DE19537881A1

DE19537881A1 - Polarisationsänderungs-Vorrichtung und Meßvorrichtung für den Polarisationsgrad

Info

Publication number: DE19537881A1
Application number: DE19537881A
Authority: DE
Inventors: Shoji Niki; Eiji Kimura
Original assignee: Advantest Corp
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 1994-10-11
Filing date: 1995-10-11
Publication date: 1996-04-18
Also published as: US5633959A; TW312744B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ändern des Polarisationszustandes (der Polarisationsrichtung) von polarisiertem Licht sowie auf eine Meßvorrichtung, mit der der Polari sationsgrad unter Zuhilfenahme einer Vorrichtung zum Ändern des Polarisationszustandes bestimmt wird. Die Vorrichtung zum Ändern des Polarisationszustandes (nachfolgend als "Pola risationsänderungsvorrichtung" bezeichnet) soll insbesondere einfallendes, polarisiertes Licht in beliebiger Richtung in der Polarisation geändert austreten lassen.

Polarisationsänderungs-Vorrichtungen werden benutzt, um Polarisationsmerkmale (die Polarisationsabhängigkeit) verschiedener optischer Bauelemente, beispielsweise optischer Ankopplungseinrichtungen (optischer Koppler), Photofilter, oder von Photodioden usw. zu bestimmen. Um die Eigenschaften polarisierten Lichts messen zu können, muß der Polarisa tionszustand des in die genannten optischen Elemente eintretenden polarisierten Lichts geändert werden. Deshalb ist es erforderlich, daß eine solche Polarisationsänderungs-Vorrichtung Licht ausgeben kann, dessen Polarisation eine beliebige Richtung hat und dabei beständig ist.

Der Polarisationszustand von polarisiertem Licht kann durch eine Anordnung geändert werden, bei der ein λ/2-Wellenplättchen (eine doppelbrechende Platte, die einen λ/2-Strahlen gangunterschied zwischen polarisierten Lichtstrahlen erzeugt, die bei der Fortpflanzung durch die Platte in zueinander senkrechten Richtungen oszillieren) und ein λ/4-Wellenplättchen (eine doppelbrechende Platte, die einen λ/4-Strahlengangunterschied zwischen polarisierten Licht strahlen erzeugt, welche bei ihrer Fortpflanzung durch die Platte in zueinander senkrechten Rich tungen oszillieren) in Reihe angeordnet sind und indem dem durch diese Wellenplättchen hindurchgehenden polarisierten Licht eine optische Phasendifferenz gegeben wird.

Ein Beispiel einer herkömmlichen Polarisationsänderungs-Vorrichtung, welches mit Wellenplätt chen arbeitet, ist in Fig. 4 gezeigt. Zu dieser Vorrichtung gehört ein λ/2-Wellenplättchen 1 sowie ein λ/4-Wellenplättchen 2, die aus einem kristallinen Plättchen (massiven Element) beste hen und so angeordnet sind, daß beide durch eine hier nicht gezeigte Einrichtung drehbar sind. Polarisiertes Licht tritt zunächst in das λ/2-Wellenplättchen 1 ein, wo in ihm bei der Fort pflanzung durch dieses Plättchen ein λ/2-optischer Gangunterschied erzeugt wird. Das polari sierte Licht mit diesem Gangunterschied tritt dann in das λ/4-Wellenplättchen 2 ein, wo beim Durchlauf dieses Plättchens weiterhin eine optische Phasendifferenz erzeugt wird. So können durch Kombination dieser beiden Wellenplättchen Phasendifferenzen von λ/4, λ/2, 3λ/4, λ, . . . für den Polarisationszustand des aus dem λ/4-Wellenplättchen austretenden polarisierten Lichts erzeugt und der Polarisationszustand einfallenden, polarisierten Lichts geändert werden.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Beispiel einer bekannten Polarisationsänderungs-Vorrichtung mit Hilfe von Wellenplättchen. Zu dieser Vorrichtung gehört ein λ/2-Wellenplättchen 3 sowie ein λ/4- Wellenplättchen 4, die jeweils so aufgebaut sind, daß eine Lichtleitfaser., d. h. ein Lichtleiter (optical fiber), um zwei bis drei Windungen in einer Schleife gewickelt ist, und diese Wellen plättchen 3 und 4 aus Lichtleitfasern sind so angeordnet, daß sie mittels einer hier nicht gezeig ten Dreheinrichtung drehbar sind. Polarisiertes Licht tritt zuerst in das λ/2-Wellenplättchen 3 ein, wo beim Durchlauf durch dieses Plättchen eine optische Phasendifferenz erzeugt wird. Dann tritt das polarisierte Licht in das λ/4-Wellenplättchen 4 ein, und dort wird ferner bei der Fort pflanzung durch dieses Plättchen eine λ/4-optische Phasendifferenz in ihm erzeugt. So können Phasendifferenzen von λ/4, λ/2, 3 λ/4, λ, . . . für den Polarisationszustand des vom λ/4-Wellen plättchen ausgegebenen Lichts durch die Kombination der beiden Wellenplättchen in Form von Lichtleitfaserschleifen erzeugt und der Polarisationszustand einfallenden, polarisierten Lichts geändert werden.

Da allerdings bei diesen bekannten Vorrichtungen der Polarisationszustand nur durch Drehen der genannten Wellenplättchen geändert werden kann, sind unbedingt Mittel zum Drehen dieser Wellenplättchen erforderlich. Außerdem muß jedes Wellenplättchen unabhängig drehbar sein, wenn eine lineare Polarisation, eine elliptische Polarisation und eine zirkulare Polarisation zum Ändern der Polarisationsrichtung um beliebige 360° hervorzurufen und Kombinationen in jedem beliebigen Drehwinkel zu ermöglichen. Kombinationen aller Drehwinkel dauern darüber hinaus ziemlich lange.

Da bei der in Fig. 4 gezeigten bekannten Vorrichtung eine Achsenverschiebung zwischen dem λ/2-Wellenplättchen und dem λ/4-Wellenplättchen auftritt, muß diese Achsenverschiebung eingestellt werden. Das Meßergebnis wird außerdem stark beeinträchtigt durch Reflexionsver lust, der in nennenswertem Ausmaß an der Oberfläche des Wellenplättchens beim Eintritt von Licht erlitten wird.

Da bei der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung die Lichtleitfaser zu einer Schleife gestaltet ist und diese obendrein drehbar sein muß, macht dies die Ausbildung der Wellenplättchen kompliziert.

Die am 28. Juni 1983 eingereichte Patentanmeldung Nr. Sho 58-116 342 (Patentveröffent lichung Nr. Hei 4-52 443) offenbart eine Vorrichtung zum Polarisationsausgleich in Form einer Lichtleitfaser mit einer Einrichtung zum Ändern der Phasendifferenz zwischen zwei zueinander orthogonal polarisierten Lichtkomponenten eines sich ausbreitenden Lichts durch Aufbringen externer Spannung auf eine Lichtleitfaser, eine Einrichtung zum Ermitteln des Polarisationszu standes des aus der Lichtleitfaser austretenden Lichts, sowie einer Rückkopplungssteuerung zum Aufbringen angemessener externer Spannung auf die Lichtleitfaser in Abhängigkeit vom festgestellten Polarisationszustand. Bei dieser Vorrichtung für den Polarisationsausgleich wird der Polarisationszustand des aus einer den Polarisationszustand beibehaltenden Lichtleitfaser 15 austretenden Lichts einer vorherigen Stufe entweder als elliptische Polarisation der Phasendiffe renz π/2, lineare Polarisation in Richtung der Hauptachse der Faser oder lineare Polarisation in Richtung senkrecht zur Hauptachse der Faser beibehalten. Der Polarisationszustand des aus einer den Polarisationszustand erhaltenden Faser 16 einer nachgeschalteten Stufe austretenden Lichts wird als lineare Polarisation aufrechterhalten, die unter einem Winkel von 45° zur Hauptfaserachse geneigt ist. Bei dieser Vorrichtung zur Polarisationskompensation sind die beiden Lichtleitfasern 15 und 16 an den Stirnflächen rechtwinklig zur Hauptachse miteinander verbunden und außerdem so zusammengeschlossen, daß die Doppelbrechungsachse jeder Lichtleitfaser, die in der gleichen Ebene wie jede Stirnfläche liegt, einen Winkel von 45° einschließt. Jede der Lichtleitfasern 15 und 16 ist um einen Zylinder 2 bzw. 3 aus einem piezo elektrischen Element geschlungen. Mit Hilfe einer elektrischen Steuerung 13 wird an ein piezoelektrisches Element in Form eines Zylinders 2 in einer Vorstufe Spannung angelegt, so daß die elektromotorische Kraft von zwei Photodetektoren 11 und 12 einander gleicht. Anderer seits wird von einer elektrischen Steuerung 14 an ein piezoelektrisches Element in Form eines Zylinders 3 in einer Nachstufe Spannung angelegt, so daß das von einem λ/4-Wellenplättchen 6 austretende Licht zirkular polarisiertes Licht ist.

Die in der genannten Patentschrift beschriebene Erfindung zielt darauf ab, das von einer Monomoden-(Einmoden)-Lichtleitfaser 1 abgegebene Licht in linear polarisiertes Licht umzuwan deln, welches stabil und weniger verlustanfällig ist, denn wenn linear polarisiertes Licht in eine Monomoden-Lichtleitfaser 1 eintritt, wird das aus der Faser austretende Licht in vielen Fällen nicht zu linear polarisiertem Licht, und der Polarisationszustand ändert sich durch die Umge bungstemperatur, externe Spannung und dergleichen von einem Augenblick zum nächsten. Das umgewandelte, linear polarisierte Licht wird in ein optisches Bauelement nach Art eines Wellen leiters eingegeben. Das geht aus der Beschreibungseinleitung der genannten Patentschrift hervor, die "eine Vorrichtung zur Polarisationskompensation" erwähnt, welche "einfallendes Licht von beliebiger Polarisation in ein austretendes, in gewünschter Richtung linear polarisiertes Licht umwandeln kann". Obwohl in der genannten Patentschrift die technische Idee der vorlie genden Erfindung nicht beschrieben ist, daß ein aus einer Monomoden-Lichtleitfaser 1 austre tendes polarisiertes Licht in ein gewünschtes polarisiertes Licht umgewandelt wird, welches einen Polarisationszustand von willkürlicher Richtung hat (lineare Polarisation, elliptische Polari sation oder zirkulare Polarisation), um Polarisationseigenschaften optischer Bauelemente zu messen, wird die Patentveröffentlichung hier zum Stand der Technik genannt, weil sie eine ähn liche Anordnung des Spannungsvermittlerteils der vorliegenden Erfindung offenbart. Es finden sich nämlich in der genannten Patentschrift Angaben dazu, daß beim Anlegen von Spannung an einen mit einer Lichtleitfaser bewickelten, ein piezoelektrischens Element bildenden Zylinder, kurz Piezozylinder, zum Dehnen und Zusammenziehen des Zylinders in Richtung seines Radius auf die Lichtleitfaser Druck- und Expansionskräfte wirken und gleichzeitig die Phasendifferenz des sich durch die Lichtleitfaser fortpflanzenden polarisierten Lichts geändert werden kann. Allerdings muß bei der Erfindung gemäß der zuvor genannten Patentschrift zum Erreichen des genannten Ziels eine Steueroptik vorgesehen werden, die zwei Piezozylinder 2 und 3 aufweist, eine Linsenanordnung zum Umwandeln des Lichts, welches aus der um den Piezozylinder 3 der Nachstufe gewickelten, die polarisierte Welle erhaltenden Lichtleiter 16 austritt, in paralleles Licht, zwei Halbspiegel 4 und 5, ein λ/4-Wellenplättchen 6 sowie ein Strahlenteiler für polarisier tes Licht und vier optische Detektoren 9-12 ebenso wie zwei elektrische Steuerungen 13 und 14. Damit ist die ganze Anordnung äußerst kompliziert und teuer. Außerdem ist es bei der genannten Anordnung schwierig, von der Monomoden-Lichtleitfaser 1 austretendes, polarisier tes Licht in gewünschtes polarisiertes Licht unterschiedlicher Polarisationszustände umzuwan deln (lineare Polarisation, elliptische Polarisation oder zirkulare Polarisation).

Als nächstes soll unter Hinweis auf Fig. 3 ein bekanntes Beispiel einer Vorrichtung zum Messen des Polarisationsgrades beschrieben werden, die zum Messen von Polarisationseigenschaften eines optischen Kopplers, eines optischen Filters, einer Photodiode und sonstiger optischer Teile benutzt wird.

In Fig. 3 ist eine Vorrichtung 100 zum Ändern des Polarisationszustandes gezeigt, die, wie schon erwähnt ein λ/2-Wellenplättchen und ein λ/4-Wellenplättchen aufweist und den Pola risationszustand einfallenden Lichts vor dem Austritt desselben ändert. Die Ausgabe der Vorrichtung 100 zum Ändern des Polarisationszustandes wird in einen Photoanalysator 101 ein gegeben. Die durch den Photoanalysator 101 hindurchgehende Leistung des polarisierten Lichts wird von einem Photodetektor 102 in ein elektrisches Signal zur Beobachtung umgewandelt.

In diesem Fall kann die vom Photoanalysator 101 hindurchgelassene Lichtleistung wie folgt ausgedrückt werden:

(durch den Photoanalysator 101 hindurchgelassene Lichtleistung) = (Leistung der Komponente polarisierten Lichts in Richtung des Photoanalysators) + (Leistung willkürlicher Komponente).

Wenn die Leistungen beider Komponenten vorliegen, bedeutet die obige Formel den Maximal wert (P_max) der vom Photoanalysator 101 hindurchgelassenen Lichtleistung. Auch wenn die Leistung der Komponente polarisierten Lichts in Richtung des Photoanalysators nicht vorliegt und nur die Leistung der willkürlichen Komponente besteht, bedeutet die Formel den Mi nimalwert (P_min) der vom Photoanalysator 101 hindurchgelassenen Lichtleistung. Anhand dessen läßt sich der Polarisationsgrad wie folgt bestimmen.

Der Polarisationsgrad kann erhalten werden, wenn man in der obigen Gleichung des Polarisa tionsgrades (P_max) und (P_min) ersetzt durch die Meßergebnisse des Photodetektors 102 für P_max und P_min.

Da die Meßvorrichtung für den Polarisationsgrad bei dem hier genannten bekannten Ausfüh rungsbeispiel mit einer Vorrichtung 100 zum Ändern des Polarisationszustandes arbeitet, die die oben genannten Mängel hat, ist es natürlich schwierig, ein genaues Meßergebnis und dieses noch dazu schnell zu erhalten. Außerdem ist die Benutzung einer Vorrichtung 100 zum Ändern des Polarisationszustandes der herkömmlichen Art von obigem Aufbau nicht unbedingt einfach, denn es muß eine lineare Polarisation, eine elliptische Polarisation sowie eine zirkulare Polarisa tion geschaffen werden und die Polarisation in allen Richtungen im Ausmaß von 360° gedreht werden.

Mit der Erfindung soll eine Polarisationsänderungs-Vorrichtung geschaffen werden, bei der die genannten Schwierigkeiten des Standes der Technik vermieden sind. Ferner soll eine Meßvor richtung für den Polarisationsgrad geschaffen werden, die mit der genannten Polarisationsände rungs-Vorrichtung arbeitet.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird das obige Ziel durch eine Polarisationsände rungs-Vorrichtung erreicht, die zwei am Polarisationsebenenwechselstück mit einander verbun dene Lichtleitfasern sowie Spannungsvermittler aufweist, um auf die beiden Lichtleitfasern jeweils Spannung aufzubringen, wobei die beiden Lichtleitfasern an dem Polari sationsebenenwechselstück so befestigt sind, daß ihre optischen Achsen X und Y in Richtung der Faserachse der Lichtleitfasern gesehen um 45° zueinander gedreht sind.

Bei einem bestimmten Beispiel der Polarisationsänderungs-Vorrichtung sind zwei Spannungs vermittler vorgesehen, die aus zwei Lichtleitfasern aufgebaut sind, welche die Polarisations ebene aufrechterhalten und in vorherbestimmter Länge um jeweils eines von zwei piezoelektri schen Elementen in Form von Zylindern, das heißt Piezozylinder gewickelt sind. Diese beiden, die Polarisationsebene erhaltenden Lichtleitfasern sind so miteinander verbunden, daß die opti schen Achsen X und Y der einen Lichtleitfaser unter einem Winkel von 45° zu den optischen Achsen X und Y der anderen Lichtleitfaser mit Bezug auf die Faserachse gedreht sind, um das Teil zu bilden, welches die Polarisationsebene ändert. Es sind auch für den Antrieb jedes Piezo zylinders entsprechende Spannungsquellen vorgesehen, deren Schwingungsfrequenz ebenso veränderlich ist wie die von ihnen erzeugte Spannung.

Bei einem anderen speziellen Beispiel sind zwei Monomoden-Lichtleitfasern von vorherbestimm ter Länge in einer Reihenverbindung um einen Piezozylinder gewickelt, um ein Teil zum Aufbrin gen von Spannung, das heißt einen Spannungsvermittler zu bilden. Der Verbindungsteil zwischen der ersten und zweiten dieser Lichtleitfasern ist in einer kleinen Spule gewickelt und bildet das Teil, welches die Polarisationsebene ändert, das heißt das Polarisationsebenenwech selstück. Außerdem ist eine Spannungsquelle zum Antrieb des Piezozylinders vorgesehen, deren Schwingungsfrequenz ebenso wie ihre Zufuhrspannung veränderlich ist.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird das oben genannte Ziel mit Hilfe einer Polari sationsänderungs-Vorrichtung erreicht, welche drei die Polarisationsebene beibehaltende Licht leitfasern, die an zwei Polarisationsebenenwechselstücken miteinander in Reihe geschaltet sind, sowie Spannungsvermittler aufweist, mit denen auf jede der drei Lichtleitfasern Spannung aufgebracht wird. Hierbei sind die drei Lichtleitfasern an den beiden Polarisationsebenen wechselstücken so verbunden, daß die optischen Achsen X und Y einander benachbarter Licht leitfasern zueinander in einem Winkel von 45° mit Bezug auf die Faserachse der Lichtleiter ge dreht sind.

Bei einem speziellen Beispiel dieser Vorrichtung zum Ändern der Polarisation ist eine vorherbe stimmte Länge der ersten Lichtleitfaser, welche die Polarisationsebene aufrechterhält, um einen ersten Piezozylinder geschlungen, um einen ersten Spannungsvermittler zu bilden. Die vorherbe stimmte Länge einer zweiten Lichtleitfaser, welche gleichfalls die Polarisationsebene beibehält, ist um einen zweiten Piezozylinder gewickelt, und schließlich ist eine vorherbestimmte Länge einer dritten, die Polarisationsebene beibehaltenden Lichtleitfaser um einen dritten Piezozylinder gewickelt, um einen dritten Spannungsvermittler zu bilden. Es sind außerdem Spannungsquellen zum Antrieb des ersten, zweiten und dritten Piezozylinders vorgesehen, deren Schwingungsfre quenz ebenso veränderlich ist wie die von ihnen jeweils erzeugte Spannung.

Bei einem anderen speziellen Beispiel ist die vorherbestimmte Länge eines ersten Lichtleiters, der die Polarisationsebene beibehält, um einen ersten Piezozylinder gewickelt und bildet einen ersten Spannungsvermittler, und die vorherbestimmte Länge eines zweiten Lichtleiters, der die Polari sationsebene beibehält, sowie die vorherbestimmte Länge eines dritten Lichtleiters, der die Pola risationsoberfläche beibehält, sind um einen zweiten Piezozylinder in einer Reihenverbindung ge wickelt und bilden einen zweiten Spannungsvermittler. Auch hier sind Spannungsquellen zum Antrieb des ersten und zweiten Piezozylinders vorgesehen, und die Schwingungsfrequenz jeder Spannungsquelle ist ebenso veränderlich wie die von ihnen erzeugte Spannung.

Bei einem weiteren unterschiedlichen Beispiel ist der vorherbestimmte Längenabschnitt des ersten Lichtleiters sowie der vorherbestimmte Längenabschnitt des zweiten Lichtleiters in einer Reihenschaltung um den ersten Piezozylinder gewickelt, um einen ersten Spannungsvermittler zu bilden, während der vorherbestimmte Längenabschnitt eines dritten, gleichfalls die Polarisa tionsebene beibehaltenden Lichtleiters unter Schaffung eines zweiten Spannungsvermittlers um einen zweiten Piezozylinder gewickelt ist. Auch hier sind entsprechende Spannungsquellen zum Antrieb des ersten und zweiten Piezozylinders vorgesehen, deren Schwingungsfrequenz ebenso wie die von ihnen erzeugte Spannung veränderlich ist.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird das genannte Ziel außerdem durch eine Meßvorrichtung für den Polarisationsgrad erreicht, die eine Polarisationsänderungs-Vorrichtung gemäß der Erfindung aufweist und zu der auch ein Photoanalysator gehört, in den polarisiertes Licht eingegeben wird, dessen Polarisationszustand von der Polarisationsänderungs-Vorrichtung geändert wurde, ferner ein Photodetektor zum Ermitteln der vom Photoanalysator hin durchgelassenen Polarisationslichtstärke, ein Datenspeicher zum Speichern der vom Photodetek tor ermittelten Polarisationslichtstärke und eine Recheneinheit zum Berechnen des Pola risationsgrades mit Hilfe eines Rechenprozesses aus dem Maximalwert und dem Minimalwert der im Datenspeicher gespeicherten Polarisationslichtstärke.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein Schema zur Erläuterung des Prinzips eines ersten Ausführungsbeispiels einer Polarisationsänderungs-Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 und 4 Blockschaltbilder von zwei bekannten Polarisationsänderungs-Vorrichtungen;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer bekannten Meßvorrichtung für den Polarisationsgrad;

Fig. 5 Linien, die polarisiertes Licht wiedergeben, welches mit dem ersten Ausführungs beispiel einer Polarisationsänderungs-Vorrichtung erhalten wird;

Fig. 6 ein erstes Beispiel eines Spannungsvermittlers für die Polarisationsänderungs- Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 7 ein zweites Beispiel eines Spannungsvermittlers für das erste Ausführungsbeispiel der Polarisationsänderungs-Vorrichtung;

Fig. 8-11 Linien polarisierten Lichts, welches mit der Polarisationsänderungs-Vorrichtung ge mäß der Erfindung erhalten wird;

Fig. 12 Linien polarisierten Lichts, welches mit dem ersten Ausführungsbeispiel der Polari sationsänderungs-Vorrichtung gemäß der Erfindung erhalten wird;

Fig. 13 ein Schema zum Erläutern des Prinzips eines zweiten Ausführungsbeispiels der Polarisationsänderungs-Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 14 und 15 zwei spezielle Beispiele der Polarisationsänderungs-Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 16 Linien polarisierten Lichts, welches mit der Polarisationsänderungs-Vorrichtung ge mäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung erhalten wird;

Fig. 17 Linien polarisierten Lichts, welches mit der Polarisationsänderungs-Vorrichtung ge mäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung erhalten wird, wenn einfallen des, polarisiertes Licht der optischen Achse der Lichtleitfaser entspricht;

Fig. 18 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Polarisationsänderungs- Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Unter Hinweis auf Fig. 1 soll zunächst das Prinzip des ersten Ausführungsbeispiels einer Polari sationsänderungs-Vorrichtung erläutert werden.

Es sind zwei identische Lichtleiter 10 und 20 vorgesehen, welche die Polarisationsebene beibe halten (eine optische Faser, welche polarisiertes Licht unter Beibehaltung der Polarisationsebene hindurchläßt). Diese die Polarisationsebene aufrechterhaltenden Lichtleiter 10 und 20 sind an einem Polarisationsebenenwechselstück 30 miteinander in Reihe verbunden. Im einzelnen ist der erste Lichtleiter 10 an den zweiten Lichtleiter 20 am Polarisationsebenenwechselstück 30 so angeschlossen, daß bei Annahme zueinander orthogonaler optischer Achsen X bzw. Y jeder der Lichtleiter 10 und 20 das Ausmaß der Verschiebung zwischen der Polarisationsebene der beiden Lichtleitfasern am Wechselstück 30 so ist, daß die optischen Achsen X und Y der beiden Fasern in bezug auf die Faserachse zueinander unter einem Winkel von 45° gedreht sind.

Hierbei kann das elektrische Feld E des in den ersten, die Polarisationsebene aufrechterhalten den Lichtleiter 10 einfallenden Lichts wie folgt ausgedrückt werden:

E = a₀cos(ωt).

Wenn dieses Einfallslicht in den ersten Lichtleiter 10 unter einem Einfallswinkel Θ zur optischen Achse X des Lichtleiters 10 einfällt, kann das Licht, nachdem es sich längs der optischen Achse X und der optischen Achse Y des ersten Lichtleiters 10 fortgesetzt hat, wie folgt ausgedrückt werden:

In Richtung der optischen Achse X: E_X = a_Xcos (ωt-δ1)
In Richtung der optischen Achse Y: E_Y = a_Ycos (ωt-δ2)

worin

a₀: Amplitude des Einfallslichts,
a_X = a₀cos Θ: Amplitude in Richtung der optischen Achse X,
a_Y = a₀sin ω: Amplitude in Richtung der optischen Achse Y,
E_X: elektrisches Feld in Richtung der optischen Achse X an der Austrittsstirnfläche des die Polarisationsebene beibehaltenden Lichtleiters 10;
E_Y: elektrisches Feld in Richtung der optischen Achse Y an der Austrittsstirnfläche des die Polarisationsebene beibehaltenden Lichtleiters 10;
δ₁: Phasenverzögerung in Richtung der optischen Achse X,
δ₂: Phasenverzögerung in Richtung der optischen Achse Y.

Wenn aus den obigen beiden Gleichungen ωt herausgenommen und stattdessen δ-δ2=δ eingesetzt wird, ergibt sich folgende Gleichung:

Diese Gleichung beschreibt eine Ellipse.

Ist der Einfallswinkel Θ = 45°, so entspricht die Amplitude a_X=a₀cosΘ in Richtung der opti schen Achse X der Amplitude a_Y=a₀sinΘ. Wird anhand dieser Bedingung unter Verwendung der Phasendifferenz δ als Parameters eine Ortskurve gezeichnet, so läßt sich sicher eine der in Fig. 5 gezeigten Ortskurvenarten zeichnen. Wie zuvor beschrieben, kann der Ort bzw. die Orts kurve mit der elliptischen Formel, das heißt der Polarisationszustand unter Verwendung der Pha sendifferenz δ als Parameter geändert werden. Unter Hinweis auf Fig. 6 soll nun eine Methode zum Ändern der Phasendifferenz δ beschrieben werden.

Fig. 6 zeigt ein spezielles Beispiel eines Spannungsvermittlers in der Polarisationsänderungs- Vorrichtung gemäß der Erfindung. Dieser Spannungsvermittler 40 hat einen aus einem piezo elektrischen Element bestehenden Zylinder, das heißt einen Piezozylinder 41. Wenn Spannung an ihn angelegt wird, ändert sich der Piezozylinder 41 in Richtung seines Radius, das heißt er wird weiter oder enger.

Zur Schaffung des Piezozylinders 41 ist im einzelnen eine zylindrische Innenelektrode 42₁ an der Innenfläche des Piezozylinders 41 und außerdem eine zylindrische Außenelektrode 42₂ der Innenelektrode 42₁ gegenüber an der Außenfläche des Zylinders 41 geschaffen. Zwischen die Innenelektrode 42₁ und die Außenelektrode 42₂ ist eine Niederfrequenz-Spannungsquelle 43 geschaltet, um diesen Elektroden eine vorherbestimmte Spannung von vorherbestimmter Frequenz zuzuführen. Die Schwingungsfrequenz der niederfrequenten Spannungsquelle 43 kann beispielsweise im Bereich von 0,2 Hz-10 Hz veränderlich sein, und die Speisespannung kann im Bereich von beispielsweise 0 V-600 V variabel sein. Bei dem hier gewählten Beispiel des Spannungsvermittlers 40, der den oben beschriebenen Aufbau hat, ist ein vorherbestimmter Längenabschnitt des ersten, die Polarisationsebene beibehaltenden Lichtleiters 10 (der größte Teil des Lichtleiters 10 bei diesem Beispiel) um die Außenelektrode 42₂ des Piezozylinders 41 zu einer Spule 44 gewickelt. Mit dem Spannungsvermittler 40 wird die Spule 44 unter Spannung gesetzt, um die Phasendifferenz δ des sich durch den ersten Lichtleiter 10 fortpflanzenden, polarisierten Lichts zu ändern.

Was das Wickelverfahren der Spule 44 betrifft, so ist es im wesentlichen wünschenswert, den Lichtleiter so zu wickeln, daß die Richtung einer der beiden zueinander orthogonalen optischen Achsen parallel zur Oberfläche des Piezozylinders 41 verläuft, während die andere Achse rechtwinklig auf der Oberfläche des Zylinders 41 steht, damit Spannung in Richtung parallel zu der Richtung der senkrechten Achse aufgebracht werden kann. Allerdings ist es schwierig, unter Ausrichtung in axialer Richtung den Lichtleiter aufzuwickeln, da die Achse in dem die Polarisationsebene beibehaltenden Lichtleiter verdrillt ist. Deshalb ist tatsächlich der Lichtleiter in Kontakt mit der Außenelektrode 42₂ gewickelt, damit die Spannung vom Piezozylinder 41 gut auf die Spule 44 übertragen werden kann. Als Beispiel für die tatsächlichen Abmessungen des Piezozylinders 41 ist ein Radius von 72 mm, eine Dicke von 5 mm und eine Höhe von 65 mm gewählt. Ein Lichtleiter 10 in einer Länge von 10 m bis 100 m ist zur Schaffung der Spule um den Piezozylinder 41 gewickelt.

Ähnlich wie der Spannungsvermittler 40, mit dem auf den Lichtleiter 10 Spannung ausgeübt wird, ist ein Spannungsvermittler 40′ (der durch einen Pfeil 40′ in Fig. 1 gezeigt ist) aufgebaut, mit dem der zweite, die Polarisationsebene beibehaltende Lichtleiter 20 unter Spannung gesetzt wird. In der in Fig. 1 gezeigten Polarisationsänderungs-Vorrichtung ist der Lichtleiter 10 mit dem Lichtleiter 20 am Polarisationsebenenwechselstück 30 so verbunden, daß die optischen Achsen X und Y dieser Lichtleiter in bezug auf die Faserachse zueinander unter einem Winkel von 45° gedreht sind.

Wenn mit Hilfe der niederfrequenten Spannungsquelle 43 zwischen die Innenelektrode 42₁ und die Außenelektrode 42₂ des Piezozylinders 41 des Spannungsvermittlers 40 eine niederfre quente Spannung angelegt wird, erfolgt eine Verformung des Piezozylinders 41, die sich in Abhängigkeit von der Frequenz der erzeugten Spannung ändert. Infolgedessen expandiert und kontrahiert der Außendurchmesser des Piezozylinders 41 in Abhängigkeit von der Frequenz der angelegten Spannung. Anhand der Expansion und Kontraktion des Außendurchmessers des Pie zozylinders 41 in Abhängigkeit von der Frequenz der angelegten Spannung wird die Spule 44, die aus dem um den Piezozylinder 41 gewickelten, vorherbestimmten Längenabschnitt des ersten Lichtleiters 10 besteht, einer Deformation in Abhängigkeit von der Frequenz der angeleg ten Spannung unterzogen. Wenn die Spule 44 eine Deformation erfährt, ändert sich die Brech zahl des Spulenteils in Abhängigkeit von dieser Deformation. Die Phasendifferenz δ wird auf der Basis der Änderung der Brechzahl geändert. Durch das Anlegen einer niederfrequenten Span nung zwischen Innenelektrode 42₁ und Außenelektrode 42₂ des Piezozylinders 41 läßt sich so die Phasendifferenz δ des polarisierten Lichts in dem ersten Lichtleiter 10 ändern. Wie bereits erwähnt, kann der Polarisationszustand durch Ändern der Phasendifferenz δ geändert werden. Die Größe der Phasendifferenz δ läßt sich leicht dadurch einstellen, daß die oszillierende Span nung der Niederfrequenz-Spannungsquelle 43 variabel gemacht wird.

Fig. 7 zeigt ein weiteres spezielles Beispiel des in der Polarisationsänderungs-Vorrichtung benutzten Spannungsvermittlers. Bei dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel sind zwei Spannungsver mittler vorgesehen, die gemeinsam einen einzigen Piezozylinder 41 nutzen. Hierin besteht ein Unterschied gegenüber der Anordnung der Fig. 6. Als Lichtleiter 10 und 20 ist ein Monomoden- Lichtleiter vorgesehen. Dieser Lichtleiter 10 und 20 ist um die Außenelektrode 42₂ des Pie zozylinders 41 gewickelt. In der Mitte der Wicklung ist ein kleiner Spulenteil 50 gebildet. Im einzelnen sind auf der Außenelektrode ein und desselben Piezozylinders Spulen 44₁ und 44₂ aus dem Monomoden-Lichtleiter so gebildet, daß die Grenze bzw. der Übergang zwischen diesen Spulen von dem kleinen Spulenteil 50 gebildet wird.

Der kleine Spulenteil 50 entspricht dem in Fig. 1 gezeigten Polarisationsebenenwechselstück 30. Deshalb entspricht der Abschnitt vom Beginn der Wicklung bis einschließlich des kleinen Spulenteils 50 des Monomoden-Lichtleiters auf dem Piezozylinder 41 dem ersten Lichtleiter 10 in Fig. 1, während der Teil des Piezozylinders 41, um den die Spule 44₁ gewickelt ist, dem Spannungsvermittler 40 der in Fig. 1 gezeigten Polarisationsänderungs-Vorrichtung entspricht. Ferner entspricht der Abschnitt vom kleinen Spulenteil 50 bis zum Wicklungsende des Monomoden-Lichtleiters auf dem Piezozylinder 41 dem zweiten Lichtleiter 20 in Fig. 1, und der Abschnitt des Piezozylinders 41, um den die Spule 44₂ gewickelt ist, entspricht dem Spannungsvermittler 40′ der in Fig. 1 gezeigten Polarisationsänderungs-Vorrichtung. Die Windungszahl und der Durchmesser des kleinen Spulenteils 50 ist in Abhängigkeit von der Brechzahl des verwendeten Lichtleiters bestimmt, während die Merkmale zum Ändern der Pola risationsebene in Abhängigkeit von dem Winkel zwischen der optischen Achse des ersten Lichtleiters 10 vor dem kleinen Spulenteil 50 und der optischen Achse des zweiten Lichtleiters 20 nach dem kleinen Spulenteil 50 abhängen. Bei diesem speziellen Beispiel ist der kleine Spulenteil 50 so ausgelegt, daß die Polarisationsebenen unter einem Winkel von 45° im Verhältnis zueinander gedreht sind.

Wie bei dem Betrieb des in Fig. 6 gezeigten Spannungsvermittlers wird auch bei dem Span nungsvermittler gemäß Fig. 7 beim Anlegen einer niederfrequenten Spannung zwischen der Innenelektrode 42₁ und der Außenelektrode 42₂ mit Hilfe einer hier nicht gezeigten Niederfre quenz-Spannungsquelle eine Deformation, die sich in Abhängigkeit von der Frequenz der Span nung ändert, im Piezozylinder 41 hervorgerufen. Folglich expandiert und kontrahiert der Außen durchmesser des Piezozylinders 41 je nach der Frequenz der Spannung. Anhand der Expansion und Kontraktion des Außendurchmessers des Piezozylinders 41 in Abhängigkeit von der Frequenz der angelegten Spannung erfahren die jeweiligen Spulen 44₁ und 44₂ der um den Piezozylinder 41 gewickelten Lichtleiter 10 und 20 eine von der Frequenz der Spannung abhängige Verformung. Wenn die Monomoden-Lichtleiter 10 und 20 diese Verformung erleiden, ändern sich die Brechzahlen dieser Lichtleiter. Die Phasendifferenz δ wird durch die Änderung der Brechzahl geändert. Das heißt, daß durch Anlegen der niederfrequenten Spannung zwischen der Innenelektrode 42₁ und der Außenelektrode 42₂ die Phasendifferenz δ in den Lichtleitern 10 und 20 geändert werden kann. Die Größe der Phasendifferenz δ läßt sich leicht dadurch einstellen, daß die von der Niederfrequenz-Spannungsquelle 43 erzeugte Spannung variabel gemacht wird.

In der so konstruierten Polarisationsänderungs-Vorrichtung ist es zur Abgabe von polarisiertem Licht, welches einen in beliebiger Richtung weisenden Polarisationszustand hat, eine unabläs sige Bedingung, daß das einfallende Licht so in den Lichtleiter 10 eintritt, daß der Winkel, den die Polarisationsebene des Einfallslichtes mit der optischen Achse X oder Y des Lichtleiters 10 einschließt, 45° beträgt. Bei einer solchen Anordnung können alle in Fig. 8-11 dargestellten Polarisationszustände verwirklicht werden. Es ist nämlich möglich, jedes beliebige polarisierte Licht austreten zu lassen, welches den erforderlichen Polarisationszustand hat, wenn man die beiden Lichtleiter 10 und 20, die zu beiden Seiten des Polarisationsebenenwechselstücks 30 angeordnet sind, unter Spannung setzt und die Phasendifferenz δ richtig einstellt und steuert.

Nachfolgend sollen die Gründe hierfür erläutert werden. Für den Fall, daß das obige Erfordernis nicht erfüllt ist, schließt die Polarisationsebene des Einfallslichtes mit dem Einfallswinkel Θ unter Bezugnahme auf Fig. 1 denjenigen Fall ein, daß die Polarisationsebene des Einfallslichtes der optischen Achse X oder Y des die Polarisationsebene beibehaltenden Lichtleiters 10 entspricht. In diesem Fall wird folglich die Polarisationsebene unabhängig von jeglicher Spannung auf rechterhalten, die im Lichtleiter 10 erzeugt wird. Folglich kann der Polarisationszustand nicht geändert werden. Aus diesem Grund kann ein Teil des einfallenden Lichtes nicht in polarisiertes Licht des gewünschten Polarisationszustandes umgewandelt werden. Um das zu vermeiden, muß in der Polarisationsänderungs-Vorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Polarisa tionsebene des Einfallslichtes einen Winkel von 45° mit der optischen Achse X oder Y bilden.

Das soll noch näher erläutert werden. Angenommen, das Einfallslicht sei linear polarisiertes Licht E=A₀cos (ωt) und der Einfallswinkel Θ in den Lichtleiter 10 entspräche der optischen Achse X oder Y des Lichtleiters 10. In diesem Fall pflanzt sich das elektrische Feld des den Lichtleiter 10 durchsetzenden Lichts längs nur einer der optischen Achsen fort. Selbst wenn der Lichtleiter 10 unter Spannung gesetzt wird, um die Doppelbrechung der optischen Achsen X und Y zu ändern, wird das einfallende linear polarisierte Licht nicht durch die Änderung der Doppelbrechung beeinflußt und pflanzt sich durch den Lichtleiter 10 unter Beibehaltung des ur sprünglichen linearen Polarisationszustandes fort. Das aus dem Lichtleiter 10 austretende polari sierte Licht läßt sich wie folgt ausdrücken:

E_X = A₀cos(0)cos(ωt) = A₀cos(ωt)
E_Y = A₀sin(0)cos(ωt) = 0
A₀: Amplitude des Einfallslichtes.

Da der erste Lichtleiter 10 und der zweite Lichtleiter 20 so miteinander verbunden sind, daß die genannten optischen Achsen unter einem Winkel von 45° zueinander versetzt sind, tritt übri gens das aus dem ersten Lichtleiter 10 austretende polarisierte Licht in den zweiten Lichtleiter 20 mit einem Einfallswinkel Θ = 45° ein. Damit läßt sich das elektrische Feld des in den Licht leiter 20 einfallenden polarisierten Lichts wie folgt ausdrücken:

A₀: Amplitude des Einfallslichts.

Durch die Doppelbrechung, die die an den zweiten Lichtleiter 20 angelegte Spannung hervorruft, wird auf der optischen Achse X und Y eine Phasenverzögerung T_X2 bzw. T_Y2 erzeugt. Das elek trische Feld des aus dem zweiten Lichtleiter 20 austretenden polarisierten Lichts läßt sich wie folgt ausdrücken:

A₀: Amplitude des Einfallslichts.

Das aus dem zweiten Lichtleiter 20 austretende Licht nimmt damit die in Fig. 12 gezeigte Form an, und es kann linear polarisiertes Licht, elliptisch polarisiertes Licht von beliebiger elliptischer Gestalt ebenso wie zirkular polarisiertes Licht erzeugt werden. Jede dieser polarisierten Lichtar ten ist jedoch eine polarisierte Welle konstanter Richtung gegenüber der optischen Achse X und Y des zweiten Lichtleiters 20. In Fig. 12 hat linear polarisiertes Licht einen Winkel von 45° zu beiden optischen Achsen X und Y des Lichtleiters 20, und Haupt- und Nebenachsen eines ellip tisch polarisierten Lichts haben einen Winkel von 45° zu den beiden optischen Achsen X und Y des Lichtleiters 20. Nur polarisiertes Licht von gleichbleibender Richtung ist am Ausgangsende des Lichtleiters 20 zu entnehmen. So kann zum Beispiel linear polarisiertes Licht mit einem Winkel von 22,5° zu den optischen Achsen X und Y des Lichtleiters 20 nicht entnommen werden.

Wenn man, wie vorstehend beschrieben, der Polarisationsrichtung des Einfallslichtes einen Winkel von 45° gibt, kann in beliebiger Weise polarisiertes Licht, das heißt linear polarisiertes Licht, elliptisch polarisiertes Licht von willkürlicher elliptischer Gestalt und zirkular polarisiertes Licht erzeugt werden; aber die Polarisationsrichtung des austretenden polarisierten Lichts hängt von der Richtung der optischen Achse des Lichtleiters ab.

Nun soll das zweite Ausführungsbeispiel einer Polarisationsänderungs-Vorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben werden, mit dem die für das erste Ausführungsbeispiel genannte Schwie rigkeit eliminiert ist.

Zunächst soll unter Hinweis auf Fig. 13 das Prinzip erläutert werden. Mit den Bezugszeichen 10, 20 und 300 sind ein erster, ein zweiter und ein dritter jeweils die Polarisationsebene beibe haltender Lichtleiter des gleichen Typs bezeichnet, die miteinander seriell verbunden sind.

Wenn zueinander orthogonale optische Achsen jedes der die Polarisationsebene beibehaltenden Lichtleiter mit X und Y angenommen werden, sind die benachbarten Lichtleiter seriell so mitein ander verbunden, daß die orthogonalen optischen Achsen X und Y dieser beiden Lichtleiter im Verhältnis zueinander unter einem Winkel von 45° in bezug auf die Lichtleiterachse versetzt (gedreht) sind. Anders gesagt, an einem ersten Polarisationsebenenwechselstück 30 sind der erste und zweite, die Polarisation beibehaltende Lichtleiter 10 und 20 so aneinander ange schlossen, daß die optischen Achsen X und Y des zweiten Lichtleiters 20 unter einem Winkel von 45° gegenüber den optischen Achsen X und Y des ersten Lichtleiters 10 mit Bezug auf die Lichtleiterachse verdreht sind, und am zweiten Polarisationsebenenwechselstück 30′ sind der zweite und dritte Lichtleiter 20 und 300 so miteinander verbunden, daß die optischen Achsen X und Y des dritten, die Polarisation beibehaltenden Lichtleiters 300 unter einem Winkel von 45° gegenüber den optischen Achsen X und Y des zweiten Lichtleiters 20 in bezug auf die Lichtlei terachse gedreht sind.

Mit Bezugszeichen 40 ist ein erstes Bauteil bezeichnet, welches den ersten Lichtleiter 10 in Spannung versetzt, Bezugszeichen 40′ zeigt ein zweites Bauteil, mit dem an den zweiten Licht leiter 20 Spannung angelegt wird, und Bezugszeichen 40" zeigt ein drittes Bauteil zum Anlegen von Spannung an den dritten Lichtleiter 300. Die Länge des ersten, die Polarisationsebene beibehaltenden Lichtleiters ist so festgelegt, daß eine Phasendifferenz von mehr als einer Wellenlänge zwischen dem sich ausbreitenden Licht, welches in Richtung der optischen Achse X schwingt, und dem sich ausbreitenden Licht erzeugt wird, welches in Richtung der optischen Achse Y schwingt, indem über den Spannungsvermittler 40 Spannung angelegt wird. In ähnli cher Weise ist die Länge des zweiten Lichtleiters 20 und auch die Länge des dritten Lichtleiters 300 so festgelegt, daß eine Phasendifferenz von mehr als einer Wellenlänge jeweils zwischen dem sich ausbreitenden Licht, welches in Richtung der optischen Achse X schwingt, und dem sich ausbreitenden Licht, welches in Richtung der optischen Achse Y schwingt, durch Anlegen von Spannung erzeugt wird.

Unter Hinweis auf Fig. 14 soll ein spezielles erstes Beispiel der Polarisationsänderungs-Vorrich tung mit einer vorgenannten Anordnung beschrieben werden. In der Vorrichtung gemäß Fig. 14 wird als Mittel zum Beeinflussen der optischen Eigenschaften eines Lichtleiters zwecks Ände rung der Phasendifferenz ein Spannungsvermittler von gleicher Anordnung verwendet wie beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 dargestellt. Bei dem speziellen, in Fig. 14 gezeigten Beispiel sind die die Polarisationsebenen beibehaltenden Lichtleiter 10, 20 und 300, die an den beiden Polarisationsebenenwechselstücken 30 und 30′ seriell verbunden sind, so aneinander angeschlossen, daß die optischen Achsen X und Y der benachbarten Lichtleiter jeweils unter einem Winkel von 45° in bezug auf die Lichtleiterachse gedreht sind. Außerdem sind drei Spannungsvermittler 40, 40′ und 40′′ zum Anlegen von Spannung an die drei Lichtleiter 10, 20 und 300 vorgesehen. Um einen ersten Piezozylinder 41 ist ein erster Abschnitt vorherbestimm ter Länge des ersten Lichtleiters 10 gewickelt, ein Abschnitt vorherbestimmter Länge des zwei ten Lichtleiters 20 ist um einen zweiten Piezozylinder 41′ gewickelt, und ein Abschnitt vorher bestimmter Länge des dritten Lichtleiters 300 ist um einen dritten Piezozylinder 41′′ gewickelt.

Fig. 15 zeigt ein bestimmtes zweites Beispiel einer Polarisationsänderungs-Vorrichtung gemäß der Erfindung. Bei dem in Fig. 15 gezeigten Beispiel ist ein vorherbestimmter Längenabschnitt des ersten Lichtleiters 10 um den ersten Piezozylinder 41 gewickelt, ein vorherbestimmter Län genabschnitt des zweiten Lichtleiters 20 ist um den zweiten Piezozylinder 41′ gewickelt, und ein vorherbestimmter Längenabschnitt des dritten Lichtleiters 300 ist wiederum um den ersten Piezozylinder 41 gewickelt. Dabei ist, in Fig. 15 gesehen, der erste Lichtleiter um den unteren Bereich des ersten Piezozylinders 41 und der dritte Lichtleiter 300 um den oberen Teil des ersten Piezozylinders 41 gewickelt. Natürlich könnte auch der erste Lichtleiter 10 um den oberen Teil des ersten Piezozylinders 41 und der dritte Lichtleiter 300 um den unteren Teil des ersten Piezozylinders 41 gewickelt sein.

Bei jedem dargestellten Beispiel wird dem einfallenden Licht (polarisierten Licht), welches in den ersten Lichtleiter 10 eintritt, während es sich durch die optische Achse X und die optische Achse Y fortpflanzt, durch die Brechzahldifferenz zwischen beiden (der Achse X und der Achse Y) eine Phasendifferenz vermittelt. Das den Lichtleiter 10 durchsetzende Licht, dem eine Phasendifferenz vermittelt wurde, tritt dann in den an den ersten Lichtleiter 10 angeschlossenen zweiten Lichtleiter 20 am ersten Polarisationsebenenwechselstück 30 so ein, daß die optischen Achsen X und Y unter einem Winkel von 45° gegenüber den optischen Achsen X und Y des ersten Lichtleiters 10 verdreht sind, und pflanzt sich durch den zweiten Lichtleiter 20 fort. In diesem Lichtleiter 20 erhält das Einfallslicht wiederum während seiner Ausbreitung eine Phasen differenz, wie im ersten Lichtleiter 10. Nach Durchlauf des zweiten Lichtleiters 20 tritt das Licht dann in den am zweiten Polarisationsebenenwechselstück 30′ angeschlossenen, zweiten Licht leiter 20 so ein, daß die optischen Achsen X und Y unter einem Winkel von 45° gegenüber den optischen Achsen X und Y des zweiten Lichtleiters 20 verdreht sind und durchsetzt den dritten Lichtleiter 300. In diesem Lichtleiter 300 erhält das Licht wiederum eine Phasendifferenz, wie schon in den Lichtleitern 10 und 20.

Das aus dem dritten Lichtleiter 300 austretende Polarisationslicht ist eine zusammengesetzte Welle aus Licht, welches die optischen Achsen X und Y des dritten Lichtleiters 300 durchlaufen hat. Das soll nachfolgend näher erläutert werden.

Das elektrische Feld E des in den ersten, die Polarisationsebene aufrechterhaltenden Lichtleiter 10 einfallenden Lichts läßt sich, wie schon gesagt, wie folgt ausdrücken:

E = A₀cos(ωt),

worin A₀: Amplitude des Einfallslichts.

Angenommen, das Einfallslicht tritt in den ersten Lichtleiter 10 unter dem Einfallswinkel Θ zur optischen Achse ein, dann wird das elektrische Feld wie folgt ausgedrückt:

In Richtung der optischen Achse X: E_X = A₀cos(Θ)cos(ωt)
In Richtung der optischen Achse Y: E_Y = A₀sin(Θ)cos(ωt).

Wenn die durch Brechung der optischen Achsen während der Fortpflanzung durch den ersten Lichtleiter 10 erzeugte Phasendifferenz im einfallenden Licht T₁ beträgt, dann wird das elektri sche Feld des aus dem ersten Lichtleiter 10 austretenden Lichts wie folgt ausgedrückt:

E_X = A₀cos(Θ)cos(ωt-T)
E_Y = A₀sin(Θ)cos(ωt).

Das elektrische Feld des in den zweiten Lichtleiter 20 einfallenden Lichts wird wie unten ange geben ausgedrückt, da der erste Lichtleiter 10 und der zweite Lichtleiter 20 miteinander so verbunden sind, daß die optischen Achsen der beiden unter einem Winkel von 45° in bezug auf die Lichtleiterachse im Verhältnis zueinander gedreht sind.

Wenn diese Phasendifferenz des Einfallslichts, die durch Brechung der optischen Achsen während der Fortpflanzung von Licht durch den zweiten Lichtleiter 20 erzeugt wird, mit T₂ angenommen wird, läßt sich das elektrische Feld des aus dem zweiten Lichtleiter 20 austreten den Lichts wie folgt ausdrücken:

Da der zweite Lichtleiter 20 mit dem dritten Lichtleiter 300 so verbunden ist, daß deren opti sche Achsen zueinander unter einem Winkel von 45° in bezug auf die Faserachse verdreht sind, kann das elektrische Feld des in den dritten Lichtleiter 300 einfallenden Lichts wie folgt ausge drückt werden:

Wenn die Phasendifferenz des Einfallslichtes, die durch Brechen der optischen Achsen während der Fortpflanzung durch den dritten Lichtleiter 300 erzeugt wird, mit T₃ angenommen wird, läßt sich das elektrische Feld des aus dem dritten Lichtleiter 300 austretenden Lichts wie folgt ausdrücken:

Unter Bezugnahme auf die obigen Gleichungen zeigt Fig. 16 den Polarisationszustand des aus dem dritten Lichtleiter abgestrahlten Lichts für den Fall, daß ωt im Bereich von 0-2 π variiert. Fig. 16 zeigt den Fall, bei dem der Einfallswinkel Θ = 0 und ωt in Schritten von π/4 geändert wird. Wie aus dieser Fig. hervorgeht, ist anhand des zweiten Ausführungsbeispiels ohne weiteres zu verstehen, daß linear polarisiertes Licht für jeden Winkel auch unabhängig vom Polarisationszustand des Einfallslichts verwirklicht werden kann.

Fig. 17 zeigt zu Vergleichszwecken den Polarisationszustand des abgestrahlten Lichts unter ähnlicher Bedingung für das erste Ausführungsbeispiel, wenn nur ein Polarisationsebenen wechselstück vorgesehen ist, an welchem zwei Lichtleiter miteinander verbunden sind. Fig. 17 zeigt ähnliche Ergebnisse wie Fig. 12. Im Fall von Fig. 17 wird ein linear polarisiertes Licht mit einem Winkel von 45° zur optischen Achse des Lichtleiters deshalb ausgegeben, weil das einfallende, linear polarisierte Licht mit einem Einfallswinkel Θ = O eintrat.

Bei dem obigen Beispiel ist als Spannungsvermittler das für das erste Ausführungsbeispiel in Fig. 6 gezeigte Bauteil benutzt. Das zweite Ausführungsbeispiel kann aber auch mit einem Spannungsvermittler des in Fig. 7 gezeigten, zweiten Typs versehen werden. In diesem Fall ist der erste Lichtleiter 10 und der zweite Lichtleiter 20 um den ersten Piezozylinder und der dritte Lichtleiter 300 um den zweiten Piezozylinder gewickelt.

Bei jedem speziellen Beispiel für die zweite Ausführungsform ist als Lichtleiter eine die Polarisa tionsebene beibehaltende optische Faser benutzt. Es kann aber auch ein gewöhnlicher Lichtleiter verwendet werden, der im Vergleich zu einem die Polarisationsebene beibehaltenden Lichtleiter weniger kostet. Allerdings ist die in einem gewöhnlichen Lichtleiter erzeugte Doppelbrechung geringer als die in einem die Polarisationsebene beibehaltenden Lichtleiter, so daß stärkerer Druck aufgebracht und eine größere Faserlänge benutzt werden muß.

Als nächstes soll unter Hinweis auf Fig. 18 ein Ausführungsbeispiel einer Meßvorrichtung für den Polarisationsgrad beschrieben werden, die mit einer Polarisationsänderungs-Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung arbeitet. In Fig. 18 ist eine Polarisa tionsänderungs-Vorrichtung mit 100 bezeichnet. Diese Vorrichtung entspricht dem unter Hinweis auf Fig. 14 oder 15 beschriebenen Ausführungsbeispiel einer Polarisationsänderungs- Vorrichtung. Das von der Vorrichtung 100 zum Ändern des Polarisationszustandes ausge strahlte, polarisierte Licht, dessen Polarisationszustand geändert wurde, wird in einen Photo analysator 101 eingeleitet. Das vom Photoanalysator 101 hindurchgelassene Licht wird in seiner Polarisationslichtstärke von einem Photodetektor 102 erfaßt. Die durchgelassene Polarisations lichtstärke des Photoanalysators 101, die der Photodetektor 102 ermittelt hat, wird in einem Datenspeicher 103 gespeichert.

In Fig. 18 sind ferner eine Steuerschaltung 104, eine Steuerantriebsschaltung 105 und eine Recheneinheit 106 angedeutet.

Wie schon erwähnt, kann der Polarisationsgrad gemäß folgender Gleichung anhand des Maximal- und Minimalwertes der vom Photoanalysator 101 hindurchgelassenen Polarisations lichtstärke gemessen werden.

Polarisationsgrad = (Maximalwert - Minimalwert)/(Maximalwert).

Mit anderen Worten, der Photodetektor 102 erfaßt den Maximal- und Minimalwert des ausge strahlten polarisierten Lichts durch Steuern des Photoanalysators 101, der Maximal- und Minimalwert wird im Datenspeicher 103 gespeichert, der Polarisationsgrad wird unter Verwen dung der gespeicherten Maximal- und Minimalwerte mittels der Recheneinheit 106 unter Zugrundelegung der obigen Formel für den Polarisationsgrad erhalten, und anschließend wird das Rechenergebnis angezeigt. Da, wie schon erwähnt, bei der Polarisationsänderungs-Vorrich tung gemäß der vorliegenden Erfindung kein λ/2-Wellenplättchen und kein λ/4-Wellenplättchen benutzt wird, brauchen keine Einrichtungen zum Drehen dieser Wellenplättchen vorgesehen zu werden. Da außerdem keine Achsenverschiebung zwischen den Wellenplättchen besteht, ist keine Einstellung der optischen Achse erforderlich. Da schließlich auch das Einfallslicht keinen Reflexionsverlust an den Oberflächen der Wellenplättchen erleidet, kann eine Meßvorrichtung für den Polarisationsgrad geschaffen werden, die den Grad der Polarisation genau und rasch messen kann.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß die Polarisationsänderungs-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht mit einer komplexen Optik und einem komplexen elektrischen Steuerungssystem arbeiten muß, um den Polarisationszustand von in einen Lichtleiter eintreten dem polarisiertem Licht zu ändern. Es ist lediglich eine Steuerung/ Einstellung der Frequenz und Spannung einer Spannungsquelle zum Ansteuern eines Piezozylinders erforderlich. Aus diesem Grund kann der Polarisationszustand sehr einfach und sehr schnell geändert werden. Da ferner keine Rotationseinrichtung erforderlich und keine Einstellung der optischen Achse nötig ist, kann eine einfache Vorrichtung kostengünstiger aufgebaut werden und das einfallende, polarisierte Licht trotzdem rasch und genau in polarisiertes Licht von willkürlichem Polarisationszustand umwandeln und dann ausstrahlen. Außerdem ist im Fall des zweiten Ausführungsbeispiels keine Vorbedingung hinsichtlich des Einfallswinkels des polarisierten Lichts zu erfüllen, da polarisiertes Licht von beliebigem Polarisationszustand selbst dann erzeugt werden kann, wenn das in den Lichtleiter eintretende polarisierte Licht mit einem willkürlichen Einfallswinkel Θ zur optischen Achse X oder Y des Lichtleiters einfällt. Schließlich läßt sich mit der Polarisationsänderungs- Vorrichtung gemäß der Erfindung leicht eine Meßvorrichtung schaffen, die exakt und mit hoher Geschwindigkeit den Polarisationsgrad mißt, kein rotierendes Bauelement enthält und keine Justierung der optischen Achse erfordert.

Claims

1. Polarisationsänderungs-Vorrichtung, gekennzeichnet durch:

- einen ersten und einen zweiten, die Polarisationsebene beibehaltenden Lichtleiter (10, 20);
- ein Polarisationsebenenwechselstück (30), an welchem der erste und zweite Lichtlei ter seriell miteinander so verbunden sind, daß ihre optischen Achsen X und Y in bezug auf die Lichtleitfaserachse zueinander unter einem Winkel von 45° gedreht sind; und
- zwei Spannungsvermittler (40, 40′), die jeweils die Lichtleiter unter Spannung setzen und jeweils einen Piezozylinder (41) sowie eine Spannungsquelle (43) zum Ansteuern des Piezo zylinders aufweisen;
- wobei ein vorherbestimmter Längenabschnitt des ersten Lichtleiters (10) um einen ersten Piezozylinder (41) und ein vorherbestimmter Längenabschnitt des zweiten Lichtleiters um einen zweiten Piezozylinder (41′) gewickelt ist und die Schwingungsfrequenz sowie die erzeugte Spannung der Spannungsquelle veränderlich ist.

2. Polarisationsänderungs-Vorrichtung, gekennzeichnet durch:

- einen ersten und einen zweiten Monomoden-Lichtleiter (10, 20);
- ein Polarisationsebenenwechselstück, an dem der erste und zweite Lichtleiter seriell miteinander so verbunden sind, daß ihre optischen Achsen X und Y in bezug auf die Lichtleiter faserachse zueinander unter einem Winkel von 45° gedreht sind; und
- einen Spannungsvermittler (40) zum gemeinsamen Anlegen von Spannung an jeden der Lichtleiter, wobei dieser Spannungsvermittler einen Piezozylinder (41) und eine Span nungsquelle (43) zum Ansteuern des Piezozylinders aufweist;
- wobei vorherbestimmte Längenabschnitte des ersten und zweiten Lichtleiters nach einander um den Piezozylinder gewickelt sind, das Polarisationsebenenwechselstück ein kleiner Spulenteil (50) ist, der durch Wickeln von Abschnitten der Lichtleiter in einer Schleife an der Verbindungsstelle des ersten und zweiten Lichtleiters geschaffen ist, und wobei sowohl die Schwingungsfrequenz als auch die erzeugte Spannung der Spannungsquelle veränderlich ist.

3. Polarisationsänderungs-Vorrichtung, gekennzeichnet durch:

- einen ersten, zweiten und dritten Lichtleiter (10, 20, 300);
- ein erstes Polarisationsebenenwechselstück (30), an dem der erste und zweite Licht leiter seriell so miteinander verbunden sind, daß ihre optischen Achsen X und Y in bezug auf die Lichtleitfaserachse unter einem Winkel von 45° zueinander gedreht sind;
- ein zweites Polarisationsebenenwechselstück (30′), an dem der zweite und dritte Lichtleiter seriell so miteinander verbunden sind, daß ihre optischen Achsen X und Y in bezug auf die Lichtleitfaserachse zueinander unter einem Winkel von 45° gedreht sind; und
- mindestens zwei Spannungsvermittler (40, 40′), mit denen Spannung auf jeden der drei Lichtleiter aufbringbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Spannungs vermittler (40) einen Piezozylinder (41) und eine Spannungsquelle (43) zum Ansteuern des Piezozylinders aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsfre quenz der Spannungsquelle ebenso veränderlich ist wie die von ihr erzeugte Spannung.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei Spannungsvermittler (40, 40′, 40′′) vorgesehen sind, von denen jeder einen Piezozylinder und eine Spannungsquelle zum Ansteuern des Piezozylinders aufweist, daß der erste Lichtleiter (10) um einen Piezozylinder (41) eines ersten Spannungsvermittlers (40) gewickelt ist, daß der zweite Lichtleiter (20) um einen Piezozylinder (41′) eines zweiten Spannungsvermittlers (40′) und der dritte Lichtleiter (300) um einen Piezozylinder (41′′) eines dritten Spannungsvermittlers (40′′) gewickelt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Licht leiter (10) um einen ersten Piezozylinder (41) gewickelt ist, daß der zweite Lichtleiter (20) um einen zweiten Piezozylinder (41′) und der dritte Lichtleiter (300) um den ersten Piezozylinder (41) gewickelt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Lichtleiter um einen ersten Piezozylinder gewickelt sind, und daß der dritte Lichtleiter um einen zweiten Piezozylinder gewickelt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Lichtleiter eine die Polarisationsebene aufrechterhaltende Lichtleitfaser ist.

10. Meßvorrichtung für den Polarisationsgrad, gekennzeichnet durch:

- eine Polarisationsänderungs-Vorrichtung (100) mit einem ersten, zweiten und dritten Lichtleiter (10, 20, 300), einem ersten Polarisationsebenenwechselstück, an dem der erste und zweite Lichtleiter seriell so miteinander verbunden sind, daß ihre optischen Achsen X und Y in bezug auf die Lichtleitfaserachse zueinander unter einem Winkel von 45°C gedreht sind, einem zweiten Polarisationsebenenwechselstück, an dem der zweite und dritte Lichtleiter seriell so miteinander verbunden sind, daß ihre optischen Achsen X und Y in bezug auf die Lichtleitfaser achse zueinander unter einem Winkel von 45°C gedreht sind, und mindestens zwei Spannungsvermittlern zum Aufbringen von Spannung auf jeden der drei Lichtleiter;
- einen Photoanalysator (101), in den das von der Polarisationsänderungs-Vorrichtung nach dem Ändern des Polarisationszustandes ausgestrahlte, polarisierte Licht eingegeben wird;
- einen Photodetektor (102), der die durch den Photoanalysator hindurchgelassene Polarisationslichtleistung oder -stärke erfaßt;
- einen Datenspeicher (103), der die vom Photodetektor ermittelte Polarisationslichtlei stung speichert; und
- eine Recheneinheit (106), die den Maximalwert und den Minimalwert der im Daten speicher gespeicherten Polarisationslichtleistung erfaßt und den Polarisationsgrad des ein fallenden, polarisierten Lichts in einem Rechenprozeß unter Verwendung des Maximal- und Minimalwertes berechnet.

11. Meßvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Spannungsvermittler (40) einen Piezozylinder (41) und eine Spannungsquelle (43) zum Ansteuern des Piezozylinders aufweist.

12. Meßvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs quelle zum Ansteuern des Piezozylinders sowohl in der Schwingungsfrequenz als auch der von ihr erzeugten Spannung variabel ist.

13. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Lichtleiter eine die Polarisationsebene beibehaltende Lichtleitfaser ist.