delle guide; tali mezzi di generazione essendo disposti tra le due guide d'onda in modo da realizzare la suddetta conversione di frequenza.
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi di generazione dell'onda acustica comprendono uno strato sottile (26) di un secondo materiale piezo-elettrico , depositato sulla superficie del substrato, e dal fatto che sulla superficie di tale secondo materiale sono depositati due elettrodi (13, 14) aventi la forma di pettini compenetrat?.
3 Dispositivo secondo la rivendicazione 1 caratte rizzato dal fatto che i mezzi di generazione dell1oi acu stica comprendono due elettrodi (13, 14) aventi la forma di pettini compenetrati depositati sulla superficie del substrato (3-).
4. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il primo materiale ? realizzato in niobato di litio.
5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che una delle due guide almeno ? realizzata come barretta inserita all'interno del substrato, in cui in detto niobato d: litio ? introdotto del titanio.
6. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che almeno una delle due guide ? realizzata con una barretta inserita all1interno del substrato, degli ioni I! essendo sostituiti agli ioni litio in detto niobato di litio.
7. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che esso comprende mezzi per applicare un campo modulante ad almeno una delle guide, tali mezzi essendo realizzati mediante elettrodi disposti da una parte e dall'altra di tale guida.
8. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che esso comprende mezzi per applicare un campo~modulante ad almeno una delle guide, tali mezzi, essendo-realizzati mediante elettrodi disposti su ?tale-g?ida.
9. Girometro comprendente un dispositivo interferometrico ottico, destinato a misurare uno sfasamento non reciproco subito da due radiazioni circolanti in sensi opposti in una guida d'onda ad anello, comprendente una sorgente luminosa monocromatica (S), mezzi fotorivelatori dell'interferenza di tali radiazioni (D,D') e mezzi ottici separatori e mescolatori (M, M') colleganti direttamente le estremit? di tale guida d'onda a detta sorgente luminosa e a detti mezzi fotorivelatori, e mezzi di sfasamento ottico (45, 46) a comando elettrico agenti su tali radiazioni, caratterizzato dal fatto che esso comprende, intercalato nella guida d'onda ad anello, almeno un dispositivo secondo, una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 1 a 3.
10. Girometro, in cui l'anello ? formato da una fibra ottica (52) e la sorgente di energia (?), i mezzi di separazione e di mescolazione delle onde ed 1 mezzi di rivelazione (D ') sono interamente realizzati in un mezzo solido per integrazione su di un substrato, sul quale sono state realizzate due guide d'onda (50, 51) accoppiate e collegate ad una loro prima estremit?, rispettivamente alla sorgente di energia (5) ed ai mezzi di rivelazione (D') e, alle loro seconde estremit?, alle estremit? della fibra ottica (52), e comprendente, integrati sul substrato, almeno una coppia di elettrodi (53) disposti da una parte e dall'altra di una delle due guide d'onda per formare un modulatore di fase (?) ad effetto elettro-ottico; tali mezzi di separazione e tali mezzi di mescolazione delle onde essendo realizza?

si.

ti per integrazione di guide d'onda su di un substrato, tali guide d'onda avendo la forma di due Y collegate fra loro in corrispondenza di uno dei loro rami, caratterizzato dal fatto che esso comprende almeno un dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 8, disposto su tale substrato alle due seconde estremit? delle guide d'onda.