DE69219796T2

DE69219796T2 - Depolarisationsvorrichtung für elektromagnetische strahlung

Info

Publication number: DE69219796T2
Application number: DE69219796T
Authority: DE
Inventors: Dale Lutz
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1991-08-29
Filing date: 1992-08-10
Publication date: 1997-11-27
Anticipated expiration: 2012-08-11
Also published as: ES2101112T3; MX9204883A; EP0694180B1; WO1993005430A1; DE69219796D1; JPH06510140A; CA2111091A1; US5218652A; EP0694180A1

Description

Allgemeiner Stand der Technik

Viele der Lichtquellen, die allgemein für Anwendungen auf dem Gebiet der Faseroptik eingesetzt werden, erzeugen hoch polarisiertes Licht, wobei dies insbesondere für Monomodefasern gilt. Dies gilt ferner speziell für Laser. In vielen Fällen wird jedoch unpolarisiertes Licht verlangt. Zum Beispiel weisen einige Lichterfassungssysteme eine Empfindlichkeit auf, die teilweise von der Polarisation des Lichts abhängig ist, das sie erfassen. Wenn alternativ eine Polarisationsfaser, wie etwa die in EP-A-414369 beschriebene Faser, in Verbindung mit einer polarisierten Quelle eingesetzt werden soll, so wird die aus der Faser austretende Lichtmenge ins Verhältnis zu der Polarisationsausrichtung des eintretenden Lichts in bezug auf die Doppelbrechungsachse der Faser gesetzt. Somit muß diese Ausrichtung bei Berechnungen der Lichtstärke des aus einem Polarisationsfasern verwendenden Systems austretenden Lichts berücksichtigt werden. Diese Ausrichtung stellt hingegen keinen Faktor dar, wenn das in die Polarisationsfaser eintretende Licht unpolarisiert ist.
Für eine entsprechende Würdigung der dem Stand der Technik entsprechenden Depolarisationssysteme ist es notwendig, zu verstehen, daß es sich bei unpolarisiertem Licht nicht um ein Licht handelt, dem eine Polarisation fehlt. Vielmehr handelt es sich dabei um Licht, bei dem sich der momentane Polarisationszustand außerordentlich schnell verändert, so daß kein bestimmter Polarisationszustand besonders bevorzugt werden kann. Bei einem Verfahren, das früher wirksam für die Erzeugung von unpolarisiertem Licht eingesetzt worden ist, wird ein polarisierter Strahl in eine Mehrzahl von Teilstrahlen geteilt, wobei die Strahlen danach wieder verknüpft werden, um auf der Fläche eines Detektors ein wechselndes Muster von Polarisationszuständen zu erzeugen. Dieses Verfahren eignet sich im allgemeinen nicht für Monomode-Lichtwellenleiter, da dieses Verfahren einen räumlichen Mittelwert über eine vergleichsweise große Fläche mit sich bringt.
Bei einem zweiten Versuch wird an Stelle eines räumlichen Mittelwertes ein zeitlicher Mittelwert vorgesehen. Dies wird dadurch realisiert, daß die Doppelbrechung eines Lichtwellenleiters, durch den das Licht verläuft, mit einer höheren Frequenz verändert wird als die Ansprechzeit eines eingesetzten Detektors. Dieser Versuch ist in Verbindung mit Lichtwellenleitern zwar nützlich, jedoch ist dabei die zusätzliche Komplexität eines aktiven Systems erforderlich. Ein passiver Depolarisator würde hierbei bevorzugt werden. Ein passiver Depolarisator ist aus dem U.S. Patent US-A-4.572.608 bekannt.
In dem U.S. Patent US-A-4.968.112 (Lovely u.a.) wird ein Lithiumniobat (V)-Wellenleiter eingesetzt. Ein derartiger Wellenleiter verzögert Licht mit einem Polarisationszustand im Verhältnis zu Licht mit einem anderen Polarisationszustand. Der Wellenleiter wird mit einer entsprechenden Länge ausgewählt, die dafür sorgt, daß die Verzögerung ausreicht, um die Phasenkohärenz der beiden Zustände zu zerstören. Wenn die Kohärenzzeit der Lichtquelle bei einem derartigen System lang ist, so führt dies zu dem Problem, daß der entsprechende Wellenleiter übermäßig lang ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet ein Depolarisator einen Lichtwellenleiterkoppler. Der Koppler umfaßt erste und zweite Eingangsfasern, erste und zweite Ausgangsfasern sowie einen Kopplungsbereich. Die zweite Ausgangsfaser und die zweite Eingangsfaser werden so positioniert, daß aus der zweiten Ausgangsfaser austretendes Licht in die zweite Eingangsfaser eingeführt wird, so daß ein Rezirkulationskreis gebildet wird.
Anders ausgedrückt wird das entlang einem ersten Lichtwellenleiter verlaufende Licht in zwei Teilstrahlen geteilt. Ein Teilstrahl verbleibt in der ersten Faser, während der andere Teilstrahl in einen Rezirkulationskreis eintritt. Der Polarisationszustand des Lichts in dem Rezirkulationskreis wird verändert, und das Licht wird an einer Position wieder in die erste Faser eingeführt, die sich vor der Position befindet, an der die Teilung vollzogen worden ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Figur 1 einen erfindungsgemäßen Depolarisator; und
Figur 2 eine Vorrichtung zur Modifikation des Polarisationszustandes von Licht, das durch einen Lichtwellenleiter tritt, wobei diese Vorrichtung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann.

Genaue Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Bei der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Lichtwellenleiterkoppler 10 die Eingangs-Lichtwellenleiter 12 und 14 sowie die Ausgangs-Lichtwellenleiter 16 und 18. Diese treffen in einem Kopplungsbereich 22 zusammen. Das Licht von einer Quelle polarisierten Lichts 24 wird in die Eingangsfaser 12 eingeführt. Das Licht kann direkt über die Quelle polarisierten Lichts 24 oder über einen weiteren Lichtwellenleiter gekoppelt werden. In dem Kopplungsbereich 22 wird das Licht zwischen den Ausgangsfasern 16 und 18 geteilt. Die Ausgangsfaser 18 ist durch eine Spleißverbindung 26 mit der Eingangsfaser 14 verbunden, so daß ein Kreis 28 gebildet wird. Das in dem Kreis 28 zirkulierende bzw. umlaufende Licht tritt somit erneut in den Kopplungsbereich 22 ein und wird zwischen den Fasern 16 und 18 erneut verteilt.
Bei der Spleißverbindung 26 kann es sich um jede für gewöhnlich in Verbindung mit Monomode-Lichtwellenleitern verwendete Spleißverbindung handeln, einschließlich Fusions- Spleißverbindungen. Die Spleißverbindung ist alternativ nicht unbedingt erforderlich. Bei Versuchen wurden die Enden der Eingangsfaser 14 und der Ausgangsfaser 18 ohne eine Spleißverbindung dicht aneinander gebracht. Das Hauptmerkmal ist es, daß das in der Ausgangsfaser 18 verlaufende Licht in die Eingangsfaser 14 eingeführt wird. Der Einsatz einer Spleißverbindung verbessert jedoch die Kopplungseffizienz sowie somit die Leistungsfähigkeit des Depolarisators.
In dem Kreis 28 muß ein gewisses System zur Veränderung des Polarisationszustands vorgesehen sein, um den gewünschten Depolarisationseffekt vorzusehen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt dies durch den Einsatz eines Kopplers, der den Polarisationszustand aufrecht erhält, als Lichtwellenleiterkoppler 10. In dem U.S. Patent US-A-4.906.068 wird ein den Polarisationszustand aufrecht erhaltender Koppler beschrieben, der bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Die Lichtwellenleiter eines den Polarisationszustand aufrecht erhaltenden Kopplers sind doppelbrechend, wodurch sie Achsen vorsehen, die als "schnelle" und "langsame" Achsen bekannt sind. Dabei handelt es sich um Achsen, entlang denen die Faser höhere bzw. niedrigere Brechungsindizes aufweist. Die Spleißverbindung 26 ist so angeordnet, daß die schnelle Achse der Ausgangsfaser 18 zu der schnellen Achse der Eingangsfaser 14 einen von Null abweichenden Winkel bildet. Dies bedeutet natürlich, daß die langsame Achse der Ausgangsfaser 18 zu der langsamen Achse der Eingangsfaser 14 den gleichen von Null abweichenden Winkel bildet. In der Theorie ist es möglich, jeden von Null abweichenden Winkel funktionsfähig einzusetzen, wobei im allgemeinen Winkel mit weniger als 45 Grad keine ausreichende Polarisationsmischung zur vollständigen Depolarisierung des Lichts vorsehen. Allgemein gilt, daß Winkel im Bereich von 45 Grad bis 90 Grad bevorzugt werden. Wahrscheinlich ist ein Winkel von 90 Grad mathematisch am einfachsten zu beschreiben und somit auch am einfachsten zu konstruieren.
Die Länge der Faser in dem Kreis 28 ist vorzugsweise größer als die Kohärenzlänge der Lichtquelle. Unter Umständen beeinträchtigt das Verhältnis der Phasenwinkel des aus den Eingangsleitungen 12 und 14 in den Kopplerkörper eintretenden Lichts die Spleißverbindungswinkel, das Verhältnis des durch den Kopplungsbereich 22 tretenden Lichts, das jeweils in die Ausgangsfasern 16 und 18 gekoppelt wird, sowie die Länge der Faser in dem Kreis 28, die für eine vollständige Depolarisation erforderlich ist. Diese Abhängigkeit von den Phasenwinkeln tritt dann nicht auf, wenn die Länge des Kreises größer ist als die Kohärenzlänge der Lichtquelle. Somit wird es allgemein bevorzugt, daß der Kreis 28 eine Länge aufweist, die größer ist als die Kohärenzlänge der Quelle.
Bei den meisten dem Stand der Technik entsprechenden Lichtwellenleitern wird normalerweise verlangt, daß das Kopplungsverhältnis 1:1 beträgt, d.h., die Hälfte des durch den Kopplungskörper 22 tretenden Lichts wird in jede der Ausgangsfasern 16 und 18 gekoppelt. Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Polarisator nicht unbedingt erforderlich. Versuche haben ergeben, daß das aus der Ausgangsfaser 16 austretende Licht bei einem Kopplungsverhältnis von 1:1 im allgemeinen nicht vollständig depolarisiert wird. Das genaue erforderliche Kopplungsverhältnis wird durch eine Mehrzahl von Faktoren bestimmt, zu den speziell der Spleißverbindungswinkel und die Spleißverbindungseffizienz gehören. Im allgemeinen sieht ein Kopplungsverhältnis von 2:1 gute Ergebnisse vor, wobei unter gewissen Umständen ein Kopplungsverhältnis von bis zu 9:1 wünschenswert sein kann. In all diesen Fällen wird der größere Teil des Lichts in den Rezirkulationskreis 28 gekoppelt.
Zur Ermittlung des gewünschten Kopplungsverhältnisses für den Lichtwellenleiterkoppler 10 kann die folgende Formel verwendet werden:
In dieser Gleichung bezeichnet P den Polarisationsgrad des Lichts, wobei C für den Teil des Lichts steht, der durch den Kopplungsbereich 22 tritt und in die Ausgangsfaser 18 übermittelt wird. Diese Gleichung wird dadurch vereinfacht, daß angenommen wird, daß die Länge des Kreises 28 größer ist als die Kohärenzlänge der Lichtquelle, daß die schnelle Achse der Ausgangsfaser 18 senkrecht zu der schnellen Achse der Eingangsfaser 14 ist, und daß der Lichtverlust in dem Kreis 28 und in der Spleißverbindung 16 vernachlässigt werden kann. Wenn die Gleichung für einen Polarisationsgrad von Null aufgelöst wird, wobei dieser Wert vollständig unpolarisiertem Licht entspricht, wird dadurch angezeigt, daß die Ausgangsfaser 18 zwei Drittel des durch den Kopplungsbereich 22 tretenden Lichts empfangen muß. Dies entspricht einem bevorzugten Kopplungsverhältnis von 2:1. Im allgemeinen sorgen Abweichungen von den obengenannten Annahmen bzw. Voraussetzungen dafür, daß die Berechnungen komplizierter werden, und daß sich der Anteil des Lichts erhöht, der in die Ausgangsfaser 18 übermittelt werden muß. Hiermit wird festgestellt, daß das Kopplungsverhältnis bei der Auswahl eines Kopplers auf der Basis einer derartigen Berechnung häufig stark von der Wellenlänge abhängig ist, und wobei der Koppler unbedingt mit Licht mit der verwendeten Wellenlänge getestet werden sollte.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung muß es sich bei dem Lichtwellenleiterkoppler 10 nicht um einen Koppler handeln, der die Polarisation aufrecht erhält. Der Vorteil dabei ist es, daß für die Polarisation aufrecht erhaltende Koppler Lichtwellenleiter verwendet werden müssen, die die Polarisation aufrecht erhalten, wobei diese Fasern allgemein teuerer sind als Standardfasern, und wobei diese Fasern bei der Herstellung sorgfältig behandelt werden müssen, um zu gewährleisten, daß die schnellen und langsamen Achsen der beiden fusionierten Fasern entsprechend ausgerichtet sind. Statt dessen wird in den Kreis 28 eine andere Vorrichtung zur Veränderung der Polarisation eingebaut.
In Figur 2 ist eine den Polarisationszustand verändernde Vorrichtung dargestellt, die in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung funktionsfähig eingesetzt werden kann, wobei bei dieser Vorrichtung ein den unpolarisierten Zustand aufrecht erhaltender Lichtwellenleiterkoppler eingesetzt wird, wobei diese Vorrichtung in "Single-Mode Fibre Fractional Wave Devices and Polarization Controllers", von H.C. Lefevre, Electronic Letters, Band 16, Nr. 20, 778(1980), genauer beschrieben wird. Diese Vorrichtung zur Veränderung des Polarisationszustandes ist teilweise als Dreifach-Verzögerer bekannt. Bei einer solchen Vorrichtung ist ein Lichtwellenleiter 30 einmal um eine erste Spule 32, zweimal um eine zweite Spule 34 und einmal um eine dritte Spule 36 gewickelt. Diese Spulen werden dann im Verhältnis zueinander verdreht, bis die Ausrichtung der durch die Kreise im Verhältnis zueinander erzeugten spannungsinduzierten Doppelbrechungsachsen das gewünschte Ausmaß der Polarisationsveränderung vorsieht. Bei der vorliegenden Erfindung ist dies dann der Fall, wenn die Polarisation des von der Ausgangsfaser 16 emittierten Lichts so gering wie möglich ist. Das Ausmaß der erforderlichen Verdrehung ist von der Größe der Kreise abhängig, sowie davon, wie dicht diese gewickelt sind, von der Wellenlänge des eingesetzten Lichts sowie von den Eigenschaften der Faser an sich. Die Vorrichtung aus Figur 2 kann an jeder Stelle in dem Kreis 28 vorgesehen werden, d.h. in der Ausgangsfaser 18, in der Eingangsfaser 14 oder teilweise in beiden Fasern.

Claims

1. Depolarisator für elektromagnetische Strahlung, wobei der genannte Depolarisator folgendes umfaßt:

einen Lichtwellenleiterkoppler (10), der erste und zweite Eingangsfasern (12; 14), erste und zweite Ausgangsfasern (16; 18) und einen Kopplungsbereich (22) aufweist, wobei alle genannten Fasern (12, 14, 16, 18) mit dem genannten Kopplungsbereich (22) verbunden sind, wobei die genannte erste Eingangsfaser (12) als ein Eingang des Depolarisators dient, und wobei der genannte erste Ausgang (16) als ein Ausgang des Depolarisators dient, und wobei die genannte zweite Eingangsfaser (14) und die genannte zweite Ausgangsfaser (18) so positioniert sind, daß aus der genannten zweiten Ausgangsfaser (18) austretendes Licht in die genannte zweite Eingangsfaser (14) eintritt, so daß ein Rezirkulationskreis (28) gebildet wird; und

eine Einrichtung (26; 32, 34, 36) zur Veränderung des Polarisationszustandes des Lichts in dem genannten Rezirkulationskreis (28).

2. Depolarisator nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem genannten Koppler (10) um einen die Polarisation aufrechterhaltenden Koppler handelt, der aus einem doppelbrechenden Lichtwellenleiter hergestellt wird, und wobei jede der genannten Fasern (12, 14, 16, 18) eine zugeordnete Doppelbrechungs achse aufweist.

3. Depolarisator nach Anspruch 2, wobei die genannte Einrichtung zur Veränderung des Polarisationszustandes des Lichts dadurch gebildet wird, daß die Doppelbrechungsachse der genannten zweiten Ausgangsfaser (18) in einem von Null abweichenden Winkel zu der Doppelbrechungsachse der genannten zweiten Eingangsfaser (14) angeordnet wird.

4. Depolarisator nach Anspruch 3, wobei der genannte von Null abweichende Winkel im Bereich von 45 Grad bis 90 Grad liegt.

5. Depolarisator nach Anspruch 4, wobei der genannte von Null abweichende Winkel gleich 90 Grad ist.

6. Depolarisator nach Anspruch 1, wobei der genannte Depolarisator ferner eine Quelle (24) polarisierten Lichts mit einer entsprechenden Kohärenzlänge umfaßt, wobei die genannte Lichtquelle so positioniert wird, daß sie Licht in die genannte erste Eingangsfaser (12) einführen kann, und wobei der genannte Rezirkulationskreis (28) länger ist als die genannte Kohärenzlänge.

7. Depolarisator nach Anspruch 1, wobei die genannte Einrichtung zur Modifizierung bzw. zur Veränderung des Polarisationszustandes einen Dreifach-Verzögerer umfaßt, der drei Spulen (32, 34, 36) aufweist, die im Verhältnis zueinander so zusammengedreht sind, daß sie das gewünschte Ausmaß der Polarisationsverschiebung vorsehen.

8. Depolarisator nach Anspruch 1, wobei die genannte zweite Ausgangsfaser (18) und die genannte zweite Eingangsfaser (14) durch eine Lichtwellenleiter-Spleißverbindung (26) miteinander verbunden sind.

9. Depolarisator nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei Drittel des durch den genannten Kopplungsbereich (22) tretenden Lichts in die genannte zweite Ausgangsfaser (18) geleitet wird.

10. Verfahren zur Depolarisierung eines Lichtsstrahls mit einem Polarisationszustand, der in einem ersten Lichtwellenleiter (12) verläuft, wobei das genannte Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Teilen des genannten Strahls in erste und zweite Teilstrahlen, wobei jeder der genannten Teilstrahlen den genannten Polarisationszustand des genannten Strahls aufrecht erhält, wobei der genannte erste Teilstrahl in dem genannten ersten Lichtwellenleiter (16) Fortsetzung findet, und wobei der genannte zweite Teilstrahl in einen Rezirkulationskreis (28) eingeführt wird, wobei die genannte Teilung an einer ersten Position entlang der genannten Faser eintritt;

Modifikation des genannten Polarisationszustandes des genannten zweiten Teilstrahls; und

Wiedereinführung des genannten zweiten Teilstrahls in den genannten ersten Lichtwellenleiter, und zwar an einer Position, die der genannte Strahl vor dem Erreichen der genannten ersten Position passiert hat.