NO863776L - REFLECTOR FOR OPTICAL FIBERS. - Google Patents
REFLECTOR FOR OPTICAL FIBERS.Info
- Publication number
- NO863776L NO863776L NO863776A NO863776A NO863776L NO 863776 L NO863776 L NO 863776L NO 863776 A NO863776 A NO 863776A NO 863776 A NO863776 A NO 863776A NO 863776 L NO863776 L NO 863776L
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- fiber
- acoustic wave
- reflector
- substrate
- acoustic
- Prior art date
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims description 30
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 188
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 93
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 49
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 36
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 14
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 claims description 9
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 8
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 2
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013641 LiNbO 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020068 MgAl Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000000382 optic material Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 229910019655 synthetic inorganic crystalline material Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/12007—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
- G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
- G02B6/29304—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by diffraction, e.g. grating
- G02B6/29316—Light guides comprising a diffractive element, e.g. grating in or on the light guide such that diffracted light is confined in the light guide
- G02B6/29317—Light guides of the optical fibre type
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
- G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
- G02B6/29304—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by diffraction, e.g. grating
- G02B6/29316—Light guides comprising a diffractive element, e.g. grating in or on the light guide such that diffracted light is confined in the light guide
- G02B6/29325—Light guides comprising a diffractive element, e.g. grating in or on the light guide such that diffracted light is confined in the light guide of the slab or planar or plate like form, i.e. confinement in a single transverse dimension only
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/34—Optical coupling means utilising prism or grating
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
- G02F1/33—Acousto-optical deflection devices
- G02F1/335—Acousto-optical deflection devices having an optical waveguide structure
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
- Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)
- Glass Compositions (AREA)
Description
Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og anordning forThe invention relates to a method and device for
reflektering av en del av en lysbølge ettersom lysbølgen forplanter seg langs et optisk fiber. Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte og anordning hvor to akustiske bølger bevirkes til å forplante seg i fiberet ved valgte vinkler slik at en del av en lysbølge som forplanter seg i en første retning langs fiberet vil samvirke med de to akustiske bølgene, og som et resultat av slikt samvirke vil reflektere tilbake i retningen som er motsatt den første retningen. En eller flere av de oppfinneriske reflektorer kan bindes på et optisk fiber til å frembringe reflekterte lys-signaler på kommando ved å aktivere valgte av reflektorene til å bevirke de akustiske bølger frembragt av de aktiverte reflektorer til å forplante seg i fiberet. reflection of a portion of a light wave as the light wave propagates along an optical fiber. More specifically, the invention relates to a method and device where two acoustic waves are caused to propagate in the fiber at selected angles so that part of a light wave propagating in a first direction along the fiber will interact with the two acoustic waves, and as a result of such cooperation will reflect back in the direction opposite to the first direction. One or more of the inventive reflectors can be bonded onto an optical fiber to produce reflected light signals on command by activating selected of the reflectors to cause the acoustic waves produced by the activated reflectors to propagate in the fiber.
For et utvalg av fiberavfølere og datatransmisjonsanvendelserFor a range of fiber sensing and data transmission applications
hvor et optisk fiber anvendes, vil det være ønskelig å ha en anordning som kan plasseres langs det optiske fiber til å frembringe en refleksjon når aktivert på kommando, og som har praktisk talt intet tap når aktivert. Med et stort antall anordninger som har disse egenskaper plassert langs fiberet, where an optical fiber is used, it would be desirable to have a device which can be placed along the optical fiber to produce a reflection when activated on command, and which has virtually no loss when activated. With a large number of devices having these properties located along the fiber,
vil tidsområdereflektometriteknikker kunne anvendes for tidsdelingsmultipleksing av data fra et stort antall avfølere. time domain reflectometry techniques will be able to be used for time division multiplexing of data from a large number of sensors.
Konvensjonelle fiberkoplere er blitt anvendt til å frembringeConventional fiber couplers have been used to produce
et reflektert lyssignal i den motsatte retning i et fiber,a reflected light signal in the opposite direction in a fiber,
ved å plassere et speil ved den ubrukte koplerutgangsporten. Imidlertid er tilleggstapet i en slik kopler og de by placing a mirror at the unused coupler output port. However, the additional loss in such a coupler and those
ytterligere tap som skyldes festingen av kopleren til fiberet, for store til å tiltae et vesentlig antall av slike refleksjonspunkter å bli dannet på et enkelt fiber. Dessuten er disse tap permanente i det henseende at koplerne ikke kan gjøres inaktive for å eliminere tapene ved ønskede additional losses due to the attachment of the coupler to the fiber, too great to allow a significant number of such reflection points to be formed on a single fiber. Moreover, these losses are permanent in that the couplers cannot be made inactive to eliminate the losses at will
tidspunkter.times.
En annen fremgangsmåte for å frembringe en refleksjon i et optisk fiber er beskrevet i US patentsøknad nr. 596.889, inngitt 5. april 1984 av søkeren. Denne fremgangsmåte anvender flyktig kopling mellom to fibersegmenter som er adskilt av en sløyfekoplet fiberseksjon til å bevirke en del av lys som forplanter seg ned langs fiberet til å bli koplet fra et segment til det andre segment for derved å forplante seg tilbake langs fiberet i den motsatte retning. Fiberet kan være ubrutt ved denne fremgangsmåte. Selv om tilleggstapene ved denne løsning er vesentlig lavere enn med en kopler, er de fortsatt for store til å hindre hundretalls av slike refleksjonspunkter på et enkelt fiber. Dessuten er reflektoren ifølge US patentsøknad 596.889 permanente i det henseende at det tilleggstapet blir resultatet hver gang lys beveger seg over reflektorene og slike tap påvirker operasjonen av samtlige reflektorer dannet nedstrøms fra en hvilken som helst spesiell reflektor på et enkelt fiber. Another method of producing a reflection in an optical fiber is described in US Patent Application No. 596,889, filed April 5, 1984 by the applicant. This method uses transient coupling between two fiber segments separated by a looped fiber section to cause a portion of light propagating down the fiber to be coupled from one segment to the other segment to propagate back along the fiber in the opposite direction. The fiber can be unbroken by this procedure. Although the additional losses with this solution are significantly lower than with a coupler, they are still too large to prevent hundreds of such reflection points on a single fiber. Moreover, the reflector of US patent application 596,889 is permanent in that the additional loss results each time light travels over the reflectors and such losses affect the operation of all reflectors formed downstream from any particular reflector on a single fiber.
Andre kjente fremgangsmåter for å frembringe en refleksjon i et optisk fiber omfatter: å innføre en diskontinuitet i fiberet, slik som ved å bryte fiberet og sammenkople på ny de brutte ender under anvendelse av et lavkvalitets-forbindelsesorgan, mekanisk å innføre en mikroskopisk avsmaling på fiberet, og å utsette en del av fiberet for rommessige pertubasjoner hos den optiske brytningsindeks i den kledning som omgir fiberkjernen. Den sistnevnte fremgangsmåte er beskrevet i britisk patentsøknad GB 2.145.237Å av Chevron Research Company, publisert 20. mars 1985, fra og med side 5, linje 65 til og med side 6, linje 35. Disse kjente fremgangsmåter for å danne en reflektor på et fiber har alle den ulempe at de resulterer i en permanent reflektor. Der er et optisk tap ved hver permanente reflektor når lys passerer gjennom den, og slike tap påvirker samtlige avfølere tilknyttet samtlige reflektorer nedstrøms relativt en hvilken som helst spesiell reflektor på et fiber. Som et resultat av tapene, kunne et stort antall av slike permanente reflektorer ikke bli opptatt på et enkelt fiber. Other known methods of producing a reflection in an optical fiber include: introducing a discontinuity into the fiber, such as by breaking the fiber and reconnecting the broken ends using a low-quality connector, mechanically introducing a microscopic taper to the fiber , and to subject part of the fiber to spatial perturbations of the optical refractive index in the cladding surrounding the fiber core. The latter method is described in British patent application GB 2,145,237Å by Chevron Research Company, published March 20, 1985, from page 5, line 65 to page 6, line 35. These known methods for forming a reflector on a fibers all have the disadvantage that they result in a permanent reflector. There is an optical loss at each permanent reflector as light passes through it, and such losses affect all sensors associated with all reflectors downstream relative to any particular reflector on a fiber. As a result of the losses, a large number of such permanent reflectors could not be accommodated on a single fiber.
I motsetning til dette, foranlediger den oppfinneriskeIn contrast, it prompts the inventive
anordning en refleksjon i et optiskVriår aktivert på kommando, med praktisk talt null ekstra tap når den er i den deaktiverte tilstand. Operasjonsprinsippet ifølge oppfinnelsen er basert på det akusto-optiske samvirket mellom lyset og lydbølger. På grunn av at kledningsmaterialet ikke behøves fjernes nær den optiske fiberkjernen, kan tilleggstapene gjøres ekstremt lave. Likesom den oppfinneriske r.efleksjonsanordningi anvender: den: velkjente anordning kjent som den akusto-optiske Bragg-celle akusto-optiske samvirkninger. Figur 1 er et skjematisk riss som viser trekkene ved en Bragg-celle. I figur 1 forplanter lysstrålen 1 seg inn i et optisk medium, slik som glass eller kvarts, møter. akustiske bølgetog 2 i en vinkel 9 relativt de. plane bølgefronter hos bølgetoget. Bølgetoget 2 frembringer en modulasjon av brytningsindeksen for det optiske medium 3. Når betingelsene er slik at: device a reflection in an opticalVrior activated on command, with virtually zero additional loss when in the deactivated state. The operating principle according to the invention is based on the acousto-optic interaction between light and sound waves. Because the cladding material does not need to be removed close to the optical fiber core, the additional losses can be made extremely low. Like the inventive reflection device, the well-known device known as the acousto-optic Bragg cell uses acousto-optic interactions. Figure 1 is a schematic diagram showing the features of a Bragg cell. In Figure 1, the light beam 1 propagates into an optical medium, such as glass or quartz, encounters. acoustic wave trains 2 at an angle 9 relative to them. plane wave fronts in the wave train. The wave train 2 produces a modulation of the refractive index of the optical medium 3. When the conditions are such that:
hvor X er bølgelengden for lyset i medium 3 og A er bølge-lengden for det akustiske bølgetoget, blir lysbølgen 4 (som omfatter en del av energien i lysstrålen 1) så avbøyd i en vinkel 20 relativt lysstrålen 1. De akustiske bølger i en Bragg-celle genereres av en transduser (slik som transduseren 5 i figur 1) akustisk koplet til det optiske medium 3. Lasermodulatorer og stråledeflektorer er blitt konstruert under anvendelse av Bragg-celler. Ved konvensjonell bruk, blir imidlertid lyset avbøyet i en meget liten vinkel vekk fra sin opprinnelige forplantningsretning. where X is the wavelength of the light in medium 3 and A is the wavelength of the acoustic wave train, the light wave 4 (which includes part of the energy in the light beam 1) is then deflected at an angle 20 relative to the light beam 1. The acoustic waves in a Bragg -cell is generated by a transducer (such as the transducer 5 in Figure 1) acoustically coupled to the optical medium 3. Laser modulators and beam deflectors have been constructed using Bragg cells. In conventional use, however, the light is deflected at a very small angle away from its original direction of propagation.
Den ønskede tilbakerefleksjon i et fiber tilsvarer 0 = 90" i ligning (1). Hvis A = X/2, vil så tilbakerefleksjon (hvor 0 = 90°) oppnås. Den maksimale amplitude for den tilbake-reflekterte optiske bølge er et maksimum når de periodiske optiske brytningsindeksvariasjoner som induseres av den akustiske energien er adskilt en halv optisk bølgelengde fra hverandre. Der er generelt maksimum når A = M X/2, hvor M er et hvilket som helst ikke-negativt helt oddetall (dvs. M = 1, 3, 5 ...). Hovedmaksimum opptrer for A = X/2, eller M = 1. Ettersom V = Af, hvor V er hastigheten for den akustiske bølgen og f den akustiske frekvensen, og ettersom X = Xg/n, hvor Xq er bølgelengden for lys i fritt rom, og n er brytningsindeksen for mediet hvor det akusto-optiske samvirket opptrer, får man så The desired back-reflection in a fiber corresponds to 0 = 90" in equation (1). If A = X/2, then back-reflection (where 0 = 90°) will be achieved. The maximum amplitude of the back-reflected optical wave is a maximum when the periodic optical refractive index variations induced by the acoustic energy are separated by half an optical wavelength from each other. There is generally a maximum when A = M X/2, where M is any non-negative odd integer (ie M = 1, 3 , 5 ...).The main maximum occurs for A = X/2, or M = 1. Since V = Af, where V is the velocity of the acoustic wave and f the acoustic frequency, and since X = Xg/n, where Xq is the wavelength of light in free space, and n is the refractive index of the medium in which the acousto-optic interaction occurs, we then get
Dette representerer frekvensen for den akustiske bølgen som behøves til å frembringe et reflektert signal av vesentlig amplitude i tilfellet hvor lysstrålen forplanter seg kolineært med den akustiske bølgen. Den optiske frekvensen for det spredte eller reflekterte lyset blir enten forskjøvet opp eller forskjøvet ned med en størrelse lik f avhengig hvorvidt den akustiske bølgen beveger seg mot lysbølgen eller vekk fra lysbølgen. I de fleste optiske fibre er kjernen smeltet kisel for hvilket n = 1,46 og V = 5,96 x IO<3>m/sek. For lyset med fritt-romsbølgelengde lik Xq = 1,3 x 10~^ m, er den nødvendige akustiske frekvens for å frembringe den laveste ordens avbøyning i tilbakeretningen lik f= 13,38 GHz. This represents the frequency of the acoustic wave required to produce a reflected signal of significant amplitude in the case where the light beam propagates collinearly with the acoustic wave. The optical frequency of the scattered or reflected light is either shifted up or shifted down by an amount equal to f depending on whether the acoustic wave moves towards the light wave or away from the light wave. In most optical fibers the core is fused silicon for which n = 1.46 and V = 5.96 x IO<3>m/sec. For the light with free-space wavelength equal to Xq = 1.3 x 10~^ m, the required acoustic frequency to produce the lowest order deflection in the backward direction is equal to f= 13.38 GHz.
Vanskeligheten med å konstruere en anordning som frembringer en tilbakerefleksjon basert på akusto-optisk samvirke skyldes den høye frekvens som kreves i det likefremme kolineære Bragg-regimentet som er beskrevet ovenfor. Det er meget vanskelig å fabrikere og binde akustiske transdusere som opererer på disse frekvenser og de fleste materialer er uhyre tapsbringende ved denne høye frekvens. Det første problem som det må rettes søkelys mot i en slik anordning, i hvilken lyset forplanter seg gjennom et optisk fiber, er å bevirke lydbølgen til å forplante seg fra transduseren gjennom et substrat til fiberkjerneregionen med så lite tap som mulig. En feiltilpasning i akustisk impedans, pV, hvor p = tetthet og W= akustisk hastighet, for substratet og fiberet, ville også bevirke et akustisk refleksjonstap ved grensesjiktet. En løsning for å unngå det akustiske refleksjonstapet ville være å danne både fiberet og substratet av smeltet kisel. Imidlertid er ultralydtapet i smeltet kisel beskrevet til å være 12 db/cm-GHz<2>i D.A. Pinnow, "Guidelines for the Selection of Acousto-Optic-Material", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. Qe-6, nr. 4, april 1970. Dette tap er 2028 db/cm ved en frekvens lik 13 GHz. Dette meget store tap gjør det meget vanskelig å anvise en konfigurasjon som kan innføre en ultralydbølge kolinært med fiberkjernen. Innføring ved meget små vinkler og fokuseringsløsninger nødvendiggjør samtlige lange baner i substratet. Krystaller er blitt identifisert som.bevirker langt mindre dempning enn smeltet kisel, men.disse krystaller har akustisk impedans som er vesentlig forskjell fra den for optiske fibre av smeltet kisel og har de nødvendige akustiske forplantningsegenskaper kun langs visse akser. Igjen blir innføring av de akustiske bølgene i fiberkjernen ved grunne vinkler meget tapsbringende på grunn av impedansfeiltilpasningen, og fokusering er ikke praktisk på grunn av anisotropien. The difficulty in constructing a device that produces a back reflection based on acousto-optic interaction is due to the high frequency required in the forward collinear Bragg regime described above. It is very difficult to manufacture and bond acoustic transducers that operate at these frequencies and most materials are extremely lossy at this high frequency. The first problem to be addressed in such a device, in which the light propagates through an optical fiber, is to cause the sound wave to propagate from the transducer through a substrate to the fiber core region with as little loss as possible. A mismatch in acoustic impedance, pV, where p = density and W = acoustic velocity, for the substrate and fiber, would also cause an acoustic reflection loss at the boundary layer. A solution to avoid the acoustic reflection loss would be to form both the fiber and the substrate from fused silicon. However, the ultrasonic loss in fused silica is described to be 12 db/cm-GHz<2>in D.A. Pinnow, "Guidelines for the Selection of Acousto-Optic Materials", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. Qe-6, No. 4, April 1970. This loss is 2028 db/cm at a frequency equal to 13 GHz. This very large loss makes it very difficult to design a configuration that can introduce an ultrasound wave collinear with the fiber core. Introduction at very small angles and focusing solutions require all long paths in the substrate. Crystals have been identified as causing far less attenuation than fused silicon, but these crystals have acoustic impedance significantly different from that of fused silicon optical fibers and have the necessary acoustic propagation properties only along certain axes. Again, introducing the acoustic waves into the fiber core at shallow angles is very lossy due to the impedance mismatch, and focusing is not practical due to the anisotropy.
Anordningen ifølge oppfinnelsen er en anordning som er i stand til å bli plassert hosliggende og bundet til et optisk fiber for å reflektere en del av en lysbølge ettersom lysbølgen forplanter seg langs fiberets langsgående akse. Anordningen omfatter middel for å generere to akustiske bølger som vil forplante seg i fiberet i valgte vinkler slik at hver forplanter seg i en samvirkningsdel av fiberet i en retning 45° relativt aksen og perpendikulært på retningen for den andre. The device according to the invention is a device which is capable of being placed adjacent to and tied to an optical fiber to reflect part of a light wave as the light wave propagates along the longitudinal axis of the fiber. The device comprises means for generating two acoustic waves which will propagate in the fiber at selected angles so that each propagates in a cooperating part of the fiber in a direction 45° relative to the axis and perpendicular to the direction of the other.
I en utførelsesform omfatter anordningen ifølge oppfinnelsen to akustiske transdusere bundet til et substrat gjennom hvilket akustiske signaler som frembringes av transduserne kan forplante seg. Transduserne er orientert slik at når substratet plasseres hosliggende og bindes til et optisk fiber, vil en første akustisk bølge som har sin opprinnelse ved en av transduserne forplante seg i fiberet i en første retning 45° relativt fiberets langsgående akse, og en andre akustisk bølge som har sin opprinnelse ved den andre av transduserne vil forplante seg inn i fiberet og forplante seg i fiberet i en andre retning 45° relativt aksen og perpendikulært på den første retningen. Lys som beveger seg langs fiberaksen vil samvirke med det akustiske feltet som skyldes overlagring av nevnte første og andre akustiske bølger for derved å bli delvis reflektert 180° tilbake langs fiberaksen. Fiberregionen i hvilken det akusto-optiske samvirket opptrer vil bli referert til her som "samvirkningsregionen" (eller "samvirkningsdelen"). In one embodiment, the device according to the invention comprises two acoustic transducers bound to a substrate through which acoustic signals produced by the transducers can propagate. The transducers are oriented so that when the substrate is placed adjacent to and bonded to an optical fiber, a first acoustic wave that originates at one of the transducers will propagate in the fiber in a first direction 45° relative to the longitudinal axis of the fiber, and a second acoustic wave that originating at the second of the transducers will propagate into the fiber and propagate into the fiber in a second direction 45° relative to the axis and perpendicular to the first direction. Light moving along the fiber axis will interact with the acoustic field resulting from the superimposition of said first and second acoustic waves to thereby be partially reflected 180° back along the fiber axis. The fiber region in which the acousto-optic interaction occurs will be referred to herein as the "interaction region" (or "interaction part").
Fortrinnsvis vil substratet bli bundet til det optiske fiberet og vil ha akustisk impedans valgt for derved å passe så nær som mulig til den for fiberet for å redusere akustisk refleksjonstap som oppstår når de akustiske bølger forplanter seg fra substratet inn i fiberet. I en foretrukket utførelsesform vil substratet innbefatte to regioner, som hver adskiller en forskjellig av transduserne fra fiberet. De to regionene blir fortrinnsvis adskilt fra hverandre ved hjelp av et akustisk absorberende element. Preferably, the substrate will be bonded to the optical fiber and will have acoustic impedance chosen to thereby match that of the fiber as closely as possible to reduce acoustic reflection loss that occurs when the acoustic waves propagate from the substrate into the fiber. In a preferred embodiment, the substrate will include two regions, each of which separates a different one of the transducers from the fiber. The two regions are preferably separated from each other by means of an acoustic absorbing element.
I en andre utførelsesform blir en enkelt akustisk transduser anvendt til å frembringe de to akustiske-bølgene. Slik som i den første utførelsesformen, vil de to akustiske bølgene forplante seg i fiberet i retninger 45° relativt fiberets langsgående akse, og 90° relativt hverandre. Den første akustiske bølgen er en del av den akustiske bølgeenergien generert av den enkle transduseren som forplanter seg gjennom substratet direkte inn i fiberet. Den andre akustiske bølgen er en annen del av den akustiske bølgeenergien som genereres av den enkle transduseren, som reflekterer fra en overflate på substratet og deretter brytes inn i fiberet. På grunn av at den andre utførelsesformen kun krever en enkelt transduser, er den enklere å fremstille enn den første utførelsesformen. Videre tillater den andre utførelsesformen en mer gunstig samvirkeregiongeometri som tillater redusert akustisk tap i fiberkledningen for en samvirkningsregion av tilstrekkelig lengde langs fiberets langsgående akse, og som derfor medfører større diffraksjonsvirkningsgrad. En ulempe er at de to akustiske bølgene (dvs. de reflekterte og ikke-reflekterte deler av den akustiske bølgeenergien generert av den ene transduseren) vil ha identisk frekvens, slik at den andre utførelsesformen av anordningen ifølge oppfinnelsen kun kan anvendes som en reflektor, og ikke en optisk frekvens-f or skyver In a second embodiment, a single acoustic transducer is used to produce the two acoustic waves. As in the first embodiment, the two acoustic waves will propagate in the fiber in directions 45° relative to the longitudinal axis of the fiber, and 90° relative to each other. The first acoustic wave is part of the acoustic wave energy generated by the single transducer that propagates through the substrate directly into the fiber. The second acoustic wave is another part of the acoustic wave energy generated by the single transducer, which reflects from a surface of the substrate and is then refracted into the fiber. Because the second embodiment only requires a single transducer, it is simpler to manufacture than the first embodiment. Furthermore, the second embodiment allows a more favorable interaction region geometry which allows reduced acoustic loss in the fiber cladding for an interaction region of sufficient length along the longitudinal axis of the fiber, and which therefore results in greater diffraction efficiency. A disadvantage is that the two acoustic waves (i.e. the reflected and non-reflected parts of the acoustic wave energy generated by the one transducer) will have identical frequency, so that the second embodiment of the device according to the invention can only be used as a reflector, and not an optical frequency-f or pusher
Ifølge fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen blir de akustiske transdusere (eller transduseren) knyttet til en samvirkningsdel av et fiber aktivert til å innføre de beskrevne første og andre akustiske bølger i samvirkningsdelen ved ønskede tidspunkter. Transduseren (eller transduserne) kan gjøres inaktive ved valgte tidspunkter, slik at lys kan-forplante seg uhindret gjennom samvirkningsdelen. Når det er ønskelig, vil både de nevnte første og andre akustiske bølger bli generert for derved å ha i alt vesentlig lik frekvens, f, hvor- f . = (2nV)/M\g ( cos 45° ) , hvor Xq er fritt-romsbølge-lengden for lys som ønskes å bli reflektert ettersom det forplanter seg gjennom fiberet, V er hastigheten for den første akustiske bølgen i fiberet, n er den optiske brytningsindeks for fiberet, og M er et positivt oddetall. I en alternativ utførelsesform vil den første akustiske bølgen bli generert således at den får en frekvens som er forskjellig fra den for den andre akustiske bølgen. Slik det vil bli forklart i detalj nedenfor, vil frekvensen for det reflekterte lyssignalet bli forskjøvet opp eller forskjøvet ned med en frekvens proporsjonal med differansen mellom frekvensene for nevnte første og andre akustiske bølger. According to the method according to the invention, the acoustic transducers (or the transducer) linked to an interaction part of a fiber are activated to introduce the described first and second acoustic waves into the interaction part at desired times. The transducer (or transducers) can be made inactive at selected times, so that light can propagate unimpeded through the interaction part. When it is desired, both the aforementioned first and second acoustic waves will be generated to thereby have essentially the same frequency, f, where f. = (2nV)/M\g ( cos 45° ) , where Xq is the free-space wavelength of light desired to be reflected as it propagates through the fiber, V is the velocity of the first acoustic wave in the fiber, n is the optical index of refraction for the fiber, and M is a positive odd number. In an alternative embodiment, the first acoustic wave will be generated so that it receives a frequency that is different from that of the second acoustic wave. As will be explained in detail below, the frequency of the reflected light signal will be shifted up or down by a frequency proportional to the difference between the frequencies of said first and second acoustic waves.
En eller flere samvirkningsdeler (eller refleksjonspunkter), hver tilhørende en akusto-optisk reflektor i en hvilken som helst av utførelsesformene som her er beskrevet, kan etableres langs et enkelt optisk fiber. For å eliminere uønskede refleksjoner, opprettholdes hver reflektor i en deaktivert tilstand bortsett fra under valgte tidsperioder når den aktiveres. Figur 1 er et skjematisk riss som viser operasjonsmåten for en konvensjonell Bragg-celle, hvor en innkommende lysbølge møter, med en innfallsvinkel, 0, en akustisk bølge. En del av lysbølgen avbøyes i en retning med en vinkel 20 relativt den innkommende lysbølgen. Figur 2 er et tverrsnittsriss av en utførelsesform av reflektoren ifølge oppfinnelsen, og et tilhørende optisk fiber, tatt i et plan som innbefatter den langsgående fiberaksen. Figur 3 er et forstørret riss av den akusto-optiske samvirkningsregionen for reflektoren ifølge figur 2, som viser de akustiske bølgefronter som møtes av en innfallende lysbølge som forplanter seg gjennom samvirkningsregionen langs fiberets kjerne. Figur 4A er et tverrsnittsriss av et optisk fiber som er bundet til en flate, tatt i et plan perpendikulært på den langsgående optiske fiberaksen. Figur 4B er et tverrsnittsriss av enheten vist i figur 4A, etter at toppoverflaten av enheten er blitt slipt og polert. Den slipte og polerte toppoverflaten av enheten i figur 4B er klar til å bli bundet til substratet av reflektoren ifølge oppfinnelsen. Figur 5 er et tverrsnittsriss av en annen utførelsesform av reflektoren ifølge oppfinnelsen, og et tilhørende optisk fiber, tatt i et plan som innbefatter den langsgående fiberaksen. Figur 6 er et forstørret riss a. v den akusto-optiske samvirkningsregionen av reflektoren i figur 5, som One or more interacting parts (or reflection points), each associated with an acousto-optical reflector in any of the embodiments described herein, may be established along a single optical fiber. To eliminate unwanted reflections, each reflector is maintained in a deactivated state except during selected time periods when it is activated. Figure 1 is a schematic drawing showing the mode of operation of a conventional Bragg cell, where an incoming light wave meets, at an angle of incidence, 0, an acoustic wave. Part of the light wave is deflected in a direction with an angle 20 relative to the incoming light wave. Figure 2 is a cross-sectional view of an embodiment of the reflector according to the invention, and an associated optical fiber, taken in a plane that includes the longitudinal fiber axis. Figure 3 is an enlarged view of the acousto-optic interaction region for the reflector of Figure 2, showing the acoustic wavefronts encountered by an incident light wave propagating through the interaction region along the core of the fiber. Figure 4A is a cross-sectional view of an optical fiber bonded to a surface, taken in a plane perpendicular to the longitudinal optical fiber axis. Figure 4B is a cross-sectional view of the assembly shown in Figure 4A, after the top surface of the assembly has been ground and polished. The ground and polished top surface of the device in Figure 4B is ready to be bonded to the substrate of the reflector of the invention. Figure 5 is a cross-sectional view of another embodiment of the reflector according to the invention, and an associated optical fiber, taken in a plane that includes the longitudinal fiber axis. Figure 6 is an enlarged view of the acousto-optic interaction region of the reflector in Figure 5, which
viser de akustiske bølgefronter som møtes av en innfallende lysbølge som forplanter seg gjennom samvirkningsregionen langs fiberets akse. shows the acoustic wavefronts encountered by an incident light wave propagating through the interaction region along the axis of the fiber.
Et tverrsnittsriss av en foretrukket utførelsesform av reflektoren, ifølge oppfinnelsen er vist i figur 2. A cross-sectional view of a preferred embodiment of the reflector, according to the invention, is shown in figure 2.
Reflektoren innbefatter første akustiske transduser 10, andre akustisk transduser 11 og substrat 12. Substratet 12 er bundet til kledningen 17 for et optisk fiber 16. Fiberets 16 kjerne 18 strekker seg langs^fiberets 16 sentrale langsgående akse. Substratet 12 omfatter en første region 13 gjennom hvilken en første akustiske bølge 19 frembragt av trans- The reflector includes first acoustic transducer 10, second acoustic transducer 11 and substrate 12. The substrate 12 is bonded to the cladding 17 of an optical fiber 16. The core 18 of the fiber 16 extends along the central longitudinal axis of the fiber 16. The substrate 12 comprises a first region 13 through which a first acoustic wave 19 produced by trans-
duseren 10 kan forplante seg inn i fiberet 16, en andre region 14 gjennom hvilken en andre akustisk bølge 20 the diffuser 10 can propagate into the fiber 16, a second region 14 through which a second acoustic wave 20
frembragt av transduseren 11 kan forplante seg inn i fiberet 16, og akustisk absorberende elemtn 15 plassert mellom nevnte første region 13 og nevnte andre region 14. produced by the transducer 11 can propagate into the fiber 16, and acoustic absorbing element 15 placed between said first region 13 and said second region 14.
Substratet 12 er ganske enkelt det medium gjennom hvilket de akustiske bølger transporteres til fiberet, og fortrinnsvis har lave akustiske dempningskarakteristika. Egnede materialer med lav dempning for nevnte første og andre regioner i substratet 12 innbefater LiNb03, YIG, A1203, Ti02, YAG eller MgAl204. The substrate 12 is simply the medium through which the acoustic waves are transported to the fiber, and preferably has low acoustic attenuation characteristics. Suitable low attenuation materials for said first and second regions of the substrate 12 include LiNbO 3 , YIG, Al 2 O 3 , TiO 2 , YAG or MgAl 2 O 4 .
Passende materialer for bruk i substratet ifølge oppfinnelsen innbefatter de anisotropiske materialer som er blitt anvendt i konvensjonelle Bragg-celler. På grunn av deres anisotropi, Suitable materials for use in the substrate according to the invention include the anisotropic materials that have been used in conventional Bragg cells. Due to their anisotropy,
vil disse materialer ha en foretrukket orientering relativt transduseren og fiberet for å gjøre akustiske dempninger minst mulige. Studier av materialer for konvensjonelle Bragg-celler er blitt konsentrert på de med passende optiske egenskaper^ I reflektoren "ifølge oppfinnelsen trenger imidlertid substratet ikke ha noen spesielle optiske egenskaper, og kan være optisk ugjennomsiktig. Derfor kan det these materials will have a preferred orientation relative to the transducer and the fiber to minimize acoustic attenuation. Studies of materials for conventional Bragg cells have been concentrated on those with suitable optical properties^ In the reflector "according to the invention, however, the substrate need not have any special optical properties, and may be optically opaque. Therefore, it can
være andre mer passende substratmaterialer, innbefattende' isotropiske materialer. For beskrivelsens formål i til-knytning til figur 2, skal substratet antas å være litiumniobat (LiNbC^). Det absorberende elementet 15 kan være det materialet som anvendes til å sammenføye.de to substrat-komponentene, slik som epoksy. be other more suitable substrate materials, including isotropic materials. For the purpose of the description in connection with figure 2, the substrate shall be assumed to be lithium niobate (LiNbC^). The absorbent element 15 can be the material used to join the two substrate components, such as epoxy.
Transduserne 10 og 11 kan være konvensjonelle ultralydtransdusere av den type som anvendes for Bragg-celler. Slike transdusere kan lages av LiNb03eller annet piezoelektrisk materiale. I en utførelsesform hvor nevnte første og andre transdusere er identiske ultralydtransdusere, vil tilfø_ringen av en RF-puls med frekvens f og varighet t til den første transduseren avgi i substratet ultralydbølgen 19 med frekvens f og varighet t, og tilførsel av en lignende puls til den andre transduseren vil avgi i substratet ultralydbølgen 20 med frekvens f og varighet t. Ultralydbølgene 19 og 20 vil forplante seg gjennom substratet og inn i fiberet som vist i figur 2. Ultralydbølgene skjærer i rett vinkel i fiberet, og bølgefrontene i fiberet er begge i en vinkel av 45° relativt fiberets akse. Den delen av fiberet hvori de akustiske bølger skjærer vil bli referert til gjennom hele denne søknad som "samvirkningsdelen" (eller "samvirkningsregionen") for fiberet. For at bølgene 19 og 20 skal bevege seg i et kiselfiber med en vinkel av 45° relativt fiberets akse, må vinkelsen a mellom fiberaksen og substratoverflaten til hvilken ultralydtransduseren er montert være: The transducers 10 and 11 can be conventional ultrasound transducers of the type used for Bragg cells. Such transducers can be made of LiNb03 or other piezoelectric material. In an embodiment where said first and second transducers are identical ultrasound transducers, the supply of an RF pulse with frequency f and duration t to the first transducer will emit in the substrate the ultrasound wave 19 with frequency f and duration t, and supply of a similar pulse to the secondly, the transducer will emit the ultrasound wave 20 with frequency f and duration t into the substrate. The ultrasound waves 19 and 20 will propagate through the substrate and into the fiber as shown in figure 2. The ultrasound waves intersect at right angles in the fiber, and the wave fronts in the fiber are both in a angle of 45° relative to the axis of the fiber. The portion of the fiber in which the acoustic waves intersect will be referred to throughout this application as the "interaction portion" (or "interaction region") of the fiber. In order for the waves 19 and 20 to move in a silicon fiber at an angle of 45° relative to the fiber's axis, the angle a between the fiber axis and the substrate surface to which the ultrasound transducer is mounted must be:
hvor Vlog Vser lydhastighetene i henholdsvis litiumniobat og kisel. Dette forhold følger fra Snell's lov. Fordi VL= 6,57 x IO<3>m/s og Vs= 5,96 x IO<3>m/s, bør a være 51,2° i denne utførelsesform av oppfinnelsen. Figur 3 viser forstørret riss av samvirkningsregionen ifølge den utførelsesform som er vist i figur 2. Figur 3 viser geometrien for den akusto-optiske samvirkning som resulterer J. den ønskede tilbakeref leksjon. Bølgefrontene for de akustiske bølgene 19 og 20 som forplanter seg gjennom samvirkningsregionen i fiberet bør være i alt vesentlig plane, slik at lys som forplanter seg gjennom samvirkningsregionen vil mæte i- alt. vesentlig flate akustiske bølge-fronter, slik som bølgefronten X hos bølgetoget 19 og bølgefronten Y hos bølgetoget 20. Det skal først vurderes lysstrålen 21 med bølgelengde X r.i-- fiberet, som forplanter seg langs fiberaksen mot høyre i figur 3, og møter skjærings-punktene R, S, etc. for de to akustiske bølgetogene. Brytningsindeksgradienten i fiberet ved disse punkter, e^r i retningen som lysstrålen beveger seg og derfor vil en refleksjon ved 180° (dvs. en tilbakerefleksjon) opptre. Refleksjonsamplituden er ved et maksimum når L, avstanden mellom R og S, er X/2. Høyere ordens maksima eksisterer ved avstandene som tilsvarer L = 3X/2, 5X/2, ..., MX/2 (hvor M er et hvilket som helst positivt oddetall). Dessuten, ettersom L = A/Cos $, hvor A er den akustiske bølgelengde i fiberet, = 45°, og A = V/f, hvor V er den akustiske hastighet i fiberet, følger det at f=2V/M X Cos 0, eller where Vlog Vser the sound speeds in lithium niobate and silicon respectively. This relationship follows from Snell's law. Because VL= 6.57 x IO<3>m/s and Vs= 5.96 x IO<3>m/s, a should be 51.2° in this embodiment of the invention. Figure 3 shows an enlarged view of the interaction region according to the embodiment shown in Figure 2. Figure 3 shows the geometry of the acousto-optic interaction which results J. the desired back reflection. The wave fronts for the acoustic waves 19 and 20 that propagate through the interaction region in the fiber should be essentially flat, so that light propagating through the interaction region will meet in all. essentially flat acoustic wave fronts, such as the wave front X of the wave train 19 and the wave front Y of the wave train 20. First, the light beam 21 with wavelength X r.i-- the fiber, which propagates along the fiber axis to the right in Figure 3, and meets the intersection the points R, S, etc. for the two acoustic wave trains. The refractive index gradient in the fiber at these points is in the direction that the light beam is moving and therefore a reflection at 180° (ie a back reflection) will occur. The reflection amplitude is at a maximum when L, the distance between R and S, is X/2. Higher order maxima exist at the distances corresponding to L = 3X/2, 5X/2, ..., MX/2 (where M is any positive odd number). Also, since L = A/Cos $, where A is the acoustic wavelength in the fiber, = 45°, and A = V/f, where V is the acoustic velocity in the fiber, it follows that f=2V/M X Cos 0, or
hvor n er den gjennomsnittlige optiske brytningsindeks for fiberet (dvs. fiberets optiske brytningsindeks ved fraværet av eventuell akustisk bølge som forplanter seg gjennom fiberet), og Lg er fritt-romsbølgelengden for lysbølgen 21. Hvis X0lik 1,3 x IO-<6>M, n = 1,46 og V = 5,96 x10<3>m/s, blir f 0 (l/M) 18,93 GHz. Ultralyddeformasjonen har virkningen som et brytningsgitter på lysbølgen 21. De mulige operasjonsfrekvenser for anordningen ifølge oppfinnelsen er f =18,93GHz, 6,31 GHz, 3,78 GHz, osv. i det beskrevne "eksempel. På"grunn åv dé vanskeligheter "som er" natur Uge" ved operasjon ved høyere GHz-frekvenser (innbefattende transduserfabrikasjonsproblemer og det faktum at dempning where n is the average optical refractive index of the fiber (ie the optical refractive index of the fiber in the absence of any acoustic wave propagating through the fiber), and Lg is the free-space wavelength of the light wave 21. If X0equal to 1.3 x IO-<6>M , n = 1.46 and V = 5.96 x10<3>m/s, f 0 (l/M) becomes 18.93 GHz. The ultrasonic deformation has the effect of a refraction grating on the light wave 21. The possible operating frequencies for the device according to the invention are f = 18.93 GHz, 6.31 GHz, 3.78 GHz, etc. in the described "example. Because of the difficulties" which is "nature Week" when operating at higher GHz frequencies (including transducer fabrication problems and the fact that attenuation
øker med kvadratet av frekvens), og fordi intensiteten av den reflekterte lysbølgen i høyere brytningsordner avtar meget hurtig, blir en avveining involvert for valg av den beste operasjonsfrekvens. En operasjonsfrekvens lik 6,31 GHz i det beskrevne eksemplet er et valg. Dette tilsvarer en bane-lengdedifferanse lik 3X/2. Der er en annen mulig løsning, og det er å starte med en transduser på lav grunnfrekens og å operere den ved en høyere liketalls-harmonisk. Det er velkjent at Bragg-celler kan opereres på denne måte, men at båndbreddene over hvilke de opererer blir tilsvarende redusert ved de høyere harmoniske. Ved oppfinnelsen ifølge denne anvendelse er bred båndbredde ikke krevet. Sålede_s kan man, i det beskrevne eksempel, operere på 18,93 GHz under anvendelse av transdusere med grunnfrekvens lik 2,7 GHz, men som drives på den syvende harmoniske eller 18,93 GHz. increases with the square of frequency), and because the intensity of the reflected light wave in higher refractive orders decreases very rapidly, a trade-off is involved in choosing the best operating frequency. An operating frequency equal to 6.31 GHz in the described example is a choice. This corresponds to a path length difference equal to 3X/2. There is another possible solution, and that is to start with a transducer at a low fundamental frequency and to operate it at a higher even-number harmonic. It is well known that Bragg cells can be operated in this way, but that the bandwidths over which they operate are correspondingly reduced at the higher harmonics. In the invention according to this application, wide bandwidth is not required. Thus, in the described example, one can operate at 18.93 GHz using transducers with a fundamental frequency equal to 2.7 GHz, but which are operated at the seventh harmonic or 18.93 GHz.
Idet det på ny vises til figur 3, vil man se at banelengdedifferansen for lysstrålen 22 etter to refleksjoner, er den samme som banelengdedifferansen for lysstrålen 21, og derfor er betingelsene for refleksjonsmaksima de samme for samtlige lysstråler som forplanter seg langs fiberaksen inn i samvirkningsregionen. Det akustiske feltet, som skyldes overlagring i samvirkningsregionen av de akustiske bølger som innføres der, virker i stor grad som et Porro-prisme som har egenskap for retro-reflekterende lys i et plan. Referring again to figure 3, it will be seen that the path length difference for the light beam 22 after two reflections is the same as the path length difference for the light beam 21, and therefore the conditions for reflection maxima are the same for all light beams that propagate along the fiber axis into the interaction region. The acoustic field, which is due to the superposition in the interaction region of the acoustic waves introduced there, acts to a large extent as a Porro prism which has the property of retro-reflecting light in a plane.
I en konvensjonell Bragg-celle, blir den avbøyde optiskeIn a conventional Bragg cell, it becomes deflected optically
strålen doppler-forskjøvet i frekvens med en størrelse lik den akustiske frekvens. Ved en variant av en konvensjonell Bragg-celle hvor en 180° avbøyning frembringes, med samme X0, the beam Doppler-shifted in frequency by an amount equal to the acoustic frequency. In a variant of a conventional Bragg cell where a 180° deflection is produced, with the same X0,
n og V anvendt ovenfor, ville den resulterende optiske frekvensforskyvning være 18,93 GHz. n and V used above, the resulting optical frequency shift would be 18.93 GHz.
Ved anordningen ifølge oppfinnelsen er det ingen optisk frekvensforskyvning hvis "frekvensene for de akustiske bølger som utsendes fra de to transduserne er de samme. Dette kan forstås med henvisning til figur 3. I figur 3 forplanter det første akustiske bølgetoget 19 seg i fiberkledningen 17 og fiberkjernen 18 i en retning av pilen 30 og det andre akustiske bølgetoget 20 forplanter seg i kledningen 17 og kjernen 18 i retningen av pilen 31. Bølgetogene 19 og 20 har identiske frekvenser. "Speilet" ved punktet R dannes av skjæringen mellom bølgefronten X for bølgen 19 og bølgefronten Y for bølgen 20 ved det spesielle øyeblikket. Ved et visst tidspunkt senere, vil punktet R ha beveget seg nedad;.i retningen av pilen.35 (dvs. perpendikulært på ■ fiberets langsgående akse). Således har "speilet" ingen hastighetskomponent i retningen parallell med lysstrålen 21. With the device according to the invention, there is no optical frequency shift if the frequencies of the acoustic waves emitted from the two transducers are the same. This can be understood with reference to Figure 3. In Figure 3, the first acoustic wave train 19 propagates in the fiber cladding 17 and the fiber core 18 in a direction of the arrow 30 and the second acoustic wave train 20 propagates in the cladding 17 and the core 18 in the direction of the arrow 31. The wave trains 19 and 20 have identical frequencies. The "mirror" at the point R is formed by the intersection of the wave front X of the wave 19 and the wavefront Y of the wave 20 at that particular instant. At some time later, the point R will have moved downward; in the direction parallel to the light beam 21.
Anordningen ifølge oppfinnelsen frembringer imidlertid en optisk frekvensforskyvning i den reflekterte lysstrålen hvis frekvensene for de to akustiske strålene ikke er identiske. I denne utførelsesform av oppfinnelsen, hvis frekvensen for det første akustiske bølgetoget 19 er høyere, vil "speilet" dannet av skjæringen mellom de to bølgefrontene ha en hastighetskomponent, Vp, i retningen vekk fra lyset som nærmer seg og derfor oppstår en nedadforskyvning i den reflekterte lysstrålen. Den reflekterte lysstrålen bør skyves opp hvis frekvensen for det andre akustiske bølgetoget 20 var høyere. Mengden av.den.optiske.frekvensforskyvning.ville være However, the device according to the invention produces an optical frequency shift in the reflected light beam if the frequencies of the two acoustic beams are not identical. In this embodiment of the invention, if the frequency of the first acoustic wave train 19 is higher, the "mirror" formed by the intersection of the two wave fronts will have a velocity component, Vp, in the direction away from the approaching light and therefore a downward shift in the reflected the light beam. The reflected light beam should be pushed up if the frequency of the second acoustic wave train 20 was higher. The.amount.of.the.optical.frequency.shift.would.be
hvor fi er frekvensen i fiberet for det første akustiske bølgetoget 19, fg er frekvensen i fiberet for det andre akustiske bølgetoget 20, og alle øvrige symboler er som tidligere definert. Den reflekterte lysfrekvensen som frembringes i reflektoren, ifølge oppfinnelsen, kan styres ved å variere frekvensforskjellen, fi-fg»slik som ved å where fi is the frequency in the fiber for the first acoustic wave train 19, fg is the frequency in the fiber for the second acoustic wave train 20, and all other symbols are as previously defined. The reflected light frequency produced in the reflector, according to the invention, can be controlled by varying the frequency difference, fi-fg» such as by
drive nevnte første "og andre transdusere" på valgte ulike frekvenser. Denne evne gir opphav til anvendelser for drive said first "and second transducers" at selected different frequencies. This ability gives rise to applications for
utførelsesformen i figur 2 for reflektoren ifølge oppfinnelsen, innenfor området av telekommunikasjon. the embodiment in figure 2 for the reflector according to the invention, within the area of telecommunications.
Nevnte første og andre akustiske transdusere i utførelsesformen i figur 2 av anordningen, ifølge oppfinnelsen, må orienteres og substratet må formes slik at akustiske bølger utsendt fra nevnte første og andre akustiske transdusere hver vil gå inn i fiberet i den nødvendige vinkel for derved å frembringe i fiberets samvirkningsregion et akustisk felt av den type som er beskrevet ovenfor med henvisning til figur 3. Fortrinnsvis vil substratet omfatte et akustisk absorberende element, slik som epoksy, bundet mellom to regioner av substratmaterialet som har lave akustiske dempningsegenskaper. Et slik absorberende element ville redusere uønskede refleksjoner innenfor substratet og på substrat-fiber-grensesjiktet. Said first and second acoustic transducers in the embodiment in Figure 2 of the device, according to the invention, must be oriented and the substrate must be shaped so that acoustic waves emitted from said first and second acoustic transducers will each enter the fiber at the required angle to thereby produce in the fiber's interaction region an acoustic field of the type described above with reference to figure 3. Preferably, the substrate will comprise an acoustic absorbing element, such as epoxy, bonded between two regions of the substrate material which have low acoustic attenuation properties. Such an absorbing element would reduce unwanted reflections within the substrate and on the substrate-fiber boundary layer.
Figur 5 er et tverrsnittsriss av en andre foretrukket utførelsesform av reflektoren ifølge oppfinnelsen. En akustisk transduser 101 avgir akustisk bølgeenergi inn i substratet 10, slik at den akustiske bølgen først forplanter seg i retningen av strålene 108, 109 og 110. Delen av den akustiske bølgen som først forplanter seg gjennom substratet 100 i regionen mellom strålene 109 og 110 avbøyes direkte inn i kledningen 105 av et optisk fiber 104 for derved å forplante seg i fiberets 104 kledning 105 og kjerne 106 i retningen av strålene 112. Denne ikke-reflekterte bølgeenergi vil bli referert til som den første akustiske bølgen ettersom den forlplanter seg i fiberet. Delen av den akustiske bølge som først forplanter seg gjennom substratet 100 i regionen mellom strålene 108 og 109 reflekteres fra overflaten 102 på substratet 100 og blir deretter avbøyet inn i fiberet 104 for derved å forplante seg i fiberet 104 i retningen av strålene 111. Den reflekterte del vil bli referert til som den andre akustiske bølgen ettersom den forplanter seg i fiberet."Retningen av strålene 111 bør være 45° relativt den langsgående fiberaksen, og retningen av strålene 112 bør være i alt vesentlig 45° relativt den langsgående fiberaksen og perpendikulært på retningen for strålene 111. Figure 5 is a cross-sectional view of a second preferred embodiment of the reflector according to the invention. An acoustic transducer 101 emits acoustic wave energy into the substrate 10, so that the acoustic wave first propagates in the direction of the beams 108, 109 and 110. The part of the acoustic wave that first propagates through the substrate 100 in the region between the beams 109 and 110 is deflected directly into the cladding 105 of an optical fiber 104 to thereby propagate in the cladding 105 and core 106 of the fiber 104 in the direction of the rays 112. This unreflected wave energy will be referred to as the first acoustic wave as it propagates in the fiber. The part of the acoustic wave that first propagates through the substrate 100 in the region between the rays 108 and 109 is reflected from the surface 102 of the substrate 100 and is then deflected into the fiber 104 to thereby propagate in the fiber 104 in the direction of the rays 111. The reflected portion will be referred to as the second acoustic wave as it propagates in the fiber."The direction of the rays 111 should be 45° relative to the longitudinal fiber axis, and the direction of the rays 112 should be substantially 45° relative to the longitudinal fiber axis and perpendicular to the direction of the rays 111.
Tranduseren 101 og substratet 100 kan være av den samme type henholdsvis som transduseren 10 og substratregionen 13 i The transducer 101 and the substrate 100 can be of the same type, respectively, as the transducer 10 and the substrate region 13 in
utførelsesformen i figur 2, og kan være bundet til hverandre og til fiberet på den samme måten som i figur 2. Man må passe omhyggelig på at substratet 100 orienterer seg riktig, og at transduseren 101 og overflaten 102 er riktig plassert, relativt fiberet 104, slik at de reflekterte og ikke-reflekterte deler av den akustiske bølgeenergien ankommer til substrat-fiber-grensesjiktet i den riktige vinkel og for derved å minimalisere akustiske tap i substratet (som generelt vil anhenge av orienteringen av substratet relativt forplantningsretningen for en akustisk bølge deri). the embodiment in figure 2, and can be bound to each other and to the fiber in the same way as in figure 2. Care must be taken that the substrate 100 orients itself correctly, and that the transducer 101 and the surface 102 are correctly positioned, relative to the fiber 104, so that the reflected and non-reflected parts of the acoustic wave energy arrive at the substrate-fiber boundary layer at the correct angle and thereby minimize acoustic losses in the substrate (which will generally depend on the orientation of the substrate relative to the direction of propagation of an acoustic wave therein) .
Figur 6 er et forstørret riss av samvirkningsregionen for utførelsesformen i figur 5. Akustisk bølgeenergi forplanter seg gjennom substratet 100 i retningen av strålene 108, 109 og 110. Delen av den akustiske bølgeenergien som forplanter seg i regionen mellom strålene 108 og 109 vil bli reflektert tilbake fra overflaten 102 på substratet 100. Overflaten 102 er en del av grensesjiktet mellom substratet 102 og det omgivende medium 116. Det omgivende medium vil typisk være Figure 6 is an enlarged view of the interaction region for the embodiment of Figure 5. Acoustic wave energy propagates through substrate 100 in the direction of beams 108, 109 and 110. The portion of the acoustic wave energy that propagates in the region between beams 108 and 109 will be reflected back. from the surface 102 of the substrate 100. The surface 102 is part of the boundary layer between the substrate 102 and the surrounding medium 116. The surrounding medium will typically be
luft. Den reflekterte akustiske stråling vil bli avbøyet inn i fiber-kledningen 117 for derved å forplante seg deri som en andre bølge 102 i retningen av strålene 111 og 112. En del av den akustiske bølgeenergien som forplanter seg i substratet air. The reflected acoustic radiation will be deflected into the fiber cladding 117 to propagate therein as a second wave 102 in the direction of the rays 111 and 112. Part of the acoustic wave energy that propagates in the substrate
100 i regionen mellom strålene 109 og 110 vil bli avbøyet inn i fiberkledningen 117 for derved å forplante seg deri som en første bølge 121 i retningen av strålene 122 og 123. Lysbølgen 130 som forplanter seg langs fiberet vil møte samvirknigsdelen i hvilken både den første bølgen 121 og den andre bølgen 120 forplanter seg. 100 in the region between the rays 109 and 110 will be deflected into the fiber cladding 117 to thereby propagate therein as a first wave 121 in the direction of the rays 122 and 123. The light wave 130 propagating along the fiber will encounter the interaction part in which both the first wave 121 and the second wave 120 propagates.
En fordel med utførelsesformen i figurene 4 og 5 er at kun en enkelt transduser behøves slik at anordningen er enklere å fabrikere. Der er også andre viktige fordeler. Brytnings-virkningsgraden for reflektoren (dvs. prosentandelen av lys som avbøyes pr. enhet av akustisk tilført effekt) øker med økende samvirkningsregionlengde. Dessuten øker det akustiske effektttapet i fiberkledningen 117 med økende akustisk bane-lengde gjennom kledningen 117. Det kan ses i figur 6 at ettersom fiberkjernen beveger seg oppad relativt substratet (dvs. ettersom kledningstykkelsen reduseres), øker lengden av samvirkningsregionen. I utførelsesformen i figur 2 er det motsatt sant, ettersom, i utførelsesformen i figur 2, ettersom kjernen beveges oppad ved å øke kledningstykkelsen, samvirkningsregionens lengde minsker. Derfor ville utførelsesformen ifølge figur 6 tillate større diffraksjonsvirkningsgrad ettersom kledningstykkelsen reduseres. An advantage of the embodiment in Figures 4 and 5 is that only a single transducer is needed so that the device is easier to manufacture. There are also other important advantages. The refractive efficiency of the reflector (ie the percentage of light deflected per unit of acoustically applied power) increases with increasing interaction region length. Moreover, the acoustic power loss in the fiber cladding 117 increases with increasing acoustic path length through the cladding 117. It can be seen in Figure 6 that as the fiber core moves upwards relative to the substrate (ie as the cladding thickness decreases), the length of the interaction region increases. In the embodiment of Figure 2, the opposite is true, since, in the embodiment of Figure 2, as the core is moved upward by increasing the cladding thickness, the length of the interaction region decreases. Therefore, the embodiment according to Figure 6 would allow greater diffraction efficiency as the cladding thickness is reduced.
Figurene 4A og 4B viser en fremgangsmåte for å tilveiebringe en flat overflate på fiberet til hvilken substratet (i en hvilken som helst av dens utførelsesformer) kan bindes. Som vist i figur 4A, blir det optiske fiber 40 (som innbefatter kledning 44 og kjerne 45) bundet inn i en plate 41. Platen 41 kan være laget av smeltet kisel. Toppoverflaten av sammenstillingen i figur 4A blir så slipt og polert for å frembringe den sammenstilling som er vist i figur 4B. Et typisk fiber har en ytterdiameter av ca. 125 pm, og et enkelt-modusfiber som opererer på en optisk bølgelengde av 1,3 pm vil typisk har kjernediameter av ca. 10 pm. Fortrinnsvis, etter sliping og polering, forblir det et tynt kledningslag mellom kjernen 45 og toppoverflaten 46. For et fiber med typiske dimensjoner, bør dette tynne kledningslaget ha en tykkelse av ca. 30 pm i utførelsesformen i figur 2. I utførelsesformen i figur 6, for et fiber av typiske dimensjoner, vil den optimale kledningslagtykkelsen være mindre enn 30 pm, og vil ønskelig være i området av ca. 5-10 pm. Når substratet er plassert mot toppoverflaten 46 i sammenstillingen i figur 4B, hvis et kledningslag forblir mellom substratet og kjernen, er der ikke noe optisk tilleggstap knyttet til anordningen. Hvis de akustiske bølger passerer gjennom en distanse som ikke er mer enn ca. 30 pm i kiselkledning til å nå kjernen, er det tilhørende dempningstap i akustisk energi mindre enn 3 db, hvis operasjonsfrekvensen er 6,3 GHz. Figures 4A and 4B show a method of providing a flat surface on the fiber to which the substrate (in any of its embodiments) can be bonded. As shown in Figure 4A, the optical fiber 40 (which includes cladding 44 and core 45) is bonded into a plate 41. The plate 41 may be made of fused silicon. The top surface of the assembly in Figure 4A is then ground and polished to produce the assembly shown in Figure 4B. A typical fiber has an outer diameter of approx. 125 pm, and a single-mode fiber operating at an optical wavelength of 1.3 pm will typically have a core diameter of approx. 10 p.m. Preferably, after grinding and polishing, a thin cladding layer remains between the core 45 and the top surface 46. For a fiber of typical dimensions, this thin cladding layer should have a thickness of approx. 30 pm in the embodiment in figure 2. In the embodiment in figure 6, for a fiber of typical dimensions, the optimal cladding layer thickness will be less than 30 pm, and will desirably be in the range of approx. 5-10 p.m. When the substrate is placed against the top surface 46 in the assembly of Figure 4B, if a cladding layer remains between the substrate and the core, there is no additional optical loss associated with the device. If the acoustic waves pass through a distance that is no more than approx. 30 pm in silicon cladding to reach the core, the associated attenuation loss in acoustic energy is less than 3 db, if the operating frequency is 6.3 GHz.
Substratet av reflektoren ifølge oppfinnelsen kan bindes til den slipte-og polerte toppoverflaten 46 i enheten i figur 4B ved hjelp av de samme teknikker som anvendes til å binde GHz-transduserne til Bragg-cellene. Substratet, bindingsmaterialet, og kledningen 44 og kjernen 45 vil fortrinnsvis ha nær tilpasset akustisk impedans for derved å redusere akustiske reflek-sjonstap som oppstår når akustiske bølger forplanter seg fra substratet inn i fiberet 40. The substrate of the reflector according to the invention can be bonded to the ground and polished top surface 46 of the unit in Figure 4B using the same techniques used to bond the GHz transducers to the Bragg cells. The substrate, the bonding material, and the cladding 44 and the core 45 will preferably have closely matched acoustic impedance in order to thereby reduce acoustic reflection losses that occur when acoustic waves propagate from the substrate into the fiber 40.
Mer enn en av reflektorene, ifølge oppfinnelsen, kan plasseres langs et enkelt optisk fiber. Ved en slik konfigurasjon, er det ønskelig at optisk tap ved en reflektor hindres fra å påvirke det reflekterte lyssignalet som frembringes ved hver annen reflektor knyttet til nevnte enkelt-fiber. For å oppnå dette ønskede resultat, kan transduserne som anvendes i reflektorene velges fra de som er kommersielt tilgjengelig, hvilke.kan omveksles mellom en aktivert tilstand og en deaktivert tilstand på kommando. Ved operasjon vil en lysbølge (slik som en laserpuls) bli avgitt inn i fiberet og en valgt reflektor bli aktivert ved å kople "på" den tilhørende transduser (eller par av transdusere). Samtlige øvrige reflektorer plassert langs fiberet mellom lyskilden og den valgte reflektoren (dvs. "oppstrøms"-reflektorene) bør koples "av" for å minimalisere dempning av lysbølgen ettersom den passerer disse oppstrømsreflektorer. Ved senere tidspunkter, eventuelt etter at en påfølgende lysbølge er blitt.avgitt inn i fiberet, vil en hvilken som helst ønsket kombinasjon av aktive reflektorer kunne oppnås ved på passende måte å aktivere eller deaktivere de individuelle reflektorer. More than one of the reflectors, according to the invention, can be placed along a single optical fiber. With such a configuration, it is desirable that optical loss at one reflector is prevented from affecting the reflected light signal produced at every other reflector linked to said single fiber. To achieve this desired result, the transducers used in the reflectors can be selected from those commercially available, which can be switched between an activated state and a deactivated state on command. In operation, a light wave (such as a laser pulse) will be emitted into the fiber and a selected reflector will be activated by switching "on" the associated transducer (or pair of transducers). All other reflectors located along the fiber between the light source and the selected reflector (ie, the "upstream" reflectors) should be switched "off" to minimize attenuation of the light wave as it passes these upstream reflectors. At later times, possibly after a subsequent light wave has been emitted into the fiber, any desired combination of active reflectors can be achieved by appropriately activating or deactivating the individual reflectors.
Det skal forstås for illustrasjonens formål at en optisk frekvens lik 1300 nm er blitt anvendt her, men at nåtidens optiske fibre også har lave optiske tap ved 850 og 1550 nm. Omfattende anstrengelse er iverksatt for å frembringe fibre som har langt mindre tap ved lengre bølgelengder. Hvis disse fibre blir realisert, vil de beskrevne akusto-optiske reflektoranordninger bli lettere å fabrikere på grunn av de lavere operasjonsfrekvenser. It should be understood for the purposes of the illustration that an optical frequency equal to 1300 nm has been used here, but that today's optical fibers also have low optical losses at 850 and 1550 nm. Extensive effort has been made to produce fibers that have far less loss at longer wavelengths. If these fibers are realised, the described acousto-optical reflector devices will be easier to manufacture due to the lower operating frequencies.
Det bør forstås at de forskjellige utførelsesformer som her er beskrevet kun er illustrerende for det oppfinneriske konsept og at disse utførelsesformer ikke bør anses som begrensninger av oppfinnelsen. Forskjellige endringer i fremgangsmåtene og anordningene som er beskrevet her kan ligge innenfor omfanget av de vedlagte patentkrav uten å avvik fra oppfinnelsens idé. It should be understood that the various embodiments described here are only illustrative of the inventive concept and that these embodiments should not be considered limitations of the invention. Various changes to the methods and devices described here may lie within the scope of the appended patent claims without deviating from the idea of the invention.
Claims (1)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US78004685A | 1985-09-25 | 1985-09-25 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO863776D0 NO863776D0 (en) | 1986-09-23 |
| NO863776L true NO863776L (en) | 1987-03-26 |
Family
ID=25118399
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO863776A NO863776L (en) | 1985-09-25 | 1986-09-23 | REFLECTOR FOR OPTICAL FIBERS. |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62195620A (en) |
| AU (1) | AU6311586A (en) |
| FR (1) | FR2587810A1 (en) |
| GB (1) | GB2180950A (en) |
| NL (1) | NL8602425A (en) |
| NO (1) | NO863776L (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0281036A (en) * | 1988-08-26 | 1990-03-22 | Litton Syst Inc | Acoustooptic modulator |
| GB9119734D0 (en) * | 1991-09-16 | 1991-10-30 | British Telecomm | Optical grating device |
| US20250138242A1 (en) * | 2021-09-21 | 2025-05-01 | Nlight, Inc. | Acoustically controlled laser system |
-
1986
- 1986-09-22 FR FR8613225A patent/FR2587810A1/en not_active Withdrawn
- 1986-09-23 NO NO863776A patent/NO863776L/en unknown
- 1986-09-24 AU AU63115/86A patent/AU6311586A/en not_active Abandoned
- 1986-09-25 NL NL8602425A patent/NL8602425A/en not_active Application Discontinuation
- 1986-09-25 GB GB08623045A patent/GB2180950A/en not_active Withdrawn
- 1986-09-25 JP JP61227104A patent/JPS62195620A/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2587810A1 (en) | 1987-03-27 |
| GB2180950A (en) | 1987-04-08 |
| NO863776D0 (en) | 1986-09-23 |
| GB8623045D0 (en) | 1986-10-29 |
| AU6311586A (en) | 1987-03-26 |
| NL8602425A (en) | 1987-04-16 |
| JPS62195620A (en) | 1987-08-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4649529A (en) | Multi-channel fiber optic sensor system | |
| KR100265865B1 (en) | All-fiber acousto-optic tunable filter | |
| US7894125B2 (en) | Acousto-optic devices | |
| US4735485A (en) | Acousto-optic frequency shifter using optical fiber and method of manufacturing same | |
| US5732046A (en) | Active fiber-optic opto-acoustic detector | |
| US3856378A (en) | Method and means for modulating light propagating in an optical waveguide by bulk acoustic waves | |
| US4759613A (en) | Acousto-optic modulator | |
| CN101672988A (en) | An acousto-optic tunable filter | |
| US3791715A (en) | System for coupling light from a fiber optic waveguide into a thin film waveguide | |
| CN107884961A (en) | A kind of all -fiber reflective optic frequency shifter and shift frequency method based on acousto-optic interaction | |
| US4067643A (en) | Input and output devices for optical fiber | |
| NO863776L (en) | REFLECTOR FOR OPTICAL FIBERS. | |
| WO1989001171A1 (en) | Optical fibre components | |
| US4370030A (en) | Extended resolution light deflector using surface acoustic waves | |
| KR960002380B1 (en) | Acousto-optic fiber optic frequency transition and transition method using periodic contact of surface acoustic waves | |
| US5841913A (en) | Acousto-optic planar waveguide modulators | |
| US4638266A (en) | Acoustooptical modulator and/or deflector | |
| CN114578588B (en) | Low-frequency-shift all-fiber frequency shifter and heterodyne detection system based on acoustic fiber Bragg grating | |
| US3529886A (en) | Iodic acid acousto-optic devices | |
| US4118676A (en) | Method and apparatus for driving an optical waveguide with conherent radiation | |
| JPH0470561B2 (en) | ||
| JPS6144295B2 (en) | ||
| JPS60144715A (en) | Optical frequency modulator | |
| JP3533714B2 (en) | Acousto-optic device and method of adjusting polarization characteristics thereof | |
| JPH0230493B2 (en) |