DE3150697C2

DE3150697C2 - Einrichtung zur Regelung des Polarisationszustandes eines polarisierten Lichtstrahls.

Info

Publication number: DE3150697C2
Application number: DE19813150697
Authority: DE
Inventors: Friedemann Dipl.-Ing. 7253 Renningen Mohr
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1981-12-21
Filing date: 1981-12-21
Publication date: 1984-04-05
Also published as: DE3150697A1

Abstract

Bei der Einrichtung zur Regelung des Polarisationszustandes eines polarisierten Lichtstrahls koppelt ein Polarisations-Strahlungsteiler (6) nur den Teil eines Lichtstrahls zu einem optisch/elektrischen Wandler (7) aus, der nicht die gewünschte Polarisationsrichtung hat. Zwei Polarisationsstellgliedern (4, 5), die in um 45 ° gegeneinander geneigten Richtungen auf den Polarisationszustand des Lichtstrahls einwirken, erhalten jeweils ein hochfrequentes Wechselspannungssignal (A sin ωt, A cos ωt) und ein Regelsignal (U ↓R ↓1, U ↓R ↓2). Die Wechselspannungssignale für die beiden Polarisationsstellglieder sind voneinander unterscheidbar. Das Ausgangssignal des optisch/elektrischen Wandlers wird zwei Mischern (12, 13) zugeführt und in diesen mit den Wechselspannungssignalen gemischt. Deren Ausgangssignale werden über Tiefpässe (14, 15) PI-Regelverstärkern (16, 17) zugeführt, die die beiden Regelsignale erzeugen.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Regelung des Polarisationszustandes wie im Oberbegriff des Patentanspruchs angegeben. Eine solche Einrichtung ist aus dem Aufsatz »Polarization Stabilization on Single Mode Fiber« von R. Ulrich in Appl. Phys. Letters 35 (11), 1. Dezember 1979, S. 840-842 bekannt.

Bei der dort beschriebenen Einrichtung wird ein Teil des polarisierten Lichtstrahls ausgekoppelt und aus dem ausgekoppelten Teil werden Regelsignale abgeleitet. Die Energie des genutzten Lichtstrahls ist um die Energie des zur Regelung ausgekoppelten Teils verringert.

Aufgabe

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Einrichtung zur Regelung des Polarisationszustands anzugeben, bei der die zur Regelung notwendige Lichtenergie möglichst klein ist.

Lösung

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Patentanspruch angegebenen Mitteln.

Vorteile

Bei der neuen Einrichtung zur Regelung des Polarisationszustandes wird zu Regelzwecken nur der Teil des Lichtstrahls verwendet, der ohnehin nicht genutzt werden kann, nämlich der Teil, der einen unerwünschten Polarisationszustand aufweist Im eingeregelten Zustand, das heißt, wenn nur noch der gewünschte Polarisationszustand vorhanden ist, erfolgt nahezu keine Auskopplung mehr.

Die Erzeugung des Regelsignals erfolgt auf einfache Weise. Es ist nur ein optisch/elektrischer Wandler notwendig, auf den der gesamte ausgekoppelte Lichtstrahl

ίο gerichtet wird.

Beschreibung

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild der neuen Einrichtung zur Regelung des Polarisationszustands und

F i g. 2 ein Polarisationsstellglied der Einrichtung nach Fig. 1.

Ein in einem Laser 1 erzeugter Lichtstrahl wird in einem Polarisator 2 linear polarisiert Er gelangt über eine Ausbreitungsstrecke 21 zu zwei Polarisationsstellgliedern 4, i5 einer Einrichtung 20 zur Regelung des Polarisationszustandes. Ein Polarisationsstrahlungsteiler 6 läßt den Teil des Lichtstrahls, der den vorgeschriebenen Polarisationszustand aufweist (dies ist im vorliegenden Fall eine lineare Polarisation in der durch den Polarisator 6 vorgegebenen Richtung) ungestört hindurch und lenkt den Teil des Lichtstrahls, der nicht den vorgeschriebenen Polarisationszustand hat, zu einem optisch/elektrischen Wandler 7 ab.

In der als Lichtleitfaser realisierten Ausbreitungsstrecke 21 wird der Polarisationszustand durch äußere Einflüsse (Temperaturschwankungen; Einwirkung von Druck) unerwünscht verändert. Um diese unerwünschten Einflüsse zu kompensieren, wird der Polarisationszustand in den Polarisationsstellgliedern der Regeleinrichtung 20 geregelt.
Die Polarisationsstellglieder 4, 5 wirken in Richtungen, die senkrecht zu einer Lichtleitfaser 3, in der sich der Lichtstrahl in der Regelschaltung 20 ausbreitet, auf den Polarisationszustand des Lichtstrahls ein. Die Richtungen, in denen die beiden Polarisationsstellglieder wirken, sind außerdem um 45° gegeneinander geneigt.

Weiterhin ist die Richtung, in der das dem Strahlungsteiler 6 benachbarte Polarisationsstell&lied wirkt, um 45° gegen die Durchlaßrichtung des Polarisationsstrahlungsteilers 6 geneigt.
Die Polarisationsstellglieder verzögern den Lichtstrahl um Phasenverzögerungen «iundt, die jeweils vom Druck eines Polarisationsstellgliedes auf die Lichtleitfaser abhängen. Mit dem ersten Polarisationsstellglied 4 wird der Stokesparameter Ίζ und mit dem zweiten 5 der Stokes-Parameter^} geregelt. Durch Regelung dieser Parameter kann, wie an sich bekannt, der Polarisationszustand in den gewünschten Zustand gebracht werden. Dies läßt sich anhand der Poincare-Darstellung zeigen.

Anhand der F i g. 2 wird nachfolgend ein Polarisationsstellglied beschrieben. Es sind zwei Piezokeramiken 21,27 vorgesehen (Typ PPK 21 der Firma Standard Elektrik Lorenz AG, Stuttgart), deren Ausdehnung in Richtung auf die Lichtleitfaser 3 durch an Elektrodenpaare 22, 23; 22, 24; 25, 26 angelegte Spannungen steuerbar ist. Die in der Darstellung obere Piezokeramik 21 weist auf der einen Seite eine große Elektrode 23, die an Masse gelegt ist, und eine kleine Elektrode 24, der ein Signal A sin a>t bzw. A cos cüt (wird weiter unten noch näher erläutert) zugeführt wird, auf. Die kleine Elektro-

de hat eine Breite von ca. 1 mm. Auf der diesen Elektroden gegenüberliegenden Seite der Piezokeramik 21 ist eine Elektrode 22 vorgesehen, deren Abmessung so gewählt ist, daß sie beiden Elektroden 23 und 24 gegenüberliegt An sie wird eine Spannung Lfo bzw. U_R\ angelegt Die untere Piezokeramik 25 weist auf beiden Seiten gleich große Elektroden 25 und 26 auf. An sie werden die Spannungen Um bzw. Ur\ und Masse angelegt Der Abstand der Elektroden von den Rändern der Piezokeramiken ist jeweils so gewählt, daß keine Spannungsüberschläge zwischen den Elektroden auftreten. Die beiden Piezokeramiken sind durch eine mechanische Halterung 27 starr miteinander verbunden.

Bei der weiteren Beschreibung wird wieder auf die F i g. 1 Bezug genommen.

An die kleinen Elektroden der Polarisationsstellglieder werden die Spannungen A sin cot bzw. A cos cot angelegt. Die beiden Spannungen müssen unterschiedlich sein. Sie können sich in ihrer Frequenz oder in ihrer gegenseitigen Phasenlage unterscheiden. Unterscheiden sie sich durch unterschiedliche Phasen, dann muß

die Phasendifferenz (2/7+1) · y sein. Dies ist im vorliegenden Fall der Signale A sin a)t bzw. A cos ωχ erfüllt

In einem Oszillator 8 wird ein sinusförmiges Signal mit der Frequenz ω erzeugt. Ein Phasenschieber 9 erzeugt für eines der Signale eine Phasenverschiebung

von —. Das erste Polarisationsstellglied 4 erhält das

Signal A sin wt und das zweite 5 das Signal A cos ωί. Α ist 5 V und ist 18OkHz.

Durch Anlegen dieser Signale an die Polarisatiosisstellglieder üben diese sich mit der Signalfrequenz ω ändernde Drücke 3 aus. Dadurch oszilliert auch der Polarisationszustand mit der Frequenz ω um einen Mittelwert. Bei einer geeigneten Wahl der Frequenz ω macht sich dieses Oszillieren bei der Nutzung des Lichtstrahls nicht störend bemerkbar. Das Oszillieren des Polarisationszustandes ist notwendig, um auf die nachfolgend beschriebene Weise die Regelsignale erzeugen zu können.

Wie bereits erwähnt koppelt der Strahlungsteiler 6 zu dem optisch/elektrischen Wandler 7 nur den Anteil des Lichtstrahls aus, der nicht den erwünschten Polarisationszustand aufweist. Als Strahlungsteiler ist ein konventioneller Polarisationsstrahlenteiler vom Glan-Typ geeignet.

Das elektrische Ausgangssignal des optisch/elektrischen Wandlers 7 wird in gleiche Teile aufgeteilt und zwei Mischern 12,13 zugeführt.

Beim ersten Mischer 12 wird als Mischsignal das Signal A sin ω t und dem zweiten Mischer 13 wird als Mischsignal das Signal A cos ω t zugeführt Zur Erzeugung der Regelsignale werden nur die Gleichspannungsanteile der Mischerausgangssignale verwendet Diese sind zu den Stokes-Parametern S₁ und S₃ proportionaL Diese unterschiedlichen Signale, die notwendig sind, um den beiden Polarisationsstellgliedern eindeutig zuzuordnende Regelsignale erzeugen zu können, erhält man nur dann, wenn den kleinen Elektroden der Polarisationsstellglieder voneinander unterscheidbare Signale zugeführt werden.

Um zu erreichen, daß zwei PI-Regelverstärkern 16, 17 (PI: proportional — integral) nur die Gleichspannungsanteile der Mischerausgangssignale zugeführt werden, sind den Mischern 12,13 Tiefpässe 14,15 nachgeschaltet

Im ersten PPI-Regelverstärker 16 wird das Regelsignal Ur 2 für das erste Polarisationsstellglied 4 und im zweiten PI-Regelverstärker 17 wird das Regelsignal Ur ι für das zweite Polarisationsstellglied 5 erzeugt

PI-Regelverstärker sind in sich bekannt Sie werden auch bei der Regelung gemäß der genannten Literaturstelle zur Erzeugung der Regelsignale verwendet.

Die PI-Regelverstärker enthalten jeweils einen Differenzverstärker, dessen » + -Eingang« auf Masse liegt und dessen » — -Eingang« über einen Widerstand Ri mit dem Tiefpaß verbunden ist. Parallel zu » — -Eingang« und Ausgang des Differenzverstärkers sind ein Kondensator Cund ein Widerstand R 2 geschaltet
Die Dimensionierung eines PI-Regelverstärkers abhängig von den Regelgrößen ist dem Fachmann bekannt (z. B. Fröhr/Orttenburger, »Einführung in die elektronische Regelungstechnik«, Siemens AG, Berlin 1970, Kapitel 4). Bei der vorliegenden Regeleinrichtung erzeugen die Regelverstärker Spannungen, die groß genug sind, um die Piezokeramiken direkt ansteuern zu können.

Falls sich der Lichtstrahl, dessen Polarisationszustand geregelt werden soll, nicht in einer Lichtleitfaser ausbreitet, müssen andere Polarisationsstellglieder verwendet werden. Geeignet als Polarisationsstellglied ist beispielsweise ein LiNbO₃-Kristall, durch den der Lichtstrahl hindurchgeleitet wird.

Durch Ausnützen des elektro/optischen Effekts, dessen Größe von der angelegten elektrischen Spannung abhängt, wird der Lichtstrahl, der den Kristall durchläuft, unterschiedlich verzögert. Es werden also Zustünde geschaffen, die den oben Beschriebenen entsprechen. Wie bei den Polarisationsstellgliedern, die auf die Lichtleitfaser wirken, werden auch an den Kristall eine Spannung, die ein hochfrequentes Oszillieren um einen mittleren Polarisationszustand hervorruft und eine Spannung, die das Regelsignal ist, angelegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

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iß M

Patentansprüche:

Einrichtung zur Regelung des Polarisatioriszustandes eines polarisierten Lichtstrahls mit zwei Polarisationsstellgliedern, denen Regelsignale zugeführt werden und die in zwei um 45° gegeneinander geneigten Richtungen auf die Polarisation des Lichtstrahls einwirken, mit einer Auskoppeleinrichtung, die einen Teil des Lichtstrahls nach dem Passieren des Polarisationsstellgliedes auskoppelt und einem optisch/elektrischen Wandler zuführt, und mit einer weiteren Einrichtung, die zwei Regelverstärker enthält, die die Abweichung des tatsächlichen Polarisationszustandes von dem gewünschten Polarisationszustand ermittelt und aus der Abweichung Regelsi-,gnale ableitet, dadurch gekennzeichnet, daß den Polarisationsstellgliedern (4, 5) jeweils ein Wechselspannungssignal zugeführt wird, wodurch der Polarisationszustand des Lichtstrahls so beeinflußt wird, daß er geringfügig um einen Mittelwert oszilliert, daß sich diese Wechselspannungssignade in ihrer relativen Phasenlage zueinander um

(2/7+1) · -γ oder in einer Frequenz unterscheiden,

daß die Auskoppeleinrichtung (6) so ausgebildet ist, daß sie zu dem optisch/elektrischen Wandler (7) nur den Anteil des Lichtstrahls auskoppelt, dei nicht, den gewünschten Polarisationszustand aufweist, daß das Ausgangssignal des optisch/elektrischen Wandlers in Mischern (12,13), denen Tiefpässe (14,15) nachgeschaltet sind, mit jeweils einem der Wechselspannungssignale gemischt wird, und daß die Ausgangssignale der Tiefpässe den Regelverstärkern (16, 17), die die Regelsignale für die Polarisationsstellglieder erzeugen, zugeführt werden.