NO853297L - Fiberoptisk polarisator for dannelse av sirkulaert og elliptisk polarisert lys. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører generelt polarisering av lys og spesielt polarisatorer for dannelsen av sirkulært og elliptisk polarisert lys i optiske fibre.

En rekke forskjellige fiberoptiske innretninger krever sirkulært polarisert lys for optimal ytelse. Slike innretninger innbefatter visse typer fiberoptiske rotasjonssensorer, optiske isolatorer og Faraday-faseskiftere. Andre innretninger krever elliptisk polarisert lys.

En tidligere kjent innretning for dannelsen av sirkulært polarisert eller elliptisk polarisert lys anvender en fiberoptisk lineær polarisator og to spoler med optisk fiber, idet hver spole har sin radius og lengde innstilt for å gi en kvart bølgelengderetardasjon. En slik fiberoptisk lineær polarisator er beskrevet i US patent 4.386.822. En kvart bølgelengde-optisk fiberspole er beskrevet i US patent 4.389.090. For dannelsen av srkulært polarisert lys er planene for hver av spolene ortogonale til hverandre, og den lineære polarisator er orientert for å føre lineært polarisert lys orientert i 45° til spolenes plan. Variasjoner i vinkelstørrelse i forhold til 45° vil gi elliptisk polarisert lys med forskjellig elliptisitet. En annen type sirkulær polarisator omfatter en kvart bølgelengdespole i front av den lineære polarisator.

Sirkulært polarisert lys frembragt ved bruk av kjente fiberoptiske polarisatorer inneholder en restmengde av sirkulær polarisasjon i motsatt forstand til den ønskede polarisasjon. Intensiteten for den uønskede polarisasjon går fra en tiendedel av en prosent til så høyt som en prosent av den totale intensi-tet for strålen. Ved visse typer fiberoptiske innretninger, såsom rotasjonssensorer, vil størrelsen for restpolarisasjonen som foreligger ved optimal operasjon, ikke være mer enn ca.

en del pr. million, en faktor på ett hundre til ett tusen ganger lavere enn muligheten for de beste kjente polarisatorer.

I tillegg vil dannelsen av sirkulært eller elliptisk polarisert lys ved bruk av tidligere kjente teknikker'kreve minst to elementer, dvs. en lineær polarisator og en kvartbølgespole.

Det foreligger derfor et behov for en fiberoptisk polarisator som gir sirkulært eller elliptisk polarisert lys med høy renhet og som benytter et enkelt element for å redusere

vanskelighetene og kostnadene ved fremstilling.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et apparat og

en fremgangsmåte for frembringelse av polarisert lys med høy renhet, og overvinner derved vanskelighetene ved kjente polarisatorer. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer.polarisert lys med i det vesentlige bare den ønskede polarisasjon og er derfor egnet for bruk ved anvendelse såsom rotasjonssensorer, som krever lys av i det vesentlige en polarisasjon for å gi den nøyaktighetsgrad som kreves ved måling av rota-sjoner for fly-ledeanvendelse.

Følgelig tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en fiberoptisk polarisator for dannelse av sirkulært eller elliptisk polarisert lys med en renhet som er høyere enn det som inntil nå har vært tilgjengelig. Oppfinnelsen tilveiebringer en slik polarisator som omfatter et enkelt element og krever derfor lavere fremstillingskostnader enn de tidligere kjente fiberoptiske polarisatorer.

En fiberoptisk polarisator for tilveiebringelse av et utgangssignal med en forutbestemt elliptisk polarisasjon fra et inngangs-optisk signal med vilkårlig polarisasjon er kjennetegnet ved en optisk fiber med en kjerne og en kledning for fremføring av det optiske signal, et samvirkende område dannet i en del av den optiske fiber, en kobler plassert tilstøtende til samvirkeområdet for samvirke med det kortvarige felt for det optiske signal som skrider frem i samvirkeområdet for å stråle ut komponenter av det optiske signal med en første valgt elliptisk polarisasjon fra den optiske fiber slik at bare lyset fra en andre valgt elliptisk polarisasjon ledes av den optiske fiber forbi samvirkeområdet.

En fiberoptisk polarisator ifølge oppfinnelsen for fremstilling av elliptisk polarisert lys kan også kjennetegnes ved en basis med et spor deri, en optisk fiber med en kjerne og en kledning, et samvirkende eller vekselvirkende område som dannes i den optiske fiber hvor en del'av fiberen har en kledning tynnere enn naboområdene av fiberen, hvilket samvirkende eller vekselvirkende område er montert i sporet slik at den tynnere kledning vender utover fra sporet, og et dobbeltbrytende materiale montert tilstøtende til det vekselvirkende område, slik at en kortvarig feltkobling overfører lys med alle, unntatt en valgt første elliptisk polarisasjon ut av fiberen inn i det dobbeltbrytende materiale, mens lys med

en valgt elliptisk polarisasjon forblir i fiberen.

En fiberoptisk polarisator ifølge oppfinnelsen kan innbe-fatte et enkelt strukturelt element som omfatter en lengde av en optisk fiber med en del av kledningen fjernet for dannelsen av et vekselvirkningsområde, som er plassert tilstøtende til et dobbeltbrytende materiale. Det kortvarige felt av lysfrem-føringen langs fiberen vekselvirker eller samvirker med det dobbeltbrytende medium ved vekselvirkningsområdet for å koble uønskede sirkulær og elliptisk polarisasjon ut av fiberen,

mens det tillater ønskede sirkulære eller elliptiske polarisasjoner å forbli i fiberen. Det dobbeltbrytende materiale har en brytningsindeks for lys med en uønsket polarisasjon som er større enn brytningsindeksen for fiberen for den uønskede polarisasjon. Da lys lett skrider frem over en grenseflate fra et område med lavere brytningsindeks til et område med høyere brytningsindeks, vil den uønskede polarisasjon føres ut av fiberen inn i det dobbeltbrytende materiale. Brytningsindeksen for det dobbeltbrytende materiale for lys med en ønsket polarisasjon er mindre enn brytningsindeksen for fiberen, slik at den ønskede polarisasjon forblir i fiberen ved indre refleksjon ved grenseflaten mellom fiber og dobbeltbrytende materiale i vekselvirkningsområdet. Selv om det ikke er vesentlig for driften av oppfinnelsen, er.fiberen fortrinnsvis montert i et krummet spor i et substrat. Vekselvirkningsområdet er dannet ved sliping og polering av substratet og fiberen til en del av fiberkledningen er fjernet, slik at det kortvarige felt av lys ført av fiberen kan samvirke med det dobbeltbrytende materiale. Da intensiteten for det kortvarige felt avtar eksponensielt med avstanden fra kjernen, må kledningen gjøres tilstrekkelig tynn til at det kortvarige felt kan trenge inn i det dobbeltbrytende materiale, da ellers den uønskede polarisasjon ikke vil bli utkoblet fra fiberen og inn i det dobbeltbrytende materiale.

Elliptisk polarisasjon tilveiebringes ved tilstøtende

til det samvirkende område å plassere et materiale som er

sirkulært dobbeltbrytende for lysfremskridelse langs en første akse og lineært dobbeltbrytende for lys som skrider frem langs en akse som er vinkelrett til aksen for den sirkulære dobbelt-bryting. Materialet er fortrinnsvis et krystall som er skåret slik at dets optiske akse ligger i en forutbestemt vinkel til planet for det samvirkende område. Elliptisiteten for bølgen som forblir i fiberen etter fremføring forbi det dobbeltbrytende krystall vil være avhengig av brytningsindeksen for fiberen og krystallet og vinkelen for den optiske akse i krystallet relativt til planet for vekselvirkningsområdet av fiberen.

En fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen for tilveiebringelse av elliptisk polarisert lys i en optisk fiber er kjennetegnet ved fjerning av en del av kledningen fra en del av den optiske fiber for å danne et vekselvirkningsområde, og plassering av et dobbeltbrytende materiale tilstøtende til vekselvirkningsområdet slik at en kortvarig feltkobling overfører lys med en første valgt elliptisk polarisasjon fra den optiske fiber inn i det dobbeltbrytende materiale, mens lys med en andre valgt elliptisk polarisasjon forblir i fiberen.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen for fremstilling av polarisert lys som er sirkulært eller elliptisk polarisert,

er også kjennetegnet ved dannelsen av et spor i en basis, plassering av en lengde av en optisk fiber med en kjerne og en kledning i sporet, slik at en del av kledningen rager ut av sporet, dannelsen av et vekselvirkningsområde hvor en del av det kortvarige felt i et lyssignal som skrider frem i den optiske fiber, utstrekker seg ut av kledningen, og at det anbringes et koblingsmateriale tilstøtende til vekselvirkningsområdet, slik at den kortvarige feltkobling overfører lys med alle, unntatt en valgt elliptisk polarisasjon som føres av den optiske fiber fra fiberen inn i koblingsmaterialet,

mens lys med den valgte polarisasjon føres videre frem av fiberen og forblir i fiberen.

Disse og andre fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil bli bedre forstått under henvisning til utførelseseksempelet som er fremstilt på tegningen, som viser: fig. 1 et tverrsnittsriss av en fiberoptisk polarisator for tilveiebringelse av sirkulært polarisert lys, bygget opp i samsvar med en utførelse av den foreliggende oppfinnelse,

fig. 2 et tverrsnittsriss av polarisatoren på fig. 1, tatt langs linjen 2-2,

fig. 3 et perspektivriss av den nedre del av kobleren

på fig. 1, separert fra det dobbeltbrytende materiale, visende den tilhørende fibermontering og den ovalt formede overflate av fiberen,

fig. 4 et tverrsnittsriss av en polarisator for fremstilling av elliptisk polarisert lys, utformet i samsvar med en annen utførelse av oppfinnelsen, og

fig. 5 et perspektivriss av polarisatoren på fig. 4.

Et visst kjennskap til polarisasjon av lys og fremføring eller forplantning av lys i en optisk fiber, vil gjøre for-ståelsen av foreliggende oppfinnelse lettere. Av denne grunn vil en generell beskrivelse av de metoder som benyttes for å beskrive overføring eller forplantning og polarisasjon av en lysbølge i en fiber bli gitt i det følgende.

Det er velkjent at en lysbølge kan representeres av et tidsvarierende elektromagnetisk felt som omfatter ortogonale elektriske og magnetiske feltvektorer med en frekvens lik frekvensen for lysbølgen. En elektromagnetisk bølge som skrider frem gjennom en ledende struktur, kan beskrives med et sett av normale bølgetyper. De normale bølgetyper er den tillatelige fordeling av elektriske og magnetiske felt i ledestrukturen, f.eks. en fiberoptisk bølgeleder. Feltfordelingen er direkte relatert til fordelingen av energi i strukturen. De normale bølgetyper er vanligvis representert ved matematiske funksjoner som beskriver feltkomponentene i bølgen i forstand av frekvens og romfordeling i ledestrukturen. De spesifikke funksjoner som beskriver de normale bølgetyper i en bølgeleder, avhenger av geometrien for bølgelederen. For en optisk fiber hvor den ledede bølge er begrenset til en struktur med sirkulært tverrsnitt med faste dimensjoner, vil bare felt med visse frekvenser og romfordelinger forplante seg uten alvorlig dempning. De bølger som har feltkomponenter som forplanter seg udempet, kalles normale bølgetyper. En enkel bølgetypefiber vil fremføre bare en romfordeling av energi som er en normal bølgetype for et signal med gitt frekvens. . Ved beskrivelse av de normale bølgetyper er det hensikts-messig å vise til retningen for de elektriske og magnetiske felt i forhold til retningen for forplantningen av bølgen.

Hvis bare den elektriske feltvektor.er vinkelrett til frem-før ingsretningen , ..som vanligvis kalles den optiske akse, så

er bølgen betegnet å være en transversal elektrisk (TE) bølge-type. Hvis bare den magnetiske feltvektor er vinkelrett til den optiske akse, så er bølgen en transversal magnetisk (TM) bølgetype. Hvis både den elektriske og den magnetiske feltvektor er vinkelrett til den optiske akse, så er bølgen en transversal elektromagnetisk (TEM) bølgetype.

Ingen av de normale bølgetyper krever en bestemt retning

på feltkomponentene, og i en TE-bølgetype kan f.eks. det elektriske felt forløpe i en hvilken som helst retning som er vinkelrett til den optiske.akse. Retningen for den elektriske feltvektor i en elektromagnetisk bølge er polarisasjonen av bølgen. Generelt sagt vil en bølge ha vilkårlig polarisasjon hvor det er en jevn fordeling av elektriske feltvektorer som peker i alle retninger som er tillatt for en gitt bølgetype. Hvis alle de elektriske felt i en bølge peker i bare én spesiell retning, er bølgen lineært polarisert. Hvis det elektriske felt består av to ortogonale elektriske feltkomponenter med lik størrelse, er det elektriske felt sirkulært polarisert, fordi det elektriske nettofelt er en vektor som roterer rundt den optiske akse i en vinkelhastighet lik bølgens frekvens. Hvis de to lineære polarisasjoner er ulike, har bølgen elektrisk polarisasjon. Generelt kan hvilken som helst vilkårlig polarisasjon bli representert av summen av to ortogonale lineære polarisasjoner, to motsatt rettede sirkulære polarisasjoner eller to motsatt roterende elliptiske polarisasjoner som har ortogonale hovedakser.

Grensen mellom kjerne og kledning er en dielektrisk grenseflate ved hvilken visse velkjente grensebetingelser for feltkomponentene må tilfredsstilles. For eksempel må komponenten av det elektriske felt vinkelrett til grenseflaten være kontinu-erlig. En optisk fiber for enkel bølgetype forplanter den elektromagnetiske energi som har en elektrisk feltkomponent vinkelrett til kjerne-kledningsgrenseflaten. Da fiberkjernen har en brytningsindeks større enn den for kledning, og lys treffer mot grenseflaten i vinkel større enn eller lik den kritiske vinkel, vil i det vesentlige hele det elektriske felt forbli i kjernen ved indre refleksjon ved grenseflaten. For å tilfredsstille såvel kontinuiteten som indre refleksjons-krav, må den radielle elektriske feltkomponent i kledningen være en hurtig avtagende eksponensiell funksjon. Et eksponensielt avtagende elektrisk felt blir vanligvis kalt "kortvarig felt".

Hastigheten for et optisk signal avhenger av brytningsindeksen for mediet gjennom hvilket lyset skrider frem. Visse materialer har forskjellige brytningsindekser for forskjellige polarisasjoner. Et materiale som har to brytningsindekser, betegnes som dobbeltbrytende. Polarisasjon av signal som forplanter seg langs en optisk fiber for enkel bølgetype, betegnes noen ganger som en "modus". En standard optisk fiber for enkel bølgetype kan bli betraktet som en to-modusfiber, fordi den vil forplante to bølger med samme frekvens og romfordeling,

som har to forskjellige polarisasjoner. To forskjellige polari-sasjonskomponenter for den samme normale modus kan forplante seg gjennom et dobbeltbrytende materiale uforandret unntatt en hastighetsforskjell mellom de to polarisasjoner.

Sirkular dobbeltbrytning, lineær dobbeltbrytning og elliptisk dobbeltbrytning er hver beskrevet med henvisning til forskjellige polarisasjons-bølgetyper. Hvis et materiale.innehar sirkulær dobbeltbrytning, blir polarisasjonen av en lysbølge uttrykt som en kombinasjon av to motsatt roterende komponenter. En av de sirkulære polarisasjoner betegnes som en "høyre-sirkulær", mens den andre betegnes som "venstre-sirkulær".

I et ikke-dobbeltbrytende materiale vil både høyre-sirkulære

og venstre-sirkulære polarisasjoner bevege seg med samme hastig-het. De motsatt roterende elektriske feltvektorer. for de sirkulært polariserte komponenter av lyset representerer polarisa-sjonsmodusen for sirkulær dobbeltbrytning. Hvis lyset er lineært polarisert, er de sirkulære polari sasjonsvektorer i fase med hverandre og har lik amplitude. Hvis lyset er elliptisk

polarisert, vil de sirkulære polarisasjonsvektorer ha ulike amplituder. Generelt vil elliptisk polarisert lys ha forskjellige grader av elliptisitet. Polarisasjonen kan forandre seg fra lineært polarisert i én ytterstilling til sirkulært polarisert ved den andre ytterstilling.

I et sirkulært dobbeltbrytende materiale vil hastigheten for fremføring av en sirkulær polarisasjonsvektor være større enn hastigheten for fremføring av den motsatt roterende polari-sas jonsvektor . På tilsvarende måte, i et materiale som er lineært dobbeltbrytende, vil fremføringshastigheten for lyset i en av de lineært polariserte moduser eller bølgetyper være større enn fremføringshastigheten for lyset i den andre normalt lineært polariserte modus. Elliptiske dobbeltbrytninger frem-kommer hvis såvel lineært dobbeltbrytning som sirkulært dobbeltbrytning foreligger ved et punkt i et materiale gjennom hvilket lysbølgen forplanter seg. Den elliptiske dobbeltbrytning på-virker polarisasjonen for lys på en kompleks måte som avhenger delvis av de relative størrelser for lineær dobbeltbrytning og sirkulær dobbeltbrytning.

Sammenfattet kan ethvert polarisert lys bli representert av to sirkulært polariserte bølger med riktig fase og amplitude. Alternativt kunne lys bli representert av enten elliptisk roterende komponenter eller av vinkelrett lineært polariserte komponenter av elektrisk felt.

Der foreligger et stort antall dobbeltbrytende materialer. For eksempel vil, avhengig av deres struktur og orientering

for lysgjennomgangen gjennom den, visse krystaller være sirkulært dobbeltbrytende, og and::e krystaller lineært dobbeltbrytende. Andre typer krystaller, f.eks. kvarts, kan ha såvel sirkulær dobbeltbrytning som lineær dobbeltbrytning for således å frembringe elliptisk dobbeltbrytning for en lysbølge som skrider frem i en riktig valgt retning.

Det skal nå vises til fig. 1-3, hvor en fiberoptisk polarisator 10 innbefatter en lengde av en optisk fiber 12 for enkelt-bølgetype, fastholdt i en basis eller blokk 14 ved montering i en langsgående spalt eller spor 16 som åpner gjennom en optisk plan flate 18 i blokken 14. Sporet 16 har en krummet

bunnvegg 20 som er best vist på fig. 1. Den optiske fiber

12 er fortrinnsvis bygget opp av kommersielt tilgjengelig

glass som er dopet slik at det har en indre kjerne 21 med en brytningsindeks og en ytre kledning 22 med en brytningsindeks som er mindre enn den for kjernen 21. Fiberen 12 er fortrinnsvis en enkelt bølgetypefiber som generelt har en kjernediameter i størrelsesorden 10 mikron eller mindre og en kledningsdiameter i størrelsesorden 125 mikron. Som forklart ovenfor, vil antall mulige forplantningsmoduser eller bølgetyper avhenge av kjernediameteren og bølgelengden for det lys som forplanter seg deri. Enkeltmodus- eller enkeltbølgetypefibre har kjernediametre så små at de vil fremføre bare en enkelt energifordeling ved valgt bølgelengde. Imidlertid er foreliggende oppfinnelse ikke begrenset til fibre for enkeltbølge-type og kan gjennomføres også ved bruk av fibre for flere bølgetyper eller multimodusfibre.

Sporet 16 har en radius for krumningen som er meget stor sammenlignet med diameteren for fiberen 12 og har en bredde noe større enn fiberdiameteren for å tillate fiberen 12 å

bli montert i sporet 16 for å passe til en bane som bestemmes av bunnveggen 20. Dybden for sporet 16 varierer fra et minimum ved senteret av blokken 14 til et maksimum ved kantene av blokken. Formen for sporet 16 tillater fordelaktig den del av den optiske fiber 12 som er montert i sporet 16, gradvis å konvergere fra kantene av blokken mot sentrum og eliminerer derved enhver skarp bøyning eller brå forandring i retningen for fiberen 12, som kunne bevirke kraft- eller effekttap.ved modusavvik. Selv om sporet 16 i den viste utførelse er illu-strert som rektangulært i tverrsnitt, kan andre egnede tverrsnittsformer så som U-form eller V-form som tverrsnittsformer som vil passe for fiberen 12, være tilfredsstillende.

Det skal nå vises til fig. 3 hvor dybden av sporet 16

er mindre enn diameteren for den optiske fiber 12 ved sentrum av blokken 14, mens dybden for sporet 16 ved kantene av blokken 14 fortrinnsvis er minst så stor som diameteren for den optiske fiber 12. Kledningsmateriale fjernes fra senterdelen av fiberen

12 for dannelse av en ovalt formet plan flate 23 som er i samme plan som toppflaten 18 av blokken 14. Som det fremgår av fig. 1 og 3, vil mengden av optisk fibermateriale som fjernes fra den optiske fiber 12, øke gradvis fra null ved kantene av blokken 14 til et maksimum ved sentrum av blokken 14. Den avsmalnende fjerning av det optiske fibermateriale muliggjør at fiberen 12 gradvis konvergerer til og divergerer fra flaten 18 eller blokken 14, noe som er fordelaktig for riktig kobling av lys som føres av fiberen 12 til et legeme av dobbeltbrytende materiale 26. Legemet av dobbeltbrytende materiale 26, som fortrinnsvis er det dobbeltbrytende legeme 26, er i umiddel-bar nærhet av kjernen 21 på fiberen 12.

Et egnet indekstilpasningsmateriale, fortrinnsvis indeks-tilpasningsolje, plasseres mellom de motstøtende flater 18

og 28. Indekstilpasningsmaterialet har en brytningsindeks svarende tilnærmet til brytningsindeksen for kledningen 22

for optisk å koble fiberen 12 til dobbeltbrytningslegemet 26. Oljen innføres mellom flatene ved hjelp av kapillær-virkning, som er velkjent på fagområdet.

Et egnet krystallinsk materiale er montert på blokken

14 ved å plassere en optisk plan flate 28 på det dobbeltbrytende legeme 26 mot en optisk plan øvre flate 18 på blokken 14.

Et vekselvirkningsområde dannes ved forbindelsen mellom optisk fiber 12 og dobbeltbrytende legeme 26, i hvilket det kortvarige felt av lys som overføres av den optiske fiber 12, forplanter seg fra fiberen 12 til det dobbeltbrytende legeme 26 ved den kortvarige feltkobling. Det er funnet at for å sikre riktig kortvarig feltkobling må mengden av materiale som fjernes fra fiberen 12, omhyggelig styres slik at avstanden mellom kjernedelen av fiberen 12 og det dobbeltbrytende legeme 26

er innenfor en forutbestemt "kritisk sone". De kortvarige felt som utstrekker seg fra kjernen 21 inn i kledningen 22, avtar hurtig med avstanden utenfor kjernen 21. Således bør tilstrekkelig materiale bli fjernet for å tillate det dobbeltbrytende legeme 26 i å bli plassert i det vesentlige innenfor det kortvarige felt for kjernen 21 til fiberen 12. Hvis for lite materiale er fjernet fra fiberen 12, vil kjernen 21 ikke være tilstrekkelig nær det dobbeltbrytende legeme 26 til å tillate det kortvarige felt av lys som ledes av kjernen 21

å bevirke det ønskede samvirke eller vekselvirkningen med det dobbeltbrytende legeme 26, og således vil det fremkomme en utilstrekkelig polarisasjon. På den annen side, hvis for meget materiale fjernes, vil andre forplantningsegenskaper

for fiberen 12 bli skadelig forandret og resultere i uønskede tap av lysenergi på grunn av modusavvik. For å unngå slike uønskede effekter, blir intet av kjernen 21 fjernet, og fortrinnsvis vil mengden av kledningen 22 som fjernes, være tilstrekkelig lite til ikke å frilegge kjernen 21.

Når avstanden mellom kjerne 21 og dobbeltbrytende legeme 26 er innenfor den kritiske sone, vil det dobbeltbrytende legeme 26 motta en vesentlig del av den kortvarige feltenergi fra fiberen 12, slik at en god kobling oppnås uten uønskede energitap. Utstrekningen av den kritiske sone for en spesiell polarisator er avhengig av et antall innbyrdes sammenhengende faktorer, så som parametrene for fiberen 12 og det dobbeltbrytende legeme 26. Videre vil for en enkeltmodusfiber med en trinnindeksprofil den kritiske sone kunne være meget smal. Ved en enkeltmodusfiber-polarisator av den type som er vist

på fig. 1-3, er f.eks. den krevede avstand mellom sentrum av kjernen 21 og det dobbeltbrytende legeme 26 ved punktet for minimumavstanden typisk mindre enn mikroner og er fortrinnsvis mindre enn en mikron.

Det dobbeltbrytende legeme 26 tilveiebringer forskjellige bølgehastigheter for lys med forskjellige polarisasjoner.

Ved polarisasjoner for hvilke bølgehastighetene i krystall

26 er lavere enn bølgehastigheten i den optiske fiber 12,

vil fiberen 12 ikke ha noen bølgelederegenskap, og følgelig vil slike polarisasjoner som bæres av fiberen 12, bli strålt inn i det dobbeltbrytende legeme 26 og dermed unnvike fra den optiske fiber 12. Ved polarisasjoner for hvilke bølge-hastigheten i det dobbeltbrytende legeme 26 er større enn i den optiske fiber 12, vil legemet 26 ikke ha noen virkning på bølgelederegenskapene til fiberen 12. Følgelig blir ikke noe lys med slik polarisasjon strålet inn i legemet 26, og lyset forblir i den optiske fiber 12. Således er det mulig at, for et gitt optisk signal, vil lys med en polarisasjon

forbli i den optiske fiber 12, mens lys med en andre polarisasjon fjernes derfra. Ved bruk av denne teknikk er det mulig å frembringe lys med en meget høy grad av polarisasjon i den optiske fiber 12.

For å holde lys med en polarisasjonsmodus i den optiske fiber 12 mens det utstråles lys med en andre polarisasjon, velges det dobbeltbrytende legeme 26 til å ha minst én brytningsindeks som er større eller lik brytningsindeksen for kjernen 21 i den optiske fiber 12 og en andre brytningsindeks som er lik eller mindre enn brytningsindeksen for kledningen 22.

I utførelseseksempelet for polarisatoren 10 vist på fig. 1-3, er dobbeltbrytningslegemet 26 dannet av et krystall som er sirkulært dobbeltbrytende for lys som forplanter seg langs en viss retning i krystallet som bestemmes som en optisk akse 30. Det skal bemerkes at den optiske akse 30 ikke er en spesiell linje gjennom krystallet, men en retning. Legemet 26 er dannet av dobbeltbrytende materiale skåret i et plan parallelt til den optiske akse 30. Flaten 28 er polert slik at den er optisk plan og plassert mot den optisk plane flate 18 på blokken 14 for å være i tett nærhet til den utadvendte ovale flate 22 på fiberen 12. Det dobbeltbrytende legeme 26 er orientert med sin optiske akse 30 parallelt til delen av den optiske fiber 12 tilstøtende til flatene 28 på det dobbeltbrytende legeme 26.

Hvis vi antar at lys med vilkårlig polarisasjon skal overføres gjennom fiberen 12 og ser tilbake på den forutgående diskusjon av polarisasjon, kan polarisasjonen bli beskrevet ved to motsatt roterende elektriske feltvektorer". Således vil lys som forplaner seg gjennom den optiske fiber 12, bli oppdelt ved vekselvirkning av de kortvarige felt med det dobbeltbrytende legeme 26 til to sirkulært polariserte komponenter. I et høyresirkulært dobbeltbrytende krystall vil den høyre-vendte komponent (mot urviserretning-rotasjon, sett mot retningen for fremføring av lys) fremføres hurtigere, mens i et venstrevendt krystall vil venstre-komponenten (bevegelse i urviserretning) bevege seg hurtigere. Indeksene for krystall 26 og fiber 12 velges slik at bølgehastigheten i krystallet 26 for lys med en sirkulær polarisasjonsretning er langsommere enn bølgehastigheten i fiberen 12. Derfor vil lys med denne polarisasjon stråle ut fra fiberen 12, stråle inn i krystallet 26 og blir da fjernet fra den optiske fiber 12. Bølgehastigheten i krystallet 26 for lys med motsatt rettet sirkulær polarisasjon er større enn i fiberen 12, og således vil denne polarisasjon forbli i fiberen 12.

I den for tiden foretrukne utførelse for polarisatoren

i henhold til fig. 1-3 er den optiske fiber 12 fremstilt av et kommersielt tilgjengelig kvarts som har en effektiv brytningsindeks for kledningen 22 på Nc= 1,53916 ved en bølge-lengde på ca. 760 nanometer. Det dobbeltbrytende legeme 26

er dannet av et sirkulært dobbeltbrytende, høyredannende kvartskrystall med brytningsindekser Nv = 1,53920 og Nh = 1,53914, hvor "v" og "h" svarer til brytningsindeksen for høyre- og venstrevendt, henholdsvis dreiende, sirkulært polarisert lys ved en bølgelengde på ca. 760 nanometer.

Bruken av den foretrukne utførelse av polarisatoren på

fig. 1-3 skal nå beskrives. Fig. 1 viser en lysbølge som forplanter seg gjennom fiberen 12 i den retning som er angitt av pilen 32. Polarisasjonen, som antas å være vilkårlig, som grunnlag for den foreliggende diskusjon, representeres av en høyresirkulært polarisert komponent 34 og en venstresirkulært polarisert komponent 36.

Brytningsindeksen for det dobbeltbrytende legeme 26 for høyresirkulært polarisert lys 34 er mindre enn brytningsindeksen for den optiske fiber 12, og derfor vil det høyresirkulært polariserte lys forbli i den optiske fiber 12 som skjematisk antydet på den nedre høyre side av polarisatoren 10 på fig. 1. Brytningsindeksen for det dobbeltbrytende legeme 26 for venstresirkulært polarisert lys 36 er større enn brytningsindeksen for den optiske fiber 12, og derfor blir venstresirkulært polarisert lys strålet inn i det dobbeltbrytende legeme 26 som vist skjematisk i den øvre høyre side av polarisatoren 10 på fig. 1. Det lys som forblir i fiberen 12, er således høyresirkulært polarisert.

Venstresirkulært polarisert lys frembringes av en polarisator som er identisk med polarisatoren 10 på fig. 1-3 med unntak av at det venstredreiende kvarts er erstattet med det høyredreiende kvarts i det dobbeltbrytende legeme 26. Med venstredreiende kvarts vil rotasjonsretningen for de sirkulært polariserte komponenter 34 og 36 bli forvekslet, men fig.

1-3 vil ellers forbli uforandret.

Polarisatoren 10 på fig. 1-3 kan gi et ekstinksjonsforhold (forholdet mellom lys som fjernes ved uønsket polarisasjonsmodus og lys som bibeholdes ved ønsket polarisasjonsmodus)

i overkant av 60 dB med et tap av ønsket polarisasjon på bare noen få prosent.

Blokken 14 kan fremstilles av et hvilket som helst egnet stivt materiale, idet dens formål er å holde fiberen 12 mot det dobbeltbrytende legeme 26. Ved en foretrukket utførelse er blokken 14 en i det vesentlige rektangulær blokk av smeltet kvartsglass, ca. 5 cm lang, 2,5 cm bred og 1 cm tykk. Ved denne utførelse er den optiske fiber 12 festet i slissen 16 med et egnet bindemateriale 38, så som en epoksycement. En metode for sammensetning innbefatter en fastliming av den optiske fiber 12 i sporet 16. Den optiske fiber 12 og blokken 14 blir så slipt og polert som en enhet. Den polerte flate 28 på det dobbeltbrytende legeme 26 blir så plassert mot flaten på blokken 14 og den optiske fiber 12, og trykk utøves for å redusere separasjonen til en brøkdel av en mikron. Olje med en brytningsindeks tilnærmet lik 1,539 innsettes eller innføres mellom det dobbeltbrytende legeme 26 og den optiske fiber 12 ved kapillarvirkning for å tilveiebringe en optisk tilpasning mellom legemet 26 og den optiske fiber 12 som nevnt ovenfor.

Selv om det av oversiktsgrunner er vist et dobbeltbrytende legeme 26 som har den samme størrelse som blokken 14, kan det dobbeltbrytende legeme 26 i praksis være meget smalere enn blokken 14. En typisk størrelse for legemet 26 er noen få mikron tykt, noen få mikron bred og ca. en millimeter høy i lengde.

Ved noen anvendelser vil vekselvirkningsområdet for fiberen 12 bli holdt hosliggende til det dobbeltbrytende materiale

av et egnet adhesiv uten understøttelse av substratet 14.

En utførelse av oppfinnelsen som er egnet for dannelse

av elliptisk polarisert lys, er vist på fig. 4 og 5, hvor komponenter som er de samme som på de tidligere figurer eller er ekvivalente til disse, er blitt gitt de samme henvisnings-tall i siffer 2 og 3 som de tilsvarende komponenter på fig. 1-3, men med sifferet 1 foran. Polarisatoren på fig. 4 svarer til utførelsen som er vist på fig. 1-3 med unntak av at det dobbeltbrytende legeme 126 har såvel lineær som sirkulær dobbeltbrytning.

Som man vil huske fra den forutgående diskusjon, vil

det, ved tilstedeværelsen av såvel lineær som sirkulær dobbeltbrytning, ved denne kombinasjon av dobbeltbrytning fremkomme elliptisk dobbeltbrytning. Den følgende diskusjon vil forklare hvordan elliptisk dobbeltbrytning kan benyttes for dannelsen av et elliptisk polarisert lys.

I utførelseseksempelet vist.på fig. 4 og 5 er det elliptisk, dobbeltbrytende legeme 126 et materiale som er sirkulært dobbeltbrytende for lys som forplanter seg langs aksen 130 og lineært dobbeltbrytende for lys som overføres vinkelrett til den optiske akse 130. Elliptisk dobbeltbrytning dannes ved å kutte krystallet slik at dets optiske akse 130 har en vinkel 0 til planet for den optisk plane flate 128. Ved en foretrukket utførelse er det dobbeltbrytende legeme 26 den samme type kvarts som ble benyttet ved utførelsen på fig. 1-3. For høyre-dreiende kvarts er dobbeltbrytningsindeksene N. = 1,54811

og N2= 1,53917, svarende til lineært polariserte komponenter parallelt, henholdsvis vinkelrett til den optiske akse. De sirkulære dobbeltbrytningsindekser er som tidligere gitt for utførelsene på fig. 1-3, Nh = 1,53920 og Nv = 1,53914, hvor angivelsene "h" og "v" igjen svarer til brytningsindeksene for høyre- og venstresirkulært polarisert lys.

Det kortvarige felt av lys med vilkårlig polarisasjon

som overføres av den optiske fiber 112 i ehretning 132 forplanter seg i det dobbeltbrytende legeme 126 parallelt til flaten 128 i en vinkel 0. Lyset oppdeles i to motsatt roterende elliptisk polariserte komponenter 140 og 142 som roterer i

retning mot høyre og mot venstre og forløper med forskjellige hastigheter gjennom det dobbeltbrytende legeme 126. Den optiske fiber 112 dannes av kvarts med en brytningsindeks N = 1,53916, den samme brytningsindeks som fiberen i utførelsen på fig.

1-3. Refraksjonsindeksene er for lys med en bølgelengde på

ca. 760 nanometer.

Den effektive brytningsindeks sett ved den venstre elliptisk polariserte komponent 42 er større enn indeksen for den optiske fiber 112, mens den effektive brytningsindeks for det dobbeltbrytende legeme 126 sett ved den høyre elliptisk polariserte komponent 40 er mindre enn brytningsindeksen for den optiske fiber 112. Derfor vil den venstre elliptisk polariserte komponent 42 stråles fra fiberen 112 inn i det dobbeltbrytende legeme 126, mens den høyre elliptisk polariserte komponent 40 forblir ledet i fiberen 112 som vist skjematisk ved øvre og nedre høyre side av fig. 4. Således vil det lys som overføres gjennom den optiske fiber 112, være sterkt høyre-elliptisk polarisert.

Som det fremgår av fig. 4, vil hovedaksene for de elliptisk polariserte komponenter 140 og 142 være vinkelrette til hverandre. Elliptisiteten (forholdet mellom hovedakse og lilleakse i polarisasjonsellipsen) er en funksjon av brytningsindeksene for den optiske fiber 112 og det dobbeltbrytende legeme 126 ved vinkelen 0. Elliptisiteten kan bestemmes ved matematiske analysemetoder som er kjent for fagmannen. Ved utførelsen som er vist, er elliptisiteten tilnærmet to til en for en vinkel 0 = 5°. Når vinkelen 0=0, er lyset sirkulært polarisert. Med økende vinkel 0 blir ellipsene smalere og degenereres til linjer, som betyr at lyset er lineært polarisert. Har man lys i rett vinkel til den optiske akse, vil man ha det spesielle tilfelle av lineær polarisator i henhold til det ovenfor omtalte US patent 4.386.822.

Ved å bytte om den venstredreiende kvarts og den høyre-dreiende kvarts i utførelsen som omtalt ovenfor vil den venstre elliptiske polarisasjon forbli i fiberen 112, mens den høyre-dreiende polarisasjon stråles bort. Bare rotasjonsretningene for de sirkulært polariserte komponenter 140 og 142 er byttet om fra de som er vist og beskrevet ved ombytte mellom venstre dreiende kvarts og høyredreiende kvarts. Det fremgår således at ved bruken av et krystall som kombinerer lineær og sirkulær dobbeltbrytning, kan polarisatoren 110 bringes til å frembringe lys med valgt elliptisk polarisasjonstilstand.

Av den ovenstående beskrivelse fremgår det at polarisatoren ifølge oppfinnelsen tilveiebringer en innretning for dannelse av sirkulært eller elliptisk polarisert lys med et høyt ekstinksjonsforhold og med lite gjennomgangstap.

Selv om foreliggende oppfinnelse er blitt beskrevet under henvisning til spesielle innretninger, er mange modifikasjoner åpenbare for fagmannen. Det er således klart at slike modifikasjoner vil ligge innenfor oppfinnelsens ramme.

Claims (1)

1. Fiberoptisk polarisator for dannelse av et utgangssignal med en forutbestemt elliptisk polarisasjon fra et optisk inn-gangssignal med vilkårlig polarisasjon, karakterisert ved en optisk fiber med en kjerne og en kledning for forplantning av det optiske signal, et vekselvirkningsområde dannet i en del av den optiske fiber, en kobler plassert hosliggende til vekselvirkningsområdet for innbyrdes vekselvirkning med det kortvarige felt for det optiske signal som forplanter seg i vekselvirkningsområdet for å stråle komponenter av det optiske signal med en første valgt elliptisk polarisasjon fra den optiske fiber slik at bare lys med en andre valgt elliptisk polarisasjon ledes av den optiske fiber forbi vekselvirkningsområdet.

2. Fiberoptisk polarisator ifølge krav 1, karakterisert ved at den elliptisk polariserte bølge som forplantes av den optiske fiber, har en halv hovedakse og en halv lilleakse, hvor den halve lilleakse er lik den halve hovedakse, slik at bølgen som holdes i den optiske fiber, er sirkulært polarisert.

3. Fiberoptisk polarisator ifølge krav 2, karakterisert ved at kobleren omfatter et legeme av sirkulært dobbeltbrytende materiale.

4. Fiberoptisk polarisator ifølge krav 3, karakterisert ved at legemet av sirkulært dobbeltbrytende materiale omfatter et dobbeltbrytende krystall.

5. Fiberoptisk polarisator ifølge krav 4, karakterisert ved at det dobbeltbrytende krystall innbefatter en utskjæring for dannelsen av en plan flate, at krystallet har en optisk akse i den plane flate, og at den optiske akse er i det vesentlige parallell til lengdeaksen for kjernen i vekselvirkningsområdet.

6. Fiberoptisk polarisator ifølge krav 5, karakterisert ved at krystallet er et kvartskrystall.

7. Fiberoptisk polarisator ifølge krav 6, karakterisert ved at kobleren omfatter et dobbeltbrytende materiale som er sirkulært dobbeltbrytende for lys som forplanter seg i en første retning og lineært dobbeltbrytende for lys som forplanter seg i en andre retning.

8. Fiberoptisk polarisator ifølge krav 6, karakterisert ved at kobleren omfatter et kvartskrystall med en tilskjæring deri for dannelsen av en plan flate, at kvartskrystallet har en optisk akse som danner en spiss vinkel til den plane flate, og at den plane flate er parallell til lengdeaksen for den optiske fiber ved vekselvirkningsområdet.

10. Fiberoptisk polarisator for dannelsen av elliptisk polarisert lys, karakterisert ved : en basis med et spor deri, en optisk fiber med en kjerne og en kledning, et vekselvirkningsområde tildannet i den optiske fiber hvor en del av fiberen har en kledning som ér tynnere enn naboområdene av fiberen, at vekselvirkningsområdet er montert i sporet slik at den tynnere kledning vender ut fra sporet, og et dobbeltbrytende materiale montert hosliggende til vekselvirkningsområdet slik at den flyktige feltkobling over-fører lys med alle elliptiske polarisasjoner unntatt en valgt første ut av fiberen inn i det dobbeltbrytende materiale, mens lys med en valgt elliptisk polarisasjon forblir i fiberen.

11. Fiberoptisk polarisator ifølge krav 1, karakterisert ved at kobleren omfatter et materiale som er både sirkulært dobbeltbrytende og lineært dobbeltbrytende, slik at lys som forplantes i fiberen utover det vekselvirkende område, er elliptisk polarisert.

12. Fremgangsmåte for dannelsen av elliptisk polarisert lys i en optisk fiber, karakterisert ved følgende trinn: fjerning av en del av kledningen fra en del av den optiske fiber for å danne et vekselvirkningsområde, og plassering av et dobbeltbrytende materiale tilstøtende til vekselvirkningsområdet slik at den kortvarige feltkobling overfører lys med en første valgt elliptisk polarisasjon fra den optiske fiber til det dobbeltbrytende materiale, mens lys med en andre valgt elliptisk polarisasjon forblir i fiberen.

13. Fremgangsmåte for dannelsen av polarisert lys som er sirkulært eller elliptisk polarisert, karakterisert ved følgende trinn: dannelsen av et spor i en basis, plassering av en lengde av en optisk fiber med en kjerne og en kledning i sporet, slik at en del av kledningen rager ut av sporet, dannelsen av et vekselvirkningsområde hvor en del av det kortvarige felt av et lyssignal som forplanter seg i den optiske fiber, strekker seg ut av kledningen, og anbringelse av et koblingsmateriale tilstøtende til vekselvirkningsområdet, slik at den kortvarige feltkobling over-fører lys med alle unntatt en valgt elliptisk polarisasjon som fremføres av den optiske fiber fra fiberen til koblingsmaterialet, mens lys med den valgte polarisasjon som fremføres av fiberen, forblir i fiberen.