DE3346058C2

DE3346058C2 - Optischer Frequenzumsetzer und damit ausgestattetes Gyrometer

Info

Publication number: DE3346058C2
Application number: DE3346058A
Authority: DE
Inventors: Herve Arditty; Michel Papuchon
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1982-12-23
Filing date: 1983-12-21
Publication date: 1995-11-02
Anticipated expiration: 2003-12-22
Also published as: FR2555769B1; FR2555769A1; NL8304435A; IT1160140B; GB2151806A; CA1255139A; DE3346058A1; NL192466C; NL192466B; IT8368302A0; GB2151806B

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Frequenzumsetzer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Frequenz umsetzer ist aus der US 4 326 803 bekannt. Die Erfindung betrifft ferner ein Gyrometer gemäß dem Oberbegriff des Pa tentanspruchs 9 sowie ein Gyrometer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10. Der Grundaufbau derartiger, mit einem optischen Interferometer ausgestatteter Gyrometer ist bei spielsweise in dem in Optics Letters, Vol. 4, No. 3, S. 93-95, 1979, erschienenen Aufsatz "Phase-nulling fiber-optic laser gyro" bzw. in der US 4 326 803 beschrieben.

Die in herkömmlicher Optik ausgeführten Frequenzumsetzer sind wohlbekannt. Der wohl am häufigsten verwendete derarti ge Frequenzumsetzer beruht auf akustooptischer Wechselwir kung. Dabei erzeugt ein sich in einem Medium ausbreitendes Schallgitter periodische Veränderungen des Brechungsindex in Form einer sich ausbreitenden Welle. Dieses bewegte Gitter verursacht eine Lichtbeugung. Wenn die Wechselwirkungslänge ausreichend groß ist, so kann eine einzige Ordnungszahl überwiegen. In der gebeugten Ordnung (ω_D) ist die Frequenz ω der Lichtwelle um eine Größe verändert, die gleich der Fre quenz Ω der Schallwelle ist.

Es gilt also ω_D = ω + Ω.

Die Unterdrückung der Grundschwingung kann sehr gut sein, denn die umgesetzte Schwingung und die direkte (ungebeugte) Schwingung sind dann räumlich voneinander getrennt.

Es können nun die Eigenschaften der integrierten Optik untersucht werden. Unter dieser Bezeichnung werden mono lithische Strukturen aus Dünnschichten verstanden, die zur Verarbeitung von Lichtsignalen bestimmt sind und durch die Technik der Ablagerung, Diffusion und Gravie rung durch Masken hindurch erhalten werden, die analog denen sind, welche für die Herstellung von elektronischen integrierten Schaltungen angewendet werden. Durch Anwen dung dieser Technik ist es insbesondere möglich, lineare Strukturen herzustellen, die durch einen Brechungsindex gekennzeichnet sind, der größer als der des umgebenden Mediums ist, und die Wellenleiter bilden, entlang welchen sich das Licht durch aufeinanderfolgende Totalreflexionen oder progressive Lichtbrechung ausbreitet. Es ist bekannt, zwei derartige Wellenleiter über einen Teil ihres Ver laufs parallel zueinander anzuordnen, um Richtkoppler herzustellen; aufgrund des Effektes der Wellenausbrei tungsverluste tritt die über den ersten Wellenleiter transportierte Energie progressiv in den zweiten Wellen leiter ein, und ein Maximum des Energieübergangs wird nach einer bestimmten Länge beobachtet, die als Kopplungs länge bezeichnet wird und von den geometrischen und opti schen Parametern der Struktur abhängt, insbesondere von der Größe der Brechungsindizes der Materialien, aus denen die beiden Wellenleiter gebildet sind, und des diese trennenden Mediums. Anschließend tritt aber die Energie progressiv wieder aus dem zweiten Wellenleiter in den ersten ein, usw. Es ist ebenfalls bekannt, als Material für einen der Wellenleiter oder das diese trennende Me dium ein elektrooptisches Material zu verwenden und dessen Brechungsindex unter der Wirkung eines elektrischen Feldes zu verändern, wodurch unter Einwirkung auf die Kopplungslänge der Energieanteil elektrisch gesteuert werden kann, welcher von einem Wellenleiter in den ande ren überführt wird. Es ist ferner ersichtlich, daß ein Lichtmodulator gebildet werden kann, in dem parallel zu dem die Lichtwelle transportierenden Wellenleiter ein Leiterabschnitt angeordnet wird, in welchem ein mehr oder weniger großer Teil dieser Energie transportiert wird.

Ferner sind Frequenzumsetzer bekannt, die dazu bestimmt sind, aus einer elektromagnetischen, geführten Strahlung der Frequenz ω eine geführte elektromagnetische Strah lung zu erzeugen, deren Frequenz ein Vielfaches der Fre quenz ω ist. Diese Umsetzer werden insbesondere auf dem Gebiet der integrierten Optik angewendet, wobei diese Bezeichnung in Analogie mit den elektronischen integrier ten Schaltungen gewählt ist, bei denen es sich um mono lithische Strukturen handelt, die aus Dünnschichten auf gebaut sind.

Frequenzumsetzer der oben angegebenen Art wurden bereits in integrierter Optik verwirklicht, jedoch erfordern sie die Anwendung eines ebenen Wellenleiters; dies ist bei Mikroleitern nicht anwendbar. Es wurden bereits Anwen dungen von Mikrowellenleitern beschrieben, die mit elek trooptischer Modulation arbeiten. Dabei kann es sich um ein Serrodyn-System oder um einen symmetrischen Modula tor handeln. Ein derartiger optischer Frequenzumsetzer enthält einen Wellenleiter, der als Phasenmodulator ver wendet wird und durch ein sägezahnförmiges Signal ge steuert wird. Ein solches Signal hat dieselben Auswir kungen wie eine Spannungsrampe, die eine Änderung des Brechungsindex in Abhängigkeit von der Zeit ermöglicht. Es kann sich auch um eine akustische Modulation handeln, bei der eine Schwingungsform TE umgesetzt wird in eine Schwingungsform TM, wobei eine Frequenzänderung auftritt.

In diesem Fall wird durch Anlegen eines quergerichteten elektrischen Feldes das Durchlaßband eines akustoopti schen Umsetzers, der eine TE-Schwingungsform in eine TM-Schwingungsform umsetzt, durch kolinare Wechselwir kung von akustischen Oberflächenwellen mit einer geführ ten Lichtwelle verändert.

Beide Techniken haben mehrere Mängel:

- Die beiden Wellen breiten sich in demselben Wellenleiter aus (frequenzversetzte und Grundwelle), wodurch Probleme hinsichtlich ihrer Trennung auftreten,
- in bestimmten Fällen hängt der Wirkungsgrad der Umsetzung stark von der Schwingungsform ab (Serrodyn-Umsetzer);
- bei einer TE-TM-Umsetzung ist eines der angetroffenen Probleme die extreme Wellenlängenabhängigkeit (Ände rung von β/KTM-β/KTM), wodurch es im übrigen ermög licht wird, eine derartige Vorrichtung als Filter zu verwenden.

Bei dem aus der US 4 326 803 bekannten optischen Frequenz umsetzer der eingangs genannten Art werden die Schallwellen durch akustooptische Modulatoren erzeugt, die im Bereich des einen Wellenleiters außerhalb der Kopplungszone angeordnet sind, in der die Wellenleiter über die vorbestimmte Länge zueinander parallel sind.

Aus der GB 1 448 563 ist ein schallwellengesteuerter Umschal ter für ein optisches Wellenleiterpaar beschrieben, bei dem sich die erzeugten Schallwellen kollinear mit der sich in einem der Wellenleiter ausbreitenden, ankommenden Welle aus breiten. Durch die herbeigeführte akustooptische Wechselwir kung wird das ankommende Wellensignal praktisch vollständig von einem Wellenleiter auf den anderen umgeschaltet. Eine Frequenzumsetzung erfolgt demnach nicht.

In der DE-OS 26 19 327 ist zur Umschaltung einer optischen Strahlung zwischen einem ersten und einem zweiten optischen Kreis ein elektrooptischer Umschalter vorgesehen.

In der DE-OS 28 34 344 wird ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten optischen Struktur beschrieben, deren Be trieb die Anlegung eines elektrischen Feldes erfordert.

In "Optics Communications", Bd. 42, Nr. 2, Juni 1982, Seiten 101-103 ist ein Verfahren zur Herstellung von Wellenleitern in Form eines Stabes beschrieben, der durch Eindiffundieren von Titan in Lithiumniobat erhalten wird. Ein entsprechendes Verfahren ergibt sich auch aus dem Dokument "SPIE", Bd. 317, "Integrated Optics and Millimeter and Microwave Integrated Circuits (1981)", S. 47-57.

In dem in Optics Letters, Vol. 4, No. 3, S. 93-95, 1979, erschienenen Aufsatz "Phase-nulling fiber-optic laser gyro" von R. F. Cahill und E. Udd, ist bereits ein Gyrometer der im Oberbegriff des Patentanspruchs 9 angegebenen Art beschrie ben, das mit einem Frequenzschieber ausgestattet ist. Dieser Frequenzschieber bewirkt sowohl eine relative Frequenzände rung der sich in unterschiedlicher Richtung im Ring ausbrei tenden Wellen als auch die für einen Nullabgleich erforder liche relative Phasenverschiebung.

Ein Gyrometer der im Oberbegriff des Anspruchs 9 angegebenen Art ergibt sich auch aus der DE-OS 31 15 804.

Bei dem aus der US 4 326 803 bekannten Gyrometer ist der Ring durch einen Lichtleiter gebildet, der zusammen mit der Energiequelle, den Teiler- und Mischeinrichtungen für die Wellen sowie den Detektoren auf einem Substrat integriert ist, auf dem ferner zwei Wellenleiter verwirklicht sind, die einerseits mit der Energiequelle verbunden und andererseits über einen jeweiligen Frequenzschieber mit einem Richtungs koppler gekoppelt sind, um die von der Energiequelle ausge henden und von den Frequenzschiebern beeinflußten Lichtsignale in den den Ring bildenden Lichtleiter einzukoppeln. Als Frequenzschieber können akustooptische Modulatoren wie Bragg-Zellen verwendet werden. Über einen weiteren Richtungs koppler werden die zwei Lichtsignale wieder aus dem Ring ausge koppelt und in zwei weitere Wellenleiter eingespeist, die jeweils mit einem der Detektoren verbunden sind.

Ziel der Erfindung ist es, einen Frequenzumsetzer der ein gangs genannten Art zu schaffen, der bei möglichst einfachem, kompakten Aufbau eine höhere Zuverlässigkeit sowie einen höheren Wirkungsgrad besitzt. Überdies soll ein solcher Fre quenzumsetzer eine möglichst preisgünstige Herstellung eines Präzisions-Gyrometers ermöglichen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten sind in den Unteransprü chen 2 bis 8 angegeben. Die Ansprüche 9 und 10 betreffen je weils ein mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Frequenzum setzer ausgestattetes Gyrometer.

Aufgrund dieser Ausbildung wird eine räumliche Trennung der umgesetzten Welle von der nicht umgesetzten Grundwelle er reicht, wodurch gleichzeitig auch die oben angeführten Mängel der bekannten Vorrichtungen beseitigt sind. Ein Übersprechen ist nur noch von einfachen geometrischen Parametern abhängig, so daß es beliebig verringert werden kann. Die beiden Wellen behalten dieselbe Polarisierung. Der erfindungsgemäße Frequenzumsetzer ist in besonderer Weise auch für die Her stellung von Frequenzfiltern geeignet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 bis 3 eine Vorrichtung bekannter Art;

Fig. 4 einen Frequenzumsetzer nach der Erfindung;

Fig. 5 und 6 ein den Frequenzumsetzer nach der Erfindung enthaltendes System; und

Fig. 7 eine andere Ausführungsform dieses Systems.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen in linearer Optik ver wirklichten Schalter im Schnitt bzw. in Draufsicht. Zwei Lichtwellenleiter 1, 2 sind in einem Substrat 3 gebildet. Das Material, über welches die Kopplung stattfindet, ist das des Substrats 3. Um die Wellen- bzw. Lichtleiter 1 und 2 zu implantieren, kann z. B. Titan in ein Substrat hineindiffundiert werden, das aus einer monokristallinen Lithiumniobatscheibe (LiNbO₃) gebildet ist. Das Titan substituiert in der Diffusionszone teilweise das Niob, um eine Mischverbindung der Formel LiTi_xNb_1-xO₃ zu bilden, die einen Brechungsindex aufweist, welcher größer als der des reinen Niobats ist. Diese diffundierten Zonen, welche einen größeren Brechungsindex als das Substrat 3 auf weisen, bilden die Wellenleiter 1, 2. Wenn die Diffusions temperatur größer als der Curiepunkt des Materials ist, so wird die anschließende Abkühlphase ausgenutzt, um die Scheibe einem gleichförmigen elektrischen Feld auszusetzen, so daß die Scheibe gleichmäßig polarisiert wird und eine "Monogebiet"-Struktur erhalten wird.

Wenn eine Spannung zwischen Elektroden 10, 20 angelegt wird, entsteht eine Feldlinienverteilung, die in Fig. 1 mit 4 bezeichnet ist. Die in der Richtung C senkrecht zur Oberfläche 23 des Substrats 3 in den beiden Wellenleitern verlaufende Feldkomponente, deren Absolutwert der selbe und deren Richtung entgegengesetzt ist, verursacht Änderungen des Brechungsindex um denselben Absolutwert und mit entgegengesetzten Vorzeichen. Da jedoch in einer zur Richtung der Achse C des Substrats senkrechten Rich tung entsprechend seinem außergewöhnlichen Brechungsindex eine nicht verschwindende Feldkomponente vorhanden ist, und weil das angelegte elektrische Feld auch den Wert des Brechungsindex in demjenigen Teil 22 des Substrats 3 verän dert, der zwischen den beiden Wellenleitern 1, 2 liegt, wird eine gewisse Unsymmetrie des Phänomens hervorgerufen: Die erhaltene Kopplung variiert gemäß der Polarität der Spannung, die zwischen den Elektroden 10 und 20 angelegt wird. Diejenige Spannungspolarität, welche zu einer maxi malen Kopplung führt, kann aus der kristallographischen Orientierung des Materials abgeleitet werden, aus dem das Substrat 3 besteht. Wenn diese Orientierung unbekannt ist, ist es sehr leicht, die optimale Polarität experimentell zu bestimmen, nämlich durch eine Messung der Lichtinten sität, die durch einen Wellenleiter für die eine bzw. die entgegengesetzte Polarität übertragen wird.

Wenn die metallischen Elektroden 10, 20 direkt auf der Oberfläche der Wellenleiter 1, 2 angeordnet sind, so kann durch eine Welle, die sich mit Ausbreitungsverlusten in dem metalli schen Medium ausbreitet, das relativ stark absorbiert, ein Energieverlust in dem Koppler hervorgerufen werden. Um diesen Energieverlust zu vermeiden, kann eine licht durchlässige dielektrische Schicht 11, 21 zwischen dem Wellenleiter 1, 2 und der Elektrode 10 bzw. 20 angeord net werden, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Diese isolierende Schicht 11, 21 ist aus einem Material gebildet, das eine gute Durchlässigkeit bei der Wellenlänge des Lichtes aufweist, das sich in dem Wellenleiter 1, 2 ausbreitet, und das einen Brechungsindex aufweist, der kleiner als der des Wellen leiters 1, 2 ist. Für den oben beschriebenen Fall, bei dem das Substrat 3 aus Lithiumniobat besteht, ist Silizium dioxid (SiO₂) sehr gut geeignet.

Diese beiden Wellenleiter 1, 2 oder Lichtleiter sind, wie in Fig. 2 gezeigt, zueinander über einen geradlinigen Teil der Länge L parallel, der von einem Parameter abhängt, welcher als Kopplungslänge bezeichnet und weiter unten noch definiert wird. Der Abstand zwischen den parallelen, geradlinigen Teilen weist einen Wert d auf, der einige Wellenlängen des in den Wellenleitern 1, 2 transportierten Lichtes nicht überschreiten darf (gerechnet in dem diese Leiter trennenden Medium). Die beiden Wellenleiter 1, 2 sind aus demselben elektrooptischen Material gebildet, das unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes einen Brechungs index aufweist, der in Abhängigkeit von dem Wert des an gelegten Feldes variiert. Der Brechungsindex dieses Ma terials ist so gewählt, daß selbst bei Anwesenheit eines angelegten elektrischen Feldes der Wert des Brechungsin dex größer als der des Materials ist, aus dem das Sub strat 3 besteht.

Aufgrund der elektrooptischen Eigenschaften des Materials, aus dem die Wellenleiter 1, 2 gebildet sind, erzeugt die Feldlinienverteilung im Inneren dieser Leiter Änderungen des Brechungsindex, deren Absolutwert im wesentlichen gleich ist, die jedoch entgegengesetzte Vorzeichen haben.

Wenn eine Lichtwelle über einen Wellenleiter transportiert wird, so breitet sich ein Teil der Energie außerhalb des Leiters in dem diesen umgebenden Medium in Form einer sich verflüchtigenden Welle aus. Die Amplitude dieser Welle nimmt exponentiell mit zunehmender Entfernung von den Wänden des Leiters ab. Wenn ein zweiter Leiter pa rallel zu dem ersten angeordnet wird, so nimmt er auf grund dieser sich verflüchtigenden Welle progressiv Energie aus dem ersten Leiter auf, und dies geschieht um so schneller, je näher die beiden Wellenleiter neben einanderliegen. Nach einer gegebenen Entfernung, die als Kopplungslänge bezeichnet wird und sowohl von den geome trischen als auch von den optischen Parametern der beiden Leiter und des diese trennenden Mediums (insbesondere von den Brechungsindizes) abhängt, ist eine maximale Energiemenge von dem ersten Leiter in den zweiten über führt worden. Jenseits von dieser Länge tritt der umge kehrte Effekt auf: die Energie wird progressiv vom zweiten Leiter in den ersten überführt, bis in dem zweiten Leiter ein minimaler Wert erreicht ist. Jegliche Änderung des Brechungsindex eines der vorhandenen Medien wirkt sich natürlich in der einen oder anderen Richtung auf die Kopplungslänge aus.

Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Vorrichtung kann die Länge L gleich der Kopplungslänge ohne angelegtes elektrisches Feld gewählt werden. Wegen der vollkom menen Symmetrie der beiden Wellenleiter 1, 2 in der Kopplungszone tritt eine vollständige Energiekopplung vom ersten Leiter in den zweiten (oder vom zweiten in den ersten) auf. Durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 10 und 20 wird die Kopplungslänge vermindert, und ein Teil der Energie wird von dem zweiten Wellenleiter zu dem ersten zu rücküberführt (oder vom ersten zu dem zweiten). Das Ge samtergebnis besteht darin, daß mit zunehmender Spannung die von dem ersten Wellenleiter zu dem zweiten (oder vom zwei ten zum ersten) überführte Energie, die am Ende der Kopp lungszone gemessen wird, bis zu dem Wert Null abnimmt. Die Kopplung zwischen den beiden Wellenleitern nimmt also von 100% auf 0% ab, wenn die an den Elektroden 10, 20 angelegte Spannung zunimmt. Dasselbe Ergebnis wird erhalten, wenn die Länge L gleich einem ungeraden Vielfachen der Kopp lungslänge ohne elektrisches Feld gewählt wird.

Es ist auch möglich, der Länge L einen Wert zu geben, der gleich einem geraden Vielfachen der Kopplungslänge ohne elektrisches Feld ist. Die am Ausgang von einem Wellenleiter zum anderen überführte Energie nimmt dann von Null ausgehend zu, wenn die zwischen den Elektroden 10, 20 angelegte Spannung von Null ausgehend zunimmt.

Unter Steuerung durch ein elektrisches Signal kann also mit einer solchen Vorrichtung ein Teil oder die Gesamt heit der Energie, die über einen Wellenleiter transportiert wird, in einen anderen Wellenleiter überführt werden, der ihm in der Kopplungszone zugeordnet ist.

Wenn einer der Leiter auf einen Abschnitt begrenzt wird, dessen minimale Länge die Länge L der Kopplungszone ist, so kann offensichtlich mit dieser Vorrichtung die in dem anderen Wellenleiter transportierte Energie zu 100% moduliert werden.

Für den Fall, daß die zwei Wellenleiter verschieden sind, kann eine zwischen diesen Wellenleitern gebildete periodische Struktur den Austausch zwischen ihnen steigern. Wenn nämlich die sich in einem Wellenleiter ausbreitende Welle dieselbe Aus breitungsgeschwindigkeit wie eine der Beugungsordnungen in dem anderen Wellenleiter aufweist, so findet ein Energieaus tausch statt.

Um diesen Austausch zu verwirklichen, können mehrere Mittel angewendet werden, insbesondere die Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen zwei Elektroden 28, 29, z. B. von periodischer Struktur, die auf den beiden Seiten der beiden Wellenleiter 5 und 6 angeordnet sind, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Eine Lichtwelle 24 breitet sich in dem ersten Wellenleiter 5 aus und erzeugt durch Kopplung aufgrund der vorhandenen Polarisation V_O eine eingekop pelte Welle 25, die sich in dem zweiten Wellenleiter 6 aus breitet. Es kann auch zwischen den beiden Wellenleitern 5, 6 ein Gitter in das Substrat 3 eingraviert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Frequenzumsetzer werden Schallwellen 12 durch Elektroden 13, 14 erzeugt, welche die Form von ineinandergreifenden bzw. interdigitalen Kämmen haben und an deren Anschlüsse ein Generator V angeschlossen ist. Die Schallwellen 12 breiten sich zwischen den beiden Wellenleitern 5, 6 in der in Fig. 4 gezeigten Weise auf. Die Elektroden 13, 14 können auf einer Dünnschicht 26 aus einem piezoelektrischen Material, z. B. Zinkoxid (Z_nO) aufge bracht sein, das seinerseits auf dem Substrat 3 aufge bracht ist, welches aus einem anderen Material besteht, z. B. aus Siliziumoxid. Die Dünnschicht 26 kann aber auch aus demselben Material wie das Substrat gebildet sein, z. B. aus kristallinem Quarz, Galliumarsenid oder Lithium niobat.

Der erfindungsgemäße Frequenzumsetzer weist den Vorteil auf, daß er eine Einstellung der Kopplung zwischen den beiden Wellenleitern 5 und 6 ermöglicht, die von der Frequenz der Schallwellen 12 abhängt. Die so gebildete akustooptische Ablenkeinrichtung ermöglicht nämlich eine Frequenzver schiebung: Die sich in dem Wellenleiter 5 ausbreitende Lichtwelle 24, die ferner durch diese Schallwellen 12 gebeugt wird, wird in der Frequenz umgesetzt und in den zweiten Wellenleiter 6 überführt. Diese beiden Wellenleiter 5, 6 müssen die selbe Länge aufweisen.

Wenn ein Medium betrachtet wird, in dem sich ein Bündel elastischer Wellen mit der Frequenz f ausbreitet, und wenn in dieses Medium ein ankommendes Lichtbündel einfällt, so wird eine Gruppe von gebeugten Bündeln mit den Frequenzen F + kf erhalten, worin k eine ganze positive oder negative Zahl ist.

Die sinusförmige Variation des Brechnungsindex, welche durch die elastischen Wellen erzeugt wird, hat auf die Lichtwelle eine Auswirkung, die analog der eines Phasen gitters ist: das in dem Medium aus Kristall 30 parallel zu den Ebenen der elastischen Wellen eindringende Lichtbündel wird in mehrere Bündel aufgetrennt, die symmetrisch in bezug auf das einfallende Lichtbündel sind und folgende Winkel Θ_N aufweisen:

Darin ist Λ die Teilung in den Wellenebenen und λ die Wellenlänge des ankommenden Lichtbündels. Die Dicke e des elastischen Bündels muß aber kleiner als ein kriti scher Wert e_c sein. Die seitlichen Wellen werden nämlich über die gesamte Länge des Weges der Trägerschwingung im Inneren des Ultraschallbündels und nicht nur am Aus tritt an der Grenze erzeugt. Wenn das elastische Bündel gedanklich in dünne Scheiben unterteilt wird, die pa rallel zur Ausbreitungsrichtung sind, so gilt für jede dieser Scheiben die vorstehende Spektralanalyse: die Frequenzen Ω + kω und die Ausbreitungsrichtung Θ_N der seitlichen Wellen sind auch für die Scheiben mit den Abszissen x und x + l dieselben. Wenn für eine gegebene Ordnungszahl die Beiträge dieser beiden Scheiben addiert werden, die den Abstand l voneinander haben, so ergibt sich eine entgegengesetzte Phasenlage für den Abstand

Die Interferenz der von den beiden Scheiben, welche den Abstand l_N voneinander haben, ausgehenden Wellen, kann also destruktiv sein. Wenn die Breite des Bündels größer als l_N ist, wird die Wirkung einer Scheibe durch die im Abstand l_N liegende Scheibe anulliert. Unter günstigsten Bedingungen darf die Dicke e des elastischen Bündels also einen kritischen Wert nicht überschreiten, der in erster Größenordnung folgender ist:

e_c = l₁ = λ²/Λ.

Für einen Bragg'schen Einfallswinkel des Lichtbündels in bezug auf die Ebenen der elastischen Wellen ist die Wechselwirkung am stärksten, denn die Interferenzen erster Ordnung bei der Winkelfrequenz Ω + ω sind konstruk tiv; es wird also nur ein einziges abgelenktes Bündel erzeugt.

Gemäß der Erfindung wird ein Richtkoppler verwendet, dessen beide Wellenleiter 5, 6 ungleich sind. Wenn ferner β/K₁ und β/K₂ die Ausbreitungskonstanten der Moden in diesen beiden Wellenleitern 5, 6 des Kopplers sind, so ist die rela tive Energie in dem einen Wellenleiter, wenn der andere erregt worden ist, folgender:

worin L die Wechselwirkungslänge und c die Kopplungskon stante ist, mit:

worin λ die Wellenlänge im Vakuum ist. Die relative Energie, die in diesem Wellenleiter am Austritt des Kopplers vor handen ist, hängt also von drei Parametern L, c und Δβ ab. Wenn Δβ groß gegenüber c ist, so kann unabhängig von L die maximale ausgetauschte Energie klein sein. Wenn z. B.

c = 1,5 10^-4 µm

E_MAX = 0,0017

und wenn

c = 1,5 10^-4

E_MAX = 0,000017

Diese Werte sind also sehr klein und können noch beliebig weiter verkleinert werden, indem die Länge L verän dert wird.

Wenn die Ausbreitungskonstanten der beiden Wellenleiter perio disch variiert werden und wenn die entsprechende Periode geeignet gewählt ist, so kann bekanntlich der Austausch zwischen diesen beiden Wellenleitern vergrößert werden, indem Δβ durch den Vektor K des Gitters kompensiert wird.

Die Wechselwirkung wird dann aufgrund der Erhaltung der Momente folgendermaßen geschrieben:

β₁ + K = β₂

oder:

worin Λ die Periode des Gitters ist.

Wenn also dieses Gitter wie bei der in Fig. 4 gezeigten, erfindungsgemäßen Vorrichtung durch eine Schallwelle 12 ge bildet ist, die sich kolinear mit der Lichtwelle 24 aus breitet, so erhält man eine Frequenzumsetzung der einge koppelten Welle.

Der Wechselwirkungsgrad hängt von dem Wert der Be chungsindexvariation ab, die durch die Schallwelle 12 in duziert wird, und folglich von der eingespeisten Lei stung. Als Beispiel kann ein Richtkoppler betrachtet werden, der in Lithiumniobat (LiNbO₃) durch Titan diffusion hergestellt wurde. Die dem Titan entsprechende Veränderung des Brechungsindex liegt gewöhnlich in der Größenordnung von Δn ≅ 5.10^-3.

Es kann dann die Ausbildung der beiden Wellenleiter 5, 6 mit Δβ/K = 2.10^-3 in Betracht gezogen werden. Dies kann er halten werden, indem die Breite oder/und Dicke des Titans für diese beiden Wellenleiter 5, 6 des Kopplers verändert wird. Für eine Wechselwirkungslänge von 10 mm ist die maximale ausgetauschte Energie bei λ = 0,83 µm: E_MAX = 4.10^-4. Die Wellenlänge einer Schallwelle 12, die für die Kompensa tion erforderlich ist, beträgt 415 µm entsprechend einer Frequenz von etwa 7,2 MHz im Falle des Lithiumniobats (LiNbO₃). Die am Ausgang des zweiten Wellenleiters 6 (der ur sprünglich nicht angeregt wurde) entnommene Welle 25 wird also mit einer Frequenzverschiebung von 7,2 MHz erhalten, und das Grundschwingungsmaximum in diesem Leiter beträgt -33 dB gegenüber der gesamten optischen Energie.

Bei dem erfindungsgemäßen Frequenzumsetzer kann auch einer der Wellenleiter 5, 6 durch Protonenaustausch und der andere durch Ti tandiffusion gebildet werden; gemäß einer anderen Aus führungsform werden beide Wellenleiter 5, 6 durch Protonenaustausch mit unterschiedlicher Charakteristik gebildet. Es kann dann Δβ/K ≅ 0,1 erhalten werden, mit einer Wechselwir kungslänge von 10 mm, wobei eine maximale ausgetauschte Energie von -67 dB der Gesamtenergie bei einer Wellenlänge von 8,3 µm der Schallwelle 12 bzw. einer Frequenz von 361 MHz derselben erhalten wird.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Frequenzumsetzer verursacht also eine in den ersten Wellenleiter 5 eingeleitete Welle 23 durch Kopplung das Auftreten einer Welle 25 in dem zweiten Wellenleiter 6, wobei diese Welle frequenzversetzt ist.

Mehrere Ausgestaltungen der Wellenleiter 5, 6 sind möglich, z. B. mit einem Substrat 3 aus Lithiumniobat. Die beiden Wellenleiter 5, 6 werden durch Eindiffundieren von Titan in das Sub strat erhalten. Die in den beiden Wellenleitern 5, 6 geführten Wellen sind zwei TE-Wellen oder zwei TM-Wellen, wobei sich ein Δβ/K in der Größenordnung von einigen 10^-3 ergibt.

Es kann aber auch eine gekreuzte Wechselwirkung stattfinden, also zwischen einer TE-Welle in dem ersten Wellenleiter 5 und einer TM-Welle in dem zweiten Wellenleiter 6 oder umgekehrt, wobei ein Δβ/K in der Größenordnung von 0,1 erhalten wird.

Einer der beiden Wellenleiter 5, 6 kann durch Eindiffundieren von Titan und der zweite durch Protonenaustausch erhalten werden. Wenn eine Achse C betrachtet wird, die senkrecht zu der Substratoberfläche ist, so tritt in beiden Wellenleitern 5, 6 eine TM-Welle auf. Es kann sich aber auch um zwei TE-Wellen handeln. Es wird dann ein Δβ/K in der Größen ordnung von 0,1 erhalten. Die zwei Wellenleiter 5, 6 können durch Protonenaustausch erhalten werden, aber ihre Charakte ristik muß jeweils verschieden sein. Man erhält dann: Δβ/K ≅ 0,1.

Durch Ändern der Schallfrequenz, die zwischen 10 und 300 MHz variieren kann, kann ein abstimmbares Filter erhalten werden. Die Doppelbrechung des Materials va riiert nämlich frequenzabhängig.

Das Durchlaßband des erfindungsgemäßen Frequenzumsetzers hängt von der Länge der Wechselwirkung zwischen der Lichtwelle 24 und der Schallwelle 12 ab, und je größer die Anzahl von Ebenen der Schallwelle 12 ist, die bei dieser Kopplung mit wirken, desto schmaler ist das Durchlaßband.

Der beschriebene Frequenzumsetzer kann als Filter verwendet werden, bei dem z. B. die Änderung der Doppelbrechung eines Materials in Abhängigkeit von der Wellenlänge aus genutzt wird. Es kann in Betracht gezogen werden, daß sich in dem ersten Wellenleiter 5 eine TE(TM)-Welle und in dem zweiten Wellenleiter 6 eine TM(TE)-Welle ausbreitet, die über die Schallwelle 12 miteinander gekoppelt sind. Für Lithium niobat gilt dann: (Δβ/KTM - Δβ/KTE ≅ 0,1, wobei sich wiederum eine Schallwelle 12 mit der Frequenz 361 MHz ergibt. Dieses Filter ist abstimmbar, denn es muß lediglich die Frequenz der Schallwelle 12 geändert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Frequenzumsetzer können die Elektro den z. B. auf den beiden Seiten der beiden Wellenleiter 5, 6 oder auf diesen Leitern angeordnet werden. Ferner kann eine iso lierende Zwischenschicht zwischen Elektroden und Substrat angeordnet werden. Das elektrische Feld, welches zwischen diesen beiden Elektroden erzeugt wird, ermöglicht dabei eine Einstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in ihren Anfangszustand oder ihren Endzustand.

Der erfindungsgemäße Frequenzumsetzer ist auf dem Gebiet der mit Lichtleitfasern arbeitenden Gyrometer einsetzbar.

Fig. 5 zeigt schematisch ein bekanntes Ring-Interfero meter. Eine Laser-Lichtquelle S sendet ein Bündel paralleler Strahlen 41 gegen einen optischen Teiler M, der durch eine halbdurchlässige Platte gebildet und hinter einem Filter F angeordnet ist.

Eine bestimmte Anzahl von Spiegeln M₁, M₂, M₃ bildet einen optischen Weg, der den Ring 42 eines Interferometers bildet. Dieser Ring 42 kann z. B. mittels Monomode-Lichtleit fasern gebildet werden. Die Meßempfindlichkeit wird näm lich durch einen langen Lichtweg gesteigert. Dieser Ring 42 ist auf den optischen Teiler M zurückgeschleift, der über dies die Funktion eines optischen Mischers erfüllt und auf diese Weise einen Ausgangszweig 43 festlegt. Der Ring 42 wird also von zwei in entgegengesetzter Richtung verlaufenden Wellen durchlaufen: die eine im Uhrzeigersinn (Richtung 2), die andere im Gegenuhrzeigersinn (Richtung 1). Diese bei den Wellen werden an dem Teiler M wieder miteinander kombiniert. Das Ergebnis dieser Rekombination kann im Ausgangszweig 43 mittels eines Detektors D beobachtet werden. Ein Teil der Lichtbündel wird in dem Eingangszweig durch eine Teilerplatte M′ wieder aufgenommen und durch quert erneut das Filter F. Am Ausgang werden die beiden Wellen an der Teilerplatte M′ wieder miteinander kombiniert. Das Ergebnis dieser Rekombination kann im Aus gangszweig 44 beobachtet werden. Durch Einfügung des Filters F in den Eingangszweig des Interferometers wird dieses vollkommen reziprok gemacht. Es wird von einer Welle durchlaufen, die in einem einzigen optischen Schwin gungstyp vorliegt. Dieses Filter ist durch ein Modenfilter, gefolgt von einem Polarisator gebildet. Das ankommende Strahlenbündel 41 durchquert dieses Filter, und der aus ihm austretende Bruchteil liegt in einer einzigen Schwingungsform vor. Es kann also das über den Ausgangszweig 43 austretende Bündel 43 betrachtet werden, welches der Interferenz der beiden Bündel entspricht, die die Modenfiltervorrichtung nicht durchlaufen haben, es kann jedoch auch derjenige Teil der Bündel betrachtet werden, der im Eingangszweig durch den halbdurchlässigen Teiler M aufgenommen wird. Dieser Teil der Bündel durchquert erneut das Filter F. An seinem Ausgang liegen die beiden Bündel, die über die halb durchlässige Teilerplatte M′ in den Ausgangszweig 44 eingegeben werden, in derselben Schwingungsform vor, wodurch das Interfero meter unempfindlich gegen "reziproke" Störungen wird.

Es sei ΔΦ die Phasendifferenz zwischen den beiden Wellen, die sich in entgegengesetzten Richtungen in dem Ring aus breiten, und P_S die optische Ausgangsleistung, die in dem Ausgangszweig 44 gemessen werden kann; bei fehlender "nichtreziproker" Störung ist ΔΦ gleich Null.

Wenn ein Gyrometer betrachtet wird, bei dem dieses Ring- Interferometer angewendet wird, so wird durch die Drehung des Gyrometers eine "nichtreziproke" Störung erzeugt. Die Phasendifferenz ΔΦ ist nicht mehr gleich Null, und es gilt ΔΦ = αΩ, worin Ω die Rotationsgeschwindigkeit ist, sowie α = k , worin k eine Konstante ist, die von der Geometrie des Gyrometers abhängt, L die Länge des Licht weges, λ die Wellenlänge des von der Laser-Strahlungs quelle S ausgesendeten Lichtes und C die Lichtgeschwin digkeit in dem Ring 42 ist. Wenn die Rotationsgeschwin digkeit Ω zunimmt, nimmt auch die Phasendifferenz ΔΦ im gleichen Maße zu, denn der Koeffizient α bleibt konstant. Die optische Leistung P_S folgt einem Cosinusgesetz. Es gilt nämlich:

worin P_1S der Richtung 1 und P_2S der Richtung 2 ent spricht. Die Meßempfindlichkeit für einen gegebenen Wert ΔΦ wird durch die Ableitung von P_S erhalten:

Die Empfindlichkeit des Interferometers ist sehr gering, wenn die Phasendifferenz ΔΦ nur wenig von Null verschie den ist. Dies ist bei einem Gyrometer der Fall, wenn ge ringe Rotationsgeschwindigkeiten Ω gemessen werden sollen. Die Variation der optischen Leistung in dem Ausgangszweig ist durch das in Fig. 6 wiedergegebene Diagramm darge stellt.

Es kann angenommen werden, daß die Größen P_1S und P_2S gleich sind. Daraus folgt, daß für eine Phasendifferenz ΔΦ = π die erfaßte Leistung minimal ist. Sie durchläuft ein Maximum P_Smax für ΔΦ = 0 und für 2π usw.

Um die Empfindlichkeit des Interferometers zu vergrößern, kann eine "nichtreziproke" konstante Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellen eingeführt werden, die in ent gegengesetzten Richtungen umlaufen, so daß der Arbeits punkt des Interferometers verschoben wird.

Für den Fall einer nach einem Cosinusgesetz variierenden Funktion wird der Punkt höchster Empfindlichkeit für die Winkel (2k+1) π/2, mit k ganzzahlig, erhalten. Es kann also eine Verschiebung gewählt werden, für die der Abso lutwert der Phasenänderung bei jeder Welle π/4 beträgt, jedoch mit entgegengesetzten Vorzeichen. Bei fehlender "nichtreziproker" Störung wird dann die Phasendifferenz:

ΔΦ′ = ΔΦ + ΔΦ 0 mit ΔΦ 0 = π/2

Man liegt dann im Punkt A der Fig. 6.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, kann auf dem Weg der Wellen im Ring 42 ein Phasenmodulator oder -schieber 45 eingefügt werden, bei dem ein reziproker Effekt angewendet wird, um eine bessere Empfindlichkeit der Vorrichtung zu erhalten. Dieser Phasen schieber 45 wird so erregt, daß er eine Phasenvariation der ihn durchlaufenden Welle verursacht. Diese Variation ist periodisch mit der Periode 2τ, worin τ die Umlaufzeit einer Welle in dem Ring ist.

Die Differenz wird dann:

ΔΦ′ = ΔΦ + Φ(t - τ)

wobei jede der entgegengesetzt umlaufenden Wellen diese Phasenverschiebung erfährt, wenn sie den Phasenschieber 45 durch quert, mit

Φ(t) = Φ(t + 2 + τ).

Der Arbeitspunkt beschreibt dabei die Kurve P_S = f (ΔΦ), die in Fig. 6 gezeigt ist, symmetrisch zwischen zwei Extremwerten.

Der Phasenschieber (reziproker Phasenmodulator), der es er möglicht, die Störung Φ(t) einzuführen, kann zweckmäßiger weise in zwei Phasenschieber 45 und 46 aufgeteilt werden, die jeweils an einem Ende des Weges liegen, wie in Fig. 5 gezeigt ist, wobei einer von ihnen die Phasenverschiebung Φ₁(t) und der andere die Phasenverschiebung Φ₂(t) erzeugt. Diese zur Phasenmodulation dienenden Phasenschieber 45, 46, die symmetrisch an den beiden Enden des optischen Weges liegen, können ent gegengesetzte Phasenlage haben. Durch diese Ausbildung wird eine zusätzliche Symmetrierung der Erscheinungen gewährleistet, wodurch Fehler zweiter Größenordnung ver mindert werden, die von eventuellen Nichtlinearitäten dieser Phasenschieber 45, 46 herrühren.

Im Idealfalle wird an den Arbeitspunkten A und B der Kurve gearbeitet, die in Fig. 6 gezeigt ist; zunächst wird, um im Punkte A zu arbeiten, Φ₁(t) = π/4 und Φ₂(t) = -π/4 gewählt, und anschließend Φ₁(t) = -π/4 sowie Φ₂(t) = +π/4, um im Punkte B zu arbeiten.

Dasselbe Ergebnis wird erhalten, wenn zwei Rechtecksignale verwendet werden, welche die beiden Pegel -π/4 und +π/4 haben.

Wenn die Phasenmodulationssignale die Frequenz F haben und wenn das Gyroskop nicht rotiert, so wird durch Detek tion ein gleichgerichtetes Signal mit der Frequenz 2F erhalten. Wenn das Gyroskop hingegen rotiert, so werden die Frequenzen F und 2F erhalten. Diese Vorrichtung weist jedoch noch den Mangel auf, daß sie keine Null-Technik anwendet. Überdies ist die Messung nichtlinear.

Wenn die Nullpunkt-Methode angewendet werden soll, so muß ein nichtreziproker Effekt in Betracht gezogen werden, durch den der auf der Rotation beruhende Effekt kompensiert wird. Es muß dann eine Komponente mit der Frequenz F des erfaßten Signals erhalten werden, die gleich Null ist. Es wird weiterhin der veränderte Para meter gemessen, wodurch die Rotationsgeschwindigkeit ermittelt werden kann.

Das an den Elektroden des bzw. der Phasenschieber 45, 46 angelegte Feld kann variiert werden, falls es sich um einen elektrooptischen Modulator handelt. Ferner kann die Frequenzdifferenz der sich ausbreitenden Moden variiert werden, wodurch eine Phasenverschiebung am Ausgang des Detektors erhalten wird.

Der erfindungsgemäße Frequenzumsetzer ist besonders auf dem Gebiet des mit Lichtleitfasern ausgestatteten Gyrometers anwendbar, bei welchem zwei erfindungsgemäße Frequenzum setzer in den beiden Zweigen angeordnet werden können, wobei auf solchen Frequenzen gearbeitet wird, daß die Nichtreziprozität, welche dadurch verursacht wird, daß die beiden Wellen in dem Interferometer nicht dieselbe Frequenz haben, diejenige kompensiert, die auf dem Sagnac-Effekt beruht.

Es sind zwei Frequenzumsetzer 62 und 63 neben den Phasenschiebern 45 und 46 angeordnet, wie sie bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform.

Der erfindungsgemäße Frequenzumsetzer ermöglicht eine digitale Einstellung. Werden neben den beiden Phasenschiebern 45, 46 zwei Fre quenzumsetzer 62, 63 angeordnet, so kann eine Kompensa tion der Frequenzkomponente F erreicht werden, die bei Rotation auf dem Sagnac-Effekt beruht. An diesen beiden Frequenzum setzern 62, 63 liegen dann die beiden Frequenzen F₁ und F₂ vor.

Im Ruhezustand muß gelten F₁ = F₂. Wenn das Gyroskop mit einer konstanten Geschwindigkeit rotiert, so tritt eine Schwebung der Frequenzen F₁ und F₂ auf, und die Anzahl der Schwebungsperioden kann gezählt werden.

Die bei der Verwirklichung von Lichtleitfasern mit ge ringen Verlusten erzielten Fortschritte ermöglichen ihre Anwendung zur Herstellung von derartigen Ring-Interfero metern. Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ring-Interferometers ist in Fig. 7 gezeigt. Eine aufge rollte Lichtleitfaser 52 bildet den in Fig. 5 gezeigten Ring 42 des Inter ferometers. Die verschiedenen Zweige des Interferometers sind in integrierter Optik ausgebildet. Die Wellenleiter sind durch Integration in einem Substrat hergestellt. Das Sub strat kann z. B. aus folgenden Materialien ausgewählt werden: Lithiumniobat oder Lithiumtantalat, in welche Titan bzw. Niob eindiffundiert ist, um die Wellenleiter herzu stellen.

Der Frequenzumsetzer ist in zwei Frequenzumsetzer 54 und 55 unter teilt, die an den beiden Enden der Faser angeordnet sind. Diese Frequenzumsetzer 54, 55 sind erfindungsgemäß so ausgebildet, wie dies oben beschrieben wurde. Sie ermöglichen es, durch Variation der beiden Frequenzen zweier Schallwellen 58, 59, welche über Elektroden 56, 57 erzeugt werden, den Sagnac-Effekt zu kompensieren. Phasenmodulatoren bzw. -schieber, die durch auf beiden Seiten der beiden Wellenleiter angeordnete Elektroden 60, 61 dargestellt sind, sind in die Schleife eingefügt, um zu erkennen, ob das Gyrometer rotiert: es wird dann nämlich eine Komponente des Signals mit der Frequenz F festgestellt, wie zuvor erläutert wurde.

Die optischen Strahlteiler sind aus Monomode-Wellenleitern gebildet, die untereinander verbunden sind, um Y-Teiler zu bilden, welche untereinander über einen ihrer Schenkel verbunden sind und die Funktionen erfüllen, die in Fig. 5 von den halbdurchlässigen Platten erfüllt werden. Ein Wellenleiter 48 erfüllt die Funktion des in Fig. 1 gezeigten Monomoden-Filters, während ein Polarisator z. B. durch eine Metallisierung 49 der Oberfläche des Substrats oberhalb des Wellenleiters 48 gebildet ist.

Der erfindungsgemäße Frequenzumsetzer ist auch auf dem Gebiet der optischen Nachrichtenvermittlung anwendbar, um Licht wellen wellenlängenmäßig zu multiplexieren/demultiplexieren.

Claims

1. Optischer Frequenzumsetzer mit einem ebenen Substrat (3), das aus einem ersten Material gebildet ist, und wenigstens zwei Wellenleitern (5, 6) mit unterschiedlichen Kenndaten, von denen einer eine ankommende Welle (23) empfängt und die auf der Oberfläche dieses Substrats (3) angeordnet sind, wobei diese Wellenleiter (5, 6) in einem Koppler zueinander über eine vorbestimmte Länge parallel und durch einen solchen Abstand voneinander getrennt sind, daß die Strahlung der ankommenden Welle von einem Wellenleiter (5, 6) zum an deren überführbar ist, und mit einer Einrichtung (13; 14; 56; 57) zur Erzeugung einer Schallwelle (12, 58, 59), dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (13, 14; 56; 57) zur Er zeugung der Schallwelle (12, 58, 59) so zwischen den beiden Wellenleitern (5, 6) angeordnet ist, daß sich die Schallwelle (12, 58, 59) im Koppler kollinear mit der sich in einem der Wellenleiter (5) ausbreitenden, ankommenden Welle (23) ausbreitet und daß die Kopplung zwischen den beiden Wellen leitern (5, 6) so abgestimmt ist, daß eine frequenzversetzte Welle (25) nur in dem anderen Wellenleiter (6) erzeugt wird.

2. Frequenzumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (13, 14; 56; 57) zur Erzeugung der Schallwelle (12, 58, 59) eine Dünnschicht (26) aus einem zweiten, piezoelektrischen Material enthält, welche auf der Oberfläche des Substrats (3) aufgebracht ist, und zwei Elek troden (13, 14) aufweist, die in Form von interdigitalen Kämmen an der Oberfläche dieser Dünnschicht (26) angeordnet sind.

3. Frequenzumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der Schallwelle zwei Elektroden (13, 14; 56; 57) enthält, welche die Form von in terdigital ineinandergreifenden Kämmen haben, die an der Oberfläche des Substrats (3) angeordnet sind.

4. Frequenzumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material (3) Lithiumniobat ist.

5. Frequenzumsetzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der beiden Wellenleiter (5, 6) aus einem Stab hergestellt ist, der in das Innere des Substrats (3) eingefügt ist, wobei Titan in das Lithiumniobat einge bracht ist.

6. Frequenzumsetzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der beiden Wellenleiter (5, 6) durch einen Stab gebildet ist, der in das Innere des Substrats eingefügt ist, wobei Lithiumionen in dem Lithiumniobat durch H⁺-Ionen substituiert sind.

7. Frequenzumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Anlegen eines Feldes vorgesehen sind, durch welches wenigstens einer der Wellenleiter moduliert wird, wobei diese Mittel durch Elektroden (60, 61) gebildet sind, die auf beiden Seiten dieses Wellenleiters angeordnet sind.

8. Frequenzumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (28, 29) zum Anlegen eines Feldes vorgesehen sind, durch das wenigstens einer der Wellenleiter (5, 6) moduliert wird, wobei diese Mittel (28, 29) durch Elektroden verwirk licht sind, die auf diesem Wellenleiter (5, 6) angeordnet sind.

9. Gyrometer mit einem optischen Interferometer zur Messung einer nichtreziproken Phasenverschiebung, die zwischen zwei Strahlungen auftritt, welche in entgegengesetzten Richtungen in einem ringförmigen Wellenleiter umlaufen, mit einer mono chromatischen Lichtquelle (S), Photodetektoren (D, D′) zur Erfassung der Interferenz zwischen diesen Strahlungen und optischen Teiler- und Mischeinrichtungen (M, M′), welche die Enden dieses Wellenleiters direkt mit der Lichtquelle (S) und den Photodetektoren (D, D′) verbinden, sowie mit opti schen, elektrisch gesteuerten Phasenschiebern (45, 46), wel che auf diese Strahlungen einwirken, dadurch gekennzeichnet, daß in den Wellenleiter-Ring (42) wenigstens ein Frequenzum setzer (62, 63) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingefügt ist.

10. Gyrometer, dessen Ring durch eine Lichtleitfaser (52) gebildet ist und dessen Energiequelle (S) und Teiler- und Mischeinrichtungen für die Wellen sowie Detektoren (D′) vollständig in einem Festkörpermedium durch Integration auf einem Substrat gebildet sind, auf welchem zwei Wellenleiter (50, 51) verwirklicht sind, die an ihrem ersten Ende an die Energiequelle (S) angekoppelt bzw. an die Detektoren (D′) angeschlossen sind, während ihre zweiten Enden mit den Enden der Lichtleitfaser (52) verbunden sind, sowie mit wenigstens einem auf dem Substrat integrierten Paar von Elektroden (60, 61), die auf beiden Seiten eines der beiden Wellenleiter an geordnet sind, um einen Phasenmodulator aufgrund eines elek trooptischen Effektes zu bilden; wobei diese Teiler- und Mischeinrichtung durch Integration von Wellenleitern auf einem Substrat gebildet sind und diese Wellenleiter die Form von zwei Y-Elementen haben, welche an einem ihrer Schenkel miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß we nigstens ein Frequenzumsetzer (54, 55) nach einem der An sprüche 1 bis 8 auf diesem Substrat an den zweiten Enden der Wellenleiter angeordnet ist.