NO863342L - Sperrepolarisator og polarisasjonsmetode, spesielt for lys ledet av en optisk fiber. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår generelt apparatur og metoder til polarisasjon av lys og spesielt apparatur og metoder til polarisasjon av lys som forplanter seg i en optisk fiber. Enda mer spesielt angår oppfinnelsen en metallkledd fiberoptisk polarisator og metoder til dens fremstilling og bruk.

En polarisator er en innretning som fjerner utvalgte polari-sas jonskomponenter fra en lysbølge. Et visst kjennskap til forplantning og polarisasjon av lyset i en optisk fiber vil lette forståelsen av både den foreliggende oppfinnelse og kjent teknikk. En kort redegjørelse for fiberoptiske bølge-ledere, normalmoder for lysets forplantning i slike bølge-ledere og polarisasjon av lys skal derfor gis.

Det er vel kjent at en lysbølge kan representeres av et tids-varierende elektromagnetisk felt bestående av ortogonale elektriske og magnetiske feltvektorer med en frekvens lik lys-bølgens frekvens. En elektromagnetisk bølge som.forplanter seg gjennom en ledende struktur, kan beskrives ved et sett av normalmoder. Normalmodene er de tillatte fordelinger av elektriske og magnetiske felter i den ledende struktur, f.eks. en fiberoptisk bølgeleder. Feltfordelingene har direkte sammen-heng med energi fordelingen i strukturen. Normalmodene er generelt representert ved matematiske funksjoner som beskriver feltkomponentene i bølgen uttrykt ved frekvensen og romfor-delingen i den ledende struktur. De spesifikke funksjoner som beskriver normalmodene i en bølgeleder, avhenger av bølge-lederens geometri. For en optisk fiber hvor den ledede bølge er begrenset til en struktur med et sirkulært tverrsnitt av fast størrelse, vil bare felter med visse frekvenser og rom-fordelinger forplante seg uten alvorlig svekking. Bølgene med feltkomponenter som forplanter seg usvekket, er normalmodene .

Ved beskrivelse av normalmodene er det hensiktsmessig å referere til retningen av de elektriske og magnetiske felter relativt til bølgens forplantningsretning. Hvis bare den elektriske feltvektor er perpendikulær på forplantningsretningen, som vanligvis kalles den optiske akse, da sies bølgen å være en transvers elektrisk (TE) mode. Hvis bare den magnetiske feltvektor er perpendikulær på den optiske akse, er bølgen en transvers magnetisk (TM) mode. Hvis både de elektriske og de magnetiske feltvektorer er perpendikulære på den optiske akse, da er bølgen en transvers elektromagnetisk (TEM) mode. Ingen av normalmodene behøver noen bestemt retning av feltkomponentene, og f.eks. i en TE-mode kan det elektriske felt ha enhver retning som er perpendikulær på den optiske akse.

Retningen av den elektriske feltvektor i en elektromagnetisk bølge er bølgens polarisasjon. Generelt vil en bølge ha vilkårlig polarisasjon med en jevn fordeling av de elektriske feltvektorer som peker i alle retninger tillatt for hver mode. Hvis alle de elektriske feltvektorer i en bølge peker i bare én spesiell retning, er bølgen lineært polarisert. Hvis det elektriske felt består av to ortogonale elektriske feltkomponenter med samme størrelse og 90° ute av fase, er det elektriske felt sirkulært polarisert, siden det elektriske nettofelt da er en vektor som roterer rundt den optiske akse med en vinkelhastighet lik bølgens frekvens. Hvis de to lineære polarisasjoner har ulike størrelser og faser som hverken er like eller motsatte, har bølgen elliptisk polarisasjon. Generelt kan enhver vilkårlig polarisasjon representeres enten av summen av to ortogonale lineære polarisasjoner, av to motsatt rettede sirkulære polarisasjoner eller av to motsatt rettede elliptiske polarisasjoner med ortogonale store halvakser.

Hastigheten av et optisk signal avhenger av brytningsindeksen for mediet som lyset forplanter seg gjennom. Visse materialer har forskjellige brytningsindekser for forskjellige polarisasjoner. Et materiale som har to brytningsindekser, sies å

være dobbeltbrytende. Polarisasjonen av signalet som forplanter seg langs en enmodes optisk fiber, betegnes undertiden som en mode. En standard enmodes optisk fiber kan betegnes som en tomodes fiber fordi den vil forplante to bølger med samme frekvens og romfordeling, men med to forskjellige polarisasjoner. To forskjellige polarisasjonskomponenter av samme

normalmode kan forplante seg uendret gjennom et dobbeltbrytende materiale, bortsett fra en forskjell i hastigheten for de to polarisasjoner.

Graden av dobbeltbrytning brukes her til å betegne forskjellen mellom de to brytningsindekser for et medium som leder en lysbølge. Kontroll av graden av dobbeltbrytning tillater kontroll av polarisasjonen av et lyssignal gitt fra et stykke fiberoptisk materiale. Hvis bølgen som forplantes av en fiber, omfatter to lineære polarisasjonskomponenter, vil øking eller minsking av forskjellen mellom brytningsindeksene for fiberen være et middel til å styre den optiske lengde av fiberen for hver av de to polarisasjoner. Hvis fiberen er dobbeltbrytende, da vil de to polarisasjonskomponenter bli faseforskjøvet når de forplanter seg langs fiberen. Da lyshastigheten i en optisk fiber er v = c/n, hvor c er lyshastigheten i fritt rom og n er fiberens brytningsindeks, vil polarisasjonskomponenten med den laveste brytningsindeks ha en kortere gangtid i fiberen enn komponenten med den høyeste brytningsindeks. Flere fiberoptiske systemer har driftskarakteristikker som er sterkt avhengige av polarisasjonen av lys ledet av den optiske fiber. Slike systemer omfatter optiske gyroskoper og interferometri ske sensorer. For å oppnå målinger med den ønskede nøyaktighet er det vesentlig at lyset bare har én enkelt polarisasjon,

da bare lysbølger med samme polarisasjon frembringer de ønskede interferensmønstre.

Metallkledde fiberoptiske polarisatorer basert på en forskjell på omtrent to størrelsesordner mellom svekkingskoeffisientene til TE- og TM-modene er blitt beskrevet og påvist i kjent teknikk. Slike polarisatorer benytter en forholdsvis tykk metallkledning over et parti av kjernen i en optisk fiber hvor kledningen er fjernet. Når bølgen faller på det parti av kledningen som er forsynt med metallbelegget, forandres fordelingen av de elektromagnetiske felter slik at én lineær polarisasjon svekkes meget sterkere enn den andre lineære polarisasjon.

Elektriske feltkomponenter perpendikulære på metallbelegget forårsaker ohmsk oppvarming av metallet og svekkes hurtig. Elektriske feltkomponenter parallelle med metallkledningen svekkes med bare omtrent 1% av svekkingen for de perpendikulære elektriske felter. Tidligere kjente metallkledde polarisatorer krever en lang vekselvirkningslengde for å oppnå et høyt ekstinksjonsforhold. For imidlertid å oppnå et høyt ekstinksjonsforhold pådrar disse differensialsvekkings-polarisatorer seg et høyt innskuddstap. Ekstinksjonsforholdet til en polarisator er et mål for hvor virkningsfull den er til å redusere intensiteten av en uønsket polarisasjon relativt til den for en ønsket polarisasjon. Innskuddstapet er forholdet mellom det effekttap den ønskede polarisasjon undergår ved å gjennom-løpe polarisatoren, relativt til initialeffekten i den ønskede polarisasjon. Selv med en forholdsvis lang vekselvirkningslengde gir polarisatorer basert på di fferensialsvekking ekstinksjonsforhold på omtrent 24 dB når innskuddstapet er begrenset til en akseptabel størrelse.

Da differensialsvekkings-polarisatorer omformer energien i

den uønskede polarisasjon til varme, kan intensiteten av bølgen med den uønskede polarisasjon ikke overvåkes ved hjelp av en fotodetektor. Derfor er differensialsvekkings-polarisatoren uegnet til bruk med en polarisasjonsregulator og et tilbake-koblingssystem til å skaffe optimal intensitet av den ønskede polarisasjon.

Tidligere fiberoptiske, polarisatorer omfatter krystallpolarisa-toren, hvor et stykke fiberoptisk materiale som et parti av kledningen er fjernet fra for å danne et vekselvirkningsområde, plasseres nær et dobbeltbrytende krystall. Det dobbeltbrytende krystall velges slik at det har en første brytningsindeks større enn eller lik fiberkjernens for den uønskede polarisasjon og en annen brytningsindeks lik eller litt mindre enn fiber-kledningens for polarisasjon som man ønsker skal forplante seg i fiberen. En eksponensielt svinnende del av feltet ledet av fiberen strekker seg forbi kjernegrensen inn i kledningen. Denne svinnende del av feltet kalles "svinnfeltet". Svinnfeltet til lys ledet av fiberen vekselvirker med det dobbeltbrytende krystall, og lys av en uønsket polarisasjon kobler til det dobbeltbrytende medium og forplanter seg ikke i fiberen forbi vekselvirkningsområdet. Lys av den ønskede polarisasjon på-virkes ikke av det dobbeltbrytende krystall og ledes av fiberen.

Selv om krystallpolarisatorene er i stand til å skaffe de ønskede ekstinksjonsforhold med lavt innskuddstap, er drifts-karakteristikkene for slike polarisatorer temperaturavhengige. Temperaturavhengigheten til slike innretninger skyldes i hoved-sak temperaturavhengigheten til krystallets brytningsindekser. Om den annen brytningsindeks i krystallet forandrer seg med temperaturen slik at den overstiger brytningsindeksen for kledningen, opphører krystallinnretningen å fungere som en polarisator. Om brytningsindeksen for krystallet blir betrakte-lig mindre enn kledningens, da vil noe av den uønskede polarisasjon re'flekteres i krystall-fiber-grenseflaten og derfor forbli i fiberen fremfor å koble seg inn i krystallet. Et fiberoptisk gyroskop behøver en polarisator med et ekstinksjonsforhold større enn 100 dB. En krystallpolarisator som er inn-rettet til å skaffe et ekstinksjonsforhold på 100 dB ved 24°C, kan ha et ekstinksjonsforhold på bare 24-30 dB hvis temperaturen øker til 30°C.

Den foreliggende oppfinnelse skaffer en polarisator som gir

et forbedret ekstinksjonsforhold for den uønskede polarisasjon og et forbedret innskuddstap for den ønskede polarisasjon.

En polarisator i henhold til oppfinnelsen frembringer et høyt ekstinksjonsforhold med meget lavere innskuddstap enn tidligere kjente optiske differensialsvekkings-polarisatorer uten å

ha temperaturavhengigheten til svinnfeltpolarisatorer.

Apparatet i henhold til oppfinnelsen omfatter et stykke optisk fiber som et parti av kledningen er blitt fjernet fra, slik at der dannes et vekselvirkningsområde. Fiberen er fortrinnsvis krummet i vekselvirkningsområdet, slik at fibertykkelsen øker gradvis bort fra midten av vekselvirkningsområdet langsetter fiberen. Tilstrekkelig materiale fjernes fra fiberen i vekselvirkningsområdet til å skaffe et plant, blottlagt parti av fiberkjernen. Et plant kledningsparti omgir det blottlagte kjerneparti. Et vekselvirkningsmateriale som fortrinnsvis er et meget tynt lag av et metall, anbringes på de plane kjerne-og kledningspartier.

Fiberen er et asymmetrisk medium i vekselvirkningsområdet,

slik at energien som forplantes av fiberen, ikke er begrenset til kjernen som i vanlige symmetriske fibre. KjernetykkeIsen i vekselvirkningsområdet gjøres så liten at fiberen ikke vil forplante en optisk bølge forbi vekselvirkningsområdet. Fremfor å forplantes i fiberen stråler elektriske feltkomponenter parallelle til metalloverflaten fra fiberkjernen gjennom metallskiktet og inn i det sammensmeltede silisiumoksid-substrat. Disse parallelle elektriske feltkomponenter kobler ikke tilbake inn i fiberen.

Metallskiktet kobler den ønskede polarisasjon av TM-moden

til en overflateplasmabølge som forplanter seg langs grenseflaten mellom metallskiktet parallelt med fiberen. Etter å

ha forplantet seg over lengden av vekselvirkningsområdet kobler overflateplasmabølgen seg inn i fiberen som en TM-mode og opprettholder den opprinnelige, ønskede polarisasjon.

En fotodetektor kan benyttes til å skaffe et feilsignal fra TE-modene som utstråles fra fiberen. Kontrollkretser behandler feilsignalet for å drive en polarisasjonsregulator som justerer polarisasjonen av lys gitt til sperrepolarisatoren, for å minimere feilsignalet.

Metoden til å danne polarisatoren i henhold til oppfinnelsen omfatter dannelse av en koblerhalvdel som fortrinnsvis består av et stykke optisk fiber montert i et krumt spor i et egnet substrat. Substratet kan med fordel være dannet av en blokk av sammensmeltet kvarts. Det krumme spor formes med velkjente optiske slipemetoder. Fiberen kan festes i sporet med et egnet lim, og deretter blir overflaten av substratet nær det konvekst krummede parti av fiberen slipt og polert slik at der dannes en optisk plan flate. Slipingen og poleringen fjerner hele kledningen i vekselvirkningsområdet og et parti av fiberkjernen til en dybde tilstrekkelig til å forhindre forplantning av lys av enhver polarisasjon av fiberkjernen bortenfor vekselvirkningsområdet .

Metallaget kan dannes på det sammensmeltede silisiumoksidsubstratet med velkjente pådampingsmetoder, og det sammensmeltede silisiumoksidsubstrat blir deretter fastholdt mot koblerhalvdelen med metallaget nær vekselvirkningsområdet hos fiberen hvor kledningen og et parti av kjernen ble fjernet. En indekstilpasset olje kan plasseres mellom metallaget og fiberen. Det indekstilpassede fluid blir fortrinnsvis plassert mellom metallfiImen og fiberoverflaten for å redusere refleksjoner forårsaket av en diskontinuitet i brytningsindeksen ved fibex/metall-grenseflaten. Endene av metallskiktet er fortrinnsvis avsmalnet for å minimere innskuddstap.

Som en alternativ metode til fremstilling av polarisatoren

kan metallaget dannes direkte på vekselvirkningsområdet på koblerhalvdelen ved bruk av pådampingsmetoder. Et kvartslag kan avsettes over metallaget og over de partier av fiberen hvor en del av kledningen er blitt fjernet for å danne vekselvirkningsområdet .

Fig. 1 viser tverrsnitt av en fiberoptisk polarisator i henhold til oppfinnelsen, hvor der ses et metallskikt mellom et lag av sammensmeltet kvarts og en optisk fiber montert

i et krumt spor i et substrat,

fig. 2 viser et tverrsnitt av den fiberoptiske polarisator

på fig. 1 sett langs linjen 2-2 på fig. 1,

fig. 3 er et grunnriss av en koblerhalvdel som inngår i den fiberoptiske polarisator på fig. 1 og 2, og viser plane overflater på kjernen og kledningen til en optisk fiber inneholdt i koblerhalvdelen,

fig. 4 er et oppriss av en optisk bølgeleder mellom et overliggende lag og et underliggende lag,

fig. 5 er en grafisk fremstilling av relasjonen mellom brytningsindeksene for en optisk fiber og dennes diameter . ved en symmetrisk brytningsindeksfordeling om fiberkjernen,

fig. 6 er en grafisk fremstilling av relasjonen mellom brytningsindeksene til en optisk fiber og dennes diameter for en asymmetrisk brytningsindeksfordeling om fiberkjernen ,

fig. 7 er et riss i større målestokk av metallaget på fig.

1 og 2 og et parti av den optiske fiber og viser elektriske ladningstetthetsvariasjoner og forplantningen av en overflateplasmabølge i metallet forårsaket av

kobling av lys fra den optiske fiber til metallaget, og fig. 8 er en skjematisk fremstilling av et kontrollsystem

med tilbakekobling for å styre polarisasjonen av lys gitt til polarisatoren på fig. 1-3.

Som vist på fig. 1 og 2 omfatter en metallkledd polarisator

10 i henhold til oppfinnelsen en koblerhalvdel 12 som innbe-fatter en optisk fiber 14 anbragt i et krumt spor 16 i et substrat 18.

Et metallskikt 20 dannes på et sammensmeltet silisiumoksidlag 22, og det sammensmeltede silisiumoksidsubstratet 22 med det vedheftede metallskikt 20 monteres på koblerhalvdelen 12.

Det krumme spor 16 utformes i en optisk plan overflate 24

av substratet 18. Det krumme spor 18 har en krumningsradius som er stor sammenlignet med diameteren av fiberen 14. Fig.

1, 7 og 8 viser krumningsradien av fiberen i forstørret målestokk relativt til fiberdiameteren for å lette illustrasjonen av vekselvirkningen mellom lys ledet av fiberen og metallskiktet 20. Bredden av sporet 16 er litt større enn fiberdiameteren for å tillate fiberen å følge en vei bestemt ved bunnveggen i sporet 16. Dybden av sporet 16 varierer fra et minimum ved midten av substratet 18 til et maksimum ved dets kanter. Den

gradvise krumning av fiberen 14 forhindrer skarpe bøyninger eller andre brå forandringer i retningen av fiberen 14 for å unngå effekttap gjennom modeperturbasjon. Sporet 16 kan være rektangulært i tverrsnitt som vist på fig. 2, men det skal forstås at andre tverrsnittsformer såsom U-formede eller V-formede kan benyttes ved utformningen av koblerhalvdelen 12.

Ved senteret av substratet 18 er dybden av sporet 16 mindre

enn diameteren av fiberen 14. Fiberen 14 har en sentral kjerne 30 og en kledning 32. Brytningsindeksen for kjernen 30 er større enn kledningens, slik at lys ledet av kjernen reflekteres innvendig ved grenseflaten mellom kjerne og kledning.

Ved kantene 18a, 18b av substratet 18 er dybden av sporet

14 fortrinnsvis minst så stort som fiberdiameteren. Fiberoptisk materiale fjernes fra fiberen 14 ved enhver egnet metode, slik som. lepping, for å danne en ovalt formet plan overflate 26 vist på fig. 3 i kledningen 32. Den ovalt formede overflate er koplanar med den optisk plane overflate 24 av substratet 18. Tilstrekkelig kledning fjernes for å danne en ovalt formet plan overflate 34 i kjernen 32. De plane flater 26 og 34 er konsentriske og har samme tilnærmet elliptisk form. Flatene 26 og 34 er ikke nøyaktig elliptiske, da de ikke er kjeglesnitt.

Den ovale flate 26 og metallaget danner et vekselvirkningsområde 28 hvori lys forplantet av fiberen 14 vekselvirker med metallskiktet 20 og kvartsplaten 22. Mengden av fjernet fiberoptisk materiale øker gradvis fra null nær kantene 18a,

18b av substratet 18 til et maksimum ved dets senter. Den avsmalnende fjerning av fiberoptisk materiale gjør at fiberen 14 konvergerer og divergerer gradvis relativt til vekselvirkningsområdet 28, noe som er fordelaktig for å unngå bakover-rettede refleksjoner og unødig tap av lysenergi i vekselvirkningsområdet 28.

Dersom fiberen 14 er utført for å forplante bare en enkelt mode av optisk energi, har kjernen 30 normalt et sirkulært tverrsnitt som er omtrent 5 mm i diameter. Kledningen 32 gir normalt en brytningsindeksfordeling som er symmetrisk anordnet rundt kjernen 30. Er brytningsindeksen for kledningen 32 symmetrisk med hensyn på kjernen 30, så blir nesten all optisk energi som ledes av fiberen 14, begrenset til kjernen 30 dersom kjerneindeksen er større enn kledningsindeksen. Hvis imidlertid brytningsindeksen for kledningen 32 er asymmetrisk med hensyn på kjernen 30, har kjernen 30 en sperrediameter d, slik at det dersom fiberen 14 har et parti hvor kjernediameteren er mindre enn sperrediameteren, ikke er mulig å begrense optisk energi begrenses utelukkende til kjernen 30. Polarisatoren 10 benytter denne sperreegenskap til å fjerne begge polarisasjoner fra fiberen 14.

Under henvisning til fig. 4-6 skal begrepene symmetri og asymmetri av brytningsindeksene forklares i detalj. Kjernen 30 har en brytningsindeks n . Et overliggende lag 40 vist ovenfor kjernen 30 har en brytningsindeks n^, og et substrat 42 vist nedenfor kjernen 30 har en brytningsindeks Hvis n^= n^, så sies brytningsindeksene å være symmetriske med hensyn på kjernen 30, og energi vil hovedsakelig bli totalreflektert innvendig som vist ved grenseflatene mellom kjernen 30 og det overliggende lag 40 og mellom kjernen 30 og substratet 42. Hvis n^^ n^, så er brytningsindeksene asymmetriske, og kjernen 30 har en sperrediameter som forklart ovenfor.

En bølge som ledes av kjernen 30, har en karakteristisk forplantningskonstant k = 2tt/X, hvor X er den optiske bølgelende. I vekselvirkningsområdet er den effektive forplantningskonstant k^££gitt som

k c = n ,.,. k (1)

. eff eff

hvor ne££er den effektive brytningsindeks i forplantningsretningen i fiberen 14.

I diagrammet på fig. 5 er den effektive brytningsindeks ne^^vist som funksjon av kjernediameteren d. Brytningsindeksen n^for kjernen er større enn indeksene n^og n2»For å gi en ledet bølge i kjernen 30 må den effektive brytningsindeks for kjernen 30 være større enn n^og n^, som er like i det symmetriske tilfelle. For å gi en ledet bølge i fiberen 14

må den effektive brytningsindeks for kjernen 30 være større enn n^= n^, og diameteren d må være større enn en kritisk verdi dc- For det symmetriske tilfelle er der ingen sperrediameter i området d < d.

c —

Fig. 6 representerer det asymmetriske tilfelle hvor n^i- n^.

På grunn av asymmetrien i kledningsindeksen blir den karakte-ristiske kurve forskjøvet slik at de effektive forplantningskonstanter for begge polarisasjoner er under sperreverdien. Derfor vil ingen av polarisasjonene forbli ledet av fiberen.

Med henvisning til fig. 7 omfatter kledningen 32 avsmalnede kledningspartier 36 og 38 på motsatte sider av vekselvirkningsområdet 28. Kvartslaget 22 dekker et første parti 36a av det avsmalnede kledningsparti 36, og metallaget 20 dekker et annen parti 36b av det avsmalnede kledningsparti 36. Tilsvarende dekker kvartslaget 22 også et parti 38a av det avsmalnede kledningsparti 38, og metallaget 20 dekker et parti 38b. Kvartslaget 22 har den samme brytningsindeks som kledningen, og

der er derfor ingen asymmetri i brytningsindeksen for kjernen

32 ved partiene 36a og 38a. Asymmetrier forekommer imidlertid ved partiene 36b og 38b fordi metallaget 20 ikke har den samme brytningsindeks som kledningen 32. På fig. 1, 7 og 8 er tykkelsen av metallskiktet 20 vist i forstørret målestokk i forhold til tykkelsen av kvartslaget 22 for å vise strukturen av metallskiktet 20. Metallskiktet er vist å strekke seg bort fra kvartslaget 22 og danner en spalte mellom kvartslaget 22 og substratet 18. Bredden av denne spalte bestemmes av metallskiktets tykkelse, som bare er omtrent 50-100 Å. Montering av polarisatoren 10 omfatter fortrinnsvis de trinn å feste metallskiktet 20 mot vekselvirkningsområdet 28 og plassere en egnet indekstilpasset olje i tilslutningen mellom kantene av kvartslaget 22 og substratet 18. Oljen vil deretter flyte inn i hulrommet mellom vekselvirkningsområdet 28 og kvartslaget 22 ved kapillarvirkning.

Den indekstilpassede olje bidrar til å hindre innvendige refleksjoner tilbake i kjernen 30 i vekselvirkningsområdet. Slike innvendige refleksjoner er uønsket, fordi en del av det reflek-terte lys kan ha den polarisasjon som skal kobles fra systemet.

Dersom et optisk signal av blandet polarisasjon faller inn

på polarisatoren 10 på fig. 1 fra venstre, gjør asymmetrien i brytningsindeksen fra partiet 36b til partiet 38b at polari-sas jonskomponenter parallelle med den plane flate stråler gjennom metallaget 20 inn i kvartslaget 22. I henhold til vanlig praksis er forplantningsretningen z-aksen. Idet det antas et høyrehånds koordinatsystem peker x-aksen inn i planet på fig. 1, og y-aksen ligger i planet og er perpendikulær på både x- og z-aksene. Polarisasjonskomponenten langs y-aksen som er perpendikulær på overflaten, kobler seg inn i metallaget 20 og danner en overflateplasmabølge. Koblingen begynner ved partiet 36b, og den resulterende overflateplasmabølge forplanter seg langsetter metallaget 20 til partiet 38b, hvor den for-plantede energi kobler fra metallaget tilbake til kjernen 30.

Forplantningen av overflateplasmabølgen i metallaget 20 vil

bli forklart under henvisning til fig. 7. De elektriske felter til lysbølgen har sinusformede tidsvariasjoner. En TM-bølge har en polarisasjonskomponent rettet perpendikulært på overflaten 20a av metallaget 20. Hvis metallaget 20 er meget tynt, f.eks. 50-100 Å, så forårsaker den elektriske feltkomponent perpendikulær på metalloverflaten 20 sinusformede tetthets-variasjoner i ledningselektronene i metallet. For eksempel kan elektrontettheten være større i et område 44 enn i et område 46. I henhold til konvensjonen om at elektriske felter går ut fra den positive ladning og ender ved den negative ladning, forårsaker variasjon i elektrontetthet at et elektrisk felt peker fra områder med lavere elektrontetthet og positiv nettoladning, til nærliggende områder med høyere elektrontetthet og negativ nettoladning. Da feltet som faller inn på metallaget

20, er en oscillerende vandrebølge, er elektrontetthetsvari-asjonen i metallaget 20 også en oscillerende vandrebølge.

Da metallaget 20 er meget tynt, er elektrontetthetsbølgen hovedsakelig en overflateeffekt. Metallskiktet 20 har ender 20a og 20b som fortrinnsvis er avsmalnet, som best vist på

fig. 1 og 7. De avsmalnede ender 20a og 20b gjør at innfallende optiske bølger møter en gradvis forandring i metallskikt-tykkelse for å redusere innskuddstap.

Områdene for positiv og negativ ladning i laget 20 kan anses

å utgjøre et plasma som er en samling av like antall positive og negative ladninger i en gasslignende tilstand. Det er vel kjent fra kvanteteorien for metaller at ledningselektronene for mange formål kan anses som en gass. Derfor er fluktuasjonene i ladningstetthet i metallaget overflateplasmabølger. En plasma-oscillasjon er en kollektiv longitudinell eksitasjon av en elektrongass. Et plasmon er en kvantisert plåsmaoscillasjon. Områdene 'med positiv og negativ ladning kan anses som plasmoner som bærer- energi fra den perpendikulære polarisasjonskomponent av TM-bølgen i metallaget 20. Se f.eks. Kittel, "Introduction to Solid State Physics", 3. utg., John Wiley, 1968, pp. 197-249 eller Donavan, "Elementary Theory of Metals", Pergamon Press, 1967, pp. 54-79.

Substratet 18 kan fremstilles av ethvert passende stivt materiale. I en foretrukken utførelsesform omfatter substratet 18

en vanligvis rektangulær blokk av sammensmeltet kvartsglass omtrent 2,5 cm lang, 2,5 cm bred og 1,0 cm tykk. Fiberen 14

kan festes i det krumme spor 16 ved hjelp av et egnet lim (ikke vist) såsom epoksyharpiks. Det sammensmeltede kvarts-substrat har fordelaktig en varmeutvidelseskoeffisient lik den for fiberen 14, noe som er viktig for å opprettholde struk-turell integritet dersom substratet 18 og fiberen 14 blir utsatt for en eller annen varmebehandling under fremstilling eller bruk.

Metallskiktet 20 kan enten dannes på kvartslaget 22 som deretter plasseres nær koblerhalvdelen 12 som tidligere beskrevet, eller alternativt kan metallskiktet 20 dannes direkte på vekselvirkningsområdet 28 av koblerhalvdelen 12.

Metallaget kan dannes av metalliske materialer såsom sølv, aluminium, kobber eller gull. Metallaget 20 som virker som en bølgeleder for én polarisasjonstilstand av lys forplantet av fiberen 14, bør velges slik at det gir relativt lavt inten-sitetstap i den ønskede polarisasjon. Metallaget 20 dannes lettest på koblerhalvdelen 12 ved spruteprosesser som er velkjente i teknikken til fremstilling av integrerte kretser. Spruting omfatter ionisering av inertgasspartikler i et elektrisk felt for å fremstille et plasma og deretter dirigering av plasmaet mot et mål dannet av metallet. Energien av plasma-partiklene fjerner eller "spruter vekk" atomer i metallmålet. Noen av metallatomene vil feste seg på overflaten 22 av substratet 18 og til den ovale overflate 28 på fiberen 14. Det relativt tykke (4-5 mm) kvartslag 22 kan dannes med velkjente pådampingsmetoder.

En transvers magnetisk eller TM-mode har sine magnetfeltvektorer perpendikulært på forplantningsretningen. Det er velkjent fra elektromagnetisk teori at de elektriske og magnetiske feltvektorer til en elektromagnetisk bølge er perpendikulære. Derfor har TM-moden en første elektrisk feltkomponent eller polarisasjon som peker i forplantningsretningen, som er parallell med metalloverflaten 20a ved vekselvirkningsområdet 28. TM-moden har en annen elektrisk feltkomponent eller polarisasjon, som er perpendikulær til metalloverflaten 20a.

Begge polarisasjonene av TM-moden har forplantningskonstanter som er under sperreverdien av forplantningskonstanten for fiberen 14 ved vekselvirkningsområdet 28. Derfor vil fiberen 14 ikke lede noen av polarisasjonene forbi vekselvirkningsområdet 28. Polarisasjonskomponenten av TM-moden perpendikulær på metalloverflaten 20 kobler seg imidlertid inn i metall-laget 20 og danner overflateplasmabølgen som forplanter seg i metallaget 20 parallelt med fiberen 14. Etter å ha vært forplantet forbi vekselvirkningsområdet 28 kobler overflate-plasmabølgen energien i den perpendikulære polarisasjonskomponent tilbake til fiberen 14 med meget liten svekking. Bare polarisasjonen parallell med metallaget 20 unnslipper fra fiberen 14.

Hvis lyset faller inn fra venstre på fig. 8, går den utstrålte energi av den parallelle polarisasjonskomponent av TM-bølgen gjennom både metallaget 20 og kvartslaget 22. En del av den utstrålte energi faller på en fotodetektor 50 som gir en elektrisk strøm som respons på den optiske intensitet som faller på den. En elektronisk kontrollkrets 52 behandler fotodetek-torens utgangssignal og leverer kontrollsignaler til et fiberoptisk polarisasjonskontrollsystem 54 som justerer polarisa-sjonsinngangen til polarisatoren 10 for å minimere styresig-nalet. Den optiske energi som går gjennom polarisatoren 10,

har derfor i alt vesentlig en enkelt forutbestemt polarisasjon.

Polarisasjonskontrollsystemet 54 omfatter fortrinnsvis en

rekke fiberklemmer 56-58. Fiberklemmene 56-58 omfatter fortrinnsvis hver et par av piezoelektriske aktuatorer 62-64

som reagerer på spenninger fra kontrollkretsen 52 for å forandre kompresjonskraften på fiberen 14 fra en forbelastning.

Den optiske fiber 14 er et dobbeltbrytende medium, hvilket betyr at brytningsindeksen er polarisasjonsavhengig. Graden av dobbeltbrytning benyttes her til å betegne forskjellen mellom to brytningsindekser for et medium som leder en lysbølge. Kontroll av graden av dobbeltbrytning tillater kontroll av polarisasjonen av et lyssignal som gis ut fra et stykke fiberoptisk materiale. Hvis lysbølgen som forplantes av fiberen 14, omfatter to lineære polarisasjonskomponenter, vil en økning eller minskning av forskjellen mellom brytningsindeksene gi et middel til å regulere den optiske veilengde for fiberen 14 for hver av de to polarisasjoner. Hvis fiberen 14 er dobbeltbrytende, så vil de to polarisasjonskomponenter bli fasefor-skjøvet idet de forplanter seg langs fiberen. Da lyshastigheten i en optisk fiber er v = c/n, hvor c er lysets hastighet i fritt rom og n er brytningsindeksen, vil polarisasjonskomponenten med den laveste brytningsindeks ha en større hastighet og derfor en mindre gangtid i fiberen enn komponenten med den høyeste brytningsindeks. Regulering av brytningsindeksene i fiberen 14 kontrollerer derfor polarisasjonen av lys gitt til sperrepolarisatoren 10.

Det er velkjent at bruken av en kompresjonskraft på et stykke optisk fiber 14 langs en akse på tvers av fiberen 14 forandrer brytningsindeksene på grunn av den fotoelastiske effekt, noe som resulterer i en spenningsindusert dobbeltbrytning. Generelt er tre fiberklemmer nødvendige for å omdanne en vilkårlig polarisasjon til en forutbestemt polarisasjon for inngang i polarisatoren 10. Dersom der ikke er noen nevneverdig dobbeltbrytning i stykket av fiberen 14 mellom nærliggende fiberklemmer 56-58, behøves bare to fiberklemmer.

Polarisatoren 10 er i stand til å levere et utgangssignal med en forutbestemt polarisasjon i motforplantede bølger i fiberen 14. Hvis lys av blandet polarisasjon faller på polarisatoren 10 fra høyre, så stråles den uønskede polarisasjon fra fiberen, mens den ønskede polarisasjon kobler seg inn i metall-laget 20 og danner en overflateplasmabølge som forplanter seg fra høyre til venstre i metallaget 20 som vist på fig. 1, 7 og 8. En annen fotodetektor 66 gir et elektrisk signal som er et mål for intensiteten av den utstrålte polarisasjon. En annen kontrollkrets 70 behandler utgangssignaler fra fotodetektoren 66 og leverer kontrollsignaler til en rekke fiberklemmer 73-75 som i alt vesentlig er maken til de ovenfor beskrevne fiberklemmer 56-58. Derfor genererer polarisatoren 10 feilsignaler fra de to motforplantede bølger i det samme område av fiberen 14, slik at alle optiske signaler som kommer fra polarisatoren 10, har samme polarisasjon.

Claims (9)

1. Polarisator til å forplante et optisk signal av en utvalgt polarisasjon i en optisk fiber med en sentral kjerne og en kledning som omgir den sentrale kjerne, og til å utstråle optiske signaler av andre polarisasjoner fra den optiske fiber, karakterisert ved at den omfatter: et vekselvirkningsområde dannet i et stykke av den optiske fiber, sperreanordninger til å forhindre forplantning av optiske bølger i den optiske fiber'gjennom vekselvirkningsområdet, anordninger for å koble en bølge som har en gitt polarisasjon, fra kjernen til bølgelederanordningen ved et første parti av vekselvirkningsområdet, og anordninger for å koble bølgen tilbake til kjernen ved et annet parti av vekselvirkningsområdet og opprettholde polarisasjonen .

2. Polarisator i henhold til <s> krav 1, karakterisert ved at vekselvirkningsområdet omfatter: et plant kjerneparti av den optiske fiber uten noen kledning på dette og utført med et par endekanter som gradvis øker i tykkelse langs stykket av den optiske fiber fra et minimum ved senteret av det plane kjerneparti til et maksimum ved steder nær vekselvirkningsområdet hvor intet kjernemateriale er blitt fjernet fra den optiske fiber, og et plant kledningsparti som omgir det plane kjerneparti og har en varierende tykkelse som øker med avstanden fra kjerne-partiets innerkanter.

3. Polarisator i henhold til krav 2, karakterisert ved at sperreanordningene omfatter et metallskikt på det plane kjerneparti.

4. Polarisator i henhold til krav 3, karakterisert ved at den dessuten omfatter et lag av dielektrisk materiale som dekker metallaget og strekker seg over det plane kledningsparti, og som har hovedsakelig samme brytningsindeks som kledningen.

5. Polarisator i henhold til krav 2, karakterisert ved at sperreanordningen omfatter: et metallskikt som dekker hele det plane kjerneparti og strekker seg forbi dette for å dekke det plane kledningsparti nær det plane kjerneparti, slik at en asymmetri i brytningsindeksfordelingen rundt kjernen strekker seg over hele det plane kjerneparti og en del av det plane kledningsparti som omgir det plane kjerneparti, og et lag av dielektrisk materiale som dekker metallaget og strekker seg over det plane kledningsparti, og som hovedsakelig har samme brytningsindeks som kledningen, slik at der er asymmetri i brytningsindeksfordelingen rundt kjernen bare ved det plane kjerneparti og det område av kledningen som dekkes av metall-laget.

6. Fremgangsmåte til å polarisere lys som forplanter seg i en optisk fiber med en sentral kjerne og en kledning som omgir kjernen, karakterisert ved at den omfatter 'følgende trinn: dannelse av et vekselvirkningsområde i et stykke av den optiske fiber, forhindring av forplantning av optiske bølger i den optiske fiber gjennom vekselvirkningsområdet, kobling av en første bølge med en gitt polarisasjon fra kjernen til en bølgelederanordning ved et første parti av vekselvirkningsområdet, og kobling av den første bølge tilbake inn i kjernen ved et annet parti av vekselvirkningsområdet.

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 6, karakterisert ved at dannelsen av vekselvirkningsområdet omfatter følgende trinn: fjerning av materiale fra den optiske fiber for å danne et plant kjerneparti uten noen kledning, dannelse av det plane kjerneparti slik at det har et par endekanter som gradvis øker i tykkelse langs stykket av den optiske fiber fra et minimum ved senteret av det plane kjerneparti til et maksimum ved steder nær vekselvirkningsområdet hvor ikke noe kjernemateriale er blitt fjernet fra den optiske fiber, og dannelse av et plant kledningsparti som omgir det plane kjerneparti .

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 7, karakterisert ved at den dessuten omfatter de trinn å anbringe et metallskikt nær en del av det plane kjerneparti og dekke metallskiktet med et lag av dielektrisk materiale som strekker seg over det plane kledningsparti.

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, karakterisert ved at den dessuten omfatter følgende trinn: dannelse av metallaget slik at det dekker hele det plane kjerneparti og strekker seg forbi dette slik at det dekker det plane kledningsparti nær det plane kjerneparti og en asymmetri i brytningsindeksfordelingen rundt kjernen dermed strekker seg over hele det plane kjerneparti og en del av det plane kledningsparti som omgir det plane kjerneparti, og . dannelse av et lag av dielektrisk materiale som dekker metall-laget og strekker seg over det plane kledningsparti og er utført med hovedsakelig samme brytningsindeks som kledningen, slik at der er asymmetri i brytningsindeksfordelingen rundt kjernen bare ved det plane kjerneparti og i det område som dekkes av metallskiktet.