DE3231894A1

DE3231894A1 - Vorrichtung zum schalten eines lichtstrahls

Info

Publication number: DE3231894A1
Application number: DE19823231894
Authority: DE
Inventors: Eric Gregory 94010 Burlingame Calif. Hanson
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1981-09-03
Filing date: 1982-08-27
Publication date: 1983-03-10
Also published as: JPS6412370B2; JPS5849917A; US4410238A

Description

Int. Az.: Case 1544 £ 23. August 1982

Hewlett-Packard Company VORRICHTUNG ZUM SCHALTEN EINES LICHTSTRAHLS

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten eines Lichtstrahls, um diesen in vorbestimmter Weise abzuschwächen. Bei optischen Systemen, insbesondere solchen mit Glasfaserkabeln, sind typischerweise Abschwächer erforderlich, um die Leistung des Ausgangs!ichts zu verändern, ohne die Kurvenform des Ausgangslichts im übrigen zu verändern.

In Spie, Band 176, Guided Wave Optical Systems and Devices II, 1979, Seiten 124 bis 132 ist ein solcher Abschwächer unter der Oberschrift "Fiber-Optic Switching with Liquid Crystals" beschrieben. Demgemäß wird die Abschwächung erreicht durch optisches Schalten, d.h. die optische Ausgangsleistung wird verändert, indem diese ganz oder teilweise umgelenkt wird. Bei diesem Beispiel beruht das optische Schalten auf der vollständigen oder teilweisen optischen Reflexion mittels einer Flüssigkeitskristallschicht entsprechend elektrischen Befehlen. Durch Änderung der Reflexion wird somit die "Abschwächung" der optischen Ausgangsleistung erreicht, wie aus Figur 1A, B hervorgeht.

Ein anderer optischer Abschwächer ist beschrieben in "Electrically Controlled Optical Switch for Multimode Fiber Applications", Applied Optics, Band 19, Nr. 17, September 1980, Seiten 2921 bis 2925 und ist in Figur 2 dargestellt. Dabei teilt der optische Schalter einen Licht strahl in zwei Teilstrahlen mit orthogonalen Polarisationsebenen, und diese Teil strahl en werden durch unterschiedliche Reflexion in verschiedene optische Muster aufgeteilt. Dann werden beide Polarisationsebenen gleichzeitig umgeschaltet, indem die Polarisationsebenen gedreht und die Teil strahlen dann an einem von zwei möglichen Ausgangsenden durch wahlweise Reflexion rekombiniert werden. Durch das Schalten des optischen Ausgangssignales zwischen zwei Punkten, die durch einen Winkel von 90° getrennt sind, ändert sich die optische Ausgangsleistung an jeder Ausgangsstelle von ungefähr 0 bis nahezu

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100 Prozent, so daß eine Abschwä'chung erreicht wird.

Diese beiden Vorschläge sind typisch für optische Abschwächer oder Schalter mit teilweiser oder vollständiger optischer Reflexion. Da diese Vorschläge auf Reflexionseffekten beruhen, müssen reflektierende Oberflächen hergestellt werden, was genau geschliffene und/oder plattierte Oberflächen innerhalb eng tolerierter Winkel erfordert. Außerdem ergeben sich aufgrund der Reflexionen hohe Betriebsdämpfungen und in Verbindung mit Polarisationsunreinheiten ein erhebliches Nebensprechen, d.h. die beim Schalten erreichte Strahl aufteilung wird beeinträchtigt.

Durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete erfindungsgemäße Vorrichtung wird demgegenüber die Aufgabe gelöst, die Ausgangslichtleistung derart zu dämpfen, daß die Betriebsverluste und das Nebensprechen wesentlich herabgesetzt werden.

Der optische Schalter gemäß der Erfindung versetzt einen Lichtstrahl entsprechend dessen Polarisation. Dieses Versetzen erfolgt in einem doppe!brechenden Material, beispielsweise in Kalkspat. Dann wird die Polarisationsebene des versetzten Strahls gedreht, indem der Strahl durch eine Dreheinrichtung, beispielsweise eine FTüssigkristallzelle, gelangt. In Abhängigkeit von der Phase des versetzten Strahls, wird dieser an einem Austrittsende rekombiniert oder noch weiter entsprechend seiner Polarisation versetzt. Auf diese Weise wird ein wirksamer optischer Schalter durch Strahlenversatz realisiert.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Figur 1 und 2 herkömmliche optische Schalter, die auf Reflexionseffekten beruhen,

Figur 3 einen optischen Schalter gemäß der Erfindung, Figur 4 schematisch die übertragung von Licht mit verschiedenen

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Einfallswinkeln durch eine typische Flüssigkristallzelle in der Hauptbetrachtungsebene für verschiedene angelegte Spannungen.

Der optische Schalter 30 enthält eine die Polarisation drehende Einrichtung 31, welche zwischen zwei Übertragungsmedien 32, 33 angeordnet und aus doppe!brechendem Material hergestellt ist. Das doppelbrechende Material kann Kalkspat (Kalzit) und die Einrichtung zum Drehen der Polarisationsebene kann eine Flüssigkristallzelle sein. Obgleich andere Materialien anstelle des Kalkspats oder der Flüssigkristall zelle verwendet werden können, ist die folgende Beschreibung nur auf diese Beispiele abgestellt.

Es werden Tafeln aus Kaikspatkristall 32, 33 derart geschnitten, daß deren optische Achse 34 in der Ebene gemäß Figur 3 liegt und einen Winkel 40 von etwa 41,9° gegenüber der Eintrittsfläche 35 bildet. Im Ergebnis wird ein eintretender Strahl 36 durch eine Kalkspattafel 32 hindurchgeleitet und in einen ordinären Strahl aufgespalten, der sich gerade längs der Oberflächennormale ausbreitet undti einen außerordentlichen Strahl 38, welcher sich in einem Winkel 39 von etwa 6,23° zur Oberflächennormale ausbreitet.

Nachdem beide Strahlen eine vorbestimmte Dicke der Kristalltafel durchlaufen haben, treten sie als Teilstrahlen 37, 38 parallel zur Normalen aber mit einem geringfügigen Versatz 41 aus. Falls beispielsweise die Dicke 5 mm. beträgt, wird ein Strahl versetzt, um eine Trennung von im wesentlichen 550 μ zu bewirken.

Die austretenden parallelen Strahlen 37', 38' gelangen dann durch eine Flüssigkristall ze! Ie 3t. In der bevorzugten Ausführungsform ist die FlUssigkristallzelle 31 eine herkömmliche gedreht-nematische Zelle,wie sie in Uhren und Rechnern verwendet wird, abgesehen von der Größe. Diese Zelle 3T verursacht keine weitere Ablenkung von einem der Strahlen 37' oder 38' sondern modifiziert die Polarisationsebenen dieser Strahlen. Wenn an die Zelle 31 keine Spannung

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angelegt wird, wird die Polarisation jedes der Teil strahlen um 90° gedreht, wenn dieser durch die Zelle 3t gelangt. Wenn diese Strahlen 37', 38' einen zweiten Kalkspatkristall 33 durchlaufen, der identisch wie der erste Kristall 32 geschnitten ist, folgen sie Strahlengangen, die in Figur 3 durch die durchgezogenen Linien 43 und 44 angedeutet sind. Dieses erfolgt wegen der Polarisationsdrehung. Ein Strahl wird nochmals in der zweiten Kalkspattafel 33 versetzt, und die beiden Strahlen 43 und 44 werden an eine Ausgangsöffnung 45 wieder vereinigt zur Ausbildung eines einzigen Ausgangssignales 44'.

Wenn die Spannung an der Flüssigkristallzelle erhöht wird, tritt ein erhöhter Anteil der Strahlungsleistung in jedem Teilstrahl aus der Flüssigkristall zelle 31 aus, ohne daß dessen Polarisationsebene gedreht wäre, und ein abnehmender Anteil der Ausgangsleistung hat eine um 90° gedrehte Polarisationsebene. Wenn die Teil strahl en 37' und 38' den zweiten Kaikspatkristall 33 durchlaufen, folgen die Abschnitte mit nicht gedrehter Polarisationsebene den Strahlengängen, die durch unterbrochene Linien 47, 48 dargestellt sind und treten aus dem zweiten Kalkspatkristall als zwei Seitenstrahlen 47', 48' aus, die von dem zentralen Strahl beispielsweise um 550 μ in dem Ausführungsbeispiel versetzt sind. Obgleich sie versetzt sind, verlaufen die beiden Seitenstrahlen immer noch parallel zum zentralen Strahl 44'. Wenn die Spannung erhöht wird, wird daher im Ergebnis die Leistung in dem zentralen Strahl 44' vermindert und die Leistung in den Seitenstrahlen 47', 48' erhöht. Der Bruchteil der Leistung, der in den zentralen Strahl 44' eingekoppelt ist, ergibt sich in Abhängigkeit von der angelegten Spannung aus den Kurven in Figur 4. Bei einer senkrecht zum Strahl 36 in Figur 3 ausgerichteten Flüssigkristallzelle 31 ist die übertragung eine monoton abnehmende Funktion der Spannung. Figur 4 zeigt die Lichtübertragung als Funktion der angelegten Spannung bei Fllissigkristallzellen, die nicht senkrecht zum Strahl ausgerichtet sind. In diesen Fällen wird die hohe Dämpfung bei niedrigeren Spannungen erreicht, obgleich die Kurven nicht länger monoton verlaufen. Die Kurven in Figur 4 beziehen sich auf ein

spezielles Flüssigkristallmetall und eine gedreht-nematisehe Zellenstruktur. Die allgemeine Kurvenform der Kurven bleibt bei anderen Flüssigkristallmaterialien und gedreht-nematisehen Zellenstrukturen erhalten.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist jede der Kaikspatkristalltafeln 32, 33 mit Silizium in einem nicht dargestellten Messingrahmen eingebettet. Nicht dargestellte gläserne Deckel sind auf jedem Rahmen befestigt, so daß die Eintritts- und die Austrittsflächen oder Einfalls- oder Austrittsebenen jeder Kalkspattafel mit Glas bedeckt sind. Die Rahmen und die gedreht-nemati sehe Fl lissi gkri stal !zelle sind in einem nicht dargestellten Messinggehäuse untergebracht, und der Zwischenraum 51 zwischen ihnen ist mit nicht dargestelltem Silizium gefüllt.

Um die Vorteile geringerer Betriebsverluste und höherer Strahlentrennung des neuen optischen Schalters besser zu verstehen, werden die möglichen Verlustquellen erläutert.

Bei hoher Abschwächung ist die Flüssigkristallzelle 31 voll aktiviert und dreht die Polarisationsebene von keinem der beiden Eingangsstrahlen 37' und 38'. Wenn die optimale Spannung gewählt und an die Zelle angelegt wird, ist die lineare Polarisation jedes Strahls beinahe vollständig erhalten, nachdem dieser durch die Zelle 31 verläuft. Es hat sich herausgestellt, daß selbst bei optimaler Spannung sich eine Depolarisation von -30 dB bis -50 dB bei veränderten Zeil drehwinkeln ergibt. Bei 90°-Drehung ist die Depolarisation weniger als -50 dB, während ein Verdrehungsfehler von 1°, d.h. 89° oder 91"-Drehung zu einer Depolarisation von -40 dB führt. Ein Verdrehungsfehler von 3°, d.h. 87° oder 93°, führt zu einer Depolarisation von -30 dB. Die Toleranz des Verdrehungswinkels handelsüblicher Zellen beträgt ^± 3°. Dabei ergäbe sich eine Depolarisation und somit ein Kontrast von weniger als -30 dB. Um einen größeren Dynamikbereich zu erhalten, ist eine höhere Verdrehungstoleranz erforderlich.

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Die Ausrichtung der beiden Kalkspattafeln 32, 33 kann auch den Kontrast beeinträchtigen« Insbesondere muß die optische Achse 34 in den beiden Kristallen 32, 33 parallel sein. Wenn die Parallelität durch die Drehung eines der Kristalle um einen Winkel α gegenüber dessen Oberflächennormale gestört wird, ändern sich die Polarisationsrichtungen des ordentlichen und des außerordentlichen Strahls um den Winkel α in den beiden Kristallen. Daraus folgt, daß der unterste mögliche Übertragungskoeffizient sin²a ist. Um eine Abschwächung von -50 dB zu erreichen, muß «!weniger als 0,18° (3,2 mrad) betragen, während eine Abschwächung von -30 dB erfordert, daß α weniger als 1,8° (32 mrad) beträgt. Da eine Ausrichtung der Kalkspattafeln 32, 33 auf eine Präzision von mehr als 1,8° leicht mit einer einfachen existierenden Technik erreicht werden kann, kann eine höhere Abschwächung umso leichter entsprechend der Erfindung erreicht werden.

Die Ausrichtung der Kalkspattafeln 32, 33 und des Flüssigkristalls 31 ist nicht kritisch. Beispielsweise kann die gesamte Kalkspat/ Flüssigkristall-Zellenanordnung 30 Seite an Seite angeordnet werden, ohne daß dieses kritisch für das Kontrastverhältnis wäre, tfälTsder Strahl nicht durch eine Blende hindurchgeführt wird. In ähnlicher Weise beeinträchtigt eine allgemeine winkelmäßige Neigung der Anordnung den Wirkungsgrad beim Schalten nicht kritisch.

Die Streuung des Lichtes hat eine relativ kleine Wirkung auf das Kontrastverhältnis: Der Anteil des gestreuten Lichtes in einem Flüssigkristall 31 mit 10 μ Stärke beträgt beispielsweise nur -23 dB bezogen auf die Strahl intensität. Nur die Hälfte dieses gestreuten Lichtes, d.h. -26 dB hat eine Polarisation, die der des Hauptstrahls entgegengesetzt ist und eine Herabsetzung des Kontrasts bewirkt. Zusätzlich wird dieses Licht bei großen Winkeln von der Strahlrichtung, d.h. bei Winkeln von bis zu etwa 30° gestreut. Typischerweise wird der Ausgangslichtstrahl von einer Glasfaser aufgenommen. Da der Ausgangsglasfaser weniger als 0,1% des Lichtes des Streukegels

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aufnimmt, beträgt das Verhältnis des depolarisierten gestreuten Lichtes in der Glasfaser zu dem übrigen Licht weniger als -50 dB.

Reflexionen beeinträchtigen das Kontrastverhältnis ebenfalls nicht, da jeder der beiden Strahlen 37' und 38' linear polarisiert ist. Die Polarisation bleibt unverändert, selbst bei Doppel reflexion. Daher würde ein reflektierter Strahl an der gleichen Stelle der Anordnung austreten wie der unreflektierte Strahlenanteil. Vorteil hafterweise ergibt sich somit keine Kontrastverminderung.

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Claims

Int. Az.: Case 1544 Hewlett-Packard Company 23. August 1982 PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Schalten eines Lichtstrahls, gekennzeichnet durch

ein erstes Übertragungsmedium (32) aus doppe!brechendem Material, eine Einrichtung mit wenigstens zwei Flächen zur wahlweisen Drehung polarisierter Lichtstrahlen, wobei eine Fläche an dem ersten Übertragungsmedium anliegt und

ein zweites Übertragungsmedium (33) aus doppelbrechendem Material, welches an der anderen Fläche der Einrichtung zum Drehen der polarisierten Lichtstrahlen anliegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Material Kalkspat ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Material wenigstens eine ebene Oberfläche hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Drehen polarisierter Lichtstrahlen eine Flüssigkristallzelle ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse des Kalkspats im wesentlichen um 41,9° gegenüber der Einfallsebene der Lichtstrahlen gedreht ist.