DE3011663A1

DE3011663A1 - Polarisator fuer faseroptische anordnungen

Info

Publication number: DE3011663A1
Application number: DE19803011663
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.techn. 7900 Ulm Russer; Edgar Dipl.-Phys. 7913 Senden Weidel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-03-26
Filing date: 1980-03-26
Publication date: 1981-10-01

Description

"Polarisator für faseroptische Anordnungen"
In einer Vielzahl von faseroptischen Anordnungen ist die Einschaltung von Polarisatoren in den Lichtweg erforderlich.
Üblicherweise wird zu diesem Zweck die Lichtleitfaser unterbrochen und die Unterbrechung dadurch überbrückt, daß das vom einen Faserende austretende Licht über eine oder mehrere optische Linsen oder über kompliziertere optische Anordnungen in das nächste Faserteilstück eingekoppelt wird. In den Strahlengang läßt sich dann eine der bekannten Ausführungsformen optischer Polarisatoren einfügen. Derartige Anordnungen sind jedoch aufwendig und mechanisch empfindlich. Vorzuziehen wäre demgegenüber eine faseroptische Anordnung, welche bewirkt, daß das Licht eines bestimmten Polarisationszustandes in einer Lichtleitfaser geführt wird, während das Licht mit dazu orthogonalem Polarisationszustand aus der Faser ausgekoppelt wird oder absorbiert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche einfache Anordnung zu schaffen" die die oben genannten Nachteile der bekannten Anordnungen nicht aufweist.
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen oder Ausführungen der Erfindung.
FIG. 1 zeigt die prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung. FIG. 2A zeigt den Querschnitt durch eine Anordnung nach FIG. 1, wobei die Lichtleitfaser 1 als einwellige Lichtleitfaser mit dem Kern 5 und dem Mantel 4 ausgebildet ist und mit der angeschliffenen Fläche mit dem Körper 3 in Kontakt ist. Einwellige Lichtleitfasern sind dadurch gekennzeichnet, daß sie nur die beiden Polarisationszustände des Grundmodus (=HE1l-Modus) führen. Sie sind z. B. in der Druckschrift Modenreine Glasfaser-Lichtwellenleiter" von 0. Krumpholz, erschienen in Wissenschaftliche Berichte AEG-TELEFUNKEN 44 (1971), Seiten 64 - 70, beschrieben. In FIG. 2A ist die Lichtleitfaser 1 nicht bis zum Kern 5 angeschliffen. Da bei einer einwelligen Faser das vom Kern 5 geführte Licht tief in den Mantel 4 eindringt, wird eine Verkopplung der Faser 1 mit dem Körper 3 auch dann erzielt, wenn die Faser 1 nicht bis zum Kern 5 angeschliffen ist. Fig. 2B zeigt den Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei die Lichtleitfaser 1 als einwellige Lichtleitfaser mit dem Kern 5 und dem Mantel 4 ausgebildet ist, an einer Seite bis in den Kernbereich angeschliffen ist und mit der angeschliffenen Fläche mit dem Körper 3 in Kontakt ist. Durch Anschleifen der Lichtleitfaser 1 bis in den Kernbereich wird eine stärkere optische Kopplung zwischen der Faser 1 und dem Körper 3 erzielt. FIG. 2C zeigt den Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei die Lichtleitfaser 1 als vielwellige Lichtleitfaser vom Stufenindexprofil-Typ oder vom Gradientenindexprofil-Typ ausgeführt ist, einen Kern 5 und einen Mantel 4 besitzt, an einer Seite bis in den Kernbereich angeschliffen ist und mit dem Körper 3 in Kontakt ist.
FIG. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung, bestehend aus einer angeschliffenen Lichtleitfaser 1 und einem Körper 3.
Erfindungsgemäß ist der Körper 3 und/oder dessen an die Lichtleitfaser 1 angrenzende Oberfläche 2 und/oder die den Körper 3 berührende Lichtleitfaser-Oberfläche in der Weise auszubilden, daß das Licht eines bestimmten Polarisationszustandes Pl in der Lichtleitfaser geführt wird, während das Licht mit dazu orthogonalem Polarisationszustand P2 aus der Faser ausgekoppelt wird oder absorbiert wird.
Zur nachfolgenden Erläuterung von Anordnungen mit Monomode-Lichtleitfasern sind in FIG. 4 die elektrischen und magnetischen Feldlinien des HE1l-Modus dargestellt. FIG. 4A zeigt die Feldlinien des horizontal polarisierten, sich in positiver x-Richtung ausbreitenden HE11-Modus; FIG. 4B zeigt die Feldlinien des vertikal polarisierten, sich in positiver x-Richtung ausbreitenden HE11-Modus. Die E-Linien des horizontal polarisierten HE1l-Modus verlaufen parallel zur xy-Ebene (FIG. 4A), während die Feldlinien des vertikal polarisierten HE1l-Modus parallel zur xz-Ebene verlaufen (FIG. 4B).
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird daher vorgeschlagen, den Körper 3 aus einem transparenten, optisch doppelbrechenden Kristall auszubilden und die Lage der optischen Achsen des Körpers 3 so zu wählen, daß der Brechungsindex für das in den Körper 3 eindringende Licht in zwei zueinander orthogonalen Polarisationszuständen unterschiedlich ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, daß der Brechungsindex für einen Polarisationszustand P1 im Körper 3 kleiner als im Kern 5 der Lichtleitfaser 1 ist,und daß der Brechungsindex für den zu P1 orthogonalen Polarisationszustand P2 im Körper 3 größer ist als im Kern 5 der Lichtleitfaser t.
Das hat zur Folge, daß das Licht in Polarisationszustand P2 aus der Lichtleitfaser 1 in den Körper 3 ausgekoppelt wird und wegen der hohen Modenzahl des Körpers aus dem Körper 3 nicht mehr in die Lichtleitfaser 1 zurückgekoppelt wird. Das Licht im Polarisationszustand P1 hingegen wird in der Lichtleitfaser 1 fortgeleitet.
Für den Fall eines einachsig optisch doppelbrechenden Kristalles als Körper 3 sind in FIG. 5 und in FIG, 6 die Indexellipsoide in den Körper 3 eingezeichnet. Im einachsigen optisch doppelbrechenden Kristall ist das Indexellipsoid rotationssymmetrisch. Der Brechungsindex für in Richtung der Hauptachse polarisiertes Licht ist ne, für senkrecht zur Hauptachse polarisiertes Licht nO.
Für negativ doppelbrechende Kristalle gilt ne < n (FIG. 5), 0 während für positiv doppelbrechende Kristalle ne > no (FIG. 6) gilt. Die Schnittfläche des Körpers 3, welche mit der Lichtleitfaser in Kontakt ist, ist in FIG. 5 und FIG. 6 die xz-Ebene. In FIG. 5A liegt die Hauptachse des Kristalls in z-Richtung, also parallel zur Schnittfläche des Körpers 3 und normal zur Achse der Lichtleitfaser 1. Für die horizontal polarisierte HE11-Welle (FIG. 4A) gilt die Brechzahl nO, während für die vertikal polarisierte Welle (FIG. 4B) die effektive Brechzahl zwischen ne und n0 liegt. Ist n1 die Brechzahl des Faserkerns 5 und wird nO) n1 gewählt, so wird die horizontal polarisierte Welle aus der Faser ausgekoppelt. Ist nie("1 und außerdem die effektive Brechzahl der vertikal polarisierten Welle im Körper 3 kleiner als n1, so wird die vertikal polarisierte Welle in der Faser geführt.
In FIG. 5B liegt die Hauptachse des Kristalles 3 in y-Richtung, also normal zur Berührungsfläche von Faser und Kristall. Es gelte wieder n0>n1, ne<n1, außerdem sei die effektive Brechzahl für die horizontal polarisierte Welle im Kristall 3 kleiner als n1. In diesem Fall wird die vertikal polarisierte Welle aus der Faser ausgekoppelt und die horizontal polarisierte Welle in der Faser geführt.
Beispiele für negativ einachsig doppelbrechende Kristalle sind (für 5890 A Wellenlänge) n n e 0 K N03 1.33 1.51 Na NO3 1.34 1.58 Für Quarz ist n1 = 1.458 In FIG. 6 wird als Körper 3 ein positiv einachsig doppelbrechender Kristall verwendet. Es gelte n < n1 und n > n1.
0 e Außerdem sei in FIG. 6A die effektive Brechzahl im Kristall für die vertikal polarisierte Welle größer als n1 und in FIG. 6B die effektive Brechzahl für die horizontal polarisierte Welle größer als n1. In FIG. 6A wird dann nur die horizontal polarisierte Welle geführt; in FIG. 6B wird nur die vertikal polarisierte Welle geführt.
Die Überlegungen gelten sinngemäß auch für zweiachsig doppelbrechende Kristalle als Körper 3. Ebenso sind die Überlegungen auch für zirkular doppelbrechende Kristalle als Körper 3 gültig. In letzterem Falle wirkt die Anordnung zirkular polarisierend.
Ebenso wirkt die Anordnung auch im multimodigen Fall, wobei die hier für den HE1l-Modus angestellten Überlegungen auf die höheren Moden zu erweitern sind.
FIG. 7 zeigt Querschnitte durch eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Die Lichtleitfaser 1 wird zwischen zwei Glasblöcken 7 und 8 gemeinsam mit einem Glasplättchen 6 eingebettet (z. B. geklebt). Das Glasplättchen 6 besitzt eine gekrümmte Kante, welche den Krümmungsradius der Lichtleitfaser 1 bestimmt. Die Anordnung aus Lichtleitfaser, Glasplättchen und Glasblöcken wird angeschliffen und mit dem Körper 3 in Kontakt gebracht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, den ganzen Körper 3 oder dessen Oberfläche 2 anstatt aus doppelbrechendem Material aus einem dichroitischen Material auszubilden. Dichroitische Materialien sind aus der Literatur bekannt, und dadurch gekennzeichnet, daß ihre optische Absorption polarisationsabhängig ist. Die Anordnungen nach FIG. 1 bis FIG. 3 und nach FIG. 7 können auch mit Körpern aus dichroitischem Material realisiert werden.
FIG. 8 zeigt weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung mit dichroitischen Schichten 9 bzw. 10 zwischen der Faser 1 und dem Körper 3. Des weiteren kann die Schicht 9 bzw. 10 zwischen 1 und 3 in FIG. 8 anstatt aus dichroitischem Material als dünner Metallfilm (einige 10 bis einige 1000 2 dick) ausgebildet sein. Ein derartiger Metallfilm absorbiert die vertikal polarisierte Welle wesentlich stärker als die horizontal polarisierte Welle.
Dieser Metallfilm 9 bzw. 10 kann auf einen eigenen Träger oder aber direkt auf die angeschliffene Fläche der Faser 1 oder auf den Körper 3 aufgebracht sein (z. B. durch Aufdampfen oder Aufsputtern).
Leerseite

Claims

Patentansprüche I PolariJator für faseroptische Anordnungen, dadurch geennzeichnet, daß eine Lichtleitfaser (1) über eine Länge L angeschliffen ist und über die Länge L mit der begrenzenden Fläche (2) eines Körpers (3) in Kontakt ist, so daß ein Teil des optischen Wellenfeldes aus der Lichtleitfaser (1) die Fläche (2) durchdringt und in den Körper (3) eindringt, und daß die Absorption des Lichtes in der Fläche (2) bzw. dem Körper (3) und/oder die Überkopplung des Lichtes aus der Lichtleitfaser (1) in den Körper (3) polarisationsabhängig ist.
2. Polarisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (1) eine einwellige ist und im Mantel (4) angeschliffen ist.
3. Polarisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (i) eine einwellige ist und bis in den Kern (5) angeschliffen ist.
4. Polarisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (1) eine vielwellige vom Stufenindexprofil-Typ oder vom Gradientenindexprofil-Typ ist und bis in den Kern (5) angeschliffen ist.
5. Polarisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (3) in der Weise ausgebildet ist, daß das Licht eines Polarisationszustandes Pl in der Lichtleitfaser (1) geführt wird, während das Licht des dazu orthogonalen Polarisationszustandes P2 aus der Lichtleitfaser ausgekoppelt oder absorbiert wird.
6. Polarisator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (3) ein transparenter, optisch doppelbrechender Kristall ist, und daß die Lage der optischen Achsen des Körpers (3) so gewählt ist, daß die Brechungsindizes für die Polarisationszustände P1 bzw. P2 des in den Körper (3) eindringenden Lichtes unterschiedlich sind.
7. Polarisator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex für den Polarisationszustand P1 im Körper (3) kleiner ist als derjenige im Kern (5) der Lichtleitfaser (1), und daß der Brechungsindex für den orthogonalen Polarisationszustand P2 im Körper (3) größer ist als derjenige im Kern (5) der Lichtleitfaser (1).
8. Polarisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (1) auf der gekrümmten Kante eines Glasplättchens (6) liegt, gemeinsam mit dem Glasplättchen (6) zwischen zwei Glasblöcke (7 und 8) gebettet ist, daß die Anordnung bestehend aus Lichtleitfaser (1), Glasplättchen (6) und Glasblöcken (7 und 8) auf der Seite mit der Lichtleitfaser (1) plan geschliffen ist, wobei die Lichtleitfaser (1) über eine Länge L angeschliffen ist, und daß die plan geschliffene Seite mit der Fläche (2) des Körpers (3) in Kontakt gebracht ist.
9. Polarisator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (3) oder die Fläche (2) aus einem dichroitischen Material besteht.
10. Polarisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Fläche (2) des Körpers (3) ein dünner Metallfilm (9 bzw. 10) aufgebracht ist.
11. Polarisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dünner Metallfilm (9 bzw. 10) auf die angeschliffene Fläche der Lichtleitfaser (1) aufgebracht ist.