DE2947730C2

DE2947730C2 - Optischer Zirkulator

Info

Publication number: DE2947730C2
Application number: DE2947730A
Authority: DE
Inventors: Takao Yokosuka Kanagawa Matsumoto
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1978-11-28
Filing date: 1979-11-27
Publication date: 1984-04-26
Also published as: US4272159A; NL180883B; IT1127644B; IT7927653A0; FR2443079B1; FR2443079A1; GB2038022B; NL180883C; NL7908628A; DE2947730A1; GB2038022A; CA1128347A

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Zirkulator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein bekannter optischer Zirkulator dieser Art besteht aus einen ersten und einem zweiten Polarisationsprisma, die um ihre optische Achse gegeneinander um 45° verdreht sind, sowie einem zwischen dem ersten und dem zweiten Polarisationsprisma angeordneten Faraday-Rotator. Der Faraday-Rotator ist ein Bauelement, welches die Polarisationsebene von hindurchtretendem Licht unter dem Einfluß einer äußeren Magnetisierung um 45° dreht. Das Polarisationsprisma hat die Aufgabe, den optischen Pfad des einfallenden Lichts abhängig von seiner Polarisationsrichtung zu verändern. Der bekannte Zirkulator erfüllt seine Aufgabe durch die Ausnutzung dieser Eigenschaft der Polarisationsprismen und der Relation zwischen der Drehung von polarisiertem Licht durch den Faraday-Rotator und der Anordnung der um ihre optische Achse um 45° gegeneinander verdrehten beiden Polarisationsprismen.

Bei einem anderen bekannten optischen Zirkulator werden vier Faraday-Rotatoren verwendet, deren Drehwinkel für polarisiertes Licht 45° ist. Diese Faraday-Rotatoren sind so angeordnet, daß die durch sie hindurchlaufenden optischen Pfade in einem Punkt schneiden. In diesem Schnittpunkt befindet sich ein Polarisationsprisma. Auch dieser optische Zirkulator nutzt die Drehung der Polarisationsebene des Lichts durch die Faraday-Rotatoren sowie die erwähnte Eigenschaft des Polarisationsprismas aus.

Diese bekannten Zirkulatoren sprechen nur auf das Licht einer bestimmten, für jeden Eingang vorgegebenen Polarisationsrichtung an, und alle die Lichtkomponenten gehen verloren, die in einen Eingang des Zirkula-

tors einfallen und eine andere als für diesen Eingang vorgeschriebene Polarisationsrichtung aufweisen. Wird ein solcher Zirkulator beispielsweise zur Kopplung von Lichtleitern (optischen Fasern) verwendet, dann wirkt sich die vorerwähnte Eigenschaft der Zirkulatoren äußerst ungünstig aus, da bekanntlich der Polarisationszustind von Licht in Lichtleitern nicht konstant bleibt Selbst wenn also das am Eingang eines Lichtleiters einfallende Licht in bestimmter Richtung linear polarisiert ist, dann kann diese Linearität der Polarisierung schon bei Entfernung von nur 20 cm verlorengehen. Zur Reduzierung der hierdurch bedingten Verluste benötigt man einen optischen Zirkulator, der auf Licht, das in beliebigen Richtungen polarisiert ist, anspricht

Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Zirkulator zu schaffen, der in der Lage ist, Licht mit beliebigen Polarisationsrichtungen zu verarbeiten.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem optischen Zirkulator der eingangs angegebenen Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst und durch die Unteransprüche vorteilhaft weitergebildet

Der erfindungsgemäße optische Zirkulator besitzt ausgezeichnete Trenn-Eigenschaften, und seine Betung senkrecht sowohl zur Z-Achse als auch zur X-Achse sei die Richtung der V-Achse. Wenn ein in Richtung der X-Achse linear polarisierter Lichtstrahl L\ senkrecht auf den ersten Ein-/Ausgang P\ fällt, wird er durch s das Polarisations-Prisma 3 in die Richtung der Z-Achse abgelenkt und fällt auf den Faraday-Rotator I, in welchem seine Polarisationsrichtung um 45° um die Z-Achse gedreht wird. Anschließend tritt das_ Licht aus dem Faraday-Rotator 1 in das Polarisations-Prisma 4 ein. Das Polarisationsprisma 4 ist gegenüber dem Polarisations-Prisma 3 um 45° um die Z-Achse gedreht. Als Folge davon wird das aus dem Faraday-Rotator 1 in das Polarisations-Prisma 4 gelangte Licht im rechten Winkel abgelenkt und aus einer Fläche 6 des Polarisations-Prismas 4, die gegenüber der J-Z-Ebene um 45° geneigt und parallel zur Z-Achse ist, tritt ein in der ΛΓ-X-Ebene liegender um 45° gegen die X-Achse verdrehter, linearpolarisierter Lichtstrahl L{, aus. Die Fläche 6 dient als zweiter Ein-/Ausgang P₂. Wenn linearpolarisiertes

μ Licht L₂, dessen Polarisation um 45° gegen die Richtung der X- Achse in der A'-K-Ebene geneigt ist, auf den zweiten Ein-/Ausgang P₂ fällt, durchläuft es nacheinander das Polarisations-Prisma 4 und den Faraday-Rotator 1 und gelangt dann in das Polarisations-Prisma 3, worauf

welche parallel zur A"-X-Ebene ist, austritt. Die Fläche 7 dient als dritter Ein-/Ausgang Py Wenn ein in Richtung der X-Achse linear-polarisiertes Licht Ly auf den dritten Ein-/Ausgang P₃ fällt, verläßt linear-polarisiertes Licht L₃', dessen Polarisation in der X-Y-Ebent um 45°gegenüber der K-Achse verdreht ist, die zur Z-Achse senkrechte Fläche 8 des Polarisations-Prismas 4. Die Fläche 8 dient als vierter Ein-/Ausgang P₄. Wenn linear-polariden vierten Ein-/Ausgang P₄ eintritt, verläßt ein in Richtung der A"-Achse linear-polarisiertes Licht L₄', den ersten Ein-/Ausgang P, des Polarisations-Prismas 3.

Beim gebräuchlichen optischen Zirkulator verläßt kein Licht den zweiten Ein-/Ausgang P₂, wenn das am ersten Ein-/Ausgang P, einfallende Licht keine in Richtung der X-Achse linearpolarisierte Komponente enthält, und kein Licht verläßt den dritten Ein-/Ausgang

standteile können einer geschlossenen mechanischen 25 es als in Richtung der X-Achse linear-polarisiertes Licht Baugruppe zusammengefügt werden. L₂' aus einer Fläche 7 des Polarisations-Prismas 3,

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines gebräuchlichen optischen Zirkulators;

Fig.2 eine Draufsicht auf ein anderes Ausführungsbeispiel eines gebräuchlichen optischen Zirkulator;

F i g. 3 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des
erfindungsgemäßen optischen Zirkulators; 35 siertes Licht L₄, dessen Polarisation um 45° gegen die

Fig.4A bis 4D Darstellungen zur Erläuterung der Richtung der X-Achse in der A'-X-Ebene geneigt ist, in Wirkungsweise eines Polarisations-Prismas;

F i g. 5A bis 5D die Wirkungsweise des in F i g. 3 gezeigten optischen Zirkulators;

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Zirkulators, bei der die entsprechenden Teile zu einem geschlossenen Gebilde zusammengebaut sind;

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Zirkulators, bei 45 wenn das am zweiten Ein-/Ausgang P₂ einfallende Licht dem die entsprechenden Teile zu einem geschlossenen keine linear-polarisierte Komponente enthält, die in der Gebilde zusammengebaut sind; X- V-Ebene um 45° gegenüber der V-Achse geneigt ist.

F i g. 8 eine Draufsicht auf ein anderes Ausführungs- Wenn das am dritten Ein-/Ausgang P₃ einfallende Licht bcispiel des Polarisations-Prismas und keine in Richtung der V-Achse linear-polarisierte Kom-

F i g. 9 eine grafische Darstellung der Versuchsergeb- 50 ponente enthält, verläßt kein Licht den vierten Ein-/ nisse über die Polarisationsabhängigkeit des erfindungs- Ausgang P₄; wenn das durch den vierten Ein-/Ausgang

P₄ eintretende Licht keine linearpolarisiert'; Komponente enthält, die in der X- Y- Ebene um 45° gegenüber der K-Achse geneigt ist, verläßt kein Licht den ersten Ein-/Ausgang Pi.

Dementsprechend wird in einem Falle, wo das in den ersten Ein-/Ausgang P, einfallende Licht eine senkrecht zur Richtung der X-Achse, d. h. in Richtung der Z-Achse, linear-polarisierte Komponente enthält, aus dem

sehen Feldes H, welches auf den EingangsVAusgangs- 60 zweiten Ein/Ausgang P₂ austretende Licht im Verhalt-Flächen 2a und 2b senkrecht steht, um 45° gedreht wird. nis zum einfallenden Licht mit einem dem Anteil mit Die Richtung der Dicke des Faraday-Rotators 1, d. h. die Richtung der Z-Achse entsprechenden Verlust behaftet Richtung senkrecht zu seinen Eingangs-/Ausgangs-Flä- sein. Ähnlich wird das aus dem dritten Ein-/Ausgang P₃ chen 2a und 2b sei die Richtung der Z-Achse. Die zur austretende Licht mit einem entsprechenden Verlust be-Z-Achse parallele Fläche 5 des Polarisations-Prismas 3 65 haftet sein, wenn das am zweiten Ein-/Ausgang P₂ eindient als erster Ein-/Ausgang P₁. Eine Richtung parallel fallende Licht eine in Richtung der Z-Achse linear-polazu der Fläche 5 und senkrecht zu der Richtung der risierte Komponente enthält. Wenn das am dritten Ein/ Z-Achse sei die Richtung der x-Achse, und eine Rieh- Ausgang P₃ einfallende Licht einen in Richtung der X-

gemäßen optischen Zirkulators.

Vor der Beschreibung der vorliegenden Erfindung soll unter Bezug auf F i g. 1 ein gebräuchlicher optischer Zirkulator erläutert werden. Gegenüber den Eingangs-/Ausgangs-Flächen 2a und 2b eines Faraday-Rotators 1 sind Polarisations-Prismen 3 bzw. 4 angeordnet. Der Faraday-Rotator 1 ist so ausgeführt, daß ein polarisiertes Licht unter dem Einfluß eines äußeren magneti-

Achse linear-polarisierten Anteil enthält, ist das aus dem vierten EinVAusgang P₄ austretende Licht mit einem entsprechenden Verlust behaftet, und ebenso ist das aus dem ersten Ein-/Ausgang P\ austretende Licht verlustbehaftet, wenn das am vierten Ein-/Ausgang P₄ einfallende Licht eine linear-polarisierte Komponente enthält, die in der Ä'-V-Ebene auf der gegen die K-Achse um 45° geneigten Richtung senkrecht steht.

Es wurde auch schon ein optischer Zirkulator verwendet, wie er in F i g. 2 gezeigt ist und bei dem vier Faraday-Rotatoren 21, 22, 23 und 24 so in einer Ebene angeordnet sind, daß sich die jeweils durch die Rotatoren verlaufenden optischen Pfade in einem Punkt schneiden, in dem ein Polarisations-Prisma 25 angeordnet ist. Hierbei sind die Faraday-Rotatoren 2i und 24 auf der einen Seite der Verbindungsfläche des Polarisaticns-Prismas 25 angeordnet und die Faraday-Rotatoren 22 und 23 auf der anderen Seite. Die entgegengesetzt zum Polarisations-Prisma 25 liegenden Seiten der Faraday-Rotatoren 21, 22, 23 und 24 dienen als erste, zweite, dritte und vierte Ein-/Ausgänge Pi, Pi, P_} und P₄. Der Drehsinn der Polarisation der Faraday-Rotatoren 21 und 23 und der der Faraday-Rotatoren 23 und 24 sind gegensinnig zueinander gewählt, und der Drehwinkel für die Polarisation beträgt bei jedem der Faraday-Rotatoren 45°.

Wenn vom ersten Ein-/Ausgang P\ her an den Faraday-Rotator 21 linear-polarisiertes Licht, das um 45° gegen die Zeichenebene geneigt ist, gelangt, wird es in linear-polarisiertes Licht, das gegen die Zeichenebene um 0° geneigt ist, umgewandelt und dem Polarisations-Prisma 25 und anschließend dem Faraday-Rotator 22 zugeführt und verläßt als linear-polarisiertes Licht, das gegen die Zeichenebene 45° geneigt ist, den zweiten Ein-/Ausgang P₂. Wenn linear-polarisiertes Licht, welches gegenüber der Zeichenebene um 45° gedreht ist, in den zweiten Ein-/Ausgang Pi eintritt, wird es durch den Faraday-Rotator 22 in ein linear-polarisiertes Licht, das gegenüber der Zeichenebene um 90° gedreht ist, umgewandelt und erreicht das Polarisationsprisma 25, in welchem es in Richtung des Faraday-Rotators 23 abgelenkt wird und verläßt als linear-polarisiertes Licht, welches gegenüber der Zeichenebene um 45° gedreht ist, den dritten Ein-/Ausgang Py Auf ähnliche Weise verläßt Licht, welches über den dritten Ein-/Ausgang P3 eintritt, den vierten Ein-/Ausgang P₄ des Faraday-Rotators 24 und Licht, welches in den vierten Ein-/Ausgang P₄ eintritt, verläßt den ersten EinVAusgang Pi.

Auch bei dem bekannten optischen Zirkulator nach Fig.2 bewirkt eine andere Komponente im einfallenden Licht als die linear-polar.sierte und in der vorgegebenen Richtung um 45° geg .n die Zeichenebene geneigte, einen entsprechenden Verlust.

Wie beschrieben sprechen beide bekannten optischen Zirkulatoren nur auf ein einziges linear-polarisiertes einfallendes Licht an, das für jeden der Ein-/Ausgänge vorgegeben ist. Das bedeutet, daß, bezogen auf das eintretende Licht, das austretende Licht mit einem Verlust behaftet ist, sofern das einfallende Licht einen anderen polarisierten Bestandteil enthält, als den vorgegebenen linear-polarisierten.

Unter Bezugnahme auf F i g. 3 wird im folgenden eine Ausführungsform des optischen Zirkulators gemäß der Erfindung beschrieben. Der erfindungsgemäße optische Zirkulator enthält Polarisations-Prismen 31 und 32 und eine nicht reziproke Einrichtung zum Drehen von polarisiertem Licht 33, welche im optischen Pfad zwischen den Polarisations-Prismen 31 und 32 angeordnet und mit diesen optisch verbunden ist Die Polarisations-Prismen 31 und 32 dienen zum Trennen und Zusammenführen von aufeinander senkrecht stehenden polarisierten Lichtkomponenten und haben vier Eingangs-/Ausgangs-Flächen Qu Q₂. Qy und Q*. Licht, welches in eine der EingangS'/Ausgangs-Flachen einfällt, wird in aufeinander senkrecht stehende polarisierte Bestandteile zerlegt, die getrennt durch zwei der anderen Eingangs-/ Ausgangs-Flächen wieder austreten. Umgekehrt werden aufeinander senkrecht stehende polarisierte Lichtkomponenten, die über zwei der Eingangs-/Ausgangs-Flächen eintreten, zu einem zusammengesetzten Licht kombiniert, das über eine der Eingangs-/Ausgangs-Flächen austritt.

is Fig.3 zeigt den Fall, in dem die Polarisations-Prismen 31 und 32 identisch aufgebaut sind. Ihre Wirkungsweise wird am Beispiel des Polarisations-Prismas 31 unter Verwendung der F i g. 3 und 4 beschrieben. Das Polarisations-Prisma 31 besteht aus zwei Kristall- oder Glasblöcken 34 und 35, die über eine dazwischenliegende Grenzschicht 36 miteinander verbunden sind. Auf beiden Seiten der Grenzschicht 36 gibt es je zwei Eingangs-/Ausgangs-Flächen Q₁, Q₂ bzw. Qi, Q₄. Die beiden Stücke 34 und 35 sind säulenförmig ausgebildet, haben einen trapezförmigen Querschnitt, und ihre Achse steht senkrecht zur Zeichenebene. Die der Basis des Trapezes entsprechenden Grundflächen der Stücke sind über die Grenzschicht 36 verbunden. Diejenigen Seitenflächen der trapezförmigen Säule 34, die den schrägen Seiten des Trapezes entsprechen, dienen als Eingangs-/

Ausgangs-Flächen Q] und Q₂, und die entsprechenden Seiten der trapezförmigen Säule 35 dienen als Eingangs-/Ausgangs-Flächen Qi und Q,. Nun sei angenommen, daß, wie in Fig.4A gezeigt,

ein Lichtstrahl Ln senkrecht auf die Eingangs-/Ausgangs-Fläche Qi auf trifft Das einfallende Licht Lu ist, wie durch die Pfeile 37 angedeutet, linear-polarisiert mit einer Polarisationsrichtung parallel zur Eingangs-/Ausgangs-Fläche Qi und senkrecht zur axialen Richtung der trapezförmigen Säule 34. Dieses einfallende Licht Ln wird an der Grenzschicht 36 reflektiert und verläßt als Lichtstrahl Ln' die EingangS'/Ausgangs-Fläche Q₂. Wenn ein einfallendes Licht Ln, wie durch O andeutet, in Richtung der Achse der trapezförmigen Säule 34 und senkrecht zur Polarisationsrichtung des Lichtes Ln linear-polarisiert ist und über die Eingangs-ZAusgangs-Fläche Q₁ eintritt, kann es die Grenzschicht 36 durchlaufen und tritt als Lichtstrahl Li₂' aus der Eingangs-/Ausgangs-Fläche Q₄ aus.

Wenn der in Fig. 4B durch Pfeile angedeutete linearpoiarisierte Lichtstrahl L_2t senkrecht in die Eingangs-/ Ausgangs-Fläche Q₂ eintritt, tritt er als Lichtstrahl L₂₎' aus der Eingangs-/Ausgangs-Fläche Qi wieder aus; tritt wie durch Q angedeutet, ein senkrecht zum Lichtstrahl

L₂i linear-polarisierter Lichtstrahl L₂₂ über die Eingangs-/Ausgangs-Fläche Q₂ ein, verläßt er die Eingangs/Ausgangs-Fläche Q3 als Lichtstrahl L₂₂". Wenn der in Fig.4C durch Pfeile angedeutete linearpolarisierte Lichtstrahl L31 senkrecht in die Eingangs-/

Ausgangs-Fläche Q₃ eintritt, tritt er als Lichtstrahl L_Jt' aus der Eingangs-ZAusgangs-Fläche Qi wieder aus; tritt wie durch Q angedeutet, ein linear-polarisierter Lichtstrahl L3₂ über die Eingangs-/Ausgangs-Fläche Q3 ein, verläßt er die Eingangs-/Ausgangs-Fläche Q₂ als Lichtes strahl L₃₂*. Wenn weiterhin der in F i g. 4D durch Pfeile angedeutete linear-polarisierte Lichtstrahl Ln senkrecht in die Eingangs-/Ausgangs-Fläche Q₄ eintritt, tritt er als Lichtstrahl U\' aus der Eingangs-Musgangs-Flä-

ehe Q\ wieder aus; tritt schließlich, wie durch angediMitct, ein liiie;ir-polarisicrler Lichtstrahl L*i über die liiiit;.ings-/Aiisgiing.s-F^rlUchc Qt ein, so verläßt er die liingangs-Musgangs-Fläche Q\ als Lichtstrahl l*{.

Als I'olarisations-Prismen 3i und 32 können doppelbrcchende Prismen verwendet werden, und ein solches doppel-brechendes Prisma enthält beispielsweise, wie in M. V. Klein, »Optics«, John Wiley & Sons New York, London, Sydney, Toronto (Seite 499) beschrieben, ein Glan-Thompson-Prisma, welches eine Klebstoffschicht als Grenzschicht benützt, und ein Glan-Taylor-Prisma, bei dem die Grenzschicht 36 aus einem Luftspalt besteht Beispiele für das verwendete Material sind Kalkspat, Rutil, Quarz usw. Vorzugsweise wird das Polarisations-Prisma so ausgewählt, daß die optische Achse eines doppel-brechenden Kristalls senkrecht auf der Ebene steht, die durch die optischen Pfade des eintretenden und austretenden Lichts im Kristall gebildet wird. Damit wird sicher eine Abweichung des optischen Pfades im doppel-brechenden Kristall verhindert Weiterhin ist es möglich, als doppelbrechende Prismen 31 und 32 Multilayer-Film-Prismen zu verwenden, wie sie von der Firma CVl Ltd, USA, unter dem Handelsnamen Beam Splitter verkauft werden.

Die Bauweise des Multilayer-Füm-Prismas ist beschrieben in H. A. Macleod »Thin-Film Optical Filters«, Adam Hilger Ltd., London (Seite 302).

In den F i g. 3 und 4 ist angenommen, daß der Teil des Lichtes, der parallel zur Zeichenebene polarisiert ist, im Polarisations-Prisma reflektiert wird und daß der Anteil des Lichts, der senkrecht zur Zeichenebene polarisiert ist, das Polarisations-Prisma durchdringt Jedoch ist dies nicht immer der Fall; es kann nämlich auch abhängig von der Art des verwendeten Polarisations-Prismas der Teil des Lichtes, der parallel zur Zeichenebene polarisiert ist das Polarisations-Prisma durchdringen, während der Teil des Lichtes, der senkrecht zur Zeichenebene polarisiert ist, im Prisma reflektiert wird.

In F i g. 3 besteht die nicht-reziproke Einrichtung 33 zum Drehen von polarisiertem Licht aus zwei nicht-reziproken Einrichtungen 39, 40 für polarisieries Licht Die nicht-reziproke Einrichtung 39 hat zwei Ein-/Ausgänge 41 und 42 und läßt Licht, welches beim Eingang 41 einfällt, unverändert oder unter Drehung seiner Polarisationsebene um ein geradzahliges Vielfaches von 90° aus dem Ausgang 42 austreten bzw. läßt Licht welches am Eingang 42 einfällt, unter Drehung seiner Polarisationsebene um ein ungeradzahiiges Vielfaches von 90° aus dem Ausgang 41 austreten. Diese nicht-reziproke Einrichtung 39 umfaßt beispielsweise einen Faraday-Rotator43, der unter dem Einfluß eines äußeres magnetischen Feldes die Polarisationsebene des Lichtes um ein ungeradzahliges Vielfaches von 45° dreht und eine Kompensationseinrichtung 44, die die Polarisationsebene des einfallenden Lichtes um ein ungeradzahiiges Vielfaches von 45° in gleicher Richtung um die Einfallsrichtung dreht Der Faraday-Rotator 43 und die Kompensationseinrichtung 44 sind auf den gleichen optischen Pfad ausgerichtet Der Faraday-Rotator 43 ist ein Bauteil einem magneto-optischen Effekt, und hierfür kann beispielsweise ein YIG-Kristall (Yttriumeisengranat-Kristall) oder ein Faraday-Rotator-Glas verwendet werden. Der Faraday-Rotor 43 wird einem Magnetfeld ausgesetzt, das parallel mit dem optischen Pfad verlauft In Fig.3 ist der Faraday-Rotor 43 in einem flachen zylindrischen Magnet 45 angeordnet, dessen Achse parallel zum optischen Pfad verläuft der Magnet 45 ist in axialer Richtung magnetisiert und erzeugt ein Magnetfeld parallel zu seiner Achse.

Als Kompensationseinrichtung 44 kann beispielsweise ein optisch aktiver Kistall verwendet werden, der die Polarisationsebene um 45° dreht durch Verwendung der optischen Eigenschaften von Bergkristall oder einer sog. 1 '/2-Wellenlängen-Platte, welche die Polarisationsebene um 45° dreht unter Ausnutzung der Anisotropie eines entsprechenden Materials wie z. B. Bergkristall oder Kalkspat. In Fi g. 3 ist die Seite der nicht-reziproken Einrichtung zum Drehen von polarisiertem Licht 39, an der der Faraday-Rotator liegt als Ein-/Ausgang 41 bezeichnet, und die andere Seite, an der die Kompensationseinrichtung 44 liegt, ist als Ein-/Ausgang 42 bezeichnet. Wenn in der Ausführungsform nach F i g. 3 Licht am EinVAusgang 41 eintritt, wird seine Polarisationsebene durch den Faraday-Rotator 43 um 45° gedreht und anschließend durch die Kompensationseinrichtung 44 um 45° zurückgedreht, so daß den Ein-/Ausgang 42 Licht verläßt dessen Polarisationsrichtung bezogen auf das am Ein-/Ausgang 41 einfallende Licht nicht gedreht worden ist. Wenn jedoch Licht zum Ein-/ Ausgang 42 eintritt wird seine Polarisationsebene durch die Kompensationseinrichtung 44 um 45° und anschließend durch den Faraday-Rotator 43 nochmals um 45° gedreht so daß den Ei η-/Ausgang 41 Licht verläßt, dessen Polarisationsebene bezogen auf die des am Ein-/ Ausgang 42 einfallenden Lichtes um 90° gedreht wurde. Die nicht-reziproke Einrichtung zum Drehen von polarisiertem Licht 40 enthält ähnlich wie die Einrichtung 39 ebenfalls einen Faraday-Rotator 46, eine Kompensationseinrichtung 47 und einen Magnet 48 und hat die Ein-/Ausgänge51 und 52.

Die nicht-reziproke Einrichtung zum Drehen von polarisiertem Licht 33 ist optisch mit den beiden Ein-/Ausgangen jedes der Polarisations-Prismen 31 und 32 verbunden, speziell mit den Ein-/Ausgängen auf beiden Seiten der Grenzschicht jedes der Polarisations-Prismen. In Fig.3 sind die Polarisations-Prismen 31 und 32 so angeordnet daß die Achsen ihrer säulenförmigen Teile zueinander parallel sind und daß ihre Grenzschichten 36 in der gleichen Ebene liegen. Zwischen den Polarisations-Prismen 31 und 32 sind die nicht-reziproken Einrichtungen zum Drehen von polarisiertem Licht 39 und 40 so angeordnet daß ihre Ein-/Ausgänge 42 bzw. 52, die auf der Seite der Kompensationseinrichtungen liegen, den EingangsVAusgangs-Flächen Q, bzw. Qi des Polarisations-Prismas 32 gegenüberliegen und mit ihnen optisch verbunden sind. Zwischen den nicht-reziproken Einrichtungen zum Drehen von polarisiertem Licht 39 und 40 und dem Polarisations-Prisma 31 liegen total reflektierende trapezförmige Prismen 53 und 54. Diese trapezförmigen Prismen 53 und 54 sind so angebracht daß ihre Achsen parallel zu denen der Polarisations-Prismen 31 und 32 verlaufen. Eine der beiden nicht parallelen Flächen des trapezförmigen Prismas 53 steht der Eingangs-/Ausgangs-Fläche Qi des Polarisations-Prismas 31 gegenüber, während die andere Fläche dem Ein-/Ausgang 41 der nicht-reziproken Einrichtung zum Drehen von polarisiertem Licht 39 gegenübersteht In ähnlicher Weise stehen die beiden nicht parallelen Rächen des trapezförmigen Prismas 54 der Eingangs-/Ausgangs-Fläche Qi des Polarisations-Prismas 31 und dem Ein-/Ausgang 51 der nicht-reziproken Einrichtung zum Drehen von polarisiertem Licht 40 gegenüber. Demzufolge sind die Ein-/Ausgänge 41 bzw. 51 der nicht-reziproken Einrichtung zum Drehen von polarisiertem Licht 33 optisch mit den Eingangs-/Ausgangs-Flächen Qi bzw. Q* des Polarisations-Prismas 31 Ober die Pns-

men 53 bzw. 54 verbunden.

Diejenigen EingangsVAusgangs-Flächen der Polarisations-Prismen 31 und 32, welche nicht optisch mit der nicht-reziproken Einrichtung zum Drehen von polarisiertem Licht 33 verbunden sind, d. h. die Eingangs-/ Ausgangs-Flächen Q\ und φ des Polarisations-Prismas 31 sowie die Eingangs-Musgangs-Flächen Ch und Q* des Polarisations-Prismas 32 werden als erste, zweite, dritte bzw. vierte Ein-/Ausgänge Pi, Pi, P₃ und P* des optischen Zirkulator verwendet.

Es sei nun angenommen, daß in der oben beschriebenen Anordnung ein Lichtstrahl L], wie in Fig.5A gezeigt, senkrecht zur Eingangs-/Ausgang Qi in den ersten EitWAusgang P] einfällt Das einfallende Licht L\ hat sowohl eine durch die Pfeile 37 angedeutete polarisierte Komponente parallel zur Eingangs-/Ausgangs-Fläche Q\ und senkrecht zur Längsrichtung des Polarisations-Prismas 31 (d. h. parallel zur Zeichenebene der F i g. 5A), als auch eine durch das Zeichen ©38 angegebene polarisierte Komponente parallel zur Eingangs-/ Ausgangs-Fläche Q\ und in Längsrichtung des Polarisations-Prismas 31 (d. h. senkrecht zur Zeichenebene der F i g. 5A). Dementsprechend wird, wie vorher unter Bezug auf die F i g. 4A beschrieben, das einfallende Licht L\ durch das Polarisations-Prisma 31 in die polarisierte Komponente mit der durch die Pfeile angedeuteten Richtung und in die polarisierte Komponente mit der durch das ZeichenQangedeuteten Richtung zerlegt; die erstere verläuft durch das Prisma 53 und die nicht-reziproke Einrichtung zum Drehen von polarisiertem Licht 39 und erreicht das Polarisations-Prisma 32, während die letztere durch das Prisma 54 und die nicht-reziproke Einrichtung zum Drehen von polarisiertem Licht 40 verläuft und ebenfalls das Polarisations-Prisma 32 erreicht. Die Polarisationsrichtungen der Lichtbestandteile, die auf diesem Wege das Polarisations-Prisma 32 erreicht haben, werden nicht gedreht Die Komponente in der Richtung der Pfeile wird an der Grenzschicht 36 des Polarisations-Prismas 32 reflektiert, während die Komponente in der Richtung des Zeichens O durch die Grenzschicht 36 hindui chtritt; die beiden Komponenten werden zu einem zusammengesetzten Lichtstrahl kombiniert, der als Ausgangsstrahl L\ aus dem zweiten Ein-/ Ausgang Pi austritt

In ähnlicher Weise wird, wie in Fig.5B gezeigt ein Lichtstrahl Li, welcher die durch Pfeile undQangedeuteten polarisierten Komponenten hat und senkrecht in ein Ein-/Ausgang Pi einfällt durch das Polarisations-Prisma 32 in eine polarisierte Komponente in Pfeilrichtung und eine polarisierte Komponente in Richtung des Zeichens Ω zerlegt Diese polarisierten Komponenten durchlaufen die nicht-reziproken Einrichtungen zum Drehen von polarisiertem Licht 39 bzw. 40, in denen ihre Polarisationsrichtung um 90" gedreht wird. Die Polarisationsrichtung derjenigen Komponente, die in Richtung des Pfeils polarisiert ist wird nämlich in die Richtung des Zeichens O gedreht und die Polarisationsrichtung der in Richtung des ZeichensQpoIarisierten Komponente in die Richtung des Pfeiles. Die beiden Komponenten mit ihrer jeweils gedrehten Polarisationsrichtung erreichen das Polarisations-Prisma 31, in welchem die Komponente mit der Richtung des ZeichensQdurch die Grenzschicht 36 hindurchtritt, während die Komponente mit der Richtung der Pfeile an der Grenzschicht 36 reflektiert wird. Beide Komponenten werden zu einem zusammengesetzten Lichtstrahl kombiniert welcher als Ausgangsstrahl Li aus dem dritten Ein-/Ausgang P₃ austritt

In ähnlicher Weise wird, wie in Fig.5C gezeigt, ein Lichtstrahl L₃, welcher in den dritten Ein-/Ausgang P₃ einfällt durch das Polarisations-Prisma 31 in eine Komponente in Pfeilrichtung und eine Komponente in Richtung des Zeichens © zerlegt. Diese Komponenten durchlaufen die nicht-reziproken Einrichtungen zum Drehen von polarisiertem Licht 39 bzw. 40 und werden durch das Polarisations-Prisma 32 zu einem zusammengesetzten Lichtstrahl kombiniert, welcher als Ausgangs-

to lichtstrahl L₃' aus dem vierten Ein-/Ausgang P₄ austritt. Wie in Fig. 5D gezeigt, wird ein Lichtstrahl La, welcher in den vierten Ein-/Ausgang P* einfällt, durch das Polarisations-Prisma 32 in eine Komponente in Pfeilrichtung und eine Komponente in Pfeilrichtung und eine Kompo-

is nente in Richtung des Zeichens Qzerlegt. Diese Komponenten durchlaufen jeweils die nicht-reziproken Einrichtungen zum Drehen von polarisiertem Licht 39 bzw. 40, in denen ihre Polarisationsrichtung um 90° gedreht wird. Anschließend werden diese Komponenten durch das Polarisations-Prisma 31 zu einem zusammengesetzten Lichtstrahl kombiniert der als Ausgangslichtstrahl JU, aus dem ersten Ein-/Ausgang P_x austritt.

Wie oben beschrieben wird in dem optischen Zirkulator nach F i g. 3 eintretendes Licht durch das Polarisations-Prisma 31 bzw. 32 in seine linear-polarisierten Komponenten zerlegt, und diese Komponenten werden nach Durchlaufen der nicht-reziproken Einrichtung zum Drehen von polarisiertem Licht 33 durch das Polarisations-Prisma 32 bzw. 31 wieder zusammengefügt so daß keinerlei polarisierte Komponenten des einfallenden Lichtes verlorengehen. Dementsprechend verursacht der optische Zirkulator in dieser Ausführung keine wesentlichen Einfügungsverluste für irgendein polarisiertes Licht, gleich welcher Polarisationsrichtung und zeigt deshalb in Kombination mit einer optischen Faser zufriedenstellende Betriebsergebnisse.

In der Ausführungsform nach F i g. 3 sind die Polarisations-Prismen 31 und 32, die nicht-reziproken Einrichtungen zum Drehen von polarisiertem Licht 39 und 40 sowie die trapezförmigen Prismen 53 und 54 getrennt voneinander angeordnet doch können sie auch, wie F i g. 6 zeigt, als ein geschlossenes Gebilde ausgeführt sein, bei dem die zusammengehörenden Eingangs-/ und Ausgangs-Flächen benachbarter Bauteile miteinander im Kontakt stehen. Es ist auch möglich, auf die Reflektoren 53 und 54 zu verzichten und eines oder beide der Polarisations-Prismen 31 und 32 mit der reflektierenden Eigenschaft der Reflektoren 53 und 54 zu versehen. F i g. 7 zeigt beispielsweise den Aufbau eines optischen

so Zirkulator*, bei dem das Polarisations-Prisma 31 diese reflektierende Funktion besitzt Weiterhin ist es beispielsweise möglich, eine der nicht-reziproken Einrichtungen zum Drehen von polarisiertem Licht 39 und 40 zwischen dem Polarisations-Prisma 31 und den Reflektoren 53 und 54 anzuordnen. Ferner ist es möglich, gleichartige Teile der nicht-reziproken Einrichtungen zum Drehen von polarisiertem Licht als gemeinsames Gebilde auszuführen. Sofern die nicht-reziproken Einrichtungen zum Drehen von polarisiertem Licht aus einem Faraday-Rotator und einer Kompensationseinrichtung bestehen, können sie auch getrennt angeordnet werden, und in diesem Falle können sie auch auf beiden Seiten der Reflektoren vorgesehen werden. Darüber hinaus können in der Ausführungsform nach F i g. 3 die trapezförmigen Prismen durch andere reflektierende Mittel, z. B. metallische Filme, viellagige dielektrische Filme und dergleichen ersetzt werden. Die trapezförmigen Prismen 53 und 54 und die sie ersetzenden reflektie-

render Vorrichtungen diener· der Anpassung des optischen Pfades an die Kopplung der nicht-reziproken Einrichtungen zum Drehen von polarisiertem Licht 39 und 40 mit den Polarisations-Prismen 31 und/oder 32. Entsprechend können auch bei geeigneter Wahl der gegenseitigen Anordnung der Polarisations-Prismen 31 und 32 und der nicht-reziproken Einrichtungen zum Drehen von polarisiertem Licht 39 und 40 beide oder eines der reflektierenden Mittel eingespart werden. In den F i g. 3 bis F i g. 7 wird gezeigt, daß das in jede Eingangs-/Ausgangs-Fläche der Polarisations-Prismen einfallende Licht senkrecht zu dieser Fläche einfällt, jedoch muß die Einfallsrichtung nicht immer notwendigerweise senkrecht auf dieser Eingangs-/Ausgangs- Fläche stehen. Bei geeigneter Auswahl des Polarisations-Prismas kann das einfallende Licht auch schräg cuf die Eingangs-/Ausgangs-Fläche auftreffen.

Im Interesse einer ausreichenden Trennung der Eingänge und Ausgänge des optischen Zirkulators ist es notwendig, die Eigenschaft der Trennung von senkrecht zueinander polarisierten Komponenten an der Grenzschicht 36 jedes der Polarisations-Prismen 31 und 32 ausreichend zu erhöhen. Zu diesem Zweck werden bei Verwendung von doppel-brechenden Prismen als Polarisations-Prismen, wie die F i g. 8 zeigt, Anti-Reflex-Beläge 57 bzw. 58 zwischen den Blöcken 34 bzw. 35 und der Grenzschicht 36 angebracht Die Anti-Reflex-Beläge 57 und 58 dienen der Anpassung des optischen Widerstandes der Blöcke 34 und 35 und der Grenzschicht 36 und können entweder aus je einer einlagigen dielektrischen Beschichtung mit der Dicke eines ungeradzahligen Vielfachen von V« der Weilenlänge des verwendeten Lichtes bestehen oder aus einer viellagigen dielektrischen Beschichtung, die aus 20 bis 30 dielektrischen Lagen besteht, von denen jede eine Dicke von einem ungeradzahligen Vielfachen von '/4 der Wellenlänge des verwendeten Lichtes hat Als Faraday-Rotator kann auch ein Kristall mit kleinem Faraday-Effekt benutzt werden, welcher an beiden Eirv/Ausgängen reflektierende Überzüge hat und das einfallende Licht mehrfach reflektiert und dadurch dessen Polarisationsrichtung um 45° oder ein ungeradzahliges Vielfaches hiervon dreht. Ein solcher Faraday-Rotator ist beispielsweise beschrieben in M. Seki, A. Ueki und K. Kobayashi, »0,8 μνη Band Optical Isolator for Fiber-Optic Communication«, Optical Fiber Communication, March 6-8, 1979, Washington, D. C, pp 56-58. Die Möglichkeit, in der gegenseitigen Anordnung der Polarisations-Prismen 31 und 32, der nicht-reziproken Einrichtung zum Drehen von polarisiertem Licht 33 oder der nicht-reziproken Einrichtungen zum Drehen von polarisiertem Licht 39 und 40 sind nicht auf die vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Was von der jeweiligen Anordnung verlangt wird, ist die Schaffung eines Zirkulators, der die vier Ein-/Ausgänge P\ bis P₄ hat und bei dem Licht, welches in eines der Polarisations-Prismen einfällt, in seine zwei polarisierten Komponenten zerlegt wird, die, nachdem sie die nicht-reziproke Einrichtung zum Drehen von polarisiertem Licht durchlaufen haben, von dem anderen Polarisations-Prisma wieder zu einem austretenden Licht zusammengeführt werden. Einer der vier Ein-/ Ausgänge P\ bis Pa kann auch als eine reflektierende Fläche ausgebildet oder mit einem Lichtabsorber verbunden sein.

Im folgenden wird noch eine als Test für die Ausführungsform nach Fig.3 gebaute Versuchseinrichtung des optischen Zirkulators beschrieben. Jedes der Polarisations-Prismen 31 und 32 bestand aus trapezförmigen Säulen aus Kaltspat die durch eine Grenzschicht 36 aus einem Klebemittel verbunden waren. Die Maße der Ober- und Unterseite sowie der Höhe des Trapezes betrugen 15,2 mm, 19,0 mm und 5,7 mm, während die axiale Länge der Säulen 6,0 mm betrug. Die optische Achse stand senkrecht auf der durch der optischen Pfad gebildeten Fläche. Als Faraday-Rotatoren 43 und 46 dienten YIG-Kristalle, von denen jedes 2,5 mm dick war und einen Querschnitt von 2,4 χ 3,0 mm hatte und wobei die Einfallsrichtung des Lichtes zu [110] gewählt wurde. Die Kompensationseinrich;ungen 44 und 47 bestanden jeweils aus einer V2 Wellenlängen- Platte aus Bergkristall mit einer Dicke von 0,07 mm und einem Querschnitt von 5,8 χ 6,0 mm. Die Magnete 45 und 48 bestanden aus Sm-Co Ferritmagneten mit einer axialen Lange von 4,1 mm, einem inneren Durchmesser von 5,2 mm und einem Außendurchmesser von 14,9 mm. Die Polarisations-Abhängigkeit des optischen Zirkulators wurde mit einem Licht von einer Wellenlänge von 1,27 μιτι gemessen, welches dem Zirkulator über einen Polarisator zugeführt wurde. Die Ergebnisse der Messung sind aus den Fig.9A und 9B ersichtlich. Die Abszisse zeigt (Po-Pe)Z(Po+Pe), wobei Po die optische Leistung einer in Richtung der Pfeile 37 in F i g. 5 polarisierten Komponente bezeichnet und Pe die optische Leistung einer in Richtung des Zeichens ©polarisierten Komponente, die auf der erstgenannten Komponente senkrecht steht. Die Ordinate zeigt die Übertragungsverluste. Für den Fall, daß das Licht in den ersten EinVAusgang P\ eintritt, zeigen die Kurven 61, 62 bzw. 63 in F i g. 9A die Übertragungsverluste in den optischen Pfaden zum zweiten, dritten bzw. vierten Ein-/Ausgang P2, Pi bzw. Pi. Für den Fall, daß das Licht in den zweiten Ein-/Ausgang P₂ eintritt, zeigen die Kurven 64,65 bzw. 66 in Fig.9B die Übertragungsverluste in den optisciien Pfaden zum ersten, dritten bzw. vierten Ein-/Ausgang Pi, Pj bzw. P₄. Die Kurven 61 und 62 zeigen die erhaltenen Verlustkennlinien des optischen Pfades, und diese Kurven sind im wesentlichen parallel mit der Abszisse; dies bedeutet, daß die Übsrtragungsverluste immer gleich sind, unabhängig davon, ob das einfallende Licht in Richtung der Pfeile oder in Richtung des Zeichens Opolarisiert ist. Mit anderen Worten, Fig.9 zeigt, daß der erfindungsgemäße optische Zirkulator hervorragend funktioniert und keine Polarisations-Abhängigkeit aufweist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Zirkulator mit einem ersten (31) und einem zweiten (32) Polarisationsprisma und einem zwischen diesen befindlichen nicht-reziproken Element (43,46) zum Drehen der Polarisationsrichtung des hindurchlaufenden Lichtes im einen oder anderen Drehsinn, je nach Strahlrichtung, und zwar um 45° oder ein ungeradzahliges Vielfaches hiervon, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsprismen (31,32) so ausgebildet sind, daß die bei einem in eines der Polarisationsprismen einfallenden Lichtstrahl gebildeten beiden Strahlanteile mit zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen das Polarisationsprisma getrennt verlassen und nach Durchlaufen eines jeweiligen t.icht-reziproken Elementes (43,46) getrennt in das jeweils andere Polarisationsprisma eintreten und von diesem wieder vereinigt werden, und daß jedes der beiden nicht-reziproken Elemente (43, 46) mit je einer Kompensationseinrichtung (44,47) zu je einer nicht-reziproken Einrichtung (39,40) kombiniert ist, wobei jede Kompensationseinrichtung (44, 47) eine Drehung der Polarisationseinrichtung um ebenfalls 45° oder ein ungeradzahTIges Vielfaches hiervon bewirkt, jedoch in Strahlrichtung gesehen, immer im gleichen Drehsinn.

2. Optischer Zirkulator nach Anspruch 1, bei dem eine erste Fläche (Q 1) des ersten Polarisationsprismas (31) einen ersten Eingang und Ausgang des Zirkulators, eine zweite Fläche (Q 3) des ersten Polarisationsprismas (31), einen zweiten Eingang und Ausgang des Zifkulators, eine erste Fläche (Q 2) des zweiten Polarisationsprismas (32), einen dritten Eingang und Ausgang des Zirkulator und eine zweite Fläche (Q 4) des zweiten Polarisationsprismas, (32) einen vierten Eingang und Ausgang des Zirkulators darstellen und beide Polarisationsprismen (31,32) je eine dritte Fläche (Q 2, Q I) besitzen, und bei dem Licht einer ersten Polarisationsrichtung, das in die erste Fläche eines der Polarisationsprismen (31, 32) eintritt, durch dessen dritte Fläche austritt bzw. umgekehrt, sowie Licht einer zweiten, zur ersten senkrechten Polarisationsrichtung, das in die zweite Fläche eintritt, durch die dritte Fläche austritt bzw. umgekehrt und bei dem ferner eine nicht-reziproke Einrichtung (39) die dritten Flächen der beiden Polarisationsprismen (31, 32) optisch miteinander koppelt, dadurch gekennzeichnet, daß beide Polarisationsprismen (31, 32) eine vierte Fläche (ζ>4 bzw. <?3) besitzen, wobei Licht, das in die erste oder die zweite Fläche eintritt, in zwei getrennt durch die dritte bzw. die vierte Fläche austretende Komponenten mit aufeinander senkrecht stehenden Polarisationsrichtungen zerlegt wird und zwei durch die dritte und die vierte Fläche eintretende Lichtkomponenten mit aufeinandei senkrecht stehenden Polarisationsrichtungen zu einem durch die erste oder die zweite Fläche austretenden Lichtstrahl vereinigt werden, und daß die nicht-reziproke Einrichtung bzw. eine zwischen den beiden Polarisationsprismen (31, 32) angeordnete zweite nicht-reziproke Einrichtung (40) die vierten Flächen (Q 4, Q3) der Polarisationsprismen (31,32) optisch miteinander koppelt.

3. Optischer Zirkulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-reziproke Einrichtung bzw. beide nicht-reziproke Einrichtun-

gen (39, 40) einen Faraday-Rotator (43, 46) umfaßt bzw. umfassen.

4. Optischer Zirkulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der beiden Polarisationsprismen (31, 32) ?us zwei Kristall- oder Glasblöcken besteht, die unter Einschluß einer dazwischenliegenden Grenzschicht miteinander verbunden sind, wobei sich die dritte Räche ((? 2; Q1) und die vierte Fläche (Q 4; Q 3) auf verschiedenen Seiten der Grenzschicht befinden.

5. Optischer Zirkulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder das zweite Polarisationsprisma (31, 32) aus einem Vielschichtfilm-Prisma bestehen.

6. Optischer Zirkulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder das zweite Polarisationsprisma (31, 32) ein doppelbrechendes Prisma ist bzw. sind, dessen kristallografische Achse senkrecht zu der Ebene steht, die von den optischen Wegen des in das Prisma eintretenden Lichts gebildet wird.

7. Optischer Zirkulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Berührungsflächen zwischen den doppelbrechenden Prismen und der Grenzschicht Antireflexbeläge vorgesehen sind.

8. Optischer Zirkulator nach einem eier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nic'.H reziproke Einrichtung bzw. die nicht-reziproken Einrichtungen (39,40) durch Berührung mit den jeweiligen Flächen der Polarisationsprismen optisch mit diesem gekoppelt sind.