DE3335190A1

DE3335190A1 - Optischer zirkulator

Info

Publication number: DE3335190A1
Application number: DE19833335190
Authority: DE
Inventors: William Lewis 18017 Bethlehem Pa. Emkey
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1982-09-28
Filing date: 1983-09-28
Publication date: 1984-03-29
Also published as: GB8325791D0; US4464022A; GB2127579B; CA1217962A; GB2127579A; JPS5983126A

Description

Beschreibung
Optischer Zirkulator

Die Erfindung betrifft optische Geräte, insbesondere einen polarisationsunabhängigen optischen Zirkulator.

Mit der Entwicklung der Lichtleiter-Nachrichtenübertragung ist ein Bedarf an einer Vielfalt neuer optischer Vorrichtungen entstanden, so beispielsweise können optische Mehrfach-Port-Zirkulatoren dazu verwendet werden, Licht zwischen einem Sende-Empfangs-Gerät (einer Korabination aus Sender und Empfänger) und einer birektionalen optischen Faser (Lichtleiter) zu koppeln. Früher entwickelte Zirkulatoren enthielten ein Paar von Prismen, die gegeneinander um 45° um ihre optische Achse gedreht waren, und eine zwischen den Prismen angeordnete Faraday-Drehvorrichtung. Die Prismen bestimmten den Lichtweg nach Maßgabe der Polarisationsrichtung des Lichts, und die Drehvorrichtung bewirkte eine 45-Grad-Drehung der Polarisation, so daß das von einem Port kommende Licht nur auf ein einziges weiteres Port fiel= (vgl. z.B. Electronics Letters, Vol. 14, Seite 816 (1978)). Ein grundsätzliches Problem bei derartigen Zirkulatoren bestand darin, daß sie polarisationsabhängig waren, d.h., sie benötigten ein solches einfallendes Strahlenbündel, das in eine spezielle Richtung linear polarisiertes Licht enthielt. Da optische Fasern

3335Ί90

_β γ _β

im allgemeinen eine optische Polarisation nicht beibehalten können, wurde erkannt, daß ein wirksamer optischer Zirkulator vorzugsweise polarisationsunabhängig sein sollte.

Demzufolge wurden verschiedene polarisationsunabhängige Zirkulatoren vorgeschlagen. Diese Geräte enthalten eine Einrichtung zum Aufspalten eines von einem Port einfallenden Strahlenbündels in zwei Strahlenbündel mit orthogonalen Polarisationsrichtungen, eine Einrichtung zum Rekombinieren der beiden Strahlenbündel an einem anderen Port, und eine Vorrichtung zum Bewirken einer nicht reziproken Drehung der Polarisationsrichtungen der Strahlenbündel um ungerade oder gerade Vielfache von 90 , abhängig von der Richtung der Strahlen. Die Drehvorrichtung besteht typischerweise aus einer Faraday-Drehvorrichtung in Kombination mit einer Halbwellen-Platte. Die Vorrichtungen zum Aufspalten und zum Rekombinieren der Strahlenbündel und zum Lenken der Strahlungsbündel durch die Drehvorrichtung bestehen im allgemeinen aus Kombinationen von Prismen, die schwierig herzustellen und in der endgültigen Konstruktion auszurichten sind und außerdem beträchtliche Einfügungsdämpfungen hervorrufen können (vgl. z.B. ÜS-PS 4.272.159; Electronics Letters, Vol. 15, Nr. 25, Seiten 830-831 (Dezember 1979) und Applied Optics, Vol. 20, Nr. 15, Seiten 2683-2687).

Auf dem Gebiet der optischen Trennvorrichtungen ist es bekannt, döppelbrechende Platten anstelle von Prismen zu verwenden, um Strahlenbündel mit orthogonalen Polarisationsrichtungen zu separieren und zu rekombinieren (vgl. z.B.US-PS 4.178.073 und US-PS

4.239.329). Derartige Platten lassen sich leichter herstellen und in der Gesamtvorrichtung leichter ausrichten. Bisher wurde jedoch die Verwendung derartiger Platten in Mehrfach-Port-Zirkulatoren noch nicht vorgeschlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen·Mehrfach-Port-Zirkulator zu schaffen, der einfach hergestellt und zusammengebaut werden kann und keine nennenswerten Einfügungsverluste hervorruft.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1-3 Perspektivische, teilweise schematische Ansichten eines optischen Drei-Port-Zirkulators gemäß der Erfindung und

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Vier-Port-Koppler

gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Die Zeichnungen dienen lediglich dem Verständnis der Erfindung und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu.

Gemäß Fig. 1 ist eine erste doppelbrechende Platte 10 derart

angeordnet, daß ein in Z-Richtung an einem Port 1 einfallender Lichtstrahl L auf eine Plattenseite in der X-Y-Ebene auftrifft. Die Platte kann aus irgendeinem doppelbrechenden Material bestehen, im vorliegenden Beispiel besteht sie speziell aus Rutil und ist 6,5 mm χ 6,5 mm χ 6,5 mm groß. Die Platte wurde nach üblichen Verfahren hergestellt. Eine zweite doppelbrechende Platte 1 1 , die abgesehen davon, daß sie doppelt so dick ist wie die erste Platte, im übrigen die gleichen Eigenschaften besitzt wie diese, befindet sich vor einem weiteren Port 2. In der Zeichnung ist das Außengehäuse der Vorrichtung fortgelassen. Es sei angemerkt, daß der Begriff "Port" hier verwendet wird, um z.B. ein Fenster oder eine andere Einrichtung zu bezeichnen, mit dem bzw. mit der Licht in die Vorrichtung eingegeben und aus der Vorrichtung ausgegeben werden kann. Zwischen den Platten befindet sich eine Vorrichtung 12, die eine nicht reziproke Drehung der Polarisationsrichtung der einfallenden Strahlenbündel bewirkt. Es sei angemerkt, daß die Anordnung der Elemente hier in Bezug auf den Lichtweg des einfallenden Strahlenbündels beschrieben wird. Dementsprechend liegt die Drehvorrichtung zwischen den Platten, obschon die Platte 11 nicht auf einer Linie mit der Platte 10 liegt und die Drehvorrichtung mit der Platte 10 auf einer Linie liegt. Im vorliegenden Beispiel enthält die Drehvorrichtung eine Faraday-Drehvorrichtung aus einem Kristall 13 aus Yttrium-Eisen-Granat (englische Abkürzung: YIG) mit einem Permanentmagneten 14, der den Kristall umgibt. Die Vorrichtung enthält darüber hinaus eine aus Quarz bestehende Halbwellen-Platte 15. Der YIG-Kristall hat einen Durchmesser von etwa 5,0 mm und ist etwa 2,1 mm dick. Die

Halbwellen-Platte hat einen Durchmesser von etwa 6,4 mm und eine Länge von 75,6 mm. Zwischen der Drehvorrichtung 12 und der zweiten Platte 11.befindet sich eine dritte doppelbrechende Platte Diese Platte ist mit der ersten Platte 10 im wesentlichen identisch. Zwischen dieser dritten Platte und der zweiten Platte befindet sich ein reflektierendes Element, in diesem Fall ein Prisma 17, welches so positioniert ist, daß es von dem Port 1 einfallendes Licht von dem in einer Linie mit dem Port 1 befindlichen Port 3 fortlenkt in Richtung auf das Port 2. Das Prisma enthält außerdem einen Schlitz 18, der sich vollständig durch zwei der Prismenseiten hindurch erstreckt, um aus später noch zu erläuternden Gründen Licht durchlassen zu können. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem Prisma um ein herkömmliches 45-Grad-Glas-Prisma mit zwei einen Winkel von 90° bildenden Seitenflächen, die in Richtung auf die zweite bzw. die dritte Platte weisen, und mit einer dritten Seite, die zu den anderen Seiten einen Winkel von 45° bildet und zu dem erwähnten Port 3 weist.

Im Betrieb fällt gemäß Fig. 1 der Lichtstrahl L von dem Port 1 auf eine Seite der ersten Platte 10. Es sei angenommen, daß das Licht nicht polarisiert se'i. Die optische Achse der Platte 10 liegt in einer Ebene, die mit der X-Z-Ebene einen Winkel⁰^ bildet, so daß das Strahlenbündel in zwei etwa parallele, linear polarisierte Strahlenbündel in der Y-Z-Ebene aufgespalten wird. Im vorliegenden Beispiel, welches für Licht einer Wellenlänge von 1,3/CLm ausgelegt ist, beträgt der Winkel oC etwa +48°. Ein Strahlenbündel 20, welches üblicherweise als außerordentlicher Strahl bezeichnet wird, ist in etwa vertikaler Richtung in der

Y-Z-Ebene polarisiert, während das andere Strahlenbündel 21, welches üblicherweise auch als ordentlicher Strahl bezeichnet wird, in der horizontalen X-Z-Ebene polarisiert ist. Der ordentliche Strahl behält die Richtung des einfallenden Strahlenbündels bei, während der außerordentliche Strahl um einen Betrag d in Y-Richtung abgelenkt wird. Die Versetzung d hängt ab von dem Wert von oC und der Dicke der Platte. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Ablenkung etwa 0,65 mm.

Wenn die Strahlenbündel die Faraday¹sehe Drehvorrichtung durchlaufen, werden ihre Polarisationsrichtungen etwa um 45° im Uhrzeigersinn gedreht, betrachtet vom Port 1 aus. Die Halbwellen-Platte dreht die Polarisationsrichtungen um 45° im Uhrzeigersinn weiter, so daß die Polarisationsrichtung des Strahlenbündels 20 nun horizontal und die des Strahlenbündels 21 nun vertikal ist. Die letztgenannte Drehung ist zurückzuführen auf die Tatsache, daß die optische Achse der Halbwellen-Platte bezüglich der Projektion der optischen Achse der Platte 10 auf die X-Y-Ebene einen Winkel θ von 22,5° aufweist. Obschon im vorliegenden Beispiel eine einzige 90-Grad-Drehung beschrieben ist, läßt sich die Erfindung ebenso anwenden, wenn die Drehvorrichtung derart ausgelegt ist, daß eine Drehung um irgendein ungeradzahliges Vielfaches von 90 des in dieser Richtung laufenden Lichts bewirkt wird.

Dann treffen beide Strahlenbündel auf eine Platte 16 auf, deren optische Achse einen solchen Winkel besitzt, daß das Strahlenbündel 20 praktisch unbeeinflußt bleibt, das Strahlenbündel 21

w W Ν·* w I V^ V_/

hingegen unter Parallelhaltung der Strahlen so abgelenkt wird, daß die beiden Strahlenbündel noch mehr versetzt werden. In diesem Beispiel beträgt die neue Versetzung d¹ etwa 1,30 mm und der Winkel, den die optische Achse mit der X-Z-Ebene bildet, beträgt -48° (d.h.: die Platte 16 ist in bezug auf die Platte 10 um die Z-Achse 180° gedreht).

Die versetzten Strahlenbündel treffen dann auf das Prisam 17 und werden an dessen Seite 22 reflektiert. Man erkennt, daß die Platte 16 die Strahlenbündel weit genug versetzt, so daß das Strahlenbündel 20 oberhalb des Schlitzes auf die Seite des Prismas auftrifft-und das Strahlenbündel 21 unterhalb des Schlitzes auftrifft. Hierdurch lenkt das Prisma die beiden Strahlenbündel von dem Port 3 in Richtung auf die zweite doppelbrechende Platte 11. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Ablenkung 90 , es kann jedoch praktisch jeder beliebige Ablenkwinkel gewählt werden.

Die zweite doppelbrechende Platte ist so orientiert und hat eine solche Dicke, daß die beiden Strahlenbündel rekombiniert werden und nur ein einziges Strahlenbündel am Port 2 austritt. Im vorliegenden Beispiel ist die Ebene der optischen Achse wiederum 45° bezüglich der X-Z-Ebene in Richtung des Lichts geneigt, jedoch schneidet hier die Ebenenkante die Z-Achse, und nicht die X-Achse wie im oben geschilderten Fall (d.h.: die Platte 11 wird in bezug auf die Platten 10 und 16 um die Y-Achse um 90° gedreht. Die Platte ist etwa 13,0 mm dick. Es erfolgt also eine

- 11 Kopplung zwischen Port 1 und Port 2.

Die Kopplung vom Port 2 zum Port 1 wird verhindert, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Fig. 2 zeigt die gleiche Vorrichtung, die oben beschrieben wurde, wobei aber zusätzlich veranschaulicht ist, was geschieht, wenn ein Lichtstrahl vom Port 2 kommt. In einem solchen Fall wird das Licht'durch die Platte 11 zu versetzten Strahlenbündeln 25 und 26 mit zueinander orthogonalen Polarisationsrichtungen aufgespalten, wobei der Abstand zwischen den Strahlenbündel d¹ beträgt (d¹ = 2d). Die Strahlenbündel werden von dem Prisma abgelenkt und anschließend durch die Platte 16 auf einen Abstand d näher zusammengeführt. Die Halbwellen-Platte dreht die beiden Polarisationsrichtungen um 45° im Gegenuhrzeigersinn (betrachtet vom Port 1 aus). Da die Drehung des Yttrium-Eisen-Granats nichtreziprok ist, werden die Polarisationsrichtungen des vom Port 2 kommenden Lichts um 45 im Uhrzeigersinn zurückgedreht (betrachtet vom Port 1 aus), so daß keine netto-Drehung vorhanden ist. Der obere Strahl 25 läuft aufgrund seiner horizontalen Polarisation ohne Ablenkung durch die Platte 10 und verfehlt das Port 1. Das andere Strahlenbündel 26, welches auf einer Linie mit dem Port 1 lag, wird in der Platte aufgrund seiner vertikalen Polarisation nach unten abgelenkt. Somit verfehlen beide Strahlenbündel das Port, und das vom Port 2 kommende Licht wird vom Port 1 abgehalten.

Andererseits wird vom Port 3 kommendes Licht zum Port 1 geleitet, wie in Fig. 3 skizziert ist. Fig. 3 zeigt die gleiche Anordnung

wie Fig- 1, veranschaulicht jedoch die Vorgänge, die stattfinden, wenn Licht vom Port 3 einfällt. Es sei darauf hingewiesen, daß das vom Port 3 kommende Licht den Schlitz 18 des Prismas ungestört passiert. Das Strahlenbündel wird durch die Platte in zwei parallele Strahlenbündel aufgespalten, wobei der ordentliche Strahl 30 horizontal und der außerordentliche Strahl 31 vertikal polarisiert ist, wobei der außerordentliche Strahl um einen Betrag d versetzt wird. Wie im Fall des Lichts vom Port 2 tritt das vom Port 3 kommende Strahlenbündel aus der Drehvorrichtung 3 ohne netto-Drehung der Polarisationsrichtungen aus. Im vorliegenden Fall jedoch tritt das horizontal polarisierte Strahlenbündel in die Platte 10 auf einer Linie mit dem Port 1 ein, und das vertikal polarisierte Strahlenbündel liegt darüber. Dies ist also die Umkehrung des Falls, bei dem Licht von dem Port 2 kommt. Die Orientierung der Platte 10 bewirkt, daß das vertikal polarisierte Strahlenbündel nach unten abgelenkt wird und das horizontal polarisierte Strahlenbündel praktisch unbeeinflußt durch die Platte tritt, so daß die beiden Strahlen kombiniert werden und auf das Port 1 auftreffen. Die Kopplung von Licht vom Port 3 zum Port 1 erfolgt also ohne nennenswerte Beeinflussung durch das vom Port 2 kommende oder reflektierte Licht.

Im vorliegenden Beispiel beträgt die Einfügungsdämpfung in der Kopplung vom Port 1 zum Port 2 -2,5 dB, und die Einfügungsdämpfung vom Port 3 zum Port 1 beträgt 2,0 dB. Die Trennung für das vom Port 1 zum Port 3 zurückreflektierte Licht beträgt -25 dB.

¹ - 13 -

Das Übersprechen vom Port 3 zum Port 2 beträgt -35 dB. Die Vorrichtung schafft also eine wirksame Kopplung in einer bidirektionalen Leitung, bei der an das Port 1 die Eingangs/Ausgangsfaser gekoppelt ist/ der Empfänger an das Port 2 und der Sender an das Port 3 gekoppelt ist.

Die Erfindung schafft also ein relativ einfaches Mittel zum Erzielen einer drei-Port-Kopplung. Auf Wunsch kann auch eine vier-Port-Kopplung geschaffen werden/ wenn zusätzliche Elemente vorgesehen werden, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Fig. 4 ist eine Draufsicht auf einen vier-Port-Koppler mit Elementen, die den in den Fig. 1-3 gezeigten Elementen ähnlich sind und auch entsprechend numeriert sind. Die Drehvorrichtung ist im Querschnitt gezeigt, um den YIG-Kristall darzustellen. Die zusätzlichen Vorteile sind ein zweites reflektierendes Element, z.B. ein Prisma, 40, das zwischen dem Port 1 und der doppelbrechenden Platte 10 liegt, und eine vierte doppelbrechende Platte 41, die identisch wie die Platte 11 ausgebildet ist und zwischen einer Seite des Prismas und dem Port 4 liegt. Obschon dies aus der Zeichnung nicht hervorgeht, ist das Prisma 40 genauso geschlitzt wie das Prisma 17, so daß vom Port 1 oder vom Port 3 kommendes Licht durch das Prisma hindurchtreten kann, während vom Port 2 kommende Lichtstrahlenbündel auf die Platte 41 abgelenkt werden, wo sie rekombinieren und auf das Port 4 auftreffen. In ähnlicher Weise werden separierte Strahlenbündel vom Port 4 durch das Prisma 40 abgelenkt, um schließlich auf das Port 3 aufzutreffen.

Der Zirkulator gemäß Fig. 4 koppelt also Licht von dem Port 1 zum

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Port 2, vom Port 2 zum Port 4, vom Port 4 zum Port 3 und vom Port 3 zum Port 1. Die Arbeitsweise dieses vier-Port-Kopplers ist ähnlich wie die oben beschriebene Arbeitsweise des drei-Port-Kopplers, so daß auf eine nochmalige Beschreibung verzichtet wird.

Obschon die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wurde/ bei dem eine 90-Grad-Drehung der Polarisation erfolgt, wenn das Licht von links nach rechts läuft, und keine Drehung erfolgt, wenn das Licht von rechts nach links läuft, so kann auch der umgekehrte Fall vorgesehen werden, indem man das Magnetfeld der Drehvorrichtung umkehrt. Bei einer solchen Vorrichtung erfolgt keine Drehung für von links nach rechts laufendes Licht und eine 90-Grad-Drehung für von rechts nach links laufendes Licht. Bei einer solchen Ausführungsform könnte beispielsweise die Orientierung der Platten 10 und 16 identisch sein, während das Port 3 und der Schlitz 18 bezüglich des Ports 1 in Y-Richtung um den Betrag d versetzt wären. Für diese Zirkulatoren wird lediglich gefordert, daß eine nichtreziproke Drehung der Polarisation in Vorwärts- und in Rückwärtsrichtung erfolgt.

-AS-

Leerseite

Claims

Patentansprüche

- an einem ersten Port ist eine erste doppelbrechende Platte (10) angeordnet, um einen an dem Port einfallenden Lichtstrahl in zwei Strahlenbündel mit orthogonalen Polarisationsrichtungen zu separieren,

eine an einem zweiten Port'angeordnete zweite doppelbrechende Platte rekombiniert die zwei Strahlenbündel,

zwischen den Platten (10, 11) ist eine Vorrichtung (12) angeordnet, die eine nichtreziproke Drehung der Polarisationsrichtungen der Strahlenbündel bewirkt,

Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 5212313 Telegramme Patentconsult Sonnenberger StraOe 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 4186237 Telegramme Patentconsult

- zwischen der Drehvorrichtung und der zweiten Platte ist zum weiteren Separieren der zwei Strahlenbündel eine dritte doppelbrechende Platte (16) angeordnet, und

- ein zwischen der dritten Platte und der zweiten Platte angeordnetes reflektierendes Element (17) lenkt die zwei Strahlenbündel in Richtung des zweiten Ports, und es ist derart ausgebildet, daß es das Durchtreten eines von einem dritten Port einfallenden Strahlenbündels gestattet.
2. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine nichtreziproke Drehung bewirkende Vorrichtung eine Faraday-Drehvorrichtung (13, 14) und eine Halbwellen-Platte (15) aufweist.
3. Zirkulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Platte etwa doppelt so dick ist wie die erste Platte.
4. Zirkulator nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet , daß das reflektierende Element ein Prisma aufweist, welches zwei Seiten, die zueinander einen Winkel von 90 besitzen, und eine dritte Seite, die zu den anderen beiden Seiten einen Winkel von 45° bildet, sowie einen geschlitzten Abschnitt aufweist, der durch eine der zwei Seiten und durch die dritte Seite verläuft.
5. Zirkulator nach einem der Ansprüche 1-4 mit mindestens

vier Ports/ dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem ersten Port und der ersten Platte ein zweites reflektierendes Element (40) angeordnet ist, das derart ausgebildet ist, daß es das Durchtreten eines von dem ersten Port oder dem dritten Port einfallenden Strahlenbündels gestattet, und daß eine vierte doppelbrechende Platte (41) zwischen dem reflektierenden Element und dem vierten Port angeordnet ist, wobei das zweite Element so ausgebildet ist, daß es von dem zweiten Port zu der vierten doppelbrechenden Platte kommendes Licht abzulenken vermag.
6. Zirkulator nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechenden Platten aus Rutil bestehen, und daß die als Faraday-Drehvorrichtung ausgebildete. Drehvorrichtung einen Yttrium-Eisen-Granat-Kristall und eine aus Quarz bestehende Halbwellen-Platte aufweist.
7. Zirkulator nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die optische Achse jeder doppelbrechenden Platte in einer Ebene liegt, die bezüglich der Horizontalen in Richtung des von dem ersten Port anfallenden Lichts einen Winkel von +48° aufweist.