-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Kopplungsvorrichtungen
und insbesondere auf einen verbesserten optischen Zirkulator.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Die
WO 97/22034 offenbart eine Vorrichtung zur polarisationsunabhängigen Übertragung
von Licht zwischen zwei Wellenleiterarrays, die eine Abbildungseinrichtung,
die zwischen zumindest zwei Einrichtungen zur polarisationsabhängigen Verschiebung
konvergierender und divergierender Strahlen, die zu und von den
Wellenleitern laufen; und eine Mehrzahl von Polarisationsdreheinrichtungen
umfasst. Die Verschiebungseinrichtungen könnten doppelbrechender Kristall
mit einer Dicke sein, die kleiner ist als diejenige, die für kollimierte
Strahlen erforderlich ist. Die Dreheinrichtungen können geeignet angeordnete
Halbwellenplatten zum Polarisationsausgleich und Faraday-Dreher
umfassen.
-
Ein
optischer Zirkulator gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 ist aus der EP-A-0 903 611 bekannt, die gemäß Artikel
54(3) und (4) EPÜ ein
Dokument des Stands der Technik ist.
-
Kommunikationsnetzwerke,
die auf optischen Signalen basieren, weisen eine wesentlich größere Bandbreite
als diejenigen auf, die auf metallischen Kopplern basieren. Eine
einzelne optische Faser, die bei einer einzelnen Wellenlänge arbeitet, ist
in der Lage, Signale mit 2,5 Gbit pro Sekunde oder mehr zu übertragen.
Mit der Einführung
des Wellenlängenmultiplexens
kann die Kapazität
einer derartigen Faser weiter erhöht werden, indem Signale bei unter schiedlichen
Wellenlängen
in eine einzelne optische Faser kombiniert werden.
-
Um
das Wellenlängenmultiplexen
wirksam zu nutzen, sind Schmalbandfilter zum Trennen der Kommunikationen
bei einer bestimmten Wellenlänge erforderlich.
Das viel versprechendste Schmalbandfilter basiert auf Faser-Bragg-Reflektoren.
Da Faser-Bragg-Reflektoren in der Technik gut bekannt sind, werden
dieselben hierin nicht detailliert erläutert. Für den Zweck der vorliegenden
Beschreibung ist es ausreichend anzumerken, dass ein Bragg-Reflektor
als ein Beugungsgitter betrachtet werden kann, das in dem Kern einer
optischen Faser herbeigeführt
wurde. Das Beugungsgitter besteht aus periodischen Veränderungen
des Brechungsindex des Kerns der Faser. Derartige Veränderungen
können durch
Beleuchten des Kerns mit einem UV-Licht-Muster herbeigeführt werden,
das regelmäßig beabstandete
Maxima mit ausreichender Intensität aufweist, um den Kern zu
beschädigen.
Das Muster wird typischerweise durch die Interferenz zweier UV-Licht-Strahlen
erzeugt. Wenn Licht mit einer Wellenlänge, die der doppelte Abstand
des Beugungsgitters ist, auf das Beugungsgitter auftrifft, wird
das Licht aufgrund der kohärenten
Interferenz der verschiedenen Teilreflexionen, die durch die Veränderungen
des Brechungsindex des Faserkerns erzeugt werden, reflektiert. Reflexionsfilter,
die auf Bragg-Reflektoren basieren, sind relativ billig.
-
Leider
sind Reflexionsfilter für
optische Kommunikationen suboptimal. In optischen Kommunikationssystemen
ist ein Übertragungsfilter
nützlicher.
Zur Umwandlung eines Reflexionsfilters in ein Übertragungsfilter wird typischerweise
ein optischer Zirkulator mit drei Öffnungen verwendet. Ein optischer
Zirkulator besitzt die Eigenschaft, dass Licht, das in die n-te Öffnung eintritt, über die
(n + 1)-te Öffnung
austritt. In einem Übertragungsfilter,
das auf einem Zirkulator mit drei Öffnungen basiert, ist das Reflexionsfilter
mit der zweiten Öffnung
verbunden. Das zu filternde Lichtsignal ist mit der ersten Öffnung gekoppelt. Dieses
Signal verlässt
die zweite Öffnung
und trifft auf das Reflexionsfilter, das Licht bei der Reflexionswellenlänge zurück in die
zweite Öffnung
reflektiert. Dieses Licht verlässt
dann die dritte Öffnung.
So ist die Kombination des Zirkulators und des Reflexionsfilters
funktionsmäßig äquivalent
zu einem Übertragungsfilter,
das zwischen die erste und die dritte Öffnung des optischen Zirkulators
geschaltet ist.
-
Während Bragg-Reflektoren
relativ billig sind, sind optische Zirkulatoren ziemlich teuer.
Ein optischer Zirkulator kostet ein Vielfaches eines Bragg-Filters.
So werden zur Reduzierung der Kosten eines Bandpassfilters weniger
teure optische Zirkulatoren benötigt.
-
Optische
Zirkulatoren des Stands der Technik sind aus einem Stapel Kristallplatten
aufgebaut, die mit optischen Fasern gekoppelt sind. Ein wesentlicher
Anteil der Kosten eines Zirkulators hängt mit den Kosten eines ordnungsgemäßen Ausrichtens der
optischen Fasern mit dem Stapel von Platten zusammen. Typischerweise
muss jede optische Faser separat ausgerichtet werden.
-
Der
Stapel von Platten umfasst gewöhnlich eine
Anzahl von Faraday-Drehern. Jeder Faraday-Dreher benötigt bei
diesen Entwürfen
des Stands der Technik einen separaten Magneten. Entsprechend muss
die Größe des Stapels
erhöht
werden, um Raum für
die Magneten zu schaffen. Die Größe der Platten
wird ebenso durch den Bedarf erhöht,
dass separate Kollimatorlinsen beinhaltet sein müssen, um das Licht von jeder
der Fasern mit dem Stapel zu koppeln. Die Kosten des Stapels hängen mit
der Größe der Platten
zusammen; so erhöhen Entwürfe, die
die Größe des Stapels
erhöhen,
auch die Kosten des Zirkulators.
-
Ein
weiteres Problem bei Zirkulatoren des Stands der Technik ist der
Grad an Isolation, der zwischen den Öffnungen bereitgestellt wird.
Wie oben angemerkt wurde, soll Licht, das in die zweite Öffnung eines
optischen Zirkulators eintritt, nur durch die dritte Öffnung austreten.
Ein Teil des Lichts jedoch wird aus der ersten Öffnung herausgeführt, da die
Faraday-Dreher nicht ideal arbeiten.
-
Wiederum
ein weiteres Problem bei Zirkulatoren des Stands der Technik ist
der Bedarf, dass ein separater Entwurf für jedes Wellenlängenfenster
vorliegen muss. Wenn Licht, das sich in seiner Wellenlänge wesentlich
von der Entwurfswellenlänge
unterscheidet, in den Zirkulator eintritt, wird der bereitgestellte
Grad an Isolation herabgesetzt. Ferner wird der Bruchteil des Lichts,
der in eine Öffnung
eintritt und die korrekte Öffnung
verlässt,
reduziert, wenn die Wellenlänge
des Lichts sich wesentlich von der Entwurfswellenlänge unterscheidet.
In zukünftigen
Wellenlängenmultiplex-Kommunikationssystemen
ist zu jeder bestimmten Zeit eine Anzahl von Kanälen mit unterschiedlichen Wellenlängen vorhanden.
So muss ein Zirkulator in der Lage sein, mit der nötigen Isolation
und dem nötigen
Durchsatz über
einen Bereich von Wellenlängen,
der so breit wie möglich
ist, zu arbeiten.
-
Noch
ein weiteres Problem bei optischen Zirkulatoren des Stands der Technik
ist die Unfähigkeit, die
Richtung einer Zirkulation elektrisch umzukehren. In einem typischen
Kommunikationsnetzwerk kommuniziert eine Anzahl von Benutzern miteinander über eine
optische Faser, die in einer Schleife angeordnet ist, indem Signale
in einer vorbestimmten Richtung entlang der Faser gesendet werden.
In einem Telekommunikationsnetzwerk z. B. kommuniziert jeder Teilnehmer
mit einem zentralen Büro über eine
Faser, die in einem Ring angeordnet ist, wobei der Teilnehmer und
Zentralbürostationen
entlang des Rings angeordnet sind. Wenn die Faser kaputt ist, wird
eine Kommunikation zwischen einem oder mehreren der Benutzer und
dem Zentralbüro
unterbrochen. Im Prinzip können
diese Benutzer dennoch mit dem Zentralbüro kommunizieren, indem sie
Nachrichten entlang des ununterbrochenen Abschnitts der Schleife
senden. Dies macht es jedoch erforderlich, dass die Richtung einer
Ausbreitung entlang der Faser über
einen Teil der Faser umgekehrt werden kann.
-
Leider
muss, wenn der Faserring einen optischen Zirkulator umfasst, die
Richtung einer Zirkulation der Signale in dem Zirkulator umgekehrt
werden. Dies bedeutet, dass Licht, das in die Öffnung 3 eintritt, nun durch
die Öffnung
2 austreten muss und Licht, das in die Öffnung 2 eintritt, nun über die Öffnung 1
austreten muss. Zirkulatoren des Stands der Technik umfassen kein
Verfahren zum Bereitstellen dieser Richtungsumkehr, ohne einen separaten Schalter
zum Umleiten der Signale zu umfassen. Die Kosten derartiger Schalter
erhöhen
die Kosten der Anordnung des optischen Zirkulators und so wäre es von
Vorteil, einen optischen Zirkulator bereitzustellen, dessen Zirkulationsrichtung
umgekehrt werden kann, indem ein geeignetes Signal an den Zirkulator gesendet
wird.
-
Breit
ausgedrückt
besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten
optischen Zirkulator bereitzustellen.
-
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
optischen Zirkulator mit einem höheren
Grad an Isolation zwischen den Öffnungen
als in optischen Zirkulatoren des Stands der Technik bereitzustellen.
-
Wiederum
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
optischen Zirkulator bereitzustellen, der über ein breiteres Band von
Frequenzen arbeitet als optische Zirkulatoren des Stands der Technik.
-
Wiederum
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
optischen Zirkulator bereitzustellen, der in der Herstellung weniger teuer
ist als optische Zirkulatoren des Stands der Technik.
-
Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
optischen Zirkulator bereitzustellen, in dem die Zirkulationsrichtung
ansprechend auf ein elektrisches Signal umgeschaltet werden kann.
-
Diese
und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute
auf dem Gebiet aus der folgenden detaillierten Beschreibung der
Erfindung und den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich werden.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung stellt einen optischen Zirkulator bereit,
der die Merkmale aus Anspruch 1 aufweist.
-
Die
vorliegende Erfindung ist ein optischer Zirkulator mit einer ersten,
einer zweiten und einer dritten Öffnung.
Der optische Zirkulator umfasst einen Strahlteiler und eine Mehrzahl
von Faraday-Stufen. Der Strahlteiler ist mit der ersten und der
dritten Öffnung
verbunden und trennt ein erstes Lichtsignal, das in die erste Öffnung eintritt,
in ein erstes und ein zweites ausgehendes Lichtsignal. Der Strahlteiler trennt
außerdem
ein zweites Lichtsignal, das in die dritte Öffnung eintritt, in ein drittes
und ein viertes ausgehendes Lichtsignal. Das erste, das zweite,
das dritte und das vierte ausgehende Lichtsignal sind voneinander
beabstandet. Das erste und das zweite ausgehende Lichtsignal umfassen
jeweils orthogonale Polarisationskomponenten von dem ersten Lichtsignal
und das dritte und das vierte ausgehende Lichtsignal umfassen jeweils
orthogonale Polarisationskomponenten von dem zweiten Lichtsignal.
Die Faraday-Stufen, die eine erste Faraday-Stufe und eine letzte
Faraday-Stufe umfassen, sind in Serie angeordnet. Die erste Faraday-Stufe
nimmt Licht von dem Strahlteiler auf und die letzte Faraday-Stufe
ist so positioniert, um Licht an die zweite Öffnung zu liefern. Die zweite Öffnung und
die abführenden
bzw. Walk-Off-Richtungen und Richtungen einer Drehung der Faraday-Stufen
sind derart ausgewählt,
dass Licht, das in die erste Öffnung
eintritt, die zweite Öffnung
verlässt,
Licht, das in die zweite Öffnung
eintritt, die dritte Öffnung
verlässt
und Licht, das in die dritte Öffnung
eintritt, daran gehindert wird, die erste und die zweite Öffnung zu
verlassen.
-
Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung dreht jeder der Faraday-Dreher den Polarisationsvektor
von Licht, das sich durch denselben bewegt, in der gleichen Richtung
und teilt ein gemeinsames Magnetfeld.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 stellt
die Art und Weise dar, in der ein Walk-Off-Kristall einen Lichtstrahl in zwei
Strahlen trennt.
-
2 stellen
die Art und Weise dar, in der vier Walk- bis 4 Off-Kristalle kombiniert sind,
um einen Polarisationsmischer zu bilden.
-
5 bis 9 stellen
ein Ausführungsbeispiel
eines optischen Zirkulators gemäß der vorliegenden
Erfindung und die Art und Weise dar, in der die verschiedenen Lichtkomponenten
durch die Elemente dieses Ausführungsbeispiels
verarbeitet werden.
-
10 ist
ein Blockdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung.
-
11 bis 13 stellen
die Art und Weise dar, in der die ver schiedenen Lichtkomponenten durch
die in 10 gezeigten Elemente des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
verarbeitet werden.
-
Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung ist hinsichtlich zweier elementarer optischer
Elemente, eines Walk-Off-Kristalls und eines Faraday-Drehers, leichter
zu verstehen. Es wird Bezug auf 1 genommen,
die die Art und Weise darstellt, in der ein Walk-Off-Kristall 20 einen
Lichtstrahl 11, der sich in der Richtung bewegt, die durch
einen Pfeil 22 gezeigt ist, in zwei Strahlen 15 und 16 trennt.
Allgemein weist der Walk-Off-Kristall 20 eine Richtung 21 auf,
die durch die Kristallstruktur definiert ist, die in der folgenden
Beschreibung als die „Walk-Off"-Richtung bezeichnet
wird. Diese Richtung könnte
verwendet werden, um ein Koordinatensystem zu definieren. Der Polarisationsvektor 12 des
eingehenden Lichtstrahls 11 könnte in orthogonale Komponenten 13 und 14 in
Bezug auf dieses Koordinatensystem aufgelöst werden. Die Komponente 14 ist
parallel zu der Walk-Off-Richtung
und die Komponente 13 ist orthogonal zu der Walk-Off-Richtung. Licht
mit einer Polarisationsrichtung parallel zu derjenigen der Walk-Off-Richtung
wird in der Walk-Off-Richtung
verschoben und so durch den Walk-Off-Kristall in einen Strahl 16 getrennt.
Das Licht in dem Strahl 16 besitzt eine Polarisation, die
parallel zu der Walk-Off-Richtung
ist. Licht mit einer Polarisation, die orthogonal zu der Walk-Off-Richtung
ist, wird nicht verschoben. Dieses Licht bildet einen Strahl, der
zusammenfällt mit
dem ursprünglichen
Strahl und eine Polarisation aufweist, die orthogonal zu der Walk-Off-Richtung
ist. Die Verschiebung, die durch den Walk-Off-Kristall bereitgestellt
wird, ist eine Funktion der Dicke des Kristalls und des bestimmten
Materials, aus dem derselbe aufgebaut ist. Materialien zum Aufbauen
von Walk-Off-Kristallen sind in der Technik gut bekannt und werden
deshalb hierin nicht detaillierter erläutert.
-
Es
soll angemerkt werden, dass für
einen Lichtstrahl, der sich in der umgekehrten Richtung bewegt,
die Walk-Off-Richtung
umgekehrt ist. Dies bedeutet, dass ein Licht strahl, der sich in
der Richtung bewegt, die durch einen Pfeil 23 angezeigt
ist, in einer Richtung abgeht, die entgegengesetzt zu derjenigen
ist, die durch den Pfeil 21 gezeigt ist.
-
Vier
Walk-Off-Kristalle können
kombiniert werden, um ein Element zu bilden, das in der folgenden
Beschreibung als ein Polarisationsmischer bezeichnet wird. Ein Polarisationsmischer
erzeugt zwei neue Lichtstrahlen aus zwei einfallenden Lichtstrahlen.
Die zwei neuen Lichtstrahlen sind räumlich relativ zu den einfallenden
Lichtstrahlen verschoben. Jeder der zwei neuen Strahlen umfasst
eine Polarisationskomponente aus jedem der einfallenden Strahlen.
Eine Anordnung von Walk-Off-Kristallen, die zu einem Polarisationsmischer
führt,
ist in den 2 bis 4 dargestellt. 2 zeigt
die Anordnung von vier Walk-Off-Kristallen 31 bis 34 relativ
zu den beiden einfallenden Strahlen 41 und 42. 3 ist
eine Endansicht der Walk-Off-Kristalle 31 und 32 und
zeigt die Polarisationsvektoren der einfallenden Strahlen. 4 ist
eine Ansicht der resultierenden Lichtstrahlen, wie diese auf einem
Bildschirm erscheinen würden,
der hinter den Walk-Off-Kristallen 33 und 34 platziert
ist. 4 zeigt die letztendlichen beiden Strahlen 43 und 44 und
die Polarisationskomponenten, die kombiniert werden, um diese Strahlen
zu erzeugen. Es wird angemerkt, dass die letztendlichen Strahlen,
die räumlich
relativ zu den einfallenden Strahlen verschoben sind, aus Polarisationskomponenten
aufgebaut sind, die aus jedem der einfallenden Strahlen hergeleitet
sind.
-
Das
zweite elementare optische Element, das in der vorliegenden Erfindung
eingesetzt wird, ist ein Faraday-Dreher. Ein Faraday-Dreher ist
ein Element, das aus einer optisch aktiven Verbindung aufgebaut
ist, wie z. B. Yttrium-Eisen-Granat
Y3Fe5O12, die
die Richtung des Polarisationsvektors des Lichts, das denselben
durchläuft,
um einen Winkel von 45° dreht.
Die Richtung einer Drehung wird durch die Richtung eines angelegten
Magnetfelds bestimmt. Die Richtung einer Drehung des Polarisationsvektors ist
unabhängig
von der Richtung einer Bewegung des Lichts durch das Element. Durch
ein Verändern
der Richtung des Magnetfelds verändert
sich die Drehung des Polarisationsvektors unabhängig von der Richtung einer
Bewegung des Lichts durch die Vorrichtung von 45° auf –45°. Wie unten noch detaillierter
erläutert
werden wird, wird in Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung, in denen die Richtung einer Zirkulation
des optischen Zirkulators reversibel ist, die Richtung des Magnetfelds
in den Faraday-Drehern durch ein externes Signal bestimmt.
-
Es
soll angemerkt werden, dass ein Faraday-Dreher nur für eine spezifische
Wellenlänge
und Temperatur eine präzise
45°-Drehung
bereitstellt. Wenn die Wellenlänge
des einfallenden Lichts sich von der Entwurfswellenlänge unterscheidet
oder der Faraday-Dreher bei einer Temperatur betrieben wird, die
sich von der Entwurfstemperatur unterscheidet, unterscheidet sich
der Drehwinkel leicht von 45°.
Die Bedeutung dieser Abweichung wird unten detaillierter erläutert.
-
Die
Art und Weise, in der die oben beschriebenen Elemente kombiniert
werden, um einen optischen Dreher bereitzustellen, wird nun unter
Bezugnahme auf die 5 bis 9 erläutert. Zuerst
wird Bezug auf 5 genommen, die ein Blockdiagramm eines
optischen Zirkulators 50 gemäß der vorliegenden Erfindung
ist. Die drei Öffnungen
des optischen Zirkulators sind mit 1 bis 3 bezeichnet. Bei der in 5 gezeigten
Konfiguration tritt Licht, das in die Öffnung 1 eintritt, über eine Öffnung 2
aus und Licht, das in die Öffnung
2 eintritt, tritt über
die Öffnung
3 aus. Jegliches Licht, das in die Öffnung 3 eintritt, geht verloren.
-
Die Öffnungen
1 und 3 sind jeweils mit optischen Fasern 51 und 53 mit
thermisch erweitertem Kern (TEC-Fasern; TEC = thermally expanded
core) gekoppelt. TEC-Fasern werden durch Erwärmen des Endes einer Faser,
um zu bewirken, dass sich die Kerndotierungsmittel diffundieren
und die Kerngröße der Faser
erhöhen,
hergestellt. Dies führt
zu einem optischen Strahl mit größerem Durchmesser,
der aus dem Faserende austritt und deshalb einen kleineren Divergenzwinkel
aufweist. Die optischen TEC-Fasern stellen eine Kollimierung bereit,
die erforderlich ist, um den Lichtstrahl von den Kernen der Fasern
auf einen Polarisationsmischer 61 zu erweitern. Diese Fasern
werden bevorzugt, da derartige Fasern die Kopplungsfunktion bereitstellen,
ohne eine Kollimator- oder Abbildungslinse erforderlich zu machen.
Als ein Ergebnis können
die Abmessungen des optischen Zirkulators 50 wesentlich
reduziert werden. Wie oben angemerkt wurde, hängen die Kosten eines optischen
Zirkulators mit der Größe der Komponenten
zusammen. So reduziert die Verwendung der TEC-Fasern die Herstellungskosten.
Die Öffnung
2 ist mit einer optischen Faser 52 gekoppelt.
-
Licht,
das in die Öffnung
1 eintritt, gelangt durch einen Stapel optischer Kristalle, der
aus einem Polarisationsmischer 61, einem Walk-Off-Kristall 62, einem
Faraday-Dreher 63, einem Differenzzeitverzögerungskristall 64,
einem zweiten Walk-Off-Kristall 65, einem zweiten Faraday-Dreher 66 und
einem dritten Walk-Off-Kristall 67 besteht. Das Licht,
das den Walk-Off-Kristall 67 verlässt, wird durch eine Linse 68 in
eine Faser 52 fokussiert, die an der Öffnung 2 angebracht ist.
-
Die
Art und Weise, in der Licht, das in die Öffnung 1 eintritt, an der Öffnung 2
ankommt, während Licht,
das in die Öffnung
3 eintritt, beseitigt wird, ist unter Bezugnahme auf die 6 und 7 leichter verständlich.
Die 6A bis 6H sind
Endansichten der optischen Kristalle, wie sie ein Betrachter sieht, der
von der linken Seite der Figur längs
auf den Stapel sieht, an den Orten, die in 5 mit A-H
gezeigt sind. Die Pfeile zeigen die Walk-Off-Richtungen in den relevanten Kristallen
an, wie sie durch einen Lichtstrahl, der sich in der Richtung von
der Öffnung 1
zu der Öffnung
2 bewegt, zu sehen sind. Die Pfeile, die in den Faraday-Drehern
gezeigt sind, zeigen die Richtung einer Drehung eines Polarisationsvektors an,
wenn das Licht durch den Faraday-Dreher läuft.
-
Der
Differenzzeitverzögerungskristall 64 gleicht
die Zeitverzögerung
für die
Polarisationskomponenten des Lichts von der Öffnung 1 ab. Der Pfeil mit
der Markierung „f" zeigt die Polarisationsrichtung an,
für die
sich Licht am schnellsten durch den Kristall bewegt. Der Pfeil mit
der Markierung „s" zeigt die Polarisationsrichtung
an, für
die sich Licht am langsamsten durch den Kristall bewegt.
-
Nun
wird Bezug auf 7 genommen, die die Bewegung
der verschiedenen Polarisationskomponenten durch den optischen Zirkulator 50 darstellt. Die 7A bis H zeigen die Polarisationskomponenten
und Strahlpositionen, wie sie zu sehen wären, wenn ein Bildschirm zwischen
den optischen Kristallen platziert wäre, an den Orten, die in 5 bei
A bis H gezeigt sind. Die beiden orthogonalen Polarisationskomponenten
des Lichts, das in die Öffnung 1 eintritt,
sind als durchgezogene Linien gezeigt, wobei die y-Komponente als eine
dicke Linie gezeigt ist, während
die x-Komponente
als eine dünne
Linie gezeigt ist. Die beiden orthogonalen Polarisationskomponenten
des Lichts, das in die Öffnung
3 eintritt, sind als gestrichelte Linien mit unterschiedlichen Strichmustern
gezeigt.
-
Nun
wird Bezug auf 7B genommen, wobei
die y-Komponente des Lichts von der Öffnung 3 nach einem Verlassen
des Mischers 61 in die Position 71 bewegt wurde.
Der Walk-Off-Kristall 62 bewegt diese
Komponente an einen Ort, der bei 72 gezeigt ist. Es wird
angenommen, dass die Abmessungen der Kristalle ausreichend groß sind,
dass die Komponente innerhalb der Kristalle verbleibt. Die bei 72 gezeigte
Komponente verlässt
schließlich
den Kristallstapel an dem Ort, der bei 77 gezeigt ist.
Die Linse 68 ist eingestellt, um Licht von der Position 79 in
die Faser 52 zu fokussieren. So kann Licht von der Position 77 nicht
in die Faser 52 eintreten, da es nicht auf den Faserkern
abgebildet ist. Entsprechend wird die y-Komponente von Licht, das
in die Öffnung
3 eintritt, beseitigt.
-
Das
Licht von der x-Komponente des Lichts, das in die Öffnung 3 eintritt,
wird zu einer Position 73 bewegt, die in 7B gezeigt
ist, und bleibt nach dem Walk-Off-Kristall 62 an diesem Ort,
da der Walk-Off-Kristall 62 Polarisationskomponenten, die parallel
zu der x-Richtung sind, nicht bewegt. Der Faraday-Dreher 63 dreht
alle Polarisationskomponenten um 45° in der Richtung entgegengesetzt
zum Uhrzeigersinn, wie in 7D gezeigt
ist. Diese Konfiguration wird durch den Differenzzeitverzögerungskristall 64 nicht
verändert;
so ist die Konfiguration an den Orten D und E die gleiche. Der Walk-Off-Kristall 65 bringt
dann alle Komponenten in 45° zu
der x-Achse nach oben und rechts, wie in 7F gezeigt
ist. Als ein Ergebnis wird die verbleibende Komponente des Lichts
von der Öffnung
3 in die Position bewegt, die bei 74 gezeigt ist, von der
man annimmt, dass sie noch immer innerhalb des Kristallstapels ist.
Diese Komponente wird durch die verbleibenden Kristalle verarbeitet
und verlässt
schließlich
den Stapel an dem Ort, der bei 78 gezeigt ist. Wie oben
angemerkt wurde, verfehlt Licht von dieser Position ebenso die Faser 52,
da die Linse 68 nur Licht von der Position 79 in
die Faser 52 abbildet. Entsprechend kann Licht von der Öffnung 3
den optischen Zirkulator nicht durchqueren und über die Öffnung 2 austreten.
-
Licht
von der Öffnung
1 tritt durch die Öffnung
2 aus. Wieder unter Bezugnahme auf 7F werden
nach dem Walk-Off-Kristall 65 die
beiden Komponenten des Lichts von der Öffnung 1 in Richtungen, die
parallel zu der x- und y-Achse sind, durch den Faraday-Dreher 66 zurück gedreht,
wie in 7G gezeigt ist. Die Komponenten
werden dann durch den Walk-Off-Kristall 67 neu kombiniert,
der die bei 75 gezeigte Komponente zu dem Ort der Komponente,
der bei 76 gezeigt ist, bringt. Die Linse 68 ist positioniert,
um Licht von dieser Position in die Faser 52 zu fokussieren.
-
Die
Art und Weise, in der Licht, das über die Faser 52 in
die Öffnung
2 eintritt, zu der Faser 53 gerichtet wird, die an der Öffnung 3
angebracht ist, ist unter Bezugnahme auf die 8 und 9 leichter verständlich.
Die 8 und 9 sind analog zu den oben erläuterten 6 und 7.
Die Pfeile jedoch, die die Richtung eines Walk-Offs bzw. Weglaufens anzeigen,
wurden in 8 umgekehrt, um die Richtung
einer Bewegung des Lichts zu berücksichtigen. 9 zeigt
die Bewegung der verschiedenen Polarisationskomponenten durch einen
optischen Zirkulator 50. Die 9A bis 9H zeigen die Polarisationskomponenten
und Strahlpositionen, wie sie zu sehen wären, wenn ein Bildschirm zwischen
den optischen Kristallen platziert wäre, an den jeweiligen Orten,
die in 8 bei A bis H gezeigt sind. Licht, das über die Öffnung 2 eintritt,
wird durch die Linse 68 umgewandelt, um einen Strahl an
der Position 81 zu bilden. Der Walk-Off-Kristall 67 trennt
die Komponenten dieses Lichtsignals in eine vertikale und eine horizontale Komponente,
wie bei 82 bzw. 83 gezeigt ist. Der Faraday-Dreher 66 dreht
die getrennten Komponenten um 45° in
der Richtung entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn. Wie oben angemerkt
wurde, ist die Richtung einer Drehung eines Faraday-Drehers unabhängig von
der Richtung einer Bewegung des Lichts. Der Walk-Off-Kristall 65 bewegt
die horizontale Komponente in eine Position 84, die noch
innerhalb des Kristallstapels ist. Der Faraday-Dreher 63 dreht
die Komponenten um weitere 45° und
der Walk-Off-Kristall 62 bewegt die horizontale Komponente
in eine Position, in der der Polarisationsmischer 61 die
Komponenten an der Position 85, die der Öffnung 3
entspricht, rekombinieren kann.
-
Es
wird darauf verwiesen, dass der optische Zirkulator 50 zwei
Faraday-Dreher umfasst, die die gleiche Drehrichtung aufweisen.
So ist das an jeden Dreher angelegte Magnetfeld gleich. Entsprechend können die
beiden Faraday-Dreher den gleichen Magneten gemeinschaftlich verwenden.
Da die anderen optischen Komponenten unempfindlich gegenüber Magnetfeldern
sind, kann der Magnet über
der gesamten Vorrichtung platziert sein. Entsprechend ist der Raum,
der für
die Faraday-Dreher erforderlich ist, nur derjenige, der für die Kristalle
erforderlich ist. Dies ermöglicht
es, dass ein optischer Zirkulator gemäß der vorliegenden Erfindung
mit viel kleineren physischen Abmessungen aufgebaut sein kann als optische
Zirkulatoren des Stands der Technik, in denen die Faraday-Dreher
entgegengesetzte Drehrichtungen aufweisen und so zwei separate Magneten und
eine ausreichende Beabstandung erforderlich machen, um zu verhindern,
dass die Magnetfelder einander stören.
-
Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, der die Größe des optischen
Zirkulators reduziert, ist die Verwendung von Fasern mit thermisch erweitertem
Kern (TEC-Fasern) zur Kopplung mit den Öffnungen 1 und 3. Die Fasern
können
in Bezug aufeinander in V-förmigen
Rillen ausgerichtet sein, die z. B. in kristallinem Silizium gebildet
sind. Die ausgerichteten Fasern werden dann gegen den Mischer und
den Rest der Kristalle in dem Stapel gesetzt und bilden dabei eine
einzelne Einheit. Ein kleiner Fehler bei der relativen Ausrichtung
der beiden Fasern und der Kristallanordnung führt zu einem Fehler bei dem Ort,
an dem das Licht an der Öffnung
2 austritt. So ist die einzige manuelle Ausrichtung, die erforderlich
ist, diejenige, um die Öffnung 2 und
die Linse 68 zu positionieren, nachdem die Fasern für die Öffnungen
1 und 3 mit der Kristallanordnung verbunden sind. Im Gegensatz dazu
erfordern optische Zirkulatoren des Stands der Technik, die herkömmliche
Fasern und Kollimatorlinsen für
alle Öffnungen
verwenden, zwei oder mehr Ausrichtungsoperationen. Die Kosten eines
Ausrichtens der Optiken sind ein wesentlicher Teil der Kosten des
optischen Zirkulators; so ist die vorliegende Erfindung wesentlich
billiger als derartige Vorrichtungen des Stands der Technik.
-
Der
in 5 gezeigte optische Zirkulator wird als ein Zweistufenzirkulator
bezeichnet, da er zwei Anordnungen umfasst, die aus einem Faraday-Dreher,
gefolgt durch einen Walk-Off-Kristall bestehen. Bei der folgenden
Erläuterung
wird eine Stufe, die einen Faraday-Dreher und einen Walk-Off-Kristall aufweist,
als eine Faraday-Stufe bezeichnet. Es soll angemerkt werden, dass
eine Faraday-Stufe andere Elemente zusätzlich zu dem Faraday-Dreher
und dem Walk-Off-Kristall
umfassen könnte.
Eine Faraday-Stufe könnte
z. B. Fasenverzögerungselemente
oder Wellenplatten umfassen. Wie oben angemerkt wurde, stellen Faraday-Dreher
nur für
eine Wellenlänge
bei einer Temperatur eine präzise
45°-Drehung
bereit. Bei anderen Wellenlängen und
anderen Temperaturen unterscheidet sich die Drehung leicht von 45°. Der Fehler
bei dem Drehwinkel wird durch Δϑ angegeben.
Es ist zu sehen, dass der Grad an Isolation, der zwischen den Öffnungen
1 und 3 bereitgestellt wird, proportional zu sin–2n Δϑ ist, wobei
n die Anzahl von Faraday-Stufen ist. Die Übertragung des optischen Zirkulators
kann als proportional zu cos–2n Δϑ gezeigt werden. Da
cos–2n Δϑ eine sich
sehr langsam verändernde
Funktion für
Fehler nahe 0 ist, ist es von Vorteil, mehrere Stufen zu verwenden,
um eine gute Isolation sicherzustellen, da die Übertragungseinbuße klein
ist.
-
Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet drei Stufen. Die zusätzlichen
Stufen stellen eine Anzahl von Vorteilen bereit. Erstens ist, wie
oben angemerkt wurde, die bereitgestellte Isolation größer als
in optischen Zweistufenzirkulatoren. Zweitens wird der in 5 bei 64 gezeigte
Differenzzeitverzögerungskristall
bei der bevorzugten Dreistufenvorrichtung nicht benötigt. Schließlich kann,
wie unten detaillierter erläutert
werden wird, die Bandbreite, die durch den optischen Zirkulator
untergebracht wird, durch Fehlabstimmen der Faraday-Dreher erhöht werden,
so dass jeder die 45°-Drehung
bei einer leicht unterschiedlichen Wellenlänge bereitstellt.
-
Nun
wird Bezug auf die 10-13 genommen,
die das bevorzugte Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung darstellen. 10 ist eine
Seitenansicht eines optischen Zirkulators 100. Eine 11 ist
ein Blockdiagramm der Kristalle in dem Kristallstapel des optischen
Zirkulators, wie in Endansichten von Öffnungen 1 und 3 aus zu sehen. 11 ist
analog zu der oben erläuterten 6.
Der Kristallstapel besteht aus einem Polarisationsmischer 101,
einem Walk-Off-Kristall 102 und drei Faraday-Stufen 111-113. Die
Faraday-Stufe 111 weist einen Faraday-Dreher 103 und
einen Walk-Off-Kristall 104 auf. Die Faraday-Stufe 112 weist
einen Faraday-Dreher 105 und einen Walk-Off-Kristall 106 auf und
die Faraday-Stufe 113 weist einen Faraday-Dreher 107 und
einen Walk-Off-Kristall 108 auf. Die Pfeile, die den Walk-Off-Kristallen
zugeordnet sind, stellen die Richtung eines Walk-Offs bzw. Abgangs
für Licht
dar, das sich von der Öffnung
oder der Öffnung 3
zu der Öffnung
2 bewegt.
-
Die 12A bis J zeigen die Positionen der verschiedenen
Polarisationskomponenten für
Licht, das in die Öffnung
1 eintritt, wie auf Bildschirmen, die an jeweiligen Orten A bis
J, die in 11 gezeigt sind, angeordnet
sind, zu sehen wäre.
Um die Zeichnungen zu vereinfachen, sind nur die Anfangs- und die
Endposition des Lichts, das in die Öffnung 3 eintritt, gezeigt.
Das Licht, das in die Öffnung
1 eintritt, ist bei 110 gezeigt. Die letztendliche Position
dieses Lichts ist bei 120 gezeigt. Es wird angemerkt, dass die
Entfernungen, die jede der Polarisationskomponenten des Lichts,
das in die Öffnung
3 eintritt, zurücklegt,
gleich sind. Entsprechend erfordert dieses Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung keinen Differenzzeitverzögerungskristall.
-
Die 13A bis J zeigen die Positionen der verschiedenen
Polarisationskomponenten für
Licht, das an einer Position 120 in die Öffnung 2
eintritt, wie durch die Bildschirme zu sehen wäre, die an jeweiligen Orten
A bis J in 11 angeordnet sind. Bei einer
Verfolgung des Wegs der verschiedenen Komponenten muss daran gedacht
werden, dass die Richtung eines Abgangs bei einem Durchlaufen des
Stapels aus der umgekehrten Richtung für jeden der Walk-Off-Kristalle, die in 11 gezeigt
sind, umgekehrt ist.
-
Es
soll wieder angemerkt werden, dass alle Faraday-Dreher die Polarisation
des Lichts in der gleichen Richtung drehen. So verwenden alle Faraday-Dreher
bei diesem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung den gleichen Magneten gemeinschaftlich.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird das Magnetfeld durch Leiten eines Stroms durch eine Spule 131 erzeugt,
obwohl ein Magnet bei einem Ausführungsbeispiel
verwendet würde,
bei dem die Richtung der Zirkulation fest ist. Die Richtung des Stroms
und so des Magnetfelds wird durch ein Steuersignal bestimmt, das
durch eine Stromquelle 131 empfangen wird. Wie oben angemerkt
wurde, reduziert die Verwendung eines einzelnen Magneten die Dicke
des Stapels wesentlich.
-
Es
soll auch angemerkt werden, dass ein Umkehren der Richtung des Magnetfelds
dazu führt, dass
die Richtung einer Zirkulation in dem optischen Zirkulator 100 umgekehrt
wird. Dies bedeutet, dass Licht, das in die Öffnung 3 eintritt, nun durch
die Öffnung
2 austritt und Licht, das in die Öffnung 2 eintritt, über die Öffnung 1
austritt. So stellt die vorliegende Erfindung außerdem einen umkehrbaren optischen Zirkulator
bereit.
-
Es
soll auch angemerkt werden, dass der optische Zirkulator 100 auch
als ein optischer Schalter verwendet werden könnte. Wie von der Öffnung 2
zu sehen ist, leitet der optische Zirkulator 100 Licht
abhängig
von der Richtung des Magnetfelds, das an die Faraday-Dreher in dem
optischen Zirkulator 100 angelegt ist, entweder zu der Öffnung 1
oder der Öffnung
3.
-
Während die
oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung eine Spule zum Erzeugen des Magnetfelds
eingesetzt haben, das durch die Faraday-Dreher gemeinschaftlich
verwendet wird, sind weitere Verfahren zum Bereitstellen eines schaltbaren
Magnetfelds für
Fachleute auf dem Gebiet aus der obigen Beschreibung ersichtlich. Ausführungsbeispiele
z. B., in denen der Magnetfelderzeuger ein Verriegelungsmaterial
einsetzt, könnten
bei der vorliegenden Erfindung ebenso verwendet werden. Bei derartigen
Ausführungsbeispielen stellt
ein Strompuls die Richtung einer Magnetisierung ein. Die Richtung
bleibt die gleiche, bis ein weiterer Strompuls angelegt wird. Ähnlich könnte ebenso
ein Permanentmagnet gemeinsam mit einer Vorrichtung zum Umdrehen
der Richtung des Magnets ansprechend auf ein Steuersignal eingesetzt
werden.
-
Wie
oben angemerkt wurde, ist es von Vorteil, den Bereich von Eingangswellenlängen, über den
der optische Zirkulator 100 funktioniert, zu maximieren.
Da der optische Zirkulator 100 drei Stufen besitzt, ist
der Grad an Isolation von der Öffnung
2 nach 1 ausreichend hoch, um es zu ermöglichen, dass ein Teil der
Isolation aufgegeben werden kann, um einen breiteren Bereich von
Isolation für
Wellenlängen
außerhalb
der Entwurfswellenlänge
zu erzielen. Der Kompromiss wird durch die Verwendung von Faraday-Drehern
erzielt, die Licht um leicht unterschiedliche Winkel bei den Entwurfsfrequenzen, über die
der optische Zirkulator arbeiten soll, drehen. Dies hat die Wirkung
eines Verbreiterns des Isolationsansprechens als eine Funktion der
Eingangswellenlänge,
während
das Übertragungsansprechen
nur leicht vermindert wird.
-
Es
wird darauf verwiesen, dass die obigen Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung einen Polarisationsmischer, gefolgt durch einen Walk-Off-Kristall
als die Eingangsstufe für
die Öffnungen
1 und 3 verwendet haben. Wie aus 7C zu sehen
ist, trennt diese Kombination von Elementen die beiden eingehenden
Strahlen von den Öffnungen 1
und 3 in vier ausgehende Strahlen, die räumlich voneinander getrennt
sind. Der erste bzw. der zweite ausgehende Strahl beinhalten die
orthogonalen Polarisationskomponenten des ersten Eingangsstrahls und
der zweite bzw. der dritte ausgehende Strahl beinhalten die orthogonalen
Polarisationskomponenten des zweiten Eingangsstrahls. Während die
Kombination eines Polarisationsmischers und eines Walk-Off-Kristalls das bevorzugte
Ausführungsbeispiel
für einen
derartigen Strahlteiler ist, könnten auch
andere Anordnungen von Kristallen eingesetzt werden, um die gleiche
Trennung zu erzielen.
-
Verschiedene
Modifizierungen an der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute
auf dem Gebiet aus der vorstehenden Beschreibung und den beiliegenden
Zeichnungen ersichtlich werden. Entsprechend soll die vorliegende
Erfindung lediglich durch den Schutzbereich der folgenden Ansprüche eingeschränkt sein.