NL8801490A - Inrichting voor optische heterodyne detektie en geintegreerde optische komponent geschikt voor toepassing in een dergelijke inrichting. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Inrichting voor optische heterodyne detektie en geïntegreerde optische komponent geschikt voor toepassing in een dergelijke inrichting.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor optische heterodyne of horaodyne detektie van een optische signaalbundel bevattende: een lokale oscillator, ten minste één polarisatiegevoelige bundeldeler voor het splitsen van de signaalbundel in twee ortogonaal gepolariseerde komponenten, ten minste één bundelsamenvoegend element voor het samenvoegen van straling van de signaalbundel met straling afkomstig van de lokale oscillator en een detektiesysteem voor het omzetten van de samengevoegde straling in ten minste één elektrisch signaal geschikt voor verdere verwerking.

Inrichtingen voor optische heterodyne detektie worden toegepast bij optische signaaloverdracht. Door in een heterodyne detektie-inrichting de signaalbundel te mengen met een optische bundel afkomstig van een lokale oscillator wordt een aanzienlijk beter resultaat verkregen met betrekking tot de signaal-ruisverhouding en de discriminatie van achtergrondstraling dan bij direkte detektie van de signaalbundel.

Het principe van heterodyne detektie van optische straling is uitvoerig beschreven in het artikel "Optical Heterodyne Detection* van O.E. DeLange in het tijdschrift "IEEE Spectrum" van oktober 1968, blz. 77-85. Zoals in dit artikel is vermeld is het van belang dat de polarisatietoestanden van de signaalbundel en de lokale oscillatorbundel zoveel mogelijk overeenkomen. Een mogelijke oplossing om dit te bereiken is het splitsen van de signaalbundel in twee deelbundels met een onderling loodrechte en vaste polarisatierichting.

De twee deelbundels worden dan samengevoegd met lokale oscillatorstraling die in dezelfde richting is gepolariseerd.

Voor het splitsen en samenvoegen van de bundels zijn in principe vier komponenten nodig. Twee polarisatiegevoelige bundeldelers voor het splitsen van de signaalbundel en de lokale oscillatorbundel respektievelijk, en twee bundelsamenvoegende elementen voor het samenvoegen van de gevormde deelbundels.

Door eerst de signaalbundel met de lokale oscillatorbundel samen te voegen en pas daarna met een polarisatiegevoelige bundeldeler te splitsen in twee ortogonaal gepolariseerde deelbundels kan een van de bundelsamenvoegende elementen achterwege blijven. Aangezien een bundelsamenvoegend element niet alleen twee ingangen heeft maar noodzakelijkerwijs ook twee uitgangen, blijven er twee polarisatiegevoelige bundeldelers nodig om alle signaalstraling op te vangen en te detekteren.

Het in de praktijk gebruikte bundelsamenvoegend element in een heterodyne ontvanger is een polarisatietoestand behoudende vezeloptische richtingskoppelaar. Een dergelijke koppelaar bestaat uit twee optische golfgeleiders die over een lengte van ongeveer vijf centimeter op een korte afstand van elkaar parallel lopen. Beide uiteinden van iedere golfgeleider zijn gekoppeld aan een optische vezel van enkele tientallen centimeters lengte, de zogenaamde "pigtails". De uiteinden van pigtails zijn gekoppeld met verdere optische vezels voor het toevoeren van de signaal- en lokale oscillatorbundels en voor het verder geleiden van de samengevoegde bundels naar het detektiesysteem. Een dergelijk systeem heeft tamelijk veel ruimte nodig. Niet alleen vanwege de relatief grote lengte van de richtingskoppelaar, maar vooral vanwege de lengte van de pigtails. Deze laatste kunnen weliswaar opgerold worden maar de kromtestraal mag daarbij niet veel minder dan zo'n tien centimeter bedragen zodat de lineaire afmeting van het optische deel van de heterodyne detektor ten minste ongeveer twintig centimeter bedraagt.

Een verder bezwaar van dergelijk systeem is dat in de koppelingen tussen de diverse optische komponenten en optische golfgeleiders verliezen optreden en deze koppelingen dus het over te dragen signaal verzwakken.

De uitvinding heeft tot doel een nieuwe inrichting voor optische heterodyne detektie te verschaffen die slechts weinig ruimte nodig heeft en waarin minder optische verliezen optreden.

Daartoe heeft de inrichting volgens de uitvinding het kenmerk dat de genoemde polarisatiegevoelige bundeldeler en het genoemde bundelsamenvoegend element in één enkele konstruktief geïntegreerde optische komponent zijn bevat. De gelntregreerde optische komponent bevat geen pigtails waardoor de omvang van de detektieinrichting beperkt is. Tevens blijven koppelingen tussen de golfgeleiders die de verbindingen met de overige komponenten vormen achterwege zodat geen stralingsverlies ten gevolge van dergelijke koppelingen optreedt.

Een eerste uitvoeringsvorm van de inrichting voor optische heterodyne detektie volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat de geïntegreerde optische komponent een polarisatiegevoelige bundelsplitsende laag in een eerste vlak bevat en een niet-polarisatiegevoelige bundelsplitsende laag in een tweede vlak waarbij het eerste en het tweede vlak een vrijwel rechte hoek met elkaar maken. In deze eerste uitvoeringsvorm worden de inkomende signaal- en lokale oscillatorbundel eerst door de bundelsplitsende laag ieder gesplitst in twee ortogonaal gepolariseerde deelbundels en worden vervolgens de respektievelijke deelbundels van de signaalbundel samengevoegd met de overeenkomstig gepolariseerde deelbundels van de lokale oscillatorbundel.

Een tweede uitvoeringsvorm van de inrichting voor optische heterodyne detektie volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat de geïntegreerde optische komponent een polarisatiegevoelige bundelsplitsende laag in een eerste vlak bevat en een niet-polarisatiegevoelige bundelsplitsende laag in een tweede vlak waarbij het eerste en het tweede vlak een vrijwel rechte hoek met elkaar maken, welke niet-polarisatiegevoelige bundelsplitsende laag fungeert als bundelsamenvoegend element. Door de signaalbundel en de lokale oscillatorbundel op een andere wijze aan de geïntegreerde optische komponent aan te bieden worden de bundels eerst samengevoegd met behulp van de niet-polarisatiegevoelige bundeldeler en vervolgens gesplitst in ortogonaal gepolariseerde deelbundels. Doordat de invallende bundels slechts op één punt samen hoeven te vallen op het vlak van de niet-polarisatiegevoelige bundeldeler is het uitlijnen van deze uitvoeringsvorm eenvoudiger. Tevens kan een deel van de niet-polarisatiegevoelige bundeldeler achterwege blijven wat een eenvoudigere en goedkopere komponent mogelijk maakt.

Een derde uitvoeringsvorm van de inrichting voor optische heterodyne detektie volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat de geïntegreerde optische komponent twee polarisatiegevoelige bundelsplitsende lagen bevat en één niet-polarisatiegevoelige bundelsplitsende laag waarbij de genoemde bundelsplitsende lagen evenwijdig aan elkaar geplaatst zijn, welke niet-polarisatiegevoelige bundelsplitsende laag fungeert als bundelsamenvoegend element. De optische komponent heeft twee ingangen en vier uitgangen. Aan twee zijden van de komponent zijn daarbij twee in- of uitgangen aangesloten, aan de twee andere zijden is slechts één in- of uitgang aangesloten. Deze uitvoeringsvorm heeft het voordeel dat aan de zijden waar de ingangen zich bevinden zich geen uitgangen bevinden. Daardoor ontstaat een grotere vrijheid voor het aligneren van de signaal- en lokale oscillatorbundel.

De uitvinding wordt nu toegelicht aan de hand van de tekening waarin, figuren 1 en 2 twee inrichtingen voor optische heterodyne detektie tonen aan de hand waarvan de nadelen worden geïllustreerd die door de uitvinding worden ondervangen, figuur 3 een eerste uitvoeringsvorm van de detektieinrichting volgens de uitvinding toont, figuur 4 een tweede uitvoeringsvorm, en figuur 5 een derde uitvoeringsvorm.

In figuur 1 is een inrichting voor optische heterodyne of homodyne detektie schematisch weergegeven. Een stralingsbundel afkomstig van een optische transmissievezel 10 wordt met behulp van een lensje 21 omgezet in een evenwijdige bundel die invalt op een polarisatiegevoelige bundeldeler 20. In de polarisatiegevoelige bundeldeler 20 wordt de signaalbundel gesplitst in twee lineair gepolariseerde deelbundels die via de lensjes 22 en 23 op de uiteinden van twee optische vezels 41 en 43 worden gefokusseerd. De straling uit de ene deelbundel wordt via de vezel 41 naar een ingang van een eerste vezeloptische koppelaar 51 geleid. De straling uit de andere deelbundel wordt via de vezel 43 naar een ingang van een tweede vezeloptische koppelaar 52 geleid. Beide vezeloptische koppelaars hebben een tweede ingang waaraan op analoge wijze lineair gepolariseerde straling afkomstig van een lokale oscillator 11 wordt aangeboden. De in de lokale oscillator 11 opgewekte straling valt via de lens 12, de vezel 13 en de lens 31 in op een tweede polarisatiegevoelige bundeldeler 30, die de straling splitst in twee lineair gepolariseerde komponenten die via het lensje 33 en de vezel 42, respektievelijk het lensje 32 en de vezel 44, aan de andere ingang van de vezeloptische koppelaar 51, respektievelijk 52, worden toegevoerd. In de vezeloptische koppelaars wordt de straling afkomstig van de twee ingangen samengevoegd en de samengevoegde straling verlaat de koppelaars via de twee uitgangen. De samengevoegde deelbundels worden via de vezels 61, 62, 63 en 64 verder geleid naar opto-elektrische omzetters 71, 72, 73 en 74.

Aangezien de twee uitgangssignalen uit een vezeloptische koppelaar met elkaar in tegenfase zijn worden de elektrische uitgangssignalen van de twee opto-elektrische omzetters die straling uit een koppelaar ontvangen gekombineerd door deze signalen toe te voegen aan een verschilversterker. De signalen van de omzetters 71 en 72 worden gekombineerd in een verschilversterker 81, die uit de omzetters 73 en 74 in de verschilversterker 82. Tenslotte worden de uitgangssignalen van de verschilversterkers 81 en 82 gekombineerd in de schakeling 90, waarvan de uitgang een elektrisch signaal is dat met dezelfde informatie gemoduleerd is als het optische transmissiesignaal dat via de transmissievezel 10 aan de inrichting wordt aangeboden.

In figuur 2 is een alternatieve inrichting voor optische heterodyne of homodyne detektie schematisch getoond. De getoonde inrichting komt gedeeltelijk overeen met de in figuur 1 getoonde uitvoeringsvorm. Dezelfde delen zijn met identieke referentietekens aangegeven en zullen derhalve niet verder worden besproken.

In figuur 2 doorloopt de straling van de signaalbundel en de lokale oscillatorbundel eerst de vezeloptische koppelaar 53, waarna-de twee uittredende bundels met samengevoegde straling via de vezels 45 en 46 en de lensjes 25 en 35 invallen op de polarisatiegevoelige bundeldelers 24 en 34. Ieder van de bundeldelers levert twee lineair en ortogonaal gepolariseerde deelbundels die via de lensjes 26, 27, 36 en 37 en de vezels 61, 63, 64 en 62 naar de opto-elektrische omzetters 71, 73, 74 en 72 worden geleid. De verwerking van de elektrische uitgangssignalen van de omzetters verloopt verder op identieke wijze als bij de inrichting volgens figuur 1. Ten opzichte van figuur 1 bevat de inrichting volgens figuur 2 een vezeloptische koppelaar minder.

De twee getoonde inrichtingen hebben als bezwaar de aanwezigheid van de vezeloptische koppelaars en de daarmee verbonden aansluitvezels, de zogenaamde pigtails. De pigtails zijn enkele tientallen centimeters lang en kunnen niet in scherpe bochten gebogen worden. Daardoor neemt een dergelijke heterodyne detektieinrichting tamelijk veel ruimte in beslag, een typische lineaire afmeting is ongeveer 20 centimeter.

In figuur 3 is een eerst uitvoeringsvoorbeeld van de inrichting voor optische heterodyne detektie volgens de uitvinding getoond. De polarisatiegevoelige bundeldelers en de vezeloptische koppelaars zijn samengebracht in een enkele geïntegreerde optische komponent 140. Deze komponent bevat twee vlakken 141 en 142 die een rechte hoek met elkaar maken. In het vlak 141 is een polarisatiegevoelige bundeldelende laag aangebracht, in het vlak 142 een bundeldelende laag die niet polarisatiegevoelig is. Via het lensje 121 wordt de signaalbundel vanuit de transmissievezel 110 aan de komponent toegevoerd. Analoog wordt de lokale oscillatorbundel vanuit de lokale oscillator 111, via het lensje 112, de vezel 113 en het lensje 131 aan de komponent toegevoerd. Beide bundels worden door de bundelsplitsende laag in het vlak 141 in twee deelbundels met onderling loodrechte polarisatierichting gesplitst. In de figuur is dit weergegeven met de symbolen (||) en (1) waarbij de polarisatierichting van de rechtdoorgaande bundels de evenwijdige richting (||) genoemd wordt en de polarisatierichting van de aan het vlak 141 gereflekteerde bundels de loodrechte richting (1). De twee deelbundels met een evenwijdige polarisatierichting worden ieder op dezelfde plaats in het vlak 142 door de niet polarisatiegevoelige bundeldeler gesplitst waarbij het rechtdoorgaande deel van de signaalbundel samenvalt met het gereflekteerde deel van de lokale oscillatorbundel en vice versa. De niet-polarisatiegevoelige bundeldelende laag fungeert dus als bundelsamenvoegend element. De twee resulterende samengevoegde deelbundels worden via de lensjes 122 en 123 en de vezels 161 en 162 naar de opto-elektrische omzetters 171 en 172 gevoerd. Op analoge wijze worden de loodrecht gepolariseerde deelbundels van de lokale oscillatorbundel en de signaalbundel samengevoegd en via de lensjes 132 en 133 en de vezels 163 en 164 naar de opto-elektrische omzetters 173 en 174 geleid. De verwerking van de elektrische uitgangssignalen van de opto-elektrische omzetters verloopt met behulp van de verschilversterkers 181 en 182 en de kombinatieschakeling 190 op identieke wijze als beschreven bij figuur 1.

In figuur 4 is een tweede uitvoeringsvoorbeeld van de inrichting volgens de uitvinding getoond. In dit uitvoeringsvoorbeeld worden de signaalbundel en de lokale oscillatorbundel dusdanig aan de optische komponent 140 aangeboden dat deze bundels eerst op dezelfde plaats op het vlak 142 met de niet-polarisatiegevoelige bundeldelende laag vallen en vervolgens in het vlak 141 in ortogonaal gepolariseerde deelbundels gesplitst worden.

Zowel de lokale oscillatorbundel als de signaalbundel worden in het vlak 142 gesplitst in een rechtdoorgaande deel en een gereflekteerd deel. Het rechtdoorgaande deel van de signaalbundel valt daarbij samen met het gereflekteerde deel van de lokale-oscillatorbundel en het gereflekteerde deel van de signaalbundel met het rechtdoorgaande deel van de lokale oscillatorbundel. De lineair gepolariseerde deelbundelsr afkomstig van de polarisatiegevoelige bundeldelende laag in het vlak 141 worden via de lensjes 122, 123, 132 en 133 en de vezels 161, 162, 163 en 164 respektievelijk, verder geleid naar de opto-elektrische omzetters 17T, 172, 173 en 174. De elektrische uitgangssignalen van deze opto-elektrische omzetters worden via de verschilversterkers 181 en 182 en de kombinatieschakeling 190 omgezet in een elektrisch uitgangssignaal geschikt voor verdere verwerking.

Deze uitvoeringsvorm heeft het voordeel dat straling afkomstig van de signaalbundel slechts op één plaats in het vlak 142 binnen de optische komponent samen moet vallen met straling afkomstig van de lokale oscillator. Het uitlijnen van de bundels ten opzichte van de optische komponent en ten opzichte van elkaar is dus eenvoudiger. Verder heeft deze uitvoeringsvorm het voordeel dat de niet-polarisatiegevoelige bundeldeler slechts aan één zijde van het vlak 141 hoeft te worden aangebracht. De optische komponent kan dus uit slechts drie delen worden samengesteld, wat de produktie van de komponent eenvoudiger en de komponent dus goedkoper maakt.

In figuur 5 is een derde uitvoeringsvorm van de inrichting voor heterodyne detektie van de signaalbundel volgens de uitvinding getoond. Bij deze uitvoeringsvorm kan de optische komponent 140 samengesteld worden gedacht uit drie bundeldelers 143, 144 en 145.

Het grondvlak van ieder van deze bundeldelers is vierkant en ieder van de bundeldelers is samengesteld uit twee driehoekige prisma's met een rechte tophoek waarbij de schuine zijden van de prisma's tegen elkaar zijn geplaatst. Tussen de twee driehoeken bevindt zich een bundeldelende laag. Bij de bundeldeler 143 is deze laag niet polarisatiegevoelig, bij de andere twee bundeldelers 144 en 145 is dit een polarisatiegevoelige bundeldelende laag. De bundeldelende lagen van de drie bundeldelers zijn evenwijdig aan elkaar geplaatst. Voor het overige is deze uitvoeringsvorm identiek aan de bij figuur 4 beschreven uitvoeringsvorm. Vergelijkbare komponenten zijn met dezelfde referentietekens aangeduid en de werking van de inrichting zal na lezing van de voorgaande uitvoeringsvormen duidelijk zijn en derhalve hier niet worden herhaald.

Deze uitvoeringsvorm heeft het voordeel dat aan de zijden van de optische komponent 140, waar de lokale oscillatorbundel en de signaalbundel zijn gekoppeld, geen andere optische vezels zijn gekoppeld. Hierdoor is het aligneren van de ingangsbundels eenvoudiger. Dit voordeel speelt in het bijzonder mee in een experimentele situatie waarbij de resultaten van verschillende soorten koppelingen worden geëvalueerd, welke koppelingen na elkaar worden aangebracht.

Opgemerkt wordt dat de oriëntatie van de bundeldelers 144 en 145 willekeurig gekozen kan worden rond een as 144', of 145' respektievelijk, die samenvalt met de hoofdstraal van de signaalbundel of de lokale oscillatorbundel.

Claims (5)

1. Inrichting voor het optische heterodyne of homodyne detektie van een optische signaalbundel bevattende: een lokale oscillator, ten minste één polarisatiegevoelige bundeldeler voor het splitsen van de signaalbundel in twee ortogonaal gepolariseerde komponenten, ten minste één bundelsamenvoegend element voor het samenvoegen van straling van de signaalbundel met straling afkomstig van de lokale oscillator en een detektiesysteem voor het omzetten van de samengevoegde straling in ten minste één elektrisch signaal geschikt voor verdere verwerking, met het kenmerk, dat de genoemde polarisatiegevoelige bundeldeler en het genoemde bundelsamenvoegend element in één enkele konstruktief geïntegreerde optische koraponent zijn bevat.

2. Inrichting volgens konklusie 1, met het kenmerk, dat de geïntegreerde optische komponent een polarisatiegevoelige bundelsplitsende laag in een eerste vlak bevat en een niet-polarisatiegevoelige bundelsplitsende laag in een tweede vlak waarbij het eerste en het tweede vlak een vrijwel rechte hoek met elkaar maken, welke niet-polarisatiegevoelige bundelsplitsende laag fungeert als bundelsamenvoegend element.

3. Inrichting volgens konklusie 2, met het kenmerk, dat de niet-polarisatiegevoelige bundelsplitsende laag slechts aan één zijde van het eerste vlak is aangebracht.

4. Inrichting volgens konklusie 1, met het kenmerk, dat de geïntegreerde optische komponent twee polarisatiegevoelige bundelsplitsende lagen bevat en een niet-polarisatiegevoelige bundelsplitsende laag waarbij de genoemde bundelsplitsende lagen evenwijdig aan elkaar geplaatst zijn, welke niet-polarisatiegevoelige bundelsplitsende laag fungeert als bundelsamenvoegend element.

5. Geïntegreerde optische komponent geschikt voor toepassing in een inrichting volgens één van de voorgaande konklusies.