DE2840254C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer optischen Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche optische Vorrichtung ist aus der US-PS 32 67 804 bekannt. Sie bildet einen optischen "Zirkulator", welcher ein auf einer Lichtwelle übertragenes Signal von einem ersten Anschluß zu einem zweiten Anschluß in einer gegebenen Richtung und von einem zweiten Anschluß zu einem dritten Anschluß in der entgegengesetzten Richtung über dieselbe Übertragungsstrecke überträgt. Auf der Übertragungsstrecke ist ein Prisma aus doppelbrechendem Material angeordnet, das die von dem ersten Anschluß ausgehende Lichtwelle auf seiner einen Seite eintreten läßt und auf der gegenüberliegenden Seite austreten läßt, die auf dieser gegenüberliegenden Seite eintretende, von dem zweiten Anschluß kommende polarisierte Lichtquelle jedoch zum dritten Anschluß ablenkt. Auf der Übertragungsstrecke ist ferner eine nichtreziproke Polarisationsdreheinrichtung angeordnet, bei welcher der Faraday-Effekt ausgenutzt wird, um eine Drehung der Polarisationsrichtung der durchgelassenen Lichtwelle um 45° in gleichem Sinne für beide einander entgegengesetzten Ausbreitungsrichtungen zu erzeugen. Zur Abnahme des elektrischen Signals, das der Lichtwelle aufmoduliert ist, ist an jedem Anschluß ein elektrooptischer Wandler vorgesehen. Der zu dem dritten Anschluß gehörende elektrooptische Wandler ist auf die eine, seitliche Fläche des doppelbrechenden Prismas aufgesetzt.

Aus der DE-OS 22 48 370 ist es bereits bei einem optischen Zwischenverstärker für ein Nachrichtenübertragungssystem bekannt, beiderseits eines optischen Elementes, in dem der Faraday-Effekt zur Polarisationsdrehung ausgenutzt wird, ein Polarisatorelement anzuordnen, von denen das eine eine durch ein Magnetfeld steuerbare Polarisationsrichtung aufweist. Diese Anordnung bildet ein richtungsabhängiges Lichtfilter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Vorrichtung der eingangs angegebenen Art dahingehend weiterzubilden, daß sie als Sende- oder Empfangsstation für moduliertes Licht in einem Nachrichtenübertragungssystem geeignet ist, das eine Vielzahl solcher Vorrichtungen enthalten kann und die Multiplexierung und Demultiplexierung erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen optischen Vorrichtung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Maßnahme gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bildet einen optischen Zirkulator, der eine wirtschaftliche und raumsparende Verbindung mit anderen gleichartigen Vorrichtungen und mit optischen Übertragungsstrecken ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung dieser Vorrichtung in optischen Übertragungseinrichtungen für Fersprechverbindungen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 das allgemeine Schema eines optischen Zirkulators

Fig. 2 eine Ausführungsform des Zirkulators,

Fig. 3 das Schema einer Anordnung zur Übertragung in beiden Richtungen über eine einzige Lichtleitfaser,

Fig. 4 das Schema eines Multiplexierers oder Demultiplexierers für zwei Wellen,

Fig. 5 eine Ausführungsform eines Filters,

Fig. 6 die Kennlinien des Filters von Fig. 5,

Fig. 7 eine andere Ausführungsform eines Multiplexierers/Demultiplexierers,

Fig. 8 eine Ausführungsform der Eingangs- oder Ausgangsanordnung der Vorrichtung von Fig. 7,

Fig. 9 das Schema eine Multiplexierers oder Demultiplexierers mit n Kanälen,

Fig. 10 Kennlinien der Anordnung von Fig. 9,

Fig. 11 das Schema einer anderen Ausführungsform eines Multiplexierers oder Demultiplexierers mit n Kanälen und

Fig. 12 Kennlinien der Anordnung von Fig. 11.

Fig. 1 zeigt ein allgemeines Schema einer optischen Übertragungsvorrichtung. Die über einen ersten Anschluß 1 eintretende Strahlungsenergie wird an einen zweiten Anschluß 2 abgenommen, während die am zweiten Anschluß 2 eintretende Strahlungsenergie an einem dritten Anschluß 3 empfangen wird, der von dem ersten Anschluß 1 verschieden ist. Die Figur zeigt die Richtung des elektrischen Feldes E der Welle in einer Ebene, die senkrecht zu den Ausbreitungsrichtungen der Energie in den beiden Übertragungsrichtungen ist, an verschiedenen Punkten des optischen Zirkulators: Im unteren Teil der Figur für die Bewegung vom Anschluß 1 zum Anschluß 2, und im oberen Teil der Figur für die Bewegung vom Anschluß 2 zum Anschluß 3. Eine im wesentlichen monochromatische Strahlung 7, die über den Anschluß 1 eintritt und in einer Richtung x polarisiert ist, geht durch eine planparallele Platte 8 aus einem doppelbrechenden einachsigen Material, das einen ordentlichen Strahl ohne Ablenkung durchläßt, während es einen außerordentlichen Strahl ablenkt. Es wird dafür gesorgt, daß die Polarisation der Strahlung 7 einem ordentlichen Strahl entspricht. Sie wird daher nicht abgelenkt. Die Strahlung 7 geht anschließend durch eine nicht-reziproke Polarisationsdreheinrichtung 9 nach der Art eines Faraday-Effekt-Drehglieds, das die Aufgabe hat, eine Drehung der Polarisation der hindurchgehenden Welle um 45° zu verursachen. Die Richtung der Drehung ist stets gleich, unabhängig davon, ob der Durchgang in der einen oder anderen Richtung erfolgt. Am Ausgang der Polarisationsdreheinrichtung 9 bildet das Feld E der optischen Trägerwelle einen Winkel von 45° mit der Richtung x. Die Strahlung geht anschließend durch ein Halbwellenplättchen 4, dessen schnelle Achse R mit der Richtung x einen Winkel α von 22,5° bildet, so daß an seinen Ausgang das Feld E wieder parallel zur Richtung x ist Die am Anschluß 2 abgenommene Strahlung hat somit die gleiche Polarisation wie die ankommende Strahlung 7.

Es sei nun eine Strahlung 70 betrachtet, die über den Anschluß 2 ankommt und parallel zur Richtung x polarisiert ist. Das Halbwellenplättchen 4 dreht das Feld E um 45° in der entgegengesetzten Richtung wie zuvor. Dagegen dreht die Polarisationsdreheinrichtung 9 die Polarisation um 45° in der gleichen Richtung wie zuvor, so daß das Feld E der Strahlung nach dem Durchgang durch die Polarisationsdreheinrichtung 9 senkrecht zur Richtung x ist. Die Strahlung tritt somit in die Platte 8 in Form eines außerordentlichen Strahls ein. Sie wird daher von der Platte 8 um einen Winkel R abgelenkt, so daß man an dessen Ausgang eine Strahlung 5 erhält, die einem Weg folgt, der von dem Weg der Strahlung 7 verschieden ist. Im Sonderfall von Fig. 1 sind die Wege der Strahlungen 5 und 7 parallel und gegeneinander um eine Strecke d versetzt, die von dem Winkel R und von der Dicke der Platte 8 abhängt. Ein Halbwellenplättchen 6, dessen schnelle Achse einen Winkel von 45° mit der Achse x bildet, ermöglicht es, am Anschluß 3 einen Strahl abzunehmen, dessen Polarisation parallel zur Richtung x ist. Die Verwendung der Halbwellenplättchen 4 und 6 macht es möglich, an den Anschlüssen 1, 2, 3 die gleiche Polarisation zu erhalten, doch sind sie für die eigentliche Zirkulatorfunktion nicht unbedingt notwendig.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des in Fig. 1 schematisch dargestellten Zirkulators, wobei die verschiedenen Bestandteile in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Bestandteile sind auf einem Sockel 11 nebeneinander angeordnet. Die Strahlungen der Anschlüsse 1, 2 und 3 breiten sich in Lichtfasern 1, 2, 3 aus, die in Trägern 10, 20 bzw. 30 angeordnet sind, wodurch eine bleibende Ausrichtung gewährleistet ist. Die Platte 8 ist aus einem doppelbrechenden Material wie Rutil gebildet, dessen Länge l₈ unter Berücksichtigung des Winkels R, der von den Eigenschaften der verwendeten Materials und dem Schnitt der Platte 8 abhängt, für eine gute Trennung der Lichtleitfasern 1 und 3 ausreicht. Die Polarisationseinrichtung 9 ist durch eine Schicht ais einem ferrimagnetischen Granat mit der Dicke h₉ gebildet, die auf ein Substrat 12 aufgebracht ist, das beispielsweise aus einem Gadolinium-Gallium-Granat (GGG) mit der Dicke h₁₂ besteht. Die Polarisationsdreheinrichtung 9 kann aus einem Yttrium-Eisen-Granat (YID) gebildet sein, wobei vorzugsweise gewisse Yttrium- und/oder Eisen-Atome substituiert sind, damit die Magnetisierungsrichtung des Materials in der Ebene der Schicht liegt, und sie kann epitaktisch auf das Substrat 12 aufgebracht sein. Die Breite d₉ der Schicht und die Dicken h₉ und h₁₂ sind vorzugsweise so gewählt, daß sie gerade dafür ausreichen, daß die gesamte aus den Fasern austretende Strahlungsenergie sich in der Schicht ausbreiten kann. Die Magnetisierung M der Schicht ist parallel zu der Ausbreitungsrichtung orientiert; dies geschieht durch herkömmliche elektromagnetische Einrichtungen, die in der Figur nicht dargestellt sind, beispielsweise durch eine Spule, durch die ein elektrischer Strom fließt. Die Länge l₉ der aus dem Substrat 12 und der Schicht bestehenden Anordnung ist so bemessen, daß der Polarisationsdrehwinkel 45° beträgt. Dieser Winkel ist nämlich bekanntlich zu der durchlaufenen Strecke proportional. Die Halbwellenplättchen 4 und 6 bestehen aus einem doppelbrechenden Material, beispielsweise Quarz. Die Längen l₄ und l₆ dieser Plättchen, die gleich groß sein können, sind so bemessen, daß der von ihnen verursachte Gangunterschied ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge λ des übertragenen Lichtes ist. Im Hinblick auf die verwendeten Materialien eignet sich die Vorrichtung vorteilhaft für Infrarotstrahlung.

Der Zirkulator von Fig. 2 kann beispielsweise in der folgenden Form hergestellt sein: die Fasern 1, 2, 3 haben einen Durchmesser von 50 µm. Die Platte 8 besteht aus Rutil; sie ist so geschnitten, daß die Eintritts- und Austrittsflächen mit seiner optischen Achse einen Winkel bilden, bei dem der Ablenkwinkel R ein Maximum hat. Man erhält dadurch R=0,1 Bogengrade; seine Länge beträgt l₈=1 mm, was einen Abstand d=100 µm zwischen den Achsen der Lichtleitfasern 1 und 3 ergibt. Das Substrat 12 aus GGG hat die Dicke h₁₂=500 µm. Die Schicht aus YIG hat die Dicke h₉=50 µm; Substitutionen durch Terbium-Atome ermöglichen die Erzielung einer Faraday-Konstante von etwa 400°/cm; zur Erzielung eines Winkels von 45° liegt die Länge l₉ in der Größenordnung von 1 mm; die Breite d₉ ist mindestens gleich dem Durchmesser der Lichtleitfasern 1 und 2, also d₉=50µm. Das Plättchen 4 besteht aus Quarz; es ist so geschnitten, daß seine schnelle Achse senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung steht und einen Winkel von 22,5° mit der Richtung x bildet; seine Länge l₄ ist so bemessen, daß gilt:

wobei n _a und n₀ der Brechungsindex für den außerordentlichen Strahl bzw. für den ordentlichen Strahl sind und k eine ganze Zahl ist. Für λ=1 µm und k=3 liegt l₄ in der Größenordnung von 100 µm. Das Plättchen 6 besteht gleichfalls aus Quarz, und seine Länge l₆ ist gleich der Länge l₄; es ist so geschnitten, daß seine schnelle Achse senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung steht und einen Winkel von 45° mit der Richtung x bildet. Die Träger 10, 20 30 sind vorzugsweise durch einen Siliziumauftrag gebildet, der zur Erzielung der gewünschten V-förmigen Ausnehmungen eingeschnitten ist.

Fig. 3 zeigt das Schema einer ersten Anwendung des beschriebenen Zirkulators. Es handelt sich um die Verbindung von zwei jeweils mit einem Sender und einem Empfänger ausgestatteten Stationen durch eine einzige Leitung. Bei dieser Anordnung werden zwei nichtreziproke Vorrichtungen 301 und 302 angewendet, von denen jede der Vorrichtung von Fig. 1 und 2 entspricht. Die Strahlungsenergie kann über den Anschluß E₁ in den Zirkulator 301 eintreten und diesen über den Kanal T verlassen. Sie wird dann im Kanal T übertragen und vom Zirkulator 302 empfangen, aus dem sie über den Anschluß R₂ austritt. In der entgegengesetzten Richtung kann die Strahlungsenergie über den Anschluß E₂ in den Zirkulator 302 eintreten, worauf sie wie zuvor über den gleichen Kanal T übertragen wird und in den Zirkulator 301 eintritt, den sie über den Anschluß R₁ verläßt. Die Anschlüsse E₁ und R₁ beim Zirkulator 301 und die Anschlüsse E₂ und R₂ beim Zirkulator 302 spielen jeweils die gleiche Rolle wie die Anschlüsse 1 und 3 von Fig. 1. Sie sind beispielsweise durch Lichtleitfasern gebildet. Die Anschlüsse E₁ und E₂ sind für die Verbindung mit Strahlungsquellen bestimmt, denen im allgemeinen Modulationseinrichtungen zum Aufmodulieren einer zu übertragenden Information zugeordnet sind. Die Anschlüsse R₁ und R₂ sind für die Verbindung mit Strahlungsdetektoren bestimmt, denen Einrichtungen zugeordnet sind, welche die Aufgabe haben, die von der übertragenen Welle mitgeführte Information wieder herzustellen. Eine solche Übertragungsanordnung ist platzsparend und wenig kostspielig; sie kann insbesondere beim Fernsprechen verwendet werden.

Das Schema von Fig. 4 zeigt eine zweite Anwendung des Zirkulators für das Multiplexieren oder Demultiplexieren von Lichtwellen mit verschiedenen Trägerfrequenzen. Diese Anordnung enthält eine nichtreziproke Vorrichtung der in Fig. 1 gezeigten Art in Verbindung mit selektiven Lichtfiltereinrichtungen. Die Bestandteile, die denjenigen von Fig. 1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Für das Demultiplexieren wird über den Anschluß 1 eine ankommende Strahlung eingeführt, die in Richtung x polarisiert ist und zwei Trägerwellen mit den Wellenlängen λ₁ bzw. λ₂ enthält. Diese Strahlung geht nacheinander durch die Platte 8, die Polarisationsdreheinrichtung 9 und das Halbwellenplättchen 4. In Verlängerung dieses Halbwellenplättchens ist ein Filter 12 angeordnet, das die Eigenschaft hat, die Trägerwelle mit der Wellenlänge λ₂ zu reflektieren und die Trägerwelle mit der Wellenlänge λ₁ zu übertragen. Man erhält somit am Ausgang des Filters am Anschluß 2 die Trägerwelle der Wellenlänge λ₁. Die andere Trägerwelle wird reflektiert und geht erneut durch das Halbwellenplättchen 4, die Polarisationseinrichtung und die Platte 8. Sie wird von der Platte 8 abgelenkt, geht durch das Halbwellenplättchen 6 und wird am Anschluß 3 abgenommen. Auf diese Weise sind die beiden Trägerwellen der ankommenden Strahlung voneinander getrennt worden. Die richtige Funktion dieser Anordnung setzt jedoch voraus, daß, die Wellenlängen λ₁ und λ₂ so nah beieinanderliegen, daß das Verhalten der verschiedenen Bestandteile, insbesondere der Halbwellenplättchen, für die beiden Trägerwellen im wesentlichen gleich ist. Beispielsweise erlauben die verwendeten Filter die Trennung von Wellen mit einer Wellenlänge in der Größenordnung von 1 µm, für die gilt:

Für diesen Zweiwellen-Demultiplexierer sind verschiedene Arten von Filtern verwendbar: Es kann sich um ein Tiefpaßfilter oder Hochpaßfilter handeln, dessen Grenzwellenlänge zwischen λ₁ und λ₂ liegt, oder um ein Bandpaßfilter oder Bandsperrfilter, dessen Resonanz mittig zu der Wellenlänge λ₁ oder der Wellenlänge λ₂ liegt, und dessen Bandbreite kleiner als |λ₁-λ₂| ist.

Die in Fig. 4 schematisch dargestellte Anordnung kann auch zum Multiplexieren von zwei Strahlungen mit den Wellenlängen λ₁ bzw. λ₂ dienen, die am Anschluß 1 bzw. am Anschluß 2 ankommen und beide in der Richtung x polarisiert sind. Das Filter wird so gewählt, daß es die Strahlung mit der Wellenlänge λ₂ durchäßt und die Strahlung mit der Wellenlänge λ₁ reflektiert. Die über den Anschluß 1 ankommende Strahlung geht ohne Ablenkung durch die Platte 8, durch die Polarisationsdreheinrichtung 9 und durch das Halbwellenplättchen 4; sie wird vom Filter 12 reflektiert und geht erneut durch das Halbwellenplättchen 4 und die Polarisationsdreheinrichtung 9, an deren Ausgang ihre Polarisation senkrecht zur Richtung x steht. Sie wird also von der Platte 8 abgelenkt, geht durch das Halbwellenplättchen 6 und wird am Anschluß 3 abgenommen. Die über den Anschluß 2 ankommende Strahlung wird vom Filter 12 durchgelassen und legt dann den gleichen Weg wie die erste Strahlung zurück. Sie wird daher ebenfalls am Anschluß 3 mit der gleichen Polarisation abgenommen.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform eines Filters, das auf dem Sockel 11 von Fig. 2 zwischen dem Halbwellenplättchen 4 und dem Träger 20 der Lichtleitfaser 2 eingefügt ist. Es handelt sich um ein Mehrschicht-Interferenzfilter. Die Dicke der Schichten und ihre Zusammensetzung sind so gewählt, daß die gewünschte Filterkurve erhalten wird. Eine geeignete Filterkurve, die den Übertragungsfaktor t des Filters 12 als Funktion der Wellenlänge λ darstellt, ist in Fig. 6 angegeben. Es handelt sich dabei um ein Bandpaßfilter mit der Resonanzwellenlänge λ₀, bei welcher der Übertragungsfaktor t=t₀ nahe bei 1 liegt. Die Halbwertsbreite B ist durch t=t _0/2 definiert. Die Werte B und λ₀ sind so gewählt, daß eine der Wellenlängen λ₁, λ₂ im Durchlaßband liegt, während die andere außerhalb des Durchlaßbandes liegt.

Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform des Multiplexierers, bei der die Führung der Lichtenergie in dünnen magnetischen Schichten angewendet wird, die auf ein Substrat aufgebracht sind. Die Vorrichtung enthält ein Substrat 120, das beispielsweise aus einem Gadolinium-Gallium-Granat gebildet ist, und eine epitaktisch auf das Substrat 120 aufgebrachte Schicht 90 auf einem Material, das vorzugsweise aus einem ferrimagnetischen Granat besteht, beispielsweise aus einem Yttrium-Eisen-Granat mit substituierten Gadolinium- und Gallium-Atomen, damit die Magnetisierungsrichtung des Materials in der Ebene der Schicht liegt. Die Dicke der Schicht bestimmt die Anzahl der Wellenformen, die sich durch Totalreflexionen an den Grenzflächen zwischen Substrat und Schicht sowie zwischen Schicht und Luft ausbreiten können. Man erkennt in der Figur, daß die Schichtdicke nicht für die ganze Anordnung gleich ist. Dem Zweig, der in Fig. 4 mit 1 bezeichnet ist, entspricht nämlich eine Zone Z₈₀ der Schicht mit der Dicke e₁. Der Wert von e₁ ist so gewählt, daß sich nur die Wellenform TE₀ ausbreiten kann, wobei die Dicke e₁ kleiner als die Dicke ist, die der Grenzwellenlänge für die Wellenform TM entspricht. Dem Polarisationstrennglied 8 entsprechen die Zonen Z₈₁ und Z₈₂ der Schicht: Die Zone Z₈₂ liegt in Verlängerung der Zone Z₈₀ und hat die gleiche Dicke. Die sich anschließende Zone Z₈₁ hat eine Dicke e₂, die größer als die Dicke e₁ ist, so daß sich die beiden Wellenformen TE₀ und TM₀ darin ausbreiten können. Die Grenze zwischen diesen beiden Zonen bildet eine Winkel β mit der Hauptachse z des Lichtleiters, welche die Ausbreitungsrichtung im Zweig 1 und im Rest der Vorrichtung ist, mit Ausnahme des Halbwellenplättchens 6, wie später zu ersehen sein wird. Eine in der Zone Z₈₀ ankommende Strahlung breitet sich anschließend in der Zone Z₈₂ aus, und dann in den Zonen Z₉, Z₄ und Z₁₂ der Dicke e₂, die in Verlängerung voneinander in der Richtung z liegen und die Längen L₉, L₄ bzw. L₁₂ haben; diese Zonen entsprechen der nichtreziproken Polarisationsdreheinrichtung 9, dem Halbwellenplättchen 4 bzw. dem Filter 12. Man erhält in der Zone Z₉ dadurch einen Faraday-Effekt, daß man ein konstantes Magnetfeld H₂ anlegt, das parallel zu der Achse z gerichtet ist; dies geschieht mit Hilfe einer Spule 91, durch die ein von einer Stromquelle 13 gelieferter Strom i fließt. Dieses Magnetfeld orientiert die Magnetisierung der Schicht in der Richtung z und verursacht eine Drehung der Polarisation der sich in der Schicht ausbreitenden Strahlung um einen Winkel, der der Wechselwirkungslänge proportional ist. Man wählt den Wert der Länge L₉ so daß dieser Winkel 45° beträgt. Die Zone Z₄ wird durch einen Cotton-Mouton-Effekt doppelbrechend gemacht, der durch ein Magnetfeld verursacht wird, das eine Komponente H₃ in der Richtung der Achse x hat, die senkrecht zu der Achse z in der Ebene der Schicht liegt, sowie eine Komponente H₄, die senkrecht zu der Schichtebene steht. Die Werte der Magnetfeldkomponenten H₃ und H₄ sind so bemessen, daß die Richtung R des resultierenden Magnetfeldes einen Winkel α=22,5° mit der Achse x bildet, und daß sein Wert ausreichend groß ist, um die Magnetisierung in die gleiche Richtung zu bringen. Bekanntlich wird die Schicht dann doppeltbrechend, wobei ihre schnelle Achse in der Richtung R liegt. Die Länge L₄ wird so bemessen, daß die von der Zone Z₄ verursachte Phasenverschiebung gleich (2k+1)ρ ist. Man erhält somit ein Halbwellenplättchen. Die dem Filter 12 entsprechende Zone Z₁₂ ist zur Bildung eines Gitters graviert. Es handelt sich dabei um ein Bandsperrfilter. Die Gitterteilung P und die Anzahl N der Gitterstriche sind so gewählt, daß das Filter die Strahlungen reflektiert, deren Wellenlänge in einem Band der Breite B enthalten ist, das so gewählt ist, daß die Wellenlänge λ₂ im Band liegt und die Wellenlänge λ₁ außerhalb des Bandes. Die Zone 12 hat die Länge L₁₂ = NP. Die von dem Gitter reflektierte Strahlung breitet sich in der entgegengesetzten Richtung über die Zonen Z₄ und Z₉ aus und kommt an der Zone Z₈₁ in der Wellenform TM an. Die Grenze zwischen den Zonen Z₈₁ und der Schicht 90 entspricht nämlich ein anderer Ausbreitungsindex für eine gegebene Wellenform, die im vorliegenden Fall die Wellenform TM₀ ist. Die Zonen Z₈₀ und Z₈₂ haben den Ausbreitungsindex n₁, und die Zonen Z₈₁, Z₉, Z₄, Z₁₂ haben den Ausbreitungsindex n₂<n₁. Der Winkel β ist in Abhängigkeit von den Werten n₁ und n₂ so gewählt, daß die Bedingung der Totalreflexion erfüllt wird, d. h. daß gilt β<β₀ und cos β₀=n₁/n₂. Die sich in der Wellenform TM₀ ausbreitende Strahlung geht ausschließlich durch die Zone Z₈₁ und dann durch die Zone Z₆ der Dicke e₂, die dem Halbwellenplättchen 6 entspricht. Die Ausbreitungsrichtung z₁ bildet einen Winkel 2 b mit der Richtung z. Man erzeugt, wie in der Zone 4, eine Doppelbrechung aufgrund des Cotton-Mouton-Effekts durch ein Magnetfeld mit einer Komponente H₅, die parallel zu einer Achse x₁ liegt, die in der Schichtebene senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung z₁ steht, und mit einer Komponente H₆, die senkrecht zu der Schichtebene steht. Es gilt H₅=H₆, so daß die schnelle Achse der Zone Z₆ einen Winkel von 45° mit der Achse x₁ bildet und die Länge l₆ gleich der Länge l₄ sein kann. Um die Orientierung der Magnetisierung in den Zonen Z₈₀, Z₈₁ und Z₈₂ zu erhalten, kann man an diese Zonen ein Feld h geringen Wertes anlegen, das parallel zur Richtung x orientiert ist, was die Vermeidung des Faraday-Effekts und des Cotton-Mouton-Effekts in diesen Zonen ermöglicht. Fig. 7 zeigt Zonen, die mit klaren Grenzen vollkommen abgegrenzt sind. Dies gilt einerseits, wenn die Dicke der Zonen so klein ist, daß die Magnetisierung von einer Richtung zu der anderen Richtung mit einer Übergangszone von vernachlässigbarer Länge geht, und andererseits dann, wenn die in den verschiedenen Zonen angelegten Magnetfelder eine Verteilung mit steilen Flanken haben. Die erste Bedingung ist leicht zu erfüllen: Die angewendeten Schichtdicken sind stets klein, weil man Wellenformen der Ordnung O zu übertragen sucht. Die Erfüllung der zweiten Bedingung hängt von den Einrichtungen zum Anlegen der Magnetfelder ab. Diese Einrichtungen sind zur Vereinfachung nicht alle in der Figur dargestellt. Die Magnetfelder H₃, H₄, H₅, H₆ können mit Hilfe von Magneten erhalten werden, für welche die Randeffekte gegenüber den vollkommenen Längen vernachlässigbar sind. Für die Spule 91 ist festgestellt worden, daß die Verteilung des Feldes H₂ befriedigend ist, wenn die Länge der Spule sehr viel größer als ihr Durchmesser ist, was leicht dadurch erreicht werden kann, daß die Dicke des Substrats klein gegen die Länge L₉ gewählt wird. Als Beispiel können die folgenden Werte bei einer Schicht 90 aus YIG auf einem Substrat 120 aus GGG gewählt werden:

e₁=1 µm; e₂=5 µm; L₄=L₆=10 mm; L₉=L₁₂=10 mm; N=10⁴.

Diese Ausführungsform mit Lichtwellenleitung durch Schichten ist natürlich auch für den Zirkulator von Fig. 1 anwendbar, vorausgesetzt, daß die Zone Z₁₂, d. h. die Filterzone, fortgelassen wird.

Die Einrichtungen für den Eintritt und Austritt des Lichtes über die Anschlüsse 1, 2, 3 sind in Fig. 7 nicht dargestellt. Im allgemeinen wird das Licht durch eine Lichtleitfaser oder ein Lichtleitfaserbündel übertragen, dessen Durchmesser sehr viel größer als die Dicke der Schicht 20 ist (größenordnungsmäßig das 50fache). Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Eingangs- (oder Ausgangs-)Einrichtung für den Anschluß 1. Zwischen der Faser 1 und der Zone Z₈₀ der Demultiplexieranordnung (oder Multiplexieranordnung) ist eine zylindrische Faser 121 angeordnet, beispielsweise aus Glas. Diese Faser liegt quer zu der Faser 1, so daß sie die Rolle einer Zylinderlinse spielt. Das aus der Faser 1 austretende Lichtbündel 7, das ein paralleles Bündel von kreisrundem Querschnitt ist, ist nach dem Durchgang durch die Faser 121 abgeflacht. Die Demultiplexieranordnung und die Faser 121 sind so angeordnet, daß das abgeflachte Bündel unter einem kleinen Einfallswinkel (der kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist) an der Schicht 90 ankommt und eine Dicke hat, die kleiner als die Dicke der Schicht 120 oder gleich dieser Dicke ist. Auf diese Weise tritt ein Maximum der Energie des Bündels 7 in die Schicht 90 ein.

Durch Vereinigung mehrerer Multiplexier- oder Demultiplexieranordnungen mit zwei Kanälen der zuvor beschriebenen Art kann man eine Vorrichtung mit n Kanälen erhalten.

Fig. 9 zeigt eine Anordnung mit drei Vorrichtungen 101, 102, 103 der in Fig. 4 gezeigten Art, die in Kaskade angeordnet sind. Es sei der Fall der Demultiplexierung betrachtet. Eine ankommende Strahlung W₁+W₂+W₃+W₄, die vier Trägerwellen W₁, W₂, W₃, W₄ mit den Wellenlängen g₁, λ₂, λ₃ bzw. λ₄ enthält, tritt in die Vorrichtung 101 ein, die ein selektives Filter enthält, das auf die Wellenlänge λ₁ abgestimmt ist. Je nach dem Filtertyp wird entweder die Welle W₁ übertragen und die Welle W₂+W₃+W₄ wird reflektiert, oder umgekehrt. Die Vorrichtung 101 trennt somit die Trägerwelle W₁ von den drei anderen Trägerwellen ab. Die Welle W₂+W₃+W₄ tritt in die Vorrichtung 102 ein, die ein selektives Filter enthält, das auf die Wellenlänge λ₂ abgestimmt ist und die Welle W₂ auswählt. Schließlich tritt die Welle W₃+W₄ in die Vorrichtung 103 ein, welche die Trägerwelle W₃ und W₄ voneinander trennt. In Fig. 10 sind als Beispiel in einem gemeinsamen Diagramm die Übertragungslinien C₁, C₂, C₃ der in den Vorrichtungen 101, 102, 103 enthaltenen Filter dargestellt. Dieses Diagramm bezieht sich auf den Fall, daß die Wellen W₁, W₂, W₃ die von den Filtern der Vorrichtungen 101, 102 bzw. 103 durchgelassenen Wellen sind.

Fig. 11 zeigt einen Demultiplexierer mit 8 Kanälen, der 7 parallel angeordnete Demultiplexiervorrichtungen 201 bis 207 enthält. Die ankommende Strahlung S₁+S₂ ...+S₈ besteht aus 8 Trägerwellen S₁ bis S₈ mit zunehmenden Wellenlängen λ₁ bis λ₈. Die Übertragungskennlinien Γ₁ bis Γ₇ der Filter sind in Fig. 12 dargestellt. Die Vorrichtung 201 enthält ein Tiefpaßfilter, dessen Grenzfrequenz zwischen λ₄ und λ₅ liegt. Man erhält dadurch zwei Wellengruppen, nämlich eine Wellengruppe S₁+S₂+S₃+S₄, die zu der Vorrichtung 202 übertragen wird, und eine zweite Wellengruppe S₅+S₆+S₇+S₈, die zu der Vorrichtung 203 übertragen wird. Jede Vorrichtung trennt erneut die empfangene Strahlung in zwei Gruppen, und die Vorrichtungen 204 bis 207 liefern an 8 getrennten Ausgangskanälen die 8 Trägerwellen S₁ bis S₈.

Die Vorrichtungen von Fig. 9 und 11 sind nur als Beispiel angegeben. Durch geeignete Wahl der Filter können alle in der Elektronik bekannten Strukturen angewendet werden.

Claims (18)

1. Optische Vorrichtung zum Übertragen einer polarisierten Lichtwelle von einem ersten Anschluß zu einem zweiten Anschluß in einer gegebenen Richtung und Übertragen einer polarisierten Lichtwelle von dem zweiten Anschluß zu einem dritten Anschluß in der entgegengesetzten Richtung über dieselbe Übertragungsstrecke, mit einem in der Übertragungsstrecke angeordneten doppelbrechenden Element, in das die von dem ersten Anschluß ausgehende Lichtwelle auf seiner einen Seite eintritt und auf der gegenüberliegenden Seite austritt und das die auf dieser gegenüberliegenden Seite eintretende, von dem zweiten Anschluß kommende polarisierte Lichtwelle zu dem dritten Anschluß ablenkt, und mit einer nichtreziproken Faradayeffekt-Polarisationsdreheinrichtung, die eine Drehung der Polarisationsrichtung der durchgelassenen Lichtwelle um 45° in gleichem Sinne für beide einander entgegengesetzten Ausbreitungsrichtungen erzeugt und zwischen dem doppelbrechenden Element und dem zweiten Anschluß angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Element (8) eine planparallele Platte aus einem einachsigen Material ist, dessen Orientierung so eingestellt ist, daß die Polarisation für die Übertragungsrichtung vom ersten (1) zum zweiten Anschluß (2) dem ordentlichen Strahl entspricht und die Polarisationsrichtung für die entgegengesetzte Übertragungsrichtung dem außerordentlichen Strahl entspricht, der in dem doppelbrechenden Element (8) um einen Winkel ( R ) gegenüber dem ordentlichen Strahl abgelenkt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der nichtreziproken Polarisationsdreheinrichtung (9) und dem zweiten Anschluß (2) ein reziprokes Polarisationsdrehelement (4) eingefügt ist, das für die beiden entgegengesetzten Ausbreitungsrichtungen entgegengesetzte Polarisationsdrehungen erzeugt, und daß die Lichtwelle in beiden Ausbreitungsrichtungen zwischen diesem reziproken Polarisationsdrehelement (4) und dem zweiten Anschluß (2) dieselbe Polarisationsrichtung aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem dritten Anschluß (3) und dem doppelbrechenden Element (8) ein reziprokes Polarisationsdrehelement (6) eingefügt ist, das die Polarisationsrichtung in dieselbe Richtung einstellt wie zwischen dem ersten Anschluß (1) und dem doppelbrechenden Element (8).

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Material der nichtreziproken Polarisationsdreheinrichtung (9) durch eine auf ein Substrat (12) aufgebrachte dünne Schicht gebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Material Rutil ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die reziproken Polarisationsdreheinrichtungen (4, 6) durch Halbwellenplättchen aus einem einachsigen Material gebildet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Halbwellenplättchen (4, 6) Quarz ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche eines Substrats (120) eine dünne magnetische Schicht (90) angebracht ist, welche drei sich in den jeweiligen Lichtübertragungsrichtungen erstreckende Lichtwellenleiterabschnitte bildet, die je einen der drei Anschlüsse aufweisen, daß der zweite Lichtwellenleiterabschnitt wenigstens zwei Moden übertragen kann, und daß der erste und der dritte Lichtwellenleiterabschnitt jeweils wenigstens einen der beiden Moden übertragen könnten.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (11; 120) aus einem Gadolinium-Gallium-Granat gebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Schicht (90) aus einem Yttrium-Eisen-Granat mit substituierten Gadolinium- und Gallium-Atomen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Schicht (90) aus einem Yttrium-Eisen-Granat mit substituierten Terbium-Atomen gebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Schicht (90) epitaktisch auf das Substrat (120) aufgebracht ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Lichtwellenleiterabschnitt und entweder der erste oder der dritte Lichtwellenleiterabschnitt die gleiche Dicke haben, und daß der erste und der dritte Abschnitt voneinander durch eine ebene Grenzfläche getrennt sind, die mit der Ausbreitungsrichtung in einem Zwischenabschnitt einen solchen Winkel ( β ) bildet, daß die Grenzfläche nur für eine der beiden Ausbreitungswellenformen totalreflektierend ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die im zweiten und im dritten Lichtwellenleiterabschnitt angeordneten reziproken Polarisationsdreheinrichtungen (Z₆, Z₄) Vorrichtungen zur Erzeugung eines Magnetfelds (H₆, H₄) senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung in dem zugehörigen Abschnitt enthalten, die eine Doppelbrechung in der magnetischen Schicht (90) durch den Cotton-Mouton-Effekt verursachen.

15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Übertragung optischer Signale zwischen zwei jeweils mit einem Sender und mit einem Empfänger ausgestatteten Stationen über einen einzigen Kanal, wozu jedes Ende des Kanals (T) mit dem zweiten Anschluß (2) der Vorrichtung (301, 302) verbunden ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zum Multiplexieren und Demultiplexieren von wenigstens zwei optischen Trägerwellen unterschiedlicher Wellenlänge, wozu jeweils dem zweiten Anschluß der Vorrichtung ein selektives Filter (12) zugeordnet ist, welches eine der beiden Wellen reflektiert und die andere durchläßt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (12) ein Mehrschicht-Interferenzfilter enthält.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (12) ein Gitter enthält.