DE4403929A1

DE4403929A1 - Optisches Interferometer

Info

Publication number: DE4403929A1
Application number: DE19944403929
Authority: DE
Inventors: Reinhold Prof Dr Ing Noe; David Dipl Ing Sandel
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1994-02-08
Filing date: 1994-02-08
Publication date: 1995-08-10

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Interferometer mit einem Mehrtorkoppler und einem lichtdurchlässigen optischen Verbin dungsring gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 4.

In Übertragungssystemen mit rein optischer Signalverarbeitung zur Übertragung von höchsten Datenraten (< 40 Gbit/s) über größere Entfernungen soll empfangsseitig ein rein optisch arbeitender Regenerator zur Rückgewinnung der Daten unter Ausnutzung nichtlinearer optischer Effekte - beispielsweise dem optischen Kerreffekt - eingesetzt werden. Der Regenerator verfügt über ein optisches Interferometer, wie es beispiels weise aus dem Aufsatz "All-Optical Regenerator Based On Nonlinear Fibre Sagnac Interferometer", M. Jinno, M. Abe, Electronics Letters, 1992, Vol. 28, No. 14, Seiten 1350-1352 bekannt ist. Das optische Interferometer, das Bestand teil eines nichtlinearen optischen Faserschleifenspiegels (Nonlinear Optical Loop Mirror-) ist, weist einen Mehrtor koppler (coupler A) mit zwei Eingangstoren und zwei Ausgangs toren und einen an einen weiteren Koppler (coupler B) ange schalteten lichtdurchlässigen optischen Verbindungsring auf. Auf den zusätzlichen Koppler (coupler B) kann im optischen Interferometer auch verzichtet werden.

Durch den Mehrtorkoppler wird ein an einem Eingangstor einge speistes optisches Probensignal, das beispielsweise aus den Signalimpulsen eines periodischen Taktsignals besteht, in ein erstes optisches Ausgangssignal an einem ersten Ausgangstor und in ein zweites optisches Ausgangssignal an einem zweiten Ausgangstor aufgeteilt, so daß die beiden optischen Ausgangs signale im optischen Verbindungsring in entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung umlaufen. Im Faserschleifenspiegel wird darüber hinaus ein weiteres optisches Eingangssignal - das beispielsweise aus den Signalimpulsen eines Datensignals bestehende Pumpsignal -, das unidirektional über den zusätzli chen Koppler in die Schleife eingekoppelt wird.

Das optische Pumpsignal durchläuft den optischen Verbin dungsring nur in einer Ausbreitungsrichtung, so daß das in derselben Ausbreitungsrichtung umlaufende optische Ausgangs signal durch das Pumpsignal moduliert wird und dadurch eine nichtlineare Phasenverschiebung (Δϕ1) erfährt. Demgegenüber entsteht für das in entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung umlaufende zweite optische Ausgangssignal eine wesentlich geringere nichtlineare Phasenverschiebung (Δϕ2).

Üblicherweise wird als Mehrtorkoppler ein wenigstens näheru ngsweise verlustfreier 2×2-Richtkoppler verwendet. Dieser Richtkoppler hat die Eigenschaft, daß Wellenanteile, die von einem Wellenleiter in den anderen übergekoppelt werden, eine Phasenverschiebung von π/2 gegenüber den Wellenanteilen erhalten, die im Wellenleiter verbleiben. Somit ergibt sich am anderen Eingangstor des 2×2-Richtkopplers, an dem die im optischen Verbindungsring entgegengesetzt umlaufenden Aus gangssignale wieder ausgekoppelt werden, eine Phasenverschie bung von π zwischen den ausgekoppelten Anteilen des einge speisten optischen Probensignals.

Unter der vereinfachenden Annahme, daß die Phasenverschiebung Δϕ2 annähernd 0 ist und ferner die Phasenverschiebung Δϕ1 bei Anwesenheit des Pumpsignals den Wert π und bei Abwesen heit des Pumpsignals den Wert 0 einnimmt, kann die ausgekop pelte optische Leistung zwischen den Werten 0 und 1 geschal tet werden. Bei Anwendung des optischen Interferometers in einem nichtlinearen Faserschleifenspiegel kann somit ein optischer Entscheider im rein optisch arbeitenden Regenerator realisiert werden.

Jedoch befindet sich im Verbindungsring eine Vielzahl von Proben- und gegebenenfalls Pumpsignalimpulsen, die den Pro bensignalimpulsen in entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung begegnen, so daß das eine der beiden optischen Ausgangssignale nicht nur eine lineare Phasenverschiebung, sondern viele kleine nichtlineare Phasenverschiebungen erfährt. Daraus resultiert eine unerwünschte nichtlineare Phasendrehung Δϕ2≠0 im optischen Verbindungsring.

Dies hat eine Verschlechterung des optischen Schaltkontrastes im optischen Entscheider und eine höhere Pumpsignalleistung als im Idealfall für Δϕ2=0 und Δϕ1=π zur Folge.

Für den Fall, daß der im Mehrtorkoppler übergekoppelte Lei stungsanteil gleich groß ist wie der nicht gekoppelte Lei stungsanteil bei einem Koppelverhältnis von 1 : 1, löschen sich die am zweiten Eingangstor wieder ausgekoppelten Anteile des am ersten Eingangstor eingespeisten Probensignals vollständig aus (Extinktion). Bei Vorhandensein der unerwünschten Phasen drehung kommt es hingegen zu keiner völligen Auslöschung der wieder ausgekoppelten Signalanteile.

Darüber hinaus kann ein optisches Interferometer auch in linearen optischen Signalverarbeitungseinrichtungen - wie z. B. in Rotationssensoren (Faserkreisel) - eingesetzt werden. Gegenüber dem Idealfall, bei dem der Rotationssensor auch das Erkennen der Drehrichtung ermöglichen würde, stellt der Normalfall der Extinktion in der Ruhelage, in der das Erken nen der Drehrichtung nicht möglich ist, eine unerwünschte Phasendrehung im optischen Verbindungsring dar.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Interferometer zu realisieren, das zur Vermeidung der oben genannten Nachteile eine Kompensation der unerwünschten Phasendrehung im Verbindungsring ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine alternative Lösung ist den Merkmalen des Patent anspruchs 4 zu entnehmen. Darüber hinaus eignet sich das optische Interferometer gemäß der Erfindung zur Verwendung in einem nichtlinearen optischen Faserschleifenspiegel sowie in einem linearen Rotationssensor (Faserkreisel).

Zur Kompensation der unerwünschten Phasendrehung wird als Mehrtorkoppler anstelle eines annähernd verlustfreien 2×2- Kopplers ein nicht notwendigerweise symmetrischer Mehrtor koppler mit einem nicht reflektierend abgeschlossenen Ein gangstor und einem nicht reflektierend abgeschlossenen Aus gangstor verwendet. Der Mehrtorkoppler hat die Eigenschaft, daß die Phasenverschiebung bei den übergekoppelten Wellen von seinen Leistungskopplungseigenschaften abhängt, so daß durch Wahl zugehöriger Kopplerkoeffizienten in weiten Grenzen beliebige Phasendrehungen realisiert und somit ein Aus gleichswinkel zur Kompensation der unerwünschten Phasendre hung im optischen Verbindungsring festgelegt werden kann.

Dabei ist es von Vorteil, daß bereits beim Herstellungsprozeß des Mehrtorkopplers der Ausgleichswinkel durch Wahl der Anzahl der Eingangs- und Ausgangstore, des oder der Koppel verhältnisse und anderer die Leistungskoppeleigenschaften beeinflussenden Parameter einstellbar ist.

Zur Vermeidung einer Verschlechterung der Extinktion und zur Erzielung einer geringeren Pumpsignalleistung bei Verwendung des optischen Interferometers in einem nichtlinearen opti schen Faserschleifenspiegel wird ein verlustfreier Sechs-Tor- Koppler (3×3-Koppler) verwendet, dessen mittleres Eingangstor und mittleres Ausgangstor jeweils mit einem Absorber reflexionsfrei abgeschlossen ist. Die Einstellung eines Ausgleichswinkels zur Einführung einer zusätzlichen nichtre ziproken Phasenverschiebung, die den unerwünschten Phasen offset im optischen Verbindungsring aufhebt, auf einen Wert π-Δϕ2 genügt, um vollständiges Schalten bei Anwesenheit eines Pumpsignalimpulses zu erreichen (Δϕ1=π).

Eine alternative Möglichkeit zur Kompensation der unerwünsch ten Phasendrehung besteht darin, bei Verwendung eines annä hernd verlustfreien 2×2-Kopplers ein optisches Bauelement in den optischen Verbindungsring einzufügen, das in Abhängigkeit der Ausbreitungsrichtung der ihn durchlaufenden optischen Wellen einen Ausgleichswinkel liefert. Von Vorteil ist dabei, das optische Bauelement aus zwei optischen Zirkulatoren aufzubauen, deren jeweilige Eingangstore und Ausgangstore im Verbindungsring gegenseitig verschaltet sind.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein optisches Interferometer gemäß der Erfindung,

Fig. 2 die Verwendung des optischen Interferometers gemäß Fig. 1 in einem nicht linearen optischen Faserschleifenspie gel,

Fig. 3 ein optisches Interferometer gemäß der Erfindung mit einem üblichen 2×2-Koppler und in den optischen Verbin dungsring eingefügte Zirkulatoren,

Fig. 4 die Verwendung des optischen Interferometers gemäß Fig. 3 in einem nichtlinearen optischen Faserschleifenspie gel und

Fig. 5 eine zu den Zirkulatoren gemäß Fig. 3 wirkungsglei che Anordnung.

In Fig. 1 ist ein optisches Interferometer dargestellt, das einen Mehrtorkoppler MK und einen unmittelbar daran ange schlossenen lichtdurchlässigen optischen Verbindungsring VR aufweist. Der optische Verbindungsring VR besteht beispiels weise aus einem als nichtlineares Medium dienenden Lichtwel lenleiter, in dem durch den Kerr-Effekt der Phasenwinkel eines das Medium durchlaufenden optischen Signals nichtlinear verändert wird. Der Mehrtorkoppler MK ist als symmetrischer 3×3-Koppler, d. h. als Sechs-Tor-Koppler, mit drei Eingangsto ren 1, 2 und 3, sowie drei Ausgangstoren 1′, 2′ und 3′ ausge bildet. Dabei weist der Mehrtorkoppler MK ein nichtreflek tierend abgeschlossenes Eingangstor 2 und ein nichtreflek tierend abgeschlossenes Ausgangstor 2′ auf. Der nichtreflek tierende Abschluß wird durch einen jeweils an das Eingangstor 2 und an das Eingangstor 2′ angeschalteten Absorber A er reicht.

Ein derartig aufgebauter Mehrtorkoppler MK besitzt die Eigen schaft, daß die Phasendrehungen der übergekoppelten Wellen jeweils von seinen Leistungskopplungseigenschaften abhängt, so daß sich durch Wahl des Koppelverhältnisses, der Anzahl der Kopplertore usw. beliebige Phasendrehungen realisieren lassen. Die Leistungskopplungseigenschaften des Mehrtorkopp lers MK und somit die Einstellung einer festen Phasendrehung zwischen den übergekoppelten Wellen, können bereits bei dessen Herstellung berücksichtigt werden.

Am Eingangstor 1 des Mehrtorkopplers MK wird ein optisches Eingangssignal ES1 für eine optische Wellenlänge λ_C in den Mehrtorkoppler MK eingespeist und an das Ausgangstor 1′ als erstes optisches Ausgangssignal AS1′ und an das Ausgangstor 3′ als zweites optisches Ausgangssignal AS3′ übergekoppelt. Somit laufen die optischen Ausgangssignale AS1′ und AS3′ in dem an die Ausgangstore 1′ und 3′ angeschlossenen optischen Verbindungsring VR in entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung um. Durch die Vielzahl der einander entgegenlaufenden Signal impulse im optischen Verbindungsring VR entstehen viele kleine nichtlineare Phasenverschiebungen in den optischen Ausgangssignalen AS1′ und AS3′, deren Gesamtwirkung nicht vernachlässigt werden darf. Es resultiert eine nichtlineare unerwünschte Phasendrehung im optischen Verbindungsring VR.

Zur Kompensation dieser Phasendrehung wird der Sechs-Tor- Koppler MK mit absorbierend abgeschlossenen Toren 2 und 2′ versehen und durch einen zugehörigen Kopplerkoeffizienten derart eingestellt, daß die für die optische Wellenlänge λ_C am Eingangstor 1 eingespeiste optische Leistung mit der an den Ausgangstoren 1′ und 3′ insgesamt austretenden optischen Leistung nicht identisch ist. Es tritt ein Verlust ein.

Fig. 2 zeigt die Verwendung des optischen Interferometers gemäß Fig. 1 in einem nichtlinearen optischen Faserschlei fenspiegel NOLM. Dabei wird als optisches Eingangssignal ein optisches Probensignal PRS1 - das beispielsweise Signalim pulse eines periodischen Taktsignals enthält - für die opti sche Wellenlänge λ_C am Eingangstor 1 des Mehrkopplers MK eingespeist und am Ausgangstor 1′ als erstes optisches Ausgangssignal AS1′ und am Ausgangstor 3′ als zweites opti sches Ausgangssignal AS3′ in den optischen Verbindungsring VR eingekoppelt. Anteile des eingespeisten optischen Proben signals PRS1 durchlaufen als optische Ausgangssignale AS1′ und AS3′ den optischen Verbindungsring VR des Faserspiegels NOLM in beiden Richtungen des als nichtlineares Medium dienenden Lichtwellenleiters.

In den optischen Verbindungsring VR ist ein weiterer Koppler K mit einem ersten Eingangstor 1′′ und einem zweiten Ein gangstor 2′′ und einem beispielsweise absorbierend geschlos senen ersten Ausgangstor 1′′′ und einem zweiten Ausgangstor 2′′′ eingefügt. Dabei ist das Ausgangstor 1′ des Mehrtorkopp lers MK mit dem Eingangstor 2′′ des Kopplers K verbunden und das Ausgangstor 3′ des Mehrtorkopplers MK an das Ausgangstor 2′′′ des Kopplers K angeschlossen.

Am Eingangstor 1′′ des Kopplers K wird ein optisches Pumpsi gnal PUS1′′ - das beispielsweise Signalpulse eines Datensi gnals enthält - für eine optische Wellenlänge λ_S in den Koppler K eingespeist und über das Ausgangstor 2′′′ als optisches Ausgangssignal AS2′′′ unidirektional als optisches Ausgangssignal AS2′′′ in den Verbindungsring VR eingekoppelt. Daher wirkt die in Fig. 2 dargestellte Anordnung bei Abwe senheit des optischen Pumpsignals PUS1′′ wie ein Spiegel. Läuft hingegen ein vorhandenes optisches Pumpsignal PUS1′′ gleichzeitig mit dem Probensignalanteil, der sich auf dem Weg 1′-K-VR-3′ befindet, durch den optischen Verbindungsring VR, so erfährt der Probensignalanteil eine nichtlineare optische Phasenverschiebung Δϕ1 durch Kreuzphasenmodulation. Falls das optische Pumpsignal PUS1′′ keine konstante optische Leistung aufweist, sondern beispielsweise aus kurzen Signalimpulsen besteht, wird der in dieselbe Ausbreitungsrichtung wie das optische Pumpsignal PUS1′′ und gleichzeitig mit den Pumpsi gnalimpulsen laufende Probensignalanteil im Mittel einer größeren Pumpleistung unterworfen als der in der Gegenrich tung laufende entsprechende Probensignalanteil Wegen des bestehenden Phasenunterschieds Δϕ1 tritt das am Eingangstor 1 eingespeiste optische Probensignal PRS1 nicht mehr oder nicht mehr vollständig an diesem Eingangstor 1 aus, sondern wird vollständig oder teilweise am Eingangstor 3 des Mehrtor kopplers MK als optisches Signal AS3 wieder ausgekoppelt.

Das den Mehrtorkoppler am Eingangstor 3 verlassende optische Signal AS3 wird einem Eingang 4 eines nachgeschalteten opti schen Filters OF zugeleitet. Das beispielsweise als Bandpaß filter ausgebildete optische Filter OF schwächt den Anteil des im optischen Signal AS3 enthaltenen optischen Pumpsignals ab, so daß am Ausgang 4′ des optischen Filters OF alleine das optische Probensignal PRS1 für die optische Wellenlänge λ_C abgegeben wird.

Der entsprechende Probensignalanteil, der sich auf dem Weg 3′-VR-K-1′ im optischen Verbindungsring VR befindet, erfährt durch das optische Pumpsignal PUS1′′ eine sehr viel geringere nichtlineare Phasenverschiebung Δϕ2, da der Probensignalan teil und der Pumpsignalimpuls sich in entgegengesetzten Rich tungen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und sich daher nur für eine äußerst kurze Zeit am selben Ort im optischen Ver bindungsring VR befinden.

Das am Eingangstor 1 des Mehrtorkopplers MK eingespeiste op tische Probensignal PRS1 erscheint am Eingangstor 3 des Mehrtorkopplers bei Verwendung des optischen Interferometers im nichtlinearen optischen Faserschleifenspiegel NOLM mit einer normierten Lichtleistung I, die folgender Gleichung genügt

Für Δϕ2=0 kann die am Eingangstor 3 des Mehrtorkopplers MK ausgekoppelte optische Leistung I zwischen den Werten 0 und 1 geschaltet werden, wenn bei Anwesenheit eines Pumpsignalim pulses die nicht genannte Phasenverschiebung Δϕ1=π ist.

Wegen der Vielzahl der im optischen Verbindungsring VR gleichzeitig in entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung zu einem Probensignalimpuls umlaufenden Pumpsignalimpulse ergibt sich die nichtlineare Phasenverschiebung Δϕ2 durch Addition der Beiträge aller Pumpsignalimpulse, so daß deren Gesamtwirkung nicht vernachlässigt und näherungsweise gleich 0 angenommen werden kann. Daraus folgt, daß für vollständiges Schalten (I=1) bei Anwesenheit eines Pumpsignalimpulses die Gleichung Δϕ1=π+Δϕ2 erfüllt sein muß. Für diesen Fall wird eine höhere Pumpsignalleistung als im Idealfall bei Δϕ2=0 und Δϕ1=π benötigt.

Bei Verwendung des 3×3-Kopplers als Mehrtorkoppler MK für die Kompensation der durch die nichtlineare Phasenverschiebung Δϕ 2≠0 auftretenden unerwünschten Phasendrehung im optischen Verbindungsring VR ergibt sich anstelle der Gleichung (1) die Gleichung

Dabei bezeichnet ψ den zur Kompensation des Phasenoffsets erforderlichen Ausgleichswinkel, der sich aus der Wahl der Kopplertore, des Koppelverhältnisses und anderer die Lei stungskopplungseigenschaften des Mehrtorkopplers MK beein flussenden Parameter. Der Ausgleichswinkel ψ läßt sich be reits bei der Herstellung des Mehrtorkopplers MK durch Fest legung des zugehörigen Kopplerkoeffizienten vorwählen. Auf die Einstellung des Ausgleichswinkels ψ in Abhängigkeit des Kopplerkoeffizienten wird an späterer Stelle eingegangen.

Wählt man den Ausgleichswinkel ψ zu ψ=π-Δϕ2, so ergibt sich ideale Auslöschung. Darüber hinaus ist eine geringere Pumpsi gnalleistung erforderlich, da bereits durch die nichtlineare Phasenverschiebung Δϕ1=π vollständiges Schalten bei Anwesen heit eines Pumpsignalimpulses (I=1) am Eingangstor 3 des Mehrkopplers MK gegeben ist.

Der Mehrtorkoppler MK, der als Kopplerviertor mit zwei nicht reflektierend abgeschlossenen Toren 2 und 2′ ausgebildet ist, dient zum einen zur Aufteilung des Probensignals PRS1 in die beiden entgegengesetzt umlaufenden Probensignalanteile in Form der optischen Ausgangssignale AS1′ und AS3′ und deren Zusammenführung nach dem Durchlaufen des optischen Verbin dungsringes VR zum ausgekoppelten optischen Signal AS3 am Eingangstor 3 des Mehrtorkopplers MK. Damit sich die beiden Anteile des optischen Probensignals für eine logische 0 (I=0) im Ausgangszweig auslöschen und für eine logische 1 (I=1) addieren, muß deren Phasendifferenz bei identischen Leistungen unter Berücksichtigung der unerwünscht im Verbin dungsring VR auftretenden Phasendrehung gleich π (I=0) bzw. gleich 0 (I=1) sein. Die Phasenbeziehungen der gekoppelten Wellen hängen wegen des Energieerhaltungssatzes bei Verwen dung des verlustfreien Mehrtorkopplers MK vom Leistungskop pelverhältnis ab.

Weil der Mehrtorkoppler MK reflexionsfrei und reziprok ist und die Tore auf jeder Seite untereinander entkoppelt sind, genügt zu seiner vollständigen Beschreibung die reduzierte Streumatrix:

Aus dem Aufsatz "Analysis of fiber interferometer utilizing 3×3 fiber coupler", by R.G. Priest, IEEE J. Quantum Electro nics QE-18, No. 10, 1982, S. 1601-1603 ist es bekannt, die Referenzebenen der Kopplertore so zu wählen, daß diejenigen fünf der neun Matrixelemente positiv reell werden, die sich in der ersten Zeile und in der ersten Spalte befinden. Kom plexe Matrixelemente sind im folgenden unterstrichen.

Damit ein optisches Bauelement verlustfrei ist, muß dessen Streumatrix unitär sein. Das heißt, die transponierte (an der Hauptachse gespiegelte) und zusätzlich komplex konjugierte Matrix muß identisch mit der inversen Matrix sein. Hierbei genügt es bereits, Unitarität für die reduzierte Streumatrix zu fordern. Es zeigt sich, daß die Phasenwinkel der vier komplexen Größen von den Beträgen der Matrixelemente abhängen und damit von den Leistungskoppeleigenschaften. Diese lassen sich bei der Kopplerfertigung einstellen. Nach Priest gilt für die so einstellbaren Phasenwinkel der Kopplerkoeffizienten (Φ_e sei beispielsweise der Phasenwinkel der komplexen Größe e):

Es treten dabei Einschränkungen bezüglich der Vorzeichen der Phasenwinkel Φ_e . . . Φ_k auf. Diese Einschränkungen sind jedoch wegen der Möglichkeit von Mehrfachüberkopplungen der opti schen Welle innerhalb des Kopplers hinfällig. Jedes Überkop peln der optischen Welle von einem Wellenleiter zu einem anderen Wellenleiter bringt eine Phasenverzögerung mit sich. Wird eine Welle teilweise von einem Wellenleiter zu einem anderen Wellenleiter übergekoppelt, so daß ein Rest im ur sprünglichen Wellenleiter verbleibt, weist die übergekoppelte Welle eine gegenüber der verbleibenden Welle nacheilende Phase auf.

Kommt es bei größeren wirksamen Kopplerlängen hingegen dazu, daß die Welle zunächst von einem Wellenleiter vollständig in die beiden anderen Wellenleiter und anschließend teilweise wieder in den ursprünglichen Wellenleiter gekoppelt wird, weist diese Welle gegenüber den anderen Teilwellen eine nacheilende Phase auf. Damit haben die übergekoppelten Wellen am Kopplerausgang eine voreilende Phase gegenüber der schein bar nicht gekoppelten - in Wirklichkeit zweimal übergekoppel ten - Welle.

Wegen dieser Möglichkeit der Mehrfachkopplung und des dadurch bedingten Vorzeichens werden die Bestimmungsgleichungen der Phasenwinkel nach Priest mehrdeutig. Die Einschränkungen entfallen. Die Phasendrehung des Mehrtorkopplers kann somit jeden Wert von -π bis π annehmen.

Bei der Verwendung des 3×3-Kopplers im optischen Interferome ter des Faserschleifenspiegels werden die Tore 2 und 2′ absorbierend abgeschlossen, die Tore 1′ und 3′ durch die Faserschleife verbunden, Tor 1 dient als Probensignaleingang und Tor 3 als Ausgang. Um das so entstandene Viertor des Interferometers zu beschreiben, genügen die drei reellen Koeffizienten a, c und g sowie das komplexe k, dessen Winkel argument Φ_k die Kompensation unerwünschter Phasendrehungen leistet und somit gleich dem oben angegebenen Ausgleichswin kel ψ sein muß.

Die Forderung lautet daher:

ψ=Φ_k

Für die zweckmäßige Realisierung des Faserschleifenspiegels ist es nicht nur notwendig, durch den Koppler eine definierte Phasendrehung einstellen zu können, sondern auch das Proben signal gleichmäßig aufzuspalten und auch nachher zu rekombi nieren. Aus diesem Grund müssen die Beträge der relevanten Kopplerkoeffizienten a,c,g und k betragsmäßig gleich groß sein:

Für einen verlustfrei angenommenen Mehrtorkoppler gilt:

Für einen geforderten Phasenkompensationswinkel ψ läßt sich die obige Gleichung nach dem Kopplerkoeffizienten a auflö sen.

Sinnvoll ist nur die Lösung mit ′+′, weil nur für sie wegen des Energieerhaltungssatzes

erfüllt ist.

Wegen der betragsmäßigen Gleichsetzung der vier relevanten Kopplerkoeffizienten bedeutet das:

Entsteht die zu kompensierende Phasendrehung im optischen Verbindungsring, so läßt sich das Vorzeichen der Phasendre hung stets dadurch invertieren, daß die Tore 1 und 3 oder die Tore 1′ und 3′ miteinander vertauscht werden. Dies ist zweckmäßig, wenn beispielsweise zur Minimierung der Herstel lungstoleranzen ein bestimmtes Vorzeichen von Φ_k bevorzugt wird.

Um die kopplerbedingten Verluste für ein durchgeschaltetes Signal zu erfassen, müssen folgende Überlegungen angestellt werden:

Das ursprüngliche Taktsignal mit der Wellenamplitude a₀ wird in zwei Teile zu je a·a₀ aufgespalten. Bei einer logischen Eins interferieren diese Teilsignale anschließend im Koppler konstruktiv, das heißt, daß die Amplituden der beiden Teil wellen nochmals um den Faktor a reduziert und dann addiert werden.
Die Amplitude der Ausgangswelle beträgt dann:

(a+a)·a·a₀=2a²·a₀

Die optische Leistung wird durch den 3×3-Koppler auf das

(2a²)²=4a⁴

-fache reduziert.

Die konstante Phasendrehung Δϕ₂, welche die entgegengesetzt zu den Pumpsignalimpulsen umlaufenden Probensignalimpulse durch sie erfahren, liegt in praktisch interessanten Fällen bei etwa einem Viertel derjenigen, welche ein mitlaufender Probensignalimpuls durch einen Pumpsignalimpuls erhält (Δϕ₁). Das heißt konkret, daß ein Phasenoffset von ca. 45° zu kompensieren ist. Φ_k muß daher um 45° vom dem Wert des idea len 2×2-Kopplers (π oder 180°) abweichen, um den Wert ψ anzunehmen.

Der Phasenkompensationswinkel ψ liegt demnach bei ca. 3/4π, das heißt, daß sich der Kopplerkoeffizient a auf etwa 0,6 beläuft. Dieser Wert hat eine kopplerbedingte Leistungsver minderung auf 52% zur Folge, das entspricht fast 3 dB.

Eine alternative Möglichkeit zur Einstellung des Phasenkom pensationswinkels ψ besteht gemäß Fig. 3 darin, mindestens ein nichtreziprokes optisches Bauelement OB in den optischen Verbindungsring VR des optischen Interferometers einzufügen. Das optische Bauelement OB besteht aus zwei miteinander verschalteten optischen Zirkulatoren Z1 und Z2 mit jeweils zwei Eingangstoren A, D und A′, D′ und zwei Ausgangstoren B, C und B′, C′. Im optischen Interferometer gemäß Fig. 3 wird als Mehrtorkoppler ein an sich bekannter näherungsweise verlustfreier 2×2-Koppler ZK verwendet, an dessen Eingangstor 1 das optische Eingangssignal ES1 für die optische Wellen länge λ_C eingespeist und in ein erstes optisches Ausgangssi gnal AS1′ an einem ersten Ausgangstor 1′ und in ein zweites optisches Ausgangssignal AS2′ an einem zweiten Ausgangstor 2′ des Mehrtorkopplers MK übergekoppelt wird.

Der erste Zirkulator Z1 ist mit seinem Eingangstor A an das Ausgangstor 1′ des Kopplers ZK und mit seinem Ausgangstor B an das Eingangstor D′ des zweiten Zirkulators Z2 angeschlos sen. Der zweite Zirkulator Z2 ist durch sein Eingangstor A′ mit dem Ausgangstor 2′ des Kopplers ZK und durch sein Aus gangstor B′ mit dem Eingangstor D des ersten Zirkulators Z1 verbunden. Durch das die beiden Zirkulatoren Z1 und Z2 umfas sende optische Bauelement OB ist die Einstellung des Aus gleichswinkels ψ dadurch möglich, daß die Phasenverschiebun gen, die optische Wellen erfahren, im optischen Bauelement OB von der Richtung abhängt, in der das Bauelement von den optischen Wellen durchlaufen wird.

Das optisches Ausgangssignal AS1′ am Ausgangstor 1′ des Mehrtorkopplers ZK läuft in der Ausbreitungsrichtung A-B-D′- A′ (die Buchstaben geben die entsprechenden Eingangs- und Ausgangstore der Zirkulatoren an), während das optische Ausgangssignal AS2′ am Ausgangstor 2′ den Weg A′-B′-D-A beschreitet. Wenn beispielsweise der Wegabschnitt B-D′ un gleich dem Wegabschnitt B-D ist, wird der vom Idealfall einer Phasenverschiebung von π abweichende Phasenkompensati onswinkel ψ erzielt.

Fig. 4 zeigt die Verwendung des optischen Bauelements OB im nichtlinearen optischen Faserschleifenspiegel NOLM. Im Gegen satz zum Interferometer in Fig. 2 ist als Mehrtorkoppler der an sich bekannte näherungsweise verlustfreie 2×2-Koppler ZK mit den Eingangstoren 1 und 2 und den Ausgangstoren 1′ und 2′ dem zusätzlichen Koppler K zur Einkopplung des optischen Pumpsignals PUS1′′ vorgeschaltet. Das optische Bauelement OB wird dabei am Ausgangstor 2′ des Kopplers ZK in den Verbin dungsring VR eingefügt, um die gleich umlaufenden Probensi gnal- und Pumpsignalimpulse durch das nicht verlustfreie Bauelement nicht unnötig zu dämpfen. Eine Anordnung des optischen Bauelements OB zwischen das Ausgangstor 1′ des Kopplers ZK und dem Eingangstor 2′′ des Kopplers K ist eben falls möglich.

Ein besonders einfaches Ausführungsbeispiel des in den opti schen Verbindungsring VR eingefügten optischen Bauelements OB zeigt Fig. 5. Dabei ist die darin gezeigte Anordnung wir kungsgleich mit den beiden in Fig. 3 und Fig. 4 darge stellten Zirkulatoren. Während die Tore A, A′ horizontaler Polarisation entsprechen, nehmen die Tore C, C′ vertikale Polarisation, die Tore B, D′ lineare Polarisation mit einem Erhebungswinkel von 45° und die Tore D, B′ lineare Polarisa tion mit einem Erhebungswinkel von -45° an. Das optische Bau element OB besteht aus der Serienschaltung eines nichtrezi proken Faraday-Rotators F1, der die Polarisation um 45° dreht, einer linear unter 45° doppelbrechenden Wellenplatte WP mit einer Phasenverschiebung von ψ -π und aus einem zwei ten Faraday-Rotator F2, der die Polarisation um -45° dreht.

Dabei ist das Eingangstor A des ersten Faraday-Rotators F1 an das Ausgangstor 2′ des Kopplers ZK, an dem das zweite opti sche Ausgangssignal AS2′ in den optischen Verbindungsring eingekoppelt wird, angeschlossen. Das Eingangstor A′ des zweiten Faraday-Rotators F2 ist entweder mit dem Ausgangstor 1′ des Kopplers ZK, an dem gemäß der Anordnung in Fig. 3 das erste optische Ausgangssignal AS1′ in den optischen Verbin dungsring eingekoppelt wird, oder mit dem Ausgangstor 2′′′ des Kopplers K verbunden.

Bei einer derartigen Anordnung treten optische Wellen, die am Eingangstor A des ersten Faraday-Rotators F1 mit horizontaler Polarisation eintreten, ebenso polarisiert am Eingangstor A′ des zweiten Faraday-Rotators F2 aus und umgekehrt. Auf dem Weg A-A′ wird die Wellenplatte WP unter 45° durchlaufen, während auf dem Weg A′-A dies unter -45° erfolgt. Demnach unterscheiden sich die Phasenverschiebungen auf den Wegen A-A′ und A′-A um den Winkel ψ -π, so daß die unerwünschte Pha sendrehung Δϕ2 im optischen Verbindungsring VR kompensiert wird.

Claims

1. Optisches Interferometer mit einem Mehrtorkoppler (MK), der eine erste Gruppe von mindestens zwei Eingangstoren (1, 2, 3) und eine zweite Gruppe von mindestens zwei Ausgangs toren (1′, 2′, 3′) aufweist und der ein an einem Eingangstor (1) eingespeistes optisches Eingangssignal (ES1) in ein er stes optisches Ausgangssignal (AS1′) an einem ersten Aus gangstor (1′) und in ein zweites optisches Ausgangssignal (AS3′) an einem zweiten Ausgangstor (3′) überkoppelt, und mit einem lichtdurchlässigen optischen Verbindungsring (VR), in dem die optischen Ausgangssignale (AS1′, AS3′) in entgegenge setzter Ausbreitungsrichtung umlaufen und in dem eine nicht lineare unerwünschte Phasendrehung auftreten kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrtorkoppler (MK) mit einem nichtreflektierend ab geschlossenen Eingangstor (2) und einem nichtreflektierend abgeschlossenen Ausgangstor (2′) versehen und durch einen zugehörigen Kopplerkoeffizienten zur Festlegung eines die Phasendrehung kompensierenden Ausgleichswinkels (ψ) derart eingestellt ist, daß die für eine optische Wellenlänge (λ_C) an einem Eingangstor (1) eingespeiste optische Leistung von der Summe der an zwei Ausgangstoren (1′, 3′) austretenden op tischen Leistung abweicht.

2. Optisches Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrtorkoppler (MK) näherungsweise als verlustfreier Sechs-Tor-Koppler mit drei Eingangstoren (1, 2, 3) und drei Ausgangstoren (1′, 2′, 3′) ausgebildet ist, von denen ein Eingangstor (2) und das entsprechende Ausgangstor (2′) je weils mit einem Absorber (A) abgeschlossen ist.

3. Optisches Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Kopplerkoeffizienten a<=1/√ der Ausgleichswin kel (ψ) zu ψ = ±4 arccos(1/2a) festgelegt ist.

4. Optisches Interferometer mit einem Mehrtorkoppler (ZK), der eine erste Gruppe von mindestens zwei Eingangstoren (1, 2) und eine zweite Gruppe von mindestens zwei Ausgangstoren (1′, 2′) aufweist und der ein an einem Eingangstor (1) einge speistes optisches Eingangssignal (ES1) in ein erstes opti sches Ausgangssignal (AS1′) an einem ersten Ausgangstor (1′) und in ein zweites optisches Ausgangssignal (AS2′) an einem zweiten Ausgangstor (2′) überkoppelt, und mit einem licht durchlässigen optischen Verbindungsring (VR), in dem die optischen Ausgangssignale (AS1′, AS2′′) in entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung umlaufen und in dem eine unerwünschte nichtlineare Phasendrehung auftreten kann, dadurch gekennzeichnet, daß in den optischen Verbindungsring (VR) mindestens ein op tisches Bauelement (OB) eingefügt ist, das in Abhängigkeit der Richtung der ihn durchlaufenden optischen Wellen der op tischen Ausgangssignale (AS1′, AS2′) einen die Phasendrehung kompensierenden Ausgleichswinkel (ψ) liefert.

5. Optisches Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bauelement (OB) zwei optische Zirkulatoren (Z1, Z2) mit jeweils zugehörigen Toren (A, B, C, D bzw. A′, B′, C′, D′) aufweist, wobei jeder Zirkulator (Z1 bzw. Z2) mit einem Tor (A bzw. A′) an ein Ausgangstor (1′ bzw. 2′) des Mehrtorkopplers (ZK) und mit mindestens einem weiteren Tor (D bzw. D′) an ein Tor (B′ bzw. B) des jeweils anderen Zirkula tors (Z2 bzw. Z1) angeschlossen ist.

6. Optisches Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bauelement (OB) aus der Serienschaltung eines ersten Faraday-Rotators (F1) zur Drehung der Polarisa tion des ersten Ausgangssignals (AS1′) des Mehrtorkopplers (ZK) um einen festen positiven oder negativen Winkel, einer linear unter dem festen Winkel doppelbrechenden Wellenplatte zur Einstellung des Ausgleichswinkels (ψ) und eines zweiten Faraday-Rotators (F2) zur Drehung der Polarisation des zwei ten Ausgangssignals (AS2′) des Mehrtorkopplers (ZK) um einen entsprechenden festen negativen oder positiven Winkel be steht.

7. Optisches Interferometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der feste positive oder negative Winkel einen Betrag von 45° aufweist.

8. Verwendung des optischen Interferometers nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder einem der Ansprüche 4 bis 7 in einem nichtlinearen optischen Faserschleifenspiegel (NOLM), bei dem ein optisches Probensignal (PRS1) für eine optische Wellenlänge (λ_C) als Eingangssignal am Eingangstor (1) des Mehrfachkopplers (MK oder ZK) und ein optisches Pumpsignal für eine andere optische Wellenlänge an demselben Eingangstor (1) eingespeist wird.

9. Verwendung des optischen Interferometers nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder einem der Ansprüche 4 bis 7 in einem nichtlinearen optischen Faserschleifenspiegel (NOLM), bei dem ein optisches Probensignal (PRS1) als Eingangssignal (ES1) am Eingangstor des Mehrfachkopplers (MK) und ein optisches Pumpsignal (PUS1′′) an einem Eingangstor (1′′) eines in den optischen Verbindungsring (VR) eingefügten zusätzlichen Kopplers (K) und an ein Ausgangstor (1′) des Mehrfachkopplers (MK oder ZK) angeschlossen ist.

10. Verwendung des optischen Interferometers nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder einem der Ansprüche 4 bis 7 in einem optischen Rotationssensor.